JP2013178909A - Secondary battery, battery pack using the same, and sheet-like thermal storage member for secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車などに使用されるリチウムイオン電池で代表される二次電池として、その過充電もしくは過放電によって異常発熱した際の危険を防止するための機能を付加した二次電池、およびそれを多数組み込んだ組電池、さらにそれに使用されるシート状蓄熱部材に関するものである。 The present invention, as a secondary battery represented by a lithium ion battery used in an electric vehicle or the like, a secondary battery to which a function for preventing danger when abnormal heat is generated due to overcharge or overdischarge, and The present invention relates to an assembled battery in which a large number of the batteries are incorporated, and a sheet-like heat storage member used therefor.
周知のように、リチウムイオン電池などの二次電池においては、過充電された場合や、過放電された場合には、その電池が劣化してしまうと同時に、異常発熱が生じることがある。一方、電気自動車など、大きな電力を消費する用途では、多数の二次電池をパラレルもしくはシリーズに接続して組み込んだ、いわゆる組電池が使用されることが多い。このような組電池において、一部の電池が過充電あるいは過放電されて、その電池が異常発熱すれば、極端な場合はその電池が発火して、周囲の電池や自動車車体などに延焼してしまう危険がある。そこで従来から、例えば特許文献1に示されるように、電圧計測によって過充電や過放電などの異常を検出する電池制御システムが、種々開発されている。この場合、電池制御システムによって異常が検出された電池については、直ちに取り除いて、正常な電池と交換することが行なわれる。
As is well known, in a secondary battery such as a lithium ion battery, when the battery is overcharged or overdischarged, the battery deteriorates and abnormal heat may be generated at the same time. On the other hand, in applications that consume large amounts of power, such as electric vehicles, so-called assembled batteries in which a large number of secondary batteries are connected in parallel or in series are often used. In such an assembled battery, if some of the batteries are overcharged or overdischarged, and the batteries generate abnormal heat, in extreme cases, the batteries will ignite and spread to surrounding batteries, automobile bodies, etc. There is a danger of end. Therefore, various battery control systems that detect abnormalities such as overcharge and overdischarge by voltage measurement have been developed in the past as disclosed in
しかしながら、実際の電池の使用現場においては、上述のような電池制御システムが正常に作動していなかったり、あるいは電池制御システムを備えていてもそれを起動させていないことも多く、このような場合には、過充電や過放電を検出できず、そのため電池が熱暴走を起こし、破裂や発火を招き、火災などの重大な危険を招いてしまうおそれがある。 However, in actual battery usage sites, the battery control system as described above is not operating normally, or even if it has a battery control system, it is often not activated. In such a case, overcharge or overdischarge cannot be detected, which may cause the battery to run out of heat, which may cause explosion or fire, resulting in a serious danger such as a fire.
ところで、二次電池については、例えば特許文献2には、ポリエチレングリコールや、パラフィン系炭化水素、オレフィン系炭化水素などの有機化合物からなる潜熱蓄熱材を内包した蓄熱シートを電池の外面に取り付けておき、電池の異常発熱時の初期の熱を蓄熱材によって吸収し、電池の急激な温度上昇を防止して、熱暴走に至らないようにする技術が提案されている。
このように、蓄熱材を含むシートを電池に取り付けておけば、初期温度の上昇はある程度回避することが可能である。しかしながら、発熱が著しく急激であったり、発熱量が極めて大きかった場合には、電池に取り付けた蓄熱シートでは充分に温度上昇を抑えることができず、最悪の場合は火災に至ってしまうことを完全には防止することできない。特に特許文献2に示されるようなパラフィン系などの有機化合物からなる潜熱蓄熱材を用いた場合、一旦発火すれば、蓄熱材自体も発熱反応を伴いながら分解・燃焼して、むしろ火災の拡大を助長してしまうおそれがある。
By the way, as for the secondary battery, for example, in Patent Document 2, a heat storage sheet containing a latent heat storage material made of an organic compound such as polyethylene glycol, paraffinic hydrocarbon, or olefinic hydrocarbon is attached to the outer surface of the battery. In addition, a technique has been proposed in which initial heat at the time of abnormal battery heat generation is absorbed by a heat storage material to prevent rapid temperature rise of the battery and prevent thermal runaway.
Thus, if the sheet | seat containing a thermal storage material is attached to a battery, it is possible to avoid the raise of initial temperature to some extent. However, if the heat generation is extremely rapid or the amount of heat generation is extremely large, the heat storage sheet attached to the battery cannot sufficiently suppress the temperature rise, and in the worst case, it will completely lead to a fire. Cannot be prevented. In particular, when using a latent heat storage material made of an organic compound such as paraffin as shown in Patent Document 2, once it ignites, the heat storage material itself decomposes and burns with an exothermic reaction, rather expanding the fire. There is a risk of encouragement.
