JP2020064797A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】外装体の部品を電池モジュールの大きさごとに複数製造する場合にも、生産性の低下を抑制できる電池モジュールを提供する。【解決手段】本開示の電池モジュールは、外装体及び外装体に封入されている全固体電池積層体を有している。ここで、外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部を有している。筒状の胴部は、両端の開口端部にフランジを有している。そして、筒状の胴部の両端のフランジと、一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、接合部によって、外装体が封止されている。全固体電池積層体は、１又は複数の構成単位セルを有している。構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有している。また、構成単位セルを構成する各層の積層方向は、筒状の胴部の軸方向である。【選択図】図１

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

電池モジュールは、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、その他の二次電池等の電池を複数接続することによって、形成されている。このような電池モジュールは、高出力が得られるため、車両搭載用電源又はパソコン及び携帯端末の電源として、重要性が高まっている。

電池モジュールの外装体に関して、例えば特許文献１〜５のように、電池の性能の維持、生産性の向上、エネルギー密度の向上等の観点から、様々な構成及び形状等が提案されている。

特開２０１２−８４２４７号公報 特開２０１２−８４２４８号公報 特開２００５−１０８６９３号公報 特開２０１４−１７９２２０号公報 特開２０１６−１３９４９４号公報

全固体電池積層体を用いた電池モジュールは、一つの全固体電池積層体を複数の構成単位セルを積層して構成することにより、電池モジュールの個数を低減することができ、部品点数の削減、体積エネルギー密度の向上を図ることができるという利点を有している。

しかしながら、この様な電池モジュールは、特に全固体電池積層体が多数の構成単位セルを有することにより、厚さ、すなわち全固体電池積層体の積層方向の厚さが大きくなりがちである。そのため、電池モジュールの搭載箇所の大きさや形状、例えば、車両に搭載する場合における電池モジュールの搭載箇所の車幅等によっては、電池モジュールの形状や大きさが合わず、デッドスペースが発生する場合があることを、本開示者らは見出した。

本開示者らは、このようなデッドスペースを発生させない、又は縮小する方法として、搭載箇所の大きさや形状に応じて、電池モジュールの大きさ、特に電池モジュールの厚さ等を設計することを考えた。

しかしながら、様々な厚さ等を有する電池モジュールを製造する場合、製造される外装体の部品を電池モジュールの形状ごとに複数製造する必要が生じる。この様に外装体の部品を電池モジュールの大きさごとに複数製造することは、一般に、電池モジュールの生産性を著しく低下させる。

本開示の課題は、外装体の部品を電池モジュールの大きさごとに複数製造する場合にも、生産性の低下を抑制できる電池モジュールを提供することである。

本開示者らは、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
《態様１》
外装体及び前記外装体に封入されている全固体電池積層体を有している電池モジュールであって、
前記外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部を有しており、
前記筒状の胴部は、両端の開口端部にフランジを有しており、
前記筒状の胴部の両端のフランジと、前記一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、前記接合部によって、前記外装体が封止されており、
前記全固体電池積層体は、１又は複数の構成単位セルを有しており、
前記構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有しており、かつ
前記構成単位セルを構成する各層の積層方向が、前記筒状の胴部の軸方向である、
電池モジュール。
《態様２》
前記一対の蓋部は、外縁部がフランジであるカップ形状であり、
前記一対の蓋部のカップ状の底部は、前記筒状の胴部の開口端部の外側を向いており、
前記一対の蓋部の少なくとも一方は、前記筒状の胴部よりも剛性が低く、かつ
前記全固体電池積層体は、前記筒状の胴部の軸方向に関して、前記筒状の胴部よりも長い、
態様１に記載の電池モジュール。
《態様３》
前記接合部の少なくとも一辺が、前記筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれている、態様１又は２に記載の電池モジュール。
《態様４》
前記接合部の対向する一対の辺が、前記筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれている、態様３に記載の電池モジュール。
《態様５》
前記接合部のうち折りたたまれている辺が、前記筒状の胴部のフランジの基部を起点として折りたたまれている、態様３又は４に記載の電池モジュール。
《態様６》
冷却シートが、その主平面が前記筒状の胴部の面に接するようにして配置されている、態様１〜５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
《態様７》
冷却シートが、前記接合部よりも前記筒状の胴部の中央側に配置されている、態様６に記載の電池モジュール。
《態様８》
前記冷却シートのうち前記面に接している部分の厚さが、前記面から突出している前記接合部の厚さの最大値以下である、態様６又は７に記載の電池モジュール。

