JP2004158344A - Laminate secondary battery, battery pack modules composed of two or more laminate secondary batteries, battery pack composed of two or more battery pack modules as well as electric automobile equipped with either of these batteries - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層されている電極が位置ずれを起こさないようにしたラミネート二次電池、複数のそのラミネート二次電池からなる組電池モジュール、複数のその組電池モジュールからなる組電池ならびにこれらいずれかの電池を搭載した電気自動車に関する。
【0002】
【従来の技術】
地球環境問題の意識の高まりから、自動車業界では、電気自動車(EV)、ハイブリット電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)の開発を急いでいる。EVまたはHEVの動力用電池には、現在一般的に用いられている12Vまたは24Vのバッテリよりも高い電圧の二次電池が用いられる。高い電圧を得るためには、多数の電極を積層させる必要がある。下記の特許文献1に記載されている電池は、電極が巻回された非水電解質二次電池であるが、この電池では複数の層を構成する電極を巻き止めテープで十字状に固定している。また、下記の特許文献2に記載されている電池は、平板状の電極を多数積層した積層型ポリマー電解質電池であるが、この電池では、複数の積層された電極を外装体やシール部分で拘束している。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−185224号公報(第1図)
【特許文献2】
特開2000−235850号公報(第3図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に示されているような巻型の電池の場合であれば、上記のように十字状に電極を固定することができるが、特許文献2に記載されているような平板状の電池の場合には、積層されている電極を積極的に固定することは特に行っていない。平板状の電池の場合、電極は外装体による圧縮力によって暫定的に、またシール部分によって局部的に固定されているだけである。
【0005】
電池に要求される電圧があまり高くなければ、積層される電極の数が少ないため外装体からの圧縮力やシール部分における局部的な固定でもある程度は電極の位置ずれを防止することはできる。しかし、要求される電圧が高くなり、積層される電極の数が多くなると、積層されている電極を積極的に固定しなければ、電極の位置ずれを防止することができなくなる。電極の位置ずれは、電池容量の減少や電池特性の悪化など、製造当初では予想できない種々の不具合を誘発する可能性がある。
【0006】
EVまたはHEVの動力用電池は、常に振動が生じている車体に搭載されることになるから、この電池において長期間に渡って電極の位置ずれをいかに防止するかが特に重要な課題となる。
【0007】
本発明は、以上のような従来の課題を解決するためになされたものであり、積層されている電極が位置ずれを起こさないような構造を有するラミネート二次電池、複数のそのラミネート二次電池からなる組電池モジュール、複数のその組電池モジュールからなる組電池ならびにこれらいずれかの電池を搭載した電気自動車の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、発明にかかるラミネート二次電池は、正極または負極となる集電体とセパレータとを交互に積層して電池要素を形成し、当該電池要素を、高分子と金属とを複合したラミネートフィルムで包装してなるラミネート二次電池であって、電池要素を構成する、正極同士または負極同士またはセパレータ同士の少なくともいずれか一方をその積層方向で固定したことを特徴とする。正極同士または負極同士を固定すれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、積層されている電極の位置ずれを防止することができる。
【0009】
正極同士または負極同士の固定は、溶着、溶接または接着によって行うことが望ましい。また、その固定は、リベット止めによって行うこともできる。電池要素が前記積層方向から見て4角形であれば、その固定は、電池要素の4隅で行うことが望ましい。正極または負極同士を固定するための溶着は熱溶着を用いることが望ましい。また、正極または負極同士を固定するための溶接は超音波溶接を用いることが望ましい。
【0010】
さらにセパレータ同士をその積層方向で固定すれば、より確実に電極の位置ずれを防止することができる。セパレータ同士の固定は、セパレータの対向する2辺の内側にそれぞれの辺に沿って線状に溶着、溶接または接着することによって行うことが望ましい。セパレータ同士を固定するための溶着は熱溶着を用いることが望ましい。
【0011】
本発明にかかるラミネート二次電池を複数並列接続、直列接続または直並列接続して組電池モジュールを構成すれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、安定した電池性能が維持できる組電池モジュールが提供できる。
【0012】
さらに、本発明にかかる組電池モジュールを複数並列接続、直列接続または直並列接続して組電池とすれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、安定した電池性能が維持できる組電池が提供できる。
【0013】
そして、本発明にかかるラミネート二次電池、組電池モジュール、組電池のいずれかの電池を電気自動車に搭載すれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、安定した動力源を備えた電気自動車とすることができる。
【0014】
【発明の効果】
本発明のラミネート二次電池によれば、少なくとも正極または負極をその積層方向で固定したので、電極の位置ずれを防止することができ、長期間に渡ってさまざまな振動が加わったり、熱応力が加わったりしても、安定した電池性能を得ることができる。
【0015】
また、本発明の組電池モジュールまたは組電池によれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、安定した電池性能が維持できる。
【0016】
さらに、本発明にかかるラミネート二次電池、組電池モジュール、組電池のいずれかの電池を電気自動車の動力源と使用した場合には、長期にわたって安定した動力性能が維持できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるラミネート二次電池、複数のラミネート二次電池からなる組電池モジュール、複数の組電池モジュールからなる組電池ならびにこれらいずれかの電池を搭載した電気自動車の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下に記載した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に含まれる範囲内で適宜変更して実施することができる。以下に、本発明を[実施の形態1]から[実施の形態5]に基づいて詳細に説明する。
[実施の形態1]
本発明にかかるラミネート二次電池は、正極または負極となる集電体とセパレータとを交互に積層して電池要素を形成し、当該電池要素を、高分子と金属とを複合したラミネートフィルムで包装してなるラミネート二次電池であって、前記電池要素を構成する、正極同士または負極同士のいずれかをその積層方向で固定したことを特徴とするものである。
