JP5034543B2

JP5034543B2 - 鉛蓄電池

Info

Publication number: JP5034543B2
Application number: JP2007039000A
Authority: JP
Inventors: 武士岡本; 誠二安齋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: JP2008204772A

Description

本発明は、鉛蓄電池に関するものである。

鉛蓄電池、特に始動用鉛蓄電池は、正極と負極及びセパレータで構成した極板群を、電槽内の隔壁によって区画形成したセル室に収納し、隣接するセル室間に収納された極板群同士を極板群に形成した接続体を介して抵抗溶接する構造が主流である。

抵抗溶接工程では、図１（ａ）に示したように、隔壁１に設けた貫通孔１ａを介して接続体２が対向するよう配置する。次に図１（ｂ）に示したように、溶接用電極３で接続体２同士を互いに圧接状態とし、この状態で溶接用電極３に溶接電流を通電することによって、接続体２同士の接触面でジュール熱を発生させる。

このジュール熱によって接続体２の一部が溶融し、これによって生じた溶融鉛が貫通孔１ａ内を満たした状態とした上で通電を停止し、溶融鉛を凝固させる。溶融鉛が凝固した段階で、溶接用電極３の接続体２への圧接を解除し、図１（ｃ）に示したようにセル間の抵抗溶接が完了する（例えば特許文献１参照）。

一方、電槽は、ポリプロピレン樹脂や、ポリプロピレン樹脂とポリエチレン樹脂の共重合体や、ＡＢＳ樹脂やＰＰＯ樹脂といった熱可塑性樹脂を射出成型して得るが、樹脂成型時の離型性を考慮して、隔壁の厚みを下部から上部にかけて次第に薄くなるよう、テーパーを設けることが一般的であった。したがって、貫通孔の上部と下部では、下部が上部に比較して厚くなっており、厚みに差が生じていた。
特開２００６−２４４５１号公報

前記したようなセル間の抵抗溶接工程において、貫通孔１ａのエッジ部１ｂと接続体２とは、エッジ部１ｂ全周にわたって、均一に圧接することが好ましいが、貫通孔１ａの上下で隔壁１の厚みが異なるために、エッジ部１ｂの上下で接続体２との圧接度合いにばらつきが生じていた。

また、エッジ部１ｂと接続体２との密着度合いが低い部位から、溶接時に生じる溶融鉛が飛散する、いわゆる中チリ不良が発生する。中チリ不良は、溶接部に空孔が生じるため、溶接強度が低下するとともに、飛散した溶融鉛が極板群に落下し、正極板と負極板とを短絡させる原因となっていた。

また、同時に、溶接終了時点において、エッジ部１ｂと接続体２との密着度合いが低い部分があると、セル間接続部の気密性や液密性が損なわれる場合があった。また、ポリプロピレン樹脂製の電槽は、電池を高温雰囲気で使用した場合に、隔壁にたわみが発生しやすく、特にエッジ部１ｂと接続体２との密着性が低下し、セル間接続部と隔壁との間に隙間が発生しやすかった。このような隙間を通して、セル室内の電解液が隣接するセルに移動するといった、いわゆる液リークが発生する。

セル間接続部を介した液リークによって、隣接しあう２つのセルの、一方のセルの正極板ともう一方のセルの負極板セルがセルを構成し、かつこれらの正極板と負極板とはセル間接続により、電気的に接続しているため、これら極板間でリーク電流が発生し、電池容量が低下する。

また、特に、セル室に弁を配置した電池では、開弁圧のばらつきによってセル内圧にばらつきが生じる。隣接するセル間で内圧差が生じると、内圧が高いセルから低いセルへの電解液移動が促進され、電解液面の異常上昇が見られるという課題があった。

本発明は、隔壁に設けた貫通孔を介して２つの極板群間を抵抗溶接により接続した鉛蓄電池において、セル間接続部と隔壁の液密性を改善することによって、セル間における液絡を抑制し、信頼性に優れた鉛蓄電池を提供するものである。

