JP2007066612A - 電池構造および電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 製造時の作業性に優れた電池構造および電池モジュールを提供する。
【解決手段】 電池構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子２０と、電池素子２０を収容する空間３４を規定し、電池素子２０を電解質とともに空間３４に封入するラミネート外装体４１と、空間３４の圧力上昇を検出する伸び検知センサ５１とを備える。ラミネート外装体４１は、電池素子２０の円筒面２０ａ上で重なる内層４２および外層４３を有する。伸び検知センサ５１は、内層４２と外層４３との間に配置されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、一般的には、電池構造および電池モジュールに関し、より特定的には、電池素子が封入された空間の圧力上昇を検出する圧力検出部を備える電池構造およびその電池構造が用いられた電池モジュールに関する。

従来の電池構造に関して、たとえば、特開２０００−３４０２６４号公報には、内圧が高くなったことを正確に検出して、内圧上昇を阻止することを目的としたパック電池が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたパック電池は、正極および負極を有する発電素子と、発電素子を内部の密閉チャンバに収納するフィルム外装体とを備える。フィルム外装体の表面には、歪センサが付着されている。

また、特開２００１−２４３９９１号公報には、２次電池本体の過剰な内圧上昇を防止することを目的とした電池パックが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された電池パックでも、電池素子を覆うアルミニウム箔の外表面に感圧抵抗素子が固定されている。また、特開２００５−４４５２３号公報には、ガスが発生して内圧が上昇した場合に、確実に電流を遮断することを目的とした２次電池が開示されている（特許文献３）。
特開２０００−３４０２６４号公報 特開２００１−２４３９９１号公報 特開２００５−４４５２３号公報

上述の特許文献１および２に開示された電池パックでは、電池パックの製造工程時に、電池素子の外装体に歪センサや感圧抵抗素子を付着させる工程を要する。しかしながら、外装体に付着されたこれらのセンサは外側に露出するため、後に続く工程においてセンサが傷付くおそれが生じる。このため、電池パックの製造時により慎重な作業が必要となり、作業性が著しく低下してしまう。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、製造時の作業性に優れた電池構造および電池モジュールを提供することである。

この発明に従った電池構造は、正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、電池素子を収容する内部空間を規定し、電池素子を電解質とともに内部空間に封入する外装体と、内部空間の圧力上昇を検出する圧力検出部とを備える。外装体は、電池素子の表面上で重なる複数の層を有する。圧力検出部は、複数の層の間に配置されている。

このように構成された電池構造によれば、圧力検出部は、外装体の外側の層によって覆われているため、圧力検出部を外部から適切に保護することができる。これにより、圧力検出部が損傷し難くなり、電池の製造時の作業性を向上させることができる。

また好ましくは、圧力検出部は、外装体の変形を検出する素子である。このように構成された電池構造によれば、内部空間の圧力を直接、検出する圧力センサを用いる場合と比較して、部品コストを低く抑えることができる。

また好ましくは、素子は、伸張することによって抵抗値が変化する抵抗変化素子である。このように構成された電池構造によれば、抵抗変化素子は、外装体が有する複数の層の間に配置されているため、抵抗変化素子が外装体の表面に沿って密着した状態がより確実に得られる。これにより、外装体の変形時に、外装体とともに抵抗変化素子をより確実に伸張させることができる。このため、内部空間の圧力上昇を正確に検出することができる。

この発明に従った電池モジュールは、上述のいずれかに記載の電池構造が用いられている。電池モジュールは、電池素子、外装体および圧力検出部を備える電池セルが複数、積層されて構成されている。このように構成された電池モジュールによれば、電池セルの積層時に圧力検出部が損傷し難いため、積層時の作業性を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、製造時の作業性に優れた電池構造および電池モジュールを提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における電池構造が適用された電池セルを示す斜視図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。図中に示す電池セルは、複数個が電気的に直列に接続されて電池モジュールを構成する。その電池モジュールは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池とを動力源とするハイブリッド自動車に搭載される。

図１および図２を参照して、ラミネート電池セル１０は、リチウムイオン電池から構成されている。ラミネート電池セル１０は、巻回型の電池素子２０と、電池素子２０を覆うように設けられたラミネート外装体４１と、ラミネート外装体４１に設けられ、ラミネート外装体４１の変形を検出する伸び検知センサ５１とを備える。

図３は、図２中の電池素子を示す斜視図である。図４は、図３中の電池素子の分解組み立て図を示す斜視図である。図３および図４を参照して、電池素子２０は、正極シート２１と、セパレータ２９を介して正極シート２１と重ね合わされた負極シート２６とから構成されている。

