(57)【要約】【課題】二次電池のセル内部の発生ガスを排出し、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されることによるセルの内圧上昇を抑制する。【解決手段】二次電池セルの内部に置換ガスを流通させて、二次電池セルの内部で発生したガスを排出させて捕集することにより、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されることによるセルの内圧上昇を抑制することができる。置換ガスが、発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池において発生するガスを捕集する二次電池の発生ガス捕集方法であって、
前記二次電池の内部に置換ガスを流通させることにより、前記二次電池の内部から前記発生ガスを排出させて捕集することを特徴とする二次電池の発生ガス捕集方法。
【請求項２】
請求項１に記載の二次電池の発生ガス捕集方法であって、
前記置換ガスが、前記発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することを特徴とする二次電池の発生ガス捕集方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の二次電池の発生ガス捕集方法であって、
前記置換ガスが、窒素ガスまたは希ガスから選択される少なくとも１つであることを特徴とする二次電池の発生ガス捕集方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池の発生ガス捕集方法であって、
前記捕集対象ガスが、水素ガスまたは一酸化炭素のうち少なくとも１つであることを特徴とする二次電池の発生ガス捕集方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の発生ガス捕集方法であって、
前記二次電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする二次電池の発生ガス捕集方法。
【請求項６】
二次電池において発生するガスを捕集する二次電池装置であって、
前記二次電池の内部に置換ガスを流通させ、前記二次電池の内部から前記発生ガスを排出させる置換ガス流通手段と、
前記発生ガスを捕集する発生ガス捕集手段と、
を有することを特徴とする二次電池装置。
【請求項７】
請求項６に記載の二次電池装置であって、
前記発生ガス捕集手段が、前記置換ガス流通手段及び前記二次電池の設置位置より上方に設置されていることを特徴とする二次電池装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の二次電池装置であって、
前記発生ガス捕集手段が、着脱可能であることを特徴とする二次電池装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の二次電池装置であって、
前記置換ガスが、前記発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することを特徴とする二次電池装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の二次電池装置であって、
前記置換ガスが、窒素ガスまたは希ガスから選択される少なくとも１つであることを特徴とする二次電池装置。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の二次電池装置であって、
前記捕集対象ガスが、水素ガスまたは一酸化炭素のうち少なくとも１つであることを特徴とする二次電池装置。
【請求項１２】
請求項６〜１１のいずれか１項に記載の二次電池装置であって、
前記二次電池が、リチウムイオン電池であることを特徴とする二次電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池において発生するガスを二次電池内部から排出させて捕集する二次電池の発生ガス捕集方法及び二次電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電及び放電が可能な二次電池は、例えば、自動車等の動力源、各種コードレス機器の電源用などに用いられている。代表的な二次電池であるリチウムイオン二次電池は、負極としての炭素と、非プロトン性有機溶媒とリチウム塩とからなるリチウムイオン導電体としての電解液と、リチウムイオンを可逆的にかつ電気的に出し入れできる正極活物質とで構成されている。
【０００３】
