JPH03191040A - 水素吸蔵合金電極 - Google Patents

水素吸蔵合金電極

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JPH03191040A
JPH03191040A JP1332325A JP33232589A JPH03191040A JP H03191040 A JPH03191040 A JP H03191040A JP 1332325 A JP1332325 A JP 1332325A JP 33232589 A JP33232589 A JP 33232589A JP H03191040 A JPH03191040 A JP H03191040A
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Ikuro Yonezu
育郎 米津
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伸 藤谷
Toshihiko Saito
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り束上例料且分丘 本発明は、金属−水素アルカリ蓄電池の負極に用いられ
る水素吸蔵合金電極に関する。
丈来夏技携 従来からよく用いられる蓄電池としては、鉛電池及びニ
ッケルーカドミウム電池がある。しかし、近年、これら
電池より軽量で且つ高容量となる可能性があるというこ
とで、特に低圧に於いて負極活物質である水素を可逆的
に吸蔵及び放出することのできる水素吸蔵合金を備えた
電極を負極に用い、水酸化ニッケルなどの金属酸化物を
正極活物質とする電極を正極に用いた金属−水素アルカ
リ蓄電池が注目されている。
一般に、この種蓄電池に用いられる水素吸蔵合金を備え
た水素吸蔵電極は、以下のようにして作製される。
■特公昭58−46827号公報に示すように、水素を
吸蔵する合金粉末と水素を吸蔵しない合金粉末との混合
物を焼結して焼結多孔体を作製し、これを水素吸蔵合金
電極とする方法 ■特開昭53−103541号公報に示すように、水素
を吸蔵する合金粉末とアセチレンブラック及び電極支持
体とを耐電解液性の粒子状結着剤により相互に結合させ
て水素吸蔵合金電極とする方法。
そして、上記電極に用いる水素吸蔵合金の1つとして、
特開昭61−176065号公報に示すTiFe合金が
ある。このTiFe合金は室温近傍で可逆的に水素の吸
蔵、放出が可能であること及び原料が比較的安価なこと
等により有望視されている。
更に、上記TiFe合金の特性改良を図るために、特開
昭62−184765号公報に示すように、TiFe合
金にZr、Ni等を加えた合金が提案されている。
が ”しよ゛と る しかしながら、上記合金であっても、アルカリ電解液中
において電気化学的な水素の吸蔵、放出がなされ難く且
つ電極の放電容量が小さいため、実用化にあたっては更
に改良する必要がある。加えて、従来のTiFe合金は
、初期活性化(化成処理)が希土類−Ni合金と比較し
て困難であるという課題も有していた。
本発明は上記課題を考慮して、上記諸欠点を解消できる
ことになる水素吸蔵合金電極の提供を目的とする。
i   ′ るための 本発明は上記目的を達成するために、金属−水素アルカ
リ蓄電池の負極に用いられる水素吸蔵合金電極において
、前記水素吸蔵合金電極に用いられる合金として下記一
般式(1)で示される合金が用いられていることを特徴
とする。
(T i+−x Ax ) z F eI−v Bv 
−(1)〔但し、AはNb、Ta、V、希土類元素及び
希土類元素の混合物から成る群から選ばれた一種以上の
元素、 BはMg、Ca、Sc、Y、La、Ce、Pr。
Nd、Sm、Gd、Zr、Hf、V、Cr、Mo。
W、Mn、Co、Ni、Cu、Ag、Zn、B。
A/!、Ga、  jn、C,Si、P、S、Ge、S
希土類元素の混合物から成る群から選ばれた一種以上の
元素であり、 0.01≦X≦0.5.0.01≦Y≦0.5.0.7
≦Z≦1.5の範囲内である。〕特に好ましくは、上記
