JP2014078470A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルを簡易に固定でき、重量エネルギー効率、体積エネルギー効率に優れた電池モジュールを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、電池モジュール１０は、電極体と、前記電極体を覆うラミネート外装材と、前記電極体から前記ラミネート外装材の外部に延出する電極端子２２ａ、２２ｂと、をそれぞれ備え、前記電極端子同士を互いに連結して接続された複数の電池セル１２と、吸液性および絶縁性を有し電池セルの少なくとも一部を覆う被覆材１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電池モジュールに関する。

一般に、電池モジュール、組電池等の二次電池装置は、互いに電気的に接続された複数の電池セルを備えている。車載用や産業用の電池モジュールは、高体積エネルギー密度化の要求が高くなっている。電池モジュールを高レートで動作させる場合、電池セルから発生する熱量が増大するため、電池セルの発熱に応じて冷却を行う必要がある。一般的な冷却方法としては空冷による除熱が考えられているが、空冷は、冷却能力が小さいという課題がある。また、他の冷却方法として、水冷ジャケットを電池モジュール内あるいは電池モジュールの外面に配置し、水冷ジャケット内に冷却水を循環させる方法が考えられている。

一方、電池モジュールの小型化、軽量化を図るため、ラミネート外装体を用いた電池セルが製品化されている。ラミネート型の電池セルは、電極体および電解質をラミネートフィルムで被覆することにより構成されている。ラミネート型の電池セルは、外装材に柔軟性があること、および、充放電により電極体の形状が変化することから、ねじ止めなどで電池セルを直接、モジュール外装材に固定することが困難となる。そこで、一般的には、アルミ板などで個々のラミネート型電池セルを挟み込んでからモジュール化する固定方法、あるいは、缶の中にラミネート型電池セルを設置する固定方法が提案されている。

特開２００７−６６６４７号公報 特開２００９−９８８８号公報

しかしながら、上述した水冷ジャケットを用いた冷却方式、およびラミネート型電池セルの固定方法では、電池モジュールが大型化し、電池モジュールの重量エネルギー効率および体積エネルギー効率がセル単体と比較して、著しく低下してしまう。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、重量エネルギー効率、体積エネルギー効率に優れているとともに冷却効率の高い電池モジュールを提供することにある。

実施形態に係る電池モジュールは、電極体と、前記電極体を覆うラミネート外装材と、前記電極体から前記ラミネート外装材の外部に延出する電極端子と、をそれぞれ備え、前記電極端子同士を互いに連結して接続された複数の電池セルと、吸油性および絶縁性を有し前記電池セルを覆う被覆材と、を備えている。

図１は、第１実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図。 図２は、前記電池モジュールの外ケースを分解して示す前記電池モジュールの斜視図。 図３は、前記電池モジュールの断面図。 図４は、前記電池モジュールにおける電池セルおよび被覆材を展開して示す平面図および断面図。 図５は、前記電池モジュールにおける電池セルを示す斜視図。 図６は、第２の実施形態に係る電池モジュールの一部を拡大して示す断面図。 図７は、第３の実施形態に係る電池モジュールの電池セルおよび被覆材を示す斜視図。 図８は、変形例に係る電池モジュールの被覆材を示す斜視図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る電池モジュールについて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電池モジュールの電子セル、被覆材、支柱を示す斜視図、図２は、電池モジュールの外ケースの一部を分解して示す電池モジュールの斜視図、図３は、電池モジュールの断面図、図４は、電池セルおよび被覆材を展開して示す平面図および断面図である。

図１ないし図４に示すように、電池モジュール（組電池、二次電池装置）１０は、直列に接続された複数、例えば、６つの電池セル１２と、これらの電池セル１２を覆った袋状の被覆材１４と、を備えている。これら電池セル１２および被覆材１４は、例えば、電池セルの電極端子の位置で交互に逆向きに折り返され、複数の電池セル１２は、被覆材を間に挟んで、互いに一方向に積層されている。各折り返し部に支持ロッド１７が挿通され、この支持ロッド１７に電極端子および被覆材１４が巻きつけられている。被覆材１４は、各電池セル１２の両側に位置する支持ロッド１７により電池セルの両方向へ引っ張られ、すなわち、張力が印加される。これにより、被覆材１４および複数の電池セル１２は積層状態に保持および支持されている。

