JP2009117105A - 電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しながら効率的に冷却を行なうことが可能な電池ユニットを提供する。
【解決手段】電池ユニット１は、電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数のバイポーラ電池２と、このバイポーラ電池２間に設けられた集電体３とを備える。そして集電体３を、バイポーラ電池２で発生した熱を放散可能な放熱部材として機能させる。また集電体３に、バイポーラ電池２で発生した熱を放散可能な放熱構造を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイポーラ電池のような積層型２次電池を複数積層した電池ユニット（組電池）に関する。

従来から、電解質層を介してシート状の電極を積層した積層型２次電池や、この積層型２次電池を複数接続した電池ユニット（組電池）は知られている。この積層型２次電池や電池ユニットの例が、たとえば特開２００４−１３４２１０号公報、特開２００４−３５５９５３号公報等に記載されている。

上記電池ユニットや積層型２次電池の中には冷却構造を備えたものがあるが、この冷却構造については、たとえば特開２００２−３７３６３８号公報、特開２００１−１４３７６９号公報、特開２００５−３０２６９８号公報、特開２００４−３１２８１号公報、特開２００５−７１７８４号公報等に記載されている。
特開２００４−１３４２１０号公報 特開２００４−３５５９５３号公報 特開２００２−３７３６３８号公報 特開２００１−１４３７６９号公報 特開２００５−３０２６９８号公報 特開２００４−３１２８１号公報 特開２００５−７１７８４号公報

積層型２次電池を複数接続した電池ユニットについては、たとえば上記特開２００５−３０２６９８号公報に、冷却用のヒートシンクを設けることが記載されている。しかし、上記ヒートシンクは、電池を構成する要素とは別に設置されたものであり、このようなヒートシンクを設けることで電池ユニットが不必要に大型化するという問題が生じる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大型化を抑制しながら効率的に冷却を行なうことが可能となる電池ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る電池ユニット（組電池）は、電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、積層型電池間に設けられた集電体とを備える。そして、集電体を、積層型電池で発生した熱を放散可能な放熱部材として機能させる。他の態様では、上記集電体に、積層型電池で発生した熱を放散可能な放熱構造を設ける。

上記電池ユニットは、積層型電池間であって該積層型電池の積層方向の内側に配置され積層型電池で発生した熱を放散可能な内側集電体と、積層型電池間であって内側集電体よりも積層型電池の積層方向の外側に配置され積層型電池で発生した熱を放散可能な外側集電体とを備えるものであってもよい。この場合、内側集電体の表面積を、外側集電体の表面積よりも大きくすればよい。また、上記積層型電池は、該積層型電池の積層方向の内側に位置する内側積層型電池と、該内側積層型電池よりも積層型電池の積層方向の外側に配置された外側積層型電池とを含むものであってもよい。この場合、内側積層型電池の電気容量を、外側積層型電池の電気容量よりも小さくすればよい。

さらに他の態様では、本発明に係る電池ユニットは、電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、積層型電池間であって該積層型電池の積層方向の内側に配置され積層型電池で発生した熱を放散可能な内側集電体と、積層型電池間であって内側集電体よりも積層型電池の積層方向の外側に配置され積層型電池で発生した熱を放散可能な外側集電体とを備える。そして、内側集電体の表面積を、外側集電体の表面積よりも大きくする。

さらに他の態様では、本発明に係る電池ユニットは、電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、積層型電池間に設けられ積層型電池で発生した熱を放散可能な集電体とを備える。積層型電池は、該積層型電池の積層方向の内側に位置する内側積層型電池と、該内側積層型電池よりも積層型電池の積層方向の外側に配置された外側積層型電池とを含む。そして、内側積層型電池の電気容量を、外側積層型電池の電気容量よりも小さくする。

上記積層型電池は、好ましくは、バイポーラ電池に代表される２次電池である。

本発明に係る電池ユニット（組電池）では、集電体に放熱機能を付与しているので、集電体を介して周囲に熱を放散することができ、電池の冷却を行なうことができる。このとき、電池ユニットの構成要素の一部である集電体に放熱機能を与えているので、電池ユニットの不必要な大型化を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。なお、下記の各図において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。また、実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１における電池ユニット（組電池）１の概略構成を示す。図１に示すように、電池ユニット１は、２次電池である複数のバイポーラ電池（積層型電池）２を含む組電池であり、バイポーラ電池２間に集電体３を備える。

各バイポーラ電池２は、たとえば２００Ｖ程度の起電力を有し、樹脂等の絶縁材料で形成される被覆層（外装部材）を備える。この被覆層は、各バイポーラ電池２の表面の少なくとも一部を覆っていればよい。図１の例では、５つのバイポーラ電池２を有する電池ユニット１を例示しているが、バイポーラ電池２の数は任意に設定可能である。これらのバイポーラ電池２はたとえば並列接続される。各バイポーラ電池２を間に挟むようにその両側に集電体３を設ける。この集電体３の先端部がそれぞれ端子部３ａとなる。

