JPH09120801A - 密閉形アルカリ蓄電池 - Google Patents
密閉形アルカリ蓄電池Info
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Abstract
池の寿命特性を長期化する。 【解決手段】 電槽1および蓋12を形成する合成樹脂
としてポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹
脂を主体とするポリマーアロイを用い、水分の透過量を
5×10-11g・cm/cm2・sec・cmHG以下と
する。
Description
動体駆動電源用角型中容量密閉形アルカリ蓄電池、特に
その電槽および蓋からなる電池容器を形成する合成樹脂
の材質に関する。
自動車の排出ガスが取り上げられている。この問題に対
処するため、電気自動車の開発が急速に進められている
が、駆動用電源の開発が電気自動車の成否の鍵を握って
いる。
改良が進められているが、従来の開放形鉛酸蓄電池で
は、1年ごとに補液を必要とするため、補液を必要とし
ない密閉構造の移動用電池の開発が望まれている。しか
し、現在、密閉形の鉛酸蓄電池では、寿命が1〜3年と
短く、エネルギー密度も低い。そのために、鉛酸蓄電池
より高出力、高エネルギー密度、長寿命である角型、高
容量のニッケル・カドミウム系または、負極に水素吸蔵
合金を用いるニッケル/水素系などのアルカリ蓄電池の
開発に注力されている。これらアルカリ蓄電池も鉛酸蓄
電池と同様、安全性の確保及び保守を容易にするために
も、電池内部で発生したガスを電池系外へ放出せず、補
液を必要としない密閉形蓄電池化が要求されている。
来、電槽および蓋にポリプロピレンを主体としたポリオ
レフィン樹脂もしくはポリフェニレンエーテル樹脂とポ
リスチレン樹脂とを主体とした合成樹脂を用いて射出成
型法により製作されていた。
脂を電槽および蓋に用いた場合、つぎのような課題があ
る。 (1)密閉形アルカリ蓄電池において、充電の際の電池
内圧は、最高2〜4kg/cm2まで上昇する。また、
安全弁の作動圧は、電解液の減少を抑制し電池特性を維
持させるために、安全弁作動圧を6kg/cm2以上8
kg/cm2以下に設定している。また、駆動用電源と
して、屋外の高温環境下で長期間使用されることが想定
されるが、特に充電状態で使用もしくは放置された場
合、アルカリ蓄電池の電槽および蓋は、常時1〜5kg
/cm2程度の内圧を受ける。このような使用環境下で
は、クリープ変形により成型品が破損する危険性があ
り、長期安定性が十分に確保できない恐れがある。 (2)密閉形アルカリ蓄電池の充放電に伴う疲労によ
り、ポリオレフィン樹脂の機械的強度を考慮すると、電
槽および蓋の肉厚を厚くする必要がある。しかしなが
ら、肉厚を厚くすると、内容積が減少し、電池の高エネ
ルギー密度化が難しくなる。 (3)密閉形アルカリ蓄電池は、組み立て時に主に水酸
化ニッケルからなる正極板と水素吸蔵合金または主に水
酸化カドミウムからなる負極板とアルカリ電解液とから
構成されているが、ポリオレフィン樹脂は、金属イオン
によって樹脂の劣化が促進される欠点がある。そのため
に、十分な長期の信頼性の確保ができない。 [II]一方のポリフェニレンエーテル樹脂とポリスチレ
ン樹脂を主体とした合成樹脂を電槽および蓋に用いた場
合、以下の課題がある。 (1)ポリオレフィン樹脂より水分透過係数が大きく、
アルカリ電解液中の水分が樹脂を透過して電解液量が減
少し、電池重量が減少する。遂には液枯れ状態になり、
電池特性、特に、寿命特性が大きく低下する。 (2)ポリフェニレンエーテル樹脂の特性として、機械
油、有機溶媒等の薬品で劣化し、割れを生じる。駆動用
電源として、使用するに当り、耐薬品性を向上し、長期
安定性を確保する必要がある。
のであり、適切な合成樹脂の材質を採用することにより
メンテナンスフリーで7〜10年の長期寿命を保証する
ことが可能な寿命特性に優れた密閉形アルカリ蓄電池を
提供することを課題としている。
決するために電気自動車用の駆動電源として利用するこ
とができる密閉形アルカリ蓄電池に用いる電槽および蓋
を形成する合成樹脂として、その表面から水分もしくは
ガスが透過する透過係数が5×10-11g・cm/cm2
