JP7441092B2 - ニッケル亜鉛二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、ニッケル亜鉛二次電池に関するものである。
ニッケル亜鉛二次電池、空気亜鉛二次電池等の亜鉛二次電池では、充電時に負極から金属亜鉛がデンドライト状に析出し、不織布等のセパレータの空隙を貫通して正極に到達し、その結果、短絡を引き起こすことが知られている。このような亜鉛デンドライトに起因する短絡は繰り返し充放電寿命の短縮を招く。
上記問題に対処すべく、水酸化物イオンを選択的に透過させながら、亜鉛デンドライトの貫通を阻止する、層状複水酸化物(LDH)セパレータを備えた電池が提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池においてLDHセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2016/076047号)には、樹脂製外枠に嵌合又は接合されたLDHセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。また、この文献にはLDHセパレータが多孔質基材と複合化されうることも開示されている。さらに、特許文献3(国際公開第2016/067884号)には多孔質基材の表面にLDH緻密膜を形成して複合材料を得るための様々な方法が開示されている。この方法は、多孔質基材にLDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、原料水溶液中で多孔質基材に水熱処理を施してLDH緻密膜を多孔質基材の表面に形成させる工程を含むものである。特許文献4(国際公開第2019/077953号)には、正極板、負極板、LDHセパレータ及び電解液を含む電池要素を備え、かつ、正極集電タブと負極集電タブを介して互いに反対の側から集電可能とされている、亜鉛二次電池が開示されており、2以上の電池要素をケースに収容した積層電池の形態が好ましいことも記載されている。
ところで、酸化銀電池やアルカリマンガン電池において、亜鉛負極から発生する水素ガスを抑制又は吸収する技術が知られている。例えば、特許文献5(特開2002-93427号公報)には、酸化銀又は二酸化マンガンである正極活物質に銀ニッケライト(AgNiO)を添加することで、亜鉛から発生する水素ガス(H)を吸収して内圧の上昇や電池の膨らみを抑制できることが記載されている。特許文献6(特開平11-162474号公報)には、アルカリマンガン乾電池内に、銀ニッケライト(AgNiO)で作製された水素ガス吸収ペレットを配置することで、電池内の圧力の過度な増大及び電池からの漏液や破裂を防止することが開示されている。特許文献7(特開昭57-849号公報)には、アルカリ溶液中でNiOOHとAgOを反応させることでAgNiOが生成すること、また、この物質が陽極(正極)活物質として有用であることが記載されている。
国際公開第2013/118561号 国際公開第2016/076047号 国際公開第2016/067884号 国際公開第2019/077953号 特開2002-93427号公報 特開平11-162474号公報 特開昭57-849号公報
ところで、ニッケル亜鉛二次電池は、水酸化カリウム水溶液等の水系電解液を用いる点で、可燃性の有機溶媒を含む非水系電解液を用いる電池と比べて、安全性が格段に高いものである。ニッケル亜鉛二次電池における放電反応は以下のとおりであり、充電反応はその逆となる。
・正極: NiOOH+HO+e→Ni(OH)+OH
・負極: Zn+2OH→ZnO+HO+2e
しかし、正極及び負極ともに充電状態からの自己放電(自己分解)が自然発生する。自己放電の反応式は以下のとおりであり、自己分解の際には電解液のHOが分解され、Oガス及びHガスが発生する。
・正極: NiOOH+1/2HO→Ni(OH)+1/4O
・負極: Zn+HO→ZnO+H
Ni正極及びZn負極で発生したOガス及びHガスはそれぞれZn負極及びNi正極で吸収されるため、通常は一方の電極で発生したガスがもう一方の電極を酸化(Zn→ZnO)又は還元(NiOOH→Ni(OH))し、余剰なガスは発生しない。しかし、特許文献1~4に開示されるようなニッケル亜鉛二次電池で適用されている緻密なLDHセパレータは水酸化物イオン(OH)しか通さず、ガスを透過しない。これまでの実験よりZn負極の方がNi正極よりも自己放電速度が速いことが判明しており、長期保存した電池の密閉容器内にはHガスが充満しうることになる。仮にこの状態でHガスが放出されないまま静電気等の着火源が存在してしまった場合、引火の危険性がある。また、自己放電の際に電解液内のHOが分解されるため、長期にわたりで電池を使用した場合には自己放電反応によって電解液の枯渇(ドライアップ)が起きる可能性がある。電解液の枯渇(ドライアップ)が起こると電池の抵抗が上昇して電池として機能しなくなるため、電池の寿命を早める一つのモードであるといえる。
