JP7185977B2 - 鉛蓄電池 - Google Patents

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Description

本発明は、鉛蓄電池に関する。
鉛蓄電池は、通常、正極板と袋状のセパレータに収容された負極板とが交互に積層されてなる極板群を複数備えており、各極板群では、典型的には、負極板の枚数が正極板の枚数より1枚多くなっている。これに対し、近年では、エネルギー密度の向上、軽量化等の目的で、正極板と負極板とを同枚数ずつ配置した極板群を用いることが検討されている(例えば特許文献1)。
このような構成を備える鉛蓄電池は、例えば車両のエンジン始動用の電池として用いられる。車両のエンジン始動用の鉛蓄電池は、エンジン始動用のセルモータへの電力供給を行うとともに、車両に搭載された電気又は電子機器へ電力を供給する。
特開2015-144144号公報
鉛蓄電池が車両に搭載して用いられる場合、車両の振動に伴って鉛蓄電池にも強い振動が加わり、鉛蓄電池の極柱又は極板群同士の接続部分に応力が発生することによって、それらの部分が破損するおそれがある。本発明者らの検討によれば、極板群における正極板及び負極板が同枚数である鉛蓄電池では、各極板群の一方の端に位置する正極板が露出した(セパレータに収容されていない)状態で電槽の側壁に近接しているため、車両の振動の影響を受けやすく、上述したような破損が生じやすい。
そこで、本発明は、電槽の側壁に最近接の電極板が露出した状態であっても、耐振動性に優れる鉛蓄電池を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、上面が開口している電槽と、電極端子を有し、開口を閉じる蓋と、電槽の一対の側壁間に一列に配列された複数の電極板と、蓋から電槽内に延び、電極板を電極端子に電気的に接続する極柱と、を備える鉛蓄電池であって、複数の電極板のうち、一対の側壁のそれぞれに最近接の第1の電極板及び第2の電極板の少なくとも一方は、最近接の側壁に対して露出しており、鉛蓄電池を複数の電極板の配列方向に振動させたときの極柱の共振周波数が30Hz以上であり、鉛蓄電池を複数の電極板の配列方向に1Gの加速度を加えて振動させたときの極柱の最大加速度が3.0G未満である、鉛蓄電池である。
鉛蓄電池は、複数の電極板として、複数の正極板及び複数の負極板を備え、第1の電極板及び第2の電極板の少なくとも一方は正極板であってよい。第1の電極板及び第2の電極板の両方が、正極板であってもよい。複数の電極板における正極板の枚数と負極板の枚数とは、互いに同じであってよい。
本発明によれば、電槽の側壁に最近接の電極板が露出した状態であっても、耐振動性に優れる鉛蓄電池を提供することが可能となる。
図1は、一実施形態に係る鉛蓄電池の全体構成及び内部構造を示す斜視図である。 図2は、図1の鉛蓄電池が備える電槽を示す斜視図である。 図3は、図1の鉛蓄電池の要部を説明するための分解斜視図である。 図4は、図1の鉛蓄電池が備えるセパレータを説明するための図である。
図1は、一実施形態に係る鉛蓄電池の全体構成及び内部構造を示す斜視図である。図1に示すように、一実施形態に係る鉛蓄電池1は、上面が開口している電槽2と、電槽2の開口を閉じる蓋3と、電槽2に収容された極板群4及び希硫酸等の電解液(図示せず)と、を備える液式鉛蓄電池である。
蓋3は、正極端子5及び負極端子6(電極端子)と、蓋3に設けられた複数の注液口をそれぞれ閉塞する複数の液口栓7とを備えている。蓋3は、例えば、ポリプロピレンで形成されている。正極端子5は、蓋3から電槽2内に延びる正極柱18の一端に接続されている。同様に、負極端子6は、蓋3から電槽2内に延びる負極柱(図示せず)の一端に接続されている。
