发明内容
所要解决的技术问题
本发明的目的在于提供高率放电特性优异、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性良好的极板群和使用了该极板群的高率放电特性优异、并且汇流排的焊接操作性、耐内部短路性、耐振动性和组装操作性良好的铅蓄电池。
解决该技术问题的手段
本发明通过对板栅的筋条配置形式、极耳的位置、极耳的宽度与极板的宽度的比值、以及极板群中极板的宽度与单元电池室的宽度的比值进行优化设计,从而解决了上述的技术问题。
即,本发明涉及如下内容。
(1)、一种铅蓄电池用板栅,其特征在于,极耳的宽度方向的中心位置离上述板栅的宽度方向的较近一端边缘的距离a与上述板栅的宽度W的比值a/W为0.29~0.34,上述板栅具有2个以上斜筋条群,每个斜筋条群由多根粗斜筋条构成,上述多根粗斜筋条各自的一端汇聚连接在上述板栅的上横梁骨的汇聚连接点上、另一端与上述板栅的左纵梁骨、右纵梁骨或下横梁骨连接,一个斜筋条群的汇聚连接点为上述极耳与上述上横梁骨相交叉处的中心点。
(2)、根据上述(1)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述极耳的宽度b与上述板栅的宽度W的比值b/W为0.14~0.205。
(3)、根据上述(1)或(2)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述粗斜筋条的粗度相对于上述板栅中的其他筋条的粗度为110~130%。
(4)、根据上述(1)或(2)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述比值a/W为0.31~0.33。
(5)、根据上述(2)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述比值b/W为0.15~0.18。
(6)、根据上述(1)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述多根粗斜筋条中的一部分粗斜筋条的上述另一端与上述左纵梁骨、上述右纵梁骨或上述下横梁骨的中间位置连接。
(7)、根据上述(1)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述多根粗斜筋条中的一部分粗斜筋条的上述另一端与上述左纵梁骨和上述下横梁骨两者的交叉点连接、或者与上述右纵梁骨和上述下横梁骨两者的交叉点连接。
(8)、根据上述(1)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述斜筋条群为2~4个。
(9)、根据上述(1)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述多根粗斜筋条为2~6根粗斜筋条。
(10)、根据上述(1)、(6)或(7)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,一个斜筋条群中的一个粗斜筋条的另一端和另一个斜筋条群中的一个粗斜筋条的另一端各自的与上述左纵梁骨、上述右纵梁骨或上述下横梁骨的交叉点相同。
(11)、根据上述(1)、(8)或(9)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的。
(12)、根据上述(1)、(8)或(9)所述的铅蓄电池用板栅,其特征在于,上述板栅中的上述2个以上斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的。
(13)、一种铅蓄电池用极板,其包含板栅和由该板栅保持的活性物质层,其特征在于,上述板栅是上述(1)~(12)中任一项所述的板栅。
(14)、根据上述(13)所述的铅蓄电池用极板,其特征在于,上述极板为正极板或负极板。
(15)、一种铅蓄电池用极板群,其由多片正极板和多片负极板隔着隔板交替重叠而成,其特征在于,上述正极板为上述(13)所述的极板;上述负极板的极耳的宽度方向的中心位置离上述负极板的宽度方向的较近一端边缘的距离a与上述负极板的宽度W的比值a/W为0.34以下,上述负极板的板栅具有2个以上斜筋条群,每个斜筋条群由多根粗斜筋条构成,上述多根粗斜筋条各自的一端汇聚连接在上述板栅的上横梁骨的汇聚连接点上、另一端与上述板栅的左纵梁骨、右纵梁骨或下横梁骨连接,一个斜筋条群的汇聚连接点为上述极耳与上述上横梁骨相交叉处的中心点。
(16)、根据上述(15)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述负极板的极耳的宽度b与上述负极板的宽度W的比值b/W为0.205以下。
(17)、根据上述(15)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述负极板的上述比值a/W为0.29~0.34。
