JPS593869A - 化学電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少くとも２個の端子と少くとも１個の陽極室
および陰極室を有し、陽極室と陰極室がいずれもそれぞ
れ少くとも１個の集電体を具備し、アルカリイオン伝導
固体電解質によって互いに隔離され、かつ少くとも区域
的に金属ケースによって画定されて成る、アルカリ金属
およびカルコダン・ペースの化学電池に関する。

固体電解質を備えた、再充電可能な上記の電気化学電池
は、高いエネルギと出力密度の蓄電池を構成するために
極めて好適である。このような蓄電池は電動車の電気エ
ネルギ源としてますます多く使用されている。アルカリ
・カルコダン電池に使用される、例えばベータ酸化アル
ミニウム製の固体電解質は、移動するイオンの部分伝導
率が極めて高く、電子の部分伝導率が幾十乗も低いこと
が特徴である。このような固体電解質を化学電池の構造
に使用することによって、自己放電が事実上起こらない
ようになる。

なぜなら電子伝導は無視することができ、反応物質が中
性粒子として固体電解質を通過することはできないから
である。

蓄電池または高温電池列の製造のだめに、多数の上記の
化学電池が互いに接続される。例えば′電動車用高温電
池列においては、多数の化学電池を直列に、ごく少数の
電池を並列に接続することが必要である。その理由は、
このような高温電池列の単位エネルギは一般に４０　ｋ
Ｗｈ以下であるが、個別電池の単位エネルギはｓ　ｏｗ
ｈ以上になるからである。このため上記高温電池列は５
００個以下の電池を含む。個別電池の電圧が約２ｖであ
って、上記の電池列で合計２００Ｖを発生しようとする
時は、１００個の電池を直列に接続しなければならない
。このことは、最大５個の電池を並列に接続できること
を意味する。この直列接続の単数側または複数個の電池
に過負荷が起こると、電池内部の温度が上昇する。電池
の使用温度を超える温度上昇は、電池の破壊を招くこと
がある。このような欠陥電池は高オームになるから、こ
の電池がある直列回路を通る電池の流れ全体が中断され
る。

電池の温度が使用温度を遥かに超えて上昇すると、電流
回路が遮断される化学電池が西独公開特許公報第２８１
９５８３号によシ公知である。この電池では、２個の集
電体の少くとも一方が２個の部分片から成る。第１の部
分片は電池の外に、第２の部分片は中に配設される。両
部分片は、電池の使用温度を所定の値だけ超えた温度で
融解する電導接触部材によって互いに結合される。こう
して電池を通る電池回路が遮断される。この場合、複数
個の区間に細分することにより、特に可融接触部材を間
挿することにより〜、集電体の電導性が減少するのが欠
点である。なぜなら接触部の腐食現象が電導性の低下を
もたらすからである。本発明は冒頭に挙げた先行技術に
基づいて、内部温度が３５０℃の使用温度を超えて上昇
すると、自動的に高温電池列の電流回路から切離される
化学電池を提供することを目的とする。

本発明により２個の端子が１個の構成単位に統合され、
電池の使用温度を超える値に電池内の温度が上昇すると
、溶融する合金を介して互いに電導可能に（電気的に）
結合されることによって、上記の目的が達成される。

別の解決策は、温度が電池の使用温度を僅かに超える値
に上昇すると、溶融する電導性材料を介して、２個の集
電体が互いに結合されることにある。

本発明により第１の集電体は片側が閉じだ管とし７て構
成され、その閉じた端部が、反応体室として使用される
カップ状固体電解質の内部に配設される。第２の集電体
として、やけクヵップ状に形成され、第２の反応体室と
結合された金属ケースが使用される。片側が閉じだ管の
内部には第２の電導管が配設され、その下端は溶融可能
な電導栓によって閉鎖され、外管の閉じた端部から所定
の間隔に配設される。外管の内面と内管の外面のあいだ
に円周状に絶縁物が配設される。内管の内部に電導棒が
設置される。

この棒は、内管を閉鎖する栓の凹陥部に配設される。棒
は栓と電導可能に結合される。棒と内管のあいだの空間
は断熱物で埋めることができるが、空白のままであって
も、すなわちここに電導性材料が配設されていなければ
、十分である。棒は電池の金属ケースと電導的に結合さ
れる。内管が第１の端子として使用され、外管の上端が
第２の端子として使用される。内管の下端を閉鎖する栓
は、電池の使用温度を僅かに超える温度で融解し始める
電導性材料で作らＩれている。

