專利名稱：非水電解液二次電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非水電解液二次電池組(battery pack)的結(jié)構(gòu)，更詳細(xì)地說，涉及與連接的多個(gè)電池的特性提高相適應(yīng)的排列。
背景技術(shù)：
以鋰離子二次電池為代表的非水電解液二次電池，由于與其它的蓄電池相比具有較高的能量密度，所以除了便攜式機(jī)器電源等民生的用途以外，其市場(chǎng)正在向電動(dòng)工具電源等動(dòng)力工具用途方面擴(kuò)大。
不管電池體系如何，電動(dòng)工具用二次電池為提高輸出特性而擴(kuò)大電極面積，所以它被設(shè)計(jì)為構(gòu)成簡(jiǎn)單的圓筒型。在先于電動(dòng)工具用途而實(shí)用化的混合電動(dòng)汽車用途中，其構(gòu)成通常是連接圓筒型電池的蓋面和底面而構(gòu)成細(xì)長(zhǎng)的組件，然后將該組件以橫向并排且橫向堆積的方式串聯(lián)連接在汽車的底盤上(例如，特開2001-155789號(hào)公報(bào))。該結(jié)構(gòu)由于在高速率充放電時(shí)容易蓄積由各電池產(chǎn)生的焦耳熱，所以為提高電池組的散熱性，在各組件之間設(shè)置一定的間隙，以便容易利用來自外部的冷卻風(fēng)。
在混合電動(dòng)汽車用非水電解液二次電池的情況下，如果能夠在啟動(dòng)和加速時(shí)瞬間釋放出大電流，然后就可以通過內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。但是，在電動(dòng)工具用非水電解液二次電池的情況下，驅(qū)動(dòng)源只是電池，在單純采用提高電池組的散熱性的結(jié)構(gòu)時(shí)，例如在寒冷的條件下，當(dāng)電池反應(yīng)的阻抗較大時(shí)，就難以連續(xù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是基于上述的課題而完成的，其目的在于提供一種非水電解液二次電池組，所述電池組作為電動(dòng)工具用電源，具有適合于在室外使用的結(jié)構(gòu)。
為了解決上述以前的課題，本發(fā)明的非水電解液二次電池組包括在蓋面和底面上安設(shè)了正負(fù)極端子的圓筒型非水電解液二次電池，用于收納多個(gè)所述非水電解液二次電池的電池收納容器，測(cè)量電池電壓和電池溫度的測(cè)量部，和基于所述測(cè)量部的測(cè)量結(jié)果而控制充放電的控制部；其中在電池收納容器內(nèi)，所有的圓筒型非水電解液二次電池以側(cè)面彼此相向的方式進(jìn)行排列并進(jìn)行電連接，而且當(dāng)設(shè)定該圓筒型非水電解液二次電池的直徑為A、電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，B/A為0.02～0.2的范圍。
本發(fā)明者進(jìn)行了潛心的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)作為電池組的結(jié)構(gòu)，具有適度蓄熱性的一方適于在寒冷環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)高速率的放電。具體地說，使多個(gè)電池的側(cè)面彼此相向且同時(shí)對(duì)其距離進(jìn)行優(yōu)化，藉此在高溫下發(fā)揮適度的散熱性，而且在寒冷環(huán)境下有效利用高速率放電時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱以提升電池本身的溫度，從而通過降低電池反應(yīng)的阻抗而使連續(xù)放電成為可能。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的非水電解液二次電池組的示意立體圖。
圖2是圖1的II-II向示意剖面圖。
圖3是圖1的III-III向示意剖面圖。
圖4是圖1的IV-IV向示意剖面圖。
圖5是表示在隔離板上設(shè)置的缺口形狀的實(shí)例圖。
具體實(shí)施例方式
下面采用附圖就用于實(shí)施本發(fā)明的最好的方案進(jìn)行說明。
圖1是本發(fā)明的非水電解液二次電池組的示意立體圖，圖2是圖1的II-II向剖面圖，圖3是圖1的III-III向剖面圖，圖4是圖1的IV-IV向剖面圖。多個(gè)圓筒型非水電解液二次電池1在其蓋面和底面設(shè)置有正負(fù)極的端子(圖中未示出)，在電池收納容器2中，所有的電池以側(cè)面彼此相向的方式進(jìn)行排列且進(jìn)行電連接。此外，測(cè)量電池電壓和電池溫度的測(cè)量部3和進(jìn)一步基于測(cè)量部的測(cè)定結(jié)果而控制充放電的控制部4，以與該圓筒型非水電解液二次電池1相鄰接的方式進(jìn)行設(shè)置，從而構(gòu)成了本發(fā)明的非水電解液二次電池組5。
