JP4952191B2 - 蓄電装置及び冷却システム - Google Patents
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Description
本発明は、電解質を介して配置された電極体を備えた蓄電ユニットをケース内に収容した構成において、蓄電ユニットの放熱効率を向上させることのできる蓄電装置に関するものである。
従来、二次電池や電気二重層キャパシタ（コンデンサ）といった蓄電装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車のバッテリとして用いられている。この蓄電装置では、充放電の際に電池等が発熱するために、電池の性能や寿命が低下してしまうことがある。
そこで、蓄電装置を収容するケースに対して冷却用の空気等を供給することによって、蓄電装置を冷却させるものがある。また、複数の電池セルが接続された組電池を収納する密閉容器内又は、複数の電池を収納する密閉容器内に、冷却液を充填したものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１、２に記載の電池（又は、電池セル）は、発電要素（電極体及び電解質を含む）をケース（例えば、ラミネートフィルム）で覆った構造となっており、この電池を冷却液とともに密閉容器内に収容している。この構成では、電池のケースに冷却液が接触している。
ここで、一般的には、ケース内に水等が侵入しないように、ケースは密閉状態となっており、ケース内にドライガス（例えば、空気や窒素ガス）を封入したり、ケース内を真空状態にしたりしている。この構成について、図５を用いて説明する。
図５において、電極体及び電解質を含む電池ユニット（発電要素）１００は、ケース２００内に収容されている。また、電池ユニット１００は、正極用の電極体と負極用の電極体とが、電解質を介して積層された構造となっている。各電極体は、集電体と、この集電体の表面に形成された電極層（正極層又は負極層）とを有している。
そして、特許文献１、２に記載の冷却構造においては、ケース２００に対して冷却液を接触させることで、ケース２００を介した電池ユニット１００の放熱（冷却）を行うようにしている。
しかしながら、ケース２００内にドライガスを封入した構成やケース２００内を真空状態にした構成では、充放電の際に電池ユニット１００で発生した熱がケース２００に効率良く伝達されないことがある。
したがって、特許文献１、２に記載された冷却構造のように、ケース２００に冷却液を接触させて、ケース２００の熱を放出させるようにしても、ケース２００の冷却が行われるだけである。すなわち、電池ユニット１００で発生した熱のほとんどは、ケース２００内に残された状態となり、電池ユニット１００の放熱（冷却）を効率良く行うことはできない。
また、ケース２００内を真空状態とする場合には、この真空処理等の際に電池ユニット１００の集電体等が折れ曲がり、積層方向において隣り合う集電体が互いに接触（短絡）してしまうおそれもある。
そこで、本発明の目的は、発電要素である蓄電ユニットの冷却効率を向上させることのできる蓄電装置を提供することにある。
本発明である蓄電装置は、固体電解質を介して配置された電極体を備えた蓄電ユニットと、この蓄電ユニット及び、蓄電ユニットの冷却に用いられ、少なくとも電極体に接触する冷却液を収容するケースとを有することを特徴とする。
ここで、冷却液として、例えば、フッ素系不活性液体を用いることができる。より具体的には、フッ素系不活性液体として、例えば、フロリナート、Ｎｏｖｅｃ ＨＦＥ(hydrofluoroether)、Ｎｏｖｅｃ１２３０（スリーエム社製）を用いることができる。
また、固体電解質及び電極体のうち少なくとも一方を、硫黄又は硫黄化合物を含む材料で形成することができる。そして、固体電解質として、より具体的には、高分子固体電解質や無機固体電解質を用いることができる。さらに、ケースを、ラミネートフィルムで形成することができる。
なお、電極体としては、集電体と、この集電体の互いに向かい合う面にそれぞれ形成された正極層及び負極層とを有する、バイポーラ型の電極体を用いることができる。
一方、本発明である冷却システムは、上述した本発明の蓄電装置と、この蓄電装置のケースを冷却するための冷却機構とを備えたことを特徴とする。
ここで、冷却機構としては、ケースに冷却媒体を接触（供給）させる構成とすることで、ケースの冷却を行うことができる。冷却媒体としては、冷却用の空気や、冷却用の液体（例えば、フッ素系不活性液体）を用いることができる。
本発明によれば、蓄電ユニットを冷却液とともにケース内に収容して、冷却液を少なくとも電極体に接触させることで、蓄電ユニットで発生した熱を、冷却液を介してケースに効率良く伝達させることができ、蓄電ユニットの放熱効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例１である蓄電装置について、図１〜図３を用いて説明する。ここで、図１は、蓄電装置の概略構成を示す側面図であり、図２は、蓄電装置の内部構造を示す断面図である。また、図３は、蓄電装置の外観斜視図である。
