熔融鹽電解質電池裝置制造方法
【專利摘要】本發明的目的在于提供一種安全的熔融鹽電解質電池裝置，當在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱時，其可以快速降低所述電池的溫度。根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置具有使用熔融鹽作為電解質的熔融鹽電解質電池且具有溫度檢測單元，其檢測所述熔融鹽電解質電池的溫度；冷卻單元，其用冷卻介質冷卻所述熔融鹽電解質電池；和控制單元，向其中輸入來自所述溫度檢測單元的信號且其向所述冷卻單元輸出操作指令。當使用所述熔融鹽電解質電池裝置時，在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱的情況下，通過冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池，且因此所述電池的溫度可以快速降到安全溫度。
【專利說明】熔融鹽電解質電池裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種具有熔融鹽電解質電池的熔融鹽電解質電池裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，諸如移動電話、移動計算機和數碼相機的電子裝置快速普及，并且對于小型二次電池的需求快速增加。另外，在電力和能量領域中，積極進行使用自然能量如太陽光和風力的發電，并且為了使依賴于天氣和氣候的不穩定電力供給均衡化，用于儲存電力的二次電池必不可少。
[0003]作為適用于這一用途的二次電池，具有高能量密度和大容量的熔融鹽電解質電池受到關注。該熔融鹽電解質電池使用熔融鹽作為電解質且通過將熔融鹽在預定溫度下熔融而進行充放電(例如，參照專利文獻I)。
[0004]二次電池的其他實例包括專利文獻2中公開的鈉-硫電池、鉛蓄電池和近來在專利文獻3中提出并公開并且在比較低的溫度下工作的熔融鹽電解質電池。
[0005]該熔融鹽電解質電池使用熔融鹽作為電解質且通過將熔融鹽在預定溫度下熔融而進行充放電。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開平8-138732號公報
[0009]專利文獻2:日本特開2007-273297號公報
[0010]專利文獻3:TO/2011/036907
【發明內容】
[0011]技術問題
[0012]在熔融鹽電解質電池中，當溫度由于短路等而異常上升時，通過化學反應產生各種氣體，從而導致電池容器內的壓力可能增加的可能性。在這種異常生熱時，關閉為了將熔融鹽電解質電池加熱到預定溫度(例如，80°C?95°C )而設置的加熱器。
[0013]另外，因為必須將熔融鹽電解質電池保持在等于或高于用作電解質的熔融鹽熔融的溫度的溫度下，所以通常在熔融鹽電解質電池的外周設置絕熱結構。例如，將熔融鹽電解質電池容納在絕熱容器中。因此，在異常生熱時，即使關閉加熱器以停止加熱，也需要花費時間來降低熔融鹽電解質電池的溫度。因此，僅停止加熱不足以防止諸如由氣體產生造成的電池容器的破裂的事故，這是一個問題。
[0014]另外，當熔融鹽電解質電池快速放電時，電池中的溫度突然升高,從而導致電池特性改變，這是一個問題。
[0015]需要可以應付如在上述情況下在異常事故時或在快速放電期間發生的突然溫度升高的熔融鹽電解質電池裝置。
[0016]考慮到上述問題，完成了本發明。本發明的目的在于提供一種安全的熔融鹽電解質電池裝置，當在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱時，其可以快速降低所述電池的溫度。
[0017]解決問題的手段
