JPWO2010084880A1 - 水素吸蔵合金およびニッケル水素蓄電池 - Google Patents

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Abstract

La−Mg−Ca−Ni系の水素吸蔵合金を負極の活物質として用いたニッケル水素蓄電池において、放電容量の増加とサイクル寿命特性の改善を図ることを目的とする。本発明は、一般式 M1uMgvCawM2xNiyM3z・・・・(1)(式中、M1は、希土類元素より選択される1種又は2種以上の元素であり、M2は3A族元素、4A族元素、5A族元素およびPdからなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただし希土類元素を除く)であり、M3は6A族元素、7A族元素、8族元素、1B族元素、2B族元素および3B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただしNiおよびPdを除く)であり、u、v、w、x、yおよびzは、u+v+w+x+y+z=100、3.4≦v≦5.9、0.8≦w≦3.1、0≦(x+z)≦5および3.2≦(y+z)/(u+v+w+x)≦3.4を満たす数である。)で表される水素吸蔵合金、および該水素吸蔵合金を含む負極を備えたニッケル水素蓄電池を提供する。

Description

本発明は、水素吸蔵合金およびニッケル水素蓄電池に関する。
高エネルギー密度を有することで知られるニッケル水素蓄電池は、従来、デジタルカメラやノート型パソコン等の小型電子機器類の電源のほか、アルカリマンガン電池等の一次電池の代替として、広く利用されており、その用途および需要は今後も拡大するものと予測されている。
ところで、この種のニッケル水素蓄電池は、水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質を含んでなるニッケル電極、水素吸蔵合金を主材料とする負極、セパレータ、及びアルカリ電解液を備えて構成されるものである。これらの電池構成材料のうち、特に、負極の主材料となる水素吸蔵合金は、放電容量やサイクル特性といったニッケル水素蓄電池の性能に大きな影響を及ぼすものであり、従来、種々の水素吸蔵合金が検討されている。
該水素吸蔵合金としては、CaCu型結晶構造を有するAB型の希土類−Ni系合金よりも放電容量を高めうる希土類−Mg−Ni系合金が知られており、たとえば、下記特許文献1には、放電容量をさらに高めうる希土類−Mg−Ni系合金として、PuNi型結晶構造を有しCaを含有してなるLa−Mg−Ca−Ni合金が報告されている。
日本国特開平11−217643号公報
しかしながら、Caを含むLa−Mg−Ni系の水素吸蔵合金(以下、本明細書において、「La−Mg−Ca−Ni系の水素吸蔵合金」ともいう)は、カルシウムの存在によって水素吸蔵容量が多くなる一方で、該カルシウムの添加量が増すにしたがって耐久性が低下し、該合金を用いて構成した電池のサイクル寿命が低下するという問題がある。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金を負極の活物質として用いたニッケル水素蓄電池において、カルシウムの添加による水素吸蔵合金の放電容量の増加を図りつつ、同時にサイクル寿命特性の改善を図ることを目的とする。
上記課題を解決するべく、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金に対して、マグネシウム含有量およびカルシウム含有量、並びにその他元素の含有量を所定の範囲内とするようにして得られた水素吸蔵合金をニッケル水素蓄電池の負極として用いることにより、該ニッケル水素蓄電池の放電容量とサイクル寿命がともに改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記一般式(1)
M1MgCaM2NiM3・・・・(1)
(式中、M1は、希土類元素より選択される1種又は2種以上の元素であり、M2は3A族元素、4A族元素、5A族元素およびPdからなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただし希土類元素を除く)であり、M3は6A族元素、7A族元素、8族元素、1B族元素、2B族元素および3B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただしNiおよびPdを除く)であり、u、v、w、x、yおよびzは、u+v+w+x+y+z=100、3.4≦v≦5.9、0.8≦w≦3.1、0≦(x+z)≦5および3.2≦(y+z)/(u+v+w+x)≦3.4を満たす数である。)
で表されることを特徴とする水素吸蔵合金を提供する。
また、本発明は、該水素吸蔵合金を含む負極を備えたことを特徴とするニッケル水素蓄電池を提供する。
本発明に係る水素吸蔵合金およびニッケル水素蓄電池によれば、上記一般式(1)の如き組成、即ち、マグネシウムを3.4≦v≦5.9原子%、カルシウムを0.8≦w≦3.1原子%含み、さらにM2元素とM3元素を合わせて0≦(x+z)≦5原子%含み、さらに、M1、Mg、CaおよびM2の合計元素数(u+v+w+x)に対するNiおよびM3の合計元素数(y+z)の割合を、3.2以上3.4以下としたことにより、高容量であり且つサイクル寿命特性に優れたニッケル水素蓄電池とすることができる。
