電池システム
【課題】安全性が向上された電池システムを提供する。
【解決手段】外装材に包まれた素電池１を備える電池１０と、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段９と、異常検知手段９からの情報に基づいて外装材内に気体を注入できる気体注入手段１１と、を備えることを特徴とする、電池システム１００とする。
【解決手段】外装材に包まれた素電池１を備える電池１０と、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段９と、異常検知手段９からの情報に基づいて外装材内に気体を注入できる気体注入手段１１と、を備えることを特徴とする、電池システム１００とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外装材に包まれた素電池を備えた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されている。また、近年は電気自動車やハイブリッド自動車等の大型機器の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が用いられる。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような電池に関する技術として、例えば特許文献１には、柔軟性を有する外装材と、この外装材内に封入される電気化学素体とを有する電気化学デバイスであって、外装材は、内部空間の膨張により電気化学素体が変形して短絡が生じる応力を与える内部圧力より低い圧力で動作する圧力解放機構を有する電気化学デバイスが開示されている。また、特許文献２には、リチウムを挿入脱離できる負極及び正極、非水電解液とこれらを収納するケースで構成され素電池を複数個組み合わせて組電池ケースに収納してなる組電池において、上記素電池ケース外で、上記組電池ケース内の空間に気体、液体または固体粉末の少なくても１種類、もしくはそれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧することを特徴とするリチウムイオン二次電池が開示されている。さらに、特許文献３には、正極活物質がリチウム含有複合金属酸化物を含む非水電解質二次電池において、電池ケース内の酸素分圧を０．２気圧よりも高くしたことを特徴とする非水電解質二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５１０２０号公報
【特許文献２】特開平１０−２１４６３８号公報
【特許文献３】特開２００２−２３１３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、外装材内の圧力が異常に高くなったときに圧力解放機構が安全装置として機能する。すなわち、短絡が生じる虞がある程度にまで外装材内の圧力が上昇する前に、圧力解放機構によって外装材内の気体を外部に放出させることによって、短絡を防止し、安全性を向上させることができると考えられる。しかしながら、電池の使用時に想定される異常は、必ずしも外装材内の圧力上昇に結びつくとは限らないため、特許文献１に開示されている圧力解放機構は、電池の安全装置として不十分であった。例えば、気体が発生しない異常反応が外装材内で生じた場合や短絡してしまった場合、これらの異常は直接的には外装材内の圧力上昇に結びつかないと考えられる。特許文献１に開示されている圧力解放機構は、外装材内の圧力上昇に結びつかない上記のような異常に対しては安全装置として機能し得ないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に開示されているような電池には、特許文献１に開示されている圧力解放機構を適用したとしても安全性を向上させることができないという問題があった。特許文献２に開示されているように、容器内に素電池を収容するととともに、該容器内に充填された気体等で該素電池を加圧する形態とした場合、該素電池は外装材の外側から高い圧力を付加されることになる。そのため、このような形態の電池には、特許文献１に開示されている圧力解放機構を適用したとしても、外装材内の気体を外部（容器内）に放出することが困難であり、圧力解放機構を安全装置として機能させることが難しいという問題があった。また、例え、素電池の周囲に気体等を充填した形態で圧力解放機構が作動したとしても、外装材内外の空間が繋がって外装材に収容された素電池を構成する部材（正極等）と素電池を加圧する気体とが接することになると、両者の間で意図しない反応が起きる虞があるという問題があった。
【０００８】
上記の問題は、特許文献１に開示されている技術と、特許文献２又は３に開示されているような従来技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
【０００９】
そこで本発明は、安全性が向上された電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、外装材に包まれた素電池を備える電池と、素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段と、異常検知手段からの情報に基づいて外装材内に気体を注入できる気体注入手段と、を備えることを特徴とする、電池システムである。
【００１１】
本発明において「素電池」とは、正極層と負極層と該正極層及び該負極層の間に配設された電解質層とを備え、電気化学反応で生じたイオン及び電子が移動することによって生じる電気エネルギーを外部に取り出すことができる構造体を意味する。なお、電解質層には、電解液が用いられていても良く、固体電解質が用いられていても良い。さらに、「素電池」は、酸素を正極活物質として用いる空気電池であっても良い。
【００１２】
上記本発明の電池システムにおいて、気体注入手段が、気体が高圧に充填された高圧ガス室と、高圧ガス室と外装材内とを結ぶ気体の流通路と、通常時は流通路を閉鎖しており、異常検知手段からの情報に基づいて流通路を開放する弁と、を備えることが好ましい。
【００１３】
また、上記本発明の電池システムは、さらに、外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、該容器内に充填された気体を用いて素電池が加圧されている形態とすることができる。
【００１４】
本発明において「素電池を収容する容器」とは、素電池を収容するとともに該素電池を加圧する気体を充填できる、密閉可能な容器である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池システムでは、異常検知手段及び気体注入手段を備えていることによって、異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知したときに、必要に応じて気体注入手段によって素電池を包む外装材内に気体を注入することができる。このようにして外装材内に気体が注入されることによって、素電池を構成している部材間の接触面積が小さくなり、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることによって、素電池で起きていた異常が起き続けることを防止したり、素電池又は素電池を備えた機器の修理等を行う作業者が感電することを防止したりできる。よって、本発明によれば、安全性が向上された電池システムを提供することができる。
【００１６】
また、本発明の電池システムにおいて、気体注入手段が、気体が高圧に充填された高圧ガス室と、該高圧ガス室と外装材内とを結ぶ気体の流通路と、異常検知手段からの情報に基づいて流通路を開放する弁と、を備える形態とすることによって、異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知したときに、外装材内に気体をすぐに注入することが容易になる。
