JP2004273400A

JP2004273400A - 蓄電池用格子体とそれを用いた鉛蓄電池

Info

Publication number: JP2004273400A
Application number: JP2003066488A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Murata; 善博村田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP4380184B2

Abstract

【課題】ロータリーエキスパンド法による蓄電池用格子体の充放電の繰り返しによる高さ方向への格子体の伸びを抑制して、上部ショートによる短寿命という課題を解決し、寿命特性の優れた鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】複数の凸状刃を配置したカッターをＰｂ−Ｃａ合金シートの両面から押し入れて鉛合金シート上に複数条の断続したスリットを互いに平行に形成するとともに、互いに平行に隣接しあうスリットで構成された線状部を鉛合金シート厚み方向に突出させて塑性変形させ、スリット間の断続部を交互に切断して千鳥状として展開した蓄電池用のエキスパンド格子体において、エキスパンド網目の交点部の幅寸法（Ｗ）が最小となる部分（以下、最小部）を格子体の高さ方向に対してエキスパンド網目の上部から５５％〜８０％の範囲内に列状に配置する。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エキスパンド網目を有した蓄電池用格子体とそれを用いた鉛蓄電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉛蓄電池の格子体は生産性を向上させるため、鋳造工法による生産から、Ｐｂ−Ｃａ合金を圧延により薄いシートとし、エキスパンド加工を施し連続的に格子体が生産できるエキスパンド工法が主流となってきている。このエキスパンド工法には、レシプロ方式とロータリー方式に大別される。
【０００３】
レシプロ方式では例えば特許文献１に示されたように加工刃を階段状に配置したエキスパンド型を用いて一方向から鉛合金シートをプレスする。その時に加工刃と下刃とのせん断によって鉛合金シートに千鳥状のスリットを形成するとともに、加工刃の先端によってスリット間に挟まれた線状部を展開し、エキスパンド網目が形成される。このようなレシプロ方式によるエキスパンド加工では展開がシート厚み方向の一方向のみに行われる。
【０００４】
一方、ロータリー方式では例えば特許文献２の第１図に示されているように、回転する円板状カッターの円周上に配置した凸部によりストリップ（鉛合金シートに相当）にスリットを形成する。同時にスリットで挟まれた線状部をストリップの上下方向に円弧状に成形し（特許文献２の第１５図）、線状部と線状部との間の断続部を交互に切断することによって（特許文献２の第１６図）、スリットを千鳥状とする。その後、ストリップを幅方向に展開することによって（特許文献２の第１８図）、エキスパンド網目を形成する。
【０００５】
このロータリー方式で加工された格子体と前述したレシプロ方式の格子体との本質的な差はレシプロ方式では展開方向がシート厚み方向のみであることに対し、ロータリー方式ではシート厚み方向に円弧状に組成変形により突出させた後、シート幅方向に展開する、すなわち、展開がシート厚み方向と幅方向の異なる２方向に行われることである。したがって、ロータリー式によるものでは、格子骨に捩れが発生する。
【０００６】
このようなロータリー方式ではスリット形成の工程が回転する円板状カッターで行われるため、レシプロ式のようにエキスパンド型を往復運動する工法に比較して加工速度を向上する上で有利である。また、網目寸法を小さくする場合、レシプロ式では網目寸法を小さくした分、プレス単位ストローク当たりの鉛合金シートの加工速度は遅くなる。ところがロータリー方式では鉛合金シートの加工速度は円板状カッターの回転数で決定され、網目寸法による影響を受けない。
【０００７】
したがって、エキスパンド格子体の集電効率を高める目的で網目寸法を小さくする場合にはロータリー方式がレシプロ式に比較して加工速度の面で有利であり、始動用鉛蓄電池をはじめとする各種の鉛蓄電池に適用されるようになってきている。
【０００８】
