(57)【要約】【課題】電極を外装体に内包した電池において、電池の特性を損なうことなく電池内部で発生する熱を効果的に外部に逃がすことを可能にする。【解決手段】電池は、外装体の内部に、電極が内包された電池であって、前記外装体内に前記外装体と熱伝導可能に放熱部が配置されており、前記放熱部は、板の両面方向に亘って溶液の移動が可能な構造を有しており、溶液が移動可能な構造として、例えば、溶液が移動可能な隙間、透過孔または切り欠き部を有し、さらに望ましくは、放熱部の表面に毛細管現象で表面に沿って溶液が移動可能な通路を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装体の内部に、電解液および電極が内包された電池であって、
前記外装体内に前記外装体と熱伝導可能に放熱部が配置されており、
前記放熱部は、板の両面方向に亘って溶液の移動が可能な構造を有していることを特徴とする電池。
【請求項２】
前記外装体の内部にガスを内包していることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項３】
溶液の移動が可能な構造が透過領域を有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記放熱部は、溶液が移動可能な隙間、通過孔または切り欠き部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池。
【請求項５】
前記放熱部は、外周面の一部または全部が前記外装体の内面に熱伝導可能に接触していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。
【請求項６】
前記外装体が導電性を有する材料からなり、正極と負極の一方の電極が前記外装体に導電可能に接触し、前記正極と前記負極の他方の電極に前記外装体とは非導電の通電部に導電可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池。
【請求項７】
前記外装体が軸形状を有し、前記通電部が軸部であることを特徴とする請求項６記載の電池。
【請求項８】
前記外装体が筒状の形状を有し、軸方向に沿って、放熱部と電極とが配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池。
【請求項９】
前記放熱部が正極と負極との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１０】
前記放熱部は電極である正極または負極の一方に熱伝導可能に接触して配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１１】
電極である正極と負極とがセパレータを介して同じ順序で複数積層され、異なる層の正極と負極との間にセパレータを介して電極の一方に伝熱可能に前記放熱部が配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１２】
電極である正極は正極活物質を有し、電極である負極は、充電時に水素ガスを発生し、放電時に水素ガスを消費する水素貯蔵材料を備えるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１３】
前記伝熱板の表面に毛細管現象で板面に沿って溶液が移動可能な通路を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電池。
【請求項１４】
前記通路が細溝であることを特徴とする請求項１３記載の電池。
【請求項１５】
前記細溝が、１μｍ〜１０μｍの幅を有することを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項１６】
前記通路が溶液の移動が可能な構造部分に連通していることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外装体の内部に電極が内包された電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非常用電源や電力貯蔵用途などを目的として定置型の大型電池の需要が高まっている。大容量の電力を充放電できる二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが挙げられる。どのような電池を選択しても、充放電時の発熱による温度上昇を抑制することは電池の安全性の確保や長寿命化にとって重要である。
これを解決するために、電池内部または電池外部にヒートシンクを設置することが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、巻回型の電池において、針状もしくはシート状のヒートシンクを正負電極やセパレータと一緒に巻き回し、充放電時に電極から発生する熱を外部に放出する構造が提案されている。
また、特許文献２では、巻回型電池の中心部に放熱体を設け、電池内部の熱を外部へと放出する技術が提案されている。
