JP2016039022A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルへの拘束荷重を十分に付加することにより、電池性能を良好に発揮させることができる電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール１は、電極を積層してなる電極組立体１３をケース１２内に収容してなる電池セル１１を複数配列してなる配列体２と、配列体２に対して電池セル１１の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材３と、を備え、拘束部材３による配列体２への最低荷重量は、電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上に設定され、電池セル必要荷重量は、圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量に基づき、当該傾きの変化量がピークとなるときの圧縮量に対応する荷重量となっている。【選択図】図６

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

従来、例えばリチウムイオン二次電池等の電池セルを複数配列してなる電池モジュールが知られている。かかる電池モジュールでは、電池セルの配列体を金属プレート等の拘束具で挟み込んで一定の荷重で拘束することで、電池セルにおいて内部抵抗等の特性が変動することを抑制している。例えば特許文献１に記載の組電池では、両端に屈曲部を有する金属バンドをエンドプレートに固定し、このエンドプレートによって電池ブロックを積層方向に拘束している。

特開２０１３−０５５０６９号公報

電池セルの配列体の拘束にあたっては、電池セルの端面に対して拘束具から均等に荷重がかかることを前提として拘束荷重が設計されている。しかしながら、拘束荷重が局所的に不足する部分が生じると、その部分で内部抵抗が増大し、電池性能が十分に発揮されなくなることが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電池セルへの拘束荷重を十分に付加することにより、電池性能を良好に発揮させることができる電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る電池モジュールは、電極を積層してなる電極組立体をケース内に収容してなる電池セルを複数配列してなる配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、拘束部材による配列体への最低荷重量は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上に設定され、電池セル必要荷重量は、圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量に基づき、当該傾きの変化量がピークとなるときの圧縮量に対応する荷重量となっている。

この電池モジュールでは、電池セルの圧縮量に対して電池セルが受ける荷重量の傾きの変化量を求め、当該傾きの変化量がピークとなるときの圧縮量に対応する荷重量である電池セル必要荷重量以上となるように、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定されている。したがって、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

また、本発明に係る電池モジュールは、電極を積層してなる電極組立体をケース内に収容してなる電池セルを複数配列してなる配列体と、配列体に対して電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、拘束部材による配列体への最低荷重量は、電池セルの圧縮量と電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上に設定され、電池セル必要荷重量は、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量となっている。

この電池モジュールでは、電池セルの電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である電池セル必要荷重量以上となるように、拘束部材による配列体への最低荷重量が設定されている。したがって、電池セルの複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体とケースとが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

また、拘束部材による配列体への最低荷重量は、各電池セルで算出された電池セル必要荷重量の平均値及び標準偏差に基づいて設定されてもよい。この場合、各電池セルの電池性能を良好に発揮させることができる。

本発明に係る電池モジュールによれば、電池セルへの拘束荷重を十分に付加することにより、電池性能を良好に発揮させることができる。

本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す図である。 図１に示した電池モジュールを構成する電池セル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。 電池セルへの荷重の付加の様子を示す図である。 電池セルの圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係の一例を示す図である。 電池セルの圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る電池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、本発明に係る電池モジュールの一実施形態を示す図である。同図に示すように、電池モジュール１は、複数の電池セル１１を配列してなる配列体２と、配列体２に対して電池セル１１の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材３とを備えている。

本実施形態の配列体２は、例えば複数の電池セル１１と複数の伝熱プレート４とを有し、電池セル１１と伝熱プレート４とが交互に配列されている。電池セル１１は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。電池セル１１は、例えば図２及び図３に示すように、例えば略直方体形状をなす中空のケース１２と、ケース１２内に収容された電極組立体１３とを備えている。

ケース１２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１２の内部には、例えば有機溶媒系又は非水系の電解液が注入されている。ケース１２の頂面には、図２に示すように、正極端子１５と負極端子１６とが互いに離間して配置されている。正極端子１５は、絶縁リング１７を介してケース１２の頂面に固定され、負極端子１６は、絶縁リング１８を介してケース１２の頂面に固定されている。

電極組立体１３は、図３に示すように、例えば正極２１と、負極２２と、正極２１と負極２２との間に配置された袋状のセパレータ２３とによって構成されている。本実施形態の電極組立体１３では、セパレータ２３内に正極２１が収容されており、この状態で正極２１と負極２２とがセパレータ２３を介して交互に積層された状態となっている。

正極２１は、例えばアルミニウム箔からなる金属箔２１ａと、金属箔２１ａの両面に形成された正極活物質層２１ｂとを有している。正極活物質層２１ｂ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２１の上縁部には、正極端子１５の位置に対応してタブ２１ｃが形成されている。タブ２１ｃは、正極２１の上縁部から上方に延び、導電部材２４を介して正極端子１５に接続されている。