リチウムイオン電池等の二次電池では、通常使用の際あるいは過充電または過放電の際、電解液が消費されて電気分解により各種ガスが発生する。この発生ガスが二次電池セル内部にたまると、電池セルの内圧が上昇してしまうことがある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、バッテリを構成する各セルにバッテリ内で過充放電時に発生する所定圧力以上のガスを排出するガス放出弁を設け、導管を通じてイオン交換樹脂装置に接続し、発生ガスに伴われる気体状あるいはミスト状の電解液を捕捉することが記載されている。発生ガスはイオン交換樹脂装置において電解液が捕捉された後、防爆フィルタを通し大気中に排出される。
【０００５】
また、特許文献２には、一時的ガス放出バルブを二次電池ケースに設け、電池製造段階の間にケースの内部で発生するガスを除去し、電池を完全に形成したらすぐにこの一時的ガス放出バルブを取り外してケースを密封すること、及び、電池製造段階において不活性ガス環境であるハウジング内に二次電池ケースを封じ込めてポンプでハウジング内を吸引し、電池製造終了後ハウジングを密封することにより、電池製造段階において発生するガスを除去することが記載されている。
【０００６】
また、特許文献３には、上面にガス排出用弁を有するバッテリセルと、該バッテリセルを複数個列設して収納するバッテリボックスと、該バッテリボックスの下側に設けられた気体流入部と、該バッテリボックスの上側に設けられた気体排出部とを備え、気体供給手段によって気体流入部から各バッテリセル間の気体導入通路に気体を強制的に供給すると共に、通過した気体を気体排出手段によって気体排出部から外部に強制的に排出するようにして、ガス排出用弁からバッテリボックス内に排出されたガスを気体導入通路を通過した気体とともに強制的に外部に排出することができる電動車両用バッテリが記載されている。
【０００７】
また、特許文献４には、二次電池の繰返し充放電に伴うガスを放出するためのガス抜構造であって、二次電池の安全弁の動作圧力より低く、かつ繰返し充放電による二次電池の内圧より高い所定圧力で開く開閉弁を設けたガス抜構造が記載されている。このガス抜構造では、排気系内を不活性ガス雰囲気にすることにより、開閉弁が開く際の外気の逆流を少なくし、電解液の劣化等を防止することができるとしている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３３９７４７号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９１６２号公報
【特許文献３】特開平７−３２０７９４号公報
【特許文献４】特開２００４−３９３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１〜４の方法では、二次電池のセル内部の発生ガスを完全に排出することは困難であり、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されてセルの内圧が上昇してしまうことがある。
【００１０】
本発明は、二次電池のセル内部の発生ガスを排出し、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されることによるセルの内圧上昇を抑制することができる二次電池の発生ガスの捕集方法及び二次電池装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、二次電池において発生するガスを捕集する二次電池の発生ガス捕集方法であって、前記二次電池の内部に置換ガスを流通させることにより、前記二次電池の内部から前記発生ガスを排出させて捕集する。
【００１２】
また、前記二次電池の発生ガス捕集方法において、前記置換ガスが、前記発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することが好ましい。
【００１３】
また、前記二次電池の発生ガス捕集方法において、前記置換ガスが、窒素ガスまたは希ガスから選択される少なくとも１つであることが好ましい。
【００１４】
また、前記二次電池の発生ガス捕集方法において、前記捕集対象ガスが、水素ガスまたは一酸化炭素のうち少なくとも１つであることが好ましい。
【００１５】
また、前記二次電池の発生ガス捕集方法において、前記二次電池が、リチウムイオン電池であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、二次電池において発生するガスを捕集する二次電池装置であって、前記二次電池の内部に置換ガスを流通させ、前記二次電池の内部から前記発生ガスを排出させる置換ガス流通手段と、前記発生ガスを捕集する発生ガス捕集手段と、を有する。
