JP2010287489A - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery.
充放電を繰り返し行うことができる二次電池は、近年、各種の分野で広範囲にわたって利用されている。例えば、小型タイプであれば、携帯電話やビデオカメラ等の電子機器の電源として利用され、大型タイプであれば、電気自動車の電源や家庭用の蓄電装置等として利用されている。このような二次電池として、積層型のリチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池が開発されている(例えば、特許文献1,2参照。)。 In recent years, secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged have been widely used in various fields. For example, a small type is used as a power source for an electronic device such as a mobile phone or a video camera, and a large type is used as a power source for an electric vehicle or a household power storage device. As such a secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a stacked lithium ion secondary battery has been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
このような二次電池は、正極板及び負極板の少なくとも一方がセパレータで包装された状態で、正極板及び負極板が互いに交互に積層されて積層体を構成している。そして、正極板及び負極板を収納する容器外壁及び端子部分から、充放電等の際に容器内部の正極板や負極板などで発生する熱を放熱させている。 In such a secondary battery, at least one of the positive electrode plate and the negative electrode plate is packaged with a separator, and the positive electrode plate and the negative electrode plate are alternately laminated to form a laminate. And the heat | fever which generate | occur | produces in the positive electrode plate in a container, a negative electrode plate, etc. in the case of charging / discharging etc. is radiated from the container outer wall and terminal part which accommodate a positive electrode plate and a negative electrode plate.
一方、リチウムイオン二次電池の内部で短絡が発生した場合、大きな電流が流れて発熱し、電池の温度が急上昇する、いわゆる熱暴走と呼ばれる状態となる場合がある。この際、電解液が可燃性の有機溶媒を含むため、電解液が気化して内圧が上昇して容器が破裂したり、電解液が発火したりするおそれがある。このような破裂・発火を抑制するために、正極板や負極板に吸熱物質を添加したもの(例えば、特許文献3参照。)が提案されている。 On the other hand, when a short circuit occurs inside the lithium ion secondary battery, a large current flows and heat is generated, and the temperature of the battery suddenly rises, so-called thermal runaway may occur. At this time, since the electrolytic solution contains a flammable organic solvent, the electrolytic solution may be vaporized to increase the internal pressure and the container may burst or the electrolytic solution may ignite. In order to suppress such bursting / ignition, a material in which an endothermic substance is added to a positive electrode plate or a negative electrode plate (for example, see Patent Document 3) has been proposed.
しかしながら、上記従来の二次電池の場合、正極板及び負極板を収納する容器外壁及び端子部分から、充放電等の際に内部の正極板や負極板などで発生する熱を放熱させている。そのため、容器外壁に直接接触しない電池内部中央の熱を十分に外部へ放熱させることができず、破裂・発火の要因となる電池の温度の上昇を効果的に抑えることができない。また、吸熱物質を添加しても、添加量に限界があって熱暴走が生じた際に速やかに破裂・発火を抑制することができないといった問題がある。 However, in the case of the above-described conventional secondary battery, the heat generated in the internal positive electrode plate, negative electrode plate, and the like is radiated from the outer wall and terminal portion of the container that accommodates the positive electrode plate and negative electrode plate during charging and discharging. For this reason, the heat in the center of the battery that does not directly contact the outer wall of the container cannot be sufficiently dissipated to the outside, and the rise in battery temperature that causes rupture and ignition cannot be effectively suppressed. In addition, there is a problem that even if an endothermic substance is added, the amount of addition is limited, and when thermal runaway occurs, bursting / ignition cannot be suppressed quickly.
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、積層体内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be quickly cooled even if thermal runaway occurs in the laminated body, reducing the temperature of the gas ejected to the outside and suppressing the gas amount. An object is to provide a rechargeable battery.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る二次電池は、内部に電解液を貯蔵する容器と、交互に積層されたシート状の正極板及び負極板と、前記正極板及び前記負極板との間に配されたセパレータと、を有して前記容器内に配された積層体と、該積層体の前記正極板と前記負極板との何れかの間に介装され、消火剤を内部に収容して所定温度で破壊する消火剤収容構造体と、を備えていることを特徴とする。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
A secondary battery according to the present invention includes a container for storing an electrolyte therein, sheet-like positive and negative plates stacked alternately, and a separator disposed between the positive and negative plates. And disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate of the laminate, containing a fire extinguisher inside, and destroyed at a predetermined temperature. And a fire extinguisher containing structure.
