JP2013200940A - 蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 充放電によって蓄電素子の一部が他の部分よりも膨張/収縮しやすくなることがある。
【解決手段】 蓄電素子(1)は、電解質層(23)を挟んで正極素子(21)および負極素子(22)が積層された発電要素(20)と、発電要素を収容するケース(10)と、発電要素の端部から突出して、前記発電要素に入出力される電流の経路を形成する導電部(21a,21b)とを有する。加圧部材(6)は、発電要素の積層方向に作用する荷重を、ケースを介して発電要素に与えている。ここで、発電要素における端部を含む第1領域が受ける荷重は、発電要素における第1領域以外の第2領域が受ける荷重よりも大きくなっている。
【選択図】 図5
【解決手段】 蓄電素子(1)は、電解質層(23)を挟んで正極素子(21)および負極素子(22)が積層された発電要素(20)と、発電要素を収容するケース(10)と、発電要素の端部から突出して、前記発電要素に入出力される電流の経路を形成する導電部(21a,21b)とを有する。加圧部材(6)は、発電要素の積層方向に作用する荷重を、ケースを介して発電要素に与えている。ここで、発電要素における端部を含む第1領域が受ける荷重は、発電要素における第1領域以外の第2領域が受ける荷重よりも大きくなっている。
【選択図】 図5
Description
本発明は、蓄電素子に対して拘束力を与える構造を備えた蓄電装置に関する。
複数の単電池を用いて組電池を構成する場合には、複数の単電池を一方向に並べて配置しておき、複数の単電池を、配列方向における両端から拘束することがある。ここで、隣り合って配置された2つの単電池の間には、樹脂で形成された仕切板が配置されている。
本願発明者は、単電池の充放電によっては、単電池の一部分における面圧だけが、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。ここで、単電池の面圧が上昇するときには、単電池が膨張していると考えられ、単電池の面圧が低下するときには、単電池が収縮していると考えられる。
従来の組電池では、上述したように単電池に対して拘束力を与えているが、仕切板は、単電池の側面全体と接触するようになっており、単電池の側面全体に荷重を与えている。この構成では、上述したように単電池の一部分における面圧だけが大きく変化してしまう。
本発明である蓄電装置は、蓄電素子および加圧部材を有する。ここで、蓄電素子は、電解質層を挟んで正極素子および負極素子が積層された発電要素と、発電要素を収容するケースと、発電要素の端部から突出して、発電要素に入出力される電流の経路を形成する導電部とを有する。また、加圧部材は、ケースを介して発電要素に荷重を与えており、この荷重は、発電要素の積層方向に作用する荷重である。また、発電要素における端部を含む第1領域が受ける荷重は、発電要素における第1領域以外の第2領域が受ける荷重よりも大きくなっている。
発電要素の第2領域に荷重を与えない構成とすることができる。ここで、加圧部材に対して、ケースと接触して第1領域に荷重を与える領域と、ケースから離れて第2領域に荷重を与えない領域とを設けることができる。発電要素の第1領域は、充放電に伴って変形(膨張又は収縮)しやすいことが分かったため、第1領域だけに荷重を与えれば、発電要素の変形を効率良く抑制でき、変形に伴う劣化を抑制することができる。
発電要素としては、正極素子、電解質層および負極素子が積層された積層体を、所定軸の周りで巻くことによって構成することができる。この場合において、所定軸の方向における発電要素の両端部を含む領域を、第1領域として特定することができる。
所定軸の方向における第1領域の幅WPと、所定軸の方向における発電要素の幅WAとが下記式(I)の関係を有することが好ましい。
14≦WP/WA×100≦22 ・・・(I)
14≦WP/WA×100≦22 ・・・(I)
これにより、発電要素のうち、充放電によって変形しやすい領域(第1領域)を特定でき、第1領域に対して荷重を効率良く与えることができる。
本発明では、1つの蓄電素子に対して荷重を与えることもできるし、複数の蓄電素子に対して同時に荷重を与えることもできる。例えば、複数の蓄電素子を一方向に並んで配置した場合には、隣り合って配置された2つの蓄電素子の間に加圧部材を配置することができる。
