JP2729644B2 - 鉛蓄電池用負極 - Google Patents

鉛蓄電池用負極

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、鉛蓄電池の負極に関するものであり、特に
急速充放電を可能とし、また充放電サイクル数(耐久
力)の向上された負極に関する。
[従来の技術] 鉛蓄電池は、出力密度が大きく、移動可能な電源とし
て用いることができるので、自動車エンジン始動用、フ
ォークリフト、構内運搬車などの動力源、電力機器の操
作用電源等として、また需要に即応した電力の供給、停
止が可能なので据置の非常用電源や予備電源として用い
られている。又、エネルギーや環境問題を解決する目的
で電力の負荷調整、電力貯蔵や電気自動車の動力源への
二次電池の要望が強くなりつつある。
二次蓄電池は、 (1) 少量の作用物質で多くの電気量を供給できるこ
と。
(2) 起電力が大きいこと。
(3) 分極が小さいこと。
(4) 自己放電が少ないこと。
(5) 充放電の繰返しが可能であること。
(6) 材料が安価であること。
(7) 取扱いが容易であること。
などの要件を満たす必要があり、数多くの電池の提案が
なされてはいるが、現実には鉛蓄電池がその大部分を占
めている。
[発明が解決しようとする課題] 二次電池は一次電池と異なって、充放電が可能な所が
特徴である。これらの中では鉛蓄電池は安定した品質、
高度の信頼性を有するため広く実用化されてはいるが、
近年において電力貯蔵(電力負荷平準化)や電気自動車
等の新しい需要分野が出現し、新型高性能の二次蓄電池
の開発が行なわれている。
これら二次蓄電池のうち、最も代表的なものは正極作
用物質に二酸化鉛、負極作用物質に鉛、電解質に硫酸を
用い、正負作用物質を隔離材を中間において対置させ、
合成樹脂製の電槽に収めた鉛蓄電池がある。もちろん大
型のものの電槽はゴムライニングされた金属製の電槽に
なることもあるが、基本構造は同一である。
この電池の反応は、 であり、硫酸は放電により消耗し、その比重は低下す
る。
この際作用物質は極板中に保持され、電流分布の均一
化や脱落防止がはかられている。
鉛蓄電池といっても用途により使用状況が異なり、そ
のため放電率や充放電寿命(耐久力)も大きく異なって
くる。したがって、使用態様に合致したタイプの蓄電池
を選択することが必要であるが、なかでも充放電性能や
充放電寿命(耐久力)は重要な因子である。
鉛蓄電池の使用初期は、充放電毎に漸次容量が増加し
ていき、最高値に達した後は充放電毎に容量は減退し、
終には極めて小容量しか持たない様になって充放電寿命
は終了する。この充放電寿命(耐久力)が尽きる場合、
蓄電池構成の各部が一様に消耗することは稀で、大抵の
場合正極のみとか、負極のみとか、あるいは隔離板のみ
といっように構成の一部の消耗によることが多い。
一般的には正極の寿命がその蓄電池の寿命と言われて
いるが、この改善のため継続的に研究がなされ、多くの
改良が進んでいるため、他の構成部分、例えば負極自身
の改良も必要となってきた。
[課題を解決するための手段] 本発明は、 負極用作用物質として、曲がったていて分枝を有
し、水に炭素繊維を分散後、50Torrで吸引濾過した後で
の保水量が6〜7gH2O/g・炭素繊維であり、10kg/cm2
圧力で加圧後、圧力を解放した時の戻り量で示す弾力性
が50〜80%である微細な気相法熱分解炭素繊維を0.1〜
3.0重量%含有させた鉛蓄電池用負極、 気相法熱分解炭素繊維が、1000℃〜1500℃または20
00℃以上の温度にて熱処理されたものである記載の鉛
蓄電池用負極、及び 負極用作用物質として、アセチレンブラック25〜50
重量%と、曲がっていて分枝を有し、水の炭素繊維を分
散後、50Torrで吸引濾過した後での保水量が6〜7gH2O/
g・炭素繊維であり、10kg/cm2の圧力で加圧後、圧力を
解放した時の戻り量で示す弾力性が50〜80%である微細
な気相法熱分解炭素繊維75〜50重量%の混合物である
または記載の電池用負極を開発することにより上記の
課題を解決した。
鉛蓄電池用負極は、作用物質及びこれを保持するため
の格子体からなっている。格子体は極板面における電流
密度をなるべく均一に保ち、電流を伝導する作用をなす
ものである。
負極はこの格子体に作用物質とするペーストを担持さ
せたものである。ペーストは主として鉛の各種酸化物、
すなわちリサージPbO、鉛丹Pb34、鉛粉(PbOと金属鉛
粉末の混合物)等を適量の硫酸、硫酸アンモン水溶液等
で練ってペーストとし、格子体に平均に塗り込む。この
場合、鉛酸化物等は硫酸と反応して硫酸鉛を生じ、ペー
ストが硬化する。場合によっては更に硫酸溶液に浸し、
その表面に硫酸鉛皮膜を生成させることもある。
ついで、硫酸水溶液(化成液)中にて電流を通じてペ
ースト中の硫酸鉛を負極板作用物質である海綿状鉛に還
元させ、負極板とする。
この負極板の作用物質は充放電サイクルによる脱落は
なく、むしろ作用物質の収縮とその硫酸化である。これ
は前者は作用物質粒子の結晶が発達して、極板の多孔度
を減少せしめるものであり、また後者は硫酸鉛の結晶が
発達して、充電しても作用物質に戻らないための作用物
質の減少と極板抵抗の増大として現われてくる。
これらの防止のため、硫酸バリウム(エキスパンダ
ー)、リグニン系物質、カーボンブラック(アセチレン
・ブラック)(低温および高温での放電性能をよくする
ため)等を加えて作用物質が使用されており、一応の効
