JP2016181475A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの配列体に拘束荷重を付加しない場合であっても、電流遮断装置を適切なタイミングで作動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、複数の電池セル１１を配列してなる配列体２を備え、電池セル１１のケース１２内には、セパレータ２３を介して正極２１及び負極２２を積層してなる電極組立体１３と、当該電池セル１１が過充電状態となった場合に反応を開始してガスを発生させる過充電添加剤が添加された電解液と、ガスの発生によってケース１２の内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置２６と、が収容され、ケース１２の外側面１２ａには、過充電添加剤の添加量に応じて予め設定されたガスの発生量の下限値に対してケース１２の内圧が電流遮断装置２６の作動圧以上となるようにケース１２の膨張を規制する剛性部材３１が固定されている。
【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としては、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する構成のものがある。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がエンドプレートに固定され、エンドプレートによって電池ブロックが積層方向に拘束されている。

特開２０１３−０５５０６９号公報

上述したような電池モジュールに組み込まれる電池セルには、過充電などの異常に起因して電池セルのケース内でガスが発生した場合に電池セルの電流経路を遮断する電流遮断装置（ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）が内蔵されている。電流遮断装置は、ガスの発生によってケースの内圧が予め設定された閾値に到達した場合に電池セルの電流経路を物理的に遮断するように作動する。

しかしながら、電流遮断装置を備えた電池セルでは、ガスによるケースの膨張が問題となる。すなわち、ガス発生時にケースが容易に膨張すると、ガスの発生量に対するケースの内圧の上昇が設計値よりも緩やかとなり、電流遮断装置が適切なタイミングで作動しなくなるおそれがある。このような問題に対し、単純にケースの厚さを厚くすることも考えられるが、ケース内の容積が減少し、電池セル内の電極等の設計が制限されてしまうことが問題となる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電池セルの配列体に拘束荷重を付加しない場合であっても、電流遮断装置を適切なタイミングで作動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。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係る電池モジュールは、複数の電池セルを配列してなる配列体を備えた電池モジュールであって、電池セルのケース内には、セパレータを介して正極及び負極を積層してなる電極組立体と、当該電池セルが過充電状態となった場合に反応を開始してガスを発生させる過充電添加剤が添加された電解液と、ガスの発生によってケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置と、が収容され、ケースの外側面には、過充電添加剤の添加量に応じて予め設定されたガスの発生量の下限値に対してケースの内圧が前記電流遮断装置の作動圧以上となるようにケースの膨張を規制する剛性部材が固定されている。

この電池モジュールでは、電池セルにおいて、ケースの変形を規制する剛性部材がケースの外側面に固定されている。この剛性部材によってケースの剛性が高められるため、ガスが発生した場合のケースの膨張が規制される。したがって、ガス発生時のケースの内圧を設定値どおりに上昇させることが可能となり、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。また、剛性部材はケースの外側面に配置されるので、ケース内の容量が減少することもなく、電池セル内の電極等の設計が制限されてしまうことも回避される。

また、剛性部材は、配列体における電池セルの配列方向から見て、電極組立体と重なるように、ケースにおける配列方向の外側面に配置されている。電極組立体が配置されている部分では、過充電の際にケースに膨張が生じやすい。したがって、電極組立体と重なるように剛性部材を配置することにより、ケースの膨張をより確実に規制できる。

また、剛性部材は、外側面において対辺をなす一対の縁部間にわたって延在している。外側面の縁部には、隣り合う外側面同士によって角部が形成される。このため、外側面の縁部は、外側面の中央部に比べて剛性が高く、変形が生じにくい部分となっている。したがって、ケースに膨張が生じた場合にも剛性部材がケースの外側面から外れてしまうことを防止でき、ケースの膨張の規制作用を持続できる。

また、剛性部材は、縁部に隣接する一対の外側面間にわたって延在している。この場合、剛性部材がケースの外側面から外れてしまうことを一層好適に防止でき、ケースの膨張の規制作用を更に持続できる。

