JP2008171628A - 電池ケースの放熱用仕切り板 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に併せて、耐酸化性及び耐アルカリ腐食性に優れた電池ケースの放熱用仕切り板を提供する。
【解決手段】複数の単電池を積層して収納する電池ケースにおいて隣接する単電池を仕切る放熱用仕切り板１であって、表面処理皮膜を有するアルミニウム基材からなり、単電池の積層方向に沿った厚さδ（ｍｍ）と、当該積層方向に対して直交する方向に沿った長さＬ（ｍｍ）とを有し、当該長さ方向に沿って貫通する一つ以上の通風孔Ｄを備え、当該通風孔の前記積層方向における最大幅をＦ（ｍｍ）、通風孔の前記積層方向に沿った断面積をＳ（ｍｍ^２）としたときに、Ｆ／δ≦０．６、かつ、３≦Ｌ／Ｓ≦４５であることを特徴とする放熱用仕切り板。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種２次電池（ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素２次電池、リチウムイオン２次電池等）の電池ケースの放熱用仕切り板に関し、より詳細には、放熱性に加えて耐酸化性及び耐アルカリ腐食性にも優れた放熱用仕切り板に関する。

充電して繰り返し使用できる各種２次電池は、その利便性の高さから、民生用、産業用を問わず広く用いられている。例えば、ニッケル水素２次電池は、高エネルギー密度を有し、環境に優しい材料を使用した高性能な電池である。さらに、より高性能なリチウムイオン２次電池も開発され、各種電子機器の電源としてはもちろん、最近では、電気自動車やハイブリッドカーなど輸送機器にも用いられている。

各種２次電池の単電池起電力について、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素２次電池では約１．２Ｖ、リチウムイオン２次電池では約３．６Ｖであり、所望の電圧、出力特性を得るためには、一般に電池を直列あるいは並列に接続して使用される。

これらの２次電池は、充放電時に熱を発生する場合がある。これは、電気エネルギーと化学エネルギーの変換効率が１００％ではなく、変換されなかったエネルギーが熱として放出されるためである。所定の温度以上になると、安全性や電池寿命などの電池性能に悪影響を及ぼすので電池を冷却する必要がある。

前述の、直列あるいは並列に接続した２次電池は、限られた空間に多くの電池が収納されている場合が多く、各電池を均等に冷却することは容易でない。また、輸送機器については効率向上のため、出力特性や寿命などの電池特性の他に、電池の軽量化も望まれている。

電池の冷却方法については、様々な提案がなされている。以下に示す例は、いずれも単電池容器を外部から冷却するものであり、発熱源からの熱は単電池容器を介して伝わるため、均一に冷却されないおそれがある。特許文献１には、ニッケル水素２次電池と容器の間に伝熱性部材を充填することが記載されている。特許文献２には、角型Ｌｉイオン電池を収納するケースに梁状スペーサを設けることが記載されている。特許文献３には、圧送式ファンによって、電池モジュールのホルダケース内の空気を一方向に強制的に流動させて冷却することが記載されている。特許文献４には、冷却風通路と電池セル群の端面を隔壁により別空間に配置することにより、電池セル群を冷却しつつその電気的接続部を保護することが記載されている。特許文献５には、複数の角型２次電池の間に凹凸を有する空冷スペーサを設けることが記載されている。しかしながら、これら文献に記載の冷却方法では、十分な放熱効果が得られない問題があった。
：特開平５−３６３９２号公報 ：特開平８−２１２９８６号公報 ：特開平１０−２７００９５号公報 ：特開２００３−１４２０５１号公報 ：特開平１０−１１２３０１号公報

本発明は、電池ケースに収められた複数の単電池の温度上昇を高効率に抑制する放熱用仕切り板であって、併せて耐酸化性及び耐アルカリ腐食性も備えた放熱用仕切り板を提供するもので、電池の軽量化と低コスト化にもつながる。