蓄電素子としては、20C以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池を用いることができる。20C以上のレートで充電又は放電を行うときには、充放電に伴って二次電池内で発生する面圧のバラツキを効率良く抑制することができる。
本発明によれば、発電要素の第1領域に対して、第2領域よりも高い荷重を与えることにより、充放電に伴う発電要素の変形(膨張や収縮)を抑制して、発電要素内における劣化のバラツキを抑制することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例1である電池パック(蓄電装置に相当する)について説明する。まず、本実施例の電池パックで用いられる単電池の構成について、図1を用いて説明する。図1は、単電池の構成を示す概略図である。図1に示すX軸、Y軸およびZ軸は、互いに直交する軸である。他の図面においても同様である。
単電池1は、電池ケース10と、電池ケース10に収容される発電ユニット20とを有している。電池ケース10の上面10aには、正極端子(電極端子ともいう)11および負極端子(電極端子ともいう)12が設けられている。発電ユニット20は、充放電を行うことができる要素であり、正極端子11および負極端子12に接続されている。本実施例では、電極端子11,12を電池ケース10の上面10aに設けているが、電池ケース10の他の面に設けることもできる。
発電ユニット20は、図2に示すように、シート形状の正極素子21および負極素子22の間に、電解液を含むセパレータ(電解質層に相当する)23を配置したものであり、正極素子21、セパレータ23および負極素子22を積層した積層体を巻くことにより、発電ユニット20が構成される。図1に示すように、積層体は、Y軸を基準として巻かれており、発電ユニット20の両端部20a,20bは、Y方向において並んでいる。
発電ユニット20の端部20aは、正極タブ(不図示)を介して正極端子11と接続されており、発電ユニット20の端部20bは、負極タブ(不図示)を介して負極素子32と接続されている。発電ユニット20の端部20a,20bは、発電ユニット20で生成された電力を取り出したり、外部から供給された電力を取り入れたりするための部分である。
図3に示すように、正極素子21は、集電板21aと、集電板21aの表面に形成された正極活物質層21bとを有する。正極活物質層21bは、正極活物質の他に、導電剤やバインダーが含まれている。負極素子22は、集電板22aと、集電板22aの表面に形成された負極活物質層22bとを有する。負極活物質層22bは、負極活物質の他に、導電剤やバインダーが含まれている。
発電ユニット20の端部20aでは、正極素子21の集電板21aがY方向に突出しており、集電板21aが巻かれた状態となっている。この集電板21aは、正極タブを介して正極端子11と接続されている。発電ユニット20の端部20bでは、負極素子22の集電板22aがY方向に突出しており、集電板22aが巻かれた状態となっている。この集電板22aは、負極タブを介して負極端子12と接続されている。
単電池1としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。リチウムイオン二次電池を用いる場合には、正極活物質として、例えば、コバルト酸リチウムを用い、負極活物質として、例えば、カーボンを用いることができる。なお、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。
図3に示す構成では、集電板21aの両面に正極活物質層21bを形成し、集電板22aの両面に負極活物質層22bを形成しているが、これに限るものではない。例えば、集電板の一方の面に正極活物質層を形成し、集電板の他方の面に負極活物質層を形成したバイポーラ電極を用いることができる。
次に、本実施例における電池パックの構造について、図4および図5を用いて説明する。ここで、図4は、電池パックを上方から見たときの概略図であり、図5は、単電池および拘束板の外観斜視図である。
電池パック100は、複数の単電池1を有しており、複数の単電池1は、X方向に並んで配置されている。ここで、単電池1の数は、電池パック100の要求出力等に基づいて、適宜設定することができる。X方向(複数の単電池1の配列方向)における電池パック100の両端には、一対のエンドプレート3が配置されている。各エンドプレート3は、単電池1と接触しており、一対のエンドプレート3には、X方向に延びる拘束バンド4が取り付けられている。拘束バンド4は、単電池1の側面に沿って配置されている。
