JP4068385B2

JP4068385B2 - 二次電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP4068385B2
Application number: JP2002113272A
Authority: JP
Inventors: 弘典浦; 俊介安井; 慶孝暖水; 宏樹竹島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: JP2003308872A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱の放散を促進させるために遠赤外線放射による放熱構造を設けて温度上昇を抑制した二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は充放電に伴って化学反応による反応熱やジュール熱が発生し、電気容量が大きくなるほどに発生する熱量が増加して電池温度が上昇する。発生する熱量は急速充電や高率放電などが行われたときに更に増加する。また、二次電池を電動工具や電動車両の駆動電源として使用したような場合にはモータの始動時に大きな放電電流が流れ、高率放電が繰り返されるので電池温度の上昇は加速される。
【０００３】
また、二次電池を比較的大きな電力要求に対応させるときには、複数の二次電池を直列及び／又は並列に接続して組電池や電池パックなどの形態に構成される。このとき複数の二次電池は密集状態に配設されるため、隣り合う二次電池間で互いに熱影響を及ぼし合い、中央部分では熱の放散が不充分になるため電池温度が上昇し、端に位置する二次電池と中央部分に位置する二次電池の温度が異なり、複数の二次電池の温度バランスが崩れた状態になるため電池特性が異った状態となり、複数の二次電池を使用した組電池や電池パックの性能が充分に発揮されない。
【０００４】
二次電池はその充電特性及び放電特性が電池温度の影響を受け、高温状態になると充電効率及び放電効率が変化し，充放電サイクル寿命を低下させる。従って、二次電池が温度上昇する状態にある場合や、複数の二次電池の温度バランスが崩れる状態にある場合には、二次電池の放熱を促進させる必要があり、二次電池に放熱板を接触させた放熱構造や、二次電池に冷却用の空気を流通させる冷却構造などが採用されていることは周知の通りである。
【０００５】
二次電池の放熱は、熱エネルギーの移動、即ち伝熱を促進することにある。伝熱は伝導、対流、放射の形態があり、前記放熱板を用いた放熱構造は熱の伝導を利用したものであり、前記冷却空気を流通させる冷却構造は熱の対流を利用したものである。伝導や対流を利用した熱の移動量は、発熱体即ち二次電池と、放熱板や空気である伝熱体との温度差の関数となる。これに対して放射の場合は、電磁波として熱が放射され、放射された熱はそれが当たる物体に吸収されたとき、熱の移動量は双方の温度の４乗の差の関数となるため、放射による伝熱は伝導や対流より有効な手段となる。
【０００６】
しかし、二次電池の温度は高温状態といえども通常使用では１００℃を越えるものではなく、熱吸収する物体との温度差が小さいため、熱放射によって温度上昇が抑制される状態は得られない。二次電池から熱放射が積極的になされる状態がないと、熱放射だけでは電池温度を低下させることはできない。
【０００７】
本願発明者は二次電池から熱放射を積極的に行わせる手段として、熱線を放射する熱線放射材料に着目し、特に高い温度でなくても遠赤外線を放射するセラミックス材料を二次電池の外表面に設けることにより、二次電池の熱エネルギーをセラミックス材料からの遠赤外線放射により外部放出させ、温度上昇を抑制する効果が得られることを見出した。
【０００８】
赤外線もしくは遠赤外線を放出する材料を電池に設けた構成は、特開平１０−１２５３６１号公報に開示された自己再生電池及び特開２０００−３４０２７０号公報に開示された自己再生永久電池があり、また、特開平１１−１２６６３４号公報に開示された二次電池の性能向上装置が存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、遠赤外線を放射する放射体は、いずれも有機物を含んだ組成から形成されており、有機物を含む組成から遠赤外線が効率よく放射されない問題がある。また、電池に遠赤外線の放射体を取り付けるために、接着性を有する塗料、インク等の材料を混合しているが、これらは遠赤外線の放射を阻害する。
【００１０】
このような有機物の混合がない限り金属や樹脂への接着性を得ることができないのが従来技術であるが、本願発明者は有機物を一切含まない無機質のみの組成により金属に対して強力に接着すると共に、効率よく遠赤外線を放射するセラミックス材料を見出した。このセラミックス材料は水と混合してペースト状に形成することができ、二次電池への塗着により造膜性を有して薄膜に形成され、乾燥により二次電池に容易にセラミックス層を形成することができる。
【００１１】
