JP2016004619A

JP2016004619A - 組電池

Info

Publication number: JP2016004619A
Application number: JP2014122426A
Authority: JP
Inventors: 隆浩坪内; Takahiro Tsubouchi; 神谷　正人; Masato Kamiya; 正人神谷; 健太石井; Kenta Ishii
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-01-12

Abstract

【課題】各単電池の発熱が抑制された組電池を提供する。【解決手段】組電池は、複数の充放電可能な単電池２０Ａ、２０Ｂが電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる。配列された単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙の少なくとも一箇所には仕切り板４０が配置されている。仕切り板４０は、熱可塑性樹脂からなる主スペーサ４２と、金属またはセラミックからなる副スペーサ４４とを有する。主スペーサ４２は、隣接する単電池２０Ａ、２０Ｂの容器側壁５２に接触するように配置されている。副スペーサ４４は、配列方向の厚みｄが主スペーサ４２の厚みＤよりも小さく、かつ主スペーサ４２が溶融した場合に該溶融した樹脂が単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙から落下除去され得る空間を有するように部分的に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された組電池に関する。

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子を単電池とし、該単電池を複数直列接続して成る組電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。例えば車両搭載用組電池の一例として特許文献１には、角型の単電池を複数個配列すると共に各単電池に設けられた正極端子および負極端子をそれぞれ直列に接続することにより構成された組電池が開示されている。

また、自動車等の車両に搭載される組電池は、搭載スペースが制限されることに加えて振動が発生する状態での使用が前提となることから、多数の単電池を配列し且つ拘束した状態（即ち各単電池を相互に固定した状態）の組電池が構築される。かかる組電池では、例えば、単電池の積層方向に配列された単電池群の最外側（両端面）に一対のエンドプレートを設置し、この一対のエンドプレートが接近する方向に締め付け且つ固定している。

特開２０１０−９７６９３号公報

特許文献１には、所定方向に並んで配置された複数の単電池と、該所定方向で隣り合う単電池間に配置された仕切り板とを有する組電池が記載されている。特許文献１の仕切り板は、熱可塑性樹脂からなる母材と、母材に埋め込まれたスペーサとを備え、スペーサが熱硬化性樹脂で形成されている。同公報によれば、かかる構成によって、特定の電池が発熱したときに母材が溶融しても、スペーサによって単電池の間隔が保持され、他の単電池に熱が伝達するのを抑制できることが記載されている。しかしながら、熱硬化性樹脂で形成されたスペーサはコストが高く、また樹脂分解温度を超えれば効果が失われる虞がある。また、仕切り板およびスペーサの構成によっては、溶融した母材が単電池間に残存して単電池に密着することで、単電池同士の伝熱に寄与する虞がある。本発明は、上記課題を解決するものである。

本発明によって提供される組電池は、複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる組電池である。前記配列された単電池間の間隙の少なくとも一箇所には仕切り板が配置されている。前記仕切り板は、熱可塑性樹脂からなる主スペーサと、金属またはセラミックからなる副スペーサとを有する。前記主スペーサは、隣接する単電池の容器側壁に接触するように配置されている。また、前記副スペーサは、前記配列方向の厚みが前記主スペーサの厚みよりも小さく、かつ前記主スペーサが溶融した場合に該溶融した樹脂が前記単電池間の間隙から落下除去され得る空間を有するように部分的に（すなわち仕切り板の一部に）配置されている。かかる構成によれば、過充電時等における単電池の発熱が抑えられた信頼性の高い組電池を提供することができる。

なお、本明細書において「単電池」とは、組電池を構成するために相互に直列接続され得る個々の蓄電素子を指す用語であり、特に限定しない限り種々の組成の電池、キャパシタを包含する。また、「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池を包含する。リチウムイオン二次電池を構成する蓄電素子は、ここでいう「単電池」に包含される典型例であり、そのような単電池を複数備えて成るリチウムイオン二次電池パックは、ここで開示される「組電池」の典型例である。

一実施形態に係る組電池の構成を模式的に示す斜視図である。一実施形態に係る仕切り板の構成を模式的に示す側面図である。一実施形態に係る仕切り板の構成を模式的に示す側面図である。一実施形態に係る副スペーサと単電池との位置関係を示す正面図である。他の実施形態に係る副スペーサと単電池との位置関係を示す正面図である。他の実施形態に係る副スペーサと単電池との位置関係を示す正面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図面は、模式的に描いており、必ずしも実物を反映しない。また、各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

ここに開示される組電池は、単電池（典型的には、扁平形状の外形を有する単電池）を配列してなる組電池であればよく、単電池の構成は特に制限されない。特に限定することを意図したものではないが、以下、扁平形状のリチウムイオン二次電池を単電池とし、該単電池の複数個を直列に接続してなる組電池を例にして本発明を詳細に説明する。

