JPH0773876A - 二次電池用Ni極とその製造方法 - Google Patents

二次電池用Ni極とその製造方法

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JPH0773876A
JPH0773876A JP5218369A JP21836993A JPH0773876A JP H0773876 A JPH0773876 A JP H0773876A JP 5218369 A JP5218369 A JP 5218369A JP 21836993 A JP21836993 A JP 21836993A JP H0773876 A JPH0773876 A JP H0773876A
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JP
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zno
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JP5218369A
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Atsushi Furukawa
淳 古川
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Furukawa Battery Co Ltd
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Furukawa Battery Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 活物質であるNi(OH)2 の初期利用率が
高く、また充放電サイクル過程で活物質としての挙動が
安定している二次電池用Ni極とその製造方法を提供す
る。 【構成】 このNi極は、3次元網状構造の集電体にN
i(OH)2 とCoOを必須成分とする活物質ペースト
が充填され、前記活物質ペーストには、その表面側ほど
高濃度となるようにZnOが担持されている。このNi
極は、3次元網状構造の集電体にNi(OH)2 とCo
Oを必須成分とする活物質ペーストを充填したのち乾燥
およびプレス処理を順次施し、ついで、ZnO分散液中
に浸漬して前記活物質ペーストに前記ZnOを担持させ
て製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は二次電池用Ni極とその
製造方法に関し、更に詳しくは、活物質の初期利用率が
高く、かつ充放電サイクルの過程で放電容量が安定して
いるNi極とそれを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルカリ二次電池のうち、ニッケル−水
素二次電池は高容量電池として最近注目を集め、その研
究開発が進められている。このニッケル−水素二次電池
は、水素を負極活物質として作動するものであり、その
発電要素は、可逆的に水素を吸蔵・放出することができ
る水素吸蔵合金を集電体に担持させて成る負極と、通常
は正極活物質として動作するNi(OH) 2 を主成分と
する活物質ペーストを集電体に担持させて成る正極(N
i極)とをアルカリ電解液の中に配置して構成されてい
る。
【0003】この二次電池において、活物質:Ni(O
H)2 に関する電池反応は、次式:
【0004】
【数1】
【0005】で示される。すなわち、Ni(OH)2
充電の過程でNiOOHになり、また放電の過程でNi
(OH)2 に復元する。この充電時におけるNi(O
H)2 からNiOOHへの変化はNi(OH)2(Ni
の価数2)→β−NiOOH(Niの価数3)→γ−N
iOOH(Niの価数3.4)の順序で進む。そして、活
物質の利用率が100%以上と高利用率を示す場合は、
充電時に、活物質のNi(OH)2 のほとんどはγ−N
iOOHに転化している。
【0006】Ni(OH)2 (Niの価数2)がγ−N
iOOHに転化している電池が放電するときは、価数3.