また、剛性部材は、接着によって外側面に固定されている。これにより、簡単かつ強固に剛性部材を外側面に固定できる。

この電池モジュールによれば、電池セルの配列体に拘束荷重を付加しない場合であっても、電流遮断装置を適切なタイミングで作動させることができる。

電池モジュールの一実施形態を示す概略図である。 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。 電池モジュールのケースに対する剛性部材の固定状態を示す概略斜視図である。 電池モジュールの作用効果を示すグラフである。 電池モジュールの変形例を示す概略斜視図である。 電池モジュールの別の変形例を示す概略斜視図である。 電池モジュールの更に別の変形例を示す概略斜視図である。

以下、図面を参照しながら、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、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を備えている。配列体２では、伝熱プレート５を介し、複数（本実施形態では７体）の電池セル１１が配列されている。配列体２は、エンドプレートなどによる拘束荷重を付加しない状態で、金属製の矩形の筐体４内に収容されている。

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、絶縁部材１７を介してケース１２の頂面における幅方向の一方側に固定され、負極端子１６は、絶縁部材１８を介してケース１２の頂面における幅方向の他方側に固定されている。

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。

電池セル１１において、ケース１２内に注入される電解液には、過充電添加剤が添加されている。過充電添加剤は、電池セル１１が過充電状態となった場合に反応を開始してガスを発生させる添加剤である。過充電添加剤としては、例えばシクロヘキシルベンゼン（ＣＨＢ）、ビフェニル（ＢＰ）、又はこれらの混合物などが用いられる。

また、図２に示すように、ケース１２内には、過充電添加剤の反応で発生したガスによってケース１２の内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置２６が設けられている。電流遮断装置２６は、不図示の通電経路を有し、当該通電経路によって負極端子１６と導電部材２５とを直列に接続している。電流遮断装置２６は、ケース１２の内圧が予め設定された作動閾値（作動圧）を超えて上昇した場合に、通電経路を物理的に遮断して電極組立体１３と負極端子１６との通電を遮断する。電流遮断装置２６で設定されるケース１２の内圧の閾値は、例えば電池セル１１における過充電添加剤の添加量やケース１２内の容積といった条件に基づいて適宜設定されている。

このような電流遮断装置を備えた電池セルでは、発生したガスによるケースの膨張が問題となる。配列体に対して拘束部材による拘束荷重を付加するタイプの電池モジュールでは、電池セルのケース内でガスが発生した場合でも拘束荷重の作用によってケースの膨張が抑えられる。したがって、ガスの発生量に応じてケースの内圧が上昇し、内圧が閾値以上となったときに電流遮断装置が作動する。

一方、本実施形態のように、配列体２に対して拘束部材による拘束荷重を付加しない電池モジュール１では、ガスが発生した場合にケース１２が容易に膨張してしまうことが考えられる。このため、ガスの発生量に対するケース１２の内圧の上昇が設計値よりも緩やかとなり、電流遮断装置２６が適切なタイミングで作動しなくなるおそれがある。

そこで、電池モジュール１では、ケース１２の膨張を規制する部材として、図４に示すように、ケース１２の外側面に剛性部材３１が配置されている。同図に示すように、剛性部材３１は、例えば長方形に形成された平板である。剛性部材３１の形成材料としては、ケース１２の形成材料よりもヤング率の高い金属材料が挙げられる。例えばケース１２の形成材料がアルミニウムである場合には、剛性部材３１の形成材料として鉄を用いることができる。金属材料を用いることにより、剛性部材３１自体に放熱性を持たせることも可能となる。

剛性部材３１における一方辺３１ａの長さは、ケース１２の横幅Ｗ１と略一致している。また、剛性部材３１における他方辺３１ｂの長さは、ケース１２の高さよりも小さくなっており、例えば電極組立体１３の縦幅Ｗ２（図２参照）と略一致している。剛性部材３１の厚さは、例えばケース１２の壁部の厚さＷ３（図３参照）と同程度となっている。

