JP6234190B2 - 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、ニッケルカドミウム二次電池に比べて高容量で、且つ、環境安全性にも優れているという点から、各種のポータブル機器やハイブリッド電気自動車等、さまざまな用途に使用されるようになっている。 Nickel metal hydride secondary batteries are used in various applications such as various portable devices and hybrid electric vehicles because they have higher capacity and better environmental safety than nickel cadmium secondary batteries. It is like that.
ところで、一般的なニッケル水素二次電池は、高容量ではあるものの自己放電が大きいことから、放置期間が長いと残存容量が減少し、使用する直前に充電する必要が屡々生じていた。 By the way, although a general nickel metal hydride secondary battery has a high capacity but has a large self-discharge, if the leaving period is long, the remaining capacity decreases, and it is often necessary to charge the battery immediately before use.
そこで、ニッケル水素二次電池の自己放電特性の改良をすべく数多くの研究がなされ、種々の自己放電抑制型のニッケル水素二次電池が開発されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, many studies have been made to improve the self-discharge characteristics of nickel-metal hydride secondary batteries, and various self-discharge suppression type nickel-hydrogen secondary batteries have been developed (see, for example, Patent Document 1).
このような自己放電抑制型のニッケル水素二次電池は、ユーザーが予め充電をしておけば、放置しても残存容量の減少量が少ないので、使用直前に再充電が必要となる状況の発生頻度を低減できるというメリットがある。このようなメリットを活かすことで、自己放電抑制型のニッケル水素二次電池は、あたかも乾電池のような使い勝手の良さと、乾電池以上の高い容量を併せ持つ、非常に優れた電池となっている。 Such a self-discharge suppression type nickel metal hydride secondary battery, if the user precharges it, there is little decrease in the remaining capacity even if it is left, so there is a situation where recharging is necessary just before use There is an advantage that the frequency can be reduced. By taking advantage of such merits, the self-discharge suppression type nickel-hydrogen secondary battery is a very excellent battery having both usability as if it was a dry battery and a higher capacity than that of the dry battery.
ところで、ニッケル水素二次電池においては、より使い勝手を良くするため、更なる自己放電特性の向上が望まれている。
しかしながら、特許文献1に示されるようなニッケル水素二次電池の自己放電特性は、未だこのような要望に十分応えられるだけのものとはなっていない。
このため、自己放電特性がより優れているニッケル水素二次電池の開発が望まれている。
By the way, in the nickel metal hydride secondary battery, further improvement in self-discharge characteristics is desired in order to improve usability.
However, the self-discharge characteristics of the nickel metal hydride secondary battery as disclosed in Patent Document 1 are not yet sufficient to meet such demands.
For this reason, development of a nickel metal hydride secondary battery having better self-discharge characteristics is desired.
本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも自己放電特性が改善さ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 circumstances, and an object of the present invention is to provide a nickel-metal hydride secondary battery having improved self-discharge characteristics as compared with the prior art.
上記目的を達成するために、本発明者は、ニッケル水素二次電池の自己放電特性の更なる改善を行うべく鋭意検討した。本発明者は、この検討過程で、アルカリ電解液にNaFを添加した場合、このNaFが、自己放電の主な要因のうち、負極の水素吸蔵合金からの水素解離及び正極の自己分解の2つの反応を抑制するとの知見を得、かかる知見をもとに添加剤としてNaFを採用することが自己放電特性の向上に有効であることを見出し、本発明に想到した。 In order to achieve the above object, the present inventor has intensively studied to further improve the self-discharge characteristics of the nickel metal hydride secondary battery. In the course of this study, the present inventor added NaF to the alkaline electrolyte, and this NaF is one of the main factors of self-discharge, namely, hydrogen dissociation from the hydrogen storage alloy of the negative electrode and self-decomposition of the positive electrode Based on this knowledge, the inventors have found that it is effective to improve self-discharge characteristics based on the knowledge that the reaction is suppressed.
すなわち、本発明によれば、容器と、前記容器内にアルカリ電解液とともに密閉状態で収容された電極群とを備え、前記電極群は、セパレータを介して重ね合わされた正極及び負極からなり、前記負極は、希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金を含み、前記アルカリ電解液は、NaFを含む、ニッケル水素二次電池が提供される。 That is, according to the present invention, a container and an electrode group housed in an airtight state together with an alkaline electrolyte in the container, the electrode group is composed of a positive electrode and a negative electrode superimposed via a separator, A negative electrode includes a rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy, and the alkaline electrolyte includes a nickel-hydrogen secondary battery including NaF.
好ましくは、前記NaFの前記アルカリ電解液内における濃度が、0.25質量%〜1.17質量%である構成とする。 Preferably, the concentration of NaF in the alkaline electrolyte is 0.25% by mass to 1.17% by mass.
また、好ましくは、粉末状のNaFを更に含む構成とする。 Moreover, Preferably, it is set as the structure which further contains powdery NaF.
また、前記水素吸蔵合金は、一般式:Ln1-xMgxNiy-aAla(ただし、式中、Lnは、Zr、Ti、Y及び希土類元素から選ばれる少なくとも一つの元素、添字x、y、aは、それぞれ、0.05≦x≦0.30、2.8≦y≦3.8、0.05≦a≦0.30を示す)で表される組成を有している構成とすることが好ましい。 Further, the hydrogen storage alloy has the general formula: Ln 1-x Mg x Ni ya Al a ( In the formula, Ln is Zr, Ti, at least one element selected from Y and rare earth elements, subscripts x, y , A represents a composition represented by 0.05 ≦ x ≦ 0.30, 2.8 ≦ y ≦ 3.8, and 0.05 ≦ a ≦ 0.30, respectively. It is preferable to do.