本発明による化学電池において、電池の使用温度を超え
る値に温度が上昇すると、内管の下端の栓が融解し始め
る。２個の管のあいだの空間が栓の溶融材料によって完
全に充填され、両管を電導可能に結合するように、内管
の下端を外管の閉鎖端から離隔して配設する。

電、池内部の温度上昇が長く持続すると、栓が完全に融
解する。それによって内管と電池の金属ケースのあいだ
の電導接触が遮断される。そこで栓の溶融材料により、
内管と、集電体および端子の役割をする外管とのあいだ
に電気的な結合が形成される。この処置によって、化学
電池を経由する電流回路が橋絡される。電池にはもはや
電流が流れず、短絡電流も流れない。このため電池が高
オームにならないことが保証される。残余の電池を流れ
る充放電電流はこの電池に全く影響しない。

本発明による第２の解決策においては、電池の金属ケー
スがやはり集電体として利用される一方、第２の集電体
は片側が閉じた管から成る。

この第２０集屯体の閉じた端部は、カップ状に形成され
た固体電解質の中に突出する。この管の内部に電導円柱
が配設され、その下端が管の底部から所定の間隔にある
。内柱の外側面と管の内側面のあいだに円周状に絶縁が
配設される。

円柱は、端子の役割をする電線を介して、亀、池の金属
ケースと電導可能な結合される円柱は下端部に、絶縁材
で内張された穴を有する。この穴の中に所定の温度で溶
融可能な金属構成部材が挿入され、穴の中に保持される
。上記構成部材は、電池の使用温度よシ僅かに高い温度
で融解しうる合金で作られている。溶融した構成部材の
材料が円柱と管のあいだの空間を完全に埋め、管と円柱
のあいだに電導可能な結合を形成するように、円柱と管
の底部との間隔を選定する。

構成部材が電池内の温度変化に直ちに応答するように、
構成部材と、第２の集電体の役割を有し、片側が閉じた
管とが、少くとも熱伝導が行われるように連結される。

電池の正常な充放電過程の障害または電池の過負荷が生
じると、これが電池内部の温度上昇をもたらす。電池内
部の温度が３５０℃の使用温度を遥かに超えて上昇すれ
ば、円柱の穴の中に配設された構成部材が溶融し始める
。それが比較的長い障害であれば、構成部材が完全に融
解する。溶融物が円柱と管のあいだの空間を完全に埋め
るから、電導可能な結合が形成され、このため電池の２
個の集電体が互いに短絡する。

そこで、電池が完全に放電するまでのあいだだけ、短絡
電流が電池を流れる。続いて電池を通る電流の流れが完
全に遮断される。

次に図面に基づいて本発明を説明する。

第１図に示す化学電池１は垂直断面図で示されている。

ナトリウムと硫黄をベースとするこの電気化学電池は、
実質的に金属ケース２、固体電解質３および棒状集電体
４かも成る。金属ケース２はカップの形状を有する。こ
のカップ状ケース２の内部に、やはりカップ状に形成さ
れた固体電解質３が配設される。固体電解質３はベータ
酸化アルミニウムで作られている。その寸法は、金属ケ
ース２の内側境界面と固体電解質の外側境界面のあいだ
に連続する間隙５が生じるように選定される。ここに示
す実施例では、この間隙５が陰極室の役割をする。固体
電解質３の内部は陽極室６として使用される。金属ケー
ス２は開放端に、外向きのフランジ８を具備する。

その上に、固体電解質３の同じく外向きのフランジ８が
載置される。固体電解質３のフランジ８は、アルファ酸
化アルミニウム製の絶縁リングから成る。固体電解質３
と絶縁リングのあいだの結合は、封着用ガラス（図示せ
ず）を介して行われる。絶縁リングは固体電解質３から
外方へ張り出し、それと共にフランジ８０機能を担当す
るように形成されている。ケース２の７ランジ７と固体
電解質３のフランジ８のあいだにシール９を配設するこ
とが好ましい。固体電解質３のフランジ８によって、ケ
ース２と固体電解質３のあいだにある陰極室５が陽極室
６に対し、かつ外部に対して完全に閉鎖される。陽極室
６の閉鎖は、耐食材で作られた閉鎖板１ノによって行わ
れる。閉鎖板１１は固体電解質３の７ランジ８の上に載
置する。フランジ８と閉鎖板１１のあいだにシール１０
が配設される。

