JPS6297263A - 湿放置寿命の拡大した高エネルギ−密度の蓄電池 - 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】 本発明は現存する電池室間の電解液通路を避けながら共
通のマニホルドを経て蓄電池室すなわち縦列室を活性化
する装置に関する。

蓄電池室はその名の示す通り、使用前に室の陽極および
陰極部分を乾状聾すなわち非活性状態に保つ能力を有す
ることを特徴とする。活性化を達成するために、電池の
作動に必要な電解液は個々の室に供給され、それによっ
て電流は室端子から出て外部負荷に流れる。

第１図は多数の室を含む蓄電池の活性化をはかる代表的
な先行技術の方法を示す。第１図から、おのおの自らの
陽極および陰極を含む個々の室Ｉから成るスタック１０
が、乾状聾すなイつち非活性状態で供給されている。こ
うして、室は製造されてから潜在エネルギーをほとんど
または全く失わずに何年も使用することができる。

活性化が望まれるとき、電気マツチ１２を点火して推進
剤９を発火させるスイッチ１１を閉じることによって活
性化信号が供給される。推進剤の膨張力は隔膜６．７お
よび８を破裂させるだけのガスを発生させて、容器２に
置かれている電解液に圧力を加える。電解液は液体であ
るので比較的圧縮され難く、したがってガス発生推進剤
によって発生された力は隔膜４および５を破裂させ、そ
れによって電解液はマニホルド人口３の中を通って個々
の室１に入ることができる。

室ｌが満たされると、一般に電解液の過剰分は逃し管１
３を通って溜め容ｉ１４に進む。逃し弁１５は進む電解
液の下流に溜まるガスを逃がすために具備される。

第１図に示された構造物は高密度蓄電池を活性化させる
のに具合が良いが、活性化を得るこの代表的な先行技術
の方法にはある固有の難点が見受けられる。観測された
最も大きな問題点は、活性化の後で、各室の中およびマ
ニホルドの到る所で電解液のよどみが現われ、これが室
間に電流の漏洩通路を作ることである。すなわち簡単に
述べれば、活性化の工程が行われてから液体の密封が作
られない。さらに、相互接続する電解液通路は、活性化
の後ではあるが電池の使用前に寄生容量損を生じるとと
もに、無用のガス圧力蓄積を生じることがあり、極端な
場合にはマニホルド・ハウジング内の金属沈殿による危
機的な電池短絡を生じることがある。電流漏洩にとって
不可欠なものは、室間の伝導性電解液の連続通路である
。これは、影響される電池組立体内に金属の沈殿および
電気分解を生じる電気化学反応を支持する所要の電位差
を供給する。

先行技術の設計使用上のもう１つの固有の欠点は第１図
に明示される通り、電解液が各電池室を活性化するため
に通らなければならない距離が長いことである。しばし
ば、高エネルギー蓄電池は、高速活性化を必要とする軍
用および他の危険な環境での使用に提供される。長い電
解液マニホルドから生じる関連問題点は圧力の低下およ
び摩擦損が見られることであり、先行技術の設計に固有
なこれらの各種損失を克服するにはガス発生器または他
の圧力源の大きさを適当に定める必要がある。

かくて本発明の１つの目的は、既知の先行技術の設計に
固有な欠点が少しも見、られない、自由に活性化するこ
とができる蓄電池室を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、活性化されると同時に共通
な電解液の通路による個々の室間の事実上すべての寄生
容量損を除去する蓄電池室を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、これまでに必要とされた長
い電解液の通路を除去することによって、先行技術の対
応する電池室よりも速やかに活性化される蓄電池室を提
供することである。

本発明の上記および他の目的は、下記の開示ならびに付
図を読むと一段と容易に理解されると思う。

本発明は電池室ハウジングと、ハウジング内に置かれる
陽極および陰極コレクタと、分離層と、陽極および陰極
コレクタに加えられると電池に電流を発生させる特定量
の電解液と、を含む蓄電池室に関するものである。本発
明が先行技術と異なる点は、電解液と陽極および陰極コ
レクタとの間に第１分離障壁が置かれている点であり、
これは障壁を破裂させるだけの圧力が加えられるまで電
解液を陽極および陰極コレクタに接触させないようにす
ることができる。ピストン装置も電解液と接触するよう
に具備されているが、前記ピストンは電池ハウジング内
で移動し得るとともにピストンに外部から加えられる圧
力によって分離器を爆破するだけの圧力を電解液に供給
し得る。

