JPH09213322A - 電池および電池用マンガン酸化物の製造法 - Google Patents

電池および電池用マンガン酸化物の製造法

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JPH09213322A
JPH09213322A JP8017280A JP1728096A JPH09213322A JP H09213322 A JPH09213322 A JP H09213322A JP 8017280 A JP8017280 A JP 8017280A JP 1728096 A JP1728096 A JP 1728096A JP H09213322 A JPH09213322 A JP H09213322A
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琢也 中嶋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強負荷放電において、二酸化マンガンの放電
電位が低いため電池自身が持っている本来の放電容量の
ごく1部しか放電に利用されない。 【解決手段】 硫酸マンガン溶液から電解合成される二
酸化マンガンを電極から剥離し、水洗、粉砕した後、ニ
ッケル、コバルトのうち1種以上含む溶液中に投入し撹
拌することにより電解二酸化マンガン表面にニッケル、
コバルトのうち1種以上含む化合物で被覆することによ
り放電電位の高い電池用マンガン酸化物を合成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極活物質にマン
ガン酸化物を用いる電池において、強負荷放電特性の優
れたマンガン酸化物の製造法及びそれを用いた電池に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、ポータブル機器の多機能化などに
より電池の消費電流が増加傾向にある。たとえばノート
型パソコンにアルカリ乾電池を使用することが検討され
ており、この場合単3型電池において1500mAの電
流が必要となる。このような強負荷放電において、従来
の電池では本来電池が持っている放電容量の20%以下
しか使用することができない。低利用率の原因の1つに
二酸化マンガンの電位が低いことがあげられ、このため
に終止電圧を0.9Vとした場合、放電途中でこの電圧
に達してしまい放電容量が十分得られていない。
【0003】二酸化マンガン材料の研究開発も様々な視
点から行われ提案されている。たとえば、二酸化マンガ
ン粉末表面に繊維状の化学合成二酸化マンガンを析出さ
せたもの(USP5277890、USP539136
5)や、アナターゼ型の二酸化チタン粉末を電解二酸化
マンガン粉末に混合添加する(USP5342712)
方法などが提案されている。前者の場合、粒子表面に繊
維状の化学合成二酸化マンガンを析出させ粒子の見かけ
表面積を格段に増加させる事によりこのような二酸化マ
ンガン材料の反応性を向上させるものである。後者のア
ナターゼ型の二酸化チタンを添加するのは強負荷放電に
おける濃度分極を軽減する効果をねらったものである。
【0004】これらの研究開発により改善は得られるも
のの、上記のような強負荷放電において満足されるもの
は得られていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】単3型電池において1
500mAの電流が必要となるような強負荷放電におい
て、従来の電池では本来電池が持っている放電容量の2
0%以下しか使用することができない。低利用率の原因
の1つに二酸化マンガンの電位が低いことがあげられ、
このために終止電圧を0.9Vとした場合、放電途中で
この電圧に達してしまい放電容量が十分得られていな
い。
【0006】本発明はこのような課題を解決するもの
で、二酸化マンガンの電位を向上させることで強負荷放
電時の電池容量利用率を増加させ高性能電池を提供する
ことを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】硫酸マンガン溶液から電
解合成される二酸化マンガンを電極から剥離し、水洗、
粉砕した後、ニッケルあるいは/及びコバルトを含む溶
液中に投入し撹拌することにより電解二酸化マンガン表
面をニッケルあるいは/及びコバルトを含む化合物で被
覆する。それによりマンガン酸化物の電位が向上し、高
性能な電池が得られるものである。前記溶液は硫酸塩水
溶液であり、さらに、硫酸マンガンが混合されていても
良い。また、この溶液は空気、酸素あるいはオゾンをバ
ブリングしているか、NaClO3あるいはNa228
2H2Oなどの酸化剤を含み酸化雰囲気におかれている
ことが好ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明は電池と硫化マンガンをニ
ッケルあるいは/およびコバルトを含む溶液中で処理す
ることにより得られる。本発明のマンガン酸化物のアル
カリ電解液中での放電反応は以下の反応式で示される。
【0009】 MnO2+H2O+e-→MnOOH+OH- このような二酸化マンガンの反応において電位はその材
