JP2018018799A - 鉛蓄電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負極板2と、正極板3と、負極板2と正極板3との間に介在するセパレータ4と、電解液と、を備え、負極板2は、負極集電体と、負極電極材料と、を備え、負極電極材料は、硫黄元素を含む有機防縮剤と、繊維状物質と、を含み、負極電極材料の密度が、2.5〜4.0g/cm3、好ましくは2.7〜4.0g/cm3であり、有機防縮剤中の前記硫黄元素の含有量が、3000μmol/gより大きい、鉛蓄電池1。
【選択図】図2B
Description
(負極板)
鉛蓄電池の負極板は、負極集電体と、負極電極材料とを具備する。負極電極材料は、負極集電体に保持されている。負極集電体は、鉛(Pb)または鉛合金の鋳造により形成してもよく、鉛または鉛合金シートを加工して形成してもよい。加工方法としては、エキスパンド加工や打ち抜き(パンチング)が挙げられる。
鉛蓄電池の正極板は、ペースト式、クラッド式などに分類できる。
ペースト式正極板は、正極集電体と、正極電極材料とを具備する。正極電極材料は、正極集電体に保持されている。正極集電体は、負極集電体と同様に形成すればよく、鉛または鉛合金の鋳造や、鉛または鉛合金シートの加工により形成することができる。
クラッド式正極は、複数の多孔質のチューブと、各チューブ内に挿入される芯金と、芯金が挿入されたチューブ内に充填される正極電極材料と、複数のチューブを連結する連座とを具備する。
電解液は、硫酸を含む水溶液であり、必要に応じてゲル化させてもよい。ゲル化の程度は、特に限定されない。流動性を有するゾルからゲル状態の電解液を用いてもよく、流動性を有さないゲル状態の電解質を用いてもよい。
セパレータには、微多孔膜、不織布、AGM(Absorbed glass mat)などが用いられる。液式鉛蓄電池には、通常、微多孔膜が用いられる。一方、制御弁式鉛蓄電池には、通常、電解液を保持するリテーナの機能を有するAGMが用いられる。
(1)負極電極材料の密度
負極電極材料の密度は化成後の負極電極材料のかさ密度の値を意味し、以下のようにして測定する。化成後の電池を満充電してから解体し、入手した負極板に、水洗と乾燥とを施すことにより負極板中の電解液を除く。次いで、負極板から負極電極材料を分離して、未粉砕の測定試料を入手する。測定容器に試料を投入し、真空排気した後、0.5〜0.55psiaの圧力で水銀を満たして、負極電極材料のかさ容積を測定し、測定試料の質量をかさ容積で除すことにより、負極電極材料のかさ密度を求める。なお、測定容器の容積から、水銀の注入容積を差し引いた容積をかさ容積とする。
この明細書における5時間率電流は、電池公称容量を5時間で放電する電流値であり、例えば公称容量が30Ahの電池であれば、5時間率電流は6Aであり、1mCAは30mAである。
まず、化成後に満充電した鉛蓄電池を分解し、負極板を取り出し、水洗により硫酸を除去し、乾燥する。次に、乾燥した負極板から負極電極材料(初期試料)を採取し、初期試料を下記方法で分析する。
初期試料を1mol/LのNaOH水溶液に浸漬し、有機防縮剤を抽出する。次に、抽出された有機防縮剤を含むNaOH水溶液から不溶成分を濾過で取り除き、得られた濾液を透析により脱塩した後、濃縮し、乾燥する。脱塩は、濾液を透析チューブに入れて蒸留水中に浸すことにより行えばよい。これにより有機防縮剤の粉末試料が得られる。
上記(2−1)と同様に、有機防縮剤を含むNaOH水溶液の濾液を得た後、濾液の紫外可視吸収スペクトルを測定する。スペクトル強度と、予め作成した検量線とを用いて、負極電極材料中の有機防縮剤の含有量を定量することができる。
上記(2−1)と同様に、有機防縮剤の粉末試料を得た後、酸素燃焼フラスコ法によって、0.1gの有機防縮剤中の硫黄元素を硫酸に変換する。このとき、吸着液を入れたフラスコ内で粉末試料を燃焼させることで、硫酸イオンが吸着液に溶け込んだ溶出液が得られる。次に、トリン(thorin)を指示薬として、溶出液を過塩素酸バリウムで滴定することにより、0.1gの有機防縮剤中の硫黄元素の含有量(C1)を求める。次に、C1を10倍して1g当たりの有機防縮剤中の硫黄元素の含有量(μmol/g)を算出する。
