JP2016152203A - 組電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】扁平角形の金属製の容器に電極を収容した複数の二次電池を固縛した組電池において、二次電池の劣化を抑制する。【解決手段】容器110と該容器110に収容された電極とを備えた扁平角形の二次電池100と、二次電池100の厚さ方向(X軸方向)の両側に配置されたスペーサ200と、を備えた組電池1である。容器110は、厚さ方向の両側の幅広側面110aに、電極の合剤層と重なる中間領域R1と該中間領域R1の周囲の周縁領域R2とを有する。二次電池100の厚さ方向の両側に配置されたスペーサ200は、幅広側面110aの周縁領域R2に当接する当接部210と、幅広側面110aの中間領域R1に隣接する空洞部220と、を有する。空洞部220の厚さ方向における寸法は、二次電池100の満充電時の幅広側面110aの厚さ方向における膨張量以上である。【選択図】図1
Description
本発明は、複数の角形二次電池を用いた組電池に関する。
地球温暖化等の環境問題から電気自動車(EV)や駆動の一部を電気モーターで補助するハイブリッド電気自動車(HEV)が各自動車メーカーで開発されている。EVやHEVの電源としては、高容量かつ高出力な二次電池が必要である。この要求に合致する二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。特に角形のリチウムイオン二次電池は組電池にした際の体積効率が優れている利点がある。
リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すと、リチウムイオンの活物質への挿入と脱離に伴って電極の体積が変化する。このような体積変化は、活物質同士の剥離を引き起こし、リチウムイオン二次電池の寿命を短縮させる場合がある。そのため、リチウムイオン二次電池を外部から拘束して体積変化を抑制することが行われている。以下、電池を外部から拘束することを固縛と称する。
電池を固縛した組電池の一例として、複数の充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且つ該配列方向に荷重が加えられて拘束されてなり、各単電池に付与される面圧を適正に維持することを課題とする組電池が開示されている(下記特許文献1を参照)。特許文献1に記載された組電池は、配列された単電池間の間隙の少なくとも一箇所に、該単電池とともに配列方向に荷重が加えられた状態で拘束される緩衝板が配置されている。
緩衝板は、隣接する単電池の容器側壁に対向する面であって拘束時に単電池容器側壁に接触する接触面を有しており、接触面には、単電池の変形を許容する変形部と、単電池の変形を許容しない非変形部とが形成されている。これにより、特許文献1は、緩衝板に接する単電池の内圧が上昇して単電池が厚み方向(単電池配列方向)に膨張したとしても、緩衝板の変形部が変形することで単電池の寸法変化を吸収することができ、単電池の膨張を許容して各単電池に付与される面圧を適正に維持することができる、としている。
また、電池の膨れが抑えられ、かつ電池の冷却を行うことができる電池パックを提供することを課題として、電池と、金属製筐体と、絶縁油とを含む電池パックが開示されている(下記特許文献2を参照)。特許文献2に記載された電池パックにおいて、電池は、プラスチック製の外装容器と、外装容器内に収容される電極と、外装容器内に収容される電解液と、外装容器に設けられ、電極と電気的に接続された電極端子とを含む。電池及び絶縁油は、金属製の筐体内に収容される。
特許文献2に記載された電池パックは、電池の容器及び蓋をプラスチックから形成することによって、電池内に発生したガス圧と筐体内の圧力がプラスチックのガス透過性により等しくなるため、電池が膨れるのを防止することができる、としている。また、特許文献2では、容器の外面にスペーサとして機能する突起が形成された実施形態が開示されているが、電池パックに加わった衝撃によって電極群が移動して容器又は蓋と接触しても内部短絡を生じないことから、スペーサを省略することも可能である、と記載されている。
特許文献1に記載された組電池では、緩衝板の接触面が単電池の変形を許容する変形部を有することで、緩衝板の接触面が変形部を有しない場合と比較して、電極に作用する圧力がされることが期待できる。しかし、緩衝板の接触面が常に単電池の容器側壁に接している。そのため、電池内の電極の体積変化が大きい場合、変形部の材質によっては、電池の固縛によって電極の膨張が規制され、電極に圧力が作用して活物質が変形し、電池が劣化して寿命が短縮される虞がある。
特許文献2に記載された電池パックでは、電池にプラスチック製の外装容器を用いることで、電池の膨れが抑制される。そのため、電池を固縛する必要がなく、電極に圧力が作用して活物質が変形することを防止できる。しかし、金属製の外装容器を用いる場合には、何らかの原因で電池の外装容器が膨張すると、隣接する電池の外装容器同士が接触して膨張が規制され、電極に圧力が作用して活物質が変形し、電池が劣化して寿命が短縮される虞がある。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、扁平角形の金属製の容器に電極を収容した複数の二次電池を固縛した組電池において、二次電池の劣化を抑制することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明の組電池は、容器と該容器に収容された電極とを備えた扁平角形の二次電池と、前記二次電池の厚さ方向の両側に配置されたスペーサと、を備えた組電池であって、前記容器は、前記厚さ方向の両側の幅広側面に、前記電極の合剤層と重なる中間領域と該中間領域の周囲の周縁領域とを有し、前記二次電池の前記厚さ方向の両側に配置された前記スペーサは、前記幅広側面の前記周縁領域に当接する当接部と、前記幅広側面の前記中間領域に隣接する空洞部と、を有し、前記空洞部の前記厚さ方向における寸法は、前記二次電池の満充電時の前記幅広側面の前記厚さ方向における膨張量以上である。
本発明の組電池によれば、扁平角形の金属製の容器に電極を収容した複数の二次電池を固縛した組電池において、二次電池の劣化を抑制することができる。
以下、図面を参照して本発明の組電池の実施形態を説明する。なお、各図において、本発明の組電池の特徴を分かりやすく説明するために、各部の縮尺を適宜変更して表す場合がある。また、各図において、二次電池の厚さ方向をX軸方向、二次電池の幅方向をY軸方向、二次電池の高さ方向をZ軸方向とするXYZ直交座標系を示す。
