JP2004253324A - Positive electrode lattice body of lead acid storage battery and lead acid storage battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛蓄電池の極板格子の形状に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉛蓄電池の極板は鉛もしくは鉛合金の格子体に活物質を充填した構成を有している。この格子体としては溶融鉛を鋳型中で凝固させた鋳造格子体や圧延鉛合金シートにスリットを千鳥状に形成し、このスリットを展開したエキスパンド格子体が用いられている。エキスパンド格子体は格子体を薄型化でき、生産性に優れることから、広く用いられている。
【0003】
このエキスパンド格子体601は図6に示したようにエキスパンド網目602と一体に下枠骨603と上枠骨604が形成されており、この上枠骨604に集電耳部605を備えている。このようなエキスパンド格子体601は鋳造格子とは異なり、左右両側部に枠骨を有しておらず、さらには格子中骨形状の自由度が低いことから、集電効率の面で鋳造格子体と比較して不利であり、格子体による電圧降下もより大きく、電池の放電電圧を低下させる一因となっていた。
【0004】
さらにエキスパンド格子体601を正極に用いた場合、エキスパンド格子体601は酸化腐食を受け、枠骨を有していない2辺の延長方向、すなわち、図6の矢印A方向へ伸びる。そして伸びたエキスパンド格子体601は負極と短絡し、急激に電池の容量が低下するという問題があった。
【0005】
これらの格子体による電圧低下を抑制し、かつ腐食による伸びを抑制するため、従来から上枠骨、特に上枠骨の集電部分を太くあるいは大きくすることが有効であることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
また、集電耳に補強部を設けるとともに、格子体が伸びた状態で発生する上枠骨の屈曲点位置を規定しているものもある(例えば、特許文献2参照)。この特許文献2では格子体が伸びた場合に上枠骨の変形を屈曲点で優先的に発生させ、この屈曲点の位置を負極棚下に設けることによって、上枠骨が変形しても、負極端と接触短絡しない構造とするものである。
【0007】
ところが、このような屈曲点を設定した場合、格子体を構成する鉛合金組成によっては、この屈曲点での応力集中が急激に進行することがわかってきた。特に、Sn濃度を1.2質量%以上添加したPb−Sn−Ca合金は、合金自体の耐食性と強度が向上するために、正極に用いることによって電池の寿命性能を改善することができる。ところが、このような高耐食性・高強度の合金を用いると屈曲点に集中する応力の絶対値も大きくなり、ある時点で急激に上枠骨の変形が進行し、これに対応して電池の容量も急激に低下するという課題があった。このような急激な容量低下は変形した上枠骨の下部に存在する活物質が格子の変形に追随できずに脱落することによって発生していた。
【0008】
正極から脱落した活物質に関して、正極板を袋状セパレータに包皮した場合、脱落活物質は袋状セパレータ内に留まるため、電池容量が低下する他は特性上、大きな影響を及ぼさない。ところが、正極を袋状セパレータに収納しない、特に負極板を袋状セパレータに収納した電池ではこれらの脱落活物質は電槽下部に蓄積する。特に自動車用電池のような、振動が避けられない用途で用いられる電池では、振動によって脱落活物質が電解液中を浮遊し、負極に付着することによって還元し、負極上に析出する。このような析出物が次第に成長し、正極と短絡するといった問題があった。
【0009】
【特許文献1】
特開昭60−30057号公報(第288頁、第4図)
【特許文献2】
特開平8−203533号公報(第5頁、第3図)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記したような鉛蓄電池において、正極の腐食時に発生する格子変形と活物質脱落による電池の寿命低下という課題を解決し、耐食性に優れた極板格子と優れた寿命特性を有した鉛蓄電池を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明の請求項1に係る発明は、鉛合金シートを網状に展開して成るエキスパンド網目を備え、このエキスパンド網目に接して設けた上枠骨に集電部を備えるとともに、前記集電部を前記エキスパンド網目の中心線から偏芯して設けた鉛蓄電池の格子体であって、前記上枠骨の前記集電耳から前記中心線方向に前記エキスパンド網目端部に対応した部分は前記集電部から前記エキスパンド網目端部に近接するにしたがい高さ寸法(h)を減少させた傾斜部と、前記エキスパンド網目端部に対応して設けた高さ寸法(h)を一定とした平行部を備え、前記傾斜部と前記平行部の間を曲線で連結する連結部を設けたことを特徴とするものである。
【0012】
