JP2018060755A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高い電流値で充放電を繰り返した場合に、各々の単電池において電解液が電極体外部に排出されることを抑制し、高いハイレート特性を維持することができる組電池を提供する。【解決手段】ここで開示される組電池１０は、電極体と電解液とが電池ケース５０に収容された単電池２０を複数備えており、該単電池２０の各々の電極端子６０、６２同士が直列に接続されている。そして、複数の単電池２０の各々の側壁２０ａ同士が対向するように該単電池２０が所定の方向に沿って配列され、該配列方向ｙに沿って複数の単電池２０の各々が拘束されており、電極端子６０、６２を上方に向けて単電池２０の各々を配置したとき、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧が、単電池２０の側壁２０ａの上側の領域Ａに掛かる面圧よりも小さくなるように複数の単電池２０の各々が拘束されている。【選択図】図２

Description

本発明は、組電池に関する。詳しくは、二次電池を単電池とし、当該単電池を複数接続してなる組電池に関する。

リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池あるいはキャパシタ等の蓄電素子を単電池とし、当該単電池を直列または並列に複数接続した組電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。かかる組電池を構成する各々の単電池は、一般に、角形の電池ケース内に電極体と電解液とを収容することによって形成されている。

例えば、特許文献１には、一方向に並んで配置された複数の単電池と、隣り合う単電池の間に配置された板状のスペーサとを有し、隣り合う単電池同士が互いに近づく方向に力を受けて拘束されている電池パック（組電池）が開示されている。そして、特許文献１に記載の組電池のスペーサは、一方の面に整列して配置された複数の突起を有し、他方の面には電池対向面と平行なスペーサ平面部を有している。また、配列された単電池の間にスペーサを配置するその他の技術が特許文献２、３に開示されている。

特開２０１４−２３８９２４号公報 特開２０１２−２３０８３７号公報 特開２０１６−４７２４号公報

しかしながら、上記した組電池では、高い電流値で充放電を繰り返すと、単電池内の電解液に偏りが生じて、電極体の内部に浸透していた電解液が排出されることがある。
具体的には、高い電流値で電池の充放電を繰り返すと、電池ケース内の電極体や電解液が膨張することがある。しかし、組電池の場合には、各々の単電池が所定の圧力で拘束されているため、電池ケース内部の電極体や電解液の膨張が規制され、膨張しようとする電極体によって、電極体の内部に浸透していた電解液が電極体の外部に押し出されて排出される。
そして、電池ケース内では、重力によって電解液が電池ケースの下側に偏在しているため、かかる電極体の膨張による電解液の排出は、各々の単電池の下部において生じ易く、排出された電解液が電極体の内部に再び浸透しにくい。このため、電極体の内部で電解液が不足する部分が生じて、充放電反応のムラによる電池抵抗の上昇が発生し、ハイレート特性の低下の原因となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高い電流値で充放電を繰り返した場合に、各々の単電池の電池ケース内で電解液が電極体の外部に排出されることを抑制し、高いハイレート特性を維持することができる組電池を提供することを目的とする。

ここで開示される組電池は、電極体と電解液とが電池ケースに収容された単電池を複数備えており、該単電池の各々の電極端子同士が直列に接続された組電池であって、複数の単電池の各々の側壁同士が対向するように該単電池が所定の方向に沿って配列され、該配列方向に沿って複数の単電池の各々が拘束されている。
そして、かかる組電池では、電極端子を上方に向けて単電池の各々を配置したとき、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧が、単電池の側壁の上側の領域に掛かる面圧よりも小さくなるように複数の単電池の各々が拘束されている。

ここで開示される組電池では、上記したように、電極端子を上方に向けて単電池の各々を配置したとき、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧が、単電池の側壁の上側の領域に掛かる面圧よりも小さくなるように複数の単電池の各々が拘束されている。このように、重力によって電解液が偏在し易い下側の領域に掛かる面圧を相対的に小さくし、かかる下側の領域における電極体や電解液の膨張を許容することによって、電極体内に浸透していた電解液が電極体の外部に押し出されて排出されることを防止できる。これによって、充放電反応のムラによる電池抵抗の上昇を抑制し、組電池のハイレート特性を高い状態で維持することができる。

本発明の第１の実施形態に係る組電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る組電池を模式的に示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す側面図である。 試験例における抵抗増加率の測定結果を示すグラフであり、縦軸は抵抗増加率（％）を示し、横軸はサイクル数を示す。

