JPH0369145B2 - - Google Patents

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JPH0369145B2
JPH0369145B2 JP58046247A JP4624783A JPH0369145B2 JP H0369145 B2 JPH0369145 B2 JP H0369145B2 JP 58046247 A JP58046247 A JP 58046247A JP 4624783 A JP4624783 A JP 4624783A JP H0369145 B2 JPH0369145 B2 JP H0369145B2
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mnooh
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air
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Description

【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野 本発明は、空気(酸素)燃料電池、ボタン型空
気電池などに用いられる空気極及びその触媒の製
造法に関するものである。 従来例の構成とその問題点 従来、空気電池の触媒物質としては種々のもの
が検討されている。 たとえば、白金族元素や銀などの貴金属を、活
性炭やカーボンブラツクに析出させたもの、活性
炭と金属酸化物とを混合したもの、さらには金属
フタロシアニンとカーボン粉末との混合物あるい
はそれらの熱処理品など数多く検討されている。 一般に、白金属元素や銀などの触媒効果は大き
いのであるが、ボタン型空気電池のような一次電
池の場合、空気極の再生使用が困難なことを考慮
すると、上記のような触媒はたいへん高価なもの
となり、安価に提供できないという欠点がある。 このため、安価な触媒の1つとして二酸化マン
ガンを空気極用触媒に用いることが過去から種々
試みられているが、数mA/cm2以下の低い電流密
度では一部良好な放電特性の得られるものもある
が、電流密度が10mA/cm2以上の強放電や、保存
後における放電特性においては必ずしも十分では
なかつた。 発明の目的 本発明は、電流密度が10mA/cm2以上での強放
電特性や、保存後の放電特性にすぐれ、かつ安価
な電池用空気極及びそのための触媒を提供しよう
とするものである。 発明の構成 上記目的を達成するため、本発明の空気極は、
X線回折像による格子定数を示すピーク位置が
Mn5O8の特徴を示し、かつ化学分折値がMnOx
で表わされる化学式において1.45≦x≦1.60であ
るマンガン酸化物を触媒に用いたことを特徴とす
るものである。 本発明者らは、安価で触媒能にすぐれるマンガ
ン酸化物触媒を検討したところ、従来よりよく用
いられる電解二酸化マンガンや、化学二酸化マン
ガン、あるいはそれの熱処理によつて得られる三
二酸化マンガンよりもすぐれた触媒性能を示すマ
ンガン酸化物をみいだすことができた。 すなわち、本発明の触媒の製造法上の特徴は、
γ−MnOOH(マンガナイト)を出発物質とし、
これを250〜450℃の温度で熱処理することにあ
り、これによつて得られるマンガン酸化物を空気
電池用触媒とするものである。 本発明で出発物質として用いるγ−MnOOH
は、第1図の電子顕微鏡写真に示すような針状結
晶体であり、その長軸方向の長さaは10μ以下、
短軸方向の長さbは1μ以下で、a/b=10/1
以下の比で構成される形状である。この形状は熱
処理後もほゞ同じ状態が保たれている。 また、第2図に示差熱による種々の加熱処理温
度雰囲気下での重量変化率を示した。なお温度上
昇速度は210℃/分とした。各加熱温度雰囲気と
もほゞ似たような変化を示す傾向にあるが、bの
温度領域においてはイで示す窒素又はアルゴン雰
囲気中での重量減少率が、ロで示す空気雰囲気中
よりも大きい。またX線回折像によると、窒素又
はアルゴン雰囲気中での熱処理において、温度
250〜300℃ではγ−MnOOHが若干残存するが
Mn5O8がかなり生成し、450℃まで、ほゞMn5O8
