JP5708121B2 - Secondary battery gas ejection prevention material, gas ejection prevention system, and secondary battery system using the same - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の異常時に電池内部で発生するガスや電解液蒸気の外部への噴出を防止する機能を備えたガス噴出防止材、そのガス噴出防止材を備えたガス噴出防止システムおよびこのガス噴出防止システムを用いた二次電池システムに関する。 The present invention relates to a gas ejection preventing material having a function of preventing the gas generated inside the battery or the electrolyte vapor from being ejected to the outside when the secondary battery is abnormal, a gas ejection preventing system including the gas ejection preventing material, and The present invention relates to a secondary battery system using this gas ejection prevention system.
リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池では、過充電や短絡等の異常時に、内部の温度が上昇し、それに伴い電解液が蒸発あるいは分解して発生したガスによって内圧が上昇し、電池ケースが破損するなどの危険性を有する。そのため、非水電解質二次電池は、防爆弁を備え、万一所定の内圧を超えた場合でも、防爆弁から電解液の蒸気やその他の分解ガス等を外部へ噴出させるような仕組みとなっている。しかしながら、それらのガスは可燃性のものや有毒なものを大量に含むため、それらのガスを外部へ噴出させない噴出防止技術が種々開発されている。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion battery, the internal temperature rises due to the gas generated by evaporation or decomposition of the electrolyte when an overcharge or short circuit occurs, resulting in a battery case. There is a risk of damage. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery is equipped with an explosion-proof valve, and in the unlikely event that the specified internal pressure is exceeded, the electrolyte vapor or other decomposition gas is ejected from the explosion-proof valve to the outside. Yes. However, since these gases contain a large amount of flammable or toxic substances, various ejection prevention techniques that do not eject these gases to the outside have been developed.
この噴出防止技術として、例えば、特許文献1には、ラミネート型のリチウムイオン電池内部で発生したガスをガス吸着材によって吸収し、ラミネートフィルムが膨らむのを防止する技術が開示されている。また、特許文献2には、二次電池の内部にガス噴出防止材を包含したガス吸収素子を設けることにより、電池内圧の上昇を長期間安定して抑制することによりガス等の噴出を防止する技術が開示されている。
As this ejection prevention technique, for example, Patent Document 1 discloses a technique in which a gas generated inside a laminate-type lithium ion battery is absorbed by a gas adsorbent to prevent the laminate film from expanding. Further, in
さらに、特許文献3には、電池内部でのガスの発生による内圧の上昇により、安全弁が開放した際に電池内部の固形物を飛散させないために電池の安全弁としてのフィルタを設けることが提案されている。
Further,
しかしながら、安全弁が開放した場合、電池内部は非常に高温になっており、噴出するガスの速度、圧力ともに非常に高いため、特許文献1及び特許文献2に記載されているような従来のガス噴出防止材では性能が不十分である、という問題点がある。特に電解液の分解により発生する有害な一酸化炭素については有効な吸着材がないのが現状であった。そこで、触媒等により分解することが考えられるが、分解のために所定温度にする必要がある、高濃度の一酸化炭素を分解するには適さない、などの問題があり、実用的ではない。さらに、特許文献3に記載されているようなフィルタは、ガス成分の捕集効果はあまり期待できない、という問題点がある。
However, when the safety valve is opened, the inside of the battery is very hot, and both the speed and pressure of the gas to be ejected are very high, so that conventional gas ejection as described in Patent Document 1 and
また、非水電解質型二次電池はモバイル機器や自動車等、設置スペースの限られたものに適用されることが多いため、ガス吸収性能が高いことに加え、コンパクトかつ低コストであることが要求される。 In addition, non-aqueous electrolyte secondary batteries are often applied to devices with limited installation space, such as mobile devices and automobiles. Therefore, in addition to high gas absorption performance, they must be compact and low-cost. Is done.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、非水電解質型二次電池から噴出する電解液分解ガスを省スペース、低コストで効率よく吸収することができる二次電池のガス噴出防止材を提供することを目的とする。また、本発明は、このガス噴出防止材を用いたガス噴出防止システムおよびこれを用いた二次電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a secondary battery gas ejection preventing material capable of efficiently absorbing the electrolytic solution decomposition gas ejected from the nonaqueous electrolyte secondary battery in a space-saving manner at low cost. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a gas ejection preventing system using the gas ejection preventing material and a secondary battery system using the same.
上記課題を解決するために、第一に本発明は、正極及び負極が電解液とともに封入された筐体と、前記筐体の内圧上昇時に前記筐体内部の高圧ガスを逃がすための防爆弁とを備える二次電池の異常時に噴出するガスを吸収するための二次電池のガス噴出防止材であって、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材からなることを特徴とする二次電池のガス噴出防止材を提供する(発明1)。 In order to solve the above-mentioned problems, firstly, the present invention includes a casing in which a positive electrode and a negative electrode are sealed together with an electrolyte solution, an explosion-proof valve for releasing high-pressure gas inside the casing when the internal pressure of the casing increases. A secondary battery gas ejection preventing material for absorbing gas ejected in the event of an abnormality in a secondary battery comprising a secondary battery comprising an inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide A gas ejection preventing material for a battery is provided (Invention 1).
