JP2010219268A - 蓄電デバイスおよび蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電デバイスおよび蓄電モジュールの体積効率を高めるため、蓄電ケースのシール部がデッドボリュームとならないようにする。
【解決手段】蓄電デバイス１０は、電荷を蓄える蓄電部としての積層体１１と、これを収容する蓄電室１２を形成する蓄電ケース１３と、を備える。蓄電ケース１３は、断面略コ字形に成形される１対のケース部材１３ａ，１３ｂからなり、一方のケース部材１３ａの開口側へ他方のケース部材１３ｂの底部側を積層体１１の積層方向から嵌め合わせることにより、一方のケース部材１３ａの底部１５ａおよび側部１６ａの一部と他方のケース部材１３ｂの底部１５ｂとから蓄電室１２を画成し、側部１６ａ，１６ｂが積層体１１の積層面と略垂直な接合面をもって重なる部分を接合することによって蓄電室１２を封止するシール部１８を形成する。
【選択図】図２

Description

この発明は、蓄電デバイスおよび蓄電モジュールに関する。詳しくは、電荷を蓄える蓄電部を収容する蓄電ケースの改良に関する。

リチウム電池や電気二重層キャパシタなど蓄電デバイスにおいては、樹脂の表層に金属の中間層を含む積層フィルム（ラミネートフィルム）を材料として構成される蓄電ケースがよく用いられる（特許文献１〜特許文献５）。

その一例を図７，図８に基づいて説明すると、蓄電デバイス１００は、電荷を蓄える蓄電部１０１と、蓄電部１０１を収容する蓄電室１０２を形成する蓄電ケース１０３と、を備える。

蓄電部１０１は、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから積層体に構成される。正極体および負極体は、電荷を蓄える蓄電要素と、電荷の出し入れを行う集電要素とからなり、集電要素の同極同士が結束され、各結束部に極性の対応する電極端子１０４が接続される。

蓄電ケース１０３は、ラミネートフィルム（樹脂の表層に金属の中間層を含む積層フィルム）から成形される１対のケース部材１０３ａ，１０３ｂからなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う凹部により、積層体１０１を収容する蓄電室１０２が画成される。

積層体１０１（蓄電部）は、一方のケース部材１０３ａの内側において、積層体１０１の積層方向の一方の端面が凹部の底面に接するように収められ、その上に他方のケース部材１０３ｂが積層体１０１の積層方向の他方の端面に凹部の底面が接するように被せられる。互いの凹部を囲む周縁部１０６ａ，１０６ｂ（合フランジ）から電極端子１０４の先端側が外部へ突き出され、互いの凹部を囲む四辺の合フランジ１０６ａ，１０６ｂ同士を熱溶着することにより、蓄電室１０２を封止するシール部１０７ａ，１０７ｂ（熱溶着部）が形成される。

蓄電デバイス１００は、充放電に伴う発熱により、蓄電室１０２の圧力が上昇することがあり、蓄電室１０２の圧力を所定値以下に抑えるため、ガス抜きバルブ１０５が設けられる。ガス抜きバルブ１０５は、一端が蓄電室１０２に開口すると共に他端が１対の電極端子１０４が突き出る一辺のシール部１０７ａ（熱溶着部）を貫通して外部に開口するガス抜き通路と、このガス抜き通路を蓄電室１０２の圧力に応じて開閉する弁機構と、を備える。

蓄電デバイス１００は、１個あたりの耐電圧が低いため、多くの場合、複数の蓄電デバイス１００を直列に接続することにより電圧を高めて使用される。そのため、図９においては、蓄電デバイス１００を単位セルとして複数の単位セルから蓄電モジュール１２０が構成される。蓄電モジュールは、複数の単位セルが互いに厚み方向（積層体の積層方向）へ重なり合う集合体に整列され、隣り合う蓄電デバイス１００間が電極端子１０４を介して直列に接続される。

