(57)【要約】　　　（修正有）【課題】エキスパンド格子の製造工程における不良率を低減するとともに、エキスパンド格子を使用した蓄電池のエキスパンド格子が腐食した場合でも、エキスパンド格子の伸びを抑制し、内部短絡の発生を抑制する。【解決手段】集電耳１２を有する上額１１と、下額１３と、上額と下額との間に配された複数の格子桟段１５とで構成されたエキスパンド格子を備えた蓄電池において、前記集電耳は上額の一端寄りに配されたものであり、前記複数の格子桟段は、幅が異なる２種類以上の格子桟段で構成されたものであるとともに、最も幅の狭い桟を有する格子桟段は、上額に繋がる段及び下額に繋がる段以外に配されたものであり、前記上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法の最小値をＸとし、前記下額の幅寸法の平均値をＹとしたとき（但し、下額が極板足を有する場合は極板足部分の寸法を除く）、Ｘ／Ｙが２以上、３．５以下であることを特徴とする、蓄電池。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電耳を有する上額と、下額と、上額と下額との間に配された複数の格子桟段とで構成されたエキスパンド格子を備えた蓄電池において、
前記集電耳は上額の一端寄りに配されたものであり、
前記複数の格子桟段は、幅が異なる２種類以上の格子桟段で構成されたものであるとともに、最も幅の狭い桟を有する格子桟段は、上額に繋がる段及び下額に繋がる段以外に配されたものであり、
前記上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法の最小値をＸとし、前記下額の幅寸法の平均値をＹとしたとき（但し、下額が極板足を有する場合は極板足部分の寸法を除く）、Ｘ／Ｙが２以上、３．５以下であることを特徴とする、蓄電池。
【請求項２】
前記複数の格子桟段が、桟の幅が異なる３種類以上の格子桟段で構成され、上額に繋がる格子桟段が最も桟の幅が広い格子桟段であり、それに繋がる格子桟段は桟の幅が２番目に広い格子桟段であり、最も幅の狭い格子桟段は下額に繋がる格子桟段以外に配されたことを特徴とする、請求項１記載の蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエキスパンド格子を用いた蓄電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蓄電池、主には鉛蓄電池に使用され、網目状の開口部に活物質を保持する蓄電池用格子体は、鋳造方法で製造されるもの（鋳造格子）と、シート状の金属を機械加工により網目状とするエキスパンド加工方法で製造されるもの（エキスパンド格子）との２種類に大別される。このエキスパンド加工方法はさらに２種類に大別され、その１つはロータリ式と称され、もう１つはレシプロ式と称される。
【０００３】
ロータリ式エキスパンド格子は、金属シートの進行方向に沿って、凸状部を有する複数の円盤状カッター（ロータリカッター）により、金属シートの表裏両面から金属シートに切れ目を刻むとともにその切れ目を金属シートの表裏交互に凸状に変形させた後、金属シートの幅方向に展開して製造される蓄電池用格子体である。このロータリ式エキスパンド格子は、その製造速度は速いが、展開時に格子体にねじれが生じるために、蓄電池としたときの寿命性能に劣るといわれる。
【０００４】
レシプロ式エキスパンド格子は、レシプロカッターと呼ばれる、間欠移動する金属シート上で、端部から順にこの金属シートの進行方向に沿って階段状に配置された複数の上刃を上下動させる装置により、この金属シートに切り込みを入れて押し広げ、マス目を網状に形成する蓄電池用格子体である。このレシプロ式エキスパンド格子は、ロータリ式エキスパンド格子に比べて製造速度は遅いが、蓄電池にしたときの寿命性能に優れるといわれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらのエキスパンド格子は、鋳造格子に比べて製造コストが安く、大量に連続生産が可能であるという利点に対し、鋳造格子に比べてエキスパンド加工工程における不良の発生率が高く、蓄電池に使用した際に、腐食によって寿命になる割合が大きいという問題がある。これらの問題は主に、エキスパンド格子の上額と下額との間に配された複数の格子桟段の桟の幅が、一般的にはすべて同じであることに起因していた。
