(57)【要約】【課題】溶融塩組電池において、ヒータを加熱するための電気エネルギーを低減する構造を提供する。【解決手段】本発明の閉鎖型溶融塩組電池は、溶融塩組電池Ｂ１と、溶融塩組電池Ｂ１を加熱するヒータ２１と、溶融塩組電池Ｂ１の外面を覆う断熱材２２と、これらを収容して閉鎖された箱体であって、内面が鏡面状である外箱２０とを備えたものである。鏡面状とは例えば表面粗さが最大高さで２．５μｍ以下であること、であり、このような鏡面状の内面により、外箱２０の内部に収容された溶融塩組電池Ｂ１、ヒータ２１、断熱材２２からの輻射熱の吸収を抑制し、これによって、外箱２０から外部への熱輻射を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池本体を収容する電池容器を、複数個並べて構成された溶融塩組電池と、
前記溶融塩組電池を加熱するヒータと、
前記溶融塩組電池の外面を覆う断熱材と、
内部に前記溶融塩組電池、前記ヒータ及び前記断熱材を収容して閉鎖された箱体であって、内面が鏡面状である外箱と
を備えていることを特徴とする閉鎖型溶融塩組電池。
【請求項２】
前記外箱の内面は、表面粗さが最大高さで２．５μｍ以下である請求項１記載の閉鎖型溶融塩組電池。
【請求項３】
前記外箱は、熱伝導率が２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下である請求項１又は２に記載の閉鎖型溶融塩組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩を電解質とする電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー密度に優れた二次電池として、例えば、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池が知られているが、近年、高いエネルギー密度に加えて、不燃性という強力な利点を持つ二次電池として、溶融塩を電解質とする溶融塩電池が開発され、注目されている（特許文献１及び非特許文献１参照。）。また、溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であり、これは、上記他の電池と比べて温度範囲が広い。そのため、排熱スペースや防火等の装備が不要であり、個々の素電池を高密度に集めて組電池を構成しても全体としては比較的コンパクトである、という利点がある。このような溶融塩組電池は、中規模電力網や家庭等での電力貯蔵用途の他、トラックやバス等の車載用途にも期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ＳＥＩ  ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の溶融塩電池は、常温では動作しないので、加熱が必要である。加熱にはヒータが用いられ、ヒータに供給する電気エネルギーが必要となる。従って、この加熱のための電気エネルギーをいかに低く抑えるかが、溶融塩組電池の出力効率を高めるための重要課題となる。
かかる課題に鑑み、本発明は、溶融塩組電池において、加熱のための電気エネルギーを低減する構造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】
【０００６】
（１）本発明の閉鎖型溶融塩組電池は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池本体を収容する電池容器を、複数個並べて構成された溶融塩組電池と、前記溶融塩組電池を加熱するヒータと、前記溶融塩組電池の外面を覆う断熱材と、内部に前記溶融塩組電池、前記ヒータ及び前記断熱材を収容して閉鎖された箱体であって、内面が鏡面状である外箱とを備えたものである。
上記のような閉鎖型溶融塩組電池では、外箱の鏡面状の内面により、外箱の内部に収容された溶融塩組電池、ヒータ、断熱材からの輻射熱の吸収を抑制する。これにより、外箱から外部への熱輻射を抑制することができる。
【０００７】
（２）また、上記（１）の閉鎖型溶融塩組電池において、外箱の内面は、表面粗さが最大高さで２．５μｍ以下であることが好ましい。
この場合、内面が「鏡面状」であることを実用上十分に確保して、輻射熱の吸収を抑制することができる。なお、表面粗さが最大高さで２．５μｍを超えると、輻射光が散乱して、外箱の材質自体に当たる確率が高くなる。そのため、輻射熱が外箱に吸収される割合が高くなる。
【０００８】
（３）また、上記（１）又は（２）の閉鎖型溶融塩組電池において、外箱は、熱伝導率が２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましい。
