JPH10102170A

JPH10102170A - 水素吸蔵合金およびニッケル水素二次電池

Info

Publication number: JPH10102170A
Application number: JP8255120A
Authority: JP
Inventors: Takao Sawa; 孝雄沢; Fumiyuki Kawashima; 史行川島; Toshiya Sakamoto; 敏也坂本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】電池の負極材料とした場合に、高い電極容量と
繰り返しの使用に耐える長寿命特性と高率放電性とを共
に満足することが可能な水素吸蔵合金およびその合金を
使用したニッケル水素二次電池を提供する。【解決手段】一般式Ｘ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚ（但し、Ｘ
はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，ＺｎおよびＣｄから
選択される少なくとも１種の元素であり、ＹはＶ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆおよび希土類元素から選択
される少なくとも１種の元素であり、Ｙ′はＭｎおよび
Ｃｒから選択される少なくとも１方の元素であり、Ｚは
Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉおよ
びＳｂから選択される少なくとも１種の元素であり、ａ
は原子比で０≦ａ≦０．３である。）で表わされる組成
を有し、主相が立方晶であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金およ
びその合金を使用したニッケル水素電池に係り、特に合
金を電池の負電極に使用した場合に、高い電極容量（電
池容量）と繰返しの使用に耐える長寿命特性（長サイク
ル特性）と、高率放電性とを共に満足させることが可能
な水素吸蔵合金およびニッケル水素二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】石油系燃料などの従来の化石燃料と異な
り、燃焼させても有害ガスを発生せずにＨ₂Ｏとなる水
素が、クリーンなエネルギー源として注目されている。
この水素の具体的な利用を実現するためには、水素の実
用規模での貯蔵方法や輸送方法等が重要である。しかし
ながら、水素を気体として通常のボンベに貯蔵する場合
には、ボンベ容積が過大になる一方、水素を極低温下で
液体として貯蔵する場合には、冷凍設備などの補助設備
が必要になり、いずれにしろ貯蔵設備が大型化する難点
がある。そこで、水素と反応して金属酸化物として水素
を吸収し、かつ加熱等により水素を放出する水素吸蔵合
金が、水素の貯蔵や輸送の手段として注目されている。
水素吸蔵合金の応用範囲は広く、上述した水素の貯蔵手
段や輸送手段以外に、水素駆動自動車の燃料源、二次電
池の負極材料、水素の分離、回収、精製装置、ヒートポ
ンプ、冷暖房システム、冷凍システム、蓄熱装置、アク
チュエータ、コンプレッサ、温度センサ、触媒等、種々
の分野での利用が検討されている。特に二次電池の負極
材料としての水素吸蔵合金の用途は拡大の一途を辿って
いる。

【０００３】すなわち、近年の電子技術の進歩による省
電力化、実装技術の進歩により従来では予想し得なかっ
た電子機器が小型化およびポータブル化されてきてい
る。それに伴い、前記電子機器の電源である二次電池に
対する高容量化，長寿命化，放電電流の安定化が特に要
求されている。例えばパーソナル化、ポータブル化が進
むＯＡ機器，電話機，ＡＶ機器においては、特に小型軽
量化，およびコードレスでの機器使用時間の延伸などの
目的で高性能電池の開発が所望されている。このような
要求に対応する電池として、従来の焼結式ニッケルカド
ミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池の電極基板を三次元構造体と
した非焼結式Ｎｉ−Ｃｄ二次電池が開発されたが、顕著
な容量増加は達成されていない。

【０００４】そこで、近年、負極として水素吸蔵合金粉
末を集電体に固定した構造のものを使用したアルカリ二
次電池（ニッケル水素二次電池）が提案され、脚光を浴
びている。このニッケル水素電池に使用される負極は、
一般に、下記の手順で製造される。すなわち、高周波溶
解法やアーク溶解法などによって水素吸蔵合金を溶解し
た後に、冷却・粉砕し、得られた粉砕粉に導電剤や結合
剤を添加して混練物を形成し、この混練物を集電体に塗
布または圧着して製造される。この水素吸蔵合金を使用
した負極は、従来の代表的なアルカリ二次電池用負極材
料であるカドミウム（Ｃｄ）に比較し、単位重量当りま
たは単位容積当りの実効的なエネルギ密度を大きくする
ことができ、電池の高容量化を可能とする他、毒性が少
なく環境汚染のおそれが少ないという特徴を持ってい
る。

【０００５】しかしながら、水素吸蔵合金を含む負極
は、二次電池に組み込まれた状態において電解液である
濃厚なアルカリ水溶液に浸漬される他、特に過充電時に
は正極より発生する酸素に曝されるため、水素吸蔵合金
が腐食して電極特性が劣化し易い。さらに、充放電時に
おいて前記水素吸蔵合金中への水素の吸蔵、放出に伴っ
て体積が膨張、収縮するため、水素吸蔵合金に割れを生
じ、水素吸蔵合金粉末の微粉化が進行する。水素吸蔵合
金の微粉化が進行すると、水素吸蔵合金の比表面積が加
速度的に増加するため、水素吸蔵合金表面のアルカリ性
電解液による劣化面積の割合が増加する。しかも、水素
吸蔵合金粉末と集電体との間の導電性も劣化するため、
サイクル寿命が低下する上に電極特性も劣化する。

