JP2024035653A - Lead-acid battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉛蓄電池に関する。 The present invention relates to lead acid batteries.
自動車のエンジン始動用のバッテリーとして鉛蓄電池が使用されている。これまで、エンジン始動用の鉛蓄電池の寿命性能を向上させるために様々な取り組みが行われている。例えば特許文献1には、負極材にケッチェンブラックを含有させ、負極材の密度を3g/cm3以上とすることでエンジン始動用の鉛蓄電池の寿命性能を向上させる技術が開示されている。 Lead-acid batteries are used as batteries for starting automobile engines. Until now, various efforts have been made to improve the life performance of lead-acid batteries for engine starting. For example, Patent Document 1 discloses a technique for improving the life performance of a lead-acid battery for engine starting by incorporating Ketjenblack into the negative electrode material and setting the density of the negative electrode material to 3 g/cm 3 or more.
近年では、ハイブリッド車、電気自動車等の電動車(xEV)が普及してきていることに伴って、補機用電池の重要性が高まっている。特に、最近では、OTA(Over The Air)と呼ばれる無線通信によるデータの送受信技術により車載機器のソフトウェアを自動でアップデートする機能を備える自動車も増えてきている。OTAを利用する車載機器へ電力供給時には、一時的に大きな電力が消費されることがあるため、鉛蓄電池には、このような電力供給に適した性能を有していることが求められる。 In recent years, with the spread of electric vehicles (xEV) such as hybrid cars and electric cars, the importance of auxiliary equipment batteries has increased. In particular, recently, an increasing number of automobiles are equipped with a function to automatically update the software of in-vehicle devices using wireless data transmission and reception technology called OTA (Over The Air). When power is supplied to in-vehicle equipment using OTA, a large amount of power may be temporarily consumed, so lead-acid batteries are required to have performance suitable for such power supply.
現状では、エンジン始動用の鉛蓄電池が補機用電池として転用されているが、エンジン始動用の鉛蓄電池では、OTAを利用する車載機器への電力供給は想定されていないため、そのような電力供給のために用いられたときに、寿命が短くなるおそれがある。 Currently, lead-acid batteries for engine starting are being repurposed as batteries for auxiliary equipment, but lead-acid batteries for engine starting are not expected to supply power to in-vehicle equipment that uses OTA, so such power is not available. When used for supply, the lifespan may be shortened.
そこで、本発明の一側面は、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合にも、優れた寿命性能を示す鉛蓄電池を提供することを目的とする。 Accordingly, one aspect of the present invention aims to provide a lead-acid battery that exhibits excellent life performance even when used to supply power when in-vehicle equipment utilizes OTA.
本発明のいくつかの側面は、下記[1]~[7]を提供する。 Some aspects of the present invention provide the following [1] to [7].
[1] 複数のセル室を有する電槽と、複数のセル室のそれぞれに収容された電極群及び電解液と、を備える鉛蓄電池であって、電極群は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、を有し、複数のセル室の一つに収容された電極群のセル体積V(単位:cm3)に対する、電極群に含まれる正極活物質の質量Mp(単位:g)の比Mp/Vが、1.05以上であり、正極活物質の質量Mp(単位:g)に対する、複数のセル室の一つに収容された電解液中の硫酸の質量Ms(単位:g)の比Ms/Mpが、0.45以上である、鉛蓄電池。
[2] 比Mp/Vが1.20以上である、[1]に記載の鉛蓄電池。
[3] 比Mp/Vが1.50以上である、[1]又は[2]に記載の鉛蓄電池。
[4] 比Ms/Mpが0.55以上である、[1]~[3]のいずれかに記載の鉛蓄電池。
[5] 比Ms/Mpが0.70以上である、[1]~[4]のいずれかに記載の鉛蓄電池。
[6] 無線通信によりデータの送受信を行う車載機器への電力供給に用いられる、[1]~[5]のいずれかに記載の鉛蓄電池。
[7] ハイブリッド車又は電気自動車の補機用電池として用いられる、[1]~[6]のいずれかに記載の鉛蓄電池。
[1] A lead-acid battery comprising a battery case having a plurality of cell chambers, and an electrode group and an electrolyte solution housed in each of the plurality of cell chambers, the electrode group including a positive electrode containing a positive electrode active material, The mass Mp (unit: cm ) of the positive electrode active material included in the electrode group with respect to the cell volume V (unit: cm 3 ) of the electrode group, which has a negative electrode containing a negative electrode active material and is housed in one of a plurality of cell chambers. :g) ratio Mp/V is 1.05 or more, and the mass Ms( A lead-acid battery having a ratio Ms/Mp (unit: g) of 0.45 or more.
[2] The lead-acid battery according to [1], wherein the ratio Mp/V is 1.20 or more.
[3] The lead acid battery according to [1] or [2], wherein the ratio Mp/V is 1.50 or more.
[4] The lead-acid battery according to any one of [1] to [3], wherein the ratio Ms/Mp is 0.55 or more.
[5] The lead-acid battery according to any one of [1] to [4], wherein the ratio Ms/Mp is 0.70 or more.
[6] The lead-acid battery according to any one of [1] to [5], which is used to supply power to in-vehicle equipment that transmits and receives data via wireless communication.
[7] The lead-acid battery according to any one of [1] to [6], which is used as an auxiliary battery for a hybrid vehicle or an electric vehicle.
