JP2009140616A - 電池、組電池およびそれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流の取り出しが可能な電池を提供する。
【解決手段】電池１０は、電力を発生する電池要素２０と、電池要素２０を密閉する外装３０と、電池要素２０に接続され、外装３０の内部に配置される端部集電体２３ａと、外装３０の外部に配置される外部タブ４０と、外装３０を貫通して端部集電体２３ａと外部タブ４０とを電気的に接続し、電流が流れる方向に対して垂直な断面積が端部集電体２３ａよりも大きい導電手段５０と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、大電流の取り出しが可能な電池、組電池およびそれを搭載した車両に関する。

近年、ＨＥＶ（ハイブリッド車）や、ＥＶ（電気自動車）に、扁平型の２次電池が用いられている。この扁平型電池において、電力を発生する電池要素は、２枚のラミネートシートの周囲をシール（熱融着）して形成される袋状の外装内に密閉される。電池要素には、電極タブが接続されており、電池要素で発生された電力が取り出されている。電極タブは、外装のシール部分の一部から引き出されている。電極タブが引き出されている部分では、ラミネートシートが電極と熱融着されることによって、シール性が維持されている。

一方、扁平型電池の高エネルギー密度化、高出力化に伴い、電池要素で発生される電力が大きくなっている。発電力の増加に伴い、電極タブも大型化されている。電極タブの大型化は、電極タブと外装端部との間のシール性を困難にする。そこで、電極タブを、外装のシール部分から引き出すのではなく、外装のシール部分以外から引き出す電池が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１５１５２９号公報

しかし、特許文献１の電池では、単に電極タブがシール部分以外から引き出されているだけである。したがって、電池要素の発電量が大きくなっていたとしても、必ずしも大電流を引き出せるとは限らない。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、大電流の取り出しが可能な電池、組電池およびそれを搭載した車両を提供することを目的とする。

電池は、電池要素、外装、内部タブ、外部タブおよび導電手段を含む。電池要素は、電力を発生する。外装は、電池要素を密閉する。内部タブは、電池要素に接続され、外装の内部に配置される。外部タブは、外装の外部に配置される。導電手段は、外装を貫通して内部タブと外部タブとを電気的に接続し、電流が流れる方向に対して垂直な断面積が内部タブよりも大きい。

導電手段の断面積が内部タブよりも大きいので、取り出し電流の大きさが導電手段によって制限されない。したがって、出力特性に優れた電池が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の電池の斜視図、図２は図１の２−２断面図である。

電池１０は、図１に示すように扁平型電池であり、たとえば、図２に示すような双極型電池である。

図２に示すように、双極型電池１０は、電池要素２０、外装３０、外部タブ４０、導電部材５０および絶縁部材６０を有する。

電池要素２０は、双極型電極２１と電解質層２２とが交互に積層されてなる。双極型電極２１は、積層の両端部以外では、集電体２３の両面に正極活物質層２４と負極活物質層２５が形成されている。積層の両端部にある端部集電体２３ａは、双極型電池１０全体の電極となる外部タブ４０と接続される内部タブの役割を果たす。

電解質層２２は、イオン伝導性を有する高分子であれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、セパレータに半固体状のゲル電解質が保持されたものを電解質層２２とする。

双極型電極２１と電解質層２２とが交互に積層されることによって、積層体の中に、正極活物質層２４および負極活物質層２５に電解質層２２が挟まれた単電池層２６が形成される。

単電池層２６の周囲、すなわち、集電体２３の間には、シール部材２７が配置されている。これにより、ゲル電解質の漏れを防止しつつ、集電体２３間の距離を維持できる。シール部材２７は、樹脂等の絶縁体により形成されており、熱融着によって集電体２３間に固定される。

外装３０は、２枚のラミネートシート３１、３２により形成されている。ラミネートシート３１、３２は、アルミニウム層の両面が樹脂層で被覆された三層構造を有する。ラミネートシート３１、３２は、電池要素２０を内包する空間を設けるために、中高状に加工されている。ラミネートシート３１、３２の縁は、熱融着により接着されている。これにより、外装３０内部に電池要素２０が密閉される。

外部タブ４０は、双極型電池１０全体の電極であり、外装３０の外部に配置されている。外部タブ４０は、たとえば、扁平型の外装３０の上面および下面に取り付けられ、対向する辺から外部に突出している。

