JPH10172550A - ニッケル正極をもつアルカリ電池及びその活性化方法 - Google Patents

ニッケル正極をもつアルカリ電池及びその活性化方法

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JPH10172550A
JPH10172550A JP8324029A JP32402996A JPH10172550A JP H10172550 A JPH10172550 A JP H10172550A JP 8324029 A JP8324029 A JP 8324029A JP 32402996 A JP32402996 A JP 32402996A JP H10172550 A JPH10172550 A JP H10172550A
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coo
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Abstract

(57)【要約】 【課題】CoOOHの偏在を抑制してニッケル正極に均
一に存在させ、電池の活性化状態に影響を受ける放電特
性を一層向上させる。 【解決手段】40℃未満の温度で所定時間保持した後、
40〜60℃の温度において正極活物質1g当たり20
mA以下の電流量で定格容量の100〜110%の充電
量となるように初期充電を行う。活物質表面に均一な非
晶質のCoOOHが生成するので、緻密な導電ネットワ
ークが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ニッケル・カドミ
ウム電池、ニッケル−亜鉛電池、ニッケル・水素電池な
どのニッケル正極をもつアルカリ電池とその活性化方法
に関する。さらに詳しくは、コバルトを活物質に添加し
たニッケル正極をもち、優れた容量特性及び高率放電特
性をもつアルカリ電池とその活性化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】アルカリ蓄電池は、信頼性が高いこと、
小型軽量化及び高容量化が可能であることなどの理由に
より、各種ポータブル機器や産業用の電源として広く用
いられている。そしてアルカリ蓄電池の正極には、主と
して水酸化ニッケルからなる活物質をもつニッケル電極
が用いられている。
【0003】このニッケル正極は、発泡ニッケルなどの
多孔質金属からなる電極基材に活物質を充填することで
製造されている。活物質を充填する方法としては、例え
ば特開平5−151965号公報に、水酸化ニッケルを
主とする活物質材料を結着剤とともに多孔質電極基材に
物理的に充填する方法が開示されている。この方法は、
一般にペースト充填法と称されている。
【0004】ところで、ニッケル正極の活物質である水
酸化ニッケルは、充電状態、放電状態のいずれでも導電
性にならないため、別に導電性の骨格が必要であり、発
泡ニッケルなどの発泡金属骨格に水酸化ニッケル粉末を
充填する方法が開発された。しかしこれでも活物質の利
用率がまだ低く、活物質粉末どうしの導電性を確保する
必要があった。
【0005】そこで活物質とともに金属コバルト、酸化
コバルト(CoO)あるいはフッ化コバルト(CoF)
などのコバルト化合物を含ませるのが望ましいことがわ
かり、研究が進められた。金属コバルトあるいはコバル
ト化合物の存在により、充放電を繰り返した時に水酸化
コバルト及びCoOOHが生成し、多孔質金属電極基材
と活物質との電気的接触性が向上するため、いわゆる導
電ネットワークの形成により活物質の利用効率が向上す
るのである。
【0006】つまり、コバルト化合物を含む電極では、
初期充電時に次式(1)式及び(2)式の反応が生じ、
放電時には次式(3)式の反応が生じるため、生成した
CoOOHにより導電ネットワークが構築される。 CoO+OH- → HCoO2 - (1) HCoO2 -+H2 O → Co(OH)2 +OH- (2) Co(OH)2 +OH- → CoOOH+H2 O+e- (3) すなわち、アルカリ電池を組み立てた直後には、ニッケ
ル正極は活性化されておらず、二次電池として使用可能
とするには上記反応を起こさせる活性化処理が必要とな
る。
【0007】例えばニッケル・水素電池を組み立てた時
点では、正極、負極ともに活性化されていないため、
0.1C程度の充電電流で約150%充電し、0.2C
程度の放電電流で約0.9Vまで放電する充放電を数回
繰り返すことで活性化する方法が一般的である。また組