図１に示すように、発電要素としての蓄電ユニット１は、固体電解質１０を介して複数の電極体１１を積層した構成となっている。ここで、本実施例では、蓄電ユニット１として、二次電池を用いているが、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）にも適用することができる。
各電極体１１は、集電体１１ａと、集電体１１ａの一方の面に形成された正極層１１ｂと、集電体１１ａの他方の面（一方の面と対向する面）に形成された負極層１１ｃとを有する。すなわち、各電極体１１は、バイポーラ型の電極構造となっている。
ここで、蓄電ユニット１の積層方向両端に位置する電極体１１には、一方の面にのみ電極層（正極層又は負極層）が形成されている。
正極層１１ｂ及び負極層１１ｃの各電極層には、正極及び負極に応じた活物質が含まれている。また、各電極層１１ｂ、１１ｃには、必要に応じて、導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるための無機固体電解質、高分子ゲル電解質、高分子電解質、添加剤などが含まれる。
正極活物質としては、例えば、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を用いることができる。具体的には、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物がある。この他にも、ＬｉＦｅＰＯ４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物や、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３などの遷移金属酸化物や硫化物や、ＰｂＯ２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどがある。一方、負極活物質としては、例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物、カーボンを用いることができる。
なお、本実施例では、バイポーラ型の電極体１１を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、集電体の両面に正極層を形成した電極体と、集電体の両面に負極層を形成した電極体とを用いることもできる。この場合には、正極層を備えた電極体と、負極層を備えた電極体とが、固体電解質を介して交互に配置（積層）されることになる。
また、集電体１１ａとしては、一種類の金属箔を用いたり、複数の金属箔を貼り合わせた、いわゆる複合集電体を用いたりすることができる。
固体電解質１０としては、高分子固体電解質や無機固体電解質を用いることができる。この電解質の材料としては、公知の材料を用いることができる。
高分子固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体を用いることができる。この高分子固体電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、又はこれらの混合物を用いることができる。
上述した構成の蓄電ユニット１において、積層方向（図１の上下方向）の両端に位置する電極体（正極及び負極）にはそれぞれ、図２に示すように、正極端子１２及び負極端子１３が電気的及び機械的に接続されている。
また、蓄電ユニット１はケース２で覆われており、ケース２は、ラミネートフィルムで形成されたフィルム部材２ａ、２ｂで構成されている。ケース２及び蓄電ユニット１の間に形成された空間には、蓄電ユニット１の冷却に用いられる冷却用液体３が充填されている。本実施例では、冷却用液体３として、フッ素系不活性液体を用いている。
ラミネートフィルムとして、一般的には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。ここで、熱融着性樹脂フィルムは、蓄電ユニット１を収容する際のシールとして用いられ、金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を持たせるために用いられる。
熱融着性樹脂としては、例えば、ポリエチレンやエチレンビニルアセテートを用いることができる。金属箔としては、例えば、アルミニウム箔やニッケル箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやナイロンを用いることができる。
一方、フッ素系不活性液体としては、スリーエム社製のフロリナート、Ｎｏｖｅｃ ＨＦＥ(hydrofluoroether)、Ｎｏｖｅｃ１２３０を用いることができる。なお、冷却用液体３としては、フッ素系不活性液体以外の液体を用いることもできる。すなわち、蓄電ユニット１で発生した熱を効率良く放出させる（言い換えれば、ケース２に伝達させる）ことができるものであればよく、例えば、シリコンオイルを用いることができる。
