JP2011530156A - 組電池およびそれに用いられる環状型セル - Google Patents

組電池およびそれに用いられる環状型セル Download PDF

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Abstract

本発明の課題は、大容量で高出力密度かつ厚さ寸法の小さい環状型電池は体積が大きく、エネルギー密度が低いという問題を解決すると共に、電池の熱放散性も一層改善する、大容量の組電池を提供することにある。本発明はまた、熱放散フィンを備えた環状型セルも提供する。
かかる課題を解決するために、本発明の組電池は、互いに電気的に並列接続された複数の単セル１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備え、個々の単セル１Ａ，１Ｂ，１Ｃはそれぞれ貫通孔を有する環状型とされており、該複数の単セル１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、一の単セルが他の単セルの内側に配設される入れ子状態にて配列されている。
【選択図】図５

Description

本発明は組電池に係り、特に、電気自動車やインテリジェント電力網等に適用され得る大容量で高電力の組電池（動力電池）に関するものである。本発明はまた、かかる組電池に用いられる環状型セルにも関するものである。
１９９０年代初頭以来、リチウムイオン電池は明らか且つ確実な技術革新を遂げており、携帯機器の急速な発展をもたらすに至っている。ここ１０年では、安全性や効率面が急速に改良され、動力電池は高出力トルクモータとして、大型電気工具、ハイブリッド自動車および電気自動車等の様々な分野に適応されている。動力電池は、完全に内燃エンジンに依存する電力システムにおける少なくとも部分的な代替手段として機能しており、環境エネルギーにおける新たな発展を誘発している。
現在のところ、高出力の中実型動力電池における熱放散の悪さを懸念して、リチウムイオン動力電池は小型分野で実用化されており、通常８−１００Ａｈのユニット容量を有している。典型的なリチウムイオン動力電池としては、ＳＰＩＭ２４３００２６０の１００Ａｈの角型リチウムイオン動力電池（中信国安盟固利新能源科技有限公司製）、ＩＭＰ２０／６６／１４８−０８ＰＳ ８Ａｈの高性能電池（星恒電源有限公司（蘇州）製）が知られている。当業者は、これらの電池セルを直列或いは並列に接続して電池パックの電圧および容量を増大させることにより、異なる分野での要求に対応している。例えば、北京中威信通科技有限公司では、１０Ａｈのユニット容量のパワー単セルから成る電池パックを用い、電気通信分野用の４８Ｖ−３００Ａｈ電池パックを使用するＵＰＳサンプル製品ＺＷＤＹ−４８／３００を開発した。
ＥＰ１７０５７４３Ａ１は、複数の単セルを有する電池モジュールに関する。この電池モジュールでは、単セルは互いに所定距離を隔てて配置されており、直列又は並列接続されている。
ＵＳ２００５／０１７４０９２Ａ１は車両で使用される電池システムに関し、電気的に接続された複数のリチウム電池を含んでいる。一実施形態によれば、電池システムは、直列接続された複数（例えば１０）のリチウム電池を含むモジュールを備えている。別の実施形態によれば、モジュールは、コネクターを介してワイヤーまたはケーブルに連結されて、別のモジュールや車両電気系統に連結されるようになっている。
しかしながら、既存の中実動力電池の電力出力特性は、ハイ・レベルな分野での必要条件を満たすに至っておらず、技術者は、セル容量を減少させてクリアランスを提供し押込換気を用いることによってしか、希望の高い電力出力特性を得ることが出来ない。代表例として、２００８年３月に量産化された、ＵＳテスラ・モータ製の電気自動車「テスラ・ロードスター」がある。ここでは、休息状態から４秒以内での１００ｋｍ／ｈへの加速を実現するために、電池パックでは、現在最も成熟した１８６５０のタイプのリチウムイオン電池セルが採用されている。各自動車においては、６８３１個もの１８６５０のタイプ・リチウムイオン電池セルが使用されている。ここでは、全体の電力システムの信頼度を確保するために、パワーマネジメント・システムの複雑さや、アセンブリーの複雑さ、電池パックのメンテナンス要求等が大幅に増加することとなる。
今後の動力電池製品の製品コスト削減に伴い、動力電池製品の適用分野は、発電所のエネルギー貯蔵およびピーク制御、電力網フィルタリング、電車用予備電力等の分野にまで広がる。その際、これらの分野で要求されるＭＷレベルを満たすべく、どのようにセルを組み合わせれば１００Ａｈ未満の容量とすることができるのか、想像することはほとんど不可能である。
