JP2016015248A - 蓄電装置ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電極組立体での温度差を小さくすることができる蓄電装置ユニットを提供すること。
【解決手段】二次電池ユニット３０は、負極電極２１と正極電極２４を、セパレータ２７を介して積層した電極組立体１４、及び電解液をケース１１に収容した二次電池１０と、電極組立体１４を積層方向に挟んで対向する一対の長側壁１２ｄの外表面に熱的に結合された放熱部材４０と、を有する。放熱部材４０の熱伝導率の値は、二次電池１０の熱伝導率の値よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置と、放熱部材とを有する蓄電装置ユニットに関する。

二次電池やキャパシタのような蓄電装置は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため、電源として広く利用されている。二次電池としては、異なる極性の電極を、両者の間を絶縁した状態で積層した電極組立体と、該電極組立体及び電解液を収容したケースと、を有する構成のものが一般的である。ところで、二次電池の充放電は、電極組立体の発熱を伴うことから、二次電池全体の温度が上昇し、電池性能の劣化を促進してしまう。

そこで、二次電池の熱を外気へ放出する技術として、ケースの外表面に放熱部材を接合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５に示すように、特許文献１の単電池（二次電池）８０は、電槽本体（ケース）８１に、正極電極、負極電極及びセパレータを積層して構成された電極群（電極組立体）８２を収容して有する。電槽本体８１の側壁８３のうち、電極群８２を挟んで対向する一対の側壁８３の外表面には、接着剤層８４を介してアルミニウム等の金属製の放熱部材８５が接合されている。そして、単電池８０内部で電極群８２から発生した熱は、電槽本体８１の両方の側壁８３、及び接着剤層８４を介して両方の放熱部材８５に伝わり、各放熱部材８５の表面から外気へと放出され、単電池８０の温度上昇が抑制される。

特開平９−１９９０９３号公報

ところが、特許文献１において、電極群８２は、各放熱部材８５に近い積層方向両端ほど放熱性に優れるが、電極群８２において、積層方向の両端から中央に向かって放熱部材８５から離れるほど放熱性が低下する。このため、電極群８２の積層方向における中央と両端側とで温度差で大きく開いてしまう。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極組立体での温度差を小さくすることができる蓄電装置ユニットを提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置ユニットは、異なる極性の電極を、両者の間を絶縁した状態に積層した電極組立体、及び電解液をケースに収容した蓄電装置と、前記ケースの壁部のうち、前記電極組立体を挟んで対向する一対の壁部の外表面に熱的に結合された放熱部材と、を有する蓄電装置ユニットであって、前記放熱部材の熱伝導率の値は、前記蓄電装置の熱伝導率の値よりも小さいことを要旨とする。

これによれば、充放電に伴い電極組立体で発生した熱は、電極組立体から壁部に伝わる。そして、壁部に伝わった熱は、放熱部材に伝わり、放熱部材から外気へと放出される。このとき、熱伝導率の値が、蓄電装置よりも放熱部材の方が小さいため、蓄電装置から放熱部材へ熱が伝わっても、その熱は放熱部材の外表面へ移動しにくく、放熱部材から外気への熱の放出も効率良く行われにくい。よって、蓄電装置に放熱部材が熱的に結合されていても、蓄電装置の壁部の温度が大きく下がることが抑制される。したがって、蓄電装置の熱は、放熱部材を介して外気へ過度に放出されず、電極組立体では一対の放熱部材を結ぶ方向の両端での過度の温度低下が抑えられる。その結果として、電極組立体において、一対の放熱部材を結ぶ方向全体に亘って温度差が大きく開かず、該方向に沿った電極組立体での温度のばらつきを抑えることができる。

また、蓄電装置ユニットについて、前記放熱部材に設定される熱伝導率の最小値は、０．１Ｗ／ｍ・ｋであるのが好ましい。
これによれば、放熱部材が断熱材として機能しにくく、放熱部材を設けたことで、蓄電装置に熱が篭もってしまうことを抑制できる。その結果、放熱部材による外気への熱の放出が過度に行われることを抑制しつつも、蓄電装置に熱が篭もって温度が過度に上昇してしまうことを抑制できる。