エンドプレート3および拘束バンド4を用いることにより、複数の単電池1に対して、拘束力Fを与えることができる。拘束力Fは、一対のエンドプレート3が互いに近づく方向に変位するときに発生する力であり、X方向における両側から各単電池1を押さえつける力である。複数の単電池1に対して拘束力Fを与える構造は、図4に示す構造に限るものではない。例えば、拘束バンド4の形状や、拘束バンド4を配置する位置を、適宜変更することができる。
電池パック100の上面には、バスバー5が配置されており、バスバー5は、複数の単電池1を電気的に接続するために用いられる。バスバー5は、隣り合って配置される2つの単電池1のうち、一方の単電池1の正極端子11と、他方の単電池1の負極端子12とに接続されている。本実施例では、すべての単電池1を電気的に直列に接続している。ただし、電気的に並列に接続された複数の単電池1が含まれていてもよい。
隣り合って配置される2つの単電池1の間には、拘束板6が配置されており、拘束板6は、単電池1の所定領域に対して拘束力Fを与えるために用いられる。また、図4に示すように、一方のエンドプレート3(図4の右側に位置するエンドプレート3)と単電池1との間にも、拘束板6が配置されている。拘束板6は、例えば、樹脂といった絶縁性を有する材料で形成されている。図5に示すように、拘束板6は、X方向で拘束板6を挟む2つの単電池1と接触する2つの側面61,62を有する。
第1側面61は、凹凸面で構成されており、接触領域R1,R2および非接触領域R3を有する。接触領域R1,R2は、単電池1と接触する領域であり、単電池1における一部の領域R4,R5と接触する。非接触領域R3は、単電池1と接触しない領域である。第2側面62は、平坦面で構成されており、ほぼすべての領域で単電池1と接触する。
上述した拘束板6を用いることにより、単電池1の領域R4,R5に対して拘束力Fを与えることができる。言い換えれば、拘束板6の非接触領域R3に対応した単電池1の領域R6には、拘束力Fが加わらないようになっている。
本実施例の電池パック100は、例えば、車両に搭載することができ、この車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両の走行エネルギを発生する動力源として、電池パック100に加えて、内燃機関又は燃料電池を用いた車両である。電気自動車は、車両の動力源として、電池パック100だけを用いた車両である。電池パック100を搭載した車両では、電池パック100から出力された電気エネルギを運動エネルギに変換して車両を走行させたり、車両の制動時に発生する運動エネルギを回生電力に変換して電池パック100に蓄えたりすることができる。
一方、本願発明者は、レートが異なる条件で充放電を行いながら、単電池1の複数箇所における面圧を測定したら、充放電時のレートが高くなるにつれて、発電ユニット20の端部20a,20bにおける面圧が大きく変化することが分かった。具体的には、単電池1の側面全体(領域R4〜R6)に対して拘束力を与えた構造において、充放電時のレートが高くなるにつれて、発電ユニット20の端部20a,20bにおける面圧が、他の部分における面圧よりも大きく変化してしまうことが分かった。
図6から図9には、レートを変えながら充電を行ったときの単電池1の面圧を示している。図6から図9において、縦軸は、単電池1の面圧を示し、横軸は、単電池1内のY方向における位置を示している。また、図6から図9において、点線は、充電を開始する前の面圧(0秒時の面圧)を示し、実線は、充電を開始して10秒後の面圧を示している。
図10には、図6から図9に示す横軸と、発電ユニット20の位置との関係を示している。図10に示す領域Aは、正極素子21(正極活物質層21b),セパレータ23および負極素子22(負極活物質層22b)が互いに重なっている領域であり、単電池1の充放電に用いられる領域(本発明の発電要素に相当する)である。本実施例では、図15に示すように、Y方向の長さに関して、正極活物質層21bが最も短くなっているため、領域Aの幅WAは、正極活物質層21bの幅に対応している。
図6は、1C(レート)で充電を行ったときの面圧の変化を示し、図7は、12Cで充電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図8は、20Cで充電を行ったときの面圧の変化を示し、図9は、32Cで充電を行ったときの面圧の変化を示している。図6から図9に示すように、充電時のレートが高くなるにつれて、領域Aの両端における面圧が、領域A内の他の領域よりも高くなっている。充電時のレートが20C以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
