JPH0568068B2 - - Google Patents

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JPH0568068B2
JPH0568068B2 JP63010489A JP1048988A JPH0568068B2 JP H0568068 B2 JPH0568068 B2 JP H0568068B2 JP 63010489 A JP63010489 A JP 63010489A JP 1048988 A JP1048988 A JP 1048988A JP H0568068 B2 JPH0568068 B2 JP H0568068B2
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nickel hydroxide
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cadmium
electrode
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Masahiko Oshitani
Hiroshi Yufu
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Yuasa Corp
Yuasa Battery Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野 本発明は、アルカリ電池用ニツケル電極に関す
るものである。 従来技術とその問題点 一般に用いられているアルカリ電池のニツケル
極は、焼結式電極と称し、その製法として通常の
ニツケル粉末を穿孔鋼板等に焼結した微孔基板に
硝酸ニツケル塩溶液を含浸させ、アルカリ溶液中
で水酸化ニツケルに変化させる工程を数回繰り返
し、所定量の水酸化ニツケルを充填させる方法で
ある。 しかし、この充填方法は工程を何度も繰り返し
非常に煩雑であり、コストを高くする一因となつ
ている。しかも用いる基板の多孔度が実用上80%
以下に制限されるため、活物質の充填密度が低
く、電極のエネルギー密度が400mAh/c.c.程度の
低いものしか生産できないという現状であつた。 この欠点を改良する試みとして、例えば上記基
板に替わる95%の高多孔度の金属繊維基板を用い
て、水酸ニツケル粉末の充填工程を繰り返すこと
なく、1回で充填できるペースト式ニツケル極が
実用化されつつある。 上記ペースト式ニツケル極は、特開昭61−
138458号に開示された如く、硝酸ニツケル塩水溶
液と水酸化ナトリウム水溶液から作成された水酸
化ニツケル粉末活物質に、活物質間導電性のネツ
トワークを形成するCoO粉末を添加し、カルボキ
シメチルセルローズを水に溶解した粘調液を加え
ペースト状態で繊維基板に充填して作成される。
このニツケル極は焼結式のものに比べ、かなり安
価でエネルギー密度も500mAh/c.c.程度と高い。 しかし、近年のポータブルエレクトロニクス機
器の軽量化に伴い、市場ニーズとして600mAh/
c.c.程度の高エネルギー密度が要求されている。こ
のニーズに対応することには、基板の多孔度に限
界があることから、水酸化ニツケル粉末そのもの
を高密度化する必要がある。よく知られているよ
うに水酸化ニツケル電極の充放電反応は、水酸化
ニツケルの結晶内をプロトン(H+)が自由に移
動することによつて起こる。ところが水酸化ニツ
ケルの高密度化に伴う結晶の緻密性により、結晶
内のプロトンの移動の自由さが束縛され、且つ比
表面積の減少により、電流密度が増大し、2段放
電及び電極の膨潤と言つた放電並びに寿命特性の
悪化原因となる高次酸化物γ−NiOOHが多量に
生成するようになる。 発明の目的 本発明は、高密度化水酸化ニツケルを用いたニ
ツケル極において、高次酸化物γ−NiOOHの生
成を防止した。高エネルギー密度、且つ長寿命の
ニツケル極を提供するものである。 発明の構成 本発明は、多孔性の耐アルカリ性金属基板を集
電体とし、水酸化ニツケル粉末を活物質主成分と
するペースト式ニツケル極において、水酸化ニツ
ケルが15〜30Åの細孔半径を有し、その空孔容積
が0.05ml/g以下で且つ比表面積が15〜30m2/g
であることを特徴とするアルカリ電池用ニツケル
極である。 水酸化ニツケル活物質がカドミウムを2〜7wt
%含有し、且つカドミウムが水酸化ニツケルの結
晶中で固溶状態である前記のアルカリ電池用ニツ
ケル極である。 内部細孔容積を最小限にした高密度水酸化ニツ
ケル粉末は、高次酸化物γ−NiOOHが多量に発