本発明の一側面によれば、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合にも、優れた寿命性能を示す鉛蓄電池を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a lead-acid battery that exhibits excellent life performance even when used to supply power when in-vehicle equipment utilizes OTA.
本明細書中、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。また、具体的に明示する場合を除き、「~」の前後に記載される数値の単位は同じである。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。また、個別に記載した上限値及び下限値は任意に組み合わせ可能である。 In this specification, a numerical range indicated using "~" indicates a range that includes the numerical values written before and after "~" as the minimum and maximum values, respectively. Furthermore, unless specifically specified, the units of numerical values written before and after "~" are the same. In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range of one step may be replaced with the upper limit or lower limit of the numerical range of another step. Further, in the numerical ranges described in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range may be replaced with the value shown in the Examples. Moreover, the upper limit values and lower limit values described individually can be combined arbitrarily.
以下、図面を適宜参照しながら、一実施形態の鉛蓄電池について詳細に説明する。 Hereinafter, a lead-acid battery according to an embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
図1は、一実施形態の鉛蓄電池の全体構成及び内部構造を示す斜視図である。図1に示すように、一実施形態に係る鉛蓄電池1は、上面が開口している電槽2と、電槽2の開口を閉じる蓋3と、電槽2に収容された電極群4及び電解液(図示せず)と、を備える液式鉛蓄電池である。
FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration and internal structure of a lead-acid battery according to an embodiment. As shown in FIG. 1, a lead-acid battery 1 according to an embodiment includes a
蓋3は、正極端子5と、負極端子6と、蓋3に設けられた複数の注液口をそれぞれ閉塞する複数の液口栓7とを備えている。蓋3は、例えばポリプロピレンで形成されている。正極端子5は、蓋3から電槽2内に延びる正極柱18の一端に接続されている。同様に、負極端子6は、蓋3から電槽2内に延びる負極柱(図示せず)の一端に接続されている。電解液は、例えば希硫酸である。電解液は、硫酸に加えて、0.01~0.1mol/L程度のイオン(例えばナトリウムイオン)を含んでよい。
The
図2は、図1に示した鉛蓄電池1の電槽2を示す斜視図である。図2に示すように、電槽2は、中空の略直方体状を呈しており、上面に開口を有している。すなわち、電槽2は、長方形の平面形状を有する底壁と、底壁の短辺部に立設された一対の側壁(第1の側壁)21と、底壁の長辺部に立設された一対の側壁(第2の側壁)22とから構成されている。電槽2は、例えばポリプロピレンで形成されている。
FIG. 2 is a perspective view showing the
電槽2の内部は、第1の側壁21と略平行に設けられた5枚の隔壁23を備えている。5枚の隔壁23が所定の間隔で配置されていることによって、電槽2の内部には、第1~第6の6個のセル室24a~24f(以下、これらをまとめて「セル室24」ともいう)がこの順で第2の側壁22に沿って形成されている。セル室24のそれぞれには、電極群4が収容されている。電極群4は、単セルとも呼ばれており、例えば2Vの起電力を有する。
The inside of the
第1の側壁21の内面21a及び隔壁23の両面23a(以下、これらをまとめて「内壁面21a,23a」ともいう)には、底壁(電槽2の開口面)に垂直な方向に延びる複数のリブ25が設けられている。リブ25は、各セル室24に収容された電極群4を適切に加圧(圧縮)する機能を有する。他の一実施形態では、内壁面21a,23aには、リブが設けられていなくてもよい。
The
図3は、図1に示した鉛蓄電池の電極群を説明するための分解斜視図である。図3に示すように、セル室24のうちの一つのセル室24aに収容された電極群4は、複数の正極8、負極9及びセパレータ10が、電槽2の第1の側壁21と略垂直な方向に積層されてなる。正極8は、板状の正極(正極板)であってよい。負極9は、板状の負極(負極板)であってよい。
FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining the electrode group of the lead-acid battery shown in FIG. As shown in FIG. 3, the
正極8は、正極集電体11と、正極集電体11に充填された正極活物質12とを備えている。正極集電体11は、その一端から電槽2の開口側に向けて突出した正極耳部11aを有している。負極9は、負極集電体13と、負極集電体13に充填された負極活物質14とを備えている。負極集電体13は、その一端から電槽2の開口側に向けて突出した負極耳部13aを有している。本明細書では、「正極活物質」は正極から正極集電体を除いたものを意味し、「負極活物質」は負極から負極集電体を除いたものを意味する。
The
正極集電体11及び負極集電体13は、それぞれ、例えば、鉛-カルシウム-錫合金、鉛-カルシウム合金、鉛-アンチモン合金等で形成されている。これらの鉛合金を重力鋳造法、エキスパンド法、打ち抜き法等で格子状に形成することにより、正極耳部11aを有する正極集電体11及び負極耳部13aを有する負極集電体13がそれぞれ得られる。
The positive electrode
正極活物質12は、Pb成分としてPbO2を含み、必要に応じて、PbO2以外のPb成分(例えばPbSO4)及び添加剤を更に含んでよい。添加剤は、例えば、繊維(アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、炭素繊維等)であってよい。正極活物質12におけるPb成分の含有量は、正極活物質12の全質量を基準として、90質量%以上又は95質量%以上であってよく、99.99質量%以下であってもよい。
The positive electrode
負極活物質14は、Pb成分としてPb単体を含み、必要に応じてPb単体以外のPb成分(例えばPbSO4)及び添加剤を更に含んでよい。添加剤としては、例えば、リグニン、硫酸バリウム、繊維(アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、炭素繊維等)、及び炭素材料(炭素繊維を除く)が挙げられる。負極活物質14におけるPb成分の含有量は、負極活物質14の全質量を基準として、90質量%以上又は95質量%以上であってよく、99質量%以下以下であってよい。
