JP4031620B2 - ニッケル水素蓄電池およびその使用方法 - Google Patents

ニッケル水素蓄電池およびその使用方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はニッケル水素蓄電池に関し、特にその長寿命化を図ったニッケル水素蓄電池およびその使用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素蓄電池１として、図２に示すように、水酸化ニッケルを正極活物質とする正極板と水素吸蔵合金を負極構成材とする負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素である極板群３を電解液と共に電槽２内に収容し、各電槽２の開口部を安全弁４を設けた蓋５で閉じ、極板群３を構成する各正極板の一側部上端から上方にリード６を引き出してその上部に正極端子７を接続し、また同様に各負極板の他側部上端から上方にリード６を引き出してその上部に負極端子８を接続し、これら正極端子７及び負極端子８を蓋５に取付けて構成したものが知られている。
【０００３】
正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を有するこの種のニッケル水素蓄電池においては、正極容量の０〜１００％の使用範囲で、水素吸蔵合金における水素吸蔵能力の１０〜８０％程度の使用範囲となるように構成され、水素吸蔵能力の０〜１０％程度を放電リザーブ、８０〜１００％程度を充電リザーブとして設定しているのが通例である。
【０００４】
そして、このようなニッケル水素蓄電池１においては、満充電し、完全に放電するという使用形態が許容され、正極容量の０〜１００％の範囲で使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように水素吸蔵合金の水素吸蔵能力範囲の両端部に放電リザーブと充電リザーブが設けられたニッケル水素蓄電池においても、満充電し、完全に放電するという使用形態をとっていると、水素吸蔵合金に充電時の膨張で割れが発生したり、充放電により腐食が進行し、サイクル寿命が十分でないという問題があり、より長寿命化を図ることが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、水素吸蔵合金の水素吸蔵能力の使用範囲を規制することで長寿命化を図ったニッケル水素蓄電池およびその使用方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を有するニッケル水素蓄電池に関するものであって、負極の正極との対向面積を負極容量当たり４５〜６５ｃｍ 2 ／Ａｈとし、負極の水素吸蔵合金の水素吸蔵量が合金自身の持つ水素吸蔵量の２０〜６０％の範囲で充放電するようにしたものであり、水素吸蔵量を２０〜６０％に制限して充放電するようにしたことにより蓄電池の寿命を決める負極の水素吸蔵合金の割れや腐食を抑制することができ、それによって蓄電池の充放電可能な総電気量が延び、蓄電池としての寿命特性が向上し、長期間にわたって信頼性の高い蓄電池を得ることができる。さらに、負極の正極との対向面積を負極容量当たり４５〜６５ｃｍ 2 ／Ａｈとしたことにより、高出力化と長寿命化を達成することができる。
【０００８】
また、このように水素吸蔵合金の割れが発生し難いため、通常は平均粒径が２５〜３０μｍの水素吸蔵合金を用いるのに対して、平均粒径が１０〜２５μｍの粒径の小さい水素吸蔵合金を使用することができ、それによって表面積が大きくなって高負荷に対応できるニッケル水素蓄電池を得ることができる。
【０００９】
また、アルカリ電解液の液量は、通常負極容量当たり１．５ｇ／Ａｈ程度であるが、水素吸蔵合金をフル使用しないのでガス吸収限界に余裕ができて負極容量当たり１．５〜３ｇ／Ａｈとすることができ、そうするとアルカリ電解液の減少による寿命低下を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のニッケル水素蓄電池の一実施形態について、図１を参照して説明する。なお、ニッケル水素蓄電池の構成そのものについては、図２を参照して説明したものと基本的に同一であり、その説明を援用する。
