JP3458594B2 - 鉛蓄電池用集電体とその製造法およびこれを用いた極板 - Google Patents

鉛蓄電池用集電体とその製造法およびこれを用いた極板

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は鉛蓄電池の改良に関
するものであり、とくに集電体の改良によって極板およ
び電池の信頼性を高めようとするものである。
【0002】
【従来の技術】鉛蓄電池の極板の製法としては、一般に
純鉛や鉛−カルシウム−錫合金、鉛−アンチモン合金な
ど鉛合金からなる格子状鋳造体やエキスパンドメタルな
どの集電体に鉛と鉛酸化物の混合物である鉛粉と必要に
応じて硫酸や水を主成分とするペースト状活物質を充填
し乾燥して未化成極板とし、これを希硫酸中で化成充電
して放電能力のある極板にする方法がとられている。
【0003】最近ではこのほか、電池の高出力化と活物
質の利用率を高める目的で、平板状や開口部の少ない各
種立体穿孔体を集電体として用い、活物質と集電体の接
触面積を増加させることが提案されている。さらに、こ
の集電体に無硫酸や硫酸の添加量の極力少ないスラリー
や、鉛粉と溶剤に樹脂を溶解した結着剤との練合物など
の流動性の高い練合物を充填し、薄い活物質層を形成す
る製法も開発されてきた。
【0004】しかし、これらの極板を用いた電池では長
期間放置したあとで、定電圧充電すると充電電流が流れ
にくくなり容量の回復性が著しく低下するという現象が
しばしば観測された。この現象は電池の放置中の自己放
電や放電によって電解液の濃度が低下し、集電体の表面
が腐食される一種の不働態化反応に起因することがしら
れている。
【0005】この現象はとくに上記のような集電体の表
面積を大きくした場合に顕著に見られるようになってき
た。この種の課題の解決のためには基本的には集電体の
表面に耐酸性かつ導電性で、充放電時にも安定な被覆層
を形成させることが必要である。
【0006】この目的で最近、鉛酸バリウム系のペロブ
スカイトが提案された。さらに簡易な方法でかつ複雑な
形状の集電体の全ての表面に安定な被覆層を形成させる
ために、集電体を電解酸化して二酸化鉛を表面に形成し
た後にバリウム塩の溶液やスラリーに浸潤し、これを例
えば200℃以上で熱処理して保護層を形成する方法が
開発された。ただしこの方法で緻密な保護層を形成する
ためには電解酸化や熱処理条件の繁雑な管理を必要と
し、さらに簡易で信頼性の高い保護層の開発がのぞまれ
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】すなわち本発明は複雑
な形状の集電体の場合でも、全表面に耐酸性で導電性の
保護被覆層を簡易に形成でき、防食をはかるとともにと
くに放電放置時の不働態の発生を抑制することを課題と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は鉛蓄電池用集電
体の主として製造法に関するもので、鉛または鉛合金か
らなる基材の表面を希硫酸中で電解酸化する工程と表面
に形成された電解酸化物を放電させる工程とを備えるこ
とを第1の特徴とするもので、さらにこれらの工程に加
えて、前記の放電させた電解酸化物を希硫酸中で電解酸
化する工程を備えることを第2の特徴とするものであ
る。これらの製造法により、集電体基体の表面に耐酸
性、耐酸化性に富んだ緻密な保護被膜を形成でき、集電
体の腐食による電池特性上の課題が効果的に解決され
る。
【0009】
【発明の実施の形態】上記の電解酸化工程では基材の表
面に多孔質かつ活性な二酸化鉛層が形成される。これを
希硫酸中で自然放置すると、この二酸化鉛層中に容易に
希硫酸が浸透して鉛または鉛合金との界面に到達し、鉛
または鉛合金と二酸化鉛の間で自己放電反応が起こり、
二酸化鉛の被覆層およびその界面は緻密な硫酸鉛の層に
変化する。このような自然放置を行う代わりに、外部電
源を用いて二酸化鉛層を放電しても同様な硫酸鉛の層が
形成されるが、この場合、緻密な硫酸鉛の層を形成させ
るには二酸化鉛の電位が消滅するまでゆっくりと放電す
るのが良い。
【0010】この硫酸鉛層の内部では硫酸が枯渇し弱酸
性から弱アルカリ性に変化し鉛イオンの溶解度が高まっ
た状態にある。この状態でさらに電解酸化すると上記硫
酸鉛層の内部にはα二酸化鉛と思われる活性度の低い緻
密な二酸化鉛層が形成され、また硫酸鉛層の外部のバル
