JP2006228547A - ニッケル・水素蓄電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ニッケル・水素蓄電池の容量密度を高めると共に、効率よく急速充電できるようにする。
【解決手段】 非焼結式のニッケル極を用いた正極11と水素吸蔵合金を用いた負極12との間にセパレータ13を介在させて、正極と負極とが複数積層された状態になった電極体10を電池容器20,30内に収容させたニッケル・水素蓄電池において、負極に、Ln1-xMgxNiy-a-bAlaMb(式中、LnはYを含む希土類元素,Zr及びTi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,Co,Ga,Zn,Sn,In,Cu,Si,P,B及びZrから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.35、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.5、2.8≦y-a-b≦3.9の条件を満たす。)で示される水素吸蔵合金を用い、正極の厚みが0.3mm以下、負極の厚みが0.2mm以下、容量密度が170mAh/cm3以上になるようにした。
【選択図】 図1
【解決手段】 非焼結式のニッケル極を用いた正極11と水素吸蔵合金を用いた負極12との間にセパレータ13を介在させて、正極と負極とが複数積層された状態になった電極体10を電池容器20,30内に収容させたニッケル・水素蓄電池において、負極に、Ln1-xMgxNiy-a-bAlaMb(式中、LnはYを含む希土類元素,Zr及びTi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,Co,Ga,Zn,Sn,In,Cu,Si,P,B及びZrから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.35、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.5、2.8≦y-a-b≦3.9の条件を満たす。)で示される水素吸蔵合金を用い、正極の厚みが0.3mm以下、負極の厚みが0.2mm以下、容量密度が170mAh/cm3以上になるようにした。
【選択図】 図1
Description
この発明はニッケル・水素蓄電池に係り、特に、非焼結式のニッケル極を用いた正極と水素吸蔵合金を用いた負極との間にセパレータを介在させて、上記の正極と負極とが複数積層された状態になった電極体を電池容器内に収容させたニッケル・水素蓄電池において、その容量密度を高めると共に、効率よく急速に充電できるようにした点に特徴を有するものである。
ニッケル・水素蓄電池は、一般に用いられている乾電池と同等の放電電圧を示すため、乾電池の代替として使用されることが多く、この場合、このニッケル・水素蓄電池を短時間で急速に充電させることが要望されている。
このため、従来においては、上記のようなニッケル・水素蓄電池を急速で充電させるための様々な充電方法が提案されている(例えば、特許文献1,2参照。)。
一方、近年においては、このようなニッケル・水素蓄電池が各種のポータブル機器等に使用されるようになり、またこのような機器の高機能化に伴って消費電力が増大し、このニッケル・水素蓄電池を高容量化させることが要望されている。
ここで、このようにニッケル・水素蓄電池を高容量化させるにあたっては、正極や負極における活物質の量を多くするように、正極や負極の厚みを厚くすることが行われている。
しかし、このように正極や負極の厚みを厚くした場合、正極や負極における反応抵抗が増大し、高電流で急速に充電させることが困難になり、充電効率が大きく低下すると共に電池温度が大きく上昇するという問題があった。
また、近年においては、上記のようなニッケル・水素蓄電池を高容量化させるために、負極に使用する水素吸蔵合金として、一般に使用されている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に代えて、上記の希土類−ニッケル系水素吸蔵合金にMg等を含有させて水素吸蔵能力を高めたCaCu5型以外のCe2Ni7型やCeNi3型等の結晶構造を有する水素吸蔵合金を用いることが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかし、ニッケル・水素蓄電池の負極に上記のような水素吸蔵合金を用いただけでは、このニッケル・水素蓄電池を高電流で急速に充電させた場合に、依然として充電効率が悪く、電池温度が大きく上昇するという問題があった。
特開平5−83876号公報
特開平6−52899号公報
特開平11−323469号公報
この発明は、ニッケル・水素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、ニッケル・水素蓄電池において、その容量密度を高めると共に、効率よく急速充電できるようにすることを課題とするものである。
この発明においては、上記のような課題を解決するため、非焼結式のニッケル極を用いた正極と水素吸蔵合金を用いた負極との間にセパレータを介在させて、上記の正極と負極とが複数積層された状態になった電極体を電池容器内に収容させたニッケル・水素蓄電池において、上記の負極に、少なくとも希土類元素とマグネシウムとニッケルとアルミニウムとを含んだ水素吸蔵合金であって、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bAlaMb(式中、LnはYを含む希土類元素,Zr及びTi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,Co,Ga,Zn,Sn,In,Cu,Si,P,B及びZrから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.35、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.5、2.8≦y−a−b≦3.9の条件を満たす。)で示される水素吸蔵合金を用い、上記の正極の厚みが0.3mm以下、負極の厚みが0.2mm以下になるようにすると共に、容量密度が170mAh/cm3以上になるようにしたのである。