特許第３８４８１８９号 特許第３９８６５４５号 特開２００４−１１１２１９号 特開２００５−２８５５２６号 特開平１１−２２４６５２号

このような蓄電デバイス１００の蓄電ケース１０３においては、蓄電室１０２とこれを封止するシール部１０７ａ，１０７ｂ（熱溶着部）との間に段差が生じるため、とくに図９のような蓄電モジュールを構成すると、デッドボリュームが大きくなってしまう。

このデッドボリュームを小さくするため、蓄電室１０２を封止するシール部１０７ａ，１０７ｂの幅（シール幅）を小さくすると、シール性や耐久性に支障を来しかねない。また、特許文献５にあるようにシール部１０７ａ，１０７ｂを折り曲げると、折り目に生じる応力に起因する亀裂の発生を防止する手段の追加が必要となってしまう。

この発明は、このような課題に着目してなされたものであり、蓄電ケースのシール部がデッドボリュームとならない、蓄電デバイスおよび蓄電モジュールの提供を目的とする。

第１の発明は、電荷を蓄える蓄電部として正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成される積層体と、この積層体を収容する蓄電室を形成する蓄電ケースと、を備える蓄電デバイスにおいて、前記蓄電ケースは、中央の底部と周囲の側部とから断面略コ字形に成形される１対のケース部材からなり、一方のケース部材の開口側へ他方のケース部材の底部側を前記積層体の積層方向から嵌め合わせることにより、一方のケース部材の底部および側部の一部と他方のケース部材の底部とから前記蓄電室を画成し、互いの側部が積層体の積層面に対して略垂直な接合面をもって重なる部分を接合することによって前記蓄電室を封止するシール部を形成してなることを特徴とする。

第２の発明は、前記１対のケース部材は、樹脂の表層に金属の中間層を含む積層フィルムから形成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、前記積層体の正極体および負極体の集電リードとして蓄電室内からシール部の接合面に沿って外部へ突出される１対の電極端子は、蓄電ケースをその中心軸回りに１８０度回転させると一方の電極端子のもとの位置に他方の電極端子が重なる位置関係に配置されることを特徴とする。

第４の発明は、複数の単位セルから構成される蓄電モジュールにおいて、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の蓄電デバイスを単位セルとして単位セルのシール部で囲まれる凹部に次の単位セルをそのシール部で囲まれる凹部と反対側から嵌め入れることにより複数の単位セルを積層体の積層方向へ重ね合わせて構成されることを特徴とする。

第１の発明〜第３の発明においては、蓄電室のシール部は、積層体の積層面に対して垂直または略垂直な方向がシール幅となり、蓄電室の周囲から積層体の積層面と平行な方向へ突き出ないので、従来のようにデッドボリュームを生じることがなく、蓄電デバイスの外形が小さくなり、単位体積あたりの蓄電容量を向上させることができる。また、蓄電デバイスの片面にシール部で囲まれる凹部が残るものの、その凹部を利用して複数の蓄電デバイスをコンパクトに集合させることができる。

第２の発明においては、１対のケース部材の互いに重なり合う側部を熱溶着によって接合することができる。また、ラミネートフィルムは、厚さが薄く、蓄電ケースの体積を小型化できるほか、蓄電性能を高めるため、外部から圧縮して積層体の積層間を均一な面圧をもって密着させることもできる。

第３の発明においては、互いに積層体の積層方向へ重なり合う複数の蓄電デバイス間を簡単かつ容易に直列接続することができる。

第４の発明においては、蓄電室のシール部が積層体の積層面と平行な方向へ突き出ない蓄電デバイスを単位セルとして用いることにより、かつ、蓄電デバイスの片面にシール部で囲まれる凹部を利用して複数の単位セルを互いに積層体の積層方向へ重ね合わせて集合させることにより、蓄電モジュールの体積効率を大幅に向上させることができる。

