JP3804701B2 - 組電池用リチウム電池および組電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車、据置式電源等に使用される大容量の電源装置に使用される大型リチウム電池の電池容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型リチウム電池は、充放電によって発熱し、温度上昇による寿命及び充放電特性の低下を発生する。従来、この発熱によって蓄積された熱を、電池表面に凸状の突起を配置するなどして空間を作り出し、そこに冷却風などを通していた。しかしながら、凸状の突起部分の重量増加及び材料コストが増加する問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大型リチウム電池の場合、冷却風を流すための空間保持のために、凸状の突起を張り付けたり、一体成形したりしていた。この為、凸部分の材料による重量の増加と、材料及び加工工程の増大によるコスト増加が問題となっていた。又、凸状の突起の配置を均等に配置していたため、放熱効果が極群平面に対し均一であり、蓄熱性の大きい極群平面中心部の熱を効率良く廃熱することが出来なかった。
【０００４】
この為、電池各部の温度に差が発生し、通常行われている電池電圧による充放電制御では、電極各部にとっての制御電圧が不適切になるため、温度検出した温度と大きく温度に差が出た部分によってはその部分が過放電、若しくは過充電されてサイクル寿命性能低下の原因となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、極群を収納する角形電池容器からなる組電池用リチウム電池において、前記角形電池容器の平面に外側に突出し、円弧状の構造をしている複数の平行する中空溝を形成し、前記複数の中空溝が極群の平行面側に配置されており、この平行面に配置された複数の中空溝の間隔が平面中心部分が大きく、平面周囲部分では小さく配置したことを特徴とする組電池用リチウム電池である。
【０００６】
また、前記組電池用リチウム電池は、前記角形電池容器の極群の平行面でない側に中空溝が配置されており、この中空溝が極群積層方向に配置されている。
【０００８】
また、本発明は、前記組電池用リチウム電池の角形電池容器の極群の平行面側同士を隣接配置してなる組電池である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
例えば金属箔集電体の両面にゲル電解質を含む活物質層を配した両面作用の正負電極をセパレータとしてゲル電解質を用いて複数枚積層した極群と極群を収納する金属製角形電池容器からなる大型リチウム電池において、金属製角形電池容器の極群の平行面側に外側に突出する複数の中空溝を平面周囲から徐々に中心に向かって間隔が大きくなるようにプレス成形し、更に角形電池容器の極群に平行でない面に外側に突出する複数の中空溝を極群積層方向にプレス成形する。上述した中空溝を円弧状の形状にプレスし、中空溝を形成した金属製角形電池容器に前記極群を挿入し蓋封口して、大型リチウム電池とした。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、本発明の電池容器のサイズ、中空溝の幅、深さ、材料、その他の極群材料などは以下に示した例に限定されるものではない。
【００１１】
図１は本発明の単電池の一実施例を示す分解図、図２は図１の単電池の集合モジュール形態図、図３R>３は電池容器の極群に平行な面の中空溝配置の一例を示した図、図４は電池容器の極群に平行でない面の中空溝配置の一例を示した図、図５は中空溝の長さ方向断面図（断面１）、中空溝の幅方向断面図（断面２）及び中空溝の斜面図である。
【００１２】
正極は１００ｍｍ×１３９ｍｍアルミニウム箔からなる集電体の両面にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）等の活物質粉末と、アセチレンブラック等の電導剤と結着剤及びゲル電解質である例えばポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）と電解液である例えば６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液からなる電解液の混合物からなる合剤（活物質層）が配置されている。
