JP5769096B2 - Lead acid battery - Google Patents

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Description

この発明は鉛蓄電池に関し、例えばPSOC(Partial State of Charge)で使用する自動車用鉛蓄電池に関する。   The present invention relates to a lead acid battery, for example, a car lead acid battery used in PSOC (Partial State of Charge).

環境問題のクローズアップに伴い、自動車に更なる燃費の向上が課せられている。これに対する解決手段の1つとして、鉛蓄電池への充電制御機能あるいはアイドリングストップ機能を搭載した自動車が増している。しかしながら充電制御機能、あるいはアイドリングストップ機能を搭載すると、鉛蓄電池が充電される時間が短くなり、PSOCと呼ばれる充電不足状態になり、寿命が短くなる。特にアイドリングストップ機能を搭載すると、頻繁なエンジン再始動時のクランキング及びアイドリングストップ中の電装品の電力を全て鉛蓄電池から供給するため、著しく短寿命になる傾向がある。これは、充電不足のため、金属鉛への還元が困難な硫酸鉛の粗大結晶が負極活物質中に発生しやすくなるためである。なおこの現象はサルフェーションと呼ばれる。   With the close-up of environmental issues, further improvements in fuel economy are being imposed on automobiles. As one solution to this problem, an increasing number of automobiles are equipped with a charge control function or idling stop function for lead-acid batteries. However, when the charge control function or idling stop function is installed, the lead-acid battery is charged for a short time, resulting in an undercharged state called PSOC, and the life is shortened. In particular, when the idling stop function is installed, cranking at the time of frequent engine restart and electric power of the electrical components during idling stop are all supplied from the lead storage battery, so that there is a tendency for the life to be remarkably shortened. This is because coarse crystals of lead sulfate that are difficult to reduce to metallic lead are likely to be generated in the negative electrode active material due to insufficient charging. This phenomenon is called sulfation.

特許文献1(JP2008-243493A)は、サルフェーションを抑制するため、電解液にアルミニウムイオンを含有させ、負極活物質にカーボンブラックを含有させることを開示している。特許文献1はさらに、カーボンブラックと活性炭との混合物をスチレンブタジエンゴム等のバインダでワイヤー状に固化して、適当な大きさ(直径1mm、長さ1mm等)に裁断して、負極活物質100重量部に対し例えば5重量部混合することを開示している。特許文献2(JP3936157B)は負極活物質100質量部にカーボン1〜5重量部を、特許文献3(JP2003-36882A)は負極活物質100質量部にカーボン1〜4重量部を添加することを開示している。   Patent Document 1 (JP2008-243493A) discloses that an electrolytic solution contains aluminum ions and a negative electrode active material contains carbon black in order to suppress sulfation. In Patent Document 1, a mixture of carbon black and activated carbon is further solidified into a wire shape with a binder such as styrene butadiene rubber and cut into an appropriate size (diameter 1 mm, length 1 mm, etc.), and the negative electrode active material 100 For example, mixing 5 parts by weight with respect to parts by weight is disclosed. Patent Document 2 (JP3936157B) discloses that 1 to 5 parts by weight of carbon is added to 100 parts by weight of the negative electrode active material, and Patent Document 3 (JP2003-36882A) discloses that 1 to 4 parts by weight of carbon is added to 100 parts by weight of the negative electrode active material. doing.

特許文献4(JP3835093B)は、密閉型鉛蓄電池の負極ペースト中の鉛粉に対し、アセチレンブラック0.2〜2質量%とグラファイト0.05〜0.2質量%を添加することを開示している。これによって負極活物質の利用率が向上するとされている。   Patent Document 4 (JP3835093B) discloses that 0.2 to 2% by mass of acetylene black and 0.05 to 0.2% by mass of graphite are added to the lead powder in the negative electrode paste of the sealed lead-acid battery. This is said to improve the utilization rate of the negative electrode active material.

JP2008-243493AJP2008-243493A JP3936157BJP3936157B JP2003-36882AJP2003-36882A JP3835093BJP3835093B

この発明の課題は、アイドリングストップ機能を装備した自動車での寿命性能に優れ、かつ初期放電容量が実用的な範囲内に有る、鉛蓄電池を提供することにある。   The subject of this invention is providing the lead acid battery which is excellent in the lifetime performance in the motor vehicle equipped with the idling stop function, and has an initial stage discharge capacity in a practical range.