かかる発明(発明1)によれば、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材は、一酸化炭素やメタン、エタンなどの炭化水素ガスを迅速に、かつ高い吸収率で吸収するので、二次電池の異常時などに防爆弁からこれらのガス成分が噴出するのを防止することができる。しかも、ガス噴出防止材の量が少なくて済むので、二次電池システムのコンパクト化を図ることができる。 According to this invention (Invention 1), the inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide absorbs hydrocarbon gases such as carbon monoxide, methane, and ethane quickly and with a high absorption rate. It is possible to prevent these gas components from being ejected from the explosion-proof valve when the secondary battery is abnormal. In addition, since the amount of the gas ejection preventing material is small, the secondary battery system can be made compact.
上記発明(発明1)においては、前記無機多孔質素材は、Si/Al比が2〜5の範囲の元素構成比を有するのが好ましい(発明2)。また、前記無機多孔質素材はA型またはX型のゼオライトであるのが好ましい(発明3)。 In the said invention (invention 1), it is preferable that the said inorganic porous raw material has an element composition ratio of the range of Si / Al ratio 2-5 (invention 2). The inorganic porous material is preferably A-type or X-type zeolite (Invention 3).
かかる発明(発明2,3)によれば、電解液の蒸気やその他の分解ガス等をより迅速に、かつ高い吸収率で吸収することができる。
According to such inventions (
上記発明(発明1)においては、前記無機多孔質素材がリチウムを含むのが好ましい(発明4)。また、前記無機多孔質素材のリチウム含有率が1〜20質量%であるのが好ましい(発明5)。前記無機多孔質素材は、Si/Al比が1〜2.4の範囲の元素構成比を有するのが好ましい(発明6)。 In the said invention (invention 1), it is preferable that the said inorganic porous material contains lithium (invention 4). Moreover, it is preferable that the lithium content rate of the said inorganic porous material is 1-20 mass% (invention 5). The inorganic porous material preferably has an elemental composition ratio in a range of Si / Al ratio of 1 to 2.4 (Invention 6).
かかる発明(発明4〜6)によれば、電解液の電解液の蒸気やその他の分解ガス、特に一酸化炭素やメタンガスなどの低分子量のガス成分をより迅速に、かつ高い吸収率で吸収することができる。 According to such inventions (Inventions 4 to 6), the vapor of the electrolytic solution of the electrolytic solution and other decomposition gases, particularly low molecular weight gas components such as carbon monoxide and methane gas are absorbed more quickly and with a high absorption rate. be able to.
上記発明(発明1〜6)においては、前記無機多孔質素材は、3Å〜10Åの細孔径を有するのが好ましい(発明7)。 In the said invention (invention 1-6), it is preferable that the said inorganic porous material has a pore diameter of 3 to 10 inches (invention 7).
かかる発明(発明7)によれば、一酸化炭素や炭化水素ガスなどを細孔内に捕捉してより迅速にこれらのガスを吸収することができる。 According to this invention (invention 7), carbon monoxide, hydrocarbon gas, etc. can be trapped in the pores and these gases can be absorbed more rapidly.
上記発明(発明1〜7)においては、前記無機多孔質素材は、比表面積が100〜1000m2/gであるのが好ましい(発明8)。 In the said invention (invention 1-7), it is preferable that the said inorganic porous raw material has a specific surface area of 100-1000 m < 2 > / g (invention 8).
かかる発明(発明7)によれば、無機多孔質素材と一酸化炭素や炭化水素ガスなどのガス成分との接触面積を十分に確保することができるので、高い吸収率を維持することができる。 According to this invention (invention 7), a sufficient contact area between the inorganic porous material and a gas component such as carbon monoxide or hydrocarbon gas can be secured, so that a high absorption rate can be maintained.
上記発明(発明1〜8)においては、前記無機多孔質素材が、100〜2000μmの平均粒子径を有するのが好ましい(発明9)。また、前記無機多孔質素材が、粉体の成形品であるのが好ましい(発明10)。 In the said invention (invention 1-8), it is preferable that the said inorganic porous raw material has an average particle diameter of 100-2000 micrometers (invention 9). The inorganic porous material is preferably a powder molded product (Invention 10).
かかる発明(発明9,10)によれば、無機多孔質素材と噴出した一酸化炭素や炭化水素ガスなどとの接触効率を良好なものとすることができるので、噴出防止効果を高い水準に維持することができる。 According to the inventions (Inventions 9 and 10), the contact efficiency between the inorganic porous material and the ejected carbon monoxide, hydrocarbon gas, or the like can be improved, so that the ejection prevention effect is maintained at a high level. can do.