本発明は、二次電池にセラミックス層を形成して、二次電池から発生する熱をセラミックス層から放射される遠赤外線として外部に放出させるものであり、その目的とするところは、熱線放射により二次電池の温度上昇を抑制することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明は、電槽が金属又は樹脂で形成された二次電池であって、外部接続端子とする部位を除く、少なくとも電槽の全周面にわたる外表面に、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分とし、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として両成分を混合させたセラミックス層が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
上記構成のように本発明においては、セラミックス層の形成にガラス質のケイ酸ソーダを主成分とし、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として両成分を混合させたセラミックス材料を用いる。このようなセラミックス材料を用いて二次電池の外表面に形成されたセラミックス層は遠赤外線を放射する組成がなされている。従って、セラミックス層は二次電池の熱エネルギーを遠赤外線として放射するので、二次電池の熱放射が促進され、電池温度の上昇が抑制される。二次電池の温度上昇は充電効率及び放電効率を低下させ、充放電サイクル寿命の低下や二次電池の劣化を進行させる要因となるが、二次電池自体が温度上昇を抑制する機能を備えていることにより、二次電池の温度管理をより確実に実施することができる。
【００１４】
また、セラミックス層を構成する材料は有機物を一切含まないものである。セラミックス層を構成する材料が有機物を一切含まないものであるため、遠赤外線放射が有効になされ、熱放射が効率よくなされる。
【００１５】
本願第２発明は、電槽が金属又は樹脂で形成された二次電池であって、少なくとも外部接続端子とする部位を除く電槽の外表面に、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分とし、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として両成分を混合させた、有機物を一切含まないセラミックス層が形成されてなることを特徴とする。
上記構成において、二次電池の外表面に形成されたセラミックス層は遠赤外線を放射する組成がなされている。従って、セラミックス層は二次電池の熱エネルギーを遠赤外線として放射するので、二次電池の熱放射が促進され、電池温度の上昇が抑制される。二次電池の温度上昇は充電効率及び放電効率を低下させ、充放電サイクル寿命の低下や二次電池の劣化を進行させる要因となるが、二次電池自体が温度上昇を抑制する機能を備えていることにより、二次電池の温度管理をより確実に実施することができる。
【００１６】
上記セラミックス層は、発電要素を収容した電槽の外表面に形成するのが好適である。温度の発生源となり、発電要素を収容する電槽の外表面にセラミックス層を形成すると、電槽の熱はその外表面からの遠赤外線として放射され、二次電池の温度上昇が抑制される。
【００１７】
また、セラミックス層の形成は、外表面に直接形成するだけでなく、外表面を被覆する外装体に形成するによっても外装体を介した遠赤外線放射がなされるので、二次電池の温度上昇を抑制することができる。
【００１８】
また、比較的大型で樹脂製の電槽では放熱面積を増加させるために電槽表面に凹凸形状が形成される場合があるが、その凹凸形状が形成された外表面にセラミックス層を形成すると、セラミックス層の表面積が増加するので、放熱面積の増加に併せて熱放射面積が増加して温度上昇抑制に効果的である。
【００１９】
また、本願第１発明に係る二次電池の製造方法は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として混在するセラミックス材料を水に混合してペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を二次電池の少なくとも電槽の全周面にわたる外表面に付着させ、乾燥によりセラミックス層として前記外表面に固着させることを特徴とする。
【００２０】
また、上記本願第１発明に係る二次電池の製造方法において、セラミックス層を構成する材料は有機物を一切含まないものである。
【００２１】
また、本願第１発明に係る二次電池の製造方法は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として混在するセラミックス材料を水に混合してペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を二次電池の電槽の外表面に付着させ、乾燥により有機物を一切含まないセラミックス層として前記外表面に固着させることを特徴とする。
【００２２】
上記二次電池の製造方法により生成されたペースト状のセラミックス材料は造膜性を有し、金属や樹脂に対する強固な接着性を有しているため、二次電池の外表面に塗着又は浸漬により付着させると、造膜性により均等厚さにセラミックス層を形成し、乾燥により外表面に強固に接着した状態が長期にわたって安定して持続する。形成されたセラミックス層は、遠赤外線を放射することによる熱放射性、断熱性、耐熱性、耐水性を有しているため、二次電池の充放電サイクル寿命が尽きるまで熱放射による放熱効果及び熱影響の遮断効果が持続する。また、セラミックス層を構成する材料が有機物を一切含まないものであるため、遠赤外線放射が有効になされ、熱放射が効率よくなされる。さらに、外表面にセラミックス層を５〜５０ミクロンの厚さに固着させるのが好適であり、二次電池のサイズを徒に増加させることなく放熱効果を向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２４】
