JP5196732B2 - 鉛蓄電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉛蓄電池の製造方法に関するものである。

熟成の終わった極板は、希硫酸中で正・負極板間に直流電流を流し、正極をＰｂＯ_２、負極を海綿状のＰｂに変える。この工程を化成工程という。化成の方法には２種類あり、１つはタンク化成、他の１つは電槽化成である。

タンク化成は、電池を組み立てる前に予め未化成の正極板、負極板（同時化成）または片方ずつの極板（単独化成）を希硫酸の入った化成槽中に浸漬させ通電する方法である。後者の場合、対極としてダミーの格子を使用する。
電槽化成は、電池を組み立てた後に電池内に希硫酸を注入し通電する方法であり、充電終了時の電解液比重が電池の所定比重となるような希硫酸を注液する方法と、低比重の希硫酸を注液して充電終了後に所定比重の希硫酸と換液する方法の２通りがある。

いずれの方法においても通電するときは、最初に大きい電流で流し、その後段階的に電流を下げる方式を用いることが多い。これは、鉛蓄電池の極板の化成は通電直後には大きく分極するものの、その後、分極は小さくなりしばらくの間化成効率が良い期間がある。化成が進むにつれ正極からの酸素ガスの発生、負極からの水素ガスの発生により大きく分極し、通電の電流がガスの発生に使われるようになり、化成効率が低下する。製造コストの観点から化成時間を短くするためには化成効率の良い初期に大きな電流を流し、化成効率が悪くなるにつれて段階的に電流を小さくする傾向がある。

化成の主な正極反応は次の式が考えられる。
（１）ＰｂＯ ＋Ｈ_２ＳＯ_４ →ＰｂＳＯ_４ ＋Ｈ_２Ｏ
（２）ＰｂＯ ＋Ｈ_２Ｏ →α−ＰｂＯ_２
＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（３）ＰｂＳＯ_４ ＋２Ｈ_２Ｏ →β−ＰｂＯ_２ ＋Ｈ_２ＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
通常、化成は極板が希硫酸中に浸漬されてから一定時間放置されるため、最初は化学反応である（１）の反応が起こる。放置中に（１）の反応は進み、極板中の硫酸濃度は低下する。通電を開始すると電気化学反応である（２）、（３）の反応が進む。（２）のようにＰｂＯからＰｂＳＯ_４を介さずに酸化された場合にはα−ＰｂＯ_２が生成し、（３）のように（１）で生成したＰｂＳＯ_４または、最初から極板中に存在するＰｂＳＯ_４から酸化された場合にはβ−ＰｂＯ_２が生成する。放置から通電初期までは（１）の反応が進むため極板中にＰｂＳＯ_４は多くなっており、化成全体としては（２）より（３）の反応が多く進むため、化成後の正極活物質はβ−ＰｂＯ_２の方が多くなる傾向がある。

化成初期に大きい電流で通電すると、極板内部に存在するＰｂＳＯ_４が酸化されβ−ＰｂＯ_２になるときに生成する硫酸イオンの量も多くなるので、反応が起こった近辺では硫酸濃度が上昇しやすい。硫酸の濃度が高い状態で化成した方が、低い状態で化成したときに比べβ−ＰｂＯ_２ができやすいため、生成した硫酸が拡散できる範囲では大きい電流で化成をするとβ−ＰｂＯ_２ができやすい。β−ＰｂＯ_２が多いと放電容量を高めることができるが、サイクル寿命特性が逆に劣ってしまう。また、正極格子と活物質の界面にβ−ＰｂＯ_２が多いと、そこを優先的に放電してしまい不導体となり早期容量低下の原因となってしまう。更に、化成初期はペーストがほとんど不導体のため、大きい電流を流すと大きく分極し、正極格子表面より酸素ガスが発生し、格子と活物質の密着性が悪くなる恐れがある。

