JP4675156B2

JP4675156B2 - 制御弁式鉛蓄電池

Info

Publication number: JP4675156B2
Application number: JP2005151758A
Authority: JP
Inventors: 英明吉田
Original assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Current assignee: Furukawa Battery Co Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006331755A

Description

本発明は、電解液の保持量の向上による寿命改善および液漏れの起こりにくい制御弁式鉛蓄電池に関するものである。

制御弁式鉛蓄電池は、正極板と負極板を微細ガラス繊維を主体としたマット状セパレータを介して交互に積層し極板群とした後、同極性同士の極板の耳部を溶接によって接続することにより極板群とし、これを電槽に収納し、この電槽に注液や排気用の開口部を有する蓋を溶着あるいは接着剤で接着し、この開口部から電解液を電解液量が極板群に含浸する程度とし、注液を行い、注液や排気用の開口部にゴム弁（制御弁）を覆い被せ製造されるものである。

近年、制御弁式鉛蓄電池が比較的安価であり信頼性が高いことから、通信・電力・防災等のバックアップ電源用や電力貯蔵用をはじめ様々な分野で使用されている。これら制御弁式鉛蓄電池においては１０年を超える長寿命性能や容積エネルギー密度の向上などが要求されている。

ところが、フロート用途で使用される制御弁式鉛蓄電池では、電解液の液枯れによって早期容量低下（寿命）に至る場合がある。これは、使用中に電解液の水分が減少して電解液の体積が少なくなるものである。電解液が減少していく要因として、正極格子の腐食作用に水分が使用されること、長期間使用中の水蒸気圧差により電槽から水分が透過していくこと、電解液の水分解によるガスがゴム弁から出て行くことが挙げられる。これら水分の減少により制御弁式鉛蓄電池の内部抵抗が増加し、放電特性が低下する。

また、早期容量低下の防止や長寿命化を目的とした極板群の高圧迫化や容積エネルギー密度を向上させるため、電槽の上部や側部の内部空間を可能な限りに小さくすることにより、電解液を注液する際に極板群に電解液が浸透しづらく、液口栓からの電解液の漏れという不具合が起こる。

これらの問題を解決するために、鉛蓄電池のセル室内で隣り合った正極板と負極板の間隔を、その部分に装着されるマット状のセパレータの厚さ方向に２０ｋｇ／ｄｍ^２の荷重をかけた時の厚さの４０％以上、７５％未満とし、さらに正極板と負極板の幅方向或いは高さ方向において極板からはみ出ている部分のセパレータに含まれる電解液量の１５％以上、４０％未満とし、またセル内の極板或いはマット状セパレータの装着される部分の厚さ方向の寸法和の占める割合を３５％以上４５未満とする方法（特許文献１）が行われている。

特開平７−３２０７７２号公報

上記した特許文献１の方法では、極板とセパレータの密着性を長期間維持することや電解液保持量を多くできるので、使用中の電解液の減少による容量劣化を遅延することについては一応の成果を収めたが、電解液の注液作業時の液漏れの不具合を防止する等の現在の市場要求を満たすには更なる改良が必要である。

この様な背景の下、電解液量を保持できることで寿命延長ができ、且つ、電解液の注液作業時の液漏れの不具合を起こり難くすることが可能である制御弁式鉛蓄電池の改良が望まれている。

本発明は、正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群を構成し電槽内に収納し、電解液を注液して成る制御弁式鉛蓄電池において、該セパレータは耐酸性を有する繊維を主体とし、その空隙率を９０〜９３％とし、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分の余剰セパレータの無加圧体積が、正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの加圧時の体積に対して３０％以上、４５％未満占め、また隣り合った正極板と負極板との極板間距離をＸとし、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０以下であることを特徴としたものである。

本発明は、空隙率の高いセパレータを用い、また正極板および負極板と相対向しない部分のセパレータ、即ち、余剰セパレータの体積を大きくすることにより、多くの電解液量を保持することが可能で、制御弁式鉛蓄電池の寿命に至る要因の１つである液枯れを防止し、長寿命や早期容量低下を改善することができる。該セパレータは空隙率が９０〜９３％のものを用いると効果的であり、セパレータの空隙率が９０％未満ではその吸水性に乏しく、所望の電解液量を保持できない恐れがある。また、９４％以上の空隙率を有するセパレータの場合、セパレータ自体の強度不足となり短絡等の不具合が起こり易く、セパレータの圧縮に対する反復復元性低下によりセパレータと正極板および負極板の群圧迫力が低下し密着性が悪くなり早期容量低下の原因となる。

