JPH09188519A - 電解二酸化マンガンおよびその製造方法、並びにマンガン乾電池 - Google Patents

電解二酸化マンガンおよびその製造方法、並びにマンガン乾電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マンガン乾電池の正極材料に使用されている
電解二酸化マンガンと導電性アセチレンブラック、特に
BET比表面積70〜250m2/gの導電性アセチレ
ンブラックとの反応性を抑制し、初期特性および保存特
性を改善し得る電解二酸化マンガンおよびその製造方
法、並びに該電解二酸化マンガンを正極活物質として用
いたマンガン乾電池を提供する。 【解決手段】 MnOxのX値が1.90〜1.96、
JIS測定法による付着水含有率が1.5重量%以上、
重量法による120〜400℃の範囲で脱離する結合水
含有率が3.0重量%以上である電解二酸化マンガンお
よびその製造方法、並びに該電解二酸化マンガンを導電
性アセチレンブラック、好ましくはBET比表面積が7
0〜250m2/gの導電性アセチレンブラックと塩化
亜鉛もしくは塩化アンモニウムを主体とする電解液と調
合し、正極合剤として使用するマンガン乾電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は特定性状を有する電
解二酸化マンガンおよびその製造方法、並びに該電解二
酸化マンガンを導電性アセチレンブラック、特にBET
比表面積が70〜250m2/gである導電性アセチレ
ンブラックと塩化亜鉛もしくは塩化アンモニウムを主体
とする電解液と調合し、正極合剤して使用するマンガン
乾電池に関する。
【0002】
【従来の技術】正極活物質として電解二酸化マンガン、
負極活物質として亜鉛合金、電解液として塩化亜鉛もし
くは塩化アンモニウムを主成分とした水溶液を用いたマ
ンガン乾電池がよく知られている。
【0003】このマンガン乾電池の正極に使用される電
解二酸化マンガンの従来の製造方法としては、例えば、
電解工程後、水または温水により洗浄、中和して電解二
酸化マンガンを得ている。この電解二酸化マンガを正極
に用いたマンガン乾電池はその保存中に電解二酸化マン
ガンと導電性アセチレンブラックとの間で反応し、二酸
化炭素ガスを発生するため、放電中に内部抵抗が上昇し
保存期間が長引くにつれ特性劣化が増大するという問題
があった。この傾向は、近年、乾電池に要求されること
の多い重負荷放電条件でさらに加速されるため、この問
題の解決が急務となっていた。
【0004】さらに、近年では、マンガン乾電池の重負
荷放電特性を向上させるため、従来より比表面積の大き
い導電性アセチレンブラックを用い、電解二酸化マンガ
ンの放電反応に必要な電解液を吸収保持する能力を向上
させる試みもなされているが、このような比表面積の大
きな導電性アセチレンブラックは、さらに電解二酸化マ
ンガンとの反応性が高いという問題がある。
【0005】また、電解二酸化マンガンとの反応性の低
い導電性アセチレンブラックでは電解液の保液性が不充
分で重負荷特性は低下する。このため、電解二酸化マン
ガンを空気中で加熱して反応性を下げることもできる
が、マンガン乾電池の放電特性上、極めて重要な付着水
の減少が生じ、特に100℃以上の加熱では結合水まで
失われ、乾電池の初期特性自体が顕著に劣化するという
問題があった。
【0006】その他として、電解二酸化マンガンを極め
て長期間保管すれば導電性アセチレンブラックとの反応
性は抑制されるが、工業的にこのような電解二酸化マン
ガンを提供することは困難である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、マンガン乾
電池の正極材料に使用されている電解二酸化マンガンと
導電性アセチレンブラック、特にBET比表面積70〜
250m2/gの導電性アセチレンブラックとの反応性
を抑制し、初期特性および保存特性を改善し得る電解二
酸化マンガンおよびその製造方法、並びに該電解二酸化
マンガンを正極活物質として用いたマンガン乾電池を提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、このよう
な状況に鑑み鋭意検討を重ねた結果、マンガン乾電池の
保存中に発生するガス量を減らすべく、電解後の粉末ま
たは塊状電解二酸化マンガンを、硫酸と反応するアルカ
リ性アンモニウム化合物共存下、水溶液中で加熱するこ
とで電解二酸化マンガンの水分(付着水および結合水含
有率)が、従来方法による電解二酸化マンガンと同程度
であり、かつMnOxのX値が1.90〜1.96の範
囲にある電解二酸化マンガンを製造して、従来のBET
比表面積が60m2/g程度の導電性アセチレンブラッ
クと塩化亜鉛もしくは塩化アンモニウムを主体とする電
解液と調合して正極合剤とし、これをマンガン乾電池に
使用すれば保存特性の向上が認められることを知見し、
さらに導電性アセチレンブラックとしてBET比表面積
が70〜250m2/gのものと調合して正極合剤と
し、これをマンガン乾電池に使用すれば、初期特性を向