図2は、図1の鉛蓄電池1が備える電槽2を示す斜視図である。図2に示すように、電槽2は、中空の略直方体状を呈しており、上面に開口を有している。すなわち、電槽2は、長方形の平面形状を有する底壁と、底壁の短辺部のそれぞれに立設された一対の側壁(第1の側壁)21と、底壁の長辺部のそれぞれに立設された一対の側壁(第2の側壁)22とから構成されている。電槽2は、例えばポリプロピレンで形成されている。
電槽2の内部は、第1の側壁21,21間に、第1の側壁21,21と略平行に設けられた5枚の隔壁23を備えている。5枚の隔壁23が所定の間隔で配置されていることによって、電槽2の内部には、第1~第6の6個のセル室24a~24f(以下、これらをまとめて「セル室24」ともいう)がこの順で第2の側壁22に沿って形成されている。セル室24のそれぞれには、極板群4が収容されている。極板群4は、単電池とも呼ばれており、例えば2Vの起電力を有する。
第1の側壁21の内面21a及び隔壁23の両面23a(以下、これらをまとめて「内壁面21a,23a」ともいう)には、底壁(電槽2の開口面)に垂直な方向に延びる複数のリブ25が設けられている。リブ25は、各セル室24に収容された極板群4を適切に加圧(圧縮)する機能を有する。他の一実施形態では、内壁面21a,23aには、リブが設けられていなくてもよい。
内壁面21a,23aにリブ25が設けられていることによって、リブ25が、内壁面21a,23aと極板群4との間の緩衝材としても機能するため、鉛蓄電池1の耐振動性を更に向上させることができる。リブ25は、耐振動性を更に向上させる観点から、好ましくはポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレート、より好ましくはポリオレフィンで形成されている。ポリオレフィンは、ポリエチレン、ポリプロピレン等であってよい。
図3は、図1の鉛蓄電池1の要部を説明するための、第1のセル室24a及びそこに収容されている極板群4を示す分解斜視図である。図3に示すように、極板群4は、複数の正極板8及び負極板9(電極板)とセパレータ10とが、電槽2の第1の側壁21と略垂直な方向に一列に配列されてなる。
正極板8は、正極集電体11と、正極集電体11に保持された正極活物質12とを備えている。正極集電体11は、その一端から電槽2の開口側に向けて突出した正極耳部11aを有している。負極板9は、負極集電体13と、負極集電体13に保持された負極活物質14とを備えている。負極集電体13は、その一端から電槽2の開口側に向けて突出した負極耳部13aを有している。本明細書では、「正極活物質」は正極板から正極集電体を除いたものを意味し、「負極活物質」は負極板から負極集電体を除いたものを意味する。
正極集電体11及び負極集電体13は、それぞれ、例えば、鉛-カルシウム-錫合金、鉛-カルシウム合金、鉛-アンチモン合金等で形成されている。これらの鉛合金を重力鋳造法、エキスパンド法、打ち抜き法等で格子状に形成することにより、正極耳部11aを有する正極集電体11及び負極耳部13aを有する負極集電体13がそれぞれ得られる。
正極活物質12は、Pb成分としてPbOを含み、必要に応じて、PbO以外のPb成分(例えばPbSO)及び添加剤を更に含む。負極活物質14は、Pb成分としてPb単体を含み、必要に応じてPb単体以外のPb成分(例えばPbSO)及び添加剤を更に含む。
図3では図示を省略しているが、図1に示すように、正極耳部11a同士は正極ストラップ15で集合溶接されており、負極耳部13a同士は負極ストラップ16で集合溶接されている。第1のセル室24aに収容された極板群4における正極ストラップ15は、接続部材17を介して、正極端子5から電槽2内に延びる正極柱18と接続されている。接続部材17及び正極柱18は、それぞれ鉛又は鉛合金で形成されている。
この極板群4では、電槽2の第1の側壁21に近い側から、正極板8と、袋状のセパレータ10に収容された負極板9とがこの順で交互に配置されている。正極板8の枚数及び負極板9の枚数は、いずれも8枚となっている。第1の側壁21に最近接の正極板8はセパレータ10に収容されて(覆われて)いないため、当該正極板8の第1の側壁21の内面21aに対向する面は、第1の側壁21に対して露出している。
