(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝導性を有する素材から成る内部空間を形成する電池ケースと、
前記電池ケース内に位置し、電池を含む電池モジュールと、
前記電池ケース内に位置し、外部の衝撃により熱を発生する発熱体構造物と、
外部の衝撃を前記発熱体構造物の所定部位に集中して伝達するピン構造物と、
前記電池モジュールが前記電池ケースと電気的に連結することを防止して、非活性化状態に維持することを可能にする熱スイッチと、を備え、
該熱スイッチは、前記発熱体構造物により発生した熱により溶融して、前記電池モジュールと前記電池ケースを電気的に連結し、それにより、活性化させる電池システム。
【請求項２】
前記発熱体構造物は、衝撃により活性化される火薬と、前記火薬の起爆エネルギーにより活性されて発熱する熱源とを備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記ピン構造物は、前記火薬が設置される位置に、外部の衝撃を集中するようにピンが形成される、請求項２に記載の電池システム。
【請求項４】
前記ピン構造物のピンが正確な位置を打撃するように、該ピン構造物をガイドするガイドリングをさらに備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項５】
前記ピン構造物は、金属またはセラミックの何れか一つにより形成される、請求項１に記載の電池システム。
【請求項６】
前記熱スイッチは、前記電池モジュールと前記発熱体構造物との間に位置する、請求項１に記載の電池システム。
【請求項７】
前記熱スイッチは、加熱により溶融する金属シートと、該金属シートと前記電池モジュールを絶縁する絶縁膜とを備える、請求項６に記載の電池システム。
【請求項８】
前記金属シートは、インジウム、スズ、鉛及びこれらの合金の何れか一つからなる、請求項７に記載の電池システム。
【請求項９】
前記絶縁膜は、前記発熱体構造物から発生する熱に対して耐熱性を持ち、前記金属シートの溶融により前記電池モジュールに接着されるようホールが形成される、請求項７に記載の電池システム。
【請求項１０】
前記発熱体構造物は、火薬、熱源、及び該火薬と該熱源が内蔵される金属製のモールドを備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１１】
前記熱源は、Ｚｒ、Ｂ、Ｔｉ及びＦｅから選択された金属粉末と、ＫＮＯ３、ＫＣｌＯ４、Ｐｂ３Ｏ４、ＢａＣｒＯ４及びＳｒＯ２から選択された粉末とを混合して、圧縮することにより形成されるペレットである、請求項１０に記載の電池システム。
【請求項１２】
前記火薬は金属製のモールドの中央に位置し、前記熱源はモールドの外周に沿って外側に配列される複数のペレットを有する、請求項１０に記載の電池システム。
【請求項１３】
前記金属製の前記モールドは、前記熱源の上部に、上部への熱伝逹を容易にするホールを有する、請求項１２に記載の電池システム。
【請求項１４】
前記金属製の前記モールドと前記金属シートとの間に溶融された金属シートが、前記熱源の上部のホールを介して発熱体構造物に流入するのを防止する金属メッシュをさらに備える、請求項１３に記載の電池システム。
【請求項１５】
前記発熱体構造物は、可撓性を有する金属からなる発熱体構造物ケースをさらに備え、前記金属製のモールドが前記発熱体構造物ケース内に位置する、請求項１０に記載の電池システム。
【請求項１６】
前記発熱体構造物ケースは、上部への熱伝逹を容易にするホールを上部に有する、請求項１５に記載の電池システム。
【請求項１７】
前記金属製のモールド及び前記発熱体構造物ケースは、前記熱源から発生した熱が熱スイッチに直接伝達されるよう、前記熱源の上部にそれぞれホールを備える、請求項１５に記載の電池システム。
【請求項１８】
前記熱スイッチは、加熱により溶融する金属シートと、前記金属シート及び前記電池モジュールを絶縁する絶縁膜とを備え、
前記電池モジュールは、電池の下部に電池を支持する集電器を備え、
前記集電器は、金属シートを形成する物質を溶着することにより形成される、請求項１に記載の電池システム。
【請求項１９】
前記電池モジュールは、基板上に、集電器、正極、固体電解質及び負極を順次溶着させることにより形成される薄膜電池を備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項２０】