【００１７】
また、本発明の電池システムは、外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、該容器内に充填された気体を用いて素電池が加圧されている形態とすることもできる。本発明の電池システムによれば、素電池を包む外装材の周りから圧力が加えられている形態の電池であっても、素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたときに外装材内に気体を注入し、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることによって、安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一つの実施形態にかかる本発明の電池システム１００の構成を概略的に示す図である。
【図２】素電池１、正極端子２、及び、負極端子３を概略的に示す平面図である。
【図３】図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩでの素電池１の断面を概略的に示す図である。
【図４】他の実施形態にかかる本発明の電池システム２００の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の電池システムについて説明する。以下の本発明の説明では、本発明の電池システムに備えられる素電池が固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池である形態について主に説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、一つの実施形態にかかる本発明の電池システム１００の構成を概略的に示す図である。図１では、固体電池である素電池１を簡略化して示している。図１に示した電池システム１００は、外装材に包まれた素電池１を備える電池１０と、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段９と、異常検知手段９からの情報に基づいて素電池１の外装材内に気体を注入できる気体注入手段１１とを備えている。これらの構成要素について、以下に詳述する。
【００２１】
図１に示したように、電池１０は、素電池１と、該素電池１に接続された端子２（正極端子２）と、素電池１を収容する容器４と、を有している。容器４に収容された素電池１の周囲には、気体５が充填されている。
【００２２】
図２は、素電池１、正極端子２、及び、負極端子３を概略的に示す平面図である。図３は、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩでの素電池１の断面を概略的に示す図である。図２及び図３に示したように、素電池１は、積層体１ｘと、該積層体１ｘを包む外装材１ｙとを備えている。また、図３に示すように、積層体１ｘは、正極集電体１ａと、該正極集電体１ａに接続された正極層１ｂと、該正極層１ｂと接触するように配設された固体電解質層１ｃと、固体電解質層１ｃを中心にして正極層１ｂの反対側に固体電解質層１ｃと接触するように配設された負極層１ｄと、該負極層１ｄに接続された負極集電体１ｅと、を有している。正極集電体１ａには正極端子２が接続されており、負極集電体１ｅには負極端子３が接続されている。
【００２３】
このような素電池１の作製方法は特に限定されないが、例えば、以下のようにして作製することができる。
【００２４】
積層体１ｘを作製するには、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極スラリーを、正極端子２が接続された正極集電体１ａの表面に塗布する過程を経て、正極集電体１ａの表面に正極層１ｂを形成する。また、少なくとも負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極スラリーを、負極端子３が接続された負極集電体１ｅの表面に塗布する過程を経て、負極集電体１ｅの表面に負極層１ｄを形成する。そして、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質スラリーを、例えば負極層１ｄの表面に塗布する過程を経て固体電解質層１ｃを形成した後、固体電解質層１ｃが正極層１ｂ及び負極層１ｄで挟まれるように、負極層１ｄの表面に形成された固体電解質層１ｃの上に、正極集電体１ａの表面に形成された正極層１ｂを配置する。その後、正極集電体１ａ、正極層１ｂ、固体電解質層１ｃ、負極層１ｄ、及び、負極集電体１ｅの積層方向の両端側から圧縮力を付与することにより、積層体１ｘを作製することができる。
【００２５】
こうして積層体１ｘを作製したら、正極端子２及び負極端子３の全部を収容しないようにしながら、外装材１ｙで積層体１ｘを包む。そして、積層体１ｘが収容されている外装材１ｙの内側を減圧しながら、積層体１ｘの周りに位置している外装材１ｙを加熱し熱溶着することにより、積層体１ｘと該積層体１ｘを包む外装材１ｙとを備える素電池１を作製することができる。
【００２６】
素電池１において、正極集電体１ａや負極集電体１ｅは、リチウムイオン二次電池の正極集電体や負極集電体として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。また、正極集電体１ａ及び負極集電体１ｅは、例えば、金属箔や金属メッシュ等の形状にすることができる。
【００２７】
また、正極層１ｂに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等を例示することができる。また、正極層１ｂに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物系固体電解質のほか、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質）等を例示することができる。このほか、正極層１ｂには、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。正極層１ｂに含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層１ｂに含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層１ｂを作製する際に用いる溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。
【００２８】
また、固体電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。また、固体電解質層１ｃを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
【００２９】
また、負極層１ｄに含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層１ｄに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層１ｄには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。負極層１ｄに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層１ｄを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
【００３０】