(18)、根据上述(15)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述负极板的上述比值a/W为0.31~0.33。
(19)、根据上述(15)所述的铅蓄电池用用极板群,其特征在于,上述负极板的极耳的宽度b与上述板栅的宽度W的比值b/W为0.14~0.205。
(20)、根据上述(15)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述负极板为上述(13)所述的极板。
(21)、根据上述(15)~(20)中任一项所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述正极板中一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,上述负极板中一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的。
(22)、根据上述(15)~(20)中任一项所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述正极板中的上述2个以上斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,并且上述负极板中的上述2个以上斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的。
(23)、根据上述(15)~(20)中任一项所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述极板群中正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。
(24)、根据上述(21)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述极板群中正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。
(25)、根据上述(22)所述的铅蓄电池用极板群,其特征在于,上述极板群中正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。
(26)、一种铅蓄电池,其具有多个单元电池,该单元电池是通过极板群与电解液一起收纳在单元电池室中而形成的,其特征在于,上述极板群是上述(15)~(25)中任一项所述的极板群。
(27)、根据上述(26)所述的铅蓄电池,其特征在于,上述极板群中极板的宽度W与上述单元电池室的宽度Q的比值W/Q为0.89~0.93。
发明效果
根据本发明,通过对极耳位置、极耳宽度与极板宽度的比值进行优化设计,并且在正极板和负极板中采用2个以上由多根粗斜筋条构成的斜筋条群,并对这些斜筋条群相互之间的配置关系进行设置,从而能够降低内阻、提高正负极板的集电性和电流传输效率,由此能够提高铅蓄电池的高率放电特性;可以保证从极板的中央部分注入电解液,提高电解液向极板的各个部分进行浸透的均匀性,能够有效防止内部短路发生;并且,能够提高在对正负极板的极耳焊接汇流排时的焊接操作性。此外,通过对铅蓄电池中极板群的极板(正负极板)的宽度与各单元电池室的宽度的比值进行优化设计,能够提高铅蓄电池的耐振动性和组装操作性,使得极板不易发生变形,并且能够进一步降低铅蓄电池发生内部短路的可能性。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明进行说明。在附图中,为了简化说明,对具有实质上相同的功能的构成要件用同一参考符号表示。另外,本发明并不限于以下的实施方式。
本发明的发明者发现要提高铅蓄电池的高率放电特性,就需要提高电流传导的截面积和/或降低电流传导的路径,而从这两方面考虑,可以着眼于对板栅、极耳和汇流排等的结构、配置和尺寸进行优化设计。并且,在考虑提高高率放电特性的同时,还需要兼顾铅蓄电池的其他方面的性能例如汇流排的焊接操作性、耐内部短路性、耐振动性和组装操作性。
本发明的发明者首先着眼于板栅和极耳的优化设计,结果发现板栅的筋条分布和极耳位置对内阻、电流传输以及高功率、大电流放电特性有直接的影响。结果,本发明得到一种铅蓄电池用板栅,其中,极耳的宽度方向的中心位置离上述板栅的宽度方向的较近一端边缘的距离a与上述板栅的宽度W的比值a/W为0.29~0.34,上述板栅具有2个以上斜筋条群,每个斜筋条群由多根粗斜筋条构成,上述多根粗斜筋条各自的一端汇聚连接在上述板栅的上横梁骨的汇聚连接点上、另一端与上述板栅的左纵梁骨、右纵梁骨或下横梁骨连接,一个斜筋条群的汇聚连接点为上述极耳与上述上横梁骨相交叉处的中心点。
