JP2011086483A - ラミネート型２次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】ラミネート型２次電池を自動車用等の大容量の大型電池に採用するにあたり、金属ケースや金属保持部材を必要とせず軽量で、かつ耐振動性を向上させることを目的とする。
【解決手段】ラミネートフィルムと、このフィルムに密閉収納されてなる電池要素と、電池要素から導出される正極および負極集電タブとを備えたラミネート型２次電池であって、電池要素は、軸芯に捲回され、軸芯は、両端部の正極および負極端子材料と、両端部の間の絶縁体とからなり、正極集電タブは、正極端子材料に接続され、負極集電タブは、負極端子材料に接続され、正極端子材料の少なくとも一部および負極端子材料の少なくとも一部は、ラミネートフィルム外に位置することを特徴とする。また、上記電池を複数積層したラミネート型２次電池モジュールであって、各電池は、軸芯の両端を保持する電池ホルダを有し、この電池ホルダを積層したことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】ラミネートフィルムと、このフィルムに密閉収納されてなる電池要素と、電池要素から導出される正極および負極集電タブとを備えたラミネート型２次電池であって、電池要素は、軸芯に捲回され、軸芯は、両端部の正極および負極端子材料と、両端部の間の絶縁体とからなり、正極集電タブは、正極端子材料に接続され、負極集電タブは、負極端子材料に接続され、正極端子材料の少なくとも一部および負極端子材料の少なくとも一部は、ラミネートフィルム外に位置することを特徴とする。また、上記電池を複数積層したラミネート型２次電池モジュールであって、各電池は、軸芯の両端を保持する電池ホルダを有し、この電池ホルダを積層したことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、たとえば自動車駆動用電源に用いて好適なリチウムイオン２次電池に係り、特に、ラミネート型リチウムイオン２次電池における耐振動性を向上させる技術に関する。
車載用のリチウムイオン２次電池においては、それぞれ正極、負極および電解液を有する単電池（セル）が複数個直列に配置されて組み電池を形成し、充放電制御のためのセルコントローラが接続され、必要な電圧が得られるようにバッテリーモジュールを形成する。
このような２次電池の単電池には、捲回した電池要素、あるいは、平板状の電極とセパレータを積層した電池要素を、円筒型のケースに収納したものや、角型、扁平型のケースに収納したものがある。
上記ケースは、アルミ合金やステンレス合金等の金属製ケースであることが一般的であるが、ケースの軽量化により高い重量エネルギー密度（ｗｈ／ｋｇ）を実現できる電池として、例えば、ラミネートフィルムを電池の外装ケースとし、その周囲を熱融着により封止することにより密閉化した電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
金属ケース構造に比べて、ラミネート封止構造は、熱融着で封止ができるため簡便であるというメリットをもつ。特に、金属ケース構造の場合に比べて溶接設備を要さないことや、内部への溶接スパッタを気にすることなく封止できるため、設備投資が少なくかつ電池の生産性を高くできるため、低コスト化できる利点がある。
しかしながら、自動車等に搭載される際に、金属ケース構造では剛性の高いケース自体が保持部材となるので、スペーサを挟んでセルを積層したバッテリーモジュールは積層方向で剛性を保持できるという利点があるが、ラミネート封止構造では、ラミネート外装の剛性が低いため、このような保持構造が難しい。ラミネートから露出している端子部分を直接保持すると、振動により端子と接合されている集電タブに負荷が加わる。この集電タブは、電池要素と端子を電気的に接続する箔状の部材であるので、振動に弱い。このような振動は、ラミネート型電池が小型素子である場合は、軽量であり問題とならないが、自動車用の大型素子となると、その集電タブに加わる応力は大きく、亀裂が入り切断の恐れがある。そのため、ラミネートセルを積層するための保持構造部材が別途必要となるため、電池モジュールとしては結局重量が増加してしまい、金属ケース構造の電池と比較してラミネート封止構造のメリットが失われてしまう。
このような問題に対して、耐振動性が向上した保持構造と放熱特性を確保する技術として、波型の内部構造を用いて電池要素を押さえ込み、振動対策を図る技術が提案されている（例えば、特許文献２または３参照）。
しかしながら、これらの技術では、電池要素を確実に保持することによって集電タブへの応力の集中を抑制して、ラミネート封止構造の耐振動性を向上することはできるが、波形の保持部材の重量分重くなるため、軽量化できないという問題があった。