セパレータ10(後述するベース部及びリブ部のそれぞれ)は、例えば、ガラス、パルプ及び合成樹脂からなる群より選択される少なくとも1種の材料で形成されていてよい。セパレータ10は、可撓性を有していてよい。セパレータ10(ベース部及びリブ部のそれぞれ)は、耐振動性を更に向上させる観点から、好ましくはポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレート、より好ましくはポリオレフィンで形成されている。ポリオレフィンは、ポリエチレン、ポリプロピレン等であってよい。
第6のセル室24fにも、第1のセル室24aに収容されている極板群4と同様の極板群が収容されている。すなわち、第6のセル室24fに収容されている極板群では、電槽2の第1の側壁21に最近接の位置に、正極板が露出した状態で配置されている。
第2~第5のセル室24b~24eのそれぞれにも、第1のセル室24aに収容されている極板群4と同様の極板群が収容されている。ただし、隣り合うセル室(例えば第1のセル室24a及び第2のセル室24b)に収容されている極板群同士は、同じ極性の電極板が隔壁23を挟んで向かい合うように配置されている。すなわち、例えば、第1のセル室24aに収容されている極板群4では、第2のセル室24b側の隔壁23と最近接の位置に負極板9が配置されており、第2のセル室24bに収容されている極板群では、第1のセル室24a側の隔壁23と最近接の位置に負極板が配置されている。
以上説明した鉛蓄電池1では、鉛蓄電池1を正極板8及び負極板9の配列方向(極板群4の厚さ方向)に振動させたとしても極柱(正極柱18及び負極柱)が共振しづらい。鉛蓄電池1を正極板8及び負極板9の配列方向(極板群4の厚さ方向)に振動させたときの極柱の共振周波数(以下、単に「極柱の共振周波数」という)は、30Hz以上である。これにより、耐振動性に優れた鉛蓄電池1が得られる。極柱の共振周波数は、耐振動性を更に向上させる観点から、好ましくは33Hz以上、より好ましくは35Hz以上である。極柱の共振周波数は、共振が収束しやすく、極柱の破損が起こり難い観点から、75Hz以下又は60Hz以下であってよい。極柱の共振周波数は、これらの観点から、30~75Hz、30~60Hz、33~75Hz、33~60Hz、35~75Hz、又は35~60Hzであってよい。
鉛蓄電池1において、極柱の共振周波数を上記の範囲とするためには、例えば、第1のセル室24aに収容された極板群4において正極柱18と電気的に接続されている正極耳部11aの位置を、正極柱18の位置に近づけることが好ましく、また、クリアランス(詳細は後述)を小さくすることが好ましい。
より具体的には、正極板8及び負極板9の配列方向からみたときに、第1のセル室24aに収容された極板群4における正極耳部11aと正極柱18との間の最短距離が小さいほど、正極柱18の共振周波数を大きくすることができる。正極耳部11aと正極柱18との間の最短距離は、好ましくは、10mm以下又は5mm以下である。正極耳部11aと正極柱18との間の最短距離は、1mm以上であってもよい。同様に、正極板及び負極板の配列方向からみたときに、第6のセル室24fに収容された極板群における負極耳部と負極柱との間の最短距離が小さいほど、負極柱の共振周波数を大きくすることができる。負極耳部と負極柱との間の最短距離は、好ましくは、10mm以下又は5mm以下である。負極耳部と負極柱との間の最短距離は、1mm以上であってもよい。