[0018]根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置具有使用熔融鹽作為電解質的熔融鹽電解質電池且具有:溫度檢測單元，其檢測所述熔融鹽電解質電池的溫度；冷卻單元，其用冷卻介質冷卻所述熔融鹽電解質電池；和控制單元，向其中輸入來自所述溫度檢測單元的信號且其向所述冷卻單元輸出操作指令(權利要求1)。
[0019]當使用所述熔融鹽電解質電池裝置時，在所述熔融鹽電解質電池中發生異常生熱的情況下，通過所述冷卻介質將所述熔融鹽電解質電池冷卻，且因此所述電池的溫度可以快速降低到安全溫度。
[0020]另外，在根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置中，優選地，所述裝置還具有加熱所述熔融鹽電解質電池的加熱單元和切斷所述加熱單元的電源的加熱切斷單元，并且所述控制單元還向所述加熱切斷單元輸出操作指令(權利要求2)。
[0021]在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱的情況下，通過切斷為了將熔融鹽電解質電池加熱到預定溫度而設置的加熱單元的電源，不再加熱熔融鹽電解質電池且可以更有效地降低所述電池的溫度。
[0022]另外，在根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置中，優選地，當所述熔融鹽電解質電池的溫度變為預定的第一溫度以上時，所述控制單元向所述加熱切斷單元輸出操作指令，和當所述熔融鹽電解質電池的溫度變為比第一溫度更高的第二溫度以上時，所述控制單元向所述冷卻單元輸出操作指令(權利要求3)。
[0023]在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱且溫度變為預定的第一溫度以上的情況下，首先，通過切斷加熱單元的電源，設法降低電池的溫度。在電池的溫度降到安全溫度的情況下，不進行使用冷卻介質的冷卻。然而，在即使切斷加熱單元的電源時，電池的溫度也進一步上升且變為等于或高于比第一溫度更高的第二溫度的情況下，使用冷卻介質冷卻電池。
[0024]以這種方式，當產生大量的熱，使得僅通過切斷加熱單元的電源無法降低溫度時，使用冷卻介質進行冷卻以將溫度快速地降到安全溫度。當產生很少量的熱使得通過切斷加熱單元的電源可降低溫度時，電池的溫度不過度降低，且可以在電池再次工作的過程中快速地加熱到等于或高于熔融鹽熔融的溫度的溫度，因此是有效的。
[0025]另外，在根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置中，優選地，所述冷卻單元將所述熔融鹽電解質電池至少冷卻到所述熔融鹽凝固的溫度(權利要求4)。
[0026]熔融鹽電解質電池在熔融鹽熔融的狀態下進行充放電。換句話說，當溫度變為預定溫度以下(例如，室溫)且熔融鹽凝固時，不發生諸如放電、充電和氣體產生的反應。另一方面，在鋰電池、鎳金屬氫化物電池等中，即使溫度變為低于室溫(例如，_20°C)時，電池反應也繼續。因此，在電池的溫度由于某種原因而異常升高時，即使冷卻鋰電池、鎳金屬氫化物電池等,也未必安全。相比之下，當將熔融鹽電解質電池冷卻到例如約室溫時,不發生諸如放電、充電和氣體產生的反應，且因此熔融鹽電解質電池是安全的。
[0027]另外，在根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置中，優選地，用于冷卻的所述冷卻介質為液氮(權利要求5)。
[0028]因為液氮具有比其他冷卻介質(例如，水)更低的溫度，所以其可以有效地冷卻熔融鹽電解質電池。另外，液氮具有高通用性且與具有比液氮更低的溫度的液氫、液氦等相比易于處理。另外，因為氮不與熔融鹽電解質電池的鹽反應，所以電池不會劣化或損傷。當電池的溫度再次升高而使熔融鹽熔融時,可以將電池再次充放電。
[0029]作為冷卻單元，優選通常使用的水冷型冷卻單元或空冷型冷卻單元(權利要求6)。該方法實際成果良好且具有低操作成本。