このように、従来のラミネート封止構造、特に素子が積層型の場合は、ケース重量分を軽量化できるが、電池要素の保持を電極端子部で行うので、集電タブと電極接合部において振動が加わった際にタブが切れるなど、耐振動性が問題となる。よって、モジュール化時の耐振動性を考慮すると、ラミネート外部から保持を行う拘束部材と連結のための樹脂部品が必要となる。セルの構造部材は上面、下面二枚必要となり、部品点数や重量増加の課題がある。よって、実際の大型のラミネート型電池のモジュール化においては、従来の金属ケース構造と比較して軽量化のメリットが出せないという課題があった。
従来は、大型電池については金属ケース構造が採用されていたため、ラミネート封止構造のような金属ケースを用いない場合の電極端子部の耐振動性の構造については知られていなかった。そこで、軽量化のために、ラミネート封止構造を用いながら、電極端子部で構造体全体を保持しても耐振動性を向上できる構造が求められていた。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、自動車用等の大容量電池において、金属ケースや金属の保持部材を必要とせず軽量で、かつ耐振動性を向上させたラミネート封止構造の２次電池を提供することを目的としている。
本発明のラミネート型２次電池は、ラミネートフィルムと、ラミネートフィルムに密閉収納されてなる電池要素と、電池要素から導出される正極集電タブおよび負極集電タブとを備えたラミネート型２次電池であって、電池要素は、軸芯に捲回され、軸芯は、両端部の正極端子材料および負極端子材料と、両端部の間の絶縁体とからなり、正極集電タブは、正極端子材料に接続され、負極集電タブは、負極端子材料に接続され、正極端子材料の少なくとも一部および負極端子材料の少なくとも一部は、ラミネートフィルム外に位置することを特徴としている。
また、本発明のラミネート型２次電池モジュールは、上記ラミネート型２次電池を複数積層したラミネート型２次電池モジュールであって、各ラミネート型２次電池は、軸芯の両端を保持する電池ホルダを有し、電池ホルダを積層したことを特徴としている。
本発明のラミネート型２次電池によれば、正極端子および負極端子が、間に絶縁体を挟んで軸芯として一体化され、その周囲に電池要素が捲回されて接続されているので、電池全体として一体化していて剛性が高く、外部から振動が加わった際にも、電極端子と電池要素が一体化して振動する。そのため、集電タブに応力が加わることを抑制することができ、集電タブが損傷することを防止することができる。このようなラミネート型２次電池によれば、金属ケース等に収容する必要がなく、電極端子部にて保持することができる。
また、本発明のラミネート型２次電池は、電極端子部にて保持することができ、金属ケース等に収容する必要がないので、ラミネート型２次電池の電極端子部のみを電池ホルダにより保持し、この電池ホルダを介してラミネート型２次電池を複数積層して組電池とすることができ、組電池の小型軽量化を図ることができる。また、ケース等に収容されておらず、ラミネート型２次電池が外部に露出しているので放熱性に優れ、電池要素の冷却効果が高い。
第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るラミネート型２次電池に用いる軸芯を示す図である。軸芯は、絶縁体１０と、絶縁体１０の両端に設けられた正極端子１１および負極端子１２とからなる。正極端子１１および負極端子１２は、図に破線で示すように、それらの一部が絶縁体に埋設されて、一体化されている。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るラミネート型２次電池に用いる軸芯を示す図である。軸芯は、絶縁体１０と、絶縁体１０の両端に設けられた正極端子１１および負極端子１２とからなる。正極端子１１および負極端子１２は、図に破線で示すように、それらの一部が絶縁体に埋設されて、一体化されている。
このような軸芯は、例えば軸芯の形状に形成された凹部に正極端子１１および負極端子１２を載置し、溶融した樹脂を流し込んで固化させ、電極端子が絶縁体に埋設された軸芯として得ることができる。
図２に示すように、図１の軸芯に対して、捲回素子１３が巻き付けられる。この捲回素子１３は、具体的に後述するシート状正極層とシート状セパレータとシート状負極層が積層され非水系電解液が含浸されたもので、軸芯の周囲に何重にも巻き付けられ、正極端子１１および負極端子１２と接続される部分である両端には、それぞれ箔状の部材である正極集電タブ１４および負極集電タブ１５を有する。