料自身の電位に決められてしまう。本発明のマンガン酸
化物材料はこの電位が向上するが、そのメカニズムにつ
いては明らかではないが以下のように推察される。
【0010】一般にマンガンの電位に比べニッケルある
いはコバルトの電位の方が高い。従って、電解二酸化マ
ンガンをニッケルあるいはコバルトなどの溶液中で処理
することにより表面にニッケルあるいはコバルトといっ
たマンガンより電位の高い化合物が析出することにより
全体として電位の高いマンガン複合酸化物になったもの
と思われる。
【0011】
【実施例】本発明の効果を以下実施例により説明する。
図1に本実施例の製造プロセス概略を示した。電解によ
って電極の陽極板上に電解二酸化マンガン(以後EMD
と略す)を析出させるまでは従来の方法と同じ方法で行
った。すなわち、不純物を除去した硫酸マンガン電解浴
を90℃以上に加熱し1.0A/dm2の電流密度で電
解した。陽極にはチタン板、陰極には黒鉛板を用いた。
陽極上で得られたEMDを剥離・粗砕し水洗した後、ロ
ーラーミルで所定の粒度(平均粒径50μ)まで粉砕す
る。得られたEMDの粉末300gをニッケル、コバル
トを含む溶液3l中に分散させ撹拌しながら処理を施
す。このとき、溶液の組成を種々に調整する。また、処
理溶液を酸化雰囲気にする場合は撹拌処理中に酸化剤を
添加するかあるいは酸化性ガス(空気、酸素あるいはオ
ゾン)を吹き込む。その後、濾過・水洗・中和・濾過・
乾燥の工程を経てEMD表面をニッケル、コバルトを含
む化合物で被覆した材料を得た。処理温度・時間は本実
施例では80℃・24時間としたがこの温度は反応時間
との関係で温度が低い場合は処理時間が長くなり、本質
的に材料が変化するものではなかった。また、中和工程
は通常のEMD製造工程における中和と同様の処理であ
り本発明における処理の前に中和洗浄工程をしても大き
な変化はない。本実施例の場合は中和工程は全て溶液処
理の後に行い、中和剤としてNaOHを用いた。
【0012】このようにして得られたニッケルあるいは
/およびコバルト化合物被覆EMD粉末(以下EMD−
Ni等と略す)を用いて単3型アルカリ乾電池を作成し
た。図2に本実施例で用いた単3型アルカリ乾電池の構
造断面図を示す。図2において1は正極合剤、2はゲル
状亜鉛負極、3はセパレータ、4はゲル状亜鉛負極の集
電子である。5は正極端子キャップ、6は金属ケース、
7は電池の外装缶、8は金属ケース6の開口部を閉塞す
るポリエチレン製樹脂封口体、9は負極端子をなす底板
である。ゲル状亜鉛負極は以下のようにして調整した。
まず、40重量%の水酸化カリウム溶液(ZnOを3重
量%含む)に3重量%のポリアクリル酸ソーダと1重量
%のカルボキシメチルセルロースを加えてゲル化する。
ついで、このゲル状電解液に対して重量比で2倍の亜鉛
合金粉末を加えて混合した。以下種々の液組成あるいは
酸化剤等の検討結果を(表1)(表2)(表3)に示
す。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】
【表3】
【0016】表1、2、3に処理溶液として硫酸塩の水
溶液を用いた場合の結果を示した。放電容量は処理を施
していない材料を用いた場合の電池番号1の電池を10
0としたときの比率で示した。放電負荷は1500mA
定電流連続放電で、放電容量は電池電圧が0.9Vに低
下するまでの時間とした。正極合剤としては全ての電池
において黒鉛を10%混合したものを用いた。(表1)
にはニッケルの場合、(表2)にはコバルトの場合、
(表3)にはそれらの混合あるいはマンガンの混在の場
合を示した。また、図3には放電カーブの典型例を示し
た。図中の点線は処理を施していないEMDの場合で実
線が(表1)の電池番号2でニッケルの化合物を被覆し
たEMDの場合である。まず図3より、本発明のマンガ
ン酸化物を用いた電池の電圧が向上していることがわか
る。その結果、放電終止電圧以下の急激に電池電圧が低
下する時点はいずれの場合も同じであるが、放電終止電
圧0.9V付近においては電圧が高い分、放電容量が増
加している。(表1)より処理溶液は硫酸酸性にした方
が若干ではあるがより放電容量が増加する傾向がある。
(たとえば電池番号2と電池番号9の比較より)。さら
に、酸化剤あるいは酸化性ガスにより水溶液中を酸化雰
囲気にする方がよりよいこともわかる(たとえば、電池
番号2と電池番号4あるいは電池番号5と電池番号4な
どの比較より)。
【0017】酸化剤及び酸化性ガスの違いによる効果は
本実験においては大差なかった。電池番号2で用いたE
MD−Ni材料と処理を施していない電解二酸化マンガ
ン表面の電子顕微鏡観察から、処理後の表面は凹凸が少
なく何か析出物ができている様子である。これらのこと
から、図4に示すようにEMD表面の一部もしくは全面
をニッケルのオキシ水酸化物などのような化合物が被覆
しているものと考えられ、このことがEMDの電位を向
上させたものと思われる。(表2)のコバルトに関して
もニッケルとほぼ同様な結果が得られ、この場合はEM
Dの表面の一部もしくは全面をコバルトのオキシ水酸化
物などのような化合物が被覆しているものと考えられ
る。(表3)に溶液中にマンガン、ニッケル、コバルト