(1)で示される一般式%式% 0.4.0.7≦Z≦1.5の範囲内である。
作−] 本発明合金のベースはTiFe合金であり、このTiF
e合金は安価且つ固気反応における水素吸蔵量が希土類
−Ni系合金よりも多い点で優れている。しかし、この
合金は水素吸放出初期の活性化が難しく、特にアルカリ
電解液中での電気化学的な水素の吸蔵、放出が難しいた
め電極の放電容量が極めて少なくなるという課題を有し
ていた。
しかしながら、上記構成の如(Nb等の前記元素をTi
Fe合金に加えれば、アルカリ電解液中における水素の
吸蔵、放出の初期活性化を図りうると共に、電気化学的
な水素の吸蔵、放出が容易になされるので、電極の放電
容量が飛躍的に増大する。
尚、合金作成方法として、通常のアーク溶解法、高周波
溶解性以外の作成方法(例えば、液体急冷法、スパッタ
法、フラッシュ蒸着法等の急冷法)を用いれば、前記合
金成分の化学量論比を大きくずらしても、アーク炉、高
周波炉等を用いて作成するよりも均質な非平衡相が得ら
れる。したがって、この合金を用いた電極の放電容量を
更に大きくすることができる。
また、本発明合金に、Cu、Ni、V、In。
Zn或いはその化合物の一種以上の金属をメツキして本
発明合金の表面を保護したり、スパッタ法、フラッシュ
蒸着法から選ばれた一種の方法を用いて、本発明合金よ
りも低水素圧力域において残存水素量の多い合金を本発
明合金の表面に被覆したり、金属酸化物を本発明合金の
表面に塗布、焼結。
被覆することができる。このようにすれば、本発明合金
のアルカリ電解液に対する耐食性を向上させ、且つ水素
吸放出に伴う微粉化を抑制すること等が可能となるので
、電極の耐久性を向上させることができる。尚、低水素
圧力域において残存水素量の多い合金を本発明合金の表
面に被覆すると、内部合金(本発明合金)が水素を放出
した後も表面合金の残存水素によって内部合金の酸化を
抑制するため、内部合金の耐久性が向上することになる
更に、本発明合金(第1の成分)と異種金属又は酸化物
(第2の成分)とを各々粉砕し粉末化した後、これらを
混合焼結した合金を直接用いたり、或いはこれに加えて
混合焼結した合金の表面を上記の如く表面処理すれば、
水素吸蔵量の大きな第1の成分と、腐食を防止する第2
の成分とが一部融着或いは合金化する。したがって、第
1成分のみから成る合金では酸化物や水酸化物への組成
変化による水素吸蔵量の低下が認められるのに対し、前
記混合焼結した合金では、充放電を繰り返した場合であ
っても、第1成分の組成が安定に保たれるため、容量低
下の少ない長寿命の電極が得られることになる。
また更に、本発明合金(第1の成分)と異種金属或いは
合金(第2の成分)とをメカニカルアロイング法或いは
メカニカルグラインディング法を用いて処理すれば、第
1の成分の表面が第2の成分の拡散層によって被覆され
る。したがって、アルカリ電解質に対する耐食性が向上
すると共に、第1成分の組成が安定に保たれるため、容
量低下の少ない長寿命の電極が得られることになる。
策土尖詣拠 本発明の第1実施例を、以下に説明する。
〔実施例1〕 先ず、市販のTi(純度99%以上)と、下記(2)式
に示す組成式のAとしての市販のNbと、市販のFe(
純度99%以上)と、下記(2)式に示す組成式〇Bと
しての市販のMgとを、元素比でO,s:o、2:O,
sho、2の割合となるように秤量した後、アルゴン雰
囲気中のアーク溶解炉で溶解し、Tio、eNbo、 
zFeo、 sMgo、 zで示される合金を作製した
(T i+−x Ax ) z F el−’/ By
 −(2)次に、この合金を機械的に50μm以下に粉
砕した後、この粉末80wt%に、導電剤としてのニッ
ケル粉末10wt%と、結着剤としてのフッ素樹脂粉末
I Qwt%とを添加して、更にこれらを混合すること
により、上記フッ素樹脂を繊維化させる。この後、ニッ
ケル金網で上記混合物を包み込んだ後、3ton/cr
Mの圧力で加圧成型して水素吸蔵合金電極を作製した。
尚、この電極に用いられる水素吸蔵合金粉末の量は1.