【０００６】そこで、上述した問題を解決するために水
素吸蔵合金を多元化したり、水素吸蔵合金粉末表面また
は水素吸蔵合金を含む負極表面にニッケル薄膜や銅薄膜
をめっき法、蒸着法等により付着させ電解液と直接接触
しないようにして耐食性を向上させたり、機械的強度を
増加させて割れを防止したり、あるいはアルカリ溶液中
へ浸漬後、乾燥させることにより水素吸蔵合金表面の劣
化を抑制したりという方法が提案されているが、必ずし
も十分な改善を図ることができず、却って電極容量の低
下を招く場合があった。

【０００７】上記アルカリ二次電池に用いられる水素吸
蔵合金として、ＬａＮｉ₅で代表されるＡＢ₅系合金が
ある。この六方晶構造を有する合金系を使用した負極
は、従来の代表的なアルカリ二次電池用負電極材料であ
るカドミウムを使用した場合と比較して、電池の単位重
量または単位容積当りの実効的なエネルギ密度を大きく
することが可能であり、電池の高容量化を可能とする上
に、カドミウム公害等の環境汚染を発生するおそれも少
なく、電池特性も良好であるという特徴を有している。
また上記ＡＢ₅系合金を使用した電池では、高い電流値
で放電できる特性があり、いわゆる高率放電が可能であ
るという長所がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
Ｌｍ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ系合金（ＬｍはＬａ富化ミッシ
ュメタル）から成る従来のＡＢ₅系水素吸蔵合金の電極
容量は、現在３００ｍＡｈ／ｇを僅かに超えた程度であ
り、また充放電によるサイクル寿命も、電池のさらなる
高容量化と長寿命化とが希求されている状況では十分で
はなかった。

【０００９】一方、ＺｒＮｉ₂やＺｎＭｎ₂などの組成
材を基材とする、いわゆるＡＢ₂系水素吸蔵合金を負極
材料として使用した電池では、４００ｍＡｈ／ｇ以上の
容量が得られる反面、高率放電すると、急激に容量が低
下したり、寿命が不十分になるなど、電池機能が著しく
低下する問題点があり、いずれにしても電池を使用した
機器の動作信頼性が大幅に低下してしまう問題点があっ
た。

【００１０】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、電池の負極材料とした場合に、高い電
極容量と繰り返しの使用に耐える長寿命特性と高率放電
性とを共に満足することが可能な水素吸蔵合金およびそ
の合金を使用したニッケル水素二次電池を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本願発明者らは種々の結晶構造および組成を有する合金
を調製し、その合金の結晶構造および組成が容量や寿命
特性および高率放電性に及ぼす影響を比較研究した。そ
の結果、立方晶を主相とする所定組成の金属間化合物か
ら成る合金を調製したときに、水素吸蔵特性および耐食
性が優れた水素吸蔵合金が得られ、また、この合金を負
極材料として使用した場合に電極容量，寿命特性および
高率放電性などの電池特性に優れたニッケル水素二次電
池が得られるという知見を得た。本発明は上記知見に基
づいて完成されたものである。

【００１２】すなわち本発明に係る水素吸蔵合金は、一
般式Ｘ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚ（但し、ＸはＦｅ，Ｃｏ，
Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，ＺｎおよびＣｄから選択される少な
くとも１種の元素であり、ＹはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，
Ｚｒ，Ｈｆおよび希土類元素から選択される少なくとも
１種の元素であり、Ｙ′はＭｎおよびＣｒから選択され
る少なくとも１方の元素であり、ＺはＡｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＢｉおよびＳｂから選択
される少なくとも１種の元素であり、ａは原子比で０≦
ａ≦０．３である。）で表わされる組成を有し、主相が
立方晶であることを特徴とする。また合金の平均結晶粒
径が５〜１００μｍの範囲であるとよい。

【００１３】また本発明に係るニッケル水素二次電池
は、上記所定の組成を有する水素吸蔵合金を含む負極
と，ニッケル酸化物を含む正極との間に電気絶縁性を有
するセパレータを介装して密閉容器内に収容し、この密
閉容器内にアルカリ電解液を充填したことを特徴とす
る。

【００１４】本発明に係る水素吸蔵合金において、一般
式中、Ｘ成分はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，
ＺｎおよびＣｄから選択される少なくとも１種の元素で
あり、これらの元素は合金が水素を吸蔵および脱蔵する
際のヒステリシスの低減を図るとともに、短時間での反
応を促進するために有効な元素である。また、合金表面
における触媒作用を高めるためには、上記Ｘ成分のう
ち、Ｎｉが特に好ましい。さら水素吸蔵時における格子
の膨張に起因する割れを抑制するとともに、寿命特性を
改善する元素としてＣｏが特に好ましい。

