JPH10270028A - 鉛蓄電池用正極板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】鉛蓄電池において、高容量でかつ長寿命な鉛蓄
電池を提供する。 【解決手段】正極活物質の全細孔体積の１５〜３５％が
細孔直径５〜５０μｍとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉛蓄電池用正極板の
改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、鉛蓄電池は自動車用や産業用をは
じめとしてあらゆる分野で用いられている。その中で自
動車用電池は最も需要が高く、軽量化、コストダウン
化、メンテナンスフリー化、長寿命化、品質の安定化が
求められている。

【０００３】現在、鉛蓄電池に用いられている格子合金
は鉛−アンチモン系と鉛−カルシウム−錫系（以後、鉛
−カルシウム系と呼ぶ）に大別でき、鉛蓄電池の特性は
これらの格子合金によって著しく異なることが知られて
いる。すなわち、鉛−アンチモン系合金の正極格子を用
いた鉛蓄電池は深い充放電サイクルに優れた特性を示す
が、自己放電が大きい欠点がある。一方、鉛−カルシウ
ム系合金の正極格子を用いた鉛蓄電池は自己放電が少な
い、使用中の減液が少ないため補水の必要がないなどの
メンテナンスフリー特性に優れているものの、充放電サ
イクルを繰り返すと比較的早期に放電容量が低下するこ
とがあるという欠点がある。

【０００４】一般に鉛蓄電池の容量低下は、充放電サイ
クル中に正極活物質粒子が粗大化して粒子間の接合性が
低下するために起ることが知られている。この現象は活
物質の軟化と呼ばれ、特に極板表面の活物質層から起こ
り、次第に内部の活物質へ拡大していくことが知られて
いる。また、活物質の軟化は正極格子合金中のアンチモ
ンが少なくなるほど起こりやすく、アンチモンが正極活
物質の劣化に何らかの影響をおよぼしているものと考え
られている。

【０００５】従来、鉛蓄電池はつぎのように製造されて
いる。すなわち、鉛合金製格子に、酸化度（一酸化鉛の
重量％）６０〜９５％の鉛粉を希硫酸でペースト状に練
ったものを充填し、熟成および乾燥を施して未化成極板
とする。これらを用いて組み立てた電池を正極活物質の
理論電気量比２００〜４００％の電気量で電槽化成して
充電済み電池とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特に鉛−カルシウム系
合金を正極格子として用いたときなどに、上述した熟成
工程を改良し、たとえば、高温高湿熟成を施すことによ
って未化成活物質中に四塩基性硫酸鉛を生成させる方法
などが提案されている。

【０００７】これまでの熟成生成物である三塩基性硫酸
鉛に比べて四塩基性硫酸鉛の結晶は大きいことから、こ
の方法によれば、四塩基性硫酸鉛の強固な骨格を保った
二酸化鉛が化成時に形成されるために優れた寿命性能が
得られるという利点がある。しかし、四塩基性硫酸鉛の
粗大な結晶は化成性に劣り、すなわちその結晶内部まで
二酸化鉛に化成されないことから、充分な初期性能が得
られないという欠点がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
問題点を解決するもので、正極活物質の全細孔体積の１
５〜３５％が細孔直径５〜５０μｍ であることを特徴
とするものである。これにより、鉛蓄電池正極板の高容
量化および長寿命化をはかるものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明による鉛蓄電池用正極板
は、正極活物質の全細孔体積の１５〜３５％が細孔直径
５〜５０μｍ であることを特徴とし、さらに好ましく
は四塩基性硫酸鉛の凝集部を生成させた未化成活物質を
二酸化鉛に電解化成して得られることを特徴とするもの
である。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１１】ボールミル式鉛粉１００ｋｇと水１２リッ
トルと比重１．４の希硫酸８リットルを混練して正極ペ
ーストを作製した。混練手順としては、次の条件で行っ
た。

【００１２】まず、所定量の鉛粉および水を混練機に投
入し、これらを５分間混練して均一なスラリーを得た。
このスラリーに所定量の希硫酸を加えて混練し、希硫酸
投入方法の異なる４種類のペーストを作製した。すなわ
ち、〓１のペーストはスラリーを混練しながら全量の希
硫酸を滴下投入し（滴下時間３０分間）、〓２のペース
トはスラリーに全量の希硫酸を投入後１０分間混練し、
〓３のペーストはスラリーに全量の希硫酸を投入し１０
分間放置後に１０分間混練し、〓４のペーストはスラリ
ーに全量の希硫酸を投入し３０分間放置後に１０分間混
練した。