本発明は請求項１において、複数の単電池を積層して収納する電池ケースにおいて隣接する単電池を仕切る放熱用仕切り板であって、表面処理皮膜を有するアルミニウム基材からなり、単電池の積層方向に沿った厚さδ（ｍｍ）と、当該積層方向に対して直交する方向に沿った長さＬ（ｍｍ）とを有し、当該長さ方向に沿って貫通する一つ以上の通風孔を備え、当該通風孔の前記積層方向における最大幅をＦ（ｍｍ）、通風孔の前記積層方向に沿った断面積をＳ（ｍｍ^２）としたときに、Ｆ／δ≦０．６、かつ、３≦Ｌ／Ｓ≦４５であることを特徴とする放熱用仕切り板とした。

本発明は請求項２において、前記表面処理皮膜が、リン酸クロメート皮膜及びリン酸ジルコン皮膜の少なくともいずれかを含み、当該表面処理皮膜の厚さを１０ｎｍ以上で５０ｎｍ未満とした。

本発明は請求項３において、前記表面処理皮膜が、電気ニッケルめっき皮膜及び無電解ニッケルリンめっき皮膜の少なくともいずれかを含み、当該表面処理皮膜の厚さを５〜５０μｍとした。

本発明に係る放熱用仕切り板により、電池ケースに収納された複数の単電池の温度上昇を高効率で抑制できる。更に、本発明に係る放熱用仕切り板により、耐酸化性、耐腐食性に優れると共に、電池の軽量化と低コスト化も達成できる。

Ａ．放熱用仕切り板の材質
放熱用仕切り板の基材は、アルミニウム又はアルミニウム基合金からなるアルミニウム基材である。各種アルミニウム基合金としては、１０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系を用いることができるが、耐腐食性や加工性の観点から、Ａ１０５０材が好適に用いられる。このようなアルミニウム基材には、表面処理皮膜として、リン酸クロメート皮膜、リン酸ジルコン皮膜の化成皮膜、或いは、電気ニッケルめっき皮膜、無電解ニッケルリンめっき皮膜のめっき皮膜が形成される。

Ｂ．放熱用仕切り板の構造
図１に放熱用仕切り板１の例を示す。この例では、放熱用仕切り板１は平板状を成し、厚さ方向の辺Ａと、他の辺ＢとＣを有する。辺Ｂ及びＣの長さはＡに比べて十分に大きい。この例では、辺ＢとＣとによって画成される面が正方形を成しているが、長方形、円形、楕円形など任意の形状とすることができる。放熱用仕切り板１は、通常、押出し成形によって形成される。放熱用仕切り板１には、辺ＡとＣとによって画成される端面Ｅ１から対向する端面Ｅ２へと貫通した複数の通風孔Ｄ設けられている。この例では、通風孔Ｄの断面は正方形を成しているが、円形、楕円形、三角形、長方形、５角形以上の多角形など任意の断面形状とすることができる。

本発明に係る放熱用仕切り板１は、単電池の積層方向に沿った厚さδ（ｍｍ）と当該積層方向に対して直交する方向に沿った長さＬ（ｍｍ）とを有する。通風孔Ｄは、前記積層方向における最大幅Ｆ（ｍｍ）と、通風孔の前記積層方向に沿った断面積をＳ（ｍｍ^２）を有する。本発明では、これら寸法と面積との間に、Ｆ／δ≦０．６、かつ、３≦Ｌ／Ｓ≦４５となる関係を満たす必要がある。

ここで、Ｆ／δは電池の積層方向における放熱用仕切り板の強度を表わすパラメータである。放熱用仕切り板の強度は、Ｆとδの比率にて一義的に決まり、必要強度を得るにはＦ／δ≦０．６とする必要がある。Ｆ／δが０．６より大きい場合、通風孔上下の材料の肉厚が薄過ぎ、放熱用仕切り板として使用した場合、強度が不足する。通風孔が設けられている限りＦ／δは正数となる。