【００１５】また、Ｙ成分はＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆおよび希土類元素から選択される少なくとも１
種の元素であり、いずれも水素吸蔵能をもたらす元素で
ある。特に水素吸蔵能が大きくなるＶ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，希土類元素としてのＬａ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｐｒが好適
である。

【００１６】また、Ｙ′成分はＭｎおよびＣｒから選択
される少なくとも一方の元素であり、これらの元素は寿
命特性を改善する上で有効である。このＹ′成分は前記
Ｙ成分の一部を置換して用いることが好ましい。この
Ｙ′成分による置換量ａが原子比で０．３を超えると、
容量の低下が顕著になる。そのためＹ成分に対するＹ′
成分の置換量ａは原子比で０〜０．３の範囲に設定され
るが、０．０１〜０．２０の範囲がより好ましい。

【００１７】また、Ｚ成分はＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，
Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＢｉおよびＳｂから選択される少な
くとも１種の元素であり、いずれも合金の耐食性を改善
する作用を有し、電池材料としての寿命特性改善効果が
得られる。

【００１８】そして上記Ｘ成分，Ｙ成分、およびＹ′成
分，Ｚ成分の組成がＸ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚとなり、
Ｙ′成分の組成比（原子比）ａが、０≦ａ≦０．３の範
囲になったときに、その合金は、ほぼ立方晶構造（ホイ
スラー相）を有する金属間化合物の単一相で形成される
か、あるいは、主相が立方晶構造を有し、それ以外に副
相（第２相）が析出している場合があり、いずれにおい
ても、良好な電極特性および電池特性を与える水素吸蔵
合金が得られる。

【００１９】また、前記合金成分のうち、特にＮｉは希
土類成分と合金化されて、耐食性に優れた希土類−Ｎｉ
系水素吸蔵合金を形成して水素の吸蔵・放出を行うため
に有効な元素である。またＣｏ，Ｆｅ，Ｃｕなどの元素
はいずれも合金の耐食性を改善するとともに、水素吸蔵
時における格子の膨張に伴う割れの発生を効果的に抑止
し、寿命改善効果を発揮する元素である。またＭｎ，Ａ
ｌ，Ｓｉなどの元素はいずれも合金の寿命改善に寄与す
る元素でもある。さらにＳｉ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｓｎなどの
元素はいずれも合金の寿命改善にも有効である。

【００２０】また上記Ｙ′成分のうち、Ｍｎは、水素吸
蔵合金を含む負電極の高容量化、不働態膜の形成促進に
よる耐食性改善および水素の吸蔵放出圧力（平衡圧）の
低下調整に有効である。一方、Ｚ成分のうちのＡｌはＭ
ｎと同様に水素の吸蔵放出圧力（解離圧）を、密閉型電
池に好適な操作圧力まで下げる作用を有するとともに耐
久性を増加させることができる。

【００２１】またＸ成分としてのＣｏは、電解液等に対
する合金の耐食性を向上させる上で有効であり、合金の
微粉化は顕著に抑制され、電池の寿命特性が改善され
る。なおＣｏ添加量を増やすとサイクル寿命は向上する
反面、電極容量が低下する傾向があるため、電池の用途
に応じてＣｏ添加量の最適化を図る必要がある。

【００２２】この他、本発明に係る水素吸蔵合金には、
Ｃ，Ｎ，Ｏ，ＦおよびＣｌなどの元素が不純物として本
願発明合金の特性を阻害しない範囲で含まれていてもよ
い。なお、これらの不純物の含有量はそれぞれ６０００
ｐｐｍ以下の範囲であることが好ましい。より好ましく
は５０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは４０００ｐｐ
ｍ以下が良い。

【００２３】本発明に係る水素吸蔵合金の製造方法とし
ては、合金組成を均一化して偏析を防止し得る方法であ
れば特に限定されない。すなわち所定組成を有するよう
に調合した原料混合体をアーク炉等で加熱して合金溶湯
を調製し、しかる後に通常の真空溶解・鋳造法に従って
鋳造合金を調製し、さらに得られた鋳造合金を、不活性
ガス雰囲気中で熱処理することによって製造することが
できる。この場合、合金溶湯の鋳造時における冷却速度
は５℃／分以上となることが好ましい。また上記熱処理
は、合金組成を均質化するために行うが、その温度範囲
は５００〜１２００℃であり、処理時間は３０分〜１０
時間の範囲が好ましい。

【００２４】一方、鋳造凝固後の均質化熱処理の条件を
緩和するために、上記のような所定の組成を有する合金
溶湯を、高速度で移動する冷却体上に射出し１００℃／
分以上の冷却速度で急冷凝固せしめることにより製造す
ることもできる。この急冷凝固処理により、添加成分が
合金組織中に均一に分散し、また粒界析出相も微細化さ
れて電池の長寿命化を図ることができる。このような急
冷凝固処理を行う方法としては、ガスアトマイズ法，回
転ディスク法，遠心噴霧法，単ロール法，双ロール法な
どの溶湯急冷法がある。

