JP6967080B2 - 電池用負極、電池および電池の製造方法 - Google Patents
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Description
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
活物質層12を構成する材料の内、活物質粒子121、導電助剤123および補助剤122を所定比率にて混合させる。ここでは、活物質粒子121として100質量部の酸化亜鉛を、導電助剤123として1質量部の酸化ビスマスを、補助剤122として各1質量部の酸化アルミニウムおよび酸化カルシウムを混合する。混合には、ミキサー、ブレンダ―、ニーダー、ビーズミル、レディミル、ボールミル等を使用することができる。また、混合は、混合物に有機溶剤または水を加えて行う湿式法、又は液体成分を加えないで行う乾式法のいずれかの方法で行ってもよい。
混合工程で作製した混合粉末(活物質粒子121、導電助剤123および補助剤122おの混合物)に、バインダ124となるPTFE分散液と純水とを所定量加え、プラネタリーミキサーにて混練する。ここでは、加えるPTFE分散液(PTFE:60wt%、水:40wt%)を8.3質量部とし、さらに、水/PTFEが5.6質量部になるように純水を加える。プラネタリーミキサーによる混練は、例えば、45rpmで5分、90rpmで30分行う。混練には、プラネタリーミキサーや、バッチ式のロールミル、インターナルミキサー、ニーダー、連続式の混練押出機、短軸又は二軸の混練機等を使用することができる。
混練工程で作製した混練物を一塊にしてロール圧延機にて所定厚み(3mm程度)の電極シートにする。圧延は複数回行うことが好ましく、例えば、4mmから3.2mmまでは100μmずつ、3.2mmから2.8mmまでは50μmずつ厚みを薄くしていく。また、各厚みでは一方向(往復)に圧延するものとし、途中で圧延方向を90°回転させて圧延することが望ましい。成形ではロール圧延機の他にプレス成形や押出成形、CIP成形等を使用することができる。
成形工程で作製した電極シートを真空乾燥(例えば40℃、18h)させた後、放冷する。さらに、乾燥後の電極シートを所定のサイズ(例えば4.5cm平方)にカットし、電極ブロックとする。但し、成形方法によっては、例えば、金型を使ってプレス成形などをする場合には、所定のサイズの金型を使うことができ、所定のサイズにカットしなくてもよい。
所定厚み(例えば0.1mm)の集電体11を上記電極ブロックで挟み、プレスによって一体化させる。ここでは、5.6mmのスペーサーを周囲に置いて7tの圧力でプレスする。これにより、電極ブロックが活物質層12となり、集電体11と活物質層12とからなる金属負極10が製造される。尚、この時点の活物質層12は、図2(a)に示すような溶出工程前の状態である。
電極化工程で組み立てられた金属負極10をアルカリ性水溶液に浸漬させ、補助剤122を溶液中に溶出させる。ここでは、アルカリ水溶液はpH>8が好ましく、pH>13がより好ましい。また、アルカリ性水溶液は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液などが挙げられる。この溶出工程を経ることにより、活物質層12は、図2(b)に示すような溶出工程後の状態となる。
本実施の形態2では、実施の形態1で説明した溶出工程について、より具体的な方法を説明する。本実施の形態2の方法では、電極化工程までが終了した溶出工程前の金属負極10を用いて電池を組み立て、組み立てられた電池に電解液を注液する。この場合、補助剤122が電池に注液された電解液に溶出することで、金属負極10の活物質層12に空間125が形成される。また、本実施の形態2の方法を用いた場合、完成した電池では、溶出した補助剤122の成分が電解液中に含まれることとなる。
本実施の形態3では、実施の形態1で説明した溶出工程について、より具体的な方法を説明する。本実施の形態3の方法では、溶出工程までが終了した溶出工程後の金属負極10を用いて電池を組み立て、組み立てられた電池に電解液を注液する。本実施の形態3の方法を用いた場合、完成した電池では、溶出した補助剤122の成分が電解液中に含まれることはない。
上記実施の形態1〜3では、金属負極10における活物質層12を単層とした構成を例示したが、本開示はこれに限定されるものではなく、図4に示す金属負極10’のように活物質層12を複数層としてもよい。
続いて、本開示の金属負極10の評価実験の結果を以下の表1に示す。
(実施例1〜5および比較例1〜3)
実施例1〜5および比較例1〜3では、混合工程において表1の負極に示した通り、100質量部の酸化亜鉛(活物質粒子121、堺化学工業株式会社製酸化亜鉛1種)に対して、酸化ビスマス(導電助剤123、太陽鉱工株式会社製酸化ビスマスA)を1質量部、酸化アルミニウムおよび酸化カルシウム(補助剤122、それぞれ日本軽金属株式会社製アルミナA12、宇部マテリアルズ株式会社製超高純度カルシアCSQ)を合計0.1〜3.0質量部の範囲で加え、1mmのジルコニアビーズで18時間、15rpmの条件でボールミルを用いて混合した。
比較例4では、混合工程で補助剤を混合しないことを除いて実施例1と同じ製造方法で金属負極を得た。
実施例1〜5および比較例1〜4で作成した評価セルに関して、電流密度30mA/cm2、充放電深度50%で充放電サイクルを実施し、100サイクルでの容量維持率を評価した。
本国際出願は、2017年11月8日に日本特許庁に出願された日本国特許出願第2017−215808号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2017−215808号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
11 集電体
12 活物質層
121 活物質粒子
122 補助剤
123 導電助剤
124 バインダ
125 空間
12A 内層
12B 外層
Claims (19)
- 電池の負極に用いられ、負極活物質に金属を用いるアルカリ電池用負極であって、
亜鉛含有化合物を含む活物質粒子と、補助剤とを含む活物質層を有し、
前記補助剤は、
前記活物質粒子よりも平均粒径の大きな粒子であり、
前記亜鉛含有化合物よりもアルカリ水溶液に溶出され、