図５は、電池セル１２および被覆材１４を示す斜視図である。図４および図５に示すように、各電池セル１２は、リチウムイオン電池などの非水電解質二次電池を用い、更に、ラミネート型の電池セルとして構成されている。電池セル１２は、正極板、セパレータ、負極板を積層して形成された電極体１８と、電極体を電解質とともに覆うラミネート外装材２０と、電極体１８からラミネート外装材２０の外部に延出した正極、負極の一対の電極端子２２ａ、２２ｂと、を有している。電極体１８は、例えば、正極板、セパレータ、負極板をコイル状に捲回し、押圧することにより扁平な直方体状に形成されている。あるいは、電極体は、複数枚の矩形板状の正極板および複数枚の矩形板状の負極板を、セパレータを挟んで交互に積層することにより、構成してもよい。

正極側の電極端子２２ａは、電極体１８の正極板に接続され、電極体の軸方向（長手方向）一方へ延出している。負極側の電極端子２２ｂは、電極体１８の負極板に接続され、電極体の軸方向（長手方向）他方へ延出している。すなわち、電極端子２２ａ、２２ｂは、電極体１８から相反する方向に延出している。

電極体１８および電極端子２２ａ、２２ｂの一部、つまり、電極体側の端部は、ラミネートフィルム等からなるラミネート外装材２０により気密に被覆されている。そして、ラミネート外装材２０内において、電極体１８の周囲に、電解質が注入、充填されている。電極端子２２ａ、２２ｂの延出端部は、ラミネート外装材２０から外部に延出している。

ラミネートフィルムは、例えば、熱融解性を有する樹脂層と、金属薄膜などから成る非通気層と、ナイロンなどから成る保護層とがこの順番に積層された３層構造のラミネートフィルムを用いている。ラミネート外装材２０は、電極体１８および電極端子２２ａ、２２ｂを間に挟んで、２枚のラミネートフィルムをプレス加工することで形成される。２枚のラミネートフィルムは、例えば、加熱を伴うプレス加工（熱融着）などによって、周縁部同士が気密に熱融着される。あるいは、ラミネート外装材２０は、１枚の長いラミネートフィルムを途中で折り返し、重ね合わせた状態でプレス加工することにより形成してもよい。

図４および図５に示すように、６つの電池セル１２は、一列に並んで配置され、直列に接続されている。すなわち、隣り合う２つの電池セル１２の正極端子２２ｂと負極端子２２ａとが超音波溶接等により互いに連結されている。本実施形態では、６つの電池セルは、電極体１８が上向きの電池セル１２と、電極体が下向きの電池セル１２と、が交互に並んでいる。電池セル列の一端に位置する電池セル１２の電極端子２２ａは、正極側の出力端子を構成し、列の他端に位置する電池セル１２の電極端子２２ｂは、負極側の出力端子を構成している。

被覆材１４は、６つの電池セル列に対応した長さおよび幅を有する細長い袋状に形成され、この被覆材１４内に直列に連結された６つの電池セル１２が内包されている。被覆材１４は、絶縁性および吸液性（吸油性）を有する材料、例えば、不織布、ポリエチレンセパレータシート、ポリプロピレンセパレータシート、セルロース系樹脂シート、紙、等により形成されている。なお、被覆材１４の吸液性とは、後述する液冷媒を吸収し保持する特性を示し、例えば、液冷媒として絶縁油を用いる場合には、これを吸収可能な吸油性を含む特性を示している。

被覆材１４は、各電池セル１２の主面（上面および下面）を覆っているとともに、これらの主面に接触している。被覆材１４は、電池セル１２の列を間に挟んで、２枚のシート、あるいは、フィルムを両側から加熱、プレス成型することにより、シートあるいはフィルムの周縁部同士を互いに融着し、袋状に形成されている。あるいは、被覆材１４は、袋状に形成された不織布を用いてもよい。電池セル列の両端に位置する出力端子２２ａ、２２ｂの先端部は、被覆材１４を貫通し、被覆材の外部に露出している。

なお、被覆材１４は、電池セル１２の少なくとも一方の主面を覆い、かつ、この主面に接触するように設けられていればよく、袋状に限定するものではない。更に、被覆材１４は、６つの全ての電池セル１２を内包するものに限らず、１つずつ別々に電池セルを覆うように、あるいは、複数ずつ、電池セルを覆うように形成してもよい。

上記のように、電池セル１２を覆うように被覆材１４を設け、この被覆材に、絶縁油等の絶縁性を有する液冷媒を染込ませることにより、液冷媒によって電池セル１２を直接的に冷却することが可能となる。