【００２５】そして合金溶湯を冷却するに際し、冷却速
度を１００℃／秒以上，好ましくは３００℃／秒以上、
さらに好ましくは１８００℃／秒以上に設定することに
より、Ｌａなどの希土類元素や偏析し易い元素を相対的
に多量に含有した場合においても、組織が均一であり、
偏析が少ない合金が得られる。

【００２６】上記の合金溶湯の具体的な冷却凝固法とし
ては、例えば水冷したＣｕ製円板上に合金溶湯を注ぎ、
１０〜５０mm程度の厚さを有する合金ブロックを作製す
る方法を使用してもよい。この冷却凝固処理と後述する
熱処理とを必要に応じて実施することにより、高容量か
つ長寿命の水素吸蔵合金が得られる。

【００２７】一方、高速移動する冷却体上に合金溶融を
射出し、厚さ２０〜３００μｍ程度のフレーク状合金と
した場合には、５〜１００μｍ程度の微細な結晶粒から
成る水素吸蔵合金が得られ、高容量かつ長寿命の電池を
形成することができる。また結晶粒の微細化により、合
金の水素吸収速度が速くなり、二次電池とした場合に放
電容量の立上がりが早くなる。

【００２８】さらに合金溶湯の冷却凝固法として、特に
ガスアトマイズ法，回転ディスク法，遠心噴霧法，単ロ
ール法、双ロール法等のように溶融状態にある合金溶湯
を急冷する溶湯急冷法を用い、冷却ロールの材質および
表面性，冷却ロールの回転数（走行面の周速），溶湯温
度，冷却ロール用の冷却水温度，冷却チャンバ内のガス
種，圧力，溶湯噴射ノズル径，噴射量等の製造条件を最
適化することにより合金を安定的に大量に製造すること
ができる。

【００２９】単ロール法図１は、単ロール法による水素吸蔵合金製造装置を示
す。この製造装置は、銅、ニッケル等の熱導伝性に優れ
る直径４００ｍｍ程度の冷却ロール５と、取鍋２から供
給された水素吸蔵合金溶湯３を貯留した後に前記冷却ロ
ール５の走行面に噴射する注湯ノズル４とを備えた構成
となっている。前記冷却ロール５等は不活性ガス雰囲気
に調整された冷却チャンバー１内に収納されている。ま
た、前記冷却ロール５の回転数は、冷却ロール５の濡性
と冷却速度および水素吸蔵合金溶湯３の噴射量に依存す
るが、概ね１００〜５０００ｒｐｍに設定される。

【００３０】上述した図１に示す製造装置において、取
鍋２から供給された水素吸蔵合金溶湯３を注湯ノズル４
より冷却ロール５の走行面へ噴射すると、合金溶湯は冷
却ロール５に接する面より固化し、結晶成長が始まり、
冷却ロール５より離脱するまでに完全に固化が終了す
る。その後、冷却チャンバー１内を飛翔する間に更に冷
却が進み、偏析が少なく結晶成長方向が揃った水素吸蔵
合金６が製造される。

【００３１】双ロール法図２は、双ロール法による水素吸蔵合金製造装置を示
す。この製造装置は、冷却チャンバー１内に各走行面が
対向するように配置された１対以上の冷却ロール５ａ，
５ｂと、原料金属を溶解し水素吸蔵合金溶湯３を調製す
る溶解炉７と、この溶解炉７からの水素吸蔵合金溶湯３
をタンディッシュ８を経て前記冷却ロール５ａ，５ｂの
間に噴射する注湯ノズル４を備えた構成になっている。

【００３２】前記冷却ロール５ａ，５ｂは、銅、鉄等の
熱導伝性に優れた材質で形成された直径３００ｍｍ程度
のものである。前記冷却ロール５ａ，５ｂは０〜０．５
ｍｍ程度の微少な間隙ｄを維持しながら３００〜２００
０ｒｐｍ程度の回転数で高速回転する。なお、冷却ロー
ルとしては図２に示すように走行面が平行になっている
ものの他、走行面の断面形状をＵ字型やＶ字型とした、
いわゆる型ロールを採用することもできる。また、冷却
ロール５ａ，５ｂの間隙ｄを過大にすると、冷却方向が
揃わず、その結果結晶成長方向が揃わない水素吸蔵合金
が製造されるため、０．２ｍｍ以下に設定することが好
ましい。

【００３３】上述した図２に示す製造装置において、注
湯ノズル４から水素吸蔵合金溶湯３を冷却ロール５ａ，
５ｂの間隙方向へ噴射すると、水素吸蔵合金溶湯が両側
の冷却ロール５ａ，５ｂに接する側より固化、結晶成長
が始まり、冷却ロール５ａ，５ｂより離脱するまでに完
全に固化が終了する。その後、冷却チャンバー１内を飛
翔する間に更に冷却が進み、偏析が少なく結晶成長方向
が揃った水素吸蔵合金６が製造される。

