CN116615815A - 铅蓄电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铅蓄电池,其具备至少1个电池单元,该电池单元具备极板组和电解液。上述极板组具备正极板、负极板以及介于上述负极板和上述正极板之间的隔离件。上述负极板具备负极电极材料。上述负极电极材料包含选自表面活性剂和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物中的至少一种的添加剂、以及有机防缩剂。上述电解液包含金属离子。上述金属离子包含选自锂离子、钠离子和铝离子中的至少一种成分。上述电解液中的上述成分的合计浓度为0.02mol/L以上。上述电解液中的上述成分各自的浓度为0.35mol/L以下。

Description

铅蓄电池
技术领域
本发明涉及铅蓄电池。
背景技术
铅蓄电池除了在车载用、产业用之外,还在各种各样的用途中使用。铅蓄电池中可以包含负极板、正极板、隔离件(或毡)和电解液等。从赋予各种功能的观点出发,也可以在铅蓄电池的构成构件中添加添加剂。
专利文献1公开了一种液式铅蓄电池,其具有将极板组和电解液一并收纳到电解槽内的构成,间歇地进行充电,在部分充电状态下进行对负荷的高倍率放电,其中,上述极板组是介由隔离件而将负极板和正极板层叠而成的,该负极板是将负极活性物质填充到负极集电体而成的,该正极板是将正极活性物质填充到正极集电体而成的。专利文献1公开了一种铅蓄电池,其特征在于,在上述负极活性物质中,至少添加碳质导电材料、以及抑制伴随充放电的负极活性物质的粗大化的有机化合物;上述正极板以每单位极板组体积[cm3]的正极活性物质总表面积[m2]为3.5~15.6[m2/cm3]的范围的方式而构成,除此之外,电解液中添加有选自阳离子系凝集剂、阳离子系表面活性剂和磷酸中的化合物。
专利文献2公开了一种铅蓄电池用电解液,其含有特定的式(I)表示的铵化合物。
专利文献3公开了一种铅蓄电池,其中,将丙烯氧化物与乙烯氧化物的共聚物与木质素磺酸盐并用,添加到负极板活性物质中。
专利文献4公开了一种能再次充电的电化学电池单元,其供于多次的充电线圈和放电线圈。各充电线圈在电池单元内具有对应于产生气体的充气充电的充电部、和低于充气充电的充电部。电化学电池单元具有:正极和负极,支持电极间的电流、且与电极离子接触的水溶性电解液,用于形成配置在电解液中的能灭活的抑制手段和抑制充气充电的屏障的、与负极结合的该构成成分。关于能灭活的抑制手段,在活化时,以能灭活的抑制手段抑制充气充电而限制电池单元内的气体产生的方式,通过对应于充气充电的充电部而活化,并且,在灭活时,以实质上不具有限制充电的效果、且能灭活的抑制手段在放电循环之间实质上不具有效果的方式,通过比充气充电低的充电部而灭活。专利文献4中,作为能灭活的抑制手段,记载了烷基二甲基苄基氯化铵等季铵。
专利文献5公开了一种铅蓄电池,其具备负极材料、正极材料和电解液,上述负极材料含有碳、双酚系缩合物、选自藻酸或其盐中至少一者、以及海绵状铅,上述正极材料以二氧化铅为主成分,上述电解液包含铝离子、锂离子和钠离子中至少一种元素。
专利文献6公开了一种铅蓄电池用的高分子纳米聚合物电解质,其中,主要是将配位剂2.5~4重量%、络合剂2.5~4重量%、催化剂0.01~0.5重量%、稳定化剂2.3~3.8重量%、调节剂0.1~0.5重量%、消泡剂0.01~0.5重量%、硫酸36~45重量%、和剩余部分的水进行混合。这里,络合剂为羧甲基纤维素钠或聚丙烯酰胺,稳定化剂为硫酸锂或包含锂离子的碱,消泡剂为甘油聚氧乙烯聚氧丙烯醚或磷酸三丁酯,调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾、或碳酸钠,配位剂为直径为8~15nm的纳米熔融二氧化硅,催化剂为氨基钠或钠金属99.5。
应予说明,专利文献7公开了一种铅蓄电池,其具备正极板与电解液的组合,该正极板是在由Pb-Ca系合金形成的多孔基板中填充包含钙的正极活性物质而成的,该电解液包含铝离子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2013/058058号
专利文献2:日本特开2008-152973号公报
专利文献3:日本特开昭60-182662号公报
专利文献4:美国专利第6899978号说明书
专利文献5:日本特开2015-32481号公报
专利文献6:中国专利第100439438号说明书
专利文献7:日本特开2006-4636号公报
发明内容
铅蓄电池也会在被称为部分充电状态(PSOC)的充电不足状态下使用。例如,搭载于怠速停止·启动(ISS)车的铅蓄电池就是在PSOC下使用。如果铅蓄电池在PSOC下重复充放电,则硫酸铅容易蓄积,寿命性能容易降低。为了抑制硫酸铅的蓄积,要求高充电接收性能。但是,在充电接收性能高的情况下,过充电时的氢离子的还原反应也变得显著,因此,过充电电量变大,电解液的减少变得显著。如果负极电极材料所含的铅的表面被有机系添加剂覆盖,则难以产生过充电时的氢离子的还原反应,因此,可以减少过充电电量。但是,如果成为铅的表面被有机系添加剂覆盖的状态,则放电时生成的硫酸铅会难以在充电时溶出,充电接受性能会降低。因此,难以兼顾抑制充电接受性能的降低与过充电电量的减少。
本发明的一个方面涉及一种铅蓄电池,
上述铅蓄电池具备至少1个电池单元,该电池单元具备极板组和电解液,
上述极板组具备正极板、负极板、以及介于上述负极板和上述正极板之间的隔离件,
上述负极板具备负极电极材料,
上述负极电极材料包含选自表面活性剂、具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物、和表面活性剂中的至少一种的添加剂,以及有机防缩剂,
上述电解液包含金属离子,
上述金属离子包含选自锂离子、钠离子和铝离子中的至少一种成分,
上述电解液中的上述成分的合计浓度为0.02mol/L以上,
上述电解液中的上述成分的各自的浓度为0.35mol/L以下。
附图说明
图1为表示本发明的一个方面涉及的铅蓄电池的外观和内部结构的、将一部分拆开后的分解立体图。
具体实施方式
一般来说,铅蓄电池中,过充电时的反应受到铅与电解液的界面中的氢离子的还原反应的很大影响。如果铅蓄电池的负极电极材料中包含有机系添加剂,则在作为活性物质的铅的表面会附着有机系添加剂。如果铅的表面成为被有机系添加剂覆盖的状态,则难以产生氢离子的还原反应,因此,存在过充电电量减少的倾向。但是,有机系添加剂也会附着在放电时生成的硫酸铅的表面,在充电时硫酸铅难以溶出,因此,充电接收性能降低。因此,抑制充电接受性能的降低与过充电电量的减少之间存在权衡(Trade-off)的关系,在现有技术中难以兼顾。进而,如果成为有机系添加剂在铅的细孔内分布不均的状态,则为了确保充分的降低过充电电量的效果,必须增大负极电极材料中的有机系添加剂的含量。但是,一般来说,如果有机系添加剂的含量增大,那么充电接受性能会降低。
一般来说,铅蓄电池中,使用硫酸水溶液作为电解液,因此,如果负极电极材料中含有有机系添加剂(油、高分子、或有机防缩剂等),则难以在向电解液的溶出与对铅的吸附之间取得平衡。例如,如果使用对铅的吸附性低的有机系添加剂,则容易溶出到电解液中,难以减少过充电电量。另一方面,如果使用对铅的吸附性高的有机系添加剂,则难以在铅表面较薄地附着,容易成为有机系添加剂在铅的细孔内分布不均的状态。
如果在铅的细孔内有机系添加剂成为分布不均的状态,则由于分布不均的有机系添加剂的空间位阻,会阻碍离子(铅离子和硫酸离子等)的移动。因此,充放电反应容易被阻碍。为了确保充分的减少过充电电量的效果,如果使有机系添加剂的含量增大,则细孔内的离子的移动会被进一步阻碍,因此,充放电反应也会被进一步阻碍。如果充放电反应被阻碍,则充电接收性能可能会降低,放电性能可能会降低。
鉴于上述情况,本发明的一个方面涉及的铅蓄电池具备至少1个电池单元,该电池单元具备极板组和电解液。极板组具备正极板、负极板、以及介于负极板和正极板之间的隔离件。负极板具备负极电极材料。负极电极材料包含选自表面活性剂和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物中的至少一种的添加剂(以下,称为第1添加剂。)、以及有机防缩剂。电解液包含金属离子。金属离子包含选自锂离子、钠离子、和铝离子中的至少一种的成分(以下也称为第1成分。)。电解液中的第1成分的合计浓度为0.02mol/L以上。电解液中的第1成分的各自的浓度为0.35mol/L以下。
根据本发明的一个方面涉及的铅蓄电池,通过组合具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板、以上述浓度包含第1成分的电解液,从而可以确保高充电接收性能、减少过充电电量。通过抑制过充电时的氢的产生,从而减少电解液的减少量。另外,可以显著提高PSOC循环下重复充放电情况的寿命性能(以下也称为PSOC寿命性能。)。
可以认为,在本发明的一个方面涉及的铅蓄电池中可以确保较高的充电接收性能并同时减少过充电电量的理由如下。
首先,第1添加剂通过氧基C2-4亚烷基单元的重复结构或表面活性剂所具有的亲水性基团的存在,从而具有对铅的高吸附性。另外,铅蓄电池中,在负极电极材料中的铅表面吸附有硫酸氢离子,但通过第1成分的作用,从而硫酸氢离子的阴离子性得到缓和。可以认为,该效果在第1添加剂具有疏水性基团的情况下更为显著。因此,可以认为第1添加剂的向铅表面的吸附性进一步提高。另外,在第1添加剂具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的情况下,容易取得线状结构。另外,可以认为,表面活性剂通过疏水性基团的作用,从而可以抑制向铅表面的过度的被覆,且为两亲性,因此难以产生凝集。因此,铅的表面的广范围的区域被第1添加剂薄而广地覆盖。由此,氢过电压上升,不易产生在过充电时产生氢的副反应,因此,可以减少过充电电量。可以认为,由于即便在负极电极材料包含极少量的第1添加剂的情况下也能得到减少过充电电量的效果,因此,通过使负极电极材料中含有第1添加剂,从而可以存在于铅的附近,由此,可以发挥第1添加剂的对于铅的高吸附作用。
减少过充电电量的效果可通过使第1添加剂覆盖负极电极材料中的铅的表面而发挥。因此,在负极电极材料中使第1添加剂存在于铅的附近就是重要的,由此,可以有效地发挥第1添加剂的效果。因此,不必拘泥于负极电极材料以外的铅蓄电池的构成要素中是否含有第1添加剂,关键在于负极电极材料要含有第1添加剂。
在负极电极材料包含有机系添加剂的情况下,在放电时生成的硫酸铅的表面也会附着有机系添加剂,因此,存在充电时的硫酸铅的溶解性降低的倾向。但是,覆盖铅和硫酸铅的表面的第1添加剂的被膜的厚度较薄,因此,充电时,硫酸铅的溶解和由铅离子还原为铅时的电子的授受被第1添加剂的被膜阻碍的程度会减轻。另外,通过使第1添加剂的被膜薄并抑制分布不均,从而因第1添加剂的被膜造成的空间位阻变小,因此,可以减轻对负极电极材料的细孔内的铅离子的移动的妨碍。因此,可以维持铅离子的高扩散速度。可以认为,由此,即便在负极电极材料包含作为有机系添加剂的第1添加剂和有机防缩剂的情况下,能够减少对充放电反应的阻碍。另外,通过使电解液以特定的含量包含第1成分,从而放电时的负极板中的硫酸铅的结晶成长难以进行,因此,可以抑制硫酸铅的粗大化。进而,通过使电解液包含第1成分,从而由于在硫酸铅的附近存在的第1成分的存在,使得第1添加剂向硫酸铅的表面的吸附性会降低。其结果是,可以进一步降低第1添加剂向硫酸铅的被覆。可以认为,如此,在确保铅离子的高扩散速度的同时,可以抑制硫酸铅的粗大化,除此之外,可以抑制硫酸铅向第1添加剂的过度的被覆,从而可以确保高充电接收性能。
如此,本发明的一个方面的铅蓄电池在抑制硫酸铅的粗大化的同时,可以得到高充电接收性能。由此,在以PSOC循环来重复充放电的情况下,可以减轻硫酸铅的蓄积,可以抑制蓄积的硫酸铅灭活的硫酸化的进行。因此,可以确保高PSOC寿命性能。
另一方面,在电解液包含特定浓度的第1成分的情况下,负极电极材料包含有机防缩剂,在不含第1添加剂的情况下,一定程度上可以确保高充电接收性能和PSOC寿命性能。但是,无法得到减少过充电电量的效果。另外,即便在负极电极材料包含有机防缩剂和第1添加剂的情况下,在电解液不含第1成分的情况下,虽然能一定程度上减少过充电电量,但是充电接收性能也会降低,且PSOC寿命性能几乎无变化或降低。针对这些结果,本发明的一个方面涉及的铅蓄电池中,通过组合具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板、和以特定浓度包含第1成分的电解液,从而可以如上所述地减少过充电电量,大幅提高充电接收性能。另外,可以大幅提高PSOC寿命性能。与组合包含特定浓度的第1成分的电解液、和具备包含有机防缩剂但不含第1添加剂的负极电极材料的负极板的情况,以及组合包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料、和不含第1成分的电解液的情况相比,这些效果都分别属于令人预料不到的优异效果。即,本发明的一个方面涉及的铅蓄电池中,通过组合具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板、和以特定浓度包含第1成分的电解液,从而在过充电电量减少、以及充电接收性能和PSOC寿命性能的提高中得到协同效果。
