JP5843147B2 - 薄型リチウム空気電池用格納容器 - Google Patents
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Description
積層した電池セルを大容量にするためには並列接続する必要があるが、バイポーラプレートはその用途には向かない上、非常に厚く、積層した際の体積が大きくなってしまう問題があった。
本発明は、以下の構成を有する。
(4)前記連結部材が、前記第3のガス管に連結する第1の連結部と、前記第4のガス管に連結する第2の連結部と、前記第1の連結部及び前記第2の連結部に連通するガス流通部と、薄型リチウム空気電池を連結する電池連結部と、を有することを特徴とする(3)に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
(6)前記電池連結部が、薄型リチウム空気電池の収納容器の開口部を含む部分を嵌合することを特徴とする(4)又は(5)に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
(8)前記第3のガス管及び前記第4のガス管と連結部材との間に連結補助部材が取り付けられていることを特徴とする(3)〜(7)のいずれかに記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
(10)前記部材連結部が2以上設けられていることを特徴とする(9)に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
<薄型リチウム空気電池用格納容器>
まず、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器について説明する。
図2は、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器の一例を示す模式図である。
図2に示すように、薄型リチウム空気電池用格納容器1001は、薄型リチウム空気電池101を格納可能な格納室201を備えており、第1のガス管202B及び第2のガス管202Dと、第3のガス管202A及び第4のガス管202Cが取り付けられている。格納室201内では、第3のガス管202Aから分岐して第5のガス配管202Eがとりつけられている。
格納室201は密閉型であり、気密性が保たれている。
第2のガス管202Dは、格納室201内に連通するように取り付けられている。また、バルブ204Bを操作して、格納室201内を排気可能とされている。
第4のガス管202Cは、格納室201内の薄型リチウム空気電池101内に連通するように取り付けられている。バルブ204Aを操作して、格納室201内を排気可能とされている。
第5のガス管202Eは、バルブ204Cを介して第3のガス管202Aと格納室201内を連通するように取り付けられており、バルブ204Cの開閉によりその連通状態を切り替えることができる。電池の正常動作時にはバルブ204Cは閉じられている。
収納容器91は密閉型であり、気密性が保たれている。収納容器91として、ラミネートパックを用いてもよい。
格納室201内に、センサ210が設置されている。センサ210は配線211により制御機構(図示略)に接続される。制御機構では、閾値を設定して異常を感知できる構成とされている。また、異常を感知した場合、各ガス管に取り付けられたバルブを開閉制御できる構成とされている。センサ210としては、圧力センサ、温度センサ、ガス成分センサのいずれか又はこれらの組み合わせを用いることができる。また、複数のセンサを用いることが好ましい。これらのセンサを設置することにより、内部異常を素早く検知することができる。
図3に示すように、薄型リチウム空気電池101は、収納容器91に収納されており、一端側と他端側からタブ97、98が突出しており、一側面側に開口部99が設けられている。
図4(a)に示すように、開口部99から正極基材81が露出されている。また、開口部99から積層体80が露出しないように、隔壁フィルム100が設けられている。
隔壁フィルム100は、有機物もしくは無機物からなる。電解液が存在する電池内部の空間と空気(酸素)が流入する開口部付近の隔壁となる。隔壁フィルム100を設けることにより、漏液と正極活物質が負極周辺に到達することを防止できる。
単位構造体88は、薄型正極構造体86と、薄型セパレータ83と、薄型負極構造体87が積層されてなる。薄型負極構造体87は、負極基材84の両面に負極材85が積層されてなり、薄型正極構造体86は、正極基材81の両面に正極材82が形成されてなる。
図5に示すように、薄型正極構造体86は、集電体として機能する正極基材81の両面に炭素を主成分とする正極材82が形成されてなる。
正極基材81は、略板状であり、両面に溝が形成されている。これらの溝が、その上部に正極材82が配置されることにより、孔部15Aとされている。孔部15Aは正極基材11の側面すべてに連通されている。
図6は、図2に示す連結部材の図であって、左側面図(a)、平面図(b)及び正面図(c)である。
