JP2007141640A

JP2007141640A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2007141640A
Application number: JP2005333711A
Authority: JP
Inventors: Satoru Suzuki; 哲鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP4956968B2

Abstract

【課題】密閉ケースに特別な構造を設けることなく、密閉ケースの内部圧力が異常に上昇したときに、密閉ケースを特定の位置で開口させるための技術を提供する。
【解決手段】電池モジュールは、正極と負極を有する電極体と、電極体に含浸している電解液と、電極体と電解液を密閉している密閉ケースと、密閉ケースを収容しているカバーを備えている。密閉ケースは、フィルム材で形成されているとともに、電極体と電解液を収容している収容空間の外周においてフィルム材同士を密着させた密着部によって密閉されている。カバーには、前記密閉ケースが介在した状態で対向している一対の対向面が形成されている。そして、前記収容空間を形成する前記フィルム材は、密着部の一部に隣接する範囲を除外して前記一対の対向面の範囲内に位置しており、前記密着部の一部に隣接する範囲は前記一対の対向面の範囲外に位置していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極体や電解液をフィルム材で密閉した電池に関する。

電極体や電解液を収容している収容空間をフィルム材で形成した、いわゆるラミネート型電池が開発されている。ラミネート型電池では、収容空間の外周においてフィルム材同士を密着させ、その密着部によって収容空間を大気から密閉している
電池では、例えば異常に温度上昇したときなどに、電解液等からガスが発生して、電池の内部圧力が異常に上昇してしまうことがある。ラミネート型電池では、圧力の異常上昇時に密閉ケースが破断し、ガスや電解液等を周囲に飛散させてしまうおそれがある。

上記の問題に対して、特許文献１には、フィルム材同士を密着させた密着部の一部に、密着強度を低下させた部位を設けたラミネート型電池が開示されている。このラミネート型電池では、電池の内部圧力が異常に上昇したときに、密着強度を低下させた部位が優先して剥離する。このラミネート型電池によると、電池の内部圧力が異常に上昇した場合には、密閉ケースを特定の位置で開口させることができるので、ガスや電解液を周囲に飛散させること防ぐことができると報告している。
特開平１０−５５７９２号公報

特許文献１の技術では、密閉ケースを特定の位置で優先的に開口させるために、密閉ケースの密着部の一部に、密着強度を低下させた部位を形成する必要がある。そのために、例えば密着部の一部に異物を介在させたり、密着部の一部に非密着部を形成したりする必要があり、ラミネート型電池の製造工程が面倒になってしまう。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、密閉ケースに特別な構造を設けることなく、密閉ケース内の内部圧力が異常に上昇したときに、密閉ケースを特定の位置で開口させることを可能とする技術を提供する。

本発明の技術によって具現化される電池は、正極と負極を有する電極体と、電極体に含浸している電解液と、電極体と電解液を密閉している密閉ケースと、密閉ケースを収容しているカバーを備えている。密閉ケースは、フィルム材で形成されているとともに、電極体と電解液を収容している収容空間の外周においてフィルム材同士を密着させた密着部によって密閉されている。カバーには、密閉ケースが介在した状態で対向している一対の対向面が形成されている。そして、この電池モジュールでは、収容空間を形成するフィルム材が、前記した密着部の一部に隣接する範囲を除外して前記した一対の対向面の範囲内に位置しており、密着部の一部に隣接する範囲は前記した一対の対向面の範囲外に位置している。