このように、本発明に係る水素吸蔵合金およびニッケル水素蓄電池によれば、カルシウムの存在によって水素吸蔵容量を増大させたLa−Mg−Ca−Ni系の水素吸蔵合金を負極の活物質として用いた場合であっても、サイクル寿命特性の優れたニッケル水素蓄電池を提供しうるという効果がある。
表1の実施例1〜3及び比較例1〜11の結果を、Ca含有量をx軸、サイクル寿命をy軸としてプロットしたグラフ。 表1の実施例1〜3及び比較例1〜11の結果を、Ca含有量をx軸、放電容量をy軸としてプロットしたグラフ。 実施例3、実施例9、実施例11、比較例8および比較例11の結果を、B/A比をx軸、サイクル寿命をy軸としてプロットしたグラフ。
本発明に係る水素吸蔵合金は、下記一般式(1)
M1MgCaM2NiM3・・・・(1)
(式中、M1は、希土類元素より選択される1種又は2種以上の元素であり、M2は3A族元素、4A族元素、5A族元素およびPdからなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただし希土類元素を除く)であり、M3は6A族元素、7A族元素、8族元素、1B族元素、2B族元素および3B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただしNiおよびPdを除く)であり、u、v、w、x、yおよびzは、u+v+w+x+y+z=100、3.4≦v≦5.9、0.8≦w≦3.1、0≦(x+z)≦5および3.2≦(y+z)/(u+v+w+x)≦3.4を満たす数である。)
で表されることを特徴とするものであり、本発明に係るニッケル水素蓄電池は、斯かる構成の水素吸蔵合金を含む負極を備えたことを特徴とするものである。
なお、本発明の水素吸蔵合金においては、化学組成が上記一般式(1)を満たしながらも、様々な元素を微量添加する設計変更がおこなわれ得る。例えば、原料中に含まれる不純物元素が合金の化学組成中に少量含まれることもあり得る。その結果として、前記水素吸蔵合金は、上記一般式(1)では規定されていない元素を含む場合もあり、該元素を含めて含有割合を算出すると、上記一般式から逸脱することとなる場合がある。しかしながら、斯かる場合であっても、本発明の作用メカニズムが発揮されている限りは、該水素吸蔵合金は、本発明の実施形態に含まれる。したがって、本願明細書において『化学組成が一般式(1)で表される』との記載は、水素吸蔵合金の化学組成が本件発明の一般式(1)で規定されていない元素を含む場合であっても、該元素を除く水素吸蔵合金の化学組成が本件発明の一般式(1)で表されているような場合を含むものである。
一般にLa−Mg−Ni系の水素吸蔵合金は、上記M1元素、MgおよびNiを含み、且つ、Ni原子の数が、希土類元素の数およびMg原子の数の合計の3倍より大きく5倍未満である合金を意味するものであるが、本発明における水素吸蔵合金は、さらに、Caを含有するとともに、上記M1元素、Mg原子、Ca原子およびM2元素(これらを総称して、「A側元素」ともいう)の合計数に対する、Ni原子とM3元素(これらを総称して、「B側元素」ともいう)の合計数の比(本明細書において、「B/A比」ともいう)が、3.2以上3.4以下である合金となっている。
前記希土類元素は、具体的には、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)およびルテチウム(Lu)である。本発明におけるM1は、上記に例示した元素の単独でも良く、2種以上の組合せでも良い。
前記希土類元素としては、とくに、Y、La、Ce、Pr、NdおよびSmからなる群より選択される1種又は2種以上の元素を好ましく用いることができ、LaおよびNdのうち何れか一方、又は両方を含むことがさらに好ましい。
本発明の水素吸蔵合金は、ニッケル水素蓄電池の放電容量をより一層向上させることができるという観点から、Laの含有量を4.7原子%以上とすることが好ましく、4.7原子%以上18.37原子%以下とすることがさらに好ましい。
また、本発明の水素吸蔵合金は、ニッケル水素蓄電池のサイクル寿命特性をより一層向上させることができるという観点から、Ceの含有量を2.3原子%以下とすることが好ましい。これは、Ceの含有量を上記の範囲内とすることにより、水素の吸蔵放出時に生じる結晶格子の歪みが抑制され、微粉化が抑制されることによるものである。したがって、Ceの含有量を2.3原子%以下とすることによって電池のサイクル寿命特性をより一層向上させることができる。
M2元素は、安定な水素化物を形成する元素であって、そのうちの希土類元素以外のものである。安定な水素化物を形成する元素としては、3A族、4A族、5A族の元素およびPdがある。M2元素は、合金の結晶構造中にあるM1の元素、MgまたはCaと置換しうる元素であることが好ましく、そのような元素としてはTi、Zr、Hf、V、Nb、Taが挙げられる。
M2元素の添加量は、M1元素、MgまたはCaの作用を無くさない範囲で調整することができる。そのため添加量はゼロでもよく、添加する場合にもできる限り少量とすることが好ましい。具体的には、M2元素とM3元素との合計量が5原子%以下程度とすることが好ましい。M2元素に関していうと、前記一般式(1)において、0≦x≦2とすればよく、0≦x≦1とするのがさらに好ましく、より確実に本発明の効果が得られることから0≦x≦0.2とすることが好ましい。
M3元素は、水素化物が不安定な元素であって、そのうちのNi以外のものである。水素化物が不安定な元素とは、言い換えると、水素化物を生成しにくい元素であり、このような元素としては、6A族、7A族、8族、1B族、2B族および3B族の元素(ただし、Pdを除く)が知られている。M3元素は、合金の結晶構造中にあるNiと置換しうる元素であることが好ましく、そのような元素としてはCr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Alが挙げられる。
