JP2010516030A - 電気化学電池の電池モジュール及び電池モジュールを備えた電気化学電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気化学電池（４０）の電池モジュールであって、前記電気化学電池はほぼ扁平に形成されていて、電気接続のための側方へ突出した接続端子（２４，２６）を有している形式のものに関する。本発明に基づき、電気化学的な活物質（１８）で被覆された第１の支持シート（１６）と電気化学的な活物質（２２）で被覆された第２の支持シート（２０）とは、第１のセパレータシート（１２）によって分離されており、第１の支持シート（１６）は、セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる一方の縦縁部を越えて突出しており、かつ第２の支持シート（２０）は、セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる他方の縦縁部を越えて突出している。

Description

本発明は、電気化学電池の電池モジュールであって、電気化学電池は実質的に扁平に形成されていて、電気接続のための側方若しくは外側へ突出した接続端子を有している形式のものに、並びに電池モジュールを備えた電気化学電池であって、電気化学電池は実質的に扁平に形成されていて、電気接続のための側方若しくは外側へ突出した接続端子を有している形式のものに関する。

所望される輸送機構、例えばハイブリッド自動車においては、高性能の電気化学的な貯蔵部又は電気化学的な蓄積系若しくはバッテリーを必要としている。この場合に種々の構造のリチウムイオン電池が公知である。電気化学的な二次電池としてのリチウムイオン電池は、積層して若しくは、巻成して或いは折り畳まれて形成された電池モジュール（電極パック又はセル構造体）を備えて円筒型若しくは角型に構成されている。経済的な高性能のシステムとして公知のリチウムイオン電池（リチウムイオンバッテリ）は、例えば欧州特許出願公開第１５７７９７３Ａ１号明細書に記載されている。この場合に扁平角型の電池はいわゆるコーヒーパック形のセル構造として形成されている。この種の電池においては、電池モジュールは、電池モジュールに適合されて被覆された金属シールに配置されている。従って電池は相応にたわみやすいものである。このような電池若しくはセル構造体は複数個まとめられて、互いに電気的に並列及び／又は直列に接続されるようになっている。電池の機能にとって必要なことは、電極が電池の全耐用年数にわたって所定の間隔に保たれていることである。充放電サイクル負荷及び温度変動は間隔の変化を生じて、これにより電池の出力特性を低下させてしまうことになる。さらに大量生産品、例えばハイブリッド自動車への電池の使用にとっては、電池の大量生産に適った製造が条件になる。

本発明に基づく構成では、電気化学的な活物質で被覆された第１の支持シートと電気化学的な活物質で被覆された第２の支持シートとは、第１のセパレータシート（若しくは絶縁シート）によって分離されており、この場合に第１の支持シートは、セパレータシート若しくは支持シートの長手方向に延びる一方の縦縁部（広幅側）の側で突出し、つまり該縦縁部を越えて突出しており、かつ第２の支持シートは、セパレータシート若しくは支持シートの長手方向に延びる他方の縦縁部（広幅側）の側で突出し、つまり該縦縁部を越えて突出している。支持シートはセパレータシートの長手方向に延びる縦縁部に対して横方向に、例えば垂直に突出している。支持シートは有利には金属薄板、アルミニウム薄板若しくは銅薄板若しくは類似のものから形成されている。支持シートは片面に若しくは両面に活物質を塗布（被覆）されていてよい。電気化学な電池の陽極及び陰極を形成する支持シートは、有利にはセパレータシートで覆われる領域に活物質を塗布されている。電気化学電池は有利にはリチウムイオン電池として形成されている。活物質はリチウム塩を含んでいる。複数の支持シートの有利な相互の配置は、連続的な製造方法での電池モジュールの折り畳みを可能にするものである。セパレータシートは例えばプラスチックから形成されている。適した材料は例えばポリプロピレンやポリエチレン若しくは類似のものである。

有利な実施態様では、第１の支持シートは、第２のセパレータシートに配置されている。これによって、支持シート及びセパレータシートから成る複合体（積層体又は積層構造体）は、短絡を確実に防止した状態で折り畳まれるようになっている。

有利な実施態様では、両方のセパレータシート、つまり第１のセパレータシートと第２のセパレータシートとは、互いにポケット状に構成（形成若しくは配置）され、換言すれば断面で見てＵ字形に配列され、つまり一緒にポケット（収容ポケット）を画成しており、この場合に支持シートの少なくとも１つは、ポケット状に構成されたセパレータシート内に収容され、つまり両方のセパレータシートによって画成されたポケット内に収容されている。折り畳んだ場合にも短絡は確実に避けられている。

