JP2016039023A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】拘束荷重を適切に設定することにより、電池性能の確保及び拘束部材の破損の防止を実現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では、弾性体４の初期圧縮量が、弾性体４を配列体２と拘束部材３との間に介在させた状態で拘束部材３が破壊されるときの圧縮量Ｃ_ｂから、初期状態からの配列体２の膨張量を減算した圧縮量Ｃ_Ｈより小さくなるように、拘束部材３による配列体２への拘束荷重の上限値Ｋ_Ｈが設定されている。初期状態からの配列体２の膨張量を考慮することで、充放電或いは温度変化に伴って電池セル１１が膨張した場合の弾性体４の圧縮しろが確保され、配列体２に付加される拘束荷重が適切に維持される。したがって、電池性能の確保及び拘束部材３の破損の防止を実現できる。
【選択図】図４

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

上述したような電池モジュールにおいては、充放電或いは温度変化に伴って電池セルが膨張・収縮を繰り返したり、経年劣化によって正極若しくは負極が膨張することがある。そこで、電池セルの膨張による拘束部材の破損を防止する目的で、配列体と拘束部材のエンドプレートとの間にゴムなどの弾性体を介在させる場合がある。この場合、弾性体にも拘束部材からの拘束荷重が付加されるため、弾性体の作用を十分に発揮させる観点に基づいて、拘束部材による拘束荷重を適切に設定する必要がある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、拘束荷重を適切に設定することにより、電池性能の確保及び拘束部材の破損の防止を実現できる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、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、配列体と拘束部材との間又は電池セル間に介在する弾性体と、を備え、拘束部材による弾性体への拘束荷重の上限値は、弾性体の初期圧縮量が、弾性体を配列体と拘束部材との間又は電池セル間に介在させた状態で拘束部材が破壊されるときの弾性体の圧縮量から、初期状態からの配列体の膨張量を減算した圧縮量より小さくなるように設定されている。

この電池モジュールでは、弾性体の初期圧縮量が、弾性体を配列体と拘束部材との間又は電池セル間に介在させた状態で拘束部材が破壊されるときの弾性体の圧縮量から、初期状態からの配列体の膨張量を減算した圧縮量より小さくなるように、拘束部材による弾性体への拘束荷重の上限値が設定されている。初期状態からの配列体の膨張量を考慮することで、充放電或いは温度変化に伴って電池セルが膨張した場合の弾性体の圧縮しろが確保され、配列体に付加される拘束荷重が適切に維持される。したがって、電池性能の確保及び拘束部材の破損の防止を実現できる。

また、拘束部材による弾性体への拘束荷重の下限値は、弾性体の初期圧縮量が、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最低荷重量がかかったときの弾性体の圧縮量に、初期状態からの配列体の収縮量を加算した圧縮量より大きくなるように設定されていてもよい。初期状態からの配列体の収縮量を考慮することで、充放電或いは温度変化に伴って電池セルが収縮した場合の弾性体の膨張しろが確保され、配列体に付加される拘束荷重が適切に維持される。したがって、電池性能を一層好適に確保できる。

また、最低荷重量は、電池セルの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であってもよい。これにより、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最低荷重量を精度良く求めることができる。

また、弾性体は、配列体における電池セルの配列方向の少なくとも一端に配置され、拘束部材は、配列体及び弾性体を電池セルの配列方向に挟み込む一対のエンドプレートと、エンドプレート同士を締結する締結部材とによって構成されていてもよい。このような構成により、配列体及び弾性体への拘束荷重の付加を均一に実施できる。

本発明に係る電池モジュールによれば、拘束荷重を適切に設定することにより、電池性能の確保及び拘束部材の破損の防止を実現できる。

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。 弾性体の圧縮特性の一例を示す図である。 初期状態からの配列体の膨張・収縮量の一例を示す図である。 本発明に係る電池モジュールの変形例を示す図である。

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、配列体２と拘束部材３との間に介在する弾性体４とを備えている。

配列体２では、例えば伝熱プレート５を介し、複数の電池セル１１が配列されている。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。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。

弾性体４は、弾性体４は、例えばウレタン製のゴムスポンジによって形成され、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小さい面積を有する略矩形の板状をなしている。弾性体４は、配列体２における電池セル１１の配列方向の両端にそれぞれ配置されている。弾性体４は、電池セル１１の配列方向の少なくとも一端に配置されていればよく、電池セル１１，１１間に配置されていてもよい。弾性体４の形成材料としては、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、シリコンゴムなどを用いることもできる。また、弾性体４は、ゴムに限られず、バネ材などであってもよい。