通風孔内を流通する冷却風は孔壁から通過抵抗を受け、この通過抵抗は通常、Ｌに比例してＳに反比例する。後述する電池冷却効果と、通過抵抗を表わすパラメータであるＬ／Ｓとの関係を実験的に求めたところ、３≦Ｌ／Ｓ≦４５を満たす場合に良好な電池冷却効果が得られることが判明した。Ｌ／Ｓが４５を超える場合には、通風孔の長さＬが長過ぎたり断面積が小さ過ぎることにより、通過抵抗が大きくなって発熱量が増加するために全体的な冷却効果が低下する。一方、Ｌ／Ｓが３未満の場合には、通風孔の長さＬが短じか過ぎて冷却風が十分な電池から生じる熱を十分に吸収しないうちに通風孔内を通り過ぎてしまったり、通風孔の断面積が大き過ぎることにより孔壁付近の冷却風だけが熱吸収にあずかるため、いずれも十分な放熱効果が得られない。

ここで、図１に示す例では通風孔Ｄの積層方向に沿った断面は正方形を成すので、最大幅Ｆとはこの正方形の一辺の長さに等しい。図２に示すように、通風孔の積層方向に沿った断面が円形の場合には、最大幅Ｆとはその直径に等しい。更に、図３に示すように、通風孔の積層方向に沿った断面が、辺Ａに沿った辺が短い長方形の場合には、最大幅Ｆとはその短辺の長さに等しい。

Ｃ．表面処理皮膜
本発明の放熱用仕切り板は、大気中での酸化に耐えて表面の導電性を維持することも望まれる。また、万一の電解液漏れが想定される場合には、各種２次電池の電解液成分に対して耐性を備えることも望まれる。そのため、放熱用仕切り板の表面を保護するために、リン酸クロメート皮膜又はリン酸ジルコン皮膜から成る化成皮膜、或いは、電気ニッケルめっき皮膜又は無電解ニッケルリンめっき皮膜から成るめっき皮膜を表面処理皮膜として形成したアルミニウム基材を使用するのが好ましい。電気ニッケルめっき皮膜については、ニッケルカドミウム電池又はニッケル水素２次電池の電解液であるＫＯＨ水溶液に対する耐腐食性も期待できる。
このような表面処理皮膜を設ける場合は、図１に示す放熱用仕切り板の、少なくとも上面Ｈ１、下面Ｈ２、右側側面Ｉ１及び左側側面Ｉ２に設けられていればよく、前面Ｅ１、後面Ｅ２及び通風孔Ｄの内面には設けても設けなくてもよい。

リン酸クロメート皮膜及びリン酸ジルコニウム皮膜については、皮膜厚さが１０ｎｍ以上であれば、大気中における耐酸化性が発揮される。コストの観点においては、皮膜厚さが５０ｎｍ未満であれば許容可能である。したがって、耐酸化性及びコストの観点から、皮膜厚さを１０ｎｍ以上で５０ｎｍ未満とする必要があり、２０〜４０ｎｍとするのが好ましい。

電気ニッケルめっき皮膜は結晶性であり、皮膜厚さが５μｍ以上であれば十分な耐酸化性及び耐アルカリ腐食性を発揮する。また、コストの観点からは５０μｍまでは許容可能である。したがって、耐酸化性、耐アルカリ腐食性及びコストの観点から、皮膜厚さを５〜５０μｍとする必要があり、１０〜３０μｍとするのが好ましい。

無電解ニッケルリンめっき皮膜は、含有リン量によって皮膜の結晶性が変化する。本発明では、含有リン量が１〜８重量％（すなわち、低リン含有領域から中リン含有領域）の、結晶性又は微結晶性の皮膜が形成される。無電解ニッケルリンめっき皮膜は電解ニッケルめっき皮膜に比べるとアルカリに対する耐食性に劣るので、皮膜厚さを１０〜５０μｍとする必要があり、コストの観点も加えると２０〜３０μｍとするのが好ましい。

