(57)【要約】【課題】過度の電圧が印加されることを抑制する単電池を提供する。【解決手段】複数の電池要素３５を含む積層体３８を外装体２２ｃに収容した全固体型の単電池２２であって、外装体２２の内部には不活性気体が充填されており、積層体３８の集電体３３ａと集電体３３ａよりも電位の低い集電体３３ｂとの間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、外装体２２の内部の放電領域５１において気体が電離して放電が生じるように形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池要素を含む蓄電部を外装体に収容した全固体型の単電池であって、
外装体の内部には、不活性気体が充填されており、
蓄電部は、第１の導電性部材と第１の導電性部材よりも電位の低い第２の導電性部材とを有し、
第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、外装体の内部において気体が電離して放電が生じるように形成されていることを特徴とする、単電池。
【請求項２】
第１の導電性部材に接続されている第１の放電電極と、
第２の導電性部材に接続されている第２の放電電極とを備え、
第１の放電電極と第２の放電電極との間の距離が、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の距離よりも小さくなるように形成されており、
第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、第１の放電電極と第２の放電電極との間で放電が生じる、請求項１に記載の単電池。
【請求項３】
外装体の内部に充填される気体は、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含む、請求項１または２に記載の単電池。
【請求項４】
充電が可能な蓄電部、蓄電部を収容する外装体、および外装体から突出する端子を含む単電池と、
少なくとも一つの単電池を内部に収容する容器とを備え、
容器の内部には、不活性気体が充填されており、
単電池の端子は、第１の端子と第１の端子よりも電位の低い第２の端子とを含み、
第１の端子と第２の端子との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、容器の内部において気体が電離して放電が生じるように形成されていることを特徴とする、蓄電装置。
【請求項５】
第１の端子に接続されている第１の放電電極と、
第２の端子に接続されている第２の放電電極とを備え、
第１の放電電極と第２の放電電極との間の距離が、第１の端子と第２の端子との間の距離よりも小さくなるように形成されており、
第１の端子と第２の端子との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、第１の放電電極と第２の放電電極との間で放電が生じる、請求項４に記載の蓄電装置。
【請求項６】
複数の単電池を備え、
１つの単電池の正極側の端子が第１の端子を構成し、他の単電池の負極側の端子が第２の端子を構成する、請求項４または５に記載の蓄電装置。
【請求項７】
容器は密閉可能に形成されている密閉容器を含み、
単電池の外装体は、外部から圧力が加わることにより変形可能に形成されており、
密閉容器の内部に充填されている気体は、大気圧よりも大きくなるように加圧されている、請求項４から６のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【請求項８】
単電池を収容する容器の内部に充填される気体は、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含む、請求項４から７のいずれか一項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池および単電池を備える蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術において、単電池を容器の内部に収容した蓄電装置が知られている。蓄電装置が複数個の単電池を有する場合には、複数個の単電池を並べて容器の内部に収容することが知られている。
【０００３】
単電池のうち二次電池は、充電および放電が可能であるために、近年急速に需要が拡大している。充電が可能な二次電池には、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、およびリチウムイオン電池などが含まれる。これらの二次電池は、充放電回路から電気を供給することにより充電することができるが、充電を過度に行なうと、いわゆる過充電の状態になり、性能劣化が生じる場合があるため、適切な制御が施された上で使用されている。例えば、リチウムイオン電池を過充電すると、電気容量の低下等の性能劣化が生じる場合がある。このように、二次電池は所定の範囲内で充電することが好ましい。
【０００４】
特開２００９−１５２１２９号公報においては、過充電検出回路が電池パックの温度を検出するためのサーミスタを含む電池パックが開示されている。この電池パックは、サーミスタによりリチウムイオン電池が所定の温度よりも高くなったことが検出された場合には、過充電検出回路において、過充電を検出するための閾値電圧を切り替えて、満充電となる前に過充電を検出することが開示されている。
【０００５】
また、特開平１１−５５８６６号公報においては、複数の単位セルを有するバッテリの充電装置において、バッテリの放電時に放電下限電圧に最も早く達する容量制限セルを検出し、また、充電時に充電上限電圧に最も早く達する上限電圧セルとして検出する。そして、容量制限セルと上限電圧セルとが等しいと判断した場合には、上限電圧セルの端子電圧が充電上限電圧を超えないように制御しながら充電を行なうことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１５２１２９号公報