本開示によれば、外装体の部品を電池モジュールの大きさごとに複数製造する場合にも、生産性の低下を抑制できる電池モジュールを提供することができる。

図１は、本開示の第１の実施形態に従う電池モジュールが有している外装体の模式図である。 図２は、本開示の第１の実施形態に従う電池モジュールが有している全固体電池積層体の模式図である。 図３は、本開示の第２の実施形態に従う電池モジュールにおいて、接合部が折りたたまれている態様の模式図である。 図４は、本開示の第３の実施形態に従う電池モジュールにおいて、外装体及び冷却シートの位置関係を示す模式図である。 図５は、図４におけるＡ−Ａ’線に沿った、本開示の第３の実施形態に従う電池モジュールの断面図である。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

《電池モジュール》
本開示の電池モジュールは、外装体及び外装体に封入されている全固体電池積層体を有している。

ここで、外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部を有している。筒状の胴部は、両端の開口端部にフランジを有している。そして、筒状の胴部の両端のフランジと、一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、接合部によって、外装体が封止されている。

全固体電池積層体は、１又は複数の構成単位セルを有している。構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有している。また、構成単位セルを構成する各層の積層方向は、筒状の胴部の軸方向である。

本開示の電池モジュールは、さらに正極集電タブ及び負極集電タブを有していてよい。正極集電タブは、外装体内において正極集電体層と電気的に接続されており、かつ一方の蓋部と筒状の胴部のフランジとの間の接合部から、外装体の外部に突出していることができる。また、負極集電タブは、外装体内において負極集電体層と電気的に接続されており、かつ一方の蓋部と筒状の胴部のフランジとの間の接合部から、外装体の外部に突出していることができる。正極集電タブと負極集電タブとが突出している接合部は、同じであってよい。

また、本開示の電池モジュールは、一対の蓋部を挟んでいる一対のエンドプレートによって拘束圧が加えられていてよい。

図１は、本開示の第１の実施形態に従う電池モジュールが有している外装体の模式図である。図１において、外装体１０は、両端の開口端部にフランジを有している筒状の胴部１１及び一対の蓋部１２を有している。ここで、筒状の胴部１１の両端の開口端部のフランジと一対の蓋部１２の外縁部としてのフランジとが接合されて接合部を形成している。外装体１０は、この接合部によって封止されている。

なお、図１は、本開示の電池モジュールの態様等を限定する趣旨ではない。

図２は、本開示の第１の実施形態に従う電池モジュールが有している全固体電池積層体の模式図である。図２において、全固体電池積層体２０は、一つの構成単位セルから構成されている。構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層２１、正極活物質層２２、固体電解質層２３、負極活物質層２４、及び負極集電体層２５を有している。

なお、図２は、本開示の電池モジュールの態様等を限定する趣旨ではない。

原理によって限定されるものではないが、本開示によって、生産効率を向上させた電池モジュールを提供することができる原理は、以下のとおりと考えられる。

本開示の電池モジュールでは、構成単位セルを構成する各層の積層方向が、外装体の筒状の胴部の軸方向と一致する。そのため、構成単位セルの数が異なる電池モジュール間では、外装体の筒状の胴部の軸方向の長さが異なる。

この点について、本開示の電池モジュールが有する外装体は、筒状の胴部と一対の蓋部の３つの部品から形成されている。

このうち、一対の蓋部は、構成単位セルの面方向の形状が同じであれば、構成単位セルの数が異なる全固体電池積層体を有する電池モジュール間で、共通の部品として用いることができる。

そのため、本開示の電池モジュールの外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部という３つの部品のうち、筒状の胴部のみについて、その軸方向の長さを適宜調節することにより、構成単位セルの数が異なる全固体電池積層体を有する電池モジュールに用いられる外装体を形成することができる。また、筒状の胴部に関しても、軸方向の長さを変更することは、特に筒状の胴部がシート状部材を巻回することによって形成する場合には、このシート状部材の幅を変更することのみにより、構成単位セルの数が異なる全固体電池積層体を有する電池モジュールに用いられる外装体を形成することができる。

そのため、本開示の電池モジュールは、外装体の部品を電池モジュールの大きさごとに複数製造する場合にも、生産性の低下を抑制できる。

また、本開示の電池モジュールは、一対の蓋部が、外縁部がフランジであるカップ形状であり、一対の蓋部のカップ状の底部が、筒状の胴部の開口端部の外側を向いており、一対の蓋部の少なくとも一方が、筒状の胴部よりも剛性が低く、かつ全固体電池積層体は、筒状の胴部の軸方向に関して、筒状の胴部よりも長いことが好ましい。