前記電池モジュールは、並列連結及び直列連結の少なくとも一つにより互いに連結している複数の薄膜電池を備える、請求項１９に記載の電池システム。
【請求項２１】
前記基板は、ニッケル、ステンレススチール、銅、チタニウム、ジルコニウム、アルミナ、シリコンウエハー、ジルコ二ア、マイカ、ソーダ石灰、クォーツ及び硼珪酸ガラスの何れか一つからなる、請求項２０に記載の電池システム。
【請求項２２】
前記電池モジュールは、側面に電池ケースと絶縁するための絶縁膜コーティングまたは絶縁フィルムの何れか一つを備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項２３】
前記電池ケースは、電池システムを密封する電池カバーをさらに備える、請求項１に記載の電池システム。
【請求項２４】
前記電池カバーは、金属製であり、
前記電池モジュールは、
前記電池の上部に形成された集電器と、
前記電池カバーと前記集電器との間に形成された絶縁フィルムと、をさらに備える、請求項２３に記載の電池システム。
【請求項２５】
前記電池カバーを貫通し、前記集電器から外部を電気的に連結する連結端子をさらに備える、請求項２４に記載の電池システム。
【請求項２６】
前記連結端子と前記電池カバーとの間に、ガラス−金属シーリングが提供される、請求項２５に記載の電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池モジュール、熱スイッチ、発熱体、及びピン構造物を備える電池システムに関する。特に、外部の衝撃により起爆する火薬や、火薬からエネルギーを受けて発火する熱源から発生する熱により、低融点(Ｔｍ)である金属シートを溶解させた後、上部の電解質及び活物質などが固体状態に具現された電池を用いて製作された電池モジュールの集電器と連結することで、通常は電池が非活性化状態を維持し、使用時には、非常に短いライジングタイム(rising time)の後、低温を含む広い温度範囲内で常温と同等な電池性能を有するものに関する。このような電池システムは、電池の短所の一つである、低温での高出力時、内部抵抗の増加による電圧の急減を防止するのに利用される。
【背景技術】
【０００２】
従来の備蓄電池の形状としては、通常はガラスアンプルに電解質溶液が充填され、ガラスアンプルの外側に金属電極が取付けられた構造であって、外部の衝撃によりガラスアンプルを破壊し、電解質及び各金属電極の接触により電気を生成させるように構成される。このような電池は、長期間保存が可能になるが、ガラスアンプルを破壊して電解質溶液を両電極と接触させた場合のみ、電池の特性の確認ができる。また、ガラスアンプルを破壊して、電解質溶液と両電極との接触により電流を誘発する時間は、数百msecと相対的に長い。また、電池の大きさが小さい場合、ガラスアンプル内に電解質溶液を装着する構造は、製造工程上の複雑性のため、量産性が低下する。さらに、液体電解液として用いられる電解質は、非常に毒性が強いため、漏洩時に環境や安全問題を誘発し得る。
【０００３】
前記問題点を解決するためには、ガラスアンプル形状でない、電池自体が固体状である薄膜電池を用いるのが好ましい。公知の電池システムでは、液体電解質を用いるのが大部分であり、最近では高分子電解質を用いるのも開発されているが、この場合においても所定量の液体電解質を注入しなければならない。しかしながら、このような電池を用いる場合、自己放電により電池の容量は経時的に減少し、電池の内部抵抗は順次増加するので、瞬間的に高出力が必要とされる電子素子への電源供給が困難になる。現存する活性化電池システムのうち、自己放電に関して最も有利なものは薄膜電池であり、自己放電率は年２％未満であることが知られている。薄膜電池は、物理的気相成長法(ＰＶＤ)や化学的気相成長法(ＣＶＤ)により、金属、セラミック、ガラス等からなる様々な基板上に、集電器、正極、電解質、負極及び保護膜を順次溶着するものである。固体電解質を用いるため、電池の非使用中の保存寿命が非常に秀れており、マスクパターンにより所望の形状に自由に製作できる。現在に用いられる固体電解質は、常温または高温の場合には、２μｍ以内と非常に薄い厚さであるため問題ない。しかし、固体電解質が用いられる低温下では、固体電解質自体のイオン伝導度が非常に低くなるため、高出力が要求される場合に、電池の内部抵抗の増加による急激な電圧強化を招く。