JP5145861B2 - 鉛蓄電池 - Google Patents

Description

本発明は鉛蓄電池の正極板に関するものである。

現在、鉛蓄電池は安価で信頼性が高いため、自動車、産業用バックアップ電源に広範に用いられている。特に自動車では、始動用及び電装品への電源として必須の部品である。

鉛蓄電池の集電体として、鋳造方式が長く採用されてきたが、近年生産性に優れるエキスパンド方式が主流となってきている。

しかし、エキスパンド格子体は縦方向（電池の鉛直方向）の枠骨を持たないため、電池の充放電によって鋳造格子より上下方向に伸びやすい。これは正極格子体が腐食により変形するためである。正極格子体が変形すると、これと対向する負極板に接触し短絡して寿命にいたることになる。

この対策として、格子体上部の鉛合金組成を下部のそれに比べて腐食しにくくする技術が特許文献１に開示されている。

特開平８−１７４３９号公報

しかしながら、特許文献１では２種類の組成の鉛合金を３層でエキスパンドにシート作製する必要があるため、製造工程が複雑になる。このようなコスト増に加えて、合金層の境界部は組成合金の濃度勾配が不連続であるため、かえって腐食の起点になりやすく機械的強度も低下する。

本発明の目的は、鉛合金の組成を変えずに正極格子体の腐食伸びを抑制し、長寿命の鉛蓄電池を提供すことにある。

上記課題を解決するために本発明では、正極板の下端部をカットし、腐食伸びに対する余裕部分を設けることにする。
すなわち、鉛合金シートをエキスパンド加工して得られる正極板の集電部基部から、その正極板の下端部頂点までの距離が短い方をＡ側、長い方をＢ側とし、それぞれの前記下端部頂点を含む領域のみをカットする。それぞれのカットした領域の底辺長さの和は、正極板の底辺長さの４０％以下であり、かつそれぞれのカットした領域の面積の和は正極板の極板集電部を除いた面積の３．６％以下であることを特徴とする。
なお、カットする部分は集電部から離れた正極板の下端部であるので、電池性能への影響は小さい。

本発明により腐食伸びによる短絡が生じにくくなり、鉛蓄電池の長寿命化ができる。

以下具体例をあげ、本発明を更に詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明は実施例に限定されるものではない。

（格子体の作製）
Ｐｂ−Ｃａ−Ｓｎ合金のシートを連続的にエキスパンド製造機に送り、シートに刻みを入れ、伸張・展開して図１に示すエキスパンド格子体を作製した。格子体は、上枠骨と一体に成形される集電部１と活物質ペーストを充填する内骨部２からなる。
（正極板の作製）
正極板は、鉛粉と水、希硫酸とを混練し活物質ペーストを得た後、エキスパンド加工された格子体に充填し、熟成・乾燥して作製した。
（負極板の作製）
負極板は鉛粉に少量の炭素粉末、リグニン、バリウム化合物を加え、水、希硫酸と混練した後、エキスパンド加工された格子体に充填し、熟成・乾燥して作製した。
（電池の作製）
正極板と負極板とセパレータを介して交互に積層し、極板群を構成する。正極と負極それぞれの集電部１を溶接し、極板群を電槽に挿入し、上蓋を溶着する。希硫酸を注液し電槽化成を行い、正極５枚／６枚構成の５５Ｄ２３形鉛蓄電池を得た。この電池を従来品の電池Aとする。
（実施例１）
図１の正極板の内骨部２は幅１４４ｍｍ、高さ１１１．４５ｍｍである。この部分に鉛ペーストを充填後、熟成・乾燥する。続いて、図２に示すように正極板下部の両端を各々幅２０ｍｍ、高さ２０ｍｍカットした。カット方法は、エキスパンドマシンにロータリカッタを設けて搬送工程で切断する手法や、極板を固定してカッターによる押し切り切断法がある。

カット部３の形状は直角二等辺三角形となる（正確には正極板の端は角度９０度ではないが、便宜上このように表記する）。このときの底辺のカット率は、（２０＋２０）／１４４×１００＝２７．８％となる。また、カット面積は（２０×２０×１／２×２）／（１４４×１１１．４５）×１００＝２．５％である。この正極板を用い、後は前述の手法で作製した電池を本発明の電池Ｂとする。

底辺のカット率とカット面積を変える方法としては、図３に示すように鉛直方向を固定し、水平方向を可変させることにする。これは、実際の正極板の伸びを解析して、鉛直方向のサイズ変更が水平方向のそれに対して、伸びの寄与率が小さいためである。
（実施例２）
実施例１と同様に正極板下部の両端を各々幅２８．８ｍｍ、高さ２０ｍｍカットした。
このときの底辺のカット率は４０％、カット面積は３．６％である。
この正極板を用い、後は前述の手法で作製した電池を本発明の電池Ｃとする。
（実施例３）
実施例１と同様に正極板下部の両端を各々幅３４．５ｍｍ、高さ２０ｍｍカットした。
このときの底辺のカット率は４７．９％、カット面積は４．３％である。
この正極板を用い、後は前述の手法で作製した電池を本発明の電池Dとする。
（実施例４）
実施例１と同様に正極板下部の両端を各々幅４１．０ｍｍ、高さ２０ｍｍカットした。
このときの底辺のカット率は５６．９％、カット面積は５．１％である。
この正極板を用い、後は前述の手法で作製した電池を本発明の電池Eとする。