如果电解液中的第1成分的合计浓度小于0.02mol/L,则难以确保高充电接收性能。另外,通过使电解液中的第1成分的各自的浓度为0.35mol/L以下,从而可以在确保高充电接收性能的同时减少过充电电量。除此之外,还可以确保优异的PSOC寿命性能。电解液中的第1成分的各自的浓度优选为0.25mol/L以下。该情况下,容易抑制第1成分转换为硫酸盐,并与硫酸铅一并结晶成长。因此,可以进一步抑制充电接收性能的降低,并且进一步抑制PSOC寿命性能的降低。另外,如果大量的第1成分被吸引到形成于铅表面的双电层,则有第1添加剂向铅表面的吸附自身被抑制的倾向。但是,通过如上所述地控制电解液中的第1成分的各自的浓度,从而可以将向铅表面的过充电电量抑制得低。
第1成分优选包含:锂离子和钠离子中至少一者,以及铝离子。该情况下,可以进一步提高充电接收性能和PSOC寿命性能。另外,可以进一步减少过充电电量。
从确保更高的充电接收性能的的观点出发,第1成分优选至少包含锂离子和铝离子。
第1添加剂优选包含具有氧化丙烯单元(-O-CH(-CH3)-CH2-)的重复结构的化合物。另外,这样的化合物可以不包含氧化乙烯单元(-O-CH2-CH2-)的重复结构。在这些情况下,可以进一步提高充电接收性能和PSOC寿命性能,并且进一步减少过充电电量。包含氧化丙烯单元的重复结构的化合物容易形成线状结构,因此,可以认为通过在铅表面薄而广地被覆,从而可以减少过充电电量。另外,氧化丙烯单元的重复结构与氧化乙烯单元的重复结构相比,疏水性高。因此,可以认为,在使用包含氧化丙烯单元的重复结构的化合物的情况下,与使用包含氧化乙烯单元的重复结构的化合物的情况相比,向硫酸铅的吸附性变低,能确保更高的充电接收性能。
具有氧化丙烯单元的重复结构的化合物的数均分子量(Mn)优选为1000~10000。该情况下,第1添加剂容易留在负极电极材料中,可以进一步减少过充电电量。另外,通过提高抑制铅表面中的第1添加剂的分布不均的效果,从而可以进一步提高充电接收性能和PSOC寿命性能。
在第1添加剂包含硫元素的情况下,通过存在于硫酸铅的附近的第1成分的作用,从而有第1添加剂容易吸附在硫酸铅的表面的倾向。因此,第1添加剂优选不含硫元素。由此,可以减少第1添加剂向硫酸铅的吸附,因此,容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。
表面活性剂中优选包含阳离子表面活性剂的情况。另外,阳离子表面活性剂优选包含季铵盐型的阳离子表面活性剂。阳离子表面活性剂具有阳离子性的亲水性基团,因此,如果不存在第1成分,则通过存在于铅和硫酸铅附近的硫酸氢离子的作用,从而显示对铅表面的高吸附性,容易成为附着在放电时生成的硫酸铅的表面的状态。在电解液以上述浓度包含第1成分的情况下,通过第1成分的作用,从而阳离子表面活性剂对铅表面的吸附性得到缓和,容易薄而广的覆盖铅表面的较宽的范围。另外,阳离子表面活性剂对存在于硫酸铅的附近的第1成分电排斥,可以进一步减少阳离子表面活性剂对硫酸铅的吸附。因此,可以将过充电电量抑制得低,并同时得到更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。
阳离子表面活性剂一般可分为胺盐型或季铵盐型等。阳离子表面活性剂优选包含季铵盐(换言之,是季铵盐型的阳离子表面活性剂)。通过使用季铵盐,从而可以得到高充电接收性能和PSOC寿命性能,除此之外,通过亲水性基团的高阳离子性,从而显示出比胺盐更高的向铅表面的吸附性,因此,可以进一步减少过充电电量。
负极电极材料可以包含碳质材料。第1添加剂可以具有至少1个以上的疏水性基团、以及亲水性基团。疏水性基团中至少1个可以为碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基。通过碳原子数8以上的长链脂肪族烃基的作用,从而第1添加剂对铅表面的吸附性得到缓和,可以减轻过度的被覆。另外,通过使第1添加剂容易吸附于碳质材料,从而可以减少硫酸铅表面的第1添加剂的分布不均。因此,容易将过充电电量抑制得低,并同时确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。
第1添加剂为有机系添加剂,因此,通常来说,如果包含于负极电极材料,则充电接收性能降低。但是,本发明的一个方面涉及的铅蓄电池中,通过第1添加剂与第1成分的直接的或间接的相互作用,从而可以较薄地覆盖铅表面,另一方面,可以减少硫酸铅表面的被覆。因此,可以减少过充电电量,并同时确保高充电接收性能和PSOC寿命性能。即便负极电极材料中的第1添加剂的含量为少量,仍可以得到这样的效果。从确保更高的减少过充电电量的效果的观点出发,负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计优选为50ppm以上。从容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计优选为10000ppm以下。
应予说明,铅蓄电池中,使负极电极材料中含有第1添加剂即可,负极电极材料所含的第1添加剂的来源没有特别限定。在制作铅蓄电池时,第1添加剂可以被包含在铅蓄电池的构成要素(例如,负极板、正极板、电解液和隔离件等)中任一者。第1添加剂可以包含在1个构成要素中,也可以包含在2个以上的构成要素(例如,负极板和电解液)中。
有机防缩剂优选包含双芳烃化合物的缩合物。双芳烃化合物一般被分类为合成有机防缩剂。一般来说,在负极电极材料包含双芳烃化合物的缩合物的情况下,负极电极材料的比表面积会增加,因此,有过充电电量增加的倾向。但是,本发明的一个方面涉及的铅蓄电池中,组合了以特定的浓度包含第1成分的电解液和具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板,因此,即便是在有机防缩剂包含双芳烃化合物的缩合物的情况下,仍可以将过充电电量抑制得低。通过使用双芳烃化合物的缩合物,从而与木质素化合物相比,可以降低有机防缩剂的分布不均,因此,容易得到更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。
铅蓄电池可以是控制阀式(密闭式)铅蓄电池(VRLA型铅蓄电池)和液式(排气式)铅蓄电池中的任一种。
本说明书中,负极电极材料中的第1添加剂的含量和电解液中的第1成分的浓度分别对从满充电状态的铅蓄电池取出的负极板和电解液求出。
(用语的说明)
(电极材料)
负极电极材料和正极电极材料的各电极材料通常保持于集电体。电极材料是指极板中除集电体之外的部分。极板中会贴附毡、涂板纸等构件。这样的构件(也称为贴附构件)可以与极板一体化使用,因此也包含在极板中。在极板包含贴附构件(毡、涂板纸等)的情况下,电极材料为极板中除集电体和贴附构件之外的部分。
应予说明,正极板中,覆盖式正极板具备:多个多孔质的管、插入各管内的芯金属(spine)、连接多个芯金属(spine)的集电部、填充在插入芯金属(spine)的管内的正极电极材料、以及连接多个管的连接座(spine protector)。覆盖式正极板中,正极电极材料是极板中除管、芯金属(spine)、集电部和连接座(spine protector)之外的部分。覆盖式正极板中,也存在将芯金属(spine)和集电部合称为正极集电体的情况。
(聚合物化合物)
第1添加剂之中聚合物化合物所具有的氧基C2-4亚烷基单元为-O-R1-(R1表示C2-4亚烷基。)表示的单元。聚合物化合物具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构即可,Mn没有特别限定。例如,聚合物化合物的数均分子量(Mn)可以是300以上。
(有机防缩剂)
有机防缩剂是指,在具有重复铅蓄电池的充放电时抑制作为负极活性物质的铅的收缩的功能的化合物中的有机化合物。有机防缩剂在大多数情况下包含硫元素。
(有机防缩剂中的硫元素含量)
有机防缩剂中的硫元素的含量为Xμmol/g是指,每1g有机防缩剂所含的硫元素的含量为Xμmol。
(双芳烃化合物的缩合物)双芳烃化合物的缩合物为包含双芳烃化合物的单元的缩合物。双芳烃化合物的单元是指掺入缩合物的来自双芳烃化合物的单元。双芳烃化合物是指具有芳香环的2个部位分别介由单键或连接基团而连接的化合物。
(数均分子量)
本说明书中,数均分子量(Mn)是通过凝胶渗透色谱法(GPC)而求出的。在求出Mn时使用的标准物质为聚乙二醇。
(重均分子量)
本说明书中,重均分子量(Mw)可通过GPC而求出。在求出Mw时使用的标准物质为聚苯乙烯磺酸钠。
(电解液中的第1成分的浓度)
电解液中的第1成分的各自的浓度是指锂离子、钠离子和铝离子的各个离子的浓度。
电解液中的第1成分的合计浓度为上述各个离子的浓度的合计。例如,在电解液中包含锂离子、钠离子和铝离子的情况下,这些离子的浓度的合计为第1成分的合计浓度。
(满充电状态)
液式的铅蓄电池的满充电状态是根据JIS D 5301:2019的定义而确定的。更具体而言,将满充电状态定义为如下状态:在25℃±2℃的水槽中,以记载为额定容量的数值(单位为Ah的数值)的0.2倍的电流(A)对铅蓄电池进行充电,直到每15分钟测定的充电中的端子电压(V)、或在20℃进行温度换算后的电解液密度连续3次以3位有效数字示出恒定值。此外,在控制阀式铅蓄电池的情况下,满充电状态是指如下状态:在25℃±2℃的气槽中,以作为额定容量记载的数值(单位为Ah的数值)的0.2倍的电流(A)进行2.23V/电池单元的恒电流恒电压充电,在恒电压充电时的充电电流成为作为额定容量(单位为Ah的数值)记载的数值的0.005倍时,结束充电。
满充电状态的铅蓄电池是指将已化成的铅蓄电池满充电后的铅蓄电池。铅蓄电池的满充电在化成后进行即可,可以在化成后立刻进行,也可以在化成后过一段时间再进行(例如,可以对化成后、使用中(优选为使用初期)的铅蓄电池进行满充电)。使用初期的电池是指在使用开始后,没有经过太长时间,基本没有劣化的电池。
(铅蓄电池或铅蓄电池的构成要素的上下方向)
本说明书中,铅蓄电池或铅蓄电池的构成要素(极板、电解槽、隔离件等)的上下方向是指,在使用铅蓄电池的状态下,铅蓄电池的铅直方向中的上下方向。正极板和负极板的各极板具备用于与外部端子连接的极耳部。横置型的控制阀式铅蓄电池等的极耳部设置在极板的侧部而向侧方突出,但大多数的铅蓄电池中,极耳部通常设置在极板的上部而向上方突出。
以下,对于本发明的实施方式涉及的铅蓄电池,按照主要的构成要件进行说明,但本发明并不限定于以下实施方式。
[铅蓄电池]
(负极板)
通常,负极板除了负极电极材料之外,还具备负极集电体。
(负极集电体)
负极集电体可以通过铅(Pb)或铅合金的铸造而形成,也可以加工铅片或铅合金片而形成。作为加工方法,例如可举出扩径加工或冲裁(punching)加工。如果使用格子状的集电体作为负极集电体,则易于负载负极电极材料,因此优选。
负极集电体所使用的铅合金可以是Pb-Sb系合金、Pb-Ca系合金、Pb-Ca-Sn系合金中的任一者。这些铅或铅合金也可以进一步包含选自Ba、Ag、Al、Bi、As、Se、Cu等中的至少1种作为添加元素。负极集电体可以具备表面层。负极集电体的表面层与内侧的层的组成也可以不同。表面层可以形成负极集电体的一部分。表面层可以形成负极集电体的极耳部的一部分。极耳部的表面层可以含有Sn或Sn合金。
(负极电极材料)
负极电极材料包含第1添加剂和有机防缩剂。负极电极材料进一步包含通过氧化还原反应而表现容量的负极活性物质(具体而言为铅或者硫酸铅)。负极电极材料可以包含选自碳质材料和第1添加剂以外的添加剂中的至少1者。第1添加剂以外的添加剂也称为第2添加剂。作为第2添加剂,可举出硫酸钡、纤维(树脂纤维等)等,但不限于这些。应予说明,充电状态的负极活性物质为海绵状铅,但未化成的负极板通常使用铅粉制作。
(第1添加剂)
第1添加剂为选自具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物、和表面活性剂中的至少一种。在具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物中,也包含被分类为表面活性剂(更具体而言为非离子表面活性剂)的聚合物化合物。