在此，非水電解液二次電池組5中的所有圓筒型非水電解液二次電池1，必須以側(cè)面彼此相向的方式進(jìn)行排列。即使在連接圓筒型非水電解液二次電池1的蓋面和底面而構(gòu)成如專利文獻(xiàn)1那樣的細(xì)長(zhǎng)組件的情況下，盡管在高溫下可以發(fā)揮適度的散熱性，但在寒冷環(huán)境下由于散熱性過高，所以不可能具有作為本發(fā)明精髓的適度的蓄熱性。
在此，為了謀求散熱性和蓄熱性的并存，當(dāng)設(shè)定圓筒型非水電解液二次電池1的直徑為A、該電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，B/A必須為0.02～0.2的范圍。當(dāng)B/A在0.02以下時(shí)，由于各電池過于接近，盡管蓄熱性無可挑剔，但在高溫環(huán)境下的散熱性較差。相反地，當(dāng)B/A超過0.2時(shí)，由于各電池過于分開，盡管散熱性無可挑剔，但在寒冷環(huán)境下的蓄熱性較差。
另外，為了將B/A設(shè)定為上述的預(yù)定值，從避免因使用產(chǎn)生的振動(dòng)而引起尺寸(B/A值)變化的角度考慮，優(yōu)選在電池收納容器2內(nèi)配備用于隔離非水電解液二次電池1的相鄰側(cè)面的隔離板6。另外，從使產(chǎn)生的焦耳熱在電池組5內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻化的角度考慮，優(yōu)選在隔離板6上具有貫通孔7。再者，從兼顧上述溫度的均勻化以及隔離板6的強(qiáng)度確保的角度考慮，優(yōu)選隔離板6中貫通孔7的面積比(以下稱為空孔率)為10～70％?？湛茁实陀?0％時(shí)，由于因貫通孔7而產(chǎn)生的熱對(duì)流不夠充分，所以導(dǎo)致電池組7內(nèi)溫度均勻性的降低。相反，在空孔率超過70％時(shí)，在熱對(duì)流的作用下，電池組5內(nèi)的溫度容易變得均勻，但隔離板6的強(qiáng)度降低，從而使機(jī)械強(qiáng)度變得難以確保。在此，隔離板6中的貫通孔7也可以是不定形的缺口7，另外，將它們混合使用也能得到同樣的效果。
在滿充電的狀態(tài)下，本發(fā)明的非水電解液二次電池1串聯(lián)時(shí)的電壓優(yōu)選為12.6～42V。雖然也取決于正極活性物質(zhì)，但由于非水電解液二次電池一般在滿充電時(shí)顯示出約4.2V的閉路電壓，所以上述的最佳范圍與3～10個(gè)電池相當(dāng)。在滿充電的狀態(tài)下，當(dāng)電壓低于12.6V(電池為2個(gè)或以下)時(shí)，由于焦耳熱不足，致使蓄熱性降低，從而本發(fā)明的效果難以發(fā)揮出來。另外，在滿充電的狀態(tài)下，當(dāng)電壓超過42V(電池為11或以上)時(shí)，由于蓄熱變得過剩，所以將會(huì)產(chǎn)生使高溫時(shí)的散熱性降低這樣的課題。
在本發(fā)明中，控制部4優(yōu)選具有如下的監(jiān)視功能，即當(dāng)測(cè)量部3檢測(cè)到的圓筒型非水電解液二次電池1的表面溫度為60～80℃時(shí)，停止進(jìn)行充放電。當(dāng)停止進(jìn)行充放電的溫度低于60℃時(shí)，即使是電池溫度稍微的上升，也會(huì)產(chǎn)生停止充放電這樣的課題。相反，當(dāng)停止充放電的溫度超過80℃時(shí)，當(dāng)因過充電等產(chǎn)生異常過熱時(shí)，由于停止通電的時(shí)機(jī)延遲，所以就會(huì)產(chǎn)生電池組5本身過熱這樣的課題。
作為適用本發(fā)明的非水電解液二次電池1的負(fù)極材料中所含有的負(fù)極活性物質(zhì)，可以使用能夠進(jìn)行鋰的嵌入/脫嵌的碳材料、結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)金屬氧化物等。作為碳材料，可列舉出諸如焦炭和玻璃狀碳之類的難石墨化碳材料、以及晶體結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的高結(jié)晶性碳材料的石墨類等，具體地說，可列舉出熱解碳類、焦炭類(瀝青焦炭、針狀焦炭、石油焦炭等)、石墨類、玻璃狀碳類、有機(jī)高分子化合物燒結(jié)體(在適當(dāng)?shù)臏囟认聼Y(jié)酚醛樹脂、呋喃樹脂等而碳化的材料)、碳纖維以及活性炭等。
作為負(fù)極中所含有的粘結(jié)劑，具體地說，可以考慮聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡膠等。通?？梢圆捎眠@種電池的負(fù)極合劑所使用的公知的粘結(jié)劑。另外，在負(fù)極合劑中，也可以根照需要添加公知的添加劑等。
