JP2016072198A - 組電池 - Google Patents

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Akira Kiyama
明 木山
高田 登志広
Toshihiro Takada
登志広 高田
博史 犬飼
Hiroshi Inukai
博史 犬飼
靖 土田
Yasushi Tsuchida
靖 土田
敬士 徳永
Takashi Tokunaga
敬士 徳永
藤原 豊樹
Toyoki Fujiwara
豊樹 藤原
大輔 池田
Daisuke Ikeda
大輔 池田
圭亮 南
Yoshiaki Minami
圭亮 南
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Abstract

【課題】捲回電極体の内部で発生したガスが、捲回電極体の外部に排出されやすい組電池を提供する。【解決手段】組電池1では、複数の二次電池10が、冷却板20を間に挟んで、捲回電極体15の捲回軸13に直交する断面の短径方向Xに一致する列置方向Lに列置された態様で固定されている。冷却板20は、平板状の本体部21と、本体部21から列置方向Lに突出しつつ捲回電極体15の捲回軸方向に延びる形態をなし、捲回電極体15の捲回軸13に直交する断面の長径方向Yについて間隔を空けて平行に並ぶ、複数の突起部23とを有する。冷却板20のうち、列置方向Lについて捲回電極体15の中央部15bに対向する部位20bは、列置方向Lについて捲回電極体15の隣接部15c、15dに対向する部位20c、20dに比べて、剛性が低い。【選択図】図4

Description

本発明は、組電池に関する。
特許文献1には、複数の角形二次電池が、冷却板(スペーサ)を間に挟んで、列置方向に列置された態様で固定(拘束)された組電池が開示されている。角形二次電池としては、捲回軸に直交する断面が長円状をなし、シート状の正極及び負極をシート状のセパレータを介して上記捲回軸周りに捲回した扁平型の捲回電極体と、上記捲回電極体を収容する直方体形状の電池ケースと、上記電池ケースの内圧が開弁圧に達したときに、上記電池ケース内のガスを電池外部に排出するガス排出弁と、を有するものが知られている。このような二次電池を用いた上記組電池では、各々の二次電池において、捲回電極体が、上記列置方向について、電池ケースの内面に対し、直接または他部材を挟んで間接に接触(圧接)している。
特開2009−205820号公報
特許文献1の組電池では、冷却板(スペーサ)は、平板状の本体部と、上記本体部から上記列置方向に突出しつつ上記捲回電極体の上記捲回軸方向に延びる形態をなし、上記捲回電極体の上記捲回軸に直交する断面の長径方向について間隔を空けて平行に並ぶ、複数の突起部とを有している。このため、上記突起部の間に冷却風を流すことで、二次電池を冷却することができる。
ところで、二次電池は、過充電等により、電極体内部で多量のガスが発生することがある。このような場合に、電池ケースの内圧が開弁圧に達すると、ガス排出弁が開放されて、電池ケースの内部から外部にガスを放出する。これにより、電池ケース内の過昇圧を抑制すると共に、電池の過昇温を抑制して、安全を確保する。
ところが、特許文献1の組電池では、複数の二次電池が、冷却板(スペーサ)を間に挟んで、列置方向に列置された態様で固定(拘束)されているため、電池ケース及び捲回電極体が列置方向に膨張し難くなっている。従って、捲回電極体の内部でガスが発生しても、捲回電極体が列置方向に膨張し難くなっていた。このため、正極及び負極とセパレータとの間に、捲回電極体内部のガスを電極体外部に排出する隙間が形成され難く、捲回電極体内部で発生したガスが、電極体外部に排出され難くなっていた。このため、捲回電極体内部で多量のガスが発生した場合でも、電池ケースの内圧が上昇し難く、ガス排出弁の開放が遅くなり、その結果、電池が高温となる虞があった。