JP2009170129A - 鉛蓄電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛蓄電池に振動や衝撃の負荷がかかる使用における耐震性や、電池の寿命末期の正極板膨張による内部短絡を防止する安全対策を施した構成を、簡素化した工程により得ることを課題とする。
【解決手段】正極板と負極板およびセパレータから構成された極板群上部において、正極板と負極板よりも高い部分のセパレータ上部を溶融一体化するように、単一の熱可塑性樹脂の極板群固定部材を極板群の積層方向へ存在させることにより、極板および極板群のセル内の固定化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池とその製造方法に関するものである。

最近の自動車に用いられる鉛蓄電池は、エンジン始動に限らず多くの搭載機器および電動化が進み充放電の負荷が大きくなるとともに、車の電池搭載場所の省スペース化により環境温度の高い状態で使用されるようになってきた。鉛蓄電池は、電池温度上昇により電解液の減少等に起因した電池内部における電流経路上の鉛部品の腐食等が進行し、鉛部品の断面積は小さくなり、単位面積当たりの経路抵抗が上昇することにより発熱量は大きくなるため、腐食が更に進行することになる。

これらの鉛部品の腐食により鉛蓄電池の機械的な強度も低下し、農機具や建設機械等に用いられている鉛蓄電池は、機械から加わる振動および衝撃がより大きいため、鉛部品が使用中に切断する可能性がある。鉛部品の切断の際にセル内で生じた火花が、セル内の酸水素ガスに引火し電池破損に至る場合も在る。

一方、鉛蓄電池の寿命末期は、正極板の膨張現象があり過充電状態で使用すれば正極板の膨張は更に生じ易い。これは、正極格子表面における体積膨張や、正極活物質が充放電により正極活物質の結合力が弱くなり、さらに不導体化した硫酸鉛を生じることで正極板が膨張するものと考えられている。正極板は、積層された厚み方向に極板群圧力が加わっているため、上部方向と幅方向に膨張しやすい。特に、正極板が上部方向に膨張した際、負極ストラップの底部や負極板上部や耳部に接触した際の火花により、セル内の酸水素ガスに引火し電池破損に至る可能性も有る。

上記の観点から、極板群上部やストラップ部等に処理を行い対策する事例がいくつか試みられており、例えば、特許文献１には、極板群上の両端に樹脂を注入し、耐振動性の向上を図る構成が開示され、特許文献２には、ストラップ下部の極板耳部間に耐酸および対酸化性の固着剤を充填することで短絡を防止し寿命向上を図る構成が示されており、さらに特許文献３には、負極ストラップ下部にポリプロピレン樹脂を注入し、正極板膨張による短絡防止を図る構成が開示されている。しかしながら、これらの文献では、極板群上やストラップ下部への樹脂注入により工程が増加したり、複雑化するものであった。
特開平８−１０２３２９号公報 特開昭５８−１１９１７３号公報 特開昭６３−２９１３６１号公報

本発明は、鉛蓄電池に振動や衝撃の負荷がかかる使用における耐震性や、電池の寿命末期の正極板膨張による内部短絡を防止する構成を、簡素化した工程により得ることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明は、複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群を電槽のセル室内に収納した極板群の上部において、前記正極板および負極板よりも高い部分の前記セパレータ上部を溶融一体化した熱可塑性樹脂の極板群固定部材が、前記極板群の積層方向へ単一に存在することを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

請求項２に係る発明は、前記極板群固定部材が、正極ストラップと負極ストラップとの間の前記極板群上部に存在することを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

請求項３に係る発明は、前記極板群固定部材が、正極ストラップと電槽内壁との間の前記極板群上部に存在することを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

請求項４に係る発明は、前記極板群固定部材が、負極ストラップと電槽内壁との間の前記極板群上部に存在することを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

請求項５に係る発明は、複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群を電槽のセル室内に収納した極板群の上部に、溶融状態の前記熱可塑性樹脂を極板群上部に注入し、冷却固化することにより極板群固定部材を形成することを特徴とした鉛蓄電池の製造方法を示すものである。

さらに、請求項６に係る発明は、複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群の状態で、前記極板群の上部に、溶融状態の前記熱可塑性樹脂を注入し、冷却固化することにより極板群固定部材を形成した後、前記極板群を電槽のセル室内に収納することを特徴とする鉛蓄電池の製造方法を示すものである。

上記の本発明の構成によれば、鉛蓄電池に振動や衝撃の負荷が加わる使用における耐震性や、電池の寿命末期の正極板膨張による内部短絡を防止する対策を施した構成を、比較的簡素化した工程により得ることが可能となるため、工業上有用である。

