JP2020095863A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池を効率的に冷却できる二次電池を提供する。【解決手段】二次電池１１は、正極１７と負極１８とが合成樹脂製のセパレータ１９を介して交互に複数積層されてなる電極積層体１３及び電解液１４を少なくとも一部に可撓性を有した外装体１２によって封止してなる単電池１５と、単電池１５を密閉状態で収容するケース１６とを備えている。そして、ケース１６内には、流体２６が加圧状態で充填されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池に関する。

従来、この種の二次電池として例えば特許文献１に示すハイブリッド電池システムが知られている。こうしたハイブリッド電池システム（二次電池）は、正極板と負極板とが合成樹脂製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液をラミネート材からなる外装部材で封止することによって形成される複数の二次電池（単電池）と、複数の二次電池を収容する筐体とを備えている。二次電池は、充放電によって発熱し、高温になると電解液が沸騰する等の不具合が生じるため、冷却することが好ましい。

特開２００６−７９９８７号公報

このため、上述のようなハイブリッド電池システムでは、ファン等の空冷式の冷却装置によって冷却風を筐体内に送り込むことで複数の二次電池を冷却するようにしている。しかしながら、特に外気温が高い場合には、外気温と二次電池の温度との差が小さくなるので、二次電池の冷却効率が悪くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされた。その目的は、単電池を効率的に冷却できる二次電池を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する二次電池は、正極と負極とが合成樹脂製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液を少なくとも一部に可撓性を有した外装体によって封止して形成される単電池と、前記単電池を密閉状態で収容するケースと、を備え、前記ケース内には、流体が加圧状態で充填されていることを要旨とする。

この構成によれば、加圧状態の流体により外装体を介して電解液が加圧されるので、電解液の沸点が上昇する。このため、より高い温度で単電池を作動させることができるので、流体と単電池との温度差を大きくすることができる。したがって、単電池を冷却するための冷媒として流体を機能させることで、単電池を効率的に冷却できる。

本発明によれば、単電池を効率的に冷却できる。

一実施形態における二次電池の断面模式図。 変更例の二次電池の断面模式図。

以下、二次電池をリチウムイオン電池に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、リチウムイオン電池である二次電池１１は、可撓性を有した矩形板状の外装体１２内に電極積層体１３及び電解液１４を封止して形成される複数（本例では２つ）の単電池１５と、２つの単電池１５を密閉状態で収容する金属などの硬質材料によって構成されたケース１６とを備えている。

電極積層体１３は、矩形板状の正極１７と、正極１７よりも一回り大きい矩形板状の負極１８とが、負極１８よりも一回り大きい矩形板状のセパレータ１９を介して、交互に複数積層されることによって形成される。セパレータ１９は、例えば、絶縁性合成樹脂材料製の不織布によって構成されている。電解液１４には、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの混合溶媒と、電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウムなどのリチウム塩とが含まれている。

外装体１２は、例えばアルミニウムを用いた一対の矩形状をなす可撓性のラミネートフィルムの周縁部同士を溶着することによって形成される。外装体１２における長手方向の一端部には外装体１２内の全ての正極１７と電気的に接続された正極タブ２０が露出しており、他端部には外装体１２内の全ての負極１８と電気的に接続された負極タブ２１が露出している。

２つの単電池１５のそれぞれの正極タブ２０と、ケース１６の外面に設けられた正極端子２２とは、正極リード線２３によって電気的に接続されている。２つの単電池１５のそれぞれの負極タブ２１と、ケース１６の外面に設けられた負極端子２４とは、負極リード線２５によって電気的に接続されている。

正極１７は、例えば厚さが１０〜２０μｍのアルミニウム箔などの導電性材料によって構成されている。正極１７の両面または片面には、正極活物質が塗布されている。正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。負極１８は、例えば厚さが１０〜２０μｍの銅箔などの導電性材料によって構成されている。負極１８の両面または片面には、負極活物質が塗布されている。負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料によって構成される。

ケース１６内の空間、すなわちケース１６内における２つの単電池１５の周囲の空間には、冷媒として機能する流体２６が充填されている。ケース１６内に充填される流体２６としては水などの液体のみ、空気などの気体のみ、液体及び気体の混合物などが挙げられるが、絶縁構造の簡素化及び単電池１５の冷却等を考慮すると、流体２６として電気絶縁性を有する液体を採用することが好ましい。

電気絶縁性を有する液体としては、例えばフッ素系不活性液体であるフロリナート（登録商標）が挙げられる。したがって、本実施形態では、流体２６としてフロリナート（登録商標）を採用している。なお、流体２６を気体のみで構成する場合には、アルゴンや窒素などの不活性ガスを採用することが好ましい。

