JPH06124733A

JPH06124733A - 二次電池装置

Info

Publication number: JPH06124733A
Application number: JP26995992A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Nishimura; 勝憲西村; Hidetoshi Honbou; 英利本棒; Akihiro Goto; 明弘後藤; Mamoru Mizumoto; 守水本; Tatsuo Horiba; 達雄堀場
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JP2959298B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高エネルギー，高出力型二次電池の運転温度を
制御し、電池容器の破壊された電池が大気に直接曝され
ることを防いで、電池の発火事故を回避する技術を提供
すること。【構成】二次電池を液体の中に浸漬し、撹拌機，液体循
環装置，熱交換器，温度測定器を設置し、液体冷媒を循
環して液温を調節する。【効果】電池の冷却と電池の作動温度の制御を効率的に
行うことが可能になる。さらに、電池収納容器の破損が
あっても、電極活物質と大気中の酸素や水との直接反応
を冷却用液体が抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非水電解液二次電池に係
わり、特に電池の温度制御と異常対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】二次電池の冷却を含めた温度制御の必要
性は、電池の規模の拡大とともに高まる。コイン型電池
あるいはＡＡサイズ程度の円筒型電池は、同時に使用す
る電池数が少なければ、電池容器等への熱伝導と自然放
冷によって電池が充分に冷却されるので、冷却設備の必
要性は低い。しかし、複数個の電池ブロックを同時に運
転する集合電池、例えば自動車用電源や電力貯蔵用電源
は、充放電時に自然冷却熱量を上回ったジュール熱を発
生する。また、充放電時間を短縮すると、単位時間当り
の発熱量がさらに増大する。このために、局所的であっ
ても電池温度が許容最高温度を超えた場合には、構成す
る単電池の性能や安全性が著しく低下する。したがっ
て、大型電池の運転時には、全ての単電池を均一に冷却
する冷却装置が必須となる。電池作動温度の均一化は、
電池の運転制御を容易にするためにも望ましい。

【０００３】一般の電池の冷却には、気体冷却と液体冷
却の二方式が考えられるが、冷媒の取扱い易さから前者
の考案例が多い。据置型高温電池の冷却には、乾燥した
不活性気体を冷媒とした冷却方法（特公平4−51472号）
が公開されている。その他に、集合電池を冷却するため
に、換気扇（特公平4−29186号）または送風機（独国特
許ＤＥ4029−018−Ａ)による強制空冷方式が、既に提案
されている。

【０００４】リチウム二次電池などの非水電解液二次電
池は、エネルギー密度と出力が優れている電池である
が、電池内部で正極と負極の短絡，過充電，過放電に伴
う発熱、または電解液の分解によって、電池内圧が上昇
し、ついには電池容器が破裂する事故の発生の可能性が
ある。このとき電池が大気に直接曝されると、電池が発
火する危険性が高い。したがって、このような電池を冷
却するためには、冷却効率が高いと同時に、電池容器の
破裂等の事故に対応できる冷却方法が必要である。しか
しながら、両方の条件を満たす有効な手段は、未だ見い
出されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電池
内部に異常が生じ、電池容器が破裂する状況まで考慮し
た非水電解液二次電池を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、液体を冷媒
として利用した非水電解液電池の液体冷却方式を考案し
た。ただし、本発明で対象とする電池の電池活物質の多
くが、水に対して反応性が極めて高いので、用いる液体
冷媒は非水液体である。電池活物質が水に対して安定で
あれば、本発明において水を冷媒として使用しても問題
はない。

【０００７】液体冷却法が非水電解液電池の冷却に適し
ている理由は、つぎの通りである。液体は気体と比較す
ると、比熱と熱伝導率が大きいので、電池をより効率的
に冷却できる。また、電池内部の短絡などの電池の異常
が発生して、電池容器が破壊されたとき、あるいは故障
した電池を交換するために外部の電池収納容器を開放し
たときに、大気がその電池と接触することを回避できる
利点がある。

【０００８】本発明の対象となる具体的な電池の形式と
しては、リチウム二次電池が挙げられる。電極と電解液
を収納した密閉型単電池を容器の中に収納し、電池容器
の上端部まで非水液体冷媒を満す。単電池の電極端子を
電池と冷媒を収納した容器の外部まで引き出して、収納
容器を密閉する。電極端子部は、冷媒に腐食されない被
覆物（高分子など）で覆う。また、冷媒の液面を電池容
器の上端部より下にすることで、被覆が劣化して端子が
露出しても、冷媒が電解されることを防止する。

