JP2014007080A - 電池ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】 放電時にエネルギーの放電を安全に効率よく行うことができる電池ユニットを提供する。
【解決手段】本発明の電池ユニットは、二次電池列１５の一方側の端に配された（第１）二次電池１Ａと、二次電池列の他端の端部に配された（第２）二次電池１Ｂとを備え、（第１）二次電池は、接続部材により他の二次電池と接続されていない（末端）正極端子１３Ａを有し、（第２）二次電池は、接続部材により他の二次電池と接続されていない末端負極端子１４Ｂを有し、末端正極端子と末端負極端子は、水又は水溶液に接触しても不導体皮膜を形成しない皮膜無形成金属材料を露出した状態であり、接続部材（バスバー２１）は、導電部と、導電部の表面に形成され前記導電部を水又は水溶液から離間させる皮膜層とを有する。
【選択図】図４
【解決手段】本発明の電池ユニットは、二次電池列１５の一方側の端に配された（第１）二次電池１Ａと、二次電池列の他端の端部に配された（第２）二次電池１Ｂとを備え、（第１）二次電池は、接続部材により他の二次電池と接続されていない（末端）正極端子１３Ａを有し、（第２）二次電池は、接続部材により他の二次電池と接続されていない末端負極端子１４Ｂを有し、末端正極端子と末端負極端子は、水又は水溶液に接触しても不導体皮膜を形成しない皮膜無形成金属材料を露出した状態であり、接続部材（バスバー２１）は、導電部と、導電部の表面に形成され前記導電部を水又は水溶液から離間させる皮膜層とを有する。
【選択図】図４
Description
本発明は電池ユニットに関する。
電動車両は、複数のリチウムイオン電池からなる電池ユニットを備える。電池ユニットでは、複数の電池がそれぞれバスバーによって直列接続されている。このような電池ユニットでは、正極端子にはアルミニウムまたはその合金、負極端子には銅またはその合金が用いられ、また、バスバーとしては、例えば銅または銅合金が用いられるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、電動車両では、万一電動車両が事故を起こした場合には電池から放電を行う必要がある。電池の放電方法としては、例えば、海水などの溶液中に単電池を浸漬させる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。単電池を溶液中に浸漬させることで、水中をイオンが動いて電池がショートすることで放電が行われている。
上述したような放電方法を単電池ではなく電池ユニットに適用するために電池ユニットを水又は水溶液に浸漬させて放電させようとすると、放電が進行しないことがある。これは、正極端子のアルミニウムに皮膜が形成されてしまうことで、電池の放電が行われにくくなるからである。また、放電時にバスバーに用いられている銅が水と反応することで水素が発生してしまうことがあるため、安全性をより向上させることが求められている。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、放電時にエネルギーの放電を安全に効率よく行うことができる電池ユニットを提供しようとするものである。
本発明の電池ユニットは、複数の二次電池と、一方の二次電池の正極端子と他方の二次電池の負極端子とを接続する接続部材とを有し、該接続部材により前記複数の電池が直列に接続されて二次電池列を構成している電池ユニットであって、二次電池列の一方側の端に配された第１二次電池と、二次電池列の他端の端部に配された第２二次電池とを備え、前記第１二次電池は、前記接続部材により他の二次電池と接続されていない末端正極端子を有し、前記第２二次電池は、前記接続部材により他の二次電池と接続されていない末端負極端子を有し、前記末端正極端子と前記末端負極端子は、水又は水溶液に接触しても不導体皮膜を形成しない皮膜無形成金属材料を露出して構成され、前記接続部材は、導電部と、導電部の表面に形成され前記導電部を水又は水溶液から離間させる皮膜層とを有することを特徴とする。
本発明では、前記末端正極端子と前記末端負極端子は、水又は水溶液に接触しても不導体皮膜を形成しない皮膜無形成金属材料を露出して構成されることで、末端の端子において不導体皮膜が形成されないことから、効率的に放電を行うことが可能である。また、前記接続部材は、導電部と、少なくとも液体中で導電部の表面に形成されている皮膜層とを有することで接続部材からの水素の発生を抑制できる。
前記末端正極端子を構成する皮膜無形成金属材料は、水素よりもイオン化傾向が大きいことが好ましい。水素よりもイオン化傾向が大きいことで、効率的に電池の放電を促進することが可能である。
前記末端負極端子を構成する皮膜無形成金属材料は、水素よりもイオン化傾向が小さいことが好ましい。水素よりもイオン化傾向が小さいことで、皮膜無形成金属材料の溶出を抑制することができる。