また、本発明の請求項2に係る発明は、請求項1の鉛蓄電池の極板格子において、連結部を円弧形状としたことを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明の請求項3に係る発明は、請求項2の鉛蓄電池の極板格子において、傾斜部の上端の延長線と平行部の上端の延長線とがなす角をθ(°)、前記円弧形状の半径をR(mm)としたときに、前記θを10〜40°とし、かつ前記θと前記Rとの関係をR≧10(2−θ/45)とするものである。
【0014】
さらに、本発明の請求項4に係る発明は、請求項1、2もしくは3の鉛蓄電池の極板格子において、鉛合金シート中のSn濃度が1.2質量%以上、2.0質量%以下であることを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明の請求項5に係る発明は、請求項1、2、3もしくは4の極板格子を少なくとも正極板に用いたことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。
【0016】
そして、本発明の請求項6に係る発明は請求項5の鉛蓄電池において、負極板を収納した袋状セパレータと正極板とを用いた極板群を備えたことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による鉛電池の正極格子を図面を用いて説明する。
【0018】
本発明による鉛蓄電池の正極格子100は図1に示したように、集電耳部102を一体に設けた上枠骨101を有している。そして上枠骨101には活物質(図示せず)を充填するためのエキスパンド網目103を一体に設け、さらにこのエキスパンド網目103には極板底部に対応する下枠骨104を有している。
【0019】
エキスパンド網目103はPb−Ca−Sn合金といった鉛合金シートに千鳥状のスリットを形成し、このスリットを展開することにより形成される。集電耳部102はエキスパンド網目103の中心線(図1における線L)から偏芯して設けられている。
【0020】
上枠骨101の集電耳部102から中心線L方向にエキスパンド網目103の端部までの部分104)は、集電耳部102からエキスパンド網目103の端部に近接するに従い高さ寸法(h)を減少させていく傾斜部105と、エキスパンド網目103の端部から設けた高さ寸法(h´)を一定とした平行部106を有している。
【0021】
本発明では傾斜部105と平行部106との間に連結部107が設けられている。連結部107は平行部106と傾斜部105との間を滑らかな曲線で結ぶ。連結部107の曲線形状は円弧形状とすれば良い。連結部107を円弧形状とする場合、傾斜部105の延長線108と平行部の延長線109とのなす角度をθ(°)とし、連結部107の円弧形状の半径をR(mm)とした時に、Rとθとの関係を式(1)の関係を満たすよう構成する。また、前記θを10〜40°とする。
【0022】
R≧10(2−θ/45) …式(1)
その後、正極格子100に活物質(図示せず)を充填し、熟成乾燥して正極板とし、この正極板を用いることによって本発明の鉛蓄電池を得ることができる。
【0023】
上記の本発明の構成を用いることによって正極格子100が腐食しても上枠骨の変形を抑制する。この変形抑制によって変形した上枠骨による正極−負極間の短絡と正極活物質の脱落による容量低下を抑制することができる。
【0024】
また、正極活物質の脱落を抑制できるため、従来、脱落活物質を保持するために正極を袋状セパレータに収納していた構成に代えて、負極板を袋状セパレータに収納した構成を採用することができる。負極板を袋状セパレータに収納する構成では腐食によって変形する正極格子が袋状セパレータ底部を破損するといった正極板を袋状セパレータに収納することによって発生する問題がない。
【0025】
したがって、本発明では負極板を袋状セパレータに収納した構成をとれば、正極活物質の脱落抑制と、袋状セパレータの底部破損抑制を両立して達成することができる。
【0026】
さらに、本発明の正極格子100を構成する鉛合金の組成としてSn濃度が1.20質量%以上である、Pb−Ca−Sn合金を用いることが好ましい。なお、本発明ではCaの濃度を規定するものではないが、エキスパンド加工時の加工性を考慮してCa濃度を0.04質量%〜0.10質量%の範囲とする。
【0027】
また、本発明ではSn濃度の上限値を規定するものではないが、Caと同様、Sn濃度の増加によって、エキスパンド網目に亀裂や切断が生じるため、Sn濃度の上限を2.0質量%以下とすることが好ましい。
【0028】
正極格子100に用いるPb−Ca−Sn合金中のSn濃度を1.20質量%以上とすることにより、Pb−Ca−Sn合金の耐食性は向上し、正極格子の腐食進行を抑制でき、その分、鉛蓄電池を長寿命化できる点で有利である。ところがPb−Ca−Sn合金の引張り強度も向上するので、正極格子が腐食を受けた場合には正極格子への応力は増加する。前記した特許文献2のように、変形の屈曲点をある点に設定した場合、この屈曲点に応力が集中する。Sn濃度が1.20質量%以上のPb−Ca−Sn合金ではSn濃度が1.2質量%未満のものに比較して、この集中した応力値が急激に増大する。これにより、正極格子体の変形は急激に進行し、突然容量が低下して、電池が使用不能となる。
