JPH10172553A - アルカリ二次電池およびその製造方法 - Google Patents

アルカリ二次電池およびその製造方法

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JPH10172553A
JPH10172553A JP8333982A JP33398296A JPH10172553A JP H10172553 A JPH10172553 A JP H10172553A JP 8333982 A JP8333982 A JP 8333982A JP 33398296 A JP33398296 A JP 33398296A JP H10172553 A JPH10172553 A JP H10172553A
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JP
Japan
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negative electrode
paste
hydrogen storage
storage alloy
secondary battery
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JP8333982A
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English (en)
Inventor
Keisuke Narumi
惠介 成海
Mitsuo Hiruma
光生 晝間
Shuichiro Irie
周一郎 入江
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FDK Twicell Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Battery Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • 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
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ペースト式負極中に含有されるAB2 タイプ
の水素吸蔵合金の性状を改良することによりサイクル寿
命の長いアルカリ二次電池を提供する。 【解決手段】 正極と、ABx (ただし、AはTiおよ
びZrから選ばれる少なくとも1つの元素、BはNi、
Mn、V、Co、Cr、Al、Fe、Cu、Mo、L
a、Ce、PrおよびNdから選ばれる少なくとも1つ
の元素、xは1.8≦x≦2.5を示す)にて表される
水素吸蔵合金粉末および結着剤を含む負極ペーストを導
電性芯体に担持させたペースト式負極と、前記正負極間
に介在されたセパレータと、電解液とを具備し、前記負
極中の前記水素吸蔵合金粉末は、(a)レーザー回折法
による平均粒径25〜45μmで、10μm以下の粒径
を有する粒子の比率が15体積以下で、かつ(b)BE
T法による比表面積が0.04〜0.14m2 /g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、アルカリ二次電池
およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、水素を吸蔵・放出する水素吸蔵合
金を含む負極を備えたアルカリ二次電池が、注目されれ
ている。この二次電池は、高エネルギー密度を有するた
めに容積効率が高く、かつ安全作動が可能で、しかも特
性的にも高い信頼性を有する。水素吸蔵合金は、これを
負極としてアルカリ電解液中で電気分解を行なうと、発
生した水素を負極の水素吸蔵合金で吸蔵する。逆に、ニ
ッケル極などの適切な正極を対極して放電すると、吸蔵
した水素ガスを放出すると共に、この水素ガスが酸化さ
れて元の水に戻る。このように水素吸蔵合金は、二次電
池の負極材料として利用され、その組成についても種々
研究されている。
【0003】水素吸蔵合金としては、AB5 タイプのL