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同士を締結する締結部材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及び弾性体４の配列方向の両端にそれぞれ配置されている。

締結部材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の外縁部分において、配列体２の四隅に対応する位置でエンドプレート３１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５が挟持されてユニット化されると共に、配列体２及び弾性体４に対する拘束荷重が付加される。

続いて、拘束部材３による弾性体４への拘束荷重について更に詳細に説明する。

拘束部材３による拘束荷重を設定するにあたっては、配列体２の両端に配置する弾性体４について、圧縮量に対する荷重量の関係（圧縮特性）を予め求める。図４は、弾性体４がウレタン製のゴムスポンジである場合の圧縮特性の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸は、弾性体４の圧縮量、縦軸は弾性体４が受ける荷重量となっており、弾性体４の圧縮特性曲線がプロットされている（グラフＡ）。同図に示す例では、圧縮量が０から増加すると共に荷重量も増加する（グラフＡのＡ１部分）。その後、一旦圧縮量の増加に対する荷重量の増加が緩やかとなり（グラフＡのＡ２部分）、さらに圧縮量が増加すると、荷重量の増加に対して圧縮量が殆ど増加しなくなっている（グラフＡのＡ３部分）。

拘束部材３による弾性体４への拘束荷重の上限値を設定する場合、まず、弾性体４を配列体２と拘束部材３との間又は電池セル１１，１１間に介在させた状態での拘束部材３の破壊荷重Ｋ_ｂを求める。次に、弾性体４の圧縮特性曲線に基づいて、破壊荷重Ｋ_ｂがかかった場合の弾性体４の圧縮量Ｃ_ｂを求める。圧縮量Ｃ_ｂを求めた後、初期状態からの配列体２の膨張量を圧縮量Ｃ_ｂから減算した圧縮量Ｃ_Ｈを求める。

図５は、初期状態からの配列体２の膨張・収縮量の一例を示す図である。同図に示すように、使用時の配列体２の膨張・収縮は、例えば電池モジュール１の充電状態（ＳＯＣ）や温度に依存する。例えば初期状態において、電池モジュール１のＳＯＣが１５％で温度が２５℃であるときの配列体２の厚さを基準（膨張量＝０ｍｍ）とした場合、ＳＯＣが１００％で温度が６０℃であるときの配列体２の厚さは、基準値から例えば３ｍｍ程度膨張する。したがって、図４に示すように、圧縮量Ｃ_ｂからこの膨張量を減算した圧縮量Ｃ_Ｈを求め、弾性体４の初期圧縮量がＣ_Ｈより小さくなるように、圧縮量Ｃ_Ｈと圧縮特性曲線との交点から求まる荷重量Ｋ_Ｈを拘束部材３による弾性体４への拘束荷重の上限値として設定する。なお、弾性体４の初期圧縮量とは、配列体２が膨張していないときの弾性体４の圧縮量である。

一方、拘束部材３による弾性体４への拘束荷重の下限値を設定する場合、まず、電池セル１１の電極間（セパレータ２３を含む正極２１及び負極２２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最低荷重量Ｋ_ａを求める。最低荷重量Ｋ_ａは、例えば電池セル１１の圧縮量と電池セル１１が受ける荷重量の関係を予め求め、この関係を示す特性曲線の傾きの変曲点となる座標から算出することができる。

最低荷重量Ｋ_ａ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。荷重量の傾きの変化量にピークが出現する場合、荷重量の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を最低荷重量Ｋ_ａとして決定することができる。

次に、弾性体４の圧縮特性曲線に基づいて、最低荷重量Ｋ_ａがかかったときの弾性体４の圧縮量Ｃ_ａを求める（図４参照）。圧縮量Ｃ_ａを求めた後、初期状態からの配列体２の収縮量を加算した圧縮量Ｃ_Ｌを求める。図５に示した例では、ＳＯＣが０％で温度が−４０℃であるときの配列体２の厚さは、基準値から例えば２ｍｍ程度収縮する。したがって、図４に示すように、圧縮量Ｃ_ａからこの収縮量を加算した圧縮量Ｃ_Ｌを求め、弾性体４の初期圧縮量がＣ_Ｌより大きくなるように、圧縮量Ｃ_Ｌと圧縮特性曲線との交点から求まる荷重量Ｋ_Ｌを拘束部材３による弾性体４への拘束荷重の下限値として設定する。

