JP2003123736A

JP2003123736A - 電池

Info

Publication number: JP2003123736A
Application number: JP2001311314A
Authority: JP
Inventors: Jo Sasaki; 丈佐々木
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】電池異常時に、電池容器１ａ内から非水電解
液２を引き抜くことにより、確実に非水電解質二次電池
１の安全性を確保することができる電池を提供する。【解決手段】電池容器１ａ内に非水電解液２を充填し
た非水電解質二次電池１において、電池異常時に、こ
の電池容器１ａ内の非水電解液２を引抜バルブ７を介し
て吸引ポンプ８により廃液タンク９に引き抜く構成とす
る。また、この後に電池が正常に戻った場合には、供給
バルブ１０を介して電池容器１ａ内に電解液タンク１１
の非水電解液２を供給し、電池が正常に戻らなかった場
合には、注入バルブ１２を介して電池容器１ａ内に消火
剤タンク１３の消火剤６を注入する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば大型の非水
電解質二次電池等のように特に安全性の強化が要請され
る電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】非水電解質二次電池は、過充電が行われ
ると、ジュール熱により負極が非水電解液と反応を始め
るので、これにより電池温度がさらに上昇することによ
って正極が熱分解を開始して大きなエネルギーを放出し
熱逸走を起こすおそれがある。また、このような発熱が
起こると、非水電解液が熱分解してガスが発生し、電池
容器内が高圧となり、非水電解液を漏液するおそれもあ
る。このため、非水電解質二次電池の充電装置は、充電
時に電池の電圧や温度、充電電気量等を検出して、この
ような過充電が生じないようにしていた。

【０００３】しかしながら、この充電装置に故障や誤動
作が発生したような場合には、非水電解質二次電池が過
充電されるのを避けることはできない。このため、従来
は、非水電解質二次電池自身にも、電池容器内の温度や
圧力の異常な上昇を防ぐための安全装置を設けて、この
電池の安全性を確保するようにしていた。例えば、温度
に対しては、異常な高温になるとイオン透過性を喪失す
るポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを発電要素
に用いたり、この異常な高温により高抵抗となる大きな
正温度特性を持ったポリスイッチを内部回路に挿入した
りしていた。また、圧力に対しては、異常な高圧になる
と、電池容器内を外部に開放してガス抜きを行う安全弁
を設けていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記安全弁
は、電池容器の内部を減圧して容器破壊や不用意な漏液
を避けることはできるが、非水電解液の熱分解によるガ
スの発生自体を止めることはできない。また、ポリエチ
レン微多孔膜やポリスイッチも、高温時に電池内部の充
電電流を制限してジュール熱の発生を抑制することはで
きるが、熱逸走が起きてしまえば、正極の発熱反応自体
を制限することはできず、この発熱に基づく非水電解液
の熱分解によるガスの発生も止めることができない。

【０００５】このため、従来は、特に大型の非水電解質
二次電池のように蓄積するエネルギーが大きい電池の場
合に、この電池の安全性を十分に確保することができな
いという問題が生じていた。また、安全弁として用いた
破裂弁が開口した場合や、ポリエチレン微多孔膜のセパ
レータが多孔性を失ったような場合には、電池異常が解
消しても、電池機能を回復することができず、この電池
の再利用が不可能になるという問題もあった。

【０００６】本発明は、かかる事情に対処するためにな
されたものであり、電池異常時に電解液を引き抜くこと
により、確実に安全性を確保することができる電池を提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電池
容器内に電解液を充填した電池において、電池異常と判
断された場合に、電池容器内の電解液を外部に引き抜く
電解液引抜手段が設けられたことを特徴とする。

【０００８】請求項１の発明によれば、電池異常時に電
解液が外部に引き抜かれて電池容器内に存在しなくなる
ので、この電解液が電池容器内で熱分解してガスが発生
するのを防止することができる。また、正負極間の電解
液が引き抜かれることにより、この電解液を媒介した化
学反応が抑制されるので、発熱反応のほとんどを停止さ
せることができる。このため、電池の発熱やガスの発生
をその原因から除去することにより、電池の熱逸走や漏
液を確実に防止することができるようになる。しかも、
大きな熱量を持った電解液が電池容器の外部に強制的に
引き抜かれるので、この電池容器内の温度を迅速に低下
させることもできる。

