JP3579776B2 - 二次電池の製造方法及びそれに用いる接合用ガラスリング並びに高温型二次電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力貯蔵や電気自動車バッテリ等に用いられる高温型二次電池に係り、特に二次電池の製造方法及びそれに用いる接合用ガラスリング並びにそれを組み込んだ高温型二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
高温型二次電池の代表的なものであるナトリウム−硫黄二次電池は図1に示すように、正極活物質である硫黄と集電材からなる正極6と、正極を収容する正極容器5と、金属ナトリウムからなる負極7と、負極を収容する負極容器4と、正極容器5と負極容器4を絶縁するセラミック製絶縁材2と、電池内部で正極6と負極7を隔てる固体電解質管3からなっている。
【0003】
本願明細書で言及する高温型二次電池とは、このナトリウム−硫黄電池の他に、正極活物質として遷移金属やアルミニウムのハロゲン化物を用いた、いわゆるNa/Xと呼ばれる電池、硫黄にアルミニウム塩、セレン塩、テルル塩を加えたもの、及びナトリウムの代わりに他のアルカリ金属、アルカリ土類金属を用いたものを含む。また、正極活物質と負極活物質の配置を図1と逆にした電池も本発明の範囲に含む。
【0004】
ナトリウム−硫黄電池の場合、正極及び負極活物質は共に電池作動温度において液体であり、以下の可逆反応により充放電が行われる。
【0005】
【数1】
【0006】
【数2】
ここで3≦x≦5の範囲の値である。
【0007】
このような高温型二次電池において、正極室と負極室とを絶縁するためのセラミック製絶縁リングとベータアルミナ系固体電解質管のガラス半田接合部に存在するボイド等の欠陥のため、電池寿命の低下の原因となる問題があった。
【0008】
また、接合用ガラスはガラス粉末をぺースト状にして塗布したり、ガラスリングを接合部に装着するなどの方法で使用していた。ガラス粉末をぺースト状にして塗布する場合は、ぺーストにするための溶剤、あるいは分散剤が接合部に欠陥を生成する問題があった。ガラスリングを接合部に装着する方法は、ガラスリングが脆弱なものであるために、無理な応力を掛けると破損する危険がある。そのため、ガラスリング及びセラミック製絶縁リング、ベータアルミナ系固体電解質管の3者の精度が公差範囲に入っていることが重要となり、それぞれの部材の加工コストが高くなっていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、高温型二次電池において、ガラス半田接合部には多くの課題があったため、その改善に対して多くの技術が開示されている。
【0010】
例えば特開平1−54672号、特開平4−175271号公報ではガラス材料を開示している。また、特開平3−291860号、特開平5−85844号公報等には接合方法が開示されている。
【0011】
しかし、信頼性の高いガラス接合部を低コストで得るためには、開示技術等による材料及び接合技術を使っても、接合部の信頼性あるいは接合処理コストに課題が残されていた。特に接合技術に多くの課題が残されていた。そのために電池の破損、電池寿命の低下の問題があった。また、電池の製造コストを高くする原因の一つになっていた。
【0012】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高温型二次電池の製造のコストを低減することを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の二次電池の製造方法は、正極室と負極室を隔離する固体電解質管と、正極容器と負極容器とを絶縁する絶縁リングとを有し、前記固体電解質管と前記絶縁リングとが接合されている二次電池の製造方法において、前記固体電解質管と前記絶縁リングの間にスリットを有するガラスリングを挿入し、加熱して接合することを特徴とする。
【0014】
すなわち、スリットのないガラスリングを用いる場合、ガラスリング及び絶縁リング、固体電解質管の 3 者の精度が公差範囲に入らないと、 3 者を装着することは困難となり、特に脆弱なガラスリングは装着時に破損し易い。また、それぞれの部材を高度な加工技術によって加工し、3者の精度が公差範囲に入るようにす るとコストが高くなる。
【0015】
そこで、本発明は、固体電解質管と絶縁リングの間に挿入するガラスリングにスリットを形成することによって、絶縁リングと固体電解質管の加工精度を高度なものにする必要をなくし、接合コスト低減を可能としたのである。この場合において、ガラスリングをスリットの位置をずらして複数枚積層して挿入するのが好ましい。すなわち、例えば、図3(a),(b),(c)に示すように、ガラスリングのスリットがリングの軸に平行あるいは軸となす角度(θ)が20度未満で入っている場合は、このリングをスリットの位置をずらして複数枚積層して挿入し、ガラス半田接合するのがよい。このガラスリングはスリットの形成の仕方が単純であり、加工が簡単であるという効果があるが、スリットが単層であると、ガラスが溶融したときにスリット部に連続気孔が残留する危険性があり、スリット部の接合の信頼性が充分ではない。このため、スリット部をずらしたガラスリングの積層で接合することによって、信頼性の高い接合を低コストで得ることができる。