これを克服するためには、多数の電池を並列に連結して電池の内部抵抗を大きく減少させなげればならない。しかしながら、空間的な制約により、多数の電池を連結することは技術的・経済的に困難であり、これを克服すべき適切な方法の導入が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、発熱体を電池ケース内に挿入し、発熱体から発生する熱により電池自体の温度を上昇させ、低温下での問題点である薄膜電池の内部抵抗を減少させることにより、常温と同等な電池性能を持つ電池システムを提供することにある。また、既存のアンプル型電池のように、電池を使用しない間、電池が非活性状態を維持するための別途のスイッチを電池内に備え、このようなスイッチは、平常時に融点が相対的に低く、伝導性に優れた金属シート上に形成されたホールを有する絶縁フィルムや絶縁体を備えることで、発熱体から熱が発生する瞬間、高温によりスイッチ構造物内の金属シートが溶解され、電池モジュールの下段部と連結することが好ましい。
【０００５】
本発明は、既存のガラスアンプル型電池の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、外部の衝撃により発熱体が発熱して熱スイッチを作動させると共に、電池モジュールの内部温度を上昇させて、常温と同等な電池性能を持つ電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部空間を形成する電池ケースと、前記電池ケース内に位置し、電池を含む電池モジュールと、前記電池ケース内に位置し、衝撃により発生した熱により、電池システムの温度を上昇させる発熱体構造物と、外部の衝撃を前記発熱体構造物の所定部位に集中して伝達するピン構造物と、を備える電池システムを提供する。
【０００７】
本発明の他の一態様として、前記発熱体構造物は、衝撃により活性化される火薬と、前記火薬の起爆エネルギーにより活性化されて発熱する熱源とを備える電池システムを提供する。
【０００８】
本発明の他の一態様として、前記ピン構造物は、前記火薬が設置される位置に、外部の衝撃を集中するようにピンが形成される電池システムを提供する。
【０００９】
本発明の他の一態様として、前記ピン構造物のピンが正確な位置を打撃するように、ピン構造物をガイドするガイドリングをさらに備える電池システムを提供する。
【００１０】
本発明の他の一態様として、前記ピン構造物は、金属またはセラミックの何れか一つにより形成される電池システムを提供する。
【００１１】
本発明の他の一態様として、前記電池モジュールと前記発熱体構造物との間に位置し、前記発熱体構造物の発熱時に前記電池システムを活性化する熱スイッチをさらに備える電池システムを提供する。
【００１２】
本発明の他の一態様として、前記熱スイッチは、加熱により溶融する金属シートと、前記金属シートと前記電池モジュールを絶縁する絶縁膜とを備える電池システムを提供する。
【００１３】
本発明の他の一態様として、前記金属シートは、インジウム、スズ、鉛及びこれらの合金の何れか一つからなる電池システムを提供する。
【００１４】
本発明の他の一態様として、前記絶縁膜は、前記発熱体構造物から発生する熱に対して耐熱性を持ち、前記金属シートの溶融により前記電池モジュールに接着されるようホールが形成される電池システムを提供する。
【００１５】
本発明の他の一態様として、前記発熱体構造物は、火薬、熱源、及び該火薬と該熱源が内蔵される金属製のモールドを有する電池システムを提供する。
【００１６】
本発明の他の一態様として、前記熱源は、Ｚｒ、Ｂ、Ｔｉ及びＦｅから選択された金属粉末と、ＫＮＯ３、ＫＣｌＯ４、Ｐｂ３Ｏ４、ＢａＣｒＯ４及びＳｒＯ２から選択された粉末とを混合して、圧縮することにより形成されるペレット(pellet)である電池システムを提供する。
【００１７】
本発明の他の一態様として、前記火薬は金属製のモールドの中央に位置し、前記熱源はモールドの外周に沿って外側に配列される複数のペレットを有する電池システムを提供する。
【００１８】
本発明の他の一態様として、前記金属製のモールドは、前記熱源の上部に、上部への熱伝達を容易にするホールを有する電池システムを提供する。
【００１９】
本発明の他の一態様として、前記金属製のモールドと前記金属シートとの間に溶融された金属シートが、前記熱源の上部のホールを介して発熱体構造物に流入するのを防止する金属メッシュをさらに備える電池システムを提供する。