The negative electrode
セパレータ10は、袋状に形成されており、負極9を収容している。セパレータ10は、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等で形成されている。セパレータ10は、これらの材料で形成された織布、不織布、多孔質膜等にSiO2、Al2O3等の無機系粒子を付着させたものであってよい。セパレータ10の厚さ(シート状に展開して測定される厚さ)は、例えば、0.1~1.5mmである。なお、セパレータ10は袋状以外の形状(例えば、シート状)であってもよい。
The
図3では図示を省略しているが、図1に示すように、正極耳部11a同士は正極ストラップ15で集合溶接されており、負極耳部13a同士は負極ストラップ16で集合溶接されている。第1のセル室24aに収容された電極群4における正極ストラップ15は、接続部材17を介して、正極端子5から電槽2内に延びる正極柱18と接続されている。接続部材17及び正極柱18は、それぞれ鉛又は鉛合金で形成されている。
Although not shown in FIG. 3, as shown in FIG. 1, the
一実施形態において、電極群4では、電槽2の第1の側壁21の内面21aに近い側から、正極8と、袋状のセパレータ10に収容された負極9とがこの順で交互に配置されており、正極8の枚数及び負極9の枚数がいずれも8枚であってよい。
In one embodiment, in the
本実施形態では、セル室24に収容された電極群4のセル体積V(単位:cm3)に対する、電極群4に含まれる正極活物質12の質量Mp(単位:g)の比Mp/Vが、1.05以上となっている。
In the present embodiment, the ratio Mp/V of the mass Mp (unit: g) of the positive electrode
ここで、セル体積Vは、電極群4を構成する単セルの体積を意味し、正極8(正極集電体11)及び負極9(負極集電体13)のそれぞれにおいて、正極活物質12及び負極活物質14が充填された部分(充填部)の面積(隔壁23に平行な二つの面のうちの一面側の面積)S(単位:cm2)に電極群4の厚み(隔壁23に垂直な方向の長さ)を乗じることにより求められる。ここで、セル室24に収容されている状態での電極群4の厚みは、セル室24の厚みと同じであるとみなすことができる(内壁面21a,23a等にリブ25が設けられているか否かに依らない)。したがって、セル体積Vを求める際には、セル室24の厚みZ(単位:cm)を用いる。すなわち、セル体積V(単位:cm3)は、充填部の面積S(単位:cm2)×セル室24の厚みZ(単位:cm)により求められる。
Here, the cell volume V means the volume of a single cell constituting the
充填部の面積Sは、電極群4に含まれる各正極8及び各負極9における充填部の面積をそれぞれ求めた後、それらすべての面積の平均値として算出される。例えば、充填部の平面形状が略長方形である場合、各正極8及び各負極9における充填部の面積は、充填部の縦X(単位:cm)×充填部の横Y(単位:cm)により求められる。各正極8及び各負極9における充填部の面積は、隔壁23に平行な二つの面それぞれについて面積を求めた後、これらの面積の平均値として算出される。
The area S of the filled portion is calculated as the average value of all the areas after determining the area of the filled portion in each
セル室24の厚みZ(単位:cm)は、セル室24の底壁における第1の側壁21の内面21aと隔壁23の内面23aとの間の距離(両端に位置するセル室24a,24fの場合)、又は、セル室24の底壁における一方の隔壁23の内面23aと他方の隔壁23の内面23aとの間の距離(両端に位置するセル室24a,24f以外のセル室24b,24c,24d,24eの場合)として定義される。
The thickness Z (unit: cm) of the
電極群4に含まれる正極活物質12の質量Mp(単位:g)は、セル室24に収容された電極群4を取り出して、正極8を水洗し、充分に乾燥させた後に測定した正極8の質量と、正極8から正極活物質12を除いた後の正極集電体11の質量との差から算出することができる。正極8の乾燥は、例えば、50℃で24時間行う。
The mass Mp (unit: g) of the positive electrode
セル体積V(単位:cm3)に対する正極活物質12の質量Mp(単位:g)の比Mp/Vは、セル室24のそれぞれに収容された電極群4ごとに、セル体積(単位:cm3)及び正極活物質12の質量Mp(単位:g)を以上のとおり求めた上で比Mp/Vを算出し、すべての電極群4の比Mp/Vの平均値として求められる。
The ratio Mp/V of the mass Mp (unit: g) of the positive electrode
本実施形態の鉛蓄電池1では、上記の比Mp/Vが1.05以上であるが、これは、電極群4(単セル)を構成する部分において、比較的多くの正極活物質12を充填することを意味する。後述する実施例及び比較例で示されるとおり、比Mp/Vが例えば1.00以上であれば、正極活物質12を多く充填したとしても、エンジンを始動するために用いられる場合の鉛蓄電池の寿命には違いが生じない。これに対し、本発明者らは、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命が、比Mp/Vに影響を受けること、及び、比Mp/Vが1.05以上であると当該寿命に優れた鉛蓄電池が得られることを見出した。
In the lead-acid battery 1 of this embodiment, the above ratio Mp/V is 1.05 or more, which means that a relatively large amount of the positive electrode
上記の比Mp/Vは、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命が更に優れる観点から、1.10以上、1.15以上、1.20以上、1.25以上、1.30以上、1.35以上、1.40以上、1.45以上、又は1.50以上であってもよい。上記の比Mp/Vは、1.80以下、1.75以下、1.70以下、1.65以下、1.60以下、1.55以下、又は1.50以下であってもよい。上記の比Mp/Vの値は、例えば、電極群4に含まれる正極8の枚数を多くすること、正極8に含まれる正極活物質12の密度又は厚み(電極群4の厚み方向の長さ)を大きくすること等により、大きくすることができる。
The above ratio Mp/V is 1.10 or more, 1.15 or more, 1. It may be 20 or more, 1.25 or more, 1.30 or more, 1.35 or more, 1.40 or more, 1.45 or more, or 1.50 or more. The above ratio Mp/V may be 1.80 or less, 1.75 or less, 1.70 or less, 1.65 or less, 1.60 or less, 1.55 or less, or 1.50 or less. The value of the above ratio Mp/V can be determined, for example, by increasing the number of
電極群4のセル体積Vは、電池サイズに応じて変更可能であるが、例えば、220~390cm3、320~570cm3、又は370~670cm3であってもよい。
The cell volume V of the