【００１３】
負極は１００ｍｍ×１３９ｍｍ銅箔からなる集電体の両面に、炭素粉末とＰＥＯ及び電解液の混合物からなる合剤（活物質層）が配置されている。ゲル電解質層（セパレータ）は正極と負極間に配置されており、これら正極を１２８枚、負極を１２９枚積層して１０６Ａｈの極群１を得た。
【００１４】
角形電池容器２は厚さ２ｍｍのアルミニウムからなる角形缶であり、極群の平行面に幅３ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ９５ｍｍの円弧状の中空溝７を容器外側に向けて凸となるようにプレス成形した。尚、この電池容器には、モジュール組立を容易にするために電池容器の極群と平行な面にモジュール組み付け位置決め用突起の凸凹をプレス成形してある。この極群の平行面にプレス成形済みの容器に、同様にして極群の平行でない面に幅３ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ４５ｍｍの中空溝６を容器外側に向けて凸となるようにプレス成形をした。なお、前記の電池容器内面には、４０μｍのポリプロピレンの樹脂コーティングが施されている。
【００１５】
次に、前記角形電池容器１に極群１を挿入し、アルミニウムからなる蓋３をはめ込み、レーザー溶接を行い封口した。なお、端子５部分にはポリエチレン製のパッキンを用いてボルト４によって封口してある。
【００１６】
以上のようにして高さ１１６ｍｍ、横１７５ｍｍ、幅６０ｍｍの評価用電池を得た。尚、評価用電池の端子はモジュール形態図２に示したように横方向に配置しており、端子の高さは１３ｍｍである。
【００１７】
この評価用電池の極群と平行な面に配置した中空溝７を５ｍｍの等間隔で８本配置した電池１と外側の溝間隔１０ｍｍから当比率で隙間を広げ中心部の溝間隔を２０ｍｍになるように中空溝７を配置した電池２を作成した。この電池を４個直列に配置し図２のモジュール形態とし、下側から一定圧力の空気で強制冷却を行った。この時の電池容器の極群と平行な面における中心部と周囲部の温度変化を図６に示す。この結果、電池１の周囲部分と中心部分の温度差は５℃にも達したが、電池２の周囲部分と中心部分の温度差は１℃程度に改善された。
【００１８】
このことから、冷却用の空気の通気口の配置を極群の平行面に対し中心部分を大きくし、周囲部分を小さくすることによって、放熱効果を変化させてやり、蓄熱性の高い中心部分とそうでない周囲部分との温度差を低減出来ることが確認できた。
【００１９】
大型リチウム電池の充放電制御は温度によって電圧を補正することによって、容易に制御可能であるが、極群の各部の温度がばらついた場合、それぞれの部位での温度による充放電制御は行いにくい。この為、電極の各部で過充電になったり過放電になったりしており、サイクル寿命性の低下の原因となっている。又、最悪の場合は熱暴走による電池破損を招く場合もある。本発明では電極各部の温度差が少ないため、充電制御に特別な配慮を行う必要がない。
【００２０】
前記電池２の封口済みの電池容器のみを用い、４個直列のモジュール形態とし、水圧によって各電池容器に内部から圧力をかけ、その時の電池モジュールの膨らみ、及び、溝部分のつぶれ等の変形を調査した。尚、モジュールの両サイドにはモジュール全体の膨れ防止用に厚み３ｍｍのアルミニウム合金の板を配置した。この結果、水圧４ｋｇｆ／ｃｍ2 で極群と平行な面の中空溝の変形、モジュールの膨らみは確認できなかった。しかしながら、極群と平行でない面は変形が発生し、５ｋｇｆ／ｃｍ2に到達する前に蓋溶接部から電槽破損を発生した。電池２の極板平面と平行でない面に垂直な中空溝６を８本施した電池はモジュールでの耐圧試験の結果、５ｋｇｆ／ｃｍ2の水圧でも電槽破損を発生せず高い信頼性を示した。
【００２１】
前記した中空溝の形状を、角形の凸突起にプレス成形してみたが、凸突起の根本部分に歪みが発生しており、密閉信頼性に欠けることが確認できた。前記した中空溝の形状が円弧状の場合、歪みは確認できなかった。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、次に記載する効果を奏する。
