JP7061544B2

JP7061544B2 - 全固体電池

Info

Publication number: JP7061544B2
Application number: JP2018182286A
Authority: JP
Inventors: 悠貴友山本
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP2020053283A

Description

本発明は、全固体電池に関する。

近年、リチウム電池において、安全性の面から、有機電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体電池の開発が進められている。また、全固体電池の軽量化を目的として、正極層と負極層とによって固体電解質層が挟み込まれた構造の電池本体をラミネートフィルムによって包装したラミネート型の全固体電池が知られている。更に、最高電圧を高める、または、総充電量を高めることを目的として、複数の電池ユニットを積層した構造の全固体電池も知られている。このような全固体電池では、固体電解質が熱劣化（結晶化等）してしまうことを抑制するために、放熱対策が重要な課題の一つとなっている。

複数の電池ユニットを積層する構造を採用する場合において、各電池ユニットの間に、それぞれ板状部材を設けて、これらの板状部材を電池ユニットの外側に突出させ放熱フィンを設けることで、放熱効果を発揮させる技術が知られている（特許文献１）。

また、各電池ユニットの間に、ヒートパイプとヒートシンクを接合し弾性部材で覆うことで応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図った全固体電池の構造も知られている（特許文献２）。

特開２００４－０３１２８１号公報特開２０１５－２３２９７６号公報

しかしながら、放熱フィンおよびヒートシンクを用いた冷却機構等の従来の電池の冷却機構は効率的なものもあるが、十分な冷却効果を得るために重量が大きくなるという問題があった。

このような問題に鑑み、本発明の実施形態では、軽量化と良好な放熱効率とを両立することができる冷却機構を備えた全固体電池を提供することを目的とする。

本発明者は、種々の検討を行った結果、電池本体部材をラミネートフィルムで包装した電池ユニットと、放熱部材とを交互に積層し、放熱部材の先端で複数の放熱部材を互いに熱伝導連結板で連結し、電池ユニットとの積層方向に対して垂直な方向に沿って伸びる複数のヒートパイプを設け、複数のヒートパイプを両側から挟み込む熱伝導板を設け、さらに複数のヒートパイプの先端を熱伝導板の外側まで引き出し、ヒートパイプの先端にポーラス金属を設けた構造とすることで、上述の課題が解決されることを見出した。

上記知見を基礎にして完成した本発明は実施形態において、正極層と、固体電解質層と、負極層とがこの順で積層された電池本体部材がラミネートフィルムで包装されてなる電池ユニットと、放熱部材とが交互に積層されてなり、前記放熱部材は、前記電池ユニットの前記正極層及び前記負極層側に積層され、且つ、先端が前記電池ユニットの外側にはみ出るように設けられ、前記先端で複数の放熱部材が互いに熱伝導連結板で連結されており、前記電池ユニットとの積層方向に対して垂直な方向に沿って伸びる複数のヒートパイプと、前記複数のヒートパイプを前記積層方向における両側から挟み込む熱伝導板とを備え、前記複数のヒートパイプの先端が前記熱伝導板の外側まで引き出されており、前記ヒートパイプの先端にポーラス金属を備え、前記ポーラス金属は、前記電池ユニットと前記放熱部材との積層方向と平行な方向に貫通する孔を備える、全固体電池である。

本発明の全固体電池は更に別の実施形態において、前記ポーラス金属がＣｕまたはＡｌで形成されている。

本発明の全固体電池は更に別の実施形態において、前記ポーラス金属にファンが取り付けられている。

本発明の実施形態によれば、軽量化と良好な放熱効率とを両立することができる冷却機構を備えた全固体電池を提供することができる。

本実施例に係る全固体電池４０の断面模式図である。（ａ）は本実施例に係る全固体電池４０の側面模式図であり、（ｂ）は図２の全固体電池４０における二対の熱伝導板と、当該二対の熱伝導板に挟まれたヒートパイプの下面模式図である。電池ユニットの断面模式図である。

（全固体電池）
本発明の実施形態に係る全固体電池は、電池ユニットと放熱部材とを備え、電池ユニットと放熱部材とが交互に積層されている。電池ユニットは、正極層と、固体電解質層と、負極層とがこの順で積層された電池本体部材がラミネートフィルムで包装されてなる。