上し、しかも保存特性に優れた高性能なマンガン乾電池
が製造できることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。
【0009】すなわち、本発明は、電解後の粉末状また
は塊状電解二酸化マンガンを、中和時または中和後に硫
酸と反応するアルカリ性アンモニウム化合物共存下、5
0〜100℃の条件で水溶液中で加熱することを特徴と
する電解二酸化マンガンの製造方法にある。
【0010】また、本発明はMnOxのX値が1.90
〜1.96、JIS測定法による付着水含有率が1.5
重量%以上、重量法による120〜400℃の範囲で脱
離する結合水含有率が3.0重量%以上であることを特
徴とする電解二酸化マンガンにある。
【0011】さらに、本発明は、上記した電解二酸化マ
ンガンを導電性アセチレンブラック、好ましくはBET
比表面積が70〜250m2/gの導電性アセチレンブ
ラックと塩化亜鉛もしくは塩化アンモニウムを主体とす
る電解液と調合し、正極合剤として使用するマンガン乾
電池。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに詳細
に説明する。マンガン乾電池の保存後の特性劣化の原因
の1つとして正極合剤中の電解二酸化マンガンと導電性
アセチレンブラックとの反応により二酸化炭素ガスが発
生して電池の内圧が上昇し、負極セパレータ、正極合剤
間の密着性を低下させるため、反応効率を悪化させると
考えられる。
【0013】電池の初期特性を劣化させないためには電
解二酸化マンガンの水分(付着水および結合水含有率)
が充分に維持され、MnOxのX値が一定範囲にあるこ
とが肝要である。
【0014】このような事実に着目し、上記条件を満足
する電解二酸化マンガンにつき検討を重ねた結果、電解
後の二酸化マンガンの製品処理工程において、中和時ま
たは中和後、硫酸と反応するアルカリ性アンモニウム化
合物を添加し、50〜100℃の条件下で水溶液中で加
熱することにより上記課題を解決できる電解二酸化マン
ガンが製造できることを見出した。以下、水溶液中での
加熱を水熱処理という。
【0015】これは電解二酸化マンガン中の各酸化度を
持つマンガン酸化物の相互反応により導電性アセチレン
ブラックと反応し易い、高次のマンガン酸化物が低級酸
化物と反応し、放電反応に不必要な両酸化物が除かれて
初期電池特性の劣化のない、しかも保存特性の優れた電
解二酸化マンガンを得ることができたもので、反応機構
は明らかではないが、硫酸と反応するアルカリ性アンモ
ニウム化合物が高温状態で電解二酸化マンガン中に存在
する硫酸イオンと反応する過程において、以下に示す相
互反応を加速する触媒的な役割を果たしているものと考
えられる。
【0016】
【化1】
【0017】これら硫酸と反応するアルカリ性アンモニ
ウム化合物としては水酸化アンモニウム、炭酸アンモニ
ウム、炭酸水素アンモニウム等が挙げられる。アンモニ
ウム化合物もしくはアンモニウムイオン共存下で、大気
中での加熱により導電性アセチレンブラックとの反応性
を抑制し得る電解二酸化マンガンの製造も可能である
が、この場合は放電特性に重要な因子となる電解二酸化
マンガンの水分(付着水および結合水含有率)を維持す
る必要があるため、加熱中の水蒸気分圧を高く維持する
必要があり、工業的に多量の電解二酸化マンガンを処理
する方法としては設備並びに処理コストが高いので好ま
しくない。
【0018】すなわち、初期放電特性を維持しつつ、保
存特性の劣化を抑制した本発明の電解二酸化マンガン製
造条件において、水熱処理温度を50〜100℃とした
のは、工業的規模にて電解二酸化マンガンを製造する場
合、50℃未満では処理に要する時間がかかり過ぎ、そ
の温度が100℃超ではエネルギーコストの大幅アップ
につながると共に、アンモニウムイオンの水への溶解度
が低下し蒸発ロスが多くなるため、経済性において現実
的ではない。水熱処理温度の条件としては望ましくは8
0〜90℃である。
【0019】このようにして得られた二酸化マンガン
は、MnOxのX値が1.90〜1.96、JIS測定
法による付着水含有率が1.5重量%以上、重量法によ
る120〜400℃の範囲で脱離する結合水含有率が
3.0重量%以上である。このX値が1.90未満であ
ると初期放電特性が低下する。これは、放電反応に必要
なMnO2自体の含有量が少なく、放電に寄与しないよ
り低級な酸化物の含有量も多いためであると考えられ
る。X値が1.96超の場合は高次の酸化物が残留して
いるため、導電性アセチレンブラックとの反応性の抑制
が不充分である。また、付着水含有率が1.5重量%未
満、結合水含有率が3.0重量%未満の場合にはいずれ
も初期放電特性が低下する。
【0020】また、導電性アセチレンブラックのBET
比表面積が250m2/gを超えると、初期放電特性は
向上するものの、マンガン乾電池の保存後の残存率が劣
化し、保存後の放電特性の低下をもたらす。ここで残存
率とは製造直後の放電持続時間を100%とした時の保
存後の放電持続時間を百分率で表したものである。
【0021】このような特定性状の電解二酸化マンガン
