JP2016225031A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池モジュールにおいて、充放電サイクル繰り返し時にフィルム状包装体からなる電池容器を有する二次電池内部の捲回体の平坦面部に撓みが発生するのを抑制すること。【解決手段】フィルム状包装体により構成された電池容器２に扁平状の捲回体４が収容され、捲回体４が固定されている蓋板３により電池容器２の開口部２Ａが閉塞された二次電池１と、二次電池１が複数並べた状態に固定される筐体１０１、１０２、１０３を有する二次電池モジュール１００であって、複数の二次電池１の間に配置されて二次電池１の間を仕切る仕切板１１１を有しており、仕切板１１１は、互いに隣接する一方側の蓋板３と他方側の蓋板３との間に仕切板１１１の一部が介在されて各蓋板３にそれぞれ当接していることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、例えば自動車用の電源として複数の二次電池をモジュール化した二次電池モジュールに関する。

近年、リチウムイオン二次電池は、電気自動車及びハイブリッド自動車の電源として用いられている。自動車用のリチウムイオン二次電池は、高出力、高エネルギー密度および長寿命であることが要求されている。また、パソコンや携帯機器に用いられる二次電池と比較して、必要とされる容量が格段に大きい。

また、自動車へ搭載する際には、限られた空間内に効率よく電池を設置することが求められており、例えば電池容器にフィルム状包装体を用いた二次電池を複数備えた二次電池モジュールが提案されている（特許文献１）。

特開2012-175084号公報

フィルム状包装体は、従来の金属製の電池缶と比較して剛性が低く、形状変形の自由度が高い。したがって、例えば扁平状の捲回体を収容した場合に、充放電サイクルの繰り返しによる変形量が多く、捲回体の平坦面部に撓みが起きやすくなる。したがって、二次電池モジュールでは、互いに隣り合う電池容器の間でかつ捲回体の平坦面部に対向した位置に仕切板を挿入して複数の二次電池を保持する必要がある。

しかしながら、フィルム状包装体からなる電池容器を有する二次電池では、寸法精度を確保できる部位がない。したがって、仕切板を捲回体の平坦面部に対向した位置に精度良く配置し、複数の二次電池を保持することが困難であり、充放電サイクル繰り返し時に捲回体の平坦面部に撓みが発生しやすい。

本発明は、上記した従来の課題を解決するものであり、例えば自動車用のリチウムイオン二次電池モジュールにおいて、充放電サイクル繰り返し時にフィルム状包装体からなる電池容器を有する二次電池内部の捲回体の平坦面部の撓みを抑制する手段を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明では、フィルム状包装体により構成された電池容器に扁平状の捲回体が収容され、前記捲回体が固定されている蓋板により前記電池容器の開口部が閉塞された二次電池と、該二次電池が複数並べた状態に固定される筐体と、を有する二次電池モジュールであって、複数の前記二次電池の間に配置されて前記二次電池の間を仕切る仕切板を有しており、該仕切板は、互いに隣接する一方側の蓋板と他方側の蓋板との間に前記仕切板の一部が介在されて各蓋板にそれぞれ当接していることを特徴としている。

本発明によれば、二次電池の間に介在される仕切板を、フィルム状包装体内の捲回体に対向した位置に精度良く容易に配置でき、充放電サイクル繰り返し時に捲回体の平坦面部の撓みを抑制することを可能にする。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

二次電池の外観斜視図。 二次電池の分解斜視図。 捲回体の基本構成を示した斜視図。 二次電池モジュールの分解斜視図。 二次電池モジュールの外観斜視図。 図５のＡ−Ａ線断面図。 図６のＢ部拡大図。

次に、本発明の一実施の形態について説明する。
［電池の概略構成］

図１は、二次電池の外観斜視図、図２は、二次電池の分解斜視図である。
二次電池１は、リチウムイオン二次電池であり、捲回体４を収容する電池容器２と、電池容器２の開口部２Ａを閉塞して密閉封止する蓋板３を備えている。電池容器２は、フィルム状包装体によって構成されており、蓋板３は、所定の板厚を有する金属製の板状部材によって構成されている。捲回体４は、正極側端子構成部５１と負極側端子構成部６１によって蓋板３に支持されている。