図１ないし図３に示すように、本実施形態によれば、電池モジュール１０は、内部が気密に形成された、例えば、ほぼ矩形箱状の外ケース３０を備え、電池セル１２および被覆材１４は、外ケース３０内に収納されている。また、外ケース３０には、液冷媒３２が充填され、電池セル１２および被覆材１４は、液冷媒３２に浸漬されている。

直列に接続された６つの電池セル１２およびこれら覆う被覆材１４は、複数個所で蛇腹状に折り返されて、電池セル１２が互いに一方向に積層されている。電池セル１２および被覆材１４は、例えば、電極端子２２ａ、２２ｂを連結している位置で、それぞれほぼ１８０度ずつ折り返され、かつ、複数の連結位置で上向き、下向きに交互に逆向きに折り返されている。これにより、複数の電池セル１２は、電極体１８が上を向いた状態で、一列に積層されている。また、被覆材１４の複数の折返し部は、各電池セル１２の両側、ここでは、電極端子２２ａ、２２ｂが設けられている側に位置している。

外ケース３０内に、支持部材として機能する複数本の支持ロッド１７が立設されている。これらの支持ロッドは、例えば、外ケース３０の側壁内面に固定され、互いに平行に、かつ、左右、複数本ずつ互いに所定の間隔を置いて設置されている。そして、各支持ロッド１７は、被覆材１４の対応する折返し部の内側に挿通され、この支持ロッド１７に電極端子２２ａ、２２ｂおよび被覆材１４が巻きつけられている。各段における電池セル１２を覆う被覆材１４は、各電池セル１２の両側に位置する支持ロッド１７により電池セルの両方向へ引っ張られ、すなわち、張力が印加されている。そのため、ラミネート型電池セルスタックの層方向には電池セル１２同士を圧縮する方向の力が作用する。これにより、電池セル１２同士の相対変位を規制することができ、電池セルスタック全体の剛性を高めることができる。また、被覆材１４は、引っ張られることにより、各電池セル１２の主面（上面および下面）に密着するとともに、積層方向に隣合う２つの電池セル１２間に挟持されている。

電池セル列の両端に位置し出力端子として機能する電極端子２２ａ、２２ｂは、外ケース３０の壁部を気密に貫通し、外ケース３０の外部に突出している。また、図２に示すように、外ケース３０は、一端が開口した本体ケース３０ａと、本体ケースの開口を閉じる蓋体３０ｂと、を有している。そして、開口を通して本体ケース３０ａ内に電池セルスタックを収納した後、蓋体３０ｂを接着剤により本体ケース３０ａに気密に固定し、開口を閉じ、外ケース３０を構成している。例えば、蓋体３０ｂの内面には、５個の凹所３４が形成され、各支持ロッド１７の一端は、凹所３４に係合し、位置決め保持される。
なお、接着剤の代わりに、あるいは、接着剤と一緒に、蓋体３０ｂと本体ケース３０ａとの間にＯリング等のシール材を挟み込んで、外ケース３０の気密性を維持するようにしてもよい。

図３に示すように、外ケース３０内に絶縁性を有する液冷媒３２が充填されている。これにより、電池セル１２および被覆材１４からなる電池セルスタックは、液冷媒３２に浸漬されている。液冷媒としては、電気的絶縁性を有する液冷媒、例えば、絶縁油、トランス油、リン酸トリフェニル、リン酸トリオクチル、ハイドロフルオロエーテル、フッ素系不活性液体、等を用いることができる。

吸液性（吸油性）を有する被覆材１４は、液冷媒３２を吸収して保持する。そして、吸収された液冷媒３２は、この被覆材１４を介して電池セル１２の主面に直接、接触している。従って、複数の電池セル１２は、液冷媒３２により直接、冷却される。この際、電池セル１２間に挟まれた被覆材１４にも液冷媒３２が浸透して電池セル１２の主面に接触することができるため、電池セルスタックの中間層に位置する電池セル１２も効率よく冷却することができる。従って、電池セルスタック全体をほぼ均一に冷却し、電池セル間の温度分布を無くことが可能となる。また、液冷媒３２より被覆材１４が膨潤することで、電池セル１２の主面を被覆材で加圧することができ、これにより、電池セルスタック全体の剛性をさらに高めることができる。