(聚合物化合物)
作为聚合物化合物所包含的氧基C2-4亚烷基单元,可举出氧化乙烯单元、氧化丙烯单元、氧化三亚甲基单元、氧化2-甲基-1,3-丙烯单元、氧化1,4-丁烯单元、氧化1,3-丁烯单元等。聚合物化合物可以具有一种这样的氧基C2-4亚烷基单元,也可以具有两种以上。
这样的聚合物化合物在将氘代氯仿用作溶剂而测定的1H-NMR谱的化学位移中,在3.2ppm~3.8ppm的范围显示出来自氧基C2-4亚烷基单元的峰。
聚合物化合物中,氧基C2-4亚烷基单元的重复结构可以包含一种氧基C2-4亚烷基单元,也可以包含两种以上的氧基C2-4亚烷基单元。聚合物化合物可以包含一种上述重复结构,也可以包含两种以上的上述重复结构。
作为聚合物化合物,例如可举出具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物(聚C2-4亚烷基二醇、包含氧基C2-4亚烷基的重复结构的共聚物、聚醇的聚C2-4亚烷基氧化物加成物等)、它们的羟基化合物的醚化物或酯化物。
作为共聚物,可举出包含不同的氧基C2-4亚烷基单元的共聚物等。共聚物可以是嵌段共聚物。
聚醇可以是脂肪族聚醇、脂环式聚醇、芳香族聚醇和杂环式聚醇等中的任一种。从聚合物化合物容易在铅表面较薄地铺开的观点出发,优选脂肪族聚醇、脂环式聚醇(例如,聚羟基环己烷、聚羟基降冰片烷)等,其中,优选脂肪族聚醇。作为脂肪族聚醇,例如可举出脂肪族二醇、三醇以上的聚醇(例如,甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇、糖或糖醇)。作为脂肪族二醇,可举出碳原子数为5以上的亚烷基二醇等。亚烷基二醇例如可以是C5~14亚烷基二醇或C5-10亚烷基二醇。作为糖或糖醇,例如可举出蔗糖、赤藓糖醇、木糖醇、甘露糖醇、山梨糖醇。糖或糖醇可以是链状结构和环状结构中任一种。在聚醇的聚亚烷基氧化物加成物中,亚烷基氧化物相当于聚合物化合物的氧基C2-4亚烷基单元,至少包含C2-4亚烷基氧化物。从聚合物化合物容易获得线状结构的观点出发,聚醇优选为二醇。
醚化物具有-OR2基,其中,该-OR2基是由具有上述氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物的至少一部分末端的-OH基(由末端基团的氢原子与键合于该氢原子的氧原子构成的-OH基)醚化而得到的(式中,R2为有机基团。)。在聚合物化合物的末端之中,可以是一部分末端被醚化,也可以是所有末端被醚化。例如,可以是线状的聚合物化合物的主链的一侧的末端为-OH基、另一侧末端为-OR2基。
酯化物具有-O-C(=O)-R3基,其中,该-O-C(=O)-R3基是由具有上述氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物的至少一部分末端的-OH基(由末端基团的氢原子与键合于该氢原子的氧原子构成的-OH基)酯化而得到的(式中,R3为有机基团。)。在聚合物化合物的末端之中,可以是一部分末端被酯化,也可以是所有末端被酯化。例如,可以是线状的聚合物化合物的主链的一侧的末端为-OH基、另一侧末端为-O-C(=O)-R3基。
作为有机基团R2和R3,分别可举出烃基。烃基可以具有取代基(例如,羟基、烷氧基、和/或羧基)。烃基可以是脂肪族、脂环族和芳香族中的任一种。芳香族烃基和脂环族烃基中,可以具有脂肪族烃基(例如,烷基、烯基、炔基等)来作为取代基。作为取代基的脂肪族烃基的碳原子数例如可以是1~30,也可以是1~20或1~10,也可以是1~6或1~4。
作为芳香族烃基,例如可举出碳原子数为24以下(例如,6~24)的芳香族烃基。芳香族烃基的碳原子数可以是20以下(例如,6~20),也可以是14以下(例如,6~14)或12以下(例如,6~12)。作为芳香族烃基,可举出芳基、双芳基等。作为芳基,例如可举出苯基、萘基。作为双芳基,例如可举出对应于双芳烃的一价基团。作为双芳烃,可举出联苯、双芳基烷烃(例如,双C6-10芳基C1-4烷烃(2,2-双苯基丙烷等))。
作为脂环族烃基,例如可举出碳原子数为16以下的脂环族烃基。脂环族烃基可以是交联环式烃基。脂环族烃基的碳原子数可以是10以下或8以下。脂环族烃基的碳原子数例如为5以上,也可以是6以上。
脂环族烃基的碳原子数可以是5(或6)~16,5(或6)~10,或5(或6)~8。
作为脂环族烃基,例如,环烷基(环戊基、环己基、环辛基等)、环烯基(环己烯基、环辛烯基等)。脂环族烃基中也包含上述芳香族烃基的氢化物。
从聚合物化合物容易较薄地附着在铅表面的观点出发,在烃基之中,优选脂肪族烃基。脂肪族烃基可以是饱和的,也可以是不饱和的。作为脂肪族烃基,可举出烷基、烯基、炔基、具有2个碳碳双键的二烯基、具有3个碳碳双键的三烯基等。脂肪族烃基可以是直链状和支链状中的任一种。
脂肪族烃基的碳原子数例如可以是30以下,26以下或22以下,也可以是20以下或16以下、14以下或10以下、8以下或6以下。碳原子数的下限根据脂肪族烃基的种类,烷基为1以上,烯基和炔基为2以上,二烯基为3以上,三烯基为4以上。从聚合物化合物容易较薄地附着在铅表面的观点出发,其中,优选烷基和烯基。
作为烷基的具体例子,可举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、新戊基、异戊基、仲戊基、3-戊基、叔戊基、正己基、2-乙基己基、正辛基、正癸基、异癸基、十一烷基、月桂基(十二烷基)、十三烷基、肉豆蔻基、十五烷基、鲸蜡基、十七烷基、硬脂基、二十烷基、二十一烷基、山萮基。
作为烯基的具体例子,可举出乙烯基、1-丙烯基、烯丙基、顺式-9-十七碳烯-1-基、棕榈烯基、油烯基等。烯基例如可以是C2-30烯基或C2-26烯基,也可以是C2-22烯基或C2-20烯基,还可以是C10-20烯基。
如果在聚合物化合物之中,使用选自具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物的醚化物和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物的酯化物中的任一种,则可以进一步提高抑制充电接受性能的降低的效果,因此为优选。另外,在使用它们的聚合物化合物的情况下,也可以减少过充电电量。另外,这样的聚合物化合物之中,优选为具有氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物、或具有氧化乙烯单元的重复结构的聚合物化合物等。
聚合物化合物可具有1个以上的疏水性基团。作为疏水性基团,在上述烃基之中例如可举出芳香族烃基、脂环族烃基、长链脂肪族烃基。作为长链脂肪族烃基,在上述脂肪族烃基(烷基、烯基等)之中可举出碳原子数为8以上的脂肪族烃基。脂肪族烃基的碳原子数优选为12以上,更优选为16以上。其中,具有长链脂肪族烃基的聚合物化合物不易对铅产生过度的吸附,能进一步提高抑制充电接收性能降低的效果,因此为优选。聚合物化合物可以是疏水性基团中至少1个为长链脂肪族烃基的聚合物化合物。长链脂肪族烃基的碳原子数可以是30以下、26以下、或22以下。
长链脂肪族烃基的碳原子数可以是8(或12)~30,8(或12)~26,8(或12)~22,10~30(或26),或者10~22。
聚合物化合物之中,具有亲水性基团和疏水性基团的聚合物化合物相当于非离子表面活性剂。聚氧乙烯单元的重复结构显示高亲水性,可成为非离子表面活性剂中的亲水性基团。因此,具有上述疏水性基团的聚合物化合物优选包含氧化乙烯单元的重复结构。这样的聚合物化合物通过疏水性、由氧化乙烯单元的重复结构带来的高亲水性的平衡,从而可以对铅选择性地吸附、并过度地覆盖铅的表面,因此,可以减少过充电电量,并进一步提高抑制充电接收性能的降低的效果。这样的聚合物化合物即便为较低的分子量(例如Mn为1000以下),仍可以确保对铅的高吸附性。
上述聚合物化合物之中,聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、具有氧化乙烯单元的重复结构的羟基化合物的醚化物和具有氧化乙烯单元的重复结构的羟基化合物的酯化物等相当于非离子表面活性剂。
另外,聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物等中,氧化乙烯单元的重复结构相当于亲水性基团,氧化丙烯单元的重复结构相当于疏水性基团。这样的共聚物也包含在具有疏水性基团的聚合物化合物中。
作为具有疏水性基团、包含氧化乙烯单元的重复结构的聚合物化合物,可举出聚乙二醇的醚化物(烷基醚等)、聚乙二醇的酯化物(羧酸酯等)、上述聚醇的聚环氧乙烷加成物的醚化物(烷基醚等)、上述聚醇(三醇以上的聚醇等)的聚环氧乙烷加成物的酯化物(羧酸酯等)等。作为这样的聚合物化合物的具体例,可举出油酸聚乙二醇、二油酸聚乙二醇、二月桂酸聚乙二醇、二硬脂酸聚乙二醇、聚氧乙烯椰油脂肪酸脱水山梨糖醇、油酸聚氧乙烯脱水山梨糖醇、硬脂酸聚氧乙烯脱水山梨糖醇、聚氧乙烯十二烷基醚、聚氧乙烯四癸基醚、聚氧乙烯十六烷基醚。但是,聚合物化合物不限于这些。其中,如果使用聚乙二醇的酯化物、上述聚醇的聚环氧乙烷加成物的酯化物等,则可以确保更高的充电接收性能,并使过充电电量显著地减少,因此为优选。
从进一步提高减少过充电电量的效果、并容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,第1添加剂中,优选为包含含有氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物的情况。包含氧化丙烯单元的聚合物化合物在1H-NMR谱的化学位移中,于3.2ppm~3.8ppm的范围具有来自氧化丙烯单元的-CH<和-CH2-的峰。这些基团中的氢原子的原子核的周围的电子密度不同,因此,峰成为分裂状态。在1H-NMR谱的化学位移中,这样的聚合物化合物例如在3.2ppm~3.42ppm的范围、大于3.42ppm且为3.8ppm以下的范围分别具有峰。3.2ppm~3.42ppm的范围的峰来自-CH2-,大于3.42ppm且为3.8ppm以下的范围的峰来自-CH<和-CH2-。
作为至少包含氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物,可举出聚丙二醇、包含氧化丙烯单元的重复结构的共聚物、上述聚醇的聚丙烯氧化物加成物、或它们的醚化物或者酯化物等。作为共聚物,可举出氧化丙烯-氧化烯共聚物(其中,氧化烯为氧化丙烯以外的C2-4亚烷基)等。作为氧化丙烯-氧化亚烷基共聚物,可例示氧化丙烯-氧化乙烯共聚物、氧化丙烯-氧化三亚甲基共聚物等。氧化丙烯-氧化烯共聚物也称为聚氧丙烯-聚氧化烯共聚物(例如,聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物)。氧化丙烯-氧化烯共聚物可以是嵌段共聚物(例如,聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物)。作为醚化物,可举出聚丙二醇烷基醚、氧化丙烯-氧化烯共聚物的烷基醚(聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物的烷基醚等)等。作为酯化物,可举出羧酸的聚丙二醇酯、氧化丙烯-氧化烯共聚物的羧酸酯(聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物的羧酸酯等)等。
作为至少包含氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物,例如可举出聚丙二醇、聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物(聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物等)、聚丙二醇烷基醚(上述R2为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的烷基醚(甲基醚、乙基醚、丁基醚等)等)、聚氧乙烯-聚氧丙烯烷基醚(上述R2为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的烷基醚(丁基醚、羟基己基醚等)等)、羧酸聚丙二醇(上述R3为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的羧酸聚丙二醇(乙酸聚丙二醇等)等)、三醇以上的聚醇的聚环氧丙烷加成物(甘油的聚环氧丙烷加成物等)。但是,聚合物化合物不限于这些。