aNi5 が従来より多用されている。また、La、C
e、Pr、Nd、Smなどのランタン系元素の混合物で
あるミッシュメタル(Mm)とNiとの合金であるMm
Ni5 も広く使用されている。MmNi5 は、希土類元
素である高価なLaのみを用いるLaNi5 に比べて安
価である。しかしながら、近年、二次電池の高容量化の
要求がさらに高まり、これらの合金系では限界に近付い
ているため、さらに高容量の水素吸蔵合金が要望されて
いる。
【0004】これに対し、AB2 タイプのラーベス相合
金は水素吸蔵能が高く、高容量の二次電池の負極材料と
して有望視されている。
【0005】ところで、水素吸蔵合金および結着剤を含
むペースト式負極は一般に次のような方法により作製さ
れている。まず、水素吸蔵合金を機械的に粉砕するか、
もしくは水素化粉砕して粉末状にする。つづいて、この
水素吸蔵合金粉末を結着剤や導電剤と共に混練してペー
ストを調製する。ひきつづき、底部に細長状の開口部を
有し、予め前記ペーストが収納されたペースト塗布槽に
帯状の導電性芯体を前記開口部を通して上方に引上げ、
さらに前記ペースト塗布槽の上部に配置された例えば一
対のローラからなるスリットを通過させて余分なペース
トを除去することにより所望厚さのペーストを前記導電
性芯体に塗布する。次いで、ペースト付き導電性芯体を
乾燥した後、全体をプレスして加圧成形することにより
ペースト式負極を作製する。
【0006】前述したペースト式負極の作製において、
ペーストの組成や混練条件を一定にしても、使用する水
素吸蔵合金の性状の差異により前記導電性芯体への前記
ペーストの塗布状態にばらつきが生じるため、一定の厚
さの負極を得ることが困難になる。ペースト式負極の厚
さが変動すると、この負極を組み込んだアルカリ二次電
池のサイクル寿命等の電池性能にばらつきが生じる。水
素吸蔵合金として前述したLaNi5 タイプものを用い
る場合には、前記ペースト式負極の厚さ変動に起因する
電池性能のばらつきが小さいものの、水素吸蔵能の高い
前記AB2 タイプの水素吸蔵合金を用いた場合には前記
ペースト式負極の厚さ変動が僅かであっても電池性能の
ばらつきに大きく影響するという問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ペースト式
負極中に含有されるAB2 タイプの水素吸蔵合金の性状
を改良することによりサイクル寿命の長いアルカリ二次
電池を提供しようとするものである。
【0008】本発明は、ペースト式負極中に含有される
AB2 タイプの水素吸蔵合金の性状を改良することによ
りサイクル寿命が長く、かつそのばらつきが小さいアル
カリ二次電池の製造方法を提供しようとするものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係わるアルカリ
二次電池は、正極と、ABx (ただし、AはTiおよび
Zrから選ばれる少なくとも1つの元素、BはNi、M
n、V、Co、Cr、Al、Fe、Cu、Mo、La、
Ce、PrおよびNdから選ばれる少なくとも1つの元
素、xは1.8≦x≦2.5を示す)にて表される水素
吸蔵合金および結着剤を含む負極ペーストを導電性芯体
に担持させたペースト式負極と、前記正負極間に介在さ
れたセパレータと、電解液とを具備し、前記負極中の前
記水素吸蔵合金は、(a)レーザー回折法による平均粒
径25〜45μmで、10μm以下の粒径を有する粒子
の比率が15体積以下で、かつ(b)BET法による比
表面積が0.04〜0.14m2 /gであることを特徴
とするものである。
【0010】本発明に係わるアルカリ二次電池の製造方
法は、正極と、ABx (ただし、AはTiおよびZrか
ら選ばれる少なくとも1つの元素、BはNi、Mn、
V、Co、Cr、Al、Fe、Cu、Mo、La、C
e、PrおよびNdから選ばれる少なくとも1つの元
素、xは1.8≦x≦2.5を示す)にて表される水素
吸蔵合金および結着剤を含む負極ペースト式負極と、前
記正負極間に介在されたセパレータと、電解液とを具備
したアルカリ二次電池の製造方法において、前記負極
は、(a)レーザー回折法による平均粒径25〜45μ
mで、10μm以下の粒径を有する粒子の比率が15体