本発明を実施するに際して注目すべきことは、各個の電
池室に十分な電解液が電池室ハウジング自体内に供給さ
れるので、共通電解液容器を必要としないことである。

さらに活性化と同時に、ピストンは電池室およびその内
部構成部品を他の同様に供給される電池室を含む外部環
境から分離する完全密封装置として存在するようにされ
る。

本明細書に提供されたような蓄電池室を活性化させる装
置は電解液を使用する事実上すべての電気化学電池と共
に用いられるが、本発明はアルカリ金属のような強反応
「消耗性」陽極材料を利用するときに特に役立つ。代表
的な電気化学電池は外部ケーシングと、密封内部室を共
に形成する電気絶縁端子とを含んでいる。また電池は標
準として、端子に特性値の電圧降下を作るように、室内
に置かれる電気接続部品の配列を含む。この型式の普通
の配列は、陽極と、電気絶縁されかつ隔離された陰極と
、室を満たすとともに配列を構成する他のいろいろな部
品を囲む電解液と、によって構成されている。

高性能電池の需要を満たすために、アルカリ金属陽極、
特にリチウムを用いる電気室化学によってかなりの作業
が行われてきた。溶剤と溶質とから成る陰極および電解
液材料はいろいろである。

実際に、書物は異なる陰極および電解液を持つアルカリ
金属陽極の電池室の例を多くあげている。

エネルギー密度と呼ばれている単位容積光たりのエネル
ギー、室電圧、および内部インピーダンスといったよう
なこれらの電池室の電気特性は大幅に変化する。

異なる陰極および電解液とリチウム陽極とのあらゆる既
知の組合せの中で、最高のエネルギー密度と電流送出能
力を持つと思われるものは、活性陰極減極剤としである
無機液を使用する。この種の窒化学は液体陰極と普通呼
ばれている。

活性陰極減極剤としての液体の使用は、現行の電池室技
術では好都合である。最近までは、活性陰極減極剤は陽
極に決して直接接触しないものと一般に考えられていた
。しかしいまでは、ある活性陰極材料が金属と陰極材料
との境界面で活性陽極材料と全く化学反応せず、それに
よって陰極材料は陽極に直接接触されることが知られて
いる。

かかる電池室の代表的なものは、活性陰極減極剤でもあ
る溶剤の中に溶解されたイオン伝導溶質である電解液の
中のリチウム金属またはリチウムの合金のような陽極を
使用している。この溶質は、溶剤の中に溶解されたとき
イオン伝導溶液を作る単塩または複塩であることができ
る。好適な溶質は無機または有機リューイス酸と無機イ
オン化塩との複合物である。有用であるための要求事項
は、単塩または複塩のどちらでも、使用溶剤と両立して
イオン伝導性溶液を作ることである。酸および塩基のリ
ューイスまたは電子構想により、活性水素を含まない多
くの物質は酸または受容体あるいは電子ダブレットとし
て作用することができる。

米国特許第３，５４２，６０２号において、リューイス
酸とイオン化塩との間に作られる複塩すなわち二重塩は
単一成分の場合よりも安定したものを作ることが提案さ
れている。

本明細書で開示されたような電気化学電池室に用いるの
に適した代表的なリューイス酸は、塩化アルミニウム、
アンチモン、５塩化物、４塩化ジルコニウム、５塩化燐
、フッ化硼素、塩化硼素、および臭化硼素を含む。

リューイス酸と組み合わせて使用されるイオン化塩は塩
化リチウム、弗化リチウム、臭化リチウム、硫化リチウ
ム、弗化ナトリウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム
、弗化カリウム、塩化カリウム、および臭化カリウムを
含む。

リューイス酸および無機イオン化塩によって形成される
二重塩は、そのようなものとして使用され、すなわち個
々の成分が溶剤に別々に加えられて塩を形成する。かか
る二重塩の１つは例えば、塩化アルミニウムと塩化リチ
ウムとの組合せによって作られるものであり、４塩化リ
チウム・アルミニウムを作る。陽極、活性陰極減極剤（
液体陰極）、およびイオン伝導電解液のほかに、電池室
は多くの場合、圧縮炭素のみから成りまたは結合剤を含
む他の添加物を伴う電流コレクタあるいは陰極コレクタ
を要求する。