【０００６】
ロータリ式は前述の通り、金属シートに切れ目を入れながら表裏方向に凸状に形状変形させる工程と、その後の展開工程とがあり、形状変形工程と展開工程の２度、シートが変形応力を受けることになる。形状変形工程では凸状部の頂部が最も大きな変形応力を受け、展開工程では固定側（通常エキスパンド格子の上額として使用される）よりも展開側（通常エキスパンド格子の下額として使用される）の方が大きな変形応力を受ける。さらに展開工程ではすでに凸状に変形させられた部分（桟になる部分）よりも格子桟同士の結節部（格子網目の交点になる部分）により大きな変形応力が加わる。このためロータリ式ではその製造中に展開側の結節部において破断が生じる場合があった。
【０００７】
また、エキスパンド格子を用いた蓄電池を長期間使用したときに、エキスパンド格子が腐食により断裂する場合がある。この断裂部位が、エキスパンド格子の集電耳を備えた上額と、その上額に繋がる格子桟段との接点で発生すると、集電耳と活物質との電気的接続が完全に絶たれることにより、その極板が放電できなくなるために、蓄電池が寿命に達したと判定される場合があった。
【０００８】
さらに、エキスパンド格子の腐食による蓄電池への悪影響は、格子桟段の断裂のみではなく、格子桟段の伸びによる短絡も挙げられる。一般にエキスパンド格子を用いた鉛蓄電池の発電要素は、図５に斜視図を示すように、複数の正極板１（図５では図示せず）と複数の負極板２とをセパレータ３を介して積層した構造となる。そしてそれぞれの正負極板の集電耳１２が、ストラップ４、５で相互に接続される。この発電要素が電槽に収納され、ストラップに設けられた極柱６、７が端子８、９（図５では図示せず）と接合され、電槽と蓋とが接合された後に電解液が注液されて完備電池となる。この状態を図６（Ａ）、（Ｂ）に示す。図６（Ａ）、（Ｂ）はいずれも完備電池を、正極板面に平行かつ、正極板１が露出するように描いた断面図であり、（Ａ）はエキスパンド格子が腐食していない状態、（Ｂ）はエキスバンド格子が腐食して伸びた状態を示す図である。図６（Ａ）の状態において、正極板１の下部（図６（Ａ）下側）は電槽に接触しており、正極板１の集電耳１２は極柱６を介して端子８に接続されている。このため、正極板１のエキスパンド格子が腐食（Ｐｂ→ＰｂＯ２）して体積増加が生じた場合、正極板１が伸びる方向は図６（Ａ）正極板１の図中右上方向しかなくなり、図６（Ｂ）に示すように正極板１が伸びるようになる。こうして、正極板１と負極ストラップ５とが接触して内部短絡を引き起こし、エキスパンド格子が腐食によって破断する前に蓄電池が寿命となる場合があった。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、エキスパンド格子の製造工程における不良率を低減するとともに、エキスパンド格子を使用した蓄電池のエキスパンド格子が腐食した場合でも、エキスパンド格子の伸びを抑制し、内部短絡の発生を抑制するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになした第１の発明は、集電耳を有する上額と、下額と、上額と下額との間に配された複数の格子桟段とで構成されたエキスパンド格子を備えた蓄電池において、前記集電耳は上額の一端寄りに配されたものであり、前記複数の格子桟段は、幅が異なる２種類以上の格子桟段で構成されたものであるとともに、最も幅の狭い桟を有する格子桟段は、上額に繋がる段及び下額に繋がる段以外に配されたものであり、前記上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法の最小値をＸとし、前記下額の幅寸法の平均値をＹとしたとき（但し、下額が極板足を有する場合は極板足部分の寸法を除く）、Ｘ／Ｙが２以上、３．５以下であることを特徴とする、蓄電池である。
