JP2006228610A

JP2006228610A - 二次電池パック

Info

Publication number: JP2006228610A
Application number: JP2005042116A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Nagasawa; 康夫長澤; Hiroyuki Yashiro; 博行矢代; Kazuhiko Nakane; 和彦中根; Hiroshi Nakazawa; 浩志中澤
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: JP4501157B2

Abstract

【課題】二次電池から内容物が噴出した場合でも、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池パックを提供する。
【解決手段】ケーシング20内に、充放電可能なリチウムセル１と、可燃性物質を吸着可能なフィルタ部25が収容される。充電器12から電池パック10へ過電圧が印加され、防爆弁27からリチウムセル１内の内部ガスが噴出すると、内部ガスに含有される可燃性物質がフィルタ部25に吸収され、不燃性ガスとなる。フィルタ部25を通過することにより浄化された内部ガスは、ガス抜き孔32からケーシング20外部へ排出される。ケーシング20内にフィルタ部25を設けることにより、リチウムセル１から噴出する可燃性物質がケーシング20外部へ漏れることを防止することができる。
【選択図】図３

Description

例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な電池体を備えた二次電池パックに関する。

従来から二次電池として鉛蓄電池が一般的に使用されているが、近年、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもち小型化が可能な、リチウムイオン電池が広く使用されてきている。図５にリチウムイオン電池の一形態であるラミネート型リチウムイオン電池の構造を示す。ラミネート型リチウムイオン電池としてのリチウムセル１は、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）などの正極材料２と例えばグラファイト（炭素）などの負極材料３との間に、絶縁のためセパレータ４を挿入し、これらを何層かに積層した積層構造体５とした後、この積層構造体５を電解液と共に上下からアルミラミネート６，６で封止した構造になっている。正極材料２及び負極材料３には、それぞれ正極電極２ａと負極電極３ａが形成されており、アルミラミネート６，６の貼り合わせ部分から外部へ突出している。なお、電極の取り出し方，形状，材質についてや、ラミネート電池全体の大きさなどは特に制限されず、種々のものがある。

このような構造を有するリチウムセル１は、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもつものの、過電圧に弱く、充電時などに過度の過電圧が加わることにより発煙，発火につながるリスクがある。

以下に、過充電を印加させた時のリチウムセル１の発煙，発火に至るメカニズムについて、リチウムセル１の温度に対する状態を示した図６を参照しながら説明する。

まず、過電圧が印加されると電池内部の電解液分解が加速され、熱が発生して電池の温度上昇が始まる。それと同時に、電池内部に電解液の蒸発ガス（ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート）が発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。この際、特許文献１に開示されるような、内部ガスの噴出方向を特定する噴出部としての防爆弁が設けられたものでは、電池内の圧力が所定値以上に上昇した場合に、この防爆弁から電池内のガスを電池外へ放出して、ガス抜きすることにより爆発を防いでいる。本電池のセパレータ４は２重構造になっており、材質はＰＥ（ポリエチレン）とＰＰ（ポリプロピレン）から形成されている。電池の内部温度が上昇し、約１２０℃に到達すると、内部のセパレータ４が収縮を開始する。さらに温度が上昇すると約１３５℃でセパレータ４を構成するＰＥセパレータが溶け出す。そして約１６５℃でもう一方のＰＰセパレータが溶け出す。ＰＰセパレータが溶け出したところで、リチウムセル１の内部絶縁破壊が進む。また、アルミラミネート６，６の封しが破れ、内部ガスが噴出を開始する。そこから急速に温度上昇が進み約２５０℃で電解液の熱分解が発生すると、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６などのガスが発生し、セパレータ４の絶縁性が崩壊する。やがて、内部ショートに至ることでスパーク現象が着火点となり、最終的には発火に至る。