【００１７】
また、前記二次電池装置において、前記発生ガス捕集手段が、前記置換ガス流通手段及び前記二次電池の設置位置より上方に設置されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記二次電池装置において、前記発生ガス捕集手段が、着脱可能であることが好ましい。
【００１９】
また、前記二次電池装置において、前記置換ガスが、前記発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することが好ましい。
【００２０】
また、前記二次電池装置において、前記置換ガスが、窒素ガスまたは希ガスから選択される少なくとも１つであることが好ましい。
【００２１】
また、前記二次電池装置において、前記捕集対象ガスが、水素ガスまたは一酸化炭素のうち少なくとも１つであることが好ましい。
【００２２】
また、前記二次電池装置において、前記二次電池が、リチウムイオン電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、二次電池セルの内部に置換ガスを流通させて、二次電池セルの内部で発生したガスを排出させて捕集することにより、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されることによるセルの内圧上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２５】
本発明の実施形態に係る二次電池装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。二次電池装置１は、二次電池セル１０と、置換ガス流通手段である置換ガス供給ボンベ１２及び置換ガス流通管１４と、発生ガス捕集手段である発生ガス捕集器１６とを備える。図１では、二次電池セル１０は４つの二次電池セル１０Ａ〜１０Ｄにより構成されているが、セル数は必要な電力量に応じて任意に設定することができる。
【００２６】
図１の二次電池装置１において、置換ガス流通管１４は、二次電池セル１０Ｄの置換ガス排出口２２Ｄと二次電池セル１０Ａの置換ガス流入口２０Ａ、二次電池セル１０Ａの置換ガス排出口２２Ａと二次電池セル１０Ｂの置換ガス流入口２０Ｂ、二次電池セル１０Ｂの置換ガス排出口２２Ｂと二次電池セル１０Ｃの置換ガス流入口２０Ｃ、二次電池セル１０Ｃの置換ガス排出口２２Ｃと二次電池セル１０Ｄの置換ガス流入口２０Ｄ、をそれぞれ接続している。二次電池セル１０Ｄと二次電池セル１０Ａとの間の置換ガス流通管１４には置換ガスを循環させる置換ガス循環手段としても機能するポンプ２４が設置されており、二次電池セル１０Ｄの置換ガス排出口２２Ｄにはポンプ２４の吸入側がバルブ３２を介して、二次電池セル１０Ａの置換ガス流入口２０Ａにはポンプ２４の吐出側が接続されている。置換ガス供給ボンベ１２はバルブ１８を介して配管２６により、二次電池セル１０Ｄとポンプ２４との間の置換ガス流通管１４に接続されている。また、発生ガス捕集器１６はバルブ２８を介して配管３０により、二次電池セル１０Ｄと置換ガス供給ボンベ１２の接続部との間の置換ガス流通管１４に接続されている。ポンプ２４の配置位置、置換ガス供給ボンベ１２及び発生ガス捕集器１６の接続位置等はこれに制限されない。
【００２７】
本実施形態に係る二次電池の発生ガス捕集方法及び二次電池装置１の動作について図１を参照して説明する。
【００２８】
二次電池セル１０の停止時に、置換ガス供給ボンベ１２から供給された置換ガスは、バルブ１８が開、バルブ３２が閉の状態で置換ガス流通管１４に導入され、ポンプ２４により置換ガス流入口２０Ａから二次電池セル１０Ａ内部に導入される。二次電池セル１０Ａ内部に導入された置換ガスは、二次電池セル１０Ａ内部で発生した発生ガスを伴い、置換ガス排出口２２Ａから排出される。置換ガス排出口２２Ａから排出された置換ガスは、同様にして、二次電池セル１０Ｂ〜１０Ｄ内部で発生した発生ガスを伴って二次電池セル１０Ｂ〜１０Ｄの内部を通過した後、置換ガス排出口２２Ｄから排出され、バルブ２８が開の状態で発生ガス捕集器１６に捕集される。このとき、発生ガスを効率的に排出するために、所定量の置換ガスを置換ガス流通管１４に導入した後、バルブ３２を開、バルブ１８及び２８を閉の状態として置換ガスを置換ガス流通管１４内及び二次電池セル１０内を所定時間循環させた後、発生ガス捕集器１６に捕集することが好ましい。
【００２９】