有利な実施態様では、セパレータシート及び支持シートから成る複合体（積層体）は、セパレータシート若しくは支持シートの長手方向（縦縁部若しくは広幅縁部）に沿ってジグザグに折り畳まれている。このような製造過程は、サイクル式の作業工程若しくは断続的な作業工程の代わりに連続作業工程を可能にして、大量生産にとって有利である。このことは特に、大きな表面を有する極めて薄い電極、つまり支持シートの加工に当てはまる。このことは、電池モジュールの製造の場合に積層構造の電池モジュールではなく、複合体の巻成プロセス（巻き取り過程）若しくは折り畳みプロセスに当てはまる。電池モジュールの前述の連続的な製造は、該電池モジュールをラミネート構造若しくは成層構造（積層構造）の電池に使用し、かつ形状安定化を保証することを可能にするものである。製造技術的な利点に加えて、電極の安定性の改善に基づき電池の機能上の利点も得られるようになっている。電池モジュールは折り畳みに際して厚さをできるだけ小さく保たれ、つまりできるだけ薄く保たれ、このことは電池の内部からの熱排出、ひいては長時間安定性又は連続作動安定性にとって有利である。

電池モジュール（電極パック又はセル構造）を備えた電気化学電池の本発明に基づく構成では、電気化学的な活物質で被覆された第１の支持シートと電気化学的な活物質で被覆された第２の支持シートとは、第１のセパレータシートによって分離されており、この場合に第１の支持シートは、セパレータシート若しくは支持シートの長手方向に延びる一方の縦縁部の側から突出しており、かつ第２の支持シートは、セパレータシート若しくは支持シートの長手方向に延びる他方の縦縁部の側から突出しており、該突出する各支持シートにそれぞれ１つの導電体を装着してある。支持シートは導電性に形成され、つまり金属から成っているのに対して、セパレータシートは有利にはプラスチックシートである。電池は有利にはリチウムイオン電池として形成されている。

有利な実施態様では、セパレータシート及び支持シートから成る複合体は、該複合体（セパレータシート若しくは支持シート）の長手方向に沿ってジグザグに折り畳まれて１つの電池モジュールを形成し、つまり１つの電池モジュールとしてジグザグに折り畳まれている。このような折り畳みは、有利には折り畳まれた電池モジュールの外側に常に１つのセパレータシートが位置するように行われている。

有利な実施態様では、支持シートの突出している部分は、導電体若しくは接続端子の外側で絶縁体によって覆われている。これによって、金属シートを、絶縁被覆で包囲されていない電池の外装として用いることができるようになっている。

導電体若しくは接続端子は、支持シートの長手方向に対して横方向、例えば実質的に垂直に外側へ突出している。導電体若しくは接続端子は、ろう付け若しくは溶接又は溶着によって支持シートの、セパレータシートを越えて突出する部分に結合されていてよい。導電体若しくは接続端子の寸法は、見込まれる出力に適合されている。支持シートの突出している部分の、導電体若しくは接続端子と結合されない領域は、有利には絶縁体若しくは絶縁部材で覆われている。これによって、絶縁体で包囲若しくは被覆されていない金属シートも電池の外装として用いられるようになっている。

電池モジュールをその長さを高さよりも大きく形成し、つまり電池モジュールの長さをその高さよりも大きく形成してある、換言すれば電池モジュールを横長の長尺体として形成してある場合には、電池モジュールは、電池の充電若しくは放電の際の電池の内部からの確実な熱排出を保証するために、十分に薄く形成される。

電池モジュールに安定化手段若しくはスペーサを備えてあり、安定化手段若しくはスペーサは、電池モジュール（複合体）の折り畳まれた状態での支持シート間の間隔を、強い負荷の生じる場合でも電池の耐用年数にわたって安定化し、若しくは支持シート間の間隔を一定に維持して、高い機能安定性を達成するようになっている。電池モジュールの安定化は、帯巻き（胴締め）若しくは包帯又はバンデージ(bandage)或いはプラスチック製クランプ若しくは類似のものの装着によって行われるようになっている。これによって支持シート間の所定の間隔、つまり電池モジュール内の電極間隔は維持され、支持シート上の活物質の乾燥は避けられるようになっている。電池モジュールの安定化を行わなければ、電解液の充填のために不都合でかつ支持シート上の活物質を乾燥させてしまうような空間が生じてしまうことになる。