各電池を８０℃水槽中に置き、１４．８Ｖの定電圧充電を続けた。このときに各電池に流れる充電電流の推移を図４に示す。従来品の電池Aは、試験２５日を経過したあたりから急激に充電電流が流れている。定電圧充電で通電していると格子体が酸化腐食し、酸化電流が流れるようになる。すなわち電池Aでは、格子腐食が進行していると考えられる。これに対して底辺をカットした本発明品（電池B、C、E）は、充電電流が増加が大幅に抑制されている（４０日経過時点で１／３以下）。そしてカット率が大きいほど充電電流が小さくなる傾向がある。

この試験後の電池を解体したところ、電池Bの極板の格子体伸びは従来品のほぼ１／２であった。このことから、本発明では格子体の腐食伸びを抑制できることが分かった。

前記の結果から、カット率が大きいほど格子体の腐食伸びに有利であるといえるが、極板面積を減らすことでの弊害が考えられる。そこでカット面積の許容値を検討した。

図５はＪＩＳＤ５３０１規定の５時間率容量試験による各電池容量の比較である。５５Ｄ２３形鉛蓄電池の公称容量は４８Ａｈであり、ＪＩＳ規格では９５％までを許容値としているので、４５．６Ａｈを下限とした。許容容量を満たすのは、電池Ｃまでであり、これよりカット率は４０％以下、かつカット面積は３．６％以下でなければならないことが分かる。

図６は低温（−１５℃）低温高率放電試験結果である。（ａ）は放電５秒目電圧であり、どの電池もＪＩＳ規格８．０Ｖを上回っている。（ｂ）は放電持続時間であり、ＪＩＳ規格１１４ｓｅｃを満足するのは電池Ａ〜Ｄまでであり、これよりカット率は４７．９％以下で、かつカット面積は４．３％以下でなければならないことが分かる。

以上のことから、正極板の底辺のカット率を正極板の底辺長さの４０％以下とし、かつ正極板の極板集電部を除いた面積を３．６％以下にカットした極板を使用すれば、容量の低下を抑えながら、腐食伸びを抑制して短絡しにくい鉛蓄電池を得ることができる。

次に正極板のカット位置について補足する。図７は集電部１とエキスパンド格子体との基部から正極板の下端部頂点へ補助線を引いた模式図である（便宜上Ａ側とＢ側と称す）。電池の製造上、集電部１は正極板の鉛直方向の中心線から偏っている。そのため、、図７においてはＢ側の方が長くなっている。正極板の下端部頂点は、集電部１の基部から最も遠いため集電効率が悪く、活物質の利用率も集電部１付近より低い。従って、カット位置としては、集電部１とエキスパンド格子体との基部から正極板の下端部頂点へ補助線を引いた長いほう（図７ではＢ側）が良い。

図８は下端部のカット部分をSA及びSBで示したものである。前述のようにSA、SBの底辺の長さの和は、正極板の底辺の長さの４０％以下であり、かつSA、SBの面積の和は正極板の極板集電部を除いた面積の３．６％以下を満たさなければならない。SAとSBの面積比については規定しないが、SBのほうが集電部１から遠いのでSB ≧SAとするのが妥当である。

エキスパンド格子体の外観である。 下端をカットした正極板である（活物質の着色は省略した）。 底辺のカットを変える方法を示す図である。 定電圧充電試験結果を示す図である。 ５時間率容量試験の比較図である。 （ａ）低温高率試験の放電５秒目電圧の比較図である。

（ｂ）低温高率試験の放電時間の比較図である。
正極板のカット位置決めの補助線を記入した模式図である。 正極板のカット面積を示す図である。

符号の説明

１ エキスパンド格子体の集電部
２ 内骨部
３ カット部

Claims (2)

1. 鉛合金シートをエキスパンド加工して得られる正極板の集電部基部から、その正極板の下端部頂点までの距離が短い方をＡ側、長い方をＢ側とし、それぞれの前記下端部頂点を含む領域のみをカットし、それぞれのカットした領域の底辺長さの和は、正極板の底辺長さの４０％以下であり、かつそれぞれのカットした領域の面積の和は正極板の極板集電部を除いた面積の３．６％以下であることを特徴とする鉛蓄電池。
2. Ｂ側のカットした領域のカット面積をSB、Ａ側のカットした領域のカット面積をSAとして、SB ≧SAであることを特徴とした請求項１記載の鉛蓄電池。

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