JPWO2018123752A1 - 水素吸蔵合金 - Google Patents

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Abstract

所定の前処理すなわち水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕する前処理に適した新たな水素吸蔵合金を提案する。
CaCu型、すなわちAB型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金であって、Aサイトは、Laを含有する希土類元素から構成され、且つ、Bサイトは、Coを含有せず、Ni、Al及びMnを少なくとも含有し、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)が0.60以上1.56未満であり、且つ、Alの含有量(モル比)とMnの含有量(モル比)の合計含有量に対するLaの含有量(モル比)の割合(La/(Mn+Al))が0.92より大きいことを特徴とする水素吸蔵合金を提案する。

Description

本発明は、CaCu型結晶構造を有するAB型水素吸蔵合金に関する。詳しくは、電気自動車及びハイブリッド自動車用途等に搭載するニッケル水素電池に用いる負極活物質として好適な水素吸蔵合金に関する。
水素吸蔵合金(「MH」とも称する)は、水素と反応して金属水素化物となる合金であり、室温付近で多量の水素を可逆的に吸蔵・放出(「脱蔵」とも称する)し得るため、電気自動車(EV:Electric Vehicle)、ハイブリッド自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle;電気モータと内燃エンジンという2つの動力源を併用した自動車)やデジタルスチルカメラに搭載されるニッケル水素電池(「Ni−MH電池」とも称する)や燃料電池等、様々な分野で電池材料として実用化が進められている。
水素吸蔵合金としては、LaNiに代表されるAB型合金、ZrV0.4Ni1.5に代表されるAB型合金、そのほかAB型合金やAB型合金など様々な合金が知られている。その多くは、水素との親和性が高く水素吸蔵量を高める役割を果たす元素グループ(Ca、Mg、希土類元素、Ti、Zr、V、Nb、Pt、Pdなど)と、水素との親和性が比較的低く吸蔵量は少ないが、水素化反応が促進し反応温度を低くする役割を果たす元素グループ(Ni、Mn、Cr、Feなど)との組合せで構成される。
これらの中で、CaCu型の結晶構造を有するAB型水素吸蔵合金、例えばAサイトに希土類系の混合物であるMm(ミッシュメタル)を用い、BサイトにNi、Al、Mn、Co等の元素を用いてなる合金(以下、この種の合金を「Mm−Ni−Mn−Al−Co合金」と称する)は、他の合金組成に比べて、比較的安価な材料で負極を構成でき、しかもサイクル寿命が長く、過充電時の発生ガスによる内圧上昇が少ない密閉型ニッケル水素電池を構成できるなどの特徴を備えている。
ところで、Mm−Ni−Mn−Al−Co合金の構成元素において、Coは合金の微粉化を抑制し、寿命特性の向上に効果を発揮する重要な元素であったため、従来は10質量%程度のCo(モル比で0.6〜1.0)を配合するのが一般的であった。しかし、Coは非常に高価な金属であり、今後の水素吸蔵合金の利用拡大を考慮するとCoを低減することが好ましい。その反面、Coを低減すると寿命特性の低下につながるため、出力特性と寿命特性を両立しつつCoを低減することが研究課題となっていた。特に電気自動車(EV:Electric Vehicle)及びハイブリッド自動車(HEV:HybridElectricVehicle;電気モータと内燃エンジンという2つの動力源を併用した自動車)用電源等への利用開発を進めるには、出力特性及び寿命特性を高水準に維持することが必須の課題であった。
かかる課題に鑑み、Co量を低減しつつ、それでいて電池特性を維持するための提案が種々開示されている。
例えば特許文献1には、組成式:RNixCoyMz(R:希土類元素等、M:Mg、Al、Mn等、3.7≦x≦5.3、0.1≦y≦0.5、0.1≦z≦1.0、5.1≦x+y+z≦5.5)で示される組成を有し、実質的に単相で、かつ結晶の平均長径が30〜160μm、若しくは5μm〜30μm未満である水素吸蔵合金が開示されている。
特許文献2には、一般式MmNia Mnb Coc Cud(式中、Mmはミッシュメタル、3.7≦a≦4.2、0.3<b≦0.6、0.2≦c≦0.4、0<d≦0.4、5.00≦a+b+c+d≦5.35)で表されるCaCu型の結晶構造を有する水素吸蔵合金が開示されている。
特許文献3には、一般式MmNiaMnbAlcCodXe(式中、Mmはミッシュメタル、XはFe及び/又はCu、3.7≦a≦4.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.4、0.2≦d≦0.4、0≦e≦0.4、5.00≦a+b+c+d+e≦5.20、但しb=c=0の場合を除く、また0<b≦0.3、かつ0<c≦0.4の場合は、b+c<0.5である)で表されるCaCu型の結晶構造を有する水素吸蔵合金が開示されている。