図３に示すように、正極集電タブ１４および負極集電タブ１５は、それぞれ正極溶接部３０および負極溶接部３１にて、正極端子１１および負極端子１２に対して溶接される。さらに、樹脂製のラミネート１６によって、正極端子１１および負極端子１２の先端部分以外の電池要素が封止され、密閉収納される。露出している正極端子１１および負極端子１２の先端部分を図示しない充放電制御手段に接続することによって、ラミネート型２次電池の単電池として使用される。
上記構成のラミネート型２次電池によれば、正極端子１１および負極端子１２が軸芯として絶縁体１０と一体化され、さらにこの軸芯に捲回素子１３が設けられているので、外部から振動が加わった際に、正極端子１１、負極端子１２、絶縁体１０および捲回素子１３、さらには正極集電タブ１４および負極集電タブ１５が一体化して振動するので、箔状で強度が低い正極集電タブ１４および負極集電タブ１５に応力が集中することを抑制することができる。これにより、電極端子と電池要素が一体化されておらず両者の中間に介在する集電タブに応力が集中していた従来のラミネート型２次電池における問題を解決することができる。
このように本発明のラミネート型２次電池は、モジュール化のための補強部材や金属ケース等に収容して保持する必要がなく、電極端子部分のみで保持することができるので、図４に示すように、正極端子１１および負極端子１２部分を、例えば樹脂製の電池ホルダ２０および２１に貫通させて、保持することができる。
本発明の本発明のラミネート型２次電池は、電池ホルダ２０および２１のみで電池を保持することができ、電池要素が外部に対して露出しているので、図４において図示しない冷却手段を設けることによって、例えば矢印Ｃ１で示すような冷却経路で電池を冷却することができる。また、電池ホルダ２０および２１に所望の形状の開口部を設ければ、矢印Ｃ２で示す冷却経路で電池の冷却を行うこともできる。
第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型２次電池を示す図である。なお、以下の各実施形態においては、正極端子１１および負極端子１２と電池ホルダ２２以外の構成要素は第１実施形態と同一であるので、説明を省略する。第２実施形態のラミネート型２次電池においては、（ａ）に示すように、正極端子１１および負極端子１２が電池ホルダ２２から突出した部分に、円形の孔部が設けられている。また、（ｂ）に示すように、電池ホルダ２２の長辺側の両端には、凹部が形成されている。
図５は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型２次電池を示す図である。なお、以下の各実施形態においては、正極端子１１および負極端子１２と電池ホルダ２２以外の構成要素は第１実施形態と同一であるので、説明を省略する。第２実施形態のラミネート型２次電池においては、（ａ）に示すように、正極端子１１および負極端子１２が電池ホルダ２２から突出した部分に、円形の孔部が設けられている。また、（ｂ）に示すように、電池ホルダ２２の長辺側の両端には、凹部が形成されている。
このような態様によれば、電極端子の孔部を介して、ラミネート型２次電池を充放電制御装置等に対して電気的に容易に接続することが可能になる。また、（ｃ）に示すように、正極端子１１と負極端子１２が互い違いになるように配列することで、隣接する正極端子１１の孔部と負極端子１２の孔部を接続して、全体が直列に接続された組電池を作製することができる。
また、（ｃ）に示すように、電池ホルダ２２の長辺側に設けられた凹部が、隣接する凹部と合わさって開口部を形成するので、この開口部を通じて電池要素の冷却を行うことができる。なお、複数の電池ホルダ２２を固定する手段は特に限定されず、例えば（ｃ）に示すように、電池ホルダ２２に貫通孔を形成しておき、貫通棒４０を挿入することによって容易に組電池としての固定を行うことができる。
第３実施形態
図６は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型２次電池を示す図である。このラミネート型２次電池においては、（ａ）に示すように、正極端子および負極端子が電池ホルダ２３を貫通して突出する部分が、ボルト型正極端子１７およびボルト型負極端子１８として形成されている。
図６は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型２次電池を示す図である。このラミネート型２次電池においては、（ａ）に示すように、正極端子および負極端子が電池ホルダ２３を貫通して突出する部分が、ボルト型正極端子１７およびボルト型負極端子１８として形成されている。
このような態様によれば、ボルト型電極端子に適合した接続部材を用いて、ラミネート型２次電池を充放電制御装置等に対して電気的に容易に接続することが可能になる。また、（ｃ）に示すように、正極端子１１と負極端子１２が互い違いになるように配列することで、隣接する正極端子１１の孔部と負極端子１２の孔部を接続して、全体が直接に接続された組電池を作製することができるのも同様である。
