JPH11167933A - 密閉型アルカリ亜鉛蓄電池 - Google Patents

密閉型アルカリ亜鉛蓄電池

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JPH11167933A
JPH11167933A JP9348582A JP34858297A JPH11167933A JP H11167933 A JPH11167933 A JP H11167933A JP 9348582 A JP9348582 A JP 9348582A JP 34858297 A JP34858297 A JP 34858297A JP H11167933 A JPH11167933 A JP H11167933A
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JP
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zinc
battery
zinc alloy
oxide
negative electrode
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JP9348582A
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Inventor
Shuichi Suzuki
修一 鈴木
Mitsunori Tokuda
光紀 徳田
Mutsumi Yano
睦 矢野
Shin Fujitani
伸 藤谷
Koji Nishio
晃治 西尾
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題解決手段】二酸化マンガン又はオキシ水酸化ニッ
ケルを正極活物質とする正極と、亜鉛と、インジウム、
ビスマス、カルシウム、アルミニウム、錫及びガリウム
よりなる群から選ばれた少なくとも一種の元素との原子
比100:0.05〜100:2.0の亜鉛合金をアル
カリ電解液に分散させて成るゲル状の負極とを備える密
閉型アルカリ亜鉛蓄電池であって、前記ゲル状の負極
が、酸化亜鉛を亜鉛合金に対する比率で5〜40重量
%、及び、希土類元素及び/又は希土類元素化合物を酸
化亜鉛及び亜鉛合金中の亜鉛に対する希土類元素の比率
で0.05〜5原子%含有しており、且つ二酸化マンガ
ン又はオキシ水酸化ニッケル、亜鉛合金、酸化亜鉛並び
に希土類元素及び/又は希土類元素化合物が電池缶内容
積に対して75体積%以上充填されている。 【効果】自己放電が少なく、しかも電池容量が短サイク
ル裡に大きく減少しない密閉型アルカリ亜鉛蓄電池が提
供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は放電スタートの密閉
型アルカリ亜鉛蓄電池に係わり、詳しくは、自己放電が
少なく、しかも電池容量が短サイクル裡に大きく減少し
ない放電スタートの密閉型アルカリ亜鉛蓄電池を提供す
ることを目的とした、負極活物質の改良に関する。ここ
に、放電スタートの電池とは、充電することなく初回の
放電を行うことができる電池のことである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】アルカ
リ亜鉛電池の負極活物質として金属亜鉛を使用すると、
保存中に、亜鉛がアルカリ電解液と反応して腐食すると
いう問題がある。このため、従来の実用電池では、保存
時の亜鉛の腐食(自己放電;Zn+2H2 O⇒Zn+2
2OH-+H2 )を抑制するために、負極活物質とし
て、水素過電圧の高い水銀を亜鉛に数%添加してなる汞
化亜鉛が使用されている。
【0003】しかしながら、近年、アルカリ亜鉛電池の
低公害化のために負極活物質の無水銀化が要請されてお
り、この要請に応える種々の提案がなされている。
【0004】例えば、インジウム、鉛、ビスマス、カル
シウム、アルミニウム及びリチウムよりなる群から選ば
れた少なくとも一種の元素を含有する低腐食性の亜鉛合
金を負極活物質として使用し、これに、芳香族アミン
(スルファニル酸など)と、無機インヒビター(イット
リウム酸化物若しくはガリウム酸化物又はそれらの水和
物)と、有機インヒビター(フッ素系界面活性剤)とを
添加することが提案されている(特開平5−24289
5号公報参照)。
【0005】この方法によれば、水銀含有量0(零)に
もかかわらず、亜鉛の腐食、すなわち自己放電を抑制す
ることができる。
【0006】しかしながら、本発明者らが検討した結
果、上記の亜鉛合金は、これを乾電池に使用した場合は
問題ないが、充放電を繰り返す蓄電池に使用すると、短
サイクル裡に負極の活物質利用率が低下し、その結果、