Ｄ．電池への組み込み
図４に示すように、本発明に係る放熱用仕切り板１は、単電池を積層した電池ケース２に組み込まれる。図中３は単電池を示し、放熱用仕切り板１は、隣接する単電池３を仕切るように配設される。図４における放熱用仕切り板１の前面は、図１に示す右側側面Ｉ１又は左側側面Ｉ２であり、矢印Ｘに沿って、不図示の通風孔中を冷却風が流通する。図４の左右両端には、プラスとマイナスのは側集電板４、４が配設される。このような組電池は、電池ケースのボディ５内に収容される。

実施例１〜２８及び比較例１〜４
（１）放熱用仕切り板基材の成形
実施例１〜２８及び比較例１〜３では、放熱用仕切り板基材としてＡｌ０５０合金を用いた。実施例１〜２４では、図１において、辺Ａの長さが５ｍｍ、辺Ｂ及びＣの長さが５０ｍｍ、正方形の断面を有する通風孔ＤのＦが３ｍｍ、通風孔Ｄ同士を隔てる壁部分の厚さＧが３ｍｍ、通風孔Ｄの個数が７個の放熱用仕切り板基材を、押出し成形によって作製した。実施例２５〜２８及び比較例２では、実施例１〜２４における辺Ｂ及びＣの長さ（すなわちＬ）のみを変えて、実施例１〜２４とは異なるＬ／Ｓが得られるようにした。比較例３では、比較例２における辺Ｂ及びＣの長さ（すなわちＬ）、ならびに、辺Ａの長さ（すなわちδ）を変えて、比較例２とは異なるＦ／δ及びＬ／Ｓが得られるようにした。比較例１では、辺Ａの長さが５ｍｍ、辺Ｂ及びＣの長さが５０ｍｍで通風孔のない放熱用仕切り板基材を押出し成形によって作製した。比較例４では、放熱用仕切り板基材として鋼板を用い、辺Ａの長さが５ｍｍ、辺Ｂ及びＣの長さが５０ｍｍのものをプレス成形によって作製したが、押出し成形が適用できなかったため通風孔は設けられていない。

（２）化成処理（リン酸クロメート処理、リン酸ジルコン処理）
上記のようにして作製した放熱用仕切り板基材に前処理としてアルカリ脱脂、デスマット処理を施した後、実施例１〜３、７、８ではリン酸クロメート処理を施した。前記同様の前処理を施した後、実施例４〜６、９、１０ではリン酸ジルコン処理を施した。処理液としては、日本ペイント製 アルサーフ３０１やアルサーフ４０７／４７などを使用し、標準処理条件に準拠し、処理時間にて皮膜厚さを調節した。

（３）めっき処理
上記のようにして作製した放熱用仕切り板基材に前処理としてジンケート処理を施した後、実施例１１〜１５、２１、２２、２５〜２８及び比較例１〜４では電気ニッケルめっき処理を下記の条件にて施した。実施例１６〜１９、２３、２４では無電解ニッケルリンめっき処理を下記の条件にて施した。
なお、実施例２０では、化成処理もめっき処理も施していない。以上のようにして、化成処理又はめっき処理を施した放熱用仕切り板１を作製した。

電気ニッケルめっき処理条件
Ｗａｔｔ浴（硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を含有）を利用し、上記放熱性仕切り板をカソード電極としＮｉ板をアノード電極として両電極を直流電源に接続し、電解温度５５℃、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、成膜速度０．４μｍ／分の電解条件で、空気攪拌しつつ所定の膜厚が得られるまで電解処理した。

無電解ニッケルリンめっき処理
めっき温度９０℃、成膜速度０．２〜０．３μｍ／分のめっき条件で、所定の膜厚が得られるまで無電解めっき処理を施した。上記めっき液としては、例えば、奥野製薬工業、トップニコロンシリーズＢＬやＡＬＴなどを使用できる。

