JP2004014425A

JP2004014425A - 円筒型蓄電池

Info

Publication number: JP2004014425A
Application number: JP2002169575A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakazawa; 中澤　　淑夫
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】発明が解決しようとする課題は、高出力性能が要求される円筒型蓄電池において、放電時の電圧降下要因の一つである抵抗分極ηｒを格子の設計面から低減を図り、円筒型蓄電池の出力特性を改善することにある。
【解決手段】正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池において、格子の横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘであることならびに格子のマス目を構成する縦桟幅が１ｍｍ以上でかつ横桟幅に対する比率が１．５以上であることを特徴とするものである。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
円筒型蓄電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池を放電すると電池の起電力、例えば鉛蓄電池を例にとると、２．０Ｖから低下する。これを分極と称している。この分極ηは、下記に示すように活性化分極ηａと抵抗分極ηｒと濃度分極ηｄとからなっている。
【０００３】
η＝ηａ＋ηｒ＋ηｄ
活性化分極ηａは、放電そのものの抵抗であり、放電反応速度の遅れ、例えば、電解液の拡散の遅れといったことに起因するものである。
【０００４】
抵抗分極ηｒは、電池に用いている材質の抵抗に起因するものや集電体（格子）の形状や極板間の電解液のイオン電導体の抵抗に起因するものがある。
【０００５】
濃度分極ηｄは、放電に関与している物質の不足、例えば、鉛蓄電池を例にとると、放電が進行するにしたがって硫酸根が消費され、電解液濃度が低くなることによる抵抗増加等が挙げられる。
【０００６】
上記分極は放電電流に比例して大きくなる。したがって、電池が高出力特性を要求される場合には、この分極を小さくする手立てが必要である。
【０００７】
本発明は、上記分極の内で抵抗分極ηｒの改善に関するもので、特に鉛蓄電池の中で正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型鉛蓄電池の抵抗分極ηｒを低減し、出力特性を改善しようとするものである。円筒型鉛蓄電池は、正・負極板およびセパレータがそれぞれ１枚ずつで構成されているので高圧迫を直接かけることが容易で、活物質の脱落が防止でき、薄型極板の使用が可能である。したがって、単位容積当たりの極板の表面積を大きくすることが可能で、上記、活性化分極ηａの小さいことが特徴で、出力特性が優れており、近年その用途が広がっている。本発明では、特に円筒型鉛蓄電池の抵抗分極ηｒの要因である格子形状を検討することによって抵抗分極ηｒを低減し、さらに出力特性を改善しようとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
発明が解決しようとする課題は、高出力性能が要求される円筒型蓄電池において、格子の設計面から抵抗分極ηｒを小さくし、さらに高出力特性を有する円筒型蓄電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者は、円筒型鉛蓄電池において、抵抗分極ηｒに関係する格子形状に着目し、それに関するＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＝コンピュータ支援エンジニアリング）解析を行い、円筒型鉛蓄電池の格子形状と抵抗分極ηｒ、すなわち電圧降下との関係を求め、最適な格子形状を見出した。本発明は、その知見に基づくもので、請求項１によれば、正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池において、格子の横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘであることを特徴とするものである。
【００１０】