本発明者らは、今般、ニッケル亜鉛二次電池の密閉容器内の上部余剰空間(ただし負極と電気的に接続する位置を除く)に所定の水素吸収剤を配置することにより、長期保存に伴う水素ガス発生量を、電池系に悪影響を与えることなく、効果的に低減できるとの知見を得た。
したがって、本発明の目的は、長期保存に伴う水素ガス発生量を、電池系に悪影響を与えることなく、効果的に低減可能なニッケル亜鉛二次電池を提供することにある。
本発明の一態様によれば、正極と、負極と、前記正極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、電解液とを密閉容器中に備えた、ニッケル亜鉛二次電池であって、
前記密閉容器が、前記正極、前記負極、前記セパレータ及び前記電解液の上方に上部余剰空間を有し、前記上部余剰空間(ただし前記負極と電気的に接続する位置を除く)に、AgO、AgNiO、及びAgCoNi(式中、x+y+z=2)からなる群から選択される水素吸収剤が配置された、ニッケル亜鉛二次電池が提供される。
本発明によるニッケル亜鉛二次電池の一例を示す模式断面図である。 図1に示されるニッケル亜鉛電池のA-A’線断面を模式的に示す図である。 本発明によるニッケル亜鉛二次電池の他の一例を示す模式断面図である。 例1~43で用いたガス量測定系を示す正面図である。 図4Aに示されるガス量測定系の側面図である。 図4Aに示されるガス量測定系の上面図である。 図4Aに示されるガス量測定系のシリンダー部分における流動パラフィンの液面に基づくガス量の体積変化の算出を説明するための図である。
図1及び2に本発明のニッケル亜鉛二次電池の一態様を示す。図1及び2に示されるように、ニッケル亜鉛二次電池10は、電池要素11を密閉容器20中に備えたものであり、電池要素11は、正極12と、負極14と、正極12と負極14とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータ16と、電解液18とを含む。密閉容器20は、正極12、負極14、セパレータ16及び電解液18の上方に上部余剰空間22を有し、上部余剰空間22(ただし負極14と電気的に接続する位置を除く)に、AgO、AgNiO、及びAgCoNi(式中、x+y+z=2)からなる群から選択される水素吸収剤24が配置されている。このようにニッケル亜鉛二次電池10の密閉容器20内の上部余剰空間22(ただし負極14と電気的に接続する位置を除く)に所定の水素吸収剤24を配置することにより、長期保存に伴う水素ガス発生量を、電池系に悪影響を与えることなく、効果的に低減することができる。
前述のとおり、特許文献1~4に開示されるようなLDHセパレータは水酸化物イオン(OH)しか通さず、ガスを透過しないため、長期保存時において(何らの対応策も講じなければ)密閉容器20内には自己放電により発生したHガスが充満することになる。密閉容器20内におけるHガスの充満は、引火の危険性や電解液の枯渇(ドライアップ)を招き、結果として電池の寿命を早める。この点、本発明によれば、密閉容器20内の上部余剰空間22(ただし負極14と電気的に接続する位置を除く)にAgO、AgNiO等の水素吸収剤24を配置することにより、水素吸収剤24に水素ガスを吸収させることができる。例えば、AgO及びAgNiOと水素とは下記式:
・AgO+H→2Ag+H
・AgNiO+2H→Ag+Ni+2H
に従って反応することで、水素ガスを吸収して水に変換することができる。AgOやAgNiOが正極で用いられた例は知られているが(例えば特許文献5及び6を参照)、LDHセパレータのような緻密性の高いセパレータ16はHガスが透過しないため、負極14で発生したHガスが負極14の上方に抜けていくことになる。そこで、密閉容器20の上部余剰空間22(すなわち正極12、負極14、セパレータ16及び電解液18で占有されていない空間)を設け、その上部余剰空間22の負極14と電気的に接続しない位置に水素吸収剤24を配置することで、発生したHガスを電池の水素吸収剤24によって酸化してHOに戻すことができる。ニッケル亜鉛二次電池10では水系の電解液18が使用されるところ、自己放電時にHOが失われているため、水素吸収剤24で生成したHOは電池系に何ら悪影響を与えない。また、水素吸収剤24は、上部余剰空間22の負極14と電気的に接続しない位置に配置することで、水素吸収剤24が負極14の電位(例えば-1.2V)によって反応して分解ないし変質してしまうのを避けることができる。