【0029】
本発明の構成では上記のようなSn濃度のPb−Ca−Sn合金を使用した場合でも上枠骨に加わる応力を分散させることにより、上枠骨の急激な変形を抑制することができる。
【0030】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【0031】
▲1▼実施例1
Pb−0.05質量%Ca−1.8質量%Sn合金の圧延シートを用いてロータリーエキスパンド法により図2に示すようなエキスパンド網目201を作成した。次にエキスパンド網目201に活物質を充填し、図2の破線で示した切断線202で打抜き、単一の極板とした後、熟成乾燥をおこなって、未化成の正極板とした。
【0032】
本実施例においては、前記した本発明の実施の形態の正極格子のθおよびRの値を種々の組み合わせで変化させることにより、本発明例の正極格子体と比較例の正極格子体を作成した。そしてこれらの正極板を用いて表1に示す80D26型(JIS D5301)の始動用鉛蓄電池を作成した。なお、本実施例では負極板を微孔性ポリエチレンシートで作成された袋状セパレータに収納し、正極板と組み合わせて極板群を作成した。
【0033】
【表1】
【0034】
これらの電池を40℃雰囲気中で14.8Vの定電圧で4週間連続充電し、充電終了後に電池を分解して、図3に示したように、正極格子300の上枠骨301の上方向への変形量(d)を測定した。そしてそれぞれの電池の変形量(d)について電池4の変形量に対する比率を求め、その結果を変形量比d´として表1に示した。
【0035】
次に図4に縦軸にRとθとの関係と変形量比(d´)を示した。図4に示した結果から、θが10〜40°の範囲内であり、かつ下式(1)の範囲内での領域内で変形量比を極めて低く抑制できることがわかる。
【0036】
R≧10(2−θ/45) … 式(1)
(但し、Rの単位はmmであり、かつ10°≦θ≦40°)
▲2▼実施例2
次に実施例1の表1に示した電池9および電池22に関して鉛合金シート中のSn濃度と、袋状セパレータに収納する極板の極性を変化させた電池を作成した。これらの電池を表2に示す。
【0037】
【表2】
【0038】
これら表2に示した電池について充電と放電とを繰返して行う寿命サイクル試験を行った。試験条件は充電を40℃雰囲気中で14.8Vの定電圧充電を1週間、放電を25℃雰囲気中で300Aで5秒間の定電流放電とした。これらの充電と放電を繰返して行い、放電5秒目の電圧が7.2Vまで低下した時点を寿命サイクル数とした。これらの寿命試験の結果を図5に示す。
【0039】
図5に示した結果から、正極格子に用いたPb−Ca−Sn合金中のSn濃度が1.20質量%以上の領域では比較例の電池は急激に寿命低下している。一方、本発明例の電池ではSnが1.20質量%以上であっても良好な寿命特性を示す。
【0040】
中でも負極板を袋状セパレータに収納した本発明例の電池では極めて優れた寿命特性を示した。
【0041】
比較例の電池でSn濃度を1.20質量%以上としたものは正極格子の上枠骨の変形が一箇所に集中し、その点で上枠骨が折り曲がった状態となっていた。一方、本発明例ではこのようなSn濃度であっても上枠骨の変形は一箇所に集中せず、変形が分散していた。また、Sn濃度を1.20質量%未満に低下させていくにしたがい、上枠骨が一箇所で集中的に折れ曲がる変形から上枠骨全体が変形する状態に変化した。また、Sn濃度低下にしたがい、寿命サイクル数自体も低下した。したがって、本発明のよればSn濃度が1.20質量%以上の領域においても極めて良好な寿命特性を得ることができる。
【0042】
また、特に本発明では正極格子の変形抑制により、脱落活物質量も抑制できるので、従来のような正極板を袋状セパレータに収納する必要がない。したがって、正極板を袋状セパレータに収納した時の問題点、すなわち、袋状セパレータの底部の破損による正極−負極間の短絡という問題を回避できる。
【0043】
【発明の効果】
以上、説明してきたように本発明の構成によれば、腐食時に発生する格子変形と活物質脱落による電池寿命の低下という課題を解決し、長寿命な鉛蓄電池を提供できることから、工業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による極板格子を示す図
【図2】エキスパンド網目を示す図
【図3】上枠骨の変形量測定位置を示す図
【図4】R、θ別の変形量比d´を示す図
【図5】寿命試験結果を示す図
【図6】従来のエキスパンド格子体を示す図
【符号の説明】
100 正極格子
101 上枠骨
102 集電耳部
103 エキスパンド網目
104 (上枠骨の)部分
105 傾斜部
106 平行部
107 連結部
108 延長線
109 延長線
201 エキスパンド網目
202 切断線
300 正極格子
301 上沸骨
601 エキスパンド格子体
602 エキスパンド網目
603 下枠骨
604 上枠骨
