JPH02109261A - ニッケル電極用活物質及びニッケル電極とこれを用いたアルカリ電池 - Google Patents
ニッケル電極用活物質及びニッケル電極とこれを用いたアルカリ電池Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
これを用いたアルカリ電池に関するものである。
、焼結式電池と称し、ニッケル粉末を穿孔鋼板等に焼結
した微孔基板に水酸化ニッケルを充填させたものである
。この方式の電極は、充填工程を何度も繰り返し非常に
煩雑であり、コストが高い。しかも、用いる基板の多孔
度が制限されるため、活物質の充填密度が低く、電極の
エネルギー密度40 D ”h/cc程度の[極しか製
造できない。
行われている。例えば、水酸化コバルト被覆水酸化ニッ
ケル粉末に導電性付加剤として、20awt%のグラフ
ァイト粉末を混合し、シー)状にした後、集電体である
ニッケル板に圧着して電極とする。この導電性付加剤そ
のものは電極の容量に寄与しないため、容量密度が低下
し、且つグラファイトの分解による炭酸根が多量に生成
する。このために、r/!!閉形ニッケルカドミウム電
池の如く、電解液量の少ない電池には使用できない。上
記欠点を克服するべく、95%の高多孔度の金属繊維基
板を用いたペースト式ニッケル電極が来月化されつつあ
る。該電極は、硫酸ニッケル地水溶液と水酸化す) I
Jウム水溶液から作製された水酸化ニラクル粉末活物質
に、活物質間導電性のネットワークを形成スるC00粉
末を添加し、カルボキシメチル七ルローズを水に溶解し
た粘調液を加えペースト状態で繊維基板に充填して作製
される。この方式の電極は、焼結式電極に比べ安価であ
り、エネルギー密度も500 ′Ah/ccと高い。
化に伴い、市場ニーズとして600”h/cc稈度の高
エネルギー密度が要求されている。これに対応するため
には、基板の多孔度に限界があることから、水酸化ニッ
ケル粉末そのものを高密度化する必要がある。高密度水
酸化ニッケル粉末は、鉄板のパーカライジング処理の原
料の一部として用いられている。その製造法は硝酸ニッ
ケルあるいは硫酸ニッケルを弱埴基性のアンモニア水溶
液中に溶解させ、ニッケルアンミン錯イオンとして安定
化させ、水酸化ナトリウム水溶液を加えながら、粒子内
部に空孔が発達しないように徐々に水酸化ニッケルとし
て析出させるものである。
なわないために、粒界が少なく、結晶性の高い(細孔容
積が少ない)高密度な水酸化ニッケルとなる。
活物質材料として用いるには、いくつかの問題点を有し
ている。
ッケルの結晶内をプロトンが自由に移動することによっ
て起る。ところが、水酸化ニッケルの高密度化に伴って
結晶が緻密になるため、結晶内のプロトン移動の自由さ
が限定される。しかも比表面積の減少により電流密度が
増大し、高次酸化物γ−N100Hが多量に生成するよ
うになり、2段放電及び[Wlの膨潤と言った放電並び
に寿命特性の悪化あるいは利用率低下といった現象をひ
きおこす。電極の致命的因子であるニッケル電極のγ−
NiOO1(生成に伴う膨am*ti、高密度19−N
i0OH力ラa密度r −)JiOOHへの密度変化に
起因するものである。γ−Ni0OHの生成防止に有効
な手段として、本発明者は既に少量のカドミウムの水酸
化ニッケルへの固溶体添加を見い出したが、公害の見地
よりカドミウム以外の有効な添加剤が望まれている。
高密度化に伴うγ−NiOOHの生成を毒性の少ない添
加剤によって防止し、長持命化すると共に、活物質の利
用率を向上させたニッケル電極用活物質及びニッケル電
極と、これを用いたアルカリ電池を提供することを目的
とする0 発明の#:J成 本発明は、水酸化ニッケル粉末活物質にマグネシウムを
1〜3wt%添加し、該マグネシウムが水酸化ニッケル
の結晶中で固溶状急にあり、且つ細孔半径が50Å以上
の粒子内部遷#細孔の発達を阻止し、更に全細孔容積を
0.05”/9以下に制御したことを特徴とするニッケ
ル電極用活物質である。
水酸化ニッケル粉末活物質にマグネシウムを1〜5wt
%添加し、該マグネシウムが水酸化ニッケルの結晶中で
固溶状態にあるニッケルWL極用活物質を主成分とする
ペーストを充填したことを特徴とするニッケA[極であ
る。
の場合、高次酸化物γ−NiOOHが多量に生成する。
水酸化ニッ+ルの結晶中に配置すると結晶に歪を生じる
ため、ブ算トンの動きに自由さが増し、利用率の向上及
びγ−Ni0OHの生成を減少する作用があることを見
いだした。
及ぼすといわれていたが、1〜3wt%の微量添加であ
れば、非常に高性能な電極が得られることが明らかにな
った。
合物添加剤を溶解させ、集電体と水酸化ニッケル粒子間
を1(CiO02−+β−Co(OH)2反応によって
接紐させた後に充電する。しかる後に、充電と言う電気
化学的酸化によってβ−C。