水素吸収剤24は、AgO、AgNiO、及びAgCoNi(式中、x+y+z=2)から選択される少なくとも1種であり、高い水素吸収性能を呈する点で好ましくはAgO又はAgNiO、特に好ましくはAgNiOである。また、AgCoNi(式中、x+y+z=2)も用いることができ、好ましくはx、y及びzはx+y+z=2のみならずx≦1.10、y>0(典型的にはx>0、z>0)を満たす実数である。水素吸収剤24はその量が多ければ多いほど、水素吸収能力が高くなる一方、高コストとなる。したがって、ニッケル亜鉛二次電池10の仕様に応じて、所定の使用期間分の水素を吸収できる程度の量に留めるのが好ましい。
本発明の好ましい態様によれば、図1及び2に示されるように、正極12の上端から正極集電タブ13が上方に延在しており、正極集電タブ13の片面又は両面に水素吸収剤24が配置されうる。この場合、水素吸収剤24がペーストの形態で正極集電タブ13に塗布されているのが好ましい。こうすることで上部余剰空間22(とりわけ正極12の上方)に別途部材を設けることなく水素吸収剤24を簡便な手法で配置することができる。正極集電タブ13における水素吸収剤24の塗布位置は、特に限定されないが、正極集電タブ13の上端に水素吸収剤24を塗布しない箇所を設けるのも好ましく、こうすることで正極集電タブ13の上端を溶接等により他の集電部材や正極端子26と接合させるためのマージンとして利用することができる。ペースト状の水素吸収剤24の塗工膜のサイズ及び厚さは特に限定されない。水素吸収能力は水素吸収剤24のサイズ及び厚さよりも、その量に依存するからである。
本発明の別の好ましい態様によれば、図3に示されるように、密閉容器20の上蓋20aの裏面に水素吸収剤24が配置される。この場合、水素吸収剤24がペレットの形態で上蓋20aの裏面に取り付けられているのが好ましい。こうすることで上部余剰空間22(とりわけ正極12の上方)に別途部材を設けることなく水素吸収剤24を簡便な手法で配置することができる。ペレット状の水素吸収剤24の配置は、図3に示されるように、正極集電タブ13と重ならない位置に配置するのが好ましい。ペレット状の水素吸収剤24のサイズ及び厚さは特に限定されない。水素吸収能力は水素吸収剤24のサイズ及び厚さよりも、その量に依存するからである。
電池要素11は、正極12と、負極14と、セパレータ16と、電解液18とを含む。電池要素11は、図2に示されるように、複数枚の正極12と、複数枚の負極14、複数枚のセパレータ16を備え、正極12/セパレータ16/負極14の単位が繰り返されるように積層された正負極積層体の形態とされるのが好ましい。これはいわゆる組電池ないし積層電池の構成であり、高電圧や大電流が得られる点で有利である。この場合、正極12と同じく複数枚の正極集電タブ13が存在することなるが、水素吸収剤24は複数枚の正極集電タブ13の各々に配置されてもよいし、複数枚の正極集電タブ13の一部(例えば1枚又は数枚)にのみ配置されてもよい。水素吸収能力は水素吸収剤24の位置よりも、その量に依存するからである。
正極12は水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを正極活物質として含む。正極12は正極集電体(図示せず)をさらに含み、正極集電体は正極12の上端から延出する正極集電タブ13を有する。正極集電体の好ましい例としては、発泡ニッケル板等のニッケル製多孔質基板が挙げられる。この場合、例えば、ニッケル製多孔質基板上に水酸化ニッケル等の電極活物質を含むペーストを均一に塗布して乾燥させることにより正極/正極集電体からなる正極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の正極板(すなわち正極/正極集電体)にプレス処理を施して、電極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。なお、図2に示される正極12は正極集電体(例えば発泡ニッケル)を含むものであるが図示されていない。これは、正極集電体が正極活物質と渾然一体化しているため、正極集電体を個別に描出できないためである。ニッケル亜鉛二次電池10は、正極集電タブ13の先端に接続する正極集電板をさらに備えるのが好ましく、より好ましくは複数枚の正極集電タブ13が1つの正極集電板に接続される。こうすることで簡素な構成でスペース効率良く集電を行えるとともに、正極端子26への接続もしやすくなる。また、正極集電板自体を正極端子26として用いてもよい。