上記のような代表的な電気化学電池室には、塩化チオニ
ルが好適な溶剤・減極剤として使用される。かかる装置
では、放電反応は次の通りである： すなわち４Ｌｉ＋　２ＳＯＣＬ−４ＬｉＣρ＋ＳＯ２＋
Ｓ電解液の主要構成物として液体減極剤の中に標準とし
て含まれるＬｉＡＱＣ（！−のような溶質は、約０．３
〜３．０Ｍの範囲内で含まれる。これらのいろいろな構
成物は、前述の通り陽極および陰極コレクタから分離さ
れている電解液として本明細書で言及したものを構成す
るが、これは結果として蓄電池室が「活性化コされるま
では乾状態に保たれる。

いま第２図から、本発明の概略図が示されている。作動
の際、圧力源は第１図に示されたような任意な既知の圧
力源から出る矢印２１として概略的に示され、それによ
って活性化信号は推進剤を発火させて特定量のガスを発
生させる。これは順次、先行技術と違って電解液を含ま
ずガスまたは同様な流体のみを含む流圧をマニホルド２
２に加える。

マニホルドの分配ヘッド２２は蓄電池２３および２４に
機能的に接続されるので、空気圧は矢印４１および４２
で概略的に示される通り各室に入るようにされる。これ
は順次、ピストン２９および３０に下向きの圧力を加え
、それによって電解液２７および２８は破裂シール（図
示されていない）を押すようになる。

破裂シールが破れると、電解液は室２５および２６に入
り、その結果電池は活性化される。

上述の構造は第３図に詳しく示されている。マニホルド
は図示されていないが、圧力は前述の分配ヘッドによっ
て加えられるので、特定量のガスは矢印５１によって概
略的に示される通り室６０に入るようにされる。室は電
気絶縁コネクタ５２を介してマニホルドすなわち分配ヘ
ッドに接続されるものとする。これは例えばセラミック
・金属ねじはめ込みによって達成される。別法として、
高温が予想されない場合は、室をプラスチックのマニホ
ルドに接着するだけでよいことがある。かかるコネクタ
は当業者が周知のものである。

いったん十分な加圧が得られると、例えば刻み目の付い
たステンレス鋼で作られた破裂円板５３は、設計パラメ
ータとして約５０〜２００ｐｓｉｇの間で破裂するよう
にされる。それにより、例えばカップ形のテフロン片か
ら成ることがあるピストン５４は、電解液５５の容器に
流圧を与える。この場合もまた、なるべく５０〜２００
ｐｓｉｇの間で十分な圧力が得られると、同じく刻み目
の付いたステンレス鋼で作られることがある破裂円板５
６は自然に破裂して、電解液を穴あき板５７に通し、さ
らに電池室５８に入れる。そのとき端子５９と大地との
間で電位が測定される。

本発明の部分を構成しないけれども、本発明を実施する
際に事実上すべての室・板構造を使用できることが認め
られる。例えば、本発明の主旨および範囲内で、らせん
巻きの室、または平行な板、もしくはボビン型構造さえ
も使用することができる。

帆 ５室の電池が上記第２図および第３図について説明した
方法で、共通ガス発生マニホルドに接続された個々にら
せん巻の室として組み立てられた。

各室はリチウム陽極、アルミナ・セラミック分離器、お
よび炭素陰極のらせん巻アレイとして形作られた。各室
の作動表面積は１６０ｃｍ２であった。使用された電解
液はＬｔＡＲＣＬと塩化チオニルとの混合物であった。

室は５室電池を構成するように直列に電気接続された。

室はプラスチック・チューブによって共通ガス・マニホ
ルド・プレナムに接続された。電池は約７０ｐｓｉｇで
加圧されたアルゴン・ガスによって活性化された。電池
電圧は１８．２５ボルトのレベルに達した。２分間たっ
てから、電池は１７．０ボルトの負荷電圧で２０分間６
００ｍＡで放電された。電池は１１日間無負荷に放置さ
れ、その後１７．０ボルトの負荷電圧で２０分間６００
ｍＡで放電された。電池は、共通の電解液で誘起される
電流漏洩を表わす開路電圧の変動ない湿装置寿命の拡大
を立証し、またガス・チューブのどこにも電解液の徴候
はなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は蓄電池活性化の先行技術の代表的な方法の概略
図、第２図は本発明の概略図、第３図は個々の電池室の
詳細図である。 符号の説明： ２２・・・マニホルド、　　２ａ、２４．６０・・・電
池、　　２５．’２６．５８・・・電池室、　　２７，
２８．５５・・・電解液、　　２９，３０．５４・・・
ピストン：５２・・・コネクタ、　　５３．５６・・・
破裂円板；５７・・・穴あき板；５９・・・端子 特許出願代理人

