JP4383229B2 - Nickel metal hydride secondary battery - Google Patents
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Description
本発明はニッケル水素二次電池に関する。 The present invention relates to a nickel metal hydride secondary battery.
ニッケル水素二次電池は密封可能な外装缶を有し、外装缶内にセパレータを介して渦巻状に巻回された正極板及び負極板がアルカリ電解液とともに収容されている。正極板は、例えば多孔質構造を有した金属の基板を有し、基板には正極活物質として水酸化ニッケル粒子が分布されている。又、負極は、例えばパンチングメタルからなる基板を有し、基板には、負極活物質としての水素を吸収及び放出可能な水素吸蔵合金粒子が分布されている。水酸化ニッケル粒子及び水素吸蔵合金粒子はその量によって、正極容量及び負極容量をそれぞれ規定するが、一般に、電池の過充電時に正極板で発生した酸素ガスを負極で還元して電池の内圧上昇を防止すべく、正極容量よりも負極容量の方が大きく設定されるので(ノイマン式の原理)、電池容量は正極容量により規定される。 The nickel metal hydride secondary battery has a sealed outer can, and a positive electrode plate and a negative electrode plate wound in a spiral shape with a separator interposed in the outer can are accommodated together with an alkaline electrolyte. The positive electrode plate has, for example, a metal substrate having a porous structure, and nickel hydroxide particles are distributed as a positive electrode active material on the substrate. The negative electrode has a substrate made of, for example, a punching metal, and hydrogen storage alloy particles capable of absorbing and releasing hydrogen as the negative electrode active material are distributed on the substrate. The nickel hydroxide particles and the hydrogen storage alloy particles define the positive electrode capacity and the negative electrode capacity, respectively, depending on their amounts. In general, the oxygen gas generated at the positive electrode plate during battery overcharge is reduced at the negative electrode to increase the internal pressure of the battery. In order to prevent this, since the negative electrode capacity is set larger than the positive electrode capacity (Neumann principle), the battery capacity is defined by the positive electrode capacity.
従って、この種の電池の体積エネルギー密度を高めるには、正極容量の増大が必要になる。例えば、特許文献1が開示する電池は、球状の水酸化ニッケル粒子と非球状の水酸化ニッケル粒子とを混合して水酸化ニッケル粒子の充填密度を高め、もって体積エネルギー密度を高めている。
ところで、特許文献1の電池では、二次電池のサイクル特性の低下を防止すべく、水酸化ニッケル粒子がカドミウム、カルシウム、亜鉛、マグネシウム、鉄、コバルト及びマンガンのうちの少なくとも一種を含有しているものと考えられる。しかしながら、この電池にあっても、充放電を繰り返すうちに水酸化ニッケル粒子が膨張し、水酸化ニッケル粒子にアルカリ電解液が取り込まれる。ここで、体積エネルギー密度が340Wh/l以上の場合、電池に注液されるアルカリ電解液量はもともと少量なので、セパレータが保持するアルカリ電解液が水酸化ニッケル粒子に取り込まれてしまうと、電池の内部抵抗が増大し易い。このため、特許文献1の電池を体積エネルギー密度が340Wh/lの電池に適用した場合、充放電を繰り返すうちに放電容量が低下するという問題が生じる。 By the way, in the battery of Patent Document 1, the nickel hydroxide particles contain at least one of cadmium, calcium, zinc, magnesium, iron, cobalt, and manganese in order to prevent deterioration of the cycle characteristics of the secondary battery. It is considered a thing. However, even in this battery, the nickel hydroxide particles expand as charging and discharging are repeated, and the alkaline electrolyte is taken into the nickel hydroxide particles. Here, when the volume energy density is 340 Wh / l or more, the amount of the alkaline electrolyte injected into the battery is originally small, so if the alkaline electrolyte held by the separator is taken into the nickel hydroxide particles, Internal resistance tends to increase. For this reason, when the battery of Patent Document 1 is applied to a battery having a volume energy density of 340 Wh / l, there arises a problem that the discharge capacity decreases while charging and discharging are repeated.
本発明は上述の事情に基づいてなされたものであって、その目的とするところは、体積エネルギー密度が高く且つサイクル特性に優れたニッケル水素二次電池を提供することにある。 The present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a nickel-hydrogen secondary battery having a high volumetric energy density and excellent cycle characteristics.
上記した目的を達成するため、請求項1の発明は、円筒状の外装缶内に、アルカリ電解液と、渦巻状に巻回された正極板及び負極板並びにこれら正極板と負極板との間に挟まれたセパレータからなる電極群とが収容され、前記電極群の最外周を形成する前記負極板の部位が前記外装缶の内周壁に接しているニッケル水素二次電池において、前記電池は、340Wh/l以上450Wh/l以下の体積エネルギー密度を有し、前記正極板は、導電性を有する多孔質の基板と、前記基板の空孔に充填され、活物質粒子を含有した正極合剤とからなり、前記活物質粒子は、水酸化ニッケルからなるコアにコバルト化合物の被膜層を形成し、この被膜層にアルカリ熱処理した球状の第1の粒子と、水酸化ニッケルからなる非球状の第2の粒子とを含み、前記第1の粒子の全質量をXとし、前記第2の粒子の全質量をYとしたときに、質量比Y/Xが0.04以上0.12以下の範囲にあることを特徴としている。 In order to achieve the above-mentioned object, the invention of claim 1 includes an alkaline electrolyte, a positive electrode plate and a negative electrode plate wound in a spiral shape, and a space between these positive electrode plate and negative electrode plate in a cylindrical outer can. In the nickel-metal hydride secondary battery in which the electrode group consisting of separators sandwiched between and the negative electrode plate part forming the outermost periphery of the electrode group is in contact with the inner peripheral wall of the outer can, The positive electrode plate has a volumetric energy density of 340 Wh / l or more and 450 Wh / l or less, and the positive electrode plate has a conductive porous substrate, and a positive electrode mixture containing active material particles filled in the pores of the substrate. The active material particles are formed by forming a cobalt compound coating layer on a nickel hydroxide core, and spherical first particles obtained by alkaline heat treatment on the coating layer, and nonspherical second particles of nickel hydroxide. Including particles of When the total mass of the first particles is X and the total mass of the second particles is Y, the mass ratio Y / X is in the range of 0.04 to 0.12. .