この発明の実施形態に係る蓄電デバイスの正面図である。 同じく図１のｘ−ｘ断面図である。 同じくガス抜きバルブを示す説明図である。 同じく蓄電デバイスの製造工程を例示する説明図である。 別の実施形態に係る蓄電デバイスの説明図である。 この発明の実施形態に係る蓄電モジュールの説明図である。 従来の蓄電デバイスを例示する斜視図である。 同じく正面図である。 従来の蓄電モジュールを例示する説明図である。

図１〜図６に基づいて、この発明に係る蓄電デバイスの実施形態を説明する。

図１，図２において、蓄電デバイス１０は、電荷を蓄える蓄電部１１と、蓄電部１１を収容する蓄電室１２を形成する蓄電ケース１３と、を備える。

蓄電部１１は、正極体および負極体をこれらの間にセパレータを介装しつつ交互に積層して構成される。正極体および負極体は、電荷を蓄える蓄電要素と、電荷の出し入れを行う集電要素とからなり、集電要素の同極同士が結束され、各結束部に極性の対応する電極端子１４が接続される。

蓄電ケース１３は、樹脂の表層に金属の中間層を含む積層フィルム（ラミネートフィルム）からプレス加工によって成形される１対のケース部材１３ａ，１３ｂから構成される。ケース部材１３ａ，１３ｂは、中央の底部１５ａ，１５ｂと周囲の側部１６ａ，１６ｂとから断面略コ字形に成形される。中央の底部１５ａ，１５ｂは、積層体１１の積層面と平行に形成される。周囲の側部１６ａ，１６ｂは、中央の底部１５ａ，１５ｂから略垂直に立ち上がるように形成される。側部１６ａ，１６ｂの立ち上がり角は、ケース部材１３ａ，１３ｂの開口側が外方へ開く鈍角に設定される。ケース部材１３ｂの底部１５ｂは、ケース部材１３ａの底部１５ａよりも面積が大きく設定され、ケース部材１３ｂの側部１６ｂは、ケース部材１３ａの側部１６ａと平行（立ち上がり角が同一）に形成されるが、両者の側部１６ａ，１６ｂの幅については、ケース部材１３ｂの側部１６ｂよりもケース部材１３ａの側部１６ａの方が大きく設定される。

ケース部材１３ａの開口側にケース部材１３ｂの底部側を積層体１１の積層方向から嵌め合わせると、側部１３ｂの外面が積層体１１の積層面と略垂直な接合面をもって側部１６ａの内面に重なり、積層体１１（蓄電部）を収容する蓄電室１２がケース部材１３ａの底部１５ａおよびその側部１６ａの一部とケース部材１３ｂの底部１５ｂとから画成される。

電極端子１４は、蓄電室１２の積層体１１から互いに重なる側部１６ａ，１６ｂの接合面に沿って外部へ突出される（図６、参照）。また、蓄電室１２の圧力を所定値以下に抑えるガス抜きバルブ１７が蓄電室１２の側部１３ａをこれと垂直方向へ貫通して組み付けられる。

電極端子１４の突出位置については、後述の蓄電モジュール（図６、参照）において、積層体１１の積層方向へ重なり合うように並べられる蓄電デバイス１０間を簡単かつ容易に直列接続しえるよう、蓄電ケース１３をその中心軸（積層体１１の積層面と垂直な方向の中心軸）の回りに１８０度回転させると、一方の電極端子１４のもとの位置に他方の電極端子１４が重なる位置関係に配置される。この場合、蓄電ケース１３は、正面が四角形のため、その対称軸を境に２つの領域を折り重ねることを想定すると、電極端子１４の外部に突き出る部分が互いに重なり合う配置に設定される。

ケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なり合う部分の側部１６ａ，１６ｂ同士は、積層体１１の積層面と略垂直な接合面をもって熱溶着により接合される。この熱溶着部１８（シール部）により、蓄電室１２は、積層体１１の収容状態に封止される。また、シール部１８は、蓄電室１２から外部へ突出する電極端子１４の周囲を隙間なく包み込むように封止する。