[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態1に係る組電池1の概略構成を示す模式的な断面図である。図2は、図1に示す二次電池100の一つとその両側のスペーサ200の拡大図である。図3は、図1に示す隣接する二つの二次電池100とその間に配置されるスペーサ200の斜視図である。
図1は、本発明の実施形態1に係る組電池1の概略構成を示す模式的な断面図である。図2は、図1に示す二次電池100の一つとその両側のスペーサ200の拡大図である。図3は、図1に示す隣接する二つの二次電池100とその間に配置されるスペーサ200の斜視図である。
本実施形態の組電池1は、二次電池100と、該二次電池100の厚さ方向(X軸方向)の両側に配置されたスペーサ200と、X軸方向に交互に配列した二次電池100及びスペーサ200を拘束する拘束部材300と、を備えている。通常、組電池1には、数十個の二次電池100が組み込まれるが、図示の都合上、図1では4つの二次電池100を使用した組電池1を示している。組電池1は、例えば、複数の組電池1を組み合わせた電池パックとして自動車等の移動体や蓄電システム等に搭載される。組電池1の出力は、例えば、自動車等の移動体や蓄電システム等、組電池1を使用する機器の仕様に基づいて決定され、組電池1の出力に基づいて二次電池100の員数が決定される。
本実施形態の組電池1に使用される二次電池100は、金属製の容器110と、該容器110に収容された電極141,142(図5参照)とを備える扁平角形のリチウムイオン二次電池である。本実施形態の組電池1は、特に、ハイブリッド電気自動車(HEV)用の二次電池等、例えば、容量が3Ahから10Ah、又は、容量が4Ahから5Ah程度の比較的容量が小さい二次電池100を用いる場合に好適である。
二次電池100の容器110は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の金属によって製作され、上部が開放された有底角筒状の電池缶111と、電池缶111の上部を閉塞する矩形平板状の電池蓋112とを有している。電池蓋112の上面の長手方向の一端には、ガスケット101を介して正極外部端子120Aが配置され、電池蓋112の上面の長手方向の他端には、ガスケット101を介して負極外部端子120Bが配置されている。組電池1において、複数の二次電池100は、スペーサ200と交互に厚さ方向(X軸方向)に配列され、隣接する二次電池100を交互に180°反転して配置することで、極性の異なる外部端子120A,120BがX軸方向に隣接し、バスバー400によって直列に接続されている。
二次電池100の容器110は、例えば、レーザ溶接によって電池蓋112が電池缶111の上部の全周に亘って溶接されることで密閉されている。容器110は、厚さ方向(X軸方向)の両側に一対の相対的に面積の大きい幅広側面110aを有し、幅方向(Y軸方向)の両側に一対の相対的に面積の小さい幅狭側面110bを有し、電池蓋112と高さ方向(Z軸方向)の反対側に底面110cを有している。容器110は、X軸方向の両側の幅広側面110aに、後述する電極141,142の合剤層141b,142b(図5参照)と重なる中間領域R1と該中間領域R1の周囲の周縁領域R2とを有している。
スペーサ200は、例えば、エンジニアリングプラスチック等の電気絶縁性を有する材料によって製作され、X軸方向に二次電池100と交互に配置されている。本実施形態の組電池1は、スペーサ200として、X軸方向の両端に配置された二次電池100の外側に配置される一対の端部スペーサ200Aと、2つの二次電池100の間に配置される複数の中間スペーサ200Bと、を有している。端部スペーサ200Aは、二次電池100に対向する面と反対側の面に、拘束部材300のエンドプレート310を当接させるエンドプレート当接面200aを有している。
拘束部材300は、X軸方向の両端の端部スペーサ200Aの外側に配置された一対のエンドプレート310と、該一対のエンドプレート310のX軸方向の間隔を規定するサイドプレート320と、サイドプレート320をエンドプレート310に締結するボルト330と、を有している。エンドプレート310、サイドプレート320及びボルト330は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料によって製作することができる。
エンドプレート310は、例えば、矩形平板状の部材であり、ボルト330を螺合させる複数のボルト穴(図示省略)を有し、端部スペーサ200Aのエンドプレート当接面200aに当接している。サイドプレート320は、X軸方向に延びる帯板状の部材であり、X軸方向の両端にY軸方向に曲折されたフランジ部321を備えている。フランジ部321は、エンドプレート310のボルト穴に対応する位置に、ボルト330を挿通させる貫通孔(図示省略)を有している。
拘束部材300は、例えば、以下の手順で複数の二次電池100を複数のスペーサ200とともに拘束して固縛することができる。まず、複数の二次電池100を交互に180°反転させながら、複数の中間スペーサ200Bと交互にX軸方向に配列し、X軸方向の両端の二次電池100に対向させて一対の端部スペーサ200Aを配置する。次に、端部スペーサ200Aのエンドプレート当接面200aにエンドプレート310を当接させ、一対のエンドプレート310にX軸方向の両側から所定の圧縮力を付与する。この状態で、サイドプレート320を一対のエンドプレート310間に架け渡し、ボルト330をフランジ部321の貫通孔に挿通させてエンドプレート310のボルト穴に締結する。これにより、二次電池100の容器110にスペーサ200が所定の面圧で押し付けられ、二次電池100がスペーサ200と交互に配列した状態で拘束されて固縛される。
スペーサ200は、二次電池100の容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接する当接部210と、幅広側面110aの中間領域R1に隣接する空洞部220と、を有している。換言すると、少なくとも組電池1に組み込まれた二次電池100が初期化後の満充電前の状態である場合において、スペーサ200は、当接部210のみが容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接し、幅広側面110aの中間領域R1に当接する部分を有しない。なお、本実施形態において、空洞部220は、幅広側面110aの中間領域R1の全体に亘って隣接している。また、本実施形態の組電池1が備えるスペーサ200は、二次電池100の容器110の幅広側面110aの中間領域R1に対向して幅広側面110aとの間に空洞部220を形成する膨張規制部230を有している。膨張規制部230は、矩形枠状の当接部210の内側に設けられた矩形平板状の部分である。