の特徴を示し、500℃にいたつてα−Mn2O3の特
徴を示す。 ロに示す空気雰囲気中の熱処理では、窒素又は
アルゴン雰囲気中と大体同じ傾向にあるが、250
〜300℃においてβ−MnO2の生成も一部、認め
られる。 今回、種々検討したところ、γ−MnOOHは触
媒効果が小さいが、Mn5O8の特徴を示す領域で
は非常に触媒効果が大きく、アルカリ電解液中で
の保存安定性にすぐれていることがわかつた。 また、500℃以上での熱処理温度領域ではα−
Mn2O3に変態し、初期の触媒効果はすぐれてい
るが、アルカリ電解液中での安定性に欠けること
がわかつた。 第3図に、上記の窒素雰囲気中400℃でのγ−
MnOOHの熱処理によつて得られた代表的な
Mn5O8のX線回折像を示した。図中、横軸が2θ、
縦軸がピーク強度である。 ASTMカードによると、Mn5O8の格子定数d
と、回折ピーク強度(I/I1)は次の第1表の通
りである。
【表】 また、実際に得られたMn5O8のX線回折像の
代表的な格子定数dは次の通りであつた。
【表】 これらのことから、本発明で得たマンガン酸化
物は、ASTMカードに示されるMn5O8の回折ピ
ーク位置を非常に多く有していて、一致または近
似している。たゞし、回折ピーク位置の強度比に
ついては、結晶の形状やX線回折像のとり方によ
りかなりずれる場合があり、必ずしもASTMカ
ードに示される値とは一致しない。 また、回折ピーク位置も上記と同じ理由で、±
0.02以内でずれる場合がある。 一方、γ−MnOOHを出発物質とし、その熱処
理により得られたMnOxを化学分析によつて調べ
たところ、処理温度400℃においても必ずしもx
=1.6(Mn5O8に相当)とはならず、x値がそれよ
り低い値を示す場合が多い。 このx値を決める化学分析法はつぎのように行
なつた。まずMnOxを一定のシユウ酸と硫酸液に
溶解し、未反応のシユウ酸をマンガン酸カリウム
で滴定し、MnO2分の比率を測定する。つぎに
MnOxを塩酸で溶解し、EDTAで滴定してマン
ガン金属分の比率を測定する。 これらの測定値より、MnOxをつぎの試算式で
算出する。 x=a/86.938/b/54.938+1 式中、aはMnO2の重量百分率であり、bは金
属マンガンの重量百分率を示す。 この方法でMnOxのx値を求めたところ実際の
測定では、いづれの雰囲気処理においても、温度
250〜450℃では、x=1.5付近でバラツキ、1.45
≦x≦1.60内にあつた。 このことは、γ−MnOOHの熱処理によつて得
られるマンガン酸化物は、ASTMカードでは
Mn5O8の特徴を示しながら、単なるMn5O8では
なく、Mn5O8を主とした特殊なマンガン酸化物
が生成していることを示すものである。 以上述べたように、上記の方法で得られたマン
ガン酸化物は、鋭い針状結晶を示し、X線回折像
でMn5O8の特徴を有するものである。このマン
ガン酸化物を触媒に用いて空気極を次のように製
造する。 上記マンガン酸化物と、活性炭、カーボンブラ
ツクなどの炭素粉末、さらにフツ素樹脂の水性デ
イスパージヨンとを混合してペースト状となし、
これをニツケル、ステンレス鋼、銀などからなる
金属スクリーンに塗着してシート状に成型した
後、乾燥する。 そして、300℃前後の温度にて熱処理をし、フ
ツ素樹脂を軽く焼結する。ここでのフツ素樹脂は
結着剤及びアルカリ電解液などの撥水剤となるも
のである。また、活性炭は触媒担体として用いる
ものであるが、それ自体は導電性が小さいので、
導電性のよいカーボンブラツクをさらに添加す
る。また場合によつては、活性炭を使わずカーボ
ンブラツクのみを触媒担体として用いることも可
能である。 このようにして得られた空気極は、薄型化が可
能であり、厚さ0.2mm以下のものも可能である。
以下実施例によつて詳細を説明する。 実施例の説明 γ−MnOOHを出発物質として200〜700℃まで
50℃間隔で、空気雰囲気中、窒素雰囲気中及びア
ルゴン雰囲気中にて約3時間熱処理をし、マンガ
ン酸化物を得る。 これらのマンガン酸化物をそれぞれ30重量部、
活性炭20重量部、カーボンブラツク20重量部、及
びポリ4フツ化エチレンの水性デイスパージヨン
を固形分として30重量部を用意して撹拌練合し、