前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、隔壁によって複数のセル室に区画された電槽を有し、前記セル室に極板群が収納され、前記隔壁を介して隣接しあう前記極板群間を、前記極板群に設けた接続体で前記隔壁に設けた貫通孔を介して抵抗溶接した鉛蓄電池であり、前記セル室に収納した電解液面が少なくとも前記貫通孔に到達する高さにあり、前記隔壁は、前記電槽の底部から開口部にかけてその厚みが徐々に減少するようテーパーが設けられ、かつ前記隔壁の、前記貫通孔の周囲であって、かつ前記接続体に対向する部位の厚みを均一に形成した鉛蓄電池を示すものである。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の鉛蓄電池において、前記セル室に収納した電解液面が、少なくとも前記貫通孔に到達する高さにあり、かつ前記セル室の内圧に応じて開閉する弁を備えた鉛蓄電池を示すものである。

本発明によれば、セル室を区画する隔壁に設けた貫通孔を介して、抵抗溶接によりセル間接続を行う鉛蓄電池において、セル間接続部の液密性を顕著に改善することができる。

以下、本発明の実施形態による鉛蓄電池の構成を、図面を用いて説明する。図２は、本発明の鉛蓄電池４の断面を示す図である。鉛蓄電池４は、ポリプロピレン樹脂等の電槽５を有している。電槽５の内部は隔壁６により、複数のセル室７に区画されている。

電槽５は、蓋１４で閉じられている。なお、図２に示していないが、蓋１４には、排気栓等のセル室７内に滞留したガスを電池外部に排出するための構造を備える。

複数のセル室７毎に接続体８を設けた極板群９が収納されている。なお、極板群９は、正極板１０と負極板１１がセパレータ１２を介して積層されており、同極性の極板同士がストラップ１３によって接続されている。接続体８は、このストラップ１３より立設され、隔壁６に設けた貫通孔６ａを介して抵抗溶接され，セル間接続部となる。なお、図２及び後述する図４では、貫通孔６ａが接続体８から生じた溶融鉛によって埋められた、抵抗溶接が完了した状態を示している。

図３は、本発明の鉛蓄電池４における隔壁６を示す図である。本発明の鉛蓄電池４では、隔壁６の厚みが、電槽５の底から開口部にかけて、次第に薄くなるようテーパーが設けられている。このテーパーは、電槽５を樹脂成型する際、電槽５の離型性を確保するために設けられる。

離型性が十分に確保されない場合、電槽５を型抜きする際に、隔壁６に変形が生じる。なお、必要とするテーパーは、特に隔壁６の深さと面積によって大きく影響を受けるが、少なくとも０．００２以上必要である。

本発明では、電解液面１５が、貫通孔６ａの下端よりも少なくとも上方に位置した電池に適用される。

本発明では、図３に示したように、隔壁６の接続体８に接する部分の肉厚が、同一厚みである領域Ａを形成する。なお、図３には、この貫通孔６ａの周囲に形成された領域Ａを斜線部として示した。

貫通孔６ａ周囲の、隔壁６と接続体８が接する部分に肉厚が同一である領域Ａを設けることによって、接続体８が、領域Ａで隔壁６に平行に接することになる。したがって、接続体８同士を抵抗溶接する際に、接続体８がエッジ部６ｂの全周にわたってエッジ部６ｂと均一な圧力で接する。その結果、抵抗溶接時の溶融鉛の飛散（中チリ不良）やこれによる溶接強度の低下が抑制できる。また、接続体８と隔壁６間の気密性及び液密性が顕著に高めることができ、セル室間の液リークを抑制することができる。

なお、領域Ａでは、厚みを均一とし、テーパーを０とするが、接続体８とエッジ部６ｂの接触度合いに、大きなばらつきを生じさせない、０．００１以下のテーパーであれば、本発明においては、領域Ａの隔壁６厚みを、実質上均一、すなわちテーパーを０として扱うことができる。

なお、本実施形態において示すテーパーの値は隔壁の片側についてのものであり、例えば隔壁高さｈにおける隔壁厚み減少が△ｔであり、かつ隔壁の両面で均等なテーパーが設けられている場合、片側のテーパー量を０．５×△ｔ／ｈで求めることができる。なお、隔壁６に設けるテーパーを左右両側面で不均等とした場合、型抜き時に隔壁６に係る抵抗が左右で不均等となるため、隔壁６に変形が生じる。したがって、隔壁６のテーパーは、左右両側面に均等に設けるべきである。

本発明では、隔壁６の貫通孔６ａの周囲の領域Ａにテーパーが設けられていないため、領域Ａの面積がある範囲を超えて大きくすると、電槽５の離型性が低下する恐れがある。したがって、領域Ａの型抜き方向に沿った寸法をａ、領域Ａの型抜き方向に直交する方向に沿った寸法をｂとしたときに、ｂ／ａを０．３以上、かつａを７０ｍｍ以下とすることが好ましい。この程度の領域Ａの形成は、電槽５の離型性に大きく影響することなく、離型時の隔壁６の変形も抑制される。