図１を参照しながら本実施形態の組電池１０の構成について説明する。図１は本実施形態の組電池１０の構成を模式的に示す斜視図である。

組電池１０は、複数の充放電可能な単電池２０が直列に接続されて構成されている。図示した例では、同形状の４個の単電池２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）が一定の間隔で直列に配列されている。

単電池２０は、正極および負極を備える電極体（図示せず）と、該電極体および電解質を収容する容器５０とを備える。本実施形態の電極体は、典型的な組電池に装備される単電池と同様、所定の電池構成材料（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等）から構成されている。また、ここでは電極体として扁平形状の捲回電極体が用いられている。

本実施形態の容器５０は扁平形状の捲回電極体を収容し得る形状（図示した例では箱型）を有する。また、容器５０の材質は、典型的な単電池で使用されるものと同じであればよく特に制限はないが、組電池自体の軽量化の観点から、例えば薄い金属製或いは合成樹脂製の容器が使用され得る。

容器５０の上面には、捲回電極体の正極と電気的に接続する正極端子６０および負極と電気的に接続する負極端子６２が設けられている。そして、隣接する単電池２０間において一方の正極端子６０と他方の負極端子６２とが端子間接続具６４によって電気的に接続される。このように各単電池２０を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池１０が構築される。

本実施形態の単電池２０は、所定方向に配列され且つ該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されている。具体的には、複数の単電池２０は、それぞれの正極端子６０および負極端子６２が交互に配置されるように一つずつ反転させて配置されており、容器５０の側壁（容器５０の幅広な面、即ち容器５０内に収容される後述する捲回電極体の扁平面に対応する面）が対向する方向に配列される。

そして、配列させた単電池２０の周囲には、複数の単電池２０をまとめて拘束する拘束部材が配備される。即ち、単電池配列方向の最外側に位置する単電池２０の更に外側には、一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂが配置される。また、当該一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂを架橋するように締付け用ビーム材７２が取り付けられる。そして、ビーム材７２の端部をビス７４により拘束板７０Ａ，７０Ｂに締め付け且つ固定することによって上記単電池２０をその配列方向に所定の荷重が加わるように拘束することができる。ビーム材７２の締め付け具合に応じたレベルで、締め付け方向（即ち配列方向）への拘束荷重（面圧）が各単電池２０の容器側壁に加えられる。

また、このように拘束された単電池２０間の間隙の少なくとも一箇所（図示した例では単電池２０Ａと単電池２０Ｂとの間、単電池２０Ｂと単電池２０Ｃとの間、および単電池２０Ｃと単電池２０Ｄとの間）には仕切り板４０が配置されている。なお、図１では、仕切り板４０を簡略化して平板状に図示している。

図２は、隣接する単電池２０Ａ、２０Ｂと該単電池２０Ａ、２０Ｂ間に配置された仕切り板４０とを模式的に示す側面図である。図２に示すように、仕切り板４０は、主スペーサ４２と副スペーサ４４とを有している。

主スペーサ４２は、仕切り板４０の母材を構成する板状部材であり、隣接する単電池２０Ａ、２０Ｂの双方に接触するように配置されている。この実施形態では、主スペーサ４２は、波形（屏風状）に成形されており、波形に折り畳まれた複数の折畳部４２ａが単電池２０の容器側壁５２に接触するように配置されている。かかる折畳部４２ａの内側と、容器側壁５２との間に形成された空隙に冷却用媒体（典型的には空気）を導入することにより、単電池２０Ａ、２０Ｂで発生する熱を放散させることができる。主スペーサ４２の構成材料としては、加熱によって軟化（典型的には溶融）可能な熱可塑性樹脂が好ましく、典型的には融点が概ね１００℃〜１７０℃の範囲内の樹脂、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂等が用いられる。

図４は、副スペーサ４４と単電池２０Ａ、２０Ｂとの位置関係を示す正面図である。図２および図４に示すように、副スペーサ４４は、配列方向の厚みｄが主スペーサ４２の厚みＤよりも小さい棒状（ここでは楕円体状）部材であり、隣接する単電池２０Ａ、２０Ｂの少なくとも一方と接触しないように配置されている。この実施形態では、副スペーサ４４は、折畳部４２ａの内側と容器側壁５２との間に挟まれており、単電池２０Ａに接触し、かつ単電池２０Ｂに接触しないように配置されている。