この発明は、正極格子と正極電極材料とから成る正極板と、負極格子と負極電極材料とから成る負極板と、極板と負極板とが浸されている希硫酸系電解液とから成る鉛蓄電池において、
前記電解液が0.02mol/L以上で0.2mol/L以下のアルミニウムイオンを含有し、
前記負極電極材料は、負極既化成活物質100質量部に対し、カーボンブラックを0.1質量部以上で2質量部以下、グラファイトを0.1質量部以上で2質量部以下、繊維状カーボンを0.05質量部以上1質量部以下含有することを特徴とする。電解液はリチウムイオンを含有しても含有しなくても良く、電解液中のリチウムイオン濃度は例えば0.02mol/L未満としても良く、また電解液はリチウムイオンを含まなくても良い。
The present invention provides a lead plate comprising a positive electrode plate comprising a positive electrode grid and a positive electrode material, a negative electrode plate comprising a negative electrode lattice and a negative electrode material, and a dilute sulfuric acid electrolyte in which the electrode plate and the negative electrode plate are immersed. In storage battery,
The electrolyte contains 0.02 mol / L or more and 0.2 mol / L or less of aluminum ions,
The negative electrode material is 0.1 part by mass or more and 2 parts by mass or less of carbon black, 0.1 part by mass or more and 2 parts by mass or less of graphite, and 0.05 part by mass or more of fibrous carbon with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is characterized by containing 1 part by mass or less. The electrolytic solution may or may not contain lithium ions, the lithium ion concentration in the electrolytic solution may be, for example, less than 0.02 mol / L, and the electrolytic solution may not contain lithium ions.

カーボン類の含有量は、合計含有量が増すと初期放電容量が低下するので、負極既化成活物質100質量部に対し、好ましくは0.3質量部以上で5質量部以下とし、より好ましくは0.3質量部以上で4質量部以下とし、カーボンブラック、グラファイト、繊維状カーボンが共に下限量付近にあると効果が小さいので、特に好ましくは1質量部以上で4質量部以下とする。電極反応により負極既化成活物質である金属鉛の一部が硫酸鉛に酸化されている場合、硫酸鉛等に含まれる鉛等の成分を金属へ還元するものとして、金属鉛の総量を定める。   Since the initial discharge capacity decreases as the total content increases, the carbon content is preferably 0.3 parts by mass or more and 5 parts by mass or less, more preferably 0.3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode preformed active material. The amount is not less than 4 parts by mass and not more than 4 parts by mass, and since the effect is small if both carbon black, graphite, and fibrous carbon are in the vicinity of the lower limit, it is particularly preferably 1 part by mass to 4 parts by mass. When a part of metallic lead, which is a negative electrode active material, is oxidized to lead sulfate by the electrode reaction, the total amount of metallic lead is determined as a component such as lead contained in lead sulfate is reduced to metal.

電解液にアルミニウムイオンを加えると、粗大で還元され難い硫酸鉛の結晶が負極活物質中に成長することが抑制されて、サルフェーションを抑制できることが知られている(例えば特許文献1)。また負極活物質中にカーボンブラックを含有させることも広く行われている(例えば特許文献1)。しかしながらカーボンブラックは、負極活物質中で硫酸鉛等が生成する過程で、活物質から電解液中へと流出する。これに対して繊維状カーボンを加えると、負極活物質中でのμmオーダーの導電パスを確保すると共に、カーボンブラックの担体となって、その流出を抑制する。さらに硫酸鉛に対する異物として、繊維状カーボンは硫酸鉛の結晶成長を妨げる。グラファイトは繊維状カーボンよりもさらに大きな粒子であり、繊維状カーボンでは届かない部分へも導電パスを確保する。   It is known that when aluminum ions are added to the electrolytic solution, growth of coarse and difficult-to-reduced lead sulfate crystals in the negative electrode active material is suppressed, and sulfation can be suppressed (for example, Patent Document 1). In addition, carbon black is also widely contained in the negative electrode active material (for example, Patent Document 1). However, carbon black flows out from the active material into the electrolytic solution in the process of producing lead sulfate or the like in the negative electrode active material. On the other hand, when fibrous carbon is added, a conductive path on the order of μm in the negative electrode active material is secured, and it becomes a carbon black carrier to suppress the outflow. Furthermore, as a foreign matter for lead sulfate, fibrous carbon hinders the crystal growth of lead sulfate. Graphite is a larger particle than fibrous carbon, and secures a conductive path to a portion that cannot be reached by fibrous carbon.

