JP2007134110A - Lead-acid storage battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動車両用電源等に用いられる鉛蓄電池に関するものである。 The present invention relates to a lead storage battery used for an electric vehicle power source and the like.
従来から、鉛蓄電池において、活物質の軟化や極板からの脱落による極板間の内部短絡を防止するために、袋状のセパレータが用いられてきた。例えば、一般の始動用鉛蓄電池で用いられているような開放液式の鉛蓄電池では、ポリエチレン等の合成樹脂からなるシート状のセパレータの左右の端を圧着、レーザ溶接あるいは熱溶着などにより封止し、袋状としたセパレータが広く用いられている。 Conventionally, in lead-acid batteries, a bag-like separator has been used to prevent an internal short circuit between the electrodes due to softening of the active material and dropping off from the electrodes. For example, in an open-liquid type lead-acid battery used in general start-up lead-acid batteries, the left and right ends of a sheet-like separator made of a synthetic resin such as polyethylene are sealed by crimping, laser welding, or heat welding. In addition, a bag-like separator is widely used.
特にサイクルサービス用の鉛蓄電池や、制御弁式鉛蓄電池では、電解液を含浸し、かつ極板面に適切な加圧力で当接するマットセパレータが用いられている。このようなマットセパレータの素材としては、ガラス繊維や、スルホン化処理等の親水処理がされたポリプロピレン繊維等、希硫酸電解液に対する耐酸性を有し、かつ電解液との親和性を有した素材が用いられる。 In particular, in lead acid batteries for cycle services and control valve type lead acid batteries, a mat separator that is impregnated with an electrolytic solution and abuts on the electrode plate surface with an appropriate pressure is used. As a material of such a mat separator, a material having acid resistance to a dilute sulfuric acid electrolytic solution, such as glass fiber or a polypropylene fiber subjected to hydrophilic treatment such as sulfonation treatment, and having affinity with the electrolytic solution Is used.
鉛蓄電池では、その使用に応じて、正極および負極の活物質が膨張する。深い充放電が繰り返されるサイクルサービス用では、特に負極活物質の膨張が顕著となり、膨張した活物質により極板間で内部短絡し、容量低下を引き起こす。エキスパンド格子体のように、側部に枠骨がない格子体を用いた場合は、このような活物質の膨張が特に起こりやすい。 In a lead storage battery, the active material of a positive electrode and a negative electrode expand | swells according to the use. In the case of cycle service where deep charge and discharge are repeated, the expansion of the negative electrode active material is particularly remarkable, and the expanded active material causes an internal short circuit between the electrode plates, causing a decrease in capacity. In the case of using a lattice body having no frame bones on the side portions, such as an expanded lattice body, such expansion of the active material is particularly likely to occur.
このような活物質の膨張による内部短絡を防止するために、折り曲げたセパレータに極板を配置し、極板の側部をセパレータで覆う構造が知られている。 In order to prevent such an internal short circuit due to expansion of the active material, a structure is known in which an electrode plate is disposed on a folded separator and the side portions of the electrode plate are covered with the separator.
例えば、特許文献1では、セパレータを交互につづら折し、セパレータの折り曲げた間に正・負極板を配置し、これら正・負極板のいずれか一方を袋状に包むようにセパレータの下端部および側面部を溶着した構成が示されている。
For example, in
上記の構成では、セパレータを接合する工程が必要となる。ポリプロピレン繊維や、これを混抄したガラス繊維からなる繊維マットを素材とする場合、熱溶着によりマット同士の接合が可能であるが、繊維同士の接触点でのみ溶着されるので、シート状セパレータの接合にのように、接合面同士が密着して溶着される場合と比較し、接合強度が著しく低くなる。 In said structure, the process of joining a separator is needed. When a fiber mat made of polypropylene fiber or glass fiber mixed with this is used as a raw material, mats can be joined to each other by heat welding. As described above, the bonding strength is remarkably reduced as compared with the case where the bonding surfaces are closely adhered and welded.