【0018】
図1は、本発明にかかるラミネート二次電池の外観図であり、図2は、図1に示したラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【0019】
図1に示すように、本発明にかかるラミネート二次電池10は、高分子−金属複合ラミネートフィルム12からなる電池外装材で電池要素を包み、電池要素に接続される正負の電極端子14をラミネートフィルム12の相対する方向から外部に露出させ、ラミネートフィルム12の周囲を熱融着しながらその内部の空気を抜いて減圧し、電池要素が真空包装されてなるものである。
【0020】
図1に示したラミネート二次電池10を形成するとき、下側に位置するラミネートフィルム12上には、図2に示すような電池要素を載せる。この電池要素の構成は図2に示すようなものである。電池要素20は、正極または負極となる集電体とセパレータとが交互に積層されたものである。
【0021】
図2において、積層方向から電池内部を見ると、まず1番上にシート状の負極層22が見える。負極層22は、銅材で形成されたシート状の負極集電体24の両面上に形成される。負極集電体24の下側にはセパレータ26が位置され、その下側にはその両面に正極層を有するアルミニウム材で形成されたシート状の正極集電体が位置される。このように、図2において、電池要素20は、負極集電体、セパレータ、正極集電体、セパレータ、…、正極集電体というように、セパレータを介して複数の負極集電体と正極集電体とが交互に配置された多層構造になっている。
【0022】
電池要素20のすべての負極集電体24は束ねられて電極端子14が取り付けられる。一方、すべての正極集電体はリード線を介して電極端子14が取り付けられる。負極集電体24と電極端子14および正極集電体と電極端子14とは、その接合部28において例えば超音波溶接によって溶接される。この溶接によって負極集電体24と電極端子14および正極集電体と電極端子14が機械的におよび電気的に接続される。なお、超音波溶接で溶接するのは、この溶接は他の溶接に比べてバリの発生が少なく、ラミネートフィルム12との内部短絡の恐れがほとんどないからである。
【0023】
本発明にかかるラミネート二次電池10は、負極集電体、セパレータ、正極集電体それぞれの相互間の位置ずれが生じないように、負極集電体同士または正極集電体同士のいずれかをその積層方向で機械的に固定している。正極集電体同士または負極集電体同士を固定すれば、長期間にわたって振動や熱応力が加わっても、積層されている電極の位置ずれが防止され、電池要素20の膨張もある程度抑えることができる。
【0024】
正極集電体同士または負極集電体同士の固定は、溶着、溶接または接着によって行うことができる。溶着は具体的には熱溶着を用いることが望ましい。溶接は具体的には超音波溶接を用いることが望ましい。接着によって固定する場合には電気導電性の接着剤を用いる。
【0025】
本実施の形態では、電池要素20の形状が積層方向から見て4角形であるため、図2に示すように、負極集電体24の4隅の固着部30A、30B、30C、30Dにおいて、積層されている負極集電体24同士を固定している。この固定は、超音波溶接または熱溶着によって行う。
【0026】
下側のラミネートフィルム12に載せられた電池要素20は、その上からラミネートフィルム12が被せられ、ラミネートフィルム12の周囲を熱融着しながら空気を抜いて減圧し、ラミネートフィルム12内で電池要素20を密封する。
【0027】
負極集電体24同士の固定状態を図3〜図5の断面図でさらに詳細に説明する。図3は、図2に示したラミネート二次電池のA−A断面図、図4は、図2に示したラミネート二次電池のB−B断面図、図5は、図2に示したラミネート二次電池のC−C断面図である。
【0028】
これらの断面図に示すように、電池要素20は、上から負極集電体24、セパレータ26、正極集電体27、セパレータ26、負極集電体24、セパレータ26、正極集電体27、セパレータ26、負極集電体24の順に積層されている。図2に示すように、負極集電体24の縦方向(電極端子14間方向)の長さは、正極集電体27を電極端子14に接続するための切り欠き部分を除き、固着部30A、30B、30C、30Dとしての十分な領域が取れるように、セパレータ25の縦方向の長さよりも長くしてある。負極集電体24の両面には負極層22が固着部30A、30B、30C、30Dとしての領域を残して幅方向全体に渡って形成してある。
【0029】
セパレータ26は、負極集電体24に形成されている負極層22全体を覆うことができるように、負極層22の面積よりも若干大きめに形成されている。一方、正極集電体27は、図3に示すように、セパレータ26によってその全体が覆われるように、セパレータ26の面積よりも小さく形成されている。
【0030】
各々の負極集電体24は、図3および図5に示すように、電極端子14が接続される領域で束ねられ、負極集電体24の4隅の固着部30A、30B、30C、30Dにおいて、束ねた負極集電体24同士を固定している。この固定は、超音波溶接または熱溶着によって行う。負極集電体24を固定した後に、図4に示すように負極集電体24と電極端子14とをその接合部28において例えば超音波溶接によって溶接する。一方、正極集電体24にはリード線25が接続され、そのリード線25が電極端子14の接合部29で一括して接続される。
【0031】
以上のようにして、負極集電体24同士が堅固に固着され、その固着による拘束力によって負極集電体24、セパレータ26、正極集電体27各層の位置ずれが防止される。
【0032】
この実施の形態1では、負極集電体24をその4隅において超音波溶接または熱溶着により固着する形態を例示したが、負極集電体24に代えて正極集電体27を固着させても良い。また、負極集電体24と正極集電体27の両方を固着させても良い。負極集電体24と正極集電体27の両方を固着させる場合には、負極集電体24と正極集電体27が接触しないように、それらの集電体の大きさや形状、およびその固着の位置などを本実施の形態とは異なるものとしなければならならないが、どのように固着するかは当業者であれば容易に考えられる。
【0033】
本発明のラミネート二次電池としては、リチウムイオン二次電池、ポリマーリチウム電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池などが挙げられる。これらの中では、電気自動車用の電源としての用途を考慮すると、出力およびエネルギー密度に優れるリチウムイオン二次電池が好ましい。リチウムイオン二次電池であるラミネート二次電池を直列に接続して電気自動車用電源とした場合、全体の出力電圧が400V程度の組電池を得ることも可能である。
【0034】
本発明のラミネート二次電池における、ラミネートフィルム12、電極端子14、正極集電体27、セパレータ26、負極集電体24を構成する材料は、公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。参考までに、以下、本発明のラミネート二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について簡単に記述する。ただし、本発明のラミネート二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されるわけではない。
【0035】
[正極層]