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、捲回電極体の内部で発生したガスが、捲回電極体の外部に排出されやすい組電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、捲回軸に直交する断面が長円状をなし、シート状の正極及び負極をシート状のセパレータを介して上記捲回軸周りに捲回した扁平型の捲回電極体と、上記捲回電極体を収容する直方体形状の電池ケースと、上記電池ケースの内圧が開弁圧に達したときに、上記電池ケース内のガスを電池外部に排出するガス排出弁と、を有する複数の二次電池が、冷却板を間に挟んで、上記捲回電極体の上記捲回軸に直交する断面の短径方向に一致する列置方向に列置された態様で固定され、上記捲回電極体が、上記列置方向について、上記電池ケースの内面に対し、直接または他部材を挟んで間接に接触している組電池において、上記冷却板は、平板状の本体部と、上記本体部から上記列置方向に突出しつつ上記捲回電極体の上記捲回軸方向(上記捲回軸が延びる方向)に延びる形態をなし、上記捲回電極体の上記捲回軸に直交する断面の長径方向について間隔を空けて平行に並ぶ、複数の突起部と、を有し、上記捲回電極体は、当該捲回電極体を上記長径方向に見たときに、上記捲回軸を含む中央部と、上記長径方向について上記中央部の両側に隣接する2つの隣接部と、からなり、上記冷却板のうち、上記列置方向について上記捲回電極体の上記中央部に対向する部位は、上記列置方向について上記捲回電極体の上記隣接部に対向する部位に比べて、剛性が低い組電池である。
上述の組電池では、冷却板のうち、組電池の列置方向について捲回電極体の中央部に対向する部位(以下、冷却板中央部ともいう)の剛性が、上記列置方向について捲回電極体の隣接部に対向する部位(以下、冷却板隣接部ともいう)の剛性に比べて低くされている。このため、捲回電極体が膨張するのに伴って電池ケースが膨張して、冷却板が列置方向に押圧されたとき、冷却板中央部は、冷却板隣接部に比べて、列置方向に変形し易く(潰れやすく)なる。
従って、捲回電極体の内部でガスが発生して、捲回電極体が膨張するのに伴って電池ケースが膨張しようとするとき、電池ケースのうち上記列置方向について捲回電極体の中央部に対向する部位が、列置方向に膨張し易くなる。その結果、捲回電極体の中央部(以下、電極体中央部ともいう)が膨張し易くなり、電極体中央部において、正極及び負極とセパレータとの間に、捲回電極体内部のガスを捲回電極体外部に排出する隙間が形成されやすくなる。これにより、捲回電極体の内部で発生したガスが、捲回電極体の外部に排出され易くなる。
なお、「上記冷却板のうち、上記列置方向について上記捲回電極体の上記中央部に対向する部位(冷却板中央部)は、上記列置方向について上記捲回電極体の上記隣接部に対向する部位(冷却板隣接部)に比べて、剛性が低い」具体的な態様としては、以下の態様を例示できる。
例えば、冷却板中央部に位置する突起部の間隔(捲回電極体の捲回軸に直交する断面の長径方向についての間隔)を、冷却板隣接部に位置する突起部の間隔よりも広くした態様である。より好ましくは、突起部の間隔を、冷却板中央部において最も広くし、冷却板中央部から、捲回電極体の捲回軸に直交する断面の長径方向(以下、電極体断面長径方向ともいう)に離れるにしたがって狭くなる態様である。この態様とした場合、電池ケースの壁部のうち電極体中央部に接する壁部において、冷却風との接触面積を大きくすることができる。電極体中央部は、捲回電極体のうちで最も発熱量の大きい部位であるので、上記態様とすることで、捲回電極体を効率良く冷却することができる。
また、冷却板中央部に位置する突起部の幅寸法(電極体断面長径方向の寸法をいう)を、冷却板隣接部に位置する突起部の幅寸法よりも小さくした態様である。より好ましくは、突起部の幅寸法を、冷却板中央部(好ましくは、そのうちの捲回軸と対向する位置)において最も小さくし、冷却板中央部(好ましくは、そのうちの捲回軸と対向する位置)から電極体断面長径方向に離れるにしたがって大きくなる態様である。
また、冷却板中央部に位置する突起部の材質を、冷却板隣接部に位置する突起部の材質よりも硬度の低い(軟らかい)材質にした態様としても良い。この場合、冷却板中央部と冷却板隣接部とを、別個の部材で形成するようにしても良い。
実施形態にかかる組電池の斜視図である。 同組電池の上面図である。 図2のA−A断面図である。 図3の部分拡大図である。 組電池に含まれる1つの二次電池において多量のガスが発生したときの様子を示す図である。 実施形態にかかる冷却板の斜視図である。 変形形態1にかかる組電池の部分拡大図である。 変形形態2にかかる組電池の部分拡大図である。
(実施形態)
次に、本発明の実施形態について説明する。図1は、本実施形態にかかる組電池1の斜視図である。図2は、組電池1の上面図である。図3は、図2のA−A断面図である。図4は、図3の部分拡大図である。
