JP2003123760A - 鉛蓄電池用負極 - Google Patents
鉛蓄電池用負極Info
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Abstract
状態から高率充放電を繰り返すことができる鉛蓄電池用
負極を提供する。 【解決手段】 負極活物質100重量部に対し、平均粒
径30nm以下、比表面積100〜150m2 /g、D
BP吸油量200cm3 /100g以上であるアセチレ
ンブラックを0.5〜4重量部添加して成る鉛蓄電池用
負極。好ましくは、該アセチレンブラックと硫酸バリウ
ムとを併用添加する場合、重量比率で1:1〜1:1.
7で添加する。
Description
でアイドルストップ、加速アシスト、回生充電等の高率
充放電を繰り返すHEV用に適するシール型鉛蓄電池な
どの鉛蓄電池に関する。
から36Vに高電圧化する動きが活発化している。これ
は当初、利便性や低コスト化を目的とした自動車搭載機
器の電動化に伴う電力需要急増への対応やワイヤーハー
ネス重量抑制を目的として進められていた。しかしその
後、環境対策や低燃費化が大きな関心事となると共に、
高効率スタータ・ジェネレータが開発された事で、36
Vでもアイドルストップ機能は勿論、スタート・アシス
トやブレーキ時のエネルギー回生が可能となり、従来の
HEVの範疇を大幅に拡げる事となった。その結果、安
価でメンテナンスフリーのシール型鉛蓄電池をこの用途
に用いる試みが活発化している。ところで、これらの機
能のうちアイドルストップやスタート・アシストは鉛蓄
電池に高い放電性能を要求する。従来の鉛蓄電池は、こ
の点において非常に優れていると言われていたが、後述
するエネルギー回生では充電状態を低めにするため、電
解液中の硫酸イオンは不足状態となり、特に急速放電時
は極板近傍の硫酸イオンは急激に消費されて放電性能は
著しく低下する。エネルギー回生は、高効率の急速充電
性能を要求するが、鉛蓄電池はその要求に適さないと言
われている。その理由は、高効率の急速充電を行うには
電池の充電状態(SOC)を例えば60〜90%と中途
半端な充電状態(PSOC)にしておく必要があるが、
鉛蓄電池はこの状態で充放電を繰り返すと負極に放電物
質である硫酸鉛の結晶が成長・粗大化し、可逆性が失わ
れたサルフェーションと言われる状態になるからであ
る。特に、回生充電のように短時間に大電流で充電を行
う場合には、僅か100回程度の回生充電と放電の繰り
返しで、即ち、ブレーキを100回踏む操作で、負極の
海綿状鉛の表面に生成した硫酸鉛の影響で負極の分極が
水素発生電位まで増大し、充電効率は急速に低下する事
になる。これらの問題を解決するために、従来、その負
極に導電剤として粒状や繊維状のカーボンを例えば0.
5重量%以上或いはアセチレンブラックを0.4〜7.