【特許文献２】特開平１１−５５８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
二次電池や充電装置には、充電時に電池が過充電の状態にならないように、充電を遮断するための保護回路が配置されている。過充電防止の保護回路には様々な種類の回路が提案されている。たとえば上記の特開２００９−１５２１２９号公報に開示されているように、電池パックの内部に保護回路を設け、温度が高くなったことを検出して、過充電を回避することが知られている。このような過充電を防止する保護回路は、保護回路を制御するための制御ＩＣ（集積回路）や制御スイッチなどが必要であり、また、二次電池の未使用時においても、保護回路には待機電流が流れるために、蓄電されている電気の容量が減少したり、電池の寿命が短くなったりするという問題がある。また、二次電池の充電装置の保護回路の故障等により、電池に対して過度の電圧が印加される場合には、電池の性能が低下するという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、過度の電圧が印加されることを抑制する単電池および蓄電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の単電池は、複数の電池要素を含む蓄電部を外装体に収容した全固体型の単電池であって、外装体の内部には、不活性気体が充填されており、蓄電部は、第１の導電性部材と第１の導電性部材よりも電位の低い第２の導電性部材とを有する。第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、外装体の内部において気体が電離して放電が生じるように形成されている。
【００１０】
上記発明においては、第１の導電性部材に接続されている第１の放電電極と、第２の導電性部材に接続されている第２の放電電極とを備え、第１の放電電極と第２の放電電極との間の距離が、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の距離よりも小さくなるように形成されており、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、第１の放電電極と第２の放電電極との間で放電が生じることが好ましい。
【００１１】
上記発明においては、外装体の内部に充填される気体は、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含むことができる。
【００１２】
本発明の蓄電装置は、充電が可能な蓄電部、蓄電部を収容する外装体、および外装体から突出する端子を含む単電池と、少なくとも一つの単電池を内部に収容する容器とを備える。容器の内部には、不活性気体が充填されている。単電池の端子は、第１の端子と第１の端子よりも電位の低い第２の端子とを含み、第１の端子と第２の端子との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、容器の内部において気体が電離して放電が生じるように形成されている。
【００１３】
上記発明においては、第１の端子に接続されている第１の放電電極と、第２の端子に接続されている第２の放電電極とを備え、第１の放電電極と第２の放電電極との間の距離が、第１の端子と第２の端子との間の距離よりも小さくなるように形成されており、第１の端子と第２の端子との間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に、第１の放電電極と第２の放電電極との間で放電が生じることが好ましい。
【００１４】
上記発明においては、複数の単電池を備え、１つの単電池の正極側の端子が第１の端子を構成し、他の単電池の負極側の端子が第２の端子を構成することができる。
【００１５】
上記発明においては、容器は密閉可能に形成されている密閉容器を含み、単電池の外装体は、外部から圧力が加わることにより変形可能に形成されており、密閉容器の内部に充填されている気体は、大気圧よりも大きくなるように加圧されていることが好ましい。
【００１６】
上記発明においては、単電池を収容する容器の内部に充填される気体は、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含むことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、過度の電圧が印加されることを抑制する単電池および蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１における第１の単電池の概略断面図である。
【図２】実施の形態１における第１の単電池の概略斜視図である。
【図３】実施の形態１における第１の単電池の内部の積層体の拡大概略断面図である。
【図４】平行平板の電極同士の距離および圧力に対する放電電圧を説明するグラフである。
【図５】実施の形態１における第２の単電池の概略断面図である。
【図６】実施の形態１における第２の単電池の内部の積層体の拡大概略断面図である。
【図７】実施の形態１における第３の単電池の概略断面図である。
【図８】実施の形態１における第４の単電池の概略断面図である。
【図９】実施の形態１における第５の単電池の概略断面図である。
【図１０】実施の形態１における第６の単電池の概略断面図である。
【図１１】実施の形態２における第１の蓄電装置の概略断面図である。
【図１２】実施の形態２における第１の蓄電装置の単電池の概略斜視図である。
【図１３】実施の形態２における第１の蓄電装置の単電池の概略断面図である。
【図１４】実施の形態２における第２の蓄電装置の概略断面図である。
【図１５】実施の形態２における第３の蓄電装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１から図１０を参照して、実施の形態１における単電池および蓄電装置について説明する。本実施の形態における蓄電装置は、電池セルとしての単電池と単電池を収容する容器とを備える。
【００２０】