ガス抜きバルブ１７は、一端が蓄電室１２に開口すると共に他端が蓄電室１２の側部１３ａを貫通して外部に開口するガス抜き通路と、蓄電室１２の圧力に応じてガス抜き通路を開閉する弁機構と、を備える。１７ａはガス抜き通路を形成する管体であり、樹脂から一体成形される。

蓄電デバイス１０が電気二重層キャパシタの場合、積層体１１と共に電解液が蓄電室１２に収容される。電解液は、熱溶着による封止処理後、蓄電ケース１３に予め設定する注液口から蓄電室１２の内部に注入され、注入が完了すると、注液口をシール材によって封止することになる。

このように構成すると、蓄電室１２のシール部１８は、積層体１１の積層面に対して略垂直な方向がシール幅となり、蓄電室１２の周囲から積層体１１の積層面と平行な方向へ突き出ないので、従来（例えば、図７，図８の蓄電デバイス１００）のようにデッドボリュームを生じることがなく、蓄電デバイス１０の外形が格段に小さくなり、単位体積あたりの蓄電容量が向上する、という効果が得られる。

図１の蓄電デバイス１０と、図８の蓄電デバイス１００と、を比較すると、図８の縦幅寸法Ｄが図１のＤ’に縮小する。また、図８の横幅寸法Ｅが図１のＥ’に縮小する。奥行（厚み幅）寸法Ｆ（図示せず）が同一の場合、図８の体積は、Ｄ×Ｅ×Ｆであるのに対し、図１の体積は、Ｄ’×Ｅ’×Ｆに縮小する。両者の積層体１０と１０１が同一の場合、積層体１０と１０１の蓄電容量Ｑ（電気二重層キャパシタの静電容量）は、変わらないが、単位体積あたりの蓄電容量は、図８の方がＱ／（Ｄ×Ｅ×Ｆ）であるのに対し、図１の方はＱ／（Ｄ’×Ｅ’×Ｆ）となり、図１の方が（Ｄ×Ｅ×Ｆ）／（Ｄ’×Ｅ’×Ｆ）倍、高くなる。図１および図８において、Ａは積層体の積層面の縦幅寸法であり、Ｂは積層体の積層面の横幅寸法である。

この発明に係る蓄電デバイス１０においては、シール部１８の接合面の幅（シール幅）が積層体の積層面と略垂直な方向に設定されるので、図８の縦幅寸法Ｄが図１のＤ’、図８の横幅寸法Ｅが図１のＥ’、に縮小するため、単位体積あたりの蓄電容量が向上する。

蓄電ケース１３は、片面にシール部１８で囲われる凹部１９が残るものの、その凹部１９を利用して複数の蓄電デバイス１０をコンパクトに集合させることができる。つまり、凹部１９は、デッドボリュームにならない。

蓄電ケース１３において、側部１６ａ，１６ｂの立ち上がり角は、ケース部材１３ａ，１３ｂの開口側が外方へ開く鈍角に設定されるので、プレス加工（絞り成形）の残留応力も小さく抑えられ、衝撃や振動に対する蓄電ケース１３の耐久性を十分に確保することができる。

シール部１８については、図２のシール幅を図８のシール幅と同等に確保することにより、従来例と同程度のシール性（気密性）および耐久性が得られるものとなる。図８の蓄電デバイスにおいて、シール部１０７ａは、他の三辺のシール部１０７ｂに較べると、端子回りおよびバルブ（管体）回りのシール性および耐久性を確保するため、シール幅が大きく設定される。図２の蓄電デバイス１０においても、シール幅は、基本的には、図８における電極端子およびガス抜きバルブが突出する一辺のシール幅と同等に設定される。

図１，図６において、電極端子１４は、シール部１８をその接合面に沿って外部へ貫通するので、端子回りのシール性が良好に確保される。ガス抜きバルブ１７については、ケース部材１３ａの側面１６ａをこれと垂直な方向へ貫通するので、バルブ回りのシール幅がケース部材１３ａの厚み分となる。このため、管体１７ａ（ガス抜き通路を形成する）の一端（蓄電室１２側の開口端部）に鍔部１７ｂが一体成形され、同じく管体１７ａの所定部位に管体１７ａを軸方向へ圧縮すると潰れて鍔部１７ｃを形成する屈伸部が備えられる（図３、参照）。