前記接続部材は、水又は水溶液に接触するとその表面に不導体皮膜が形成されて前記皮膜層とすることができる皮膜形成金属材料を露出した状態であり、該皮膜形成金属材料を前記導電部として有することが好ましい。このような皮膜形成金属材料を用いることで、簡易に接続部材を構成することができると共に放電時においてのみ効率的に水素の発生を抑制することができる。
前記二次電池列を構成する二次電池のうち、前記第１二次電池以外の二次電池の正極端子及び前記第２二次電池以外の二次電池の負極端子は、水又は水溶液中でその表面に不導体皮膜が形成される皮膜形成金属材料を露出した状態であることが好ましい。前記第１二次電池以外の二次電池の正極端子及び前記第２二次電池以外の二次電池の負極端子は、水又は水溶液中でその表面に不導体皮膜が形成される皮膜形成金属材料を露出した状態であることで、これらの端子からの水素の発生を抑制することができる。
本発明の好ましい実施形態としては、前記末端正極端子では、アルミからなる第１電極部と、該第１電極部の先端に鉄を含有する第２電極部とを有し、前記二次電池列を構成する他の二次電池の正極端子はアルミからなり、前記末端負極端子は銅を含有し、前記二次電池列を構成する他の二次電池の負極端子はアルミからなり、前記接続部材は、アルミからなる導電部を有することが挙げられる。
前記第１二次電池と、前記第２二次電池とは隣接して設置されていることが好ましい。このように設置されることで、電池の放電をより効率的に行うことが可能である。
本発明の電池ユニットによれば、放電時にエネルギーの放電を安全に効率よく行うことができるという効果を奏し得る。
図１に示すように、車載用の電池パック（電池ユニット）１０は、例えば、電気自動車である電動車両Ｉの底部（フロア下）に搭載される。電池パック１０には、二次電池（リチウムイオン二次電池）が搭載されて、電動車両Ｉの走行用モータ等に電力を供給する。
図２〜図３を用いて電池パックについて詳細に説明する。電池パック１０は、電池パックケース２を有する。電池パックケース２内部には、二次電池１が整列されて配置されている。具体的には、図２に示すように、電池パックケース２の長手方向に沿って複数の二次電池１が列設されており、二次電池１の列が二列形成されている。
二次電池１は、略直方体形状のケース１１と、ケース１１の開口部に配されてケース１１を封止する蓋部１２とを備える。ケース１１内部は電解液によって満たされており、電極体がこの電解液中に浸漬されている。電極体は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層し、これを巻回することで構成されている。
負極板は、通常用いられる負極活物質を含む。通常用いられる負極活物質としては、通常用いられる活物質、例えば金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、および黒鉛等の炭素系材料等を挙げることができる。金属酸化物としては、例えばスズ酸化物やケイ素酸化物などの不可逆性容量をもつものが挙げられる。炭素系材料としての黒鉛としては、人造黒鉛であっても天然黒鉛であっても良い。
正極板は、通常用いられる正極活物質を含む。正極板は、通常用いられる正極材料からなる。通常用いられる正極材料としては、例えばリチウムを吸蔵および放出可能な金属酸化物、例えば層状構造型の金属酸化物、スピネル型の金属酸化物及び金属化合物、金属酸化物などが挙げられる。層状構造型の金属酸化物としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、三元系複合酸化物（ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）が挙げられる。リチウムニッケル系複合酸化物としては、好ましくはニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）が挙げられる。リチウムコバルト系複合酸化物としては、好ましくはコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）が挙げられる。スピネル型の金属酸化物としては、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等のリチウムマンガン系複合酸化物が挙げられる。金属酸化物としては、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、リン酸マンガンリチウム（ＬｉＭｎＰＯ４）、リン酸シリコンリチウム等が挙げられる。
正極板及び負極板にはそれぞれさらにバインダーが含有されていてもよく、例えばポリフッ化ビニリデンを用いることができる。なお、活物質層にはアセチレンブラック等の導電性向上剤、電解質（例えば、リチウム塩（支持電解質）、イオン伝導性ポリマー等）が含まれていてもよい。また、イオン伝導性ポリマーが含まれる場合には、前記ポリマーを重合させるための重合開始剤が含まれてもよい。
