JP2009259454A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の表面全体を均一に冷却でき，温度不均一を起こさせないようにした冷却構造を持つ電池を提供すること。
【解決手段】扁平巻きの電極捲回体に電解液を含浸させた発電要素を有する電極体と，発電要素体の表面の外形形状のうち平坦部分と曲面部分とを含む範囲に沿った凹面形状の内面を有するヒートポンプとを有し，電極体の表面とヒートポンプの内面とが隙間なく密着するようにした。これにより，電極体の表面の平坦部分と曲面部分との双方がヒートポンプにより冷却されるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は，電池に関する。さらに詳細には，発電要素で発生する熱を外部へ伝達することにより発電要素を冷却する構造を備えた電池に関するものである。

従来から，電極シートを捲回した捲回体に電解液を含浸させた発電要素を有する電池が用いられている。一般的にこの種の電池では，必要な電力を得るために複数の電池を結束して使用される。このような電池が，例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の技術では，扁平巻きの電池間に板状のヒートシンクを配置している。電池は発電により発熱するから，冷却する必要があるためである。
特開２００５−１１６４３７号公報

しかしながら前記した従来の技術には，電池内に温度不均一が生じるという問題があった。板状のヒートシンクが，扁平巻きの発電要素の平坦部分にのみ接触し，曲面部分には接触しないためである。このため，曲面部分があまり冷却されないので，平坦部分より高温になってしまうのである。この温度不均一のために，電池の性能や寿命が十分に発揮されない場合があった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電池の表面全体を均一に冷却でき，温度不均一を起こさせないようにした冷却構造を持つ電池を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の電池は，扁平巻きの電極捲回体に電解液を含浸させた発電要素を有する発電要素体と，その表面の外形形状のうち平坦部分と曲面部分とに対応する部位に配置され，発電要素体の熱を他の箇所へ伝達する冷却部材とを有するものである。

本発明の電池では，扁平巻きの電極捲回体を発電要素体に用いているので，その表面の外形には，平坦部分と曲面部分とがある。一方，冷却部材は，その平坦部分と曲面部分との両方に対応して配置されている。このため，発電要素体の表面のうち，平坦部分ばかりでなく曲面部分に対しても，冷却部材が配置されている。このため，発電要素体の熱は，平坦部分からも曲面部分からも同様に，冷却部材に伝搬する。そして他の箇所へ伝達される。これにより発電要素体には，部分的に冷却性の悪い箇所が存在しない。したがって本発明の電池では，発電要素体の全体が均等に冷却される。

ここで本発明における，発電要素体に対する冷却部材の配置とは，発電要素体と冷却部材とが直接にまたは間接的に接触していることをいう。つまり，発電要素体と冷却部材とが直接に接触している場合の他に，それらの間に柔軟シートが挟み込まれている場合をも含むものとする。すなわち，発電要素体と柔軟シートとが接触しており，かつ，柔軟シートと冷却部材とが接触しているものであっても，その冷却部材は，発電要素体の当該部位に配置されているものとする。

本発明の電池においては，冷却部材が，発電要素体の表面の平坦部分と曲面部分とを含む範囲に沿った凹面形状の内面を有し，凹面形状の内面が，発電要素体の表面の平坦部分と曲面部分とを含む範囲に対応して配置されていることが望ましい。すなわち，一の冷却部材が，平坦部分と曲面部分との両方にわたって配置されているのである。このため，平坦部分と曲面部分との冷却ムラが，さらに確実に防止されている。

本発明の電池においては，発電要素体と冷却部材とが隙間なく接触していることが望ましい。例えば冷却部材が櫛歯状であると，冷却部材の隙間の箇所では発電要素体と冷却部材とが接触していないことになる。このため発電要素体には，冷却部材に接触している箇所としていない箇所とで圧力差があることになる。この圧力差による電解反応の不均一を排除するためには，発電要素体と冷却部材とが隙間なく接触していることが望ましいのである。このことは，本発明をリチウムイオン二次電池に適用した場合に特に意義がある。圧力差の排除により，金属リチウムの析出が防止されるからである。

また，発電要素体と冷却部材とが直に接触していることが好ましい。すなわち，ケースレス構造であることが望ましい。本発明における「発電要素体」には，発電要素そのものである場合と，発電要素をハードケースに収納したものである場合との２通りがある。前者の方がよいのである。ケースレス構造であれば，ハードケースの熱伝導抵抗がない分，発電要素から伝熱部材への熱伝達効率がよく，冷却効率がよいからである。むろん，部品点数が少ないということもいえる。この場合でも，発電要素と伝熱部材との間に柔軟シートがあっても，ケースレス構造であることを妨げない。

本発明の電池における冷却部材は，ヒートパイプにより構成されていることが望ましい。これにより，ヒートシンクのように単に熱を吸収するだけの部材を用いている場合よりも冷却効率が高い。本発明は単独の発電要素を有する単電池に限らず，複数の発電要素と複数の伝熱部材とが交互に配置されてなる組電池についても適用することができる。

