JP6551012B2 - Negative electrode for lead acid battery and lead acid battery - Google Patents
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Description
本発明は、鉛蓄電池に関し、特にアイドリング・ストップ・システムを有する車両に搭載される鉛蓄電池用負極に関する。 The present invention relates to a lead storage battery, and more particularly to a negative electrode for a lead storage battery mounted on a vehicle having an idling stop system.
鉛蓄電池は、安価で、電池電圧が比較的高く、大電力が得られるため、自動車用のセルスターターの他、様々な用途で使用されている。鉛蓄電池は、正極活物質として二酸化鉛を含む正極と、負極活物質として鉛を含む負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、硫酸水溶液を含む電解液とを含む。正極および負極は、活物質を付着させるための格子状の集電体を含んでいる。 Lead-acid batteries are used in various applications in addition to cell starters for automobiles because lead-acid batteries are inexpensive, have relatively high battery voltage, and can obtain high power. The lead acid battery includes a positive electrode containing lead dioxide as a positive electrode active material, a negative electrode containing lead as a negative electrode active material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte containing an aqueous sulfuric acid solution. The positive electrode and the negative electrode include a grid-like current collector for attaching an active material.
鉛蓄電池の劣化が進行すると、負極の導電性が低下するとともに、負極の充電受入性が低下する傾向がある。一方、負極の導電性を向上させる観点から、集電体の表面に凹凸を設け、負極活物質と集電体との密着性を向上させたり(特許文献1、2参照)、負極活物質にカーボンブラックを添加したりすることが提案されている(特許文献3参照)。 As the deterioration of the lead storage battery proceeds, the conductivity of the negative electrode decreases and the charge acceptance of the negative electrode tends to decrease. On the other hand, from the viewpoint of improving the conductivity of the negative electrode, unevenness is provided on the surface of the current collector to improve the adhesion between the negative electrode active material and the current collector (see Patent Documents 1 and 2). It has been proposed to add carbon black (see Patent Document 3).
近年では、環境対応車として、アイドリング・ストップ・システム(ISS)搭載車の普及が進んでいる。ISS搭載車で使用される鉛蓄電池は、頻繁にエンジン停止状態に晒されるため、充電状態(SOC:state of charge)が90〜70%程度の中途充電状態で使用されることが多い。この点で、ISS搭載車で使用される鉛蓄電池には、常にほぼ満充電状態で使用される従来の始動用の鉛蓄電池とは異なる性能が要求される。 In recent years, idling-stop system (ISS) equipped vehicles have been spreading as environmentally friendly vehicles. Since lead storage batteries used in ISS-equipped vehicles are frequently exposed to an engine stop state, the state of charge (SOC) is often used in an intermediate charge state of about 90 to 70%. In this respect, the lead storage battery used in an ISS-equipped vehicle is required to have a performance different from that of a conventional start-up lead storage battery that is always used in a fully charged state.
中途充電状態で電池が使用され続けると、負極活物質のサルフェーションが進行し、負極の導電性が低下する。本発明者らは、このサルフェーションが、負極内の集電体(格子体)、活物質および電解液の三者が存在する3相界面を起点に進行することを解明している。 If the battery continues to be used in the mid-charge state, sulfation of the negative electrode active material proceeds, and the conductivity of the negative electrode decreases. The present inventors have elucidated that this sulfation proceeds from the three-phase interface where the current collector (grid body) in the negative electrode, the active material and the electrolyte exist.
上記に鑑み、本発明の一局面は、負極合剤と、前記負極合剤を担持する表面を有する負極格子と、を含み、前記負極合剤が、鉛を含む負極活物質と、カーボンブラックと、を含み、前記負極合剤に含まれる前記カーボンブラックの量が、前記負極活物質100質量部に対し、0.05質量部以上、2質量部以下であり、前記負極格子の前記表面の少なくとも一部の表面粗さRzが、70μm以上である、鉛蓄電池用負極に関する。ここで、表面粗さRzは、JIS B 0601-1994における十点平均粗さを意味する。 In view of the above, one aspect of the present invention includes a negative electrode mixture and a negative electrode grid having a surface supporting the negative electrode mixture, the negative electrode mixture including a negative electrode active material containing lead, and carbon black And the amount of the carbon black contained in the negative electrode mixture is 0.05 parts by mass or more and 2 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material, and at least the surface of the negative electrode grid A part of the surface roughness Rz relates to a negative electrode for a lead storage battery, which is 70 μm or more. Here, the surface roughness Rz means a ten-point average roughness in JIS B 0601-1994.
本発明の別の局面は、上記の鉛蓄電池用負極と、正極と、前記負極および前記正極の間に介在するセパレータと、硫酸水溶液を含む電解液と、を含む、鉛蓄電池に関する。 Another aspect of the present invention relates to a lead-acid battery including the negative electrode for a lead-acid battery, a positive electrode, a separator interposed between the negative electrode and the positive electrode, and an electrolytic solution containing an aqueous sulfuric acid solution.
本発明によれば、負極のサルフェーションが抑制されるため、鉛蓄電池をISS搭載車で使用する場合に、鉛蓄電池の寿命特性が向上する。 According to the present invention, since sulfation of the negative electrode is suppressed, the life characteristics of the lead storage battery are improved when the lead storage battery is used in an ISS-equipped vehicle.
