JP7188398B2 - Valve-regulated lead-acid battery - Google Patents
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Description
本明細書に開示される技術は、制御弁式鉛蓄電池に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a valve-regulated lead-acid battery.
鉛蓄電池の1つとして、制御弁式鉛蓄電池(密閉式鉛蓄電池)が知られている。制御弁式鉛蓄電池は、内部に流動する電解液を有さないことから設置姿勢の自由度が高く、また、液量の点検や補水が不要であることからメンテナンスが容易であり、例えば、無停電電源装置、通信基地局、二輪自動車等の電源として利用される(例えば、特許文献1参照)。 Valve-regulated lead-acid batteries (sealed lead-acid batteries) are known as one of lead-acid batteries. Valve-regulated lead-acid batteries have a high degree of freedom in installation orientation because they do not contain electrolyte that flows inside. It is used as a power supply for blackout power supplies, communication base stations, motorcycles, and the like (see Patent Document 1, for example).
制御弁式鉛蓄電池は、正極板と負極板とを備える。正極板および負極板は、それぞれ、集電体と、集電体に支持された活物質とを有する。また、制御弁式鉛蓄電池は、正極板と負極板との間に配置され、ガラス繊維により構成されたセパレータを備える。セパレータには、電解液(例えば、希硫酸)が含浸されている。制御弁式鉛蓄電池では、正極板と負極板とセパレータとは、厚さ方向に圧縮力を受けた状態で、セル室に収容されている。 A valve-regulated lead-acid battery includes a positive plate and a negative plate. The positive plate and the negative plate each have a current collector and an active material supported by the current collector. Further, the valve-regulated lead-acid battery is provided with a separator made of glass fiber and arranged between the positive electrode plate and the negative electrode plate. The separator is impregnated with an electrolytic solution (for example, dilute sulfuric acid). In a valve-regulated lead-acid battery, a positive electrode plate, a negative electrode plate, and a separator are accommodated in a cell chamber while receiving a compressive force in the thickness direction.
制御弁式鉛蓄電池では、正極板が厚さ方向に圧縮力を受けた状態でセル室に収容されていることから、正極板における集電体からの正極材料の脱落は比較的発生しにくいものの、正極材料の脱落の発生のおそれは依然としてある。本願発明者は、鋭意検討を重ねることにより、制御弁式鉛蓄電池の構成として特定の構成を採用すると、集電体からの正極材料の脱落を効果的に抑制することができ、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることを新たに見出した。 In a valve-regulated lead-acid battery, the positive electrode plate is accommodated in the cell chamber while receiving a compressive force in the thickness direction. , there is still a risk of falling off of the positive electrode material. Through extensive research, the inventors of the present application have found that when a specific configuration is adopted as the configuration of a valve-regulated lead-acid battery, it is possible to effectively suppress the dropout of the positive electrode material from the current collector. We have newly found that the life characteristics of storage batteries can be dramatically improved.
本明細書では、制御弁式鉛蓄電池の正極板における集電体からの正極材料の脱落を効果的に抑制して、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることが可能な技術を開示する。 In the present specification, a technology is provided that effectively suppresses falling off of the positive electrode material from the current collector in the positive electrode plate of the valve regulated lead acid battery, thereby dramatically improving the life characteristics of the valve regulated lead acid battery. disclose.
本明細書に開示される制御弁式鉛蓄電池は、集電体と、前記集電体に支持された正極材料と、を有する正極板と、負極板と、前記正極板と前記負極板との間に配置され、ガラス繊維により構成されたセパレータと、を備え、前記セパレータの圧縮比は、1.2以上、1.8以下であり、前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.150cm3/g以下であり、前記正極材料は、繊維を含有しており、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による前記繊維の平均比表面積は、0.20m2/g以上である。The valve regulated lead-acid battery disclosed herein comprises a positive plate having a current collector, a positive electrode material supported by the current collector, a negative plate, and a combination of the positive plate and the negative plate. a separator disposed between and made of glass fiber, wherein the compression ratio of the separator is 1.2 or more and 1.8 or less, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode material is The positive electrode material contains fibers, and the fibers have an average specific surface area of 0.20 m 2 / g or more as determined by the BET method using krypton gas as an adsorption gas. .
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be implemented as the following modes.
(1)本明細書に開示される制御弁式鉛蓄電池は、集電体と、前記集電体に支持された正極材料と、を有する正極板と、負極板と、前記正極板と前記負極板との間に配置され、ガラス繊維により構成されたセパレータと、を備え、前記セパレータの圧縮比は、1.2以上、1.8以下であり、前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.150cm3/g以下であり、前記正極材料は、繊維を含有しており、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による前記繊維の平均比表面積は、0.20m2/g以上である。なお、正極板は、集電体と正極材料とから構成される。すなわち、正極材料は、正極板から集電体を取り除いたものであり、一般に「活物質」ともいわれるものである。本願発明者は、鋭意検討を重ねることにより、上記のような構成を採用することにより、正極板における集電体からの正極材料の脱落を効果的に抑制して、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることを新たに見出した。(1) The valve regulated lead-acid battery disclosed herein comprises a positive electrode plate having a current collector and a positive electrode material supported by the current collector, a negative electrode plate, the positive electrode plate and the negative electrode. a separator disposed between the plate and made of glass fiber, wherein the compression ratio of the separator is 1.2 or more and 1.8 or less, and the total pores per unit mass of the positive electrode material The volume is 0.150 cm 3 /g or less, the positive electrode material contains fibers, and the average specific surface area of the fibers is 0.20 m 2 /g by the BET method using krypton gas as an adsorption gas. That's it. In addition, the positive electrode plate is composed of a current collector and a positive electrode material. That is, the positive electrode material is obtained by removing the current collector from the positive electrode plate, and is generally called an “active material”. The inventors of the present application have conducted intensive studies and found that by adopting the configuration described above, it is possible to effectively suppress the falling off of the positive electrode material from the current collector of the positive electrode plate, thereby prolonging the life of the valve-regulated lead-acid battery. It was newly found that the characteristics can be dramatically improved.
すなわち、従来、正極材料に含有させる繊維の比表面積については、何ら検討されていなかった。また、仮に、正極材料に含有させる繊維の比表面積について検討するとしても、繊維の比表面積をBET法で測定する場合に用いられる吸着ガスは、一般に窒素ガスであった。本願発明者は、種々の繊維について、窒素ガスを吸着ガスとして用いた場合には繊維の比表面積の測定結果に有意な差が無い場合であっても、クリプトンガスを吸着ガスとして用いて繊維の比表面積を測定し、そのように測定された平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を選択的に用いると、正極板における集電体からの正極材料の脱落を効果的に抑制して、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることを新たに見出した。That is, conventionally, no study has been made on the specific surface area of the fibers contained in the positive electrode material. Moreover, even if the specific surface area of the fiber to be contained in the positive electrode material is examined, the adsorption gas used in measuring the specific surface area of the fiber by the BET method is generally nitrogen gas. The inventors of the present application have found that, with regard to various fibers, even if there is no significant difference in the measurement results of the specific surface area of the fibers when nitrogen gas is used as the adsorption gas, krypton gas is used as the adsorption gas to improve the properties of the fibers. By measuring the specific surface area and selectively using fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more, the positive electrode material is effectively prevented from falling off from the current collector of the positive electrode plate. As a result, the inventors have newly found that the life characteristics of a valve-regulated lead-acid battery can be dramatically improved.
