JPH0461467B2 - - Google Patents

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JPH0461467B2
JPH0461467B2 JP59049674A JP4967484A JPH0461467B2 JP H0461467 B2 JPH0461467 B2 JP H0461467B2 JP 59049674 A JP59049674 A JP 59049674A JP 4967484 A JP4967484 A JP 4967484A JP H0461467 B2 JPH0461467 B2 JP H0461467B2
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    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
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Description

【発明の詳細な説明】
<技術分野> 本発明は負極活物質、電解質及び正極活物質が
いずれも固体から成る固体電解質電池に関するも
のである。 <従来技術> 近年、半導体技術及びこれらの応用技術の発展
に伴ない、電子機器の消費電力は漸次低下される
方向にある。 また、これら電子機器に用いられる電池も消費
電力の低下とともに小型、薄型化が望まれ、同時
に信頼性の高いことが要求されるようになつてき
た。このような要求に応えるものとして固体電解
質電池がある。固体電解質電池は電解質にイオン
導電体を有する固体電解質を用いるため、電池か
らの液漏れがなく、また製造工程に於いても高度
に自動化された半導体製造技術を適用することが
でき、量産化し易いといつた特徴を有する。従
来、このような固体電解質電池としては銀イオン
導電性、銅イオン導電性あるいはリチウムイオン
導電性の固体電解質を用いた銀、銅、リチウム系
の電池が開発されている。この中で、銀イオンま
たは銅イオンを用いた電池は固体電解質のイオン
電導度が比較的大きく大電流での放電が可能であ
るという性質を有する。一方、リチウム系の固体
電解質電池は高いエネルギー密度と高い出力電圧
を有するが、用いる固体電解質に高い導電性を有
するものがあまりなく、大きな電流値で放電する
ことができない。またリチウムの有する大きな吸
湿性のために電池の封口には非常に高度な耐湿技
術を必要とし、製作工程が複雑となるのみならず
電池容積も大きくなつてしまう。このため、固体
電解質電池の利点である小型薄型化が妨げられる
結果となる。また、銀系、銅系、リチウム系とも
電池の二次化を考えた場合、充電時に還元される
導電種が樹枝状に析出するためサイクル寿命が悪
く、深い放電ができないという大きな問題が残つ
ており、このためいまだ実用化には至つていな
い。 <発明の目的> 本発明は上記現状に鑑み、水素吸蔵用材料を利
用することにより、大きな放電々流を得ることが
でき、また充放電サイクルが良好で信頼性が高く
長寿命の固体電解質電池を提供することを目的と
する。 <構成及び効果の説明> 水素を金属水素化物の状態で貯蔵する水素吸蔵
合金は、一般的に気体状態の水素をある条件の温
度及び圧力下で水素吸蔵合金と共存させることに
よつて、水素吸蔵合金に吸蔵させ、また適当な条
件の温度及び圧力に変えることによつて水素吸蔵
合金中の水素を気相中に放出するものとして知ら
れている。またこの水素吸蔵合金を電気化学的分
野で応用してアルカリ水溶液を電解質としたアル
カリ蓄電池の負極に用いることも提唱されてい
る。 本発明はこれら水素吸蔵合金を負極とし、プロ
トンを導電イオンとする固体電解質を用い、さら
に正極に水素をゲスト物質として取り込むことが
できる物質を用いた固体電解質電池である。正極
に用いた物質がゲスト物質である水素を可逆的に
取り込む物質の場合は充電、放電を繰り返すこと
も可能である。そして負極に用いた活物質が水素
を吸蔵する水素吸蔵合金であるため、水素の拡散
のみが反応に関与する拡散型の電極となるので、