上記発明(発明1〜8)においては、前記無機多孔質素材が、100〜2000μmの平均粒子径を有するのが好ましい(発明9)。また、前記無機多孔質素材が、粉体の成形品であるのが好ましい(発明10)。 In the said invention (invention 1-8), it is preferable that the said inorganic porous raw material has an average particle diameter of 100-2000 micrometers (invention 9). The inorganic porous material is preferably a powder molded product (Invention 10).
第二に本発明は、発明1から10に記載のガス噴出防止材を使用したことを特徴とするガス噴出防止システムを提供する(発明11)。 Secondly, the present invention provides a gas ejection preventing system using the gas ejection preventing material according to any one of the inventions 1 to 10 (invention 11).
かかる発明(発明11)によれば、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材は、二次電池の筐体内に封入されているエチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、あるいはジメチルカーボネートなどの可燃性の電解液の電解液の蒸気やその他の分解ガスを迅速に、かつ高い吸収率で吸収するので、二次電池の異常時などに防爆弁から電解液の蒸気が外部に噴出するのを防止することができる。 According to this invention (Invention 11), the inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide is combustible such as ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, or dimethyl carbonate enclosed in the casing of the secondary battery. Because it absorbs the electrolyte vapor and other decomposition gas of the electrolyte quickly and with a high absorption rate, it prevents the electrolyte vapor from blowing out from the explosion-proof valve when the secondary battery is abnormal be able to.
さらに、第三に本発明は、発明11に記載のガス噴出防止システムを備えたことを特徴とする二次電池システムを提供する(発明12)。 Thirdly, the present invention provides a secondary battery system comprising the gas ejection prevention system according to the eleventh aspect (Invention 12).
かかる発明(発明12)によれば、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材は、一酸化炭素やメタン、エタンなどの炭化水素ガスを迅速に、かつ高い吸収率で吸収するので、二次電池の異常時などに防爆弁からこれらのガス成分が噴出するのを防止することができ、複数の二次電池から噴出される高圧ガスを好適に吸収することができる。しかもガス噴出防止材の量が少なくて済むので、二次電池システムのコンパクト化を図ることができる。 According to this invention (Invention 12), the inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide absorbs hydrocarbon gases such as carbon monoxide, methane, and ethane quickly and with a high absorption rate. These gas components can be prevented from being ejected from the explosion-proof valve when the secondary battery is abnormal, and the high-pressure gas ejected from the plurality of secondary batteries can be suitably absorbed. In addition, since the amount of the gas ejection preventing material is small, the secondary battery system can be made compact.
本発明によれば、正極及び負極が電解液とともに封入された筐体と、前記筐体の内圧上昇時に前記筐体内部の高圧ガスを逃がすための防爆弁とを備える二次電池の異常時に噴出するガスを吸収するガス噴出防止材として、二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材からなるものを用いるので、一酸化炭素やメタン、エタンなどの炭化水素ガスを迅速に、かつ高い吸収率で吸収することができ、二次電池の異常時などに防爆弁からこれらのガス成分が噴出するのを防止することができる。しかもガス噴出防止材の量が少なくて済むので、二次電池システムのコンパクト化を図ることができる。特に前記無機多孔質素材がリチウムを含むことにより、一酸化炭素やメタンガスなどの低分子量のガス成分をより迅速に、かつ高い吸収率で吸収することができる。 According to the present invention, a secondary battery is ejected when an abnormality occurs in a secondary battery including a housing in which a positive electrode and a negative electrode are sealed together with an electrolyte, and an explosion-proof valve for releasing high-pressure gas inside the housing when the internal pressure of the housing increases. As a gas blowout prevention material that absorbs the generated gas, a material composed of an inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide is used, so that hydrocarbon gases such as carbon monoxide, methane, and ethane can be absorbed quickly and with high absorption. The gas component can be absorbed at a high rate, and the gas components can be prevented from being ejected from the explosion-proof valve when the secondary battery is abnormal. In addition, since the amount of the gas ejection preventing material is small, the secondary battery system can be made compact. In particular, when the inorganic porous material contains lithium, gas components having a low molecular weight such as carbon monoxide and methane gas can be absorbed more quickly and with a high absorption rate.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、各実施形態はいずれも例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, each embodiment is only an example, and the present invention is not limited to this.
