JP2015118773A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池容器の部分的な変形を抑制することで、捲回電極群が歪んだ形状に変形することを抑制し、長時間に亘って安定した入出力を得ることができる二次電池モジュールを提供する。【解決手段】扁平な捲回電極群を収容する扁平箱型の電池容器１を備える複数の二次電池１００を該電池容器の厚さ方向にスペーサ２３０を介して積層させた二次電池モジュールであって、スペーサ２３０は、捲回電極群の膨張形状の稜線Ｌｒに重なる位置で電池容器１の幅広側面１ａに当接して稜線Ｌｒに沿って延びる稜線当接部２３２を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の二次電池を備えた二次電池モジュールに関する。

近年、ハイブリッド型の電気自動車や純粋な電気自動車等の動力源として大容量（Ｗｈ）の二次電池が開発されており、その中でもエネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）の高い非水溶液系のリチウムイオン二次電池が注目されている。特に、扁平箱型の電池容器を備えた角形リチウムイオン二次電池は、複数の二次電池を積層させて電池モジュールを構成する際の体積効率に優れ、例えばＨＥＶ用またはＥＶ用の電源として、開発への期待が高まっている。

角形リチウムイオン二次電池の電池容器内には、一般に、扁平な捲回電極群が収容されている。捲回電極群は、捲回されてロール状に積層された正極電極と負極電極から構成されている。正極、負極電極が備えるそれぞれの帯状の金属箔の表面には、幅方向の一端の箔露出部を除き、活物質合剤が塗工されて合剤層が形成されている。捲回電極群は、これらの正極、負極電極を、それぞれの箔露出部が幅方向の反対の位置となるようにセパレータを介して重ねた状態で、軸周りに捲回して扁平に成形することで設けられている。捲回電極群の軸方向の一端と他端には、それぞれ、正極、負極電極の箔露出部が捲回されて積層されている。

正極、負極電極の箔露出部は、それぞれ、捲回電極群の軸方向の一端と他端で束ねられ、正極、負極集電板に、例えば超音波溶接によって接合されている。正極、負極集電板は、絶縁材を介して電池容器の電池蓋の内側に固定され、電池蓋の外側に設けられた正極、負極外部端子と電気的に接続されている。電池蓋に集電板を介して固定された捲回電極群は、電池容器の電池缶の上部開口から電池缶内に収容され、電池蓋が電池缶の上部開口に封止溶接されることで、電池容器内に収容される。電池容器は、電池蓋に設けられた注液口から内部に電解液を注入した後、注液口に注液栓を封止溶接することで密閉される。

このような角形二次電池を備えた二次電池モジュールとして、優れた冷却性能を有する蓄電モジュールが知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。特許文献１に記載の蓄電モジュールは、蓄電セルと、蓄電セルを保持するための枠部材と、蓄電セルを冷却するための流体が流れる流路とを備えている。

特開２００８−１５９４３９号公報

特許文献１に記載の蓄電モジュールは、前記流路が前記枠部材によって構成され、前記流路の少なくとも一部は、前記流体の流れに沿って鉛直方向の高さが徐々に低くなるように形成されている。これにより、塵や埃などの異物が流体としての空気に含まれていた場合に異物に対して流体の流れに加えて重力の作用を与えることができ、流路の途中で異物が止まってしまうことが抑制され、流路の閉塞を抑制できるとされている。

このような蓄電モジュールでは、蓄電セル内の捲回電極群が充放電に伴って膨張収縮し、その結果、蓄電セルが膨張収縮する。特許文献１に記載の電池モジュールでは、電池セルは、一つのセルホルダの前記流路を構成するリブと、対向するセルホルダのベース部の表面とによって押圧されることで挟持されている。この構成により、電池セルの膨張が抑制されることが考えられる。

しかし、電池セル内の扁平な捲回電極群は、構造上の膨張の容易性、困難性に起因する膨張量の部分的な分布に基づく形状に膨張する。そのため、単にリブによって電池セルの表面を押圧しても、捲回電極群の膨張形状に基づく電池セルの部分的な変形を十分に抑制できず、電池セル内の捲回電極群が歪んだ形状に変形し、安定した入出力が得られなくなる虞がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池容器の部分的な変形を抑制することで、捲回電極群が歪んだ形状に変形することを抑制し、長時間に亘って安定した入出力を得ることができる二次電池モジュールを提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明の二次電池モジュールは、扁平な捲回電極群を収容する扁平箱型の電池容器を備える複数の二次電池を該電池容器の厚さ方向にスペーサを介して積層させた二次電池モジュールであって、前記スペーサは、前記捲回電極群の膨張形状の稜線に重なる位置で前記電池容器の幅広側面に当接して該稜線に沿って延びる稜線当接部を有することを特徴とする。