電解液は、通常用いられる電解質、例えば環状炭酸エステルであるエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートと、また、鎖状炭酸エステルでありジメチルカーボネートやエチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートとの混合溶液に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル濃度程度溶解した有機電解液が挙げられる。
各二次電池１の蓋部１２には正極端子１３と、負極端子１４とが設けられている。本実施形態では、正極端子１３及び負極端子１４はアルミからなる。正極端子１３及び負極端子１４は、それぞれ蓋部１２を貫通してケース１１の内部にまで延設されて、正極端子１３には、電極体の正極板が接続される。また、負極端子１４には電極体の負極板が接続される。このように構成されることで、電解液中の電極体でリチウムイオンが移動することにより充放電が行われ、この充放電による電流を各端子から取り出すことが可能である。
二次電池１は、一つの列において、隣り合う二次電池同士は、正極端子１３と負極端子１４とが交互に隣接するように配されている。即ち、各列において、正極端子１３と負極端子１４とが交互に二次電池１の列設方向に配されるように、二次電池１がその向きを変えて配置されている。
バスバー２１は、アルミからなる上面視において矩形状の板状部材であり、長手方向の端部に二つの貫通孔２２を有している。各貫通孔２２を一つの電池の正極端子１３と、隣接する電池の負極端子１４とを挿入し嵌合させることで、同列間で隣接する各二次電池１を直列に接続している。列設されている二次電池の列の端部に位置する二次電池１Ｘは、異なる列に位置するがその短手方向において隣接する二次電池１Ｙとバスバー２１により接続されている。即ち、電池パック１０において、このバスバー２１により、それぞれ隣接する二次電池１の負極端子１４と正極端子１３とが接続され、全ての二次電池１が直列接続された二次電池列１５（図４参照）を形成している。
直列接続されている二次電池列１５の両端に配されている二次電池（第１二次電池）１Ａと二次電池（第２二次電池）１Ｂでは、それぞれ正極端子（末端正極端子）１３Ａ、負極端子（末端負極端子）１４Ｂはバスバー２１に接続されていない。これらの正極端子１３Ａ、負極端子１４Ｂは、図示しない電動車両に搭載された電装系ユニット（例えばインバータ）に接続されて、電装系ユニットに電力を供給できるように構成されている。
正極端子１３Ａは、アルミからなる第１正極端子部１６と、第１正極端子部１６の先端に第１正極端子部１６と同一径で設けられた鉄からなる第２正極端子部１７とを有する。
本実施形態では、電池パック１０は上述のように端子及びバスバーが構成されていることから、電池パック１０は大きな出力を得ることができる電動車両Ｉの電力源として機能することができる。
また、電池パック１０では、電池パック１０を水中に浸漬させてエネルギー放出を行う際に効率的に二次電池１内に残存した電力を放出することができ、かつ、電力放出時の水素の発生を抑制することが可能である。以下、この点について図４を用いて説明する。
図４は、本実施形態における直列に接続された二次電池列１５における構造を概念的に示すものである。直列に二次電池１が接続された二次電池列１５の一方側の末端に配された二次電池１Ａでは、正極端子１３Ａにはバスバー２１が接続されておらず、負極端子１４がバスバー２１により下流側の隣接する二次電池１と接続されている。また、直列に接続された二次電池１の他方側の末端に配された二次電池１Ｂでは、負極端子１４Ｂがバスバー２１には接続されておらず、正極端子１３がバスバー２１により上流側の隣接する二次電池１と接続されている。上述のように、二次電池１では、各端子はそれぞれ電極体における正極２３、負極２４に接続されているので、図４中概念的にその様子を示している。
このような二次電池列１５を有する電池パック１０のエネルギーを安全に放出させる場合、電池パック１０を水中に浸漬することが考えられる。電池パック１０を水中に浸漬した場合、正極端子１３Ａの先端の第２正極端子部１７の表面において、鉄（Ｆｅ）イオンが水中に溶け出す。第２正極端子部１７の表面で鉄イオンが発生することで発生した電子（ｅ）が第２正極端子部１７から正極２３側に移動する。
一方で、第２正極端子部１７から電子が正極２３側に移動することで、リチウム（Ｌｉ）イオンが負極２４側から正極２３側に移動するので、このリチウムイオンと正極２３に移動してきた電子とが反応する。
リチウムイオンが負極２４側から放出されたことにより、負極２４から電子が負極端子１４、バスバー２１を介して隣接する二次電池１の正極端子１３に向かって移動する。