生するが、異種金属イオン、特にカドミウムイオ
ンを水酸化ニツケルの結晶中に配置すると結晶に
歪みを生じ、プロトンの動きに自由さが増し利用
率の向上及びγ−NiOOHの生成を減少させる。
一方、結晶外においては、水酸化ニツケルの粒子
間をCoOOH粒子によつて接続すると、集電体ニ
ツケル繊維と水酸化ニツケル粒子間の電子の流れ
をスムーズにし、利用率を増大させる。 実施例 以下、本発明における詳細について実施例によ
り説明する。 硝酸ニツケルに少量の硝酸カドミウムを加えた
水溶液に硝酸アンモニウムを添加し、ニツケルお
よびカドミウムのアンミン錯イオンを形成させ
る。この液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下しな
がら激しく撹拌を行い、錯イオンを分解させてカ
ドミウムの固溶体化した水酸化ニツケル粒子を
徐々に析出成長させる。従来の如く、PH14以上の
高濃度アルカリ溶液では無秩序に水酸化ニツケル
粒子が析出するのみであり、空孔容積が増大す
る。そこで、PH10〜12程度の薄いアルカリ濃度に
して、温度20〜90℃の範囲で徐々に析出させるこ
とが必要である。PH及び温度の調節によつて種々
の比表面積、細孔容積をもつた水酸化ニツケル粒
子が得られた。 第1図に水酸化ニツケル粒子の細孔容積と比表
面積との関係を示した図である。図におけるA,
B,C,D,Eが水酸化ニツケルのみで、Fが5
%のカドミウムを固溶状態で添加したものであ
り、Gが従来法による水酸化ニツケルのみのもの
である。 比表面積と細孔容積との間には相関々係があ
り、比表面積の増大に伴い粒子内部の細孔容積が
増大する傾向を示している。細孔容積の少ない高
密度活物質は取りも直さず比表面積が少ない宿命
にあると言える。 周知の従来方法により、硝酸ニツケル塩溶液を
90℃、PH=14.5の高濃度アルカリ溶液中に滴下し
析出させた約70m2/gの水酸化ニツケルの細孔径
分布を第2図のGに、上記高密度活物質Fの細孔
径分布を第2図のFに示した。従来方式で析出さ
せた粉末Gの空孔は、細孔半径15〜100Åの幅広
い範囲に渡り多量且つ無秩序に存在し、その容積
は0.15ml/gと粒子容積(0.41ml/g)の30〜40
%にも達し、かなり空隙の大きい粒子であること
を示している。一方、Fの粒子の場合、その容積
は0.04ml/gと小さく、G粒子の1/4程度に過ぎ
ない。この結果はF粒子がG粒子よりも20〜30%
高密度であることを示している。 即ち、活物質粒子が高密度であるためには、で
きるかぎり比表面積、及び空孔容積が小さなもの
でなければならないことを示している。 これらの水酸化ニツケル粉末に少量のコバルト
化合物、CoO、α−Co(OH)2、β−Co(OH)2
るいは酢酸コバルト等の粉末を混合し、しかる後
1%のカルボキシメチルセルローズの溶解した水
溶液を加えた流動性のあるペースト液を調製し
た。このペースト液を多孔度95%の耐アルカリ繊
維基板、例えばニツケル繊維基板等に所定量充填
させ、乾燥後ニツケル極とした。 活物質利用率並びに充放電によるγ−NiOOH
の生成率を知るためにこのニツケル極を対極とし
てカドミウム極をポリプロピレン不織布セパレー
タを介して組立て、比重1.27の水酸化カリウム電
解液を注入し、電池とした。電解液注入後、添加
剤であるコバルト化合物を腐食電位で溶解させ、
水酸化ニツケル粉末間を接続させるために、24時
間放置した。放置後充放電を行い比表面積と活物
質利用率の関係を第3図に示した。 活物質組成が水酸化ニツケルのみから成るもの
は、比例関係が存在する。この事実は、高い活物
質利用率を得るためには高い比表面積が必要であ
ることを示しており、それは取りも直さず空孔容
積の大きい低密度活物質の方が良いことを意味し
ている。しかしながら、水酸化ニツケルの結晶中
に少量のカドミウムを添加したFは、比表面積が
小さいにも係わらず従来粉末Gと変わらない高い
利用率を示している。
【表】 一方、極板単位体積あたりのエネルギー密度
は、表1の如く従来粉末Gが504mAh/c.c.、高密
度粉末Fが590mAh/c.c.とFがGよりも15〜20%
高い数値を示している。 この結果は、上記理由により、従来粉末に比べ
高密度粉末が、同一体積基板ではより多くを充填
できることによる。 要求される600mAh/c.c.程度のエネルギー密度
を満たす高密度活物質粉末の空孔容積は、0.05
ml/g以下でなければならず、同時に空孔容積と
相関々係にある比表面積は15〜30m2/gである。
カドミウム添加のこの効果は、比表面積の減少に
より電解液から反応種プロトンの出入り口が縮小