図1及び図2は本実施形態のガス噴出防止材を適用可能な非水電解質型二次電池を示している。図1及び図2において、リチウムイオン電池等の非水電解質型二次電池Eは、正極端子1及び負極端子2と、電池ケース(筐体)3と、この電池ケース3の外周面に形成された防爆弁4とを備え、電池ケース3の内部に電極体10を収納する。電極体10は、図2に示すように正極集電体11及び正極用電極板12と、負極集電体13及び負極用電極板14とを有し、正極用電極板12と負極用電極板14とは、それぞれセパレータ15を介して巻回した構造を有する。そして、正極端子1は正極用電極板12に、負極端子2は、負極用電極板14にそれぞれ電気的に接続されている。筐体としての電池ケース3は、例えば、アルミニウム製またはステンレス製の角型電池槽缶である。
1 and 2 show a non-aqueous electrolyte secondary battery to which the gas ejection preventing material of this embodiment can be applied. 1 and 2, a nonaqueous electrolyte secondary battery E such as a lithium ion battery is formed on a positive electrode terminal 1 and a
このような非水電解質型二次電池において、防爆弁4は、電池ケース3内の圧力が上昇した際に、外部へその圧力を開放する役割がある。この防爆弁4は、リチウムイオン電池の場合、一般的に約0.5〜1.0MPaで開くように設計されている。
In such a non-aqueous electrolyte type secondary battery, the explosion-proof valve 4 has a role of releasing the pressure to the outside when the pressure in the
正極用電極板12は、両面に正極合剤を保持させた集電体である。例えば、その集電体は厚さ約20μmのアルミニウム箔であり、ペースト状の正極合剤は、遷移金属のリチウム含有酸化物であるリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)に結着材としてポリフッ化ビニリデンと導電材としてアセチレンブラックとを添加後混練したものである。そして、正極用電極板12は、このペースト状の正極合剤をアルミニウム箔の両面に塗布後、乾燥、圧延、帯状に切断の手順で得られる。
The
負極用電極板14は、両面に負極合剤を保持させた集電体である。例えば、その集電体は厚さ10μmの銅箔であり、ペースト状の負極合剤は、グラファイト粉末に結着材としてポリフッ化ビニリデンを添加後混練したものである。そして、負極用電極板14はこのペースト状の負極合剤を銅箔の両面に塗布後、乾燥、圧延、帯状に切断の手順で得られる。
The
セパレータ15としては、多孔膜を用いる。例えば、セパレータ15は、ポリエチレン製微多孔膜を用いることができる。また、セパレータに含浸させる電解液は、例えば、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)及びジメチルカーボネート(DMC)を1:1:1の割合で混合した混合液に1mol/Lの六フッ化リン酸リチウムを添加したものを用いることができる。
A porous film is used as the
このような非水電解質型二次電池Eの防爆弁4に隣接して、カートリッジケース(図示せず)を設け、このカートリッジケース内にガス噴出防止材を収容する。カートリッジケースの材料としては、SUS、Al、Al合金、Mg合金、Ti合金等に代表される金属材料、フッ素系樹脂等の高耐食性材料、ポリプロピレン、カーボンファイバ等の軽量材料、及びこれらの複合材料が挙げられる。 A cartridge case (not shown) is provided adjacent to the explosion-proof valve 4 of such a nonaqueous electrolyte secondary battery E, and a gas ejection preventing material is accommodated in the cartridge case. Materials for the cartridge case include metal materials typified by SUS, Al, Al alloy, Mg alloy, Ti alloy, etc., highly corrosion resistant materials such as fluororesin, lightweight materials such as polypropylene and carbon fiber, and composite materials thereof. Is mentioned.
ガス噴出防止材は、カートリッジケース内に満杯に充填するよりも、例えば、10〜50容積%程度の空間を設けて充填することが好ましい。充填率が50容積%を未満ではガス噴出防止材が少なすぎるため、十分なガス噴出防止効果が得られない可能性がある一方、充填率が90容積%を超えると、噴出ガスの拡散性が悪くなり、ガス噴出防止材との接触効率が低くなるために、ガス噴出防止効果が低くなる虞がある。 The gas blowout prevention material is preferably filled with a space of, for example, about 10 to 50% by volume, rather than being fully filled in the cartridge case. If the filling rate is less than 50% by volume, there are too few gas ejection preventing materials, so that a sufficient gas ejection preventing effect may not be obtained. On the other hand, if the filling rate exceeds 90% by volume, the diffusibility of the ejection gas may be reduced. Since the contact efficiency with the gas ejection preventing material is lowered, the gas ejection preventing effect may be lowered.
本実施形態においては、ガス噴出防止材を構成する無機多孔質素材として、二酸化ケイ素と酸化アルミニウムを主体とする結晶性化合物を用い、特にチャンネル型の細孔構造を有するものが好ましい。また、一酸化炭素やメタンなどの低分子量のガス成分の吸収性能の向上の観点からは、リチウムを含有するものが好ましい。 In the present embodiment, as the inorganic porous material constituting the gas ejection preventing material, a crystalline compound mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide and having a channel-type pore structure is particularly preferable. From the viewpoint of improving the absorption performance of low molecular weight gas components such as carbon monoxide and methane, those containing lithium are preferable.
このガス噴出防止材は、リチウムを含有しない場合、Si/Al比が2〜5の範囲にあることが好ましい。Si/Al比が2未満では、一酸化炭素や炭化水素ガスなどの噴出ガスの吸収率が低下する一方、Si/Al比が5を超えると、特に低分子量の炭化水素ガスの吸収率が低下するため好ましくない。この無機多孔質素材は、二酸化ケイ素と酸化アルミニウムの他に1種類以上の元素またはイオンを含んでいてもよい。 When this gas ejection preventing material does not contain lithium, the Si / Al ratio is preferably in the range of 2 to 5. When the Si / Al ratio is less than 2, the absorption rate of the ejected gas such as carbon monoxide and hydrocarbon gas is lowered. On the other hand, when the Si / Al ratio exceeds 5, the absorption rate of the low molecular weight hydrocarbon gas is lowered. Therefore, it is not preferable. The inorganic porous material may contain one or more elements or ions in addition to silicon dioxide and aluminum oxide.