塩基性酸化物となる元素のうち周期表の第2族の元素を含む化合物、および/または両性酸化物となる元素のうち周期表の第13族の元素を含む化合物からなり、
前記活物質層において、100質量部の前記活物質粒子に対して、0.01質量部以上2.8質量部以下の割合で含まれ、
前記アルカリ電池用負極の厚みは、500μm〜10mmであり、
前記活物質層における電極密度は、1.5〜3.5g/cm3であることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記補助剤は、塩基性酸化物となる元素のうち周期表の第2族の元素を含む化合物であり、
前記化合物は、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸化物、硫化物のいずれかを含むことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記補助剤は、両性酸化物となる元素のうち周期表の第13族の元素を含む化合物であり、
前記化合物は、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸化物、硫化物のいずれかを含むことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記補助剤は、酸化アルミニウムまたは酸化カルシウムを含むことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記補助剤は、第1の補助剤と、前記第1の補助剤よりも平均粒径の小さい第2の補助剤とを含むことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項5に記載のアルカリ電池用負極であって、前記第2の補助剤は、前記第1の補助剤よりもアルカリ水溶液に対して溶けやすいことを特徴とするアルカリ電池用負極。
- 請求項5に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記第1の補助剤は酸化アルミニウムであり、前記第2の補助剤は酸化カルシウムであることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項5から7の何れか1項に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記第1の補助剤の平均粒径は30μm〜100μmであり、前記第2の補助剤の平均粒径は10μm〜30μmであることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1から7の何れか1項に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記活物質層は、厚み方向に対して複数の活物質層が積層された構成であり、厚み方向における外側の活物質層よりも内側の活物質層の方が前記補助剤の粒子数が多いことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1から9の何れか1項に記載のアルカリ電池用負極であって、
前記補助剤は、前記活物質層において、100質量部の前記活物質粒子に対して、0.1質量部以上2.0質量部以下の割合で含まれることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 電池の負極に用いられ、アルカリ電池用負極であって、
亜鉛含有化合物を含む活物質粒子を含んで形成されていると共に、その内部に空間を有する活物質層を有しており、前記空間は、その内部に前記活物質粒子の平均粒径よりも大きな粒子を包含可能な大きさの空間であり、
前記アルカリ電池用負極の厚みは、500μm〜10mmであり、
前記活物質層における電極密度は、1.5〜3.5g/cm3であることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1から11の何れか1項に記載の電池用負極であって、
前記活物質層の厚み方向に対する中央部に集電体が設けられていることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項12に記載の電池用負極であって、
前記活物質層の厚みと前記集電体の厚みとの比が、1以上1250以下であることを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項11から13の何れか1項に記載の電池用負極であって、
前記活物質層は、厚み方向に対して複数の活物質層が積層された構成であり、厚み方向における外側の活物質層の空隙率よりも内側の活物質層の空隙率の方が大きいことを特徴とするアルカリ電池用負極。 - 請求項1から請求項14の何れか1項に記載の電池用負極であって、
前記亜鉛含有化合物は、酸化亜鉛である、請求項1に記載のアルカリ電池用負極。 - 負極活物質に金属を用いる電池であって、
請求項1から15の何れか1項に記載の電池用負極を用いることを特徴とするアルカリ電池。 - アルカリ電池の製造方法であって、
亜鉛含有活物質を含む活物質粒子と、前記活物質粒子よりも平均粒径の大きな粒子である補助剤とを含んで形成されている活物質層を有する電池用負極を製造する負極製造工程と、
前記電池用負極をアルカリ水溶液に浸漬させて、前記補助剤を前記溶液中に溶出させる溶出工程とを含み、
前記電池用負極の厚みは、500μm〜10mmであり、
前記活物質層における電極密度は、1.5〜3.5g/cm3であることを特徴とするアルカリ電池の製造方法。 - 請求項17に記載のアルカリ電池の製造方法であって、
前記補助剤は、塩基性酸化物となる元素のうち周期表の第2族の元素を含む化合物、および/または両性酸化物となる元素のうち周期表の第13族の元素を含む化合物からなり、
前記負極製造工程と前記溶出工程との間に、前記電池用負極を用いて電池を組み立てる組み立て工程を有しており、
前記溶出工程では、組み立てられた電池内に電解液を注液し、前記電解液中に前記補助剤を溶出させることを特徴とするアルカリ電池の製造方法。 - 請求項17に記載のアルカリ電池の製造方法であって、
前記溶出工程後に、前記補助剤を溶出させることで前記活物質層の内部に空間が形成された前記電池用負極を用いて電池を組み立てる組み立て工程を有していることを特徴とするアルカリ電池の製造方法。
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