本発明に係る鉛蓄電池用負極は、負極合剤と、負極合剤を担持する表面を有する負極格子とを含み、負極合剤は、鉛を含む負極活物質と、カーボンブラックとを含む。ただし、負極合剤に含まれるカーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対し、0.05質量部以上、2質量部以下であり、負極格子の負極合剤を担持する表面の少なくとも一部の表面粗さRz(以下、合剤担持表面のRzともいう)は、70μm以上である。負極活物質が所定量のカーボンブラックを含むとともに、合剤担持表面のRzを70μm以上にすることで、3相界面における反応抵抗が低減し、3相界面でのサルフェーションの進行が抑制され、寿命特性が顕著に向上する。 The negative electrode for a lead storage battery according to the present invention includes a negative electrode mixture and a negative electrode grid having a surface supporting the negative electrode mixture, and the negative electrode mixture includes a negative electrode active material containing lead and carbon black. However, the amount of carbon black contained in the negative electrode mixture is 0.05 parts by mass or more and 2 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material, and at least one of the surfaces supporting the negative electrode mixture of the negative electrode grid. The surface roughness Rz of the part (hereinafter also referred to as Rz of the mixture-supporting surface) is 70 μm or more. The negative electrode active material contains a predetermined amount of carbon black, and the Rz on the surface of the mixture support is set to 70 μm or more, thereby reducing the reaction resistance at the three-phase interface, suppressing the progress of sulfation at the three-phase interface, The characteristics are remarkably improved.
負極格子の負極合剤を担持する表面が一定以上に粗面化され、かつ負極合剤中に必要十分量のカーボンブラックが分散されていることで、カーボンブラックが負極格子の微小な凹凸もしくはピットに入り込みやすくなり、アンカー効果が発現するものと考えられる。これにより、負極格子界面におけるカーボンブラックの接触面積が大幅に増加し、中途充電状態における反応抵抗が顕著に低減するものと考えられる。 The surface of the negative electrode grid carrying the negative electrode mixture is roughened to a certain level or more, and the carbon black is dispersed in the negative electrode mixture in a necessary and sufficient amount, so that the carbon black has minute irregularities or pits on the negative electrode grid. It is thought that the anchor effect is developed. Thereby, it is considered that the contact area of carbon black at the negative electrode lattice interface is greatly increased, and the reaction resistance in the mid-charge state is significantly reduced.
負極の導電性を向上させる観点からは、負極合剤中に分散させるカーボンブラック量は多いほど望ましいと考えられる。ところが、合剤担持表面のRzが70μm以上である場合、カーボンブラック量は、負極活物質100質量部に対して2質量部以下で十分である。カーボンブラック量が、負極活物質100質量部に対し、2質量部を超えると、却って寿命特性の向上幅が小さくなる。また、負極の水素発生過電圧が低下し、電解液の分解が促進される傾向がある。 From the viewpoint of improving the conductivity of the negative electrode, it is considered that the larger the amount of carbon black dispersed in the negative electrode mixture, the more desirable. However, when Rz of the mixture-supporting surface is 70 μm or more, the amount of carbon black is 2 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of carbon black exceeds 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material, the improvement width of the life characteristics is rather reduced. In addition, the hydrogen generation overvoltage of the negative electrode is lowered, and the decomposition of the electrolytic solution tends to be promoted.
カーボンブラックによるアンカー効果を十分に高める観点から、カーボンブラックの量は、負極活物質100質量部に対し、0.05質量部以上であることが望ましく、0.1質量部以上であることがより望ましく、0.3質量部以上であることが更に望ましい。また、寿命特性の向上幅を大きくする観点からは、1質量部以下であることが望ましく、0.9質量部以下であることがより望ましく、0.5質量部以下であることが更に望ましい。以上より、負極合剤に含まれるカーボンブラック量の特に好ましい範囲は、負極活物質100質量部に対し、例えば0.1質量部〜0.9質量部もしくは0.1質量部〜0.5質量部である。 From the viewpoint of sufficiently enhancing the anchor effect of carbon black, the amount of carbon black is desirably 0.05 parts by mass or more and more preferably 0.1 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. Desirably, the amount is more preferably 0.3 parts by mass or more. In addition, from the viewpoint of increasing the width of improvement of the life characteristics, the amount is preferably 1 part by mass or less, more preferably 0.9 parts by mass or less, and still more preferably 0.5 parts by mass or less. From the above, the particularly preferable range of the amount of carbon black contained in the negative electrode mixture is, for example, 0.1 part by mass to 0.9 part by mass or 0.1 part by mass to 0.5 part by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is a department.
合剤担持表面のRzは、70μm以上であればよいが、80μm以上であることが望ましく、100μm以上であることがより望ましく、150μm以上であることが更に望ましい。ただし、表面粗さが大きくなり過ぎると、負極格子の機械的強度が低下することがある。よって、合剤担持表面のRzは300μm以下であることが望ましく、200μm以下であることがより好ましい。以上より、合剤担持表面のRzの特に好ましい範囲は、例えば70μm〜300μmもしくは80μm〜200μmである。 Rz on the mixture carrying surface may be 70 μm or more, but is preferably 80 μm or more, more preferably 100 μm or more, and further preferably 150 μm or more. However, if the surface roughness becomes too large, the mechanical strength of the negative electrode grid may be lowered. Therefore, the Rz of the mixture-supporting surface is desirably 300 μm or less, and more preferably 200 μm or less. From the above, the particularly preferable range of Rz of the mixture-supporting surface is, for example, 70 μm to 300 μm or 80 μm to 200 μm.