以下、本発明の一実施形態に係る組電池として、リチウムイオン二次電池を単電池とし、当該リチウムイオン二次電池を複数接続してなる組電池を例に挙げて説明する。なお、ここで開示される組電池において、単電池として用いられる電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、ニッケル水素電池などを用いることができる。

１．第１の実施形態
先ず、図１および図２を参照しながら本実施形態に係る組電池１０の全体構成を説明する。図１は本実施形態の組電池１０を模式的に示す斜視図であり、図２は本実施形態に係る組電池を模式的に示す側面図である。なお、図２では説明の便宜上、図１中の拘束板７０Ａ、７０Ｂや締付け用ビーム材７２を省略している。

本実施形態に係る組電池１０は、電極体と電解液（図示省略）とが電池ケース５０に収容された単電池２０を４個備えており、該単電池２０の各々の電極端子（正極端子６０および負極端子６２）同士が直列に接続されている。以下、各々の構成について具体的に説明する。

本実施形態において、電極体は、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に限定なく使用することができ、例えば、正極シートと負極シートとをセパレータを介して積層させ、該積層体を捲回することによって形成された捲回電極体などを使用することができる。
また、電解液についても、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に限定なく使用することができ、例えば、有機溶媒（非水溶媒）に支持塩を含有させた非水電解液などを使用することができる。

また、本実施形態における単電池２０は、扁平な角型の電池ケース５０を使用した角型の単電池２０であり、かかる電池ケース５０の上面５４に電極端子（正極端子６０と負極端子６２）が設けられている。正極端子６０は、電池ケース５０内の電極体の正極と電気的に接続されており、負極端子６２は負極と電気的に接続されている。

本実施形態に係る組電池１０では、各々の単電池２０の側壁２０ａ同士が対向するように所定の方向に沿って配列されている。具体的には、本実施形態に係る組電池１０では、各々の単電池２０間で正極端子６０と負極端子６２とが隣接するように、電池ケース５０の側壁（即ち扁平な角型の電池ケース５０の扁平面）２０ａ同士を対向させるとともに、各々の単電池２０を一つずつ反転させて配置している。
そして、隣接する単電池２０間において、一方の単電池２０と正極端子６０と他方の単電池２０の負極端子６２とが接続具６４によって電気的に接続されている。これによって、複数の単電池２０の各々が電気的に直列に接続されている。

そして、組電池１０は、上記のように配列された各々の単電池２０を、該配列方向ｙに沿って拘束することによって構築される。本実施形態では、配列させた単電池２０の周囲に複数の単電池２０を拘束する拘束部材が取り付けられている。かかる拘束部材は、一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂと締付け用ビーム材７２とによって構成されており、一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂの各々を単電池２０の配列方向ｙの最外側に配置し、当該一対の拘束板７０Ａ，７０Ｂを架橋するように、単電池２０の配列方向ｙに沿って延びる締付け用ビーム材７２を取り付け、かかる締付け用ビーム材７２の端部をビス７４により拘束板７０Ａ，７０Ｂに締め付けることによって、配列された単電池２０の各々をその配列方向ｙに沿って所定の荷重が加わるように拘束する。このとき、締付け用ビーム材７２の締め付け具合に応じて、各々の単電池２０の側壁２０ａに締め付け方向（即ち配列方向ｙ）に沿った面圧（拘束荷重）が加えられる。

上記のようにして構築された組電池１０を使用するに際しては、図１および図２に示すように、正極端子６０と負極端子６２とが設けられている面の反対側の面が接地面となるように配置する。以下の説明では、単電池２０の高さ方向ｚにおいて、正極端子６０と負極端子６２が設けられている方向を高さ方向ｚの上方、接地面が設けられている方向を高さ方向ｚの下方とする。

そして、本実施形態に係る組電池１０では、図２に示すように、正極端子６０および負極端子６２を上方に向けて単電池２０の各々を配置したとき、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧が、単電池２０の側壁２０ａの上側の領域Ａに掛かる面圧よりも小さくなるように複数の単電池２０の各々が拘束されている。
このように、重力によって電解液が偏在し易い下側の領域Ｂに掛かる面圧を相対的に小さくし、かかる下側の領域Ｂにおける電極体や電解液の膨張を許容することによって、電極体内に浸透している電解液が電極体の外部に排出されることを防止できる。

具体的には、本実施形態においては、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧を、上側の領域Ａよりも小さくするために、図２〜図４に示す構造のスペーサ４０を用いている。以下、本実施形態に係る組電池１０に用いられるスペーサ４０を具体的に説明する。図３は本実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す側面図であり、図４は本実施形態に係る組電池に用いられるスペーサを模式的に示す正面図である。