電池を放電した場合の極板上での電圧降下は極板耳部を起点に扇型状に分布し、耳部から遠くなる程、降下量が大きくなり、極板耳部と対称位置の部分（図１に示すＥ部分）で最も電圧降下が大きい傾向を示す。発明者は、ＣＡＥによる解析の結果、格子横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘの格子形状にすることによってＥでの電圧降下が抑制できることを見出した。上述したように、極板耳部と対称の位置部分（Ｅ）の電圧降下が最も大きいわけであるが、上額縁に沿って流れる電流は、極板耳部と対称位置（Ｅ）に到達するまで最も長い距離を移動することになり、これが電圧降下の要因になっている。その場合、額縁幅を太くしておけばその部分での抵抗損失を抑えることができるので、最終的な極板耳部と対称位置（Ｅ）の電圧降下を抑制する効果があったと考えられる。特に、円筒型鉛蓄電池においては正・負極板のそれぞれの極板耳が想定位置に揃うように配置した場合、一つの極板耳部に対する極板表面積は外周に配された極板耳部程、その極板幅が大きくなることになり、その極板耳部の対称位置（Ｅ）の電圧降下が大きくなるので円筒型鉛蓄電池では横方向の額縁幅を大きくすることがより効果的であったといえる。
【００１１】
１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘの関係については、１．５Ｘ以下になると抵抗分極ηｒの低減効果が小さく、また、３Ｘ以上にした場合、抵抗分極ηｒの低減効果はさらに増加する傾向にあるが、格子の他の機能である活物質の保持能力が低下し、その点での不具合が生じるので上記、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘの範囲が好ましいことを確認している。
【００１２】
請求項２によれば、正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池において、格子のマス目を構成する縦桟幅が１ｍｍ以上でかつ横桟幅に対する比率が１．５以上の格子形状を特徴とするものである。
【００１３】
極板を巻回する構造の円筒型蓄電池では、巻き芯に近い程その径が小さくなり、格子面は湾曲状態になる。したがって、縦桟幅が小さいとその部分に充填されている活物質が直接湾曲し脱落し易すくなる。縦桟幅を１ｍｍ以上確保すれば、湾曲した際に活物質にかかる負担が少なくなり良好に巻回することができることを発明者は見出した。さらに、上述したように電圧降下は、極板耳部を起点にして極板耳部から遠い下部方向程大きくなるので、電流が下方向に流れる際に格子の縦桟を太くすることが有効であることが予想され、発明者は、請求項１と同様、これに関してＣＡＥ解析を行い、横桟幅に対して縦桟幅を１．５以上にすることが電圧改善に有効であることを見出した。
【００１４】
なお、本発明の特徴について円筒型鉛蓄電池で説明したが、正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池で、同様の格子形状を有する蓄電池であれば本発明の特徴を適用すれば同じ効果が得られるのはいうまでもない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は円筒型鉛蓄電池に従来から使用されている極板の格子形状の一例を示す上面図である。１は格子耳部、２は格子マス目、３ａは上額縁、３ｂは下額縁、４は縦桟、５は横桟をそれぞれ示す。
【００１６】
図１に示すように従来では、円筒型鉛蓄電池に使用されている格子の上額縁、下額縁、縦桟および横桟の幅は、ほぼ同じ幅に設計されていた。本発明では、縦桟および横桟の幅に対して上あるいは下額縁の幅を太くする又は縦桟幅を横桟幅より太くした場合についてＣＡＥ解析を行った結果、抵抗分極ηｒに相当する電圧降下分を低減するのに適した格子形状を見出した。以下に、実施例に基づき詳細に説明する。
【００１７】
【実施例１】
図２（ａ）および（ｂ）は、本発明における請求項１に示す格子の横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘである格子の実施例１を示す上面図で、構成部材は図１と同じ番号を付記する。（ａ）はマス目が格子耳部取り出し方向に対して横長の形状のもの、（ｂ）は縦長の形状のものをそれぞれ示す。
【００１８】