なお、被覆材１４は吸液性を有しているため、被覆材の少なくとも一部が液冷媒３２に接触していれば、そこから液冷媒を吸収し、被覆材の全体に液冷媒を行き渡らすことが可能である。従って、液冷媒３２の充填量が少ない場合でも、被覆材１４を介して電池セルスタック全体に液冷媒を供給することができる。このように、外ケース３０に充填する液冷媒３２の量は、適宜選択可能である。

また、電池セルスタック、被覆材１４に、液冷媒を降り掛ける構成としてもよい。更に、外ケース３０内に液冷媒３２を貯溜する構成とした場合、外ケース３０の外側に、冷媒循環機構、例えば、ポンプ、配管、冷媒冷却器、を設け、外ケース３０内の液冷媒を循環および冷却する構成としてもよい。

以上のように構成された本実施形態によれば、複数のラミネート型の電池セルを簡易に支持でき、重量エネルギー効率、体積エネルギー効率に優れているとともに冷却効率の高い電池モジュールが得られる。被覆材１４に液冷媒を吸収させることで、各電池セル１２を液冷媒により直接冷却することができ、空冷に比較して冷却効率が大幅に向上する。

本実施形態によれば、水冷ジャケットおよびその周囲の配管構造が不要になるため、電池モジュールの構造が簡単になり、組み立て性向上、コスト低減を図ることができる。液冷媒として、例えば、絶縁油を用いる場合、絶縁油は、水より比熱が低く、水に比べて早く熱を吸収し、かつ早く熱を放出する。そのため、絶縁油が少量でも冷却効果があることと、水冷で生じる錆発生、導電性の問題も解決することができる。また、電池モジュール内の結露を合わせて防止することが可能となる。

次に、他の実施形態に係る電池モジュールについて説明する。なお、以下に説明する他の実施形態において、前述した第１実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る電池モジュールを示す断面図である。第２実施形態によれば、複数の電池セル１２を積層した電池セルスタックを固定する手段として、支持ロッドに代えて、接着剤を用いている。また、電池セル１２を覆う被覆材１４は、電池セルの主面と対向する矩形シート状に形成され、積層方向に隣合う２つの電池セル１２間に挟まれている。

図６に示すように、直列に接続された複数の電池セル１２は、複数個所で蛇腹状に折り返されて、電池セル１２が互いに一方向に積層されている。電池セル１２は、例えば、電極端子２２ａ、２２ｂを連結している位置で、それぞれほぼ１８０度ずつ折り返され、かつ、複数の連結位置で上向き、下向きに交互に逆向きに折り返されている。これにより、複数の電池セル１２は、電極体１８が上を向いた状態で、一列に積層され、電池セルスタックを構成している。

積層方向に隣合う２つの電池セル１２は、被覆材１４を間に挟んで、接着剤３６により互いに接着されている。これにより、電池セルスタックは、積層状態に保持されている。各被覆材１４は、上側の電池セル１２の主面（下面）および下側の電池セル１２の主面（上面）に接着剤３６を介して接触している。
第２実施形態において、電池モジュール１０の他の構成は、第１実施形態に係る電池モジュールと同一である。

第２実施形態によれば、電池セル１２同士を接着剤３６で固定することにより、相対する電池セル１２同士の相対変位を規制し、複数の電池セルを積層状態に固定することが可能となる。これにより、ラミネート型電池セルスタック全体の剛性を高めることができる。また、絶縁性および吸液性を有する被覆材１４に液冷媒を吸収させることにより、電池セル１２間の隙間ロスを最低限に抑えて、電池セル１２を冷却することができる。被覆材１４自体が液冷媒によって膨潤することで、各電池セル１２の主面に圧力を負荷することができる。これにより、電池セルスタック全体の剛性を更に高めることができる。
これにより、第２実施形態によれば、複数のラミネート型の電池セルを簡易に支持でき、重量エネルギー効率、体積エネルギー効率に優れているとともに冷却効率の高い電池モジュールが得られる。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る電池モジュールの電池セルおよび被覆材を示している。本実施形態によれば、被覆材１４は、弾性を有するメッシュ状に形成され、１つの電池セル１２毎に別々に電池セルに巻き付けられ電池セルの主面（上面および下面）を覆っている。メッシュ状とした場合においても、被覆材１４は、絶縁性および吸液性（吸油性）を有する材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース系樹脂等により形成されている。なお、被覆材１４は、メッシュ状に限らず、不織布を用いてもよい。