M3元素の添加量は、Niの作用を無くさない範囲で調整することができる。そのため添加量はゼロでもよく、添加する場合にもできる限り少量とすることが好ましい。具体的には、M2元素とM3元素との合計量が5原子%以下程度とすることが好ましい。M3元素に関していうと、前記一般式(1)において、0≦z≦2とすればよく、0≦z≦1.7とすることが好ましく、0≦z≦1とすることがより好ましく、0≦z≦0.7とすることがさらに好ましく、より確実に本発明の効果が得られるという観点から0≦z≦0.2とすることが特に好ましい。
ただし、M3元素としていくつかの元素は積極的に添加する理由がある。たとえば、Cr、ZnおよびAlは、合金の微粉化を抑制する作用をもたらすので、前記一般式(1)において、z値が1以下となる範囲で添加することが好ましく、さらには0.7以下となる範囲で添加することがより好ましい。Alについては、zを0.6以下とすることが好ましい。なぜなら、Alの添加量を0.6以下とすることでAlの偏析を抑制してサイクル寿命性能をより一層向上させうるからである。ここで、zの値が1、0.7および0.6とは、合金中における含有量が1原子%、0.7原子%および0.6原子%であることを意味するものである。
なお、「作用を無くさない範囲」を決める方法としては、実際に合金を製造し、それを用いて本明細書の実施例と同様の方法によって本発明の効果の有無を確かめる方法でもよいし、合金を製造した段階で結晶構造を解析して、そこに含まれる結晶相の割合が本発明において好ましい範囲内となっているかどうかを判別することによって本発明の効果の有無を推定する方法でもよい。
前記一般式(1)において、M1元素の数を示すu、M2元素の数を示すx、Ni原子の数を示すy、およびM3元素の数を示すzの個々の値については、上記関係式を満たす限りにおいて、特に限定されるものではないが、通常、12≦u≦20、0≦x≦2、60≦y≦80、0≦z≦2を満たすものである。
さらに、uの好ましい範囲は15.8≦u≦18.4、より好ましい範囲は15.8≦u≦17.3、さらに好ましい範囲は15.81≦u≦17.21であり、vの好ましい範囲は3.49≦v≦5.81であり、wの好ましい範囲は0.93≦w≦3.0、より好ましい範囲は0.93≦w≦2.79、さらに好ましい範囲は0.93≦w≦2.3であり、xの好ましい範囲は0≦x≦1であり、yの好ましい範囲は71.1≦y≦77.3、より好ましい範囲は73.1≦y≦76.3である。
さらに、サイクル寿命性能が特に優れることから、B/A比、即ち、前記一般式(1)において、(y+z)/(u+v+w+x)で表される値の好ましい範囲は、3.25以上3.35以下である。
斯かる組成を有するLa−Mg−Ca−Ni系の水素吸蔵合金を負極として使用することにより、水素吸蔵合金が高い放電容量を有するとともに、サイクル特性にも優れたニッケル水素蓄電池となる。
また、本発明における水素吸蔵合金中のプラセオジムの含有量は、1.1原子%以上7.0原子%以下であることが好ましく、3.0原子%以上5.0原子%以下であることがより好ましい。プラセオジムの含有量が上記範囲を満たすような上記水素吸蔵合金を用いることにより、サイクル寿命特性がより一層良好になるという効果がある。
また、本発明における前記水素吸蔵合金は、互いに異なる結晶構造を有する2以上の結晶相を備えた希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金であり、好ましくは、これら2以上の結晶相が、該結晶構造のc軸方向に積層されてなる希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金である。
前記結晶相としては、菱面体晶LaMgNi24型結晶構造からなる結晶相(以下、単にLaMgNi24相ともいう)、六方晶PrCo19型結晶構造からなる結晶相(以下、単にPrCo19相ともいう)、菱面体晶CeCo19型結晶構造からなる結晶相(以下、単にCeCo19相ともいう)、六方晶CeNi型の結晶構造からなる結晶相(以下、単にCeNi相ともいう)、菱面体晶GdCo型の結晶構造からなる結晶相(以下、単にGdCo相ともいう)、六方晶CaCu型結晶構造からなる結晶相(以下、単にCaCu相ともいう)、立方晶AuBe型結晶構造からなる結晶相(以下、単にAuBe相ともいう)菱面体晶PuNi型結晶構造からなる結晶相(以下、単にPuNi相ともいう)などを挙げることができる。
中でも、LaMgNi24相、PrCo19相、CeCo19相、CeNi相およびGdCo相からなる群より選択される2種以上を有する水素吸蔵合金が好適に使用される。これらの結晶相を有する水素吸蔵合金は、各結晶相間の膨張収縮率の差が小さいために歪みが生じ難く、水素の吸蔵放出を繰り返した際の劣化が起こりにくいという優れた特性を有する。
ここで、LaMgNi24型結晶構造とは、Aユニット間に、ABユニットが4ユニット分、挿入された結晶構造であり、PrCo19型結晶構造とは、Aユニット間に、ABユニットが3ユニット分、挿入された結晶構造であり、CeCo19型結晶構造とは、Aユニット間に、ABユニットが3ユニット分、挿入された結晶構造であり、CeNi型の結晶構造とは、Aユニット間に、ABユニットが2ユニット分、挿入された結晶構造であり、GdCo型の結晶構造とは、Aユニット間に、ABユニットが2ユニット分、挿入された結晶構造であり、AuBe型結晶構造とは、Aユニットのみで構成された結晶構造である。