【００２０】
本発明の他の一態様として、前記発熱体構造物は、可撓性を有する金属からなる発熱体構造物ケースをさらに備え、前記金属製のモールドが前記発熱体構造物ケース内に位置する電池システムを提供する。前記発熱体構造物ケースは、衝撃により起爆する火薬と、前記火薬から発熱するヒットペレットなどのような熱源とを含む機能と共に、下部から衝撃活性化火薬に衝撃を効果的に伝達するよう機能する。
【００２１】
本発明の他の一態様として、前記金属製のモールド及び前記発熱体構造物ケースは、前記熱源から発生した熱が熱スイッチに直接伝達されるよう、前記熱源の上部にホールを備える電池システムを提供する。
【００２２】
本発明の他の一態様として、前記熱スイッチは、加熱により溶融する金属シートと、前記金属シート及び前記電池モジュールを絶縁する絶縁膜とを備え、前記電池モジュールは、電池の下部に電池を支持する集電器を備え、前記集電器は、金属シートを形成する物質を溶着する電池システムを提供する。
【００２３】
本発明の他の一態様として、前記電池モジュールは、基板上に、集電器、正極、固体電解質及び負極が順次されることにより形成される薄膜電池を備える電池システムを提供する。
【００２４】
本発明の他の一態様として、前記電池モジュールは、並列連結及び直列連結の少なくとも一つにより互いに連結している複数の薄膜電池を備える電池システムを提供する。
【００２５】
本発明の他の一態様として、前記基板は、ニッケル、ステンレススチール、銅、チタニウム、ジルコニウム、アルミナ、シリコンウエハー、ジルコニア、マイカ、ソーダ石灰、クォーツ及び硼珪酸ガラスの何れか一つからなる電池システムを提供する。
【００２６】
本発明の他の一態様として、前記電池モジュールは、側面に電池ケースと絶縁するための絶縁膜コーティングまたは絶縁フィルムの何れか一つを備える電池システムを提供する。
【００２７】
本発明の他の一態様として、前記電池ケースは、電池システムを密封する電池カバーをさらに備える電池システムを提供する。
【００２８】
本発明の他の一態様として、前記電池カバーは、金属製であり、前記電池モジュールは、電池の上部に形成された集電器と、前記電池カバーと前記集電器との間に形成された絶縁フィルムとをさらに備える電池システムを提供する。
【００２９】
本発明の他の一態様として、前記電池カバーを貫通し、前記電流集全体から外部を電気的に連結する連結端子をさらに備える電池システムを提供する。
【００３０】
本発明の他の一態様として、前記連結端子と前記電池カバーとの間に、ガラス金属シーリング(glass-to-metal sealing)が提供される電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の電池システムによれば、既存のアンプル型電池の問題点である長いライジングタイム、製造工程上の困難さ、電解質の漏洩による環境問題などを克服できる。
【００３２】
また、本発明の電池システムによれば、電池モジュールと分離したスイッチを電池ケースに挿入することにより、平常時における非活性化状態を維持することができ、発熱体の発熱により、電池を活性化させることができ、電池モジュールの温度を上昇させることにより、低温での電池特性を向上させることができる。
【００３３】
また、本発明の電池システムは、電池の作動中に活性化され、下端に発熱体を収納し、発熱体による温度上昇により電池モジュール自体の温度を上昇させることで、低温においても常温と同等な電池特性を持つ。
【００３４】
また、本発明の電池システムは、ピン構造物を電池ケース内に含むことで、別途の外部衝撃用ピン構造物を用いる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発熱体、熱スイッチ、電池モジュール及びピン構造物が共に装着された電池システムを示す図である。
【図２】ピン構造物、発熱体構造物及び熱スイッチの分解斜視図である。
【図３】ピン構造物の衝撃により熱スイッチが作動して、電池システムが活性化されるものを模式的に示す図である。
【図４】図１の電池モジュールを構成する薄膜電池の単位セルを示す断面図である。
【図５】発熱体が作動した電池システムの定電流の放電時の放電曲線を示す図である。
【図６】電池活性化試験装置と、活性化された電池をキャパシタに連結して充電する装置とを示す図である。