【００３４】上記のような冷却凝固法を使用して、ブロ
ック状，リボン状，フレーク状または粒状の水素吸蔵合
金を製造する場合、合金溶湯の凝固冷却時の試料内温度
勾配、冷却ロールや回転ディスクの材質、合金溶湯の供
給量等の条件により等軸晶組織や柱状晶組織が合金内に
形成される。

【００３５】上記合金粒子の製造工程において、１００
℃／秒以上、好ましくは３００℃／秒以上、さらに好ま
しくは１８００℃／秒以上の冷却速度にて溶湯を急冷処
理して水素吸蔵合金を製造すると、合金を構成する各結
晶粒が１〜１００μｍ程度と微細化し、合金強度が高ま
るとともに、粒界の乱れが減少するため、水素の吸蔵量
が増大し、電極容量を高めることができる。

【００３６】上記溶湯急冷処理により、少なくとも一部
に柱状晶組織を発達させた水素吸蔵合金を形成すること
ができる。ここで柱状晶とは、短径と長径との比（アス
ペクト比）が１：２以上である柱状結晶粒をいう。上記
柱状晶組織においては、等軸晶組織とは異なり、結晶方
位が揃っているため、粒界の乱れが少なく、水素の吸蔵
量が増し、電極容量を増大化できることが本発明者らの
実験により確認された。すなわち柱状晶組織において
は、その界面に沿って、水素分子または水素原子の通路
が形成されるため、合金内への水素の吸蔵あるいは放出
が容易になり、電極容量が増加する。また柱状晶組織に
おける偏析は、極めて少なくなる。従って偏析による局
部電池の形成が少なく、合金組織の微細化による寿命低
下も効果的に防止できる。

【００３７】上記のように溶湯急冷法により調製した合
金においては内部歪みが発生し易い一方、鋳造法により
調製した合金においては偏析が発生し易く、いずれの場
合にも合金を負極材料として用いた場合に電極容量およ
び寿命が低下する場合が多い。

【００３８】そこで冷却凝固せしめて調製した合金を、
場合により、温度５００〜１２００℃で０．５〜２４時
間加熱する均質化熱処理を行なうことが望ましい。

【００３９】上記均質化熱処理の温度が５００℃未満の
場合には、内部歪の除去が困難となり、熱処理による寿
命特性の改善効果が小さくなる一方、熱処理温度が１２
００℃を超える場合には、希土類元素あるいはＴｉ，Ｚ
ｒ，ＨｆなどのＩＶａ族元素の酸化や蒸発による組成変
動を引き起こしたり、二次再結晶化による合金強度の低
下を引起こす。そのため熱処理温度は５００〜１２００
℃の範囲に設定される。特に電極特性を向上させるため
には、６００〜８００℃の範囲が好ましい。

【００４０】また熱処理時間が０．５時間未満の場合
は、内部歪の除去効果が少なく、特性のばらつきが大き
い。一方、処理時間が２４時間を超える程度に長期化す
ると、合金表面の酸化が進行し易く、特性の劣化が生じ
易い。そのため、製造効率も勘案すると０．５〜２０時
間が好ましい。

【００４１】なお熱処理雰囲気は、水素吸蔵合金の高温
酸化を防止するために、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気ま
たは真空が好ましい。

【００４２】上記のような条件で均質化熱処理を実施す
ることにより、合金の均質性を保ちながら内部歪を効果
的に除去することが可能となり、電極容量および寿命を
さらに高めることができる。

【００４３】また上記のように鋳造法や溶湯急冷法によ
って調製した水素吸蔵合金に対して下記のような表面処
理を実施することにより、電極材料として使用した場合
に電極特性を改善することができる。すなわち、酸処
理，アルカリ処理，ふっ化処理，めっき処理等の表面処
理を実施することにより、合金表面の活性や耐食性を高
めることができる。上記表面処理のうち、特にＫＯＨ溶
液やＮａＯＨ溶液を使用したアルカリ処理が特に有効で
ある。アルカリ処理温度は、４５℃からアルカリ溶液の
沸点の範囲が好ましく、処理時間は５分〜２４時間の範
囲とすることが好ましい。これらの表面処理は、急冷凝
固したままの形状の状態で実施してもよい。さらに粉砕
した後の状態でも、またはアルカリ溶液中で粉砕中に実
施してもよい。

【００４４】次に、上記水素吸蔵合金を負極活物質とし
て使用した本発明に係るニッケル水素二次電池（円筒形
ニッケル水素二次電池）について図３を参照して説明す
る。

【００４５】本発明に係るニッケル水素二次電池は、前
記の一般式Ｘ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚで表わされる水素吸
蔵合金を含む負極１１とニッケル酸化物を含む正極１２
との間に電気絶縁性を有するセパレータ１３を介装して
密閉容器１４内に収容し、この密閉容器１４内にアルカ
リ電解液を充填して構成される。