図1に示すように、中間スペーサ200Bは、二次電池100に対向するX軸方向の両側の面にそれぞれ当接部210、空洞部220及び膨張規制部230を有している。これに対し、端部スペーサ200Aは、二次電池100に対向するX軸方向の片側の面のみに当接部210、空洞部220及び膨張規制部230を有している。端部スペーサ200Aのその他の構成は、中間スペーサ200Bと同様である。したがって、以下では、スペーサ200について、端部スペーサ200Aの説明を省略して中間スペーサ200Bを中心に説明する。
本実施形態の組電池1は、図2に示すように、二次電池100のX軸方向の両側に配置されたスペーサ200の双方が、当接部210と空洞部220とを有している。なお、本発明の組電池1の構成は、本実施形態の組電池1の構成に限定されず、二次電池100のX軸方向の両側に配置されたスペーサ200の少なくとも一方が、容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接する当接部210と、幅広側面110aの中間領域R1の全体に亘って隣接する空洞部220と、を有していればよい。
スペーサ200の空洞部220のX軸方向における寸法D1は、二次電池100の満充電時の容器110の幅広側面110aのX軸方向における膨張量d以上である。より詳細には、空洞部220のX軸方向における寸法D1は、二次電池100の満充電時の幅広側面110aのX軸方向における膨張量dよりも大きい。なお、スペーサ200の空洞部220のX軸方向における寸法D1は、二次電池100の初期化後の最初の満充電時の容器110の幅広側面110aのX軸方向における膨張量d以上であることが好ましい。すなわち、空洞部220のX軸方向における寸法D1は、二次電池100の初期化後の最初の満充電時の幅広側面110aのX軸方向における膨張量dよりも大きいことが好ましい。
ここで、容器110の幅広側面110aの膨張量dとは、膨張前の平坦な幅広側面110aと、膨張後の幅広側面110aとの間のX軸方向の距離であり、概して幅広側面110aの中間領域R1の中央部で最大となり、幅広側面110aの周縁領域R2の外縁部で最小となる。なお、容器110の幅広側面110aの膨張量dは、例えば、レーザ変位計やノギス等によって、膨張前後の容器110の厚さT、すなわちX軸方向の寸法を測定することで算出することができる。
また、本実施形態の組電池1において、スペーサ200の空洞部220のX軸方向における寸法D1は、容器110内の電極141,142の経時的な膨張量の増加による幅広側面110aのX軸方向における最大膨張量dmaxよりも小さい。すなわち、二次電池100は、例えば、初期化後の最初の満充電の状態から放電と充電を繰り返すことで、容器110内の電極141,142の膨張量が経時的に増加する。それに伴って、容器110の幅広側面110aの膨張量dが経時的に増加して最大膨張量dmaxに達する。このときの容器110の幅広側面110aの膨張量dの最大値、すなわち最大膨張量dmaxは、膨張前の容器110の厚さT、すなわち膨張前の容器110のX軸方向の寸法の数%から10%程度になる。
図3に示すように、本実施形態の組電池1において、スペーサ200の当接部210は、二次電池100の容器110の幅広側面110aの1以上の各辺に沿って延びる細長い形状を有している。より具体的には、容器110の幅広側面110aの4辺の各々に沿って延びる当接部210が、互いに連結されて矩形枠状に形成されている。これにより、当接部210は、幅広側面110aの角部Cに当接するとともに、幅広側面110aの周縁領域R2の外縁部に幅広側面110aの4辺に沿って当接している。当接部210は、膨張規制部230と連結され、膨張規制部230と一体に設けられている。
スペーサ200の空洞部220は、当接部210と膨張規制部230によって囲まれた空間である。本実施形態の組電池1では、スペーサ200の膨張規制部230は、二次電池100の容器110に対向する面が平坦である。したがって、膨張前の容器110の幅広側面110aと膨張規制部230との間の空洞部220の断面形状は、概ね矩形である。なお、膨張規制部230は、容器110に対向する面が、膨張後の容器110の幅広側面110aの凸面形状に沿う凹面形状に形成されていてもよい。
図4は、図3に示す二次電池100の分解斜視図である。図5は、図4に示す二次電池100の捲回群140の一部を展開した模式的な斜視図である。以下、本実施形態の組電池1が備える二次電池100の構成について詳細に説明する。
二次電池100は、概ね直方体形状を有する扁平箱型の容器110を備え、容器110内に扁平な捲回群140が収容されている。容器110は、上部に開口部111aを有する扁平な有底角筒状の電池缶111と、電池缶111の開口部111aを閉塞する概ね長方形の平板状の電池蓋112とを有している。電池蓋112の長手方向の中央部には、ガス排出弁102が設けられている。ガス排出弁102は、例えば、電池蓋112の一部を薄肉化してスリットを形成すること等により形成され、容器110の内圧が所定の圧力を超えて上昇したときに開裂して容器110の内圧を低下させ、二次電池100の安全性を確保する。また、電池蓋112には、ガス排出弁102に隣接して、容器110内に電解液を注入するための注液孔103が穿設されている。
容器110の外部で電池蓋112の上面の長手方向の一端には、ガスケット101を介して正極外部端子120Aが配置され、容器110の外部で電池蓋112の上面の長手方向の他端には、ガスケット101を介して負極外部端子120Bが配置されている。各外部端子120A,120Bは、それぞれ、バスバー400が溶接される概ね直方体のブロック形状の溶接接合部121と、溶接接合部121の下面からZ軸方向に延びる円柱状の接続部122とを有している。容器110の内部で電池蓋112の下面の長手方向の一端には、絶縁板104を介して正極集電板130Aが配置され、容器110の内部で電池蓋112の下面の長手方向の他端には、絶縁板104を介して負極集電板130Bが配置されている。各集電板130A,130Bは、電池蓋112に沿う矩形板状の基部131と、Z軸方向に延びる端子部132とを有している。
