JP2024062140A - Lead storage 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 a lead-acid battery.
鉛蓄電池は、車載用、産業用の他、様々な用途で使用されている。鉛蓄電池は、正極板および負極板と、これらの間に介在するセパレータと、電解液と、を含む。鉛蓄電池のセパレータには、様々な性能が要求される。セパレータとしては、一般にポリオレフィン製の多孔質フィルムが使用されている。 Lead-acid batteries are used in vehicles, industrial applications, and a variety of other applications. Lead-acid batteries contain positive and negative electrode plates, a separator between them, and an electrolyte. Separators in lead-acid batteries are required to have a variety of performance characteristics. Porous films made of polyolefin are generally used as separators.
特許文献1は、「正極板と負極板と電解液とセパレータとを備えた鉛蓄電池において、前記セパレータは多孔質シートとガラスマットから成り、前記電解液がアルミニウムイオンを0.02mol/L以上0.2mol/L以下、リチウムイオンを0.02mol/L以上0.2mol/L以下含有することを特徴とする、鉛蓄電池」を提案している。 Patent Document 1 proposes a lead-acid battery comprising "positive and negative electrode plates, an electrolyte, and a separator, the separator being made of a porous sheet and a glass mat, and the electrolyte containing aluminum ions at 0.02 mol/L or more and 0.2 mol/L or less, and lithium ions at 0.02 mol/L or more and 0.2 mol/L or less."
特許文献2は、「正極板と、負極板と、前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータと、前記負極板と前記セパレータとの間に配置された膜体と、電解液と、前記正極板、前記負極板、前記セパレータ、前記膜体及び前記電解液を収容する電槽と、を備え、前記膜体は、平均細孔径が15μm以下の細孔を有し、満充電容量に対する残容量の割合が90%以下となるように用いられる、液式鉛蓄電池」を提案している。 Patent Document 2 proposes a flooded lead-acid battery comprising "a positive electrode plate, a negative electrode plate, a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, a membrane disposed between the negative electrode plate and the separator, an electrolyte, and a battery case that contains the positive electrode plate, the negative electrode plate, the separator, the membrane, and the electrolyte, the membrane having pores with an average pore diameter of 15 μm or less, and used so that the ratio of remaining capacity to full charge capacity is 90% or less."
特許文献3は、「一つ又は複数の隔壁によって二つ以上の領域に区切られた電槽を準備する工程と、複数の正極板と複数のポリオレフィン製のセパレータと複数の不織布と複数の負極板とをそれぞれ含む、二つ以上の極板群を準備する工程と、前記電槽の前記領域に前記極板群を収容する工程と、前記電槽内に電解液を供給する工程と、を備え、前記電槽の前記領域に前記極板群を収容する際、前記極板群の厚さ方向の圧縮力を前記隔壁から前記極板群に付与しながら、前記領域に対して前記極板群を押し込む、液式鉛蓄電池の製造方法であって、前記領域の幅をXmmとし、化成後の電池から取り出したときの前記極板群の厚さをYmmとすると、XとYは-1.1≦X-Y≦1.2を満たす、液式鉛蓄電池の製造方法」を提案している。 Patent Document 3 proposes a method for manufacturing a flooded lead-acid battery, comprising the steps of: preparing a battery case divided into two or more regions by one or more partition walls; preparing two or more plate groups, each of which includes a plurality of positive plates, a plurality of polyolefin separators, a plurality of nonwoven fabrics, and a plurality of negative plates; housing the plate group in the region of the battery case; and supplying an electrolyte into the battery case, in which, when housing the plate group in the region of the battery case, the plate group is pressed into the region while a compressive force in the thickness direction of the plate group is applied to the plate group from the partition wall, where X and Y satisfy -1.1≦X-Y≦1.2, where the width of the region is X mm and the thickness of the plate group when removed from the battery after chemical formation is Y mm.
特許文献4は、「電解液中に0.5mg/L以上3mg/L以下の還元性有機物を含むことを特徴とする鉛蓄電池」を提案している。 Patent document 4 proposes "a lead-acid battery characterized by containing 0.5 mg/L or more and 3 mg/L or less of reducing organic matter in the electrolyte."
車両用の鉛蓄電池には、重負荷寿命試験において優れた寿命性能(重負荷寿命性能)を確保することが求められる。重負荷寿命試験では、鉛蓄電池が大電流で深放電された後、放電電気量とほぼ同量の充電電気量が充電される。そのため、優れた重負荷寿命性能を得るためには、副反応を抑制することが重要である。副反応に充電電気量の一部が消費されると充電不足になる。その場合、鉛蓄電池の放電深度がさらに深くなるため、正極電極材料が次第に軟化し、正極板から脱落して寿命に至る。特にトラック、タクシーなどの比較的振動の激しい商用車両ではその傾向が大きい。 Lead-acid batteries for vehicles are required to ensure excellent life performance (heavy-load life performance) in heavy-load life tests. In heavy-load life tests, the lead-acid battery is deeply discharged with a large current, and then charged with a charge of approximately the same amount of electricity as the discharged amount. Therefore, in order to obtain excellent heavy-load life performance, it is important to suppress side reactions. If part of the charged electricity is consumed in side reactions, the battery will become undercharged. In that case, the lead-acid battery will be discharged even deeper, so the positive electrode material will gradually soften and fall off the positive plate, reaching the end of its life. This tendency is particularly pronounced in commercial vehicles that are subject to relatively strong vibrations, such as trucks and taxis.
これに対し、正極板および負極板の間に介在し、かつ正極板と接触する不織布を設けると、軟化した正極電極材料の脱落を低減することができる。 In response to this, by providing a nonwoven fabric that is interposed between the positive and negative electrode plates and that is in contact with the positive electrode plate, it is possible to reduce the shedding of the softened positive electrode material.
しかし、正極板および負極板の間に不織布を設けると、電解液中のイオン伝導に対する物理的障壁が増大し、抵抗が高くなるため、コールドクランキング電流(Cold Cranking Ampere:CCA)性能が低下する。 However, placing a nonwoven fabric between the positive and negative plates increases the physical barrier to ionic conduction in the electrolyte, increasing resistance and reducing cold cranking ampere (CCA) performance.
以上のように、一定程度の副反応が生じ得る状態においては、高いCCA性能を確保しながら、優れた重負荷寿命性能を確保することは難しい。一方、近年は、アイドリングストップ機能を装備する車両やマイクロハイブリッド車両に適用するために、より優れた重負荷寿命性能とCCA性能を有する鉛蓄電池が求められている。 As described above, in a state where a certain degree of side reactions may occur, it is difficult to ensure excellent heavy-load life performance while maintaining high CCA performance. On the other hand, in recent years, there has been a demand for lead-acid batteries with better heavy-load life performance and CCA performance for use in vehicles equipped with idling stop functions and micro-hybrid vehicles.
本開示の一側面は、正極板と、負極板と、前記正極板および前記負極板の間に介在する樹脂製の多孔質フィルムと、前記正極板および前記負極板の間に介在し、かつ前記正極板と接触している不織布と、電解液と、を備え、前記電解液中の化学的酸素要求量は、160mg/L以下である、鉛蓄電池に関する。 One aspect of the present disclosure relates to a lead-acid battery comprising a positive electrode plate, a negative electrode plate, a resin porous film interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, a nonwoven fabric interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate and in contact with the positive electrode plate, and an electrolyte, the chemical oxygen demand of the electrolyte being 160 mg/L or less.
鉛蓄電池において、高いCCA性能を確保しながら、優れた重負荷寿命性能を確保することができる。 In lead-acid batteries, it is possible to ensure excellent heavy-load life performance while maintaining high CCA performance.
以下では、本開示の実施形態について例を挙げて説明するが、本開示は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。この明細書において、「数値A~数値B」という記載は、数値Aおよび数値Bを含み、「数値A以上で数値B以下」と読み替えることが可能である。以下の説明において、特定の物性や条件などに関する数値の下限と上限とを例示した場合、下限が上限以上とならない限り、例示した下限のいずれかと例示した上限のいずれかを任意に組み合わせることができる。複数の材料が例示される場合、その中から1種を選択して単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 In the following, the embodiment of the present disclosure will be described with examples, but the present disclosure is not limited to the examples described below. In the following description, specific numerical values and materials may be exemplified, but other numerical values and materials may be applied as long as the effects of the present disclosure are obtained. In this specification, the description "numerical value A to numerical value B" includes numerical value A and numerical value B and can be read as "numerical value A or more and numerical value B or less." In the following description, when a lower limit and an upper limit of a numerical value related to a specific physical property or condition are exemplified, any of the exemplified lower limits and any of the exemplified upper limits can be arbitrarily combined as long as the lower limit is not equal to or greater than the upper limit. When multiple materials are exemplified, one of them may be selected and used alone, or two or more of them may be used in combination.
また、本開示は、添付の特許請求の範囲に記載の複数の請求項から任意に選択される2つ以上の請求項に記載の事項の組み合わせを包含する。つまり、技術的な矛盾が生じない限り、添付の特許請求の範囲に記載の複数の請求項から任意に選択される2つ以上の請求項に記載の事項を組み合わせることができる。 The present disclosure also encompasses combinations of features described in two or more claims arbitrarily selected from the multiple claims described in the accompanying claims. In other words, the features described in two or more claims arbitrarily selected from the multiple claims described in the accompanying claims may be combined as long as no technical contradiction arises.
本明細書中、鉛蓄電池または鉛蓄電池の構成要素(極板、電槽、セパレータなど)の上下方向は、使用される状態に配置された鉛蓄電池の鉛直方向における上下方向を意味する。なお、正極板および負極板の各極板は、外部端子と接続するための耳部を備えている。例えば液式電池では、耳部は、極板の上部に上方に突出するように設けられている。 In this specification, the up-down direction of a lead-acid battery or components of a lead-acid battery (electrode plates, battery case, separator, etc.) refers to the up-down direction in the vertical direction of the lead-acid battery arranged in a state of use. Each electrode plate, the positive electrode plate and the negative electrode plate, has a lug portion for connecting to an external terminal. For example, in a liquid battery, the lug portion is provided on the top of the electrode plate so as to protrude upward.
本開示に係る鉛蓄電池は、制御弁式電池(VRLA型電池)でもよいが、電解液中の化学的酸素要求量(COD)の低減による作用効果を有効活用できる点で液式電池(ベント型電池)が好ましい。 The lead-acid battery according to the present disclosure may be a valve-regulated battery (VRLA type battery), but a flooded battery (vented type battery) is preferred because it can effectively utilize the effect of reducing the chemical oxygen demand (COD) in the electrolyte.
鉛蓄電池は、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に介在するセパレータと、電解液とを備える。電解液は硫酸を含む。正極板および負極板と電解液との間で硫酸イオンが移動することで充電と放電が進行する。放電時には、硫酸イオンが正極板および負極板に移動するため、電解液の密度が低下する。充電時には、硫酸イオンが正極板および負極板から電解液中に移動するため、電解液の密度が上昇する。 A lead-acid battery comprises positive and negative plates, a separator interposed between the positive and negative plates, and an electrolyte. The electrolyte contains sulfuric acid. Charging and discharging proceeds as sulfate ions move between the positive and negative plates and the electrolyte. During discharging, sulfate ions move to the positive and negative plates, decreasing the density of the electrolyte. During charging, sulfate ions move from the positive and negative plates into the electrolyte, increasing the density of the electrolyte.
正極板と負極板とセパレータは極板群を構成する。極板群は電解液とともにセルを構成する。1つの極板群は1つのセルを構成する。鉛蓄電池は1つの以上の電極群を具備することで1つ以上のセルを具備する。1つの極板群に含まれる正極板および負極板の枚数に特に限定はない。本開示に係る鉛蓄電池が具備する極板群は、例えば、正極板と負極板を合計で12枚以上含む。複数の極板群は、通常それぞれ個別のセル室に収容されて互いに直列に接続される。 The positive and negative plates and the separator constitute an electrode plate group. The electrode plate group, together with the electrolyte, constitutes a cell. One electrode plate group constitutes one cell. A lead-acid battery comprises one or more electrode groups, and thus comprises one or more cells. There is no particular limit to the number of positive and negative plates contained in one electrode plate group. The electrode plate group of the lead-acid battery according to the present disclosure includes, for example, a total of 12 or more positive and negative plates. The multiple electrode plate groups are usually housed in individual cell chambers and connected to each other in series.
正極板は、正極電極材料を含む。正極電極材料は、酸化還元反応により容量を発現する正極活物質として、充電時には少なくとも二酸化鉛を含み、放電時には少なくとも硫酸鉛を含む。 The positive electrode plate includes a positive electrode material. The positive electrode material contains at least lead dioxide during charging and at least lead sulfate during discharging as a positive electrode active material that develops capacity through an oxidation-reduction reaction.
負極板は、負極電極材料を含む。負極電極材料は、酸化還元反応により容量を発現する負極活物質として、充電時には少なくとも鉛を含み、放電時には少なくとも硫酸鉛を含む。 The negative plate includes a negative electrode material. The negative electrode material contains at least lead during charging and at least lead sulfate during discharging as a negative electrode active material that develops capacity through an oxidation-reduction reaction.
(1)本開示の一実施形態に係る鉛蓄電池は、正極板と、負極板と、前記正極板および前記負極板の間に介在する樹脂製の多孔質フィルムと、前記正極板および前記負極板の間に介在し、かつ前記正極板と接触している不織布と、電解液と、を備え、前記電解液中の化学的酸素要求量(COD)は、160mg/L以下である。 (1) A lead-acid battery according to one embodiment of the present disclosure includes a positive electrode plate, a negative electrode plate, a resin porous film interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, a nonwoven fabric interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate and in contact with the positive electrode plate, and an electrolyte, the chemical oxygen demand (COD) of the electrolyte being 160 mg/L or less.
本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池は、高いCCA性能と優れた重負荷寿命性能を有する。これは、電解液中のCODを調整することで、深放電による正極電極材料の軟化の進行による正極集電体と正極電極材料との結合力の低下が抑制されるためと考えられる。不織布を用いる場合、正極電極材料の脱落は軽減できるが、深放電による正極電極材料の軟化自体は進行する。一方、CODを160mg/L以下とする場合、充電受入性が向上するため、放電深度が過度に深くならず、正極電極材料の軟化が進行しにくくなり、正極集電体と正極電極材料との結合力の低下による抵抗の増大が抑制され、不織布による抵抗増大の影響がCCA性能に反映されにくくなると考えられる。 The lead-acid battery according to one embodiment of the present invention has high CCA performance and excellent heavy load life performance. This is believed to be because, by adjusting the COD in the electrolyte, the decrease in the bonding strength between the positive electrode collector and the positive electrode material due to the progression of softening of the positive electrode material due to deep discharge is suppressed. When nonwoven fabric is used, the detachment of the positive electrode material can be reduced, but the softening of the positive electrode material due to deep discharge itself progresses. On the other hand, when the COD is set to 160 mg/L or less, the charge acceptance is improved, the discharge depth does not become excessively deep, the softening of the positive electrode material is less likely to progress, the increase in resistance due to the decrease in the bonding strength between the positive electrode collector and the positive electrode material is suppressed, and it is believed that the effect of the increase in resistance due to the nonwoven fabric is less likely to be reflected in the CCA performance.