金属ケース２と固体電解質３のあいだにある陰極室５け
、硫黄を含浸した黒鉛繊維層１２で充填される。ここに
示す実施例では、陰極集電体として金属ケース２が使用
される。陽極集電体４は棒状に形成され、カップ状固体
竜解負３の中、特に陽極室６の中に深く突出する。ここ
に示す実施例では陽極室６は、溶融す）　ＩＪウムを含
浸した金属繊維層１３で充填される。金属繊維ｆ＠１３
は陽極集電体４を密接して取囲み、かつ固体電解質３の
内面に緊密に接するように配設される。金属繊維層１３
は毛管構造の動きをするから、固体電解質３の内面の、
ナトリウムによる不断の湿潤が得られる。陽極集電体４
は、例えば鋼製の、片側が閉じた管１４から成る。

この管１４の閉じた端部は固体電解質３の下部区域に配
設されている。管１４の開放端は閉鎖板１ノの穴１５を
貫いて外へ貫挿され、閉鎖板１ノより数ミリメートル突
出する。管１４の内部に第２の管１６が配設され、その
外径は管１４の内径より僅かに小さく定められている。

２個の管（端子）１４および１６のオに境界面のあいだ
に円周状に絶縁物１７が配設される。管１４の内部に配
設された管１６の端部は、栓１８によって閉鎖される。

栓１８は、使用温度特に３５０℃を超えると融解し始め
る電導性材料、特に合金で作られている。栓１８で閉鎖
された管１６の端部は、管１４の閉鎖端から所定の間隔
に配設されているから、両管１４，１６の下端のあいだ
に自由空間１９が形成される。空間１９の大きさは、栓
１８が融解した時、融状になった合金がこの空間１９に
よって収容され、合金によシ管１４および１６のあいだ
に電導可能な結合が生じるように選定される。このよう
な場合に管１４と管１６のあいだに良好な電導可能な接
触を得るだめに、管１４と管１６との横境界面のあいだ
に配設された絶縁物１７は、管１６の下端まで完全に達
していない。管１６の内部には電導棒２ｏが配設され、
その下端は栓１８の凹陥部２５に配設される。棒２ｏは
栓１８を介して、管１６と電導可能に結合される。

棒２０の上端は、電線２１を介して電池１の金属ケース
２と電導可能に結合することが好ましい。管１６の内面
と棒２０の外面のあいだに、絶縁物２２が配設される。

それは絶縁物の中実円柱であって、貫通孔を崩し、その
中に棒２θが挿入され、保持される。上記円柱の外径は
、管１６の内部にこの円柱を挿入することができ、管１
６の内面のあいだに保持されるような大きさに選定する
。絶縁物として、例えばポリ四フッ化エチレンが適当で
ある。このような円柱に、棒２０のために棒２０の外径
よりやや小さな内径の穴を形成する。その場合、棒２θ
を穴に挿入するだめに、円柱を温度４０ｏ、ないし５ｏ
ｏ℃に熱する。それによって穴の内径が拡大され、棒２
０を挿入することができる。円柱２２を室温に冷却する
と、穴の内径が再びやや小さくなるから、円柱２２は棒
２ｏを緊密に取囲む。上記円柱２２の外径は管１６の内
径よりやや犬きく選定する。円柱２２を管１６に挿入す
るため、円柱２２を室温以下の温度に冷却す。その時円
柱の外径がやや小さくなる。次に円柱を管１６の内部に
たやすく挿入することができる。円柱２２が再び室温に
熱せられると、再び元の大きさをとる。このため管１６
の内面に緊密に押圧されるから、管１６の内部に締まり
安定される。

ここに示す実施態様では、管１６の上端かつ電線２３に
接続され、この電線を介して隣の電池（図示せず）に接
続される。第２の電線２４が管１４の上端に接続され、
やけυ別の電池（ここに図示せず）との接続に用いられ
る。

電池１の内部で電池の使用温度すなわち、４００℃以上
の温度値を超える温度上昇が起こると、栓１８が融解し
始める。この栓の作製のために、融点が３５０ないし４
００℃の合金を使用する。栓１８が完全に融解すると、
電池の金属ケースと電導可能に結合された棒２０と管１
６のあいだの電導可能な結合が完全に遮断される。空間
１９の中に流れた合金がこの室１９を完全に満たし、管
１４と管１６のあいだに電導可能な結合を形成する。陰
極室５の集電体の役割をする金属ケース２と電池１の接
続電極１６のあいだの電導可能な接触の遮断によって、
この電池を経由する電流回路が遮断される。管１４と管
１６とのあいだの電気的な結合によって、電池が橋絡さ
れる。電池１が複数個の電池（ここに図示せず）の直列
回路に挿設されている場合は、この直列回路の他の電池
の充放電電流が２個の端子（管）７４．７６のあいだを
流れ、この電流がこの電池１に何ら影響しない。従って
電池１の不完全放電や短絡電流の流れが起こることはな
い。例えばこの電池と直列に接続された電池がまだ完全
に放電されていなければ、この電池から来る放電電流が
２個の端子１４．１６を経て流れるのである。