クリアランスは、電槽2におけるセル室24の幅X(単位:mm)と極板群4の厚さY(単位:mm)との差(X-Y)として定義される。各セル室24の幅X(電極板の配列方向における長さ)は、第1の側壁21及び隔壁23がリブ25を有しない場合、第1の側壁21と隔壁23との間の最短距離、又は、隔壁23同士の間の最短距離である壁間距離として定義される。第1の側壁21及び/又は隔壁23がリブ25を有する場合は、セル室24の幅Xは、壁間距離から、最も高いリブの高さを引いた値として定義される。極板群4の厚さYは、図3に示すように、極板群4の最も外側にある正極板8の正極集電体11が露出している部分と正極活物質12が保持されている部分との境界線から、当該境界線と垂直方向に±3mmの範囲Rにおいて、極板群4の境界線の延在方向の中央P1で1点、中央P1より一方側の任意の位置P2で1点、中央より他方側の任意の位置P3で1点の計3点で測定した極板群4の厚さの平均値と定義される。
クリアランスが小さいほど、正極柱18の共振周波数を大きくすることができる。クリアランスは、好ましくは、0.6mm以下、0mm以下、又は-0.4mm以下である。クリアランスは、-1.0mm以上、-0.4mm以上、又は0mm以上であってもよい。
また、この鉛蓄電池1では、鉛蓄電池1を正極板8及び負極板9の配列方向(極板群4の厚さ方向)に振動させたときに極柱(正極柱18及び負極柱)が共振したとしても、共振時における極柱の最大加速度を充分に小さくすることができる。鉛蓄電池1を正極板8及び負極板9の配列方向(極板群4の厚さ方向)に1Gの加速度を加えて振動させたときの極柱の最大加速度(以下、単に「極柱の最大加速度」という)は、3.0G未満である。これにより、耐振動性に優れた鉛蓄電池1が得られる。極柱の最大加速度は、耐振動性を更に向上させる観点から、好ましくは2.9G以下、より好ましくは2.8G以下、更に好ましくは2.7G以下である。極柱の最大加速度は、外部振動及び収納された極板群が共振する性質を考慮した場合、1.0G以上、1.5G以上、又は2.0G以上であってよい。極柱の最大加速度は、これらの観点から、1.0以上3.0未満、1.0以上2.9以下、1.0以上2.8以下、1.0以上2.7以下、1.5以上3.0未満、1.5以上2.9以下、1.5以上2.8以下、1.5以上2.7以下、2.0以上3.0未満、2.0以上2.9以下、2.0以上2.8以下、又は2.0以上2.7以下であってよい。
鉛蓄電池1において、極柱の最大加速度を上記の範囲とするためには、例えば、セパレータ10の硬さを大きくすることが好ましくは、また、セパレータ10のベース部(詳細は後述)の厚さを大きくすることが好ましい。
また、セパレータ10のベース部の厚さが大きいほど、極柱の最大加速度を小さくすることができる。図4は、セパレータ10を説明するための図である。図4(a)はセパレータ10を示す斜視図であり、図4(b)は図4(a)のIVb-IVb線に沿った断面図である。図4(a)に示すとおり、セパレータ10は、平板(シート)状のベース部31と、ベース部31の外側面31a上に形成された複数の第1のリブ32及び第2のリブ33からなるリブ部とを備えている。セパレータ10は、ベース部31と第1のリブ32及び第2のリブ33とを備える長尺状のシートが、第1のリブ32及び第2のリブ33が外側になるように折り返され、長辺に沿って閉じられることにより袋状となっている。セパレータ10は、例えばメカニカルシールにより閉じられていてよく、長辺に沿ってメカニカルシール部34を有している。
第1のリブ32及び第2のリブ33は、それぞれ、袋状のセパレータ10の開口部から底部へ延在するように互いに略平行に細長の凸状に形成されている。第1のリブ32は、セパレータ10の開口部に平行な方向におけるベース部31の中央部分に、例えば3~15mmの間隔で複数設けられている。第2のリブ33は、複数の第1のリブ32を挟むように、ベース部31の両端側にそれぞれ複数設けられている。第2のリブ33同士の間隔は、第1のリブ32同士の間隔より狭くなっている。
第1のリブ32の断面形状は、例えば台形状である。第1のリブ32の高さ(突出方向の長さ)Hは、例えば、0.3mm以上、0.4mm以上、又は0.5mm以上であってよく、1.25mm以下、1.0mm以下、又は0.75mm以下であってよい。
