JP2015022848A - 電池モジュール及び電池モジュールの製造方法 - Google Patents

電池モジュール及び電池モジュールの製造方法 Download PDF

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直裕 青山
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Abstract

【課題】電極を有するラミネートセルを積層して備える電池モジュールにおいて、効率的に充放電に伴う温度上昇を抑制すること。【解決手段】電極12、13を有するラミネートセル4と、熱伝導性部材5と、を積層して備え、筐体16の第1の面9に、前記電極12、13と接続する電極端子2、3を備え、前記第1の面9と反対側の面である前記筐体16の第2の面10に、前記熱伝導性部材5と接触する熱放出部7を備えることを特徴とする電池モジュール1。【選択図】図3

Description

本発明は、電極を有するラミネートセルを積層して備える電池モジュール及び電池モジュールの製造方法に関する。
従来から、リチウムイオン二次電池等の電池モジュールでは、電池モジュールの充放電に伴って電流が流れると、電池モジュールの内部抵抗に起因する発熱が生じる。この発熱により電池モジュールの温度が上昇するほど、電池モジュールは性能劣化を起こしやすくなる。
このため、電池モジュールの温度上昇を抑制するために、例えば、特許文献1には、電極端子から絶縁性を有する熱伝導性部材を介して電池容器に熱を伝える缶型の二次電池モジュールが開示されている。
また、例えば、特許文献2及び特許文献3に開示されるように、リチウムイオン二次電池等の電池モジュールとして、電極を有するラミネートセルを積層して備える電池モジュールが使用されている。
特開2012−186114号公報 特開2011−181369号公報 特開2012−248374号公報
特許文献2及び特許文献3に開示されるような電極を有するラミネートセルを積層して備える電池モジュールは、積層したラミネートセルが筐体に入れられており、特許文献1に開示されるような缶型の二次電池モジュールとは構成が異なる。一般的に、ラミネートセルを積層して備える構成の電池モジュールにおいては、充放電に伴う温度上昇を抑制するのは困難であった。例えば、このような構成の電池モジュールの温度上昇を抑制するために、特許文献1に開示されるような、電極と接続される電極端子から絶縁性を有する熱伝導性部材を介して電池容器に熱を伝える技術を採用しても、電極と熱伝導性部材との接触面積は小さくなる。このため、電池モジュールの温度上昇を抑制する効果は不十分である。
一方、特許文献3に開示される電池モジュールは、ラミネートセルと金属製の熱伝導板とを交互に積層し、バネ部を介して、熱伝導板から筐体に伝熱可能な構成である。
ここで、電池モジュールは、複数並べて又は積み重ねて使用される場合があるが、このような場合、一般的に、筐体の電極端子が設けられた面が同じ向きになるように、複数並べ又は積み重ねられる。
しかしながら、特許文献3に開示される電池モジュールは、筐体の電極端子が設けられた面から見て側面側に伝熱可能な構成であるため、該電池モジュールを筐体の電極端子が設けられた面から見て側面側に複数並べて配置すると、隣接する電池モジュール側に熱が伝わり、熱が籠り易い。すなわち、該電池モジュールは効率的に充放電に伴う温度上昇を抑制することができる構成であるとは言えない。
そこで、本発明の目的は、電極を有するラミネートセルを積層して備える電池モジュールにおいて、効率的に充放電に伴う温度上昇を抑制することである。
上記課題を解決するための本発明の第1の態様に係る電池モジュールは、電極を有するラミネートセルと、熱伝導性部材と、を積層して備え、筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備えることを特徴とする。
ここで、「前記第1の面と反対側の面」とは、前記第1の面と反対側の面であればよく、前記第1の面と平行な面には限定されない意味である。
本態様によれば、前記第2の面に前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備えるので、前記ラミネートセルの熱を、前記第1の面と反対側の面である前記第2の面の方向への一方向に伝えることができる。このため、前記電池モジュールを筐体の電極端子が設けられた前記第1の面が同じ向きになるように複数並べ又は積み重ねた場合、これら複数の電池モジュールの熱は隣接する電池モジュール側に伝わらず、熱が籠り難い。すなわち、効率的に充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第2の態様に係る電池モジュールは、前記第1の態様において、前記熱伝導性部材は、可撓性を有することを特徴とする。
本態様によれば、前記熱伝導性部材は可撓性を有するので、前記熱伝導性部材を前記熱放出部に押し付けるという簡単な方法で、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを面接触させるなど確りと接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第3の態様に係る電池モジュールは、前記第1又は第2の態様において、前記熱伝導性部材は、粘着性を有することを特徴とする。