・sec・cmHg以下であるポリフェニレンエーテル
樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロ
イ、もしくは、鱗片状カオリンを含有させたポリフェニ
レンエーテル樹脂を主体としたポリマーアロイを用いる
もので、80℃雰囲気下で内部のガス圧力が8kg/c
m2以下の条件下において、肉厚2〜3mmの電槽およ
び蓋を用いても1000時間以上、クリープ変形により
破損することがなく電池特性、特に、長寿命で、長期信
頼性が高い密閉形アルカリ蓄電池を提供することができ
る。
て、図面を参照しながら説明する。
し、電槽1は、幅広の側壁2と幅狭の側壁3および底壁
9から構成され、断面矩形状の筐体である。幅広の側壁
2の外表面には、単電池4同士を隣接して隙間なく突き
合わせるためのリブ5が所定の間隔をおいて縦方向に平
行に設けられている。隣接対抗する単電池4の両端に位
置するリブ5には、突き合わせる際の嵌合用突起6と嵌
合用凹部7をそれぞれ設けている。
け、図4に示すように単位組電池構成時の位置決めのた
めの上下2組の架橋体用凹部8を形成し、底壁9の外底
面には、中央に凹部10を設けている。
タを介して複数枚の正極板と負極板とを交互に配した電
極群11およびアルカリ電解液を合成樹脂製の角型の電
槽1に収容し、電槽1の上部開口部には合成樹脂製の蓋
12が接着されている。なお、本実施の形態に用いた電
槽の寸法は、長さ35mm、幅120mm、高さ160
mmである。
1のリブ5と同様にリブ14を有し、蓋12と電槽1と
は、加熱溶着によって接着している。接着部15の溶着
強度は母材強度の95%以上にした。また、溶着の際に
溶着代が溶融して外方へ突出するので、単電池同士を突
き合わすことができるように、突出した溶着部は研削に
よって除去している。
子16、負極端子17および安全弁18が固定されてい
る。安全弁18の固定は、電槽1と同様蓋12と加熱溶
着によって接着され、接着部の溶着強度は母材強度の9
5%以上にしている。また、安全弁18の作動圧は、6
kg/cm2以上、8kg/cm2以下に設定されてい
る。
示せず)に負極板のリード片19を溶接によって接続
し、負極端子17の上部は蓋12に液密および気密に固
定されている。図4は単位組電池の斜視図を示し、単位
組電池20は、単電池4を5個直列に接続して構成して
いる。隣接する単電池4同士は、電槽1のリブ5を突き
合わせ、一方の単電池4のリブ5に設けた嵌合用の突起
6が隣接対向する他方の単電池4のリブ5に設けた嵌合
用凹部7と嵌合して相互の位置決めがなされる。また、
隣接する単電池の正極端子16と負極端子17は、接続
導体21によって直列に連結されている。
は、両端の単電池外側面にアルミニウム製の端板22を
当接し、4本の角柱状の架橋体23で単電池4を緊縛固
定する。これにより、電極群11の膨張や電池内圧の上
昇によって隣接する単電池4同士が相互に離間しないよ
うにする。端板22および架橋体23の強度は、電極群
11の膨張力や電池内圧、単電池4の接続数によって設
定される。実施の形態で用いた端板22の厚さは薄い部
分が3mm、リブ27の部分が11mmであり、架橋体
23は断面7×8mmの角柱を採用した。
は、隣接した単電池4同士のリブ5の間に空隙25が、
両端の単電池4と端板22との間には、リブ5の高さに
相当する空隙26が形成される。
発泡状ニッケル多孔体に充填し、所定の寸法に圧延、裁
断して極板1枚当たりの容量が8Ahの正極を作製す
る。また、MmNi3.6Co0.7Mn0.4Al0.4(Mm:
ミッシュメタル)の組成の水素吸蔵合金粉末を結着剤と
ともにパンチングメタルに塗着し、所定の寸法に圧延、
裁断して極板1枚当たりの容量が12Ahの水素吸蔵合
金負極を作製する。これら正、負極板をそれぞれ袋状の
ポリプロピレン製のセパレータで包み、正極板と負極板
を交互に複数枚積層し、電極群11を構成する。正、負
極板のリード片は、それぞれの極柱の端子16、17に
溶接により接続し、電槽1に挿入し、電槽1と蓋12と
を加熱溶着する。電解液には、40g/リットルの水酸
化リチウムを添加した濃度27%の水酸化カリウム水溶
液を用いた。単電池当たり電解液を170cm3注液し
て、密閉し、図3に示すような単電池4を構成した。電