图1是上述板栅的结构和尺寸的示意图。如图1所示,在该板栅1中,极耳2的宽度方向的中心位置离上述板栅的宽度方向的较近一端边缘(即左纵梁骨)4的距离为a,上述板栅1的宽度为W,上述板栅1具有2个以上斜筋条群(在图1中只示出了2个斜筋条群),每个斜筋条群由多根粗斜筋条构成,上述多根粗斜筋条各自的一端汇聚连接在上述板栅的上横梁骨3的汇聚连接点7,8上、另一端与上述板栅1的左纵梁骨4、右纵梁骨5或下横梁骨6连接,一个斜筋条群的汇聚连接点为上述极耳2与上述上横梁骨3相交叉处的中心点7。这里所谓的中心点可以是最中心点±2mm的位置,优选为最中心点±1mm的位置。
如图1所示,在上述板栅中,一个斜筋条群中的一个粗斜筋条的另一端和另一个斜筋条群中的一个粗斜筋条的另一端各自的与上述左纵梁骨、上述右纵梁骨或上述下横梁骨的交叉点可以相同,即来自于一个板栅中的不同斜筋条群中的粗斜筋条的另一端相交在一起。当然上述交叉点也可以不同。
通过调整并选择极耳的位置以将上述比值a/W设定为0.29~0.34,降低了极板的内阻、提高了电流传输效率。通过在板栅中配置2个以上斜筋条群,每个斜筋条群中的各个粗斜筋条汇聚连接到上横梁骨上,而且一个斜筋条群直接与上述极耳与上述上横梁骨相交叉处的中心点连接,由此这些斜筋条群能够进一步降低内阻、将电流更有效地传输到极耳处,提高了极板的下部活性物质的利用率和电流的传输效率,同时提高了极板的抗蠕变性能。
在本发明中,如果上述比值a/W低于0.29,则极耳2离板栅1的宽度方向的较近一端边缘4的距离较小,即极耳2很靠近板栅1的一端边缘4,结果集电性降低,高率放电特性降低。如果上述比值a/W大于0.34,则极耳2离板栅1的宽度方向的较近一端边缘4的距离较大,即极耳2很靠近板栅1的横梁骨3的中央部分,这样会使极板群中正极耳和负极耳两者很靠近,结果导致难以对正极耳和负极耳焊接汇流排,甚至有可能发生短路。而且,因为将极板群组装到电槽中来制备铅蓄电池时,需要从正极耳和负极耳之间的中间部分(即极板的中央部分)注入电解液,所以如果极板群中正极耳和负极耳两者很靠近,则电解液很可能碰到汇流排而不能被顺利地注入极板群中,结果电解液有可能无法均匀地浸透在整个极板群中,由此铅蓄电池有可能发生内部短路(枝晶短路)。另一方面,如果不从正极耳和负极耳之间的中间部分注入电解液、而从极板群的两侧部分注入电解液,则电解液有可能无法到达离注液口较远的角落部分,电解液就更有可能无法均匀地浸透在整个极板群中,从而铅蓄电池有可能发生内部短路(枝晶短路)。从兼顾高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性三者的观点考虑,优选上述比值a/W为0.31~0.33。
在本发明中,为了进一步提高高率放电特性,优选上述极耳的宽度b与上述板栅的宽度W的比值b/W为0.14~0.205。如果上述比值b/W低于0.14,则极耳宽度较小,结果集电性降低,高率放电特性降低。如果上述比值b/W大于0.205,则极耳宽度较大,正极汇流排和负极汇流排的宽度也较大,结果导致难以对正极耳和负极耳焊接汇流排,而且正极汇流排和负极汇流排有可能间隔太近,甚至有可能发生短路。而且,如前所述,因为在将极板群组装到电槽中来制备铅蓄电池时,需要从正极耳和负极耳之间的中间部分注入电解液,所以如果极板群中正极耳和负极耳两者很靠近,则电解液很可能碰到汇流排,从而电解液不能被顺利地注入极板群中,结果电解液有可能无法均匀地浸透在极板群中,从而铅蓄电池有可能发生内部短路(枝晶短路)。从兼顾高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性三者的观点考虑,优选上述比值b/W为0.15~0.18。
在本发明中,正极板和负极板各自中的斜筋条群的数目均优选为2~4个,因为该斜筋条群的数目过多的话,会影响板栅中的其他筋条(即除了上述粗斜筋条之外的筋条)的配置和分布,反而不利于本发明的效果的实现,甚至会影响电池的总体性能。
上述斜筋条群优选由2~6根粗斜筋条构成。如果少于2根的话,有可能不能充分地实现降低内阻、提高电流传输效率的效果,而如果多于6根的话,则2个以上斜筋条群的粗斜筋条的总数过多,会影响板栅中的其他筋条的配置和分布,反而不利于本发明的效果的实现,甚至会影响电池的总体性能。
在本发明中,优选上述粗斜筋条的粗度相对于上述板栅中的其他筋条的粗度为110%~130%。如果低于110%的话,则有可能不能充分地实现降低内阻、提高电流传输效率的效果。而如果高于130%的话,则粗斜筋条过粗,会影响活性物质层的填充紧密度和填充量,并且会影响板栅中的其他筋条的配置和分布,反而不利于本发明的效果的实现,甚至会影响电池的总体性能。
另外,本发明中上述斜筋条群中的粗斜筋条的根数和粗度还要考虑整个板栅的用铅量不要过多地超过以前的用量,这有利于控制成本,并有利于按照实际的需要对内阻进行调节。
上述斜筋条群中的多根粗斜筋条各自的另一端与上述左纵梁骨、上述右纵梁骨或上述下横梁骨连接。从使得整个极板的电流传输更均衡和高效的观点考虑,优选上述多根粗斜筋条各自的另一端与上述左纵梁骨、上述右纵梁骨或上述下横梁骨的中间位置连接,或者与上述左纵梁骨和上述下横梁骨两者的交叉点连接、或者与上述右纵梁骨和上述下横梁骨两者的交叉点连接。