図6に示すように、連結部材301は略円筒状であり、側面に平面視略長方形状に開口された電池連結部301cが設けられている。円筒の先端側には、平面視円形状に開口された第1の連結部301aが設けられている。円筒の他端側には、平面視円形状に開口された第2の連結部301bが設けられている。
図7に示すように、薄型リチウム空気電池101は、一側面に、略円筒状の連結部材301が取り付けられている。
図8に示すように、薄型リチウム空気電池101の一側面は、連結部材301の電池連結部301cに差し込まれ、嵌合されている。前記一側面には、開口部99が設けられている。
図8及び図2で示すように、第1の連結部301aの開口には、第3のガス管202Aが差し込まれ、嵌合される。また、第2の連結部301bの開口には、第4のガス管202Cが差し込まれ、嵌合される。
空気又は酸素ガスは、薄型正極構造体86の孔部15A内を流通し、正極材82に取り込まれ、正極材82の細孔内の電解液中のリチウムイオンと電池反応を行う。
反応に関与しない空気又は酸素ガスは、開口部99から電池連結部301cを経由して、ガス流通部301d内を流通し、第2の連結部301bを経由して、第4のガス管202Cから排気される。
次に、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器の安全機構について説明する。
まず、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器は、薄型リチウム空気電池用格納容器1001内へ不活性ガスを供給してから(不活性ガス供給工程)、薄型リチウム空気電池へ空気又は酸素ガスを供給して、電池反応をさせる(空気又は酸素ガス供給工程)。薄型リチウム空気電池のまわりを不活性ガスで満たし、爆発を抑制し、安全を確保することができる。具体的には、以下の工程である。
まず、図2に示す薄型リチウム空気電池用格納容器1001において、バルブ204Bを開として、ガス管202Dに接続した真空ポンプ(図示略)を動作させて、格納室201内を排気する。
次に、バルブ204Bを閉とした後、ポンプ203Bを操作して、第1のガス管202Bから格納室201内に不活性ガスを供給する。
不活性ガス供給工程では、バルブ204Bの開閉の割合を操作しながら、第2のガス管202Dからの排気量を調整して、格納室201内の不活性ガス圧を調整することが好ましい。
次に、204Aを開、204Cを閉として、ガス管202Cに接続された真空ポンプ(図示略)を動作させて、薄型リチウム空気電池101内を排気する。
次に、バルブ204Aを閉とした後、ポンプ203Aを操作して、第3のガス管202Aから薄型リチウム空気電池101内に空気又は酸素ガスを供給する。
空気又は酸素ガス供給工程では、バルブ204Aの開閉の割合を操作しながら、第4のガス管202Cからの排気量を調整して、薄型リチウム空気電池101内の空気又は酸素ガス圧を調整することが好ましい。
また、異常時において、薄型リチウム空気電池内を不活性ガスでパージする安全機構を有する。
異常時は、格納室内のセンサに所定の閾値を設定し、その閾値を超えたときとする。このとき、第3のガス管のバルブを開け、前記薄型リチウム空気電池内に不活性ガスを供給する。これにより、爆発を抑制し、安全を確保することができる。
前記緊急時停止動作が異常な発熱反応速度に対して遅れてしまった場合においても、薄型リチウム空気電池101は不活性ガスを充填した格納室201内に格納されているので、薄型リチウム空気電池101内への水分の入り込みは完全に防止され、リチウムの発火を抑制し、従来に比べ安全性を高めて電池反応させることができる。
また、薄型リチウム空気電池101は薄型リチウム空気電池用格納容器1001で覆われているので、仮に薄型リチウム空気電池内で爆発反応等が生じたとしても、被害を防止することができる。
<薄型リチウム空気電池用格納容器>
図9は、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器の別の一例を示す模式図である。
図9に示すように、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器1002は、連結部材302A、302Bが取り付けられた薄型リチウム空気電池102が格納されており、ガス管の配置構成が異なる他は本発明の第1の実施形態と概略同様の構成とされている。
図10及び図11に示すように、薄型リチウム空気電池102は、収納容器92に収納されており、一端側と他端側からタブ97、98が突出している。
連結部材302A、302Bは、その大部分が収納容器92の内側にとなるように配置され、それぞれ反対方向に収納容器91から突出するように配置されている。
図12に示すように、連結部材302Aは略円筒状であり、側面に平面視略長方形状に開口された電池連結部302Acが設けられている。先端側には、平面視円形状に開口された第3の連結部302Aaが設けられている。他端側は、閉口されている。第3の連結部302Aa及び電池連結部302Acを連通するように、ガス流通部302Adが設けられている。