キシ水酸化コバルトに変化し集電体ニッケル繊維と水酸
化ニッケル粒子間の電子の流れをスムーズにし、利用率
を増大させる作用がある。この反応メカニズムを第1図
にモデル化して示した。モデル図で示すように、この電
極の重要な点は添加剤を溶解させ、集電体ニッケル繊維
と活物質を接続させるところにある。
る。
に硫酸アンモニウムを添加し、ニッケ/l’及びマグネ
シウムのアンミン錨イオンを形成させる。
い攪拌を行い、徐々に錯イオンを分解させてマグネシウ
ムの固溶体化した水酸化ニッケル粒子を析出成長させる
。この時水酸化ナトリウム水溶液はPHII〜13程度
の薄いアルカリ濃度にし、温度は40〜50℃の範囲で
徐々に析出させる。析出溶液のPHによって、種々な物
性の水酸化ニッケル粒子が得られる。
細孔容積とγ−NiOOH生戒率のPH生存率の関係を
示した。
末になる。一方、γ−NiOOHは低いPI(はど生成
しやすい傾向にある。二つの因子を満足させる領域は、
各々の変曲点に挟まれたハツチングで示したPH11付
近から13付近に至る領域である。
細孔容積が変化したが1同時に比表面積も変化した。A
−Eが水酸化ニッケルのみで、Fが3wt%のマグネシ
ウムな固溶状態で添加したものであり、Gは従来法によ
る水酸化ニッケルのみのものである。
化ニッケル粒子を析出したものである。
大する傾向を示している。即ち、比表面積と細孔容積の
間には相関々係があり、マグネシウム添加の有無に関係
なく細孔容積の少ない高密度活物質は、比表面積が少な
い。
グネシウム添加高密度水酸化ニラクル活物質の細孔径分
布の比較を示した。
液を50℃、PH−14,5の高濃度アルカリ溶液中に
滴下し析出させたものである。
5〜100人の幅広い範囲に渡り多量に存在する。その
細孔容積は、o、 1b6zlyyと粒子容積(0,4
1鴫り)の30〜40%にも達し、かなり空隙の大きい
粒子である。一方、本発明のマグネシウム添加高密度水
酸化ニッケルFは、その容積が0.028”/9と小さ
く、0粒子の%程度にすぎない。これは、1粒子が0粒
子よりも20〜30%高密度であるということである。
り比表面積、及び空孔容積が小さなものでなければなら
ないことを示している。これらの水酸化ニッケル粉末に
、アルカリ電解液に溶解しGo(1)錯イオンを生成す
る少量のコバルト化合物、Coo、a−Co(OH)2
、β−Go(OH)2あるいは酢酸コバルIIの粉末を
混合した。しかる後、1%のカルボキシメチルセルロー
ズの溶解した水溶液を加えて流動性のあるベース)2を
作製した。このペースト液を多孔度95%の耐アルカリ
繊維基板、例えばニッケル繊維基板等に所定量充填させ
、乾燥後ニッケル電極とした。
率を知るために、このニッケル電極を正極とし、対極と
してカドミウム電極をポリプロピレン不織布セパレータ
を介して組立て、比重1.27の水酸化カリウム水溶液
を電解液として注入した。電解液注入後、電池は添加剤
であるコバルト化合物を腐食電位で溶解させ、水酸化ニ
ッケル粉末間を接続させるために、各種条件で放置した
。第5図に添加剤としてCtoOを用い、比表面積66
rrl/9の水酸化ニッケル粉末を用いて作製した電池
についての放置条件と活物質利用率の関係を示した。導
電性ネットワーク形成の重要な過程である放置条件は、
高濃度電解液及び高温度はど短期間で高い利用率の得ら
れる事を示しており、且つ溶解した000量が有効に作
用していることを示している。これは添加剤の溶解析出
による均一分散性(より完全なネットワーク形成)に起
因している。
物質利用率の関係を示した。活物質組成が水酸化ニッケ
ルのみから成るA〜Gは、比表面積と活物質利用率の間
に比例関係が存在する。この事実は、高い活物質利用率
を得るためには高い比表面積が必要であることを示して
いる。従って、前述の比表面積と細孔容積の関係より、
より高い活物質利用率を得るためには、より大きい細孔
容積を持つ、つまり低密度活物質の方が良いことを意味
しているから、究極として電極の高エネルギー密度化は
図れないことになる。活物質利用率が理論値に近いこと
から、要求される600n′Ah/ccのエネルギー密
度を満たす高密度活物質粉末の空孔容積は、 0.05
’%以下でなければならず、そのとき空孔容積と相関関
係にある比表面積は15〜30 ’/9である。
シウムを添加したFは、比表面積が小さいにも拘らず、
従来粉末Gと変わらない高い利用率を示している。従来
粉末に比べ高密度粉末が、同一体積基板により多く充填
できるため極板単位体積あたりのエネルギー密度は、従
来粉末Gが504 Ah/ct: 、高密度粉末Fが6
20″IA、h/ccと高密度粉末Fが従来粉末Gより
も20%程度高い値を示している。
から反応種プロトンの出入口が縮小するわけであるが、
マグネシウムを添加することで水酸化ニッケル結晶に歪
を持たせることにより、固相でのプロトン移動がスムー