第２図に同じく垂直断面図で示した化学電池１は実質的
に金属ケース２、固体電解質３、棒形集電体４から成る
。その金属ケース２もまたカップの形状を有す７る。ケ
ース２の内部にやはりカップ状に形成された固体電解質
３が配設される。固体電解質３はこの場合もベータ酸化
アルミニウム製である。その寸法は、金属ケース２の内
側境界面と固体電解質３の外側境界面のあいだに連続す
る間隙５が′生じるように、選定される。ここに示す実
施例ではこの間隙５が陰極室として使用される。陰極室
は、硫黄を含浸した黒鉛繊維層１２で充填される。固体
電解質３の内室は陽極室６として使用される。金属ケー
スの上端は、やはり外向きのフランツ７を具備する。こ
の上に固体電解質３の同じく外向きのフランジが載置さ
れる。固体電解質３のフランジ８は、アリファ酸化アル
ミニウム製の絶縁リングから成る。固体電解質３と絶縁
リング８のあいだの結合は、封着用ガラス（ここに図示
せず）によって行われる。絶縁リング（フランジ）８は
固体電解質３から外へ張り出し、同時にフランジ８の機
能を担当するように、形成されている。ケース２のフラ
ンツ７と固体電解質３のフランジ８のあいだに、シール
９を配設することが好ましい。固体電解質３の７ランジ
８によって、ケース２と固体電解質３のあいだの陰極室
が陽極室６に対して、また外部に対して、完全に閉鎖さ
れる。陽極室の閉鎖は、耐食性不電導材料で作られた閉
鎖板１ノによって行われる。閉鎖板１ノは固体電解質３
のフランジ８の上に載せられている。フランジ８と閉鎖
板１１のあいだにシール１０が配設される。こ゛こに示
す実施例では、金属ケースが陰極集電体の機能を担当す
る。陽極集電体４は棒の形状を有し、カップ状固体電解
質３、特に陽極室６の中に深く突出する。陽極室６は、
溶融ナトリウムを含浸した金属繊維層１３で充填される
。金属繊維層１３は陽極集電体４を密接に取囲み、固体
電解質３の内面に緊密に接するように配設される。金属
繊維層１３は毛管構造の作用を有するから、固体電解質
３の内面を常にナトリウムで濡らすことができる。この
ことは電池１の最適な機能のだめに絶対に必要である。

陽極集電体４は、片側が閉鎖された鋼製の管４Ｒかも成
る。管４Ｒの閉鎖端は、カップ状の固体′電解質の中に
配設されている。この管４Ｒの内部に、電導拐料製の棒
まだは円柱１４が配設される。円柱１４の外径は管４Ｒ
の内径より僅かに小さい。管４Ｒの内側面と円柱１４の
外側面のあいだに円周状に絶縁物１５が配設されている
から、管４Ｒと円柱１４のあいだに電導可能な結合が形
成されない。管４Ｒの中に配設された円柱１４の端部は
、円柱１４の縦軸を通る穴１６を有する。穴は絶縁物１
７で内張される。穴１６の内部に所定温度で溶融する構
・成部材１８が配設され、保持される。この構成部材１
８は、電池の使用温度より僅かに高い温度で融解し始め
る合金で作られている。構成部材１８の長さは、管４Ｒ
の端部と少くとも熱伝導接触するように選定する。円柱
１４の下端は、管４Ｒの閉鎖端から所定の間隔に配設さ
れる。

この間隔は、円柱１４と管４Ｒのあいだに残る空間１９
の容積が構成部材１８の容積と同じ大きさであるように
選定する。特に電池の使用温度を超えて温度が上昇した
時に、溶融した構成　２部材の材料が空間１９を完全に
滴だし、円柱１４と管４Ｒのあいだに電導可能な結合を
形成するように、空間１９の大きさを選定する。ここに
′示す実施例では、管４Ｒの開放端が閉鎖板１１の中心
孔を貫いて外へ通され、閉鎖板１ノの上に数ミリメート
ル張り出す。円柱１４は電池１から外へ突出し、電池１
の接続電極の役割をする電線２０を介して、電池１の金
属ケース２と電導可能に結合される。管４Ｒの上端は第
２の接続電極として使用される。電池の内部で温度上昇
が起こると、２個の集電体が構成部材１８の溶融物によ
って互いに電導可能に結合される。

