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JP2595967B2 - 水素吸蔵電極 - Google Patents

水素吸蔵電極

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JP2595967B2
JP2595967B2 JP62119411A JP11941187A JP2595967B2 JP 2595967 B2 JP2595967 B2 JP 2595967B2 JP 62119411 A JP62119411 A JP 62119411A JP 11941187 A JP11941187 A JP 11941187A JP 2595967 B2 JP2595967 B2 JP 2595967B2
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JP
Japan
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alloy
hydrogen storage
electrode
phase
group
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JP62119411A
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孝治 蒲生
良夫 森脇
勉 岩城
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/24Electrodes for alkaline accumulators
    • H01M4/242Hydrogen storage electrodes
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/383Hydrogen absorbing alloys
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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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、アルカリ蓄電池とくに正極にニッケル極、
空気極、酸化銀極などを用いるアルカリ蓄電池などの負
極として用い、電気化学的に水素の吸蔵・脱蔵が可能な
水素吸蔵電極に関する。
従来の技術 汎用の蓄電池としては鉛蓄電池、ニッケルーカドミウ
ム蓄電池などがよく知られているが、これらの蓄電池は
重量または体積当りのエネルギー密度が比較的小さい。
そこで、昨今、新しく電気化学的に水素を多量に吸蔵・
脱蔵が可能な合金を負極とし、正極にはニッケル酸化物
を用いたエネルギー密度の大きいニッケルー水素蓄電池
が提案されている。このような蓄電池の負極としては、
比較的良好なものにTi−Ni系,La(またはMm)−Ni系,Ca
−Ni系など、およびこれらをベースにした置換体があ
る。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、Ti−Ni系合金は、電気化学的な充電、
放電によって比較的高い放電容量を有しているものの、
充放電サイクルを繰返すうちにTiの安定相を形成し、電
池としての寿命性能に主たる問題を有し、またLa(また
はMm)−Ni系合金は電気化学的な水素吸蔵量が充分でな
いため比較的放電容量が小さく、また温度変化に対する
性能の変動が大きく、合金の価格が高いことなどに問題
がある。そしてCa−Ni系合金は、充放電サイクルの初期
には高い放電容量を有しているものの、Ti−Ni系と同様
に、充放電を繰返すことによって大幅な性能の低下をき
たすという欠点がある。本発明は、上述の問題点に鑑み
て為されたもので、特に高容量で長寿命な蓄電池を得る
ことが出来る水素吸蔵電極を提供することを目的とす
る。
問題点を解決するための手段 本発明の水素吸蔵電極は、一般式AB2(ただし、AはT
iおよびZrからなる群より選ばれる少なくとも1種で、H
f、Ta、Y、Ca、Mg、La、Ce、Mm、Nb、Nd、およびMoか
らなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことができ
る。BはNiで、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Nb、
Mo、およびWからなる群より選ばれる少なくとも1種を