本発明のニッケル水素二次電池は、アルカリ電解液内にNaFを含んでいる。このNaFは、負極の水素吸蔵合金からの水素解離を抑制し、また、正極の自己分解反応を抑制する。これにより、従来よりも自己放電特性が改善されたニッケル水素二次電池が得られる。 The nickel metal hydride secondary battery of the present invention contains NaF in the alkaline electrolyte. This NaF suppresses hydrogen dissociation from the hydrogen storage alloy of the negative electrode and suppresses the self-decomposition reaction of the positive electrode. As a result, a nickel metal hydride secondary battery having improved self-discharge characteristics than the conventional one can be obtained.
以下、本発明に係るニッケル水素二次電池(以下、単に電池と称する)2を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a nickel-hydrogen secondary battery (hereinafter simply referred to as a battery) 2 according to the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明が適用される電池2としては特に限定されないが、例えば、図1に示すAAサイズの円筒型の電池2に本発明を適用した場合を例に説明する。 The battery 2 to which the present invention is applied is not particularly limited. For example, a case where the present invention is applied to an AA size cylindrical battery 2 shown in FIG. 1 will be described as an example.
図1に示すように、電池2は、容器として、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は導電性を有し、その底壁35は負極端子として機能する。外装缶10の開口には、封口体11が固定されている。この封口体11は、蓋板14及び正極端子20を含み、外装缶10を封口するとともに正極端子20を提供する。蓋板14は、導電性を有する円板形状の部材である。外装缶10の開口内には、蓋板14及びこの蓋板14を囲むリング形状の絶縁パッキン12が配置され、絶縁パッキン12は外装缶10の開口縁37をかしめ加工することにより外装缶10の開口縁37に固定されている。即ち、蓋板14及び絶縁パッキン12は互いに協働して外装缶10の開口を気密に閉塞している。
As shown in FIG. 1, the battery 2 includes an outer can 10 having a bottomed cylindrical shape with an upper end opened as a container. The
ここで、蓋板14は中央に中央貫通孔16を有し、そして、蓋板14の外面上には中央貫通孔16を塞ぐゴム製の弁体18が配置されている。更に、蓋板14の外面上には、弁体18を覆うようにしてフランジ付き円筒形状をなす金属製の正極端子20が電気的に接続されている。この正極端子20は弁体18を蓋板14に向けて押圧している。なお、正極端子20には、図示しないガス抜き孔が開口されている。
Here, the
通常時、中央貫通孔16は弁体18によって気密に閉じられている。一方、外装缶10内にガスが発生し、その内圧が高まれば、弁体18は内圧によって圧縮され、中央貫通孔16を開き、この結果、外装缶10内から中央貫通孔16及び正極端子20のガス抜き孔を介して外部にガスが放出される。つまり、中央貫通孔16、弁体18及び正極端子20は電池のための安全弁を形成している。
Normally, the central through
外装缶10には、アルカリ電解液(図示せず)とともに電極群22が収容されている。この電極群22は、それぞれ帯状の正極24、負極26及びセパレータ28からなり、これらは正極24と負極26との間にセパレータ28が挟み込まれた状態で渦巻状に巻回されている。即ち、セパレータ28を介して正極24及び負極26が互いに重ね合わされている。電極群22の最外周は負極26の一部(最外周部)により形成され、外装缶10の内周壁と接触している。即ち、負極26と外装缶10とは互いに電気的に接続されている。
The
そして、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が配置されている。詳しくは、正極リード30は、その一端が正極24に接続され、その他端が蓋板14に接続されている。従って、正極端子20と正極24とは、正極リード30及び蓋板14を介して互いに電気的に接続されている。なお、蓋板14と電極群22との間には円形の上部絶縁部材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39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下部絶縁部材34が配置されている。
In the
更に、外装缶10内には、所定量のアルカリ電解液(図示せず)が注入されている。注入されたアルカリ電解液の大部分は電極群22に保持されており、正極24と負極26との間での充放電反応を進行させる。このアルカリ電解液としては、NaOHを溶質の主体として含むアルカリ電解液が準備される。具体的には、アルカリ電解液の溶質として、NaOHを主体として含む水酸化ナトリウム水溶液が準備される。なお、アルカリ電解液の溶質には、この他、KOH及びLiOHのうちの少なくとも一方を含んでいる態様としてもよい。ここで、アルカリ電解液の溶質としてKOHやLiOHも含む場合、NaOHの量は、これらKOHやLiOHの量よりも多くする。
Further, a predetermined amount of alkaline electrolyte (not shown) is injected into the
そして、本発明においては、この準備されたアルカリ電解液にNaFが添加され、NaFを含むアルカリ電解液とされる。このNaFは、水素吸蔵合金表面のMgなどに吸着し、負極の水素吸蔵合金からの水素解離を抑制する。また、アルカリ電解液がNaFを含むことによりアルカリ電解液中のNaイオン量が増加するため、酸素過電圧が増加し、正極の自己分解反応が抑制される。これらの2つの作用によりニッケル水素二次電池の自己放電特性は向上する。 And in this invention, NaF is added to this prepared alkaline electrolyte, and it is set as the alkaline electrolyte containing NaF. This NaF adsorbs to Mg etc. on the surface of the hydrogen storage alloy and suppresses hydrogen dissociation from the hydrogen storage alloy of the negative electrode. Moreover, since the amount of Na ions in the alkaline electrolyte increases when the alkaline electrolyte contains NaF, the oxygen overvoltage increases and the self-decomposition reaction of the positive electrode is suppressed. These two actions improve the self-discharge characteristics of the nickel-hydrogen secondary battery.
ここで、アルカリ電解液内におけるNaFの濃度は、0.25質量%以上とすることが好ましい。NaFの濃度が0.25質量%よりも少ないと上記した自己放電特性の向上効果は小さい。NaFの濃度は高いほど自己放電特性の向上効果は高くなるので、NaFの濃度の上限は、アルカリ電解液に対するNaFの飽和濃度とすることが好ましく、具体的には、1.17質量%である。 Here, the concentration of NaF in the alkaline electrolyte is preferably 0.25% by mass or more. When the concentration of NaF is less than 0.25% by mass, the effect of improving the self-discharge characteristics described above is small. The higher the concentration of NaF, the higher the effect of improving the self-discharge characteristics. Therefore, the upper limit of the NaF concentration is preferably the saturated concentration of NaF with respect to the alkaline electrolyte, specifically 1.17% by mass. .
