JP5736627B2 - リチウム二次電池の冷却システム - Google Patents

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Description

本発明は、ポータブル電気/電子装置、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自動車(EV)などに用いられるリチウム二次電池に関し、特に、リチウム二次電池の冷却を速やかに進めるようにしたリチウム二次電池の冷却方法及び冷却システムに関する。
最近、携帯電話、ノートブック型コンピューター、キャムコーダーなどのコンパクトで軽量化された電気/電子装置等が活発に開発及び生産されている。このようなポータブル電気/電子装置等は、別途の電源が備えられていない場所でも作動できるように電池モジュールを内蔵している。内蔵された電池モジュールは、ポータブル電気/電子装置を一定期間の間駆動させるため、一定レベルの電圧を出力させることができるよう内部に少なくとも一つの電池を備えている。
前記電池モジュールは、経済的な側面を考慮し、最近は充電及び放電が可能な二次電池を採用している。その中でもエネルギー密度及び作動電圧が高く寿命特性に優れたリチウム二次電池は、各種のモバイル機器はもちろん、多様な電子製品のエネルギー源として広く用いられている。
さらに、リチウム二次電池は、化石燃料を用いる既存のガソリン車両、ディーゼル車両などの環境汚染及び地球温暖化の問題を解決するための代替方案として提示されている電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)などのエネルギー源としても大きく注目を浴びており、一部商用化の段階にある。
リチウム二次電池は作動電圧が3.6Vであって、ポータブル電子装備の電源として多く用いられているニッケル−カドミウム電池や、ニッケル−水素電池より3倍も高く、単位重量当たりのエネルギー密度が高いという側面で急速に伸張している傾向である。
通常、リチウム二次電池は、電解液の種類に従い液体電解質電池と、高分子電解質電池に分類され、液体電解質を用いる二次電池をリチウムイオン二次電池といい、高分子電解質を用いる二次電池をリチウムポリマー二次電池という。さらに、二次電池は、外部及び内部の構造的な特徴に従い、円筒状電池、角形電池及びポーチ形電池に分類され、その中でも高い集積度で積層可能であり、長さ対比小さい幅を有し、重量もまた軽量のポーチ形電池が特に注目されている。
リチウム二次電池は、主に正極活物質としてリチウム系酸化物、負極活物質としては炭素材を用いている。すなわち、リチウム二次電池は、正極活物質がコーティングされた正極電極板、負極活物質がコーティングされた負極電極板、及び前記正極電極板と負極電極板の間に位置してショートを防止し、リチウムイオン(Li-ion)の移動のみを可能にするセパレーターが巻き取られた電極組立体と、前記電極組立体を収容する二次電池用外装材と、前記二次電池用外装材の内側に注入され、リチウムイオンの移動を可能にする電解液などからなっている。
このようなリチウム二次電池は、前記正極活物質がコーティングされ正極端子が連結された正極電極板、負極活物質がコーティングされ負極端子が連結された負極電極板及びセパレーターを積層した後、これを巻き取って電極組立体を製造する。
その後、前記電極組立体を前記リチウム二次電池用外装材に収容して前記電極組立体が離脱しないようにした後、前記リチウムイオン二次電池用外装材に電解液を注入してから、密封してリチウム二次電池を完成する。
このような充電及び放電が可能な多数の単位セルを含んでいる電池モジュールにおいて、最も問題になる事項中一つは安全性である。電池モジュールの安全性の問題は発熱、外部衝撃などによるモジュール構成要素等の劣化及び内部短絡などから誘発される。
つまり、多数の単位セルを積層すれば高い充積度を有するものの、充電及び放電時に発生する熱を除去するのが困難であるとの欠点があり、放熱がまともになされ得ずに蓄積されれば、電池の劣化が招来され寿命が低下するのみならず、安全性が大きく毀損され得る。特に、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電源のように、高速充電及び放電特性が求められる電池では、瞬間的に高出力を提供する過程で多量の発熱が伴われるので、効果的な放熱の必要性がさらに大きい。
言い替えれば、充電及び放電過程で発生した単位電池の熱が効果的に除去できなければ、熱の蓄積が起こり、結果的に単位電池の劣化をもたらし、場合によっては発火ないし爆発をもたらすことがあり得るので、冷却システムが必須に求められる。