5重量%を添加することが提案されている。(特開平6
−349486、特開平7−6767、特開平7−20
1331などの公報参照)。また、同様の目的で添加す
るカーボンを微細な繊維状とし、これを0.01〜10
wt.%添加したり、粉末と組み合わせたりする事も提
案されている。(特開平2−177260、特許第27
29644号、特許第2847761号などの公報参
照)。
知技術では、未だ、上記のようなPSOCの使用状態か
ら満足なエネルギー回生特性が得られず、その改善が望
まれていた。本発明は、上記従来の鉛蓄電池の課題を解
消し、PSOC状態での充電特性を大幅に改善し、PS
OC状態からのエネルギー回生特性に優れ、特にHEV
用に鉛蓄電池に適した鉛蓄電池をもたらす負極を開発し
たものである。
題を解消し、回生充電特性の優れた鉛蓄電池用負極を提
供するもので、負極活物質にアセチレンブラックとバリ
ウム化合物を添加して成る鉛蓄電池用負極において、負
極活物質100重量部に対し、平均粒径30nm以下、
比表面積100〜150m2 /g、DBP吸油量150
m3 /100g以上であるアセチレンブラックを0.5
〜4重量部添加したことを特徴とする。上記の本発明に
おいて、上記の回生特性の更に向上した鉛蓄電池用負極
を提供するもので、該アセチレンブラックと硫酸バリウ
ムを、該アセチレンブラックと硫酸バリウムの重量比率
が1:1〜1.7で添加したことを特徴とする。
本発明の鉛蓄電池用負極を製造するに当たり、添加され
るカーボン粉末としてアセチレンブラックに限定する理
由は、カーボンブラックなどの他のカーボン粉末より高
温に対し安定であり、而も製造過程で水素や酸素を取り
込み難く、水素や酸素含有量が低いため、導電性に優れ
ている基本的な特性を有するからである。このアセチレ
ンブラックにつき種々検討したところ、後記に明らかに
するように、アセチレンブラックの平均粒径は、30n
m以下になると海綿状鉛活物質の表面に網目状の導電ネ
ットワークを形成し、PSOC状態でも硫酸鉛の蓄積を
抑制する効果があることが判った。また、一般に、微細
なカーボンブラックは、通常比表面積が大きくなり、そ
れに伴って水素過電圧の低下と水素発生の増大、即ち充
電効率の低下を招くが、特に30nm以下のアセチレン
ブラックはアグリゲート構造が非常に良く発達している
ために比表面積が100〜150m2 /gの範囲におい
て特に水素過電圧がむしろ増加して、充電効率が向上す
ることが判った。また、そのDBP吸油量は200m3
/100g以上であると電解液を保持する効果が非常に
高く、急速な充放電を行っても拡散律速による分極を低
く抑える事ができることが判った。
レンブラックの負極活物質への添加量は、負極活物質1
00重量部に対し0.5〜4重量部添加することによ
り、下記に詳述するように、回生特性の改善効果を発揮
することが判った。
クと共にバリウム化合物を添加併用される。その使用さ
れるバリウム化合物は、硫酸バリウムや炭酸バリウム等
であるが、これらは電解液である硫酸と反応し、硫酸バ
リウムに変化する。そして、硫酸バリウムが有する硫酸
鉛の核化剤として働き、即ち硫酸鉛の粗大化を抑制する
作用にアセチレンブラックが影響する。この場合、該ア
セチレンブラックと硫酸バリウムの添加量の配合割合
が、重量比でアセチレンブラック1対硫酸バリウム1〜
1.7で添加するときは、最良の放電特性と回生特性の
向上をもたらすことが判った。尚、硫酸バリウムとして
は、平均粒径0.7μmのものを使用することが好まし
い。
して、その製造例とこれを用いた鉛蓄電池の諸特性を比
較例と共に詳述する。 (1)未化成の負極板の製造:負極活物質として、ボー
ルミル法で製造した酸化鉛(PbO)に、該酸化鉛10
0重量部に対し、下記表1の実施例及び比較例に示すよ
うに、平均粒径、比表面積、DBP吸油量を異にするア
セチレンブラック(C)とその添加量と硫酸バリウム
(BaSO4 )の添加量と添加されるCとBaSO4 の
配合比率を異にして添加し、次に、リグニンを水溶液と
して加え、続いてイオン交換水を加え乍ら混練して水ペ
ーストを調製し、更に比重1.36の希硫酸を加え乍ら
混練し各種の負極活物質ペーストを調製した。このとき
に使用したイオン交換水の量は酸化鉛100重量部に対
しておよそ10重量部、希硫酸の量は10重量部であっ
た。尚、出来上がったペーストのカップ密度が約135
g/2in3となるようにイオン交換水の量を調製し