【０００９】なお、電池異常とは、電池温度が異常に高
温であるか、電池容器の内圧が異常に高圧である場合を
いい、単に温度や圧力が所定値を超えた場合だけでな
く、その温度や圧力の上昇速度や持続時間、又は、所定
時間内の発生熱量が所定値を超える等というような時間
要素をも考慮して異常かどうかの判定を行うことができ
る。また、電解液引抜手段とは、電池容器内に開口し、
この電池容器内よりも減圧することにより電解液を外部
に引き抜くようにした構成であり、電池容器に接続した
吸引ポンプや、減圧した密閉容器と電池容器との間を弁
によって開閉する機構等によって構成することができ
る。

【００１０】請求項２の発明は、前記電解液引抜手段が
電解液の引き抜きを開始した後に、電池が正常に戻った
と判断された場合に、外部から電池容器内に電解液を供
給する電解液供給手段が設けられたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明によれば、電池異常時に一
旦電解液が外部に引き抜かれて電池として使用できない
状態になっても、その後電池が正常に戻った場合に、電
池容器内に電解液が供給されるので、この電池を再度利
用可能にすることができるようになる。

【００１２】なお、電解液供給手段は、別に用意された
新規の電解液を供給することができるが、電解液引抜手
段が引き抜いた既使用の電解液を再利用することも可能
である。また、この電解液供給手段は、電解液引抜手段
が電解液を完全に引き抜き終えた後に限らず、引き抜き
を開始して少しでも電解液を抜き抜いた後であれば、電
池が正常に戻ったと判断されることを条件に、電解液を
供給することができる。電池が正常に戻った場合とは、
電池の温度や圧力が一定値よりも低くなった場合に限ら
ず、その降下速度や低い温度又は圧力の持続時間等の時
間要素をも考慮して判定を行うことができる。また、こ
の電池が正常に戻ったと判断される場合には、故障修理
の完了等の外的な要因を加えることもできる。

【００１３】請求項３の発明は、前記電解液引抜手段が
電解液の引き抜きを開始した後に、電池が正常に戻らな
いと判断された場合に、外部から電池容器内に消火剤を
注入する消火剤注入手段が設けられたことを特徴とす
る。

【００１４】請求項３の発明によれば、電池異常時に電
解液が外部に引き抜かれても電池が正常に戻らない場合
に、電池容器内に消火剤が注入されるので、強制的に化
学反応を抑制することにより、この電池の熱逸走や漏液
をさらに確実に防止することができるようになる。

【００１５】なお、消火剤注入手段は、電解液引抜手段
が電解液を完全に引き抜き終えた後に限らず、引き抜き
を開始して少しでも電解液を抜き抜けば、電池が正常に
戻らないと判断されることを条件に、消火剤を注入する
ことができる。電池が正常に戻らない場合とは、電池温
度が正常な温度まで降下しないか、電池容器の内圧が正
常な圧力まで降下しない場合をいい、温度や圧力が一定
値以上である場合だけでなく、その降下速度や温度又は
圧力の持続時間等の時間要素をも考慮して判定を行うこ
とができる。ただし、この電池が正常に戻らないこと
は、電解液引抜手段が電解液を引き抜いた効果が十分に
表れてから判断すべきであるため、この電解液の引き抜
き開始からの経過時間や引き抜き量に応じて判断基準を
推移させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１７】図１は本発明の一実施形態を示すものであ
って、非水電解質二次電池の構成を示す電池容器内部の
縦断面図とブロック図である。

【００１８】本実施形態の電池は、電力貯蔵や非常用電
源として用いられる大型の非水電解質二次電池１につい
て説明する。この非水電解質二次電池１は、電池容器１
ａの内部に発電要素１ｂを収納すると共に非水電解液２
を充填して密閉したものである。発電要素１ｂは、正極
板と負極板をセパレータを介して積層又は巻回したもの
であり、非水電解液２は、リチウム塩等を有機溶媒で溶
解した電解液である。

【００１９】上記非水電解質二次電池１には、電池容器
１ａの内部の温度を検出する温度センサ３と、この電池
容器１ａの内部の圧力を検出する圧力センサ４とが取り
付けられている。そして、これらの温度センサ３と圧力
センサ４が検出した温度と圧力の情報は、制御装置５に
送られるようになっている。

【００２０】また、上記非水電解質二次電池１の電池容
器１ａには、下端部に非水電解液２の排出口１ｃが開口
すると共に、上端部に非水電解液２の供給口１ｄと消火
剤６の注入口１ｅとが開口している。なお、上端部の供
給口１ｄと注入口１ｅは、開口部を共用することができ
る。しかも、これらの供給口１ｄと注入口１ｅは、必ず
しも電池容器１ａの上端部に設ける必要はないので、排
出口１ｃと開口部を共用することも可能である。