負極14は亜鉛及び/又は酸化亜鉛を負極活物質として含む。亜鉛は、負極に適した電気化学的活性を有するものであれば、亜鉛金属、亜鉛化合物及び亜鉛合金のいずれの形態で含まれていてもよい。負極材料の好ましい例としては、酸化亜鉛、亜鉛金属、亜鉛酸カルシウム等が挙げられるが、亜鉛金属及び酸化亜鉛の混合物がより好ましい。負極活物質はゲル状に構成してもよいし、電解液18と混合して負極合材としてもよい。例えば、負極活物質に電解液及び増粘剤を添加することにより容易にゲル化した負極を得ることができる。増粘剤の例としては、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、CMC、アルギン酸等が挙げられるが、ポリアクリル酸が強アルカリに対する耐薬品性に優れているため好ましい。
亜鉛合金として、無汞化亜鉛合金として知られている水銀及び鉛を含まない亜鉛合金を用いることができる。例えば、インジウムを0.01~0.1質量%、ビスマスを0.005~0.02質量%、アルミニウムを0.0035~0.015質量%を含む亜鉛合金が水素ガス発生の抑制効果があるので好ましい。とりわけ、インジウムやビスマスは放電性能を向上させる点で有利である。亜鉛合金の負極への使用は、アルカリ性電解液中での自己溶解速度を遅くすることで、水素ガス発生を抑制して安全性を向上できる。
負極材料の形状は特に限定されないが、粉末状とすることが好ましく、それにより表面積が増大して大電流放電に対応可能となる。好ましい負極材料の平均粒径は、亜鉛合金の場合、短径で3~100μmの範囲であり、この範囲内であると表面積が大きいことから大電流放電への対応に適するとともに、電解液及びゲル化剤と均一に混合しやすく、電池組み立て時の取り扱い性も良い。
負極14は負極集電体15をさらに含み、負極集電体15は負極14の上端から延出する負極集電タブ15aを有する。負極集電タブ15aは、正極集電タブ13と重ならない位置に設けられるのが好ましい。ニッケル亜鉛二次電池10は、負極集電タブ15aの先端に接続する負極集電板をさらに備えるのが好ましく、より好ましくは複数枚の負極集電タブ15aが1つの負極集電板に接続される。こうすることで簡素な構成でスペース効率良く集電を行えるとともに、負極端子28への接続もしやすくなる。また、負極集電板自体を負極端子28として用いてもよい。
負極集電体15の好ましい例としては、銅箔、銅エキスパンドメタル、銅パンチングメタルが挙げられるが、より好ましくは銅エキスパンドメタルである。この場合、例えば、銅エキスパンドメタル上に、酸化亜鉛粉末及び/又は亜鉛粉末、並びに所望によりバインダー(例えばポリテトラフルオロエチレン粒子)を含んでなる混合物を塗布して負極/負極集電体からなる負極板を好ましく作製することができる。その際、乾燥後の負極板(すなわち負極/負極集電体)にプレス処理を施して、電極活物質の脱落防止や電極密度の向上を図ることも好ましい。
図2に示されるように、ニッケル亜鉛二次電池10は、負極14とセパレータ16の間に介在し、かつ、負極14の全体を覆う又は包み込む保液部材17をさらに備えるのが好ましい。こうすることで、負極14とセパレータ16の間に電解液18を万遍なく存在させることができ、負極14とセパレータ16との間における水酸化物イオンの授受を効率良く行うことができる。保液部材17は電解液18を保持可能な部材であれば特に限定されないが、シート状の部材であるのが好ましい。保液部材17の好ましい例としては不織布、吸水性樹脂、保液性樹脂、多孔シート、各種スペーサが挙げられるが、特に好ましくは、低コストで性能の良い負極構造体を作製できる点で不織布である。保液部材17は0.01~0.20mmの厚さを有するのが好ましく、より好ましくは0.02~0.20mmであり、さらに好ましくは0.02~0.15mmであり、特に好ましくは0.02~0.10mmであり、最も好ましくは0.02~0.06mmである。上記範囲内の厚さであると、負極構造体の全体サイズを無駄無くコンパクトに抑えながら、保液部材17内に十分な量の電解液18を保持させることができる。また、図2に示されるように、正極12の全体も保液部材17で覆う又は包み込むのも好ましく、上記同様の効果が期待できる。
負極14の全体がセパレータ16(例えばLDHセパレータ)で覆う又は包み込まれているのが好ましい。こうすることで、セパレータ16と電池容器との煩雑な封止接合を不要にして、亜鉛デンドライト伸展を防止可能なニッケル亜鉛二次電池(特にその積層電池)を極めて簡便にかつ高い生産性で作製することが可能となる。