組電池1は、図1〜図3に示すように、列置方向L(図2及び図3において左右方向)に一列に配置された複数の二次電池10と、二次電池10の間に介在する冷却板20と、これらを挟んで固定するエンドプレート7,8と、エンドプレート7と8を連結する拘束バンド9とを備えている。
このうち、二次電池10は、図2〜図4に示すように、扁平型の捲回電極体15と、この捲回電極体15を収容する直方体形状の電池ケース11と、電池ケース11に設けられたガス排出弁12とを有する。捲回電極体15は、捲回軸13に直交する断面が長円状をなし、シート状の正極16及び負極17をシート状のセパレータ18を介して捲回軸13の周りに捲回した扁平型の捲回電極体である。ガス排出弁12は、電池ケース11の内圧が開弁圧に達したときに、電池ケース11内のガスを電池外部に排出する。
本実施形態の組電池1では、複数の二次電池10と冷却板20とエンドプレート7,8が、列置方向L(図2〜図4において左右方向)に所定の圧縮荷重を受けた状態で、4つの拘束バンド9により固定(拘束)されている。このため、組電池1では、捲回電極体15が、列置方向Lについて、電池ケース11の内面11fに接触(圧接)した状態となっている。
また、組電池1では、複数の二次電池10が並ぶ列置方向Lは、捲回電極体15の捲回軸13に直交する断面(図3及び図4において示す断面)の短径方向X(図3及び図4において左右方向)に一致している。従って、組電池1では、複数の二次電池10が、冷却板20を間に挟んで、捲回電極体15の捲回軸13に直交する断面の短径方向Xに一致する列置方向Lに列置された態様で固定されている。なお、捲回軸13は、図4において、紙面に直交する方向に延びている。
また、図1及び図2に示すように、組電池1では、列置方向Lに隣り合う二次電池10の正極外部端子19bと負極外部端子19cとが、バスバー3により、電気的に接続されている。詳細には、バスバー3は、矩形板状の金属板からなり、正極外部端子19b及び負極外部端子19cを挿通可能とする貫通孔が2つ形成されている。バスバー3の一方の貫通孔内に正極外部端子19bを挿通させると共に、他方の貫通孔内に負極外部端子19cを挿通させた状態で、正極外部端子19bの雄ねじにナット5を螺合させて、正極外部端子19bとバスバー3とを締結すると共に、負極外部端子19cの雄ねじにナット5を螺合させて、負極外部端子19cとバスバー3とを締結している。このようにして、組電池1を構成する二次電池10を電気的に直列に接続している。
冷却板20は、図4〜図6に示すように、平板状の本体部21と、本体部21から組電池1の列置方向Lに突出する複数の突起部23とを有している。突起部23は、捲回電極体15の捲回軸方向(捲回軸13が延びる方向、図4において紙面に直交する方向)に延びる形態をなし、捲回電極体15の捲回軸13に直交する断面の長径方向Y(図4において上下方向)について間隔を空けて平行に並んでいる。このため、突起部23の間に冷却風を流すことができ、これにより、組電池1を構成する二次電池10を冷却することができる。なお、冷却板20は、弾性変形可能な樹脂またはゴムにより形成される。
ここで、捲回電極体15は、3つの部位からなるとする。具体的には、捲回電極体15は、自身を長径方向Y(図4において上下方向)に見たときに、捲回軸13を含む電極体中央部15bと、長径方向Yについて電極体中央部15bの両側(図4において上側と下側)に隣接する2つの電極体隣接部15c、15dとからなる。
ところで、二次電池は、過充電等により、捲回電極体の内部で多量のガスが発生することがある。このような場合に、電池ケースの内圧が開弁圧に達すると、ガス排出弁が開放されて、電池ケースの内部から外部にガスを放出する。これにより、電池ケース内の過昇圧を抑制すると共に、二次電池の過昇温を抑制して、安全を確保する。
ところが、特許文献1の組電池では、複数の二次電池が、冷却板(スペーサ)を間に挟んで、列置方向に列置された態様で固定(拘束)されているため、電池ケース及び捲回電極体が列置方向に膨張し難くなっている。従って、捲回電極体の内部でガスが発生しても、捲回電極体が列置方向に膨張し難くなっていた。このため、正極及び負極とセパレータとの間に、捲回電極体内部のガスを電極体外部に排出する隙間が形成され難く、捲回電極体内部で発生したガスが、電極体外部に排出され難くなっていた。このため、捲回電極体内部で多量のガスが発生した場合でも、電池ケースの内圧が上昇し難く、ガス排出弁の開放が遅くなり、その結果、電池が高温となる虞があった。
