JP2016058238A - 鉛蓄電池、鉛蓄電池を備えた自動車及び鉛蓄電池の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの上側部分で生じるデンドライトショートを防ぐ鉛蓄電池の提供。
【解決手段】正極板及び負極板がシート状のセパレータ１を介して配置された極板群を有する鉛蓄電池であって、前記セパレータの上側部分における厚みは、前記セパレータの下側部分における厚みよりも薄い。特にセパレータ１の表面の上下に亘ってリブ１１が形成されており、セパレータ１の上側部分１ｘにおけるリブ高さが、セパレータ１の下側部分１ｙにおけるリブ高さよりも低くなる様に構成されている鉛蓄電池。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉛蓄電池、鉛蓄電池を備えた自動車及び鉛蓄電池の使用方法に関するものである。

例えば、特許文献１には、アイドリングストップシステムが採用された自動車に搭載された鉛蓄電池は、デンドライトショートが起こりやすいことが開示されている。そこで、セパレータのベース部の平均細孔径を０．０２〜０．２μｍ、空隙率を５５〜７５％、及び、最大孔径を０．３〜０．８μにして、このベース部に対するリブ部の平均細孔径、空隙率、及び最大孔径を０．８倍以下にすることで、デンドライトショートを起こりにくくしている。

特開２０１３−２１１１１５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のセパレータを鉛蓄電池に用いたとしても、デンドライトショートを低減するには不十分な場合があった。本願発明者は、鋭意検討の結果、ＰＳＯＣ（Partial State of charge：不完全充電状態）で鉛蓄電池を使用する環境下においては、極板群の上側部分でデンドライトショートが発生しやすいことを知見した。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべく、上記知見に基づいてなされたものであり、セパレータの上側部分で生じるデンドライトショートを低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る鉛蓄電池は、正極板及び負極板がシート状のセパレータを介して配置された極板群を有する鉛蓄電池であって、前記セパレータの上側部分における厚みは、前記セパレータの下側部分における厚みよりも薄いことを特徴とする。なお、前記セパレータの上側部分における厚みが、前記セパレータの下側部分における厚みよりも薄いとは、前記セパレータの上側部分における最も厚い部分においても、前記セパレータの下側部分の全体よりも薄いことを意味する。
このようなものであれば、正極板と負極板との間の極間が、セパレータの下側部分によって維持される。そして、セパレータの上側部分の厚みは下側部分よりも薄いため、セパレータは正極板および負極板の両方もしくは一方から離れて、その間に隙間が形成される。この隙間により、極板群の上側部分においてデンドライトが成長しづらくなり、デンドライトショートを低減することができる。したがって、セパレータの下側部分の厚みに応じて極間を狭く維持しつつ、極板群の上側部分におけるデンドライトショートを低減することができる。

前記セパレータが、扁平なベースと、前記ベースの少なくとも一方の面から突出したリブと、を有しており、前記セパレータの上側部分におけるリブ高さが、前記セパレータの下側部分におけるリブ高さよりも低いことを特徴とする。
このようなものであれば、ベースの厚みが均一になっていることで、セパレータの面内における電気抵抗を均一にしつつ、極板群の上側部分におけるデンドライトショートを低減することができる。

前記セパレータが、扁平なベースと、前記ベースの少なくとも一方の面の下側部分からのみ突出したリブと、を有することを特徴とする。
このようなものであれば、ベースの厚みが均一になっていることで、セパレータの面内における電気抵抗を均一にしつつ、セパレータの上側部分と正極板または負極板との間に隙間を形成して、極板群の上側部分におけるデンドライトショートを低減することができる。

前記正極板及び前記負極板は、上方に突出した耳部をそれぞれ有し、同極性の前記耳部が導電性部材により接合されていることが好ましい。
これならば、セパレータの下側部分と極板とがリブを介して接触しており、且つ、極板が上方において耳部を介してストラップに接続される。これにより、極板群の上側部分を挟んだ上下が固定されて、セパレータの上側部分と極板との間の隙間の間隔が一定に維持され、極板群の上側部分におけるデンドライトショートをより確実に低減することができる。

前記セパレータの前記リブの先端面は、先端側に向かって凸状に湾曲していることが好ましい。
これならば、極板に近い位置で対向する、セパレータの上側部分のリブの面積が小さくなり、デンドライトショートを一層低減することができる。