捕集された置換ガスと発生ガスとの混合ガスは、発生ガス捕集器１６において、あるいは発生ガス捕集器１６に接続した他の気体分離装置等（図示せず）において、置換ガスと発生ガスとに分離され、分離された発生ガスは二次電池装置１の系外に排出される。一方、分離された置換ガスは、置換ガス供給ボンベ１２に供給され、再び置換ガスとして使用されてもよい。このように、置換ガスを用いて二次電池セル内部の発生ガスをセル外部に排出することにより、発生ガスがセル内部に蓄積することがほとんどなく排出することができる。
【００３０】
上述したように、置換ガスと発生ガスとの混合ガスは、発生ガス捕集器１６に捕集され、発生ガス捕集器１６において、あるいは発生ガス捕集器１６に接続した他の気体分離装置等において、置換ガスと発生ガスとに分離される。置換ガスと発生ガスとを分離する方法としては特に制限はないが、例えば、置換ガスと発生ガスとの質量差を利用して分離する方法、分離膜による方法、クロマト分離による方法等が挙げられる。このうち、質量差を利用して分離する方法が特別な装置を使用する必要がない点等で好ましい。
【００３１】
本実施形態において、置換ガスは、発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有することが好ましい。これにより、二次電池セル内部の発生ガス、特にセル下部に溜った発生ガスを置換ガスに置き換えて容易にセル外部に排出することができる。置換ガスが、発生ガス中の捕集対象ガスより小さい分子量を有する場合、セル内部下部に発生ガスが溜り易くなり、発生ガスをセル外部に排出することが困難になる場合がある。また、発生ガス捕集器１６において置換ガスと発生ガスとの質量差を利用して分離する場合、発生ガス中の捕集対象ガスが上方に集まることになる。
【００３２】
二次電池セルが例えばリチウムイオン電池である場合、通常使用時あるいは過充放電時に二次電池セル１０Ａ〜１０Ｄ内部で発生する発生ガスは、通常、水素（Ｈ２、分子量２．０１５８）、一酸化炭素（ＣＯ、分子量２８．０１０４）、二酸化炭素（ＣＯ２、分子量４４．００９８）や、メタン（ＣＨ４、分子量１６．０４２６）、エタン（Ｃ２Ｈ６、分子量３０．０６９４）、プロパン（Ｃ３Ｈ８、分子量４４．０９６２）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０、分子量５８．１２３）等の低分子炭化水素ガス等を主成分とする。これらのうち、例えば、捕集対象ガスを一酸化炭素（ＣＯ）としたとき、使用する置換ガスは一酸化炭素（ＣＯ）より大きい分子量を有するものを使用すればよい。
【００３３】
本実施形態において使用される置換ガスは、化学的に不活性なガスであればよく特に制限はないが、例えば、窒素ガス（Ｎ２、分子量２８．０１３４）や、ヘリウムガス（Ｈｅ、分子量４．００２６）、ネオンガス（Ｎｅ、分子量２０．１７９）、アルゴンガス（Ａｒ、分子量３９．９４８）、クリプトンガス（Ｋｒ、分子量８３．８０）、キセノンガス（Ｘｅ、分子量１３１．２９）、ラドンガス（Ｒｎ、分子量２２２）等の０族の希ガス等から選択される少なくとも１つが挙げられ、捕集対象ガスの分子量に応じて選択すればよい。これらのうち、コスト等の点から、窒素ガス及びアルゴンガスのうち少なくとも１つであることが好ましい。
【００３４】
捕集対象ガスを水素としたとき、使用する置換ガスは水素より大きい分子量を有する不活性ガス、例えばヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス等を用いればよく、捕集対象ガスを一酸化炭素としたとき、使用する置換ガスは一酸化炭素より大きい分子量を有する不活性ガス、例えばアルゴンガス、窒素ガス等を用いればよい。また、捕集対象ガスを水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、ブタンに複数としたとき、使用する置換ガスは、前記ガスのうち最も分子量の大きいブタンより大きい分子量を有する不活性ガス、例えばクリプトンガス、キセノンガス、ラドンガス等を用いればよい。
【００３５】
置換ガスと発生ガスとの質量差による分離を容易にするためには、置換ガスと発生ガスとの分子量の差が大きいことが好ましい。ただし、置換ガスと発生ガスとの分子量の差が小さい場合、例えば窒素ガスと一酸化炭素の場合でも、混合ガスを長時間放置することにより質量差による分離が可能である。
【００３６】