二次電池の場合、正極/分離膜/負極が多数積層されて構成され、但し、既存には二次電池の一側表面にヒートシンクが取り付けられた状態で電池から発生する熱を吸収したあと外部へ放出したが、正極/分離膜/負極の幾多の層を通過してヒートシンクまで熱の伝達が進められるまではその速度が遅く、したがって冷却速度が低下されるしかない。
本発明は、このような従来の技術の問題点を解決するためのものであって、本発明の課題は、電池の一側に冷却手段を備えて、電池の異常発熱による内部温度の上昇時に電池の内部が所定温度以上上昇することを抑制し、ひいては冷却させることにより熱的安全性が向上したリチウム二次電池の冷却方法及び冷却システムを提供することにある。
前述の課題を解決するため、本発明では、二次電池の電極端子に連結具を連結し、前記連結具に冷媒を接触させて電池セルを冷却するリチウム二次電池の冷却方法を提供する。
さらに、本発明では、電極端子に固定される伝導性連結具、前記連結具に連結され内部には冷媒が流通する冷媒管を含むリチウム二次電池の冷却システムを提供する。
前記連結具は、ボディー、前記ボディーの一側に形成され電極端子に接続固定される固定部、前記ボディーの他側に形成され冷媒管が連結される連結部を含む。
又は、前記連結具は、電極端子に固定されるボディー、前記ボディーを貫通して冷媒管が連結される連結部を含むこともできる。
このとき、前記固定部は電極端子に溶接固定される。
前記冷媒は流体であって、水又は空気になってもよく、冷媒管は合成樹脂からなってもよい(合成樹脂製)が、これに限定されるものではない。
本発明によれば、二次電池の一側に冷却手段を備え、二次電池の異常発熱による内部温度の上昇時に二次電池の内部が所定温度以上に上昇することを抑制し、ひいては速やかに冷却させることにより二次電池の熱的安定性を向上させることができる。
さらに、本発明は、二次電池の一側に冷却手段を備えるので、別途の冷却ピンを備える必要がない。
さらに、多数の単位電池を含む二次電池で、単位電池の間の空間が狭いか、或いは単位電池を接触して配置するとしても二次電池の内部温度の上昇を防止することができる。したがって、本発明の二次電池は従来の二次電池に比べて体積を最小化することができる。
本発明に係る二次電池の冷却システムの第1実施形態を示した概路図である。 本発明に係る二次電池の冷却システムの第2実施形態を示した概路図である。 本発明に係る二次電池の冷却システムの第3実施形態を示した概路図である。
以下では、本発明のリチウム二次電池の冷却方法及び冷却システムに対する好ましい実施形態を図を参考しつつ説明する。
本発明に適用される二次電池は、一つからなる単位電池であってもよく、或いは二つ以上の単位電池が互いに積層され電池モジュールを構成したものであってもよい。本明細書で用いられた用語『電池モジュール』は二つ又はそれ以上の単位電池を機械的に締結するとともに電気的に連結し、高出力大容量の電気を提供することができる電池システムの構造を包括的に意味するので、そのものとして一つの装置を構成するか、或いは大型装置の一部を構成する場合を全て含む。例えば、電池モジュールを多数連結した電池パックの構成も可能である。
このように、二次電池は一つ又は二つ以上の単位電池が互いに積層され電池モジュールを構成することもできるが、これとともに一つ又は二つ以上の単位電池をその外面大部分が露出した状態で内蔵可能なカートリッジに取り付け、前記カートリッジを多数個積層して電池モジュールを構成することができる。特に、機械的剛性が低く電極端子等の電気的連結が容易でないポーチ形電池を単位電池に用いる場合は、カートリッジに取り付けて電池モジュールを構成するのが好ましい。
一方、電池モジュール(特に、中大型電池モジュール)を構成する単位セル等は充電及び放電が可能な二次電池からなっており、本発明における単位セルは充電及び放電が可能な二次電池であれば特に制限されるものではない。例えば、リチウム二次電池、ニッケル−水素(Ni-MH)二次電池、ニッケル−カドミウム(Ni-Cd)二次電池などを挙げることができるが、その中でも重量対比高出力を提供するリチウム二次電池が好ましく用いられ得る。その中でも単位電池の形状の面では角形電池とポーチ形電池が好ましく、製造費用が低く重量が少ないポーチ形電池がさらに好ましい。
このような二次電池は、作動過程で不可欠に多量の熱が発生するところ、このような熱が効率よく除去されなければ、単位セルの劣化を促進し、場合によっては発火又は爆発を誘発することもあり得る。