作為適用本發(fā)明的非水電解液二次電池1的正極活性物質(zhì)，只要是能夠進(jìn)行鋰的嵌入/脫嵌且含有足量鋰的以前公知的正極材料，則任何材料都可以。具體地說，優(yōu)選使用以通式LiMxOy(其中，1＜x≤2，2＜y≤4，M含有Co、Ni、Mn、Fe、Al、V以及Ti之中的至少1種或以上)表示的由鋰和過渡金屬構(gòu)成的復(fù)合金屬氧化物、或含有鋰的嵌入化合物等。
作為正極所含有的粘結(jié)劑，通?？梢允褂眠@種電池的正極合劑所采用的公知的粘結(jié)劑。具體地說，可以考慮聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、丁苯橡膠等。另外，在正極合劑中，也可以根據(jù)需要添加公知的添加劑等。具體地說，可以添加碳黑等。
非水電解液是將電解質(zhì)溶解在非水溶劑中而成的。
在非水溶劑中，可以使用介電常數(shù)比較高、難以被構(gòu)成負(fù)極的石墨所分解的碳酸乙烯酯(以下稱為EC)等作為主溶劑。特別是在負(fù)極使用石墨材料的情況下，作為主溶劑，優(yōu)選使用EC，但也可以使用以鹵族元素取代EC中的氫原子所得到的化合物。
另外，對(duì)于作為主溶劑的EC和以鹵族元素取代EC中的氫原子所得到的化合物等，通過用第2成分溶劑取代如碳酸丙烯酯(以下稱為PC)那樣與石墨發(fā)生反應(yīng)的材料的一部分，則可以得到更加良好的特性。
作為該第2成分溶劑，可列舉出碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、亞乙烯基碳酸酯、1，2-二甲氧基乙烷、二乙氧基甲烷、γ-丁內(nèi)酯、戊內(nèi)酯、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、1，3-二氧戊環(huán)、4-甲基-1，3-二氧戊環(huán)、環(huán)丁砜、甲基環(huán)丁砜等。
再者，優(yōu)選在非水溶劑中并用低粘度溶劑，以提高導(dǎo)電率來改善電流特性，降低與鋰金屬的反應(yīng)能力來改善安全性。
作為低粘度溶劑，可以使用二乙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、甲基乙基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯等對(duì)稱或不對(duì)稱的鏈狀碳酸酯，丙酸甲酯、丙酸乙酯等羧酸酯，以及磷酸三甲酯、磷酸三乙酯等磷酸酯等。這些低粘度溶劑既可以單獨(dú)使用1種，也可以混合2種或更多種加以使用。
作為電解質(zhì)，只要是溶解在非水溶劑中且表現(xiàn)出離子傳導(dǎo)性的鋰鹽就沒有特別的限定，例如，可以使用LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、CF3SO3Li、LiCl以及LiBr等。作為電解質(zhì)，特別優(yōu)選使用LiPF6。這些電解質(zhì)既可以單獨(dú)使用1種，也可以混合2種或更多種加以使用。
此外，本發(fā)明的非水電解液二次電池1并不限定為上述的鋰離子二次電池，即便是使用了固體電解質(zhì)和凝膠狀電解質(zhì)的電池體系，也可以得到同樣的效果。另外，本發(fā)明的非水電解液二次電池1的形狀可以是圓筒型，關(guān)于其直徑和長(zhǎng)度并沒有進(jìn)行限定。
作為電池罐的材質(zhì)，可以使用Fe、Ni、不銹鋼、Al以及Ti等。隨著電池充放電的進(jìn)行，為了防止因非水電解液引起的電化學(xué)腐蝕，也可以對(duì)電池罐施行電鍍等處理。
(實(shí)施例1)(i)正極的制作關(guān)于正極的制作，以LiCoO2為正極活性物質(zhì)。正極材料可以通過下述方法而得到，即以預(yù)定的摩爾數(shù)混合作為原材料的碳酸鋰(Li2CO3)和氧化鈷(Co3O4)，然后在900℃的空氣氣氛下燒結(jié)10小時(shí)。
在100重量份的正極活性物質(zhì)中，添加3重量份的乙炔黑作為導(dǎo)電材料，并調(diào)配聚偏二氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液，使其含有5重量份的聚偏二氟乙烯作為粘結(jié)劑，然后進(jìn)行攪拌與混合，從而得到糊狀的正極合劑。其次，以厚度為20μm的鋁箔為集電體，在其兩面涂布上述的糊狀正極合劑，干燥后用軋輥進(jìn)行軋制，裁切成預(yù)定尺寸后，將其作為正極。
(ii)負(fù)極的制作負(fù)極按以下的方法制造。首先，相對(duì)于100重量份的經(jīng)粉碎、分級(jí)使平均粒徑約為20μm的鱗片狀石墨，混合3重量份的作為粘結(jié)劑的丁苯橡膠后，添加羧甲基纖維素水溶液使其固體成分為1重量份，繼而進(jìn)行攪拌混合，將其作為糊狀負(fù)極合劑。以厚度為15μm的銅箔為集電體，在其兩面涂布糊狀的負(fù)極合劑，干燥后用軋輥進(jìn)行軋制，裁切成預(yù)定尺寸后，將其作為負(fù)極。
(iii)非水電解液的制作所使用的非水電解液是在以30∶70的比例由EC和甲基乙基碳酸酯調(diào)配而成的溶劑中，溶解LiPF6所得到的1.0mol/l的溶液。
