JP5150193B2 - 電池パック - Google Patents
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Description
このような状況下で、電池の短絡や過充電が起こると電池の破裂や発火の可能性がでてくる。さらにこれら電池を複数個組み上げた電池パックおよび電池モジュールでは、その破裂や発火のエネルギーも高く、重大な事故に繋がりかねない。
本発明は、これらの課題を解決するものであり、適量の消化剤を配置し、確実に電池の破裂や発火を防止できる電池パックを提供し、電池パックの安全性を向上するものである。
これにより、適量の消化剤を配置し、確実に電池の破裂や発火を防止でき、電池パックの安全性を向上することができる。更に本発明の電池パックは、電池端子に消火剤が接触することがなく、電気的不具合を生じることはない。また、消火剤容器を各外装材の外周にそれぞれ配置するので、各電池に消火剤を配置することができる。また外装材の外周熱融着部に消火剤容器を配置するので、電池パックがラミネートフィルムにより封止されている場合、まず封止部が発火し、その後内容物が燃焼する。そのため封止部に消火剤が配置されていると、初期消火に最も効果的である。しかも電池パックのデッドスペースを利用して消火剤を配置することができ、従ってモジュールのエネルギー密度を低下させない。更に外装材の外周熱融着部に電池容量に対して適量の消火剤を配置することができ、確実に消火することができる。また、消火剤容器によって二次電池外装材の外周融着部をある一定の圧力により押し付けるので、振動試験によっても融着部の機械的な剥離が起こりにくくなる。
これにより、電池が破裂や発火を生じる前に消火剤が散布され、確実に消火することができる。
また、本発明の電池パックは、実施形態ではリチウムイオン電池であることが好ましい。これにより、特に高容量・高電圧であるためエネルギー密度が高く、電解液に有機溶媒を使用しているため、大型化した場合に危険性が高くなるリチウムイオン電池の破裂や発火を生じる前に消火することができる。
この構成の電池パックによれば、電池パック内のデッドスペースを利用して消火剤を配置することができ、もし電池パック内の電池が異常発熱して発火に至ったとしても、電池パック内に配置された消火剤によって消火することができる。なおかつ本発明の構成によれば、電池パックのエネルギー密度を低くすることがない。なお電池容量が5Ahより低い電池からなる電池パックであると、デッドスペースが小さく消火剤を設置する効果が低いため好ましくない。
リチウムポリマー二次電池は電解液をイオン伝導性高分子で固体化したものである。ニッケル水素電池は水酸化ニッケルを活物質とする正極と、水素吸蔵合金を活物質とする負極と、マンガンイオンを含有するアルカリ電解液とからなるものである。電気二重層キャパシタは集電板両面に活性炭素を接着した分極性電極を複数枚用意し、その電極間に電解液を含有させたセパレータもしくはゲル電解質膜を交互に挟み込んだものである。
本発明ではこれらを総称して二次電池と称している。
また、これらの電池は大型化され、電気自動車用や電力需要平準化のための家庭用の夜間電力貯蔵装置として活用される。
重炭酸ナトリウムを使用した場合の消火原理は次の通りである。
2 NaHCO3 + 熱 → Na2CO3 + CO2 + H2O
Na2CO3 + 熱 → Na2O + CO2
生成したCO2により消火される。
また硫酸アルミニウムの役割は次の通りである。
Al2(SO4)3・16H2O + 熱 → Al2(SO4)3 + 16H2O (泡状)
生成した水性の泡で燃焼部を酸欠にすることにより消火される。
消火剤を封入する容器としては、化学的に安定なポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリイミド等からなるものが好ましい。また、融着層に未延伸ポリプロピレンを有する延伸ナイロンや融着層にポリエチレンを用いたアルミ箔に延伸ナイロンまたはポリエステルを合わせた三層ラミネートフィルムなど用いることができる。
例えば、正極板は、正極活物質、導電剤、結着剤、有機溶剤とを含有するペーストを正極集電体上に塗布、乾燥、加圧することにより作製される。
正極活物質には、リチウムイオンを吸着、放出できる材質として、例えば、LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4等、及びこれらのリチウム複合酸化物、及びその一部を他元素で置換した化合物を用いることができる。キャパシタの場合は、活性炭などを用いることができる。
導電材としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素質材料を添加したり、公知の添加剤などを添加したりすることができる。
また、結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジンや、ポリテトラフルオロエチレン等を用いることができる。
有機溶剤としては、N−メチルー2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)などを用いることができる。