従来、特に自動車用のリチウムイオン二次電池には、金属板に深絞り加工を施すことにより形成される箱状の電池缶が好適に用いられてきた。電池缶を用いることで電池容器の強度を高めると共に、周辺に治具を設置して固定する際の寸法精度に優れるためである。

しかしながら、前記電池缶では、缶壁の厚みは０．５ｍｍ程度が限界であり、さらに薄くすることは困難であった。更に薄くすることが困難な要因は、金属板を変形させることによる手法では、その製造過程で厚みが薄くなる傾向にある部分と、比較的当初の厚みが保持される傾向にある部分とが混在するため、電池缶全体では厚みのばらつきが存在することが挙げられる。

このような缶壁の厚みのばらつきは、例えば電池容器の耐圧性に偏りを生じさせ、電池内圧が上昇した場合には、特定の部分から破裂し、内容物が噴出し、場合によっては発火事故に発展する可能性が高まる。また、電池缶を得る工程中で、例えば防錆加工等の追加加工を施す場合、厚みが薄い部分については物理的に破壊する可能性が高まり、歩留まり低下の一因となり得る。

缶壁の厚みのばらつきから想起される問題の解決策として、電池容器２にフィルム状包装体を適用する。フィルム状包装体は、あらかじめ薄膜状に成形されていることから、フィルム状包装体を用いて箱状の電池容器２を作製した場合、箱壁の厚みのばらつきが極めて少ないものとすることができる。フィルム状包装体は、接合部分の強度を確保できれば、耐圧性については偏りが少ない。したがって、蓋板３などの特定の部位に圧力を緩和するためのガス排出弁７１などの機構を設けることで、より安全性の高い電池容器２とすることができる。

電池容器２を構成するフィルム状包装体は、好ましくは金属製フィルムと樹脂製フィルムとの積層構造、又は金属製フィルム上に樹脂層を形成した積層構造を有しており、本実施例では、金属製フィルムの両面に樹脂層を形成した積層構造のラミネート材を用いている。金属製フィルムの材質は、ＳＵＳ又はアルミニウム等が好ましい。

電池容器２は、電解液を貯留可能な有底の扁平な箱形状を有している。電池容器２は、長方形の底面２Ｄと、底面２Ｄの一対の長辺部にそれぞれ連続する一対の幅広側面２Ｂと、底面２Ｄの一対の短辺部にそれぞれ連続する一対の幅狭側面２Ｃとを有しており、底面２Ｄに対向する上部には、上方に向かって開口する矩形の開口部２Ａが形成されている。

フィルム状包装体を用いてなる電池容器２は、例えば１枚のフィルム状包装体を折り曲げて溶着または溶接により一面が開口された扁平な矩形箱形状とすることにより得ることができ、或いは、間に発電要素を挟み込めるような形態に成形した２枚のフィルム状包装体の縁部のうち、開口部以外に位置する部位を互いに溶着することにより得ることができる。

フィルム状包装体から電池容器２を組み立てるための溶着方法としては、例えば金属製フィルムとしてアルミニウムを使用したフィルム状包装体では、積層された樹脂層を融点以上に加熱して溶着する熱溶着が適する。アルミニウム同士の溶接は、アルミニウムの熱伝導性に起因して十分な溶融が困難であり、均一な溶着部が得られず密閉性が低下する可能性がある。

金属製フィルムにＳＵＳ薄膜を適用したフィルム状包装体の場合は、前述の樹脂層の熱溶着以外に、ＳＵＳの熱伝導性が相対的に低く、溶接に適する材料であることから、レーザー溶接、抵抗溶接等の手法による金属フィルム同士の溶接も可能である。このように金属同士の溶接により、密閉性を高くし、外部からの水分等の浸透の抑制を容易にできる。溶接の方法としては、位置精度と作業性の観点から、レーザー溶接が好ましい。

蓋板３は、電池容器２に溶接されて電池容器２の開口部２Ａを密閉封止している。蓋板３は、金属製の材料からなり、ＳＵＳ又はアルミニウム等が好ましい。特に、金属製フィルムにＳＵＳ薄膜を適用したフィルム状包装体を電池容器２に用いた場合に、類似組成のＳＵＳ材を蓋板３の少なくとも溶接部に含むようにすることで、電池容器２との溶接性が向上し、電池の密閉性が高まる。