正極シート２１は、略矩形形状を有するアルミニウム箔から形成されている。正極シート２１の両面には、正極活物質を含有するペースト２２が塗布されている。正極活物質としては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₃等、リチウムイオン電池に用いられる正極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。正極シート２１の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２２が塗布されていないペースト未塗布部２３が、帯状に延びて形成されている。

負極シート２６は、正極シート２１と同一形状を有する銅箔から形成されている。負極シート２６の両面には、負極活物質を含有するペースト２７が塗布されている。負極活物質としては、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン等、リチウムイオン電池に用いられる負極活物質の１種もしくは２種以上を特に限定することなく使用できる。負極シート２６の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２７が塗布されていないペースト未塗布部２８が、帯状に延びて形成されている。

セパレータ２９は、短手方向の長さが正極シート２１および負極シート２６よりも小さく形成された略矩形形状を有する。セパレータ２９としては、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートを使用することができる。

正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９が、セパレータ２９、負極シート２６、セパレータ２９、正極シート２１の順に重ね合わされている。このとき、正極シート２１にペースト２２が塗布された領域と、負極シート２６にペースト２７が塗布された領域とが、セパレータ２９を介して向い合う。また、正極シート２１のペースト未塗布部２３が、セパレータ２９の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極シート２６のペースト未塗布部２８が、セパレータ２９の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。

電池素子２０は、正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９からなる積層体が、中心軸１１０を中心に巻回されることによって形成されている。積層体は、中心軸１１０に直交する平面で切断した場合の断面形状が長円となるように形成されている。このように構成された電池素子２０は、中心軸１１０を中心に筒状に延在する円筒面２０ａを有する。

各シートが巻回された積層体の状態において、正極シート２１のペースト未塗布部２３が多層に重なった位置には、正極端子３１が接続されており、負極シート２６のペースト未塗布部２８が多層に重なった位置には、負極端子３２が接続されている。正極端子３１および負極端子３２は、金属から形成されている。正極端子３１は、たとえばアルミニウムから形成されており、負極端子３２は、たとえば銅から形成されている。電池素子２０には、リチウム塩を有機溶媒に溶かした有機電解質が含浸させられている。

なお、本実施の形態では、正極端子３１および負極端子３２が、電池素子２０の両端からそれぞれ突出する場合について説明したが、これに限定されず、たとえば、正極端子３１および負極端子３２の双方が電池素子２０の一端から突出するように、電池セルが形成されていても良い。

図５は、図１中の電池セルの分解組み立て図を示す斜視図である。図２および図５を参照して、ラミネート外装体４１は、たとえば、アルミニウム等の金属からなる基材にポリエチレンテレフタラート樹脂（ＰＥＴ：poly ethylene terephthalate）等の樹脂材料が被膜されたラミネートシートから形成されている。

ラミネート外装体４１は、電解質が含浸させられた電池素子２０を収容する空間３４を形成する内層４２と、内層４２の外周面との間に隙間を形成するように内層４２を覆う外層４３とから構成されている。内層４２は、電池素子２０の円筒面２０ａに接触するように設けられている。外層４３は、内層４２を挟んで円筒面２０ａの裏側で内層４２との間に隙間を形成するように設けられている。

本実施の形態では、内層４２は筒形状を有し、その筒形状の内側に、正極端子３１および負極端子３２が接続された電池素子２０が配置される。正極端子３１および負極端子３２が内層４２の外側に突出した状態で、内層４２の開口部分４５が熱溶着される。これにより、電池素子２０を収容する空間３４が形成される。外層４３は、開口部分４５が開口する２方向に開口するように設けられている。外層４３は、たとえば熱溶着により内層４２とに一体にされている。

内層４２と外層４３との間の隙間には、伸び検知センサ５１が位置決めされている。伸び検知センサ５１は、接着剤や接着シール等により内層４２の表面に貼り合わされている。伸び検知センサ５１は、熱溶着により内層４２の表面に固定されていても良い。伸び検知センサ５１は、内層４２と外層４３とによって挟持されている。伸び検知センサ５１は、内層４２の表面上で互いに間隔を隔てた位置に複数、設けられている。伸び検知センサ５１は、正極端子３１が突出するラミネート外装体４１の一方端から、負極端子３２が突出するラミネート外装体４１の他方端に向かって線状に延びている。伸び検知センサ５１は、その全体が外層４３によって覆われている。

伸び検知センサ５１は、伸張することによって抵抗値が変化する伸張抵抗変化素子によって形成されている。この伸張抵抗変化素子は、柔軟性に優れた導電性フィルムから形成されている。伸び検知センサ５１は、図示しない配線を介して、伸び検知センサ５１の抵抗値の変化を電圧変化として検出する電気回路に接続されている。なお、内層４２と外層４３との間に配置するセンサは、ラミネート外装体４１の変形の検出に他の検出原理を利用したセンサであっても良い。