また、外装材１ｙは、気体５の圧力を積層体１ｘへと伝えることが可能であり、電池１０の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるものを、特に限定されることなく用いることができる。また、後述する気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体が注入されたときに、該気体の圧力によって破れない程度の強度を有することが好ましい。このような外装材１ｙを構成するものとしては、アルミニウム箔等に代表される公知の金属箔や、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等に代表される樹脂からなるフィルムのほか、これらのフィルムの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルム等を例示することができる。
【００３１】
また、正極端子２及び負極端子３は、電池１０の使用時の環境に耐え得る良好な電子伝導性を有する材料によって構成することができ、電池１０の使用時に付与される力にも対応可能な強度及び柔軟性を有する材料によって構成することが好ましい。そのような材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等に代表される炭素繊維等を例示することができる。
【００３２】
また、電池１０では、素電池１が容器４に収容されており、素電池１は、容器４内に充填された気体５から圧力を付与されている。かかる形態とすることにより、素電池１を周囲から等方的に加圧することができるので、素電池１の局所的な劣化を抑制することができる。容器４内に素電池１を収容する方法及び気体５を充填する方法は特に限定されず、従来と同様の方法を用いることができる。
【００３３】
容器４は、電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、素電池１を加圧する気体５の圧力（例えば、１気圧〜２００気圧程度）に耐える強度を有する公知の材料によって構成することができる。そのような材料としては、アルミニウムやステンレス鋼等の金属のほか、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等に代表される熱硬化性樹脂等を例示することができる。このほか、容器４は上記外装材１ｙと同様の材料によって構成することも可能である。
【００３４】
気体５としては、電池１０の使用時において気体５と接触する他の部材と反応しないものであれば、特に限定されない。なお、本発明の電池システムによれば、気体注入手段によって外装材内に気体を注入したとき、該外装材が破損することを防止できる。そのため、外装材１ｙが破損しないことを前提とするならば、気体５と積層体１ｘを構成する部材（例えば、正極層１ｂ）との間での反応は考慮しなくても良い。コストの観点からは、気体５として空気を用いることが好ましい。ただし、気体５が他の部材と反応することを防止し易くするという観点からは、気体５として、窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなどの不活性ガスを用いることが好ましく、気体５は水分を含まないことが好ましい。
【００３５】
次に、本発明の電池システムに備えられる気体注入手段について説明する。気体注入手段は、後に詳述する異常検知手段からの情報に基づいて素電池の外装材内に気体を注入できる手段である。図１に示した電池システム１００では、気体注入手段１１が、高圧ガス室８、流通路７、及び弁６を備えている。
【００３６】
高圧ガス室８には、素電池１の外装材１ｙ内に注入される気体が高圧に充填されている。高圧ガス室８内の圧力は、容器４内の圧力より高い圧力であれば特に限定されない。また、外装材１ｙ内に注入する際には気体となる液体又は固体を高圧ガス室８に充填することも可能である。高圧ガス室８としては、例えば、公知のガスボンベ等を用いることができる。
【００３７】
また、高圧ガス室８に充填される気体、すなわち、外装材１ｙ内に注入される気体としては、外装材１ｙ内のものと反応しない気体が好ましい。かかる観点から、当該気体は窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなどの不活性ガスであることが好ましく、水分を含まないことが好ましい。なお、コストの観点からは、空気を用いることも考えられる。
【００３８】
また、外装材１ｙ内に注入する気体の圧力は、素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させる程度であれば特に限定されない。例えば、電池１０のように気体５によって素電池１を加圧している場合、外装材１ｙ内に注入する気体の圧力は、気体５によって素電池１に加えられている圧力の半分程度の圧力とすることができる。この程度の圧力で気体を外装材１ｙ内に注入することによって、気体５によって素電池１に付加されていた圧力が弱まり、積層体１ｘを構成する各部材間の間隔が広がって、素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。また、この程度の圧力であれば、外装材１ｙを破損させることがないため、積層体１ｘと気体５とが接触することを考慮しなくて良くなる。
【００３９】
なお、図１には、高圧ガス室８が容器４内に収容されている形態を例示しているが、本発明はかかる形態に限定されない。図４は、他の実施形態にかかる本発明の電池システム２００の構成を概略的に示す図である。図４において、図１に示したものと同様のものには、同じ符号を付している。図４に示した電池システム２００は、容器２４の外に高圧ガス室８を備えている点で、電池システム１００と異なる。高圧ガス室８を容器２４の外に備えるため、電池２０に備えられる容器２４には、流通路７を通すための貫通孔が設けられている。上述の電池システム１００のように、高圧ガス室を容器内に収容すると、高圧ガス室と外装材内とを結ぶ流通路が不要となるために部品点数の削減が可能となり、コストの低減、システムの信頼性向上、軽量化が可能となる。また、本発明の電池システムが自動車等に備えられる場合は、高圧ガス室を容器内に収容ことによって、交通事故時等の破損率を低下させること等が可能となる。一方、上述の電池システム２００のように、高圧ガス室を容器の外に設置すると、高圧ガス室へのアクセス性がよくなるためにメンテナンス性が向上する。また、容器の体積を小さくすることが可能となるためにシステムのレイアウトの自由度を向上させることができる。
【００４０】
以下、上述の電池システム１００について、さらに説明を続ける。流通路７は、高圧ガス室８と外装材１ｙ内とを結び、高圧ガス室８から外装材１ｙ内に気体を流通させることが可能な管である。流通路７は、電池１０の使用時の環境及び気体を流通させる際の圧力に耐え得るものであれば特に限定されず、公知の管を用いることができる。
【００４１】
弁６は、通常時は流通路７を閉鎖しており、後述する異常検知手段９からの情報に基づいて流通路７を開放できる弁である。すなわち、弁６は、通常時は高圧ガス室８と外装材１ｙ内との間で流通路７内を気体が流通することを禁止し、後述する異常検知手段９からの情報に基づいて高圧ガス室８から外装材１ｙ内へと流通路７内に気体を流通させることができる。このような弁６としては、電池１０の使用時の環境に耐え得るものであれば特に限定されず、公知の弁を用いることができる。例えば、弁６は、圧力等によって機械的に開閉制御される弁であってもよく、電気信号によって電気的に開閉制御される弁であってもよい。
【００４２】
