JP2015090794A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境で電池の性能低下を防止乃至は抑制し得る電池モジュールを提供する。【解決手段】低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを部分的に配置してなる電池モジュールであって、並列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを外側に配置し、直列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを中央部に配置する。これにより低温環境下での始動時、より低温で高抵抗になり易かった外側電池の発熱量を調整し入出力性能を均等化する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関し、さらに詳しくは特定の電池又は電極配列によって低温環境下での入出力性能を向上させ得る電池モジュールに関する。

近年、高電圧および高エネルギー密度を有する電池としてリチウム電池が実用化されている。リチウム電池の用途が広い分野に拡大していることおよび高性能の要求から、リチウム電池の更なる性能向上のために様々な研究が行われている。
その中で、従来用いられてきた非水電解液系のリチウム電池に比べて電解液を用いないため、非水電解液を用いる場合の安全性向上のために必要なシステムを簡略化し得て構造の自由度が増し補器の数を減らすことができる等の多くの利点を有し得ることから、全固体電池の実用化が期待されている。

しかし、全固体電池の実用化が実現するためには様々な改良が必要である。
その１つとして、温度変化による影響を受けにくく低温環境でも電池の性能低下を防止乃至は抑制し得る技術の開発が挙げられる。
一方、温度変化による影響を受けにくく低温環境でも電池の性能低下を防止乃至は抑制するために適用し得ると推測される技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、温度に応じてその抵抗値を変化させるＰＴＣ層の両面に集電体が積層され、該集電体の一方の面に正極層が、他方の面に負極層が積層されてなるバイポーラ電極が記載されており、具体例としてＰＴＣ層の温度特性が一定の温度領域を外れると抵抗値が激増するように各材料の配合量を調整するバイポーラ電極が示されている。

また、特許文献２には、電池間に冷却媒体を通す冷却媒体通路をあけて並列配置してなる複数の組電池、複数の冷却媒体送給手段、電池の温度を検出する温度検知手段および制御手段を備え、制御手段は各電池の検出温度の最高温度もしくは最低温度がほぼ一致するように冷却媒体送給手段を駆動制御して二次電池間の温度ばらつきを制御し得る電池パックが記載されている。

また、特許文献３には、電池加熱制御手段を有する電池パックにおいて、電池温度検出手段によって測定した電池温度があらかじめ設定した温度よりも低い場合に、電池加熱制御手段が電池加熱手段への通電電流を制御して電池を加熱する電池パックが記載されている。しかし、複数の二次電池を温度制御する例は示されていない。

さらに、特許文献４には、温度に依存して変化する内部抵抗を持つ複数の電池セルを有し、各電池セルに配設された複数の温度検出手段と、セルブロックの電圧を検出する電圧検出手段と、電流検出手段と、検出内部抵抗取得手段と、複数のエリアごとに温度検出手段により検出された温度に基づいて取得する標準内部抵抗取得手段と、検出内部抵抗と標準内部抵抗とに基づいて電池セルの異常を判定する異常判定手段とを備える電池装置が記載されている。

しかし、これら公知の技術をそのまま複数個の固体電解質系電池を備えた電池モジュールに適用したのでは、低温環境下での入出力性能を向上させた電池モジュールを得ることは困難である。

特開２００４−１７８９１４号公報 特開２００４−２９６２１７号公報 特開２００６−１９６２５６号公報 特開２００７−３１１０６５号公報

従って、本発明の目的は、低温環境で電池の性能低下を防止乃至は抑制し得る電池モジュールを提供することである。

本発明は、低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを部分的に配置してなる電池モジュールであって、
並列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを外側に配置し、
直列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを中央部に配置する、前記電池モジュールに関する。
本発明の電池モジュールとしては、複数の単電池に代えて複数の電極が接続された構造であってもよく、この場合には電池に代えて電極が用いられる。

