JP5531220B2 - 積層電池および積層電池システム - Google Patents
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Description
特許文献7には、シート状のヒートシンクを正極と負極に配して、セパレータと共に捲回してなる円筒型捲回電池の発明が開示されている。
OH-→1/4O2+ 1/2H2O+ e- (1)
MH + 1/4O2 →M + 1/2H2O (2)
本発明に係る積層電池は、前記外装体が、有底円筒状の、第1外装体および第2外装体を備えており、前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第1外装体の軸方向に沿って貫通している第1集電体と、前記第1外装体とを備えた第1積層電池と、前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第2外装体の軸方向に沿って貫通している第2集電体と、前記第2外装体とを備えた第2積層電池とを有していて、前記第1外装体の開口部と前記第2外装体の開口部とを、絶縁部材を介して、対向させて接続した積層電池であって、前記第2外装体の底部と第1集電体とが当接して、第2外装体が正極端子として機能し、前記第1外装体の底部と第2集電体とが当接して、第1外装体が負極端子として機能する。
捲回電池の温度勾配が大きいのは、外装体と電極の間に幾重もの熱を伝え難いセパレータが介在しているのと、その構造上大きな力で捲回することができないので電極間の熱の移動を大きくすることができないからである。
この構成によれば、外装体が熱伝導度の高い絶縁材であることが好ましい。また、外装体の内方に熱伝導度の高い絶縁材を有していて、鉄等の構造材をその外方に有していてもよい。熱伝導度の高い絶縁材としては、アルミナ、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。これらセラミックスは良好な絶縁性と絶縁耐力(約100V/mm)、高い熱伝導率(約7x10−3cal/cm/sec・℃)、大きな機械的強度(ロックウエル硬度50以上)を有している。熱伝導度の高い絶縁材として、ダイヤモンドであってもよい。構造材としては鉄の他にチタンやカーボンやアルミであってもよい。ここに、高い導電性とは、少なくとも2x10−3cal/cm/sec・℃以上であることが好ましい。
ここに、正極容量および負極容量は電気容量のことであり、アンペアアワー(Ah)単位で表される。この構成によれば、従来の蓄電池が正極規制であるところ、本発明に係る積層電池は、負極に含まれる水素吸蔵合金の量が前記正極に含まれる正極活物質の量より少ない負極規制となっている。
H+ +e- → 1/2H2 (3)
負極 1/2H2 → H+ + e-
正極 NiOOH+e-+H+ → Ni(OH)2 (4)
全体 NiOOH+1/2H2 → Ni(OH)2
この構成によれば、集電板が電池システムの構造材になると共に、積層電池を電気的に接続する部材になり、かつ、放熱板として作用する。集電板に送風機等から冷却空気を送れば、積層電池の冷却に効果的である。
この構成によれば、外装体全体が熱伝導度の高い絶縁材であってもよい。また、外装体が熱伝導度の高い絶縁材を内方に有し、鉄等の構造材を外方に有する二重構造であってもよい。熱伝導度の高い絶縁材としては、アルミナ、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。ダイヤモンドであってもよい。構造材としては鉄の他にチタンやカーボンやアルミであってもよい。
また、正極および負極の外方寸法は外装体の内方寸法より大きく作られており、正極と負極は共に外装体の密に接触しているので、正極および負極で発生した熱は高い熱伝達率で外装体に伝えられ、積層電池内部の温度上昇を抑制することが可能となる。このような事情は、請求項1に係る課題を解決する手段のところで説明したのと同様である。
隔壁は、正極と負極とセパレータから構成される電極の間に配置されている。金属製の隔壁は電子は通すがイオンは通さない。よって、正負極の積層数に応じて、積層電池の出力電圧は高くなる。
この構成によれば、初期活性化後の積層電池に酸素ガスを供給すれば、積層電池内の空気はパージされて酸素ガスで充填される。酸素ガスは積層電池の負極に吸蔵されている水素と反応して水になる。この結果、密閉構造を有する外装体の内部は負圧となり、外装体の側壁が少し内方に変形して、電極との接触がよくなる。強く接触すれば、熱伝達がよくなるし、電気抵抗も小さくなる。
本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、全ての実施形態に共通する電極の作り方について説明を行う。
<電極の製造について>
<第一実施形態>
以上より、積層電池41において、第1外装体45−1が負極端子となり、第2外装体45−2が正極端子となる。
<変形例>
<第二実施形態>
以上に説明した、第一および第二実施形態に共通する実施態様について、まとめて以下に説明する。図7は、本発明に係る積層電池に酸素ガスを充填する場合の機器構成を説明する図である。積層電池121には、酸素ガスの注入の受け口となる接続口123が設けられていて、配管124aの先端に取り付けられたニップル125が気密に接続可能となっている。一方、酸素ガスが充填されている酸素ボンベ127は配管124bを介してバルブ122の一方の接続口に接続されていて、バルブ122の他方の接続口には配管124aが接続されている。配管124bには圧力計126が設けられていて、酸素ガスの圧力が監視可能となっている。
バルブ122を開くことにより、酸素ボンベ125からの酸素ガスは配管124を経由して、初期活性化後の積層電池121に供給される。供給された酸素ガスは、積層電池内の空気をパージして、積層電池121は酸素ガスで充填される。酸素ガスは積層電池121の負極に吸蔵されている水素と反応して水になる。この結果、密閉構造を有する積層電池121の内部は負圧となり、積層電池の外装体128の側壁128aが少し内方に変形して、外装体120の内部に収納された電極体129との接触がよくなる。強く接触すれば、熱伝達がよくなるし、電気抵抗も小さくなる。
<冷却構造について>