カーボンブラック、グラファイト、繊維状カーボンによって、硫酸鉛の結晶等の周囲に導電パスが確保されるので、充電時に硫酸鉛は還元されやすくなる。このことと、アルミニウムイオンにより硫酸鉛の結晶成長を抑制していることとが相俟って、サルフェーションを抑制し、アイドリングストップ機能を搭載した自動車での寿命性能を向上できる。しかしながら発明者は、カーボンブラック、グラファイトと繊維状カーボン、及びアルミニウムイオンを含む系では、高率放電性能が低下することを見出した。なお発明者は、電解液中に0.02mol/L以上0.2mol/L以下のリチウムイオンを含有させることにより、高率放電性能の低下を解消できることを見出した。   Since carbon black, graphite, and fibrous carbon secure a conductive path around the lead sulfate crystal or the like, the lead sulfate is easily reduced during charging. This, combined with the suppression of lead sulfate crystal growth by aluminum ions, can suppress sulfation and improve the life performance of an automobile equipped with an idling stop function. However, the inventors have found that high rate discharge performance is reduced in a system containing carbon black, graphite and fibrous carbon, and aluminum ions. The inventor has found that the deterioration of the high-rate discharge performance can be eliminated by including 0.02 mol / L or more and 0.2 mol / L or less of lithium ions in the electrolytic solution.

カーボンブラック、グラファイト、あるいは繊維状カーボンの含有量を増すと、アイドリングストップ寿命性能は向上せずに、初期放電容量が低下する領域がある。この領域は、カーボンブラック及びグラファイトでは2質量部超、繊維状カーボンでは1質量部超である。このことからカーボンブラック、グラファイト、及びは繊維状カーボンの含有量の上限を、負極既化成活物質100質量部に対し、各々2質量部、2質量部、及び1質量部と定める。   When the content of carbon black, graphite, or fibrous carbon is increased, there is a region in which the initial discharge capacity is lowered without improving the idling stop life performance. This region is over 2 parts by mass for carbon black and graphite and over 1 part by mass for fibrous carbon. From this, the upper limit of the content of carbon black, graphite, and fibrous carbon is determined as 2 parts by mass, 2 parts by mass, and 1 part by mass, respectively, with respect to 100 parts by mass of the negative electrode already formed active material.

この発明では、鉛蓄電池のアイドリングストップ寿命性能を向上させると共に、初期放電容量を実用的な範囲に保つことができる。   According to the present invention, the idling stop life performance of the lead storage battery can be improved and the initial discharge capacity can be kept within a practical range.

負極既化成活物質でのグラファイト含有量を0.5質量部に、繊維状カーボン含有量を0.2質量部に固定し、電解液でのアルミニウムイオン含有量とリチウムイオン含有量とを共に0.1mol/Lに固定し、負極既化成活物質でのカーボンブラック含有量を変化させた際の特性図The negative electrode pre-formed active material has a graphite content of 0.5 parts by mass and a fibrous carbon content of 0.2 parts by mass, and the aluminum ion content and lithium ion content in the electrolyte solution are both 0.1 mol / L. Figure of characteristics when fixing and changing the carbon black content in the anode active material 負極既化成活物質でのカーボンブラック含有量を0.5質量部に、繊維状カーボン含有量を0.2質量部に固定し、電解液でのアルミニウムイオン含有量とリチウムイオン含有量とを共に0.1mol/Lに固定し、負極既化成活物質でのグラファイト含有量を変化させた際の特性図The carbon black content in the negative electrode active material is fixed at 0.5 parts by mass, the fibrous carbon content is fixed at 0.2 parts by mass, and both the aluminum ion content and lithium ion content in the electrolyte solution are 0.1 mol / L. Fig. 5 is a characteristic diagram when the graphite content in the anode active material is changed. 負極既化成活物質でのカーボンブラック含有量とグラファイト含有量を共に0.5質量部に固定し、電解液でのアルミニウムイオン含有量とリチウムイオン含有量とを共に0.1mol/Lに固定し、負極既化成活物質での繊維状カーボン含有量を変化させた際の特性図Both the carbon black content and the graphite content in the negative electrode active material are fixed at 0.5 parts by mass, and the aluminum ion content and the lithium ion content in the electrolyte solution are both fixed at 0.1 mol / L. Figure of characteristics when changing the content of fibrous carbon in the chemical conversion material 負極既化成活物質でのカーボンブラック含有量とグラファイト含有量を共に0.5質量部に、繊維状カーボン含有量を0.2質量部に固定し、電解液でのリチウムイオン含有量を0.1mol/Lに固定し、電解液でのアルミニウムイオン含有量を変化させた際の特性図The carbon black content and graphite content in the negative electrode active material are fixed at 0.5 parts by mass, the fibrous carbon content is fixed at 0.2 parts by mass, and the lithium ion content in the electrolyte is fixed at 0.1 mol / L. Figure of characteristics when changing the aluminum ion content in the electrolyte 負極既化成活物質でのカーボンブラック含有量とグラファイト含有量を共に0.5質量部に、繊維状カーボン含有量を0.2質量部に固定し、電解液でのアルミニウムイオン含有量を0.1mol/Lに固定し、電解液でのリチウムイオン含有量を変化させた際の特性図The carbon black content and graphite content in the negative electrode active material are fixed at 0.5 parts by mass, the fibrous carbon content is fixed at 0.2 parts by mass, and the aluminum ion content in the electrolyte is fixed at 0.1 mol / L. Figure of characteristics when changing the lithium ion content in the electrolyte

