JP3071003B2 - 水素吸蔵合金電極及びその製造方法 - Google Patents

水素吸蔵合金電極及びその製造方法

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義典 松浦
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、可逆的に水素を吸蔵,
放出する水素吸蔵合金を含む水素吸蔵合金電極の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来からよく用いられる蓄電池として
は、鉛電池及びニッケル−カドミウム電池がある。しか
し、近年、これら電池より軽量で且つ高容量となる可能
性があるということで、特に常圧で負極活物質である水
素を可逆的に吸蔵及び放出することのできる水素吸蔵合
金を備えた電極を負極に用い、水酸化ニッケルなどの金
属酸化物を正極活物質とする電極を正極に用いた金属−
水素アルカリ蓄電池が注目されている。
【0003】ところで、上記水素吸蔵合金としては、電
池特性を向上させるべく、合金の平衡圧を低下させる必
要がある。そこで、一般に、水素吸蔵合金にマンガンを
添加するような構成がとられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記マ
ンガンを多量に含む水素吸蔵合金は、充放電時に著しい
微粉化を生じるため、水素吸蔵合金の酸化量が多くな
る。この結果、このような構成の水素吸蔵合金を用いた
金属−水素アルカリ蓄電池のサイクル特性が低下すると
いう課題を有していた。
【0005】本発明は係る現状を考慮してなされたもの
であって、充放電時における水素吸蔵合金の微粉化を抑
制して、金属−水素アルカリ蓄電池のサイクル特性を飛
躍的に向上させることができる水素吸蔵合金電極の製造
方法を提供することを目的としている。
【0006】
【発明を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の水素吸蔵合金電極の製造方法は、少なくと
も希土類とNi,Co,Mn,Alを含有し、Mnの量
が水素吸蔵合金1molに対して10mol%以下となるよう
に、水素吸蔵合金を構成する元素を溶融させ、溶湯を作
製する第1ステップと、溶湯を0.4℃/min以下の
速度で冷却させる第2ステップと、を有することを特徴
とする。
【0007】
【作用】上記製造方法によれば、第1ステップで溶湯を
作る際に、溶湯中のMnの量が水素吸蔵合金1molに対
して10mol%以下となるように規定している。また、
第2ステップで溶湯を0.4℃/min以下のゆっくり
した冷却速度で冷却させる。このように製造された水素
吸蔵合金電極では、充放電時における水素吸蔵合金の微
粉化が抑制されて水素吸蔵合金の酸化量が低減するの
で、金属−水素アルカリ蓄電池のサイクル特性を飛躍的
に向上させることができる。水素吸蔵合金中のマンガン
含有量を規定することにより効果が生じる理由は以下の
とおりである。
【0008】即ち、マンガンは、水素吸蔵合金の平衡圧
を下げるという効果を有しているので、水素吸蔵合金作
製時には不可欠な元素ではあるが、希土類を固溶しない
ため、CaCu5型結晶格子中には入り難い。従って、
水素吸蔵合金にマンガンを含有させると、水素吸蔵合金
内でマンガンが偏析し易く、その結果この水素吸蔵合金
を用いた電池の充放電を繰り返すと、上記の偏析してい
る部分より割れが生じて、新たな反応面が出現しやす
い。そして、このように新たな反応面が出現すると、反
応面積が増大して、充放電効率が向上するようにも考え
られるが、マンガンはアルカリ電解液で溶解、酸化し易
い元素であるため、上記の如く新たな反応面が出現して
も、この反応面においてマンガンが溶解、酸化して、表
面が不活性となる。この結果、反応面積の増大を図るこ
とができず、充放電効率が低下して、サイクル特性が低
下することになる。しかし、Mnは少量でも含有されて
いれば水素吸蔵合金の平衡圧を低下する効果を奏するの
で、水素吸蔵合金におけるMnの含有量を上記のように
小さく規定すれば、マンガンによる水素吸蔵合金の微粉
化を抑制してサイクル特性の低下を抑えながら、水素吸
蔵合金の平衡圧を下げることができる。
【0009】また、第2ステップで溶湯を冷却した後、
水素吸蔵合金塊にアニール処理を施せば、水素吸蔵合金
の不均一歪みを更に小さくすることができる。そして、
アニール処理を施す場合、下記の実施例に示すように、
アニール時間は2時間以上とし、アニール温度は800
〜1100℃の範囲で行うことが望ましい。
【0010】
【実施例】本発明の一実施例を、図1〜図6に基づい
て、以下に説明する。 〔実施例〕図1は本発明の電極を用いた密閉円筒型ニッ
ケル−水素アルカリ蓄電池の断面図であり、焼結式ニッ