積以下で、かつ(b)BET法による比表面積が0.0
4〜0.14m2 /gである水素吸蔵合金および結着剤
を含む負極ペーストを調製する工程と、この負極ペース
トを導電性芯体に塗布、乾燥した後、加圧成形する工程
とを備える方法により作製されることを特徴とするもの
である。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わるアルカリ二
次電池(円筒形ニッケル水素二次電池)を図1を参照し
て説明する。
【0012】有底円筒状の容器1内には、正極2とセパ
レータ3と負極4とを積層してスパイラル状に捲回する
ことにより作製された電極群5が収納されている。前記
負極4は、前記電極群5の最外周に配置されて前記容器
1と電気的に接触している。アルカリ電解液は、前記容
器1内に収容されている。中央に孔6を有する円形の第
1の封口板7は、前記容器1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8は、前記封口板7
の周縁と前記容器1の上部開口部内面の間に配置され、
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1に前記封口板7を前記ガスケット8を介して気密
に固定している。正極リード9は、一端が前記正極2に
接続、他端が前記封口板7の下面に接続されている。帽
子形状をなす正極端子10は、前記封口板7上に前記孔
6を覆うように取り付けられている。ゴム製の安全弁1
1は、前記封口板7と前記正極端子10で囲まれた空間
内に前記孔6を塞ぐように配置されている。中央に穴を
有する絶縁材料からなる円形の押え板12は、前記正極
端子10上に前記正極端子10の突起部がその押え板1
2の前記穴から突出されるように配置されている。外装
チューブ13は、前記押え板12の周縁、前記容器1の
側面及び前記容器1の底部周縁を被覆している。
【0013】次に、前記正極2、負極4、セパレータ3
および電解液について説明する。
【0014】1)正極2 この正極2は、例えば活物質であるニッケル化合物と導
電材と結着剤を水と共に混練してペーストを調製し、こ
のペーストを導電性芯体に充填し、乾燥し、必要に応じ
て加圧成形を施すことにより作製される。
【0015】前記ニッケル化合物としては、例えば水酸
化ニッケル、亜鉛およびコバルトが共沈された水酸化ニ
ッケルまたはニッケル酸化物等を挙げることができる。
特に、亜鉛およびコバルトが共沈された水酸化ニッケル
が好ましい。
【0016】前記導電材料としては、例えばコバルト化
合物および金属コバルトから選ばれる少なくとも1種以
上のものが用いられる。前記コバルト化合物としては、
例えば水酸化コバルト[Co(OH)2 ]、一酸化コバ
ルト(CoO)等を挙げることができる。特に、水酸化
コバルト、一酸化コバルトもしくはこれらの混合物を導
電材料ととて用いることが好ましい。
【0017】前記結着剤としては、例えばポリテトラフ
ルオロエチレン、ポリエチレン、ボリプロピレン等の疎
水性ポリマ;カルボキシメチルセルロース、メチルセル
ロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセル
ロース系材料;ポリアクリル酸ナトリウム等のアクリル
酸エステル;ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキ
シド等の親水性ポリマ;ラテックス等のゴム系ポリマを
を挙げることができる。
【0018】前記導電性芯体としては、例えばニッケ
ル、ステンレスまたはニッケルメッキが施された金属か
ら形成された網状、スポンジ状、繊維状、もしくはフェ
ルト状の金属多孔体等を挙げることができる。
【0019】2)負極4 このペースト式負極4は、(a)レーザー回折法による
平均粒径25〜45μm、10μm以下の粒径を有する
粒子の比率が15体積以下で、かつ(b)BET法によ
る比表面積が0.04〜0.14m2 /gであるABx
(ただし、AはTiおよびZrから選ばれる少なくとも
1つの元素、BはNi、Mn、V、Co、Cr、Al、
Fe、Cu、Mo、La、Ce、PrおよびNdから選