ズになったものと考察される。即ち、利用率はプロトン
の移動量を意味していると言える。これは、粒子の比表
面積と結晶内部(固相)での拡散速度の二つの因子に支
配されており、結晶が同一の場合は、比表面積に支配さ
れ、結晶が異なる場合は内部歪に支配されるものと考察
される。活物質が反応するためには集電体から活物質粒
子表面にスムーズに電子を移動させる必要があり、上述
した如く遊離状態(水酸化ニッケルに固溶することなく
粒子表面に存在)にある導電性を持ったCooOH粒子
のネットワークが不可欠である。このネットワークをつ
くるcoo B加削については、添加剤量を増加させる
と、活物質利用率も増加する。しかし、添加剤そのもの
は、導電性に寄与するのみで実際には放電しないため、
極板エネルギー密度は、15%付近より低下する傾向を
示している。
−NiOOH生威量と活物質粉末の11@の相関関係を
X線解析により調べた。X線回折ピークを第8図に示す
。
ウムな固溶状態で添加すれば、添加量の増加に伴いγ−
NiOOHの生成量が減少することがわかる。
、水酸化ニッケルの製造方法、すなわち析出PHによっ
ても影響され、第10図に示される如く、従来法で作製
した場合と異なっている。特に本発明の場合、従来法に
比較し充填末期に存在している可逆性の悪いγ−NiO
OHの内、60〜50%が放電できることに特徴がある
。
Hの蓄積をより防止でき、電極の長寿命化を図ることが
できる。このように、固溶体化した添加剤の効果は、活
物質析出条件によって変化する。しかし、少なくとも本
発明のマグネシウム添加においては、従来の高濃度アル
カリ水溶液中で析出させるよりも薄いアルカリ水溶液中
で析出させる方が優れていることがわかる。
と電極の厚み変化の関係を示した。γ−NiOOH生成
率が高いほど極板厚みが大きく増加している。つまり長
寿命な電極を得ようとすればγ−NiOOHの生成を抑
える必要があり、この点でもマグネシウム添加は非常に
効果のあることがわかる。
加すると水酸化ニッケルと遊離した水酸化マグネシウム
の層が出現したが、本発明であると3wt%程度まで遊
離しないことが各種機器分析によって明らかになった。
ように、水酸化ニッケルの酸化電位をj!lにシフトし
、酸素発生電位との電位差を小さくするため、充電中に
おける水酸化ニッケルの酸化反応と酸素発生反応の競合
反応が充電初期から起こり易くなり、いわゆる充電受は
入れ性能が悪化する。
放電反応をも阻害する。従って、第8.9゜11図に示
されるように6〜8wt%添加におけるγ−NiOOH
生成防止効果が大きく見えるのは、活物質が充電されて
い1よいためであり、これを裏付けるように第16図に
おいて6wt%以上の添加で活物質利用率の急激な低下
がみられる。
まない高密度粉末Aの場合、第14図のように2段放電
となるが、マグネシウム添加高密度粉末は1− Ni0
OH生成が防止されておりこのようなことはない。また
、マグネシウム添加により、充電の場合同様、活物質で
あるNi0OHの還元電位が責にシフトすることがわか
る。過失、ニッケ/l/電極添加剤において酸化還元電
位の責な方向へのシフトはあまり報告された例がなく、
これはマグネシウム添加の大きな特徴であるといえる。
電池を作製した場合、放電電圧の高い電池を得ることが
できる。
なされていないが、前述のように、マグネシウムを添加
することで水酸化ニッケル結晶内に歪を起こし、プロト
ンの固相内拡散がスムースになったものと考察される。
トが固溶状態で共存していても同じ効果を有する。第1
5図は、活物質、充放電温度及び活物質利用率の関係を
示したものである。
いては、マグネシウム単独添加のFより高温下(約45
℃)での充電性能の向上が認められた。また、第11図
に示されるように、従来粉末に添加されたことのあるカ
ドミウムにもマグネシウム添加と同様γ−NiO01(
生成防止の効果があった。
加剤について、活物質利用率の関係を示した。
−Co(OH)2になる理由は、電解液への溶解性に起
因すると考えられる。卵ち、β−Co(OH)2の場合
、W、#液注液後溶存酸素で酸化され、褐色の溶解性の
低いCo(OH)3 (もしくはC10HO2であられ
される〕が形成され易く、一方、a −CO(OH)2
の場合、(1−00(OH)2→β−00(OH)2を
経由するためにC1o(OH)3がより形成されにくい
。
いために最も優れた添加剤といえる。より具体的には、
溶l!i¥速度の見地より、β−Co(OH)2を出発
原料に200〜800℃の高温不活性雰囲気下にて加熱
生成させた結晶化度の低いものが望ましい。
水酸化コバルトを析出させた粉末をペースト充填した1
c極は、000粉末を混合した電極よりも利用率が劣り
、β−Co(OR)2粉末を混合した電極程度であった
。更に、オキシ水酸化ニッケル粉末の表面に導電性の0