を2種以上含んだ場合を示した。この結果からマンガン
イオンを混在させたものはいずれの場合も見かけ密度が
増加するという効果が得られることがわかった。このこ
とは、化学合成二酸化マンガンを作成する場合に見られ
る反応、つまり、マンガン2価イオンが酸化され二酸化
マンガンとなる反応がEMD表面で同時に起こり緻密な
析出物として付着したためと考えられる。酸化剤の違い
による効果は認められなかった。
【0018】EMD表面に被覆する化合物の被覆量を検
討するために溶液のイオン濃度・反応時間等を調整し種
々の被覆量の材料を合成した。これらの材料の放電容量
の関係を図5に示した。図の横軸はマンガン酸化物中に
含まれるニッケル及びコバルトの金属として換算した場
合の総重量%である。図より放電容量は被覆していない
もの(240mA/g)に比べ減少はしていないものの
最適値があることがわかる。このことは被覆量が増加し
すぎるとEMD自身の反応性が阻害されることと思われ
る。以上のことより含有量は0.1〜10%がより好ま
しい。なお、本実施例においては硫酸塩系の水溶液を用
いたが他の硝酸塩、塩化物などでもほぼ同じ効果が得ら
れる。
【0019】なお本実施例では電池としてアルカリ乾電
池を作成して特性比較を実施したがマンガン乾電池、有
機電解液電池の一次、二次電池に使用しても同様の効果
が得られた。
【0020】
【発明の効果】以上のように、硫酸マンガン溶液から電
解合成される二酸化マンガンを電極から剥離し、水洗、
粉砕した後、ニッケル、コバルトを少なくとも1種以上
含む溶液中に投入し撹拌し、電解二酸化マンガン表面を
ニッケルあるいは/およびコバルトを含む化合物で被覆
することにより、放電電位を上昇させた電池用マンガン
酸化物を合成することが可能になり、このような材料を
用いた電池の強負荷放電特性の改良が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマンガン酸化物の製造プロセスフロー
チャートを示す図
【図2】単3型アルカリ乾電池の側断面図
【図3】本発明のマンガン酸化物を用いたアルカリ電池
の放電特性を示す図
【図4】ニッケル、コバルトのうち少なくとも1種以上
含む化合物被覆電解二酸化マンガン粒子の断面モデル図
【図5】ニッケル、コバルトの総含有量と放電容量の関
係を示す図
【符号の説明】
1 正極合剤 2 ゲル状亜鉛負極 3 セパレータ 10 EMD(電解二酸化マンガン) 11 Ni、Coのうち少なくとも1種以上含む化合物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峠 成二 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 (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マンガン酸化物を正極活物質とした電池に
    おいて、マンガン酸化物が電解二酸化マンガン表面をニ
    ッケルあるいは/およびコバルトを含む化合物で被覆さ
    れてなることを特徴とした電池。
  2. 【請求項2】マンガン酸化物中のニッケルおよびコバル
    トの総含有量が0.1〜10%である請求項1記載の電
    池。
  3. 【請求項3】硫酸マンガン溶液から電解合成される二酸
    化マンガンを電極から剥離し、水洗、粉砕した後、ニッ
    ケルあるいは/およびコバルトを含む溶液中に投入撹拌
    して電解二酸化マンガン表面をニッケルあるいは/およ
    びコバルトを含む化合物で被覆する電池用マンガン酸化
    物の製造法。
  4. 【請求項4】ニッケルあるいは/およびコバルトを含む
    溶液は硫酸塩、硝酸塩、塩化物の中から選択された少な
    くとも1種よりなる水溶液である請求項3記載の電池用
    マンガン酸化物の製造法。
  5. 【請求項5】ニッケルあるいは/およびコバルトを含む
    溶液中に硫酸マンガンが混合されている請求項3記載の
    電池用マンガン酸化物の製造法。
  6. 【請求項6】ニッケルあるいは/およびコバルトを含む
    溶液は酸性水溶液である請求項3記載の電池用マンガン
    酸化物の製造法。
  7. 【請求項7】酸性水溶液が硫酸、硝酸あるいはこれらを
    混合してなる請求項6記載の電池用マンガン酸化物の製
    造法。
  8. 【請求項8】ニッケルあるいは/およびコバルトを含む
    溶液は酸化剤を含んでなる請求項3記載の電池用マンガ
    ン酸化物の製造法。
  9. 【請求項9】酸化剤がNaClO3あるいは/およびN
    2282H2Oである請求項8記載の電池用マンガン
    酸化物の製造法。
  10. 【請求項10】ニッケルあるいは/およびコバルトを含
    む溶液中に酸化性ガスを吹き込みつつ撹拌する請求項3
    記載の電池用マンガン酸化物の製造法。
  11. 【請求項11】酸化性ガスが空気、酸素、オゾンの中か
    ら選択された少なくとも1種である請求項10記載の電
    池用マンガン酸化物の製造法。
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