第1のリブ32の下底の幅(ベース部31と接する部分における延在方向と垂直な方向(短手方向)の長さ)Aは、例えば、0.2mm以上、0.3mm以上、又は0.4mm以上であってよく、4mm以下、2mm以下、又は1mm以下であってよい。第1のリブ32の上底の幅(凸形状の上面における延在方向と垂直な方向(短手方向)の長さ)Bは、0.1mm以上又は0.2mm以上であってよく、2mm以下、1mm以下、又は0.8mm以下であってよい。
第2のリブ33の断面形状は、例えば半円状である。第2のリブ33の高さ(突出方向の長さ)及び幅(ベース部31と接する部分における延在方向と垂直な方向(短手方向)の長さ)は、第1のリブ32の高さH及び下底の幅Aよりもそれぞれ小さくなっている。
このようなセパレータ10において、ベース部31の厚さTは、好ましくは、0.25mm以上、0.35mm以上、又は0.40mm以上である。ベース部31の厚さTは、例えば0.50mm以下であってよい。
上記実施形態では、第1のセル室24aにおける電槽2の第1の側壁21に最近接の電極板(正極板8。「第1の電極板」ともいう。)、及び、第6のセル室24fにおける電槽2の第1の側壁21に最近接の電極板(正極板。「第2の電極板」ともいう。)の両方が、第1の側壁21のそれぞれに対して露出しているが、第1の電極板及び第2の電極板の少なくとも一方が第1の側壁21に対して露出していればよい。例えば、他の一実施形態では、第1の電極板のみが第1の側壁21に対して露出していてよく、第2の電極板のみが第1の側壁21に対して露出していてもよい。このような鉛蓄電池も、上記実施形態と同様に耐振動性に優れている。
上記実施形態では、電槽2の第1の側壁21に最近接の電極板が正極板8であり、当該正極板8が第1の側壁21に対して露出しているが、他の一実施形態では、電槽2の第1の側壁21に最近接の電極板が負極板であり、当該負極板が第1の側壁21に対して露出していてもよい。この場合、負極板に代えて正極板が袋状のセパレータに収容されていてよい。このような鉛蓄電池も、上記実施形態と同様に耐振動性に優れている。
上記実施形態では、極板群4における正極板8の枚数と負極板9の枚数とがいずれも8枚で互いに同じであるが、他の一実施形態では、極板群における正極板及び負極板の枚数は6又は7枚であってもよく、正極板の枚数と負極板の枚数とが互いに異なっていてもよい。言い換えれば、上記実施形態では、鉛蓄電池1における正極板8の枚数と負極板9の枚数とが互いに同じであるが、他の一実施形態では、鉛蓄電池における正極板の枚数と負極板の枚数とが互いに異なっていてもよい。このような鉛蓄電池も、上記実施形態と同様に耐振動性に優れている。
上記実施形態では、鉛蓄電池1は液式鉛蓄電池であるが、他の一実施形態では、鉛蓄電池は、例えば、制御弁式鉛蓄電池、密閉式鉛蓄電池等であってもよい。上記実施形態では、鉛蓄電池1は例えば自動車用鉛蓄電池であり、直流電圧12Vを昇圧又は降圧して駆動するため、6個の極板群4を直列に接続して(すなわち、セル室の数が6個)、2V×6=12Vとしているが、他の一実施形態(例えば鉛蓄電池1を他の用途で用いる場合)では、セル室の数は6個でなくてもよい。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
鉛合金からなる圧延シートにエキスパンド加工を施すことによりエキスパンド格子体(集電体)を作製した。続いて、鉛粉及び鉛丹(Pb)と、添加剤と、水とを混合して混練し、希硫酸を少量ずつ添加しながら更に混練して、正極活物質ペーストを作製した。同様に、鉛粉と、添加剤と、水とを混合して混練し、希硫酸を少量ずつ添加しながら更に混練して、負極活物質ペーストを作製した。次いで、集電体にこの正極活物質ペースト及び負極活物質ペーストをそれぞれ充填し、温度50℃、湿度98%の雰囲気で24時間熟成した。その後、乾燥して未化成の正極板及び未化成の負極板を得た。