特許文献4には、一般式MmNiaMnbAlcCod(式中、Mmはミッシュメタル、4.1<a≦4.3、0.4<b≦0.6、0.2≦c≦0.4、0.1≦d≦0.4、5.2≦a+b+c+d≦5.45)もしくは一般式MmNiaMnbAlcCodXe(式中、Mmはミッシュメタル、XはCu及び/又はFe、4.1<a≦4.3、0.4<b≦0.6、0.2≦c≦0.4、0.1≦d≦0.4、0<e≦0.1、5.2≦a+b+c+d+e≦5.45)で表されるCaCu型の結晶構造を有するAB型水素吸蔵合金であって、c軸の格子長が406.2pm以上であることを特徴とする水素吸蔵合金が開示されている。
特許文献5には、Coの含有率が極めて低く、かつ出力特性(特にパルス放電特性)、活性(活性度)及び寿命特性を高水準に維持可能な水素吸蔵合金として、一般式MmNiaMnbAlcCod(式中、Mmはミッシュメタル、4.0≦a≦4.7、0.3≦b≦0.65、0.2≦c≦0.5、0<d≦0.35、5.2≦a+b+c+d≦5.5)で表すことができるCaCu型結晶構造を有する低Co水素吸蔵合金であって、当該CaCu型結晶構造の結晶格子のa軸長が499pm以上であり、かつc軸長が405pm以上であることを特徴とする低Co水素吸蔵合金が開示されている。
特許文献6には、一般式MmNiaMnbAlcCodFee(式中、MmはLaを含むミッシュメタル、0.2≦d≦0.5、5.025≦a+b+c+d+e≦5.200)で表すことができるCaCu型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu型結晶構造の格子体積が88.70×106(pm3)以下であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.29(°)以下であることを特徴とする水素吸蔵合金が開示されている。
近年、特に電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HEV)に搭載するMH電池には、出力特性をさらに高めることが求められている。
水素吸蔵合金を用いた電池(「MH電池」とも称する)の出力特性を高める方法として、例えば、電池の充放電を繰り返すうちに割れが生じて比表面積が大きくなり易いように水素吸蔵合金を改良したり、水素吸蔵合金粉末をアルカリ水溶液や酸に浸漬することによって、水素吸蔵合金の表面を活性化させたりする方法が提案されている。例えば、水素吸蔵合金粉末を、pH値が0.5〜5の弱酸性水溶液により表面処理を行う方法が開示されている(例えば特許文献7)。
特開2002−294373号公報 特開2001−18176号公報 特開2001−40442号公報 特開2001−348636号公報 WO2005/014871号公報 WO2007/040277号公報 特開平11−260361号公報
本発明者は、MH電池の出力特性をさらに高めることができる水素吸蔵合金の評価方法として、電池の負極活物質として使用する前に、水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させることで、膨張・収縮による亀裂を合金に生じさせ、その後に機械粉砕する処理(「2段粉砕処理」と称する)が有効であるという知見を得た。
そこで本発明は、AB型水素吸蔵合金に関し、水素吸蔵合金を粉砕して1000〜300μmの粒子とした後、水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕する2段粉砕処理に適した水素吸蔵合金、言い換えれば、従来よりも微粒化することができる、新たな水素吸蔵合金を提案せんとするものである。
本発明は、CaCu型、すなわちAB型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金であって、Aサイトは、Laを含有する希土類元素から構成され、且つ、Bサイトは、Coを含有せず、Ni、Al及びMnを少なくとも含有し、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)が0.60以上1.56未満であり、且つ、Alの含有量(モル比)とMnの含有量(モル比)の合計含有量に対するLaの含有量(モル比)の割合(La/(Mn+Al))が0.92より大きいことを特徴とする水素吸蔵合金を提案する。
本発明が提案する水素吸蔵合金は、電池の負極活物質として使用すると、従来よりも微粒化することができ電池の出力を高めることができる。中でも、電池の負極活物質として使用する前に、水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕する2段粉砕処理を行うと、より一層効果的に微粒化することができる。負極活物質として使用した場合には初期の段階から電池の出力をより一層効果的に高めることができる。
次に、実施の形態例に基づいて本発明を説明する。但し、本発明が次に説明する実施形態に限定されるものではない。
<本水素吸蔵合金>
本実施形態の水素吸蔵合金(以下「本水素吸蔵合金」という)は、インターナショナルテーブル番号191(P6/mmm)の空間群を有するCaCu型結晶構造、すなわちAB型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金である。
(組成)
本水素吸蔵合金は、ABx組成におけるAサイトが、Laを含有する希土類元素から構成され、Bサイトは、Coを含有せず、Ni、Al及びMnを少なくとも含有する組成を特徴とする。