本発明によれば，電池の表面全体を均一に冷却でき，温度不均一を起こさせないようにした冷却構造を持つ電池が提供されている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，リチウムイオン二次電池に本発明を適用したものである。本形態に係る電池の構造を，図１〜図５に示す。図１は本形態の電池の正面断面図を，図２は側面断面図を，図３は平面図を，図４は平面断面図を，それぞれ示している。図１は，図２〜図４中のＸ−Ｘ位置の断面図である。図２は，図１，図３および図４中のＹ−Ｙ位置の断面図である。図４は，図１および図２中のＺ−Ｚ位置の断面図である。図５は，図４中の各要素を分解して示す図である。

本形態の電池は，電極体１を２つのヒートポンプ２，３で挟み込んだ構造のものである。本形態の電池にはさらに，上面に電極端子４，５が，下面にフィン６が，それぞれ設けられている。本形態における電極体１は，扁平巻きの電極捲回体に電解液が注入された発電要素である。扁平巻きであるため，図５に見るようにその外形形状には，平坦部分１１と曲面部分１２とがある。

本形態の電池におけるヒートポンプ２，３は，表面がアルミ等の金属，またはカーボン複合樹脂など，熱伝導率の高い材質のもので構成されるとともに，内部に揮発性の液体を循環可能に封入したものである。これにより，高温箇所から低温箇所へ熱が効率よく伝達され，高温箇所が冷却されるようにしたものである。例えば，ヒートパイプとして一般に提供されているものを隙間なく並べて一体化することにより，本形態のヒートポンプ２，３とすることができる。この点で，単なる金属の塊であるヒートシンクとは異なる。なお，ヒートパイプとしては，角形断面のものを用いるとよりよい。

本形態のヒートポンプ２，３は，全体としてほぼ四角形の板状であり，図５に見るようにその一方の面に，電極体１を収納する凹部２０，３０が形成されている。凹部２０，３０には，電極体１の平坦部分１１および曲面部分１２に対応して配置されるため，平坦部分２１，３１と曲面部分２２，３２とが形成されている。すなわち，凹部２０，３０の形状は，電極体１の外形形状のうち平坦部分１１と曲面部分１２とを含む範囲に沿った形状である。

本形態の電池では，ヒートポンプ２，３が，その凹部２０，３０の面同士が向き合うように重ね合わせられ，それらの間に電極体１が挟み込まれている。むろん電極体１は，ヒートポンプ２，３の凹部２０，３０に収納される。このため本形態の電池では，図４に示したように，電極体１の外面とヒートポンプ２，３の内面とが，全体にわたり隙間なく密着している。すなわち，電極体１の平坦部分１１とヒートポンプ２，３の平坦部分２１，３１とが密着しており，電極体１の曲面部分１２とヒートポンプ２，３の曲面部分２２，３２とが密着している。

なお，電極体１とヒートポンプ２，３との間にシリコンゴムシートのような柔軟なシートを介在させてもよい。その場合のシートの材質としては，熱伝導性のよいものを使用するとよい。

本形態の電池は，電極体１から電極端子４，５，を通して外部へ電流を供給する。このとき電極体１が発熱し，温度が上昇する。しかし，電極体１の熱は，ヒートポンプ２，３によりフィン６へ伝搬され，フィン６から空気中へ放散される。こうして，電極体１の温度上昇が一定範囲内に抑えられる。

上記の構成の本形態の電池は，次のような利点を有している。まず，電極体１の冷却性に優れている。その理由は次の２つである。

第１に，電極体１の表面とヒートポンプ２，３の内面とが，全体にわたり隙間なく密着していることである。すなわち，平坦部分のみならず曲面部分においても，電極体１とヒートポンプ２，３とが密着しているのである。このため電極体１は，平坦部分１１のみならず曲面部分１２においても，ヒートポンプ２，３により奪熱されることになる。したがって電極体１においては，全体が均等に冷却され，温度差が生じない。このため，温度不均一のために電池の性能や寿命が不十分となることがない。なお，電極体１とヒートポンプ２，３との間にシリコンゴムシート等の柔軟なシートを介在させると，シートの柔軟性により，より高い密着性が得られる。

冷却性の良さの第２の理由は，伝熱部材としてヒートシンクでなくヒートポンプ２，３を用いていることである。ヒートポンプ２，３の内部の流体の循環により熱が効率よく高温部（電極体１に接している箇所）から低温部（フィン６に近い方の箇所）へ伝達されるからである。また，電極体１とヒートポンプ２，３との接触が面接触であることも，冷却性の良さに貢献している。

第２の利点として，電極体１を収納するハードケースが不要であることが挙げられる。ヒートポンプ２，３により，電極体１が保護されるとともに電池の外形が維持されるからである。ハードケースのないケースレス構造であると，電極体１とヒートポンプ２，３とが直に接することになる。その分，電極体１からヒートポンプ２，３への奪熱の効率がよい。ヒートポンプ２，３がハードケースを兼ねていると考えることもできる。