そこで、化成の初期に小さな電流で行うことで鉛蓄電池の早期容量低下や長寿命化を図る方法が採られるようになり、例えば、正極化成電流密度を化成開始時に０．０５〜０．５Ａ／ｄｍ^２として正極活物質の理論電気量の１〜５０％まで化成した後適宜電流を大きくして化成する（特許文献１）ことや、陽極板にＰｂＯ_２を生成するために必要な理論電気量の５０〜１００％時点で通電を停止し、通電再開時に停止前の通電電流値より大きな電流値を用いて短時間で化成を行うこと（特許文献２）などが提案されている。

特開平８−５０８９６号公報 特開昭６２−１０３９７１号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法は、化成初期に正極活物質の理論電気量１〜５０％とすることで、格子−活物質界面での酸素ガス発生が少なくなり、界面は密に接して化成されるので、早期容量低下が起こりにくいものとなっているが、正極活物質の理論電気量１〜５０％ではα−ＰｂＯ_２の生成量が少ないためサイクル寿命特性を改善するまでに至らなかった。
また、特許文献２に記載の方法は、初期に小さい電流を流すことにより、その間にＰｂＯ、ＰｂＯ_ｎがほとんどなくなりＰｂＳＯ_４と化成されたＰｂＯ_２となる。後の反応のほとんどはＰｂＳＯ_４→ＰｂＯ_２となり、他の平行反応（例えば、ＰｂＯ→ＰｂＯ_ｎ、ＰｂＯ→ＰｂＳＯ_４）がないので、大電流で化成することが可能となり短時間で化成でき、化成効率も向上した(ＰｂＯ_２化率が高い)ものとなっているが、一旦通電を停止するため、通電再開後に生成するのはほとんどβ−ＰｂＯ_２と考えられ、放電容量を高めることができるが、サイクル寿命特性が逆に劣ってしまう。

そこで、本発明者らは、産業用の常時フロート充電の電池も劣化判定のための定期的な浅い放電や、環境の観点からロードレベリングのためのサイクル用電池の充放電など、以前よりも長い充放電サイクル寿命が求められるようになっており、β−ＰｂＯ_２より不活性なα−ＰｂＯ_２を多く作ることでサイクル寿命特性を向上させるべきであると考えた。

上記課題を解決するため、２段階以上で化成を行う鉛蓄電池の製造方法において、正極板の化成時の初期の通電電流を正極活物質量に対し６〜１３ｍＡ／ｇとし、該通電電流で通電電気量を正極理論容量に対して５０〜１００％実施し、し、ついで連続して次段階の化成へ移行する鉛蓄電池の製造方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明によれば、化成時の初期の通電電流を６〜１３ｍＡ／ｇにすることで、極板内部にβ−ＰｂＯ_２より不活性なα−ＰｂＯ_２ができやすい状態となり、サイクル寿命特性を向上させることができる。化成時の通電電流が１３ｍＡ／ｇを超過した場合は、α−ＰｂＯ２の生成量が少なくなり、サイクル寿命特性は低下する。本発明の製造方法を適用することでよりサイクル寿命特性を向上させることができる。なお、６ｍＡ／ｇ未満でも効果はあるが、化成時間が大幅にかかるため工業的には６〜１３ｍＡ／ｇが望ましい。
また、通電電気量を正極理論容量に対して５０〜１００％とすることで、上記同様に極板内部にβ−ＰｂＯ_２より不活性なα−ＰｂＯ_２ができやすい状態となり、サイクル寿命特性を向上させることができる。通電電気量を正極理論容量に対して５０％未満の場合、α−ＰｂＯ_２の生成量が少ないため、その効果はあまり得られない。通電電気量を正極理論容量に対して５０％以上で行うことでサイクル寿命特性を向上させることはできるが、１００％以上行うと時間がかかり工業的には、通電電気量を正極理論容量に対して５０〜１００％で行うことが好ましい。