セパレータ16は、正極12と負極14とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータである。セパレータ16は層状複水酸化物(LDH)セパレータであるのが好ましい。また、LDHセパレータは多孔質基材と複合化されているのが好ましい。好ましいLDHセパレータは、多孔質基材と、多孔質基材の孔を塞ぐLDH及び/又はLDH様化合物とを含む。本明細書において「LDHセパレータ」は、LDH及び/又はLDH様化合物を含むセパレータであって、専らLDH及び/又はLDH様化合物の水酸化物イオン伝導性を利用して水酸化物イオンを選択的に通すものとして定義される。本明細書において「LDH様化合物」は、LDHとは呼べないかもしれないがLDHに類する層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、LDHの均等物といえるものである。もっとも、広義の定義として、「LDH」はLDHのみならずLDH様化合物を包含するものとして解釈することも可能である。LDHセパレータは、水酸化物イオン伝導性及びガス不透過性を呈するように(それ故水酸化物イオン伝導性を呈するLDHセパレータとして機能するように)LDH及び/又はLDH様化合物が多孔質基材の孔を塞いでいる。多孔質基材は高分子材料製であるのが好ましく、LDHは高分子材料製多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれているのが特に好ましい。例えば、特許文献1~4に開示されるような公知のLDHセパレータが使用可能である。
電解液18はアルカリ金属水酸化物水溶液を含むのが好ましい。図2において電解液18は局所的にしか図示されていないが、これは正極12及び負極14の全体に行き渡っているためである。アルカリ金属水酸化物の例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウム等が挙げられるが、水酸化カリウムがより好ましい。亜鉛及び/又は酸化亜鉛の自己溶解を抑制するために、電解液中に酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物を添加してもよい。前述のとおり、電解液は正極活物質及び/又は負極活物質と混合させて正極合材及び/又は負極合材の形態で存在させてもよい。また、電解液の漏洩を防止するために電解液をゲル化してもよい。ゲル化剤としては電解液の溶媒を吸収して膨潤するようなポリマーを用いるのが望ましく、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミドなどのポリマーやデンプンが用いられる。
密閉容器20は樹脂製であるのが好ましい。密閉容器20を構成する樹脂は水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物に対する耐性を有する樹脂であるのが好ましく、より好ましくはポリオレフィン樹脂、ABS樹脂、又は変性ポリフェニレンエーテルであり、さらに好ましくはABS樹脂又は変性ポリフェニレンエーテルである。密閉容器20は上蓋20aを有する。密閉容器20(例えば上蓋20a)はガスを放出するための放圧弁を有していてもよい。また、2以上の密閉容器20が配列されたケース群を外枠内に収容して、電池モジュールの構成としてもよい。
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。
例1(比較)
(1)ニッケル亜鉛二次電池の作製
以下に示される正極構造体(ニッケル正極板の外周1辺から正極集電タブが延出したもの)、負極構造体(亜鉛負極板の外周1辺から負極集電タブが延出したもの)、セパレータ、箱型ケース、及び電解液を用意した。
<正極構造体>
・ニッケル正極板:ペースト式水酸化ニッケル正極(容量密度:約700mAh/cm
・正極集電体:発泡ニッケル板
・正極集電タブ:発泡ニッケル板をプレスして圧縮したもの
<負極構造体>
・亜鉛負極板:ZnO粉末、金属Zn粉末、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びプロピレングリコールを含むペーストを集電体(銅エキスパンドメタル)に圧着したもの
・負極集電タブ:銅エキスパンドメタル
<その他>
・LDHセパレータ:ポリエチレン微多孔膜の孔内及び表面にNi-Al-Ti-LDH(層状複水酸化物)を水熱合成により析出させてロールプレスしたもの
