JP6361322B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、極低温環境において使用するための加熱手段を有する電池に関する。

電解液を有する電池は、極低温環境において電解液が凍結してしまうため、発電することができなくなる。電解液を解凍するために周囲にヒータを設けて温めることも想定されるが、外周部だけ解凍された状態で電池が使用されてしまうと、外周部と内部との充電状態（ＳＯＣ）に差が生じる。充電状態に差を生じたまま電池が全体的に解凍されると、電池内部で短絡を起こす要因にもなる。

凍結した電解液を内部から融解させるために、電池の集電箔をコンデンサのように利用して集電箔の内部にのみ高周波の交流電流を流すことで電池を予熱する方法が知られている。例えば、特許文献１に記載された二次電池の昇温装置は、二次電池に接続されたリップル生成装置と、このリップル生成装置を制御する制御装置とを備える。リップル生成装置は、制御装置によって制御され、二次電池のインピーダンスの周波数特性に基づく所定周波数のリップル電流を二次電池に発生させることによって、二次電池を内部から昇温する。

特許第５２９３８２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法で凍結した二次電池を昇温する場合、そのリップル電流を供給するために数ｋＨｚの交流電流を安定して発生させるための高周波電源や高周波発生回路が必要になる。また、特許文献１ではこの二次電池を駆動モータのエネルギー源として車両に搭載する場合、リップル電流を生成するためのエネルギー源としても二次電池を利用している。したがって、極低温環境において二次電池が凍結してしまうとリップル電流も発生できなくなるので車両を起動させることができない。

そこで、本発明は、簡単な構造で内部から加熱することで極低温環境においても電力供給できる電池を提供する。

本発明に係る一実施形態の電池は、セパレータを介して正極及び負極を複数交互に積層したコアを電解液とともに容器に収納した電池であって、少なくとも１つの正極は、少なくとも２枚の正極集電箔と高抵抗部材とを含む。高抵抗部材は、正極集電箔よりも大きい抵抗を有し、正極集電箔どうしの間に配置される。高抵抗部材は少なくとも２層の高抵抗材層で構成され、正極は２層の高抵抗材層の間に配置され高抵抗材層よりも抵抗が小さい加熱用電極箔を備える。正極集電箔及び加熱用電極箔は、電池に電流を供給する電流供給源に直列に接続されて、高抵抗材層に電流を供給する。

そして正極集電箔及び加熱用電極箔は、外部電源に直列に接続されて、高抵抗材層に電流を供給する。内燃機関及び発電機を備える車両にこの電池が搭載される場合、正極集電箔及び加熱用電極箔は、発電機に直列に接続されて、高抵抗材層に電流を供給する。

また、高抵抗部材は、外部電源に直接接続されて電流を供給されてもよい。内燃機関及び発電機を備える車両にこの電池が搭載される場合、高抵抗部材は発電機に直接接続されて電流を供給される。

また、高抵抗材層は、加熱用電極箔の外周縁を包む縁部を有する。高抵抗部材として、金属粉を練り込まれた合成樹脂、導電性樹脂、導電性のセラミックス、または温度上昇に伴い抵抗値が増大するＰＴＣサーミスタ、のいずれか１つを採用する。また、高抵抗部材は、電解液に接触しないように耐食性部材で覆う。

本発明に係る電池によれば、少なくとも１つの正極が、少なくとも２枚の正極集電箔と、正極集電箔よりも抵抗が大きくこれらの間に挟まれた高抵抗部材とを有しているので、高抵抗部材に電流を流して発熱させることができる。したがって、電解液が凍結する程度の極低温環境であっても、高抵抗部材に電流を流して電池の内部から電解液を解凍することができるので、電池から電力を供給できるようになる。この電池が二次電池である場合には、充電することもできるようになる。高抵抗部材を抵抗加熱によって発熱させるための電力は、商用電源でも他のバッテリーや発電機でもよく、直流でも交流でもよい。そして、高抵抗部材に外部電源を接続して電流を供給する発明の電池によれば、極低温環境においても外部電源を確保することによって比較的簡単に電池を利用可能な状態にすることができる。