正極外部端子120A及び正極集電板130Aの材料としては、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることができ、負極外部端子120B及び負極集電板130Bの材料としては、例えば、銅又は銅合金を用いることができる。また、絶縁板104及びガスケット101の材料としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材を用いることができる。
二次電池100を組み立てる際には、ガスケット101、電池蓋112、絶縁板104、及び、各集電板130A,130Bの基部131に設けられた貫通孔に、各外部端子120A,120Bの接続部122を挿通させる。そして、接続部122の先端を塑性変形させて拡径させ、かしめ部を形成する。これにより、外部端子120A,120Bと集電板130A,130Bが電池蓋112に一体的に固定される。また、各外部端子120A,120Bと各集電板130A,130Bは、ガスケット101及び絶縁板104によって電池蓋112に対して電気的に絶縁された状態で、電気的に接続される。
捲回群140は、図5に示すように、正極電極141及び負極電極142とセパレータ143,144とが、捲回軸A側から正極電極141、セパレータ143、負極電極142、セパレータ144の順に交互に積層され、捲回軸Aを中心として捲回され、扁平な形状に形成されている。セパレータ143,144は、例えばポリエチレン製の微多孔性を有する絶縁材料からなり、正極電極141と負極電極142との間を絶縁している。捲回群140は、容器110の幅広側面110aに対向して配置される平坦な一対の平面部140aと、電池蓋112及び容器110の底面110cに対向して配置される半円筒状の一対の湾曲部140bとを有している。
本実施形態の組電池1に用いられる二次電池100において、捲回群140は、正極電極141、負極電極142及びセパレータ143,144よりも曲げ剛性が高い軸芯145を備え、該軸芯145の周りに電極141,142及びセパレータ143,144が捲回されている。軸芯145は、例えば、正極箔141a、負極箔142a及びセパレータ143,144よりも曲げ剛性が高い樹脂シートを捲回することによって製作することができる。
正極電極141は、正極集電体である正極箔141aと、正極箔141aの両面に塗布された正極活物質合剤からなる正極合剤層141bとを有している。正極電極141の幅方向の一側は、正極合剤層141bが形成されず、正極箔141aが露出した箔露出部141cとされている。正極電極141は、箔露出部141cが負極電極142の箔露出部42cと捲回軸A方向の反対側に配置されて、捲回軸Aの周りに捲回されている。正極電極141は、例えば、正極活物質に導電材、結着剤及び分散溶媒を添加して混練した正極活物質合剤を、幅方向の一側を除いて正極箔141aの両面に塗布し、乾燥、プレス、裁断することによって製作することができる。正極箔141aとしては、例えば、厚さ約20μmのアルミニウム箔を用いることができる。正極箔141aの厚みを含まない正極合剤層141bの厚さは、例えば、約90μmである。
正極活物質合剤の材料としては、例えば、正極活物質として100重量部のマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)を、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛を、結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を、分散溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMPという。)を、それぞれ用いることができる。正極活物質は、前記したマンガン酸リチウムに限定されず、例えば、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウム、一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物を用いてもよい。また、正極活物質として、層状結晶構造を有するコバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、及びこれらの一部を金属元素で置換又はドープしたリチウム−金属複合酸化物を用いてもよい。
負極電極142は、負極集電体である負極箔142aと、負極箔142aの両面に塗布された負極活物質合剤からなる負極合剤層142bとを有している。負極電極142の幅方向の一側は、負極合剤層142bが形成されず、負極箔142aが露出した箔露出部42cとされている。負極電極142は、その箔露出部142cが正極電極141の箔露出部141cと捲回軸A方向の反対側に配置されて、捲回軸Aの周りに捲回されている。負極電極142は、例えば、負極活物質に結着剤及び分散溶媒を添加して混練した負極活物質合剤を、幅方向の一側を除く負極箔142aの両面に塗布し、乾燥、プレス、裁断することによって製作することができる。負極箔142aとしては、例えば、厚さ約10μmの銅箔を用いることができる。負極箔142aの厚みを含まない負極合剤層142bの厚さは、例えば、約70μmである。
負極活物質合剤の材料としては、例えば、負極活物質として100重量部の非晶質炭素粉末を、結着剤として10重量部のPVDFを、分散溶媒としてNMPをそれぞれ用いることができる。負極活物質は、前記した非晶質炭素に限定されず、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やSiやSnなどの化合物(例えば、SiO、TiSi2等)、又はそれらの複合材料を用いてもよい。負極活物質の粒子形状についても特に限定されず、鱗片状、球状、繊維状又は塊状等の粒子形状を適宜選択することができる。
なお、前記した正極及び負極の合剤層141b,142bに用いる結着材は、PVDFに限定されない。前記した結着材として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体及びこれらの混合体などを用いてもよい。
捲回群140の捲回軸A方向において、負極電極142の負極合剤層142bの幅は、正極電極141の正極合剤層141bの幅よりも広くなっている。また、捲回群140の最内周と最外周には負極電極142が捲回されている。これにより、正極合剤層141bは、捲回群140の最内周から最外周まで負極合剤層142bの間に挟まれている。
