JP2020167079A - 鉛蓄電池 - Google Patents
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Abstract
Description
電解液の粘度が増加すると、電解液が活物質の細孔内に入りにくくなる。これにより、電解液と接触することができなくなった電極内部の一部の活物質は、充放電に関与することができず、結果として活物質利用率の低下を招く可能性がある。さらに、活物質利用率の低下は電池の実容量の低下を招き、長期的にはPSOC寿命性能にも影響を及ぼす可能性がある。
また、負極板においては、活物質の細孔内に電解液が入りにくくなることは、充放電に関与しにくい活物質の割合が増えることも同時に意味している。仮に、放電後の活物質が充電に関与できなかった場合、サルフェーションという形で容量低下を招くため、こちらも長期的に見た場合、PSOC寿命性能に影響を及ぼす可能性がある。
本発明は、以上の事情を鑑みてなされたものであり、充電受入性能、活物質利用率および寿命性能に優れた鉛蓄電池を提供することを目的とする。
本発明に係る鉛蓄電池は、正極板、負極板、セパレータを積層した極板群および硫酸電解液からなる鉛蓄電池であって、化成後における負極活物質の平均細孔直径が1.0μm以上4.0μm以下、かつ前記化成後における負極活物質の密度が4.1g/cm3以上4.3g/cm3以下であり、前記負極板の厚みが0.9mm以上1.1mm以下であり、前記硫酸電解液中に20mmol/L以上200mmol/L以下のアルミニウムイオンが含まれていることを特徴とする。
鉛蓄電池としては、自動車用液式鉛蓄電池、シール式鉛蓄電池等を例示することができるが、本発明は負極板および電解液に関する発明であるため、液式、シール式を問わず適用可能である。
正極板としては、鉛合金製の集電体に鉛活物質を充填・乾燥した、いわゆるペースト式極板が使用され、その構成および作製法は従来の鉛蓄電池用正極板と略同様である。本実施形態においては、特に制限はなく、アイドリングストップ車用鉛蓄電池として一般に用いられている正極板であれば適用可能である。なお、SLIバッテリーと呼ばれる始動用鉛蓄電池の正極板を本実施形態に適用した場合でも一定の効果は認められるが、正極板自体の耐久性が著しく低いため、アイドリングストップ車には適さない。
本実施形態では、充電効率改善のため、アルミニウム硫酸塩が添加された電解液が用いられている。この電解液は、アルミニウム硫酸塩が添加されていない無添加電解液と比較すると液粘度が高く、本電解液をそのまま鉛蓄電池に適用してしまうと、活物質細孔に電解液が入らず、その電極特性を十分に発揮することができない。
また、本実施形態における活物質密度は、4.1g/cm3以上4.3g/cm3以下が最適値である。活物質密度が4.1g/cm3よりも小さいと活物質量不足による容量低下に起因する寿命性能の低下を招き、逆に、4.3g/cm3よりも大きいと活物質利用率の低下を招く。
また、本実施形態では、負極活物質の吸水量は、アルミニウム硫酸塩添加電解液を使用しない場合と同等に設定され、0.08g−水/g−活物質以上0.12g−水/g−活物質以下を最適値としている。なお、負極活物質の吸水量は、25℃の乾燥状態の負極活物質の質量に対する、乾燥状態の負極活物質中に含まれる水の質量である。負極活物質の吸水量が0.08g−水/g−活物質よりも少ないと電解液が細孔に入りにくく利用率の低下を招き、逆に、0.12g−水/g−活物質よりも多いと活物質密度の低下に起因する容量低下と、容量低下に起因する寿命性能の低下とを招く。
活物質合剤中のプラスチック短繊維は、活物質に絡まることで活物質粒子同士の接着を良くし、極板の耐久性向上させる補強剤としての役割を有する。また、プラスチック短繊維の役割はそれだけでなく、電解液を吸収する特性も有しているため、極板内部への電解液浸透性の向上の役割も果たしている。より詳細には、プラスチック短繊維は、細いプラスチックの糸が複数重なることで1本の繊維を構成している。また、液体には毛細管現象と呼ばれる液体の表面張力に起因する力により、細い管に液体が入り込む現象が知られている。プラスチック短繊維は、細いプラスチックの糸同士の間に毛細管のような隙間が存在しており、電解液は、この隙間に入り込む特性を有する。さらに、この電解液の入り方には、液体の粘度も関係しており、高粘度であるほど入りにくい。
なお、プラスチック短繊維のアスペクト比は、100以上200以下が最適値であると上述した。プラスチック短繊維のアスペクト比が100よりも小さいと極板内部への電解液の浸透効果が小さく、逆に、200よりも大きいと活物質合剤中のプラスチック短繊維の割合が大きくなり、活物質充填量の低下に起因する容量低下と、容量低下に起因する寿命性能の低下とを招く。
電解液としては、液式、シール式の両方において、希硫酸が使用される。なお、本実施形態においては、鉛蓄電池の充電効率改善のため、アルミニウムイオンが含まれる。アルミニウムイオンが電解液中に含まれることによる充電効率改善の詳細は、特許文献1(特許第4799560号)に開示されている。特許文献1には、鉛イオンの溶解度の低い充電状態(SOC)70%以上の硫酸濃度の高い領域において、アルミニウムイオンは、その周りに鉛イオンを吸着・捕捉することが可能であり、これにより電解液中の鉛イオン濃度が高まり、酸化還元を容易にすることが充電効率の改善につながっていると述べられている。
