JP2020035565A

JP2020035565A - 組電池

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Publication number: JP2020035565A
Application number: JP2018159042A
Authority: JP
Inventors: 真史加藤; Masashi Kato; 瑞穂松本; Mizuho Matsumoto; 哲史藤村; Tetsushi Fujimura; 僚各務; Ryo Kagami; 友貴山▲崎▼; Tomoki Yamazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2038-08-28
Also published as: JP7133129B2

Abstract

【課題】電池セルの冷却性能が低下することを抑制することが可能な組電池を提供する。【解決手段】本発明の組電池は、複数の電池セル１０と、伝熱板２０と、接続配管２８Ｌと、拘束部とを備える。複数の電池セル１０は所定の方向に積層されている。伝熱板２０は、互いに隣接する複数の電池セル１０の間に配置される。伝熱板２０は、冷媒を通過させる冷媒流路２７を有する。接続配管２８Ｌは、伝熱板２０の冷媒流路２７に接続され、冷媒流路２７に冷媒を供給する。拘束部は、積層された複数の電池セル１０および伝熱板２０を積層方向に加圧して拘束する。電池セル１０の電解質は、固体電解質である。接続配管２８Ｌは変形可能である。冷媒流路２７は、伝熱板２０のうち、隣接する電池セル１０を介して拘束部による拘束荷重が印加される荷重印加領域Ｂの領域外に設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の電池セルを積層させることで構成される組電池に関する。

電池セル（単電池ともいう。）を複数備えた組電池（バッテリーパックともいう。）は、車両搭載用電源等に好ましく用いられている。このような組電池は、扁平な電池セルと伝熱板を交互に積層させることで構成される場合がある。例えば、特許文献１に記載されている組電池では、伝熱板の内部に、冷媒を通過させる内部流路が伝熱板の全体に亘って何度も折り返されて形成されている。伝熱板の内部流路には、熱交換器から内部流路に冷媒を供給する配管が接続される。特許文献１に記載されている組電池では、配管を変形可能とすることで、熱交換器と配管の位置ずれによる部材の変形の抑制を図っている。

特開２０１３−４５５７８号公報

組電池の電池セルが、電解質として固体電解質を用いた全固体電池である場合には、電解質同士を接触させるために、積層された複数の電池セルと伝熱板が高い荷重で拘束される必要がある。また、膨張収縮し易いシリコン等からなる活物質が電池セルに含まれている場合には、シリコンの膨張収縮の影響で、組電池の部材の少なくとも一部に強い負荷がかかりやすい。特許文献１に記載されている組電池では、伝熱板の内部の全体に亘って形成された内部流路等が、強い負荷によって破損する（例えば潰れる）と、電池セルの冷却性能が低下する虞がある。

そこで、本発明の典型的な目的は、上記のような積層された複数の電池セルと伝熱板が高い荷重で拘束される状態であっても、電池セルの冷却性能が低下することを適切に抑制することが可能な組電池を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の組電池は、所定の方向に積層された複数の電池セルと、互いに隣接する複数の前記電池セルの間に配置されると共に、冷媒を通過させる冷媒流路を有する伝熱板と、前記伝熱板の前記冷媒流路に接続され、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する接続配管と、積層された複数の前記電池セルおよび前記伝熱板を前記積層方向に加圧して拘束する拘束部と、を備え、前記電池セルの電解質は、固体電解質であり、前記接続配管は変形可能であり、前記冷媒流路は、前記伝熱板のうち、隣接する前記電池セルを介して前記拘束部による拘束荷重が印加される荷重印加領域の領域外に設けられていることを特徴とする。

上記構成の組電池では、積層された複数の電池セルと伝熱板が高い荷重で拘束された場合でも、伝熱板のうち拘束荷重が印加される荷重印加領域に冷媒流路が設けられていないので、冷媒流路が破損する（例えば潰れる）可能性が低い。また、電池セルに膨張収縮が生じた場合でも、接続配管が変形することで、部材（例えば接続配管等）が破損することが抑制される。よって、電池セルの冷却性能が低下することが適切に抑制される。