【００４６】すなわち、水素吸蔵合金を含む水素吸蔵合
金電極（負極）１１は、非焼結式ニッケル電極（正極）
１２との間にセパレータ１３を介在して渦巻状に捲回さ
れ、有底円筒状の容器１４内に収納されている。アルカ
リ電解液は、前記容器１４内に収容されている。中央に
穴１５を有する円形の封口板１６は、前記容器１４の上
部開口部に配置されている。リング状の絶縁性ガスケッ
ト１７は、前記封口板１６の周縁と前記容器１４の上部
開口部内面との間に配置され、前記上部開口部を内側に
縮径するカシメ加工により前記容器１４に前記封口板１
６を前記ガスケット１７を介して気密に固定している。
正極リード１８は、一端が前記正極１２に接続され、他
端が前記封口板１６の下面に接続されている。帽子形状
をなす正極端子１９は、前記封口板１６上に前記穴１５
を覆うように取り付けられている。ゴム製の安全弁２０
は、前記封口板１６と前記正極端子１９で囲まれた空間
内に前記穴１５を塞ぐように配置されている。絶縁チュ
ーブ２１は、前記正極端子１９および前記容器１４の上
端に載置される鍔紙２２を固定するように前記容器１４
の上端付近に取り付けられている。

【００４７】前記水素吸蔵合金電極１１は、以下に説明
するペースト式および非ペースト式のものが用いられ
る。（１）ペースト式水素吸蔵合金電極は、上記水素吸蔵合
金を粉砕することにより得た水素吸蔵合金粉末と高分子
結着剤と必要に応じて添加される導電性粉末とを混合し
てペースト状とし、このペーストを集電体である導電性
基板に塗布、充填、乾燥した後、ローラープレス等を施
すことにより作製される。（２）非ペースト式水素吸蔵合金電極は上記水素吸蔵合
金粉末と高分子結着剤と必要に応じて添加される導電性
粉末とを撹拌し、集電体である導電性基板に散布した後
ローラープレス等を施すことにより作製される。

【００４８】前記水素吸蔵合金の粉砕方法としては、例
えばボールミル、パルペライザー、ジェットミル等の機
械的粉砕方法、または高圧の水素を吸蔵・放出させ、そ
の際の体積膨張により粉砕する方法が採用される。

【００４９】前記高分子結着剤としては、例えばポリア
クリル酸ソーダ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ），ポリビ
ニルアルコール（ＰＶＡ）等を挙げることができる。こ
のような高分子結着剤は、前記水素吸蔵合金１００重量
部に対して０．１〜５重量部の範囲で配合することが好
ましい。ただし、前記（２）の非ペースト式水素吸蔵合
金電極を作製する場合には撹拌により繊維化して前記水
素吸蔵合金粉末および必要に応じて添加される導電性粉
末を三次元状（網目状）に固定することが可能なポリテ
トラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を高分子結着剤とし
て用いることが好適である。

【００５０】前記導電性粉末としては、例えば黒鉛粉
末、ケッチェンブラックなどのカーボン粉末、またはニ
ッケル、銅、コバルトなどの金属粉末を挙げることがで
きる。このような導電性粉末は、前記水素吸蔵合金１０
０重量部に対して０．１〜５重量部の範囲で配合するこ
とが好ましい。

【００５１】前記導電性基板としては、例えばパンチド
メタル、エキスパンドメタル、金網等の二次元基板、ま
たは発泡メタル基板、網状焼結繊維基板、不織布へ金属
をめっきしたフェルトめっき基板等の三次元基板を挙げ
ることができる。ただし、前記（２）の非ペースト式水
素吸蔵合金電極を作製する場合には水素吸蔵合金粉末を
含む合剤が散布されることから二次元基板を導電性基板
として用いることが好適である。

【００５２】前記水素吸蔵合金電極と組み合される非焼
結式ニッケル電極１２は、例えば水酸化ニッケルと必要
に応じて添加される水酸化コバルト（Ｃｏ（Ｏ
Ｈ）₂）、一酸化コバルト（ＣｏＯ）、金属コバルト等
との混合物にカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、
ポリアクリル酸ソーダなどのポリアクリル酸塩を適宜配
合してペーストとし、このペーストを発泡メタル基板、
網状焼結繊維基板、不織布へ金属をめっきしたフェルト
めっき基板などの三次元構造の基板に充填し、乾燥した
後、ローラープレス等を施すことにより作製される。

【００５３】前記セパレータ１３に使用される高分子繊
維不織布としては、例えばナイロン、ポリプロピレン、
ポリエチレンなどの単体高分子繊維、またはこれら高分
子繊維を混紡した複合高分子繊維を挙げることができ
る。