以下、本発明の各構成要素について詳細に説明する。
シート状正極層
正極層は、アルミニウムからなる正極集電体の両面に正極材料が結着した構造を有する。本実施例の正極材料としては、Ｌｉ酸化物を用い、導電フィラーとして、アセチレンブラック、ケッチエンブラック、ＶＧＣＦ等が挙げられる。
シート状正極層
正極層は、アルミニウムからなる正極集電体の両面に正極材料が結着した構造を有する。本実施例の正極材料としては、Ｌｉ酸化物を用い、導電フィラーとして、アセチレンブラック、ケッチエンブラック、ＶＧＣＦ等が挙げられる。
シート状負極層
シート状負極層は、銅等からなる負極集電体の両面に負極材料が結着した構造を有する。本実施例の負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料やＬｉと金属化合物を形成する合金を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、低温炭素体（有機前駆体、例えば、易黒鉛性炭素前駆体として、ピッチ、メソフェーズピッチ、難黒鉛化性炭素前駆体として、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ＰＰＳ、セルロース等）を不活性雰囲気中で熱処理して合成した炭素などが挙げられる。
シート状負極層は、銅等からなる負極集電体の両面に負極材料が結着した構造を有する。本実施例の負極材料としては、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素材料やＬｉと金属化合物を形成する合金を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、低温炭素体（有機前駆体、例えば、易黒鉛性炭素前駆体として、ピッチ、メソフェーズピッチ、難黒鉛化性炭素前駆体として、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ＰＰＳ、セルロース等）を不活性雰囲気中で熱処理して合成した炭素などが挙げられる。
シート状セパレータ層
ポリオレフィン系微多孔質セパレータ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンを用いることができる。
ポリオレフィン系微多孔質セパレータ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンを用いることができる。
非水電解液
非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用しても良い。電解質としては、例えば過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ素リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）２］等のリチウム塩を挙げることができる。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、通常は０．２ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌ程度である。 またＬｉＴＦＳＩなど種々のイオン性液体を混合してもよい。加えて、電解液を保持するゲル電解質としてもよく、その保持材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ビニリデンフロライド（ＶｄＦ）やヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、またはこれらの誘導体、または共重合体を用いることができる。
非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用しても良い。電解質としては、例えば過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ素リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ３）２］等のリチウム塩を挙げることができる。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、通常は０．２ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌ程度である。 またＬｉＴＦＳＩなど種々のイオン性液体を混合してもよい。加えて、電解液を保持するゲル電解質としてもよく、その保持材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ビニリデンフロライド（ＶｄＦ）やヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、またはこれらの誘導体、または共重合体を用いることができる。