【００２１】上記非水電解液２の排出口１ｃは、引抜バ
ルブ７と吸引ポンプ８を介して廃液タンク９に接続され
ている。引抜バルブ７の開閉動作と吸引ポンプ８の吸引
動作は、制御装置５によって制御されるようになってい
て、引抜バルブ７が開いて吸引ポンプ８が吸引動作を開
始すると、非水電解質二次電池１の電池容器１ａの内部
から排出口１ｃを通して非水電解液２が引き抜かれ、廃
液タンク９に排出されるようになっている。

【００２２】上記非水電解液２の供給口１ｄには、供給
バルブ１０を介して電解液タンク１１が接続されてい
る。供給バルブ１０の開閉動作は、制御装置５によって
制御されるようになっていて、この供給バルブ１０が開
くと、高い位置にある電解液タンク１１内の非水電解液
２が落差によって供給口１ｄを通り非水電解質二次電池
１の電池容器１ａの内部に供給されるようになってい
る。電解液タンク１１は、未使用の非水電解液２を貯蔵
してあるタンクであり、既使用の非水電解液２を引き抜
いた後の電池容器１ａの内部に流れ込むようになってい
る。ただし、電池容器１ａの内部の圧力が高い等の理由
により、そのままでは非水電解液２が流れ込まないよう
な場合には、電解液タンク１１内を予め高圧にしておい
たり、この電解液タンク１１の非水電解液２を強制的に
電池容器１ａの内部に送り込むポンプを設けるようにす
ればよい。

【００２３】上記消火剤６の注入口１ｅには、注入バル
ブ１２を介して消火剤タンク１３が接続されている。注
入バルブ１２の開閉動作は、制御装置５によって制御さ
れるようになっていて、この注入バルブ１２が開くと、
消火剤タンク１３内の消火剤６が注入口１ｅを通って非
水電解質二次電池１の電池容器１ａの内部に注入される
ようになっている。消火剤タンク１３は、消火剤６を高
圧にして貯蔵してあるタンクであり、これによってこの
消火剤６を強制的に電池容器１ａの内部に注入すること
ができる。消火剤６は、非水電解質二次電池１の内部の
化学反応を抑制するための絶縁剤又は不活性剤であり、
絶縁剤としては、流動パラフィン等を用いることがで
き、不活性剤としては、二酸化炭素、窒素、アルゴン、
四塩化炭素、ハロゲン化炭化水素、燐酸エステル等を用
いることができる。

【００２４】上記制御装置５は、温度センサ３や圧力セ
ンサ４から送られて来る電池容器１ａの内部の温度や圧
力の情報に基づいて、引抜バルブ７と供給バルブ１０と
注入バルブ１２の開閉動作を制御する装置であり、引抜
バルブ７を開く場合には、同時に吸引ポンプ８も作動さ
せるようになっている。即ち、例えば電池容器１ａの内
部の温度や圧力が異常に上昇して電池異常になると、引
抜バルブ７を開いて吸引ポンプ８に吸引動作を行わせる
ことにより、この電池容器１ａの内部の非水電解液２を
引き抜いて廃液タンク９に排出する。電池容器１ａの内
部から非水電解液２が引き抜かれると、熱分解によるガ
ス発生の原因となるこの非水電解液２自体が存在しなく
なるので、電池容器１ａの内部の圧力の上昇を止めると
共に、引き抜いた非水電解液２の容積分だけ圧力を低下
させることができる。また、発電要素１ｂの正極板と負
極板の間の非水電解液２が存在しなくなるので、この非
水電解液２を媒介した化学反応を抑制することもでき、
発熱反応のほとんどを停止させることができるようにな
る。さらに、高温となった非水電解液２を外部に放出す
ることにより、大量の熱量を奪うことができるので、電
池容器１ａの内部の温度を迅速に低下させることができ
る。

【００２５】従って、本実施形態の非水電解質二次電池
１は、装置故障等によって過充電等が発生し電池容器１
ａの内部の温度や圧力が異常に上昇することにより電池
異常時になると、非水電解液２を引き抜くことにより、
この電池容器１ａの内部の温度や圧力を確実に低下させ
ることができる。