4のNiが価数2のNiに還元されるので、電池として
得られる放電容量は、β−NiOOH(Niの価数は
3)からNi(OH)2 への還元の場合よりも大きくな
る。すなわち、放電容量の高い電池を製造する際には、
充電時に、Ni(OH)2がγ−NiOOHに転化させ
ることが好ましいことになる。
【0007】しかしながら、γ−NiOOHの方がβ−
NiOOHよりも体積が大きい。そのため、充電時に活
物質のNi(OH)2 がγ−NiOOHに転化すると、
必然的に正極の体積が膨張する。したがって、膨張した
正極がセパレータに保持されている電解液を吸収して電
池の内部抵抗を増大させる。そのため、充放電サイクル
数が増加するにつれて、電池の放電容量は漸次低下して
いき、電池のサイクル寿命は短くなるという問題が引き
起こされる。
【0008】すなわち、Ni(OH)2 からγ−NiO
OHの生成ということは、電池の高容量化という点では
有利であるが、しかし一方では、電池のサイクル寿命を
短くするという問題を引き起こし、結果として、活物質
の全体的な利用率の低下が起こってくる。このような問
題の発生を抑制するために、通常は、Ni(OH)2
更に所定量のZnOを配合して調製した活物質ペースト
を用いて正極を製造することが行われている。
【0009】このZnOは、充電時におけるNi(O
H)2 →γ−NiOOHへの変化、すなわち、Ni(O
H)2 →β−NiOOH→γ−NiOOHへの活物質の
形態変化を抑制する機能をもつ。そのため、ZnOが配
合されている活物質ペーストを担持するNi極は充放電
サイクルの過程における体積膨張が抑制されることにな
る。
【0010】従来、このようなNi極は、活物質である
Ni(OH)2 粉末とZnO粉末とカルボキシメチルセ
ルロースのような増粘剤水溶液とを所定の配合割合で均
一に混合し、必要に応じては更にポリテトラフルオロエ
チレンディパージョンのような結着剤を配合して活物質
ペーストを調製し、その活物質ペーストを3次元網状構
造の集電体の空隙部に所定の充填率で充填して製造され
ている。
【0011】すなわち、従来のNi極の活物質ペースト
においては、ZnO粉末は、Ni(OH)2 粉末に均一
分散した状態になっている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ZnO
が均一分散している従来のNi極の場合、充放電サイク
ルの初期段階から、個々の活物質Ni(OH)2 のβ−
NiOOH,γ−NiOOHへの変化が均等に抑制され
ることになる。そのため、活物質Ni(OH)2の初期
利用率は低下せざるを得ない。
【0013】Ni極の性能の点からいえば、充放電サイ
クルの初期段階では活物質Ni(OH)2 をγ−NiO
OHに転化させてその放電容量の高位水準を確保し、そ
の後の充放電サイクル時には、Ni(OH)2 のγ−N
iOOH化を抑制してサイクル寿命の安定化が可能であ
るようなNi極が好ましいことになるが、ZnOが均一
分散しているNi極の場合は、上記した効果を発揮する
ことが困難である。
【0014】本発明は、ZnOが均一分散している従来
のNi極における上記した問題を解決し、充放電サイク
ルの初期段階から高い放電容量を示し、また、それ以降
の充放電サイクル過程における放電容量を安定化できる
Ni極とその製造方法の提供を目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した目
的を達成するためには、ZnOとNi(OH)2 を均一
に分散して個々の活物質であるNi(OH)2 のγ−N
iOOH化を充放電サイクルの初期段階から均等に抑制
するのではなく、充放電サイクルの初期段階では上記Z
nOの作用を遅延させればよいとの着想を抱き、この着
想に基づいて鋭意研究を重ねた結果、活物質ペーストに
おいて、活物質であるNi(OH)2 に対するZnOの
分散形態を後述するように設定することが有効であると
の事実を見出し、本発明のNi極とその製造方法を開発
するに至った。
