JP2015106562A - 鉛蓄電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】バインダーなどの接着剤を使わず安価に製造でき、且つキャパシタ電極が比較的に大きい表面積を有する鉛蓄電池の提供。【解決手段】キャパシタ電極ユニット4は、炭素ベース繊維材料からつくられ、接着剤を使用せずに鉛ベース負極ユニット22及び二酸化鉛ベース正極ユニット21における少なくとも一方に接触すると共にギャップ6を充填するよう、第1の方向に沿って長く延伸されて硫酸ベース電解液5に浸されるように設けられている。【選択図】図1

Description

本発明は、鉛蓄電池に関し、特にはキャパシタ電極付鉛蓄電池に関する。
鉛蓄電池は、安価で信頼性が高いことから、現在でも主流の蓄電デバイスとして使用されている。従来例として、図7に示されているように、複数のセパレータ13のそれぞれを介して複数の二酸化鉛ベース正極11のそれぞれと複数の鉛ベース負極12のそれぞれとが間隔をあけて交互に並ぶように設けられ、二酸化鉛ベース正極11と鉛ベース負極12との間にセパレータ13が配置され、短繊維の炭素繊維を含んだキャパシタ電極15が接着層14によって正極11又は負極12に被覆されて設けられている鉛蓄電池が既に用いられている。また、該鉛蓄電池は、諸電極に接触して設けられた電解質を有する。各電極は、集電体(current collector)であって、金属グリッドにペースト状の活性電極材料を塗布して作られている(例えば、特許文献1参照)。
米国特許第8232006号明細書
上記従来の鉛蓄電池において、キャパシタ電極とは、一般的に例えば短繊維の多孔性炭素繊維といった高表面積を有するキャパシタ材料としての塗布材料とバインダーとを硬化して作られているものであり、炭素繊維における隙間をバインダーによって塞いでいる。そのため、キャパシタ電極の表面積が比較的に小さくなり、キャパシタンスが限られる問題点がある。
本発明は、バインダーなどの接着剤を使わず安価に製造でき、且つキャパシタ電極が比較的に大きい表面積を有する鉛蓄電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る鉛蓄電池は、硫酸ベース電解液が収容されている蓄電池ケースと、前記硫酸ベース電解液に浸漬するように第1の方向に長く延伸されて設けられた鉛ベース負極ユニットと、前記第1の方向と直角に交わる方向である第2の方向に前記鉛ベース負極ユニットとギャップをあけて交互に並ぶと共に、前記第1の方向に長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられた二酸化鉛ベース正極ユニットと、前記鉛ベース負極ユニット及び前記二酸化鉛ベース正極ユニットの間に介入した状態で、前記第1の方向に長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられたセパレータユニットと、炭素ベース繊維材料からつくられ、前記鉛ベース負極ユニット及び前記二酸化鉛ベース正極ユニットにおける少なくとも一方に接触すると共に前記ギャップを充填するよう、前記第1の方向に沿って長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられたキャパシタ電極ユニットとを備えていることを特徴とする。
本発明に係る鉛蓄電池は、キャパシタ電極が接着剤によらずに負極又は正極の間のギャップに充填されて負極又は正極と密接するように設置されているので、安価に製造される。また、キャパシタ電極及び負極又は正極の間はキャパシタ電極の隙間を塞ぐ接着剤を使用しないので、比較的に大きい表面積を確保することができる。
本発明に係る鉛蓄電池の第1の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る鉛蓄電池の第2の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る鉛蓄電池の第3の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る鉛蓄電池の第4の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る鉛蓄電池の第5の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 本発明に係る鉛蓄電池の第6の実施形態の構成を概略的に示す断面図である。 従来の鉛蓄電池の一例を概略的に示す図である