本発明において、アルカリ電解液にNaFを含ませる態様としては、準備されたアルカリ電解液にNaFの粉末を添加し攪拌することによりNaFを溶解させ、予めNaFが含まれているアルカリ電解液を調製する態様が挙げられる。この態様の場合、アルカリ電解液にNaFを所望の量だけ添加して攪拌すれば、所望する濃度のNaFを含むアルカリ電解液が簡便に得られるので好ましい。但し、本発明において、アルカリ電解液にNaFを含ませる態様としては、この態様に限定されるものではなく、外装缶10内の適当な部分、例えば、電極群22の上部に粉末の形態のNaFを供給する態様、後述する負極合剤に粉末のNaFを添加する態様等が挙げられる。なお、これらの態様は単独で採用しても複数を組み合わせて採用しても構わない。
In the present invention, as an aspect in which NaF is included in the alkaline electrolyte, NaF powder is added to the prepared alkaline electrolyte and stirred to dissolve NaF to prepare an alkaline electrolyte containing NaF in advance. The mode to do is mentioned. In the case of this embodiment, it is preferable to add a desired amount of NaF to the alkaline electrolyte and stir, because an alkaline electrolyte containing a desired concentration of NaF can be easily obtained. However, in the present invention, the embodiment in which NaF is contained in the alkaline electrolyte is not limited to this embodiment, and an appropriate portion 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用いることができる。具体的には、スルホン化処理が施されてスルホン基が付与されたポリオレフィン繊維を主体とする不織布を用いることが好ましい。ここで、スルホン基は、硫酸又は発煙硫酸等の硫酸基を含む酸を用いて不織布を処理することにより付与される。
As a material of the
正極24は、多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の正極基材と、前記した空孔内及び正極基材の表面に保持された正極合剤とからなる。
The
このような正極基材としては、例えば、ニッケルめっきが施された網状、スポンジ状若しくは繊維状の金属体、あるいは、発泡ニッケル(ニッケルフォーム)を用いることができる。 As such a positive electrode base material, for example, a net-like, sponge-like or fibrous metal body plated with nickel, or foamed nickel (nickel foam) can be used.
正極合剤は、正極活物質粒子、導電材、正極添加剤及び結着剤を含む。この結着剤は、正極活物質粒子、導電材及び正極添加剤を結着させると同時に正極合剤を正極基材に結着させる働きをなす。ここで、結着剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)ディスパージョン、HPC(ヒドロキシプロピルセルロース)ディスパージョンなどを用いることができる。 The positive electrode mixture includes positive electrode active material particles, a conductive material, a positive electrode additive, and a binder. The binder serves to bind the positive electrode active material particles, the conductive material, and the positive electrode additive, and at the same time, bind the positive electrode mixture to the positive electrode base material. Here, as the binder, for example, carboxymethylcellulose, methylcellulose, PTFE (polytetrafluoroethylene) dispersion, HPC (hydroxypropylcellulose) dispersion, and the like can be used.
正極活物質粒子は、水酸化ニッケル粒子又は高次水酸化ニッケル粒子である。なお、これら水酸化ニッケル粒子には、亜鉛、マグネシウム及びコバルトのうちの少なくとも一種を固溶させることが好ましい。 The positive electrode active material particles are nickel hydroxide particles or higher order nickel hydroxide particles. In addition, it is preferable to dissolve at least one of zinc, magnesium, and cobalt in these nickel hydroxide particles.
導電材としては、例えば、コバルト酸化物(CoO)やコバルト水酸化物(Co(OH)2)などのコバルト化合物及びコバルト(Co)から選択された1種又は2種以上を用いることができる。この導電材は、必要に応じて正極合剤に添加されるものであり、添加される形態としては、粉末の形態のほか、正極活物質の表面を覆う被覆の形態で正極合剤に含まれていてもよい。 As the conductive material, for example, one or more selected from cobalt compounds such as cobalt oxide (CoO) and cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ) and cobalt (Co) can be used. This conductive material is added to the positive electrode mixture as necessary, and is added to the positive electrode mixture in the form of a powder and a coating covering the surface of the positive electrode active material. It may be.
正極添加剤は、正極の特性を改善するために、必要に応じ適宜選択されたものが添加される。主な正極添加剤としては、例えば、酸化イットリウムや酸化亜鉛が挙げられる。 In order to improve the characteristics of the positive electrode, the positive electrode additive is appropriately selected as necessary. Examples of the main positive electrode additive include yttrium oxide and zinc oxide.
正極24は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、上記したようにして得られた正極活物質粒子からなる正極活物質粉末、導電材、正極添加剤、水及び結着剤を含む正極合剤スラリーを調製する。得られた正極合剤スラリーは、例えばニッケルフォームに充填され、乾燥させられる。乾燥後、水酸化ニッケル粒子等が充填されたニッケルフォームは、ロール圧延されてから裁断される。これにより、正極合剤を担持した正極24が作製される。
The
First, a positive electrode mixture slurry including a positive electrode active material powder composed of positive electrode active material particles obtained as described above, a conductive material, a positive electrode additive, water, and a binder is prepared. The obtained positive electrode mixture slurry is filled in, for example, nickel foam and dried. After drying, the nickel foam filled with nickel hydroxide particles and the like is rolled and then cut. Thereby, the
次に、負極26について説明する。
負極26は、帯状をなす導電性の負極芯体を有し、この負極芯体に負極合剤が保持されている。
負極芯体は、貫通孔が分布されたシート状の金属材からなり、例えば、パンチングメタルシートを用いることができる。負極合剤は、負極芯体の貫通孔内に充填されるばかりでなく、負極芯体の両面上にも層状にして保持されている。
Next, the
The
The negative electrode core is made of a sheet-like metal material in which through holes are distributed. For example, a punching metal sheet can be used. The negative electrode mixture is not only filled in the through hole of the negative electrode core, but also held in layers on both surfaces of the negative electrode core.