また一方、上述のような電池の熱暴走に由来する火災の拡大を防止するため、電池の近傍に種々の消火剤を配置しておくことも従来から行なわれている。しかしながら、これはあくまで熱暴走により発火して延焼してしまった段階での対策であって、熱暴走自体は回避できない。 On the other hand, in order to prevent the spread of fire resulting from the thermal runaway of the battery as described above, it has been conventionally performed to arrange various extinguishing agents in the vicinity of the battery. However, this is only a countermeasure at the stage where the fire has spread due to thermal runaway, and thermal runaway itself cannot be avoided.
本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、過充電や過放電などによって電池に異常発熱が生じた場合に、その発熱によって急激に電池温度が上昇してしまうことを抑制して、熱暴走を防止すると同時に、仮に熱暴走によって発火して、火災に至ってしまった場合でも、消火あるいは延焼防止を図り得るようにした二次電池を提供することを課題としている。また本発明では、そのような二次電池で構成した組電池を提供するとともに、上記の二次電池に使用されるシート状部材を提供する。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and when abnormal heat generation occurs in the battery due to overcharge, overdischarge, etc., the battery temperature is prevented from rising suddenly due to the heat generation. An object of the present invention is to provide a secondary battery that can prevent a runaway and at the same time, can be extinguished or prevented from spreading even if it is ignited by a thermal runaway and leads to a fire. Moreover, in this invention, while providing the assembled battery comprised with such a secondary battery, the sheet-like member used for said secondary battery is provided.
本発明者等は、前述の課題を解決するべく、鋭意実験、検討を重ねた結果、電池の急激な温度上昇を抑制するための潜熱蓄熱材として、酢酸ナトリウムで代表される無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩を用いれば、電池の異常発熱による急激な温度上昇を抑制し得るばかりでなく、熱暴走によって発火し、火災に至ってしまった場合でも、火災に伴う高温で分解してCO2ガスを発生することにより、有効に消火あるいは延焼防止を図れることを知見し、本発明をなすに至った As a result of intensive experiments and studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors, as a latent heat storage material for suppressing a rapid temperature rise of the battery, are inorganic acetates or inorganic salts represented by sodium acetate. By using bicarbonate, not only can a rapid temperature rise due to abnormal heat generation of the battery be suppressed, but even if it ignites due to thermal runaway and leads to a fire, it decomposes at a high temperature accompanying the fire and releases CO 2 gas. As a result, it was found that fire extinguishing or fire spread prevention can be effectively achieved, and the present invention has been made.
具体的には、本発明の基本的な態様(第1の態様)の二次電池は、正極および負極を電池容器内に収容してなる電池本体と、前記電池本体に取り付けられ、加熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材とを有してなることを特徴とするものである。 Specifically, the secondary battery of the basic aspect (first aspect) of the present invention includes a battery main body in which a positive electrode and a negative electrode are accommodated in a battery container, and is attached to the battery main body and is thermally decomposed. And a heat storage member including a latent heat storage material made of inorganic acetate or inorganic hydrogen carbonate that generates CO 2 gas.
このような本発明の基本的な態様の二次電池においては、その使用時において過充電もしくは過放電により電池本体に異常発熱が生じれば、電池容器からの熱が蓄熱部材に加えられ、蓄熱部材に含まれる潜熱蓄熱材が溶融することによってその熱が吸収される結果、電池本体の急激な温度上昇を抑えることができる。
また仮に熱暴走に至って電池が発火し、火災となってしまった場合、その火災の燃焼熱によって無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材が分解してCO2ガスを発生し、燃焼に必要な酸素の供給を妨げる。さらに、無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩の加熱による分解反応は吸熱反応であるため、蓄熱材の分解が、火災個所の温度を降下させる作用をもたらす。そしてこれらの作用が相俟って、消火もしくは延焼防止を図ることができる。
In such a secondary battery of the basic aspect of the present invention, if abnormal heat generation occurs in the battery body due to overcharge or overdischarge at the time of use, heat from the battery container is added to the heat storage member, and heat storage As a result of the heat absorbed by the latent heat storage material contained in the member being melted, a rapid temperature increase of the battery body can be suppressed.
In addition, if a battery ignites due to thermal runaway and a fire occurs, the heat of combustion of the fire decomposes the latent heat storage material composed of inorganic acetate or inorganic bicarbonate to generate CO 2 gas and burn it. Obstruct the supply of oxygen necessary for Furthermore, since the decomposition reaction by heating inorganic acetate or inorganic hydrogen carbonate is an endothermic reaction, the decomposition of the heat storage material has the effect of lowering the temperature of the fire site. Together, these actions can prevent fire extinguishing or preventing fire spread.
また本発明の第2の態様の二次電池は、前記第1の態様の二次電池において、前記蓄熱材として、酢酸ナトリウムが用いられていることを特徴とするものである。
なおここで酢酸ナトリウムとは、その水和物をも含むものとする。
The secondary battery of the second aspect of the present invention is characterized in that, in the secondary battery of the first aspect, sodium acetate is used as the heat storage material.
Here, sodium acetate includes its hydrate.