【0016】すなわち、本発明の二次電池用Ni極は、
3次元網状構造の集電体にNi(OH)2 とCoOを必
須成分とする活物質ペーストが充填され、前記活物質ペ
ーストには、その表面側ほど高濃度となるようにZnO
が担持されていることを特徴とする。そして、この二次
電池用Ni極の製造方法は、3次元網状構造の集電体に
Ni(OH)2 とCoOを必須成分とする活物質ペース
トを充填したのち乾燥およびプレス処理を順次施し、つ
いで、ZnO分散液中に浸漬して前記活物質ペーストに
前記ZnOを担持させることを特徴とし、また、3次元
網状構造の集電体にNi(OH)2 とCoOを必須成分
とする活物質ペーストを充填したのち乾燥およびプレス
処理を順次施し、ついで、ZnOと結着材との分散液中
に浸漬して取り出したのち、乾燥およびプレス処理を順
次施すことを特徴とする。
【0017】本発明のNi極の集電体は、3次元網状構
造の多孔体であればよい。従来から用いられているもの
であればよく、格別限定されるものではないが、活物質
ペーストの充填量を多くすることができるという点で、
例えば、多孔度が94〜97で連通孔を有するNiスポ
ンジを好適なものとしてあげることができる。このよう
なNiスポンジは、通常、所望の多孔度で連通孔を有す
るプラスチックの発泡体、例えば、ポリウレタンやポリ
エチレンの発泡体に公知の無電解NiめっきやNi蒸着
を行なって発泡体の骨格部分の表面をNiで被覆したの
ち、全体を大気中でその発泡体の熱分解温度以上の温度
で焼成してプラスチックの骨格部分を熱分解除去し、プ
ラスチックの骨格部分と同じ3次元網状構造をしたNi
骨格を有するスポンジとして製造される。
【0018】この集電体の空隙部には活物質ペーストが
充填されている。本発明の活物質ペーストは、Ni(O
H)2 ,CoOを必須成分とする。これらのうち、Ni
(OH)2 が正極活物質として動作する。活物質ペース
トにおけるNi(OH)2 の配合割合は、85〜97重
量%に設定されることが好ましい。この配合割合が85
重量%より少ない場合は、電池容量を支配的に規定する
正極容量が低くなるため、電池の高容量化に対して不都
合であり、また95重量%より多くなると、他の成分の
配合割合が少なくなって、目的とする効果を得ることが
できないからである。とくに好ましい配合割合は、90
〜95重量%である。
【0019】CoOは活物質Ni(OH)2 の利用率向
上に資する成分である。しかし一方では、電池の急放電
特性を劣化させる成分でもある。この後者の機能は、C
oOがアルカリ電解液に溶解して錯イオンとなり、この
錯イオンが活物質であるNi(OH)2 の表面を覆い、
充電時に、この錯イオンが酸化されてCoOOHに転化
することがもたらす結果である。すなわち、Ni(O
H)2 の表面を覆う上記CoOOHはその放電電位が低
いので、急放電時におけるNi極の分極を大きくするか
らである。
【0020】このようなことを勘案して、CoOの配合
割合は3〜7重量%に設定されることが好ましい。配合
割合が3重量%未満の場合には、活物質の利用率を向上
させる効果が発揮されず、また7重量%より多くなる
と、活物質の利用率向上効果にとっては無意味になるだ
けではなく、逆に、急放電特性が劣化して電池の容量低
下を引き起こすようになるからである。とくに好ましい
配合割合は4〜6重量%である。
【0021】本発明のNi極においては、集電体に充電
された上記活物質ペーストにZnOが担持されている。
ZnOは、集電体に充填されている活物質ペーストの表
面側、すなわちNi極の表面側ほど高濃度となるように
担持されていて、活物質ペーストの厚み方向における中
央部ほど低濃度でかつ不均一に担持されていることを特
徴とする。
【0022】このような状態でZnOが担持されている
Ni極の場合、充電時に、表面側の活物質Ni(OH)
2 に対しては、相対的に高濃度で存在するZnOの働き
が有効に発揮されてγ−NiOOH化が抑制される。そ
して、中心部の活物質Ni(OH)2 の周囲にはZnO
が低濃度でかつ不均一に存在しているのみであるため、