剛性部材３１は、ケース１２における配列方向の２つの外側面１２ａ，１２ａにそれぞれ配置され、配列体２における電池セル１１の配列方向から見て、ケース１２内の電極組立体１３と重なるようにケース１２の底部寄りの位置に固定されている。本実施形態では、剛性部材３１は、配列体２の配列方向から見て、少なくとも電極組立体１３において正極活物質層２１ｂと負極活物質層２２ｂとが互いに対向する領域（図３参照）と重なるように配置されている。剛性部材３１は、ケース１２における配列方向の２つの外側面１２ａ，１２ａにそれぞれ配置されているので、配列体２の幅方向から見て、ケース１２内の電極組立体１３は、剛性部材３１，３１間に位置した状態となっている。

また、上述したように、剛性部材３１の一方辺３１ａの長さは、ケース１２の横幅Ｗ１と略一致している。このため、剛性部材３１は、外側面１２ａにおいて対辺をなす一対の縁部間、すなわち、外側面１２ａにおける幅方向の縁部１２ｋ，１２ｋにわたって延在している。剛性部材３１の幅方向の端面３１ｃは、外側面１２ａに隣接する外側面（ここではケース１２の幅方向の外側面）１２ｂと面一となっていてもよく、外側面１２ａの幅方向の縁部１２ｋよりもわずかに内側に位置していてもよい。剛性部材３１の幅方向の端面３１ｃを外側面１２ａの幅方向の縁部１２ｋよりも内側に位置させる場合、配列体２の配列方向から見た場合の端面３１ｃから縁部１２ｋまでの間隔は、ケース１２の壁部の厚さＷ３以下となっていることが好適である。

また、剛性部材３１とケース１２の外側面１２ａとの固定には、例えば両面接着テープ３２が用いられる。両面接着テープ３２としては、例えば基材がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリアミドフィルムなどで構成され、接着剤がアクリル系粘着剤、ウレタン系接着剤などによって構成される両面テープが挙げられる。両面接着テープ３２は、耐熱性を有するものが好適である。本実施形態では、両面接着テープ３２は、剛性部材３１の一方辺３１ａ及び他方辺３１ｂに沿って、剛性部材３１の縁部の内側に所定の幅で貼り付けられ、剛性部材３１とケース１２の外側面１２ａとを強固に固定している。なお、本実施形態では、剛性部材３１の縁部のみに両面接着テープ３２が貼り付けられており、剛性部材３１の中央側は、ケース１２の外側面１２ａに対してフリーな状態となっている。

以上説明したように、電池モジュール１では、配列体２を構成する各電池セル１１において、ケース１２の変形を規制する剛性部材３１がケース１２の外側面１２ａに固定されている。この剛性部材３１によってケース１２の剛性が高められるため、ガスが発生した場合のケース１２の膨張が規制される。したがって、ガス発生時のケース１２の内圧を設定値どおりに上昇させることが可能となり、電流遮断装置２６を適切なタイミングで作動させることができる。また、剛性部材３１はケース１２の外側面１２ａに配置されるので、ケース１２内の容量が減少することもなく、電池セル１１内の電極等の設計が制限されてしまうことも回避される。

図５は、電池モジュールの作用効果を示すグラフである。同図では、横軸をガス発生量、縦軸をケースの内圧としている。配列体が完全拘束されている（拘束部材からの拘束荷重によってケースに変形が生じない）と仮定する場合、ケースの容積は常に一定となる。このため、グラフＡに示すように、ガスの発生量に対するケースの内圧の上昇率が最も高くなる。なお、配列体に拘束荷重を付加する場合には、配列体に拘束荷重を付加しない場合に比べて、ガス発生量の下限値を予め小さく設定する必要がある。