尚、Aユニットとは、六方晶MgZn型結晶構造(C14構造)又は六方晶MgCu型結晶構造(C15構造)を持つ構造ユニットであり、ABユニットとは、六方晶CaCu型結晶構造を持つ構造ユニットである。
該結晶相が積層されたものである場合、各結晶相の積層順については特に限定されず、特定の結晶相の組み合わせが繰返し周期性をもって積層されたようなものであってもよく、各結晶相が無秩序に周期性なく積層されたものであってもよい。
また、前記各結晶相の含有量については特に限定されるものではないが、前記LaMgNi24型結晶構造を有する結晶相の含有率は0〜50質量%、前記PrCo19型結晶構造を有する結晶相の含有率は0〜80質量%、前記CeCo19型結晶構造を有する結晶相の含有率は0〜80質量%、前記CeNi型結晶構造を有する結晶相の含有率は0〜100質量%、GdCo型結晶構造を有する結晶相の含有率は0〜100質量%であることが好ましい。
さらに、本発明における水素吸蔵合金では、CeNi相およびGdCo相の何れか一方を主相として備えていることが好ましい。主相とは、合金に含まれる結晶相のうち含有割合(単位:質量%)が最も大きい結晶相を意味する。CeNi相およびGdCo相は、本発明の一般式(1)を満たす組成とすることによって合金中における含有量が大幅に増大する。これらの相のいずれかを主相として備えることにより、電池のサイクル寿命性能が高まる傾向がある。
本発明に係る水素吸蔵合金では、CeNi相およびGdCo相の何れか一方の相の含有量が63重量%以上100質量%以下であることが好ましい。なぜなら、サイクル寿命性能の向上が顕著に認められるからである。この向上は、そのメカニズムは明らかではないが、合金の結晶構造が均質になったことに起因するものと推定される。異なる結晶構造が混在する場合、a軸長の変化の程度が結晶格子間で異なることに起因して微粉化が促進されるという劣化メカニズムが考えられる。これに対して、上記の何れか一方の相の含有量が63重量%以上100質量%以下の場合は、この劣化メカニズムが阻害され、サイクル寿命特性がさらに改善されると考えられる。さらに、CeNi相およびGdCo相の何れか一方の相の含有量が92質量%以上100質量%以下、さらには97質量%以上100質量%以下の場合に、とくに優れた効果が発揮される。
また、本発明における水素吸蔵合金では、サイクル寿命特性向上の観点から、CeNi相およびGdCo相の合計の含有割合を78質量%以上100質量%以下とすることが好ましく、97質量%以上100質量%以下とすることがさらに好ましい。
さらに、本発明における水素吸蔵合金では、GdCo相を主相として備えることと比べ、CeNi相を主相として備えることが、より一層好ましい。なぜなら、サイクル寿命特性がさらに向上するからである。このサイクル寿命特性の向上は、カルシウム元素が、GdCo相よりもCeNi相においてより一層均一に配置される傾向にあることに起因するものと考えられる。
尚、前記各結晶構造を有する結晶相は、例えば、粉砕した合金粉末についてX線回折測定を行い、得られたX線回折パターンをリートベルト法により解析することによって結晶構造を特定することができる。
また、互いに異なる結晶構造を有する2以上の結晶相が、該結晶構造のc軸方向に積層されていることは、TEMを用いて合金の格子像を観察することによって確認することができる。
また、前記水素吸蔵合金は、好ましくは、水素平衡圧が0.07MPa以下のものとする。従来の水素吸蔵合金では、水素平衡圧が高い場合には水素を吸収し難く、吸収した水素を放出し易いという性質を有しており、水素吸蔵合金のハイレート特性を高めると、水素が自己放出しやすいものとなっていた。
しかし、互いに異なる結晶構造を有する結晶相が2以上積層されてなる希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金であって、特にCaCu型結晶構造を有する結晶相の含有率が15質量%以下である水素吸蔵合金においては、水素平衡圧を0.07MPa以下という低い値に設定した場合でも良好なハイレート特性が得られ、該水素吸蔵合金を負極として用いたニッケル水素蓄電池は、ハイレート特性に優れ且つ水素の自己放出(電池においては、自己放電)の生じ難いものとなる。これは、合金中の水素の拡散性が向上したためであると考えられる。
尚、水素平衡圧とは、80℃のPCT曲線(圧力−組成等温線)において、H/M=0.5の平衡圧(放出側)を意味するものである。
斯かる構成の水素吸蔵合金は、以下のような製造方法によって得ることができる。
即ち、一実施形態としての水素吸蔵合金の製造方法は、所定の組成比となるように配合された合金原料を溶融する溶融工程と、溶融した合金原料を冷却して凝固する冷却工程と、冷却された合金を加圧状態の不活性ガス雰囲気下で860〜1000℃の温度範囲で焼鈍する焼鈍工程とを備えたものである。
より具体的に説明すると、まず、目的とする水素吸蔵合金の化学組成に基づき、原料インゴッド(合金原料)を所定量秤量する。
溶融工程においては、前記合金原料をルツボに入れ、不活性ガス雰囲気中又は真空中で高周波溶融炉を用い、例えば、1200〜1600℃に加熱して合金原料を溶融させる。
冷却工程においては、溶融した合金原料を冷却して固化させる。冷却方法としては、溶融した合金材料を鋳型に流し込む方法を用いることができる。冷却速度は、好ましくは10K(ケルビン)/秒以上500K(ケルビン)/秒以下を用いることができる。