を導電性アセチレンブラック、特にBET比表面積が7
0〜250m2/gのアセチレンブラックと塩化亜鉛も
しくは塩化アンモニウムを主体とする電解液と調合し、
正極合剤とすることによって、保存特性と初期放電特性
が同時に改善された本発明のマンガン乾電池が得られ
る。
【0022】
【実施例】以下、本発明を実施例および比較例により詳
細に説明する。実施例1 硫酸浴中で電流密度70A/m2、電解液温90℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を1.5とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガン3kgを粗
粉砕したものを90℃、5リットルの熱水で30分洗浄
後、デカンテーションし、さらに同量の水で24時間撹
拌、洗浄し、再びデカンテーションした。ここで得られ
た電解二酸化マンガンを炭酸アンモニウムにより電解二
酸化マンガンのJIS pHが5.5になるよう中和
後、90℃、32時間水熱処理し、さらに40℃で1時
間加熱乾燥し、そして平均粒径が約25μmとなるよう
微粉砕して電解二酸化マンガンを得た。
【0023】この電解二酸化マンガンを正極活物質とし
て図1に示すR6マンガン乾電池を試作した。この電池
の20℃初期および45℃、1カ月保存後の300mA
連続放電試験(終止電圧0.9V)を行い、結果を表1
に示した。同図において、1はZn缶(負極)、2はセ
パレーター、3は底紙、4は正極合剤、5は上紙、6は
炭素棒、7は上蓋、8は封口剤、9は正極キャップをそ
れぞれ示す。
【0024】ここでR6マンガン乾電池1個に使用する
電解二酸化マンガン重量を合わせるため正極活物質とし
て用いた電解二酸化マンガン、導電性アセチレンブラッ
クの配合重量比は表1に示す通りであり、電解液は塩化
亜鉛30重量%、水70重量%なる比率で作製し、塩化
亜鉛は47.6重量%、比重1.53のものを使用し
た。ここで導電性アセチレンブラックはBET比表面積
が70m2/gのものを用いた。なお、電解二酸化マン
ガン、導電性アセチレンブラックおよび電解液の配合比
は例示であり、電池構造に合わせて適宜調整することが
可能である。
【0025】実施例2 硫酸浴中で電流密度50A/m2、電解液温95℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を1.5とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガンを実施例1
と同様な製品処理を行い、かつアルカリ性アンモニウム
化合物として水酸化アンモニウムを用い、中和後、90
℃、12時間水熱処理を行い、さらに40℃で1時間加
熱乾燥し、そして平均粒径が約25μmとなるように微
粉砕して電解二酸化マンガンを得た。
【0026】この電解二酸化マンガンを用い、実施例1
と同様な方法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験
を行った。結果を表1に示す。ここで導電性アセチレン
ブラックは実施例1と同様のBET比表面積が70m2
/gのものを用いた。
【0027】実施例3 硫酸浴中で電流密度60A/m2、電解液温95℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を1.0とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガンを実施例1
と同様な製品処理を行い、かつアルカリ性アンモニウム
化合物として水酸化アンモニウムを用い、中和後、90
℃、20時間水熱処理を行い、さらに40℃で1時間加
熱乾燥し、そして平均粒径が約25μmとなるように微
粉砕して電解二酸化マンガンを得た。
【0028】この電解二酸化マンガンを用い、正極合剤
中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレンブラックと
の配合重量比を除いて実施例1と同様な方法でR6マン
ガン乾電池を試作し、放電試験を行った。結果を表1に
示す。ここで導電性アセチレンブラックは実施例1と同
様のBET比表面積が60m2/gのものを用いた。
【0029】実施例4 実施例3と同様な水熱処理および製品処理を行い、電解
二酸化マンガンを得た。この電解二酸化マンガンを用
い、実施例1と同様な方法でR6マンガン乾電池を試作
し、放電試験を行った。結果を表1に示す。ここで導電
性アセチレンブラックはBET比表面積が70m2/g
のものを用いた。
【0030】実施例5 実施例3と同様な水熱処理および製品処理を行い、電解
二酸化マンガンを得た。この電解二酸化マンガンを用
い、正極合剤中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレ
ンブラックとの配合重量比を除いて実施例1と同様な方
法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験を行った。
結果を表1に示す。ここで導電性アセチレンブラックは