本水素吸蔵合金の一例として、一般式:MmNiaMnbAlc(式中、MmはLaを含有する希土類元素、3.8≦a≦4.7、0.1≦b≦0.6、0.1≦c≦0.6)、又は、一般式:MmNiaMnbAlcMd(式中、MmはLaを含有する希土類元素、Mは、Ni、Mn、Al及びCoを除く遷移金属のうちの1種又は2種以上、3.8≦a≦4.7、0.1≦b≦0.6、0.1≦c≦0.6、0<d≦0.2)で表すことができるAB型水素吸蔵合金を挙げることができる。但し、これらの組成に限定するものではない。
本水素吸蔵合金において、ABx組成におけるAサイトを構成する元素の合計モル数に対するBサイトを構成する元素の合計モル数(すなわち、上記式の「a+b+c」もしくは「a+b+c+d」)の比率(「ABx」と称する)は、特に限定するものではない。
例えば電気自動車(「EV」と称する)及びハイブリッド自動車(「HEV」と称する)に搭載するNi−MH電池の負極活物質に使用する観点からは、5.00≦ABx≦5.40であるのが好ましい。ABxが5.00以上であれば、寿命特性(容量維持率)の低下を抑制することができる。よって、このような観点から、ABxは5.10以上であるのがより好ましく、5.20以上、特に5.30以上であるのがさらに好ましく、他方、ABxが大き過ぎると容量が低下するため、該容量の観点からABxが5.35以下であるのがさらに好ましい。
また、出力特性の観点からは、ABxは4.85以上であるのが好ましく、中でも4.90以上であるのがより好ましく、その中でも4.95以上であるのがさらに好ましい。
本水素吸蔵合金において、上記MmはLaを含有する希土類元素であればよく、例えばLaを含む希土類系の混合物(ミッシュメタル)を挙げることができる。この際、混合物(ミッシュメタル)中のLa量は、60〜100質量%であるのが好ましく、中でも70質量%以上或いは90質量%以下、その中でも75質量%以上或いは85質量%以下であるのがさらに好ましい。
また、混合物(ミッシュメタル)中のLa量は70質量%以上であるのが好ましく、中でも85質量%以上、その中でも90質量%以上であるのがさらに好ましい。
前記希土類系の混合物(ミッシュメタル)中にはLa以外に、Ce、Pr及びNdのうちの少なくとも1種又は2種以上の組み合わせを含んでいてもよいし、さらにその他の元素を含んでいてもよい。
上記Mmの一例を挙げると、Laのみからなるもの、又は、La及びCeからなるもの、又は、La及びCeのほかにPr、Nd、Sm等の希土類を含むものなどを挙げることができる。この際、例えばCe(3wt%〜10wt%)、La(15wt%〜40wt%)、Pr、Ndを主要構成元素とする希土類混合物を挙げることができる。
より具体的な例として、Laの含有量が水素吸蔵合金中15wt%〜35wt%、中でも18wt%以上或いは34wt%以下、その中でも20wt%以上或いは33wt%以下であるのが好ましく、Ceの含有量は水素吸蔵合金中0wt%〜10wt%、中でも9wt%以下、その中でも特に8.5wt%以下であるのが好ましい。
本水素吸蔵合金において、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)は1.56未満であるのが好ましい。
本水素吸蔵合金において、当該Mn/Alが1.56未満であれば、水素吸蔵の平衡圧(プラトー圧)が低いため好ましい。但し、当該Mn/Alが小さ過ぎると、Alが溶出することにより正極の特性低下を招くなどの問題が生じる可能性がある。
かかる観点から、本水素吸蔵合金において、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)は0.60以上1.56未満であるのが好ましく、中でも1.15以上、その中でも1.17以上或いは1.40以下、その中でも1.36以下であるのが特に好ましい。
また、本水素吸蔵合金において、Alの含有量(モル比)とMnの含有量(モル比)の合計含有量に対するLaの含有量(モル比)の割合(La/(Mn+Al))が0.92より大きいことが好ましい。
本水素吸蔵合金において、当該La/(Mn+Al)が0.92より大きければ、水素吸蔵速度が早く微粒化しやすい点から好ましい。
かかる観点から、本水素吸蔵合金において、Alの含有量(モル比)とMnの含有量(モル比)の合計含有量に対するLaの含有量(モル比)の割合(La/(Mn+Al))は0.92より大きいことが好ましく、中でも1.05より大きく、その中でも1.19より大きいことが特に好ましい。
Niについては、出力特性を維持しつつ、微粉化特性及び寿命特性を維持する観点から、Aサイトを構成するMmの合計モル数に対するNiのモル数の比率、すなわち上記一般式におけるNiのモル比率(a)は、3.8以上4.7以下であるのが好ましく、中でも4.0以上或いは4.6以下であるのがさらに好ましい。
Mnについては、プラトー圧力が必要以上に高くなって充放電のエネルギー効率を悪化させるのを抑えることでき、しかも水素吸蔵量が低下するのを抑えることもできる観点から、上記一般式におけるMnのモル比率(b)は、0.1以上0.6以下であるのが好ましく、中でも0.2以上或いは0.5以下、その中でも特に0.3以上或いは0.45以下であるのがさらに好ましい。
Alについては、微粉化残存率を維持し易くする観点から、上記一般式におけるAlのモル比率(c)は、0.1以上0.6以下であるのが好ましく、中でも0.15以上或いは0.45以下、その中でも0.2以上或いは0.4以下であるのがさらに好ましい。
