JP2012129009A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの収縮を未然に抑制し得る電池パックを提供する。
【解決手段】正極と負極とをセパレータを介して積層した発電要素を有し、ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その発電要素の周縁部を熱融着にて接合することにより、発電要素を密封している薄板状のラミネート型電池（１）と、このラミネート型電池（１）を単独でまたは積層した状態で収納する電池ケース（１２）と、内部に封入した流体により、この単独のラミネート型電池（１）または積層状態のラミネート型電池（１）を電池ケース（１２）の内部で加圧する加圧バッグ（１３）とを備え、前記加圧バッグ（１３）をラミネート型電池（１）の面内に区分けして複数配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は電池パック、特に複数のラミネート型電池で１つの電池パックを構成するものに関する。

ラミネート型電池では、正極と負極とセパレータとが交互に積層された構造の発電要素を有し、ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その発電要素の周縁部を熱融着によって接合することにより、発電要素を密封している。その際、発電要素を電池外装材で被覆する途中などに面方向の積層ズレが生じることを防止するため、電極の周縁にはみ出すようにセパレータを設け、このセパレータの周縁をも電極の周縁部と共に熱融着によって接合しているものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−２０８４４２号公報

ところで、ラミネート型電池では、電極面積よりセパレータ面積を若干大きめに取って正極と負極とが直接接触するのを防いでいるのであるが、雰囲気温度が上昇して高温になるとセパレータが収縮しセパレータ面積が初期面積より小さくなる。そのため主として周縁部において正極と負極とが接触し、短絡により大きな電流が流れて発熱する。この発熱で電解液が気化して電池が膨れる、という現象が生じる。

上記特許文献１の技術では、セパレータの周縁部を熱融着により電極及び電池外装材と接着しているだけなので、雰囲気温度の上昇により、セパレータと電極及び電池外装材との接着度が弱まってセパレータが収縮しやすくなることを避けることができない。

そこで本発明は、雰囲気温度の上昇があってもセパレータの収縮を未然に抑制し得る電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、正極と負極とをセパレータを介して積層した発電要素を有し、ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その発電要素の周縁部を熱融着にて接合することにより、発電要素を密封している薄板状のラミネート型電池と、このラミネート型電池を単独でまたは積層した状態で収納する電池ケースと、内部に封入した流体により、この単独のラミネート型電池または積層状態のラミネート型電池を電池ケースの内部で加圧する加圧バッグとを備えている。そして、前記加圧バッグをラミネート型電池の面内に区分けして複数配置する。

本発明によれば、電池ケース内に収納されたラミネート型電池の面を、複数の加圧バッグを用い任意の圧力で加圧することが可能となった。このため、雰囲気温度の上昇があってもこの加圧バッグによる加圧でセパレータ収縮を未然に抑制して内部短絡が生じる可能性を低減できる。さらに、少なくとも１つの加圧バッグが加圧機能を失った場合にも残りの加圧バッグにより加圧機能を保持することができる。

本発明の第１実施形態の電池パックに用いられるラミネート型電池の概略図である。 第１実施形態の電池パックの概略斜視図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張している箇所があり、その箇所においては実際の比率と異なっている。

（第１実施形態）
まず、本実施形態の電池パック１１に用いられるリチウムイオン二次電池１について説明する。図１はリチウムイオン二次電池１の概略図である。このうち、図１（Ａ）はリチウムイオン二次電池１の概略斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、リチウムイオン二次電池１は、実際に充放電反応が進行する略四角薄板状の発電要素２が、電池外装材であるラミネートフィルム３の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その周辺部（周縁部）を熱融着にて接合することにより、発電要素２を収納し密封した構成を有している。ここで高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、金属フィルムを高分子フィルム（樹脂フィルム）でサンドイッチした三層構造のものが一般的である。

こうした積層型の電池１は、缶型電池と区分けするために「ラミネート型電池」といわれる。缶型電池は、市販されている単１電池や単３電池のように堅い円筒状の金属製外枠の中に２つの各電極が巻き込んで収納されているものである。一方、ラミネート型電池とは、略四角薄板状の発電要素２の周辺部（周縁部）を熱融着にて接合することにより、発電要素を密封したものをいう。以下では、リチウムイオン二次電池１を、「ラミネート型電池」という。あるいは単に「電池」ともいう。