BET比表面積が130m2/gのものを用いた。
【0031】実施例6 実施例3と同様な水熱処理および製品処理を行い、電解
二酸化マンガンを得た。この電解二酸化マンガンを用
い、正極合剤中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレ
ンブラックとの配合重量比を除いて実施例1と同様な方
法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験を行った。
結果を表1に示す。ここで導電性アセチレンブラックは
BET比表面積が200m2/gのものを用いた。
【0032】実施例7 実施例3と同様な水熱処理および製品処理を行い、電解
二酸化マンガンを得た。この電解二酸化マンガンを用
い、正極合剤中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレ
ンブラックとの配合重量比を除いて実施例1と同様な方
法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験を行った。
結果を表1に示す。ここで導電性アセチレンブラックは
BET比表面積が250m2/gのものを用いた。
【0033】比較例1 硫酸浴中で電流密度50A/m2、電解液温90℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を1.5とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガン3kgを水
酸化アンモニウムで中和処理を行い、電解二酸化マンガ
ンを得た。
【0034】この電解二酸化マンガンを用い、正極合剤
中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレンブラックと
の配合重量比を除いて実施例1と同様な方法でR6マン
ガン乾電池を試作し、放電試験を行った。結果を表1に
示す。ここで導電性アセチレンブラックはBET比表面
積が60m2/gのものを用いた。
【0035】比較例2 比較例1と同様な製品処理を行い、電解二酸化マンガン
を得た。この電解二酸化マンガンを用い、正極合剤中の
電解二酸化マンガンと導電性アセチレンブラックとの配
合重量比を除いて実施例1と同様な方法でR6マンガン
乾電池を試作し、放電試験を行った。結果を表1に示
す。ここで導電性アセチレンブラックはBET比表面積
が200m2/gのものを用いた。
【0036】比較例3 アルカリ性アンモニウム化合物として炭酸アンモニウム
を用い、空気中、180℃、4時間加熱処理を施し、他
は実施例1と同様な製品処理を行い電解二酸化マンガン
を得た。
【0037】この電解二酸化マンガンを用い、正極合剤
中の電解二酸化マンガンと導電性アセチレンブラックと
の配合重量比を除いて実施例1と同様な方法でR6マン
ガン乾電池を試作し、放電試験を行った。結果を表1に
示す。ここで導電性アセチレンブラックはBET比表面
積が130m2/gのものを用いた。
【0038】比較例4 硫酸浴中で電流密度70A/m2、電解液温90℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を2.0とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガンを実施例1
と同様な製品処理を行い、かつアルカリ性アンモニウム
化合物として水酸化アンモニウムを用い、中和後、95
℃、48時間水熱処理を行い、さらに40℃で1時間加
熱乾燥し、そして平均粒径が約25μmとなるように微
粉砕して電解二酸化マンガンを得た。
【0039】この電解二酸化マンガンを用い、実施例1
と同様な方法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験
を行った。結果を表1に示す。ここで導電性アセチレン
ブラックはBET比表面積が70m2/gのものを用い
た。
【0040】比較例5 硫酸浴中で電流密度50A/m2、電解液温95℃(一
定)、電解液中のマンガン/硫酸のモル比を1.0とし
た条件で電解析出させた電解二酸化マンガンを実施例1
と同様な製品処理を行い、かつアルカリ性アンモニウム
化合物として水酸化アンモニウムを用い、中和後、40
℃、48時間水熱処理を行い、さらに40℃で1時間加
熱乾燥し、そして平均粒径が約25μmとなるように微
粉砕して電解二酸化マンガンを得た。
【0041】この電解二酸化マンガンを用い、実施例1
と同様な方法でR6マンガン乾電池を試作し、放電試験
を行った。結果を表1に示す。ここで導電性アセチレン
ブラックは実施例1と同様のBET比表面積が70m2
/gのものを用いた。
【0042】次に、各サンプルを用いたガス発生量調査
試験は、正極合剤を45℃に保った深めの容器内に、図
2に示すようなガス発生測定用ガラスセルに正極合剤5
gを投入後、さらに電解液5ミリリットルを注入した
後、流動パラフィンをガラスセルに充填させたものを浸
漬し、1週間ガス発生量の測定を行った。なお、図2に