本実施の形態では、伸び検知センサ５１が、電池素子２０が収容された空間３４の外側に設けられている。このため、伸び検知センサ５１が電解質に浸るというおそれがなく、センサ内でショート等の不具合が発生することを防止できる。

なお、外層４３の開口位置は、伸び検知センサ５１が配置された後、熱溶着によって封止されても良い。

ラミネート外装体４１は、以上に説明した形状に限定されず、電池素子２０に対して正極端子３１および負極端子３２が設けられる位置や、伸び検知センサ５１が配置される位置、またはこれらの位置関係等に応じて、適当な形状を採り得る。たとえば、内層４２を略矩形形状を有するラミネートシートから形成しても良い。この場合、ラミネートシートが、電池素子２０を挟み込んだ状態で２つ折りにされ、重なった周縁が熱溶着されることによって、電池素子２０を収容する空間３４が形成される。また、たとえば、複数の伸び検知センサ５１のそれぞれを個別に覆うように、外層４３が内層４２の表面に接合されていても良い。また、本実施の形態では、内層４２と外層４３とが同じ材料のラミネートシートから形成されているが、異なる材料のラミネートシートから形成されていても良い。

図６は、図１中の電池セルの内圧が上昇した状態を示す斜視図である。図６を参照して、ラミネート電池セル１０に対して過充電が行なわれた時やラミネート電池セル１０の寿命末期には、電池素子２０に含浸する電解質が分解反応を起こし、空間３４内にガスが充満する場合がある。この場合、空間３４の内圧が上昇し、ラミネート外装体４１が膨らんだ状態となる。このとき、ラミネート外装体４１の内層４２とともに伸び検知センサ５１が伸張する。これにより、伸び検知センサ５１の抵抗値の変化を通じて、空間３４の内圧上昇が検出される。

本実施の形態では、ラミネート外装体４１の変形を通じて空間３４の内圧上昇を検出するため、空間３４の圧力を直接、検出する圧力センサと比較して安価な伸び検知センサ５１を用いることができる。このため、ラミネート電池セル１０の製造コストを低く抑えることができる。

なお、ラミネート電池セル１０には、空間３４の内圧が一定以上の値となった時にガスを自動的に空間３４の外側に排出するリリース弁が設けられていても良い。電池素子２０は、ラミネート外装体４１以外の外装体によって覆われていても良い。この場合、外装体は、空間３４の内圧が上昇した時に変形可能な程度の柔軟性を有する材料から形成される。外装体は、たとえば樹脂材料のみからなるケース体であっても良い。

この発明の実施の形態１における電池構造は、正極シート２１、負極シート２６およびセパレータ２９の積層体からなる電池素子２０と、電池素子２０を収容する内部空間としての空間３４を規定し、電池素子２０を電解質とともに空間３４に封入する外装体としてのラミネート外装体４１と、空間３４の圧力上昇を検出する圧力検出部としての伸び検知センサ５１とを備える。ラミネート外装体４１は、電池素子２０の表面としての円筒面２０ａ上で重なる複数の層としての内層４２および外層４３を有する。伸び検知センサ５１は、内層４２と外層４３との間に配置されている。

このように構成された、この発明の実施の形態１における電池構造によれば、伸び検知センサ５１は外層４３によって覆われるため、ラミネート電池セル１０を積層して電池モジュールとする際に、伸び検知センサ５１が傷付いたり破損したりすることを防止できる。このため、ラミネート電池セル１０の積層時に伸び検知センサ５１の破損に対して過剰な注意を払う必要がなくなり、作業性を向上させることができる。

また、伸び検知センサ５１を外層４３によって覆うことによって、伸び検知センサ５１が外部雰囲気に晒されることを抑制できる。これにより、伸び検知センサ５１の機能が酸化等によって低下することを防止できる。

また、伸び検知センサ５１は、接着剤や接着シールによって内層４２の表面に固定されているため、使用期間が長くなるに従って、伸び検知センサ５１が内層４２の表面から剥がれ落ちたり、内層４２の表面から部分的に浮くといった懸念が生じる。しかしながら、本実施の形態では、伸び検知センサ５１が内層４２と外層４３との間に挟持されているため、内層４２の表面に付着された状態が長期間に渡って確実に保持される。このため、空間３４の内圧が上昇した時に、伸び検知センサ５１を内層４２の表面とともに伸張させ、空間３４の圧力上昇をより確実に検出することができる。

