JP7227381B2 - アルカリ二次電池及びアルカリ二次電池モジュール - Google Patents
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Description
アルカリ二次電池の構成を有する複数の単電池要素が積層された積層電池と、
前記積層電池が縦向きに収容される、樹脂製の箱型ケースと、
を備えた、アルカリ二次電池であって、
前記箱型ケースが、底部と、前記積層電池と平行な1対の長手側壁部と、前記積層電池と垂直な1対の短手側壁部と、蓋部とを有し、
前記蓋部が、前記蓋部の他の部分よりも厚さが低減された脆弱部を有しており、前記脆弱部の厚さが0.1~1.0mmであり、前記蓋部全体の平面視面積に占める前記脆弱部の平面視面積の割合が10~40%である、アルカリ二次電池が提供される。
金属製の蓋付容器であるモジュールケースと、
前記モジュールケース内に収容され、前記長手側壁部同士が互いに向かい合うように配置される、複数個の前記アルカリ二次電池と、
を備えた、アルカリ二次電池モジュールが提供される。
図1に本発明のアルカリ二次電池の一例を示す。図1に示されるアルカリ二次電池10は、積層電池と、積層電池が縦向きに収容される箱型ケース28とを備える。箱型ケース28は樹脂製である。図5及び6に示されるように、積層電池は、アルカリ二次電池の構成を有する複数の単電池要素11が積層されたものであり、高電圧や大電流が得られる点で有利である。図1~3に示されるように、箱型ケース28は、底部28aと、積層電池と平行な1対の長手側壁部28bと、積層電池と垂直な1対の短手側壁部28cと、蓋部28dとを有する。蓋部28dは、蓋部28dの他の部分よりも厚さが低減された脆弱部Wを有している。脆弱部Wの厚さは0.1~1.0mmであり、蓋部28d全体の平面視面積に占める脆弱部Wの平面視面積の割合が10~40%である。このように、アルカリ二次電池10が収容される樹脂製の箱型ケース28の蓋部28dに、他の部分よりも厚さが低減された脆弱部Wを設け、蓋部28d全体に占める脆弱部Wの面積割合を所定の範囲内とすることにより、水素燃焼等による電池内圧の急激な上昇による被害を最小限に抑えることができる。すなわち、水素燃焼等による電池内圧の急激な上昇時に、箱型ケース28が全体的に破壊される前に脆弱部Wが優先的かつ局所的に破壊されるため、箱型ケース28の全体的な破壊を免れることができ、その結果、安全性を向上できる。また、脆弱部Wが蓋部28dに設けられることで、図4に示されるようなモジュールケース102に収容した場合に、モジュールケース102の上蓋102bを重点的に耐圧及び耐熱に設計して容器本体102aに固定しておけば、ニッケル亜鉛二次電池10内の水素燃焼により脆弱部Wが破裂したとしても、破裂に伴う様々なトラブル(内圧の急激な上昇、破片の散乱、電解液の漏洩、出火、異常発熱等)を全てモジュールケース102内で(特に上蓋102bで)食い止めることができ、モジュールケース102外の安全性を十分に確保することができる。
複数個のアルカリ二次電池10を用いてアルカリ二次電池モジュールを構成するのが好ましい。図4に、アルカリ二次電池モジュールの好ましい態様が示される。図4に示されるアルカリ二次電池モジュール100は、モジュールケース102と、複数個のアルカリ二次電池10とを含む。モジュールケース102は、金属製の蓋付容器である。複数個のアルカリ二次電池10は、モジュールケース102内に収容され、長手側壁部28b同士が互いに向かい合うように配置される。このように金属製の蓋付容器であるモジュールケース102内にアルカリ二次電池10を収容することで、ニッケル亜鉛二次電池10内の水素燃焼により脆弱部Wが破裂したとしても、破裂に伴う様々なトラブル(内圧の急激な上昇、破片の散乱、電解液の漏洩、出火、異常発熱等)を全てモジュールケース102内で食い止めることができ、モジュールケース102外の安全性を十分に確保することができる。
(1)アルカリ二次電池の作製