ストラップは、極板の耳と呼ばれる極板上部の突起部分を金属鉛で溶接することにより形成される。形成方法としては、バーナー法(以下、「GB法」という)およびキャスト・オン・ストラップ法(以下、「COS法」という)の2種類がある。GB法は、極板の耳を櫛と呼ばれる溶接鋳型に差し込み、溶融した金属鉛を流し込むことにより形成される。COS法は、鋳型中で溶融した鉛の中に極板の耳を浸した後に冷却することで形成される。
極柱は、極板群と外部端子をつなぐ部品であり、自動車用鉛蓄電池の場合、1セル目の正極側、および6セル目の負極側に1つずつ存在する。極柱の形成方法は上述の中間極柱と同様であり、同一の設備で極柱も形成することができる。
電槽としては、価格が安く、成形性に優れ、かつ電解液として硫酸を使用する関係上、耐薬品性を有する材料が求められる。自動車用液式鉛蓄電池、二輪用シール式鉛蓄電池、産業用大型電池鉛蓄電池の場合、ポリプロピレン樹脂が使用される。また、長寿命が求められる産業用シール式鉛蓄電池においては、ABS樹脂もよく用いられる。
蓋に求められる要件も電槽と同様であり、ポリプロピレン樹脂およびABS樹脂が用いられる。また、上述のように、蓋には外部端子となる部品が埋め込まれており、蓋と電槽を溶着した後でブッシングと極柱との溶接が行われ、外部端子が形成される。
<サンプル1−1>
(1)未化成正極板の作製
正極活物質として、鉛粉、酸化鉛、即ち、リサージ(PbO)、鉛丹(Pb3O4)などの各種酸化鉛、イオン交換水、続いて比重1.27の希硫酸を加えながら混練して正極用ペーストを作製した。このペーストを鉛−カルシウム合金からなる鋳造基板に充填し、40℃、湿度95%の雰囲気で24時間の熟成・乾燥を行い、未化成正極板を作製した。
負極活物質として、鉛粉、酸化鉛、即ち、リサージ(PbO)、などの各種酸化鉛、プラスチック短繊維(アスペクト比100)、導電性カーボン、硫酸バリウムの粉末を添加し乾式混合した。次にこれにリグニンを水溶液として加え、続いてイオン交換水、希硫酸を添加、混練して負極活物質合剤ペーストを調製した。負極活物質合剤ペーストは、鉛−カルシウム系合金から成る鋳造格子基板に充填した後、40℃、湿度95%の雰囲気で24時間の熟成・乾燥を行い、未化成負極板を作製した。
これらの未化成正極板と未化成負極とを多孔性ポリエチレンセパレータを介して積層した後、同極性極板の耳群をCOS方式で溶接して極板群とした。これをポリプロピレン製の電槽に収納し、ヒートシールによって蓋を取り付けた。この時の極板群の圧迫度は15kPaになるようにスペーサーを入れて調整した。そして、硫酸アルミニウムを添加した希硫酸電解液を注入して電槽化成を行い、12V、61Ahの電池工業会規格(SBA規格)Q−85相当の液式鉛蓄電池を作製した。なお、本実施例における負極活物質の平均細孔直径は1.0μm、負極活物質密度は4.1g/cm3、負極板の厚みは0.9mm、化成後の負極活物質の吸水量は0.08g−水/g−活物質、電解液中のアルミニウムイオン濃度は20mmol/Lであった。
作製した上記鉛蓄電池の活物質利用率および充電受入性能を評価するため、下記充放電試験を行った。活物質利用率は、容量測定の形で、SBA S 0101に準拠し測定を行った。すなわち、25℃の水槽にて満充電後5時間静置し、20時間率電流に相当する3.05(A)の電流値にて10.5Vとなるまで放電を実施し、60.0(Ah)の容量を得て、このときの負極活物質利用率は50.3%となった。また、充電受入性能もSBA S 0101に準拠し試験を行った。すなわち、25℃の水槽にて満充電後24時間静置し、20時間率電流の3.42倍に相当する10.43Aで30分間放電を実施した。24時間経過後、200A、14.5Vにて10秒間の充電を実施し、700A・sの充電受入容量を得た。さらにSBA S 0101記載の寿命試験を実施し、36000サイクルにて寿命となった。
平均細孔直径が2.5μmである負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.3%、充電受入容量703A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−3>
平均細孔直径が4.0μmである負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.8%、充電受入容量705A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−4>
活物質密度が4.2g/cm3である負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率49.5%、充電受入容量697A・s、38400サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−5>
活物質密度が4.3g/cm3である負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率48.5%、充電受入容量692A・s、40800サイクルにて寿命となった。