改良として、ＵＳ５５０１９１６Ａには、電池コア内に貫通孔を設けた電池セルが開示されており、貫通孔の側壁の少なくとも一部に対して、電池シェル（ｓｈｅｌｌ）を形成する蓋が、直接に又は蓋に熱により接続されたアルミプレートを介して閉塞状態で取り付けられている。これにより、セル内の熱放散性が改善されている。
しかしながら、ここで言及されているように貫通孔を設けることは、熱放散の問題を解決するうえで重要な手掛かりとはならない。熱放散問題を解決する為に重要なことは、電池コアの最大厚さ寸法を制限することである。貫通孔を設けることによって電池コアの最大厚さ寸法を小さくすることはできる。しかしながら、電池セルの容量が３００Ａｈを超えるまでに増大したり、中実型電池コアの最大厚さ寸法が１００ｍｍ以上となる場合は、安全性や効率性の面から電池コアの最大厚さ寸法が制限される。そのため、単に貫通孔の径寸法を大きくしたり、数を増やしたりするだけでは、熱放散の問題が解決されても、他の問題を招来することとなる。例えば、貫通孔の径寸法を大きくすると貫通孔内に中空の（無駄な）容積が増え、電池セルひいては電池パック全体のエネルギー密度や出力密度の低下を招く一方、貫通孔の数を増やすと製造性やコスト性の低下を招くことになる。
従って、熱放散問題を有効に解決できると同時に大容量で安全性が高く、高エネルギー密度および高出力密度を有する電池製品を設計することが望ましいのである。
本発明は、上述の如き事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、上述の従来の動力電池における不具合を解消する、大容量の組電池や電池パックを提供することにある。
即ち、本発明の一態様に従う組電池は、互いに電気的に並列接続された複数の単セルを備え、該複数の単セルは、一の単セルが他の単セルの内側に配設される入れ子状態にて配列されている。
好ましい態様によれば、前記複数の単セルがそれぞれ貫通孔を有する環状型単セルとされている一方、各前記環状型単セルは、貫通孔によって規定される内側壁と、該環状型単セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と外側壁の間のコアを有しており、該複数の単セルは、一の単セルが他の単セルの該貫通孔内に配設される入れ子状態にて配列されている。
好ましい態様によれば、前記複数の単セルが、中実型単セルと、該中実型単セルを囲う１以上の環状型単セルを含んでいると共に、前記環状型単セルは貫通孔を有し、前記中実型単セルはコアと該中実型単セルの外周部によって規定される外側壁を有する一方、前記環状型単セルは、貫通孔によって規定される内側壁と、該環状型単セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と外側壁の間のコアを有しており、前記中実型単セルと前記１以上の環状型単セルは、一の単セルが他の単セルの該貫通孔内に配設される入れ子状態にて配列されている。
本発明に従えば、複数の単セルが入れ子状態に並列接続されている。これにより、大容量で高出力密度かつ厚さ寸法の小さい環状型電池は体積が大きく、エネルギー密度が低いという問題を解決できると共に、組電池や電池パックの熱放散性も一層改善される。即ち、複数の単セルが異なるサイズとなるように設計されているため、断面積の小さな単セルを断面積の大きな単セルの貫通孔内に配設することができ、全ての単セルが入れ子状態にて配設される。それ故、大容量で熱放散性の良好な電池製品を得ることができる一方、単セルの貫通孔内における中空容積を有効に利用することができ、電池製品のエネルギー密度も高まる。
好ましい態様によれば、各前記環状型単セルの前記コアの最大厚さ寸法が３５ｍｍ以下とされている。これにより、セルのコアの内部電極シートからセル側壁の熱伝導面までの最大距離を制限することができ、セルのシェルの一部を形成する側壁の熱伝導面を介しての熱放散が一層容易になる。ここにおいて、環状型セルのコアの厚さ寸法とは、セルのコアの内側壁から外側壁に至るサイズをいう。例えば、セルのコアが中空円筒である場合は、厚さ寸法は内外半径の差に相当する。しかしながら、単セルのコアの最大厚さ寸法は３５ｍｍ以下に限定されない。例えば、比較的低効率の電池のみを必要とする用途においては、最大厚さ寸法は、目的に合わせて、例えば５０ｍｍまで増大させることができる。
好ましい態様によれば、隣接する二つの前記単セルの隙間寸法が５ｍｍ以上とされている。これにより、電池パックの熱放散効果を向上させることができる。ここにおいて、隣接する二つの単セルの隙間寸法とは、隣接する二つの単セルのうち断面積の小さい方の単セルの外側壁と断面積の大きい方の単セルの内側壁の間の最小距離をいう。例えば、内側壁と外側壁が共に環状である場合は、隙間寸法は断面積の小さい方の単セルの外側壁の外半径と断面積の大きい方の単セルの内側壁の内半径の差に等しい。しかしながら、最小距離は５ｍｍ以上に限定されず、比較的低効率の電池のみを必要とする用途においては、０ｍｍであっても良い。即ち、隣接する二つの単セルのうち断面積の小さい方の単セルの外側壁と断面積の大きい方の単セルの内側壁が密接していても良い。