発電要素２は、四角薄板状の負極集電体４ａの両面に負極活物質層４ｂを配置した負極４と、セパレータ５と、四角薄板状の正極集電体６ａの両面に正極活物質層６ｂを配置した正極６とを積層した構成を有している。具体的には、１つの負極活物質層４ｂとこれに隣接する正極活物質層６ｂとが、セパレータ５を介して対向するようにして、負極４、セパレータ５、正極６をこの順に積層している。詳細には、セパレータ５は、電解液を保持することにより、セパレータ５と一体に電解質層が形成されている。従って、セパレータ５を負極４と正極６の間に配置することによって、実質的に電解質層も負極活物質層４ｂおよび正極活物質層６ｂの間に配置されることになる。セパレータ５は主に多孔質の熱可塑性樹脂から形成されている。

これにより、隣接する負極４、セパレータ５及び正極６は、一つの単電池層７（単電池）を構成する。従って、本実施形態のラミネート型電池１は、単電池層７を積層することで、電気的に並列接続された構成を有するともいえる。また、単電池層７の外周には、隣接する負極集電体４ｂと正極集電体６ｂとの間を絶縁するためのシール部（絶縁層）を設けてもよい。発電要素２の両最外層に位置する最外層負極集電体４ａには、いずれも片面のみに負極活物質層４ｂを配置している。なお、図１（Ｂ）とは負極及び正極の配置を逆にすることで、発電要素２の両最外層に最外層正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片側のみに正極活物質層を配置するようにしてもよい。

負極集電体４ａ及び正極集電体６ａには、各電極（負極及び正極）と導通する強電タブ８、９を取り付け、ラミネートフィルム３の端部に挟まれるようにラミネートフィルム３の外部に導出させている。強電タブ８、９は、必要に応じて正極端子リード（図示せず）及び負極端子リード（図示せず）を介して、各電極の負極集電体４ａ及び正極集電体６ｂに超音波溶接や抵抗溶接により取り付けてもよい。

なお、リチウムイオン二次電池の他の形態としては、集電体の一方の面に正極活物質層を、他方の面に負極活物質層を形成している双極型電極を、セパレータを介して積層した双極型二次電池が挙げられる。上記の電池１とこの双極型二次電池とは、双方の電池内の電気的な接続状態（電極構造）が異なることを除いては、基本的には同様である。

このように構成されるラミネート型電池１を金属製の電池ケースの内部に積層して収納し、積層した複数のラミネート型電池１を各強電タブを用いて直列接続することで所定電圧を有する電池パック１１が構成される。さらに複数の電池パック１１を電気的に組み合わせることで所定電圧を有する組電池が構成され、この組電池が電気自動車やハイブリッド車に搭載されることとなる。

さて、正極６と負極４の間に介装されるセパレータ５には、正極６と負極４とが直接接触して短絡しないように絶縁するという機能と、電解液の往来を許すという機能とが要求される。このため、ポリエチレンやポリプロピレンといった多孔質の熱可塑性樹脂でセパレータ５が形成されている。

こうした熱可塑性樹脂から形成されるセパレータ５は、電池１の雰囲気温度が上昇して１００℃付近になると、容易に収縮する。電極面積よりセパレータ面積を若干大きめに取って正極６と負極４とが直接接触するのを防いでいるのであるが、電池１の雰囲気温度が高温になるとセパレータ５が収縮し初期面積より小さくなる。これが「セパレータ収縮」といわれる現象である。主としてセパレータ５の周縁部が収縮したときには、正極６の周縁部と負極４の周縁部とを隔てるものがなくなり、短絡が生じて大電流が流れ、ジュール発熱による大きな温度上昇が生じる。すると、電池１内に封止されている電解液が気化して電池１の体積増加（つまり電池１の膨れ）が生じる。従って、雰囲気温度の上昇に伴うセパレータ収縮を抑えることが課題となる。

この場合に、積層ズレ（積層方向に直交する面方向のズレ）により正極と負極が相対していない部分ができて短絡が生じる可能性があるので、電極の周縁にはみ出すようにセパレータを設け、セパレータの周縁をも熱融着にて電極及び電池外装材に接合するようにした従来のラミネート型電池がある。しかしながら、従来のラミネート型電池によれば、セパレータの周縁を熱融着により電極及び電池外装材と接着しているだけなので、電池の雰囲気温度が上昇すると、セパレータと電極及び電池外装材との接着度が弱まってセパレータが収縮しやすくなることを避けることができない。