正極集電体としては、例えばSUS、アルミニウム等の導電性金属箔や薄板を用いることができる。
正極板を封入するセパレータは、多孔質フィルムよりなり、耐溶剤性や耐酸化還元性を考慮すれば、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質フィルムあるいは不織布が好適である。このような材質からなるものを単層または複数層にして用いる。
負極活物質には、リチウムイオンを挿入、離脱できる材質として、例えば、熱分解炭素類、コークス類、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼結体、炭素繊維、活性炭等を用いることが出来る。
導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素質材料を添加したり、公知の添加剤などを添加したりすることができる。
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジン、ポリテトラフルオロエチレンやスチレンブタジエンゴム等を用いることが出来る。
有機溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン (NMP)、N,N-ジメチルホルムアミ
ド (DMF) 等を用いることができる。
負極集電体としては、銅、ニッケル、SUS等の金属箔を用いることができる。
また、発明において用いられる非水電解質としては、電解塩を有機溶剤に溶解してなる溶液が用いられる。
電解質塩としては、リチウムイオン二次電池を使用する場合、例えば、リチウムをカチオン成分とするものが好ましく、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム、フッ素置換有機スルホン酸等の有機酸をアニオン成分とするリチウム塩を用いることを例示することが出来る。キャパシタを使用する場合、例えば、(C2H5)4NBF4、(C2H5)4NPF6、(C4H9)4NBF4、(C4H9)4NPF6のようなアルキルアンモニウム塩を例示することが出来る。
本発明において、上記記載の各材質は一例であり、上記例示に限定されるものではなく、二次電池において知られているものであれば、いずれでも用いることが出来る。
(実施例1)
図1に示すように、正極にLiCoO2、負極に人造黒鉛を使用し、電解液に1M−LiPF6/EC+DMC(体積比50:50)を使用したアルミラミネート外装材のリチウムイオン二次電池1を用意した。この二次電池1は長辺が420mm、短辺が280mm、厚さが3mmで、一方の短辺から正極リード3、他方の短辺から負極リード4を引き出した。この電池は電池容量20Ah、平均電圧3.7Vであり、4辺とも熱融着により封止してあり、長辺側の封止部の幅は両方とも8mm、短辺側の封止部の幅は両方とも30mmであった。
この電池1の4辺の封止部形状に合わせたポリエチレン製の容器を作製し、その中にリン酸二水素アンモニウムと硫酸アンモニウムと二酸化珪素との混合物(重量比40:40:20)を609cm3封入した消火剤容器2を用意し、アルミラミネート外装材1の熱融着部に配置した。
そして、図1に示すようにリチウムイオン二次電池1に消火剤容器2を配置したものを、10個順次直列になるように積層し、図5に示すように各電池間には絶縁材として0.1mm厚のポリカーボネートフィルム5を配置し、各正極リードを正極端子7に接続し、各負極リードを負極端子8に接続して、図6に示すように電池パック容器6に収納し、容量20Ahで平均電圧37Vを得た。
電池パック筐体6の外装材には、1.0mm厚の亜鉛メッキ鋼板を使用した。さらに防爆弁9を電池パック筐体に取り付けた。防爆弁9は、厚さ0.3mmのアルミ板に十字の切込みを入れ、円柱状の支持材に溶接した開裂板10を、電池パック外装の正極端子7と負極端子8の間に穴を開けて、溶接部10により取り付けた。電池パックの内圧が上昇すると、アルミ板の十字の切れ込みが開裂して電池パック内部の圧力を逃がす機構である。
図2に示すように、正極にLiNiO2、負極には表面に非晶質炭素が付着した天然黒鉛を使用し、電解液に1M−LiPF6/EC+DEC(体積比30:70)を使用したアルミラミネート外装材のリチウムイオン二次電池1を用意した。この二次電池1は長辺が420mm、短辺が280mm、厚さが3mmで、一方の短辺から正極リード3と負極リード4を同方向に引き出した、この電池1は電池容量20Ah、平均電圧3.7Vであり、4辺とも熱融着により封止してあり、長辺側の封止部の幅は両方とも8mm、短辺側の封止部の幅は両方とも30mmであった。
この電池の4辺の封止部形状に合わせたポリプロピレン製の容器を作製し、その中にリン酸二水素アンモニウムと硫酸アンモニウムと二酸化珪素との混合物(重量比40:40:20)を609cm3封入した消火剤容器2を用意し、アルミラミネート外装材1の熱融着部に配置した。