図１に、本実施の形態における単電池の概略断面図を示す。本実施の形態においては、充電が可能な二次電池のうち、リチウムイオン電池を例示して説明する。本実施の形態における単電池２２は、電池要素３５を有し、蓄電が可能な蓄電部を含む。本実施の形態における蓄電部は、複数の電池要素３５が積層された積層体３８により構成されている。積層体３８は、外部の装置との接続を行うための端子２２ａ，２２ｂに接続されている。単電池２２は、積層体３８を内部に収容する外装体２２ｃを備える。端子２２ａ，２２ｂは、外装体２２ｃから突出するように形成されている。
【００２１】
図２に、本実施の形態における単電池の概略斜視図を示す。図１および図２を参照して、本実施の形態における単電池２２は、直方体状に形成されている。端子２２ａ，２２ｂは、電気の導通を行う部分である。端子２２ａが正極であり、端子２２ｂが負極である。それぞれの端子２２ａ，２２ｂは、充放電回路４０に接続されている。
【００２２】
外装体２２ｃは、内部の気体を密閉可能に形成されている。本実施の形態における外装体２２ｃは、アルミニウム等の金属で形成されている。外装体２２ｃとしては、この形態に限られず、内部の気体を密閉可能な材質にて形成することができる。
【００２３】
図３に、本実施の形態における単電池の積層体の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における積層体３８は、複数の電池要素３５が積層されることにより、電気的に直列に接続されている。電池要素３５は、正極層３０と、負極層３１と、正極層３０および負極層３１の間に介在する電解質層３２とを有する。また、電池要素３５は、集電体３３を有する。図３に示す積層体３８では、正極層３０、負極層３１および電解質層３２が集電体３３を介して積層されている。
【００２４】
本実施の形態における単電池２２は、全固体型電池である。本実施の形態における正極層３０、負極層３１および電解質層３２は、それぞれの層が固体である。本実施の形態においては、それぞれの層が粉体により形成されている。本実施の形態における正極層３０、負極層３１および電解質層３２は、たとえば材料となる粉末をプレス機により圧縮することにより形成することができる。
【００２５】
正極層３０は、粒子状の正極活物質を有する。正極活物質としては、全固体電池に採用可能な任意の物質を採用することができる。正極活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ２またはＬｉＮｉＯ２などのリチウムおよび遷移金属の層状複合酸化物の粉末、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのスピネル型の粉末、またはＬｉＦｅＰＯ４などのオリビン型の粉末等を用いることができる。負極層３１は、粒子状の負極活物質を有する。負極活物質としては、全固体電池に採用可能な任意の物質を採用することができる。負極活物質としては、例えば、Ｉｎ粉末、Ａｌ粉末などの金属系およびＳｉ等の半金属系の活物質や、メソカーボンマイクロビーズ粉末などの炭素系の活物質を用いることができる。また、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３等の酸化物も負極活物質として用いることができる。
【００２６】
電解質層は、イオン導電性を有する粒子状の固体電解質を有する。固体電解質としては、全固体電池に採用可能な任意の物質を採用することができる。本実施の形態における固体電解質としては、たとえば、硫化物系の固体電解質または酸化物系の固体電解質等を用いることができる。硫化物系の固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、またはＬｉ２Ｓ−ＧｅＳ２等を用いることができる。酸化物系の固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｏ５等を用いることができる。また、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３、Ｌｉ２．９ＰＯ３．３Ｎ０．４６等も用いることができる。
【００２７】
固体電解質は、硫化物系や酸化物系等の無機固体電解質に限られずに、有機高分子電解質を採用することができる。全固体電池に採用される有機高分子電解質としては、真性ポリマーと称される完全に固化した電解質を用いることが好ましい。または、有機高分子電解質としては、ゲル状の固体電解質でも構わない。有機高分子電解質としては、たとえば、リチウム塩を含むポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、またはポリアクリロニトリル等を例示することができる。
【００２８】
積層体３８のそれぞれの正極層３０および負極層３１の外側には、集電体３３が配置されている。本実施の形態における集電体３３は、金属箔により形成されている。集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル、チタン、または白金などの材質を用いることができる。また、表面を修飾した集電体等を用いることができる。
【００２９】
本実施の形態の全固体電池においては、正極層、負極層および電解質層が粉体を圧縮することにより形成されているが、この形態に限られず、全固体電池は、それぞれの層が固体であれば構わない。たとえば、材料となる粉体を焼結して一体化することによりそれぞれの層を形成しても構わない。または、それぞれの層はポリマー（樹脂）により形成されていても構わない。また、正極層および負極層は、活物質の他に、固体電解質、導電助剤、および結着材等が含まれていても構わない。また、電解質層は、固体電解質の他に結着材等が含まれていても構わない。
【００３０】
単電池の蓄電部としては、直方体状の積層体に限られず、任意の形状のものを採用することができる。たとえば、正極層、負極層および電解質層の積層体が帯状に形成され、この帯状の積層体が巻回されたものが外装体の内部に配置されていても構わない。