・密閉容器:変性ポリフェニレンエーテル樹脂製の筐体(ケース内で発生したガスを放出可能とする放圧弁を備える)
・電解液:0.4mol/LのZnOを溶解させた5.4mol/LのKOH水溶液
正極構造体12枚及び負極構造体12枚を、正負極間をLDHセパレータで隔離しながら交互に積層して密閉容器内に収容した。このとき、図1に示されるように、正負極積層体を含む電池要素11がそれらの正極集電タブ13及び負極集電タブ15aが互いに異なる位置で上に延出する形で密閉容器20に収容した。この密閉容器20内に電解液を注入して、ニッケル亜鉛二次電池を作製した。
(2)ガス発生量の評価
こうして得られた電池に対して、内部発生ガスの定量測定を図4A~4Cに示されるガス量測定系30を用いて55℃で以下のとおり行った。測定系30は、箱型の本体容器32(外寸:幅250mm×高さ230mm×奥行90mm、内寸:幅240mm×高さ220mm×奥行80mm)と、本体容器32の上蓋に連通して設けられる透明なシリンダー34(直径50mm、高さ200mm、体積392.7cm)とを備えている。
まず、評価対象の電池に予め充放電を行い充電深度(SOC)が50%の充電状態とした。この電池にバンドを締め付けて外圧を掛けた。この外圧が掛けられた状態の電池から放圧弁を除去してガス放出可能な状態とし、バリア性の高いアルミラミネートフィルムで電池全体を気密に包装した。こうして得られた電池包装体36(外寸:幅200mm×高さ168.5mm×奥行40mm)を本体容器32に入れ、充填剤としての流動パラフィン38をシリンダー34を介して本体容器32内に注入した。このとき、図5Bに示されるように、流動パラフィン38の投入量は、本体容器32内のみならずその上のシリンダー34の下方部分をも充填するようにした。こうして、シリンダー34内に存在する流動パラフィン38の液面を読み取れるようにした。
電池包装体36を55℃で14日間保持し、電池内部で発生したガスを電池包装体36内に溜め、溜まったガスの体積変化をシリンダー34における流動パラフィン38の液面変化を読み取ることにより測定した。すなわち、電池内部で発生したガスは電池包装体36のアルミラミネートフィルム内に溜まり、溜まったガスの体積分だけ、シリンダー34における流動パラフィン38の液面を上に押し上げることになる。そして、図5Dに示されるように、流動パラフィン38の液面高さの初期値Hと、体積変化後の液面高さHとに基づき、発生ガスの体積変化ΔVをΔV=πr(H-H)(ただしrはシリンダーの半径)の式により算出することができる。こうして算出されたガス発生量を1と換算することで、表1及び2に示されるとおり、後述する他の例におけるガス発生量を相対値で表すための基準値とした。なお、発生したガスは水素である。
例2~7
12枚の正極集電タブから以下のいずれか1つの条件に従い1枚を選択し、その正極集電タブ13の片面のみに図1及び2に示されるようにペースト状の1.2gの水素吸収剤24(例2~4ではAgO、例5~7ではAgNiO)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件1-1(例2及び5):12枚の正極集電タブのうち1枚目
・条件1-2(例3及び6):12枚の正極集電タブのうち3枚目
・条件1-3(例4及び7):12枚の正極集電タブのうち6枚目
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤をどの正極集電タブに塗布するかは重要ではない(ガス発生量の違いは殆ど見られない)。
例8~11
12枚の正極集電タブ13の各々の片面又は両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計1.2g(1枚当たり0.1g)の水素吸収剤24(例8及び9ではAgO、例10及び11ではAgNiO)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件2-1(例8及び10):12枚の正極集電タブの各々の片面に0.1gずつ塗布
・条件2-2(例9及び11):12枚の正極集電タブの各々の両面に0.1gずつ塗布(片面当たりの塗布量0.05g)
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤の合計塗布量が同じかぎり、何枚の正極集電タブに塗布するか、及び正極集電タブの塗布面を片面とするか両面とするかは重要ではない(ガス発生量の違いは見られない)。
例12~21