好ましい態様によれば、熱放散性の必要性がさほど高くない用途においては、隣接する二つの前記単セルのうち、一方の前記単セルの前記外側壁が、該一方の前記単セルを囲う他方の前記単セルの前記内側壁と共用されている。これにより、組電池の製造が容易となる。
好ましい態様によれば、前記複数の単セルの少なくとも一つには、熱放散フィンが内側壁および／又は外側壁に設けられている。これにより、単セルのシェルの側壁面を介しての熱放散が容易とされる。
好ましい態様によれば、熱放散フィンは組電池全体の外側壁、即ち、最も大きな断面積を有し、他の全ての単セルを囲う環状型単セルの外側壁に設けられており、全ての熱放散フィンの外形形状は全体として長方形もしくは正方形とされている。これにより、複数の組電池の配列が容易となり、熱放散性を高めるために熱放散フィンを配置する組電池間のスペースを最大限に利用することができる。言うまでもなく、熱放散フィンの全体外形形状は、具体的に要求されるスペース配置に応じて、他の任意の適当な形状、例えば、三角形、台形あるいは不規則な幾何学的図形とされていても良い。
好ましい態様によれば、前記複数の単セルが、互いに分離可能に入れ子状態に組み合わされている。これにより、組電池が極めて柔軟な構造で提供される。即ち、入れ子状態に組み合わされた単セルの数を必要に応じて増減することができ、様々な容量の組電池を提供することが可能となる。
好ましい態様によれば、複数の単セルが互いに入れ子状態に組み合わされた後に一体的に連結されている。これにより、電池パック全体の機械的強度が高まる。そこにおいて、好適には、本発明に従う組電池では、隣接する二つの前記単セルにおける対向する前記内側壁と前記外側壁が、前記熱放散フィンを介して固定的に連結されている。これにより、機械的強度の高い一体型電池パックを得られる一方、熱放散が効果的に実現される。
好ましい態様によれば、前記環状型単セルが中空円筒とされている。これにより、電池パックを簡単な構造で得ることができ、製造や組み立ても容易となる。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、単セルは任意の適当な形とすることができる。例えば、単セルは中空直方体等の中空角柱、即ち、多角形断面を有する中空角柱とされていても良い。これに対応して、中実型単セルが中実型円筒または中実型角柱とされていても良い。
好ましい態様によれば、前記環状型単セルの前記貫通孔の中心線が該環状型単セルの幾何中心線と一致している。そこにおいて、貫通孔は円形状とされていても良いし、多角形や、他の任意の適当な形とされていても良い。例えば、環状型単セルが中空円筒である場合は、貫通孔は円筒の中心軸と共軸の円形孔とされていても良い。こうすることによって、一般的に、内部電極シートから隣接する単セル側壁の熱伝導面までの最大距離をより小さくすることができ、単セル側壁の熱伝導面を介してのより優れた熱放散が実現される。また、シェルおよびコアの組み立ても容易とされる。さらに、セルのコアが電解質を吸収して膨張した際に、セルのコアをより一定の応力分布をもってシェルにぴったりと当接させて、シェルに及ぼされるねじり方向の力を軽減し、セルをより一層保護することができる。
好ましい態様によれば、前記単セルがリチウムイオンセルとされている。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、ニッケル水素セルやニッカドセル等の他タイプの単セルを採用することも可能である。
本発明の別の態様は、本発明に従う組電池内で使用される、熱放散性能が改良されたセルに関するものである。本発明に従うセルは、貫通孔を有する環状型のセルであって、貫通孔によって規定される内側壁と、該セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と該外側壁の間のコアを有する一方、該内側壁および／又は該外側壁が二枚のシェルを含む二重壁とされており、該二枚のシェルが熱放散フィンによって一体的に連結されていることを、特徴とする。
内側壁および／又は外側壁が熱放散フィンによって一体的に連結された二枚のシェルを含む二重壁とされていることから、セル側壁を介しての熱放散性がより一層改善される。また、本発明内容に含まれているように、複数のセルを必要に応じて適時電気的に並列接続することができ、容量の増加という目的も自由に達成される。