また、蓄電装置ユニットについて、前記蓄電装置は二次電池である。

本発明によれば、電極組立体での温度差を小さくすることができる。

実施形態の二次電池ユニットを示す分解斜視図。 電極組立体の構成要素を示す分解斜視図。 二次電池ユニットの外観を示す斜視図。 二次電池ユニットを示す図３の４−４線断面図。 背景技術を示す図。

以下、蓄電装置ユニットを二次電池ユニットに具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、二次電池ユニット３０は、蓄電装置としての二次電池１０と、この二次電池１０と熱的に結合された放熱部材４０とを有する。

二次電池１０は、ケース１１を有し、ケース１１には電極組立体１４及び電解液が収容されている。ケース１１は、有底四角筒状のケース本体１２と、ケース本体１２に電極組立体１４を挿入するための開口部１２ａを閉塞する平板状の蓋体１３とからなる。

ケース本体１２は、矩形板状の底壁１２ｂと、底壁１２ｂの対向する一対の長側縁から立設された長側壁１２ｄと、底壁１２ｂの対向する一対の短側縁から立設された短側壁１２ｃとを有する。短側壁１２ｃの正面視形状は、底壁１２ｂに繋がる辺が短辺となる矩形状であり、長側壁１２ｄの正面視形状は、底壁１２ｂに繋がる辺が長辺となる矩形状である。また、ケース本体１２の内面は絶縁層１５ａによって覆われている。ケース本体１２と蓋体１３は、何れも金属製（本実施形態ではアルミニウム製）である。蓋体１３は、ケース１１（ケース本体１２）内に電解液を注入するための注液孔１３ａを有する。注液孔１３ａは封止栓１９によって閉塞されている。

図２に示すように、電極組立体１４は、負極電極２１、正極電極２４、及び正極電極２４と負極電極２１とを絶縁するセパレータ２７を有する。負極電極２１は、負極金属箔２２（銅箔）と、負極金属箔２２の両面に負極活物質を塗工して構成された負極活物質層２３と、を有する。負極電極２１は、その一辺２１ａに沿って、負極金属箔２２で構成された負極未塗工部２２ｄを有する。負極電極２１の一辺２１ａの一部には、負極タブ２９が突出する状態で設けられている。

正極電極２４は、矩形状の正極金属箔２５（アルミニウム箔）と、正極金属箔２５の両面に正極活物質を塗工して構成された正極活物質層２６と、を有する。正極電極２４は、その一辺２４ａに沿って、正極金属箔２５で構成された正極未塗工部２５ｄを有する。正極電極２４の一辺２４ａの一部には、正極タブ２８が突出する状態で設けられている。

電極組立体１４は、複数の正極電極２４と複数の負極電極２１を交互に積層するとともに、両電極２１，２４の間にセパレータ２７を介在した積層構造とされ、直方体状である。負極電極２１、正極電極２４、及びセパレータ２７が積層された方向を電極組立体１４の積層方向とする。

ここで、図１に示すように、ケース本体１２において、積層方向に沿って電極組立体１４を挟んで対向する一対の長側壁１２ｄの内面間の最短距離を、ケース本体１２の内寸とすると、電極組立体１４の積層方向の長さは、ケース本体１２の内寸より僅かに小さい。これは、負極電極２１と正極電極２４と、セパレータ２７とを所定枚数積層する際に、各電極２１，２４及びセパレータ２７の実際の厚みが製造公差の最大値を取っても、電極組立体１４がケース本体１２内に収まるように、各々の厚みが設定されていることによる。

電極組立体１４は、積層方向の両側に偏平面１４ａを有する。また、電極組立体１４は、偏平面１４ａに繋がる四つの端面のうち、各タブ２８，２９の突出する端面にタブ側端面３６を有し、ケース本体１２の底壁１２ｂに支持される端面に底面３７を有する。さらに、電極組立体１４は、偏平面１４ａに繋がる四つの面のうち、タブ側端面３６及び底面３７を除く二つの端面に側面３８を有する。