ただし、正極材料の単位質量あたりの全細孔容積が過度に大きいと、正極材料の密度が過度に低く、崩れやすい構成となるため、正極材料の集電体からの脱落を抑制することができなくなる場合がある。また、セパレータの圧縮比が過度に小さいと、制御弁式鉛蓄電池の充放電の繰り返しによって発生する極板の膨張・収縮に伴いセパレータの厚さが薄くなり、極板の収縮時に次第にセパレータと極板とが接触できない部位が増加して容量低下が発生し、寿命特性が低くなる場合がある。また、セパレータの圧縮比が過度に大きいと、セパレータに過大な圧力が加わることによってセパレータ内部の隙間が過小となり、セパレータによる電解液を保持する機能が過度に低下した状態となり、容量低下が発生して寿命特性が低くなる場合がある。本願発明者は、鋭意検討を重ねることにより、セパレータの圧縮比を1.2以上、1.8以下とし、かつ、正極材料の単位質量あたりの全細孔容積を0.150cm3/g以下とすれば、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を正極用繊維として採用することにより、正極板における集電体からの正極材料の脱落を効果的に抑制して、鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることを見出した。However, if the total pore volume per unit mass of the positive electrode material is excessively large, the density of the positive electrode material is excessively low, resulting in a configuration that easily crumbles, so the falling off of the positive electrode material from the current collector cannot be suppressed. may disappear. In addition, if the compression ratio of the separator is too small, the thickness of the separator will decrease as the electrode plates expand and contract due to repeated charging and discharging of the valve-regulated lead-acid battery. The portion that cannot contact with the plate increases, causing a decrease in capacity and a decrease in life characteristics in some cases. In addition, if the compression ratio of the separator is excessively high, the gap inside the separator becomes too small due to excessive pressure applied to the separator, resulting in a state in which the function of the separator to retain the electrolyte is excessively reduced, resulting in a decrease in capacity. life characteristics may be degraded. The inventors of the present application have made intensive studies to determine the compression ratio of the separator to be 1.2 or more and 1.8 or less, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode material to be 0.150 cm 3 /g or less. Then, by adopting fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorbing gas as the positive electrode fibers, the positive electrode material is prevented from falling off from the current collector in the positive electrode plate. can be effectively suppressed, and the life characteristics of lead-acid batteries can be dramatically improved.
(2)上記制御弁式鉛蓄電池において、前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.104cm3/g以上である構成としてもよい。正極材料の単位質量あたりの全細孔容積が過度に小さいと、正極材料の反応性が過度に低くなり、その結果、鉛蓄電池の容量特性が低くなるものと考えられる。これに対し、本制御弁式鉛蓄電池では、正極材料の単位質量あたりの全細孔容積が0.104cm3/g以上と過度に小さくない。そのため、本制御弁式鉛蓄電池によれば、正極材料の反応性の低下を抑制することができ、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させつつ、制御弁式鉛蓄電池の容量特性を向上させることができる。(2) In the valve-regulated lead-acid battery, the positive electrode material may have a total pore volume of 0.104 cm 3 /g or more per unit mass. It is believed that if the total pore volume per unit mass of the positive electrode material is too small, the reactivity of the positive electrode material will be too low, resulting in poor capacity characteristics of the lead-acid battery. On the other hand, in the present valve-regulated lead-acid battery, the total pore volume per unit mass of the positive electrode material is 0.104 cm 3 /g or more, which is not excessively small. Therefore, according to the present valve-regulated lead-acid battery, it is possible to suppress the deterioration of the reactivity of the positive electrode material, and to dramatically improve the life characteristics of the valve-regulated lead-acid battery while maintaining the capacity characteristics of the valve-regulated lead-acid battery. can be improved.
(3)上記制御弁式鉛蓄電池において、前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.132cm3/g以上である構成としてもよい。本制御弁式鉛蓄電池によれば、正極材料の反応性の低下を極めて効果的に抑制することができるため、制御弁式鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させつつ、制御弁式鉛蓄電池の容量特性を極めて効果的に向上させることができる。(3) In the valve-regulated lead-acid battery, the positive electrode material may have a total pore volume of 0.132 cm 3 /g or more per unit mass. According to this valve-regulated lead-acid battery, it is possible to extremely effectively suppress the decrease in reactivity of the positive electrode material. can very effectively improve the capacity characteristics of
(4)上記制御弁式鉛蓄電池において、前記繊維は、アクリル系繊維である構成としてもよい。本制御弁式鉛蓄電池によれば、容易に、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を得ることができる。(4) In the valve-regulated lead-acid battery, the fibers may be acrylic fibers. According to this valve-regulated lead-acid battery, it is possible to easily obtain fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorption gas.
A.実施形態:
A-1.基本構成:
(鉛蓄電池100の構成)
図1は、本実施形態における鉛蓄電池100の外観構成を示す正面図であり、図2は、鉛蓄電池100の外観構成を示す上面図であり、図3は、鉛蓄電池100の内部構成を示す上面図(後述する蓋14を外した状態を示す図)であり、図4は、図2のIV-IVの位置における鉛蓄電池100のYZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図2のV-Vの位置における鉛蓄電池100のYZ断面構成を示す説明図であり、図6は、図3のVI-VIの位置における鉛蓄電池100の一部分のXZ断面構成を示す説明図である。なお、図示の便宜上、図3では、後述する複数の極板群20(およびそれに接続されるストラップ52,54)の内の一部(3つ)のみが示されており、また、図4および図5では、極板群20の構成が分かりやすく示されるように、該構成の一部の図示が省略されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を「上方向」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、鉛蓄電池100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。A. Embodiment:
A-1. Basic configuration:
(Configuration of lead-acid battery 100)
FIG. 1 is a front view showing the appearance configuration of a lead-
本実施形態の鉛蓄電池100は、制御弁式鉛蓄電池(密閉式鉛蓄電池)である。制御弁式鉛蓄電池は、内部に流動する電解液を有さないことから設置姿勢の自由度が高く、また、液量の点検や補水が不要であることからメンテナンスが容易であり、例えば、無停電電源装置、通信基地局、二輪自動車等の電源として利用される。鉛蓄電池100は、筐体10と、正極側端子部材30と、負極側端子部材40と、複数の極板群20とを備える。以下では、正極側端子部材30と負極側端子部材40とを、まとめて「端子部材30,40」ともいう。
The lead-
(筐体10の構成)
筐体10は、電槽12と、蓋14とを有する。電槽12は、上面に開口部を有する略直方体の容器であり、例えば合成樹脂により形成されている。蓋14は、電槽12の開口部を塞ぐように配置された部材であり、例えば合成樹脂により形成されている。蓋14の下面の周縁部分と電槽12の開口部の周縁部分とが例えば熱溶着によって接合されることにより、筐体10内に外部との気密が保たれた空間が形成されている。(Configuration of housing 10)
The