本実施形態の鉛蓄電池1では、上記の比Mp/Vが1.05以上であることに加えて、正極活物質の質量Mp(単位:g)に対する、複数のセル室の一つに収容された電解液中の硫酸の質量Ms(単位:g)の比Ms/Mpが、0.45以上となっている。正極活物質の質量Mp(単位:g)は、上記で説明したとおりである。 In the lead-acid battery 1 of the present embodiment, in addition to the above-mentioned ratio Mp/V being 1.05 or more, the ratio Mp/V of the positive electrode active material is accommodated in one of the plurality of cell chambers with respect to the mass Mp (unit: g). The ratio Ms/Mp of the mass Ms (unit: g) of sulfuric acid in the electrolytic solution was 0.45 or more. The mass Mp (unit: g) of the positive electrode active material is as explained above.
セル室の一つに収容された電解液中の硫酸の質量Ms(単位:g)は、以下のとおり求められる。
まず、鉛蓄電池を満充電の状態になるまで充電した後、満充電された状態の鉛蓄電池のセル室の一つに収容された電解液の20℃での比重を測定する。続いて、電池ハンドブック(出版社:オーム社、電気化学会 電池技術委員会(編集))3-36に記載の比重と濃度(単位:質量%)の関係より作成される検量線を用いて、下記表1のとおり、測定された電解液の20℃での比重から電解の濃度(単位:質量%)を算出することができる。そして、硫酸の質量Ms(単位:g)は、セル室の一つに収容された電解液の質量(単位:g)×算出された濃度(単位:質量%)/100により求められる。
The mass Ms (unit: g) of sulfuric acid in the electrolytic solution contained in one of the cell chambers is determined as follows.
First, the lead acid battery is charged until it is fully charged, and then the specific gravity at 20° C. of the electrolyte contained in one of the cell chambers of the fully charged lead acid battery is measured. Next, using a calibration curve created from the relationship between specific gravity and concentration (unit: mass %) described in the Battery Handbook (Publisher: Ohmsha, Electrochemical Society of Japan Battery Technical Committee (edited)) 3-36, As shown in Table 1 below, the electrolytic concentration (unit: mass %) can be calculated from the measured specific gravity of the electrolytic solution at 20°C. The mass Ms (unit: g) of sulfuric acid is determined by the mass (unit: g) of the electrolytic solution accommodated in one of the cell chambers x the calculated concentration (unit: mass %)/100.
正極活物質の質量Mp(単位:g)に対する硫酸の質量Ms(単位:g)の比Ms/Mpは、セル室24のそれぞれについて、電極群4に含まれる正極活物質12の質量Mp(単位:g)、及び、各セル室24に含まれる電解液中の硫酸の質量Ms(単位:g)を以上のとおり求めた上で比Ms/Mpを算出し、すべてのセル室24における比Ms/Mpの平均値として求められる。
The ratio Ms/Mp of the mass Ms (unit: g) of sulfuric acid to the mass Mp (unit: g) of the positive electrode active material is the mass Mp (unit: g) of the positive electrode
本実施形態の鉛蓄電池1では、正極活物質の質量Mp(単位:g)に対する硫酸の質量Ms(単位:g)の比Ms/Mpが0.45以上であるが、これは、電極群4(単セル)に含まれる正極活物質12の量に対して、電解液中の硫酸の量を比較的多くすることを意味する。後述する実施例及び比較例で示されるとおり、比Ms/Mpが例えば0.41以上であれば、硫酸の量を多くしたとしても、エンジンを始動するために用いられる場合の鉛蓄電池の寿命には違いが生じない。これに対し、本発明者らは、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命が、比Ms/Mpに影響を受けること、及び、比Ms/Mpが0.45以上であると当該寿命に優れた鉛蓄電池が得られることを見出した。
In the lead-acid battery 1 of this embodiment, the ratio Ms/Mp of the mass Ms (unit: g) of sulfuric acid to the mass Mp (unit: g) of the positive electrode active material is 0.45 or more; This means that the amount of sulfuric acid in the electrolytic solution is relatively large relative to the amount of positive electrode
上記の比Ms/Mpは、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命が更に優れる観点から、0.49以上、0.55以上、0.60以上、0.65以上、0.70以上、0.75以上、又は0.80以上であってもよい。上記の比Ms/Mpは、1.00以下、0.95以下、0.90以下、0.85以下、又は0.80以下であってもよい。上記の比Ms/Mpの値は、例えば、一つのセル室に収容される電解液の体積を多くすること、電解液における硫酸の濃度を高くすること等により、大きくすることができる。 The above ratio Ms/Mp is 0.49 or more, 0.55 or more, and 0.49 or more, 0.55 or more, and 0.49 or more, 0.55 or more, from the viewpoint of further improving the life of the lead-acid battery when used to supply power when in-vehicle equipment uses OTA. It may be 60 or more, 0.65 or more, 0.70 or more, 0.75 or more, or 0.80 or more. The above ratio Ms/Mp may be 1.00 or less, 0.95 or less, 0.90 or less, 0.85 or less, or 0.80 or less. The value of the ratio Ms/Mp can be increased by, for example, increasing the volume of the electrolytic solution accommodated in one cell chamber, increasing the concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution, or the like.