【００２３】
（１）本発明の組電池用リチウム電池は、複数の中空溝が極群の平行面側に配置されており、この平行面に配置された複数の中空溝の間隔が平面中心部が大きく、平面周囲部では小さく配置されているため、組電池として冷却用の空気を流した場合、温度上昇の大きい平面中心部の熱を効率よく取り除くことが出来る。
【００２４】
（２）本発明の組電池用リチウム電池は、極群の平行でない面に中空溝が極群積層方向に配置されているために、内圧が上昇した場合でも電池容器の変形を抑制し、高い信頼性を得ることが出来る。
【００２５】
（３）本発明の組電池用リチウム電池は中空溝が円弧状の構造をしているために、中空溝の成型時に歪みを生じることなく、高い強度を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単電池の一実施例を示す分解図である。
【図２】図１の単電池の集合モジュール形態図である。
【図３】電池容器の極群に平行な面の中空溝配置の一例を示した図である。
【図４】電池容器の極群に平行でない面の中空溝配置の一例を示した図である。
【図５】中空溝の長さ方向断面図（断面１）、中空溝の幅方向断面図（断面２）及び中空溝の斜面図である。
【図６】電池１及び電池２の電池温度の変化を示した図である。
【符号の説明】
１ 正負極板からなる極群
２ 角形電池容器
３ 蓋
４ 端子固定ボルト
５ 端子
６ 電池容器の極群と平行でない面の中空溝
７ 電池容器の極群と平行な面の中空溝
８ モジュール組み付け位置決め用凸凹突起
９ モジュール固定ベルト
１０ 中空溝の構造
１１ 中空溝の両端
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車、据置式電源等に使用される大容量の電源装置に使用される大型リチウム電池の電池容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型リチウム電池は、充放電によって発熱し、温度上昇による寿命及び充放電特性の低下を発生する。従来、この発熱によって蓄積された熱を、電池表面に凸状の突起を配置するなどして空間を作り出し、そこに冷却風などを通していた。しかしながら、凸状の突起部分の重量増加及び材料コストが増加する問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大型リチウム電池の場合、冷却風を流すための空間保持のために、凸状の突起を張り付けたり、一体成形したりしていた。この為、凸部分の材料による重量の増加と、材料及び加工工程の増大によるコスト増加が問題となっていた。又、凸状の突起の配置を均等に配置していたため、放熱効果が極群平面に対し均一であり、蓄熱性の大きい極群平面中心部の熱を効率良く廃熱することが出来なかった。
【０００４】
この為、電池各部の温度に差が発生し、通常行われている電池電圧による充放電制御では、電極各部にとっての制御電圧が不適切になるため、温度検出した温度と大きく温度に差が出た部分によってはその部分が過放電、若しくは過充電されてサイクル寿命性能低下の原因となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、極群を収納する角形電池容器からなる組電池用リチウム電池において、前記角形電池容器の平面に外側に突出し、円弧状の構造をしている複数の平行する中空溝を形成し、前記複数の中空溝が極群の平行面側に配置されており、この平行面に配置された複数の中空溝の間隔が平面中心部分が大きく、平面周囲部分では小さく配置したことを特徴とする組電池用リチウム電池である。
【０００６】
また、前記組電池用リチウム電池は、前記角形電池容器の極群の平行面でない側に中空溝が配置されており、この中空溝が極群積層方向に配置されている。
【０００８】
また、本発明は、前記組電池用リチウム電池の角形電池容器の極群の平行面側同士を隣接配置してなる組電池である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