従来のように金属イオンを導電種に用いた析出型
の電極のように充放電の繰り返しによつて生ずる
樹枝状の析出物はなく非常にサイクル寿命がよ
い。さらにこの電池の利点として以下のことがあ
げられる。 すなわち負極の水素吸蔵合金はもとより、固体
電解質、正極活物質とも吸湿性はほとんどなく、
大気中での安定性も高い。 従つて電池の封口も簡単であり、全固体より成
るため薄膜化、積層化も容易であり、工業的価値
が大きい。 負極に用いる水素吸蔵用材料としては、
LaNi5、CaNi5、TiFeに代表されるように、水素
と安定な水素化物を生成するa〜a族の元素
と通常の条件では水素化物を生成しないa〜
族の元素とを組み合わせてなる水素貯蔵用合金が
適当である。これにさらに第3、第4の元素を加
えた三元系、四元系の水素貯蔵合金やb族、
b族を主成分とした水素貯蔵用材料やあるいは上
述の水素貯蔵用材料を通常の手段でアモルフアス
化したもの等、水素貯蔵用材料であればいずれで
も良く、特に材料に限定されるものではない。固
体電解質としては、リンタングステン酸水和物
(P2Q5・24WO3・29H2O)酸化第二錫(SnO2
nH2O)、五酸化アンチモン(Sb2O5・nH2O)、リ
ン酸ウラニル(HUO2・PO4・4H2O)、酸化ジル
コニウム(ZrO2・nH2O)、アルミノケイ酸塩、
種々のマトリツクス材料にプロトン含有カチオン
を担持させたものあるいはパーフルオロカーボン
等から成る高分子固体電解質等が用いられる。こ
れらは結晶質または非晶質のいずれかに限定され
るものではない。正極活物質としては、TiS2
NbS2等の遷移金属のジカルコゲン化物、TiS3
NbS3等の遷移金属のトリカルコゲン化物その他
の高次の硫化物、WO3等のブロンズ化物、Cr3O8
等の非化学量論酸化物、MnO2等のルチル類似化
合物等の如く水素を受容する物質ならばいずれで
も良い。 上述した負極、電解質及び正極の条件を適時組
合せることによつて出力電圧及び出力電流が決定
される。 第1図は本発明により構成された電池の概略説
明図である。 第1図において、1は水素吸蔵用材料よりなる
負極、2は水素イオン導電性の固体電解質、3は
水素をゲスト物質として取り込むことができる物
質よりなる正極である。負極1と正極3を導体4
で接続することによつて、負極の水素吸蔵用材料
に吸蔵された水素は以下のように反応して、固体
電解質中へ水素イオンを放出する。 Metal:Hx→Metal+xH++xe- ……(1) ここでMetalは水素吸蔵用材料であり、水素吸
蔵用材料は一般に電子供与体であるので吸蔵した
水素に電子を与え水素をアニオに近い形で吸蔵す
る。 (1)式により放出された水素イオンは固体電解質
中を正極に向かつて移動する。正極においては以
下のように反応し水素を取り込む。 xH++ABn+xe-→HxABn ……(2) ここでABnは水素をゲスト物質として取り込
むことができる物質であり、一般に電子受容体で
あるので、水素をカチオンに近い形で取り込む。 水素イオンはH+として存在するかあるいは水
と水和したヒドロニウムイオンH3O+で存在する
かについては現在充分解明されておらず、導電種
がH3O+であると考えた場合、負極の反応は Metal−Hx+XH2O →Metal+xH3O++xe- ……(1)′ 正極の反応は XH3O++ABn+xe- →HxABn+xH2O ……(2)′ となる。水素イオンと水和する水が固体電解質中
にある結晶水のみか、または固体電解質中の遊離
した水を含むかについては本発明の限定するとこ
ろではない。また、ゲスト物質として取り込まれ
た水素が完全にトポ化学的なものであるか、又は
化合物に近い状態すなわちホスト物質の構造変化
を伴なうか否かについても本発明の限定するとこ
ろではない。(1)、(2)の反応式または(1)′、(2)′の反
応式に従つた放電反応であつても放電時の電池の
全反応は以下のようになる。 Metal−Hx+ABn →HxABn+Metal ……(3) 充電時はこの逆の反応となる。 <実施例> 市販のチタン(純度99.5%以上)とニツケル
(純度99.95%以上)を原子比で1:1となるよう
