JP2020021532A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池モジュール内の温度ばらつきを低減する。【解決手段】複数の積層型電池ユニットを備え、複数の積層型電池ユニットは矩形であり、積層型電池ユニットの短軸方向において、御複数の積層型電池ユニットの間に側面放熱板を備え、複数の積層型電池ユニットの底部に底面放熱板を備え、側面放熱板および底面放熱板で複数の積層型電池ユニットの放熱路が形成されており、積層型電池ユニットの長軸方向において、御底面放熱板の長さが複数の積層型電池ユニットの長さより小さい二次電池モジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池モジュールに関する。

複数の蓄電セルの温度差を小さくすることができ、高い信頼性を有する蓄電デバイスを提供する技術として、特許文献１には、本発明に係る蓄電デバイス１００は、正極、負極、および電解液が収容された外装体１２を有する蓄電セル１０と、外装体１２の外表面に形成された放熱板２０と、を含み、蓄電セル１０と放熱板２０とは、交互に積層され、放熱板２０は、３つ以上設けられ、複数の放熱板２０のうち、最外に配置された放熱板２０は、最外に配置された放熱板２０の内側に配置された放熱板２０よりも、熱伝導率が小さい、旨が開示されている。

特開2012-160543号公報

特許文献１では、蓄電セル１０から放熱板２０の端部２２への放熱路が形成されておらず、蓄電セル１０の長さに対する放熱板２０の長さの比と二次電池モジュール内の温度ばらつきとの関係を考慮していないため、二次電池モジュール内の温度ばらつきを低減するのが難しい。本発明は、二次電池モジュール内の温度ばらつきを低減することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

複数の積層型電池ユニットを備え、複数の積層型電池ユニットは矩形であり、積層型電池ユニットの短軸方向において、御複数の積層型電池ユニットの間に側面放熱板を備え、複数の積層型電池ユニットの底部に底面放熱板を備え、側面放熱板および底面放熱板で複数の積層型電池ユニットの放熱路が形成されており、積層型電池ユニットの長軸方向において、御底面放熱板の長さが複数の積層型電池ユニットの長さより小さい二次電池モジュール。

本発明により、二次電池モジュール内の温度ばらつきを低減できる。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。

本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る第一端部放熱板の模式図である。 本発明の一実施形態に係る内部放熱板の模式図である。 本発明の一実施形態に係る第二端部放熱板の模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットのＹ軸方向の長さに対する放熱板底面部の長さの比率を変えた場合の二次電池モジュールの温度分布図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットのＹ軸方向の長さに対する放熱板底面部の長さの比率を変えた場合の二次電池モジュールの最高温度である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る押さえ板の模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。二次電池モジュール２０００は、複数の電池ユニット１０００、内部放熱板３０００、第一端部放熱板３１００、第二端部放熱板３２００を有する。以下では、内部放熱板３０００、第一端部放熱板３１００、第二端部放熱板３２００を放熱板と称する場合がある。放熱板としては、例えば、アルミ、銅など、比較的熱伝導率が高い材料を用いることができる。

二次電池モジュール２０００の端部において、二つの電池ユニット１０００に対して第二端部放熱板３２００が配置されており、二次電池モジュール２０００の内部において、二つの電池ユニット１０００に対して内部放熱板３０００が配置されている。放熱板に対して二つの電池ユニット１０００に限られず、一つの電池ユニット１０００でも、三つ以上の電池ユニット１０００を配置してもよい。

電池ユニット１０００は正極タブ２５４および負極タブ１５４を有する。隣接する電池ユニット１０００において、一方の電池ユニット１０００の正極タブ２５４と他方の電池ユニット１０００の負極タブ１５４とが接合されることで、隣接する電池ユニット１０００は電気的に直列に接続される。正極タブ２５４および負極タブ１５４を除いた電池ユニット１０００は略矩形である。以下では、図１のように、正極タブ２５４および負極タブ１５４が形成されている方向をX軸方向、電池ユニット１０００が並設されている方向をY軸方向、XY平面の垂線方向をZ軸方向、とする。図１の場合、Ｘ軸方向が電池ユニット１０００の長軸方向、Ｙ軸方向が電池ユニット１０００の短軸方向（側面方向）、Ｚ軸のマイナス方向が電池ユニット１０００の底部となる。