【０００９】使用する冷媒は、比熱，熱伝導性と沸点が
高く、単電池容器および単電池を収納する容器を腐食せ
ず、熱分解，空気酸化，電気分解などを受けにくい物質
が適している。さらに、電極端子間の短絡を防止するた
めに、電気的絶縁性の液体が望ましい。例を挙げると、
アルカンなどの炭化水素，ケトン類，シリコーン系油な
どの非プロトン性の非水液体が適している。また、収納
された一部の電池の容器が破裂して、使用不能になった
電池を交換するとき、電池収納容器を開けて電池を取り
出す際に、破損した電池からの発火の危険性があるの
で、負極活物質と緩やかに反応して、反応性の低い物質
へ変換する液体も適している。例えばメタノール，エタ
ノール，エチレングリコールなどの低級アルコールを冷
媒として利用して、負極に含まれるリチウムをリチウム
アルコラートへ変え、破損した電池中の負極活物質の反
応性を低下させることは効果的である。この過程で発生
する水素ガスは、電池容器に取り付けた圧力弁などから
回収する。

【００１０】本発明の液体冷却方式を採用した電池は、
その設置場所が屋外の冷暗所であれば、冷媒を強制流通
させない静置状態でも、自然冷却と冷却媒の対流とによ
って充分に冷却可能である。さらに冷却効率を向上させ
るために、その二次電池に撹拌機、あるいは液循環用ポ
ンプと熱交換器（または放熱器）を取り付け、液体を循
環させる。このようにして、電池の温度上昇を抑える。
また、電池収納容器内部の液体中、あるいは熱交換器の
液入口付近に温度測定器を設置し、測定した温度を電気
信号に変換し、それを熱交換器へ伝達して、液温を制御
することも有効な手段である。液温の上昇からショー
ト，逆充電等による電池の異常発生を検知することもで
きる。外気温度の変化が大きい時、または寒冷時では、
電池装置の外壁の一部または全体を断熱材で覆うことに
より、電池温度を正常作動温度に保持できる。

【００１１】

【作用】非水液体中に非水電解液二次電池を設置し、撹
拌機、または液循環装置と熱交換器を用いることによっ
て、冷却熱量が増加し、高出力型または大容量型の二次
電池を効率よく冷却することができる。さらに、冷媒の
比熱が大きいので、冷媒浴の温度均一性が良好で、電池
の恒温運転も可能にし、電池性能の安定化ならびに長寿
命化に役立つ。

【００１２】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１３】［実施例１］図２は本発明で用いた単電池
全体１の外観図を示している。電池は、下部に空隙２を
設けたステンレス製の箱型容器３（空隙部２を含めた外
寸法：２００×２００×５０mm）で密封してあり、互い
に絶縁させた正極端子４と負極端子５が、上方のステン
レス製天板に取り付けられている。電池の下部に空隙２
を確保することによって、冷媒が電池の底面からも熱を
吸収できる。複数の電池を連結して固定するために、天
板上の四ヶ所に電気的に絶縁された突起部６を付けた。
本実施例で使用した電極は、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄正極とＬｉ−
Ｐｂ合金負極であり、ステンレス鋼の金網で集電した。
各電極間には、ポリプレン製不織布(厚さ５０μｍ)にＬ
ｉＣｌＯ₄＋プロピレンカーボネート電解液を染み込ま
せたセパレータを挿入し、単電池１個に正極１０枚，負
極９枚を交互に、並列接続した。

【００１４】つぎに、図１のように、容器空隙部に非水
冷媒としてデカン（Ｃ₁₀Ｈ₂₂）を満たした箱型電池収納
容器８（３００×３００×２５０mm）の中に、直列接続
した３個の単電池１を浸漬した。各電池は、上述の突起
部６をセラミックス製板９にはめ込んで、各二次電池１
を連結、固定した。電池容器から絶縁された外部正極端
子１０，外部負極端子１１，ガス抜き弁１２，温度測定
器１３を電池収納容器８のステンレス製天板に取り付け
た。ガス抜き弁１２は、電池収納容器８の内部の温度上
昇、または単電池１からのガス発生などによって、増加
した圧力を低下させるために設置した。

【００１５】図１の電池１を室温にて８時間率で充放電
させて、冷媒の温度を温度測定器１３から測定した。各
サイクルの放電末期に、デカンの温度が約１０℃上昇し
た。電池収納容器８の内圧の上昇は極僅かであった。こ
の実施例から、使用したデカンは電池の自然放冷を妨げ
ることなく、電池は外気によって冷却されることが実証
された。