この発明におけるニッケル・水素蓄電池のように、その負極に、少なくとも希土類元素とマグネシウムとニッケルとアルミニウムとを含んだ水素吸蔵合金であって、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bAlaMb(式中、LnはYを含む希土類元素,Zr及びTi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,Co,Ga,Zn,Sn,In,Cu,Si,P,B及びZrから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.35、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.5、2.8≦y−a−b≦3.9の条件を満たす。)で示される水素吸蔵合金を用いると、負極における水素吸蔵能力が向上し、正極の厚みが0.3mm以下、負極の厚みが0.2mm以下になるようにした場合においても、容量密度が170mAh/cm3以上になった高容量のニッケル・水素蓄電池が得られるようになる。
また、上記のように正極の厚みを0.3mm以下にすると共に、負極の厚みを0.2mm以下にすると、正極や負極における反応抵抗が減少し、高電流で急速充電した場合においても、充電効率が低下するのが抑制されると共に、電池温度が上昇するのも防止される。
以下、この発明の実施例に係るニッケル・水素蓄電池について具体的に説明すると共に、比較例を挙げ、この発明の実施例に係るニッケル・水素蓄電池においては、高電流で急速充電した場合においても、充電効率が低下するのが抑制されると共に、電池温度が上昇するのも防止されることを明らかにする。なお、この発明におけるニッケル・水素蓄電池は、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。
(実施例)
実施例においては、負極を作製するにあたり、負極活物質として(La0.2Pr0.5Nd0.3)0.8Mg0.2Ni3.0Al0.2Co0.1で表される平均粒径が35μmになった水素吸蔵合金粒子を用いるようにした。
実施例においては、負極を作製するにあたり、負極活物質として(La0.2Pr0.5Nd0.3)0.8Mg0.2Ni3.0Al0.2Co0.1で表される平均粒径が35μmになった水素吸蔵合金粒子を用いるようにした。
そして、この水素吸蔵合金粒子100重量部に対して、結着剤としてポリビニルピロリドンを0.5重量部、ポリエチレンオキシドを0.5重量部加えると共に、導電剤のカーボンブラックを2重量部加え、さらに水を加えて、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、これを乾燥させてプレスした後、所定の寸法に切断して、厚みが0.2mmになった水素吸蔵合金電極からなる負極を作製した。
また、正極を作製するにあたっては、硫酸コバルト粉末13.1gを水に溶かした水溶液1000mlに、水酸化ニッケル粉末100gを加え、次いで1モル/リットルの水酸化ナトリウム水溶液を攪拌しながら滴下し、pHを11に調整しながら1時間攪拌させた後、生成した沈殿物を濾別し、これを水洗し、約25℃の室温で真空乾燥させて、表面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粒子からなる粉末を得た。
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粒子の粉末と25重量%水酸化ナトリウム水溶液とを1:10の重量比で混合し、これを空気中において80℃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、平均粒径が10μmになった正極活物質の粉末を得た。なお、この正極活物質について、上記の水酸化ニッケルに対する被覆層中におけるコバルトの割合を原子吸光法により求めたところ、水酸化ニッケルに対する被覆層中のコバルトの量は5重量%であった。
そして、上記の正極活物質の粉末100重量部と、平均粒径が1μmの三酸化二イットリウム(Y2O3)粉末1重量部と、結着剤の1重量%メチルセルロース水溶液20重量部とを混練してペーストを調製した。そして、このペーストをニッケル発泡体(多孔度95%;平均孔径200μm)からなる正極支持体の空孔内に充填し、これを乾燥し、加圧成形して、厚みが0.3mmになった非焼結式ニッケル極からなる正極を作製した
また、セパレータとしては、ポリプロピレンとポリエチレンで構成されて目付けが32g/m2になったセパレータを使用し、アルカリ電解液としては、30重量%のKOH水溶液を使用し、体積が8.1cm3になった円筒型のニッケル・水素蓄電池を作製した。
ここで、上記のニッケル・水素蓄電池を作製するにあたっては、図1に示すように、前記のようにして作製した正極11と負極12との間に上記のセパレータ13を挟み込み、これらをスパイラル状に巻き回して電極体10を作製した。
そして、この電極体10の一方の端面において、上記の正極11における正極支持体11aに面状になった正極集電体を取り付けると共に、上記の電極体10の他方の端面において、上記の負極12における負極支持体12aに面状になった負極集電体15を取り付けるようにした。
また、このように正極集電体14と負極集電体15が取り付けられた電極体10を電池缶20内に収容させて、上記の負極集電体15を電池缶20内部の底面に取り付け、この電池缶20内にアルカリ電解液を注液させると共に、上記の正極集電体14からリード部14aを延出させ、このリード部14aを封口体30の底部31に取り付けるようにした。
そして、この封口体30の周縁に絶縁ガスケット32を装着させ、この封口体30を上記の電池缶20の開口部に配置させて、電池缶20の開口端縁をかしめ、電池缶20の開口部を閉塞させるようにして、封口体30を電池缶20の開口部に取り付けるようにした。なお、この封口体30においては、その底部31と正極外部端子33との間にスプリング34と弁35とを設け、これにより電池の内圧が異常に上昇した場合に、電池内部のガスを大気に放出させるようにした。
(比較例)
比較例においては、負極を作製するにあたり、負極活物質として(La0.8Ce0.1Nd0.1)1.0Ni3.7Co0.9Mn0.3Al0.3で表される平均粒径が35μmになった水素吸蔵合金粒子を用い、それ以外は上記の実施例の場合と同様にして、体積が8.1cm3になった円筒型のニッケル・水素蓄電池を作製した。