本来は正極容量により規制されるようにしてある電池容
量が負極容量により規制されるまでに減少することが分
かった。
【0007】したがって、本発明は、自己放電が少な
く、しかも電池容量が短サイクル裡に大きく減少しない
放電スタートの密閉型アルカリ亜鉛蓄電池を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る密閉型アル
カリ亜鉛蓄電池(以下、「本発明電池」と記す。)は、
二酸化マンガン又はオキシ水酸化ニッケルを正極活物質
とする正極と、亜鉛と、インジウム、ビスマス、カルシ
ウム、アルミニウム、錫及びガリウムよりなる群から選
ばれた少なくとも一種の元素の原子比が100:0.0
5〜100:2.0の亜鉛合金をアルカリ電解液に分散
させて成るゲル状の負極とを備える密閉型アルカリ亜鉛
蓄電池であって、前記ゲル状の負極が、酸化亜鉛を亜鉛
合金に対する比率で5〜40重量%、及び、希土類元素
及び/又は希土類元素化合物を酸化亜鉛及び亜鉛合金中
の亜鉛に対する希土類元素の比率で0.05〜5原子%
含有しており、且つ二酸化マンガン又はオキシ水酸化ニ
ッケル、亜鉛合金、酸化亜鉛並びに希土類元素及び/又
は希土類元素化合物が電池缶内容積に対して75体積%
以上充填されていることを特徴とする。
【0009】本発明電池は、二酸化マンガン又はオキシ
水酸化ニッケルを正極活物質とする正極と、亜鉛と、イ
ンジウム、ビスマス、カルシウム、アルミニウム、錫及
びガリウムよりなる群から選ばれた少なくとも一種の元
素の原子比が100:0.05〜100:2.0の亜鉛
合金をアルカリ電解液に分散させて成るゲル状の負極と
を備える。亜鉛合金における亜鉛に対する他の合金成分
元素の割合が少な過ぎると、水素過電圧を充分に高める
ことができなくなり、亜鉛の腐食、すなわち自己放電を
有効に抑制することができない。一方、亜鉛に対する他
の合金成分元素の割合が多過ぎると、亜鉛の充放電反応
が他の合金成分元素により阻害されるようになり、電池
容量が減少する。
【0010】本発明電池のゲル状の負極は、酸化亜鉛を
亜鉛合金に対する比率で5〜40重量%含有し、希土類
元素又は希土類元素化合物を酸化亜鉛及び亜鉛合金中の
亜鉛に対する希土類元素の比率で0.05〜5原子%含
有する。酸化亜鉛の亜鉛合金に対する比率が5重量%未
満の場合は、充電リザーブが負極に充分に生成しないた
めに充放電サイクルの進行に伴う亜鉛合金の劣化に因る
活物質利用率の低下を充分に抑制することができなくな
り、電池容量が短サイクル裡に低下する。一方、酸化亜
鉛の亜鉛合金に対する比率が40重量%を超えた場合
は、負極活物質たる亜鉛合金の充填量が減少して、電池
容量が低下する。また、亜鉛に対する希土類元素の比率
が0.05原子%未満の場合は、放電時に亜鉛合金の粒
子表面に生成する酸化亜鉛を十分に多孔質化することが
できないために、充放電サイクルの進行に伴う活物質利
用率の低下を有効に抑制することができない。一方、亜
鉛に対する希土類元素の比率が5原子%を超えた場合
も、亜鉛合金及び酸化亜鉛の充填量が減少するために、
充放電サイクルの進行に伴う亜鉛合金の劣化に因る活物
質利用率の低下を有効に抑制することができない。
【0011】本発明電池が、二酸化マンガン又はオキシ
水酸化ニッケル、亜鉛合金、酸化亜鉛並びに希土類元素
及び/又は希土類元素化合物の電池缶内容積に対する充
填率が75体積%以上の密閉型電池に限定されるのは、
活物質が多量に充填されるこの種の電池において、本発
明の効果が顕著に発現されるからである。
【0012】本発明電池は、低腐食性の亜鉛合金を負極
活物質として使用しているので、保存時の自己放電が少
ない。また、本発明電池は、亜鉛合金に、酸化亜鉛と希
土類元素及び/又は希土類元素化合物とが、それぞれ所
定量添加されているので、充放電サイクルの進行に伴う
活物質利用率の低下が小さく、電池容量が短サイクル裡
に大きく減少しない。
【0013】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるも
のではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変
更して実施することが可能なものである。
【0014】(実験1)この実験では、本発明電池A〜
U及び従来電池X(特開平5−242895号公報に開
示の電池)を作製し、各電池について充放電を30サイ
クル行い、1サイクル目及び30サイクル目の放電容量
を調べた。
【0015】(本発明電池A〜U) 〔正極の作製〕オキシ水酸化ニッケル90gと、導電剤
としての黒鉛10gと、30重量%水酸化カリウム水溶
液10gとを、らいかい機にて30分間混合し、加圧成
型して、外径1.3cm、内径0.85cm、高さ1.