負極板の厚みが1.0mmである極板を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率49.9%、充電受入容量710A・s、38400サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−7>
負極板の厚みが1.1mmである極板を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率49.2%、充電受入容量715A・s、40800サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−8>
電解液中のアルミニウムイオン濃度が100mmol/Lである意外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、正極活物質利用率48.0%、充電受入容量721A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−9>
電解液中のアルミニウムイオン濃度が200mmol/Lである以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、正極活物質利用率47.1%、充電受入容量699A・s、33600サイクルにて寿命となった。
平均細孔直径が0.5μmである負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率42.3%、充電受入容量620A・s、31200サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−11>
平均細孔直径が5.0μmである負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率48.3%、充電受入容量650A・s、28800サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−12>
活物質密度が4.0g/cm3である負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率50.5%、充電受入容量680A・s、28800サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−13>
活物質密度が4.4g/cm3である負極活物質を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率41.0%、充電受入容量640A・s、40800サイクルにて寿命となった。
負極板の厚みが0.8mmである極板を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率52.0%、充電受入容量601A・s、28800サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−15>
負極板の厚みが1.2mmである極板を用いた以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率44.1%、充電受入容量654A・s、43200サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−16>
電解液中のアルミニウムイオン濃度が10mmol/Lである意外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、正極活物質利用率52.4%、充電受入容量555A・s、40800サイクルにて寿命となった。
<サンプル1−17>
電解液中のアルミニウムイオン濃度が300mmol/Lである以外、サンプル1−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、正極活物質利用率41.1%、充電受入容量580A・s、33600サイクルにて寿命となった。
本サンプルはサンプル1−1であり、比較のために示したものである。本実施例における負極活物質の平均細孔直径は1.0μm、負極活物質密度は4.1g/cm3、負極板の厚みは0.9mm、化成後の負極活物質の吸水量は0.08g−水/g−活物質、電解液中のアルミニウムイオン濃度は20mmol/Lであり、先の評価の結果、負極活物質利用率50.3%、充電受入容量700A・s、36000サイクルにて寿命であった。
<サンプル2−2>
化成後の負極活物質の吸水量が0.10g−水/g−活物質である以外、サンプル2−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.3%、充電受入容量703A・s、36000サイクルにて寿命となった。
化成後の負極活物質の吸水量が0.12g−水/g−活物質である以外、サンプル2−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.8%、充電受入容量705A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル2−4>
