JP2014183013A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ内蔵で、かつ、充分な膨らみ対策が施された電池パックを提供する。
【解決手段】この電池パック１００は、外装ケース１０１と、外装ケース１０１の内面に設けられた断熱材１０２と、電池容器に収容された二次電池の単セル（Ｂ）が複数個並んで構成され、断熱材１０２に囲まれた状態で外装ケース１０１内に設けられた組電池１０３と、組電池１０３と接してこれを加熱するヒータ１０４と、単セルが並ぶ方向の両端に設けられ、単セルが当該方向に膨らんだ場合に組電池全体での膨らみを吸収する弾性体１０５とを備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、二次電池の単セルを複数個並べて、組電池を構成した電池パックに関する。

二次電池の単セルは、一般に、発電要素である正極、負極、及び、電解液（電解質）を電池容器に収容して構成されている。この電池容器は、充電時に内圧が若干増大して膨出変形を生じる場合がある。そこで、このような膨出変形を抑制する容器形状についての提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

また、例えばリチウムイオン電池は常温で動作するが、寒冷地で使用する場合には、ヒータが必要な場合もある（例えば、特許文献２参照。）。
一方、近年、常温では固体電解質で、５７℃以上に加熱することで溶融して電解液となることにより電池として稼働する溶融塩電池が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。溶融塩電池は、電解液が不燃性であるという強力な利点を有している。但し、安定した動作のためには例えば９０〜９５℃が好適であり、従って、溶融塩電池には、ヒータによる加熱が不可欠である。

実用新案登録第３００１８２３号 特許第４９２５６８０号

「ＳＥＩ ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社

例えば上記の溶融塩電池を用いて電池パックを構成するには、内部にヒータが必要であり、膨らみ対策が充分に必要であるが、まだ、具体的な提案はなされていない。
かかる課題に鑑み、本発明は、ヒータ内蔵で、かつ、充分な膨らみ対策が施された電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、外装ケースと、前記外装ケースの内面に設けられた断熱材と、電池容器に収容された二次電池の単セルが複数個並んで構成され、前記断熱材に囲まれた状態で前記外装ケース内に設けられた組電池と、前記組電池と接してこれを加熱するヒータと、前記単セルが並ぶ方向の端部及び途中の少なくとも一方に設けられ、前記単セルが当該方向に膨らんだ場合に前記組電池全体での膨らみを吸収する弾性体とを備えている。

上記のように構成された電池パックでは、単セルが、その並びの方向に膨らんだ場合に組電池全体での膨らみを弾性体により吸収することができる。従って、電池容器のいびつな変形や外装ケースの膨らみを防止することができる。また、外装ケース、断熱材及びヒータにより、組電池を所望の温度に加熱又は維持することができる。

本発明によれば、ヒータ内蔵で、かつ、充分な膨らみ対策が施された電池パックを提供することができる。

溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。 溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す斜視図である。 図２と同様の構造についての横断面図である。 電池容器に収容された状態の溶融塩電池（単セル）の外観の概略を示す斜視図である。 電池パックの一形態を示す縦断面図である。 電池パックの他の形態を示す縦断面図である。 電池パックが電源として電気自動車に搭載された状態を示す図である。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
（１）まず、電池パックは、外装ケースと、前記外装ケースの内面に設けられた断熱材と、電池容器に収容された二次電池の単セルが複数個並んで構成され、前記断熱材に囲まれた状態で前記外装ケース内に設けられた組電池と、前記組電池と接してこれを加熱するヒータと、前記単セルが並ぶ方向の両端に設けられ、前記単セルが当該方向に膨らんだ場合に前記組電池全体での膨らみを吸収する弾性体とを備えている。

上記のように構成された電池パックでは、単セルが並びの方向に膨らんだ場合に組電池全体での膨らみを弾性体により吸収することができる。従って、電池容器のいびつな変形や外装ケースの膨らみを防止することができる。また、外装ケース、断熱材及びヒータにより、組電池を所望の温度に加熱又は維持することができる。