密閉ケースの内部圧力が上昇すると、収容空間が膨張しようとする。密閉ケースの密着部には、密着部に隣接する収容空間が膨張することによって、大きな剥離力が加わる。
この電池モジュールでは、密着部の一部に隣接する範囲以外の部分では、収容空間を構成するフィルム材が、ケースに形成されている一対の対向面の範囲内に位置しており、ケースに形成されている一対の対向面によって膨張が規制されてそれ以上に膨張することがない。密着部の一部を除外した範囲では、一対の対向面によってフィルム材の膨張が規制されるために、密着部に作用する剥離力が規制される。それに対して、密着部の一部に隣接する範囲では、収容空間を構成するフィルム材が、ケースに形成されている一対の対向面の範囲外に位置しており、ケースに形成されている一対の対向面によって膨張が規制されることがない。密着部の一部に隣接する範囲では、一対の対向面によってフィルム材の膨張が規制されないために、密着部のその一部に作用する剥離力は大きなものとなる。その結果、密閉ケース内の内部圧力が異常に上昇したときには、密着部の前記した一部（密着部に隣接して収容空間を形成するフィルム材が、ケースに形成されている対向面の範囲外に位置する密着部）が優先して剥離することとなる。
この電池モジュールによると、密閉ケースに特別な構造を設けることなく、密閉ケース内の圧力が上昇したときに、密閉ケースを特定の位置（前記した一部）で開口させることが可能となる。

上記した電池モジュールでは、カバーの一対の対向面の少なくとも一方に切欠部が設けられていることが好ましい。そして、密着部の一部に隣接する範囲のフィルム材が、その切欠部の範囲内に位置していることが好ましい。
それにより、上記したカバーを比較的に簡単な構造で実現することができる。

本発明によると、ラミネート型電池の密閉ケースに特別な構造を設けることなく、密閉ケース内の内部圧力が異常に上昇したときに、密閉ケースを特定の位置で破断させることが可能となる。ラミネート型電池に特別な構造を設ける必要がないことから、ラミネート型電池の製造工程を面倒にすることなく、安全性の高い電池モジュールをより安価に製造することが可能となる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）電極体は、正極と、負極と、正極と負極との間に介在しているセパレータを有している。
（形態２）密閉ケースは、保護層と、バリア層と、接着層を有する三層構造の積層フィルム材によって形成されている。保護層と接着層は樹脂によって形成されており、バリア層は金属によって形成されている。
（形態３）密閉ケースは、表面側半ケースと裏面側半ケースを備えている。表面側半ケースと裏面側半ケースには、略矩形形状に膨出している収容部と、収容部の外周から延出している周縁部が形成されている。密閉ケースでは、表面側半ケースの収容部と裏面側半ケースの収容部が対向して、電極体や電解液を収容する収容空間が形成されている。また、表面側半ケースの周縁部と裏面側半ケースの周縁部は互いに密着されており、収容空間が大気から密閉されている。

本発明を実施した実施例の電池モジュールについて説明する。図１は、実施例の電池モジュール１０を分解して示している。図２は、電池モジュール１０の正面視を示している。図３は、図２のIII−III線断面図を示している。
図１、図２、図３に示すように、電池モジュール１０は、二次電池２０と、二次電池２０を収容する電池カバー４１、４２を備えている。
図１、図２、図３に示すように、二次電池２０は、電極体（図示せず）と、電極体に含浸している電解液（図示せず）と、電極体や電解液を密閉している密閉ケース１９を備えている。また、二次電池２０は、密閉ケース１９の内部から外部へと伸びている正極端子３２と負極端子３４を備えている。

密閉ケース１９は、表面側（図面手前側）の半ケース２１と、裏面側（図面奥側）の半ケース２２を備えている。
表面側半ケース２１は、矩形形状に膨出している収容部２１ａと、収容部２１ａの周囲に延出している周縁部２１ｂを備えている。裏面側半ケース２２は、表面側半ケース２１と略同一の形状をしており、収容部２２ａと周縁部２２ｂを備えている（図３参照）。密閉ケース１９では、表面側半ケース２１の収容部２１ａと、裏面側半ケース２２の収容部２２ａとが対向しており、電極体や電解液を収容している収容空間２４が形成されている（図３参照）。また、表面側半ケース２１の周縁部２１ｂと、裏面側半ケース２２の周縁部２２ｂとが互いに熱溶着されており、密閉ケース１９の周縁に沿って密着部２６が形成されている。電極体や電解液を収容している収容空間２４は、密着部２６によって囲繞されており、外界に対して密閉されている。