含むことができる。Mmは希土類元素の混合物を示す。ま
た、AとBとは異種元素である。)で表され、合金相が
実質的に金属間化合物のラーバス相に属し、その結晶構
造が立方対称のC15型で、かつ結晶格子定数aが6.92〜
7.70Åである合金からなる。
また、本発明の水素吸蔵電極は、一般式AB2(ただ
し、AはTiおよびZrからなる群より選ばれる少なくとも
1種、BはMoで、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Nb、お
よびWからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むこ
とができる。A、B併せて3元素以上からなる。)で表
され、合金相が実質的に金属間化合物のラーバス相に属
し、その結晶構造が立方対称のC15型で、かつ結晶格子
定数aが6.92〜7.70Åである合金からなる。
作用 一般式AB2で表され、AおよびBは前記元素から選ば
れた少なくとも1種を含む合金で、結晶構造が立方対称
のC15型ラーバス相に属し、その結晶格子定数aが6.92
〜7.70Åである合金は、前記従来の水素吸蔵合金に比べ
て、単位格子間に占める水素原子の数が多いため水素の
吸蔵量および脱蔵量が大きく、水素吸蔵・脱蔵サイクル
を繰返しても安定な水素化物相や酸化物相を生成しない
ため、これを主たる材料として備えた水素吸蔵電極は高
容量を長期にわたって維持しうる。
実施例 本発明者らは、立方対称の結晶構造を有するC15型ラ
ーバス相合金のアルカリ蓄電池用水素吸蔵電極としての
性能を種々検討した結果、その中の一部のもの、即ち結
晶格子定数aが6.92〜7.70Aのものが優れた特性を有す
ることを見出した。
ラーバス相に属するC15型合金は立方晶のMgCu2型の結
晶構造を有し、水素吸蔵材としての性能は本発明者らが
先に特公昭56−31341号公報で示したように、結晶格子
定数aを主たる因子とする。ところが、水素ガス相で優
れた合金をそのまま水素吸蔵電極として用いた場合、電
解液中での電気化学的安定性が問題となるばかりでな
く、充電電気量は充分大きいが放電電気量は小さいもの
があるため、水素吸蔵電極としては必ずしも適当である
とは言えなかった。
ところが、C15型の中で特別な範囲の前記合金だけは
水素吸蔵電極として実用的に優れたものであることがわ
かった。
以下に具体的な実施例で説明する。
市販のTi,Zr,Cr,Mn,Ni,Mo,V,Cuなどを原材料とし、ア
ルゴンアーク溶解炉またはアルゴン高周波炉で溶解し、
次表に示すような組成の合金を得た。溶解した合金試料
の一部は、合金組成、結晶構造、結晶格子定数、均質性
などの合金分析用に使用し、残りは水素ガスでの水素吸
蔵量測定用(主としてP(圧力)−C(組成)−T(温
度)測定用)および電極性能評価用に用いた。
分析の結果から、表中の合金はすべて、主たる合金相
がC15型ラーバス相であることを確認した。合金No.1〜
4はC15型ではあるが結晶格子定数が本発明に係る6.92
Åより小さいものの、また合金No.5〜7は逆に結晶格子
定数が7.70Åより大きいものの代表例である。また、合
金No.9、10、11は合金組成中にNiを含有するもの、合金
No.8は合金組成中にMoを含有するものである。前記表中
に示した合金について、アルカリ蓄電池用負極としての
性能を評価した。
まず、溶解によって得られた合金を200メッシュ以下
の粒子に粉砕し、この合金粉末約5gを、結着剤としての
ポリエチレン粉末0.5gと、導電剤としてのカーボニルニ
ッケル粉末2gと共に充分混合撹拌し、これを、導電性芯
材としてのニッケルスクリーン(線径0.2mm,16メッシ
ュ)を中心にプレスにより加圧し板状に成形した。これ
を120℃、1時間真空中に置き、加熱してポリエチレン
を溶融し水素吸蔵電極とした。
蓄電池用負極としての評価のために、市販の焼結式ニ
ッケル極を正極に選び、ポリアミド不繊布をセパレータ
とし、比重1.30の苛性カリ水溶液に水酸化リチウムを20
g/1加えた溶液を電解液として、一定電流での充電と放
電を繰り返した。この時の充電電気量は、500mA×4時
間であり、放電は250mAで行い、0.8V以下をカットし
た。結果の一例である放電容量を前記の表および第1
図、第2図に示す。第1図は結晶格子定数aを横軸に最
大放電容量を100とした場合の相対量(%)を縦軸にと
ったもの、また第2図は横軸に充・放電サイクル数
(∞)を、縦軸に1g当りの放電容量を従来例(Ti2Ni,La
Ni5)と共に示したものである。尚、図中の番号は前記
表の合金No.と一致している。No.8はMoを含有し、No.11
