説明

アルカリ蓄電池

【課題】 負極に使用する水素吸蔵合金を改善し、長期間放置した場合に水素吸蔵合金からCo等が溶出するのを抑制して、アルカリ蓄電池における保存特性を向上させる
【解決手段】 正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、セパレータと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ蓄電池において、負極に、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bCoaMb(式中、LnはZr、Ti、Yを含む希土類元素から選択される少なくとも1種の元素、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、Mn、Fe、Al、Ga、Zn、Sn、In、Cu、Si、P、Bから選択される少なくとも1種の元素で、0.05≦x≦0.30、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.50、2.8≦y≦3.9の条件を満たす。)で表され、Ln中のLaの含有量がLnの総量に対して85モル%以下の水素吸蔵合金を用いると共に、スルホン基を有するセパレータを用いた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、正極と負極との間に設けるセパレータと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ蓄電池に係り、負極に使用する水素吸蔵合金を改善し、特に、スルホン基を有するセパレータを用いたアルカリ蓄電池において、保存特性を向上させるようにした点に特徴を有するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、アルカリ蓄電池としては、ニッケル・カドミウム蓄電池が広く使用されていたが、近年においては、ニッケル・カドミウム蓄電池に比べて高容量で、またカドミウムを使用しないため環境安全性にも優れているという点から、負極に水素吸蔵合金を用いたニッケル・水素蓄電池が注目されるようになった。
【0003】
そして、近年においては、このようなニッケル・水素蓄電池からなるアルカリ蓄電池が、ハイブリッド自動車や電動工具等の用途にも使用されるようになり、さらに高容量で、高率充放電特性などに優れたアルカリ蓄電池が強く要望されるようになった。
【0004】
ここで、このようなアルカリ蓄電池においては、その負極に使用する水素吸蔵合金として、一般にCaCu5型の結晶を主相とする希土類−ニッケル系水素吸蔵合金や、Ti,Zr,V及びNiを含むラーベス相系のAB2型の結晶を主相とする水素吸蔵合金等が一般に使用されているが、これらの水素吸蔵合金は、水素吸蔵能力が必ずしも十分であるとはいえず、さらに高容量化のアルカリ蓄電池を得ることは困難であった。
【0005】
そして、近年においては、上記の希土類−ニッケル系水素吸蔵合金における水素吸蔵能力を向上させるために、上記の希土類−ニッケル系水素吸蔵合金における希土類元素の一部をMg等で置換させた水素吸蔵合金を用いたアルカリ蓄電池ことが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
ここで、このように希土類−ニッケル系水素吸蔵合金における希土類元素の一部をMg等で置換させた水素吸蔵合金は、クラックが発生しやすく、クラックにより新しい反応性の高い面が現れて放電反応に寄与するため、低温での放電特性や、高率放電特性は向上するが、このようなクラックにより耐食性が低下し、このような水素吸蔵合金を用いたアルカリ蓄電池の場合、十分なサイクル寿命が得られないという問題があった。
【0007】
このため、近年においては、上記のような希土類元素の一部をMg等で置換させた水素吸蔵合金の組成を適正化させて、水素吸蔵合金の耐食性を向上させるようにしたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
しかし、上記のような水素吸蔵合金を用いたアルカリ蓄電池においても、長期間放置すると、水素吸蔵合金の表面が腐食されて、水素吸蔵合金中におけるCoや希土類元素が次第に溶出して、アルカリ蓄電池の特性が低下するという問題があった。
【0009】
また、従来においては、アルカリ蓄電池のセパレータに、イオン交換基としてスルホン基を付与したセパレータを用い、負極や正極から溶出した遷移金属イオンをこのセパレータにおいてトラップして、自己放電が生じるのを防止するようにしたものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
【0010】
しかし、上記のような水素吸蔵合金を用いたアルカリ蓄電池に、このようなスルホン基を付与したセパレータを用いた場合、上記の水素吸蔵合金から溶出したCoや希土類元素がこのセパレータに析出して、十分な保存特性が得られなくなるという問題が依然として存在した。
【特許文献1】特開平11−323469号公報
【特許文献2】特開2001−316744号公報