このように、ロータリー方式はレシプロ方式に比較して生産性に優れる。ところが、このロータリー方式によるエキスパンド格子体を正極に用いて鉛蓄電池を作成した場合、レシプロ方式のそれと比較して充電−放電の繰り返しによる正極格子の高さ方向に対する伸びが大きくなる傾向があることが判ってきた。
【０００９】
ロータリー方式のエキスパンド格子体がレシプロ方式のものに比較して伸び量が大きくなる要因は定かではない。ロータリー方式によるものはその製造過程において、格子骨となる線状部は前記したように異なる２方向に展開伸長する過程で格子骨に捩れが生じる。この捩れは格子と活物質との接触面積を増加させる反面、格子表面積が増加することにより、腐食量が増加したためと推測される。
【００１０】
そして、正極での格子の伸びが大きくなった場合、正極格子の上辺が負極ストラップと接触して短絡する。
【００１１】
この短絡の結果、蓄電池容量が急激に低下して蓄電池は寿命に至る。このような短絡による寿命低下は、その発生直前まで何らの支障なく蓄電池を使用できているにかかわらず、前触れなく突然発生することが多い。したがって、蓄電池の使用者は蓄電池の劣化を自覚することなく、突然、蓄電池寿命に直面する。特に車両用の蓄電池の場合には、道路上で突然走行不能となるため、このような突然の寿命低下は使用者にとって最も好ましくない故障であった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平８−２７３６７３号公報
【特許文献２】
特開平３−２０４１２６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ロータリー方式のように、Ｐｂ−Ｃａ合金シートにスリット形成して得た線状部をシート両面に上下方向に円弧状に突出させ、その後シートを幅方向に展開伸長することによって、異なる２方向に展開伸長して得たエキスパンド格子体を正極に用いて得た鉛蓄電池において、正極エキスパンド格子体の伸びと、これによる負極との短絡を抑制する。これにより突然寿命低下に至る事なく、寿命特性に優れた鉛蓄電池を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、複数の凸状刃を配置したカッターをＰｂ−Ｃａ合金シートの両面から押し入れて鉛合金シート上に複数条の断続したスリットを互いに平行に形成するとともに、互いに平行に隣接しあうスリットで構成された線状部を前記鉛合金シート厚み方向に突出させて塑性変形させ、前記スリット間の断続部を交互に切断することにより、前記スリットを千鳥状とし、前記スリットを展開して得たエキスパンド網目を有した蓄電池用の格子体であって、このエキスパンド網目に一体に形成された上枠骨と下枠骨を備えるとともに、前記上枠骨に一体に集電耳を有し、前記エキスパンド網目の交点部の幅寸法（Ｗ）が最小となる部分を前記格子体の高さ方向に対して前記エキスパンド網目の上部から５５％〜８０％の範囲内に列状に配置したことを特徴とする蓄電池用格子体を示すものである。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の蓄電池用格子体において、最小部の交点部の幅寸法をＷ、前記最小部に上方向に隣接する交点部の幅寸法をＷａ、前記最小部に下方向に隣接する交点部の幅寸法をＷｂとした時に、比率（Ｗ／Ｗａ）および比率（Ｗ／Ｗｂ）を０．５７〜０．８６としたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに本発明の請求項３に係る発明は、請求項１もしくは２の蓄電池用格子体を少なくとも正極に用いた鉛蓄電池を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による蓄電池用格子体とその製造過程を図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明による蓄電池用格子体の製造に用いるロータリーエキスパンド用の円板状カッター１０１を示す図である。円板状カッター１０１の円周上には凸状刃１０２と平坦部１０３とが交互に形成されている。図１に示した円板状カッター１０１の複数枚が間隔を介して積層することによって、図２に示すカッターロール１０５を形成し、このカッターロール１０５の一対を組み合わせてカッターロール対１０６が構成される。
【００１９】
なお、この互いに対向するカッターロール１０５において各々の円板状カッター１０１に設けた凸状刃１０２同士が対向するように組み合わされている。
【００２０】