次に、本発明の電池システムに備えられる異常検知手段について説明する。異常検知手段は、本発明の電池システムに備えられる素電池又は該素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する手段である。図１に示した電池システム１００は異常検知手段９を備えており、異常検知手段９からの信号に基づいて弁６を開放し、高圧ガス室８に充填された気体を外装材１ｙ内に注入することができる。異常検知手段９は、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知できる手段であれば、特に限定されない。
【００４３】
異常検知手段９には、例えば、素電池１の温度を感知できるセンサを用いることができる。短絡時にはジュール熱が発生する。また、その他の意図しない異常な反応が素電池１で生じた場合にも、急激に温度が上昇したり、所定の温度以上に過熱したりすることが考えられる。このような温度変化をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。また、電池１０のように素電池１を気体５で加圧する形態の電池は、気体５の熱伝導度が低いことに起因して、異常過熱し易くなる場合がある。このような異常過熱が生じた場合にも、センサでその異常過熱を感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、素電池で短絡、異常な反応や過熱等が起こり続けることを防止し、安全性を向上させることができる。なお、どの程度の速度で温度が上昇した場合に外装材内に気体を注入するか、どの程度の温度になれば外装材内に気体を注入するか等は、素電池の構成や素電池の使用環境等に応じて適宜決定することができる。
【００４４】
また、異常検知手段９には、外装材１ｙ内の異常な圧力上昇を感知するセンサを用いることもできる。意図しない異常な反応が素電池１で生じた場合、その反応が気体の発生を伴うものであれば、外装材１ｙ内の圧力が異常に上昇すると考えられる。このような異常な圧力上昇をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、素電池で異常な反応が起こり続けることを防止し、安全性を向上させることができる。なお、どの程度の速度で圧力が上昇した場合に外装材内に気体を注入するか、どの程度の圧力になれば外装材内に気体を注入するか等は、素電池の構成や素電池の使用環境等に応じて適宜決定することができる。
【００４５】
また、異常検知手段９には、衝撃を感知するセンサを用いることもできる。例えば、素電池１又は素電池１を備えた機器に加えられた衝撃をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。例えば、電池システム１００が自動車に備えられる場合は、ＳＲＳエアバッグシステムを作動させるために備えられた衝撃を感知するセンサを異常検知手段９に用いることができる。かかる形態とすることによって、事故等で自動車が大きな衝撃を受けたときに、その異常を異常検知手段９で検知することができる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、衝撃を受けたことによって修理が必要になった電池を修理する作業者や、事故にあった自動車から人を救助する作業者等が感電することを防止でき、安全性を向上させることができる。
【００４６】
上述したように、異常検知手段９には様々なセンサを用いることができる。これらのセンサは１つを単独で使用してもよく、複数を併用してもよい。なお、図１には異常検知手段９が電池１０の外に備えられる形態を例示しているが、異常検知手段９の設置位置は特に限定されず、その機能を十分に発揮できる場所に設置することが好ましい。例えば、外装材１ｙ内に異常検知手段９を設置することもできる。
【００４７】
本発明の電池システムによれば、圧力の上昇を伴わない異常が生じた場合や、外部から加圧されている素電池に異常が生じた場合であっても、上述したように異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知することによって、異常検知手段からの情報に基づいて気体注入手段が素電池を包む外装材内に気体を注入し、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。
【００４８】
本発明に関する上記説明では、固体電池である素電池１が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、正極層と負極層との間に電解液が充填されている形態の素電池を用いることも可能である。ただし、電池の安全性を高めやすい形態とする観点からは、固体電池である素電池が用いられることが好ましい。また、正極層、電解質層、及び負極層がそれぞれ粉体から形成された圧粉体である固体電池は、気体を注入することによって正極層、電解質層、及び負極層を構成する粉体同士の接触面積を減らして電気抵抗を増大させることによって、電池としての機能を失わせる又は低下させることが容易である。それゆえ、このような固体電池が用いられる場合に、本発明の上記効果を得易くなる。
【００４９】
また、本発明に関する上記説明では、容器４に１つの素電池１が収容されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの容器に２以上の素電池が収容されていても良い。また、本発明に関する上記説明では、外装材１ｙ内に１つの積層体１ｘが収容される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの外装材内に２以上の積層体が収容されていても良い。
【００５０】
また、本発明に関する上記説明では、略直方体形状の素電池１を例示したが、本発明で用いられる素電池は当該形状に限定されない。素電池は円柱形状や六角柱形状等、他の形状とすることも可能である。
【００５１】
また、本発明に関する上記説明では、高圧ガス室８が１つ備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。高圧ガス室は複数備えられていてもよく、流通路及び弁の数は、高圧ガス室の数に応じて適宜変更可能である。
【００５２】
また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池である素電池１が備えられている形態を例示したが、本発明を適用可能な電池は当該形態に限定されない。本発明における素電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。また、本発明における素電池は、一次電池や空気電池とすることも可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１…素電池
１ａ…正極集電体
１ｂ…正極層
１ｃ…固体電解質層
１ｄ…負極層
１ｅ…負極集電体
１ｘ…積層体
１ｙ…外装材
２…正極端子
３…負極端子
４、２４…容器
５…気体
６…弁
７…流通路
８…高圧ガス室
９…異常検知手段
１０、２０…電池
１１…気体注入手段
１００、２００…電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外装材に包まれた素電池を備えた電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されている。また、近年は電気自動車やハイブリッド自動車等の大型機器の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が用いられる。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような電池に関する技術として、例えば特許文献１には、柔軟性を有する外装材と、この外装材内に封入される電気化学素体とを有する電気化学デバイスであって、外装材は、内部空間の膨張により電気化学素体が変形して短絡が生じる応力を与える内部圧力より低い圧力で動作する圧力解放機構を有する電気化学デバイスが開示されている。また、特許文献２には、リチウムを挿入脱離できる負極及び正極、非水電解液とこれらを収納するケースで構成され素電池を複数個組み合わせて組電池ケースに収納してなる組電池において、上記素電池ケース外で、上記組電池ケース内の空間に気体、液体または固体粉末の少なくても１種類、もしくはそれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧することを特徴とするリチウムイオン二次電池が開示されている。さらに、特許文献３には、正極活物質がリチウム含有複合金属酸化物を含む非水電解質二次電池において、電池ケース内の酸素分圧を０．２気圧よりも高くしたことを特徴とする非水電解質二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５１０２０号公報