また、リチウムを含有する場合、リチウムの含有率は1〜20質量%であるのが好ましく、特に2〜5質量%であるのが好ましい。リチウムの含有率は1質量%未満では、低分子量ガス成分の吸収率の向上効果が十分でない一方、20質量%を超えてもそれ以上の低分子量ガス成分の吸収率の向上効果が得られないばかりか、無機多孔質素材の安定性を損なうおそれがある。この場合、Si/Al比が1〜2.4の範囲にあることが好ましい。Si/Al比が1未満では、一酸化炭素やメタンなどの噴出ガスの吸収率が低下する一方、Si/Al比が2.4を超えると、特に低分子量の炭化水素ガスの吸収率が低下するため好ましくない。 Moreover, when it contains lithium, it is preferable that the content rate of lithium is 1-20 mass%, and it is especially preferable that it is 2-5 mass%. If the lithium content is less than 1% by mass, the effect of improving the absorptivity of the low molecular weight gas component is not sufficient. In addition, the stability of the inorganic porous material may be impaired. In this case, the Si / Al ratio is preferably in the range of 1 to 2.4. When the Si / Al ratio is less than 1, the absorption rate of ejected gases such as carbon monoxide and methane is reduced. On the other hand, when the Si / Al ratio exceeds 2.4, the absorption rate of low molecular weight hydrocarbon gas is reduced. Therefore, it is not preferable.
このような無機多孔質素材としては、ゼオライトが代表的であり、このゼオライトとしては、A型ゼオライト、X型ゼオライト及びβ型ゼオライトのいずれも用いることができるが、A型ゼオライトまたはX型ゼオライトが好ましい。また、一酸化炭素やメタンなどの低分子量のガス成分の吸収性能の向上の観点からは、リチウムをイオンの形態で含むゼオライトが好ましい。 As such an inorganic porous material, zeolite is representative, and as this zeolite, any of A-type zeolite, X-type zeolite and β-type zeolite can be used. preferable. From the viewpoint of improving the absorption performance of low molecular weight gas components such as carbon monoxide and methane, zeolite containing lithium in the form of ions is preferable.
また、無機多孔質素材は、細孔径が3〜10Åであるのが好ましく、特に5〜9Åであるのが好ましい。細孔径が3Å未満では、一酸化炭素や炭化水素ガスなどの噴出ガスの吸収率が低下する一方、10Åを超えると、特に低分子量の炭化水素ガスの吸収率が低下するため好ましくない。 The inorganic porous material preferably has a pore diameter of 3 to 10 mm, particularly preferably 5 to 9 mm. When the pore diameter is less than 3%, the absorption rate of the ejected gas such as carbon monoxide or hydrocarbon gas is lowered. On the other hand, when it exceeds 10%, the absorption rate of the low molecular weight hydrocarbon gas is lowered, which is not preferable.
さらに、無機多孔質素材は、比表面積が100〜1000m2/gであるのが好ましい。無機多孔質素材の比表面積が100m2/g未満では、無機多孔質素材と一酸化炭素や炭化水素ガスなどとの接触面積が小さく、噴出ガスの吸収率が小さくなる一方、比表面積が1000m2/gを超えても噴出ガスの吸収率の向上効果が得られないばかりか、ガス噴出防止材の機械的強度が低下するため好ましくない。 Further, inorganic porous material has a specific surface area of preferably from 100~1000m 2 / g. When the specific surface area of the inorganic porous material is less than 100 m 2 / g, the contact area between the inorganic porous material and carbon monoxide, hydrocarbon gas or the like is small, and the absorption rate of the jet gas is small, while the specific surface area is 1000 m 2. Even if exceeding / g, not only the improvement effect of the jet gas absorption rate is not obtained, but also the mechanical strength of the gas jet prevention material is lowered, which is not preferable.
上述したような無機多孔質素材は、100〜2000μm、特に500〜1500μmの平均粒子径を有するのが好ましい。平均粒子径が100μm未満では、噴出したガスと無機多孔質素材との接触効率が悪くなり、噴出防止効果が低下してしまう一方、平均粒子径が2000μmを超えると、噴出したガスが粒子の間を通過してしまい、噴出防止効果が低下する恐れがあるため好ましくない。 The inorganic porous material as described above preferably has an average particle diameter of 100 to 2000 μm, particularly 500 to 1500 μm. When the average particle diameter is less than 100 μm, the contact efficiency between the ejected gas and the inorganic porous material is deteriorated, and the effect of preventing the ejection is reduced. On the other hand, when the average particle diameter is more than 2000 μm, the ejected gas is between the particles. This is not preferable because it may pass through the air and the jetting prevention effect may be reduced.