12枚の正極集電タブ13の各々の片面又は両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計0.12g、0.60g、1.20g、2.40g又は4.80gの水素吸収剤24(例12~16ではAgO、例17~21ではAgNiO)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件3-1(例12及び17):合計0.12gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.01gずつ塗布)
・条件3-2(例13及び18):合計0.60gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.05gずつ塗布)
・条件3-3(例14及び19):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.10gずつ塗布)
・条件3-4(例15及び20):合計2.40gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.20gずつ塗布)
・条件3-5(例16及び21):合計4.80gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.40gずつ塗布)
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に概ね比例する。水素吸収剤量が最も多い条件3-5が最も多い量の水素を吸収した。
・条件3-5は水素吸収剤量が多いが故に高コストとなるため、コスト面も考慮した場合、条件3-3を採用するのが好ましい。条件3-3の量で使用期間分の水素吸収可能と推測されるためである。
例22~27
12枚の正極集電タブ13の各々の両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計1.20gの水素吸収剤24(例22~24ではAgO、例25~27ではAgNiO)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件4-1(例22及び例25):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横10mm×縦10mm×厚さ0.2mmで塗布)
・条件4-2(例23及び例26):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横20mm×縦10mm×厚さ0.1mmで塗布)
・条件4-3(例24及び例27):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横30mm×縦10mm×厚さ0.067mmで塗布)
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に比例するため、全量が1.2gに固定されている条件4-1~4-3で水素吸収能力の差は殆ど無い。
・水素吸収剤をどのような厚さやサイズで正極集電タブに塗布するか、すなわち塗布形状の相異は重要ではない(ガス発生量の違いは殆ど見られない)。したがって、塗布しやすい厚さ及びサイズを適宜採用すればよい。
例28~33
ペレット状の1.2gの水素吸収剤24(例28~30ではAgO、例31~33ではAgNiO)を図3に一例が示されるように上蓋20a裏面の下記所定位置に貼り付けることにより、上部余剰空間22に配置したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件5-1(例28及び例31):上蓋裏面の左側
・条件5-2(例29及び例32):上蓋裏面の中央
・条件5-3(例30及び例33):上蓋裏面の右側(図3に示される位置)
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤の配置位置によるガス発生量変化は殆ど見られない。
また、水素吸収剤の配置位置による吸液量(ドライアップによる電池寿命までの期間によって評価)の変化も見られなかった。水素吸収剤により還元された水は一旦ケース底に滴り、その後に吸液されるためと考えられる。ここで、吸液量は、水素と水素吸収剤との反応により生成したHOが再び電池内の部材(例えば不織布や電極)に吸収される量を意味しているが、吸液量を直接的に測定することは難しいため、ドライアップによる電池寿命までの期間によって間接的に評価した。
例34~43