ここで、「前記熱伝導性部材は、粘着性を有する」とは、前記熱伝導性部材が粘着性を有する材料を用いて構成される場合のほか、前記熱伝導性部材に粘着性物質を付着させた構成も含む意味である。
本態様によれば、前記熱伝導性部材は粘着性を有するので、前記熱伝導性部材を前記熱放出部に貼り付けるという簡単な方法で、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを確りと接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第4の態様に係る電池モジュールは、前記第1から第3のいずれか1つの態様において、前記熱伝導性部材は、絶縁性であることを特徴とする。
本態様によれば、前記熱伝導性部材は絶縁性であるので、熱放出部への予期せぬ電流の発生や隣接セルとの短絡電流の発生を抑制することができる。
本発明の第5の態様に係る電池モジュールは、前記第1から第4のいずれか1つの態様において、前記熱伝導性部材は、熱伝導率が1.0W/m・K以上であることを特徴とする。
本態様によれば、前記熱伝導性部材は熱伝導率が1.0W/m・K以上であるので、充放電に伴う前記ラミネートセルの熱を効率的に前記熱放出部に伝えることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第6の態様に係る電池モジュールは、前記第1から第5のいずれか1つの態様において、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とは、面接触していることを特徴とする。
本態様によれば、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とは面接触しているので、前記熱伝導性部材から前記熱放出部に熱を効率的に伝えることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第7の態様に係る電池モジュールは、前記第1から第6のいずれか1つの態様において、前記熱放出部は、フィン状の金属で構成されていることを特徴とする。
本態様によれば、前記熱放出部はフィン状の金属で構成されている。このため、前記熱放出部の熱放出効果は高いので、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第8の態様に係る電池モジュールは、前記第1から第7のいずれか1つの態様において、補強部材を備え、前記ラミネートセルと、前記熱伝導性部材と、前記補強部材と、を積層して備えていることを特徴とする。
ここで、「前記ラミネートセルと、前記熱伝導性部材と、前記補強部材と、を積層して備え」とは、各々が順番に積層される構成のほか、各々が順序不同に積層される構成も含む意味である。
本態様によれば、補強部材を前記ラミネートセルと積層して備える。このため、前記熱伝導性部材の強度を強くしたうえで前記ラミネートセルに密着させるという高度な技術を採用する必要がなくなるとともに、前記ラミネートセルが過放電または過充電された際の膨張を該補強部材により抑制可能になる。すなわち、低コスト化と、前記ラミネートセルの膨張の抑制及び前記ラミネートセルに対するストレスの抑制と、が可能になる。
本発明の第9の態様に係る電池モジュールの製造方法は、電極を有するラミネートセルと、可撓性を有する熱伝導性部材と、を積層して備え、筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備える電池モジュールの製造方法であって、前記ラミネートセルと前記熱伝導性部材とが積層された積層物を前記第1の面側から前記第2の面側に挿入し、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを面接触させる挿入工程と、を有することを特徴とする。
本態様によれば、前記積層物を挿入するという簡単な方法で、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを面接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の第10の態様に係る電池モジュールの製造方法は、電極を有するラミネートセルと、粘着性を有する熱伝導性部材と、を積層して備え、筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備える電池モジュールの製造方法であって、前記ラミネートセルと前記熱伝導性部材とが積層された積層物を前記第1の面側から前記第2の面側に挿入し、前記熱伝導性部材を前記熱放出部に貼り付ける挿入工程と、を有することを特徴とする。
本態様によれば、前記積層物を挿入するという簡単な方法で、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを確りと接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
本発明の一実施例に係る電池モジュールの一部切欠きの概略斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールにおいて筐体の一部を外した状態の該電池モジュールの正面側の部分を表す概略斜視図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールの背面側の部分を表す概略側断面図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールの背面側から見た概略断面図である。 本発明の一実施例に係る電池モジュールと比較例の電池モジュールとの充放電に伴う温度上昇の比較結果を表す図である。