【００５４】アルカリ電解液としては、例えば６規定か
ら９規定の濃度を有する水酸化カリウム溶液または前記
水酸化カリウム溶液に水酸化リチウム、水酸化ナトリウ
ムなどを混合したものが使用される。

【００５５】上記構成に係る水素吸蔵合金によれば、合
金を構成する各種元素の種類およびその組成比を適正に
設定しているため、水素の吸蔵特性および耐食性が優れ
た水素吸蔵合金が得られる。したがって、この合金を負
極材料として使用した場合に、電池容量が大きくなり、
かつアルカリ溶解液による合金の微粉化劣化を防止でき
るため、寿命が長く、さらに高率放電性に優れたニッケ
ル水素二次電池を提供することができる。

【００５６】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下の実施例を参照して、より具体的に説明する。

【００５７】実施例１〜１０表１の左欄に示す合金組成となるように各種金属原料粉
末を配合し、得られた原料混合体を真空炉で加熱融解し
て各実施例用の合金溶湯（母合金）をそれぞれ調製し
た。

【００５８】次に得られた合金溶湯を、Ａｒ雰囲気中で
以下に示す処理条件に従って冷却凝固せしめ、それぞれ
インゴット状またはフレーク状の合金試料を調製した。

【００５９】すなわち、実施例１〜３用の合金溶湯を図
１に示すような単ロール法により急冷凝固せめしてフレ
ーク状の合金試料をそれぞれ調製した。冷却ロールとし
ては、直径４００mmのＣｕ−Ｂｅ製ロールを使用し、注
湯ノズル（射出ノズル）と冷却ロールとの間隙は１０mm
に設定し、射出温度は各合金の融点＋１５０℃に設定
し、射出圧力は０．５kg／cm²とした。また急冷操作は
Ａｒ雰囲気で実施し、ロール周速は１０ｍ／秒に設定し
た。

【００６０】一方、実施例４〜１０用の合金溶湯を鋳造
法により、冷却速度を５〜６０℃／分に設定して冷却凝
固せしめて、それぞれ厚さが５０mmの実施例４〜１０に
係るインゴット状の合金試料を調製した。さらに得られ
た各合金試料について７００℃で１５時間加熱して均質
化熱処理を施した。

【００６１】こうして得られた合金試料のうち、単ロー
ル法で製造された急冷合金試料の形態はいずれもフレー
ク状であり、その厚さは２００〜３００μｍであった。

【００６２】比較例１〜２表１左欄に示す合金組成を満足するように原料粉末を配
合し、得られた原料混合体を真空炉で加熱溶解して、各
比較例用の合金溶湯をそれぞれ調製した。なお、比較例
１に係る合金組成は、従来のＡＢ₅系水素吸蔵合金の典
型的な組成例を示し、比較例２に係る合金組成は、従来
のＡＢ₂系水素吸蔵合金の典型的な組成例を示す。

【００６３】そして各合金溶湯を鋳造法により、冷却速
度を５〜６０℃／分に設定して冷却凝固せしめ、それぞ
れ厚さ５０mmの比較例１，２に係るインゴット状の合金
試料（水素吸蔵合金）を調製した。さらに得られた比較
例１，２の合金試料について１０００℃で１０時間加熱
して均質化熱処理を実施した。

【００６４】次に得られた各合金試料について、粗粉砕
後、ハンマーミルによって微粉砕を実施し、得られた粉
砕粉を篩に通して７５μｍ以下の粒度に分級して各電池
用水素吸蔵合金粉末とした。なお平均粒径は３５〜４０
μｍであった。

【００６５】次に上記各実施例および比較例に係る電池
用水素吸蔵合金の電池材料としての特性を評価するため
に、以下に示すような手順で上記各電池用水素吸蔵合金
を使用して電極を形成し、その電極容量，充放電サイク
ル数（寿命）および高率放電性を測定した。

【００６６】まず上記実施例および比較例に係る電池用
水素吸蔵合金粉末と、ＰＴＦＥ粉末と、カーボン粉末と
をそれぞれ重量％で９５．５％，４．０％，０．５％に
なるように秤量後、混練圧延して各電極シートを作成し
た。電極シートを所定の大きさに切り出してニッケル製
集電体に圧着し、水素吸蔵合金電極をそれぞれ作成し
た。

【００６７】一方、水酸化ニッケル９０重量％と一酸化
コバルト１０重量％とに少量のＣＭＣ（カルボキシメチ
ルセルロース）と水とを添加し撹拌混合してペーストを
調製した。このペーストを、三次元構造を有するニッケ
ル多孔体に充填乾燥後、ローラプレスによって圧延する
ことによりニッケル極を製造した。

【００６８】そして上記各水素吸蔵合金電極とニッケル
極とを組み合わせて、容量については単極評価で測定す
る一方、寿命評価については、実際に各実施例のＡＡ型
（単三型）ニッケル水素電池を組み立てて評価を行なっ
た。ここで電解液としては、８規定の水酸化カリウム水
溶液を使用した。