導電部材５０は、たとえば、導電性のリベットであり、端部集電体２３ａ（内部タブ）、外装３０および外部タブ４０を貫通する。導電部材５０の頭をつぶすことによって、端部集電体２３ａと外部タブ４０とを物理的および電気的に接続できる。導電部材５０は、２箇所で端部集電体２３ａと外部タブ４０とを接続する。導電部材５０としては、リベットでなくても、ボルト・ナット、スタッド、ピンなど、端部集電体２３ａと外部タブ４０とを強固に固定できる手段であれば、いかなるものを採用してもよい。

導電部材５０は、電流が流れる方向（図２中の矢印方向）に対して垂直な断面積が、端部集電体２３ａよりも大きい。２つの外部タブ４０のうち一方を取り付ける２つの導電部材５０の合計の断面積が、端部集電体２３ａの断面積よりも大きい。あるいは、２つの導電部材５０の一方の断面積だけで、端部集電体２３ａの断面積よりも大きくてもよい。

絶縁部材６０は、外周に沿って溝が形成されたＯリング状の絶縁部材である。絶縁部材６０は、導電部材５０が外装３０を貫通する位置において、外装３０のラミネートシート３１（３２）に取り付けられている。ここでは、絶縁部材６０の外周の溝にラミネートシート３１（３２）が嵌る。導電部材５０は、絶縁部材６０の孔を、絶縁部材と密接しつつ貫通している。

以上の構成を有する本実施形態の電池によれば、次の効果が得られる。

導電部材５０の断面積が端部集電体２３ａ（内部タブより）も大きいので、取り出し電流の大きさが導電部材５０によって制限されない。したがって、出力特性に優れ、大電流が取り出せる電池が得られる。

導電部材５０と外装３０との間に、絶縁部材６０が配置されている。特に、絶縁部材６０は、外装３０を導電部材５０が貫通する孔の縁を覆い、孔を貫通する導電部材５０と密接する。したがって、外装内部を密閉できる。さらに、絶縁部材６０は、その絶縁特性により、外装内部から取り出した電力の漏洩を防止できる。

導電部材５０が、リベット、ボルト・ナット、スタッド、またはピンにより端部集電体２３ａと外部タブ４０とを接合するので、接合箇所に高い強度と信頼性が得られる。接合箇所に余分な電気抵抗が形成されない。

導電部材５０は、２箇所で端部集電体２３ａと外部タブ４０とを接続するので、接合箇所の強度および信頼性を向上できる。さらに、接合された２箇所に電流が流れるので、電流が流れる方向に対して垂直な断面積が大きくなり、取り出し電流を大きくできる。したがって、出力特性に優れた電池が得られる。なお、一つの外部タブ４０を１つの導電部材５０により１箇所で固定してもよい。この場合、一つの導電部材５０の断面積が、端部集電体２３ａの断面積よりも大きい。

電池１０として、双極型電池を用いているので、単電池層２６の数だけ発生させる電力を増大でき、大電流を生成できる。

次に上記電池の変形例を示す。

（変形例１）
図３は、電池の変形例を示す図である。

図３に示す変形例では、主に、端部集電体２３ａの構造が、上記実施形態と異なる。

上記実施形態では、導電部材５０をリベットとして、端部集電体２３ａに貫通させている。この場合、リベットの頭を外装内部に配置するためにスペースを確保する必要がある。そこで、図３に示すように、リベットとなる突出部２３ｂを、予め端部集電体２３ａと一体に形成しておく。このようにすれば、リベットを端部集電体２３ａに貫通させる必要がなくなるので、リベットの頭を外装内部に配置するためのスペースも必要なくなる。したがって、図３に示すように、外装内部の空間全体を電池要素２０のためだけに使用でき、電池の小型化が図れる。あるいは、外装３０内の電池要素を大きくすることによって、大容量化を図れる。

（変形例２）
図４は、電池を示す図である。

上記実施形態では、電池１０として、双極型電池を使用する場合を説明している。しかし、電池の種類は、限定されない。たとえば、電解液の中に正極と負極が配置される一般的な電池にも適用できる。

図４に示す電池７０は、正極７２、負極７４、セパレータ７６、内部タブ８０、外装３０、外部タブ４０、導電部材５０および絶縁部材６０を有する。上記実施形態と同様の構成については、同じ参照番号を付して、ここでは説明を省略する。

正極７２は、正極集電体７２ａの表面に正極活物質層７２ｂが形成されている。負極７４は、負極集電体７４ａの表面に負極活物質層７４ｂが形成されている。正極７２と負極７４とが交互に積層され、その間にセパレータ７６が配置され、正極７２および負極７４を離間する。正極集電体７２ａは図中右側に伸延して、一箇所に接合され、負極集電体７４ａは図中左側に伸延して、一箇所に接合される。正極集電体７２ａおよび負極集電体７４ａには、導電部材５０の頭を配置できるように、円形の孔が形成されている。