負極格子は、負極合剤を担持する表面の少なくとも一部の表面粗さRzが70μm以上となるように粗面化されていればよい。例えば、硫酸濃度の高い電解液に浸漬され得る領域を選択的に粗面化してもよい。液面から遠くなるほど、電解液の硫酸濃度が高くなり、サルフェーションが進行しやすいため、負極格子の液面から遠くに配置される領域だけを選択的に粗面化してもよい。ただし、負極合剤を担持する表面の一部だけを粗面化する場合でも、負極合剤を担持する表面の30%以上、更には50%以上の表面粗さRzを70μm以上にすることが好ましい。 The negative electrode grid may be roughened such that the surface roughness Rz of at least a part of the surface supporting the negative electrode mixture is 70 μm or more. For example, a region that can be immersed in an electrolytic solution having a high sulfuric acid concentration may be selectively roughened. As the concentration of sulfuric acid in the electrolytic solution increases with distance from the liquid surface and sulfation easily proceeds, only the region located far from the liquid surface of the negative electrode grid may be selectively roughened. However, even when roughening only a part of the surface supporting the negative electrode mixture, the surface roughness Rz of 30% or more, and further 50% or more of the surface supporting the negative electrode mixture may be 70 μm or more. preferable.
負極格子が、負極合剤を有さない露出部を有し、露出部が負極棚と接続するための耳を有する場合、耳から遠い領域だけを粗面化してもよい。具体的には、負極格子の負極合剤を担持する表面を、耳寄りの第1領域と、それ以外の第2領域とに二分割するとき、第1領域における表面粗さRzの平均値(Rz1)を、第2領域における表面粗さRzの平均値(Rz2)より小さくしてもよい。このとき、第1領域と第2領域との境界は、鉛蓄電池における液面と平行になるように設定すればよい。また、境界は、第1領域に担持されている負極合剤量と第2領域に担持されている負極合剤量とが同じになるように設定すればよい。 If the negative electrode grid has an exposed portion not having a negative electrode mixture and the exposed portion has an ear for connecting to the negative electrode shelf, only the area far from the ear may be roughened. Specifically, when the surface carrying the negative electrode mixture of the negative electrode grid is divided into a first region closer to the ear and a second region other than that, the average value of the surface roughness Rz in the first region (Rz 1 ) May be smaller than the average value (Rz2) of the surface roughness Rz in the second region. At this time, the boundary between the first region and the second region may be set to be parallel to the liquid level in the lead storage battery. Further, the boundary may be set so that the negative electrode mixture amount carried in the first region is the same as the negative electrode mixture amount carried in the second region.
表面粗さの平均値Rz1は、例えば、第1領域をそれぞれ表面粗さR1(i)(iは1からnの整数)を有するn個の等面積の領域に分割するとき、下記式(1)で表される。同様に、表面粗さの平均値Rz2は、例えば、第2領域をそれぞれ表面粗さR2(i)(iは1からnの整数)を有するn個の等面積の領域に分割するとき、下記式(2)で表される。ΣR1(i)は、第1領域を構成するn個の領域の表面粗さの和であり、ΣR2(i)は、第2領域を構成するn個の領域の表面粗さの和である。なお、平均値Rz1およびRz2を算出するとき、nは3以上であることが望ましい。また、R1(i)およびR2(i)は、分割された各領域の中心付近で測定すればよい。
Rz1=(ΣR1(i))/n ・・・(1)
Rz2=(ΣR2(i))/n ・・・(2)
The average value Rz1 of the surface roughness is expressed by, for example, the following formula (1) when dividing the first region into n equal area regions each having a surface roughness R1 (i) (i is an integer from 1 to n). It is represented by). Similarly, the average value Rz2 of the surface roughness is, for example, when the second region is divided into n equal area regions each having the surface roughness R2 (i) (i is an integer from 1 to n). It is expressed by equation (2). ΣR1 (i) is the sum of the surface roughness of the n regions constituting the first region, and ΣR2 (i) is the sum of the surface roughness of the n regions constituting the second region. When calculating the average values Rz1 and Rz2, n is preferably 3 or more. Also, R1 (i) and R2 (i) may be measured near the center of each of the divided regions.
Rz1 = (ΣR1 (i)) / n (1)
Rz2 = (ΣR2 (i)) / n (2)
負極の局所的な劣化を抑制し、負極全体の反応性をできるだけ均一に維持する観点からは、Rz2/Rz1が1.4以上であることが望ましく、1.6以上であることがより望ましい。 From the viewpoint of suppressing local deterioration of the negative electrode and maintaining the reactivity of the entire negative electrode as uniformly as possible, Rz2 / Rz1 is preferably 1.4 or more, and more preferably 1.6 or more.
負極格子の形態は、特に限定されず、鋳造格子を用いてもよい。ただし、生産性に優れる点で、鉛合金シートをエキスパンド加工して得られるエキスパンド格子を用いることが好ましい。加工法は、特に限定されず、ロータリ式エキスパンド加工を採用してもよく、レシプロ式エキスパンド加工を採用してもよい。 The form of the negative electrode grid is not particularly limited, and a cast grid may be used. However, it is preferable to use an expanded lattice obtained by expanding a lead alloy sheet in terms of excellent productivity. The processing method is not particularly limited, and a rotary expand processing may be adopted, or a reciprocal expand processing may be adopted.