焼鈍工程においては、不活性ガス雰囲気下の加圧状態において、例えば、電気炉等を用いて860〜1000℃に加熱する。加圧条件としては、0.2〜1.0MPa(ゲージ圧)が好ましい。また、該焼鈍工程における処理時間は、3〜50時間とすることが好ましい。
斯かる焼鈍工程により、結晶格子の歪みが取り除かれ、該焼鈍工程を経た水素吸蔵合金は、最終的に、互いに異なる結晶構造を有する結晶相が2以上積層されてなる水素吸蔵合金となる。
上述のような手順により、カルシウムを0.8原子%以上3.1原子%以下の割合で含有するLa−Mg−Ca−Ni系の水素吸蔵合金を作成した後、該水素吸蔵合金を粉砕し、負極の材料として使用することが好ましい。
電極製作時の水素吸蔵合金の粉砕は、焼鈍の前後のどちらで行ってもよいが、粉砕により表面積が大きくなるため、合金の表面酸化を防止する観点から、焼鈍後に粉砕するのが望ましい。粉砕は、合金表面の酸化防止のために不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
前記粉砕には、例えば、機械粉砕、水素化粉砕などが用いられる。
次に、本発明に係るニッケル水素蓄電池を構成するアルカリ電解液について説明する。
該アルカリ電解液としては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオンの少なくとも何れか1種を含み、各イオンのイオン濃度の合計が9mol/リットル以下であるものを使用することができ、イオン濃度の合計が5.0〜9.0mol/リットルであるものをより好適に使用することができる。
また、該電解液には、合金への防食性向上、正極での過電圧向上、負極の耐食性の向上、自己放電改善のため、種々の添加剤を添加することができる。該添加剤としては、イットリウム、イッテルビウム、エルビウム、カルシウム、亜鉛などの酸化物、水酸化物等を1種で又は2種以上混合して用いることができる。
一方、該ニッケル水素蓄電池の正極としては、特に限定されるものではないが、一般には、水酸化ニッケルを主成分とし且つ水酸化亜鉛や水酸化コバルトが混合されてなる水酸化ニッケル複合酸化物を正極活物質として含む正極を好適に使用することができ、共沈法によって均一分散した該水酸化ニッケル複合酸化物を含む正極をより好適に使用することができる。
水酸化ニッケル複合酸化物以外の添加物としては、導電改質剤としての水酸化コバルト、酸化コバルト等を用いることができ、また、前記水酸化ニッケル複合酸化物に水酸化コバルトをコートしたものや、これらの水酸化ニッケル複合酸化物の一部を酸素又は酸素含有気体、又は、K、次亜塩素酸などの薬剤を用いて酸化したものを用いることができる。
また、添加剤としては、酸素過電圧を向上させる物質として、Y、Yb等の希土類元素の化合物や、Ca化合物を用いることができる。Y、Yb等の希土類元素は、その一部が溶解して、負極表面に配置されるため、負極活物質の腐食を抑制する効果も期待できる。
尚、前記正極及び負極には、上述したような主要構成成分の他に、導電剤、結着剤、増粘剤等が、他の構成成分として含有されていてもよい。
導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば限定されないが、通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカー、炭素繊維、気相成長炭素、金属(ニッケル、金等)粉、金属繊維等の導電性材料を1種又は2種以上の混合物として含ませることができる。
これらの中でも、導電剤としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、アセチレンブラックが好ましい。導電剤の添加量は、正極又は負極の総重量に対して0.1質量%〜10質量%が好ましい。特に、アセチレンブラックを0.1〜0.5μmの超微粒子に粉砕して用いると、必要炭素量を削減できるため望ましい。
これらを混合する方法としては、できる限り均一な状態とし得るものが好ましく、例えば、V型混合機、S型混合機、擂かい機、ボールミル、遊星ボールミルといった粉体混合機を、乾式、あるいは湿式で用いる方法を採用しうる。
前記結着剤としては、通常、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマーを、1種又は2種以上の混合物として用いることができる。該結着剤の添加量は、正極又は負極の総量に対して、0.1〜3質量%が好ましい。
前記増粘剤としては、通常、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、キサンタンガム等の多糖類等を1種又は2種以上の混合物として用いることができる。増粘剤の添加量は、正極又は負極の総量に対して、0.1〜0.3質量%が好ましい。
正極及び負極は、前記活物質、導電剤および結着剤を、水やアルコール、トルエン等の有機溶媒に混合した後、得られた混合液を集電体の上に塗布し、乾燥することによって好適に作製される。前記塗布方法としては、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ブレードコーティング、スピンコーティング、パーコーティング等の手段を用い、任意の厚み及び任意の形状に塗布する方法が好適であるが、これらに限定されるものではない。
前記集電体としては、構成された電池において前記活物質との電子の授受に悪影響を及ぼさない電子伝導体を特に制限されることなく使用し得る。該集電体としては、例えば、耐還元性及び耐酸化性の観点から、材料としてはニッケルやニッケルメッキした鋼板を好適に用いることができ、形状としては、発泡体、繊維群の成形体、凹凸加工を施した3次元基材、或いは、パンチング板等の2次元基材を好適に用いることができる。また、該集電体の厚みについても特に限定はなく、5〜700μmのものが好適に用いられる。