正極電極141及び負極電極142の箔露出部141c,142cは、それぞれ捲回群140の平面部140aで束ねられ、図4に示すように、集電板接合部141d,142dが形成される。正極電極141及び負極電極142のそれぞれの集電板接合部141d,142dは、例えば抵抗溶接又は超音波溶接等によって、正極及び負極の集電板130A,130Bのそれぞれの端子部132に接合される。これにより、正極側及び負極側において、外部端子120A,120Bが、それぞれ集電板130A,130Bを介して、捲回群140を構成する正負の電極141,142とそれぞれ電気的に接続される。
なお、捲回群140の捲回軸A方向において、セパレータ143,144の幅は負極合剤層142bの幅よりも広いが、正極電極141及び負極電極142の箔露出部141c,142cは、それぞれセパレータ143,144の幅方向端部よりも幅方向外側に突出している。したがって、セパレータ143,144は、箔露出部141c,142cを束ねて溶接する際の支障にはならない。
捲回群140は、集電板接合部141d,142dが集電板130A,130Bの端子部132に溶接され、集電板130A,130Bを介して電池蓋112に固定された状態で電池缶111の開口部111aから電池缶111内に挿入される。このとき、捲回群140を、例えばポリプロピレン等の合成樹脂製の絶縁保護フィルム150によって覆うことで、捲回群140と電池缶111との間が絶縁保護フィルム150によって電気的に絶縁される。その後、例えばレーザ溶接によって電池蓋112を電池缶111の開口部111aの全周に亘って溶接して容器110を構成する。
これにより、捲回群140は、捲回軸AがY軸方向に沿って配置され、一対の湾曲部140bが電池蓋112と容器110の底面110cに対向し、一対の平面部140aが容器110の一対の幅広側面110aに対向する。ここで、捲回群140の平面部140aの集電板接合部141d,142dの間の領域は、正極電極141の合剤層141bと負極電極142の合剤層142bが積層された合剤層積層領域である。したがって、容器110の幅広側面110aのうち、捲回群140の合剤層積層領域とX軸方向に対向する領域が、正極電極141及び負極電極142の合剤層141b,142bとX軸方向に重なる中間領域R1である。また、容器110の幅広側面110aのうち、中間領域R1の周囲で捲回群140の合剤層積層領域と対向していない領域が、正極電極141及び負極電極142の合剤層141b,142bとX軸方向に重ならない周縁領域R2である。
二次電池100を製造する際には、電池蓋112を電池缶111の開口部111aに溶接して容器110を構成した後、電池蓋112の注液孔103から容器110内に電解液を注入する。ここで、容器110内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。その後、例えばレーザ溶接によって、注液栓105を溶接することによって注液孔103を封止し、容器110を密閉する。
これにより、二次電池100は、外部端子120A,120B及び集電板130A,130Bを介して捲回群140に充電し、捲回群140から集電板130A,130B及び外部端子120A,120Bを介して外部に電力を供給可能な状態になる。その後、二次電池100の充放電を何度か繰り返す初期化工程、検査工程等を経て、二次電池100が完成する。なお、容器110のX軸方向の内寸t1は、二次電池100の初期化後の最初の満充電時の捲回群140のX軸方向の最大寸法t2よりも大きくなるように設定することが好ましい。
以下、本実施形態の組電池1の作用について説明する。
図1に示す組電池1は、バスバー400を介して個々の二次電池100の外部端子120A,120Bに電力が供給されると、集電板130A,130Bを介して捲回群140に電力が蓄積されて、個々の二次電池100が充電される。また、個々の二次電池100の捲回群140に蓄積された電力は、集電板130A,130B、外部端子120A,120B及びバスバー400を介して組電池1の外部に供給される。ここで、本実施形態の組電池1は、図2に示すように、スペーサ200が、二次電池100の容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接する当接部210と、幅広側面110aの中間領域R1の全体に亘って隣接する空洞部220とを有している。そして、スペーサ200の空洞部220のX軸方向の寸法D1が、例えば、二次電池100の初期化後の最初の満充電時における容器110の幅広側面110aのX軸方向の膨張量dよりも大きい。
これにより、例えば、初期化後の二次電池100を組電池1に組み込んで最初の満充電状態に充電するまでの間に、容器110内の電極141,142の膨張に起因して幅広側面110aの中間領域R1がX軸方向に膨張しても、中間領域R1の全体がスペーサ200に接することがなく、空洞部220によって膨張が許容される。すなわち、二次電池100が最初の満充電状態に充電されるまでの間、容器110の幅広側面110aの中間領域R1とスペーサ200との間に隙間gが形成され、幅広側面110aの中間領域R1がスペーサ200から膨張を妨げる反力を受けることがない。これにより、従来よりも容器110内の電極141,142の合剤層141b,142bに作用する圧力を低減し、二次電池100の劣化を抑制することができる。
また、例えば、初期化後に最初の満充電状態まで充電されて膨張した二次電池100を組電池1に組み込んで拘束部材300によって固縛する際に、膨張量dが小さい容器110の幅広側面110aの周縁領域R2にスペーサ200の当接部210が当接し、膨張量dが大きい幅広側面110aの中間領域R1の全体が空洞部220に受容される。これにより、膨張量dが大きい幅広側面110aの中間領域R1にスペーサ200からの圧縮力が作用するのを防止できる。すなわち、スペーサ200と交互に配列された二次電池100がX軸方向に所定の圧縮力で圧縮されて拘束部材300によって固縛されるまでの間、容器110の幅広側面110aの中間領域R1の全体とスペーサ200との間に隙間gが形成され、幅広側面110aの中間領域R1の全体がスペーサ200によって押圧されることがない。これにより、従来よりも容器110内の電極141,142の合剤層141b,142bに作用する圧力を低減し、二次電池100の劣化を抑制することができる。
したがって、本実施形態の組電池1によれば、扁平角形の金属製の容器110に電極141,142を収容した複数の二次電池100を固縛した組電池1において、二次電池100の劣化を抑制し、組電池1の耐久性を向上させることができる。