立後の電池を充電せずに高温で貯蔵して活性化する方法
も知られている。
【0008】しかしこのような活性化方法では、得られ
たアルカリ電池の大電流放電特性や低温放電特性が充分
でないという問題があった。そこで、例えば特開平7−
73902号公報には、充電状態のアルカリ電池を高温
で短時間貯蔵することで活性化する方法が開示されてい
る。この方法によれば、短時間で充分な活性化を行うこ
とができ、大電流放電特性や低温放電特性など電池の活
性化状態に影響を受ける放電特性が向上する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来の活性化
方法で処理されたアルカリ電池でも、大電流放電特性や
低温放電特性などが未だ充分とはいえず、さらなる特性
の向上が求められている。例えば特開平7−73902
号公報に開示された方法は、主としてニッケル・水素
(Ni−MH)電池の負極を活性化するものであり、他
にも正極の活性化に関する文献等はほとんど見あたらな
い。
【0010】またCoOOHによる導電性ネットワーク
を構築する方法で製造されたアルカリ電池においても、
生成したCoOOHの偏在が大きいために、大電流で充
放電を実施する場合にはその利用効率がきわめて低く出
力が低いという問題がある。本発明はこのような事情に
鑑みてなされたものであり、CoOOHの偏在を抑制し
てニッケル正極に均一に存在させ、電池の活性化状態に
影響を受ける放電特性を一層向上させることを目的とす
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項1に記載のニッケル正極をもつアルカリ電池の特徴
は、ニッケル正極をもつアルカリ電池において、ニッケ
ル正極には非晶質のCoOOHを含むことにある。また
請求項2に記載のニッケル正極をもつアルカリ電池の活
性化方法の特徴は、金属コバルト(Co)粉末と一酸化
コバルト(CoO)粉末の少なくとも一方を含むニッケ
ル正極をもつ未活性のアルカリ電池に電解液を注入し4
0℃未満の温度で所定時間保持する熟成工程と、40〜
60℃の温度において正極活物質1g当たり20mA以
下の電流量で定格容量の100〜110%の充電量とな
るように初期充電を行う充電工程と、をこの順に行うこ
とにある。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の活性化方法では、Coと
CoOの少なくとも一方を含むことにより、熟成工程で
これらが電解液に接した時点で次式(1)の反応が生じ
ると考えられる。 CoO(Co)+OH- → HCoO2 - (1) つまり、CoとCoOの少なくとも一方は、(1)式の
反応により電解液に溶解し、HCoO2 -イオンとなる。
このHCoO2 -イオンは、電解液中で拡散し、活物質表
面を均一に覆う。この時点では、HCoO2 -イオンは
(2)式の平衡状態にある。
【0013】 HCoO2 -+H2 O = Co(OH)2 +OH- (2) この(1),(2)式の反応は、温度を40℃未満で行
うことが望ましい。温度が40℃以上になると、Coと
CoOの少なくとも一方の酸化反応が生じてCo3 O4
が生成し、これは電解液に溶解しにくく活物質中に不純
物として存在するため、HCoO2 -イオンの生成量及び
CoOOHの生成量が減少してアルカリ電池の放電特性
が低下する。
【0014】この熟成工程の時間は、熟成温度に対応し
て決められ、熟成温度が低いほど熟成時間は長時間とな
る。例えば熟成温度が20℃程度の室温であれば、熟成
時間は約10時間以上必要となる。そして充電工程で
は、40〜60℃の温度において、正極活物質1g当た
り20mA(これは充電電流0.07Cに相当する)以
下の電流量で、定格容量の100〜110%の充電量と
なるように(これは正極活物質1g当たり300〜32
0mAhの合計電気量に相当する)初期充電を行うこと
により、次式(3),(4)の競争反応が生じる。
【0015】 Co(OH)2 +OH- → CoOOH+H2 O+e- (3) Ni(OH)2 +OH- → NiOOH+H2 O+e- (4) (2)式の平衡反応はゆっくりと右へ移るから、上記条
件であれば(3)式の反応もゆっくりと進行する。これ
により活物質の表面にきわめて微細な非晶質のCoOO
Hが均一に形成され、活物質間の導電性が確保される。
【0016】充電工程の温度が40℃未満では(3)式
の反応が生じにくくなり、結果的にCo及びCoOの少
なくとも一方が残存して放電特性に悪影響を及ぼす。ま