これらの集電体のうち、正極用としては、アルカリに対する耐食性と耐酸化性に優れたニッケルを材料とし、集電性に優れた構造である多孔体構造の発泡体としたものを用いることが好ましい。また、負極用としては、安価で、且つ導電性に優れる鉄箔に、耐還元性向上のためニッケルメッキを施した、パンチング板を使用することが好ましい。
パンチング径は2.0mm以下、開口率は40%以上であることが好ましく、これにより、少量の結着剤でも負極活物質と集電体との密着性を高めることができる。
ニッケル水素蓄電池のセパレータとしては、優れたレート特性を示す多孔膜や不織布等を、単独で、あるいは2以上併用して構成することが好ましい。該セパレータを構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂や、ナイロンを挙げることができる。
該セパレータの目付は、40g/mから100g/mが好ましい。40g/m未満であると、短絡や自己放電性能が低下する虞があり、100g/mを超えると単位体積当たりに占めるセパレータの割合が増加するため、電池容量が下がる傾向にある。該セパレータの通気度は、1cm/secから50cm/secが好ましい。1cm/sec未満であると、電池内圧が上昇する虞があり、50cm/secを超えると、短絡や自己放電性能が低下する虞がある。該セパレータの平均繊維径は、1μmから20μmが好ましい。1μm未満であるとセパレータの強度が低下し、電池組み立て工程での不良率が増加する虞があり、20μmを超えると、短絡や自己放電性能が低下する虞がある。
また、該該セパレータは、親水化処理を施すことが好ましい。例えば、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂繊維の表面にスルフォン化処理、コロナ処理、フッ素ガス処理、プラズマ処理を施したり、これらの処理を既に施されたものを混合したものを用いても良い。特に、スルフォン化処理を施されたセパレータは、シャトル現象を引き起こすNO 、NO 、NH 等の不純物や負極からの溶出元素を吸着する能力が高いため、自己放電抑制効果が高く、好ましい。
本発明の一実施形態としての密閉型ニッケル水素蓄電池は、前記電解液を、前記正極、セパレータ及び負極を積層する前又は積層した後に注液し、外装材で封止することにより、好適に作製される。また、正極と負極とが前記セパレータを介して積層された発電要素を巻回してなる密閉型ニッケル水素蓄電池においては、前記電解液は、巻回の前又は後に発電要素に注液されるのが好ましい。注液法としては、常圧で注液することも可能であるが、真空含浸法、加圧含浸法、遠心含浸法も使用可能である。また、該密閉型ニッケル水素蓄電池の外装体の材料としては、ニッケルメッキした鉄やステンレススチール、ポリオレフィン系樹脂等が一例として挙げられる。
該密閉型ニッケル水素蓄電池の構成については特に限定されるものではなく、正極、負極および単層又は複層のセパレータを備えた電池、例えば、コイン電池、ボタン電池、角型電池、扁平型電池、あるいは、ロール状の正極、負極及びセパレータを有する円筒型電池等を挙げることができる。
以下、実施例および比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
(正極の作製)
硫酸ニッケルと硫酸亜鉛および硫酸コバルトを所定比で溶解した水溶液に硫酸アンモニウムと苛性ソーダ水溶液を添加してアンミン錯体を生成させた。反応系を激しく攪拌しながら更に苛性ソーダを滴下し、反応系のpHを10〜13に制御して芯層母材となる球状高密度水酸化ニッケル粒子を水酸化ニッケル:水酸化亜鉛:水酸化コバルト=93:5:2の質量比となるように合成した。
該高密度水酸化ニッケル粒子を苛性ソーダでpH10〜13に制御したアルカリ水溶液に投入し、溶液を攪拌しながら所定濃度の硫酸コバルト、アンモニアを含む水溶液を滴下した。この間、苛性ソーダ水溶液を適宜滴下して反応浴のpHを10〜13の範囲に維持した。約1時間pHを10〜13の範囲に保持し、水酸化ニッケル粒子表面にCoを含む混合水酸化物から成る表面層を形成させた。該混合水酸化物の表面層の比率は水酸化物の芯層母材粒子(以下、単に芯層という)に対して、4質量%であった。
さらに、前記混合水酸化物から成る表面層を有する水酸化ニッケル粒子を、温度110℃の30質量%(10mol/リットル)の苛性ソーダ水溶液に投入し、充分に攪拌した。続いて、表面層に含まれるコバルトの水酸化物の当量に対して過剰のKを添加し、粒子表面から酸素ガスが発生するのを確認した。活物質粒子をろ過し、水洗、乾燥した。得られた活物質粒子に、カルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液を0.2質量%とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を0.3質量%、Ybを2質量%添加して前記活物質粒子:CMC溶質:PTFE:Yb=97.5:0.2:0.3:2.0質量%(固形分比)のペーストとし、該ペーストを350g/mのニッケル多孔体に充填した。その後、80℃で乾燥した後、所定の厚みにプレスし、2000mAhのニッケル正極板とした。
(負極の作製)