5gである。
しかる後、上記水素吸蔵合金電極と、理論放電容量が6
00mAHの公知の焼結式ニッケル電極とを組合わせて
密閉型ニッケルー水素アルカリ蓄電池を作製した。尚、
アルカリ電解液としては、30wt%の水酸化カリウム
水溶液を用いている。
このようにして作製した電池を、以下(A、)電池と称
する。
〔実施例2〜41〕 上記(2)式に示す組成式のAとして市販のNb、Ta
、V、La、Ce、Nd、或いはMm(ミツシュメタル
であって、Laを30wt%、Ceを50wt%、Nd
を14wt%、Prを4wt%、Smを2wt%それぞ
れ含有する)の何れかを用い、且つBとして市販のMg
、Ca、YLa  Ce  Nd、Sm、Zr、Hf、
V、Cr。
Mo、W、Mn、Co、Ni、Cu、Ag、Zn。
B、Aj2.Ga、In、C,Si、Ge、Sn。
Pb、或いはsbを用いて下記第1表(A)〜(C)に
示す合金を作製し、この合金を用いて負極を作製する他
は、上記実施例Iと同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(A2)電池〜(
A4.)電池と称する。
〔比較例〕
TiFe合金を用いて負極を作製する他は、上記実施例
1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(X)電池と称す
る。
〔実験1〕 上記本発明の(A、)電池〜(A41)電池と比較例の
(X)電池との充放電サイクル試験を行い100サイク
ル後の放電容量を調べたので、その結果を下記第1表に
併せて示す。尚、実験条件は、8時間率(0,125C
)の電流で10時間充電した後、5時間率(0,2C)
の電流で電池電圧が1.OVになる迄放電するという条
件である。
〔以下、余白] 第1表(A) 第1表(B) 第1表(C) 〔以下、 余白〕 上記第1表(a)〜(c)に示すように、(A1)電池
〜(A a + )電池は(X)電池に比べて放電容量
が格段に大きくなっていることが認められる。
尚、1000サイクル後における放電容量も調べたが、
(A、)電池〜(A41 )電池では10〜20%だけ
容量が減少するだけで、大きな変化は認められなかった
〔実験2〕 T L−x NbXF eo、s N io、zで表さ
れる合金のXの量を変化させた場合の、Xの量と放電容
量との関係を調べたので、その結果を第1図に示す。
0.01≦X≦0.5の範囲で放電容量が大きくなって
いることが認められ、特に0.1≦X≦0.3の範囲(
X=0.2のとき放電容量が最高の310mAh/gと
なっている)であれば放電容量が著しく大きくなってい
ることが認められる。
したがって、Xの値は0.01≦X≦0.5の範囲が好
ましく、特に0.1≦X≦0.3の範囲が好ましい。
また、前記(1)弐におけるYの値の下限は、上記第1
表の(A4゜)電池、  (A4.)電池より明らかな
ように、0.01以上であることが好ましく、またその
上限は0.5以下であることが好ましいことが実験(第
1表には示さず)により確認されている。尚、上記範囲
内でも、特に0.05≦Y≦0.4の範囲が好ましい。
尚、(1)式に示すBとしては、上記に示す他、Sc、
Pr、Gd、P、Sであっても良い。
髪l実隻班 本発明の第2実施例を、第2図に基づいて、以下に説明
する。尚、本実施例では、主として合金を象、冷した場
合について述べる。
〔実施例1〕 本実施例は、急冷法として液体急冷法を用いた場合であ
る。
先ず、Ti、Fe、Nb、Niの各市販原料(純度99
%以上)を用いて、上記第1実施例の実施例1と同様に
アルゴン不活性雰囲気アーク溶解炉内で下記(3)式で
表される水素吸蔵合金を作成した。
(T io、i Nbo、z ) z F eo、s 
N to、z −(3)尚、Zの値は0.6〜1.6の
範囲で変化させている。
次に、これらの合金を5〜15mm角程度の小片に砕い
た後に、透明石英ノズル(ノズル穴:丸穴1、Ommφ
)の中に入れ、高純度アルゴンガス(99,99%以上
)で置換後、高周波電源により高周波加熱コイルに3k