另外,在上述板栅中,一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条(本说明书中将其有时简称为“2个斜筋条群中的各个粗斜筋条”)可以被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,也可以被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的。但是,从使得整个极板中筋条的总体分布更均匀、并且电流传输更均衡和高效的观点考虑,优选的是,一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条可以被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,这时,这两个斜筋条群各自的与上横梁骨的汇聚连接点相对于上述中心线通常也是左右对称的。进一步优选的是,上述板栅中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的。图1中示出了板栅1中一个斜筋条群的4根粗斜筋条与另一个斜筋条群的4根粗斜筋条相对于板栅1的宽度方向的中心线10是左右对称的情况,其中一个斜筋条群汇聚连接到上述极耳2与上述上横梁骨3相交叉处的中心点7,另一个斜筋条群汇聚连接到上横梁骨上的交点8处,中心点7和交点8相对于中心线10是左右对称的。而且,图1中示出的又是板栅中具有2个斜筋条群且这2个斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的情况,并且根据图1所示的内容可以很容易地理解板栅中具有3个、4个或更多个斜筋条群且所有这些斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线是左右对称的情况。
图2是本发明的板栅的一个例子的示意图,该板栅具有两个斜筋条群,其中一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于上述板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的。
本发明的上述板栅虽然具有比较复杂的筋条配置形式,但是能够通过铸造法容易地制造出来。
本发明还提供一种铅蓄电池用极板,其包含上述板栅和由该板栅保持的活性物质层。上述极板可以为正极板和负极板中的至少之一,但是与负极板相比,正极板更需要配置成上述结构,因为在铅蓄电池中正极板更容易发生膨胀和变形,且电池容量由正极板控制,将正极板配置成上述结构的话,更能发挥效果。而且,本发明的发明者发现与负极板相比,正极板的粗斜筋条的配置形式、比值a/W、b/W对高率放电特性有更大的影响。
因为铅蓄电池用极板与板栅的尺寸在长度和宽度方面是完全一致的,因此极板中极耳位置、极耳宽度与极板宽度的比值、以及粗斜筋条的配置形式等等都与板栅中的上述情况是完全一致的。
本发明进一步提供一种铅蓄电池用极板群,其由多片正极板和多片负极板隔着隔板交替重叠而成,其中,上述正极板为上述制得的极板;上述负极板的极耳的宽度方向的中心位置离上述负极板的宽度方向的较近一端边缘的距离a与上述负极板的宽度W的比值a/W为0.34以下,上述负极板的板栅具有2个以上斜筋条群,每个斜筋条群由多根粗斜筋条构成,上述多根粗斜筋条各自的一端汇聚连接在上述板栅的上横梁骨的汇聚连接点上、另一端与上述板栅的左纵梁骨、右纵梁骨或下横梁骨连接,一个斜筋条群的汇聚连接点为上述极耳与上述上横梁骨相交叉处的中心点。上述负极板的比值a/W的下限值以及比值b/W并不需要特意地进行限定。这是因为,本发明的发明者发现与正极板的比值a/W、b/W相比,负极板的比值a/W、b/W对高率放电特性的影响要小一些,特别是在限定了负极板的板栅具有2个以上的由多根上述粗斜筋条构成的上述斜筋条群的情况下,可以不必对负极板的比值a/W、b/W的下限进行特别的限定,只要在本领域中的常规范围即可。但是,从更好地兼顾高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性三者的观点考虑,优选上述极板群中负极板的比值a/W为0.29~0.34、比值b/W为0.14~0.205,更优选负极板的比值a/W为0.31~0.33、比值b/W为0.15~0.18。
另外,从提高充放电效率和成本控制的观点考虑,优选上述极板群的最外侧均为负极板,即负极板比正极板多1片。其原因是:正极板活性物质比较疏松,且正极板的化学反应比负极板的化学反应剧烈,反应前后活性物质体积变化较大,所以当将正极板夹在负极板之间,可使其两侧放电均匀,从而减轻正极板的翘曲和活性物质脱落。
