JP2005222755A

JP2005222755A - 鉛蓄電池

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Publication number: JP2005222755A
Application number: JP2004027655A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Hiramatsu; 明俊平松
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP4534508B2

Abstract

【課題】鉛蓄電池の搭載効率と耐衝撃性を両立させるモノブロック電池の構造を確立する。
【解決手段】セル間仕切り壁上端２に凹部を形成した電槽１と、隣接するセルの極板群間５を接続するセル間接続体８と蓋体４を備える構成において、セル間接続体が少なくとも前記セル間仕切り壁凹部に対応する位置で、セル間接続体の外周面に密着して連続包囲する弾性被覆層を備え、前記弾性被覆体９が前記セル間仕切り壁凹部に挿入されるように設置された鉛蓄電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、電槽のセル仕切り壁を介してセル間接続するモノブロック鉛蓄電池に関する。

鉛蓄電池は、正極の活物質に二酸化鉛、負極の活物質に金属鉛、電解液に希硫酸を用いる電池である。一般に鉛蓄電池は、多孔性で絶縁性のセパレータを介して正極と負極を任意の枚数を積層して極板群を構成し、これらを電槽に収納してセルを構成し、希硫酸を注入して構成される。前記電池の形態として、歴史的には豊富な電解液量を用いる液式の構成が永く用いられてきたが、近年ではセパレータにガラスマットなどのマット状材料を用い、電解液量を前記セパレータにほとんど吸収できる程度に制限して、ガス吸収を可能にしたシール電池が開発され、実用に供されるようになった。

前記シール電池は、多くの改善によって、密閉化による安全性と特性が見直されて、液式を中心に展開されてきた自動車始動用だけでなく、電気自動車、フォークリフトなど新しい時代の要求に対応した移動用電源用途にも新しい需要の拡大が図られている。

前記移動用電源用途では、電池が制限されたスペースに搭載され、搭載エネルギー量が機器の機能を決定することから搭載効率が重要視され、また、激しい衝撃や振動に見まわれるために、これら衝撃や振動に対する信頼性が電池特性とともに重要視される。

ところで鉛蓄電池は、セル電圧が原理的に約２Ｖと低く、一般には単セルで使用する用途は稀である。したがって、電池の形態や用途に拘わらず、一般には複数のセルを集合し、必要に応じて直列あるいは並列にセル間接続し、所定の電圧や容量を形成し、一体化されたモノブロック構造を形成して用いるのが普通である。

モノブロック構造では、搭載効率に配慮しつつ、セル間の適切な電気的接続の形成と、セル間の気密あるいは液密構成を形成する必要がある。

気密あるいは液密の機能が不十分の場合は、セル間に充電時に発生するガスの移動が起こり、ガス吸収反応によって電解液が実質的に移動し、電解液量が不均一になり特性のバラツキを生じることがあり、また電解液がセル間で液絡すると、自己放電が進行し特性が低下することが知られている。そこで前記モノブロック構造には基本的にセル間の電気的接続と共にセル間の気密あるいは液密分離機能が要求される。

しかしながら、従来、電気自動車やフォークリフトのような衝撃や振動を受ける用途では、モノブロック構造の気密あるいは液密の機能に関する信頼性は、必ずしも充分とはいえず、とくに搭載効率を意識して設計されたモノブロック構造の電池では、セル間接続部の気密あるいは液密構造の破損が生じ易く、電池機能の特性の低下やバラツキを生じることがあった。

従来、モノブロック構造の電池において、セル間接続と気密あるいは液密の機能の形成には、下記のような構成が主に適用されてきた。

例えば最も一般的なモノブロック構造の電池構成として知られているＰＰ（ポリプロピレン）系樹脂電槽を用いる構成では、セル間の仕切り壁に貫通口を設けた電槽と、各セルの極板群の同極性の極板を電気的に集合するストラップと、前記ストラップの棚部から上
方に突出するセル間接続体を形成し、前記極板群をセル間接続体が貫通口を介して対面するように配置して極板群を電槽に挿入し、前記貫通口を介して接続体間の抵抗溶接などを用いて気密あるいは液密に接続する方法がとられる。

さらに前記仕切り壁の上端と蓋体の下部の間は、当節部に設けた溶着しろを熱盤により溶融して気密あるいは液密に熱溶着する。上記によってセル間の電気的接合とセル間の気密あるいは液密な分離構造が形成される。

