JP2000067825A

JP2000067825A - 組電池

Info

Publication number: JP2000067825A
Application number: JP10238686A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Nishimura; 勝憲西村; Masanori Yoshikawa; 正則吉川; Hisashi Ando; 寿安藤; Tadashi Muranaka; 村中　　廉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】非水電解質二次電池が組込まれた組電池の重量
エネルギー密度及び体積エネルギー密度を減少させるこ
となく、コンパクトで、かつ冷却効率と安全性に優れた
組電池を提供する。【解決手段】複数個の電解質二次電池２１を、各非水電
解質二次電池２１の側面が隣合うように並べて組電池に
組み込み、隣合う各非水電解質二次電池２１の側面間
に、少なくとも難燃性または自己消火性のいずれかの性
質を有する物質を含む材料で形成されたスペーサ２２を
設ける。これにより、組電池の重量エネルギー密度及び
体積エネルギー密度を減少させることなく、コンパクト
化が図れ、かつ冷却効率、安全性が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非水電解質二次電
池、特に複数個のリチウム二次電池からなる組電池と、
該組電池を搭載した機器システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リチウム二次電池を代表とする非水電解
質二次電池は、鉛蓄電池やニッケル・カドミニウム電池
よりも高いエネルギー密度を有するため、近年ビデオカ
メラ、携帯用電話、ノート型パソコンなどのポ−タブル
電気機器に利用されている。

【０００３】また、最近は大気汚染の防止や電力エネル
ギーの有効活用などのニーズがあるため、電気自動車用
や電力貯蔵用の電池として、リチウム二次電池が注目さ
れている。この場合、多数のリチウム二次電池を直列ま
たは並列で接続させた組電池が必要となり、充放電時に
個々のリチウム二次電池から発生する熱の管理が重要な
課題である。

【０００４】組電池の温度上昇を抑制するための一例と
して、角型リチウム二次電池の間に、金属製の梁状スペ
ーサを挿入し、電池の放熱性を向上させる方法が、特開
平8-212986号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】非水電解質二次電池を
充放電する際、ジュール発熱と化学反応熱によって電池
の温度が上昇する。このとき各電池の側面を密着した状
態で配列させると、電池の放熱が不十分となり、電池温
度がさらに上昇する。

【０００６】その結果、電池内部で電極活物質と電解液
が急速に反応し、電池の発火や爆発を誘発する危険性が
ある。たとえば複数のリチウム二次電池からなる組電池
を充放電する場合、電流値を大きくすると電池温度が数
十℃上昇することが知られている(The 13th internatio
nal electric vehicle symposium、 p。 37、 1996
年)。

【０００７】この温度上昇によって、上述の発火・爆発
の問題の他に、回復不可能な電極活物質の劣化反応が起
こりやすくなる。そのため、組電池の安全性のみならず
電池の長寿命化に対しても、充放電時での電池の放熱が
重要である。

【０００８】隣接する非水電解質二次電池の間に金属製
スペーサを挿入し、大気と電池の接触面積を増加させ
て、電池の放熱性を向上させることができる。しかし、
一般に金属材料の比重は重いため、組電池の重量エネル
ギー密度が減少する欠点が生じる。

【０００９】また、樹脂やゴムのような可燃性スペーサ
を用いると、組電池の重量エネルギー密度の減少を抑制
できるが、組電池の一部の非水電解質二次電池が発火し
た際に、組電池内部での延焼が起こることもある。

【００１０】よって、本発明の第一の目的は、非水電解
質二次電池が組込まれた組電池の重量エネルギー密度を
減少させることなく、冷却効率と安全性に優れた組電池
を提供することにある。

【００１１】また、非水電解質二次電池を過充電や過放
電することによって、寿命劣化や容量減少などの性能低
下、発熱や発火などの問題を引き起こす場合がある。そ
のため非水電解質二次電池を充放電する際に、充電時と
放電時の電池電圧、電流、時間、電池表面温度などを測
定し、それらが予め設定した値に到達した時に、充電や
放電を終了させることが重要である。

【００１２】例えば複数のリチウム二次電池からなる組
電池を充放電する場合、各リチウム二次電池の電圧、電
流、時間、電池表面温度を計測し、組電池に加える充放
電電流や電圧を制御するための制御回路基板が必要とな
る。制御回路基板を含めた組電池システムの体積エネル
ギー密度を可能な限り大きくするために、各リチウム二
次電池の配置方法、制御回路基板の位置などを適正化
し、無駄のないパッケージングが必要である。

【００１３】また、制御回路基板とリチウム二次電池の
間において電力損失を避けるために、この制御回路基板
をリチウム二次電池の近傍に設置し、できるだけ両者を
接続するケーブルを短くすることが望ましい。しかし、
リチウム二次電池には可燃性あるいは腐食性の電解液が
含まれているため、可燃性樹脂からなる固定部品を用い
て制御回路基板を電池近傍に設置すると、一部のリチウ
ム二次電池の発火により組電池内部での延焼が起こる問
題がある。また、金属製部品で制御回路基板を固定する
と、腐食により回路と電池の間で電流リークが生じ、回
路の誤動作を招くという問題がある。

【００１４】よって、本発明の第二の目的は、非水電解
質二次電池が組込まれた組電池の体積エネルギー密度を
減少させることなく、コンパクトで安全性の高い組電池
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上述の技術
的課題に取り組んだ結果、非水電解質二次電池の側面に
難燃性または自己消火性の性質を有するスペーサを挟み
込んで、複数の電池を配置することにより、組電池の重
量エネルギー密度の減少量を低減し、さらに組電池内部
での放熱性の向上と電池の延焼防止に有効であることを
見い出した。

【００１６】また、少なくとも難燃性または自己消火性
のいずれかの性質を有する材料からなる固定部品を用い
て、制御回路基板または非水電解質二次電池を固定する
ことにより、電池の燃焼拡大を抑制可能であり、しかも
制御回路基板の誤動作を防止できる高エネルギー密度の
組電池を実現できることを見出した。