ラミネートフィルム
ラミネートフィルムは電池の外装材として用いられる。一般には、熱融着性樹脂フィルム、アルミニウム箔、樹脂フィルムで形成される。熱融着性樹脂としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。
ラミネートフィルムは電池の外装材として用いられる。一般には、熱融着性樹脂フィルム、アルミニウム箔、樹脂フィルムで形成される。熱融着性樹脂としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。
露出する電極端子部分のラミネート封止
電極端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、角がなく、段差なくす構造とすることが好ましい。または、外周部に耐電解液、耐腐食性の高い、樹脂インサート成型した端子部材とするか、ＰＦＡなどの樹脂を熱溶着した端子部材を形成して、ラミネートフィルムの接着性を改善してもよい。端子部とラミネートの密着性が向上できるため、正極タブおよび負極タブに隙間が生じることを防止できる。これにより、フィルム封止構造内から外部に電解液が漏れる等の不具合をなくすことができる。
電極端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、角がなく、段差なくす構造とすることが好ましい。または、外周部に耐電解液、耐腐食性の高い、樹脂インサート成型した端子部材とするか、ＰＦＡなどの樹脂を熱溶着した端子部材を形成して、ラミネートフィルムの接着性を改善してもよい。端子部とラミネートの密着性が向上できるため、正極タブおよび負極タブに隙間が生じることを防止できる。これにより、フィルム封止構造内から外部に電解液が漏れる等の不具合をなくすことができる。
軸芯
軸芯には、剛性の確保できる材料を用いることできる。例えば金属、セラミック、樹脂のいずれを用いてもよいが、正極端子と負極端子間は絶縁されている必要があり、樹脂が好ましい。端子の配置は、片側配置でも両側配置でも可能である。端子間隔は、短絡防止のための距離を取る必要があるため、樹脂に金属端子が埋没した構造が好ましい。樹脂は、端子部の発熱で軟化することを防ぐため、熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂、ＰＰＳが好ましくこれらはガラス繊維や炭素繊維で強度が補強されていてもよい。実施例では、両端出しとした。中心軸は、板状、円柱状いずれでもよい。
軸芯には、剛性の確保できる材料を用いることできる。例えば金属、セラミック、樹脂のいずれを用いてもよいが、正極端子と負極端子間は絶縁されている必要があり、樹脂が好ましい。端子の配置は、片側配置でも両側配置でも可能である。端子間隔は、短絡防止のための距離を取る必要があるため、樹脂に金属端子が埋没した構造が好ましい。樹脂は、端子部の発熱で軟化することを防ぐため、熱硬化性樹脂、例えばフェノール樹脂、ＰＰＳが好ましくこれらはガラス繊維や炭素繊維で強度が補強されていてもよい。実施例では、両端出しとした。中心軸は、板状、円柱状いずれでもよい。
電極端子
電極端子には、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレスといった金属またはこれらを含む合金やこれら金属の母材にニッケルメッキを施したものが使用可能である。集電箔と端子部分の接合面積を稼ぐためには、板状であることが好ましいが、上述したように、必要に応じて先端部分をボルト状など他の形状に変更してもよい。また、組電池を作製する際の必要に応じて、電極端子の位置は限定されず、自由に変更することができ、例えば図７に示すように、電極端子を、中央部から周縁部に偏在させることも可能である。
電極端子には、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレスといった金属またはこれらを含む合金やこれら金属の母材にニッケルメッキを施したものが使用可能である。集電箔と端子部分の接合面積を稼ぐためには、板状であることが好ましいが、上述したように、必要に応じて先端部分をボルト状など他の形状に変更してもよい。また、組電池を作製する際の必要に応じて、電極端子の位置は限定されず、自由に変更することができ、例えば図７に示すように、電極端子を、中央部から周縁部に偏在させることも可能である。
電池ホルダ