そして、隣接する二次電池１に電子が入力されることで、隣接する二次電池１では負極２４からリチウムイオンが放出され、これにより放出された電子がさらに隣接する二次電池１の正極端子１３に移動する。
そして、末端の二次電池１Ｂでは、隣接した二次電池１の負極端子１４から電子が正極端子１３に流入することで、二次電池１Ｂでは負極２４から正極２３に向かってリチウムイオンが放出される。リチウムイオンが放出されたことで、負極２４から負極端子１４Ｂへ電子が流れ、負極端子１４Ｂの先端表面で電子が水素（Ｈ）イオンと反応する。これにより、二次電池列１５からエネルギーが放出される。
このようにして、本実施形態では二次電池列１５において効率的に電池パック１０からエネルギーを放出することが可能である。即ち、二次電池列１５における末端の二次電池１Ｂの負極端子１４Ｂを、他の二次電池１と同様にアルミから構成すると、二次電池１Ｂでは負極端子１４Ｂに皮膜２５が形成されてしまい、電子が水素イオンと反応しにくいため、効率的にエネルギーを放出することができない。また、二次電池列１５における末端の二次電池１Ａの正極端子１３Ａを、他の二次電池１と同様にアルミのみから構成すると、二次電池１Ｂでは正極端子１３に皮膜２５が形成されてしまい、正極端子１３Ａ側で電子が発生しにくくなり、電子の正極２３への流入が生じにくいのでエネルギー放出が行われにくい。
そこで本実施形態では、二次電池１Ａの正極端子１３Ａの先端に鉄からなる第２正極端子部１７を設けて、鉄イオンが発生して電子が正極２３に流入するように構成すると共に、負極端子１４Ｂには銅を用いることで、電子が水素と反応しやすいように構成されている。これにより、効率的に電子が二次電池列１５において流れるのでエネルギー放出を効率的に行うことができる。
また、本実施形態では、第１正極端子部１６、正極端子１３、負極端子１４及びバスバー２１はそれぞれアルミからなり、水中ではアルミ表面には酸化アルミニウムである皮膜２５が形成されている。皮膜２５が形成されることで、バスバー２１、正極端子１３及び負極端子１４において電子が水中の水素イオンと反応して水素が発生されることが抑制される。この場合に、負極端子１４Ｂ表面では電子が水素イオンと反応することで水素が発生するが、他の負極端子１４はアルミからなり表面には皮膜２５が形成されることで電子が水素イオンと反応しにくいので水素が発生しにくい。水素の発生量は水素イオンと反応する金属量によるが、本実施形態では端子等の表面に皮膜２５が形成されることで極力水素イオンと反応しないように構成されている。従って、本実施形態では、エネルギー放出時において水素の発生量が少ない。
上述したように効率的にエネルギーを放出しつつ、かつ水素の発生量を抑制するためには、負極端子１４Ｂは、水又は水溶液に接触しても表面に不導体皮膜を形成しない金属（皮膜無形成金属材料）を表面に露出させていることが挙げられる。皮膜を形成する金属である場合には、負極端子の表面に皮膜を形成してしまい、電子が水素と反応できずにエネルギー放出が十分に行われない可能性がある。また、負極端子１４Ｂを構成する溶液中で表面に不導体皮膜を形成しない金属は、水素よりもイオン化傾向が小さくて溶出しにくいものであると好ましい。水素イオンよりもイオン化傾向が高いと、端子部が溶出して電池内部に溶液が浸入するおそれがあるからである。このような金属としては、銅、銀、金、白金などが挙げられ、本実施形態では上述のように銅を用いている。
また、正極端子１３Ａは、水又は水溶液に接触しても表面に不導体皮膜を形成しない金属を表面に露出させていることが挙げられる。不導体皮膜を形成すると、水中で鉄イオンを放出しにくいからである。また、正極端子１３Ａは、水素よりもイオン化傾向が大きいことが好ましい。水素よりもイオン化傾向が小さいと十分に水中で反応して電子を正極２３に流入させることができないからである。また、このような金属としては、鉄や鉛が挙げられるが、鉛は適用しにくいため、本実施形態に挙げた鉄が好ましい。
なお、上記正極端子１３Ａ及び負極端子１４Ｂについては不導体皮膜を形成しない金属としたが、これらの金属を用いた合金から構成してもよい。
本実施形態では、正極端子１３Ａの先端に第２正極端子部１７を設けたが、正極端子１３Ａの少なくとも一部に第２正極端子部１７としての機能、即ち鉄イオンが発生して電子が正極２３に流入するように構成すればよい。例えば、正極端子１３Ａ全体を鉄で構成することも可能であり、また、正極端子１３Ａの基端部、即ち蓋部１２側に第２正極端子部１７を設けてもよい。
バスバー２１としては、電子と水中の水素とを反応させないように、導電部の表面に形成され前記導電部を水又は水溶液から離間させる皮膜層が形成されているものであればよい。皮膜層に覆われている金属、例えば表面を完全に樹脂などの絶縁物で覆った電線を用いてもよく、水中において表面に皮膜層を有し、この皮膜層により導電部を水又は水溶液から離間（隔絶）させるものであればよい。例えばバスバー２１をチタン、亜鉛、マグネシウム、アルミ等を用いて構成することで、導電部としてこれらの金属が機能すると共に、水又は水溶液に浸漬させた場合に被膜層が形成されることで導電部を水又は水溶液から隔絶できる。本実施形態ではアルミを用いてバスバー２１としている。
