JP2015064951A

JP2015064951A - 蓄電装置及び蓄電モジュール

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Publication number: JP2015064951A
Application number: JP2013196883A
Authority: JP
Inventors: 裕介山下; Yusuke Yamashita; 英明篠田; Hideaki Shinoda; 元章奥田; Motoaki Okuda
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: JP6268855B2

Abstract

【課題】電極組立体に付加される拘束圧の変動を抑制できる蓄電装置及び蓄電モジュールを提供する。【解決手段】蓄電装置では、電極組立体３の外側に配置された緩衝体１６が弾性変形可能となっている。したがって、蓄電装置１を放充電する際に電極組立体３が膨張・収縮した場合であっても、緩衝体１６の弾性変形によって電極組立体３に付加される拘束圧の変動が抑制される。これにより、拘束圧の増加に起因する電極の破損や、局所的な内部抵抗の減少によって電流が増大し、金属の析出によって容量が低下してしまうことを防止できる。また、拘束圧の減少に起因する内部抵抗の増大を防止できる。緩衝体１６は、ケース２内の電解液４を保持しないので、電極組立体３が膨張・収縮を繰り返したとしても緩衝体１６の状態変化が抑えられ、拘束圧の変動抑制効果を維持できる。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置及び蓄電モジュールに関する。

この種の分野に関連する技術として、例えば特許文献１に記載の非水電界質二次電池がある。この従来の二次電池は、バネ性を有する押し込みガイド板によって正極及び負極からなる電極組立体を挟み込み、電極組立体の少なくとも一部を押し込みガイド板で被覆した状態で外装缶に収容している。

特開平９−１２０８３６号公報

例えば放熱板を介して蓄電装置を複数並べた蓄電モジュールでは、蓄電装置を金属プレート等の拘束具で挟み込んで一定の圧力で拘束することで、蓄電装置において抵抗等の特性が変動することを抑制している。しかしながら、蓄電装置を放充電する際、電極組立体が膨張・収縮を繰り返す場合がある。

電極組立体が膨張すると、拘束具から電極組立体に付加される拘束圧が増加し、電極が破損するおそれがある。また、局所的に内部抵抗が減少して電流が増大し、金属の析出によって容量が低下するおそれがある。一方、電極組立体が収縮すると、拘束具から電極組立体に付加される拘束圧が減少し、内部抵抗が増大してしまうおそれがある。このような現象は、例えば負極にＳｉＯ等を用いる場合に特に顕著に生じることがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電極組立体に付加される拘束圧の変動を抑制できる蓄電装置、及びこのような蓄電装置を用いた蓄電モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る蓄電装置は、電解液が充填されたケースと、正極及び負極がセパレータを介して交互に積層されて構成され、ケース内に収容された電極組立体と、を備え、電極組立体の外側には、電極組立体における正極及び負極の積層方向の端面に対向するように、電解液を保持せず且つ弾性変形可能な緩衝体が配置されていることを特徴としている。

この蓄電装置では、電極組立体の外側に配置された緩衝体が弾性変形可能となっている。したがって、蓄電装置を放充電する際に電極組立体が膨張・収縮した場合であっても、緩衝体の弾性変形によって電極組立体に付加される拘束圧の変動が抑制される。また、緩衝体は、ケース内の電解液を保持しないので、電極組立体が膨張・収縮を繰り返したとしても緩衝体の状態変化が抑えられ、拘束圧の変動抑制効果を維持できる。

また、緩衝体は、電極組立体における正極及び負極の積層方向の一方の端面のみに対向するように配置されていることが好ましい。この場合でも、緩衝体による拘束圧の変動抑制効果を十分に確保できる。また、部品点数の増加が抑えられる。

また、正極は、金属箔と、金属箔の表面に形成された正極活物質層とを有し、緩衝体は、正極活物質層と同面積で正極活物質層と対向するように配置されていることが好ましい。蓄電装置を放充電する際、電極組立体において膨張・収縮が生じる部分は主に正極と対向する負極部分である。したがって、正極活物質層と同面積で正極活物質層と対向するように緩衝体を配置することで、緩衝体を小型化しつつ拘束圧の変動抑制効果を確保できる。