この構成によれば、正極活物質粒子が球状の第1の粒子と非球状の第2の粒子とを含み、そして、これら粒子の質量比Y/Xを0.04以上0.12以下の範囲にしてあるので、基板に正極合剤を高充填密度で充填することができ、もって、340Wh/l以上の体積エネルギー密度を達成することができる。
一方、第1の粒子において、水酸化ニッケル粒子からなるコアは、コバルト化合物からなり且つアルカリ熱処理された被覆層により覆われていることから、この被覆層の存在により、電池の充放電の際にコアの膨張が抑制される。このため、体積エネルギー密度を340Wh/l以上にしたことにより、電池内のアルカリ電解液量が少量であっても、この構成によれば、第1の粒子のコア内へのセパレータ中のアルカリ電解液の取り込みが抑制され、この結果、充放電の繰り返しに伴なうセパレータ中のアルカリ電解液の減少が抑制される。
According to this configuration, the positive electrode active material particles include the first spherical particles and the second non-spherical particles, and the mass ratio Y / X of these particles is in the range of 0.04 to 0.12. Therefore, the positive electrode mixture can be filled at a high filling density on the substrate, and thus a volume energy density of 340 Wh / l or more can be achieved.
On the other hand, in the first particles, the core made of nickel hydroxide particles is covered with a coating layer made of a cobalt compound and subjected to an alkali heat treatment. Expansion of the core is suppressed. Therefore, by setting the volume energy density to 340 Wh / l or more, even if the amount of the alkaline electrolyte in the battery is small, according to this configuration, the alkaline electrolysis in the separator into the core of the first particles is performed. Incorporation of the liquid is suppressed, and as a result, a decrease in the alkaline electrolyte in the separator due to repeated charge and discharge is suppressed.
好適な態様として、前記基板の全空孔容積をSとし、前記正極合剤の充填量をMとしたときに、前記正極合剤の充填密度M/Sは、3.05g/cm3以上3.25g/cm3以下の範囲にある(請求項2)。
この構成では、充填密度M/Sの下限を3.05g/cm3にしたことにより、正極合剤の充填後に空孔内に存在する空隙の容積が小さく、この空隙に取り込まれるアルカリ電解液量を減らすことができる。このため、セパレータ中のアルカリ電解液量を相対的に増やすことができる。一方、充填密度M/Sの上限を3.25g/cm3にしたのは、充填密度M/Sが3.25g/cm3を超えると、正極板に取り込まれるアルカリ電解液量が少なくなり過ぎ、かえって内部抵抗の増大を招くからである。
As a preferred embodiment, when the total pore volume of the substrate is S and the filling amount of the positive electrode mixture is M, the filling density M / S of the positive electrode mixture is 3.05 g / cm 3 or more 3 It is in the range of 25 g / cm 3 or less (claim 2).
In this configuration, by setting the lower limit of the packing density M / S to 3.05 g / cm 3 , the volume of the voids existing in the pores after filling with the positive electrode mixture is small, and the amount of the alkaline electrolyte taken into the voids Can be reduced. For this reason, the amount of alkaline electrolyte in the separator can be relatively increased. On the other hand, was the was the 3.25 g / cm 3 the upper limit of the packing density M / S, the filling density of M / S is more than 3.25 g / cm 3, too less alkaline electrolyte amount incorporated into the positive electrode plate This is because the internal resistance is increased.
好適な態様として、前記被覆層の全質量をGとしたときに、前記第1の粒子における前記被覆層の質量割合G/Xは、2.0%以上6.0%以下の範囲にある(請求項3)。
この構成では、第1の粒子における被覆層の質量割合の下限を2.0%にしたことにより、被覆層によって水酸化ニッケルのコア表面を十分に被覆することができ、充放電を繰り返した場合のコアの膨張を確実に防止することができる。一方、第1の粒子における被覆層の質量割合の上限を6.0%にしたことにより、第1の粒子における水酸化ニッケルの質量割合の低下を制限して正極容量を確保し、高い体積エネルギー密度を確実に達成することができる。
As a preferred embodiment, when the total mass of the coating layer is G, the mass ratio G / X of the coating layer in the first particles is in the range of 2.0% to 6.0% ( Claim 3).
In this configuration, when the lower limit of the mass ratio of the coating layer in the first particles is 2.0%, the core surface of nickel hydroxide can be sufficiently covered by the coating layer, and charging and discharging are repeated. The expansion of the core can be reliably prevented. On the other hand, by setting the upper limit of the mass ratio of the coating layer in the first particles to 6.0%, the decrease in the mass ratio of nickel hydroxide in the first particles is limited to ensure the positive electrode capacity, and the high volume energy. Density can be reliably achieved.
好適な態様として、前記正極合剤は、金属コバルト又はコバルト化合物からなる第3の粒子を更に含み、前記第3の粒子の全質量をZとしたときに、前記活物質粒子に対する前記第3の粒子の質量比Z/(X+Y)が0.5以上2.5以下の範囲にある(請求項4)。
この構成では、正極合剤が第3の粒子を含有することにより、第1の粒子におけるコアの膨張を一層抑制することができる。
As a preferred embodiment, the positive electrode mixture further includes third particles made of metallic cobalt or a cobalt compound, and the third mass relative to the active material particles when the total mass of the third particles is Z. The mass ratio Z / (X + Y) of the particles is in the range of 0.5 to 2.5 (claim 4).
In this configuration, the positive electrode mixture contains the third particles, whereby the expansion of the core in the first particles can be further suppressed.