本実施形態は、熱放射を促進させる構造を設けることにより温度上昇を抑制した二次電池について示すもので、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、鉛蓄電池などの水溶液系二次電池や、リチウムイオン二次電池などの非水溶液系二次電池を主たる対象とする。
【００２５】
図１は、第１の実施形態に係る二次電池１の構成を示すもので、金属板をプレス加工して有底円筒形に形成された電池ケース（電槽）２内には、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した極板群５と電解液とからなる発電要素が収容され、電池ケース２の開口部はガスケット６を介して封口板３によって封口され、封口板３の中央には正極外部接続端子７が形成され、電池ケース２の底面が負極外部接続端子となるように構成されている。
【００２６】
前記電池ケース２の周面にはセラミックス層４が形成されている。このセラミックス層４は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物や窒化物の少なくとも１種を副成分として混在させ、有機物を一切含まないセラミックス材料として水に混合してペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を二次電池の電池ケース２に塗着により付着させ、乾燥によりセラミックス層４を５〜５０μｍの厚さに固着させたものである。
【００２７】
セラミックス材料の具体例として、ガラス質であるケイ酸ソーダを６０ｗｔ％、結晶質であるＡｌ２Ｏ３を１５ｗｔ％、Ｉｎ２Ｏ３を１５ｗｔ％、ＳｎＯ２を１０ｗｔ％としたものを好適に使用できる。
【００２８】
上記ペースト状のセラミックス材料は造膜性を有し、金属や樹脂に対する強固な接着性を有しているため、二次電池の外表面に塗着又は浸漬により付着させると、造膜性により均等厚さにセラミックス層４を形成し、乾燥により外表面に強固に接着した状態が長期にわたって安定して持続する。形成されたセラミックス層４は、遠赤外線を放射することによる熱放射性ｇａ二次電池の充放電サイクル寿命が尽きるまで持続する。
【００２９】
二次電池は急速充電や高率放電がなされた場合に温度上昇し、その温度が過剰に上昇したとき、充電効率や放電効率が変化するだけでなく、充放電サイクル寿命を低下させ、劣化を促進させることになる。従って、電動工具や電動車両等のように高率放電が繰り返され、モータの始動時に大きな突入電流が流れる場合や、複数の二次電池を用いて大きな放電電力を供給することができるように構成した場合には電池温度が上昇するので、二次電池の放熱構造を設ける必要がある。この二次電池１は電池ケース２の外表面にセラミックス層４が形成されていることにより、発電要素から発生する熱によって温度上昇した電池ケース２の熱はセラミックス層４から遠赤外線として放射されるので、二次電池１の発熱は遠赤外線の発生により熱放射され、二次電池１の温度上昇は抑制される。セラミックス層４は二次電池１の温度が高くなるほど遠赤外線の発生量を増加させるので、電池温度を平準化させる方向に熱放射がなされる。
【００３０】
セラミックス層４は、上記構成のように電池ケース２の周面だけに形成するのでなく、図２に示すように、正極外部接続端子７及び電池ケース２の負極外部接続端子とする部位を除き、前記無機質液体セラミックスの塗布が可能な金属面の全てに形成することもでき、遠赤外線が放射される面積を増加させて放熱効果を向上させることもできる。
【００３１】
図３は、ハイブリッド車など大きな駆動電力を要求する負荷に対応させるために構成された集合型二次電池２１で、６個の二次電池２６それぞれの電槽を一体化した樹脂製の一体電槽２２内に６個の二次電池２６が構成され、一体電槽２２内で各二次電池２６を直列接続し、両短側面に設けられた外部接続端子２８により外部接続の用に供している。この集合型二次電池２１はその長側面３２で複数個を連結し、長側面を対向させたときリブ３３によって連結間に形成される間隙に強制的に空気送給して冷却できるように構成されており、一体電槽２２の表面積を増加させて冷却効果を向上させるべく長側面３２には多数の突部３４が形成されている。
【００３２】
上記集合型二次電池２１において、一体電槽２２の外表面に前述のセラミックス層４を形成すると、空気流通による放熱に加えてセラミックス層４からの遠赤外線放射により放熱効果を向上させることができる。一体電槽２２に形成された突部３３は空冷効果を向上させるため表面積を増加させているので、セラミックス層４の表面積も増加して熱放射面積の増加による放熱効果の向上につながる。遠赤外線放射による熱放射は遠赤外線を効率よく吸収する吸収体を存在させることが効果的であるため、連結する集合型二次電池２１の間に遠赤外線に対して吸収率のよい遠赤外線吸収板を介在させると、より効果的である。
【００３３】
即ち、一体電槽２２の外表面から放射される遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収板は温度上昇するが、両面を流れる空気により冷却される。連結された集合型二次電池２１は一体電槽２２の外表面から放射された遠赤外線が遠赤外線吸収板に吸収されるため、内部から発生する熱を遠赤外線に効率よく変換して放出することができるので、放熱効果が向上する。