また、緩衝体の弾性率は、４ＭＰａ〜４０ＭＰａとなっていることが好ましい。この場合、緩衝体による拘束圧の変動抑制効果を一層十分に確保できる。

また、緩衝体は、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、またはフッ素ゴムによって形成されていることが好ましい。この場合、緩衝体による拘束圧の変動抑制効果を一層十分に確保できる。

また、本発明に係る蓄電モジュールは、電極組立体における正極及び負極の積層方向に沿って複数配列された上記蓄電装置の配列体と、配列体を配列方向に挟み込み、電極組立体に拘束圧を付加する拘束具と、を備えたことを特徴としている。

この蓄電モジュールでは、蓄電装置において、電極組立体の外側に配置された緩衝体が弾性変形可能となっている。したがって、蓄電装置を放充電する際に電極組立体が膨張・収縮した場合であっても、緩衝体の弾性変形によって電極組立体に付加される拘束圧の変動が抑制される。また、緩衝体は、ケース内の電解液を保持しないので、電極組立体が膨張・収縮を繰り返したとしても緩衝体の状態変化が抑えられ、拘束圧の変動抑制効果を維持できる。

本発明によれば、電極組立体に付加される拘束圧の変動を抑制できる。

本発明に係る蓄電モジュールの一実施形態を示す平面図である。図１に示した蓄電モジュールを構成する蓄電装置の内部構成を示す断面図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。変形例に係る蓄電装置の内部構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る蓄電装置及び蓄電モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る蓄電モジュールの一実施形態を示す平面図である。同図に示すように、蓄電モジュール２１は、複数の蓄電装置１が放熱板２２を介して配列された配列体２３と、配列体２３の配列方向（後述する電極組立体３における正極１１及び負極１２の積層方向に一致）の両端面にそれぞれ配置された一対の金属プレート（拘束具）２４，２４とによって構成されている。

蓄電装置１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電界質二次電池であり、バスバー部材２５により電気的に直列に接続されている。金属プレート２４，２４間は、蓄電装置１の側方で棒状の連結部材２６，２６によって連結されている。連結部材２６にはそれぞれボルト２７が締結されており、金属プレート２４，２４が配列体を挟み込むことで蓄電装置１の電極組立体３に拘束圧が付加されている。

図２は、図１に示した蓄電モジュールを構成する蓄電装置の内部構成を示す断面図である。また、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２及び図３に示すように、蓄電装置１は、例えば略直方体形状をなす中空のケース２と、ケース２内に収容された電極組立体３とを備えている。ケース２は、例えばアルミニウム等の金属によって形成され、ケース２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液４が充填されている。ケース２の頂面には、図２に示すように、正極端子５と負極端子６とが互いに離間して配置されている。正極端子５は、絶縁リング（絶縁部材）７を介してケース２の頂面に固定され、負極端子６は、絶縁リング（絶縁部材）８を介してケース２の頂面に固定されている。

電極組立体３は、図３に示すように、正極１１と、負極１２と、正極１１と負極１２との間に配置された袋状のセパレータ１３とによって構成されている。電極組立体３では、セパレータ１３内に正極１１が収容されており、この状態で正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して交互に積層された状態となっている。

正極１１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔１１ａと、金属箔１１ａの両面に形成された正極活物質層１１ｂとを有している。正極活物質層１１ｂは、正極活物質とバインダとを含んで形成されている。正極活物質としては、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等が挙げられる。複合酸化物には、例えばマンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。また、正極１１の上縁部には、正極端子５の位置に対応してタブ１１ｃが形成されている。タブ１１ｃは、正極１１の上縁部から上方に延び、導電部材１４を介して正極端子５に接続されている。

一方、負極１２は、例えば銅箔からなる金属箔１２ａと、金属箔１２ａの両面に形成された負極活物質層１２ｂとを有している。負極活物質層１２ｂは、負極活物質とバインダとを含んで形成されている。負極活物質としては、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。また、負極１２の上縁部には、負極端子６の位置に対応してタブ１２ｃが形成されている。タブ１２ｃは、負極１２の上縁部から上方に延び、導電部材１５を介して負極端子６に接続されている。

セパレータ１３は、例えば袋状に形成され、内部に正極１１のみを収容している。セパレータ１３の形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータ１３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