上記のほかにも、接続体の一部に貫通口を通過する各種形状の突起物を形成し、これらを用いて溶接する多くの技術が開発されている。

接続体の接続状態にかかわらず、前記構成は、セル間の電気的な接続のために形成された溶接構造の強い挟持力を利用しながら溶接部の周辺の平板部を仕切り壁に密着させて貫通口の周囲を気密あるいは液密にパッキングすることを基本とする構造である。

すなわち、前記構成では、溶接作業のためのストラップ上スペースとパッキングに平面部面積を形成するための接続体の高さとが必要となり、ストラップ高さから少なくとも数１０ｍｍの空間の形成を余儀なくされる。前記のスペースは、電池の起電反応にはデッドスペースとなり電池エネルギーあるいは搭載効率に好ましくない設計要素である。

また、前記貫通口を介する接続方法のほかに、例えばＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）系樹脂製電槽を用いてモノブロック構造の電池の構成例として、ストラップ上に仕切り壁上に突出するセル間接続部を形成し、ガスバーナなどを用いて接続を完成し、セル間接続を形成された極板群を、前記溶接部が仕切り壁に勘合するように電槽に挿入し、さらに前記接合部と仕切り壁の上端を収納する凹部を備えた蓋体の裏面に倒立設置し、凹部に樹脂を注入して硬化してモノブロック構造を構成する方法が知られている。

しかしながら、これらの方法では樹脂溶接部の耐衝撃性に問題があるだけでなく、ストラップ上部に大きな突出部を設ける必要があリ、デッドスペースの形成を回避できない。

上記の観点から、接続体をストラップの上部に突出させる構成に代わり、セル間接続体を少なくとも大きく突出させない構造とし、ストラップ間を実質的に直線的に接続する構成がいくつか試みられている。

例えば特許文献１には相隣るセルのストラップ棚から水平方向に延長された導体橋に橋絡杆を溶接し、前記橋絡杆を仕切り壁の凹部に配置し、前記橋絡杆の周囲を樹脂で被覆して、仕切り壁の上端と蓋の間に設置された構成が開示されている。

また特許文献２には、ストラップの高さとほぼ同一高さの接続体が構成され、セル間接続体が仕切り壁と接触する周辺部に熱硬化性樹脂を配して接着あるいは密封する構成が開示されている。

さらに特許文献３では接続体を上部ではなく水平方向の空間に接続体を突出させ、セル間を接続すると共に、前記接続体を仕切り壁に設けた凹部に勘合させる構成が開示されており、このような技術はいずれも高さ方向のデッドスペースを減少させる構成が開示されている。
実公昭４１−１９６８５号公報特開平９−３１２１５４号公報特開２００１−２６６８３５号公報

しかしながら、一方では接続体と仕切り壁と接触する厚さが極めて少なく、とくに樹脂による金属との結着力は不十分であって、電気自動車やフォークリフトのような激しい振動に対して剥離され易く、気密あるいは液密に対して高い信頼性を維持することが困難であった。

すなわち、前記構成のモノブロック構造の電池は、激しい衝撃を受けセル間接合部とそれらが当接するセル間の気密あるいは液密な分離機能に損傷が生じ、それらによって電解液量のバラツキや液絡が生じ、結果として、電池特性に不具合を生じる危険性がある。

すなわち本発明は、高い搭載効率と、振動に対する気密あるいは液密機能の高い信頼性を両立できるモノブロック構造の電池を確立することを課題とする。

上記課題を解決する具体的な手段として、本発明は、極板群と、セル間仕切り壁を有する電槽と、隣接するセルの極板群間を接続するセル間接続体と、蓋体とを有する鉛蓄電池において、前記セル間仕切り壁上部に凹部が形成され、前記セル間接続体が前記凹部に勘合され、前記セル間接続体が前記凹部および前記蓋体と当接する部分に弾性被覆体が備えられている鉛蓄電池を開示する。

上記のように、本発明は、セル間接続体がセル間仕切り壁を貫通する位置における気密あるいは液密機能の信頼性を確立するものであって、搭載効率と耐衝撃特性の両立をはかり、電気自動車やフォークリフトなど社会が要求する用途分野への鉛蓄電池の適用性を高める効果を有する。