電極組立体１４の一方の偏平面１４ａと、該偏平面１４ａに対向する壁部としての一方の長側壁１２ｄとの間には、厚み調整部材５０が介装されている。厚み調整部材５０は、所定の厚みの樹脂製のフィルムであり、電極組立体１４の積層方向の長さに対応し、１枚〜複数枚が重ねられ、本実施形態では１枚の厚み調整部材５０が使用されている。

電極組立体１４では、正極タブ２８が積層方向に沿って列状に配置され、且つ正極タブ２８と重ならない位置にて負極タブ２９が積層方向に沿って列状に配置されるように、正極電極２４及び負極電極２１が積層される。正極タブ２８及び負極タブ２９は、電極組立体１４における積層方向の一端から他端までの範囲内でそれぞれ集められた状態で折り曲げられている。

正極タブ２８には正極端子１６が電気的に接続されており、負極タブ２９には負極端子１５が電気的に接続されている。これら正極端子１６及び負極端子１５は、各一部分が蓋体１３の孔部１３ｃからケース１１外に露出している。また、正極端子１６及び負極端子１５には、ケース１１から絶縁するためのリング状の絶縁リング１７ａがそれぞれ取り付けられている。

次に、上記構成の二次電池１０における熱伝導率について説明する。
まず、二次電池１０の積層方向に存在する各部材の熱伝導率を以下の式（１）を用いて導出する。なお、λは熱伝導率（Ｗ／ｍ・ｋ）であり、αは熱拡散率（ｍ^２／ｓ）であり、Ｃｐは比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）であり、ρは密度（ｋｇ／ｍ^３）である。

λ＝α・Ｃｐ・ρ…式（１）
例えば、長側壁１２ｄの熱伝導率をλ１、絶縁層１５ａの熱伝導率をλ２とし、それらの熱伝導率を式（１）を用いて導出する。その他の部材である負極金属箔２２の熱伝導率、負極活物質層２３の熱伝導率、正極金属箔２５の熱伝導率、正極活物質層２６の熱伝導率、セパレータ２７の熱伝導率、厚み調整部材５０の熱伝導率も式（１）を用いて導出する。

なお、長側壁１２ｄに関しては、積層方向に２枚分存在するため、各長側壁１２ｄの熱伝導率λ１を測定する。絶縁層１５ａに関しては、積層方向に２箇所存在するため、２箇所それぞれの熱伝導率λ２を測定する。負極金属箔２２、負極活物質層２３、正極金属箔２５、正極活物質層２６、セパレータ２７、及び厚み調整部材５０に関しては、積層方向に存在する分だけ１枚ずつ熱伝導率を導出する。

次に、二次電池１０の積層方向に存在する複数の部材それぞれの厚みを測定し、各部材の厚みを合成した二次電池１０の厚みｔを式（２）を使用して導出する。
ｔ＝ｔ１＋ｔ２…＋ｔｎ…式（２）
例えば、長側壁１２ｄの厚みをｔ１、絶縁層１５ａの厚みをｔ２とし、それらの厚みを測定するとともに、その他の部材である負極金属箔２２の厚み、負極活物質層２３の厚み、正極金属箔２５の厚み、正極活物質層２６の厚み、セパレータ２７の厚み、厚み調整部材５０の厚みも測定する。そして、測定した各厚みを合成して二次電池１０の厚みｔを導出する。二次電池１０の厚みｔは、電極組立体１４の積層方向に沿った厚みであり、一対の放熱部材４０を結ぶ方向に沿った厚みである。なお、長側壁１２ｄに関しては、積層方向に２枚分存在するため、各長側壁１２ｄの厚みｔ１を測定する。絶縁層１５ａに関しては、積層方向に２箇所存在するため、２箇所それぞれの厚みｔ２を測定する。負極金属箔２２、負極活物質層２３、正極金属箔２５、正極活物質層２６、セパレータ２７、及び厚み調整部材５０に関しては、積層方向に存在する分だけ１枚ずつ厚みを測定する。