一般式:MmNiaMnbAlcMd(式中、Mmはミッシュメタル)におけるM元素は、例えばNi、Mn、Al及びCoを除く遷移金属のうちの1種又は2種以上であればよい。例えばFe、Cu、V、Zn、Zrなどを挙げることができる。中でも寿命特性の観点から、Fe及びCuのうちの1種又は2種、その中でもFeを好ましく例示することができる。例えばFeを適当量添加することにより微粉化の抑制、すなわち寿命特性を高めることができる。但し、上記組成式におけるM元素は必須元素ではない。
上記一般式におけるM元素のモル比率(d)は、0≦d≦0.20であるのが好ましく、中でも0.10以下、その中でも0.05以下の範囲内で調整するのが好ましい。
本水素吸蔵合金は、上記元素のほか、例えばTi,Mo,W,Si,Ca,Pb,Cd,Mg、Coなどの元素を不可避不純物として含有していてもよい。但し、これら元素の含有量は、性能に影響しない量、すなわち0.05質量%程度未満であるのが好ましい。
(2段粉砕処理後平均粒径)
本水素吸蔵合金は、水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕した際の粒度を小さくすることができるという特徴を有している。すなわち、水素吸蔵合金を粗砕機で粗砕した後、室温において水素圧=0〜30MPaの減圧および加圧の条件で水素を吸蔵・脱蔵させた後に、微粉砕機で機械粉砕した際の平均粒径(本発明ではこれを「2段粉砕処理後平均粒径」と称する)を20μm以下とすることができる。
よって、本水素吸蔵合金は、電池の負極活物質として使用する前に、水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕する2段粉砕処理を行うことにより、MH電池の出力を効果的に高めることができる。
かかる観点から、本水素吸蔵合金の2段粉砕処理後平均粒径は1.0〜7.0μmであるのが好ましく、中でも2.0μm以上或いは6.5μm以下、その中でも4.0μm以上或いは6.0μm以下であるのが好ましい。
本水素吸蔵合金の上記2段粉砕処理後平均粒径を上記範囲に調整するには、上記のように組成を調整した上で、熱処理条件を調整するのが好ましい。例えば、熱処理の温度制御に関し、所定の温度を維持する熱処理を行い、冷却後、さらに所定の温度を維持するように2度目の熱処理を行うのが好ましい。また、所定の温度(熱処理温度)を維持すると共に、当該中心温度から一旦温度を上げて、短時間のうちに中心温度まで再び戻し、次に当該中心温度から一旦温度を下げて、短時間のうちに中心温度まで再び戻す温度制御を所定の間隔をおいて行うパルス制御温度制御を行うのも好ましい。但し、このような方法に限定するものではない。
(a軸長)
本水素吸蔵合金は、粉末X線回折測定から得られるa軸長が5.02Å以上5.08Å以下であるのが好ましい。
本水素吸蔵合金のa軸長が5.02Å以上であれば、電池寿命や微粉化特性を維持できるから好ましく、5.08Å以下であれば水素吸蔵特性及び出力特性も維持できるから好ましい。
かかる観点から、本水素吸蔵合金のa軸長は、5.02Å以上5.08Å以下であるのが好ましく、中でも5.03Å以上或いは5.07Å以下、その中でも5.03Å以上或いは5.06Å以下であるのがさらに好ましい。
本水素吸蔵合金のa軸長を上記範囲に調整するには、例えば熱処理条件の調整などすればよい。但し、この方法に限定するものではない。
(平衡水素圧)
本水素吸蔵合金は、45℃ における圧力−組成等温線図(PCT曲線) において、水素吸蔵量(H/M)0.5における平衡水素圧が0. 005MPa以上0.035MPa以下であるのが好ましい。
本水素吸蔵合金の当該平衡水素圧が0. 005MPa以上であれば寿命特性をより高水準に維持できるから好ましく、0.035MPa以下であれば出力特性をより高水準に維持できるから好ましい。
かかる観点から、本水素吸蔵合金の当該平衡水素圧は、0. 005MPa以上0.035MPa以下であるのが好ましく、中でも0.007MPa以上或いは0.033MPa以下、その中でも0.009MPa以上或いは0.032MPa以下であるのがさらに好ましい。
本水素吸蔵合金の当該平衡水素圧を上記範囲に調整するには、例えば組成、特にABxなどすればよい。但し、この方法に限定するものではない。
<本水素吸蔵合金の製造方法>
本水素吸蔵合金は、例えば、所定の合金組成となるように各水素吸蔵合金原料を秤量及び混合し、例えば誘導加熱による高周波加熱溶解炉を用いて上記水素吸蔵合金原料を溶解して溶湯となし、これを鋳型、例えば水冷型の鋳型に流し込んで、例えば1350〜1550℃の鋳湯温度で鋳造し、所定の熱処理を行い、その後、粉砕することにより得ることができる。
但し、本水素吸蔵合金の製造方法がこのような製法に限定されるものではない。
熱処理する際の雰囲気は不活性ガス、例えばAr、N2などが好ましい。
熱処理する際の温度制御としては、900〜1100℃の温度(「熱処理温度」と称する)を1〜10時間維持する熱処理を行い、次いで、500℃まで降温速度10〜30℃/分で冷却後、100℃以下まで自然冷却し、その後、前記と同条件にて熱処理及び冷却を2回或いは3回以上行うのがより好ましい。
上記熱処理において、1回の熱処理時間は1時間以上10時間以下が好ましく、中でも2時間以上或いは8時間以下、さらに2時間以上或いは6時間以下であるのが好ましい。