好ましい態様によれば、前記セルの前記内側壁と前記外側壁の一方が前記二重壁とされていると共に、他方に前記熱放散フィンが設けられている。あるいは、内側壁と外側壁が共に二重壁とされていても良い。
更にまた、前記セルは本発明に従う組電池における単セルと同様の構成とされていても良い。例えば、前記セルは中空円筒または中空角柱とされていても良く、該セルの前記貫通孔の中心線が該セルの幾何中心線と一致していても良い。また、前記セルがリチウムイオンセルとされていても良い。
比較例としての貫通孔を有する６００Ａｈ環状型パワー単セルを概略的に示す斜視図。 本発明の第一の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 同組電池の図２におけるＸ−Ｘ断面図。 本発明の第二の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第三の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第四の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第五の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第六の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第七の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第八の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の第九の実施形態としての６００Ａｈ環状型組電池（動力電池）を概略的に示す斜視図。 本発明の組電池内での使用に適した、本発明の環状型セルの一実施形態を概略的に示す斜視図。 本発明の組電池内での使用に適した、本発明の環状型セルの他の実施形態を概略的に示す斜視図。 本発明の組電池内での使用に適した、本発明の環状型セルの更に他の実施形態を概略的に示す斜視図。
本発明のその他の特徴および利点を明らかにするために、本発明に従う組電池および該組電池内での使用に適した環状型セルの好ましい実施形態について、以下に詳細に説明する。それらは限定的でない例として図面に示されている。
図面はあくまでも例示を目的としたものであって、必ずしも実寸法を示すものではない。図面をより明瞭にする目的またはある部分を目立たせる目的で、他の部分とは相対的に誇張された部分もあり得る。また、実施形態と図面においてそれぞれ対応する部材には同一の符号を付してある。
以下、比較例および本発明のいくつかの実施形態について、図面を参照しつつ、説明する。比較例および全ての実施形態においては、同一の正負電極シート用スラリーおよび集電装置を使用し、同一のコーティング工程および乾式法を採用して正負電極シートを製造している。また、同一の金属材料を用いてセルのシェルを形成している。正極の材料はマンガン酸リチウムであり、負極の材料は天然黒鉛である。セルのシェルの形成に使用される金属材料はアルミニウムまたはステンレス鋼である。比較例および実施形態において、組電池や電池パックの単セルのコアは各々一枚の正極シートと負極シートおよびセパレーターの巻線によって形成しても良いし、各々複数枚の正極シートと負極シートおよびセパレーターの積層によって形成しても良い。または、並列接続された複数の低容量電気コア（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｒｅｓ）によって形成しても良い。即ち、本発明の組電池では、従来技術における様々な構造のセルのコアを単セルのコアとして採用することができ、優れた順応性および幅広い適用性が発揮される。また、比較例および実施形態においては、一例としてリチウムイオン電池について説明する。
図１には、本発明の発明者が設計した、比較例としてのリチウムイオン電池が概略的に示されている。比較例のリチウムイオン電池は貫通孔を有する６００Ａｈ環状型パワー単セルである。この環状型パワー単セルは中空円筒とされており、外径寸法は５９０ｍｍ、内径寸法（貫通孔の径寸法）は５２５ｍｍ、高さ寸法は１８０ｍｍとされている。熱放散フィンは電池シェルの外側壁４および貫通孔によって規定される内側壁５の両方に設けられており、外側壁４と内側壁５の間の距離、即ち電池コアの厚さ寸法は３２．５ｍｍとされている。比較例の電池の最大径寸法（熱放散フィンを含む）は６１５ｍｍであり、エネルギー密度は４１．５４Ｗｈ／Ｌとされている。
