JP2019106275A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】拘束部材の体積が小さくても十分な拘束荷重を印加可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】ここに開示される電池モジュールは、複数の電池セルを積層した積層体と、前記積層体の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレート間に拘束荷重を印加する拘束部材と、を備える。前記拘束部材は、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。

車両駆動用電源用途においては高出力化のために、二次電池は一般的に、電池セル（単電池）を複数接続して成る電池モジュールの形態として用いられる。電池モジュールでは、車両走行時の振動、衝撃等による電池セルの位置ずれの防止や、電池特性、電池寿命等を確保するために、電池セル内の電極面に対して垂直方向に拘束荷重を印加する必要がある。そのため、電池モジュールの一般的な構成は、複数の電池セルを積層した積層体と、当該積層体の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレートと、当該一対のエンドプレート間に拘束荷重を印加する拘束部材とを備える。

拘束部材としては、拘束バンドを用いた構成と、拘束荷重保持部材、およびボルトまたはナットを用いた構成とがよく知られている。具体的に例えば、特許文献１には、電池セルの積層体をエンドプレートで挟み込み、合成樹脂製のテープ状のバンドにより拘束荷重を印加する構成が開示されている。特許文献２には、電池セルの積層体を、貫通孔を有するエンドプレートで挟み込み、拘束荷重保持部材としての拘束ロッドを当該積層体の両側部に配置し、ナットまたはボルトでエンドプレートを締め付けることにより拘束荷重を印加する構成が開示されている。

特開平０６−０３６７９４号公報 特許第５４８１７９６号公報

二次電池は、充電状態の変化等によって膨張および収縮することが知られている。そのため、電池モジュールとして使用した場合、使用環境によって電池セルが膨張および収縮すると、電池セルの寸法と拘束荷重の反力が変化し、それに応じて電池モジュールの拘束部材の寸法や拘束荷重が変化する。そのため、拘束部材は、電池セルが最小に収縮したときに必要な最低拘束荷重を確保した上で、最大に膨張したときに発生する拘束荷重の反力が、拘束部材の許容応力を超えないように設計される必要がある。
一方で、近年、固体電解質を用いた全固体電池が開発されている。全固体電池では、従来の電解液を用いた二次電池よりも高い拘束荷重が必要となる。そのため、特許文献１に記載されているような合成樹脂製のテープ状のバンドを拘束部材に用いる構成では、高い拘束荷重に耐えるために拘束部材の厚み等を増加させる必要がある。その結果、電池モジュールの体積の増加を招く。
また、特許文献２に記載されているような、拘束荷重保持部材とナットまたはボルトとを拘束部材に用いる構成では、高い拘束荷重に耐えるために高張力鋼などの破壊応力（引張応力）の高い金属材料が拘束部材に用いられる。しかしながら、破壊応力の高い金属材料では、一般的に、破壊応力と共に弾性率も高くなる。拘束部材の弾性率が高い金属製である場合には、電池セルが膨張した際に、拘束部材に柔軟性がないために、拘束部材が電池セルの膨張に追従することができずに発生する応力が高くなる。そのため、電池セル膨張時には、最大拘束荷重が非常に高くなる。この高い拘束荷重に耐える拘束部材を設計する場合、拘束部材の寸法を大きくする必要があり、その結果、電池モジュールの体積の増加を招く。

そこで、本発明は、拘束部材の体積が小さくても十分な拘束荷重を印加可能な電池モジュールを提供することを目的とする。

ここに開示される電池モジュールは、複数の電池セルを積層した積層体と、前記積層体の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレート間に拘束荷重を印加する拘束部材と、を備える。前記拘束部材は、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料を含む。

このような構成によれば、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料の拘束部材を用いることにより、電池セルが収縮した状態でも十分な拘束荷重を印加することができ、かつ、電池セルが膨張した状態での拘束荷重（最大拘束荷重）を小さくすることができる。そのため、最大拘束荷重が高くなることに伴う必要な体積の増加の問題を回避することができる。したがって、このような構成によれば、拘束部材の体積が小さくても十分な拘束荷重を印加可能な電池モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールの構造を示す模式図（上面図）である。 本発明の一実施形態に係る電池モジュールのエンドプレートおよび拘束部材の一例を示す斜視図である。 低充電状態の電池セル、高充電状態の電池セル、検討した本発明の一実施形態に係る電池モジュールの例、従来技術の電池モジュールの例について、エンドプレート間距離と拘束荷重との関係を示すグラフである。 検討した従来技術の例の電池モジュールの構造を示す模式図（上面図）である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールの作製手順の一例を模式的に示す図（上面図）である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池セルおよび電池モジュールの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１は、本実施形態に係る電池モジュール１００の構造を示す模式図であり、電池モジュール１００を上から見た図（上面図）である。図２は、本実施形態に係る電池モジュール１００のエンドプレート３０および拘束部材４０の一例を示す斜視図である。図２では、積層体２０の記載を省略している。