なお、上述した圧縮量Ｃ_ｂに対する減算量及び圧縮量Ｃ_ａに対する加算量は、初期状態からの配列体２の膨張・収縮量に基づくものである。したがって、初期状態からの配列体２の膨張量を圧縮量Ｃ_ｂから減算した圧縮量Ｃ_Ｈは、弾性体４の圧縮特性曲線がＡ２からＡ３に移行する変曲点とは必ずしも一致しない。また、初期状態からの配列体２の収縮量を圧縮量Ｃ_ａに加算した圧縮量Ｃ_Ｌは、弾性体４の圧縮特性曲線ＡがＡ１からＡ２に移行する変曲点とは必ずしも一致しない。

以上説明したように、電池モジュール１では、弾性体４の初期圧縮量が、弾性体４を配列体２と拘束部材３との間又は電池セル１１，１１間に介在させた状態で拘束部材３が破壊されるときの弾性体４の圧縮量Ｃ_ｂから、初期状態からの配列体２の膨張量を減算した圧縮量Ｃ_Ｈよりも小さくなるように、拘束部材３による配列体２への拘束荷重の上限値Ｋ_Ｈが設定されている。初期状態からの配列体２の膨張量を考慮することで、充放電或いは温度変化に伴って電池セル１１が膨張した場合の弾性体４の圧縮しろが確保され、配列体２に付加される拘束荷重が適切に維持される。したがって、電池性能の確保及び拘束部材３の破損の防止を実現できる。

また、電池モジュール１では、拘束部材３による弾性体４への拘束荷重の下限値Ｋ_Ｌは、弾性体４の初期圧縮量が、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最低荷重量Ｋ_ａがかかったときの弾性体４の圧縮量Ｃ_ａに、初期状態からの配列体２の収縮量を加算した圧縮量Ｃ_Ｌよりも大きくなるように設定されている。初期状態からの配列体２の収縮量を考慮することで、充放電或いは温度変化に伴って電池セル１１が収縮した場合の弾性体４の膨張しろが確保され、配列体２に付加される拘束荷重が適切に維持される。したがって、電池性能を一層好適に確保できる。

また、上述した最低荷重量Ｋ_ａは、電池セル１１の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によって決定することができる。この場合、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最低荷重量Ｋ_ａを精度良く求めることができる。

また、電池モジュール１では、弾性体４が配列体２における電池セル１１の配列方向の一端にそれぞれ配置され、拘束部材３は、配列体２及び弾性体４を電池セル１１の配列方向に挟み込む一対のエンドプレート３１と、エンドプレート３１同士を締結する締結部材３２とによって構成されている。このような構成により、配列体２及び弾性体４への拘束荷重の付加を均一に実施できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、配列体２及び弾性体４を電池セル１１の配列方向に挟み込む一対のエンドプレート３１と、エンドプレート３１同士を締結する締結部材３２とによって拘束部材３を構成したが、図６に示すように、一対のエンドプレート４２と、エンドプレート４２の一縁部同士を連結する連結部４３とを、弾性を有する材料によって一体的に形成した拘束部材４１を用いてもよい。このような拘束部材４１によっても、配列体２及び弾性体４への拘束荷重の付加を均一に実施できる。

１…電池モジュール、２…配列体、３，４１…拘束部材、４…弾性体、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）、３１…エンドプレート、３２…締結部材。

Claims (4)

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、
   前記配列体と前記拘束部材との間又は前記電池セル間に介在する弾性体と、を備え、
   前記拘束部材による前記弾性体への拘束荷重の上限値は、
   前記弾性体の初期圧縮量が、前記弾性体を前記配列体と前記拘束部材との間又は前記電池セル間に介在させた状態で前記拘束部材が破壊されるときの前記弾性体の圧縮量から、初期状態からの前記配列体の膨張量を減算した圧縮量より小さくなるように設定されている電池モジュール。
2. 前記拘束部材による前記弾性体への拘束荷重の下限値は、
   前記弾性体の初期圧縮量が、前記電池セルの前記電極間及び前記電極組立体と前記ケースとの間のクリアランスが存在しなくなる最低荷重量がかかったときの前記弾性体の圧縮量に、初期状態からの前記配列体の収縮量を加算した圧縮量より大きくなるように設定されている請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記最低荷重量は、前記電池セルの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請求項２記載の電池モジュール。
4. 前記弾性体は、前記配列体における前記電池セルの配列方向の少なくとも一端に配置され、
   前記拘束部材は、前記配列体及び前記弾性体を前記電池セルの配列方向に挟み込む一対のエンドプレートと、前記エンドプレート同士を締結する締結部材とによって構成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の電池モジュール。

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