また、900〜1100℃の温度(「熱処理中心温度」と称する)まで昇温し、その熱処理中心温度から温度を上げた後、短時間のうちに前記熱処理中心温度まで再び戻し、次に、前記熱処理中心温度から温度を下げて、短時間のうちに熱処理中心温度まで再び戻すという温度制御を、必要に応じて所定の間隔をおいて、複数回行うパルス制御を行うようにしてもよい。
このようなパルス制御においては、熱処理中心温度から2℃〜10℃上下するように昇温及び降温するのが好ましく、中でも2℃〜8℃、その中でも2℃〜5℃上下するように昇温及び降温するのがさらに好ましい。
また、上記パルス制御において、昇降温速度は0.1〜1.0℃/分、中でも0.1〜0.8℃/分、その中でも0.2℃/分以上或いは0.5℃/分以下であるのが好ましい。
上記パルス制御での熱処理時間、すなわち合計熱処理時間は1時間〜10時間が好ましく、中でも2時間以上或いは8時間以下、その中でも2時間以上或いは6時間以下であるのが好ましい。
そしてこのようなパルス制御での熱処理後、500℃まで降温速度10〜30℃/分で冷却後、100℃以下まで自然冷却するのが好ましい。
得られた水素吸蔵合金インゴットの粉砕は、例えば500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕するのが好ましい。但し、粗砕の程度は、必要に応じて1000μmの篩目を通過する粒子サイズ(−1000μm)までの粉砕であっても、また、850μmの篩目を通過する粒子サイズ(−850μm)までの粉砕であってもよい。
なお、この段階で細かく粉砕し過ぎると磁選効率が低下するため、ある程度細かく粉砕してもよいが、150μmオーバーの粗粉が50質量%以上含まれるように粗砕するのが好ましい。
水素吸蔵合金インゴットの粗砕は、粉体と接触する粉砕部分、すなわち粉砕手段が鉄或いは鉄合金からなる解砕装置乃至粉砕装置を用いて行うことができる。このような解砕装置乃至粉砕装置としては、例えばロールクラッシャー、ダブルロールクラッシャー、ジョークラッシャーなどを挙げることができる。
鉄或いは鉄合金を含有する粉砕手段を備えた装置で粗砕すれば、当該鉄或いは鉄合金が粗砕された中に混入することになるが、次の磁選工程において少なくとも短絡に影響する磁着物を除去することができるから、このような粉砕装置で粗砕することが好ましい。但し、これらの粉砕機に限定するものではない。
水素吸蔵合金インゴットの粗砕は、乾式で行うものであっても、湿式で行うものであってもよい。
<本水素吸蔵合金の利用>
本水素吸蔵合金(インゴット及び粉末を含む)は、必要に応じて、本水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させることで、膨張・収縮による亀裂を合金に生じさせ、その後に機械粉砕する2段粉砕処理に供するのが好ましい。但し、必ずしも当該2段粉砕処理に供しなくてもよい。
この2段粉砕処理において、水素を吸蔵・脱蔵させる前の粉砕は、500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕するのが好ましい。この際の粉砕装置としてはロールクラッシャー、ダブルロールクラッシャー、ジョークラッシャー、ディスクミルなどを使用すればよい。
水素を吸脱させる方法及び回数は、水素ガスを導入可能な真空炉を使用し、水素ガスの吸蔵・脱蔵、加熱、冷却をそれぞれ1回以上行うようにすればよい。
さらに、水素を吸脱させた後の機械粉砕は、D50が1μm〜7μmになる程度に粉砕するのが好ましい。この際の粉砕装置としてはピンミル、ハンマーミル、サイクロミルなどを使用すればよい。
また、必要に応じて、磁選処理を行うのが好ましい。
すなわち、本水素吸蔵合金に多くの不純物が含まれていると、水素吸蔵量が低下する可能性があるばかりか、過放電のような厳しい条件下で充放電を繰り返すうちに不純物が電解液(アルカリ性溶液)に溶出し、セパレータを貫通して短絡(電圧降下)を生じる可能性があるため、必要に応じて、次のような磁選処理を行うことにより、短絡の原因となる不純物を除去するのが好ましい。磁選処理しても歩留まりを良好に維持することができる。
本水素吸蔵合金(インゴット及び粉末を含む)を電池の負極材料として利用する場合、上述のように必要に応じて2段粉砕処理や磁選処理を行った後、例えば公知の方法により、電池用負極を調製することができる。すなわち、公知の方法により結着剤、導電助剤などを混合、成形することにより水素吸蔵合金負極を構成することができる。
なお、本水素吸蔵合金は、上記磁選処理や上記2段粉砕処理を行わないで、電池の負極材料として利用することも可能である。
(電池)
このようにして得られる水素吸蔵合金負極、すなわち、公知の方法により、本水素吸蔵合金に結着剤、導電助剤などを混合、成形することにより得られる水素吸蔵合金負極は、二次電池のほか一次電池(燃料電池含む)にも利用することができる。例えば、水酸化ニッケルを活物質とする正極と、アルカリ水溶液よりなる電解液と、セパレータとから、Ni−MH電池を構成することができる。
特に本水素吸蔵合金は、耐食性に優れており、出力を低下させずに寿命特性を高めることができるため、これらの特性が求められるEVやHEVなどに搭載するNi−MH電池として特に好適に用いることができる。
<語句の説明>
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