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態についてより詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る鉛蓄電池の一部切り欠き斜視図である。鉛蓄電池1は、極板群11と、図示しない電解液とを含み、これらは電槽12に収容されている。電槽12は、隔壁13により複数のセル室14に仕切られており、各セル室14には極板群11が1つずつ収納され、電解液も収容されている。極板群11は、複数枚の正極2および負極3を、セパレータ4を介して積層することにより構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a lead-acid battery according to an embodiment of the present invention. The lead storage battery 1 includes an electrode plate group 11 and an electrolyte (not shown), which are accommodated in a
電槽12の一方の端部に位置するセル室14では、複数の正極2の耳22を並列接続する正極棚6が、正極接続体8に接続されている。一方、複数の負極3の耳32を並列接続する負極棚5には、負極柱7が接続されている。電槽12の他方の端部に位置するセル室14では、正極棚6に正極柱が接続され、負極棚5に負極接続体が接続される。正極接続体8は、隔壁13に設けられた透孔を介して隣接するセル室14内の極板群11の負極棚5に連設された負極接続体と接続される。これにより、隣接するセル室14内の極板群11同士が直列に接続されている。
In the
各セル室14内において、正極棚6、負極棚5および極板群11の全体は、電解液に浸漬されている。電槽12の開口部には、正極端子16および負極端子17が設けられた蓋15が装着されている。蓋15に設けられた注液口には、電池内部で発生したガスを電池外に排出するための排気栓18が装着されている。
In each
(正極)
図2は、正極2の正面図である。正極2は、正極格子21と、正極格子21に担持された正極合剤24とを含む。正極格子21は、正極合剤24を保持するエキスパンド網目25と、エキスパンド網目25の上端部に設けられた枠骨23と、枠骨23に連接された耳22とを具備するエキスパンド格子である。正極2は、耳22を介して、正極棚6に接続され、正極棚6は、正極接続体8または正極柱と接続される。
(Positive electrode)
FIG. 2 is a front view of the
正極格子21は、後述の負極格子31と同様に、鉛合金シートをエキスパンド加工することにより得られる。正極格子21を構成する鉛合金は、カルシウム(Ca)および錫(Sn)を含むことが好ましい。鉛合金におけるカルシウム含有量は、例えば0.01〜0.1質量%である。鉛合金における錫含有量は、例えば0.05〜3質量%である。カルシウムは、主に鉛合金の機械的強度を向上させ、錫は、主に鉛合金の耐食性を向上させる。なお、鉛合金シートは、組成の異なる複数の鉛合金層を有してもよい。
The
正極活物質としては、酸化鉛(PbO2)が使用される。正極合剤は、正極活物質の他に、必要に応じて公知の添加剤を含んでもよい。 Lead oxide (PbO 2 ) is used as the positive electrode active material. The positive electrode mixture may contain known additives, as required, in addition to the positive electrode active material.
正極2は、正極格子に、正極合剤と分散媒とを含むペーストを充填または塗布し、更に化成処理することにより作製される。ペーストの分散媒には、硫酸および/または水などを用いることができる。
The
(負極)
図3は、負極3の正面図である。負極3は、負極格子31と、負極格子31に担持された負極合剤34とを含む。負極格子31は、エキスパンド網目35と、エキスパンド網目35の上端部に設けられた枠骨33と、枠骨33に連接された耳32とを具備するエキスパンド格子である。負極3は、耳32を介して、負極棚5に接続され、負極棚5は、負極柱7または負極接続体と接続される。負極合剤34は、エキスパンド網目35に担持される。枠骨33および耳32は、負極格子の露出部である。
(Negative electrode)
FIG. 3 is a front view of the
負極格子31は、鉛合金シートをエキスパンド加工することにより得られる。鉛合金シートは、例えば、鉛合金の溶湯を連続スラブ鋳造して得られる鉛合金スラブを圧延することにより得られる。
The
鉛合金スラブは、例えば、鉛合金の溶湯をホイール型の回転鋳型に供給し、鋳型とともに回転移動するスチールベルトと鋳型との間で溶湯を急冷することで製造される。鉛合金スラブの厚みは、例えば5〜20mm程度である。鉛合金スラブは、引き続き、多段圧延により圧延され、鉛合金シートとして回収される。鉛合金シートの厚みは、例えば0.5mm〜1.5mm程度である。 The lead alloy slab is manufactured, for example, by supplying a molten lead alloy to a wheel-type rotary mold and quenching the molten metal between a steel belt that rotates and moves together with the mold. The thickness of the lead alloy slab is, for example, about 5 to 20 mm. The lead alloy slab is subsequently rolled by multistage rolling and recovered as a lead alloy sheet. The thickness of the lead alloy sheet is, for example, about 0.5 mm to 1.5 mm.
次に、鉛合金シートをエキスパンド加工することで、負極格子(エキスパンド格子)が形成される。エキスパンド加工では、鉛合金シートに互いに平行な多数のスリットが千鳥状に入れられ、その後、切れ目が拡張される。これにより、鉛合金シートがメッシュ状に加工される。 Next, the lead alloy sheet is expanded to form a negative electrode grid (expanded grid). In the expansion process, a large number of slits parallel to each other are formed in a zigzag in the lead alloy sheet, and then the cut is expanded. Thereby, a lead alloy sheet is processed into a mesh shape.
次に、負極格子のうち、負極合剤を担持する領域(すなわちエキスパンド網目35)の表面に粗面化が施される。通常、エキスパンド格子は、複数回の圧延が施された鉛合金シートを加工することで製造されるため、表面が平滑である。よって、エキスパンド加工の前または後で、エキスパンド網目35に対して、積極的に粗面化が行われる。
Next, roughening is performed on the surface of the region carrying the negative electrode mixture (that is, the expanded mesh 35) in the negative electrode lattice. In general, an expanded grid is manufactured by processing a lead alloy sheet subjected to multiple rolling, so that the surface is smooth. Therefore, the surface of the expanded
粗面化の方法は、特に限定されない。例えば、ブラスト法、ロールブラッシング法、メッキ法、エッチング法、などが挙げられる。これらの中では、ブラスト法およびロールブラッシング法が、低コストで実施でき、生産性に優れる点で好ましい。ブラスト法は、粉末状の研磨材をエキスパンド網目に高速度で吹き付け、エキスパンド網目の骨格の表面を磨耗させることで粗面化する方法である。ロールブラッシング法は、回転するワイヤーブラシをエキスパンド網目に押し付け、骨格の表面にすじ溝を形成して粗面化する方法である。 The surface roughening method is not particularly limited. For example, a blast method, a roll brushing method, a plating method, an etching method, and the like can be given. Among these, the blast method and the roll brushing method are preferable because they can be implemented at low cost and are excellent in productivity. The blast method is a method of blasting a powdery abrasive onto the expanded network at a high speed to abrade the surface of the expanded network by roughening. The roll brushing method is a method in which a rotating wire brush is pressed into an expanded mesh to form a streak groove on the surface of the skeleton to roughen the surface.