また、高抵抗部材が少なくとも２層の高抵抗材層で構成され、正極が２層の高抵抗材層の間に配置され高抵抗材層よりも抵抗が小さい加熱用電極箱をさらに備える発明の電池によれば、正極集電箔と加熱用電極箔との間に高抵抗材層が配置されることになる。つまり、正極集電箔と加熱用電極箔とに外部電源を接続することで、抵抗の大きい高抵抗材層の厚み方向に電流が流れ、抵抗加熱によって正極全体を均質に発熱させることができる。

正極集電箔及び加熱用電極箔は、外部電源に直列に接続されて、高抵抗材層に電流を供給する発明によれば、正極集電箔と加熱用電極箔の間に配置される高抵抗材層に厚み方向に電流を供給することができるので、正極全体が均質に発熱する。また、高抵抗材層の外側に正極集電箔が配置されるので、普段の使用においても発電効率が低下することはない。その結果、電解液が凍結するような極低温環境において電池を使用する場合でも、電池の内部から電解液を均質に解凍でき、電池を利用可能な状態にすることができる。

内燃機関及び発電機を備える車両に搭載されて正極集電箔及び加熱用電極箔が発電機に直列に接続されて高抵抗材層に電流を供給する発明の電池によれば、極低温環境において内燃機関を始動して発電機から電力を供給することで、高抵抗材層の板厚方向に電流を流し、抵抗加熱によって正極全体を均質に加熱することができる。

また、高抵抗部材を外部電源に直接接続して電流を供給する発明の電池によれば、高抵抗部材に沿って直接電流が流れるので、高抵抗部材を効率よく抵抗加熱によって発熱させることができる。そして、内燃機関及び発電機を備える車両に搭載されて高抵抗部材に発電機を直接接続して電流を供給する発明の電池によれば、極低温環境において内燃機関を始動して発電機から電力を供給することで、高抵抗部材に沿って電流を流すので効率よく抵抗加熱によって発熱させることができる。

高抵抗部材が正極集電箔及び正極材料の外周縁よりも大きく形成される発明の電池によれば、組み立てる際に正極が曲がっても、正極集電箔と加熱用電極箔とが接触することを防止できる。また、高抵抗材層が加熱用電極箔の外周縁を包む縁部を有する発明の電池によれば、正極集電箔と加熱用電極箔とが接触することを確実に防止できる。

高抵抗部材として金属粉を練り込まれた合成樹脂、導電性樹脂、導電性のセラミックスのいずれか１つを採用する発明の電池によれば、高抵抗部材の電気伝導度（電器抵抗値）を所望する値に設定できる、すなわち、高抵抗素材層の発熱量を設定することができる。また、高抵抗部材として温度上昇に伴い抵抗値が増大するＰＴＣサーミスタを含む発明の電池によれば、電極の温度が高くなると抵抗値が増大し電流量を抑えるので、電極の温度が高くなりすぎることはない。また高抵抗部材が電解液に接触しないように耐食性部材で覆う発明の電池によれば、高抵抗部材が電解液によって腐食されない。

本発明に係る第１の実施形態の電池の断面図。 図１の電池の正極を拡大した断面図。 本発明に係る第２の実施形態の電池の正極を拡大した断面図。 本発明に係る第３の実施形態の電池の正極を拡大した断面図。 本発明に係る第４の実施形態の電池の正極を拡大した断面図。 本発明に係る第５の実施形態の電池の正極を拡大した断面図。 本発明に係る第６の実施形態の電池の断面図。 本発明に係る第７の実施形態の電池の断面図。 図８の電池の正極の端部を拡大した断面図。

本発明に係る第１の実施形態の電池１について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示す電池１は、セパレータ２０を介して正極２１及び負極２２を複数交互に積層したコア２を電解液Ｗとともに容器３に収納している。正極２１は正極集電箔２１１の両面に正極材料２１２が形成され、負極２２は負極集電箔２２１の両面に負極材料２２２が形成されている。正極集電箔２１１は、アルミニウム製であり、負極集電箔２２１は、銅製である。