本実施形態のガス噴出防止材では、上述したような無機多孔質素材の実質的な平均粒子径を向上させる目的で、適当な手法を用いて成形してもよい。成形品の形状に特に制限はないが、噴出物の拡散性、充填性、取扱い易さを考慮すると、顆粒、粒状、ビーズ、ペレットなどの形状とするのが好ましい。 The gas ejection preventing material of the present embodiment may be molded using an appropriate method for the purpose of improving the substantial average particle diameter of the inorganic porous material as described above. Although there is no restriction | limiting in particular in the shape of a molded article, It is preferable to set it as shapes, such as a granule, a granule, a bead, a pellet, when the diffusibility of a jetty thing, filling property, and the ease of handling are considered.
このような無機多孔質素材を用いた本実施形態のガス噴出防止材は、40%以上、特に50%以上のガス吸収率を有し、特にエタンガス、エチレンガス、プロパンガス、プロピレンガスなどの炭化水素ガスの吸収に優れた性能を発揮する。特に、リチウムを含有する場合には、一酸化炭素やメタンなどの低分子量ガス成分の吸収に優れた性能を発揮する。 The gas ejection preventing material of the present embodiment using such an inorganic porous material has a gas absorption rate of 40% or more, particularly 50% or more, and particularly carbonization of ethane gas, ethylene gas, propane gas, propylene gas or the like. Excellent performance in absorbing hydrogen gas. In particular, when lithium is contained, it exhibits excellent performance in absorbing low molecular weight gas components such as carbon monoxide and methane.
上述したような本実施形態のガス噴出防止材は、着脱可能な接続部を備えたカートリッジケースに充填して、直接あるいは配管などを介して非水電解質型二次電池Eの防爆弁4を覆うように接続することにより、ガス噴出防止システムとすることができる。この場合、カートリッジケースに流入部と流出部を形成して、複数のカートリッジケースの流出部を接続することで、ガス噴出防止効果の向上を図ることができる。 The gas ejection preventing material according to the present embodiment as described above is filled in a cartridge case having a detachable connection portion, and covers the explosion-proof valve 4 of the nonaqueous electrolyte secondary battery E directly or via piping. By connecting in this way, it can be set as a gas ejection prevention system. In this case, by forming the inflow portion and the outflow portion in the cartridge case and connecting the outflow portions of the plurality of cartridge cases, it is possible to improve the gas ejection prevention effect.
そして、このガス噴出防止システムは、非水電解質二次電池などの蓄電器に設置して二次電池システムとすることができる。この場合、カートリッジケース内のガス噴出防止材が液体成分と接触するのを忌避する目的で、電池防爆弁とカートリッジケース内のガス噴出防止材との間に、液体成分とガス成分とを分離する気液分離手段を設けるのが好ましい。 And this gas ejection prevention system can be installed in electrical storages, such as a nonaqueous electrolyte secondary battery, and can be set as a secondary battery system. In this case, the liquid component and the gas component are separated between the battery explosion-proof valve and the gas ejection preventing material in the cartridge case for the purpose of avoiding the gas ejection preventing material in the cartridge case from coming into contact with the liquid component. It is preferable to provide gas-liquid separation means.
この気液分離手段としては特に制限はないが、液化した電解液が再び気化することを防ぐ目的で、電池防爆弁とカートリッジケース内のガス噴出防止材との間に、電解液吸収材を配置するのが実用上は好ましい。 The gas-liquid separation means is not particularly limited, but an electrolyte absorbing material is disposed between the battery explosion-proof valve and the gas ejection preventing material in the cartridge case for the purpose of preventing the liquefied electrolyte from vaporizing again. It is preferable for practical use.
以下の実施例及び比較例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail based on the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(試験装置)
本発明の二次電池のガス噴出防止材の評価試験装置として、図3に示す高温高圧でリチウムイオン電池から噴出する電解液分解ガスの挙動の模擬試験装置を製作した。
(Test equipment)
As a test apparatus for evaluating a gas ejection preventing material for a secondary battery of the present invention, a simulation test apparatus for the behavior of electrolyte decomposition gas ejected from a lithium ion battery at a high temperature and a high pressure shown in FIG. 3 was manufactured.
