JP2012119137A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】素電池の温度が急激に上昇すると、その温度上昇を防止できないことがある。また、異常な素電池の熱が正常な素電池に伝わる恐れがある。
【解決手段】複数の素電池１は、熱伝導性材料からなるホルダー２５に形成された収容部２５ａ内に収容されている。収容部２５ａ内の隙間には、吸熱剤２７が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の素電池が配列されて構成された電池モジュールに関する。

近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、このような二次電池を車両又は蓄熱等の電源として使用することが検討されている。

具体的には、二次電池（素電池）を電気的に接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを車両等の電源として使用することが検討されている。例えば、特許文献１〜２には、異常発熱した素電池（以下では「異常な素電池」と記す）の熱が素電池を収容する成形体へ伝わることを防止する技術が記載されている。また、特許文献３〜４には、異常な素電池の温度上昇を防止する技術が記載されている。

ＷＯ２０１０／０２６７３１Ａ１ ＷＯ２０１０／０２６７３２Ａ１ 特開２００３−３１１８７号公報 特開２００４−２２８０４７号公報

上記技術では、素電池の温度が急激に上昇したときにその温度上昇を抑制できない恐れがある。また、上記技術では、異常発熱した素電池の熱が正常な素電池に伝わる恐れがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安全性に優れた電池モジュールを提供することにある。

本発明に係る電池モジュールでは、複数の素電池は、熱伝導性材料からなるホルダーに形成された収容部内に収容されている。収容部とその収容部内に収容された素電池との間（以下では「収容部内の隙間」と記す）には、吸熱剤が設けられている。

素電池が異常発熱すると、その熱の一部は、異常な素電池が収容された収容部内の隙間に設けられた吸熱剤（以下では「異常な素電池の外周に存する吸熱剤」と記す）に吸収される。また、その吸熱剤に吸収されなかった熱は、ホルダーへ移動してホルダーで拡散される。

ホルダーで拡散された熱の一部分は、異常な素電池の近くに位置する正常な素電池（以下では「近傍の素電池」と記す）の外周に存する吸熱剤に吸収される。

なお、「熱伝導性材料からなるホルダー」は、ホルダー全体の熱伝導率が所定値（例えば５０Ｗ／ｍＫ）以上であれば良い。そのため、「熱伝導性材料からなるホルダー」は、熱伝導率の高い材料のみからなっても良いし、熱伝導率の低い材料を含んでいても良い。熱伝導率の高い材料とは、熱伝導率が例えば５０Ｗ／ｍＫ以上の材料である。

また、「異常発熱」は、素電池を通常の充放電させたときの発熱とは異なる発熱であり、例えば素電池において内部短絡又は外部短絡が発生したときの発熱である。

本発明によれば、電池モジュールの安全性が向上する。

本発明の一実施形態における素電池の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る電池モジュールの断面図である。 図２に示すIII領域の拡大図である。 本発明の別の一実施形態に係る電池モジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。

本発明の実施形態に係る電池モジュールは複数の素電池が配列されて構成されている。以下では、素電池及び電池モジュールの各構成を説明してから、電池モジュールにおける熱の拡散を説明する。

図１は、本実施形態における素電池の縦断面図である。

本実施形態における素電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、電池ケース３の開口部がガスケット５を介して封口板７で封止されて構成されている。封口板７には、開放部７ａが形成されており、開放部７ａは、素電池１が異常状態に陥ったときに高温なガスを電池ケース３の外へ排気するための開口部である。

電池ケース３内には、非水電解質と共に電極群が収容されており、電極群は、正極板１１と負極板１３とがセパレータ１５を介して捲回されて構成されている。正極板１１は、正極リード１１Ｌを介して封口板７（正極端子）に接続されており、負極板１３は、負極リード１３Ｌを介して電池ケース３（負極端子）に接続されている。