内部タブ８０は、正極集電体側および負極集電体側のそれぞれに配置され、正極集電体７２ａおよび負極集電体７４ａにそれぞれ接合される。したがって、導電部材５０は、内部タブ８０および外部タブ４０を電気的および物理的に接続する。

電池７０を作成する場合、外装３０内部を電解液で充填する必要がある。したがって、外装３０の全部の辺を溶着する前に、予め、導電部材５０による内部タブ８０および外部タブ４０の接続を済ませる。そして、外装３０の３辺を溶着して袋状にしてから、電解液を流し込み、最後に外装３０の最後の辺を溶着し、電解液を密閉する。

以上のような一般的な電池は、単電池層の数だけ、単電池が並列接続されているので、長時間電力を供給できる。

（変形例３）
図５は絶縁部材を示す斜視図である。

図２に示す絶縁部材６０は、図５の上側に示すように、外周の中央に溝が形成されており、上端および下端でラミネートシート３１を挟持している。しかし、絶縁部材６０は、たとえば、図５の下側に示すように、上端だけで、ラミネートシート３１を押さえるＴ字状であってもよい。この場合、絶縁部材６０をラミネートシート３１に取り付けが容易となる。

また、絶縁部材６０は、Ｏリング状でなくてもよい。絶縁部材６０は、ラミネートシート３１（３２）を導電部材５０が貫通する孔の縁にモールドされた樹脂等であってもよい。絶縁部材６０をモールドにより形成することによって、絶縁部材６０とラミネートシート３１間に隙間がなく、さらに相互の結合性も高まる。

（変形例４）
図６は、電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。

上記実施形態では、図６の（Ａ）に示すように、外部タブ４０が、長方形の外装３０の表面と裏面に、対向する短辺に取り付けられている。しかし、これに限定されない。（Ｂ）に示すように、外部タブ４０は、外装３０の対向する長辺に取り付けられてもよい。また、外部タブ４０は、外装３０の短辺と長辺にそれぞれ取り付けられてもよい。正極になる正極タブとして、外部タブ４０は、外装３０の表面、裏面のいずれに取り付けられてもよい。正極タブとは反対面に、負極となる負極タブとして、もう一つの外部タブ４０が取り付けられる。

このように、外部タブ４０が異なる面に取り付けられていれば、正極タブおよび負極タブを伝わる振動が異なる面に分散される。したがって、電池１０の耐久性および耐震性を向上でき、長期的な信頼性を向上できる。

（変形例５）
図７は、電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。

変形例４では、外装３０の異なる面に外部タブ４０を取り付けている。しかし、図７に示すように、外装３０の同じ面に外部タブ４０を取り付けてもよい。

外部タブ４０は、（Ａ）に示すように、長方形の外装３０の対向する短辺に取り付けてもよい。外部タブ４０は、（Ｂ）に示すように、長方形の外装３０の対向する長辺に取り付けてもよい。外部タブ４０は、（Ｃ）に示すように、外装３０の短辺と長辺にそれぞれ取り付けられてもよい。なお、図中では、外装３０の表面に外部タブ４０を取り付けているが、当然、裏面に取り付けることもできる。

このように、少なくとも外部タブ４０が、少なくとも同じ面に取り付けられていれば、正極タブおよび負極タブを伝わる振動が、外装の同じ面で異なる方向から衝突し、逆位相となる。振動が減衰または打ち消されるので、電池１０の耐久性および耐震性を向上でき、長期的な信頼性を向上できる。

（変形例６）
図８は、電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。

変形例４、５では、外部タブ４０は、外装３０の異なる辺に取り付けられている。しかし、図８に示すように、外装３０の同じ辺に外部タブ４０の両方を取り付けてもよい。

外部タブ４０は、（Ａ）に示すように、長方形の外装３０の表面の一つの短辺にそれぞれ取り付けられてもよい。外部タブ４０は、（Ｂ）に示すように、長方形の外装３０の表面と裏面に、一つの短辺にそれぞれ取り付けられてもよい。外部タブ４０は、（Ｃ）に示すように、長方形の外装３０の表面の一つの長辺にそれぞれ取り付けられてもよい。外部タブ４０は、（Ｄ）に示すように、長方形の外装３０の表面と裏面に、一つの長辺にそれぞれ取り付けられてもよい。なお、図中では、正極タブと負極タブとを区別していないが、どちらが正極タブでもよい。

