JP2004234899A

JP2004234899A - 二次電池モジュール

Info

Publication number: JP2004234899A
Application number: JP2003019044A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kaneda; 洋金田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】内部にガスが発生しても電池要素ユニットを押さえ込む力が低下しにくく、かつ、ガスが電極群間に入り込まないような構造となっている二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池要素ユニット１７がラミネートフィルム１９で真空封止されている扁平型ラミネートフィルム二次電池１４を、外装ケース１１内に充填材１２で固定して形成された二次電池モジュール１０において、ラミネートフィルム１９における電池要素ユニット１７を被覆する部分と融着された端部との間のフィルム非融着部１６と、充填材１２との間にフィルム膨張可能領域１５が設けられており、フィルム膨張可能領域１５は空気袋あるいは充填材１２よりも弾性率が大幅に低い弾性体で構成されており、発生したガスによりラミネートフィルム５９はフィルム膨張可能領域１５内で膨張する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平型ラミネートフィルム二次電池を用いた二次電池モジュール構造に関し、特に扁平型ラミネートフィルム二次電池の二次電池モジュール内での固定構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の二次電池モジュールの構造について例を挙げて説明する。図７は従来の２次電池モジュールの構造を示す模式的縦断面図であり、（ａ）は同一端部電極引き出し型、（ｂ）は対向端部電極引き出し型である。図７において、二次電池モジュール７０、８０の外装ケース７１、８１の内部に扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４が納められており、外装ケース７１、８１と扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４との隙間に充填材７２、８２が注入されて外装ケース７１、８１内に扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４を固定する構造となっている。ここで扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４は、正電極と負電極とをセパレータを介しながら交互に積層して形成された電池要素ユニット７７、８７に電極端子７３、８３を接続し、ラミネートフィルム７９、８９で覆った後、非水電解液を注入し、真空封止を行って作製される。この際、電池要素ユニット７７、８７は真空封止することによって生ずる減圧効果により外装体であるラミネートフィルムと外部の充填材７２、８２によって押さえ込まれている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３５７５３５号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして作製された扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４は、作製工程からも判るようにラミネートフィルム７９、８９内の真空封止による減圧効果によってのみ電池要素ユニット７７、８７を押さえ込んでいる。従って何らかの原因で電池要素ユニット７７、８７を構成する積層電極群の間に隙間が生じるとその部分は電池としての動作を行わなくなるため、その分、電池としての容量は低下し、抵抗も増加することになるという問題点があるので、この電極間に隙間が生じないよう様々な工夫が施されている。
【０００５】
この電極間に隙間を生じさせる原因の一つに充放電時に発生する内部ガスの影響がある。一般的に二次電池は充放電を繰り返すことにより内部ガスが発生し、扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４は電池内部でガスが発生すると、この発生した内部ガスが電極間に入り込み、発生したガスの圧力により扁平型ラミネートフィルム二次電池７４、８４が充填材７２、８２を押しのけて膨れてしまう。電池要素ユニット７７、８７を押さえ込んでいる力は減圧効果の度合いに依存するので、この内部ガスが減圧効果を低下させることによって電池要素ユニット７７、８７を押さえ込んでいる力を緩めてしまうと、電極群間に隙間が生じやすくなるために電池の容量が低下し、抵抗が増加して電池特性が劣化してしまうことになる。