全固体電池は、用いられている材料の種類、特に負極活物質の種類によっては、充放電に伴って膨張収縮する場合があることが知られている。正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層されている構造を有する構成単位セルを有している全固体電池積層体では、充放電に伴って主に構成単位セルの積層方向に膨張収縮すると考えられる。

本開示の電池モジュールでは、構成単位セルを構成する各層の積層方向が、外装体の筒状の胴部の軸方向である。そのため、全固体電池積層体を充放電した場合には、主に電池モジュールの筒状の胴部の軸方向に全固体電池積層体が膨張収縮すると考えられる。

電池モジュールにおいて、全固体電池積層体と外装体との間の隙間が小さい場合には、全固体電池積層体の膨張収縮によって外装体が内部から圧迫されて破損する場合があると考えられる。このような問題を解消するための方法としては、例えば全固体電池積層体の膨張を許容できる程度に全固体電池積層体と外装体との間の隙間を大きくすることが考えられる。しかしながら、外装体が大きくなると、体積エネルギー密度が増加してしまう。

この点に関して、本開示の電池モジュールの蓋部がこのような形状、配置、及び剛性を有しており、かつ全固体電池積層体がこのような長さを有している場合、電池モジュールの外装体の内部が全固体電池積層体とほぼ同じ大きさ、すなわち全固体電池積層体と外装体との間の隙間が小さい場合であっても、充放電に伴う全固体電池の膨張にあわせて、蓋部が変形、特に筒状の胴部の軸方向に伸縮しやすく、外装体が破損しにくい。そのため、全固体電池積層体と外装体との間の隙間を低減させつつ、外装体の破損を抑制することができる。すなわち、体積エネルギー密度を低減しつつ、全固体電池積層体の膨張による外装体の破損を抑制することができる。

《外装体》
本開示の電池モジュールが有している外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部を有している。また、筒状の胴部の両端のフランジと、一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、接合部によって、外装体が封止されている。

外装体の材料は、外装体を形成できる任意の材料であってよく、例えば金属板、例えばステンレス鋼板、若しくはアルミニウム板、又はラミネートフィルム等であってよいが、これ等に限定されない。なお、金属板等の導電性を有する材料を用いる場合には、外装体の内側面に絶縁性を与えるために、外装体の内面を形成する面に樹脂などのコーティングが施されていることが好ましい。

〈筒状の胴部〉
外装体の筒状の胴部は、両端の開口端部にフランジを有している。このフランジは、外装体の筒状の胴部と一対の蓋部とを接合するための部分である。なお、胴部の形状は、筒状であれば特に限定されず、例えば略円筒形状又は略角筒形状であってよい。外装体の内部に全固体電池積層体を収容する観点から、胴部の形状は、略角筒形状、特に四角筒であることが好ましい。

なお、筒状の胴部は、一対の蓋部のうち少なくとも一方よりも高い剛性を有することが好ましい。ここで、剛性が高いとは、材料が応力によってより変形、例えば伸長しにくいことを意味している。

筒状の胴部は、筒形状を成形することができる任意の方法により成形することができるが、例えば、シート状部材を巻回し、その端部同士を接合して筒形状を成形することが考えられる。シート状部材の端部同士を接合して筒形状を成形する場合には、シートの幅を適宜調節することによって、全固体電池積層体の厚さに応じた長さの筒形状を特に成形しやすい。

〈蓋部〉
本開示の電池モジュールは、１対の蓋部を有している。蓋部の形状は、蓋部の外縁部と筒状の胴部のフランジとを接合できる任意の形状であってよい。蓋部の形状は、例えばシート、より具体的には平面状のシート又は凸状のシートであってよい。また、蓋部の形状は、外縁部がフランジであるカップ形状であってよい。

少なくとも一方の蓋部は、筒状の胴部よりも低い剛性を有することが好ましい。ここで、剛性が低いとは、材料が応力によってより変形、例えば伸長しやすいことを意味している。

なお、蓋部と筒状の胴部との剛性の差は、それぞれに異なる種類の材料を用いて与えてもよく、同種の材料を用いつつ、蓋部と筒状の胴部のそれぞれの厚さを変えることによって与えてもよいが、これ等の手段に限定されない。

〈接合部〉
本開示の電池モジュールにおいて、筒状の胴部の両端のフランジと、一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、接合部によって、外装体が封止されている。