図3において、ガス噴出防止材の試験装置21は、混合ガス加熱収容容器22と、試料(ガス噴出防止材)充填容器23とを有し、これらは接続部材24,25を介して管路26により連通している。この管路26の途中には開閉弁27が設けられていて、試料充填容器23の出口側にはさらに捕集用のアルミニウムバッグ28が連通している。
In FIG. 3, the gas ejection preventing
また、接続部材24には、圧力計29が設けられているとともに、接続部材24,25には熱電対30,31が付設されている。そして、混合ガス加熱収容容器22と接続部材24,25と管路26とは、過熱手段としてのマントルヒータ(図示せず)により加熱可能となっていて、これらマントルヒータ及び熱電対30,31は、図示しない制御装置に接続していて、熱電対30,31の出力に応じてマントルヒータのオン・オフ制御が可能となっている。
The connecting
(ブランク測定試験)
上述したようなガス噴出防止材の試験装置21において、混合ガス加熱収容容器22に表1に示す組成の混合ガスを、20℃において0.45MPaとなるように充填し、試料充填容器23にはガス噴出防止材の代わりに基準としてガラスウール10mLを充填した。
(Blank measurement test)
In the
続いて、開閉弁27を閉鎖した状態でマントルヒータにより、混合ガス加熱収容容器22、接続部材24,25及び管路26内が300℃以上となるように加熱した。混合ガスの膨張によって、混合ガス加熱収容容器22内の圧力が0.93MPaに達したら、開閉弁27を開放することにより、高温の混合ガスを管路26を経由して試料充填容器23に供給した。そして、試料充填容器23内で吸収しきれなかったガス成分を試料充填容器23の出口に設けたアルミニウムバッグ28で捕集した。このときのアルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.57Lであった。この捕集されたガス成分を分析した結果を表2に示す。
Subsequently, with the mantle heater in a state where the on-off
(実施例1)
上記ブランク測定試験において、試料充填容器23に細孔径9Å、Si/Al=2.5のX型ゼオライト(カチオン:Ca型)10mL(6.77g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.27Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3に示す。
Example 1
In the blank measurement test, the test was performed in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (6.77 g) of X-type zeolite (cation: Ca type) having a pore diameter of 9 mm and Si / Al = 2.5. However, the gas collection amount of the
なお、ガス成分全体の吸収率及び各ガス成分の吸収率は、ブランク測定試験におけるアルミニウムバッグ28のガス捕集量およびガス成分分析の結果との比較に基づき算出した。
In addition, the absorption rate of the whole gas component and the absorption rate of each gas component were computed based on the comparison with the gas collection amount of the
(実施例2)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径9Å、Si/Al=2.5のX型ゼオライト(カチオン:Na型)10mL(6.44g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.13Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
(Example 2)
In Example 1, when the sample filling container 23 was filled with 10 mL (6.44 g) of X-type zeolite (cation: Na type) having a pore diameter of 9 mm and Si / Al = 2.5, a test was performed in the same manner. The gas collection amount of the
(実施例3)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径5Å、Si/Al=2のA型ゼオライト10mL(6.86g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.16Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
(Example 3)
In Example 1, a test was conducted in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (6.86 g) of A-type zeolite having a pore diameter of 5 mm and Si / Al = 2. The amount was 0.16L. Table 3 shows the absorption rate of the gas components as a whole and the absorption rate of each gas component calculated from the analysis result of each gas component.
(実施例4)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径4Å、Si/Al=2のA型ゼオライト10mL(7.08g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.23Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
Example 4
In Example 1, a test was conducted in the same manner except that 10 mL (7.08 g) of A-type zeolite having a pore diameter of 4 mm and Si / Al = 2 was filled in the sample filling container 23. The amount was 0.23L. Table 3 shows the absorption rate of the gas components as a whole and the absorption rate of each gas component calculated from the analysis result of each gas component.
(実施例5)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径3Å、Si/Al=2のA型ゼオライト10mL(7.14g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.34Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
(Example 5)
In Example 1, a test was conducted in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (7.14 g) of A-type zeolite having a pore diameter of 3 mm and Si / Al = 2. The amount was 0.34L. Table 3 shows the absorption rate of the gas components as a whole and the absorption rate of each gas component calculated from the analysis result of each gas component.
(実施例6)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径6Å、Si/Al=40のβ型ゼオライト10mL(7.57g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.34Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
(Example 6)
In Example 1, a test was conducted in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (7.57 g) of β-type zeolite having a pore diameter of 6 mm and Si / Al = 40. The amount was 0.34L. Table 3 shows the absorption rate of the gas components as a whole and the absorption rate of each gas component calculated from the analysis result of each gas component.
(比較例1)
実施例1において、試料充填容器23にケイ酸マグネシウム10mL(3.24g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.52gであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表3にあわせて示す。
(Comparative Example 1)
In Example 1, when the test was done similarly except having filled the sample filling container 23 with 10 mL (3.24 g) of magnesium silicate, the amount of gas collected in the
また、実施例1〜6及び比較例1のガス噴出防止材の形状、平均粒子径、タップ密度及び比表面積を表4に示す。 Table 4 shows the shapes, average particle diameters, tap densities, and specific surface areas of the gas ejection preventing materials of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1.
表3から明らかなように、リチウムを含まない実施例1〜6の二次電池のガス噴出防止材は、一酸化炭素や炭化水素ガスの吸収率が高かった。特に細孔径5Å以上で、Si/Al比が2.5以下の実施例1〜3では、ガス吸収率、各成分の吸収率共に高かった。 As is clear from Table 3, the gas ejection preventing materials of the secondary batteries of Examples 1 to 6 that did not contain lithium had a high absorption rate of carbon monoxide and hydrocarbon gas. Particularly in Examples 1 to 3 having a pore diameter of 5 mm or more and an Si / Al ratio of 2.5 or less, both the gas absorption rate and the absorption rate of each component were high.
