説明

アルカリ電池

【課題】 強負荷放電特性及び軽負荷放電特性に優れたアルカリ電池を提供する。
【解決手段】 二酸化マンガンおよび黒鉛粉末を含む正極を具備するアルカリ電池において、前記正極が、窒化チタン(TiN)及び三酸化二コバルト(Co23)より成る群から選ばれた少なくとも一種を添加剤として含む。前記添加剤の量は、二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部が好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二酸化マンガンを活物質とする正極およびアルカリ電解液を具備するアルカリ電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、アルカリマンガン電池などの一次電池の用途は拡大され、例えばデジタルスチルカメラのように強負荷放電性能を要求する用途が増えて来ている。このような市場のニーズに対しては、例えば特許文献1のように、正極用添加剤としてアナターゼ形の酸化チタンまたは酸化チタンを主体とする複合酸化物を使用することにより、正極の反応効率を上げ、強負荷放電性能を向上させる方法が提案されている。
【0003】
また、例えば特許文献2のように、正極用添加剤としてTixSi(1-x)2(式中、0.5≦x<1)で表されるチタンケイ素複合酸化物やTiO(OH)2を使用することにより、軽負荷放電特性の低下を抑制する方法も提案されている。
【特許文献1】特表平8−510355号公報
【特許文献2】特開2002−367614号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のような従来の正極添加剤を使ったアルカリ電池においては、強負荷放電特性は向上するものの、軽負荷放電特性が低下してしまうという問題がある。アルカリ電池は、従来のマンガン電池のように、時計など低負荷で使われることもある汎用電池であるため、軽負荷放電特性が低下してしまうことは非常に不都合である。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するため、本発明のアルカリ電池は、二酸化マンガンを活物質とする正極、負極およびアルカリ電解液を具備し、前記正極が、窒化チタン(TiN)及び三酸化二コバルト(Co23)よりなる群から選ばれた少なくとも一種の添加剤を含むことを特徴とする。
ここで、正極は、前記添加剤を、二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部含むことが好ましい。
【0006】
窒化チタン及び三酸化二コバルトは、正極合剤内の導電性を向上するとともに、電解液の浸透性の向上に寄与し、強負荷放電時の分極を低減する。これによって、強負荷放電特性のみならず低負荷放電特性をも向上する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、強負荷放電特性に優れ、なおかつ軽負荷放電特性が従来のアルカリ電池よりも向上したアルカリ電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
本発明のアルカリ電池は、負極と、アルカリ電解液と、二酸化マンガンおよび黒鉛粉末を含む正極とを具備し、前記正極が、窒化チタン及び三酸化二コバルトよりなる群から選ばれた少なくとも一種を含むことを特徴とする。
負極は、亜鉛を主成分とする合金粉末を用い、ゲル化剤によりゲル亜鉛負極を形成したものが好ましい。しかし、アルカリ水溶液中で卑な電位を示し、放電可能かつ安定な金属であればよく、その金属に防食性、安定性のために他の金属や有機または無機の添加剤を添加したものであってもよい。
電解液は、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ水溶液であることが好ましい。水酸化ナトリウムや水酸化リチウム、水酸化カルシウムを含んでもよい。
【0009】
正極の活物質は、二酸化マンガンを主成分として用いることが好ましい。例えば、オキシ水酸化ニッケルなどの他の金属過酸化物、金属酸化物、または金属水酸化物を少量もしくは主成分として含んでもよい。正極の導電剤としては、黒鉛粉末を用いることが好ましい。他の炭素系導電剤などを含んでもよい。
【0010】
正極と負極との間には、セパレータとしては耐アルカリ性の合成樹脂などの不織布を介在することが好ましい。その他多孔膜など電解液を透過するものを用いてもよい。
電池の外装には、通常、鉄にメッキを施した円筒形ケースを用いた電池が一般的であるが、材質は合成樹脂でもよく、形状も規定するものではない。
【0011】
正極は、前記添加剤を二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部含むことが好ましい。添加量が0.05重量部より少ないと、強負荷放電及び軽負荷放電特性の向上が不十分であり、5重量部より多い場合、正極活物質などの充填量が減ってしまうために強負荷放電及び軽負荷放電特性が低下してしまう。これは、添加剤粒子が主たる活物質である二酸化マンガンよりも嵩高いために、一定圧力下で、一定体積となるように成形された正極合剤においては、合剤総量が少なくなるためと考えられる。ただし、添加剤量が二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部の範囲であれば、二酸化マンガンの粒子と添加剤粒子がうまく混ざり合うため、正極活物質の充填量が減ることはない。