なお、スペーサ200の空洞部220のX軸方向の寸法D1は、例えば、二次電池100の初期化後の最初の満充電時における容器110の幅広側面110aのX軸方向の膨張量dと等しくてもよい。この場合、二次電池100の最初の満充電時に、容器110の幅広側面110aの中間領域R1とスペーサ200の膨張規制部230とが接した状態になる。しかし、この場合でも、幅広側面110aの中間領域R1と、スペーサ200の膨張規制部230との接触面圧は略ゼロである。したがって、この場合にも、幅広側面110aの中間領域R1とスペーサ200との間に隙間gが形成される場合と同様の効果を得ることができる。
ただし、個々の二次電池100の膨張量dは、ある程度の誤差を含んでいる。しがたって、二次電池100の劣化をより確実かつ効果的に防止するには、膨張量dの誤差を考慮して、空洞部220のX軸方向の寸法D1を、容器110の幅広側面110aのX軸方向の膨張量dよりも十分に大きくすることが好ましい。これにより、例えば、二次電池100の初期化後の最初の満充電時に、容器110の幅広側面110aの中間領域R1とスペーサ200の膨張規制部230との接触を確実に防止することができる。
また、本実施形態の組電池1は、二次電池100のX軸方向の両側に配置されたスペーサ200の双方が、当接部210と空洞部220とを有している。そのため、二次電池100の容器110は、X軸方向の両側の幅広側面110aの中間領域R1が、それぞれX軸方向の反対向きに膨張することができる。したがって、二次電池100のX軸方向の両側に配置されたスペーサ200の片方だけが当接部210と空洞部220とを有する場合と比較して、容器110内の電極141,142の合剤層141b,142bに作用する圧縮力を低減し、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の組電池1は、スペーサ200が幅広側面110aの中間領域R1に対向して幅広側面110aとの間に空洞部220を形成する膨張規制部230を有している。そして、空洞部220のX軸方向における寸法D1は、電極141,142の経時的な膨張量の増加による容器110の幅広側面110aのX軸方向における最大膨張量dmaxよりも小さい。これにより、組電池1において、二次電池100の充放電を繰り返し行って、容器110の幅広側面110aの膨張量dが徐々に増加していった場合でも、最大膨張量dmaxに達する前に、幅広側面110aの中間領域R1が膨張規制部230に当接して膨張が規制される。したがって、二次電池100を容器110の幅広側面110aの膨張量dが最大膨張量dmaxに達するまで自由に膨張させた場合と比較して、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の組電池1は、スペーサ200の当接部210が、二次電池100の容器110の幅広側面110aの1以上の各辺に沿って延びる細長い形状を有している。二次電池100の容器110は、偏平角形の形状を有していることから、幅広側面110aの各辺に沿う部分の機械的強度が比較的高い。また、当接部210を細長い形状にすることで、容器110に作用する応力を分散させることができる。したがって、スペーサ200の当接部210が、二次電池100の容器110の幅広側面110aの1以上の各辺に沿って延びる細長い形状を有することで、スペーサ200の当接部210から容器110に作用する応力を低減し、容器110の変形を防止し、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の組電池1は、スペーサ200の当接部210が、二次電池100の容器110の幅広側面110aの角部Cに当接している。幅広側面110aの角部Cは、幅広側面110aの中でも特に機械的強度が高い。したがって、スペーサ200の当接部210を、幅広側面110aの角部Cに当接させることで容器110の変形をより確実に防止し、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の組電池1は、幅広側面110aの各辺に沿うスペーサ200の当接部210が、互いに連結されている。そのため、組電池1の組立時のスペーサ200の位置合わせが容易であり、組電池1の組立性が向上して生産性を向上させることができる。また、二次電池100の容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に、スペーサ200の当接部210をより容易かつ確実に当接させることができる。また、スペーサ200の機械的強度を向上させ、組電池1の耐久性を向上させることができる。
また、本実施形態の組電池1は、二次電池100が電極141,142とセパレータとを交互に積層して捲回した捲回群140を備えている。ここで、二次電池100の容器110のX軸方向の内寸t1は、例えば、二次電池100の初期化後の最初の満充電時の捲回群140のX軸方向の最大寸法t2よりも大きくてもよい。この場合、電極141,142の膨張に起因する容器110の幅広側面110aの膨張量dを減少させ、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の組電池1は、二次電池100の捲回群140が、電極及びセパレータ143,144よりも曲げ剛性が高い軸芯145を備え、該軸芯145の周りに電極141,142及びセパレータ143,144が捲回されている。これにより、二次電池100が充放電を繰り返した際の捲回群140の電極141,142の撓みや歪みを防止することができ、二次電池100の劣化をより効果的に抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態の組電池1は、スペーサ200が二次電池100の容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接する当接部210と、幅広側面110aの中間領域R1の全体に亘って隣接する空洞部220と、を有している。そして、空洞部220のX軸方向における寸法D1が、二次電池100の満充電時の幅広側面110aのX軸方向における膨張量d以上である。したがって、本実施形態の組電池1によれば、扁平角形の金属製の容器110に電極141,142を収容した複数の二次電池100を固縛した組電池1において、二次電池100の劣化を抑制することができる。
[実施形態2]
次に、本発明の組電池の実施形態2について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施形態2に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