Ni(OH)2 のγ−NiOOH化は進行する。すなわ
ち、同一の活物質ペースト内において、その表面側では
Ni(OH)2 のγ−NiOOH化は抑制され、中心部
側ではNi(OH)2 のγ−NiOOH化は進行するこ
とになる。その結果、充放電サイクルの初期段階では、
Ni極の活物質ペーストにおけるNi(OH)2 のγ−
NiOOH化は全体として遅延した状態になる。
【0023】一方、充放電サイクルを反復すると、表面
側のZnOはジンケートイオンになってアルカリ電解液
に溶解していくとともに、中心部側に拡散移動していく
ので、中心部においても、活物質Ni(OH)2 の更な
るγ−NiOOH化を抑制する効果を発揮するようにな
る。その結果、充放電サイクルが可能である期間中にお
いて、活物質Ni(OH)2 の挙動は安定するので、放
電容量も安定化する。
【0024】このZnOの担持量は、組み立てる電池の
容量によっても異なってくるが、概ね、Ni極の表面
側,中心部側を合わせた平均値で、活物質ペーストの1
〜6重量%であることが好ましい。1重量%より少ない
場合は上記した効果が発揮されず、また、6重量%より
多くすると活物質ペーストの中心部におけるZnOも高
濃度になり、活物質Ni(OH)2 の利用率低下を招
き、電池容量も低下させてしまうからである。とくに好
ましいZnOの担持量は、平均値で、活物質ペーストの
2〜5重量%である。
【0025】活物質ペーストの表面側と中心部値におけ
るZnOの担持量は、後述する製造過程で用いるZnO
分散液の濃度等を調製することによって変化させること
ができるが、概ね、中心部における濃度に対し、表面で
は5〜10倍程度に設定することが好ましい。活物質ペ
ーストには上記成分の外に、更に、必要に応じて導電材
が添加されていてもよい。導電材としては、例えばカー
ボン粉末,Ni粉末などをあげることができるが、とく
にNi粉末が好適である。この導電材は、活物質ペース
トとそれが充填されている集電体との導通状態を良好に
し、もって活物質の利用率の向上にも資する。この導電
材の添加割合は、活物質ペーストの10重量%以下にす
ることが好ましい。これより多く配合すると、他の必須
成分の配合割合が減少して、活物質の利用率の低下を招
き、また、Ni(OH)2 の配合割合が減少して容量低
下を招くからである。
【0026】本発明のNi極は次のようにして製造され
る。まず、Ni(OH)2 粉末,CoO粉末、必要に応
じては更に導電材粉末の所定量を均一に混合し、ここ
に、例えばカルボキシメチルセルロース,ポリビニルア
ルコール,メチルセルロース,ポリエチレンオキサイド
のような増粘剤をイオン交換水に溶解して成る増粘剤水
溶液の所定量を注液して混練することにより、所定の活
物質ペーストを調製する。
【0027】ついで、この活物質ペーストを集電体の空
隙部に充填したのち所定の温度で乾燥し、更に、全体に
例えばロール圧延を施すことにより、活物質ペーストの
均一充填を企るとともにNi極の厚みを制御する。得ら
れた板体を、つぎに、ZnO分散液に浸漬して取り出
す。ZnO分散液は、通常、例えばカルボキシメチルセ
ルロースを所定濃度で溶解して成る水溶液のような媒体
にZnO粉末を分散させたものが用いられる。このと
き、媒体の粘性を調整したり、またZnO粉末の分散量
を変化させるなどの処置をとることにより、活物質ペー
ストに対するZnOの担持量は、表面側と中心部側にお
ける濃度などを調整することができる。
【0028】例えば、分散液の粘性を高めるとその分散
液は活物質ペーストの中心部にまで滲透しにくくなるの
で、活物質ペーストの表面ではZnOが層状に担持さ
れ、中心部では少量のZnOが担持されるという状態を
実現することができ、逆に分散液の粘性を低めると、Z
nOは活物質ペーストの中心部側にも多く担持されるよ
うになる。
【0029】分散液から取り出した板体に対しては、次
に乾燥したのち軽く例えばロール圧延を施すことによ
り、ZnOを活物質ペーストに強固に付着させて本発明
のNi極が得られる。また、上記したZnO分散液に、