本発明の二次電池モジュールによれば、捲回電極群が稜線を有する膨張形状に膨張しようとしても、稜線に重なる位置で電池容器の幅広側面がスペーサの稜線当接部によって押圧され、捲回電極群の膨張形状に基づく電池容器の部分的な変形が抑制されるので、捲回電極群が歪んだ形状に変形することが抑制され、長時間に亘って安定した入出力を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る二次電池モジュールを示す斜視図。 図１に示す二次電池モジュールから取外した二次電池とセルホルダの斜視図。 図２に示す二次電池とセルホルダの組立状態を示す斜視図。 図２に示す二次電池の斜視図。 図４に示す二次電池から取外した蓋組立体の分解斜視図。 図５に示す捲回電極群を展開した状態を示す分解斜視図。 図３に示すセルホルダが備えるスペーサの変形例を示す斜視図。 （ａ）、（ｂ）は、図５に示す捲回電極群の変形例を示す斜視図。 本発明の実施形態２に係る二次電池モジュールから取外した二次電池とセルホルダの側面図。 図９に示すセルホルダの変形例を示す側面図。 図９に示すセルホルダの変形例を示す側面図。 図９に示すセルホルダの変形例を示す側面図。 図９に示すセルホルダの変形例を示す側面図。

以下、図面を参照して本発明の二次電池モジュールの実施の形態について説明する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態の二次電池モジュールＭの斜視図である。図２は、図１に示す二次電池モジュールＭから取外した二次電池１００とセルホルダ２００の分解状態を示す斜視図である。図３は、図２に示す二次電池１００とセルホルダ２００の組立状態を示す斜視図である。図４は、図２に示す二次電池１００の斜視図である。

本実施形態の二次電池モジュールＭは、扁平箱型の電池容器１を備える複数の二次電池１００を、電池容器１の厚さ方向にセルホルダ２００を介して積層させた構成を有している。各図に、電池容器１の厚さ方向および二次電池１００の積層方向をＸ軸方向、電池容器１の幅方向をＹ軸方向、電池容器１の高さ方向をＺ軸方向とする、ＸＹＺ直交座標系を示す。

セルホルダ２００は、二次電池１００の積層方向の両端に配置される一対の端部セルホルダ２１０と、二次電池１００の間に配置される複数の中間セルホルダ２２０とによって構成されている。以下の説明では、端部セルホルダ２１０と中間セルホルダ２２０を総称して、セルホルダ２００という場合がある。

図示は省略するが、一対の端部セルホルダ２１０の外側には、一対のサイドプレートが配置され、これら一対のサイドプレートの幅方向両端部が二次電池１００の積層方向に延びる一対のサイドフレームによって締結されている。これにより、端部セルホルダ２１０、中間セルホルダ２２０および二次電池１００からなる積層体の周囲は、一対のサイドプレートと一対のサイドフレームによって固縛され、個々の二次電池１００は、端部セルホルダ２１０と中間セルホルダ２２０との間または一対の中間セルホルダ２２０，２２０の間に挟持されて固定されている。

端部セルホルダ２１０は、概ね中間セルホルダ２２０を電池容器１の幅方向（Ｙ軸方向）に沿う幅広側面１ａに沿って二分割した構成を有し、中間セルホルダ２２０との間に二次電池１００を保持している。したがって、以下の説明では中間セルホルダ２２０の構成について説明し、端部セルホルダ２１０の構成については説明を省略する。

中間セルホルダ２２０は、電池容器１の幅方向両側の幅狭側面１ｂに対向して配置される長方形板状の一対の側板２２１と、電池容器１の幅方向に延びて電池容器１の下端面１ｄに対向して配置される長方形板状の底板２２２と、電池容器１の幅方向に沿う幅広側面１ａに対向するスペーサ２３０とを備えている。複数の二次電池１００は、電池容器１の厚さ方向にスペーサ２３０を介して積層されている。

一対の側板２２１は、電池容器１の幅方向に対向し、電池容器１の厚さ方向（Ｘ軸方向）において、スペーサ２３０の両側にそれぞれ電池容器１の厚さの約半分ずつの幅を有している。側板２２１の幅は、電池容器１の厚さ方向の両側に一対のセルホルダ２００を配置したときに、電池容器１の厚さ方向に隣接する一対の側板２２１の端部同士が電池容器１の厚さの約半分の位置で当接するか、または僅かな隙間をあけて対向するように設定されている。側板２２１の中央部には、側板開口部２２１ａが形成されている。側板開口部２２１ａは、スペーサ２３０を介して隣接する一対の電池容器１の幅広側面１ａの間に形成される空間に連通している。

底板２２２は、電池容器１の幅方向に延びて、側板２２１と同様にスペーサ２３０の両側にそれぞれ電池容器１の厚さの約半分ずつの幅を有し、一対の側板２２１の下端部を連結して電池容器１の下端面１ｄに対向している。底板２２２の幅は、側板２２１と同様に、電池容器１の厚さ方向の両側に一対のセルホルダ２００を配置したときに、電池容器１の厚さ方向に隣接する一対の底板２２２の端部同士が電池容器１の厚さの約半分の位置で当接するか、または僅かな隙間をあけて対向するように設定されている。

スペーサ２３０は、電池容器１の幅方向に対向する一対の側板２２１の上端部、下端部をそれぞれ連結して電池容器１の幅広側面１ａに当接する上端当接部２３１、下端当接部２３３と、電池容器１の幅方向および高さ方向に対して傾斜して電池容器１の幅広側面１ａに当接する稜線当接部２３２とを有している。上端当接部２３１、稜線当接部２３２および下端当接部２３３は、電池容器１内に収容されている捲回電極群４０（図５参照）の配置および膨張量の分布に応じて配置されている。上端当接部２３１、下端当接部２３３および稜線当接部２３２の捲回電極群４０に対する配置については、後で詳細に説明する。