表1に示したような化学組成の原料インゴット(合金原料)を所定量秤量してルツボに入れ、減圧アルゴンガス雰囲気下で高周波溶融炉を用いて1200℃〜1600℃に加熱し、材料を溶融した。溶融後、水冷した鋳型を用いて冷却し、合金を固化させた。
次に、得られた合金インゴッドを0.2MPa(ゲージ圧、以下同じ)に加圧されたアルゴンガス雰囲気下、電気炉にて930℃で5時間加熱した。
得られた各水素吸蔵合金について、ジーベルツ型PCT測定装置(鈴木商館社製、P73−07)を用い、80℃におけるPCT曲線(圧力−組成等温線)のH/M=0.5での平衡圧を求めた。
さらに、各水素吸蔵合金を平均粒径D50=50μmに粉砕し、得られた粉末を、X線回折装置(BrukerAXS社製、品番M06XCE)を用い、40kV、100mA(Cu管球)の条件下でX線回折試験を行った。さらに、リートベルト法(解析ソフト:RIETAN2000)による解析を行い、結晶相の生成割合を算出した。結果を表1に示す。
次いで、前記合金粉末、スチレンブタジエン共重合体(SBR)水溶液、及びメチルセルローズ(MC)水溶液を、99.0:0.8:0.2の固形分質量比で混合してペースト状にし、ブレードコーターを用いて、鉄にニッケルメッキを施したパンチング鋼板に塗布し、80℃で乾燥した後、所定の厚みにプレスして負極とした。
(開放形評価電池の作製)
上述のようにして作製した電極(負極)をセパレータを介して正極で挟み込み、これらの電極に1kgf/cmの圧力がかかるようにボルトで固定し、正極容量過剰の開放形ニッケル水素蓄電池を組み立てた。電解液としては、6.8mol/LのKOH溶液および0.8mol/LのLiOH溶液からなる混合液を使用した。
(最大放電容量およびサイクル寿命特性の測定)
20℃の水槽中で、0.1ItA(38mA/g)で150%の充電と、0.2ItAで負極の終止電位が−0.6V(対Hg/HgO)となる放電とを、50サイクル繰り返した。そして、その間の最大放電容量を測定するとともに、放電容量が、最大放電容量に対して60%となる回数を、サイクル寿命として求めた。最大放電容量とサイクル寿命の結果を表1に示す。なお、サイクル寿命特性の測定は、20℃の水槽中で、1ItAで105%の充電と、1ItAで負極の終止電位が−0.6V(対Hg/HgO)となる放電とを繰り返す条件でおこなった。
(粒度維持率の測定)
平均粒径D50=50μmの合金粉末について、ジーベルツPCT測定装置を用いて、80℃で水素吸蔵放出を3サイクル繰り返した。そして、PCT測定前後の粒径を粒度分布測定装置(マイクロトラック社製MT3000)を用いて測定し、粒度維持率を求めた。計算式は次の通りである。

粒度維持率(%)=(PCT測定後の平均粒径D50/PCT測定前の平均粒径D50)×100

粒度維持率の測定結果を表1に示す。
<実施例2及び3、比較例1〜11>
原料インゴッドの化学組成を、表1に示す如く変化させることを除き、他は実施例1と同様にして開放形評価電池を作成し、同様の測定を行った。結果を併せて表1に示す。
Figure 2010084880
上記表1の実施例1〜3及び比較例1〜11の結果を、Ca含有割合をx軸、サイクル数をy軸としてプロットしたグラフを図1に示し、Ca含有割合をx軸、放電容量をy軸としてプロットしたグラフを図2に示す。
図1及び図2に示したグラフによれば、Mg含有量が3.5原子%未満である比較例3および4(グラフ上、△でプロットしたデータ)ではCa含有量を増加させても放電容量およびサイクル寿命の何れも向上せず、Mg含有量が5.8原子%を超える比較例5および6(グラフ上、□でプロットしたデータ)、B/A比が3.2未満である比較例7および8(グラフ上、◇でプロットしたデータ)、並びにB/A比が3.4を超える比較例9〜11(グラフ上、×でプロットしたデータ)では、Ca含有量を増加させることによって放電容量は増加するものの、サイクル寿命が低下していることが認められる。
これに対し、3.2≦B/A≦3.4であり且つMg含有量が3.5原子%以上5.8原子%未満である比較例1、2、及び実施例1〜3(グラフ上に○でプロットしたデータ)のうち、Ca含有量が0.9原子%以上2.8原子%以下を満たす実施例1〜3では、Ca添加量を増やして放電容量を高めた場合であってもサイクル寿命が低下しないことが認められる。
<実施例4〜17>
原料インゴッドの化学組成を、表2に示す如く変化させることを除き、他は実施例1と同様にして開放形評価電池を作成し、同様の測定を行った。結果を表2に示す。
Figure 2010084880
表2に示した結果によると、Mg含有量を変えた実施例4〜7や、B/A比を変えた実施例8〜11においても、Ca添加量を増加させて放電容量を高めた場合に、サイクル寿命が低下しにくいことが認められる。
また、プラセオジム(Pr)を添加した実施例12〜15では、何れも高い放電容量とサイクル寿命の結果が示されており、放電容量とサイクル寿命とが顕著に改善されていることが認められる。
さらに、Cr又はZnを添加した実施例16、17では、粒度維持率が高く微粉化が抑制されていること、及び、サイクル寿命が改善されていることが認められる。サイクル寿命性能が改善されたのは、これらの元素の添加によって合金の防食性が向上したためと推定される。
さらに、合金組成が近似する上記実施例3、実施例9、実施例11、比較例8および比較例11について、B/A比をx軸、サイクル寿命をy軸としてプロットすると、図3に示すようなグラフが得られた。このグラフより、B/A比が3.2以上3.4以下の範囲を満たす合金のサイクル寿命が、該範囲を満たさない合金のサイクル寿命を大幅に上回っていることが認められる。
<実施例18〜31>
