JP2020102359A - 鉛蓄電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記負極板は、負極電極材料を備え、
前記負極電極材料は、炭素材料および有機防縮剤を含み、
前記炭素材料の外部比表面積をSm2/g、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、
前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)は、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)は、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足し、
前記炭素材料の外部比表面積Sは、1.5m2/g以上680m2/g以下である、鉛蓄電池に関する。
前記負極電極材料を備える負極板を準備する工程と、
電槽に、正極板、負極板、および電解液を収容することにより鉛蓄電池を組み立てる工程と、を備え、
前記鉛蓄電池において、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)が、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)が、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足するように、前記負極電極材料を調製する工程において、前記炭素材料および前記有機防縮剤を添加する、鉛蓄電池の製造方法に関する。
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足する。そして、f(S・Ccn)は、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足する。ここで、炭素材料の外部比表面積Sは、1.5m2/g以上680m2/g以下である。
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)が、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足するように、負極電極材料を調製する工程において、炭素材料および有機防縮剤を添加(または配合)する。
(負極板)
負極板は、通常、負極電極材料に加え、負極集電体を備える。負極電極材料は、負極板から負極集電体を除いたものである。なお、負極板には、マット、ペースティングペーパなどの部材が貼り付けられていることがある。このような部材(貼付部材)は負極板と一体として使用されるため、負極板に含まれるものとする。また、負極板がこのような部材を含む場合には、負極電極材料は、負極集電体および貼付部材を除いたものである。ただし、セパレータにマットなどの貼付部材が貼り付けられている場合には、貼付部材の厚みは、セパレータの厚みに含まれる。
炭素材料としては、外部比表面積Sが1.5m2/g以上680m2/g以下であるものが用いられる。炭素材料の外部比表面積Sは、1.5m2/g以上であり、2m2/g以上(好ましくは2.0m2/g以上)であってもよい。より高いサイクル耐久性を確保し易い観点からは、外部比表面積Sは、15m2/g以上が好ましく、30m2/g以上がより好ましい。外部比表面積Sは、680m2/g以下であり、650m2/g以下であってもよい。より高い定温HR放電性能を確保し易い観点からは、外部比表面積Sは、150m2/g以下または100m2/g以下であってもよい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。外部比表面積Sは、例えば、1.5m2/g以上(または2m2/g以上)680m2/g以下、1.5m2/g以上(または2m2/g以上)650m2/g以下、1.5m2/g以上(または2m2/g以上)150m2/g以下、1.5m2/g以上(または2m2/g以上)100m2/g以下、15m2/g以上(または30m2/g以上)680m2/g以下、15m2/g以上(または30m2/g以上)650m2/g以下、15m2/g以上(または30m2/g以上)150m2/g以下、もしくは15m2/g以上(または30m2/g以上)100m2/g以下であってもよい。
有機防縮剤としては、例えば、リグニン類、合成有機防縮剤が用いられる。リグニン類としては、例えば、リグニン、リグニン誘導体が挙げられる。リグニン誘導体としては、リグニンスルホン酸またはその塩(ナトリウム塩などのアルカリ金属塩など)などが挙げられる。合成有機防縮剤は、硫黄元素を含む有機高分子である。合成有機防縮剤としては、例えば、硫黄含有基を有するとともに芳香環を有する化合物のアルデヒド化合物(アルデヒドまたはその縮合物、例えば、ホルムアルデヒドなど)による縮合物が挙げられるが、これに限定されるものではない。有機防縮剤は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせてもよい。