電極群4に含まれる負極活物質14の質量Mn(単位:g)に対する、電極群4に含まれる正極活物質12の質量Mp(単位:g)の比Mp/Mnは、1.00以上、1.05以上、1.10以上、1.15以上、又は1.20以上であってよく、1.85以下、1.80以下、1.75以下、又は1.70以下であってもよい。電極群4に含まれる負極活物質14の質量Mn(単位:g)は、セル室24に収容された電極群4を取り出して、負極9を水洗し、充分に乾燥させた後に測定した負極9の質量と、負極9から負極活物質14を除いた後の負極集電体13の質量との差から算出することができる。負極9の乾燥は、例えば、50℃で24時間行う。
The ratio Mp/Mn of the mass Mp (unit: g) of the positive electrode
以上説明した鉛蓄電池1は、無線通信によりデータの送受信を行う車載機器への電力供給に好適に用いられる。鉛蓄電池1は、自動車の補機用電池としても好適に用いられる。当該自動車としては、内燃機関を備えない自動車の他、内燃機関と、内燃機関を始動するための電力を供給する蓄電池と、駐車中に必要となる電力を供給する鉛蓄電池とを備える自動車等が挙げられる。このような自動車としては、例えば、ハイブリッド車、電気自動車等の電動自動車が挙げられる。鉛蓄電池1は、電動自動車(特にハイブリッド車及び電気自動車)の補機用電池として特に好適に用いられる。 The lead-acid battery 1 described above is suitably used to supply power to in-vehicle equipment that transmits and receives data via wireless communication. The lead acid battery 1 is also suitably used as an auxiliary battery for an automobile. In addition to vehicles without an internal combustion engine, such vehicles include vehicles equipped with an internal combustion engine, a storage battery that supplies power to start the internal combustion engine, and a lead-acid battery that supplies power required while the engine is parked. Can be mentioned. Examples of such vehicles include electric vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles. The lead-acid battery 1 is particularly suitably used as an auxiliary battery for electric vehicles (particularly hybrid vehicles and electric vehicles).
鉛蓄電池1は、上述したような自動車の駐車中において、例えば、ドアを自動で開閉する機能、カーナビ電源を自動で起動する機能等を動作させるために必要となる電力の供給に用いられてもよい。 The lead-acid battery 1 may be used to supply the power necessary to operate, for example, the function of automatically opening and closing the door, the function of automatically starting the car navigation power supply, etc. while the car is parked as described above. good.
鉛蓄電池1は、例えば、電極(負極及び正極)を得る電極製造工程と、電極を含む構成部材を組み立てて鉛蓄電池1を得る組立工程とを備える製造方法により製造される。鉛蓄電池1の製造方法は、未化成の負極及び正極を化成する工程(化成工程)を備える。化成工程は、上記電極製造工程で実施されてよく、組立工程で実施されてもよい。以下、電極製造工程及び組立工程について説明する。 The lead-acid battery 1 is manufactured by a manufacturing method that includes, for example, an electrode manufacturing process for obtaining electrodes (a negative electrode and a positive electrode), and an assembly process for assembling constituent members including the electrodes to obtain the lead-acid battery 1. The method for manufacturing the lead-acid battery 1 includes a step of chemically forming an unformed negative electrode and a positive electrode (chemical formation step). The chemical conversion process may be performed in the electrode manufacturing process, or may be performed in the assembly process. The electrode manufacturing process and assembly process will be explained below.
電極製造工程は、負極製造工程と、正極製造工程と、を備える。 The electrode manufacturing process includes a negative electrode manufacturing process and a positive electrode manufacturing process.
負極製造工程では、例えば、負極集電体にペースト状の負極活物質(負極活物質ペースト)を保持させた後に、熟成及び乾燥することにより未化成の負極を得る。負極活物質ペーストは、例えば、鉛粉、添加剤及び硫酸(例えば希硫酸)を含んでいる。負極活物質ペーストは、例えば、鉛粉と添加剤とを混合することにより混合物を得た後に、この混合物に溶媒及び硫酸を加えて混練することにより得られる。負極活物質ペースト中の水分量は、例えば、5質量%以上、10質量%以上又は15質量%以上であってよく、30質量%以下、25質量%以下又は20質量%以下であってよい。 In the negative electrode manufacturing process, for example, a negative electrode current collector holds a paste-like negative electrode active material (negative electrode active material paste), and then is aged and dried to obtain an unformed negative electrode. The negative electrode active material paste contains, for example, lead powder, additives, and sulfuric acid (for example, dilute sulfuric acid). The negative electrode active material paste is obtained, for example, by mixing lead powder and additives to obtain a mixture, and then adding a solvent and sulfuric acid to this mixture and kneading the mixture. The water content in the negative electrode active material paste may be, for example, 5% by mass or more, 10% by mass or more, or 15% by mass or more, and 30% by mass or less, 25% by mass or less, or 20% by mass or less.