さらに特許文献３では、隣り合う２基の密閉型ニッケル水素電池ユニットの間に伝熱板を設置することでセルの温度上昇を抑制する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１４４７７１号公報
【特許文献２】特開２０１３−４４０２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５８５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のように、電池にヒートシンクや放熱板を設置する場合、発熱体である電極に近いところに設置するほうがセル内部の温度を均一化でき、放熱効率も向上する。このため、放熱板はセルの外部よりも内部に設置するほうが好ましい。
しかし、電極を複数枚積層させた電池の場合、電極間に放熱板を設置することで放熱板が電解液の移動を妨げてしまう可能性がある。特に、水素等のガスを活物質とする電池では、ガスと電極との反応を確保するため電池内部に注入できる電解液量を厳しく管理している。このような電池で電極に密着した放熱板を設置した場合に、電解液が電極に十分浸透できず電池の特性を十分に発揮できない可能性がある。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、内部に放熱板を設置することで放熱性を向上させ、さらに電解液の移動を容易にした構造を有する電池を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の電池のうち、第１の形態は、外装体の内部に、電解液および電極が内包された電池であって、
前記外装体内に前記外装体と熱伝導可能に放熱部が配置されており、
前記放熱部は、板の両面方向に亘って電解液の移動が可能な構造を有していることを特徴とする。
【０００８】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記外装体の内部にガスを内包していることを特徴とする。
【０００９】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、電解液の移動が可能な構造が透過領域を有するものであることを特徴とする。
【００１０】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記放熱部は、電解液が移動可能な隙間、透過孔または切り欠き部を有することを特徴とする。
【００１１】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記放熱部は、外周面の一部または全部が前記外装体の内面に熱伝導可能に接触していることを特徴とする。
【００１２】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記外装体が導電性を有する材料からなり、正極と負極の一方の電極が前記外装体に導電可能に接触し、前記正極と前記負極の他方の電極に前記外装体とは非導電の通電部に導電可能に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記外装体が軸形状を有し、前記通電部が軸部であることを特徴とする。
【００１４】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記外装体が筒状の形状を有し、軸方向に沿って、放熱部と電極とが配置されていることを特徴とする。
【００１５】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記放熱部が電極である正極と負極との間に配置されていることを特徴とする。
【００１６】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記放熱部は電極である正極または前記の一方に熱伝導可能に接触して配置されていることを特徴とする。
【００１７】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、電極である正極と負極とがセパレータを介して同じ順序で複数積層され、異なる層の正極と負極との間にセパレータを介して電極の一方に伝熱可能に前記放熱部が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、電極である正極は正極活物質を有し、電極である負極は、充電時に水素ガスを発生し、放電時に水素ガスを消費する水素貯蔵材料を備えるものであることを特徴とする。
【００１９】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記放熱部の表面に毛細管現象で表面に沿って電解液が移動可能な通路を有することを特徴とする。
【００２０】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記通路が細溝であることを特徴とする。
【００２１】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記細溝が、１μｍ〜１０μｍの幅を有することを特徴とする。
【００２２】
