JP2616197B2 - 鉛蓄電池およびその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は鉛電池、特に自動車用鉛電池（以下自動車用
電池と記す）の構造に関するものである。

従来の技術 自動車用電池は陽極板と陰極板をセパレータを介して
交互に重ねた極板群を電解液中に浸漬した、約2Vの起電
力を有するセル６個の直列に接続した構造を有してい
る。第３図は自動車用電池の２セル分の断面を示したも
のであるが、隔壁１で仕切られた２つのセル２、２′の
中に、それぞれ陽極板３と陰極板４および陽極板３′と
陰極板４′が交互に重ねられた形で納められている。そ
して陽極板と陰極板とは接触しないように、例えば袋状
セパレータ５（この例に於いては袋状セパレータの中に
陰極板が納められている）により隔離されている。また
極板群の上部には集電体兼セル間接続用導体であるスト
ラップ６、６′が存在している。ストラップ６はセル２
内の極板群の陽極板３が接続されており、陽極ストラッ
プとよばれている。ストラップ６′はセル２′内の極板
群の陰極板４′が接続されており、陰極ストラップとよ
ばれている。両ストラップはその一部を構成する極柱部
７、７′に於て、隔壁１に設けられた穴８を介して接続
されている。この様に隔壁を隔てて隣接する極板群同士
の電気的に接続をセル間接続とよんでいる。

なお前述した如く極板群は陽極、陰両極板から構成さ
れるものであるから、個々の極板群すなわち各々のセル
には陽極ストラップ、陰極ストラップが対をなして存在
することは言うまでもない。従って図示してはいない
が、セル２内には陰極板４が接続されている陰極ストラ
ップが、セル２′内には陽極板３′が接続されている陽
極ストラップが存在しており、前者は第３図のセル２の
右隣のセルの陽極ストラップと、後者はセル２′の左隣
のセルの陰極ストラップと同様な状態で接続されてい
る。

また、各セルには電解液９が存在するが、電池を健全
な状態で使用するためには、その量を所定の範囲に維持
する必要がある。この目的のために電池の電槽10の側壁
には電解液の液面レベルの上限、下限を示す表示がなさ
れている。第３図のUL,LLはそれぞれ上限レベル、下限
レベルの位置を示したものである。電池としての機能を
十分満足させるために極板群は電解液中に没しているこ
とが必要であり、このために、通常LLは前述したストラ
ップの上面にほぼ等しい位置に設定されている。

さらに電槽には蓋11がかぶせられている。電池を構成
する６個のセルはお互いに液密性が必要とされることか
ら、電槽と蓋は熱溶着等の方法で接合されるが、第３図
中の12はその接合位置を示している。

発明が解決しようとする課題 自動車用電池の構造は上述した通りであるが、ここで
問題視すべきなのが、ストラップが極板上部にあり、そ
れが電解液面近くに位置している点である。以下になぜ
この様な構造が問題なのかを記す。

衆知の通り最近の自動車はターボに代表されるエンジ
ンの高出力化、空力特性向上のためのスラントノーズ化
等によってエンジンルームの温度が著しく高くなってき
ており、エンジンルームに置かれている自動車用電池の
温度も90℃を越えるような状況になってきている。この
様な高い温度は鉛電池にとっては耐熱性に於いてほぼ限
界に近いものであり、このために従来経験しなかった様
々な問題が発生している。その一例が陰極ストラップ部
の腐食である。

自動車用電池は高温になると充電電流が増加し、著し
い過充電状態に達する。この状態に於いては活物質（す
なわち発電物質）は十分に充電された状態にあるため、
流れている充電電流は電解液の分解（水分解）にほとん
どが消費される。それ故電解液の減少が著しくなり、短
時間のうちに電解液面は前述のLLまで低下し、さらにス
トラップ全体が電解液面上に完全に露出する様な状況を
呈することになる。

多くの人々が感じている如く、自分の車に搭載されて
いる電池の電解液量を点検し、必要に応じて水を添加す
る（すなわち補水する）ことは非常に面倒なことであ
る。

鉛電池の場合、充電時に多少の水分解をともなうこと
は避け難いことであるが、その程度は極板、特に陰極板
の格子に用いる鉛合金の組成に大きく依存している。衆
知の通りメンテナンスフリー電池と称されている陽極、
陰極いづれの格子にもPb−Ca合金を使用した電池（カル
シウム電池）では、陰極での水素過電圧が大きいために
水分解を極力抑えた形での充電が可能であり、事実電解
液の減少は非常に少ない。これに対し従来から広く使用
されてきた陽極、陰極いづれの格子にもPb−Sb合金を使
用した電池（アンチモン電池）では、前述したような高
温下で使用されるとカルシウム電池の数倍の速さで減液
してしまう。