本発明によれば、低温環境で電池の性能低下を防止乃至は抑制し得る電池モジュールを得ることができる。

図１は、本発明の実施態様の電池モジュールの模式図である。 図２は、本発明の他の実施態様の電池モジュールの模式図である。 図３は、本発明の実施態様の電池モジュールの低温環境特性を説明するためのグラフである。 図４は、本発明の他の実施態様の電池モジュールの低温環境特性を説明するためのグラフである。 図５は、従来の電池モジュールの模式図である。 図６は、本発明の他の実施態様の電池モジュールの低温環境特性を説明するためのグラフである。 図７は、本発明の実施態様の複数の電極が接続された電池モジュールを説明するための模式図である。 図８は、本発明の他の実施態様の複数の電極が接続された電池モジュールを説明するための模式図である。 図９は、本発明の実施態様の電池モジュールに用いられる電池の特性を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳説する。
本発明の実施態様の電池モジュールは、低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを部分的に配置してなる電池モジュールであって、
並列接続モジュールの場合は、図１に示すように、前記電池Ａを外側に配置し、
直列接続モジュールの場合は、図２に示すように、前記電池Ａを中央部に配置する、前記電池モジュールであることによって、低温環境で電池の性能低下を防止乃至は抑制し得る。
本発明の実施態様における前記電池Ａは、低温のみ他の電池（電池Ｒと呼ぶこともある。）よりも抵抗が小さく、常温においては他の電池Ｒと同じ抵抗値を有する。

本発明の実施態様の電池モジュールによれば、低温環境下でバッテリーを始動すると電池の充放電電流により発熱するが、外周部は冷え切っているため中央部よりも温度上昇が小さいため、外周部の抵抗が大きく入出性能が悪くなっていたものが、前記の構成を採用することによって解消乃至は改善されると考えられる。

前記の構成により従来の電池モジュールにおける問題が解消乃至は改善される理由としては、以下のように考えられる。
すなわち、電池の発熱量と、電流および電池抵抗には、次の関係が成立する。
電池の発熱量＝（電流の２乗）ｘ（電池抵抗）
そして、並列接続の場合は、抵抗が小さい電池に電流が多く流れ発熱量が増える。このため、低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを低温部に配置することにより、冷え切った外周部の発熱量が多い。
一方、直列接続の場合は、電流が一定になるため抵抗が大きい電池の方で発熱量が増える。このため、低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを中央部に配置することにより、冷え切った外周部の発熱量が多い。
これにより、図３、４に示すように、並列接続モジュールおよび直列接続モジュールのいずれの場合も、起動時に比べて使用中の端セル（端部のセル）の温度が中央部セルの温度と均一化され、使用中の端セルの電気抵抗が低下して均一化すると考えられる。

これに対して、従来の電池モジュールは、図５に示すように、用いる電池間に低温時の抵抗に差がない複数の電池を配置した電池モジュールであり、低温環境で電池の性能低下を防止乃至は抑制し得ない。
これは、図６に示すように、並列接続モジュールおよび直列接続モジュールのいずれの場合も、起動時に比べて使用中の端セルの温度が中央部セルの温度に比べて大幅に低く、使用中の端セルの電気抵抗が上昇し、電池モジュール内の電池間で抵抗値が大きく異なることによると考えられる。

本発明の他の実施態様の電池モジュールは、図７に示すように、正極端子を備えた正極、負極端子を備えた負極および固体電解質層（ＳＥ層）からなる積層体が複数積層されていて正極端子および負極端子が各々接続された並列接続の場合、低温のみ抵抗が他の電極よりも低い電極を外側に配置してなる。
また、本発明の他の実施態様の電池モジュールは、図８に示すように、正極、負極および固体電解質層（ＳＥ層）からなる積層体が複数積層されていて両端の正極に設けた正極端子および負極に設けた負極端子が各々設けられた直列接続の場合、低温のみ抵抗が他の電極よりも低い電極を中央部に配置してなる。
前記のいずれの実施態様の電池モジュールにおいても、図１、２に示す電池モジュールと同様の効果が奏される。