【００１１】
ここで、下額の幅寸法の平均値とは、格子下額を仮想１０等分したときに生じる、９つの仮想分割線に相当する部分の幅寸法の平均値を指す。
【００１２】
第２の発明は、前記複数の格子桟段が、桟の幅が異なる３種類以上の格子桟段で構成され、上額に繋がる格子桟段が最も桟の幅が広い格子桟段であり、それに繋がる格子桟段は桟の幅が２番目に広い格子桟段であり、最も幅の狭い格子桟段は下額に繋がる格子桟段以外に配されたことを特徴とする、請求項１記載の蓄電池である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面により本発明を説明する。図７は従来のエキスパンド格子の例である。このエキスパンド格子は集電耳１２を備えた上額１１と下額１３とを備える。ロータリ式エキスパンド格子においては、前記下額１３に極板足１４が設けられる場合もある。エキスパンド格子では機械加工によって格子桟段１５が複数段（図では１２段）形成され、この格子桟段１５によって網目状のマス目１６が複数個形成される。蓄電池用極板としてこのエキスパンド格子を使用する場合は、マス目１６に活物質が保持される。なお、図７においては複数段の格子桟段１５の桟の幅がすべて同じ幅となっている。
【００１４】
このような構成にすると、製造時においては前述の通りエキスパンド格子の展開側（下額１３側）の結節部の破断が生じやすくなる一方、エキスパンド格子の格子桟段１５の腐食によって破断が生じる部分を制御することができず、破断した場合に最も影響の大きな上額１１との接点部分（上額１１と斜線を引いた格子桟端１５との接点）の破断が起こる場合がある。
【００１５】
また、エキスパンド格子の中心から集電耳１２のない側の上額１１の幅Ｘ（図７の上額１１の斜線部）はどの部分においても、極板足１４を除いたエキスパンド格子の下額１３の幅の平均値Ｙ（図７の下額１３の斜線部）の０．５倍から２倍未満とされていた。これは、上額１１及び下額１３は活物質を保持する部分ではなく、必要以上に大きくすることはエキスパンド格子の質量増加、ひいてはそのエキスパンド格子を用いた蓄電池の質量増加を招き、その蓄電池の質量エネルギー密度が低下するからである。上額１１の幅を前述のように設定すると、エキスパンド格子の腐食による伸びの応力に対して、上額１１が耐えることができずに図６（Ｂ）に示すように変形する場合があった。
【００１６】
図１は本発明の実施例である。本発明の特徴は、蓄電池に使用するエキスパンド格子の格子桟段１５の桟の幅が同じであり、２種類以上の桟の幅を備えた格子桟段１５と上額１１と下額１３とを備え、最も幅の狭い格子桟段１５（図１の斜線を引いていない格子桟１５）は、上額１１または下額１３に繋がらず、エキスパンド格子の中心から集電耳１２のない側の上額１１の幅（図１の上額１１の斜線部）Ｘはどの部分においても、極板足１４を除いたエキスパンド格子の下額１３の幅（図１の下額１３の斜線部）の平均値Ｙの２倍以上３．５倍以下とすることに特徴がある。また図１では、第２の発明に記載の通り、上額１１に繋がる格子桟段１５の桟の幅が最も広く、それに繋がる格子桟段１５の桟の幅が２番目に広く、最も桟の幅の狭い格子桟段１５は下額１３に繋がる格子桟段１５以外に配している。
【００１７】
本発明の構成とすることにより、格子桟段１５の桟の幅は各格子桟段１５では同じであるが、２種類以上の幅を設けることによって桟の幅の広い格子桟段１５の腐食を抑制するとともに、製造時においても破断しにくい部分とすることができる。また、最も桟の幅の狭い格子桟段１５は下額１３に繋がる格子桟段１５以外に配することにより、製造時のエキスパンド格子の不良も低減することができる。
【００１８】