図13に示すように、積層体80は、両側で正極基材81のみが突出するように形成されている。また、正極基材81の突出された部分を嵌合するように連結部材302A、302Bが取り付けられている。また、隔壁フィルム100が正極基材81の間を塞ぐように配置されている。更に、連結部材302A、302B及び積層体80の一部を封止フィルム73が覆っている。
まず、積層体80を用意し、正極基材81の突出された部分の間を隔壁フィルム100で塞ぐ。
次に、図14(a)、(b)に示すように、正極基材81の突出された部分を電池連結部302Ac等で嵌合するように連結部材302A、302Bを取り付ける。
次に、図14(c)に示すように、積層体80及び連結部材302A、302Bを追うように封止フィルム73を貼り付ける。
次に、封止フィルム73を貼り付けた積層体80及び連結部材302A、302Bを収納容器92内に配置して、薄型リチウム空気電池を製造することができる。
空気又は酸素ガスは、薄型正極構造体86の孔部15A内を流通し、正極材82に取り込まれ、正極材82の細孔内の電解液中のリチウムイオンと電池反応を行う。
反応に関与しない空気又は酸素ガスは、正極基材81から電池連結部302Acを経由して、ガス流通部302Ad内を流通し、連結部材302Bの第3の連結部を経由して、第4のガス管202Cから排気される。
動作異常時には、第1の実施形態と同様に、バルブ204Aを開とし、バルブ202Eを開とすることにより、格納容器201に充満した希ガスにより薄型リチウム空気電池102内に充満した空気もしくは酸素をパージし置換することにより、電池放電動作を停止させることができる。
本実施形態の構成により、薄型リチウム空気電池102内の空気又は酸素の輸送効率が高まるとともに、動作異常時のガス置換効率も高まることになり、より安全な動作を実現することができる。
<薄型リチウム空気電池用格納容器>
図15は、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器の更に別の一例を示す模式図である。
図15に示すように、本発明の実施形態である薄型リチウム空気電池用格納容器1003は、4枚の薄型リチウム空気電池102が格納され、これらが連結補助部材303A、303Bで連結されている他は本発明の第2の実施形態と概略同様の構成とされている。
図16に示すように、連結補助部材303Aは、6本の円筒状部材が連結された構造である。
図16(a)に示すように、平面視円形状に開口された補助連結部303Aaが設けられている。
図16(b)に示すように、補助連結部303Aaは1本の円筒状部材の先端部分に設けられており、基端側は別の円筒状部材に連結されている。別の円筒状部材には4本の円筒状部材が連結されている。4本の円筒状部材の先端側には、平面視円形状に開口された部材連結部303Ac1、303Ac2、303Ac3、303Ac4が設けられている。
同様に、連結補助部材303Bも、4枚の薄型リチウム空気電池102に嵌合する。連結補助部材303A、303Bにより、4枚の薄型リチウム空気電池102は安定して保持される。
空気又は酸素ガスは、薄型正極構造体86の孔部15A内を流通し、正極材82に取り込まれ、正極材82の細孔内の電解液中のリチウムイオンと電池反応を行う。
反応に関与しない空気又は酸素ガスは、正極基材81、連結部材302B、連結補助部材303Bを経由して、第4のガス管202Cから排気される。動作異常時には、第1の実施形態と同様に、バルブ204Aを開とし、バルブ202Eを開とすることにより、格納容器201に充満した希ガスにより薄型リチウム空気電池102内に充満した空気もしくは酸素をパージし置換することにより、電池放電動作を停止させることができる。
本実施形態の構成により、薄型リチウム空気電池102内の空気又は酸素の輸送効率が高まるとともに、動作異常時のガス置換効率をも高める事により安全な動作と、より高い出力電圧を実現することができる。
<薄型空気リチウム空気電池用格納容器>
図18は、実施例1の装置構成を示す模式図である。
まず、本発明の第2の実施形態で示した薄型空気リチウム空気電池を1個用意した。この収納容器としてはラミネートパッケージを用いた。
次に、内部異常検知のための圧力、温度、ガス成分センサを接続した。
薄型空気リチウム空気電池用格納容器本体にも容器内部の圧力センサ、ガス成分センサを設置し、排気用の排気ポンプおよびバルブを設置した。圧力センサのモニタ値によって排気をするシステムとし、別途防爆弁も追加した(図示略)。圧力センサの異常や動作不良がありうるので、二重の安全性をもたせた。
次に、格納容器内に不活性ガスを供給してから、ポンプ及びバルブを操作して、薄型空気リチウム空気電池用格納容器内の不活性ガス圧を所定値に保持した。
次に、薄型空気リチウム空気電池内に空気又は酸素ガスを供給してから、ポンプ及びバルブを操作して、薄型空気リチウム空気電池内の空気又は酸素ガス圧を所定値に保持した。
この状態で、電池反応を行った。