これを線径0.1mm、40メツシユの金属スクリーン
に充填して厚さ0.5mmの触媒シートを得た。これ
を300℃にて15分間熱処理をしてポリ4フツ化エ
チレンを焼結し、撥水性を強化して直径11.0mmに
打ち抜き、触媒極1とした。たゞしこの場合の有
効に働く触媒極直径は9.0mmである。さらに同じ
大きさで厚さ0.2mmの多孔性ポリ4フツ化エチレ
ン膜からなる撥水膜2を片面に貼り合わせて空気
極3とした。この空気極3を正極とし、負極4に
亜鉛、電解液として水酸化カリウム水溶液を用
い、微孔性の樹脂セパレータ5を介して空気極3
と負極5とを対向させ、第4図に示すような直径
11.6mm、高さ5.4mmのR44サイズのボタン型空気電
池を作成した。なお図中6は電池ケース、7は封
口板、8はガスケツト、9は空気取入孔、10は
封止紙である。 この電池をAとし、比較のため未処理のγ−
MnOOH及び従来のβ−MnO2を用いて上記Aと
同じようにして作つた空気電池をB,Cとする。 これらA,B,Cの電池を用い、その初期と60
℃に1ケ月保存後のものとを20℃130負荷(平
均電流密度 約12mA/cm2)での放電平均維持電
圧を比較した。 その結果を第5図に示した。第5図から明らか
なように熱処理雰囲気が〇印で示す空気、△印で
示す窒素、及び▽印で示すアルゴンのいずれとも
250〜700℃の温度では初期性能が従来の電池B,
Cよりもすぐれているが、60℃に1ケ月保存後に
おいては、各雰囲気中とも250〜450℃の処理温度
がすぐれ、その中でも300〜400℃が初期性能と
ほゞ同等のレベルである。又、窒素、アルゴンの
雰囲気による差はなく、相方とも温度300〜400℃
にて維持電圧は初期よりも向上し、空気雰囲気中
よりもわづかに高い。 これれのよい特性の得られた領域は、先述した
X線回析像で、その回折ピーク位置がMn5O8
非常に多く一致した点である。 これらのことから、X線回折像で回折ピーク位
置がMn5O8の特徴を有するものは触媒効果にす
ぐれ、かつアルカリ電解液中で安定であることを
示すものである。 とくに、γ−MnOOHを出発物質として得られ
たマンガン酸化物は、鋭い針状結晶であるので、
触媒極を構成する活性炭やカーボンブラツク及び
フツ素樹脂、金属スクリーンとの絡みがよく、一
個の結晶粒界中での撥水性、親水性、及び導電性
を同時に確保できるので、触媒効果及び保存安定
性にすぐれるものと考えられる。 発明の効果 本発明によるマンガン酸化物からなる触媒は、
従来のβ−MnO2あるいはγ−MnOOHからなる
触媒に比べて電流密度10mA/cm2以上の強放電性
能にすぐれ、さらに電池の保存特性にもすぐれて
いる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明で用いるγ−MnOOHの結晶構
造を示す倍率10000倍の電子顕微鏡写真、第2図
は示差熱による各種加熱処理温度とマンガン酸化
物の重量減少率との関係を示す図、第3図は窒素
雰囲気中400℃でγ−MnOOHを熱処理して得ら
れた代表的なMn5O8のX線回折像を示す図、第
4図は本発明の実施例におけるボタン型空気電池
の断面図、第5図は同電池の製造初期と60℃に1
カ月保存後における放電平均維持電圧との関係を
示す図である。 1……触媒極、2……撥水膜、3……空気極、
4……亜鉛負極、5……セパレータ、6……電池
ケース、7……封口板、8……ガスケツト、9…
…空気取入孔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 X線回折像による格子定数を示すピーク位置
    がMn5O8の特徴を示し、かつ化学分折値が
    MnOxで表わされる化学式において1.45≦x≦
    1.60であるマンガン酸化物を触媒とした空気極。 2 マンガン酸化物γ−MnOOHを、250〜450℃
    の温度で熱処理することを特徴とする空気極用触
    媒の製造法。 3 γ−MnOOHを熱処理する雰囲気が、実質的
    に酸素を含まない特許請求の範囲第2項に記載の
    空気極用触媒の製造法。
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