原料インゴッドの化学組成を、表3に示す如く変化させることを除き、他は実施例1と同様にして開放形評価電池を作成し、同様の測定を行った。結果を表3および表4に示す。
Figure 2010084880
Figure 2010084880
表3および表4に示したように、本発明における一般式(1)を満たす組成の水素吸蔵合金を用いたニッケル水素蓄電池では、放電容量ならびにサイクル寿命特性という2つの観点で、優れた効果が発揮されていることが認められる。

Claims (18)

  1. 下記一般式(1)
    M1MgCaM2NiM3・・・・(1)
    (式中、M1は、希土類元素より選択される1種又は2種以上の元素であり、M2は3A族元素、4A族元素、5A族元素およびPdからなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただし希土類元素を除く)であり、M3は6A族元素、7A族元素、8族元素、1B族元素、2B族元素および3B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただしNiおよびPdを除く)であり、u、v、w、x、yおよびzは、u+v+w+x+y+z=100、3.4≦v≦5.9、0.8≦w≦3.1、0≦(x+z)≦5および3.2≦(y+z)/(u+v+w+x)≦3.4を満たす数である。)
    で表されることを特徴とする水素吸蔵合金。
  2. CeNi相およびGdCo相の何れか一方を主相として有することを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金。
  3. CeNi相およびGdCo相の何れか一方を63質量%以上100質量%以下の含有割合で含むことを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金。
  4. CeNi相およびGdCo相の何れか一方を92質量%以上100質量%以下の含有割合で含むことを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金。
  5. CeNi相およびGdCo相の何れか一方を97質量%以上100質量%以下の含有割合で含むことを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金。
  6. 前記一般式(1)におけるwが、0.93≦w≦3.1を満たすことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  7. 前記一般式(1)におけるwが、0.93≦w≦3.0を満たすことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  8. 前記一般式(1)におけるvが、3.49≦v≦5.81を満たすことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  9. 前記一般式(1)におけるxが、0≦x≦0.2を満たすことを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  10. 前記一般式(1)におけるzが、0≦z≦1.7を満たすことを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  11. Laを4.7原子%以上含有することを特徴とする請求項1〜10の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  12. 前記一般式(1)におけるM1が、Y、La、Ce、Pr、NdおよびSmからなる群より選択される1種又は2種以上の元素を少なくとも含むことを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  13. 前記一般式(1)におけるM1が、LaおよびNdのうち何れか一方、又は両方を少なくとも含むことを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  14. 前記一般式(1)におけるM2が、4A族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を少なくとも含むことを特徴とする請求項1〜13の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  15. 前記一般式(1)におけるM3が、6A族元素、7A族元素、8族元素、2B族元素および3B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(ただしNiおよびPdを除く)を少なくとも含むことを特徴とする請求項1〜14の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  16. Ceを0原子%以上2.3原%以下の含有割合で含むことを特徴とする請求項1〜15の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  17. Alを0原子%以上0.6原%以下の含有割合で含むことを特徴とする請求項1〜16の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  18. 請求項1〜17の何れかに記載の水素吸蔵合金を含む負極を備えたことを特徴とするニッケル水素蓄電池。
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