電池要素20の正極を構成することになるシート状の正極層は、電池要素20の幅とほぼ同一の幅をもち、アルミニウム等からなる正極集電体27の両面に正極材料が結着した構造を有する。正極材料としては、種々の酸化物(LiMn2O4などのリチウムマンガン酸化物;二酸化マンガン;LiNiO2などのリチウムニッケル酸化物;LiCoO2などのリチウムコバルト酸化物;リチウム含有ニッケルコバルト酸化物;リチウムを含む非晶質五酸化バナジウムなど)や、カルコゲン化合物(二硫化チタン、二硫化モリブテンなど)などを挙げることができる。これらの中では、得られるリチウムイオン二次電池の出力特性を考慮すると、リチウムマンガン酸化物またはリチウムニッケル酸化物が好ましい。
【0036】
正極集電体27には、導電性を向上させるために、導電性材料を併せて結着させてもよい。導電性材料としては、例えば、人造黒鉛、カーボンブラック(例えばアセチレンブラックなど)、ニッケル粉末等が挙げられる。
【0037】
正極集電体27としては、例えばアルミニウム製エキスパンドメタル、アルミニウム製メッシュ、アルミニウム製パンチドメタル等を用いることができる。なお、正極は正極集電体27の片面に正極材料を結着させた構造であってもよい。
【0038】
[負極層]
電池要素20の負極を構成することになるシート状の負極層22は、長さは電池要素20よりも長いが電池要素20の幅とほぼ同一の幅をもち、銅などからなる負極集電体24の両面に負極材料が結着した構造を有する。負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料を用いることができる。このような炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、有機前駆体(例えば、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース等)を不活性雰囲気中で熱処理して合成した炭素などが挙げられる。好ましくは、負極は非晶質カーボン系材料からなる。非晶質カーボン系材料は熱硬化性樹脂を炭素化することによって得られる。因みに、放電による電圧依存が大きい非晶質カーボン系材料を用いると、2以上のリチウムイオン二次電池を並列に接続した場合におけるリチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
【0039】
負極集電体24としては、例えば銅製エキスパンドメタル、銅製メッシュ、銅製パンチドメタル等を用いることができる。なお、負極は負極集電体24の片面に負極材料を結着させた構造であってもよい。
【0040】
[セパレータ層]
電池要素20のセパレータ26を構成することになるシート状のセパレータ層は、電池要素20の幅とほぼ同一の幅をもち、ポリオレフィン系微多孔質セパレータ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンを用いることができ、セパレータ中には、非水電解液が含浸させられる。非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。非水溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフランなどを挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用しても良い。電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ素リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO3)2]などのリチウム塩を挙げることができる。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、通常は0.2mol/L〜2mol/L程度である。
【0041】
非水電解液を保持するポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、前記誘導体を含むポリマー、ビニリデンフロライド(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体等が挙げられる。
【0042】
[ラミネートフィルム]
ラミネートフィルム12は電池の外装材として用いられる。一般には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。
【0043】
熱融着性樹脂としては、例えばポリエチレン(PE)、アイオノマー、エチレンビニルアセテート(EVA)等を用いることができる。金属箔としては、例えばAl箔、Ni箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ナイロン等を用いることができる。具体的には、シール面側から外面に向けて積層したPE/Al箔/PETの積層フィルム;PE/Al箔/ナイロンの積層フィルム;アイオノマー/Ni箔/PETの積層フィルム;EVA/Al箔/PETの積層フィルム;アイオノマー/Al箔/PETの積層フィルムなどを用いることができる。熱融着性樹脂フィルムは、電池要素を内部に収納する際のシール層として作用する。金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を外装材に付与する。ラミネートフィルムは、超音波融着等を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。
【0044】
[電極端子]
電極端子14には、銅、鉄から選ばれる金属を用いることができるが、アルミニウム、ステンレス鋼といった金属またはこれらを含む合金材料も同様に使用可能である。また、表面被覆層にはニッケルが最も好適に使用できるが、銀、金といった金属材料も同様に使用可能である。この電極端子14が外部に引き出されるラミネートフィルム12の封止部分のシール性を改善するためには、電極端子14の幅をそのシール性の改善にともなって広げることができる。具体的には、電極端子14の幅を、集電体の幅の20%〜100%の範囲内の寸法にすることが可能である。電極端子14の幅が広く取れると、大電流を取り出すことが可能になるため、ラミネート二次電池の大容量化に容易に適応させることができる。
[実施の形態2]
図6は、実施の形態2にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図であり、図7は、図6に示したラミネート二次電池のA−A断面図である。なお、図6に示したラミネート二次電池のB−B断面図は図4と同一である。
【0045】
この実施の形態では、積層されている負極集電体24同士を、リベットを用いてその4隅で固定している。リベットの材料としては負極集電体24の材料に良くなじみ、電池要素20に対して化学的な安定性があり、塑性変形させやすいものを用いる。
【0046】
負極集電体24の4隅には、リベット32を貫通させるための穴が形成してある。この実施の形態では、負極集電体24同士をリベット32で固定することと、負極集電体24の4隅にリベット32を貫通させるための穴を形成してあること以外は、実施の形態1と全く同一であるので、詳しい説明は省略する。負極集電体24同士をリベット32で固定する場合には、実施の形態1のように溶着、溶接、接着によって固定する場合と比較して、作業効率が向上し、また、高価な装置も不要である。
【0047】
本実施の形態において、各々の負極集電体24は、図7に示すように、電極端子14が接続される領域で束ねられ、負極集電体24の4隅で、束ねた負極集電体24同士をリベット32でその両面からカシメ固定している。負極集電体24を固定した後に、図4および図6に示すように負極集電体24と電極端子14とをその接合部28において例えば超音波溶接によって溶接する。一方、正極集電体24にはリード線25が接続され、そのリード線25が電極端子14の接合部29で一括して接続される。