以下図を用いて、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１、図２、図３は、本発明のモノブロック構造の電池構成を示す一実施例であり、図１は短側面から見たモノブロック電池の断面図、図２は本発明の電池の長側面から見たモノブロック電池の断面図、図３は本発明の電池の蓋体を溶着する前のモノブロック電池構造の上部斜視図である。さらに、図４は従来の鉛蓄電池のセル間接続部を示す短側面側から見たモノブロック電池の断面図、図５は従来の鉛蓄電池の長側面から見たモノブロック電池断面図である。

各図において、凹部を設けたセル間仕切り壁２を有する電槽１と蓋体４からなる電池容器に、正極板、負極板、ガラスマット製セパレータからなる極板群５が収容され、前記極板群５は相異なる極性の極板端子６，６’を介して外部端子７に接続されている。

また、電池のストラップと同断面形状を有し、電池の長側面方向に水平方向に形成されたセル間接続体８、少なくともセル間仕切り壁２に対応する位置においてセル間接続体８の外周を包囲する様に配置され、セル間接続体とともに仕切り壁に設けられた凹部に圧入勘合されている弾性被覆体９を有している。

なお前記弾性被覆体９の形成には、弾性被覆体９を形成するブロックでセル間接続体を挟持し溶接するなど任意の方法が適用可能であるが、所定の場所に金型を配し、インジェクション成形を行うのが密接力と外形の形成精度を得るのに好ましい。

また前記弾性被覆体を備えたセル間接続体を用いて、各セルの極板群のストラップをバーナや抵抗溶接などで溶接する第１の方法、極板群を電槽に仮挿入し、倒立させて弾性被覆体を備えるセル間接続体を用い、キャストオンストラップ法によってストラップ形成とセル間接続とを同時に完成させる第２の方法、極板群を電槽に仮挿入し、キャストオンストラップ法によってストラップ形成、およびセル間接続体の形成と接続構造を同時に形成し、前記セル間接続体の所定の位置に金型を用いて弾性被覆体をインジェクションする第３の方法等いずれも適用可能である。

中でも第３の方法は、ストラップ、セル間接続体、セル間接続部の形成において最も簡易で精度が高く好ましい方法である。

上記いずれの方法でも、接続が完了した後には電槽が正規の位置に戻され、電槽内部にセル間接続された極板群は挿入され、弾性被覆体が形成されたセル間接続体は電槽のセル間仕切り壁凹部に圧入される。さらに、前記電槽の上面および蓋体の裏面に設けた溶着しろを熱溶着してモノブロック構造の電池が完成される。

上記構成において、弾性被覆体９と仕切り壁の間は、弾性被覆体９を配したセル間接続体の仕切り壁凹部への圧入勘合によって気密あるいは液密に圧着される。

上記圧入勘合による気密あるいは液密機能の形成のためには、前記弾性被覆体の外周寸法が、セル間仕切り壁凹部内部寸法よりも上下左右に大きく成形されることが好ましい。前記寸法関係は、弾性被覆体の弾力性によって異なるが、圧入勘合された弾力性被覆体の弾力性によって加圧され気密あるいは液密に封鎖される。また、１０ｋＰａ〜４０ｋＰａの加圧力を要するような条件が好ましい。

弾性被覆体９とセル間仕切り壁凹部の底面および側面との間、および弾性被覆体９と圧入勘合された蓋体４の下面との間は、溶着された樹脂の固定力で維持された加圧力によって蓋体の下面との間で気密あるいは液密に圧着され封止される。

前記弾性被覆体９には、独立気泡を備える発泡樹脂が強度による変形と弾力性を維持する上で好ましい材料であり、前記発泡樹脂としては発泡エチレンプロピレンゴム、発泡クロロプレンゴムを用いることができる。

上記の如く本発明の気密あるいは液密機能はセル間接続体に設けた弾性被覆体の圧入勘合によって形成されるものであるから、前記セル間仕切り壁凹部の形状、弾性被覆体の外形の少なくとも一方には、任意のテーパーを設け、圧入を容易にすることが好ましい。

上記構成において蓋の下面と弾性被覆体の上面は必ずしも溶着される必要はないが、この部分が溶着される構成では溶着部の密封信頼度が増すばかりでなく、弾性被覆体の厚さ方向の移動を抑制する効果があり好ましい。