図２に示すように、本実施形態のスペーサ４０は、側壁２０ａが対向するように配置された各々の単電池２０の間に配置されており、板状のスペーサ本体４１の表面から単電池２０の側壁２０ａに向かって突出する複数の凸条４２ａ、４２ｂを有している。かかる複数の凸条４２ａ、４２ｂは、図４に示すように、単電池２０の幅方向ｘに沿って延びるとともに、単電池２０の高さ方向ｚにおいて所定の間隔を空けて並行に配置されている。このような凸条４２ａ、４２ｂが設けられたスペーサ４０を、図２に示すように、単電池２０の間に配置することによって、各々の単電池２０の間に空気などの冷媒を流通させるための隙間４４を形成することができる。

そして、本実施形態においては、単電池２０の側壁２０ａの上側の領域Ａに当接する凸条４２ａの突出高さｔ１に比べて、下側の領域Ｂに対応する凸条４２ｂの突出高さｔ２が低くなるように構成されている。このような構造のスペーサ４０を単電池２０の間に配置し、各々の単電池２０を単電池２０の配列方向ｙに沿って拘束すると、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂとスペーサ４０の凸条４２ｂとの間に間隙が生じる。これによって、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧を、単電池２０の側壁２０ａの上側の領域Ａに掛かる面圧よりも小さくすることができる。
このようにして、電池ケース５０内において電解液が偏在し易い下側の領域Ｂに掛かる面圧を相対的に小さくし、かかる下側の領域Ｂにおける電極体や電解液の膨張を許容することによって、電極体内に浸透している電解液が電極体の外部に排出されることを防止することができる。これによって、充放電反応のムラによる電池抵抗の上昇を抑制し、組電池のハイレート特性を高い状態で維持することができる。

なお、図２では、配列された単電池２０を拘束した際に、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂとスペーサ４０の凸条４２ｂとの間に間隙が生じているが、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに凸条４２ｂが接触しているか否かは特に限定されない。
具体的には、凸条４２ｂの突出高さｔ２を凸条４２ａの突出高さｔ１よりも低くすると、側壁２０ａの下側の領域Ｂに凸条４２ｂが接触していても、側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧が相対的に小さくなるため、電極体内に浸透している電解液が電極体の外部に排出されることを防止することができる。

また、相対的に突出高さが低い方の凸条４２ｂが形成されている下側の領域の寸法Ｌ２（図３参照）は、高さ方向ｚにおけるスペーサ４０の全長寸法Ｌ１の２５％〜７５％に設定することが好ましく、５０％程度に設定することがより好ましい。かかる領域の寸法Ｌ２がスペーサ４０の全長寸法Ｌ１の２５％を下回ると、電極体や電解液の膨張を許容することができる下側の領域Ｂの面積が小さくなって、電解液の排出を防止する効果が小さくなる恐れがある。一方、７５％を超えると相対的に大きな面圧で単電池２０を拘束する上側の領域Ａの面積が小さくなって、構築後の組電池１０の耐久性や安全性が低下する恐れがある。

なお、上記した実施形態は、４個の単電池２０を配列させることによって組電池１０を構築しているが、単電池の個数は２個以上であれば特に限定されない。
また、上記した実施形態では、各単電池２０の間に配置される全てのスペーサに、図３に示す構造のスペーサ４０を用いているが、かかる点も特に限定されない。例えば、単電池２０の間に配置される複数のスペーサの内、一部のスペーサのみに図３に示す構造のスペーサ４０を用いていてもよい。この場合であっても、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧を、単電池２０の側壁２０ａの上側の領域Ａに掛かる面圧よりも小さくすることができる。

また、側壁２０ａの下側の領域Ｂに対応する位置に凸条が形成されていないスペーサ（すなわち、図３中の下側の凸条４２ｂが形成されていないスペーサ）を用いることもできる。但し、構築後の組電池１０の耐久性や安全性を考慮すると、上記した実施形態のように、下側の領域Ｂに対応する下側の凸条４２ｂが形成されていることが好ましい。なお、構築後の組電池１０の耐久性や安全性と、電解液の排出の防止とを考慮すると、凸条４２ｂの突出高さｔ２は、凸条４２ａの突出高さｔ１の半分程度であることが好ましい。

なお、凸条４２ａ、４２ｂの突出高さｔ１、ｔ２は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たす限り、特に限定されない。しかし、凸条４２ａの突出高さｔ１を高くすることによって、スペーサ４０と単電池２０との隙間４４が大きくなり、各々の単電池２０の冷却性能を向上させることができるが、スペーサ４０の強度が低下して構築後の組電池１０の耐久性や安全性が低下する恐れがあるため、これらのことを考慮して適切な高さに適宜調整することが好ましい。