複数の電池セルは複数回折畳んで一方向に積層され、電池セルスタックを構成する。この際、対向する被覆材１４の面同士が摩擦で固定され、あるいは対向する被覆材１４の樹脂（ゴム）等の繊維が交差して絡まりあって互いに固定される。これにより、相対する電池セル同士の相対変位が規制され、セル固定することが可能となる。このことから、電池セルスタック全体の剛性を高めることができる。

また、絶縁性および吸液性を有する被覆材１４に液冷媒を吸収させることにより、電池セル１２間の隙間ロスを最低限に抑えて、電池セル１２を冷却することができる。被覆材１４自体が液冷媒によって膨潤することで、各電池セル１２の主面に圧力を負荷することができる。これにより、電池セルスタック全体の剛性を更に高めることができる。
これにより、第３実施形態によれば、複数のラミネート型の電池セルを簡易に支持でき、重量エネルギー効率、体積エネルギー効率に優れているとともに冷却効率の高い電池モジュールが得られる。

図８は、変形例に係る電池モジュールの被覆材１４を示している。この図に示すように、被覆材１４は、弾性を有するメッシュ状の樹脂袋により形成してもよい。この場合、直列に接続された複数、例えば、６つの電池セル１２の列全体に被覆材１４が被され、自身の弾性により収縮して電池セル１２の主面に密着する。このような被覆材１４を用いた場合でも、前述した第１および第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、電池モジュールにおいて、電池セルの数は、６つに限らず、必要に応じて適宜増減可能である。被覆材の材料、液冷媒の材料、その他、各構成部材の材料、大きさ、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、適宜選択可能である。直列に接続された複数の電池セルは、折り重ねて積層する構成に限らず、複数の電池セルを渦巻き状に捲回して重ね合わせる構成としてもよい。

被覆材に張力を印加する支持部材は、支持ロッドに限らず、絶縁性を有するワイヤ、クリップ等、その他のものを用いてもよい。電池セルの電極端子に、例えば、直列に接続した超音波溶接部に、電圧検出用にファストン端子あるいは配線を設置し、このファントン端子あるいは配線から各電池セルの電圧を検出する構成としてもよい。この場合、電極端子の溶接部は、液冷媒に浸漬しないように、電池モジュールの外部に突出する形態とすることが望ましい。

１０…電池モジュール、１２…電池セル、１４…被覆材、１７…支持ロッド、
１８…電極体、２０…ラミネート外装材、２２ａ、２２ｂ…電極端子、
３０…外ケース、３２…液冷媒、３６…接着剤

Claims (9)

1. 電極体と、前記電極体を覆うラミネート外装材と、前記電極体から前記ラミネート外装材の外部に延出する電極端子と、をそれぞれ備え、前記電極端子同士を互いに連結して接続された複数の電池セルと、
   吸液性および絶縁性を有し前記電池セルの少なくとも一部を覆う被覆材と、
   を備える電池モジュール。
2. 前記各電池セルは、電極体から相反する向きに延出する２つの電極端子を備え、
   複数の電池セルは、一列に並べられ、隣合う２つの電極端子同士が連結されている請求項１に記載の電池モジュール
3. 前記複数の電池セルは、前記電極端子の位置で折り返され、前記複数の電池セルが互いに積層され、前記被覆材は隣合う電池セル間に挟まれている請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 前記積層された隣合う２つの電池セルは、前記被覆材を間に挟んで、接着剤により互いに接着されている請求項３に記載の電池モジュール。
5. 前記被覆材は、前記複数の電池セルを内包する袋状に形成され、前記電極端子の位置で折返された複数の折返し部を有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 前記各折返し部の内側に挿通され、前記電極端子および被覆材が巻きつけられ、前記被覆材に各電池セルの両方向への張力を印加し、前記複数の電池セルを積層状態に保持する複数の支持部材を備えている請求項５に記載の電池モジュール。
7. 絶縁性の液冷媒を収容した外ケースを備え、
   前記電池セルおよび被覆材は、前記外ケース内に収納され前記液冷媒に接触している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 絶縁性の液冷媒を収容した外ケースを備え、
   前記電池セルおよび被覆材は、前記外ケース内に収納され前記液冷媒に浸漬され、
   前記複数の支持部材は、前記外ケースの壁部間に取り付けられている請求項６に記載の電池モジュール。
9. 前記被覆材は、セパレータ、不織布、メッシュ状の弾性樹脂袋のいずれかを１つを用いている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電池モジュール。

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