ケース１６には、ケース１６内の流体２６を循環させる循環経路２７を形成する管状の循環経路形成部材２８を有した熱交換器２９が設けられている。循環経路形成部材２８の第１端部３０及び第２端部３１は、ケース１６の一側壁に対して、循環経路２７とケース１６内とが連通するようにそれぞれ接続されている。この場合、循環経路形成部材２８における第１端部３０は、第２端部３１よりも高い位置に配置されている。

循環経路形成部材２８の中間部には、流体２６が流れる距離を稼ぐべく循環経路形成部材２８をジグザグに湾曲してなる熱交換部３２が形成されている。したがって、流体２６は、熱交換部３２を流れる過程で放熱することにより自然冷却される。なお、熱交換部３２には、熱交換部３２を流れる流体２６の冷却を促進するべく、放熱フィン（図示略）を設けてもよいし、送風機（図示略）による送風を行ってもよい。

循環経路形成部材２８における第１端部３０と熱交換部３２との間には、循環経路２７及びケース１６内の流体２６を加圧する加圧部３３が設けられている。加圧部３３は、加圧室３４と、加圧室３４内に配置された板状のピストン３５と、ピストン３５を介して流体２６に加圧力を付与するばね３６とを備えている。したがって、流体２６はケース１６内に加圧状態で充填されているため、２つの単電池１５は流体２６によって大気圧よりも高い圧力で加圧されている。

すなわち、各単電池１５の電解液１４は、流体２６により外装体１２を介して加圧されている。この場合、流体２６によって電解液１４に付与される加圧力は、負極１８と電解液１４とが化学反応を起こす温度よりも電解液１４の沸点の方が高くなるように設定されている。換言すれば、負極１８と電解液１４とが化学反応を起こす温度よりも電解液１４の沸点の方が高くなる程度の加圧力が流体２６によって電解液１４に付与されるように、ばね３６の弾性力が設定されている。

循環経路形成部材２８における第２端部３１と熱交換部３２との間には、循環経路２７の流体２６をケース１６内に送り込むポンプ３７が設けられている。したがって、ポンプ３７を駆動すると、ケース１６内の流体２６は、循環経路２７を流れて再びケース１６内に戻るように循環する。すなわち、ケース１６内の流体２６は、循環経路形成部材２８の第１端部３０側から循環経路２７へ流れた後、循環経路形成部材２８の第２端部３１側からケース１６内へ流れることを繰り返すようにして循環する。

次に、二次電池１１の作用について説明する。
一般に、二次電池を作動させると、単電池が発熱する。そして、単電池の温度が高くなると、セパレータが熱収縮したり電解液が沸騰したりして二次電池の作動に支障をきたすようになる。

この点、本実施形態の二次電池１１では、単電池１５の電解液１４が流体２６によって加圧されることにより電解液１４の沸点が負極１８と電解液１４とが化学反応を起こす温度よりも高くなっているとともに、セパレータ１９が延伸フィルムよりも格段に熱収縮し難い不織布によって構成されている。

このため、二次電池１１をより高い温度で作動させることができるので、二次電池１１の使用温度の上限を高く設定できる。この場合、二次電池１１を構成するリチウムイオン電池ではリチウムイオンの拡散運動が温度に依存するため、二次電池１１をより高い温度で作動させることで、より高い出力が得られるようになる。

また、二次電池１１をより高い温度で作動させると、単電池１５と流体２６との温度差がより大きくなる。このため、流体２６が単電池１５を冷却する冷媒としても機能することで、単電池１５が流体２６によって効率的に冷却される。なぜなら、流体２６による単電池１５の冷却速度は、単電池１５と流体２６との温度差が大きいほど速くなるからである。そして、単電池１５の冷却によって温められたケース１６内の流体２６は、循環経路２７を流れる過程で冷却されて再びケース１６内に戻される。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）二次電池１１において、ケース１６内には、流体２６が加圧状態で充填されている。この構成によれば、加圧状態の流体２６により外装体１２を介して電解液１４が加圧されるので、電解液１４の沸点が上昇する。このため、より高い温度で単電池１５を作動させることができるので、流体２６と単電池１５との温度差を大きくすることができる。したがって、単電池１５を冷却するための冷媒として流体２６を機能させることで、単電池１５を効率的に冷却できる。よって、単電池１５を冷却するための構成を簡素化することができるので、二次電池１１の小型化に寄与できる。

（２）二次電池１１において、セパレータ１９は、不織布によって構成されている。この構成によれば、セパレータ１９を延伸フィルムによって構成する場合に比べて熱収縮し難くすることができる。