【特許文献２】特開平１０−２１４６３８号公報
【特許文献３】特開２００２−２３１３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、外装材内の圧力が異常に高くなったときに圧力解放機構が安全装置として機能する。すなわち、短絡が生じる虞がある程度にまで外装材内の圧力が上昇する前に、圧力解放機構によって外装材内の気体を外部に放出させることによって、短絡を防止し、安全性を向上させることができると考えられる。しかしながら、電池の使用時に想定される異常は、必ずしも外装材内の圧力上昇に結びつくとは限らないため、特許文献１に開示されている圧力解放機構は、電池の安全装置として不十分であった。例えば、気体が発生しない異常反応が外装材内で生じた場合や短絡してしまった場合、これらの異常は直接的には外装材内の圧力上昇に結びつかないと考えられる。特許文献１に開示されている圧力解放機構は、外装材内の圧力上昇に結びつかない上記のような異常に対しては安全装置として機能し得ないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２に開示されているような電池には、特許文献１に開示されている圧力解放機構を適用したとしても安全性を向上させることができないという問題があった。特許文献２に開示されているように、容器内に素電池を収容するととともに、該容器内に充填された気体等で該素電池を加圧する形態とした場合、該素電池は外装材の外側から高い圧力を付加されることになる。そのため、このような形態の電池には、特許文献１に開示されている圧力解放機構を適用したとしても、外装材内の気体を外部（容器内）に放出することが困難であり、圧力解放機構を安全装置として機能させることが難しいという問題があった。また、例え、素電池の周囲に気体等を充填した形態で圧力解放機構が作動したとしても、外装材内外の空間が繋がって外装材に収容された素電池を構成する部材（正極等）と素電池を加圧する気体とが接することになると、両者の間で意図しない反応が起きる虞があるという問題があった。
【０００８】
上記の問題は、特許文献１に開示されている技術と、特許文献２又は３に開示されているような従来技術とを組み合わせたとしても、解決することが困難であった。
【０００９】
そこで本発明は、安全性が向上された電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、外装材に包まれた素電池を備える電池と、素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段と、異常検知手段からの情報に基づいて外装材内に気体を注入できる気体注入手段と、を備えることを特徴とする、電池システムである。
【００１１】
本発明において「素電池」とは、正極層と負極層と該正極層及び該負極層の間に配設された電解質層とを備え、電気化学反応で生じたイオン及び電子が移動することによって生じる電気エネルギーを外部に取り出すことができる構造体を意味する。なお、電解質層には、電解液が用いられていても良く、固体電解質が用いられていても良い。さらに、「素電池」は、酸素を正極活物質として用いる空気電池であっても良い。
【００１２】
上記本発明の電池システムにおいて、気体注入手段が、気体が高圧に充填された高圧ガス室と、高圧ガス室と外装材内とを結ぶ気体の流通路と、通常時は流通路を閉鎖しており、異常検知手段からの情報に基づいて流通路を開放する弁と、を備えることが好ましい。
【００１３】
また、上記本発明の電池システムは、さらに、外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、該容器内に充填された気体を用いて素電池が加圧されている形態とすることができる。
【００１４】
本発明において「素電池を収容する容器」とは、素電池を収容するとともに該素電池を加圧する気体を充填できる、密閉可能な容器である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池システムでは、異常検知手段及び気体注入手段を備えていることによって、異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知したときに、必要に応じて気体注入手段によって素電池を包む外装材内に気体を注入することができる。このようにして外装材内に気体が注入されることによって、素電池を構成している部材間の接触面積が小さくなり、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることによって、素電池で起きていた異常が起き続けることを防止したり、素電池又は素電池を備えた機器の修理等を行う作業者が感電することを防止したりできる。よって、本発明によれば、安全性が向上された電池システムを提供することができる。
【００１６】
また、本発明の電池システムにおいて、気体注入手段が、気体が高圧に充填された高圧ガス室と、該高圧ガス室と外装材内とを結ぶ気体の流通路と、異常検知手段からの情報に基づいて流通路を開放する弁と、を備える形態とすることによって、異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知したときに、外装材内に気体をすぐに注入することが容易になる。
【００１７】
また、本発明の電池システムは、外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、該容器内に充填された気体を用いて素電池が加圧されている形態とすることもできる。本発明の電池システムによれば、素電池を包む外装材の周りから圧力が加えられている形態の電池であっても、素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたときに外装材内に気体を注入し、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることによって、安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一つの実施形態にかかる本発明の電池システム１００の構成を概略的に示す図である。
【図２】素電池１、正極端子２、及び、負極端子３を概略的に示す平面図である。
【図３】図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩでの素電池１の断面を概略的に示す図である。