在本发明的极板群中,优选的是,正极板中一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,负极板中一个斜筋条群中的各个粗斜筋条与另一个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,因为这能够使得整个极板群中筋条的总体分布更均匀、并且电流传输更均衡和高效,从而能够更好地提高大电流放电性能即高率放电特性。
在本发明的极板群中,进一步优选的是,正极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,并且负极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,因为这能够进一步提高大电流放电性能即高率放电特性。
在本发明的极板群中,还优选的是,正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠,因为这能够使得正极板和负极板对应区域的筋条的分布一致、反应性也一致,从而不会出现某一个极板的反应性较差而容易导致反应钝化和疲劳的情况,由此能够提高大电流放电下的循环寿命性能。
在本发明的极板群中,特别优选的是,正极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,负极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,并且上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠,因为这能够进一步提高大电流放电性能以及大电流放电下的循环寿命性能。
图3(a)和图3(b)给出了本发明的极板群的一个例子的示意图,在该极板群中,如图3(a)所示,正极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,如图3(b)所示,负极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,而且上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。图3(a)和图3(b)示出的是正负极板各自中具有2个斜筋条群且这2个斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的情况,但是根据图3(a)和图3(b)所示的内容可以很容易地理解正负极板各自中具有3个、4个或更多个斜筋条群且所有这些斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的情况,在这种情况下,所得的极板群中正极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,并且负极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线是左右对称的,而且上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。后文中有时将极板群中粗斜筋条的这种配置和分布的类型简记为A类型。
图4(a)和图4(b)给出了本发明的极板群的另一个例子的示意图,在该极板群中,如图4(a)所示,正极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,如图4(b)所示,负极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,但是上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。图4(a)和图4(b)示出的是正负极板各自中具有2个斜筋条群且这2个斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的情况,但是根据图4(a)和图4(b)所示的内容可以很容易地理解正负极板各自中具有3个或更多个斜筋条群且所有这些斜筋条群中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的情况,在这种情况下,所得的极板群中正极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,并且负极板中的上述2个以上斜筋条群(即所有斜筋条群)中的所有粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,但是上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠。后文中有时将极板群中粗斜筋条的这种配置和分布的类型简记为B类型。
