JP5522444B2 - 鉛蓄電池 - Google Patents
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Description
ここで、「痩せる」とは、基体(ここでは、耳部、上部額縁および格子の本体を含めて基体と呼ぶ)が何らかの原因により腐食し、腐食せずに残っている基体の厚みが、元の基体の厚みより薄くなることをいう。
1.ストラップに鉛−アンチモン系合金を使用し、正極および負極に鉛―カルシウム(―錫)系合金からなる格子を用いるとともに、負極格子の耳部表面に鉛―アンチモン合金の層を形成する(特許文献1)、あるいは、鉛―錫―ストロンチウム合金または鉛―錫―バリウム合金の層を形成する(特許文献2)。
2.ストラップ、セル間接続部、極柱等、電解液に接する部分にはアンチモンを使用しない鉛合金を使用する(特許文献3)。
特許文献1に提案されている方法では、電解液の減少を抑制するために正極および負極格子に鉛―カルシウム(―錫)系合金を使用している。しかしながら、負極格子の耳部の表面に設けた鉛―アンチモン合金層に含まれるアンチモンの水素過電圧が小さいために鉛蓄電池の自己放電量が多くなったり、減液量が多くなったりする。
(課題を解決するための手段)
すなわち、本発明は、鉛―カルシウム―錫系合金からなる正極格子体を用いた正極板と、負極活物質が充填される負極格子部と前記負極格子部の縁に連設された負極縁部と前記負極縁部から突出形成された集電のための負極耳部とを有するとともに、鉛―カルシウム系合金または鉛―カルシウム―錫系合金からなる負極格子体を用いた負極板と、複数の前記負極板を前記負極耳部で溶接し一体化することにより設けられたストラップと、前記ストラップから連設されてセル間を接続するセル間接続部と、前記ストラップから連設されて電池の端子と接続される極柱と、を備え、前記ストラップ、前記セル間接続部および前記極柱のうち、少なくとも前記ストラップは鉛―アンチモン系合金からなり、前記負極縁部のうち、前記負極耳部が突出形成された耳部形成縁部、および前記負極耳部には鉛―錫合金層が設けられ、かつ、前記負極活物質には、満充電後における負極活物質の質量に対して0.25〜0.75%に相当する量のカーボンが含まれることを特徴とする鉛蓄電池である。
本発明は以下の構成としてもよい。
(発明の効果)
2…上部額縁(耳部形成縁部)
3…負極格子部
4…下部額縁
5…縁部
6…足部
10…負極格子体
正極格子体の材料としては、鉛―カルシウム―錫系合金が用いられ、負極格子体の材料としては、鉛―カルシウム系合金および鉛―カルシウム―錫系合金から選ばれる合金が用いられる。
図3に示す負極格子体10はエキスパンド法によって製造されたものであり、格子状の負極格子部3と負極格子部3の上下の縁に連接された負極縁部2,4と、上側の負極縁部2から突出形成された負極耳部1と、を有している。この負極格子体10においては上側の負極縁部2(上部額縁2ともいう)が負極耳部1が形成された耳部形成縁部2に相当する。
なお、負極耳部が形成されている耳部形成縁部は、負極耳部と比べると痩せが生じにくいが、負極耳部だけでなく耳部形成縁部にも鉛−錫合金層が設けられていると、負極耳部および耳部形成縁部の痩せが防止でき、サイクル寿命性能を顕著に向上できるので好ましい。
(1)予備試験
一部充電状態で使用する条件(PSOC条件)下における負極耳部の痩せおよび耳部形成縁部の痩せを改善する手法の探索を行った。
(1.1)表面層の形成
負極格子体の基材となる合金には、Pb−0.05%Ca−0.5%Snの組成の合金を用いて、以下に説明する方法(圧延法)により表面層を形成した。
比較のため、表面層を備えない負極格子も作製した。表面層を備えないものに関しては表1中の「耳部および上部額縁の表面層の合金組成」の欄に「表面合金層なし」と記載した。
上述の方法で得られた表面層を備えた負極格子および表面層を有さない負極格子に、負極板用ペーストを充填した。この負極板用ペーストには、酸化鉛を主成分とする鉛粉(酸化度75%)にリグニン、バリウム化合物、表に記載の量のカーボンおよび所定量の希硫酸を添加して混合したものを用いた。
カーボンは、満充電後の負極活物質質量の0〜1.5%相当となるように添加した。なお、比較のためにカーボンを添加しないものも作製した。
