JPH0953137A - 水素吸蔵合金および水素吸蔵合金電極 - Google Patents

水素吸蔵合金および水素吸蔵合金電極

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JPH0953137A
JPH0953137A JP7211592A JP21159295A JPH0953137A JP H0953137 A JPH0953137 A JP H0953137A JP 7211592 A JP7211592 A JP 7211592A JP 21159295 A JP21159295 A JP 21159295A JP H0953137 A JPH0953137 A JP H0953137A
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JP
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hydrogen storage
alloy
storage alloy
electrode
hydrogen
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JP7211592A
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English (en)
Inventor
Yoichiro Tsuji
庸一郎 辻
Toru Yamamoto
徹 山本
Hajime Seri
肇 世利
Toshihiro Yamada
敏弘 山田
Yoshinori Toyoguchi
▲吉▼徳 豊口
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/383Hydrogen absorbing alloys
    • 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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Abstract

(57)【要約】 【課題】 TiーVーNi系体心立方構造を有する水素
吸蔵合金を改良して、サイクル特性および高率放電特性
に優れた水素吸蔵合金電極を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 一般式TixyzNi1-x-y-z(Mは、
ZrおよびHfからなる群より選ばれる少なくとも一種
の元素であり、0.2≦x≦0.4、0.3≦y<0.
7、0.1≦z≦0.3、0.6≦x+y+z≦0.9
5)で示され、合金相の主成分が体心立方構造である水
素吸蔵合金。また、Cr、Mo、W、Co、Fe、C
u、Ag、Al、Mn、Zn、Si、B、P、S、およ
び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の
元素を全体量に対して一元素当たり5原子%以下含む水
素吸蔵合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学的な水素
の吸蔵・放出を可逆的に行える水素吸蔵合金および同合
金を用いた水素吸蔵合金電極に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ポータブル機器、コードレス機器
の発展に伴い、その電源となる電池にもより一層の高エ
ネルギ−密度が要求されている。この要求を達成するた
めに、金属水素化物、つまり水素吸蔵合金電極を使った
ニッケル−水素蓄電池が注目され、製法などに多くの提
案がされている。水素を可逆的に吸収・放出しうる水素
吸蔵合金を使用する水素吸蔵合金電極は、理論容量密度
がカドミウム電極より大きく、亜鉛電極のような変形や
デンドライトの形成などもないことから、長寿命・無公
害であり、しかも高エネルギー密度を有するアルカリ蓄
電池用負極として今後の発展が期待されている。
【0003】このような水素吸蔵合金電極に用いられる
合金は、通常アーク溶解法や高周波誘導加熱溶解法など
で作製される。現在実用化されているものとしては、L
a(又はMm:ミッシュメタル)−Ni系の多元系合金
がある。AB5タイプ(A:La、Zr、Tiなどの水
素との親和性の大きい元素、B:Ni、Mn、Crなど
の遷移元素)のLa(又はMm)−Ni系の多元系合金
は、容量的には頭打ちになっており、さらに放電容量が
大きい新規水素吸蔵合金材料が望まれている。
【0004】これに対して、さらに大きな水素吸蔵量を
持つ合金として、Ti−V系の水素吸蔵合金がある。こ
の合金系については、例えばTixyNiz合金(特開
平6−228699号公報)やTixyFez合金(特
開平6−93366号公報)などが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
Ti−V系の水素吸蔵合金を電極に用いた場合、La
(又はMm)−Ni系の多元系合金に比べて放電容量が
高いものの、その他の電池特性においてはさらに改良の
余地がある。特に、サイクル特性が他の合金に比べて劣
っており、初期の数サイクルで容量が大きく低下する欠
点があった。本発明は、サイクル特性の改善された水素
吸蔵合金電極を与える水素吸蔵合金を提供することを目
的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、合金組成
の面から電極のサイクル特性を改善することを目指し、
種々検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。す
なわち、本発明の水素吸蔵合金は、一般式Tixyz
Ni1-x-y-z(Mは、ZrおよびHfからなる群より選
ばれる少なくとも一種の元素であり、0.2≦x≦0.
