JPH0535576Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は負極活物質、正極活物質および発熱剤
を有する熱電池の構成に関するものである。

従来の技術 熱電池は常温では固体である溶融塩を電解質と
して用い、これを高温約400〜700℃に加熱して液
体化することによつて発電可能とする高温電池の
一種である。従来の熱電池には負極活物質として
金属カルシウムや金属マグネシウムなどが用いら
れていたが、これらの負極活物質では近年熱電池
に求められている大電流密度放電、例えば
500mA／cm²で数分間の放電寿命という要求や、
1000〜3000mA／cm²という大電流密度のパルス放
電というような要求を満足することが不可能であ
つた。そこでこの様な問題を解決するために新し
くリチウム系負極の開発がなされてきた。リチウ
ム系負極にも各種のものがあり、例えば、米国特
許第4221849号明細書に示されるような溶融リチ
ウムを用いるものや、LiAlやLiBやLiSi等のリチ
ウム合金を用いるものが提案されている。このよ
うな負極に対して、正極活物質としては二硫化鉄
が用いられることが多い。また、素電池を加熱す
るための発熱剤としては、鉄粉と過塩素酸カリウ
ムとの混合物が用いられることが一般的となつて
きている。

この発熱剤は 8Fe＋3KClO₄→4Fe₂O₃＋3KCl＋発熱 という反応で熱を発生するが、ここで鉄粉の量を
反応理論量より非常に多くしておくことで、発熱
剤自身に燃焼後でも電気伝導性を持たせることが
できる。従つて、この発熱剤は、素電池の加熱以
外に、正極の集電体としての役割と、素電池間を
電気的に接続するリードとしての役割も果してい
るのである。

従来のリチウム系熱電池においては、第５図に
示すように、正極層２と電解質層３と負極層１と
から素電池４′を形成しておき、それとは別に前
述の発熱剤５をつくり、それらを交互に複数枚積
層して、積層形熱電池を構成していた。

また、マクグロウヒル社発行のHANDBOOK
OF BATTERIES AND FUEL CELLS，40−
14に記載されている構成のように、電解質層と正
極層の一体層と負極、発熱剤を組合せるのが最も
一般的であつた。

考案が解決しようとする問題点 しかしこのような構成では、積層電池の内部抵
抗を低減し更に高率放電性能を向上させるために
は、正極層と発熱剤層との界面の接触抵抗を無視
しえないという問題があつた。これは、発熱剤の
燃焼後の変形や素電池の変形によつて発熱剤と正
極層との間にすきまができるため、正極の集電が
うまく行われていなかつたことが原因であつた。
そのため、放電寿命が短かつたり、1000〜
3000mA／cm²という大電流密度放電に問題があつ
た。

本考案はこのような問題点を解決するものであ
る。

問題点を解決するための手段 上記のような問題点を解決するために本考案
は、２硫化鉄を主体とする正極層と鉄−過塩素酸
カリウムを主体とし鉄を過剰に含んだ発熱剤を一
体に成型したものである。

作 用 この構成によれば、素電池の正極層と発熱剤と
の単純に接触するのではなく、互いの粒子同士が
２層の界面でかみあつて密着するため、発熱剤が
燃焼し変形しようとしても、正極層が発熱剤から
はがれず全面で集電できるのでその界面での内部
抵抗を下げることができる。

実施例 以下本考案を実施例を用いて説明する。第１図
は本考案の一実施例であり、負極層１は溶融リチ
ウム負極体やリチウム合金により形成される。本
実施例では前者のものを用いている。電解質層３
は電解質であるKCl−LiCl共融塩をMgO粒子に
保持させた粉末よりなる層、正極層２は正極活物
質の二硫化鉄を主体としており、それに電解質と
若干の保持材としてSiO₂粉末を混合した粉体で
ある。発熱剤５は前述の鉄粉と過塩素酸カリウム
粉末との混合物であるが、本実施例では鉄粉の重
量比を86％と過剰にしたしたものを用いた。素電
池−発熱剤ユニツト４は、まず負極を成型金型内
に入れ、その上に電解質層３の粉末を分散し、プ
レスによつて予圧成型し、次いで電解質層３の上
に正極層２の粉末を分散、予圧成型し、さらにそ
の上に発熱剤５の粉末を分散して最終の本成型を
行つて製作した。本実施例では成型圧力を3ton／
cm²で行い、外径40mmの円板状の４層一体のペレツ
トとした。