図11から図14には、レートを変えながら放電を行ったときの単電池1の面圧を示している。図11から図14において、縦軸は、単電池1の面圧を示し、横軸は、単電池1内のY方向における位置を示している。また、図11から図14において、点線は、放電を開始する前の面圧(0秒時の面圧)を示し、実線は、放電を開始して10秒後の面圧を示している。
図11は、1C(レート)で放電を行ったときの面圧の変化を示し、図12は、12Cで放電を行ったときの面圧の変化を示している。また、図13は、20Cで放電を行ったときの面圧の変化を示し、図14は、32Cで放電を行ったときの面圧の変化を示している。図11から図14に示す領域Aは、図10で説明した領域Aと同様である。図11から図14に示すように、放電時のレートが高くなるにつれて、領域Aの両端における面圧が、領域A内の他の領域よりも低下している。これにより、放電時のレートが高くなるにつれて、領域Aの両端において、発電ユニット20が収縮し易くなっていることが分かる。放電時のレートが20C以上になると、面圧のバラツキが大きくなりやすい。
本実施例では、拘束板6を用いることにより、領域Aの両端に発生する面圧の変化を抑制するようにしている。すなわち、領域Aの両端に対して拘束力Fを与えることにより、領域Aの両端が充放電によって変形(膨張又は収縮)するのを抑制するようにしている。発電ユニット20が部分的に変形しやすくなるのを抑制することにより、発電ユニット20内における劣化のバラツキを抑制することができる。
ここで、拘束板6を用いて単電池1(発電ユニット20)を拘束する領域について、図15を用いて説明する。図15において、WAは、図10で説明した領域Aの幅(Y方向の長さ)を示している。また、WPは、発電ユニット20のうち、拘束力Fを与える領域(第1領域に相当する)の幅(Y方向の長さ)を示しており、幅WPは、領域Aの両端を基準とした長さである。幅WAおよび幅WPは、以下の関係式(1)を満たすことが好ましい。
14≦WP/WA×100≦22 ・・・(1)
発電ユニット20において、幅WAを決定すれば、上記式(1)に基づいて幅WPを特定することができる。幅WPの領域は、面圧の変化量が他の領域よりも大きい領域を特定するものである。そして、幅WPの領域に対して拘束力Fを与えれば、単電池1の一部分だけの面圧が大きく変化してしまうのを抑制することができる。
ここで、幅WPの領域だけでなく、発電ユニット20のうち、領域Aの外側に位置する領域E1,E2(図15参照)の少なくとも一方に対しても、拘束力Fを与えることができる。図15に示すように、発電ユニット20の端部20aでは、正極素子21の集電板21aがY方向に突出しており、この集電板21aの突出部分(領域E1に相当する)は、領域Aおよび正極端子11の間に形成される電流経路の一部となる。また、発電ユニット20の端部20bでは、負極素子22の集電板22aがY方向に突出しており、この集電板22aの突出部分(領域E2に相当する)は、領域Aおよび負極端子12の間に形成される電流経路の一部となる。
上述したように、発電ユニット20のうち、拘束力Fを与える領域を決定できれば、図5に示すように、単電池1における領域R4,R5を特定でき、拘束板6における接触領域R1.R2を設定することができる。ここで、単電池1の領域R4,R5は、発電ユニット20における拘束力Fを与える領域と完全に一致している必要はない。すなわち、図1に示すように、単電池1をX方向から見たときに、電池ケース10のうち、発電ユニット20と重なっていない部分に拘束力Fを与えてもよい。
上記式(1)において、幅WA,WPの関係が下限値よりも小さいと、拘束力Fを与える領域が不十分となるおそれがある。また、幅WA,WPの関係が、上記式(1)の上限値よりも大きいと、面圧の変化量が小さい領域にも拘束力Fを与えることになる。ここで、拘束力Fが与えられていない単電池1の領域R6(図5参照)は、単電池1の温度調節に用いることができる。具体的には、単電池1の領域R6に熱交換媒体を接触させることにより、単電池1との間で熱交換を行わせ、単電池1の温度を調節することができる。