好適な態様として、前記アルカリ電解液量をVeとし、前記電池の0.2C容量をQとしたときに、容量液比Ve/Qが0.85ml/Ah以下の範囲にある(請求項5)。
この構成によれば、電池内のアルカリ電解液量を制限することで、過充電時に正極板で発生した酸素ガスを一時的に蓄えるための余剰空間を電池内に十分に確保することができ、電池内圧の上昇による安全弁の頻繁な作動が抑制される。この結果、安全弁作動時に電池外部へのアルカリ電解液の噴出が抑制され、セパレータ中のアルカリ電解液の減少を一層抑制することができる。電池内のアルカリ電解液量を制限できる理由は、本発明の構成により、正極活物質粒子内へのアルカリ電解液の取り込みが抑制されていることによる。
As a preferred embodiment, when the amount of the alkaline electrolyte is Ve and the capacity of the battery is 0.2 C, the capacity liquid ratio Ve / Q is in the range of 0.85 ml / Ah or less (Claim 5). .
According to this configuration, by limiting the amount of alkaline electrolyte in the battery, it is possible to sufficiently ensure an excess space in the battery for temporarily storing oxygen gas generated in the positive electrode plate during overcharge, Frequent operation of the safety valve due to an increase in battery internal pressure is suppressed. As a result, the discharge of the alkaline electrolyte to the outside of the battery is suppressed when the safety valve is activated, and the decrease of the alkaline electrolyte in the separator can be further suppressed. The reason why the amount of the alkaline electrolyte in the battery can be limited is that the configuration of the present invention suppresses the incorporation of the alkaline electrolyte into the positive electrode active material particles.
好適な態様として、前記負極板は、電極群の最外周を形成する部位に薄肉部を有する(請求項6)。
負極板の最外周部は、外側に正極板が配置されていないため電池反応への寄与が小さい。この構成では、このような最外周部に薄肉部を形成し、最外周部に取り込まれるアルカリ電解液量を低減したので、相対的にセパレータ中のアルカリ電解液量を増やすことができる。
As a preferred aspect, the negative electrode plate has a thin portion at a portion forming the outermost periphery of the electrode group (Claim 6).
The outermost peripheral portion of the negative electrode plate contributes little to the battery reaction because the positive electrode plate is not disposed outside. In this structure, since the thin part was formed in such an outermost periphery part and the amount of alkaline electrolyte solution taken in by the outermost periphery part was reduced, the amount of alkaline electrolyte solution in a separator can be increased relatively.
好適な態様として、前記第1の粒子は、タップ密度が2.30g/cm3以上2.45g/cm3以下の範囲にある(請求項7)。第1の粒子のタップ密度がこの範囲にあれば、充填密度M/Sを上述の範囲に容易にすることができる。 As a preferred embodiment, the first particles have a tap density in the range of 2.30 g / cm 3 or more and 2.45 g / cm 3 or less (Claim 7). If the tap density of the first particles is within this range, the packing density M / S can be easily made within the above range.
以上説明したように、請求項1〜7の本発明のニッケル水素二次電池は、高い体積エネルギー密度を有する一方、充放電の繰り返しに伴なうセパレータ中のアルカリ電解液の減少が抑制される。このため、この電池は、内部抵抗の増大に基づく放電容量の低下が抑制され、優れたサイクル特性も有する。
請求項2、6及び7のニッケル水素二次電池によれば、セパレータ中のアルカリ電解液量が相対的に増量され、サイクル特性が更に向上する。
As described above, the nickel metal hydride secondary battery of the present invention according to claims 1 to 7 has a high volumetric energy density, while suppressing a decrease in the alkaline electrolyte in the separator due to repeated charge and discharge. . For this reason, this battery suppresses a decrease in discharge capacity due to an increase in internal resistance and also has excellent cycle characteristics.
According to the nickel metal hydride secondary battery of
請求項3及び4のニッケル水素二次電池は、第1の粒子における被覆層の質量割合及び活物質粒子に対する第3の粒子の質量比の範囲がそれぞれ制限され、高い体積エネルギー密度と優れたサイクル特性の両立に好適する。
請求項5のニッケル水素二次電池は、アルカリ電解液の外部への噴出が抑制され、サイクル特性が更に向上する。
The nickel-metal hydride secondary battery according to claim 3 and 4 has a high volume energy density and an excellent cycle in which the mass ratio of the coating layer in the first particles and the mass ratio range of the third particles to the active material particles are respectively limited. Suitable for compatibility of characteristics.
In the nickel metal hydride secondary battery according to the fifth aspect, ejection of the alkaline electrolyte to the outside is suppressed, and the cycle characteristics are further improved.
以下に添付の図面を参照して、本発明の一実施形態のニッケル水素二次電池について詳細に説明する。
この電池はAAサイズの円筒型電池であり、図1に示したように、上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶10を備えている。外装缶10は、13.5mm以上14.5mm以下の外径Dを有し、その底壁が導電性を有した負極端子として機能する。外装缶10の開口内には、リング状の絶縁パッキン12を介して導電性を有する円板形状の蓋板14が配置され、これら蓋板14及び絶縁パッキン12は外装缶10の開口縁をかしめ加工することにより外装缶10の開口縁に固定されている。
Hereinafter, a nickel-hydrogen secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
This battery is an AA size cylindrical battery, and includes an outer can 10 having a bottomed cylindrical shape with an open upper end as shown in FIG. The
蓋板14は中央にガス抜き孔16を有し、蓋板14の外面上にはガス抜き孔16を塞いでゴム製の弁体18が配置されている。更に、蓋板14の外面上には、弁体18を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子20が固定され、正極端子20は弁体18を蓋板14に押圧している。従って、通常時、外装缶10は絶縁パッキン12及び弁体18を介して蓋板14により気密に閉塞されている。一方、外装缶10内でガスが発生し、その内圧が高まった場合には弁体18が圧縮され、ガス抜き孔16を通して外装缶10からガスが放出される。つまり、蓋板14、弁体18及び正極端子20は、安全弁を形成している。
The
ここで、正極端子20の先端から外装缶10の底面までの長さ、すなわち電池の高さHは49.2mm以上50.5mm以下の範囲にあり、電池の体積Vbは、外径D及び高さHの円柱体の体積に等しいものとして、次式:
Vb=π(D/2)2×H
により規定される。
Here, the length from the tip of the
Vb = π (D / 2) 2 × H
It is prescribed by.