解液量は、充放電サイクル特性、充電時の内圧を総合的
に検討した液量である。
流で15時間初充電を行い、20Aの電流で1.0Vま
で初放電を行った。この初充電と初放電とにより、電極
群11が膨張し、電槽1の幅広の側壁2と電極群11が
密接した状態となる。初放電の放電容量を標準容量とす
る。このようにして構成したアルカリ蓄電池は、正極に
よって容量が規制され、100Ahの容量を示した。以
下、電槽および蓋を構成する合成樹脂を変えることによ
る単位組電池の性能に与える影響について説明する。
リプロピレン樹脂、2ポリフェニレンエーテル樹脂とポ
リプロピレン樹脂を主体とするポリマーアロイ、3 ポ
リフェニレンエーテル樹脂とポリスチレン樹脂を主体と
するポリマーアロイ、あるいは4 ポリフェニレンエー
テル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロ
イに鱗片状カオリンを3重量%、5 20重量%、もし
くは650重量%をそれぞれブレンドした樹脂を用い
て、射出成型法で試作した。ここで用いたポリマーアロ
イの配合比はポリフェニレンエーテル樹脂/ポリオレフ
ィン樹脂の場合は40/60、ポリフェニレンエーテル
樹脂/ポリスチレン樹脂の場合は40/60とした。ま
た、鱗片状カオリンは、陶土を精製したもので焼結状セ
ラミックである。なお、鱗片状カオリンはの成分は表1
に示した。
記したアルカリ電解液を400cm 3注入し、同種の樹
脂製の蓋により溶着法で密閉した。これら電槽および蓋
の肉厚は2mmとした。これらを45℃、80℃雰囲気
下で静置し、静置前後の重量差から電槽と蓋とからなる
電池容器を通して外部に透過した水分量を測定した。こ
の結果を表2に示す。
フェニレンエーテル樹脂とポリプロピレン樹脂を主体と
するポリマーアロイ、次いでポリフェニレンエーテル樹
脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロイの順
に大きくなった。しかし、ポリフェニレンエーテル樹脂
はポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロイへの鱗
片状カオリンの添加率を高めるにつれて水分透過係数は
低くなる。
ン樹脂を主体とするポリマーアロイへの鱗片状カオリン
の添加量の効果は、3重量%添加の場合は、ポリフェニ
レンエーテル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリ
マーアロイとほとんど水分透過量は変わらなかった。鱗
片状カオリンが5重量%以下では水分透過量を抑制する
ことができないと考えられる。また、鱗片状カオリンを
60重量%を越える程添加した場合は、衝撃に弱くな
り、電池内圧が急上昇し、電池内圧4kg/cm 2で電
槽が破裂した。したがって、鱗片状カオリンの添加率
は、5重量%以上50重量%以下が適切であると考えら
れる。
るが、20重量%以下にするとポリプロピレン樹脂の特
徴である高温雰囲気でクリープ変形を起こしやすく、ま
た、ポリフェニレンエーテル樹脂の含有量が80重量%
以上であると、射出成型時の流動性が悪くなるので、成
形が困難になり、実用性がない。
ポリオレフィン樹脂のポリマーアロイは、ポリフェニレ
ンエーテル樹脂を20〜80重量%含有しているのが適
切である。
ーテル樹脂とポリプロピレン樹脂を主体とするポリマー
アロイ、3 ポリフェニレンエーテル樹脂とポリスチレ
ン樹脂を主体とするポリマーアロイ、および4 ポリフ
ェニレンエーテル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とする
ポリマーアロイに鱗片状カオリンを20重量%含有した
合成樹脂により作製した電槽および蓋を用いて、前述と
同じ密閉形ニッケル/水素蓄電池の単電池を構成し、2
5℃、45℃雰囲気中で充放電サイクル寿命試験を行っ
た。ここで用いたポリマーアロイは、配合比はポリフェ
ニレンエーテル樹脂/ポリオレフィン樹脂の場合は40
/60、ポリフェニレンエーテル樹脂/ポリスチレン樹
脂の場合は40/60とした。
の電流で初期の標準容量の105%充電するか安全弁1
8の作動しない領域で充電を行うために電池内圧が0.
15MPaとなるまで充電を行い、50Aの電流で1.
