JP2018106982A - 自己冷却機能付き二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の安全弁とは別個の機能として、電池内部の熱暴走に対する自己冷却機能を発揮可能な自己冷却機能付き二次電池を提供する。【解決手段】自己冷却機能付き二次電池１は、筐体４の一部を貫通させて構成された流入通路１３と、流入通路を一時的にシールされた状態に維持する閉塞部材１４と、閉塞部材を覆うように設けられた冷却剤層１５と、冷却剤層の全体を覆うように設けられた保護層１６と、を有する。筐体の内部で熱暴走が発生した際、閉塞部材が溶融して流入通路が開口する。冷却剤層から冷却剤が、流入通路を通って筐体の内部に流入する。これにより、筐体の内部での熱暴走を冷却させる。【選択図】図６

Description

本発明は、電池内部の熱暴走に対する自己冷却機能を発揮可能な自己冷却機能付き二次電池に関する。

近年、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車をはじめ、各種の電動車両が実用化されている。当該電動車両に搭載された駆動用バッテリには、充電可能な二次電池が多数収容されている。かかる二次電池は、高いエネルギ密度を有し、長寿命であり、かつ、出力特性に優れている。

特開２０１０−１８２４６０号公報

ところで、二次電池は、例えば、短絡や過充電などによる温度上昇を引き起こす可能性がある。そして、温度上昇の程度によっては、電池内部の熱暴走に至る虞がある。そうなると、電解液が熱せられて膨張することで、二次電池の安全弁が作動（破裂）する場合がある。この場合、破裂した安全弁から可燃性の電解液が噴出し、これにより、周辺構成ないし周辺環境に影響を与えることは否めない。

本発明の目的は、既存の安全弁とは別個の機能として、電池内部の熱暴走に対する自己冷却機能を発揮可能な自己冷却機能付き二次電池を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明の自己冷却機能付き二次電池は、筐体の一部を貫通させて構成された流入通路と、流入通路を一時的にシールされた状態に維持する閉塞部材と、閉塞部材を覆うように設けられた冷却剤層と、冷却剤層の全体を覆うように設けられた保護層と、を有する。筐体の内部で熱暴走が発生した際、閉塞部材が溶融して流入通路が開口する。冷却剤層から冷却剤が、流入通路を通って筐体の内部に流入する。これにより、筐体の内部での熱暴走を冷却させる。

本発明によれば、既存の安全弁とは別個の機能として、電池内部の熱暴走に対する自己冷却機能を発揮可能な自己冷却機能付き二次電池を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る自己冷却機能付き二次電池の仕様の一例を示す斜視図。 自己冷却機能付き二次電池の内部構成を一部断面して示す斜視図。 図２の自己冷却構造を模式的に示す斜視図。 自己冷却構造の断面図。 （ａ）〜（ｇ）は、自己冷却構造の製造プロセスを示す図。 電池内部の熱暴走の様子を模式的に示す断面図。 自己冷却機能が発揮されている様子を模式的に示す断面図。

「一実施形態」
図１に示すように、自己冷却機能付き二次電池１（以下、二次電池１と言う）の仕様として、電動車両２（例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車）には、駆動用バッテリ３（以下、電池パック３と言う）が搭載されている。図面では一例として、電池パック３は、車体２ａの下回りに搭載されている。電池パック３には、多数の二次電池１が収容されている。二次電池１は、充電可能に構成されている。

図２に示すように、二次電池１は、例えば、金属製の筐体４と、負極５と、正極６と、セパレータ７と、図示しない電解液と、負極端子８と、正極端子９と、安全弁１０と、を有している。なお、二時電池１には、後述する自己冷却構造１１が構築されている。

筐体４は、中空の立方体形状を有している。筐体４の内部には、中空の収容（空間）領域４ａが構成されている。収容（空間）領域４ａは、筐体４の外部に対して液密（気密）的に密閉（密封）された状態に維持されている。収容（空間）領域４ａには、負極５と、正極６と、セパレータ７と、電解水と、が収容されている。なお、筐体４は、立方体形状に限定されることは無く、他の形状（例えば、円筒、多角柱）であってもよい。