このような本実施形態の電池を水に浸漬させた場合には放電を効率的に行うことができたが、全ての端子がアルミからなる電池の場合には、水に浸漬させたとしても１ヶ月以上放電することができなかった。これは全ての端子がアルミからなる電池では、末端の正極端子及び負極端子にも皮膜層が形成されたからであり、本実施形態の電池のように末端の正極端子及び負極端子には水又は水溶液に接触しても皮膜層が形成されない金属を用いることが好ましいことが分かった。
さらにまた本実施形態では、図２に示すように、正極端子１３Ａと負極端子１４Ｂとが隣接するように二次電池１Ａ、１Ｂが設置されている。このように正極端子１３Ａと負極端子１４Ｂとが近接して設置されていることで、より効率的に二次電池列１５においてエネルギーが放出されてやすい。従って、本実施形態ではより効率的にエネルギーを放出することが可能である。
本実施形態では、電池パックを水に浸漬させることでエネルギー放出を行ったが、これに限定されない。海水など、水を主成分とする水溶液中に浸漬させることでエネルギー放出を行うことができる。
本実施形態では、電気自動車を例として説明したが、これに限定されない。ハイブリッド車両等に用いられる電池パックに適用することも可能である。
１ 二次電池
２ 電池パックケース
１０ 電池パック
１１ ケース
１２ 蓋部
１３ 正極端子
１４ 負極端子
１５ 二次電池列
１６ 第１正極端子部
１７ 第２正極端子部
２１ バスバー
２２ 貫通孔
２３ 正極
２４ 負極
２５ 皮膜
２ 電池パックケース
１０ 電池パック
１１ ケース
１２ 蓋部
１３ 正極端子
１４ 負極端子
１５ 二次電池列
１６ 第１正極端子部
１７ 第２正極端子部
２１ バスバー
２２ 貫通孔
２３ 正極
２４ 負極
２５ 皮膜
Claims (7)
- 複数の二次電池と、一方の二次電池の正極端子と他方の二次電池の負極端子とを接続する接続部材とを有し、該接続部材により前記複数の電池が直列に接続されて二次電池列を構成している電池ユニットであって、
二次電池列の一方側の端に配された第１二次電池と、二次電池列の他端の端部に配された第２二次電池とを備え、
前記第１二次電池は、前記接続部材により他の二次電池と接続されていない末端正極端子を有し、
前記第２二次電池は、前記接続部材により他の二次電池と接続されていない末端負極端子を有し、
前記末端正極端子と前記末端負極端子は、水又は水溶液に接触しても不導体皮膜を形成しない皮膜無形成金属材料を露出した状態であり、
前記接続部材は、導電部と、導電部の表面に形成され前記導電部を水又は水溶液から離間させる皮膜層とを有することを特徴とする電池ユニット。 - 前記末端正極端子を構成する皮膜無形成金属材料は、水素よりもイオン化傾向が大きいことを特徴とする請求項１記載の電池ユニット。
- 前記末端負極端子を構成する皮膜無形成金属材料は、水素よりもイオン化傾向が小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の電池ユニット。
- 前記接続部材は、水又は水溶液に接触するとその表面に不導体皮膜が形成されて前記皮膜層とすることができる皮膜形成金属材料を露出した状態であり、該皮膜形成金属材料を前記導電部として有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池ユニット。
- 前記二次電池列を構成する二次電池のうち、前記第１二次電池以外の二次電池の正極端子及び前記第２二次電池以外の二次電池の負極端子は、水又は水溶液中でその表面に不導体皮膜が形成される皮膜形成金属材料を露出した状態であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池ユニット。
- 前記末端正極端子では、アルミからなる第１電極部と、該第１電極部の先端に鉄を含有する第２電極部とを有し、前記二次電池列を構成する他の二次電池の正極端子はアルミからなり、
前記末端負極端子は銅を含有し、前記二次電池列を構成する他の二次電池の負極端子はアルミからなり、
前記接続部材は、アルミからなる導電部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池ユニット。 - 前記第１二次電池と、前記第２二次電池とは隣接して設置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池ユニット。
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