（４）電池の作製とその動作
上記で作製した放熱用仕切り板１を単電池間に挟み込み、３組の単電池を積層した組電池を構成した。単電池は、容量が約２０００ｍＡｈのものを使用した。放熱用仕切り板１の通風孔Ｄに外部から冷却風を全通風孔Ｄに対して２００ｍＬ／分で流通させて各電池の発する熱を排出させて電池を冷却した。

実施例１〜１０について、電池冷却効果、耐酸化性、コスト及び強度を評価した。結果を表１に示す。なお、下記のようにして測定したリン酸クロメート皮膜、リン酸ジルコン皮膜の平均皮膜厚さ、通風孔径（Ｆ）、Ｆ／δ、Ｌ／Ｓならびに、放熱用仕切り板の比重についても表１に合わせて示す。

実施例１１〜２８及び比較例１〜４では、電池冷却効果、耐酸化性、耐アルカリ腐食性、コスト及び強度を評価した。結果を表２に示す。なお、下記のようにして測定しためっき皮膜の平均皮膜厚さ、通風孔径（Ｆ）、Ｆ／δ、Ｌ／Ｓ、ならびに、放熱用仕切り板の比重についても表２に合わせて示す。

皮膜厚さの測定
リン酸クロメート及びリン酸ジルコンの皮膜厚さは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察により測定した。めっき皮膜厚さは、蛍光Ｘ線式膜厚測定装置によって測定した。

放熱用仕切り板の比重の測定
放熱用仕切り板の比重は、体積と重量を測定して計算により求めた。

電池冷却効果
周囲温度２５℃で、１Ｃにて充電時の単電池表面の温度変化を測定し、１２０％充電時の温度上昇量を以下の基準にて評価した。ここで、「１Ｃ」とは、電池の定格容量を１時間で放電する時の電流値を示す。◎と〇とを合格とし、×を不合格とした。
◎：温度上昇が１５℃未満
○：温度上昇が１５℃以上２５℃未満
×：温度上昇が２５℃以上

耐酸化性
放熱用仕切り板を、温度５０℃、湿度１００％の環境に１日間放置し、放置前後の接触抵抗を測定してその増加分を求めた。接触抵抗は、三菱化学製ロレスタＧＰを使用し、二端子電極を材料に押し当てて抵抗値を測定した。以下の基準にて判断した。◎と〇とを合格とし、△と×とを不合格とした。
◎：増加分が無し
○：増加分が１％未満
△：増加分が１％以上１０％未満
×：増加分が１０％以上

耐アルカリ耐食性
めっき皮膜で外面を覆われた放熱用仕切り板を、２５℃の６Ｎ−ＫＯＨ水溶液に浸漬して腐食状態を観察し、材料にフクレ又は発泡が発生するまでに要した時間を測定した。試験は最長で３０日間行い、以下の基準にて判断した。◎と〇とを合格とし、△と×とを不合格とした。
◎：要した時間が３０日以上
○：要した時間が２０日以上で３０日未満
△：要した時間が１０日以上で２０日未満
×：要した時間が１０日未満

コスト
化成皮膜（リン酸クロメート皮膜、リン酸ジルコン皮膜）、めっき皮膜（電気ニッケルめっき皮膜、無電解ニッケルリンめっき皮膜）の厚さによってコストを評価した。評価基準は以下の通りである。◎と〇とを合格とし、×を不合格とした。
◎：化成皮膜の厚さが１０ｎｍ以上で３０ｎｍ以下
○：化成皮膜の厚さが３０ｎｍを超え５０ｎｍ未満
×：化成皮膜の厚さが１０ｎｍ未満又は５０ｎｍ以上
◎：めっき皮膜の厚さが５μｍ以上で３０μｍ以下
○：めっき皮膜の厚さが３０μｍを超え５０μｍ以下
×：めっき皮膜の厚さが５μｍ未満又は５０μｍを超える