この第2の態様の二次電池で潜熱蓄熱材として用いられている酢酸ナトリウム(もしくはその水和物)は、その融解熱量が大きいと同時に、融点が、電池の過充電もしくは過放電による異常発熱の初期温度付近であることから、異常発熱発生の初期においてその熱を効果的に吸収することができ、しかもその融点は、室温よりはかなり高いため、周囲の室温によって融解してしまうおそれも少ない。さらに酢酸ナトリウムもしくはその水和物は、その分解温度が一般的な火災時の燃焼部の温度に近いため、分解に伴うCO2ガスの発生および吸熱反応によって効果的に消火もしくは延焼防止を図ることができる。 Sodium acetate (or a hydrate thereof) used as a latent heat storage material in the secondary battery of the second aspect has a large heat of fusion and a melting point that is abnormally high due to overcharge or overdischarge of the battery. Because it is near the initial temperature, it can absorb the heat effectively in the early stage of abnormal heat generation, and its melting point is considerably higher than room temperature, so there is little risk of melting at ambient room temperature . Furthermore, since the decomposition temperature of sodium acetate or its hydrate is close to the temperature of the combustion part at the time of a general fire, the fire extinguishment or the spread of fire is effectively prevented by the generation of CO 2 gas and the endothermic reaction accompanying the decomposition. Can do.
さらに本発明の第3の態様の二次電池は、前記第1、第2のいずれかの態様の二次電池において、前記蓄熱部材が、シート状密閉容器内に前記潜熱蓄熱材を充填した構成とされて、全体としてシート状をなすように作られ、そのシート状の蓄熱部材が、前記電池容器の外面に密着して取り付けられていることを特徴とするものである。 Furthermore, the secondary battery according to the third aspect of the present invention is the secondary battery according to any one of the first and second aspects, wherein the heat storage member is filled with the latent heat storage material in a sheet-like sealed container. The sheet-like heat storage member is attached in close contact with the outer surface of the battery container.
このような第3の態様の二次電池においては、シート状の蓄熱部材が電池容器の外面に取り付けられるため、電池本体内部の構造自体は変更する必要がなく、そのため電池製造ラインの変更や設計変更等のためのコスト上昇を招くこともなく、また既存の電池についても容易に適用することができる。 In such a secondary battery of the third aspect, since the sheet-like heat storage member is attached to the outer surface of the battery container, there is no need to change the structure itself inside the battery body, and therefore, the change or design of the battery production line The present invention can be easily applied to existing batteries without incurring a cost increase due to changes or the like.
そしてまた本発明の第4の態様の組電池は、前記第1〜第3のいずれかの態様の二次電池の複数のものが枠体内に収容されていることを特徴とするものである。 The assembled battery according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of the secondary batteries according to any one of the first to third aspects are accommodated in a frame.
このような第5の態様の組電池において、枠体内の各電池の電池容器には、前述のような蓄熱部材が取り付けられているため、枠体内のいずれかの電池が異常発熱した場合、その電池やその周囲の電池の温度が急激に上昇して熱暴走に至ってしまうことを防止でき、またその組電池内でいずれかの電池が発火して火災が生じてしまった場合でも、直ちに消火、延焼防止を図ることができる。 In the assembled battery of the fifth aspect, since the heat storage member as described above is attached to the battery container of each battery in the frame, if any battery in the frame abnormally generates heat, It is possible to prevent the temperature of the battery and the surrounding battery from suddenly rising and leading to thermal runaway, and even if any battery ignites in the assembled battery and a fire occurs, immediately extinguish the fire, It is possible to prevent the spread of fire.
さらに本発明の第5の態様の二次電池用シート状蓄熱部材は、シート状密閉容器内に、加熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材が充填されて、全体としてシート状をなすように作られていることを特徴とするものである。 Furthermore, the sheet-like heat storage member for a secondary battery according to the fifth aspect of the present invention is filled with a latent heat storage material made of inorganic acetate or inorganic hydrogen carbonate that generates CO 2 gas by thermal decomposition in a sheet-like sealed container. Thus, it is characterized in that the sheet is formed as a whole.
本発明によれば、過充電や過放電などによって電池に異常発熱が生じた場合に、その発熱によって急激に電池温度が上昇してしまうことを抑制して、熱暴走を防止すると同時に、仮に熱暴走によって発火して火災に至ってしまった場合でも、消火あるいは延焼防止を図ることができる。 According to the present invention, when abnormal heat generation occurs in the battery due to overcharge, overdischarge, etc., the battery temperature is prevented from suddenly rising due to the heat generation, thereby preventing thermal runaway and at the same time temporarily Even if a fire occurs due to a runaway, a fire can be extinguished or fire spread can be prevented.
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1には、本発明の第1の実施形態の二次電池を示す。
この実施形態では、電池本体1は、例えば扁平な薄型箱状をなす電池容器3内に、1または2以上の電池セル構成要素として、図示しない1または2以上の正極、および1または2以上の負極、さらに電解質が収容されている。そして電池容器3の一つの面3A(図示の例では上面に相当するから、以下この面を上面3Aと指称する)からは、それぞれ電池容器3内の正極および負極に連続する一対の電極端子(正極端子および負極端子)5A、5Bが突出している。ここまでの構成は、従来の一般的なリチウムイオン電池などの二次電池と同様であれば良く、その詳細は省略する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a secondary battery according to a first embodiment of the present invention.