そしてカッターロール１０５を矢印Ａ方向に回転させ、鉛合金シート１０７をカッターロール対１０６間に供給する。その結果、図２および図３に示したように、鉛合金シート１０７は対向する凸状刃１０２によってせん断され、複数条の断続したスリット１０８が形成される。また、同時にスリット１０８で挟まれた線状部１０９は凸状刃１０２の先端によって塑性変形を受け、鉛合金シート１０７の表裏面に円弧状に張り出す。
【００２１】
なお、鉛合金シートとしては加工性および耐食性の観点で０．０３〜０．１０質量％程度のＣａ、０．８０〜１．８０質量％程度のＳｎを含む鉛合金の圧延シートで構成することが好ましい。
【００２２】
次工程でスリット１０８間の断続部１１０を交互に切断することによって、図４に示すように、スリット１０８を千鳥状とする。そして鉛合金シート１０７を幅方向に展開するとともに、スリット１０８を形成しない無地部１１１から集電用の耳部２０２を成型することにより図５に示す蓄電池用の格子体２０１を得る。この格子体２０１はエキスパンド網目２０３と下枠骨２０４および耳部２０２を一体に設けた上枠骨２０５からなる。
【００２３】
また、エキスパンド網目２０３は線状部１０９が展開伸長されてできた骨部２０６と図５に示した断続部１１０に対応した交点部２０７で構成される。
【００２４】
本発明による蓄電池用の格子体２０１はエキスパンド網目２０３の交点部２０７の幅寸法（Ｗ）が最小となる部分（以下、最小部２０８）を格子体２０１の高さ方向に対してエキスパンド網目２０３の上部から５５％〜８０％の範囲内に列状に設定するものである。すなわち、エキスパンド網目２０３の高さ寸法をＨ、エキスパンド網目２０３の上端から最小部２０８までの高さ方向の寸法をＬとしたときに、比率（Ｌ／Ｈ）を０．５５以上、０．８０以下とするものである。
【００２５】
このような本発明の格子体を正極に用いて鉛蓄電池を構成すれば、鉛蓄電池の急激な寿命低下を抑制し、寿命特性を顕著に改善することができる。本発明の蓄電池用格子体では最小部２０８が優先的に腐食により断線させることによって、正極板の上方向への変形を緩和し、負極との短絡による急激な寿命低下を抑制する。
【００２６】
また、最小部２０８のエキスパンド網目２０３の上端からの位置を規定することによって、最小部２０８が断線した場合でも寿命特性の急激な低下を抑制し、全体としては寿命期間にわたって、蓄電池容量は緩やかに低下する。このような緩やかに容量が低下する特性は蓄電池の使用者に蓄電池の劣化を自覚させ、適切な保守点検や交換の目安となり、使用上、好ましいものである。
【００２７】
この最小部２０８の位置を示す比率（Ｌ／Ｈ）を０．８０を越えて大きくした場合、最小部２０８で断線した場合でも格子体２０１の上方への変形が発生し、負極棚と短絡する可能性がある。また、比率（Ｌ／Ｈ）を０．５５未満とした場合、最小部２０８の腐食断線した場合に、格子体２０１の変形は抑制できるものの、腐食断線によって放電反応に寄与できる活物質量が急激に低下し、結果として容量低下が激しくなる。したがって、本発明の効果を顕著に得るためには比率（Ｌ／Ｈ）を０．５５以上、０．８０以下とする。
【００２８】
なお、交点部の幅寸法は図４に示した鉛合金シート１０７におけるスリット１０８間の断続部１１０の長さ寸法（ｋ）に対応する。また、この長さ寸法（ｋ）図１に示した円板状カッター１０１の平坦部１０３の長さ寸法（ｋ´）とカッターロール対１０６の噛み合わせ量によって設定することができる。
【００２９】
また、最小部２０８周辺のエキスパンド網目２０３の一部を図６に示したが、最小部２０８の幅寸法をＷとした時に、最小部２０８の上方向に隣接する交点部Ａ（２０９）の幅寸法をＷａ、最小部２０８の下方向に隣接する交点部Ｂ（２１０）の幅寸法をＷｂとした時に、比率（Ｗ／Ｗａ）および比率（Ｗ／Ｗｂ）を０．５７〜０．８６とすることが好ましい。
【００３０】
これらの比率（Ｗ／Ｗａ）および（Ｗ／Ｗｂ）を０．８６を越えて大きくした場合には最小部２０８で確実に腐食断線できない場合があり、本発明の効果が薄れる可能性がある。またこれらの比率を０．５７未満とした場合にはエキスパンド加工時において、最小部２０８で断線が生じ、エキスパンド加工不良が発生するために好ましくない。したがって、本発明の効果を有効かつ、生産性に支障なく得るためにはこれらの比率（Ｗ／Ｗａ）および（Ｗ／Ｗｂ）を０．５７〜０．８６とすることが好ましい。
【００３１】
そしてこのようにして得られた本発明の蓄電池用格子体を正極に用い、以降の工程については常法を用いることにより本発明による鉛蓄電池を得ることができる。