た60℃を超えると、負極に酸化が生じて劣化する場合
がある。また電流量が正極活物質1g当たり20mAを
超えると、(3)式の反応が急激に進行し、大きな粒子
の結晶質のCoOOHが不均一に析出するため活物質間
の導電性が不均一となると考えられ、放電特性が低下す
る。
【0017】なお、この電流量の下限は特に限定されな
いが、電流量が小さいほど充電時間が長くなり生産性が
低下するので、5mA以上とするのが好ましい。そして
充電量が定格容量の100%未満では、(3)式の反応
が充分に進行せずCoOOHの生成が少なく、110%
を超えると(3)式の反応が急激に進行し、大きな粒子
の結晶質のCoOOHが不均一に析出するため活物質間
の導電性が不均一となると考えられ、放電特性が低下す
る。定格容量の103〜110%の範囲が特に好まし
い。
【0018】したがって本発明の活性化方法により活性
化されたアルカリ電池では、ニッケル正極の活物質表面
が非晶質CoOOHの微細な粒子で均一に覆われている
ので、緻密な導電ネットワークが形成され高い放電特性
を示す。出発物質であるCo及びCoOの粒径は、電解
液への溶解性を考慮すれば、小さければ小さいほど好ま
しい。例えばCoの平均粒径は10μm以下が好まし
く、CoOの平均粒径は8μm以下であることが好まし
い。これより粒径が大きくなると電解液への溶解が困難
となって、電解液中にCo及びCoOの少なくとも一方
がCo3 O4 となって残存し、放電特性に悪影響を及ぼ
す場合がある。
【0019】またCo及びCoOの少なくとも一方の添
加量は、両方を含めばその合計で、正極活物質量の15
重量%以下とすることが好ましい。15重量%より多く
混合すると電池容量が相対的に低下するようになり好ま
しくない。なお、出発物質としてCoとCoOの少なく
とも一方を含めばよいが、CoとCoOの両方を含むこ
とが望ましい。これにより、機構は不明であるが、Co
3O4 の生成が抑制されるためCo及びCoOは円滑に
HCoO2 -イオンとなり、(3)式の反応が促進される
結果、少ないCo及びCoO量で非晶質のCoOOHが
多量に生成する。したがって従来に比べて添加するCo
量を低減して従来と同等の性能をもつニッケル正極を得
ることができ、コストの低減を図ることができるととも
に、活物質量が相対的に増加することにより電池容量が
増大する。
【0020】本発明はニッケル・水素(Ni−MH)電
池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・亜鉛電池な
ど種々のアルカリ電池に適用できるが、中でもニッケル
・水素電池の活性化に特に好適である。例えばニッケル
・水素電池のニッケル正極には、一酸化ニッケル(Ni
O)、二酸化ニッケル(NiO2 )などのニッケル酸化
物、水酸化ニッケル[Ni(OH)2 ]などのニッケル
水酸化物などが活物質として用いられる。また、このニ
ッケル正極は、焼結法、ペースト法などのいずれで作製
したものも用いることができる。
【0021】また、ニッケル・水素電池の負極活物質と
しては、例えばAB2 系、AB5 系、AB系、A2 B系
などの水素貯蔵合金を用いることができる。なおAはT
i、Zr、Mn、Vなどであり、BはV、Ni、Cr、
Co、Fe、Mnなどであり、水素吸蔵合金としては、
例えばTi16Zr16V22Ni39Cr7 、Ti16Zr16V
22Ni32Cr7 Co7 、Ti15Zr15V20.6Ni30Cr
6.6 Co6.6 Mn3.6Al2.7 、Ti15Zr15V21Ni
31Cr6 Co6 Fe6 、Ti15Zr21V15Ni 31Cr6
Co6 Fe6 などが例示される。
【0022】ニッケル・水素電池の電解液としてはアル
カリ水溶液が用いられ、例えば水酸化ナトリウム、水酸
化カリウム、水酸化リチウムなどの水溶液を用いること
ができる。
【0023】
【実施例】以下、実施例及び比較例により本発明を具体
的に説明する。 (実施例1) <Ni−MH電池の組立>Znを1.6重量%及びCo
を1.5重量%含み平均粒径10μmで最大粒径30μ
mの水酸化ニッケル粉末を100重量部と、平均粒径8
μmの金属コバルト粉末を2重量部、平均粒径5.3μ
mのCoO粉末を金属Co換算で5重量部、結着剤とし
てのCMC(カルボキシメチルセルロース)を1.5重
量部、及び純水適量を混合し、さらにボールミルにて4
8時間分散して、ペーストを調製した。
【0024】次に三次元網目構造を有する発泡ニッケル
電極基材(「セルメット」住友電工(株)製、厚さ1.