【００１２】
５ｍｍ幅の未充填部を端部に設けた発泡ニッケルに、水酸化ニッケルを主成分とする正極材料を充填し、未充填部にニッケルリードを配し、容量が１Ａｈ、反応面積が片面３９．３ｃｍ2 の正極板を形成した。また、５ｍｍ幅の無地部を端部に設けたパンチングメタルに、平均粒径２０μｍの水素吸蔵合金を主成分とする負極材料を塗着し、無地部にニッケルリードを配し、容量が１．２５Ａｈ、反応面積が片面３９．３ｃｍ2 の負極板を形成した。
【００１３】
正極板にポリプロピレン製の不織布で形成さたれ袋状セパレータを被せ、これら正極板７と負極板８とを交互に重ね合わせて極板群３を形成し、合成樹脂製の電槽２に収容配置した。また、外部端子との接続は各極板に配したニッケルリード６を集め、上部で抵抗溶接を用いて正極と負極の極端子７、８と接合し、水酸化カリウムを主成分とする電解液を２０ｇ注液して電槽２を安全弁４を有する蓋５で封止してニッケル水素蓄電池１を構成した。
【００１４】
その後、活性化のため０．１Ｃで充放電を行った。容量は約７Ａｈである。このようにして構成した蓄電池を用いて寿命試験を行った。なお、この蓄電池の放電リザーブは約１Ａｈになるように正極にコバルトを添加してある。
【００１５】
以上の基本構成のニッケル水素蓄電池を用いて各種条件で充放電試験を行い、その際のサイクル寿命特性と出力特性について調べた。
【００１６】
（実験例１）
実施例として、充電はまず１Ａの電流で５時間充電し、２サイクル目からは放電は１Ａで４時間、充電は１Ａで４時間４分行うという条件とした。このとき、負極合金の充放電に用いられる幅は約２０％から６０％である。
【００１７】
一方、従来例として、充電は１Ａの電流で７時間充電し、放電は１Ａで電圧が１Ｖに至るまで放電するという条件とした。このとき、負極合金の充放電に用いられる幅は約１０％から８０％である。
【００１８】
各電池のサイクル中の容量比率を図１に示す。従来例の条件であると、１５００サイクルで、容量比率が６５％に至り、寿命となった。それに対し、実施例では６０００サイクル経過後も容量が維持されており、寿命特性が格段に改善されることが分かった。１サイクルの放電容量が従来例では約７Ａｈ、実施例では約４Ａｈであるが、それを加味しても、総放電容量は実施例の方が大きいことが分かる。
【００１９】
（実験例２）
負極合金の平均粒径を８μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍと変化させた負極板を用いて実験例１と同様の電池を作成し、実験例１と同様の寿命試験を行った。また、各電池の出力特性を測定した。出力特性は各電池をＳＯＣ６０％に調整後、大電流放電し、１Ｖに至るまでの時間が１０秒以上維持できる電流値に１Ｖを乗じて出力とした。単位はＷである。また、測定値は１０個（ｎ＝１０）の電池についての平均値である。その試験結果を、表１に示す。
【００２０】
【表１】
Figure 0004031620
この結果から、平均粒径が３５μｍであると、合金が粗すぎて反応できる表面積が少ないことにより出力特性が低下することが分かる。８μｍであると、合金が細かくなりすぎ、合金間の電子電導性が低下し、また表面積が大きくなりすぎることから腐食反応が進行し、寿命特性が低下することが分かる。これらの事から、寿命特性が５０００サイクル以上、出力特性が１３０Ｗ以上を確保するのに粒径１０〜２５μｍが適切であることが分かる。
【００２１】
（実験例３）
注液量を負極容量に対して０．７ｇ／Ａｈ、１ｇ／Ａｈ、１．５ｇ／Ａｈ、２ｇ／Ａｈ、３ｇ／Ａｈ、３．５ｇ／Ａｈと変化させて実験例１と同様の電池を作成し、実験例１と同様の寿命試験を行った。また、各電池の出力特性を実験例２と同様に測定した。
【００２２】
【表２】