4、0.3≦y<0.7、0.1≦z≦0.3、0.6
≦x+y+z≦0.95)で示され、合金相の主成分が
体心立方構造の水素吸蔵合金である。また、本発明の水
素吸蔵合金は、Cr、Mo、W、Co、Fe、Cu、A
g、Al、Mn、Zn、Si、B、P、S、および希土
類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を
全体量に対して一元素当たり5原子%以下含むものであ
る。さらに、本発明の水素吸蔵合金電極は、上記の水素
吸蔵合金またはその水素化物から構成される。
【0007】本発明の水素吸蔵合金電極は、従来のTi
−V−Ni系合金を改良したものであり、従来合金組成
にZrおよびHfから選ばれる少なくとも一種の元素を
10原子%以上30原子%以下添加することにより、電
極のサイクル特性を改善したものである。Zrおよび/
またはHfの添加量が10原子%より少ないと、サイク
ル特性を改善する効果が少なく、30原子%を超える
と、容量低下が大きくなるため、添加するメリットが少
ない。以下に、各元素の量について説明する。Ti量x
は、多すぎると水素と親和力の強い元素が増えるため水
素が合金内で安定化し、放出できなくなる。一方、少な
い場合は、活性化が困難になり、非常に高温、高圧の雰
囲気でなければ水素化しにくい。また、水素に対する親
和力が強い元素が少ないため、吸蔵量も減少する。Ti
量xの最適な範囲は0.2≦x≦0.4である。
【0008】V量yは、多いほど水素吸蔵量は増加する
が、水素平衡圧の低下によって電池として利用できる容
量が低下し、また、電解液への溶出が増加するため、サ
イクル特性が悪くなる。水素吸蔵量および水素平衡圧の
両方を満たすためには、0.3≦y<0.7の範囲であ
ることが必要である。次に、Niは、水素吸蔵合金が電
気化学的に水素を吸蔵放出するための必須の元素であ
る。しかし、Ni量が増加すると、水素吸蔵量は減少す
るので、水素吸蔵量と放電容量のバランスがとれて、最
も放電容量が大きくなるように調整する必要がある。そ
のためのNi量(1−x−y−z)は0.05≦1−x
−y−z≦0.4である。
【0009】少量添加するCr、Mo、Wなどの第5元
素は、それぞれさらに特性を改善するために、5原子%
以下添加される。その効果を以下に述べる。Cr、M
o、およびWは、さらなるサイクル特性の改善に効果が
ある。Co、Fe、Cu、Ag、および希土類元素は、
合金の電極活性を向上させ、高率放電特性などを改良す
る。Al、Mn、およびZnは、水素平衡圧のプラトー
領域の平坦性を向上させる効果がある。これらの元素の
添加によって、合金の水素吸蔵量自体はほとんど変化し
ないが、電池として利用できる水素量が増大する。
【0010】Si、B、P、およびSは、合金の水素吸
蔵放出圧力のヒステリシスを減少させる効果がある。ヒ
ステリシスが大きいと、充電電圧と放電電圧の差が大き
くなり、効率が悪くなるので、小さいものが望ましい。
いずれの添加元素も添加量が5原子%を越えると、容量
が低下するなどの悪影響が大きくなるので、5原子%以
下の添加量が望ましい。以上のことから、優れた電極特
性を有する水素吸蔵合金電極を得るためには、本発明の
合金組成の条件を満たすことが重要である。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に本発明をその実施例により
さらに詳しく説明する。 [実施例1]まず、各元素の組成の範囲について検討し
た結果を示す。表1に示すようなNo.1〜14の組成
の合金を作製し、その特性を調べた。No.1〜9は本
発明の組成からはずれた比較例であり、No.10〜1
4が本発明における実施例である。
【0012】
【表1】
【0013】合金は市販のTi、V、Zr、Hf、Ni
の各金属を原料として、アーク溶解によって作製した。
この合金試料の一部はX線回折などの合金分析および水
素ガス雰囲気における水素吸収−放出量測定(通常のP
(水素圧力)−C(組成)−T(温度)測定)に使用
し、残りは電極特性評価に用いた。まず、各合金試料に
ついて、X線回折測定を行った。その結果、いずれの合
金試料についても合金相の主成分は体心立方構造を有し
ていることが確認された。ただし、Hf量が多いNo.
7は、六方晶構造を持つ相の割合が増加していた。
【0014】以上のような合金について、アルカリ蓄電
池用負極としての電極特性を評価するために負極で容量
を規制した単電池を作製した。実験方法を以下に示す。
合金を水素を吸蔵放出させることによって粉砕し、75
μm以下に分級した。この合金粉末1gに導電材として
のNi粉末を3g、結着材としてのポリエチレン粉末を
0.12gそれぞれ混合し、ペレット状に加圧成形し、
130℃で加熱して結着材を溶融させて電極とした。こ
うして得た電極を負極とし、対極に過剰の電気容量を有
する酸化ニッケル電極を配し、電解液に比重1.30の
水酸化カリウム水溶液を用い、電解液が豊富な開放系の
電池を構成した。この電池は、水素吸蔵合金負極で容量
が規制される。この電池を水素吸蔵合金1g当たり10
0mAの電流で5.5時間充電し、合金1g当たり50
mAで端子電圧が0.8Vになまで放電する充放電を繰
り返した。各電極の最大放電容量および最大容量到達後
50サイクルまでのサイクル当たりの容量の劣化率を表
2に示す。
【0015】
【表2】
【0016】表2より本発明の合金を用いた電極は、最
大容量が350mAh/g以上と現行のAB5に比べて
高容量であるとともに、比較例と比べて容量劣化率が
0.1%/サイクル以下と少なく、優れた電極であるこ
とがわかる。
【0017】[実施例2]次に、Cr、Mo、W、C
o、Fe、Cu、Ag、Al、Mn、Zn、Si、B、
P、S、および希土類元素の添加効果について示す。希
土類元素はLa、Ce、Mmを用いた。検討した合金組