この発明の鉛蓄電池は任意の用途に用いることができるが、特にアイドリングストップ車及び充電制御車に適している。ここでアイドリングストップ車とは、アイドリング時にエンジンを停止し鉛蓄電池の電力で電装品を動作させると共に、アイドリングからの発進時に鉛蓄電池の電力でエンジンを再始動する自動車をいう。充電制御車とは、鉛蓄電池の充電率が低いときにのみオルタネータを動作させ、充電率が高いときは鉛蓄電池を充電せずに、鉛蓄電池の電力により電装品を動作させる自動車をいう。上述したアイドリングストップ車や充電制御車に搭載される鉛蓄電池はＰＳＯＣで使用された場合、セパレータの上側部分でデンドライトショートが発生しやすい。そこで、上記課題を解消する本発明の鉛蓄電池は、アイドリングストップ車及び充電制御車で特に高い性能を発揮する。

また、本発明に係る自動車は、上述した鉛蓄電池を搭載することを特徴とする。

さらに、本発明に係る鉛蓄電池の使用方法では、上述した鉛蓄電池の蓋を上側として使用することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、セパレータの上側部分で生じるデンドライトショートを低減することができる。

本実施形態の極板群の構成を示す断面図。 同実施形態のセパレータの正極板と対向する側の平面図。 同実施形態のセパレータの構成を示す断面図であり、（ａ）はセパレータの上側部分における断面図、（ｂ）はセパレータの下側部分における断面図。 同実施形態のセパレータの形成方法の一例を示す図。 変形実施形態のセパレータの構成を示す平面図及び側面図。

以下に本発明に係る鉛蓄電池の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の鉛蓄電池は、液式鉛蓄電池であり、アイドリングストップシステムや充電制御システムを有する自動車に搭載されて、ＰＳＯＣにおいて使用されるものである。また、この鉛蓄電池は、電槽の開口を封止する蓋を上側として、自動車のエンジンルームに搭載されて使用される。

具体的に鉛蓄電池は、図１に示すように、正極板２及び負極板３をセパレータ１を介して積層して構成された極板群を有している。この鉛蓄電池用セパレータ１は、正極活物質（二酸化鉛）を有する正極板２と負極活物質（海綿状鉛）を有する負極板３との間に設けられて、正・負極板２、３間の短絡を防止するとともに、当該両極板２、３間の間隔を保って、極板２、３間に電解液を保持するものである。本実施形態のセパレータ１は、例えば微孔ポリエチレンセパレータからなるシート状であり、正極板２の両側をＵ字に包み、左右両端がシールされた袋状のセパレータである。なお、複数の正極板２の耳部２１は、正極ストラップ（不図示）に接続され、複数の負極板３の耳部３１は、負極ストラップ４に接続される。

そして、このセパレータ１は、図１〜図３に示すように、扁平なベース１２の正極板２に対向する面１ａに上下方向に沿って複数のリブ１１が形成されている。ここで、上下方向は、鉛蓄電池の高さ方向と同一である。本実施形態の複数のリブ１１は、互いに平行且つ等間隔に形成されている。本実施形態のセパレータ１は、Ｕ字状のセパレータであるため、セパレータ１の互いに対向する内面それぞれが正極板に対向する面１ａとなる。

各リブ１１は、正極板２に対向する面１ａの上端から下端に亘って形成されており、セパレータ１の上側部分１ｘにおけるリブ高さが、セパレータ１の下側部分１ｙにおけるリブ高さよりも低くなるように構成されている。つまり、複数のリブ１１それぞれにおいて、リブ１１の上側部分１１ｍの高さが、リブ１１の下側部分１１ｎの高さよりも低くなるように構成されている。すなわち、セパレータ１の上側部分１ｘにおける最も厚い部分においても、セパレータ１の下側部分１ｙの全体よりも薄くなっている。

ここで、セパレータ１の上側部分１ｘは、セパレータ１の上端からＵ字に湾曲する部分の下端までのうち上側１／３〜１／２の領域であり、セパレータ１の下側部分１ｙは、前記上側部分１ｘ以外の領域である（図２参照）。また、リブ高さは、セパレータ１のベース１２の表面からリブ１１の先端面（頂面）１１ａまでの距離である（図３参照）。また、リブ１１の先端面の断面輪郭形状は、凸状に湾曲している。図３には、先端角部を面取り（Ｒ面取り）した形状を示しているが、リブ１１の先端面の断面輪郭形状全体が例えば半円状等の部分円形状をなすものであっても良い。その他、概略矩形状や概略台形状等の多角形状をなすもの、又は曲線及び直線を組み合わせた形状をなすもの等であっても良い。

そして、セパレータ１の上側部分１ｘのリブ１１（１１ｍ）は、ベース１２側に押し潰されることにより、セパレータ１の下側部分１ｙにおけるリブ１１（１１ｎ）のリブ高さよりも低くされている。また、セパレータ１の上側部分１ｘにおけるリブ１１（１１ｍ）の多孔度は、当該リブ１１がベース１２側に押し潰されることにより、セパレータ１の下側部分１ｙにおけるリブ１１（１１ｎ）の多孔度よりも小さくされている。