一実施形態に係る組電池１の一部の縦断面図である。一実施形態に係る電池セル１０の斜視図である。一実施形態に係る伝熱板２０の斜視図である。伝熱板２０における荷重印加領域Ｂと電池セル１０の位置関係を説明するための斜視図である。主配管５０Ｌおよび保持シャフト６０Ｌに接続された状態の、伝熱板２０の一部の拡大斜視図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。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実施に必要な事柄は、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。なお、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、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「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、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。

＜全体構成＞
図１を参照して、本実施形態に係る組電池１の全体構成について説明する。図１は、組電池１の一部（詳細には、組電池１を構成する複数の電池セル１０の積層方向における一方の端部）の縦断面図である。組電池１は、複数の電池セル１０を備える。各々の電池セル１０は、扁平な形状（本実施形態では、略矩形板状）に形成されている。扁平な複数の電池セル１０は、所定の積層方向（図１における左右方向）に積層されている。詳細な説明は省略するが、複数の電池セル１０は、互いに電気的に接続されている。また、各々の電池セル１０の構成の詳細については、図２を参照して後述する。

互いに隣接する複数の電池セル１０の間には、電池セル１０の温度を調整するための伝熱板２０が配置されている。本実施形態の組電池１では、３つ以上の電池セル１０が積層されているので、伝熱板２０も複数用いられている。伝熱板２０の形状は略板状であり、伝熱板２０の板面と、対向する板状の電池セル１０の幅広な側面とが相互に接触している。なお、図１に示す例では、積層された複数の電池セル１０のうち、最も外側に位置する電池セル１０（図１に示す例では、図１における最も左側の電池セル１０）のさらに外側には、上記伝熱板２０の代わりに、熱伝導率が高い拘束板４１が配置されている。その結果、拘束板４１も伝熱板として機能し得るため、積層方向の最も外側に位置する電池セル１０も良好に冷却される。しかし、最も外側に位置する電池セル１０のさらに外側にも伝熱板２０が配置されていてもよい。各々の伝熱板２０の構成の詳細については、図３〜図５を参照して後述する。

組電池１は、積層された複数の電池セル１０および複数の伝熱板２０を、電池セル積層方向（図１における左右方向）に加圧して拘束する拘束部４０を備える。本実施形態の拘束部４０は、一対の拘束板４１と、締め付け部材４２を備える。一対の拘束板４１は、組電池における積層方向の両端部の各々に配置されている（図１では、一方の拘束板４０のみが図示されている）。締め付け部材４２は、一対の拘束板４１の各々に取り付けられている。本実施形態では２つの締め付け部材４２が用いられている。図１中の上部の締め付け部材４２は、図示される一方の拘束板４１の一側面と、図示されない他方の拘束板の対応する一側面とを接続する。図１中の下部の締め付け部材４２は、図１中の上部の締め付け部材４２が配置される側面からみて反対側にある側面において、図１中の上部の締め付け部材４２と同様、電池セル積層方向の両端にある一対の拘束板４１を接続する。２つの締め付け部材４２の各々が、ビス等によって拘束板４１に締め付けられることで、積層された複数の電池セル１０および伝熱板２０が、積層方向に所定の拘束荷重で加圧されて拘束される。

なお、詳細は後述するが、本実施形態の電池セル１０には、電解質が固体電解質で構成されるいわゆる全固体電池が用いられている。全固体電池は、固体電解質同士を接触させるために高い荷重で拘束される必要がある。本実施形態の拘束部４０は、典型的には、３ＭＰａ以上の拘束圧で、複数の電池セル１０および伝熱板２０を拘束することができる。

＜電池セル＞
図２を参照して、本実施形態の電池セル１０について説明する。各々の電池セル１０は、単体で二次電池として機能する。電池セル１０は、電池ケース１１、発電要素１３（図１参照）、正極端子１４、および負極端子１６を備える。