筒状の胴部の両端のフランジと一対の蓋部の外縁部とを接合する手段としては、形成される接合部によって外装体を封止することができる任意の手段を用いることができる。具体的には、筒状の胴部の両端のフランジと一対の蓋部の外縁部との接合箇所に接着剤を塗布して接合させてもよく、当該接合箇所を加熱して溶着してもよい。

また、筒状の胴部及び一対の蓋部の材料として、表面に熱可塑性樹脂の層を有しているラミネートシートを用いている場合には、筒状の胴部の両端のフランジと、一対の蓋部の外縁部とを熱溶着によって接合することもできる。

本開示の電池モジュールは、接合部の少なくとも一辺が、筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれていることが好ましい。また、当該接合部の対向する一対の辺が、筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれていてもよい。さらには、接合部のうち折りたたまれている辺が、筒状の胴部のフランジの基部を起点として折りたたまれていてもよい。

本開示の電池モジュールにおいて、接合部は外装体の筒状の胴部から突出している。そして、筒状の胴部からの突出が大きいほど、電池モジュールを基体等に配置した際の電池モジュールによる占有体積が大きくなりやすく、すなわち体積エネルギー密度が大きくなりやすい。

この点に関して、電池モジュールの外装体の接合部が筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれている場合、筒状の胴部からの突出の度合いが小さくなる。そのため、電池モジュールを基体等に配置した際の電池モジュールによる占有体積を小さくすることができ、すなわち体積エネルギー密度を低減することができる。また、本開示の電池モジュールのフランジが、剛性の高い材料で作られている場合、折り曲げられた形状の保持が容易である。すなわち、折り曲げられた形状を保持するためにテープなどで折り曲げた部分を固定する必要がない。

図３は、本開示の第２の実施形態に従う電池モジュールにおいて、接合部が折りたたまれている態様の模式図である。図３において、接合部１３は、蓋部１２の外縁部と筒状の胴部１１のフランジとが接合されて形成されている。また、接合部１３は、フランジの基部１４を起点として筒状の胴部１１の中央方向に向かって折りたたまれている。

なお、図３は、本開示の電池モジュールの態様等を限定する趣旨ではない。

《全固体電池積層体》
本開示の電池モジュールが有している全固体電池積層体は、１又は複数の構成単位セルを有している。全固体電池積層体が構成単位セルを複数個有している場合には、各構成単位セル同士は、全固体電池積層体内部において直列又は並列で電気的に接続されていてよい。

また、全固体電池積層体は、２以上の構成単位セルを有する場合、モノポーラ型の全固体電池積層体であってもよく、バイポーラ型の全固体電池積層体であってもよい。

全固体電池積層体がモノポーラ型の全固体電池積層体である場合、積層方向に隣接する２つの構成単位セルは、正極集電体層又は負極集電体層を共有するモノポーラ型の構成であってよい。

全固体電池積層体がバイポーラ型の全固体電池積層体である場合、積層方向に隣接する２つの構成単位セルは、正極及び負極集電体層の両方として用いられる正極／負極集電体層を共有するバイポーラ型の構成であってよい。

一対の蓋部が、外縁部がフランジであるカップ形状であり、一対の蓋部のカップ状の底部が、筒状の胴部の開口端部の外側を向いている場合には、全固体電池積層体は、外装体の筒状の胴部の軸方向に関して、外装体の筒状の胴部よりも長くてよい。この場合、全固体電池積層体は、一対の蓋部の底部に接していてよい。

〈構成単位セル〉
構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有している。これらの各層は、電池が有するものであれば特に限定されない。構成単位セルを構成する各層の積層方向は、筒状の胴部の軸方向である。

構成単位セルは、例えばリチウム二次電池であってよいが、他の種類の電池であってもよい。

《冷却シート》
本開示の電池モジュールは、冷却シートが、その主平面が筒状の胴部の面に接するようにして配置されていることが好ましい。

全固体電池積層体を充放電する際に、全固体電池積層体が発熱することが知られている。そのため、電池モジュールに冷却板等を接触させて、全固体電池積層体を冷却することが求められている。

本開示の電池モジュールにおいて、冷却シートが、その主平面が筒状の胴部の面に接するようにして配置されている場合、冷却シートの電池モジュールに対する接触面積を大きくすることができ、冷却効率を向上させることができる。