成は実施例1で示したNo.10の合金にそれぞれの元
素を3原子%添加した。合金はアーク溶解炉で作製し、
一部はX線回折などの合金分析および水素ガス雰囲気に
おけるP−C−T測定に使用し、残りは電極特性評価に
用いた。電極特性の評価は、実施例1と同様の方法で、
単極試験を行った。まず、Cr、Mo、Wを加えた合金
のサイクル特性を調べるために、45℃の高温で100
サイクルまで充放電を行い、その劣化率を比較した。そ
の結果、No.10は0.42%/サイクルの劣化率で
あったのに対し、Cr、Mo、またはWを添加した合金
では、それぞれ0.12、0.18、0.16%/サイ
クルとさらにサイクル特性が改善された。
【0018】また、Co、Fe、Cu、Ag、La、C
e、またはMmを添加した合金の0℃における高率放電
特性を調べた。充電は25℃において100mA/gで
5時間行い、放電電流を種々変化させて、その時の放電
容量を調べた。その結果を図1に示す。図1から明らか
なように、Co、Fe、Cu、Ag、La、Ce、また
はMmを添加した合金はすべて高率放電特性が改善され
た。次にAl、Mn、またはZnを添加した合金の水素
吸蔵のPCT曲線を図2に示す。これらの金属を添加し
た合金は、水素平衡圧のプラトー部分の平坦性が改善さ
れた。Si、B、P、またはSを添加した合金のヒステ
リシスファクター(Hf)の比較を表3に示す。ヒステ
リシスファクターは、プラトー部分の中央における水素
吸蔵圧Paと放出圧Pdから、式Hf=ln(Pa/Pd)
より計算した。Hfが小さい方がヒステリシスが小さい
ことになる。表3より、Si、B、P、またはSを添加
した合金は、ヒステリシスが小さくなっていることがわ
かる。
【0019】
【表3】
【0020】
【発明の効果】以上のように、本発明の水素吸蔵合金電
極は、優れたサイクル特性を有する水素吸蔵合金電極を
与える。また、Cr、Mo、W、Co、Fe、Cu、A
g、Al、Mn、Zn、Si、B、P、S、および希土
類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を
添加することにより、さらに優れた電極特性が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における各種合金負極を用いた
電池の0℃における高率放電特性を示す図である。
【図2】本発明の実施例における合金のPCT曲線を示
す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 敏弘 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 豊口 ▲吉▼徳 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 (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式TixyzNi1-x-y-z(Mは、
    ZrおよびHfからなる群より選ばれる少なくとも一種
    の元素であり、0.2≦x≦0.4、0.3≦y<0.
    7、0.1≦z≦0.3、0.6≦x+y+z≦0.9
    5)で示され、合金相の主成分が体心立方構造である水
    素吸蔵合金。
  2. 【請求項2】 Cr、Mo、W、Co、Fe、Cu、A
    g、Al、Mn、Zn、Si、B、P、S、および希土
    類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を
    全体量に対して一元素当たり5原子%以下含む請求項1
    記載の水素吸蔵合金。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の水素吸蔵合金
    またはその水素化物からなることを特徴とする水素吸蔵
    合金電極。
JP7211592A 1995-08-21 1995-08-21 水素吸蔵合金および水素吸蔵合金電極 Pending JPH0953137A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1137085A1 (en) * 2000-03-23 2001-09-26 Sanyo Electric Co., Ltd. Nickel-metal hydride storage battery
US6338764B1 (en) 1998-04-30 2002-01-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Hydrogen-absorbing alloy and hydrogen-absorbing alloy electrode

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6338764B1 (en) 1998-04-30 2002-01-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Hydrogen-absorbing alloy and hydrogen-absorbing alloy electrode
EP1137085A1 (en) * 2000-03-23 2001-09-26 Sanyo Electric Co., Ltd. Nickel-metal hydride storage battery
US6632567B2 (en) 2000-03-23 2003-10-14 Sanyo Electric Co., Ltd. Nickel-metal hydride storage battery

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