JP2007184114A - 制御弁式鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御弁式鉛蓄電池の内部短絡を防止するとともに、寿命特性を向上させる。
【解決手段】 鉛または鉛合金からなる格子基板にペースト状活物質を充填してなる正・負極板を、リテーナマットを介して積層してなる極板群を４０kPa以上の群圧で電槽内に収納してなる制御弁式鉛蓄電池用極板において、各格子基板の枠格子の表面部幅が少なくとも３ｍｍ以上を有し、且つ中格子の幅の３乃至６倍であり、且つ正極格子基板の中格子の交差部と負極格子基板の中格子の交差部が重ならないことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。

【選択図】 図１

Description

本発明は、正・負極板がセパレータを介して積層された極板群を高圧迫状態で電槽内に収納してなる制御弁式鉛蓄電池に関するものである。

鉛蓄電池は長い歴史を持ち、その安価さとともに安定した性能からくる高い信頼性ゆえに現在でも蓄電池の主流を占めている。その用途は自動車用のＳＬＩ電池、小型電子機器や電動車用などの移動電源、またコンピュータ、通信機器などの商用電源停電時に作動するバックアップ用据置き電源などに広がっている。

この鉛蓄電池は、近年、保守対策の観点から従来のベント形に代わって補水の不要な制御弁式が主流となっており、また制御弁式でも通信機器などのバックアップ用途向けのフロートユース電池に加えて電力貯蔵、電動車などの深い充放電を繰り返すサイクルユース電池の需要が広まり、その長寿命化が進められている。

サイクル用途では、蓄電池の長期使用により正極活物質が軟化・泥状化して寿命に至ることが多く、その抑制とともに格子と活物質の密着性を向上させるため極板群を電槽内に高圧迫状態で挿入することが増えている。

サイクルユース電池は従来に比較して極板群の圧迫度が高いため、使用サイクルの進行につれて正極板と負極板の収縮、膨張の繰り返しにより両者を隔離するガラス繊維のリテーナマットなどのセパレータが押しつぶされる、もしくは破れるため、正・負極板間の距離が小さくなり内部短絡を起こして電池の短寿命を招くことが知られている。

この対策として、正・負極板のいずれか一方の集電格子体の交差部と、もう一方の極板の集電格子体の桟もしくは交差部とが相対しない位置とすることが提案されている（特許文献１参照）。

また、正・負極板、リテーナマットを積層して作成する小型制御弁式鉛蓄電池において、両極板を構成する格子体内側の縦格子および横格子が、リテーナマットをはさんで対峙しないように積層することが提案されている（特許文献２参照）。

さらに、鉛合金による枠骨、縦骨、横骨からなる格子状の集電体に、ペースト状活物質を保持させた構造の正・負極板とセパレータを積層してなる制御弁式鉛蓄電池において、正・負極板の縦骨、横骨の少なくとも一方が対峙しないことが提案されている（特許文献３参照）。
特開平8-264202号公報 特開2001-332291号公報 特開2005-116206号公報

しかし、上記特許文献１に記載の鉛蓄電池では、正・負極板の枠骨同士が対峙しているため、極板群を電槽に挿入する際に高圧迫状態とすると、蓄電池のサイクル使用につれて枠骨がセパレータを突き破って短期間に短絡にいたる場合がある。

また、上記特許文献２に記載の小型制御弁式鉛電池では、正・負極板の枠骨同士は対峙しないものの、正・負極板をずらして積層するため、極板群の組み立てが煩雑となる問題点がある。さらに、上記特許文献３に記載の制御弁式鉛蓄電池では、上記特許文献１に記載の鉛蓄電池と同様に、正・負極板の枠骨が完全に、または部分的に対峙してしまうため、高圧迫状態で電槽に群挿入すると、やはり枠骨がセパレータを突き破って短絡にいたる場合がある。

そこで、本発明では、極板群を高圧迫状態で積層、挿入しても短絡が少なく、長寿命の制御弁式鉛蓄電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では正、負極格子基板の短絡個所に注目し、格子基板を枠格子と枠格子の枠内に形成される中格子に分けて、それぞれの部分で短絡防止の手段を講じたものである。まず枠格子では、正・負極格子基板の枠格子の表面の幅を少なくとも３ｍｍ以上とし、且つ中格子の表面幅の３〜６倍であることとする。