【００３１】
図１を参照して、本実施の形態における積層体３８は、積層体３８の正極側の端部に配置されている集電体３３ａと、負極側の端部に配置されている集電体３３ｂとを有する。集電体３３ａは、外部の装置に接続される正極の端子２２ａに接続されている。集電体３３ｂは、外部の装置に接続される負極の端子２２ｂに接続されている。
【００３２】
本実施の形態における積層体３８の一方の端部に配置されている集電体３３ａは、放電を生じさせるための第１の導電性部材として機能する。また、積層体３８の他方の端部に配置されている集電体３３ｂは、放電を生じさせるための第１の導電性部材よりも電位の低い第２の導電性部材として機能する。
【００３３】
本実施の形態における単電池２２は、外装体２２ｃの内部にて気体が電離して放電を生じさせるための気体が充填されている。外装体２２ｃの内部に充填される気体としては不活性気体を例示することができる。たとえば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガスおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含む気体を例示することができる。アルゴン等の気体は、放電が生じやすい気体であり、また、不活性気体であるために、放電が生じて電離気体が形成されたとしても活性物質等が生じにくく、放電により他の部材に悪影響を及ぼすことを抑制することができる。
【００３４】
外装体２２ｃの内部の圧力については、外装体２２ｃの内部の気圧が高くなりすぎると、内部の圧力に耐えるために外装体２２ｃを強固に形成する必要性が生じる。または、外装体２２ｃが大型になる。このために、外装体２２ｃの内部に充填する気体の圧力は、たとえば１０気圧以下であることが好ましい。
【００３５】
本実施の形態においては、単電池２２の外部に配置されている充放電回路４０により、端子２２ａおよび端子２２ｂとの間に電圧を印加して単電池２２を充電する。本実施の形態においては、充放電回路４０により定電流充電を行なう。すなわち、充電するときの電流値がほぼ一定になるように単電池２２に電気を供給する。
【００３６】
充電の開始時等の単電池２２に残留する電気の容量が少ない場合には、端子２２ａと端子２２ｂとの間の電圧（電位差）は小さい状態である。単電池２２が充電されて蓄電されている容量が大きくなるに従って、端子２２ａと端子２２ｂとの間の電圧が上昇する。単電池２２の端子２２ａと端子２２ｂとの間の電圧が、予め定められた上限電圧に達したときに充電を終了することができる。例えば、電気の容量が予め定められた容量に達したときの電圧を、充電を終了するための上限電圧に設定することができる。
【００３７】
外装体２２ｃの内部においては、充電に伴って集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の電圧が上昇する。本実施の形態における単電池２２は、集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の電圧が、充電を終了するための上限電圧を超えると、外装体２２ｃの内部において、絶縁破壊が生じて放電が生じるように形成されている。本実施の形態においては、集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の気体が電離して放電が生じ、電離気体５０が生成される。集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の領域が放電領域５１になる。本実施の形態における放電は、例えば火花放電である。
【００３８】
外装体２２ｃの内部で放電が生じることにより、集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の電圧上昇を抑制することができる。単電池２２が予め定められた電気容量を超えて充電されることを抑制することができる。すなわち、過充電を抑制することができる。または、外部の充放電回路４０が故障した場合などに、単電池２２の端子２２ａ，２２ｂに大きな電圧が印加される場合がある。このような場合においても、蓄電部としての積層体３８に大きな電圧が印加されることを抑制し、積層体３８を保護することができる。本実施の形態における単電池は、電子制御によらずに単電池に過度の電圧が印加されることを抑制することができる。
【００３９】
また、単電池に過充電を防止する保護回路を設けた場合には、単電池の未使用時においても保護回路には待機電流が流れる。このために、単電池に蓄電されている電気の容量が減少したり、充電および放電の回数が増加するために電池の寿命が短くなったりする。本実施の形態の単電池では、未使用時には放電が生じないために、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間に電流が流れることを回避できる。すなわち、単電池に蓄電されている電気容量が減少したり、単電池の寿命が短くなったりすることを抑制できる。
【００４０】
さらに、電解質層が液体の場合には、レドックスシャトル剤を添加する方法または重合剤を添加する方法等により過充電を抑制することが可能であるが、全固体電池では電解質層が固体であるために、このような方法を適用することが困難である。しかしながら、本実施の形態のように、外装体の内部において放電を生じさせることにより、全固体電池に過充電等を抑制する機能を持たせることができる。
【００４１】
図１に示す例においては、電離気体５０が生成される領域としての放電領域５１は、積層体３８の側方に配置されているが、この形態に限られず、放電領域５１は、積層体３８の内部であっても構わない。すなわち、積層体３８の内部にて放電が生じても構わない。
【００４２】
次に、外装体２２ｃの内部において、予め定められた上限電圧にて放電を生じさせるための構成について説明する。本実施の形態の単電池２２は、集電体３３ａ，３３ｂ同士の間の電圧が予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に放電が生じるように、外装体２２ｃの内部の気体の圧力および気体の種類が選定されている。