605 集電耳部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to the shape of an electrode grid of a lead storage battery.
[0002]
[Prior art]
The electrode plate of the lead storage battery has a configuration in which a grid of lead or a lead alloy is filled with an active material. As the lattice body, an expanded lattice body in which slits are formed in a zigzag pattern on a cast lattice body or a rolled lead alloy sheet obtained by solidifying molten lead in a mold and the slits are developed. Expanded lattices are widely used because they can reduce the thickness of the lattice and are excellent in productivity.
[0003]
As shown in FIG. 6, the expanded
[0004]
Further, when the expanded
[0005]
It is conventionally known that it is effective to make the current collecting part of the upper frame bone, particularly the upper frame bone thicker or larger, in order to suppress the voltage drop due to these lattice bodies and suppress the elongation due to corrosion. (For example, see Patent Document 1).
[0006]
In addition, there is a method in which a reinforcing portion is provided on a current collecting ear and a bending point position of an upper frame bone generated when the lattice body is extended is defined (for example, see Patent Document 2). In
[0007]
However, when such an inflection point is set, it has been found that stress concentration at this inflection point rapidly progresses depending on the lead alloy composition constituting the lattice. In particular, a Pb-Sn-Ca alloy to which a Sn concentration of 1.2% by mass or more is added can improve the corrosion resistance and strength of the alloy itself, so that the battery life performance can be improved by using the Pb-Sn-Ca alloy as a positive electrode. However, the use of such a high corrosion-resistant and high-strength alloy also increases the absolute value of the stress concentrated at the bending point, and at a certain point, the deformation of the upper frame bone progresses rapidly, and the capacity of the battery correspondingly increases. Also had the problem of rapidly decreasing. Such a sharp decrease in capacity has been caused by the active material present below the deformed upper frame bone falling off without being able to follow the deformation of the lattice.