(iv)非水電解液二次電池的制作使用上述的正極、負(fù)極和非水電解液，制造直徑為26mm、高度為65mm的圓筒型非水電解液二次電池1。以下詳述其工藝步驟。
將上述帶狀的正負(fù)極隔著由微孔性聚乙烯薄膜構(gòu)成的隔膜而進(jìn)行層疊之后，沿長(zhǎng)度方向卷繞多次，從而制作出螺旋形電極體。其次，在底部插入絕緣板，并將電極體收納在內(nèi)側(cè)實(shí)施了鍍鎳的鐵制電池罐內(nèi)。繼而使由銅構(gòu)成的負(fù)極導(dǎo)線的一端壓焊在負(fù)極上，另一端焊接在電池罐上，由此使電池罐成為負(fù)極的外部端子。另一方面，把由鋁構(gòu)成的正極導(dǎo)線的一端安裝在正極上，通過根據(jù)電池內(nèi)壓而斷開電流的電流斷開用薄板的分隔，把另一端與電池蓋進(jìn)行電連接，由此使電池蓋成為正極的外部端子。
在電池罐中注入將電解質(zhì)溶解于非水溶劑中而調(diào)制的非水電解液后，通過涂布了氧化瀝青的絕緣封口墊圈的分隔對(duì)電池罐進(jìn)行斂縫封口。最后使以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯為主要成分的絕緣管產(chǎn)生熱收縮，由此與外裝罐實(shí)現(xiàn)一體化，從而制作出圓筒型非水電解液二次電池1。
(v)非水電解液二次電池組的制作以電池間距離為2.6mm的間隔(B/A＝0.1)沿橫向?qū)?個(gè)上述的非水電解液二次電池1串聯(lián)連接起來。這里不使用隔離板，關(guān)于電池間的連接，使用鎳制的連接板并通過電阻焊進(jìn)行連接。再者，在中央配置的非水電解液二次電池中，為了在充放電中進(jìn)行溫度的測(cè)量，將溫度監(jiān)視用測(cè)量部3(熱電偶)緊貼在電解液二次電池1的絕緣管上，就控制部4而言，將停止充放電的溫度(以下稱為監(jiān)視溫度)設(shè)定為60℃。最后，連接非水電解液二次電池1的正負(fù)極端子，再用ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯)樹脂制的外殼覆蓋該電池組，從而制作出如圖1所示的非水電解液二次電池組。將其設(shè)定為實(shí)施例1的非水電解液二次電池組。
(比較例1)對(duì)于實(shí)施例1的非水電解液二次電池組，沿縱向?qū)?個(gè)非水電解液二次電池1串聯(lián)連接起來，除此以外，與上述實(shí)施例1一樣制作出非水電解液二次電池組。將其設(shè)定為比較例1的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例2～3，比較例2～3)對(duì)于實(shí)施例1的非水電解液二次電池組，分別將非水電解液二次電池1之間的距離設(shè)定為0.26mm(B/A＝0.01)、0.52mm(B/A＝0.02)、5.2mm(B/A＝0.2)以及7.8mm(B/A＝0.3)，除此以外，與實(shí)施例1一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為比較例2、實(shí)施例2～3、比較例3的非水電解液二次電池組。
(vi-a)活化充放電對(duì)于以上的各非水電解液二次電池組，在25℃的環(huán)境下控制每個(gè)單電池的充電電壓，以2A的充電電流進(jìn)行恒電流充電，直到最快的一個(gè)單電池達(dá)到4.2V為止，然后進(jìn)行恒電壓充電，直到充電電流減少為200mA為止。休息20分鐘后，以25A的電流值放電至2.5V。
對(duì)于活化充放電后的各非水電解液二次電池組，進(jìn)行了以下的評(píng)價(jià)。
(低溫放電試驗(yàn))在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電后，將各非水電解液二次電池組在0℃的環(huán)境下放置5小時(shí)，接著在0℃的環(huán)境下以25A的電流值放電至2.5V。其放電容量如表1所示。
(高溫充電試驗(yàn))除環(huán)境溫度設(shè)定為40℃以外，其它在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電，在電池溫度達(dá)到監(jiān)視溫度的時(shí)候停止充電。其充電容量如表1所示。
(振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn))在25℃的環(huán)境下，使各非水電解液二次電池組以10～30Hz的振動(dòng)頻率、3mm的振幅振動(dòng)30分鐘。使非水電解液二次電池組在縱向和橫向的振動(dòng)分別重復(fù)進(jìn)行3次。然后分解電池組，確認(rèn)振動(dòng)試驗(yàn)前后的電池間距離的變化。其結(jié)果如表1所示，出現(xiàn)肉眼能觀察到的變化者，表示為“移動(dòng)大”；肉眼沒有觀察到變化但以游標(biāo)卡尺測(cè)量出現(xiàn)0.1mm或以上的變化者，表示為“移動(dòng)小”；變化低于0.1mm者，表示為“沒有移動(dòng)”。