なお、本明細書中、重量平均分子量Mwは、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)により求められるものである。Mwを求める際に使用する標準物質は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムとする。
負極電極材料中の硫酸バリウムの含有量は、例えば0.05質量%以上が好ましく、0.1質量%以上であってもよい。一方、3質量%以下が好ましく、2質量%以下であってもよい。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。
以下、負極電極材料に含まれる有機防縮剤、炭素材料、および硫酸バリウムの分析および物性の決定方法などについて説明する。分析に先立ち、化成後の鉛蓄電池を満充電してから解体して1つのセルに含まれる全ての負極板を取り出し、水洗と乾燥とを施して負極板中の電解液を除く。次に、取り出した全ての負極板から負極電極材料を分離して未粉砕の初期試料を入手する。未粉砕の初期試料を粉砕し、粉砕された初期試料を得るとともに、初期試料の質量(M0)を測定する。
粉砕された初期試料の一部を採取して、4.5mol/L濃度のNaOH水溶液に浸漬し、有機防縮剤を抽出する。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除く。得られた濾液(以下、分析対象濾液とも称する。)を脱塩した後、濃縮し、乾燥すれば、有機防縮剤の粉末(以下、分析対象粉末とも称する。)が得られる。脱塩は、濾液を透析チューブに入れて蒸留水中に浸して行えばよい。上記手順の操作は、一度のみでは有機防縮剤の全量は抽出されず、残渣に残存する場合がある。その場合は、濾過時に得られた残渣を用いて上記の操作を繰り返す。このとき、操作は、抽出される有機防縮剤の質量が、前の操作までで抽出された有機防縮剤の質量の合計の100分の1以下になるまで上記と同様の条件で繰り返す。
GPC装置:ビルドアップGPCシステムSD−8022/DP−8020/AS−8020/CO−8020/UV−8020 (東ソー(株)製)
カラム:TSKgel G4000SWXL,G2000SWXL(7.8mmI.D.×30cm)(東ソー(株)製)
検出器:UV検出器、λ=210nm
溶離液:NaClを1mol/L濃度で含む溶液(溶媒:水とアセトニトリルとを体積比=7:3で含む混合溶媒))
流速:1mL/min.
濃度:10mg/mL
注入量:10μL
標準物質:ポリスチレンスルホン酸Na(Mw=12,500、7,500、5,200、1,680)
粉砕された初期試料の一部を採取し、質量(M1)を測定する。この初期試料に、(1+2)硝酸を加え、鉛成分が完全に溶解するまで加熱する。このとき、(1+2)硝酸の添加量は、初期試料1g当たり5mlとする。次に、加熱により得られる混合物を濾過して、炭素材料、硫酸バリウム等の固形分を濾別する。
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。ペースト式正極板では、正極電極材料は、正極板から正極集電体を除いたものである。正極集電体は、鉛(Pb)または鉛合金の鋳造により形成してもよく、鉛シート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、例えば、エキスパンド加工や打ち抜き(パンチング)加工が挙げられる。正極集電体として格子状の集電体を用いると、正極電極材料を担持させ易いため好ましい。クラッド式正極板は、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、複数の芯金を連結する集電部と、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。クラッド式正極板では、正極電極材料は、チューブ、芯金、集電部、および連座を除いたものである。クラッド式正極板では、芯金と集電部とを合わせて正極集電体と称する場合がある。
負極板と正極板との間には、セパレータを配置することができる。セパレータとしては、不織布、および/または微多孔膜などが用いられる。負極板と正極板との間に介在させるセパレータの厚さや枚数は、極間距離に応じて選択すればよい。
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。
電解液は、必要に応じて、カチオン(例えば、ナトリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオン、および/またはアルミニウムイオンなどの金属カチオン)、および/またはアニオン(例えば、リン酸イオンなどの硫酸アニオン以外のアニオン)を含んでいてもよい。