スペーサ２３０は、電池容器１の幅方向において、互いに交差する方向に延びる二対の稜線当接部２３２を有している。また、スペーサ２３０は、電池容器１の幅方向および厚さ方向に垂直な高さ方向（Ｚ軸方向）において、互いに交差する方向に延びる二対の稜線当接部２３２を有している。すなわち、本実施形態のスペーサ２３０は、電池容器１の幅広側面１ａの中央部から、幅広側面１ａの対角線に沿って放射状に延びる４本の稜線当接部２３２を有している。電池容器１の幅広側面１ａにおける稜線当接部２３２の配置は、より詳細には、電池容器１内の捲回電極群４０（図５参照）の構成に基づいて決定されている。捲回電極群４０の構成に基づく稜線当接部２３２の配置については、後で詳細に説明する。

端部セルホルダ２１０および中間セルホルダ２２０は、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ナイロン樹脂などの樹脂材料や複合樹脂材料、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、マグネシウム合金、ステンレスなどの金属材料、または樹脂と金属の複合材によって構成することができる。また、樹脂材料を使用する場合は難燃性状を有していることが望ましい。

図４に示すように、二次電池１００は扁平な矩形箱型の電池容器１を備えている。電池容器１内には、後述する扁平な捲回電極群４０が収容されている。電池容器１は、上部開口１０ａを有する扁平な直方体形状の電池缶１０と、該電池缶１０の上部開口１０ａを密閉して封止する電池蓋２０とによって構成されている。電池缶１０および電池蓋２０の材料としては、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。電池缶１０は、これらの材料に深絞り加工を施すことにより、上部開口１０ａを有する有底角筒状に形成されている。

電池容器１は、扁平箱型の直方体形状を有することで、幅方向に沿う電池缶１０の側面であって最大幅を有する一対の幅広側面１ａと、厚さ方向に沿う電池缶１０の側面であって幅広側面１ａよりも幅が狭い幅狭側面１ｂと、電池蓋２０の表面である上端面１ｃと、電池缶１０の底面である下端面１ｄとを有している。

電池蓋２０は、電池缶１０の上端部の全周に、例えばレーザ溶接によって接合されることで、電池缶１０の上部開口１０ａを封止している。電池蓋２０は、長方形の板状に形成され、長手方向の一端と他端に、それぞれ絶縁材を介して正極、負極外部端子２、３が設けられている。また、電池蓋２０には、注液口２１とガス排出弁２２とが設けられている。注液口２１は、電池蓋２０を電池缶１０に接合したあとに電池容器１内に電解液を注入するのに用いられ、電解液の注入後に注液栓２３が溶接されて封口される。

ガス排出弁２２は、例えば、電池蓋２０をプレス加工によって部分的に薄肉化することで形成されている。なお、電池蓋２０の貫通孔に薄膜部材を例えばレーザ溶接等により取り付けてガス排出弁２２としてもよい。ガス排出弁２２は、例えば過充電等の異常によって二次電池１００が発熱して電池容器１の内部でガスが発生し、電池容器１内の圧力が所定圧力まで上昇したときに開裂し、電池容器１の内部のガスを外部に放出することで、電池容器１内の圧力を低減する。

図５は、図４に示す二次電池１００から取外した蓋組立体５０の分解斜視図である。
正極、負極外部端子２、３は、それぞれ電池蓋２０の貫通孔を貫通する柱状の正極、負極接続端子２ａ、３ａによって、電池蓋２０の内側に絶縁板を介して配置された正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂに接続されている。正極、負極接続端子２ａ、３ａは、それぞれ正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂと一体に設けられ、それぞれ電池蓋２０および正極、負極外部端子２、３を電池容器１の内側から外側へ貫通して、先端がそれぞれ正極、負極外部端子２、３上でかしめられている。これにより、正極、負極外部端子２、３がそれぞれ正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂに電気的に接続される。また、正極、負極外部端子２、３および正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂが絶縁材料を介して電池蓋２０に固定され、負極集電板３０Ａ、３０Ｂに固定される捲回電極群４０と共に蓋組立体５０を構成している。

正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂは、それぞれ電池容器１の幅広側面１ａに沿って電池蓋２０の下方から電池容器１の下端面１ｄに向けて延びる一対の電極接合部３１Ａ、３１Ｂを有している。各電極接合部３１Ａ、３１Ｂは、例えば電池容器１内に収容された捲回電極群４０の正極、負極箔露出部４１ｃ、４２ｃに、それぞれ超音波溶接によって接合されることで、正極、負極電極４１，４２と電気的に接続され、電極群４０を支持固定している。

正極側の外部端子２、接続端子２ａ、集電板３０Ａの材料としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。また、負極側の外部端子３、接続端子３ａおよび集電板３０Ｂの材料としては、例えば銅または銅合金を用いることができる。本実施形態では、正極、負極外部端子２、３にバスバーを締結するためのボルト２ｂ、３ｂが突設されているが、二次電池１００はこの構成に限定されない。例えば、バスバーを正極、負極外部端子に溶接する場合には、バスバーを溶接可能な直方体のブロック形状に形成されて、接続端子が一体的に設けられた正極、負極外部端子を用いてもよい。この場合、電池蓋２０および集電板３０Ａ、３０Ｂの基部を貫通した接続端子の先端をかしめることで、蓋組立体を構成することができる。