化成後の負極活物質の吸水量が0.07g−水/g−活物質である以外、サンプル2−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率45.3%、充電受入容量670A・s、31200サイクルにて寿命となった。
<サンプル2−5>
化成後の負極活物質の吸水量が0.13g−水/g−活物質である以外、サンプル2−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率52.3%、充電受入容量650A・s、28800サイクルにて寿命となった。
より詳細には、活物質吸水量が小さ過ぎると利用率の低下および充電受入性能の低下を引き起こし、逆に大き過ぎる場合、寿命性能の低下を招く。活物質密度は、低過ぎると寿命性能低下、高過ぎると利用率の低下を引き起こす。極板の厚みは、薄過ぎると寿命性能低下、厚過ぎると利用率の低下を招く。なお、電解液添加剤は、低濃度では充電受入効果が出ないが、逆に濃度が高過ぎても充電受入性能の低下を引き起こす。詳細は定かではないが、アルミニウムイオンの鉛イオントラップ機能の効果よりも、電解液抵抗の増加による早期充電上限電圧への到達の影響が相対的に大きくなることが理由として考えられる。
本サンプルはサンプル1−1と同じであり、比較のために示したものである。本実施例における負極活物質の平均細孔直径は1.0μm、負極活物質密度は4.1g/cm3、負極板の厚みは0.9mm、化成後の負極活物質の吸水量は0.08g−水/g−活物質、電解液中のアルミニウムイオン濃度は20mmol/L、負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が100であり、先の評価結果、負極活物質利用率50.3%、充電受入容量700A・s、36000サイクルにて寿命であった。
負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が150である以外、サンプル3−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.3%、充電受入容量703A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル3−3>
負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が200である以外、サンプル3−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率51.8%、充電受入容量705A・s、36000サイクルにて寿命となった。
<サンプル3−4>
負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が300である以外、サンプル3−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率45.3%、充電受入容量670A・s、31200サイクルにて寿命となった。
<サンプル3−5>
負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が50である以外、サンプル3−1と同様の方法で鉛蓄電池の作製・評価を行い、負極活物質利用率52.3%、充電受入容量680A・s、28800サイクルにて寿命となった。
より詳細には、負極活物質中のプラスチック短繊維のアスペクト比が小さ過ぎると利用率の低下および充電受入性能の低下を引き起こし、逆に大き過ぎる場合、寿命性能の低下を招く。活物質密度は、低過ぎると寿命性能低下、高過ぎると利用率の低下を引き起こす。極板の厚みは、薄過ぎると寿命性能低下、厚過ぎると利用率の低下を招く。なお、電解液添加剤は、低濃度では充電受入効果が出ないが、逆に濃度が高過ぎても充電受入性能の低下を引き起こす。詳細は定かではないが、アルミニウムイオンの鉛イオントラップ機能の効果よりも、電解液抵抗の増加による早期充電上限電圧への到達の影響が相対的に大きくなることが理由として考えられる。
本実施形態によれば、充電受入性能、活物質利用率およびPSOC寿命性能に優れた鉛蓄電池の提供が可能となり、自動車業界をはじめとする産業界に多大な効果をもたらすものと考えられる。
Claims (3)
- 正極板、負極板、セパレータを積層した極板群および硫酸電解液からなる鉛蓄電池であって、
化成後における負極活物質の平均細孔直径が1.0μm以上4.0μm以下、かつ前記化成後における負極活物質の密度が4.1g/cm3以上4.3g/cm3以下であり、
前記負極板の厚みが0.9mm以上1.1mm以下であり、
前記硫酸電解液中に20mmol/L以上200mmol/L以下のアルミニウムイオンが含まれていることを特徴とする鉛蓄電池。 - 前記化成後における負極活物質の吸水量が0.08g−水/g−活物質以上0.12g−水/g−活物質以下であることを特徴とする請求項1記載の鉛蓄電池。
- 前記負極活物質を含む負極活物質合剤中に、アスペクト比が100以上200以下の短繊維が含まれることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鉛蓄電池。
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