表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２は共に、フィルム材で形成されている。表面側半ケース２１や裏面側半ケース２２を形成するフィルム材には、例えば保護層と、バリア層と、接着層が順に積層されている三層構造の積層フィルム材を用いることができる。保護層は、密閉ケース１９の外側表面に位置しており、バリア層を外界から保護する。保護層は、高融点樹脂（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）系樹脂）で形成することができる。バリア層は、ガスや水分を遮断するための層であり、アルミニウム、鉄等の金属箔で形成することができる。接着層は、密閉ケース１９の内側表面に位置しており、フィルム材同士を熱溶着させるための層である。接着層は、比較的に低融点の樹脂（例えばエチレンビニルアセテートや、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂）で形成することができる。なお、密閉ケース１９を形成するフィルム材は、必ずしも上記した例に限定されない。
密閉ケース１９は、表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２の両者を一枚のフィルム材に成形し、それを折り重ねて形成してもよい。あるいは、表面側半ケース２１と裏面側半ケース２２を別々のフィルム材に成形し、それらを重ね合わせてもよい。

二次電池２０の電極体や電解液には、従来から利用されている様々な電極体や電解液を用いることができる。例えば電極体には、シート状の正極と、シート状のセパレータと、シート状の負極と、シート状のセパレータを積層して、巻回したものを用いることができる。シート状の正極には、例えばアルミニウム箔に正極活物質を塗布したものを用いることができる。シート状の負極には、例えば銅箔に負極活物質を塗布したものを用いることができる。シート状のセパレータには、例えば多孔質の樹脂製シート材を用いることができる。電解液には、例えばジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）の混合溶媒を用いることができる。正極には、正極端子３２が圧着されている。負極には、負極端子３４が圧着されている。正極端子３２は、電極体の正極と同じくアルミニウムで形成することができる。負極端子３４は、電極体の負極と同じく銅で形成することができる。
本実施例の二次電池２０は、いわゆるリチウム二次電池であり、リチウム二次電池用の正極活物質や、リチウム二次電池用の負極活物質や、リチウム二次電池用の電解液が採用されている。リチウム二次電池用の正極活物質には、例えばＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等が挙げられる。リチウム二次電池用の負極活物質には、例えばグラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム含有遷移金属酸化物や遷移金属窒化物等が挙げられる。リチウム二次電池用の電解液には、例えばＤＥＣ：ＥＣの質量比が７：３である混合溶媒に、リチウム塩である１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解した非水電解液が挙げられる。

図１、図２、図３に示すように、電池カバー４１、４２は、表面側半カバー４１と裏面側半カバー４２を備えている。表面半カバー４１と裏面側半カバー４２は、概して板状の部材であって、互いに鏡面対称の形状を有している。表面側半カバー４１と裏面側半カバー４２は、所定の剛性を有しており、例えば樹脂材料等を用いて形成することができる。表面側半カバー４１は、二次電池２０の表面側半ケース２１側に位置している。裏面側半カバー４２は、二次電池２０の裏面側半ケース２２側に位置している。表面側半カバー４１と裏面側半カバー４２は、図示しない締結部材（ねじ等）によって互いに締結されており、表面側半カバー４１と裏面側半カバー４２の間に二次電池２０が収容されている。
表面側半カバー４１には、二次電池２０の表面側半ケース２１の収容部２１ａに対向する規制面４１ａが形成されている。また、裏面側半カバー４２には、二次電池２０の裏面側半ケース２２の収容部２２ａに対向している規制面４２ａが形成されている。表面側半カバー４１の規制面４１ａと、裏面側半カバー４２の規制面４２ａは、両者の間に二次電池２０の密閉ケース１９が介在した状態で対向している。
二次電池２０では、密閉ケース１９の収容空間２４内の内部圧力が上昇すると、密閉ケース１９の収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出しようとする。このとき、電池モジュール１０では、電池カバー４１、４２の規制面４１ａ、４２ａによって、収容部２１ａ、２２ａが膨出することが規制される。