下記仕様の箱型ケース28及び複数の単電池要素を準備し、複数の単電池要素を積層電池の形態で箱型ケース28に縦向きに収容することにより、図1に示されるニッケル亜鉛二次電池10を組み立てた。
・材質:変性ポリフェニレンエーテル樹脂(ザイロンTMTZ100、旭化成社製)
・外寸:幅20cm、奥行3cm、高さ170cm(正極端子14cおよび負極端子18cの高さを含まない)
・脆弱部W及びリブR以外の主要部分の厚さ:2mm
・脆弱部Wの厚さ:0.4±0.02mm(例1)、0.5±0.02mm(例2)又は0.6±0.02mm(例3)
・脆弱部Wの位置及び数:箱型ケース28の蓋部28dに2か所
・脆弱部Wの面積:12.6cm2(=4.8cm2+7.8cm2)
・蓋部28d全体の平面視面積に占める脆弱部Wの平面視面積の割合:22%
・放圧弁30の作動圧:0.15MPa
・箱型ケース28(脆弱部W以外の部分)の最大耐圧:0.8~1.2MPa
・正極構造体:発泡ニッケルの孔内に水酸化ニッケル及びバインダーを含む正極ペーストを充填して乾燥させ、不織布で覆ったもの
・負極構造体:銅エキスパンドメタルに、金属亜鉛及び酸化亜鉛粉末をバインダーとともに含んだ負極活物質層を圧着し、不織布で覆ったもの
・LDHセパレータ:高分子材料(ポリエチレン)製の多孔質基材の孔を水酸化物イオン伝導性及びガス不透過性を呈するようにLDHで塞いでプレスされたセパレータ
・電解液:5.4mol%水酸化カリウム水溶液
図11に示される測定系を構築した。この測定系において、ニッケル亜鉛二次電池210は両側から拘束治具212で挟んで固定されている。ニッケル亜鉛二次電池210の放圧弁に対応する穴にホースが接続され、このホースの他端がコンプレッサ214に接続される。こうして、コンプレッサ214から圧縮空気をニッケル亜鉛二次電池210内に送り込むことが可能とされている。ニッケル亜鉛二次電池210(具体的には箱型ケース28の短手側壁部28cを加工した穴部)には圧力計216が接続されており、ニッケル亜鉛二次電池210内の圧力(内圧)が測定可能とされている。この測定系において、圧縮空気をニッケル亜鉛二次電池210に送り込んで内圧を上昇させて、脆弱部Wの破裂圧(MPa)を測定した。このとき脆弱部Wが破壊された際に測定された内圧を破裂圧とみなした。結果は以下の表1に示されるとおりであった。
図4に模式的に示される構成を有する以下の仕様のモジュールケース102に、図12A及び12Bに具体的に示されるように、配線114により互いに直列接続された14個のニッケル亜鉛二次電池10を箱型ケース28の長手側壁部28b同士が互いに向かい合うように配置した。このとき、図4及び10に示されるように、隣り合う箱型ケース28間に、延焼防止材106としてエンボスマイカ板(株式会社岡部マイカ工業所社製、厚さ5mm)を、エンボスマイカ板の両端がモジュールケース102の側壁に到達するように配置することで、隣り合う箱型ケース28が互いに延焼不能に隔離されるようにした。モジュールケース102の一端には吸気口102cが設けられる一方、モジュールケース102の他端には排気口102dが設けられている。排気口102dにはファン108(換気扇)が取り付けられる一方、吸気口102cの近くにはCMU(セルモニタリングユニット)116が取り付けられた。こうしてアルカリ二次電池モジュール100を作製した。
(モジュールケース102の仕様)
・外寸:67cm×25cm、高さ23cm
・上蓋102bの材質:SPCC(冷間圧延鋼板)
・上蓋102bの厚さ:2.3mm
・容器本体102aの材質:SPCC(冷間圧延鋼板)
・容器本体102aを構成する金属板の厚さ:1.2mm
・容器本体102aと上蓋102bとの固定手法:ボルトナット結合
・ニッケル亜鉛二次電池10の蓋部28dとモジュールケース102の上蓋102bとの間隔:35mm以上
・モジュールケース102の上蓋102bの最大耐圧(破裂圧):1.20MPa超(脆弱部Wの作動圧よりも高い)
Claims (15)