電池ケース１１は、発電要素１３を収容する発電要素収容部１２を形成する。一例として、本実施形態の電池ケース１１には、適度な可撓性を有するラミネートフィルムが用いられている。つまり、本実施形態の電池セル１０は、発電要素１３をラミネートフィルムによって収容したラミネートセルである。したがって、本実施形態の電池セル１０の厚みは、発電要素１３の膨張収縮に応じて変動する。ただし、電池ケース１１の材質を変更することも可能である。例えば、適度な剛性を有する金属製または樹脂製の電池ケース（例えば、扁平な六面体の箱型ケース）が使用されてもよい。

本実施形態の電池ケース１１では、２枚のラミネートフィルムの外周部が互いに貼り合わされることで、袋状の発電要素収容部１２が内部に形成される。電池ケース１１の外形は略矩形板状である。発電要素収容部１２の外形は、外周の形状が電池ケース１１の外周よりもやや小さい略矩形板状である。発電要素収容部１２に収容されている発電要素１３は、発電要素収容部１２の外形よりもやや小さい略矩形板状に形成される。

また、本実施形態の電池ケース１１は、複数の層が積層された積層構造を有している。詳細には、本実施形態の電池ケース１１は、ナイロン層、アルミニウム層、およびポリプロピレン層を有する。ナイロン層は、電池ケース１１の最外層を構成する。ナイロン層は、発電要素収容部１２に収容された発電要素１３と外部を絶縁する絶縁層として機能すると共に、電池ケース１１の耐久性および耐衝撃性を高める。アルミニウム層は、電池ケース１１のガスバリア性および防湿性を高める。ポリプロピレン層は、電池ケース１１に熱溶着性を付与するためのシーラント層である。

発電要素１３（図１参照）は、電極体および電解質を含む。本実施形態の電池セル１０は、種々の電池の中でもエネルギー密度が高い二次電池であることが好ましく、特に好適な二次電池の一例がリチウムイオン電池である。ただし、電池セル１０は、リチウムイオン電池以外の二次電池（例えば、ニッケル水素電池等）であってもよい。また、前述したように、本実施形態の電池セル１０は、電解質として固体電解質を備える全固体電池（ここでは全固体リチウムイオン電池）である。

本実施形態の発電要素１３では、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体層が順に積層されている。正極集電体層および負極集電体層としては、任意の集電体層を用いることができる。例えば、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、またはチタン等の各種金属の集電体層を用いることができる。正極活物質層は、正極活物質と、随意に導電助剤、バインダー、および固体電解質粒子とを含む。正極活物質としては、マンガン、コバルト、ニッケル、およびチタンから選ばれる少なくとも１種の遷移金属、および、リチウムを含む金属酸化物（例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、およびニッケルコバルトマンガン酸リチウム等）を挙げることができる。固体電解質層には、全固体電池の固体電解質として利用可能な材料を用いることができる。例えば、８Ｌｉ_２Ｏ・６７Ｌｉ_２Ｓ・２５Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ、Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５若しくはＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｂ_２Ｓ_３等の硫化物系非晶質固体電解質粒子、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５若しくはＬｉ_２Ｏ−ＳｉＯ_２等の酸化物系非晶質固体電解質粒子、又はＬｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_０．７（ＰＯ_４）_３若しくはＬｉ_{１＋ｘ＋ｙ}Ａ_ｘＴｉ_２−ｘＳｉ_ｙＰ_３−ｙＯ_１２（Ａは、Ａｌ又はＧａ、０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）等の結晶質酸化物等を用いることができる。負極活物質層は、負極活物質と、随意に導電助剤、バインダー、および固体電解質粒子とを含む。負極活物質は、リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵・放出することができるものであればよいが、本実施形態の負極活物質としての好適例として、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。