蓋14には、制御弁(排気弁)60が配置されている。制御弁60は、通常時は閉状態とされており、鉛蓄電池100の内圧が上昇した時に開状態となって内圧を逃す機能を有する。
A control valve (exhaust valve) 60 is arranged on the
筐体10内の空間は、複数の(本実施形態では5枚の)隔壁58によって、所定方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ複数の(本実施形態では6つの)セル室16に区画されている。以下では、複数のセル室16が並ぶ方向(X軸方向)を、「セル並び方向」という。筐体10内の各セル室16には、1つの極板群20が収容されている。本実施形態では、筐体10内の空間が6つのセル室16に区画されているため、鉛蓄電池100は6つの極板群20を備える。
The space in the
(極板群20の構成)
図4から図6に示すように、極板群20は、複数の正極板210と、複数の負極板220と、セパレータ230とを備える。複数の正極板210および複数の負極板220は、正極板210と負極板220とが交互に並ぶように配置されている。また、セパレータ230は、互いに隣り合う正極板210と負極板220との間に配置され、正極板210と負極板220とに挟持されている。なお、極板群20が、正極板210、負極板220、セパレータ230以外の他の部材(例えば、正極板210と負極板220との間に配置された不織布シート)を備えるとしてもよい。以下では、正極板210と負極板220とを、まとめて「極板210,220」ともいう。(Structure of electrode plate group 20)
As shown in FIGS. 4 to 6, the
正極板210は、正極集電体212と、正極集電体212に支持された正極活物質216とを有する。正極集電体212は、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材であり、例えば鉛または鉛合金により形成されている。また、正極集電体212は、その上端付近に、上方に突出する正極耳部214を有している。正極活物質216は、二酸化鉛と、後述する正極用繊維217とを含んでいる。正極活物質216は、さらに、公知の他の添加剤を含んでいてもよい。このような構成の正極板210は、例えば、一酸化鉛と水と希硫酸とを主成分とする正極活物質用ペーストを正極集電体212に塗布または充填し、正極活物質用ペーストを乾燥させた後、公知の化成処理を行うことにより作製することができる。なお、本実施形態における正極活物質216は、正極板210から正極集電体212を取り除いたものであり、特許請求の範囲における正極材料に相当する。
The
負極板220は、負極集電体222と、負極集電体222に支持された負極活物質226とを有する。負極集電体222は、略格子状または網目状に配置された骨を有する導電性部材であり、例えば鉛または鉛合金により形成されている。また、負極集電体222は、その上端付近に、上方に突出する負極耳部224を有している。負極活物質226は、鉛(海綿状鉛)を含んでいる。負極活物質226は、さらに、公知の他の添加剤(例えば、繊維、カーボン、リグニン、硫酸バリウム等)を含んでいてもよい。このような構成の負極板220は、例えば、鉛を含む負極活物質用ペーストを負極集電体222に塗布または充填し、該負極活物質用ペーストを乾燥させた後、公知の化成処理を行うことにより作製することができる。
The
セパレータ230は、絶縁性材料であるガラス繊維により構成され、厚さ方向に弾性変形可能なマット状の部材である。セパレータ230には、電解液(例えば、希硫酸)が含浸されている。このように、セパレータ230は、両極板210,220の間の短絡を防止すると共に、電解液を保持する機能を有する。
The
なお、図7に示すように、セル室16に収容されていない状態(以下、「自然状態」という)における極板群20の厚さW0は、セル室16の幅(すなわち、互いに隣り合う一対の隔壁58間の距離(または隔壁58と電槽12の側壁との間の距離))W1よりもわずかに大きい値に設定されている。鉛蓄電池100を製造する際には、自然状態の極板群20に対し、押圧装置(図示せず)によって厚さ方向に圧縮力が加えられる。その結果、セパレータ230が厚さ方向に弾性収縮することにより、極板群20の厚さがセル室16の幅W1以下となる。この状態で、極板群20がセル室16に挿入される。極板群20がセル室16に収容された状態では、極板群20は、厚さ方向(本実施形態ではX軸方向)に圧縮力を受けている。そのため、極板群20を構成する各極板210,220は、電解液を保持したセパレータ230と良好に接触した状態となる。
As shown in FIG. 7, the thickness W0 of the
図3から図5に示すように、極板群20を構成する複数の正極板210の正極耳部214は、例えば鉛または鉛合金により形成された正極側ストラップ52に接続されている。すなわち、複数の正極板210は、正極側ストラップ52を介して電気的に並列に接続されている。同様に、極板群20を構成する複数の負極板220の負極耳部224は、例えば鉛または鉛合金により形成された負極側ストラップ54に接続されている。すなわち、複数の負極板220は、負極側ストラップ54を介して電気的に並列に接続されている。以下では、正極側ストラップ52と負極側ストラップ54とを、まとめて「ストラップ52,54」ともいう。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
鉛蓄電池100において、一のセル室16に収容された負極側ストラップ54は、例えば鉛または鉛合金により形成された接続部材56を介して、該一のセル室16の一方側(例えばX軸正方向側)に隣り合う他のセル室16に収容された正極側ストラップ52に接続されている。また、該一のセル室16に収容された正極側ストラップ52は、接続部材56を介して、該一のセル室16の他方側(例えばX軸負方向側)に隣り合う他のセル室16に収容された負極側ストラップ54に接続されている。すなわち、鉛蓄電池100が備える複数の極板群20は、ストラップ52,54および接続部材56を介して電気的に直列に接続されている。なお、図4に示すように、セル並び方向の一方側(X軸正方向側)の端に位置するセル室16に収容された正極側ストラップ52は、接続部材56ではなく、後述する正極柱34に接続されている。また、図5に示すように、セル並び方向の他方側(X軸負方向側)の端に位置するセル室16に収容された負極側ストラップ54は、接続部材56ではなく、後述する負極柱44に接続されている。
In the lead-
(端子部材30,40の構成)
図1および図2に示すように、正極側端子部材30は、筐体10におけるセル並び方向の一方側(X軸正方向側)の端部付近に配置されており、負極側端子部材40は、筐体10におけるセル並び方向の他方側(X軸負方向側)の端部付近に配置されている。(Configuration of
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図4に示すように、正極側端子部材30は、正極側ブッシング32と、正極柱34と、正極側端子部36とを含む。正極側ブッシング32は、上下方向に貫通する孔が形成された略円筒状の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。正極側ブッシング32は、インサート成形により蓋14に埋設されている。正極柱34は、略円柱形の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。正極柱34は、正極側ブッシング32の孔に挿入されており、例えば溶接により正極側ブッシング32に接合されている。正極柱34の下端部は、正極側ブッシング32の下端部より下方に突出し、さらに、蓋14の下面より下方に突出しており、上述したように、セル並び方向の一方側(X軸正方向側)の端に位置するセル室16に収容された正極側ストラップ52に接続されている。正極側端子部36は、例えば略L形の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。正極側端子部36の上端部は、蓋14の上面より上方に突出しており、正極側端子部36の下端部は、正極柱34の上端部と電気的に接続されている。蓋14の上面における正極側端子部36が貫通した部分の周りは、例えば樹脂部材70により封止されている。なお、正極側端子部36と正極柱34とが一体部材であるとしてもよい。
As shown in FIG. 4 , the positive electrode
図5に示すように、負極側端子部材40は、負極側ブッシング42と、負極柱44と、負極側端子部46とを含む。負極側ブッシング42は、上下方向に貫通する孔が形成された略円筒状の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。負極側ブッシング42は、インサート成形により蓋14に埋設されている。負極柱44は、略円柱形の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。負極柱44は、負極側ブッシング42の孔に挿入されており、例えば溶接により負極側ブッシング42に接合されている。負極柱44の下端部は、負極側ブッシング42の下端部より下方に突出し、さらに、蓋14の下面より下方に突出しており、上述したように、セル並び方向の他方側(X軸負方向側)の端に位置するセル室16に収容された負極側ストラップ54に接続されている。負極側端子部46は、例えば略L形の導電性部材であり、例えば鉛合金により形成されている。負極側端子部46の上端部は、蓋14の上面より上方に突出しており、負極側端子部46の下端部は、負極柱44の上端部と電気的に接続されている。蓋14の上面における負極側端子部46が貫通した部分の周りは、例えば樹脂部材70により封止されている。なお、負極側端子部46と負極柱44とが一体部材であるとしてもよい。
As shown in FIG. 5 , the
鉛蓄電池100の放電の際には、正極側端子部材30の正極側端子部36および負極側端子部材40の負極側端子部46に負荷(図示せず)が接続され、各極板群20の正極板210での反応(二酸化鉛から硫酸鉛が生ずる反応)および負極板220での反応(鉛(海綿状鉛)から硫酸鉛が生ずる反応)により生じた電力が該負荷に供給される。また、鉛蓄電池100の充電の際には、正極側端子部材30の正極側端子部36および負極側端子部材40の負極側端子部46に電源(図示せず)が接続され、該電源から供給される電力によって各極板群20の正極板210での反応(硫酸鉛から二酸化鉛が生ずる反応)および負極板220での反応(硫酸鉛から鉛(海綿状鉛)が生ずる反応)が起こり、鉛蓄電池100が充電される。
When the lead-
A-2.鉛蓄電池100の詳細構成:
A-2-1.セパレータ230の詳細構成:
本実施形態の鉛蓄電池100では、各セル室16に収容される極板群20を構成する各セパレータ230の圧縮比は、1.2以上、1.8以下である。ここで、セパレータ230の圧縮比とは、図6および図7に示すように、極板群20がセル室16に収容された状態(以下、「収容状態」という)におけるセパレータ230の厚さD1に対する、極板群20がセル室16に収容されていない状態(自然状態)におけるセパレータ230の厚さD0の比(=D0/D1)である。すなわち、セパレータ230の圧縮比は、収容状態におけるセパレータ230が、自然状態からどの程度弾性収縮しているかを示す指標値である。以下の説明では、セパレータ230の圧縮比が1.2以上、1.8以下であるという条件を、「セパレータに関する特定条件」という。A-2. Detailed configuration of the lead-acid battery 100:
A-2-1. Detailed configuration of the separator 230:
In the lead-
なお、鉛蓄電池100を構成するセパレータ230の圧縮比は、以下のようにして特定するものとする。
(1)電池工業会規格(SBA)に則って満充電状態の鉛蓄電池100を解体し、セル室16から極板群20を取り出す。なお、極板群20をセル室16から取り出すと、極板群20を構成するセパレータ230は厚さ方向に復元膨張する。
(2)取り出された極板群20を構成する各極板210,220および各セパレータ230を3時間以上水洗した後、乾燥させる。
(3)乾燥後、各正極板210および各負極板220の厚さをノギスで測定する。各極板210,220について、測定された厚さの平均値を算出する。同様に、乾燥後、各セパレータ230の厚さ(自然状態における厚さD0)をノギスで測定する。なお、セパレータ230は厚さが変化しやすいため、200N/dm2の基準で厚さを測定する。各セパレータ230について、測定された厚さの平均値を算出する。
(4)セル室16の幅W1をノギスで測定する。セル室16における上部と下部で幅W1が異なる場合には、上部と下部の幅W1の平均値を算出する。
(5)以下の式に基づき、セパレータ230の圧縮比を算出する。
セパレータ230の圧縮比