【００１７】本発明で規定される難燃性または自己消火
性を有する部品は、難燃性または自己消火性の物質を添
加しない部品と比較して、200〜700℃の環境下で燃焼反
応を抑制する物質を添加したものである。本発明の組電
池は、正極、負極、電解質を金属製容器に充填した複数
の非水電解質二次電池から構成され、各電池の形状は角
型、円筒型のいずれの場合であってもよい。

【００１８】言い替えると、上記目的を達成するため
に、本発明における組電池の特徴とするところは、正極
と、負極と、電解質とからなる複数個の非水電解質二次
電池を機能させる複数の部品のうち、少なくとも１つの
部品を、少なくとも難燃性または自己消火性のいずれか
の性質を有する物質を含む材料で形成することにある。

【００１９】具体的には本発明は次に掲げる組電池を提
供する。

【００２０】本発明は、正極と、負極と、電解質とから
なる複数個の非水電解質二次電池と、該各非水電解質二
次電池を機能させる複数の部品とを有する組電池におい
て、前記複数の部品のうち、少なくとも１つの部品が、
少なくとも難燃性または自己消火性のいずれかの性質を
有する物質を含む材料で形成されることを特徴とする組
電池を提供する。

【００２１】また、本発明は、正極と、負極と、電解質
とからなる複数個の非水電解質二次電池を、該各非水電
解質二次電池の側面が隣合うように並べて組み込んだ組
電池において、少なくとも難燃性または自己消火性のい
ずれかの性質を有する物質を含む材料で形成されたスペ
ーサを、前記隣合う各非水電解質二次電池の側面間に設
けることを特徴とする組電池を提供する。

【００２２】好ましくは、前記各非水電解質二次電池の
側面間の前記スペーサが設けられてない前記スペーサの
厚さ分の空隙部に、外気の流通路を設ける。

【００２３】また、本発明は、正極、負極、電解質から
なる複数個の非水電解質二次電池と、前記各非水電解質
二次電池の電圧と電流を制御する制御回路基板とを有
し、前記各非水電解質二次電池が直列または並列で接続
された組電池において、前記各非水電解質二次電池また
は前記制御回路基板は、少なくとも難燃性または自己消
火性のいずれかの性質を有する物質を含む材料で形成さ
れた固定部品で固定されることを特徴とする組電池を提
供する。

【００２４】また、本発明は、正極、負極、電解質から
なる複数個の非水電解質二次電池と、前記各非水電解質
二次電池の電圧と電流を制御する制御回路基板とを有
し、前記各非水電解質二次電池が直列または並列で接続
された組電池において、前記制御回路基板は、プリント
基板と、配線と、回路素子とで構成され、前記プリント
基板、配線、回路素子のうち、少なくとも１つが難燃性
または自己消火性のいずれかの性質を有する物質を含む
材料で形成されていることを特徴とする組電池を提供す
る。

【００２５】また、本発明は、正極、負極、電解質から
なる複数個の非水電解質二次電池と、前記各非水電解質
二次電池の電圧と電流を制御する制御回路基板とを有
し、前記各非水電解質二次電池が直列または並列で接続
された組電池において、前記非水電解質二次電池と前記
制御回路基板との間に、少なくとも難燃性または自己消
火性のいずれかの性質を有する物質を含む材料で形成さ
れた遮蔽部品を設けることを特徴とする組電池を提供す
る。

【００２６】好ましくは、前記少なくとも難燃性または
自己消火性のいずれかの性質を有する物質を含む材料
は、樹脂、プラスチック、弾性物質のいずれか１つであ
る。

【００２７】また、好ましくは、前記少なくとも難燃性
または自己消火性のいずれかの性質を有する物質が、ヘ
キサブロモベンゼン、ポリテトラフルオロエチレン、４
フッ化エチレン−エチレン共重合体、４フッ化エチレン
−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、４フ
ッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合体からなるハ
ロゲン化有機物、ジメチルメチルホスホネート、レゾル
シルフェニルホスフェートからなるリン酸エステルの一
群から選択された物質である。

【００２８】以下では、リチウム二次電池を非水電解質
二次電池の代表例として取り上げ、個々の解決手段につ
いて、詳細に説明する。

【００２９】リチウム二次電池の正極は、正極活物質、
導電剤、バインダー、集電体からなる。本発明で使用可
能な一般的な正極活物質を化学式で表記すると、LiCoO
2、LiNiO2、LiMn2O4などがあるが、本発明では任意の正
極活物質を選択できる。

【００３０】上述の正極活物質は一般に高抵抗であるた
め、少量の炭素質粉末を導電剤として添加・混合するこ
とにより、正極活物質の電気伝導性を補っている。

【００３１】正極活物質と導電剤は共に粉末であるた
め、粉末にバインダーを混合して、粉末同士を結合させ
ると同時に集電体へ接着させている。集電体にはアルミ
ニウム箔が用いられる。

【００３２】正極活物質、導電剤、バインダ−、および
有機溶媒を混合した正極スラリーを、ドクタ−ブレ−ド
法、ディッピング法などによって集電体へ付着させた
後、有機溶媒を乾燥し、ロールプレスによって正極を加
圧成形することにより、正極を作製することができる。

【００３３】リチウム二次電池の負極は、負極活物質、
バインダー、集電体からなる。本発明で使用可能な負極
活物質は、リチウムと合金化するアルミニウム、鉛、銀
などの金属、リチウムを電気化学的に吸蔵・放出可能な
黒鉛や非晶質炭素からなる炭素質材料などがあり、本発
明に適用可能な負極活物質に制限はない。

【００３４】粉末状の負極活物質にバインダーを混合し
て、負極活物質粉末同士を結合させると同時に集電体へ
接着させている。集電体には銅箔が用いられる。

【００３５】負極活物質、バインダ−、および有機溶媒
を混合した負極スラリーを、ドクタ−ブレ−ド法、ディ
ッピング法などによって集電体へ付着させた後、有機溶
媒を乾燥し、ロールプレスによって負極を加圧成形する
ことにより、負極を作製することができる。