【００４３】
図４は、放電を生じさせる電極同士の距離および気体の圧力と、放電が生じる電圧との関係を説明するグラフである。図４のグラフは、パッシェンの法則に基づくグラフであり、所定の気体の雰囲気中に平行平板の電極を配置したときの放電電圧を説明している。
【００４４】
横軸は、平行平板の電極同士の間の距離ｄに電極が配置されている空間の気圧ｐを乗じた値を示している。変数ｐｄが大きな値から減少すると放電が生じる電圧Ｖｉが減少するが、所定値の値未満においては、変数ｐｄが減少するほど放電が生じる電圧Ｖｉが増加することが分かる。たとえば、電極間同士の距離ｄが一定の場合には、大気圧から所定の気圧までは、圧力が減少するほど放電を生じさせるために必要な電圧Ｖｉは減少する。所定の気圧未満では、圧力が減少するほど、放電を生じさせるために必要な電圧Ｖｉが上昇する。
【００４５】
放電を生じさせる気体を変更した場合においても、変数ｐｄを変化させると同様の傾向を示すが、放電を生じさせるために必要な電圧Ｖｉの大きさが変化する。このように、例えば、外装体の内部に充填する気体の種類を変更したり、外装体の内部に充填する気圧を変更したりすることにより、放電が生じるときの電圧を調整することができる。更に、後述する様に、放電が生じる電極同士の距離を変更したり、放電が生じる電極の形状や材質を変更したりすることにより、放電が生じる電圧Ｖｉを調整することができる。
【００４６】
図５に、本実施の形態における第２の単電池の概略断面図を示す。第２の単電池２２は、複数の電池要素３５を含む積層体３８を有する。積層体３８においては、電池要素３５同士が接続部材３６により電気的に接続されている。
【００４７】
図６に、本実施の形態における第２の単電池の積層体の拡大概略断面図を示す。第２の単電池の電池要素３５は、正極層３０、負極層３１および電解質層３２の両側に配置されている集電体３３を有する。１つの電池要素３５の負極側の集電体３３と、他の電池要素３５の正極側の集電体３３とが接続部材３６により接続されている。本実施の形態においては、複数の電池要素３５が電気的に直列に接続されている。電池要素３５の接続方法については、直列に限られず、少なくとも一部の電池要素３５が並列に接続されていても構わない。このように、蓄電部としての積層体３８は、複数の電池要素３５が接続部材３６により電気的に接続されていても構わない。
【００４８】
図５を参照して、本実施の形態における第２の単電池２２においても、積層体３８の正極側の端部に配置されている集電体３３ａと、積層体３８の負極側の端部に配置されている集電体３３ｂとの間の電圧が予め定められた上限電圧を超えた場合に放電領域５１において放電を生じさせることができる。この結果、過充電を抑制したり、過度の電圧が積層体に印加されることを抑制したりすることができる。
【００４９】
図７に、本実施の形態における第３の単電池の概略断面図を示す。第３の単電池は、第１の導電性部材としての集電体３３ａに接続されている第１の放電電極３７ａと、第２の導電性部材としての集電体３３ｂに接続されている第２の放電電極３７ｂとを備える。第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの間の距離は、正極側の集電体３３ａと負極側の集電体３３ｂとの間の距離よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態における第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂは、棒状に形成されている。第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとは、先端部が互いに対向するように形成されている。
【００５０】
放電電極３７ａ，３７ｂは、放電時の熱によっても変形を抑制する任意の材質にて形成することができる。例えば、放電電極の材質としては、鉄、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、銅、白金、またはタングステン等を採用することができる。本実施の形態における放電電極３７ａ，３７ｂは、互いに対向する先端部が尖るように形成されている。このように、放電電極の先端部を細くすることにより、放電を生じ易くすることができる。放電電極の形状としては、この形態に限られず、板状、針状、柱状、または球状などの任意の形状を採用することができる。
【００５１】
本実施の形態の第３の単電池においては、第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとに挟まれる領域にて優先的に放電を生じさせることができる。第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの間の領域を放電領域５１に設定することができる。このために、放電を生じさせる電極同士の間隔を任意に調整することができる。放電電極３７ａ，３７ｂ同士の距離は、予め定められた所望の電圧にて放電が生じる様に設定することができる。また、放電を生じさせる位置を任意に設定することができるために、放電領域５１と積層体３８との間の距離を大きくすることができる。このために、放電に伴う熱や電磁波の積層体３８に対する影響を軽減することができる。さらに、積層体３８を任意の厚さで形成することができる。たとえば、電池要素３５の積層数を多くすることができて、積層体３８を厚く形成することができる。積層体３８を厚く形成することにより、単電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【００５２】
本実施の形態の第３の単電池においては、外装体２２ｃの内部に充填される気体の種類や気圧に加えて、放電電極３７ａ，３７ｂの材質、放電電極３７ａ，３７ｂ同士の間の距離、および放電電極３７ａ，３７ｂの形状を選定することにより、蓄電部の上限電圧などに基づいた所望の電圧にて放電を生じさせることができる。