また、繊維マットに接着剤やホットメルト剤を塗布して貼り合わせた場合でも、繊維マットの接着剤やホットメルト剤が浸透した部分と、浸透していない部分との間で比較的容易に剥離するため、満足する接合強度が得られなかった。
本発明は、繊維マットセパレータを用いた鉛蓄電池において、必要な接合強度を得ることが困難なセパレータ同士の接合を不要とし、かつ活物質膨張による極板間短絡と、これによる電池容量低下を抑制することを目的とする。 The present invention eliminates the need for bonding between separators in a lead storage battery using a fiber mat separator, which makes it difficult to obtain the required bonding strength, and suppresses short-circuiting between electrodes due to active material expansion and battery capacity reduction due to this. The purpose is to do.
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、繊維マットからなるセパレータを2つ折りして重ね合わせてV字状とし、底部の折目に対して概直交する折目となるよう、交互につづら折して上部に開口部を有したつづら折セパレータとし、上部が開口し、かつ底部が閉塞された第1のセパレータ重ね合わせ部に一方の極性の極板を配置し、上部と底部の両方が開口した第2のセパレータ重ね合わせ部、もしくはつづら折セパレータの端面のいずれか一方、もしくは両方に、もう一方の極性の極板を配置し、互いに異極性であり、かつ互いに対向しあう一対の極板間に、極板を配置しない第1のセパレータ重ね合わせ部と、極板を配置しない第2の重ね合わせ部の少なくとも一対を配置し、かつ少なくとも負極板はその側部に枠骨を有さないエキスパンド格子体を備えたことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。
In order to solve the above-described problem, the invention according to
上記した本発明の構成によれば、少なくとも一方の極性の極板の側部と底部を、マットセパレータ同士を接合することなく覆うことができるため、活物質の膨張による極板間短絡と、これによる電池容量の低下を抑制することができる。 According to the configuration of the present invention described above, the side and bottom portions of at least one polarity electrode plate can be covered without bonding the mat separators. It is possible to suppress a decrease in battery capacity due to.
以下、本発明の実施の形態による鉛蓄電池の構成を説明する。 Hereinafter, the structure of the lead acid battery by embodiment of this invention is demonstrated.
図1に示したように、ガラス繊維や、ポリプロピレンといった合成樹脂繊維からなる繊維マット101を2つ折して重ね合わせたV字状とする。次に、2つ折りした繊維マット101の底部の折目102に対して概略直交する折目103で交互につづら折し、図2に示したつづら折セパレータ201とする。
As shown in FIG. 1, a
つづら折セパレータ201には2つ折およびつづら折によって繊維マット同士が重ね合わさられ、底部の折目102の反対側の重ね合わせ端には開口部が形成される。本発明では、上部が開口し、底部が折目102で閉じられた、2つ折りによって形成される第1のセパレータ重ね合わせ部202に正極・負極のいずれか一方の極性の極板203を配置する。
Fiber mats are overlapped in the
そして、上部が開口し、かつ底部が折目102で閉じられない、すなわちつづら折によって形成した第2のセパレータ重ね合わせ部204もしくは、つづら折セパレータ201の端面205の少なくとも一方に、もう一方の極性の極板203´を配置し、図2に示した極板群206とする。
Then, the upper part is open and the bottom part is not closed by the
本発明では、互いに異極性であり、かつ互いに対向しあう一対の極板203−極板203´間に、極板を配置しない第1のセパレータ重ね合わせ部202と、極板を配置しない第2の重ね合わせ部204の少なくとも一対が存在するよう、つづら折セパレータ201に極板203および極板203´を配置する。
In the present invention, the first
なお、極板203´を配置する位置を、第2のセパレータ重ね合わせ部204もしくは、つづら折セパレータ201の端面205のいずれかにするか、もしくは両方にするかは、極板群を構成する極板203および極板203´の枚数による。
It should be noted that whether the
例えば、図2に示した本発明の電池に用いる極板群206のように、極板203を2枚、極板203´を3枚とした場合、極板203´の1枚は、第2のセパレータ重ね合わせ部204に配置し、極板203´の他の2枚は、つづら折セパレータ201の端面205に配置する。この場合、極板203´は、第2のセパレータ重ね合わせ部204と端面205の両方に配置することとなる。
For example, in the case of two
なお、図2の極板群206の両端の極板を除去し、極板203が2枚、極板203´が1枚とした場合、極板203´は第2のセパレータ重ね合わせ部204のみに配置されることとなる。
If the electrode plates at both ends of the