以下添付図面に従って本発明に係る鉛蓄電池のいくつかの実施の形態について詳説する。なお、同一構成及び機能を有する構成要素については、同一番号を付してその説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1には、本発明の第1の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を概略的に示している。第1の実施形態に係る鉛蓄電池は、蓄電池ケース10と、鉛ベース負極ユニット22と、二酸化鉛ベース正極ユニット21と、セパレータユニット3と、キャパシタ電極ユニット4とを備えている。
蓄電池ケース10は、図1に示されているように、その上端が上向きに開口し、下端が閉塞されて流動性の物質を入れることができる収容空間を画成した有底筒状である胴部を有し、その中に硫酸ベース電解液5が収容されている。硫酸ベース電解液5としては、硫酸のような酸電解液が好ましい。
鉛ベース負極ユニット22、二酸化鉛ベース正極ユニット21及びセパレータユニット3はそれぞれ、第1の方向に長く延伸されて硫酸ベース電解液5に浸されるように設けられている。この形態では、鉛ベース負極ユニット22と二酸化鉛ベース正極21とが第1の方向と直角に交わる方向である第2の方向に間隔をあけて交互に並ぶように設けられ、セパレータユニット3が鉛ベース負極ユニット22と二酸化鉛ベース正極21との間にギャップ6をあけて介入された状態又はギャップ6を充満するように嵌挿した状態で設けられている。なお、第1の方向と第2の方向とは、図面視の上下方向及び左右方向である。
キャパシタユニット4は、鉛ベース負極ユニット22及び二酸化鉛ベース正極ユニット21における一方に接触すると共にギャップ6を充填するよう、第1の方向に沿って長く延伸されて硫酸ベース電解液5に浸されるように設けられている。
この形態では、鉛ベース負極ユニット22は、互いに間隔をあけて第2の方向に沿って並ぶように設けられた複数の負極221を有し、二酸化鉛ベース正極ユニット21は、間隔をあけて第2の方向に並ぶと共に、負極221と互い違いに設けられた複数の正極211を有する。ギャップ6として、この形態では、複数のギャップ6を有することで、複数の負極221と複数の正極211とがそれぞれ間隔をあけて互い違いに設けられている。複数の負極221は、配線(図示せず)により一つの負極端子(図示せず)につながるように配置され、複数の正極211は他の配線(図示せず)により一つの正極端子(図示せず)につながるように配置されている。
負極221及び正極211のそれぞれは、集電体(current collector)であって、例えば鉛又は鉛合金からなった金属グリッドに例えば鉛と希硫酸を混合したペースト状の電極材料を塗布し、電気化学反応によって鉛又は二酸化鉛として作られるものである。
セパレータユニット3は、複数のセパレータ31を有し、複数のセパレータ31はそれぞれ、隣接した負極221と正極211の間に介入するように、隣接した負極221と正極211における一方に接触するように設けられている。少なくとも一対の隣接した負極221と正極211における一方がセパレータ31と接触すると共に、他方が該セパレータ31からギャップ6をあけて離れるように配置されている。
キャパシタ電極ユニット4は、複数のキャパシタ電極41を有し、複数のキャパシタ電極41のそれぞれが同じ極性を共有すべく少なくとも一対の隣接した負極221及び正極211における他方に接触すると共にギャップ6を充填するように設けられている。
この形態では、隣接した負極221及び正極211の内の上述した一方が正極211、他方が負極221であり、キャパシタ電極41の片面が接着剤によらず負極221に密接し、セパレータ31の一面がキャパシタ電極41の負極221に密接した面と反対側の面に接着剤などにより連結されると共に、他面が正極211に接触するように隣接した負極221及び正極211の間に嵌挿して設けられている。また、一対の隣接した負極221及び正極211の間にキャパシタ電極41を嵌挿せずに一つのセパレータ31が介設されている。
キャパシタ電極41は、可撓性をもつように、例えば炭素繊維織物などの炭素ベース繊維材料から多孔性で且つ炭素繊維が均一に分散されるようにつくられたものである。