正極端子１４および負極端子１６は、電池ケース１１の内部から外側に延びる。正極端子１４は、電池ケース１１の内部で正極集電体層に電気的に接続している。負極端子１６は、電池ケース１１の内部で負極集電体層に電気的に接続している。本実施形態では、正極端子１４および負極端子１６は、略矩形板状の電池ケース１１の長辺方向に一方の端部と他方の端部からそれぞれ別方向に外側に向けて延びている。しかし、正極端子１４および負極端子１６の構成を変更することも可能である。例えば、正極端子１４および負極端子は、共に、電池ケース１１の長辺方向の一方の端部に揃えて設けられていてもよい。

＜伝熱板＞
図３を参照して、本実施形態の伝熱板２０について説明する。本実施形態の伝熱板２０は、略矩形板状の本体部２１を備える。伝熱板２０が組電池１に組み込まれると、本体部２１の板面は、電池セル１０の板面（本実施形態では、電池ケース１１における発電要素収容部１２の外側の面）に面接触する。

本体部２１の長辺方向の一方の端部には、保持部２４Ｌが設けられている。保持部２４Ｌには、板面に垂直な方向に貫通する貫通孔であるシャフト挿通部２５Ｌが形成されている。また、本体部２１の長辺方向の他方の端部には、保持部２４Ｒが設けられている。保持部２４Ｒには、板面に垂直な方向に貫通する貫通孔であるシャフト挿通部２５Ｒが形成されている。シャフト挿通部２４Ｌ，２４Ｒの各々に、保持シャフト６０Ｌ（図５参照）が挿通されることで、積層方向に交差する方向における伝熱板２０の移動が規制される。この詳細は、図５を参照して後述する。

図示されるように、伝熱板２０は、冷媒（例えば水等）を通過させる冷媒流路２７を備える。冷媒流路２７を冷媒が通過することで、伝熱板２０全体の温度が低下する。なお、本実施形態では、本体部２１と冷媒流路２７は一体形成されている。しかし、本体部２１と冷媒流路２７が別の部材で構成されていてもよい。また、冷媒流路２７の構成を変更することも可能である。例えば、一定以上の厚みを有する本体部２１の内部に冷媒流路が形成されてもよい。冷媒流路２７が設けられる位置の詳細については、図４を参照して後述する。

冷媒流路２７の長辺方向の両端部の各々には、継手２９Ｌ，２９Ｒを介して接続配管２８Ｌ，２８Ｒが接続されている。接続配管２８Ｌ，２８Ｒを介して、冷却器（図示せず）から主配管５０Ｌ（図５参照）に供給される冷媒を、冷媒流路２７に流すことができる。

伝熱板２０のうち、少なくとも本体部２１は、熱伝導性が高い物質（例えば、アルミニウム、鉄、銅、チタン等の少なくともいずれか）によって形成されている。本実施形態では、本体部２１および冷媒流路２７が、熱伝導性が高い金属材料によって一体形成される。その後、冷媒流路２７の両端部に継手２９Ｌ，２９Ｒが装着され、継手２９Ｌ，２９Ｒに接続配管２８Ｌ，２８Ｒが装着される。

＜伝熱板における冷媒流路の配置位置＞
図４を参照して、伝熱板２０における冷媒流路２７の配置位置について説明する。前述したように、本実施形態の組電池１では、伝熱板２０における本体部２１の板面と、板状である電池セル１０の板面（幅広な側面）とが相互に接触した状態で、複数の電池セル１０と、１つまたは複数の伝熱板２０（本実施形態では複数の伝熱板２０）が積層方向に加圧されて拘束される。詳細には、本実施形態の電池セル１０では、発電要素収容部１２に収容されている発電要素１３（図１参照）のうち、少なくとも正極活物質が存在する略矩形板状の範囲Ａにおいて、電池セル１０の厚みが最も大きくなっている。従って、伝熱板２０のうち、隣接する電池セル１０を介して拘束部４０（図１参照）による拘束荷重が印加される荷重印加領域Ｂは、電池セル１０の範囲Ａを積層方向に投影した領域となる。