本構成では、弾性被覆体９とセル間接続体８との間の気密あるいは液密機能は、仕切り壁凹部と蓋体に囲まれた貫通口内に圧入勘合された弾性被覆体９の弾力性による圧接力で形成される。したがって、弾性被覆体９とセル間接続体８との接着力は必ずしも必要としないが、弾性被覆体９の形成時点で結着されていることは任意である。

また前記弾性被覆体９と仕切り壁壁面、および弾性被覆体９とセル間接続体８の露出界面に接着性樹脂や熱硬化性樹脂を用いて補強することは任意である。

上記の如く、本発明は、ストラップ棚位置から上方に接続体を突出させてデッドスペースを形成することなく、少ない厚さの仕切り壁の貫通距離であっても激しい振動に対して優れた気密あるいは液密の信頼性を備えたモノブロック構造の鉛蓄電池の形成を可能とすることができる。

以下実施例によって、本発明の構成と効果を説明する。
（実施例１）
正極板、負極板およびガラスリテーナマットからなる極板群５と、ポリプロピレン樹脂製で、セル間仕切り壁上端にセル間接続体８を貫通させる凹部を備える電槽１と、前記電槽上部に溶接する蓋体４を作製し、これらを用いて、図１、図２、図３に示す様な構造で６セルを直列にセル間接続した１２Ｖ４０Ａｈで、外形サイズが高さ１５０ｍｍ、電池長さ３００ｍｍ、電池幅１００ｍｍのモノブロック構造の電池を作製した。

モノブロック構造の電池の形成には、まず極板群を電槽に仮挿入し、倒立し、キャストオンストラップ法によってストラップおよびセル間接続体の形成と接続構造を同時に形成した。セル間接続体は、図３に示すようにストラップの棚と同じ厚さとし、棚上面と同じ高さでストラップから隣接する該当のストラップに水平方向に形成した。

つぎに、セル間接続体の所定の位置に金型を用いて外周を包囲し、厚さ２ｍｍの弾性被覆体をインジェクション形成した。弾性被覆層は、仕切り壁表面から両面側に５ｍｍの位置までとした。前記弾性体には発泡エチレンプロピレンゴムを用いた。

上記作業後に電槽全体を正規の位置に戻し、極板群を圧入した。セル間接続体と弾性被覆体部は仕切り壁の凹部に１０ｋＰａの圧力を用いて挿入勘合した。また外部端子を備える蓋は、蓋体の裏面に設けた溶着しろと電槽上面に設けた溶着しろを熱溶着した。このようにして作製した電池を電池Ａとする。
（比較例１）
実施例１と同じ極板群を用いて以下の方法でモノブロック構造の電池を作製した。極板群にはストラップ棚の上部に高さ３０ｍｍだけ突出する接続体部を形成した。また実施例１の電槽より仕切り壁の高さを３０ｍｍ高くした電槽を成形し、前記仕切り壁の上端から１０ｍｍの位置に直径１０ｍｍの貫通口を設け、前記接続体を貫通口の位置に配して極板群を挿入した。セル間接続体は両面から加圧し、凸状端子を用いて抵抗溶接した。つぎに、熱溶着で仕切り壁上端と蓋体の裏面に設けた溶着しろを加熱し、これらを溶着して、図４および図５に示すような、１２Ｖ４０Ａｈで、外形サイズが高さ１８０ｍｍ、電池長さ３００ｍｍ、電池幅１００ｍｍのモノブロック構造の電池を作製し、電池Ｂとした。
（比較例２）
弾性被覆体を使用せず、セル間接続体と凹部および蓋の裏面との間に熱硬化性樹脂を配して気密あるいは液密機能を形成した以外は、実施例１と同様にモノブロック構造の電池を作製した。作製した電池は１２Ｖ４０Ａｈ、サイズ１８０ｍｍ、電池長さ３００ｍｍ、電池幅１００であり、電池Ｃとした。

上記のモノブロック構造の電池をそれぞれ１０個に対して１Ｇの上下衝撃を１分間に１０回の周期で１時間与え、その後各セルに加圧空気口をとりつけてセル間の気密を調べ、気密機能が損なわれた電池の発生確率を求めた。