また、本実施形態において、発生ガス捕集器１６を二次電池セル１０の設置位置及び置換ガス流通手段である置換ガス流通管１４の設置位置より高い位置に設置することが好ましい。置換ガスを置換ガス流通管１４内に所定量供給した後、バルブ１８を閉、バルブ２８及び３２を開の状態としてポンプ２４により置換ガス流通管１４内及び二次電池セル１０内で置換ガスを循環させることにより、発生ガス捕集器１６において置換ガスより分子量の小さい発生ガスが上方に蓄積されてくるので、発生ガスの回収が容易になる。また、発生ガス捕集器１６において置換ガスより分子量の小さい発生ガスを蓄積して捕集するため、発生ガスを外部に放出することなく安全に回収することができる。
【００３７】
さらに、発生ガス捕集器１６は、二次電池装置１から着脱可能であることが好ましい。これにより、発生ガス捕集器１６に回収された発生ガスが発生ガス捕集器１６の容量近くになったら、発生ガス捕集器１６を取り外して、発生ガス捕集器１６ごと交換すればよい。発生ガス捕集器１６は定期的に交換しても良く、発生ガス捕集器１６にガスセンサ等の検知器を設置して捕集した発生ガスの量が一定量以上になったことを検知したら警告等を発し、交換しても良い。二次電池装置１を車両等に搭載した場合は、ＥＣＵ等の制御装置で二次電池装置１の動作を制御することができる。
【００３８】
また、本実施形態において、図２に示すように、発生ガス捕集器１６Ａ〜１６Ｄをそれぞれの二次電池セル１０Ａ〜１０Ｄに設置してもよい。この場合は、置換ガスを置換ガス流通管１４内に所定量供給し、必要に応じて系内を循環させた後、各発生ガス捕集器１６Ａ〜１６Ｄに集まってくる、置換ガスより分子量の小さい発生ガスを容易に回収することができる。
【００３９】
本実施形態における二次電池としては、特に制限はないが、リチウムを電解質イオンとして用いるリチウムイオン電池、リチウムポリマ電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等が挙げられる。リチウムイオン電池は一酸化炭素ガス等が発生する場合があるため、リチウムイオン電池により構成された二次電池に対して本実施形態に係る発生ガス捕集方法を用いることが好ましい。
【００４０】
リチウムイオン電池としては、例えば、負極に炭素、正極にコバルト酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物、電解質に炭酸エチレンや炭酸ジエチルなどの有機溶媒と六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩とを使用するものが挙げられるが、特に制限はない。
【００４１】
以上のような本実施形態に係る二次電池の発生ガス捕集方法及び二次電池装置により、通常使用時あるいは過放充電時における二次電池のセル内部の発生ガスを排出し、二次電池セル内部に発生ガスが蓄積されることによるセルの内圧上昇を抑制することができる。特に、発生ガス中の捕集対象ガスより大きい分子量を有する置換ガスを使用することによって、セル内部の下部に発生ガスが蓄積することを防止することができる。系内への置換ガスの流通、必要に応じて行う置換ガスの循環は、二次電池セルの停止ごとに、あるいは定期的に行えばよく、特に制限はない。また、系内への置換ガスの流通等は自動的に行ってもよく、ユーザ等の希望に応じて行ってもよい。
【００４２】
本実施形態に係る二次電池装置は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。また、本実施形態に係る二次電池の発生ガス捕集方法は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いられる二次電池において適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る二次電池装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る二次電池装置の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  二次電池装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ  二次電池セル、１２  置換ガス供給ボンベ、１４  置換ガス流通管、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ  発生ガス捕集器、１８，２８，３２  バルブ、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ  置換ガス流入口、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ  置換ガス排出口、２４  ポンプ、２６，３０  配管。
【図１】
2008004270.tif 000003
【図２】
2008004270.tif 000004