この発明は、消火剤が正極板と負極板との何れかの間に介装されているので、積層体内部で内部短絡等により発熱・熱暴走した場合でも、所定温度で消火剤収容構造体が破壊することによって、消火剤を放出させることができ、速やかに消火することができる。 In the present invention, the extinguishing agent is interposed between any of the positive electrode plate and the negative electrode plate. Therefore, even when heat generation or thermal runaway occurs due to an internal short circuit or the like inside the laminate, the extinguishing agent containing structure at a predetermined temperature By destroying, fire extinguishing agent can be released and fire can be extinguished quickly.
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記消火剤収容構造体が、前記積層体の積層方向の中央部に配されていることを特徴とする。
この発明は、熱のこもりやすい積層体中央部で発熱・熱暴走が生じても、好適に消火することができる。
Moreover, the secondary battery according to the present invention is the secondary battery, wherein the fire extinguishing agent-containing structure is disposed in a central portion in the stacking direction of the stacked body.
The present invention can be suitably extinguished even if heat generation and thermal runaway occur in the central portion of the laminate that tends to accumulate heat.
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池であって、前記消火剤収容構造体が、100〜300℃の温度で破壊されて前記消火剤を放出するように構成されていることを特徴とする。 Moreover, the secondary battery according to the present invention is the secondary battery, wherein the fire extinguisher containing structure is configured to be destroyed at a temperature of 100 to 300 ° C. to release the fire extinguisher. It is characterized by.
この発明は、昇温後速やかに消火剤収容構造体が破壊するので、消火剤収容構造体から放出された消火剤によって熱暴走の初期段階から熱暴走を抑制させることができる。 According to the present invention, the fire extinguishing agent housing structure is destroyed immediately after the temperature rise, so that the thermal runaway can be suppressed from the initial stage of the thermal runaway by the fire extinguishing agent released from the fire extinguishing agent housing structure.
本発明によれば、積層体内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる。 According to the present invention, even if thermal runaway occurs inside the laminate, it can be quickly cooled, and the temperature of the gas ejected to the outside can be lowered and the amount of gas can be suppressed.
本発明に係る一実施形態について、図1から図3を参照して説明する。
本実施形態に係る二次電池10は、内部に有機材料からなる電解液を貯蔵する容器11と、容器11内に配された積層体12と、積層体12内に配された消火剤13と、を備えている。
An embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The
容器11は例えばアルミニウム製とされ、上部には正極端子15、負極端子16、及びアルミニウム製の安全弁17がそれぞれ配されている。積層体12は、電解液に浸漬するようにして積層方向Xに交互に複数積層された正極板18及び負極板20と、正極板18と負極板20とのそれぞれの間に配された複数のセパレータ21と、を備えている。なお、図1及び図2では、正極板18、負極板20及びセパレータ21は、図を見やすくするために十分に厚さを有するものとして表示されているが、何れもシート状に構成されている。
The