クの硫酸が豊富な部分にはやや緻密なβ二酸化鉛と思わ
れる層が形成される。これらの緻密な二酸化鉛は活物質
層の活性な二酸化鉛と比較して反応性が低いので、活物
質の放電時にも二酸化鉛として残留する確立が高く、導
電性と保護性を保つ。上記の結果、集電体の表面は保護
されて防食され、放置後の不働態化を防ぐことができ
る。
【0011】また、これらの電解酸化工程と放電により
二酸化鉛の電位を消失させる反応工程を複数回くり返す
ことによって保護効果を高めることができる。一方、集
電体への活物質材料の充填の時期は初回の電解酸化後の
少なくとも1回目の二酸化鉛放電工程後であればその後
の電解酸化前後のいずれでも不働態防止効果は類似する
が、放電工程後のほうが活物質との結合性の上でまさ
る。
【0012】次に本発明の集電体と極板の製造プロセス
および構成の例を図に基づいて説明する。図1におい
て、工程Aは集電体基材の洗浄などの前処理、工程Bは
希硫酸中の電解酸化工程、工程Cは希硫酸中の放電工
程、工程Dは電解酸化工程、工程Eは活物質材料の充填
工程、工程Fは乾燥や熟成を含む未化成極板の処理工
程、工程Gは化成工程を示す。工程Eへは工程C、工程
Dいずれの工程からでも移行可能である。上記充填工程
Eの前には必要に応じて洗浄や乾燥をおこなってもよい
が図1では省略する。放電工程Cは外部電源による強制
放電だけでなく電解液中での放置による自己放電のいず
れの方法でもよい。また工程Bおよび工程Cは複数回く
り返しても良い。
【0013】図2は図1の各工程後における集電体およ
び極板の部分的な断面構造図である。図1の工程記号に
対応して記号が表現してある。aは集電体基材のみの断
面図、bは工程B終了後の集電体構造の断面図、cは工
程C終了後の集電体構造の断面図、dは工程D終了後の
集電体構造の断面図、gは工程G終了後の極板構造の断
面図であり、ここで工程Eおよび工程F段階の断面構造
図は省略した。1は集電体の基材、2は電解酸化で形成
された二酸化鉛主体の電解酸化物層、3は2の電解酸化
物層の放電によって形成された硫酸鉛主体の放電生成物
層、4はその後の電解酸化によって表面酸化物層の内側
に形成された緻密な低反応性酸化物層、5は4と同時に
バルクの硫酸に接しながら形成されたやや緻密な酸化物
層、6は活物質材料として充填された鉛粉の練合物から
熟成や化成の経過によって生成した活性で多孔質な二酸
化鉛層である。
【0014】この構造から明らかなように集電体基材の
表面は耐酸性、耐酸化性にすぐれた緻密な酸化物層で被
覆され、放電時は活性な活物質層の反応が優先するので
長期にわたり集電体が腐食から保護される。したがって
放電後の放置という厳しい条件でも不働態化が回避さ
れ、すぐれた容量回復性が改善される。
【0015】
【実施例】さらに本発明の効果を明らかにするために実
施例により説明する。まず、集電体基材として、開口率
が10%、厚さ100μmの鉛カルシウム合金製平板を
用い本発明を適用した集電体を作成した。工程B、工程
Cおよび工程Dにおける希硫酸の濃度は1%から40
%、工程B,工程Dの酸化電流は1mA/cm2から1
000mA/cm2、酸化時間は1min,から30m
in、工程Cの放電電流は0から1000mA/cm2
の範囲に変化させた。このとき完全に二酸化鉛の電位を
消失するまでの時間を100とした放電時間の割合を放
電段階とした。ここで電流0の放電とは希硫酸中で放置
して自己放電させる状態をいう。
【0016】一方、効果の確認にあたっては、厚さ10
0μm、面積100cm2の各々の集電体に鉛粉10、
鉛丹2、水3.6の重量割合とし、それに若干のフッ素
樹脂を結着材として添加した無硫酸スラリー練合物を作
成してこれを活物質材料とし、工程Eで集電体に充填し
乾燥した未化成極板を化成して正極板を得た。これらを
常法で作製した負極板と組み合わせて理論容量10Ah
の電池を構成した。これらは5Aで初放電して電解液の
硫酸濃度を不働態化の起こりやすい5%以下に低下させ
たままで40℃で5週間放置し、その後2.55V/c
ellの定電圧で10時間充電し、ふたたび5Aで放電
し回復率を求めた。以下これらの結果について述べる。
【0017】図3は工程Bにおいて希硫酸中、200m
A/cm2で10分間で電解酸化した後、工程Cで自然
放置した場合(S1)と、1mA/cm2で所定の放電
段階まで放電後に活物質を充填した場合(S2)、10
0mA/cm2で所定の放電段階まで放電後に活物質を