正極製造工程では、例えば、正極集電体にペースト状の正極活物質(正極活物質ペースト)を保持させた後に、熟成及び乾燥することにより未化成の正極を得る。正極活物質ペーストは、例えば、鉛粉、添加剤及び硫酸(例えば希硫酸)を含んでいる。正極活物質ペーストは、例えば、鉛粉と添加剤とを混合することにより混合物を得た後に、この混合物に溶媒及び硫酸を加えて混練することにより得られる。正極活物質ペースト中の水分量は、例えば、5質量%以上、10質量%以上又は15質量%以上であってよく、30質量%以下、25質量%以下又は20質量%以下であってよい。 In the positive electrode manufacturing process, for example, a positive electrode current collector holds a paste-like positive electrode active material (positive electrode active material paste), and then is aged and dried to obtain an unformed positive electrode. The positive electrode active material paste contains, for example, lead powder, additives, and sulfuric acid (for example, dilute sulfuric acid). The positive electrode active material paste can be obtained, for example, by mixing lead powder and additives to obtain a mixture, and then adding a solvent and sulfuric acid to this mixture and kneading the mixture. The water content in the positive electrode active material paste may be, for example, 5% by mass or more, 10% by mass or more, or 15% by mass or more, and 30% by mass or less, 25% by mass or less, or 20% by mass or less.
組立工程では、例えば、得られた未化成の正極及び負極を、セパレータを介して積層し、同極性の電極の集電部をストラップで溶接させて未化成の電極群を得る。この電極群を電槽内の各セルに収容して、隣り合うセル室内の電極群の負極ストラップと正極ストラップとをセル室間を隔てている隔壁を貫通したセル間接続部により接続した後、蓋を電槽の上端に取り付けることで未化成の鉛蓄電池を作製する。次に、未化成の鉛蓄電池に希硫酸を入れて、直流電流を通電して電槽化成する。続いて、化成後の硫酸の比重(20℃)を適切な電解液の比重に調整することで、鉛蓄電池1が得られる。 In the assembly process, for example, the obtained unformed positive and negative electrodes are stacked with a separator in between, and the current collecting parts of the electrodes of the same polarity are welded with a strap to obtain an unformed electrode group. After accommodating this electrode group in each cell in the battery case and connecting the negative electrode strap and positive electrode strap of the electrode group in adjacent cell chambers by the inter-cell connection portion penetrating the partition wall separating the cell chambers, A crude lead-acid battery is created by attaching a lid to the top of the battery case. Next, dilute sulfuric acid is poured into an unformed lead-acid battery and DC current is applied to form the battery. Subsequently, the lead acid battery 1 is obtained by adjusting the specific gravity (20° C.) of the sulfuric acid after chemical formation to an appropriate specific gravity of the electrolytic solution.
化成に用いる硫酸の比重(20℃)は、1.15~1.25であってよい。化成後の硫酸の比重(20℃)は、好ましくは1.25~1.33、より好ましくは1.26~1.30である。化成条件及び硫酸の比重は、電極のサイズに応じて調整することができる。化成処理は、組立工程において実施されてもよく、電極製造工程において実施されてもよい(タンク化成)。 The specific gravity (20° C.) of sulfuric acid used for chemical formation may be 1.15 to 1.25. The specific gravity (20° C.) of sulfuric acid after chemical conversion is preferably 1.25 to 1.33, more preferably 1.26 to 1.30. The chemical formation conditions and the specific gravity of sulfuric acid can be adjusted depending on the size of the electrode. The chemical conversion treatment may be performed in the assembly process or in the electrode manufacturing process (tank chemical conversion).
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically explained with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
<比較例1>
(未化成の正極板の作製)
Pb成分として鉛粉及び鉛丹(Pb3O4)を用意した(鉛粉:鉛丹=96:4(質量比))。上記Pb成分と、Pb成分の全質量を基準として0.07質量%の補強用短繊維(アクリル繊維)と、水とを混合して混練した。続いて、希硫酸(比重1.280)を少量ずつ添加しながら混練して、正極活物質ペーストを作製した。鉛合金からなる圧延シートにエキスパンド加工を施すことにより作製されたエキスパンド式正極集電体にこの正極活物質ペーストを充填した。次いで、正極活物質ペーストを温度50℃、湿度98%の雰囲気で24時間熟成した後、温度60℃で24時間以上乾燥して、未化成の正極板を得た。
<Comparative example 1>
(Preparation of unformed positive electrode plate)
Lead powder and red lead (Pb 3 O 4 ) were prepared as the Pb component (lead powder: red lead = 96:4 (mass ratio)). The Pb component, 0.07% by mass of reinforcing short fibers (acrylic fibers) based on the total mass of the Pb component, and water were mixed and kneaded. Subsequently, dilute sulfuric acid (specific gravity: 1.280) was added little by little and kneaded to prepare a positive electrode active material paste. This positive electrode active material paste was filled into an expanded positive electrode current collector produced by expanding a rolled sheet made of a lead alloy. Next, the positive electrode active material paste was aged for 24 hours in an atmosphere at a temperature of 50° C. and a humidity of 98%, and then dried at a temperature of 60° C. for 24 hours or more to obtain an unformed positive electrode plate.