[0008]
When the positive electrode plate is encased in a bag-shaped separator with respect to the active material dropped from the positive electrode, the dropped active material remains in the bag-shaped separator, so that there is no significant effect on characteristics except for a decrease in battery capacity. However, in a battery in which the positive electrode is not housed in the bag-shaped separator, particularly in a battery in which the negative electrode plate is housed in the bag-shaped separator, these fallout active materials accumulate in the lower part of the battery case. In particular, in batteries used in applications where vibration is unavoidable, such as automobile batteries, the falling active material floats in the electrolytic solution due to the vibration, and is reduced by attaching to the negative electrode, and is deposited on the negative electrode. There is a problem that such precipitates gradually grow and short-circuit with the positive electrode.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-60-30057 (page 288, FIG. 4)
[Patent Document 2]
JP-A-8-203533 (
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the problem that the lead storage battery described above has a problem that the battery life is shortened due to lattice deformation and active material falling off at the time of corrosion of the positive electrode, and a lead plate having excellent corrosion resistance and lead having excellent life characteristics. It is intended to provide a storage battery.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the invention according to
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the electrode grid of the lead-acid battery of the first aspect, the connecting portion is formed in an arc shape.
[0013]
The invention according to
[0014]
Furthermore, the invention according to
[0015]
Further, the invention according to
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the lead-acid battery according to the fifth aspect, further comprising an electrode group including a bag-shaped separator accommodating the negative electrode plate and a positive electrode plate. Things.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A positive electrode grid of a lead battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
As shown in FIG. 1, the
[0019]
The expanded mesh 103 is formed by forming a zigzag slit in a lead alloy sheet such as a Pb-Ca-Sn alloy and expanding the slit. The
[0020]
The
[0021]
In the present invention, a connecting
[0022]
R ≧ 10 (2- θ / 45) Equation (1)
Thereafter, the
[0023]
By using the above configuration of the present invention, deformation of the upper frame bone is suppressed even when the
[0024]
In addition, since the falling of the positive electrode active material can be suppressed, a configuration in which the negative electrode plate is stored in the bag-shaped separator in place of the conventional configuration in which the positive electrode is stored in the bag-shaped separator to hold the dropped active material is adopted. be able to. In the configuration in which the negative electrode plate is stored in the bag-shaped separator, there is no problem that occurs when the positive electrode plate is stored in the bag-shaped separator, such that the positive electrode grid deformed by corrosion damages the bottom of the bag-shaped separator.
[0025]
Therefore, in the present invention, if the configuration in which the negative electrode plate is housed in the bag-like separator is employed, it is possible to achieve both the suppression of the falling of the positive electrode active material and the suppression of the damage to the bottom of the bag-like separator.
[0026]
Furthermore, it is preferable to use a Pb-Ca-Sn alloy having a Sn concentration of 1.20% by mass or more as a composition of the lead alloy constituting the
[0027]
Further, in the present invention, the upper limit of the Sn concentration is not specified, but as in the case of Ca, an increase in the Sn concentration causes cracks or breaks in the expanded network, so that the upper limit of the Sn concentration is set to 2.0% by mass or less. Is preferred.
[0028]
By setting the Sn concentration in the Pb-Ca-Sn alloy used for the
[0029]
In the configuration of the present invention, even when the Pb-Ca-Sn alloy having the Sn concentration as described above is used, the rapid deformation of the upper frame bone can be suppressed by dispersing the stress applied to the upper frame bone.
[0030]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
[0031]
(1) Example 1
Using a rolled sheet of Pb-0.05 mass% Ca-1.8 mass% Sn alloy, an expanded
[0032]
In this example, the values of θ and R of the positive electrode grid of the embodiment of the present invention described above were changed in various combinations to prepare the positive electrode grid of the present invention and the positive electrode grid of the comparative example. . Using these positive plates, a lead-acid storage battery of type 80D26 (JIS D5301) shown in Table 1 was prepared. In this example, the negative electrode plate was housed in a bag-shaped separator made of a microporous polyethylene sheet, and was combined with the positive electrode plate to form an electrode plate group.