=自然状態におけるセパレータ230の厚さD0/収容状態におけるセパレータ230の厚さD1
ここで、自然状態におけるセパレータ230の厚さD0は、上記(3)における測定値である。
また、収容状態におけるセパレータ230の厚さD1は、以下の式に基づき算出する。
収容状態におけるセパレータ230の厚さD1
=(セル室16の幅W1-(正極板210の厚さ×極板群20を構成する正極板210の枚数)-(負極板220の厚さ×極板群20を構成する負極板220の枚数))/(極板群20を構成する正極板210の枚数+極板群20を構成する負極板220の枚数-1)
ただし、極板群20が、正極板210、負極板220、セパレータ230以外の他の部材(例えば不織布シート)を備える場合には、収容状態におけるセパレータ230の厚さD1は、上記式で求めた値から上記他の部材の厚さを減じた値とする。Note that the compression ratio of the
(1) The fully charged lead-
(2) Each
(3) After drying, the thickness of each
(4) Measure the width W1 of the
(5) Calculate the compression ratio of the
Compression ratio of
Here, the thickness D0 of the
Also, the thickness D1 of the
Thickness D1 of
=(width W1 of
However, when the
A-2-2.正極活物質216の詳細構成:
図4に示すように、本実施形態の鉛蓄電池100では、正極活物質216は、二酸化鉛に加えて、繊維(以下、「正極用繊維」という)217を含有している。本実施形態では、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維217の平均比表面積(以下、単に「正極用繊維217の平均比表面積」ともいう)は、0.20m2/g以上である。なお、クリプトンガスは、例えば窒素ガスと比べて飽和蒸気圧が低いため、BET法による比表面積の測定のための吸着ガスとしてクリプトンガスを用いれば、比較的低い比表面積を精度良く測定することができる。例えば、クリプトンガスを吸着ガスとして用いれば、窒素ガスを用いる場合には測定の難しい、正極用繊維217の表面の微細な皺の部分の表面積も精度良く測定することができる。そのため、種々の繊維について、窒素ガスを吸着ガスとして用いた場合には繊維の比表面積の測定結果に有意な差が無い場合であっても、クリプトンガスを吸着ガスとして用いると、繊維の比表面積の測定結果に有意な差が把握されることがある。A-2-2. Detailed configuration of the positive electrode active material 216:
As shown in FIG. 4 , in the lead-
正極用繊維217は、例えば、アクリル系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエステル系繊維、ポリエチレン系繊維、PET系繊維、レーヨン系繊維である。なお、アクリル系繊維は、ポリマーを溶剤に溶かして凝固剤と呼ばれる液体の中で繊維を紡出する湿式紡糸により製造される。このとき、繊維部と溶剤部に分離(偏析)し、溶剤部が除去された部分が皺となって発現する。そのため、一般に、アクリル系繊維の表面には、微細な皺が多く形成されている。従って、正極用繊維217としてアクリル系繊維を用いると、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が上述した数値範囲内である正極用繊維217を容易に得ることができるため、好ましい。なお、正極用繊維217としてアクリル系繊維を用いる場合には、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維217の平均比表面積を0.40m2/g程度までは大きくすることができる。The
また、本実施形態の鉛蓄電池100では、正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積は、0.150cm3/g以下である。なお、正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積は、0.104cm3/g以上、0.150cm3/g以下であることがより好ましく、0.132cm3/g以上、0.150cm3/g以下であることがさらに好ましい。正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積は、正極活物質216を作製する際の処方(鉛粉、水、希硫酸の配合比率)を変化させることにより調整することができる。例えば、希硫酸と水の配合比率を高くすると、正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積は大きくなる。Further, in the lead-
以下の説明では、正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積が0.150cm3/g以下であり、正極活物質216が正極用繊維217を含有しており、かつ、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維217の平均比表面積が0.20m2/g以上であるという条件を、「正極活物質に関する特定条件」という。In the following description, the total pore volume per unit mass of the positive electrode
なお、鉛蓄電池100の正極板210を構成する正極活物質216に含まれる正極用繊維217についての、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積は、以下のように特定するものとする。
(1)鉛蓄電池100を解体し、正極板210を採取する。
(2)硫酸を除去するため、採取した正極板210を水洗する。
(3)正極板210から正極活物質216を採取する。
(4)採取した正極活物質216を硝酸と過酸化水素との混合液に溶解させる。
(5)(4)の溶液をろ過する。
(6)ろ紙上の残物から約0.4gの試料(繊維)をサンプリングする。
(7)比表面積測定装置(島津製作所製のトライスターII 3020シリーズ)を用いて、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法により、各繊維の比表面積を測定する。
(8)各繊維の比表面積の平均値を算出する。The average specific surface area of the
(1) The lead-
(2) The collected
(3) Collecting the positive electrode
(4) The collected positive electrode
(5) Filter the solution of (4).
(6) Sample about 0.4 g of sample (fiber) from the residue on the filter paper.
(7) Using a specific surface area measuring device (Tristar II 3020 series manufactured by Shimadzu Corporation), the specific surface area of each fiber is measured by the BET method using krypton gas as an adsorption gas.
(8) Calculate the average value of the specific surface area of each fiber.
また、鉛蓄電池100の正極板210を構成する正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積は、以下のように特定するものとする。
(1)鉛蓄電池100を解体し、正極板210を採取する。
(2)硫酸を除去するため、採取した正極板210を水洗する。
(3)正極板210から約1gの試料(正極活物質216)を採取する。
(4)採取した正極活物質216を対象として、水銀ポロシメータ(島津製作所製のオートポアIV9500シリーズ)を用いて水銀圧入法により全細孔容積を測定する。
(5)各正極活物質216の全細孔容積の測定値の平均値を、正極活物質216の単位質量あたりの全細孔容積とする。Further, the total pore volume per unit mass of the positive electrode
(1) The lead-
(2) The collected
(3) About 1 g of sample (positive electrode active material 216 ) is sampled from the
(4) Using a mercury porosimeter (Autopore IV9500 series manufactured by Shimadzu Corporation), the total pore volume of the sampled positive electrode
(5) Let the average value of the measured values of the total pore volume of each positive electrode
A-3.性能評価:
鉛蓄電池の複数のサンプル(S1~S21)を作製し、該サンプルを対象とした性能評価を行った。図8および図9は、性能評価結果を示す説明図である。なお、複数のサンプルの内の基準となるサンプルS5については、図8および図9に共通して記載されている(各図において太枠で囲んで示す)。A-3. Performance evaluation:
A plurality of lead-acid battery samples (S1 to S21) were produced, and performance evaluation was performed on the samples. 8 and 9 are explanatory diagrams showing performance evaluation results. Note that the reference sample S5 among the plurality of samples is described in common in FIGS. 8 and 9 (indicated by a thick frame in each figure).
A-3-1.各サンプルについて:
図8および図9に示すように、各サンプルは、セパレータの圧縮比と、正極活物質の全細孔容積と、正極用繊維の平均比表面積とが互いに異なる。より具体的には、図8に示されたサンプルS1~S13は、セパレータの圧縮比はすべて同じ値(1.5)であるが、正極活物質の全細孔容積と、正極用繊維の平均比表面積とが互いに異なっている。なお、図8では、サンプルS1~S13が、正極活物質の全細孔容積の昇順に並べられ、さらに、正極活物質の全細孔容積が同一値である各サンプルが、正極用繊維の平均比表面積の昇順に並べられている。A-3-1. For each sample:
As shown in FIGS. 8 and 9, the samples differ from each other in the compression ratio of the separator, the total pore volume of the positive electrode active material, and the average specific surface area of the positive electrode fiber. More specifically, samples S1 to S13 shown in FIG. 8 all have the same separator compression ratio (1.5), but the total pore volume of the positive electrode active material and the average positive electrode fiber specific surface areas are different from each other. In FIG. 8, the samples S1 to S13 are arranged in ascending order of the total pore volume of the positive electrode active material. They are arranged in ascending order of specific surface area.