【００３２】
なお、ここで本発明の蓄電池用格子体を製造する過程で、スリット１０８を形成する工程とスリット１０８間の断続部１０９を交互に切断する工程とを段階的に行う方法の例を述べたが、例えば特許文献２に記載されたようにこれらの工程を同時に行うことも可能である。
【００３３】
この場合には図１に示した円板状カッター１０１に替えて図７に示した円板状カッター３０１を用いる。この円板状カッター３０１は図８にその要部を示したように凸状刃１０２の間に設けた平坦部１０３の側面のいずれか一方に薄肉部３０２を交互に設ける。そして、円板状カッター３０１がかみ合わされた状態で隣接する円板状カッター３０１の薄肉部３０２同士が対向する部分と薄肉部３０２を形成しない面同士が対向した部分が交互になるとともに、対向する平坦部１０３同士が噛み合うよう、カッターロール対を配置する。
【００３４】
このような構成によれば薄肉部３０２同士が対向し部分は逃げ部となって、断続部１１０は切断されない。一方、薄肉部３０２を形成しない面同士が対向する部分は噛み合わされた平坦部１０３でせん断部が形成され、これに対応する断続部１１０が切断される。その結果、断続スリット形成とスリット間の断続部を交互に切断する工程とが同一のカッターロール対内で行われ、一工程で千鳥状スリットを形成できる点で有利である。
【００３５】
【実施例】
以下に本発明によって得た格子体と比較例によって得た格子体を正極に使用した鉛蓄電池の寿命について説明する。
【００３６】
前記した発明の実施の形態において説明した方法によりエキスパンド格子体を作成した。但し、図５に示す格子体２０１においてエキスパンド網目２０３の高さ寸法Ｈを１００ｍｍとし、エキスパンド網目２０３の上端から最小部２０８までの高さ方向の寸法Ｌを変化させることによって、比率（Ｌ／Ｈ）を様々に変化させた、本発明例による格子体と比較例による格子体を作成した。なお、図６に示した最小部２０８の幅寸法Ｗを変化させる一方で、他の交点部の幅寸法をすべて１．４ｍｍとすることによって最小部２０８の上方向に隣接する交点部Ａ（２０９）の幅寸法（Ｗａ）および最小部２０８の下方向に隣接する交点部Ｂ（２１０）の幅寸法（Ｗｂ）に対する幅寸法（Ｗ）の比率を様々に変化させた。なお、鉛合金シート１０７としてはＰｂ−０．０５質量％Ｃａ−１．４０質量％Ｓｎの圧延シートを用いた。
【００３７】
これらの格子体には常法により鉛粉を水、希硫酸で練合して得たペースト状の活物質を充填し、熟成乾燥させることにより正極板とした。この正極板７枚と常法による負極板を微孔性ポリエチレンからなるセパレータで袋詰めしたもの８枚とを組み合わせ、希硫酸を電解液とする公称１２Ｖ定格容量５５Ａｈである８０Ｄ２６形（ＪＩＳＤ５３０１）の始動用鉛蓄電池を作製した。
【００３８】
また、さらに比較例として上記の各電池の正極格子体に替えて同じ鉛合金シートを用いてレシプロ式によって得た正極格子体を用いた電池を作成した。これらの電池の構成を表１に示した。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１に示す各電池について寿命試験を行った。寿命試験方法として試験電池を１４．８Ｖ定電圧で１０分間充電を行った後に２５Ａ放電を２分間行う充電−放電サイクルを行った。充電−放電サイクルの４８０サイクル毎に５８２Ａ放電を行い、電池の端子電圧が７．２Ｖまで低下した時点で寿命とした。なお、この充電−放電のサイクルは７５℃雰囲気中で、４８０サイクル毎の５８２Ａ放電は電池を２５℃雰囲気中に放置して電池温度を２５℃とした状態で行った。
【００４１】
これらの各電池の寿命サイクル結果を表１に示す。表１に示した結果から明らかなように本発明の鉛蓄電池、すなわち、エキスパンド網目２０３の高さ寸法Ｈ、エキスパンド網目２０３の上端から最小部２０８までの高さ方向の寸法Ｌとした時の比率（Ｌ／Ｈ）を０．５５〜０．８０としたものは比較例の鉛蓄電池よりも顕著に優れた寿命特性を有していることがわかる。
【００４２】
また、本発明例の電池Ｆと比較例の電池Ｂおよび電池Ｉの寿命試験における放電時の電池電圧の推移を図９に示す。図９に示した結果から、本発明例の電池Ｆでは比較的電圧変化が緩やかであるのに対し、比較例の電池Ｂおよび電池Ｉでは急激な電圧の低下が認められた。
【００４３】