【００５３】
例えば、電池要素３５を３８個の直列に接続した積層体３８を備え、外装体２２ｃの内部に充填する気体として乾燥アルゴンを用いて、外装体２２ｃの内部の気圧を１気圧に設定する。放電電極３７ａ，３７ｂとして平行平板の電極を採用し、１つの電池要素３５に印加される上限電圧を約５Ｖとした場合には、積層体３８の集電体３３ａ，３３ｂに印加できる上限電圧を約１９０Ｖに設定することができる。この場合には、第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの距離を１５．８μｍにすることにより、放電電極３７ａ，３７ｂ同士の間の領域で放電が生じる電圧を１９２Ｖに設定することができる。このために、たとえば、充電中に集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の電圧が、約１９０Ｖを越えた場合には、放電領域５１にて放電が生じて過充電を回避することができる。
【００５４】
図８に、本実施の形態における第４の単電池の概略断面図を示す。本実施の形態の第３の単電池においては、積層体３８の側方のうち一方の側に放電電極３７ａ，３７ｂを配置している。これに対して、本実施の形態の第４の単電池においては、積層体３８の側方のうち、両側に放電電極３７ａ，３７ｂが配置されている。このように、複数の箇所に放電電極を配置することができる。この構成により、所望の電圧になったときに、より確実に放電を生じさせることができる。
【００５５】
図９に、本実施の形態における第５の単電池の概略断面図を示す。本実施の形態の第５の単電池においては、積層体３８の積層方向のほぼ中央の集電体３３ｃが、側方に延びている。積層体３８の正極側の集電体３３ａには、放電電極３７ａが接続されている。この放電電極３７ａと集電体３３ｃとが近接して対向している。集電体３３ａに接続されている放電電極３７ａと、集電体３３ｃとの間に放電領域５１を形成することができる。この放電部分においては、集電体３３ａが第１の導電性部材として機能し、集電体３３ｃが第２の導電性部材として機能する。
【００５６】
また、集電体３３ｃには放電電極３７ａが接続されている。この放電電極３７ａと、負極側の集電体３３ｂとが近接して対向している。集電体３３ｃに接続されている放電電極３７ａと、集電体３３ｂとの間に放電領域５１を形成することができる。この放電部分においては、集電体３３ｃが第１の導電性部材として機能し、集電体３３ｂが第２の導電性部材として機能する。本実施の形態の第５の単電池においては、一つの放電部分においては集電体３３ｃが第２の導電性部材として機能し、さらに、他の放電部分においては集電体３３ｃが第１の導電性部材として機能する。
【００５７】
このように、第５の単電池においては、積層体の積層方向の端部と積層方向の途中の箇所との間において放電が生じるように形成されている。積層体３８の端部の集電体３３ａ，３３ｂと、積層体３８の途中の集電体３３ｃとの間の電圧が予め定められた上限電圧よりも高くなった場合に、放電が生じるように形成されている。
【００５８】
本実施の形態の第５の単電池においては、集電体３３ａに放電電極３７ａが接続され、集電体３３ｃに放電電極３７ａが接続されているが、この形態に限られず、それぞれの放電電極３７ａが配置されてなくても構わない。この場合においても、集電体３３ａと集電体３３ｃとの間の領域、および集電体３３ｃと集電体３３ｂとの間の領域にて放電を生じさせることができる。
【００５９】
図１０に、本実施の形態における第６の単電池の概略断面図を示す。前述の放電電極においては、集電体から棒状の導電性部材が突出しているが、第６の単電池の放電電極３７ａ，３７ｂは、それぞれの集電体３３ａ，３３ｂが延長されている形状を有している。平板状の集電体３３ａに放電電極３７ａが接続され、平板状の集電体３３ｂに放電電極３７ｂが接続されている。それぞれの放電電極３７ａ，３７ｂは、板状に形成されている。第６の単電池の放電電極３７ａ，３７ｂは、それぞれの集電体３３ａ，３３ｂが延びる形状を有している。放電電極３７ａ，３７ｂのそれぞれの先端部は、互いに対向するように近接して配置されており、放電領域５１が形成されている。集電体３３ａと集電体３３ｂとの間の電圧が、所望の上限電圧を超えたときに放電領域５１において放電を生じさせることができる。
【００６０】
本実施の形態においては、単電池として全固体電池のうちリチウムイオン電池を例示して説明したが、この形態に限られず、任意の全固体二次電池に本発明を適用することができる。たとえば、リチウムイオンの代わりに、プロトン、ナトリウムイオン、アルミニウムイオン、銅イオン、マグネシウムイオン、またはカルシウムイオン等の他のイオンが移動するロッキングチェア型二次電池に本発明を適用することができる。または、リザーブ型二次電池に本発明を適用することもできる。
【００６１】
（実施の形態２）
図１１から図１５を参照して、実施の形態２における単電池および蓄電装置について説明する。本実施の形態における蓄電装置は、単電池の外部にて気体が電離して放電が生じる構成を備える。
【００６２】
図１１に、本実施の形態における第１の蓄電装置の概略断面図を示す。図１２に、本実施の形態における第１の蓄電装置の単電池の概略斜視図を示す。図１１および図１２を参照して、本実施の形態における蓄電装置は、単電池２２を内部に収容する容器としての密閉容器２４を含む。密閉容器２４は、内部が密閉可能に形成されている。
【００６３】
本実施の形態の蓄電装置は、密閉容器２４の内部に加圧された気体が充填されている。本実施の形態においては、大気圧よりも高い圧力で気体が充填されている。密閉容器２４の内部に充填する気体としては、化学的に不活性であり、放電が生じても活性物質が生じない気体であることが好ましい。密閉容器２４の内部に充填される気体としては、不活性気体を例示することができる。たとえば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガスおよび窒素のうち少なくとも一つの気体を含む気体を例示することができる。