なお、上記した本発明の構成は、隔壁６の領域Ａを除く最も薄い部分の厚みが３．０ｍｍ以下である鉛蓄電池に適用することが好ましい。隔壁６の厚みが３．０ｍｍ以下、特に１．５ｍｍを下回るような薄型である場合、始動用鉛蓄電池といった、高温（４０〜８０℃）で使用される用途では、隔壁６が容易に熱変形し、これに伴って、接続体８と隔壁６との間で微小な隙間が生じやすくなり、この部分での気密性及び液密性が低下するからである。

本発明では、このような隔壁が薄い鉛蓄電池であっても、安定した溶接強度で極板群間を隙間無く溶接することができる。

以上、説明してきたように、本発明によれば、隔壁に設けた貫通孔を介して隣接しあう接続体間を抵抗溶接した鉛蓄電池において、隔壁とセル間接続部の液密性が顕著に改善され、従来発生していたセル間接続部と貫通孔との微小な隙間を通しての液リークを抑制することができる。

本発明は、開放液式の鉛蓄電池であり、セル間接続部が電解液に浸漬された構成の鉛蓄電池で発生する液リークを抑制できるが、特に、図４に示したような、セル室７毎に弁１６を有し、かつ貫通孔６ａの下端の高さ以上に電解液面１５が設定された鉛蓄電池１７に特に好適である。なお、このような電解液を潤沢に有した鉛蓄電池において、弁１６は、電解液の減液を抑制する効果を有する。また、減液が進行して極板が電解液より露出した場合、弁１６は制御弁として動作し、負極吸収式の制御弁式鉛蓄電池と同様、大気中の酸素による負極板の酸化劣化が抑制される。

セル室７に弁１６を配置した場合、弁１６の開閉弁圧のばらつきによって、セル室７間で内圧差が生じる。このような内圧差は、隔壁６と接続体８との間の微小な隙間を通した液リークをより促進させることになり、電解液を潤沢に有する弁付の鉛蓄電池１７の技術的課題であった。

通常の開放液式鉛蓄電池や、遊離電解液を殆ど有さない、通常の制御弁式鉛蓄電池では課題となることのない、ごく微小な隙間であっても、セル間に内圧差がある場合には、液リークが生じていた。

本発明によれば、接続体８と貫通孔６ａとの間の微小な隙間発生が抑制できるため、このような、貫通孔６ａに達する電解液面１５と、セル室７毎に設けられた弁付の鉛蓄電池１７に本発明の構成を適用することにより、セル室７間の液リークを顕著に抑制することができる。

（実施例１）
図２で示した本発明の鉛蓄電池４について、表１に示したように、隔壁６のテーパーと、貫通孔６ａ周囲に配置した領域Ａのテーパーを種々変化させた電池を作成した。また、互いに隣接しあうセル室７において、交互に電解液を注液し、セル室７間の電解液移動が確認しやすい状態とした。

なお、各試験電池において、隔壁６の最上部の熱溶着部分を除く最下部からの高さ寸法ｈは１７５ｍｍである。さらに、貫通孔６ａの直径は１１．０ｍｍである。領域Ａは、図３における型抜き方向に沿ったａ寸法を５０ｍｍ、型抜き方向と直交する方向に沿ったｂ寸法を２０ｍｍとした。

また、隔壁６のテーパーは隔壁６の厚み方向の中心線を垂直として、両側に同じ量、高さ方向にわたって均一に設けられている。隔壁６のテーパーは、セル室７の底から隔壁６の先端の蓋との熱溶着部によって厚みが変化した部分を除いた部分で均等に形成される。表１に示す隔壁のテーパー量としては、隔壁６の片側面について示しており、０．５×（隔壁最下部の厚み−隔壁最上部の厚み）／（隔壁高さ）で与えられる量である。

領域Ａのテーパーは、０．５×（領域Ａ下端部の隔壁厚み−領域Ａ上端の熱溶着部を除く部分の隔壁厚み）／（領域Ａの熱溶着部を除く高さ）で与えられる。なお、隔壁６のテーパーを０．００１とした場合、離型性の低下によって電槽成型時に隔壁６に変形が生じ、鉛蓄電池電槽として適さないものであったので、本実施例では、隔壁６のテーパー量の下限を０．００２とした。