そこで本発明の第１実施形態では、内部に封入した流体により積層状態のラミネート型電池を電池ケースの内部で積層方向に加圧する加圧バッグを追加し、この加圧バッグをラミネート型電池の面内に区分けして複数配置する。

具体的に説明する。図２は第１実施形態の電池パック１１の概略斜視図である。図２で上下方向が鉛直方向、左右方向が水平方向である。電池パック１１は、箱状の電池ケース１２、ラミネート型電池１、加圧バッグ１３からなる。上記のように複数の電池パック１１を電気的に組み合わせることで所定電圧を有する組電池が構成され、この組電池が電気自動車やハイブリッド車に搭載されることとなる。

まず、電池ケース１２の底部には、図１に示したラミネート型電池１が４つ鉛直方向（図２で上下方向）に積層され、その上部に、積層された４つのラミネート型電池１を積層方向（図２で上下方向）に加圧するため、流体が封入された加圧バッグ１３を設置している。ここでは簡単のため、ラミネート型電池１は四角薄板状で記載し、強電タブ８、９は省略して示していない。

複数のラミネート型電池１の位置が水平方向（図２で左右方向）にずれると、加圧バッグ１３により複数のラミネート型電池１の上下面に均一な圧力を作用させることができないので、複数のラミネート型電池１を水平方向の同じ位置にくるように積層している。

上記の電池ケース１２は、それ自身が膨らみにくい材質である金属で形成することが望ましい。例えば、ステンレス、アルミニウム、ニッケル等の金属で電池ケース１２を箱状に形成する。

加圧バッグ１３の材質としては弾性体とすることが望ましい。加圧バッグ１３の加圧力は、積層された電池１の全体を電池ケース１２の底面に押しつける力であり、電池ケース１２の底面にはこの力と同じ大きさで向きが逆の（つまり鉛直上方に向かう）反力が生じる。この反力と加圧バッグ１３の加圧力とで積層された各電池１が鉛直方向の両面から加圧される。このように、加圧バッグ１３によりラミネート型電池１を積層方向に加圧状態で保持する理由は、セパレータ５の上下の両面から圧力を作用させることでセパレータ５が周縁部より収縮しようとしてもその収縮（セパレータ収縮）を抑制するためである。加圧バック１３を用いた加圧によりセパレータ収縮を低減できることは実験結果からも証明されている。

加圧バック１３によりどれほどの圧力でラミネート型電池１の上下面を加圧するかについては電池構造及びセパレータ種にもよるが、１ｋＰａ以上であることが望ましい。例えば、セパレータ５の周縁部が熱融着によって電極及び電池外装材と接合されていない電池構造（図１参照）と、セパレータ５の周縁部が熱融着によって電極及び電池外装材と接合されている電池構造（特開２００２−２０８４４２号公報参照）とが存在する。両者を比較すれば、セパレータ５の周縁部が熱融着によって接合されている電池構造のほうが加圧バッグ１３による圧力を相対的に低減できる。また、電極４、６の周縁との余裕代を大きく取っているセパレータ５と、電極４、６の周縁との余裕代を大きく取っていないセパレータ５とが存在する。両者を比較すれば、電極４、６の周縁との余裕代を大きく取っているセパレータ５のほうが加圧バッグ１３による圧力を相対的に低減できる。

セパレータ５には、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）を用いる一般的なものと、アラミドやセルロース等を含んだ(接着した)一般的でないものとが存在する。セパレータ５の材質が一般的なものであれば熱による収縮率が一般的でないものより相対的に大きいので、加圧バッグ１３により相対的に強く加圧することが必要となる。一方、セパレータの材質が一般的でないものであれば、熱による収縮が一般的なものより相対的に生じにくいので、一般的なものほど強くい加圧することは必要ない。