【図７】常温、高温、低温でそれぞれ活性化された電池を用いて、キャパシタの充電時のキャパシタ充電電圧を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、図面に基づき、本発明をより詳細に説明する。
【００３７】
図１は、本発明の一実施例による電池システムを示す図である。本発明による電池システム１００は、電池ケース１１０内に、ピン構造物１７０、発熱体構造物１２０、熱スイッチ１３０及び電池モジュール１４０が下部から順次積層されている。
【００３８】
電池ケース１１０は、ニッケル、ステンレススチール、銅及びこれらの合金などの金属からなり、上部が開放された円筒型又はボックス型で形成される。電池ケース１１０内に、ピン構造物１７０が最下部に収納され、ピン構造物１７０の上部に発熱体構造物１２０が位置する。発熱体構造物１２０は、外部の衝撃により起爆する火薬１２２と、火薬の起爆エネルギーにより発火する熱源１２４とを備える。このとき、熱源１２４は、１０μｍ以下の微細なＺｒ、Ｂ、Ｔｉ及びＦｅなどの金属粉末を６時間以上真空乾燥した後、ＫＮＯ３、ＫＣｌＯ４、Ｐｂ３Ｏ４、ＢａＣｒＯ４及びＳｒＯ２などと均一に混合される。混合されたペーストは、プレスにより圧縮され、ペレット状に形成され、熱源１２４として用いられる。発熱体構造物１２０は、火薬１２２及び熱源１２４を固定する金属製のモールド１２６をさらに含むことが好ましい。モールド１２６は、一般にＳＵＳを用いて製作される。モールド１２６の下部の中央に外部の衝撃により起爆する火薬１２２が配置され、モールド１２６の外周にペレット状に形成された複数の熱源１２４が配置される。このとき、ピン構造物１７０は、外部の衝撃が最大限に伝達されるように比較的広い面積のディスク１７２と、ディスク１７２上に突出され、火薬１２２に衝撃を集中して伝達できるピン１７４とが形成される。また、ディスク１７２の外周にディスク１７２の移動をガイドするガイドリング１７６が設置される。ガイドリング１７６は、外部から衝撃が加えられると、ディスク１７２をガイドリング１７６に沿って移動させて、ピン１７４が正確に火薬１２２を打撃できるようにする。
【００３９】
また、火薬１２２が起爆すると、そのエネルギーにより熱源１２４が活性化されて発火し、瞬間的に電池システム１００の温度を上昇させる。また、火薬１２２及び熱源１２４が固定されたモールド１２６は、金属製の発熱体構造物ケース１２８内に収納される。発熱体構造物ケース１２８により、火薬１２２がモールド１２６から離脱するのを防止できる。外部の衝撃を火薬１２２に容易に伝達するために、発熱体構造物ケース１２８は、アルミニウムのように比較的大きい軟性を持つ金属で形成されるのが好ましい。
【００４０】
発熱体構造物１２０の上部には、熱スイッチ１３０が収納される。熱スイッチ１３０は、最下部に位置し、すなわち発熱体構造物１２０の真上に置かれる金属メッシュ１３６と、金属メッシュ１３６の上部に位置する金属シート１３２と、金属シート及び電池モジュール１４０を絶縁させる絶縁膜１３４とを含む。電池システム１００が備蓄される状態において、熱スイッチ１３０は、電池モジュール１４０が発熱体構造物１２０のモールド１２６又は発熱体構造物ケース１２８を介して電池ケース１１０と電気的に連結するのを防止するため、電池システムを非活性化状態で備蓄できるようにする。しかしながら、外部の衝撃により発熱体構造物１２０から熱を発生させると、金属シート１３２が溶融され、電池モジュール１４０及び電池ケース１１０を電気的に連結して、電池システム１００を活性化させる。
【００４１】
熱スイッチ１３０の上部には、電池モジュール１４０が収納される。電池モジュール１４０は、ニッケル、ステンレススチール、銅、チタニウム、ジルコニウム、アルミナ、シリコンウエハー、ジルコニア、マイカ、ソーダ石灰、クォーツ及び硼珪酸ガラスのような多種の基板上に、集電器、正極、固体電解質及び負極が順次積層された薄膜電池(図示せず)を備える。電池モジュール１４０は、単位薄膜電池を複数備えることができ、薄膜電池を並列に連結して電池の蓄電容量を増加させたり、薄膜電池を直列に連結して電池の電圧を増加させることができる。また、電池モジュール１４０は、複数の薄膜電池の上部又は下部に金属製の集電器１４４、１４６を含み、薄膜電池を支持し、薄膜電池を外部の衝撃から保護し、正極端子及び負極端子を薄膜電池と連結させるよう機能する。また、電池モジュール１４０は、その側面に、金属製の電池ケース１１０と接触して電池が短絡するのを防止するための絶縁層１４８を含む。絶縁層１４８は、電池モジュール１４０の側面に形成された絶縁コーティング又は電池モジュール１４０の側面に付着される絶縁フィルムから形成される。