また、電解液中の有機物は、正極板表面での酸化分解により充電受入性を低下させるだけでなく、電解液中のイオン伝導を阻害することにより、充電および放電の両方の反応に影響を及ぼす。電解液中のCODが160mg/Lを超える場合、電解液中のイオン伝導が阻害され、放電反応が阻害されるため、CCA性能が低下する。これに対し、電解液中のCODを160mg/L以下に低減することでイオン伝導が阻害されにくくなるため、高いCCA性能が得られる。このようなCOD低減によるCCA性能向上の効果は、多孔質フィルムに加えて不織布を正極板と負極板との間に介在させた場合にも有効に発揮される。以上のことから、多孔質フィルムと不織布とを正極板と負極板との間に介在させ、電解液中のCODを一定範囲以下とすることで、高いCCA性能と重負荷寿命性能を兼ね備えた鉛蓄電池を得ることができる。 In addition, organic matter in the electrolyte not only reduces the charge acceptance due to oxidative decomposition on the surface of the positive plate, but also affects both the charge and discharge reactions by inhibiting ionic conduction in the electrolyte. If the COD in the electrolyte exceeds 160 mg/L, the ionic conduction in the electrolyte is inhibited and the discharge reaction is inhibited, resulting in a decrease in CCA performance. In contrast, by reducing the COD in the electrolyte to 160 mg/L or less, ionic conduction is less likely to be inhibited, resulting in high CCA performance. The effect of improving CCA performance by reducing COD is also effectively exerted when a nonwoven fabric is interposed between the positive and negative plates in addition to the porous film. From the above, by interposing a porous film and a nonwoven fabric between the positive and negative plates and setting the COD in the electrolyte to a certain range or less, a lead-acid battery having both high CCA performance and heavy load life performance can be obtained.
(2)上記(1)に記載の鉛蓄電池において、前記不織布は、ガラス繊維および有機繊維からなる群より選択される少なくとも1種を含むマットであってもよい。 (2) In the lead-acid battery described in (1) above, the nonwoven fabric may be a mat containing at least one type selected from the group consisting of glass fibers and organic fibers.
上記(2)に記載の鉛蓄電池では、ガラス繊維は耐酸化性に優れ、有機繊維は柔軟性と正極電極材料との密着性に優れているため、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する効果が大きい。 In the lead-acid battery described in (2) above, glass fibers have excellent oxidation resistance, and organic fibers have excellent flexibility and adhesion to the positive electrode material, so they are highly effective in preventing the softened positive electrode material from falling off.
(3)上記(1)または(2)に記載の鉛蓄電池において、CODは、100mg/L以下であってもよい。 (3) In the lead acid battery described in (1) or (2) above, the COD may be 100 mg/L or less.
上記(3)に記載の鉛蓄電池では、放電性能が顕著に向上するため、より高いCCA性能と、より優れた重負荷寿命性能を得ることができる。 The lead-acid battery described in (3) above has significantly improved discharge performance, resulting in higher CCA performance and better heavy-load life performance.
(4)上記(1)~(3)のいずれか1つに記載の鉛蓄電池において、CODは、1.0mg/L以上であってもよい。 (4) In the lead acid battery described in any one of (1) to (3) above, the COD may be 1.0 mg/L or more.
上記(4)に記載の鉛蓄電池は、CODが小さすぎない点で、CODの制御が容易である。よって、鉛蓄電池の構成要素の選択の幅が広くなる。また、CODが小さい場合、充電受入性が高いため重負荷寿命試験では満充電状態まで充電されるが、CODが小さすぎないことで正極に対向する多孔質フィルムの酸化劣化が生じにくくなる。よって、より良好なCCA性能と重負荷寿命性能が達成され得る。 The lead-acid battery described in (4) above has a COD that is not too small, making it easy to control the COD. This allows for a wider range of choices for the components of the lead-acid battery. In addition, when the COD is small, the battery has high charge acceptance and is charged to a full charge state in a heavy-load life test, but because the COD is not too small, oxidation degradation of the porous film facing the positive electrode is less likely to occur. This allows for better CCA performance and heavy-load life performance to be achieved.
(5)上記(1)~(4)のいずれか1つに記載の鉛蓄電池において、前記不織布が、前記正極板の表面に固定されていてもよい。 (5) In the lead-acid battery described in any one of (1) to (4) above, the nonwoven fabric may be fixed to the surface of the positive electrode plate.
上記(5)に記載の鉛蓄電池では、正極板と不織布とが一体化されているため、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する効果が大きい。また、不織布で覆われる正極板の表面積が大きくなるため、CODを小さくすることによる放電性能の向上効果が顕著に発現する。 In the lead-acid battery described in (5) above, the positive electrode plate and the nonwoven fabric are integrated, which is effective in suppressing the softened positive electrode material from falling off. In addition, the surface area of the positive electrode plate covered by the nonwoven fabric is large, which significantly improves discharge performance by reducing COD.
(6)上記(1)~(5)のいずれか1つに記載の鉛蓄電池において、前記多孔質フィルムは、100μm以上300μm以下の厚さを有してもよい。 (6) In the lead-acid battery described in any one of (1) to (5) above, the porous film may have a thickness of 100 μm or more and 300 μm or less.
上記(6)に記載の鉛蓄電池では、多孔質フィルムが十分に薄く、かつ高い強度を有するため、より高いCCA性能と、より優れた重負荷寿命性能を得ることができる。 In the lead-acid battery described in (6) above, the porous film is sufficiently thin and has high strength, so that higher CCA performance and better heavy load life performance can be obtained.
(7)上記(1)~(6)のいずれか1つに記載の鉛蓄電池において、前記不織布は、30μm以上800μm以下の厚さを有してもよい。 (7) In the lead-acid battery described in any one of (1) to (6) above, the nonwoven fabric may have a thickness of 30 μm or more and 800 μm or less.
上記(7)に記載の鉛蓄電池では、不織布が十分に薄く、かつ高い強度を有するため、より高いCCA性能と、より優れた重負荷寿命性能を得ることができる。 In the lead-acid battery described in (7) above, the nonwoven fabric is sufficiently thin and has high strength, so that higher CCA performance and better heavy load life performance can be obtained.
(8)上記(1)~(7)のいずれか1つに記載の鉛蓄電池において、前記多孔質フィルムは、端部の少なくとも一部に、前記不織布で覆われていない領域を有してもよい。 (8) In the lead-acid battery described in any one of (1) to (7) above, the porous film may have an area at least partially at the end that is not covered by the nonwoven fabric.
上記(8)に記載の鉛蓄電池によれば、不織布のサイズを、内部抵抗の増大を抑制しつつ、軟化した正極電極材料の脱落を抑制するのに十分なサイズとすることができる。 According to the lead-acid battery described in (8) above, the size of the nonwoven fabric can be made large enough to suppress the fall-off of the softened positive electrode material while suppressing an increase in internal resistance.
多孔質フィルムは、単独でセパレータとして使用し得る。よって、多孔質フィルムのみをセパレータと称してもよい。不織布は、多孔質フィルムと協働してセパレータとしても機能する。よって、多孔質フィルムと不織布を合わせてセパレータと称してもよい。 The porous film can be used alone as a separator. Therefore, the porous film alone may be referred to as a separator. The nonwoven fabric also functions as a separator in cooperation with the porous film. Therefore, the porous film and the nonwoven fabric together may be referred to as a separator.
多孔質フィルムと不織布とを正極板と負極板との間に介在させることは、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する上で効果的である。しかし、電解液中のCODが一定範囲を超える場合、不織布を採用することによる重負荷寿命性能の改善の程度は限定的であることを発明者らは見出した。 Interposing a porous film and nonwoven fabric between the positive and negative electrodes is effective in preventing the softened positive electrode material from falling off. However, the inventors have found that when the COD in the electrolyte exceeds a certain range, the degree of improvement in heavy load life performance achieved by using nonwoven fabric is limited.
不織布の有無にかかわらず、電解液中の化学的酸素要求量(COD)が所定範囲を超える場合、電解液中の有機物が正極板表面で酸化分解される副反応が生じることにより、正極板の充電受入性が低下する。一方、重負荷寿命試験では、放電時には放電電気量が大きい(例えばDOD20~50%)ため、深放電による正極電極材料の軟化が進行し、正極集電体と正極電極材料との結合力が低下し、抵抗が増大する。不織布により正極電極材料の脱落は軽減できるが、軟化自体を抑制することはできない。 Regardless of whether or not nonwoven fabric is used, if the chemical oxygen demand (COD) in the electrolyte exceeds a certain range, a side reaction occurs in which organic matter in the electrolyte is oxidized and decomposed on the surface of the positive plate, reducing the charge acceptance of the positive plate. On the other hand, in heavy-load life tests, the amount of discharged electricity is large during discharge (e.g., DOD 20-50%), so the positive electrode material softens due to deep discharge, the bonding strength between the positive electrode collector and the positive electrode material decreases, and resistance increases. Nonwoven fabric can reduce the shedding of the positive electrode material, but it cannot suppress the softening itself.
これに対し、電解液中のCODを160mg/L以下に制御する場合、電解液中の有機物の濃度が低減される。そのため、活物質の充電反応に対する副反応の割合が小さくなり、充電不足による正極電極材料の軟化が進行しにくくなる。 In contrast, when the COD in the electrolyte is controlled to 160 mg/L or less, the concentration of organic matter in the electrolyte is reduced. This reduces the proportion of side reactions to the charging reaction of the active material, making it difficult for the positive electrode material to soften due to insufficient charging.
電解液中のCODが少ないほど、電解液中の有機物の濃度は低下し、充電時の副反応の量は減少する。よって、電解液中のCODが少ないほど、充電効率が改善して重負荷寿命試験における寿命が長くなると想定される。しかし、実際には、充電量が多くなることで、正極側で発生した酸素が樹脂製の多孔質フィルムの酸化劣化を生じさせるため、必ずしも重負荷寿命は向上せず、かえって低下することがある。酸化劣化した多孔質フィルムは、亀裂もしくは破れを生じ、正極と負極との間で内部短絡を引き起こして鉛蓄電池は寿命に達する。 The lower the COD in the electrolyte, the lower the concentration of organic matter in the electrolyte, and the less side reactions occur during charging. Therefore, it is assumed that the lower the COD in the electrolyte, the better the charging efficiency and the longer the life in heavy load life tests. However, in reality, as the charging amount increases, oxygen generated on the positive electrode side causes oxidation deterioration of the resin porous film, so the heavy load life does not necessarily improve and may even decrease. The oxidized and deteriorated porous film cracks or breaks, causing an internal short circuit between the positive and negative electrodes, and the lead-acid battery reaches the end of its life.
これに対し、正極板と負極板との間に不織布を配置し、不織布を正極板に接触させることで、正極板近傍で発生した酸素による多孔質フィルムの酸化劣化を抑制することができる。また、不織布を正極板に接触した状態とすることで、過充電状態もしくは過放電状態となった正極電極材料が軟化して脱落することを抑制することもできる。この点も重負荷寿命性能の向上に寄与する。 In response to this, by placing a nonwoven fabric between the positive and negative electrode plates and bringing the nonwoven fabric into contact with the positive electrode plate, it is possible to suppress oxidative deterioration of the porous film caused by oxygen generated near the positive electrode plate. In addition, by bringing the nonwoven fabric into contact with the positive electrode plate, it is also possible to prevent the positive electrode material from softening and falling off when it is in an overcharged or overdischarged state. This also contributes to improving the heavy load life performance.
本明細書中、重負荷寿命性能とは、定格容量(5時間率容量)を100%とするとき、1回の放電の深さが20%以上の領域(重負荷領域とも称される。)までの放電と充電とを繰り返したときの寿命性能である。重負荷寿命性能の試験条件の詳細は後述する。 In this specification, heavy load life performance refers to the life performance when the rated capacity (5-hour rate capacity) is taken as 100%, and discharge and charge are repeated to a region where the depth of discharge in one cycle is 20% or more (also called the heavy load region). Details of the test conditions for heavy load life performance are described later.
不織布は、正極板の表面に接触していればよいが、正極板の表面に固定されていてもよい。不織布が正極板の表面に固定され、正極板と不織布とが一体化されることで、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する効果が大きくなる。この場合、不織布で覆われる正極板の表面積が大きくなるため、重負荷寿命性能は、CODの値により強く影響されるようになる。よって、CODを低減することによる重負荷寿命性能の向上効果がより顕著に発現する。正極板の表面に不織布を固定する方法は、特に限定されないが、未化成の状態の正極板の表面に不織布を押圧して貼り付け、その後、化成することにより固定する方法などが挙げられる。 The nonwoven fabric may be in contact with the surface of the positive electrode plate, but may also be fixed to the surface of the positive electrode plate. By fixing the nonwoven fabric to the surface of the positive electrode plate and integrating the positive electrode plate and the nonwoven fabric, the effect of suppressing the fall-off of the softened positive electrode material is increased. In this case, the surface area of the positive electrode plate covered with the nonwoven fabric is increased, so that the heavy load life performance is more strongly affected by the value of COD. Therefore, the effect of improving the heavy load life performance by reducing COD is more pronounced. There are no particular limitations on the method of fixing the nonwoven fabric to the surface of the positive electrode plate, but examples include a method in which the nonwoven fabric is pressed and attached to the surface of the positive electrode plate in an unformed state, and then formed to fix it.
正極電極材料の質量の負極電極材料の質量に対する比(以下、「Mp/Mn比」とも称する。)は、例えば1.2以上であり、1.3以上でもよい。Mp/Mn比は、1.4以下でもよい。Mp/Mn比の好ましい範囲は、例えば、1.2以上1.4以下であり、1.3以上1.4以下でもよい。正極電極材料の質量とは、1枚の正極板が有する正極電極材料の質量である。負極電極材料の質量とは、1枚の負極板が有する負極電極材料の質量である。Mp/Mn比を1.2以上まで大きくすることは、負極電極材料の使用量を減少させることを意味する。換言すれば、Mp/Mn比を1.2以上にすることで鉛蓄電池を軽量化できるとともに低コスト化できる。また、Mp/Mn比が1.2以上である場合、正極板の負荷を軽減できるため、正極板の軟化、脱落を抑制しやすくなる。 The ratio of the mass of the positive electrode material to the mass of the negative electrode material (hereinafter also referred to as the "Mp/Mn ratio") is, for example, 1.2 or more, and may be 1.3 or more. The Mp/Mn ratio may be 1.4 or less. The preferred range of the Mp/Mn ratio is, for example, 1.2 to 1.4, and may be 1.3 to 1.4. The mass of the positive electrode material is the mass of the positive electrode material contained in one positive plate. The mass of the negative electrode material is the mass of the negative electrode material contained in one negative plate. Increasing the Mp/Mn ratio to 1.2 or more means reducing the amount of negative electrode material used. In other words, by making the Mp/Mn ratio 1.2 or more, the lead-acid battery can be made lighter and less expensive. In addition, when the Mp/Mn ratio is 1.2 or more, the load on the positive plate can be reduced, making it easier to suppress the softening and falling off of the positive plate.