【０００６】
そこで多くの場合、ガスの発生を抑制する電解液の使用や電極間の隙間を抑制するセル構造などが適用されている。特開２０００−３５７５３５号公報には、電極間の密着性を良好にして、充放電サイクル特性および負荷特性に優れた角形リチウム二次電池が開示されている。しかしながらガス発生を抑制できる電解液を使用しても長期的にはガスの蓄積による膨れは避けられず、膨れによる電池の特性劣化を押さえきれていないのが現状である。そのため、扁平型ラミネートフィルム二次電池の充放電時に発生する内部ガスによって電池が膨れ、電池特性が劣化してしまう問題を解決することが必要である。
【０００７】
本発明の目的は、内部にガスが発生しても電池要素ユニットを押さえ込む力が低下しにくく、かつ、ガスが電極群間に入り込まないような構造となっている二次電池モジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の二次電池モジュールは、
電池要素ユニットがラミネートフィルムで真空封止されている扁平型ラミネートフィルム二次電池を、外装ケース内に充填材で固定して形成された二次電池モジュールにおいて、ラミネートフィルムにおける電池要素ユニットを被覆する部分と融着された端部との間のフィルム非融着部と、充填材との間にフィルム膨張可能領域が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
フィルム膨張可能領域が、空気を内包した空気袋で形成されていてもよく、充填材よりも弾性率の低い弾性体で形成されていてもよい。
【００１０】
フィルム膨張可能領域が、扁平型ラミネートフィルム二次電池の電極端子引き出し側に設けられていてもよく、扁平型ラミネートフィルム二次電池の電極端子引き出し側と直交する方向の扁平型ラミネートフィルム二次電池の側面に設けられていてもよく、電池要素ユニットの電極端子引き出し側と、電極端子引き出し側と直交する方向の電池要素ユニットの側面とに設けられていてもよい。
【００１１】
二次電池モジュールが、扁平型ラミネートフィルム二次電池を外装ケース内に１個格納した単セルモジュールであってもよく、扁平型ラミネートフィルム二次電池を外装ケース内に複数個格納した複数セルモジュールであってもよい。
【００１２】
本発明の二次電池モジュールの構造では、ガスが発生しても発生したガスがフィルム膨張可能領域に移動するので電池要素ユニットを押さえ込む力が低下しにくく、かつ、ガスが電極群間に入り込まない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の二次電池モジュールでは扁平型ラミネートフィルム二次電池を二次電池モジュールの外装ケースに収納し、かつ、二次電池モジュールの外装ケース内を充填材で満たす二次電池モジュールの構造において、扁平型ラミネートフィルム二次電池のラミネートフィルム封止部の近傍の非融着部と充填材との間に空気または充填材よりも弾性率が相当に低い弾性体が充填されたフィルム膨張可能領域を有するように二次電池モジュールが構成されることを特徴とする。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態の同一端部電極引き出し型二次電池モジュールの模式的縦断面図である。この実施の形態では扁平型ラミネートフィルム二次電池１４の電池要素ユニット１７の一方の端部に正負極の両電極端子１３が接続されている同一端部電極引き出し型の構成となっている。
【００１５】
図１において、二次電池モジュール１０の外装ケース１１の内部に扁平型ラミネートフィルム二次電池１４が納められており、外装ケース１１と扁平型ラミネートフィルム二次電池１４との隙間に充填材１２が注入されて外装ケース１１内に扁平型ラミネートフィルム二次電池１４を固定する構造となっている。ここで扁平型ラミネートフィルム二次電池１４は正電極と負電極とをセパレータを介しながら交互に積層して形成された電池要素ユニット１７に電極端子１３を接続し、ラミネートフィルム１９で覆った後、非水電解液を注入し、真空封止を行って作製される。この際、真空封止することによって扁平型ラミネートフィルム二次電池１４内より空気を取り除くことによって、その減圧効果で電池要素ユニット１７を押さえ込んでいる。電極端子１３はブスバ１８と接続して外部と導通する。第１の実施の形態では、扁平型ラミネートフィルム二次電池１４の電池要素ユニット１７の一端の正負極端子が接続されている部分を覆っているラミネートフィルム１９のフィルム非融着部１６と充填材１２との間にフィルム膨張可能領域１５が設けられている。本実施の形態においては、このフィルム膨張可能領域１５は空気袋により形成されている。
【００１６】