満充電状態の鉛蓄電池における電解液の20℃における比重は、例えば1.20以上1.35以下であり、1.25以上1.32以下であることが好ましい。
鉛蓄電池のPSOCサイクルにおけるサイクル耐久性は、例えば、サイクルにおける放電末電圧に基づいて評価できる。サイクル耐久性、低温HR放電性能、充電受入性、および炭素材料の電解液への流出は、それぞれ、次のようにして評価される。
満充電後の鉛蓄電池について、25℃で、PSOCサイクル試験を行う。より具体的には、下記の(a)〜(c)を1サイクルとして、5000サイクル繰り返し、5000サイクル目の単セル当たりの放電末電圧(V)を求める。
(a)放電深度調整:定格容量(Ah)として記載の数値の0.2倍の電流値(A)で30分間放電する。
(b)放電:定格容量(Ah)として記載の数値と同じの電流値(A)で60秒間放電する。
(c)充電:定格容量(Ah)として記載の数値の2倍の電流値(A)で30秒間充電する。
PSOCサイクル試験における5000サイクル目の放電末電圧は、1.8V/セル以上が好ましく、1.964V/セル以上がさらに好ましい。
満充電後の鉛蓄電池の1つのセルについて電解液を全て取り出し、電解液中に含まれる炭素材料を濾過により回収する。このとき、セパレータに付着した炭素材料も水洗し、電解液に含まれる炭素材料とともに、濾過することにより回収する。回収した炭素材料を水洗および乾燥し、乾燥後の炭素材料の質量(me)を測定する。上述の手順で求められる炭素材料の含有量Ccn(質量%)に上記初期試料の質量M0を乗じ、100で除することにより、負極電極材料中の炭素材料の質量mnを求める。電解液中の炭素材料の質量meを、炭素材料の質量mnで除することにより、比:me/mnを求める。me/mn比に基づいて、炭素材料の電解液への流出を評価する。me/mn比が小さいほど、炭素材料の流出が少ないことを意味する。
鉛蓄電池1は、極板群11と電解液(図示せず)とを収容する電槽12を具備する。電槽12内は、隔壁13により、複数のセル室14に仕切られている。各セル室14には、極板群11が1つずつ収納されている。電槽12の開口部は、負極端子16および正極端子17を具備する蓋15で閉じられる。蓋15には、セル室毎に液口栓18が設けられている。補水の際には、液口栓18を外して補水液が補給される。液口栓18は、セル室14内で発生したガスを電池外に排出する機能を有してもよい。
鉛蓄電池は、電槽に、正極板、負極板、および電解液を収容することにより鉛蓄電池を組み立てる工程を含む製造方法により得ることができる。鉛蓄電池の組み立て工程において、セパレータは、通常、正極板と負極板との間に介在するように配置される。鉛蓄電池の組み立て工程は、正極板、負極板、および電解液を電槽に収容する工程の後、必要に応じて、正極板および/または負極板を化成する工程を含んでもよい。
(1)正極板と、負極板と、電解液と、を備え、
前記負極板は、負極電極材料を備え、
前記負極電極材料は、炭素材料および有機防縮剤を含み、
前記炭素材料の外部比表面積をSm2/g、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、
前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)は、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)は、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足し、
前記炭素材料の外部比表面積Sは、1.5m2/g以上680m2/g以下である、鉛蓄電池。
前記負極電極材料を備える負極板を準備する工程と、
電槽に、正極板、負極板、および電解液を収容することにより鉛蓄電池を組み立てる工程と、を備え、
前記鉛蓄電池において、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)が、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)が、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足するように、前記負極電極材料を調製する工程において、前記炭素材料および前記有機防縮剤を添加する、鉛蓄電池の製造方法。
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(1)鉛蓄電池の準備
(a)負極板の作製
原料の鉛粉と、硫酸バリウムと、炭素材料と、有機防縮剤(具体的には、リグニンスルホン酸塩)とを、適量の硫酸水溶液と混合して、負極ペーストを得る。このとき、既述の手順で求められる負極電極材料中の炭素材料の含有量Ccnが表1に示す値となり、炭素材料中のアセチレンブラックの比率(AB比率)が表1に示す値となるとともに、有機防縮剤の含有量Ceが上記式(1)を充足するように各成分を混合する。負極ペーストを、Pb−Ca−Sn合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成乾燥し、未化成の負極板を得る。炭素材料としては、表1に示す外部比表面積を有するものを用いる。なお、既述の手順で求められる炭素材料の外部比表面積Sは、負極ペーストの調製に用いられる炭素材料の外部比表面積とほぼ同じである。