表1

從比較例1可知，由于縱向排列非水電解液二次電池1，致使低溫放電容量大大降低。盡管這種結(jié)構(gòu)的散熱性較高，但一般認(rèn)為在寒冷環(huán)境下的蓄熱性差，所以導(dǎo)致了這樣的結(jié)果。與此相同的是，盡管橫向排列非水電解液二次電池1，但就電池間距離過大的比較例3而言，雖然達(dá)不到比較例1那樣的程度，然而低溫放電特性還是降低了。
與這些比較例相對(duì)照，使非水電解液二次電池1橫向排列且使電池間距離得以優(yōu)化的各實(shí)施例，表現(xiàn)出優(yōu)良的低溫放電特性。但像比較例2那樣，如果過于縮短電池間的距離，則蓄熱性就會(huì)變得過剩，由于很快達(dá)到監(jiān)視溫度，所以高溫充電容量具有下降的傾向。由此可知，為達(dá)到本發(fā)明的效果，當(dāng)在電池收納容器內(nèi)使圓筒型非水電解液二次電池1橫向排列、進(jìn)而設(shè)定圓筒型非水電解液二次電池1的直徑為A、電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，B/A必須為0.02～0.2的范圍，其中還可知當(dāng)B/A為0.1時(shí)，可以得到較高數(shù)值的低溫放電容量和高溫充電容量。
(實(shí)施例4)在上述的實(shí)施例中，對(duì)于可以得到良好結(jié)果的實(shí)施例1的非水電解液二次電池組，為了保持電池間距離為2.6mm(B/A＝0.1)，配置了ABS樹脂制隔離板6，除此以外，與上述實(shí)施例1一樣制作出非水電解液二次電池組。將其設(shè)定為實(shí)施例4的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例5～9)對(duì)于實(shí)施例4的非水電解液二次電池組，在隔離板6上形成貫通孔7，使其空孔率分別為5、10、40、70、80％，除此以外，與上述實(shí)施例4一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例5～9的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例10)對(duì)于實(shí)施例4的非水電解液二次電池組，除在隔離板6上設(shè)置缺口使其空孔率為40％以外，其它與上述實(shí)施例4一樣制作出非水電解液二次電池組。將其設(shè)定為實(shí)施例10的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例11～14)對(duì)實(shí)施例7的非水電解液二次電池組，除分別將2、3、10、12個(gè)電池沿橫向串聯(lián)排列以外，其它與上述實(shí)施例7一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例11～14的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例15～18)對(duì)于實(shí)施例7的非水電解液二次電池組，除將停止充放電的溫度分別設(shè)定為50、70、80、85℃以外，其它與上述實(shí)施例7一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例15～18的非水電解液二次電池組。
(vi-b)活化充放電對(duì)于實(shí)施例4～18的電池組，在25℃的環(huán)境下控制每個(gè)單電池的充電電壓，以2A的充電電流進(jìn)行恒電流充電，直到最快的一個(gè)單電池達(dá)到4.2V為止，然后進(jìn)行恒電壓充電，直到充電電流減少為200mA為止。休息20分鐘后，以25A的電流值放電至2.5v。
對(duì)于活化充放電后的各非水電解液二次電池組，進(jìn)行了以下的評(píng)價(jià)。
(低溫放電試驗(yàn))在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電后，將各非水電解液二次電池組在0℃的環(huán)境下放置5小時(shí)，接著在0℃的環(huán)境下以25A的電流值放電至2.5V。其放電容量如表2所示。
(高溫充電試驗(yàn))除環(huán)境溫度設(shè)定為40℃以外，其它在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電，在電池溫度達(dá)到監(jiān)視溫度的時(shí)候停止充電。其充電容量如表2所示。