図２には、本発明の第一の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。図３には同組電池の図２におけるＸ−Ｘ断面図が示されている。図２および図３に示されているように、この組電池は、中空円筒形とされた三つの環状型単セルを含んで構成されており、それらの単セルは、端子伝導接続部３によって並列接続されている。この三つの単セルは、以下の順序で（内側から外側へ）互いに入れ子状態にて配列されている。具体的には、容量１００Ａｈ、外径寸法１２５ｍｍ、内径寸法６０ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍとされた環状型リチウムイオンパワー単セル１Ａが最も内側に配置されており、続いて容量２００Ａｈ、外径寸法２１５ｍｍ、内径寸法１５０ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍとされた環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂ、そして最も外側に配置されているのが容量３００Ａｈ、外径寸法３０５ｍｍ、内径寸法２４０ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍとされた環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃである。三つの環状型リチウムイオンパワー単セル１Ａ、１Ｂおよび１Ｃのコアはそれぞれ３２．５ｍｍの最大厚さ寸法を有しており、それらの隙間寸法（二つの隣接するセルにおいて対向する内側壁と外側壁の間の最小距離）は１２．５ｍｍとされている。熱放散フィンは各単セルの内側壁、外側壁のどちらにも設けられていない。本実施形態に従う組電池のエネルギー密度は１６８．９５Ｗｈ／Ｌとされており、これは比較例の電池が持つエネルギー密度の４．０７倍にあたる。本実施形態の組電池は充電／放電率が１５Ｃ以下の条件での使用に適している。
図４には、本発明の第二の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。この組電池の構造は図２および図３に示された第一の実施形態と実質的に同一とされているが、以下の点が異ならされている。即ち、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ａの内側壁５Ａの表面および環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃの外側壁４Ｃの表面に熱放散フィンが設けられている。本実施形態の組電池の最大径寸法（熱放散フィンを含む）は３３０ｍｍである。熱放散フィンを考慮に入れた場合のエネルギー密度は１４４．２５Ｗｈ／Ｌとされており、これは比較例の電池が持つエネルギー密度の３．４７倍にあたる。通気性を強化したことで、本実施形態の組電池は充電／放電率が２０Ｃ以下の条件での使用に適している。
図５には、本発明の第三の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。この組電池の構造もまた、図２および図３に示された第一の実施形態と実質的に同一とされているが、以下の点が異ならされている。即ち、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ａの外側壁４Ａと内側壁５Ａの表面、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂの外側壁４Ｂの表面、および環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃの外側壁４Ｃの表面に熱放散フィンが設けられている。本実施形態の組電池では、熱放散フィンを考慮に入れた場合のエネルギー密度は１４４．２５Ｗｈ／Ｌとされており、これは比較例の電池が持つエネルギー密度の３．４７倍にあたる。通気性を強化したことで、本実施形態の組電池は充電／放電率が３０Ｃ以下の条件での使用に適している。
図６には、本発明の第四の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。この組電池の構造は図５に示された第三の実施形態と実質的に同一とされているが、以下の点が異ならされている。即ち、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ａの外側壁４Ａと環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂの内側壁５Ｂが熱放散フィンを介して固定的かつ一体的に連結されている一方、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂの外側壁４Ｂと環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃの内側壁５Ｃが熱放散フィンを介して固定的かつ一体的に連結されている。本実施形態の組電池では、熱放散フィンを考慮に入れた場合のエネルギー密度は１４４．２５Ｗｈ／Ｌとされており、これは比較例の電池が持つエネルギー密度の３．４７倍にあたる。通気性を強化したことで、本実施形態の組電池は充電／放電率が３０Ｃ以下の条件での使用に適している。