するが、水酸化ニツケル結晶に歪みを持たせるこ
とにより、固相でのプロトン移動をスムーズにす
ることにより補われたためと考察される。 即ち、活物質の利用率はプロトンの移動量を意
味するが、これは粒子の比表面積と結晶内部(固
相)での拡散速度の二つの因子の支配されてお
り、結晶が同一の場合は、比表面積に支配され、
結晶が異なる場合は内部歪みに支配されるものと
考察される。 活物質が反応するためには集電体から活物質粒
子表面にスムーズに電子を移動させる必要があ
り、上述した如く遊離状態(水酸化ニツケルに固
溶することなく粒子表面に存在)ある導電性を持
つたCoOOH粒子のネツトワークが不可欠であ
る。 このネツトワークを作るCoO添加剤について
は、第4図にCoO添加量と活物質利用率、極板体
積あたりのエネルギー密度関係を示した。CoO添
加剤の量を増加させると、活物質の利用率も高く
なる。しかし添加剤そのものは導電性に寄与する
のみで実際には放電しないため、実質の極板エネ
ルギー密度は、15%付近より低下する傾向を示し
ている。第5図は活物質組成とγ−NiOOHの生
産量の関係を3次元的に示したものである。1C
の高電流密度で充電し、充電末期の極板をX線解
析により、粉末の種類とγ−NiOOH生産量との
関係をみると、水酸化ニツケルの結晶中にカドミ
ウムを固溶状態で添加すれば、添加量に反比例し
てγ−NiOOHの生産量が減少することが分か
る。第6図にγ−NiOOHの多量に生成した電極
と本発明の電極との放電々圧特性の比較を示し
た。カドミウムを含まない高密度粉末Aの場合、
多量に生成するγ−NiOOHにより、放電々圧は
2断放電特性となる。第5図よりγ−NiOOH生
成防止効果が、カドミウムの2%添加から認めら
れ、7%添加で完全γ−NiOOHは消滅する。 このカドミウムの効果は、他の異種元素例えば
コバルトが固溶状態で共存していても同じであ
る。コバルトにもわずかながらカドミウムに似た
挙動が認められる。カドミウムとコバルトの両者
の固溶体添加については、γ−NiOOHの生成率
に対する影響以外に特開昭59−224062号公報に開
示された高温性能の向上が認められた。 又、活物質の利用率に対して、CoO添加剤につ
いて示したが、CoOOHのネツトワークを形成さ
せる上記に記載した他の添加剤についても同様の
傾向を示した。更に基板として金属繊維焼結体を
例に示したがこれらに限定されるものではない。 発明の効果 上述した如く、本発明は高密度化水酸化ニツケ
ルを用いたニツケル極において、高次酸化物γ−
NiOOHの生成を防止した、高エネルギーンジン
密度、且つ長寿命のニツケル極を提供するもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は水酸化ニツケル粒子の比表面積と細孔
容積との関係を示した図、第2図は従来の水酸化
ニツケル粉末と本発明の高密度水酸化ニツケル粉
末の細孔径分布曲線図、第3図は活物質の比表面
積と利用率の関係を示した図、第4図はCoO添加
剤量と活物質利用率及び極板体積あたりのエネル
ギー密度との関係を示した図、第5図は活物質組
成とγ−NiOOHの生成量の関係を示した図、第
6図は放電々圧特性を比較した図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 多孔性の耐アルカリ性金属基板を集電体と
    し、水酸化ニツケル粉末を活物質主成分とするペ
    ースト式ニツケル極において、水酸化ニツケルが
    15〜30Åの細孔半径を有し、その空孔容積が0.05
    ml/g以下で且つ比表面積が15〜30m2/gである
    ことを特徴とするアルカリ電池用ニツケル極。 2 水酸化ニツケル活物質がカドミウムを2〜
    7wt%含有し、且つカドミウムが水酸化ニツケル
    の結晶中で固溶状態である特許請求の範囲第1項
    記載のアルカリ電池用ニツケル極。 3 アルカリ電解液に溶解し、コバルト錯イオン
    を生成するコバルト化合物を5〜15wt%添加し、
    且つ該コバルト化合物が活物質と遊離状態にある
    特許請求の範囲第2項記載のアルカリ電池用ニツ
    ケル極。 4 カドミウム以外に少量のコバルトが固溶状態
    で共存する特許請求の範囲第2項記載のアルカリ
    電池用ニツケル極。
JP63010489A 1988-01-19 1988-01-19 アルカリ電池用ニッケル極 Granted JPH01187768A (ja)

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