以上の様な状況であればカルシウム電池を使用すれば
良かろうとの結論になろうが、カルシウム電池は別の理
由によって高温での使用に問題がある。すなわち陽極格
子の伸びの問題である。これは陽極格子を構成している
Pb−Ca合金が粒界腐食を受け、腐食生成物であるPbSO₄
が生じる際に体積膨張を伴なうために、電池を使用して
いる間に格子が変形する現象である。この現象が生じる
と変形した陽極板と接触して“短絡”を生じたり、格子
から活物質が脱落して極板としての役目を果さなくな
る。また腐食は電気化学反応によって生じており、これ
は温度に依存するために、前述した90℃を越える様な環
境下では著しく急速に進行する。

カルシウム電池はこの様な欠点を有し、かつその改善
も非常に困難であることから、最近ではカルシウム電池
とアンチモン電池の中間的なものとしてハイブリッド電
池が実用化され、急速に広まっている。この電池は陽極
板の格子にPb−Sb合金を、陰極板の格子にPb−Ca合金を
用いたもので、カルシウム電池ほど減液は少なくない
が、上述した陽極格子の伸びによる問題は排除したいと
いうものである。しかしながら減液の点ではカルシウム
電池より明らかに劣っているために、特に大形の高級乗
用車やタクシーに使用される車の様に電池に対する負荷
の大きな車の場合には、減液に起因する問題が発生して
いる。すなわち減液してストラップ部（ストラップとこ
れに接続されている極板の格子耳部を総称して言う）が
電解液面上に露出した際に、陰極ストラップ部で腐食が
進行し、格子の耳部が切損したり、時にはエンジン始動
時に流れる大電流によって腐食した部分が溶断し、この
時に生じた火花が点火となって爆発が生じた場合には、
単に電池が破損するばかりではなく、時には人身事故に
なる。それ故、この種の問題は極めて重要であり、十分
信頼性の高い対策が望まれるところである。

上述した陰極ストラップ部の腐食は次の３条件が満足
された場合に顕著な形で現れる。すなわち60〜70℃以上
の高温下での使用、電解液からのストラップの露出、
異種合金Pb−Sb合金とPb−Ca合金）接合部の存在であ
る。それ故これらの１つが満足されない様な対策を施せ
ばよいわけであるが、は自動車の設計そのものにより
支配される部分がほとんどであり、電池メーカー側での
対策は不可能である。に関しては自動車のユーザーが
液面レベルを適宜確認し、必要に応じて補水すれば問題
は生じない性質のものである。しかしながらその様な管
理を一般のユーザーに期待することは非常に難しいのが
現状である。に関してはストラップをPb−Ca合金とす
ればよいので比較的対策が容易であると考えられるが、
実際には非常に活性度の高いCaを含む合金であるため酸
化物を生じ易く、群溶接（ストラップと陰極、正確には
極板の基体として使用されている格子耳部との溶接をこ
のように呼ぶ）が難しい、あるいは合金の成分調整が難
しくコスト高になる等の問題がある。それ故ストラップ
用の合金には一般にPb−Sb合金が使用されている。

課題を解決するための手段 上述した問題を解決するための基本的な考え方は、電
池が寿命となる際にストラップ部がその原因とならない
様にする。例えば陰極ストラップ部が腐食により破壊す
る以前に極板が充放電能力を失ない、これにより電池寿
命となる様な構造とすることである。このために、従来
の電池の如くストラップを極板群上部に配置するのでな
く、ストラップに相当する箇所を極板群上面より低い所
に配置し、電解液が減少した場合にまず極板が露出する
構造とする。しかしながらこの構造を採用する場合に
は、第３図に示した如き隔壁を隔てて対向するストラッ
プの極柱部を両側からはさむ様に電極を当接して抵抗溶
接する従来の方法は採れない。その理由は極板群と隔壁
の間の間隔が極めて小さいために、電極をこの中に挿入
出来ないからである。本発明はこの問題を解決する手段
を提供するもので、具体的には電槽製造時に隔壁に埋込
んで一体成形したセル間接続導体を用意し、これと極板
格子耳部あるいは極板格子耳部に一体化したストラップ
相当箇所とレーザビームや電子ビームや赤外線ビームの
様な非接触型の熱源を用いて溶接するものである。