これに対し、本実施形態の組電池1では、冷却板20のうち、組電池1の列置方向L(図4及び図5において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位(冷却板中央部20bとする)の剛性が、列置方向Lについて電極体隣接部15c、15dに対向する部位(冷却板隣接部20c、20dとする)の剛性に比べて低くされている。
より具体的には、図4に示すように、冷却板中央部20bに位置する突起部23の間隔(長径方向Yについての間隔)を、冷却板隣接部20c、20dに位置する突起部23の間隔よりも広くしている。
詳細には、図4及び図6に示すように、突起部23の間隔を、冷却板中央部20bにおいて最も広い間隔C1とし、冷却板中央部20bから、長径方向Y(図4及び図6おいて上下方向)に離れるにしたがって、間隔C2,C3,C4の順に狭くしている。すなわち、C1>C2>C3>C4を満たしている。なお、図4では、捲回軸13よりも上方における突起部23の間隔しか図示していないが、捲回軸13の下方における突起部の間隔も、上方から順に、C1,C2,C3,C4となっており、C1>C2>C3>C4を満たしている。
このため、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張して、冷却板20が列置方向L(図4及び図5において左右方向)に押圧されたとき、冷却板中央部20bは、冷却板隣接部20c、20dに比べて、列置方向Lに圧縮変形し易く(潰れやすく)なる。なお、捲回電極体15が膨張するときは、特に、電極体中央部15bが短径方向X(図4及び図5において左右方向)に拡大するように膨張する。
従って、図5に示すように、組電池1を構成する二次電池10のうち二次電池10Aが、何らかの異常(例えば過充電)により、捲回電極体15の内部で多量のガスが発生して、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張しようとするとき、電池ケース11のうち列置方向L(図5において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位11bが、列置方向Lに膨張し易くなる。すなわち、電池ケース11の短径方向Xにかかる内側寸法(図5において左右方向寸法)について、電極体中央部15bに対向する部位11bの寸法t1を、電極体隣接部15c、15dに対向する部位11c、11dの寸法t2よりも大きくすることができる(t1>t2とすることができる)。
その結果、図5に示すように、捲回電極体15(詳細には、電極体中央部15b)が膨張し易くなる。これにより、電極体中央部15bにおいて、正極16及び負極17とセパレータ18との間に、捲回電極体15内部のガスを電極体外部に排出する隙間が形成されやすくなり、捲回電極体15の内部で発生したガスが、捲回電極体15の外部に排出され易くなる。
従って、何らかの異常(例えば過充電)により、捲回電極体15の内部で多量のガスが発生した場合には、電池ケース11の内圧が速やかに上昇し、ガス排出弁12が速やかに開放されるようになる。これにより、電池ケース11内の過昇圧を抑制すると共に、二次電池10の過昇温を抑制して、安全を確保することができる。
また、本実施形態では、前述のように、突起部23の間隔を、冷却板中央部20bにおいて最も広い間隔C1とし、冷却板中央部20bから、長径方向Y(図4おいて上下方向)に離れるにしたがって、間隔C2,C3,C4の順に狭くしている。すなわち、C1>C2>C3>C4としている。これにより、電池ケース11の壁部のうち電極体中央部15bに接する部位11bにおいて、冷却風との接触面積を大きくすることができる(図4参照)。電極体中央部15bは、捲回電極体15のうちで最も発熱量の大きい部位であるので、上記態様とすることで、捲回電極体15を効率良く冷却することができる。
(変形形態1)
次に、本発明の変形形態1について説明する。
変形形態1にかかる組電池101は、実施形態の組電池1と比較して、冷却板のみが異なり、その他については同様である。詳細には、変形形態1の冷却板120は、実施形態の冷却板20と比較して、突起部の態様が異なる。