ガス抜きバルブ１７は、鍔部１７ｂと屈伸部から形成される鍔部１７ｃとの間にケース部材１３ａの側部１６ａを挟む状態に組み付けられ、この状態で側部１６ａに鍔部１７ｂ，１７ｃを含むバルブ回りが熱溶着により封止される。これにより、ガス抜きバルブ１７は、側部１６ａを垂直方向へ貫通するが、鍔部１７ｂ，１７ｃによってバルブ回りにラビリンス構造が与えられ、側部１６ａとの溶着面が増加するため、バルブ回りのシール性および耐久性を良好に確保することができる。無論、ガス抜きバルブ１７を、電極端子１４と同様に、シール部１８の接合面に沿って外部へ貫通させる構造も考えられる。

図４に基づいて、蓄電デバイス１０の組立工程を説明する。

(a)工程においては、ケース部材１３ａの開口側にケース部材１３ｂの底部側を嵌め合わせることにより、ケース部材１３ａの側部１６ａおよびその底部１５ａとケース部材１３ｂの底部１６ｂとから画成される蓄電室１２に積層体１１を収容する。図示しないが、１対の電極端子１４は、ケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なる部分の側部１６ａ，１６ｂ間からこれらの接合面に沿って外部へ突き出される。

(b)工程においては、ケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なる側部１６ａ，１６ｂをヒートシーラ２０によって熱溶着するため、ヒートシーラ２０は、ケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なる側部１６ａ，１６ｂと平行な加熱面を持つ１対の枠体２０ａ，２０ｂからなり、ケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なる側部１６ａ，１６ｂの外面を支持する枠体２０ａに対し、枠体２０ｂを積層体１１の積層方向へ前進させる。

(c)工程においては、枠体２０ｂを積層体１１の積層方向へ押して枠体２０ａとの間でケース部材１３ａ，１３ｂの互いに重なる側部１６ａ，１６ｂを加圧しつつ加熱する。つまり、熱溶着処理が行われる。

(d)工程においては、熱溶着処理が完了すると、枠体２０ｂを退避位置へ後退させる。その後、枠体２０ａから熱溶着済みの蓄電ケース１３が取り出されるのである。

蓄電ケース１３は、正面が積層体の外形（角型）に合致する四角形状に形成される（図１、参照）が、これに限らず、図５の積層体の外形（丸型）に合致する円形状に形成することも考えられる。また、ケース部材１３，１３ｂは、樹脂の表層に金属の中間層を含む積層フィルム（ラミネートフィルム）から成形されるが、これに限らず、樹脂や金属（絶縁処理が必要となる）を用いて形成することも考えられる。

図６は、この発明に係る蓄電モジュール３０を説明するものであり、蓄電モジュール３０は、前記の蓄電デバイス１０を単位セルとして複数の単位セルから構成される。複数の単位セル１０は、互いに並ぶ集合体に組み立てられる。単位セル１０のシール部１８で囲まれる凹部１９に次の単位セル１０をその凹部１９と反対側から嵌め合わせることにより、複数の単位セル１０を積層体１１の積層方向へ重なり合う形に集合させる。

各単位セル１０は、図６において、例えば、上側の電極端子１４が＋極、下側の電極端子１４が−極の場合、隣り合う単位セル１０において、一方の単位セル１０の凹部１９に嵌め合わせる他方の単位セル１０を蓄電ケース１３の中心軸回りに１８０度回転させることにより、つまり、電極端子１４の＋極と−極との位置を反転させると、一方の単位セル１０の電極端子１４の＋極に他方の単位セル１０の電極端子１４の−極を接続する一方、同じく一方の単位セル１０の電極端子１４の−極に他方の単位セル１０の電極端子１４の＋極を接続することができる。電極端子１４同士の接合は、例えば、超音波加振溶接によって行われる。