本開示に係る鉛蓄電池は、アイドリングストップ・スタート(ISS)制御される車両用として適している。ISS制御される車両に搭載される鉛蓄電池は、深いDODまで放電されるため、不織布を用いることによる正極電極材料の脱落を抑制する効果と、CODを制御することによるCCA性能の改善効果がより顕著に発現される。 The lead-acid battery disclosed herein is suitable for use in vehicles that are controlled by idle stop-start (ISS). Lead-acid batteries installed in vehicles that are controlled by ISS are discharged to a deep DOD, so the effect of suppressing the detachment of the positive electrode material by using nonwoven fabric and the effect of improving CCA performance by controlling COD are more pronounced.
本明細書中、液式の鉛蓄電池の満充電状態とは、JIS D 5301:2019の定義によって定められる。より具体的には、25℃±2℃の水槽中で、15分ごとに測定した充電中の端子電圧(単位:V)または20℃に温度換算した電解液密度が3回連続して有効数字3桁で一定値を示すまで、20時間率電流I20の2倍の電流2I20で、鉛蓄電池を充電した状態を満充電状態とする。なお、20時間率電流I20とは、定格容量に記載のAhの数値の1/20の電流(A)のことである。以下、定格容量として記載された、単位をAhとする数値を、単に「定格容量」という。また、制御弁式の鉛蓄電池の場合、満充電状態とは、25℃±2℃の気槽中で、20時間率電流I20の5倍の電流5I20で、2.67V/セル(定格電圧12Vの鉛蓄電池においては16.00V)の定電流定電圧充電を行い、総充電時間が24時間になった時点で充電を終了した状態である。 In this specification, the fully charged state of a flooded lead-acid battery is defined by the definition of JIS D 5301:2019. More specifically, the fully charged state is defined as a state in which a lead-acid battery is charged at a current 2I20, which is twice the 20-hour rate current I20, until the terminal voltage (unit: V) during charging measured every 15 minutes in a water tank at 25°C ± 2°C or the electrolyte density converted to a temperature of 20°C shows a constant value with three significant digits three consecutive times. The 20-hour rate current I20 is a current (A) that is 1/20 of the Ah value listed in the rated capacity. Hereinafter, the value in Ah listed as the rated capacity will be simply referred to as the "rated capacity". In addition, for valve-regulated lead-acid batteries, the fully charged state is the state in which charging is completed when the total charging time reaches 24 hours, at a constant current and constant voltage of 2.67 V/cell (16.00 V for lead-acid batteries with a rated voltage of 12 V) at a current 5I20, which is five times the 20-hour rate current I20, in an air tank at 25°C ± 2°C.
満充電状態の鉛蓄電池は、既化成の鉛蓄電池を満充電状態まで充電した鉛蓄電池である。鉛蓄電池を満充電状態まで充電するタイミングは、化成後であれば、化成直後でもよく、化成から時間が経過した後に行ってもよい。例えば、化成後で、使用中(好ましくは使用初期)の鉛蓄電池を充電してもよい。 A fully charged lead-acid battery is a lead-acid battery that has already been chemically prepared and has been charged to a fully charged state. The timing for charging a lead-acid battery to a fully charged state may be immediately after chemical preparation, or after a period of time has passed since chemical preparation. For example, a lead-acid battery that is in use (preferably in the early stages of use) may be charged after chemical preparation.
本明細書中、使用初期の電池とは、使用開始後、それほど時間が経過しておらず、ほとんど劣化していない電池である。 In this specification, a battery in its early stages of use is one that has not been in use for very long and has not deteriorated much.
以下、本発明の実施形態に係る鉛蓄電池について、図面を参照しながらより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 The lead-acid battery according to the embodiment of the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment.
以下、鉛蓄電池の構成要素の例について説明する。 Below, we explain some examples of the components of a lead-acid battery.
(正極板)
正極板は、正極集電体と、正極電極材料とを備える。正極電極材料は、正極集電体に保持されている。正極電極材料は、正極板から正極集電体を除いた部分である。なお、正極板には、導電層、マット、ペースティングペーパなどの貼付部材が貼り付けられ得る。貼付部材は正極板と一体で使用されるため、極板の構成要素に含まれる。正極板が貼付部材を含む場合、正極電極材料は、正極板から正極集電体および貼付部材を除いた部分である。
(Positive electrode plate)
The positive electrode plate includes a positive current collector and a positive electrode material. The positive electrode material is held by the positive current collector. The positive electrode material is the portion of the positive electrode plate excluding the positive current collector. An attachment member such as a conductive layer, a mat, or pasting paper may be attached to the positive electrode plate. The attachment member is used integrally with the positive electrode plate, and is therefore included in the components of the plate. When the positive electrode plate includes an attachment member, the positive electrode material is the portion of the positive electrode plate excluding the positive current collector and the attachment member.
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。加工方法は、例えば、エキスパンド加工でもよく、打ち抜き(パンチング)加工でもよい。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やすい。 The positive electrode collector may be formed by casting lead (Pb) or a lead alloy, or by processing a lead or lead alloy sheet. The processing method may be, for example, an expanding process or a punching process. If a lattice-shaped collector is used as the positive electrode collector, it is easy to support the positive electrode material.
正極集電体に用いる鉛合金としては、耐食性および機械的強度に優れるPb-Ca系合金、Pb-Ca-Sn系合金が好ましい。正極集電体は、組成の異なる金属層を有してもよく、金属層は1層でもよく、複数層でもよい。 The lead alloy used for the positive electrode current collector is preferably a Pb-Ca alloy or a Pb-Ca-Sn alloy, which has excellent corrosion resistance and mechanical strength. The positive electrode current collector may have metal layers with different compositions, and the metal layer may be a single layer or multiple layers.
正極電極材料は、酸化還元反応により容量を発現する正極活物質を含む。正極活物質は、二酸化鉛、硫酸鉛などを含む。正極電極材料は、必要に応じて、添加剤を含み得る。添加剤は、補強材、アンチモン化合物などを含み得る。補強材としては、例えば、無機繊維、有機繊維などが挙げられる。 The positive electrode material includes a positive electrode active material that exhibits capacity through an oxidation-reduction reaction. The positive electrode active material includes lead dioxide, lead sulfate, and the like. The positive electrode material may include additives as necessary. The additives may include reinforcing materials, antimony compounds, and the like. Examples of reinforcing materials include inorganic fibers and organic fibers.
未化成の正極板は、正極集電体と正極集電体に充填された正極ペーストを熟成し、乾燥させることにより得られる。正極ペーストは、鉛粉、水および硫酸を含む混合物を混練することで調製される。正極ペーストは、必要に応じて、添加剤を含み得る。添加剤は、補強材、アンチモン化合物などを含み得る。このような正極板は、ペースト式正極板とも称される。 An unformed positive electrode plate is obtained by aging and drying a positive electrode paste filled in a positive electrode current collector and a positive electrode current collector. The positive electrode paste is prepared by kneading a mixture containing lead powder, water, and sulfuric acid. The positive electrode paste may contain additives as necessary. The additives may include reinforcing materials, antimony compounds, etc. Such a positive electrode plate is also called a paste-type positive electrode plate.
未化成の正極板を化成することにより正極板が得られる。化成は、鉛蓄電池の電槽内の硫酸を含む電解液中に、未化成の正極板を含む極板群を浸漬し、極板群を充電することにより行ってもよい。化成は、鉛蓄電池または極板群の組み立て前に行ってもよい。 A positive plate is obtained by chemically forming an unformed positive plate. Chemical formation may be performed by immersing a plate group including an unformed positive plate in an electrolyte containing sulfuric acid in a lead-acid battery container and charging the plate group. Chemical formation may be performed before assembling the lead-acid battery or the plate group.
(負極板)
負極板は、負極集電体と、負極電極材料とを備える。負極電極材料は、負極集電体に保持されている。負極電極材料は、負極板から負極集電体を除いた部分である。なお、負極板には、導電層、マット、ペースティングペーパなどの貼付部材が貼り付けられ得る。貼付部材は負極板の構成要素に含まれる。負極板が貼付部材を含む場合、負極電極材料は、負極板から負極集電体および貼付部材を除いた部分である。
(Negative plate)
The negative electrode plate includes a negative current collector and a negative electrode material. The negative electrode material is held by the negative current collector. The negative electrode material is the portion of the negative electrode plate excluding the negative current collector. An attachment member such as a conductive layer, a mat, or pasting paper may be attached to the negative electrode plate. The attachment member is included in the components of the negative electrode plate. When the negative electrode plate includes an attachment member, the negative electrode material is the portion of the negative electrode plate excluding the negative current collector and the attachment member.
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。加工方法は、エキスパンド加工でもよく、打ち抜き(パンチング)加工でもよい。負極集電体として格子状の集電体を用いると、負極電極材料を担持させやすい。 The negative electrode current collector may be formed by casting lead (Pb) or a lead alloy, or by processing a lead or lead alloy sheet. The processing method may be an expanding process or a punching process. If a lattice-shaped current collector is used as the negative electrode current collector, it is easy to support the negative electrode material.
負極集電体に用いる鉛合金は、Pb-Sb系合金、Pb-Ca系合金、Pb-Ca-Sn系合金のいずれであってもよい。負極集電体に用いる鉛合金は、添加元素として、Ba、Ag、Al、Bi、As、Se、Cuなどからなる群より選択される少なくとも1種を含んでもよい。負極集電体は、組成の異なる金属層を有してもよく、金属層は1層でもよく、複数層でもよい。 The lead alloy used in the negative electrode current collector may be any of Pb-Sb alloy, Pb-Ca alloy, and Pb-Ca-Sn alloy. The lead alloy used in the negative electrode current collector may contain at least one element selected from the group consisting of Ba, Ag, Al, Bi, As, Se, Cu, etc. as an additive element. The negative electrode current collector may have metal layers with different compositions, and the metal layer may be one layer or multiple layers.
負極電極材料は、酸化還元反応により容量を発現する負極活物質を含む。負極活物質は、鉛、硫酸鉛などを含む。負極電極材料は、質量基準で100ppm以上300ppm以下のBi元素を含んでもよい。負極電極材料は、必要に応じて、他の添加剤を含み得る。添加剤は、有機防縮剤、炭素質材料、硫酸バリウムなどを含み得る。 The negative electrode material includes a negative electrode active material that develops capacity through an oxidation-reduction reaction. The negative electrode active material includes lead, lead sulfate, and the like. The negative electrode material may include 100 ppm to 300 ppm of Bi element by mass. The negative electrode material may include other additives as necessary. The additives may include an organic shrinkage inhibitor, a carbonaceous material, barium sulfate, and the like.
有機防縮剤としては、リグニン、リグニンスルホン酸、合成有機防縮剤などが挙げられる。合成有機防縮剤は、例えばフェノール化合物のホルムアルデヒド縮合物などであり得る。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用いてもよい。負極電極材料中の有機防縮剤の含有率は、例えば、0.01質量%以上1質量%以下である。 Examples of organic shrinkage inhibitors include lignin, lignin sulfonic acid, and synthetic organic shrinkage inhibitors. The synthetic organic shrinkage inhibitor may be, for example, a formaldehyde condensate of a phenol compound. The organic shrinkage inhibitor may be used alone or in combination of two or more. The content of the organic shrinkage inhibitor in the negative electrode material is, for example, 0.01% by mass or more and 1% by mass or less.
炭素質材料としては、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンなどを用い得る。炭素質材料は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。負極電極材料中の炭素質材料の含有率は、例えば、0.1質量%以上3質量%以下である。 Carbonaceous materials that can be used include carbon black, artificial graphite, natural graphite, hard carbon, and soft carbon. The carbonaceous materials may be used alone or in combination of two or more. The content of the carbonaceous material in the negative electrode material is, for example, 0.1% by mass or more and 3% by mass or less.
負極電極材料中の硫酸バリウムの含有率は、例えば、0.1質量%以上3質量%以下である。 The barium sulfate content in the negative electrode material is, for example, 0.1% by mass or more and 3% by mass or less.
未化成の負極板は、負極集電体と負極集電体に充填された負極ペーストを熟成し、乾燥させることにより得られる。熟成は、室温より高温かつ高湿度の雰囲気下で行うことが好ましい。負極ペーストは、鉛粉、水および硫酸を含む混合物を混練することで調製される。負極ペーストは、必要に応じて、添加剤を含み得る。添加剤は、ビスマス化合物(例えば、硫酸ビスマス)、有機防縮剤、炭素質材料、硫酸バリウムなどを含み得る。 The unformed negative electrode plate is obtained by aging and drying the negative electrode current collector and the negative electrode paste filled in the negative electrode current collector. The aging is preferably performed in an atmosphere at a temperature higher than room temperature and with high humidity. The negative electrode paste is prepared by kneading a mixture containing lead powder, water, and sulfuric acid. The negative electrode paste may contain additives as necessary. The additives may include bismuth compounds (e.g., bismuth sulfate), organic shrinkage inhibitors, carbonaceous materials, barium sulfate, etc.
未化成の負極板を化成することにより負極板が得られる。化成は、鉛蓄電池の電槽内の硫酸を含む電解液中に、未化成の負極板を含む極板群を浸漬し、極板群を充電することにより行ってもよい。化成は、鉛蓄電池または極板群の組み立て前に行ってもよい。充電状態の負極活物質は、海綿状鉛を含む。 A negative plate is obtained by chemically forming an unformed negative plate. Chemical formation may be performed by immersing a plate assembly including the unformed negative plate in an electrolyte containing sulfuric acid in a lead-acid battery container and charging the plate assembly. Chemical formation may be performed before assembling the lead-acid battery or the plate assembly. The negative active material in the charged state contains spongy lead.
(電解液)
電解液は、硫酸を含む水溶液である。電解液は、必要に応じてゲル化させてもよい。電解液は、さらに、Naイオン、Liイオン、Mgイオン、およびAlイオンからなる群より選択される少なくとも一種の金属イオンなどを含んでもよい。電解液の20℃における密度は、例えば、1.10以上である。電解液の20℃における密度は、1.35以下であってもよい。なお、これらの密度は、満充電状態の鉛蓄電池の電解液についての値である。
(Electrolyte)
The electrolyte is an aqueous solution containing sulfuric acid. The electrolyte may be gelled as necessary. The electrolyte may further contain at least one metal ion selected from the group consisting of Na ions, Li ions, Mg ions, and Al ions. The density of the electrolyte at 20°C is, for example, 1.10 or more. The density of the electrolyte at 20°C may be 1.35 or less. These densities are values for the electrolyte of a lead-acid battery in a fully charged state.