エキスパンド網目35は、その少なくとも一部の表面粗さRzが70μm以上となるように粗面化されていればよい。すなわち、粗面化は、エキスパンド網目35の骨格全体の表面に対して行ってもよく、骨格の一部の表面に選択的に行ってもよい。これにより、粗面化の手間を省略し、製造コストを低減することができる。
The expanded
負極全体の反応性を均一に維持する観点からは、硫酸濃度の高い電解液と接触することが予定される領域だけに、選択的に粗面化を行うことが好ましい。例えば、図3に示すように、略矩形の負極格子のエキスパンド網目35の表面(すなわち負極合剤を担持する表面)を、耳寄りの第1領域R1と、それ以外の第2領域R2とに二分割するとき、第1領域R1における表面粗さRzの平均値Rz1を、第2領域R2における表面粗さRzの平均値Rz2より小さくしてもよい。
From the viewpoint of uniformly maintaining the reactivity of the entire negative electrode, it is preferable to selectively perform roughening only in a region where contact with an electrolyte having a high sulfuric acid concentration is expected. For example, as shown in FIG. 3, the surface of the expanded
図3において、破線L2は、第1領域R1の最も耳32寄りの端部を示し、破線L3は、第1領域R1と第2領域R2との境界を示している。破線L1は、完成した鉛蓄電池内における電解液の液面を示している。破線L3は破線L1と平行である。
In FIG. 3, the broken line L2 indicates the end portion of the first region R1 closest to the
図3に示すように、第2領域R2の耳32から最も遠い一部領域2A(図3の斜線を付した領域)だけを粗面化してもよい。このとき、第1領域R1における表面粗さRzの平均値Rz1は、必然的に、第2領域R2における表面粗さRzの平均値Rz2より小さくなる。
As shown in FIG. 3, only a
負極格子31を構成する鉛合金は、カルシウム(Ca)および錫(Sn)を含むことが好ましい。鉛合金におけるカルシウム含有量は、例えば0.01〜0.1質量%である。鉛合金における錫含有量は、例えば0.1〜2.0質量%である。カルシウムは、主に鉛合金の機械的強度を向上させ、錫は、耐食性を向上させる。なお、鉛合金シートは、組成の異なる複数の鉛合金層を有してもよい。
The lead alloy constituting the
負極活物質としては、鉛が使用される。鉛は微量の合金成分を含んでもよい。このとき、負極合剤は、鉛100質量部に対し、カーボンブラックを0.05質量部以上含み、0.1質量部以上含むことが望ましく、0.3質量部以上含むことが更に望ましい。ただし、カーボンブラックの量は、鉛100質量部に対し、1質量部以下が望ましく、0.9質量部以下がより望ましく、0.5質量部以下が更に望ましい。 Lead is used as the negative electrode active material. Lead may contain a trace amount of alloy components. At this time, the negative electrode mixture contains 0.05 parts by mass or more, preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.3 parts by mass or more, with respect to 100 parts by mass of lead. However, the amount of carbon black is preferably 1 part by mass or less, more preferably 0.9 parts by mass or less, and still more preferably 0.5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of lead.
負極合剤を調製する際には、粉末状の鉛を原料に用いることができ、原料は酸化鉛を含んでもよい。負極合剤は、負極活物質とカーボンブラックの他に、防縮剤(リグニンなど)および/または結着剤(ポリマーなど)を含んでもよい。負極合剤は、必要に応じて、他の公知の添加剤を含んでもよい。 When preparing the negative electrode mixture, powdered lead can be used as a raw material, and the raw material may contain lead oxide. The negative electrode mixture may contain, in addition to the negative electrode active material and carbon black, a shrinkproofing agent (such as lignin) and / or a binder (such as a polymer). The negative electrode mixture may optionally contain other known additives.
カーボンブラックは、粉末状の負極活物質と混合するだけでもよく、負極活物質である鉛または鉛合金にカーボンブラックを練り込んで、鉛または鉛合金のマトリクス中にカーボンブラックを分散させてもよい。 Carbon black may be mixed only with a powdered negative electrode active material, or carbon black may be dispersed in a lead or lead alloy matrix by kneading carbon black into lead or a lead alloy as a negative electrode active material. .
カーボンブラックの平均の一次粒子径は、10nm〜100nmであることが望ましい。このような一次粒子により形成される凝集体は、表面粗さRzが70μm以上の負極格子の微小な凹凸もしくはピットに入り込みやすいためである。カーボンブラックの種類は、特に限定されないが、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック、オイルファーネスブラック、チャンネルブラックなどを用いることができる。 The average primary particle size of carbon black is desirably 10 nm to 100 nm. This is because the aggregate formed of such primary particles easily enters minute irregularities or pits of the negative electrode lattice having a surface roughness Rz of 70 μm or more. The type of carbon black is not particularly limited, and acetylene black, ketjen black, thermal black, oil furnace black, channel black and the like can be used.