次に、導出された各部材の熱伝導率と、厚みとを利用して、二次電池１０の熱伝導率λαを式（３）を使用して導出する。なお、電解液は、電極組立体１４に含浸されているため、電解液の熱伝導率も鑑みて二次電池１０の熱伝導率が導出される。

λα＝（ｔ１・λ１＋ｔ２・λ２…＋ｔｎ・λｎ）／ｔ…式（３）
そして、式（３）から、二次電池１０の熱伝導率λαが導出される。
次に、放熱部材４０について説明する。

放熱部材４０はプラスチック製又はゴム製であり、プラスチック又はゴムとして、その熱伝導率の値が、上記のように導出された二次電池１０の熱伝導率の値よりも小さいものが使用される。本実施形態では、放熱部材４０は、熱伝導率の値が０．１〜０．５Ｗ／ｍ・ｋのものが使用される。

放熱部材４０の熱伝導率の値が０．１Ｗ／ｍ・ｋより小さいと、放熱部材４０による熱の放出性能が低下し、放熱部材４０の熱伝導率の値が、断熱材の熱伝導率（例えば、ガラスウールの熱伝導率０．０５Ｗ／ｍ・ｋ）に近付いてしまい好ましくない。このため、放熱部材４０における熱伝導率の最小値は０．１Ｗ／ｍ・ｋに設定される。

一方、放熱部材４０の熱伝導率の値が０．５Ｗ／ｍ・ｋより大きいと、放熱部材４０における熱伝導率の値が、二次電池１０での熱伝導率の値より大きくなりやすく、放熱部材４０による二次電池１０の放熱性能が過度に高まる結果、電極組立体１４の積層方向両端側の温度が急激に低下しやすくなり、好ましくない。よって、放熱部材４０における熱伝導率の最大値は０．５Ｗ／ｍ・ｋに設定される。

なお、放熱部材４０の材料は、電解液によって溶出しない材料であり、かつ電解液成分によってフッ化しない材料が選択される。なお、以下の材料の説明に関しては、熱伝導率の単位（Ｗ／ｍ・ｋ）の記載を省略する。

放熱部材４０の材料のうち、プラスチックとしては、スチレン・アクリロニトル・ブタジエン（ＡＢＳ、熱伝導率０．１９〜０．３６）、エポキシ樹脂（ＥＰ、熱伝導率０．３）、ポリアミド（ＰＡ、熱伝導率０．２５）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴＰ、熱伝導率０．２５）、ポリカーボネート（ＰＣ、熱伝導率０．１９）、ポリエチレン（低密度）（ＰＥ、熱伝導率０．３３）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、熱伝導率０．２６）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳＦ、熱伝導率０．１８〜０．２４）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴＰ、熱伝導率０．３１）、フェノール樹脂（ＰＦ、熱伝導率０．１３〜０．２５）、ポリイミド（ＰＩ、熱伝導率０．２８〜０．３４）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ、熱伝導率０．１７〜０．２５）、ポリアセタール（ＰＯＭ、熱伝導率０．２３）、ポリプロピレン（ＰＰ、熱伝導率０．１２５）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＥ、熱伝導率０．２９）、ポリスチレン（ＰＳ、熱伝導率０．１０〜０．１４）、ポリサルホン（ＰＳＦ、熱伝導率０．１２〜０．１６）、ポリ塩化ビニル（硬質）（ＰＶＣ、熱伝導率０．１３〜０．２９）、ポリ塩化ビニル（軟質）（ＰＶＣ、熱伝導率０．１３〜０．１７）、シリコーン樹脂（ＳＩ、熱伝導率０．１５〜０．１７）が挙げられる。

また、放熱部材４０の材料として、ゴムでは、天然ゴム（熱伝導率０．１３）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ、熱伝導率０．３６）、クロロプレンゴム（ＣＲ、熱伝導率０．２５）、ブチルゴム（ＩＩＲ、熱伝導率０．１３）、ポリウレタンゴム（熱伝導率０．１２〜０．１８）、シリコーンゴム（熱伝導率０．２）が挙げられる。

