JP3915893B2

JP3915893B2 - 電池

Info

Publication number: JP3915893B2
Application number: JP2001398046A
Authority: JP
Inventors: 憲治中村
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池、特に巻回型の電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の巻回型の単電池の一例を図１に示す。図１（Ａ）は単電池１０の側面図、図１（Ｂ）はその上面図である。電槽１５の外形は円筒状であり、その一端面に正極端子１と負極端子２とが設けられる。
【０００３】
次に従来の巻回型の組電池の電槽を図２に示す。図２（Ａ）は側面図、図２（Ｂ）は上面図、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。前記電槽２０は樹脂製であることが多く、２つ以上のセル室２１（図２ではセル室は６つ）を備える。これらの電槽は米国特許公報第５２８３１３７号などで知られる。このような形状の樹脂製電槽は成型によって簡単に、かつ大量に生産することができ、隣接する各セル室の外壁が相互に接合されているため、強度が高いという利点を有する。
【０００４】
また、組電池とするための他の手法は、特開平９−７５６４に開示されるように、図１に示した単電池１０を複数組み合わせて枠体に収納することである。その斜視図を図３に示す（図３では端子の図示を省略）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した特開平９−７５６４にも記載されているが、電池を使用する際には、電池の温度が高くなり過ぎないように放熱性を考慮する必要がある。これは、通常の電池は、発電要素の温度が上昇すると寿命が短くなるからである。
【０００６】
特に図２または図３に示すような組電池においては、組電池自体をコンパクトにするために、各セルを隣接させると充放電によって発生する熱が放散されにくく、その熱が電池発電要素に蓄積されやすい。
【０００７】
特に鉛電池では、温度が高い条件下で、ハイブリッド電気自動車で使用されるような、過充電をあまりしない充放電サイクルに供されると、負極板に硫酸鉛が蓄積して充電の受け入れが非常に困難になるサルフェーションという現象によって寿命になることが多い。
【０００８】
これを解決するために、隣接する各セル室の外壁が相互に接合されない形状や、単電池の外装を相互に接触させない配列にすると、組電池に余分な空間が必要となり、大型化したり、図２に示すような電槽の場合は各セル室部分の強度が低くなり、発電要素挿入時等に各セル室が破損する恐れがあったりする。また、組電池の場合のみならず単電池においても、放熱性のよくない収納容器等に収納されて使用される場合には組電池と同様の問題が発生する。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、放熱性能に優れる単電池または組電池を提供するものである。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになした第１の発明は、帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した発電要素を備え、電槽に収納して構成される電池において、
前記電槽の外形が円錐台形状であり、径の大きい方の端面側に正極端子と負極端子とが設けられていることを特徴とする単電池である。
【００１２】
第２の発明は、請求項１に記載の単電池を複数組み合わせたことを特徴とする組電池である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明における単電池の実施の形態の一例を図４に示す。図４（Ａ）は単電池４０の側面図、図４（Ｂ）はその上面図である。電槽１６は上部の方が大きい円錐台形であり、その大きい方の一端面に正極端子１と負極端子２とが設けられる。図５は本発明による単電池の電槽断面図である。本発明においては単電池４０が円錐台形であればよいので、単電池電槽の内部は図５（Ａ）に示すような円錐台形の空間を備えることもできるし、図５（Ｂ）に示すような円筒状の空間を備えることもできる。
【００１４】