蓄電モジュール３０を構成する単位セルとして蓄電室１２のシール部１８が積層体１１の積層面と平行な方向へ突き出ない蓄電デバイス１０を用いることにより、かつ、蓄電デバイス１０の片面にシール部１８で囲まれる凹部１９を利用して複数の単位セル１０を互いに積層体１１の積層方向へ重ね合わせて集合させることにより、蓄電モジュール３０の体積効率を大幅に向上させることができる。

各蓄電デバイス１０の電極端子１４は、シール部１８の接合面に沿って外部へ突き出るので、単位セル１０を互いに積層体１１の積層方向へ重ね合わせると、隣接する単位セル１０の電極端子１４同士が自ずと重なり合うようになり、電極端子１４間の接合処理を効率よく容易に行える、という効果も得られる。また、各単位セル１０の電極端子１４の突出位置が、蓄電ケース１３をその中心軸回りに１８０度回転させると、一方の電極端子１４のもとの位置に他方の電極端子１４が重なる位置関係に設定することにより、単位セル１０間を簡単かつ容易に直列接続することが可能となる。

蓄電モジュール３０は、単位セル１０の蓄電ケース１３がラミネートフィルムから形成されるので、蓄電性能を高めるため、加圧治具（図示せず）により、外部から圧縮して積層体１１の積層間を均一な面圧をもって密着させることも可能となる。加圧治具は、積層体１１の積層方向へ重なり合う列の一端に位置する単位セル１０の底部１５ａ外面に当接するプレートと、同じく他端に位置する単位セル１０のシール部１８で囲まれる凹部１９の底面に当接するプレートと、これらプレート間を積層体１１の積層方向へ圧縮するバネと、を備えて構成される。

この発明に係る蓄電ケース１３については、電気二重層キャパシタやリチウム電池に限らず、各種の充放電可能な蓄電デバイスに対し、広く適用することができる。

１０ 蓄電デバイス
１１ 積層体（蓄電部）
１２ 蓄電室
１３ 蓄電ケース
１３ａ，１３ｂ ケース部材
１４ 電極端子
１５ａ，１５ｂ ケース部材の底部
１６ａ，１６ｂ ケース部材の側部
１７ ガス抜きバルブ
１８ シール部
１９ 蓄電ケースの凹部
３０ 蓄電モジュール

Claims (4)

1. 電荷を蓄える蓄電部として正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから構成される積層体と、この積層体を収容する蓄電室を形成する蓄電ケースと、を備える蓄電デバイスにおいて、前記蓄電ケースは、中央の底部と周囲の側部とから断面略コ字形に成形される１対のケース部材からなり、一方のケース部材の開口側へ他方のケース部材の底部側を前記積層体の積層方向から嵌め合わせることにより、一方のケース部材の底部および側部の一部と他方のケース部材の底部とから前記蓄電室を画成し、互いの側部が積層体の積層面に対して略垂直な接合面をもって重なる部分を接合することによって前記蓄電室を封止するシール部を形成してなることを特徴とする蓄電デバイス。
2. 前記１対のケース部材は、樹脂の表層に金属の中間層を含む積層構造のラミネートフィルムから形成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 前記積層体の正極体および負極体の集電リードとして蓄電室内からシール部の接合面に沿って外部へ突出される１対の電極端子は、蓄電ケースをその中心軸回りに１８０度回転させると一方の電極端子のもとの位置に他方の電極端子が重なる位置関係に配置されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
4. 複数の単位セルから構成される蓄電モジュールにおいて、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の蓄電デバイスを単位セルとして単位セルのシール部で囲まれる凹部に次の単位セルをそのシール部で囲まれる凹部と反対側から嵌め入れることにより複数の単位セルを積層体の積層方向へ重ね合わせて構成されることを特徴とする蓄電モジュール。