【００６４】
単電池２２は、正極の端子２２ａと負極の端子２２ｂとを有する。正極の端子２２ａと負極の端子２２ｂとは、互いに近接して配置されている。また、本実施の形態における単電池２２の端子２２ａ，２２ｂは、板状に形成されている。端子２２ａ，２２ｂの形状としては、この形態に限られず、任意の形状を採用することができる。端子２２ａ，２２ｂは、充放電回路４０に接続されている。本実施の形態における単電池２２は直方体状であるが、この形態に限られず、任意の形状を採用することができる。
【００６５】
本実施の形態における単電池２２の外装体２２ｃは、外部から圧力が加わることにより変形可能な材質で形成されている。本実施の形態における外装体２２ｃは、アルミニウムラミネートフィルムで形成されている。外装体２２ｃとしては、この形態に限られず、外部から圧力が加わったときに変形可能な任意の材質を採用することができる。
【００６６】
外部から圧力が加わったときに変形可能な材質としては、例えば、高分子フィルム、金属フィルム、または高分子フィルムと金属フィルムとが積層された複合積層フィルム等を採用することができる。高分子フィルムの材質としては、ポリエチレン、ナイロン、またはポリプロピレン等を例示することができる。金属フィルムの材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、またはニッケル等を例示することができる。
【００６７】
図１３に、本実施の形態における単電池の拡大概略断面図を示す。本実施の形態における単電池は、全固体型のリチウムイオン電池である。図１３は、単電池２２の端子２２ａ，２２ｂが配置されている側の端部の概略断面図である。正極側の端子２２ａは、積層体３８の正極側の端部の集電体３３ａに接続されている。また、負極側の端子２２ｂは、積層体３８の負極側の端部の集電体３３ｂに接続されている。
【００６８】
図１１および図１３を参照して、本実施の形態の第１の蓄電装置においては、単電池２２が、放電可能な気体が内部に充填されている密閉容器２４に収容されている。単電池２２の正極側の端子２２ａと負極側の端子２２ｂとの間の電圧が、予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合には、端子２２ａ，２２ｂ同士の間で放電が生じるように形成されている。本実施の形態においては、単電池２２の外装体２２ｃの外側の放電領域５１にて気体が電離して放電が生じるように形成されている。
【００６９】
密閉容器２４の内部に充填されている気体の種類、気圧、および正極側の端子２２ａと負極側の端子２２ｂとの距離は、予め定められた所望の電圧にて放電が生じるように設定されている。また、外装体２２ｃの内部に充填される気体は、外装体２２ｃの外部に充填される気体よりも放電が生じにくい気体の種類および気圧が選定されていることが好ましい。
【００７０】
本実施の形態の第１の蓄電装置は、単電池２２の正極側の端子２２ａが第１の端子として機能する。また、負極側の端子２２ｂが、第１の端子よりも電位の低い第２の端子として機能する。端子同士の間の電圧が予め定められた上限電圧を超えた場合に、密閉容器２４の内部にて放電が生じる。このために、例えば充電を行っている期間中に、端子２２ａ，２２ｂ同士の間の電圧が蓄電装置の上限電圧に到達したときに、放電領域５１にて放電が生じて過充電を抑制することができる。または、外部の充放電回路４０が故障した場合等に、単電池２２の端子２２ａ，２２ｂに大きな電圧が印加される場合がある。このような場合においても、単電池２２の内部の蓄電部に大きな電圧が印加されることを抑制し、単電池を保護することができる。
【００７１】
本実施の形態における蓄電装置は、密閉容器２４の内部に加圧した気体を充填することが好ましい。例えば、密閉容器２４の内部の気圧を１気圧よりも高くすることが好ましい。単電池２２の内部の正極層または負極層に含まれる活物質は、充電および放電を繰り返すことにより膨張したり収縮したりする。正極層または負極層が膨張したり収縮したりすると、それぞれの層に亀裂が生じたり、それぞれの層同士の界面での抵抗が増加する場合がある。密閉容器２４の内部に加圧した気体を充填することにより、単電池２２を気体にて加圧することができる。単電池２２を気体により加圧することにより、それぞれの層に亀裂が生じたり界面抵抗が増加したりすることを抑制できる。すなわち、単電池の性能が低下することを抑制できる。
【００７２】
一方で、密閉容器２４の内部の圧力を高くしすぎると、密閉容器２４を強固な構造にしなければならなくなる。または、密閉容器２４が大型になる。密閉容器２４の内部に充填する気体の圧力は、例えば１０気圧以下であることが好ましい。また、密閉容器２４の内部に充填する気体は、密閉容器２４の内部の高い圧力においても液化しないことが好ましい。たとえば、圧力が１０気圧になっても液化しない気体が好ましい。
【００７３】
更には、密閉容器２４の内部の気体を循環するための循環装置を密閉容器に接続することが好ましい。密閉容器２４の内部の気体を循環させることにより、単電池２２を効率よく冷却することができる。また、単電池２２の熱は、密閉容器２４の内部に充填される気体を介して放熱されるために、密閉容器２４の内部に充填する気体は、熱伝導率の高い気体を選定することが好ましい。
【００７４】
図１４に、本実施の形態における第２の蓄電装置の概略断面図を示す。本実施の形態の第２の蓄電装置は、複数の単電池２２を含む。密閉容器２４には、複数の単電池２２が収容されている。複数の単電池２２は、互いに電気的に接続されている。第２の蓄電装置は、図１２に示す単電池２２と、正極側の端子２２ａが外装体の一方の側から突出し、負極側の端子２２ｂが外装体の他方の側から突出している単電池２２とを備える。
【００７５】
本実施の形態の第２の蓄電装置においては、それぞれの単電池２２が、電気的に直列に接続されている。１つの単電池２２の正極側の端子２２ａが、互いに隣り合う他の単電池２２の負極側の端子２２ｂに接続されている。また、本実施の形態の第２の蓄電装置においては、単電池２２の積層体が構成されている。単電池２２の積層体は、密閉容器２４の内部に収容されている。