次に、本発明の組電池の実施形態2について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施形態2に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
本実施形態の組電池は、スペーサ200が空洞部220に冷媒を出入させる冷媒流路240を有し、当接部210がY軸方向に沿う幅広側面110aの2辺に沿って延びる細長い形状を有している点で、前述の実施形態1で説明した組電池1と異なっている。本実施形態の組電池のその他の点は、前述の実施形態1で説明した組電池1と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図6に示すように、本実施形態の組電池は、スペーサ200がY軸方向に平行な幅広側面110aの2辺に沿って延びる細長い形状の当接部210を有している。そして、スペーサ200は、2つの当接部210の間に、空洞部220に冷媒を出入させる冷媒流路240を有している。したがって、本実施形態の組電池によれば、実施形態1の組電池1と同様の効果を得られるだけでなく、例えば、送風装置等の外部の冷却装置を用い、冷媒流路240を介して空洞部220に冷媒を流通させ、二次電池100の幅広側面110aの中間領域R1を効果的に冷却し、二次電池100の劣化を抑制することができる。
なお、本実施形態では、スペーサ200がY軸方向に沿う幅広側面110aの2辺に沿って延びる当接部210を有する場合について説明したが、スペーサ200がZ軸方向に沿う幅広側面110aの2辺に沿って延びる当接部210を有する場合にも、本実施形態の組電池と同様の効果が得られる。
[実施形態3]
次に、本発明の組電池の実施形態3について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施形態3に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
次に、本発明の組電池の実施形態3について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施形態3に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
本実施形態の組電池は、スペーサ200が空洞部220に冷媒を出入させる冷媒流路240を有し、当接部210がX軸方向に延びる柱状に形成されている点で、前述の実施形態1で説明した組電池1と異なっている。本実施形態の組電池のその他の点は、前述の実施形態1で説明した組電池1と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図7に示すように、本実施形態の組電池は、スペーサ200が膨張規制部230の四隅にX軸方向に延びる四角柱状の当接部210を有し、当接部210は、二次電池100の容器110の幅広側面110aの角部Cに当接する。スペーサ200の各当接部210の間は、空洞部220に冷媒を出入させる冷媒流路240になっている。したがって、本実施形態の組電池によれば、実施形態1の組電池1及び実施形態2の組電池と同様の効果を得られるだけでなく、実施形態2の組電池と比較して冷媒流路240を増加させ、二次電池100の幅広側面110aの中間領域R1をより効果的に冷却し、二次電池100の劣化を抑制することができる。
[実施形態4]
次に、本発明の組電池の実施形態4について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施形態4に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
次に、本発明の組電池の実施形態4について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施形態4に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
本実施形態の組電池は、スペーサ200が二次電池100の容器110の幅広側面110aの中間領域R1に対向する膨張規制部230を有しない点で、図7に示す実施形態3の組電池と異なっている。本実施形態の組電池のその他の点は、前述の実施形態3で説明した組電池と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図8に示すように、本実施形態の組電池は、スペーサ200が二次電池100の容器110の幅広側面110aの中間領域R1に対向する膨張規制部230を有しておらず、X軸方向に隣接する2つの二次電池100の容器110の幅広側面110aの中間領域R1にそれぞれ隣接する2つの空洞部220が、境目なく互いに連続している。ここで、それぞれの空洞部220のX軸方向における寸法D1は、それぞれの二次電池100の初期化後の最初の満充電時の幅広側面110aのX軸方向における膨張量d以上である。
そのため、本実施形態の組電池では、各二次電池100の初期化後の最初の満充電時において、X軸方向に隣接する2つの二次電池100の容器110の幅広側面110aの中間領域R1同士の間に隙間が生じるか、又は、面圧が略ゼロの状態で幅広側面110a同士が接する。また、それぞれの空洞部220のX軸方向の寸法D1が、それぞれの容器110内の電極141,142の経時的な膨張量の増加による幅広側面110aのX軸方向の最大膨張量dmaxよりも小さい場合には、それぞれの幅広側面110aの膨張量dが最大膨張量dmaxに達する前に、隣接する2つの二次電池100の幅広側面110a同士が当接し、幅広側面110aの膨張が規制される。したがって、本実施形態の組電池によれば、実施形態3の組電池と同様の効果が得られるだけでなく、スペーサ200の材料の使用量を削減し、製造コストを低減することができる。
[実施形態5]
次に、本発明の組電池の実施形態5について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図9を用いて説明する。図9は、本発明の実施形態5に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
次に、本発明の組電池の実施形態5について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図9を用いて説明する。図9は、本発明の実施形態5に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