このように、リチウムセル１は、リチウムイオンということで過電圧に弱く、過電圧を印加すると最悪ケースとして発煙、発火に至ることがわかっていた。しかし、印加される電圧，電流を含めたエネルギー量とラミネート型リチウムイオン電池が発煙，発火に至るまでの詳細な関係が解明されず、その根本対策ができない状況が続いていた。そこで、この安全上の問題を解決する暫定的な方策として、通常、電池の発煙，発火を防ぐための保護回路（例えば特許文献２）が、その充電器や電池パック内などに装置されている。特許文献１では、可燃性ガス等を検出した際に、二次電池への充電を禁止することにより、電池の発煙，発火を防いでいる。
特開平１１−２８３５９９号公報特開平８−２２２２７８号公報

しかし、何らかの原因で前記保護回路が動作しない場合には、発煙，発火のリスクが避けられないため、電源装置，無停電電源装置など高信頼を要求する分野への普及が立ち遅れてきた。

現状では、前述したような発煙，発火に至るメカニズムの中において、過電圧，過充電などの注入エネルギー（電圧・電流ストレス）に対して、どこまでそのプロセスが進行するかの解明がなされていない。従って、電池メーカも電池を使う装置メーカも発煙，発火に対して保護回路に頼らざるを得ない状況である。ところが電池を監視して制御をかける保護回路は、監視部（電圧モニター，電流モニター，温度モニター）が異常の場合、或いはその監視部から信号を受けて制御する制御部（回路部）が異常の場合、或いはその制御部の信号を受けて動作する保護素子（遮断スイッチ，ヒューズ，ＦＥＴ，トランジスタなどの半導体スイッチ）が動作しない場合には、保護回路としての役割を果たせなくなる。すなわち、最悪ケースの場合、発煙，発火という事態を引き起こす可能性がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、二次電池から内容物が噴出した場合でも、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池パックを提供することを目的とする。

本発明における請求項１の二次電池パックでは、充放電可能な電池体と、この電池体の外部にあって、前記電池体から噴出した内容物に含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部とを備えている。

このようにすると、保護回路の異常などにより電池体から内容物が噴出しても、当該内容物に含まれる可燃性物質がフィルタ部により吸着されるため、二次電池パック周囲への可燃性物質の流出を阻止し、発煙，発火を防止することができる。

本発明における請求項２の二次電池パックでは、充放電可能な電池体と、この電池体の外部にあって、前記電池体から噴出した内容物に含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部と、前記電池体及び前記フィルタ部を覆い、前記フィルタ部を通過することにより浄化された前記内容物を外部へ排出する排出孔が設けられた外郭部材とを備えている。

このようにすると、保護回路の異常などにより電池体のどの部分から内容物が噴出しても、まず電池体を覆う外郭部材により内容物が外郭部材内に留められ、二次電池パック外部へ漏れ出すことがない。そして、外郭部材内に留められた当該内容物に含まれる可燃性物質がフィルタ部により確実に吸着され、外郭部材に設けた排出孔から可燃性物質を含有しない内容物のみが外郭部材外部へ排出されるため、二次電池パック周囲への可燃性物質の流出を阻止し、発煙，発火を防止することができる。

本発明における請求項３の二次電池パックでは、前記フィルタ部が、前記電池体から噴出する前記内容物の噴出方向を特定する噴出部近傍に対向して設けられている。

このようにすると、内容物が噴出部から噴出する勢いを利用して、そのままフィルタ部に進入，通過させて、噴出直後の内容物を速やかに浄化し、不燃性のものとすることができる。

本発明の請求項１によると、電池体から内容物が噴出しても、簡単な構成で、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池パックを提供することができる。

本発明の請求項２によると、電池体のどの部分から内容物が噴出しても、外郭部材内において確実に当該内容物から可燃性物質を除去して外郭部材外部へ排出することができ、簡単な構成で、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池パックを提供することができる。