oOOH層を形成させた粉末(具体的には、C00粉末
を混合した!極を充放電した後、電極から集電体である
ニッケル繊維を除去したもの)を再度ペースト充填した
t極は、利用率が悪い。
oOOl()は、作製された!極中で形成されることが
不可欠である。つまり、予め活物質粒子表面に形成して
も、粒子間の接続が不完全になることを示している。従
って、電極を電池として組み立てた後K coo粉末の
溶解と再析出をおこなわせる工程が必要である。
導電性付加剤を用いすとも溶解−再析出工程によって理
論利用率に近い高い利用率に達することにより、例えは
、グラファイト粉末を導電性付加剤とする電極のように
、酸化分解にともなう有害な炭酸根の生成がなく、密閉
形ニッケルーカドミウム電池の正極に用いることか出来
る。
示したが、これらをこ限定されるものではない。更に、
マグネシウムの添加効果は、本発明の製法以外にも、結
晶性の高い水酸化ニラ+by・子に対しては、同様1こ
しめられるものである。
度化し、更に高密度化に伴うγ−NiOO)lの生成を
毒性の少ない添加剤によって防止し、長寿命化するとと
もに、活物質の利用率を向上させ、且つ放tt位の高い
ニッケル11Ei用活物質及びニッケル電極とこれを用
いたアルカリ電池を提供することが出来るので、その工
業的価値は極めて大である。
である。 第2図は、析出溶液PHと粒子内部細孔容積及びγ−N
iOOHの生成率との相関を示した図である。 第5図は、水酸化ニッケル粒子の比表面積と細孔容積の
関係を示した図である。 第4図は、従来の水酸化ニッケル粉末と本発明の高密度
水酸化ニッケル粉末の細孔径分布の曲線を示した図であ
る。 第5図は、放置条件と活物質利用率の関係を示した図で
ある。 第6図は、水酸化ニッケルの種類と活物質利用率の関係
を示した図である。 第7図は、Coo添加量と活物質利用率、極板体積あた
りのエネルギー密度との関係を示した図である。 第8図は、各種マグネシウム添加高密度粉末活物質の充
電末期のX線回折ピークである。 第9図は、マグネシウム添加量とγ−N±○○Hの生成
量の関係を示したものである。 第10図は、各種水酸化ニッケルの充放電末期における
γ−NiOOHの生成比率を示した図である。 第11図は、各種添加剤を含む活物質を用いた電極を過
充電した時の7−− Ni0OH生成率と電極厚み増加
率を示した図である。 第12図は、各種マグネシウム添加電極の充電電位特性
である。 第13図は、マグネシウム添加量と活物質利用率の関係
を示した図である。 第14図は、各種マグネシウム添加電極の放電電位特性
である。 第15図は、活物質、充放電温度及び活物質利用率の関
係を示した図である。 第16図は、各種コバルト化合物添加剤と活物質の利用
率との関係を示した図である。
Claims (7)
- (1)水酸化ニッケル粉末活物質にマグネシウム1〜3
wt%添加し、該マグネシウムが水酸化ニッケルの結晶
中で固溶状態にあり、且つ細孔半径が30Å以上の内部
遷移細孔の発達を阻止し、更に全細孔容積を0.05m
l/g以下に制御したことを特徴とするニッケル電極用
活物質。 - (2)多孔性の耐アルカリ性金属繊維基板を集電体とし
、水酸化ニッケル粉末活物質にマグネシウムを1〜3w
t%添加し、該マグネシウムが水酸化ニッケルの結晶中
で固溶状態にあるニッケル電極用活物質を主成分とする
ペーストを充填したことを特徴とするニッケル電極。 - (3)水酸化ニッケル及び少量のマグネシウムを含む活
物質粉末が、それらの硫酸塩水溶液を出発原料とし、苛
性ソーダもしくは苛性カリウム及び硫酸アンモニウムに
よりPH11〜13に制御された水溶液中で析出させた
特許請求の範囲第1項記載のニッケル電極用活物質。 - (4)マグネシウムを固溶状態で含有する水酸化ニッケ
ル活物質粉末に、アルカリ電解液に溶解しコバルト錯イ
オンを生成するコバルト化合物を5〜15wt%の範囲
で添加し、且つそのコバルト化合物粉末が活物質粉末と
遊離状態にある特許請求の範囲第2項記載のニッケル電
極。 - (5)マグネシウム以外に少量のコバルトが固溶状態で
共存する特許請求の範囲第2項記載のニッケル電極。 - (6)導電性付加剤を含まずコバルト化合物添加剤によ
ってのみニッケル繊維と活物質間の導電性が保たれた特
許請求の範囲第2項記載のニッケル電極。 - (7)特許請求の範囲第2項記載のニッケル電極を用い
化成することなく電池に組み立て、電解液注液後1日以
上放置しコバルト化合物添加剤を完全に溶解−再析出さ
せた後に初充電することを特徴とするアルカリ電池。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63262047A JPH0685325B2 (ja) | 1988-10-18 | 1988-10-18 | ニッケル電極用活物質及びニッケル電極とこれを用いたアルカリ電池 |