以下に、本願発明の最適実施例を示す。本願発明の実施に際しては、当業者の常識及び先行技術に従い、特許請求の範囲内で実施例を適宜に変更できる。   Hereinafter, an optimum embodiment of the present invention will be described. In carrying out the present invention, the embodiments can be appropriately changed within the scope of the claims in accordance with common sense and prior art of those skilled in the art.

鉛蓄電池の製造
JIS D 5301に準拠した、55B24形鉛蓄電池を製造した。公称電圧12V、5時間率定格容量は36Ahである。正極格子材料として、0.07質量部のCaと1.5質量部のSnと不可避不純物とを含み、残余がPbであるスラブを圧延してシートとした。次いでロータリエキスパンド法により、高さが115mm、幅が100mm、厚さが1.3mmの正極格子を作製した。正極格子のサイズ、組成等は任意で、ロータリエキスパンド法に代えて、レシプロエキスパンド法、打ち抜き法、ブックモールド法等で正極格子を作製しても良く、この点は負極格子も同様である。
Manufacture of lead-acid batteries
A 55B24 type lead-acid battery compliant with JIS D 5301 was manufactured. The nominal voltage is 12V, and the 5 hour rate rated capacity is 36Ah. As a positive electrode lattice material, a slab containing 0.07 parts by mass of Ca, 1.5 parts by mass of Sn, and unavoidable impurities, and the remainder being Pb was rolled into a sheet. Next, a positive electrode grid having a height of 115 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 1.3 mm was produced by a rotary expanding method. The size, composition, and the like of the positive electrode lattice are arbitrary, and the positive electrode lattice may be produced by a reciprocal expanding method, a punching method, a book mold method, or the like instead of the rotary expanding method, and this also applies to the negative electrode lattice.

負極格子として、0.09質量部のCaと0.35質量部のSnと不可避不純物とを含み、残余がPbであるスラブを圧延してシートとした。次いで、ロータリエキスパンド法により、高さが115mm、幅が100mm、厚さが1mmの負極格子を作製した。   As a negative electrode lattice, a slab containing 0.09 parts by mass of Ca, 0.35 parts by mass of Sn, and unavoidable impurities, with the balance being Pb, was rolled into a sheet. Next, a negative electrode grid having a height of 115 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 1 mm was produced by a rotary expanding method.

正極活物質ペーストは、ボールミル法で作製した鉛粉100質量部に対して、補強材となるアクリル繊維を0.1質量部加え、水13質量部と20℃で比重1.40の希硫酸6質量部で混練したものである。なお鉛粉はボールミル法に限らず、バートン法等によるものでも良い。補強材はアクリル繊維に限らず任意であり、補強材を添加しなくても良く、鉛粉は鉛と酸化鉛の混合物である。   The positive electrode active material paste is 0.1 parts by weight of acrylic fiber that serves as a reinforcing material for 100 parts by weight of lead powder produced by the ball mill method, and kneaded with 13 parts by weight of water and 6 parts by weight of diluted sulfuric acid with a specific gravity of 1.40 at 20 ° C. It is a thing. The lead powder is not limited to the ball mill method, but may be a Barton method. The reinforcing material is not limited to acrylic fiber, and any reinforcing material may be added. Lead powder is a mixture of lead and lead oxide.