（２）また、前記（１）の電池パックにおいて、前記ヒータは、厚さ方向に圧縮可能な弾性を有するシートヒータであり、互いに隣接する所定の前記単セルの間、及び、互いに隣接する前記単セルと前記弾性体との間の少なくとも一方に設けられていることが好ましい。
この場合、シートヒータは、加熱のみならず、単セルの膨らみ吸収に寄与する。

（３）また、前記（１）又は（２）の電池パックにおいて、前記弾性体は、前記単セルが並ぶ方向に、自由な状態での所定の厚さを確保したゴム状又はスポンジ状の物体であってもよい。
この場合、弾性体は、膨らみの出やすい単セルが並ぶ方向に、充分な弾性変形量を確保することができる。また、このような弾性体は、一定の断熱効果をも有する。

（４）また、前記（２）の電池パックにおいて、前記シートヒータは、前記組電池全体の底面及び側面の少なくとも一方にも接するように設けられていてもよい。
この場合、底面又は側面からまんべんなく組電池を加熱することができる。

（５）また、前記（１）〜（４）のいずれかの電池パックにおいて、前記二次電池は溶融塩を電解質とする溶融塩電池であってもよい。
溶融塩電池を稼働させるには加熱が必要であり、例えば充電時には前記方向への膨らみが生じるので、膨らみの吸収と保温に適した当該電池パックが特に好適である。

［実施形態の詳細］
初めに、本発明の一実施形態に係る電池パックに使用する溶融塩電池について説明する。
《溶融塩電池の基本構造》
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。

正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質としての例えばＮａＣｒＯ_２と、アセチレンブラックと、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンとを、質量比８５：１０：５：１００の割合で混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、１００ＭＰａにてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質としての例えば錫を含むＳｎ−Ｎａ合金が、メッキにより形成される。

正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、ガラスの不織布（厚さ２００μｍ）又はポリオレフィンシート（厚さ５０μｍ）に電解質としての溶融塩を含浸させたものである。この溶融塩は、例えば、ＮａＦＳＡ（ナトリウム・ビスフルオロスルフォニルアミド）５６ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム・ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％との混合物であり、融点は５７℃である。融点以上の温度では、溶融塩は溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液となって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。この溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃である。

なお、上述した各部の材質・成分や数値は好適な一例であるが、これらに限定されるものではない。
例えば、溶融塩としては、上記の他、ＮａＦＳＡと、ＬｉＦＳＡ、ＫＦＳＡ、ＲｂＦＳＡ又はＣｓＦＳＡとの混合物も好適である。また、有機カチオン等よりなる他の塩を混合する場合もあり、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡ（ナトリウム・ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド）を含む混合物、（ｃ）ＮａＦＴＡ（ナトリウム・フルオロスルフォニル−トリフルオロメチルスルフォニルアミド）を含む混合物、が適する。また、（ａ）〜（ｃ）のうち２以上を混合することも可能である。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で高濃度のイオンが溶解した状態を実現し、溶融塩電池を作動させることができる。

《溶融塩電池の具体的構造》
次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す斜視図、図３は同様の構造についての横断面図である。
図２及び図３において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図３における上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。

セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。

なお、図３では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。

《実用上の単セル》
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の電池容器に収容され、単セル（単電池／素電池）すなわち、電池としての物理的な一個体を成す。
図４は、このような電池容器１１に収容された状態の溶融塩電池Ｂの外観の概略を示す斜視図である。なお、図２，図３における正極１及び負極２のそれぞれからは、端子１ｔ及び２ｔが電池容器１１の外部へ、電池容器１１との絶縁を保って引き出される。電池容器１１の内面には絶縁処理が施されており、電池容器１１は、内部の溶融塩電池本体１０とは電気的に絶縁されている。