これらの電池を寿命試験終了後に分解したところ、比較例の電池Ｂはエキスパンド格子体に設けた最小部で格子が腐食断線していた。したがって、この最小部以下の部位の活物質が放電に寄与できず、急激に寿命低下したものと推測できる。また、比較例の電池Ｉではエキスパンド格子体の上枠骨が上方に変形し、負極棚と短絡して寿命に至っていた。
【００４４】
一方、本発明例の電池Ｂでは比較例Ｉの電池で見られたような格子体の変形が若干見られたが、負極棚と短絡するまでには至っていなかった。また、電池Ｂの正極活物質は全体に軟化が進行しており、これによって緩やかに寿命低下したと考えられる。
【００４５】
また、交点部の幅寸法の比率に関して、すなわち、比率（Ｗ／Ｗａ）および比率（Ｗ／Ｗｂ）は０．５７〜０．８６の範囲で特に寿命特性が優れていた。また、これらの比率を０．５７未満とした電池Ｆ１では寿命が低下したが、これはエキスパンド格子体を作成する段階で骨切れが発生していたためと推測される。さらにこれらの比率を０．９３とした電池Ｆ３では寿命改善効果が若干低下する。したがって、本発明の効果を特に顕著に得るためにはこれらの比率（Ｗ／Ｗａ）および（Ｗ／Ｗｂ）を０．５７〜０．８６の範囲内とすることが好ましい。
【００４６】
また、正極格子体としてレシプロ式によるエキスパンド格子体を用いた電池については比率（Ｌ／Ｈ）や比率（Ｗ／Ｗａ）および（Ｗ／Ｗｂ）の変化が寿命特性に及ぼす影響は少なかった。したがって、本発明の構成はロータリ方式のように、異なる２方向に展開伸長が行われるエキスパンド格子体に適用することにより顕著な効果が得られることがわかる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明してきたように本発明の構成によれば、ロータリー方式のような互いに異なる２方向へ展開伸長して得たエキスパンド網目を正極格子体に用いる場合においても正極格子の変形を抑制し、長寿命の蓄電池を得ることができる。法による格子体の生産が可能となったことにより、寿命特性の優れた蓄電池を生産性良く得ることができる。また、本発明の電池では短絡を抑制することによって、突然の寿命低下を防ぎ、電圧特性が緩やかに低下するため、蓄電池の使用者に保守点検の必要性を認識させることができるという効果をも得ることができることから、工業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄電池用格子体の製造に用いる円板状カッターを示す図
【図２】蓄電池用格子体の製造工程を示す図
【図３】エキスパンド網目形成途上にある鉛合金シートを示す図
【図４】エキスパンド網目形成途上にある鉛合金シートを示す図
【図５】蓄電池用の格子体を示す図
【図６】エキスパンド網目の要部を示す図
【図７】他の円板状カッターを示す図
【図８】円板状カッターの要部を示す図
【図９】本発明例および比較例の電池の寿命特性を示す図
【符号の説明】
１０１円板状カッター
１０２凸状刃
１０３平坦部
１０４薄肉部
１０５カッターロール
１０６カッターロール対
１０７鉛合金シート
１０８スリット
１０９線状部
１１０断続部
１１１無地部
２０１格子体
２０２耳部
２０３エキスパンド網目
２０４下枠骨
２０５上枠骨
２０６骨部
２０７交点部
２０８最小部
２０９交点部Ａ
２１０交点部Ｂ
３０１円板状カッター
３０２薄肉部

Claims

複数の凸状刃を配置したカッターをＰｂ−Ｃａ合金シートの両面から押し入れて鉛合金シート上に複数条の断続したスリットを互いに平行に形成するとともに、互いに平行に隣接しあうスリットで構成された線状部を前記鉛合金シート厚み方向に突出させて塑性変形させ、前記スリット間の断続部を交互に切断することにより、前記スリットを千鳥状とし、前記スリットを展開して得たエキスパンド網目を有した蓄電池用の格子体であって、
前記エキスパンド網目に一体に形成された上枠骨と下枠骨を備えるとともに、前記上枠骨に一体に集電耳を有し、
前記エキスパンド網目の交点部の幅寸法（Ｗ）が最小となる部分（以下、最小部）を前記格子体の高さ方向に対して前記エキスパンド網目の上部から５５％〜８０％の範囲内に列状に配置したことを特徴とする蓄電池用格子体。
前記最小部の交点部の幅寸法をＷ、前記最小部に上方向に隣接する交点部の幅寸法をＷａ、前記最小部に下方向に隣接する交点部の幅寸法をＷｂとした時に、比率（Ｗ／Ｗａ）および比率（Ｗ／Ｗｂ）を０．５７〜０．８６としたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池用格子体。
請求項１もしくは２の蓄電池用格子体を少なくとも正極に用いた鉛蓄電池。