この場合、外箱の熱伝導率を比較的小さくすることができ、外箱の内部にこもる熱が、外箱自体に伝導しにくい。従って、外箱から外部への熱損失が抑制される。熱伝導率が当該数値を超えると、内部の熱が外箱に伝導し易くなり、外箱から外部への熱損失の割合が高くなる。なお、数値例を挙げると、ステンレスでは、１６．７Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度の熱伝導率、アルミニウムでは、２３７Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度の熱伝導率であり、当該数値は２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下という条件を満たしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の閉鎖型溶融塩組電池によれば、加熱のための電気エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。
【図２】溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す斜視図である。
【図３】溶融塩電池本体の構造についての横断面図である。
【図４】電池容器に収められた状態の溶融塩電池の外観の概略を示す斜視図である。
【図５】図４に示した電池容器の断面図（一部省略）である。
【図６】４つの溶融塩電池を連結し、かつ、電気的に直列に接続した状態を示す断面図である。
【図７】多数の溶融塩電池の集まりによって構成された溶融塩組電池の斜視図（一部破断）である。
【図８】図７におけるVIII−VIII線断面図である。
【図９】図７における外箱の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る閉鎖型溶融塩組電池について、図面を参照して説明する。
《溶融塩電池の基本構造》
まず、溶融塩電池の基本構造から説明する。
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。
【００１２】
正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質としての例えばＮａＣｒＯ２と、アセチレンブラックと、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンとを、質量比８５：１０：５：５０の割合で混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、１００ＭＰａにてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質としての例えば錫を含むＳｎ−Ｎａ合金が、メッキにより形成される。
【００１３】
正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、ガラスの不織布（厚さ２００μｍ）に電解質としての溶融塩を含浸させたものである。この溶融塩は、例えば、ＮａＦＳＡ（ナトリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）５６ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％との混合物であり、融点は５７℃である。融点以上の温度では、溶融塩は溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液となって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。この溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であり、通常は、８５℃〜９５℃に温度を維持して使用される。
【００１４】
なお、上述した各部の材質・成分や数値は好適な一例であるが、これらに限定されるものではない。
例えば、溶融塩としては、上記の他、ＬｉＦＳＡ−ＫＦＳＡ−ＣｓＦＳＡの混合物も好適である。また、他の塩を混合する場合もあり（有機カチオン等）、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡ、又は、ＬｉＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡ、又は、ＬｉＴＦＳＡを含む混合物、が適する。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で溶融塩電池を作動させることができる。
【００１５】
次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す斜視図、図３は同様の構造についての横断面図である。