【００４２】
電池モジュール１４０の上部、すなわち上部集電器１４４には、連結端子１５０が形成される。連結端子１５０は、電池ケース１１０と共に電池システム１００の＋極、−極の電極端子として機能し、電池システム１００が他の装置と連結して電源を供給する。
【００４３】
また、電池ケース１１０内に発熱体構造物１２０、熱スイッチ１３０、電池モジュール１４０及び連結端子１５０が収納された後、電池システム１００を密封するために、上部に電池カバー１６０が設置される。電池カバー１６０は、電池システム１００を密封することで、電池システム１００の長期間保存が可能になる。一般に、電池カバー１６０は金属で形成され、金属製の電池ケース１１０と溶接させて長期保存性を増加させる。このとき、電池カバー１６０及び上部集電器１４４の接触による電池システム１００の短絡を防止するために、上部集電器１４４の上部には、連結端子１５０が接触する箇所以外の場所に、絶縁層１４９が形成される。また、連結端子１５０及び電池カバー１６０の接触による電池システム１００の短絡を防止すると共に、密封性を高めるために、連結端子１５０と電池カバー１６０との間には、ガラス−金属シーリング１８０が行なわれる。
【００４４】
図２は、ピン構造物、発熱体構造物及び熱スイッチの分解斜視図である。電池ケース１１０内に、下部から順次ピン構造物１７０、発熱体構造物１２０、熱スイッチ１３０及び電池モジュール１４０が積層されている。ピン構造物１７０は、発熱体構造物１２０の中央に位置する火薬(図１に示す)１２２を打撃するように構成される。ピン構造物１７０は、外部の打撃が伝達されるディスク１７２と、ディスク１７２の中央に突出され、火薬１２２に力を伝達するピン１７４と、ディスク１７２の外側に位置し、火薬１２２の打撃時に揺れを防止するガイドリング１７６とを含む。ディスク１７２及びピン１７４は、打撃時に大きい衝撃を火薬１２２に伝達できるので（図１に示す）、Ａｌ、Ｎｉ、ＳＵＳ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅなどの金属及び／又はアルミナ、ジルコニアや、高密度のＳＵＳ、Ｗ、Ｍｏ等のセラミックにより一体に形成されるのが、より好ましい。
【００４５】
アルミニウム製の発熱体構造物ケース１２８内に、ＳＵＳ製のモールド１２６が挿入される。モールド１２６の下部中央には火薬(図１に示す)１２２が設置され、モールド１２６の外周に沿ってペレット状に形成された熱源１２４が配置される。一例として、Ｚｒ粉末及びＢａＣｒＯ４をそれぞれ８２ｗｔ％、１９ｗｔ％に均一に混合し、プレスにより圧着してペレットで熱源１２４を形成した場合、発熱時に瞬間的に３００℃以上の高温に２００ｃａｌ／ｇ以上の熱量を放出した。熱源１２４の上部は、熱スイッチ１３０への熱伝逹を容易にするために開放されている。すなわち、モールド１２６の上部に形成されたホールにより、熱スイッチ１３０への熱伝逹が容易になる。また、発熱体構造物ケース１２８にも、上部にホールが形成されるか、上部が開放型で製作されることで、熱スイッチ１３０への熱伝逹が容易になる。発熱体構造物１２０の上部には金属メッシュ１３６が位置する。金属メッシュ１３６は、銅のように熱伝達率が高い金属で製作され、発熱体構造物１２０から金属シート１３２に熱を速く均一に伝達するよう機能する。同時に、金属メッシュ１３６の急速な溶融により形成される金属溶融物が発熱体構造物１２０に放出されるのを防止するよう機能する。金属シート１３２は、インジウム、スズ、鉛及びこれらの合金等の材質で形成される。金属シート１３２が急速に溶融されると、溶融物が微小ビーズ形状に変化するが、金属メッシュ１３６は、このような溶融された金属ビーズが発熱体構造物１２０に放出されるのを防止し、溶融物が電池モジュール１４０に接触できるようにする。金属シート１３２の上部には、数十〜数百μｍの絶縁膜１３４が形成され、金属シート１３２が熱体構造物１２０から伝達された熱により溶融する前に、電池モジュール１４０と接触するのを防止する。このとき、絶縁膜１３４は、発熱体構造物１２０の発熱により溶融された金属シート１３２が電池モジュール１４０と接触できるように、溶融された金属シート１３２が通過できるホール１３４ｈが少なくとも一つ形成される。一方、電池モジュール１４０の下部集電器１４６の下部には、溶融された金属シート１３２が容易に付着できるように、金属シート１３２を形成する材質と同一の材質で数十μｍの溶着面を形成する。金属シート１３２が溶融される際、同種の材料に放射状に付着可能な性質を用いるため、電池システム１００をより確実に活性化させることができる。