0Vまで放電を行った。この充放電サイクルを1サイク
ルとし、放電容量が標準容量の60%となった時点で、
寿命試験を終了した。25℃雰囲気中での充放電サイク
ルと放電容量の結果は図5に示す通りであり、45℃雰
囲気中での充放電サイクルと放電容量の結果は図6に示
す通りである。また、25℃と45℃との雰囲気中での
寿命試験途中に単電池の重量を測定した電池重量の変化
の結果は図7、8にそれぞれ示す通りである。
テル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロ
イ製の電槽と蓋を用いた電池の寿命が短いのは、電池内
の水分が電槽を通して外部に透過しているためと考えら
れる。このポリフェニレンエーテル樹脂とポリスチレン
樹脂を主体とするポリマーアロイ製の電槽と蓋に鱗片状
カオリンを20重量%添加した合成樹脂を用いると、表
2、図7および図8に示すように、ポリフェニレンエー
テル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロ
イ製と比較して電池重量変化が小さく、ポリフェニレン
エーテル樹脂とポリプロピレン樹脂を主体とするポリマ
ーアロイ製と同様の電池寿命、電池重量変化を示す。
位電池は、45℃雰囲気下での寿命途中に電槽に亀裂が
入り、充放電が不可能となった。これは、ポリプロピレ
ン製の電槽では、80℃雰囲気下では400時間以内に
蒸気圧によって、クリープ変形で破損することは前述し
たが、45℃雰囲気下での寿命試験においても、クリー
プ変形と充放電サイクルによる疲労により、電槽が破損
したものと考えられる。
高温での強度試験と電気自動車用としての電槽の強度試
験について述べる。
テル樹脂とポリプロピレン樹脂を主体とするポリマーア
ロイ、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリスチレン樹脂
を主体とするポリマーアロイおよび、ポリフェニレンエ
ーテル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーア
ロイに鱗片状カオリンを20重量%含有させた合成樹脂
を用いて、密閉形ニッケル/水素蓄電池の単電池を形成
し、10Aの電流で11時間放電をした。
で単電池の保存試験を行った。完全充電状態では、電池
内圧は2kg/cm2程度である。つまり、80℃雰囲
気下で内部からのガス圧力が2kg/cm2の状態で、
各種樹脂による電槽を用いた単電池の保存を行い、クリ
ープ変形による破損日数を比較した。ここで用いたポリ
マーアロイは、前記と同様、配合比がポリフェニレンエ
ーテル樹脂/ポリオレフィン樹脂の場合は40/60、
ポリフェニレンエーテル樹脂/ポリスチレン樹脂の場合
は40/60である。
保存すると、負極の水素吸蔵合金から一部の金属イオン
が溶出して、電池電圧が徐々に低下する。電池電圧が約
0Vまで低下した場合、正極と負極間が内部短絡し、電
池として使用できなくなる。これを、高温時の電池寿命
とする。80℃での保存試験により電槽が破損に至った
日数およびその時の電池電圧を表3に示す。
電槽を用いた単位電池では、クリープ変形による破損が
200時間で起こった。このときの電池電圧は、1.2
Vであり、電池自体は寿命が尽きたとはいえない。
プロピレン樹脂を主体とするポリマーアロイ製の場合
は、1200時間でクリープ変形による破損に至った
が、このときの電池電圧は0.05Vまで低下してい
た。これは、ニッケル/水素蓄電池の正極と負極が短絡
し、電池として使用できない状態である。したがって、
ニッケル/水素蓄電池の方が時間的に早く寿命が尽きた
わけで、電池容器としての信頼性は確保されたことにな
る。同様に、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリスチレ
ン樹脂を主体とするポリマーアロイの場合、およびポリ
フェニレンエーテル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とす
るポリマーアロイに鱗片状カオリンを20重量%含有さ
せた場合は、5000時間以上経過しても破損まで至ら
ず、電池電圧は、完全に0Vまで低下していた。この結
果から、厳しい高温環境下においても、長期信頼性を確
保するためには、電槽強度は、ポリフェニレンエーテル
樹脂とポリプロピレン樹脂を主体とするポリマーアロイ
製の場合以上の強度を有する必要がある。
験として、各種樹脂による電槽および蓋を用いた単位組
電池を10セットつまり50セルの単電池を実際に電気
自動車に搭載し、走行試験を行った。走行試験は、1ヵ