本実施形態に係る電池モジュール１００は、図１に示すように、複数の電池セル１０を積層した積層体２０と、積層体２０の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレート３０と、一対のエンドプレート３０間に拘束荷重を印加する拘束部材４０と、を備える。

積層体２０は、図１の矢印Ｌの方向を積層方向として、複数の電池セル１０が積層されることにより構成されている。複数の電池セル１０は、直列または並列に電気的に接続されている。複数の電池セル１０の間に、電池セル１０以外の部材（例えば、冷却板等）が介在していてもよい。
積層体２０に用いられる電池セル１０は、好適には全固体電池であり、より好適には全固体リチウム二次電池である。全固体電池は、典型的には、正極、負極、および固体電解質を備える。電池セル１０が全固体電池であった場合、正極、負極、および固体電解質の積層方向は、電池セル１０の積層方向Ｌと同じである。電池セルは、非水電解液二次電池であってもよい。非水電解液二次電池は、正極、負極、セパレータ、非水電解液を備える。電池セル１０が非水電解液二次電池であった場合、正極、負極、およびセパレータの積層方向は、電池セル１０の積層方向Ｌと同じである。よって、電池セル１０内の電極面に対して垂直方向に拘束荷重が印加される。
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。

エンドプレート３０は、拘束部材４０の拘束荷重と、積層体２０の拘束荷重の反圧を受ける。したがって、エンドプレート３０には、これらの応力に耐えられる素材と形状が採用される。エンドプレート３０は、金属製であっても樹脂製であってもよく、例えば、炭素鋼製であってよい。図示例では、エンドプレート３０は、板状を有している。
エンドプレート３０は、図２に示すように、積層体２０を主面としたときの長側面（すなわち、積層体２０と対向する面と垂直な面であって長辺を含む面）において、孔３２を有していてもよい。この孔３２は、後述のように、電池モジュール１００を作製する際に用いられる。

拘束部材４０は、図示されるように、一対のエンドプレート３０間に拘束荷重を印加できるようにバンド形状を有している。より具体的には、拘束部材４０は、長方形環状を有している。しかしながら、拘束部材４０の形状はこれに限定されず、必要な拘束荷重や電池モジュール１００の寸法に応じて適宜決定すればよい。
図示例では、３本の拘束部材４０が用いられている。しかしながら拘束部材４０の数はこれに限定されず、必要な拘束荷重や電池モジュール１００の寸法に応じて適宜決定すればよい。

拘束部材４０は、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料を含む。
弾性率および弾性変形領域におけるひずみ量は、例えば、引張試験機を用いて測定することができる。
樹脂材料は、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である限りその種類には特に制限はない。
樹脂材料として好適には、繊維成分と樹脂成分とを含有する樹脂材料であり、より好適には繊維強化樹脂（繊維強化プラスチック）である。樹脂材料を構成する樹脂成分としては、エポキシ樹脂が好ましい。樹脂材料を構成する繊維成分としては、ガラス繊維、炭素繊維が好ましい。繊維成分の配向角は、好ましくは２５°以上６５°以下、さらに好ましくは３０°以上６０°以下、より好ましくは３５°以上５５°以下である。ここで配向角とは、繊維の長手方向と樹脂材料の一辺とがなす角である。

本実施形態に係る電池モジュール１００と、従来の電池モジュールについて実際に検討した結果を図３に示す。図３は、低充電状態の電池セル、高充電状態の電池セル、検討した本実施形態に係る電池モジュールの例、従来技術の電池モジュールの例について、エンドプレート間距離と拘束荷重との関係を示すグラフである。

図３の２本の右下がり（傾きが負）の直線により、低充電状態および高充電状態の電池セルについて、エンドプレート間距離（電池スタック長）と拘束荷重との関係が示されている。低充電状態と高充電状態とを比較した場合、高充電状態の電池セルは膨張を起こしているため、２本の直線が示すように同じエンドプレート間距離であってもより高い拘束荷重が必要となる。