正極板18及び負極板20の正極端子15及び負極端子16側となる各縁部には、タブ18A,20Aがそれぞれ配されている。ここで、正極板18及び負極板20において、各タブ18A,20Aは、縁部中央から何れかの側に偏るように配されている。そして、正極板18及び負極板20は、互いのタブ18A,20Aが縁部中央から異なる側に偏って重ならないようにして積層されている。正極板18のタブ18Aは正極端子15と、負極板20のタブ20Aは負極端子16とそれぞれ接続されている。
セパレータ21は、隣り合う正極板18と負極板20とを絶縁するためのものであり、例えば、ポリプロピレン等のシート状の樹脂製とされている。なお、正極板18及び負極板20の少なくとも一方が、タブ18A又はタブ20Aを突出させた状態でセパレータ21に封着されることで、隣り合う正極板18と負極板20とを絶縁するようにしてもよい。
The
消火剤13は、消火剤収容構造体22内に収納されている。この消火剤13は、吸熱や反応物被覆により、電池の熱暴走反応を抑制する作用を有する物質を有し、吸熱しても温度上昇せず、空気を遮断することができるものであればよい。例えば、消火剤13としては、吸熱物質、アルカリ、酸、炭素化合物、炭酸化合物、窒素化合物、水、界面活性剤のうち少なくとも一つ以上の材料を含む2種以上の混合物が使用され得る。ここで、吸熱物質とは、加熟されたときに吸熱反応を起こす物質のことである。吸熱物質は、二次電池10の温度が上昇しようとするときに、吸熱反応を起こして吸熱し、熱暴走を有効に抑制する。
The
より具体的には、炭酸水素カリウムを主成分とするK型BC消火剤、炭酸水素ナトリウムを主成分とするNa型BC消火剤、炭酸水素カリウムと尿素の反応生成物を主成分とするKU型BC消火剤、リン酸二水素アンモニウムを主成分とするABC消火剤が使用され得る。 More specifically, a K-type BC fire extinguisher containing potassium bicarbonate as a main component, a Na-type BC fire extinguisher containing sodium bicarbonate as a main component, and a KU type containing a reaction product of potassium bicarbonate and urea as a main component. A BC fire extinguisher and an ABC fire extinguisher based on ammonium dihydrogen phosphate can be used.
他にも、下記の薬剤が消火剤収容構造体22に充填される消火剤として使用可能である:
(1)アルカリ性吸熟物質
炭酸水素カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、アロファン酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム
(2)酸性吸熱物質
リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、リン酸アンモニウム、硫酸アンモニウム
(3)水と界面活性剤との混合物
アルキル硫酸エステル塩水溶液、パーフルオロオクタン酸塩水溶液
(4)エチレングリコール
(5)水和金属化合物
水酸化アルミニウム水和物、水酸化マグネシウム水和物、炭酸マグネシウム水和物、酸化アンチモン水和物
(6)ホウ素化合物
ホウ酸、ホウ酸亜鉛
(7)リン化合物
トリフェニルフオスフェート、ビスフェノールA、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、ポリリン酸アンモニウム
(8)ハロゲン化合物
塩素化パラフィン、デカブロムジフェニルエーテル
また、水は、二次電池10の温度上昇を抑制し、熱暴走を有効に抑制する。更に、界面活性剤は、二次電池10の内容物やその反応物を被覆し、二次電池10の発火を有効に防止する。
In addition, the following chemicals can be used as fire extinguishing agents filled in the fire extinguishing agent housing structure 22:
(1) Alkaline absorptive substance Potassium bicarbonate, potassium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium carbonate, potassium allophanate, sodium bicarbonate, sodium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium carbonate (2) Acid endothermic substance Ammonium dihydrogen phosphate, Ammonium hydrogen phosphate, ammonium phosphate, ammonium sulfate (3) Mixture of water and surfactant Alkyl sulfate ester aqueous solution, perfluorooctanoate aqueous solution (4) Ethylene glycol (5) Hydrated metal compound Aluminum hydroxide hydrate , Magnesium hydroxide hydrate, Magnesium carbonate hydrate, Antimony oxide hydrate (6) Boron compound Boric acid, Zinc borate (7) Phosphorus compound Triphenyl phosphate, bisphenol A, tricresyl phosphate, Trixy Niruhosufeto, ammonium polyphosphate (8) a halogen compound chlorinated paraffin and decabromodiphenyl ether, water, and suppress an increase in the temperature of the