このように、正極タブおよび負極タブが外装３０の同じ辺に取り付けられていれば、正極タブおよび負極タブが同じ方向に突出する。したがって、異なる方向に突出した場合と比べて小型化できる。

（変形例７）
図９は、電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。

変形例４〜６では、外部タブ４０は、２箇所で導電部材５０により固定されている。しかし、図９に示すように、外部タブ４０は、３箇所以上で固定されてもよい。

外部タブ４０は、（Ａ）に示すように、３箇所で導電部材５０により固定されてもよい。外部タブ４０は、（Ｂ）に示すように、４箇所で導電部材５０により固定されてもよい。

このように、正極タブおよび負極タブが３箇所以上の複数個所で固定されていれば、正極タブおよび負極タブの取り付け強度および信頼性を向上できる。さらに、複数個所に電流が流れることができるので、電流が流れる方向に対して垂直な断面積が大きくなり、取り出し電流を大きくできる。したがって、出力特性に優れた電池１０が得られる。

（変形例８）
図１０は、電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。

変形例４〜７では、外部タブ４０は、外装３０の辺に取り付けられている。しかし、図１０に示すように、外部タブ４０は、外装３０の表面から外方に突出することなく、表面の中央に取り付けられてもよい。

外部タブ４０は、（Ａ）に示すように、外装３０の表面の中央に、導電部材５０によって３箇所で固定されていてもよい。外部タブ４０は、（Ｂ）に示すように、外装３０の表面に、導電部材５０によって５箇所で固定されていてもよい。外部タブ４０は、（Ｃ）に示すように、外装３０の表面の中央に、導電部材５０によって２箇所で固定されていてもよい。なお、図１０では、外部タブ４０の一方が外装３０の表面に取り付けられている様子しか見えないが、裏面にはもう一つの外部タブ４０も取り付けられている。表面および裏面のどちらに正極タブが取り付けられても良い。

このように、外部タブ４０が外装３０の面上内に配置される。外部タブ４０には剛性があるので、外部タブ４０が外装３０を補強する。電池の耐久性を向上できる。

上記変形例４〜８では様々な外部タブ４０の取り付けパターンを示している。これらのパターンを組み合わせることによって、電池１０を種々の設計に合わせて配置できる。

（実施例）
＜空気漏れ確認試験＞
上記の電池１０について、電池要素２０を含めずに、外装３０、外部タブ４０、導電部材５０および絶縁部材６０だけを有するサンプルを９０個作成した。また、同様に電池要素を含まない比較用電池を９０個作成した。ただし、比較用電池では、外装３０を構成する２枚のラミネートシート３１、３２を融着した隙間から電極タブを引き出している。これらのサンプルを２５℃、６０℃、９０℃で一ヶ月保存した後、水につけ、空気漏れ発生個数を確認した。電池１０では、全ての温度に対して空気漏れは認められなかった。比較用電池では、９０℃で７％の空気漏れが認められた。

したがって、上記第１実施形態の電池１０、７０であれば、空気漏れがなく、すなわち密閉性が高いことがわかる
＜振動試験＞
第１実施形態の電池１０を６０℃に保たれた高温槽内に配置し、周波数７〜２００Ｈｚ、ピーク加速度１Ｇで、互いに垂直な３方向それぞれについて、３時間ずつ加振試験を行った。試験後、電解液の漏れ、破断、破裂はなかった。また電圧は、試験直前の９９％であった。したがって、耐振動性が高いことがわかる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態の電池を複数個、並列および／または直列に接続して、組電池を構成する。

図１１は組電池を示す三面図である。

図１１に示すように組電池９０は、たとえば、複数の電池モジュール９１の正極ターミナル９２および負極ターミナル９３がそれぞれバスバー９４により接続されてなる。すなわち、電池モジュール９１が相互に並列接続されている。

電池モジュール９１のケース内には、図示しないが、上述の双極型電池１０および／または電池７０が直列および／または並列接続されている。これにより、電池モジュール９１の容量および電圧を自由に調節できる。

たとえば、双極型電池１０および電池７０の集電体、正極活物質層および負極活物質層にそれぞれ同じ材料を用いる。そして、双極型電池１０と、双極型電池１０の単電池層２６の数だけ直列接続した電池７０とを並列接続してもよい。電池１０および電池７０を複数個接続する方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池９０を製造することができる。

組電池９０によれば、前述した第１実施形態に係る電池１０、７０を用いて組電池化することで、高容量、高出力を得ることができる。しかも一つひとつの電池の信頼性が高いため、組電池としての長期的信頼性を向上させることができる。