図２は空気袋の模式的斜視図であり、図３は空気袋の挿入された二次電池モジュールの模式的部分拡大縦断面図であり、（ａ）は空気袋挿入時の状態、（ｂ）は空気袋の通気チューブ先端を切断した状態、（ｃ）は内部で発生したガスにより膨張したラミネートフィルムが空気袋を押圧している状態である。図１に示すように扁平型ラミネートフィルム二次電池１４を外装ケース１１に固定した後、図２に示す通気チューブ２２付き空気袋２１を図３（ａ）の位置に挿入する。挿入位置は電池要素ユニット１７に接続されている電極端子１３を覆うラミネートフィルム１９に接し、ラミネートフィルム１９がその先で封止されているフィルム非融着部１６であり、空気袋２１と接する位置ではラミネートフィルム１９は膨張が可能である。内部に空気が供給され通気チューブ２２が閉塞された空気袋２１を所定の位置に挿入後、二次電池モジュールの外装ケース１１内に脱泡処理済みのウレタン系の充填材１２を流し込み、１昼夜放置して充填材１２を十分に硬化させる。硬化後に図３（ｂ）に示すように硬化した充填材１２より突出している通気チューブ付き空気袋２１のチューブ先端部２３を切除することにより、扁平型ラミネートフィルム二次電池１４と充填材１２との間に空気袋２１からなるフィルム膨張可能領域１５が形成される。電池要素ユニット１７にガスが発生すると、電池要素ユニット１７を構成する積層電極群の間は押圧状態にあるので発生したガスはラミネートフィルム１９内を圧力の低い空気袋２１側に流れ、フィルム非融着部１６のラミネートフィルム１９が膨張して図３（ｃ）に示すように空気袋２１を押し込むので発生したガスは積層電極群の間から排出される。
【００１７】
次に本発明の第２の実施の形態の二次電池モジュールについて説明する。第２の実施の形態は第１の実施の形態とフィルム膨張可能領域１５の形態が異なるだけなので図１を参照し、相違点についてのみ説明し、同一の内容部分については説明を省略する。
【００１８】
第１の実施の形態では、フィルム膨張可能領域１５は空気袋２１により構成される空気の充填されたフィルム膨張可能領域であったが、第２の実施の形態においては充填材１２よりも弾性率が大幅に低い弾性体で構成されている。この場合も電池要素ユニット１７にガスが発生すると、電池要素ユニット１７を構成する積層電極群の間は押圧状態にあるので発生したガスはラミネートフィルム１９内を圧力の低いフィルム膨張可能領域１５の弾性体と接する非融着部１６側に流れ、図３（ｃ）に示すと同様に膨張した非融着部１６が弾性体を押し込むので発生したガスは積層電極群の間から排出される。
【００１９】
次に本発明の第３の実施の形態の二次電池モジュールについて説明する。図４は本発明の第３の実施の形態の対向端部電極引き出し型二次電池モジュールの模式的縦断面図である。この実施の形態では扁平型ラミネートフィルム二次電池３４の電池要素ユニット３７の両端にそれぞれ正負極の電極端子３３が接続されている対向端部電極引き出し型の構成となっている。第１の実施の形態とは電極端子の引き出し方法が異なりフィルム膨張可能領域３５が両側の電極端子部分に設けられている以外はフィルム膨張可能領域３５の構成を含み第１の実施の形態と同じなので詳細の説明は省略する。
【００２０】
次に本発明の第４の実施の形態の二次電池モジュールについて説明する。この実施の形態では第３の実施の形態では、空気の充填された空気袋２１により構成されていたフィルム膨張可能領域１５が、第４の実施の形態においては第２の実施の形態と同様な充填材３２よりも弾性率が大幅に低い弾性体で構成されている点が異なっている。それ以外はフィルム膨張可能領域３５の構成を含み第３の実施の形態と同じなので詳細の説明は省略する。
【００２１】
次に本発明の第５の実施の形態の二次電池モジュールについて説明する。図５は本発明の第５の実施の形態の二次電池モジュールの模式的横断面図である。第１から第４の実施の形態では正負電極端子が取り出されている部分近傍の非溶着部のラミネートフィルム上に設けられていたフィルム膨張可能領域が、この実施の形態では扁平型ラミネートフィルム二次電池の端子方向と直交する側面のラミネートフィルム５９の非溶着部５６と充填材５２との間に設けられている。それ以外はフィルム膨張可能領域５５の構成を含み第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態と同じなので詳細の説明は省略する。
【００２２】
また、この第５の実施の形態と第１〜第４の実施の形態とを組み合わせた構成であってもよく、扁平型ラミネートフィルム二次電池のラミネートフィルムのフィルム非融着部の４方向全てと充填材との間にフィルム膨張可能領域を設けてもよい。
【００２３】