電池ホルダには、金属や樹脂等、公知の材料を使用することができるが、軽量化や加工性の観点から、樹脂製の電池ホルダであることが好ましく、フェノール樹脂、ＰＰＳ、エポキシ樹脂など、端子部の発熱により軟化しない熱硬化性樹脂が特に好ましい。冷却経路を形成するための凹部の形状についても限定されず、上述したように長辺に１つの凹部を形成してもよいが、例えば図７に示すように、長辺に２つの凹部を設けた電池ホルダ２４としてもよい。このような凹部によれば、組電池を作製した際に開口部が２箇所となり、電池ホルダの中央部で凸部２５が互いに接触する形状となる。これは、素子が大型となる場合に、上下方向への振動が大きい電池ホルダ中心部において、部材が一体となって振動を抑制するので、好ましい。
電池ホルダには、金属や樹脂等、公知の材料を使用することができるが、軽量化や加工性の観点から、樹脂製の電池ホルダであることが好ましく、フェノール樹脂、ＰＰＳ、エポキシ樹脂など、端子部の発熱により軟化しない熱硬化性樹脂が特に好ましい。冷却経路を形成するための凹部の形状についても限定されず、上述したように長辺に１つの凹部を形成してもよいが、例えば図７に示すように、長辺に２つの凹部を設けた電池ホルダ２４としてもよい。このような凹部によれば、組電池を作製した際に開口部が２箇所となり、電池ホルダの中央部で凸部２５が互いに接触する形状となる。これは、素子が大型となる場合に、上下方向への振動が大きい電池ホルダ中心部において、部材が一体となって振動を抑制するので、好ましい。
素子作成
素子は、円筒、扁平巻、積層法いずれでも好ましい。
素子は、円筒、扁平巻、積層法いずれでも好ましい。
モジュール積層化
隣接する複数の電池ホルダの固定方法は、上述した貫通棒を貫通させる以外に、隣接する電池ホルダにそれぞれ凸部および凹部を形成して、これらを嵌め込んで固定してもよい。また、電池ホルダの端部、をプレートで緊縛しても良い。さらに、これらの固定方法を併用してもよい。
隣接する複数の電池ホルダの固定方法は、上述した貫通棒を貫通させる以外に、隣接する電池ホルダにそれぞれ凸部および凹部を形成して、これらを嵌め込んで固定してもよい。また、電池ホルダの端部、をプレートで緊縛しても良い。さらに、これらの固定方法を併用してもよい。
以下、本発明の具体的な作製例について説明する。
電極は、正極の塗工幅１２０ｍｍ、負極塗工幅１２５ｍｍであり、未塗工部が１０ｍｍの電極体を用いた。セパレータ厚みは２５μｍのものを用いた。負極の集電箔としてＣｕ箔は厚み１０μｍの箔を用い、正極の集電箔としてＡｌ箔は１５μｍの箔を用いた。正極活物質として粒径Ｄ５０=１２μｍのＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２を用い、負極活物質は、粒径２２μｍの人造黒鉛粒子を用いた。ＰＶＤＦをバインダを用いて電極を作製し、電極体プレス後の活物質層の厚みはそれぞれ１００μｍとした。負極の電極密度は１．５ｇ／ｃｍ２、正極の電極密度は３．８５ｇ／ｃｍ３であった。セパレータは厚さ２５μｍのポリエチレン製セパレータを用いた。
電極は、正極の塗工幅１２０ｍｍ、負極塗工幅１２５ｍｍであり、未塗工部が１０ｍｍの電極体を用いた。セパレータ厚みは２５μｍのものを用いた。負極の集電箔としてＣｕ箔は厚み１０μｍの箔を用い、正極の集電箔としてＡｌ箔は１５μｍの箔を用いた。正極活物質として粒径Ｄ５０=１２μｍのＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２を用い、負極活物質は、粒径２２μｍの人造黒鉛粒子を用いた。ＰＶＤＦをバインダを用いて電極を作製し、電極体プレス後の活物質層の厚みはそれぞれ１００μｍとした。負極の電極密度は１．５ｇ／ｃｍ２、正極の電極密度は３．８５ｇ／ｃｍ３であった。セパレータは厚さ２５μｍのポリエチレン製セパレータを用いた。
１）軸芯
軸芯となる部分の構造は、負極のＣｕ端子または正極のＡｌ端子は幅５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、長さ４０ｍｍとし、端子部にはセルを直列に接続するためのφ６を設けた。端子部材を型に配置して、軸芯部の厚さが４ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１２５ｍｍとなるように型内部にエポキシ樹脂を投入して形成した。樹脂に端子が埋没された長さは１０ｍｍとした。
軸芯となる部分の構造は、負極のＣｕ端子または正極のＡｌ端子は幅５０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、長さ４０ｍｍとし、端子部にはセルを直列に接続するためのφ６を設けた。端子部材を型に配置して、軸芯部の厚さが４ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１２５ｍｍとなるように型内部にエポキシ樹脂を投入して形成した。樹脂に端子が埋没された長さは１０ｍｍとした。
２）捲回
上記の軸芯を捲回機にセットし、素子厚み１８ｍｍの素子体を作成した。