さらに、本実施形態では、電池パック１１内で同じ大きさの９個の加圧バッグ１３を最上段のラミネート型電池１の上面の面内に区分けして配置している。このように最上段のラミネート型電池１の面内に複数の加圧バッグ１３をマトリックス状に配置したのは、加圧バッグ１３の経年劣化や突起物の電池パック内への万一の侵入に伴う破裂に対処するためである。すなわち、最上段のラミネート型電池１の上面全体を１つだけの加圧バック１３により加圧する方法だと、その１つだけの加圧バッグ１３が経年劣化や万一の突起物の混入により破裂した後には、複数の各ラミネート型電池１を加圧状態に保つことができない。一方、ラミネート型電池１の上面に加圧バッグ１３が複数あれば、加圧バッグ１３の経年劣化や万一の突起物の侵入により中の１つの加圧バッグ１３が破裂したとしても、残りの加圧バッグ１３で複数の各ラミネート型電池１を加圧状態に維持できる。

最上段のラミネート型電池１の上面全体に１つの加圧バッグ１３を設けた場合には、全面加圧状態か、全面非加圧状態かの２つの状態しか取り得ない。一方、最上段のラミネート型電池１の上面内に区分けして複数の加圧バッグ１３を設けた本実施形態によれば、電池１の全面加圧状態と全面非加圧状態との間に、いくつかの一部加圧状態を取り得る。

例えば、任意の１つの加圧バック１３が破裂して残り８個の加圧バッグ１３で複数の各電池１を加圧している状態、任意の２つの加圧バック１３が破裂して残り７個の加圧バッグ１３で複数の各電池１を加圧している状態を取り得る。同様にして、任意の３つの加圧バック１３が破裂して残り６個の加圧バッグ１３で複数の各電池１を加圧している状態、任意の４つの加圧バック１３が破裂して残り５個の加圧バッグ１３で複数の各電池１を加圧している状態を取り得る。このように、本実施形態によればいくつかの一部加圧状態を取り得るのである。

複数の加圧バック１３の圧力を相違させることが可能であるので、本実施形態では、全部で９個の加圧バッグ１３を、電池１の周縁部に配置する８個の加圧バッグ（この加圧バックを「第１加圧バッグ」という。）１３ａと電池１の中央側に配置する１個の加圧バッグ（この加圧バックを「第２加圧バッグ」という。）１３ｂとに区別する。そして、第１加圧バッグ１３ａによる圧力を、第２加圧バッグ１３ｂによる圧力よりも強くすることが好ましい。これは、セパレータ５には周縁部から収縮が生じることが実験により判明しているので、収縮が生じ始めるセパレータ５の周縁部をセパレータ５の中央側より相対的に強く加圧して周縁部からの収縮が始まらないようにするためである。

加圧バック１３を設けた趣旨は、加圧によって電池１内の各セパレータ５の収縮を未然に抑制することにより、電池１内部の短絡による温度上昇に伴う電池１の膨れを防止することにある。そうはいっても、異常時に備えることも必要である。ここでいう異常時とは、例えば組電池を備える自動車が火災に遭ったような場合である。この場合には、加圧バッグ１３があってもセパレータ収縮が生じ、電池１の膨れ、発火に至ることを避けることができない。

従って、こうした異常時に対しては、消火の役割を持たせるため、加圧バック１３に封入する流体として消化剤を用いると共に、この消化剤が電池パック１１内部にばらまかれるように加圧バッグ１３の材質として、弾性体の中でも破裂しやすい材質のものを選択する。ここで、弾性体の中でも破裂しやすい材質として、たとえばフッ素ゴム、シリコンゴムを用いることができる。消火剤としては、例えば水または炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム入りの気体を用いることができる。