に混合する。この試料をアーク溶解炉に入れ10-4
〜10-5Torrに真空脱気する。その後アルゴンガ
ス雰囲気にして、アークを飛ばし試料を溶解す
る。均一化を考慮して試料を数回反転させ、数回
溶解させて合金とする。溶解した後試料を取り出
し数mm径の大きさに試料を破砕する。これをステ
ンレス製高圧容器に入れ10-2Torr程度に真空脱
気する。その後水素ガスを導入して30気圧に昇圧
し、その状態で250℃に昇温する。この温度で約
2時間放置した後室温に冷却する。そして水素ガ
スを放出し、充分に真空脱気する。この状態で30
気圧の水素ガスを導入し、TiNiに水素を吸蔵さ
せる。これでTiNiの水素化は完了するが、不充
分な場合は上述した操作を再度繰り返す。水素化
したTiNiをアルゴンガス雰囲気中のグローブボ
ツクス中でメノウの乳ばちで44μm以下に粉砕す
る。この粉末0.1gを取り、導電物質としてカー
ボン粉末0.01gを加え錠剤成型器でペレツトにす
る。 次に市販の五酸化アンチモン(純度99.99%)
粉末に純水を加えて混練し、その後室温で乾燥す
る。この粉末0.1gを取り錠剤成型器でペレツト
にする。市販の五酸化アンチモンに水を添加して
もプロトン導電性を示さない場合は五酸化アンチ
モンを純水中に滴下して白色沈殿を得、これを水
洗後乾燥して用いる。 次に周知の方法(例えば新実験化学講座8(丸
善出版)P285)で二酸化マンガンを作製する。
これを粉末とし、この粉末0.1gに導電物質とし
てカーボン粉末0.01gを加え錠剤成型器でペレツ
トにする。 上述の如く作製した負極TiNiHx、固体電解質
Sb2O5・nH2O正極MnO2を第2図に示す如く白金
板−白金線をリード端子とし、ベークライト板及
びビスで軽く加圧し充電、放電テストを行なつ
た。第2図において5は負極、6は固体電解質7
は正極、8は白金板、9は白金リード線、10は
ベークライト板、11はビスである。このように
構成された電池を必要に応じてエポキシ樹脂等で
シールする。第3図に1サイクル目の充放電特性
図、第4図に50サイクル目の充放電特性図を示
す。 この結果より本実施例の固体電解質電池は充放
電の繰り返しが可能であることが確認された。正
極活物質としてWO3TiS2を用いて実験を行なつ
た場合にも同様な結果が得られた。 これらの電池を構成した場合、正極活物質の中
に構造水として含まれる水分量、導電物質の混合
量、負極活物椎に含まれる水素含有量によつて電
池の開放電位は幅をもつている。例えば TiNiHx+カーボン|Sb2O5・nH2O|r −MnO2+カーボン の系において種々の電池を構成した場合、開放電
位として860〜1250mVの数値を観測した。 第1表にそれぞれの系の開放電位を示す。
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 負極活物質、電解質及び正極活物質がいずれ
    も固体からなる水素二次電池であつて、 負極活物質がTiNi、LaNi5、CaNi5、TiFe、
    Mg2Niを主成分とする水素を金属水素化物とし
    て吸蔵する水素吸蔵合金からなり、 固体電解質が水素イオン導電体からなり、 正極活物質がTiS2、TiS3、NbS2、NbS3
    MoO2、WO3、VS2、Cr3O8、MnO2からなる ことを特徴とする固体電解質電池。
JP59049674A 1984-03-13 1984-03-14 固体電解質電池 Granted JPS60211778A (ja)

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CA000475923A CA1251512A (en) 1984-03-13 1985-03-07 Solid-state electrolytic battery
EP85102820A EP0156241B1 (en) 1984-03-13 1985-03-12 Solid-state electrolytic battery
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