图5(a)和图5(b)给出了本发明的极板群的一个比较例的示意图,如图5(a)所示,正极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,如图5(b)所示,负极板中的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线不是左右对称的,而且上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态也不完全一致而不完全相互重叠。在这种情况下,所得的极板群中正极板和负极板各自中的多个斜筋条群中的各个粗斜筋条在整体上被配置成相对于板栅的宽度方向的中心线都不是左右对称的,而且上述正极板和上述负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态也不完全一致而不完全相互重叠。后文中有时将极板群中粗斜筋条的这种配置和分布的类型简记为C类型。
本发明还提供一种铅蓄电池,其具有多个单元电池,该单元电池是通过极板群与电解液一起收纳在单元电池室中而形成的,其中,极板群是上述制得的极板群。
本发明的发明者发现:在铅蓄电池中极板群的极板(正负极板)的宽度W与单元电池室的宽度Q的比值W/Q对铅蓄电池的性能也有明显的影响。图6是表示本发明的铅蓄电池的单元电池室和极板的尺寸关系的示意图。如果上述比值W/Q过小,即单元电池室的宽度Q过大,则极板群与单元电池室的壁面之间的间隙大,极板群容易晃动,从而不能被稳定地固定,所以电池的耐振动性降低。而如果上述比值W/Q过大,即单元电池室的宽度Q过小,则极板群与单元电池室的壁面之间的间隙小,由于极板两侧的隔板会比极板宽一些并占用一部分单元电池室的容积,所以极板群装入单元电池室时容易受到挤压而不容易装入,造成电池组装困难;而且,极板在厚度方向上也有可能发生变形,甚至有可能发生内部短路。综合上述各方面考虑,上述比值W/Q适宜为0.89~0.93,优选为0.90~0.92。
以下,基于实施例对本发明进行具体地说明,但这些实施例只是本发明的例示,本发明并不限于这些实施例。
(实施例1)
(1)正极板的制造
以约100:12:14的重量比将原材料铅粉(铅和氧化铅的混合物)、水和稀硫酸进行捏合,从而获得作为正极活性物质的正极铅膏。
将包含含有约0.07质量%Ca和约1.3质量%Sn的Pb合金原料通过铸造法制得的如图3(a)所示的正极板栅(包括2个由4根粗斜筋条构成的斜筋条群)。然后,在上述正极板栅上填充上述正极铅膏而获得未化成的正极板。通过对该未化成的正极板进行固化、干燥和化成,获得由正极板栅保持正极活性物质层而成的正极板。上述化成可以在组装成极板群之前进行,也可以在组装成极板群并装配到铅蓄电池的电槽内之后来进行。
所得正极板的各个构成要素的参数参见后述表1中所示的值,其中,比值a/W为0.29,比值b/W为0.165。
(2)负极板的制造
以约100:10:4的重量比将原材料铅粉、水和稀硫酸进行捏合,从而获得作为负极活性物质的负极铅膏。用含有约0.07质量%Ca和约0.25质量%Sn的Pb合金原料通过铸造法制得的如图3(b)所示的负极板栅(包括2个由4根粗斜筋条构成的斜筋条群)。用上述负极铅膏填充上述负极板栅而获得未化成的负极板。通过对该未化成的负极板进行固化、干燥和化成,获得由负极板栅保持了负极活性物质层而成的负极板。上述化成可以在组装成极板群之前进行,也可以在组装成极板群并装配到铅蓄电池的电槽内之后来进行。
所得负极板的各个构成要素的参数参见后述表1中所示的值,其中,比值a/W为0.32,比值b/W为0.165。
(3)铅蓄电池的制造
将多片上述正极板和多片上述负极板分别隔着超细玻璃纤维棉(AGM)交替地重叠,从而获得极板群。
分别将上述获得的单个极板群中同极性的正极极耳接到一起而获得正极汇流排,将同极性的负极极耳焊接到一起而获得负极汇流排。将6个极板群分别收纳在电槽中的由间隔壁隔开的6个单元电池室中。通过将一个极板群的负极汇流排与相邻的极板群的正极汇流排焊接,从而将两个相邻的极板群串联连接,由此依次将各个极板群串联连接起来,也就是将各个单元电池串联起来。其中,所得的比值W/Q为0.91。
在上述多个串联连接的极板群中,位于最终的两端的两个极板群中的一个极板群的正极汇流排与正极端子连接、另一个极板群的负极汇流排与负极端子连接。然后,将电池盖安装到电槽的开口上。随后,从电池盖上所设置的液体入口向每个单元电池中倒入浓度为1.260g/ml的硫酸作为电解液,并且在电槽中进行化成。在化成后,将具有用来将电池内部产生的气体和压力排出的阀固定在上述液体入口中,从而获得铅蓄电池,该电池的容量为65Ah,额定电压为12V。
(4)对铅蓄电池的性能进行评价
(A)铅蓄电池的高率放电(大电流放电)特性和耐内部短路性的测定
高率放电特性的测定方法如下:
充电条件:以14.7V的恒电压充电,最多充电12小时
放电条件:以195A(3C)恒电流放电,直至电压降至9.6V
具体地说,将制造30天之内的新品电池进行电压、内阻及重量的测定后,在环境温度为25℃条件下按以195A(3C)恒电流放电,放电到9.6V终止后,记录放电时间(单位为小时,简记为h),由此计算出放电容量来作为电池的初期高率放电特性。