【0012】
本発明は、強負荷放電特性に優れ、かつ軽負荷放電特性が従来のアルカリ電池よりも向上したアルカリ電池を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0013】
実施の形態1
Alを30ppm、Biを200ppm、Inを400ppm含む亜鉛合金と40重量%のKOH水溶液からなる電解液とを混合、攪拌してゲル状亜鉛を作製する。一方、電解二酸化マンガンと黒鉛粉末を重量比9:1の割合で混合し、さらに、二酸化マンガン100重量部あたり1重量部のTiNを加え、成形して正極合剤を作製する。これらの負極および正極に、アルカリ電解液および合成樹脂の不織布からなるセパレータを組み合わせて正極ケース内に収め、密閉してアルカリ電池を作製する。
【0014】
実施の形態2
電解二酸化マンガンと黒鉛粉末とを重量比9:1の割合で混合し、さらに二酸化マンガン100重量部あたり1重量部のCo23を加え、成形して正極合剤を作製する。この他は実施の形態1と同様にしてアルカリ電池を作製する。
【実施例】
【0015】
以下、本発明のより具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
本発明の実施例において作製したアルカリ電池の一部を断面にした正面図を図1に示す。図1において、電池ケース1の内部には、短筒状のペレット形状に成形された正極合剤2、セパレータ4およびゲル状負極3が収容されている。電池ケース1は、内面にニッケルメッキが施された鋼のケースなどを用いることができる。電池ケース1の内面には、複数個の正極合剤2が密着した状態で収容されている。正極合剤2のさらに内側にはセパレータ4が配され、さらにその内側にゲル状負極3が充填されている。
【0016】
正極合剤2はつぎのようにして作製した。まず、二酸化マンガンと黒鉛とアルカリ電解液とを重量比90:10:3の割合で混合し、得られた混合物を充分に撹拌した後、フレーク状に圧縮成形した。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状の正極合剤とし、これを篩によって分級し、10〜100メッシュのものを中空円筒形に加圧成形してペレット状の正極合剤2を得た。この正極合剤2個を電池ケース1内に挿入し、加圧治具によって正極合剤2を再成形して、電池ケース1の内壁に密着させた。実施例のいずれの正極についても成形圧力は同じ条件で作製し、この時成形された正極合剤の高さが同じになるように各実施例の正極合剤量を調整した。
【0017】
上記のようにして電池ケース1内に配置された正極合剤2の中央に、有底円筒形のセパレータ4を配置し、セパレータ4内へ所定量のアルカリ電解液を注入した。所定時間経過後、アルカリ電解液とゲル化剤と亜鉛合金粉末とからなるゲル状負極3をセパレータ4内へ充填した。
【0018】
ゲル状負極3としては、ゲル化剤であるポリアクリル酸ナトリウム1重量部、水酸化カリウムの40重量%水溶液33重量部および亜鉛粉末66重量部からなるゲルを用いた。また、セパレータ4は、ポリビニルアルコール繊維とレーヨン繊維を主体として混抄した不織布を用いた。
【0019】
続いて、負極集電子6をゲル状負極3の中央に差し込んだ。なお、負極集電子6には、ガスケット5および負極端子を兼ねる底板7を一体化させた。そして、電池ケース1の開口端部を、ガスケット5の端部を介して、底板7の周縁部にかしめつけ、電池ケース1の開口部を封口した。最後に、外装ラベル8で電池ケース1の外表面を被覆して、アルカリ電池を得た。
【0020】
《実施例1》
二酸化マンガンと黒鉛粉末とを重量比9:1の割合で混合し、これにTiNを二酸化マンガン100重量部あたり1.0重量部添加して正極合剤を作製した。この正極合剤を用いて図1に示す構造を有するアルカリ電池を作製した。
【0021】
《実施例2》
TiNの代わりにCo23を添加した正極合剤を用いた以外は実施例1と同様にしてアルカリ電池を作製した。
【0022】
《比較例1》
二酸化マンガンと黒鉛粉末との混合物(重量比9:1)を正極合剤に用いた以外は実施例1と同様にしてアルカリ電池を作製した。
【0023】
《比較例2》
TiNの代わりにアナターゼ型TiO2を添加した正極合剤を用いた以外は実施例1と同様にしてアルカリ電池を作製した。
【0024】
《比較例3》
TiNの代わりにTiO(OH)2を添加した正極合剤を用いた以外は実施例1と同様にしてアルカリ電池を作製した。
【0025】
《比較例4》
TiNの代わりにTi0.95Si0.052で表されるチタンケイ素複合酸化物を添加した正極合剤を用いた以外は実施例1と同様にしてアルカリ電池を作製した。
【0026】
電池の強負荷放電特性を評価するために、初度(作製直後、室温で1週間放置後)の電池10個を、1Ωの負荷、終止電圧0.9Vで連続放電させ、そのときの放電時間を測定し、その平均値を求めた。添加剤を添加しなかったアルカリ電池(比較例1)の結果を基準である100とし、強負荷放電特性を指数で表した。また、軽負荷放電特性は、39Ωの負荷、終止電圧0.9Vで連続放電させ、そのときの放電時間を測定し、その平均値を求めた。これらの結果を表1に示した。
【0027】
【表1】