【特許文献3】特開平10−50291号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明は、正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、正極と負極との間に設けるセパレータと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ蓄電池における上記のような問題を解決することを課題とするものであり、負極に使用する水素吸蔵合金を改善し、長期間放置した場合において、この水素吸蔵合金からCoや希土類元素が溶出するのを抑制し、溶出したCoや希土類元素がスルホン基を有するセパレータに析出するのを防止して、保存特性に優れたアルカリ蓄電池が得られるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明におけるアルカリ蓄電池においては、上記のような課題を解決するため、正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、正極と負極との間に設けるセパレータと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ蓄電池において、上記の負極に、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bCoab(式中、LnはZr、Ti、Yを含む希土類元素から選択される少なくとも1種の元素、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、Mn、Fe、Al、Ga、Zn、Sn、ln、Cu、Si、P、Bから選択される少なくとも1種の元素であり0.05≦x≦0.30、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.50、2.8≦y≦3.9の条件を満たす。)で表され、上記のLn中におけるLaの含有量がLnの総量に対して85モル%以下である水素吸蔵合金を用いると共に、スルホン基を有するセパレータを用いるようにした。
【0013】
ここで、本発明におけるアルカリ蓄電池においては、上記の一般式に示される水素吸蔵合金において、上記のLn中におけるLaの含有量がLnの総量に対して49モル%以下であることが好ましく、また上記のLn中にSm、Gdの少なくとも一方の元素を含有させることが好ましく、またこれらのSmやGdの合計の含有量を全希土類元素の10モル%以上にすることが好ましい。
【0014】
また、上記のような水素吸蔵合金を用いた負極においては、その表面にポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド等の親水性ポリマーを塗布し、このように塗布した親水性ポリマーにより、水素吸蔵合金から溶出したCoなどが拡散するのを防止して、セパレータに折出するのを抑制することが好ましい。
【0015】
また、上記のスルホン基を有するセパレータを得るにあたっては、セパレータをフッ素化ガスと亜硫酸ガスとでフッ素化処理してスルホン基を付与させるようにしたり、発煙硫酸によってセパレータにスルホン基を付与させるようにすることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明におけるアルカリ蓄電池においては、その負極における水素吸蔵合金として、上記の一般式Ln1-xMgxNiy-a-bCoabで表され、Ln中におけるLaの含有量がLnの総量に対して85モル%以下になったものを用いたため、Ln中におけるLaの含有量が85モル%を越える水素吸蔵合金に比べて、水素吸蔵合金の耐酸化性が向上し、長期間放置した場合においても、この水素吸蔵合金からCoなどの合金成分が溶出するのが抑制され、さらにLn中におけるLaの含有量が49モル%以下の水素吸蔵合金を用いた場合には、Coなどの合金成分が溶出するのがより一層抑制されるようになる。
【0017】
この結果、本発明におけるアルカリ蓄電池においては、水素吸蔵合金から溶出されたCoなどの合金成分が上記のスルホン基を有するセパレータに析出するのが抑制され、セパレータにより負極や正極から溶出した遷移金属イオンが適切にトラップされて自己放電が生じるのが防止され、アルカリ蓄電池における保存特性が大きく向上する。
【0018】
また、上記の水素吸蔵合金におけるLn中にSmを含有させると、水素吸蔵合金の耐酸化性が向上されて、水素吸蔵合金の微粉化が抑制されるようになり、またLn中にGdを含有させると、水素吸蔵合金の微粉化が抑制されるようになり、これによりこの水素吸蔵合金からCoなどの合金成分が溶出するのが一層抑制されて、アルカリ蓄電池における保存特性がさらに向上する。
【実施例】
【0019】
以下、本発明の実施例に係るアルカリ蓄電池について具体的に説明すると共に、比較例を挙げ、本発明の実施例に係るアルカリ蓄電池においては保存特性が向上することを明らかにする。なお、本発明におけるアルカリ蓄電池は、下記の実施例に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【0020】
(実施例1)
実施例1においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLa,Pr及びNdと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、これを高周波誘導溶解炉により溶融させた後、これを冷却させて、水素吸蔵合金のインゴットを得た。