このとき、正極２１のうち少なくとも１つは、図２に示すように少なくとも２枚の正極集電箔２１１とこれらの間に挟まれる高抵抗部材２１４とを含む。高抵抗部材２１４は、正極集電箔２１１よりも電気抵抗が大きい。本実施形態の電池１の場合、積層方向にコア２の中央に配置された正極２１Ｈは、正極集電箔２１１と正極材料２１２と加熱用電極箔２１３と高抵抗部材２１４とを含む。正極集電箔２１１は、正極２１の厚み方向に、高抵抗部材２１４の外側に配置され、正極材料２１２はさらにその正極集電箔２１１の外側に形成される。正極集電箔２１１の外周縁から延びた正極２１の端子２１１Ａは、図１及び図２に示すように互いに接合されている。これにより２枚の正極集電箔２１１は、電気的に接続されるように形成される。

高抵抗部材２１４は、少なくとも２層の高抵抗材層２１４Ｓで構成される。この正極２１Ｈは、さらに加熱用電極箔２１３を有している。この加熱用電極箔２１３は、高抵抗材層２１４Ｓの間に配置され、高抵抗材層２１４Ｓよりも電気抵抗が小さい。すなわち、加熱用電極箔２１３は、正極２１の厚み方向にほぼ中心に配置される。本実施形態では、高抵抗部材２１４（高抵抗材層２１４Ｓ）としてステンレス鋼を採用している。また、加熱用電極箔２１３は、正極集電箔２１１と同じ材料、すなわちアルミニウム製である。

このように、中央に配置された正極２１Ｈは、アルミニウムとステンレス鋼のそれぞれ箔を積層させた５層構造のクラッド材で作られた集電電極の両面に正極材料２１２が形成された状態である。このときステンレス鋼として、日本工業規格でＳＵＳ３１０と称される重量成分比率でクロム（Ｃｒ）２５％、ニッケル（Ｎｉ）２０％の耐酸化性に優れた材料を使用する場合、電気抵抗は、７．９×１０^−７［Ω・ｍ］であり、アルミニウムの電気抵抗が２．６５×１０^−８［Ω・ｍ］であることに比べて約３０倍大きい。

そこで、図１に示すように正極集電箔２１１と加熱用電極箔２１３とに直列に外部電源１００を接続し、高抵抗材層２１４Ｓの厚み方向へ電流が流れるように電流を供給することによって、抵抗加熱で高抵抗材層２１４Ｓを発熱させることができる。

電解液Ｗが凍結するような極低温環境、例えば−４０℃以下の状況でこの電池１を使用する場合、そのままでは電解液Ｗが凍結しているため発電及び充電を行なえないが、本実施形態の電池１の場合、正極集電箔２１１及び加熱用電極箔２１３に外部電源１００を接続して高抵抗材層２１４Ｓの厚み方向に電流を流すことで、高抵抗材層２１４Ｓに抵抗加熱による熱が生じ、電池１を内部から均質に加熱することができる。

供給する電流は、図１に示すように直流電流でもよいし、交流電流でもよい。直流電流を供給する場合、通常の電池の使用条件に相当する電力３〜４［Ｖ］、５０［Ａ］で発熱することが望ましい。効率よく発熱させるためには、電気抵抗の大きな素材を選択すればよい。１０ｃｍ×１０ｃｍ位の面積の電極を備える３０Ａｈ級の積層型電池の場合であれば抵抗は０．１［Ω］程度が望ましい。

以上のように高抵抗材層２１４Ｓに電流を供給すると、電解液Ｗが解凍されるので、極低温環境において電池１から電力を供給するまたは電池１に充電することができるようになる。直流電流を通電するだけであるので、複雑な周辺機器を必要とせず、簡単な構成で実施可能である。

高抵抗部材２１４としてステンレス鋼以外に、タングステン、ニッケル、鉄、ニクロムなどの金属箔だけでなく、導電性を有したセラミックスや金属粉が練り込まれたセラミックス、または焼結金属等を採用してもよい。またこれら以外に、導電性樹脂、金属粉が練り込まれて導電性を有した合成樹脂、温度上昇に伴い抵抗値が増大するＰＴＣサーミスタなどで造られていてもよい。