電解液中のCODが少ないほど、電解液中のイオン伝導が阻害されることが少なくなるため、電池抵抗が低減する。よって、電解液中のCODが少ないほど、CCA性能と重負荷寿命性能が向上すると想定される。しかし、COD量を1mg/L未満に制御することは容易ではない場合があり、鉛蓄電池の構成要素の選択の幅が狭くなる可能性がある。また、実際には、電解液中のCODが少な過ぎると、正極側で発生した酸素が樹脂製の多孔質フィルムの酸化劣化を生じさせるため、必ずしも重負荷寿命は向上せず、かえって低下することがある。そのようなデメリットを抑制し、より良好なCCA性能と重負荷寿命性能を達成する観点からも、電解液中のCOD量を1mg/L以上に制御することが望ましい。 The lower the COD in the electrolyte, the less the ion conduction in the electrolyte is inhibited, and the lower the battery resistance. Therefore, it is assumed that the lower the COD in the electrolyte, the better the CCA performance and heavy load life performance. However, it may not be easy to control the COD amount to less than 1 mg/L, which may narrow the range of choices for components of a lead-acid battery. In fact, if the COD in the electrolyte is too low, oxygen generated on the positive electrode side causes oxidation deterioration of the resin porous film, so the heavy load life does not necessarily improve, and may even decrease. In order to suppress such disadvantages and achieve better CCA performance and heavy load life performance, it is desirable to control the COD amount in the electrolyte to 1 mg/L or more.
電解液中のCODは、160mg/L以下であればよいが、120mg/L以下でもよい。より高いCCA性能と、より優れた重負荷寿命性能を得るために、電解液中のCODを100mg/L以下としてもよく、50mg/L以下としてもよく、30mg/L以下としてもよく、25mg/L以下としてもよい。また、電解液中のCODは、1mg/L以上でもよく、5mg/L以上でもよく、8mg/L以上でもよい。電解液中のCODの好ましい範囲は、例えば、1mg/L以上160mg/L以下であり、1mg/L以上120mg/L以下でもよく、5mg/L以上100mg/L以下でもよく、5mg/L以上50mg/L以下でもよい。 The COD in the electrolyte may be 160 mg/L or less, but may also be 120 mg/L or less. In order to obtain higher CCA performance and better heavy load life performance, the COD in the electrolyte may be 100 mg/L or less, 50 mg/L or less, 30 mg/L or less, or 25 mg/L or less. The COD in the electrolyte may be 1 mg/L or more, 5 mg/L or more, or 8 mg/L or more. The preferred range of the COD in the electrolyte is, for example, 1 mg/L or more and 160 mg/L or less, 1 mg/L or more and 120 mg/L or less, 5 mg/L or more and 100 mg/L or less, or 5 mg/L or more and 50 mg/L or less.
電解液中のCOD量は、例えば、以下の方法で制御し得る。以下の方法を一つ採用してもよく、複数組み合わせてもよい。
(1)電解液中の有機系添加剤の濃度を調整する。
(2)電解液以外の構成要素に含まれる有機成分の含有率を調整する。「電解液以外の構成要素」としては、多孔質フィルム、正極板または負極板の集電体、並びに正極電極材料または負極電極材料が挙げられる。すなわち、(2)の方法は次の3つの方法に大別できる。
(2-1)多孔質フィルムに含まれる比較的低分子量の有機系添加剤の含有率を制御する。有機系添加剤としては、浸透剤、オイルなどが挙げられる。
(2-2)正極板もしくは負極板の集電体または集電体に加工する前の金属板に付着した切削油の少なくとも一部を洗浄等により除去する。
(2-3)正極電極材料もしくは負極電極材料に含まれる有機成分および炭素質材料の少なくとも一方の含有率を制御する。電極材料に含まれる有機成分には有機防縮剤も含まれる。
The COD amount in the electrolytic solution can be controlled, for example, by the following methods. The following methods may be adopted alone or in combination.
(1) Adjusting the concentration of the organic additive in the electrolyte.
(2) Adjusting the content of organic components contained in components other than the electrolyte. Examples of "components other than the electrolyte" include a porous film, a current collector for a positive electrode plate or a negative electrode plate, and a positive electrode material or a negative electrode material. That is, the method of (2) can be broadly divided into the following three methods.
(2-1) The content of relatively low molecular weight organic additives contained in the porous film is controlled. Examples of the organic additives include penetrating agents and oils.
(2-2) At least a part of the cutting oil adhering to the positive or negative electrode collector or to the metal plate before being processed into a collector is removed by cleaning or the like.
(2-3) The content of at least one of the organic component and the carbonaceous material contained in the positive electrode material or the negative electrode material is controlled. The organic component contained in the electrode material also includes an organic shrinkage preventer.
集電体または金属板の洗浄には、有機溶剤を用い得る。有機溶剤としては、例えば、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、アミド、およびスルホキシドから選択される少なくとも一種が挙げられる。アルコールとしては、例えば、エタノールが挙げられる。ケトンとしては、例えば、アセトン、エチルメチルケトンが挙げられる。エステルとしては、例えば、酢酸エチルが挙げられる。エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフランが挙げられる。アミドとしては、例えば、ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドンが挙げられる。スルホキシドとしては、例えば、ジメチルスルホキシドが挙げられる。 An organic solvent may be used to clean the current collector or metal plate. Examples of the organic solvent include at least one selected from alcohols, ketones, esters, ethers, amides, and sulfoxides. Examples of the alcohol include ethanol. Examples of the ketone include acetone and ethyl methyl ketone. Examples of the ester include ethyl acetate. Examples of the ether include tetrahydrofuran. Examples of the amide include dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone. Examples of the sulfoxide include dimethyl sulfoxide.
電解液中のCODを過度に上昇させないように、集電体または金属板の洗浄に用いる有機溶剤として、水洗により除去しやすい有機溶剤、水と混和する有機溶剤などを用いることが望ましい。洗浄時間は、例えば、水と混和する有機溶剤中で3秒以上であることが好ましい。洗浄時間の上限は特に限定されず、例えば、60秒以下であってもよい。 In order not to excessively increase the COD in the electrolyte, it is desirable to use an organic solvent that is easily removed by washing with water, an organic solvent that is miscible with water, etc., as the organic solvent used to wash the current collector or metal plate. The washing time is preferably, for example, 3 seconds or more in an organic solvent that is miscible with water. There is no particular limit to the upper limit of the washing time, and it may be, for example, 60 seconds or less.
鉛蓄電池の組み立てに供される電解液は、有機系添加剤を含んでもよい。有機系添加剤としては、例えば、界面活性剤が挙げられる。しかし、鉛蓄電池に含まれる電解液中のCOD量を低く抑える観点から、鉛蓄電池の組み立てに供される電解液は、有機系添加剤を含まないことが好ましい。 The electrolyte used in the assembly of the lead-acid battery may contain an organic additive. Examples of organic additives include surfactants. However, from the viewpoint of keeping the amount of COD in the electrolyte contained in the lead-acid battery low, it is preferable that the electrolyte used in the assembly of the lead-acid battery does not contain an organic additive.
電解液のCODは、JIS K 0102-1:2021の「17.2酸性過マンガン酸カリウムによる酸素消費量(CODMn)」に準拠して測定される。
COD(CODMn)は、下記式により求められる。このとき、CODMnは、有効数字2桁、小数第1位、および下限値<0.5で求められる。
CODMn=(滴定値-BL)×F×1000/V×0.2
滴定値:電解液から調製したサンプルの滴定に要した5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液の量(mL)
ブランク(BL):蒸留水を用いた試験での滴定に要した5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液の量(mL)
F:5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液のファクター
V:電解液から調製したサンプル(滴定に用いられたサンプル)の量(mL)
0.2:5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液1mLの酸素相当量(mg)
The COD of the electrolyte is measured in accordance with JIS K 0102-1:2021 "17.2 Oxygen consumption by acidic potassium permanganate (CODMn)".
COD (CODMn) is calculated by the following formula: CODMn is calculated to two significant digits, one decimal place, and a lower limit of <0.5.
CODMn = (titer value - BL) x F x 1000/V x 0.2
Titration value: the amount (mL) of 5 mmol/L potassium permanganate aqueous solution required to titrate the sample prepared from the electrolyte
Blank (BL): Amount (mL) of 5 mmol/L potassium permanganate aqueous solution required for titration in a test using distilled water
F: Factor of 5 mmol/L potassium permanganate aqueous solution V: Amount (mL) of sample (sample used for titration) prepared from electrolyte
0.2: Oxygen equivalent (mg) of 1 mL of 5 mmol/L potassium permanganate aqueous solution
滴定用サンプルは、次のような手順で調製する。まず、初期の満充電状態の鉛蓄電池から電解液を300mL容積の三角フラスコに採取する。電解液の採取量は、最大100mLとし、滴定量が3.5mL~5.5mLの範囲になるように調節する。採取量が100mL未満の場合には、採取量を測定し、希釈後の量が100mLになるまで蒸留水を添加する。このようにして、電解液のサンプルを準備する。また、BL用のサンプルとして、蒸留水100mLを別の300mL容積の三角フラスコに準備する。BLの測定は、電解液から調製されるサンプルの滴定を行う毎に実施する。 The titration sample is prepared in the following procedure. First, electrolyte is collected from an initial fully charged lead-acid battery into a 300 mL Erlenmeyer flask. The amount of electrolyte collected is adjusted to a maximum of 100 mL so that the titration amount is in the range of 3.5 mL to 5.5 mL. If the amount collected is less than 100 mL, the amount collected is measured and distilled water is added until the diluted amount is 100 mL. In this way, the electrolyte sample is prepared. In addition, 100 mL of distilled water is prepared in a separate 300 mL Erlenmeyer flask as a BL sample. The BL is measured every time a sample prepared from the electrolyte is titrated.
100mLの電解液のサンプルおよびBL用の蒸留水のサンプルから滴定用のサンプルを次の手順でそれぞれ調製する。まず、上記サンプルに、5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液10mLをホールピペットで加え、撹拌する。次いで、各三角フラスコを、沸騰した水浴中に入れて30分間加熱する。このとき、水浴内の水は常に沸騰した状態で、水浴の液面が、三角フラスコ内の液体の液面以下にならないようにする。30分の加熱の後、三角フラスコを取り出して、直ちに、12.5mmol/L濃度のしゅう酸ナトリウム水溶液10mLをホールピペットで三角フラスコ内の液体に加える。液体の温度が50℃~60℃の範囲内になるまで冷却することによって、滴定用のサンプルを準備する。なお、サンプルが塩化物イオンを含む場合には、500g/L濃度の硝酸銀水溶液2mLをメスピペットで加えて、得られる混合物を、沈殿がなくなり透明な液体になるまでよく攪拌する。白濁が無くならない場合は、白濁が無くなるまで、さらに硝酸銀水溶液を少しずつ加えながら、撹拌する。硝酸銀水溶液は、全体として、各サンプルに含まれる塩化物イオンの当量より、硝酸銀が1g過剰になるような添加量で加える。硝酸銀水溶液は、上記のサンプルに添加される。 Prepare samples for titration from 100 mL of electrolyte sample and BL distilled water sample by the following procedure. First, add 10 mL of 5 mmol/L potassium permanganate solution to the above sample with a volumetric pipette and stir. Next, place each Erlenmeyer flask in a boiling water bath and heat for 30 minutes. At this time, the water in the water bath is always boiling, and the liquid level of the water bath should not be lower than the liquid level in the Erlenmeyer flask. After 30 minutes of heating, remove the Erlenmeyer flask and immediately add 10 mL of 12.5 mmol/L sodium oxalate solution to the liquid in the Erlenmeyer flask with a volumetric pipette. Prepare the sample for titration by cooling the liquid until the temperature is within the range of 50°C to 60°C. If the sample contains chloride ions, add 2 mL of 500 g/L silver nitrate solution with a graduated pipette and stir the resulting mixture until no precipitate remains and the liquid becomes transparent. If the cloudiness does not disappear, add more silver nitrate solution little by little and stir until the cloudiness disappears. The silver nitrate solution is added in such an amount that, overall, the silver nitrate is 1 g in excess of the equivalent amount of chloride ions contained in each sample. The silver nitrate solution is added to the above samples.
準備した滴定用のサンプルは、それぞれ、5mmol/L濃度の過マンガン酸カリウム水溶液で滴定する。滴定の際、三角フラスコ内の液体がわずかに紅い色を呈したら滴定を停止し、30秒程度静置して、紅い色が消えていないかを確認する。紅い色が消えた場合には、紅い色が消えなくなるまで、滴定と、静置とを繰り返す。電解液から調製されたサンプルと蒸留水から調製されたサンプルとについて、滴定に要した過マンガン酸カリウム水溶液の量(mL)を、上記式の滴定値およびBLとして用いて、電解液のCODを求める。サンプルの調製において、電解液を蒸留水で希釈した場合には、希釈分を考慮して、希釈前の電解液のCODを算出する。 The prepared titration samples are titrated with a 5 mmol/L potassium permanganate aqueous solution. When the liquid in the Erlenmeyer flask turns slightly red during titration, stop the titration and leave it to stand for about 30 seconds to check whether the red color has disappeared. If the red color has disappeared, repeat titration and leaving it to stand until the red color does not disappear. For the sample prepared from the electrolyte and the sample prepared from distilled water, the amount (mL) of potassium permanganate aqueous solution required for titration is used as the titration value and BL in the above formula to determine the COD of the electrolyte. If the electrolyte is diluted with distilled water in the preparation of the sample, calculate the COD of the electrolyte before dilution taking into account the dilution amount.
(多孔質フィルム)
多孔質フィルムは、細孔を有する樹脂フィルムである。多孔質フィルムはポリマー材料を含む。多孔質フィルムは、必要に応じて、オイル、無機粒子、浸透剤、造孔剤などの任意成分を含む。樹脂フィルムを構成するポリマー材料(以下、ベースポリマーとも称する。)は、例えば、ポリオレフィンを含む。ポリオレフィンとは、少なくともオレフィン単位(オレフィンに由来するモノマー単位)を含む重合体である。
(Porous film)
The porous film is a resin film having pores. The porous film includes a polymer material. The porous film includes optional components such as oil, inorganic particles, a penetrating agent, and a pore-forming agent, as necessary. The polymer material (hereinafter also referred to as a base polymer) constituting the resin film includes, for example, polyolefin. Polyolefin is a polymer that includes at least an olefin unit (a monomer unit derived from an olefin).