蓋板３は、電池容器２の開口部２Ａよりも大きな長方形状を有しており、一対の長辺部１４と一対の短辺部１２とを有している。蓋板３の下面には、リブ１１が突出して設けられている。リブ１１は、電池容器２が溶接される溶接部を構成するものであり、蓋板３の外端縁部に沿って周状に連続して形成されている。

リブ１１は、蓋板３の外端縁部よりも内側に入り込んだ位置でかつ蓋板３の外端縁部との間に電池容器２の厚みよりも大きな間隔を有する位置に設けられている。リブ１１は、電池容器２の開口部２Ａから電池容器２内に挿入されて、所定高さに亘って電池容器２の内壁面に対向する。

電池容器２を蓋板３に溶接する場合、まず、電池容器２の開口部２Ａから電池容器２内に蓋板３のリブ１１を挿入し、電池容器２の開口部２Ａの開口端部をリブ１１に対向させる。そして、電池容器２の外側から開口端部に向かってレーザー溶接のレーザービームが照射される。

レーザービームは、電池容器２の開口端部に沿って全周に亘って連続して照射され、電池容器２の開口部２Ａの開口端部を蓋板３のリブ１１に溶接して固定する。図１に示す破線ＷＬは、レーザー溶接による溶接痕を模式的に示すものである。電池容器２は、レーザー溶接によってフィルム状包装体のレーザービームが照射された箇所の樹脂層が蒸発し、金属製フィルムが蓋板３のリブ１１に溶接される。

また、本実施例では、リブ１１が蓋板３の外端縁部よりも内側に入り込んだ位置でかつ蓋板３の外端縁部との間にフィルム状包装体の厚みよりも大きな間隔を有する位置に設けられている。したがって、蓋板３に電池容器２を固定した場合に、蓋板３の長辺部１４が電池容器２よりも電池容器２の厚さ方向外側に突出した位置に配置され、蓋板３の短辺部１２が電池容器２よりも電池容器２の幅方向外側に突出した位置に配置される。したがって、蓋板３の長辺部１４を、図４に示す仕切板１１１に当接させて、仕切板１１１を両側から挟み込んで保持することが容易にできる。そして、蓋板３の短辺部１２を筐体のサイドフレーム１０２の上に載せて、二次電池１を筐体に容易に固定することができる。

蓋板３は、捲回体４の正極３４と電気的に接続された正極側端子構成部５１と、捲回体４の負極３２と電気的に接続された負極側端子構成部６１を備えている。

正極側端子構成部５１は、正極外部端子５２、正極接続端子５３、ガスケット５５、正極絶縁体(図示せず)、正極集電体５４から構成される。正極外部端子５２、正極接続端子５３、ガスケット５５、正極絶縁体、および正極集電体５４は、一体的に固定され、蓋板３に取り付けられている。この状態において、正極集電体５４、正極接続端子５３、正極外部端子５２は、電気的に接続されている。また、正極集電体５４、正極接続端子５３、正極外部端子５２は、正極絶縁体およびガスケット５５により蓋板３から絶縁されている。

一方、負極側端子構成部６１は、負極外部端子６２、負極接続端子６３、ガスケット６５、負極絶縁体(図示せず)、負極集電体６４から構成される。負極側端子構成部６１は、正極側端子構成部５１と同様な構造であり、負極外部端子６２、負極接続端子６３および負極集電体６４は、一体的に固定され、蓋板３に取り付けられている。この状態において、負極集電体６４、負極接続端子６３、負極外部端子６２は、電気的に接続されている。また、負極集電体６４、負極接続端子６３、負極外部端子６２は、負極絶縁体およびガスケット６５により蓋板３から絶縁されている。

なお、正極外部端子５２及び負極外部端子６２は、それぞれ蓋板３の外部に突出しており、さらにねじ構造を有している。そのため、電池を外部の回路と接続する場合には、穴または切り欠きが設けられたバスバー（図示せず）に正極外部端子５２又は負極外部端子６２を挿通させ、ナットで組みつける構造となる。これにより、電池と外部の回路とは、電気的に接続される。

蓋板３には、安全弁としてガス排出弁７１が設けられている。ガス排出弁７１は、プレス加工によって蓋板３を部分的に薄肉化することで形成されている。なお、薄膜部材を蓋板３の開口にレーザー溶接等により取り付けて、薄肉部分をガス排出弁としてもよい。ガス排出弁７１は、二次電池１が過充電等の異常により発熱してガスが発生し、電池容器２内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂して、内部からガスを排出することで電池容器２内の圧力を低減させる。