収容（空間）領域４ａにおいて、負極５と正極６とは、交互に対向させて配置されている。セパレータ７は、絶縁性を有している。セパレータ７は、負極５と正極６との間に配置されている。セパレータ７は、負極５と正極６との間を絶縁している。なお、電解水には、二次電池１に適用可能な既製品が用いられるため、ここでは特に限定しない。

負極端子８及び正極端子９は、それぞれ、筐体４に固定されている。負極端子８は、上記した負極５に電気的に接続されている。正極端子９は、上記した正極６に電気的に接続されている。

安全弁１０は、筐体４に設けられている。安全弁１０は、例えば、筐体４の一部を薄肉化させて構成されている。安全弁１０は、例えば、筐体４の内部の温度（圧力）が所定レベルを越えた際に動作（破裂）して、当該筐体４の破裂を防止可能に構成されている。安全弁１０は、予め設定された温度帯域で、開弁可能に構成されている。ここで、予め設定された温度帯域としては、例えば、２００℃以上に設定することができる。

「自己冷却構造１１」
図３〜図４に示すように、自己冷却構造１１は、筐体４の外周（面）４ｓに沿って構築されている。図面では一例として、自己冷却構造１１は、筐体４の外周（面）４ｓの全体のうち、負極端子８及び正極端子９を回避した部分（領域）に沿って構築されている。なお、安全弁１０は、自己冷却構造１１を回避した部分（領域）に配置されている。これにより、自己冷却構造１１の影響を受けること無く、安全弁１０としての機能を発揮させることができる。

自己冷却構造１１は、例えば、短絡や過充電などにより、筐体４の内部で熱暴走が発生した際に、冷却剤１２（図７参照）を筐体４の内部に流入させて冷却可能に構成されている。これにより、周辺構成ないし周辺環境に与える影響を未然に防止（抑制）することが可能となる。

自己冷却構造１１は、流入通路１３と、閉塞部材１４と、冷却剤層１５と、保護層１６と、を備えている。以下具体的に説明する。

「流入通路１３」
流入通路１３は、筐体４の一部を貫通させて構成されている。流入通路１３は、筐体４の内部と外部とを相互に連通可能な開口（孔）として構成されている。図面では一例として、３つの流入通路１３が示されている。即ち、筐体４の側面、正面、底面に１つずつ流入通路１３が設けられている。

ここで、例えば、１つの流入通路１３だけでは、密閉（密封）された筐体４の内部（収容（空間）領域４ａ）に冷却剤をスムーズに流入させることが困難である。よって、少なくとも２つの流入通路１３を設けることが好ましい。ただし、流入通路１３の個数は、筐体４の強度との関係で設定されるため、ここでは特に限定しない。

更に、流入通路１３を設ける場所（位置）としては、例えば、熱暴走が発生する可能性の高い場所（位置）に対して、なるべく接近させた場所（位置）に設定することが好ましい。これにより、冷却剤を熱暴走発生元に向けて効率よく短時間に流入させることができる。この結果、冷却時間を大幅に短縮化させることができる。

更に、流入通路１３の大きさや形状は、例えば、筐体４の大きさや形状、或いは、冷却剤の種類などに応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。図面では一例として、円形の流入通路１３が示されている。円形は、外圧を均等に分散可能な形状であって、変形し難い形状である。これにより、円形の流入通路１３は、常に一定の形状（輪郭）に維持可能となる。

「閉塞部材１４」
上記した流入通路１３は、閉塞部材１４によって液密（気密）的及び一時的にシールされた状態に維持されている。閉塞部材１４は、流入通路１３に付加（取付）可能に構成されている。付加（取付）方法としては、例えば、閉塞部材１４を流入通路１３に嵌め込んだり、圧入したり、接着したりする方法などが適用可能である。また、付加（取付）方向としては、例えば、筐体４の外部（外周（面）４ｓ側）から閉塞部材１４を流入通路１３に付加したり、或いは、筐体４の内部（内側）から閉塞部材１４を流入通路１３に付加したりする方法が適用可能である。