【0048】
以上のようにして、負極集電体24同士が堅固に固着され、その固着による拘束力によって負極集電体24、セパレータ26、正極集電体27各層の位置ずれが防止される。
【0049】
この実施の形態2では、負極集電体24をその4隅においてリベット32で固定する形態を例示したが、負極集電体24に代えて正極集電体27を固定させても良い。また、負極集電体24と正極集電体27の両方を固定させても良い。負極集電体24と正極集電体27の両方を固着させる場合には、負極集電体24と正極集電体27が接触しないように、それらの集電体の大きさや形状、およびその固定の位置などを本実施の形態とは異なるものとしなければならならないが、どのように固定するかは当業者であれば容易に考えられる。
[実施の形態3]
図8は、実施の形態3にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。この実施の形態では、積層されている負極集電体24同士を、その幅方向の両端部34で線状に溶着、溶接または接着によって固定している。
【0050】
このように、負極集電体24の両端部34で、負極集電体24の淵に沿って固定すると、上記の実施の形態1、2のように局部的(4点)に固定する場合に比較して、さらに堅固に負極集電体24同士を固定することができる。
【0051】
この実施の形態の場合には、負極集電体24の幅を上記の実施の形態1、2の負極集電体24の幅に比べて広くする必要がある。また、負極集電体24の両面に形成する負極層22は、負極集電体24の幅方向の固定代と電極端子14の接合代を除いた領域の大きさとする。
【0052】
この実施の形態の場合、負極集電体24と電極端子14とは従来通りリード線を用いて接続し、正極集電体27と電極端子14も同様に接続する。
【0053】
この実施の形態3では、負極集電体24を固定する形態を例示したが、負極集電体24に代えて正極集電体27を固定させても良い。
[実施の形態4]
図9は、実施の形態4にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図であり、図10は、図9に示したラミネート二次電池のD−D断面図である。なお、図9に示したラミネート二次電池のB−B断面図は図4と同一である。この実施の形態では、負極集電体24同士を固定するとともに、セパレータ26同士も固定している。負極集電体24同士の固定は、実施の形態1と全く同様であり、また、セパレータ26同士の固定は第3の実施の形態を応用することによってできる。
【0054】
この実施の形態4の場合には、負極集電体24同士を固定することに加えて、積層されているセパレータ26同士を、その幅方向の両端部36で線状に溶着、溶接または接着によって固定している。
【0055】
このように、セパレータ26の両端部36でもセパレータ26の淵に沿って固定すると、負極誘電体24がその4隅で、またセパレータ26がその幅方向の両端部36で線状に固定されることになるので、その固定による拘束力によって負極集電体24、セパレータ26、正極集電体27各層の位置ずれが効果的に防止される。上記の実施の形態1〜3と比較しても最も堅固な構造となる。
【0056】
本実施の形態では、セパレータ26同士をその幅方向で固定するので、セパレータ26の幅を上記の実施の形態1〜3のセパレータ26の幅に比べて広くする必要がある。
【0057】
この実施の形態4では、負極集電体24をその4隅において固定する形態を例示したが、負極集電体24に代えて正極集電体27を固定させても良い。また、負極集電体24と正極集電体27の両方を固定させても良い。負極集電体24と正極集電体27の両方を固着させる場合には、負極集電体24と正極集電体27が接触しないように、それらの集電体の大きさや形状、およびその固定の位置などを工夫する。
[実施の形態5]
図11は、実施の形態5にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。この実施の形態では、積層されているセパレータ26同士を、その幅方向の両端部38で線状に溶着、溶接または接着によって固定している。
【0058】
このように、セパレータ26の両端部38で、セパレータ26の淵に沿って固定すると、上記の実施の形態1〜3のように集電体24、27のみを固定する場合に比較すれば、セパレータ26の層数が多い分より堅固な構造とすることができる。
【0059】
この実施の形態の場合には、実施の形態4と同様、セパレータ26の幅を実施の形態1〜3のセパレータ26の幅に比べて広くする必要がある。セパレータ26を固定するようにすると、集電体24、27の幅方向全体に負極層または正極層を形成することが可能になる。
【0060】
以上の実施の形態1〜5では、図1に示したような、2つの電極端子14をラミネート二次電池10の互いに反対側端面から取り出してラミネートフィルム12の周辺部全部を熱融着にて接合するタイプのラミネート二次電池を例示したが、本発明は、さらに、図12に示すような、2つの電極端子14をラミネート二次電池10の互いに反対側端面から取り出して、袋状にしたラミネートフィルムに収納し、その開口部を熱融着するタイプのラミネート二次電池に対しても適用可能である。また、図13に示すような、2つの電極端子14をラミネート二次電池10の同一側端面から取り出してラミネートフィルム12の周辺部全部を熱融着にて接合するタイプのラミネート二次電池、図14に示すような、2つの電極端子14をラミネート二次電池10の同一側端面から取り出して、袋状にしたラミネートフィルムに収納し、その開口部を熱融着するタイプのラミネート二次電池に対しても適用可能である。
【0061】
本発明では、上記のラミネート二次電池10を、少なくとも2以上直列または並列に接続して組電池モジュールとすることができる。具体的には、例えば、図15に示すように、ラミネート二次電池10を4枚並列に接続し(図15(b)参照のこと)、4枚並列にしたラミネート二次電池10をさらに6枚直列にして金属製の組電池ケース35に収納し(図15(a)、(c)参照)組電池モジュール40とすることができる。このように、ラミネート二次電池10を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール40を提供することができる。
【0062】
なお、組電池ケース35上部の蓋体に設けられた組電池モジュール40の正極端子42および負極端子44と、各ラミネート二次電池10の電極端子14、14とは、組電池40の正極および負極端子用リード線46、48を用いて電気的に接続されている。また、ラミネート二次電池10を4枚並列に接続する際には、スペーサ49のような適当な接続部材を用いて各ラミネート二次電池10の電極端子14を電気的に接続すればよい(図15(b)参照)。同様に、4枚並列にした各ラミネート二次電池10をさらに6枚直列に接続する際には、バスバー50のような適当な接続部材を用いて各ラミネート二次電池10の電極端子14、14を順次電気的に接続すればよい(図15(c)参照)。
【0063】
ただし、本発明の組電池モジュール40は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。また、この組電池モジュール40には、使用用途に応じて、各種計測機器や制御機器類を設けてもよく、例えば、組電池ケース35上部の蓋体には電池電圧を監視するために電圧計測用コネクタ55などを設けておいてもよいなど、特に制限されるものではない。さらにラミネート二次電池10同士を連結するためには、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接または電子ビーム溶接により、または、リベットを用いて、またはカシメの手法を用いて、連結するようにしてもよい。