更にポリテトラフルオロエチレンのような結着剤を適量
配合して用い、板体の浸漬,取り出し,乾燥後に例えば
ロール圧延を施すと、担持されたZnOは上記結着剤で
結着されるので、剥落という事態を防止することができ
て好適である。
【0030】このようにして製造されたNi極を用い
て、例えば水素−ニッケル二次電池を製造する場合は、
負極として水素吸蔵合金電極を用意し、両電極を缶体に
収容したのち缶内にアルカリ電解液を注液し、全体を封
口体で密封して製造される。用いるアルカリ電解液とし
ては、例えば、KOHとLiOHの混合液,KOHとN
aOHの混合液,KOHとNaOHとLiOHの混合
液,KOHとLiOHとCsOHの混合液,KOHとN
aOHとCsOHの混合液などを好適なものとしてあげ
ることができる。
【0031】
【発明の実施例】多孔度96%で厚み1.6mmの発泡ウレ
タンシートに無電解ニッケルめっきを施したのち、80
0℃の還元雰囲気中で焼成してスポンジ状シートを集電
体として製造した。ついで、Ni(OH)2 粉末93重
量%,CoO粉末4重量%,Ni粉末3重量%となるよ
うに各粉末を混合して成る混合粉末1000gに、カル
ボキシメチルセルロースの1%水溶液350gを加えて
活物質ペーストを調製した。
【0032】この活物質ペーストを上記スポンジ状Ni
シートに充填し、150℃で1時間乾燥したのち4ton/
cm2 の圧力でロール圧延した。一方、ポリテトラフルオ
ロエチレンの5%ディスパージョン1lにZnO粉末1
00gを投入し、充分に撹拌してZnO分散液を調製し
た。このZnO分散液に上記した圧延シートを30秒間
浸漬したのち取り出し、150℃で1時間乾燥したのち
0.5ton/cm2 の圧力でロール圧延し、厚みが0.55mmの
実施例のNi極とした。
【0033】このNi極において、担持されているZn
Oの量は、活物質ペーストの2重量%であった。また、
Ni極の厚み方向におけるZnOの濃度分布をEPMA
で観察したところ、中心部は希薄で、表面側にいくほど
漸次濃度上昇がみられ、表面ではほとんどZnOが層を
なしていた。比較のために、Ni(OH)2 粉末91重
量%,CoO粉末4重量%,Ni粉末3重量%,ZnO
粉末2重量%から成る混合粉末1000gを調製した。
ついで、この混合粉末を、1%のカルボキシメチルセル
ロース350gを加えてスラリー状とし、Niシートに
充填,乾燥,圧延したのち、ポリテトラフルオロエチレ
ンの5%ディスパージョン1lに浸漬して、実施例と同
様の条件で乾燥,ロール圧延処理を施し、比較例Ni極
(1)を製造した。
【0034】また、ZnO粉末を配合しなかったこと、
Ni(OH)2 粉末93重量%,CoO粉末4重量%,
Ni粉末3重量%から成る混合粉末を用いたことを除い
ては、比較例Ni極(1)と同様にして電極を製造し、
これを比較例Ni極(2)とした。一方、まずアーク溶
解法で組成:MmNi3.3 Co0.4 Al0.3 (Mmはミ
ッシュメタル)で示される水素吸蔵合金を製造したの
ち、これを粉砕して150メッシュ(タイラー篩)下の
合金粉末とした。その後、イオン交換水100重量部に
対し、上記合金粉末400重量部,Ni粉60重量部,
ポリフッ化ビニリデン12重量部,カルボキシメチルセ
ルロース1重量部から成る合金スラリーを調製し、この
合金スラリーに厚み0.07mm,開孔率38%のパンチン
グニッケルシートを浸漬したのち引き上げ、大気中で乾
燥し、8ton/cm2 の圧力で圧延し、全体の厚みが0.4mm
であるシート状負極を製造した。
【0035】これらシート状Ni極とシート状負極の間
に、厚み0.18mm,多孔度65%のナイロンセパレータ
を配置し、全体を渦巻状に巻回して直径13mmの極板群
にした。ついで、鋼にニッケルめっきが施されている内
径13.2mmの有底円筒容器に上記極板群を収容し、ここ
に、KOH:35重量%,LiOH:1重量%が溶解さ
れている電解液を注入したのちふたで密封し、密閉型の
円筒電池とした。
【0036】これら3種類の電池につき、室温下におい