次に、実施例に基づいて、本発明についてさらに説明する。但し、本発明が以下に示す実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
各元素の質量比率が、Mm:32.38、Ni:60.76、Mn:4.95、Al:1.91となるように原料を秤量し、混合した。
なお、Mmは、Laのみからなるものを用いた。
得られた混合物をルツボに入れて高周波溶解炉に固定し、10−4〜10−5Torrまで減圧した後、アルゴンガスを導入し、アルゴンガス雰囲気中で1450℃まで加熱し、次いで総質量200kgの水冷式銅鋳型に10kgの溶湯を2kg/秒で流し込み、水素吸蔵合金を得た。さらに、得られた水素吸蔵合金をステンレス鋼製容器に入れて真空熱処理装置にセットし、アルゴンガス雰囲気中で熱処理を行い、水素吸蔵合金(インゴット)を得た。
この際、熱処理は、アルゴンガス雰囲気中で913℃まで1時間で昇温し、さらに1063℃まで30分、1073℃まで10分で昇温し、1073℃を5時間維持するように高温保持処理を行った後、降温速度20℃/分で500℃まで冷却し、次いで100℃以下まで自然冷却した。
次に、Fuji Paudl社製ジョークラッシャー(型式1021−B)と吉田製作所製ブラウンミル(型式1025−HBG)とを用いて、上記の水素吸蔵合金(インゴット)を500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粗砕した。
得られた水素吸蔵合金(サンプル)は、ICP分析により、LaNi4.44Al0.30Mn0.39(ABx=5.13)であることが確認された。
(実施例2−10及び比較例1−7)
実施例1において、原料組成を変更して、表1及び表2に示すような組成とした以外、実施例1と同様にして水素吸蔵合金(サンプル)を得た。
<評価方法>
実施例・比較例で得た水素吸蔵合金粉末(サンプル)について、次のようにして各種評価を行った。
<2段粉砕処理後平均粒径>
実施例・比較例で得られた水素吸蔵合金粉末(サンプル)を、300μmの篩目上に残る粒子サイズ(300−500μm)とした。その300-500μmのサンプルを5.0g秤量し、PCTホルダーに充填した。そのPCTホルダーを0.01MPa以下に真空吸引した後、水素ガスを1.0MPaまで導入し、10秒保持後、0.01MPa以下に真空吸引を行う操作を2回行い、ホルダー内のガスの置換を行った。
次に、真空吸引のまま300℃に加熱して30分保持した。その後、300℃に加熱したまま水素ガス1.75MPaまで導入し10分保持、0.01MPa以下まで真空吸引し10秒保持、これを2回行い、水素吸蔵合金の表面洗浄処理を行った。さらに300℃に加熱したまま水素ガスを3.0MPa導入、すぐに放冷して10分保持し水素ガスを水素吸蔵合金粉末に吸蔵させた。この水素吸蔵を行った後、300℃に加熱して真空吸引で、10分保持して水素放出を行い、真空吸引のまま放冷を15分行った後、ホルダーからサンプルを取り出した。
上記条件で水素を吸蔵・脱蔵させたサンプルを、サイクロミル((型式1033−200)吉田製作所製)で7分間粉砕して水素吸蔵合金粉末(サンプル)を得た。ここで得たサンプルのD50(表2には「2段粉砕処理後平均粒径」と表示)を測定した。
この際、目開き-45μmの篩で分級してサンプルの粒度調整をしてもよい。ただし、この限りではない。
D50の測定は、レーザー回折粒度分布測定機用試料循環器(日機装株式会社製「Microtorac ASVR」)を用い、サンプル(粉体)を水に投入し、60mL/secの流速中、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「HRA(X100)」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートからD50を求めた。
なお、測定の際の水溶性溶媒には60μmのフィルターを通した水を用い、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を反射、測定レンジを0.122〜704.0μm、測定時間を30秒とした値を測定値として用いた。
<a軸長の測定>
実施例及び比較例で得た―500μm(500μmの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末20gをサイクロミル((型式1033−200)吉田製作所製)で1分間粉砕し、目開き20μmの篩で分級して―20μm(20μmの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末(サンプル)を得た。
得られたサンプルをサンプルホルダーに充填し、X線回折装置(ブルカー・エイエックスエス(株)製D8ADVANCE)を使用し測定を行った。
なお、使用したX線回折装置仕様・条件等は以下の通りである。
(装置仕様)
管球:CuKα線
Spacegroup:P6/mmm
・入射ビームパス
[Tubemount]
Voltage:40[kV]
Current:40[mA]
Element:Cu
[Optics_Primary_MortorizedSlit]
Opening: 0.30[°]
[SlitMount]
No Slit 10.5[mm] 10.5[mm]
Width:18[mm]