《電池パックの一形態》
図５は、電池パック１００の一形態を示す縦断面図である。
図において、Ｘ−Ｙ−Ｚの方向は、図４に対応する。図５において、電池パック１００は、外装ケース１０１と、断熱材１０２と、組電池１０３と、ヒータ１０４と、弾性体１０５とを備えている。外装ケース１０２は全体の形状を維持できる剛性（固さ）のあるものであればよく、例えばアルミニウム合金である。断熱材１０２は、外装ケース１０１の内面全体（６面）に設けられている。なお、図示は省略しているが、外装ケース１０１及び断熱材１０２は、例えば、本体部と蓋部とに分かれるか、あるいは、上下２分割できるスプリット構造であることにより、内部の保守が可能となっている。例えば、故障した単セルを取り替えることも可能である。

組電池１０３は、溶融塩電池Ｂの単セルが複数個（例えば、図示しているのは１４個）Ｙ方向に並んで構成され、断熱材１０２に囲まれた状態で外装ケース１０１内に設けられている。なお、溶融塩電池Ｂの数は、必要とする電圧又は電流により異なる。ヒータ１０４は、例えばシリコンゴムを基材として電熱線を埋め込んだシートヒータ（例えば厚さ３ｍｍ程度）であり、組電池１０３（又は溶融塩電池Ｂ）と接して、これを加熱する。基材の性質により、ヒータ１０４も一定の弾性を有する。

図５の例では、ヒータ１０４は、組電池１０３のＹ方向の両端と、中央と、底面とに設けられているが、これは一例に過ぎない。例えば、一定数の溶融塩電池Ｂごとにヒータ１０４を挟むようにしてもよいし、底面には設けないという構成や、Ｙ−Ｚ平面に平行な側面から（すなわち横から）組電池１０３全体に押し当てる、という構成も可能である。隣接する溶融塩電池Ｂ間に挟むヒータの設けた方は、熱が効率よく溶融塩電池Ｂに伝わる。一方、底面やＹ−Ｚ平面に平行な側面にヒータを押し当てる設けた方は、まんべんなく組電池１０３を加熱することができる。

弾性体１０５は、Ｙ方向すなわち、溶融塩電池Ｂが並ぶ方向に弾性変形（圧縮及び回復）が可能であり、断熱性も有している。材質としては、例えば、ゴム状物質（例えばシリコンゴム）、スポンジ状物質（例えばシリコン系スポンジ）が適する。弾性体１０５は、溶融塩電池Ｂが並ぶ方向に、自由な状態での所定の厚さ（例えば２〜３ｃｍ程度）を確保する。これにより、弾性体１０５は、膨らみの出やすいＹ方向に、充分な弾性変形量を確保することができる。また、このような弾性体１０５は、一定の断熱効果をも有する。
なお、Ｘ方向、Ｚ方向への膨らみは、Ｙ方向に比べて非常に少ないため、特に対策を要しない。

上記のように構成された電池パック１００では、溶融塩電池Ｂがその並びの方向に膨らんだ場合に、組電池１０３全体での膨らみを弾性体１０５により吸収することができる。
従って、電池容器１１のいびつな変形や外装ケース１０１の膨らみを防止することができる。また、外装ケース１０１、断熱材１０２及びヒータ１０４により、組電池１０３を所望の温度に加熱又は維持することができる。
また、膨らみの出易いＹ方向に直交するヒータ１０４は、加熱のみならず、自らの弾性によって膨らみ吸収にも寄与する。

なお、仮に、上記のような膨らみの吸収ができない場合は、電池容器１１のいびつな変形が生じて、その結果、取り出しが困難となる。従って、膨らみが吸収できることによって保守性を確保することができる。

なお、図５の構成の変形例として、左右いずれか一方の弾性体１０５を省略して他方の弾性体１０５を、より分厚くしてもよい。
また、弾性体１０５に接するヒータ１０４は、弾性体１０５の表層に一体的に設けることも可能である。
さらに、以下のような他の形態も可能である。