In this embodiment, the battery
前記電池容器3の各外面のうち、幅広な一つの側面3Bには、本発明における特徴的なシート状蓄熱部材7が、密着状態で貼着されている。このシート状蓄熱部材7は、図2に示すように、全体として扁平でかつ中空なシート状密閉容器9の内部空間に、熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材11を充填して密封した構成とされている。
ここで図2の例では、シート状密閉容器9は、例えばポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、アルミラミネートフィルムなどからなる2枚の薄膜9A、9Bの周縁部分を重ね合わせて接着あるいは融着などにより接合して、全体として扁平な袋状とされている。そして、2枚の薄膜9A、9Bのうちの一方の薄膜9Bの外面が、適宜の接着剤により電池容器3の側面に貼着されている。
The sheet-like
Here, in the example of FIG. 2, the sheet-like sealed
前記シート状蓄熱部材7におけるシート状密閉容器9の材質としては、潜熱蓄熱材の加熱による分解温度より低く、しかも過放電や過充電による異常発熱時において蓄熱するに最適な温度域(60〜120℃程度)よりも高い融点を有するものが望ましい。またシート状密閉容器9の材質は、電池容器3の外面に密着した状態で貼着し得るように、柔軟性を有する軟質な樹脂が好ましいが、場合によっては比較的硬質なものも許容される。具体的には、柔軟性を有する樹脂としては、前述のポリ塩化ビニルのほか、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレンなど、また比較的硬質なものとしてはエポキシ樹脂、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート、アクリル樹脂や、ポリエチレン又はポリプロピレンシートの表面をアルミ箔で積層したアルミラミネートフィルムなどを用いることができる。
ここで、シート状密閉容器9の構造は、図2の例では2枚の薄膜9A、9Bを重ね合わせて周縁部を接合したものとしているが、チューブの両端を閉じて扁平に加工したものであっても良く、さらには扁平な箱型に成形したものであっても良い。
The material of the sheet-
Here, in the example of FIG. 2, the structure of the sheet-like
シート状密閉容器9の内部空間に充填される潜熱蓄熱材11は、加熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなるものであればよいが、特に60℃程度の温度に加熱されたときに融解を開始して、潜熱により蓄熱する機能を発揮するものが適切である。そこで潜熱蓄熱材11としては、その融点が55℃程度以上のものを使用することが望ましい。
ここで潜熱蓄熱材の溶融温度が50℃未満、特に40℃未満の場合、電池本体が過充電や過放電により異常発熱していない場合でも、自動車の電池室内温度などの周囲温度によって潜熱蓄熱材が溶融してしまうおそれがある。そしてこの場合、潜熱蓄熱材が蓄えた熱を冷却時に放出するため、高い温度で電池が長時間保持されてしまうという不都合が生じる。
一方、潜熱蓄熱材の融点が、120℃程度、特に150℃程度を超えるような高い温度の場合、過充電や過放電による異常発熱が生じても、異常発熱の初期段階で潜熱蓄熱材の溶融が生じないため、異常発熱による初期の温度上昇を抑制することが困難となる。
そこで、潜熱蓄熱材としては、融点または吸熱温度が40〜150℃の範囲内の温度のものを選択することが望ましい。またその範囲内でも、融点または吸熱温度が50〜120℃の範囲内にあるものが好ましい。
一方、熱暴走が生じてしまった場合の消火、延焼防止機能を充分に発揮させるためには。潜熱蓄熱材として、その分解温度が200〜400℃程度の範囲内のものを選択することが望ましい。すなわち分解温度が200℃程度未満の場合、未だ火災発生に至っていない段階で分解して、火災に対する消火、延焼防止の効果が期待できなくなるおそれがあり、一方分解温度が400℃程度を超える場合、火災発生初期に潜熱蓄熱材が分解せず、消火、延焼防止機能を充分に発揮できなくなくなるおそれがある。
The latent
Here, when the melting temperature of the latent heat storage material is less than 50 ° C., particularly less than 40 ° C., even if the battery main body does not generate abnormal heat due to overcharge or overdischarge, the latent heat storage material depends on the ambient temperature such as the battery compartment temperature of the automobile. May melt. In this case, since the heat stored in the latent heat storage material is released during cooling, there is a disadvantage that the battery is held at a high temperature for a long time.
On the other hand, if the melting point of the latent heat storage material is a high temperature exceeding about 120 ° C., particularly about 150 ° C., even if abnormal heat generation occurs due to overcharge or overdischarge, the latent heat storage material melts at the initial stage of abnormal heat generation. Therefore, it is difficult to suppress an initial temperature rise due to abnormal heat generation.
Therefore, it is desirable to select a latent heat storage material having a melting point or endothermic temperature in the range of 40 to 150 ° C. Also within that range, those having a melting point or endothermic temperature in the range of 50 to 120 ° C. are preferred.