また、図9に示されたサンプルS5,S14~S21は、正極活物質の全細孔容積はすべて同じ値(0.104cm3/g)であるが、セパレータの圧縮比と、正極用繊維の平均比表面積とが互いに異なっている。なお、図9では、サンプルS14~S21が、セパレータの圧縮比の昇順に並べられ、さらに、セパレータの圧縮比が同一値である各サンプルが、正極用繊維の平均比表面積の昇順に並べられている。Samples S5 and S14 to S21 shown in FIG. 9 all have the same total pore volume of the positive electrode active material (0.104 cm 3 /g), but the compression ratio of the separator and the positive electrode fiber content are the same. are different from each other in average specific surface area. In FIG. 9, the samples S14 to S21 are arranged in ascending order of the compression ratio of the separator, and the samples having the same separator compression ratio are arranged in ascending order of the average specific surface area of the positive electrode fiber. there is
サンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19は、上述した実施形態の鉛蓄電池100が満たしているセパレータに関する特定条件(セパレータの圧縮比が1.2以上、1.8以下であるという条件)と、正極活物質に関する特定条件(正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.150cm3/g以下であり、正極活物質が正極用繊維を含有しており、かつ、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維の平均比表面積が0.20m2/g以上であるという条件)との両方を満たしている。Samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19 are specific conditions regarding the separator that the lead-
一方、サンプルS4,S5,S13~S15,S20,S21は、上述したセパレータに関する特定条件と正極活物質に関する特定条件との一方または両方を満たしていない。具体的には、サンプルS14,S15は、セパレータの圧縮比が1.1と比較的小さいため、セパレータに関する特定条件を満たしていない。また、サンプルS20,S21は、セパレータの圧縮比が1.9と比較的大きいため、セパレータに関する特定条件を満たしていない。また、サンプルS4,S5は、正極用繊維の平均比表面積が0.16m2/gまたは0.18m2/gと比較的小さいため、正極活物質に関する特定条件を満たしていない。また、サンプルS13は、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.159cm3/gと比較的大きいため、正極活物質に関する特定条件を満たしていない。On the other hand, samples S4, S5, S13 to S15, S20, and S21 do not satisfy one or both of the specific conditions regarding the separator and the specific conditions regarding the positive electrode active material. Specifically, samples S14 and S15 do not satisfy the specific condition regarding the separator because the compression ratio of the separator is relatively small at 1.1. Also, the samples S20 and S21 do not satisfy the specific condition regarding the separator, since the compression ratio of the separator is relatively large at 1.9. In addition, samples S4 and S5 do not satisfy the specific condition regarding the positive electrode active material because the positive electrode fibers have a relatively small average specific surface area of 0.16 m 2 /g or 0.18 m 2 /g. In addition, the sample S13 does not satisfy the specific condition regarding the positive electrode active material because the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is relatively large, ie, 0.159 cm 3 /g.
なお、すべてのサンプルにおいて、正極用繊維としてアクリル系繊維が用いられており、該アクリル系繊維の平均径は16.7μmであり、該アクリル系繊維のアスペクト比(繊維の平均径に対する平均長さの比)は30~400である。また、すべてのサンプルにおいて、正極活物質における正極用繊維の含有割合は、0.05質量%(wt%)~0.40質量%である。また、すべてのサンプルにおいて、負極板を構成する負極活物質は、負極用繊維として、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/gであるPET系繊維を含有している。In all the samples, acrylic fiber was used as the positive electrode fiber, the average diameter of the acrylic fiber was 16.7 μm, and the aspect ratio of the acrylic fiber (the average length to the average diameter of the fiber ratio) is 30-400. Further, in all the samples, the content ratio of the positive electrode fiber in the positive electrode active material was 0.05% by mass (wt%) to 0.40% by mass. In all samples, the negative electrode active material constituting the negative electrode plate contained PET-based fiber having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g as determined by the BET method using krypton gas as an adsorption gas. is doing.
各サンプルの作製方法は、以下の通りである。
(1)正極板の作製
原料鉛粉(鉛と一酸化鉛とを主成分とする酸化鉛の混合物)と、水と、希硫酸(密度1.40g/cm3)と、所定の長さに切断した合成樹脂繊維(以下、「正極用繊維」という)とを混合することにより、正極活物質用ペーストを得た。正極活物質は、希硫酸と水との配合比を変化させることによって密度を変化させることが可能であることが知られており、今回の性能評価で使用した正極活物質も上記希硫酸と水との配合比を変化させることで実現した。また、鉛とカルシウムとスズとの3元合金(以下、「Pb-Ca-Sn合金」という)からなる鉛シートを、エキスパンド加工を行った後、正極格子(正極集電体)を作製した。正極集電体のエキスパンド網目に正極活物質用ペーストを充填し、常法により熟成乾燥させることにより、未化成の正極板(高さ:115mm、幅:137.5mm、厚さ:1.5mm)を得た。The method for producing each sample is as follows.
(1) Preparation of positive electrode plate Raw material lead powder (a mixture of lead oxide containing lead and lead monoxide as main components), water, and dilute sulfuric acid (density: 1.40 g/cm 3 ) A positive electrode active material paste was obtained by mixing with cut synthetic resin fibers (hereinafter referred to as “positive electrode fibers”). It is known that the density of the positive electrode active material can be changed by changing the mixing ratio of dilute sulfuric acid and water. It was realized by changing the compounding ratio of Also, a lead sheet made of a ternary alloy of lead, calcium, and tin (hereinafter referred to as “Pb—Ca—Sn alloy”) was expanded, and then a positive electrode grid (positive electrode current collector) was produced. An unformed positive electrode plate (height: 115 mm, width: 137.5 mm, thickness: 1.5 mm) was obtained by filling the expanded mesh of the positive electrode current collector with the positive electrode active material paste and aging and drying it by a conventional method. got
(2)負極板の作製
原料鉛粉(鉛と一酸化鉛とを主成分とする酸化鉛の混合物)と、水と、希硫酸(密度1.40g/cm3)と、所定の長さに切断した合成樹脂繊維(以下、「負極用繊維」という)と、所定の比率の負極添加剤(リグニン、カーボン、硫酸バリウム)とを混合することにより、負極活物質用ペーストを得た。正極格子(正極集電体)と同様の方法で、Pb-Ca-Sn合金からなる板鉛シートを、エキスパンド加工を行なった後、負極格子(負極集電体)を作製した。負極集電体のエキスパンド網目に負極活物質用ペーストを充填し、正極板と同様、常法により熟成乾燥させることにより、未化成の負極板(高さ:115mm、幅:137.5mm、厚み1.3mm)を得た。(2) Preparation of Negative Electrode Plate Raw material lead powder (mixture of lead oxide containing lead and lead monoxide as main components), water, and dilute sulfuric acid (density: 1.40 g/cm 3 ) A negative electrode active material paste was obtained by mixing the cut synthetic resin fibers (hereinafter referred to as “negative electrode fibers”) with a predetermined ratio of negative electrode additives (lignin, carbon, barium sulfate). A lead plate sheet made of a Pb—Ca—Sn alloy was expanded in the same manner as for the positive electrode grid (positive electrode current collector), and then a negative electrode grid (negative electrode current collector) was produced. An unformed negative electrode plate (height: 115 mm, width: 137.5 mm, thickness: 1) was obtained by filling the expanded mesh of the negative electrode current collector with the paste for the negative electrode active material and aging and drying it by a conventional method in the same manner as the positive electrode plate. .3 mm).
(3)サンプル電池の作製
上記(1)及び(2)で作製した正極板および負極板と、別途用意したガラス繊維製のマット状セパレータとを用い、正極板と負極板とをセパレータを間に挟んで交互に積層した後、複数の正極板同士、複数の負極板同士を鉛部品で溶接し、極板群を製造した。上記極板群を6セルが直列接続になるように樹脂製(ポリプロピレン製)電槽に挿入し、各極板群同士(5箇所)をセル間溶接した後、樹脂製(ポリプロピレン製)蓋と電槽を接合し、その後、両端子部(正極負極端子部)を溶接してサンプル電池を作製した。なお、電槽におけるセル室の幅をスペーサーを用いて調整することにより、セパレータの圧縮比を調整した。その後、常法により初充電した後、電解液密度が1.33のサンプル電池を得た。(3) Preparation of sample battery Using the positive electrode plate and the negative electrode plate prepared in (1) and (2) above and a mat-like separator made of glass fiber separately prepared, After sandwiching and alternately laminating, a plurality of positive electrode plates and a plurality of negative electrode plates were welded together with lead parts to manufacture an electrode plate group. The above electrode plate group is inserted into a resin (polypropylene) container so that 6 cells are connected in series, and the electrode plate groups (5 locations) are welded between cells, and then a resin (polypropylene) lid is attached. The battery case was joined, and then both terminal portions (positive electrode and negative electrode terminal portions) were welded to produce a sample battery. The compression ratio of the separator was adjusted by adjusting the width of the cell chamber in the container using a spacer. Then, after initial charging by a conventional method, a sample battery having an electrolyte solution density of 1.33 was obtained.