表面側半カバー４１には、その一部を切り欠いた切欠部４１ｂが形成されている。それにより、表面側半カバー４１では、規制面４１ａが略凹字形状に形成されている。また、裏面側半カバー４２には、その一部を切り欠いた切欠部４２ｂが形成されている。それにより、裏面側半カバー４２では、規制面４２ａが略凹字形状に形成されている。表面側半カバー４１の切欠部４１ｂと、裏面側半カバー４２の切欠部４２ｂは、互いに対向する位置に設けられている。
図２、図３に示すように、電池カバー４１、４２に形成されている切欠部４１ｂ、４２ｂは、二次電池２０を電池カバー４１、４２内に収容した状態で、密閉ケース２０の密着部２６の外側縁部２６ａから、密着部２６の内側縁部２６ｂを超えて、収容部２１ａ、２２ａの位置まで伸びるように形成されている。それにより、電池モジュール１０では、密着部２６の一部（図中のＸの範囲）が、その範囲Ｘの内側縁部２６ｂに隣接する収容部２１ａ、２２ａの一部とともに、切欠部４１ｂ、４２ｂにおいて露出している。切欠部４１ｂ、４２ｂにおいて露出している収容部２１ａ、２２ａは、密閉ケース１９内の内部圧力が上昇したときに、電池カバー４１、４２の規制面４１ａ、４２ａに規制されることなく、外方に膨出することができる。

図４は、図３に示す断面位置において、密閉ケース１９の収容空間２４の内部圧力が上昇した状態を模式的に示している。図４に示すように、電池カバー４１、４２に切欠部４１ｂ、４２ｂが設けられている範囲では、密閉ケース１９の収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することが許容されるので、密着部２６の内側縁部２６ｂに強い剥離力が加わることとなる。その一方において、電池カバー４１、４２の規制面４１ａ、４２ａが対向する範囲では、密閉ケース１９の収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することが規制されるので、密着部２６の内側縁部２６ｂに加えられる剥離力は、比較的に小さく抑えられることとなる。その結果、収容空間２４の内部圧力が上昇した場合に、密閉ケース１９の密着部２６は、電池カバー４１、４２に切欠部４１ｂ、４２ｂが設けられている位置において、優先して剥離する。電池モジュール１０では、密閉ケース１９の密着部２６に密着強度を低下させた部位等を形成することなく、密閉ケース１９の密着部２６を特定の位置で剥離させることができる。電解液やガスが漏出する位置を予め定めておくことによって、密着部２６が剥離して電解液やガスが漏出したときの対策を、的確な位置に講じておくことが可能となる。

なお、電池カバー４１、４２の形状は、本実施例の形状に限定されない。上記した技術を一般化して言えば、密着部２６が剥離することを禁止する範囲では、その範囲の密着部２６に隣接する収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを規制することによって、密着部２６に加わる剥離力を抑制することができる。逆に、密着部２６が剥離することを許容する範囲では、その範囲の密着部２６に隣接する収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを許容することによって、密着部２６に加わる剥離力を増大させる。即ち、図５に示すように、密着部２６の一部Ｘに隣接する範囲Ｐでは、収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを許容し、その一部Ｘを除外した密着部２６の残部Ｙに隣接する範囲Ｑでは、収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを規制することによって、密着部２６を特定の位置（ここでは図５中のＸの範囲）で優先して剥離させることが可能となる。ここで、収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを許容する範囲Ｐと、収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを規制する範囲Ｑの大小関係は、特に限定されない。収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを許容する範囲Ｐを、収容部２１ａ、２２ａが外方に膨出することを規制する範囲Ｑよりも、大きく設けてもよい。電池モジュール１０の他の構造等を考慮し、密着部２６が剥離することを許容できる範囲や、密着部２６が剥離することを禁止すべき範囲に応じて、適宜設計することができる。