さらに、図3に示すようなつづら折セパレータ301(図2に示したつづら折セパレータ201のつづら折回数が少ないものに対応)を用いた本発明の電池に用いる極板群305では、極板203を、中央に位置する第1のセパレータ重ね合わせ部302に配置し、極板203´を端面303のみに配置することとなる。この場合も隣接する極板203−極板203´間には極板が配置されない第1のセパレータ重ね合わせ部302と同じく極板が配置されない第2のセパレータ重ね合わせ部304が一対配置される。
Furthermore, in the
すなわち、本発明において、極板203´は、極板203を配置した第1のセパレータ重ね合わせ部202(302)から、極板を配置していない第1のセパレータ重ね合わせ部202(302)と極板を配置していない第2のセパレータ重ね合わせ部204(304)の少なくとも一対が存在する位置に配置すればよく、極板構成枚数によって、極板203´の配置位置は第2のセパレータ重ね合わせ部204もしくは端面205のいずれか一方、もしくは両方となる。
That is, in the present invention, the
さらに、極板203および極板203´のいずれか一方が正極板、他の一方が負極板となるが、少なくとも負極板はその側部に枠骨を有さず、側方が開放された格子マス目を有したエキスパンド格子体を備える。
Further, either one of the
そして、極板群206や極板群305を用いて、以降は公知の構成を採用し、鉛蓄電池を作成することにより、本発明による鉛蓄電池を得る。
Then, by using the
本発明の鉛蓄電池では、接合強度が不安定な、繊維マット同士の接合を行うことなく、一方の極性の極板の側部および底部と、隣接する他極性極板の側部および底部間を繊維マットで隔離できる。したがって、特に、側部に枠骨を有さない、エキスパンド格子体を用いた負極板において、深い充放電サイクルによって、活物質が体積膨張した場合においても、膨張活物質による、極板間の内部短絡と、これによる電池容量の低下を抑制することができる。 In the lead-acid battery of the present invention, the bonding strength is unstable, and without joining the fiber mats, the side and bottom of one polar plate and the side and bottom of the adjacent other polar plate are connected. Can be isolated with fiber mat. Therefore, in particular, in the negative electrode plate using an expanded lattice body that does not have a frame on the side part, even when the active material is volume-expanded by a deep charge / discharge cycle, the inside of the electrode plate due to the expanded active material A short circuit and a decrease in battery capacity due to this can be suppressed.
本発明で、隣接する極板間には、いずれも極板を配置しない、第1のセパレータ重ね合わせ部202(302)と第2のセパレータ重ね合わせ部204(304)の少なくとも一対を配置する。 In the present invention, between the adjacent electrode plates, at least a pair of the first separator overlapping portion 202 (302) and the second separator overlapping portion 204 (304), in which neither electrode plate is disposed, is disposed.
例えば、図4に示したように、2つ折り後、この折目に対して直交する折目で交互につづら折したセパレータ401において、隣接しあう第1の重ね合わせ部402と第2の重ね合わせ部404および端面405に極板203、203´を配置した場合、極板203と極板203´の両方で極板側部が露出するため、膨張活物質により、これら極板間で内部短絡する。
For example, as shown in FIG. 4, in the
また、隣接する一対の極板間に、ひとつの極板を配置しない第2のセパレータ重ね合わせ部のみを配置した場合、繊維マットが接合されていない、つづら折の折り目間を膨張活物質が浸透し、極板間の内部短絡を引き起こす。なお、極板203、203´の両方を端部205および第2のセパレータ重ね合わせ部204に配置した場合、いずれの極板も底部が繊維マットで覆われないため、膨張活物質により、極板間が内部短絡する発生するため、好ましくない。
In addition, when only the second separator overlapping portion where one electrode plate is not arranged is arranged between a pair of adjacent electrode plates, the expansion active material permeates between the zigzag folds where the fiber mat is not joined. And causes an internal short circuit between the plates. In addition, when both the
前記した本発明例による鉛蓄電池と、後述する比較例による鉛蓄電池を作成し、サイクル寿命試験により、繰り返し充放電における電池容量推移を確認した。なお、本発明例および比較例ともに、極板203をエキスパンド格子体を有した正極板、極板203´をエキスパンド格子体を有した負極板とした。いずれも12V4.8Ahの制御弁式鉛蓄電池とした。