【００１３】このように練膏方法を変えたのはペースト
中の硫酸の分布を変えるためで、これらのペーストのな
かで硫酸が最も均一に分布しているのは〓１のペースト
で、次いで〓２、〓３、〓４の順に次第に不均一に分布
し、すなわち硫酸の凝集部が大きくなっている。

【００１４】これらの４種類のペーストを常法によって
通常のＰｂ−Ｃａ−Ｓｎ合金を用いた鋳造格子に充填
し、５０℃および７０℃の２種類の温度の熟成室中で２
４時間熟成を施した。なお、熟成室中の相対湿度はいず
れの温度においても１００％とした。熟成後の極板を５
０℃乾燥室中（相対湿度２５％）で３日間乾燥し、表１
に示す８種類の未化成正極板を得た。

【００１５】

【表１】 ここで用いた、極板の大きさは高さ１１０ｍｍ、幅１０
８ｍｍ、厚さ２．０ｍｍで、化成後活物質密度は約3.8g
/cm³となるようにした。これらの未化成正極板４枚／セ
ルと、Ｐｂ−Ｃａ−Ｓｎ合金格子を用いた通常の未化成
負極板５枚／セルとをリブ付ポリエチレンセパレータを
介して積層し、ＪＩＳＤ５３０１に規定される自動車用
鉛蓄電池３６Ｂ２０（５時間率容量：２８Ａｈ）を組み
立てた。ついで、これらの電池に電槽化成を施し、５ｈ
Ｒ放電試験を繰り返し行った。５ｈＲ放電試験において
５．６Ａで終止電圧１０．５Ｖまで放電して放電容量を
調べ、２．８Ａで放電電気量の１３５％まで充電する充
放電サイクルを繰り返した。試験温度は２５℃とした。

【００１６】図１にこれらの電池の５ｈＲ放電容量の推
移を示す。熟成温度が５０℃であればペースト混練時の
希硫酸投入方法にかかわらず、いずれの電池（〓１〜
４）も充分な初期容量を示すものの比較的早期に容量が
低下した。一方、熟成温度が７０℃の場合、希硫酸滴下
品（〓５）は優れた寿命性能を示したものの、放電容量
が非常に小さかった。希硫酸全量投入品（〓６〜８）
は、１サイクル目の放電容量が５０℃熟成品にはわずか
におよばなかったものの、３サイクル目の放電容量が５
０℃熟成品よりも大きく、しかも優れた寿命性能を示し
た。

【００１７】このように充放電サイクル中の容量推移が
大きく異なった原因を調査するために３サイクル後の正
極活物質の細孔分布を水銀圧入法によって調べた結果を
図２に示す。熟成温度が５０℃であればペースト混練時
の希硫酸投入方法にかかわらず、いずれの正極活物質
（〓１〜４）も直径０．２〜５μｍの細孔が多く、全細
孔量は約０．１４ｃｃ／ｇであった。一方、熟成温度が
７０℃の場合（〓５〜８）、いずれの正極活物質も全細
孔量は約０．１４ｃｃ／ｇであり大差なかったものの、
細孔分布は直径０．２〜５μｍと５〜５０μｍ の２種
類に大別され、これらの割合がペースト処方によって異
なることがわかった。すなわち、〓５、６、７および８
の正極活物質中の直径５〜５０μｍ の細孔量はそれぞ
れ全細孔量の約４５、３５、２５および１５％を占めて
いた。

【００１８】上記の正極活物質の細孔分布と電池の寿命
性能との関係から次のことがわかった。正極活物質が有
する細孔直径の大部分が５μｍ以下の場合（〓１〜
４）、充分な初期容量を示すものの比較的早期に容量が
低下した。正極活物質が直径５〜５０μｍ の細孔を全
細孔量の４５％程度以上有する場合（〓５）、優れた寿
命性能を示すものの放電容量は非常に小さかった。正極
活物質が直径５〜５０μｍの細孔を全細孔量の１５〜３
５％有する本発明による電池の場合（〓６〜８）、初期
容量が大きくしかも優れた寿命性能を示した。

【００１９】通常正極板の放電容量は活物質内部への電
解液（硫酸イオン）の拡散速度によって律速されること
から、例えば活物質の多孔度が大きい（細孔量が大き
い）ほどその拡散速度が大きく放電容量が増大すること
は知られている。ただし、活物質の多孔度が大きいほど
寿命性能が低下することも知られている。また、多孔度
が同じ場合でも細孔径が大きいほど、硫酸イオンの拡散
速度は大きいはずである。したがって、活物質の細孔径
を大きくすることによって活物質内部まで硫酸イオンの
拡散を助けることは初期性能の向上に非常に有効であ
る。ところが、活物質の細孔径全体を大きくしてしまう
と活物質の表面積が低下し、活物質の反応性が大きく低
下してしまい、放電容量はむしろ低下してしまう。