熱交換媒体としては、気体や液体を用いることができる。単電池1が発熱しているときには、冷却用の熱交換媒体を単電池1に接触させることにより、単電池1の発熱を抑制することができる。また、単電池1が過度に冷却されているときには、加温用の熱交換媒体を単電池1に接触させることにより、単電池1を温めることができる。このように単電池1の温度を調節することにより、単電池1の入出力特性の劣化を抑制することができる。
幅WA,WPの関係が、上記式(1)の上限値よりも大きいと、単電池1の温度調節に用いられる領域R6が小さくなり、温度調節を効率良く行うことができなくなってしまう。そこで、単電池1の面圧の変化量を低減させつつ、単電池1の温度調節を効率良く行うためには、幅WA,WPの関係が、上記式(1)の上限値以下であることが好ましい。
図16には、単電池1の全面(図5の領域R4〜R6)に対して拘束力Fを与えたときの抵抗増加率(全体拘束)と、本実施例のように、単電池1の一部(発電ユニット20の両端部)に対して拘束力Fを与えたときの抵抗増加率(両端拘束)とを示している。抵抗増加率は、初期状態における単電池1の抵抗値と、充放電後における単電池1の抵抗値との関係を示す値であり、抵抗値の増加率を示す値である。抵抗増加率が上昇するほど、単電池1が劣化していることが分かる。
図16に示すグラフは、25℃の温度条件において、レート25Cで充放電を繰り返した結果を示している。図16の横軸に示すサイクル数は、所定時間の充放電を1サイクルとしたときの回数である。単電池1の全面に対して拘束力Fを与えたときの抵抗増加率の変化を一点鎖線で示し、単電池1の一部に対して拘束力Fを与えたときの抵抗増加率の変化を実線で示している。
図16に示すように、本実施例(両端拘束)では、従来(全体拘束)に比べて、抵抗増加率の上昇を抑制することができ、単電池1の劣化を抑制することができる。
なお、本実施例では、図5に示すように、拘束板6が、領域R1〜R3を有する1つの部材として構成されているが、これに限るものではない。すなわち、単電池1の領域R4,R5に対して拘束力Fを与えることができる構成であればよい。例えば、2つの拘束板を用意しておき、一方の拘束板を単電池1の領域R4に接触させて拘束力Fを与え、他方の拘束板を単電池1の領域R5に接触させて拘束力Fを与えることができる。ここで、2つの拘束板は、Y方向において並んで配置されることになる。
また、本実施例では、図5で説明したように、拘束板6が単電池1の領域R6に接触していないが、領域R6に接触していてもよい。この場合には、拘束板6の領域R3における厚さ(X方向の長さ)を、領域R1,R2における厚さよりも薄くすることができる。これにより、単電池1の領域R4,R5に作用する荷重を、単電池1の領域R6に作用する荷重よりも大きくすることができ、本実施例と同様に、発電ユニット20が部分的に変形しやすくなるのを抑制することができる。
さらに、本実施例では、正極素子21、負極素子22およびセパレータ23を積層した積層体を巻くことにより、発電ユニット20を構成しているが、これに限るものではない。正極素子21、セパレータ23および負極素子22を積層しただけの構成を、発電ユニット20として用いることができる。
この発電ユニット20の構成を図17から図20に示す。図17から図20において、本実施例で説明した部材と同一の機能を有する部材については、同一符号を用いており、詳細な説明は省略する。
図17は、本実施例の変形例1における発電ユニット20の側面図であり、図18は、変形例1の発電ユニット20を上方(図17の矢印D1の方向)から見たときの図である。変形例1の発電ユニット20は、例えば、ラミネートフィルム等で構成されたケースで覆うことができる。
図17に示すように、積層方向(図17の上下方向)における発電ユニット20の両端に位置する集電板21a,22aは、積層方向とは異なる方向に延びている。ここで、集電板21a,22aは、相反する方向に延びている。領域A(発電要素)から突出した集電板21a,22aの一部は、発電ユニット20を負荷に接続して充放電を行うときに、領域Aおよび負荷の間において電流経路を形成する。
図17に示す構成では、矢印で示す位置に拘束力Fを与えており、この拘束力Fは、発電ユニット20の積層方向に作用する力である。また、図18に示すように、拘束力Fを与える領域(第1領域に相当する)RPは、発電ユニット20を積層方向から見たときに、発電ユニット20の領域A(発電要素)のうち、領域Aの外縁に沿った部分である。領域RPの位置や大きさは、本実施例で説明した場合と同様に設定することができる。