【００３６】上記で作製した正極と負極の間に、ポリエ
チレン、ポリプロピレンなどの高分子材料からなる尾孔
性セパレーターを挿入した状態で捲回し、円筒状の電極
群を製造できる。

【００３７】また、電極を２軸捲回すると、偏平長円形
状の電極群も得られる。これらの捲回方式と別に、正極
と負極を短冊状に切断し、正極と負極を交互に積層し、
各電極間にセパレーターを挿入して積層式電極群を製造
することも可能である。

【００３８】これらの電極群をアルミニウム、ステンレ
ス鋼、ニッケルメッキ鋼製の電池容器に挿入し、蓋に取
りつけた外部端子に電極リードを接続した後、蓋と電池
容器を溶接する。

【００３９】電池缶の形状は、円筒型、偏平長円形状、
角型などがあり、電極群を収納できれば、いずれの形状
の電池缶を選択してもよい。ついで、蓋の電解液注入口
から電解液を注入し、その注入口を密封することによ
り、リチウム二次電池が完成する。

【００４０】本発明で使用可能な電解液の代表例とし
て、エチレンカーボネートにジメチルカーボネート、ジ
エチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを
混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム
(LiPF6)、あるいはホウフッ化リチウム(LiBF4)を溶解さ
せた溶液がある。

【００４１】本発明は、溶媒や電解質の種類、溶媒の混
合比に制限されることなく、他の電解液も利用可能であ
る。

【００４２】本発明の組電池は、複数のリチウム二次電
池を一列または複数列に配置された構造をとる。各電池
の外部端子を直列または並列に接続し、組電池全体の充
放電は一対の正極、負極の外部端子からおこなわれる。

【００４３】本発明の第一のポイントは、各リチウム二
次電池の間隔を調整できる軽量なスペーサ、および電池
の固定部品である。本発明で利用可能なスペーサには、
ポリ４フッ化エチレンに代表されるフッ素系樹脂、ある
いはフェノール樹脂などの高融点樹脂がある。

【００４４】さらに、上述の樹脂材料を含め、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS、ポリエス
テル樹脂、エポシキ樹脂、ポリカーボネートなどの樹脂
やプラスチック、あるいはスチレンブタジエンゴム、ア
クリロニトリルブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソ
プレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴ
ム、アクリルゴムなどの弾性物質に、少なくとも難燃性
または自己消火性のいずれかの性質を有する物質を添加
して、スペーサに難燃性と自己消火性を付与することも
可能である。

【００４５】本発明の難燃性または自己消火性の物質と
して、ヘキサブロモベンゼン、ポリテトラフルオロエチ
レン、４フッ化エチレン−エチレン共重合体、４フッ化
エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合
体、４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合体、
を代表とするハロゲン化有機物、あるいはジメチルメチ
ルホスホネート、レゾルシルフェニルホスフェートなど
のリン酸エステルなどがあり、それを上記の樹脂、プラ
スチック、ゴムに添加して本発明のスペーサを作製す
る。

【００４６】これらの難燃性または自己消火性のスペー
サを組電池に用いると、１個のリチウム二次電池が発火
しても組電池内の燃焼拡大の防止に効果がある。

【００４７】リチウム二次電池の形状が角型である場
合、スペーサの形状は短冊状、十字形、櫛形などの種々
のパターンを選択できる。

【００４８】角型リチウム二次電池の間に本発明のスペ
ーサを挿入して、スペーサと電池側面で外気の流通路を
設ける。この場合、スペーサの厚さは大きいほど電池間
での外気の流通が容易となり、電池の放熱性が改善され
る。電池とスペーサを固定するためには、金属製または
樹脂製の部品を用いて、最末端の２個の電池を互いに内
側へ締め付けるとよい。

【００４９】本発明の難燃性または自己消火性のいずれ
かの性質を有する材質から作製された固定部品を用いる
と、電池の発火・爆発時の延焼防止に効果があり、さら
に望ましい。

【００５０】円筒型リチウム二次電池の場合、複数の電
池を同じ方向に向けて、電池同士を缶側面で密着させて
配置させると、電池の間に隙間が生じる。このとき、隣
り合った電池の側面に難燃性または自己消火性のスぺー
サを挿入することにより、さらに大きな流通路を電池間
に確保することができる。

【００５１】別方法として、円筒型リチウム電池のそれ
ぞれを難燃性または自己消火性の部品で固定することに
より、任意の電池間隔を得ることができる。その一例と
して、リチウム二次電池の上面と底面にそれぞれ正極と
負極の端子を設け、各電池の両端子のそれぞれを難燃性
または自己消火性の部品へ連結させて、電池間隔を確保
することが可能である。

【００５２】本発明の第二のポイントは、難燃性または
自己消火性のいずれかの性質を有する固定部品を用い
て、制御回路基板とリチウム二次電池を固定することに
より、電池の燃焼拡大が防止可能な組電池を提供できる
ことである。

【００５３】リチウム二次電池を一列または複数列に配
列し、各電池が直列または並列になるように、正極と負
極の端子を接続する。制御回路基板は電流ケーブルを介
してリチウム二次電池と接続され、モニターケーブルを
介して各電池の電圧、電流、温度などを計測しながら、
組電池の充放電をコントロールする。

【００５４】この制御回路基板は、電流ケーブルをでき
るだけ短くなるように、上述の組電池の上方、あるいは
側面に設置される。この時、棒状、板状、Ｌ字型などの
種々の形状の本発明の固定部品を用いて、制御回路基板
の電流ケーブルができるだけ短くなるように、組電池の
上方、側面などに制御回路基板を固定する。