【００２０】本発明では全細孔量の１５〜３５％の細孔
のみを直径５〜５０μｍまで大きくしたことによって、
活物質表面積の低下を招くことなく電解液の拡散速度を
増大させることができたために、３サイクル目以降の放
電容量を従来よりも増大させることができたものと思わ
れる。ただし、１サイクル目の放電容量にその効果がみ
られなかったのは、後述する未化活物質中の四塩基性硫
酸鉛の生成によって化成性が低下し、電槽化成直後の二
酸化鉛量がやや少なかったためと思われる。

【００２１】正極板処方の違いによって正極活物質の細
孔分布の違いがみられた原因を調べるために、これらの
未化成正極板（熟成後正極板）の断面を観察・調査し
た。

【００２２】ペースト処方の違いによって未化成活物質
中の硫酸の分布が異なるため、５０℃熟成品では〓１、
２、３および４の順で次第に凝集部（硫酸の多い部分）
が大きくなった。なお、これらの組成は3PbO・PbSO₄・H₂O
(三塩基性硫酸鉛)、t-PbOおよびPbO・PbSO₄(一塩基性硫
酸鉛)からなり、凝集部は3PbO・PbSO₄・H₂OおよびPbO・PbS
O₄の含有率が高かった。

【００２３】一方、７０℃熟成品では〓５、６、７およ
び８の順で次第に凝集部（硫酸の多い部分）が大きくな
った。また、凝集部には4PbO・PbSO₄(四塩基性硫酸鉛)が
生成しており、その他の部分は3PbO・PbSO₄・H₂Oおよびt-
PbOからなっていた。なお、四塩基性硫酸鉛の生成状況
が部位によって異なったのはペースト中の硫酸量の違い
に起因していることから、硫酸量が比較的多い部位は四
塩基性硫酸鉛の生成温度が低いことを示唆している。

【００２４】次に、これらの未化成活物質の細孔分布を
調べた結果を図３に示す。５０℃熟成品（〓１〜４）で
はいずれも直径０．２〜１μｍの細孔を有していた。こ
のことは3PbO・PbSO₄・H₂O、t-PbOおよびPbO・PbSO₄の粒子
サイズが比較的近似していることを示唆している。一
方、７０℃熟成品では直径０．２〜８μｍの細孔と８〜
３０μｍ の細孔の割合がペースト処方によって異なっ
た。すなわち、〓５、６、７および８の正極活物質中に
おける直径５〜５０μｍ の細孔量はそれぞれ全細孔量
の約４５、３５、２５および１５％を占めていた。この
ように細孔直径が２つに大別された理由は3PbO・PbSO₄・H
₂Oやt-PbOの粒子サイズが０．２〜５μｍと小さく、4Pb
O・PbSO₄の粒子サイズが５〜２００μｍ と大きいため
で、これらの分布状況の違いによって細孔分布が異なっ
たものと思われる。

【００２５】また、未化成活物質と化成後活物質の細孔
分布を比較すると、細孔直径や細孔量に若干の変化はみ
られるものの、未化成時の細孔分布が化成後にも反映さ
れているといえる。

【００２６】以上のように、正極ペースト中の硫酸凝集
部の大きさをコントロールすることによって、熟成後の
4PbO・PbSO₄の分布を変え、このことによって正極活物質
の全細孔体積の１５〜３５％を細孔直径５〜５０μｍと
したことは電池性能の向上に非常に有効であった。な
お、正極活物質中の細孔直径５〜５０μｍを除く細孔に
ついては、そのほとんどが直径５μｍ 以下の微細な細
孔であることは言うまでもない。

【発明の効果】以上、実施例で述べたように、本発明に
よる鉛蓄電池を用いれば、鉛蓄電池の寿命性能を向上さ
せることができるだけでなく、高容量化もはかることが
でき、その工業的価値は甚だ大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】５ｈＲ放電容量の推移を示す図である。

【図２】正極活物質の細孔分布を示す図である。

【図３】未化成活物質の細孔分布を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正極活物質の全細孔体積の１５〜３５％が
   細孔直径５〜５０μｍ であることを特徴とする鉛蓄電
   池用正極板。
2. 【請求項２】四塩基性硫酸鉛の凝集部を生成させた未化
   成活物質を二酸化鉛に電解化成してなることを特徴とす
   る請求項１記載の鉛蓄電池用正極板。