本発明の請求項３によると、噴出直後の内容物を速やかに浄化し、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池パックを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における二次電池パックの好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、充放電可能な電池体としてのリチウムセル１を電子機器などに装置する場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、二次電池パックとしての電池パック10には、リチウムセル１が保護回路11と共に組み込まれている。保護回路11は、例えば電流ヒューズや、温度ヒューズや、過電圧保護などを備えたものであり、過電流，過電圧，温度異常時にリチウムセル１へ供給される充電電力を遮断し保護する。電池パック10の前段には、リチウムセル１に充電電力を注入して充電する充電器12が接続されている。充電器12は、安定化した充電電力を生成する安定化電源13と、当該充電電力を用いてリチウムセル１を充電する充電回路14とから構成される。充電回路14は、充電電圧又は充電電流を一定にしてリチウムセル１をリニア充電する定電圧・定電流回路や、充電電流をパルス状に供給してリチウムセル１をパルス充電するパルス充電回路などからなり、これらは電池の性能や寿命などにより適宜決定される。

図２は電池パック10の内部構成を示す斜視図であり、図３，４は電池パック20の構成を示す縦・横各方向から見た要部断面図である。電池パック10は、主に、その外郭を形成する外郭部材としてのケーシング20内に、複数のリチウムセル１とが積層接続されてなる電池スタック26と、保護回路11の回路部品が実装されたプリント基板31とを収容して構成される。ケーシング20は、例えばアルミ材など放熱性に優れた部材を箱状に成形してなり、その内部空間は略中央に形成された仕切板21により電池室22と基板室23とに仕切られている。電池室22には電池スタック26が収容される一方、基板室23にはプリント基板31が別々に収容される。

電池スタック26は複数のリチウムセル１を上下に段積みした構成となっており、各リチウムセル１間にアルミ板等の放熱性に優れた層間部材28が挿入されている。電池スタック26は、その中心部に熱が篭り易く、その中心部に位置するリチウムセル１は他のものに比べ高温になりやすい。放熱性に優れた層間部材28を各リチウムセル１間に設けることにより各リチウムセル１の熱が速やかに放熱されるため、電池スタック26の中心部に熱が篭らず、リチウムセル１の温度上昇を抑制することができる。電池スタック26を構成するリチウムセル１は、その表面にある程度の圧力をかけた方が電極と電解液の接触が良好となり寿命が延びる傾向があるため、電池スタック26は、上下から放熱板30，30により挟み込まれ、放熱板30，30がケーシング20に圧接することにより、電池スタック26に適当な圧力がかけられた状態で固定され、電池室22内に収容されている。また、放熱板30，30は、充放電時に発生する電池スタック26の熱をケーシング20に伝達して放熱させ、各リチウムセル１の温度上昇を抑制する。なお、本実施例のリチウムセル１には、正極電極２ａ及び負極電極３ａが設けられた反対側の端部に防爆弁27が設けられている。リチウムセル１ひいては電池スタック26の正極電極２ａ及び負極電極３ａは、仕切板21を貫通する接続ケーブル33によりプリント基板31に実装された保護回路11と電気的に接続されている。

電池室22には、電池スタック26以外にも、リチウムセル１の防爆弁27に近接してフィルタ部25が収容されている。フィルタ部25は、例えば、活性炭及びそれに順ずる吸着部材や、揮発性有機溶媒を吸着できるナノファイバーフィルター繊維素材などからなり、リチウムセル１の過充電時などに防爆弁27から噴出した内容物としての内部ガス、すなわち発煙，発火に直結する電解液の蒸発ガス，揮発性有機ガスなどに含有される可燃性物質を吸収させるものである。このフィルタ部25と対向する電池室22の壁面には、排出孔としてのガス抜き孔32が開口形成されている。