(未化成の負極板の作製)
Pb成分として鉛粉を用意した。Pb成分(鉛粉)100質量部に対して、リグニン粉末0.2質量部、アクリル繊維0.1質量部、硫酸バリウム1.0質量部、及び炭素粉末0.2質量部の混合物を添加し、乾式混合した。次に、この混合物に水を加えて混練した後、比重1.280の希硫酸を少量ずつ添加しながら更に混練して、負極活物質ペーストを作製した。鉛合金からなる圧延シートにエキスパンド加工を施すことにより作製されたエキスパンド式負極集電体に、この負極活物質ペーストを充填した。次いで、負極活物質ペーストを温度50℃、湿度98%の雰囲気で24時間熟成した後、温度50℃で16時間乾燥して、未化成の負極板を得た。
(Preparation of unformed negative electrode plate)
Lead powder was prepared as a Pb component. A mixture of 0.2 parts by mass of lignin powder, 0.1 parts by mass of acrylic fibers, 1.0 parts by mass of barium sulfate, and 0.2 parts by mass of carbon powder was added to 100 parts by mass of Pb component (lead powder). , dry mixed. Next, water was added to this mixture and kneaded, and then further kneaded while adding dilute sulfuric acid having a specific gravity of 1.280 little by little to prepare a negative electrode active material paste. This negative electrode active material paste was filled into an expanded negative electrode current collector produced by expanding a rolled sheet made of a lead alloy. Next, the negative electrode active material paste was aged for 24 hours in an atmosphere with a temperature of 50° C. and a humidity of 98%, and then dried at a temperature of 50° C. for 16 hours to obtain an unformed negative electrode plate.
(評価用鉛蓄電池の組み立て)
袋状に加工したポリエチレン製のセパレータ(厚さ:0.75mm)に、未化成の負極板を挿入した。次に、未化成の正極板8枚と、袋状のセパレータに挿入された未化成の負極板8枚とを交互に積層した。続いて、キャストオンストラップ(COS)方式で、同極性の電極の耳部同士を溶接して電極群を作製した。この電極群を6つ用意し、6つのセル室を有する電槽にそれぞれ挿入した。次いで電極群の負極ストラップと正極ストラップをセル間接続した後、蓋を電槽の上部に熱溶着することで12V電池(JIS D 5301規定のB24サイズに相当)を組み立てた。その後、希硫酸に硫酸ナトリウム水溶液を加えることで調製した電解液(ナトリウムイオン濃度:0.05mol/L)を上記電池の各セルに注入し、40℃の水槽に入れて1時間静置した。その後、17Aにて18時間の定電流で化成を行い、評価用鉛蓄電池を得た。なお、化成後の電解液(硫酸溶液)の比重を1.28(20℃)に調整した。
(Assembling lead-acid battery for evaluation)
An unformed negative electrode plate was inserted into a bag-shaped polyethylene separator (thickness: 0.75 mm). Next, eight unformed positive electrode plates and eight unformed negative electrode plates inserted into the bag-shaped separator were alternately laminated. Subsequently, the ears of the electrodes of the same polarity were welded together using a cast-on strap (COS) method to produce an electrode group. Six of these electrode groups were prepared, and each was inserted into a battery case having six cell chambers. Next, after connecting the negative electrode strap and positive electrode strap of the electrode group between cells, a 12V battery (corresponding to B24 size according to JIS D 5301) was assembled by thermally welding the lid to the top of the battery case. Thereafter, an electrolytic solution (sodium ion concentration: 0.05 mol/L) prepared by adding an aqueous sodium sulfate solution to dilute sulfuric acid was injected into each cell of the battery, and the cells were placed in a water bath at 40° C. and allowed to stand for 1 hour. Thereafter, chemical conversion was performed at a constant current of 17 A for 18 hours to obtain a lead acid battery for evaluation. Note that the specific gravity of the electrolyte solution (sulfuric acid solution) after chemical formation was adjusted to 1.28 (20° C.).
以上の工程により得られた電極群のセル体積Vは376cm3、電極群に含まれる正極活物質の質量Mpは376g、一つのセル室に収容された電解液中の硫酸の質量Msは184gであった。表2には、Mp/V及びMs/Mpの値を示す。 The cell volume V of the electrode group obtained through the above steps is 376 cm 3 , the mass Mp of the positive electrode active material contained in the electrode group is 376 g, and the mass Ms of sulfuric acid in the electrolyte solution accommodated in one cell chamber is 184 g. there were. Table 2 shows the values of Mp/V and Ms/Mp.
<比較例2及び実施例1~25>
比較例2及び実施例1~25では、電極群における正極板及び負極板の枚数、正極板における正極活物質の密度、電解液の注入量を変更することにより、Mp/V及びMs/Mpの値を表2に示すとおりに変更した評価用鉛蓄電池を得た。
<Comparative Example 2 and Examples 1 to 25>
In Comparative Example 2 and Examples 1 to 25, Mp/V and Ms/Mp were changed by changing the number of positive electrode plates and negative electrode plates in the electrode group, the density of the positive electrode active material in the positive electrode plate, and the injection amount of electrolyte. Lead-acid batteries for evaluation with values changed as shown in Table 2 were obtained.