【００５５】本発明では、固定部品の形状、リチウム二
次電池の配列および固定部品の接続方法、制御回路基板
の設置位置、電流ケーブルおよびモニターケーブルの接
続方法、および制御回路基板の固定部品の接続方法に制
限はない。

【００５６】本発明によれば、難燃性または自己消火性
のいずれかの性質を有する材料を用いて、複数の非水電
解質二次電池を固定することにより、組電池の放熱性を
向上させ、１個の電池が発火しても組電池の延焼を防止
することが可能になる。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下では、本発明の内容を、実施
の形態例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明
は、これから述べる実施の形態例によって何ら限定され
ることはなく、本発明の主旨を変更しない範囲で適宜変
更が可能である。

【００５８】（実施の形態例１）本実施の形態例で使用
した正極活物質は、平均粒径10μmのLiCoO2粉末であ
る。この正極活物質と天然黒鉛、ポリフッ化ビニリデン
の1-メチル-2-ピロリドン溶液を添加し、十分に混練し
たものを正極スラリーとした。LiCoO2、天然黒鉛、ポリ
フッ化ビニリデンの混合比は、重量比で90：6：4とし
た。

【００５９】このスラリーを、ドクターブレード法によ
って、厚さ20μmのアルミニウム箔からなる正極集電体
の表面に塗布した。正極は、高さ70 mm、幅120 mmの短
冊形状である。この正極を100℃で２時間乾燥した。

【００６０】負極は以下の方法で作製した。平均粒径5
μmの天然黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンを、重量比9
0：10で混合し、有機溶媒として1-メチル-2-ピロリドン
を添加して、十分に混練して負極スラリーを調製した。

【００６１】このスラリーを、ドクターブレード法によ
って、厚さ10 μmの銅箔からなる負極集電体の表面に塗
布した。負極は、高さ70 mm、幅120 mmの短冊形状であ
る。この負極を100℃で２時間乾燥した。

【００６２】図２に、本発明の実施の形態例１に係わる
組電池に組み込まれる角型リチウム二次電池の縦断面構
造を示す。図３は図２の角型リチウム二次電池の上面を
示し、図４は図２の角型リチウム二次電池の底面を示
す。

【００６３】電池の外寸法は、高さ100 mm、幅130 mm、
奥行き30 mmである。袋状に加工したセパレータ３の中
に挿入した正極１、負極２を交互に積層した電極群を、
アルミニウム製の電池缶４に挿入した。

【００６４】各電極の上部に溶接した正極リード５と負
極リード７は、正極端子８、負極端子９へそれぞれ接続
した。正極端子８と負極端子９は、ポリプロピレン製の
パッキン１０を介して電池蓋１１に挿入されている。

【００６５】外部ケーブルと電池の接続は、図３に示し
た正極端子８、負極端子９に取り付けたナット２０によ
り接続可能である。電池蓋１１の下側には、電池内部の
圧力が4〜7気圧に達したときに、電池内部に蓄積したガ
スを開放するためのガス放出口１２、ならびに電解液の
注入口１５を設置した。

【００６６】安全弁はガス放出口１２、Ｏリング１３、
封止ボルト１４で構成されている。注液口は注入口１
５、Ｏリング１６、封止ボルト１７から構成されてい
る。電池缶４と電池蓋１１をレーザー溶接した後、注入
口１５より電解液を導入し、注入口１５を封止ボルト１
７で密閉して、リチウム二次電池を完成させる。

【００６７】使用した電解液は、エチレンカーボネート
とジメチルカーボネートの等体積混合溶媒１リットル
に、１モル相当の六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含
有する溶液である。

【００６８】制御回路基板の誤動作によるリチウム二次
電池の過充電、あるいは電池内部の短絡などによって、
組電池を構成する角型リチウム二次電池の内圧が急激に
増大し、電池が発火、爆発することがある。

【００６９】本実施の形態例の組電池では制御回路基板
を上部に設置したため、電池内部のガスを大量に放出す
る方向は、組電池の下が望ましい。この目的のために電
池容器の底面に溝を加工し、缶底に賑薄の部分を作り、
電池内圧により電池缶４の底面の変形により開裂する開
裂弁１９を設ける。

【００７０】その一例として、図４に示した直線状の溝
１９がある。溝のパターンは、Ｕ字状、ｆ字状、十字状
など任意の形状を選択できる。開裂弁１９を用いると、
電池内圧が10〜数十気圧まで高くなったとき、低強度の
溝から開裂が始まり、電池内部に蓄積した大量のガスを
瞬時に放出することが可能になる。本実施の形態例での
開裂弁の作動圧力は12〜15気圧に設定した。

【００７１】電池の電気化学的エネルギーは、正極端子
８と負極端子９より外部へ取り出し、再充電により蓄え
ることが可能になっている。この電池の平均放電電圧は
3。7V、定格容量は27 Ah、100 Whである。

【００７２】図１は、本発明の実施の形態例１に係わる
組電池の構成を示し、上述の角型リチウム二次電池２１
の電池蓋１１を上方に向け、高さ100 mm、幅130 mmの側
面同士が対向するように一列に配置させて組み立てた８
直列接続の組電池を示す。

【００７３】本発明の実施の形態例では、スペーサ２２
を用いることによる組電池の体積エネルギー密度減少率
を10％程度にとどめるために、スペーサ２２の厚さは電
池厚さの10％未満に制限した。

【００７４】電池２１の厚さは30mmであるので、厚さ10
mm、幅10 mm、長さ100 mmのポリ４フッ化エチレン製の
スペーサ２２を、電池２１の高さ方向に沿って、各電池
対向面の間に２本づつ挿入した。スペーサ２２が挿入さ
れてないスペーサ２２の厚さ分の空隙部は、外気の流通
路、すなわち電池の放熱路として形成される。