負極3は、負極格子に、負極合剤と分散媒とを含むペーストを充填または塗布し、更に化成処理することにより作製される。ペーストの分散媒には、硫酸および/または水などを用いることができる。
The
化成処理は、例えば、鉛蓄電池の電槽内で、硫酸水溶液を含む電解液中に、いずれも化成前の正極2および負極3を浸漬させた状態で、これらを充電することにより行われる。
The chemical conversion treatment is performed, for example, by charging the
(セパレータ)
セパレータとしては、微多孔膜または繊維シート(またはマット)などが例示できる。微多孔膜または繊維シートを構成するポリマー材料としては、耐酸性を有するものが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンなどが例示できる。繊維シートは、ポリマー繊維および/またはガラス繊維などの無機繊維で形成してもよい。セパレータは、必要に応じてフィラーおよび/またはカーボンなどの添加剤を含んでもよい。
(Separator)
Examples of the separator include a microporous membrane or a fiber sheet (or mat). As a polymer material which comprises a microporous film or a fiber sheet, what has acid resistance is preferable, and polyolefin, such as polyethylene and a polypropylene, etc. can be illustrated. The fiber sheet may be formed of inorganic fibers such as polymer fibers and / or glass fibers. The separator may contain an additive such as a filler and / or carbon as necessary.
(電解液)
電解液は、硫酸水溶液を含む。電解液の密度は、例えば1.1〜1.35g/cm3であり、1.2〜1.35g/cm3であることが好ましく、1.25〜1.3g/cm3であることがさらに好ましい。なお、本明細書中、電解液の密度とは、20℃における密度であり、満充電状態の電池における電解液の密度が上記範囲であることが望ましい。
(Electrolyte solution)
The electrolyte contains a sulfuric acid aqueous solution. The density of the electrolyte is, for example, 1.1~1.35g / cm 3, is preferably 1.2~1.35g / cm 3, to be 1.25~1.3g / cm 3 More preferable. In the present specification, the density of the electrolyte is the density at 20 ° C., and the density of the electrolyte in a fully charged battery is preferably in the above range.
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
《実施例1》
(1)正極の作製
図2に示すような正極2を以下の手順で作製した。
原料粉末(鉛と鉛酸化物との混合物)と、水と、希硫酸(密度1.40g/cm3)とを質量比100:15:5で混合することにより、正極合剤を含むペーストを得た。
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
Example 1
(1) Production of positive electrode A
By mixing raw material powder (mixture of lead and lead oxide), water and dilute sulfuric acid (density 1.40 g / cm 3 ) at a mass ratio of 100: 15: 5, a paste containing a positive electrode mixture is obtained. Obtained.
連続スラブ鋳造、多段圧延およびエキスパンド加工により、鉛合金の正極格子を作製した。鉛合金の錫含有量は1.6質量%、カルシウム含有量は0.05質量%とした。 A lead alloy positive grid was fabricated by continuous slab casting, multistage rolling and expanding. The lead alloy had a tin content of 1.6 mass% and a calcium content of 0.05 mass%.
エキスパンド加工は、レシプロ方式で行い、鉛合金シートの所定の箇所に、複数の平行なスリットを千鳥状に形成するとともにスリットを展開してエキスパンド網目25を形成し、正極格子21を得た。なお、鉛合金シートの一部にはエキスパンド加工を施さず、正極格子21の耳22および枠骨23を形成した。
The expanding process was performed by a reciprocating method, and a plurality of parallel slits were formed in a staggered manner at predetermined locations of the lead alloy sheet, and the expanded
エキスパンド網目25に正極合剤を含むペーストを充填し、熟成乾燥させることにより、正極格子21に正極合剤24が保持された未化成の正極2(縦:115mm、横:137.5mm)を得た。
An expanded
(2)負極の作製
図3に示すような負極3を以下の手順で作製した。
原料粉末(鉛)と、水と、希硫酸(密度1.40g/cm3)と、リグニンと、硫酸バリウムと、カーボンブラックを、質量比100:12:7:1:0.1:0.5の割合で混合することにより、負極合剤を含むペーストを得た。負極活物質100質量部に対するカーボンブラック量は0.5質量部とした。カーボンブラックには、一次粒子径30nmのオイルファーネスブラックを使用した。
(2) Production of negative electrode A
Raw material powder (lead), water, dilute sulfuric acid (density 1.40 g / cm 3 ), lignin, barium sulfate, and carbon black are in a mass ratio of 100: 12: 7: 1: 0.1: 0. By mixing at a ratio of 5, a paste containing a negative electrode mixture was obtained. The amount of carbon black was 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. As the carbon black, oil furnace black having a primary particle diameter of 30 nm was used.
正極格子と同様の方法で、耳32、枠骨33およびエキスパンド網目35を有する鉛合金の負極格子31を作製した。鉛合金の錫含有量は1.16質量%、カルシウム含有量は0.05質量%とした。
A lead alloy
次に、負極格子31のエキスパンド網目35の全体に対し、ロールブラッシング法で粗面化を行い、エキスパンド網目35の表面粗さを80μmに調整した。なお、粗面化を行う前のエキスパンド網目35の表面粗さRzは50μmであった。
Next, the entire expanded
粗面化された負極格子31のエキスパンド網目に負極合剤を含むペーストを充填し、上記と同様の方法により、負極格子31に負極合剤34が担持された未化成の負極3(縦:115mm、横137.5mm)を得た。
The expanded mesh of the roughened
(3)鉛蓄電池のテストセルの作製
上記(1)および(2)で作製した正極2枚および負極1枚を、それぞれ縦60mm×横40mmのサイズにカットし、1枚の負極を、セパレータ(ポリエチレン製の微多孔膜、厚さ0.2mm、幅44mm)を介して、2枚の正極で挟んで極板群を形成した。このとき、セパレータ4を2つ折りにした間に負極を挟み込むように配置した。
(3) Preparation of Test Cell for Lead Acid Battery Two positive electrodes and one negative electrode prepared in the above (1) and (2) were cut into a size of 60 mm long and 40 mm wide, respectively, and one negative electrode was used as a separator ( An electrode plate group was formed by sandwiching two positive electrodes with a polyethylene microporous film having a thickness of 0.2 mm and a width of 44 mm. At this time, the negative electrode was disposed so as to be sandwiched between the separators 4 folded in half.