図６に従来の単電池と本発明による単電池の収納形態を示す。図６（Ａ）は従来の単電池の収納状態であり、ケース６１に単電池１０の収納空間が設け、収納部の近傍には機器や部材６２が配されることが多い。このような場合、単電池１０の収納部と機器や部材６２との隙間がほとんどなく気流が存在しても放熱されにくい。それに対し本発明による単電池を使用した場合、図６（Ｂ）に示すように、単電池４０の収納部と機器や部材６２との間に隙間を設けることができ、気体や液体などの冷媒の流通性が向上するので単電池下部の放熱性が向上する。
【００１５】
次に組電池用電槽を用いた場合について述べる。図７は本発明による組電池電槽３０の例である。図７（Ａ）は側面図、図７（Ｂ）は上面図、図７（Ｃ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。前記電槽３０は多くの場合樹脂製であり、２つ以上のセル室２１（図２ではセル室は６つ）を備える。従来例の図２に比べて図７の本発明の特徴は、電槽の各セル室の外側の上部の間隔ａ（図面上ａ＝０）よりも下部の間隔ｂの方が広いことである。また、図７（Ｃ）における電槽内部空間は、図５（Ｂ）に示したような形状であるが、その形状は特に図７（Ｃ）の形状に限定されるものではない。さらにこのような電槽を用いた場合、各セル室に発電要素を収納して組電池とすることもできるし、各セル室に単電池を収納して組電池とすることもできる。
【００１６】
図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に図７以外の例を示す。図８（Ａ）、（Ｂ）は底面図であり、図８（Ｃ）は側面図である。本発明に記載の円錐台形状とは数学的な円錐台形状に限らず、多角（望ましくは六角形以上）錐台（図８（Ａ））、楕円錐台（図８（Ｂ））などの形状、または図８（Ｃ）に例示するような上部円柱形状と下部円錐台形状とを組み合わせたもの等も含む。この場合、強度を保つために電槽上部では隣接するセル室外側同士が接合していることが望ましい。
【００１７】
また、特に図示しないが、図４に示したような単電池を図３のような構成にして組電池とした場合も、単電池の上部が隣接する単電池との間隔がなく（あるいは狭く）、単電池下部の間隔がある（あるいは広い）構成の組電池を得ることができる。
【００１８】
このような構成にしたときに、特に鉛電池において、なぜ不完全充放電サイクルを実施しても、サルフェーションによって寿命になりにくいかを以下に説明する。
【００１９】
電池の充放電反応は、以下の式で示される。
ＰｂＯ_２＋２Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｐｂ＜――＞２ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２０
上記反応式から明らかなように正極活物質である二酸化鉛と、負極活物質である鉛とは、いずれも放電によって硫酸鉛となり、放電生成物である硫酸鉛は充電によって正極では二酸化鉛に、負極では鉛になる。
【００２０】
不完全充放電サイクルにおいては、充放電サイクルの進行に伴い、過充電されないこと、電池の充電効率は１００％ではないことの２つの理由から、正負極のいずれにも硫酸鉛がわずかずつ蓄積していく。しかし、正極活物質に蓄積した硫酸鉛は、正極活物質が酸化物であるためにＢＥＴ比表面積が広く、活物質粒子が細かいために電子授受をおこなえる部分が非常に大量であるのに対し、負極活物質は還元体であるため、ＢＥＴ比表面積が正極活物質に比べて小さく、活物質粒子も大きいために、電子授受をおこなえる場所が正極活物質に比べて少量である。このため、充電時に正極では溶解した鉛イオンが二酸化鉛として比較的簡単に析出しやすい。言い替えれば硫酸鉛が粗大化、偏在化しにくい。これに対し、充電時に負極では鉛として析出可能な部分が少ないため、硫酸鉛が粗大化、偏在化しやすい。このように負極板において粗大化、偏在化した硫酸鉛が蓄積した状態をサルフェーションと称し、この状態になると負極活物質をもとの鉛に戻すことが非常に困難になり、この状態になると多くの場合、寿命と判定されることになる。
【００２１】
サルフェーションは集電耳から離れた部位、すなわち集電体の抵抗によって生じる電圧降下の大きい極板下部で発生することが通常である。また、周知の通り、金属は温度が高くなるほどその抵抗が大きくなるため、電池の放熱が悪く温度上昇しやすいほど、よりサルフェーションが生じやすくなる。特にモジュール電池では隣接するセル室に収納された電池発電要素の発熱により、単セルのときよりも温度上昇が生じやすい。