２．第２の実施形態
上記した第１の実施形態では、図２に示すように、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに掛かる面圧を上側の領域Ａに掛かる面圧よりも小さくするために、図３に示される構造のスペーサ４０を使用しているが、ここで開示される組電池は、下側の領域Ｂに掛かる面圧が相対的に小さくなるように各々の組電池を拘束することができれば、スペーサ４０の構造は特に限定されず、図３に示される構造のスペーサ４０以外のスペーサを用いてもよい。

具体的には、本実施形態においては、図３に示される構造のスペーサ４０に代えて、図５に示すような、単電池の高さ方向ｚの上方から下方に向かって突出高さが小さくなるように複数の凸条４２ｃ、４２ｄ、４２ｅが形成されたスペーサ４０Ａを用いる。
このようなスペーサ４０Ａを用いた場合であっても、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧を上側の領域に掛かる面圧よりも小さくして、電極体の外部に電解液が排出されることを防止できる。

３．第３の実施形態
また、上記した第１および第２の実施形態で用いられるスペーサ４０は、図４に示すように、複数の凸条４２ａ、４２ｂが、単電池２０の幅方向ｘに沿って延びるとともに、単電池２０の高さ方向ｚにおいて所定の間隔を空けて並行に配置されている。
しかし、凸条が延びる方向は本発明を限定するものではなく、例えば、図６に示すように、単電池の高さ方向ｚに沿って延びる複数の凸条４３が、単電池２０の幅方向ｘにおいて所定の間隔を空けて並行に形成されているようなスペーサ４０Ｂを用いてもよい。
このような単電池の高さ方向ｚに沿って延びる凸条４３を有したスペーサ４０Ｂを用いる場合には、図７に示すように、高さ方向ｚにおける凸条４３の上側部分の突出高さｔ３よりも、下側部分の突出高さｔ４の方が低くなるようする。これによって、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧を相対的に小さくして、電解液の排出を防止することができる。

４．第４の実施形態
また、上記した第１〜第３の実施形態では、単電池の側壁の下側の領域に対応したスペーサの凸条の突出高さを相対的に低くすることによって、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧を上側の領域に掛かる面圧よりも小さくしている。
しかし、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧を上側の領域よりも小さくする手段は上記したスペーサを利用した手段に限られず、例えば、拘束部材による拘束位置を従来よりも上側に変更した場合でも、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧を相対的に小さくすることができる。

具体的には、図１に示すように、通常の組電池１０では、各々の単電池２０の側壁に均一な面圧が掛かるように、最外側の単電池２０の側壁を覆うような拘束板７０Ａ、７０Ｂを用い、かかる拘束板７０Ａ、７０Ｂの高さ方向ｚの中央付近に締付け用ビーム材７２を取り付けて各々の単電池２０を拘束する。
これに対して、第４の実施形態に係る組電池では、拘束板７０Ａ、７０Ｂの高さ方向ｚの寸法を従来よりも小さくし、かかる拘束板７０Ａ、７０Ｂが単電池２０の側壁の上側の領域のみを覆うように配置する。そして、この拘束板７０Ａ、７０Ｂに締付け用ビーム材７２を取り付けて各々の単電池２０を拘束する。これによって、単電池２０の側壁に掛かる面圧を側壁の上側の領域に集中させて、下側の領域に掛かる面圧を相対的に小さくすることができるため、上記した第１〜第３の実施形態と同様に、電池ケース５０内において電極体内部から電解液が排出されることを防止することができる。

なお、本実施形態のような拘束部材による拘束位置を変更する手段は、上述した第１〜第３の実施形態におけるスペーサの構造を変更する手段と合わせて実施することができる。すなわち、図２に示すようにスペーサ４０を単電池２０の間に配置するとともに、上側の領域Ａに面圧が集中するような位置に拘束部材を配置することによって、下側の領域Ｂに掛かる面圧を十分に小さくすることができるため、電解液の排出による電池抵抗の上昇をより好適に防止することができる。