図２は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図であり、図１の二次電池モジュールをZ軸マイナス方向から見た図である。Y軸方向において、第一端部放熱板３１００および内部放熱板３０００、内部放熱板３０００同士、第二端部放熱板３２００および内部放熱板３０００、の間には、隙間３３００が形成されている。電池ユニット１０００を固縛体で加圧した時に電池ユニット１０００が変形する場合があり、隙間３３００により電池ユニット１０００が変形した場合の放熱板の接触を防止している。Ｘ軸方向における放熱板の長さをX軸方向における電池ユニット１０００の長さより小さくしている。これにより、電池ユニット1000の両端部を車体のシャーシから浮かせた場合、電池ユニット1000両端部から車体のシャーシへの放熱を抑制し、電池ユニット1000の均熱化を図れる。

図3は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図であり、図１の二次電池モジュールをＸ軸プラス方向から見た図である。Ｚ軸方向における放熱板の高さはＺ軸方向における電池ユニット１０００の高さと略同じにしている。Z軸方向における放熱板の高さをＺ軸方向における電池ユニット１０００の高さより小さくしても大きくしてもよい。Ｚ軸方向における放熱板の高さをＺ軸方向における電池ユニット１０００の高さ以上とすることにより、固縛体によって電池ユニット１０００を均一に固縛できる。また、電池ユニット１０００の発熱を放熱板の底部に伝達できる。

図４は、本発明の一実施形態に係る第一端部放熱板の模式図である。第一端部放熱板３１００は、Ｌ字型になっており、第一端部放熱板側面部３１１０および第一端部放熱板底面部３１２０を有する。第一端部放熱板側面部３１１０および第一端部放熱板底面部３１２０は電池ユニット１０００に接している。第一端部放熱板側面部３１１０および第一端部放熱板底面部３１２０は電池ユニット１０００と熱的に接触していれば良く、第一端部放熱板側面部３１１０および第一端部放熱板底面部３１２０と電池ユニット１０００との間に別の放熱部材を介在させてもよいし、介在させなくてもよい。

Ｘ軸方向において、第一端部放熱板側面部３１１０の長さは第一端部放熱板底面部３１２０の長さより大きくなっている。第一端部放熱板側面部３１１０は、電池ユニット１０００で発生する熱を第一端部放熱板底面部３１２０に伝える。第一端部放熱板底面部３１２０は、車体のシャーシなどに固定されており、第一端部放熱板側面部３１１０から伝わった熱を二次電池モジュール２０００の外部に放出する。

図５は、本発明の一実施形態に係る内部放熱板の模式図である。内部放熱板３０００は、Ｌ字型になっており、内部放熱板側面部３０１０および内部放熱板底面部３０２０を有する。内部放熱板側面部３０１０および内部放熱板底面部３０２０は電池ユニット１０００に接している。内部放熱板側面部３０１０および内部放熱板底面部３０２０は電池ユニット１０００と熱的に接触していれば良く、内部放熱板側面部３０１０および内部放熱板底面部３０２０と電池ユニット１０００との間に別の放熱部材を介在させてもよいし、介在させなくてもよい。

Ｘ軸方向において、内部放熱板側面部３０１０の長さは内部放熱板底面部３０２０の長さより大きくなっている。Ｙ軸方向において、内部放熱板底面部３０２０の長さは第一端部放熱板底面部の長さより大きくなっているが、内部放熱板底面部３０２０一つに設けられる電池ユニット１０００の数やＹ軸方向における電池ユニット１０００の長さによっては、内部放熱板底面部３０２０の長さを第一端部放熱板底面部の長さより小さくしてもよい。内部放熱板側面部３０１０は内部放熱板側面部３０１０に接触している電池ユニット１０００で発生する熱を内部放熱板底面部３０２０に伝える。内部放熱板底面部３０２０は、車体のシャーシなどに固定されており、内部放熱板側面部３０１０から伝わった熱を二次電池モジュール２０００の外部に放出する。

図６は、本発明の一実施形態に係る第二端部放熱板の模式図である。第二端部放熱板３２００は、Ｔ字型になっており、第二端部放熱板側面部３２１０および第二端部放熱板底面部３２２０を有する。第二端部放熱板側面部３２１０および第二端部放熱板底面部３２２０は電池ユニット１０００に接している。第二端部放熱板側面部３２１０および第二端部放熱板底面部３２２０は電池ユニット１０００と熱的に接触していれば良く、第二端部放熱板側面部３２１０および第二端部放熱板底面部３２２０と電池ユニット１０００との間に別の放熱部材を介在させてもよいし、介在させなくてもよい。