図６は、図５に示す捲回電極群４０を展開した状態を示す分解斜視図である。
捲回電極群４０は、正極、負極電極４１、４２と、セパレータ４３、４４とを交互に重ねて積層させた電極積層体を、図示しない軸芯の周りに捲回して扁平状に成形することで設けられている。捲回電極群４０は、扁平形状に形成されることで、平坦な表面を有する一対の平坦部４０ｂと、該平坦部４０ｂの上下両端に連続する湾曲した表面を有する一対の湾曲部４０ｃとを有している。正極、負極電極４１、４２とセパレータ４３、４４は、平坦部４０ｂにおいて平坦な状態で積層され、湾曲部４０ｃにおいて半円筒状に湾曲した状態で積層されている。

正極電極４１は、例えば、アルミニウム箔等からなる正極金属箔４１ａを備え、正極金属箔４１ａの表裏両面に形成された正極合剤層４１ｂを有している。帯状の正極金属箔４１ａの幅方向の一側は、正極合剤層４１ｂが塗工されず、正極金属箔４１ａを露出させた箔露出部４１ｃとされている。

負極電極４２は、例えば、銅箔等からなる負極金属箔４２ａを備え、負極金属箔４２ａの表裏両面に形成された負極合剤層４２ｂを有している。帯状の負極金属箔４２ａの幅方向の一側は、負極合剤層４２ｂが塗工されず、負極金属箔４２ａが露出された箔露出部４２ｃとされている。

正極合剤層４１ｂは、例えば、以下のように製作することができる。まず、正極活物質として層状ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（化学式Ｌｉ（Ｎｉ_xＣｏ_yＭｎ_1-x-y）Ｏ_２）１００重量部に対し、導電材として合計１０重量部の鱗片状黒鉛やアセチレンブラックと結着剤として４重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという）とを添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという）を添加し、混練して正極スラリーを製作する。次に、この正極スラリーを、例えば、厚さ１５μｍのアルミニウム箔の両面に箔露出部４１ｃを残して塗布することで正極合剤層４１ｂを形成する。その後、乾燥、プレス、裁断の各工程を経て、例えば、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部の厚さ（表裏両面の合計）が７０μｍの正極電極４１を得ることができる。

負極合剤層４２ｂは、例えば、以下のように製作することができる。まず、負極活物質として黒鉛質炭素粉末１００重量部に対して、増粘調整剤としてＣＭＣ水溶液を添加、混合後に、結着剤として１重量部のＳＢＲを添加し、混練後に粘度調整して負極スラリーを製作する。次に、この負極スラリーを、例えば、厚さ１０μｍの銅箔の両面に箔露出部４２ｃを残して塗布することで負極合剤層４２ｂを形成する。その後、乾燥、プレス、裁断の各工程を経て、例えば、銅箔を含まない負極活物質塗布部の厚さ（表裏両面の合計）が４０μｍの負極電極４２を得ることができる。

セパレータ４３、４４を介して正極電極４１と負極電極４２を重ねて捲回し、捲回電極群４０を製作するには、まず、図示しない軸芯にセパレータ４３、４４の各先端部を溶着させ、セパレータ４３、４４と、正極、負極電極４１、４２とを交互に重ねて捲回する。このとき、正極電極４１の巻始め側端部が負極電極４２の巻始め側端部よりも捲回後の捲回電極群４０の内側に位置するように、正極電極４１の巻始め側端部を負極電極４２の巻始め側端部よりも軸芯側に配置して捲回する。

ここで、捲回電極群４０の軸芯と平行な方向すなわち帯状の正極電極４１、負極電極４２の幅方向と平行な方向を軸方向Ｄと定義する。この場合、正極電極４１の箔露出部４１ｃと負極電極４２の箔露出部４２ｃとは、捲回電極群４０の軸方向Ｄの一端と他端に位置するように配置する。すなわち、正極、負極電極４１、４２は、軸方向Ｄの両端に箔露出部４１ｃ、４２ｃが位置するように積層して捲回されている。

負極合剤層４２ｂの幅、すなわち軸方向Ｄの寸法は、正極合剤層４１ｂの幅よりも広くされている。また、セパレータ４３の幅は、捲回電極群４０の一方の側縁において、正極電極４１の箔露出部４１ｃがセパレータ４３から露出する寸法とされている。セパレータ４４の幅は、捲回電極群４０の他方の側縁において、負極電極４２の箔露出部４２ｃがセパレータ４４から露出する寸法とされている。

捲回電極群４０の巻始め側、換言すれば、軸芯側には空洞部４０ａが形成されている。また、捲回電極群４０の巻終り側は、最外周がセパレータ４４であり、その内側が負極電極４２である。従って、正極合剤層４１ｂは、巻始め側から巻終り側まで、幅方向のすべての部分が負極合剤層４２ｂの間に配置されている。

捲回電極群４０は、軸方向Ｄの両端の箔露出部４１ｃ、４２ｃがそれぞれ平坦部４０ｂにおいて束ねられて接合され、図５においてハッチングで示す接合部４１ｄ、４２ｄを有している。捲回電極群４０は、接合部４１ｄ、４２ｄがそれぞれ正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂの電極接合部３１Ａ、３１Ｂに、例えば、超音波溶接によって接合されることで、正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂを介して電池蓋２０に固定され、正極、負極電極４１、４２の箔露出部４１ｃ、４２ｃが、それぞれ正極、負極外部端子２、３に電気的に接続されている。