[0030]另外，在根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置中，優選地，所述熔融鹽電解質電池被容納在絕熱容器中(權利要求7)。
[0031]當熔融鹽電解質電池被容納在絕熱容器中時，僅通過關閉加熱單元的電源，需要花費長時間來降低電池的溫度。因此，用冷卻介質冷卻電池是有效的。
[0032]發明的有利效果
[0033]根據本發明，當在熔融鹽電解質電池中發生異常生熱時，電池的溫度可以快速降低且電池反應可以安全地停止。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為顯示熔融鹽電解質電池裝置的結構的實例的方塊圖。
[0035]圖2為顯示冷卻單元的實例的示意圖。
[0036]圖3為顯示冷卻單元的實例的示意圖。
[0037]圖4為顯示冷卻單元的實例的示意圖。
[0038]圖5為顯示熔融鹽電解質電池的結構的實例的示意性俯視圖。
[0039]圖6為熔融鹽電解質電池的示意性正視透視圖。
[0040]圖7為顯示熔融鹽電解質電池單元和冷卻單元的結構的示意性斜視圖。
[0041]附圖標記
[0042]I熔融鹽電解質電池裝置
[0043]11 正極
[0044]12、22 極耳
[0045]13、23極耳引線
[0046]15熔融鹽電解質電池單元
[0047]18熔融鹽電解質電池
[0048]21 負極
[0049]31 隔膜
[0050]4控制單元
[0051]5冷卻單元
[0052]51冷卻介質
[0053]53、55、57冷卻介質容器
[0054]54 噴射 口
[0055]56 底板
[0056]58 噴嘴
[0057]59 槽
[0058]6電池容器
[0059]61、62 側壁[0060]7熔融鹽
[0061]81加熱單元
[0062]82加熱切斷單元
[0063]83加熱器
[0064]85溫度檢測單元
[0065]9絕熱容器
【具體實施方式】
[0066]下文將基于實施方式描述本發明。應注意，本發明不限于下述實施方式，且可以在與本發明的范圍相同或相當的范圍內對以下實施方式進行各種修改。
[0067]圖1為顯示熔融鹽電解質電池裝置I的結構的實例的方塊圖。熔融鹽電解質電池裝置I具有熔融鹽電解質電池18 ;溫度檢測單元85，其檢測熔融鹽電解質電池18的溫度；和冷卻單元5，其用冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池18。溫度檢測單元85不受特別限制，且可以使用市售的溫度傳感器、熱電偶等。另外，熔融鹽電解質電池裝置I具有控制單元4，向其中輸入來自溫度檢測單元85的信號且其向冷卻單元5輸出操作指令。
[0068]另外，熔融鹽電解質電池裝置I具有加熱熔融鹽電解質電池18的加熱單元81 ;和切斷加熱單元81的電源的加熱切斷單元82，并且控制單元4還向加熱切斷單元82輸出操作指令。
[0069]在假設熔融鹽電解質電池18的溫度由于某種原因而異常升高的情況下，在控制單元4中提前設定并記憶高于正常工作溫度的預定上限溫度(例如，IOO0C )。當自溫度檢測單元85輸入到控制單元4的溫度變為所述上限溫度時，控制單元4向冷卻單元5輸出操作指令，且冷卻單元5用冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池18。以這種方式，在熔融鹽電解質電池18中發生異常生熱的情況下，通過冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池18，且因此熔融鹽電解質電池18的溫度可以快速降到安全溫度。
[0070]另外，在控制單元4向冷卻單元5輸出操作指令的同時，控制單元4還可以向加熱切斷單元82輸出操作指令。在這種情況下，在通過冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池18的同時，也停止加熱。以這種方式，在熔融鹽電解質電池18中發生異常生熱的情況下，通過切斷為了將熔融鹽電解質電池18加熱到預定溫度而設置的加熱單元81的電源，不再加熱熔融鹽電解質電池18，且可以更有效地降低熔融鹽電解質電池18的溫度。