【００２６】なお、制御装置５は、温度センサ３や圧力
センサ４によって検出された電池容器１ａの内部温度や
内部圧力が異常に上昇し、いずれか一方又は双方が所定
値を超えた場合に電池異常であると判断して、引抜バル
ブ７を開き吸引ポンプ８を作動させることができる。し
かし、温度や圧力が所定値を超えたかどうかだけで判断
したのでは、これら温度や圧力の上昇速度が急激な場合
や、それほど高くはない温度や圧力が長時間持続したよ
うな場合に、必ずしも適切な判断を行えるとは限らな
い。つまり、例えば温度上昇が急激な場合には、異常な
高温である所定温度を超えるまで待っていたのでは熱逸
走が始まってしまい、この熱反応を抑制することが困難
になる。また、特に異常というほどではない高温の状態
が長時間持続すると、極板自体の劣化が進み、電池とし
ての再利用が困難になる場合がある。従って、電池異常
時であるかどうかは、温度や圧力の上昇速度や持続時
間、又は、所定時間内の発生熱量が所定値を超える等と
いうような時間要素をも考慮して判定を行うことができ
る。

【００２７】また、本実施形態では、引抜バルブ７と吸
引ポンプ８を用いて非水電解液２を引き抜く場合につい
て説明したが、引抜バルブ７を開くだけで非水電解液２
を電池容器１ａから速やかに排出できるのであれば、必
ずしも吸引ポンプ８を用いる必要はない。例えば電池容
器１ａの内部が必ず高圧になるのであれば、廃液タンク
９内が大気圧であっても、引抜バルブ７を開くだけで非
水電解液２を引き抜くことができる。さらに、廃液タン
ク９が十分に大きな減圧された密閉タンクであれば、電
池容器１ａの内部が常圧であっても、同様に非水電解液
２を引き抜くことができる。これに対して、吸引ポンプ
８の停止時に電池容器１ａの内部が密閉される場合に
は、逆に引抜バルブ７を用いる必要がなくなる。

【００２８】また、電池容器１ａから引き抜いた非水電
解液２は、可燃性の液体であるため、本実施形態のよう
に廃液タンク９に収納しておくのが好ましい。しかし、
設置場所の周囲の事情が許すのであれば、非水電解液２
をそのまま非水電解質二次電池１の外部に放出すること
もできる。

【００２９】上記制御装置５は、引抜バルブ７と吸引ポ
ンプ８を制御して非水電解液２を引き抜いた場合に、電
池容器１ａの内部の温度や圧力が低下して非水電解質二
次電池１が正常に戻ると、供給バルブ１０を開いて電解
液タンク１１の非水電解液２をこの電池容器１ａの内部
に供給する。すると、発電要素１ｂの正負の極板間に新
たな非水電解液２が充填されるので、再び電池機能が回
復して、非水電解質二次電池１としての再利用が可能に
なる。

【００３０】従って、本実施形態の非水電解質二次電池
１は、一旦電池異常となって非水電解液２が引き抜かれ
た後であっても、再利用が可能となるので、直ちに電池
交換を行う必要に迫られるのを防止できるだけでなく、
本来の電池寿命まで利用を続けることにより経済的な無
駄をなくすこともできるようになる。

【００３１】なお、本実施形態では、電解液タンク１１
に貯蔵した未使用の非水電解液２を供給する場合につい
て説明したが、廃液タンク９に引き抜いた既使用の非水
電解液２を再度電池容器１ａに戻すようにすることも可
能である。また、電池が正常に戻ったと判断されれば、
非水電解液２が完全に引き抜かれた後でなくても、この
引き抜きを途中で停止させてから非水電解液２の供給を
行うこともできる。

【００３２】ここで、電池が正常に戻った場合とは、電
池容器１ａの内部温度が正常な温度まで降下したり、内
部圧力が正常な圧力まで降下することにより、これらの
温度や圧力が一定値よりも低くなった場合に限らず、そ
の降下速度や低い温度又は圧力の持続時間等の時間要素
をも考慮して判定を行うことができる。また、一旦電池
異常時となった電池が電池異常時ではなくなったとして
も、常に電池が正常に戻ったと判断されるとは限らな
い。しかも、例えば充電装置の誤動作が正常に戻った
り、故障が修理によって直ることにより外的な要因が解
消されなければ、電池が正常に戻ったとは判断しないよ
うにすることもできる。このときの外的な要因が解消さ
れたかどうかの判断は、その場にいる作業者が行うよう
にして、この判断に基づく操作によって制御装置５が供
給バルブ１０を制御するようにしてもよい。

【００３３】上記制御装置５は、引抜バルブ７と吸引ポ
ンプ８を制御して非水電解液２を引き抜いた場合にも、
電池容器１ａの内部の温度や圧力が低下せず、非水電解
質二次電池１が正常に戻らない場合には、注入バルブ１
２を開いて消火剤タンク１３の消火剤６を電池容器１ａ
の内部に注入する。すると、非水電解液２を引き抜いた
後にも熱分解を続けていた極板等が低温の絶縁剤や不活
性剤に覆われることにより化学反応を確実に停止するよ
うになる。