放熱部材は、電池ユニットの正極層及び負極層側に積層され、且つ、先端が電池ユニットの外側にはみ出るように設けられ、先端で複数の放熱部材が互いに熱伝導連結板で連結されている。熱伝導連結板は熱伝導性が良好な部材で構成するのが好ましく、例えば、ＣｕまたはＡｌ等で形成することができる。

放熱部材は、電池ユニットとの積層方向に対して垂直な方向に沿って伸びる複数のヒートパイプと、複数のヒートパイプを積層方向における両側から挟み込む熱伝導板とを備え、複数のヒートパイプの先端が熱伝導板の外側まで引き出されており、ヒートパイプの先端にポーラス金属を備える。熱伝導板は熱伝導性が良好な部材で構成するのが好ましく、例えば、ＣｕまたはＡｌ等で形成することができる。また、ヒートパイプの構成は特に限定されず、公知のものを用いることができる。ヒートパイプとして、例えばＣｕまたはＡｌ等の熱伝導性が高い材質からなるパイプ中に水等の液体（作動液）を封入したものを用いることができる。ヒートパイプは、全固体電池のコンパクト化及び軽量化のために薄型のものを用いるのが好ましい。ヒートパイプの厚さは例えば２ｍｍ以下であるのが好ましい。

本発明の実施形態に係る全固体電池の構成によれば、電池ユニットから発生した熱が、放熱部材における熱伝導板からヒートパイプへと伝わる。そして、ヒートパイプに伝わった熱は、ヒートパイプの先端に設けられたポーラス金属によって冷却される。本発明の実施形態に係る全固体電池は、熱伝導連結板で放熱部材を連結することで放熱部材の熱容量が大きくなり、一つの電池ユニット内部に熱が蓄えられてしまうことを良好に抑制することができる。

また、ヒートパイプの先端に設けられたポーラス金属は、ポーラスでないバルク金属と比べ、表面積が大きくなるため熱伝導率が大きい。また、ロータス金属の気孔によって、従来の冷却機構付き全固体電池に対して軽量化が可能である。

本発明の実施形態に係る全固体電池におけるヒートパイプの先端に設けられたポーラス金属は、電池ユニットと放熱部材との積層方向と平行な方向に貫通する孔を複数備えてもよい。このような構成のポーラス金属はロータス金属とも称される。ロータス金属の一方性の気孔と熱伝導連結板により強制空冷による圧力損失を小さくすることができ、より効率的に電池ユニットから発生した熱を放熱することで、全固体電池を冷却することが可能となる。

本発明の実施形態に係る全固体電池におけるヒートパイプの先端に設けられたポーラス金属は、ＣｕまたはＡｌで形成されていてもよい。ポーラス金属が熱伝導性が良好なＣｕまたはＡｌで形成されていることで、放熱部材による放熱性がより良好となる。

本発明の実施形態に係る全固体電池におけるヒートパイプの先端に設けられたポーラス金属には、ファンが取り付けられていてもよい。ポーラス金属にファンが取り付けられていることで、冷却効率がより良好となる。ファンの位置は特に限定されないが、例えばポーラス金属の上部（先端）に取り付けることができる。

以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。

（実施例１）
図１は本実施例に係る全固体電池４０の断面模式図である。図２（ａ）は本実施例に係る全固体電池４０の側面模式図であり、図２（ｂ）は図２の全固体電池４０における二対の熱伝導板と、当該二対の熱伝導板に挟まれたヒートパイプの下面模式図である。図３は電池ユニットの断面模式図である。

全固体電池４０は、電池ユニット１０と放熱部材２０とを備え、電池ユニット１０と放熱部材２０とが交互に密着して積層されている。電池ユニット１０は、正極層１１と、固体電解質層１３と、負極層１２とがこの順で積層された電池本体部材の両面がラミネートフィルム１４で密着するように包装されてなる。正極層１１と負極層１２とは電極１５に電気的に接続されている。