図２は、本実施形態に係る電池モジュール２１の断面図である。なお、図２では、図面が複雑になることを避けるために、素電池１についてはその外形を記している。以下の図３及び図４においても同様である。

本実施形態に係る電池モジュール２１は、図２に示すように、複数の素電池１が配列されて鉄製のケース２３内に収容されて構成されている。詳細には、ケース２３には、アルミニウムからなるホルダー２５が収容されており、ホルダー２５には複数の収容部２５ａが形成されている。各収容部２５ａ内では、素電池１の長手方向は収容部２５ａの長手方向と略平行である。

素電池１と収容部２５ａとの間には、それぞれ、若干の隙間が存在しており、この隙間には、吸熱剤２７が充填されている。吸熱剤２７は、素電池１が異常発熱したときにその熱を吸収し、２００℃以上で分解されることが好ましく、例えば、水酸化アルミニウム（３００℃）、水酸化マグネシウム（３５０℃）又は重曹（２７０℃）である。なお、括弧内の温度は何れも分解温度である。

以下では、電池モジュール２１を構成する素電池１の何れかが異常発熱したときの熱の拡散について説明する。

素電池１の何れかが異常発熱すると、異常な素電池１から熱が放射される（異常な素電池１からの放熱）。これにより、異常な素電池１が収容された収容部２５ａ内では、吸熱剤２７の温度が上昇する。吸熱剤２７の温度がその分解温度に達すると、その吸熱剤２７が分解される。ここで、吸熱剤２７の分解反応は吸熱反応である。よって、異常な素電池１からの熱の一部分は吸熱剤２７に吸収される。従って、異常な素電池１の温度上昇が防止される。

また、分解温度に達した吸熱剤２７の吸熱効果により、異常な素電池１からの放熱が促進される。これによっても、異常な素電池１の温度上昇が防止される。

さらに、吸熱剤２７が分解されると、水が生成する。異常な素電池１の温度は１００℃よりも高く、また、水は１００℃以上の高温下では蒸発する。よって、水の気化熱により、異常な素電池１から熱が奪われる。ここで、水の気化熱は、水以外の他の溶媒の気化熱よりも非常に高い。従って、異常な素電池１の温度が急激に上昇した場合であっても、その急激な温度上昇が防止される。

吸熱剤２７に吸収されなかった熱は、ホルダー２５へ移動してホルダー２５で拡散される。これによっても、異常な素電池１の温度上昇が防止される。

ホルダー２５に拡散された熱の一部分は、近傍の素電池１へ向かって拡散する。よって、近傍の素電池１の外周に存する吸熱剤２７の温度が上昇する。その温度が吸熱剤２７の分解温度に達すると、その吸熱剤２７が分解される。従って、ホルダー２５に拡散された熱の一部分は、この吸熱剤２７に吸収される。これにより、異常な素電池１からの熱が正常な素電池１へ伝わることを防止できる。例えば類焼等を防止できる。

言うまでもないことであるが、異常な素電池１からの放熱量、吸熱剤２７の量（吸熱剤２７の量は、素電池１の外面と収容部２５ａの内面との距離に依存する）、又は、ホルダー２５の熱伝導率の値等により、電池モジュール２１における熱の拡散態様は異なる。例えば、異常な素電池１から放射された熱の大部分が、その素電池１の外周に存する吸熱剤２７に吸収されることがある。

素電池１の外面と収容部２５ａの内面との距離は、特に限定されないが、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であれば良い。その距離が０．５ｍｍ未満であれば、収容部２５ａ内に十分な量の吸熱剤２７を充填させることが難しいことがあり、そのため、異常な素電池１の温度上昇を十分に抑制できないことがある。また、近傍の素電池への熱の伝導を防止できないことがある。一方、その距離が１０ｍｍを超えていれば、電池モジュール２１のデッドスペース（素電池１が設けられていないスペース）の増大を招き、そのため、電池モジュール２１のエネルギー密度の低下を招くことがある。