6mm、気孔率95%)を用意し、ヘラを用いて上記ペ
ーストを充填した。ペーストの充填量は、発泡ニッケル
電極基材1cm3 あたり0.75gである。そして60
〜80℃に加熱して充分に乾燥させた後圧延し、所定寸
法に切断して正極板を作製した。
【0025】一方、Mm Ni3.55Co0.75Mn0.4 Al
0.3 の水素吸蔵合金を機械的に粉砕し、マイクロシーブ
でふるいをかけて、平均粒径55μm、最大粒径75μ
mのMH粉末を調製した。このMH粉末100重量部
と、CMCを0.5重量部、導電助剤としての平均粒径
2μmのカーボン粉末を0.5重量部、及び適量のエタ
ノールと水を混合し、さらにボールミルにて48時間分
散してペーストを調製した。そして正極と同様に発泡ニ
ッケル電極基材に充填し、同様に乾燥・圧延・切断して
負極板を作製した。
【0026】得られた正極板と負極板とを、親水化処理
されたポリプロピレン・ポリエチレン製不織布のセパレ
ータを介して巻回し、これを円筒状の電池缶に収容した
後、KOH:NaOH=7:3の比で濃度6モル/Lに
調製されたアルカリ電解液を所定量注入し、電池蓋を施
して、単3型で1200mAhの円筒型密閉Ni−MH
電池を組み立てた。この電池は、正極容量規制で負極/
正極=1.2であり、正極活物質1g当たりの定格容量
は289mA/gである。
【0027】<熟成工程>得られた未活性状態の密閉電
池を、先ず10〜24時間室温(25℃)にて放置し、
電解液を正極及び負極に充分浸透させた。 <充電工程>その後、温度60℃、充電電流0.07C
(正極活物質1g当たり20mA)で、定格容量の10
3%(正極活物質1g当たり298mA)となるように
充電し、1/5Cにて放電させた。
【0028】<試験>活性化された電池を1/5Cで
5.5時間充電してから、放電電流を1/5C、1C、
3C及び6Cでそれぞれ放電させた時の放電容量を測定
し、結果を表1に示す。表1からわかるように、この電
池は放電電流の大きさに関わらず安定した放電特性を示
している。
【0029】また活性化後の電池を分解して正極表面を
顕微鏡観察したところ、正極活物質の表面に数nm〜数
10nmの微細な粒子が均一に付着しているのが観察さ
れた。この正極表面を赤外線分光分析にて分析したとこ
ろ、CoOOHとCo3 O4の存在が確認された。そし
て正極活物質表面の粒子をX線回折にて分析したとこ
ろ、図1に示すようにCo3 O4 のピークは観察された
が、CoOOHのピークは全く観察されなかった。つま
り、正極活物質表面に均一に付着している粒子には、結
晶質のCoOOHは含まれておらず、CoOOHは非晶
質として存在している。
【0030】(実施例2)実施例1と同様の未活性の電
池を用い、充電工程における温度を40℃としたこと、
及び充電電流を0.06C(正極活物質1g当たり17
mA)としたこと以外は実施例1と同様にして活性化し
た。そして実施例1と同様に放電容量とCoOOHの形
態を測定し、結果を表1に示す。
【0031】(実施例3)Co粉末の添加量を4重量部
としCoO粉末の添加量を10重量部としたこと以外は
実施例1と同様に作製された正極板を用い、実施例1と
同様にして未活性の電池を作製した。そして充電電流を
0.05C(正極活物質1g当たり14mA)としたこ
と、及び定格容量の105%(正極活物質1g当たり3
03mAに相当)となるように充電したこと以外は実施
例1と同様にして活性化し、同様に放電容量とCoOO
Hの形態を測定した結果を表1に示す。
【0032】(実施例4)Co粉末の添加量を10重量
部とし、平均粒径8μmのCoO粉末を用いてその添加
量を4重量部としたこと以外は実施例1と同様に作製さ