また、中格子では正極格子基板の中格子の交差部と負極格子基板の中格子の交差部が重ならないこととする。

ここで、格子基板の枠格子表面の幅を３ｍｍ以上としたのは、これより小さいと高圧迫時に部分的な応力集中による短絡を起こしやすくなるためである。また、その幅が中格子の表面幅の３〜６倍としたのは、一般的に格子基板の中格子は枠格子に比べて細いため３倍未満では短絡防止の効果が少なく、６倍以上では短絡防止効果が飽和する反面、充填空間が減少し、さらに基板重量が増えて電池の重量効率が低下するためである。勿論、枠格子部分が重ならないようにすることは更に好ましい。

また、極板積層時のハンドリングを容易とするために、正極格子基板と負極格子基板の高さは同等であることが好ましい。このために必要なら正極、負極の双方、もしくは一方の格子基板下部には、足となる突起部を付加し、或いはその高さを調整して両極の基底からの高さが同等となる様にすることが好ましい。

さらに、本発明では正極格子基板の中格子の交差部と、負極格子基板の中格子の交差部が重ならないようにすることで、正極格子の升目部分に負極格子基板の中格子の交差部が対峙することになり、極板群の高圧迫時に極板間の圧縮力と距離の安定化が図れるため正極活物質の軟化を防止する効果も期待できる。

本発明によれば、内部短絡が少なく長寿命で信頼性の高い制御弁式鉛蓄電池を提供することができる。

本発明の実施例を比較例とともに説明する。まず、鉛蓄電池の作製方法は、最初に中格子や枠格子の太さ、および升目の大きさの異なる正・負極格子基板を準備し、これに所定量の鉛粉、希硫酸を混練したペースト状の活物質を常法により充填し、熟成、乾燥を経て即用化成を行なってペースト式正・負極板を作製した。

これら正・負極板は重ね合わせたときに図１〜５に示す状態となるように適宜選択し、セパレータとして、ガラス繊維からなるリテーナマットを介して積層し、正極板３枚、負極板４枚を組み合わせた極板群に構成した後、表１に示す各水準の圧迫力となるよう電槽内に挿入し、常法により電圧２V、 定格容量７Ahの制御弁式鉛蓄電池を得た。
図１に示す例は、正極格子基板１と負極格子基板２を全く同じ大きさとして、その両側と上下の枠格子３の全周で重なるようにし、中格子４のみが互いに重ならないようにその交差部５が互いに相手基板の升目６内に位置するようにしたもので、枠格子の幅倍率（枠格子表面幅／中格子表面幅）を２〜８、枠格子表面幅を１〜８ｍｍ、枠格子の対峙のありなし、中格子表面幅を０．５〜１．０、交差部の対峙のありなしを種種変えて作製した（実施例Ａ１〜Ａ１０、比較例Ａ１〜Ａ１０）。なお、図中、７は耳部である。
図２に示す例は、中格子４のみならず枠格子３も重なり合わない様にしたもので、負極格子基板２に比しその枠格子幅分小さくした正極格子基板１を積層したもので、その下部に足部８を設けたものである（実施例Ｂ）。
図３に示す例は、正極格子基板１と負極格子基板２の大きさを同一とし、枠格子３と中格子４の全てを重なり合うようにしたもので、枠格子の幅倍率（枠格子表面幅／中格子表面幅）を４と６、枠格子表面幅を２と３ｍｍ、中格子表面幅を０．５ｍｍとしたものを作製した（従来例１、２）。
図４に示す例は、負極格子基板２の下部に足部８を設けて下の枠格子３のみを少しずらし、その他の枠格子は重なり合う様にし、更に、中格子４はその間隔を微妙にずらして一部の中格子のみが重なり合う様にしたものである（比較例Ａ１１）。
図５に示す例は、正極格子基板１と負極格子基板２を枠格子３のみ重なり合わないようにし、中格子４が全て重なり合う様にしたもので、枠格子の幅倍率（枠格子表面幅／中格子表面幅）を２と３、枠格子表面幅を２と３ｍｍ、中格子表面幅を１．０ｍｍとしたものを作製した（比較例Ｂ１、Ｂ２）

作製した各制御弁式鉛蓄電池は各１０個準備し、初期容量を確認後充電状態で２５℃の温度で１週間放置した後、開放電圧を測定して短絡の有無を調べた。いずれも短絡はなかった。
次に、これらの鉛蓄電池をＪＩＳＣ８７０２−１：１９９８「小型シール鉛蓄電池 第１部：一般要求事項、機能特性及び試験方法」に記載される「７．６深放電後の充電受け入れ」に順ずる試験を行って過放電放置後の短絡状況を確認した。