例えば金属箔集電体の両面にゲル電解質を含む活物質層を配した両面作用の正負電極をセパレータとしてゲル電解質を用いて複数枚積層した極群と極群を収納する金属製角形電池容器からなる大型リチウム電池において、金属製角形電池容器の極群の平行面側に外側に突出する複数の中空溝を平面周囲から徐々に中心に向かって間隔が大きくなるようにプレス成形し、更に角形電池容器の極群に平行でない面に外側に突出する複数の中空溝を極群積層方向にプレス成形する。上述した中空溝を円弧状の形状にプレスし、中空溝を形成した金属製角形電池容器に前記極群を挿入し蓋封口して、大型リチウム電池とした。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。なお、本発明の電池容器のサイズ、中空溝の幅、深さ、材料、その他の極群材料などは以下に示した例に限定されるものではない。
【００１１】
図１は本発明の単電池の一実施例を示す分解図、図２は図１の単電池の集合モジュール形態図、図３R>３は電池容器の極群に平行な面の中空溝配置の一例を示した図、図４は電池容器の極群に平行でない面の中空溝配置の一例を示した図、図５は中空溝の長さ方向断面図（断面１）、中空溝の幅方向断面図（断面２）及び中空溝の斜面図である。
【００１２】
正極は１００ｍｍ×１３９ｍｍアルミニウム箔からなる集電体の両面にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）等の活物質粉末と、アセチレンブラック等の電導剤と結着剤及びゲル電解質である例えばポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）と電解液である例えば６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液からなる電解液の混合物からなる合剤（活物質層）が配置されている。
【００１３】
負極は１００ｍｍ×１３９ｍｍ銅箔からなる集電体の両面に、炭素粉末とＰＥＯ及び電解液の混合物からなる合剤（活物質層）が配置されている。ゲル電解質層（セパレータ）は正極と負極間に配置されており、これら正極を１２８枚、負極を１２９枚積層して１０６Ａｈの極群１を得た。
【００１４】
角形電池容器２は厚さ２ｍｍのアルミニウムからなる角形缶であり、極群の平行面に幅３ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ９５ｍｍの円弧状の中空溝７を容器外側に向けて凸となるようにプレス成形した。尚、この電池容器には、モジュール組立を容易にするために電池容器の極群と平行な面にモジュール組み付け位置決め用突起の凸凹をプレス成形してある。この極群の平行面にプレス成形済みの容器に、同様にして極群の平行でない面に幅３ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ４５ｍｍの中空溝６を容器外側に向けて凸となるようにプレス成形をした。なお、前記の電池容器内面には、４０μｍのポリプロピレンの樹脂コーティングが施されている。
【００１５】
次に、前記角形電池容器１に極群１を挿入し、アルミニウムからなる蓋３をはめ込み、レーザー溶接を行い封口した。なお、端子５部分にはポリエチレン製のパッキンを用いてボルト４によって封口してある。
【００１６】
以上のようにして高さ１１６ｍｍ、横１７５ｍｍ、幅６０ｍｍの評価用電池を得た。尚、評価用電池の端子はモジュール形態図２に示したように横方向に配置しており、端子の高さは１３ｍｍである。
【００１７】
この評価用電池の極群と平行な面に配置した中空溝７を５ｍｍの等間隔で８本配置した電池１と外側の溝間隔１０ｍｍから当比率で隙間を広げ中心部の溝間隔を２０ｍｍになるように中空溝７を配置した電池２を作成した。この電池を４個直列に配置し図２のモジュール形態とし、下側から一定圧力の空気で強制冷却を行った。この時の電池容器の極群と平行な面における中心部と周囲部の温度変化を図６に示す。この結果、電池１の周囲部分と中心部分の温度差は５℃にも達したが、電池２の周囲部分と中心部分の温度差は１℃程度に改善された。
【００１８】
このことから、冷却用の空気の通気口の配置を極群の平行面に対し中心部分を大きくし、周囲部分を小さくすることによって、放熱効果を変化させてやり、蓄熱性の高い中心部分とそうでない周囲部分との温度差を低減出来ることが確認できた。