放熱部材４０は、長側壁１２ｄの正面視形状と同じ正面視矩形状の板状であり、同じ大きさである。そして、放熱部材４０は接着剤によって長側壁１２ｄの外表面に接合され、放熱部材４０は、二次電池１０の長側壁１２ｄと熱的に結合されている。すなわち、放熱部材４０は、電極組立体１４を積層方向に挟む一対の長側壁１２ｄそれぞれと熱的に結合されている。そして、二次電池１０と、一対の放熱部材４０とが一体化されて、二次電池ユニット３０が構成されている。二次電池ユニット３０においては、二次電池１０内の電極組立体１４で発生した熱は、長側壁１２ｄを介して放熱部材４０に伝わり、放熱部材４０から外気へ放出される。

次に、二次電池ユニット３０の作用を記載する。
二次電池１０の使用時、充電や放電により、電極組立体１４が発熱する。電極組立体１４で発生した熱のほとんどは、互いに面接触している負極電極２１と、セパレータ２７と、正極電極２４へと積層方向に伝わり、積層方向両端の偏平面１４ａにまで伝わる。そして、電極組立体１４の両偏平面１４ａの熱は、一方の偏平面１４ａからは厚み調整部材５０を介して長側壁１２ｄに伝わり、他方の偏平面１４ａの熱は、長側壁１２ｄに直接伝わる。各長側壁１２ｄに伝わった熱は、放熱部材４０に伝わった後、放熱部材４０の表面から外気へと放出される。また、電極組立体１４で発生した熱は、偏平面１４ａの面に沿う方向にも伝わり、底壁１２ｂや短側壁１２ｃから外気へと放出される。このとき、図４のグラフに示すように、電極組立体１４の積層方向に沿った二次電池１０の温度分布にはばらつきがほとんどない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）二次電池ユニット３０は、二次電池１０の各長側壁１２ｄと熱的に結合された放熱部材４０を有し、放熱部材４０の熱伝導率の値は、二次電池１０の熱伝導率の値より小さい。このため、二次電池１０から放熱部材４０に熱が伝わっても、放熱部材４０から外気への熱の放出性能が過度に高くない。よって、放熱部材４０を有していても、放熱部材４０からの熱の放出が効率良く行われず、電極組立体１４において、積層方向の両端側の温度が大きく下がることが抑制される。このため、電極組立体１４において、積層方向全体に亘って温度差が大きく開かず、積層方向に沿った電極組立体１４での温度のばらつきを抑えることができる。すなわち、電極組立体１４の温度が積層方向のほぼ全体で同じになり、電池性能の劣化が抑えられる。

このような二次電池１０においては、電極組立体１４の温度が、セパレータ２７のシャットダウン発生温度まで上昇したときは、電極組立体１４の全体でほぼ同じタイミングでシャットダウンが発生する。したがって、シャットダウンの発生するタイミングのずれを原因とした電極組立体１４の過度な温度上昇の発生を抑制できる。

（２）放熱部材４０において、熱伝導率の最小値を０．１Ｗ／ｍ・ｋとした。このため、放熱部材４０が断熱材として機能してしまうことを抑制し、電極組立体１４の熱がケース１１内に篭もって、電極組立体１４の温度が過度に高くなることを抑制できる。よって、放熱部材４０の熱伝導率の最小値を０．１Ｗ／ｍ・ｋとすることで、放熱部材４０による放熱性を確保しながらも、電極組立体１４の積層方向両端側での温度が過度に低くなることも抑制することができる。

（３）放熱部材４０は、電極組立体１４の積層方向両端から挟むように長側壁１２ｄの外表面に接合されている。電極組立体１４で発生した熱は、負極電極２１、正極電極２４及びセパレータ２７が面接触する積層方向に伝わりやすい。このため、放熱部材４０を、電極組立体１４の積層方向両端と対向する長側壁１２ｄに接合することで、放熱部材４０の熱伝導率の低さを利用して、放熱性能が過度に高くならないようにしつつも、電極組立体１４の熱を適度に外気へ放出することができる。