次に図４に示す第３の実施の形態を例として第１実施例を説明する。まず、二次電池モジュール３０の外装ケース３１の材質としてはＭＣナイロンを採用した。外装ケース３１の大きさはＷ１０５ｍｍ×Ｄ２６０ｍｍ×Ｈ２０ｍｍ、外装ケース３１の肉厚は５ｍｍである。充填材３２には２液性のウレタン系樹脂を採用した。この充填材は２液を混合後、十分に撹拌したあと脱泡処理を行って使用するタイプであり、常温で硬化するタイプである。ラミネートフィルム３９を外装材とする扁平型ラミネートフィルム二次電池３４には正極と負極がセパレータを介して積層されて形成された電池要素ユニット３７を内包し、非水系電解液を含浸させた積層タイプを採用した。扁平型ラミネートフィルム二次電池３４の大きさは、電池要素ユニット３７はＷ６５ｍｍ×Ｄ１２０ｍｍ×Ｔ９．８ｍｍであり、電池要素ユニット３７を覆うラミネートフィルム３９の外形はＷ９５ｍｍ×Ｄ１６５ｍｍ×Ｔ１００μｍであり、対向するように引き出された両側の電極端子３３を含めた全長は２３０ｍｍ程度である。
【００２４】
図４に示すように扁平型ラミネートフィルム二次電池３４を外装ケース３１で固定した後、図２に示す通気チューブ２２付き空気袋２１を図３（ａ）の位置にセットする。図３（ａ）に示されるように電池要素ユニット３７と電極端子３３が引き出されているラミネートフィルム３９の封止部との間に存在する接続部分を覆っているラミネートフィルム３９のフィルム非融着部３６上に空気袋２１がセットされている。その後、二次電池モジュール３０の外装ケース３１内に脱泡処理済みのウレタン系充填材３２を流し込み、１昼夜おいて充填材３２を十分に硬化させる。図３（ｂ）に示すように硬化した充填材３２より突出している通気チューブ２２付き空気袋２１のチューブ先端部２３を切除し、扁平型ラミネートフィルム二次電池３４と充填材３２との間にフィルム膨張可能領域３５を作製する。以上の工程に従って本発明の第１実施例を作製した。また効果を確認するための対照例として、上記作製工程において空気袋２１をセットしない図７（ｂ）に示す従来の二次電池モジュールも対照例として作製した。
【００２５】
さらに比較のために、第４の実施の形態に対応する第２実施例も作成した。これは基本的には上記の第１実施例と同等であるが通気チューブ付き空気袋２１の代わりにウレタンフォーム（スポンジ）を採用した。このウレタンフォームには充填材の硬化時の硬度より柔らかいものを採用する必要がある。本第２実施例では充填材３２が硬化した時の硬さよりも明らかに柔らかいウレタンフォームを採用した。
【００２６】
効果の確認方法としては充放電を繰り返しながら容量とインピーダンスを測定し、第１実施例、第２実施例および対照例を比較した。
【００２７】
試験条件は６０℃環境下における２．５Ｖ−４．５Ｖ：ＣＣサイクルの５００サイクル充放電サイクル試験とした。途中、１００サイクルごとに容量と直流抵抗を測定した。その結果を表１に示す。表１に示す値は初期容量及び初期の直流抵抗を基準にその増減を百分率で示したものである。
【００２８】
【表１】

表１の結果より判るように本発明の二次電池モジュールの構造において空気袋タイプとスポンジタイプに明確な差は見受けられず共に良好な結果が得られた。以下に従来例の二次電池モジュールとの比較結果について記す。
【００２９】
まず、容量に関しては１００サイクルで既に８％程度の差が見受けられ、３００サイクル後には１２％程度の差が生じている。５００サイクル後には１６％程度の差が生じた。また、直流抵抗の値にも明確な差が生じている。１００サイクル後で既に８．３％程度の差が確認され、５００サイクル後には２５％の差が確認された。この結果は本発明の二次電池モジュールの構造が従来例の二次電池モジュールの構造よりも寿命を延ばすことが可能であることを示している。
【００３０】
次に本発明の第６の実施の形態の二次電池モジュールについて説明する。図６は本発明の第６の実施の形態の二次電池モジュールの模式的縦断面図である。第１〜第５の実施の形態では二次電池モジュールの構造が単セル型の二次電池モジュールであったが、第６の実施の形態では複数セルの二次電池モジュールが示されている。本発明の二次電池モジュールの構造は単セル型の二次電池モジュールのみではなく、複数セル型の二次電池モジュールに対しても有効であり大型二次電池モジュールの構築に支障を与えることはない。例えば図６に示すように扁平型ラミネートフィルム二次電池６４が１０個直列に接続されて二次電池モジュール６０が構築される場合においても何ら支障なく作製することができる。ここでは扁平型ラミネートフィルム二次電池６４が１０個積層されてそれぞれの端子が直列に接続され、外装ケース６１に収納された後に上述の方法でフィルム膨張可能領域６５を形成する空気袋あるいはウレタンフォームがそれぞれの扁平型ラミネートフィルム二次電池６４に接する所定のフィルム膨張可能領域６５に配置され、その後外装ケース６１内に脱泡処理済みのウレタン系充填材６２が流し込まれて、１昼夜放置して充填材６２を十分に硬化させて形成される。
【００３１】
ここでは、１０個の積層としたがこれに限定されるものではない。またフィルム膨張可能領域６５の形成方法も第１から第５の実施の形態のいずれでもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、二次電池モジュールを従来よりも長寿命とすることができ、かつ、重量が軽減され容量密度も向上させることができるという効果がある。