【0064】
次に、上記の組電池モジュールを、少なくとも2以上直列、並列または直並列に接続し、組電池とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに組電池モジュールを作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。組電池としては、例えば、図16に示したように、上記の組電池モジュール40を6組並列に接続して組電池60とするには、各組電池ケース35上部の蓋体に設けられた組電池モジュール40の正極端子42および負極端子44を、外部正極端子部、外部負極端子部を有する組電池正極端子連結板62、組電池負極端子連結板64を用いてそれぞれ電気的に接続する。また、各組電池ケース35の両側面に設けられた各ネジ孔部(図示せず)に、該固定ネジ孔部に対応する開口部を有する連結板66を固定ネジ67で固定し、各組電池モジュール40同士を連結する。また、各組電池モジュール40の正極端子42および負極端子44は、それぞれ正極および負極絶縁カバー68、69により保護され、適当な色、例えば、赤色と青色に色分けすることで識別されている。
【0065】
このように、組電池モジュール40を複数直並列接続されてなる組電池60は、一部のラミネート二次電池10、組電池モジュール40が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能である。
【0066】
組電池60を、電気自動車に搭載するには、図17に示したように、電気自動車70の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【0067】
なお、本発明では、組電池60だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、これら組電池60と組電池モジュール40を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池60または組電池モジュール40を搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッドカーが好ましいが、これらに制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるラミネート二次電池の外観図である。
【図2】図1に示したラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【図3】図2に示したラミネート二次電池のA−A断面図である。
【図4】図2に示したラミネート二次電池のB−B断面図である。
【図5】図2に示したラミネート二次電池のC−C断面図である。
【図6】実施の形態2にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【図7】図6に示したラミネート二次電池のA−A断面図である。
【図8】実施の形態3にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【図9】実施の形態4にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【図10】図9に示したラミネート二次電池のD−D断面図である。
【図11】実施の形態5にかかるラミネート二次電池の内部を示す正面図である。
【図12】本発明にかかる別タイプのラミネート二次電池の外観図である。
【図13】本発明にかかる別タイプのラミネート二次電池の外観図である。
【図14】本発明にかかる別タイプのラミネート二次電池の外観図である。
【図15】本発明にかかる組電池モジュール構造の代表的な一実施形態を模式的に示した概略図であり、(a)はその平面図であり、(b)はその側面図であり、(c)はその正面図である。
【図16】本発明にかかる組電池構造の代表的な一実施形態を模式的に示した概略図である。
【図17】本発明にかかる組電池を搭載した車両を模式的に示した概略図である。
【符号の説明】
10…ラミネート二次電池、
12…ラミネートフィルム、
14…電極端子、
20…電池要素、
22…負極層、
24…負極集電体、
25…リード線、
26…セパレータ、
27…正極集電体、
28、29…接合部、
30A〜30D…固着部、
32…リベット、
34、36、38…両端部、
35…組電池ケース、
40…組電池モジュール、
42…正極端子、
44…負極端子、
46…正極端子用リード線、
48…負極端子用リード線、
49…スペーサ、
50…バスバー、
55…電圧計測用コネクタ、
60…組電池、
62…組電池正極端子連結板、
64…組電池負極端子連結板、
66…連結板、
67…固定ネジ、
68…正極絶縁カバー、
69…負極絶縁カバー、
70…電気自動車。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated secondary battery in which the laminated electrodes do not cause displacement, an assembled battery module including a plurality of the laminated secondary batteries, an assembled battery including a plurality of the assembled battery modules, and any one of these. The present invention relates to an electric vehicle equipped with a battery.
[0002]
[Prior art]
Due to increasing awareness of global environmental issues, the automotive industry hastened the development of electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV). As a power battery for EV or HEV, a secondary battery having a higher voltage than a 12 V or 24 V battery generally used at present is used. In order to obtain a high voltage, it is necessary to stack a large number of electrodes. The battery described in Patent Literature 1 below is a non-aqueous electrolyte secondary battery in which electrodes are wound. In this battery, electrodes constituting a plurality of layers are fixed in a cross shape with a winding tape. I have. The battery described in Patent Literature 2 below is a stacked polymer electrolyte battery in which a large number of flat electrodes are stacked. In this battery, a plurality of stacked electrodes are restrained by an outer package or a sealing portion. are doing.