また、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分、即ち、余剰セパレータの体積が正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの極板群を電槽に収納したときの加圧時の体積に対して３０％以上とすることも電解液保持に効果的である。３０％未満であると、電解液保持量に乏しく寿命改善効果が得られない。好ましくは３０％以上である。しかし、この余剰セパレータの体積を大きくすることは極板寸法に比しセパレータの大きさを大きくすることを意味し、結果、製造される蓄電池が必要以上に大きくなり容積エネルギーの高密度化の点からは４５％未満の範囲が好ましい。４５％以上の場合、容積エネルギー密度を考慮した電池形式で電槽内の余剰電槽寸法は異なるが、極板群を電槽に挿入する際、極板から側方にはみ出た余剰セパレータが破れ等の不具合を起こす恐れがある。

また、電解液の注液作業時に極板群の高圧迫化や容積エネルギー高密度化により、極板群と電槽内壁間に隙間はなく、電解液の注液性やセパレータ等への浸透性が悪くなり液溢れ等の不具合を時々起こすが、セル室内で隣り合った正極板と負極板の間隔をＸ、極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘにおいて１１０以下とすることにより、セパレータ等の浸透性の悪さを緩和し、液溢れを防止できる。一般に、同容量の制御弁式鉛蓄電池では電槽の総高さが低い、即ち極板群の高さが低い方が注液時の気液置換がスムーズになりセパレータ等への液の浸透性が良く、液漏れし難い。１１０超過では極板群が高くなり気液置換が悪くなり電解液の浸透性に乏しく、注液作業時に電解液溢れ等の不具合が生じる。注液作業時間を長くすることで液溢れを防止することが可能であるが、工業上好ましくない。好ましくはＹ／Ｘの比率を３０〜１１０とする範囲いが良い。Ｙ／Ｘの比率が３０よりも低い場合、限られた電槽寸法内に極板群を挿入するため、極板群の寸法上、無理が生じてくる。

本発明のように、セパレータの空隙率を９０〜９３％以上とし、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分の余剰セパレータの無加圧体積が、正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの加圧時の体積に対して３０％以上、４５％未満占め、また隣り合った正極板と負極板との極板間距離をＸとし、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０以下とすることで、電解液量を従来より多く保持でき、これにより寿命延長ができ、且つ、電解液の注液作業時の液漏れの不具合を起こり難くすることが可能である制御弁式鉛蓄電池を提供することができる。

本発明の実施の形態を、図１により説明する。

図１は、制御弁式鉛蓄電池を電槽に収納する極板群１を示した斜形図である。１は極板群であり、２は正極板、３は負極板、４ａは極板からはみ出した部分の余剰セパレータ、５は極板耳であり、６はストラップ部である。

図１に示す本発明の極板群１は、正極板２と負極板３を微細ガラス繊維を主体としたセパレータ４で正極板をその下端部も包む様に覆うことで正極板２と負極板３間にセパレータを介して交互に積層し、同極性同士の極板耳５を溶接によってストラップ部６と接合している。該セパレータ４の正極板２および負極板３と相対向しない部分、即ち、余剰セパレータ４ａは、極板から幅方向および高さ方向にはみ出しており、極板耳５にかかる部分も含めて余剰セパレータと称する。但し、正極板の下端を包む部分は除く。

本発明の好ましい形態としては、セパレータの空隙率が９０〜９３％とする。このようにすることで電解液の吸水性が高くなり、極板間に多量の電解液を保つことができる。

また、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分、即ち、余剰セパレータの体積が正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの加圧時の体積に対して３０％以上、４５％未満とすることで、セパレータ自体の面積を従来より大きくしているので、電解液の保持に効果的となり、電解液の液枯れによる早期容量低下を防ぐことができる。３０％未満であるとその電解液の保持に乏しく、寿命改善効果が得られない。

さらに、隣り合った正極板と負極板との極板間距離をＸとし、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０以下とすることで、セパレータの浸透性悪さを緩和し、液溢れを防止できる。１１０超過では電解液の浸透性能力に乏しく、注液作業時において電解液溢れ等の不具合が生じる。