また、図３に示すように、電極組立体３の外側には、正極１１及び負極１２の積層方向の両端面にそれぞれ対向するように一対の緩衝体１６，１６が配置されている。緩衝体１６は、例えば矩形のシート状をなし、正極活物質層１１ｂと同面積で正極活物質層１１ｂと対向するように配置されている。緩衝体１６は、例えばエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、又はフッ素ゴム（ＦＫＭ）などの弾性変形可能な材料によって、ケース２内の電解液４を保持しない（緩衝体１６が電解液４を吸収しない）ように形成されている。緩衝体１６の弾性率は、例えば４ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲となっていることが好ましい。

このように、蓄電装置１では、電極組立体３の外側に配置された緩衝体１６が弾性変形可能となっている。したがって、蓄電装置１を放充電する際に電極組立体３が膨張・収縮した場合であっても、緩衝体１６の弾性変形によって電極組立体３に付加される拘束圧の変動が抑制される。これにより、拘束圧の増加に起因する電極の破損や、局所的な内部抵抗の減少によって電流が増大し、金属の析出によって容量が低下してしまうことを防止できる。また、拘束圧の減少に起因する内部抵抗の増大を防止できる。緩衝体１６は、ケース２内の電解液４を保持しないので、電極組立体３が膨張・収縮を繰り返したとしても緩衝体１６の状態変化が抑えられ、拘束圧の変動抑制効果を維持できる。

本実施形態では、緩衝体１６は、例えばエチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、又はフッ素ゴムなどの材料によって、弾性率が４ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲となるように形成されている。これにより、緩衝体による拘束圧の変動抑制効果を一層十分に確保できる。

また、本実施形態では、緩衝体１６は、正極活物質層１１ｂと同面積で正極活物質層１１ｂと対向するように配置されている。蓄電装置１を放充電する際、電極組立体３において膨張・収縮が生じる部分は主に正極１１と対向する負極部分である。したがって、正極活物質層１１ｂと同面積で正極活物質層１１ｂと対向するように緩衝体１６を配置することで、緩衝体１６を小型化しつつ拘束圧の変動抑制効果を確保できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、緩衝体１６が正極活物質層１１ｂと同面積で正極活物質層１１ｂと対向するように配置されているが、緩衝体１６は少なくとも正極活物質層１１ｂと対向するように配置されていればよく、正極活物質層１１ｂよりも大面積となっていてもよい。

また、上記実施形態では、緩衝体１６が電極組立体３における正極１１及び負極１２の積層方向の両端面に対向するように配置されているが、例えば図４に示すように、緩衝体１６が電極組立体３における正極１１及び負極１２の積層方向の一方の端面のみに対向するように配置されていてもよい。この場合でも、緩衝体１６による拘束圧の変動抑制効果を十分に確保できる。また、部品点数の増加が抑えられる。

１…蓄電装置、２…ケース、３…電極組立体、４…電解液、５…正極端子、６…負極端子、１１…正極、１１ａ…金属箔、１１ｂ…正極活物質層、１２…負極、２１…蓄電モジュール、２３…配列体、２４…金属プレート（拘束具）。

Claims

電解液が充填されたケースと、
正極及び負極がセパレータを介して交互に積層されて構成され、前記ケース内に収容された電極組立体と、を備え、
前記電極組立体の外側には、前記電極組立体における前記正極及び前記負極の積層方向の端面に対向するように、前記電解液を保持せず且つ弾性変形可能な緩衝体が配置されていることを特徴とする蓄電装置。
前記緩衝体は、前記電極組立体における前記正極及び前記負極の積層方向の一方の端面のみに対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の蓄電装置。
前記正極は、金属箔と、前記金属箔の表面に形成された正極活物質層とを有し、
前記緩衝体は、前記正極活物質層と同面積で前記正極活物質層と対向するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電装置。
前記緩衝体の弾性率は、４ＭＰａ〜４０ＭＰａとなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の蓄電装置。
前記緩衝体は、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、又はフッ素ゴムによって形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の蓄電装置。
前記電極組立体における前記正極及び前記負極の積層方向に沿って複数配列された請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置の配列体と、
前記配列体を配列方向に挟み込み、前記電極組立体に拘束圧を付加する拘束具と、を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。