ばれる少なくとも1つの元素、xは1.8≦x≦2.5
を示す)にて表される水素吸蔵合金粉末と、結着剤と導
電性材料とを含む負極ペーストを導電性芯体に担持させ
た構造を有する。
【0020】平均粒径が45μmを越えるか、もしくは
比表面積が0.04m2 /g未満の水素吸蔵合金粉末を
用いると、ペーストの流動性が低下して、導電性芯体に
塗布されたペーストに厚さむらを生じる恐れがある。一
方、平均粒径が25μm未満または10μm以下の粒径
を有する粒子の比率が15体積を越え、もしくは比表面
積が0.14m2 /gを越える水素吸蔵合金粉末を用い
ると、ペーストの流動性が高くなり過ぎて導電性芯体に
塗布されたペーストが流れ落ち易くなって所望の厚さの
ペーストを有する負極が得られなくなる恐れがある。ま
た、比表面積が0.14m2 /gを越える水素吸蔵合金
粉末を用いると電解液が負極に吸収されてその液量が低
下し、サイクル特性を低下させる。このようにABx
イプの水素吸蔵合金粉末の平均粒径、BET法による比
表面積が前記範囲を逸脱すると負極のペースト塗布状態
が不安定になり、また合金粉末の微細化により腐食が生
じ易くなって容量およびサイクル寿命が低下する。より
好ましいBET法による比表面積は、0.04〜0.1
0m2 /gである。
【0021】前記水素吸蔵合金の粉砕手段としては、例
えば機械粉砕、水素化粉砕、噴霧粉砕等の任意の方法を
採用することができるが、設備や作業の容易性の点から
機械粉砕が好ましい。
【0022】前記結着剤としては、前記正極2で用いた
のと同様なものを挙げることができる。この結着剤は、
前記水素吸蔵合金粉末100重量部に対して0.5〜6
重量部配合することが好ましい。
【0023】前記導電性材料としては、例えばアセチレ
ンブラック、ケッチャンブラック(ライオンアグゾ社製
商品名)、ファーネスブラックのようなカーボンブラッ
ク、または黒鉛等を用いることができる。この導電材料
は、前記水素吸蔵合金粉末100重量部に対して5重量
部以下配合することが好ましい。
【0024】前記導電性芯体としては、パンチドメタ
ル、エキスパンデッドメタル、穿孔剛板、金網などの二
次元構造や、発泡メタル、網城焼結金属繊維などの三次
元構造のものを挙げることができる。
【0025】前述した構造のペースト式負極は、例えば
次のような方法により作製される。まず、前記所定の平
均粒径、粒度分布および比表面積を有するABx タイプ
の水素吸蔵合金粉末と結着剤と導電性材料とを水と共に
混練してペーストを調製する。つづいて、底部に細長状
の開口部を有し、予め前記ペーストが収納されたペース
ト塗布槽に帯状の導電性芯体を前記開口部を通して上方
に引上げ、さらに前記ペースト塗布槽の上部に配置され
た例えば一対のローラからなるスリットを通過させて余
分なペーストを除去することにより所望厚さのペースト
を前記導電性芯体に塗布する。次いで、ペースト付き導
電性芯体を乾燥した後、全体をプレスして加圧成形する
ことによりペースト式負極を作製する。
【0026】前記ペーストの粘度は、12000〜24
000センチポイズにすることが好ましい。
【0027】3)セパレータ3 このセパレータ3は、例えばポリエチレン繊維製不織
布、エチレン−ビニルアルコール共重合体繊維製不織
布、ポリプロピレン繊維製不織布などのオレフィン系繊
維製不織布、またはポリプロピレン繊維製不織布のよう
なオレフィン系繊維製不織布に親水性官能基を付与した
もの、ナイロン6,6のようなポリアミド繊維製不織布
を挙げることができる。前記オレフィン系繊維製不織布
に親水性官能基を付与するには、例えばコロナ放電処
理、スルホン化処理、グラフト共重合、または界面活性
剤や親水性樹脂の塗布等を採用することができる。
【0028】4)アルカリ電解液 このアルカリ電解液としては、例えば水酸化ナトリウム
(NaOH)と水酸化リチウム(LiOH)の混合液、
水酸化カリウム(KOH)とLiOHの混合液、KOH
とLiOHとNaOHの混合液等を用いることができ
る。
【0029】以上説明した本発明に係わるアルカリ二次
電池は、(a)レーザー回折法による平均粒径25〜4
5μmで、10μm以下の粒径を有する粒子の比率が1