このように、腐食によって破断したときに最も影響の大きな上額１１と格子桟段１５との接点部の破断を抑制することができる。また、エキスパンド格子の中心から集電耳１２のない側の上額１１の幅Ｘ（図１の上額１１の斜線部）はどの部分においても、足１４を除いたエキスパンド格子の下額１３の幅の平均値Ｙ（図１の下額１３の斜線部）の２倍以上３．５倍以下程度とすることにより、エキスパンド格子の腐食による伸びの応力に対する上額１１の強度が向上し、図６（Ｂ）に示すような変形を抑制することが可能になった。なお、３．５倍以上にすることも可能ではあるが、３．５倍以上にしても格子変形防止効果は３．５倍のときと同じであった。
【００１９】
なお集電耳１２が上額１１の一端寄りに配されたものとは、集電耳１２が極板の中心線と重ならなければよいことを言い、必ずしも端部に集電耳１２が存在する必要はない。
【００２０】
格子桟段１５の桟の幅を変更するための方法として、ロータリ式では図２に示すように、ロータリカッター２１に金属シート２を通過させて金属シート２に切り込みを入れる際に、図３に示すようにロータリカッター２１の幅の異なるものを使用することで達成が可能である。ここで図中２２はロータリカッター２１の間隔を保持させるためのスペーサである。
【００２１】
【実施例】
本発明によるエキスパンド格子と図７に示した従来のエキスパンド格子とで製造時の不良率を調査した。使用したエキスパンド格子の大きさはいずれも縦（下額から上額に向かう方向、集電耳と極板足との高さを除く）１２０ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ２．０ｍｍである。従来例の下額の幅は３．０ｍｍ、上額の幅は５．０ｍｍ（Ｘ／Ｙ＝１．６６）、格子桟段の桟の幅はすべて１．０ｍｍである。そして、本発明品の下額の幅は従来例と同様３．０ｍｍに固定し、上額の幅は６．０ｍｍ（Ｘ／Ｙ＝２．０）である。格子桟段の桟の幅は３種類とし、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍである。本発明品のエキスパンド格子の上額に繋がる格子桟段の桟の幅は１．２ｍｍであり、それに繋がる格子桟段の桟の幅と下額に繋がる格子桟段の桟の幅とは１．０ｍｍとし、それ以外の格子桟段の桟の幅はすべて０．８ｍｍである。なお、従来例、本発明品とも格子桟段の数は１６段である。
【００２２】
集電耳の幅は１０ｍｍであり、集電耳の中心は格子の中心から２０ｍｍ離れた位置に配した。
【００２３】
従来のエキスパンド格子ではその展開工程において、展開側（下額１３側）に結節部の破断が約５％に認められ、そのほとんどが格子桟段１５と下額１３との接点であったのに対し、本発明品では下額に繋がる格子桟段の桟の幅が従来例と同じ１．０ｍｍであるにもかかわらず、その不良率が１％以下に低下した。これは、最も変形応力のかかる下額に繋がる格子桟段の他に、変形応力を受けやすい０．８ｍｍの幅を有する格子桟段を設けた効果によるものである。
【００２４】
次に、表１に示す４種類のエキスパンド格子を用いた５５Ｄ２３形鉛蓄電池を試験に供した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
格子の形状は上述と同様であり、本発明によるエキスパンド格子Ｄを用いた５５Ｄ２３形鉛蓄電池（発明品）と、図７に示したような上述の従来の格子Ａ（格子桟段の桟の幅１．０ｍｍ、上額の幅５．０ｍｍ）、格子Ａの格子桟段の桟の幅を３種類（０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、上額の幅５．０ｍｍ）とした格子Ｂ、格子桟段の桟の幅１．０ｍｍ、上額の幅６．０ｍｍの格子Ｃを用いた５５Ｄ２３形鉛蓄電池（比較対象品）とを５０℃水槽中で０．１ＣＡで３ヶ月の過充電試験に供した。試験終了後に解体し、正極板の変形と格子桟の破断の状態とを確認した。
【００２７】
表２に試験結果を示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２に示すとおり、図７に示したような上述の従来の格子Ａでは極板の変形が最も大きく、負極ストラップと接触して内部短絡していた蓄電池も確認できた。これに対し、格子Ｂ、格子Ｃでは、格子Ａに比べて極板の変形量は小さかったが、一部に負極ストラップと接触して内部短絡していた蓄電池も認められた。しかし、格子Ｄは変形量が最も小さく、内部短絡を引き起こした蓄電池は認められなかった。