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は、本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図１であり、ポリプロピレンからなる電槽１と、同じくポリプロピレンからなる蓋体２からなる電池容器に、電槽１を構成する各セル３内に極板群４が収納されている。極板群４は袋状でかつ微孔性であるポリエチレン系セパレータ５に収納された正極板（図示せず）と負極板６とを交互に積層し、組合せられている。セパレータ５は、正極板を覆い、正極板の上部より高い位置に突出している。

極板の集電部となる正極耳部７と負極耳部７ａは、同じ極性同士が極板群４の積層方向に並び、正極耳部７は正極セル間接続体（図示せず）を有して一体に正極ストラップ９として形成されるとともに、負極耳部７ａは負極セル間接続体８を有して負極ストラップ９ａとして形成されることにより極板群４が構成される。

モノブロック状の電槽１を用いた場合、一般的な鉛蓄電池は６セル構成の１２Ｖであり、一セル目には正極ストラップ９の一端に電気の外部取り出し用の正極用極柱１０が接続されており、図示はしてないが六セル目には負極ストラップに負極用極柱が一体化されている。一セル目のセル３内部に挿入された極板群４は、隣接セルのセル間接続体へ電槽の中仕切１１の貫通孔を介してセル間溶接することにより接続される。

電槽セル３内に収納した前記極板群の上部において、正極ストラップ９と負極ストラップ９ａとの間に約２２０℃に加熱した溶融状態のアイソタクチック重合体のポリプロピレンを用い、射出用ノズルから極板幅方向へ直線上に注入した極板群固定部材１２を形成する。この際、前記極板群固定部材１２は、注入したポリプロピレンがセパレータ５の上部を巻き込んで溶融一体化し、正極板および負極板６の上部で冷却固化させ一体形成する。

同様に図２は、本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図２を示すものであり、前記極板群固定部材１２は、正極ストラップ９と電槽内壁１３との間の極板群の上部に溶融状態のポリプロピレンを極板幅方向へ直線上に注入し、構成させたものである。

同様に図３は、本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図３を示すものであり、前記極板群固定部材は、負極ストラップとセル３を形成する電槽内壁１３との間の極板群４の上部に溶融状態のポリプロピレンを極板幅方向へ直線上に注入し、構成させたものである。

図４（ａ）は、本発明の一実施例の極板群固定部材を示す断面図１である。極板群固定部材１２と極板群４および電槽１との位置関係を示す部分断面図であり、電槽のセル３内部に極板群４を収納した状態で極板群固定部材１２を形成する場合は、溶融状態のポリプロピレン樹脂を極板幅方向へ直線上に注入し前記電槽の中仕切１１とともに一体化する。

図４（ｂ）は、本発明の一実施例の極板群固定部材を示す断面図２である。電槽のセル３内部に収納前の極板群４の状態で極板群固定部材１２を形成する場合は、溶融状態のポリプロピレン樹脂を極板幅方向へ直線上に注入して固化した後に、極板群４を電槽のセル内部に挿入したものであり、中仕切１１とは一体化せずに間隙１４を有している。

上記構成において、極板群固定部材１２に用いる材料は、耐酸性を有し耐熱性に優れたものを用いることが好ましく、注入作業を考慮すると可塑状態の流動性において、ＪＩＳＫ７２１０プラスチック−熱可塑性プラスチックのメルトマスフローレイト（ＭＦＲ）及びメルトボリュームフローレイト（ＭＶＲ）の試験方法におけるメルトフローの高いものが良い。本構成ではアイソタクチック重合体のポリプロピレンを用いたが、シンジオタクチック重合体のポリプロピレンを用いても良い。

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）
図１に示した構造の１２Ｖ４０Ａｈで、外形サイズが電池高さ２００ｍｍ、電池長さ２６０ｍｍ、電池幅１２０ｍｍの供試電池を用いた。極板群は、正極板７枚と負極板８枚および正極板と負極板の間には正極板を包み込んだ袋状セパレータを配置し、セパレータは、正極板を覆い正極板上部より約８ｍｍ高い位置まで突出している。

正極板および負極板の集電部となる極板耳部は、厚み正極板１．１ｍｍ、負極板０．７ｍｍ、幅は正極板および負極板とも１５ｍｍである。正極ストラップおよび負極ストラップは、厚み７ｍｍ、幅１８ｍｍで形成され、前記極板耳部を一体に接続する構成である。