【００７５】組電池の側面と前後に取り付けたステンレ
ス製の金属板２３とポリ４フッ化エチレン製固定部品２
８をボルト２９で固定して、角型リチウム二次電池２１
を内側向きに圧力が加わるように締め付けた。電池から
の熱を外部へ素早く放散させるために、ステンレス製の
金属板２３にリブ状の突起部を形成させた。

【００７６】それぞれの角型リチウム二次電池２１の正
極端子、負極端子は、全電池が直列接続になるように電
流ケーブルで接続され、組電池の正極端子２４、負極端
子２５へ結線した。

【００７７】さらに、各電池２１の正極端子、負極端子
は、それぞれ正極電圧入力ケーブル、負極電圧入力ケー
ブルを介して制御回路基板２６に接続され、組電池の充
放電制御のために各電池２１の電圧と電流を計測した。

【００７８】制御回路基板２６はマイコンを装着してお
り、少なくとも１個の電池２１の電圧と電流の一方が設
定範囲からはずれた際に、組電池の充放電を停止する機
能をもつ。

【００７９】本実施の形態例の制御回路基板２６は、ガ
ラス繊維と1％のヘキサブロモベンゼンを添加したエポ
キシ授脂からなるプリント基板、ポリ４フッ化エチレン
で被覆した配線ケーブルを用いて、回路素子を接続して
おり、安全性を高めた難燃性基板である。

【００８０】末端にある電池から４番目の電池の側面に
熱電対４３を取り付け、温度信号を制御回路基板２６へ
送り、電池温度が設定温度を超えたときに充放電を停止
するようにした。

【００８１】本実施の形態例では制御回路基板２６を組
電池の上部に設置したので、図２のガス放出口１２から
放出した電解液が、制御回路基板２６へ付着しないよう
に、遮蔽板２７を制御回路基板２６と電池２１の間に挿
入した。

【００８２】本実施の形態例の組電池の平均放電電圧は
29。6 V、定格容量27 Ah、800 Whである。本実施の形態
例の組電池をＢ１と表記する。本実施の形態例の組電池
に外装容器は不要であるため、角型リチウム二次電池２
１を外気で直接冷却することが可能となり、急速な充電
時あるいは高負荷率の放電時での電池の温度上昇を低減
できる。

【００８３】以上の説明では、電極群が短冊電極を用い
た積層式であったが、偏平で長円形状の捲回式であって
も、本実施の形態例と同様な組電池を構成することがで
きる。（実施の形態例２）実施の形態例１と同一仕様の
正極、負極および厚さ25μmのポリエチレン製セパレー
タを組み合わせて、実施の形態例１と同じ手順で、高さ
100 mm、幅130 mm、奥行き30 mmの角型リチウム二次電
池を組み立てた。また、本実施の形態例で用いた電解液
も、実施の形態例１と同一組成の液を使用した。

【００８４】上述した８個の角型リチウム二次電池を、
高さ100 mm、幅130 mmの側面が対向するように一列に配
置させ、図１と同一構成の組電池を組み立てた。各電池
間に10％のヘキサブロモベンゼンを添加したフェノール
樹脂製のスペーサを挿入した。スペーサ２２の寸法と配
置方法、ならびに８個の角型リチウム二次電池の固定方
法は、実施の形態例１と同じである。本実施の形態例の
組電池をＢ２と表わす。

【００８５】（比較例１）実施の形態例１と同一仕様の
角型リチウム二次電池を、スペーサ２２を用いずに、高
さ100 mm、幅130 mmの電池側面が接するように一列に配
置させ、図１と同じ電池の接続形態の組電池を組み立て
た。本実施の形態例の組電池をＢ'１と表わす。

【００８６】（実施の形態例３）実施の形態例１と実施
の形態例２、および比較例１の電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ'１
について、最末端に配置した電池から４番目の電池にお
いて、高さ100 mm、奥行き30 mmの側面中央の１箇所に
熱電対を接触させ、放電中の電池の表面温度を測定し
た。充電条件は、電流3。4 A、充電時間は８時間、終止
電圧は4。2 Vである。放電電流は27、81、135 Aの３種
類であり、電池電圧が3。0 Vに到達するまで放電させ
た。試験環境温度は20〜25℃であった。

【００８７】図５は、放電時における各組電池の最高温
度をプロットした図である。比較例１の組電池Ｂ'１の
最高温度は、放電電流の増加と共に増大し、135 A放電
時では55℃に達した。実施の形態例１、２の組電池Ｂ
１、Ｂ２では、最高温度が35℃以下であり、比較例１の
組電池Ｂ'１よりも最大で20℃の温度上昇の抑制が可能
になった。

【００８８】さらに、電流3。4 A、終止電圧4。2 V、８
時間の充電と電流81 A、終止電圧3。0 Vの放電を50サイ
クル繰り返し、組電池の放電容量を測定した。電池の作
動電圧は3。0〜4。2 Vである。これと同じ充放電条件で
測定した１回目の放電容量と比較し、50サイクル時点で
の容量低下率を求めた。実施の形態例１、２の組電池Ｂ
１、Ｂ２では容量低下率が3％であり、比較例１の組電
池Ｂ'１の容量低下率は45％まで増大した。

【００８９】実施の形態例１、２により、組電池Ｂ１、
Ｂ２のサイクル特性が大幅に向上した。

【００９０】上記実施の形態例３によれば、角型リチウ
ム二次電池の間にスペーサ２２を挿入することにより、
電池からの熱を放散させることができるので、正極活物
質、負極活物質、集電体、電解液、電池缶の材質、電極
寸法などの電池仕様が、実施の形態例１に限定されるこ
となく、同様な効果が得られることは自明である。

【００９１】また、スペーサ２２の形状も実施の形態例
１、２に示した短冊状に限定されず、角型リチウム電池
間の側面の空隙に外気が流通できる形状とすることによ
り、比較の形態例１よりも電池の温度上昇を低減できる
ことは明白である。