【００３０】
この理由としては、上額の幅を広くして極板の変形を防止するとともに、格子桟段の桟の幅を３種類以上設けることによって、格子桟の破断が生じやすい部分、あるいは格子桟の変形しやすい部分を設けることで、極板が変形する前に桟の変形、破断を生じさせるようにしたことが挙げられる。
【００３１】
鉛蓄電池において、内部短絡はスパークによる水素爆発を引き起こしかねない非常に危険な現象であるため、安全性を考慮した場合は格子桟の破断よりも内部短絡を防止することに重点を置くべきである。
【００３２】
次に格子Ａの上額の幅を各種変えて５５Ｄ２３形鉛蓄電池（発明品）を作製し、この蓄電池を５０℃水槽中で０．１ＣＡで３ヶ月の過充電試験に供した。試験終了後に解体し、正極板の変形と格子桟の破断の状態とを確認した。変形量を図４に示す。なおここでは、図１に示すように上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法が一定であるエキスパンド格子を使用した。
【００３３】
図４からわかるように、上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法の最小値をＸとし、前記下額の幅寸法の平均値をＹとしたとき（但し、下額が極板足を有する場合は極板足部分の寸法を除く）、本発明のようにＸ／Ｙの関係を２以上とすることで、格子高さに対する格子の伸びを１０％以下に抑制することが可能になった。なお、Ｘ／Ｙを３．５より大きくしても３．５以上の伸び抑制効果が認められず、かえってエキスパンド格子が重くなるだけであった。この実施例では上額の１／２部分のうちの集電耳を有さない側の幅寸法が一定であるエキスパンド格子を使用したが、上額に幅の狭い部分があると、その部分を起点にして上額が変形してしまうので、本発明の指定する領域内の上額の幅は、すべての部分で本発明の要件を満たす必要がある。
【００３４】
また、本発明品では試験終了後も上額と格子桟段との接点の破断は一切認められなかったが、比較対象品においては約３０％で上額と格子桟段との接点の破断が認められた。
【００３５】
この他、ロータリ式においては、本発明のように格子桟段の幅を変えることによって、金属シートに刻みを入れた後に展開する工程で、エキスパンド格子の格子桟段の、桟の幅の広い部分が展開されにくくなり、マス目の開口面積が小さくなる。このため、エキスパンド格子の上部のマス目が小さくなった。これをふまえて、本発明品のハイレート放電試験を調査した。試験条件は−１５℃の環境下において３００Ａで放電し、３０秒目の電圧を測定したところ、本発明品は比較対象品に比べて約１０％も放電電圧が高くなるという効果も認められた。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、エキスパンド格子の製造工程における不良率を低減するとともに、エキスパンド格子を使用した蓄電池のエキスパンド格子が腐食した場合でも、エキスパンド格子の伸びを抑制し、内部短絡の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエキスパンド格子
【図２】本発明によるロータリ式エキスパンド格子の製法
【図３】本発明によるロータリ式エキスパンド格子の製法
【図４】試験結果
【図５】発電要素
【図６】発電要素
【図７】従来のエキスパンド格子
【符号の説明】
１　　　正極板
２　　　負極板
３　　　セパレータ
４　　　正極ストラップ
５　　　負極ストラップ
６　　　正極極柱
７　　　負極極柱
８　　　正極端子
９　　　負極端子
１１　　上額
１２　　集電部
１３　　下額
１４　　足
１５　　格子桟
１６　　マス目
２０　　金属シート
２１　　ロータリカッター
２２　　スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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