強度
図１において、放熱用仕切り板の上面Ｈ１から下面Ｈ２に向けて荷重１００ｋｇ／ｃｍ^２を加えた際に、仕切り板に潰れや曲がりなどの変形が生じなかった場合を○、変形が生じた場合を×とし、○を合格×を不合格とした。

実施例１〜２８ではいずれも電池冷却効果の評価が合格であった。実施例１〜６、８、１０、１１〜１９、２１〜２８では耐酸化性も合格であった。実施例１１〜１９、２２、２４〜２８では耐アルカリ耐食性も合格であった。実施例１〜７、９、１１〜２１、２３、２５〜２８ではコストも合格であった。更に、実施例１〜２８では強度も合格であった。

比較例１では通風孔が設けられておらず、電池の冷却性能が劣っていた。比較例２ではＬ／Ｓの条件を満たさず電池の冷却性能が不十分であった。比較例３ではＦ／δの条件を満たさず強度が不足していた。比較例４では、押出成形により通風孔を形成できず冷却効果が劣っており、鋼板を基材とするため比重が大きく扱い難かった。

以上に述べたように、本発明の放熱用仕切り板は各種２次電池の温度上昇を効果的に抑制できる。更に、耐酸化性、耐アルカリ腐食性に富むと共に電池の軽量化と低コスト化も可能とする。

本発明に係る放熱性仕切り板の一例の斜視図を示す。 本発明に係る放熱性仕切り板の一例の斜視図を示す。 本発明に係る放熱性仕切り板の一例の斜視図を示す。 本発明に係る放熱性仕切り板を組み込んだ電池ケース構造を示す正面図を示す。

符号の説明

１……放熱用ケース仕切り板
２……単電池と電池ケース仕切り板を組み込んだ電池ケース
３……単電池
４……側集電極
５……電池ケースのボディ
Ａ……放熱用仕切り板の辺
Ｂ……放熱用仕切り板の辺
Ｃ……放熱用仕切り板の辺
Ｄ……通風孔
Ｅ１……電池ケース仕切り板の前面
Ｅ２……電池ケース仕切り板の後面
Ｆ……通風孔の積層方向における最大幅
Ｇ……通風孔同士を隔てる壁部分の厚さ
Ｈ１……電池ケース仕切り板の上面
Ｈ２……電池ケース仕切り板の下面
Ｉ１……電池ケース仕切り板の右側側面
Ｉ２……電池ケース仕切り板の左側側面
Ｘ……冷却風の流通方向

Claims (3)

1. 複数の単電池を積層して収納する電池ケースにおいて隣接する単電池を仕切る放熱用仕切り板であって、表面処理皮膜を有するアルミニウム基材からなり、単電池の積層方向に沿った厚さδ（ｍｍ）と、当該積層方向に対して直交する方向に沿った長さＬ（ｍｍ）とを有し、当該長さ方向に沿って貫通する一つ以上の通風孔を備え、当該通風孔の前記積層方向における最大幅をＦ（ｍｍ）、通風孔の前記積層方向に沿った断面積をＳ（ｍｍ^２）としたときに、Ｆ／δ≦０．６、かつ、３≦Ｌ／Ｓ≦４５であることを特徴とする放熱用仕切り板。
2. 前記表面処理皮膜が、リン酸クロメート皮膜及びリン酸ジルコン皮膜の少なくともいずれかを含み、当該表面処理皮膜の厚さが１０ｎｍ以上で５０ｎｍ未満である、請求項１に記載の放熱用仕切り板。
3. 前記表面処理皮膜が、電気ニッケルめっき皮膜及び無電解ニッケルリンめっき皮膜の少なくともいずれかを含み、当該表面処理皮膜の厚さが５〜５０μｍである、請求項１に記載の放熱用仕切り板。