負極合剤は、水素吸蔵合金の粒子、負極添加剤、導電材及び結着剤を含む。ここで、水素吸蔵合金は、負極活物質である水素を吸蔵及び放出可能な合金である。上記した結着剤は水素吸蔵合金の粒子、負極添加剤及び導電材を互いに結着させると同時に負極合剤を負極芯体に結着させる働きをなす。ここで、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、導電材としては、カーボンブラックや黒鉛を用いることができる。 The negative electrode mixture includes hydrogen storage alloy particles, a negative electrode additive, a conductive material, and a binder. Here, the hydrogen storage alloy is an alloy capable of storing and releasing hydrogen which is a negative electrode active material. The above-described binder serves to bind the particles of the hydrogen storage alloy, the negative electrode additive, and the conductive material to each other and simultaneously bind the negative electrode mixture to the negative electrode core. Here, 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 material.
水素吸蔵合金粒子における水素吸蔵合金としては、希土類元素、Mg、Niを含み、且つ、Co及びMnを除いた組成の希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金を用いることが好ましい。この希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金は、具体的には、以下に示す一般式(I)で表される組成を有している。 As the hydrogen storage alloy in the hydrogen storage alloy particles, it is preferable to use a rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy containing a rare earth element, Mg, Ni and excluding Co and Mn. Specifically, this rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy has a composition represented by the following general formula (I).
Ln1-xMgxNiy-aAla・・・(I)
ただし、一般式(I)中、Lnは、Zr、Ti、Y及び希土類元素から選ばれる少なくとも一つの元素、添字x、y、aは、それぞれ、0.05≦x≦0.30、2.8≦y≦3.8、0.05≦a≦0.30である条件を満たすことを要する。なお、上記した希土類元素は、具体的に、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを示す。
Ln 1-x Mg x Ni ya Al a (I)
However, in the general formula (I), Ln is at least one element selected from Zr, Ti, Y and rare earth elements, and the subscripts x, y and a are 0.05 ≦ x ≦ 0.30 and 2. It is necessary to satisfy the conditions of 8 ≦ y ≦ 3.8 and 0.05 ≦ a ≦ 0.30. In addition, the above-mentioned rare earth elements specifically indicate Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.
ここで、本発明に係る水素吸蔵合金は、Co及びMnを除いた組成を有することから、セパレータへの導電性物質の析出が少なく、自己放電特性の向上に貢献する。また、本発明に係る水素吸蔵合金は、一般式(I)におけるLn及びMgをA成分とし、Ni及びAlをB成分としたき、AB2型サブユニット及びAB5型サブユニットが積層されてなるA2B7型構造又はA5B19型構造をとる、いわゆる超格子構造をなしている。このような超格子構造をなす希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金は、AB5型合金の特徴である水素の吸蔵放出が安定しているという長所と、AB2型合金の特徴である水素の吸蔵量が大きいという長所とを併せ持っている。このため、本発明に係る水素吸蔵合金は、水素吸蔵能力に優れるので、得られる電池2の高容量化に貢献する。 Here, since the hydrogen storage alloy according to the present invention has a composition excluding Co and Mn, there is little precipitation of the conductive material on the separator, which contributes to the improvement of the self-discharge characteristics. In addition, the hydrogen storage alloy according to the present invention is formed by laminating AB 2 type subunits and AB 5 type subunits when Ln and Mg in the general formula (I) are A components and Ni and Al are B components. A so-called superlattice structure having an A 2 B 7 type structure or an A 5 B 19 type structure is formed. The rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having such a superlattice structure is advantageous in that the storage and release of hydrogen, which is a characteristic of the AB 5 type alloy, is stable, and the hydrogen, which is a characteristic of the AB 2 type alloy. It has the advantage of having a large amount of occlusion. For this reason, since the hydrogen storage alloy which concerns on this invention is excellent in hydrogen storage capacity, it contributes to high capacity | capacitance of the battery 2 obtained.
次に、上記した水素吸蔵合金粒子は、例えば、以下のようにして得られる。
まず、所定の組成となるよう金属原材料を秤量して混合し、この混合物を例えば誘導溶解炉で溶解した後、冷却してインゴットにする。得られたインゴットに、900〜1200℃の不活性ガス雰囲気下にて5〜24時間加熱する熱処理を施す。この後、室温まで冷却したインゴットを粉砕し、篩分けを行うことにより所望粒径の水素吸蔵合金粒子が得られる。
Next, the hydrogen storage alloy particles described above are obtained, for example, as follows.
First, metal raw materials are weighed and mixed so as to have a predetermined composition, and this mixture is melted in an induction melting furnace, for example, and then cooled to an ingot. The obtained ingot is subjected to heat treatment by heating for 5 to 24 hours in an inert gas atmosphere at 900 to 1200 ° C. Thereafter, the ingot cooled to room temperature is pulverized and sieved to obtain hydrogen storage alloy particles having a desired particle size.
負極添加剤は、負極の特性を改善するために必要に応じ適宜選択されたものが添加される。ここで、NaFを負極合剤中に添加する場合、この負極添加剤の一種として添加することが好ましい。この場合、NaFは、粉末の形態のものが用いられる。NaFが粉末の形態で添加される場合、負極合剤中のNaFは、次第にアルカリ電解液に溶解し、負極及び正極に作用し、負極の水素吸蔵合金からの水素解離を抑制するとともに正極の自己分解反応を抑制する。 As the negative electrode additive, one appropriately selected as necessary is added to improve the characteristics of the negative electrode. Here, when adding NaF in a negative electrode mixture, it is preferable to add as a kind of this negative electrode additive. In this case, NaF is used in the form of powder. When NaF is added in the form of a powder, NaF in the negative electrode mixture gradually dissolves in the alkaline electrolyte, acts on the negative electrode and the positive electrode, suppresses hydrogen dissociation from the hydrogen storage alloy of the negative electrode, and Suppresses decomposition reaction.