【００６９】そして、各水素吸蔵合金電極の容量評価で
は、５０℃の恒温槽中で合金１ｇ当り２２０ｍＡの電流
値（２２０ｍＡ／ｇ）で４００ｍＡｈ／ｇまで充電した
後に、上記電流値でＨｇ／ＨｇＯ参照電極に対して、−
０．５Ｖの電位になるまで放電させ、この充放電を繰り
返して放電量が最大になったときの値を容量として測定
した。

【００７０】また、高率放電性は、単位重量当りの放電
電流が４０ｍＡ／ｇおよび４００ｍＡ／ｇの場合におけ
る容量をそれぞれＣ₄₀およびＣ₄₀₀として測定し、それ
らの比（Ｃ₄₀₀／Ｃ₄₀）を高率放電比とし、その比の大
小によって評価した。

【００７１】また寿命評価では、各電池について、６５
０ｍＡで１．５時間充電後、電池電圧が０．９Ｖになる
まで１Ａの電流で放電する充放電サイクルを繰り返し、
電池容量が初期容量の８０％になるまでのサイクル数を
５０℃で評価し、電池寿命として測定した。各測定結果
を下記表１に示す。

【００７２】

【表１】

【００７３】上記表１に示す結果から明らかなように、
一般式中のＸ成分，Ｙ成分，Ｙ′成分およびＺ成分を構
成する元素の種類と、各成分の組成比とを適正に設定
し、冷却凝固せしめて調製した各実施例に係る水素吸蔵
合金を使用して形成した電極および電池においては、従
来の組成比を有する比較例の電池と比較して、電極容
量，寿命および高率放電性の全ての特性において良好で
あり、優れた電池性能を発揮できることが確認できた。

【００７４】一方、従来のＡＢ₅系水素吸蔵合金である
比較例１の合金では高率放電性については実施例と同等
であるが、容量および寿命が実施例と比較して低下する
ことが判明した。また、従来のＡＢ₂系水素吸蔵合金で
ある比較例２の合金では、容量については実施例と同等
であるが、高率放電性および寿命が大幅に低下すること
が確認された。すなわち、本実施例において規定する組
成範囲に設定することにより、高容量で、かつ長寿命で
高率放電性に優れたニッケル水素二次電池が得られるこ
とが判明した。

【００７５】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係る水素吸蔵合
金によれば、合金を構成する各種元素の種類およびその
組成比を適正に設定しているため、水素の吸蔵特性およ
び耐食性が優れた水素吸蔵合金が得られる。したがっ
て、この合金を負極材料として使用した場合に、電池容
量が大きくなり、かつ、寿命が長く、さらに高率放電性
に優れたニッケル水素二次電池を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】単ロール法による水素吸蔵合金製造装置の構成
を示す斜視図。

【図２】双ロール法による水素吸蔵合金製造装置の構成
を示す断面図。

【図３】本発明に係るニッケル水素二次電池の構成例を
部分的に破断して示す斜視図。

【符号の説明】

１冷却チャンバ２取鍋３水素吸蔵合金溶湯４注湯ノズル５，５ａ，５ｂ冷却ロール６水素吸蔵合金７溶解炉８タンディッシュ１１水素吸蔵合金電極（負極）１２非焼結式ニッケル電極（正極）１３セパレータ１４容器１５穴１６封口板１７絶縁性ガスケット１８正極リード１９正極端子２０安全弁２１絶縁チューブ２２鍔紙ｄ間隙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式Ｘ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚ（但し、
ＸはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，ＺｎおよびＣｄか
ら選択される少なくとも１種の元素であり、ＹはＶ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆおよび希土類元素から選択
される少なくとも１種の元素であり、Ｙ′はＭｎおよび
Ｃｒから選択される少なくとも１方の元素であり、Ｚは
Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉおよ
びＳｂから選択される少なくとも１種の元素であり、ａ
は原子比で０≦ａ≦０．３である。）で表わされる組成
を有し、主相が立方晶であることを特徴とする水素吸蔵
合金。
【請求項２】合金の平均結晶粒径が５〜１００μｍの
範囲であることを特徴とする請求項１記載の水素吸蔵合
金。
【請求項３】一般式Ｘ₂（Ｙ_1-aＹ′_a）Ｚ（但し、
ＸはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，ＺｎおよびＣｄか
ら選択される少なくとも１種の元素であり、ＹはＶ，Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆおよび希土類元素から選択
される少なくとも１種の元素であり、Ｙ′はＭｎおよび
Ｃｒから選択される少なくとも１方の元素であり、Ｚは
Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｂｉおよ
びＳｂから選択される少なくとも１種の元素であり、ａ
は原子比で０≦ａ≦０．３である。）で表わされる組成
を有し、主相が立方晶である水素吸蔵合金を含む負極
と，ニッケル酸化物を含む正極との間に電気絶縁性を有
するセパレータを介装して密閉容器内に収容し、この密
閉容器内にアルカリ電解液を充填したことを特徴とする
ニッケル水素二次電池。