本実施の形態１では、集電体３を、バイポーラ電池２で発生した熱を放散可能な放熱部材として機能させる。この集電体３を放熱部材として有効に機能させるには、集電体３が熱伝達を効率的に行なえるだけの体積を有することが望ましいといえる。集電体３の体積を確保するには、長さ、幅、厚みの少なくとも１つを大きくすればよいが、集電体３の長さや幅については、たとえばバイポーラ電池２の長さと幅の少なくとも一方よりも大きくすることが考えられる。また、集電体３の厚みｔ１については、たとえばバイポーラ電池２の内部の各要素（集電箔やそれ以外の各層等）の厚みよりも大きい値であってバイポーラ電池２の厚みｔ２よりも薄い値とすることが考えられる。

このように集電体３を放熱部材として機能させることにより、電池ユニット１を構成する要素とは別に放熱部材を設ける必要がなくなり、電池ユニット１の不必要な大型化を抑制しながら電池ユニット１の冷却を行なうことができる。

図１に示すように、バイポーラ電池２の一方の集電体３は正極集電電極として機能し、先端に正極の端子部３ａを有し、バイポーラ電池２の他方の集電体３は負極集電電極として機能し、先端に負極の端子部３ａを有する。図１の例では、極性の異なる端子部３ａを反対方向に突出させているが、同じ方向に突出させてもよく、必要に応じて任意の方向に向くように設けることもできる。しかし、極性の異なる端子部３ａ同士は、それぞれ上下（積層方向）に重ならないように配置することが好ましい。この端子部３ａを介して、電池ユニット１から放電される電流を外部に供給することができ、また充電する際には外部から電池ユニット１に電流を供給することができる。

図１の例では、集電体３を電気的に接続する接続導体５を設けているが、この接続導体５は、同じ極性の端子部３ａ同士を接続するように設けられている。また、図１の例では接続導体５に放熱フィン４を取付けているが、該放熱フィン４を接続導体５以外の要素に取付けることも可能である。他方、放熱フィン４を省略することも可能である。また、接続導体５にさらに他の放熱要素を接続し、該放熱要素に放熱フィン４を装着することも考えられる。

なお、上記の接続導体５は、溶接等の周知の手法で集電体３と接続することができる。この接続導体５としては、電気的抵抗が低く、かつ熱伝導性にも優れた銅やアルミニウム等の金属材料を使用することが考えられる。

放熱フィン４も、溶接等の手法で接続導体５等と接続することができる。この放熱フィン４としても、接続導体５の場合と同様に、銅やアルミニウム等の金属材料を使用することが考えられる。

上記のように接続導体５等を設けることで、この接続導体５等をも放熱部材として機能させることができる。また、接続導体５等に放熱フィン４を設けることで、さらに効果的に電池ユニット１の冷却を行なうことができる。さらに、電池ユニット１の表面に沿って接続導体５を延在させることで、接続導体５の表面積を大きく確保することもでき、さらに放熱性を向上することができる。たとえば、接続導体５を電池ユニット１の側面から上面あるいは下面に達するように電池ユニット１の表面に沿って延在させることで、接続導体５の表面積を大きくすることができる。

また、電池ユニット１の周囲にデッドスペースが存在する場合には、そのデッドスペースに達するように接続導体５等を延在させ、デッドスペース内に放熱フィン４を配置することもできる。この場合には、デッドスペースを有効利用しながら効率的に電池ユニット１の冷却を行なうことができる。

なお、上記の接続導体５を中空状とし、その内部への冷媒（空気も含む）の流通を許容するようにしてもよい。この場合には、さらに冷却特性を向上することができる。

ここで、図２を用いて、各バイポーラ電池２の内部構造例について説明する。図２は、各バイポーラ電池２の内部構造例を示す断面図である。

図２に示すように、各バイポーラ電池２は、両主面上に集電体（集電電極）３をそれぞれ備えている。図１および図２の例では、集電体３を板状の導電部材で構成しているが、板状以外の任意の形態の集電体を採用可能である。

図２の例では、バイポーラ電池２は、複数の単位電池（電池要素：電解質と、その両側に配置された正極および負極とを含む構成）１２と、各単位電池１２間に設けられた集電箔１１とを積層して形成されている。バイポーラ電池２の上下端には、集電箔１１よりも厚みが大きく板状に形成された上述の集電体３が配置される。

単位電池１２は、板状に形成された電解質層９と、電解質層９の一方の主表面上に形成された正極活物質層８と、電解質層９の他方の主表面上に形成された負極活物質層１０とを備える。１つの単位電池１２の厚みｔ３は、たとえば数十μｍ程度である。各単位電池１２は、集電箔１１を介して直列に接続される。