表1の「カーボン含有量」の欄には、カーボンの含有量を、満充電後の負極活物質質量に対する質量%として記載し、カーボンを添加しなかったものに関しては、当該欄に「添加なし」と記載した。
次に、負極板用ペーストを充填した負極板を、35℃で3日間熟成することによって日本工業規格(JIS) D 5301に規定される55D23用未化成負極板を得た。
正極板には、ロータリエキスパンド法によって製造した正極格子を用いた。正極格子の材料は、Pb−0.05%Ca−1.5%Snの合金で、厚さ10mmの合金板(スラブ)を連続鋳造法で作製し、圧延ローラで0.9mmまで圧延した。この正極格子に、正極板用ペーストを充填した。正極板用ペーストには、酸化鉛(酸化度75%)を主成分とする鉛粉と所定量の希硫酸を混合して得たものを用いた。正極板用ペーストを充填した正極板を、35℃で3日間熟成することによって、55D23用未化成正極板を得た。
押し出し成型法により作製されたポリエチレン樹脂製セパレータを、2つ折りにして、側部の二辺をメカニカルシールによって封じて、一辺だけが開口部となった袋状セパレータを作製した。
負極板を袋状のセパレータに収納した。正極板5枚、およびセパレータに収納された負極板6枚とを交互に積層することによって、未化成極板群を構成した。その後、キャスト・オン・ストラップ(COS)法によって同極性どうしの極板を溶接し、未化成極板群を55D23用電槽に挿入し、隣り合うセル間を抵抗溶接法で溶接した後、蓋を溶着した。COSの際の合金(ストラップ、セル間接続部用部材、極柱になる合金)には、Pb−2.8%Sb−0.25%As−0.02%Se合金を使用した。
蓋が溶着された電槽に所定比重の希硫酸を注入した。その後、25℃の水槽中で電槽化成(電気量:正極活物質の理論容量の280%、化成時間:18時間)を行ない、JIS D 5301に規定される55D23サイズの開放型鉛蓄電池(公称電圧:12V、定格容量:48Ah)を作製した。
(1.6)で作製した鉛蓄電池Z1〜Z11を用いて、以下の手順により、日本電池工業会のSBA S 0101に規定されるアイドリングストップ寿命試験を行った。
放電:放電1:45Aで59秒
放電2:300Aで1秒
充電:14.0Vで60秒
上記充放電3600サイクルごとに40〜48時間放置し、再びサイクルを開始した
充放電18,000サイクルで寿命試験を打ち切り、鉛蓄電池から極板を取り出して、サルフェーションと耳部の痩せを観察し結果を表1に示した。
さらに試験結果を評価した結果を表1に示した。この評価基準は以下の通りである。
負極サルフェーションについては、各電池の負極硫酸鉛量がZ1の電池の負極硫酸鉛量に対して40%未満のものを○、負極硫酸鉛量が40%以上80%以下のものを△、負極硫酸鉛量が80%よりも多いものを×と評価した。
耳部の痩せについては、サイクル寿命試験前の厚みに対する減少した厚みの割合が、20%未満の場合には◎、20%以上40%未満の場合には○、40%以上70%未満の場合には△、70%以上の場合には×と評価した。
表1には試験結果以外に、負極格子の合金組成や、耳部上部額縁の表面層の合金組成についてもあわせて示した。
次に、PSOC条件下で開放型鉛蓄電池を使用した場合に、電解液中にあるにもかかわらず、負極耳部および上部額縁(耳部形成縁部)が痩せることを確認し、その対策について検討した。
厚さ0.8mm、片側表面積24cm2の鉛単板を用意して作用極とした。次にこの作用極よりも大きな純鉛シートと、電解液(3.39Mの希硫酸)と、参照極(Pb/PbSO4/3.39MのH2SO4電極)とを用いて三極セルとした。これらを用いて、腐食試験を電位ステップ法により行った。電位ステップ法の条件は以下の通りである。図1には電位ステップ法のステップを模式的に示した。
周囲温度:40℃
酸化電位:+40mV vs Pb/PbSO4/3.39MのH2SO4(以下,電位は参照電極を基準とする)
還元電位:−80mv
設定電位保持時間:酸化電位、還元電位ともに30秒で168時間
腐食量は,試験終了後に腐食層をアルカリマンニット溶液で除去した電極の質量変化から求めた。
なお、作用極を40℃、3.39MH2SO4中、30mAで2時間還元することにより前処理をおこなった.