有利な実施態様では電池モジュールは、外装部材を用いて封止されている。外装部材は電池モジュールの周囲にできるだけ全周にわたって密に装着され、例えば溶接結合されている。

本発明に基づく電気化学電池若しくは電気化学的な二次電池は、特にハイブリッド車への使用に適し、また工場領域若しくは産業領域内のバッテリーへの使用、若しくは別の目的への使用、例えば電気駆動式の車椅子、補助電動駆動装置付きの自転車、フォークリフト、或いは無人操縦式若しくは遠隔操作式の輸送機構への使用に適している。

本発明に基づく構成はそれぞれ単独に、或いは種々に組み合わせて用いられるものである。次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。

有利な電池モジュールの支持シート及びセパレータシートから成る複合体の分解した状態で示す平面図である。 ポケット状若しくは袋状に形成されたセパレータシートと片面を被覆された支持シートとを備える電池モジュールの端面図である。 両面を被覆された支持シートを備える電池モジュールの断面図である。 有利に折り畳まれた電池モジュールの側面図である。 図２ａの電池モジュールの平面図である。 接続端子を備えた有利な電池モジュールの側面図である。 支持シートの突出している支持シート領域のための絶縁体及び接続端子を備える折り畳まれた電池モジュールの斜視図である。 有利な電気化学電池の側面図である。 公知技術の電池の側面図である。

図１ａは、図示省略の電気化学電池の有利な電池モジュール１０の支持シート１６，２０及びセパレータシート１２，１４からなる複合体の分解状態での平面図であり、図１ｂは、ポケット形のセパレータシート１４を備えた実施例の端面図であり、この場合に支持シート１６，２０は、片面（片側）に電気化学的な活物質１８，２２を被覆されている。図１ｃに示す実施例では、支持シート１６，２０は、それぞれ両面（両側）に電気化学的な活物質１８，２２を被覆されている（間隔は正確な寸法比で示されたものではない）。

第１の支持シート１６は電気化学的な活物質１８を被覆されており、第２の支持シート２０は電気化学的な活物質２２を被覆されている。両方の支持シート１６，２０間に１つのセパレータシート１２を配置してある。第１の支持シート１６は、セパレータシート１４に接触している。支持シート１６，２０はセパレータシート１２，１４よりもいくらか高く形成されており、この場合に第１の支持シート１６は上側から突出しており、第２の支持シート２０は下側から突出している。セパレータシート１２，１４は、活物質１８，２２で被覆された領域と重なり合っている。セパレータシート１２，１４は個別の層として設けられている。一方の支持シート１６は、電池モジュール１０の例えば正の電極（正極）を成しており、他方の支持シート２０は電池モジュール１０の負の電極（負極）を成している。

電池モジュール１０は長く伸ばされた状態で、長手軸線３０を有する長尺の帯材として示されている。例えばハイブリッド自動車に用いられ得る８個のＡｈ・セルを有する電極装置は、例えば約６メートルの長さと約１５センチメートルの高さを有している。

図１ｂに示す構成では、セパレータシート１２，１４は互いに結合されて、断面Ｕ字形にまとめられ、つまりポケット（袋若しくは断面Ｕ字形層）を形成する状態にまとめられており、つまり、セパレータシート１２，１４はポケット若しくは袋の各側壁若しくは側面を形成している。断面Ｕ字形のポケット（層）内に差し込まれた一方の支持シート１６は、上方からセパレータシート１２，１４の高さ（幅）を越えて突出している。

有利に折り重ねられた電池モジュール１０の側面を図２ａに示してあり、電池モジュール１０の平面を図２ｂに示してある。該折り重ねられた電池モジュール１０は長尺に形成されており、縦側（長手方向に延びる縁部）を越えて上方若しくは下方へ突出する支持シート１６，２０が認められる。平面図には、シートのジグザグ状の折り畳み（折り重ね）が、上方へ突出する支持シート１６によって見て取れる。支持シート１６，２０の突出部は、電池モジュール１０の正極若しくは負極の導電端子若しくは集電体を形成している。

図３ａには、電池モジュール１０（図１ａ）の突出する支持シート１６に接続された導電端子２４を示してあり、該導電端子は電池モジュール１０の広幅側（長手方向に延びる縁部）で外側へ突出している。図３ｂは、支持シート１６の突出する支持シート領域のための絶縁体２８及び接続端子２４を備える折り畳まれた電池モジュール１０の斜視図である。絶縁体２８は、別個の絶縁層で被覆されていない金属シートを用いて電池モジュール１０を包装（包囲）することを可能にしている。絶縁体２８は、支持シート１６の突出する領域（縁部）にわたってレール若しくはガイド部材として押し嵌められ、若しくは被せ嵌められるようになっている。支持シート２０の図示してない突出する領域（図２ａ）も同様に絶縁されている。