【００１６】［実施例２］冷媒を循環させるために、図
１の電池収納容器８に撹拌機１４を取り付けて、図３の
ような電池装置を組み立てた。冷媒をエタノールに変え
て、撹拌機１４を作動させながら、室温にて８時間率で
充放電させた。冷媒のエタノールの温度は、最高で７℃
上昇した。この実施例のように冷媒を強制的に撹拌する
と、電池の冷却効率が向上する。

【００１７】［実施例３］さらに、冷却効率を上げるた
めに、図１の外部に液循環ポンプ１５と熱交換器１６を
設置し、図４のような電池装置を組み立てた。冷媒７は
１５℃の二次供給水１７によって冷却した。冷媒７の温
度は温度測定器１３で測定し、温度を電気信号に変換
し、それをポンプ制御器１８へ入力する。測定した温度
に応じて、ポンプ１５によって送られる冷媒の流速を制
御する。この装置を用い、冷媒としてシリコーン系油を
使用して、［実施例１］に記載した８時間率の充放電サ
イクルを行った。まず、冷媒の流速は２ｄｍ³min^-1で約
６分で全冷媒を交換するようにした。単電池の放電末期
における冷媒の温度上昇は１〜２℃に抑えられ、［実施
例１］よりも電池の冷却効率が大幅に改善された。つぎ
に、図４の電池収納容器８を３０℃に保った恒温槽中に
設置し、ポンプ１５の回転速度を変えて、同様な充放電
サイクル試験をおこなった。冷媒の温度は、ポンプで送
られる冷媒の流速に依存し、１５〜３０℃の範囲で調節
することができた。本実施例で使用した熱交換器を、ラ
ジエーター型の放熱器に変えても、同程度の冷却効率が
得られた。［実施例４］電池の作動温度を高めるために、単電池と
冷媒の収納容器８の全面を断熱材で覆い、外気温５℃の
場所に設置した。２０℃の二次供給水を流したところ、
電池容器内を循環する液体の温度は、充電末期で１８
℃，放電末期で２０℃であった。この実施例から、本発
明の液体冷却方式が電池の冷却のみならず、電池の恒温
作動にも有効であることが示された。

【００１８】

【発明の効果】本発明の液体冷却方式によって、高出力
型の非水電解液二次電池を効率的に冷却できる。また、
電池装置に熱交換器を設置し、装置外壁を断熱材で覆う
ことによって、電池の作動温度を制御し、外気温度に依
存しない電池性能が得られる。さらに、電極と電解液を
収納する容器が破壊されて、電池が大気に直接触れるこ
とによる電池の発火事故を回避し、電池の異常発生時の
安全性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による二次電池装置の構成
図。

【図２】本発明の一実施例による二次電池装置の外観
図。

【図３】撹拌機を設置した本発明の一実施例による二次
電池装置の構成図。

【図４】液循環用ポンプと熱交換器を接続した本発明の
一実施例による二次電池装置の構成図。

【符号の説明】

１…単電池、２…電池容器の空隙部分、３…単電池容
器、４…正極端子、５…負極端子、６…電池固定用突起
部、７…非水冷媒、８…電池収納容器、９…電池固定
具、１０…外部正極端子、１１…外部負極端子、１２…
ガス抜き弁、１３…温度測定器、１４…液撹拌機、１５
…ポンプ、１６…熱交換器、１７…二次供給水、１８…
ポンプ制御器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水本守茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者堀場達雄茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１個または２個以上の電池ブロック群から
なる二次電池装置であって、該電池ブロック群の少なく
とも一部分が液体に浸漬されていることを特徴とする二
次電池装置。
【請求項２】請求項１記載の液体が電池容器を腐食しな
い非水液体であることを特徴とする二次電池装置。
【請求項３】請求項１記載の液体が電極活物質と反応す
る非水液体であることを特徴とする二次電池装置。
【請求項４】電池と液体を収納した容器に撹拌機を設け
たことを特徴とする請求項１又は２あるいは３記載の二
次電池装置。
【請求項５】電池と液体を収納した容器の外部に設置し
た熱交換器または放熱器を介して、液体をポンプで循環
することを特徴とする請求項１〜４記載の二次電池装
置。
【請求項６】電池と液体を収納した容器の外壁全体、ま
たは少なくとも該容器の一部を断熱材で覆ったことを特
徴とする請求項１〜５記載の二次電池装置。