また、負極26は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、水素吸蔵合金粒子からなる水素吸蔵合金粉末、負極添加剤、導電材、結着剤及び水を混練して負極合剤スラリーを調製する。得られた負極合剤スラリーは負極芯体に塗着され、乾燥させられる。乾燥後、水素吸蔵合金粒子等が付着した負極芯体はロール圧延及び裁断が施され、これにより負極26が作製される。
Moreover, the
First, a hydrogen storage alloy powder composed of hydrogen storage alloy particles, a negative electrode additive, a conductive material, a binder and water are kneaded to prepare a negative electrode mixture slurry. The obtained negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode core and dried. After drying, the negative electrode core to which the hydrogen storage alloy particles and the like are attached is subjected to roll rolling and cutting, whereby the
ここで、負極添加剤としてNaFを採用する場合、NaFは増粘剤の増粘性を阻害しないため、負極合剤スラリーの垂れ落ちは抑制され、負極の作製を良好に行うことができる。 Here, when NaF is employed as the negative electrode additive, since NaF does not hinder the thickening of the thickener, dripping of the negative electrode mixture slurry is suppressed, and the negative electrode can be manufactured satisfactorily.
以上のようにして作製された正極24及び負極26は、セパレータ28を介在させた状態で、渦巻き状に巻回され、電極群22に形成される。
The
このようにして得られた電極群22は、外装缶10内に収容される。引き続き、当該外装缶10内にはアルカリ電解液が所定量注入される。
The
ここで、この外装缶10内にNaFを粉末の状態で直接供給することもできる。この場合、NaFが投入される場所は特に限定されないが、例えば、外装缶10の底部や収容された電極群22の上部に供給される。粉末の形態で供給されたNaFは、次第にアルカリ電解液に溶解し、上記したような負極及び正極に作用し、負極の水素吸蔵合金からの水素解離を抑制するとともに正極の自己分解反応を抑制する。
Here, NaF can be directly supplied into the outer can 10 in a powder state. In this case, the place where NaF is introduced is not particularly limited. For example, the NaF is supplied to the bottom of the
なお、NaFの粉末は、なるべく多く供給することが好ましい。しかし、外装缶10内の空間にNaFの粉末を入れ過ぎると、電池の構成部材の配置等に影響を与えるので、このような影響を与えない程度の量を供給することが好ましい。具体的には、NaFをアルカリ電解液に溶解させた場合にその添加濃度が0.5質量%となる量に相当する量以下のNaFの粉末を供給することが好ましい。
It is preferable to supply as much NaF powder as possible. However, too much NaF powder in the space inside the
その後、電極群22及びアルカリ電解液を収容した外装缶10は、正極端子20を備えた蓋板14により封口され、本発明に係る電池2が得られる。得られた電池2は、初期活性化処理が施され、使用可能状態とされる。
Thereafter, the outer can 10 containing the
[実施例]
1.電池の製造
(実施例1)
[Example]
1. Production of battery (Example 1)
(1)正極の作製
ニッケルに対して亜鉛3質量%、マグネシウム0.4質量%、コバルト1質量%となるように、硫酸ニッケル、硫酸亜鉛、硫酸マグネシウム及び硫酸コバルトを計量し、これらを、アンモニウムイオンを含む1Nの水酸化ナトリウム水溶液に加え、混合水溶液を調整した。得られた混合水溶液を攪拌しながら、この混合水溶液に10Nの水酸化ナトリウム水溶液を徐々に添加して反応させ、ここでの反応中、pHを13〜14に安定させて、水酸化ニッケルを主体とし、亜鉛、マグネシウム及びコバルトを固溶した水酸化ニッケル粒子を生成させた。
(1) Production of positive electrode Nickel sulfate, zinc sulfate, magnesium sulfate and cobalt sulfate are weighed so that they are 3% by mass of zinc, 0.4% by mass of magnesium and 1% by mass of cobalt with respect to nickel. In addition to a 1N aqueous sodium hydroxide solution containing ions, a mixed aqueous solution was prepared. While stirring the resulting mixed aqueous solution, a 10N sodium hydroxide aqueous solution was gradually added to the mixed aqueous solution to cause a reaction. During the reaction, the pH was stabilized at 13 to 14, and nickel hydroxide was mainly used. Then, nickel hydroxide particles in which zinc, magnesium and cobalt were dissolved were produced.
得られた水酸化ニッケル粒子を10倍の量の純水で3回洗浄した後、脱水、乾燥した。 The obtained nickel hydroxide particles were washed three times with 10 times the amount of pure water, then dehydrated and dried.