負極活物質ペーストは、ボールミル法で作製した鉛粉に、カーボンブラックとグラファイト、繊維状カーボンを各々、負極既化成活物質100質量部に対して表1に示す量になるように加えると共に、リグニン0.2質量部、硫酸バリウム0.6質量部と0.1質量部のアクリル繊維を加え、水11質量部と20℃で比重1.40の希硫酸7質量部で混練したものである。鉛粉はボールミル法に限らず、バートン法等によるものでも良い。リグニン、硫酸バリウム、アクリル繊維の添加量は任意である。   The negative electrode active material paste is prepared by adding carbon black, graphite, and fibrous carbon to lead powder produced by a ball mill method so that the amount shown in Table 1 is 100 mass parts of the negative electrode pre-formed active material. 0.2 parts by mass, 0.6 parts by mass of barium sulfate and 0.1 parts by mass of acrylic fiber were added and kneaded with 11 parts by mass of water and 7 parts by mass of dilute sulfuric acid having a specific gravity of 1.40 at 20 ° C. The lead powder is not limited to the ball mill method, but may be a Barton method. The addition amount of lignin, barium sulfate, and acrylic fiber is arbitrary.

用いたカーボンブラックはアセチレンブラックで、BET法で窒素ガスを吸着させた際の比表面積(以下同様)が70m/gであり、遠心沈降法により測定した平均粒子径が40nmである。遠心沈降法では、イソブタノールを分散媒とし、プロペラ攪拌機にて撹拌した後に市販の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、粒子体積基準における50%粒子径(メジアン径)を平均粒子径とした。膨張黒鉛の平均2次粒子径も同様にして測定した。カーボンブラックの比表面積を30m/g以上、1000m/g以下とし、平均粒子径を10nm以上100nm以下とすると、効果は変わらない。またアセチレンブラックに代えて、同等の比表面積と同等の平均粒子径のファーネスブラック、チャンネルブラックなどでも良く、カーボンブラックの意義は高導電性の微細で化学的に安定な粉体である点に有る。グラファイトは、希硫酸電解液に接触するため、予めグラファイトを硫酸で処理した膨張黒鉛を用いたが、膨張黒鉛に限らず、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれでも良く、粒子の形状は球状、鱗片状、鱗状など任意である。用いた膨張黒鉛は、BET法で窒素ガスを吸着させた際の比表面積が20m/g、遠心沈降法により測定した平均2次粒子径が45μmである。膨張黒鉛に限らず、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイトは、比表面積が0.5m/g以上50m/g以下、平均2次粒子径が10μm以上500μm以下で有れば、効果は変わらない。 The carbon black used was acetylene black, the specific surface area when nitrogen gas was adsorbed by the BET method (hereinafter the same) was 70 m 2 / g, and the average particle size measured by the centrifugal sedimentation method was 40 nm. In the centrifugal sedimentation method, isobutanol is used as a dispersion medium, and after stirring with a propeller stirrer, the particle size distribution is measured with a commercially available particle size distribution measuring device, and the 50% particle diameter (median diameter) based on the particle volume is defined as the average particle diameter. . The average secondary particle size of expanded graphite was measured in the same manner. When the specific surface area of carbon black is 30 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less and the average particle diameter is 10 nm or more and 100 nm or less, the effect is not changed. Also, in place of acetylene black, furnace black, channel black, etc. having the same specific surface area and the same average particle diameter may be used, and the significance of carbon black is that it is a highly conductive fine and chemically stable powder. . Because graphite is in contact with dilute sulfuric acid electrolyte, expanded graphite obtained by treating graphite with sulfuric acid in advance was used. However, not only expanded graphite but also natural graphite or artificial graphite may be used. , Scales, etc. are optional. The expanded graphite used has a specific surface area of 20 m 2 / g when nitrogen gas is adsorbed by the BET method and an average secondary particle diameter measured by the centrifugal sedimentation method of 45 μm. Not only expanded graphite, but graphite such as natural graphite and artificial graphite has the same effect as long as the specific surface area is 0.5 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less and the average secondary particle diameter is 10 μm or more and 500 μm or less. .