ベースポリマーとして、ポリオレフィンと他のベースポリマーとを併用してもよい。多孔質膜に含まれるベースポリマー全体に占めるポリオレフィンの比率は、例えば、50質量%以上であり、80質量%以上であってもよく、90質量%以上であってもよい。ポリオレフィンの比率は、例えば、100質量%以下である。ベースポリマーをポリオレフィンのみで構成してもよい。 As the base polymer, polyolefin may be used in combination with other base polymers. The ratio of polyolefin to the total base polymer contained in the porous film is, for example, 50% by mass or more, or may be 80% by mass or more, or may be 90% by mass or more. The ratio of polyolefin is, for example, 100% by mass or less. The base polymer may be composed of polyolefin only.
ポリオレフィンには、例えば、オレフィンの単独重合体、互いに異なるオレフィン単位を含む共重合体、オレフィン単位および共重合性モノマー単位を含む共重合体が包含される。オレフィン単位および共重合性モノマー単位を含む共重合体は、1種または2種以上のオレフィン単位を含んでいてもよい。また、オレフィン単位および共重合性モノマー単位を含む共重合体は、1種または2種以上の共重合性モノマー単位を含んでいてもよい。共重合性モノマー単位とは、オレフィン以外で、かつオレフィンと共重合可能な重合性モノマーに由来するモノマー単位である。 Polyolefins include, for example, homopolymers of olefins, copolymers containing different olefin units, and copolymers containing olefin units and copolymerizable monomer units. A copolymer containing olefin units and copolymerizable monomer units may contain one or more types of olefin units. A copolymer containing olefin units and copolymerizable monomer units may contain one or more types of copolymerizable monomer units. A copolymerizable monomer unit is a monomer unit derived from a polymerizable monomer other than an olefin and copolymerizable with an olefin.
ポリオレフィンとしては、例えば、少なくともC2-3オレフィンをモノマー単位として含む重合体が挙げられる。C2-3オレフィンとして、エチレンおよびプロピレンからなる群より選択される少なくとも一種が挙げられる。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体などが好ましい。中でも少なくともエチレン単位を含むポリオレフィンであるポリエチレン、エチレン-プロピレン共重合体などが好ましい。エチレン単位を含むポリオレフィンと他のポリオレフィンとを併用してもよい。 The polyolefin may, for example, be a polymer containing at least a C 2-3 olefin as a monomer unit. The C 2-3 olefin may be at least one selected from the group consisting of ethylene and propylene. The polyolefin may, for example, be polyethylene, polypropylene, an ethylene-propylene copolymer, or the like. Among these, polyolefins containing at least an ethylene unit, such as polyethylene and an ethylene-propylene copolymer, are preferred. A polyolefin containing an ethylene unit may be used in combination with another polyolefin.
多孔質フィルムは、端部の少なくとも一部に、不織布で覆われていない領域を有していてもよい。これにより、軟化した正極電極材料の脱落を抑制しつつ、内部抵抗の増大を抑制することができる。 The porous film may have at least a portion of the end portion that is not covered with the nonwoven fabric. This can prevent the softened positive electrode material from falling off while also preventing an increase in internal resistance.
多孔質フィルムは、おおよそ四角形であり、通常、上下端部および両方の側端部の合計4つの端部を有する。1つの端部において、多孔質フィルムの不織布で覆われていない領域の幅(例えば、後述の図2では、wp)は、例えば、1mm以上であり、2mm以上であってもよい。この領域の幅は、例えば、5mm以下であり、4.5mm以下または4mm以下であってもよい。多孔質フィルムは、側端部(好ましくは双方の側端部)に不織布で覆われていない領域を有してもよい。端部を圧着して袋状に成形した多孔質フィルムと不織布とを積層した場合、圧着された部分を含む側端部の所定の領域が不織布より外側に露出した状態となる。 The porous film is roughly rectangular, and usually has a total of four ends, including the top and bottom ends and both side ends. At one end, the width of the area of the porous film that is not covered with the nonwoven fabric (for example, w p in FIG. 2 described later) may be, for example, 1 mm or more, and may be 2 mm or more. The width of this area may be, for example, 5 mm or less, 4.5 mm or less, or 4 mm or less. The porous film may have an area at the side end (preferably both side ends) that is not covered with the nonwoven fabric. When the porous film formed into a bag shape by crimping the end and the nonwoven fabric are laminated, a predetermined area of the side end including the crimped part is exposed outside the nonwoven fabric.
上記の領域の幅は、1mm以上(または2mm以上)5mm以下、1mm以上(または2mm以上)4.5mm以下、あるいは1mm以上(または2mm以上)4mm以下であってもよい。 The width of the above region may be 1 mm or more (or 2 mm or more) and 5 mm or less, 1 mm or more (or 2 mm or more) and 4.5 mm or less, or 1 mm or more (or 2 mm or more) and 4 mm or less.
多孔質フィルムの耐酸化性を高めるために、多孔質フィルムの正極板に対向する表面にリブを設けることが望ましい。リブにより多孔質フィルムと正極板との間に隙間が形成されるため、多孔質フィルムの酸化劣化が軽減される。 To increase the oxidation resistance of the porous film, it is desirable to provide ribs on the surface of the porous film facing the positive electrode plate. The ribs form a gap between the porous film and the positive electrode plate, reducing oxidation degradation of the porous film.
リブを有する多孔質フィルムは、例えば、ベース部とベース部の表面から立設されたリブとを備える。リブは、ベース部の正極板側の表面のみに設けてもよく、正極板側と負極板側の両方の表面にそれぞれ設けてもよい。多孔質フィルムのベース部とは、多孔質フィルムの構成部位のうち、リブなどの突起を除く部分であり、多孔質フィルムの外形を画定するシート状の部分をいう。 A porous film having ribs includes, for example, a base portion and ribs standing upright from the surface of the base portion. The ribs may be provided only on the surface of the base portion facing the positive electrode plate, or may be provided on both the positive electrode plate side and the negative electrode plate side. The base portion of the porous film refers to the constituent parts of the porous film excluding protrusions such as ribs, and refers to the sheet-like part that defines the outer shape of the porous film.
リブの高さは、0.05mm以上であってもよい。また、リブの高さは、1.2mm以下であってもよい。リブの高さは、ベース部の表面から突出した部分の高さ(突出高さ)である。 The height of the rib may be 0.05 mm or more. The height of the rib may be 1.2 mm or less. The height of the rib is the height of the part that protrudes from the surface of the base part (protrusion height).
多孔質フィルムの領域のうち正極板と対向する領域に設けられるリブの高さは、0.4mm以上であってもよい。多孔質フィルムの領域のうち正極板と対向する領域に設けられるリブの高さは、1.2mm以下であってもよい。 The height of the ribs provided in the area of the porous film facing the positive electrode plate may be 0.4 mm or more. The height of the ribs provided in the area of the porous film facing the positive electrode plate may be 1.2 mm or less.
多孔質フィルムの正極板側にリブを設ける場合には、不織布で覆われていない領域に設けてもよい。正極電極材料に対向する部分にリブを設ける場合には、隣接するリブ間に不織布を配置してもよい。しかし、不織布との積層の容易さを優先して、多孔質フィルムの正極板側には特にリブを設けなくてもよい。 When ribs are provided on the positive electrode plate side of the porous film, they may be provided in an area not covered with nonwoven fabric. When ribs are provided on the portion facing the positive electrode material, nonwoven fabric may be placed between adjacent ribs. However, if ease of lamination with the nonwoven fabric is prioritized, ribs may not be provided on the positive electrode plate side of the porous film.
多孔質フィルムは、オイルを含むことが好ましい。オイルには、多孔質フィルムの酸化劣化を抑制する作用があるため、多孔質フィルムにオイルを含ませることで重負荷寿命性能の改善がより顕著になる。 It is preferable that the porous film contains oil. Oil has the effect of suppressing oxidative deterioration of the porous film, so impregnating the porous film with oil results in a more significant improvement in heavy load life performance.
多孔質フィルム中のオイルの含有率は、11質量%以上が好ましく、13質量%以上でもよい。多孔質フィルム中のオイルの含有率は、18質量%以下が好ましい。多孔質フィルム中のオイルの含有率の好ましい範囲は、例えば、11質量%以上18質量%以下でもよく、13質量%以上18質量%以下でもよい。オイルの含有率がこのような範囲である場合、多孔質フィルムの酸化劣化を抑制する効果がさらに高まる。また、多孔質フィルムの抵抗を比較的低く抑えることができる。 The oil content in the porous film is preferably 11% by mass or more, and may be 13% by mass or more. The oil content in the porous film is preferably 18% by mass or less. A preferred range for the oil content in the porous film may be, for example, 11% by mass or more and 18% by mass or less, or 13% by mass or more and 18% by mass or less. When the oil content is in such a range, the effect of suppressing oxidative deterioration of the porous film is further enhanced. In addition, the resistance of the porous film can be kept relatively low.
オイルとは、室温(20℃以上35℃以下の温度)で液状であり、水と分離する疎水性物質を言う。オイルには、天然由来のオイル、鉱物オイル、合成オイルなどが包含され、鉱物オイル、合成オイルなどが好ましい。例えば、パラフィンオイル、シリコーンオイルなどを好ましく用い得る。多孔質フィルムは、オイルを一種含んでもよく、二種以上組み合わせて含んでもよい。 Oil refers to a hydrophobic substance that is liquid at room temperature (a temperature between 20°C and 35°C) and separates from water. Oils include naturally occurring oils, mineral oils, synthetic oils, etc., with mineral oils and synthetic oils being preferred. For example, paraffin oil, silicone oil, etc. can be preferably used. The porous film may contain one type of oil or a combination of two or more types of oil.
多孔質フィルムは、無機粒子を含んでもよい。無機粒子としては、例えば、セラミックス粒子が好ましい。セラミックス粒子を構成するセラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、およびチタニアからなる群より選択される少なくとも一種が挙げられる。 The porous film may contain inorganic particles. The inorganic particles are preferably ceramic particles. The ceramic particles may be made of at least one material selected from the group consisting of silica, alumina, and titania.
多孔質フィルム中の無機粒子の含有率は、例えば、40質量%以上であってもよい。無機粒子の含有率は、例えば、80質量%以下であり、70質量%以下であってもよい。無機粒子の含有率の好ましい範囲は、例えば、40質量%以上80質量%以下であり、40質量%以上70質量%以下でもよい。 The content of inorganic particles in the porous film may be, for example, 40% by mass or more. The content of inorganic particles may be, for example, 80% by mass or less, or 70% by mass or less. A preferred range of the content of inorganic particles is, for example, 40% by mass or more and 80% by mass or less, or 40% by mass or more and 70% by mass or less.
多孔質フィルムは、シート状でもよく、蛇腹状に折り曲げたシートを多孔質フィルムとして用いてもよい。多孔質フィルムは袋状に形成してもよい。正極板または負極板のうちのいずれか一方を袋状の多孔質フィルムに包んでもよい。 The porous film may be in the form of a sheet, or a sheet folded in an accordion shape may be used as the porous film. The porous film may be formed in a bag shape. Either the positive electrode plate or the negative electrode plate may be wrapped in the bag-shaped porous film.
多孔質フィルムは、例えば、ベースポリマーと、造孔剤とを含む樹脂組成物をシート状に押出成形し、延伸処理した後、造孔剤の少なくとも一部を除去することにより得られる。樹脂組成物は、浸透剤(界面活性剤)などを含んでもよい。少なくとも一部の造孔剤を除去することで、ベースポリマーのマトリックス中に微細孔が形成される。シート状の多孔質フィルムは、造孔剤を除去した後、必要に応じて乾燥処理される。延伸処理は、二軸延伸によって行ってもよいが、通常、一軸延伸によって行われる。シート状の多孔質フィルムは、必要に応じて、袋状に加工してもよい。 The porous film can be obtained, for example, by extruding a resin composition containing a base polymer and a pore-forming agent into a sheet, stretching the resin composition, and then removing at least a portion of the pore-forming agent. The resin composition may contain a penetrating agent (surfactant), etc. By removing at least a portion of the pore-forming agent, micropores are formed in the matrix of the base polymer. After removing the pore-forming agent, the sheet-shaped porous film is dried as necessary. The stretching may be performed by biaxial stretching, but is usually performed by uniaxial stretching. The sheet-shaped porous film may be processed into a bag shape as necessary.
リブを有する多孔質フィルムでは、リブは、樹脂組成物をシート状に押出成形する際に形成してもよい。リブは、樹脂組成物をシート状に成形した後または造孔剤を除去した後に、各リブに対応する溝を有するローラでシートを押圧することにより形成してもよい。 In a porous film having ribs, the ribs may be formed when the resin composition is extruded into a sheet. The ribs may be formed by pressing the sheet with a roller having grooves corresponding to each rib after the resin composition is molded into a sheet or after the pore-forming agent is removed.
造孔剤としては、室温(20℃以上35℃以下の温度)で液状の液状造孔剤および固体の固形造孔剤などが挙げられる。オイルを液状造孔剤として用いてもよい。この場合、オイルの一部を残存させれば、オイルを含有する多孔質フィルムが得られる。オイルを抽出除去する際、溶剤の種類および組成、抽出条件(抽出時間、抽出温度、溶剤を供給する速度など)などを調節することによって、多孔質フィルム中のオイルの含有率が調節される。造孔剤は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。オイルと他の造孔剤とを併用してもよい。液状造孔剤と、固形造孔剤とを併用してもよい。固形造孔剤としては、例えば、ポリマー粉末を用い得る。 Examples of pore-forming agents include liquid pore-forming agents that are liquid at room temperature (temperatures of 20°C to 35°C) and solid pore-forming agents that are solid. Oil may be used as a liquid pore-forming agent. In this case, if a portion of the oil is left behind, a porous film containing oil is obtained. When extracting and removing the oil, the oil content in the porous film is adjusted by adjusting the type and composition of the solvent, the extraction conditions (extraction time, extraction temperature, solvent supply rate, etc.), etc. One type of pore-forming agent may be used alone, or two or more types may be used in combination. Oil may be used in combination with another pore-forming agent. A liquid pore-forming agent may be used in combination with a solid pore-forming agent. For example, a polymer powder may be used as a solid pore-forming agent.
浸透剤としての界面活性剤としては、例えば、イオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤のいずれであってもよい。界面活性剤は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。 The surfactant used as the penetrating agent may be, for example, either an ionic surfactant or a nonionic surfactant. The surfactant may be used alone or in combination of two or more kinds.
多孔質フィルム中の浸透剤の含有率は、例えば、0.01質量%以上であり、0.1質量%以上であってもよい。多孔質フィルム中の浸透剤の含有率は、10質量%以下であってもよい。電解液中のCODを低く抑え、充電受入性を向上させる観点から、セパレータ中の浸透剤の含有率は、3質量%以下、または1質量%以下であってもよく、0.5質量%以下が好ましく、0.2質量%以下がより好ましい。 The content of the penetrant in the porous film is, for example, 0.01% by mass or more, and may be 0.1% by mass or more. The content of the penetrant in the porous film may be 10% by mass or less. From the viewpoint of keeping the COD in the electrolyte low and improving the charge acceptance, the content of the penetrant in the separator may be 3% by mass or less, or 1% by mass or less, preferably 0.5% by mass or less, and more preferably 0.2% by mass or less.