（３）二次電池１１において、流体２６によって電解液１４に付与される加圧力は、負極１８と電解液１４とが化学反応を起こす温度よりも電解液１４の沸点の方が高くなるように設定されている。この構成によれば、電解液１４が沸騰しにくくなるので、より一層高い温度で単電池１５を作動させることができる。

（４）二次電池１１において、ケース１６には、ケース１６内の流体２６を循環させる循環経路２７を有し、循環経路２７を流れる流体２６の熱交換を行う熱交換器２９が設けられている。この構成によれば、熱交換器２９によって流体２６の熱交換を行うことができるので、流体２６によって単電池１５を冷却したり加温（加熱）したりすることができる。

（５）二次電池１１において、熱交換器２９は、流体２６を加圧する加圧部３３を備えている。この構成によれば、加圧部３３によって流体２６を加圧することができる。
（変更例）
なお、上記実施形態は次のように変更してもよい。

・図２に示すように、二次電池１１が低温雰囲気下にある場合には、熱交換器２９における熱交換部３２を容器４０内に収容し、容器４０内にハイブリッド車両などのエンジンなどで温められた後の冷却水４１を循環させて流体２６を加温し、加温された流体２６によって単電池１５を温めるようにしてもよい。このようにすれば、二次電池１１が低温雰囲気下にある場合でも、単電池１５を安定して作動させることができる。

・二次電池１１において、流体２６の代わりにハイブリッド車両などのエンジンで温められた後の冷却水４１（図２参照）を用いてもよい。このようにすれば、エンジン冷却後の冷却水４１の熱及び圧力をそのまま単電池１５に付与することができる。

・図２に示すように、二次電池１１において、単電池１５は必ずしも全体を流体２６によって加圧する必要はなく、例えば単電池１５の正極タブ２０及び負極タブ２１をケース１６外に露出させるようにして、正極タブ２０及び負極タブ２１が流体２６によって加圧されないようにしてもよい。すなわち、二次電池１１は、流体２６により単電池１５の電解液１４に対して等方的に圧力を付与できる構造であれば、単電池１５を部分的に加圧しない構造であってもよい。

・ケース１６内に収容する単電池１５の数は、１つでもよいし、３つ以上でもよい。
・単電池１５の外装体１２は、必ずしも全体が可撓性を有している必要はなく、一部のみが可撓性を有していてもよい。すなわち、単電池１５の構造は、必ずしもラミネートタイプでなくてもよい。

・加圧部３３は、省略してもよい。この場合、ケース１６内には、流体２６を加圧状態で充填する。すなわち、ケース１６内に流体２６とともに少量の加圧空気を充填する。
・加圧部３３は、ケース１６に設けるようにしてもよい。

・加圧室３４内にばね３６の代わりに加圧空気を充填してもよい。このようにすれば、加圧空気の圧力によってピストン３５を介して流体２６を加圧できるので、部品点数の低減に寄与できる。

・熱交換器２９は、省略してもよい。この場合、ケース１６内には、流体２６を加圧状態で充填する。すなわち、ケース１６内に流体２６とともに少量の加圧空気を充填する。
・流体２６によって電解液１４に付与される加圧力は、必ずしも負極１８と電解液１４とが化学反応を起こす温度よりも電解液１４の沸点の方が高くなるように設定する必要はない。

・セパレータ１９は、必ずしも不織布によって構成する必要はない。すなわち、セパレータ１９は、延伸フィルムによって構成してもよい。この場合、延伸フィルムの材質は、比較的耐熱温度が高いポリイミド系、アラミド系、エーテルイミド系の合成樹脂などであることが好ましい。

・二次電池１１は、リチウムイオン電池以外の二次電池であってもよい。

１１…二次電池、１２…外装体、１３…電極積層体、１４…電解液、１５…単電池、１６…ケース、１７…正極、１８…負極、１９…セパレータ、２６…流体、２７…循環経路、２９…熱交換器、３３…加圧部。

Claims (5)

1. 正極と負極とが合成樹脂製のセパレータを介して交互に複数積層されてなる電極積層体及び電解液を少なくとも一部に可撓性を有した外装体によって封止して形成される単電池と、
   前記単電池を密閉状態で収容するケースと、
   を備え、
   前記ケース内には、流体が加圧状態で充填されていることを特徴とする二次電池。
2. 前記流体によって前記電解液に付与される加圧力は、前記負極と前記電解液とが化学反応を起こす温度よりも前記電解液の沸点の方が高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記ケースには、前記ケース内の前記流体を循環させる循環経路を有し、前記循環経路を流れる前記流体の熱交換を行う熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. 前記熱交換器は、前記流体を加圧する加圧部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
5. 前記セパレータは、不織布によって構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の二次電池。