冷却シートは、接合部よりも外装体の筒状の胴部の中央側に配置されていることがより好ましい。

本開示の電池モジュールは、筒状の胴部の両端において、筒状の胴部から突出している接合部を有している。冷却シートを接合部よりも筒状の胴部の中央側に配置することにより、接合部と冷却シートとの厚さが重ならないように配置することができ、電池モジュール及び冷却シートを基体等に配置した際の電池モジュール及び冷却シートによる占有体積を小さくすることができる。そのため、電池モジュールの冷却効率を向上させつつ、体積エネルギー密度を低減させることができる。

冷却シートのうち外装体の筒状の胴部の面に接している部分の厚さが、当該面から突出している接合部の厚さの最大値以下であることが、さらにより好ましい。ここで、接合部の厚さは、接合部に関して、冷却シートが接している筒状の胴部の面に鉛直な方向の長さである。

冷却シートと接合部がこのような厚さの関係を有することにより、電池モジュールに冷却シートを備えさせることによる占有体積の増加を抑制することができる。

ただし、電池モジュール同士を重ねて基体に配置し、かつ電池モジュール同士の間に冷却シートを挿入する場合には、冷却シートが両方の外装体の筒状の胴部と接触することを可能とするために、冷却シートのうち外装体の筒状の胴部の面に接している部分の厚さが、当該面から突出している接合部の厚さの２倍以上であることが好ましい。

冷却シートの材料としては、全固体電池積層体の充放電時において生じる熱を電池モジュールの外部に伝導し、及び／又は吸収することができる任意の材料を用いることができる。具体的には、冷却シートは金属板、例えば銅板、アルミニウム板、鉄板、又はステンレス鋼板等であってよいが、これ等に限定されない。

図４は、本開示の第３の実施形態に従う電池モジュールにおいて、外装体及び冷却シートの位置関係を示す模式図である。図４において、冷却シート３０は、外装体１０の筒状の胴部１１の面に接するようにして配置されている。また、冷却シート３０は、筒状の胴部１１と一対の蓋部１２とが接合している接合部よりも筒状の胴部１１の中央側に配置されている。

なお、図４は、本開示の電池モジュールの態様等を限定する趣旨ではない。

図５は、図４におけるＡ−Ａ’線に沿った、本開示の第３の実施形態に従う電池モジュールの断面図の模式図である。図５において、冷却シート３０のうち、外装体の筒状の胴部１１の面に接している部分の厚さｄ_２は、外装体の筒状の胴部１１の面から突出している接合部の厚さｄ_１よりも小さい。

なお、図５は、本開示の電池モジュールの態様等を限定する趣旨ではない。

１０ 外装体
１１ 筒状の胴部
１２ 蓋部
１３ 接合部
２０ 全固体電池積層体
３０ 冷却シート

Claims (7)

1. 外装体及び前記外装体に封入されている全固体電池積層体を有している電池モジュールであって、
   前記外装体は、筒状の胴部及び一対の蓋部を有しており、
   前記筒状の胴部は、両端の開口端部にフランジを有しており、
   前記筒状の胴部の両端のフランジと、前記一対の蓋部の外縁部とがそれぞれ接合されて接合部を形成し、前記接合部によって、前記外装体が封止されており、
   前記全固体電池積層体は、１又は複数の構成単位セルを有しており、
   前記構成単位セルは、この順に積層されている正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有しており、かつ
   前記構成単位セルを構成する各層の積層方向が、前記筒状の胴部の軸方向であり、
   前記一対の蓋部は、外縁部がフランジであるカップ形状であり、
   前記一対の蓋部のカップ状の底部は、前記筒状の胴部の開口端部の外側を向いており、
   前記一対の蓋部の少なくとも一方は、前記筒状の胴部よりも剛性が低く、かつ
   前記全固体電池積層体は、前記筒状の胴部の軸方向に関して、前記筒状の胴部よりも長い、
   電池モジュール。
2. 前記接合部の少なくとも一辺が、前記筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記接合部の対向する一対の辺が、前記筒状の胴部の中央方向に向かって折りたたまれている、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記接合部のうち折りたたまれている辺が、前記筒状の胴部のフランジの基部を起点として折りたたまれている、請求項２又は３に記載の電池モジュール。
5. 冷却シートが、その主平面が前記筒状の胴部の面に接するようにして配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 冷却シートが、前記接合部よりも前記筒状の胴部の中央側に配置されている、請求項５に記載の電池モジュール。
7. 前記冷却シートのうち前記面に接している部分の厚さが、前記面から突出している前記接合部の厚さの最大値以下である、請求項５又は６に記載の電池モジュール。

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