負極43−1bおよび正極43−2aの外方寸法(円の場合は外径)は外装体45の内方寸法(円筒の場合は内径)より大きいので、負極の外縁部43−1bcおよび正極の外縁43−2bcは、それぞれ、外装体の内面45−1a、45−2aに強く押し当てられ、密に接触している。正極43−1bおよび負極43−2aで発生した熱は直接外装体45に伝えられる。また、正極43−1aおよび負極43−2bで発生した熱は、それぞれ、セパレータ43−1c、43−2cを介して負極43−1bおよび正極43−2aに伝えられる。セパレータは熱を伝えにくいが、薄く、1枚のみであるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、電極43−1a,1b、2a、2bで発生した熱は小さな温度勾配で外装体45に伝えられる。
捲回電池の総括熱伝達係数(U1)は、数1で示されるところ、本発明に係る積層電池の総括熱伝達係数(U2)は、数2で示される。
h0 = 100 Wm-2 deg-1 , h1 = 1 Wm-2 deg-1 , ks = 1 Wm-2 deg-1 , n = 9/0.03 = 300
となり、これらの値を数1に代入して、U1 = 0.0011 Wm-2 deg-1を得る。
一方、本実施形態に係る積層電池の諸元は、
h1 = 10000 Wm-2 deg-1 , t* = 0.009m , k* = 40Wm-2 deg-1
であるので、これらの値を数2に代入して、U2 = 100 Wm-2 deg-1を得る。
両者を比較すると、本発明に係る冷却構造は、従来の捲回電池比べて10万倍近く熱伝達に優れているといえる。
従来の二次電池は正極規制であり、負極の充電容量(Ah)は、正極の1.7倍となっている。一方、本発明の実施形態に係る積層電池において、負極の充電容量は正極の80%となっている。
本発明の実施例1に係る積層電池を、0.5C〜8Cで充電を行い、満充電後に積層電池の内部温度と表面温度を調べた。温度計測は、電池内部温度については集電体に熱電対を取付けて計測し、電池表面温度は積層電池の外装体の表面の温度を熱電対で計測した。環境条件は、室温が15℃で、ファンで1m/sの送風した状態とした。
この試験結果から、本発明の第一実施形態に係る積層電池は電池内の熱伝導度が大きく、充電により温度が上昇しても、すぐに温度が下がることが分かる。
2 電池ケース
3 正極
4 負極
5 セパレータ
6 キャップ
7 封口板
41 円筒型積層電池
42 円筒缶
43 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
44 接続ピース
45 外装体
46 絶縁体
47 集電体
48 軸受
49 放熱板
51 円筒型積層電池
52 円筒缶(a:側部内面)
53 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
54 隔壁
55 外装体
56 蓋部材
57 集電端子
58 軸受
59 絶縁体
121 積層電池
122 バルブ
123 接続口
124 配管
125 ニップル
126 圧力計
127 酸素ボンベ
128 外装体
129 電極体
Claims (10)
- 筒状金属製の外装体の内部に、正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極との間に配されたセパレータとが、前記外装体の軸方向に沿って積層されている積層電池であって、
前記正極と前記負極と前記セパレータを前記外装体の軸方向に沿って貫通する、金属製で棒状部分を有する複数の集電体と、
前記正極および前記負極の少なくともいずれか一方が、前記外装体の内面に当接し、
前記集電体のいずれか1が、前記正極に当接し、他が前記負極に当接する、積層電池。 - 前記外装体が、有底円筒状の、第1外装体および第2外装体を備えており、
前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第1外装体の軸方向に沿って貫通している第1集電体と、前記第1外装体とを備えた第1積層電池と、
前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第2外装体の軸方向に沿って貫通している第2集電体と、前記第2外装体とを備えた第2積層電池とを有していて、
前記第1外装体の開口部と前記第2外装体の開口部とを、絶縁部材を介して、対向させて接続した積層電池であって、
前記第2外装体の底部と第1集電体とが当接して、第2外装体が正極端子として機能し、
前記第1外装体の底部と第2集電体とが当接して、第1外装体が負極端子として機能する、請求項1に記載の積層電池。 - 前記外装体の内面が熱伝導度の高い絶縁材で覆われており、
前記正極と前記負極が前記外装体に当接し、
前記正極に当接する前記集電体が正極端子として機能し、
前記負極に当接する前記集電体が負極端子として機能する、請求項1に記載の積層電池。 - 前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さい請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層電池。
- 請求項2に記載の積層電池を複数接続してなる電池システムであって、
複数の当該積層電池が、対向して設けられた集電板の間に配置されていて、一方の前記集電板に前記積層電池の第1外装体が当接して、前記第1外装体と前記集電板とが電気的に接続され、他方の前記集電板に前記積層電池の第2外装体が当接して前記第2外装体と前記集電板とが電気的に接続されている積層電池システム。 - 前記集電板に平行な方向の冷却空気を送る手段を設けた請求項5に記載の積層電池システム。
- 熱伝導度の高い絶縁材からなる筒状の外装体の内部に、
正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータを備えた電極体が、前記外装体の軸方向に複数積層されていて、かつ、
隣接する前記電極体の間に金属製の隔壁が設けられていて、前記正極と前記負極の外縁部が前記外装体の内面に当接している積層電池。 - 前記外装体が蓋付有底の円筒である請求項7に記載の積層電池。
- 前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さい請求項7または8のいずれか一項に記載の積層電池。
- 初期活性化後に、別途用意した酸素ガス供給源から外装体の内部に酸素ガスを供給して、負極に吸蔵された水素と反応させることにより前記外装体の内部圧力の低減を図った請求項1〜3、7、8のいずれか一項に記載の積層電池。
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