月間、100km/日、つまり延べ3000kmを走行
し、電槽の振動による破損発生率について検討を行っ
た。表4に延べ3000kmを走行した後の破損発生率
を示す。
テル樹脂とポリスチレン樹脂を主体とするポリマーアロ
イに鱗片状カオリンを60重量%含有させた電槽は、破
損発生率が高く、12%の単電池の電槽が破損してい
た。表5に電槽に用いた合成樹脂の機械的性質を示す。
成樹脂の熱的性質を示す。
度として、ポリプロピレン樹脂は、機械的強度が劣り、
また、熱変形温度も低いので、80℃雰囲気下でのクリ
ープ変形による破損が起こったものと考えられる。
ン樹脂を主体とするポリマーアロイに鱗片状カオリンを
60重量%含有させた合成樹脂の場合は、曲げ弾性率、
曲げ強度、引張強度には優れる。しかし、アイゾット衝
撃強度が低いため、実際の電気自動車に搭載した場合、
振動による衝撃で破損する可能性が高く、電気自動車用
電槽としては不適切である。合成樹脂の一般的性質とし
て、曲げ弾性率が高くなればアイゾット衝撃強度が低く
なる傾向がある。したがって、電槽の機械的強度とし
て、曲げ弾性率は、16000kg/cm2以上300
00kg/cm2以下が適切である。
部のガス圧力が8kg/cm2以下の条件下において、
肉厚2〜3mmの電槽および蓋が1000時間以上、ク
リープ変形で破損しない樹脂特性としては、ASTM−
D790法(23℃ 50RH%)で曲げ弾性率160
00kg/cm2以上30000kg/cm2以下、曲げ
強度が500kg/cm2以上、ASTM−D638法
(23℃ 50RH%)で引張強度300kg/cm2
以上であり、ASTM−D648法(18.6kg/c
m2)で熱変形温度が80℃以上であることが最適な樹
脂特性と結論される。
リ蓄電池に用いる電槽および蓋を形成する合成樹脂とし
て、水分透過係数が5×10-11g・cm/cm2・se
c・cmHg以下で、かつ80℃雰囲気下で、電池内部
のガス圧力8kg/cm2以下の条件下におけるクリー
プ変形強度が1000時間以上、クリープ変形で破損し
ないポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂
を主体とするポリマーアロイ、もしくは鱗片状カオリン
を5〜50%含有させたポリフェニレンエーテル樹脂を
主体とする合成樹脂を用いることにより、電槽および蓋
に用いる合成樹脂から透過する水分透過量を抑制するこ
とができ、電池特性、特に、寿命特性に優れた密閉形ア
ルカリ蓄電池を提供することができ、また、屋外の高温
環境下で長期間用いられる場合においてもクリープ変形
や力学的疲労による破損を防止し、長期信頼性を確保す
ることができる。
方斜視図
による放電容量の変化線図
による放電容量の変化線図
による電池重量の変化線図
による電池重量の変化線図
Claims (8)
- 【請求項1】 電池容器の水分透過量を5×10-11g
・cm/cm2・sec・cmHg以下とした密閉形ア
ルカリ蓄電池。 - 【請求項2】 セパレータを介して複数枚の正極板と負
極板を交互に配した電極群および、アルカリ電解液を収
容する合成樹脂製電池容器のクリープ変形強度が、80
℃雰囲気、電池内部ガス圧力8kg/cm2以下の条件
下で1000時間以上である密閉形アルカリ蓄電池。 - 【請求項3】 電池容器を形成する合成樹脂の機械的性
質が曲げ弾性率16000kg/cm2以上、3000
0kg/cm2以下、曲げ強度が500kg/cm2以
上、引張強度が300kg/cm2以上である請求項1
もしくは2記載の密閉形アルカリ蓄電池。 - 【請求項4】 電池容器を形成する合成樹脂の熱変形温
度が少なくとも80℃である請求項1もしくは2記載の
密閉形アルカリ蓄電池。 - 【請求項5】 電池容器を形成する合成樹脂が、ポリフ
ェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とす
るポリマーアロイである請求項1もしくは2記載の密閉
形アルカリ蓄電池。 - 【請求項6】 電池容器を形成する合成樹脂が、ポリフ
ェニレンエーテル樹脂を20〜80重量%含有したポリ
オレフィン樹脂とのポリマーアロイである請求項5記載
の密閉形アルカリ蓄電池。 - 【請求項7】 電池容器を形成する合成樹脂が、ポリフ
ェニレンエーテル樹脂を主体とするポリマーアロイに鱗
片状カオリンを5〜50重量%含有する請求項1もしく
は2記載の密閉形アルカリ蓄電池。 - 【請求項8】 鱗片状カオリンが、SiO2とAl2O3
を主体とした無機化合物である請求項7記載の密閉形ア
ルカリ蓄電池。
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