また各電池について、１週間放置後の公称容量ＣＡｈに対して０．２５ＣＡにおける放電容量を求め、放置前の容量の８０％を維持できない電池の発生する確率を求めた。

上記試験により得られた結果を搭載効率（体積当たりのエネルギー密度）と共に表１に
示した。

表１から明らかなように、搭載効率は、本発明の構成の電池Ａでは１０７Ｗｈ／ｌ、電池Ｂでは８６Ｗｈ／ｌ、電池Ｃでは１０５Ｗｈ／ｌであり、電池Ｂでは電池Ａに比べて８３％、電池Ｃではほぼ同等の搭載効率であった。

前記電池Ｂにおける搭載効率の低下は、実質的に得られる電池特性の差ではなくて、ストラップ上方に立ち上がる接続体構造の必要性から生じたデッドスペースの増加のためであった。

つぎに衝撃振動に対する気密の信頼性試験における不具合発生確率は、電池Ａが０％、電池Ｂが２０％、電池Ｃが１０％であった。結果は、セル間接側体を水平化し、セル間接続体が仕切り壁を貫通する部分の当接距離が小さい構造においては、固形化する樹脂で当接部を固定封止するようなＣの構造では、振動や衝撃に対して気密あるいは液密機能の信頼性が全く期待できないことを示すものであった。すなわち、これらの構成では、低位のセル間接続構造の採用による搭載効率設計と、耐衝撃性を両立することは困難であると考えられる。

これに対して、本発明のセル間接続体の仕切り壁凹部においてセル間接続体の外周に弾性被覆体を形成し、この弾性被覆体を仕切り壁凹部に挿入勘合させる構成の電池Ａでは、衝撃や振動に対しても気密あるいは液密機能に対する高い信頼性を与えることができることを示すものである。

また、上記衝撃試験放置後の特性劣化電池の発生する確率は、Ａが０％、Ｂが１０％、Ｃが１０％であった。結果は劣化電池の発生確率が気密不良電池の発生確率と傾向が類似した数値を示し、上記の結果が、振動や衝撃で生じる、気密不良の結果生じる特性の低下によるものと考えられる。

さらに前記劣化した電池を分解してみると、極板粉や電気的な接続には何ら異常はないが、仕切り壁の封口部に亀裂や破壊が見られ、これらのモノブロック構造の電池のセル間には電解液量や容量のバラツキが見られた。

上記の如く本発明は、セル間接続に関連して必要となるデッドスペースを削減して、搭載効率の高いモノブロック電池の設計を可能とするだけでなく、セル間接続体の低位化に伴って考慮すべき衝撃に伴う気密あるいは液密機能の信頼性を高め、実質的な耐衝撃特性と高い搭載効率を両立させるものである。

なお本発明は、衝撃にさらされるモノブロック構造の電池のセル間接続体がセル間の仕切り壁を貫通する部分の気密あるいは液密機能の信頼性を高めるものであって、液式構成、シール電池構成の如何にかかわらず適用できるものである。また、セル間接続体のストラップからの高さ方向の位置に拘わらず有効であり、実施例に開示した構成に限定されることはない。

高い耐衝撃特性と搭載効率を両立させることができ、電気自動車やフォークリフトなどの移動用電源用途として有用である。

本発明の一実施例の電池の短側面断面図本発明の一実施例の電池の長側面断面図本発明の一実施例の電池の斜視図従来の電池の短側面断面図従来の電池の長側面断面図

符号の説明

１電槽
２セル間仕切り壁
４蓋体
５極板群
６極板端子
７外部端子
８セル間接続体
９弾性被覆体

Claims

極板群と、セル間仕切り壁を有する電槽と、隣接するセルの極板群間を接続するセル間接続体と、蓋体とを有する鉛蓄電池において、
前記セル間仕切り壁上部に凹部が形成され、
前記セル間接続体が前記凹部に勘合され、
前記セル間接続体が前記凹部および前記蓋体と当接する部分に、弾性被覆体が備えられている鉛蓄電池。
前記弾性被覆体は、少なくとも前記凹部あるいは前記蓋体によって圧接状態とされている請求項１に記載の鉛蓄電池。
前記電槽と前記蓋体が熱溶着され、前記弾性体と前記蓋体の一部が熱溶着されている請求項１または２に記載の鉛蓄電池。
前記弾性被覆体が発泡樹脂である請求項１〜３のいずれかに記載の鉛蓄電池。
前記弾性被覆体が前記セル間接続体の外周面を連続包囲している請求項１〜４のいずれかに記載の鉛蓄電池。