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）蓄電池室であって ａ、蓄電池室ハウジングと、 ｂ、該ハウジング内に置かれた陽極および陰極コレクタ
   と、 ｃ、該陽極および陰極コレクタに加えられるとき電池に
   外部負荷による電流を発生させる特定量の電解液と、 ｄ、前記電解液と陽極および陰極コレクタとの間に置か
   れる第１分離器であり、該分離器を爆破するだけの圧力
   が加えられるまで前記電解液を前記陽極および陰極コレ
   クタに接触させないようにする前記第１分離器と、 ｅ、前記電池室ハウジング内を移動することができ、か
   つさらにピストンに外圧が加わると前記分離器を破裂す
   るだけの圧力を前記電解液に加えることができる、前記
   電解液と接触して置かれるピストン装置であり、それに
   より前記ピストンは前記ハウジング内に置かれる陽極お
   よび陰極コレクタを外部環境から分離する完全密閉装置
   として存在するようにされる前記ピストン装置と、 を含むことを特徴とする蓄電池室。
2. （２）前記ピストンと前記外圧を作る装置との間に置か
   れる第２分離器であって、十分な外圧の印加により爆破
   し得る第２分離器をさらに含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の蓄電池室。
3. （３）電解液は塩化チオニルと塩化リチウム・アルミニ
   ウム（ＬｉＡｌＣｌ＿４）との組合せを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の蓄電池室。
4. （４）前記陽極はリチウムを含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の蓄電池室。
5. （５）前記第１分離器と前記陽極および陰極コレクタと
   の間で前記電池ハウジング内に置かれた第３分離器であ
   って、前記第１分離器の破裂により電解液を送ることが
   できる前記第３分離器をさらに含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の蓄電池室。
6. （６）前記外圧はガスの形で前記ピストンに加えられる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蓄電池室
   。
7. （７）前記ガスは追加の蓄電池室と流体連絡している中
   央マニホルドから利用できるようにされていることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項記載の蓄電池室。
8. （８）活性化の前に、 ａ、電池室ハウジングと ｂ、前記ハウジング内に置かれた陽極および陰極コレク
   タと、 ｃ、前記陽極および陰極コレクタから第１分離器によっ
   て分離されている特定量の電解液と、ｄ、前記電池室ハ
   ウジング内を移動し得る前記電解液と接触して置かれる
   ピストン装置と、を含む蓄電池室を活性化する方法にお
   いて、前記方法は前記ピストンに圧力を加える段階を含
   み、該段階は順次前記電解液と第１分離器とに、第１分
   離器を破裂させかつ電解液を前記陽極および陰極電流コ
   レクタに接触するように通過させるだけの圧力を加え、
   それによって前記ピストンは前記ハウジング内に置かれ
   た陽極および陰極コレクタを外部環境から分離する完全
   密閉装置として存在するようにされることを特徴とする
   前記活性化の方法。
9. （９）第２分離器が前記ピストンと前記外圧を作る装置
   との間に置かれ、前記第２分離器は十分な外圧の印加に
   より破裂し得る、ことを特徴とする特許請求の範囲第８
   項記載の方法。
10. （１０）電解液は塩化チオニルと塩化リチウム・アルミ
    ニウム（ＬｉＡｌＣｌ＿４）との組合せを含むことを特
    徴とする特許請求の範囲第８項記載の方法。
11. （１１）陽極がリチウムであることを特徴とする特許請
    求の範囲第８項記載の方法。
12. （１２）前記第１分離器と前記陽極および陰極コレクタ
    との間で前記電池室ハウジング内に置かれ、前記第１分
    離器の爆破により電解液を送り得る第３分離器をさらに
    含むことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の方法
    。
13. （１３）前記外圧がガスの形で前記ピストンに加えられ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の方法。
14. （１４）追加の蓄電池室と流体連絡している中央マニホ
    ルドから前記ガスが利用できるようにされることを特徴
    とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。
15. （１５）活性化により、かなりの電気絶縁が電池室間に
    存在することを特徴とする特許請求の範囲第１４項記載
    の方法。