原料の鉛粉を硫酸水溶液と混合して、正極ペーストを得る。正極ペーストを、Pb−Ca−Sn合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成乾燥し、未化成の正極板を得る。
負極板をポリエチレン製の微多孔膜で形成された袋状セパレータに収容する。負極板1枚を正極板2枚で挟持して極板群を形成する。
(a)負極電極材料中の炭素材料の含有量Ccn
満充電状態の試験電池から取り出した負極板について、既述の手順で負極電極材料中の炭素材料の含有量Ccn(質量%)を求める。
満充電状態の試験電池から取り出した負極板について、既述の手順で負極電極材料中の有機防縮剤の含有量Ce(質量%)およびMwを求める。
満充電状態の試験電池を用いて、既述の手順で、PSOCサイクル試験を行い、5000サイクル目の単セル当たりの放電末電圧を測定し、サイクル耐久性を下記の基準で評価する。
A:放電末電圧が1.964V/セル以上である。
B:放電末電圧が1.8V/セル以上1.964V/セル未満である。
C:充放電を5000サイクル行うことができるが、放電末電圧は1.8Vセル未満である。
D:充放電を5000サイクル行うことができない。
満充電後の鉛蓄電池を、定格容量(Ah)の数値の5倍の値とした放電電流(A)にて、−15℃で端子電圧が1V/セルに到達するまで放電し、このときの放電時間(放電持続時間)(s)を求める。鉛蓄電池A5の放電持続時間を100としたときの放電持続時間の比率で低温HR放電性能を評価する。放電持続時間が長いほど、低温HR放電性能に優れる。
下記の条件で、満充電後の鉛蓄電池を、放電深度(DOD)10%まで放電するとともに、放電後の鉛蓄電池の充電を行う。充電受入性は充電開始後の10秒間の電気量で比較する。
放電(DOD調整):定格容量(Ah)の数値の0.2倍の電流値(A)、30分
休止:24時間
充電(充電受入性):定電圧(2.4V/セル、最大電流16.67A)、10秒
温度:25℃
満充電後の鉛蓄電池について、既述の手順で炭素材料の電解液への流出をme/mn比により評価する。
2:負極板
3:正極板
4:セパレータ
5:正極棚部
6:負極棚部
7:正極柱
8:貫通接続体
9:負極柱
11:極板群
12:電槽
13:隔壁
14:セル室
15:蓋
16:負極端子
17:正極端子
18:液口栓
Claims (5)
- 正極板と、負極板と、電解液と、を備え、
前記負極板は、負極電極材料を備え、
前記負極電極材料は、炭素材料および有機防縮剤を含み、
前記炭素材料の外部比表面積をSm2/g、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、
前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)は、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)は、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足し、
前記炭素材料の外部比表面積Sは、1.5m2/g以上680m2/g以下である、鉛蓄電池。 - 前記炭素材料の含有量Ccnは、0.75質量%以上である、請求項1に記載の鉛蓄電池。
- 前記炭素材料は、アセチレンブラックを含む、請求項1または2に記載の鉛蓄電池。
- 前記炭素材料の含有量Ccnは、2.5質量%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 外部比表面積Sm2/gを有する炭素材料および有機防縮剤を含む負極電極材料を調製する工程と、
前記負極電極材料を備える負極板を準備する工程と、
電槽に、正極板、負極板、および電解液を収容することにより鉛蓄電池を組み立てる工程と、を備え、
前記鉛蓄電池において、前記負極電極材料中の前記炭素材料の含有量Ccn質量%とするとき、前記負極電極材料中の前記有機防縮剤の含有量Ce(質量%)が、下記式(1):
(f(S・Ccn)+0.10)≦Ce≦(f(S・Ccn)+0.25) (1)
を充足し、
f(S・Ccn)が、下記式(2):
(−7.3×10−7×S2+0.0010×S)×Ccn ≦f(S・Ccn)≦ (−8.0×10−7×S2+0.0011×S+0.070)×Ccn (2)
を充足するように、前記負極電極材料を調製する工程において、前記炭素材料および前記有機防縮剤を添加する、鉛蓄電池の製造方法。
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