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-185224 A (FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP 2000-235850 A (FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of a wound battery as disclosed in Patent Document 1, the electrodes can be fixed in a cross shape as described above, but a flat battery as described in Patent Document 2 In this case, the electrodes are not positively fixed. In the case of a flat battery, the electrodes are only temporarily fixed by the compressive force of the outer package and locally only by the sealing portion.
[0005]
If the voltage required for the battery is not too high, the number of electrodes to be stacked is small, so that the displacement of the electrodes can be prevented to some extent even with a compressive force from the outer package or a local fixation at the sealing portion. However, as the required voltage increases and the number of stacked electrodes increases, it becomes impossible to prevent electrode displacement unless the stacked electrodes are positively fixed. Displacement of the electrodes may cause various problems that cannot be expected at the beginning of manufacturing, such as a decrease in battery capacity and deterioration of battery characteristics.
[0006]
Since the power battery of the EV or the HEV is always mounted on the vehicle body where vibration is generated, it is particularly important how to prevent the electrode from being displaced for a long time in this battery.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the conventional problems as described above, and has a structure in which laminated electrodes do not cause displacement of a laminated secondary battery, and a plurality of the laminated secondary batteries. , An assembled battery including a plurality of the assembled battery modules, and an electric vehicle equipped with any one of these batteries.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a laminated secondary battery according to the invention forms a battery element by alternately stacking a current collector and a separator serving as a positive electrode or a negative electrode, and forming the battery element. A laminated secondary battery packaged with a laminated film of a polymer and a metal, wherein at least one of the positive electrodes or the negative electrodes or the separators constituting the battery element is fixed in the laminating direction. It is characterized by. If the positive electrodes are fixed to each other or the negative electrodes are fixed to each other, even if vibration or thermal stress is applied for a long period of time, it is possible to prevent displacement of the stacked electrodes.
[0009]
It is desirable to fix the positive electrodes or the negative electrodes by welding, welding or bonding. The fixing can also be performed by riveting. If the battery element is rectangular when viewed from the stacking direction, it is preferable that the fixing is performed at four corners of the battery element. It is preferable to use heat welding for fixing the positive electrode or the negative electrode to each other. Further, it is desirable to use ultrasonic welding for welding for fixing the positive electrode or the negative electrode.