【００４６】
図３は、ピン構造物の衝撃により熱スイッチが作動して、電池システムが活性化されるものを模式的に示す図である。電池ケース１１０内に、下部からピン構造物１７０、発熱体構造物１２０、熱スイッチ１３０及び電池モジュール１４０が順次積層されている。電池ケース１１０の下部に外部の衝撃が印加されると、外部の衝撃はピン構造物１７０に伝達される。ピン構造物１７０のディスク１７２は、外部の衝撃を受けてガイドリング１７６によりガイドされて移動し、移動時に突出されたピン１７４が発熱体構造物１２０の火薬１２２を打撃し、火薬１２２が起爆される。火薬１２２の起爆エネルギーにより熱源１２４が発火する。熱源１２４の発火は、電池ケース１１０内の温度を瞬間的に２００℃以上に上昇させ、このような高熱により、比較的溶融点が低い伝導性金属材質(例えば、インジウム、スズ、鉛及びこれらの合金)からなる金属シート１３２が溶融される。溶融された金属シート１３２は、絶縁膜１３４に形成されたホール１３４ｈを介して、電池モジュール１４０の下部集電器１４６に付着される。よって、電池モジュール１４０の下部集電器１４６は、金属シート１３２を介して、伝導性金属材質からなる発熱体構造物１２０の発熱体構造物ケース１２８又は金属モールド１２６と電気的に連結する。また、発熱体構造物ケース１２８又は金属モールド１２６は、伝導性金属製の電池ケース１１０と電気的に連結するので、熱スイッチ１３０により電池システム１００が活性化されると、電池ケース１１０は＋電極端子又は−電極端子として機能することになる。例えば、発熱体構造物ケース１２８が金属モールド１２６を囲むように形成される場合は、発熱体構造物ケース１２８及び電池ケース１１０が電気的に連結しており、発熱体構造物ケース１２８が形成されない場合は、金属モールド１２６及び電池ケース１１０が電気的に連結している。
【００４７】
一方、熱源１２４の発火は、電池モジュール１４０の温度も上昇させる。特に、薄膜電池を用いた電池モジュール１４０における温度の上昇は、電池モジュール１４０の内部抵抗を大きく減少させる。よって、低温又は極低温の環境下でも、常温と同等な電池システム１００の性能を具現できる。
【００４８】
図４は、図１の電池モジュールを構成する薄膜電池の単位セルを示す断面図である。薄膜電池１４２は、金属、セラミック、ガラス、マイカフィルムなどのような基板１４２ａ上に、正極集電器１４２ｂ、正極活物質１４２ｃ、非晶質ガラス系固体セラミック電解質１４２ｄ及び負極集電器１４２ｅをスパッタ法により溶着した後、熱蒸着によりリチウム負極１４２ｆを溶着することで、単位セルを構成する。このとき、基板が金属である場合には、基板の下部及び側面に別途の絶縁コーティングをすることで、電池連結時の短絡を防止できる。このような電池モジュール(図１に示す)１４０は、薄膜電池１４２の単位セルを複数積層し、直列連結又は並列連結により、単位セルよりも電圧又は容量を増加させて利用することができる。
【００４９】
図５は、活性化された電池システムの定電流の放電時の放電曲線を示す図である。電池モジュール１４０は、図４に示す薄膜電池(図４に示す)１４２の単位セル１１個を用いて製作され、４.２Ｖまで充電させた後、電池ケース(図１に示す)１１０に収納した。次に、外部から衝撃を印加して、発熱体構造物(図１に示す)１２０を発熱させて電池システム１００を活性化させ、放電状態を観察した。約３５μＡの定電流を印加して３.０Ｖまで放電した場合、約７５μＡｈの放電容量を示した。これは、単位セル１個の放電容量が約７μＡｈであることを勘案すると、１１個の単位セルが並列状態に連結していることが分かり、正極活物質として用いたリチウムコバルト酸化物の典型的な放電曲線、すなわち４.１５Ｖ及び４.０５Ｖ付近における六方晶及び単斜晶(hexagonal and monoclinic)相の間の１次相転移と、３.９Ｖ付近における菱面体晶(rhombohedral)相間の２次相転移とを示すことが分かる。