(振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn))在25℃的環(huán)境下，使各非水電解液二次電池組以10～30Hz的振動(dòng)頻率、3mm的振幅振動(dòng)30分鐘。使非水電解液二次電池組在縱向和橫向的振動(dòng)分別重復(fù)進(jìn)行3次。然后分解各非水電解液二次電池組，確認(rèn)振動(dòng)試驗(yàn)前后的電池間距離的變化。其結(jié)果如表2所示，出現(xiàn)肉眼能觀察到的變化者，表示為“移動(dòng)大”；肉眼沒有觀察到變化但以游標(biāo)卡尺測(cè)量出現(xiàn)0.1mm或以上的變化者，表示為“移動(dòng)小”；變化低于0.1mm者，表示為“沒有移動(dòng)”。
(過充電穩(wěn)定性試驗(yàn))對(duì)于實(shí)施例5～9及15～18的非水電解液二次電池組，在25℃的環(huán)境下進(jìn)行8A的充電試驗(yàn)，在達(dá)到每個(gè)非水電解液二次電池組所設(shè)定的充放電停止溫度時(shí)停止充電。測(cè)量部3顯示的停止后的最高到達(dá)溫度如表2所示。
表2

關(guān)于隔離板6的有無，即使在電池間距離相同的情況下，與實(shí)施例1相比較，實(shí)施例4也表現(xiàn)出優(yōu)良的耐振動(dòng)性。因此，在搭載本發(fā)明的非水電解液二次電池組的機(jī)器要求耐振動(dòng)性的情況下，優(yōu)選在電池收納容器2中配備用于隔離電池相鄰側(cè)面的隔離板6。另外，當(dāng)在隔離板6上設(shè)置如實(shí)施例5～9那樣的貫通孔7和實(shí)施例10那樣的缺口7(參照?qǐng)D5A)時(shí)，其低溫放電特性得以提高。一般認(rèn)為其原因在于，通過在隔離板6設(shè)置貫通孔7或缺口7，則在電池收納容器2內(nèi)容易使產(chǎn)生的焦耳熱變得均勻。但是，空孔率為5％的實(shí)施例5，上述的效果并不太大。另外，空孔率為80％的實(shí)施例9，由于機(jī)械強(qiáng)度下降，因而耐振動(dòng)性不會(huì)太高。由此可知，優(yōu)選的是在各電池間設(shè)置隔離板6，在隔離板6上設(shè)置貫通孔7和/或缺口7，進(jìn)而將空孔率設(shè)定為10～70％。
關(guān)于串聯(lián)的電池的數(shù)量，在非水電解液二次電池1的數(shù)量為2個(gè)的實(shí)施例11中，散熱性變得過剩，從而低溫放電特性具有稍微降低的傾向。另一方面，在非水電解液二次電池1的數(shù)量為12個(gè)的實(shí)施例14中，蓄熱性變得過剩，高溫充電容量具有稍微降低的傾向。由此可知，為明顯提高本發(fā)明的效果，優(yōu)選在滿充電的狀態(tài)下，將非水電解液二吹電池1串聯(lián)時(shí)的電壓設(shè)定為12.6～42V(電池?cái)?shù)量3～10個(gè))。
鋰離子電池在充電時(shí)，伴隨著焦耳熱的產(chǎn)生，導(dǎo)致電池溫度的上升，但如果超過90℃，就會(huì)因正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生異常的過熱。因此，作為電池溫度，有必要不超過達(dá)到異常的90℃而在正常的升溫可以忽視的范圍內(nèi)進(jìn)行充電，所以對(duì)實(shí)施5～9例和15～18的電池組進(jìn)行了過充電穩(wěn)定性試驗(yàn)。對(duì)于將監(jiān)視溫度設(shè)定為85℃的實(shí)施例18，其最高到達(dá)溫度為97℃，從而過充電穩(wěn)定性低下。相反，對(duì)于將監(jiān)視溫度設(shè)定為50℃的實(shí)施例15，充電停止后的最高到達(dá)溫度為52℃，從而過充電穩(wěn)定性較高，然而，在達(dá)到滿充電狀態(tài)之前，因微小的升溫而停止充電，因而高溫充電容量低下。由此可知，作為本發(fā)明的非水電解液二次電池組的監(jiān)視溫度，優(yōu)選為60～80℃。
從以上結(jié)果可知使機(jī)械強(qiáng)度、低溫放電特性、高溫充電特性以及過充電穩(wěn)定性都得到滿足的電池，具有空孔率為10～70％的隔離板6，監(jiān)視溫度設(shè)定為60～80℃，而且電池?cái)?shù)量為3～10個(gè)，但其中可以得到良好結(jié)果的是實(shí)施例7的構(gòu)成。
(實(shí)施例7A～7F)于是，對(duì)于實(shí)施例7的非水電解液二次電池組，在隔離板6上形成貫通孔7，使其空孔率分別為25、30、35、45、50、55％，除此以外，與上述實(shí)施例7一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例7A～7F的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例7G～7J)對(duì)于實(shí)施例7的非水電解液二次電池組，將由非水電解液二次電池1的直徑A和非水電解液二次電池1之間的距離B所確定的B/A分別設(shè)定為0.02、0.05、0.15、0.2，除此以外，與上述實(shí)施例7一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例7G～7J的非水電解液二次電池組。