なお、比較例1~2及び実施例1~25では、電極群における電極群に含まれる負極活物質の質量Mnに対する、電極群に含まれる正極活物質の質量Mpの比Mp/Mnは1.23~1.68の範囲内であった。 In Comparative Examples 1 to 2 and Examples 1 to 25, the ratio Mp/Mn of the mass Mp of the positive electrode active material included in the electrode group to the mass Mn of the negative electrode active material included in the electrode group in the electrode group was 1. It was within the range of 23 to 1.68.
<評価>
(OTA利用時の電力供給用途での寿命試験)
各実験例の評価用鉛蓄電池について、25℃の温度環境下で、下記(I)を繰り返し行い、下記条件(3)での放電時の末期電圧が7.2Vとなるまでのサイクル数(繰返し回数)を測定した。評価は、比較例1の評価用鉛蓄電池の上記サイクル数を100とする相対評価とした。この評価により、車載機器がOTAを利用する際の電力を供給するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命を評価することができる。結果を表2に示す。
(I):下記条件(1)での放電と下記条件(2)での充電とをこの順でそれぞれ3回繰り返した後、下記条件(3)での放電と下記条件(4)での充電とをこの順で行う。
条件(1):放電電流=25A、放電時間=240秒間
条件(2):充電電圧=14.8V、充電時間=600秒間
条件(3):放電電流=25A、放電時間=600秒間
条件(4):充電電圧=14.8V、充電時間=1500秒間
<Evaluation>
(Lifetime test for power supply application when using OTA)
For the lead-acid battery for evaluation in each experimental example, the following (I) was repeatedly performed in a temperature environment of 25°C, and the number of cycles (repetitive The number of times) was measured. The evaluation was a relative evaluation in which the number of cycles of the evaluation lead acid battery of Comparative Example 1 was set to 100. Through this evaluation, it is possible to evaluate the lifespan of the lead-acid battery when it is used to supply power when in-vehicle equipment uses OTA. The results are shown in Table 2.
(I): Discharging under condition (1) below and charging under condition (2) below are repeated three times each in this order, then discharging under condition (3) below and charging under condition (4) below. and in this order.
Condition (1): Discharge current = 25 A, discharge time = 240 seconds Condition (2): Charging voltage = 14.8 V, charging time = 600 seconds Condition (3): Discharge current = 25 A, discharge time = 600 seconds Condition (4) ): Charging voltage = 14.8V, charging time = 1500 seconds
(エンジン始動用途での寿命試験)
各比較例及び実施例の評価用鉛蓄電池について、40℃の温度環境下で、下記(II)を繰り返し行い、定格コールドクランキング電流での連続放電時の末期電圧が7.2Vとなるまでのサイクル数を測定した。評価は、比較例1の評価用鉛蓄電池の上記サイクル数を100とする相対評価とした。この評価により、エンジンを始動するために用いられた場合の鉛蓄電池の寿命を評価することができる。結果を表2に示す。
(III):上記条件(1)での放電と上記条件(2)での充電とをこの順でそれぞれ480回繰り返した後、56時間放置してから、定格コールドクランキング電流(370A)で30秒間連続放電を行う。
(Life test for engine starting applications)
For the evaluation lead-acid batteries of each comparative example and example, the following (II) was repeatedly performed in a temperature environment of 40°C until the final voltage during continuous discharge at the rated cold cranking current reached 7.2V. The number of cycles was measured. The evaluation was a relative evaluation in which the number of cycles of the evaluation lead acid battery of Comparative Example 1 was set to 100. This evaluation makes it possible to evaluate the lifespan of a lead acid battery when used to start an engine. The results are shown in Table 2.
(III): After repeating discharging under the above condition (1) and charging under the above condition (2) in this order 480 times, and leaving it for 56 hours, Perform continuous discharge for seconds.
1…鉛蓄電池、2…電槽、4…電極群、8…正極、9…負極、12…正極活物質、14…負極活物質、24…セル室。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Lead-acid battery, 2... Battery container, 4... Electrode group, 8... Positive electrode, 9... Negative electrode, 12... Positive electrode active material, 14... Negative electrode active material, 24... Cell chamber.
Claims (7)
前記複数のセル室のそれぞれに収容された電極群及び電解液と、
を備える鉛蓄電池であって、
前記電極群は、
正極活物質を含む正極と、
負極活物質を含む負極と、
を有し、
前記複数のセル室の一つに収容された前記電極群のセル体積V(単位:cm3)に対する、前記電極群に含まれる前記正極活物質の質量Mp(単位:g)の比Mp/Vが、1.05以上であり、
前記正極活物質の質量Mp(単位:g)に対する、前記複数のセル室の一つに収容された前記電解液中の硫酸の質量Ms(単位:g)の比Ms/Mpが、0.45以上である、鉛蓄電池。 A battery case having multiple cell chambers;
an electrode group and an electrolytic solution housed in each of the plurality of cell chambers;
A lead-acid battery comprising:
The electrode group is
a positive electrode containing a positive electrode active material;
a negative electrode containing a negative electrode active material;
has
a ratio Mp/V of the mass Mp (unit: g) of the positive electrode active material included in the electrode group to the cell volume V (unit: cm 3 ) of the electrode group accommodated in one of the plurality of cell chambers; is 1.05 or more,
The ratio Ms/Mp of the mass Ms (unit: g) of sulfuric acid in the electrolytic solution accommodated in one of the plurality of cell chambers to the mass Mp (unit: g) of the positive electrode active material is 0.45. That's it for lead acid batteries.
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