【0021】
そして、この水素吸蔵合金のインゴットを不活性雰囲気中において1000℃で10時間熱処理して均質化させた後、この水素吸蔵合金のインゴットを不活性雰囲気中において機械的に粉砕し、これを分級して、組成がLa0.39Pr0.30Nd0.10Zr0.01Mg0.20Ni3.20Al0.10Co0.10なった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、上記の水素吸蔵合金の組成は、誘導結合プラズマ分光分析(ICP)により測定した。また、この水素吸蔵合金の粉末についてレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置により粒度分布を測定した結果、重量積分が50%における平均粒径が65μmになっていた。
【0022】
ここで、この水素吸蔵合金においては、上記の一般式Ln1-xMgxNiy-a-bCoabにおけるLn(Zr、Ti、Yを含む希土類元素から選択される少なくとも1種の元素)中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように49モル%になっていた。
【0023】
また、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末について、Cu−Kα管をX線源とするX線回折装置を用いて、X線回折測定を行った結果、上記の水素吸蔵合金は、2θが31°〜34°の範囲に強いピークが存在し、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0024】
そして、上記の水素吸蔵合金の粉末100質量部に対して、結着剤としてポリエチレンオキシドを0.5質量部、ポリビニルピロリドンを0.5質量部、水を20質量部の割合で加え、これらを混練させてスラリーを調製した。そして、このスラリーを負極支持体のニッケルメッキしたパンチングメタルの両面に均一に塗布し、これを乾燥し、圧延させた後、これを所定の寸法に切断して負極を作製した。
【0025】
また、正極を作製するにあたっては、亜鉛が2.5質量%,コバルトが1.0質量%含有された水酸化ニッケル粉末を硫酸コバルト水溶液中に投入し、これを攪拌しながら1モル/リットルの水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pHを11に調整しながら攪拌させて反応させた後、生成した沈殿物を濾別し、これを水洗し、真空乾燥させて、上記の水酸化ニッケル粒子の表面に5質量%の水酸化コバルトの被覆層を形成した。
【0026】
次いで、このように水酸化コバルトの被覆層が形成された水酸化ニッケル粉末と25重量%水酸化ナトリウム水溶液とを1:10の質量比で混合し、これを攪拌しながら80℃の温度条件で8時間加熱処理した後、これを水洗し、65℃で乾燥させて、水酸化ニッケル粒子の表面にナトリウム含有コバルト化合物からなる被覆層が形成された正極活物質の粉末を得た。
【0027】
そして、この正極活物質の粉末を95質量部、酸化亜鉛を3質量部、水酸化コバルトを2質量部の割合で混合させたものに、0.2質量%のヒドロキシプロピルセルロース水溶液を50質量部加え、これらを混合させてスラリーを調製し、このスラリーを目付けが約600g/m2,多孔度が95%,厚みが約2mmのニッケル発泡体に充填し、これを乾燥させてプレスした後、所定の寸法に切断して非焼結式ニッケル極からなる正極を作製した。
【0028】
また、セパレータとしては、ポリプロピレン製の不織布をフッ素化ガスと亜硫酸ガスとでフッ素化処理してスルホン基を付与させものを使用し、アルカリ電解液としては、KOHとNaOHとLiOHとが15:2:1の質量比で含まれて比重が1.30になったアルカリ電解液を使用し、図1に示すような円筒型になったアルカリ蓄電池を作製した。
【0029】
ここで、上記のアルカリ蓄電池を作製するにあたっては、図1に示すように、上記の正極1と負極2との間にセパレータ3を介在させ、これらをスパイラル状に巻いて電池缶4内に収容させ、正極1を正極リード5を介して正極蓋6に接続させると共に、負極2を負極リード7を介して電池缶4に接続させ、この電池缶4内にアルカリ電解液を注液させた後、電池缶4と正極蓋6との間に絶縁パッキン8を介して封口し、上記の絶縁パッキン8により電池缶4と正極蓋6とを電気的に分離させた。また、上記の正極蓋6に設けられたガス放出口6aを閉塞させるようにして、この正極蓋6と正極外部端子9との間にコイルスプリング10によって付勢された閉塞板11を設け、電池の内圧が異常に上昇した場合には、このコイルスプリング10が圧縮されて、電池内部のガスが大気中に放出されるようにした。
【0030】
(実施例2)
実施例2においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLa,Pr及びNdと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、上記の実施例1の場合と同様にして、上記の平均粒径が65μmで、組成がLa0.49Pr0.15Nd0.15Zr0.01Mg0.20Ni3.20Al0.10Co0.10になった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、この水素吸蔵合金においては、上記のLn中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように61モル%になっており、またX線回折測定結果は、上記の実施例1の水素吸蔵合金と同様に、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0031】