また、副スペーサ４４は、図３に示すように、主スペーサ４２が溶融した場合に該溶融した樹脂４６が単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙から落下除去され得る空間Ｓを有するように、単電池２０Ａ，２０Ｂの幅方向に沿って部分的に配置されている。この実施形態では、副スペーサ４４の数は２つであり、それぞれ単電池２０Ａ，２０Ｂの高さ方向の異なる位置に配置されている。この場合、２つの副スペーサ４４の配置箇所は、単電池２０Ａ、２０Ｂの幅方向の全長をＬとして概ね０．４Ｌ〜０．６Ｌとなる位置に設定され得る。また、単電池２０Ａ、２０Ｂの高さ方向の全長をＨとして概ね０Ｈ〜１Ｈとなる位置に設定され得る。副スペーサ４４の構成材料としては、主スペーサ４２を構成する樹脂よりも融点が高い金属もしくはセラミックが好ましく、典型的には融点が概ね６００℃〜２２００℃の範囲内の金属もしくはセラミック、例えばアルミニウム、銅、鉄等の金属もしくはアルミナ、チタニア、ムライト、スピネル等のセラミックが用いられる。

このような仕切り板４０を用いることによって、過充電時に単電池２０Ａ、２０Ｂの発熱を抑えることができる。すなわち、図２および図３に示すように、特定の単電池、例えば単電池２０Ｂが発熱・膨張したときに仕切り板４０の主スペーサ４２が溶融して吸熱することで、単電池２０Ｂからの熱を吸収することができる。また、主スペーサ４２がすべて溶融した場合でも、金属またはセラミックからなる副スペーサ４４が単電池２０Ａ、２０Ｂ間に残るため、単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙が確保される。このことにより、他の単電池２０Ａに熱が伝達することを抑制することができる。さらに、副スペーサ４４が単電池２０Ａ，２０Ｂの幅方向に沿って部分的に配置されているので、主スペーサ４２が溶融した場合でも、該溶融した樹脂４６が重力により落下して単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙から取り除かれる。そのため、溶融した樹脂４６が単電池２０Ａ、２０Ｂ間に残存して（典型的には単電池２０Ａ、２０Ｂに密着して）単電池２０Ａ、２０Ｂ同士の伝熱に寄与するような事態が回避される。このことにより、他の単電池２０Ａに熱が伝達することをより確実に防止することができる。

また、本組電池によると、副スペーサ４４は、金属またはセラミックにより構成されている。このような材質からなる副スペーサ４４は熱変形量が比較的小さいため、配列方向の厚みｄを主スペーサ４２の厚みＤよりも小さくしておくことにより、電池の通常使用時に副スペーサ４４が単電池２０Ａ、２０Ｂに干渉する事態を回避することができる。つまり、副スペーサ４４の配列方向の厚みを小さくして単電池２０Ａ、２０Ｂの少なくとも一方と接触しないように配置しておくことにより、副スペーサ４４が単電池２０Ａ、２０Ｂを局所的に圧迫することを防止することができる。そして、このように副スペーサ４４による単電池２０Ａ、２０Ｂへの局所的な圧迫を防止することにより、該局所的な圧迫が電池性能に及ぼす悪影響（例えば電極体内の電流分布の不均一化や局所劣化など）を未然に防止することができる。なお、金属またはセラミックからなる副スペーサ４４は、熱硬化性樹脂等に比べて比較的安価なため、コスト面でも有利である。

なお、上述した実施形態では、２つの副スペーサ４４が、単電池２０Ａ、２０Ｂの高さ方向の異なる２箇所に配置されていた。副スペーサ４４の数や配置箇所はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、副スペーサ４４の数を１つにしてもよい。この場合、副スペーサ４４の配置箇所は、単電池２０Ａ、２０Ｂの幅方向の全長をＬとして概ね０．４Ｌ〜０．６Ｌとなる位置に設定され得る。また、単電池２０Ａ、２０Ｂの高さ方向の全長をＨとして概ね０Ｈ〜０．６Ｈとなる位置に設定され得る。このような位置に１つの副スペーサ４４を配置することにより、該副スペーサ４４で単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙を保ちつつ、溶融した樹脂４６が落下可能な空間を確保することができる。

また、図６に示すように、２つの副スペーサ４４を単電池２０Ａ、２０Ｂの幅方向の異なる２箇所に配置してもよい。この場合、２つの副スペーサ４４のうち一方の配置箇所は、幅方向の全長Ｌに対して概ね０Ｌ〜０．４Ｌとなり且つ高さ方向の全長Ｈに対して概ね０Ｌ〜０．６Ｈとなる位置に設定され得る。また、他方の配置箇所は、幅方向の全長Ｌに対して概ね０．６Ｌ〜１Ｌとなり且つ高さ方向の全長Ｈに対して概ね０Ｌ〜０．６Ｈとなる位置に設定され得る。このように幅方向の異なる２箇所に副スペーサ４４を配置した場合でも、該副スペーサ４４で単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙を保ちつつ、溶融した樹脂４６が落下可能な空間を確保することができる。