第１の実施形態では、電池１の中央に配置された正極２１Ｈをヒータとして利用して電解液Ｗを解凍した後、正極２１，２１Ｈ及び負極２２の間で、発電及び充電することができる。図２に示すように、高抵抗材層２１４Ｓの外側に正極集電箔２１１が配置されており、これらは互いに電気的に接続されている。正極２１Ｈにおいて発電及び充電の際には、電流が正極集電箔２１１を通る。つまり、高抵抗材層２１４Ｓの影響を受けることなく、他の正極２１と同様に機能する。したがって、電解液Ｗが凝固しない通常の温度環境において、電池１は、これまでと同じ性能を発揮するとともに、極低温環境においては電解液Ｗを内部から加熱して解凍することで、電池１から電力を供給する又は電池１に充電することができるようになるまでの時間が短縮される。

この電池１は、内燃機関及び発電機を備える車両に搭載される場合、すなわちPlug-in Hybrid Electric Vehicle（PHEV）の電池として車両に搭載される場合、正極集電箔２１１及び加熱用電極箔２１３を発電機に直列に接続し高抵抗部材２１４に電流を流す。極低温環境において電解液Ｗが凍結した場合には、内燃機関を始動して発電機から電力を供給し、正極集電箔２１１と加熱用電極箔２１３の間の高抵抗材層２１４Ｓに電流を流すことで電池１を内部から温めて電解液Ｗを解凍することができる。以上のように、この電池１は、簡単な構造で内部から加熱することができるため、極低温環境においても電力供給できる。

以下に、本発明に係る第２から第７の実施形態の電池１について、それぞれ図を参照して説明する。第２から第７の実施形態の電池１において、第１の実施形態の電池１と同じ機能を有する構成は、各実施形態の説明及び図中において同一の符号を付し、その説明は第１の実施形態の対応する記載を参酌するものとする。

本発明の第２の実施形態の電池１の少なくとも１つの正極２１Ｈは、図３に示すように、高抵抗材層２１４Ｓが正極集電箔２１１及び正極材料２１２よりも一回り大きく形成され、さらに加熱用電極箔２１３の外周縁２１３Ａを包む縁部２１４Ａを有している。このように構成されていることによって第２の実施形態の電池１は、組立工程において、正極集電箔２１１の端子２１１Ａが曲がることがあっても加熱用電極箔２１３に正極集電箔２１１が接触してしまうことを防止できる。極低温環境において電池１を温める場合に、必ず高抵抗材層２１４Ｓを通るように電流が流れる。

本発明の第３の実施形態の電池１の少なくとも１つの正極２１Ｈは、図４に示すように、高抵抗材層２１４Ｓが金属粉２３Ａを練り込んだ合成樹脂２３で形成されている。図４は、極低温環境において電池１を温めるために加熱用電極箔２１３と正極集電箔２１１とに外部電源を接続し、高抵抗材層２１４Ｓに電流を供給する状態を模式的に示す。図４に示すように、正極集電箔２１１及び加熱用電極箔２１３に電流を供給すると、高抵抗材層２１４Ｓ中で接触しあっている金属粉２３Ａを介して電流が流れる。

金属粉２３Ａの含有量や粒径を調整することによって、高抵抗材層２１４Ｓとしての電気抵抗率［Ω・ｍ］を設定することができる。したがって、極低温環境において電解液Ｗが凍結してしまった場合にも、電池１を内部から効率よく加熱し短時間で解凍することができる。

本発明の第４の実施形態の電池１の少なくとも１つの正極２１Ｈは、図５に示すように、高抵抗材層２１４Ｓの一部にＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタ２４を含んでいる。ＰＴＣサーミスタ２４は、その電気抵抗率に温度依存性があり、温度上昇に伴い抵抗値が増大する。ＰＴＣサーミスタ２４は、一定の温度を超えると、ＰＴＣサーミスタ２４が設けられた範囲以外の高抵抗材層２１４Ｓよりも電気抵抗率［Ω・ｍ］が高くなることで、ＰＴＣサーミスタ２４の部分には、電流が流れにくくなる。