実施例 実施例１ 以下実施例についてのその詳細を説明する。

第１図（ａ）〜（ｄ）に本発明の実施例１を示す。第
１図（ａ）は本発明による構造を有する電池の隔壁面と
直角な面の高さ方向の断面図、第１図（ｂ）は第１図
（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この電池に於いては従来
の自動車用電池と異なり、極板を隔壁１と電解液９面の
両方に対して直角となる方向に配列した極板群構造と
し、極板格子耳部（陰極格子耳部14,14′、陽極格子耳
部15,15′）とセル間接続導体16との接続位置を極板群
上面より低い位置、この場合には極板群の高さの約1/2
の位置まで下げている。尚、従来の自動車用電池ではス
トラップが極板群の上部にあるので、第３図に示したセ
ル間接続を行なう場合に隔壁12を隔てて対向するストラ
ップ6,6′の極柱部7,7′を両側からはさむ様に溶接用電
池を当接して、いわゆる抵抗溶接による溶接が可能であ
った。しかしながら本発明の如くセル間接続部が極板群
上面より下に位置する様になると、極板群と隔壁１との
間隔が極めて狭く、溶接用電池をこの中へ挿入すること
が出来ないために、上述した抵抗溶接による接続が出来
ない。このために新しいセル間接続法の採用が必要とな
る。

第１図（ｃ）〜（ｄ）はそれを説明したものである
が、本発明に於いてはストラップレス（ストラップ無
し）の構造とし、電槽製造時に隔壁１内に埋込んで一体
成形したセル間接続導体16に極板の格子耳部を直接溶接
する方法を採っている。第１図（ｃ）はセル間接続導体
16の詳細を示したものであるが、材質はPb−2.5Sb−0.2
As−002Se合金で、極板群を構成している陽極板あるい
は陰極板の積重ねのピッチと同一のピッチで溝18が形成
されている。この様に溝18を配置することによって、セ
ル内に極板群を挿入したときに多数の極板格子耳部を容
易に各溝18に収納することができる。具体的な溝の寸法
は例えば幅1.8mm長さ5mm、深さ3mmである。第１図
（ｄ）にはセル間接続導体16と格子耳部との溶接方法を
示す。前記溝の中に極板群を構成する極板の格子耳部を
収納して両者を位置決めした後、レーザービーム19をこ
れに照射し、両者を一部を溶融せしめて溶接する。熱源
としてはレーザービーム以外に赤外線ビームや電子ビー
ムも有効であり、いわゆるエネルギー密度の高い、非接
触式の熱源を用いる。この様に非接触式の熱源を用いる
ことによって、従来のセル間接続に用いていた抵抗溶接
のように狭いセル内に溶接用電池を挿入する必要がなく
なる。非接触式の熱源は、第１図（ｄ）に示すように電
槽10の外部に配置すればよく、熱源と溶接する箇所との
間に上記ビームの照射を遮るものがなければよいので、
溶接作業が極めて容易になる。また、これらの熱源は、
上述した如くエネルギー密度が高いので、耐熱温度の低
い隔壁に対する熱影響を最小限に抑えながら溶接するこ
とが可能となるわけである。

実施例２ 第２図（ａ）〜（ｃ）に本発明の実施例２を示す。
尚、第２図各図は、極板の格子耳部より上の極板部分を
省略して描いてある。実施例２の場合には実施例１がセ
ル間接続導体と極板の格子耳部を直接接続したのに対
し、極板の格子耳部をまず集電体17に接続し、次にこの
集電体とセル間接続導体16′とを接続するというもので
ある。第２図（ａ）はその場合のセル間接続導体を示し
たものであるが、セル間接続導体には第１図（ｃ）に示
したような溝はなく、集電体が重ね合され、溶接のため
の位置決めに供されるステップ20が形成されているだけ
である。このセル間接続用導体も電槽製造時に隔壁にイ
ンサートしたものである。第２図（ｂ）は集電体と極板
の格子耳部との溶接状態を示したもの（塗りつぶした部
分が溶接部２）であり、熱源には前述したレーザービー
ム、赤外線、電子ビームが用いられる。また集電体が薄
かったり、格子耳部が細かったりして溶融溶接が困難な
場合には集電体に設けた溝に格子耳部をかん合させ、い
わゆる圧接（固相接合）によって両者を接続することも
有効である。またもちろん従来の自動車用電池の群溶接
技術の１つに用いられてきたキャストオン法によって集
電体を形成すると同時に格子耳部を溶接する手法も、こ
の部分に適用出来ることは言うまでもない。このように
して格子耳部が接続された集電体17を前述のセル間接続
導体16′に接続する。第２図（ｃ）はその溶接状態を示
したものであるが、実施例１の場合と同様に熱源として
レーザービーム19を用いている。