消火剤13の形態は、消火剤収容構造体22に収容可能なものであればよく、固体、液体の何れの消火剤も使用可能である。ただし、液状体は流動性が高いため、消火剤収容構造体22にわずかの欠陥が生じた際に、消火剤収容構造体22の外に消火剤13が容易に漏出して電池性能に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、消火剤収容構造体22に収容される消火剤13としては、固形物が使用されることが好ましい。固形物としては、粉末状又はゲル状のものが取り扱いやすく、粉末状又はゲル状のまま消火剤収容構造体22に収容されてもよく、粉末を圧縮・成型して得られる圧縮成型体として消火剤収容構造体22に収容されてもよい。消火剤13が圧縮・成型された後で消火剤収容構造体22に収容されることは、消火剤の充填量を増加させ、消火剤収容構造体22の熱暴走抑制作用を向上させるために有効である。
The
消火剤収容構造体22は、適切な温度で破れるように構成される。消火剤収容構造体22が余りにも低温で破れるように構成されていると、二次電池10が通常に動作している場合にも消火剤収容構造体22が破れて消火剤13が放出され、二次電池10の動作に支障をきたす。一方、消火剤収容構造体22が破れる温度が高すぎると、消火剤による二次電池10の破裂・発火の抑制効果が薄れる。消火剤収容構造体22は、好適には、100〜300℃の温度で破れるように構成されることが好ましい。
The fire extinguishing
この消火剤収容構造体22は、図3(a)に示すように、消火剤13をラミネートして、100〜300℃の温度で破壊されて消火剤13を外部へ放出するように構成されている。この消火剤収容構造体22は、正極板18及び負極板20と略同一の大きさ及び厚さで形成されている。
As shown in FIG. 3A, the extinguishing
消火剤収容構造体22のより好適な構造を図3(b)により具体的に示す。図3(b)に示す消火剤収容構造体22は、PP(ポリプロピレン)フィルム22Aと、アルミニウムフィルム22Bと、PPフィルム22Cと、外装フィルム22Dとで構成されている。外装フィルム22Dは、例えば、ナイロンやPET(ポリエチレンテレフラレート)で形成される。消火剤収容構造体22の4つのフィルムのうち、PPフィルム22Cが消火剤13の側に位置しており、外装フィルム22Dが電解液の側に位置している。PPフィルム22Cが融着されることにより、消火剤収容構造体22が袋状に形成される。図3(b)に示す消火剤収容構造体22が、PPフィルム22C、アルミニウムフィルム22B、PPフィルム22A,22Cの三層構造を含んでいることにより、消火剤収容構造体22が破れる温度が適切に調節され、更に、消火剤収容構造体22の突刺強度が適切に調節されている。外装フィルム22Dは、PPフィルム22Aを融着する際の離型を容易にするために使用される。
A more preferable structure of the fire extinguishing
消火剤収容構造体22の他の好適な構造を図3(c)に示す。図3(c)に示す消火剤収容構造体22は、PP(ポリプロピレン)フィルム22Aと、アルミニウムフィルム22Bと、ナイロンフィルム22Eと、PETフィルム22Fとで構成されている。PPフィルム22Aが消火剤13の側に位置しており、PETフィルム22Fが電解液の側に位置している。ただし、PETフィルム22Fは、必ずしも必要とされず、ナイロンフィルム22Eが電解液に面していてもよい。この構造でも、消火剤収容構造体22が破れる温度が適切に調節され、更に、消火剤収容構造体22の突刺強度が適切に調節される。
Another suitable structure of the extinguishing
この二次電池10によれば、消火剤13を収容する消火剤収容構造体22が積層体12内の正極板18と負極板20との何れかの間に介装されている。そのため、積層体12内部で内部短絡等により発熱・熱暴走した場合、100〜300℃の温度で消火剤収容構造体22が破壊することによって、消火剤13を外部へ放出させることができ、内部温度が500℃になる前の速やかな消火を、より効果的に行う事ができる。したがって、積層体12内部で熱暴走が生じても速やかに冷却することができ、外部へ噴出するガスの温度を低下させるとともにガス量を抑えることができる。
According to the
特に、消火剤収容構造体22が、積層体12の積層方向Xの中央部に配された場合には、高温となりやすい電池内部中央においても効果的に消火することができ、発生した熱も好適に容器11外部へ放熱することができる。
In particular, when the fire
また、消火剤収容構造体22が、100〜300℃の温度で破壊されるので、昇温後速やかに消火剤収容構造体22が破壊され、消火剤収容構造体22から放出された消火剤13によって熱暴走の初期段階から熱暴走を抑制させることができる。
Moreover, since the fire
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態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において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、消火剤収容構造体22が、積層体12の積層方向Xの中央部となる正極板18と負極板20との何れかの間に介装されるとともに、縁部が容器11と伝熱可能に接触したシート状の放熱板に固定されていたとしてもよい。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the fire extinguishing