吸熱剤２７は、各収容部２５ａ内に素電池１を収容してから、収容部２５ａ内の隙間に充填される。そのため、素電池１の外面と収容部２５ａの内面との距離が上記のように短くても、吸熱剤２７を収容部２５ａ内の隙間に充填させることができる。なお、必要に応じて、素電池１が収容されたホルダー２５を振動させながら、吸熱剤２７を充填させても良い。

ホルダー２５は、アルミニウムからなる。しかし、吸熱剤２７を用いることなくホルダー２５のみを用いると、エネルギー密度の低下等の不具合を招く。以下では、吸熱剤２７を用いない電池モジュール（比較の電池モジュール）の不具合を説明しつつ本実施形態に係る電池モジュール２１を更に説明する。

比較の電池モジュールでは、隣り合う収容部２５ａ，２５ａの間隔が小さければ、異常な素電池１からの熱が近傍の素電池１に伝わる恐れがある。そのため、隣り合う収容部２５ａ，２５ａの間隔を大きくする必要があり、電池モジュールの大型化を招き、よって、電池モジュールのエネルギー密度の低下を引き起こす。

一方、本実施形態に係る電池モジュール２１では、隣り合う収容部２５ａ，２５ａの間隔を素電池１の外径に対して例えば５％以上５０％以下としても、異常な素電池１からの熱が近傍の素電池１に伝わることを防止できる。よって、電池モジュール２１のエネルギー密度の低下を伴うことなくその安全性の向上が図れる。

また、比較の電池モジュールでは、素電池１の外面を収容部２５ａの内面に密着させ、これにより、異常な素電池１からの熱をホルダー２５に拡散させる。しかし、この構成では、素電池１を収容部２５ａ内に挿入し難い。また、収容部２５ａの内径が素電池１の外径と同一でなければならないため、ホルダー２５の生産性が低下する恐れがある。これらの不具合を考慮して収容部２５ａの内径を素電池１の外径よりも大きくすると、各素電池１をホルダー２５に保持させることが難しくなる。そのため、比較の電池モジュールが振動したときに、素電池１を互いに電気的に接続するための部材（例えばバスバー）と素電池１との溶接が解除される恐れがあり、よって、電池モジュールとして機能し得なくなることがある。

一方、本実施形態に係る電池モジュール２１では、素電池１の外面と収容部２５ａの内面との間には隙間が存在している。よって、素電池１を収容部２５ａ内に挿入し易く、また、ホルダー２５の生産性の低下を防止できる。それだけでなく、その隙間には吸熱剤２７が充填されているため、素電池１をホルダー２５に保持させることができる。

ところで、吸熱剤２７が分解されると、水が生成する。そのため、異常な素電池１では、電池ケース３と封口板７とが水を介して短絡する恐れがある。このような短絡が異常な素電池１において発生すると、異常な素電池１の温度が更に上昇し、よって、電池モジュール２１が異常な状態に陥る恐れがある。これを回避するためには、つまり、上記短絡の発生を防止するためには、収容部２５ａ内に吸水部材２９（図３参照）を設けることが好ましく、又は、封口板７をホルダー２５から隔離すること（図４）が好ましい。以下、順に説明する。

図３は、図２に示すIII領域の拡大図である。

吸水部材２９は、吸熱剤２７の分解により生成された水を吸収する。吸水部材２９は、収容部２５ａ内の隙間に設けられていれば良いが、収容部２５ａの内面側に設けられていることが好ましく、例えば収容部２５ａの内面上に設けられていれば良い。これにより、素電池１の外面側では吸熱剤２７が支配的に存在することとなるので、異常な素電池１からの熱を吸熱剤２７で効率良く吸収させることができる。