A-3-2.評価項目および評価方法:
鉛蓄電池の各サンプルを用いて、寿命特性と、初期の容量特性との2つの項目についての評価を行った。A-3-2. Evaluation items and evaluation methods:
Using each sample of the lead-acid battery, two items of life characteristics and initial capacity characteristics were evaluated.
容量特性の評価は、以下のように行った。すなわち、鉛蓄電池の各サンプルについて、以下のa)~d)に示す方法で3時間率容量を測定し、サンプルS5における3時間率容量を100として(図8および図9において太線で囲んで示す)、各サンプルにおける3時間率容量を相対値で表した。
a)サンプルについて、(1)14.7Vを上限とする定電圧充電方式で最大0.4CAの充電電流で8時間充電、または、(2)5段定電流充電方式:14.4Vを切替電圧(次の充電段階に移行する)とする定電流充電方式でそれぞれ4段0.2CA→0.1CA→0.05CA→0.025CAに加えて+5段目押込み定電流充電0.025CA×2.5h(固定)という条件で満充電する。
b)充電完了後、サンプルを25±2℃の条件下に静置し、水槽中では5時間以上、24時間以内、気槽中では10時間以上、24間以内に下記c)の放電を開始する。
c)サンプルについて、一定の基準電流I3(A)で、放電終止電圧(1.65×セル数(V))になるまで放電を行う。なお、基準電流I3(A)は、以下の式で求められる値とする。
I3=C3/3
(ただし、C3は3時間率定格容量(Ah))
d)上記c)における放電持続時間を測定して、3時間率容量を算出する。Evaluation of capacity characteristics was performed as follows. That is, for each sample of the lead-acid battery, the 3-hour rate capacity was measured by the method shown in a) to d) below, and the 3-hour rate capacity of sample S5 was set to 100 (indicated by a thick line in FIGS. 8 and 9). ), and the 3-hour rate capacity in each sample was expressed as a relative value.
a) For the sample, (1) charge for 8 hours with a constant voltage charging method with an upper limit of 14.7 V at a maximum charging current of 0.4 CA, or (2) 5-stage constant current charging method: switching voltage of 14.4 V (Transition to the next charging stage) in the constant current charging method in each of the four stages 0.2 CA → 0.1 CA → 0.05 CA → 0.025 CA plus the fifth stage push-in constant current charging 0.025 CA × 2. The battery is fully charged under the condition of 5 hours (fixed).
b) After charging, leave the sample at 25±2°C, and start the following discharge c) within 5 hours or more and 24 hours or less in a water tank, or 10 hours or more and 24 hours or less in an air tank. do.
c) The sample is discharged at a constant reference current I 3 (A) until it reaches the final discharge voltage (1.65×the number of cells (V)). Note that the reference current I 3 (A) is a value obtained by the following formula.
I3 = C3/ 3
(However, C3 is the 3 -hour rate rated capacity (Ah))
d) Measure the discharge duration in c) above to calculate the 3 hour rate capacity.
また、寿命持性の評価は、以下のように行った。すなわち、鉛蓄電池の各サンプルについて、以下のa)~d)に示す方法で寿命試験を行い、寿命回数を求めた。サンプルS5における寿命回数を100として(図8および図9において太線で囲んで示す)、各サンプルにおける寿命回数を相対値で表した。
a)全試験期間を通じて、サンプルを25±2℃の気槽中に置く。
b)サンプルを寿命試験装置に接続し、上述した基準電流I3(A)で2.4時間放電を行い、次に上述した5段定電流充電で充電を行う。この放電および充電の1サイクルを寿命1回とする。
c)充放電サイクル50回毎に、上述した方法で3時間率容量を算出する。ただし、上記b)における放電終了時の端子電圧が1.65V/セルに達した場合にも、同様に3時間率容量の算出を行う。
d)上記c)において算出された3時間率容量が3時間率定格容量の80%以下に低下した場合、再度、3時間率容量の算出を行い、3時間率容量が3時間率定格容量の80%を超えないことを確認したとき、試験を終了し、その時点でのサイクル回数と容量との関係直線により寿命回数を求める。なお、上記c)における容量試験の回数も寿命回数に加算する。In addition, evaluation of longevity was performed as follows. That is, each sample of the lead-acid battery was subjected to a life test by the following methods a) to d) to determine the number of lifespans. Assuming that the number of lifetimes in sample S5 is 100 (indicated by a thick line in FIGS. 8 and 9), the number of lifetimes in each sample is expressed as a relative value.
a) Place the sample in an air bath at 25±2° C. for the entire duration of the test.
b) Connect the sample to the life test apparatus, discharge at the reference current I 3 (A) described above for 2.4 hours, and then charge with the 5-stage constant current charge described above. One cycle of this discharge and charge is defined as one lifetime.
c) Every 50 charge/discharge cycles, the 3-hour rate capacity is calculated by the method described above. However, even when the terminal voltage at the end of discharge in b) above reaches 1.65 V/cell, the 3-hour rate capacity is similarly calculated.
d) If the 3-hour rate capacity calculated in c) above drops to 80% or less of the 3-hour rate rated capacity, the 3-hour rate capacity is calculated again, and the 3-hour rate capacity is less than the 3-hour rate rated capacity. When it is confirmed that the capacity does not exceed 80%, the test is terminated, and the number of lifespans is obtained from a linear relationship between the number of cycles at that point and the capacity. Note that the number of capacity tests in c) above is also added to the number of lifetimes.
A-3-3.評価結果:
図8および図9に示すように、上述したセパレータに関する特定条件(セパレータの圧縮比が1.2以上、1.8以下であるという条件)と、正極活物質に関する特定条件(正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.150cm3/g以下であり、正極活物質が正極用繊維を含有しており、かつ、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維の平均比表面積が0.20m2/g以上であるという条件)との両方を満たすサンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19では、いずれも、寿命特性の評価において「113」以上という結果となり、サンプルS5の寿命特性の評価結果「100」と比較して、寿命特性が飛躍的に向上した。A-3-3. Evaluation results:
As shown in FIGS. 8 and 9, the above-described specific conditions for the separator (the condition that the compression ratio of the separator is 1.2 or more and 1.8 or less) and the specific conditions for the positive electrode active material (the unit of the positive electrode active material The total pore volume per mass is 0.150 cm 3 /g or less, the positive electrode active material contains the positive electrode fiber, and the average ratio of the positive electrode fiber by the BET method using krypton gas as the adsorption gas The surface area is 0.20 m 2 /g or more), and the samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19 all have a result of “113” or more in the evaluation of life characteristics, and the sample Compared to the life characteristic evaluation result of S5, which was "100", the life characteristic was dramatically improved.
これに対し、正極用繊維の平均比表面積が0.20m2/g未満であるために正極活物質に関する特定条件を満たしていないサンプルS4,S5では、寿命特性の評価において「100」以下という良好ではない結果となった。サンプルS4,S5では、正極用繊維の平均比表面積が過度に小さいため、正極用繊維が正極活物質中の他の成分と良好に密着せず、正極用繊維による正極活物質の拘束力が小さくなり、その結果、正極活物質の集電体からの脱落を効果的に抑制することができずに寿命特性が低くなったものと考えられる。On the other hand, in the samples S4 and S5, which do not satisfy the specific conditions regarding the positive electrode active material because the average specific surface area of the positive electrode fiber is less than 0.20 m 2 /g, the evaluation of the life characteristics is good at "100" or less. result was not. In samples S4 and S5, since the average specific surface area of the positive electrode fibers is excessively small, the positive electrode fibers do not adhere well to other components in the positive electrode active material, and the binding force of the positive electrode fibers on the positive electrode active material is small. As a result, it is considered that the falling-off of the positive electrode active material from the current collector could not be effectively suppressed, resulting in the deterioration of the life characteristics.
