JP7167934B2 - 鉛蓄電池 - Google Patents
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Description
一方、セパレータとしては、リブを有するものが使用されることがある(特許文献2)。
前記セパレータは、少なくとも前記負極板側にリブを備え、
前記負極板は、負極電極材料を含み、前記負極電極材料は、炭素粒子を含み、
前記炭素粒子は、粒子径が32μm未満の第1炭素粒子を含み、
前記第1炭素粒子は、前記セパレータの平均細孔径よりも粒子径が小さい第2炭素粒子を含み、
前記負極電極材料中の前記第1炭素粒子の含有量は、0.2質量%以上2質量%以下である、鉛蓄電池に関する。
鉛蓄電池の正極板には、ペースト式とクラッド式がある。
ペースト式正極板は、正極集電体と、正極電極材料とを具備する。正極電極材料は、正極集電体に保持されている。ペースト式正極板では、正極電極材料は、正極板から正極集電体を除いたものである。正極集電体は、負極集電体と同様に形成すればよく、鉛または鉛合金の鋳造や、鉛または鉛合金シートの加工により形成することができる。
正極電極材料は、酸化還元反応により容量を発現する正極活物質(二酸化鉛もしくは硫酸鉛)を含む。正極電極材料は、必要に応じて、他の添加剤を含んでもよい。
クラッド式正極板は、芯金が挿入されたチューブに鉛粉または、スラリー状の鉛粉を充填し、複数のチューブを連座で結合することにより形成される。
鉛蓄電池の負極板は、負極電極材料を含む。通常、負極板は、負極集電体と負極電極材料とで構成されている。なお、負極電極材料は、負極板から負極集電体を除いたものである。負極集電体は、鉛(Pb)または鉛合金の鋳造により形成してもよく、鉛または鉛合金シートを加工して形成してもよい。加工方法としては、例えば、エキスパンド加工や打ち抜き(パンチング)加工が挙げられる。負極集電体として負極格子を用いると、負極電極材料を担持させ易いため好ましい。
第2炭素粒子の平均粒子径d1は、第1炭素粒子の電子顕微鏡写真から、セパレータの平均細孔径d2よりも一次粒子径が小さい一次粒子をランダムに100個選択し、各一次粒子の最大径(長軸径)を測定し、平均値を算出することにより求める。
なお、本明細書中、1CAとは電池の公称容量(Ah)と同じ数値の電流値(A)である。例えば、公称容量が30Ahの電池であれば、1CAは30Aであり、1mCAは30mAである。
セパレータは、微多孔膜で構成されたベース部と、ベース部の少なくとも一方の主面から突出するリブとを備えている。セパレータは、ベース部の一方の主面から突出するリブと、ベース部の他方の主面から突出するリブとを備えていてもよい。セパレータは、一方の主面から突出するリブを少なくとも備えており、このリブが負極板側に位置するように配置される。この負極板側に位置するリブを第1リブと呼ぶ。セパレータがベース部の他方の主面から突出するリブを備える場合には、このリブは、正極板側(つまり、正極板に対向するよう)に配置される。この正極板側に位置するリブを第2リブと呼ぶ。第1リブにより負極板近傍における電解液の拡散性を高めることができるため、PSOC寿命性能をさらに向上することができるとともに、浸透短絡を抑制できる。また、負極板近傍の電解液の比重の上昇が抑制されることで、充電効率が向上するため、充電時の減液を抑制できる。
ベース部の平均厚みは、セパレータの断面写真において、任意に選択した5箇所についてベース部の厚みを計測し、平均化することにより求められる。
第1リブの平均ピッチは、任意に選択される10箇所において計測した第1リブのピッチを平均化することにより求められる。なお、セパレータの負極板と対向しない領域または負極板の負極電極材料が存在しない領域と対向する領域に第1リブが密に形成されている場合には、この領域を除いて平均ピッチを算出すればよい。このような部分的に密に形成された第1リブの平均ピッチは、この領域について上記と同様に算出できる。
電解液としては、硫酸を含む水溶液が使用される。電解液は、必要に応じてゲル化させてもよい。
化成後で満充電状態の鉛蓄電池における電解液の20℃における比重は、例えば、1.10g/cm3以上1.35g/cm3以下である。
鉛蓄電池は、さらに、正極板と負極板との間に介在する繊維マットを備えていてもよい。繊維マットを配置する場合には、電極板が繊維マットで圧迫されて、電極板の周囲に電解液を保持し難くなる。本発明の上記側面では、セパレータに第1リブを設けるため、負極板近傍に電解液を確保し易くなり、電解液の高い拡散性を確保することができる。