得られた極板群を両面からアクリル樹脂製の板で挟んで固定した。次いで、負極および2枚の正極のそれぞれに鉛製リードを溶接し、負極端子および正極端子を形成した。その後、極板群をアクリル樹脂製の容器に入れ、比重1.20g/cm3の硫酸水溶液を所定量注入し、化成を行った。 The obtained electrode plate group was sandwiched and fixed from both sides by an acrylic resin plate. Subsequently, a lead made of lead was welded to each of the negative electrode and the two positive electrodes to form a negative electrode terminal and a positive electrode terminal. Thereafter, the electrode plate group was placed in a container made of an acrylic resin, and a predetermined amount of a sulfuric acid aqueous solution having a specific gravity of 1.20 g / cm 3 was injected to perform formation.
化成に使用したセル内の硫酸水溶液を除去し、新たに比重1.28g/cm3の硫酸水溶液を、正極合剤および負極合剤が完全に浸漬されるまで注入した。このようにして、テストセル(1.25Ah、2V)を作製した。 The sulfuric acid aqueous solution in the cell used for chemical conversion was removed, and a sulfuric acid aqueous solution having a specific gravity of 1.28 g / cm 3 was newly injected until the positive electrode mixture and the negative electrode mixture were completely immersed. In this way, a test cell (1.25 Ah, 2 V) was produced.
[評価]
(ISS搭載車用電池の寿命特性)
以下の条件で、化成後のテストセルのSOCを調整した。
放電:定電流(0.2C)、30分
休止:1時間
温度:25℃
[Evaluation]
(Life characteristics of batteries for vehicles equipped with ISS)
The SOC of the test cell after formation was adjusted under the following conditions.
Discharge: Constant current (0.2C), 30 minutes Rest: 1 hour Temperature: 25 ° C
次に、アイドリングストップ寿命試験(SBA S0101)をベースにして、負極の劣化を加速する下記条件で充放電サイクルを繰り返した。そして、放電開始後60秒目までに、電圧が1.0Vに低下する時点のサイクル数を寿命回数として求めた。
充電:定電流(2.2C)−定電圧(2.4V、最大電流2.2C)、0.03時間
放電:定電流(1.0C)、0.03時間
温度:25℃
Next, based on the idling stop life test (SBA S0101), the charge / discharge cycle was repeated under the following conditions for accelerating the deterioration of the negative electrode. Then, the number of cycles at which the voltage drops to 1.0 V was obtained as the number of life times by 60 seconds after the start of discharge.
Charge: constant current (2.2C) -constant voltage (2.4V, maximum current 2.2C), 0.03 hours Discharge: constant current (1.0C), 0.03 hours Temperature: 25 ° C.
(電解液の減液率)
SOC調整後のテストセル質量と、充放電サイクルが寿命回数に達した時点のテストセル質量とを測定し、これらの差から電解液の減少量を算出した。次に、減液率として、初期の電解液量に対する減少量の割合を百分率で求めた。
(Reduction rate of electrolyte)
The test cell mass after the SOC adjustment and the test cell mass when the charge / discharge cycle reached the number of lifetimes were measured, and the amount of decrease in the electrolyte was calculated from the difference therebetween. Next, as a liquid reduction rate, the ratio of the amount of decrease with respect to the initial amount of electrolytic solution was obtained as a percentage.
《実施例2》
研磨材として平均粒径100μmのアルミナ粒子を用いるブラスト法でエキスパンド網目35の全体に対して粗面化を行ったことと、エキスパンド網目35の表面粗さRzを100μmに調整したこと以外、実施例1と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Example 2
An example except that the entire expanded
《実施例3》
エキスパンド網目35の表面粗さRzを150μmに調整したこと以外、実施例2と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Example 3
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the surface roughness Rz of the expanded
《実施例4》
エキスパンド網目35の表面粗さRzを200μmに調整したこと以外、実施例2と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Example 4
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the surface roughness Rz of the expanded
《実施例5》
エキスパンド網目35を耳寄りの第1領域R1と、それ以外の第2領域R2とに二分割し、第2領域R2の全体の表面粗さRzを200μmに調整し、第1領域R1には粗面化を行わなかったこと以外、実施例2と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。なお、エキスパンド網目の粗面化に要した時間と研磨材の使用量は、いずれも実施例4の約半分であった。
Example 5
The expanded
《実施例6》
負極活物質100質量部に対するカーボンブラックの量を0.3質量部としたこと以外、実施例4と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Example 6
A test cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of carbon black was 0.3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
《実施例7》
負極活物質100質量部に対するカーボンブラックの量を1質量部としたこと以外、実施例4と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Example 7
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 4 except that the amount of carbon black relative to 100 parts by mass of the negative electrode active material was 1 part by mass.
《実施例8》
負極活物質100質量部に対するカーボンブラックの量を0.1質量部としたこと以外、実施例1と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
<< Example 8 >>
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon black relative to 100 parts by mass of the negative electrode active material was 0.1 parts by mass.
《比較例1》
エキスパンド網目35の粗面化を行わず、かつ負極合剤にカーボンブラックを添加しなかったこと以外、実施例1と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Comparative Example 1
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the expanded
《比較例2》
エキスパンド網目35の粗面化を行わなかったこと以外、実施例1と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Comparative Example 2
Test cells were produced in the same manner as in Example 1 except that the roughening of the expanded
《比較例3》
負極合剤にカーボンブラックを添加しなかったこと以外、実施例4と同様にテストセルを作製し、同様に評価した。
Comparative Example 3
A test cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 4 except that carbon black was not added to the negative electrode mixture.