wの高周波を加えて加熱した。次いで、合金が溶融した
後、前記石英ノズル内をアルゴンガスで加圧し、アルゴ
ンガス(99,99%以上)のlatm雰囲気内で高速
回転(200Orpm)している銅製ローラー(300
mmφ、幅40mm)上に、前記合金の溶湯を噴出させ
て象、冷凝固し、リボン状の急冷水素吸蔵合金を得た。
このようにして作製した急冷水素吸蔵合金を用いて負極
を作製する他は、前記第1実施例の実施例1と同様にし
て電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(B、)電池と称
する。
〔実施例2〕 本実施例では、急冷法としてスパッタ法を用いた場合で
ある。
先ず、上記実施例1と同様にして作成した上記(3)式
に示す合金(Zの値は0. 6〜1.6の範囲で変化さ
せている)を、スパッタターゲット(4inchφX5
11IIIItのディスク状)に成型した。このスパッ
タターゲットを用い、高周波マグネトロンスパッタ装置
(アルゴンガス雰囲気下、圧力lXl0”2Torr)
で、ニッケル基板上に上記合金のスパッタ膜を形成した
。この際、高周波電力の出力は500W(13,56M
Hz)であり、スパッタ時間は10時間である。その後
、ニッケル基板を装置から取り出し、基板に付着した上
記合金のスパッタ膜をスクレーバー(ステンレス製)に
より剥離し、水素吸蔵合金の薄片を約8g得た。
このようにして作製した急冷水素吸蔵合金を用いて負極
を作製する他は、前記第1実施例の実施例Iと同様にし
て電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(B2)電池と称
する。
〔実施例3] 先ず、上記実施例1と同様にして作成した(3)弐に示
す合金(Zの値は0. 6〜1. 6の範囲で変化させ
ている)をフラッシュ蒸着法により急冷し、この急冷水
素吸蔵合金を用いて負極を作製する他は、前記第1実施
例の実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(B3)電池と称
する。
〔実施例4〕 上記実施例1と同様にして作成した(3)式に示す合金
(Zの値は0.6〜1.6の範囲で変化させている)を
そのまま用いて負極を作製する他は、前記第1実施例の
実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(B4)電池と称
する。
〔実験〕
上記(B、)電池〜(B4)電池におけるZの値と水素
吸蔵合金電極の放電容量との関係を調べたので、その結
果を第2図に示す。
第2図から明らかなように、全ての電池において0,7
≦Z≦1.5の範囲で放電容量が約280 mAhを超
えていることがiHめられる。したがって、Zの値は上
記範囲内であることが好ましい。
尚(B、)電池〜(B3)電池は(B4)電池に比べて
水素吸蔵量が大きくなるため、略全範囲において放電容
量が大きくなっていることが認められる。更に(B4)
電池では2の値が1.2を越えると急激な容量低下が認
められるのに対して、(B、)電池〜(B3)電池では
Zの値が1.3まで放電容量が大きくなっていることが
認められる。したがって、放電容量の面からは水素吸蔵
合金を象、冷処理することが好ましい。
尚、(B1)電池〜(B4)電池について、1000サ
イクル後における放電容量も調べたが、10〜20%だ
け容量が減少するだけで、大きな変化は認められなかっ
た。
111隻開 本実施例では、合金の耐久性を向上させるべく、前記合
金の表面に他の金属等を被覆する場合について述べる。
(実施例1) 実施例1では、合金の表面被覆法としてメツキ法を用い
ている。
母合金として、前記第1実施例の実施例17に示すT 
io、IINbo、z F eo、a N L、z合金
粉末(100メツシユ以下)を用い、この合金の表面に
湿式無電解銅メツキ処理により約1μmの銅メツキ層を
形成した。このように表面被覆された水素吸蔵合金を用
いて負極を作製する他は、前記第1実施例の実施例1と