繊維状カーボンは、電子顕微鏡で観察した際の繊維の平均長が15μm、繊維の平均直径が150nmのものを用いた。繊維状カーボンは、繊維の平均長が2μm以上で50μm以下、繊維の平均直径が50nm以上で300nm以下であれば効果は変わらず、繊維状カーボンはグラファイト構造を持つ導電性の繊維である。繊維状カーボンは、平均直径がサブミクロンオーダーである点から、カーボンナノファイバーと呼ばれることがあり、炭素繊維に比べて直径、繊維長が共に小さく、カーボンナノチューブに比べ直径、長さが共に大きい。繊維状カーボンは、グラファイトとカーボンブラックの中間のサイズで、またカーボンブラックとの親和性が高いためその担体となり、カーボンブラックが電解液中へ流出することを防止する。カーボンブラック、繊維状カーボン、グラファイトにより、負極活物質内に導電性ネットワークを構成し、充電時の硫酸鉛の還元を容易にする。   Fibrous carbon having an average fiber length of 15 μm and an average fiber diameter of 150 nm when observed with an electron microscope was used. The effect of the fibrous carbon is not changed if the average length of the fibers is 2 μm or more and 50 μm or less, and the average diameter of the fibers is 50 nm or more and 300 nm or less. The fibrous carbon is a conductive fiber having a graphite structure. Fibrous carbon is sometimes referred to as carbon nanofiber because it has an average diameter on the order of submicrons, and is smaller in both diameter and fiber length than carbon fiber, and larger in both diameter and length than carbon nanotube. Fibrous carbon is an intermediate size between graphite and carbon black and has a high affinity with carbon black, so that it becomes a carrier and prevents the carbon black from flowing into the electrolyte. Carbon black, fibrous carbon, and graphite constitute a conductive network in the negative electrode active material, facilitating reduction of lead sulfate during charging.

正極格子1枚当たり正極活物質ペーストを55g充填し、負極格子1枚当たり負極活物質ペーストを52g充填し、各々50℃相対湿度50%で48時間熟成し、次いで50℃の乾燥雰囲気で24時間乾燥させ、未化成正極板及び負極板を得た。袋状のポリエチレンセパレータ内に未化成負極板を収納し、セパレータに収納した未化成負極板8枚と未化成正極板7枚とを交互に積層し、同極性の極板の耳を互いに溶接して、極板群とした。得られた極板群6個をポリプロピレンの電槽に収納して直列に接続するように溶接し、20℃で比重が1.230の希硫酸に表1に記載した量の硫酸アルミニウムと硫酸リチウムとを添加した電解液を注入し、25℃の水槽内で電槽化成を行い、55B24形の鉛蓄電池とした。アルミニウムイオン源とリチウムイオン源は任意で、例えば硫酸アルミニウム,硫酸リチウムの他に、炭酸リチウム,アルミン酸リチウム、水酸化アルミニウムと水酸化リチウムなどの形態で添加しても良い。   55g of positive electrode active material paste per positive electrode grid, 52g of negative electrode active material paste per negative electrode grid, each aged for 48 hours at 50 ° C and 50% relative humidity, then 24 hours in a dry atmosphere at 50 ° C It was made to dry and the unformed positive electrode plate and the negative electrode plate were obtained. A non-formed negative electrode plate is stored in a bag-shaped polyethylene separator, and eight unformed negative electrode plates and seven unformed positive electrode plates stored in the separator are alternately laminated, and the ears of the same polarity electrode plates are welded together. The electrode plate group was used. Six obtained electrode plate groups were accommodated in a polypropylene battery case and welded so that they were connected in series. At 20 ° C., the amounts of aluminum sulfate and lithium sulfate described in Table 1 were added to dilute sulfuric acid having a specific gravity of 1.230. The added electrolyte was poured, and a battery case was formed in a water bath at 25 ° C. to obtain a 55B24 type lead acid battery. An aluminum ion source and a lithium ion source are optional, and for example, in addition to aluminum sulfate and lithium sulfate, lithium carbonate, lithium aluminate, aluminum hydroxide and lithium hydroxide may be added.

試験法
各組成の鉛蓄電池に対し、5時間率容量試験(JIS D 5301:2006の9.5.2b))を行い、初期放電容量を求めた、また各組成の鉛蓄電池に対し、アイドリングストップ寿命試験(電池工業会規格SBA S 0101: 2006の9.4.5)を行い、アイドリングストップ寿命性能(SBA-IS寿命性能)を求め、低温ハイレート放電試験(JIS D 5301:2006の9.5.3b))を行い、高率放電性能を求めた。表1に結果を示し、カーボンブラックの含有量を変えた際の結果を図1に、グラファイトの含有量を変えた際の結果を図2に、繊維状カーボンの含有量を変えた際の結果を図3に示す。また電解液中のアルミニウムイオン濃度の影響を図4に、リチウムイオン濃度の影響を図5に示す。図1〜図5のデータは、表1のデータを再掲したものである。結果は各3個の蓄電池での平均を示し、負極既化成活物質100質量部に対し、カーボンブラックを0.5質量部含み、グラファイト、繊維状カーボン、アルミニウムイオン、リチウムイオンのいずれも含まない、試料1の結果を100として相対値で示す。なお以下、カーボンブラック等の含有量を示す際に、負極既化成活物質100質量部を基準とする値であることを省略して示す。
Test method 5 hour rate capacity test (JIS D 5301: 2006 9.5.2b)) was conducted for lead storage batteries of each composition, and initial discharge capacity was obtained. Idling stop life test for lead storage batteries of each composition (Battery Manufacturers Association Standard SBA S 0101: 2006 9.4.5) to obtain idling stop life performance (SBA-IS life performance) and low temperature high-rate discharge test (JIS D 5301: 2006 9.5.3b)) The high rate discharge performance was determined. The results are shown in Table 1, the results when the carbon black content is changed are shown in FIG. 1, the results when the graphite content is changed are shown in FIG. 2, and the results when the fibrous carbon content is changed. Is shown in FIG. FIG. 4 shows the influence of the aluminum ion concentration in the electrolytic solution, and FIG. 5 shows the influence of the lithium ion concentration. The data in FIGS. 1 to 5 is a reprint of the data in Table 1. The result shows an average of three storage batteries, and contains 0.5 parts by mass of carbon black and 100 parts by mass of the negative electrode pre-formed active material, and does not contain graphite, fibrous carbon, aluminum ions, or lithium ions. The result of 1 is shown as a relative value with 100 as the value. In the following, when the content of carbon black or the like is shown, the value based on 100 parts by mass of the negative electrode already formed active material is omitted.