あるいは、副スペーサ４４の数は３つ以上であってもよい。この場合、３つ以上の副スペーサ４４のうち少なくとも１つの配置箇所が、図５に示した態様、すなわち幅方向の全長Ｌに対して概ね０．４Ｌ〜０．６Ｌとなり且つ高さ方向の全長Ｈに対して概ね０Ｈ〜０．６Ｈとなる位置であるとよい。あるいは、３つ以上の副スペーサ４４のうち少なくとも２つの配置箇所が図４もしくは図６に示した態様であってもよい。このような位置に３つ以上の副スペーサ４４を配置することにより、該副スペーサ４４で単電池２０Ａ、２０Ｂ間の間隙を保ちつつ、溶融した樹脂４６が落下可能な空間を確保することができる。

続いて、図１を参照しつつ、本実施形態で使用され得る単電池２０の構成及び単電池２０を構成する各材料などについて詳述する。本実施形態に係る組電池１０は、充放電可能な二次電池を単電池２０とし、そのような単電池２０を複数個直列に接続して成る組電池１０であればよく、単電池２０の構成は特に制限されない。ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等が本発明の実施に好適な単電池の構成として挙げられる。特に本発明の実施に好適な単電池の構成はリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度で高出力を実現できる二次電池であるため、高性能な組電池、特に車両搭載用組電池（電池モジュール）を構築することができる。

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池２０は、扁平な角形の電池容器（即ち外装容器）５０に構成されている。リチウムイオン二次電池２０は、扁平形状の捲回電極体が、図示しない液状電解質（電解液）とともに、電池容器５０に収容されている。

電池容器５０は、一端（電池２０の通常の使用状態における上端部に相当する。）に開口部を有する箱形（すなわち有底直方体状）の容器本体５６と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板（蓋体）５４とから構成される。

封口板５４には外部接続用の正極端子６０および負極端子６２が形成されている。封口板５４の両端子６０、６２の間には、電池容器５０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁５８が形成されている。

捲回電極体は、長尺なシート状正極（正極シート）と、該正極シートと同様の長尺シート状負極（負極シート）とを計二枚の長尺シート状セパレータとを備えている。

正極シートは、帯状の正極集電体と正極活物質層とを備えている。正極集電体には正極に適する金属箔、例えば帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極活物質層には、正極活物質粒子が含まれている。正極活物質層は、正極活物質粒子を含む正極合剤を正極集電体に塗布し乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。

正極活物質粒子には、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いられる物質を使用することができる。正極活物質粒子の例を挙げると、ＬｉＮｉＣｏＭｎＯ_２（リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物）、ＬｉＮｉＯ_２（リチウムニッケル酸化物）ＬｉＣｏＯ_２（リチウムコバルト酸化物）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４（リチウムマンガン酸化物）などのリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。

負極シートは、帯状の負極集電体と負極活物質層とを備えている。負極集電体には負極に適する金属箔、例えば帯状の銅箔が用いられている。負極活物質層には、負極活物質粒子が含まれている。負極活物質層は、負極活物質粒子を含む負極合剤を負極集電体に塗布し乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。

負極活物質層に含まれる負極活物質粒子としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。好適例として、グラファイトカーボン、アモルファスカーボンなどの炭素系材料、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物などが挙げられる。

セパレータは、正極シートと負極シートとを隔てる部材であり、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータには、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。

電解液（非水電解液）としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩を用いることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

ここに開示される組電池１０は、各単電池の発熱が抑制され、高性能を発揮し得ることから、例えば、車両に搭載される電源として好適である。したがって、ここに開示される組電池１０は、ハイブリッド自動車、電気自動車のように電動機を備えた車両に搭載されるモーター用の電源（典型的には駆動用電源）として好適に使用され得る。

１０組電池
２０単電池
４０仕切り板
４２主スペーサ
４４副スペーサ
５２容器側壁

Claims

複数の充放電可能な単電池が電気的に接続された状態で所定方向に配列されてなる組電池であって、
前記配列された単電池間の間隙の少なくとも一箇所には仕切り板が配置されており、
前記仕切り板は、熱可塑性樹脂からなる主スペーサと、金属またはセラミックからなる副スペーサとを有し、
前記主スペーサは、隣接する単電池の容器側壁に接触するように配置され、
前記副スペーサは、前記配列方向の厚みが前記主スペーサの厚みよりも小さく、かつ前記主スペーサが溶融した場合に該溶融した樹脂が前記単電池間の間隙から落下除去され得る空間を有するように部分的に配置されている、組電池。