5体積以下で、かつ(b)BET法による比表面積が
0.04〜0.14m2 /gであるABx で表される水
素吸蔵合金粉末と結着剤とを含むペーストを導電性芯体
に担持させたペースト式負極を備える。このようなペー
スト式負極は、前記水素吸蔵合金粉末の微細化が抑制さ
れ、かつ電解液の過剰の吸収を抑制できるため、この負
極を備えたアルカリ二次電池はサイクル寿命が向上され
る。
【0030】また、本発明に係わるアルカリ二次電池の
製造方法はABx で表される水素吸蔵合金粉末および結
着剤を含む負極ペーストを調製する際、前記水素吸蔵合
金粉末として所定の平均粒径、粒度分布および比表面積
を有するものを用いることによって、適切な流動性を有
する負極ペーストを得ることができる。このような負極
ペーストを導電性芯体に塗布した後、乾燥、加圧成形す
ることによって、厚さが均一なペーストが前記導電性芯
体に担持させたペースト式負極を作製できる。したがっ
て、前記ペースト式負極を容器内にセパレータを挟んで
正極と共に収納し、前記容器内に電解液を収容すること
によって、サイクル寿命が長く、かつそのばらつきが小
さいアルカリ二次電池を製造することができる。
【0031】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して詳細に説明する。
【0032】(実施例1〜4、比較例1〜2) <ペースト式負極の作製>まず、Zr、Ni、Mn、V
およびCoの各元素を高周波溶解によってZrNi1.0
Mn0.8 0.2 Co0.1 で表されるAB2 系水素吸蔵合
金のインゴットを作製した。このインゴットをArガス
雰囲気中に置いてハンマーミルによって粉砕して6種の
水素吸蔵合金粉末を得た。得られた水素吸蔵合金粉末の
平均粒径および粒径10μm以下の粉末の比率(体積
%)をレーザ回折法により測定し、かつ比表面積をBE
T報に因り測定した。その結果を下記表1に示す。
【0033】得られた各水素吸蔵合金粉末100重量部
に結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1重量部、
ポリアクリル酸ナトリウム0.2重量部およびカルボキ
シメチルセルロース(CMC)0.2重量部をそれぞれ
添加した。さらに、導電性粉末としてのカーボンブラッ
ク1重量部を水50重量部と共に添加した後、混練する
ことにより7種のペーストを調製した。つづいて、底部
に細長状の開口部を有し、予め前記ペーストが収納され
たペースト塗布槽に帯状の導電性芯体であるパンチドメ
タルを前記開口部を通して上方に引上げ、さらに前記ペ
ースト塗布槽の上部に配置された一対のローラからなる
スリットを通過させて余分なペーストを除去した。次い
で、前記各ペースト付き導電性芯体を乾燥した後、全体
をプレスして加圧成形し、さらに裁断することにより6
種のペースト式負極(各々100枚)を作製した。
【0034】<ペースト式正極の作製>水酸化ニッケル
粉末90重量部および一酸化コバルト粉末10重量部か
らなる混合粉体に、ポリテトラフルオロエチレン1重量
部およびカルボキシメチルセルロース0.2重量部を添
加し、これらに純水を60重量部添加して混練すること
によりペーストを調製した。つづいて、このペーストを
ニッケルメッキ繊維基板内に充填し、乾燥した後、ロー
ラプレスを行って圧延することによりペースト式正極を
作製した。
【0035】次いで、前記負極と前記正極との間にポリ
プロピレン繊維製不織布を介装し、渦巻状に捲回して6
種の電極群(各々100個)を作製した。このような各
電極群を有底円筒状容器に収納した後、7Nの水酸化カ
リウムおよび1Nの水酸化ナトリウムからなる電解液を
前記容器内に注入し、封口等を行うことにより前述した
図1に示す構造を有する容量が1200mAhの6種の
円筒形ニッケル水素二次電池(各々100個)を組み立
てた。
【0036】得られた実施例1〜4および比較例1〜2
の二次電池を10個取り出し、これら電池について1C
放電、1C充電を繰り返し、電池容量が初期容量の1/
2になるまでに要したサイクル数を測定し、平均サイク
ル数を求めた。また、実施例1〜4および比較例1〜2