15cmの円筒中空体状の正極を作製した。なお、電池
の作製においては、この円筒中空体状の正極を3個作製
し、それらを直列に重ねて、全体として1個の円筒中空
体状をなす正極として使用した。
【0016】〔負極の作製〕亜鉛100gとインジウム
0.57g(亜鉛とインジウムの原子比100:0.
5)を500°Cで融解させて溶湯を作製し、この溶湯
をアトマイズ法により冷却して、亜鉛とインジウムの原
子比が100:0.5の亜鉛合金粉末を作製した。この
亜鉛合金粉末100gと、酸化亜鉛10gと、酸化イッ
トリウム(Y23 )1.13g、酸化スカンジウム
(Sc2 3 )0.690g、酸化ランタン(La2
3 )1.63g、酸化セリウム(CeO2 )3.12
g、酸化プラセオジム(Pr6 11)1.70g、酸化
ネオジム(Nd2 3 )1.68g、酸化プロメチウム
(Pm2 3 )1.69g、酸化サマリウム(Sm2
3 )1.74g、酸化ユウロピウム(Eu2 3 )1.
76g、酸化ガドリニウム(Gd2 3 )1.81g、
酸化テルビウム(Tb4 7 )1.87g、酸化ジスプ
ロシウム(Dy2 3 )1.87g、酸化ホルミウム
(Ho2 3 )1.89g、酸化エルビウム(Er2
3 )1.91g、酸化ツリウム(Tm2 3 )1.93
g、酸化イッテルビウム(Yb2 3 )1.97g、酸
化ルテニウム(Lu2 3 )1.99g、水酸化イット
リウム(Y(OH)3 )1.40g、フッ化イットリウ
ム(YF3 )1.46g、炭酸イットリウム3水和物
(Y2 (CO33 ・3H2 O)2.06g又は金属イ
ットリウム(Y)0.89gとを混合し、得られた混合
物に、40重量%水酸化カリウム水溶液34gと、ゲル
化剤としてのポリアクリル酸(日本純薬工業社製、商品
コード「ジュンロンPW150」)1gとを混合して攪
拌し、酸化亜鉛を亜鉛合金に対する比率で10重量%含
有し、希土類元素又は希土類元素化合物を酸化亜鉛及び
亜鉛合金中の亜鉛に対する希土類元素の比率で1原子%
含有する21種のゲル状亜鉛電極(負極)を作製した。
【0017】〔電池の作製〕上記の正極及び各負極を用
いて、通称「インサイドアウト型」と呼ばれている構造
(電池缶側が正極側、電池蓋側が負極側)の、AAサイ
ズの密閉型アルカリ亜鉛蓄電池(本発明電池)A〜Uを
作製した。ここに、インサイドアウト型構造とは、円筒
中空体状の正極の中空部に、円筒フィルム状のセパレー
タを介して、ゲル状の負極を充填した構造をいう。な
お、電池容量が正極容量によって規制されるようにする
ために、正極と負極との電気化学的な理論容量比を1:
2とした(以下の電池も全てこれと同じ容量比にし
た。)。また、オキシ水酸化ニッケル、亜鉛合金、酸化
亜鉛並びに希土類元素及び/又は希土類元素化合物の電
池缶内への総充填量を、電池缶内容積に対して80体積
%とした(以下の電池も全てこれと同じ充填率にし
た)。
【0018】図1は、作製した密閉型アルカリ亜鉛蓄電
池の断面図であり、図示の密閉型アルカリ亜鉛蓄電池B
Aは、有底円筒状の正極缶(正極外部端子)1、負極蓋
(負極外部端子)2、絶縁パッキング3、真鍮製の負極
集電棒4、円筒中空体状の正極(ニッケル極)5、ビニ
ロンを主材とする円筒フィルム状のセパレータ6、ゲル
状の負極(亜鉛極)7などからなる。
【0019】正極缶1には、円筒中空体の外周面を正極
缶1の円筒部の内周面に当接させて正極5が収納されて