おいて、10はマイクロピペット、11は流動パラフィ
ン、12は正極合剤、13は発生ガス、14は恒温水
槽、15は温水(45℃一定)をそれぞれ示す。
【0043】また、正極合剤は先に述べたR6マンガン
乾電池製造時と同様な方法で作製し、電解液、導電性ア
セチレンブラックも同様なものを使用した。各々のサン
プルのガス発生量は、R6マンガン乾電池放電試験結果
と共に表1に示す。同様に各サンプルの水分とMnOx
のX値の分析結果も表1に示した。
【0044】
【表1】
【0045】この表1の結果から明らかなように、実施
例1〜2、4および比較例4〜5よりMnOxのx値が
1.90未満では20℃初期(製造直後)の放電特性が
低下し、1.96超では45℃、1ケ月後の放電特性お
よび残存率が低下していることが判る。
【0046】次に、実施例3〜7および比較例1の比較
より次のことが判る。すなわち、導電性アセチレンブラ
ックのBET比表面積が60m2/gを用いた実施例3
は比較例1と比較して初期特性は若干低下するものの、
保存特性の向上は図れた。次に、導電性アセチレンブラ
ックのBET比表面積が70〜250m2/gの範囲を
用いた実施例4〜7は比較例1と比較して初期特性およ
び保存特性が良好な結果が得られた。従って、初期特性
および保存特性共向上するには導電性アセチレンブラッ
クの比表面積は70〜250m2/gであることが望ま
しい。
【0047】比較例2より従来から使用されている電解
二酸化マンガンにおいて、アセチレンブラックのBET
比表面積が200m2/gでは、初期の放電特性は向上
するものの、残存率、保存特性共に著しい劣化を示すこ
とが判る。
【0048】比較例3ではマンガン乾電池の放電特性上
極めて重要な付着水が0.7重量%、結合水が2.9重
量%と低いので、電池特性並びに保存特性共に著しく低
下することが判る。
【0049】実施例3と比較例1および実施例6と比較
例2により水熱処理によって得られた電解二酸化マンガ
ンは従来の電解二酸化マンガンと比較して、導電性アセ
チレンブラックとの反応を抑制し、ガス発生を抑えられ
ることが判る。
【0050】
【発明の効果】本発明による特定性状を有する電解二酸
化マンガンを正極活物質として導電性アセチレンブラッ
クと共に正極合剤として使用すれば、保存特性の優れた
マンガン乾電池を製造することができる。さらにBET
比表面積70〜250m2/gの導電性アセチレンブラ
ックを使用すれば、保存特性のみならず、初期放電特性
も同時に改善されたマンガン乾電池を製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例および比較例で作製したR6マンガン
乾電池の断面図。
【図2】 実施例および比較例で用いたガス発生量測定
装置。
【符号の説明】
1:Zn缶(負極)、2:セパレーター、3:底紙、
4:正極合剤、5:上紙、6:炭素棒、7:上蓋、8:
封口剤、9:正極キャップ、10:マイクロピペット、
11:流動パラフィン、12:正極合剤、13:発生ガ
ス、14:恒温水槽、15:温水(45℃一定)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 元 大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産 業株式会社内 (72)発明者 乾 美知子 大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産 業株式会社内 (72)発明者 櫻井 芳亘 大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産 業株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解後の粉末状または塊状電解二酸化マ
    ンガンを、中和時または中和後に硫酸と反応するアルカ
    リ性アンモニウム化合物共存下、50〜100℃の条件
    で水溶液中で加熱することを特徴とする電解二酸化マン
    ガンの製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の製造方法によって得られ、M
    nOxのX値が1.90〜1.96、JIS測定法によ
    る付着水含有率が1.5重量%以上、重量法による12
    0〜400℃の範囲で脱離する結合水含有率が3.0重
    量%以上であることを特徴とする電解二酸化マンガン。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の電解二酸化マンガンを
    導電性アセチレンブラックと塩化亜鉛もしくは塩化アン
    モニウムを主体とする電解液と調合し、正極合剤として
    使用するマンガン乾電池。
  4. 【請求項4】 前記導電性アセチレンブラックのBET
    比表面積が70〜250m2/gである請求項3に記載
    のマンガン乾電池。
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