蓋組立体５０の電池蓋２０が電池缶１０に接合され、捲回電極群４０が電池容器１に収容された状態で、捲回電極群４０は、正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂによって、軸方向Ｄが電池缶１０の幅方向（Ｙ軸方向）に平行に配置されるように支持されている。なお、捲回電極群４０と電池容器１との間には、不図示の絶縁シートが配置される。また、捲回電極群４０が電池容器１に収容された状態で、平坦部４０ｂは、電池容器１の幅広側面１ａに対向し、一対の湾曲部４０ｃ，４０ｃは、それぞれ電池容器１の上端面１ｃと下端面１ｄ、すなわち電池蓋２０の表面と電池缶１０の底面に対向している。

二次電池１００は、例えば、蓋組立体５０に固定した捲回電極群４０を電池缶１０の上部開口１０ａから挿入し、電池蓋２０を電池缶１０の上部開口１０ａに封止溶接し、注液口２１から電池容器１内に非水電解液を注入し、その後、注液口２１に注液栓２３を封止溶接することによって製作される。非水電解液としては、例えばエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを体積比で１：２の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットルの濃度で溶解したものを用いることができる。

以上の構成に基づいて、本実施形態の二次電池モジュールＭは、複数の二次電池１００の正極、負極外部端子２、３を介して、各二次電池１００の捲回電極群４０に充電された電力をモータ等の外部の装置に供給し、発電機等の外部の電力源から供給された電力を各二次電池１００の正極、負極外部端子２、３を介して捲回電極群４０に充電する。捲回電極群４０は、二次電池１００の充放電に伴って膨張、収縮する。

以下、捲回電極群４０の膨張と、捲回電極群４０の構成に基づく、図３に示すスペーサ２３０の稜線当接部２３２の配置について詳細に説明する。

図５では、仮に、捲回電極群４０を自由に膨張させたときの平坦部４０ｂの膨張形状に基づく等高線Ｌｃを破線で示している。なお、図５に示す等高線Ｌｃは、捲回電極群４０の膨張量の分布傾向を分かりやすく説明するための便宜的な等高線であり、必ずしも実際の捲回電極群４０の膨張形状に一致するものではない。

捲回電極群４０は、平坦部４０ｂの中央部が膨張しやすく、その周囲の接合部４１ｄ、４２ｄおよび湾曲部４０ｃが膨脹しにくい。そのため、仮に捲回電極群４０を自由に膨張させた場合には、平坦部４０ｂの中央部が山頂となり、稜線Ｌｒを有する山形の形状に膨張する。

より具体的には、捲回電極群４０の膨張時に比較的膨張しやすい平坦部４０ｂは、平面視で四角形の外形を有している。この四角形の外形の上辺部分と下辺部分に膨脹しにくい湾曲部４０ｃが隣接し、四角形の外形の左辺部分と右辺部分に膨脹しにくい接合部４１ｄ、４２ｄが形成されている。そのため、仮に捲回電極群４０を自由に膨張させた場合には、平坦部４０ｂの平面視で四角形の外形の各辺に近い周縁部ほど膨張しにくく、各辺から遠い中央部ほど膨張しやすい。これにより、平坦部４０ｂは、平面視で四角形の外形の対角線上または対角線に沿って稜線Ｌｒを有する四角錐状の形状に膨張する。すなわち、稜線Ｌｒは、接合部４１ｄ、４２ｄと湾曲部４０ｃとの間の部分と、平坦部４０ｂの中央部とを結ぶ直線である。

実際には、捲回電極群４０は、図４に示すように、電池容器１に収容されて電池容器１の幅広側面１ａに平坦部４０ｂが対向している。そのため、捲回電極群４０が膨脹して平坦部４０ｂが絶縁シートを介して電池容器１の幅広側面１ａに当接すると、幅広側面１ａは、図５において図４と同様の等高線Ｌｃで示すように、捲回電極群４０の平坦部４０ｂの四角錐状の膨張形状に対応した形状に膨張する。このように、捲回電極群４０の平坦部４０ｂにおける膨張の容易性、困難性に起因して、捲回電極群４０の膨張量に部分的な分布が生じる。捲回電極群４０がこの分布に基づく形状に膨張して歪んだ形状に変形すると、二次電池１００の安定した入出力が得られなくなる虞がある。

そこで、本実施形態の二次電池モジュールＭでは、図３に示すセルホルダ２００が備えるスペーサ２３０の稜線当接部２３２は、図５に示す捲回電極群４０の膨張形状の稜線Ｌｒに重なる位置で電池容器１の幅広側面１ａに当接して、稜線Ｌｒに沿って延びるように設けられている。ここで、稜線Ｌｒは、図５に示すように、捲回電極群４０の接合部４１ｄ、４２ｄと湾曲部４０ｃとの間の部分と、平坦部４０ｂの中央部とを結ぶ直線である。