On the other hand, in order to fully demonstrate the fire extinguishing and fire spread prevention functions when a thermal runaway occurs. It is desirable to select a latent heat storage material having a decomposition temperature in the range of about 200 to 400 ° C. That is, if the decomposition temperature is less than about 200 ° C, it may decompose at a stage where a fire has not yet occurred, and there is a risk that fire extinguishing against fire and prevention of fire spread may not be expected, while if the decomposition temperature exceeds about 400 ° C, There is a risk that the latent heat storage material will not be decomposed in the early stage of the fire, and the fire extinguishing and fire spread prevention functions cannot be fully exhibited.
これらの好ましい条件を満たし、しかも潜熱蓄熱量(融解熱量)も充分に大きい物質としては、無機炭酸塩である酢酸ナトリウムもしくはその水和物があり、本発明においても潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウムもしくはその水和物を使用することが望ましい。 As a substance that satisfies these preferable conditions and has a sufficiently large latent heat storage amount (heat of fusion), there is sodium acetate or its hydrate, which is an inorganic carbonate. It is desirable to use hydrates.
酢酸ナトリウムは、化学式CH3COONaと表され、その水和物としては3水和物、すなわちCH3COONa・3H2Oが代表的である。
ここで、酢酸ナトリウム3水和物は、その融点が58℃であって、その融解熱量は、264kJ/kgであり、特許文献2に記載されているパラフィン系の潜熱蓄熱材の融解熱量(157kJ/kg)よりも格段に大きい。またこの酢酸ナトリウム3水和物は、加熱された場合に、120〜250℃程度で無水物となり、さらに、324℃で、吸熱反応として分解して、CO2ガスを発生する。その分解反応は次の(1)式に示す通りである。
CH3COONa・3H2O→NaCH3+CO2↑+3H2O ・・・(1)
また酢酸ナトリウムの無水物の融点は324℃であって、そのままでは不適当であるが、3モル相当以上の水に溶解させることにより融点を低下させ、酢酸ナトリウム3水和物と同様に使用することが可能である。すなわち酢酸ナトリウム無水物を水に溶解させた水溶液の融点は、40℃〜58℃に調節することができる。なおその場合の分解反応は(1)式に準じ、分解に伴って前記同様にCO2ガスを発生する。
したがって、酢酸ナトリウム(無水物)、酢酸ナトリウム3水和物は、いずれも本発明において潜熱蓄熱材として好適である。
Sodium acetate is represented by the chemical formula CH 3 COONa, and its hydrate is typically trihydrate, that is, CH 3 COONa · 3H 2 O.
Here, the melting point of sodium acetate trihydrate is 58 ° C., the heat of fusion is 264 kJ / kg, and the heat of fusion of the paraffin-based latent heat storage material described in Patent Document 2 (157 kJ). / Kg). Further, when heated, this sodium acetate trihydrate becomes anhydrous at about 120 to 250 ° C., and further decomposes as an endothermic reaction at 324 ° C. to generate CO 2 gas. The decomposition reaction is as shown in the following formula (1).
CH 3 COONa · 3H 2 O → NaCH 3 + CO 2 ↑ + 3H 2 O (1)
The anhydrous sodium acetate has a melting point of 324 ° C. and is unsuitable as it is, but the melting point is lowered by dissolving in 3 mol or more of water, and it is used in the same manner as sodium acetate trihydrate. It is possible. That is, the melting point of an aqueous solution in which sodium acetate anhydride is dissolved in water can be adjusted to 40 ° C to 58 ° C. In this case, the decomposition reaction follows the formula (1), and CO 2 gas is generated in accordance with the decomposition as described above.
Accordingly, sodium acetate (anhydride) and sodium acetate trihydrate are both suitable as the latent heat storage material in the present invention.
酢酸ナトリウムもしくはその水和物以外の潜熱蓄熱材としては、無機炭酸水素塩である炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)、炭酸水素カルシウム(Ca(HCO3)2)、炭酸水素カリウム(KHCO3)などを使用することができる。
ここで、炭酸水素ナトリウムは、その融点が270℃であるが、その水溶液は50℃以上で徐々に吸熱分解し、CO2ガスを発生する。またその粉末(固体)は、270℃において、次の(2)式によって、吸熱反応として分解し、CO2ガスを発生する。
2NaHCO3→Na2CO3+CO2↑+H2O ・・・(2)
したがって炭酸水素ナトリウムは、その水溶液と粉末との混合スラリーとして使用することができる。
また炭酸水素カルシウムは、固体では存在せずに水溶液として存在するため、実際には炭酸カルシウムを水に溶解させて利用する。炭酸カルシウムの融点は825℃であるが、その水溶液は、100〜200℃において、次の(3)式によって、吸熱反応として分解し、CO2ガスを発生する。
Ca(HCO3)→CaCO3+CO2↑+H2O ・・・(3)
さらに炭酸水素カリウムは、その融点が100℃〜200℃であり、100℃以上において、次の(4)式によって、吸熱反応として分解し、CO2ガスを発生する。
2KHCO3→K2CO3+CO2↑+H2O ・・・(4)
したがってこれらのいずれも、水溶液又は水中に固体が分散したスラリーとして、本発明における潜熱蓄熱材として使用することが可能である。
一方、無機酢酸塩としては、前記酢酸ナトリウムのほか、酢酸カリウム1.5水和物(融点42℃)、酢酸マグネシウム(融点80℃)、酢酸リチウム(融点70℃)などを使用することが可能である。
Examples of latent heat storage materials other than sodium acetate or hydrates thereof include inorganic hydrogen carbonates such as sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), calcium hydrogen carbonate (Ca (HCO 3 ) 2 ), and potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ). Can be used.