れた正極板を用い、実施例1と同様にして未活性の電池
を作製した。そして充電電流を0.05C(正極活物質
1g当たり14mA)としたこと、及び定格容量の10
5%(正極活物質1g当たり303mAに相当)となる
ように充電したこと以外は実施例1と同様にして活性化
し、同様に放電容量とCoOOHの形態を測定した結果
を表1に示す。
【0033】(実施例5)Co粉末を用いず、実施例1
で用いたCoO粉末を7重量部添加したこと以外は実施
例1と同様に作製された正極板を用い、実施例1と同様
にして未活性の電池を作製した。そして充電工程の温度
を50℃としたこと以外は実施例1と同様にして活性化
し、同様に放電容量とCoOOHの形態を測定した結果
を表1に示す。
【0034】(実施例6)Co粉末とCoO粉末の代わ
りに、平均粒径3.8μmの市販のコバルト酸化物(主
成分がCoOで一部金属Coが含まれる)を8重量部添
加したこと以外は実施例1と同様に作製された正極板を
用い、実施例1と同様にして未活性の電池を作製した。
そして充電工程の温度を50℃としたこと以外は実施例
1と同様にして活性化し、同様に放電容量とCoOOH
の形態を測定した結果を表1に示す。
【0035】(実施例7)Co粉末の添加量を3重量部
とし、CoO粉末の添加量を6重量部としたこと以外は
実施例1と同様に作製された正極板を用い、実施例1と
同様にして未活性の電池を作製した。そして充電電流を
0.01C(正極活物質1g当たり3mA)としたこ
と、及び定格容量の110%(正極活物質1g当たり3
18mAに相当)となるように充電したこと以外は実施
例1と同様にして活性化し、同様に放電容量とCoOO
Hの形態を測定した結果を表1に示す。
【0036】(比較例1)実施例1と同様の未活性の電
池を用い、充電工程における温度を20℃としたこと以
外は実施例1と同様にして活性化した。そして実施例1
と同様に放電容量とCoOOHの形態を測定し、結果を
表1に示す。 (比較例2)実施例1と同様の未活性の電池を用い、充
電工程における温度を40℃としたこと、及び充電電流
を0.1C(正極活物質1g当たり29mA)としたこ
と以外は実施例1と同様にして活性化した。そして実施
例1と同様に放電容量とCoOOHの形態を測定し、結
果を表1に示す。
【0037】(比較例3)Co粉末とCoO粉末の代わ
りに、平均粒径6μmの水酸化コバルト(Co(OH)
2 )を8重量部添加したこと以外は実施例1と同様に作
製された正極板を用い、実施例1と同様にして未活性の
電池を作製した。そして実施例1と同様にして活性化
し、同様に放電容量とCoOOHの形態を測定した結果
を表1に示す。
【0038】(参考例)平均粒径15μmのCo粉末と
平均粒径10μmのCoO粉末を用いたこと以外は実施
例1と同様に作製された正極板を用い、実施例1と同様
にして未活性の電池を作製した。そして充電工程におけ
る温度を40℃としたこと以外は実施例1と同様にして
活性化し、同様に放電容量とCoOOHの形態を測定し
た結果を表1に示す。
【0039】(評価)
【0040】
【表1】
【0041】表1から明らかなように、各実施例のNi
−MH電池は放電電流が大きく変動しても安定した放電
容量を示し、放電特性にきわめて優れていることがわか
る。しかし各比較例では、放電電流が大きくなるにつれ
て放電容量が大きく低下し、放電特性に劣っている。図
2に比較例3の正極活物質表面に付着した粒子のX線回
折チャートを示す。この粒子には結晶質のCoOOHが
含まれ、図1に示す実施例のチャートと全く異なってい
る。つまり現象面での実施例と比較例の差異は、CoO
OHが非晶質か結晶質かの差異と、CoOOHの分布が
均一か不均一かの差異に起因し、実施例のように非晶質