結果
初期放電容量について、実用的な許容値は95以上、アイドリングストップ寿命性能(SBA-IS寿命性能)は120以上、高率放電性能の実用的な許容値は95以上である。アルミニウムイオンとリチウムイオンのいずれも含まない試料では、カーボンブラックとグラファイトと繊維状カーボンの3者を共に含有させることにより、SBA-IS寿命性能を目標値近くまで向上させることができた。この系で電解液中に、例えば0.1mol/Lのアルミニウムイオンを含有させることにより、SBA-IS寿命性能は目標値に達するが、高率放電性能が低下した。それに対して、カーボンブラックとグラファイトと繊維状カーボンの3者を負極活物質に含有させ、アルミニウムイオンとリチウムイオンを電解液に含有させると、初期放電容量とSBA-IS寿命性能と高率放電性能とを満足する鉛蓄電池が得られた(試料8)。なお繊維状カーボンを含まない場合、SBA-IS試験後に、電解液中へのカーボンブラックの流出が見られた。
Results Regarding the initial discharge capacity, the practical tolerance is 95 or more, the idling stop life performance (SBA-IS life performance) is 120 or more, and the practical tolerance of high rate discharge performance is 95 or more. In the sample containing neither aluminum ion nor lithium ion, the SBA-IS life performance could be improved to near the target value by including carbon black, graphite, and fibrous carbon together. By including, for example, 0.1 mol / L of aluminum ions in the electrolyte solution in this system, the SBA-IS life performance reached the target value, but the high rate discharge performance decreased. In contrast, when carbon black, graphite, and fibrous carbon are included in the negative electrode active material, and aluminum ions and lithium ions are included in the electrolyte, initial discharge capacity, SBA-IS life performance, and high rate discharge performance. A lead storage battery satisfying the above was obtained (Sample 8). When fibrous carbon was not included, carbon black flowed out into the electrolyte after the SBA-IS test.

図1はカーボンブラック含有量の影響を、図2はグラファイト含有量の影響を、図3は繊維状カーボン含有量の影響を示し、これらの図では、他の添加物の含有量は最適量付近に固定してある。図1〜図3から以下のことが明らかである。
・ カーボンブラック、グラファイト、繊維状カーボンのいずれを欠いても、SBA-IS寿命性能は目標値に達しない。
・ カーボンブラック及びグラファイトでは、含有量が0と0.1質量部とで、SBA-IS寿命性能は著しく異なる。
・ 繊維状カーボンでは、含有量が0と0.05質量部とで、SBA-IS寿命性能は著しく異なる。
・ カーボンブラック、グラファイト、繊維状カーボンのいずれの場合も、含有量を不必要に増すと、初期放電容量が低下する。
・ カーボンブラック及びグラファイトでは高率放電性能への影響は小さいが、繊維状カーボンを多量に、特に1質量部超含有させると、高率放電性能が著しく低下する。
Fig. 1 shows the effect of carbon black content, Fig. 2 shows the effect of graphite content, and Fig. 3 shows the effect of fibrous carbon content. In these figures, the content of other additives is near the optimum amount. It is fixed to. The following is clear from FIGS.
・ SBA-IS life performance does not reach the target value even if carbon black, graphite, or fibrous carbon is missing.
-Carbon black and graphite have significantly different SBA-IS life performance at 0 and 0.1 parts by mass.
-In the case of fibrous carbon, the SBA-IS life performance is remarkably different between 0 and 0.05 parts by mass.
-In any case of carbon black, graphite, and fibrous carbon, if the content is increased unnecessarily, the initial discharge capacity decreases.
-Carbon black and graphite have a small effect on high rate discharge performance, but if high amounts of fibrous carbon are contained, especially more than 1 part by mass, the high rate discharge performance is significantly reduced.