本発明によれば、サイクル寿命特性が大幅に向上した信頼性の高い電池を供給することが可能である。

本発明の実施するための最良の形態を比較例とともに説明する。常法により正極板（高さ１２０ｍｍ、幅６３ｍｍ）に活物質を７５．０ｇ充填した未化成正極板４枚と、負極板（高さ１２２ｍｍ、幅６３ｍｍ）に活物質を４５．０ｇ充填した未化成負極板５枚をセパレータを介して交互に積層した極板群を電槽に収納し、逆さまの状態でＣＯＳ法と呼ばれる溶接法で極板耳とストラップを溶接した。そして、該電槽に電槽蓋を施して電槽蓋に施してある注液口より比重１．２０の希硫酸を注入し、２５℃に空調された部屋において電槽化成を行い、定格容量１７Ａｈ（２０時間率）、１２Ｖセルの鉛蓄電池を作製した。
なお、鉛蓄電池の希硫酸の比重は電槽化成終了時にほぼ所望の液比重となるようにしてある。

上記記載の方法によって作製した鉛蓄電池において、電槽化成を２段階の充電とし、１ 段階目の化成の充電電流を正極活物質量に対し６、１０、１３ｍＡ／ｇとし、いずれの場合も充電電流が正極活物質の理論容量比で１００％に達する時点まで充電し、ついで連続して通電される第２段階目の充電は正極活物質に対する充電電流を１６ｍA／ｇとし、正極活物質の理論容量比で２２０％まで化成を行ない、夫々充電電流で化成を行った鉛蓄電池を各２個ずつ作製した（本発明１〜３）。
（比較例１〜３）
電槽化成の１段階目の化成の充電電流を正極活物質量に対し３、１６、２０ｍＡ／ｇとした以外は、実施例１と同様に鉛蓄電池を各２個ずつ作製した（比較例１〜３）。

そして、一方の鉛蓄電池（ 本発明１〜３、比較例１〜３）は化成終了後に解体し、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比をＸ 線回折により測定した。ここで、α−ＰｂＯ２は２θ
＝２５．４°、β−ＰｂＯ_２は２θ＝２８．５°の面積を夫々測定した（θ：ブラッグ角）。なお、ＰｂＯ_２量についても測定した。
他方の鉛蓄電池（本発明１〜３、比較例１〜３）は容量試験を行った。容量試験条件は、放電電流０．０５ＣＡ（０．８５Ａ）、終止電圧１０．５Ｖ、周囲温度２ ５ ℃ の条件で実施した。容量試験終了後、同一の鉛蓄電池を用いてサイクル試験を実施した。サイクル試験条件は、放電電流０．３ＣＡ（５．１Ａ）、放電時間は１時間２０分、充電は設定電圧１３．６５Ｖ（ 最大電流０．３ＣＡ）で２２時間４０分とした。サイクル試験は放電中に１０．５Ｖ以下となるところまで実施した。
表１ に、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比、ＰｂＯ２量、放電持続時間およびサイクル回数を示す。
なお、放電持続時間はぞれぞれの鉛蓄電池の容量試験の結果である。

表１に示すように、０．０５ＣＡ放電持続時間は本発明１〜３と比較例１〜３は同等であるが、サイクル回数については本発明１〜３、及び比較例１が大幅に増加している。これは、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比が比較例２〜３より実施例１〜３、及び比較例１の方が大きい、即ち、本発明１〜３、比較例１のα−ＰｂＯ２が比較例２〜３のα−ＰｂＯ_２より多いため、サイクル寿命特性も良好になったものと考えられる。
また、本発明１〜３は活性なβ−ＰｂＯ_２が少ないにもかかわらず０．０５ＣＡ持続時間が従来例と同等なのは、ＰｂＯ_２量が多いためと考えられる。ここで、トータル電気量が同じ（正極活物質の理論容量比で２２０％）なのにＰｂＯ_２量が多くなったのは、化成初期の酸素ガス発生抑制による格子とペーストの密着性向上、１３ｍＡ／ｇ以下の充電による化成効率向上に起因するものと考えられる。
なお、比較例１に示すように６ｍＡ／ｇ未満でも効果はあるが、化成時間が大幅にかかるため工業的には６〜１３ｍＡ／ｇが望ましい。