上記の軸芯を捲回機にセットし、素子厚み１８ｍｍの素子体を作成した。
３）溶接方法
両端部に形成された箔に幅４５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を当てて上から超音波溶接を行い、Ｃｕ板と集電箔、端子を溶着した。これを表、裏二箇所で行った。正極も同様に４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの板で溶着を行う。
両端部に形成された箔に幅４５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を当てて上から超音波溶接を行い、Ｃｕ板と集電箔、端子を溶着した。これを表、裏二箇所で行った。正極も同様に４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの板で溶着を行う。
４）封止
金属端子部を１５ｍｍ突き出すように、端子部にタブフィルム配置してこれをアルミラミネートフィルムに入れ、正極、負極を熱溶着して、一辺だけ開口部を残した。端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、段差をなくす構造とした。
金属端子部を１５ｍｍ突き出すように、端子部にタブフィルム配置してこれをアルミラミネートフィルムに入れ、正極、負極を熱溶着して、一辺だけ開口部を残した。端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、段差をなくす構造とした。
５）注液
開口部より、電解液を注入して含浸し、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を２４時間行った。
開口部より、電解液を注入して含浸し、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を２４時間行った。
６）封止
素子を２．７Ｖまで放電後、素子内部を一度減圧、脱泡して、その後開口部を熱溶着して封口してラミネートセルが完成した。
素子を２．７Ｖまで放電後、素子内部を一度減圧、脱泡して、その後開口部を熱溶着して封口してラミネートセルが完成した。
７）電池ホルダへの接続
樹脂製のホルダには、端子貫通できる穴があり、正、負極の端子を通して、完成させた。セルを４個積層して、端子間を直列に接続した。電池ホルダには別途図に示すような穴がありステンレスとの金属棒を積層ガイド間に貫通させ上下をボルトナットで固定した。
樹脂製のホルダには、端子貫通できる穴があり、正、負極の端子を通して、完成させた。セルを４個積層して、端子間を直列に接続した。電池ホルダには別途図に示すような穴がありステンレスとの金属棒を積層ガイド間に貫通させ上下をボルトナットで固定した。
［比較例］
１）素子作製
電極は、実施例と同じものを用いた。
厚さが４ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１２５ｍｍの軸芯を、捲回機にセットして素子厚み１８ｍｍの素子体を作成後、樹脂軸芯を抜いた。
１）素子作製
電極は、実施例と同じものを用いた。
厚さが４ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１２５ｍｍの軸芯を、捲回機にセットして素子厚み１８ｍｍの素子体を作成後、樹脂軸芯を抜いた。
２）溶接方法
実施例で用いた端子部材を、実施例と同様の位置に配置して、同様に超音波溶接を行った。
実施例で用いた端子部材を、実施例と同様の位置に配置して、同様に超音波溶接を行った。
３）封止
金属端子部を１５ｍｍ突き出すように、端子部にタブフィルム配置してこれをアルミラミネートフィルムに入れ、正極、負極を熱溶着して、一辺だけ開口部を残した。端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、段差をなくす構造とした。
金属端子部を１５ｍｍ突き出すように、端子部にタブフィルム配置してこれをアルミラミネートフィルムに入れ、正極、負極を熱溶着して、一辺だけ開口部を残した。端子部分のシール性を良好にするために端子の断面構造は、段差をなくす構造とした。
４）注液
開口部より、電解液を注入して含浸し、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を２４時間行った。
開口部より、電解液を注入して含浸し、４．２Ｖまで０．２Ｃの電流でＣＣＣＶ充電を２４時間行った。
５）封止
素子を２．７Ｖまで放電後、素子内部を一度減圧し、その後開口部を熱溶着して封口してラミネートセルが完成した。
素子を２．７Ｖまで放電後、素子内部を一度減圧し、その後開口部を熱溶着して封口してラミネートセルが完成した。
６）電池ホルダへの接続