さらに蓋板３には、電池容器２内に電解液を注入するための注液口７２が開口形成されている。注液口７２は、電解液を注入後に注液栓７３によって封止される。電解液としては、たとえば、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（ＬｉＰＦ_６）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。

図３は、捲回体４の基本構成を示した斜視図であり、巻き終わり端部を分解した状態を示している。

捲回体４は、正極３４と負極３２を、セパレータ３３及び３５を介して積層された状態で捲回して作製される。正極３４と負極３２は、それぞれ合剤層が形成されている正極塗工部３４ａと正極未塗工部３４ｂ、同様に負極塗工部３２ａと負極未塗工部３２ｂからなり、合剤層はリチウムイオンの挿入脱離による充放電が生じる部分であり、未塗工部は外部端子と接触又は溶接されることで、電池への電流の入出力を仲介する部分である。

次に、上記した二次電池１を複数有する二次電池モジュールの構成について説明する。図４は、二次電池モジュールの分解斜視図、図５は、二次電池モジュールの外観斜視図、図６は、図５のＡ−Ａ線断面図、図７は、図６のＢ部拡大図である。

二次電池モジュール１００は、複数の二次電池１と、これら複数の二次電池１を収容する筐体を有している。複数の二次電池１は、電池容器２の厚さ方向である蓋板３の短手方向に沿って一列に並べられた積層状態で筐体内に収容されている。複数の二次電池１の間には、仕切板１１１が配置されている。

筐体は、複数の二次電池１の列方向一方側の端部と他方側の端部にそれぞれ配置される一対のエンドプレート１０１と、幅方向両側に配置される一対のサイドフレーム１０２と、二次電池１の下面に対向配置されるボトムプレート１０３を有している。各プレートの材質は、アルミニウム合金、銅合金、ＳＵＳ等の金属材料が挙げられるが、特に軽量化のためアルミニウム合金が好ましい。

サイドフレーム１０２は、各二次電池１に対して蓋板３の長手方向両側に配置されており、本実施例では、上下に分かれている。そして、上側のサイドフレーム１０２に、蓋板３の短辺部１２が載せられて固定されている。これにより、二次電池１は、筐体に対して位置決め固定される。すなわち、二次電池１は、蓋板３の短辺部１２により、筐体に固定される。

二次電池１を筐体に配置するとき、二次電池１の蓋板３の長手方向両側にある短辺部１２の固定孔１３とサイドフレーム１０２のねじ孔１０２ａとの位置を合わせる。そして、固定ボルト１２１をねじ留めして、蓋板３をサイドフレーム１０２に固定する。短辺部１２とサイドフレーム１０２を互いに接続固定する方法として、固定ボルト１２１でねじ留めする他、短辺部１２をサイドフレーム１０２と他の固定部材とで上下から挟みこんで圧接し間接的に固定する方法や、蓋板３の短辺部１２をサイドフレーム１０２の上面に溶接して固定する方法が挙げられる。短辺部１２を挟み込んで間接的に固定する方法や溶接により固定する方法を用いることにより、部品点数を削減でき、製造コストを下げることができる。

サイドフレーム１０２は、軽量化のため、図４及び図５に示すように支柱状であることが好ましいが、二次電池１の短辺側の側面を全て覆うようなプレート状でも構わない。エンドプレート１０１は、複数配置されている両端の二次電池１の幅広面を支持しており、充放電時における二次電池１の膨れを抑えている。ボトムプレート１０３は、二次電池１と密着或いは間隙を有して配置されている。ボトムプレート１０３を冷却することで二次電池１の冷却を行う場合は密着していることが好ましい。本実施例では、サイドフレーム１０２は、セル短辺方向に対して一体物で形成されているが、分割形成されているものも適用可能である。

仕切板１１１は、二次電池１に対して全面に亘って対向して互いに隣接する二次電池１の間を仕切る大きさを有している。仕切板１１１は、金属部材であり、その材質は、エンドプレート１０１やサイドフレーム１０２などの各プレートと同様のアルミニウム合金、銅合金、ＳＵＳ等の金属材料が好ましく、特に軽量化のためアルミニウム合金が好ましい。