【0028】
表1から、正極合剤にTiNまたはCo23を添加した実施例1および2の電池は、それらを添加しなかった比較例1の電池よりも強負荷放電特性が向上しており、また、軽負荷放電特性も比較例1〜4の電池よりも高い。一方、比較例2〜4の電池は、比較例1に比べ、強強負荷放電特性は向上しているが、軽負荷放電特性は若干低下するかほぼ同じである。
以上の結果から、本発明によれば、強負荷放電特性及び軽負荷放電特性に優れたアルカリ電池が得られることがわかる。
【0029】
上記実施例では、二酸化マンガンと黒鉛粉末の混合物(重量比9:1)に添加する添加剤量を二酸化マンガン100重量部あたり1.0重量部とした。次に、表2に示す範囲で添加剤量を変化させて試験を行った。その結果を表2に示す。
【0030】
【表2】

【0031】
表2から明らかなように、本発明のいずれの添加剤も添加量が二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部の範囲で効果が得られた。また、TiN、Co23のどちらか一方のみを正極に添加した場合の実施例を示したが、これら両者を混合して使用した場合にも効果があり、その場合は、両者の添加量の和が二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部の範囲で効果が認められた。
【産業上の利用可能性】
【0032】
本発明によれば、強負荷放電特性及び軽負荷放電特性に優れたアルカリ電池を提供することができる。したがって、本発明は市場のニーズに合ったアルカリ一次電池に有用である。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の実施例に係るアルカリ電池の一部を断面にした正面図である。
【符号の説明】
【0034】
1 電池ケース
2 正極合剤
3 ゲル状負極
4 セパレータ
5 ガスケット
6 負極集電子
7 底板
8 外装ラベル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
二酸化マンガンおよび黒鉛粉末を含む正極と、負極と、アルカリ電解液とを具備するアルカリ電池であって、前記正極が窒化チタン及び三酸化二コバルトよりなる群から選ばれた少なくとも一種の添加剤を含むことを特徴とするアルカリ電池。
【請求項2】
前記正極が、前記添加剤を二酸化マンガン100重量部あたり0.05〜5重量部含む請求項1記載のアルカリ電池。

【図1】
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【公開番号】特開2006−164862(P2006−164862A)
【公開日】平成18年6月22日(2006.6.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−357621(P2004−357621)
【出願日】平成16年12月10日(2004.12.10)
【出願人】(000005821)松下電器産業株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】