(不織布)
不織布は、多孔質フィルムと正極板との間に、正極板と接触するように配置されている。例えば、多孔質フィルムが袋状であり、負極板が袋に収容されている場合、袋の外側の双方の表面と正極板との間に不織布を配置してもよい。このとき極板群の端の極板が負極板である場合、袋状の多孔質フィルムの正極板と対向する一方側には不織布を配置し、正極板と対向しない他方側には不織布を配置しなくてもよい。
(Nonwoven fabric)
The nonwoven fabric is disposed between the porous film and the positive electrode plate so as to be in contact with the positive electrode plate. For example, when the porous film is bag-shaped and the negative electrode plate is housed in the bag, the nonwoven fabric may be disposed between both outer surfaces of the bag and the positive electrode plate. In this case, when the electrode plate at the end of the electrode plate group is a negative electrode plate, the nonwoven fabric may be disposed on one side of the bag-shaped porous film facing the positive electrode plate, and the nonwoven fabric may not be disposed on the other side not facing the positive electrode plate.
不織布は、ガラス繊維および有機繊維からなる群より選択される少なくとも1種を含むマットであってもよい。以下、ガラス繊維を主成分とするマットをガラス繊維マットと称する。有機繊維を主成分とするマットを有機繊維マットと称する。主成分とはマットの50質量%以上を占める成分をいう。 The nonwoven fabric may be a mat containing at least one type selected from the group consisting of glass fibers and organic fibers. Hereinafter, a mat containing glass fibers as the main component will be referred to as a glass fiber mat. A mat containing organic fibers as the main component will be referred to as an organic fiber mat. The main component refers to a component that accounts for 50% or more by mass of the mat.
ガラス繊維マットは、ガラス繊維で構成された不織布である。ガラス繊維マットは、吸収ガラスマット(AGM:Absorbed Glass Mat、または、Absorbent Glass Mat)と呼ばれる材料であってもよい。 The glass fiber mat is a nonwoven fabric made of glass fibers. The glass fiber mat may be a material called absorbent glass mat (AGM: Absorbed Glass Mat or Absorbent Glass Mat).
ガラス繊維マットは、全体がガラス繊維で形成されていてもよい。ガラス繊維マット中のガラス繊維の含有率は、90質量%以上または95質量%以上であってもよい。ガラス繊維マット中のガラス繊維の含有率は、100質量%以下である。ガラス繊維マットは、ガラス繊維以外の成分、例えば、有機繊維、耐酸性の無機粉体、結着剤としてのポリマーなどを含んでもよいが、それらの含有率は、通常、10質量%以下または5質量%以下である。 The glass fiber mat may be entirely made of glass fibers. The glass fiber content in the glass fiber mat may be 90% by mass or more, or 95% by mass or more. The glass fiber content in the glass fiber mat is 100% by mass or less. The glass fiber mat may contain components other than glass fibers, such as organic fibers, acid-resistant inorganic powders, and polymers as binders, but the content of these is usually 10% by mass or less, or 5% by mass or less.
有機繊維マットは、全体が有機繊維で形成されていてもよい。有機繊維マット中の有機繊維の含有率は、90質量%以上または95質量%以上であってもよい。有機繊維マット中の有機繊維の含有率は、100質量%以下である。有機繊維マットは、有機繊維以外の成分、例えば、ガラス繊維、耐酸性の無機粉体、結着剤としてのポリマーなどを含んでもよいが、それらの含有率は、通常、10質量%以下または5質量%以下である。 The organic fiber mat may be formed entirely of organic fibers. The organic fiber content in the organic fiber mat may be 90% by mass or more, or 95% by mass or more. The organic fiber content in the organic fiber mat is 100% by mass or less. The organic fiber mat may contain components other than organic fibers, such as glass fibers, acid-resistant inorganic powders, and polymers as binders, but the content of these is usually 10% by mass or less, or 5% by mass or less.
有機繊維は、ポリオレフィン繊維、ポリエステル繊維、アセタール化ポリビニルアルコール繊維、ポリウレタン繊維、セルロース繊維などを用い得る。これらの有機繊維は、正極電極材料との親和性が高く、正極板に密着しやすい。そのため、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する効果が高い。 The organic fibers may be polyolefin fibers, polyester fibers, acetalized polyvinyl alcohol fibers, polyurethane fibers, cellulose fibers, etc. These organic fibers have a high affinity with the positive electrode material and are easily attached to the positive electrode plate. Therefore, they are highly effective in preventing the softened positive electrode material from falling off.
ガラス繊維および有機繊維の平均繊維径は、例えば、0.1μm以上であり、0.5μm以上であってもよい。平均繊維径がこのような範囲である場合、軟化した正極電極材料の脱落を抑制する効果が高まる。平均繊維径は、例えば、30μm以下であり、10μm以下であってもよい。この場合、電池の内部抵抗が過度に増加することを抑制できる。また、不織布の比較的高い柔軟性を確保できるとともに、比較的多くの電解液を保持し易い。 The average fiber diameter of the glass fibers and organic fibers is, for example, 0.1 μm or more, and may be 0.5 μm or more. When the average fiber diameter is in this range, the effect of suppressing the falling off of the softened positive electrode material is enhanced. The average fiber diameter is, for example, 30 μm or less, and may be 10 μm or less. In this case, an excessive increase in the internal resistance of the battery can be suppressed. In addition, the nonwoven fabric can ensure a relatively high flexibility and can easily hold a relatively large amount of electrolyte.
不織布の平均繊維径は、0.1μm以上(または0.5μm以上)30μm以下、あるいは0.1μm以上(または0.5μm以上)10μm以下であってもよい。 The average fiber diameter of the nonwoven fabric may be 0.1 μm or more (or 0.5 μm or more) and 30 μm or less, or 0.1 μm or more (or 0.5 μm or more) and 10 μm or less.
不織布の面密度は、例えば、10g/m2以上である。不織布の面密度は、100g/m2以下であってもよく、50g/m2以下であってもよい。 The surface density of the nonwoven fabric is, for example, 10 g/m 2 or more. The surface density of the nonwoven fabric may be 100 g/m 2 or less, or 50 g/m 2 or less.
不織布の厚さは、例えば、30μm以上であり、50μm以上であってもよい。不織布の厚さは、例えば、800μm以下であり、100μm以下であってもよい。不織布の厚さが上記範囲であることで、不織布が十分に薄く、かつ高い強度を有するため、より高いCCA性能と、より優れた重負荷寿命性能を得ることができる。 The thickness of the nonwoven fabric is, for example, 30 μm or more, and may be 50 μm or more. The thickness of the nonwoven fabric is, for example, 800 μm or less, and may be 100 μm or less. When the thickness of the nonwoven fabric is within the above range, the nonwoven fabric is sufficiently thin and has high strength, so that higher CCA performance and better heavy load life performance can be obtained.
不織布の空隙率は、例えば、20%以上であり、40%以上であってもよい。空孔率が上記範囲内であることで、電解液の拡散性を確保し、抵抗の増大を抑制できる。不織布の空隙率は、例えば、80%以下であり、70%以下であってもよい。 The porosity of the nonwoven fabric is, for example, 20% or more, and may be 40% or more. By having the porosity within the above range, the diffusibility of the electrolyte can be ensured and an increase in resistance can be suppressed. The porosity of the nonwoven fabric is, for example, 80% or less, and may be 70% or less.
不織布の平均細孔径は、例えば、0.1μm以上であり、0.5μm以上であってもよい。平均細孔径が上記範囲内であることで、不織布を用いることによる抵抗の増加を抑制できる。平均細孔径は、例えば、100μm以下であり、80μm以下であってもよい。平均細孔径が上記範囲内であることで、正極電極材料の脱落を効果的に抑制できる。 The average pore diameter of the nonwoven fabric is, for example, 0.1 μm or more, and may be 0.5 μm or more. By having the average pore diameter within the above range, an increase in resistance due to the use of the nonwoven fabric can be suppressed. The average pore diameter is, for example, 100 μm or less, and may be 80 μm or less. By having the average pore diameter within the above range, falling off of the positive electrode material can be effectively suppressed.
多孔質フィルムと不織布とを積層してもよい。多孔質フィルムと不織布とは、単に重ねるだけでもよく、接着剤を用いて積層または固定してもよい。また、溶着、または機械的接着などを使用して、多孔質フィルムと不織布とを積層または固定してもよい。溶着の方法としては、例えば、ヒートシールが挙げられる。機械的接着の方法としては、例えば、ギアシールが挙げられる。接着剤としては、例えば、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリオレフィン系接着剤が挙げられる。積層体(セパレータ)の抵抗が高くならないように、接着剤の塗布量は少ない方が好ましい。例えば、接着剤は、多孔質フィルムまたは不織布の接着させる面全体に付与するよりも、部分的に付与することが好ましい。 The porous film and the nonwoven fabric may be laminated. The porous film and the nonwoven fabric may simply be stacked, or may be laminated or fixed using an adhesive. The porous film and the nonwoven fabric may also be laminated or fixed using welding or mechanical adhesion. For example, heat sealing may be used as a welding method. For example, gear sealing may be used as a mechanical adhesion method. For example, silicone adhesives, epoxy adhesives, and polyolefin adhesives may be used as adhesives. It is preferable to apply a small amount of adhesive so that the resistance of the laminate (separator) is not high. For example, it is preferable to apply the adhesive partially rather than to the entire surface of the porous film or nonwoven fabric to be bonded.
以下、評価、測定方法について説明する。
(1)多孔質フィルムおよび不織布の分析またはサイズの計測
(試料の準備)
多孔質フィルムおよび不織布の分析またはサイズの計測には、未使用の多孔質フィルムと不織布または使用初期の満充電状態の鉛蓄電池から取り出した多孔質フィルムと不織布が用いられる。鉛蓄電池から取り出した多孔質フィルムと不織布は、分析または計測に先立って、洗浄および乾燥される。
The evaluation and measurement methods will be described below.
(1) Analysis or size measurement of porous films and nonwovens (sample preparation)
For the analysis or size measurement of the porous film and nonwoven fabric, an unused porous film and nonwoven fabric or a porous film and nonwoven fabric removed from a lead-acid battery in a fully charged state at the beginning of use are used. The porous film and nonwoven fabric removed from the lead-acid battery are washed and dried prior to the analysis or measurement.
鉛蓄電池から取り出した多孔質フィルムおよび不織布の洗浄および乾燥は、次の手順で行われる。鉛蓄電池から取り出した多孔質フィルムおよび不織布を純水中に1時間浸漬し、セパレータ中の硫酸を除去する。次いで浸漬していた液体から多孔質フィルムと不織布を取り出して、25℃±5℃環境下で、16時間以上静置し、乾燥させる。 The porous film and nonwoven fabric removed from the lead-acid battery are washed and dried according to the following procedure. The porous film and nonwoven fabric removed from the lead-acid battery are immersed in pure water for one hour to remove the sulfuric acid in the separator. The porous film and nonwoven fabric are then removed from the liquid and left to stand for at least 16 hours in an environment of 25°C ± 5°C until they are dried.
(多孔質フィルムおよび不織布の厚さおよびリブの高さ)
多孔質フィルムおよび不織布の厚さは、それぞれの断面写真において、任意に選択した5箇所について多孔質フィルム部分または不織布の厚さを計測し、平均化することによって求められる。
(Thickness of porous film and nonwoven fabric and height of ribs)
The thickness of the porous film and nonwoven fabric is determined by measuring the thickness of the porous film portion or nonwoven fabric at five arbitrarily selected points in each cross-sectional photograph and averaging the measured values.
リブの高さは、多孔質フィルムの断面写真において、任意に選択される10箇所のベース部表面からのリブの高さを計測し、平均化することにより求められる。 The rib height is determined by measuring the rib height from the base surface at 10 randomly selected points on a cross-sectional photograph of the porous film and averaging the measurements.
(多孔質フィルム中のオイル含有率)
必要であれば多孔質フィルムから不織布を剥がし、接着剤が塗布されていない領域で、多孔質フィルムの電極材料に対向する部分を、短冊状に加工してサンプル(以下、サンプルAと称する)を作製する。多孔質フィルムがリブを有する場合には、サンプルAは、リブを含まないように加工される。
(Oil content in porous film)
If necessary, the nonwoven fabric is peeled off from the porous film, and the portion of the porous film facing the electrode material in the area where no adhesive is applied is processed into a rectangular shape to prepare a sample (hereinafter referred to as sample A). When the porous film has ribs, sample A is processed so as not to include the ribs.
サンプルAの約0.5gを採取し、正確に秤量し、初期のサンプルの質量(m0)を求める。秤量したサンプルAを、適当な大きさのガラス製ビーカーに入れ、n-ヘキサン50mLを加える。次いで、ビーカーごと、サンプルに約30分間、超音波を付与することにより、サンプルA中に含まれるオイル分をn-ヘキサン中に溶出させる。次いで、n-ヘキサンからサンプルAを取り出し、大気中、室温(20℃以上35℃以下の温度)で乾燥させた後、秤量することにより、オイル除去後のサンプルの質量(m1)を求める。そして、下記式により、オイルの含有率を算出する。10個のサンプルAについてオイルの含有率を求め、平均値を算出する。得られる平均値を多孔質フィルム中のオイルの含有率とする。 Approximately 0.5 g of sample A is taken and accurately weighed to determine the initial mass of the sample (m0). The weighed sample A is placed in a glass beaker of appropriate size, and 50 mL of n-hexane is added. Next, ultrasonic waves are applied to the sample together with the beaker for approximately 30 minutes to dissolve the oil contained in sample A into n-hexane. Next, sample A is removed from n-hexane, dried in air at room temperature (temperature between 20°C and 35°C), and then weighed to determine the mass of the sample after the oil has been removed (m1). The oil content is then calculated using the following formula. The oil content is determined for 10 samples A, and the average value is calculated. The obtained average value is taken as the oil content in the porous film.
オイルの含有率(質量%)=(m0-m1)/m0×100 Oil content (mass%) = (m0 - m1)/m0 x 100
(多孔質フィルム中の無機粒子の含有率)
上記と同様に作製したサンプルAの一部を採取し、正確に秤量した後、白金坩堝中に入れ、ブンゼンバーナーで白煙が出なくなるまで加熱する。次に、得られるサンプルを、電気炉(酸素気流中、550℃±10℃)で、約1時間加熱して灰化し、灰化物を秤量する。サンプルAの質量に占める灰化物の質量の比率(百分率)を算出し、上記の無機粒子の含有率(質量%)とする。10個のサンプルAについて無機粒子の含有率を求め、平均値を算出する。得られる平均値を多孔質フィルム中の無機粒子の含有率とする。
(Content of inorganic particles in porous film)
A portion of the sample A prepared in the same manner as above is taken, accurately weighed, and then placed in a platinum crucible and heated with a Bunsen burner until no white smoke is generated. The obtained sample is then heated in an electric furnace (in oxygen flow, 550°C ± 10°C) for about 1 hour to be incinerated, and the incinerated material is weighed. The ratio (percentage) of the mass of the incinerated material to the mass of sample A is calculated, and this is the content (mass%) of the inorganic particles. The content of the inorganic particles is determined for 10 samples A, and the average value is calculated. The obtained average value is the content of the inorganic particles in the porous film.