Here, sodium hydrogen carbonate has a melting point of 270 ° C., but the aqueous solution gradually undergoes endothermic decomposition at 50 ° C. or higher to generate CO 2 gas. The powder (solid) is decomposed as an endothermic reaction at 270 ° C. according to the following equation (2) to generate CO 2 gas.
2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + CO 2 ↑ + H 2 O (2)
Therefore, sodium bicarbonate can be used as a mixed slurry of the aqueous solution and powder.
In addition, calcium bicarbonate does not exist as a solid but exists as an aqueous solution, so in practice calcium carbonate is dissolved in water and used. The melting point of calcium carbonate is 825 ° C., but the aqueous solution is decomposed as an endothermic reaction by the following formula (3) at 100 to 200 ° C. to generate CO 2 gas.
Ca (HCO 3 ) → CaCO 3 + CO 2 ↑ + H 2 O (3)
Furthermore, potassium bicarbonate has a melting point of 100 ° C. to 200 ° C., and decomposes as an endothermic reaction by the following formula (4) at 100 ° C. or higher to generate CO 2 gas.
2KHCO 3 → K 2 CO 3 + CO 2 ↑ + H 2 O (4)
Therefore, any of these can be used as a latent heat storage material in the present invention as a slurry in which a solid is dispersed in an aqueous solution or water.
On the other hand, as the inorganic acetate, potassium acetate hemihydrate (melting point 42 ° C.), magnesium acetate (melting point 80 ° C.), lithium acetate (melting point 70 ° C.), etc. can be used in addition to the sodium acetate. It is.
なお、シート状密閉容器9内に充填される潜熱蓄熱材11の形態は特に限定されるものではなく、その潜熱蓄熱材の種類、物性に応じて、粉末、あるいは水などの適切な溶媒に溶解させた溶液もしくはスラリー、さらには粉末を圧縮成形したバルク形状などを適用することができる。
The form of the latent
以上のような第1の実施形態の二次電池を実際に使用している間に、過充電もしくは過放電により電池本体1に異常発熱が生じれば、電池容器3からの熱が、その側面3Bからシート状密閉容器9に加えられ、その内部の僭越蓄熱材11、例えば酢酸ナトリウム3水和物が加熱される。そしてその温度が僭越蓄熱材11の融点以上となれば、僭越蓄熱材11が溶融して、その融解潜熱により、異常発熱の熱を吸収し、急激な温度上昇を抑制することができる。
さらに、仮に熱暴走が生じて発火してしまった場合でも、その燃焼熱による高温で僭越蓄熱材11が分解し、CO2ガスを発生して、そのCO2ガスが燃焼個所への酸素の供給を阻止し、同時に分解時の吸熱反応によって周囲の温度の上昇を抑え、消火もしくは延焼防止の効果を発揮する
While the secondary battery of the first embodiment as described above is actually used, if abnormal heat generation occurs in the
Furthermore, even if the thermal runaway had ignited occurs, the presumptuous
図3には、本発明の第2の実施形態の二次電池を示す。なおこの第2の実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、電池容器3におけるシート状蓄熱部材7の貼着位置だけであり、したがってそれに関する事項以外の説明は省略する。
FIG. 3 shows a secondary battery according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the difference from the first embodiment is only the attachment position of the sheet-like
図3において、シート状蓄熱部材7は、電池容器3の上面3A、すなわち電極端子(正極端子および負極端子)5A、5Bが設けられた面に、密着状態で貼着されている。
ここで、過充電や過放電による異常発熱時の熱は、主として電池容器3内の図示しない正極、負極から電極端子5A、5Bに伝えられるから、電池容器3の外面のうち電極端子5A、5Bが設けられた上面3Aが最も急激かつ高温に加熱されるのが通常である。したがって図3に示すように、上面3Aにシート状蓄熱部材7を貼着しておくことによって、過充電や過放電による異常発熱の熱を直ちに吸収して、電池本体1の急激な温度上昇を抑制する効果が大きくなる。
In FIG. 3, the sheet-like
Here, heat at the time of abnormal heat generation due to overcharge or overdischarge is mainly transmitted from the positive electrode and the negative electrode (not shown) in the
図4には、本発明の第3の実施形態として、図3に示される二次電池(電池本体1)を多数組み込んだ組電池15を示す。