次にこのように構成したセパレータ１の形成方法について図４を参照して簡単に説明する。
一面に一方向（図４では左右方向）に沿って直線状の複数のリブ１１を有するロール状のセパレータを製造する（図４（ａ））。なお、このとき、複数のリブ１１それぞれは、左右方向の各部において略同一高さである。その後、ロールから引き出されてＵ字状に折り畳んで切る際に、セパレータ１の上側部分１ｘとなる部分に位置するリブ部分、つまり、リブ１１の上側部分１１ｍを、プレス機械などを用いて押し潰す（図４（ｂ））。これにより、本実施形態のセパレータ１が形成される（図４（ｃ））。このセパレータ１を中心線（折り畳み線）で折り畳んでＵ字状とし、その両端をシールして袋状のセパレータ１として用いる。

また、正極板２と負極板３はセパレータ１を挟んで積層された極板群の状態で、積層方向の両側から把持されて、正負のストラップに接続される。その後、極板群は積層方向の両側から把持されて、電槽（不図示）に挿入される。把持する位置としては、少なくとも極板群の下側部分を含んでいる。このようにして、正極板２と負極板３との間の極間が、セパレータ１の下側部分１ｙによって維持される。そして、セパレータ１の上側部分１ｘの厚みは、下側部分１ｙよりも薄いため、セパレータ１の上側部分１ｘは正極板２および負極板３の両方もしくは一方から離れて、その間に隙間が形成される。

ところで、アイドリングストップシステムや充電制御システムを有する自動車は、停車の都度エンジンを停止することにより燃費消費量を小さくし、発進時に鉛蓄電池からの電力でエンジンを再始動する。このため、それらの自動車に搭載される鉛蓄電池は、ＰＳＯＣで頻繁に充放電が繰り返されている。本願発明者は、ＰＳＯＣで使用されると、電解液の比重がさほど水に近づいていない状態（例えば、１．１５〜１．２８）においても、極板の上側部分においてデンドライトショートが顕著に発生し易くなることを初めて見い出した。これは、従来、電解液の比重が、例えば過放電されるなどして、電解液比重が低下して中性に近づいたとき（例えば、１．０２）に、放電過程で負極板上に生成した硫酸鉛の一部が電解液中に溶出し、電解液中の鉛の溶解度が急激に高くなり、デンドライトショートが生じる現象とは異なる現象である。

そこで、本実施形態に係る鉛蓄電池によれば、正極板２と負極板３との間の極間が、セパレータ１の下側部分１ｙによって維持される。そして、セパレータ１の上側部分１ｘの厚みは下側部分１ｙよりも薄いため、正極板２および負極板３の両方もしくは一方から離れて隙間が形成される。この隙間により、極板群の上側部分においてデンドライトが成長しづらくなり、デンドライトショートを低減することができる。したがって、セパレータ１の下側部分１ｙの厚みに応じて極間を狭く維持しつつ、極板群の上側部分におけるデンドライトショートを低減することができる。さらに、デンドライトショートが低減される構造であり、電解液の比重を従来よりも小さくすることが可能となる。また、仮に、正極板２または負極板３が湾曲するなどして、正極板２がセパレータ１の上側部分１ｘに近づいたとしても、セパレータ１の上側部分１ｘにはリブ１１が形成されているため、正極板２がセパレータ１のベース１２に接触しにくく、セパレータ１の酸化劣化を抑制することができる。また、セパレータ１の上側部分１ｘのリブ１１（１１ｍ）が正極板２に接触しにくくなり、電解液の拡散性が向上し、成層化自体も緩和することができる。このため、鉛蓄電池の寿命性能を向上させることができる。

ここで、セパレータ１の下側部分と正極板２とはリブ１１を介して接触しており、且つ、正極板２は、上方においてストラップに接続されている。これにより、極板群の上側部分を挟んだ上下が固定されて、セパレータ１の上側部分と正極板２との間の隙間の間隔が一定に維持され、極板群の上側部分におけるデンドライトショートをより確実に低減できるとともに、電解液の拡散性を向上させ、成層化自体を緩和することができる。

また、セパレータ１の上側部分１ｘにおけるリブ１１を押し潰して、リブ１１の高さ寸法をコントロールしているので、その製造が極めて容易である。さらに、上側部分１ｘにおけるリブ１１（１１ｍ）の多孔度が、下側部分１ｙにおけるリブ１１（１１ｎ）の多孔度よりも小さいので、上側部分１ｘにおけるリブ１１（１１ｍ）の細孔に入る鉛の量を減らすことができ、デンドライトショートをより一層低減することができる。さらに、セパレータ１の上側部分１ｘよりも下側部分１ｙの抵抗が小さくなるため、充電受け入れ性が上下で均一化することができ、成層化をより一層抑制することができる。