本実施形態の組電池は、スペーサ200の当接部210が、互いに連結されておらず、幅広側面110aの角部Cに当接しない円柱状である点で、図8に示す実施形態4の組電池と異なっている。本実施形態の組電池のその他の点は、前述の実施形態4で説明した組電池と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図9に示すように、本実施形態の組電池は、スペーサ200が二次電池100の容器110の幅広側面110aの周縁領域R2に当接する分離された4つの円柱状の当接部210を備え、その間に空洞部220が形成されている。4つの当接部210は、それぞれ、容器110の幅広側面110aの各辺の中央部に配置されている。当接部210は、例えば、粘着テープによって容器110の幅広側面110aに固定してもよい。また、当接部210を容器110と一体に設けてもよい。また、当接部210の数は、3つ以上であれば、特に限定されない。本実施形態によれば、図8に示す実施形態4の組電池と同様の効果が得られるだけでなく、膨張規制部230の厚さの分だけスペーサ200の厚さを削減し、組電池1をよりコンパクトにすることができる。また、スペーサ200の当接部210の配置の自由度を向上させ、スペーサ200の材料の使用量をより減少させることができる。
[実施形態6]
次に、本発明の組電池の実施形態6について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図10を用いて説明する。図10は、本発明の実施形態6に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
次に、本発明の組電池の実施形態6について、図1及び図2並びに図4及び図5を援用し、図10を用いて説明する。図10は、本発明の実施形態6に係る組電池の図3に相当する斜視図である。
本実施形態の組電池は、スペーサ200の当接部210が、互いに連結されておらず、L字形である点で、図8に示す実施形態4の組電池と異なっている。本実施形態の組電池のその他の点は、前述の実施形態4で説明した組電池と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図10に示すように、本実施形態の組電池は、スペーサ200が二次電池100の容器110の幅広側面110aの角部Cに当接する分離された4つのL字形の当接部210を備え、その間に空洞部220が形成されている。4つの当接部210は、それぞれ、容器110の幅広側面110aの各辺に沿って延びる部分を有している。当接部210は、例えば、粘着テープによって容器110の幅広側面110aに固定してもよい。また、当接部210を容器110と一体に設けてもよい。本実施形態によれば、図8に示す実施形態4の組電池と同様の効果が得られるだけでなく、スペーサ200の当接部210の配置の自由度を向上させ、スペーサ200の材料の使用量をより減少させることができる。
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。例えば、前述の実施形態1から6は、適宜組み合わせることができる。また、スペーサは、外縁部に二次電池の容器を保持する段差部や凹部を設けてセルホルダとして用いてもよい。
1 組電池、100 二次電池、110 容器、140 捲回群、141 正極電極(電極)、141b 正極合剤層(合剤層)、142 負極電極(電極)、142b 負極合剤層(合剤層)、143 セパレータ、144 セパレータ、145 軸芯、200 スペーサ、200A 端部スペーサ(スペーサ)、200B 中間スペーサ(スペーサ)、210 当接部、220 空洞部、230 膨張規制部、240 冷媒流路、C 角部、D1 空洞部の厚さ方向における寸法、d 膨張量、dmax 最大膨張量、R1 中間領域、R2 周縁領域、t1 容器の厚さ方向の内寸、t2 捲回群の厚さ方向の最大寸法
Claims (12)
- 容器と該容器に収容された電極とを備えた扁平角形の二次電池と、前記二次電池の厚さ方向の両側に配置されたスペーサと、を備えた組電池であって、
前記容器は、前記厚さ方向の両側の幅広側面に、前記電極の合剤層と重なる中間領域と該中間領域の周囲の周縁領域とを有し、
前記二次電池の前記厚さ方向の両側に配置された前記スペーサは、前記幅広側面の前記周縁領域に当接する当接部と、前記幅広側面の前記中間領域に隣接する空洞部と、を有し、
前記空洞部の前記厚さ方向における寸法は、前記二次電池の満充電時の前記幅広側面の前記厚さ方向における膨張量以上であることを特徴とする組電池。 - 前記二次電池の前記厚さ方向の両側に配置された前記スペーサの双方が、前記当接部と前記空洞部とを有することを特徴とする請求項1に記載の組電池。
- 前記空洞部の前記寸法は、前記膨張量よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の組電池。
- 前記空洞部の前記寸法は、前記電極の経時的な膨張量の増加による前記幅広側面の前記厚さ方向における最大膨張量よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載の組電池。
- 前記スペーサは、前記幅広側面の前記中間領域に対向して前記幅広側面との間に前記空洞部を形成する膨張規制部を有することを特徴とする請求項4に記載の組電池。
- 前記当接部は、前記幅広側面の1以上の各辺に沿って延びる細長い形状を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の組電池。
- 前記スペーサは、前記空洞部に冷媒を出入させる冷媒流路を有することを特徴とする請求項6に記載の組電池。
- 前記当接部は、前記厚さ方向に延びる柱状に形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の組電池。
- 前記当接部は、前記幅広側面の角部に当接することを特徴とする請求項8に記載の組電池。
- 前記当接部は、互いに連結されていることを特徴とする請求項9に記載の組電池。
- 前記二次電池は、前記電極とセパレータとを交互に積層して捲回した捲回群を備え、
前記容器の前記厚さ方向の内寸は、前記二次電池の満充電時の前記捲回群の前記厚さ方向の最大寸法よりも大きいことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の組電池。 - 前記捲回群は、前記電極及び前記セパレータよりも曲げ剛性が高い軸芯を備え、該軸芯の周りに前記電極及び前記セパレータが捲回されていることを特徴とする請求項11に記載の組電池。
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