図4において、全体として矩形をなす枠体13内には、多数の電池本体1が収容されて、全体として組電池15が構成されている。枠体13は、その一方の面(図示の例では上面)が開放されている。そして各電池本体1の配列状態は、各電池本体1における電極端子5A、5Bが設けられた面(上面3A)が、上方(枠体13における開放側)に向くように定められている。そして各電池本体1には、図3に示したと同様に、それぞれ電池容器3における電極端子5A、5Bが設けられた上面3Aにシート状蓄熱部材7が貼着されている。なお、実際の組電池においては、各電池本体1の電極端子間が導線によってパラレルもしくはシリーズに接続されるが、図4ではその導線については省略している。
このように、多数の電池からなる組電池15においても、各電池がシート状蓄熱部材7を備えていることにより、前述のような過充電や過放電による異常発熱時に、急速な温度上昇を抑制して、熱暴走の発生を防止することができるとともに、仮に熱暴走に至って発火してしまった場合でも、消火もしくは延焼防止を図ることができる。
FIG. 4 shows an assembled
In FIG. 4, a large number of battery
Thus, even in the assembled
図5には、本発明の第4の実施形態の二次電池を示す。
この実施形態においては、潜熱蓄熱材11を充填したシート状蓄熱部材7を、電池本体1における電池容器3の内側に配置した構成としている。すなわち図5に示す電池本体1は、通常の二次電池と同様に、電解質が収容された電池容器3の内側に、複数の正極板17と、複数のセパレータ19と、複数の負極板21とが交互に積層されて、隣り合う正極板17、セパレータ19、負極板21によって一つの電池セル23が構成され、全体として複数の電池セル23からなる積層電池とされている。そして、前記と同様なシート状密閉容器9内に、加熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材11が充填されてなるシート状蓄熱部材7が、近接する二つのセパレータ17の間に挟まれた状態で設けられている。このように、シート状蓄熱部材7を電池本体1の内部に配置した場合でも、シート状蓄熱部材7の潜熱蓄熱材11は、既に述べたような機能を発揮することができる。
なお図5の例では、シート状蓄熱部材7を、セパレータ17の間に挟んだ構成としているが、そのほか、例えば電池容器3の内側面に沿うように配置してもよく、その配置は任意に変更することが可能である、
FIG. 5 shows a secondary battery according to a fourth embodiment of the present invention.
In this embodiment, the sheet-like
In the example of FIG. 5, the sheet-like
以下に本発明の実施例を記す。 Examples of the present invention will be described below.
〔実施例1〕
この実施例1は、潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウム3水和物の粉末を適用した例である。
すなわち、酢酸ナトリウム3水和物の粉末を、ポリエチレンシートからなる図2に示すようなシート状密閉容器(壁厚は0.1mm)に封入して、シート状蓄熱部材とした。これを図1に示すような電池本体(リチウムイオン電池)の側面に、接着剤として耐熱両面テープを用いて貼着した。そして実際に過充電を行なって60℃以上の温度の過熱状態を生起させたところ、急激な温度上昇が抑えられることが確認された。また、電池本体が熱暴走するまで過充電を行い、電池本体を発火させたところ、シート状密閉容器が一部溶融すると同時に、酢酸ナトリウムが分解して発生したCO2ガスが噴出し、火勢が弱められることが確認された。
[Example 1]
Example 1 is an example in which sodium acetate trihydrate powder was applied as a latent heat storage material.
That is, the powder of sodium acetate trihydrate was sealed in a sheet-like airtight container (wall thickness is 0.1 mm) made of a polyethylene sheet as shown in FIG. This was affixed to the side of a battery body (lithium ion battery) as shown in FIG. 1 using a heat-resistant double-sided tape as an adhesive. And when it overcharged actually and the overheating state of the temperature of 60 degreeC or more was produced, it was confirmed that the rapid temperature rise is suppressed. In addition, when the battery body was overcharged until the battery body was out of control, and the battery body was ignited, the sheet-like sealed container partially melted, and at the same time, the CO 2 gas generated by decomposition of sodium acetate spouted out, It was confirmed that it was weakened.
〔実施例2〕
この実施例2は、潜熱蓄熱材として酢酸ナトリウムの水溶液を適用した例である。
すなわち、酢酸ナトリウムの60重量%水溶液を、ポリエチレンシートからなる図2に示すようなシート状密閉容器(壁厚は0.1mm)に封入して、シート状蓄熱部材とした。これを図1に示すようなリチウムイオン電池の側面に、接着剤として耐熱両面テープを用いて貼着した。そして実際に過充電を行なって60℃以上の温度の過熱状態を生起させたところ、急激な温度上昇が抑えられることが確認された。また、電池本体が熱暴走するまで過充電を行い、電池本体を発火させたところ、シート状密閉容器が一部溶融すると同時に、酢酸ナトリウムが分解して発生したCO2ガスが噴出し、火勢が弱められることが確認された。
[Example 2]
Example 2 is an example in which an aqueous solution of sodium acetate is applied as a latent heat storage material.