次に、バイポーラ電池２の各要素の材質例について説明する。上記集電箔１１は、たとえばアルミニウムで形成することができる。この場合、集電箔１１の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔１１の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔１１は、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成されてもよい。

負極活物質層１０は固体高分子電解質を含む。負極活物質層１０は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

負極活物質層１０としては、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。また、負極活物質層１０として、ＬｉＣｏＯ_２等のＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２等のＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２等のＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物なども使用可能である。その他、ＬｉＦｅＰＯ_４等の遷移金属とリチウムとのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３等の遷移金属酸化物や硫化物、ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨ等も使用可能である。

固体高分子電解質としては、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、負極活物質層１０と正極活物質層８の少なくとも一方に含まれればよいが、好ましくは、負極活物質層１０と正極活物質層８の双方に含まれる。

支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等を使用することができる。

正極活物質層８は固体高分子電解質を含む。この正極活物質層８も、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

正極活物質層８としても、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。固体電解質を使用する場合には、正極活物質層８として、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用いることが好ましい。より好ましくは、正極活物質層８は、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いる。遷移金属としてはチタンを挙げることができる。

電解質層９を形成可能な固体電解質としては、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体等、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩（リチウム塩）を含む。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。

下記の表１から表３に、負極活物質層１０を形成可能な材料（負極材料）、正極活物質層８を形成可能な材料（正極材料）および電解質層９を形成可能な材料（固体電解質または高分子基材）の具体例を示す。

なお、表１には電解質層９が有機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表２には電解質層９が無機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表３には、電解質層９がゲル状電解質である場合の各要素の具体例を示す。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図３と図４を用いて説明する。図３は、本実施の形態２における電池ユニット１の概略構成を示す側面図である。

本実施の形態２では、集電体３に、各バイポーラ電池２で発生した熱を放散可能な放熱構造を設ける。たとえばヒートポンプのように熱を搬送することが可能な構造を集電体３に付与することが考えられる。なお、集電体３に伝達した熱を搬送できるものであれば、ヒートポンプ以外の任意の放熱手段を採用可能である。

図３の例では、集電体３の内部に冷媒が流通可能な通路を設け、集電体３の内部を通して冷媒を流通させることで集電体３から熱を奪うようにしている。冷媒としては、たとえばアンモニア、フレオン１１、フレオン１１３、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール、水等を使用することが考えられる。

図４に、集電体３の断面構造例を示す。図４に示すように、集電体３を貫通するように冷媒通路１３を設けることが考えられる。冷媒通路１３の大きさや数は任意に選択可能であり、１つの集電体３に設ける冷媒通路１３の数は、単数であっても、複数であってもよい。また、冷媒通路１３は、典型的には集電体３の内部に設けられるが、集電体３の表面に接するように冷媒流通管等の冷媒通路を設けることも考えられる。

図３の例では、集電体３の両端部に接続管７を接続し、この接続管７で複数の集電体３を互いに接続している。そして、一方の接続管７から各集電体３の内部に冷媒を供給し、各集電体３から他方の接続管７内に冷媒を送り込み、該他方の接続管７を介して外部に冷媒を排出するようにしている。ここで接続管７を金属等の導電性材料で構成することにより、接続管７によって各集電体３を電気的に接続することができる。

上記以外の構成については、実施の形態１の場合と基本的に同様であるので、重複説明は省略する。本実施の形態２の場合も、電池ユニット１の構成要素の一部に放熱構造を付与するようにしているので、電池ユニット１の不必要な大型化を抑制しながら電池ユニット１の冷却を行なうことができる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３とその変形例について説明する。

たとえば図１に示すように複数のバイポーラ電池２を組合せると、電池ユニット１の内側（バイポーラ電池２の積層方向における中央側）に位置するバイポーラ電池２あるいはその近傍に熱が篭りやすくなり、その熱を効率的に放散させる必要が生じるものと考えられる。

そこで、本実施の形態３では、電池ユニット１の内側に位置する集電体３（以下「内側集電体」という）の表面積を、電池ユニット１の外側（バイポーラ電池２の積層方向における端部側）に位置する集電体３（以下「外側集電体」という）の表面積よりも大きくする。それにより、電池ユニット１における内側集電体の放熱特性を外側集電体の放熱特性よりも向上させることができ、電池ユニット１の内部に熱が篭るのを効果的に回避することができる。その結果、電池ユニット１の効果的な冷却を行なうことができるとともに、各バイポーラ電池２間の温度差をも低減することができる（各バイポーラ電池２の温度の均一化も可能）。