次に、上記したように作製した水酸化ニッケル粒子からなる正極活物質粉末100質量部に、水酸化コバルトの粉末10質量部を混合し、更に、0.5質量部の酸化イットリウム、0.3質量部の酸化亜鉛、40質量部のHPCディスバージョン液を混合して正極合剤スラリーを調製し、この正極合剤スラリーを正極基材としてのシート状のニッケルフォームに充填した。正極合剤を保持したニッケルフォームを乾燥後、ロール圧延した。正極合剤を保持したニッケルフォームは、圧延加工後に所定形状に裁断され、AAサイズ用の正極24に形成された。この正極24は、正極容量が2000mAhとなるように正極合剤を保持している。
Next, 10 parts by mass of cobalt hydroxide powder was mixed with 100 parts by mass of the positive electrode active material powder made of nickel hydroxide particles produced as described above, and further 0.5 parts by mass of yttrium oxide, 0.3 parts by mass. A positive electrode mixture slurry was prepared by mixing 40 parts by mass of zinc oxide and 40 parts by mass of HPC dispersion liquid, and this positive electrode mixture slurry was filled in a sheet-like nickel foam as a positive electrode substrate. The nickel foam holding the positive electrode mixture was dried and then rolled. The nickel foam holding the positive electrode mixture was cut into a predetermined shape after the rolling process, and formed on the
(2)水素吸蔵合金及び負極の作製
先ず、20質量%のLa、39.5質量%のPr、39.5質量%のNd及び0.01質量%のZrを含む希土類成分を調製した。得られた希土類成分、Mg、Ni、Alを計量して、これらがモル比で0.83:0.17:3.10:0.20の割合となる混合物を調製した。得られた混合物は、誘導溶解炉で溶解され、その溶湯が鋳型に流し込まれた後、室温まで冷却され水素吸蔵合金のインゴットとされた。このインゴットより採取したサンプルにつき、高周波プラズマ分光分析法(ICP)によって組成分析を行った。その結果、水素吸蔵合金の組成は、(La0.20Pr0.395Nd0.395Zr0.01)0.83Mg0.17Ni3.10Al0.20であった。
(2) Production of Hydrogen Storage Alloy and Negative Electrode First, a rare earth component containing 20% by mass of La, 39.5% by mass of Pr, 39.5% by mass of Nd and 0.01% by mass of Zr was prepared. The obtained rare earth components, Mg, Ni and Al were weighed to prepare a mixture in which these were in a molar ratio of 0.83: 0.17: 3.10: 0.20. The obtained mixture was melted in an induction melting furnace, and the molten metal was poured into a mold, and then cooled to room temperature to form a hydrogen storage alloy ingot. The sample collected from the ingot was subjected to composition analysis by high frequency plasma spectroscopy (ICP). As a result, the composition of the hydrogen storage alloy was (La 0.20 Pr 0.395 Nd 0.395 Zr 0.01 ) 0.83 Mg 0.17 Ni 3.10 Al 0.20 .
次いで、このインゴットに対し、温度1000℃のアルゴン雰囲気下にて10時間加熱する熱処理を施した。そして、熱処理後、室温まで冷却された水素吸蔵合金のインゴットをアルゴンガス雰囲気中で機械的に粉砕して篩分けし、400メッシュ〜200メッシュの間に残る水素吸蔵合金粒子からなる粉末を選別した。詳しくは、まず、粉砕された水素吸蔵合金を200メッシュの篩に通し、この200メッシュの網目を通過した粒子を集めた。その後、この集められた粒子を400メッシュの篩に通し、この400メッシュの網目上に残った粒子を集めた。得られた水素吸蔵合金粒子の粒径は、約35μm〜約74μmである。 Next, heat treatment was performed on the ingot by heating in an argon atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for 10 hours. Then, after the heat treatment, the hydrogen storage alloy ingot cooled to room temperature was mechanically pulverized in an argon gas atmosphere and sieved to select a powder composed of hydrogen storage alloy particles remaining between 400 mesh and 200 mesh. . Specifically, first, the pulverized hydrogen storage alloy was passed through a 200-mesh sieve, and the particles that passed through the 200-mesh mesh were collected. Thereafter, the collected particles were passed through a 400 mesh screen to collect the particles remaining on the 400 mesh screen. The obtained hydrogen storage alloy particles have a particle size of about 35 μm to about 74 μm.
得られた水素吸蔵合金粒子からなる粉末100質量部に対し、ポリアクリル酸ナトリウム0.4質量部、カルボキシメチルセルロース0.1質量部、スチレンブタジエンゴム(SBR)のディスバージョン(固形分50重量%)1.0質量部(固形分換算)、カーボンブラック1.0質量部、および水30質量部を添加して混練し、負極合剤スラリーを調製した。 Dispersion of sodium acrylate 0.4 parts by mass, carboxymethylcellulose 0.1 parts by mass, styrene butadiene rubber (SBR) (solid content 50% by weight) with respect to 100 parts by mass of the powder comprising the obtained hydrogen storage alloy particles 1.0 part by mass (in terms of solid content), 1.0 part by mass of carbon black, and 30 parts by mass of water were added and kneaded to prepare a negative electrode mixture slurry.
この負極合剤スラリーを負極芯体としての鉄製の孔あき板の両面に均等、且つ、厚さが一定となるように塗布した。なお、この孔あき板は60μmの厚みを有し、その表面にはニッケルめっきが施されている。 This negative electrode mixture slurry was applied to both surfaces of an iron perforated plate as a negative electrode core so that the thickness was uniform and constant. The perforated plate has a thickness of 60 μm, and the surface thereof is plated with nickel.
スラリーの乾燥後、水素吸蔵合金の粉末が付着した孔あき板を更にロール圧延して体積当たりの合金量を高めた後、裁断し、希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金を含むAAサイズ用の負極26を作成した。
After drying the slurry, the perforated plate to which the hydrogen storage alloy powder is adhered is further rolled to increase the amount of alloy per volume, and then cut and cut for an AA size containing a rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy. A
(3)ニッケル水素二次電池の組み立て
得られた正極24及び負極26をこれらの間にセパレータ28を挟んだ状態で渦巻状に巻回し、電極群22を作製した。ここでの電極群22の作製に使用したセパレータ28はスルホン化処理が施されたポリプロピレン繊維製不織布から成り、その厚みは0.1mm(目付量53g/m2)であった。
(3) Assembly of Nickel Metal Hydride Battery The obtained
一方、NaOH、LiOH及びKOHを含む水溶液からなるアルカリ電解液を準備した。ここで、NaOHは7.0N、LiOHは0.8N、KOHは0.2Nである。更に、このアルカリ電解液に対し、NaFを添加した。ここで、NaFはアルカリ電解液に対し、濃度が0.25質量%となる量だけ添加し攪拌して溶解させた。 On the other hand, an alkaline electrolyte composed of an aqueous solution containing NaOH, LiOH and KOH was prepared. Here, NaOH is 7.0 N, LiOH is 0.8 N, and KOH is 0.2 N. Further, NaF was added to the alkaline electrolyte. Here, NaF was added to the alkaline electrolyte in an amount of 0.25% by mass and dissolved by stirring.