That is, a 60% by weight aqueous solution of sodium acetate was sealed in a sheet-like airtight container (wall thickness is 0.1 mm) made of a polyethylene sheet as shown in FIG. This was stuck to the side of a lithium ion battery as shown in FIG. 1 using a heat-resistant double-sided tape as an adhesive. And when it overcharged actually and the overheating state of the temperature of 60 degreeC or more was produced, it was confirmed that the rapid temperature rise is suppressed. In addition, when the battery body was overcharged until the battery body was out of control, and the battery body was ignited, the sheet-like sealed container partially melted, and at the same time, the CO 2 gas generated by decomposition of sodium acetate spouted out, It was confirmed that it was weakened.
〔実施例3〕
この実施例3は、潜熱蓄熱材として酢酸カリウム・1.5水和物の粉末を適用した例である。
すなわち、酢酸カリウム・1.5水和物の粉末を、ポリエチレンシートからなる図2に示すようなシート状密閉容器(壁厚は0.1mm)に封入して、シート状蓄熱部材とした。これを図1に示すようなリチウムイオン電池の側面に、接着剤として耐熱両面テープを用いて貼着した。そして実際に過充電を行なって60℃以上の温度の過熱状態を生起させたところ、急激な温度上昇が抑えられることが確認された。また、電池本体が熱暴走するまで過充電を行い、電池本体を発火させたところ、シート状密閉容器が一部溶融すると同時に、酢酸カリウム・1.5水和物が分解して発生したCO2ガスが噴出し、火勢が弱められることが確認された。
Example 3
Example 3 is an example in which potassium acetate 1.5 hydrate powder was applied as a latent heat storage material.
That is, the powder of potassium acetate 1.5 hydrate was enclosed in a sheet-like airtight container (wall thickness is 0.1 mm) made of a polyethylene sheet as shown in FIG. This was stuck to the side of a lithium ion battery as shown in FIG. 1 using a heat-resistant double-sided tape as an adhesive. And when it overcharged actually and the overheating state of the temperature of 60 degreeC or more was produced, it was confirmed that the rapid temperature rise is suppressed. Further, when the battery main body was overcharged until the thermal runaway occurred, and the battery main body was ignited, the sheet-like sealed container partially melted, and at the same time, the CO 2 generated by decomposition of potassium acetate · 1.5 hydrate. It was confirmed that gas was ejected and the fire was weakened.
〔実施例4〕
この実施例4は、潜熱蓄熱材として炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)の水溶液と粉末とを混合したスラリーを適用した例である。
すなわち、炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)の40重量%水溶液スラリーを、ポリエチレンシートからなる図2に示すようなシート状密閉容器(壁厚は0.1mm)に封入して、シート状蓄熱部材とした。これを図1に示すようなリチウムイオン電池の側面に、接着剤として耐熱両面テープを用いて貼着した。そして実際に過充電を行なって60℃以上の温度の過熱状態を生起させたところ、急激な温度上昇が抑えられることが確認された。また、電池本体が熱暴走するまで過充電を行い、電池本体を発火させたところ、シート状密閉容器が一部溶融すると同時に、炭酸水素ナトリウムが分解して発生したCO2ガスが噴出し、火勢が弱められることが確認された。
Example 4
Example 4 is an example in which a slurry obtained by mixing an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) and powder as a latent heat storage material is applied.
That is, a 40% by weight aqueous solution slurry of sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) was sealed in a sheet-like airtight container (wall thickness is 0.1 mm) made of a polyethylene sheet as shown in FIG. 2 to obtain a sheet-like heat storage member. . This was stuck to the side of a lithium ion battery as shown in FIG. 1 using a heat-resistant double-sided tape as an adhesive. And when it overcharged actually and the overheating state of the temperature of 60 degreeC or more was produced, it was confirmed that the rapid temperature rise is suppressed. Moreover, when the battery body was overcharged until thermal runaway occurred, and the battery body was ignited, the sheet-like sealed container partially melted, and at the same time, CO 2 gas generated by decomposition of sodium hydrogen carbonate was blown out, and the fire Was confirmed to be weakened.
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。 The preferred embodiments and examples of the present invention have been described above. However, these embodiments and examples are merely examples within the scope of the present invention, and do not depart from the spirit of the present invention. Thus, addition, omission, replacement, and other changes of the configuration are possible. That is, the present invention is not limited by the above description, is limited only by the scope of the appended claims, and can be appropriately changed within the scope.
1 電池本体
3 電池容器
5A,5B 電極端子
7 シート状蓄熱部材
9 シート状密閉容器
11 潜熱蓄熱材
13 枠体
15 組電池
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電池本体に取り付けられ、加熱分解によってCO2ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材と、
を有してなることを特徴とする二次電池。 A battery body in which a positive electrode and a negative electrode are housed in a battery container;
A heat storage member including a latent heat storage material made of inorganic acetate or inorganic hydrogen carbonate attached to the battery body and generating CO 2 gas by thermal decomposition;
A secondary battery comprising:
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