図５は、極低温環境において電池１を温めるために加熱用電極箔２１３と正極集電箔２１１とに外部電源を接続して電流を供給することで、正極２１が一定の温度以上になった状態を模式的に示す。正極２１の温度が上がると、ＰＴＣサーミスタ２４を設けた部分にほとんど電流が流れなくなるので、発熱が抑制される。

電池１の内部の温度を測ることは困難である。本実施形態のようにＰＴＣサーミスタ２４によって高抵抗材層２１４Ｓの発熱量、すなわち温度を制御することで、温度を計測することなく、部分的に温度が上がりすぎることを抑制することができる。

なお、一般に金属は高温になると抵抗も大きくなる傾向にあるので、第４の実施形態と同様に、第３の実施形態における電池１の場合でも、金属粉２３Ａを介して電流が流れる部分の温度が上がりすぎることを抑制することができる。また、金属粉２３ＡやＰＴＣサーミスタ２４の代わりにケイ素やゲルマニウムといった半導体を用いてもよい。

本発明の第５の実施形態の電池１の少なくとも１つの正極２１Ｈは、図６に示すように、正極集電箔２１１の間に設けられて加熱用電極箔２１３を挟む２層の高抵抗材層２１４Ｓを含む高抵抗部材２１４が電解液Ｗに触れないように覆う耐食性部材２５を有している。高抵抗材層２１４Ｓが電解液Ｗによって腐食されない、すなわち高抵抗材層２１４Ｓが電解液Ｗに溶けて電解液Ｗの成分を変質させることはないので、電池１の性能を維持することができる。電解液Ｗに対する耐食性に優れた材料として、例えば、セパレータ２０に使用されるポリオレフィン系の合成樹脂などを利用することができる。

本発明の第６の実施形態の電池１は、図７に示すように、すべての正極２１Ｈに加熱用電極箔２１３及び高抵抗材層２１４Ｓを備える。各正極２１Ｈにおいてそれぞれ直列に接続された加熱用電極箔２１３及び正極集電箔２１１は、外部電源１００に対して並列に接続されている。極低温環境において電解液Ｗが凍結した場合でも、電池１の電力を利用するために、すべての正極２１Ｈを同時に加熱することができる。電池１は、均質に効率よく内部から温められるので、短時間で電力を供給できる状態になる。

なお、電池１の内部を温めるために、高抵抗部材２１４を備える正極２１Ｈのように、負極２２を構成してもよい。すなわち、少なくとも１つの負極２２に２枚の負極集電箔２２１を設け、これらの間に高抵抗部材２１４を配置する。この高抵抗部材２１４を２層の高抵抗材層２１４Ｓで構成し、さらにこれらの間に加熱用電極箔２１３を挿入する。負極集電箔２２１及び加熱用電極箔２１３に外部電源を接続し、高抵抗材層２１４Ｓに電流を流すことで、負極２２を起点に電池１を温めることができる。高抵抗材層２１４Ｓ及び加熱用電極箔２１３を備えた負極２２を正極２１Ｈの代わりに設けてもよいし、正極２１Ｈと同時に設けてもよい。但し、負極２２に接続する外部電源は、正極２１Ｈに接続する外部電源１００から独立させて設ける。

本発明の第７の実施形態の電池１は、図８及び図９に示す。図８に示す電池１は、少なくとも１つの正極２１Ｈに２枚の正極集電箔２１１を有し、これらの正極集電箔２１１の間に高抵抗部材２１４を配置している。この高抵抗部材２１４と正極集電箔２１１との間には、絶縁フィルム２１５が挿入される。電解液Ｗが凍結するような極低温環境において電池１を使用する場合、この正極２１Ｈの高抵抗部材２１４は、外部電源１００に対して直列に直接接続され、高抵抗部材２１４に電流が流される。高抵抗部材２１４は正極集電箔２１１よりも電気抵抗が大きいが、絶縁フィルム２１５によって正極集電箔２１１から絶縁されている。したがって、電流は、高抵抗部材２１４に沿ってこの高抵抗部材２１４を直接流れることになる。その結果、抵抗加熱によって高抵抗部材２１４が発熱し、電池１を内部から均質に温めることができる。