【図４】他の実施形態にかかる本発明の電池システム２００の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の電池システムについて説明する。以下の本発明の説明では、本発明の電池システムに備えられる素電池が固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池である形態について主に説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、一つの実施形態にかかる本発明の電池システム１００の構成を概略的に示す図である。図１では、固体電池である素電池１を簡略化して示している。図１に示した電池システム１００は、外装材に包まれた素電池１を備える電池１０と、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段９と、異常検知手段９からの情報に基づいて素電池１の外装材内に気体を注入できる気体注入手段１１とを備えている。これらの構成要素について、以下に詳述する。
【００２１】
図１に示したように、電池１０は、素電池１と、該素電池１に接続された端子２（正極端子２）と、素電池１を収容する容器４と、を有している。容器４に収容された素電池１の周囲には、気体５が充填されている。
【００２２】
図２は、素電池１、正極端子２、及び、負極端子３を概略的に示す平面図である。図３は、図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩでの素電池１の断面を概略的に示す図である。図２及び図３に示したように、素電池１は、積層体１ｘと、該積層体１ｘを包む外装材１ｙとを備えている。また、図３に示すように、積層体１ｘは、正極集電体１ａと、該正極集電体１ａに接続された正極層１ｂと、該正極層１ｂと接触するように配設された固体電解質層１ｃと、固体電解質層１ｃを中心にして正極層１ｂの反対側に固体電解質層１ｃと接触するように配設された負極層１ｄと、該負極層１ｄに接続された負極集電体１ｅと、を有している。正極集電体１ａには正極端子２が接続されており、負極集電体１ｅには負極端子３が接続されている。
【００２３】
このような素電池１の作製方法は特に限定されないが、例えば、以下のようにして作製することができる。
【００２４】
積層体１ｘを作製するには、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極スラリーを、正極端子２が接続された正極集電体１ａの表面に塗布する過程を経て、正極集電体１ａの表面に正極層１ｂを形成する。また、少なくとも負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極スラリーを、負極端子３が接続された負極集電体１ｅの表面に塗布する過程を経て、負極集電体１ｅの表面に負極層１ｄを形成する。そして、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質スラリーを、例えば負極層１ｄの表面に塗布する過程を経て固体電解質層１ｃを形成した後、固体電解質層１ｃが正極層１ｂ及び負極層１ｄで挟まれるように、負極層１ｄの表面に形成された固体電解質層１ｃの上に、正極集電体１ａの表面に形成された正極層１ｂを配置する。その後、正極集電体１ａ、正極層１ｂ、固体電解質層１ｃ、負極層１ｄ、及び、負極集電体１ｅの積層方向の両端側から圧縮力を付与することにより、積層体１ｘを作製することができる。
【００２５】
こうして積層体１ｘを作製したら、正極端子２及び負極端子３の全部を収容しないようにしながら、外装材１ｙで積層体１ｘを包む。そして、積層体１ｘが収容されている外装材１ｙの内側を減圧しながら、積層体１ｘの周りに位置している外装材１ｙを加熱し熱溶着することにより、積層体１ｘと該積層体１ｘを包む外装材１ｙとを備える素電池１を作製することができる。
【００２６】
素電池１において、正極集電体１ａや負極集電体１ｅは、リチウムイオン二次電池の正極集電体や負極集電体として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。また、正極集電体１ａ及び負極集電体１ｅは、例えば、金属箔や金属メッシュ等の形状にすることができる。
【００２７】
また、正極層１ｂに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等を例示することができる。また、正極層１ｂに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物系固体電解質のほか、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質）等を例示することができる。このほか、正極層１ｂには、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。正極層１ｂに含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層１ｂに含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層１ｂを作製する際に用いる溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。
【００２８】
また、固体電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。また、固体電解質層１ｃを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
【００２９】
また、負極層１ｄに含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層１ｄに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層１ｄには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。負極層１ｄに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層１ｄを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
【００３０】
また、外装材１ｙは、気体５の圧力を積層体１ｘへと伝えることが可能であり、電池１０の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるものを、特に限定されることなく用いることができる。また、後述する気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体が注入されたときに、該気体の圧力によって破れない程度の強度を有することが好ましい。このような外装材１ｙを構成するものとしては、アルミニウム箔等に代表される公知の金属箔や、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等に代表される樹脂からなるフィルムのほか、これらのフィルムの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルム等を例示することができる。
【００３１】
また、正極端子２及び負極端子３は、電池１０の使用時の環境に耐え得る良好な電子伝導性を有する材料によって構成することができ、電池１０の使用時に付与される力にも対応可能な強度及び柔軟性を有する材料によって構成することが好ましい。そのような材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等に代表される炭素繊維等を例示することができる。
【００３２】
また、電池１０では、素電池１が容器４に収容されており、素電池１は、容器４内に充填された気体５から圧力を付与されている。かかる形態とすることにより、素電池１を周囲から等方的に加圧することができるので、素電池１の局所的な劣化を抑制することができる。容器４内に素電池１を収容する方法及び気体５を充填する方法は特に限定されず、従来と同様の方法を用いることができる。
【００３３】