一方、配列体に拘束荷重を付加せず、かつ剛性部材をケースの外側面に固定しない場合、ガス発生時にケースが容易に膨張し、膨張に伴ってケースの容積が増大する。このため、グラフＢに示すように、ガスの発生量に対するケースの内圧の上昇率が最も低くなる。したがって、ガスの発生量の下限値において、ケースの内圧が電流遮断装置の作動閾値に到達せず、電流遮断装置が作動しないおそれがある。

これに対し、本実施形態の電池モジュール１のように、配列体２に拘束荷重を付加せず、かつ剛性部材３１をケース１２の外側面１２ａに固定する場合、ガス発生時のケース１２の膨張が剛性部材３１によって規制され、ケース１２の容積の増大が抑制される。このため、グラフＣに示すように、ガスの発生量に対するケースの内圧の上昇率は、グラフＢに比べて高くなる。したがって、ガスの発生量の下限値においてケース１２の内圧が電流遮断装置２６の作動閾値以上になるように剛性部材３１によってケース１２の膨張を規制することで、配列体２に拘束荷重を付加しない場合であっても、電流遮断装置２６を適切なタイミングで作動させることができる。

また、電池モジュール１では、配列体２における電池セル１１の配列方向から見て、電極組立体１３と重なるように外側面１２ａに剛性部材３１が配置されている。電極組立体１３が配置されている部分は、他の面よりも面積が広いため、過充電の際にケース１２に膨張が生じやすい。したがって、電極組立体１３と重なるように剛性部材３１を配置することにより、ケース１２の膨張をより確実に規制できる。

また、電池モジュール１では、外側面１２ａにおいて対辺をなす一対の縁部１２ｋ，１２ｋ間にわたって剛性部材３１が延在している。外側面１２ａの縁部１２ｋには、隣り合う外側面１２ａ，１２ｂ同士によって角部が形成される。このため、外側面１２ａの縁部１２ｋは、外側面１２ａの中央部に比べて剛性が高く、変形が生じにくい部分となっている。電池モジュール１では、剛性部材３１が縁部１２ｋ，１２ｋ間に延在すると共に、縁部１２ｋ，１２ｋの位置で外側面１２ａに固定されている。したがって、ケース１２に膨張が生じた場合であっても、剛性部材３１がケース１２の外側面１２ａから外れてしまうことを防止でき、ケース１２の膨張の規制作用を持続できる。

また、電池モジュール１では、剛性部材３１が両面接着テープ３２によって外側面１２ａに固定されている。これにより、簡単かつ強固に剛性部材３１を外側面１２ａに固定できる。また、電池モジュール１では、剛性部材３１の縁部のみに両面接着テープ３２が貼り付けられ、剛性部材３１の中央側は、ケース１２の外側面１２ａに対してフリーな状態となっている（図４参照）。このような構成により、比較的剛性の高い外側面１２ａの縁部１２ｋに剛性部材３１を固定してケース１２の剛性を実質的に向上できる一方、剛性部材３１の中央側が外側面１２ａに対してフリーであることで、ケース１２に膨張が生じた場合に剛性部材３１の中央側をケース１２の変形に追従させることが可能となる。したがって、剛性部材３１の縁部への応力集中を抑制でき、剛性部材３１がケース１２の外側面１２ａから外れてしまうことを一層確実に防止できる。

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、ケース１２の形成材料よりもヤング率の高い金属材料によって剛性部材３１を形成しているが、ケース１２の形成材料よりもヤング率の低い金属材料又は樹脂材料によって剛性部材３１を形成してもよい。ヤング率の高い金属材料によって剛性部材３１を形成する場合、剛性部材３１自身の剛性によってケース１２の変形を規制できる。一方、ヤング率の低い金属材料によって剛性部材３１を形成する場合、ケース１２の変形に対する剛性部材３１の変形追従性を確保できる。したがって、剛性部材３１がケース１２の外側面１２ａから外れてしまうことを防止でき、ケース１２の膨張の規制作用を持続できる。