図７には、本発明の第五の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。この組電池の構造は図６に示された第四の実施形態と実質的に同一とされているが、以下の点が異ならされている。即ち、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃの外側壁４Ｃに設けられた全熱放散フィンによって形成される、全体の外形形状が正方形とされている。これにより、複数の組電池の配列が容易となり、熱放散性を高めるために熱放散フィンを配置する組電池間のスペースを最大限に利用することができる。本実施形態の組電池では、外側の熱放散フィンを考慮に入れた場合のサイズは３２０ｍｍ×３２０ｍｍ、エネルギー密度は１２０．４Ｗｈ／Ｌとされている。通気性を強化したことで、本実施形態の組電池は充電／放電率が３０Ｃ以下の条件での使用に適している。
図８には、本発明の第六の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。本実施形態の組電池も三つの単セルを含んで構成されており、この三つの単セルは、以下の順序で（内側から外側へ）互いに入れ子状態にて配列されている。具体的には、径寸法１００ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍ、容量１００Ａｈ、最大熱伝導距離２５ｍｍとされた中実型単セル１Ａが最も内側に配置されており、続いて内径寸法１１０ｍｍ、外径寸法１８０ｍｍ、容量２００Ａｈ、最大熱伝導距離１７．５ｍｍとされた環状型単セル１Ｂ、そして最も外側に配置されているのが内径寸法１９０ｍｍ、外径寸法２５５ｍｍ、容量３００Ａｈ、最大熱伝導距離１６．２５ｍｍとされた環状型単セル１Ｃである。図８に示されているように、最も内側の単セル１Ａが中実型単セルである点を除いては、この組電池は第三の実施形態の組電池と同様の構造を有しており、熱放散フィンの配置も同様である。この組電池は、外側の熱放散フィンを考慮に入れた場合の最大径寸法は２６５ｍｍ、エネルギー密度は２２３．７Ｗｈ／Ｌとされており、最大放電率が４Ｃ以下の条件での使用に適している。
図９には、本発明の第七の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。この組電池の構造は図８に示された第六の実施形態と実質的に同一とされているが、以下の点が異ならされている。即ち、中実型リチウムイオンパワー単セル１Ａの外側壁４Ａと環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂの内側壁５Ｂが熱放散フィンを介して固定的かつ一体的に連結されている一方、環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｂの外側壁４Ｂと環状型リチウムイオンパワー単セル１Ｃの内側壁５Ｃが熱放散フィンを介して固定的かつ一体的に連結されている。この組電池では、外側の熱放散フィンを考慮に入れた場合の最大径寸法は２６５ｍｍ、エネルギー密度は２２３．７Ｗｈ／Ｌとされており、最大放電率が４Ｃ以下の条件での使用に適している。
図１０には、本発明の第八の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。本実施形態の組電池も三つの単セルを含んで構成されており、この三つの単セルは、以下の順序で（内側から外側へ）互いに入れ子状態にて配列されている。具体的には、径寸法１００ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍ、容量１００Ａｈ、最大熱伝導距離２５ｍｍとされた中実型単セル１Ａが最も内側に配置されており、続いて内径寸法１０２ｍｍ、外径寸法１７２ｍｍ、容量２００Ａｈ、最大熱伝導距離１７．５ｍｍとされた環状型単セル１Ｂ、そして最も外側に配置されているのが内径寸法１７４ｍｍ、外径寸法２４０ｍｍ、容量３００Ａｈ、最大熱伝導距離１６．５ｍｍとされた環状型単セル１Ｃである。熱放散フィンは三つの単セルの内側壁、外側壁のどちらにも設けられておらず、各単セル間の隙間寸法は比較的小さい僅か２ｍｍとされている。この組電池のエネルギー密度は２７２．８Ｗｈ／Ｌとされており、最大放電率が２Ｃ以下の条件での使用に適している。