【0016】
また、ガラスリングのスリットは、リングの軸に対し20度以上80度以下の角度で形成されるのがよい。スリットがリングの軸となす角度が20度以上80度以下であるガラスリングの場合は、スリットがリングの軸に平行あるいは軸となす角度を20度未満となるように形成する場合に比べて、加工が複雑になる。しかし、スリット部が溶融したとき、そこに連続気孔が残留しないために、ガラスリングを積層する必要がなく、接合作業を単純にできるという効果がある。なお、この場合もガラスリングを積層して使用しても構わない。
【0017】
ここで、ガラスリングのスリットは図6に示すように少なくとも1か所にあることが必要条件で、これが複数箇所にあっても構わない。ただし、角度が80度以上になると、ガラスリングにスリットを加工するのが困難になることと、スリットの端部が破損しやすくなる危険がある。
【0018】
また、ガラスリングのスリットは、 0.03 mmから 2 mmの幅で形成されていることが好ましい。スリット幅が 0.03 mm以下では、スリットを入れるための加工用刃物が限定されるため工業的でなく、 2 mm以上になると、スリット幅が大き過ぎてスリット部に気孔残留の危険性が生じるからである。なお、ガラスリングのスリット部の表面は平滑面であっても、そうでなくてもよい。
【0019】
さらに、積層するガラスリングの材質は同じでも異なるものでもよい。電池の正極室側と負極室側とでガラスに要求する特性が異なる、すなわち負極室側では Na 雰囲気に曝されるので耐 Na 腐食性が、また正極室側では機械的強度が要求されるので、むしろ材質を異なるものにすることが有効な場合がある。
【0020】
ガラスリングに使用できるガラス材料は、固体電解質管とガラスリングとの熱膨張係数の調整ができており、高温型二次電池の作動環境下で電気的、化学的、及び機械的耐久性が確保できるものであれば特に限定されるものではない。
【0021】
また、ガラスリングは着色されていることが好ましい。すなわち、異なる特性を有するガラスリングを積層して使用すれば、ガラスの積層の順番を誤ることがない点で有効である。ガラスの着色はガラスに Co , Fe , Cr 等の遷移金属元素あるいは Er , Y , Th , Pr , Nd , Eu 等の希土類元素を添加することによって得られる。添加量は数 ppm 〜 1mass %程度の微量でその効果が得られる。
【0022】
この場合、 Co を 50ppm 添加したガラスの特性は無添加のものと同じである。一方、その色調は青色で Co 添加のないガラスと明確に区別できる。 Er を 1.0mass %添加したガラスは強度が無添加のものに比べて 1.2 倍となり、高強度化の効果と共に、その色調はピンクで、 Er 添加のないガラスとその色調によって明確に区別できる。
【0023】
ガラスに着色剤を添加することの効果は、上記したような効果の他に、ガラスが電池部材に付着した場合、その色により付着状態を容易に検出できるため、電 池の汚染を惹起する危険性をも防止できるという効果もある。
【0024】
なお、本発明の二次電池及び高温型二次電池の固体電解質管は、β ”− アルミナおよび/またはβ − アルミナからなるベータアルミナ系固体電解質管とし、絶縁リングは、セラミック製の絶縁リングとすることができる。そして、正極室内には硫黄あるいは硫黄とナトリウムの化合物あるいは遷移金属やアルミニウムのハロゲン化物等を収容し、負極室内にはナトリウムを収容することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態によって本発明を説明する。
【0026】
[実施の形態1]
SiO2:19.6mass%,B2O3:42.1mass%,Al2O3:13.1mass%,BaO:16.2mass%,ZrO2:3.4mass%,MgO:5.6mass%の組成をもつガラスを溶融して得た、内径43mm、外径45mm,高さ3mmのガラスリング(A)を準備した。ガラスリング(A)にリングの軸に平行な面で幅0.5mmのスリットを入れたガラスリング(B),ガラスリング(A)にリングの軸に対して45度の角度をもつ面で幅0.5mmのスリットを入れたガラスリング(C)も同様に準備した。これらのガラスリングを外径42.8mm,内径38.8mm,長さ380mmの指示寸法で製作した、固体電解質管及び内径47.2mm,外径63.2mm,厚さ8mmの指示寸法で製作したセラミック製絶縁リングとの間にセットして、950℃まで加熱してガラスを溶融、接合した。
【0027】