また、第２図は別の実施例を示したもので、負
極層１と電解質層３の２層一体の円板状ペレツト
と、正極層２と発熱剤５の２層一体の円板状ペレ
ツトとを製作し、組み合わせて素電池−発熱剤ユ
ニツト４を構成した例である。この場合の製作方
法は、前述の４層一体のペレツトの製作法と同様
である。この場合は第１図の実施例よりも正極層
と電解質層へ界面の接触抵抗の増大が考えられる
が、活性化したとき電解質層中の電解質と正極層
の電解質が溶合しあうためその影響を小さくでき
る。

第１図に示した４層一体の素電池−発熱剤ユニ
ツト４を用いて第３図に示すような積層形熱電池
を構成した。積層形熱電池の内部では、素電池−
発熱剤ユニツト４を直列所定枚数積み重ねて積層
体を作り、その上下には積層体の温度を調整する
ための保温層６を設けている。そしてその周囲は
SiO₂繊維やアスベスト等の無機断熱材による断
熱層８で被つている。７は電池を活性化するため
の点火器で点火用端子１３から点火信号を送るこ
とで火炎を発し、導火帯１０に着火する。導火帯
１０は積層帯の側部へと続いており、各層の発熱
材に順次着火してゆく。これらの構成物を外装ケ
ース９内に密封して積層形熱電池としている。電
池の出力は正極出力端子１１と負極出力端子１２
から取り出される。

上記のような第１図に示す素電池−発熱剤ユニ
ツトを用いた第３図の積層形熱電池と、本考案の
実施例と同じ材料で試作した第５図に示す従来の
素電池と発熱剤を用いて第３図と同様の構成の積
層形熱電池を試作し、常温の放電試験を行つて特
性を比較した。第４図はその放電曲線を示したも
ので、実線で示したものが本考案による積層形熱
電池で、破線が従来例のものである。また、一点
破線で示されているのは、放電電流密度のパター
ンである。このパターンからわかるように、この
試験では電池活性化から10秒目に３秒間だけ
2100mA／cm²という大電流密度放電を行い、その
ほかでは700mA／cm²の定電流放電を行つた。

放電スタートから10秒後に３秒間入る大電流密
度放電の部分を見ると、従来の電池に比べ本考案
による電池の方が約7V近く電圧が高く、本考案
によつて正極層と発熱剤との界面の接触が改善さ
れ内部抵抗が著しく減少したことがわかる。更
に、それ以外の700mA／cm²の放電部分でも電圧
が本考案の電池の方が高く、放電終止電圧を20V
とすると、寿命も約1.2倍に延びており、本考案
による電池が優れていることがわかる。また、第
２図に示した本考案による素電池−発熱剤ユニツ
トを用いて第３図の積層形熱電池を構成し、同様
の放電試験を行つた場合も、第４図中の本考案に
よる積層形熱電池の放電曲線と同じ結果を得、同
様の効果が得られた。

考案の効果 以上で明らかなように、本考案によれば内部抵
抗の減少ができ、大電流密度放電を可能としたも
ので、工業的価値の大きな熱電池を提供するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本考案の実施例における素
電池−発熱材ユニツトの縦断面図、第３図は本考
案による素電池−発熱材ユニツトを用いた積層形
熱電池の縦断面図、第４図は本考案による積層形
熱電池と従来の積層形熱電池の放電曲線を示す
図、第５図は従来の素電池と発熱剤の縦断面図で
ある。 １……負極層、２……正極層、４……素電池−
発熱剤ユニツト、５……発熱剤。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 負極活物質、電解質層、正極活物質および発熱
   剤の４要素よりなる熱電池であつて、２硫化鉄を
   主体とする正極層と鉄−過塩素酸カリウムを主体
   とし鉄を過剰に含んだ発熱剤とを一体に成型した
   ことを特徴とする熱電池。