はNiを含有している。
一般式AB2で表される各種合金のなかで、AサイトにT
iまたはZrを含んでいないか、またはBサイトにNiまた
はMoを含んでいない合金は、前記充放電条件でサイクル
を繰り返すうちに電気化学的活性を失い、充放電サイク
ル寿命が短く、実用的特性上不十分であった。また、2
元素系合金では、開放系での負極単極の特性は良好であ
るが、ニッケル正極と組み合わせた密閉系電池の特性評
価では、充放電サイクルの繰り返しによる水素ガスの発
生のため電池内圧が20気圧以上に上昇し、性能が低下し
た。そのため、3元素以上の多元系合金とすることが好
ましい。
表および第1図から明らかなように前記の本発明に係
る元素で構成され、C15型ラーバス相を有し結晶格子定
数aが6.92〜7.70Åである合金は放電容量が大きく、ア
ルカリ蓄電池用負極材として優れていることがわかる。
一方、aが6.92Åより小さい合金は放電容量が小さく、
またaが7.70Åより大きい合金も放電容量が小さい。こ
の理由は前者は充電過程での水素吸蔵量そのものが少な
いためであり、後者は水素吸蔵量は多いが、安定な水素
化物を形成するため容易には水素を出すことができず、
いわゆる放電効率が小さいからである。実用的観点から
放電容量を評価すれば、第1図に示したように250mAh/g
程度は必要で、この値は本発明合金電極の最大放電容量
の75%以上となる。
また、第2図のサイクル寿命特性からわかるように、
従来からあるTi2Ni,LaNi5は劣化が著しいのに対し、本
発明の水素吸蔵電極、特に、Niを含有するもの、および
Moを含有するものは寿命特性が優れていることがわか
る。これは良好な電気化学的触媒性能や耐酸化性能に起
因している。
なお本発明は表中に示すもの以外に多くの合金組成が
可能である。この場合、当然主たる合金相がC15型ラー
バス相で格子定数aは6.92〜7.70Åの範囲にある。また
表ではAグループ元素対Bグループ元素の比、A/Bが2
のものを実施例に示したが、金属間化合物AB2を形成す
る組成範囲であれば2でなくてもよいのは当然である。
以上のことから、本発明の合金を使用したアルカリ蓄
電池用水素吸蔵電極は、高容量化が可能であり、また長
寿命であることがわかる。さらに本発明の電極はアルカ
リ蓄電池の電極以外にも、燃料電池の水素極、電気分解
用の電極キャパシタなどに応用することもできる。
発明の効果 本発明の水素吸蔵電極は、高容量化が可能であり、か
つ反応の可逆性に優れ長寿命化に大きな効果を有してい
る。また、原材料が比較的低価格であるから、産業的価
値が大きく、電極製造技術においても、従来技術で充分
対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の放電容量特性図、第2図は
本発明の実施例の水素吸蔵電極および比較電極のサイク
ル寿命特性図である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式AB2(ただし、AはTiおよびZrから
    なる群より選ばれる少なくとも1種で、Hf、Ta、Y、C
    a、Mg、La、Ce、Mm、Nb、Nd、およびMoからなる群より
    選ばれる少なくとも1種を含むことができる。BはNi
    で、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Nb、Mo、および
    Wからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが
    できる。Mmは希土類元素の混合物を示す。また、AとB
    とは異種元素である。)で表され、合金相が実質的に金
    属間化合物のラーバス相に属し、その結晶構造が立方対
    称のC15型で、かつ結晶格子定数aが6.92〜7.70Åでな
    る合金からなる水素吸蔵電極。
  2. 【請求項2】一般式AB2(ただし、AはTiおよびZrから
    なる群より選ばれる少なくとも1種である。BはMoで、
    V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Nb、およびWからなる群
    より選ばれる少なくとも1種を含むことができる。A、
    B併せて3元素以上からなる。)で表され、合金相が実
    質的に金属間化合物のラーバス相に属し、その結晶構造
    が立方対称のC15型で、かつ結晶格子定数aが6.92〜7.7
    0Åである合金からなる水素吸蔵電極。
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