本実施形態では、伝熱板２０の冷媒流路２７は、伝熱板２０のうち、隣接する電池セル１０を介して拘束部４０による拘束荷重が印加される荷重印加領域Ｂの領域外に設けられている。本実施形態の冷媒流路２７は、荷重印加領域Ｂの領域外において、略矩形板状である本体部２１の一方の長辺部（図４では下端部）に沿って該本体部２１に接触しつつ長辺方向に延伸するように形成されている。従って、積層された複数の電池セル１０と伝熱板２０が高い荷重で拘束されても、冷媒流路２７が破損する可能性が低い。また、仮に、荷重印加領域Ｂに設けられた冷媒流路が破損する（例えば潰れる）と、拘束荷重が一部に偏り、電池セル１０の発電要素１３の全体が十分な拘束圧で拘束されない可能性がある。しかし、本実施形態の組電池１では、冷媒流路２７が荷重印加領域Ｂの領域外に設けられているので、発電要素１３の全体が均等且つ十分な拘束圧で拘束され易い。

なお、伝熱板２０における荷重印加領域Ｂの形状および大きさ等は、電池セル１０および伝熱板２０の少なくとも一方の構成に応じて変化する。例えば、電池セル１０が、正極活物質が存在する範囲Ａの厚みと同等の厚みを有する肉厚部位（例えば、位置決め部材またはブラケット等）を備える場合もある。この場合、伝熱板２０のうち、肉厚部位の範囲を積層方向に投影した領域も、荷重印加領域となる。

また、冷媒流路２７が設けられる位置、および冷媒流路２７の形状の少なくともいずれかを変更することも可能である。例えば、冷媒流路２７は、荷重印加領域Ｂの領域外において、本体部２１の一対の長辺部の両方に設けられていてもよい。また、冷媒流路２７は、荷重印加領域Ｂを避けて本体部２１の外周端部に沿うように、屈曲して設けられていてもよい。荷重印加領域Ｂの形状等が図４に例示した形状等と異なる場合でも、冷媒流路２７は、荷重印加領域Ｂの形状等に応じて、荷重印加領域Ｂの領域外に位置するように適宜形成されればよい。

＜冷媒流路への冷媒の供給構造＞
図５を参照して、本実施形態における冷媒流路２７への冷媒の供給構造について説明する。図５は、伝熱板２０の一部（詳細には、伝熱板２０の長辺方向における一方の端部）の拡大斜視図である。なお、伝熱板２０の長辺方向における他方の端部側に配置される主配管、接続配管２８Ｒ、および冷媒流路２７の接続構造は、図５に示す主配管５０Ｌ、接続配管２８Ｌ、および冷媒流路２７の接続構造と対称である。従って、以下では、伝熱板２０の長辺方向における一方の端部側の接続構造について説明を行う。

主配管５０Ｌには、冷却器（図示せず）によって冷却された冷媒が流れる。主配管５０Ｌのうち、複数の伝熱板２０の各々に対向する位置には、主配管５０Ｌの流路を分岐させる分岐部５１Ｌが形成されている。接続配管２８Ｌの一端部は、継手２９Ｌを介して冷媒流路２７に接続される。接続配管２８Ｌの他端部は、主配管５０Ｌの分岐部５１Ｌに接続される。その結果、接続配管２８Ｌを通じて主配管５０Ｌから冷媒流路２７に冷媒が供給される。

接続配管２８Ｌは変形可能に形成されている。前述したように、本実施形態の電池セル１０は、厚みが変動するラミネートセルである。また、本実施形態の電池セル１０の負極に膨張収縮し易い負極活物質（例えばシリコン）が用いられている場合、電池セル１０の厚みは変動し易い。しかし、本実施形態では、電池セル１０の厚みの変動等の影響で、伝熱板２０の冷媒流路２７と主配管５０Ｌの分岐部５１Ｌの位置関係が変化した場合でも、接続配管２８Ｌが変形するので、他の部材（例えば、冷媒流路２７および主配管５０Ｌ等）には負荷がかかり難い。従って、電池セル１０の冷却性能が低下し難い。