Height:10.5[mm]
Deflection:0[°]
[SollerMount]
Axial Soller 2.5[°] 2.5[°]
AxialDivergence:2.5[°]
EquatorilDivergence:0[°]
Deflection:0[°]
・受光側ビームパス
検出器:LYNXEYE XE
[LYNXEYE_XE]
モード:LYNXEYE_XE(1Dモード)
Deflection:0[°]
ActivatonLimit:200000[1/s]
DeactivatonLimit:150000[1/s]
LowerDiscriminator:0.212[V]
Bining:1
Counter 1D:0[counts]
Scan Counter:0[counts]
Counter 0D:0[counts]
UpperDiscriminator:0.230[V]
Orientation:0[°]
[DetectorOpticsMount2]
Soller_25 2.5[°] 2.5[°]
AxialDivergence:2.5[°]
EquatorilDivergence:0[°]
Deflection:0[°]
[DetectorOpticsMount1]
Slit_Open_1 0[mm]0[mm]
Width:14[mm]
Height:0[mm]
Deflection:0[°]
[SollerMount]
Deflection:0[°]
[SllitMount]
No Slit 10.5[mm] 10.5[mm]
Width:18[mm]
Height:10.5[mm]
Deflection:0[°]
(測定条件)
測定モード:Two Theta/Theta
モード:PSD高速スキャン
時間・/ステップ:0.280[s]
開始:20.0000[°]
停止:120.0046[°]
ステップ幅:0.007175469952
測定により得られたX線回折パターン(回折角2θ=20〜120°の範囲)を用いて、解析用ソフトウエア(ソフト名:TopasVersion5)で解析した。
解析には、FundamentalParameterを採用し、結晶子サイズ(Lorentzian法)c軸長も変数とした状態でPawley法によるa軸長の精密化を行った。
解析を行う際に使用したX線回折パターンのピークは、以下の通りである。
・20.5°付近にあるミラー指数(010)で指数付けされるピーク
・21.9°付近にあるミラー指数(001)で指数付けされるピーク
・30.1°付近にあるミラー指数(011)で指数付けされるピーク
・35.8°付近にあるミラー指数(110)で指数付けされるピーク
・41.6°付近にあるミラー指数(020)で指数付けされるピーク
・42.4°付近にあるミラー指数(111)で指数付けされるピーク
・44.6°付近にあるミラー指数(002)で指数付けされるピーク
・47.5°付近にあるミラー指数(021)で指数付けされるピーク
・49.5°付近にあるミラー指数(012)で指数付けされるピーク
・56.1°付近にあるミラー指数(210)で指数付けされるピーク
・58.5°付近にあるミラー指数(112)で指数付けされるピーク
・60.9°付近にあるミラー指数(211)で指数付けされるピーク
・62.6°付近にあるミラー指数(022)で指数付けされるピーク
・64.4°付近にあるミラー指数(030)で指数付けされるピーク
・68.9°付近にあるミラー指数(031)で指数付けされるピーク
・69.4°付近にあるミラー指数(003)で指数付けされるピーク
・73.2°付近にあるミラー指数(013)で指数付けされるピーク
・74.3°付近にあるミラー指数(212)で指数付けされるピーク
・76.0°付近にあるミラー指数(220)で指数付けされるピーク
・79.7°付近にあるミラー指数(310)で指数付けされるピーク
・80.2°付近にあるミラー指数(221)で指数付けされるピーク
・80.7°付近にあるミラー指数(113)で指数付けされるピーク
・81.8°付近にあるミラー指数(032)で指数付けされるピーク
・83.9°付近にあるミラー指数(311)で指数付けされるピーク
・84.3°付近にあるミラー指数(023)で指数付けされるピーク
・90.6°付近にあるミラー指数(040)で指数付けされるピーク
・92.7°付近にあるミラー指数(222)で指数付けされるピーク
・94.7°付近にあるミラー指数(041)で指数付けされるピーク
・95.2°付近にあるミラー指数(213)で指数付けされるピーク
・96.3°付近にあるミラー指数(312)で指数付けされるピーク
・98.8°付近にあるミラー指数(004)で指数付けされるピーク
・101.5°付近にあるミラー指数(320)で指数付けされるピーク
・102.5°付近にあるミラー指数(014)で指数付けされるピーク
・102.6°付近にあるミラー指数(033)で指数付けされるピーク
・105.8°付近にあるミラー指数(321)で指数付けされるピーク
・107.4°付近にあるミラー指数(042)で指数付けされるピーク
・109.0°付近にあるミラー指数(410)で指数付けされるピーク
・110.0°付近にあるミラー指数(114)で指数付けされるピーク
・113.4°付近にあるミラー指数(411)で指数付けされるピーク
・113.9°付近にあるミラー指数(024)で指数付けされるピーク