【００３４】従って、本実施形態の非水電解質二次電池
１は、非水電解液２を引き抜いても電池が正常に戻らな
い場合に、消火剤６を注入することにより、この非水電
解質二次電池１の熱逸走や漏液をさらに確実に防止する
ことができるようになる。

【００３５】なお、電池が正常に戻らないと判断されれ
ば、非水電解液２が完全に引き抜かれた後でなくても、
この引き抜きを停止させ、又は、引き抜きを続行しなが
ら、消火剤６の注入を行うことができる。電池が正常に
戻らない場合とは、電池容器１ａの内部温度が正常な温
度まで降下しなかったり、内部圧力が正常な圧力まで降
下しないことにより、これらの温度や圧力が一定値より
も高い状態が維持されている場合に限らず、その変化の
速度や高い温度又は圧力の持続時間等の時間要素をも考
慮して判定を行うことができる。

【００３６】一旦電池容器１ａの内部に消火剤６が注入
されると、非水電解質二次電池１の再利用が不可能とな
るので、非水電解液２の引き抜きによる効果がなく、非
水電解液２の供給による再利用の余地がないことを十分
に確認してから消火剤６の注入を行うべきである。この
ため、非水電解液２の引き抜きを開始してからの経過時
間や引き抜き量が所定値を超えてから判断する他、これ
らの経過時間や引き抜き量に応じて判断基準を推移させ
ることもできる。例えば非水電解液２の引き抜き開始の
直後であれば、温度や圧力がさらに異常に上昇し続けて
るような場合を除けば、この温度や圧力が直ぐに低下し
なくても、電池が正常に戻らないと判断することは適切
ではない。また、この電池が正常に戻らない場合は、上
記電池が正常に戻った場合と相補な関係である必要はな
いので、電池が正常に戻ったとは判断できないからとい
って、常に電池が正常に戻らないと判断する必要はな
い。ただし、電池が正常に戻ったと判断されると、非水
電解液２の供給が行われるので、これと同時に電池が正
常に戻らないと判断し消火剤６を注入するように制御す
ることは好ましくない。

【００３７】上記実施形態で説明した非水電解質二次電
池１の中でも正極活物質にニッケル系のリチウム含有複
合酸化物を用いるリチウムイオン二次電池の場合には、
この正極の発熱開始温度が低くなるために、特に熱逸走
を起こし易いという問題が従来からあった。しかし、本
実施形態によれば、このような熱逸走の発生を未然に防
止すると共に、万が一熱逸走が発生したとしても確実に
消火することができるので、ニッケル系のリチウム含有
複合酸化物を用いた容量密度の高いリチウムイオン二次
電池を実用化することが容易になる。もっとも、安全性
の向上が要請される電池であれば、このような非水電解
質二次電池１に限らず、他の任意の種類の電池につい
て、本発明を同様に実施することが可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の電池によれば、電池異常時に電解液が外部に引き抜か
れるので、電池の発熱やガスの発生を原因から除去する
ことにより、この電池の熱逸走や漏液を確実に防止する
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、非水
電解質二次電池の構成を示す電池容器内部の縦断面図と
ブロック図である。

【符号の説明】

１非水電解質二次電池１ａ電池容器１ｃ排出口１ｄ供給口１ｅ注入口２非水電解液３温度センサ４圧力センサ５制御装置６消火剤７引抜バルブ８吸引ポンプ９廃液タンク１０供給バルブ１１電解液タンク１２注入バルブ１３消火剤タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2E189 BA03 BB06 BC07 BD06 5H023 AA00 AS09 BB05 CC22 CC23 CC24 CC25 DD08 DD10 5H029 AJ12 AK03 AL00 AM01 BJ27 CJ12 CJ13 DJ02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池容器内に電解液を充填した電池にお
いて、電池異常と判断された場合に、電池容器内の電解液を外
部に引き抜く電解液引抜手段が設けられたことを特徴と
する電池。
【請求項２】前記電解液引抜手段が電解液の引き抜き
を開始した後に、電池が正常に戻ったと判断された場合
に、外部から電池容器内に電解液を供給する電解液供給
手段が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電
池。
【請求項３】前記電解液引抜手段が電解液の引き抜き
を開始した後に、電池が正常に戻らないと判断された場
合に、外部から電池容器内に消火剤を注入する消火剤注
入手段が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に
記載の電池。