在包含氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物中,氧化丙烯单元的比例例如可以是5mol%以上,10mol%以上或20mol%以上。氧化丙烯单元的比例例如为100mol%以下。
从进一步提高充电接收性能和PSOC寿命性能的同时,并进一步减少过充电电量的观点出发,具有氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物中,优选不含氧化乙烯单元的重复结构的情况。其中,如果使用至少包含聚丙二醇的第1添加剂,则容易得到优异的效果。
第1添加剂可以包含一种聚合物化合物,也可以包含两种以上。
聚合物化合物例如可以包含Mn为500万以下的化合物,还可以包含100万以下的化合物,还可以包含10万以下的化合物,还可以包含50000以下或20000以下的化合物。从负极电极材料中的聚合物化合物的分布不均减少,确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,聚合物化合物优选包含Mn为10000以下的化合物,也可以包含9000以下或8000以下的化合物。这样的化合物的Mn可以是300以上或400以上,也可以是500以上。从聚合物化合物留在负极电极材料中而进一步提高减少过充电电量的效果的观点出发,这样的化合物的Mn优选为1000以上,更优选为1500以上。作为聚合物化合物,可以使用Mn不同的2种以上的化合物。即,聚合物化合物可以是在分子量的分布中可以具有多个Mn的峰的聚合物化合物。具有氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物(也包含不具有氧化乙烯单元的重复结构的聚合物化合物)的Mn可以是这样的范围。
上述化合物的Mn可以是300(或400)~500万、300(或400)~100万、300(或400)~10万、300(或400)~50000、300(或400)~20000、300(或400)~10000、300(或400)~9000、300(或400)~8000、500(或1000)~500万、500(或1000)~100万、500(或1000)~10万、500(或1000)~50000、500(或1000)~20000、500(或1000)~10000、500(或1000)~9000、500(或1000)~8000、1500~500万、1500~100万、1500~10万、1500~50000、1500~20000、1500~10000、1500~9000、或者1500~8000。具有氧化丙烯单元的重复结构的聚合物化合物(也包含不具有氧化乙烯单元的重复结构的聚合物化合物)的Mn可以是这样的范围。
(表面活性剂)
作为表面活性剂,例如可举出阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、和两性表面活性剂。表面活性剂可以包含亲水性基团和疏水性基团。表面活性剂所具有的疏水性基团为疏水性比亲水性基团高的官能团。第1添加剂可以包含一种表面活性剂,也可以组合包含两种以上。
典型的非离子表面活性剂为具有氧化乙烯单元的重复结构和疏水性基团的化合物,可以参照对聚合物化合物的说明。作为非离子表面活性剂,可以使用聚醇(对聚合物化合物例示的聚醇(糖或糖醇等)等)的脂肪酸酯。作为阴离子表面活性剂,可举出羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐等。作为两性表面活性剂,可举出氨基酸型的两性表面活性剂、甜菜碱型的两性表面活性剂等。从可以将过充电电量抑制得低,并同时容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,表面活性剂优选包含阳离子表面活性剂。另外,从同样的观点出发,优选为使用包含上述非离子表面活性剂的表面活性剂的情况。
阳离子表面活性剂根据亲水性基团的种类,可以分为胺盐型和季铵盐型。阳离子表面活性剂中,胺盐部分或季铵盐部分相当于亲水性基团。负极电极材料中,亲水性基团可以以盐的状态而存在,也可以以阳离子的状态而存在。形成盐的阴离子的种类没有特别限定,例如可举出卤化物离子、来自无机酸的阴离子。作为卤化物离子,例如可举出氟化物离子、氯化物离子、溴化物离子和碘化物离子。作为对应于来自无机酸的阴离子的无机酸,例如可举出卤化氢酸(盐酸、溴化氢酸等)或含氧酸(硫酸、磷酸等)。
阳离子表面活性剂在1分子中通常具有1个亲水性基团。但是,这并不是要将阳离子表面活性剂在1分子中具有多个亲水性基团的情况排除。
阳离子表面活性剂在1分子中具有1个以上的疏水性基团。作为疏水性基团,例如可举出聚合物化合物中记载的烃基或疏水性基团。阳离子表面活性剂中的疏水性基团的数量为1个以上即可,也可以是2个以上或3个以上。胺盐型的阳离子表面活性剂通常对于胺盐的1个氮原子,可具有1个~3个疏水性基团。季铵盐型的阳离子表面活性剂通常对于铵盐的1个氮原子,可具有4个疏水性基团。
优选:阳离子表面活性剂所具有的疏水性基团中的至少1个为碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基。阳离子表面活性剂所具有的碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基也称为第1疏水性基团。在阳离子表面活性剂具有第1疏水性基团的情况下,容易将过充电电量抑制得低,并同时确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。阳离子表面活性剂可以具有1个以上的第1疏水性基团以外的疏水性基团(也称为第2疏水性基团)。
阳离子表面活性剂在1分子中可以具有1个第1疏水性基团,也可以具有2个以上。在阳离子表面活性剂在1分子中具有2个以上的第1疏水性基团的情况下,至少2个第1疏水性基团的种类可以相同,也可以是所有第1疏水性基团均不同。阳离子表面活性剂中的第1疏水性基团的个数的上限没有特别限定。第1疏水性基团的个数在胺盐型中例如为3以下,也可以是2以下。在季铵盐型中,第1疏水性基团的个数例如为4以下,也可以是3以下或2以下。
阳离子表面活性剂在1分子中具有的第1疏水性基团的个数在胺盐型中例如为1~3,也可以是1~2,也可以是2~3。阳离子表面活性剂在1分子中具有的第1疏水性基团的个数在季铵盐型中例如为1~4,也可以是1~3或1~2,也可以是2~4或2~3。
阳离子表面活性剂可以具有1个第2疏水性基团,也可以具有2个以上。在阳离子表面活性剂具有2个以上的第2疏水性基团的情况下,至少2个第2疏水性基团的种类可以相同,也可以是所有第2疏水性基团均不同。第2疏水性基团的个数的上限没有特别限定,在胺盐型中例如为2以下,在季铵盐型中例如为3以下或2以下。阳离子表面活性剂中,对于1个氮原子而言,1分子中的第1疏水性基团和第2疏水性基团的合计数在胺盐型中不超过3,在季铵盐型中不超过4。
从容易使形成于铅表面的阳离子表面活性剂的被膜的厚度更小的观点出发,第1疏水性基团优选为烷基或烯基。
第1疏水性基团的碳原子数例如为30以下。从通过与亲水性基团的平衡性从而容易确保阳离子表面活性剂向铅表面的高吸附性的观点出发,第1疏水性基团的碳原子数优选为26以下,更优选为24以下或22以下。另外,负极电极材料中有时包含碳质材料,在长链脂肪族烃基的碳原子数为26以下(例如,24以下或22以下)的情况下,阳离子表面活性剂向碳质材料的吸附减少,容易引起向铅表面的吸附。因此,可以进一步减少过充电电量。
作为第2疏水性基团,例如可举出聚合物化合物中记载的烃基。烃基可以是具有取代基(例如,烷氧基)的烃基。烃基可以是脂肪族、脂环族和芳香族中的任一种。脂肪族烃基可以具有选自芳香族烃基(例如,苯基、甲苯基、萘基)和脂环族烃基(例如,环戊基、环己基)中的至少一种来作为取代基。作为具有这样的取代基的脂肪族烃基,例如可举出苄基、苯乙基、环己基甲基。作为取代基的芳香族烃基和脂环族烃基的碳原子数例如是5~20,可以是6~12。芳香族烃基和脂环族烃基中,分别可以具有脂肪族烃基(例如,烷基、烯基、炔基等)来作为取代基。作为取代基的脂肪族烃基的碳原子数例如可以是1~30,也可以是1~20或1~10,也可以是1~6或1~4。除此以外,对于第2疏水性基团,可以参照对聚合物化合物的烃基的说明。
从阳离子表面活性剂容易较薄地附着在铅表面的观点出发,作为第2疏水性基团,在烃基之中,优选为脂肪族烃基。脂肪族烃基的碳原子数小于8,可以是6以下。碳原子数的下限根据脂肪族烃基的种类,烷基为1以上,烯基和炔基为2以上,二烯基为3以上,三烯基为4以上。作为第2疏水性基团,优选为烷基或烯基(其中特别优选为烷基)。烷基的碳原子数更优选为4以下,也可以是3以下或2以下。
作为作为第2疏水性基团的烷基的具体例,可举出甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、新戊基、异戊基、仲戊基、3-戊基、叔戊基、正己基。作为烯基的具体例子,可举出乙烯基、1-丙烯基、烯丙基。
从通过高亲水性而容易得到对铅的高吸附性的观点出发,阳离子表面活性剂优选至少包含季铵盐型的阳离子表面活性剂。阳离子表面活性剂除季铵盐型的阳离子表面活性剂之外,还可以包含胺盐型的阳离子表面活性剂。
作为季铵盐型的阳离子表面活性剂,例如可举出四烷基铵盐、烷基苯扎氯铵。作为四烷基铵盐,可举出具有1个第1疏水性基团的阳离子表面活性剂(氯化辛基三甲基铵、氯化硬脂基三甲基铵、氯化十六烷基三甲基铵、氯化山萮基三甲基铵等)、具有2个第1疏水性基团的阳离子表面活性剂(氯化二硬脂基二甲基铵等)等。作为四烷基铵盐,也可以使用具有4个第2疏水性基团的阳离子表面活性剂(氯化四甲基铵等)。作为烷基苯扎氯铵,可举出氯化硬脂基苄基二甲基铵、氯化硬脂基二甲基苄基铵、氯化硬脂基苯扎氯铵等。作为胺盐型的阳离子表面活性剂,可举出正辛基胺盐酸盐、十二烷基胺盐酸盐等。这些只是例示,阳离子表面活性剂不限于这些具体例。
第1添加剂可以包含一种阳离子表面活性剂,也可以包含两种以上。
非离子表面活性剂以外的表面活性剂中,大多是分子量较低的化合物。非离子表面活性剂的Mn可以从聚合物化合物中记载的Mn的范围中选择。从确保更高的充电接收性能的的观点出发,非离子表面活性剂优选包含Mn为10000以下的化合物。
在第1添加剂之中,阴离子表面活性剂或两性表面活性剂中有包含来自>S=O基等的硫元素的表面活性剂。在第1添加剂包含硫元素的情况下,有第1添加剂向硫酸铅的吸附性升高的倾向。因此,第1添加剂优选不含硫元素。该情况下,可以减少第1添加剂向硫酸铅的吸附,因此,容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能。
负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计例如为8ppm以上。从进一步提高减少过充电电量的效果的观点出发,负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计优选为10ppm以上或50ppm以上,更优选为100ppm以上,也可以是300ppm以上或400ppm以上。负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计例如为10000ppm以下,可以是6000ppm以下或5000ppm以下,也可以是1000ppm以下或700ppm以下。
负极电极材料中的第1添加剂的含量以质量基准计可以是8ppm(或10ppm)~10000ppm、8ppm(或10ppm)~6000ppm、8ppm(或10ppm)~5000ppm、8ppm(或10ppm)~1000ppm、8ppm(或10ppm)~700ppm、50ppm(或100ppm)~10000ppm、50ppm(或100ppm)~6000ppm、50ppm(或100ppm)~5000ppm、50ppm(或100ppm)~1000ppm、50ppm(或100ppm)~700ppm、300ppm(或400ppm)~10000ppm、300ppm(或400ppm)~6000ppm、300ppm(或400ppm)~5000ppm、300ppm(或400ppm)~1000ppm、或者300ppm(或400ppm)~700ppm。
(有机防缩剂)
有机防缩剂通常大致分为木质素化合物和合成有机防缩剂。合成有机防缩剂也可以说是除木质素化合物以外的有机防缩剂。作为负极电极材料所含的有机防缩剂,可举出木质素化合物和合成有机防缩剂等。负极电极材料可以包含一种有机防缩剂,也可以包含两种以上。
作为木质素化合物,可举出木质素、木质素衍生物等。作为木质素衍生物,可举出木质素磺酸或其盐(碱金属盐(钠盐等)等)等。
合成有机防缩剂为包含硫元素的有机高分子,一般在分子内包含多个芳香环且包含硫元素作为含硫基团。在含硫基团中,优选稳定形态的磺酸基或磺酰基。磺酸基可以以酸型存在,也可以像Na盐那样以盐型存在。