捲回電極群４０は、前記のような四角錐状の形状に膨張しようとする過程で、四角錐状の膨張形状の稜線Ｌｒおよびその近傍の部分が電池容器１の幅広側面１ａに当接し、幅広側面１ａに内側から外側に向く圧力が作用する。しかし、スペーサ２３０の稜線当接部２３２は、捲回電極群４０の膨張形状の稜線Ｌｒに沿って延び、稜線Ｌｒに対応する部分と電池容器１の厚さ方向に重なるように幅広側面１ａに当接している。これにより、稜線当接部２３２によって、捲回電極群４０の膨張形状の稜線Ｌｒおよびその近傍の部分に、膨張に対する反力を集中的に作用させて押圧し、当該部分の膨張を効果的に抑制することができる。したがって、捲回電極群４０が稜線Ｌｒを有する四角錐状の形状に膨張して歪んだ形状に変形することが抑制され、二次電池１００の入出力を長時間に亘って安定させることができる。

また、スペーサ２３０は、捲回電極群４０の膨張形状の稜線Ｌｒに沿い、互いに交差する方向に延びる稜線当接部２３２を、電池容器１の幅方向に二対、または高さ方向に二対、備えている。すなわち、スペーサ２３０は、電池容器１の中央部から放射状に４本の稜線当接部２３２を有し、各稜線当接部２３２が、捲回電極群４０の四角錐状の膨張形状の４本の稜線のそれぞれに対応して設けられている。したがって、本実施形態のスペーサ２３０によれば、捲回電極群４０の構成に基づく部分的な膨張量の分布に応じて捲回電極群４０を押圧し、捲回電極群４０の膨張による変形をより効果的に抑制することが可能になる。

また、スペーサ２３０の上端当接部２３１および下端当接部２３３は、図５に示す捲回電極群４０が正極、負極集電板３０Ａ、３０Ｂに接合された時に、それぞれ平坦部４０ｂの上端と電池蓋２０との間の部分、および平坦部４０ｂの下端と電池容器１の下端面１ｄとの間の部分に対向するように設けられている。これらの部分は、捲回電極群４０の膨張による影響を比較的受けにくい。したがって、電池容器１の膨張、収縮によらず、電池容器１の厚さ方向両側の一対の上端当接部２３１および一対の下端当接部２３３によって、電池容器１を確実に挟持し、端部セルホルダ２１０と中間セルホルダ２２０の間、および中間セルホルダ２２０同士の間に二次電池１００を確実に保持することができる。

また、セルホルダ２００の電池容器１の幅方向に対向する一対の側板２２１に、稜線当接部２３２の間の空間に連通する側板開口部２２１ａが形成されている。そのため、冷却媒体を、一方の側板２２１の側板開口部２２１ａから稜線当接部２３２の間の空間に流入させ、稜線当接部２３２、上端当接部２３１または下端当接部２３３と電池容器１との間の隙間を通して反対側の稜線当接部２３２の間の空間に流入させ、さらに他方の側板開口部２２１ａから流出させることができる。この際、稜線当接部２３２の間の広い空間で冷却媒体と電池容器１の幅広側面１ａとの熱交換を行うことができる。したがって、冷却媒体によって電池容器１を効果的に冷却して、二次電池１００の性能を向上させることができる。

捲回電極群４０が最も膨張するのは二次電池１００の充電時であるが、リチウムイオン二次電池では、通常、充電終期にＣＣＣＶ充電方式を取って電流値を低下させている。そのため、たとえ充電時であっても、スペーサ２３０と電池容器１との間に冷却媒体を通過させる程度の隙間を生じさせることは可能である。しかし、電池容器１００の冷却性能をさらに向上させるために、スペーサ２３０に溝を設けてもよい。この変形例を図７に示す。

図７は、図３に示す中間セルホルダ２２０が備えるスペーサ２３０の変形例を示す斜視図である。

本変形例の中間セルホルダ２２０Ａが備えるスペーサ２３０Ａは、４本の稜線当接部２３２が交差する電池容器１の幅広側面１ａの中央部に対向する部分に溝部２３２ａが形成されている。溝部２３２ａは、電池容器１の幅広側面１ａに面し、電池容器１の幅方向に延びて、電池容器１の高さ方向に隣接する二対の稜線当接部２３２の間の空間を連通している。この上下の稜線当接部２３２の間の空間は、それぞれ、側板２２１の側板開口部２２１ａに連通している。これにより、溝部２３２ａは、二対の稜線当接部２３２の間の空間を、電池容器１の幅方向に連通させて、一対の側板２２１の側板開口部２２１ａを連通させている。

そのため、二次電池１００を冷却する冷却媒体を、一方の側板２２１の側板開口部２２１ａから稜線当接部２３２の間の空間に流入させ、溝部２３２ａを通して反対側の稜線当接部２３２の間の空間に流入させ、さらに他方の側板開口部２２１ａから流出させることができる。したがって、本変形例のスペーサ２３０Ａによれば、冷却媒体をスペーサ２３０と電池容器１との間の隙間を通す場合と比較して、冷却媒体の流量を増加させ、電池容器１００の冷却性能を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態の二次電池モジュールＭによれば、二次電池１００の電池容器１の部分的な変形を抑制することで、捲回電極群４０が歪んだ形状に変形することを抑制し、長時間に亘って安定した入出力を得ることができる。

なお、本実施形態では、電池容器１の幅方向において、スペーサ２３０が、互いに交差する方向に延びる二対の稜線当接部２３２を備える構成について説明した。しかし、スペーサ２３０は、電池容器１の幅方向において、互いに交差する方向に延びる少なくとも一対の稜線当接部２３２を備える構成であればよい。この変形例について、図８を用いて説明する。