（４）放熱部材４０は、長側壁１２ｄの最も面積の大きくなる面全体に接合されている。このため、電極組立体１４の偏平面１４ａに伝わった熱を、偏平面１４ａの面に沿った全方位において、ばらつきなく放熱することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 放熱部材４０は、電極組立体１４を積層方向に挟む長側壁１２ｄではなく、壁部としての短側壁１２ｃと熱的に結合するように設けられていてもよい。

○ 放熱部材４０の正面視での大きさは、長側壁１２ｄの正面視での大きさより小さくてもよいし、大きくてもよい。
○ 実施形態の二次電池１０では、厚み調整部材５０を積層方向一方の偏平面１４ａ側だけに用いたが、厚み調整部材５０は、積層方向他方の偏平面１４ａ側だけに用いてもよいし、複数枚の厚み調整部材５０を使用する場合は、積層方向の両側に用いてもよい。

○ 厚み調整部材５０及び絶縁層１５ａの少なくとも一方は無くてもよい。この場合は、二次電池１０の熱伝導率は、用いない厚み調整部材５０や絶縁層１５ａの熱伝導率を合成しないで導出される。

○ 実施形態では、放熱部材４０を接着剤によって長側壁１２ｄの外表面に接合し、接着剤を介して長側壁１２ｄの外表面と放熱部材４０を熱的に結合したが、放熱部材４０と壁部との熱的な結合方法は接着剤だけに限らない。例えば、複数の二次電池１０を長側壁１２ｄ同士が対向するように並設するとともに、隣り合う二次電池１０の長側壁１２ｄ同士の間に放熱部材４０を介装する。そして、複数の二次電池１０を並設方向に拘束し、放熱部材４０を長側壁１２ｄの外表面に押し付けて熱的に結合させてもよい。

○ 電極組立体１４は積層型としたが、帯状の負極電極と正極電極の間に、帯状のセパレータを挟んでこれらを層状に捲回した捲回型としてもよい。
○ 負極電極２１と正極電極２４との絶縁は、負極電極２１及び正極電極２４の少なくとも一方に形成された絶縁保護層によって行ってもよい。

○ 電極組立体１４を構成する負極電極２１及び正極電極２４の枚数は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、負極電極２１は、負極金属箔２２の両面に負極活物質層２３を有するとしたが、負極金属箔２２の片面のみに負極活物質層２３を有していてもよい。同様に、正極電極２４は、正極金属箔２５の両面に正極活物質層２６を有するとしたが、正極金属箔２５の片面のみに正極活物質層２６を有していてもよい。

○ 二次電池１０は、ニッケル水素電池でもよいし、他の二次電池であってもよい。要は、正極用の活物質と負極用の活物質との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。また、蓄電装置としてキャパシタでもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記放熱部材は、前記電極組立体を積層方向に挟む壁部と熱的に結合されている蓄電装置ユニット。

（ロ）前記放熱部材の熱伝導率の最大値は０．５Ｗ／ｍ・ｋである蓄電装置ユニット。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２ｄ…壁部としての長側壁、１４…電極組立体、２１…負極電極、２４…正極電極、３０…蓄電装置ユニットとしての二次電池ユニット、４０…放熱部材。

Claims (3)

1. 異なる極性の電極を、両者の間を絶縁した状態に積層した電極組立体、及び電解液をケースに収容した蓄電装置と、
   前記ケースの壁部のうち、前記電極組立体を挟んで対向する一対の壁部の外表面に熱的に結合された放熱部材と、を有する蓄電装置ユニットであって、
   前記放熱部材の熱伝導率の値は、前記蓄電装置の熱伝導率の値よりも小さいことを特徴とする蓄電装置ユニット。
2. 前記放熱部材に設定される熱伝導率の最小値は、０．１Ｗ／ｍ・ｋである請求項１に記載の蓄電装置ユニット。
3. 前記蓄電装置は二次電池である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置ユニット。