また、上記実施形態では、剛性部材３１の縁部側のみに両面接着テープ３２を貼り付けているが、剛性部材３１の全面を両面接着テープ３２によって外側面１２ａに貼り付けるようにしてもよい。また、剛性部材３１の全面を両面接着テープ３２によって外側面１２ａに貼り付ける場合において、剛性部材３１の縁部側の両面接着テープ３２の接着力を中央側の両面接着テープ３２の接着力に対して高くしてもよい。剛性部材３１とケース１２との固定は、両面接着テープ３２に限られず、溶接などの他の固定方法を用いて実施してもよい。

また、剛性部材３１の形状についても、種々の変形を適用できる。例えば図６に示すように、複数（ここでは２枚）の帯状の剛性部材３１を外側面１２ａの高さ方向に所定の間隔をもって配置してもよい。この場合も、配列体２における電池セル１１の配列方向から見て、各剛性部材３１が電極組立体１３と重なっていることが好ましい。また、両面接着テープ３２は、各剛性部材３１の縁部のみに配置されていることが好ましい。これにより、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。なお、図６の例では、帯状の剛性部材３１が互いに略平行に延在しているが、剛性部材３１同士が交差するように延在させてもよい。

また、例えば図７に示すように、外側面１２ｂに沿う鍔部３３を剛性部材３１に設け、剛性部材３１が縁部１２ｋを挟んで外側面１２ａに隣接する一対の外側面１２ｂ，１２ｂ間にわたって延在するようにしてもよい。このような構成においても、隣り合う外側面１２ａ，１２ｂ同士がなす角部の近傍で剛性部材３１とケース１２とを固定できる。これに加え、この構成では、剛性部材３１の主面３４と外側面１２ａとの接着面と、鍔部３３と外側面１２ｂとの接着面とが互いに交差する。したがって、剛性部材３１がケース１２から外れてしまうことを一層好適に防止でき、ケース１２の膨張の規制作用を更に持続できる。

また、電池セル１１，１１間に伝熱プレート５を介在させない場合には、例えば図８に示すように、剛性部材３１の鍔部３３を隣接する電池セル１１の外側面１２ｂにも沿うように設けてもよい。この場合も図７に示した形態と同様の作用効果が得られる。また、剛性部材３１の部品点数を削減できるので、電池モジュール１の小型化及びコスト低減化も図られる。

１…電池モジュール、２…配列体、１１…電池セル、１２…ケース、１２ａ…外側面、１２ｂ…外側面、１２ｋ…縁部、１３…電極組立体、２１…正極、２２…負極、２３…セパレータ、２６…電流遮断装置、３１…剛性部材。

Claims (5)

1. 複数の電池セルを配列してなる配列体を備えた電池モジュールであって、
   前記電池セルのケース内には、
   セパレータを介して正極及び負極を積層してなる電極組立体と、
   当該電池セルが過充電状態となった場合に反応を開始してガスを発生させる過充電添加剤が添加された電解液と、
   前記ガスの発生によって前記ケースの内圧が閾値以上に上昇した場合に充電電流を遮断する電流遮断装置と、が収容され、
   前記ケースの外側面には、
   前記過充電添加剤の添加量に応じて予め設定された前記ガスの発生量の下限値に対して前記ケースの内圧が前記電流遮断装置の作動圧以上となるように前記ケースの膨張を規制する剛性部材が固定されている電池モジュール。
2. 前記剛性部材は、前記配列体における前記電池セルの配列方向から見て、前記電極組立体と重なるように、前記ケースにおける前記配列方向の外側面に配置されている請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記剛性部材は、前記外側面において対辺をなす一対の縁部間にわたって延在している請求項１又は２記載の電池モジュール。
4. 前記剛性部材は、前記縁部に隣接する一対の外側面間にわたって延在している請求項３記載の電池モジュール。
5. 前記剛性部材は、接着によって前記外側面に固定されている請求項１〜４のいずれか一項記載の電池モジュール。

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