另外,对将制造30天之内的新品电池进行300次充放电循环后,按照上述相同的步骤计算出放电容量来作为电池的末期高率放电特性。
上述末期高率放电特性是为了测定电池在使用了300次之后是否发生劣化,通过与初期高率放电特性进行比较就可以得出电池的劣化程度和耐劣化性。
耐内部短路性的测定方法如下(枝晶短路试验):
在25℃环境下进行12小时的2.45V恒电压充电(最大电流为24A),然后拆卸开电池,目测在极板间产生的枝晶短路的个数。
为了使枝晶短路容易发生,将电解液的注入速度由通常的50ml/秒增加到100ml/秒,由此制作电池。
(B)汇流排的焊接操作性的测定
汇流排的焊接操作性用铸焊工艺(COS)的焊接性进行测定,对焊接性进行判定的标准如下:
×:极耳与汇流排基本上融合,但可以明显看见较多气孔和分界线。
△:在汇流排的上部开始可以看见极耳的纵向分界线和少量小气孔,极耳上部与汇流排融合。
○:在汇流排的中央附近开始可以看见极耳的纵向分界线,极耳上部与汇流排融合。
◎:极耳与汇流排熔为一体,仅能稍微看见一点极耳的分界线。
(C)耐振动性的测定
(1)充电结束后将电池在25±2℃的环境温度下放置12小时,使用标准电压表测定电池内阻R(数据读取)。
(2)将电池放在专门的振动试验设备上,按下述条件进行振动试验。
①补充满电电池;电池放置:正立放置
②振动方向:水平&垂直;振幅:4mm
③振动频率:16.7HZ;时间:1小时
测定方法:将电池放在专门的振动试验设备上,按上述条件进行振动试验,结束后确认:电池内阻和电压(静特性)。
通过将此时测定的电池内阻与上述(1)中测定的电池内阻相比所升高的幅度来判定耐振动性,内阻升高得越多,表明耐振动性越差。
对每个实施例或比较例分别各制作100个电池。将进行了振动试验之后与进行振动试验之前相比,将内阻(IR)上升了1%以上或开路电压(OCV)降低了1%以上的电池判定为通过振动使极板群与汇流排之间的连接破坏了。
将发生了上述破坏的电池的个数以百分率(%)示于表1中。
(D)组装操作性
制成10个待测的电池,在电池的各个单元电池室中插入极板群,因为每个电池有6个单元电池室,所以总计有60个单元电池。如果能够用手操作以每个单元电池室为3秒的速度将极板群插入到所有单元电池室中,则判定为组装操作性优异。即,以将用手操作不能以3秒的速度将极板群插入到单元电池室中的数目来评价组装操作性,将所述数目为0时记为◎,将所述数目为1时记为○,将所述数目为4时记为△。
(实施例2~5)
除了使正极板的比值a/W分别为0.31~0.34以外,其它均按照与实施例1相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池,即,极板群中各个粗斜筋条的配置和分布的类型也仍然为A类型。
(比较例1、2)
除了使正极板的比值a/W分别为0.28、0.35以外,其它均按照与实施例1相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
上述各实施例和比较例中极板的各个构成要素和铅蓄电池的评价结果参见表1中所示的值。
从实施例1~5和比较例1、2所得的结果可知,通过将正极板的比值a/W设定在0.29~0.34的范围内,可以实现良好的高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性。从得到更好的高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性的观点考虑,优选正极板的上述比值a/W为0.31~0.33。而如果正极板的上述比值a/W低于0.29,高率放电特性降低;如果正极板的上述比值a/W大于0.34,则汇流排的焊接操作性和耐内部短路性降低。
(实施例6)
除了采用图4(a)所示的正极板栅和图4(b)所示的负极板栅(极板群中各个粗斜筋条的配置和分布的类型为B类型)以外,其它均按照与实施例3相同的设置(板栅的用铅量也相同)和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例6和实施例3所得的结果可知,极板群中正极板和负极板各自的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条不是左右对称时比该各个粗斜筋条是左右对称时的高率放电特性稍微差一些。但是,由于仍然是极板群中的正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态完全一致而相互重叠,所以除了对高率放电特性有所影响之外,整体上仍然能实现本发明的效果。
另外可知,对于极板群中正极板和负极板各自的斜筋条群大于2个(例如为3个或4个)时,也可以得到类似的结果。
(比较例3)