これに伴い、本発明では、電池セルから発生する熱をより速やかに冷却させるため、正極端子又は負極端子のうち少なくとも一つ以上の電極端子を介して熱の伝達が行われるようにし、本発明に係る二次電池の冷却方法は、空冷式又は水冷式冷媒を利用して電池セルから発生する熱を冷却することになる。
つまり、電池の内部から発生した熱は電極端子へ移動され、このように移動された熱は、正極端子と負極端子のうち何れか一つ又はそれぞれに連結された連結具を介して熱の伝達が行われることになる。その後、連結具は空気又は水と接触することにより速やかな冷却が行われることになるのである。
一方、前述した二次電池の冷却方法を具現するための冷却システムが図1ないし図3に示されている。
図示した通り、本発明に係る冷却システムは、リチウム二次電池10の電極端子11に一端が固定結合される伝導性連結具20と、該連結具20の一側に連結され二次電池10から連結具20へ伝達された熱を冷却する冷媒管30とを含む。
本発明において二次電池10の単位セルはポーチ形単位セルであって、正極/分離膜/負極構造の電極組立体が前記セル外装材の外部に形成された電極端子11等と連結された状態で内蔵されているのである。
つまり、前記セル外装材の外部に電極組立体と電気的に連結された電極端子(正極端子及び負極端子)が突出されている。前記電極端子11等は、セル外装材の一側又は他側で一方向へのみ突出して形成されてもよく、一側及び他側の全てで両方向に突出して形成されてもよい。
前記連結具20は、二次電池の電池セルから電極端子へ移動された熱が冷媒管30側に伝達できれば何れでも構わないが、具体的に、より速やかな熱の伝達のため熱伝導度の高い金属(金属製のもの)を用いることができる。
より具体的に、前記熱伝導度の高い金属には、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びこれらの合金などからなる群から選択された1種以上を用いることができるが、これに限定されるものではない。
前記連結具20は、図1及び図2に示す通り、所定の長さのボディー21、該ボディー21の一側に形成され電極端子11に接続固定される固定部23、前記ボディー21の他側に形成され冷媒管30が連結される連結部22を含む構成であり得る。
このとき、固定部23は電極端子11に固定結合され、但し、堅固に固定されながら熱の伝達を阻害しないよう溶接固定されるのが好ましい。
連結部22はボディー21と交差するように備えられることにより、連結具20は全体的に『T』字の形状をなすことになり、ボディー21の両側に突出した連結部22に冷媒と接触できるよう冷媒管30が結合される。
さらに、前記連結具20’は、図3に示す通り、より簡単に構成されてもよい。つまり、ボディー21'と、このボディー21'を貫通して形成される連結部22'で構成されることにより、前述の固定部が省略され、ボディー21'が直接電極端子11に溶接固定されるものである。
このように連結具20’を簡単に構成する場合、電極端子11から冷媒管30までの距離を短縮させて熱伝達の効果をより上昇させることができるようになり、したがって、電池セルをより速やかに冷却させることができるとの利点がある。
前記冷媒管30は、内部が空の中空体からなり、その内部へ空気や水などの冷媒が流動することになる。冷媒管30が連結具と結合される部位は、冷媒の漏れが発生しないよう堅固に固定されなければならない。例えば、連結具と冷媒管の結合部位にはオーリングやシーリング液などの別途のシーリング部材がさらに備えられ得る。そして、冷媒管30は、図1と図3に示す通り、直線形に製作されてもよく、或いは限定された空間内で冷媒の流通時間を最大化して電池セルの冷却効率を高めるため、図2に示す通り、ジグザグ形態に製作されてもよい。
一方、冷媒管30を伝導性のある物質で製作することになれば、二次電池の内部温度が急上昇する場合、連結具20との接触により電池内部のショート(short)が発生することになる。このようなショートは、二次電池の爆発など相当な危険を引き起こす。したがって、前記冷媒管30は連結具20との接触によりショートが発生することを防止する傍ら、全体的な重量を減少させるため、合成樹脂などで製作されるのが好ましい。
より具体的に、前記合成樹脂はクロロプレンゴム(Polychloroprene)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴム、アクリルゴム、ニトリル−ブタジエンゴム及びこれらの混合物などからなる群から選択された1種以上を用いることができるが、これに限定されない。
冷媒管30の内部には冷媒が移動することになり、冷媒は流路を通じて移動する流体として電池セルの熱を除去することができるものであればその種類が特に制限されるものではないが、好ましくは空気又は水であり得る。