炭素繊維織物は、一例として前駆体ポリマーウェブに対して炭化処理を施すことによりつくられるものである。前駆体ポリマーウェブは、ポリアクリロニトリルベース材料、ピッチベース材料、セルロースベース材料又はフェノールホルムアルデヒド樹脂などから選ばれたものからつくられるものである。また、炭素繊維織物は、他例として炭素繊維糸で編んだものである。
さらに、炭素繊維織物としては、未改質型炭素繊維織物であってもよく、改質型炭素繊維織物であってもよい。改質型炭素繊維織物としては、未改質炭素繊維織物に対して連続的に表面が官能基化される処理を行ったものが好ましい。表面官能基化処理とは、300℃〜500℃の高温処理、プラズマ処理、或いは化学処理による熱処理、又は硫黄を含まないが金属を含有する表面修飾剤で行う。
また、炭素繊維織物のサイズは、鉛ベース負極ユニット22又は二酸化鉛ベース正極ユニット21のサイズに応じて調整してもよく、または鉛蓄電極の特性に応じて調節してもよい。炭素繊維織物としては、鉛ベース負極ユニット22又は二酸化鉛ベース正極ユニット21を被覆するのに、被覆する負極221又は正極211の全面積の内の10〜100%の面積を被覆できる大きさのものを用いることが好ましい。また、炭素繊維織物としては、0.1〜2.0mmの厚さ、800m/g以上の比表面積を有することが好ましい。この形態では、キャパシタ電極41のそれぞれは、厚さが0.4mm、大きさが負極221の全面積の90%を被覆できる大きさの炭素繊維織物によってつくられている。
キャパシタ電極41は、接着剤を用いて対応するセパレータ31に接着されることが好ましい。接着剤は、硫酸ベース電解液5と反応しないものが好ましく、例えば、フッ素ベースポリマー接着剤、アクリレートベース接着剤、ポリスチレンベース接着剤、フェノールベース接着剤、又は二酸化ケイ素系接着剤である。フッ素ベースポリマー接着剤は、一例としてテトラフルオロエチレン系接着剤である。
第1の実施形態では、鉛蓄電池として、制御弁式鉛蓄電池(VRLA)が用いられ、電解反応により、電解液5の水がなくなるが、キャパシタ電極41が炭素繊維織物によって作られた多孔性を備えたものであると、二酸化鉛ベース正極ユニット21で発生した酸素がセパレータ31およびキャパシタ電極41を通過し、鉛ベース負極ユニット22で還元して水になるので、電解液における水がなくなることを解消することができる。
この形態に係る鉛蓄電池の製造にあたっては、まず、蓄電池ケース10に正極21と負極22とが交互に並ぶように配置され、次にキャパシタ電極41の片面がセパレータ31にアクリレートベース接着剤によって接着される。そして、キャパシタ電極41と接着しない一つのセパレータ31を、一対の隣接した負極221と正極211の間に嵌挿すると共に、キャパシタ電極41と接着されたセパレータ31を、キャパシタ電極41のセパレータ31と接着された片面と反対側の面が負極221に接触するように、前もって蓄電池ケース10に取り付けられた隣接した負極221と正極211の間に嵌挿する。最後に、蓄電池ケース10に取り付けられた負極221、正極211、セパレータ31及びキャパシタ電極41が浸されるように硫酸ベース電解液5を蓄電池ケース10内に充満させてから、蓄電池ケース10を密封状に封する。以上によって、鉛蓄電池2が製造される。
以上のように構成された鉛蓄電池は、キャパシタ電極41が接着剤によらずに負極221又は正極211の間のギャップ6を充填して負極221又は正極211と密接するように設置されているので、安価に製造される。また、キャパシタ電極41及び負極221又は正極211の間にはキャパシタ電極41の隙間を塞ぐ接着剤を使用しないので、キャパシタ電極41が比較的に大きい表面積を確保することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。
(第2の実施形態)
図2には、本発明の第2の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を示している。第1の実施形態では、隣接した負極221と正極211との間にセパレータ31だけを介入して配置された組みがあるが、第2の実施形態では、正極211の第2の方向沿いの両面にセパレータ31、31が接着により設けられ、キャパシタ電極41が、負極221の第2の方向沿いの両面に配置されて、隣接した負極221及び正極211の間に負極221と接触すると共に負極221とセパレータ31との間のギャップ6を充填している。