外装缶10には、電極群22が収容されている。電極群22は、正極板24、負極板26及びセパレータ28からなり、図2に示したように、渦巻状に巻回された正極板24と負極板26の間にセパレータが挟まれている。即ち、セパレータ28を介して正極板24及び負極板26が互い重ね合わされている。電極群22の最外周は負極板26の一部(最外周部)により形成され、負極板26の最外周部が外装缶10の内周壁と接触することで、負極板26と外装缶10とは互いに電気的に接続されている。
An
更に、外装缶10内には、電極群22の一端と蓋板14との間に、正極リード30が配置され、正極リード30の両端は正極板24及び蓋板14にそれぞれ接続されている。従って、正極端子20と正極板24との間は、正極リード30及び蓋板14を介して電気的に接続されている。なお、蓋板14と電極群22との間には円形の絶縁部材32が配置され、正極リード30は絶縁部材32に設けられたスリットを通して延びている。また、電極群22と外装缶10の底部との間にも円形の絶縁部材34が配置されている。
Further, in the
セパレータ28の材料としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものをあげることができる。
負極板26は、図3に示したように、帯状をなす導電性の負極基板46を有し、この負極基板46には負極合剤が保持されている。負極基板46は、貫通孔が分布されたシート状の金属材からなり、このようなものとして、例えば、パンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル及びニッケルネット等を用いることができる。とりわけ、パンチングメタルや、金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極基板に好適する。
Examples of the material of the
As shown in FIG. 3, the
負極合剤は、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子、導電助剤及び結着剤からなる。尚、本明細書においては、説明の便宜上、水素吸蔵合金もまた負極活物質という。
水素吸蔵合金粒子は、電池の充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、なおかつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えば、LaNi5やMmNi5(Mmはミッシュメタル)等のAB5型系のものをあげることができる。
The negative electrode mixture includes hydrogen storage alloy particles capable of occluding and releasing hydrogen as a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder. In the present specification, for the convenience of explanation, the hydrogen storage alloy is also referred to as a negative electrode active material.
The hydrogen storage alloy particles are not particularly limited as long as they can store hydrogen generated electrochemically in an alkaline electrolyte during battery charging and can easily release the stored hydrogen during discharge. Such a hydrogen storage alloy is not particularly limited, and examples thereof include AB 5 type alloys such as LaNi 5 and MmNi 5 (Mm is a misch metal).
また、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等を用いることができ、導電助剤としては、カーボンブラックや黒鉛を用いることができる。
上記した負極合剤は、負極基板46の貫通孔内に充填されるとともに、負極基板46の両面にて層状をなしている。以下、負極基板46の内面を被覆し且つ電極群22の径方向内側に位置付けられる負極合剤の層を内側合金層48といい、負極基板46の外面を被覆し且つ電極群22の径方向外側に位置付けられる負極合剤の層を外側合金層50と称する。
Further, a hydrophilic or hydrophobic polymer or the like can be used as the binder, and carbon black or graphite can be used as the conductive assistant.
The negative electrode mixture described above is filled in the through hole of the
負極板26において、図4に示したように、内側合金層48の厚みT2は、負極巻始め端部38から負極巻終わり端部42に亘って一定である。一方、外側合金層50は、負極巻始め端部38と負極巻終わり端部42との間で厚みが変化し、その厚みに関して、3つの領域に区分され、これら領域は負極基板46の長手方向(負極巻始め端部38から負極巻終わり端部42に向う方向)でみて順に、負極本体部52、負極境界部54および負極薄肉部56からなる。
As shown in FIG. 4, in the
負極本体部52は電極群22の径方向内側部分にて巻回され、その最内周部を除き、その両側にはセパレータ28を介して正極板24が配置されている。負極本体部52における外側合金層50の厚みは、内側合金層48の厚みT2に等しく且つ一定である。
負極薄肉部56は、電極群22の最外周を形成すべく巻回され、外面が外装缶10の内周壁と密接している。負極巻き終わり端部42は、電極群22の周方向でみて正極巻終わり端部40を超えて延出し、その径方向内側に負極本体部52が位置付けられている。負極薄肉部56における外側合金層50の厚みT1は、負極基板46の長手方向でみて一定であるが、しかしながら、その内側合金層48の厚みT2よりも薄い。従って、負極薄肉部56においては、内側合金層48の方が外側合金層50よりも厚い。
The negative electrode
The negative electrode
負極境界部54は、負極本体部52と負極薄肉部56との間に設けられ、負極巻終わり端部42の近傍にて、電極群22の最外周の一部を形成している。負極境界部54は、長さLを有し、負極基板46の長手方向でみて厚みが変化する。より詳しくは、負極境界部54における外側合金層50の厚みは、負極本体部52から負極薄肉部56に向かって略一定の変化率にて徐々に減少し、厚みT2から厚みT1まで変化する。
The negative
正極板24は、多孔質構造を有する導電性の正極基板と、この正極基板に保持された正極合剤とからなる。より詳しくは、正極基板はニッケル製の金属体であって、図1の円内に一部を模式的に示したように、3次元網目状の骨格58と、この骨格58によって形成された無数の空孔60をその内部に有する。正極基板には、これらの空孔60に所定の充填密度M/Sにて正極合剤が充填され、充填密度M/Sは好適な態様として、3.05g/cm3以上3.25g/cm3以下の範囲にある。ここで、充填密度M/Sは、正極基板における空孔60の単位容積当りに充填された正極合剤の質量であり、以下のようにして求められる。