他の形態の電池の発明は、前記形態の発明において、前記通路が電解液の移動が可能な構造部分に連通していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電池の使用によって発生する電池の熱を放熱部を介して外装体に伝熱して電池の冷却を行うことができ、その際に、電解液の移動を円滑にして電池としての機能を損なわない効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態の電池の断面図である。
【図２】同じく、電池内部の一部を示す斜視図である。
【図３】同じく、放熱板の正面図である。
【図４】従来の電池の放電時における温度変化および負極の放電特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の電池の一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、負極に水素吸蔵合金を有し、負極活物質が水素ガスであるニッケル水素ガス電池を例に挙げて説明するが、本発明の電池はニッケル水素ガス電池に限定されない。
【００２６】
図１は、電池１の正面断面図を示している。
電池１は、導電性を有する材料からなる外装体２の内部に電極が収納される構成を有しており、外装体２は、円筒形状を有する円筒容器２Ａと、円筒容器２Ａの両端に設けられて円筒容器２Ａ端部を塞ぐ蓋部２Ｂ、２Ｃとから構成されている。円筒容器２Ａと蓋部２Ｂ、２Ｃとは、電極等を内包した後、冶金的または機械的に接続される。
外装体２では、少なくとも円筒容器２Ａにおいて、導電性を有し、かつ熱伝導性が有する材料を用いるのが望ましい。例えば銅、ニッケルなどを用いることができる。蓋部２Ｂ、２Ｃにおいて円筒容器２Ａと同じ材料を用いるものであってもよい。
【００２７】
蓋部２Ｂ、２Ｃの中心には円形の軸穴２０が形成されており、軸穴２０には、円筒容器２Ａの中心軸に沿って伸びる芯棒３が貫通している。芯棒３の長さは電池１の軸方向長さよりも長く、蓋部２Ｂ、２Ｃから芯棒３の端部が突出している。芯棒３と穴２０の内面との間には絶縁シール材４が設けられており、外装体２を密閉構造にするとともに、芯棒３と蓋部２Ｂ、２Ｃとを電気的に絶縁する。芯棒３は、本発明の軸部に相当する。
また、蓋部２Ｃには、外装体２内にＫＯＨ水溶液からなる電解液を注入するための電解液注入口１０が形成されており、電解液注入口１０から電池１の内部へ電解液を注入する。電解液は、外装体２内での水素ガスの移動が円滑になされるように、適量が注入される。
【００２８】
外装体２の内部には、図２に示すように、リング形状の正極６、セパレータ７、負極８、セパレータ７および放熱板９が軸方向に沿ってこの順番に互いに重ね合わせるように複数が積層されている。なお、外装体２内部の両端側では、リング状のスペーサ５が蓋部２Ｂ、２Ｃの内面、芯棒３外周面、円筒容器２Ａ内面と隙間なく配置されている。スペーサ５は、絶縁体からなる。放熱板９は、この実施形態では本発明の放熱部に相当する。
正極６、セパレータ７、負極８、および放熱板９は、中央に穴を有するリング形状を有しており、各部材の穴を芯棒３が貫通するように配置される。
セパレータ７に接する放熱板９の他面側には、次の層の正極６が重ね合わされて軸方向に積層され、さらに、セパレータ７、負極８、セパレータ７および放熱板９の順番で繰り返し積層されている。
【００２９】
正極６は、水酸化ニッケルを正極活物質とするものであり、その外径は円筒容器２Ａの内周面に熱伝導可能かつ導電可能に接触している。また、正極６の中心の穴は芯棒３の外径よりも大きい径を有し、芯棒３とは非接触になっている。円筒容器２Ａは電池１における正極の集電体として機能し、正極は円筒容器２Ａから電気を取り出す。
【００３０】
セパレータ７はポリプロピレン繊維からなり、正極６と負極８とを絶縁する役割を果たすとともに、ＫＯＨ水溶液が電解液として浸透しており、正極６と負極８との間でイオンが透過することができる。なお、本発明としては電解液の種別が特に限定されるものではなく、適宜の電解液を用いることができる。
【００３１】
負極８は水素吸蔵合金を活物質とするものであり、外径が円筒容器２Ａの内径よりも小さく、円筒容器２Ａとは非接触となっている。一方、負極８の中央に設けられた穴は芯棒３の外周面に導電可能に接触している。このため、芯棒３は電池１の負極の集電体として機能する。なお、負極８は水素ガスを消費しながら放電することが可能であり、充電時には水素ガスを発生することが可能なものであり、水素吸蔵合金などの水素貯蔵材料を有している。
【００３２】
放熱板９は、伝熱性の良好な金属からなり、その外周面が円筒容器２Ａの内周面に伝熱可能に接触している。一方、放熱板９の中央に設けられた穴は芯棒３の外径よりも大きい径を有し、芯棒３とは非接触である。放熱板９は、電池１の使用時に発熱体となる正極６の一方の面と接触しており、正極６で発生した熱が放熱板９へと伝熱され、さらに放熱板９から円筒容器２Ａに熱伝導されて、正極６で発生した熱を外装体２の外部へ効率的に逃がすことができる。放熱板９の材質は特に限定されるものではないが、例えば銅やニッケル板などを用いることができる。また、放熱板９は厚さが厚いほど放熱性が高まるが、放熱板を厚くすると容器内部の電極量が減ってしまうため、正極や負極と同程度の厚さとすることが望ましい。