このように構成された鉛蓄電池は、キャパシタ電極41を接着剤によらずに負極221と接触させて設けていることにより、安価に製造される。また、キャパシタ電極41及び負極221の間にはキャパシタ電極41の隙間を塞ぐ接着剤を使用しないので、キャパシタ電極41が比較的に大きい表面積を確保することができる。
(第3の実施形態)
図3には、本発明の第3の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を示している。第1の実施形態では、隣接した負極221と正極211との間にセパレータ31だけを介入させて配置された組みがあり、第2の実施形態では、正極211とセパレータ31とが密接して設けられているが、第3の実施形態では、キャパシタ電極41がギャップ6を充填するように負極221及び正極211の第2の方向沿いの両面にそれぞれ接触して設けられ、且つ、隣接した負極221及び正極211の間の対向したキャパシタ電極41の間にセパレータ31が接着により設けられている。
このように構成された第3の実施形態に係る鉛蓄電池は、キャパシタ電極41を接着剤によらずに負極221及び正極211と接触して設けているので、上記実施形態と同様な効果を有する。
(第4の実施形態)
図4には、本発明の第4の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を示している。第4の実施形態は第2の実施形態と類似しているが、更に、それぞれ同じ極性を有する2つのキャパシタ電極41を連結する複数の連結キャパシタ42を有する。連結キャパシタ42はそれぞれ、2つのキャパシタ電極41と同じ炭素繊維織物からつくられている。連結キャパシタ42によって負極221の両側のキャパシタ電池41を連結している。連結キャパシタ42は、それによって連結されたキャパシタ電極41と断面がUの字形状になるように一体的に形成されることが好ましい。
このように構成された第4の実施形態に係る鉛蓄電池は、キャパシタ電極41を接着剤によらずに負極221と接触させて設けているので、上記実施形態と同様な効果を有する。
(第5の実施形態)
図5には、本発明の第5の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を示している。第5の実施形態は第3の実施形態と類似しているが、第4の実施形態と同様に、更に、それぞれ同じ極性を有する2つのキャパシタ電極41を連結する複数の連結キャパシタ42を有する。連結キャパシタ42はそれぞれ、2つのキャパシタ電極41と同じ炭素繊維織物からつくられている。連結キャパシタ42によって負極221の両側のキャパシタ電池41を連結している。連結キャパシタ42は、それによって連結されたキャパシタ電極41と断面がUの字形状になるように一体的に形成されることが好ましい。
このように構成された第5の実施形態に係る鉛蓄電池は、キャパシタ電極41を接着剤によらずに負極221及び正極211と接触させて設けているので、上記実施形態と同様な効果を有する。
(第6の実施形態)
図6には、本発明の第6の実施形態に係る鉛蓄電池の構成を示している。第6の実施形態は第5の実施形態と類似しているが、更に、それぞれ2つのセパレータ31を連結する複数の連結セパレータ32と、それぞれ同じ極性を有する2つのキャパシタ電極41を連結する複数の連結キャパシタ42とを有する。連結キャパシタ42はそれぞれ、2つのキャパシタ電極41と同じ炭素繊維織物からつくられている。連結キャパシタ42によって、正極211を挟んで隣接する2つの負極221の間における、各負極221とそれぞれ接する2つのキャパシタ電極41同士と、正極211とそれぞれ接する2つのキャパシタ電極41同士とがそれぞれ断面がUの字型状に連結されている。また、連結セパレータ32によって、正極211を挟んで隣接する2つの負極221の間における、正極211の両側の2つのセパレータ31同士をUの字形状に一体的に連結している。
このように構成された第6の実施形態に係る鉛蓄電池は、キャパシタ電極41を接着剤によらずに負極221及び正極211と接触させて設けているので、上記実施形態と同様な効果を有する。
上記実施形態においてセパレータ31は、例えば、アクリレートベース接着剤によって負極221、正極211、キャパシタ電極41と接着されている。
上記実施形態において連結キャパシタ42によって一体的にUの字形に連結されたキャパシタ電極41としては、長さが135mm、幅が40mm、厚さが0.4mmの炭素繊維織物が使用されている。