ただし，ハードケースを持つ構造であったとしても，ハードケースの形状によっては，本発明の効果をある程度享受できる。すなわち，ハードケースの形状が，電極体の上記の外面形状に沿った形状である場合である。この場合には，電極体の表面とハードケースの内面とが全体にわたって密着しており，かつ，ハードケースの外面とヒートポンプ２，３の内面とが全体にわたって密着していることになる。そうであれば，本発明の効果をある程度享受できるのである。この場合には，電極体とハードケースとを合わせたものを「電極体１」と見ればよい。この場合にもむろん，ハードケースとヒートポンプ２，３との間にシリコンゴムシート等の柔軟なシートを介在させてもよい。

第３の利点として，電極体１における金属析出が起こりにくいことが挙げられる。金属析出とは，この種の電池の発電要素内で，本来は金属状態では存在しないはずの金属元素のイオンが金属として析出する現象である。本形態ではリチウムイオン二次電池であるから，析出する金属はリチウムである。金属析出が起きると，電池の性能が著しく低下する。このためこの種の電池では，金属析出が起こりにくいことが求められるのである。

本形態の電池で金属析出が起こりにくい理由も，電極体１とヒートポンプ２，３とが，全体にわたり面接触していることにある。このため電極体１においては，ヒートポンプ２，３から加えられる面圧がどの場所でも一定で，場所による面圧差がない。このため，電極体１の内部で特定の箇所に電流が集中することがない。これにより，金属析出の発生が防止されるのである。

もし，板状のヒートポンプ２，３の代わりに櫛歯状の部材を用いると，金属析出が発生しやすいことになる。電極体の中でも，櫛歯状の部材に圧迫されている箇所と櫛歯間の隙間の箇所とで面圧差があるからである。このため，面圧の高い箇所（櫛歯状の部材の下の箇所）に電流が集中して金属析出に繋がるのである。本形態ではこのようなことはない。

ここまでに説明した本形態の電池は，１つの電極体１を２つのヒートポンプ２，３で挟んだものであったが，このようなものに限らない。図６に示すように，多数の電極体１と多数のヒートポンプ２，３，７を交互に配置した組電池であってもよい。図６中のヒートポンプ７は，両面に凹部が形成されているものである。両端のヒートポンプ２，３は，先に説明したのと同じものである。

以上詳細に説明したように本実施の形態では，電極体１の外形に沿った形状の凹部を有するヒートポンプ２，３を用いている。このヒートポンプ２，３で電極体１を挟み込むことにより，電極体１の表面とヒートポンプ２，３の内面とが隙間なく密着するようにしている。これにより，電極体１の平坦部分１１ばかりでなく曲面部分１２も冷却されるようにしている。こうして，電極体１の内部に温度不均一が起こりにくい冷却構造の電池が実現されている。また，ハードケースは必須でなく，金属析出の発生も防止されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，電極体１は，リチウムイオン二次電池に限らず，正負極の電極板を扁平巻きしてなる構造のものであれば何でもよい。

実施の形態に係る電池の構造を示す正面断面図である。 実施の形態に係る電池の構造を示す側面断面図である。 実施の形態に係る電池の構造を示す平面図である。 実施の形態に係る電池の構造を示す平面断面図である。 図４中の各要素を分解して示す平面断面図である。 変形例に係る電池の構造を示す側面断面図である。

符号の説明

１ 電極体
１１ 平坦部分
１２ 曲面部分
２，３ ヒートポンプ
２０，３０ 凹部
２１，３１ 平坦部分
２２，３２ 曲面部分

Claims (7)

1. 扁平巻きの電極捲回体に電解液を含浸させた発電要素を有する発電要素体と，
   前記発電要素体の表面の外形形状のうち平坦部分と曲面部分とに対応する部位に配置され，前記発電要素体の熱を他の箇所へ伝達する冷却部材とを有することを特徴とする電池。
2. 請求項１に記載の電池において，
   前記冷却部材は，前記発電要素体の表面の平坦部分と曲面部分とを含む範囲に沿った凹面形状の内面を有し，
   前記凹面形状の内面が，前記発電要素体の表面の平坦部分と曲面部分とを含む範囲に対応して配置されていることを特徴とする電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の電池において，
   前記発電要素体と前記冷却部材とが隙間なく接触していることを特徴とする電池。
4. 請求項３に記載の電池において，
   リチウムイオン二次電池であることを特徴とする電池。
5. 請求項３または請求項４に記載の電池において，
   前記発電要素体と前記冷却部材とが直に接触していることを特徴とする電池。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の電池において，
   前記冷却部材は，ヒートパイプにより構成されていることを特徴とする電池。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の電池において，
   複数の発電要素体と複数の伝熱部材とが交互に配置されて組電池をなしていることを特徴とする電池。

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