《電池パックの他の形態》
図６は、電池パック１００の他の形態を示す縦断面図である。
図５との違いは、弾性体１０５をＹ方向の両端側に左右一対で配置するのではなく、Ｙ方向の中央にまとめて１つ配置し、この弾性体１０５の左右両面と、それに隣接する溶融塩電池Ｂとの間に、ヒータ１０４を挟む構成とした点である。

図６のように構成された電池パック１００では、図５の構成と同様に、溶融塩電池Ｂが並びの方向に膨らんだ場合に、組電池１０３全体での膨らみを弾性体１０５により吸収することができる。
従って、電池容器１１のいびつな変形や外装ケース１０１の膨らみを防止することができる。また、外装ケース１０１、断熱材１０２及びヒータ１０４により、組電池１０３を所望の温度に加熱又は維持することができる。
また、膨らみの出易いＹ方向に直交するヒータ１０４は、加熱のみならず、自らの弾性によって膨らみ吸収にも寄与する。

なお、図６のようにＹ方向の中央に弾性体１０５を設ける構成と、図５のように組電池１０３のＹ方向の両端（又は片端）に弾性体１０５を設ける構成とを、組み合わせることも可能である。
要するに、弾性体１０５は、単セル（溶融塩電池Ｂ）が並ぶ方向の端部及び途中の少なくとも一方に設けられ、単セルが当該方向に膨らんだ場合に組電池１０３全体での膨らみを吸収することができればよい。

《電池パックの用途》
図７は、例えば電気自動車２００に電池パック１００を搭載した図である。
この場合、電池パック１００は、内部で組電池全体での膨らみを吸収し、また、組電池を所望の温度に維持することができるので、電気自動車２００の電源として安定動作し、保守も容易である。
また、電池パック１００は、電気自動車以外にも、フォークリフト等の産業用車両も含めた電気推進車両全般に、走行・荷役等の主電動機駆動用の電源として好適である。さらに、船舶や航空機も含めた移動体に搭載される電源として好適である。

また、電池パック１００は、移動体ではなく定置用途に使用することもできることは言うまでもない。この場合も、電池パック１００は、内部で組電池全体での膨らみを吸収し、また、組電池を所望の温度に維持することができるので、電気設備の電源として安定動作し、保守も容易である。

《その他》
なお、上記実施形態では、二次電池として溶融塩電池を用いた電池パックについて説明した。溶融塩電池を稼働させるには加熱が必要であり、また、充電時には単セルの並びの方向への膨らみが生じるので、膨らみの吸収と保温に適した当該電池パック１００が特に好適である。但し、このような電池パック１００の単セルは、必ずしも溶融塩電池に限定されるものではなく、例えば寒冷地で使用するリチウムイオン電池等の電池パックとしても使用可能である。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１００ 電池パック
１０１ 外装ケース
１０２ 断熱材
１０３ 組電池
１０４ ヒータ
１０５ 弾性体
Ｂ 溶融塩電池（単セル）

Claims (5)

1. 外装ケースと、
   前記外装ケースの内面に設けられた断熱材と、
   電池容器に収容された二次電池の単セルが複数個並んで構成され、前記断熱材に囲まれた状態で前記外装ケース内に設けられた組電池と、
   前記組電池と接してこれを加熱するヒータと、
   前記単セルが並ぶ方向の端部及び途中の少なくとも一方に設けられ、前記単セルが当該方向に膨らんだ場合に前記組電池全体での膨らみを吸収する弾性体と
   を備えている電池パック。
2. 前記ヒータは、厚さ方向に圧縮可能な弾性を有するシートヒータであり、互いに隣接する所定の前記単セルの間、及び、互いに隣接する前記単セルと前記弾性体との間の少なくとも一方に設けられている請求項１に記載の電池パック。
3. 前記弾性体は、前記単セルが並ぶ方向に、自由な状態での所定の厚さを確保したゴム状又はスポンジ状の物体である請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 前記シートヒータは、前記組電池全体の底面及び側面の少なくとも一方にも接するように設けられる請求項２に記載の電池パック。
5. 前記二次電池は溶融塩を電解質とする溶融塩電池である請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池パック。

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