基板室23内に収容されたプリント基板31は、例えばネジ螺着などによりケーシング20に固定されている。このプリント基板31には、保護回路11を構成する例えばＭＯＳＦＥＴなどの発熱部品35が実装されており、発熱部品35がケーシング20の長手方向となる基板室23の側壁を形成するヒートシンク36に熱的に接続されている。ヒートシンク36は、図中では厚みのある扁平板状部材で形成されているが、複数のフィンなどを並設して放熱能力を高めてもよい。電池スタック26の充放電時には、この発熱部品35が発熱するため、ヒートシンク36により当該熱を放熱するようにしている。ヒートシンク36と直行し、ケーシング20の短手方向となる基板室23の壁面には、メインコネクタ41と警報用コネクタ40を露出させるための開口部が形成されている。メインコネクタ41は、プリント基板31に例えば半田付けなどで実装されることにより保護回路11と電気的接続されており、メインコネクタ41に図示しない充電器12が接続されることにより、電池スタック26を充電するための充電電力を電池パック10へ供給可能となる。警報用コネクタ40は、例えば過電圧・過充電保護による充電電力遮断時などに出力される警報信号を、保護回路11から外部へ取り出すために設けられている。

次に、電池パック10の過電圧・過充電時における作用について説明する。

充電器12から電池パック10へ過電圧が印加されるとリチウムセル１内部の電解液分解が加速され、熱が発生してリチウムセル１の温度上昇が始まる。それと同時に、リチウムセル１内部に電解液の蒸発ガスが発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。さらに温度上昇が進み電解液の熱分解が発生すると、例えばＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６などの揮発性有機ガスが発生する。このとき、リチウムセル１内の圧力が所定値以上に上昇すると、防爆弁27からリチウムセル１内の前記電解液の蒸発ガスや揮発性有機ガスなどの内部ガスが噴出する。防爆弁27がないものや、防爆弁27が詰まっているなどの異常がある場合は、リチウムセル１のアルミラミネート６，６の封しが破れ、そこから内部ガスが噴出する。電池スタック26を覆うケーシング20の内部空間は、仕切板21により電池室22と基板室23とに仕切られ、両者が気密状態に隔離されているため、電池スタック26が収容された電池室22から基板室23へ内部ガスが流入することがなく、プリント基板31に実装された保護回路11からの着火や、プリント基板31に実装された部品への悪影響を防止することができる。このように、電池スタック26をケーシング20に形成された電池室22に収容することにより、保護回路11の異常などによりリチウムセル１のどの部分から内部ガスが噴出しても、まずリチウムセル１を覆うケーシング20により内部ガスが電池室22ひいてはケーシング20内に留められ、基板室23や電池パック10外部へ漏れ出すことがない。

リチウムセル１から噴出した内部ガスは、防爆弁27近傍に設けられたフィルタ部25に進入し、ここで当該内部ガスに含有される可燃性物質が吸着されることにより浄化され、可燃性ガス濃度が低下し、フィルタ部25を抜け出る頃には不燃性ガスとなる。本実施例では、フィルタ部25が、内部ガスの噴出方向に位置するように、防爆弁27に対向，近接して設けられている。そのため、内部ガスの防爆弁27から噴出する勢いを利用して、そのままフィルタ部25に進入，通過させて、噴出直後の内部ガスを速やかに浄化し、可燃性物質を含有しない不燃性ガスとすることができる。フィルタ部25を通過することにより浄化された内部ガスは、最終的にガス抜き孔32からケーシング20外部へ排出されるため、ケーシング20の内部圧力が異常上昇することはない。なお、フィルタ部25を通過した浄化物体が液体の場合は、ガス抜き孔32を下方若しくは底面に設けて、ガス抜き孔32から排液するようにしてもよい。このように、電池パック10にフィルタ部25を設けることにより、リチウムセル１から噴出する内部ガスに含有される可燃性物質が吸収されるため、当該可燃性物質がケーシング20外部へ漏れることを防止することができる。

以上のように本実施例の電池パック10では、充放電可能な電池体としてのリチウムセル１と、このリチウムセル１の外部にあって、リチウムセル１から噴出した内容物としての内部ガスに含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部25とを備えている。