Figure 0004031620
この結果から、負極容量当たりの注液量が３．５ｇ／Ａｈであると、液量が多すぎて弁作動が頻繁に起こり、活物質である水素ガスが電池系外に放出され、正負極のバランスが崩れて寿命が短くなった。０．７ｇ／Ａｈであると、液量が少なすぎ、合金間の電子導電性が低下し、出力、寿命特性が著しく低下し、１ｇ／Ａｈでもその傾向が残る。かくして、寿命特性が５０００サイクル以上、出力特性が１３０Ｗ以上を確保するのに注液量が１．５〜３ｇ／Ａｈが適切であることが分かる。
【００２３】
（実験例４）
負極容量に対する負極と正極との反応面積を４０ｃｍ2 ／Ａｈ、４５ｃｍ2 ／Ａｈ、５５ｃｍ2 ／Ａｈ、６５ｃｍ2 ／Ａｈ、７０ｃｍ2 ／Ａｈと変化させて実験例１と同様の電池を作成し、実験例１と同様の寿命試験を行った。また、各電池の出力特性を実験例２と同様に測定した。
【００２４】
【表３】
Figure 0004031620
この結果から、負極と正極との反応面積が４０ｃｍ2 ／Ａｈであると、反応面積が少なすぎて反応できる面積が少ないことにより、寿命特性も出力特性も低下した。７０ｃｍ2 ／Ａｈであると、反応面積が多くなりすぎ、表面積が大きくなりすぎることから腐食反応が進行し、寿命特性が低下した。かくして、寿命特性が５０００サイクル以上、出力特性が１３０Ｗ以上を確保するのに負極と正極との反応面積が４５〜６５ｃｍ2 ／Ａｈが適切であることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、以上の説明から明らかなように、負極の水素吸蔵合金の水素吸蔵量が合金自身の持つ水素吸蔵量の２０〜６０％の範囲で充放電するようにしたことにより、蓄電池の寿命を決める負極の水素吸蔵合金の割れや腐食を抑制することができ、それによって蓄電池の充放電可能な総電気量が延び、蓄電池としての寿命特性が向上し、長期間にわたって信頼性の高い蓄電池を得ることができる。さらに、負極の正極との対向面積を負極容量当たり４５〜６５ｃｍ 2 ／Ａｈとしたことにより、高出力化と長寿命化を達成することができる。
【００２６】
また、平均粒径が１０〜２５μｍの粒径の小さい水素吸蔵合金を使用することができ、それによって表面積が大きくなって高負荷に対応できるニッケル水素蓄電池を得ることができる。
【００２７】
また、水素吸蔵合金をフル使用しないことでガス吸収限界に余裕ができ、アルカリ電解液の液量を負極容量当たり１．５〜３ｇ／Ａｈとすることができ、アルカリ電解液の減少による寿命低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態及び従来例のニッケル水素蓄電池の寿命試験結果を示すグラフである。
【図２】ニッケル水素蓄電池の構成例の部分破断外観斜視図である。

Claims (4)

  1. 正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を有するニッケル水素蓄電池であって、負極の正極との対向面積を負極容量当たり４５〜６５ｃｍ 2 ／Ａｈとし、負極の水素吸蔵合金の水素吸蔵量が合金自身の持つ水素吸蔵量の２０〜６０％の範囲で充放電するようにしたことを特徴とするニッケル水素蓄電池。
  2. 水素吸蔵合金の平均粒径が１０〜２５μｍであることを特徴とする請求項１記載のニッケル水素蓄電池。
  3. アルカリ電解液の液量が負極容量当たり１．５〜３ｇ／Ａｈであることを特徴とする請求項１記載のニッケル水素蓄電池。
  4. 正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を有するニッケル水素蓄電池の使用方法であって、負極の正極との対向面積を負極容量当たり４５〜６５ｃｍ 2 ／Ａｈとし、負極の水素吸蔵合金の水素吸蔵量が合金自身の持つ水素吸蔵量の２０〜６０％の範囲で充放電するようにしたニッケル水素蓄電池の使用方法。
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