そして、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末を用いる以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、実施例2のアルカリ蓄電池を作製した。
【0032】
(実施例3)
実施例3においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLa及びPrと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、上記の実施例1の場合と同様にして、上記の平均粒径が65μmで、組成がLa0.54Pr0.20Zr0.01Mg0.25Ni3.15Al0.15Co0.10になった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、この水素吸蔵合金においては、上記のLn中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように72モル%になっており、またX線回折測定結果は、上記の実施例1の水素吸蔵合金と同様に、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0033】
そして、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末を用いる以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、実施例3のアルカリ蓄電池を作製した。
【0034】
(実施例4)
実施例4においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLa及びSmと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、上記の実施例1の場合と同様にして、上記の平均粒径が65μmで、組成がLa0.64Sm0.10Zr0.01Mg0.25Ni3.20Al0.10Co0.10になった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、この水素吸蔵合金においては、上記のLn中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように85モル%になっており、またX線回折測定結果は、上記の実施例1の水素吸蔵合金と同様に、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0035】
そして、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末を用いる以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、実施例4のアルカリ蓄電池を作製した。
【0036】
(実施例5)
実施例5においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLa及びGdと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、上記の実施例1の場合と同様にして、上記の平均粒径が65μmで、組成がLa0.64Gd0.10Zr0.01Mg0.25Ni3.20Al0.10Co0.10になった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、この水素吸蔵合金においては、上記のLn中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように85モル%になっており、またX線回折測定結果は、上記の実施例1の水素吸蔵合金と同様に、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0037】
そして、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末を用いる以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、実施例5のアルカリ蓄電池を作製した。
【0038】
(比較例1)
比較例1においては、負極に用いる水素吸蔵合金を作製するにあたり、希土類元素のLaと、Zrと、Mgと、Niと、Alと、Coとを所定の合金組成になるように混合し、上記の実施例1の場合と同様にして、上記の平均粒径が65μmで、組成がLa0.79Zr0.01Mg0.20Ni3.20Al0.10Co0.10になった水素吸蔵合金の粉末を得た。なお、この水素吸蔵合金においては、上記のLn中におけるLaの含有量(La/Ln)が、下記の表1に示すように99モル%になっており、またX線回折測定結果は、上記の実施例1の水素吸蔵合金と同様に、CaCu5型とは異なる結晶構造になっていた。
