JP7365014B2 - 鉛蓄電池 - Google Patents

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）状態で電槽の内壁面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、電槽の内壁面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、電極板と、セパレータと、電極板及びセパレータを収容する電槽と、を備え、電槽の一の内壁面に近い側から、電極板及びセパレータがこの順で交互に配置され、内壁面に最近接の電極板は内壁面に対して露出しており、セパレータは、厚さが０．２５ｍｍ以上であるベース部を有する、鉛蓄電池である。

鉛蓄電池は、電極板として正極板及び負極板を備え、内壁面に近い側から、正極板及び負極板がこの順でセパレータを介して交互に配置されていてよい。

電槽に収容されてい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。

セパレータは、ベース部上に凸状に形成されたリブ部を更に有していてよい。

ベース部は、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートで形成されていてよい。

本発明によれば、電槽の内壁面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と、負極端子６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、底壁の短辺部に立設された一対の側壁（第１の側壁）２１と、底壁の長辺部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と電極群４（特に、電極群４のうち内壁面２１ａ，２３ａに最近接の正極板）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、負極板９及びセパレータ１０が、電槽２の第１の側壁２１と略垂直な方向に積層されてなる。

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_２を含み、必要に応じて、ＰｂＯ_２以外のＰｂ成分（例えばＰｂＳＯ_４）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_４）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。

正極板８及び負極板９の積層方向からみたときに、各極板群４における正極耳部１１ａ及び負極耳部１３ａのうち、正極端子５及び負極端子６側に位置する正極耳部１１ａ又は負極耳部１３ａ（例えば、第１のセル室２４ａに収容されている極板群４では、正極耳部１１ａ）は、正極端子５及び負極端子６よりも内側（中心より）に位置している。このような場合、鉛蓄電池１の振動に伴い極柱に応力が発生しやすいが、本実施形態に係る鉛蓄電池１の構成を採用することにより、耐振動性を向上させることができる（詳細は後述）。

この極板群４では、電槽２の第１の側壁２１の内面２１ａ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の内面２１ａ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の内面２１ａに対して露出している。

図４は、図１の鉛蓄電池１が備えるセパレータ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。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。

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。

ベース部３１の厚さＴは、耐振動性を向上させる観点から、０．２５ｍｍ以上である。ベース部３１の厚さＴは、耐振動性を更に向上させる観点から、好ましくは０．３０ｍｍ以上、より好ましくは０．３５ｍｍ以上、更に好ましくは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。

第２～第６のセル室２４ｂ～２４ｆ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、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。

言い換えれば、第２のセル室２４ｂに収容されている極板群では、第３のセル室２４ｃ側の隔壁２３の面２３ａと最近接の位置に、正極板が露出した状態で配置されている。第３のセル室２４ｃに収容されている極板群では、第２のセル室２４ｂ側の隔壁２３の面２３ａと最近接の位置に、正極板が露出した状態で配置されている。第４のセル室２４ｄに収容されている極板群では、第５のセル室２４ｅ側の隔壁２３の面２３ａと最近接の位置に、正極板が露出した状態で配置されている。第５のセル室２４ｅに収容されている極板群では、第４のセル室２４ｄ側の隔壁２３の面２３ａと最近接の位置に、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の内面２１ａと最近接の位置に、正極板が露出した状態で配置されている。

本実施形態に係る鉛蓄電池１は、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａ（第１の側壁２１の内面２１ａ又は隔壁２３の面２３ａ）に最近接の正極板８と、当該正極板８に隣接する負極板９との間に、厚さＴが０．２５ｍｍ以上であるベース部３１を有するセパレータ１０を備えている。このため、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の正極板８が、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに対して露出している場合であっても、鉛蓄電池１の振動に伴う極柱及び極板群同士の接続部分の破損を抑制でき、耐振動性に優れる鉛蓄電池１が得られる。ベース部３１の厚さＴが０．２５ｍｍ以上であることによりこのような効果が奏される理由は明らかではないが、ベース部３１が、電槽２から電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の正極板８へ伝わった振動を緩衝し、その緩衝効果が、ベース部３１の厚さＴが０．２５ｍｍ以上である場合に顕著に大きくなるためであると推察される。

また、驚くべきことに、例えば、ベース部３１の厚さＴと第１のリブ３２又は第２のリブ３３（リブ部）の厚さとの合計が同じであっても、上述の効果が得られるのは、ベース部３１の厚さＴが０．２５ｍｍ以上である場合に限られ、ベース部３１の厚さＴが０．２５ｍｍ未満である場合は、第１のリブ３２又は第２のリブ３３（リブ部）の厚さを大きくしたとしても、上述の効果は得られない。