このようにすると、保護回路11の異常などによりリチウムセル１から内部ガスが噴出しても、当該内部ガスに含有される可燃性物質がフィルタ部25により吸着されるため、電池パック10周囲への可燃性物質の流出を阻止し、発煙，発火を防止することができる。従って、リチウムセル１から内部ガスが噴出しても、簡単な構成で、リチウムセル１ひいては電池スタック26の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な電池パック10を提供することができる。

また本実施例の電池パック10では、充放電可能なリチウムセル１と、このリチウムセル１の外部にあって、リチウムセル１から噴出した内部ガスに含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部25と、リチウムセル１及びフィルタ部25を覆い、フィルタ部25を通過することにより浄化された内部ガスを外部へ排出する排出孔としてのガス抜き孔32が設けられた外郭部材としてのケーシング20とを備えている。

このようにすると、保護回路11の異常などによりリチウムセル１のどの部分から内部ガスが噴出しても、まずリチウムセル１を覆うケーシング20により内部ガスがケーシング20内に留められ、電池パック10外部へ漏れ出すことがない。そして、ケーシング20内に留められた当該内部ガスに含有される可燃性物質がフィルタ部25により確実に吸着され、ケーシング20に設けたガス抜き孔32から可燃性物質を含有しない内部ガスである不燃性ガスのみがケーシング20外部へ排出されるため、電池パック10周囲への可燃性物質の流出を阻止し、発煙，発火を防止することができる。以上により、リチウムセル１のどの部分から内部ガスが噴出しても、ケーシング20内において確実に当該内部ガスから可燃性物質を除去してケーシング20外部へ排出することができ、簡単な構成で、リチウムセル１ひいては電池スタック26の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な電池パック10を提供することができる。

さらに本実施例では、フィルタ部25が、リチウムセル１から噴出する内部ガスの噴出方向を特定する噴出部としての防爆弁27近傍に対向して設けられている。

このようにすると、内部ガスが防爆弁27から噴出する勢いを利用して、そのままフィルタ部25に進入，通過させて、噴出直後の内部ガスを速やかに浄化し、不燃性ガスとすることができる。従って、噴出直後の内部ガスを速やかに浄化し、リチウムセル１ひいては電池スタック26の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な電池パック10を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明が適用可能な二次電池は、リチウムイオン電池に限らず、過電圧・過充電時などに内部ガスなどの内容物を噴出するものであれば、どのようなものでもよい。二次電池の高温時に液状の内容物が噴出するものであれば、フィルタ部を例えばスポンジ状の吸液部材として、液状の内容物を吸い取って流出を防ぐように構成してもよい。また、フィルタ部25をリチウムセル１ひいては電池スタック26の周囲を取り囲むように配置したり、フィルタ部25をリチウムセル１に直接装着したりしてもよい。

本発明の第１実施例における二次電池パックの構成を示すブロック図である。同上、二次電池パックの構成を示す斜視図である。同上、二次電池パックの構成を示す要部横断面図である。同上、二次電池パックの構成を示す要部横縦面図である。ラミネート型リチウムイオン電池の内部構成を示す分解斜視図である。ラミネート型リチウムイオン電池の発煙，発火に至るメカニズムを示す説明図である。

符号の説明

１リチウムセル（電池体）
10 電池パック（二次電池パック）
20 ケーシング（外郭部材）
25 フィルタ部
27 防爆弁（噴出部）
32 ガス抜き孔（排出孔）

Claims

充放電可能な電池体と、この電池体の外部にあって、前記電池体から噴出した内容物に含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部とを備えたことを特徴とする二次電池パック。
充放電可能な電池体と、この電池体の外部にあって、前記電池体から噴出した内容物に含まれる可燃性物質を吸着するフィルタ部と、前記電池体及び前記フィルタ部を覆い、前記フィルタ部を通過することにより浄化された前記内容物を外部へ排出する排出孔が設けられた外郭部材とを備えたことを特徴とする二次電池パック。
前記フィルタ部が、前記内容物の噴出方向を特定する噴出部近傍に対向して設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の二次電池パック。