組電池としての電池１０、７０の接続は、複数個全て並列に接続してもよいし、また、双極型電池１０を複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせても良い。

（第３実施形態）
第３実施形態では、上記第１実施形態の電池１０、７０または第２実施形態の組電池９０を駆動用電源として搭載して、車両を構成する。電池１０、７０または組電池９０をモータ用電源として用いる車両としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車がある。

参考までに、図１２に、組電池９０を搭載する自動車１００の概略図を示す。自動車に搭載される組電池９０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池９０を搭載してなる自動車は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。

本発明の電池の斜視図である。 図１の２−２断面図である。 電池の変形例を示す図である。 電池を示す図である。 絶縁部材を示す斜視図である。 電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。 電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。 電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。 電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。 電池の外部タブの取り付け位置の例を示す図である。 組電池を示す三面図である。 組電池を搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０ 双極型電池、
２０ 電池要素、
２１ 双極型電極、
２２ 電解質層、
２３ 集電体、
２３ａ 端部集電体、
２３ｂ 突出部、
２４ 正極活物質層、
２５ 負極活物質層、
２６ 単電池層、
３０ 外装、
３１ ラミネートシート、
４０ 外部タブ、
５０ 導電部材、
６０ 絶縁部材、
７０ 電池、
７２ 正極、
７２ｂ 正極活物質層、
７２ａ 正極集電体、
７４ 負極、
７４ｂ 負極活物質層、
７４ａ 負極集電体、
７６ セパレータ、
８０ 内部タブ、
９０ 組電池、
９１ 電池モジュール、
１００ 自動車。

Claims (14)

1. 電力を発生する電池要素と、
   前記電池要素を密閉する外装と、
   前記電池要素に接続され、前記外装の内部に配置される内部タブと、
   前記外装の外部に配置される外部タブと、
   前記外装を貫通して前記内部タブと前記外部タブとを電気的に接続し、電流が流れる方向に対して垂直な断面積が前記内部タブよりも大きい導電手段と、
   を有する電池。
2. 前記導電手段が前記外装を貫通する位置において、前記導電手段の周囲と密接し、前記外装と前記導電手段との接触を防止する絶縁性の絶縁部材をさらに有する請求項１記載の電池。
3. 前記外部タブは、正極になる正極タブと負極になる負極タブとを含み、
   前記正極タブおよび前記負極タブは、前記外装の異なる面に、異なる方向に突出するように取り付けられている請求項１または請求項２に記載の電池。
4. 前記外部タブは、正極になる正極タブと負極になる負極タブとを含み、
   前記正極タブおよび前記負極タブは、前記外装の同一面に、異なる方向に突出するように取り付けられている請求項１または請求項２に記載の電池。
5. 前記外部タブは、正極になる正極タブと負極になる負極タブとを含み、
   前記正極タブおよび前記負極タブは、前記外装の同一面に、同じ方向に突出するように取り付けられている請求項１または請求項２に記載の電池。
6. 前記外部タブは、前記外装の面上において外方に突出することなく取り付けられている請求項１または請求項２に記載の電池。
7. 前記導電手段は、前記内部タブと前記外部タブとをリベット、ボルト・ナット、スタッド、またはピンにより前記内部タブと前記外部タブとを接合する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池。
8. 前記導電手段は、２箇所以上で前記内部タブと前記外部タブとを接続する請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池。
9. 前記電池要素は、
   集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極と、
   前記双極型電極と交互に積層される電解質層と、
   を含む双極型電池要素である請求項１〜８のいずれか一項に記載の電池。
10. 前記電池要素は、
    集電体の表面に正極活物質層が形成された正極と、
    集電体の表面に負極活物質層が形成された負極と、
    交互に積層される正極と負極との間に積層されるセパレータと、
    を含む一般電池要素である請求項１〜８のいずれか一項に記載の電池。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電池を複数個、並列および／または直列に接続してなる組電池。
12. 請求項１０の電池を複数個直列接続したものと、請求項９の電池とを並列接続してなる組電池であって、
    請求項９の双極型電池要素における、前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層からなる単電池層の数だけ、請求項１０の電池を複数個直列接続しており、
    双極型電池要素および一般電池要素は、前記集電体、前記正極活物質層および前記負極活物質層にそれぞれ同じ材料を用いている組電池。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の組電池を複数個、並列および／または直列接続してなる複合組電池。
14. 請求項１１または請求項１２に記載の組電池、または請求項１３に記載の複合組電池を駆動用電源として搭載した車両。

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