作为有机防缩剂,可以至少使用木质素化合物。木质素化合物与合成有机防缩剂相比,充电接收性能容易降低。但是,通过使负极电极材料包含第1添加剂,从而使用木质素化合物作为有机防缩剂的情况下,可以确保高充电接收性能。
作为有机防缩剂,也优选使用至少包含芳香族化合物的单元的缩合物的情况。作为这样的缩合物,例如可举出芳香族化合物的、通过醛化合物(选自醛(例如,甲醛)和/或其缩合物中的至少一种等)得到的缩合物。有机防缩剂可以包含一种芳香族化合物的单元,也可以包含两种以上的芳香族化合物的单元。
应予说明,芳香族化合物的单元是指掺入缩合物的来自芳香族化合物的单元。
作为芳香族化合物具有的芳香环,可举出苯环、萘环等。在芳香族化合物具有多个芳香环的情况下,多个芳香环可以直接键合或以连接基团(例如,亚烷基(包含次烷基)、磺基)等而连接。作为这样的结构,例如可举出双芳烃结构(联苯、联苯烷烃、联苯砜等)。作为芳香族化合物,例如可举出具有上述芳香环和选自羟基、氨基中至少一种的化合物。羟基或氨基可以与芳香环直接键合,也可以作为具有羟基或氨基的烷基链而键合。应予说明,羟基中也包含羟基的盐(-OMe)。氨基中也包含氨基的盐(具体而言,是与阴离子的盐)。作为Me,可举出碱金属(Li、K、Na等)、周期表第2族金属(Ca、Mg等)等。
作为芳香族化合物,优选为双芳烃化合物[双酚化合物、羟基联苯化合物、具有氨基的双芳烃化合物(具有氨基的双芳基烷烃化合物、具有氨基的双芳基砜化合物、具有氨基的联苯化合物等)、羟基芳烃化合物(羟基萘化合物、苯酚化合物等)、氨基芳烃化合物(氨基萘化合物、苯胺化合物(氨基苯磺酸、烷基氨基苯磺酸等)等)等]。芳香族化合物可以进一步具有取代基。有机防缩剂可以包含这些化合物的残基中的一种,也可以包含多种。作为双酚化合物,优选双酚A、双酚S、双酚F等。在负极电极材料包含双芳烃化合物的缩合物(通过醛化合物得到的缩合物等)的情况下,有过充电电量增加的倾向,但通过第1成分和第1添加剂的直接的或间接的相互作用,从而可以将过充电电量抑制得低。另外,与使用木质素化合物的情况相比,可以提高充电接收性能和PSOC寿命性能。
缩合物优选至少包含具有含硫基团的芳香族化合物的单元。其中,如果使用至少包含具有含硫基团的双酚化合物的单元的缩合物,则在确保更高的充电接收性能这一点上是有利的。从提高减少过充电电量的效果的观点出发,优选使用具有含硫基团且具有选自羟基和氨基中的至少一种的萘化合物的、通过醛化合物得到的缩合物。
含硫基团可以与化合物包含的芳香环直接结合,例如可以作为具有含硫基团的烷基链而与芳香环结合。作为含硫基团,没有特别限定,例如可举出磺酰基、磺酸基或其盐。
另外,作为有机防缩剂,例如可至少使用包含上述双芳烃化合物的单元和单环式的芳香族化合物(羟基芳烃化合物、和/或氨基芳烃化合物等)的单元中的至少一种的缩合物。有机防缩剂至少含有包含双芳烃化合物的单元和单环式芳香族化合物(特别是羟基芳烃化合物)的单元的缩合物。作为这样的缩合物,可举出双芳烃化合物与单环式的芳香族化合物的、由醛化合物而得到的缩合物。作为羟基芳烃化合物,优选苯酚磺酸化合物(苯酚磺酸或其取代物等)。作为氨基芳烃化合物,优选为氨基苯磺酸、烷基氨基苯磺酸等。作为单环式的芳香族化合物,优选为羟基芳烃化合物。
在上述有机防缩剂之中,负极电极材料例如可以包含硫元素含量为2000μmol/g以上的有机防缩剂(第1有机防缩剂)。作为第1有机防缩剂,可举出上述合成有机防缩剂(上述缩合物等)等。
第1有机防缩剂的硫元素含量为2000μmol/g以上即可,优选为3000μmol/g以上。第1有机防缩剂的硫元素含量的上限没有特别限定。从进一步提高减少过充电电量的效果的观点出发,有机防缩剂的硫元素含量优选为9000μmol/g以下,更优选为8000μmol/g以下。
第1有机防缩剂的硫元素含量例如可以是2000μmol/g(或3000μmol/g)~9000μmol/g、或者2000μmol/g(或3000μmol/g)~8000μmol/g。
第1有机防缩剂含有包含具有含硫基团的芳香族化合物的单元的缩合物,缩合物可以至少包含双芳烃化合物(双酚化合物等)的单元来作为芳香族化合物的单元。
第1有机防缩剂的重均分子量(Mw)优选为7000以上。第1有机防缩剂的Mw例如为100000以下,可以是20000以下。
负极电极材料例如可以包含硫元素含量小于2000μmol/g的有机防缩剂(第2有机防缩剂)。作为第2有机防缩剂,在上述有机防缩剂之中,可举出木质素化合物、合成有机防缩剂(特别是木质素化合物)等。第2有机防缩剂的硫元素含量优选为1000μmol/g以下,也可以是800μmol/g以下。第2有机防缩剂中的硫元素含量的下限没有特别限定,例如为400μmol/g以上。
第2有机防缩剂的Mw例如小于7000。第2有机防缩剂的Mw例如为3000以上。
负极电极材料除第1有机防缩剂之外,还可以包含第2有机防缩剂。在并用第1有机防缩剂和第2有机防缩剂的情况下,它们的质量比可以任意选择。
负极电极材料中所含的有机防缩剂的含量例如为0.005质量%以上,也可以是0.01质量%以上。在有机防缩剂的含量为这样的范围的情况下,可以确保高放电容量。有机防缩剂的含量例如为1.0质量%以下,可以为0.5质量%以下。从进一步提高抑制充电接收性能的降低的效果的观点出发,有机防缩剂的含量优选为0.3质量%以下,更优选为0.25质量%以下,也可以是0.2质量%以下。
负极电极材料中所含的有机防缩剂的含量可以是0.005质量%(或0.01质量%)~1.0质量%、0.005质量%(或0.01质量%)~0.5质量%、0.005质量%(或0.01质量%)~0.3质量%、0.005质量%(或0.01质量%)~0.25质量%、或者0.005质量%(或0.01质量%)~0.2质量%。
(碳质材料)
作为负极电极材料包含的碳质材料,可以使用炭黑、石墨、硬碳、软碳等。作为炭黑,可例示乙炔黑、炉法炭黑、灯黑等。炉法炭黑中包含科琴黑(商品名)。
应予说明,本说明书中,在碳质材料之中,将拉曼光谱的1300cm-1~1350cm-1的范围出现的峰(D带)与1550cm-1~1600cm-1的范围出现的峰(G带)的强度比ID/IG为0~0.9的碳质材料称为石墨。石墨可以是人造石墨、天然石墨中的任一种。
负极电极材料可以包含一种碳质材料,也可以包含两种以上。
负极电极材料中的碳质材料的含量例如为0.05质量%以上,也可以为0.10质量%以上。碳质材料的含量例如为5质量%以下,也可以为3质量%以下。
负极电极材料中的碳质材料的含量也可以是0.05质量%~5质量%、0.05质量%~3质量%、0.10质量%~5质量%、或0.10质量%~3质量%。
(硫酸钡)
负极电极材料中的硫酸钡的含量例如为0.05质量%以上,也可以是0.10质量%以上。负极电极材料中的硫酸钡的含量例如为3质量%以下,也可以是2质量%以下。
负极电极材料中的硫酸钡的含量也可以是0.05质量%~3质量%、0.05质量%~2质量%、0.10质量%~3质量%、或0.10质量%~2质量%。
(负极电极材料或构成成分的分析)
以下,对负极电极材料或其构成成分的分析方法进行说明。在测定或分析前,将满充电状态的铅蓄电池解体,得到分析对象的负极板。对得到的负极板进行水洗,从负极板除去硫酸成分。在水洗过的负极板表面放上pH试纸,直到能确认试纸的颜色没有变化为止,进行水洗。但是,进行水洗的时间设为2小时以内。水洗过的负极板在减压环境下于60±5℃干燥6小时左右。在干燥后,在负极板包含贴附构件的情况下,通过剥离除去贴附构件。接下来,通过从负极板分离负极电极材料,从而得到试样(以下称为试样A)。试样A可以根据需要进行粉碎,供给分析。
(1)具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的第1添加剂的分析
具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的第1添加剂(具体而言是聚合物化合物、和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的表面活性剂)的分析按以下的步骤进行。
(1-1)定性分析
(a)氧基C2-4亚烷基单元的分析
使用粉碎的试样A。在100.0±0.1g的试样A中加入150.0±0.1mL的氯仿,在20±5℃搅拌16小时,萃取第1添加剂。其后,通过过滤而除去固体成分。对于通过萃取而得到的溶解有第1添加剂的氯仿溶液、或将氯仿溶液干燥而得到的第1添加剂,从选自例如红外分光光谱、紫外可见吸收光谱、NMR谱、LC-MS和热解GC-MS中的至少1者得到信息,从而确定第1添加剂。
通过在减压下,从通过萃取而得到的溶解有第1添加剂的氯仿溶液蒸馏除去氯仿,从而可以回收氯仿可溶成分。将氯仿可溶成分溶解于氘代氯仿,以下述条件测定1H-NMR谱。由该1H-NMR谱确认化学位移为3.2ppm~3.8ppm的范围的峰。另外,由该范围的峰确定氧基C2-4亚烷基单元的种类。
装置:日本电子株式会社制、AL400型核磁共振装置
观测频率:395.88MHz
脉冲宽度:6.30μs
脉冲重复时间:74.1411秒
积分次数:32
测定温度:室温(20~35℃)
基准:7.24ppm
试样管直径:5mm
(b)酯化物中的疏水性基团的分析
在第1添加剂为羟基化合物的酯化物的情况下,上述(a)中,将由萃取而得到的溶解有第1添加剂的氯仿溶液干燥,得到第1添加剂,采取规定量的第1添加剂,添加氢氧化钾水溶液。由此,酯化物被皂化,生成脂肪酸钾盐和羟基化合物。添加上述水溶性钾水溶液,直到皂化结束。在得到的混合物中,加入甲醇和三氟化硼的溶液进行混合,从而将脂肪酸钾盐转换为脂肪酸甲酯。利用热解GC-MS,在下述条件下分析得到的混合物,从而鉴定酯化物所含的疏水性基团。
分析装置:株式会社岛津制作所制、高性能泛用气相色谱GC-2014柱:DEGS(二乙二醇琥珀酸酯)2.1m
烘箱温度:180~120℃
进样口温度:240℃
检测器温度:240℃
载流气体:He(流量:50mL/分钟)
进样量:1μL~2μL
(c)醚化物中的疏水性基团的分析
在第1添加剂为羟基化合物的醚化物的情况下,上述(a)中,将由萃取而得到的溶解有第1添加剂的氯仿溶液干燥,得到第1添加剂,采取规定量的第1添加剂,添加碘化氢。由此,生成对应于第1添加剂的醚部分的有机基团(上述的R3)的碘化物(R3I),并且生成对应于氧基C2-4亚烷基单元的二碘化C2-4烷烃。添加充分的量的上述碘化氢,以使得向醚化物的碘化物和二碘化C2-4烷烃的转换结束。利用热解GC-MS,在与上述(b)相同的条件下分析得到的混合物,从而鉴定醚化物所含的疏水性基团。
(1-2)定量分析
将上述氯仿可溶成分的适量与以±0.0001g的精度而测定的mr(g)的四氯乙烷(TCE)一起溶解在氘代氯仿中,测定1H-NMR谱。求出存在于化学位移为3.2~3.8ppm的范围的峰的积分值(Sa)和来自TCE的峰的积分值(Sr),由下式求出负极电极材料中的具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的第1添加剂的质量基准的含量Cn(ppm)。
Cn=Sa/Sr×Nr/Na×Ma/Mr×mr/m×1000000
(式中,Ma为在化学位移为3.2~3.8ppm的范围显示峰的结构的分子量(更具体而言,是氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的分子量),Na为键合于重复结构的主链的碳原子的氢原子的数量。Nr、Mr分别为基准物质的分子所含的氢的数量,基准物质的分子量,m(g)为萃取中使用的负极电极材料的质量。)
应予说明,本分析中的基准物质为TCE,因此,Nr=2,Mr=168。另外,m=100。
例如,在第1添加剂为聚丙二醇的情况下,Ma为58,Na为3。在第1添加剂为聚乙二醇的的情况下,Ma为44,Na为4。在共聚物的情况下,Na和Ma分别为使用重复结构所含的各单体单元的摩尔比率(摩尔%)而将各单体单元的Na值和Ma值进行平均化而得到的值。
应予说明,定量分析中,1H-NMR谱中的峰的积分值是使用日本电子株式会社制的数据处理软件“ALICE”而求出。
(1-3)第1添加剂的Mn测定使用上述氯仿可溶成分,使用下述装置,以下述条件进行第1添加剂的GPC测定。另外根据标准物质的Mn与溶出时间的图表制作校正曲线(校准曲线)。基于该校准曲线和第1添加剂的GPC测定结果,算出第1添加剂的Mn。其中,酯化物或醚化物等可以是在氯仿可溶成分中分解的状态。
分析系统:20A system(岛津制作所株式会社制)
柱:GPC KF-805L(Shodex公司制)2根,串联连接
柱温度:30℃±1℃
流动相:四氢呋喃
流速:1mL/min.