た。このように製造したペーストをカルシウム合金から
成る鋳造基板に充填し、40℃、湿度95%の雰囲気で
24時間熟成し、その後乾燥して各種の未化成の負極板
を製造した。 (2)未化成の正極板の製造:酸化鉛100重量部にイ
オン交換水10重量部、続いて比重1.27の希硫酸1
0重量部を加え乍ら混練して正極用ペーストを調製し
た。このペーストのカップ密度は約140g/2in3
であった。このペーストをカルシウム合金から成る鋳造
基板に充填し、40℃、湿度95%の雰囲気で24時間
熟成し、その後乾燥して未化成の正極板を多数製造し
た。 (3)電池組立、電解液の調製の化成:これらの未化成
板に微細なガラス繊維に約10%のシリカ粉末を加えて
成る、20kPa加圧時の厚みが0.8mmのリテーナ
マットセパレータを組み合わせ、COS方式で極板同士
を溶接して極板群とした。これをPP製の電槽に入れ、
ヒートシールによって蓋をした。次に、電槽化成に用い
る比重1.20の電解液を調製した。これに放電状態で
の短絡防止用に硫酸ナトリウムを添加して用いた。この
電解液を電池に入れて40℃の水槽中で理論容量の20
0%過充電して電槽化成を行い、表1に示す実施例及び
比較例の負極を用いた夫々の2Vのシール型鉛蓄電池を
製造した。この電池の電解液比重は1.260であり、
電解液量は極板群の理論空間体積の100%に調製し
た。化成後に行った電池の容量試験で5時間率容量は2
0Ahであった。
た上記の実施例及び比較例に示す各種の鉛蓄電池につ
き、25℃、5時間率電流で完全充電した後、5時間率
電流でSOCを70%に調製した。即ち6Ah分の放電
を行った。次に、電池を−15℃で16時間放置した。
その後、300Aで5秒間放電し、5秒目の電圧を測定
した。その放電特性の測定の結果を表1に示した。望ま
しい値は、1.45V以上である。
電流で完全充電した後、5時間率電流でSOCを70%
に調製した。即ち6Ah分の放電を行った。次に、電池
温度が40℃となるように雰囲気温度を調製し、60
A、40秒間の定電流放電と40A、50秒間、80
A、5秒間、上限電圧2.33Vの定電流・定電圧充電
の組み合わせを1サイクルとする回生充電繰り返し試験
を行った。そして、80A、5秒間の回生充電時の電池
電圧が2.33Vの上限電圧に到達するまでの回数を測
定した。この試験は、充電電気量と放電電気量が等しい
ため、回生充電に相当する80A、5秒間の充電が完全
に行われないと充電不足となる。即ち、80A充電中に
負極が分極して電池電圧が2.33Vに達すると定電圧
充電に切り替わり、電流が減衰して充電不足となる。そ
の回生充電特性の測定の結果を表1に示した。望ましい
値の目安は500回である。
0nm以下、比表面積100〜150m2 /g、DBP
吸油量200cm3 /100g以上の特定の条件を有す
るアセチレンブラックを負極活物質100重量部に対し
0.5〜4重量部添加して製造した負極を鉛蓄電池に用
いるときは、優れた放電特性とPSOC状態からの回生
特性を有する鉛蓄電池が得られ、この場合、上記の条件
を満たしたアセチレンブラックと硫酸バリウムの配合割
合を重量比で1対1〜1.7の配合で添加することによ
り、優れた放電特性と回生特性を有する鉛蓄電池を確実
に製造することができることが判る。特に、その重量比
1対1〜1.7で特性が良く好ましい。
極を用いるときは、上記従来の鉛蓄電池用負極の課題を
解消し、放電特性及びPSOC状態からの回生特性に優
れた鉛蓄電池用負極をもたらし、また、請求項2に係る
発明により優れた放電特性及び回生特性を確保すること
ができる鉛蓄電池用負極をもたらし、HEV用などに用
い優れた鉛蓄電池を提供することができる。
Claims (2)
- 【請求項1】 負極活物質にアセチレンブラックとバリ
ウム化合物を添加して成る鉛蓄電池用負極において、負
極活物質100重量部に対し、平均粒径30nm以下、
比表面積100〜150m2 /g、DBP吸油量150
m3 /100g以上であるアセチレンブラックを0.5
〜4重量部添加したことを特徴とする鉛蓄電池用負極。 - 【請求項2】 該アセチレンブラックと硫酸バリウム
を、該アセチレンブラックと該硫酸バリウムの重量比率
が1:1〜1.7で添加したことを特徴とする請求項1
に記載の鉛蓄電池用負極。
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