また、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.150cm3/gを超えるために正極活物質に関する特定条件を満たしていないサンプルS13では、寿命特性の評価において「83」という良好ではない結果となった。サンプルS13では、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が過度に大きい。すなわち、サンプルS13では、正極活物質の密度が過度に低く、崩れやすい構成となっている。そのため、サンプルS13では、正極用繊維の平均比表面積が0.20m2/g以上であって、正極用繊維が正極活物質中の他の成分と良好に密着しているにもかかわらず、鉛蓄電池の充放電の繰り返しに伴い正極活物質が崩れて集電体から脱落し、寿命特性が低くなったものと考えられる。In addition, in the sample S13, which does not satisfy the specific conditions for the positive electrode active material because the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material exceeds 0.150 cm 3 /g, the evaluation of the life characteristics is "83", which is not good. No result. Sample S13 has an excessively large total pore volume per unit mass of the positive electrode active material. That is, in sample S13, the density of the positive electrode active material is excessively low, and the structure is likely to collapse. Therefore, in sample S13 , lead It is considered that the positive electrode active material collapsed and fell off the current collector as the storage battery was repeatedly charged and discharged, resulting in the deterioration of the life characteristics.
また、セパレータの圧縮比が1.2未満であるためにセパレータに関する特定条件を満たしていないサンプルS14,S15では、寿命特性の評価において「19」以下という極めて低い結果となった。サンプルS14,S15では、セパレータの圧縮比が過度に小さい。そのため、サンプルS14,S15では、充放電の繰り返しによって発生する極板の膨張・収縮に伴いセパレータの厚さが薄くなり(すなわち、初期の厚さに戻らなくなり)、極板の収縮時に次第にセパレータと極板とが接触できない部位が増加して容量低下が発生し、寿命特性が低くなったものと考えられる。 In addition, in the samples S14 and S15, which did not satisfy the specific condition regarding the separator because the compression ratio of the separator was less than 1.2, the evaluation of life characteristics was extremely low, ie, "19" or less. In samples S14 and S15, the compression ratio of the separator is too small. Therefore, in the samples S14 and S15, the thickness of the separator becomes thinner (that is, it does not return to the initial thickness) as the electrode plate expands and contracts due to repeated charging and discharging, and the separator gradually shrinks when the electrode plate shrinks. It is presumed that the portion which could not be contacted with the electrode plate increased and the capacity decreased, resulting in the deterioration of the life characteristics.
また、セパレータの圧縮比が1.8を超えるためにセパレータに関する特定条件を満たしていないサンプルS20,S21では、寿命特性の評価において「29」以下という極めて低い結果となった。サンプルS20,S21では、セパレータの圧縮比が過度に大きい。そのため、サンプルS20,S21では、充放電の際に行われる化学反応、硫酸イオンの移動が遮断される。すなわち、セパレータの役割の1つは繊維の隙間に硫酸を保持することであるが、セパレータに過大な圧力が加わることによってセパレータ内部の隙間が過小となり、硫酸を保持する機能が過度に低下した状態となる。その結果、サンプルS20,S21では、容量低下が発生し、寿命特性が低くなったものと考えられる。 In addition, in the samples S20 and S21, which did not satisfy the specific condition regarding the separator because the compression ratio of the separator exceeded 1.8, the life characteristic evaluation was extremely low, ie, "29" or less. In samples S20 and S21, the compression ratio of the separator is too large. Therefore, in samples S20 and S21, the chemical reaction that occurs during charging and discharging and the movement of sulfate ions are blocked. In other words, one of the roles of the separator is to retain sulfuric acid in the interstices of the fibers. becomes. As a result, in the samples S20 and S21, it is considered that the capacity decreased and the life characteristics became low.
このように、本性能評価により、鉛蓄電池が、上述したセパレータに関する特定条件(セパレータの圧縮比が1.2以上、1.8以下であるという条件)と、正極活物質に関する特定条件(正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.150cm3/g以下であり、正極活物質が正極用繊維を含有しており、かつ、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による正極用繊維の平均比表面積が0.20m2/g以上であるという条件)との両方を満たしていれば、正極板における正極集電体からの正極活物質(正極材料)の脱落を効果的に抑制して、鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることが確認された。In this way, according to this performance evaluation, the lead-acid battery was found to meet the above-described specific conditions regarding the separator (the condition that the compression ratio of the separator is 1.2 or more and 1.8 or less) and the specific conditions regarding the positive electrode active material (positive electrode active material). A positive electrode fiber obtained by the BET method, wherein the total pore volume per unit mass of the substance is 0.150 cm 3 /g or less, the positive electrode active material contains the positive electrode fiber, and krypton gas is used as the adsorption gas. average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more), the falling off of the positive electrode active material (positive electrode material) from the positive electrode current collector in the positive electrode plate can be effectively suppressed. As a result, it was confirmed that the life characteristics of lead-acid batteries can be dramatically improved.
なお、図示しないが、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上であるアクリル系繊維が、負極板を構成する負極活物質のみに含まれる負極用繊維として使用されたサンプルでは、寿命特性も容量特性も良好ではなかった。一方、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上であるアクリル系繊維が、正極板を構成する正極活物質に含まれる正極用繊維としても、負極板を構成する負極活物質に含まれる負極用繊維としても使用されたサンプルでは、寿命特性も容量特性もサンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19と同等であった。この結果によれば、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を、少なくとも正極用繊維として使用することにより、鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができるものと言える。Although not shown, the acrylic fiber having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorption gas is included only in the negative electrode active material constituting the negative electrode plate. In the sample used as , neither the lifetime characteristics nor the capacity characteristics were good. On the other hand, acrylic fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorbed gas are also used as positive electrode fibers contained in the positive electrode active material constituting the positive electrode plate. In the samples that were also used as negative electrode fibers contained in the negative electrode active material constituting the , the life characteristics and capacity characteristics were equivalent to those of samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19. According to these results, by using fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorbing gas, at least as fibers for the positive electrode, the life characteristics of lead-acid batteries are greatly improved. It can be said that it can be improved.
なお、本性能評価において、良好な結果を得たサンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19の内、サンプルS6~S12,S16~S19では、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.104cm3/g以上、0.150cm3/g以下である。これらのサンプルでは、いずれも、寿命特性の評価において「113」以上という良好な結果を得つつ、容量特性の評価においても「96」以上という良好な結果となった。この結果によれば、鉛蓄電池において、上述したセパレータに関する特定条件と正極活物質に関する特定条件との両方を満たし、かつ、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.104cm3/g以上、0.150cm3/g以下であれば、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が過度に小さくなることによって正極活物質の反応性が過度に低くなり、容量特性が低下するという影響を受けにくくなると共に、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が過度に大きくなることによって正極活物質の密度が過度に低くなり、寿命特性が低下することを抑制することができると言える。従って、鉛蓄電池において、セパレータに関する特定条件と正極活物質に関する特定条件との両方を満たし、かつ、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.104cm3/g以上、0.150cm3/g以下であることが、より好ましいと言える。なお、サンプルS6~S12,S16~S19では、正極活物質の全細孔容積が比較的小さいために寿命特性に有利であるサンプルS1~S3と比べても、同等の寿命特性が得られた。その理由は必ずしも明らかではないが、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を正極用繊維として採用することにより、サンプルS6~S12,S16~S19のような正極活物質の全細孔容積の数値範囲であっても、正極活物質の全細孔容積がより小さい構成と同等以上の寿命特性が得られることは、本願の新たな知見である。In this performance evaluation, among the samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19 that obtained good results, in the samples S6 to S12 and S16 to S19, the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.104 cm 3 /g or more and 0.150 cm 3 /g or less. All of these samples gave a good result of "113" or more in the evaluation of life characteristics, and a good result of "96" or more in the evaluation of capacity characteristics. According to these results, the lead-acid battery satisfies both the above-described specific conditions regarding the separator and the specific conditions regarding the positive electrode active material, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.104 cm 3 /g. Above, if it is 0.150 cm 3 /g or less, the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material becomes excessively small, so that the reactivity of the positive electrode active material becomes excessively low, and the capacity characteristics deteriorate. It is said that it is possible to suppress the deterioration of the life characteristics due to the excessive decrease in the density of the positive electrode active material due to the excessive increase in the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material. I can say Therefore, in the lead-acid battery, both the specific conditions for the separator and the specific conditions for the positive electrode active material are satisfied, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.104 cm 3 /g or more and 0.150 cm 3 /g or less is more preferable. Samples S6 to S12 and S16 to S19 had life characteristics equivalent to those of samples S1 to S3, which are advantageous in terms of life characteristics because the total pore volume of the positive electrode active material is relatively small. Although the reason for this is not necessarily clear, by adopting fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more as determined by the BET method using krypton gas as an adsorption gas, samples S6 to S12 and S16 It is a new finding of the present application that even in the numerical range of the total pore volume of the positive electrode active material such as ~S19, it is possible to obtain a lifetime characteristic equal to or greater than that of a configuration with a smaller total pore volume of the positive electrode active material. is.