図３の２本の右上がり（傾きが正）の直線は、本実施形態の例の電池モジュールと従来技術の例の電池モジュールのものである。
本実施形態の例の電池モジュールは、図１に示した上述の構成を有する。エンドプレート３０としては、Ｓ４５Ｃ製のエンドプレート（ｔ＝３４ｍｍ）を用いた。また、拘束部材４０としては、炭素繊維強化樹脂が長方形環状に成形された拘束部材（ｔ＝９ｍｍ）を用いた。この炭素繊維強化樹脂の弾性率は２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量は３％以上であった。
従来技術の例の電池モジュールは、図４に示した構成を有する。図４は、従来技術の例の電池モジュール７００の構造を示す模式図（上面図）である。従来技術の例の電池モジュール７００は、複数の電池セルの積層体６２０と、これを挟持する一対のエンドプレート６３０とを備える。電池モジュール７００は、一対のエンドプレート６３０間であって積層体６２０の両側部に、一対の拘束荷重保持部材６４０を備える。電池モジュール７００はさらにボルト６６０を備え、ボルト６６０によりエンドプレート６３０および拘束荷重保持部材６４０を締結することにより拘束した構成を有している。エンドプレート６３０としては、Ａ６０６１−ｔ６製のエンドプレート（ｔ＝２０ｍｍ）を用いた。拘束荷重保持部材６４０としては、Ａ６０６１−ｔ６製の拘束荷重保持部材（ｔ＝９ｍｍ）を用いた。

本実施形態の例の電池モジュールおよび従来技術の例の電池モジュールは、所定のエンドプレート間距離において低充電状態の拘束荷重が共に２００ｋＮとなるように設計した。そのため、本実施形態の例の直線と従来技術の例の直線は、それぞれ低充電状態の電池セルの直線とは同じ点で交差しており、この点での拘束荷重は２００ｋＮである。

一方で、従来技術の例の電池モジュールの直線は傾きが大きく、高充電状態の電池セルの直線とは拘束荷重が約６００ｋＮの点で交差している。高充電状態の電池セルは膨張しているため、拘束荷重は最大となる。したがって、このことは、従来技術の例の電池モジュールの最大拘束荷重が約６００ｋＮであることを示している。
これに対し、本実施形態の例の電池モジュールの直線は傾きが小さく、高充電状態の電池セルの直線とは拘束荷重が約３００ｋＮの点で交差している。このことは、本実施形態の例の電池モジュールの最大拘束荷重が約３００ｋＮであることを示している。
以上のことから、本実施形態の例の電池モジュールの最大拘束荷重は、従来技術の例の電池モジュールの最大拘束荷重よりもはるかに小さいことがわかる。

したがって、本実施形態においては、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料を用いて拘束部材４０を構成することにより、電池セル１０が最小に収縮したときに必要な最低拘束荷重を確保することができる。加えて、電池セル１０が最大に膨張したときの最大荷重を小さくすることができ、これにより最大拘束荷重が大きくなることに伴う必要な体積の増加の問題を回避することができる。
すなわち、本実施形態に係る電池モジュール１００によれば、拘束部材の体積が小さくても十分な拘束荷重を印加することができる。

次に、本実施形態に係る電池モジュール１００の作製方法の一例について説明する。図５に、本実施形態に係る電池モジュール１００の作製手順の一例を模式的に示す。図５は、図１と同様に上面図である。

まず、図５（Ａ）に示すように、長方形環状の拘束部材４０の内側に一対のエンドプレート３０をセットする。
次いで、図５（Ｂ）に示すように、エンドプレート３０の孔３２（図２参照）に、金属製の棒状治具５０を挿入する。そして、矢印の方向に棒状治具５０を引っ張って引張荷重を印加する。この引張荷重により、拘束部材４０が伸長して環が拡がる。
次いで、図５（Ｃ）に示すように、複数の電池セル１０（図１参照）が積層された積層体２０を、拘束部材４０および一対のエンドプレート３０の内側にセットする。このとき、各電池セル１０は低充電状態にしておく。
次いで、図５（Ｄ）に示すように、エンドプレート３０の孔から棒状治具５０を抜去して、引張荷重を開放する。拘束部材４０が弾性変形して環の拡がりが解消され、拘束荷重が発生する。これにより、一対のエンドプレート３０に挟持された積層体２０が拘束され、本実施形態に係る電池モジュール１００が得られる。
なお、本実施形態に係る電池モジュール１００の作製方法は、上記の例に限られず、その他の方法により作製されてもよい。

以上のようにして構成される電池モジュール１００は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源が挙げられる。電池モジュール１００は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源などにも用いることができる。

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 電池セル
２０ 積層体
３０ エンドプレート
３２ 孔
４０ 拘束部材
５０ 棒状治具
１００ 電池モジュール

Claims (1)

1. 複数の電池セルを積層した積層体と、
   前記積層体の積層方向の両端部に配置された一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレート間に拘束荷重を印加する拘束部材と、
   を備える電池モジュールであって、
   前記拘束部材は、弾性率が２ＧＰａ以上であり、かつ弾性変形領域におけるひずみ量が３％以上である樹脂材料を含む、
   電池モジュール。

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