また、抵抗溶接時における接続体同士の加圧力は０．９ＭＰａとした。

隔壁を介して隣接しあう２つのセル室７の、電解液を注液しないセル室７は、大気に開放した状態とし、電解液を注液したセル室７の内圧を大気圧より１０．０ｋＰａまで高めた状態として、セル室を閉じた。なお、電解液としては、４５ｗｔ％希硫酸を使用した。なお、このときの電解液面１５は、貫通孔６ａの上端高さに設定した。

この状態で各電池を２４時間放置し、２４時間放置後の内圧を測定した。また、セル室を大気圧より高めたセル室７より、大気圧と同圧としたセル室７へのセル間接続部を介した電解液のリークの有無を確認した。液リークが発生すると、大気圧と同圧としたセル室にリークした電解液が集められるため、このセル室の電解液の有無により、液リークの有無を確認することができる。これらの結果も表１に示す。

表１に示した結果から、隔壁６の抵抗溶接用の貫通孔６ａ周囲にテーパー量を０〜０．００１の範囲とした領域Ａを形成した電池１〜３、電池６〜８及び電池１２〜１４は、内圧を高めたセル室側から、内圧を大気圧としたセル室側への液リークが抑制されていた。また、同時に、内圧が高い方のセル室の内圧も変化が見られなかった。

一方、領域Ａのテーパー量を０．００２以上とした電池４〜５、電池９〜１０及び電池１５〜１７については、液リークが発生し、同時に大気圧を高く設定したセル室側でセル室内圧の低下が生じていた。特に、テーパー量を０．０１及び０．００５とした電池５、電池１０及び電池１６〜１７は、電解液面１５が貫通孔６ａの下端まで低下していた。実施例１では、電解液面１５の当初の位置を貫通孔の上端としたので、貫通孔６ａの直径（１１．０ｍｍ）に相当する液面差の分の電解液量が隣接するセルに移動したことなる。

このような場合、セル間の電解液量差が電池性能、例えば電池容量に影響を及ぼし、直列セル内でセル容量ばらつきを発生させることとなる。結果として、容量の最も少ないセルが常に過放電されるため、充放電寿命が極端に短くなる。また、電解液移動によって電解液面１５が上昇したセルは、弁１６からの電解液漏れを生じさせることになる。さらに、セル間で液リークするため、セル間接続部には数１０〜数ｍＡ程度の低電流ではあるがリーク電流が常に流れるため、電池を長期間放置した場合に電池容量が低下することとなる。

領域Ａのテーパー量が０．００２を越えて大きくした、これらの電池では、セル間接続部と貫通孔６との間の気密性と液密性が低下し、液リークが発生したものである。なお、これらの電池について、抵抗溶接時の接続体間に加える加圧力を０．９ＭＰａよりさらに増大させると、セル間接続部と貫通孔との密着性は向上する方向であるが、加圧力をさらに増した場合、例えば１．２ＭＰａ程度とした場合には、抵抗溶接時に生じた溶融鉛が、隔壁と接続体との接触面から漏れ出す、中チリ不良が発生しやすくなる。このような場合、中チリ不良とならなかったものは、隔壁とセル間接続部の気密性は維持されるものの、中チリ不良率が急激に増大する。したがって、加圧力を高めることは適切ではない。

領域Ａのテーパー量を０．００１以下とした電池１〜３、電池６〜８及び電池１２〜１４については、セル室内の内圧も一定に保持され、また液リークも生じない。結果としてセル間接続部と隔壁との間で極めて良好な気密性・液密性が維持されていることがわかる。また、抵抗溶接の接続体間の加圧力を増大させることがないため、中チリ不良の発生をも抑制することができる。

本実施例では、電解液面が、セル間接続用に隔壁６に設けた貫通孔６ａの高さまで設定され、かつセル室７に弁１６が設けられた鉛蓄電池１７において、弁１６の開閉弁圧のばらつきによって、セル室７の内圧差が１０ｋＰａになった状態を想定したものである。本実施例から、セル間接続用に隔壁６に設けた貫通孔６ａの下端の高さ以上に設定され、かつセル室７に弁１６が設けられた鉛蓄電池１７において、セル間接続部と隔壁６の気密性と液密性が高められ、セル室７間の液リークを抑制できることがわかる。