要するに、閉塞部材１４によって流入通路１３が液密（気密）的にシールされた状態に維持できれば、どのような付加（取付）方法であってもよい。なお、閉塞部材１４の材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレンなどの素材を適用することができる。

更に、閉塞部材１４としては、例えば、蓋や栓などのキャップ製品を適用することが可能である。閉塞部材１４は、筐体４の内部に冷却剤を流入させる際に、溶解（融解）可能に構成されている。閉塞部材１４は、予め設定された温度帯域で、溶解（融解）可能に構成されている。ここで、予め設定された温度帯域としては、例えば、１００℃〜１２０℃以上に設定することができる。

「冷却剤層１５」
冷却剤層１５は、筐体４の外周（面）４ｓに沿って設けられている。冷却剤層１５は、筐体４の外周（面）４ｓに隣接させて設けられている。冷却剤層１５は、上記した閉塞部材１４に対向させて設けられている。冷却剤層１５は、閉塞部材１４を覆うように設けられている。冷却剤層１５は、吸水（保水）性部材１７と、上記した冷却剤１２と、を備えている。

吸水（保水）性部材１７として、例えば、スポンジなどの多孔質部材を適用することができる。多孔質部材は、内部に細かな孔が無数に空いた多孔質の柔らかい部材である。多孔質部材は、液体に浸すことで、孔内の空気と置換される形で液体を吸い取り可能に構成されている。同時に、多孔質部材は、外部からの力により、吸い取った液体を容易に放出可能に構成されている。

他の吸水（保水）性部材１７としては、例えば、寒天、ゼラチン、シリカゲルなどの類に含まれるゲルを適用することができる。ゲルは、コロイド溶液が流動性を失い、多少の弾性と固さをもってゼリー状に固化したものである。

冷却剤１２は、吸水（保水）性部材１７に含浸させて構成されている。この場合、冷却剤１２としては、例えば、ジブロモメタン（二臭化メタン）、ブロモホルム（四臭化炭素）などを主成分としたもの適用することができる。ジブロモメタン（二臭化メタン）は、例えば、１１０℃以上で気化される。ブロモホルム（四臭化炭素）は、例えば、１５０℃から２００℃程度で気化される。かかる冷却剤１２は、例えば、加熱（燃焼）により高温環境に晒されると、分解して気化（例えば、エアロゾル化、ミスト化）する特性を有している。

他の冷却剤１２としては、例えば、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウムなどのアルカリ性吸熱物質を主成分としたもの、或いは、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム、硫酸アンモニウムなどの酸性吸熱物質を主成分としたもの、などを適用することができる。

なお、冷却剤層１５の容量（例えば、吸水（保水）性部材１７に含浸させる冷却剤１２の容量）については、例えば、筐体４の内部（収容（空間）領域４ａ）の広さ（大きさ）や、冷却剤１２の種類（例えば、冷却性能）などに応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。要するに、冷却剤層１５の容量は、筐体４の内部の熱暴走を冷却するのに充分な程度に設定される。

「保護層１６」
保護層１６は、冷却剤層１５の全体を覆うように設けられている。保護層１６は、例えば、耐熱性、耐久性、耐衝撃性に優れた材料（保護材）で構成されている。保護材としては、例えば、ガラス、セラミックなどの素材を適用することができる。

かかる保護層１６によれば、例えば、外的要因（圧力、衝撃）により冷却剤層１５が破損して、冷却剤１２が外部に漏洩するといった事態を回避することができる。更に、かかる保護層１６によれば、例えば、筐体４の内部の熱暴走に際し、外部への放熱を遮断することができる。