[0010]
Furthermore, if the separators are fixed in the laminating direction, the displacement of the electrodes can be prevented more reliably. The fixing of the separators is desirably performed by welding, welding or bonding linearly inside the two opposing sides of the separator along the respective sides. It is desirable to use heat welding for fixing the separators.
[0011]
If the assembled battery module is configured by connecting a plurality of the laminated secondary batteries according to the present invention in parallel, in series or in series / parallel, the assembled battery can maintain stable battery performance even when vibration or thermal stress is applied for a long period of time. Module can be provided.
[0012]
Furthermore, if a plurality of assembled battery modules according to the present invention are connected in parallel, in series or in series / parallel to form an assembled battery, an assembled battery capable of maintaining stable battery performance even when subjected to vibration or thermal stress for a long period of time. Can be provided.
[0013]
Then, when any one of the laminated secondary battery, the assembled battery module, and the assembled battery according to the present invention is mounted on an electric vehicle, even if vibration or thermal stress is applied for a long period, an electric power having a stable power source is provided. Can be a car.
[0014]
【The invention's effect】
According to the laminated secondary battery of the present invention, since at least the positive electrode or the negative electrode is fixed in the laminating direction, displacement of the electrodes can be prevented, various vibrations are applied over a long period of time, and thermal stress is reduced. Even if added, stable battery performance can be obtained.
[0015]
Further, according to the battery module or battery module of the present invention, stable battery performance can be maintained even when vibration or thermal stress is applied over a long period of time.
[0016]
Furthermore, when any one of the laminated secondary battery, the assembled battery module, and the assembled battery according to the present invention is used as a power source of an electric vehicle, stable power performance can be maintained for a long time.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
With reference to the accompanying drawings, a laminated secondary battery according to the present invention, an assembled battery module including a plurality of laminated secondary batteries, an assembled battery including a plurality of assembled battery modules, and an electric vehicle equipped with any one of these batteries A preferred embodiment will be described in detail. It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be implemented with appropriate modifications within a range included in the technical idea of the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on [Embodiment 1] to [Embodiment 5].
[Embodiment 1]
The laminated secondary battery according to the present invention is formed by alternately laminating a current collector serving as a positive electrode or a negative electrode and a separator to form a battery element, and packaging the battery element with a laminate film in which a polymer and a metal are combined. A laminate secondary battery according to any one of claims 1 to 3, characterized in that either the positive electrodes or the negative electrodes constituting the battery element are fixed in the laminating direction.
[0018]
FIG. 1 is an external view of a laminated secondary battery according to the present invention, and FIG. 2 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery shown in FIG.
[0019]
As shown in FIG. 1, a laminated
[0020]
When the laminated
[0021]
In FIG. 2, when the inside of the battery is viewed from the stacking direction, first, a sheet-shaped
[0022]
All the negative electrode
[0023]
Laminated
[0024]
Fixing between the positive electrode current collectors or between the negative electrode current collectors can be performed by welding, welding, or adhesion. Specifically, it is desirable to use heat welding. Specifically, it is desirable to use ultrasonic welding. When fixing by adhesion, an electrically conductive adhesive is used.
[0025]
In the present embodiment, since the shape of the
[0026]
The
[0027]
The fixed state of the negative electrode
[0028]
As shown in these sectional views, the
[0029]
The
[0030]
Each of the negative electrode
[0031]
As described above, the negative electrode
[0032]
In the first embodiment, the negative electrode
[0033]
Examples of the laminated secondary battery of the present invention include a lithium ion secondary battery, a polymer lithium battery, a nickel-hydrogen battery, and a nickel-cadmium battery. Among these, a lithium ion secondary battery excellent in output and energy density is preferable in consideration of use as a power source for an electric vehicle. When a laminated secondary battery, which is a lithium ion secondary battery, is connected in series to provide a power supply for an electric vehicle, it is possible to obtain an assembled battery having an overall output voltage of about 400 V.
[0034]
In the laminated secondary battery of the present invention, the materials constituting the
[0035]
[Positive electrode layer]
The sheet-shaped positive electrode layer constituting the positive electrode of the
[0036]
A conductive material may be bound to the positive electrode
[0037]
As the positive electrode
[0038]
[Negative electrode layer]
The sheet-shaped
[0039]
As the negative electrode
[0040]
[Separator layer]
The sheet-shaped separator layer constituting the
[0041]
Examples of the polymer that holds the non-aqueous electrolyte include a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a polymer containing the derivative, a copolymer of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP), and the like.
[0042]
[Laminate film]
The
[0043]
As the heat-fusible resin, for example, polyethylene (PE), ionomer, ethylene vinyl acetate (EVA) and the like can be used. As the metal foil, for example, an Al foil or a Ni foil can be used. As the resin having rigidity, for example, polyethylene terephthalate (PET), nylon or the like can be used. Specifically, a laminated film of PE / Al foil / PET laminated from the sealing surface side to the outer surface; a laminated film of PE / Al foil / Nylon; a laminated film of ionomer / Ni foil / PET; EVA / Al foil / A PET laminated film; an ionomer / Al foil / PET laminated film or the like can be used. The heat-fusible resin film functions as a seal layer when the battery element is housed inside. A metal foil or a rigid resin film imparts moisture, air resistance, and chemical resistance to the exterior material. The laminate film can be easily and reliably joined by using ultrasonic fusion or the like.