浓度:0.20质量%
进样量:10μL
标准物质:聚乙二醇(Mn=2000000、200000、20000、2000、200)检测器:示差折射率检测器(Shodex公司制、Shodex RI-201H)
(2)表面活性剂的分析
不具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的表面活性剂的分析按以下的步骤进行。
(2-1)定性分析
使用粉碎的试样A。采取约1g的试样A,准确计量质量,加入5mL的氯仿,制备混合物。在20±5℃,对混合物施加超声波并搅拌5.5小时,从而萃取阳离子表面活性剂。之后通过过滤而回收滤液,并且用氯仿清洗过滤分离的固体成分和容器,回收清洗液。混合滤液和清洗液,使用氮气进行浓缩。
对于得到的浓缩物,从选自红外分光光谱、紫外可见吸收光谱、NMR谱、质谱(LC-MS)和热解气相色谱/质谱(GC/MS)中的至少1者得到信息,从而确定表面活性剂。应予说明,对于阳离子表面活性剂的抗衡阴离子,有时在硫酸中会发生离子交换,因此是确定抗衡阴离子以外的结构。
(2-2)定量分析
使用氯仿稀释以与上述(2-1)的情况同样的步骤而得到的浓缩物,直到溶液的体积为10mL为止。如此,制备分析用的试样(试样B)。
使用试样B,通过利用SRM(selected reaction monitoring)法的LC/MS分析,从而对负极电极材料中的表面活性剂的含量进行定量。更具体而言,测定试样B的LC/MS光谱,根据表面活性剂的特征性的特定的峰的峰强度,根据校准曲线法求出试样B中的表面活性剂的浓度。然后,根据求出的浓度、以及在试样B的制备时采取的试样A的质量,求出负极电极材料中的表面活性剂的含量。表示特定的峰的峰强度与分析用资料中的表面活性剂的浓度的关系的校准曲线可以通过另外准备由定性分析而确定的表面活性剂,使用该表面活性剂而提前制作。例如,在表面活性剂为氯化辛基三甲基铵的情况下,在LC/MS光谱的m/z=207.78处可以检测到特征性的峰。LC/MS分析以下述条件进行。
LC/MS装置:LC部(Agilent Technologies制、1200Series)、MS部(AgilentTechnologies制6140)
柱:Imtakt制Unison UK-C18 UP(内径2mm、长度10cm)
柱温度:50℃±1℃
流动相:使用第1溶液和第2溶液的混合物,将第1溶液与第2溶液的混合比从20:80(体积比)历时3分钟缓缓变更为0:100(体积比),从3分钟后至10分钟后,仅使用第2溶液。
第1溶液=包含10mmol/L浓度的甲酸铵和10mmol/L浓度的甲酸的水溶液
第2溶液=包含10mmol/L浓度的甲酸铵和10mmol/L的甲酸的甲醇溶液
流速:0.4mL/min
试样B的进样量:1μL
检测器:MS(ESI positive)
测定模式:SCAN(质量测定范围:m/z=100~1000)
(3)有机防缩剂的分析
(3-1)负极电极材料中的有机防缩剂的定性分析
将粉碎的试样A浸渍于1mol/L的氢氧化钠水溶液,萃取有机防缩剂。接下来,根据需要,从萃取物分离第1有机防缩剂和第2有机防缩剂。对于包含各有机防缩剂的分离物,分别以过滤去除不溶成分,将得到的溶液脱盐后,进行浓缩并干燥。脱盐可以使用脱盐柱进行,或是通过将溶液通过离子交换膜而进行,或是将溶液放入透析管并浸渍于蒸馏水中而进行。通过将其干燥,可以得到有机防缩剂的粉末试样(以下称为试样C)。
根据使用如此而得到的有机防缩剂的试样C而测定的红外分光光谱、将试样C用蒸馏水等稀释并且用紫外可见吸光度计测定的紫外可见吸收光谱、将试样C用重水等规定的溶剂溶解而得到的溶液的NMR谱、或者能得到构成物质的各个化合物的信息的热解GC/MS等,从而得到信息,将得到的信息组合使用,确定有机防缩剂的种类。
应予说明,从上述萃取物分离第1有机防缩剂和第2有机防缩剂是如下进行的。首先,将上述萃取物用红外分光、NMR、和/或GC/MS进行测定,判断是否包含多种有机防缩剂。接下来,通过上述萃取物的GPC分析测定分子量分布,如果多种有机防缩剂可以根据分子量而分离,就可以基于分子量的不同,利用柱色谱分离有机防缩剂。在难以根据分子量的不同进行分离的情况下,根据有机防缩剂具有的官能团的种类和/或官能团的量,会导致溶解度的不同,利用不同的溶解度,通过沉淀分离法将一种有机防缩剂分离。具体而言,在将上述萃取物溶解于NaOH水溶液的混合物中滴加硫酸水溶液,调节混合物的pH,从而使一种有机防缩剂凝集并分离。将分离物再度溶解于NaOH水溶液,从得到的混合物如上述那样地将不溶成分通过过滤去除。另外,将分离了一种有机防缩剂后的剩余溶液进行浓缩。得到的浓缩物包含另一种有机防缩剂,从该浓缩物中如上述那样地将不溶成分通过过滤去除。
(3-2)负极电极材料中中的有机防缩剂的含量的定量
与上述(3-1)同样地,对于包含有机防缩剂的分离物,分别得到将不溶成分通过过滤去除后的溶液。对于得到的各溶液,测定紫外可见吸收光谱。使用各有机防缩剂中特征峰的强度和预先制作的校准曲线,求出负极电极材料中的各有机防缩剂的含量。
应予说明,对于有机防缩剂的含量,在得到了未知的铅蓄电池而测定有机防缩剂的含量时,由于无法严密地确定有机防缩剂的结构式,因此,在校准曲线中有时无法使用相同的有机防缩剂。该情况下,使用从该电池的负极萃取的有机防缩剂、紫外可见吸收光谱、红外分光光谱、和NMR谱等显示出类似的形状的、能从别处得到的有机高分子来制作校准曲线,由此,使用紫外可见吸收光谱来测定有机防缩剂的含量。
(3-3)有机防缩剂中的硫元素的含量
与上述(3-1)同样地,在得到有机防缩剂的试样C后,通过氧瓶燃烧法,将0.1g的有机防缩剂中的硫元素变换为硫酸。此时,在放入吸附液的烧瓶内使试样C燃烧,从而得到硫酸离子溶到吸附液中的溶出液。接下来,以吐啉(thorin)为指示剂,用高氯酸钡对溶出液进行滴定,从而求出0.1g的有机防缩剂中的硫元素的含量(c1)。接下来,使c1为10倍,算出每1g的有机防缩剂中的硫元素的含量(μmol/g)。
(3-4)有机防缩剂的Mw测定
与上述(3-1)同样地,在得到有机防缩剂的试样C后,使用下述装置,以下述条件进行有机防缩剂的GPC测定。另外根据标准物质的Mw与溶出时间的图表制作校正曲线(校准曲线)。基于该校准曲线和有机防缩剂的GPC测定结果,算出有机防缩剂的Mw。
GPC装置:Build-up GPC system SD-8022/DP-8020/AS-8020/CO-8020/UV-8020(东曹株式会社制)
柱:TSKgel G4000SWXL,G2000SWXL(7.8mmI.D.×30cm)(东曹株式会社制)
检测器:UV检测器、λ=210nm
洗脱液:浓度1mol/L的NaCl水溶液:乙腈(体积比=7:3)的混合溶液
流速:1mL/min.
浓度:10mg/mL
进样量:10μL
标准物质:聚苯乙烯磺酸Na(Mw=275000、35000、12500、7500、5200、1680)
(4)碳质材料和硫酸钡的定量
对10g粉碎的试样A加入20质量%浓度的硝酸50ml,加热约20分钟,使铅成分溶解为铅离子。将得到的溶液过滤,过滤分离出碳质材料、硫酸钡等固体成分。
使得到的固体成分在水中分散,制成分散液后,使用筛子从分散液中除去碳质材料和硫酸钡以外的成分(例如增强材料)。接下来,使用预先测定质量的膜过滤器,对分散液施加吸滤,将过滤分离过的试样与膜过滤器一起在110℃±5℃的干燥器中干燥。过滤分离过的试样为碳质材料与硫酸钡的混合试样。用干燥后的混合试样(以下称为试样D)和膜过滤器的合计质量减去膜过滤器的质量,测定试样D的质量(Mm)。其后,将试样D与膜过滤器一起放入坩埚,在1300℃以上灼热灰化。剩余的残渣为氧化钡。将氧化钡的质量换算为硫酸钡的质量,求出硫酸钡的质量(MB)。用质量Mm减去质量MB,算出碳质材料的质量。
(其它)
通过对负极集电体涂布或填充负极糊料,进行熟成和干燥而制作未化成的负极板,其后,将未化成的负极板化成,从而可以形成负极板。负极糊料例如可以在铅粉、有机防缩剂、第1添加剂以及根据需要而选自碳质材料和其它添加剂中的至少一种中,加入水和硫酸(或硫酸水溶液),进行混炼,从而制作。在熟成时,优选在比室温更高温且高湿度下,使未化成的负极板熟成。
化成可以使包含未化成的负极板的极板组浸渍在铅蓄电池电解槽内的包含硫酸的电解液中的状态下,对极板组充电,从而进行。但是,化成也可以在铅蓄电池或极板组的组装前进行。通过化成生成海绵状铅。
(正极板)
铅蓄电池的正极板可以分类为糊料式、覆盖式等。可以使用糊料式和覆盖式正极板中的任一种。糊料式正极板具备正极集电体和正极电极材料。覆盖式的正极板的构成如上所述。
正极集电体可以通过铅(Pb)或铅合金的铸造而形成,也可以加工铅片或铅合金片而形成。作为加工方法,例如可举出扩径加工和冲裁(punching)加工。如果使用格子状的集电体作为正极集电体,则易于负载正极电极材料,因此优选。
作为正极集电体使用的铅合金,基于耐腐蚀性和机械强度的点,优选Pb-Sb系合金、Pb-Ca系合金、Pb-Ca-Sn系合金。正极集电体可以具备表面层。正极集电体的表面层与内侧的层的组成也可以不同。表面层可以形成正极集电体的一部分。表面层也可以仅形成正极集电体的格子部分、极耳部分、或框肋部分。
正极板所含的正极电极材料包含通过氧化还原反应而表现容量的正极活性物质(二氧化铅或硫酸铅)。正极电极材料根据需要,也可以包含其它添加剂。
未化成的糊料式正极板可以通过对正极集电体填充正极糊料,进行熟成、干燥,从而得到。正极糊料通过将铅粉、添加剂、水、和硫酸等混炼而制备。未化成的覆盖式正极板可通过对插入了连接集电部的芯金属(spine)的多孔质的管填充铅粉或浆料状的铅粉,将多个管用连接座(spine protector)结合,从而形成。其后,通过对这些未化成的正极板进行化成,从而可以得到正极板。
化成可以使包含未化成的正极板的极板组浸渍在铅蓄电池电解槽内的包含硫酸的电解液中的状态下,对极板组充电,从而进行。但是,化成也可以在铅蓄电池或极板组的组装前进行。
(隔离件)
负极板与正极板之间可以配置隔离件。作为隔离件,可以使用选自无纺布和微多孔膜中的至少一种。
无纺布是不编织纤维而交缠的毡,以纤维为主体。在无纺布中,例如无纺布的60质量%以上由纤维形成。作为纤维,可以使用玻璃纤维、聚合物纤维(聚烯烃纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维(聚对苯二甲酸乙二酯纤维等)等)、纸浆纤维等。其中,优选玻璃纤维。无纺布也可以包含纤维以外的成分(例如耐酸性的无机粉体、作为粘结剂的聚合物)。
另一方面,微多孔膜是以除纤维成分以外的成分为主体的多孔性的片,例如,将包含造孔剂的组合物挤出为片状并成型后,除去造孔剂,形成细孔,从而得到。微多孔膜优选由具有耐酸性的材料构成,优选为以聚合物成分为主体的微多孔膜。作为聚合物成分,优选聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯等)。作为造孔剂,可举出聚合物粉末和油中的至少一种等。
隔离件例如可以仅由无纺布构成,也可以仅由微多孔膜构成。此外,隔离件根据需要也可以是无纺布与微多孔膜的层叠物、将不同种类或相同种类的素材贴合的隔离件、或在不同种类或相同种类的素材中使凹凸嵌合的隔离件等。
隔离件可以是片状,也可以形成袋状。可以按在正极板和负极板之间夹住1张片状的隔离件的方式进行配置。此外,也可以按以弯折状态的1张片状的隔离件夹住极板的方式进行配置。在该情况下,可以把用弯折的片状的隔离件夹住的正极板与用弯折的片状的隔离件夹住的负极板进行重叠,也可以将正极板和负极板中的一方用弯折的片状的隔离件夹住,再与其它极板重叠。此外,还可以将片状的隔离件弯折成蛇腹状,以隔离件插入正极板和负极板之间的方式,用蛇腹状的隔离件夹住正极板和负极板。在使用弯折成蛇腹状的隔离件的情况下,可以按弯折部沿着铅蓄电池的水平方向的方式(例如弯折部与水平方向平行的方式)来配置隔离件,也可以按沿着垂直方向的方式(例如弯折部与垂直方向平行的方式)来配置隔离件。在弯折成蛇腹状的隔离件中,在隔离件两面的主面侧上交互地形成凹部。在正极板和负极板的上部,通常会形成极耳部,因此,在弯折部沿着铅蓄电池的水平方向的方式来配置隔离件的情况下,可以仅在隔离件一面的主面侧的凹部配置正极板和负极板(即,成为在邻接的正极板与负极板之间插有二重隔离件的状态)。在弯折部沿着铅蓄电池的垂直方向来配置隔离件的情况下,可以在一面的主面侧的凹部收纳正极板,另一面的主面侧的凹部收纳负极板(即,可以是在邻接的正极板与负极板之间插有一重隔离件的状态。)。在使用袋状的隔离件的情况下,袋状的隔离件可以收纳正极板,也可以收纳负极板。
(电解液)
电解液是包含硫酸的水溶液,根据需要也可以凝胶化。电解液包含金属离子。金属离子包含选自锂离子、钠离子和铝离子中的至少一种的第1成分。通过使电解液包含第1成分,利用其与负极电极材料所含的第1添加剂的直接的或间接的相互作用,从而可以得到减少过充电电量的效果和提高充电接收性能的效果,进一步还能得到提高PSOC寿命性能的效果。
从进一步确保高充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,电解液可以包含锂离子和钠离子中至少一者,以及铝离子。该情况下,可以进一步减少过充电电量。其中,在第1成分至少包含锂离子和铝离子的情况下,可以进一步提高充电接收性能,因此为优选。