一方、負極２２は、例えば銅箔からなる金属箔２２ａと、金属箔２２ａの両面に形成された負極活物質層２２ｂとを有している。負極活物質層２２ｂ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２２の上縁部には、負極端子１６の位置に対応してタブ２２ｃが形成されている。タブ２２ｃは、負極２２の上縁部から上方に延び、導電部材２５を介して負極端子１６に接続されている。

セパレータ２３は、例えば袋状に形成され、内部に正極２１のみを収容している。セパレータ２３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２３は、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。

拘束部材３は、図１に示すように、例えば一対のエンドプレート３１と、エンドプレート３１同士を連結する連結部材３２とを備えている。エンドプレート３１は、例えば電池セル１１を配列方向から見た場合の面積よりも大きい面積の面を有する略矩形の板状をなしており、エンドプレート３１の外縁部分が電池セル１１の外縁部分よりも外側に張り出した状態で、配列体２における電池セル１１の配列方向の両端に配置されている。

連結部材３２は、例えば長尺のボルト３３と、ボルト３３に螺合されるナット３４とによって構成されている。ボルト３３は、例えばエンドプレート３１の外縁部分に挿通されている。各ボルト３３の両端にエンドプレート３１の外側からナット３４が螺合されることで、電池セル１１及び伝熱プレート４が一対のエンドプレート３１，３１間に挟持されてユニット化されると共に、配列体２に拘束荷重が付加される。

続いて、拘束部材３による配列体２への拘束荷重について更に詳細に説明する。

拘束部材３による配列体２への拘束荷重を設定するにあたっては、配列体２を構成する電池セル１１について、電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係を予め求める。電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係を求める場合、例えば図４に示すように、電池セル１１のケース１２を加圧部材４１，４１で挟み、電極組立体１３の積層方向から電池セル１１に荷重を付加する。

図５は、電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量の関係の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸は、電池セル１１の圧縮量、縦軸は、電池セル１１が受ける荷重量となっている。本実施形態では、圧縮量は、ケース１２への荷重の付加が無い状態（ケース１２に加圧部材４１が接した状態）を原点とし、加圧部材４１，４１で荷重を付加する方向のケース１２の厚さの変化量を示している。また、本実施形態では、荷重量は、ケース１２が受ける荷重量となっている。

図５に示すように、圧縮量が０からＣ_０までの領域は、低弾性領域となっている。この領域では、電池セル１１内において、電極組立体１３における電極（セパレータ２３を含めた正極２１及び負極２２）間のクリアランス、及び電極組立体１３とケース１２の内面とのクリアランスが存在しており、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が緩やかとなっている。

一方、圧縮量がＣ_０より大きい領域は、高弾性領域となっている。この領域では、圧縮の進行により、電池セル１１内において、電極組立体１３における電極（セパレータ２３を含めた正極２１及び負極２２）間のクリアランス、及び電極組立体１３とケース１２の内面とのクリアランスが存在しなくなり、低弾性領域と比較して、圧縮量の増加に対する荷重量の増加が大きくなっている。

電池セル１１についての圧縮量に対する荷重量の関係を予め求めた後、拘束部材３によって配列体２に付加する拘束荷重の下限値（以下「最低荷重量」）を決定する。この最低荷重量は、上述した電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上となるように決定される。電池セル必要荷重量は、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２の内面との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である。本実施形態では、例えば図５に示すように、低弾性領域から高弾性領域に移行する圧縮量Ｃ_０に対する荷重量Ｋ_０が電池セル必要荷重量に相当する。したがって、圧縮量Ｃ_０よりも僅かに大きい圧縮量Ｃ_ｉが得られるように、圧縮量Ｃ_０に対する荷重量Ｋ_０よりも僅かに大きい荷重量Ｋ_ｉが最低荷重量として決定される。

低弾性領域から高弾性領域に移行する圧縮量Ｃ_０は、電池セル１１における圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量に基づいて算出することもできる。圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量は、圧縮量に対する荷重量の関係を示す関数の２階微分によって得ることができる。図６は、電池セルの圧縮量に対する荷重量の傾きの変化量の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸は、電池セルの圧縮量、縦軸は、電池セルが受ける荷重量の傾きの変化量となっている。

図６に示す例では、荷重量の傾きの変化量にピークＴ_ｐが出現している。このように、荷重量の傾きの変化量にピークＴ_ｐが出現する場合、このピークＴ_ｐに対応する圧縮量を低弾性領域から高弾性領域に移行する圧縮量Ｃ_０とすることができる。したがって、圧縮量Ｃ_０を求めた後、圧縮量Ｃ_０よりも僅かに大きい圧縮量Ｃ_ｉが得られるように、圧縮量Ｃ_０に対する荷重量（電池セル必要荷重量）Ｋ_０よりも僅かに大きい荷重量Ｋ_ｉを最低荷重量として決定することができる。配列体２に付加する拘束荷重の上限値については、例えば正極２１と負極２２との間の金属イオンの移動が阻害されない範囲で適宜決定される。