(實(shí)施例7K～7L)對(duì)于實(shí)施例7的非水電解液二次電池組，除隔離板6的材質(zhì)為UNILATE(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、玻璃纖維和云母的混合物，Kyodo株式會(huì)社的商品名)和PPO(聚苯醚)以外，其它與實(shí)施例7一樣制作出非水電解液二次電池組。將其分別設(shè)定為實(shí)施例7K～7L的非水電解液二次電池組。
(vi-c)活化充放電對(duì)于實(shí)施例7A～7L的非水電解液二次電池組，在25℃的環(huán)境下控制每個(gè)單電池的充電電壓，以2A的充電電流進(jìn)行恒電流充電，直到最快的一個(gè)單電池達(dá)到4.2V為止，然后進(jìn)行恒電壓充電，直到充電電流減少為200mA為止。休息20分鐘后，以25A的電流值放電至2.5V。
對(duì)于活化充放電后的各非水電解液二次電池組，進(jìn)行了以下的評(píng)價(jià)。
(低溫放電試驗(yàn))在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電后，將各非水電解液二次電池組在0℃的環(huán)境下放置5小時(shí)，接著在0℃的環(huán)境下以25A的電流值放電至2.5V。其放電容量如表3所示。
(高溫充電試驗(yàn))除環(huán)境溫度設(shè)定為40℃以外，其它在與上述活化充放電同樣的條件下進(jìn)行充電，在電池溫度達(dá)到監(jiān)視溫度的時(shí)候停止充電。其充電容量如表3所示。
(振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn))
在25℃的環(huán)境下，使各非水電解液二次電池組以10～30Hz的振動(dòng)頻率、3mm的振幅振動(dòng)30分鐘。使非水電解液二次電池組在縱向和橫向的振動(dòng)分別重復(fù)進(jìn)行3次。然后分解各非水電解液二次電池組，確認(rèn)振動(dòng)試驗(yàn)前后的電池間距離的變化。其結(jié)果如表3所示，出現(xiàn)肉眼能觀察到的變化者，表示為“移動(dòng)大”；肉眼沒有觀察到變化但以游標(biāo)卡尺測(cè)量出現(xiàn)0.1mm或以上的變化者，表示為“移動(dòng)小”；變化低于0.1mm者，表示為“沒有移動(dòng)”。
(過充電穩(wěn)定性試驗(yàn))對(duì)于實(shí)施例7A～7F的非水電解液二次電池組，在25℃的環(huán)境下進(jìn)行8A的充電試驗(yàn)，在達(dá)到每個(gè)非水電解液二次電池組所設(shè)定的充放電停止溫度時(shí)停止充電。測(cè)量部3顯示的停止后的最高到達(dá)溫度如表3所示。
表3

由實(shí)施例7A～7F得到了如下的結(jié)果即使將隔離板6上的貫通孔7的面積比設(shè)定為25～55％，其低溫放電容量、高溫充電容量與實(shí)施例7相比，也都沒有明顯的差別。但是，對(duì)于空孔率為55％的實(shí)施例7F，因?yàn)槠錂C(jī)械強(qiáng)度有些降低，所以與實(shí)施例7A～7E相比，其振動(dòng)穩(wěn)定性不是太好。由此可知，更優(yōu)選將空孔率設(shè)定為25～50％。
從實(shí)施例7G～7J得到了如下的結(jié)果當(dāng)設(shè)定圓筒型非水電解液二次電池1的直徑為A、電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，即使將B/A的關(guān)系設(shè)定為0.02～0.2，其低溫放電容量、高溫充電容量與實(shí)施例7相比，也都沒有明顯的差別。但是，在稍微擴(kuò)大電池間距離而將B/A設(shè)定為0.15的實(shí)施例7H及將B/A設(shè)定為0.2的實(shí)施例7I中，低溫放電容量出現(xiàn)少許的降低，另外，在稍微縮短電池間距離而將B/A設(shè)定為0.02的實(shí)施例7G及將B/A設(shè)定為0.05的實(shí)施例7H中，高溫充電容量出現(xiàn)少許的降低。由此可知當(dāng)設(shè)定圓筒型非水電解液二次電池的直徑為A、電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，B/A的關(guān)系更優(yōu)選設(shè)定為0.1。
在上述的實(shí)施例中，電池收納容器2使用ABS樹脂制造，隔離板6也同樣地使用ABS樹脂制造，但是，為了使電池收納容器2內(nèi)的焦耳熱實(shí)現(xiàn)均勻化，且不使過量的焦耳熱散失在電池收納容器2之外，隔離板6優(yōu)選的是比電池收納容器2的材質(zhì)具有較高熱傳導(dǎo)率的材質(zhì)。ABS樹脂的熱傳導(dǎo)率為0.1～0.18W/mK，與此相對(duì)照，作為實(shí)施例7K的隔離板6的材質(zhì)的UNILATE及作為實(shí)施例7L的隔離板6的材質(zhì)的PPO，其熱傳導(dǎo)率為0.25W/mK或以上，因而在實(shí)施例7K～7L中，電池收納容器2內(nèi)的焦耳熱具有優(yōu)良的均勻性，所以與實(shí)施例7相比，低溫放電容量要稍微高些。由此可知更優(yōu)選將隔離板6的材料設(shè)定為UNILATE和PPO。