除了采用图5(a)所示的正极板栅和图5(b)所示的负极板栅(极板群中各个粗斜筋条的配置和分布的类型为C类型)以外,其它均按照与实施例6相同的设置(板栅的用铅量也相同)和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例6和比较例3所得的结果可知,在极板群中正极板和负极板各自的2个斜筋条群中的各个粗斜筋条不是左右对称的情况下,极板群中的正极板和负极板各自的对应区域的对应粗斜筋条的配置形态不完全一致时与该配置形态完全一致时相比,末期高率放电特性明显下降,据认为这是因为正极板和负极板的对应区域中不存在粗斜筋条的一侧容易钝化,不容易反应,并且容易出现疲劳,从而在经过多个充放电循环之后出现了劣化。
另外可知,对于极板群中正极板和负极板各自的斜筋条群大于2个(例如为3个或4个)时,也可以得到类似的结果。
(比较例4)
除了采用无粗斜筋条的正负极板栅以外,其它均按照与实施例6相同的设置(板栅的用铅量也相同)和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例6和比较例4所得的结果可知,在采用无粗斜筋条的正负极板栅的情况下,初期和末期高率放电特性均显著下降,高率放电特性很差。
(实施例7~12)
除了使比值W/Q分别为0.88~0.94以外,其它均按照与实施例3相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例7~12所得的结果可知,上述比值W/Q对电池的耐振动性和组装操作性有直接的影响,从耐振动性和组装操作性这两个方面综合考虑,上述比值W/Q适宜为0.89~0.93,优选为0.90~0.92。
(实施例13~17)
除了使负极板的比值a/W分别为0.28~0.34以外,其它均按照与实施例3相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
(比较例5)
除了使负极板的比值a/W为0.35以外,其它均按照与实施例3相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例13~17和比较例5所得的结果可知,通过将负极板的比值a/W设定在0.29~0.34的范围内,可以实现良好的高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性。从得到更好的高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性的观点考虑,优选负极板的上述比值a/W为0.31~0.33。当负极板的上述比值a/W为0.28时,高率放电特性虽然有所降低,但仍然基本上满足要求,这一点与比较例1的情况有所不同,这说明正极板的比值a/W与负极板的比值a/W相比对高率放电特性有更大的影响。如果负极板的上述比值a/W大于0.34,则汇流排的焊接操作性和耐内部短路性降低。
(实施例18~23)
除了使正极板的比值b/W分别为0.13~0.205以外,其它均按照与实施例3相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例18~23所得的结果可知,为了确保高率放电特性,优选正极板的极耳的宽度b与板栅的宽度W的比值b/W为0.14~0.205。当正极板的比值b/W为0.13即极耳的宽度较窄时,高率放电特性稍微有所降低,据认为这是由于集电性有所降低;而极耳的宽度较宽时,汇流排的宽度也较宽,由此汇流排的焊接操作性降低。另外,从更好地兼顾高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性三者的观点考虑,更优选正极板的上述比值b/W为0.15~0.18。
(实施例24~29)
除了使负极板的比值b/W为0.13~0.205以外,其它均按照与实施例3相同的设置和工艺方法来制得极板群和铅蓄电池。
从实施例24~29所得的结果可知,为了确保高率放电特性,优选负极板的极耳的宽度b与板栅的宽度W的比值b/W为0.14~0.205。当负极板的比值b/W为0.13即极耳的宽度较窄时,高率放电特性稍微有所降低,据认为这是由于集电性有所降低;而极耳的宽度较宽时,汇流排的宽度也较宽,由此汇流排的焊接操作性降低。另外,从更好地兼顾高率放电特性、汇流排的焊接操作性和耐内部短路性三者的观点考虑,更优选负极板的上述比值b/W为0.15~0.18。
综上所述,本发明通过对板栅的筋条配置形式、极耳的位置、极耳的宽度与极板的宽度的比值进行优化设计,能够得到高率放电特性优异、并且汇流排的焊接操作性和耐内部短路性良好的铅蓄电池。进而,通过对极板群中极板(正负极板)的宽度与各单元电池室的宽度的比值进行优化设计,能够提高铅蓄电池的耐振动性和组装操作性,使得极板不易发生变形,并且能够进一步降低铅蓄电池发生内部短路的可能性。
表1
工业实用性
本发明提供了高率放电特性优异、并且汇流排的焊接操作性和耐内部短路性良好的极板群以及使用了该极板群的高率放电特性优异、并且汇流排的焊接操作性、耐内部短路性、耐振动性和组装操作性良好的铅蓄电池。