ストラップ底部からセパレータ上部までは約５ｍｍ隙間があり、正極板上部までは約１３ｍｍ隙間が存在する。前記セル間接続用ストラップの一端には厚み６ｍｍのセル間接続体を配置し、電気の外部取出し用に直径１３ｍｍの極柱が配置されている。

次に、供試電池の電槽内に収納した極板群の極板積載方向の上部両端部において、正極ストラップと負極ストラップとの間に極板群固定部材１２を形成した。前記極板群固定部材は、注入したポリプロピレンがセパレータ上部を巻き込んで溶融、溶着されており、正極板および負極板の上部にて冷却固化され一体形成され、前記極板群固定部材は、厚みが平均５ｍｍで幅が平均４ｍｍとした。

上記作業後に、前記電槽の上面および前記蓋体の裏面を熱溶着し、端子と前記極柱とを溶接し、常法により作成した供試電池を電池Ａとした。

（実施例２）
実施例１と同じ電池形式で、同一極板群を用いて以下の方法で電池を作成した。図２に示したように、正極ストラップと電槽内壁との間に、極板群の積載方向の上部のみにセパレータ上部と一体化するように極板群固定部材を形成させた。極板群固定部材は同じになるように厚み平均５ｍｍ、幅平均４ｍｍとし、実施例１と同じ作業にて作成した供試電池を電池Ｂとした。

（実施例３）
実施例１と同じ電池形式で、同一極板群を用いて以下の方法で電池を作成した。図３に示したように、負極ストラップと電槽内壁との間に、極板群の積載方向の上部のみにセパレータ上部と一体化するように極板群固定部材を形成させた。極板群固定部材の厚みや幅は同じとし、実施例１と同じように常法にて供試電池を作成し、電池Ｃとした。

（比較例１）
実施例１と同じ電池サイズで、同じ極板群を用いた供試電池を作成した。特に極板群上に極板群固定部材が存在しない従来品である供試電池であり、これを電池Ｄとした。

（比較例２）
図５に比較例２による極板群の電槽セル室内斜視図を示した。これは特許文献１に示した構成と同じであり、実施例１と同じ電池サイズで、同じ極板群を用いて供試電池を作成した。正極ストラップ９と負極ストラップ９ａの間の極板群４上部に極板群固定部材が存在せず、極板群４の極板積載方向の上部両端部、すなわち正極ストラップ９と電槽内壁１３の間および負極ストラップ９ａと電槽内壁１３の両側に極板群固定部材１２を形成させた構成である。前記の極板群固定部材１２の厚みは平均５ｍｍ、幅は平均４ｍｍと同一にし、セパレータ５上部で一体化しており、実施例１と同じように常法にて供試電池を作成し、電池Ｅとした。

上記の電池をそれぞれ６個に対する電池上下方向の耐振動性試験として、重力加速度×２時間とし、重力加速度は１Ｇから開始して規定時間内で電池電圧に以上がなく、電池劣化が見られない場合に重力加速度を１Ｇ毎上昇させる方式により電池劣化時の平均加速度を求めた。また、各１０個を７５℃雰囲気下で、１３．８Ｖの定電圧により過充電を３ヵ月行った際の正極板の平均膨張量として負極ストラップ下部を測定場所と定めた。

上記試験により得られた結果を表１に示した。

なお、これらの各種供試電池において、極板群固定部材が極板群をセル内に挿入後に形成した供試電池はＸ、極板群固定部材を極板群上部で先に形成しておきセル内に挿入した供試電池はＹにより分別表示した。

耐震性に関しては、本発明品である電池Ａ、Ｂ、Ｃは従来品である極板群固定材料のない電池Ｄと比べ、耐震性が良い結果が得られた。また、極板群固定部材を２ヵ所設定した電池Ｅは、本発明の１ヵ所設定した電池Ａ、ＢおよびＣと同じ結果であった。本発明品の電池内部を確認すると活物質が剥がれて劣化したのに対し、電池Ｄはストラップと耳部や接続体の破断が多く発生しており、活物質の剥がれも見受けられた。

通常、電槽内の極板群の固定は、ストラップと一体に形成される隣接セル間との接続体により中仕切でセル当たり２ヵ所の物理的固定があり、極板群は電槽セル内で極板群圧力により保持されている。よって、振動時の負荷が極板群の固定保持力を上回ると共振すると各部品が動きやすくなるため、従来品の供試電池Ｄは、負荷の最も加わる部分で壊れる。

一方、本発明品は、極板群固定部材が極板群を構成する正極板、負極板やセパレータが個々に動くのを防止する役割を果たして振動時の負荷が抑制されており、最終的には断面積の小さい部分に加わった部分で破断していた。