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について説明する。
図1は、本発明の一実施例に係る電池モジュール1の一部切欠きの概略斜視図である。また、図2は、本発明の一実施例に係る電池モジュールにおいて筐体の一部を外した状態の該電池モジュールの正面側の部分を表す概略斜視図である。また、図3は、本発明の一実施例に係る電池モジュールの背面側の部分を表す概略側断面図である。また、図4は、本発明の一実施例に係る電池モジュールの背面側から見た概略断面図である。
図1に示されるように、本実施例の電池モジュール1は、樹脂製の筐体16で周囲を囲まれており、正極端子2と負極端子3の両方の電極端子を筐体16の正面側の第1の面14に有する。また、第1の面14と反対側の面である筐体16の第2の面15に、フィン状の金属で構成される熱放出部7を備えている。なお、本実施例の電池モジュール1における第2の面15は、第1の面14と平行であるが、第1の面14と反対側の面であればよく、第1の面14と平行な面でなくてもよい。すなわち、第2の面15は第1の面14に対して傾いていてもよい。
また、図1及び図2で示されるように、電池モジュール1の内部には、樹脂製のセルケースで構成される補強部材6が複数収容されている。図3及び図4に示されるように、補強部材6は、正極12及び負極13の両方の電極を有するラミネートセル4と、熱伝導性部材5と、を積層して備えている。詳細には、図4に示されるように、板状の熱伝導性部材5の表裏両面にラミネートセル4が貼り付けられ、それをセルケースである補強部材6が覆い、ユニット11を構成している。さらに詳細には、各ラミネートセル4は、上下に隣り合うラミネートセル4と熱伝導性部材5又は補強部材6を介して異なる電極が向かい合うように配置されている。
本実施例の電池モジュール1は、ユニット11を直列に接続する構成の電池モジュールである。このため、図2で表されるように、電池モジュール1を正面側から見て右側においては、各ユニット11夫々において正極のタブ17と負極のタブ18とが接続されている。そして、電池モジュール1を正面側から見て左側においては、下側に配置されたユニット11の正極のタブ17と上側に配置されたユニット11の負極のタブ18とが接続されている。図4に示されるように、各ラミネートセル4が上下に隣り合うラミネートセル4と熱伝導性部材5又は補強部材6を介して異なる電極が向かい合うように配置されていることで、正極のタブ17と負極のタブ18との接続が容易になっている。ただし、このような構成には限定されない。
ここで、本実施例の熱伝導性部材5は絶縁性である。なお、熱伝導性部材5は、絶縁性のラミネートセル4の外装(ラミネートフィルム部分)と接するため、絶縁性でなくてもよいが、絶縁性であることが好ましい。例えば、ラミネートセル4が破損した場合等、熱放出部7への予期せぬ電流の発生や隣接するラミネートセル4との短絡電流の発生を抑制することができるためである。
また、本実施例の熱伝導性部材5は可撓性を有する。このため、熱伝導性部材5を熱放出部7に押し付けるという簡単な方法で、図3で示されるように、熱伝導性部材5と熱放出部7とを面接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
また、本実施例の熱伝導性部材5は粘着性を有する。このため、熱伝導性部材5を熱放出部7に貼り付けるという簡単な方法で、熱伝導性部材5と熱放出部7とを確りと接触させることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。なお、「熱伝導性部材5は粘着性を有する」とは、熱伝導性部材5が粘着性を有する材料を用いて構成される場合も含むが、ここでは、熱伝導性部材5に粘着性物質を付着させた構成である。
ただし、熱伝導性部材5はこのようなものに限定されない。
また、熱伝導性部材5は、熱伝導率が1.0W/m・K以上であることが好ましく、さらに、2.0W/m・K以上であることが好ましい。充放電に伴うラミネートセル4の熱を効率的に熱放出部7に伝えることができ、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができるためである。熱伝導性部材5の好ましい構成材料は、例えば、アクリル系熱伝導部材、シリコン系熱伝導部材等が挙げられる。具体的には、例えば、KITAGAWA INDUSTRIES CO.,LTD.製のクールプロバイド(熱伝導率:2.0W/m・K)、竹内工業株式会社製のTMS−22(熱伝導率:2.2W/m・K)、株式会社タイカ製のラムダゲルCOHシリーズ(熱伝導率:1.0〜2.1W/m・K)等が挙げられるがこれらに限定されない。
また、本実施例の電池モジュール1における熱伝導性部材5は可撓性を有し粘着性を有するため、図3に示されるように熱伝導性部材5は熱放出部7に確りと面接触で貼り付けられている。さらに、図2の方向Aにユニット11を挿入することにより、簡単に、熱伝導性部材5を熱放出部7に、面接触状態にして貼り付けて、確り接触させることができる。