【００９２】（実施の形態例４）スペーサとして、ポリ
エチレン、ポリスチレン、ABS、ポリエステル授脂、エ
ポシキ授脂、フェノール授脂、ポリカーボネート、スチ
レンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴ
ム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴ
ム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、アクリルゴムの一連の
プラスチック材料に、ヘキサブロモベンゼン、ポリテト
ラフルオロエチレン、４フッ化エチレン−エチレン共重
合体、４フッ化エチレン−パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体、４フッ化エチレン−６フッ化プロピ
レン共重合体からなるハロゲン化有機物、ジメチルメチ
ルホスホネート、レゾルシルフェニルホスフェートから
なるリン酸エステルの一群から選択された難燃性または
自己消火性の材料を添加したスペーサを用いて、実施の
形態例１と同一構成の組電池を作製した。

【００９３】その結果、いずれのスペーサを用いても、
実施の形態例１と同じように電池の最高温度が35℃以
下、容量低下率3％であった。

【００９４】（実施の形態例５）実施の形態例１と同様
な手順で、長さ5000 mm、幅150 mmの正極、および長さ5
100 mm、幅155 mmの負極を作製した。

【００９５】図６に、本発明の実施の形態例５に係わる
組電池に組み込まれる円筒型リチウム二次電池の縦断面
構造を示す。電池の外寸法は、高さ200 mm、直径20 mm
である。電極群は、正極１と負極２の間にセパレータ３
を介して巻き取られた捲回式構造をもつ。

【００９６】各電極の上部に溶接した正極リード５と負
極リード７は、それぞれ反対向きに取り付けられてお
り、各電極につき１０本の帯状リードを作製した。つい
で、正極リード５と負極リード７は一括して、それぞれ
正極端子８、負極端子９へ溶接した。

【００９７】正極端子８と負極端子９は、ポリプロピレ
ン製パッキン１０により絶縁をした状態で、電池蓋１１
に取り付けた。管状のアルミニウム製電池缶４と電池蓋
１１をレーザー溶接した後、内圧の開放と注液口の封止
の機能を兼ね備えた安全弁３０を電池蓋１１から取り外
した状態で、電池内部を真空排気した後、すばやく電池
内部へ電解液を注入した。その後、安全弁３０を電池蓋
１１に取り付け、電池を密閉した。

【００９８】安全弁３０の内圧開放部は、２個の管状部
品の間にアルミニウムの薄膜を挟み込んだ密閉構造をと
り、電池蓋１１との接続部にネジ切り加工が施されてい
る。電池内部の圧力が3〜7気圧に達したときに、安全弁
３０のアルミニウム箔が破裂し、電池内部に蓄積したガ
スが開放される。

【００９９】使用した電解液は、エチレンカーボネート
とジメチルカーボネートの等体積混合溶媒１リットル
に、１モル相当のホウフッ化リチウム(LiBF4)を含有す
る溶液である。

【０１００】電池の電気化学的エネルギーは、正極端子
８と負極端子９より外部へ取り出すことができ、また再
充電により蓄えることが可能になっている。この電池の
平均放電電圧は3。7 V、定格容量は27 Ah、100 Whであ
る。

【０１０１】図７、図８は、本発明の実施の形態例５に
係わる組電池の構成を示し、上述の円筒型リチウム二次
電池３１を、上下にそれぞれ４個、合計８個を配置させ
て組み立てた構成である。

【０１０２】ポリ４フッ化エチレン製固定部品３２を、
図７、図８のように配置させ、８個の円筒型リチウム二
次電池３１を固定した。円筒型リチウム二次電池３１の
正極端子８、負極端子９は、全電池が直列接続になるよ
うに電流ケーブル３３で接続され、組電池の正極端子３
４、負極端子３５へ取り出されている。

【０１０３】円筒型電池間の電流信号ケーブル３３の長
さをできるだけ短くし、ジュール発熱量を低減するため
に、図８に示したように、正極端子８と負極端子９の向
きが交互に位置するように、円筒型リチウム二次電池３
１を配置した。

【０１０４】このような配置により、本実施の形態例の
組電池の燃焼防止効果がさらに向上する。各円筒型リチ
ウム二次電池３１の正極端子８、負極端子９は、それぞ
れ電圧信号ケーブル３６を介して制御回路基板３７に接
続され、制御回路基板３７により組電池の充放電制御の
ために各電池の電圧を計測する。

【０１０５】また、上段の内側に配置された電池の側面
に、熱電対３９を取り付け、その温度信号を制御回路基
板３７へ取り込むようにした。制御回路基板３７は、マ
イコンを搭載しており、全電池の電圧と組電池の内部温
度が設定範囲からはずれた際に、組電池の充放電を停止
する機能をもっている。

【０１０６】本実施の形態例では、上段の列の電池上に
設置した固定部品３２に挟み込んで、制御回路基板３７
を固定した。

【０１０７】円筒型リチウム二次電池３１と制御回路基
板３７からなる組電池全体は、1〜20％のヘキサブロモ
ベンゼンを含有したポリカーボネート製の外装容器３８
に収納した。この材質は、難燃性かつ自己消火性の機能
を有する。

【０１０８】図９は、図７の組電池の外観斜視を示す。
外装容器３８の内部へ外気を流通させるために、容器３
８の上部と底面に通気孔４０を設け、電池から発生した
熱を除去させる。本実施の形態例の組電池の平均放電電
圧は、29。6 V、定格容量27Ah、800Whである。本実施の
形態例の組電池をＢ５と表記する。

【０１０９】（比較例２）実施の形態例５と同一仕様の
円筒型リチウム二次電池３１を作製し、実施の形態例５
の固定部品３２と外装容器３８の材質のみをアクリル樹
脂へ変更して、その他の仕様は図７〜図９と同一にし
て、８直列の組電池を作製した。本実施の形態例の組電
池をＢ'２と表わす。