本変形形態1の冷却板120は、図7に示すように、実施形態の冷却板20の本体部21と同等の本体部121と、実施形態の冷却板20の突起部23とは異なる突起部123とを有する。具体的には、冷却板120では、冷却板中央部120b(冷却板120のうち、組電池1の列置方向L(図7において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位)に位置する突起部123の幅寸法(電極体断面の長径方向Yの寸法、図7において上下方向寸法)を、冷却板隣接部120c、120d(冷却板120のうち、列置方向Lについて電極体隣接部15c、15dに対向する部位)に位置する突起部123の幅寸法よりも小さくしている。
詳細には、図7に示すように、突起部123の幅寸法を、冷却板中央部120bのうち捲回軸13と短径方向X(図7において左右方向)に対向する位置の突起部123bにおいて最も小さい幅寸法W1とし、突起部123bから長径方向Y(図7において上下方向)に離れるにしたがって、W2,W3,W4,W5の順に大きくしている。すなわち、W1<W2<W3<W4<W5を満たしている。なお、図7では、捲回軸13から上方における突起部123の幅寸法しか図示していないが、捲回軸13よりも下方における突起部123の幅寸法も、上方から順に、W2,W3,W4,W5となっており、W2<W3<W4<W5を満たしている。
本変形形態1では、このようにして、冷却板120のうち、組電池101の列置方向L(図7において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位(冷却板中央部20b)の剛性を、列置方向Lについて電極体隣接部15c、15dに対向する部位(冷却板隣接部120c、120d)の剛性に比べて低くしている。
このため、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張して、冷却板120が列置方向L(図7において左右方向)に押圧されたとき、冷却板中央部120bは、冷却板隣接部120c、120dに比べて、列置方向Lに圧縮変形し易く(潰れやすく)なる。なお、捲回電極体15が膨張するときは、特に、電極体中央部15bが短径方向X(図7において左右方向)に拡大するように膨張する。
従って、組電池1を構成する二次電池10が、何らかの異常(例えば過充電)により、捲回電極体15の内部で多量のガスが発生して、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張しようとするとき、電池ケース11のうち列置方向L(図7において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位11bが、列置方向Lに膨張し易くなる。
その結果、捲回電極体15(詳細には、電極体中央部15b)が膨張し易くなる。これにより、電極体中央部15bにおいて、正極16及び負極17とセパレータ18との間に、捲回電極体15内部のガスを電極体外部に排出する隙間が形成されやすくなり、捲回電極体15の内部で発生したガスが、捲回電極体15の外部に排出されやすくなる。
(変形形態2)
次に、本発明の変形形態2について説明する。
変形形態2にかかる組電池201は、実施形態の組電池1と比較して、冷却板のみが異なり、その他については同様である。具体的には、二次電池10の間に介在させる冷却板を、3つの部位に分割した態様としている。
詳細には、図8に示すように、変形形態2の冷却板220は、冷却板220bと冷却板220cと冷却板220dとの3つの部位からなる。このうち、冷却板220bは、冷却板中央部(冷却板220のうち、組電池201の列置方向L(図8において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位)に相当する。一方、冷却板220cと冷却板220dは、冷却板隣接部(冷却板220のうち、列置方向Lについて電極体隣接部15cまたは15dに対向する部位)に相当する。
冷却板220bは、平板状の本体部221bと、本体部221bから組電池201の列置方向Lに突出する複数の突起部223bとを有している。冷却板220cは、平板状の本体部221cと、本体部221cから組電池201の列置方向Lに突出する複数の突起部223cとを有している。冷却板220dは、平板状の本体部221dと、本体部221dから組電池201の列置方向Lに突出する複数の突起部223dとを有している。