另外，對(duì)實(shí)施例7A～7F的非水電解液二次電池組實(shí)施了過充電穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果在任何電池組中，充電停止后的最高到達(dá)溫度均不超過90℃，可以獲得較高的過充電穩(wěn)定性。
此外，如圖5A～圖5C所示，作為隔離板6，其包含形狀多種多樣的缺口7，并在電池收納容器2內(nèi)具有容易使焦耳熱均勻化的空孔率，這樣的隔離板6也可以用于替換如圖3所示的設(shè)置許多圓形貫通孔7的隔離板6。
正如以上所說明那樣，本發(fā)明的非水電解液二次電池組因冷卻路徑的減少而具有較高的體積效率，而且在蓄熱和散熱之間保持著良好的平衡，所以不管環(huán)境如何，本發(fā)明的非水電解液二次電池組可用作室外使用的機(jī)器例如電動(dòng)工具、電動(dòng)助力自行車、電動(dòng)兒童踏板車、機(jī)器人等的電源。
以上說明的本發(fā)明的具體實(shí)施方案意在闡明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，并不是對(duì)技術(shù)范圍的限定，本發(fā)明可以在以下的權(quán)利要求書所述的范圍內(nèi)，變更各種方式加以實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種非水電解液二次電池組，其包括在蓋面和底面上安設(shè)了正負(fù)極端子的圓筒型非水電解液二次電池，用于收納多個(gè)所述非水電解液二次電池的電池收納容器，測(cè)量電池電壓和電池溫度的測(cè)量部，和基于所述測(cè)量部的測(cè)量結(jié)果而控制充放電的控制部；其中在所述電池收納容器內(nèi)，所有的所述圓筒型非水電解液二次電池以側(cè)面彼此相向的方式進(jìn)行排列并進(jìn)行電連接，而且當(dāng)設(shè)定所述圓筒型非水電解液二次電池的直徑為A、所述電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，B/A為0.02～0.2的范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非水電解液二次電池組，其中在所述電池收納容器中，具有用于隔離所述非水電解液二次電池的相鄰側(cè)面的隔離板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非水電解液二次電池組，其中在所述隔離板上有貫通孔和/或缺口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非水電解液二次電池組，其中所述隔離板上貫通孔和/或缺口的面積比為10～70％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非水電解液二次電池組，其中在滿充電的狀態(tài)下，所述非水電解液二次電池串聯(lián)時(shí)的電壓為12.6～42V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非水電解液二次電池組，其中所述控制部具有在非水電解液二次電池表面上的所述測(cè)量部達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)停止充放電的監(jiān)視機(jī)能；所述預(yù)定溫度在60～80℃的范圍內(nèi)。
全文摘要
提供一種非水電解液二次電池組，其具有測(cè)量電池電壓或電池溫度的測(cè)量部和基于所述測(cè)量部的測(cè)量結(jié)果而控制充放電的控制部；在電池收納容器內(nèi)收納著多個(gè)在蓋面和底面上安設(shè)了正負(fù)極端子的圓筒型非水電解液二次電池；在電池收納容器內(nèi)，使所有的圓筒型非水電解液二次電池以側(cè)面彼此相向的方式進(jìn)行排列并進(jìn)行電連接；而且當(dāng)設(shè)定所述圓筒型非水電解液二次電池的直徑為A、所述電池側(cè)面彼此之間的距離為B時(shí)，使B/A為0.02～0.2，因而作為電動(dòng)工具用電源，具有適合于在室外使用的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01M2/14GK1805172SQ20061000633
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者永山雅敏, 中島琢也, 村岡芳幸 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社