微多孔性のポリエチレンからなり、厚さ0.25mmのベース部と、高さ0.70mmのリブ部を有する袋状のセパレータを用意した。このセパレータに未化成の負極板を収容し、未化成の正極板8枚と袋状のセパレータにそれぞれ収容された未化成の負極板8枚とを交互に積層した。続いて、キャストオンストラップ(COS)方式で同極性の極板の耳部同士を溶接して極板群を作製した。
6個のセル室を有する電槽の各セル室に極板群を収容して、12V電池(JISD5301規定のB24サイズに相当)を組み立てた。この際、両端のセル室(第1及び第6のセル室)においては、正極板が電槽の第1の側壁と最近接の位置に配置されるように極板群を収容した。この電池に電解液(希硫酸)を注入し、その後、35℃の水槽中、通電電流18.6Aで18時間の条件で化成して液式鉛蓄電池を得た。
(比較例1)
実施例1におけるベース部を厚さ0.20mmに、リブ部を厚さ0.75mmにそれぞれ変更して極柱の共振周波数及び最大加速度を調整した以外は、実施例1と同様にして液式鉛蓄電池を作製した。
(比較例2)
実施例1におけるベース部を厚さ0.20mmに変更して極柱の共振周波数及び最大加速度を調整した以外は、実施例1と同様にして液式鉛蓄電池を作製した。
<共振周波数及び最大加速度の測定>
各実施例及び比較例において、電池の組み立て工程で得られた電解液を注入する前の12V電池に対し、電極板の配列方向(極板群の厚さ方向)に振動を加えて、極柱の共振周波数及び最大加速度を測定した。測定は、ランダム振動制御システム(i230/SA2M)を用いて行い、10~100Hzの周波数帯において加速度1Gで振動させた際に、加速度が最大となる周波数を共振周波数とした。結果を表1に示す。
<耐振動性の評価>
各実施例及び比較例の鉛蓄電池を、以下の条件で電極板の配列方向に振動させた。なお、振動試験は振動数を変更して複数回行った。
試験装置:ランダム振動制御システム(i230/SA2M)(商品名、IMV株式会社製)
振動数:20.0Hz、35.0Hz、39.5Hz、45.5Hz、51.0Hz
各振動数での振動時間:1200分間
試験後の鉛蓄電池の蓋を取り外し、目視により試験後の鉛蓄電池における極柱の破損の発生の有無を確認した。いずれの振動数でも極柱に破損が発生しなかった場合をAとし、いずれかの振動数で極柱に亀裂又は破断が生じた場合をBとした。結果を表1に示す。
Figure 0007185977000001
1…鉛蓄電池、2…電槽、3…蓋、5…正極端子、6…負極端子、8…正極板、9…負極板、10…セパレータ、18…正極柱、21…側壁。

Claims (4)

  1. 上面が開口している電槽と、
    電極端子を有し、前記開口を閉じる蓋と、
    前記電槽の一対の側壁間に一列に配列された複数の電極板及びセパレータを備える極板群と、
    前記蓋から前記電槽内に延び、前記電極板を前記電極端子に電気的に接続する極柱と、を備える鉛蓄電池であって、
    前記複数の電極板のうち、前記一対の側壁のそれぞれに最近接の第1の電極板及び第2の電極板の少なくとも一方は、最近接の前記側壁に対して露出しており、
    前記鉛蓄電池を前記複数の電極板の配列方向に振動させたときの前記極柱の共振周波数が30Hz以上であり、
    前記鉛蓄電池を前記複数の電極板の配列方向に1Gの加速度を加えて振動させたときの前記極柱の最大加速度が3.0G未満である、鉛蓄電池(ただし、前記極板群の上部を電槽に対して固定する絶縁樹脂製の極板群固定部材を備える鉛蓄電池を除く)。
  2. 前記セパレータは、厚さが0.25mm以上のベース部を有する、請求項に記載の鉛蓄電池。
  3. 前記複数の電極板として、複数の正極板及び複数の負極板を備え、
    前記第1の電極板及び前記第2の電極板の少なくとも一方が正極板である、請求項1又は2に記載の鉛蓄電池。
  4. 前記複数の電極板における前記正極板の枚数と前記負極板の枚数とが互いに同じである、請求項に記載の鉛蓄電池。
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