(多孔質フィルム中の浸透剤の含有率)
上記と同様に作製したサンプルAの一部を採取し、正確に秤量した後、室温(20℃以上35℃以下の温度)で大気圧より低い減圧環境下で、12時間以上乾燥させる。乾燥物を白金セルに入れて、熱重量測定装置にセットし、昇温速度10K/分で、室温から800℃±1℃まで昇温する。室温から250℃±1℃まで昇温させたときの重量減少量を浸透剤の質量とし、サンプルBの質量に占める浸透剤の質量の比率(百分率)を算出し、上記の浸透剤の含有率(質量%)とする。熱重量測定装置としては、T.A.インスツルメント社製のQ5000IRが使用される。10個のサンプルAについて浸透剤の含有率を求め、平均値を算出する。得られる平均値を多孔質フィルム中の浸透剤の含有率とする。
(Content of penetrant in porous film)
A part of sample A prepared in the same manner as above is taken, accurately weighed, and then dried for 12 hours or more at room temperature (temperature of 20°C to 35°C) in a reduced pressure environment lower than atmospheric pressure. The dried product is placed in a platinum cell and set in a thermogravimetric measuring device, and the temperature is raised from room temperature to 800°C ± 1°C at a heating rate of 10K/min. The weight loss amount when the temperature is raised from room temperature to 250°C ± 1°C is taken as the mass of the penetrant, and the ratio (percentage) of the mass of the penetrant to the mass of sample B is calculated, and the content (mass%) of the penetrant is taken as the above. As the thermogravimetric measuring device, a Q5000IR manufactured by T. A. Instruments is used. The content of the penetrant is determined for 10 samples A, and the average value is calculated. The obtained average value is taken as the content of the penetrant in the porous film.
(不織布の平均繊維径)
不織布の平均繊維径は、不織布から取り出した任意の100本の繊維について、その長さ方向に垂直な任意の断面の最大径を求め、平均化することによって求められる。
(Average fiber diameter of nonwoven fabric)
The average fiber diameter of a nonwoven fabric can be determined by determining the maximum diameter of any 100 fibers taken out of the nonwoven fabric in any cross section perpendicular to the length direction, and averaging the maximum diameters.
(不織布の面密度)
不織布の電極材料に対向する部分をカットし、接着剤が塗布されていない部分を採取し、計量するとともに、不織布の縦および横のサイズ(換言すると、カットした部分の縦および横のサイズ)を計測する。不織布の縦および横のサイズから面積を算出し、1m2当たりの不織布の質量(g)を面密度として求める。
(Area density of nonwoven fabric)
The portion of the nonwoven fabric facing the electrode material is cut, and the portion not coated with adhesive is sampled and weighed, and the length and width of the nonwoven fabric (in other words, the length and width of the cut portion) are measured. The area of the nonwoven fabric is calculated from the length and width, and the mass (g) of the nonwoven fabric per 1 m2 is calculated as the areal density.
(不織布の空隙率)
空隙率は適当な大きさの直方体状に切り取った試料の寸法、重量、密度を測定し、下記の式に従い、見かけ体積と真体積との比率から算出した値とする。
空隙率(%)=(見かけ体積/真体積)×100
見かけ体積(cm3)=縦(cm)×横(cm)×厚さ(cm)
真体積(cm3)=重量(g)/密度(g/cm3)
(Porosity of nonwoven fabric)
The porosity is determined by measuring the dimensions, weight and density of a sample cut into a rectangular parallelepiped of appropriate size, and calculating the ratio of apparent volume to true volume according to the following formula.
Porosity (%) = (apparent volume/true volume) x 100
Apparent volume (cm 3 )=length (cm)×width (cm)×thickness (cm)
True volume (cm 3 )=weight (g)/density (g/cm 3 )
(不織布の平均細孔径)
不織布の電極材料に対向する部分から接着剤が塗布されていない部分を採取して、縦20mm×横5mmのサイズにカットして測定用サンプルとする。島津製作所社製水銀ポロシメータ「オートポアIV9510」を用いて、水銀圧入法により測定用サンプルの細孔分布を測定する。測定の圧力範囲は、4psia(≒27.6kPa)以上60,000psia(≒414MPa)以下とする。細孔径の範囲は、0.01μm以上50μm以下とする。累積細孔容積が全細孔容積の50%となる細孔径を平均細孔径とする。
(Average pore size of nonwoven fabric)
A portion of the nonwoven fabric facing the electrode material where no adhesive is applied is taken and cut to a size of 20 mm length x 5 mm width to prepare a measurement sample. The pore distribution of the measurement sample is measured by mercury intrusion using a Shimadzu Corporation mercury porosimeter "Autopore IV9510". The measurement pressure range is 4 psia (≒27.6 kPa) to 60,000 psia (≒414 MPa). The pore size range is 0.01 μm to 50 μm. The pore size at which the cumulative pore volume is 50% of the total pore volume is the average pore size.
以下、鉛蓄電池の試験方法を説明する。
(1)CCA性能
JIS D 5301:2019に準拠して、次の手順で、放電開始後30秒目の端子電圧により鉛蓄電池の始動性を評価する。電圧値が大きいほど始動性が高く、内部抵抗が低いことを意味する。
(a)満充電状態まで充電した後、最低16時間、蓄電池を-18℃±1℃の冷却室に置く。
(b)中央にあるいずれかのセルの電解液温度が-18℃±1℃であることを確認後、コールドクランキング電流Iccで30秒放電する。
(c)放電開始後30秒目の端子電圧を記録する。
ここで、コールドクランキング電流Iccは、JIS D 5301:2019に定められる性能ランクに応じた電流値とする。
The test method for lead-acid batteries will be described below.
(1) CCA Performance In accordance with JIS D 5301:2019, the starting ability of a lead-acid battery is evaluated by the terminal voltage 30 seconds after the start of discharge in the following procedure. A higher voltage value indicates higher starting ability and lower internal resistance.
(a) After fully charging the battery, place it in a cooling room at -18°C ± 1°C for a minimum of 16 hours.
(b) After confirming that the electrolyte temperature in one of the central cells is −18° C.±1° C., discharge the cell for 30 seconds at a cold cranking current of I cc .
(c) Record the terminal voltage 30 seconds after the start of discharge.
Here, the cold cranking current Icc is a current value according to the performance rank defined in JIS D 5301:2019.
(2)重負荷寿命性能
重負荷寿命性能は次のようにして評価される。
JIS D 5301:2019 9.5.5 寿命試験 b)重負荷寿命試験に準拠して、重負荷試験を行う。より具体的には、まず、満充電状態の鉛蓄電池について、表1に示す放電電流で1時間放電を行い、次いで、表1に示す充電電流で5時間充電を行う。この放電と充電のサイクルを1サイクルとする。なお、放電電流および放電電流は、それぞれ、鉛蓄電池の20時間率容量に合わせて表1に示すように変化させる。試験中、鉛蓄電池は、40℃±2℃の水槽中に配置する。水槽の水面は、蓄電池の上面よりも15mm~25mm下に位置するようにする。数個の鉛蓄電池を水槽内に配置する場合には、隣接する鉛蓄電池間の距離および鉛蓄電池と隣接する水槽の内壁までの距離が、それぞれ、最低25mmとなるようにする。
(2) Heavy Load Life Performance The heavy load life performance is evaluated as follows.
JIS D 5301:2019 9.5.5 Life Test b) A heavy load test is performed in accordance with the heavy load life test. More specifically, a fully charged lead-acid battery is first discharged for 1 hour at the discharge current shown in Table 1, and then charged for 5 hours at the charge current shown in Table 1. This cycle of discharge and charge is defined as one cycle. The discharge current and discharge current are changed as shown in Table 1 according to the 20-hour rate capacity of the lead-acid battery. During the test, the lead-acid battery is placed in a water tank at 40°C ± 2°C. The water surface of the water tank is located 15 mm to 25 mm below the top surface of the battery. When several lead-acid batteries are placed in the water tank, the distance between adjacent lead-acid batteries and the distance between the lead-acid battery and the inner wall of the adjacent water tank are each at least 25 mm.
試験中、25サイクルごとに、表1に示す放電電流で、鉛蓄電池の端子電圧が10.2Vになるまで連続放電を行い、放電持続時間を記録する。次いで、表1に示す充電電流で、15分ごとに鉛蓄電池の端子電圧または電解液の密度(25℃換算値)が、3回連続して一定値を示すまで充電する。なお、この放電および充電もサイクル数に加算する。 During the test, the battery is continuously discharged every 25 cycles at the discharge current shown in Table 1 until the terminal voltage of the lead-acid battery reaches 10.2 V, and the discharge duration is recorded. Next, the battery is charged every 15 minutes at the charge current shown in Table 1 until the terminal voltage of the lead-acid battery or the density of the electrolyte (converted value at 25°C) shows a constant value three times in a row. This discharge and charge are also counted in the number of cycles.
上記の試験で測定した放電時間と放電電流との積から求められる容量(Ah)が20時間率容量を1.155で除した値の50%以下に低下し、再び上昇しないことを確認し、試験を終了する。試験終了時までのサイクル数を、重負荷寿命試験における寿命性能の指標とする。容量が再び上昇しないことは、20時間率容量を1.155で除した値の50%以下に容量が低下した後、満充電状態まで充電し、再度上記と同様の放電を行い、このときの放電時間と放電電流との積から求められる容量が20時間率容量を1.155で除した値の50%以下であることに基づいて確認する。なお、寿命となるサイクル数は、25サイクル毎の放電容量をプロットしたサイクル回数と容量とのグラフから、20時間率容量を1.155で除した値の50%以下のときのサイクル数を近似することで求められる。 The test is terminated when it is confirmed that the capacity (Ah) calculated from the product of the discharge time and discharge current measured in the above test has fallen to 50% or less of the value calculated by dividing the 20-hour capacity by 1.155 and does not rise again. The number of cycles until the end of the test is used as an index of the life performance in the heavy load life test. The fact that the capacity does not rise again is confirmed by charging to a fully charged state after the capacity has fallen to 50% or less of the value calculated by dividing the 20-hour capacity by 1.155, and discharging again in the same manner as above, and the capacity calculated from the product of the discharge time and discharge current at this time is 50% or less of the value calculated by dividing the 20-hour capacity by 1.155. The number of cycles that constitutes the life can be calculated by approximating the number of cycles at which the 20-hour capacity is 50% or less of the value calculated by dividing the 20-hour capacity by 1.155 from a graph of the number of cycles vs. capacity plotted with the discharge capacity every 25 cycles.
補水は、適宜精製水で行うが、連続放電の直前に補水してはならない。 Hydrate with purified water as needed, but do not hydrate immediately before continuous discharge.
本明細書中に記載した事項は、任意に組み合わせることができる。 The items described in this specification may be combined in any manner.
図1に、本発明の実施形態に係る鉛蓄電池の一例の外観を示す。
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。
FIG. 1 shows an external appearance of an example of a lead-acid battery according to an embodiment of the present invention.
The lead-acid battery 1 includes a battery case 12 that contains a plate group 11 and an electrolyte (not shown). The battery case 12 is divided into a plurality of cell chambers 14 by partitions 13. Each cell chamber 14 contains one of the plate groups 11. The opening of the battery case 12 is closed by a lid 15 that includes a negative electrode terminal 16 and a positive electrode terminal 17. The lid 15 is provided with a vent plug 18 for each cell chamber. When rehydrating, the vent plug 18 is removed and rehydration liquid is replenished. The vent plug 18 may have a function of discharging gas generated in the cell chamber 14 to the outside of the battery.
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。電槽12の一方の端部に位置するセル室14では、複数の負極板2を並列接続する負極棚部6が貫通接続体8に接続され、複数の正極板3を並列接続する正極棚部5が正極柱7に接続されている。正極柱7は蓋15の外部の正極端子17に接続されている。電槽12の他方の端部に位置するセル室14では、負極棚部6に負極柱9が接続され、正極棚部5に貫通接続体8が接続される。負極柱9は蓋15の外部の負極端子16と接続されている。各々の貫通接続体8は、隔壁13に設けられた貫通孔を通過して、隣接するセル室14の極板群11同士を直列に接続している。 Each electrode plate group 11 is formed by stacking a plurality of negative electrode plates 2 and positive electrode plates 3 with separators 4 between them. In the cell chamber 14 located at one end of the battery case 12, the negative electrode shelf 6 that connects the plurality of negative electrode plates 2 in parallel is connected to the through connector 8, and the positive electrode shelf 5 that connects the plurality of positive electrode plates 3 in parallel is connected to the positive electrode column 7. The positive electrode column 7 is connected to a positive electrode terminal 17 outside the lid 15. In the cell chamber 14 located at the other end of the battery case 12, the negative electrode column 9 is connected to the negative electrode shelf 6, and the through connector 8 is connected to the positive electrode shelf 5. The negative electrode column 9 is connected to a negative electrode terminal 16 outside the lid 15. Each through connector 8 passes through a through hole provided in the partition wall 13 to connect the electrode plate groups 11 of adjacent cell chambers 14 in series.
図2は、セパレータ4の概略平面図である。セパレータ4は、袋状の多孔質フィルム4aと不織布4bとの積層体である。袋状の多孔質フィルム4aには図1の負極板2が収容されている。袋状の多孔質フィルム4aは、図2における下端が折り目になっており、上端が開口になっている。袋状の多孔質フィルム4aの両方の側端部には、重なった多孔質フィルム4aを閉じるように圧着部20が上下方向に直線状に設けられている。そして、袋状の多孔質フィルム4aの両方の側端部には、それぞれ、ガラス繊維マット4bで覆われていない領域21が形成されている。不織布4bの側端は、圧着部20よりも内側に位置している。そのため、領域21の幅wpは、多孔質フィルム4aの側端から圧着部20(より具体的には、圧着部20の外側の位置)までの幅waよりも大きい。 FIG. 2 is a schematic plan view of the separator 4. The separator 4 is a laminate of a bag-shaped porous film 4a and a nonwoven fabric 4b. The bag-shaped porous film 4a houses the negative electrode plate 2 of FIG. 1. The bag-shaped porous film 4a has a fold at the bottom end in FIG. 2 and an opening at the top end. At both side ends of the bag-shaped porous film 4a, a pressure-bonding portion 20 is provided linearly in the vertical direction so as to close the overlapped porous film 4a. At both side ends of the bag-shaped porous film 4a, a region 21 that is not covered with the glass fiber mat 4b is formed. The side end of the nonwoven fabric 4b is located inside the pressure-bonding portion 20. Therefore, the width w p of the region 21 is larger than the width w a from the side end of the porous film 4a to the pressure-bonding portion 20 (more specifically, the outer position of the pressure-bonding portion 20).