図4は電解液中のアルミニウムイオン濃度の影響を、図5は電解液中のリチウムイオン濃度の影響を示し、負極既化成活物質中でのカーボンブラック、グラファイト及び繊維状カーボンの含有量は最適値付近に固定してある。図4,図5から以下のことが明らかである。
・ SBA-IS寿命性能を目標値に達させるためには、アルミニウムイオンが不可欠である。・ アルミニウムイオンは高率放電性能に悪影響を与え、特に0.2mol/L超で悪影響が著しい。なお0.2mol/Lまでは高率放電性能へのアルミニウムイオンの影響は小さい。
・ リチウムイオンは高率放電性能を向上させ、高率放電性能を向上させる添加物は実験した範囲ではリチウムイオンのみである。しかし0.2mol/L超のリチウムイオンを含有すると、SBA-IS寿命性能が低下する。
FIG. 4 shows the effect of the aluminum ion concentration in the electrolytic solution, and FIG. 5 shows the effect of the lithium ion concentration in the electrolytic solution. The contents of carbon black, graphite and fibrous carbon in the negative electrode active material are optimum. It is fixed near the value. The following is clear from FIGS.
・ Aluminum ions are indispensable for achieving the target SBA-IS life.・ Aluminum ions have an adverse effect on high rate discharge performance, especially at over 0.2 mol / L. Up to 0.2 mol / L, the influence of aluminum ions on the high rate discharge performance is small.
-Lithium ions improve high rate discharge performance, and the additive that improves high rate discharge performance is only lithium ions within the experimental range. However, when lithium ions exceeding 0.2 mol / L are contained, the SBA-IS life performance decreases.

また図1〜図5から最適含有量は、カーボンブラックが0.5質量部以上で1.5質量部以下、グラファイトが0.5質量部以上で1.5質量部以下、繊維状カーボンが0.2質量部以上で0.75質量部以下、アルミニウムイオンとリチウムイオンとが各0.05mol/L以上で0.2mol/L以下であることが分かる。ただし高率放電性能を重視しないのであれば、リチウムイオンを含有させる必要はない。   1 to 5, the optimum content is 0.5 to 1.5 parts by mass for carbon black, 0.5 to 1.5 parts by mass for graphite, and 0.2 to 0.75 parts by mass for fibrous carbon. It can be seen that aluminum ions and lithium ions are 0.05 mol / L or more and 0.2 mol / L or less, respectively. However, if high-rate discharge performance is not important, it is not necessary to contain lithium ions.

Figure 0005769096
Figure 0005769096

Claims (2)

正極格子と正極電極材料とから成る正極板と、負極格子と負極電極材料とから成る負極板と、正極板と負極板とが浸されている希硫酸系電解液とから成る鉛蓄電池において、
前記電解液が0.02mol/L以上で0.2mol/L以下のアルミニウムイオンを含有し、
前記負極電極材料は、負極既化成活物質100質量部に対し、カーボンブラックを0.1質量部以上で2質量部以下、グラファイトを0.1質量部以上で2質量部以下、繊維状カーボンを0.05質量部以上で1質量部以下含有することを特徴とする、鉛蓄電池。
In a lead storage battery comprising a positive electrode plate made of a positive electrode lattice and a positive electrode material, a negative electrode plate made of a negative electrode lattice and a negative electrode material, and a dilute sulfuric acid electrolyte in which the positive electrode plate and the negative electrode plate are immersed,
The electrolyte contains 0.02 mol / L or more and 0.2 mol / L or less of aluminum ions,
The negative electrode material is 0.1 part by mass or more and 2 parts by mass or less of carbon black, 0.1 part by mass or more and 2 parts by mass or less of graphite, and 0.05 part by mass or more of fibrous carbon with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. Lead acid battery, characterized by containing 1 part by mass or less.
前記電解液のリチウムイオン濃度が0.02mol/L未満であることを特徴とする、請求項1の鉛蓄電池。   The lead acid battery according to claim 1, wherein a lithium ion concentration of the electrolytic solution is less than 0.02 mol / L.
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