図８（ａ）、（ｂ）は、図５に示す捲回電極群４０の変形例の斜視図である。
図８（ａ）に示す変形例の捲回電極群４０Ａは、電池容器１の高さ方向において、接合部４１ｄ、４２ｄが電池容器１の上端面１ｃ側に設けられている。そのため、捲回電極群４０Ａは、電池容器１の下端面１ｄ側の部分が、例えば円筒状に膨張し、上端面１ｃ側の部分は、実施形態１の捲回電極群４０と同様に膨張する。この場合、電池容器１の上端面１ｃ側のみに、電池容器１の幅方向において、稜線Ｌｒに沿って互いに交差する方向に延びる少なくとも一対の稜線当接部２３２を設け、電池容器１の下端面１ｄ側には、下端当接部２３３と同様に、電池容器１の幅方向に沿う直線状の当接部を設けることで、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

図８（ｂ）に示す変形例の捲回電極群４０Ｂは、電池容器１の高さ方向において、接合部４１ｄ、４２ｄが電池容器１の下端面１ｄ側に設けられている。そのため、捲回電極群４０Ｂは、電池容器１の上端面１ｃ側の部分が、例えば円筒状に膨張し、下端面１ｄ側の部分は、実施形態１の捲回電極群４０と同様に膨張する。この場合、電池容器１の下端面１ｄ側のみに、電池容器１の幅方向において、稜線Ｌｒに沿って互いに交差する方向に延びる少なくとも一対の稜線当接部２３２を設け、電池容器１の上端面１ｃ側には、上端当接部２３１と同様に、電池容器１の幅方向に沿う直線状の当接部を設けることで、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

また、実施形態１では、電池容器１の高さ方向において、互いに交差する方向に延びる二対の稜線当接部２３２を備える構成について説明したが、捲回電極群４０の膨張形状に応じて稜線当接部２３２の設置本数を適宜変更することができる。例えば、高さ方向において互いに交差する方向に延びる一対の稜線当接部を備えれば、正極側と負極側のいずれか一方で、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

［実施形態２］
次に、本発明の二次電池モジュールの実施形態２について、図１から図６を援用し、図９を用いて説明する。

図９は、本実施形態の二次電池モジュールが備える二次電池１００と中間セルホルダ２２０Ｂとを示す側面図である。

本実施形態の二次電池モジュールは、中間セルホルダ２２０Ｂのスペーサ２３０Ｂが中央当接部２３４を備える点で、前述の実施形態１の二次電池モジュールＭと異なっている。その他の点は、実施形態１の二次電池モジュールＭと同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。

スペーサ２３０Ｂは、稜線当接部２３２が交差する電池容器１の幅広側面１ａの中央部に当接する中央当接部２３４を有している。中央当接部２３４は、電池容器１を厚さ方向に見て、矩形に形成されている。中央当接部２３４の各角部には、稜線当接部２３２が連結されている。中央当接部２３４は、図４および図５に示すように、捲回電極群４０の平坦部４０ｂが膨張した時の四角錐状の膨張形状の頂点部分が電池容器１の幅広側面１ａに当接する領域に重なるように設けられている。

そのため、捲回電極群４０の膨張時に、捲回電極群４０の平坦部４０ｂの中央部が当接する電池容器１の幅広側面１ａの中央部に、中央当接部２３４によって膨張に対する反力を作用させ、幅広側面１ａの中央部を押圧することができる。したがって、本実施形態の二次電池モジュールによれば、実施形態１と同様の効果が得られるだけでなく、実施形態１と比較して、捲回電極群４０の平坦部４０ｂがより広い範囲で電池容器１の幅広側面１ａに当接しても、中央当接部２３４によって電池容器１の部分的な変形を抑制することができる。

なお、稜線当接部２３２および中央当接部２３４の形状および配置は、膨張時の捲回電極群４０が電池容器１の幅広側面１ａに当接する面積に応じて適宜変更することが可能である。その一例を、図１０に示す。

図１０は、本実施形態のスペーサ２３０Ｂの変形例を示す側面図である。
図４および図５に示すように、捲回電極群４０の膨張時に平坦部４０ｂの四角錐状の膨張形状の頂点部分が電池容器１の幅広側面１ａに当接したときの当接面の寸法が、電池容器１の幅方向に大きく、高さ方向に小さい場合を想定する。この場合、図１０に示す中間セルホルダ２２０Ｃが備えるスペーサ２３０Ｃのように、中央当接部２３４を電池容器１の幅方向に延びる直線状の形状に形成してもよい。

同様に、捲回電極群４０の膨張時に平坦部４０ｂの四角錐状の膨張形状の稜線に沿って電池容器１の幅広側面１ａに当接する部分の幅が狭い場合には、その幅に応じて稜線当接部２３２の幅を狭くしてもよい。本変形例のスペーサ２３０Ｃによれば、スペーサ２３０Ｃの開口面積を増大し、冷媒と電池容器１との熱交換可能な面積が増加する。したがって、実施形態１の二次電池モジュールと同様の効果を得られるだけでなく、二次電池１００の冷却性能を向上させることができる。