・114.0°付近にあるミラー指数(223)で指数付けされるピーク
・118.0°付近にあるミラー指数(313)で指数付けされるピーク
・119.2°付近にあるミラー指数(322)で指数付けされるピーク
<PCT測定>
実施例及び比較例で得た−500μm(500μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末を300μmφの篩目で篩分けし、300〜500μmに粒度調整した水素吸蔵合金(サンプル)を得た。
得られたサンプル5gをPCT装置サンプルホルダーに投入し、PCT特性測定装置((株)鈴木商館製)に接続した。
PCT測定の前に次のような操作を実施した。
1)合金付着水分処理:マントルヒーター(300℃)中、PCT装置サンプルホルダーを加熱した状態で1.75MPaの水素圧を導入し、10分間放置後、真空引きを行う一連の操作を2回実施した。
2)合金活性化処理(合金の水素吸蔵特性を出現させる処理):3MPaの水素圧を導入し、マントルヒーターからPCT装置サンプルホルダーを取り出し、10分間保持をした。その後、マントルヒーター(300℃)中でPCT装置サンプルホルダーを加熱した状態で10分間真空引きを行った。この一連の操作を2回実施した。
マントルヒーターからPCT装置サンプルホルダーを取り出し、45℃に設定した恒温槽内にホルダーを移動させた後、真空引きを30分行い、その後、吸蔵終了圧力2.9MPaまで水素を吸蔵させた。この一連の操作を6回実施した後、真空引きを3時間30分実施した。その後、吸蔵終了圧力1.7MPaまでPCT測定を行った。得られた45℃におけるPCT曲線から、H/M=0.5のときの平衡水素圧をP0.5(MPa)として求めた。結果を表2において「P0.5@45℃」の項目に示した。
(考察)
上記実施例及びこれまで本発明者が行ってきた試験結果などから、AB型水素吸蔵合金において、Aサイトは、Laを含有する希土類元素から構成し、Bサイトは、Coを含有せず、Ni、Al及びMnを少なくとも含有し、且つ、Mn/Alモル比割合を0.60以上1.56未満とし、La/(Mn+Al)モル比割合を0.92より大きくすることで、水素吸蔵合金を粉砕して水素を吸蔵・脱蔵させた後に機械粉砕する2段粉砕処理を行うと、より一層効果的に微細化することができることが確認できた。よって、電池の負極活物質として使用した際には電池の出力を効果的に高めることができる。

Claims (9)

  1. CaCu型、すなわちAB型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金であって、
    Aサイトは、Laを含有する希土類元素から構成され、且つ、
    Bサイトは、Coを含有せず、Ni、Al及びMnを少なくとも含有し、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)が0.60以上1.56未満であり、且つ、
    Alの含有量(モル比)とMnの含有量(モル比)の合計含有量に対するLaの含有量(モル比)の割合(La/(Mn+Al))が0.92より大きいことを特徴とする水素吸蔵合金。
  2. Bサイトは、Alの含有量(モル比)に対するMnの含有量(モル比)の割合(Mn/Al)が1.15以上1.56未満であることを特徴とする請求項1に記載の水素吸蔵合金。
  3. CaCu5型、すなわちAB5型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金であって、
    一般式:MmNiaMnbAlc(式中、Laを含有する希土類元素、式中aは3.8以上4.7以下、bは0.1以上0.6以下、cは0.1以上0.6以下。)で表すことができ、
    Aサイトを構成する元素の合計モル数に対するBサイトを構成する元素の合計モル数の比率(「ABx」と称する)が4.85≦ABx≦5.40である請求項1又は2に記載の水素吸蔵合金。
  4. CaCu5型、すなわちAB5型の結晶構造の母相を有する水素吸蔵合金であって、
    一般式:MmNiaMnbAlc(式中、Laを含有する希土類元素、式中aは3.8以上4.7以下、bは0.1以上0.6以下、cは0.1以上0.6以下。)で表すことができ、
    Aサイトを構成する元素の合計モル数に対するBサイトを構成する元素の合計モル数の比率(「ABx」と称する)が5.00≦ABx≦5.40である請求項1又は2に記載の水素吸蔵合金。
  5. 粉末X線回折測定から得られるa軸長が5.03Å以上5.07Å以下であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  6. 45℃ における圧力−組成等温線図(PCT曲線) において、水素吸蔵量(H/M)0.5における平衡水素圧が0. 005MPa以上0.035MPa以下である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. 請求項1〜6の何れかに記載の水素吸蔵合金を含有するニッケル水素電池の負極活物質。
  8. 請求項7に記載の負極活物質を用いたニッケル水素電池。
  9. 請求項7に記載の負極活物質を用いた、電気自動車或いはハイブリッド自動車に搭載するニッケル水素電池。
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