また、これらのサンプルS6~S12,S16~S19の内、サンプルS10~S12では、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.132cm3/g以上、0.150cm3/g以下である。これらのサンプルでは、いずれも、寿命特性の評価において「135」以上というさらに良好な結果となり、かつ、容量特性の評価において「112」以上という極めて良好な結果となった。この結果によれば、鉛蓄電池において、上述したセパレータに関する特定条件と正極活物質に関する特定条件との両方を満たし、かつ、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.132cm3/g以上、0.150cm3/g以下であれば、正極活物質の反応性の低下を極めて効果的に抑制することができるため、正極板における正極集電体からの正極活物質(正極材料)の脱落を効果的に抑制しつつ、鉛蓄電池の容量特性を極めて効果的に向上させることができると言える。従って、鉛蓄電池において、セパレータに関する特定条件と正極活物質に関する特定条件との両方を満たし、かつ、正極活物質の単位質量あたりの全細孔容積が0.132cm3/g以上、0.150cm3/g以下であることが、さらに好ましいと言える。Among these samples S6 to S12 and S16 to S19, in samples S10 to S12, the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.132 cm 3 /g or more and 0.150 cm 3 /g or less. be. All of these samples gave an even better result of "135" or more in the evaluation of life characteristics, and an extremely good result of "112" or more in the evaluation of capacity characteristics. According to these results, the lead-acid battery satisfies both the specific conditions regarding the separator and the specific conditions regarding the positive electrode active material, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.132 cm 3 /g. Above, if it is 0.150 cm 3 /g or less, it is possible to extremely effectively suppress the decrease in reactivity of the positive electrode active material. It can be said that the capacity characteristics of the lead-acid battery can be significantly effectively improved while effectively suppressing dropout. Therefore, in the lead-acid battery, both the specific conditions for the separator and the specific conditions for the positive electrode active material are satisfied, and the total pore volume per unit mass of the positive electrode active material is 0.132 cm 3 /g or more and 0.150 cm 3 /g or less is more preferable.
また、すべての評価項目で良好な結果を得たサンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19では、正極用繊維としてアクリル系繊維を用いた。正極用繊維としてアクリル系繊維を用いれば、容易に、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である繊維を得ることができる。Acrylic fibers were used as positive electrode fibers in samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19, which gave good results in all evaluation items. When acrylic fibers are used as the positive electrode fibers, it is possible to easily obtain fibers having an average specific surface area of 0.20 m 2 /g or more by the BET method using krypton gas as an adsorbing gas.
なお、すべての評価項目で良好な結果を得たサンプルS1~S3,S6~S12,S16~S19では、正極用繊維としてアクリル系繊維を用いたが、正極用繊維として、他の繊維(ポリプロピレン系繊維、ポリエステル系繊維、ポリエチレン系繊維、PET系繊維、レーヨン系繊維)を用いても、正極用繊維を含む正極活物質が上述した正極活物質に関する特定条件を満たしていれば、同様に、正極板における正極集電体からの正極活物質(正極材料)の脱落を効果的に抑制して、鉛蓄電池の寿命特性を飛躍的に向上させることができることが強く推測される。 In samples S1 to S3, S6 to S12, and S16 to S19, which obtained good results in all evaluation items, acrylic fibers were used as positive electrode fibers, but other fibers (polypropylene-based fibers) were used as positive electrode fibers. fiber, polyester-based fiber, polyethylene-based fiber, PET-based fiber, rayon-based fiber), if the positive electrode active material including the positive electrode fiber satisfies the above-described specific conditions regarding the positive electrode active material, the positive electrode can be used in the same manner. It is strongly speculated that the dropout of the positive electrode active material (positive electrode material) from the positive electrode current collector in the plate can be effectively suppressed, and the life characteristics of the lead-acid battery can be dramatically improved.
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。B. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態における鉛蓄電池100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、正極用繊維217として、アクリル系繊維、ポリプロピレン系繊維、ポリエステル系繊維、ポリエチレン系繊維、PET系繊維、レーヨン系繊維を例示しているが、正極用繊維217は、クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による平均比表面積が0.20m2/g以上である限りにおいて他の種類の繊維であってもよい。The configuration of the lead-
また、上記実施形態における鉛蓄電池100において、負極板220を構成する負極活物質226が、上述した正極活物質に関する特定条件と同様の条件を満たすとしてもよい。
In addition, in the lead-
また、上記実施形態における鉛蓄電池100の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
Moreover, the manufacturing method of the lead-
10:筐体 12:電槽 14:蓋 16:セル室 20:極板群 30:正極側端子部材 32:正極側ブッシング 34:正極柱 36:正極側端子部 40:負極側端子部材 42:負極側ブッシング 44:負極柱 46:負極側端子部 52:正極側ストラップ 54:負極側ストラップ 56:接続部材 58:隔壁 60:制御弁 70:樹脂部材 100:鉛蓄電池 210:正極板 212:正極集電体 214:正極耳部 216:正極活物質 217:正極用繊維 220:負極板 222:負極集電体 224:負極耳部 226:負極活物質 230:セパレータ 10: Housing 12: Battery case 14: Lid 16: Cell chamber 20: Electrode plate group 30: Positive electrode side terminal member 32: Positive electrode side bushing 34: Positive electrode column 36: Positive electrode side terminal part 40: Negative electrode side terminal member 42: Negative electrode side bushing 44: negative electrode column 46: negative electrode terminal portion 52: positive electrode strap 54: negative electrode strap 56: connection member 58: partition wall 60: control valve 70: resin member 100: lead-acid battery 210: positive electrode plate 212: positive current collector Body 214: Positive electrode ear portion 216: Positive electrode active material 217: Positive electrode fiber 220: Negative electrode plate 222: Negative electrode current collector 224: Negative electrode ear portion 226: Negative electrode active material 230: Separator
Claims (4)
集電体と、前記集電体に支持された正極材料と、を有する正極板と、
負極板と、
前記正極板と前記負極板との間に配置され、ガラス繊維により構成されたセパレータと、
を備え、
前記セパレータの圧縮比は、1.2以上、1.8以下であり、
前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.150cm3/g以下であり、
前記正極材料は、繊維を含有しており、
クリプトンガスを吸着ガスとして用いたBET法による前記繊維の平均比表面積は、0.20m2/g以上であり、
前記正極材料における前記繊維の含有割合は、0.05質量%以上0.40質量%以下である、制御弁式鉛蓄電池。 A valve-regulated lead-acid battery,
a positive electrode plate having a current collector and a positive electrode material supported by the current collector;
a negative electrode plate;
a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate and made of glass fiber;
with
The compression ratio of the separator is 1.2 or more and 1.8 or less,
The total pore volume per unit mass of the positive electrode material is 0.150 cm 3 /g or less,
The positive electrode material contains fibers,
The average specific surface area of the fibers measured by the BET method using krypton gas as the adsorbed gas is 0.20 m 2 /g or more ,
The valve-regulated lead-acid battery , wherein the content of the fiber in the positive electrode material is 0.05% by mass or more and 0.40% by mass or less .
前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.104cm3/g以上である、制御弁式鉛蓄電池。 The valve-regulated lead-acid battery according to claim 1,
A valve-regulated lead-acid battery, wherein the positive electrode material has a total pore volume per unit mass of 0.104 cm 3 /g or more.
前記正極材料の単位質量あたりの全細孔容積は、0.132cm3/g以上である、制御弁式鉛蓄電池。 The valve-regulated lead-acid battery according to claim 2,
A valve-regulated lead-acid battery, wherein the positive electrode material has a total pore volume per unit mass of 0.132 cm 3 /g or more.
前記繊維は、アクリル系繊維である、制御弁式鉛蓄電池。 The valve regulated lead-acid battery according to any one of claims 1 to 3,
The valve-regulated lead-acid battery, wherein the fibers are acrylic fibers.
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