电解液中的第1成分的各自的浓度为0.35mol/L以下即可。从容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,第1成分的各自的浓度优选为0.3mol/L以下或0.25mol/L以下,也可以是0.2mol/L以下。第1成分的各自的浓度例如能以第1成分的合计浓度为0.02mol/L以上的方式而确定。第1成分的各自的浓度例如为0.01mol/L以上,也可以是0.02mol/L以上。
电解液中的第1成分的各自的浓度可以是0.01mol/L(或0.02mol/L)~0.35mol/L、0.01mol/L(或0.02mol/L)~0.3mol/L、0.01mol/L(或0.02mol/L)~0.25mol/L、或者0.01mol/L(或0.02mol/L)~0.2mol/L。
电解液中的第1成分的合计浓度为0.02mol/L以上。通过使第1成分的合计浓度为这样的范围,从而可以确保优异的充电接收性能。第1成分的合计浓度的上限可以根据各个第1成分的浓度而确定。从容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,第1成分的合计浓度优选为0.7mol/L以下,也可以是0.5mol/L以下或0.4mol/L以下。
应予说明,即便在负极板、正极板和隔离件等电解液以外的铅蓄电池的构成要素中包含了与第1成分的种类相同的金属成分(金属化合物等)的情况下,构成要素中的金属成分的含量少,对电解液中的第1成分的浓度的影响仍然小。具体而言,即便在电解液以外的构成要素中包含了与第1成分的种类相同的金属成分(例如,负极电极材料中的木质素磺酸钠、作为表面活性剂的钠盐),但在使用未添加第1成分或生成第1成分的化合物的电解液的情况下,电解液中的第1成分的合计浓度仍小于0.02mol/L(通常小于0.01mol/L)。
电解液根据需要,可以包含第1成分以外的阳离子(例如,金属阳离子)、和阴离子(例如,硫酸阴离子以外的阴离子(磷酸离子等))中的至少一种。有时也将第1成分以外的金属阳离子称为第2成分。作为第2成分,例如可举出镁离子、钾离子。
电解液中的第2成分的合计浓度例如可以是0.01mol/L以下。优选为电解液不含第2成分的情况。应予说明,电解液不含第2成分的情况也包括电解液中的第2成分为检出限以下的情况。
电解液可以包含上述第1添加剂。
满充电状态的铅蓄电池中的电解液在20℃时的比重例如为1.20以上,可以为1.25以上。电解液的在20℃时的比重为1.35以下,优选为1.32以下。
电解液的在20℃时的比重为1.20~1.35,1.20~1.32,1.25~1.35,或1.25~1.32。
电解液中的第1成分和第2成分的各自的浓度可以根据从满充电状态的铅蓄电池取出的电解液的高频电感耦合等离子(Inductively Coupled Plasma:ICP)发光分光法而求出。更具体而言,对于电解液,使用ICP发光分光测定装置,鉴定电解液中的金属离子的种类,测定金属离子的发光强度。根据该发光光度的测定值和预先制作的校准曲线,求出电解液中所含的金属离子的浓度。作为ICP发光分光测定装置,可以使用株式会社岛津制作所制ICPS-8000。
(其它)
铅蓄电池可以通过包含下述工序的制造方法而得到:在电解槽的电池单元室中收纳极板组和电解液的工序。铅蓄电池的各电池单元具备收纳于各电池单元室的极板组和电解液。极板组在收纳到电池单元室前,可以按在正极板与负极板之间插有隔离件的方式,将正极板、负极板和隔离件层叠,由此进行组装。正极板、负极板、电解液和隔离件可以在极板组的组装前分别准备。铅蓄电池的制造方法可以在将极板组和电解液收纳到电池单元室的工序之后,根据需要,包含将正极板和负极板的至少一者进行化成的工序。
极板组中的各极板可以是1张,也可以是2张以上。在极板组具备2张以上的负极板的情况下,在至少1张负极板中,只要满足了负极电极材料包含第1添加剂这一条件,则对于该负极板而言就可以得到提高充电接收性能的效果,并且,可以根据这样的负极板的张数而得到减少过充电电量的效果和提高PSOC寿命性能的效果。从可以将过充电电量抑制得低,并同时确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,优选极板组所含的负极板的张数的50%以上(更优选为80%以上或90%以上)为满足上述条件的负极板。在极板组所含的负极板之中,满足上述条件的负极板的比率为100%以下。极板组所含的负极板可以全部是满足上述条件的负极板。
在铅蓄电池具有2个以上的电池单元的情况下,至少一部分电池单元的极板组具备满足上述条件的负极板即可。从进一步抑制充电接收性能的降低、且确保较高的减少过充电电量的效果的观点出发,优选铅蓄电池所含的电池单元的个数的50%以上(更优选为80%以上或90%以上)具备包含满足上述条件的负极板的极板组。在铅蓄电池所含的电池单元之中,具备包含满足上述条件的负极板的极板组的电池单元的比率为100%以下。优选铅蓄电池所含的极板组全部具备满足上述条件的负极板。
图1示出本发明的实施方式涉及的铅蓄电池的一个例子的外观。
铅蓄电池1具备收纳极板组11和电解液(未图示)的电解槽12。电解槽12内被隔断13分割为多个电池单元室14。各电池单元室14中,每个收纳有1个极板组11。电解槽12的开口部被具备负极端子16和正极端子17的盖15封闭。盖15中,每个电池单元室设置有液口栓18。在补水时,取下液口栓18,补给补水液。液口栓18可以具有将电池单元室14内产生的气体排出电池外的功能。
极板组11各自由多张负极板2和正极板3经由隔离件4层叠而构成。在此,示出了收纳负极板2的袋状的隔离件4,但隔离件的形态没有特别限定。位于电解槽12的一侧端部的电池单元室14中,并联多个负极板2的负极架部6与贯通连接体8相连接,并联多个正极板3的正极架部5与正极柱7相连接。正极柱7与盖15外部的正极端子17相连接。位于电解槽12的另一个端部的电池单元室14中,负极架部6与负极柱9相连接,正极架部5与贯通连接体8相连接。负极柱9与盖15外部的负极端子16相连接。各贯通连接体8通过设置于隔断13的贯通孔,邻接的电池单元室14的极板组11彼此串联连接。
正极架部5以将设置在各正极板3的上部的极耳部彼此以铸焊汇流排方式或焚烧方式而焊接,由此形成。负极棚部6也依据正极棚部5的情况,将设置在各负极板2的上部的极耳部彼此焊接,由此形成。
应予说明,铅蓄电池的盖15为一重结构(单盖),但不限于图示例的情况。例如,盖15可以具有二重结构,即具备中盖和外盖(或上盖)。具有二重结构的盖在中盖与外盖之间可以具备回流结构,其用于使电解液从设置在中盖的回流口返回电池内(中盖的内侧)。
本说明书中,过充电电量、PSOC寿命性能和充电接收性能分别可以按以下的步骤评价。评价中使用的试验电池的额定电压为2V/电池单元、额定5小时率容量为32Ah。
(a)过充电电量
使用上述试验电池,按以下的条件进行过充电电量的评价。
为了实现高于JIS D5301:2019指定的通常的4分钟-10分钟试验的过充电条件,在75℃±3℃实施放电1分钟-充电10分钟的试验(1分钟-10分钟试验)(高温轻负荷试验)。高温轻负荷试验中,将充放电重复1220个循环。合计1220个循环为止的各循环中的过充电电量(充电电量-放电电量),进行平均化,从而求出每1个循环的过充电电量(Ah)。
放电:25A、1分钟
充电:2.47V/电池单元、25A、10分钟
水槽温度:75℃±3℃
(b)PSOC寿命性能
使用上述铅蓄电池,在表1所示的图案中进行充放电。将端子电压到达每电池单元1.2V为止的循环数设为PSOC寿命性能的指标。
[表1]
CC放电:恒电流放电
CV充电:恒电压充电
(c)充电接收性能
使用满充电的试验电池,测定第10秒的电量。具体而言,将试验电池以6.4A放电30分钟,放置16小时。其后,将电流的上限设为200A,以2.42V/电池单元对试验电池进行恒电流恒电压充电,测定此时的第10秒的累积电量(第10秒电量)。所有操作均在25℃±2℃的水槽中进行。将10秒的累积电量作为充电接收性能的评价的指标。
将本发明的一个方面涉及的铅蓄电池总结记载于下。
(1)一种铅蓄电池,其中,
上述铅蓄电池具备至少1个电池单元,该电池单元具备极板组和电解液,
上述极板组具备正极板、负极板、以及介于上述负极板和上述正极板之间的隔离件,
上述负极板具备负极电极材料,
上述负极电极材料包含选自表面活性剂和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物中的至少一种的添加剂(第1添加剂)、以及有机防缩剂,
上述电解液包含金属离子,
上述金属离子包含选自锂离子、钠离子和铝离子中的至少一种成分(第1成分),
上述电解液中的上述成分的合计浓度为0.02mol/L以上,
上述电解液中的上述成分的各自的浓度为0.35mol/L以下。
(2)上述(1)中,上述第1成分的各自的浓度可以是0.3mol/L以下、0.25mol/L以下或0.2mol/L以下。
(3)上述(1)或(2)中,上述第1成分的各自的浓度可以是0.01mol/L以上、或0.02mol/L以上。
(4)上述(1)~(3)任一项中,上述第1成分的合计浓度可以是0.7mol/L以下、0.5mol/L以下、或0.4mol/L以下。
(5)上述(1)~(4)任一项中,上述第1成分可以包含锂离子和钠离子中至少一者,以及铝离子。
(6)上述(1)~(5)任一项中,上述第1成分至少包含锂离子和铝离子。
(7)上述(1)~(6)任一项中,上述第1添加剂包含上述聚合物化合物(也包括具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的非离子表面活性剂),
上述聚合物化合物可以包含Mn为500万以下、100万以下、10万以下、50000以下、20000以下、10000以下、9000以下、或8000以下的化合物。
(8)上述(7)中,上述化合物的Mn可以是300以上、400以上、500以上、1000以上、或1500以上。
(9)上述(1)~(8)任一项中,上述第1添加剂包含具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的羟基化合物、上述羟基化合物的醚化物、和上述羟基化合物的酯化物中的至少一种,
上述羟基化合物可以为选自聚C2-4亚烷基二醇、包含氧基C2-4亚烷基的重复结构的共聚物、和聚醇的聚C2-4亚烷基氧化物加成物中的至少一种。
(10)上述(1)~(9)任一项中,上述第1添加剂可以包含具有氧化丙烯单元的重复结构的化合物(聚合物化合物)。
(11)上述(10)中,上述化合物(聚合物化合物)的数均分子量可以是1000~10000、1500~10000。
(12)上述(10)或(11)中,上述聚合物化合物可以包含选自聚丙二醇、聚氧丙烯-聚氧乙烯共聚物(聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物等)、聚丙二醇烷基醚(上述R2为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的烷基醚(甲基醚、乙基醚、丁基醚等)等)、聚氧乙烯-聚氧丙烯烷基醚(上述R2为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的烷基醚(丁基醚、羟基己基醚等)等)、羧酸聚丙二醇(上述R3为碳原子数10以下(或者8以下或6以下)的烷基的羧酸聚丙二醇(乙酸聚丙二醇等)等)、和三醇以上的聚醇的聚环氧丙烷加成物(甘油的聚环氧丙烷加成物等)中的至少一种。
(13)上述(10)~(12)任一项中,上述聚合物化合物中的上述氧化丙烯单元的比例可以是5mol%以上、10mol%以上或20mol%以上。
(14)上述(10)~(13)任一项中,上述聚合物化合物中的上述氧化丙烯单元的比例可以是100mol%以下。
(15)上述(10)~(14)任一项中,上述化合物(聚合物化合物)可以不含氧化乙烯单元的重复结构。
(16)上述(1)~(15)任一项中,上述第1添加剂(其中特别是表面活性剂)优选不含硫元素。
(17)上述(1)~(16)任一项中,上述表面活性剂可以包含阳离子表面活性剂。
(18)上述(17)中,上述阳离子表面活性剂可以包含季铵盐。
(19)上述(1)~(18)任一项中,上述负极电极材料包含碳质材料,
上述第1添加剂具有至少1个以上的疏水性基团、以及亲水性基团,
上述疏水性基团中至少1个可以为碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基。
(20)上述(19)中,上述长链脂肪族烃基的碳原子数可以是30以下、26以下、24以下、或22以下。
(21)上述(1)~(18)任一项中,上述负极电极材料可以进一步包含碳质材料。
(22)上述(19)~(21)任一项中,上述负极电极材料中的上述碳质材料的含量可以是0.05质量%以上、或0.10质量%以上。
(23)上述(19)~(22)任一项中,上述负极电极材料中的上述碳质材料的含量可以是5质量%以下、或3质量%以下。