A lead storage battery according to the above-described example of the present invention and a lead storage battery according to a comparative example to be described later were prepared, and a battery capacity transition in repeated charge / discharge was confirmed by a cycle life test. In both the inventive examples and the comparative examples, the
(1)本発明例の電池A
前記した、本発明の実施形態において、図2に示した極板群206を有する、制御弁式鉛蓄電池(12V12Ah)である。なお、繊維マットとしては、19.6kPa加圧時の厚みが0.6mmのガラスマットを用いた。この本発明例による電池を電池Aとする。
(1) Battery A of the present invention example
In the embodiment of the present invention described above, the control valve type lead storage battery (12V12Ah) has the
(2)比較例の電池B
比較例の電池Bは、図4に示したように、V字状に2つ折したガラス繊維マットを2つ折りした折目に対して概略直交するよう折った、セパレータ401を用い、極板203を上部が開口し、かつ底部が閉塞された第1のセパレータ重ね合わせ部402に配置し、極板203´を端面405および極板203に隣接する、上部と底部の両方が開口した第2のセパレータ重ね合わせ部404に収納した群構成を有する電池である。なお、極板間距離を本発明例の電池Aと同一とするため、ガラス繊維マットの19.6kPa加圧時の厚みが1.8mmのものとした。
(2) Battery B of Comparative Example
As shown in FIG. 4, the battery B of the comparative example uses a
(3)比較例の電池C
比較例の電池Cは、図5に示したように、平板状のガラス繊維マット501を介して極板203と極板203´を積層した群構成を有した電池である。なお、極板間距離を本発明例の電池Aと同一とするため、ガラス繊維マット501の19.6kPa加圧時の厚みが1.8mmのものとした。
(3) Battery C of Comparative Example
The battery C of the comparative example is a battery having a group configuration in which an
(4)比較例の電池D
比較例の電池Dは、図6に示したように、極板203´(本実施例においては負極)を収納した袋状ガラス繊維マット601と極板203(本実施例においては正極)とを積層した群構成を有した電池である。なお、袋状ガラス繊維マット601は、19.6kPa加圧時の厚みが1.8mmの平板状のガラス繊維マットをV字状に2つ折りし、両側部を接合することにより、上部に開口部を有した袋状としたものである。なお、両側部の接合は、ガラス繊維マット中にポリプロピレン樹脂繊維を混抄したものを用い、熱溶着により行った。
(4) Battery D of Comparative Example
As shown in FIG. 6, the battery D of the comparative example includes a bag-shaped
(5)比較例の電池E
比較例の電池Eは、比較例の電池Dで用いた袋状ガラス繊維マット601に内包する極板を極板203(実施例においては正極)とし、極板203´(本実施例においては負極)としたものである。
(5) Battery E of Comparative Example
In the battery E of the comparative example, the electrode plate enclosed in the bag-shaped
上記の本発明例の電池Aと比較例の電池B〜Eの各電池を、25℃雰囲気下で、1.2Aで10.5Vまで放電した後、14.7V定電圧充電(最大充電電流4.8A)を8時間行った。この放電−充電を1サイクルとし、サイクル寿命試験を行った。その結果を図7に示す。なお、電池容量は、初期容量を100としたときの百分率、すなわち容量維持率として示した。 Each of the batteries A to B of the present invention and the batteries B to E of the comparative examples was discharged to 10.5 V at 1.2 A in a 25 ° C. atmosphere, and then 14.7 V constant voltage charging (maximum charging current 4 8A) was carried out for 8 hours. The cycle life test was conducted with this discharge-charging as one cycle. The result is shown in FIG. The battery capacity is shown as a percentage when the initial capacity is 100, that is, the capacity maintenance rate.
図7に示した結果から、比較例の電池Bと電池Cは、200サイクル以降で急激に放電容量が低下している。電池BとCとを分解したところ、負極活物質が顕著に膨張し、極板群の側部で内部短絡していた。 From the results shown in FIG. 7, the discharge capacity of the battery B and the battery C of the comparative example rapidly decreases after 200 cycles. When the batteries B and C were disassembled, the negative electrode active material expanded significantly and was internally short-circuited at the side of the electrode plate group.