放熱部材２０は、電池ユニット１０の正極層１１及び負極層１２側に積層され、且つ、先端が電池ユニット１０の外側にはみ出るように設けられている。複数の放熱部材２０は、先端で互いに銅製の熱伝導連結板３０によって連結されている。放熱部材２０は、電池ユニット１０との積層方向に対して垂直な方向に沿って伸びる複数のヒートパイプ２２と、複数のヒートパイプ２２を積層方向における両側から挟み込む熱伝導板２３とを備える。このように、全固体電池４０の断面構造は電池ユニット１０の両端を放熱部材２０が挟み込む積層構造を有している。本実施例の全固体電池４０では、図１の断面模式図で示すように、「熱伝導板２３／ヒートパイプ２２／熱伝導板２３／電池ユニット１０／熱伝導板２３／ヒートパイプ２２／熱伝導板２３／電池ユニット１０／熱伝導板２３／ヒートパイプ２２／熱伝導板２３／電池ユニット１０／熱伝導板２３／ヒートパイプ２２／熱伝導板２３」という積層構造を有している。

電池ユニット１０の厚さは１０ｍｍに形成されており、熱伝導板２３の厚さは０．５ｍｍに形成されており、ヒートパイプ２２の厚さは２ｍｍに形成されている。

ヒートパイプ２２は、銅製のパイプと当該パイプ内に作動液として水が封入されている。複数のヒートパイプ２２の先端が熱伝導板２３の外側まで引き出されており、ヒートパイプ２２の先端に銅製のポーラス金属２１が設けられている。

ポーラス金属２１は、電池ユニット１０と放熱部材２０との積層方向と平行な方向に貫通する孔を複数備えたいわゆるロータス金属で構成されている。

電池ユニット１０は、充電時及び放電時に発熱する。電池ユニット１０により発生した熱は、電池ユニット１０に密着して配置された放熱部材２０へと伝わる。放熱部材２０においては、熱伝導板２３からヒートパイプ２２へと熱が伝わる。そして、ヒートパイプ２２に伝わった熱は、ポーラス金属２１により冷却される。なお、ヒートパイプ２２内においては、加熱されて高温になった流体がポーラス金属２１に向かって移動し、ポーラス金属２１により冷却された流体がポーラス金属２１から離れる方向に移動する。このように、ヒートパイプ２２内で流体が循環することで、熱をポーラス金属２１から外部に逃がすことができる。また、１つの電池ユニット１０で異常な発熱があった場合でも、放熱部材２０同士を連結させる熱伝導連結板３０の働きにより、熱を他のポーラス金属２１に逃がすことができるため効率的に冷却することが可能となる。また、ポーラス金属２１にファンを取り付けることで、ポーラス金属２１を積極的に冷却してより効果的に熱を逃がすことができる。

１０電池ユニット
１１正極層
１２負極層
１３固体電解質層
１４ラミネートフィルム
１５電極
２０放熱部材
２１ポーラス金属
２２ヒートパイプ
２３熱伝導板
３０熱伝導連結板
４０全固体電池

Claims

正極層と、固体電解質層と、負極層とがこの順で積層された電池本体部材がラミネートフィルムで包装されてなる電池ユニットと、
放熱部材と、
が交互に積層されてなり、
前記放熱部材は、
前記電池ユニットの前記正極層及び前記負極層側に積層され、且つ、先端が前記電池ユニットの外側にはみ出るように設けられ、前記先端で複数の放熱部材が互いに熱伝導連結板で連結されており、
前記電池ユニットとの積層方向に対して垂直な方向に沿って伸びる複数のヒートパイプと、前記複数のヒートパイプを前記積層方向における両側から挟み込む熱伝導板とを備え、
前記複数のヒートパイプの先端が前記熱伝導板の外側まで引き出されており、前記ヒートパイプの先端にポーラス金属を備え、
前記ポーラス金属は、前記電池ユニットと前記放熱部材との積層方向と平行な方向に貫通する孔を備える、全固体電池。
前記ポーラス金属がＣｕまたはＡｌで形成されている請求項１に記載の全固体電池。
前記ポーラス金属にファンが取り付けられている請求項１または２に記載の全固体電池。