同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(C,)電池と称
する。
〔実施例2〜6〕 メツキ用金属としてNi、V、In、Zn、Ni o、
 qq  P o、。1をそれぞれ用いる他は、上記実
施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(C2)電池〜(
C6)電池と称する。
〔実施例7〕 実施例7は、合金の表面被覆法としてスパッタ法を用い
た場合である。
母合金として前記第1実施例の実施例17に示す水素吸
蔵合金の粉末(100メツシユ以下)を用い、その表面
に上記母合金よりも低水素圧力域において残存水素量の
多いZrN1o、e合金の薄層(約1μm)を通常のス
パッタ法により形成した。このように表面被覆された水
素吸蔵合金を用いて負極を作製する他は、前記第1実施
例の実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(C1)電池と称
する。
〔実施例8〕 合金の表面被覆法としてフラッシュ蒸着法を用いる他は
、上記実施例7と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(C3)電池と称
する。
〔実施例9〕 実施例9は、合金の表面被覆法として金属酸化物を塗布
した後焼結させる方法を用いた場合である。
母合金として第1実施例の実施例17に示す水素吸蔵合
金の粉末(100メツシユ以下)を用いており、Nd2
O3を有機溶媒に分散させた溶液を上記母合金表面に塗
布した後、1ooo″Cで3時間真空状態で焼結した。
このように表面被覆された水素吸蔵合金を用いて負極を
作製する他は、前記第1実施例の実施例1と同様にして
電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(C1)電池と称
する。
〔実験1〕 上記本発明の(C1)電池〜(C7)電池の放電サイク
ル試験を行い100サイクル後の放電容量を調べたので
、その結果を下記第2表に示す。
尚、実験条件は、第1実施例の実験1と同様の条件であ
る。
第2表 第2表より明らかなように、(C0)電池〜(C1)電
池は前記(Al1)電池に比べて、放電容量が若干増加
していることが認められる。
尚、(C1)電池〜(C7)電池について、1000サ
イクル後における放電容量も調べた。
この結果、容量の減少がわずかに5〜10%程度であり
、(A、?)電池よりも更に耐久性が向上したことを確
認した。
第it施1[ 本実施例では、合金作製方法として、混合焼結法を用い
た場合について説明する。
〔実施例1〕 先ず、前記第1実施例の実施例1と同様にして、Ti 
 Nb、Fe、Niを用いて、第1成分としてのT i
 6.s N bo、z F eo、s N io、z
合金鋳塊を作成すると共に、Mm、Ni、Coを用いて
、第2成分としてのMmNi、Coz合金鋳塊を作成す
る。次に、上記第1成分及び第2成分の各々の合金鋳塊
を100メツシユアンダー(約0. 15胴以下)に粉
砕した後、両者を混合する。尚、混合比率は重量比で、
第1成分:第2成分−95:5とした。その後、この混
合物を約30kg/dの圧力で円筒形(約2oφ×約1
0mm)にプレス成型した後、この成型品を真空排気(
10torr以下)された電気炉内(温度:約1000
”c )で約8時間加熱処理して焼結した。しかる後、
このようして得られた焼結体を機械的に50μm以下に
なるように粉砕した。このようにして作成した水素吸蔵
合金を用いて負極を作製する他は、前記第1実施例の実
施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(Dl)電池と称
する。
(実施例2〕 焼結を行わず第1成分と第2成分とを混合しただけの水
素吸蔵合金を用いて負極を作製する他は、上記実施例1
と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(D2)電池と称
する。
〔実験〕
上記本発明の(Dl)電池、(DZ)電池の放電サイク