[0071]另外，可以設定熔融鹽電解質電池18的兩階段上限溫度。例如，可以將高于正常工作溫度的第一上限溫度設定為第一溫度(例如，100°c )，且將高于第一溫度的第二上限溫度設定為第二溫度(例如，120°c )，使得當從溫度檢測單元85輸入到控制單元4的溫度變為第一溫度時，向加熱切斷單元82輸出操作指令，且當從溫度檢測單元85輸入到控制單元4的溫度變為第二溫度時，向冷卻單元5輸出操作指令。在這種情況下，在熔融鹽電解質電池18中發生異常生熱且溫度變為第一溫度時，僅停止加熱。在僅通過停止加熱無法降低熔融鹽電解質電池18的溫度且溫度變為第二溫度的情況下，使用冷卻介質進一步進行冷卻。以這種方式，當產生大量的熱，使得僅通過切斷加熱單元81的電源無法降低溫度時，使用冷卻介質進行冷卻以將溫度快速地降到安全溫度。當產生很少量的熱使得通過切斷加熱單元81的電源可降低溫度時，熔融鹽電解質電池18的溫度不過度降低，且可以在熔融鹽電解質電池18再次工作的過程中快速地加熱到等于或高于熔融鹽熔融的溫度的溫度，因此是有效的。
[0072]接著，將參考圖2?4描述使用冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池的單元。圖2?4各自為顯示冷卻單元5的實例的示意圖。在圖2中所示的冷卻單元5中，從噴射口 54向熔融鹽電解質電池18噴射儲存在冷卻介質容器53中的冷卻介質51。
[0073]在圖3中所示的冷卻單元5中，儲存冷卻介質51的冷卻介質容器55布置在熔融鹽電解質電池18的上方,且通過除去冷卻介質容器55的底板56,冷卻介質51散布在熔融鹽電解質電池18上。
[0074]在圖4中所示的冷卻單元5中，熔融鹽電解質電池18布置在槽59內部，且通過將儲存在冷卻介質容器57中的冷卻介質51經由噴嘴58注入槽59中，將熔融鹽電解質電池18浸潰在冷卻介質51中。
[0075]在圖2?4各自顯示的冷卻介質51不受特別限制，只要其可以冷卻熔融鹽電解質電池18即可。作為根據本發明的熔融鹽電解質電池裝置的冷卻單元5，除了圖2?4中所示的單元以外，還可以使用通常的水冷型冷卻單元和空冷型冷卻單元。
[0076]例如，水冷型冷卻單元可以為其中將冷卻水引入布置在熔融鹽電解質電池18上的冷卻水盤管中的冷卻單元5。關于空冷型冷卻單元，例如，解除或停止圖7中所示的絕熱容器9的絕熱，且可以通過鼓風機等空氣冷卻熔融鹽電解質電池18。
[0077]特別地，為了快速冷卻熔融鹽電解質電池18，優選使用液氮。因為液氮具有比其他冷卻介質(例如，水)更低的溫度，所以其可以有效地冷卻熔融鹽電解質電池18。另外，液氮具有高通用性且與具有比液氮更低的溫度的液氫、液氦等相比易于處理。另外，因為氮不與熔融鹽電解質電池的鹽反應，所以電池不會劣化或損傷。當電池的溫度再次升高而使熔融鹽熔融時，可以將電池再次充放電。
[0078]另外，冷卻單元5可以將熔融鹽電解質電池18至少冷卻到熔融鹽凝固的溫度。在熔融鹽電解質電池18中，當熔融鹽的溫度變為預定溫度以下(例如，室溫)且熔融鹽凝固時，不發生諸如放電、充電和氣體產生的反應。因此，熔融鹽電解質電池18是安全的。
[0079]另外，在圖2?4各自顯示的冷卻單元5中使用的冷卻介質51的量、噴射口 54的方向以及底板56的數量和位置等可以根據熔融鹽電解質電池裝置I的結構、位置等適當設計。另外，冷卻單元5的構造不限于圖2?4中所示的構造。
[0080]現在將描述熔融鹽電解質電池18的結構。圖5為顯示熔融鹽電解質電池18的結構的實例的示意性俯視圖。圖6為熔融鹽電解質電池18的示意性正視透視圖。在圖5和圖6中，標號6指示由鋁合金構成的電池容器，且電池容器6具有中空的具有底部的基本長方體形狀。通過氟涂布或防蝕鋁處理對電池容器6的內部進行了絕緣處理。各自容納在袋形隔膜31中的六個負極21和五個正極11橫向(圖中的前后方向)平行地布置在電池容器6中。負極21、隔膜31和正極11構成一個發電兀件，且在圖5中，堆疊五個發電兀件。