図２及び図３において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図３における上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。
【００１６】
セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。
【００１７】
なお、図３では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。
【００１８】
《溶融塩電池の一形態》
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の電池容器に収容され、素電池すなわち、電池としての物理的な一個体を成す。
図４は、このような電池容器１１に収められた状態の溶融塩電池Ｂの外観の概略を示す斜視図である。図において、電池容器１１は、直方体の上面を除く容器本体１１ｍと、その上面に取り付けられる蓋部１１ｔとによって、構成されている。電池容器１１の両側面上部には、連結及び電気的接続のための孔１１ａ及び１１ｂが形成されている。また、通常は、電池容器１１の上部には、内部の気圧が過度に上昇したときに放圧するための安全弁１２が設けられている。但し、図５以降の図面では安全弁１２の図示を省略する。なお、電池容器１１の内面には絶縁処理が施されており、電池容器１１は、内部の電解質と電気的に絶縁されている。
【００１９】
図５は、図４に示した電池容器１１の断面図である。溶融塩電池本体１０の例えば正極には接続タブ４が取り付けられており、全ての接続タブ４が１つの接続部材６に接続されている。同様に、負極には接続タブ５が取り付けられており、全ての接続タブ５が１つの接続部材７に接続されている。各接続部材６，７には孔６ｈ，７ｈが形成されており、さらに、これらの孔６ｈ，７ｈにそれぞれ対向する電池容器１１の両側面には、孔１１ｈが形成されている。孔１１ｈに触れないように導電性のボルト（図５には図示せず。）を通して、正極側の接続部材６を、隣接する他の溶融塩電池Ｂの負極側の接続部材７と電気的に接続することにより、複数の溶融塩電池Ｂを互いに直列に接続することができる。
【００２０】
なお、図４，図５に示した溶融塩電池Ｂの一個体形状は、一例に過ぎず、形状・寸法は任意に構成することができる。
上記のような溶融塩電池Ｂは、用途に必要な電圧や電流容量を得るべく、複数個が集まって互いに直列又は直並列に接続され、組電池を構成した状態で使用することができる。
【００２１】
例えば、図６は、ボルト１３及びナット１４を用いて、４つの溶融塩電池Ｂを連結し、かつ、電気的に直列に接続した状態を示す断面図である。ボルト１３は、電池容器１１とは絶縁された状態を保ちながら、溶融塩電池Ｂ相互の機械的連結と、電気的接続とを実現している。このようにして横長に並べて直列接続した溶融塩電池Ｂを、さらに、図６の紙面に垂直な方向へも並べることにより、多数の溶融塩電池Ｂが集まった溶融塩組電池を構成することができる。
【００２２】
《閉鎖型溶融塩組電池の一形態》
図７は、このような多数の溶融塩電池Ｂの集まりによって構成された溶融塩組電池Ｂ１の斜視図（一部破断）である。図において、溶融塩組電池Ｂ１は、図６に示した四連の溶融塩電池Ｂを１ユニットとして、これを隣接させて複数ユニット並べることにより構成される。但し、一定数（この例では３個）のユニットごとに、面状のヒータ２１を挟んで、相互に密着させる。また、Ｌ字状の導体からなる接続端子板１５により、各ユニットの一端にあるボルト１３同士を互いに接続する。他端にあるボルト１３（図７には図示せず。）についても同様に接続端子板１６により互いに接続される。なお、接続端子板１５，１６は、電池容器１１とは絶縁されている。また、接続端子板１５，１６の各端部１５ａ，１６ａは、外箱２０との絶縁を保ちつつ、外部へ導出されている。なお、その他、ヒータ２１に通電するための配線も存在するが、ここでは省略する。
【００２３】
図８は、図７におけるVIII−VIII線断面図である。図において、外箱２０の内側には、断熱材２２（例えばグラスウール）が設けられている。断熱材２２は、溶融塩組電池Ｂ１の外面を覆うように設けられている。また、波板状のばね２３は、その弾発力によって、外箱２０内で、複数の溶融塩電池Ｂの相互間、及び、ヒータ２１とそれに隣接する溶融塩電池Ｂとを、圧接させている。これにより、ヒータ２１の発熱を、効率よく各溶融塩電池Ｂに伝えることができる。
【００２４】
なお、予め、上記のような閉鎖型溶融塩電池の構成で、断熱材２２表面から外部への熱伝導による放熱量と、熱輻射による放熱量とをシミュレーションにより調べた。その結果、熱輻射による放熱量が、熱伝導による放熱量を上回っていることが判明した。そこで、熱輻射による放熱を抑制すべく、外箱２０に以下の特徴を持たせた。
【００２５】
《外箱の特徴》