本変形形態2では、冷却板220b(冷却板中央部)の材質を、冷却板220cと冷却板220d(冷却板隣接部)の材質よりも硬度の低い(軟らかい)材質にしている。これにより、冷却板220bの突起部223bを、冷却板220cの突起部223c及び冷却板220dの突起部223dよりも硬度を低く(軟らかく)している。
本変形形態2では、このようにして、冷却板220のうち、組電池201の列置方向L(図8において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位(冷却板220b、冷却板中央部)の剛性を、列置方向Lについて電極体隣接部15c、15dに対向する部位(冷却板220c、220d、冷却板隣接部)の剛性に比べて低くしている。
このため、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張して、冷却板220(220b〜220d)が列置方向L(図8において左右方向)に押圧されたとき、冷却板220b(冷却板中央部)は、冷却板220c、220d(冷却板隣接部)に比べて、列置方向Lに圧縮変形し易く(潰れやすく)なる。なお、捲回電極体15が膨張するときは、特に、電極体中央部15bが短径方向X(図8において左右方向)に拡大するように膨張する。
従って、組電池201を構成する二次電池10が、何らかの異常(例えば過充電)により、捲回電極体15の内部で多量のガスが発生して、捲回電極体15が膨張するのに伴って電池ケース11が膨張しようとするとき、電池ケース11のうち列置方向L(図8において左右方向)について電極体中央部15bに対向する部位11bが、列置方向Lに膨張し易くなる。
その結果、捲回電極体15(詳細には、電極体中央部15b)が膨張し易くなる。これにより、電極体中央部15bにおいて、正極16及び負極17とセパレータ18との間に、捲回電極体15内部のガスを電極体外部に排出する隙間が形成されやすくなり、捲回電極体15の内部で発生したガスが、捲回電極体15の外部に排出されやすくなる。
以上において、本発明を実施形態及び変形形態1,2に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
1,101,201 組電池
7,8 エンドプレート
9 拘束バンド
10 二次電池
11 電池ケース
11f 電池ケースの内面
12 ガス排出弁
13 捲回軸
15 捲回電極体
15b 電極体中央部(中央部)
15c,15d 電極体隣接部(隣接部)
16 正極
17 負極
18 セパレータ
20,120,220(220b,220c,220d) 冷却板
21,121,221b,221c,221d 本体部
23,123,223b,223c,223d 突起部
C1,C2,C3,C4 突起部の間隔
L 列置方向
W1,W2,W3,W4,W5 突起部の幅寸法
X 短径方向
Y 長径方向

Claims (1)

  1. 捲回軸に直交する断面が長円状をなし、シート状の正極及び負極をシート状のセパレータを介して上記捲回軸周りに捲回した扁平型の捲回電極体と、
    上記捲回電極体を収容する直方体形状の電池ケースと、
    上記電池ケースの内圧が開弁圧に達したときに、上記電池ケース内のガスを電池外部に排出するガス排出弁と、を有する
    複数の二次電池が、冷却板を間に挟んで、上記捲回電極体の上記捲回軸に直交する断面の短径方向に一致する列置方向に列置された態様で固定され、
    上記捲回電極体が、上記列置方向について、上記電池ケースの内面に対し、直接または他部材を挟んで間接に接触している
    組電池において、
    上記冷却板は、
    平板状の本体部と、
    上記本体部から上記列置方向に突出しつつ上記捲回電極体の上記捲回軸方向に延びる形態をなし、上記捲回電極体の上記捲回軸に直交する断面の長径方向について間隔を空けて平行に並ぶ、複数の突起部と、を有し、
    上記捲回電極体は、当該捲回電極体を上記長径方向に見たときに、上記捲回軸を含む中央部と、上記長径方向について上記中央部の両側に隣接する2つの隣接部と、からなり、
    上記冷却板のうち、上記列置方向について上記捲回電極体の上記中央部に対向する部位は、上記列置方向について上記捲回電極体の上記隣接部に対向する部位に比べて、剛性が低い
    組電池。
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