[0081]用于提取電流的矩形極耳(導體)22的下端部在電池容器6的側壁61附近與負極21的上端部相連。極耳22的上端部與矩形平板狀極耳引線23的底面相連。用于提取電流的矩形極耳12的下端部在電池容器6的另一側壁62附近與各正極11的上端部相連。極耳12的上端部與矩形平板狀極耳引線13的底面相連。因此，各自包含負極21、隔膜31和正極11的五個發電元件并聯連接。[0082]極耳引線13和23起到連接包括正極11和負極21的堆疊發電元件全體與外部電路的外部電極的作用且位于熔融鹽7的液面之上。
[0083]隔膜31由在熔融鹽電解質電池18工作的溫度下對熔融鹽7具有耐性的玻璃無紡布構成，其為多孔的且形成為袋形。隔膜31與負極21和正極11 一起，在液面之下約IOmm的位置浸潰在填充在基本長方體狀的電池容器6中的熔融鹽7中。這使得液面略微降低。
[0084]熔融鹽7包含雙(氟磺酰)亞胺(FSI)或雙(三氟甲基磺酰)亞胺(TFSI)陰離子與鈉和/或鉀陽離子，但是不限于此。
[0085]在本發明中，具有圖1的方塊圖中所示的結構的熔融鹽電解質電池裝置I可以包含單個熔融鹽電解質電池18。或者，多個熔融鹽電解質電池18可以組合而構成熔融鹽電解質電池單元，且具有圖1的方塊圖中所示的結構的熔融鹽電解質電池裝置I可以包含所述熔融鹽電解質電池單元。下文將描述包含多個熔融鹽電解質電池18的熔融鹽電解質電池單元的結構的實例。圖7為顯示熔融鹽電解質電池單元15的結構的示意性斜視圖。四個熔融鹽電解質電池18在Y方向上連接而形成組，且九個組布置在X方向上。三個組在X方向上連接，且在每三個組之間插入板狀加熱器83。在X方向的兩端也布置加熱器83。在圖7中，三十六個熔融鹽電解質電池18和四個加熱器83構成熔融鹽電解質電池單元15。
[0086]構成熔融鹽電解質電池單元15的熔融鹽電解質電池18串聯和并聯電連接。例如，在圖7中，在Y方向上連接的四個電池串聯連接，且布置在X方向上的九個組并聯連接。另夕卜，加熱器83各自充當參考圖1描述的加熱單元81。也就是說，該實例中的熔融鹽電解質電池單元15具有圖1中所示的熔融鹽電解質電池18和加熱單元81。
[0087]另外，通過將熔融鹽電解質電池單元15容納在絕熱容器9中，熔融鹽電解質電池18被有效加熱且保溫。當以這種方式將熔融鹽電解質電池18容納在絕熱容器9中時，通過僅關閉加熱單元81的電源，需要花費長時間來降低熔融鹽電解質電池18的溫度。因此，用冷卻介質冷卻熔融鹽電解質電池18是有效的。
[0088]實施例
[0089]將基于實施例更詳細地描述本發明。
[0090](實施例1)
[0091]作為實施例，制造各自與在圖5和圖6中所示的熔融鹽電解質電池18相同的熔融鹽電解質電池18，且還制造圖7中所示的熔融鹽電解質電池單元15和冷卻單元5。作為加熱單元，使用如圖7中所示的板狀加熱器83。作為溫度檢測單元，使用熱電偶，且將熱電偶連接到各熔融鹽電解質電池18的表面。冷卻被構造為使得絕熱容器9的絕熱被解除且通過從冷卻單元5噴射冷卻介質，冷卻熔融鹽電解質電池18。作為冷卻介質51，使用液氮。
[0092]通過加熱器83將熔融鹽電解質電池加熱到80°C，且進行充放電操作。隨后，當在充放電操作期間在約30秒內將液氮噴射到熔融鹽電解質電池18的表面時，整個熔融鹽電解質電池單元15中的熔融鹽凝固，且電池反應停止。
[0093]隨后，當通過加熱器83將熔融鹽電解質電池18再次加熱到80°C時，可以以與在噴射液氮之前相同的方式進行充放電操作。
[0094](實施例2)