(実施例7)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径5.6Å、Si/Al=2.12のリチウムイオン交換型ゼオライト10mL(7.09g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.16Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表5に示す。
(Example 7)
In Example 1, a test was conducted in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (7.09 g) of lithium ion exchange type zeolite having a pore size of 5.6 mm and Si / Al = 2.12. The amount of gas collected by the
(実施例8)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径5.6Å、Si/Al=2.12のリチウムイオン交換型ゼオライト10mL(6.71g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.14Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表5に示す。
(Example 8)
A test was conducted in the same manner as in Example 1 except that the sample filling vessel 23 was filled with 10 mL (6.71 g) of lithium ion exchange type zeolite having a pore size of 5.6 mm and Si / Al = 2.12. The amount of gas collected by the
(実施例9)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径6.1Å、Si/Al=2.5のリチウムイオン交換型ゼオライト10mL(7.00g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.13Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表5に示す。
Example 9
In Example 1, a test was performed in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (7.00 g) of lithium ion exchange type zeolite having a pore diameter of 6.1 mm and Si / Al = 2.5. The amount of gas collected by the
(実施例10)
実施例1において、試料充填容器23に細孔径5.6Å、Si/Al=2.12のX型ゼオライト(カチオン:Na型)10mL(7.17g)を充填した以外は同様にして試験を行ったところ、アルミニウムバッグ28のガス捕集量は0.13Lであった。このときのガス成分全体の吸収率、及び各ガス成分の分析結果から算出した各ガス成分の吸収率を表5にあわせて示す。
(Example 10)
In Example 1, the test was performed in the same manner except that the sample filling container 23 was filled with 10 mL (7.17 g) of X-type zeolite (cation: Na type) having a pore size of 5.6 mm and Si / Al = 2.12. As a result, the amount of gas collected by the
また、実施例7〜10のガス噴出防止材の形状、平均粒子径、タップ密度及び比表面積を表6に示す。 Table 6 shows the shape, average particle diameter, tap density, and specific surface area of the gas ejection preventing materials of Examples 7 to 10.
表5から明らかなように、リチウムを含む実施例7〜9の二次電池のガス噴出防止材は、一酸化炭素や炭化水素ガスの吸収率が高く、特にリチウムを含まない実施例10と比較して、一酸化炭素やメタンガスなどの低分子量ガス成分の吸収率が大きく向上していた。特にSi/Al比が2.12である実施例7,8は、Si/Al比が2.5である実施例9よりも低分子量ガス成分の吸収率が大きく向上していた。 As is clear from Table 5, the gas ejection preventing materials of the secondary batteries of Examples 7 to 9 containing lithium have a high absorption rate of carbon monoxide and hydrocarbon gas, and particularly compared with Example 10 not containing lithium. Thus, the absorption rate of low molecular weight gas components such as carbon monoxide and methane gas has been greatly improved. In particular, Examples 7 and 8 in which the Si / Al ratio was 2.12 were greatly improved in the absorptivity of the low molecular weight gas component compared to Example 9 in which the Si / Al ratio was 2.5.
上述したような本発明のガス噴出防止材は、二次電池の内部に発生する可燃性や有毒性ガスの噴出を防止することができるので、二次電池の安全性及び環境問題に配慮するものとして産業上の利用可能性は極めて大きい。 The gas ejection preventing material of the present invention as described above can prevent the ejection of flammable or toxic gas generated inside the secondary battery, so that consideration is given to safety and environmental problems of the secondary battery. As such, industrial applicability is extremely large.
1…正極端子(正極)
2…負極端子(負極)
3…電池ケース(筐体)
4…防爆弁
11…正極集電体(正極)
13…負極集電体(負極)
E…非水電解質型二次電池(二次電池)
1 ... Positive terminal (positive electrode)
2 ... Negative terminal (negative electrode)
3. Battery case (housing)
4 ... Explosion-proof valve 11 ... Positive electrode current collector (positive electrode)
13 ... Negative electrode current collector (negative electrode)
E ... Nonaqueous electrolyte type secondary battery (secondary battery)
Claims (11)
二酸化ケイ素および酸化アルミニウムを主体とする無機多孔質素材からなり、
前記無機多孔質素材がリチウムを含むことを特徴とする二次電池のガス噴出防止材。 In order to absorb gas ejected when an abnormality occurs in a secondary battery comprising a case in which a positive electrode and a negative electrode are sealed together with an electrolyte, and an explosion-proof valve for releasing high-pressure gas inside the case when the internal pressure of the case rises Gas blowout prevention material for secondary batteries,
Ri Do inorganic porous material mainly composed of silicon dioxide and aluminum oxide,
A gas ejection preventing material for a secondary battery, wherein the inorganic porous material contains lithium .
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