図示省略の安定化用の手段若しくは部材を用いることも可能であり、例えば包帯若しくはプラスチック製クランプを用いて電池モジュール１０の剛性を高め、若しくは電池モジュール１０を補強しかつ安定化することが可能であり、これによって支持シート間間隔及び電極間間隔は、電池モジュール１０を使用する電池の耐用年数にわたって、変化させられることなく維持されるようになっている。

図４ａ及び図４ｂは、電気化学式の有利な電池４０と公知の電池５０との比較を示している。有利な電池４０は、外装３２を備えており、該外装は、図面では見えない電池モジュール（セル構造）を封止（密封若しくは密閉）している。電池４０は角型に形成されていて、長さと高さとを有し、この場合に長さが高さより大きくなっている。
導電端子（集電体）２４，２６は、広幅側で電池４０から、長手方向（縦側若しくは縦縁部）に対して垂直に突出している。これとは逆に、公知の電池５０は、比較になる断面形状を有しているものの、導電端子５２，５４は慣用の形式で電池５０の狭幅側に配置されている。

１２，１４ セパレータシート、 １６ 支持シート、 １８ 活物質、 ２０ 支持シート、 ２２ 活物質、 ２４，２６ 導電端子、 ２８ 絶縁体、 ４０ 電池

Claims (11)

1. 電気化学電池（４０）の電池モジュールであって、前記電気化学電池は扁平に形成されていて、電気接続のための側方へ突出した接続端子（２４，２６）を有している形式のものにおいて、電気化学的な活物質（１８）で被覆された第１の支持シート（１６）と電気化学的な活物質（２２）で被覆された第２の支持シート（２０）とは、第１のセパレータシート（１２）によって分離されており、前記第１の支持シート（１６）は、前記セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる一方の縦縁部から突出しており、かつ前記第２の支持シート（２０）は、前記セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる他方の縦縁部から突出していることを特徴とする、電気化学電池の電池モジュール。
2. 第１の支持シート（１６）は、第２のセパレータシート（１４）に配置されている請求項１に記載の電池モジュール。
3. 複数のセパレータシート（１２，１４）はポケット状に構成されており、支持シート（１６，２０）の少なくとも１つは、ポケット状に構成された前記セパレータシート（１２，１４）内に収容されている請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. セパレータシート（１２，１４）及び支持シート（１６，２０）から成る複合体は、長手方向（３０）に沿ってジグザグに折り畳まれている請求項１から３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 電池モジュール（１０）を備えた電気化学電池であって、該電気化学電池は扁平に形成されていて、電気接続のための側方へ突出した接続端子（２４，２６）を有している形式のものにおいて、電気化学的な活物質（１８）で被覆された第１の支持シート（１６）と電気化学的な活物質（２２）で被覆された第２の支持シート（２０）とは、第１のセパレータシート（１２）によって分離されており、前記第１の支持シート（１６）は、前記セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる一方の縦縁部から突出しており、かつ前記第２の支持シート（２０）は、前記セパレータシート（１２）の長手方向（３０）に延びる他方の縦縁部から突出しており、該突出する各支持シート（１６，２０）にそれぞれ導電体（２４，２６）を装着してあることを特徴とする、電気化学電池。
6. セパレータシート（１２，１４）及び支持シート（１６，２０）から成る複合体は、長手方向（３０）に沿ってジグザグに折り畳まれて、電池モジュール（１０）を成している請求項５に記載の電気化学電池。
7. 各支持シート（１６，２０）の突出している部分は、導電体（２４，２６）の外側で絶縁体（２８）によって覆われている請求項５又は６に記載の電気化学電池。
8. 導電体（２４，２６）は、支持シート（１６，２０）の長手方向（３０）に対して横方向に外側へ突出している請求項５から７のいずれか１項に記載の電気化学電池。
9. 電池モジュール（１０）は該電池モジュールの長さを高さよりも大きく形成されている請求項５から８のいずれか１項に記載の電気化学電池。
10. 電池モジュール（１０）は、支持シート（１６，２０）間の間隔を折り畳まれた状態で安定化するための安定化部材を備えている請求項５から９のいずれか１項に記載の電気化学電池。
11. 電池モジュール（１０）は、外装（３２）を用いて封止されている請求項５から１０のいずれか１項に記載の電気化学電池。

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