水洗と乾燥とを施した負極電極材料10gを粉砕し、1:2硝酸(濃硝酸と水とを容積比で1:2に混合)50mLにより加熱下で溶解し、大過剰の過飽和酢酸アンモニウム水溶液を加えて撹拌し、硫酸鉛を完全に溶解させる。この溶液をグラスフィルターで濾過し、繊維状物質を濾集する。繊維状物質を洗浄、乾燥させた後に、その質量を測定し、繊維状物質の含有量を算出する。また、平均繊維長および平均繊維径は、得られた繊維状物質を光学顕微鏡で観察して求める。
鉛蓄電池1は、極板群11と電解液12とを収容する電槽10を具備する。極板群11は、それぞれ複数枚の負極板2および正極板3を、セパレータ4を介して積層することにより構成されている。ここでは、負極板2が、2つに折り畳まれたセパレータ4で包まれている状態を示すが、セパレータの形態は特に限定されない。
(1)負極板の作製
鉛粉、水、希硫酸、硫酸バリウム、カーボンブラック、所定量の有機防縮剤、および所定量の繊維状物質を混合して、負極ペーストを得た。負極ペーストを、Pb−Sb系合金製の鋳造格子の網目部に充填し、熟成乾燥し、未化成の負極板を得た。未化成の負極板の厚さは、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極板の厚さが3mmになるように設計した。また、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料が0.1質量%のBaSO4と0.2質量%のカーボンブラックを含むように負極ペーストを配合した。
負極電極材料の密度の測定装置には、島津製作所製、自動ポロシメータ、オートポアIV9505を用い、前述の方法を用いて測定した。
鉛粉を含む正極ペーストを調製し、複数のPb−Sb系合金製の芯金がそれぞれ挿入されたガラス繊維製の複数のチューブに正極ペーストを充填し、樹脂製の連座でチューブの開口を閉じて、未化成の正極板を組み立てた。
未化成の負極板を、袋状のポリエチレン製の微多孔膜(セパレータ)に収容し、未化成の負極板4枚と未化成の正極板3枚とで極板群を形成した。
負極電極材料に繊維状物質を含ませなかったこと以外、実施例1と同様に極板群を作製し、鉛蓄電池を組み立てた。
実施例1および比較例1の鉛蓄電池に関し、30℃の水槽中で、41.3A×3時間の放電と、29.7A×5時間の充電との充放電サイクルを繰り返し、200サイクル経過毎に、165Aで100秒間の高率放電を行った。このとき、100秒目の放電電圧と開回路電圧(OCV)との差を、電圧降下として求めた。
表1および図3に、充放電サイクル数と電圧降下との関係を示す。
有機防縮剤中の硫黄元素の含有量を4000μmol/gにするとともに、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度を2.3g/cm3〜4.5g/cm3の範囲で変化させたこと以外、実施例1と同様に、複数種の極板群を作製し、表2に示す鉛蓄電池4000A〜4000Gを組み立てた。鉛蓄電池4000A、4000Gは参考例である。
負極電極材料に繊維状物質を含ませなかったこと以外、実施例2と同様に、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が2.3g/cm3〜4.5g/cm3の負極板を具備する複数種の極板群を作製し、表3に示す鉛蓄電池4000a〜4000gを組み立てた。
実施例2および比較例2の鉛蓄電池に関し、評価1と同様の充放電サイクルを繰り返し、600サイクル経過後の高率放電時の電圧降下を求めた。
表4および図4に、負極電極材料の密度と600サイクル目の電圧降下との関係を示す。
合成有機防縮剤の硫黄元素の含有量を3000μmol/gに変更したこと以外、実施例2と同様に、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が2.3g/cm3〜4.5g/cm3である複数種の極板群を作製し、表5に示す鉛蓄電池3000A〜3000Gを組み立てた。
合成有機防縮剤の硫黄元素の含有量を5000μmol/gに変更したこと以外、実施例2と同様に、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が2.3g/cm3〜4.5g/cm3である複数種の極板群を作製し、表6に示す鉛蓄電池5000A〜5000Gを組み立てた。鉛蓄電池5000A、5000Gは参考例である。