ケルから成る正極1と、水素吸蔵合金を含む負極2と、
これら正負両極1・2間に介挿されたセパレータ3とか
ら成る電極群4は渦巻状に巻回されている。この電極群
4は負極端子兼用の外装罐6内に配置されており、この
外装罐6と上記負極2とは負極用導電タブ5により接続
されている。上記外装罐6の上部開口にはパッキング7
を介して封口体8が装着されており、この封口体8の内
部にはコイルスプリング9が設けられている。このコイ
ルスプリング9は電池内部の内圧が異常上昇したときに
矢印A方向に押圧されて内部のガスが大気中に放出され
るように構成されている。また、上記封口体8と前記正
極1とは正極用導電タブ10にて接続されている。
【0011】ここで、上記構造の密閉円筒型ニッケル−
水素アルカリ蓄電池を、以下のようにして作製した。先
ず、市販のMm(ミッシュメタルであって、希土類元素
の混合物)とNiとCoとMnとAlとを元素比で1:
3.4:0.9:0.3:0.4の割合となるように秤
量した後、高周波溶解炉内で溶解して溶湯を作成する。
次に、上記溶湯を0.4℃/min の速度で徐冷すること
により、MmNi3.4 Co0.9 Mn0. 3 Al0.4 で示さ
れる水素吸蔵合金鋳塊を作成した。次に、この水素吸蔵
合金鋳塊の粒径が50μm以下となるように粉砕した
後、この水素吸蔵合金粉末に結着剤を加えて混練し、更
にこの混合物に圧力を加えることにより負極2を作製し
た。
【0012】次に、この負極2と、理論容量1000mA
h の焼結式ニッケル正極1とを、不織布からなるセパレ
ータ3を介して巻回し、電極群4を作製した。しかる
後、この電極群4を外装罐6内に挿入し、更に30重量
%のKOH水溶液を上記外装罐6内に注液した後、外装
罐6を密閉することにより理論容量1000mAh の密閉
円筒型ニッケル−水素蓄電池を作製した。
【0013】このようにして作製した電池を、以下
(A)電池と称する。 〔比較例〕市販のMmとNiとCoとMnとAlとを元
素比で1:3.2:0.7:0.9:0.2の割合とな
るように秤量する他は、上記実施例1と同様にして電池
を作製した。このようにして作製した電池を、以下
(X)電池と称する。 〔実験1〕上記本発明の(A)電池及び比較例の(X)
電池におけるサイクル特性を調べたので、その結果を下
記表1に示す。尚、実験条件は、充電電流1Cで1.2
時間充電した後、1Cの電流で電池電圧が1Vまで放電
するという条件であり、電池容量が500mAh (初期容
量の1/2)となったときを電池寿命とした。
【0014】
【表1】 上記表1より明らかなように、比較例の(X)電池で
は、サイクル寿命が800回であるのに対して、本発明
の(A)電池では、サイクル寿命1750回となってい
ることが認められる。そこで、本願出願人は、本発明の
(A)電池が比較例の(X)電池に比べて優れていると
いう理由を検討すべく、以下のような実験を行った。 〔実験2〕上記本発明の(A)電池に用いる水素吸蔵合
金及び比較例の(X)電池に用いられる水素吸蔵合金の
不均一歪の値について調べたので、その結果を表2に示
す。尚、不均一歪とは、以下のように定義される。 ・不均一歪の定義 ラウエカメラ等でデバイ環を測定した際、このデバイ環
がブロードになるという現象の原因の一つであって、下
記数1により定義される。
【0015】
【数1】
【0016】
【表2】 上記表2から明らかなように、本発明の(A)電池に用
いる水素吸蔵合金は、比較例の(X)電池に用いられる
水素吸蔵合金より不均一歪の値が小さくなっていること
が認められる。このように、本発明の電池に用いる水素
吸蔵合金の不均一歪の値が小さくなるのは、希土類と固
溶しないMn量が少ないということに起因しているもの
と考えられる。
【0017】そして、このように水素吸蔵合金の不均一
歪の値が小さくなれば、充放電を繰り返し行う場合にお
ける微粉化が抑制されるので、実験1に示す如くサイク
ル特性が向上するものと考えられる。 〔実験3〕 水素吸蔵合金の不均一歪の値と水素吸蔵合金を用いた電
池のサイクル特性との関係を調べたので、その結果を図
2に示す。尚、充放電条件は前記実験1で示す条件と同
様の条件である。
【0018】図2より明らかなように、不均一歪の値が
5.4×10-3未満であるとサイクル特性が向上し、特
に3.0×10-3以下であると飛躍的に向上することが
認められる。したがって、不均一歪の値は5.4×10
-3未満であることが必要であり、特に3.0×10-3
下であることが望ましい。 〔実験4〕前記実験1で示す如く、水素吸蔵合金の不均
一歪の値を小さくするには、水素吸蔵合金中のMn量の
割合を減少させればよいということが判明した。そこ
で、水素吸蔵合金中のMn量の割合と水素吸蔵合金の不
均一歪の値との関係を調べたので、その結果を図3に示
す。尚、この場合の水素吸蔵合金鋳塊の冷却速度は0.