おり、該円筒中空体の内周面には、セパレータ6が圧接
されており、セパレータ6の内側には、ゲル状の負極7
が充填されている。負極7の円形断面の中央部には、正
極缶1と負極蓋2とを電気的に絶縁する絶縁パッキング
3により一端を支持された負極集電棒4が挿入されてい
る。正極缶1の開口部は、負極蓋2により閉蓋されてい
る。電池の密閉は、正極缶1の開口部に絶縁パッキング
3を嵌め込み、その上に負極蓋2を載置した後、正極缶
の開口端を内側にかしめることによりなされている。
【0020】(従来電池X)酸化亜鉛を3重量%含有す
る40重量%水酸化カリウム水溶液49gに、3重量%
アクリル酸ナトリウム1gと、1重量%カルボキシメチ
ルセルロース水溶液とを混合してゲル化した後、攪拌し
ながら界面活性剤(パーフルオロスルホン酸)を0.0
5g加え、2時間放置して熟成し、ゲル状電解液を作製
した。次いで、このゲル状電解液100重量部に、イン
ジウムを0.05重量%含有する亜鉛合金50重量部
と、スルファニル酸0.005重量部とを混合して、ゲ
ル状の負極を作製した。このゲル状の負極を使用したこ
と以外は本発明電池A〜Uの作製方法と同様にして、従
来電池Xを作製した。
【0021】〈充放電サイクル試験〉各電池10個につ
いて、3.9Ωの抵抗を接続して0.9Vまで放電した
後、150mAで10時間充電する工程を1サイクルと
する充放電を30サイクル行い、1サイクル目及び30
サイクル目の放電容量を調べた。結果を表1に示す。表
1中の放電容量は、10個の電池の放電容量の平均であ
り、電池Aの1サイクル目の放電容量を100とした指
数である。
【0022】
【表1】
【0023】表1より、本発明電池A〜Uは、従来電池
Xに比べて、1サイクル目の放電容量が大きく、且つ3
0サイクル目における放電容量の減少が小さいことが分
かる。
【0024】(実験2)この実験では、酸化亜鉛及び亜
鉛合金中の亜鉛に対するイットリウムの比率(原子%)
と放電容量、充放電サイクル特性及び耐自己放電特性の
関係を調べた。
【0025】酸化亜鉛及び亜鉛合金中の亜鉛に対するイ
ットリウムの比率(酸化イットリウムのイットリウム元
素換算での比率)を、1原子%に代えて、0原子%(酸
化イットリウム:無添加)、0.01原子%(酸化イッ
トリウムを0.0113g添加)、0.05原子%(酸
化イットリウムを0.0564g添加)、0.1原子%
(酸化イットリウムを0.113g添加)、0.5原子
%(酸化イットリウムを0.564g添加)、5原子%
(酸化イットリウムを5.64g添加)、7原子%(酸
化イットリウムを5.64g添加)又は10原子%(酸
化イットリウムを11.29g添加)としたこと以外は
本発明電池Aの作製方法と同様にして、電池a〜hを作
製し、各電池10個について先と同じ条件の充放電を3
0サイクル行い、1サイクル目及び30サイクル目の放
電容量を調べた。また、別に用意した各電池を45°C
の雰囲気に14日間放置した後、水中にて分解して、発
生する水素ガスを捕集して、自己放電による水素ガス発
生量(cm3 )を求めた。結果を表2に示す。表2中の
放電容量は、10個の電池の放電容量の平均であり、電
池Aの1サイクル目の放電容量を100とした指数であ
る。
【0026】
【表2】
【0027】表2より、1サイクル目の放電容量が大き
く、且つ30サイクル目における放電容量の減少が小さ
