JP2011150902A

JP2011150902A - リチウムイオン二次電池

Info

Publication number: JP2011150902A
Application number: JP2010011563A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hiyama; 清志桧山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】本発明は、収納性を低下させずに放熱面積を増加させることができるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池は、電池缶の内部に、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な負極と、正極と負極との間のイオン導電性を確保するためのセパレータおよび電解質とを収容してなるものであって、電池缶の側外面に発泡金属層を設けたことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒または角型のリチウムイオン二次電池に関するものであり、特に、電池の放熱構造を有するリチウムイオン二次電池に関する。

世界的な環境問題，資源枯渇問題を背景に、特に、エネルギー消費量の増加が著しい運輸部門において、エネルギーの効率的な利用，石油代替エネルギーへの移行の必要性などから環境対応型の技術開発が急速に進められている。

例えば、リチウムイオン電池搭載型のシリーズハイブリッド構成気動車や、電気自動車（Electric Vehicle），ハイブリッド電気自動車（Hybrid Electric Vehicle），燃料電池自動車（Fuel Cell Electric Vehicle）がこれにあたる。

現在、これらに搭載する蓄電池として、リチウムイオン二次電池が盛んに研究されており、特に、寿命が大きな課題となっている。

なお、非特許文献１に報告されているように、性能劣化には温度の影響が大きいことが知られており、そのため寿命低下抑制には電池冷却が必要となる。

これまでに、特許文献１や特許文献２のように、電池にフィン等の冷却構造を取り付けて放熱面積を増大させる方法が提案されている。

特開平１０−２１４６０５号公報特開平１１−１４４７６６号公報

（財）電力中央研究所「ＮＥＤＯ成果報告書燃料電池自動車用リチウム電池技術化開発高性能リチウム電池要素技術開発電池総合特性並びに加速的耐用年数評価技術の開発（電池側からの非破壊試験法確立のアプローチ）平成１７〜１８年度」（２００７.３）

移動体（シリーズハイブリッド構成気動車，電気自動車，ハイブリッド電気自動車，燃料電池自動車等）の場合、出力を確保するために複数の二次電池を直並列に接続する必要があるが、搭載スペースの観点からコンパクトに収納しなければならない。

しかし、フィン等の冷却器を設ける場合、冷却面積を確保するためには大きなスペースが必要となるため、１個当たりの二次電池が占めるスペースをある程度広く確保しなければならず、収納性が低下することになる。

本発明は、収納性を低下させずに放熱面積を増加させることができるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池は、電池缶の内部に、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な負極と、正極と負極との間のイオン導電性を確保するためのセパレータおよび電解質とを収容してなるものであって、電池缶の側外面に発泡金属層を設けたことを特徴とするものである。

また、発泡金属層の電池缶との界面近傍の気孔率を小さくし、電池缶と発泡金属層との接触面積を増加させたことが好ましい。

また、発泡金属層に使用する発泡金属として、アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い金属、または、ステンレスのような耐食性の高い金属を用いることが好ましい。

また、発泡金属層の断面形状を四角形あるいは六角形にしたことが好ましい。

つまり、本発明は、電池缶の側面に発泡金属層を取り付けたことより、基本的に達成される。

また、こうしたリチウムイオン二次電池は、枠型に形成された発泡金属に側面部分がテーパ状になっている電池缶を押し込むことにより製造することができる。

また、こうしたリチウムイオン二次電池を複数使用した組電池の冷却構造としては、こうしたリチウムイオン二次電池を挿入する仕切り板とシール材とにより形成される流路に、液体状の冷却媒体を供給し、冷却媒体をリチウムイオン二次電池の発泡金属層と絶縁材により形成される流路に導いて冷却に利用し、再び、仕切り板とシール材とにより形成される流路から排出する。

そして、こうした冷却構造を有することにより、リチウムイオン二次電池を組電池として使用した場合であっても、収納性を低下させずに放熱面積を増加させることができる。

本発明により、収納性を低下させずに放熱面積を増加させることができるリチウムイオン二次電池を提供することができる。

発泡金属層を設けたリチウムイオン二次電池の一実施形態を示す斜視図。発泡金属層の気孔率を層方向で変化させた一実施形態を示す説明図。組電池における収納性を考慮した円筒型リチウムイオン二次電池の断面形状を示す説明図。発泡金属層の製造方法を示す説明図。液体状の冷却媒体を用いる場合の組電池の冷却構造を示す説明図。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