The
まず、正極板24の質量Wp及び体積Vpを測定し、それから、正極合剤を正極基板から除去し、正極基板の質量Wsを測定する。次に、正極板24の質量Wpから正極基板の質量Wsを差し引いて、正極合剤の質量Mを求める一方、正極基板の質量Wsを正極基板の材料であるニッケルの真比重ρで除して正極基板の骨格体積Vsを求め、この骨格体積Vsを正極板24の体積Vpから差し引いて正極基板における空孔60の全容積Sを求める。そして、正極合剤の質量Mを全空孔容積Sで除して正極合剤の充填密度M/Sが求められる。なお、いずれの質量Wp、Ws、Mも乾燥質量であり、正極合剤を正極基板から除去するには、例えば、超音波洗浄器を用いて正極板24を溶媒中で振動させればよい。
First, the mass Wp and the volume Vp of the
正極合剤は、正極活物質粒子及び結着剤62からなり(図1)、結着剤62は、正極活物質粒子同士を結着するとともに、これら正極活物質粒子を正極基板の骨格58に結着している。結着剤62としては、負極板26の場合と同様に、疎水性及び親水性のポリマー等を用いることができる。
正極活物質粒子は、略球状の粒子64(球状粒子)と非球状の粒子66(非球状粒子)からなり、この電池では、球状粒子64の全質量をXとし、非球状粒子68の全質量をYとしたときに、質量比Y/Xは0.04以上0.12以下の範囲にある。
The positive electrode mixture is composed of positive electrode active material particles and a binder 62 (FIG. 1). The
The positive electrode active material particles are composed of substantially spherical particles 64 (spherical particles) and non-spherical particles 66 (non-spherical particles). In this battery, the total mass of the
非球状粒子66は、例えば球状の水酸化ニッケル粒子を粉砕することにより得られ、1.0μm以上3.0μm以下の平均粒径を有する。質量比Y/Xが上述の範囲にあり、且つ、球状粒子64よりも小さいことから、球状粒子64間に形成される隙間を埋めるような状態で正極合剤中に分布される。
一方、球状粒子64は、例えば平均粒径が10μm以上20μm以下の範囲にあり、好適な態様として、タップ密度が2.30g/cm3以上2.45g/cm3以下の範囲にある。タップ密度とは、JIS K 5101に規定されたタップ法による見掛け密度のことをいう。より詳しくは、タップ密度は、任意量の球状粒子64を入れて栓をしたメスシリンダーを一定の高さから所定回数落下させ、球状粒子64の体積を測定し、メスシリンダー内の球状粒子64の質量を得られた体積で除して求められる。従って、同じ質量で比べた場合、タップ密度が高い粒子は、タップ密度が低い粒子に比べて体積が小さくなる。
The
On the other hand, the
上述の球状粒子64は、水酸化ニッケルからなる略球状のコア68と、コア68の表面に形成された後述する被覆層70とからなり、一方、非球状の粒子66は、水酸化ニッケルからなる。従って、球状粒子64のコア68及び非球状粒子66として正極板24に含まれる水酸化ニッケルの総量により正極容量が規定され、ひいては体積エネルギー密度が規定される。この電池では、正極板24に含まれる水酸化ニッケルの総量は、体積エネルギー密度が340Wh/l以上450Wh/l以下の範囲に入るように設定されている。電池の体積エネルギー密度とは、電池の0.2C容量に作動電圧として1.2Vを乗じた値を、上述した電池の体積Vbで除して求められる値である。電池の0.2C容量は、JIS C 8708−1997に規定され、周囲温度20±5℃にて、まず、電池を0.1C相当の電流量で16時間充電してから、1〜4時間休止した後、0.2C相当の電流量で1.0Vの放電終止電圧まで放電させたときの容量のことをいう。
The
なお、球状粒子64のコア68及び非球状粒子66の水酸化ニッケルは、実質的に純粋な水酸化ニッケルの他、亜鉛及びコバルトの何れか一方若しくは両方が共沈された水酸化ニッケルであってもよい。
球状粒子64の被覆層70は、略均一な厚みでコア68の表面を覆っている。被覆層70は、アルカリ酸化処理(アルカリ熱処理)されたコバルト化合物からなり、良好な導電性を有する。より詳しくは、この被覆層70は、コア68の表面に三酸化二コバルト(Co2O3)、一酸化コバルト(CoO)及び水酸化コバルト(Co(OH)2)等のコバルト化合物又は金属コバルト(Co)を析出させた後に、この金属コバルト又はコバルト化合物の析出物をアルカリ液と酸素の共存下で加熱処理して形成することができる。従って、アルカリ酸化処理によって、この被覆層70は、コバルト化合物の結晶構造が乱され、且つ、その表面から内部に亘り、例えばNa+等のアルカリカチオンが分布されている。
The
The
また更に、外装缶10内には、所定量のアルカリ電解液(図示せず)が注液され、セパレータ28に含まれたアルカリ電解液を介して正極板24と負極板26との間での充放電反応(電池反応)が進行する。この電池では、容量液比が0.85ml/Ah以下の範囲で、アルカリ電解液が外装缶10に注液されているのが好適な態様である。容量液比は、上述の0.2C容量に対するアルカリ電解液の体積の比であり、アルカリ電解液の体積をVeとし、上述した0.2C容量をQとしたときに、Ve/Qで示される。
Furthermore, a predetermined amount of alkaline electrolyte (not shown) is injected into the
なお、アルカリ電解液の種類としては、特に限定されないけれども、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、及びこれらのうち2つ以上を混合した水溶液等をあげることができ、またアルカリ電解液の濃度についても特には限定されず、例えば7Nのものを用いることができる。
上述した構成を有する電池は、球状粒子64が空孔60内に高密度に分布され、更に、これら球状粒子64間の隙間に非球状粒子66が分布されていることにより、正極板24中の水酸化ニッケル量の増量が確保されている。このため、340Wh/l以上の高い体積エネルギー密度を達成することができる。なお、体積エネルギー密度の上限を450Wh/lにしたのは、450Wh/lを超えると、サイクル特性の低下を抑制するのが困難だからである。
In addition, although it does not specifically limit as a kind of alkaline electrolyte, For example, sodium hydroxide aqueous solution, lithium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, the aqueous solution which mixed 2 or more of these, etc. can be mention | raise | lifted, Also, the concentration of the alkaline electrolyte is not particularly limited, and for example, a 7N solution can be used.