次いで、有底円筒形状の外装缶10内に上記した電極群22を収納するとともに、上記したNaFが添加されたアルカリ電解液を2.362g(内訳:アルカリ電解液が2.356g、NaFが0.006g)注入した。この後、封口体11で外装缶10の開口を塞ぎ、公称容量2000mAhのAAサイズのニッケル水素二次電池2を組み立てた。このニッケル水素二次電池を電池aと称する。ここで、公称容量は、0.1Itで16時間充電後、0.1Itで電池電圧が1.0Vになるまで放電した際の電池の放電容量とした。
Next, the above-described
(4)初期活性化処理
電池aに対し、温度25℃の環境下にて、1.0Itで16時間の充電を行った後に、0.2Itで電池電圧が0.5Vになるまで放電させる初期活性化処理を2回繰り返した。このようにして、電池aを使用可能状態とした。
(4) Initial activation treatment After charging the battery a for 16 hours at a temperature of 25 ° C. and at a temperature of 25 ° C., the battery a is initially discharged until the battery voltage reaches 0.5 V at 0.2 It. The activation process was repeated twice. In this way, the battery a was made usable.
(実施例2)
アルカリ電解液に対し、濃度が0.50質量%となる量だけNaFをアルカリ電解液へ添加して溶解させたこと及びNaFが添加されたアルカリ電解液の外装缶10内への注入量を2.368g(内訳:アルカリ電解液が2.356g、NaFが0.012g)としたこと以外は、実施例1の電池aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池b)を作製した。
(Example 2)
The amount of NaF added to the alkaline electrolyte and dissolved in an amount of 0.50% by mass with respect to the alkaline electrolyte, and the injection amount of the alkaline electrolyte added with NaF into the
(実施例3)
アルカリ電解液に対し、濃度が1.00質量%となる量だけNaFをアルカリ電解液へ添加して溶解させたこと及びNaFが添加されたアルカリ電解液の外装缶10内への注入量を2.380g(内訳:アルカリ電解液が2.356g、NaFが0.024g)としたこと以外は、実施例1の電池aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池c)を作製した。
(Example 3)
The amount of NaF added to the alkaline electrolyte and dissolved in an amount of 1.00% by mass with respect to the alkaline electrolyte, and the injection amount of the alkaline electrolyte added with NaF into the
(実施例4)
アルカリ電解液に対し、濃度が1.00質量%となる量だけNaFをアルカリ電解液へ添加して溶解させたこと、NaFが添加されたアルカリ電解液の外装缶10内への注入量を2.380g(内訳:アルカリ電解液が2.356g、NaFが0.024g)としたこと、及び、外装缶10内に電極群22を収容した後、封口体11で外装缶10の開口を塞ぐ前に、NaFをアルカリ電解液に溶解させた場合にその濃度が0.5質量%となる量に相当する量のNaFの粉末を電極群22の上部に供給したこと以外は、実施例1の電池aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池d)を作製した。
Example 4
The amount of NaF added to the alkaline electrolyte and dissolved in an amount of 1.00% by mass with respect to the alkaline electrolyte, and the amount of injection of the alkaline electrolyte added with NaF into the
(実施例5)
アルカリ電解液にNaFを添加せず、その代わりに負極合剤スラリーにNaFの粉末を0.5質量部添加したこと以外は、実施例1の電池aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池e)を作製した。
(Example 5)
A nickel metal hydride secondary battery (battery) was obtained in the same manner as the battery a of Example 1, except that NaF was not added to the alkaline electrolyte, and instead 0.5 parts by mass of NaF powder was added to the negative electrode mixture slurry. e) was prepared.
(比較例1)
NaFをアルカリ電解液に添加しないこと以外は、実施例1の電池aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池f)を作製した。
(Comparative Example 1)
A nickel metal hydride secondary battery (battery f) was produced in the same manner as the battery a of Example 1 except that NaF was not added to the alkaline electrolyte.
なお、電池a〜電池fに関し、アルカリ電解液の態様及びアルカリ電解液中のNaFの添加濃度につき表1にまとめた。 In addition, regarding the battery a to the battery f, the aspect of the alkaline electrolyte and the concentration of NaF added in the alkaline electrolyte are summarized in Table 1.
2.ニッケル水素二次電池の評価(自己放電特性の評価)
初期活性化処理済みの電池a〜電池fに対し、25℃の環境下にて、1.0Itで充電を行い、電池電圧が最大値に達した後、この最大値から10mV低下したときに充電を終了する、いわゆる−ΔV制御での充電(以下、単に−ΔV充電という)を行った。その後、0.2Itで放電を行った。そして、このときの電池の放電容量を測定した。この放電容量を初期容量とする。
2. Evaluation of NiMH secondary battery (Evaluation of self-discharge characteristics)
The batteries a to f after the initial activation treatment are charged at 1.0 It in an environment of 25 ° C., and charged when the battery voltage reaches the maximum value and then decreases by 10 mV from the maximum value. The charging under the so-called -ΔV control (hereinafter simply referred to as -ΔV charging) was performed. Thereafter, discharging was performed at 0.2 It. And the discharge capacity of the battery at this time was measured. This discharge capacity is taken as the initial capacity.
その後、25℃の環境下にて、1.0Itで−ΔV充電を行った後、この電池を60℃の恒温槽内に2週間放置して電池の自己放電を進行させた。60℃で2週間放置した後の電池に対し、25℃の環境下にて0.2Itで放電した。このときの放電容量を測定した。この放電容量を残存容量とする。 Then, after carrying out -ΔV charging at 1.0 It in an environment of 25 ° C., this battery was left in a constant temperature bath at 60 ° C. for 2 weeks to allow the battery to self-discharge. The battery after left at 60 ° C. for 2 weeks was discharged at 0.2 It in an environment of 25 ° C. The discharge capacity at this time was measured. This discharge capacity is defined as the remaining capacity.
得られた初期容量の値及び残存容量の値から、以下の(II)式より自己放電量を求めた。その結果を自己放電量として表2に示した。この自己放電量が小さいほど自己放電が抑制されていることを表す。
自己放電量(mAh)=初期容量−残存容量・・・(II)
From the obtained initial capacity value and remaining capacity value, the self-discharge amount was determined from the following formula (II). The results are shown in Table 2 as the amount of self-discharge. It represents that self-discharge is suppressed, so that this self-discharge amount is small.