比較例の電池Dは250サイクル以降、比較例の電池Eでは、300サイクル以降で激に放電容量が低下していた。比較例の電池Dでは、負極活物質の顕著な膨張によって袋状ガラス繊維マット601の接合部が剥離し、内部短絡が発生していた。比較例の電池Eでは、負極活物質の顕著な膨張とともに、正極活物質および正極格子体が膨張し、袋状繊維マットの接合部が剥離し、膨張した負極活物質と短絡していた。
The discharge capacity of the battery D of the comparative example was drastically reduced after 250 cycles, and the battery E of the comparative example was drastically reduced after 300 cycles. In the battery D of the comparative example, the joint portion of the bag-shaped
一方、本発明例の電池Aでは、比較例の電池で見られたような急激な容量低下は進行せず。400サイクル目で初期容量の90%、600サイクル目においても初期容量の50%を有していた。600サイクルで試験を終了し、電池Aを分解したところ、正極、負極活物質ともに顕著に膨張しているものの、内部短絡は発生していなかった。また、600サイクル目の放電で、正極の分極と負極の分極を計測したところ、正極での分極が大きく、劣化は正極において顕著に進行していることが認められた。 On the other hand, in the battery A of the example of the present invention, the rapid capacity decrease as seen in the battery of the comparative example does not proceed. It had 90% of the initial capacity at the 400th cycle and 50% of the initial capacity at the 600th cycle. When the test was completed in 600 cycles and the battery A was disassembled, both the positive electrode and the negative electrode active material expanded significantly, but no internal short circuit occurred. Moreover, when the polarization of the positive electrode and the polarization of the negative electrode were measured in the discharge at the 600th cycle, the polarization at the positive electrode was large, and it was recognized that the deterioration progressed significantly at the positive electrode.
以上、本発明によれば、特に充放電サイクルの経過によって進行する負極活物質の膨張による内部短絡と、これによる放電容量の低下を抑制できることがわかる。 As mentioned above, according to this invention, it turns out that the internal short circuit by the expansion | swelling of the negative electrode active material which progresses especially by progress of a charging / discharging cycle, and the fall of the discharge capacity by this can be suppressed.
本発明では、充放電サイクルによって内部短絡を抑制できることから、サイクルサービス用をはじめ、様々な用途の鉛蓄電池に極めて好適である。 In this invention, since an internal short circuit can be suppressed by a charging / discharging cycle, it is very suitable for the lead storage battery of various uses including the object for cycle services.
101 繊維マット
102 (底部の)折目
103 (底部の折目に概略直交する)折目
201 つづら折セパレータ
202 第1のセパレータ重ね合わせ部
203、203´ 極板
204 第2のセパレータ重ね合わせ部
205 端面
206 極板群
301 つづら折セパレータ
302 第1のセパレータ重ね合わせ部
303 端面
304 第2のセパレータ重ね合わせ部
305 極板群
401 セパレータ
402 第1のセパレータ重ね合わせ部
404 第2のセパレータ重ね合わせ部
405 端面
501 ガラス繊維マット
601 袋状ガラス繊維マット
DESCRIPTION OF
Claims (1)
底部の折目に対して概直交する折目となるよう交互につづら折して上部に開口部を有したつづら折セパレータとし、
上部が開口し、かつ底部が閉塞された第1のセパレータ重ね合わせ部に一方の極性の極板を配置し、
上部と底部の両方が開口した第2のセパレータ重ね合わせ部、もしくはつづら折セパレータの端面のいずれか一方、もしくは両方に、もう一方の極性の極板を配置し、
互いに異極性であり、かつ互いに対向しあう一対の極板間に、極板を配置しない第1のセパレータ重ね合わせ部と、極板を配置しない第2のセパレータ重ね合わせ部の少なくとも一対を配置し、
かつ少なくとも負極板はその側部に枠骨を有さないエキスパンド格子体を備えたことを特徴とする鉛蓄電池。 A separator made of fiber mat is folded in two and overlapped into a V shape,
A spelling separator having an opening at the top by alternately spelling so that the fold is substantially orthogonal to the fold at the bottom,
An electrode plate of one polarity is arranged in the first separator overlapping portion where the top is open and the bottom is closed,
An electrode plate of the other polarity is arranged on either one or both of the second separator overlapped portion where both the top and bottom are opened, or the end face of the spell separator,
At least one pair of a first separator overlapping portion where no electrode plate is disposed and a second separator overlapping portion where no electrode plate is disposed is disposed between a pair of electrode plates having different polarities and facing each other. ,
At least the negative electrode plate is provided with an expanded lattice body having no frame on the side portion thereof.
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