さらに、極板群固定部材を増加させ２本にした電池Ｅは、本発明の電池Ａ，ＢおよびＣと同様な結果となった。極板群において、極板自体がストラップと耳部と単一の極板群固定部材とでセル中において２ヵ所で固定されておれば極板の共振が避けられ、さらに極板群も接続体と単一の極板群固定部材で中仕切に１ヵ所固定されておれば同様に共振を抑制することができるものと考えられる。このため、従来２本の極板群固定部材が必要であったのに対して、単一の極板群固定部材でも同様な効果が得られ、従来よりも溶融状態の樹脂注入時間を半減でき、工程を簡素化することが可能となる。

極板群固定部材の装着方法として、極板群を電槽内で挿入してから極板群固定部材と設定したＸと、極板群状態で極板群固定部材を設定した後にセル内に極板群を挿入したＹとは同等レベルであり、どちらの方法でも生産工程に合わせ選定することができる。

次に正極膨張量の結果から、本発明の電池Ａ、ＢおよびＣは、従来品の電池Ｅに比べ上下方向への伸びが少なかった。本発明品の電池を分解し内部を調査すると、極板群の上下方向への伸びは少ないが、幅方向に大きく伸びていた。一方、従来品の電池Ｅは上下方向への伸びは大きく、幅方向への伸びは少ない結果であった。実用的には、正極板耳部の反対側の極板上部が上側に伸び、負極ストラップと接触して短絡する場合が多く発生するため、上下方向への伸びを防止するのが効果を有する。

なお、電池Ｄは、本発明と同等の結果であり、極板群固定部材を２本にした効果はなく、本発明の単一の極板群固定部材を用いた電池Ａ、ＢおよびＣと同様な結果であった。

上記の如く、本発明は、電池への振動や衝撃の負荷が加わる電池に関する耐震性や、電池の正極板膨張による内部短絡を防止し、簡素化した工程により電池を得ることができる。また、極板群構成で、極板設計に関する格子体、極板耳部の位置、極板形状、ストラップ形状や合金等の材料の多種の組合せが可能であり、極板群固定部材の厚みや幅の設定注入位置をより最適化することにより、耐振性の向上や正極板膨張の抑制をすることができる。

なお、極板群の構成において、袋状のポリエチレン系のセパレータに収納される極板を負極板としても良く、正極板と交互に積層させ組合せ、セパレータの上部で負極板を覆っている構造としても良い。

本発明のように構成すれば、鉛蓄電池への振動や衝撃の負荷が加わる使用における耐震性や、正極板膨張による内部短絡を防止する対策を施した構成を、簡素化した工程により得ることができ、その工業的価値は高い。

本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図 本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図 本発明の一実施例の極板群の電槽セル室内斜視図 （ａ）本発明の一実施例の極板群固定部材を示す断面図、（ｂ）本発明の一実施例の極板群固定部材を示す断面図 比較例２による極板群の電槽セル室内斜視図

符号の説明

１ 電槽
２ 蓋体
３ セル
４ 極板群
５ セパレータ
６ 負極板
７ 正極耳部
７ａ 負極耳部
８ 負極セル間接続体
９ 正極ストラップ
９ａ 負極ストラップ
１０ 正極用極柱
１１ 中仕切
１２ 極板群固定部材
１３ 電槽内壁
１４ 間隙

Claims (6)

1. 複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群を電槽のセル室内に収納した極板群の上部において、前記正極板および負極板よりも高い部分の前記セパレータ上部を溶融一体化した熱可塑性樹脂の極板群固定部材が、前記極板群の積層方向へ単一に存在することを特徴とする鉛蓄電池。
2. 前記極板群固定部材が、正極ストラップと負極ストラップとの間の前記極板群上部に存在することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
3. 前記極板群固定部材が、正極ストラップと電槽内壁との間の前記極板群上部に存在することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
4. 前記極板群固定部材が、負極ストラップと電槽内壁との間の前記極板群上部に存在することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
5. 複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群を電槽のセル室内に収納した極板群の上部に、溶融状態の前記熱可塑性樹脂を極板群上部に注入し、冷却固化することにより極板群固定部材を形成することを特徴とした請求項１記載の鉛蓄電池の製造方法。
6. 複数の正極板、負極板およびセパレータを積層して構成された極板群の状態で、前記極板群の上部に、溶融状態の前記熱可塑性樹脂を注入し、冷却固化することにより極板群固定部材を形成した後、前記極板群を電槽のセル室内に収納することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池の製造方法。

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