この腐食試験を行った結果、負極で使用される部材(鉛単板)でも腐食が起こることが確認できた。
上述の基礎試験で明らかになった鉛―錫合金の効果を、実際の鉛蓄電池で確認することにした。
そこで、種々の鉛―錫合金(錫の含有量が2.5質量%〜30質量%)を用いて形成した表面層を有する負極格子体を備える鉛蓄電池を作製し、性能を評価した。
(1.1)に記載の方法と同様にして、耳部および上部額縁に表面層が形成された負極格子、ならびに、耳部のみに表面層が形成された負極格子を製造した。
表面層の有無については、表2中の「耳部の表面層」の欄と「上額の表面層(上部額縁の表面層を意味する)」の欄に記載した。表2中「上額の表面層」とは「上部額縁の表面層」を意味する。表面層を形成したものには当該欄に「あり」と記載し、表面層を形成しなかったものには「なし」と記載した。
各電池の表面層を形成するために使用した合金シートの種類については、表2中の「耳部および上部額縁の表面層の合金組成」の欄に記載した。
比較のため、表面層を備えない負極格子も作製した。表面層を備えないものに関しては表2中の「耳部および上部額縁の表面層の合金組成」の欄に「表面合金層なし」と記載した。
(3.1)で作製した鉛蓄電池A1〜A9、B1〜B8、C1、D1を用いて、以下の手順により、日本電池工業会のSBA S 0101に規定されるアイドリングストップ寿命試験を行ったその寿命試験の手順は、次の通りである。
放電2…300Aで1秒
充電:14.0Vで60秒
上記充放電3600サイクルごとに40〜48時間放置し、再びサイクルを開始した。
300A放電時(放電2)の放電開始後1秒目電圧が7.2Vを下回ったときに、当該鉛蓄電池の寿命が到来した時点であると判定し、この時点の寿命サイクル数を表2に示した。なお、この寿命試験における目標とする寿命サイクルは30,000サイクルである。
耳部の痩せと上部額縁の痩せについては、各部分の残存する厚みを測定し、各電池のサイクル寿命試験前の各部分の厚みに対する減少した厚み分を100分率比で示した。
さらに、10000サイクルあたりの耳部の痩せと10000サイクルあたりの上部額縁の痩せとをそれぞれ算出して表2に記載した。この試験結果のうち、表面層の錫量が30%のものについて、横軸をカーボン含有量(%)、縦軸を10000サイクルあたりの耳部の痩せ(%)としてその関係を図6に示した。
さらに電解液の減少量(減液量)を、サイクル寿命試験の前と後とにおける鉛蓄電池の質量変化から算出して表2に記載した。表2では、減液量は、表面層を備えない負極格子を用いて製造された鉛蓄電池(電池番号A1)の減液量を100とした場合の相対値として示した。
サイクル試験後の蓄電池を目視し、液面位置が視認可能な場合は、溶出が小と判断し、蓄電池側面に光を当て、反対の側面から目視しないと液面位置が視認できない場合は、溶出が中と判断し、これらの方法で視認不可の場合は、溶出が大、と判断した。
実施例群1で作製した電池番号A6の電池と、正極板、負極板は同じであるが、COSの際の合金としてPb−1%Snを用いることによって、ストラップ、セル間接続部用部材、極柱の合金組成をPb−1%Snとしたこと以外はA6電池と同様にして開放型鉛蓄電池(電池番号E1)を製造した。A6電池とE1電池とを用い、次の振動試験を行った。
振動方向 上下の単振動
複振幅 2.3〜2.5mm
加速度 29.4m/s2
振動時間 4時間
その結果を表3に示す。
(1)上記実施例においては、圧延シートをエキスパンド加工した負極格子を使用したが、圧延シートを打ち抜き加工した負極格子を用いてもよい。
Claims (5)
- 鉛―カルシウム―錫系合金からなる正極格子体を用いた正極板と、
負極活物質が充填される負極格子部と前記負極格子部の縁に連設された負極縁部と前記負極縁部から突出形成された集電のための負極耳部とを有するとともに、鉛―カルシウム系合金または鉛―カルシウム―錫系合金からなる負極格子体を用いた負極板と、
複数の前記負極板を前記負極耳部で溶接し一体化することにより設けられたストラップと、
前記ストラップから連設されてセル間を接続するセル間接続部と、
前記ストラップから連設されて電池の端子と接続される極柱と、を備え、
前記ストラップ、前記セル間接続部および前記極柱のうち、少なくとも前記ストラップは鉛―アンチモン系合金からなり、
前記負極縁部のうち、前記負極耳部が突出形成された耳部形成縁部、および前記負極耳部には鉛―錫合金層が設けられ、かつ、
前記負極活物質には、満充電後における負極活物質の質量に対して0.25〜0.75%に相当する量のカーボンが含まれることを特徴とする鉛蓄電池。 - 前記負極耳部に設けられている鉛―錫合金層中の錫含有量は5質量%以上40質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の鉛蓄電池。
- 前記耳部形成縁部に設けられている鉛―錫合金層中の錫含有量は5質量%以上40質量%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鉛蓄電池。
- 予め定められた停止条件を満足するとエンジンを一時的に停止するアイドリングストップシステムを搭載した車両用であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の鉛蓄電池。
- 前記負極活物質には、満充電後における負極活物質の質量に対して0.4〜0.75%に相当する量のカーボンが含まれることを特徴とする、請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の鉛蓄電池。
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