図１は、発泡金属層を設けたリチウムイオン二次電池の一実施形態を示す斜視図である。

本実施形態のリチウムイオン二次電池（以下、「電池」と称する）は、電池缶の内部にリチウムの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な負極と、正極と負極との間のイオン導電性を確保するためのセパレータおよび電解質とを収容した電池１（円筒型または角型を問わない）と、電池１の電池缶の側面外部（側外面）に発泡金属層（放熱構造）２を設け、放熱面積を増大させたものである。

なお、角型の電池の場合は、電流端子のない底面部まで発泡金属層２を設けることも可能である。

発泡金属層２の比表面積が非常に大きいため、放熱面積が飛躍的に増大し、電池温度を従来よりも低下させることが可能となり、電池の性能低下が抑制できる。

なお、この発泡金属層２に冷却媒体（気体または液体を問わない）を強制供給すれば更なる電池の温度低下が期待できる。

発泡金属層に使用する発泡金属としては、伝熱性の観点で高熱伝導性を有するアルミニウムや銅をベースにした発泡金属を用いることが望ましい。また、水等による冷却より腐食が心配される場合には、高耐食性を有するステンレス鋼製の発泡金属を用いても十分に電池の温度低下が図られる。

図２は、発泡金属層の気孔率を層方向で変化させた一実施形態を示す説明図である。

電池缶と発泡金属層との界面における熱伝達を改善するために、界面の接触面積を増加させる手段を説明する。

つまり、発泡金属層の電池缶との界面近傍の気孔率を小さくし、電池缶と発泡金属層との接触面積を増加させる。

発泡金属層２は、放熱性の観点では、発泡金属層２の本来の気孔率が高い方が有利であるが、あまり高いと電池缶と発泡金属層との界面での接触面積が少なくなり、電池から発泡金属層への熱伝達が悪くなってしまう場合がある。

そこで、電池缶と発泡金属層２との界面近傍３（発泡金属層２の内側）の気孔率を小さくする。つまり、発泡金属層２の内側の気孔率を発泡金属層２の外側の気孔率よりも小さくすることにより、発泡金属への熱伝達パスを増やし、電池での発生熱を発泡金属層２へ伝え易くしたものである。

図３は、組電池における収納性を考慮した円筒型リチウムイオン二次電池の断面形状を示す説明図である。

発泡金属層２の断面形状は、四角形あるいは六角形にする。

発泡金属層２の断面の外形を、正四角形（ａ）あるいは正六角形（ｂ）とし、外側を絶縁材４でシールして積み重ね、組電池（ｃ）を構成することも可能である。これにより、支え板等の支持材の削減が可能となる。

また、それぞれの電池を強制冷却する場合を考えると、それぞれの電池に専用の冷却流路を形成していることにもなる。

このような構成を用いることにより、組電池を構成した場合であっても、収納性を低下させずに放熱面積を増加させることができる。

これら発泡金属層２は、板状の発泡金属を完成した電池１の電池缶に巻きつけることでも形成できるが、電池缶と発泡金属層との界面の接触性を確保するという観点では、以下のようにして形成することが好ましい。

図４は、発泡金属層の製造方法を示す説明図である。図４を参照しながら発泡金属層２の形成方法を説明する。

電池１は、電池缶の内部にリチウムの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な負極と、正極と負極との間のイオン導電性を確保するためのセパレータおよび電解質とを収容したものである。円筒型または角型のどちらでもよい。

発泡金属層２は、電池の形状に合わせて枠型に成型される。

成型法については特に限定されるものではないが、発泡金属製造時に枠型形成する場合や、発泡金属製造後に機械加工・レーザー加工する場合が考えられる。

なお、電池１の側面にはテーパを設けることが、発泡金属層と電池との接触性を良好にするためには有効である。本実施形態では、正極側を太く、負極側を細く形成している。

つまり、図４に示すように、所定の枠状の発泡金属層２に、電池１を挿入する際、電池１にテーパが形成されている場合には、発泡金属層２の枠を拡げながら挿入することになるので、良好な密着性を得ることが可能となる。

また、更なる電池の温度低下のためには、冷却媒体の強制供給が有効である。

冷却媒体が気体の場合は、図３のように発泡金属層の表面を絶縁し、組電池とすることにより、それぞれの電池に冷却流路を形成することができるので、絶縁材４に覆われていない発泡金属層の端部から気体を供給し、冷却効率を向上されることができる。

冷却媒体が液体の場合は、電流端子に液体が触れ、ショートや腐食が心配されるので、冷却流路から分離する必要がある。

図５は、液体状の冷却媒体を用いる場合の組電池の冷却構造を示す説明図である。

図５を参照しながら冷却媒体として液体を用いる場合の組電池の冷却構造について説明する。

図５（ａ）に示す符号１は電池、符号２は発泡金属層である。

液体状の冷却媒体の給排路となる冷却媒体流路１０および１１を形成するために、電池１の側面全体より小さく発泡金属層２を形成する。つまり、電池１の上部および下部に所定の部分、発泡金属層２が、形成されていない部分を設ける。