図17および図18に示すように、発電ユニット20に拘束力Fを与えることにより、本実施例と同様に、発電ユニット20の一部だけが変形しやすくなってしまうのを防止することができ、劣化のバラツキを抑制することができる。
図19は、本実施例の変形例2における発電ユニット20の側面図であり、図20は、変形例2の発電ユニット20を上方(図19の矢印D2の方向)から見たときの図である。変形例2の発電ユニット20についても、例えば、ラミネートフィルム等で構成されたケースで覆うことができる。
図19に示すように、積層方向(図19の上下方向)における発電ユニット20の両端に位置する集電板21a,22aは、積層方向とは異なる方向に延びている。ここで、本変形例では、集電板21a,22aが同一方向に延びている。領域A(発電要素)から突出した集電板21a,22aの一部は、発電ユニット20を負荷に接続して充放電を行うときに、領域Aおよび負荷の間において電流経路を形成する。
図19に示す構成では、矢印で示す位置に拘束力Fを与えており、この拘束力Fは、発電ユニット20における積層方向に作用する力である。また、図20に示すように、拘束力Fを与える領域RPは、発電ユニット20を積層方向から見たときに、発電ユニット20の領域A(発電要素)のうち、領域Aの外縁に沿った部分である。領域RPの位置や大きさは、本実施例で説明した場合と同様に設定することができる。本変形例においても、実施例1および変形例1と同様の効果を得ることができる。
1:単電池(蓄電素子) 10:電池ケース
10a:上面 11:正極端子(電極端子)
12:負極端子(電極端子) 20:発電ユニット
20a,20b:端部 21:正極素子
21a:集電板 21b:正極活物質層
22:負極素子 22a:集電板
22b:負極活物質層 23:セパレータ(電解質層)
4:拘束バンド 5:バスバー
6:拘束板(加圧部材) 100:電池パック(蓄電装置)
10a:上面 11:正極端子(電極端子)
12:負極端子(電極端子) 20:発電ユニット
20a,20b:端部 21:正極素子
21a:集電板 21b:正極活物質層
22:負極素子 22a:集電板
22b:負極活物質層 23:セパレータ(電解質層)
4:拘束バンド 5:バスバー
6:拘束板(加圧部材) 100:電池パック(蓄電装置)
Claims (7)
- 電解質層を挟んで正極素子および負極素子が積層された発電要素と、前記発電要素を収容するケースと、前記発電要素の端部から突出して、前記発電要素に入出力される電流の経路を形成する導電部とを有する蓄電素子と、
前記発電要素の積層方向に作用する荷重を、前記ケースを介して前記発電要素に与える加圧部材と、を有し、
前記発電要素における前記端部を含む第1領域が受ける前記荷重は、前記発電要素における前記第1領域以外の第2領域が受ける前記荷重よりも大きいことを特徴とする蓄電装置。 - 前記加圧部材は、前記発電要素の前記第2領域に対して、前記荷重を与えていないことを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記加圧部材は、前記ケースと接触して前記第1領域に前記荷重を与える領域と、前記ケースから離れて前記第2領域に前記荷重を与えない領域とを有することを特徴とする請求項2に記載の蓄電装置。
- 前記発電要素は、前記正極素子、前記電解質層および前記負極素子が積層された積層体を、所定軸の周りで巻くことによって構成されており、
前記第1領域は、前記所定軸の方向における前記発電要素の両端部を含む領域であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の蓄電装置。 - 前記所定軸の方向における前記第1領域の幅WPと、前記所定軸の方向における前記発電要素の幅WAとが下記式(I)の関係を有する、
14≦WP/WA×100≦22 ・・・(I)
ことを特徴とする請求項4に記載の蓄電装置。 - 複数の前記蓄電素子が一方向に並んで配置されており、
前記加圧部材は、隣り合って配置された2つの前記蓄電素子の間に配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の蓄電装置。 - 前記蓄電素子は、20C以上のレートで充電又は放電が行われるリチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の蓄電装置。
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