以上により、キャパシタ電極41が接着剤によらずに負極221又は正極211の間のギャップ6を充填して負極221又は正極211と密接するように設置されているので、安価に製造される。また、キャパシタ電極41及び負極221又は正極211の間はキャパシタ電極41の隙間を塞ぐ接着剤を使用しないので、キャパシタ電極41が比較的に大きい表面積を確保することができる鉛蓄電池が得られる。
本発明に係る鉛蓄電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの二次電池として有用である。
3 セパレータユニット
4 キャパシタ電極ユニット
5 電解液
6 ギャップ
10 蓄電池ケース
21 二酸化鉛ベース正極ユニット
22 鉛ベース負極ユニット
31 セパレータ
32 連結セパレータ
41 キャパシタ電極
42 連結キャパシタ
211 正極
221 負極

Claims (11)

  1. 硫酸ベース電解液が収容されている蓄電池ケースと、
    前記硫酸ベース電解液に浸漬するように第1の方向に長く延伸されて設けられた鉛ベース負極ユニットと、
    前記第1の方向と直角に交わる方向である第2の方向に前記鉛ベース負極ユニットとギャップをあけて交互に並ぶと共に、前記第1の方向に長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられた二酸化鉛ベース正極ユニットと、
    前記鉛ベース負極ユニット及び前記二酸化鉛ベース正極ユニットの間に介入した状態で、前記第1の方向に長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられたセパレータユニットと、
    炭素ベース繊維材料からつくられ、前記鉛ベース負極ユニット及び前記二酸化鉛ベース正極ユニットにおける少なくとも一方に接触すると共に前記ギャップを充填するよう、前記第1の方向に沿って長く延伸されて前記硫酸ベース電解液に浸されるように設けられたキャパシタ電極ユニットと
    を備えていることを特徴とする鉛蓄電池。
  2. 前記キャパシタ電極ユニットは、可撓性をもつことを特徴とする請求項1に記載の鉛蓄電池。
  3. 前記キャパシタ電極ユニットは、炭素繊維織物からつくられることを特徴とする請求項2に記載の鉛蓄電池。
  4. 前記炭素繊維織物は、前駆体ポリマーウェブに対して炭化処理を施すことによりつくられたものであることを特徴とする請求項3に記載の鉛蓄電池。
  5. 前記前駆体ポリマーウェブは、ポリアクリロニトリルベース材料、ピッチベース材料、セルロースベース材料又はフェノールホルムアルデヒド樹脂から選ばれたものからつくられたことを特徴とする請求項4に記載の鉛蓄電池。
  6. 前記鉛ベース負極ユニットは、前記第2の方向に沿って間隔をあけて並ぶように設けられた複数の負極を有し、
    前記二酸化鉛ベース正極ユニットは、前記負極と互い違いに設けられた複数の正極を有し、
    前記ギャップを、複数有し、
    前記セパレータユニットは、複数のセパレータを有し、複数の前記セパレータはそれぞれ、隣接した前記負極と前記正極の間に介入するように、隣接した前記負極と前記正極における一方に接触するように設けられ、
    前記キャパシタ電極ユニットは、複数のキャパシタ電極を有し、複数の前記キャパシタ電極はそれぞれ同じ極性を共有すべく隣接した前記負極及び前記正極における他方に接触するように前記ギャップを充填するように設けられていることを特徴とする請求項3に記載の鉛蓄電池。
  7. 更に、それぞれ同じ極性を有する2つの前記キャパシタ電極を連結する複数の連結キャパシタを有することを特徴とする請求項6に記載の鉛蓄電池。
  8. 前記連結キャパシタはそれぞれ、2つの前記キャパシタ電極と同じ炭素繊維織物からつくられることを特徴とする請求項7に記載の鉛蓄電池。
  9. 前記連結キャパシタは、それによって連結された前記キャパシタ電極と一体的に形成されたことを特徴とする請求項8に記載の鉛蓄電池。
  10. 前記キャパシタ電極は、同じ前記ギャップに介入した前記セパレータと接着によって連結されることを特徴とする請求項6に記載の鉛蓄電池。
  11. 前記キャパシタ電極は、800m/g以上の比表面積を有することを特徴とする請求項6に記載の鉛蓄電池。
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