発明の効果 実施例１に示した構造を有する本発明による自動車用
電池と、従来通りストラップが極板群の上部に位置する
構造の電池を80℃気相中でSAE規格による充放電サイク
ル寿命試験に供し、高温耐久性を比較した。供試電池は
いづれも公称容量48Ahのハイブリッドタイプのもので、
また極板の高さも同じ120mmである。また本発明による
電池の極板の格子耳部は極板の高さ方向の中央に位置し
ており、これに対応してセル間接続部の位置は試験開始
時の電解液面から80mmの所である。一方従来タイプの電
池のストラップ上面の位置は同じく試験開始時の電解液
面から15mmである。なお試験中には電解液の補水はまっ
たく行われなかった。

試験結果は次の様なものであった。すなわち従来タイ
プの電池は2400サイクル終了時点で寿命となった電解液
が大幅に減少したため陰極ストラップ部の腐食が顕著に
進行しており、寿命原因はストラップ下面に於ける格子
耳部の切損であった。一方本発明による電池は3360サイ
クルで寿命となったが、寿命原因は電解液から露出した
ことによる極板の充放電能力の低下であり、もちろんセ
ル間接続部の露出にはまったく至らず、陰極ストラップ
部の腐食はまったく認められなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による自動車用電池の構造を示し
たもので、電池の隔壁面と直角な面の高さ方向の断面
図、第１図（ｂ）のＡ−Ａ断面図、第１図（ｃ）は本発
明による自動車用電池のセル間接続導体を示した図、第
１図（ｄ）は第１図（ｃ）に示したセル間接続導体と極
板の格子耳部との溶接状態を示した図、第２図（ａ）は
本発明による自動車用電池のセル間接続導体を示した
図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）に示した本発明による
セル間接続導体に接続される集電体と極板の格子耳部と
の溶接状態を示した図、第２図（ｃ）は第２図（ａ）に
示したセル間接続導体と第２図（ｂ）に示した集電体と
の溶接状態を示した図である。第３図は従来の自動車用
電池の構造を示したもので、電池の隔壁面と直角な面の
高さ方向の断面図である。 1:隔壁、２、２′：セル、３、３′：陽極板、４、
４′：陰極板、5:袋状セパレータ、6:陽極ストラップ、
６′：陰極ストラップ、７、７′：極柱部、8:穴、9:電
解液、10:電槽、11:蓋、12:電槽と蓋の接合位置、13:リ
ーフセパレータ、14、14′：陰極格子耳部、15、15′：
陽極格子耳部、16、16′：セル間接続導体、17:集電
体、18:溝、19:レーザビーム、20:ステップ、21:溶接部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極板をセル間の隔壁と電解液面の両方に対
   して直角となる方向に配列し、前記隔壁に一体的に形成
   したセル間接続導体を極板群上面より低い所に位置させ
   た鉛蓄電池であって、 前記セル間接続導体に溝を設け、該溝に極板群上面より
   低い所に位置させた極板格子耳部を収納し、この部分で
   両者が溶接された構造を有することを特徴とする鉛蓄電
   池。
2. 【請求項２】請求項１記載の鉛蓄電池において、セル間
   接続導体と極板格子耳部の溶接にレーザビーム、赤外
   線、電子ビームなどの非接触形の熱源を用いる鉛蓄電池
   の製造法。
3. 【請求項３】極板をセル間の隔壁と電解液面の両方に対
   して直角となる方向に配列し、前記隔壁に一体的に形成
   したセル間接続導体を極板群上面より低い所に位置させ
   た鉛蓄電池であって、 極板群上面より低い所に位置させた極板格子耳部に一体
   化している集電体と前記セル間接続導体とが溶接された
   構造を有することを特徴とする鉛蓄電池。
4. 【請求項４】請求項３記載の鉛蓄電池において、集電体
   とセル間接続導体の溶接にレーザビーム、赤外線、電子
   ビームなどの非接触形の熱源を用いる鉛蓄電池の製造
   法。