4℃/min で行った。
【0019】図3より明らかなように、Mnの割合が水
素吸蔵合金1molに対して10mol%以下であれば不均一
歪の値が小さくなることが認められる。 〔実験5〕 本願出願人は、Mnの割合を減少させる以外に不均一歪
の値を小さくする方法を調べるべく、各種の実験を行っ
たところ、以下に示す2つの方法により、不均一歪みを
小さくすることができることを見出した。水素吸蔵合
金溶湯の冷却速度を小さくする。水素吸蔵合金金塊に
アニール処理を施す。
【0020】そこで、本実験5においては水素吸蔵合金
溶湯の冷却速度と不均一歪の値との関係を調べ、下記実
験6及び実験7においては、それぞれ、アニール処理の
温度と不均一歪の値との関係及びアニール処理の時間と
不均一歪の値との関係を調べた。尚、本実験では、水素
吸蔵合金としてMmNi3.4 Co0.8 Mn0.6 Al0.2
(即ち、Mnの割合は10mol%のもの)を用い、且つその
結果を図4に示す。
【0021】図4より明らかなように、冷却速度が0.
4℃/min 以下であれば、不均一歪の値が5.4×10
-3未満となっていることが認められ、特に冷却速度が
0.2℃/min 以下であれば、不均一歪の値が極めて小
さくなることが認められる。したがって、水素吸蔵合金
鋳塊の冷却速度は0.4℃/min 以下であることが必要
であり、特に0.2℃/min 以下であることが望まし
い。 〔実験6〕アニール処理の温度と不均一歪の値との関係
を調べたので、その結果を図5に示す。尚、その他の条
件は以下の通りである。 ・水素吸蔵合金:MmNi3.4 Co0.8 Mn0.6 Al
0.2 ・水素吸蔵合金溶湯の冷却速度:0.4℃/min ・アニール時間:24hr 図5から明らかなように、アニール処理の温度が800
〜1100℃の間で不均一歪の値が極めて小さくなって
いることが認められる。したがって、水素吸蔵合金鋳塊
にアニール処理を施す場合には、800〜1100℃の
間で処理するのが好ましい。 〔実験7〕アニール処理の時間と不均一歪の値との関係
を調べたので、その結果を図6に示す。尚、その他の条
件は以下の通りである。 ・水素吸蔵合金:MmNi3.4 Co0.8 Mn0.6 Al
0.2 ・水素吸蔵合金溶湯の冷却速度:0.4℃/min ・アニール温度:1000℃ 図6から明らかなように、アニール処理の時間が2時間
以上であれば不均一歪の値が極めて小さくなっているこ
とが認められる。したがって、水素吸蔵合金鋳塊にアニ
ール処理を施す場合には、2時間以上処理するのが好ま
しい。 〔その他の事項〕上記実施例においては、水素吸蔵合
金としてMmNi3.4 Co0.9 Mn0.3 Al0.4 等を用
いているが、これに限定するものではなく、その他の希
土類系水素吸蔵合金、Ti系水素吸蔵合金、アルカリ土
類系水素吸蔵合金等であっても同様の効果を有すること
を確認している。 本発明は上記円筒型の蓄電池に限定するものではな
く、偏平型の蓄電池であっても同様の効果を有する。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
素吸蔵合金の微粉化が抑制されて、水素吸蔵合金の酸化
量が低減するので、このような水素吸蔵合金を用いた電
池のサイクル特性を飛躍的に向上させることができると
いった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る水素吸蔵合金電極を用
いた金属−水素アルカリ蓄電池の断面図である。
【図2】不均一歪の値とサイクル数との関係を示すグラ
フである。
【図3】MH中のMnの割合と不均一歪の値との関係を
示すグラフである。
【図4】水素吸蔵合金の冷却速度と不均一歪の値との関
係を示すグラフである。
【図5】アニール温度と不均一歪の値との関係を示すグ
ラフである。
【図6】アニール時間と不均一歪の値との関係を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1 正極 2 負極 3 セパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近野 義人 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 松浦 義典 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 古川 修弘 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−63670(JP,A) 特開 昭57−101631(JP,A) 特開 平2−223150(JP,A) 特開 昭61−19062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/24 - 4/26 H01M 4/38 C22C 1/00 C22C 19/00 - 19/03

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも希土類とNi,Co,Mn,
    Alとを含有し、前記Mnの量が水素吸蔵合金1molに
    対して10mol%以下となるように、水素吸蔵合金を構
    成する元素を溶融させ、溶湯を作製する第1ステップ
    と、 上記溶湯を0.4℃/min以下の速度で冷却させる第
    2ステップと、 を有することを特徴とする水素吸蔵合金電極の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 前記第2ステップで冷却された水素吸蔵
    合金をアニール処理する第3ステップを有することを特
    徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金電極の製造方法。
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