「自己冷却機能付き二次電池１の製造方法」
図５には、二次電池１の製造方法のうち、自己冷却構造１１を、筐体４の外周に沿って構築するプロセス（ａ）〜（ｇ）が示されている。かかるプロセスに際し、二次電池１の中身（例えば、負極５、正極６、セパレータ７、電解液、負極端子８、正極端子９）は、筐体４に収容されていない。換言すると、筐体４のみに対して、後述する第１〜第７プロセス（ａ）〜（ｇ）が施される。

第１プロセス（ａ）において、筐体４の予め設定した位置に２つの流入通路１３を構成する。そして、各々の流入通路１３に閉塞部材１４を付加してシールする。

第２プロセス（ｂ）において、閉塞部材１４を覆うように、吸水（保水）性部材１７を筐体４に固定する。なお、固定方法としては、例えば、接着、ネジ止めなど、既存の方法を適用することができる。

第３プロセス（ｃ）において、吸水（保水）性部材１７と共に、筐体４を、冷却剤１２を溶解させた冷却剤溶液１８に浸漬する。冷却剤１２を、吸水（保水）性部材１７に含浸させて、冷却剤層１５を構成させる。

第４プロセス（ｄ）において、筐体４を冷却剤溶液１８から引き出した後、冷却剤層１５、即ち、吸水（保水）性部材１７を乾燥させる。このとき、例えば、常温、又は、加熱による自然乾燥が行われる。加熱する場合には、例えば、閉塞部材１４が溶融しない程度の温度に設定する。

第５プロセス（ｅ）において、乾燥済みの吸水（保水）性部材１７と共に、筐体４を、保護材を溶解させた保護材溶液１９に浸漬する。吸水（保水）性部材１７の全体を覆うように保護層１６をコーティングする。

第６プロセス（ｆ）において、筐体４を保護材溶液１９から引き出した後、保護層１６を乾燥させる。このとき、例えば、常温、又は、加熱による自然乾燥が行われる。加熱する場合には、例えば、閉塞部材１４が溶融しない程度の温度に設定する。

第７プロセス（ｇ）において、各種の仕上げ処理が行われた後、自己冷却機能付き二次電池１が完成する。

「自己冷却機能付き二次電池１の作用（特長）」
二次電池１の通常運転時（熱暴走に至る以前）において、筐体４の内部の圧力Ｐ１と、冷却剤層１５の内部の圧力Ｐ２とは、Ｐ１＝Ｐ２なる関係に維持されている。このとき、筐体４の内部の温度Ｔ１（例えば、Ｔ１＜８０℃）と、冷却剤層１５の内部の温度Ｔ２とは、Ｔ１＝Ｔ２なる関係に維持されている。

図６に示すように、例えば、短絡や過充電などにより筐体４の内部で熱暴走が発生した状態（際）において、筐体４の内部の圧力Ｐ１と、冷却剤層１５の内部の圧力Ｐ２とは、Ｐ１＜Ｐ２なる関係となる。このとき、筐体４の内部の温度Ｔ１（例えば、１２０℃＜Ｔ１）と、冷却剤層１５の内部の温度Ｔ２とは、Ｔ１＞Ｔ２なる関係となる。

このとき、熱暴走により熱せられた閉塞部材１４は、当該閉塞部材１４自身の温度が１００℃ないし１２０℃に達すると溶融する。これにより、筐体４の内部の圧力Ｐ１が上昇する前に、流入通路１３が開口する。この結果、Ｐ１＜Ｐ２なる関係が維持される。

図７に示すように、かかる状態（Ｐ１＜Ｐ２）において、やがて冷却剤層１５の内部の温度Ｔ２が、１１０℃（１５０℃）に達する。そうすると、冷却剤１２が気化（エアロゾル化、ミスト化）する。これにより、筐体４の内部の圧力Ｐ１が上昇する前に、冷却剤層１５の内部の圧力Ｐ２が上昇する。この結果、気化状態の冷却剤１２が、冷却剤層１５から流入通路１３を通って筐体４の内部に流入する。流入した気化状態の冷却剤１２は、筐体４の内部の隅々に亘って対流する。