仕切板１１１は、例えば二次電池モジュール１００を組み立てる際に互いに隣接する二次電池１の間に介在されて配置される。仕切板１１１は、互いに隣接する二次電池１の配列方向一方側の電池容器２と配列方向他方側の電池容器２との間に介在されて各電池容器２にそれぞれ当接し、さらに、配列方向一方側の蓋板３と配列方向他方側の蓋板３との間に仕切板１１１の一部が介在されて各蓋板３にそれぞれ当接する。

仕切板１１１は、互いに隣接する配列方向一方側の電池容器２と他方側の電池容器２との間でかつ捲回体４の平坦面部に対向する位置に配置される捲回体対向部１１２と、捲回体対向部１１２から延出して互いに隣接する配列方向一方側の蓋板３と他方側の蓋板３との間に配置される蓋板対向部１１３を有している。

捲回体対向部１１２は、電池容器２の幅広側面２Ｂに対向し、特に、電池容器２内の捲回体４の平坦面部に全面に亘って対向する大きさを有している。そして、例えば図６に示すように、電池容器２の下端から捲回体４の平坦面部の上端部分に対応する高さ位置までの間に亘って一定の厚みを有している。捲回体対向部１１２の下端は、ボトムプレート１０３に当接していても良く、また、所定の間隙を有して離れていても良い。ボトムプレート１０３に、不図示の冷却装置が取り付けられる場合には、捲回体対向部１１２の下端をボトムプレート１０３に当接させることによって熱伝達率を高くし、冷却効率を向上させることができる。

蓋板対向部１１３は、蓋板３の長辺部１４に対向しており、捲回体対向部１１２よりも厚みが小さくなっている。蓋板対向部１１３には、蓋板３の端部である長辺部１４が挿入される凹溝部１１３ａが設けられている。仕切板１１１は、蓋板対向部１１３の凹溝部１１３ａに蓋板３の長辺部１４が挿入されることによって、セル高さ方向の移動が規制され、精度の高い位置決めを行うことができる。

蓋板対向部１１３は、捲回体対向部１１２との間に段差面１１４を有している。段差面１１４は、蓋板３から下方に離間した位置に配置されており、蓋板３との間に隙間を有している。したがって、仕切板１１１を配列方向一方側の二次電池１と配列方向他方側の二次電池１との間に挟み込んだ状態で、仕切板１１１の正確な位置決めをすることができる。

上記した本発明の二次電池モジュール１００によれば、仕切板１１１は、互いに隣接する蓋板３の間に蓋板対向部１１３が介在されて各蓋板３にそれぞれ当接しているので、二次電池１に対して精度良く位置決め固定され、捲回体対向部１１２を電池容器２内の捲回体４の平坦面部に対向した位置に精度良く配置することができる。したがって、捲回体４の膨張収縮による変形を抑制して、捲回体４の平坦面部に撓みが発生するのを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 二次電池
２ 電池容器
３ 蓋板
４ 捲回体
１００ 二次電池モジュール
１０２ サイドフレーム
１１１ 仕切板

Claims (4)

1. フィルム状包装体により構成された電池容器に扁平状の捲回体が収容され、前記捲回体が固定されている蓋板により前記電池容器の開口部が閉塞された二次電池と、該二次電池が複数並べた状態に固定される筐体と、を有する二次電池モジュールであって、
   複数の前記二次電池の間に配置されて前記二次電池の間を仕切る仕切板を有しており、
   該仕切板は、互いに隣接する一方側の蓋板と他方側の蓋板との間に前記仕切板の一部が介在されて各蓋板にそれぞれ当接していることを特徴とする二次電池モジュール。
2. 前記仕切板は、前記互いに隣接する一方側の前記電池容器と他方側の前記電池容器との間でかつ前記捲回体に対向する位置に配置される捲回体対向部と、該捲回体対向部から延出して前記互いに隣接する一方側の蓋板と他方側の蓋板との間に配置される蓋板対向部と、を有しており、該蓋板対向部には、前記蓋板の端部が挿入される凹溝部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池モジュール。
3. 前記仕切板は、前記捲回体対向部と前記蓋板対向部との間に段差面が設けられており、該段差面は、前記蓋板から離間した位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の二次電池モジュール。
4. 前記仕切板は、金属部材からなることを特徴とする請求項３に記載の二次電池モジュール。
   
   

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