そして、図2に示すようにリチウムイオン二次電池1に消火剤容器2を配置したものを、10個順次直列になるように積層し、図5に示すように各電池間には絶縁材として0.1mm厚のポリエステルフィルム5を配置し、各正極リードを正極端子7に接続し、各負極リードを負極端子8に接続して、図6に示すように電池パック筐体6に収納し、容量20Ahで平均電圧37Vを得た。
電池パック筐体6の外装材には、防爆弁9付きの0.8mm厚のステンレス板を使用した。防爆弁9は、実施例1と同じである。
図3に示すように、正極にLiMn2O4、負極には表面に非晶質炭素が付着した人造黒鉛を使用し、電解液に1M−LiPF6/EC+MEC(体積比30:70)を使用したアルミラミネート外装材のリチウムイオン二次電池を用意した。この二次電池1は長辺が420mm、短辺が280mm、厚さが3mmで、一方の短辺から正極リード3、他方の短辺から4負極リードを各々引き出した。この電池1は電池容量18Ah、平均電圧3.8Vであり、4辺とも熱融着により封止した。長辺側の封止部の幅は両方とも8mm、短辺側の封止部の幅は両方とも30mmであった。
この電池の2つの長辺封止部形状に合わせた一対のポリエチレン製の容器を作製し、その片方の容器中に重炭酸ナトリウム2aを101cm3、もう一方の容器中に硫酸アルミニウムを101cm3封入した消火剤容器2bを用意し、アルミラミネート外装材1の長辺側の熱融着部に配置した。重炭酸ナトリウムと、硫酸アルミニウムをそれぞれ別の容器に入れたので、薬剤の保存性が向上し長時間にわたって消火剤を電池パックや電池モジュールに保持させることができる。またこのように2種類の薬剤を分離することにより、重炭酸ナトリウム2aと、硫酸アルミニウムが混合して化学反応を起こし、重炭酸ナトリウムが分解して二酸化炭素を放出してしまうのを防止することができる。
そして、図3に示すように二次電池1に消火剤容器2a、2bを配置したものを、10個順次直列になるように積層し、図5に示すように各電池間には絶縁材として0.1mm厚のポリカーボネートフィルム5を配置し、各正極リードを正極端子7に接続し、各負極リードを負極端子8に接続して、図6に示すように電池パック筐体6に収納し、容量20Ahで平均電圧37Vを得た。
電池パック筐体6の外装材には、防爆弁9付きの1.0mm厚の亜鉛メッキ鋼板を使用した。防爆弁9は、実施例1と同じである。
図4に示すように、正極にLiMn2O4、負極にはハードカーボンを使用し、電解液に1M−LiBF4/EC+DMC(体積比50:50)を使用したアルミラミネート外装材のリチウムイオン二次電池を用意した。この電池1長辺が420mm、短辺が280mm、厚さが3mmで、一方の短辺から正極リード3、他方の短辺から4負極リードを各々引き出した。この電池1は電池容量18Ah、平均電圧3.7Vであり、4辺とも熱融着によりで封止した。長辺側の封止部の幅は両方とも8mm、短辺側の封止部の幅は両方とも30mmであった。
この電池の2つの短辺封止部形状に合わせた一対の容器(融着層にポリエチレンを用いたアルミ箔に延伸ナイロンを合わせた三層ラミネートフィルム製)を作製し、その片方の容器中に重炭酸ナトリウムを252cm3、もう一方の容器中に硫酸アルミニウムを252cm3封入し、アルミラミネート外装材1の熱融着部に配置した。
そして、図4に示すように二次電池1に消火剤容器2を配置したものを、10個順次直列になるように積層し、図5に示すように各電池間には絶縁材として0.1mm厚のポリイミドフィルム5を配置し、各正極リードを正極端子7に接続し、各負極リードを負極端子8に接続して、図6に示すように電池パック筐体6に収納し、容量18Ahで平均電圧37Vの電池パックを得た。
電池パック筐体6の外装材には、防爆弁9付きの1.5mm厚のABS樹脂板を使用した。防爆弁9は、実施例1と同じである。
2 消火剤容器
3 正極リード
4 負極リード
5 絶縁材
6 電池パック筐体
7 正極端子
8 負極端子
9 防爆弁
Claims (9)
- 正極と、負極と、セパレータと、非水電解液とを含む発電要素と、前記発電要素を封入する外装材と、前記外装材の外側を封止する外周熱融着部を備える二次電池と、
前記外周熱融着部の少なくとも一部に配置した消火剤入り容器と、
前記二次電池と、消火剤入り容器を収納する筐体と
を備える電池パック。 - 前記消火剤入り容器は、90〜300℃で溶解する材質よりなる請求項1に記載の電池パック。
- 前記消火剤は、消火剤の気化熱と酸素吸収機能によって消火を行う請求項1に記載の電池パック。
- 前記消火剤は、二次電池の充放電容量に対して、10〜50cm3/Ahの量である請求項1記載の電池パック。
- 前記発電要素は、2つの長辺と2つの短辺を有し、前記外周熱融着部は、前記外装材の4辺に形成され、前記消火剤入り容器は前記外装材の前記4辺に配置される請求項1に記載の電池パック。
- 前記外装材は、アルミ板と樹脂フィルムを積層したラミネートフィルムよりなる請求項1に記載の電池パック。
- 前記筐体は、金属板よりなる請求項1に記載の電池パック。
- 前記二次電池は、電池容量が5Ah以上である請求項1に記載の電池パック。
- 前記二次電池は、リチウムイオン電池である請求項1に記載の電池パック。
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