すなわち、電極12、13を有するラミネートセル4と、可撓性を有する熱伝導性部材5と、を積層して備え、筐体16の第1の面14に、電極12、13と接続する電極端子2、3を備え、第1の面14と反対側の面である筐体16の第2の面15に、熱伝導性部材5と接触する熱放出部7を備える電池モジュール1を、ラミネートセル4と熱伝導性部材5とが積層された積層物を第1の面14側から第2の面15側に挿入し、熱伝導性部材5と熱放出部7とを面接触させることにより製造が可能である。
また、電極12、13を有するラミネートセル4と、粘着性を有する熱伝導性部材5と、を積層して備え、筐体16の第1の面14に、電極12、13と接続する電極端子2、3を備え、第1の面14と反対側の面である筐体16の第2の面15に、熱伝導性部材5と接触する熱放出部7を備える電池モジュール1を、ラミネートセル4と熱伝導性部材5とが積層された積層物を第1の面14側から第2の面15側に挿入し、熱伝導性部材5を熱放出部7に貼り付けることにより製造が可能である。
また、図2で示されるように、補強部材6にはスリット状の溝10が設けられており、詳細には、補強部材6の上下の面に夫々3ヶ所のスリット状の溝10が設けられている。このような構成となっていることにより、補強部材6の内部であるセルケース内に熱が籠ることを抑制するとともに、補強部材6はラミネートセル4が過放電または過充電された際の膨張を一定量許容しつつ抑制することができる。
ラミネートセル4が過放電または過充電された際には、ガスがラミネートセル4の内部に溜まって圧力が加わり、外側から強い圧力を受けるとラミネートセル4が破裂する虞がある。しかしながら、本実施例の補強部材6は、溝10による該補強部材6の一定量の歪みを許容することで外側から強い圧力をラミネートセル4に与えることを抑制し、ラミネートセル4の破裂を抑制しつつ膨張も抑制することを可能にしている。
なお、本実施例の補強部材6にはスリット状の溝10が設けられている。しかしながら、スリット状の溝10ではなく、例えば、補強部材6に円形や矩形等の孔部を設けることによって、補強部材6の一定量の歪みを許容することで外側から強い圧力をラミネートセル4に与えることを抑制し、ラミネートセル4の破裂を抑制しつつ膨張も抑制してもよい。
また、本実施例のユニット11は、図2及び図4に示されるように、筐体16の内側面に設けられた突起部8により、ユニット11同士が接触しないように空間9を介して電池モジュール1に収容されている。このように空間9が設けられていることにより、ラミネートセル4の破裂を抑制しつつ膨張も抑制することを効果的に達成できる。膨張したユニット11同士の干渉を抑制できるためである。ただしこのような構成に限定されない。なお、突起部8は、電池モジュール1の両方の側面に、短い突起と長い突起とが上下方向に交互に形成されることによって構成されている。そして、短い突起はユニット11の左右方向の動きを規制する役割をし、長い突起はユニット11の上下方向の動きを規制する役割とともにユニット11同士の干渉を抑制するための空間9を形成する役割をしている。
なお、気流を発生可能なファン等を別途電池モジュール1に設けることにより、空間9を空気の流路とし、ユニット11を冷却することが可能な構成としてもよい。
また、図1で示されるように、本実施例の電池モジュール1は、電極端子を筐体16の第1の面14に有し、第1の面14と反対側の第2の面15に、フィン状の金属で構成される熱放出部7を備えているため、ラミネートセル4の熱を、第2の面15の方向への一方向に伝えることができる。このため、電池モジュール1を筐体16の電極端子が設けられた第1の面14が同じ向きになるように複数並べ又は積み重ねた場合、これら複数の電池モジュール1の熱は隣接する電池モジュール4側に伝わらず、熱が籠り難い。すなわち、効率的に充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。
なお、ラミネートセル4の熱伝導性部材5に対する接触面積は広い方が効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができるため好ましい。特に、ラミネートセル4における熱伝導性部材5と対向する側の面の面積の70%以上の面積となるように、ラミネートセル4と熱伝導性部材5とが面接触している構成が好ましい。
本実施例の熱放出部7は、フィン状であるとともにアルミニウムで構成されており、熱放出効果が高い。このため、効率よく充放電に伴う温度上昇を抑制することができる。ただし、このような形状及び構成材料に限定されない。熱放出部7の好ましい構成材料としては、例えば、アルミニウム、黒色アルマイト、銅等が挙げられる。
また、本実施例の正極端子2及び負極端子3は平板状であり、ラミネートセル4を薄く構成できるため該ラミネートセル4を積層し易い。ただし、このような構成に限定されない。
なお、正極端子2は、アルミニウム等で構成されていることが好ましい。導電効果が高いためである。ただし、このような構成材料に限定されない。
一方、負極端子3は、ニッケルメッキ銅等で構成されていることが好ましい。導電効果が高いためである。ただし、このような構成材料に限定されない。
また、図3及び図4で示されるように、本実施例の電池モジュール1は、補強部材6、ラミネートセル4、熱伝導性部材5、ラミネートセル4、補強部材6の順に上下方向に積層されるユニット11を複数収容して構成される。ただし、このような構成に限定されず、例えば、ユニット11における補強部材6を用いる代わりに熱伝導性部材5として強度が強いものを用いて、ラミネートセル4と熱伝導性部材5とからなるユニットを複数積層する構成としてもよい。