【０１１０】（実施の形態例６）実施の形態例５と比較
例２の組電池Ｂ５、Ｂ'２について、放電中のリチウム
二次電池の表面温度を測定した。充電条件は、電流3。4
A、充電時間８時間、終止電圧4。2 Vとした。放電電流
は27、82、135 Aの３種類であり、電池電圧が3。0 Vに
到達するまで定電流で放電させた。試験環境温度は20〜
25℃であった。

【０１１１】比較例の組電池Ｂ'２の最高温度は、放電
電流の増加と共に増大し、200 A放電時では50℃に達し
た。実施の形態例５の組電池Ｂ５では、最高温度が30℃
未満となり、比較例の組電池Ｂ'２よりも20℃も低減す
ることが可能になった。

【０１１２】さらに、電流3。4 A、終止電圧4。2 V、８
時間の定電流充電と電流82 A、終止電圧3。0 Vの定電流
放電を50サイクル繰り返し、組電池の放電容量を測定し
た。これと同じ充放電条件で測定した１回目の放電容量
を基準として、50サイクル時点での容量低下率を求め
た。本実施の形態例の組電池Ｂ５では容量低下率が3％
未満となり、比較例の組電池Ｂ'２の容量低下率40％と
比べて、組電池Ｂ５のサイクル特性が大幅に向上した。

【０１１３】実施の形態例６において、正極活物質、負
極活物質、集電体、電解液、電池缶の材質、電極寸法な
どの電池仕様が実施の形態例５に限定されることなく、
他の組み合わせでも同様な効果が得られることは自明で
ある。

【０１１４】（実施の形態例７）実施の形態例５と同一
仕様で、８個の円筒型リチウム二次電池を作製した。つ
いで、全電池を電流3。4 A、充電時間８時間、終止電圧
は4。2 Vにて充電し、電流3。4 Aにて電池電圧が3。0 V
に到達するまで放電させた。この充放電試験を３サイク
ルおこなって、全電池の平均放電電圧が3。7 V、定格容
量が27 Ah、100 Whであることを確認した。

【０１１５】これらの電池の内、１個の電池について、
電流3。4 A、充電時間８時間、終止電圧4。2 Vとして充
電した。充電状態の電池をＣ４、放電状態にある残り７
個の電池をＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８
と表記する。これらの８個の電池を用いて、図７〜図９
に示した組電池を作製した。この組電池をＢ７と表記す
る。

【０１１６】電池Ｃ４は、図７の下段の右から２番目に
配置した。残りの電池Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ６、
Ｄ７、Ｄ８は同じ放電状態であるため、それらの配置に
無関係となるので、残りの位置に任意に設置し、直列接
続の組電池を組み立てた。

【０１１７】組電池Ｂ７を電流27 A、時間は３時間、終
止電圧は無設定として充電した。試験環境温度は20〜25
℃であった。１個の電池Ｃ４は充電状態であるため、徐
々にその電池電圧が充電終止電圧4。2 Vよりも高くな
り、電池Ｃ４が過充電状態となった。２時間後に電池Ｃ
４から発火が起こり、電池が燃焼した。

【０１１８】しかしながら、固定部品３２と外装容器３
８が難燃性かつ自己消火性であるため、電池Ｃ４が燃焼
したのみで、他の電池Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ６、
Ｄ７、Ｄ８までの延焼が起こらなかった。

【０１１９】（実施の形態例８）実施の形態例５と同一
仕様の組電池Ｂ５を１２セット製造し、これらの組電池
を直列接続した組電池モジュール４１を電気自動車４２
へ搭載した。図１０は、電気自動車の構成を示す。電気
自動車の車体底部に組電池モジュール４１を設置した。
運転者がハンドル付き制御装置４４を操作することによ
り、組電池モジュール４１からの出力を増減して、変換
機４５へ電力を伝達する。変換機４５から供給される電
力を利用して、モーター４６と車輪４７を駆動させて電
気自動車４２を走行させた。

【０１２０】本実施の形態例の組電池は放熱性に優れて
いるため、実施の形態例６、７と同様に、急加速時での
電池の容量低下が小さく、電池の発火、爆発の危険性も
低い。１充電で組電池Ｂ５の定格容量の80％まで電気自
動車を運転した場合、100回の運転後の組電池Ｂ５の容
量低下率は２〜４％であった。

【０１２１】また、エンジンと電池を併用したハイブリ
ッドタイプの電気自動車に関しても、本実施の形態例の
電池を用いると、同様な効果が得られた。

【０１２２】（実施の形態例９）図１１は、実施の形態
例５と同一仕様の４セットの組電池Ｂ５からなる電源４
８を搭載した医療介護用車椅子４９の一例を示す。

【０１２３】医療介護用車椅子４９には、使用者が乗車
した状態でコントローラー５０を操作して、背もたれシ
ート５１および足掛けシート５２に備えた駆動部を作動
させて、それぞれの角度を任意に調節できる。

【０１２４】この機能を利用して、使用者が乗り降りす
るときは足掛けシート５２を下へ倒しておき、使用者が
休む場合には背もたれシート５１および足掛けシート５
２を水平にする。また、医療介護用車椅子４９には移動
用の車輪５３があるので、コントローラー５０の操作に
よって、使用者が目的位置まで移動することも可能であ
る。

【０１２５】１充電で組電池Ｂ５の定格容量の80％まで
本実施の形態例の医療介護用車椅子４９を運転した場
合、実施の形態例８よりも組電池Ｂ５を低レートで放電
させたため、100回の運転後の組電池Ｂ５の容量低下率
は１〜２％でとなった。

【０１２６】本実施の形態例の医療介護用車椅子４９に
搭載された組電池には難燃性かつ自己消火性の部品が用
いられているため、放熱性と延焼抑制に優れており、従
って医療介護用車椅子４９は、安全性が保証された製品
である。