鉛蓄電池1は、極板群11と電解液(図示せず)とを収容する電槽12を具備する。電槽12内は、隔壁13により、複数のセル室14に仕切られている。各セル室14には、極板群11が1つずつ収納されている。電槽12の開口部は、負極端子16および正極端子17を具備する蓋15で閉じられる。蓋15には、セル室毎に液口栓18が設けられている。補水の際には、液口栓18を外して補水液が補給される。液口栓18は、セル室14内で発生したガスを電池外に排出する機能を有してもよい。
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が、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(1)負極板の作製
鉛粉、水、希硫酸、カーボンブラック、および有機防縮剤を混合して、負極ペーストを得た。負極ペーストを、負極集電体としてのPb-Ca-Sn系合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成、乾燥し、未化成の負極板を得た。有機防縮剤には、リグニンスルホン酸ナトリウムを用いた。カーボンブラックは、負極電極材料100質量%に含まれる含有量が表1に示す値となるように添加量を調節した。有機防縮剤は、それぞれ、負極電極材料100質量%に含まれる含有量が0.2質量%となるように、添加量を調節して、負極ペーストに配合した。
鉛粉と、水と、硫酸とを混練させて、正極ペーストを作製した。正極ペーストを、正極集電体としてのPb-Ca-Sn系合金製のエキスパンド格子の網目部に充填し、熟成、乾燥し、未化成の正極板を得た。
未化成の各負極板を、ポリエチレン製の微多孔膜で形成された袋状セパレータに収容し、セル当たり未化成の負極板7枚と未化成の正極板6枚とで極板群を形成した。セパレータは、袋の内側に第1リブを、袋の外側に第2リブを有していた。セパレータは、ストライプ状の複数の第1リブおよび複数の第2リブを備えており、複数の第1リブおよび複数の第2リブは、それぞれ、負極板および正極板の高さ方向に沿って形成されていた。第1リブの平均高さは、0.1mmであり、負極板に対向する領域において第1リブのピッチは、1mmであった。第2リブの平均高さは、0.4mmであり、正極板に対向する領域において第2リブの平均ピッチは、10mmであった。また、セパレータのベース部の平均厚みは、0.2mmであった。なお、セパレータのリブの平均高さ、ベース部の平均厚み、リブの平均ピッチは、鉛蓄電池作製前のセパレータについて求めた値であるが、作製後の鉛蓄電池から取り出したセパレータについて既述の手順で測定した値とほぼ同じであった。
第1リブを有さない袋状のセパレータを用いた。これ以外は、鉛蓄電池C1およびA1~A6と同様にして鉛蓄電池B1~B7を組み立てた。
SBA S 0101:2014に準拠して、アイドリングストップ条件で、鉛蓄電池の充放電を行った。具体的には、25℃において、下記の(a)~(c)を1サイクルとして、放電末電圧が7.2V以下になるまで繰り返し、このときのサイクル数を求めた。ただし、途中、サイクル数が18000回のときに充放電サイクルを一旦停止し、後述の低温ハイレート性能放電試験を行なった後、定電圧14.5Vで16時間充電し、再び、下記の(a)~(c)の充放電を繰り返した。鉛蓄電池B1におけるサイクル数を100としたときの比率でPSOC寿命性能を評価した。なお、充放電時には、3600サイクル毎に40時間~48時間休止した。
(a)放電1:32Aの電流値で59秒放電する。
(b)放電2:300Aの電流値で1秒間放電する。
(c)充電:制限電流100Aおよび14.0Vの電圧で60秒間充電する。
評価1の充放電サイクルの試験前及び試験途中で、JIS D 5301:2006に準拠して、-15℃における高率放電試験を行なった。高率放電試験では、具体的には、鉛蓄電池を、-15℃±1℃の温度の冷却室に、少なくとも16時間静置した。次いで、JIS D5301:2006に規定される放電電流(150A)にて、-15℃で端子電圧が単セル当たり1.0Vに到達するまで放電し、このときの放電時間(秒)を求めた。PSOC寿命試験前後の放電時間をそれぞれt0、t1とし、比t1/t0を算出することで低温ハイレート性能の維持率を求めた。鉛蓄電池B1の維持率を100としたときの維持率の比率を算出し、この比率に基づいて低温ハイレート性能の維持率を評価した。
評価1で評価した後の鉛蓄電池を分解し、セパレータを取り出して、鉛の浸透痕の有無を確認した。