【００３３】
また、放熱板９は、図２、３に示すように、２／３程の径位置に通過穴９０が１８０度の間隔で貫通形成されており、設置に際しては、２つの貫通穴９０が上下位置になるように配置する。貫通穴９０は、電解液が移動する構造および透過領域に相当する。なお、電解液が移動する構造としては、適宜の切り欠きなどとしてもよく、切り欠きは、板面に両面に貫通するように設けたり、外周側に設けたりすることができる。
【００３４】
なお、電解液を貫通する構造は、外周側に設けると外装体との熱伝導を損なうので内側に設けるのが望ましい。
また、この例では、２つの円形の貫通穴を設けるものとしたが、その数や大きさ、形状などは適宜定めることができる。また、放熱板９では、中央穴９１と芯棒３との間に隙間が確保されており、この隙間も電解液が移動する構造として機能する。電解液が移動する構造は、複数箇所有するのが望ましい。これにより放熱板９の板面の広い範囲で、両面方向に亘って電界液を移動させることができる。ただし、本発明としては、中央穴の隙間のみによって電解液が移動する構造とするものであってもよい。
【００３５】
また、放熱板９では、図３に示すように、表面に、上下に伸びる細溝９３が全面に亘って形成されている。この構造により、放熱板９に達した電解液は、毛細管現象によって細溝９３の中を上方向に移動することができる。毛細管現象は管の内径が小さいほど液面が高くまで上昇するが、加工性と実際に使用するセルのサイズを考慮すると、細溝９３の幅は１〜１０μｍが好ましい。なお、この形態では細溝９３は断面が半円等の形状を有しているが、細溝９３の断面形状は特に限定されず、他の形状であってもよい。また、細溝の配置方向が上下に限定されるものではなく、斜め方向に沿って配置するなどしてもよい。また、細溝ではなく、しわ形状などによって毛細管現象を得るものであってもよい。細溝９３は、本発明における「毛細管現象で板面に沿って電解液が移動可能な通路」に相当する。
【００３６】
細溝９３は、放熱板９の通過穴９０および中央穴９１の隙間に連通しており、電解液注入口１０から注入された電解液が通過穴９０および中央穴９１がさらに両面に亘って移動するのを円滑にし、他面側では、移動した電解液が毛細管現象により細溝９３の中を上方向へ移動し、電極やセパレータの上部まで達することができる。
【００３７】
本発明の放熱板を有していない、従来の電池の放電特性および放電時の温度変化について説明する。
この電池を使用した際の放電特性と放電時の温度変化を図４のグラフに示す。上のグラフは放電時の温度変化を示しており、下のグラフは放電時の放電電圧の変化を示しており、これらのグラフは横軸（時間軸）を共通としている。
【００３８】
放電開始から０．１５時間経過時までは、容器および図４に示すように電池の芯棒の温度が高速で上昇し、かつ、セルの放電電圧も低下している。このため、セルの温度上昇を抑制するために電池の放熱特性を向上させる必要があった。
本実施形態によれば、電池の温度上昇を抑制することができ、かつ、電極に十分電解液を浸透させることが可能となる。
【００３９】
一方、本実施形態によれば、発熱体である電極に接するように放熱板が設けているため、充放電時に電極で発生する熱を効率よく外部に放出することができ、さらにセル内部の温度を均一にする効果が得られる。さらに、放熱板に細溝が形成されているため、電解液が毛細管現象によって細溝に沿って上方向に移動し、電極への電解液の浸透を早めることができる。
特に、水素等のガスを活物質とする電池のようにガスと電極との反応を確保するために電池内部の電解液の量を厳しく管理している電池において、電解液を電極に早く浸透させることができ、電極間に放熱板を設けても電池の性能を十分に発揮させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態では放熱板９は正極と接しているが、放熱板９が負極と接するものであってもよい。
なお、本実施形態では、負極に水素吸蔵合金を有し、放電時に水素ガスを活物質として消費するニッケル水素ガス電池を例として説明したが、電池や活物質の種類に限定されるものではない。
また、放熱板９の形状は円形に限定されず、電池の形状に合わせて適宜変更することが可能である。
【００４１】
以上、本発明について上記実施形態および図面に基づいて説明したが、本発明は上記説明に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りでは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１    電池
２    外装体
２Ａ  円筒容器
２Ｂ、２Ｃ  蓋部
３  芯棒
５  スペーサ
６  正極
７  セパレータ
８  負極
９  放熱板
１０  電解液注入口
９０  通過穴
９１  中央穴
９３  細溝
【図１】
2018163815.tif 000003
【図２】
2018163815.tif 000004
【図３】
2018163815.tif 000005
【図４】
2018163815.tif 000006