果があった。しかし耐久力のネックである正極の改良も
相当進んでおり、負極の改良も必要となりつつある。
ここでアセチレン・ブラックは、直接充放電反応には
無関係ではあるが作用物質の結晶の発達の防止と、特に
重要な極板抵抗の増大防止の役割を担っている。
従来使用されているアセチレン・ブラックは、比較的
安価であり、全体としては合格点を有する物質ではある
が、より高品質、長寿命の要求に対して、アセチレン・
ブラックに代わる高性能の炭素粉末が求められてきた。
最近、微細形状を有する気相熱分解炭素繊維(以下VG
CFという。)が大量にかつ安価に製造できる見通しがつ
いてきた。
この製造法は、気体とした炭化水素を高温で熱分解し
て炭素繊維を製造するものであって、主として直径0.1
〜0.5μm、長さ数μm〜数100μmの形をしており、VG
CF生成後、そのまま使用することもあるが普通は1000〜
1500℃において熱処理したもの(焼成品)、及び2000℃
以上の高温で熱処理したもの(黒鉛化品)の形で供給さ
れている。本発明においてはどちらも使用できる。特に
繊維として曲がっていて、分枝を有するVGCFは負極作用
物質用炭素粉末として好ましいものである。
このVGCFとアセチレン・ブラックの物性を比較して見
ると第1表の如くなる。
通常は比表面積と保水性は相関するものであるが、VG
CFは特異な形状をしているため、アセチレン・ブラック
に比して比表面積は小さいが高い保水性を有する。
本発明は、従来使用されてきたアセチレン・ブラック
の一部または全部をVGCFに置き換えた鉛蓄電池用負極に
関するものである。負極作用物質に対してVGCFは0.1〜
3.0重量%含有させるものであるが、0.1重量%以下では
効果が充分発揮できず、また3重量%を越える含有量と
する場合には、作用物質である鉛酸化物の含有量を低下
させることになる。
本発明の負極は充放電性能が優れ、そのうえ充放電寿
命(耐久力)も優れているので優れた正極と組み合わせ
ることにより更に優れた蓄電池とすることが可能であ
る。
[実施例] 次に本発明を実施例により、より具体的に説明する。
負極作用物質の配合を下記の通にした。
過酸化鉛 94重量% ギグニン 2重量% 硫酸バリウム 2重量% 炭素* 2重量% *アセチレン・ブラック、VGCFまたはその混合物 これに硫酸を加えて練り、内径8mmφ、長さ10cmのガ
ラスマットチューブに充填圧10Kg/cm2で25g(理想総電
気量5.3A・hr)充填し、化成処理した後試験電極とし
た。この電極を第1図に示す試験装置により耐久性のテ
ストを行なった。条件として温度20℃、充電完了時の硫
酸濃度25重量%、出力切り替え式の定電流装置を用いて
参照極との電圧差2.1ボルトと1.7ボルトの間で電流値5A
の充放電のサイクルを行ない、そのときの充放電容量と
充放電効率[放電容量(A・hr)/充電容量(A・h
r)]の変化を追跡した。結果を第2表に示す。
なお、本実施例では過酸化鉛を使用したが、リサー
ジ、鉛丹、あるいは鉄粉等で置換できることはもちろん
である。
[発明の効果] 以上の結果からわかるように負極作用物質としてVGCF
を含有する負極は、アセチレン・ブラックを含有する従
来の負極に対して、充放電容量も大であり、また充放電
寿命(耐久力)も長いことが明らかである。
今後、電力負荷平準化のための電力貯蔵、電気自動車
等の新規な需要に応える新しい鉛蓄電池の負極として大
いに活用できるものである。
このような効果が発揮できるのは、VGCFはアセチレン
・ブラックに比して導電性が良く、保水性(多量の電解
液を保持できること)、更には弾力性が高いことにより
充放電の繰返しによる鉛硫酸鉛の体積変化がおきても
VGCF自体の導電性と弾力性により、負極作用物質の結晶
の発達防止及び極板抵抗の増加を防止するためと考えら
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例に使用した実験装置である。 1:負極作用物質 2:Pb導電極 3:定電流装置 4:電圧計 5:PbO2参照電極 6:Pb相手極 7:硫酸電解液

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】負極用作用物質として、曲がったていて分
    枝を有し、水に炭素繊維を分散後、50Torrで吸引濾過し
    た後での保水量が6〜7gH2O/g・炭素繊維であり、10kg/
    cm2の圧力で加圧後、圧力を解放した時の戻り量で示す
    弾力性が50〜80%である微細な気相法熱分解炭素繊維を
    0.1〜3.0重量%含有させたことを特徴とする鉛蓄電池用
    負極。
  2. 【請求項2】気相法熱分解炭素繊維が、1000℃〜1500℃
    または2000℃以上の温度にて熱処理されたものである請
    求項第1項の鉛蓄電池用負極。
  3. 【請求項3】負極用作用物質として、アセチレンブラッ
    ク25〜50重量%と、曲がっていて分枝を有し、水の炭素
    繊維を分散後、50Torrで吸引濾過した後での保水量が6
    〜7gH2O/g・炭素繊維であり、10kg/cm2の圧力で加圧
    後、圧力を解放した時の戻り量で示す弾力性が50〜80%
    である微細な気相法熱分解炭素繊維75〜50重量%の混合
    物である請求項1または2に記載の鉛蓄電池用負極。
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