請求項１の効果を具体的に示すために、定格容量１０Ａｈ（５時間率）の円筒型鉛蓄電池用正・負極格子について横および縦桟幅（Ｘ）に対する上および下額縁幅（Ｙ）の比率を種々変えた格子を作製し、これらの格子を用いて上記円筒型鉛蓄電池を作製した。これらを用いてＣＡＥ解析に基づく本発明の効果の実証試験を行った。作製した円筒型鉛蓄電池の内容を表１に示す。評価は、６０Ａ（６ＣＡ）（Ｃ：蓄電池の定格容量、Ａ：電流の単位）で放電した際の、１秒目電圧の測定結果に基づいて行った。その結果を表１に示す。試験結果は、従来品のマス目形状、横長、あるいは縦長の１秒目の電圧を１００とした時の比率で表した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１に示すように、本発明のＹ／Ｘ＝１．５のＮｏ．３およびＮｏ．４で電圧改善効果が認められるが、Ｙ／Ｘ＝２でよりその効果が明確になってきていることが理解できる。マス目形状では横長の方が若干効果の大きい傾向であった。上、下額縁幅をさらに大きく、Ｙ／Ｘ＝４としたＮｏ．９は、電圧の改善効果は認められるが、このような形状になれば活物質量が少なくなるマイナス面が浮上してくるのでＹ／Ｘ＝３が限度といえる。
【００２１】
【実施例２】
図３（ａ）および（ｂ）は、本発明における請求項２に基づく実施例２を示す上面図で、構成部材は図１と同じ番号を付記する。（ａ）はマス目形状が格子耳部取り出し方向に対して横長のもの、（ｂ）は縦長のものをそれぞれ示す。
【００２２】
ＣＡＥ解析で得た知見を基に、実施例１と同じ円筒型鉛蓄電池用格子で、横桟幅に対する縦桟幅の比率を種々変え、これらを用いて実施例１と同容量の円筒型鉛蓄電池を作製した。これらを用いてＣＡＥ解析に基づく本発明の効果の実証試験を行った。作製した円筒型鉛蓄電池の内容を表２に示す。評価は、実施例１と同じ条件で行った。その試験結果を表２に示す。ここでも、従来品の縦桟幅ＸＢが１ｍｍ、横桟幅ＸＡが１ｍｍで、ＸＢ／ＸＡ＝１のマス目形状の横長あるいは縦長の１秒目の電圧を１００とした時の比率で表した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２に示すように、横桟幅に対する縦桟幅の比率、ＸＢ／ＸＡを１．５にすることによって、電圧特性が改善され、その比率を大きくするほど電圧特性がよくなる傾向を示した。マス目形状では縦長の方が、若干効果が大きい傾向であった。しかし、ＸＢ／ＸＡ＝１．５であるが、横、縦桟幅が１ｍｍ以下のＮｏ．１０は、桟幅の絶対値の影響が大きく、従来品より劣った。さらに縦桟幅が本発明の範囲外の０．９ｍｍであることで極板を巻回した時に活物質が脱落し易という問題も見られた。
【００２５】
上述したように、格子での電圧降下は格子耳部から遠い下部方向に向かうほど大きくなる傾向にあるので、縦桟幅を太くすることは、その抵抗損失を低減するのに有効であった。さらに上・下額縁幅を太くする方式よりやや改善効果に優れる傾向にあった。
【００２６】
【発明の効果】
円筒型鉛蓄電池を放電した際の電圧降下の内、抵抗分極ηｒに関係する格子形状の電圧降下に及ぼす影響についてＣＡＥ解析を行い、格子の横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘである格子を備えたことおよび縦桟幅が１ｍｍ以上でかつ横桟幅に対する比率が１．５以上の形状の格子が電圧降下改善に有効であることを見出し、そのことにより高出力特性をさらに高めた円筒型鉛蓄電池が得られその工業的効果が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒型鉛蓄電池に使用されている従来の格子形状を示す上面図。
【図２】本発明の実施例１を示す格子の上面図（ａ）および（ｂ）。
【図３】本発明の実施例２を示す格子の上面図（ａ）および（ｂ）。
【符号の説明】
１　格子耳部
２　格子マス目
３ａ　上額縁
３ｂ　下額縁
４　縦桟
５　横桟

Claims

正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池において、格子の横および縦桟幅をＸ（ｍｍ），上および下額縁幅をＹ（ｍｍ）とした時に、１．５Ｘ≦Ｙ≦３Ｘである格子を備えたことを特徴とする円筒型蓄電池。
正・負極板がセパレータを介して巻回された円筒型蓄電池において、格子のマス目を構成する縦桟幅が１ｍｍ以上でかつ横桟幅に対する比率が１．５以上の形状格子を備えたことを特徴とする円筒型蓄電池。