容器４は、電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、素電池１を加圧する気体５の圧力（例えば、１気圧〜２００気圧程度）に耐える強度を有する公知の材料によって構成することができる。そのような材料としては、アルミニウムやステンレス鋼等の金属のほか、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等に代表される熱硬化性樹脂等を例示することができる。このほか、容器４は上記外装材１ｙと同様の材料によって構成することも可能である。
【００３４】
気体５としては、電池１０の使用時において気体５と接触する他の部材と反応しないものであれば、特に限定されない。なお、本発明の電池システムによれば、気体注入手段によって外装材内に気体を注入したとき、該外装材が破損することを防止できる。そのため、外装材１ｙが破損しないことを前提とするならば、気体５と積層体１ｘを構成する部材（例えば、正極層１ｂ）との間での反応は考慮しなくても良い。コストの観点からは、気体５として空気を用いることが好ましい。ただし、気体５が他の部材と反応することを防止し易くするという観点からは、気体５として、窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなどの不活性ガスを用いることが好ましく、気体５は水分を含まないことが好ましい。
【００３５】
次に、本発明の電池システムに備えられる気体注入手段について説明する。気体注入手段は、後に詳述する異常検知手段からの情報に基づいて素電池の外装材内に気体を注入できる手段である。図１に示した電池システム１００では、気体注入手段１１が、高圧ガス室８、流通路７、及び弁６を備えている。
【００３６】
高圧ガス室８には、素電池１の外装材１ｙ内に注入される気体が高圧に充填されている。高圧ガス室８内の圧力は、容器４内の圧力より高い圧力であれば特に限定されない。また、外装材１ｙ内に注入する際には気体となる液体又は固体を高圧ガス室８に充填することも可能である。高圧ガス室８としては、例えば、公知のガスボンベ等を用いることができる。
【００３７】
また、高圧ガス室８に充填される気体、すなわち、外装材１ｙ内に注入される気体としては、外装材１ｙ内のものと反応しない気体が好ましい。かかる観点から、当該気体は窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなどの不活性ガスであることが好ましく、水分を含まないことが好ましい。なお、コストの観点からは、空気を用いることも考えられる。
【００３８】
また、外装材１ｙ内に注入する気体の圧力は、素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させる程度であれば特に限定されない。例えば、電池１０のように気体５によって素電池１を加圧している場合、外装材１ｙ内に注入する気体の圧力は、気体５によって素電池１に加えられている圧力の半分程度の圧力とすることができる。この程度の圧力で気体を外装材１ｙ内に注入することによって、気体５によって素電池１に付加されていた圧力が弱まり、積層体１ｘを構成する各部材間の間隔が広がって、素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。また、この程度の圧力であれば、外装材１ｙを破損させることがないため、積層体１ｘと気体５とが接触することを考慮しなくて良くなる。
【００３９】
なお、図１には、高圧ガス室８が容器４内に収容されている形態を例示しているが、本発明はかかる形態に限定されない。図４は、他の実施形態にかかる本発明の電池システム２００の構成を概略的に示す図である。図４において、図１に示したものと同様のものには、同じ符号を付している。図４に示した電池システム２００は、容器２４の外に高圧ガス室８を備えている点で、電池システム１００と異なる。高圧ガス室８を容器２４の外に備えるため、電池２０に備えられる容器２４には、流通路７を通すための貫通孔が設けられている。上述の電池システム１００のように、高圧ガス室を容器内に収容すると、高圧ガス室と外装材内とを結ぶ流通路が不要となるために部品点数の削減が可能となり、コストの低減、システムの信頼性向上、軽量化が可能となる。また、本発明の電池システムが自動車等に備えられる場合は、高圧ガス室を容器内に収容ことによって、交通事故時等の破損率を低下させること等が可能となる。一方、上述の電池システム２００のように、高圧ガス室を容器の外に設置すると、高圧ガス室へのアクセス性がよくなるためにメンテナンス性が向上する。また、容器の体積を小さくすることが可能となるためにシステムのレイアウトの自由度を向上させることができる。
【００４０】
以下、上述の電池システム１００について、さらに説明を続ける。流通路７は、高圧ガス室８と外装材１ｙ内とを結び、高圧ガス室８から外装材１ｙ内に気体を流通させることが可能な管である。流通路７は、電池１０の使用時の環境及び気体を流通させる際の圧力に耐え得るものであれば特に限定されず、公知の管を用いることができる。
【００４１】
弁６は、通常時は流通路７を閉鎖しており、後述する異常検知手段９からの情報に基づいて流通路７を開放できる弁である。すなわち、弁６は、通常時は高圧ガス室８と外装材１ｙ内との間で流通路７内を気体が流通することを禁止し、後述する異常検知手段９からの情報に基づいて高圧ガス室８から外装材１ｙ内へと流通路７内に気体を流通させることができる。このような弁６としては、電池１０の使用時の環境に耐え得るものであれば特に限定されず、公知の弁を用いることができる。例えば、弁６は、圧力等によって機械的に開閉制御される弁であってもよく、電気信号によって電気的に開閉制御される弁であってもよい。
【００４２】
次に、本発明の電池システムに備えられる異常検知手段について説明する。異常検知手段は、本発明の電池システムに備えられる素電池又は該素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する手段である。図１に示した電池システム１００は異常検知手段９を備えており、異常検知手段９からの信号に基づいて弁６を開放し、高圧ガス室８に充填された気体を外装材１ｙ内に注入することができる。異常検知手段９は、素電池１又は素電池１を備えた機器に異常が生じたことを検知できる手段であれば、特に限定されない。
【００４３】
異常検知手段９には、例えば、素電池１の温度を感知できるセンサを用いることができる。短絡時にはジュール熱が発生する。また、その他の意図しない異常な反応が素電池１で生じた場合にも、急激に温度が上昇したり、所定の温度以上に過熱したりすることが考えられる。このような温度変化をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。また、電池１０のように素電池１を気体５で加圧する形態の電池は、気体５の熱伝導度が低いことに起因して、異常過熱し易くなる場合がある。このような異常過熱が生じた場合にも、センサでその異常過熱を感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、素電池で短絡、異常な反応や過熱等が起こり続けることを防止し、安全性を向上させることができる。なお、どの程度の速度で温度が上昇した場合に外装材内に気体を注入するか、どの程度の温度になれば外装材内に気体を注入するか等は、素電池の構成や素電池の使用環境等に応じて適宜決定することができる。
【００４４】