本発明は第１図と第２図とに示した実施例に限るもので
なく、２個の集電体まだは２個の接続゛電極が温度上昇
の際に電導性の部材の溶融物によって持続されて互いに
短絡される、すべての化学電池を包含する。第１図と第
２図とに示す電池は、そのまま逆向きの電流が流れる電
池として使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による化学電池の垂直断面図、第２図は
この電池の変型の垂直断面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）少くとも２個の端子と夫々少くとも１個の陽極室お
   よび陰極室とを有し、陽極室と陰極室とがいずれもそれ
   ぞれ少くとも１個の集電体を具備し、アルカリイオンを
   伝導する固体電解質によって互いに隔離され、かつ少く
   とも金属ケースによって規定されるアルカリ金属および
   カルコゲンをペースとする化学電池において、電池内の
   温度が、電池の使用温度を超える値に上昇すると、２個
   の端子が溶融可能な合金を介して互いに電気的に結合さ
   れることを特徴とする化学電池。 ２）前記集電体が片側の閉じだ第１の管として構成され
   、その閉じた端部が、反応体室の役割をするカップ状固
   体電解質の内部に配設され、管の内部に第２の電導管が
   配設され、その下端が溶融可能な合金製の電導性の栓に
   よって閉鎖され、かつ第２の管の下端が第１の管の閉じ
   だ端部から所定の間隔に配設されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１　ＪＪに記載の化学電池。 ３）前記第１の管の内面と第２の管の外面とのあいだに
   絶縁物を配設したことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載の化学電池。 ４）前記第２の管の内部に円柱形状の電導棒が配設され
   、第２の管を閉じる栓の凹陥部に配設されて、これと電
   導結合され、棒と第２の管とのあいだに少くとも区域的
   に絶縁物が配設され、かつ棒が電池の金属ケースと電気
   的に結合されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項に記載の化学電池。 ５）前記電池の第１の端子が第２の管を備え、第２の端
   子として第１の管が使用されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１に記載の化学
   電池。 ６）前記第２の集電体として、２個の反応体室の一方と
   結合された、電池のカップ状金属ケ−スが使用されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のい
   ずれか１に記載の化学電池。 ７）前記溶融した栓の合金を介して２個の管だけが電気
   的に結合されるように、室が上記の合金をすべて収容し
   うろことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６
   項のいずれか１に記載の化学電池。 ８）前記金属ケースが第１の集電体として使用され、第
   ２０集電体が片側の閉じた管として構成され、この管の
   閉じた端部がカップ状固体電解質の中に配設されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の化学電
   池。 ９）夫々少くとも１個の陽極室および陰極室を有し、画
   室がそれぞれ少くとも１個の集電体を具備し、アルカリ
   イオンを伝導する固体電解質によって互いに隔離され、
   かつ少くとも区域的に金属ケースによって規定される、
   アルカリ金属およびカルコダン・ペースの化学電池にお
   いて、温度が電池の使用温度を僅かに超える値に上昇す
   ると、溶融可能な構成部材の電導性拐料を介して、２個
   の集電体が互いに結合されることを特徴とする化学電池
   。 １０）前記管の内部に円柱が配設され、その下端が管の
   底部から所定の間隔に配設され、円柱の外側面と管の内
   側面のあいだに円周状に絶縁物が配設されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第８項または第９項に記載の
   化学電池。 １１）前記円柱゛が下側に穴を有し、この穴に絶縁物が
   内張シしてあり、電池の使用温度より僅かに高い温度で
   融解する合金で作られた金属部材が上記の穴の中に挿設
   されて保持され、かつ構成部制が管と少くとも熱伝導的
   に接触することを特徴とする特許請求の範囲第９項ない
   し第１０項のいずれか１つに記載の化学電池。 １２）前記溶融した構成部材の材料が管と円柱のあいだ
   の室を完′全に充填し、管と円柱のあいだに電気的な結
   合を形成するような大きさに、円柱と管の底部のあいだ
   の間隔を選定したことを特徴とする特許請求の範囲第９
   項ないし第１１項のいずれか１に記載の化学電池。 １３）前記端子の役割をする電線を介して、円柱と電池
   のケースを結合したことを特徴とする、％Ｆｒ請求の範
   囲第９項ないし第１２項のいずれか１に記載の化学電池
   ０