また、本実施形態の接続配管２８Ｌは、伝熱板２０と主配管５０Ｌの間を絶縁する。従って、組電池１に含まれる複数の電池セル１０の間の、伝熱板２０および主配管５０Ｌを介した短絡が抑制される。

なお、本実施形態の接続配管２８Ｌは、適度な可撓性を有し、且つ絶縁性を有するゴムによって形成されている。ただし、接続配管２８Ｌの具体的な構成を変更することも可能である。例えば、接続配管は、変形可能な蛇腹構造を少なくとも一部に備えていてもよい。また、変形可能な部位と、絶縁性を有する部位が、別々に接続配管に設けられていてもよい。また、接続配管２８Ｌによって伝熱板２０と主配管５０Ｌの間を絶縁する必要が無い場合（例えば、主配管５０Ｌが絶縁性を有する場合等）には、接続配管２８Ｌは、絶縁性を有さない材質（例えば金属等）によって形成されてもよい。

＜伝熱板の保持構造＞
図５を参照して、組電池１における伝熱板２０の保持構造について説明する。伝熱板２０の長辺方向の両端部のうち、一方の端部側における伝熱板２０の保持構造と、他方の端部側における伝熱板２０の保持構造は対称である。従って、以下では、伝熱板２０の一方の端部側における保持構造について説明を行う。

前述したように、伝熱板２０の保持部２４Ｌにはシャフト挿通部２５Ｌが形成されている。シャフト挿通部２５Ｌには、電池セル積層方向に延びる保持シャフト６０Ｌが挿通される。その結果、伝熱板２０は、積層方向に移動可能に、且つ、積層方向に交差する方向における移動が規制された状態で、保持シャフト６０Ｌによって保持される。

本実施形態の保持シャフト６０Ｌのうち、少なくともシャフト挿通部２５Ｌに接触する外周部（本実施形態では保持シャフト６０Ｌの全体）は、絶縁性を有する材質によって形成されている。つまり、本実施形態では、伝熱板２０を保持する保持機構（本実施形態では、伝熱板２０の保持部２４Ｌ、および保持シャフト６０Ｌ）の少なくとも一部が絶縁性を有する。従って、組電池１に含まれる複数の電池セル１０の間の、伝熱板２０および保持シャフト６０Ｌを介した短絡が抑制される。

ただし、伝熱板２０および保持シャフト６０Ｌを介した短絡を抑制するための具体的な方法も変更できる。例えば、伝熱板２０の保持部２４Ｌの少なくとも一部が、絶縁性を有する材質によって形成されていてもよい。保持シャフト６０Ｌが、絶縁性を有する軸受けを介して保持部２４Ｌのシャフト挿通部２５Ｌに挿通されてもよい。

１組電池
１０電池セル
２０伝熱板
２７冷媒流路
２８Ｌ，２８Ｒ接続配管
４０拘束部
Ｂ荷重印加領域

Claims

所定の方向に積層された複数の電池セルと、
互いに隣接する複数の前記電池セルの間に配置されると共に、冷媒を通過させる冷媒流路を有する伝熱板と、
前記伝熱板の前記冷媒流路に接続され、前記冷媒流路に前記冷媒を供給する接続配管と、
積層された複数の前記電池セルおよび前記伝熱板を前記積層方向に加圧して拘束する拘束部と、
を備え、
前記電池セルの電解質は、固体電解質であり、
前記接続配管は変形可能であり、
前記冷媒流路は、前記伝熱板のうち、隣接する前記電池セルを介して前記拘束部による拘束荷重が印加される荷重印加領域の領域外に設けられていることを特徴とする、組電池。