Ｘ軸方向において、第二端部放熱板側面部３２１０の長さは第二端部放熱板底面部３２２０の長さより大きくなっている。第二端部放熱板側面部３２１０は第二端部放熱板側面部３２１０に接触している電池ユニット１０００で発生する熱を第二端部放熱板底面部３２２０に伝える。第二端部放熱板底面部３２２０は、車体のシャーシなどに固定されており、第二端部放熱板側面部３２１０から伝わった熱を二次電池モジュール２０００の外部に放出する。

以下では、第一端部放熱板側面部３１１０、内部放熱板側面部３０１０、第二端部放熱板側面部３２１０を放熱板側面部、第一端部放熱板底面部３１２０、内部放熱板底面部３０２０、第二端部放熱板底面部３２２０を放熱板底面部と称する場合がある。

図７は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、正極２５０、電解質層３００、負極１５０を有する。電池ユニット１０００は、積層型電池ユニットである。以下では、正極２５０または負極１５０を電極と称する場合がある。

正極２５０は、二つの正極合材層２５１、正極集電体２５２を有する。正極２５０において、正極集電体２５２の両面に正極合材層２５１が形成されている。負極１５０は、負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。負極１５０において、負極集電体１５２の両面に負極合材層１５１が形成されている。

正極２５０、電解質層３００、負極１５０が積層されて電極体が構成される。複数の電極体が積層され、電極体中の正極集電体２５２同士および負極集電体１５２が接続されることで、電池ユニット１０００は電気的に並列接続される構成を有する。複数の電極体が積層されて電池ユニット１０００が構成される。

＜正極合材層２５１＞
正極合材層２５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系複合酸化物などが上げられる。正極合材層２５１中に、正極合材層２５１内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層２５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層２５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層２５１を作製する方法として、正極合材層２５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体２５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層２５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層２５１が形成する。

＜正極集電体２５２＞
正極集電体２５２は、正極塗工部２５３および正極タブ２５４を有する。正極塗工部２５３上に正極合材層２５１が形成されている。正極タブ２５４には正極合材層２５１が形成されていない。正極タブ２５４は、発電した電気を外部に取り出すために配置されており、正極２５０の一辺から突出している。

電池ユニット１０００中のそれぞれの正極タブ２５４は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳している。電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士は、例えば超音波接合で接合される。

正極集電体２５２には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体２５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層１５１＞
負極合材層１５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な負極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合材層１５１中に、負極合材層１５１内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層１５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層１５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合材層１５１を作製する方法として、負極合材層１５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを負極集電体１５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、負極合材層１５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、負極合材層１５１が形成する。

＜負極集電体１５２＞
負極集電体１５２は、負極塗工部１５３および負極タブ１５４を有する。負極塗工部１５３および負極タブ１５４の構成は、概ね正極塗工部２５３および正極タブ２５４の構成と同様である。

負極集電体１５２には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体１５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜電解質層３００＞
電解質層３００には固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、全固体電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。電解質層３００は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。電解質層３００の厚さは全固体電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。

図８は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、ラミネートフィルム５００を有する。ラミネートフィルム５００は、電極体を覆っており、電池ユニット１０００を直列に接続するために、負極タブ１５４および正極タブ２５４を露出させている。

図９は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットのX軸方向の長さに対する放熱板底面部の長さの比率を変えた場合の二次電池モジュールの温度分布図である。図９の結果は、二次電池モジュール２０００の環境温度２５℃、二次電池モジュール２０００を２Ｃで充電、電池ユニット１０００の内部抵抗を１０mΩ、としている。図９（ａ）では、電池ユニットのX軸方向の長さと電池ユニットのＺ軸方向の長さとの比を９．２：１、図９（ｂ）では、電池ユニットのX軸方向の長さと電池ユニットのＺ軸方向の長さとの比を６．０：１、としている。

本実施例では、放熱板側面部および放熱板底面部を設け、放熱板側面部および放熱板底面部を電池ユニット１０００に熱的に、具体的には直接的に接している。換言すれば、側面放熱板および底面放熱板で複数の電池ユニット１０００の放熱路が形成されている。また、Ｘ軸方向における放熱板底面部の長さを電池ユニット１０００の長さより小さくしている。これにより、二次電池モジュール２０００全体、二次電池モジュール２０００中の両端の電池ユニット１０００、二次電池モジュール２０００中の中央の電池ユニット１０００、いずれにおいても、温度ばらつきを低減できる。