ケース２は、図２に示すように、樹脂層４を介して蓄電ユニット１を挟んでおり、この外縁側の領域において、互いに熱融着されて密閉状態となる。また、蓄電ユニット１に接続された正極端子１２及び負極端子１３は、ケース２から蓄電装置５外に延びている。これにより、蓄電ユニット１で発生した電力を外部に取り出すことができる。
本実施例では、ケース２としてラミネートフィルムを用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、金属製のケースを用いることができる。
上述したように、本実施例の蓄電装置５では、ケース２内に冷却用液体３を収容し、冷却用液体３を蓄電ユニット１及びケース２に接触させている。具体的には、冷却用液体３が固体電解質１０及び電極体１１に接触しているとともに、ケース２の内面に接触している。この構成では、充放電の際に蓄電ユニット１で発生した熱が、冷却用液体３を介してケース２に伝達され易くなり、蓄電ユニット１の放熱効率を向上させることができる。
すなわち、冷却用液体３は、ケース２内で自然対流することによって、蓄電ユニット１で発生した熱をケース２に伝達させることができ、蓄電ユニット１の温度上昇を抑制することができる。
また、ケース２内に冷却用液体３を収容すれば、ケース２内での熱容量を向上させることができ、蓄電ユニット１の急激な温度上昇を抑制することができる。蓄電装置５を備えた車両等においては、蓄電装置５（蓄電ユニット１）の急激な温度上昇が発生した場合に、安全性を確保するために、蓄電装置５の充放電を停止させる必要がある。ここで、本実施例のように、蓄電装置５の急激な温度上昇を抑制することで、蓄電装置５の充放電制御を行うための時間を稼ぐことができ、安全性を向上させることができる。
ここで、蓄電ユニット１の放熱効率を向上させるためには、冷却用液体３として、熱伝導率の高い液体を用いることが好ましい。また、図２に示すように、冷却用液体３は、正極端子１２及び負極端子１３に接触しているため、正極端子１２及び負極端子１３間の短絡を防止するために、電気的絶縁性を有する液体を用いることが好ましい。さらに、蓄電ユニット１やケース２を浸さない液体を用いることが好ましい。
この点を考慮すると、冷却用液体３として、フッ素系不活性液体を好適に用いることができる。
また、フッ素系不活性液体は水分の溶解度が他の液体に比べて低いため、ケース２内の蓄電ユニット１が水分と接触するのを抑制することができる。すなわち、蓄電ユニット１を構成する部材（電極体１１や固体電解質１０）が水分と接触することで、劣化してしまうのを抑制することができる。
また、蓄電ユニット１の構成材料として、硫黄又は硫黄化合物を含む材料が用いられている場合には、硫黄原子が水と反応して硫化水素（気体）を発生するおそれがある。このため、フッ素系不活性液体を用いれば、硫黄原子と水との反応を抑制でき、硫化水素の発生を抑制することができる。
しかも、フッ素系不活性液体は、上述したように絶縁性に優れているため、蓄電ユニット１に直接、接触させても、分解や劣化が発生することもない。
また、フッ素系不活性液体を用いれば、消化剤として機能させることができ、本実施例の蓄電装置５が外力等を受けて破損してしまった場合にも、安全性を確保することができる。特に、フッ素系不活性液体として、Ｎｏｖｅｃ１２３０を用いれば、優れた消化性を得ることができる。
さらに、ケース２内に冷却用液体３を収容させることで、ケース２内を真空状態にする場合に比べて、蓄電ユニット１の集電体１１ａ等が折れ曲がってしまうのを防止することができる。これにより、集電体１１ａ同士が接触して、短絡してしまうのを防止することができる。
本実施例の蓄電装置５においては、ケース２の外表面を、冷却媒体を用いて冷却させることができる。
具体的には、蓄電装置５を密閉容器（不図示）内に収容し、この密閉容器内に冷却用の液体を充填することができる。ここで、密閉容器及び冷却用の液体が、特許請求の範囲に記載の冷却機構に相当する。そして、冷却用の液体を密閉容器内で自然対流させることができる。また、密閉容器に循環通路を接続し、循環通路上に設けたポンプを用いて強制的に冷却用の液体を循環させるとともに、循環通路上に設けたラジエータによって冷却用の液体（蓄電装置５との間で熱交換された液体）を冷却させることができる。
また、蓄電装置５に対して冷却用の空気を供給する冷却機構を設け、蓄電装置５を冷却することもできる。この冷却機構としては、例えば、蓄電装置５外の空気を蓄電装置５に導くためのダクトと、このダクト上に設けられたファンとで構成することができる。
上述したように、蓄電装置５（ケース２）を冷却させることで、蓄電装置５内に設けられた蓄電ユニット１の放熱効率を更に向上させることができる。