また、表面には流路形成のために絶縁材（熱収縮チューブ等により形成可能）を設ける。

このようにして作製した電池を組電池として形成するために仕切り板６および９をセットする。

仕切り板６および９は、電池の外形とほぼ同様の形状の穴が多数開いているものを用いる。たとえば、電池の外形が円筒型の場合は、円形状や楕円形状のものを用いる。なお、角型の電池の場合は四角形となる。

なお、仕切り板６および９は、冷却媒体流路１０および１１を形成する外側の仕切り板を形成する。

図５（ｂ）（６を上から見た図）に円筒型の電池の場合における仕切り板６の一例を示す。

また、仕切り板７および８は、発泡金属層の外形と同様の形状の穴が多数開いているものを用いる。たとえば、発泡金属層の外形が四角形の場合は、四角形のものを用いる。なお、六角形の発泡金属層の場合は六角形となる。

なお、仕切り板７および８は、冷却媒体流路１０および１１を形成する内側の仕切り板を形成する。

図５（ｃ）（７を上から見た図）に六角形断面の発泡金属層の場合における仕切り板７の一例を示す。

これら仕切り板群に、作製した電池を挿入し、冷却媒体の流路形成のため電池および発泡金属層の外側に形成される絶縁材４と仕切り板（内側の仕切り板）との接続部分を、また、電池と仕切り板（外側の仕切り板）との接続部分をシール材５によってシールする。

また、各々の仕切り板の外周部とそれらを収める収納容器との間もシールし、液漏れを防ぐ。このようにして作製した組電池では、冷却媒体となる液体は仕切り板６と７あるいは仕切り板８と９によって形成される冷却媒体流路１０および１１およびそれぞれの電池の外側に形成された発泡金属層の内部を流通することになるため電流端子と完全に分離できる。

また、冷却媒体流路１０および１１と収納容器との接続部に、冷却媒体の出入口を設ける。

このようにして形成した流路により、電流端子と完全に分離して、冷却媒体を電池の収納容器の内に取込むことができる。そして、取込まれた冷却媒体をそれぞれの発泡金属層に供給し、電池と冷却媒体との間で熱交換する。そして、熱交換された冷却媒体を電池の収納容器の外に排出する。

なお、角型の電池の場合は、電流端子が片側だけに形成されるため、仕切り板７および８を削除し、絶縁材４を介してそれぞれの電池を密着させることにより、仕切り板９を穴のない平板とし、電池の下端より下側まで配置する構造とすることも可能である。

また、ここで使用する冷却媒体としては、フロリナート等を用いれば腐食等の懸念が少ないため、アルミニウム等の発泡金属が使用可能となり、組電池としてのシステムの軽量化が可能である。

また、沸点の比較的低いものを選択すると、潜熱冷却も可能であるため、更なる冷却の向上が得られる。

このように本実施形態において説明した電池や組電池は、移動体（シリーズハイブリッド構成気動車，電気自動車，ハイブリッド電気自動車，燃料電池自動車等）に使用した場合、電池を直並列に接続することができ、出力を確保すことができると共に、搭載スペースの観点からもコンパクトに収納することが可能となる。

そして、本実施形態において説明した電池や組電池は、収納性を低下させずに、放熱面積の増大が可能であり、性能低下の抑制ができる。充放電時に正極及び負極から発生する熱を効果的に放熱させて、電池の温度上昇を十分に抑制し、性能低下を改善する。

本発明のリチウムイオン二次電池は、移動体（シリーズハイブリッド構成気動車，電気自動車，ハイブリッド電気自動車，燃料電池自動車等）に利用可能である。

１リチウムイオン二次電池
２発泡金属層
３界面近傍
４絶縁材
５シール材
６，７，８，９仕切り板
１０冷却媒体流路（上側）
１１冷却媒体流路（下側）

Claims

電池缶の内部に、リチウムの吸蔵・放出が可能な正極と、リチウムの吸蔵・放出が可能な負極と、前記正極と前記負極との間のイオン導電性を確保するためのセパレータおよび電解質とを収容してなるリチウムイオン二次電池において、
前記電池缶の側外面に発泡金属層を設けたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
請求項１において、
前記発泡金属層の前記電池缶との界面近傍の気孔率を小さくし、前記電池缶と前記発泡金属層との接触面積を増加させたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
請求項１において、
前記発泡金属層に使用する発泡金属として、アルミニウム，銅、または、ステンレスを用いることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
請求項１において、
前記発泡金属層の断面形状を四角形あるいは六角形にしたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。