上記結果を表1に示す。寿命向上率は、比較例1の寿命回数に対する増加回数の割合を百分率で示す。 The results are shown in Table 1. The life improvement rate indicates the percentage of the number of increase times with respect to the life number of Comparative Example 1 as a percentage.
比較例1、2を対比すると、負極格子を粗面化せず、負極合剤にカーボンブラックを添加した場合でも、寿命が11%程度向上することがわかる。また、比較例1、3を対比すると、負極格子を十分に粗面化した場合、負極合剤にカーボンブラックを添加しなくても、寿命が10%程度向上することがわかる。 Comparing Comparative Examples 1 and 2, it can be seen that the life is improved by about 11% even when carbon black is added to the negative electrode mixture without roughening the negative electrode lattice. Further, when Comparative Examples 1 and 3 are compared, it can be seen that the life is improved by about 10% when the negative electrode grid is sufficiently roughened without adding carbon black to the negative electrode mixture.
一方、実施例1では、粗面化の程度が比較例3に比べて弱いにもかかわらず、比較例2、3でそれぞれ得られた効果の加算値を上回る寿命向上効果が得られている。また、比較例3と同様に十分に負極格子を粗面化した実施例4では、顕著な相乗効果が確認できる。 On the other hand, in Example 1, although the degree of roughening was weaker than that of Comparative Example 3, the life improvement effect exceeding the added value of the effects obtained in Comparative Examples 2 and 3 was obtained. In addition, in Example 4 in which the negative electrode grid was sufficiently roughened as in Comparative Example 3, a remarkable synergistic effect can be confirmed.
ただし、カーボンブラック量が多くなると、減液率は許容できる範囲であるものの、却って寿命の向上幅が小さくなる傾向が見られる。よって、カーボンブラック量は、負極活物質100質量部あたり、1質量部以下、特には0.5質量部以下が望ましい。 However, when the amount of carbon black is increased, although the liquid reduction rate is within the allowable range, the improvement width of the life tends to be reduced. Therefore, the amount of carbon black is desirably 1 part by mass or less, and particularly 0.5 part by mass or less, per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
本発明に係る鉛蓄電池用負極を用いた鉛蓄電池は、ISS搭載車で使用される場合に特有のサルフェーションを抑制できるため、ISS搭載車用電源として好適である。 The lead storage battery using the negative electrode for a lead storage battery according to the present invention is suitable as a power supply for a ISS vehicle because it can suppress a sulfation specific to the case of a ISS vehicle.
1:鉛蓄電池、2:正極、3:負極、4:セパレータ、5:負極棚、6:正極棚、7:負極柱、8:正極接続体、11:極板群、12:電槽、 13:隔壁、14:セル室、15:蓋、16:正極端子、17:負極端子、18:排気栓、21:正極格子、22:正極格子の耳、23:正極格子の枠骨、24:正極合剤、25:正極格子のエキスパンド網目、31:負極格子、32:負極格子の耳、33:負極格子の枠骨、34:負極合剤、35:負極格子のエキスパンド網目
1: lead storage battery 2: positive electrode 3: negative electrode 4: separator 5: negative electrode shelf 6: 6: positive electrode shelf 7: negative electrode pole 8: positive electrode connector 11: electrode plate group 12: battery case 13 A partition wall 14: a cell chamber 15: a lid 16: a positive electrode terminal 17: a negative electrode terminal 18: an exhaust plug 21: a positive electrode grid 22: a positive electrode grid ear 23: a positive electrode grid frame 24: a positive electrode Mixture 25: Expanded network of positive electrode grid 31: Negative electrode grid 32: Ear of negative electrode grid 33: Frame of negative electrode grid 34: Negative electrode material mixture 35: Expanded network of negative electrode grid
Claims (6)
前記負極合剤が、鉛を含む負極活物質と、カーボンブラックと、を含み、
前記負極合剤に含まれる前記カーボンブラックの量が、前記負極活物質100質量部に対し、0.05質量部以上、2質量部以下であり、
前記負極格子の前記表面の少なくとも一部の表面粗さRz(十点平均粗さ)が、70μm以上である、鉛蓄電池用負極。 A negative electrode mixture, and a negative electrode lattice having a surface carrying the negative electrode mixture,
The negative electrode mixture includes a negative electrode active material containing lead, and carbon black,
The amount of the carbon black contained in the negative electrode mixture is 0.05 parts by mass or more and 2 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material,
The negative electrode for lead-acid batteries, wherein the surface roughness Rz (ten-point average roughness) of at least a part of the surface of the negative electrode lattice is 70 μm or more.
前記露出部が、負極棚と接続するための耳を有し、
前記負極合剤を担持する前記表面を、前記耳寄りの第1領域と、それ以外の第2領域とに二分割するとき、前記第1領域における表面粗さRzの平均値Rz1が、前記第2領域における表面粗さRzの平均値Rz2より小さい、請求項1または2に記載の鉛蓄電池用負極。 The negative electrode lattice has an exposed portion not having the negative electrode mixture,
The exposed portion has an ear for connecting to the negative electrode shelf,
When the surface carrying the negative electrode mixture is divided into the first region near the ear and the other second region, the average value Rz1 of the surface roughness Rz in the first region is the second region. The negative electrode for a lead acid battery according to claim 1, wherein the negative electrode is for a lead-acid battery that is smaller than an average value Rz2 of surface roughness Rz in the region.
The lead acid battery containing the negative electrode for lead acid batteries of Claim 1, a positive electrode, the separator interposed between the said negative electrode and the said positive electrode, and the electrolyte solution containing sulfuric acid aqueous solution.
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