セパレータ4は、鉛蓄電池1内では、不織布4bが正極板3と接触するように配置される。図2のセパレータ4において、裏側が正極板3と接触する場合には、裏側にも表側に示すような不織布4bが設けられる。 In the lead-acid battery 1, the separator 4 is arranged so that the nonwoven fabric 4b is in contact with the positive electrode plate 3. In the separator 4 in FIG. 2, when the back side is in contact with the positive electrode plate 3, the nonwoven fabric 4b shown on the front side is also provided on the back side.
[実施例]
以下、本発明を実施例および参考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ない。
[Example]
The present invention will be specifically described below based on examples and reference examples, but the present invention is not limited to the following examples.
《鉛蓄電池E1~E13》
下記の手順で実施例1~13の各鉛蓄電池を作製した。
(1)セパレータの作製
ポリエチレンと、シリカ粒子と、造孔剤としてのパラフィン系オイルと、浸透剤とを含む樹脂組成物を、シート状に押出成形し、延伸処理した後、造孔剤の一部を除去することによって、片面にリブを有する多孔質フィルムを作製した。
Lead-acid batteries E1 to E13
Each of the lead acid batteries of Examples 1 to 13 was produced according to the following procedure.
(1) Preparation of Separator A resin composition containing polyethylene, silica particles, paraffin-based oil as a pore-forming agent, and a penetrating agent was extruded into a sheet, stretched, and then a portion of the pore-forming agent was removed to prepare a porous film having ribs on one side.
既述の手順で求められる多孔質フィルムのオイル含有率は、11~18質量%であり、シリカ粒子の含有率は、60質量%であった。
既述の手順で求められるリブの高さは0.2mmであった。
既述の手順で求められる多孔質フィルムの厚さ(ベース部の厚さ)は、0.2mmで統一した。
The oil content of the porous film determined by the procedure described above was 11 to 18% by mass, and the silica particle content was 60% by mass.
The rib height determined by the procedure described above was 0.2 mm.
The thickness of the porous film (thickness of the base portion) determined by the above-mentioned procedure was standardized to 0.2 mm.
次に、シート状の多孔質フィルムを内面にリブが配置されるように二つ折りにして袋を形成し、重ね合わせた両端部を圧着して、袋状の多孔質フィルム(平置きした状態のサイズ:縦117mm×横152mm)を得た。圧着部は、多孔質フィルムの側端から2mmの位置より内側で、3mmの幅であった。 Next, the sheet-like porous film was folded in half so that the ribs were arranged on the inner surface to form a bag, and the overlapping ends were crimped to obtain a bag-like porous film (size when laid flat: length 117 mm x width 152 mm). The crimped part was 3 mm wide, located 2 mm inside from the side edge of the porous film.
袋状の多孔質フィルムの両方の外面に、図2に示すようにガラス繊維マット(大気圧下におけるサイズ:縦117mm×横143mm、厚さ:50μm、平均繊維径:17μm、面密度:10g/m2、空隙率:80%、平均細孔径:70μm)を接着剤で貼り付けた。多孔質フィルムの横幅は、ガラス繊維マットの横幅よりも大きく、多孔質フィルムの両方の側端部には、ガラス繊維マットが重なっていない領域が4.5mmの幅で形成されていた。 A glass fiber mat (size under atmospheric pressure: length 117 mm × width 143 mm, thickness: 50 μm, average fiber diameter: 17 μm, surface density: 10 g/m 2 , porosity: 80%, average pore diameter: 70 μm) was attached with an adhesive to both outer surfaces of the bag-shaped porous film as shown in Figure 2. The width of the porous film was larger than that of the glass fiber mat, and an area of 4.5 mm wide where the glass fiber mat was not overlapped was formed at both side ends of the porous film.
なお、多孔質フィルムの比率R、オイル含有率、シリカ粒子の含有率、ベース部の厚さ、リブの高さ、ガラス繊維マットのサイズ、平均繊維径および面密度は、鉛蓄電池の作製前の多孔質フィルムまたはガラス繊維マットについて求めた値であるが、作製後の鉛蓄電池から取り出した多孔質フィルムまたはガラス繊維マットについて既述の手順で測定した値とほぼ同じである。 The porous film ratio R, oil content, silica particle content, base thickness, rib height, glass fiber mat size, average fiber diameter, and surface density are values determined for the porous film or glass fiber mat before the lead-acid battery was fabricated, but are approximately the same as the values measured by the procedure described above for the porous film or glass fiber mat removed from the lead-acid battery after fabrication.
(2)正極板の作製
鉛酸化物、補強材(合成樹脂繊維)、水および硫酸を混合して正極ペーストを調製した。正極ペーストを、アンチモンを含まないPb-Ca-Sn系合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成および乾燥を行うことによって、幅137mm、高さ110mm、厚さ1.6mmの未化成の正極板を得た。
(2) Preparation of Positive Electrode Plate A positive electrode paste was prepared by mixing lead oxide, reinforcing material (synthetic resin fiber), water and sulfuric acid. The positive electrode paste was filled into the mesh of an expanded lattice made of a Pb-Ca-Sn alloy not containing antimony, and aged and dried to obtain an unformed positive electrode plate having a width of 137 mm, a height of 110 mm and a thickness of 1.6 mm.
(3)負極板の作製
鉛酸化物、カーボンブラック、硫酸バリウム、リグニン、補強材(合成樹脂繊維)、水および硫酸を混合して負極ペーストを調製した。負極ペーストを、アンチモンを含まないPb-Ca-Sn系合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成および乾燥を行うことによって、幅137mm、高さ110mm、厚さ1.3mmの未化成の負極板を得た。カーボンブラック、硫酸バリウム、リグニンおよび合成樹脂繊維の使用量は、満充電状態の鉛蓄電池から取り出した負極板について各成分の含有率が、それぞれ0.3質量%、2.1質量%、0.1質量%および0.1質量%になるように調節した。
(3) Preparation of negative electrode plate Lead oxide, carbon black, barium sulfate, lignin, reinforcing material (synthetic resin fiber), water and sulfuric acid were mixed to prepare a negative electrode paste. The negative electrode paste was filled into the mesh of an expanded lattice made of an antimony-free Pb-Ca-Sn alloy, and aged and dried to obtain an unformed negative electrode plate with a width of 137 mm, a height of 110 mm and a thickness of 1.3 mm. The amounts of carbon black, barium sulfate, lignin and synthetic resin fiber used were adjusted so that the contents of each component in the negative electrode plate taken out of a fully charged lead-acid battery were 0.3 mass%, 2.1 mass%, 0.1 mass% and 0.1 mass%, respectively.
(4)鉛蓄電池の作製
未化成の負極板を、セパレータの袋状の多孔質フィルムに収容した。袋の両方の外表面に貼り付けられたガラス繊維マットが正極板と接触するように負極板と正極板とをセパレータを介して積層した。このようにして、未化成の負極板7枚と未化成の正極板6枚とで極板群を形成した。
(4) Preparation of lead-acid battery An unformed negative plate was placed in a bag-shaped porous film of a separator. The negative plate and the positive plate were laminated through the separator so that the glass fiber mats attached to both outer surfaces of the bag were in contact with the positive plate. In this way, an electrode plate group was formed by seven unformed negative plates and six unformed positive plates.
正極板の耳部同士および負極板の耳部同士をそれぞれキャストオンストラップ方式で正極棚部および負極棚部と溶接した。極板群をポリプロピレン製の電槽に挿入し、電解液を注液して、電槽内で化成を施して、定格電圧12Vおよび5時間率容量が30Ahの液式の鉛蓄電池を組み立てた。5時間率容量とは、定格容量に記載のAhの数値の1/5の電流(A)で放電するときの容量である。なお、電槽内では6個の極板群が直列に接続されている。 The ears of the positive and negative plates were welded to the positive and negative shelf parts, respectively, using the cast-on-strap method. The plate group was inserted into a polypropylene battery case, electrolyte was poured in, and chemical formation was performed inside the battery case to assemble a flooded lead-acid battery with a rated voltage of 12 V and a 5-hour rate capacity of 30 Ah. The 5-hour rate capacity is the capacity when discharged at a current (A) that is 1/5 of the Ah value listed in the rated capacity. Six plate groups were connected in series inside the battery case.
電解液としては、硫酸水溶液を用いた。化成後の電解液の20℃における密度は1.285であった。満充電状態の鉛蓄電池から取り出した電解液についてCODが質量基準で表2に示す値になるように調節した。CODは、多孔質フィルムを作製する際の浸透剤の使用量、正極板および負極板のエキスパンド格子の洗浄状態などにより制御した。 An aqueous sulfuric acid solution was used as the electrolyte. The density of the electrolyte after formation at 20°C was 1.285. The electrolyte taken out of a fully charged lead-acid battery was adjusted so that its COD, by mass, was the value shown in Table 2. The COD was controlled by the amount of penetrant used when producing the porous film, the cleaning condition of the expanded grid of the positive and negative plates, etc.
《鉛蓄電池R1~R15》
セパレータの作製(1)において、袋状の多孔質フィルムの両方の外面にガラス繊維マットを貼り付けなかったこと以外、実施例1~13と同様に、鉛蓄電池を作製した。
Lead-acid batteries R1 to R15
A lead-acid battery was produced in the same manner as in Examples 1 to 13, except that in the preparation of the separator (1), no glass fiber mats were attached to either outer surface of the bag-shaped porous film.
(5)評価
既述の手順で、鉛蓄電池のCCA性能および重負荷寿命性能を評価した。重負荷寿命性能は、一旦満充電状態にした鉛蓄電池について、既述の手順で評価した。CCA性能は鉛蓄電池R15の30秒目の端子電圧を100、重負荷寿命性能は鉛蓄電池R8の寿命回数を100としたときの相対値によって評価した。
(5) Evaluation The CCA performance and heavy load life performance of the lead-acid battery were evaluated according to the procedure described above. The heavy load life performance was evaluated according to the procedure described above for the lead-acid battery that was once fully charged. The CCA performance was evaluated as a relative value when the terminal voltage at 30 seconds of the lead-acid battery R15 was set to 100, and the heavy load life performance was evaluated as a relative value when the life cycle of the lead-acid battery R8 was set to 100.
評価結果を表2に示す。E1~E13は実施例である。R1~R15は比較例である。 The evaluation results are shown in Table 2. E1 to E13 are working examples. R1 to R15 are comparative examples.
表2に示されるように、不織布を用いない場合、重負荷寿命性能は、CODにかかわらず不十分であった。これは、CODの制御にかかわらず、正極電極材料の軟化、脱落を抑制できなかったためである。中でも、CODが5mg/L以下、特に1mg/Lの場合、正極側で酸素が発生し、酸化劣化による多孔質フィルムの破損も生じたため、さらに重負荷寿命性能は低下した。 As shown in Table 2, when nonwoven fabric was not used, the heavy load life performance was insufficient regardless of the COD. This was because the softening and falling off of the positive electrode material could not be suppressed regardless of the COD control. In particular, when the COD was 5 mg/L or less, especially 1 mg/L, oxygen was generated on the positive electrode side, and the porous film was damaged due to oxidative deterioration, further deteriorating the heavy load life performance.
一方、不織布を用いた場合には、CODの制御により、CCA性能と重負荷寿命性能が顕著に向上した。すなわち、CODが160mg/L以下の場合、CCA性能と重負荷寿命性能が顕著に向上した。ただしCODが5mg/L以下、特に1mg/Lになると、重負荷寿命性能が低下した。これは、電解液中のCODが少な過ぎるため正極側で発生した酸素によって多孔質フィルムの破損が生じたためと考えられる。 On the other hand, when nonwoven fabric was used, the CCA performance and heavy load life performance were significantly improved by controlling the COD. That is, when the COD was 160 mg/L or less, the CCA performance and heavy load life performance were significantly improved. However, when the COD was 5 mg/L or less, especially 1 mg/L, the heavy load life performance decreased. This is thought to be because the porous film was damaged by oxygen generated on the positive electrode side due to too little COD in the electrolyte.
本開示に係る鉛蓄電池は、例えば、アイドリングストップ用途(アイドリングストップシステム車用の鉛蓄電池など)、様々な車両(トラック、タクシー等の商用車、バイクなど)の始動用電源などに適している。また、鉛蓄電池は、電動車両(フォークリフトなど)などの産業用蓄電装置などの電源にも好適に利用できる。なお、これらの用途は単なる例示である。本開示に係る鉛蓄電池の用途は、これらに限定されない。アイドリングストップ(Idling Reductionとも言う。)は、ISと称されることがある。 The lead-acid battery according to the present disclosure is suitable for use in idling stop applications (such as lead-acid batteries for vehicles with idling stop systems) and as a starting power source for various vehicles (such as trucks, commercial vehicles such as taxis, and motorcycles). Lead-acid batteries can also be suitably used as a power source for industrial power storage devices such as electric vehicles (such as forklifts). Note that these applications are merely examples. Applications of the lead-acid battery according to the present disclosure are not limited to these. Idling stop (also called idling reduction) is sometimes referred to as IS.
1:鉛蓄電池
2:負極板
3:正極板
4:セパレータ
4a:多孔質フィルム
4b:ガラス繊維マット
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
20:圧着部
21:多孔質フィルムのガラス繊維マットで覆われていない領域
1: Lead-acid battery 2: Negative electrode plate 3: Positive electrode plate 4: Separator 4a: Porous film 4b: Glass fiber mat 5: Positive electrode shelf 6: Negative electrode shelf 7: Positive electrode column 8: Through connector 9: Negative electrode column 11: Electrode plate group 12: Battery case 13: Partition wall 14: Cell chamber 15: Lid 16: Negative electrode terminal 17: Positive electrode terminal 18: Vent plug 20: Crimping section 21: Area of porous film not covered with glass fiber mat
Claims (8)
負極板と、
前記正極板および前記負極板の間に介在する樹脂製の多孔質フィルムと、
前記正極板および前記負極板の間に介在し、かつ前記正極板と接触している不織布と、
電解液と、
を備え、
前記電解液中の化学的酸素要求量は、160mg/L以下である、鉛蓄電池。 A positive electrode plate;
A negative electrode plate;
a resin porous film interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate;
a nonwoven fabric interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate and in contact with the positive electrode plate;
An electrolyte;
Equipped with
A lead-acid battery, wherein the chemical oxygen demand in the electrolyte is 160 mg/L or less.
The lead-acid battery according to claim 1 , wherein the porous film has an area not covered with the nonwoven fabric in at least a part of an end portion.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022169941A JP2024062140A (en) | 2022-10-24 | 2022-10-24 | Lead storage battery |
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2022
- 2022-10-24 JP JP2022169941A patent/JP2024062140A/en active Pending
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