[0033]
[Table 1]
[0034]
These batteries were continuously charged at a constant voltage of 14.8 V for 4 weeks in a 40 ° C. atmosphere, and after the charging was completed, the batteries were disassembled and, as shown in FIG. (D) was measured. Then, the ratio of the deformation amount (d) of each battery to the deformation amount of the
[0035]
Next, FIG. 4 shows the relationship between R and θ and the deformation ratio (d ′) on the vertical axis. From the results shown in FIG. 4, it can be seen that the deformation ratio can be extremely low within the range where θ is in the range of 10 to 40 ° and in the range of the following equation (1).
[0036]
R ≧ 10 (2- θ / 45) Equation (1)
(However, the unit of R is mm and 10 ° ≦ θ ≦ 40 °)
(2) Example 2
Next, regarding the
[0037]
[Table 2]
[0038]
For the batteries shown in Table 2, a life cycle test in which charging and discharging were repeated was performed. The test conditions were a 14.8 V constant voltage charge in a 40 ° C. atmosphere for one week, and a constant current discharge at 300 A for 5 seconds in a 25 ° C. atmosphere. These charging and discharging were repeatedly performed, and the point in time when the voltage at the 5th second of discharging decreased to 7.2 V was defined as the number of life cycles. FIG. 5 shows the results of these life tests.
[0039]
From the results shown in FIG. 5, in the region where the Sn concentration in the Pb-Ca-Sn alloy used for the positive electrode lattice is 1.20% by mass or more, the life of the battery of the comparative example is rapidly reduced. On the other hand, the battery of the present invention example shows good life characteristics even when Sn is 1.20% by mass or more.
[0040]
Among them, the battery of the present invention in which the negative electrode plate was housed in the bag-like separator exhibited extremely excellent life characteristics.
[0041]
In the battery of the comparative example in which the Sn concentration was 1.20% by mass or more, the deformation of the upper frame bone of the positive electrode grid was concentrated at one point, and the upper frame bone was bent at that point. On the other hand, in the example of the present invention, even with such Sn concentration, the deformation of the upper frame bone was not concentrated at one place, and the deformation was dispersed. Further, as the Sn concentration was reduced to less than 1.20% by mass, the state where the upper frame bone was intensively bent at one location changed to a state where the entire upper frame bone was deformed. Further, as the Sn concentration decreased, the number of life cycles itself decreased. Therefore, according to the present invention, extremely good life characteristics can be obtained even in a region where the Sn concentration is 1.20% by mass or more.
[0042]
In particular, in the present invention, since the amount of the falling-off active material can be suppressed by suppressing the deformation of the positive electrode grid, it is not necessary to store the positive electrode plate in the bag-like separator as in the conventional case. Therefore, it is possible to avoid a problem when the positive electrode plate is stored in the bag-shaped separator, that is, a problem of a short circuit between the positive electrode and the negative electrode due to breakage of the bottom of the bag-shaped separator.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide a long-life lead-acid battery by solving the problem of battery life reduction due to lattice deformation and active material falling off at the time of corrosion. Useful.
[Brief description of the drawings]
1 is a view showing an electrode grid according to the present invention; FIG. 2 is a view showing an expanded mesh; FIG. 3 is a view showing a measurement position of a deformation amount of an upper frame bone; FIG. 4 is a deformation amount ratio d for each of R and θ. FIG. 5 shows a life test result. FIG. 6 shows a conventional expanded lattice body.
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
R≧10(2−θ/45) …式(1)When the angle formed by the extension line of the upper end of the inclined portion and the extension line of the upper end of the parallel portion is θ (°), and the radius of the arc shape is R (mm), the θ is 10 to 40 °. The positive electrode grid of a lead-acid battery according to claim 2, wherein the relationship between the θ and the R is represented by the following equation (1).
R ≧ 10 (2- θ / 45) Equation (1)
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