このように、異常時以外である通常時には加圧バッグ１３により各ラミネート型電池１の上下面を加圧することで、雰囲気温度の上昇があってもセパレータ収縮を未然に抑制する。一方、過度の雰囲気温度の上昇でセパレータ収縮により短絡が生じて電池１が大きく膨れたような異常時には消火剤が封入されている加圧バッグ１３が破裂し、消火剤で電池パック１１内が満たされ、発火を抑制することができる。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態では、正極６と負極４とをセパレータ５を介して積層した発電要素２を有し、ラミネートフィルム３を電池外装材として用いて、その発電要素２の周縁部を熱融着にて接合することにより、発電要素２を密封している薄板状のラミネート型電池１と、このラミネート型電池１を積層した状態で収納する電池ケース１２と、内部に封入した流体により、この積層状態のラミネート型電池１を電池ケース１２の内部で積層方向に加圧する加圧バッグ１３とを備え、加圧バッグ１３をラミネート型電池１の面内に区分けして複数配置している。このように構成することで、本実施形態によれば、電池ケース１２内に収納されたラミネート型電池１の上下の面を複数の加圧バッグ１３を用い任意の圧力で積層方向に加圧することができる。このため、雰囲気温度の上昇があってもこの加圧バッグ１３による加圧でセパレータ収縮を未然に抑制して電池１内部に短絡が生じる可能性を低減できる。さらに、少なくとも１つの加圧バッグ１３が加圧機能を失った場合にも残りの加圧バッグ１３により加圧機能を保持することができる。

また、本実施形態によれば、複数の加圧バッグ１３の熱容量により、積層されているラミネート型電池１の熱を奪うことが可能となっており、セパレータ収縮の未然抑制をさらに徹底することができる。

また、本実施形態によれば、セパレータ収縮の未然抑制により、電池１の雰囲気温度が上昇した状態においてもセパレータ５のシャットダウン機能を維持させることができ、電池性能も維持できる。なお、セパレータ５の「シャットダウン機能」とは、高温でセパレータ５がわずかに収縮して微細孔が塞がり、電解液のイオン伝導を抑制して電気が流れるのを防ぐ機能のことである。

セパレータ５には周縁部から収縮が生じることが実験により判明している。この事実に対応し、本実施形態によれば、第１加圧バッグ１３ａ（電池１の周縁部に配置する加圧バッグ）による圧力を、第２加圧バッグ１３ｂ（電池１の中央側に配置する加圧バッグ）による圧力よりも高くするので、全ての加圧バッグ１３の圧力を同じにする場合より、セパレータ収縮の抑制をより確実にすることができる。

また、本実施形態によれば、加圧バッグ１３に封入する流体は消火剤であるので、異常時には加圧バッグが破裂して消火剤が電池パック１１内部に散布されることとになり、電池１が発火することを防止できる。

実施形態は、電池パック１１内に積層するラミネート型電池１の数が４つ、ラミネート型電池１の面内に区分けする加圧バッグ１３の数が９個の場合であるが、これらの数に限定されるものでない。ラミネート型電池１が単独で、つまり１つだけのラミネート型電池１が電池ケース１２内に収納されている場合にも本発明の適用がある。

また、加圧バッグ１３とラミネート型電池１との相対位置に限定されるものでもない。例えば、積層されたラミネート型電池１の鉛直下部にも複数の加圧バッグを設け、積層されたラミネート型電池１の全体を加圧バッグ１３で挟んで加圧するようにしてもよいし、積層されたラミネート型電池１の各層の間に複数の加圧バッグ１３を挟み込んでラミネート型電池１を加圧するようにしてもかまわない。

実施形態では、ラミネート型電池１が四角薄板状である場合で説明したが、四角薄板状に限定されるものでない。六角や八角などの多角形状の薄板状であっても、また円や楕円などの薄板状であっても本発明の適用がある。

１ ラミネート型電池
２ 発電要素
３ ラミネートフィルム
４ 負極
５ セパレータ
６ 正極
１１ 電池パック
１２ 電池ケース
１３ 加圧バッグ
１３ａ 第１加圧バッグ（加圧バッグ）
１３ｂ 第２加圧バッグ（加圧バッグ）

Claims (3)

1. 正極と負極とをセパレータを介して積層した発電要素を有し、ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その発電要素の周縁部を熱融着にて接合することにより、発電要素を密封している薄板状のラミネート型電池と、
   このラミネート型電池を単独でまたは積層した状態で収納する電池ケースと、
   内部に封入した流体により、この単独のラミネート型電池または積層状態のラミネート型電池を電池ケースの内部で加圧する加圧バッグと
   を備え、
   前記加圧バッグをラミネート型電池の面内に区分けして複数配置することを特徴とする電池パック。
2. 前記ラミネート型電池の周縁部に配置する加圧バッグによる圧力を、前記ラミネート型電池の中央側に配置する加圧バッグによる圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記流体は消火剤であることを特徴とする請求項１または２に記載の電池パック。

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