なお、本実施の形態では、本発明をリチウムイオン電池からなる電池セルに適用した場合について説明したが、これに限定されず、たとえば、樹脂性のケースによって覆われたニッケル水素電池からなる電池セルに本発明を適用しても良い。

また、本発明における電池構造を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド自動車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。

（実施の形態２）
図７は、この発明の実施の形態２における電池構造が適用された電池モジュールを示す斜視図である。図中の電池モジュールを構成するラミネート電池セルは、実施の形態１におけるラミネート電池セル１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図７を参照して、電池モジュール６０は、複数のラミネート電池セル１０が、図中の矢印１０１に示す方向（以下、単に電池セルの積層方向とも呼ぶ）に積層されて構成されている。互いに隣り合うラミネート電池セル１０の間には、スペーサ６６が介在している。スペーサ６６には、電池セルの積層方向の直交方向に延びる冷却風通路６７が複数、形成されている。

積層されたラミネート電池セル１０の両側には、エンドプレート６３および６４が配置されている。エンドプレート６３とエンドプレート６４とは、積層されたラミネート電池セル１０の上下でそれぞれ延びる拘束バンド６１および６２によって、互いに結合されている。このような構成により、積層されたラミネート電池セル１０が一体に保持されている。電池モジュール６０は、図示しない金属製の電池ケースに収容された状態で、ハイブリッド自動車に搭載される。

ラミネート電池セル１０は、積層された状態で外側に露出する表面としての一対の側面１０ｂを有する。側面１０ｂは、電池セルの積層方向に延在している。本実施の形態では、側面１０ｂにおいて、内層４２と外層４３との間に伸び検知センサ５１が配置されている。

ラミネート電池セル１０は、エンドプレート６３および６４により電池セルの積層方向に強固に保持されている。このため、空間３４内でガスが発生した場合に、外側に面した側面１０ｂでラミネート外装体４１が膨らみ易い構造となっている。したがって、その側面１０ｂに伸び検知センサ５１を配置することにより、空間３４の内圧上昇をより確実に検出することができる。なお、伸び検知センサ５１は、複数のラミネート電池セル１０間に渡って延びるように設けられていても良い。

図８は、図７中の電池モジュールの変形例を示す斜視図である。図８を参照して、ラミネート電池セル１０は、積層された状態で隣り合うラミネート電池セル１０と向い合わせになる一対の表面１０ｃを有する。表面１０ｃは、ラミネート電池セル１０が積層された状態で、外側に露出せず、電池セルの積層方向の直交方向に延在している。本変形例では、表面１０ｃにおいて、内層４２と外層４３との間に感圧検知センサ７１が配置されている。

感圧検知センサ７１は、圧力を受けることによって抵抗値が変化する感圧抵抗変化素子から形成されている。空間３４内でガスが発生した場合、隣り合うラミネート電池セル１０同士が圧迫し合い、感圧検知センサ７１に負荷する圧力が増大する。これにより、空間３４の圧力上昇が検出される。

このように構成された、この発明の実施の形態２における電池構造によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１で説明した電池構造の構成と、実施の形態２で説明した電池構造の構成とを適宜、組み合わせて、別の電池構造を作製しても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１における電池構造が適用された電池セルを示す斜視図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った電池セルの断面図である。 図２中の電池素子を示す斜視図である。 図３中の電池素子の分解組み立て図を示す斜視図である。 図１中の電池セルの分解組み立て図を示す斜視図である。 図１中の電池セルの内圧が上昇した状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２における電池構造が適用された電池モジュールを示す斜視図である。 図７中の電池モジュールの変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ ラミネート電池セル、２０ 電池素子、２０ａ 円筒面、２１ 正極シート、２６ 負極シート、２９ セパレータ、３４ 空間、４１ ラミネート外装体、４２ 内層、４３ 外層、５１ 伸び検知センサ、６０ 電池モジュール、７１ 感圧検知センサ。

Claims (4)

1. 正極シート、負極シートおよびセパレータの積層体からなる電池素子と、
   前記電池素子を収容する内部空間を規定し、前記電池素子を電解質とともに前記内部空間に封入する外装体と、
   前記内部空間の圧力上昇を検出する圧力検出部とを備え、
   前記外装体は、前記電池素子の表面上で重なる複数の層を有し、
   前記圧力検出部は、前記複数の層の間に配置されている、電池構造。
2. 前記圧力検出部は、前記外装体の変形を検出する素子である、請求項１に記載の電池構造。
3. 前記素子は、伸張することによって抵抗値が変化する抵抗変化素子である、請求項２に記載の電池構造。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電池構造が用いられた電池モジュールであって、
   前記電池素子、前記外装体および前記圧力検出部を備える電池セルが複数、積層されて構成された、電池モジュール。

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