【００２２】
本発明は、電槽の極板下部に相当する部分に、上部よりも広い間隔を設けることにより、極板下部の放熱を促進して極板下部の温度を下げ、それによって、発電要素の集電体の抵抗を小さくしてサルフェーションを防止するものである。また、上述の鉛電池のみにかかわらず、発電要素の温度上昇が電池性能に悪影響を及ぼす可能性のある電池のすべてについて適用可能である。
【００２３】
【実施例】
帯状の集電体よりなる正極板と負極板とをセパレータを介して巻回し、１０Ａｈの電池発電要素を複数構成し、この電池発電要素を図１に示すような電槽に６つ収納した、従来形の１２Ｖ組電池（モジュールＸ）と、前記電池発電要素を図７に示すような電槽に収納した、本発明による１２Ｖ組電池（モジュールＹ）とを各１０個ずつ構成した。ここで、モジュールＸに使用した電槽は上部、下部の外形がφ４７．５ｍｍ、高さが１０４ｍｍであり、隣接するセル室の外側には上部下部とも間隔を設けなかったのに対し、モジュールＹに使用した電槽は上部の外形がφ４７．５ｍｍ、下部の外形がφ４７．０ｍｍ、高さが１０４ｍｍであり、隣接するセル室の外側の上部には間隔を設けず、下部には１ｍｍの間隔を設けた。
【００２４】
上記モジュールＸと上記モジュールＹとを３０℃気相中にて、３０Ａにて６０秒放電した後さらに９０Ａで２秒放電する放電条件と、最大電圧１４Ｖ、最大電流３０Ａの定電圧低電流で１８０秒充電する充電条件とで充放電（充電電気量は放電電気量の９０から１００％程度となる。）を繰り返し、１０００サイクル毎の充電完了後に、１Ａで５時間の均等充電をする充放電サイクル寿命試験に供した。寿命条件は放電時の電池の端子電圧が８．５Ｖを下回った時点とした。
【００２５】
試験結果を図９に示す。従来のモジュールＸは約６００００サイクルで寿命に達したのに対し、本発明によるモジュールＹが寿命に達したのは約８００００サイクルであった。なお、試験データは供試電池の平均値である。
【００２６】
モジュールＸが寿命に達した時点で、まだ寿命に達していないモジュールＹのうち２個の試験を停止し、寿命に達したモジュールＸと寿命試験を途中で停止したモジュールＹとを解体した。解体後速やかに正負極板を水洗乾燥し、帯状の正負極板のほぼ中央部１０％程度を上下に２分割し、硫酸鉛の量を分析した。試験結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
モジュールＸでは約６００００サイクルで負極板下部に６０％もの硫酸鉛が蓄積しており、寿命原因はサルフェーションであるといえる。それに対し、モジュールＹは約６００００サイクルを経過しても負極板下部の硫酸鉛蓄積量は３０％に過ぎず、まだ充放電が可能な状態であった。
【００２９】
上記実施例の他、巻回型電池発電要素の容量を変えた（高さ、巻き数等）もの、電槽下部の間隔を変えたもの等について各種検討したが、いずれの場合も電槽下部の間隔があるもの、あるいは広いものの方が不完全充放電サイクルにおける充放電サイクル寿命性能が優れていた。
【００３０】
上記実施例では鉛電池について述べたが、他の電池についても寿命試験条件や劣化要因は異なるものの、本発明の構成を採用した電池の方が寿命性能に優れていた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明により、放熱性能に優れる電池を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の単電池
【図２】従来の組電池電槽
【図３】従来の組電池
【図４】本発明による単電池
【図５】本発明による単電池の断面
【図６】単電池の収納例
【図７】本発明による組電池電槽
【図８】本発明による組電池電槽
【図９】寿命試験結果
【符号の説明】
１正極端子
２負極端子
１０従来の単電池
１５従来の電槽
１６本発明による電槽
２０従来の組電池電槽
２１セル室
３０本発明による組電池電槽
４０本発明による単電池
６１ケース
６２機器や部材

Claims

帯状の正極板と帯状の負極板とをセパレータを介して巻回した発電要素を備え、電槽に収納して構成される電池において、
前記電槽の外形が円錐台形状であり、径の大きい方の端面側に正極端子と負極端子とが設けられていることを特徴とする単電池。
請求項１に記載の単電池を複数組み合わせたことを特徴とする組電池。