なお、２枚の正極集電箔２１１の間に絶縁フィルム２１５を介在させずに高抵抗部材２１４を配置し、２枚の正極集電箔２１１の一方にと他方とを外部電源１００に直列に接続して高抵抗部材１４の厚み方向に電流を流してもよい。このとき、電池１を充電または放電する場合、２枚の正極集電箔２１１を互いに導通させ、極低温環境において外部電源１００を接続して電流を流す場合に２枚の正極集電箔２１１の間の導通を遮断するように切り替えるスイッチを設ける。

以上のように本発明のいくつかの実施形態を説明した。ただし、上述の実施形態は、一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。上述の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。すなわち発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部の構成要素の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらによって生じる実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１の実施形態の電池１の正極２１Ｈに第２から第５の実施形態の電池１の正極２１Ｈを適用するのと同様に、第２から第５の実施形態の電池１の正極２１Ｈの構造を第６の実施形態の電池１の正極２１Ｈに適用してもよい。

また、例えば、第１の実施形態では正極集電箔及び加熱用電極箔に直列に外部電源を接続し高抵抗材料に電流を流すとしているが、これに限られるものではなく、例えば、第７の実施形態のように正極集電箔内部に高抵抗部材だけを備え、高抵抗部材に直接電流を流すようにしてもよい。

１…電池、２…コア、３…容器、２０…セパレータ、２１，２１Ｈ…正極、２１１…正極集電箔、２１２…正極材料、２１３…加熱用電極箔、２１４…高抵抗部材、２１４Ｓ…高抵抗材層、２２…負極、２２１…負極集電箔、２２２…負極材料、２３…合成樹脂、２３Ａ…金属粉、２４…ＰＴＣサーミスタ、２５…耐食性部材、１００…外部電源、Ｗ…電解液。

Claims (8)

1. セパレータを介して正極及び負極を複数交互に積層したコアを電解液とともに容器に収納した電池であって、
   少なくとも１つの前記正極は、少なくとも２枚の正極集電箔と、前記正極集電箔よりも抵抗が大きく前記正極集電箔どうしの間に配置される高抵抗部材と、を含み、
   前記高抵抗部材は、少なくとも２層の高抵抗材層で構成され、
   前記正極は、２層の前記高抵抗材層の間に配置され前記高抵抗材層よりも抵抗が小さい加熱用電極箔を備え、
   前記正極集電箔及び前記加熱用電極箔は、前記電池に電流を供給する電流供給源に直列に接続されて、前記高抵抗材層に電流を供給する
   ことを特徴とする電池。
2. 前記正極集電箔及び前記加熱用電極箔は、外部電源に直列に接続されて、前記高抵抗材層に電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載された電池。
3. 内燃機関及び発電機を備える車両に搭載され、
   前記正極集電箔及び前記加熱用電極箔は、前記発電機に直列に接続されて、前記高抵抗材層に電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載された電池。
4. 前記高抵抗部材は、外部電源に直接接続されて電流を供給される
   ことを特徴とする請求項１に記載された電池。
5. 内燃機関及び発電機を備える車両に搭載され、
   前記高抵抗部材は、前記発電機に直接接続されて電流を供給される
   ことを特徴とする請求項１に記載された電池。
6. 前記高抵抗材層は、前記加熱用電極箔の外周縁を包む縁部を有する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載された電池。
7. 前記高抵抗部材は、金属粉を練り込まれた合成樹脂、導電性樹脂、導電性のセラミックス、温度上昇に伴い抵抗値が増大するＰＴＣサーミスタのいずれか１つである
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載された電池。
8. 前記高抵抗部材は、前記電解液に対して耐食性部材で覆われる
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載された電池。

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