ペレット状の0.12g、0.60g、1.20g、2.40g又は4.80gの水素吸収剤24(例34~38ではAgO、例39~43ではAgNiO)を図3に一例が示されるように上蓋20a裏面の任意の場所に貼り付けることにより、上部余剰空間22に配置したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件6-1(例34及び39):0.12gの水素吸収剤を配置
・条件6-2(例35及び40):0.60gの水素吸収剤を配置
・条件6-3(例36及び41):1.20gの水素吸収剤を配置
・条件6-4(例37及び42):2.40gの水素吸収剤を配置
・条件6-5(例38及び43):4.80gの水素吸収剤を配置
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO及びAgOのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiOの方がAgOよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に概ね比例する。水素吸収剤量が最も多い条件6-5が最も多い量の水素を吸収した。
・条件6-5は水素吸収剤量が多いが故に高コストとなるため、コスト面も考慮した場合、条件6-3を採用するのが好ましい。条件6-3の量で使用期間分の水素吸収可能と推測されるためである。
Figure 0007441092000001
Figure 0007441092000002
10 ニッケル亜鉛二次電池
11 電池要素
12 正極
13 正極集電タブ
14 負極
15 負極集電体
15a 負極集電タブ
16 セパレータ
17 保液部材
18 電解液
20 密閉容器
20a 上蓋
22 上部余剰空間
24 水素吸収剤
26 正極端子
28 負極端子

Claims (10)

  1. 正極と、負極と、前記正極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、電解液とを密閉容器中に備えた、ニッケル亜鉛二次電池であって、
    前記密閉容器が、前記正極、前記負極、前記セパレータ及び前記電解液の上方に上部余剰空間を有し、前記上部余剰空間(ただし前記負極と電気的に接続する位置を除く)に、AgO、AgNiO、及びAgCoNi(式中、x+y+z=2)からなる群から選択される水素吸収剤が配置された、ニッケル亜鉛二次電池。
  2. 前記水素吸収剤が、AgO又はAgNiOである、請求項1に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  3. 前記水素吸収剤が、AgNiOである、請求項1又は2に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  4. 前記正極の上端から正極集電タブが上方に延在しており、前記正極集電タブの片面又は両面に前記水素吸収剤が配置された、請求項1~3のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  5. 前記水素吸収剤がペーストの形態で前記正極集電タブに塗布されている、請求項4に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  6. 前記密閉容器の上蓋の裏面に前記水素吸収剤が配置される、請求項1~5のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  7. 前記水素吸収剤がペレットの形態で前記上蓋の裏面に取り付けられている、請求項6に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  8. 前記正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含み、前記負極が亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  9. 前記セパレータが層状複水酸化物(LDH)セパレータである、請求項1~8のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
  10. 前記LDHセパレータが多孔質基材と複合化されている、請求項1~9のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。

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