なお、電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量との関係において、理想的には、図５に示したように、圧縮量の増加に対する荷重量の増加の変曲点に対応する圧縮量と、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２の内面との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量Ｃ_０とが一致する。しかしながら、電池セル１１の構成等によっては、実際にクリアランスが存在しなくなる圧縮量Ｃ_０が、圧縮量の増加に対する荷重量の増加の変曲点に対応する圧縮量よりも僅かに高くなることが考えられる。

この場合、０から変曲点に対応する圧縮量に至るまでの領域が低弾性領域、変曲点に対応する圧縮量からクリアランスが存在しなくなる圧縮量Ｃ_０に至るまでの領域が中弾性領域、クリアランスが存在しなくなる圧縮量Ｃ_０以降の領域が高弾性領域となる。上記と同様に高弾性領域に属する荷重量を最低荷重量として決定することが好適であるが、中弾性領域に属する荷重量を最低荷重量として決定してもよい。すなわち、クリアランスが存在しなくなる圧縮量Ｃ_０に対する荷重量を電池セル必要荷重量としてもよく、変曲点に対応する圧縮量に対する荷重量を電池セル必要荷重量としてもよい。

以上説明したように、本実施形態の電池モジュール１では、電池セル１１の電極間及び電極組立体１３とケース１２との間のクリアランスが存在しなくなる圧縮量を得るために必要な荷重量である電池セル必要荷重量以上となるように、拘束部材３による配列体２への最低荷重量が設定されている。したがって、電池セル１１の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体１３とケース１２とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

また、電池モジュール１では、電池セル１１の圧縮量に対して電池セル１１が受ける荷重量の傾きの変化量を求め、当該傾きの変化量がピークとなるときの圧縮量に対応する荷重量である電池セル必要荷重量以上となるように、拘束部材３による配列体２への最低荷重量が設定されている。したがって、電池セル１１の複数の電極同士が互いに密着すると共に、電極組立体１３とケース１２とが互いに密着する状態が確保されるので、電池性能を良好に発揮させることができる。

本実施形態のように、複数の電池セル１１によって配列体２を構成する場合、いずれか一つの電池セル１１について電池セル必要荷重量Ｋ_０を求めてもよく、複数或いは全ての電池セル１１について電池セル必要荷重量Ｋ_０を求めてもよい。複数の電池セル１１について電池セル必要荷重量Ｋ_０を求める場合、各電池セル１１について求めた電池セル必要荷重量Ｋ_０のうちの最高値を求め、当該最高値よりも大きい荷重量Ｋ_ｉを最低荷重量とすることが好適である。

また、複数の電池セル１１について電池セル必要荷重量Ｋ_０を求める場合、各電池セル１１について求めた電池セル必要荷重量Ｋ_０の平均値Ｋ_ａ及び標準偏差σに基づいて最低荷重量を設定してもよい。この場合、平均値Ｋ_ａに標準偏差σの整数倍を加算した値（例えばＫ_ａ＋４σ）より大きい荷重量Ｋ_ｉを最低荷重量とすることが好適である。この場合、各電池セル１１について求めた電池セル必要荷重量Ｋ_０にばらつきがある場合でも最低荷重量を容易に決定でき、各電池セル１１の電池性能を良好に発揮させることができる。

各電池セル１１についての電池セル必要荷重量Ｋ_０の決定は、電池セル１１の製造ラインからの電池セル１１の抜取検査によって実施してもよく、製造ラインごとの電池セル必要荷重量Ｋ_０のばらつきを予め計測することによって実施してもよい。

１…電池モジュール、２…配列体、３…拘束部材、１１…電池セル、１２…ケース、１３…電極組立体、２１…正極（電極）、２２…負極（電極）。

Claims (3)

1. 電極を積層してなる電極組立体をケース内に収容してなる電池セルを複数配列してなる配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、
   前記拘束部材による前記配列体への最低荷重量は、前記電池セルの圧縮量と前記電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上に設定され、
   前記電池セル必要荷重量は、前記圧縮量に対する前記荷重量の傾きの変化量に基づき、当該傾きの変化量がピークとなるときの前記圧縮量に対応する前記荷重量である電池モジュール。
2. 電極を積層してなる電極組立体をケース内に収容してなる電池セルを複数配列してなる配列体と、
   前記配列体に対して前記電池セルの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、
   前記拘束部材による前記配列体への最低荷重量は、前記電池セルの圧縮量と前記電池セルが受ける荷重量との関係に基づいて算出される電池セル必要荷重量以上に設定され、
   前記電池セル必要荷重量は、前記電池セルの前記電極間及び電極組立体とケースとの間のクリアランスが存在しなくなる前記圧縮量を得るために必要な前記荷重量である電池モジュール。
3. 前記拘束部材による前記配列体への最低荷重量は、
   前記各電池セルで算出された前記電池セル必要荷重量の平均値及び標準偏差に基づいて設定される請求項１又は２記載の電池モジュール。

Images