い電池を得るためには、酸化亜鉛及び亜鉛合金中の亜鉛
に対するイットリウムの比率を、0.05〜5原子%と
する必要があることが分かる。他の希土類元素化合物に
ついても、酸化亜鉛及び亜鉛合金中の亜鉛に対する希土
類元素の比率を、0.05〜5原子%とする必要がある
ことを確認した。また、全ての電池の水素ガス発生量が
同じであることから、亜鉛に対するイットリウムの比率
は、耐自己放電特性とは無関係であることが分かる。
【0028】(実験3)この実験では、亜鉛合金中の亜
鉛とインジウムの原子比と放電容量、充放電サイクル特
性及び耐自己放電特性の関係を調べた。
【0029】亜鉛合金粉末の作製において、亜鉛100
gに対するインジウムの量を0g、0.012g、0.
057g、0.12g、1.15g、1.72g、2.
30g、2.87g又は3.44gとしたこと以外は実
験1での亜鉛合金粉末の作製方法と同様にして、亜鉛と
インジウムの原子比が順に100:0、100:0.0
1、100:0.05、100:0.1、100:1、
100:1.5、100:2、100:2.5及び10
0:3の9種の亜鉛合金粉末を作製した。次いで、亜鉛
とインジウムの原子比が100:0.5の亜鉛合金粉末
に代えて、これらの各亜鉛合金粉末を使用したこと以外
は本発明電池Aの作製方法と同様にして密閉型アルカリ
亜鉛蓄電池j〜rを作製した。
【0030】また、亜鉛合金粉末の作製において、イン
ジウム0.57gに代えてビスマス2.09g、カルシ
ウム0.40g、アルミニウム0.27g、錫1.19
g又はガリウム0.70g使用したこと以外は実験1で
の亜鉛合金粉末の作製方法と同様にして、亜鉛と他の合
金成分元素の原子比が100:1の5種の亜鉛合金粉末
を作製した。次いで、亜鉛とインジウムの原子比が10
0:0.5の亜鉛合金粉末に代えて、これらの各亜鉛合
金粉末を使用したこと以外は本発明電池Aの作製方法と
同様にして、密閉型アルカリ亜鉛蓄電池u〜yを作製し
た。
【0031】さらに、亜鉛100gとインジウム1.1
5gとを窒素雰囲気下にて180°Cに加熱し、混合し
て、亜鉛の粒子表面をインジウムで被覆して成る亜鉛合
金粉末を作製した。次いで、亜鉛とインジウムの原子比
が100:0.5の亜鉛合金粉末に代えて、この亜鉛合
金粉末を使用したこと以外は本発明電池Aの作製方法と
同様にして、密閉型アルカリ亜鉛蓄電池zを作製した。
【0032】次いで、各電池について先と同じ充放電サ
イクル試験を行い、各電池の1サイクル目及び30サイ
クル目の放電容量を求めた。また、別に用意した各電池
を45°Cの雰囲気に14日間放置した後、水中にて分
解して、発生する水素ガスを捕集して、自己放電による
水素ガス発生量(cm3 )を求めた。結果を表3に示
す。表3には、実験1で作製した本発明電池A及び従来
電池Xについての結果も示してある。表3中の放電容量
は、各電池10個の放電容量の平均であり、電池Aの1
サイクル目の放電容量を100とした指数である。
【0033】
【表3】
【0034】表3より、自己放電が少なく、1サイクル
目及び30サイクル目の放電容量が大きい電池を得るた
めには、亜鉛合金中の亜鉛とインジウムの原子比を、1
00:0.05〜100:2.0とする必要があること
が分かる。ビスマス、カルシウム、アルミニウム、錫及
びガリウムについても、亜鉛とそれらの元素の原子比
を、100:0.05〜100:2.0とする必要があ