吸水部材２９の材料及び構成は、特に限定されない。しかし、吸水部材２９は、吸水してもその体積が殆ど増加しないことが好ましい。吸水により吸水部材２９の体積が増加すると、異常な素電池１の破損を招き、電池モジュール２１の安全性が著しく低下するためである。また、吸水部材２９は、断熱性に優れないことが好ましい。吸水部材２９が断熱性に優れると、異常な素電池１からの熱をホルダー２５に拡散させることが難しいためである。また、吸水部材２９の厚みは薄い方が好ましい。吸水部材２９の厚みが厚いと、収容部２５ａ内への吸熱剤２７の充填量の低下を招くためである。これらを考慮すれば、吸水部材２９は、ポリウレタン又はナイロン等からなることが好ましい。また、吸水部材２９は、メッシュ構造又はスポンジ構造を有していることが好ましい。そのメッシュ構造又はスポンジ構造は、３０％以上の空孔率を有していることが好ましく、３０％以上８０％以下の空孔率を有していればより好ましい。また、吸水部材２９の厚みは、素電池１の外面と収容部２５ａの内面との距離に対して３０％以下であることが好ましく、その距離に対して１０％以下であることがより好ましい。

なお、吸水部材２９は、生成した水の全てを吸収しなくても良く、生成した水が異常な素電池１の封口板７に接触しない程度にその水を吸収すれば良い。

図４は、電池モジュール３１の断面図である。

図４に示す電池モジュール３１では、各素電池１の封口板７側は、収容部２５ａから露出しており、各素電池１の肩部４（図１参照）には、仕切り板（板状部材）３５が当接している。仕切り板３５には、複数の貫通孔３５ａが互いに間隔を開けて形成されており、各素電池１の封口板７が貫通孔３５ａから露出している。このように、仕切り板３５は、各封口板７とホルダー２５とを区画している。また、各素電池１の封口板７が貫通孔３５ａから露出しているので、仕切り板３５に対してホルダー２５とは反対側の空間は排気ダクト３７として機能する。つまり、仕切り板３５は、各封口板７とホルダー２５とを区画するだけでなく、素電池１と排気ダクト３７とを区画している。

このように、電池モジュール３１では、各素電池１の封口板７はホルダー２５から隔離されているので、生成した水が封口板７に接触することを防止できる。

本実施形態は、以下に示す構成を有していても良い。

吸熱剤は、フィルム状又はシート状であっても良い。しかし、吸熱剤が粉末状であれば、素電池と吸熱剤との接触面積が増大するので、異常な素電池からの熱を吸熱剤へ素早く移動させることができる。従って、吸熱剤は粉末状であることが好ましい。

吸熱剤は、収容部内の隙間において点在していても良い。しかし、吸熱剤が収容部内の隙間に充填されていると、吸熱剤の充填量が多くなるので、異常な素電池からの熱がホルダー側へ伝わることを防止できる。よって、異常な素電池からの熱が近傍の素電池に伝わることを防止できる。それだけでなく、素電池をホルダーで保持することができる。これらのことから、吸熱剤は、収容部内の隙間に充填されていることが好ましい。

ホルダーの材料は、アルミニウムに限定されない。ホルダー全体として高い熱伝導率を有していれば良い。例えば、ホルダーは、熱伝導率の高い材料（例えばカーボン）がプラスチックに練り込まれた素材からなっても良いし、熱伝導率が高い樹脂からなっても良いし、炭素繊維からなっても良い。ホルダー全体として熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上であれば良い。因みに、炭素鋼の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ程度である。

収容部は、図４に示すように貫通孔部であっても良いし、凹部であっても良い。

図４に示す電池モジュールは、図３に示す吸水部材２９を備えていることが好ましい。これにより、生成した水による外部短絡の発生が更に抑制される。

また、図４に示す仕切り板は、素電池を互いに電気的に接続する接続板であっても良く、例えば、正極バスバー、負極バスバー又は両極バスバーであっても良い。これにより、電池モジュールの部品点数を少なく抑えることができる。