[0095]如實施例1中一樣制造兩種熔融鹽電解質電池裝置，不同之處在于在具有實施例1中所示的結構的熔融鹽電解質電池中僅改變冷卻單元5。在一個熔融鹽電解質電池裝置中，設置能夠在圖7中所示的鄰近熔融鹽電解質電池18之間引入冷卻水的水冷型冷卻盤管。在另一個熔融鹽電解質電池裝置中，設置空冷型冷卻單元，使得通過解除或停止圖7的絕熱容器9的絕熱，可以通過鼓風扇冷卻熔融鹽電解質電池18。
[0096]在這種狀態下，在假定溫度異常升高的情況下，將這兩個熔融鹽電解質電池裝置控制為高于正常工作溫度的100°c，且隨后停止加熱單元。隨后，在一個裝置中，通過供給室溫自來水開始冷卻。在另一個裝置中，解除或停止絕熱容器9的絕熱，且通過使用鼓風扇向熔融鹽電解質電池18送風來開始冷卻。
[0097]結果表明，溫度達到熔融鹽電解質的熔點所需要的冷卻時間，在水冷型冷卻單元中為約5分鐘，且在空冷型冷卻單元中為約30分鐘。
[0098](比較例I)
[0099]作為比較例，制造與實施例1相同的熔融鹽電解質電池單元。如實施例1中一樣，制造加熱單元和溫度檢測單元。
[0100]通過加熱器將熔融鹽電解質電池加熱到80°C，且進行充放電操作。隨后，在充放電操作期間，切斷加熱器的電源。結果，由于整個熔融鹽電解質電池單元中的熔融鹽凝固而使電池反應停止需要花費約2小時。
[0101]從實施例1和2及比較例I的結果確認，與僅切斷加熱器的電源的情況相比，通過向熔融鹽電解質電池噴射諸如液氮的冷卻介質或通過用水冷型冷卻單元或空冷型冷卻單元進行冷卻，電池的溫度快速降低且電池反應安全地停止。
[0102]結果表明，在根據本發明的具有冷卻單元的熔融鹽電解質電池裝置中，熔融鹽電解質電池體的溫度可以在非常短的時間內降低。可以將快速放電期間的溫度升高快速控制到預設溫度，且即使在異常情況如內部短路中的溫度升高，也可以高度安全地有效控制。
【權利要求】
1.一種熔融鹽電解質電池裝置，其具有使用熔融鹽作為電解質的熔融鹽電解質電池，所述熔融鹽電解質電池裝置的特征在于具有: 溫度檢測單元，其檢測所述熔融鹽電解質電池的溫度； 冷卻單元，其用冷卻介質冷卻所述熔融鹽電解質電池；和 控制單元，向其中輸入來自所述溫度檢測單元的信號且其向所述冷卻單元輸出操作指令。
2.根據權利要求1所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 所述裝置還具有加熱所述熔融鹽電解質電池的加熱單元和切斷所述加熱單元的電源的加熱切斷單元，并且 所述控制單元還向所述加熱切斷單元輸出操作指令。
3.根據權利要求2所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 當所述熔融鹽電解質電池的溫度變為預定的第一溫度以上時，所述控制單元向所述加熱切斷單元輸出操作指令，和 當所述熔融鹽電解質電池的溫度變為比第一溫度更高的第二溫度以上時，所述控制單元向所述冷卻單元輸出操作指令。
4.根據權利要求1?3中任一項所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 所述冷卻單元將所述熔融鹽電解質電池至少冷卻到所述熔融鹽凝固的溫度。
5.根據權利要求1?4中任一項所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 所述冷卻介質為液氮。
6.根據權利要求1?4中任一項所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 所述冷卻單元為水冷型冷卻單元或空冷型冷卻單元。
7.根據權利要求1?6中任一項所述的熔融鹽電解質電池裝置，其特征在于， 所述熔融鹽電解質電池被容納在絕熱容器中。
【文檔編號】H01M10/39GK103503222SQ201280019231
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年4月6日 優先權日:2011年4月18日
【發明者】福永篤史, 稻澤信二, 新田耕司, 酒井將一郎 申請人:住友電氣工業株式會社