Self-discharge amount (mAh) = initial capacity-remaining capacity (II)
次いで、各実施例の電池の自己放電量から、以下の(III)式より、指数化自己放電量を求めた。比較例1の指数化自己放電量を100として、各電池の指数化自己放電量との比を求め、この結果を指数化自己放電量比として表2に示した。この指数化自己放電量比の値が小さいほど従来(比較例1)の電池よりも自己放電特性が向上していることを示す。
指数化自己放電量=各実施例の自己放電量/比較例1の自己放電量・・・(III)
Next, the indexed self-discharge amount was obtained from the following formula (III) from the self-discharge amount of the battery of each example. Taking the indexed self-discharge amount of Comparative Example 1 as 100, the ratio of each battery to the indexed self-discharge amount was determined, and the results are shown in Table 2 as the indexed self-discharge amount ratio. A smaller value of the indexed self-discharge amount ratio indicates that the self-discharge characteristics are improved as compared with the conventional battery (Comparative Example 1).
Indexed self-discharge amount = Self-discharge amount of each example / Self-discharge amount of Comparative Example 1 (III)
3.考察
(i)負極添加剤としてNaFを採用した実施例5の場合、負極合剤スラリーを問題なく芯体に塗布でき、電池を作製することができた。
3. Discussion (i) In the case of Example 5 in which NaF was used as the negative electrode additive, the negative electrode mixture slurry could be applied to the core without any problem, and a battery could be produced.
しかも、電池eの自己放電量は316.0mAhであり、比較例1の電池fよりも自己放電を抑制していることがわかる。このことから、NaFは、負極に添加させても自己放電特性の向上に貢献することがわかる。 Moreover, the self-discharge amount of the battery e is 316.0 mAh, which indicates that self-discharge is suppressed more than the battery f of Comparative Example 1. From this, it can be seen that NaF contributes to the improvement of the self-discharge characteristics even when added to the negative electrode.
(ii)NaFをアルカリ電解液に添加している実施例1〜4の電池a〜dは、NaFを添加していない比較例1の電池fよりも自己放電量が低い。このことから、NaFをアルカリ電解液に添加することにより、ニッケル水素二次電池の自己放電特性が向上していることがわかる。これは、アルカリ電解液に含まれるNaFが、水素吸蔵合金表面のMgなどに吸着し、負極の水素吸蔵合金からの水素解離を抑制するとともに、電解液中にてNaイオンの量を増加させるため、酸素過電圧が増加し、正極の自己分解反応を抑制するためであると考えられる。 (Ii) The batteries a to d of Examples 1 to 4 in which NaF is added to the alkaline electrolyte have a lower self-discharge amount than the battery f of Comparative Example 1 to which NaF is not added. From this, it can be seen that the self-discharge characteristics of the nickel-hydrogen secondary battery are improved by adding NaF to the alkaline electrolyte. This is because NaF contained in the alkaline electrolyte is adsorbed on Mg or the like on the surface of the hydrogen storage alloy, suppressing hydrogen dissociation from the hydrogen storage alloy of the negative electrode, and increasing the amount of Na ions in the electrolyte. This is probably because the oxygen overvoltage increases and suppresses the self-decomposition reaction of the positive electrode.
(iii)また、実施例4の電池dは、実施例1〜3の電池a〜電池cよりも自己放電量が低く、314.9mAhであった。この電池dは、アルカリ電解液中にNaFを添加し、更に、電極群22の上にNaFの粉末を多めに供給したものである。この場合、粉末のNaFが、電極群22の上部に存在するアルカリ電解液に溶解し、電池内のアルカリ電解液の濃度が全体として飽和濃度に近い値に維持されると考えられる。つまり、この態様の場合、アルカリ電解液中に可能な限りNaFが多く含まれている。このことから、NaFが多いほど電池の自己放電改善効果が大きいことを確認した。また、アルカリ電解液にNaFを含ませ、更に、粉末状のNaFを外装缶10内に供給することが、自己放電特性の改善に有効であることを確認した。
(Iii) Further, the battery d of Example 4 had a lower self-discharge amount than the batteries a to c of Examples 1 to 3, and was 314.9 mAh. In this battery d, NaF was added to the alkaline electrolyte, and a large amount of NaF powder was supplied onto the
なお、本発明は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、例えば、ニッケル水素二次電池は、角形電池であってもよく、機械的な構造は格別限定されることはない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible. For example, the nickel metal hydride secondary battery may be a prismatic battery and has a mechanical structure. Is not exceptionally limited.
2 ニッケル水素二次電池
22 電極群
24 正極
26 負極
28 セパレータ
2 Nickel metal hydride
Claims (3)
前記電極群は、セパレータを介して重ね合わされた正極及び負極からなり、
前記負極は、希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金を含み、
前記アルカリ電解液は、NaFを含み、
前記水素吸蔵合金は、
一般式:Ln 1−x Mg x Ni y−a Al a (ただし、式中、Lnは、Zr、Ti、Y及び希土類元素から選ばれる少なくとも一つの元素、添字x、y、aは、それぞれ、0.05≦x≦0.30、2.8≦y≦3.8、0.05≦a≦0.30を示す)で表される組成を有している、ニッケル水素二次電池。 A container, and an electrode group housed in an airtight state together with an alkaline electrolyte in the container,
The electrode group is composed of a positive electrode and a negative electrode superimposed via a separator,
The negative electrode includes a rare earth-Mg-Ni-based hydrogen storage alloy,
The alkaline electrolyte, only contains the NaF,
The hydrogen storage alloy is
General formula: Ln 1-x Mg x Ni y-a Al a ( In the formula, Ln is Zr, Ti, at least one element selected from Y and rare earth elements, the subscript x, y, a, respectively, 0.05 ≦ x ≦ 0.30, 2.8 ≦ y ≦ 3.8, 0.05 ≦ a ≦ 0.30) .
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