本発明の実施態様において、前記の「低温時のみ他の電池よりも抵抗が低く」するのは、全ての温度で抵抗の低い電池（電極）を用いると、発熱して温度が上がった場合や低温環境下以外の温度（通常はこちらの方が使用頻度大である。）での使用時に抵抗の低い電池にかかる負荷が高くなり、劣化を加速させてしまう虞があるからである。

本発明の実施態様において用いられる低温のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａと他の電池である電池Ｒとは、例えば図９に示すような使用温度における抵抗比を示し得る。
すなわち、電池Ｒを標準の電池とすると、電池Ａの抵抗（例えば、ＳＯＣ６０％）が電池Ｒの抵抗に対して、２５℃でほぼ同じであり、低温、例えば−１０℃で低いものである。

本発明の実施態様における電池は、例えば固体電解質を金型に収容したセルに入れ、プレスして固体電解質層を形成し、その片側に正極合剤を入れ、プレスして正極層を形成し、次いでその逆側に負極合剤を入れ、プレスして負極層を形成し、正極層および負極層に各々集電体を取付けて正極および負極とすることによって、あるいは正極、固体電解質層が形成された負極を作製し、その際に正極および負極ともに両面塗工とし、負極／固体電解質層／正極／固体電解質層／負極・・・正極／固体電解質層／負極の構成で積層し、最終プレス圧にて、例えばＣＩＰによりプレスを行って得ることができる。

前記正極層に含有される正極活物質としては、コバルト酸リチウムなどの公知の任意の正極活物質を適宜用い得る。また、正極層に含有される固体電解質としては任意の硫化物固体電解質、例えばＬｉ_２Ｓ：Ｐ_２Ｓ_５＝５０：５０〜１００：０（質量比）となるようにＬｉ_２ＳおよびＰ_２Ｓ_５を混合して得られる硫化物固体電解質など任意の固体電解質を用い得る。
また、正極層は結着用バインダー、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素含有樹脂や導電材、例えばＶＧＣＦやアセチレンブラックなどを含有し得る。
前記正極層の厚みは、特に制限されないが、例えば０．１〜１０００μｍの範囲であり得る。

本発明の実施態様における前記低温のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを与える電池（電極）として、限定されないが例えば、活物質：固体電解質：導電材＝１００：３７．６：２．６（体積比）とし、標準の電池Ｒを与える電池（電極）として、活物質：固体電解質：導電材＝１００：３７．１：３．９（体積比）である電池又は電極が挙げられる。

前記の負極層に含有される負極活物質としては、グラファイトなどの公知の任意の負極活物質を用い得て、例えばカーボン系負極合材を用い得る。また、負極層に含有される固体電解質としては正極層に適用され得る硫化物固体電解質などを用い得る。
また、負極層は結着用バインダー、例えばポリフッ化ビニリデンなどのフッ素含有樹脂や導電材、例えばアセチレンブラックなどを含有し得る。
前記負極層の厚みは、特に制限されないが例えば０．１〜１０００μｍの範囲であり得る。

前記の電解質層に用いられる固体電解質としては、特に限定されず前記の正極層および負極層に適用され得る前記硫化物固体電解質を用い得る。
また、電解質層には、結着用バインダー、例えばブタジエンゴム（ＢＲ）等を含有し得る。
前記固体電解質層の厚みは、電解質の種類や電池の構成などによって異なるが、例えば０．１〜１０００μｍ、中でも０．１〜３００μｍ程度であり得る。

前記の正極集電体としては、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎなどを挙げることができる。
前記の負極集電体としては、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎなどを挙げることができる。
前記の正極集電体および負極集電体は、外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電タブを用いて接続し得る。

本発明によって、低温環境で電池又は電極の性能低下を防止乃至は抑制し得る電池モジュールを得ることができる。

Claims (1)

1. 低温時のみ他の電池よりも抵抗が低い電池である電池Ａを部分的に配置してなる電池モジュールであって、
   並列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを外側に配置し、
   直列接続モジュールの場合は、前記電池Ａを中央部に配置する、前記電池モジュール。

Images