ることを確認した。また、電池zの1サイクル目及び3
0サイクル目の放電容量及び水素ガス発生量が電池nの
それらと同レベルであることから、亜鉛合金粉末とし
て、亜鉛の粒子表面をインジウムなどで被覆して成る亜
鉛合金粉末を使用してもよいことが分かる。
【0035】(実験4)この実験では、亜鉛合金に対す
る酸化亜鉛の比率(重量%)と、放電容量及び充放電サ
イクル特性の関係を調べた。
【0036】亜鉛合金粉末100gと混合する酸化亜鉛
の量を、10gに代えて、0g、2g、5g、20g、
30g、40g、50g又は60gとしたこと以外は本
発明電池Aの作製方法と同様にして、電池aa〜ahを
作製した。
【0037】各電池について、実験1で行ったものと同
じ充放電サイクル試験を行い、各電池の1サイクル目及
び30サイクル目の放電容量を求めた。結果を表4に示
す。表4中の放電容量は、電池Aの1サイクル目の放電
容量を100とした指数である。
【0038】
【表4】
【0039】表4より、1サイクル目の放電容量が大き
く、且つ30サイクル目における放電容量の減少が小さ
い電池を得るためには、亜鉛合金に対する酸化亜鉛の比
率を、5〜40重量%とする必要があることが分かる。
【0040】
【発明の効果】自己放電が少なく、しかも電池容量が短
サイクル裡に大きく減少しない密閉型アルカリ亜鉛蓄電
池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作製したアルカリ亜鉛蓄電池(本発明
電池)の断面図である。
【符号の説明】
BA アルカリ亜鉛蓄電池 1 正極缶 2 負極蓋 3 絶縁パッキング 4 負極集電棒 5 正極(ニッケル極) 6 セパレータ 7 負極(亜鉛極)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤谷 伸 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】二酸化マンガン又はオキシ水酸化ニッケル
    を正極活物質とする正極と、亜鉛と、インジウム、ビス
    マス、カルシウム、アルミニウム、錫及びガリウムより
    なる群から選ばれた少なくとも一種の元素の原子比が1
    00:0.05〜100:2.0の亜鉛合金をアルカリ
    電解液に分散させて成るゲル状の負極とを備える密閉型
    アルカリ亜鉛蓄電池であって、前記ゲル状の負極が、酸
    化亜鉛を亜鉛合金に対する比率で5〜40重量%、及
    び、希土類元素及び/又は希土類元素化合物を酸化亜鉛
    及び亜鉛合金中の亜鉛に対する希土類元素の比率で0.
    05〜5原子%含有しており、且つ二酸化マンガン又は
    オキシ水酸化ニッケル、亜鉛合金、酸化亜鉛並びに希土
    類元素及び/又は希土類元素化合物が電池缶内容積に対
    して75体積%以上充填されていることを特徴とする密
    閉型アルカリ亜鉛蓄電池。
  2. 【請求項2】前記希土類元素化合物が、酸化物、水酸化
    物、炭酸塩又はフッ化物である請求項1記載の密閉型ア
    ルカリ亜鉛蓄電池。
JP9348582A 1997-12-02 1997-12-02 密閉型アルカリ亜鉛蓄電池 Pending JPH11167933A (ja)

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