[0044]
[Electrode terminal]
A metal selected from copper and iron can be used for the
[Embodiment 2]
FIG. 6 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the second embodiment, and FIG. 7 is a sectional view of the laminated secondary battery taken along line AA of FIG. The sectional view taken along the line BB of the laminated secondary battery shown in FIG. 6 is the same as FIG.
[0045]
In this embodiment, the stacked negative electrode
[0046]
Holes for penetrating the
[0047]
In the present embodiment, the respective negative electrode
[0048]
As described above, the negative electrode
[0049]
In the second embodiment, the negative electrode
[Embodiment 3]
FIG. 8 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the third embodiment. In this embodiment, the stacked negative electrode
[0050]
As described above, when the fixing is performed at the both ends 34 of the negative electrode
[0051]
In the case of this embodiment, the width of the negative electrode
[0052]
In the case of this embodiment, the negative electrode
[0053]
In the third embodiment, the form in which the negative electrode
[Embodiment 4]
FIG. 9 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the fourth embodiment, and FIG. 10 is a cross-sectional view of the laminated secondary battery shown in FIG. The sectional view taken along the line BB of the laminated secondary battery shown in FIG. 9 is the same as FIG. In this embodiment, the negative electrode
[0054]
In the case of the fourth embodiment, in addition to fixing the negative electrode
[0055]
As described above, when the both ends 36 of the
[0056]
In the present embodiment, since the
[0057]
In the fourth embodiment, the negative electrode
[Embodiment 5]
FIG. 11 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the fifth embodiment. In this embodiment, the
[0058]
As described above, when the fixing is performed along the edge of the
[0059]
In the case of this embodiment, similarly to the fourth embodiment, the width of the
[0060]
In the first to fifth embodiments, the two
[0061]
In the present invention, at least two or more of the above laminated
[0062]
Note that the
[0063]
However, the assembled
[0064]
Next, at least two or more of the above assembled battery modules are connected in series, parallel or series-parallel to form an assembled battery, and a new assembled battery module is produced according to the demand for battery capacity and output for each purpose of use. It is possible to respond relatively inexpensively. As shown in FIG. 16, for example, as shown in FIG. 16, in order to connect the above six assembled
[0065]
In this manner, the assembled
[0066]
In order to mount the
[0067]
In the present invention, not only the assembled
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a laminated secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery shown in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of the laminated secondary battery shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the laminated secondary battery taken along line BB of FIG. 2;
FIG. 5 is a cross-sectional view of the laminated secondary battery taken along line CC of FIG. 2;
FIG. 6 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the second embodiment;
7 is a cross-sectional view of the laminated secondary battery shown in FIG. 6 taken along the line AA.
FIG. 8 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the third embodiment;
FIG. 9 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a sectional view taken along line DD of the laminated secondary battery shown in FIG.
FIG. 11 is a front view showing the inside of the laminated secondary battery according to the fifth embodiment.
FIG. 12 is an external view of another type of laminated secondary battery according to the present invention.
FIG. 13 is an external view of another type of laminated secondary battery according to the present invention.
FIG. 14 is an external view of another type of laminated secondary battery according to the present invention.
FIG. 15 is a schematic view schematically showing a typical embodiment of the assembled battery module structure according to the present invention, wherein (a) is a plan view thereof, (b) is a side view thereof, (C) is the front view.
FIG. 16 is a schematic diagram schematically showing a typical embodiment of a battery pack structure according to the present invention.
FIG. 17 is a schematic diagram schematically showing a vehicle equipped with the battery pack according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10. Laminated secondary battery,
12 ... Laminated film,
14 ... electrode terminals,
20 ... battery element,
22 ... negative electrode layer,
24 ... negative electrode current collector,
25 ... lead wire,
26 ... separator
27 ... positive electrode current collector,
28, 29 ... joint,
30A-30D: fixed part,
32 ... rivets,
34, 36, 38 ... both ends,
35 ... Battery case,
40 ... battery module,
42 ... positive terminal,
44 ... negative electrode terminal,
46 ... lead wire for positive terminal
48 lead wire for negative electrode terminal
49 ... spacer,
50 ... Bus bar,
55 ... voltage measurement connector
60 ... battery pack,
62 ... battery assembly positive terminal connecting plate,
64 ... battery negative electrode terminal connecting plate,
66 ... connecting plate,
67 ... fixing screw,
68 ... Positive insulating cover,
69 ... Negative electrode insulating cover,
70 ... Electric vehicle.
Claims (13)
前記電池要素を構成する、正極同士または負極同士またはセパレータ同士の少なくともいずれか一方をその積層方向で固定したことを特徴とするラミネート二次電池。A laminated secondary battery in which a battery element is formed by alternately laminating a current collector serving as a positive electrode or a negative electrode and a separator, and the battery element is packaged with a laminate film in which a polymer and a metal are combined. ,
A laminated secondary battery, wherein at least one of the positive electrodes, the negative electrodes, and the separators constituting the battery element is fixed in the laminating direction.
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