本実施例で例示した電池カバー４１、４２の形状は、上記の技術思想を具現化した一例である。例えば電池カバー４１、４２には、切欠部４１ｂ、４２ｂを設けることにかえて、密着部２６の一部Ｘに隣接する収容部２１ａ、２２ａの範囲Ｐを露出する孔を形成してもよい。電池カバー４１、４２の形状は、収容空間２４を形成している収容部２１ａ、２２ａが、密着部２６の一部Ｘに隣接する範囲Ｐを除外して一対の規制面４１ａ、４２ａが対向する範囲内に位置しており、密着部の一部Ｘに隣接する範囲Ｐが一対の規制面４１ａ、４２ａが対向する範囲外に位置している限りにおいて、様々に変更することができる。
電池カバー４１、４２に切欠部４１ｂ、４２ｂや孔を形成する場合には、表面側半カバー４１と表面側半カバー４２の両者に設ける必要はなく、そのうちの一方のみに設けるようにしてもよい。また、切欠部４１ｂ、４２ｂや孔は、少なくとも拘束面４１ａ、４２ａ側に設けられていればよく、電池カバー４１、４２を貫通する孔等を形成する必要は必ずしもない。

図６は、密閉ケースの密着部が剥離するまで内部圧力を上昇させ、剥離が生じた密着部２６の位置を調べた実験結果を示している。図６の「実施例」の欄は、本実施例の電池モジュール１０の実験結果を示している（試料Ｎｏ．１〜５）。図６の「比較例」の欄は、比較実験のために、図７（ｂ）に示すように、電池カバー１４１、１４２に切欠部が形成されていない電池モジュール１１０を用意し、同様の実験を行った結果を示している（試料Ｎｏ．６〜１０）。図６に示す剥離位置は、図７（ａ）（ｂ）に示す「上左」、「上中」、「上右」、「右上」、「右中」、「右下」、「下右」、「下中」、「下左」、「左下」、「左中」、「左上」の１２区画に対応している。図６に示すように、本実施例の電池モジュール１０では、常に「上中」の位置、即ち、切欠部４１ｂ、４２ｂが形成されている位置において、密閉ケース１９の密着部２６が優先して剥離することが確認された。その一方において、切欠部が形成されていない電池モジュール１１０では、密閉ケース１９の密着部２６が、様々な位置から不特定に剥離してしまうことが確認された。

上記した電池モジュール１０では、図８に示すように、電池カバー４１、４２の切欠部４１ｂ、４２ｂの角部４２ｅに、面取加工を施してもよい。それにより、密閉ケース１９が外方に膨出し、切欠部４１、４２の角部４１ｅ、４２ｅに強く当接したときでも、密閉ケース１９が切欠部４１、４２の角部によって破断されてしまうことを防止することができる

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

電池モジュールの構成を示す分解図。電池モジュールの構成を示す正面図。図２のIII−III線断面図。密閉ケース内の内部圧力が上昇した状態を示す図。密閉ケースの収容部が外方に膨張することを許容する範囲と規制する範囲を示す図。密着部が剥離する位置を調べた実験結果を示す図。密着部の位置の区画について説明する図。切欠部に面取加工を施した例を示す図。

符号の説明

１０：電池モジュール
２０：二次電池
２１：密閉ケースの表面側半ケース
２２：密閉ケースの裏面側半ケース
２４：収容空間
２６：密着部
３２：正極端子
３４：負極端子
４１：電池カバーの表面側半カバー
４１ａ：表面側半カバーの規制面
４１ｂ：表面側半カバーの切欠部
４２：電池カバーの裏面側半カバー
４２ａ：裏面側半カバーの規制面
４２ｂ：裏面側半カバーの切欠部

Claims

正極と負極を有する電極体と、
電極体に含浸している電解液と、
電極体と電解液を密閉している密閉ケースと、
密閉ケースを収容しているカバーを備えており、
前記密閉ケースは、フィルム材で形成されているとともに、電極体と電解液を収容している収容空間の外周においてフィルム材同士を密着させた密着部によって密閉されており、
前記カバーには、前記密閉ケースが介在した状態で対向している一対の対向面が形成されており、
前記収容空間を形成する前記フィルム材は、前記密着部の一部に隣接する範囲を除外して前記一対の対向面の範囲内に位置しており、前記密着部の一部に隣接する範囲は前記一対の対向面の範囲外に位置していることを特徴とする電池モジュール。
前記カバーの一対の対向面の少なくとも一方に切欠部が設けられており、前記密着部の一部に隣接する範囲のフィルム材が、その切欠部の範囲内に位置していることを特徴とする請求項１の電池モジュール。