したがって、他の一実施形態では、セパレータは、第１のリブ及び第２のリブ（リブ部）を有さずに、ベース部のみからなっていてもよい。この場合でも、ベース部の厚さが０．２５ｍｍ以上であれば、耐振動性に優れる鉛蓄電池が得られる。

上記実施形態では、各セル室２４に収容されているすべての極板群が、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の正極板８と、当該正極板８に隣接する負極板９との間に、厚さＴが０．２５ｍｍ以上であるベース部３１を有するセパレータ１０を備えているが、他の一実施形態では、各セル室２４に収容されている極板群の一部がそのようなセパレータ１０を備えていてもよい。

極柱の破損を特に抑制できる観点からは、第１のセル室２４ａ及び第６のセル室２４ｆ（電槽２に設けられたＮ個（Ｎは３以上の整数）のセル室のうち第１及び第Ｎのセル室）における極板群の少なくとも一方（好ましくは両方）が、上述したようなセパレータ１０を備えていることが好ましい。極板群同士の接続部分の破損を特に抑制できる観点からは、第２～第５のセル室２４ｂ～２４ｅ（電槽２に設けられたＮ個のセル室のうち第２～第（Ｎ－１）のセル室）における極板群の少なくとも一つ（好ましくはすべて）が、上述したようなセパレータ１０を備えていることが好ましい。

上記実施形態では、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の電極板が正極板８であり、当該正極板８が当該内壁面２１ａ，２３ａに対して露出しているが、他の一実施形態では、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の電極板が負極板であり、当該負極板が当該内壁面２１ａ，２３ａ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、電槽２の内壁面２１ａ，２３ａに最近接の正極板８と、当該正極板８に隣接する負極板９との間にセパレータ１０を備えているが、他の一実施形態では、鉛蓄電池は、当該正極板と当該セパレータとの間にスペーサを更に備えていてもよい。スペーサは、例えばシート状に形成されており、不織布等の多孔性の膜（多孔膜）であってよい。スペーサは、例えば、有機繊維、無機繊維、又はこれらの混合繊維で形成されていてよい。スペーサの厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上であってよく、２．０ｍｍ以下であってよい。鉛蓄電池がこのようなスペーサを更に備えていると、更に優れた耐振動性が得られる。

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_３Ｏ_４）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Ｄ２３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。

（実施例２及び比較例１～２）
セパレータのベース部の厚さ又はリブ部の高さを表１に示すとおりに変更した以外は、実施例１と同様にして液式鉛蓄電池を作製した。

＜耐振動性の評価＞
実施例１～２及び比較例１～２の各鉛蓄電池を、以下の条件で電極板の積層方向に振動させた。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：２４．０Ｈｚ、３７．５Ｈｚ、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が発生した場合をＢ、いずれかの振動数で極柱が破断した場合をＣとした。結果を表１に示す。

１…鉛蓄電池、２…電槽、８…正極板、９…負極板、１０…セパレータ、２１ａ…第１の側壁の内面（内壁面）。

Claims (5)

1. 電極板と、セパレータと、前記電極板及び前記セパレータを収容する電槽と、を備え、
   前記電槽の一の内壁面に近い側から、前記電極板及び前記セパレータがこの順で交互に配置され、前記内壁面に最近接の前記電極板は前記内壁面に対して露出しており、
   前記セパレータは、厚さが０．２０ｍｍ以上であるベース部と、前記ベース部上に凸状に形成されたリブ部とを有し、
   前記電極板として正極板及び負極板を備え、
   前記正極板と前記セパレータとの間にスペーサを備え、
   前記電槽に収容されてい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、鉛蓄電池。
2. 前記正極板及び前記負極板の積層方向からみたときに、正極耳部及び負極耳部は、正極端子及び負極端子よりも内側に位置している、請求項１に記載の鉛蓄電池。
3. 電極板と、セパレータと、前記電極板及び前記セパレータを収容する電槽と、を備え、
   前記電槽の一の内壁面に近い側から、前記電極板及び前記セパレータがこの順で交互に配置され、前記内壁面に最近接の前記電極板は前記内壁面に対して露出しており、
   前記セパレータは、厚さが０．２０ｍｍ以上であるベース部と、前記ベース部上に凸状に形成されたリブ部とを有し、
   前記リブ部の高さが０．７５ｍｍ以上であり、
   前記電極板として正極板及び負極板を備え、
   前記正極板及び前記負極板の積層方向からみたときに、正極耳部及び負極耳部は、正極端子及び負極端子よりも内側に位置しており、
   前記電槽に収容されてい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、鉛蓄電池。
   いる、鉛蓄電池。
4. 前記内壁面に近い側から、前記正極板及び前記負極板がこの順で前記セパレータを介して交互に配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の鉛蓄電池。
5. 前記ベース部が、ポリオレフィン又はポリエチレンテレフタレートで形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の鉛蓄電池。

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