ル試験を行い100サイクル後の放電容量を調べたので
、その結果を下記第3表に示す。
尚、実験条件は、第1実施例の実験lと同様の条件であ
る。
第3表 第3表にから明らかなように、(D、)電池は(D2)
電池よりも更に放電容量が大きくなっていることが認め
られる。
尚、両電池について、1000サイクル後における放電
容量も調べた。
この結果、(Dz )では約20%の容量減少が認めら
れたが、(Dl)電池では約15%しか容量が減少して
おらず、この点からも(D、)電池の方が優れている。
また、混合焼結材料の表面に前記第3実施例に示す表面
被覆を施したところ、lOOサイクル後の容量の減少を
5〜10%に抑制することができた。したがって、混合
焼結法と表面被覆法とを併用することが望ましい。
玉i夫嵐開 〔実施例〕 本実施例は、合金作成方法としてメカニカルアロイング
法を用いた場合である。
上記第4実施例の実施例1と同様にして作製した第1成
分としてのT io、g N bo、z F eo、a
 Ni0.2合金粉末49g (100メツシユ以下)
と、第2成分としてのMmNi、Co、の粉末1gとを
Arガスが封入された金属ポット中に装填し、室温にて
メカニカルアロイングを行った。ポットの回転数は約1
100rpであり、処理時間は約10時間である。この
メカニカルアロイング法により、第2成分のMm、Ni
が第1成分の粉末表面層に拡散された合金粉末が作成さ
れる。このような合金を用いて頁捲を作製する他は、前
記第1実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下(E)電池と称す
る。
〔実験〕
上記本発明の(E)電池の放電容量を調べたので、その
結果を下記第4表に示す。
第4表 第4表から明らかなように、(E)電池は上記第4実施
例の(D2)電池よりも高容量となっていることが認め
られる。
尚、両電池について、1000サイクル後における放電
容量も調べた。
この結果、20%容量が減少するのみで耐久性に優れて
いることが認められた。
また、メカニカルグラインディング法で水素吸蔵合金を
作成した場合にも同様の結果が得られた。
光」L至」[果 以上説明したように本発明によれば、アルカリ4゜ 電解液中において電気化学的な水素の吸蔵、放出がなさ
れ易く且つ電極の放電容量が大きくなる。
加えて、従来のTiFe合金に比べて初期活性化が容易
となる。
これらのことから、高エネルギー密度を有する等、電池
特性を格段に向上することができるという効果を奏する
【図面の簡単な説明】
第1図はT !I−X NbXF e@、1 N io
、zで表される合金のXの量を変化させた場合のXの量
と放電容量との関係を示すグラフ、第2図は(Tio、
s N bo、z ) z F eo、a N i o
、zで表される合金のZの量を変化させた場合のZの量
と放電容量との関係を示すグラフである。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)金属−水素アルカリ蓄電池の負極に用いられる水
    素吸蔵合金電極において、 前記水素吸蔵合金電極に用いられる合金として下記一般
    式(1)で示される合金が用いられていることを特徴と
    する水素吸蔵合金電極。 (Ti_1_−_xA_x)_2Fe_1_−_yBY
    ・・・(1)〔但し、AはNb、Ta、V、希土類元素
    及び希土類元素の混合物から成る群から選ばれた一種以
    上の元素、BはMg、Ca、Sc、Y、La、Ce、P
    r、Nd、Sm、Gd、Zr、Hf、V、Cr、Mo、
    W、Mn、Co、Ni、Cu、Ag、Zn、B、Al、
    Ga、In、C、Si、P、S、Ge、Sn、Pb、及
    びSbから成る群から選ばれた一種以上の元素であり、
    0.01≦X≦0.5、0.01≦Y≦0.5、0.7
    ≦Z≦1.5の範囲内である。〕
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