具体的には、放電時および充電時とも、積層ラミパッケージ表面に設置された温度センサの温度上昇、ラミパッケージ内酸素ガス流路の圧力異常(圧力センサで検知)、および酸素ガス流路のガス成分異常(CO2センサで検知)のいずれかが発生した時点で、異常対処モード1の動作に移行する。収納容器本体の圧力異常(圧力センサで検知)、収納容器本体内部のガス成分異常(CO2センサで検知)のいずれかも発生した場合には、異常対処モード2の動作に移行する。
図19は、実施例1の異常感知システムの信号系統図であって、異常時対応システムにおける各センサからの出力の異常対処動作のシーケンスを示す概略図である。
図19に示すように、異常時対応システムへ入力される各センサからのアナログ信号は所定の閾値を超えると、ポンプ駆動用(電磁)リレー1〜3にて、圧送ポンプ1、2、排気ポンプのオンオフを行い、バルブ駆動用マニホールド1〜7にて、バルブ1〜7の開閉動作を行う構成とした。
具体的には、モード1の異常時の基本動作は、ポンプ駆動用(電磁)リレー2を用いて圧送ポンプ2を停止、バルブ駆動用マニホールド2にてバルブ2を閉鎖、バルブ駆動用マニホールド4にてバルブ4を開動作、となる。排気ポンプ1は動作し続ける。
不活性ガスの供給系としては、ポンプ駆動用(電磁)リレー1にて圧送ポンプ1を動作、バルブ駆動用マニホールド1にてバルブ1は開状態を維持する。
排ガス系についてはバルブ駆動用マニホールド5にてバルブ5、バルブ駆動用マニホールド6にてバルブ6の開動作を開け、排気ポンプを動作させる。モード1については、薄型リチウム空気電池内部の異常であるため、バルブ8は閉状態を維持する。以上の動作により、薄型リチウム空気電池内の酸素の分圧(濃度)を一気に低減して、発火、爆発等の制御不能な危険な状態を回避できた。
モード2は、格納容器内部の圧力センサ2もしくはガス成分センサ2の異常により移行する。この場合には格納容器内部も排気する必要があるため、モード1の動作に加え、バルブ駆動用マニホールド8にてバルブ8、バルブ駆動用マニホールド10にてバルブ10を開動作、排気ポンプ2を動作させる。以上により、薄型リチウム空気電池内部および格納容器内部を同時に不活性ガスで置換することができ、発火等の危険な状態を回避できた。
Claims (10)
- 薄型リチウム空気電池を格納する格納室を備えた薄型リチウム空気電池用格納容器であって、
前記格納室内に連通する第1のガス管及び第2のガス管と、
前記格納室内に格納する薄型リチウム空気電池内に連通する第3のガス管及び第4のガス管と、
前記第3のガス管に前記格納室内との連通を開閉制御するバルブと、
前記格納室内に備えられたセンサと
を有し、
前記第1のガス管に不活性ガス供給源が取り付けられており、
前記第3のガス管に空気又は酸素ガス供給源が取り付けられており、
前記センサは、ガス成分センサ、圧力センサ及び温度センサのいずれか又はこれらのセンサの組み合わせであり、前記センサが所定の閾値を超えたときに前記バルブを開け、前記薄型リチウム空気電池内に不活性ガスを供給することを特徴とする薄型リチウム空気電池用格納容器。 - 前記第2のガス管及び前記第4のガス管に排気機構が取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記第3のガス管及び/又は前記第4のガス管に薄型リチウム空気電池を連結する連結部材が取り付けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記連結部材が、前記第3のガス管に連結する第1の連結部と、前記第4のガス管に連結する第2の連結部と、前記第1の連結部及び前記第2の連結部に連通するガス流通部と、薄型リチウム空気電池を連結する電池連結部と、を有することを特徴とする請求項3に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記連結部材が、前記第3のガス管又は前記第4のガス管に嵌合する第3の連結部と、前記第3の連結部に連通するガス流通部と、薄型リチウム空気電池を連結する電池連結部と、を有することを特徴とする請求項3に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記電池連結部が、薄型リチウム空気電池の収納容器の開口部を含む部分を嵌合することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記電池連結部が、薄型リチウム空気電池の正極基材を嵌合することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記第3のガス管及び前記第4のガス管と連結部材との間に連結補助部材が取り付けられていることを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記連結補助部材が、前記第3のガス管又は前記第4のガス管に連結する補助連結部と、前記連結部材に連結する部材連結部と、を有することを特徴とする請求項8に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
- 前記部材連結部が2以上設けられていることを特徴とする請求項9に記載の薄型リチウム空気電池用格納容器。
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