【0039】
そして、このようにして得た水素吸蔵合金の粉末を用いる以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例1のアルカリ蓄電池を作製した。
【0040】
次に、上記のようにして作製した実施例1〜5及び比較例1の各アルカリ蓄電池をそれぞれ25℃の温度条件において、150mAの電流で16時間充電させた後、1500mAの電流で電池電圧が1.0Vなるまで放電させ、これを1サイクルとして3サイクルの充放電を行い、各アルカリ蓄電池を活性化させた。
【0041】
そして、上記のように活性化させた実施例1〜5及び比較例1の各アルカリ蓄電池をそれぞれ25℃の温度条件において、1500mAの電流で電池電圧が最大値に達した後、10mV低下するまで充電させ、その後、1500mAの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させて、放置前の放電容量Qoを測定した。
【0042】
次いで、上記の各アルカリ蓄電池を上記のようにそれぞれ25℃の温度条件において、1500mAの電流で電池電圧が最大値に達した後、10mV低下するまで充電させ、このように充電させた各アルカリ蓄電池を60℃環境下において2週間放置させた後、各アルカリ蓄電池を上記のようにそれぞれ25℃の温度条件において、1500mAhの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させて、放置後の放電容量Qaを測定し、下記の式により各アルカリ蓄電池における放置後の容量残存率を求め、その結果を下記の表1に示した。
容量残存率(%)=(Qa/Qo)×100
【0043】
【表1】

【0044】
この結果、Ln中のLaの含有量が85モル%を越えた比較例1のアルカリ蓄電池においては放置後の容量残存率が0%になっていたのに対して、Ln中のLaの含有量が85モル%以下になった実施例1〜5の各アルカリ蓄電池は、放置後の容量残存率が大きく向上していた。
【0045】
特に、Ln中のLaの含有量が49モル%以下になった実施例1のアルカリ蓄電池においては、放置後の容量残存率がさらに大きく向上しており、また上記のLn中に希土類元素のSmやGdを含有させた実施例4,5の各アルカリ蓄電池においては、Ln中のLaの含有量が85モル%と高い値になっているにも拘らず、放置後の容量残存率が大きく向上していた。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】この発明の実施例及び比較例において作製したアルカリ蓄電池の概略断面図である。
【符号の説明】
【0047】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池缶
5 正極リード
6 正極蓋
6a ガス放出口
7 負極リード
8 絶縁パッキン
9 正極外部端子
10 コイルスプリング
11 閉塞板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極と、水素吸蔵合金を用いた負極と、正極と負極との間に設けるセパレータと、アルカリ電解液とを備えたアルカリ蓄電池において、上記の負極に、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bCoab(式中、LnはZr、Ti、Yを含む希土類元素から選択される少なくとも1種の元素、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、Mn、Fe、Al、Ga、Zn、Sn、ln、Cu、Si、P、Bから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.30、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.50、2.8≦y≦3.9の条件を満たす。)で表され、上記のLn中におけるLaの含有量がLnの総量に対して85モル%以下である水素吸蔵合金を用いると共に、スルホン基を有するセパレータを用いたことを特徴とするアルカリ蓄電池。
【請求項2】
請求項1に記載のアルカリ蓄電池において、上記のLn中におけるLaの含有量がLnの総量に対して49モル%以下であることを特徴とするアルカリ蓄電池。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載のアルカリ蓄電池において、上記のLn中にSm、Gdの少なくとも一方の元素が含まれていることを特徴とするアルカリ蓄電池。
【請求項4】
請求項3に記載のアルカリ蓄電池において、上記のLn中におけるSmとGdとの合計の含有量が、全希土類元素の10モル%以上であることを特徴とするアルカリ蓄電池。

【図1】
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【公開番号】特開2008−59818(P2008−59818A)
【公開日】平成20年3月13日(2008.3.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−232887(P2006−232887)
【出願日】平成18年8月30日(2006.8.30)
【出願人】(000001889)三洋電機株式会社 (18,308)
【Fターム(参考)】