【００３４】
図４は、第２の実施形態に係る二次電池の構成を示すもので、二次電池１１には、その電池ケース１２の外表面を被覆して外装体１８が設けられ、外装体１８の外表面にセラミックス層１４が形成されている。電池ケース１２は二次電池１１の一方極を構成する場合が多いので、その絶縁のために樹脂フィルムや紙を用いた外装体１８が設けられる。また、外装体１８は品番、規格、注意書き等を表記するスペースであり、汎用の二次電池１１には不可欠な構成要素である。
【００３５】
上記構成において、二次電池１１の電池ケース１２内に収容された発電要素から発生する熱により電池ケース１２が温度上昇したとき、外装体１８を介してセラミックス層１４が加熱される。セラミックス層４は加熱量に応じた遠赤外線を放射するので、遠赤外線の放射に応じて外装体１８の温度、更には電池ケース１２の温度が低下し、二次電池１１の温度上昇が抑制される。
【００３６】
図５は、上記構成になる二次電池１１の温度上昇抑制の効果を検証したグラフを示すものである。二次電池１１（ニッケル−カドミウム蓄電池：サブＣサイズ円筒密閉形）の電池ケース１２上に外装体１８として紙筒を被せ、紙筒の外表面にセラミックス層１４を形成した場合と、セラミックス層１４を設けない場合とについて、電池ケース１２の表面温度と紙筒の表面温度とを測定したものである。グラフから分かるように、電池ケース１２の表面温度及び紙筒の表面温度共にセラミックス層１４を形成した場合に方が低くなっており、セラミックス層１４から遠赤外線が放射されることによる温度上昇抑制の効果が明らかである。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、二次電池の外表面または二次電池を被覆する外装体に遠赤外線を放射するセラミックス層が形成されているので、セラミックス層から遠赤外線として熱エネルギーが放散され、二次電池の温度上昇を抑制することができる。また、セラミックス層は断熱性を有しているので、高温環境や隣り合う二次電池からの熱影響を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る二次電池の構成を示す断面図。
【図２】セラミックス層の形成範囲の変化例を示す断面図。
【図３】樹脂製電槽を用いた二次電池の構成を示す斜視図。
【図４】第２の実施形態に係る二次電池の構成を示す断面図。
【図５】同上二次電池の温度特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１、１１二次電池
２、１２電池ケース
４、１４セラミックス層
７、１７正極外部接続端子
２１集合型二次電池
３４突部（凹凸形状）

Claims

電槽が金属又は樹脂で形成された二次電池であって、外部接続端子とする部位を除く、少なくとも電槽の全周面にわたる外表面に、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分とし、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として両成分を混合させたセラミックス層が形成されてなることを特徴とする二次電池。
セラミックス層を構成する材料は有機物を一切含まないものである請求項１に記載の二次電池。
電槽が金属又は樹脂で形成された二次電池であって、少なくとも外部接続端子とする部位を除く電槽の外表面に、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分とし、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として両成分を混合させた、有機物を一切含まないセラミックス層が形成されてなることを特徴とする二次電池。
電槽の外表面を被覆する外装体にセラミックス層が形成されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池。
凹凸形状が形成された電槽の外表面にセラミックス層が形成されてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池。
ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として混在するセラミックス材料を水に混合してペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を二次電池の少なくとも電槽の全周面にわたる外表面に付着させ、乾燥によりセラミックス層として前記外表面に固着させることを特徴とする二次電池の製造方法。
セラミックス層を構成する材料は有機物を一切含まないものである請求項６に記載の二次電池。
ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物の少なくとも１種を副成分として混在するセラミックス材料を水に混合してペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を二次電池の電槽の外表面に付着させ、乾燥により有機物を一切含まないセラミックス層として前記外表面に固着させることを特徴とする二次電池の製造方法。