しかしながら、本実施例の電池モジュール1のように、補強部材6を備え、ラミネートセル4と、熱伝導性部材5と、補強部材6と、を積層して備える構成が好ましい。このような構成は、補強部材6を備えるので、熱伝導性部材5の強度を強くしたうえでラミネートセル4に密着させるという高度な技術を採用する必要がなくなるとともに、ラミネートセル4が過放電または過充電された際の膨張を該補強部材6により抑制可能になるためである。すなわち、低コスト化と、ラミネートセル4の膨張の抑制及びラミネートセル4に対するストレスの抑制と、が可能になるためである。
また、補強部材6、ラミネートセル4、熱伝導性部材5が規則性なく積層される構成でもよい。
次に、本実施例の電池モジュール1の充放電に伴う温度上昇を抑制する効果について説明する。
図5は、本実施例の電池モジュール1と、比較例としての熱伝導性部材を有しない従来の電池モジュールと、の充放電に伴う温度上昇の比較結果を表す図である。
なお、比較例の電池モジュールは、熱伝導性部材を有しないこと以外は本実施例の電池モジュール1と同様の構成である。
ここで、図5は、横軸が経過時間(分)、縦軸が電池モジュールの上昇温度(℃)を表している。詳細には、本実施例の電池モジュール1及び比較例の電池モジュールを、経過時間が20分まで充電させ、その後経過時間が120分まで放電させ、その後経過時間が140分まで充電させた際の夫々の電池モジュールの上昇温度(℃)を表している。
図5で表されるように、本実施例の電池モジュール1は、比較例の電池モジュールと比較して、明らかに充放電に伴う温度上昇を抑制できている。
1 電池モジュール、2 正極端子、3 負極端子、4 ラミネートセル、
5 熱伝導性部材、6 補強部材、7 熱放出部、8 突起部、9 空間、10 溝、
11 ユニット、12 正極、13 負極、14 電池モジュール1の第1の面、
15 電池モジュール1の第2の面、16 筐体、17 正極のタブ、18 負極のタブ

Claims (10)

  1. 電極を有するラミネートセルと、熱伝導性部材と、を積層して備え、
    筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、
    前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備えることを特徴とする電池モジュール。
  2. 請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱伝導性部材は、可撓性を有することを特徴とする電池モジュール。
  3. 請求項1又は2に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱伝導性部材は、粘着性を有することを特徴とする電池モジュール。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱伝導性部材は、絶縁性であることを特徴とする電池モジュール。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱伝導性部材は、熱伝導率が1.0W/m・K以上であることを特徴とする電池モジュール。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱伝導性部材と前記熱放出部とは、面接触していることを特徴とする電池モジュール。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
    前記熱放出部は、フィン状の金属で構成されていることを特徴とする電池モジュール。
  8. 請求項1から7のいずれか1項に記載の電池モジュールにおいて、
    補強部材を備え、
    前記ラミネートセルと、前記熱伝導性部材と、前記補強部材と、を積層して備えていることを特徴とする電池モジュール。
  9. 電極を有するラミネートセルと、可撓性を有する熱伝導性部材と、を積層して備え、
    筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、
    前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備える電池モジュールの製造方法であって、
    前記ラミネートセルと前記熱伝導性部材とが積層された積層物を前記第1の面側から前記第2の面側に挿入し、前記熱伝導性部材と前記熱放出部とを面接触させる挿入工程と、を有することを特徴とする電池モジュールの製造方法。
  10. 電極を有するラミネートセルと、粘着性を有する熱伝導性部材と、を積層して備え、
    筐体の第1の面に、前記電極と接続する電極端子を備え、
    前記第1の面と反対側の面である前記筐体の第2の面に、前記熱伝導性部材と接触する熱放出部を備える電池モジュールの製造方法であって、
    前記ラミネートセルと前記熱伝導性部材とが積層された積層物を前記第1の面側から前記第2の面側に挿入し、前記熱伝導性部材を前記熱放出部に貼り付ける挿入工程と、を有することを特徴とする電池モジュールの製造方法。
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