この放熱板は、図4に示すように、シート状の放熱板本体23と、接触部25と、を備えた放熱板26としてもよい。放熱板本体23は、積層体12の正極板18と負極板20との間に配される。接触部25は、接触面25Aにて放熱板本体23を容器11の内面と接触する。この場合、消火剤収容構造体22は、放熱板本体23の両面に固定される。
As shown in FIG. 4, the heat radiating plate may be a
放熱板本体23が介装された部分では、放熱板本体23と正極板18及び負極板20のそれぞれとの間の絶縁をするために、放熱板本体23の両側にセパレータ21が配される。接触部25は、容器11の内面に沿った接触面25Aを有し、容器11の上部側以外の側面及び底面側に、かつ、接触面25Aと放熱板本体23とが断面略T字状に、すなわち、接触面25Aが放熱板本体23に配された面に対して直交するように配されている。そして、接触面25Aで容器11の内面を押圧するようにして容器11内に配される。
In the portion where the heat sink
ここで、放熱板本体23と接触部25とは、一体に形成されていてもよく、例えば押し出し成形や、互いを溶接等で接続するなどしてもよい。
また、接触部25は、容器11の両側面及び底面の少なくとも何れかの面に設けられていればよく、当該接触面25Aを介して効果的に放熱することができる。ここで、一部の面に接触部25を設けつつ、設けていない箇所で放熱板本体23と容器11の内面との間に隙間を形成してもよい。これにより、当該隙間から放熱板本体23の両側に電解液を流通させてイオンの受け渡しが可能となり、電池効率の向上も図ることができる。
Here, the heat sink
Moreover, the
この放熱板26によれば、正極板18及び負極板20で発生した熱を、放熱板本体23から接触部25を介して容器11外へと好適に伝導させることができる。この際、接触部25が、接触面25Aで容器11の内面に面接触し、さらに放熱板本体23から押圧されて隙間を最小限として密着していることから、効率良く熱伝達させて容器11を介して放熱することができる。
According to this
また、電解液を流通可能な孔を有する構成の放熱板としても良い。この孔は、機械加工等によって穿孔しても良いし、あるいは、多孔質の材質で構成される放熱板を選択しても良い。この放熱板によれば、孔を介して電解液を通過させることができ、放熱板の両側の正極板18と負極板20との間でも、イオンの受け渡しをすることができ、放熱性を高めつつ、電池効率の向上を図ることができる。
Moreover, it is good also as a heat sink of the structure which has a hole which can distribute | circulate electrolyte solution. This hole may be perforated by machining or the like, or a heat sink made of a porous material may be selected. According to this heat sink, the electrolyte can be passed through the holes, and ions can be transferred between the
さらに、放熱板の表面に絶縁膜が配されたものでも構わない。この場合、放熱板が正極板18又は負極板20と接触しても通電しないので、正極板18及び負極板20の枚数を増やすことができる。
Further, an insulating film may be provided on the surface of the heat sink. In this case, even if the heat radiating plate comes into contact with the
10 二次電池
11 容器
12 積層体
13 消火剤
18 正極板
20 負極板
21 セパレータ
22 消火剤収容構造体
DESCRIPTION OF
Claims (3)
交互に積層されたシート状の正極板及び負極板と、前記正極板及び前記負極板との間に配されたセパレータと、を有して前記容器内に配された積層体と、
該積層体の前記正極板と前記負極板との何れかの間に介装され、消火剤を内部に収容して所定温度で破壊する消火剤収容構造体と、
を備えていることを特徴とする二次電池。 A container for storing an electrolyte inside;
A laminated body disposed in the container having sheet-like positive and negative electrode plates alternately stacked, and a separator disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate;
A fire extinguisher containing structure that is interposed between any of the positive electrode plate and the negative electrode plate of the laminate and contains a fire extinguishing agent inside and destroys it at a predetermined temperature;
A secondary battery comprising:
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