(24)上述(1)~(23)任一项中,上述负极电极材料中的上述第1添加剂的含量以质量基准计可以是8ppm以上、10ppm以上、50ppm以上、100ppm以上、300ppm以上、或400ppm以上。
(25)上述(1)~(24)任一项中,上述负极电极材料中的上述第1添加剂的含量以质量基准计可以是10000ppm以下、6000ppm以下、5000ppm以下、1000ppm以下、或700ppm以下。
(26)上述(1)~(25)任一项中,上述负极电极材料中的上述有机防缩剂的含量可以是0.005质量%以上、或0.01质量%以上。
(27)上述(1)~(26)任一项中,上述负极电极材料中的上述有机防缩剂的含量可以是1.0质量%以下、0.5质量%以下、0.3质量%以下、0.25质量%以下、或0.2质量%以下。
(28)上述(1)~(27)任一项中,上述有机防缩剂(或上述负极电极材料)可以包含硫元素含量为2000μmol/g以上或3000μmol/g以上的第1有机防缩剂。
(29)上述(28)中,上述第1有机防缩剂的硫元素含量可以是9000μmol/g以下、或8000μmol/g以下。
(30)上述(28)或(29)中,上述第1有机防缩剂的Mw可以是7000以上。
(31)上述(28)~(30)任一项中,上述第1有机防缩剂的Mw可以是100000以下、或20000以下。
(32)上述(1)~(31)任一项中,上述有机防缩剂(或第1有机防缩剂)可以包含双芳烃化合物的缩合物。
(33)上述(1)~(32)任一项中,上述负极电极材料可以进一步包含硫酸钡。
(34)上述(33)中,上述负极电极材料中的上述硫酸钡的含量可以是0.05质量%以上、或0.10质量%以上。
(35)上述(34)中,上述负极电极材料中的上述硫酸钡的含量可以是3质量%以下、或2质量%以下。
(36)上述(1)~(35)任一项中,满充电状态的铅蓄电池中的电解液的20℃的比重可以是1.20以上或1.25以上。
(37)上述(1)~(36)任一项中,满充电状态的铅蓄电池中的电解液的20℃的比重可以是1.35以下或1.32以下。
实施例
以下,基于实施例和比较例,对本发明进行具体的说明,但本发明不限于以下的实施例。
《铅蓄电池E1~E40、C1~C4、和R1~R4》
(1)铅蓄电池的准备
(a)负极板的制作
将原料的铅粉、硫酸钡、炭黑、表2~表4所示的第1添加剂和表2~表4所示的有机防缩剂与适量的硫酸水溶液混合,得到负极糊料。此时,将各成分混合,使得任一已述步骤求出的、负极电极材料中的第1添加剂和有机防缩剂的含量成为表2~表4所示的值,并且硫酸钡的含量成为0.4质量%,炭黑的含量成为0.2质量%。将负极糊料填充到Pb-Ca-Sn合金制的扩径格子的网眼部,进行熟成干燥,得到未化成的负极板。
作为表中所示的有机防缩剂,使用下述成分。
(e1)木质素:木质素磺酸钠(硫元素含量600μmol/g、Mw5500)
(e2)双酚缩合物:导入了磺酸基的双酚化合物的由甲醛而得的缩合物(硫元素含量4000μmol/g、Mw8000)
(b)正极板的制作
将原料的铅粉与硫酸水溶液混合,得到正极糊料。将正极糊料填充到Pb-Ca-Sn合金制的扩径格子的网眼部,进行熟成干燥,得到未化成的正极板。
(c)铅蓄电池的制作
铅蓄电池的额定电压为2V/电池单元、额定5小时率容量为32Ah。试验电池的极板组由正极板7张和负极板7张构成。负极板收纳在由聚乙烯制的微多孔膜形成的袋状隔离件中,与正极板交互层叠,形成极板组。将极板组与电解液一起收纳在聚丙烯制的电解槽,在电解槽内实施化成,制作液式的铅蓄电池。满充电状态的铅蓄电池中的电解液的20℃的比重为1.28。作为电解液,使用表2~表4所示的包含对应于第1成分的金属硫酸盐的硫酸水溶液。以按已述的步骤求出的第1成分的各自的浓度成为表2~表4所示的值的方式,调节金属硫酸盐的添加量。
其中,在表中的Na离子的浓度<0.01mol/L的情况下,Na离子来自负极电极材料中使用的木质素磺酸钠,在<0.002mol/L的情况下,Na离子来自第1添加剂。在这些情况下,可以不添加硫酸钠地制备电解液。
(2)评价
(a)过充电电量
使用上述铅蓄电池,按已述的步骤求出每1个循环的过充电电量(Ah)。以将铅蓄电池C1的每1个循环的过充电电量(Ah)设为100时的比率(%),来评价各铅蓄电池的过充电电量。
(b)PSOC寿命性能
使用上述铅蓄电池,按已述的步骤评价PSOC寿命性能。各铅蓄电池的PSOC寿命性能以将铅蓄电池C1的结果作为100时的比率(%)表示。
(c)充电接收性能
使用满充电后的上述铅蓄电池,按已述的步骤评价充电接收性能。对于各铅蓄电池的充电接收性能,以将铅蓄电池C1的累积电量设为100时的比率(%)评价充电接收性能。
结果示于表2~表4。应予说明,聚丙二醇和聚乙二醇的Mn为按已述的步骤求出的Mn。表2中,酯化物的Mn为负极电极材料的制备中使用的酯化物的Mn。铅蓄电池E1~E40为实施例。铅蓄电池C1~C4为比较例。铅蓄电池R1~R4为参考例。
如表2所示那样,在使用以0.02mol/L以上的合计浓度包含第1成分的电解液的情况下,如果组合具备虽然包含有机防缩剂但不包含第1添加剂的负极电极材料的负极板,则充电接收性能提高,但无法减少过充电电量(C1与C2的比较)。在铅蓄电池具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的情况下,如果电解液没有以0.02mol/L以上的合计浓度包含第1成分,则虽然能减少过充电电量,但充电接收性能会降低(C1与R1的比较)。针对这些结果,如果组合具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板、以及以0.02mol/L以上的合计浓度包含第1成分的电解液,则过充电电量减少,且能大幅提高充电接收性能(C1、C2和R1与E1的比较)。另外,E1中,PSOC寿命也大幅提高。
根据C1、C2和R1,如果电解液以0.02mol/L以上的合计浓度包含第1成分,从而充电接收性能提高12%,过充电电量无变化,PSOC寿命性能提高54%。另外,通过使负极电极材料除有机防缩剂之外还包含第1添加剂,从而充电接收性能降低35%,过充电电量减少25%,PSOC寿命性能提高10%。根据这些结果,在组合以0.02mol/L以上的合计浓度包含第1成分的电解液、以及具备包含有机防缩剂和第1添加剂的负极电极材料的负极板的情况下,可以预期:充电接收性能为77%(=100+12-35)、过充电电量为75%(=100+0-25)、PSOC寿命性能为164%(=100+54+10)。然而,实际上,E1中充电接收性能为121%,过充电电量为65%,PSOC寿命性能为184%。这样的E1的结果相比于根据C1、C2和R1所预期的结果更为优异,由此可知,通过电解液与负极板的组合,从而可得到协同效果。
在C3、C4和R2与E2的关系中,也与上述同样,即便在使用合成有机防缩剂的情况下,仍能在充电接收性能和PSOC寿命性能的提高、以及过充电电量减少的任一者中得到协同效果。
另外,不仅是使用聚丙二醇作为第1添加剂的情况,在使用聚乙二醇、酯化物、或表面活性剂的情况下,也能得到与E2的结果同样的或类似的效果(E5~E11)。
从容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能、以及更低的过充电电量的观点出发,第1添加剂优选不含硫元素,优选使用阳离子表面活性剂(E8~E9与E1~E7的比较)。从同样的的观点出发,优选使用包含具有氧化丙烯单元的重复结构的化合物的第1添加剂,这样的化合物更优选不含氧化乙烯单元的重复结构(E5与E2~E4的比较)。
从容易确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,表面活性剂所具有的疏水性基团中的至少1个优选为碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基(E6与E7的比较)。
如表3所示那样,即便改变负极电极材料中的第1添加剂的含量,仍能得到效果。从得到更高的效果的观点出发,第1添加剂的含量优选为10ppm(或50ppm)~10000ppm,也可以是100ppm~8000ppm。
[表4]
PPG:聚丙二醇(Mn1500)
如表4所示那样,如果电解液中的第1成分的合计浓度小于0.02mol/L,则基本无法得到提高充电接收性能的效果(R3和R4)。与此相对,如果电解液中的第1成分的合计浓度为0.02mol/L以上,则充电接收性能和PSOC寿命性能大幅提高(R3和R4与E2和E15~E40的比较)。从容易进一步降低过充电电量的观点出发,电解液中的第1成分的各自的浓度为0.35mol/L以下,优选为0.3mol/L以下,更优选为0.25mol/L以下或0.2mol/L以下。
从能确保更高的充电接收性能和PSOC寿命性能的观点出发,第1成分优选包含Li离子和Na离子中的至少一者、以及Al离子(E15~E18与E2和E20~E34的比较、E36~E38与E39和E40的比较)。该情况下,可以将过充电电量抑制得更低。
从确保更高的充电接收性能的的观点出发,第1成分优选至少包含Li离子和Al离子(E15、E17、E18、E20和E2与E36~E40的比较)。
产业上的可利用性
本发明的一个方面涉及的铅蓄电池例如适合作为在PSOC条件下充放电的IS用铅蓄电池而用于怠速停止车。另外,铅蓄电池可以优选用作例如车辆(汽车、摩托车等)的启动用电源、产业用蓄电装置(例如,电动车(叉车等)等的电源)。应予说明,这些只是例示,铅蓄电池的用途不限于此。
符号说明
1:铅蓄电池
2:负极板
3:正极板
4:隔离件
5:正极架部
6:负极架部
7:正极柱
8:贯通连接体
9:负极柱
11:极板组
12:电解槽
13:隔壁
14:电池单元室
15:盖
16:负极端子
17:正极端子
18:液口栓。

Claims (17)

1.一种铅蓄电池,具备至少1个具备极板组和电解液的电池单元,
所述极板组具备正极板、负极板以及介于所述负极板和所述正极板之间的隔离件,
所述负极板具备负极电极材料,
所述负极电极材料包含选自表面活性剂和具有氧基C2-4亚烷基单元的重复结构的聚合物化合物中的至少一种的添加剂以及有机防缩剂,
所述电解液包含金属离子,
所述金属离子包含选自锂离子、钠离子和铝离子中的至少一种成分,
所述电解液中的所述成分的合计浓度为0.02mol/L以上,
所述电解液中的所述成分的各自的浓度为0.35mol/L以下。
2.根据权利要求1所述的铅蓄电池,其中,所述成分的各自的浓度为0.25mol/L以下。
3.根据权利要求1或2所述的铅蓄电池,其中,所述成分包含锂离子和钠离子中至少一者以及铝离子。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述成分至少包含锂离子和铝离子。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述添加剂包含具有氧化丙烯单元的重复结构的化合物。
6.根据权利要求5所述的铅蓄电池,其中,所述化合物的数均分子量为1000~10000。
7.根据权利要求5或6所述的铅蓄电池,其中,所述化合物不含氧化乙烯单元的重复结构。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述添加剂不含硫元素。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述表面活性剂包含阳离子表面活性剂。
10.根据权利要求9所述的铅蓄电池,其中,所述阳离子表面活性剂包含季铵盐。
11.根据权利要求1~10中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述负极电极材料包含碳质材料,
所述添加剂具有至少1个以上的疏水性基团以及亲水性基团,
所述疏水性基团中至少1个为碳原子数为8以上的长链脂肪族烃基。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述有机防缩剂包含双芳烃化合物的缩合物。
13.根据权利要求1~12中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述负极电极材料中的所述添加剂的含量以质量基准计为50ppm以上。
14.根据权利要求1~13中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述负极电极材料中的所述添加剂的含量以质量基准计为10000ppm以下。
15.根据权利要求1~14中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述成分的各自的浓度为0.01mol/L以上。
16.根据权利要求1~15中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述成分的合计浓度为0.7mol/L以下。
17.根据权利要求1~16中任一项所述的铅蓄电池,其中,所述成分的合计浓度为0.5mol/L以下。
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