合成有機防縮剤の硫黄元素の含有量を6000μmol/gに変更したこと以外、実施例2と同様に、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が2.3g/cm3〜4.5g/cm3である複数種の極板群を作製し、表7に示す鉛蓄電池6000A〜6000Gを組み立てた。鉛蓄電池6000A、6000Gは参考例である。
合成有機防縮剤の硫黄元素の含有量を8000μmol/gに変更したこと以外、実施例2と同様に、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が2.3g/cm3〜4.5g/cm3である複数種の極板群を作製し、表8に示す鉛蓄電池8000A〜8000Gを組み立てた。鉛蓄電池8000A、8000Gは参考例である。
実施例2、3〜5および比較例3の鉛蓄電池に関し、評価1と同様の充放電サイクルを繰り返し、600サイクル経過後の高率放電時の電圧降下を求めた。
表9および図5に、有機防縮剤中の硫黄元素の含有量を変化させたときの、負極電極材料の密度と、600サイクル経過後の高率放電時の電圧降下との関係を示す。
合成有機防縮剤の硫黄元素の含有量を3000μmol/g、4000μmol/g、6000μmol/gまたは8000μmol/gに変更し、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が3.2g/cm3になるようにしたこと以外、比較例1と同様に、繊維状物質を含まない負極板を具備する極板群を作製し、表10に示す鉛蓄電池3000d、4000d、5000d、6000dおよび8000dを組み立てた。なお、表10中、鉛蓄電池5000dは比較例1の鉛蓄電池の一つと同じであり、鉛蓄電池4000dは比較例2の鉛蓄電池の一つと同じである。
合成有機防縮剤を、リグニン(硫黄元素の含有量は600μmol/g)に変更し、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が3.2g/cm3になるようにしたこと以外、実施例1と同様に、繊維状物質を含む負極板を具備する極板群を作製し、鉛蓄電池600Dを組み立てた。
合成有機防縮剤を、リグニン(硫黄元素の含有量は600μmol/g)に変更し、化成後に満充電した鉛蓄電池の負極電極材料の密度が3.2g/cm3になるようにしたこと以外、比較例1と同様に、繊維状物質を含まない負極板を具備する極板群を作製し、鉛蓄電池600dを組み立てた。
比較例4〜6の鉛蓄電池に関し、評価1と同様の充放電サイクルを繰り返し、600サイクル経過後の高率放電時の電圧降下を求めた。表10に、比較例1、4〜6の鉛蓄電池の電圧降下を示す。
有機防縮剤中の硫黄元素の含有量を4000μmol/gにするとともに、負極板の厚さを2mm〜6mmの範囲で変更したこと以外、実施例1と同様に、複数種の極板群を作製し、表12に示す鉛蓄電池4000X(2)〜4000X(6)を組み立てた。また、負極板の厚さに応じて、定格容量を変化させた。
実施例6の鉛蓄電池に関し、評価1と同様の充放電サイクルを繰り返し、600サイクル経過後の高率放電時の電圧降下を求めた。表12に、実施例6の鉛蓄電池の電圧降下を、初期値に対する百分率(%)で示す。
2:負極板
3:正極板
4:セパレータ
5a:負極用ストラップ
5b:正極用ストラップ
6a:負極柱
6b:正極柱
10:電槽
11:極板群
12:電解液
Claims (4)
- 負極板と、正極板と、前記負極板と前記正極板との間に介在するセパレータと、電解液と、を備え、
前記負極板は、負極集電体と、負極電極材料と、を備え、
前記負極電極材料は、硫黄元素を含む有機防縮剤と、繊維状物質と、を含み、
前記負極電極材料の密度が、2.5g/cm3以上、4.0g/cm3以下であり、
前記有機防縮剤中の前記硫黄元素の含有量が、3000μmol/gより大きい、鉛蓄電池。 - 前記負極電極材料の密度が、2.7g/cm3以上、4.0g/cm3以下である、請求項1に記載の鉛蓄電池。
- 前記負極板の厚さが、2mm以上である、請求項1または2に記載の鉛蓄電池。
- 前記繊維状物質が、ポリマー繊維である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
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