In the battery having the above-described configuration, the
一方、この電池は、球状粒子64が被覆層70を有するので、メカニズムは明らかではないけれども、充放電を繰り返しても水酸化ニッケルからなるコア68の膨張が抑制される。このため、コア68内へのセパレータ28中のアルカリ電解液の取り込みが抑制され、内部抵抗の増大に基づく放電容量の低下が防止される。それ故、この電池は、高い体積エネルギー密度を有するとともに、優れたサイクル特性も有する。
On the other hand, in this battery, since the
そして、この電池では、好適な態様として、正極合剤の充填密度M/Sの下限を3.05g/cm3にしたので、正極合剤の充填後に正極基板の空孔60内に存在する空隙の容積が小さく、この空隙に取り込まれるアルカリ電解液量をも減らすことができる。このため、セパレータ28中のアルカリ電解液量が相対的に増量されることになり、内部抵抗の増大を更に抑制することができる。一方、充填密度M/Sの上限を3.25g/cm3にするのが好ましいのは、充填密度M/Sが3.25g/cm3を超えると、正極板24内に取り込まれるアルカリ電解液量が少なくなり過ぎ、反応律速となりかえって内部抵抗の増大を招くからである。
And in this battery, since the lower limit of the packing density M / S of the positive electrode mixture was set to 3.05 g / cm 3 as a preferred embodiment, voids existing in the
なお、球状粒子64のタップ密度が2.30g/cm3以上2.45g/cm3以下の範囲にあれば、充填密度M/Sを上述の範囲に容易にすることができる。
また、この電池では、好適な態様として、球状粒子64における被覆層70の質量割合の下限を2.0%にしたことにより、被覆層70によって水酸化ニッケルからなるコア68の表面を十分に被覆することができ、充放電を繰り返した場合でもコア68の膨張を確実に抑制することができる。一方、球状粒子64における被覆層70の質量割合の上限を6.0%にするのが好ましいのは、球状粒子64における水酸化ニッケルの質量割合の低下を制限するためである。これにより、正極容量が確保され、高い体積エネルギー密度を確実に達成することができる。
In addition, if the tap density of the
In this battery, as a preferred embodiment, the lower limit of the mass ratio of the
更に、この電池では、好適な態様として、容量液比Ve/Qの上限を0.85ml/Ahにしたことにより、電池内のアルカリ電解液量が制限されている。このため、過充電時に正極板24で発生した酸素ガスを一時的に蓄える余剰空間が電池内に十分に確保され、電池内圧の上昇に伴う安全弁の頻繁な作動が抑制される。この結果、安全弁作動時に電池外部へのアルカリ電解液の噴出が抑制され、セパレータ28中のアルカリ電解液の減少を一層抑制することができる。ここで、容量液比Ve/Qの範囲を0.85ml/Ah以下にできる理由は、この電池の場合、球状粒子64のコア68によるアルカリ電解液の取り込みが抑制されているからである。なお、容量液比Ve/Qの下限は、0.60ml/Ahにするのが好ましい。
Furthermore, in this battery, as a preferred embodiment, the amount of the alkaline electrolyte in the battery is limited by setting the upper limit of the capacity liquid ratio Ve / Q to 0.85 ml / Ah. For this reason, a surplus space for temporarily storing oxygen gas generated in the
上述の電池は、通常の方法により製造することができるけれども、以下では正極板24の作製方法の一例について説明する。
まず、水酸化ニッケル粒子は、硫酸ニッケル水溶液とアンモニア水とを反応容器内の水に加え、液のpHをアルカリ水溶液を添加して調整した後、所定時間攪拌混合することにより沈殿物として得ることができる。なお、亜鉛及びコバルトを共沈するには、硫酸亜鉛水溶液及び硫酸コバルト水溶液を更に液に添加すればよい。
Although the above-described battery can be manufactured by a normal method, an example of a method for manufacturing the
First, nickel hydroxide particles are obtained as a precipitate by adding an aqueous nickel sulfate solution and aqueous ammonia to the water in the reaction vessel, adjusting the pH of the solution by adding an alkaline aqueous solution, and then stirring and mixing for a predetermined time. Can do. In order to coprecipitate zinc and cobalt, an aqueous zinc sulfate solution and an aqueous cobalt sulfate solution may be further added to the solution.