【００７６】
本実施の形態の第２の蓄電装置においては、単電池２２の積層体の一方の端部に配置されている単電池２２の端子２２ａが第１の端子を構成する。また、単電池２２の積層体の他方の端部に配置されている単電池２２の端子２２ｂが第２の端子を構成する。この第１の端子２２ａと第２の端子２２ｂとの間の電圧が予め定められた上限電圧よりも大きくなった場合に放電が生じる。密閉容器２４の内部の放電領域５１にて放電を生じさせることができる。このように、複数の単電池２２を備える蓄電装置においても、密閉容器の内部に放電領域を形成して放電を生じさせることにより、過充電等を抑制することができる。また、複数の単電池２２の外部にて放電が生じるために、それぞれの単電池２２の内部の蓄電部に対して、過度の電圧が印加されることを抑制できる。
【００７７】
図１５に、本実施の形態における第３の蓄電装置の概略断面図を示す。第３の蓄電装置においては、第１の端子としての１つの単電池２２の端子２２ａに接続されている第１の放電電極３７ａと、第２の端子としての他の単電池２２の端子２２ｂに接続されている第２の放電電極３７ｂとを有する。第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの間の距離は、第１の端子としての端子２２ａと第２の端子としての端子２２ｂとの間の距離よりも小さくなるように形成されている。本実施の形態の第２の蓄電装置においては、第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの間で気体が電離して放電が生じる。第１の放電電極３７ａと第２の放電電極３７ｂとの間に放電領域５１が形成される。
【００７８】
放電が生じた場合には、熱や電磁波が発生する。密閉容器２４の内部に放電電極３７ａ，３７ｂを配置することにより、放電が生じる場所を特定することができる。放電のときに生じる熱や電磁波が単電池２２に悪影響を及ぼすことを抑制できる。また、放電電極３７ａ，３７ｂを配置することにより、密閉容器２４の内部において、単電池２２を任意の位置に配置することができる。または、多くの単電池２２を配置したり積層したりすることができる。このために、蓄電装置のエネルギー密度を向上させることができる。
【００７９】
放電電極３７ａと放電電極３７ｂとの間の距離は、密閉容器２４の内部に充填される気体の種類、気圧、放電電極の形状、および放電電極の材質等に基づいて、予め定められた上限電圧にて放電が生じるように設定することができる。
【００８０】
例えば、単電池２２として、アルミニウムラミネートフィルムで密封され、１つの単電池２２の端子２２ａ，２２ｂ同士の電圧が５Ｖにて過充電となるリチウムイオン電池を準備する。このリチウムイオン電池を、３８個直列に接続して密閉容器２４の内部に収容して蓄電装置を形成する。また、密閉容器２４の内部を２気圧の乾燥アルゴンで充填する。加圧した気体を密閉容器２４の内部に充填することにより単電池２２を加圧することができる。また、密閉容器２４の内部に、平行平板電極の形態で第１の放電電極および第２の放電電極を配置し、第１の放電電極と第２の放電電極との間の距離を約７．９μｍに設定する。
【００８１】
この蓄電装置に対して、端子２２ａと端子２２ｂとの間に、例えば、約１９２Ｖの電圧が印加されると、放電電極３７ａ，３７ｂ同士の間で放電が生じて、端子２２ａと端子２２ｂとの間に過度の電圧が印加されることを抑制できる。また、蓄電装置の過充電を抑制することができる。すなわち、１つの単電池に約５Ｖより大きな電圧が印加されることを抑制することができるために、過充電を抑制することができる。
【００８２】
本実施の形態における単電池の外装体は、外部から圧力が加わったときに変形可能な材質にて形成されているが、この形態に限られず、外部から圧力が加わっても変形しない材質を採用しても構わない。また、本実施の形態における蓄電装置の容器は、内部が密閉可能に形成されているが、この形態に限られず、単電池の周りに放電を生じさせる気体の雰囲気を形成可能な任意の容器を採用することができる。
【００８３】
本実施の形態における単電池は、リチウムイオン電池を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、二次電池であれば、任意の電池を採用することができる。また、本実施の形態におけるリチウムイオン電池は、電解質が固体である全固体電池を例示したが、この形態に限られず、正極層と負極層との間に配置される電解質が液体であっても構わない。また、正極層と負極層との間にセパレータ等が配置されていても構わない。
【００８４】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００８５】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【００８６】
２２    単電池
２２ａ，２２ｂ    端子
２２ｃ    外装体
２４    密閉容器
３０    正極層
３１    負極層
３２    電界質層
３３，３３ａ，３３ｂ    集電体
３５    電池要素
３６    接続部材
３７ａ，３７ｂ    放電電極
３８    積層体
４０    充放電回路
５０    電離気体
５１    放電領域
【図１】
2013093135.tif 000003
【図２】
2013093135.tif 000004
【図３】
2013093135.tif 000005
【図４】
2013093135.tif 000006
【図５】
2013093135.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013093135.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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