図１１には、本発明の第九の実施形態としての６００Ａｈリチウムイオン組電池（動力電池）が概略的に示されている。本実施形態の組電池も三つの単セルを含んで構成されており、この三つの単セルは、以下の順序で（内側から外側へ）互いに入れ子状態にて配列されている。具体的には、径寸法１００ｍｍ、高さ寸法１８０ｍｍ、容量１００Ａｈ、最大熱伝導距離２５ｍｍとされた中実型単セル１Ａが最も内側に配置されており、続いて内径寸法１００ｍｍ、外径寸法１７０ｍｍ、容量２００Ａｈ、最大熱伝導距離１７．５ｍｍとされた環状型単セル１Ｂ、そして最も外側に配置されているのが内径寸法１７０ｍｍ、外径寸法２３６ｍｍ、容量３００Ａｈ、最大熱伝導距離１６．５ｍｍとされた環状型単セル１Ｃである。図１１に示されているように、中実型単セル１Ａの外側壁は環状型単セル１Ｂの内側壁と共用されており、環状型単セル１Ｂの外側壁は環状型単セル１Ｃの内側壁と共用されている。環状型単セル１Ｃの外側壁に熱放散フィンは設けられていない。この組電池のエネルギー密度は２８２．１Ｗｈ／Ｌとされており、最大放電率が１Ｃ以下の条件での使用に適している。
上述の第一〜第三、第六および第八の実施形態においては、組電池内の三つの単セルは互いに分離可能に入れ子状態に組み合わされている。これにより、組電池内の入れ子状態に組み合わされた単セルの数を必要に応じて増減することができ、様々な容量の組電池を提供することが可能となる。例えば、容量４００Ａｈの組電池を得るには、単セル１Ａと単セル１Ｃを端子伝導接続部３で接続するだけで良い。また、三つの単セルは端子伝導接続部３で電気的に接続するだけでなく、更に、従来技術で公知の他の適当な手段によって機械的に接続し、組電池の機械的な安定性を向上させることもできる。例えば、組電池の外側に更にケーシングを配設して組電池を収容しても良い。こうすることにより、組電池全体の運搬や設置も容易となる。
また、上述の第四、第五および第七の実施形態においては、隣接する二つのリチウムイオンパワー単セルにおける内側壁と外側壁が、熱放散フィンを介して固定的かつ一体的に連結されている。これにより、組電池全体の熱放散性が向上すると共に、組電池の機械的強度も高まって、組電池全体の構造がより安定する。なお、第九の実施形態においても、隣接する二つの単セルが一つの側壁を共有していることにより、組電池の機械的強度が増すと共に製造も容易となる。
更にまた、上述の本発明の実施形態においては、比較例に比して、組電池のエネルギー密度が大幅に増加している。加えて、組電池の熱放散性能は組電池内の個々の単セルの熱放散性能によって決まることから、単セルの最大厚さ寸法および／又は各単セル間の隙間寸法を適当に設定することによって、および／又は熱放散フィンを設けることによって組電池の熱放散性能を確保することが可能となる。
図１２〜図１４には、本発明の組電池に適用可能な、三つの実施形態としての環状型単セルが斜視図で概略的に示されている。例示された三つの環状型単セルはそれぞれ中空円筒とされており、内側壁および／又は外側壁が、熱放散フィンによって一体的に連結された二枚のシェルを含む二重壁とされていることを特徴とする。図１２に示されているように、環状型セル１Ａは外側壁４Ａが二重壁とされており、内側壁５Ａに熱放散フィンが設けられている。また、図１３に示されているように、環状型セル１Ｂは外側壁４Ｂと内側壁の両方が二重壁とされている。そして、図１４に示されているように、環状型セル１Ｃは内側壁５Ｃが二重壁とされており、外側壁４Ｃに熱放散フィンが設けられている。勿論、二重壁とされていない側壁に熱放散フィンを設けないことも可能である。二重壁を採用したことによって、三つの環状型単セルの側壁を介しての熱放散効果が一層改善される。これらの三つの環状型単セルは、例えば、本発明の第四の実施形態としての組電池に適用することができ、本発明内容に含まれているように、必要に応じて他の単セルと電気的に並列接続されていても良い。こうすることにより、容量の増加という目的も自由に達成される。