JIS D 5301:2006に準拠して、軽負荷寿命試験を行い、試験前に比較した試験後の電解液の減液量を求めた。ただし、試験温度は、75℃とした。具体的には、鉛蓄電池を、JIS D 5301:2006に規定される放電電流(25A)にて、75℃で4分間放電し、次いで75℃にて14.8Vの電圧で10分間充電した。この放電と充電のサイクルを480回繰り返して、56時間放置した後、上記の放電と充電のサイクルをさらに480回繰り返して、56時間放置した。試験後の鉛蓄電池の質量を測定し、試験前の質量から差し引くことで、電解液の減液量を求めた。減液量は、鉛蓄電池B1における減液量を100としたときの比率で表した。
鉛蓄電池A1~A6、C1およびB1~B7の結果を表1に示す。
2:負極板
3:正極板
4:セパレータ
5:正極棚部
6:負極棚部
7:正極柱
8:貫通接続体
9:負極柱
11:極板群
12:電槽
13:隔壁
14:セル室
15:蓋
16:負極端子
17:正極端子
18:液口栓
Claims (12)
- 正極板と、負極板と、前記正極板および前記負極板の間に介在するセパレータと、電解液とを備え、
前記セパレータは、少なくとも前記負極板側に第1リブを備え、
前記負極板は、負極電極材料を含み、
前記負極電極材料は、炭素粒子を含み、
前記炭素粒子は、粒子径が32μm未満の第1炭素粒子を含み、
前記第1炭素粒子は、前記セパレータの平均細孔径(d2)よりも粒子径が小さい第2炭素粒子を含み、
前記負極電極材料中の前記第1炭素粒子の含有量は、0.2質量%以上2質量%以下であり、
前記第1炭素粒子は、JIS Z8815:1994に規定される湿式のふるい分けに準じて、目開き32μmのふるいを通過する炭素粒子であり、前記第1炭素粒子の粒子径は、前記ふるいの前記目開き32μmより小さく、
前記ふるいは、JIS Z 8801-1:2006に規定される、公称目開きが32μmであるふるい網を備えるふるいであり、
前記第2炭素粒子の粒子径は、一次粒子径であり、前記一次粒子径は、前記第1炭素粒子の電子顕微鏡写真から、前記セパレータの前記平均細孔径d2よりも一次粒子径が小さい一次粒子を選択し、選択した前記一次粒子について測定される最大径であり、
前記セパレータの前記平均細孔径d2は、前記セパレータの水銀圧入法による細孔分布から求められる平均細孔径である、鉛蓄電池。 - 前記第2炭素粒子の平均粒子径d1の前記セパレータの平均細孔径d2に対する比R(=d1/d2)は、0.8以下であり、
前記平均粒子径d1は、前記第1炭素粒子の前記電子顕微鏡写真から、前記セパレータの前記平均細孔径d2よりも一次粒子径が小さい一次粒子をランダムに100個選択し、選択した前記一次粒子のそれぞれの最大径を測定し、平均化することによって求められる、請求項1に記載の鉛蓄電池。 - 前記第2炭素粒子の平均粒子径d1は、10nm以上100nm以下であり、
前記平均粒子径d1は、前記第1炭素粒子の前記電子顕微鏡写真から、前記セパレータの前記平均細孔径d2よりも一次粒子径が小さい一次粒子をランダムに100個選択し、選択した前記一次粒子のそれぞれの最大径を測定し、平均化することによって求められる、請求項1または2に記載の鉛蓄電池。 - 前記第2炭素粒子は、カーボンブラックを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 前記セパレータは、袋状である、請求項1~4のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 前記セパレータは、前記負極板を収容している、請求項5に記載の鉛蓄電池。
- 前記セパレータは、前記正極板を収容している、請求項5に記載の鉛蓄電池。
- 前記第1リブは、前記負極板の高さ方向に沿って形成されており、
前記負極板は、一端部に耳部を有し、
前記負極板の高さ方向は、前記耳部を上にした状態における前記負極板の鉛直方向である、請求項1~7のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。 - 前記正極板と前記負極板との間に、繊維マットが介在する、請求項1~8のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 前記負極電極材料は、黒鉛を含まない、請求項1~9のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 前記セパレータは、前記正極板側に第2リブを備える、請求項1~10のいずれか1項に記載の鉛蓄電池。
- 前記第1リブの平均高さは、0.05mm以上0.40mm以下であり、
前記第2リブの平均高さは、0.3mm以上1.0mm以下である、請求項11に記載の鉛蓄電池。
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