充填した場合(S3)について放電段階と回復率を示し
たものである。また比較例として、工程B、Cのいずれ
も行わない場合(R1)および工程Bのみで工程Cをふ
くまない場合(R2)についても回復率を、点(R1
2)で示した比較した。
【0018】この図から明らかなように放電段階が高ま
るほど回復率は増加し、本発明のとくに工程Cがこれら
の効果に重要な役割を与えていることが解る。また放電
電流も多孔質になりやすい大きな電流の場合(S3)よ
りも自己放電(S1)やそれに近い小さな放電でじっく
りと放電する場合(S2)が好ましい結果が得られた。
尚、図2には示していないが100%を越えて深い放電
を行うことによっても本発明の効果が得られる。
【0019】一方、図4は工程Cのあと工程Eの充填工
程を行った場合(T1)、工程Dのあと工程Eの充填工
程を行った場合(T2)の回復率を測定した結果であ
る。工程Cでの放電条件はS1の放電段階100%であ
る。ここでは容量の回復性にはほとんど差がなかった。
ただ充放電サイクルを行った場合の脱落量が若干前者が
少ないので活物質と修飾表面への結合力には影響がある
と考えられる。
【0020】また、図5はS2の処理(放電段階10
0)を1回行った場合(S2)、二回くり返した場合
(U1)、三回くり返した場合(U2)、S2の処理の
あとでS1の自然放置(放電段階100)を行った場合
(U3)についての効果である。この結果はこれらの処
理の繰り返しによって不十分な保護層が修復され、回復
率が向上することを示している。なお、その他の諸条件
については効果に大差なく任意であり、さらに他の各種
イオンの添加については上記効果を妨げない限り可能で
ある。また、これらの効果は集電体の表面の耐食性にか
かわるもので、集電体基材の組成や集電体の形状、活物
質材料の配合を問わず共通のものである。
【0021】
【発明の効果】本発明は集電体基材の表面を電解酸化し
た後、放電させる工程を経由して、耐酸性、耐酸化性の
高い保護層を集電体表面に形成することにより、これを
用いた鉛蓄電池の放置中の極板の不働態化を防ぎ、容量
回復率を高める効果を発揮するものであり、その汎用性
は高く、産業上有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプロセスの特徴を説明するフロー図
【図2】本発明の構造を説明する集電体および極板の断
面図
【図3】工程Cの条件と回復率の関係図
【図4】工程繰り返しの効果を示す図
【図5】活物質充填タイミングの効果を示す図
【符号の説明】
1 集電体基材 2 電解酸化層 3 放電酸化物層 4 内部二酸化鉛層 5 緻密な酸化物層 6 活性二酸化鉛活物質層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−254566(JP,A) 特開 昭53−3631(JP,A) 特開 平7−65821(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/68

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鉛または鉛合金からなる基材の表面を希硫
    酸中で電解酸化して二酸化鉛層からなる電解酸化物層を
    形成する工程と、上記基材の表面の電解酸化物を放電さ
    せる工程とを備える鉛蓄電池用集電体の製造法。
  2. 【請求項2】電解酸化物を放電させる工程が希硫酸中で
    自然放置する工程であることを特徴とする請求項1記載
    の鉛蓄電池用集電体の製造法。
  3. 【請求項3】電解酸化物を放電させる工程が希硫酸中で
    外部電源を用いて放電させる工程であることを特徴とす
    る請求項1記載の鉛蓄電池用集電体の製造法。
  4. 【請求項4】放電された電解酸化物のすくなくとも一部
    を希硫酸中で電解酸化する工程を備える請求項1〜3の
    いずれかに記載の鉛蓄電池用集電体の製造法。
  5. 【請求項5】鉛または鉛合金の基材表面にα二酸化鉛
    を設け、その外側にβ二酸化鉛層を備えた鉛蓄電池用集
    電体。
  6. 【請求項6】鉛または鉛合金の基材表面にα二酸化鉛
    を設け、その外側にβ二酸化鉛層を備えた集電体を備え
    た鉛蓄電池用極板。
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