公知の方法によって作製された１２Ｖ−５.５Ａｈの制御弁式鉛蓄電池において、正・負極板間隔Ｘを１．０ｍｍ、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０とし、セパレータの空隙率およびセパレータの余剰セパレータ体積を種々変化せて、電解液を注液して制御弁式鉛蓄電池を種々作製した。なお、セパレータは１９．６ｋＰａ加圧時において同厚みのものを使用し、正・負極板間の厚みを揃えた。また、電解液量は初充電後、電解液が余剰液として１．０ｃｃ残る程度とした。

表１には、上記方法で作製した種々の制御弁式鉛蓄電池のセパレータの空隙率、セパレータの余剰セパレータ体積比、電池寿命を示す。なお、電池寿命試験は６０℃の気相中において定電圧でフロート充電を行う加速寿命試験を行った。寿命判定は、１ヶ月毎に１０時間率放電を行い、初期容量の７０％を下回った時点で寿命とした。

表１から明らかな通り、比較例１〜１３に比し実施例１〜６は制御弁式鉛蓄電池を長寿命化できることが分かる。しかし、比較例７の制御弁式鉛蓄電池では長寿命化は達成できたが、余剰セパレータ体積が４５％と大きいため、極板群を電槽に挿入する際困難さがあったと共に、セパレータに小さな破れが発生しており、短絡等の恐れのあるものであった。また、セパレータの空隙率が９５％の比較例１０〜１３において、セパレータの圧縮に対する反復復元性低下によりセパレータと極板の群圧迫力が低下し密着性が悪くなるため、寿命が低下した。また、セパレータの強度不足により短絡等の不具合を起こす恐れがある。

次に、公知の方法によって作製された１２Ｖ−５.５Ａｈの制御弁式鉛蓄電池において、セパレータの空隙率を９０％、セパレータの余剰セパレータ体積を３０％で同厚みのものを用い制御弁式鉛蓄電池を作製した。なお、正・負極板の極板面積は同一のものを使用した。そして、電解液の注液性は液漏れを目視で確認することにより行った。注液性の確認は、正・負極板間隔をＸ、極板高さをＹとしたときの比率Ｙ／Ｘを変化させて行った。表２は極板間隔を一定とし、極板高さＹを可変させＹ／Ｘ比を種々変化させたもの、表３は正・負極板間隔Ｘを可変させ、極板高さＹを一定としＹ／Ｘ比を種々変化させたときの注液性をそれぞれ示したものである。○は液漏れなく良好、×は液漏れがあったものである。なお、注液量および注液速度は同じとした。

表２から明らかな通り、極板高さＹを可変させＹ／Ｘ比を１１０以下とした実施例７〜９では注液作業時において全く液漏れが起こらなかった。逆に、Ｙ／Ｘ比が１１０超過である比較例１４、１５の場合は液漏れを起こした。

また表３から明らかな通り、正・負極板間距離Ｘを可変させＹ／Ｘ比を１１０以下とした実施例７および１０、１１では注液作業時において全く液漏れが起こらなかった。逆に、Ｙ／Ｘ比が１１０超過である比較例１６の場合は液漏れを起こした。なお、極板高さＹを可変させた場合や正・負極板間距離Ｘを可変させた場合において、当然のことながらＹ／Ｘ比が１００以下の場合は液漏れを起こすことは無かった。

以上の結果より、セパレータの空隙率を９０〜９３％とし、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分の余剰セパレータの無加圧体積が、正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの加圧時の体積に対して３０％以上、４５％未満占め、また隣り合った正極板と負極板との極板間距離をＸ
とし、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０以下とすることで、電解液量を多く保持できことで寿命延長ができ、且つ、電解液の注液作業時の液漏れの不具合を起こり難くすることができる制御弁式鉛蓄電池を提供することができる。

本発明の実施形態を示す制御弁式鉛蓄電池の極板群の斜形図。

符号の説明

１極板群
２正極板
３負極板
４セパレータ
４ａ余剰セパレータ
５極板耳
６ストラップ部

Claims

正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群を構成し電槽内に収納し、電解液を注液して成る制御弁式鉛蓄電池において、該セパレータは耐酸性を有する繊維を主体とし、その空隙率を９０〜９３％とし、セパレータの正極板および負極板と相対向しない部分の余剰セパレータの無加圧体積が、正極板と負極板と相対向し接触するセパレータの加圧時の体積に対して３０％以上、４５％未満占め、また隣り合った正極板と負極板との極板間距離をＸとし、同一高さである正極板または負極板の極板高さをＹとしたとき、その比率Ｙ／Ｘが１１０以下であることを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。