本実施例の参考例において、ゲル状又は液状の電解質を用いることもできる。この場合には、図４に示すように、積層方向において隣り合う集電体１１ａの間に、シール材１４を配置することができる。ここで、図４は、蓄電ユニット１の一部の構成を示す概略図であり、上述した実施例で説明した部材と同一の部材については、同一符号を用いている。
図４に示すように、隣り合う集電体１１ａの間において、これらの集電体１１ａの外縁に沿ってシール材１４を配置すれば、隣り合う集電体１１ａ間の空間を密閉することができ、この密閉空間に液状又はゲル状の電解質１５を収容することができる。そして、シール材１４によって、電解質１５が外部（冷却用液体３中）に漏れたり、冷却用液体３が電解質１５中に侵入したりするのを防止することができる。この場合には、冷却用液体３が電極体１１（より具体的には、集電体１１ａ）に接触することになる。
ここで、シール材１４の材料としては、隣り合う集電体１１ａ間の短絡を防止するために絶縁性の材料を用いることが好ましい。また、冷却用液体３がしみ込みにくい材料を用いることが好ましい。
ゲル電解質としては、イオン伝導性を有する高分子骨格中にリチウムイオン電池で用いられる電解液を保持させたものや、リチウムイオン伝導性を持たない高分子骨格中に同様の電解液を保持させたものが含まれる。
ゲル電解質に含まれる電解液としては、例えば、リチウムイオン電池で通常用いられるものであればよく、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも１種類のリチウム塩（電解質塩）、またはこれらの混合物を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類；ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類；テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類；γ−ブチロラクトン等のラクトン類；アセトニトリル等のニトリル類；プロピオン酸メチル等のエステル類；ジメチルホルムアミド等のアミド類；酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから１種類または２種以上を混合した、非プロトン性有機溶媒（可塑剤）を用いたものを用いることができる。
上記リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０等の無機酸陰イオン塩、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物を用いることができる。
一方、本実施例の蓄電ユニット１では、固体電解質１０を介して複数の電極体１１を積層した構成としているが、これに限るものではない。例えば、長尺状の電極体を捲き回させて蓄電ユニットを構成してもよい。
この場合には、捲き回された電極体の間に電解質が配置される。そして、電極体が捲き回された蓄電ユニットを収容し得る形状（具体的には、円筒型）を有するケースを用意し、このケース内に冷却用液体（例えば、フッ素系不活性液体）を充填すればよい。
本実施例の蓄電装置は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の蓄電装置として用いることができる。ここで、本実施例の蓄電装置を電気自動車に搭載する場合には、モータを駆動させる出力を得るために、本実施例の蓄電装置を複数用意し、これらを電気的に直列に接続して用いる必要がある。
１：蓄電ユニット
１０：固体電解質
１１：電極体
１１ａ：集電体
１１ｂ、１１ｃ：電極層（正極層、負極層）
２：ケース
３：冷却用液体
５：蓄電装置
１０：固体電解質
１１：電極体
１１ａ：集電体
１１ｂ、１１ｃ：電極層（正極層、負極層）
２：ケース
３：冷却用液体
５：蓄電装置
Claims (5)
- 固体電解質を介して配置された電極体を備えた蓄電ユニットと、
該蓄電ユニット及び、該蓄電ユニットの冷却に用いられ、少なくとも前記電極体に接触する冷却液を収容するケースとを有することを特徴とする蓄電装置。 - 前記冷却液は、フッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
- 前記固体電解質及び前記電極体のうち少なくとも一方は、硫黄又は硫黄化合物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
- 前記ケースがラミネートフィルムで形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
- 請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電装置と、
該蓄電装置のケースを冷却するための冷却機構とを備えたことを特徴とする冷却システム。
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