樹脂製のホルダには、端子貫通できる穴があり、正、負極の端子を通して、完成させた。セルを４個積層して、端子間を直列に接続した。電池ホルダには別途図に示すような穴がありステンレスとの金属棒を積層ガイド間に貫通させ上下をボルトナットで固定した。
樹脂製のホルダには、端子貫通できる穴があり、正、負極の端子を通して、完成させた。セルを４個積層して、端子間を直列に接続した。電池ホルダには別途図に示すような穴がありステンレスとの金属棒を積層ガイド間に貫通させ上下をボルトナットで固定した。
実施例および比較例のセルモジュールを１４．６Ｖまで充電後、積層ガイド部を振動試験機に固定し、周波数範囲を２０〜４００Ｈｚ、掃引時間を１０分間、３方向各７２時間印加し、加速度は１５Ｇにおいて試験を行った。試験後１０、２０、３０、４０Ａの条件で４点法により内部抵抗を算出し比較を行った。
その結果を表１に示す。実験の結果、比較例では、負極と負極の端子金属と集電箔部分に亀裂が生じ、開回路状態となり、電圧示さないため容量を測定することができなかった。
本発明によれば、ラミネート型２次電池を金属ケース等に収容する必要がなく、電極端子部にて保持することができる。これにより、バッテリーモジュールの小型軽量化を図ることができ、さらには電池要素の冷却効果が高いから、車載用リチウムイオン２次電池システムに適用して極めて有望である。
Ｃ１、Ｃ２…冷却経路、
１０…軸芯、
１１…正極端子、
１２…負極端子、
１３…捲回素子、
１４…正極集電タブ、
１５…負極集電タブ、
１６…ラミネート部、
１７…ボルト型正極端子、
１８…ボルト型負極端子、
２０〜２４…電池ホルダ、
２５…凸部、
３０…正極溶接部、
３１…負極溶接部、
４０〜４１…貫通棒。
１０…軸芯、
１１…正極端子、
１２…負極端子、
１３…捲回素子、
１４…正極集電タブ、
１５…負極集電タブ、
１６…ラミネート部、
１７…ボルト型正極端子、
１８…ボルト型負極端子、
２０〜２４…電池ホルダ、
２５…凸部、
３０…正極溶接部、
３１…負極溶接部、
４０〜４１…貫通棒。
Claims (2)
- ラミネートフィルムと、前記ラミネートフィルムに密閉収納されてなる電池要素と、前記電池要素から導出される正極集電タブおよび負極集電タブとを備えたラミネート型２次電池であって、
前記電池要素は、軸芯に捲回され、
前記軸芯は、両端部の正極端子材料および負極端子材料と、前記両端部の間の絶縁体とからなり、
前記正極集電タブは、前記正極端子材料に接続され、
前記負極集電タブは、前記負極端子材料に接続され、
前記正極端子材料の少なくとも一部および前記負極端子材料の少なくとも一部は、前記ラミネートフィルム外に位置することを特徴とするラミネート型２次電池。 - 請求項１に記載のラミネート型２次電池を複数積層したラミネート型２次電池モジュールであって、
前記各ラミネート型２次電池は、前記軸芯の両端を保持する電池ホルダを有し、
前記電池ホルダを積層したことを特徴とするラミネート型２次電池モジュール。
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| JP2009238038A Pending JP2011086483A (ja) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | ラミネート型２次電池 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011192476A (ja) * | 2010-03-12 | 2011-09-29 | Hitachi Vehicle Energy Ltd | リチウムイオン二次電池 |
| KR20140104435A (ko) * | 2011-12-19 | 2014-08-28 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | 전기 에너지 저장 모듈 및 전기 에너지 저장 모듈의 제조 방법 |
| JP2014203792A (ja) * | 2013-04-09 | 2014-10-27 | 株式会社デンソー | 蓄電素子 |
| JPWO2013046349A1 (ja) * | 2011-09-28 | 2015-03-26 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 角形電池 |
| CN111490297A (zh) * | 2019-01-29 | 2020-08-04 | 本田技研工业株式会社 | 电池模块 |
-
2009
- 2009-10-15 JP JP2009238038A patent/JP2011086483A/ja active Pending
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