次に充電電気量の調査を行った。１段階目の化成を１３ｍＡ／ｇで充電電気量を正極活物質理論容量比で５０％、６０％、８０％、１００％（本発明４〜６）に達するまで夫々充電し、次いで２ 段目の化成を１６ｍＡ／ｇでトータル充電電気量が２２０％になるまで実施した。これらの極板を用いて、同様に定格容量１７Ａｈ（２０時間率）、１２Ｖセルの鉛蓄電池を各２個ずつ作製した（本発明４〜７）。
（比較例４〜７）
１段階目の化成を１３ｍＡ／ｇで充電電気量を正極活物質理論容量比で１０、３０％、１２０％（比較例４〜６）とした以外は、実施例２と同様に定格容量１７Ａｈ（２０時間率）、１２Ｖセルの鉛蓄電池を２個作製した。
また、１段階目の化成を１３ｍＡ／ｇで充電電気量を正極活物質理論容量比で５０％ （比較例７）とし、２段目の化成前に３時間放置を行った以外は、実施例２と同様に定格容量１７Ａｈ（２０時間率）、１２Ｖセルの鉛蓄電池を２個作製した（比較例４〜７）。

これらの電池を実施例１と同様の条件で各電池性能の評価を行なった。表２にα−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比、ＰｂＯ_２量、放電持続時間およびサイクル回数を示す。
なお、放電持続時間はぞれぞれの鉛蓄電池の容量試験の結果である。

表２に示すように、充電電気量が５０％以上の本発明４〜７、および比較例６において、サイクル回数が向上している事が分かる。特に６０％以上の場合は２７０サイクル以上となり顕著な向上が図れた。これは、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比の向上、即ちα−ＰｂＯ_２が増加したためと思われる。充電電気量が５０％未満の比較例４、５では、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比が小さい、即ちα−ＰｂＯ_２が少ないためにサイクル回数も大幅に低下していると思われる。また、２段目の化成前に３時間放置を行った比較例７では、放置を行うことにより極板中の未化成分がＰｂＳＯ_４となってしまい、β−ＰｂＯ_２が増加したため、α−ＰｂＯ_２／β−ＰｂＯ_２面積比およびサイクル回数が低下したと思われる。
なお、充電電気量が１００％を超えても効果はあるが、化成時間が大幅にかかるため工業的には５０〜１００％が望ましい。

なお、本発明では電槽化成について行ったが、タンク化成についても同様な効果が得られる。
また本発明では、化成時の通電が充電電気量１００％に達するまでに通電電流を正極活物質量に対し６〜１３ｍＡ／ｇとし、その充電電気量を正極理論容量の５０％〜１００％行うことでも、サイクル寿命性能を改善する効果が得られる。例えば、１段階目の化成の充電電流を正極活物質量に対し１５ｍＡ／ｇとしてその充電電気量を正極理論容量の３ ０％充電し、続けて２段階目の化成の充電電流を正極活物質量に対し１０ｍＡ／ｇとしてその充電電気量を正極理論容量の７０％充電し、３段階目の化成の充電電流を正極活物質量に対し２０ｍＡ／ｇとしてその充電電気量を正極理論容量の１２０％充電しても同様の効果が得られた。なお、充電電流は充電回数に応じて適宜選択することが好ましい。

以上の結果より、初期の通電電流を正極活物質量に対し６〜１３ｍＡ／ｇとし、該通電電流で通電電気量を正極理論容量に対して５０％〜１００％実施し、ついで連続して次段階の化成へ移行する本発明の化成方法を用いることにより、サイクル寿命特性が大幅に向上した信頼性の高い電池を供給することが可能である。

Claims (1)

1. ２段階以上で化成を行う鉛蓄電池の製造方法において、正極板の化成時の初期の通電電流を正極活物質量に対し６〜１３ｍＡ／ｇとし、該通電電流で通電電気量を正極理論容量に対して５０〜１００％実施し、ついで連続して次段階の化成へ移行することを特徴とする鉛蓄電池の製造方法。