仮に、セパレータと極板とを離間した構造とするだけであれば、極板の上側部分の厚みを下側部分の厚みよりも小さくすることも考えられる。しかしながら、極板の下側部分の厚みを基準として極板の上側部分の厚みを薄くすると、上側部分の活物質量が下側部分の活物質量よりも少ないため、単位体積当たりの充放電量が下側部分よりも上側部分の方が多くなる。その結果、極板の上側部分における活物質が軟化して、極板の寿命が短くなってしまう。また、極板の下側部分を厚くすることも考えられるが、活物質の無駄が増えてしまう。また、この構成の極板を用いて鉛蓄電池を設計する場合には、極板の下側部分の厚みを基準にして設計することになるため、例えば、電槽内に収容できる極板枚数が少なくなってしまい、電池性能が低下してしまう。そこで、本発明を適用することで、上記課題も生ずることなく、セパレータの上側部分で生じるデンドライトショートを低減することができる。

これらの上述した効果は、液式鉛蓄電池特有の効果であり、密閉式鉛蓄電池（いわゆるＶＲＬＡ）では得られない効果である。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、リブの一部を押し潰すことで、上側部分におけるリブ高さを下側部分におけるリブ高さよりも低くしているが、リブの一部を削ることで、上側部分におけるリブ高さを下側部分におけるリブ高さよりも低くしても良い。また、リブをセパレータに成形する段階で、上側部分におけるリブ高さを下側部分におけるリブ高さよりも低くしても良い。

また、前記実施形態のセパレータは、正極板に対向する面の上端から下端に亘って複数のリブ１１が形成されたものであったが、図５に示すように、正極板に対向する面において下側部分１ｙにのみ上下方向に沿って複数のリブ１１が形成されたものであっても良い。つまり、正極板に対向する面において上側部分１ｘは平面である。

さらに、前記実施形態のセパレータは、袋状をなすものであったが、平板状又は左右両端がシールされていないＵ字状をなすものであっても良い。加えて、前記実施形態のセパレータは、正極板をＵ字状に包んでいたが、負極板をＵ字状に包んでもよい。

また、前記実施形態のセパレータは、上側部分におけるリブ高さを下側部分におけるリブ高さよりも低くしていたが、セパレータのベースの上側部分の厚さを下側部分よりも低くしてもよい。このとき、セパレータのリブ高さは、ベースの厚さとリブ高さを加えたセパレータの全体の厚さにおいて上側部分の厚さが下側部分よりも薄ければ、略同一であってもよいし、それぞれの位置において任意の高さであってもよい。

さらに、前記実施形態では、セパレータの全てのリブの高さが下側部分よりも上側部分において低くなるように構成されていたが、前記リブに加えて、セパレータの全面に、前記リブとは異なり、前記リブの上側部分以下のリブ高さを有する小さなリブ（いわゆるミニリブ）が形成されていてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１００・・・鉛蓄電池用セパレータ
２ ・・・正極板
３ ・・・負極板
１ａ ・・・正極板に対向する面
１ｘ ・・・セパレータの上側部分
１ｙ ・・・セパレータの下側部分
１１ ・・・リブ

Claims (8)

1. 正極板及び負極板がシート状のセパレータを介して配置された極板群を有する鉛蓄電池であって、
   前記セパレータの上側部分における厚みは、前記セパレータの下側部分における厚みよりも薄いことを特徴とする鉛蓄電池。
2. 前記セパレータが、扁平なベースと、前記ベースの少なくとも一方の面から突出したリブと、を有しており、
   前記セパレータの上側部分におけるリブ高さが、前記セパレータの下側部分におけるリブ高さよりも低い請求項１記載の鉛蓄電池。
3. 前記セパレータが、扁平なベースと、前記ベースの少なくとも一方の面の下側部分からのみ突出したリブと、を有する請求項１記載の鉛蓄電池。
4. 前記正極板及び前記負極板は、上方に突出した耳部をそれぞれ有し、
   同極性の前記耳部が導電部材により接合されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
5. 前記リブの先端面は、凸状に湾曲している請求項１乃至４の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
6. アイドリングストップ車用又は充電制御車用である請求項１乃至５の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の鉛蓄電池を搭載した自動車。
8. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の鉛蓄電池の蓋を上側として使用する鉛蓄電池の使用方法。