電池モジュールを構成する素電池の個数は、図２又は図４に示す個数に限定されない。

複数の素電池は、ケース内において、一列に配置されていても良いし、二次元的に配置されていても良い。複数の素電池を例えば千鳥格子状に配置すれば、素電池の個数が増加したことに起因する電池モジュールの体積増加を抑制できる。

複数の素電池は、ケース内において、直列接続されていても良いし、並列接続されていても良い。また、複数の素電池を互いに電気的に接続するための構成は、特に限定されない。

ケースは、樹脂からなっても良いし、熱伝導性に優れた材料（鉄又は銅等の金属材料）からなっても良い。しかし、ケースが熱伝導性に優れた材料からなれば、素電池から排出されたガスの熱の一部をケースに逃がすことができる。よって、ケースは、熱伝導性に優れた材料からなることが好ましい。

素電池は、角型電池であっても良い。

正極板と負極板とはセパレータを介して積層されて電極群を構成していても良い。

正極リードの代わりに正極集電板が用いられていても良いし、負極リードの代わりに負極集電板が用いられていても良い。これにより、素電池における集電抵抗が低減する。

正極板及び負極板の構成は、それぞれ、二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）の正極板及び負極板の構成として公知の構成であれば良い。また、電池ケース、ガスケット、封口板、正極リード及び負極リードの材料は、それぞれ、二次電池の電池ケース、ガスケット、封口板、正極リード及び負極リードの材料として公知の材料であれば良い。

以上説明したように、本発明は、例えば車両用電源又は蓄熱用電源等に有用である。

１ 素電池
２１ 電池モジュール
２３ ケース
２５ ホルダー
２５ａ 収容部
２７ 吸熱剤
２９ 吸水部材
３１ 電池モジュール
３３ ケース
３５ 仕切り板（板状部材）
３５ａ 貫通孔

Claims (11)

1. 複数の素電池が配列されて構成された電池モジュールであって、
   前記複数の素電池は、熱伝導性材料からなるホルダーに形成された収容部内に収容されており、
   前記収容部と当該収容部内に収容された素電池との間には、吸熱剤が設けられている電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールであって、
   前記収容部と当該収容部内に収容された素電池との間には、吸水部材が設けられており、
   前記吸熱剤は、前記素電池が異常発熱したときに当該素電池からの熱を吸収して分解され、
   前記吸水部材は、前記吸熱剤の分解により生じた水を吸収する電池モジュール。
3. 請求項２に記載の電池モジュールであって、
   前記吸水部材は、前記収容部の内面側に設けられている電池モジュール。
4. 請求項２又は３に記載の電池モジュールであって、
   前記吸水部材は、スポンジ構造又はメッシュ構造を有している電池モジュール。
5. 請求項１に記載の電池モジュールであって、
   前記素電池が収容されたホルダーは、ケース内に収容されており、
   前記ケースは、前記収容部の長手方向の一端側に設けられた板状部材により、二分されており、
   前記素電池の一方の電極端子は、前記板状部材に形成された貫通孔から露出しており、
   前記板状部材は、前記一方の電極端子を前記収容部から隔離している電池モジュール。
6. 請求項５に記載の電池モジュールであって、
   前記板状部材は、前記素電池の前記一方の電極端子を互いに電気的に接続する接続板である電池モジュール。
7. 請求項１から６の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
   前記吸熱剤は、２００℃以上の温度で分解される電池モジュール。
8. 請求項７に記載の電池モジュールであって、
   前記吸熱剤は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム及び重曹のうちの少なくとも１つである電池モジュール。
9. 請求項８に記載の電池モジュールであって、
   前記吸熱剤は、粉末の状態で、前記収容部と当該収容部内に収容された素電池との間に充填されている電池モジュール。
10. 請求項１から９の何れか１つに記載の電池モジュールであって、
    前記ホルダーは、５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有している電池モジュール。
11. 請求項１０に記載の電池モジュールであって、
    前記ホルダーは、アルミニウムからなる電池モジュール。

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