【００３３】
これは、本発明の二次電池モジュールの構造が、扁平型ラミネートフィルム二次電池の充放電時に生じる内部発生ガスを、電池要素ユニットを押さえ込んでいる力を減少させることなく特定のフィルム膨張可能領域に集める構造になっており、電池要素ユニットを構成している積層電極群間に発生ガスが入り込まないので電池の特性を維持できるからである。さらに、内部発生ガスを集中的に集めるフィルム膨張可能領域が存在している分、充填材の量を減らすことができるので、二次電池モジュールとしての重量が軽減され容量密度も向上する。また、内部ガスを集めるフィルム膨張可能領域に弾性率の低いスポンジを採用した場合においてもスポンジの重量は充填材よりも軽量であるため、結果として従来よりも二次電池モジュールの重量は軽減され容量密度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の同一端部電極引き出し型二次電池モジュールの模式的縦断面図である。
【図２】空気袋の模式的斜視図である。
【図３】空気袋の挿入された二次電池モジュールの模式的部分拡大縦断面図である。（ａ）は空気袋挿入時の状態である。
（ｂ）は空気袋の通気チューブ先端を切断した状態である。
（ｃ）は内部で発生したガスにより膨張したラミネートフィルムが空気袋を押圧している状態である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の対向端部電極引き出し型二次電池モジュールの模式的縦断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の二次電池モジュールの模式的横断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態の二次電池モジュールの模式的縦断面図である。
【図７】従来の２次電池モジュールの構造を示す模式的縦断面図である。
（ａ）は同一端部電極引き出し型である。
（ｂ）は対向端部電極引き出し型である。
【符号の説明】
１０、３０、５０、６０、７０、８０二次電池モジュール
１１、３１、５１、６１、７１、８１外装ケース
１２、３２、５２、６２、７２、８２充填材
１３、３３、６３、７３、８３電極端子
１４、３４、５４、６４、７４、８４扁平型ラミネートフィルム二次電池
１５、３５、５５、６５フィルム膨張可能領域
１６、３６、５６、６６フィルム非溶着部
１７、３７、５７、６７、７７、８７電池要素ユニット
１８、３８、６８、７８、８８ブスバ
１９、３９、５９、６９、７９、８９ラミネートフィルム
２１空気袋
２２通気チューブ
２３チューブ先端部

Claims

電池要素ユニットがラミネートフィルムで真空封止されている扁平型ラミネートフィルム二次電池を、外装ケース内に充填材で固定して形成された二次電池モジュールにおいて、
前記ラミネートフィルムにおける前記電池要素ユニットを被覆する部分と融着された端部との間のフィルム非融着部と、前記充填材との間にフィルム膨張可能領域が設けられていることを特徴とする二次電池モジュール。
前記フィルム膨張可能領域が、空気を内包した空気袋で形成されている、請求項１に記載の二次電池モジュール。
前記フィルム膨張可能領域が、前記充填材よりも弾性率の低い弾性体で形成されている、請求項１に記載の二次電池モジュール。
前記フィルム膨張可能領域が、前記扁平型ラミネートフィルム二次電池の電極端子引き出し側に設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池モジュール。
前記フィルム膨張可能領域が、前記扁平型ラミネートフィルム二次電池の電極端子引き出し側と直交する方向の前記扁平型ラミネートフィルム二次電池の側面に設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池モジュール。
前記フィルム膨張可能領域が、前記電池要素ユニットの電極端子引き出し側と、電極端子引き出し側と直交する方向の前記電池要素ユニットの側面とに設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の二次電池モジュール。
前記二次電池モジュールが、前記扁平型ラミネートフィルム二次電池を前記外装ケース内に１個格納した単セルモジュールである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の二次電池モジュール。
前記二次電池モジュールが、前記扁平型ラミネートフィルム二次電池を前記外装ケース内に複数個格納した複数セルモジュールである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の二次電池モジュール。