のCoOOHが均一に分布して存在していることが好ま
しい結果を与えていることが明らかである。
【0042】なお、比較例1では充電工程における温度
が20℃と低いこと、比較例2では充電工程における充
電電流が0.1C(正極活物質1g当たり29mA)と
大きいこと、比較例3では出発物質が水酸化コバルトで
あること、が実施例と異なっており、本発明の構成から
外れた場合には非晶質のCoOOHが形成されず放電特
性が低下することが明らかである。
【0043】また参考例に示したように、出発物質の粒
径が10〜15μmと大きくなると、熟成工程中に電解
液中に溶解不能な部分が存在し、それがCo3 O4 とな
って不均一な結晶質粒子として存在するようになる。こ
れは特性に好影響を与えるものではなく、かえって放電
特性が低下するようになるので、各実施例に示した程度
の10μm以下の細かな粒子径とすることが望ましい。
【0044】
【発明の効果】すなわち本発明のニッケル正極をもつア
ルカリ電池によれば、非晶質のCoOOHによる均一な
導電ネットワークが形成されるため、放電電流が大きく
なっても安定した放電容量を示し放電特性に優れてい
る。また活物質の利用率が向上するため、高出力・高容
量となる。
【0045】そして本発明の活性化方法によれば、上記
した優れた特性を有するアルカリ電池を容易にかつ確実
に形成することができる。さらに従来の方法で電池を活
性化した場合、電解液を加えてからコバルト化合物を水
酸化コバルトとして分散させるための熟成・エージング
期間が数日間必要であったが、この期間を短縮すること
ができ生産性が向上するとともに、コバルトからCoO
OHを形成する効率が向上するためコバルト使用量を低
減することができ、コストの低減を図ることができる。
また活物質量が相対的に増大するため、電池容量が増大
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のアルカリ電池正極の活物質表面に付
着した粒子のX線回折チャート図である。
【図2】比較例3のアルカリ電池正極の活物質表面に付
着した粒子のX線回折チャート図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ニッケル正極をもつアルカリ電池におい
    て、該ニッケル正極には非晶質のCoOOHを含むこと
    を特徴とするニッケル正極をもつアルカリ電池。
  2. 【請求項2】 金属コバルト(Co)粉末と一酸化コバ
    ルト(CoO)粉末の少なくとも一方を含むニッケル正
    極をもつ未活性のアルカリ電池に電解液を注入し40℃
    未満の温度で所定時間保持する熟成工程と、 40〜60℃の温度において正極活物質1g当たり20
    mA以下の電流量で定格容量の100〜110%の充電
    量となるように初期充電を行う充電工程と、をこの順に
    行うことを特徴とするニッケル正極をもつアルカリ電池
    の活性化方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001357845A (ja) * 2000-06-16 2001-12-26 Canon Inc ニッケル系二次電池及び該二次電池の製造方法
JP2009231259A (ja) * 2008-02-25 2009-10-08 Sanyo Electric Co Ltd アルカリ蓄電池
JP2018007412A (ja) * 2016-07-01 2018-01-11 トヨタ自動車株式会社 電池システム

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