【０１２７】以上本発明の組電池は、実施の形態例８、
９の電気自動車、医療介護用車椅子のみでなく、複数の
リチウム二次電池を必要とする機器システム、たとえば
大型電子計算機、電動工具、掃除機、エアコン、バーチ
ャルリアリティの機能などを持ったゲーム機器、電動式
自転車、医療介護用歩行補助機、医療介護用移動式ベッ
ド、エスカレーター、エレベーター、フォークリフト、
ゴルフカート、非常用電源、ロードコンディショナー、
電力貯蔵システムなどの製品に搭載することが可能で、
前述した実施の形態例と同様な効果を得ることができ
る。

【０１２８】

【発明の効果】本発明によれば、非水電解質二次電池が
組込まれた組電池の重量エネルギー密度及び体積エネル
ギーを減少させることなく、コンパクト化が図れ、かつ
冷却効率、安全性の向上が図れるので、組電池の発火、
爆発、及び組電池内部での延焼を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態例１に係わる組電池の構成
図である。

【図２】図１の組電池に組み込まれる角型リチウム二次
電池の縦断面構造図である。

【図３】図２の角型リチウム二次電池の上面図である。

【図４】図２の角型リチウム二次電池の底面図である。

【図５】実施の形態例３で検討した組電池の放電電流と
電池表面温度の関係図である。

【図６】本発明の実施の形態例５に係わる組電池に組み
込まれる円筒型リチウム二次電池の縦断面構造図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態例５に係わる組電池の平面
構成図である。

【図８】本発明の実施の形態例５に係わる組電池の断面
構成図である。

【図９】図７の組電池の外観斜視図である。

【図１０】本発明の組電池を搭載した電気自動車の図で
ある。

【図１１】本発明の組電池を搭載した医療介護用車椅子
の図である。

【符号の説明】

１…正極、２…負極、３…セパレータ、４…池缶、５…
正極リード、７…負極リード、８…正極端子、９…負極
端子、１０…パッキン、１１…電池蓋、１２…ガス放出
口、１３…Ｏリング、１４…封止ボルト、１５…注入
口、１６…Ｏリング、１７…封止ボルト、１９…開裂
弁、２０…ナット、２１…角型リチウム二次電池、２２
…スペーサ、２３…金属板、２４…組電池の正極端子、
２５…組電池の負極端子、２６…制御回路基板、２７…
遮蔽板、２８…固定部品、２９…ボルト、３０…安全
弁、３１…円筒型リチウム二次電池、３２…固定部品、
３３…電流ケーブル、３４…組電池の正極端子、３５…
組電池の正極端子、３６…電圧信号ケーブル、３７…制
御回路基板、３８…外装容器、３９…熱電対、４０…通
気孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤寿茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者村中廉茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5H011 AA02 AA05 AA13 BB03 CC02 CC08 CC12 5H020 AA04 AS04 AS11 CC04 CC13 CC19 CC22 DD12 DD13 DD20 EE06 KK13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極と、負極と、電解質とからなる複数個
の非水電解質二次電池と、該各非水電解質二次電池を機
能させる複数の部品とを有する組電池において、前記複数の部品のうち、少なくとも１つの部品が、少な
くとも難燃性または自己消火性のいずれかの性質を有す
る物質を含む材料で形成されることを特徴とする組電
池。
【請求項２】正極と、負極と、電解質とからなる複数個
の非水電解質二次電池を、該各非水電解質二次電池の側
面が隣合うように並べて組み込んだ組電池において、少なくとも難燃性または自己消火性のいずれかの性質を
有する物質を含む材料で形成されたスペーサを、前記隣
合う各非水電解質二次電池の側面間に設けることを特徴
とする組電池。
【請求項３】請求項２において、前記各非水電解質二次
電池の側面間の前記スペーサが設けられてない前記スペ
ーサの厚さ分の空隙部に、外気の流通路を設けることを
特徴とする組電池。
【請求項４】正極、負極、電解質からなる複数個の非水
電解質二次電池と、前記各非水電解質二次電池の電圧と
電流を制御する制御回路基板とを有し、前記各非水電解
質二次電池が直列または並列で接続された組電池におい
て、前記各非水電解質二次電池または前記制御回路基板は、
少なくとも難燃性または自己消火性のいずれかの性質を
有する物質を含む材料で形成された固定部品で固定され
ることを特徴とする組電池。
【請求項５】正極、負極、電解質からなる複数個の非水
電解質二次電池と、前記各非水電解質二次電池の電圧と
電流を制御する制御回路基板とを有し、前記各非水電解
質二次電池が直列または並列で接続された組電池におい
て、前記制御回路基板は、プリント基板と、配線と、回路素
子とで構成され、前記プリント基板、配線、回路素子の
うち、少なくとも１つが難燃性または自己消火性のいず
れかの性質を有する物質を含む材料で形成されているこ
とを特徴とする組電池。
【請求項６】正極、負極、電解質からなる複数個の非水
電解質二次電池と、前記各非水電解質二次電池の電圧と
電流を制御する制御回路基板とを有し、前記各非水電解
質二次電池が直列または並列で接続された組電池におい
て、前記非水電解質二次電池と前記制御回路基板との間に、
少なくとも難燃性または自己消火性のいずれかの性質を
有する物質を含む材料で形成された遮蔽部品を設けるこ
とを特徴とする組電池。
【請求項７】請求項１または請求項２または請求項４な
いし請求項６のいずれか１項において、前記少なくとも
難燃性または自己消火性のいずれかの性質を有する物質
を含む材料は、樹脂、プラスチック、弾性物質のいずれ
か１つであることを特徴とする組電池。
【請求項８】請求項１または請求項２または請求項４な
いし請求項７のいずれか１項において、前記少なくとも
難燃性または自己消火性のいずれかの性質を有する物質
が、ヘキサブロモベンゼン、ポリテトラフルオロエチレ
ン、４フッ化エチレン−エチレン共重合体、４フッ化エ
チレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合
体、４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合体か
らなるハロゲン化有機物、ジメチルメチルホスホネー
ト、レゾルシルフェニルホスフェートからなるリン酸エ
ステルの一群から選択された物質であることを特徴とす
る組電池。