また、異常検知手段９には、外装材１ｙ内の異常な圧力上昇を感知するセンサを用いることもできる。意図しない異常な反応が素電池１で生じた場合、その反応が気体の発生を伴うものであれば、外装材１ｙ内の圧力が異常に上昇すると考えられる。このような異常な圧力上昇をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、素電池で異常な反応が起こり続けることを防止し、安全性を向上させることができる。なお、どの程度の速度で圧力が上昇した場合に外装材内に気体を注入するか、どの程度の圧力になれば外装材内に気体を注入するか等は、素電池の構成や素電池の使用環境等に応じて適宜決定することができる。
【００４５】
また、異常検知手段９には、衝撃を感知するセンサを用いることもできる。例えば、素電池１又は素電池１を備えた機器に加えられた衝撃をセンサで感知することにより、素電池１に異常が生じたことを異常検知手段９によって検知できる。例えば、電池システム１００が自動車に備えられる場合は、ＳＲＳエアバッグシステムを作動させるために備えられた衝撃を感知するセンサを異常検知手段９に用いることができる。かかる形態とすることによって、事故等で自動車が大きな衝撃を受けたときに、その異常を異常検知手段９で検知することができる。そして、異常検知手段９からの情報に基づいて気体注入手段１１によって外装材１ｙ内に気体を注入することにより、上述したように素電池１の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。よって、本発明の電池システムによれば、衝撃を受けたことによって修理が必要になった電池を修理する作業者や、事故にあった自動車から人を救助する作業者等が感電することを防止でき、安全性を向上させることができる。
【００４６】
上述したように、異常検知手段９には様々なセンサを用いることができる。これらのセンサは１つを単独で使用してもよく、複数を併用してもよい。なお、図１には異常検知手段９が電池１０の外に備えられる形態を例示しているが、異常検知手段９の設置位置は特に限定されず、その機能を十分に発揮できる場所に設置することが好ましい。例えば、外装材１ｙ内に異常検知手段９を設置することもできる。
【００４７】
本発明の電池システムによれば、圧力の上昇を伴わない異常が生じた場合や、外部から加圧されている素電池に異常が生じた場合であっても、上述したように異常検知手段が素電池又は素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知することによって、異常検知手段からの情報に基づいて気体注入手段が素電池を包む外装材内に気体を注入し、素電池の電池としての機能を失わせる又は低下させることができる。
【００４８】
本発明に関する上記説明では、固体電池である素電池１が用いられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、正極層と負極層との間に電解液が充填されている形態の素電池を用いることも可能である。ただし、電池の安全性を高めやすい形態とする観点からは、固体電池である素電池が用いられることが好ましい。また、正極層、電解質層、及び負極層がそれぞれ粉体から形成された圧粉体である固体電池は、気体を注入することによって正極層、電解質層、及び負極層を構成する粉体同士の接触面積を減らして電気抵抗を増大させることによって、電池としての機能を失わせる又は低下させることが容易である。それゆえ、このような固体電池が用いられる場合に、本発明の上記効果を得易くなる。
【００４９】
また、本発明に関する上記説明では、容器４に１つの素電池１が収容されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの容器に２以上の素電池が収容されていても良い。また、本発明に関する上記説明では、外装材１ｙ内に１つの積層体１ｘが収容される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの外装材内に２以上の積層体が収容されていても良い。
【００５０】
また、本発明に関する上記説明では、略直方体形状の素電池１を例示したが、本発明で用いられる素電池は当該形状に限定されない。素電池は円柱形状や六角柱形状等、他の形状とすることも可能である。
【００５１】
また、本発明に関する上記説明では、高圧ガス室８が１つ備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。高圧ガス室は複数備えられていてもよく、流通路及び弁の数は、高圧ガス室の数に応じて適宜変更可能である。
【００５２】
また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池である素電池１が備えられている形態を例示したが、本発明を適用可能な電池は当該形態に限定されない。本発明における素電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。また、本発明における素電池は、一次電池や空気電池とすることも可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１…素電池
１ａ…正極集電体
１ｂ…正極層
１ｃ…固体電解質層
１ｄ…負極層
１ｅ…負極集電体
１ｘ…積層体
１ｙ…外装材
２…正極端子
３…負極端子
４、２４…容器
５…気体
６…弁
７…流通路
８…高圧ガス室
９…異常検知手段
１０、２０…電池
１１…気体注入手段
１００、２００…電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外装材に包まれた素電池を備える電池と、
前記素電池又は前記素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段からの情報に基づいて前記外装材内に気体を注入できる気体注入手段と、を備えることを特徴とする、電池システム。
【請求項２】
前記気体注入手段が、
前記気体が高圧に充填された高圧ガス室と、
前記高圧ガス室と前記外装材内とを結ぶ前記気体の流通路と、
通常時は前記流通路を閉鎖しており、前記異常検知手段からの情報に基づいて前記流通路を開放する弁と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
さらに、前記外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、
前記容器内に充填された気体を用いて前記素電池が加圧されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電池システム。
【請求項１】
外装材に包まれた素電池を備える電池と、
前記素電池又は前記素電池を備えた機器に異常が生じたことを検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段からの情報に基づいて前記外装材内に気体を注入できる気体注入手段と、を備えることを特徴とする、電池システム。
【請求項２】
前記気体注入手段が、
前記気体が高圧に充填された高圧ガス室と、
前記高圧ガス室と前記外装材内とを結ぶ前記気体の流通路と、
通常時は前記流通路を閉鎖しており、前記異常検知手段からの情報に基づいて前記流通路を開放する弁と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
さらに、前記外装材に包まれた素電池を収容する容器を備えており、
前記容器内に充填された気体を用いて前記素電池が加圧されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１９０７４７（Ｐ２０１２−１９０７４７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５３２１（Ｐ２０１１−５５３２１）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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