て、0.2Cで1時間の充電を行ったのち16時間放電
し、ついで、0.2Cで7.5時間の充電と0.2Cの放電の
1回目の充放電サイクルを行ったのち40℃で24時間
放置し、更に、0.2Cで7.5時間の充電と0.2Cの放電
の2回目の充放電サイクルを行い、そのときの活物質利
用率(%)を求めた。
【0037】実施例Ni極の場合は113%,比較例N
i極(1)の場合は105%,比較例Ni極(2)の場
合は118%であった。この活物質利用率の結果から明
らかなように、ZnO無添加の比較例Ni極(2)では
充放電サイクルの初期段階からNi(OH)2 のγ−N
iOOH化が進行しており、また、ZnOが均一分散し
ている比較例Ni極(1)ではNi(OH)2 のγ−N
iOOH化が抑制されている。一方、実施例Ni極で
は、上記した比較例Ni極の中間的な状態で活物質Ni
(OH)2 のγ−NiOOH化が進行していることにな
る。
【0038】つぎに、各電池につき、室温下において、
充電:1C,−ΔV制御,放電:1C,1.0Vまでの条
件で充放電サイクル試験を行い、放電容量の変化を測定
した。その結果を図1に示した。図1から明らかなよう
に、ZnOを含まない比較例Ni極(2)は、初期段階
の充放電サイクル時における放電容量は大きく活物質N
i(OH)2 の初期利用率は高くなっているが充放電サ
イクル過程での放電容量は安定せず、漸減している。こ
れに反し、ZnOを含むNi極の場合は、充放電サイク
ル過程における放電容量は安定している。しかし、Zn
Oが均一分散している比較例Ni極(1)の場合は、充
放電サイクルの初期段階における放電容量は低く、また
全体としての放電容量も実施例Ni極の場合に比べて低
い。
【0039】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
Ni極が組み込まれている電池は、充放電サイクルの初
期段階から高い放電容量を示して活物質Ni(OH)2
の初期利用率が高く、そして、充放電サイクル寿命の過
程でも、安定した高位水準の放電容量を取り出すことが
できる。
【0040】このことは図1における実施例Ni極と比
較例Ni極(1)に関する曲線から明らかなように、活
物質ペーストにZnOを均一分散させることなく、活物
質ペーストの厚み方向で濃度勾配をもたせてZnOを担
持させたことがもたらす効果である。
【図面の簡単な説明】
【図1】電池の充放電サイクル数と放電容量との関係を
示すグラフである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3次元網状構造の集電体にNi(OH)
    2 とCoOを必須成分とする活物質ペーストが充填さ
    れ、前記活物質ペーストには、その表面側ほど高濃度と
    なるようにZnOが担持されていることを特徴とする二
    次電池用Ni極。
  2. 【請求項2】 前記活物質ペーストには、更に導電材が
    添加されている請求項1の二次電池用Ni極。
  3. 【請求項3】 3次元網状構造の集電体にNi(OH)
    2 とCoOを必須成分とする活物質ペーストを充填した
    のち乾燥およびプレス処理を順次施し、ついで、ZnO
    分散液中に浸漬して前記活物質ペーストに前記ZnOを
    担持させることを特徴とする二次電池用Ni極の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 3次元網状構造の集電体にNi(OH)
    2 とCoOを必須成分とする活物質ペーストを充填した
    のち乾燥およびプレス処理を順次施し、ついで、ZnO
    と結着材との分散液中に浸漬して取り出したのち、乾燥
    およびプレス処理を順次施すことを特徴とする二次電池
    用Ni極の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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