冷媒の移動のための駆動手段は冷媒の種類に従い変わり得、冷媒が空気の場合、好ましくはモーターによって駆動される冷却ファンであり得る。
前述したところのように、電池モジュールにおいて多数の単位セルを積層すれば高い充積度を有するが、充電及び放電時に発生する熱を効果的に除去することが求められる。本発明はこのような点に符合するものであって、電池セルから発生する熱を電極端子を通じて伝えられ、冷媒を利用して速やかに冷却することにより、充電及び放電過程で発生した単位電池の熱を効果的に除去して熱の蓄積による単位電池の劣化を防止することができる。
10 二次電池 11 電極端子
20、20' 連結具 21、21' ボディー
22、22' 連結部 23 固定部
30 冷媒管

Claims (11)

  1. 電極端子を備えたリチウム二次電池の冷却システムであって、
    セル外装材の両側面に形成される複数個の電極端子にそれぞれ固定される伝導性連結具と、
    前記伝導性連結具をそれぞれ連結して内部に冷媒が流通されるよう内部に中空が形成された冷媒管と
    を備え、
    前記冷媒管は、
    一側が前記セル外装材の一側面に形成された電極端子に固定された伝導性連結具と連結され、他側は前記セル外装材の一側面の反対面に位置する他側面に形成された電極端子に固定される伝導性連結具と連結され、
    前記伝導性連結具が、
    ボディーと、
    前記ボディーの一側に形成され電極端子に接続固定される固定部と、
    前記ボディーの他側に形成され、両端部が前記冷媒管にそれぞれ連結される連結部と
    を備えてなるものである、リチウム二次電池の冷却システム。
  2. 前記連結部は、内部に冷媒が流出入するよう両端部が開放された中空が形成される、請求項1に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  3. 前記固定部が、電極端子に溶接固定されてなる、請求項1または2に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  4. 電極端子を備えたリチウム二次電池の冷却システムであって、
    セル外装材の両側面に形成される複数個の電極端子にそれぞれ固定される伝導性連結具と、
    前記伝導性連結具をそれぞれ連結して内部に冷媒が流通されるよう内部に中空が形成された冷媒管と
    を備え、
    前記伝導性連結具が、
    前記電極端子に接触して固定されるボディーと、
    前記ボディーを貫通して、両端部が前記冷媒管にそれぞれ連結される連結部と
    を備えてなる、リチウム二次電池の冷却システム。
  5. 前記連結部は、一側は外周面が前記ボディーの内周面と接触し、他側は外周面が前記電極と接触し、内部に冷媒が流通されるよう両端部が開放された中空が形成される、請求項4に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  6. 前記ボディーが、前記電極端子に溶接固定されてなる、請求項4または5に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  7. 前記冷媒が流体である、請求項1から6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  8. 前記流体が水又は空気である、請求項に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  9. 前記冷媒管が、合成樹脂製である、請求項1から8のいずれか一項に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  10. 前記合成樹脂が、クロロプレンゴム(Polychloroprene)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体ゴム、アクリルゴム、ニトリル−ブタジエンゴム及びこれらの混合物からなる群から選択された一種以上のものである、請求項に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
  11. 前記伝導性連結具が、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びこれらの合金からなる群から選択された一種以上のものである、請求項1から10のいずれか一項に記載のリチウム二次電池の冷却システム。
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