具体的には、Ｘ軸方向における電池ユニット１０００の長さに対する放熱板底面部の長さを７０％以上１００％未満、好ましくは７０％以上９０％以下、とすることにより、二次電池モジュール２０００の温度ばらつきを低減できる。図９（ａ）、図９（ｂ）によれば、電池ユニットの形状が矩形となるような電池ユニットのX軸方向の長さと電池ユニットのＺ軸方向の長さとの比、例えば、６．２以上９以下であれば、Ｘ軸方向における電池ユニット１０００の長さに対する放熱板底面部の長さを上記の範囲とすることで、二次電池モジュール２０００の温度ばらつきを低減できる。

図１０は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットのX軸方向の長さに対する放熱板底面部の長さの比率を変えた場合の二次電池モジュールの最高温度である。二次電池モジュール２０００の構成は、図９で説明した構成と同じである。Ｘ軸方向における電池ユニット１０００の長さに対する放熱板底面部の長さを７０％以上９０％以下、好ましくは７５％以上８５％以下、とすることにより、二次電池モジュール２０００の最高温度を低減できる。

図１１、図１２は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。図１２は、図１１をＺ軸方向マイナスから見た図である。本実施例において、二次電池モジュール２０００は押さえ板４０００を有する。押さえ板４０００によって、二次電池モジュール２０００を固縛する際の電池ユニット１０００の飛び出しを防止している。

図１３は、本発明の一実施形態に係る押さえ板の模式図である。押さえ板４０００は、電極タブ貫通部４１００、押さえ板固定部４２００、飛び出し防止部４３００を有する。電極タブ貫通部４１００は、Ｙ軸方向において負極タブ１５４および正極タブ２５４の間に形成されており、押さえ板固定部４２００と飛び出し防止部４３００とを接続している。押さえ板固定部４２００は、車体のシャーシなどに固定され、押さえ板４０００を固定するものである。飛び出し防止部４３００は、電池ユニット１０００のＺ軸プラス方向に形成されており、二次電池モジュール２０００を固縛する際の電池ユニット１０００の飛び出しを防止している。押さえ板４０００の材料として、例えば、アルミ、銅など、比較的熱伝導率が高い材料を用いることができる。

図１４は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。図１１、図１２では、二つの電池ユニット１０００と放熱板とを１セットとした場合、１セットのみに押さえ板４０００が形成されているが、図１４のように、全てのセットに対して押さえ板４０００を形成してもよい。

１５０ 負極
１５１ 負極合材層
１５２ 負極集電体
１５３ 負極塗工部
１５４ 負極タブ
２５０ 正極
２５１ 正極合材層
２５２ 正極集電体
２５３ 正極塗工部
２５４ 正極タブ
３００ 電解質層
５００ ラミネートフィルム
１０００ 電池ユニット
２０００ 二次電池モジュール
３０００ 内部放熱板
３０１０ 内部放熱板側面部
３０２０ 内部放熱板底面部
３１００ 第一端部放熱板
３１１０ 第一端部放熱板側面部
３１２０ 第一端部放熱板底面部
３２００ 第二端部放熱板
３２１０ 第二端部放熱板側面部
３２２０ 第二端部放熱板底面部
３３００ 隙間
４０００ 押さえ板
４１００ 電極タブ貫通部
４２００ 押さえ板固定部
４３００ 飛び出し防止部

Claims (5)

1. 複数の積層型電池ユニットを備え、
   前記複数の積層型電池ユニットは矩形であり、
   前記積層型電池ユニットの短軸方向において、前記複数の積層型電池ユニットの間に側面放熱板を備え、
   前記複数の積層型電池ユニットの底部に底面放熱板を備え、
   前記側面放熱板および前記底面放熱板は前記積層型電池ユニットに接しており、
   前記積層型電池ユニットの長軸方向において、御前記底面放熱板の長さが前記複数の積層型電池ユニットの長さより小さい二次電池モジュール。
2. 請求項１の二次電池モジュールにおいて、
   前記積層型電池ユニットの短軸方向において、前記底面放熱板の間に隙間が形成されている二次電池モジュール。
3. 請求項１の二次電池モジュールにおいて、
   前記底面放熱板の長さは前記複数の積層型電池ユニットの長さの７０％以上１００％未満である二次電池モジュール。
4. 請求項３の二次電池モジュールにおいて、
   前記底面放熱板の長さは前記複数の積層型電池ユニットの長さの７５％以上８０％以下である二次電池モジュール。
5. 請求項１の二次電池モジュールにおいて、
   前記複数の積層型電池ユニットの上部に押さえ板を備える二次電池モジュール。

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