【００１９】
大型リチウム電池の充放電制御は温度によって電圧を補正することによって、容易に制御可能であるが、極群の各部の温度がばらついた場合、それぞれの部位での温度による充放電制御は行いにくい。この為、電極の各部で過充電になったり過放電になったりしており、サイクル寿命性の低下の原因となっている。又、最悪の場合は熱暴走による電池破損を招く場合もある。本発明では電極各部の温度差が少ないため、充電制御に特別な配慮を行う必要がない。
【００２０】
前記電池２の封口済みの電池容器のみを用い、４個直列のモジュール形態とし、水圧によって各電池容器に内部から圧力をかけ、その時の電池モジュールの膨らみ、及び、溝部分のつぶれ等の変形を調査した。尚、モジュールの両サイドにはモジュール全体の膨れ防止用に厚み３ｍｍのアルミニウム合金の板を配置した。この結果、水圧４ｋｇｆ／ｃｍ2 で極群と平行な面の中空溝の変形、モジュールの膨らみは確認できなかった。しかしながら、極群と平行でない面は変形が発生し、５ｋｇｆ／ｃｍ2に到達する前に蓋溶接部から電槽破損を発生した。電池２の極板平面と平行でない面に垂直な中空溝６を８本施した電池はモジュールでの耐圧試験の結果、５ｋｇｆ／ｃｍ2の水圧でも電槽破損を発生せず高い信頼性を示した。
【００２１】
前記した中空溝の形状を、角形の凸突起にプレス成形してみたが、凸突起の根本部分に歪みが発生しており、密閉信頼性に欠けることが確認できた。前記した中空溝の形状が円弧状の場合、歪みは確認できなかった。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、次に記載する効果を奏する。
【００２３】
（１）本発明の組電池用リチウム電池は、複数の中空溝が極群の平行面側に配置されており、この平行面に配置された複数の中空溝の間隔が平面中心部が大きく、平面周囲部では小さく配置されているため、組電池として冷却用の空気を流した場合、温度上昇の大きい平面中心部の熱を効率よく取り除くことが出来る。
【００２４】
（２）本発明の組電池用リチウム電池は、極群の平行でない面に中空溝が極群積層方向に配置されているために、内圧が上昇した場合でも電池容器の変形を抑制し、高い信頼性を得ることが出来る。
【００２５】
（３）本発明の組電池用リチウム電池は中空溝が円弧状の構造をしているために、中空溝の成型時に歪みを生じることなく、高い強度を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の単電池の一実施例を示す分解図である。
【図２】図１の単電池の集合モジュール形態図である。
【図３】電池容器の極群に平行な面の中空溝配置の一例を示した図である。
【図４】電池容器の極群に平行でない面の中空溝配置の一例を示した図である。
【図５】中空溝の長さ方向断面図（断面１）、中空溝の幅方向断面図（断面２）及び中空溝の斜面図である。
【図６】電池１及び電池２の電池温度の変化を示した図である。
【符号の説明】
１ 正負極板からなる極群
２ 角形電池容器
３ 蓋
４ 端子固定ボルト
５ 端子
６ 電池容器の極群と平行でない面の中空溝
７ 電池容器の極群と平行な面の中空溝
８ モジュール組み付け位置決め用凸凹突起
９ モジュール固定ベルト
１０ 中空溝の構造
１１ 中空溝の両端
Claims (3)
- 極群を収納する角形電池容器からなる組電池用リチウム電池において、前記角形電池容器の平面に外側に突出し、円弧状の構造をしている複数の平行する中空溝を形成し、前記複数の中空溝が極群の平行面側に配置されており、この平行面に配置された複数の中空溝の間隔が平面中心部分が大きく、平面周囲部分では小さく配置したことを特徴とする組電池用リチウム電池。
- 前記角形電池容器の極群の平行面でない側に中空溝が配置されており、この中空溝が極群積層方向に配置されている請求項１記載の組電池用リチウム電池。
- 請求項１又は２記載の組電池用リチウム電池の角形電池容器の極群の平行面側同士を隣接配置してなる組電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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