次に、外箱２０の特徴について詳細に説明する。図９の（ａ）は、外箱２０の部分断面図である。外箱２０の内面（６面）は、鏡面状に仕上げられている。ここで、鏡面状とは、表面粗さが最大高さ（Ｒｙ、ＪＩＳ２００１ではＲｚ）で２．５μｍ以下であること、とする。これにより、内面が「鏡面状」であることを実用上十分に確保して、外箱２０の内面における輻射熱の吸収を抑制し、これによって、外箱２０から外部への熱輻射を抑制することができる。なお、内面の表面粗さが最大高さで２．５μｍを超えると、溶融塩電池Ｂ、ヒータ２１、及び断熱材２２（図８）からの赤外線（特に遠赤外線）の輻射光が散乱して、外箱２０の材質自体に当たる確率が高くなる。そのため、輻射熱が外箱２０に吸収される割合が高くなる。
【００２６】
また、外箱２０は、機械的な強度確保のため、金属製であることが好ましい。具体的には、アルミニウム（純アルミニウム、又は、ＪＩＳ：５０００番合金）、ステンレス（ＳＵＳ３０４／３０４Ｌ，ＳＵＳ３１６／３１６Ｌ，ＳＵＳ４３０）、あるいは、アルミニウムとステンレスのクラッド材（貼り合わせ材）が好適である。厚さは、１ｍｍ以上で、５ｍｍ以下が好適である。１ｍｍ未満では、機械的な強度が不足しやすく、また、外箱２０から外の空気への熱伝導により熱が逃げやすくなる。逆に、５ｍｍを超えると、質量が大きくなりすぎて、実用性に欠ける。特に、車両に搭載する場合は、軽量化が重要である。なお、外箱２０の６面全てを同じ厚さにする必要は無い。例えば、十分な強度の必要な側面は４．５ｍｍ、比較的強度が弱くてもよい上面は１．５ｍｍ、とすることもできる。
【００２７】
また、外箱２０の材質の熱伝導率は、２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下であることが好ましい。すなわち、外箱２０の熱伝導率はなるべく小さい方が良い。外箱２０の熱伝導率をこのように小さくすることにより、外箱２０の内部にこもる熱が、外箱２０自体に伝導しにくい。従って、外箱２０から外部への熱損失が抑制される。なお、熱伝導率が当該数値を超えると、内部の熱が外箱２０に伝導し易くなり、外箱２０から外部への熱損失の割合が高くなる。なお、数値例を挙げると、ステンレスでは、１６．７Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度の熱伝導率、アルミニウムでは、２３７Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１程度の熱伝導率であり、２５０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以下という条件を満たしている。
【００２８】
図９の（ｂ）は、外箱２０の内面形態の他の例を示す断面図である。この外箱２０の内面は、鏡面状であり、さらに、小球面（ディンプル）が多数形成されている。小球面は、凹又は凸で、その表面積は、半球より小さい。このような小球面は、比較的、輻射光の散乱及び吸収が少ない。なお、球面に限らず、楕円でもよい。
【００２９】
以上のように、上記の閉鎖型溶融塩組電池では、外箱２０の鏡面状の内面により、外箱２０の内部に収容された溶融塩組電池Ｂ１、ヒータ２１、断熱材２２からの輻射熱の吸収を抑制し、これによって、外箱２０から外部への熱輻射を抑制することができる。従って、このような閉鎖型溶融塩組電池では、ヒータ２１の加熱のための電気エネルギーを、低減することができる。
【００３０】
《その他》
なお、上記の外箱２０は、金属製である例を示したが、一定の機械的強度と、内面が鏡面状であることを実現できれば、必ずしも金属製でなくてもよい。例えば、耐熱性のある樹脂で外箱を形成し、その内面のみが鏡面状になるように金属膜を形成したものであってもよい。
また、上記の閉鎖型溶融塩組電池における「閉鎖型」とは、密閉までの意味ではなく、閉鎖されることを基本形態とする箱体である外箱に収容された構造、の意味である。例えば実際には、放圧のための弁が、外箱２０にも設けられることが多いので、普通は密閉ではない。
【００３１】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  溶融塩電池本体
１１  電池容器
２０  外箱
２１  ヒータ
２２  断熱材
Ｂ  溶融塩電池
Ｂ１  溶融塩組電池
【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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【図８】
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【図９】
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