| DE68917045T DE68917045T2 (de) | 1988-07-19 | 1989-04-20 | Nickelelektrode für eine alkalische Batterie. |
| EP89303952A EP0353837B1 (en) | 1988-07-19 | 1989-04-20 | A nickel electrode for an alkaline battery |
| US07/358,118 US4985318A (en) | 1988-07-19 | 1989-05-30 | Alkaline battery with a nickel electrode |
| US08/005,157 USRE34752E (en) | 1988-07-19 | 1993-01-15 | Alkaline battery with a nickel electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63262047A JPH0685325B2 (ja) | 1988-10-18 | 1988-10-18 | ニッケル電極用活物質及びニッケル電極とこれを用いたアルカリ電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02109261A true JPH02109261A (ja) | 1990-04-20 |
| JPH0685325B2 JPH0685325B2 (ja) | 1994-10-26 |
Family
ID=17370293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63262047A Expired - Lifetime JPH0685325B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-10-18 | ニッケル電極用活物質及びニッケル電極とこれを用いたアルカリ電池 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0685325B2 (ja) |
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| US6783892B2 (en) | 2000-06-16 | 2004-08-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Positive electrode active material for alkaline storage batteries, and positive electrode and alkaline storage battery using the same |
| US7335445B2 (en) | 2001-12-07 | 2008-02-26 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Positive electrode active material for alkaline storage battery, positive electrode and alkaline storage battery |
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| US5629111A (en) * | 1994-09-20 | 1997-05-13 | Sanyo Electric Co. Ltd. | Nickel electrode active material; a nickel electrode and a nickel alkali storage cell using such nickel electrode active material; and production methods of such material, electrode, and cell |
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| US7335445B2 (en) | 2001-12-07 | 2008-02-26 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Positive electrode active material for alkaline storage battery, positive electrode and alkaline storage battery |
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