以上、本発明の幾つかの実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。また、本発明の開示内容から当業者が容易に想定できる種々なる修正、代用、変更は、何れも、本発明の保護範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。例えば、本発明の組電池においては、複数の環状型単セルは異なる高さ寸法、異なる最大厚さ寸法、異なる形状等を有していても良い。また、環状型単セルの最大厚さ寸法、および隣接する単セル間の隙間寸法は、エネルギー密度と熱放散性能の好適なバランスを取る目的で適当な値に設定可能である。更にまた、組電池において入れ子状態に配列された単セルの数は、上述の三つに限定されるものではなく、二つ、四つ、あるいは必要に応じてそれ以上の数であっても良い。また、組電池における個々の単セルの容量は前記実施形態における具体的な数値に限定されるものではなく、必要に応じて種々の容量の単セルが採用可能である。更にまた、本発明の組電池においては、熱放散フィンの配置は前記実施形態の記載に限定されるものではなく、実際の要求や具体的用途に応じて、一つ以上の単セルにおいて任意に選択された内側壁および／又は外側壁表面の全体に、あるいは部分的に配設されていても良い。本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。

Claims (18)

  1. 互いに電気的に並列接続された複数の単セルを備え、該複数の単セルは、一の単セルが他の単セルの内側に配設される入れ子式にて配列されている組電池。
  2. 前記複数の単セルがそれぞれ貫通孔を有する環状型単セルとされている一方、各前記環状型単セルは、貫通孔によって規定される内側壁と、該環状型単セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と外側壁の間のコアを有しており、該複数の単セルは、一の単セルが他の単セルの該貫通孔内に配設される入れ子式にて配列されている請求項１に記載の組電池。
  3. 前記複数の単セルが、中実型単セルと、該中実型単セルを囲う１以上の環状型単セルを含んでいると共に、前記環状型単セルは貫通孔を有し、前記中実型単セルはコアと該中実型単セルの外周部によって規定される外側壁を有する一方、前記環状型単セルは、貫通孔によって規定される内側壁と、該環状型単セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と外側壁の間のコアを有しており、前記中実型単セルと前記１以上の環状型単セルは、一の単セルが他の単セルの該貫通孔内に配設される入れ子式にて配列されている請求項１に記載の組電池。
  4. 各前記環状型単セルの前記コアの最大厚さ寸法が３５ｍｍ以下とされている請求項２又は３に記載の組電池。
  5. 隣接する二つの前記単セルの隙間寸法が５ｍｍ以上とされている請求項１〜３の何れか１項に記載の組電池。
  6. 隣接する二つの前記単セルのうち、一方の前記単セルの前記外側壁が、該一方の前記単セルを囲う他方の前記単セルの前記内側壁と共用されている請求項１〜３の何れか１項に記載の組電池。
  7. 前記複数の単セルの少なくとも一つには、熱放散フィンが内側壁および／又は外側壁に設けられている請求項２又は３に記載の組電池。
  8. 前記複数の単セルが、互いに分離可能に入れ子式に組み合わされている請求項１〜３の何れか１項に記載の組電池。
  9. 隣接する二つの前記単セルにおける対向する前記内側壁と前記外側壁が、前記熱放散フィンを介して固定的に連結されている請求項１〜３の何れか１項に記載の組電池。
  10. 前記環状型単セルが中空円筒又は中空角柱とされており、前記環状型単セルの前記貫通孔の中心線が該環状型単セルの幾何中心線と一致している請求項２に記載の組電池。
  11. 前記環状型単セルが中空円筒又は中空角柱とされている一方、前記中実型単セルが対応する中実円筒又は中実角柱とされており、前記環状型単セルの前記貫通孔の中心線が該環状型単セルの幾何中心線と一致している請求項３に記載の組電池。
  12. 前記単セルがリチウムイオンセルである請求項１〜３の何れか１項に記載の組電池。
  13. 前記単セルの前記コアが、正電極シートと負電極シートとセパレータの巻線又は積層により形成されている請求項２又は３に記載の組電池。
  14. 前記単セルの前記コアが、並列接続された複数の低容量の電気コアによって形成されている請求項２又は３に記載の組電池。
  15. 貫通孔を有する環状型のセルであって、貫通孔によって規定される内側壁と、該セルの外周部によって規定される外側壁と、該内側壁と該外側壁の間のコアを有する一方、該内側壁および／又は該外側壁が二枚のシェルを含む二重壁とされており、該二枚のシェルが熱放散フィンによって一体的に連結されているセル。
  16. 前記内側壁と前記外側壁の一方が前記二重壁とされていると共に、他方に前記熱放散フィンが設けられている請求項１５に記載のセル。
  17. 前記セルが中空円筒又は中空角柱とされており、該セルの前記貫通孔の中心線が該セルの幾何中心線と一致している請求項１５又は１６に記載のセル。
  18. 前記セルがリチウムイオンセルである請求項１５又は１６に記載のセル。
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