- 亜鉛二次電池の構成を有する複数の単電池要素が積層された積層電池と、
前記積層電池が縦向きに収容される、樹脂製の箱型ケースと、
を備えた、亜鉛二次電池であって、
前記箱型ケースが、底部と、前記積層電池と平行な1対の長手側壁部と、前記積層電池と垂直な1対の短手側壁部と、蓋部とを有し、
前記蓋部が、前記蓋部の他の部分よりも厚さが低減された脆弱部を有しており、前記脆弱部の厚さが0.1~1.0mmであり、前記蓋部全体の平面視面積に占める前記脆弱部の平面視面積の割合が10~40%であり、
前記脆弱部が、前記脆弱部を構成する樹脂部材に追加の樹脂部材が溶着された部分を有し、前記溶着された部分の周囲に前記樹脂部材の溶着を伴って形成された切り欠き状の不完全溶着部が存在する、亜鉛二次電池。 - 前記蓋部の前記脆弱部以外の部分の厚さが1.0~3.0mmである、請求項1に記載の亜鉛二次電池。
- 前記樹脂が、ポリオレフィン樹脂、ABS樹脂、及び変性ポリフェニレンエーテル樹脂からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の亜鉛二次電池。
- 前記脆弱部の数が2以上であり、前記2以上の脆弱部が互いに離れている、請求項1~3のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池。
- 前記亜鉛二次電池が、前記蓋部の前記脆弱部以外の部分に、前記箱型ケース内のガスを所定の作動圧以上で放出可能な放圧弁をさらに備える、請求項1~4のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池。
- 前記脆弱部の破裂圧が前記放圧弁の作動圧よりも高い、請求項5に記載の亜鉛二次電池。
- 前記脆弱部の破裂圧が0.30~0.55MPaであり、前記放圧弁の作動圧が0.10~0.20MPaである、請求項5又は6に記載の亜鉛二次電池。
- 前記亜鉛二次電池がニッケル亜鉛二次電池である、請求項1~7のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池。
- 前記単電池要素が、
正極活物質層を含む正極板と、
亜鉛、酸化亜鉛、亜鉛合金及び亜鉛化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含む負極活物質層を含む負極板と、
層状複水酸化物(LDH)及び/又はLDH様化合物を含むLDHセパレータと、
電解液と、
を含み、前記LDHセパレータを介して前記正極活物質層と前記負極活物質層が互いに隔離される、請求項1~8のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池。 - 前記LDHセパレータがLDH及び/又はLDH様化合物と多孔質基材とを含み、前記LDHセパレータが水酸化物イオン伝導性及びガス不透過性を呈するように前記LDHが前記多孔質基材の孔を塞いでいる、請求項9に記載の亜鉛二次電池。
- 金属製の蓋付容器であるモジュールケースと、
前記モジュールケース内に収容され、前記長手側壁部同士が互いに向かい合うように配置される、複数個の請求項1~10のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池と、
を備えた、亜鉛二次電池モジュール。 - 前記モジュールケースの破裂圧が前記脆弱部の破裂圧よりも高い、請求項11に記載の亜鉛二次電池モジュール。
- 前記モジュールケースの破裂圧が1.20MPaよりも高い、請求項11又は12に記載の亜鉛二次電池モジュール。
- 隣り合う前記箱型ケース間に延焼防止材をさらに備えた、請求項11~13のいずれか一項に記載の亜鉛二次電池モジュール。
- 前記延焼防止材の側端が前記モジュールケースの側壁に到達し、それにより隣り合う前記箱型ケースが互いに延焼不能に隔離されている、請求項14に記載の亜鉛二次電池モジュール。
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