固体電解質管とセラミック製絶縁リングの接合部は、第7図に示した接合体の絶縁リング2を保持して固体電解質管3の側面に荷重を付加する片持ち曲げ試験を行なうことによって評価した。片持ち曲げ荷重は、結果を表1に示す。
【0028】
Aのガラスリングの場合は、部材間の寸法誤差及び部材の変形等のため、固体電解質管にガラスリングが装着不可能なものがあり、5本試作したうち2本がガラスリング装着時に破損してしまった。
【0029】
Bのガラスリングの場合は、ガラスリング装着時には問題なかったが、接合後の強度評価で強度にバラツキが発生した。強度が低かったものは、スリット部に気孔が残留しているのが原因と判明した。Cのガラスリングを使用した場合は、リング装着時の問題もなく、また強度も安定して得られることが認められた。
【0030】
【表1】
【0031】
[実施の形態2]
実施の形態1のBのガラスリングを2個積層して、スリット部の位相をずらしてセットして接合した。接合条件は実施の形態1と同様とした。結果を表2に示す。
【0032】
低強度の接合体の発生が無く、ガラス接合部がリング2個積層で厚くなった為もあって全体的に高強度になった。
【0033】
【表2】
以上、これらの実施の形態によれば、従来では一体リングで扱っていたガラスリング及びセラミック製絶縁リング、ベータアルミナ系固体電解質管の 3 者の精度が公差範囲に入っていないと3者を装着できず、そのため、それぞれの部材を高度な加工技術によって加工し、 3 者の精度が公差範囲に入るようにしていたためコストが高くなっていたのに対し、例えば、ベータアルミナ系の固体電解質管のガラス半田接合を、少なくとも1個所にスリットを形成した溶融ガラスリングを使用することによって、上記した従来技術の問題点を回避でき、低コストで接合体を得ることができる。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、高温型二次電池の製造のコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されるナトリウム−硫黄電池の全体構造を示す断面図である。
【図2】従来技術のガラスリング形状を示す斜視図である。
【図3】本発明に係る接合用ガラスリングの外観形状を示す斜視図である。
【図4】本発明に係る接合用ガラスリングを接合時に積層した状態を示す斜視図である。
【図5】本発明に係る接合用ガラスリングの外観形状を示す斜視図である。
【図6】本発明に係る接合用ガラスリングの外観形状を示す斜視図である。
【図7】本発明が適用されるナトリウム−硫黄電池のガラス半田接合部の強度評価方法を示す説明図である。
【符号の説明】
1 ガラス半田接合部
2 セラミック製絶縁リング
3 固体電解質管
4 負極容器
5 正極容器
6 硫黄と集電材からなる正極
7 負極
Claims (9)
- 正極室と負極室を隔離する固体電解質管と、正極容器と負極容器とを絶縁する絶縁リングとを有し、前記固体電解質管と前記絶縁リングとが接合されている二次電池の製造方法において、前記固体電解質管と前記絶縁リングの間にスリットを有するガラスリングを挿入し、加熱して接合することを特徴とする二次電池の製造方法。
- 請求項1に記載された二次電池の製造方法において、
前記ガラスリングをスリットの位置をずらして複数枚積層して挿入することを特徴とする二次電池の製造方法。 - 請求項1または2に記載された二次電池の製造方法において、前記ガラスリングとしてリングの軸に対し20度以上80度以下の角度で形成されたスリットを有するガラスリングを用いることを特徴とする二次電池の製造方法。
- 二次電池の正極室と負極室とを隔離する固体電解質管と、正極容器と負極容器とを絶縁する絶縁リングとのガラス半田接合に用いる接合用ガラスリングにおいて、スリットを有することを特徴とする接合用ガラスリング。
- 請求項4に記載された接合用ガラスリングにおいて、前記スリットは前記ガラスリングの軸方向に沿って形成されていることを特徴とする接合用ガラスリング。
- 請求項4に記載された接合用ガラスリングにおいて、前記ガラスリングのスリットはガラスリングの軸に平行あるいは軸との角度が20度以上80度以下で少なくとも1個所に形成されていることを特徴とする接合用ガラスリング。
- 請求項4ないし6のいずれかに記載されたガラスリングにおいて、前記ガラスリングのスリットは0 . 03mmから2mmの幅で形成されていることを特徴とする接合用ガラスリング。
- 請求項4ないし6のいずれかに記載されたガラスリングにおいて、前記ガラスリングが着色されていることを特徴とする接合用ガラスリング。
- 正極室と負極室を隔離する固体電解質管と、前記正極室と負極室とを絶縁する絶縁リングとを有する高温型二次電池において、前記固体電解質管と前記絶縁リングとがスリットを有する接合用ガラスリングを用いてガラス半田接合により接合されていることを特徴とする高温型二次電池。
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