【００５０】
図１で詳細に示した電池システムを用いて、実際の電子素子を常温、高温、低温のように広い温度範囲下で正常的に作動させる現象を確認するため、図６に示すように、電池システム１００をコンダクタ４００によりキャパシタ８００に連結させ、これを別の支持体３００により支持してシリンダ５００に固定させた後、これを瞬間的に落下させて下部支持体６００に衝突させる衝突装置が設けられている。この衝撃装置は、電池システム内に挿入されたピン構造物により電池活性化の程度を観察する実験装置である。すなわち、キャパシタ８００を電池システム１００と連結して、活性化時にキャパシタ充電電圧を測定する装置を指す。
【００５１】
電池モジュール(図１に示す)１４０、発熱体構造物(図１に示す)１２０、熱スイッチ(図１に示す)１３０及びピン構造物(図１に示す)１７０を持つ電池システム１００は、正極、負極が外部のコンダクタにより１5０μＦの静電容量を持つキャパシタ８００に連結する。このとき、キャパシタ８００の電圧は、別途のコンピュータ９００を介して１０msec単位と測定された。電池システムがキャパシタ８００に連結されている初期段階では、電池システム１００内の電池モジュール(図１に示す)１４０が熱スイッチ１３０により回路が絶断されているので、キャパシタ８００の電圧は０Ｖを示す。電池システム１００の活性化のために、電池が固定された支持体３００はシリンダ５００により急下降して下部支持体６００を強打する際、電池システム１００は強い衝撃を受けることになり、この衝撃は、電池システム１００内に挿入されたピン構造物(図１に示す)１７０が発熱体構造物(図１に示す)１２０の衝撃活性化火薬(図１に示す)１２２を打撃することとなる。この結果、発熱体(図１に示す)１２４が加熱され、加熱された熱により熱スイッチ(図１に示す)１３０が連結して電池を活性化させる。これによりキャパシタ８００が充電される。常温、高温、低温等のような広い温度範囲での実験のために、電池活性化試験装置は一定の温度及び湿度が維持されるチャンバー７００内に設けられ、シリンダ５００は垂直方向のみに移動する。
【００５２】
図７は、常温、高温、低温でそれぞれ活性化された電池を用いて、キャパシタの充電時のキャパシタ充電電圧を測定した結果を示す図である。図６に示す電池活性化試験装置を用いて、実際に電池システム１００が活性化される際の、電池システム１００に連結されたキャパシタ５００を充電させた結果を示した。実際に発熱体が作動して熱スイッチの作動時間を考慮することなく、スイッチが正常に作動した場合、常温で１０msecの短時間内に３.６Ｖまでキャパシタ５００が充電されることが分かり、電池の開放電圧(Open-circuit voltage)である４Ｖまで４０msec以内に充電が完了することを示す。これにより、衝撃活性化火薬(図１に示す)１２２により熱源(図１に示す)１２４が発熱した後、金属シート(図１に示す)１３２を溶解させることで、回路を連結させる活性化時間は無視できる水準であることが分かる。衝撃活性化火薬(図１に示す)１２２により熱源(図１に示す)１２４が発熱した後、金属シート(図２に示す)１３２を溶解させて回路を連結させる活性化時間は、本実験と同時に測定しなかったが、別途の実験結果、常温で３０〜４０msecと非常に低い数値を示し、−３０°の低温においても、最大でも１００msecを超えなかったため、スイッチを作動するためのライジングタイムを考慮しても、常温では最大８０msec以内にキャパシタを充電させることが分かる。このような数値は、既存のアンプル形状の電池に比べて、活性化時間を大きく減少させたことが分かる。４３℃の高温では、発熱時、若干の温度増加が電池モジュール１４０に加えられるため、キャパシタ(図６に示す)５００の充電電圧は１０msec経過した後３.８Ｖとなり、３０msec以内に充電が完了する。−３０°の低温では、常温又は高温の場合に比べて、１０msec後のキャパシタ充電電圧が３.４Ｖに若干低いが、４Ｖでの充電時間は、低温にも拘わらず、５０msec内に完了することが示されている。別途の実験から得た低温でのスイッチ作動時間を考慮しても、最大でも１０５msec以内にキャパシタ充電を完了させることになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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