また、中央当接部２３４に中央開口部２３４ａを設け、二次電池１００の冷却性能を向上させてもよい。この変形例を、図１１から図１３に示す。

図１１に示す変形例の中間セルホルダ２２０Ｄは、スペーサ２３０Ｄの中央当接部２３４が、電池容器１の幅広側面１ａを露出させる中央開口部２３４ａを有している。したがって、実施形態２の二次電池モジュールと同様の効果が得られるだけでなく、この中央開口部２３４ａに冷却媒体を導入し、より広い面積で冷却媒体と電池容器１との熱交換を行うことができ、二次電池１００の冷却性能を向上させることができる。

図１２に示す変形例の中間セルホルダ２２０Ｅは、スペーサ２３０Ｅの中央当接部２３４が複数の中央開口部２３４ａを備えている。したがって、実施形態２の二次電池モジュールと同様の効果が得られるだけでなく、この中央開口部２３４ａに冷却媒体を導入し、より広い面積で冷却媒体と電池容器１との熱交換を行うことができ、二次電池１００の冷却性能を向上させることができる。また、中央開口部２３４ａと中央開口部２３４ａの間の中央当接部２３４の直線状の部分によって、電池容器１の幅広側面１ａの中央部の膨張を抑制することができる。

図１３に示す変形例の中間セルホルダ２２０Ｆは、スペーサ２３０Ｆの中央当接部２３４が、中央開口部２３４ａと、中央開口部２３４ａの電池容器１の幅方向両側に設けられた一対の溝部２３４ｂとを備えている。溝部２３４ｂは、電池容器１の高さ方向に隣接する二対の稜線当接部２３２の間の空間を、中央開口部２３４ａを介して電池容器１の幅方向に連通させ、一対の側板２２１の側板開口部２２１ａを連通させている。

これにより、中間セルホルダ２２０Ｆの一方の側板２２１の側板開口部２２１ａから流入させた冷却媒体を、溝部２３４ｂを介して中央開口部２３４ａ内に流入させることができる。さらに、中央開口部２３４ａ内の冷却媒体を、溝部２３４ｂから流出させ、最終的に他方の側板２２１の側板開口部２２１ａから中間セルホルダ２２０Ｆの外部に流出させることができる。したがって、溝部２３４ｂによって冷却媒体の流量を増加させ、二次電池１００の冷却性能をさらに向上させることができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…電池容器、１ａ…幅広側面、１ｃ…上端面、１ｄ…下端面、４０，４０Ａ−Ｂ…捲回電極群、４０ｂ…平坦部、４０ｃ…湾曲部、４１ｃ，４２ｃ…箔露出部、１００…二次電池、２００…セルホルダ、２１０…端部セルホルダ（セルホルダ）、２２０、２２０Ａ−Ｆ…中間セルホルダ（セルホルダ）、２２１…側板、２２１ａ…側板開口部、２２２…底板、２３０，２３０Ａ−Ｆ…スペーサ、２３２…稜線当接部、２３２ａ…溝部、２３４…中央当接部、２３４ａ…中央開口部、２３４ｂ…溝部、Ｌｒ…稜線、Ｍ…二次電池モジュール

Claims (8)

1. 扁平な捲回電極群を収容する扁平箱型の電池容器を備える複数の二次電池を該電池容器の厚さ方向にスペーサを介して積層させた二次電池モジュールであって、
   前記スペーサは、前記捲回電極群の膨張形状の稜線に重なる位置で前記電池容器の幅広側面に当接して該稜線に沿って延びる稜線当接部を有することを特徴とする二次電池モジュール。
2. 前記捲回電極群は、軸方向が前記電池容器の幅方向に平行に配置され、前記電池容器の下端面と上端面にそれぞれ対向する一対の湾曲部と、前記電池容器の前記幅方向に沿う一対の前記幅広側面に対向する一対の平坦部と、該平坦部において前記軸方向の両端の箔露出部を束ねて接合した接合部と、を有し、
   前記稜線は、前記捲回電極群の前記接合部と前記湾曲部との間の部分と、前記平坦部の中央部とを結ぶ直線であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記スペーサは、前記電池容器の前記幅方向において、互いに交差する方向に延びる少なくとも一対の前記稜線当接部を備えることを特徴とする請求項２に記載の二次電池モジュール。
4. 前記スペーサは、前記電池容器の前記幅方向および前記厚さ方向に垂直な高さ方向において、互いに交差する方向に延びる少なくとも一対の前記稜線当接部を備えることを特徴とする請求項３に記載の二次電池モジュール。
5. 前記スペーサは、前記捲回電極群の前記平坦部の前記中央部に重なる位置で前記電池容器の前記幅広側面に当接する中央当接部を有することを特徴とする請求項４に記載の二次電池モジュール。
6. 前記中央当接部は、前記電池容器の前記幅広側面を露出させる中央開口部を有することを特徴とする請求項５に記載の二次電池モジュール。
7. 個々の前記二次電池の前記電池容器を前記厚さ方向に挟持するセルホルダを備え、
   前記セルホルダは、前記電池容器の前記厚さ方向に沿う一対の幅狭側面に対向する一対の側板と、前記電池容器の前記底面に対向すると共に前記幅方向に延びて前記一対の側板を連結する底板と、前記電池容器の前記幅広側面に対向する前記スペーサと、を備え、
   前記側板は、前記稜線当接部の間の空間に連通する側板開口部を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
8. 前記スペーサは、前記稜線当接部の間の空間を前記電池容器の幅方向に連通させて前記一対の側板の前記側板開口部を連通させる溝部を有することを特徴とする請求項７に記載の二次電池モジュール。

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