次に、得られた水酸化ニッケル粉末と水酸化コバルト粉末とを混合し、これにアルカリ水溶液を添加した後、酸化雰囲気下にて加熱処理する。このアルカリ酸化熱処理により、水酸化ニッケル粒子の表面にアルカリ酸化処理されたコバルト化合物からなる被覆層70が形成され、球状粒子64を得ることができる。なお、被覆層70の形成の際、水酸化コバルト粉末に代えて、一酸化コバルト粉末又は金属コバルト粉末を用いてもよい。
Next, the obtained nickel hydroxide powder and cobalt hydroxide powder are mixed, and an alkaline aqueous solution is added thereto, followed by heat treatment in an oxidizing atmosphere. By this alkali oxidation heat treatment, a
一方、得られた水酸化ニッケル粉末の一部を粉砕機で粉砕することにより非球状粒子66が得られる。
この後、得られた球状粒子64、非球状粒子66及び結着剤62に水を加えて混合したペーストを用意し、このペーストを正極基板となる多孔質構造のニッケル板に充填してから乾燥させ、そして、このニッケル板を圧延・裁断して正極板24を作製することができる。
On the other hand,
Thereafter, a paste is prepared by adding water to the obtained
本発明は、上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であり、例えば、AAAサイズであってもよいが、この電池はAAサイズの円筒型ニッケル水素二次電池に好適する。
また、上記した一実施形態において、正極合剤は、正極活物質粒子及び結着剤62からなるが、好適な態様として、金属コバルト又はコバルト化合物からなるコバルト系粒子を更に含んでいてもよく、この場合、コバルト系粒子の全質量をZとしたときに、正極活物質粒子に対するコバルト系粒子の質量比Z/(X+Y)は0.5以上2.5以下の範囲にある。この変形例によれば、コバルト系粒子の存在により、充放電を繰り返したときのコア68の膨張を一層抑制することができる。なお、コバルト化合物としては、三酸化二コバルト(Co2O3)、一酸化コバルト(CoO)及び水酸化コバルト(Co(OH)2)等を用いることができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, an AAA size may be used, but this battery is suitable for an AA size cylindrical nickel-hydrogen secondary battery. To do.
Further, in the above-described embodiment, the positive electrode mixture includes the positive electrode active material particles and the
そして、上記した一実施形態において、負極板26の最外周部には、負極薄肉部56が形成されていたが、厚み一定の負極板を用いても良い。ただし、負極板26の最外周部は、径方向外側に正極板24が配置されていないため、正極板24との電池反応への寄与が低い。そこで、負極薄肉部56を形成することにより、負極板26の最外周部にて外側合金層50に取り込まれるアルカリ電解液量を減らし、相対的にセパレータ28中のアルカリ電解液量を増やせば、内部抵抗の増大を一層抑制することができるので好ましい。
In the above-described embodiment, the negative electrode
また、上記した一実施形態において、正極合剤は、体積エネルギー密度及びサイクル特性が低下しない範囲で、上述した以外の金属元素又は化合物を更に含有していてもよい。 In the above-described embodiment, the positive electrode mixture may further contain a metal element or compound other than those described above as long as the volume energy density and the cycle characteristics are not deteriorated.
1.電池の組み立て
(1)実施例1
実施例1として、図1〜4に示した構成を有するAAサイズの円筒型ニッケル水素二次電池を組立てた。この電池の仕様を表1に示す。
1. Battery assembly (1) Example 1
As Example 1, an AA-sized cylindrical nickel-metal hydride secondary battery having the configuration shown in FIGS. Table 1 shows the specifications of this battery.
(2)実施例2〜12、比較例1〜4
実施例2〜12及び比較例1〜4として、表2に示したように、球状粒子に対する非球状粒子の質量比Y/X、正極合剤の充填密度M/S、球状粒子のタップ密度、及び、被覆層の質量割合G/Xを変えて、体積エネルギー密度を変化させた以外は実施例1の場合と同様にしてニッケル水素二次電池を組立てた。
(2) Examples 2 to 12 and Comparative Examples 1 to 4
As Examples 2 to 12 and Comparative Examples 1 to 4, as shown in Table 2, the mass ratio Y / X of the non-spherical particles to the spherical particles, the packing density M / S of the positive electrode mixture, the tap density of the spherical particles, And the nickel hydride secondary battery was assembled like the case of Example 1 except having changed the mass ratio G / X of the coating layer, and changing volume energy density.
(3)比較例5〜7
比較例5〜7として、表3に示したように、球状粒子の表面に被覆層を形成しなかった以外は実施例1〜3の場合と同様にしてニッケル水素二次電池を組立てた。
(4)実施例13
実施例13として、表3に示したように、厚み一定の負極板を用いたこと以外は実施例1の場合と同様にしてニッケル水素二次電池を組立てた。
(3) Comparative Examples 5-7
As Comparative Examples 5 to 7, as shown in Table 3, nickel hydride secondary batteries were assembled in the same manner as in Examples 1 to 3 except that the coating layer was not formed on the surface of the spherical particles.
(4) Example 13
As Example 13, as shown in Table 3, a nickel metal hydride secondary battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that a constant thickness negative electrode plate was used.
(5)実施例14〜17
実施例14〜17として、表3に示したように、容量液比Ve/Qを変化させたこと以外は実施例1の場合と同様にしてニッケル水素二次電池を組立てた。
(6)実施例18〜20
実施例18〜20として、表4に示したように、正極合剤にコバルト系粒子として金属コバルト粒子を更に含ませたこと以外は実施例1の場合と同様にしてニッケル水素二次電池を組立てた。
(5) Examples 14-17
As Examples 14 to 17, as shown in Table 3, nickel-hydrogen secondary batteries were assembled in the same manner as in Example 1 except that the capacity liquid ratio Ve / Q was changed.
(6) Examples 18-20
As Examples 18 to 20, as shown in Table 4, a nickel metal hydride secondary battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode mixture further contained metallic cobalt particles as cobalt-based particles. It was.
2.電池のサイクル特性評価試験
得られた実施例及び比較例の各電池にまず初充放電を施した。次に、これらの電池に、1ItでのΔV充電工程、1時間の休止工程及び1Itでの終止電圧1.0Vまでの放電工程を1サイクルとする充放電サイクルを繰り返し行った。この充放電サイクルの間、1サイクル毎に各電池の放電容量を測定し、放電容量が初期の放電容量の60%となったときのサイクル数を数えた。この結果を表1〜4に示した。
2. Battery Cycle Characteristic Evaluation Test Each battery of the obtained Examples and Comparative Examples was first charged and discharged. Next, a charge / discharge cycle in which a ΔV charging step at 1 It, a resting step for 1 hour, and a discharging step up to a final voltage of 1.0 V at 1 It were performed on these batteries was repeated. During this charge / discharge cycle, the discharge capacity of each battery was measured every cycle, and the number of cycles when the discharge capacity reached 60% of the initial discharge capacity was counted. The results are shown in Tables 1-4.