［試験例］
以下、本発明に関する試験例を説明するが、以下の試験例は本発明を限定することを意図したものではない。

１．試験例１および試験例２
（１）試験例１
正極シートと負極シートとセパレータとが捲回された捲回電極体を電解液とともに角型の電池ケース内に収納してリチウムイオン二次電池（単電池）を作製した後、４個の単電池を側壁同士が対向するように隣接して配置し、各々の単電池の正極端子と負極端子を接続具によって電気的に接続した。そして、各々の単電池の間にスペーサを配置した後、拘束板と締付け用ビーム材とからなる拘束部材を用いて配列方向に沿って拘束して組電池を構築した。
そして、試験例１においては、図２および図３に示すように、単電池２０の側壁２０ａの下側の領域Ｂに対応する凸条４２ｂの突出高さｔ２が、上側の領域Ａに対応する凸条４２ａの突出高さｔ１よりも低くなるように構成されたスペーサ４０を、各々の単電池２０の間に配置した。
なお、下側の領域Ｂに対応する凸条４２ｂの突出高さｔ２は、上側の領域Ａに対応する凸条４２ａの突出高さｔ１の１／２とした。また、相対的に突出高さｔ２が低い方の凸条４２ｂが形成されている領域の寸法Ｌ２を、高さ方向ｚにおけるスペーサ４０の全長寸法Ｌ１の５０％とした。

（２）試験例２
各々の単電池の間に凸条の突出高さが全て同じスペーサを配置し、各々の単電池の側壁に均一な面圧が掛かるように各々の単電池を拘束したことを除いて、試験例１と同じ条件で組電池を構築した。

２．評価試験
上記した各々の組電池について、２５℃の温度条件下において充放電を繰り返す充放電サイクル試験を行い、該サイクル試験における抵抗増加率（％）を算出した。具体的な試験条件は以下のとおりである。
先ず、２５℃の温度条件下において、２Ｃの充電レートでＳＯＣ１００％の充電状態まで定電流充電を行い、その後２Ｃの放電レートでＳＯＣ０％の充電状態まで定電流放電を行う充放電を１サイクルとした。そして、かかる充放電サイクルを１００回行う度に各々の組電池の電池抵抗（ＩＶ抵抗）（ｍΩ）を測定し、充放電サイクル試験を行う前の電池抵抗（０サイクル目の電池抵抗）を１００％とし、かかる０サイクル目の電池抵抗に対する電池抵抗の抵抗増加率（％）を算出した。結果を図８に示す。
なお、試験例１では、上記した充放電サイクルを３０００回行って電池抵抗を３０回測定し、試験例２では、充放電サイクルを２０００回行って電池抵抗を２０回測定した。

３．評価結果
図８に示すように、試験例２では、１０００サイクル目を超えた辺りから電池抵抗が急激に増加し、２０００サイクルに達した際には、抵抗増加率が１２０％を超えていた。これは、充放電を繰り返すことによって、電極体が膨張し、電極体内に浸漬していた電解液が排出されたためと解される。
一方、図３に示すような構造のスペーサを使用した試験例１では、電池抵抗の増加が緩やかであり、２０００サイクルの時点で抵抗増加率が１１０％以下であり、充放電が３０００サイクルに達した場合でも抵抗増加率が１１５％以下であった。
このことから、図３に示すような構造のスペーサを使用し、単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧が上側の領域に掛かる面圧よりも小さくなるように各単電池を拘束することによって、電極体内の電解液が外部に排出されることを防止して、電池抵抗の上昇を抑制することができ、組電池のハイレート特性を高い状態で維持できることが確認できた。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ 組電池
２０ 単電池
２０ａ 単電池の側壁
４０、４０Ａ、４０Ｂ スペーサ
４１ スペーサ本体
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４３ 凸条
４４ 隙間
５０ 電池ケース
５４ 電池ケースの上面
６０ 正極端子
６２ 負極端子
６４ 接続具
７０Ａ、７０Ｂ 拘束板
７２ 締付け用ビーム材
７４ ビス
Ａ 上側の領域
Ｂ 下側の領域
Ｌ１ 高さ方向のスペーサの全長
Ｌ２ 下側の領域の寸法
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４ 凸条の突出高さ
ｘ 単電池の幅方向
ｙ 単電池の配列方向
ｚ 単電池の高さ方向

Claims (1)

1. 電極体と電解液とが電池ケースに収容された単電池を複数備えており、該単電池の各々の電極端子同士が直列に接続された組電池であって、
   複数の前記単電池の各々の側壁同士が対向するように該単電池が所定の方向に沿って配列され、該配列方向に沿って前記複数の単電池の各々が拘束されており、
   前記電極端子を上方に向けて前記単電池の各々を配置したとき、前記単電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧が、前記単電池の側壁の上側の領域に掛かる面圧よりも小さくなるように前記複数の単電池の各々が拘束されている、組電池。
   

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