比較例においては、負極を作製するにあたり、負極活物質として(La0.8Ce0.1Nd0.1)1.0Ni3.7Co0.9Mn0.3Al0.3で表される平均粒径が35μmになった水素吸蔵合金粒子を用い、それ以外は上記の実施例の場合と同様にして、体積が8.1cm3になった円筒型のニッケル・水素蓄電池を作製した。
そして、上記のようにして作製した実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を、それぞれ140mAの電流で16時間充電させた後、280mAの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させ、これを1サイクルとして、2サイクルの充放電を行い、これらの各ニッケル・水素蓄電池を活性化させた。
次いで、上記のように活性化させた実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を、140mAの電流で16時間充電させた後、280mAの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させて、各ニッケル・水素蓄電池の放電容量を測定すると共に、測定された放電容量と前記の電池の体積から、各ニッケル・水素蓄電池の容量密度を算出し、その結果を下記の表1に示した。
また、上記のように活性化させた実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を、1.35Aの電流で1080mAhまで充電させて充電終了時の電池温度を測定すると共に、このように充電させた各ニッケル・水素蓄電池を1.35Aの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させて放電容量を測定し、この場合における充電効率を算出し、その結果を下記の表1に示した。
また、上記のように活性化させた実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を、27Aの高電流で1080mAhまで充電させて充電終了時の電池温度を測定すると共に、このように充電させた各ニッケル・水素蓄電池を1.35Aの電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させて放電容量を測定し、この場合における充電効率を算出し、その結果を下記の表1に示した。
また、上記のように活性化させた実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を、675mAの電流で1時間充電を行った後、0.27A、0.675A、1.35A、4.05A、6.75Aの電流でそれぞれ10秒間充電させて、各電池電圧を測定し、上記の電流と測定された電池電圧とをプロットして、その直線の傾きから各ニッケル・水素蓄電池における電池抵抗を算出し、その結果を下記の表1に示した。
この結果、実施例及び比較例の各ニッケル・水素蓄電池を1.35Aの電流で充電させた場合、実施例及び比較例のニッケル・水素蓄電池において、充電終了時の電池温度及び充電効率に差はなかったが、27Aの高電流で充電させた場合には、実施例のニッケル・水素蓄電池の方が、比較例のニッケル・水素蓄電池に比べて、充電終了時の電池温度の上昇が抑制されると共に充電効率が高くなっていた。これは、同表に示すように、実施例のニッケル・水素蓄電池の電池抵抗が、比較例のニッケル・水素蓄電池の電池抵抗に比べて低くなっていたためであると考えられる。
10 電極体
11 正極
11a 正極支持体
12 負極
12a 負極支持体
13 セパレータ
14 正極集電体
15 負極集電体
20 電池缶
30 封口体
32 絶縁ガスケット
33 正極外部端子
34 スプリング
35 弁
11 正極
11a 正極支持体
12 負極
12a 負極支持体
13 セパレータ
14 正極集電体
15 負極集電体
20 電池缶
30 封口体
32 絶縁ガスケット
33 正極外部端子
34 スプリング
35 弁
Claims (2)
- 非焼結式のニッケル極を用いた正極と水素吸蔵合金を用いた負極との間にセパレータを介在させて、上記の正極と負極とが複数積層された状態になった電極体を電池容器内に収容させたニッケル・水素蓄電池において、上記の負極に、少なくとも希土類元素とマグネシウムとニッケルとアルミニウムとを含んだ水素吸蔵合金であって、一般式Ln1-xMgxNiy-a-bAlaMb(式中、LnはYを含む希土類元素,Zr及びTi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,Co,Ga,Zn,Sn,In,Cu,Si,P,B及びZrから選択される少なくとも1種の元素であり、0.05≦x≦0.35、0.05≦a≦0.30、0≦b≦0.5、2.8≦y−a−b≦3.9の条件を満たす。)で示される水素吸蔵合金を用い、上記の正極の厚みが0.3mm以下、負極の厚みが0.2mm以下になるようにすると共に、容量密度が170mAh/cm3以上になるようにしたことを特徴とするニッケル・水素蓄電池。
- 請求項1に記載したアルカリ蓄電池において、上記の正極と負極との間にセパレータを介在させて巻回させた電極体を用いたことを特徴とするニッケル・水素蓄電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005040221A JP2006228547A (ja) | 2005-02-17 | 2005-02-17 | ニッケル・水素蓄電池 |
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Cited By (1)
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EP3933970A1 (en) * | 2020-03-26 | 2022-01-05 | FDK Corporation | Positive electrode for alkaline secondary battery, and alkaline secondary battery |
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2005
- 2005-02-17 JP JP2005040221A patent/JP2006228547A/ja active Pending
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