具体的には、各水準の制御弁式鉛蓄電池を各々直列に接続して定抵抗を接続して２５℃の温度で、２０時間率の微少な放電電流（０．０５Ｃ）を流しながら３６０時間放置した後、初期電流を３Ａとして２．３５Ｖ／セルの定電圧で充電を２４時間行い、充電後２４時間放置して１０時間率の電流で放電して容量を確認した。初期容量の７０％未満のものを短絡とした。

以上の結果を表１に示す。

本発明に係る実施例Ａ１〜Ａ１０のもの及び実施例Ｂのものでは、制御弁式鉛蓄電池作製後の短絡確認、および過放電放置後の短絡試験を行なったが、どの条件においても短絡は全く発生しなかった。

比較例Ａ１〜Ａ９は中格子の交差部が互いに重ならない様にしたが、枠格子の幅倍率又は枠格子幅寸法が所定の範囲外であった為に短絡が発生していた。これら鉛蓄電池を解体調査したところ、枠格子が細く、枠格子が対峙している部分でセパレータの切断が認められた。なお、鉛蓄電池の１個でも短絡していたものは短絡ありとした。

また、セパレータが切断されていなくても過放電放置後には枠格子が当接している箇所では負極側より成長した樹脂状鉛が見られるなど短絡の痕跡が見られた。この原因は、本仕様ではサイクル特性向上のため高圧迫状態で極板群を電槽に組み込んでいるために枠格子の対峙部に応力が集中して変形や切断が発生し易いが、切断に至らなくともこの部分のセパレータが圧縮力で極端に薄くなり、正・負極間の極間距離が小さくなって短絡を引き起こしたと推定する。

なお、比較例Ａ１０は、短絡は発生しなかったが枠格子の幅が広くその分充填空間（升目面積）が減少すると共に重量が増え、蓄電池自体の重量効率が悪くなり好ましくなく、枠格子の幅倍率の限度は６倍程度である。

また、中格子の交差部同士が対峙している従来例１と２、比較例Ａ１１及び比較例Ｂ１とＢ２の鉛蓄電池では、枠格子の幅倍率又は枠格子幅寸法が所定の範囲内であっても該交差部での短絡が認められた。

また、群圧に関しても１２０ｋＰａで組み込んだ実施例１０の鉛蓄電池は、短絡は発生しなかったが、解体した結果重なり合う枠格子間のリテーナマットが大部圧縮されていた。さらに、群圧が２０ｋＰａで組み込んだ実施例Ａ６の鉛蓄電池では短絡が見出されないが、この条件ではサイクル特性が見込めず、好ましい群圧は４０ｋＰａ以上で、特に好ましい群圧は４０〜１００ｋＰａである。

なお、図６、図７は他の実施例の正極格子基板１と負極格子基板２の積層状態を示すもので、図６に示す例は、正極格子基板１と負極格子基板２を同幅にして互いに積層したもので、各基板の両側端を合わせて積層し、各基板の中格子４を互いに重ならないようにずらし、交差部５が積層される相手基板の升目６部分に位置する様にしたもので、両側部の枠格子３は重なり合い、上下の枠格子３は重ならないように正極格子基板１の下部には足部８を設け、負極格子基板２は正極格子基板１より高さ方向寸法を長くしたものである。７は各格子基板の上部に設けた耳部である。図７に示す例は、図２と同様枠格子３も重なり合わない様にしたものであるが、正極格子基板１の幅方向寸法のみを負極格子基板２の枠格子幅分小さくし、負極格子基板２にのみ足部８を設けて上下の枠格子３が互いに重ならないようにしたものである。この場合も中格子４は互いに重ならないようにしたものである。

一実施例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 他の実施例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 従来例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 比較例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 他の比較例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 他の実施例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。 他の実施例に係る正極格子基板を、セパレータを省略して負極格子基板の上に 重ねた状態を示す図である。

符号の説明

１ 正極格子基板
２ 負極格子基板
３ 枠格子
４ 中格子
５ 交差部
６ 升目

Claims (3)

1. 鉛または鉛合金からなる格子基板にペースト状活物質を充填してなる正・負極板を、リテーナマットを介して積層してなる極板群を電槽内に収納してなる制御弁式鉛蓄電池において、正極格子基板と負極格子基板の枠格子の表面の幅が少なくとも３ｍｍ以上あり、且つ中格子の表面幅の３〜６倍であり、さらに積層した際に正極格子基板の中格子の交差部と負極格子基板の中格子の交差部が重ならないことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
2. 積層した際に、正極格子基板の枠格子と負極格子基板の枠格子が重ならないことを特徴とする請求項１に記載の制御弁式鉛蓄電池。
3. 正極格子基板と負極格子基板の高さが同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の制御弁式鉛蓄電池。