かくして、筐体４の内部の熱暴走が冷却される。このとき、筐体４の内部の圧力Ｐ１と、冷却剤層１５の内部の圧力Ｐ２とは、Ｐ１＝Ｐ２なる関係に維持される。筐体４の内部の温度Ｔ１と、冷却剤層１５の内部の温度Ｔ２とは、Ｔ１＝Ｔ２なる関係に維持される。

「一実施形態の効果」
本実施形態によれば、既存の安全弁１０とは別個の機能として、自己冷却機能を二次電池１に持たせる。これにより、筐体４の内部の熱暴走に対する自己冷却機能を独自に発揮することができる。この結果、周辺構成ないし周辺環境に与える影響を未然に抑制（防止）することができる。

本実施形態によれば、気化（エアロゾル化、ミスト化）状態の冷却剤１２が、冷却剤層１５から筐体４の内部に流入する。このとき、気化状態の冷却剤１２は、短時間のうちに筐体４の内部の隅々に亘って対流する。かくして、筐体４の内部の熱暴走を短時間で確実に冷却させることができる。

本実施形態によれば、流入通路１３を設ける場所（位置）を、熱暴走が生じる可能性の高い場所（位置）に接近させて設定する。これにより、冷却剤１２を熱暴走発生元に向けて効率よく短時間に流入させることができる。この結果、冷却に要する時間を大幅に短縮化できると共に、自己冷却機能の精度を高めることができる。

本実施形態によれば、筐体４に少なくとも２つの流入通路１３を設ける。これにより、密閉（密封）された筐体４の内部（収容（空間）領域４ａ）に、冷却剤１２をスムーズに流入させることができる。この結果、冷却効率を飛躍的に向上させることができる。

１…自己冷却機能付き二次電池、４…筐体、１０…安全弁、１１…自己冷却構造、
１２…冷却剤、１３…流入通路、１４…閉塞部材、１５…冷却剤層、１６…保護層、
１７…吸水（保水）性部材。

Claims (6)

1. 筐体の内部での熱暴走に対する自己冷却機能を発揮可能な自己冷却機能付き二次電池であって、
   前記筐体の一部を貫通させて構成された流入通路と、
   前記流入通路を一時的にシールされた状態に維持する閉塞部材と、
   前記閉塞部材を覆うように設けられた冷却剤層と、
   前記冷却剤層の全体を覆うように設けられた保護層と、を有し、
   前記筐体の内部で熱暴走が発生した際、前記閉塞部材が溶融して前記流入通路が開口し、前記冷却剤層から冷却剤が、前記流入通路を通って前記筐体の内部に流入することで、前記筐体の内部での熱暴走を冷却させる自己冷却機能付き二次電池。
2. 前記筐体の内部で熱暴走が発生した状態において、前記筐体の内部の圧力Ｐ１と、前記冷却剤層の内部の圧力Ｐ２とは、Ｐ１＜Ｐ２なる関係に維持されている請求項１に記載の自己冷却機能付き二次電池。
3. 前記筐体の内部で熱暴走が発生した状態において、気化状態の冷却剤が、前記冷却剤層から前記流入通路を通って前記筐体の内部に流入し、前記筐体の内部の隅々に亘って対流する請求項１に記載の自己冷却機能付き二次電池。
4. 前記筐体には、少なくとも２つの前記流入通路が設けられている請求項１に記載の自己冷却機能付き二次電池。
5. 前記冷却剤層は、吸水（保水）性部材と、冷却剤と、を備え、
   前記冷却剤は、前記吸水（保水）性部材に含浸させて構成されている請求項１に記載の自己冷却機能付き二次電池。
6. 前記流入通路を設ける場所を、前記筐体の内部で熱暴走が生じる可能性の高い場所に接近させて設定する請求項１に記載の自己冷却機能付き二次電池。

Images