（実施例２）
実施例２では、実施例１において、セル室７内圧をすべて大気圧とした実験を行った。実施例１の各電池を新たに準備したものを供試電池とした。実施例１と同様、互いに隣接しあう２つのセル室７を一組として、組の一方のセル室７に電解液を貫通孔６ａ上端の位置まで注液し、もう一方のセル室７には電解液を注液しなかった。この状態で、電池を２５℃中で１ヶ月間放置し、放置開始２４時間後と、１ヶ月後の液リークの状態を確認した。その結果を表２に示す。

表２に示した結果から、放置時間が２４時間の場合、すべての電池において液リークは発生していなかった。放置時間が１ヶ月の場合、実施例１において、液リークが発生した電池４〜５、電池９〜１０及び電池１５〜１７は液リークが発生していた。ただし、実施例１においては、電解液面１５が１１．０ｍｍ低下する大量の液リークが見られたが、実施例２で発生した液リークは、接続体８の表面に電解液が液滴となって付着する程度の量の液リークであった。

実施例２で見られた程度の液リークでは、電解液面１５は殆ど変化しない。したがって、電解液面１５のばらつきによるセル容量ばらつきや、溢液といった不具合は発生しない。しかしながら、隣接する２つのセル室７間で微量とはいえ、液リークが生じているため、セル間接続部で漏れ電流が流れ、長期間放置によって、残存容量が低下する。

一方、本発明では、１ヶ月後の放置においても液リークは全く見られず、セル間接続部と隔壁６との間の気密性と液密性が顕著に改善した。その結果、漏れ電流による残存容量低下といった特性劣化を回避することができる。

以上、実施例１及び実施例２に示した結果から、本発明によれば、隔壁６に設けた貫通孔６ａを介して、互いに隣接しあうセル室に収納された極板群を抵抗溶接により接続したセル間接続部を有し、かつ電解液面１５が貫通孔６ａの下端の以上の高さに設定された鉛蓄電池において、セル間接続部と隔壁間の気密性及び液密性が改善されることにより、セル室間の液リークが顕著に抑制される。したがって、液リークによる漏れ電流が抑制されるため、電池を長期間放置した際の残存容量の低下を抑制できる。

特に、セル室７に減液抑制のため、もしくは負極での酸素ガス吸収反応を進行させる目的で弁１６を設けた鉛蓄電池１７においては、上記の効果に併せて、弁１６の開閉弁圧のばらつきによっても、セル間の電解液移動が抑制されるため、セル間の電解液量ばらつきが抑制されるという、顕著な効果を奏する。このような効果によって、電解液量ばらつきに起因する電池容量ばらつきや、電解液の溢液といった不具合を未然に防止することができる。

本発明は、複数セルで構成される鉛蓄電池において、セル間接続部と隔壁間の気密性及び液密性を顕著に改善するものであり、始動用鉛蓄電池や電動車用鉛蓄電池といった、各種の鉛蓄電池に好適である。

（ａ）セル間の抵抗溶接工程を示す図（ｂ）セル間の抵抗溶接工程を示す他の図（ｃ）セル間の抵抗溶接が完了した状態を示す図本発明の鉛蓄電池の断面を示す図本発明の鉛蓄電池の隔壁を示す図本発明の他の鉛蓄電池の断面を示す図

符号の説明

１隔壁
１ａ貫通孔
１ｂエッジ部
２接続体
３溶接用電極
４鉛蓄電池
５電槽
６隔壁
６ａ貫通孔
６ｂエッジ部
７セル室
８接続体
９極板群
１０正極板
１１負極板
１２セパレータ
１３ストラップ
１４蓋
１５電解液面
１６弁
１７鉛蓄電池
Ａ領域

Claims

隔壁によって複数のセル室に区画された電槽を有し、前記セル室に極板群が収納され、前記隔壁を介して隣接しあう前記極板群間を、前記極板群に設けた接続体で前記隔壁に設けた貫通孔を介して抵抗溶接した鉛蓄電池であり、前記セル室に収納した電解液面が少なくとも前記貫通孔に到達する高さにあり、前記隔壁は、前記電槽の底部から開口部にかけてその厚みが徐々に減少するようテーパーが設けられ、かつ前記隔壁の、前記貫通孔の周囲であって、かつ前記接続体に対向する部位の厚みを均一に形成した鉛蓄電池。
前記セル室の内圧に応じて開閉する弁を備えた請求項１に記載の鉛蓄電池。