の負極100枚当たりの重量不良数および厚さ不良数を
測定した。これらの結果を下記表1に示す。なお、下記
表1には負極ペーストの粘度を併記する。
【0037】
【表1】
【0038】前記表1から明らかなようにレーザー回折
法による平均粒径25〜45μmで、10μm以下の粒
径を有する粒子の比率が15体積以下で、かつBET法
による比表面積が0.04〜0.14m2 /gである水
素吸蔵合金粉末を含む実施例1〜4のペースト式負極は
100枚当たりの重量不良数および厚さ不良数が零であ
る。これに対し、レーザー回折法による平均粒径、10
μm以下の粒径を有する粒子の比率、およびBET法に
よる比表面積が本発明の範囲を外れる比較例1、2のペ
ースト式負極は、100枚当たりの重量不良および厚さ
不良が生じることがわかる。
【0039】また、実施例1〜4の二次電池はサイクル
数が比較例1、2の二次電池に比べて極めて長く、優れ
たサイクル特性を有することがわかる。
【0040】なお、本発明に係わるアルカリ二次電池は
実施例に示す円筒型のものに限らず、正極、セパレータ
および負極をこの順序で積層した電極群を用いる角型の
ものにも同様に適用することができる。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ペ
ースト式負極中に含有されるAB2 タイプの水素吸蔵合
金の性状を改良することによりサイクル寿命の長いアル
カリ二次電池を提供することができる。
【0042】また、本発明によればペースト式負極中に
含有されるAB2 タイプの水素吸蔵合金の性状を改良す
ることにより負極の重量および膜厚を均一化することが
でき、サイクル寿命が長く、かつそのばらつきが小さい
アルカリ二次電池の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるニッケル水素二次電池の一例で
あるニッケル水素二次電池の斜視図。
【符号の説明】
1…容器、 2…正極、 3…セパレータ、 4…負極、 5…電極群、 7…封口板、 8…絶縁ガスケット。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、ABx (ただし、AはTiおよ
    びZrから選ばれる少なくとも1つの元素、BはNi、
    Mn、V、Co、Cr、Al、Fe、Cu、Mo、L
    a、Ce、PrおよびNdから選ばれる少なくとも1つ
    の元素、xは1.8≦x≦2.5を示す)にて表される
    水素吸蔵合金粉末および結着剤を含む負極ペーストを導
    電性芯体に担持させたペースト式負極と、前記正負極間
    に介在されたセパレータと、電解液とを具備し、 前記負極中の前記水素吸蔵合金粉末は、(a)レーザー
    回折法による平均粒径25〜45μmで、10μm以下
    の粒径を有する粒子の比率が15体積以下で、かつ
    (b)BET法による比表面積が0.04〜0.14m
    2 /gであることを特徴とするアルカリ二次電池。
  2. 【請求項2】 正極と、ABx (ただし、AはTiおよ
    びZrから選ばれる少なくとも1つの元素、BはNi、
    Mn、V、Co、Cr、Al、Fe、Cu、Mo、L
    a、Ce、PrおよびNdから選ばれる少なくとも1つ
    の元素、xは1.8≦x≦2.5を示す)にて表される
    水素吸蔵合金および結着剤を含む負極ペースト式負極
    と、前記正負極間に介在されたセパレータと、電解液と
    を具備したアルカリ二次電池の製造方法において、 前記負極は、(a)レーザー回折法による平均粒径25
    〜45μmで、10μm以下の粒径を有する粒子の比率
    が15体積以下で、かつ(b)BET法による比表面積
    が0.04〜0.14m2 /gである水素吸蔵合金粉末
    および結着剤を含む負極ペーストを調製する工程と、こ
    の負極ペーストを導電性芯体に塗布、乾燥した後、加圧
    成形する工程とを備える方法により作製されることを特
    徴とするアルカリ二次電池の製造方法。
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