表2から以下のことが明らかである。
(1)球状粒子に対する非球状粒子の質量割合Y/Xが0.04以上0.12以下の範囲にある実施例1〜8は、範囲外の比較例1〜4に比べて体積エネルギー密度が高い。
(2)特に、球状粒子のタップ密度が2.30g/cm3以上2.45g/cm3以下の範囲にあり、充填密度M/Sが3.05g/cm3以上3.25g/cm3以下の範囲にある実施例1〜4は、体積エネルギー密度が高い。
From Table 2, it is clear that:
(1) Examples 1-8 in which mass ratio Y / X of non-spherical particles to spherical particles is in the range of 0.04 or more and 0.12 or less have a volume energy density as compared with Comparative Examples 1 to 4 outside the range. high.
(2) In particular, the tap density of the spherical particles is in the range of 2.30 g / cm 3 or more 2.45 g / cm 3 or less, the packing density M / S is 3.05 g / cm 3 or more 3.25 g / cm 3 or less In Examples 1 to 4, the volume energy density is high.
表2及び表3から以下のことが明らかである。
(3)球状粒子のコアに被覆層を形成した実施例1〜3は、形成しなかった比較例5〜7に比べてサイクル特性が優れている。
(4)特に、球状粒子における被覆層の質量割合G/Xが2.0%以上6.0%以下の範囲にある実施例1,9,10は実施例11,12に比べ体積エネルギー密度が高く且つサイクル特性が優れている。
From Tables 2 and 3, the following is clear.
(3) Examples 1 to 3 in which the coating layer is formed on the core of the spherical particles are superior in cycle characteristics to Comparative Examples 5 to 7 in which the coating layer was not formed.
(4) In particular, Examples 1, 9, and 10 in which the mass ratio G / X of the coating layer in the spherical particles is in the range of 2.0% to 6.0% have a volume energy density as compared with Examples 11 and 12. High and excellent cycle characteristics.
(5)最外周部に薄肉部を有する実施例1〜3は、実施例1と同様の正極板を使用し薄肉部を形成しなかった実施例13に比べてサイクル特性が優れている。
(6)容量液比Ve/Qが0.85ml/Ah以下の範囲にある実施例1,14,16は、0.85ml/Ahを超えている実施例15に比べてサイクル特性が優れている。
(5) Examples 1-3 which have a thin part in an outermost periphery part are excellent in cycling characteristics compared with Example 13 which used the positive electrode plate similar to Example 1, and did not form a thin part.
(6) Examples 1, 14, and 16 in which the volumetric liquid ratio Ve / Q is in the range of 0.85 ml / Ah or less have better cycle characteristics than Example 15 that exceeds 0.85 ml / Ah. .
表4から以下のことが明らかである。
(7)正極活物質粒子に対するコバルト系粒子の質量比Z/(X+Y)が0.5以上2.5以下の範囲にある実施例18〜20は、コバルト系粒子を含まない実施例1に比べてサイクル特性が優れている。
From Table 4, the following is clear.
(7) Examples 18 to 20 in which the mass ratio Z / (X + Y) of the cobalt-based particles to the positive electrode active material particles is in the range of 0.5 to 2.5 are compared with Example 1 that does not include cobalt-based particles. Excellent cycle characteristics.
10 外装缶
22 電極群
24 正極板
26 負極板
28 セパレータ
60 正極基板の空孔
62 結着剤
64 球状粒子(第1の粒子)
66 非球状粒子(第2の粒子)
68 コア
70 被覆層
DESCRIPTION OF
66 Non-spherical particles (second particles)
68
Claims (7)
前記電池は、340Wh/l以上450Wh/l以下の体積エネルギー密度を有し、
前記正極板は、
導電性を有する多孔質の基板と、
前記基板の空孔に充填され、活物質粒子を含有した正極合剤とからなり、
前記活物質粒子は、
水酸化ニッケルからなるコアにコバルト化合物の被膜層を形成し、この被膜層にアルカリ熱処理した球状の第1の粒子と、
水酸化ニッケルからなる非球状の第2の粒子とを含み、
前記第1の粒子の全質量をXとし、前記第2の粒子の全質量をYとしたときに、質量比Y/Xが0.04以上0.12以下の範囲にある
ことを特徴とするニッケル水素二次電池。 A cylindrical outer can contains an alkaline electrolyte, a positive electrode plate and a negative electrode plate wound in a spiral shape, and an electrode group composed of a separator sandwiched between the positive electrode plate and the negative electrode plate, In the nickel metal hydride secondary battery in which the portion of the negative electrode plate forming the outermost periphery of the electrode group is in contact with the inner peripheral wall of the outer can,
The battery has a volume energy density of 340 Wh / l or more and 450 Wh / l or less,
The positive electrode plate is
A porous substrate having electrical conductivity;
Filled in the vacancies of the substrate, consisting of a positive electrode mixture containing active material particles,
The active material particles are
A cobalt compound coating layer is formed on a nickel hydroxide core, and the coating layer is subjected to alkaline heat treatment, and spherical first particles;
Non-spherical second particles made of nickel hydroxide,
When the total mass of the first particles is X and the total mass of the second particles is Y, the mass ratio Y / X is in the range of 0.04 to 0.12. Nickel metal hydride secondary battery.
前記第3の粒子の全質量をZとしたときに、前記活物質粒子に対する前記第3の粒子の質量比Z/(X+Y)は、0.5以上2.5以下の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のニッケル水素二次電池。 The positive electrode mixture further includes third particles made of metallic cobalt or a cobalt compound,
When the total mass of the third particles is Z, the mass ratio Z / (X + Y) of the third particles to the active material particles is in the range of 0.5 to 2.5. The nickel metal hydride secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
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