内側集電体の表面積を外側集電体の表面積よりも大きくするには、たとえば内側集電体の厚みｔ１（図１参照）を外側集電体の厚みｔ１よりも大きくしたり、内側集電体の幅や長さを外側集電体の幅や長さよりも大きくすることが考えられる。また、内側集電体の表面に凹凸を付与するような加工を施したり、何らかの部材を取付けることによっても、内側集電体の表面積を外側集電体の表面積より大きくすることができる。また、内側集電体を外側集電体よりも熱伝導性の良好な材質で構成することも考えられる。

他方、電池ユニット１の内側に位置するバイポーラ電池２（以下「内側バイポーラ電池」という）から発する熱量自体を、電池ユニット１の外側に位置するバイポーラ電池２（以下「外側バイポーラ電池」という）から発する熱量より小さくすることも考えられる。たとえば、内側バイポーラ電池の電気容量を、外側バイポーラ電池の電気容量よりも小さくすればよい。この場合には、内側バイポーラ電池が発する熱量自体を外側バイポーラ電池よりも低減できるので、電池ユニット１の内側で熱が篭るのを回避することができ、結果として電池ユニット１の効果的な冷却を行なうことができる。

上記以外の構成については、実施の形態１，２の場合と基本的に同様であるので、説明は省略する。

次に、上述の各実施の形態の電池ユニット１の使用例について説明する。図５に示すように、電池ユニット１は、自動車１４のような車両に搭載可能である。自動車１４としては、たとえば充放電可能な電源を動力源とする電気自動車や、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、充放電可能な電源とを動力源とするハイブリッド車両等を挙げることができる。

図５に示すように、自動車１４の搭乗空間（車室）１６内には、フロントシート１８とリアシート１９とが配置される。このフロントシート１８下に、電池ユニット１を配置することができる。

図５の例では、電池ユニット１は、フロントシート１８下に配置されたカバー１５と床面１７とで囲まれた状態となっている。フロントシート１８の下の領域は、自動車１４の他の領域と比較して電池ユニット１を収納する空間を確保しやすい。また、フロントシート１８の下に電池ユニット１を配置することにより、車体が強い衝撃を受けた場合でも電池ユニット１を衝撃から保護することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の構成を適宜組合せることも当初から予定している。また、今回開示した実施の形態はすべての点での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。

本発明の実施の形態１における電池ユニットの概略構成を示す側面図である。 バイポーラ電池の構造例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における電池ユニットの概略構成を示す側面図である。 集電体の構造例を示す断面図である。 本発明の１つの実施の形態における電池ユニットを車両に搭載した状態を示す模式図である。

符号の説明

１ 電池ユニット、２ バイポーラ電池、３ 集電体、３ａ 端子部、４ 放熱フィン、５ 接続導体、６ 被覆層、７ 接続管、８ 正極活物質層、９ 電解質層、１０ 負極活物質層、１１ 集電箔、１２ 単位電池、１３ 冷媒通路、１４ 自動車、１５ カバー、１６ 搭乗空間、１７ 床面、１８ フロントシート、１９ リアシート。

Claims (7)

1. 電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、
   前記積層型電池間に設けられた集電体とを備え、
   前記集電体を、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な放熱部材として機能させた、電池ユニット。
2. 電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、
   前記積層型電池間に設けられた集電体とを備え、
   前記集電体に、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な放熱構造を設けた、電池ユニット。
3. 前記積層型電池間であって該積層型電池の積層方向の内側に配置され、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な内側集電体と、
   前記積層型電池間であって前記内側集電体よりも前記積層型電池の積層方向の外側に配置され、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な外側集電体とをさらに備え、
   前記内側集電体の表面積を、前記外側集電体の表面積よりも大きくした、請求項１または請求項２に記載の電池ユニット。
4. 前記積層型電池は、該積層型電池の積層方向の内側に位置する内側積層型電池と、該内側積層型電池よりも前記積層型電池の積層方向の外側に配置された外側積層型電池とを含み、
   前記内側積層型電池の電気容量を、前記外側積層型電池の電気容量よりも小さくした、請求項１または請求項２に記載の電池ユニット。
5. 電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、
   前記積層型電池間であって該積層型電池の積層方向の内側に配置され、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な内側集電体と、
   前記積層型電池間であって前記内側集電体よりも前記積層型電池の積層方向の外側に配置され、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な外側集電体とを備え、
   前記内側集電体の表面積を、前記外側集電体の表面積よりも大きくした、電池ユニット。
6. 電解質の両側にシート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の積層型電池と、
   前記積層型電池間に設けられ、前記積層型電池で発生した熱を放散可能な集電体とを備え、
   前記積層型電池は、該積層型電池の積層方向の内側に位置する内側積層型電池と、該内側積層型電池よりも前記積層型電池の積層方向の外側に配置された外側積層型電池とを含み、
   前記内側積層型電池の電気容量を、前記外側積層型電池の電気容量よりも小さくした、電池ユニット。
7. 前記積層型電池は、バイポーラ電池である、請求項１から請求項６のいずれかに記載の電池ユニット。

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