JP2020113496A - 全固体電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率のよい電池モジュールを得ることのできる全固体電池セルを提供する。【解決手段】電解液を用いない全固体電池セルを用いて、電池セル内部の電極積層体の下面に伝熱材を配置し、伝熱材から外装材を通過するよう熱伝導させて放熱する構成を有する電池セルとする。【選択図】図１

Description

本発明は、全固体電池セル関する。さらに詳しくは、冷却効率のよい電池モジュールを得ることのできる、全固体電池セルに関する。

従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを存在させ、液体の電解質（電解液）が充填された構造を有する。

リチウムイオン二次電池の電解液は、通常、可燃性の有機溶媒であるため、特に、熱に対する安全性が問題となる場合があった。そこで、有機系の液体の電解質に代えて、無機系の固体の電解質を用いた固体電池が提案されている（特許文献１参照）。

固体二次電池は、正極および負極の間に、電解質層として固体の電解質層を備え、正極、固体電解質、負極の構成を、複数積層して１つの電池セルを構成する。固体電解質による固体電池は、電解液を用いる電池と比較して、熱の問題を解消するとともに、積層により高容量化および／または高電圧化することができ、さらに、コンパクト化の要請にも対応することができる。

ここで、従来の液体の電解質（電解液）が充填された液系の二次電池は、電池内部の温度上昇を抑制して安全性を担保する目的で、セルで発生した熱を、セルの外装材である金属を伝熱させて、セル外に存在する冷却媒体に放熱する冷却構造となっている。

特開２０００−１０６１５４号公報

従来の電解液型電池セルを用いた電池モジュール構造を、図２に示す。図２に示される電池モジュール３０を構成する電池セル４０においては、電極積層体３２が外装材３１に封入されている。電極積層体３１は、端部から延出する集電タブ３３を備え、集電タブ３３は、電池セル４０の端部の端子３４に接続している。

図２に示される電解液型の電池セル４０においては、外装材３１の内部に電解液３５が充填されており、電解液３５は、重力によって外装材３１の下部に溜りをつくっている。

図２に示される電池モジュール３０においては、電池セル４０の下部に、セル外第１伝熱材３６、ローワープレート３７、セル外第２伝熱材３８、冷媒３９が順次配置されている。

図２に示される電池モジュール３０を構成する従来の電解液型の電池セル４０においては、電極積層体３１は、図に示すＹ軸方向に立てて封入されており、その積層方向はＸ軸方向となっている（図示せず）。電解液３５はセルの上部から注液され、電池の耐久性能を保持する観点から、電極の空隙以上に余剰に注入するため、重力により電池セル４０の下部にたまる構造となっている。

図２に示される電池モジュール３０においては、電池セル４０の冷却は、電池セル４０の下面から伝熱させる方法による。すなわち、電池セル４０の内部で発生した熱は、図２に矢印で示される伝熱経路Ｐ３１を通って、放熱される。

具体的には、電池セル４０の内部で発生した熱は、電極積層体３２の中心から、電極積層体３２の積層面の方向（図中のＹ軸方向）に移動して電池セル４０の下部に向かい、電解液３５の溜りに到達する。

ここで、電解液３５は熱伝導率が低いことから、電解液３５の溜りは熱の伝導を阻害する。このため、熱は電解液３５の溜りの前で進行方向を屈曲させて外装材３１まで迂回した後に、外装材３１を通って、電池セル４０の下部に積層配置されたセル外第１伝熱材３６に入り、ローワープレート３７、およびセル外第２伝熱材３８を通過して、冷媒３９に到達する。

ここで、電極積層体の熱伝導は、積層方向よりも、積層体の積層面の方向のほうがよい。したがって、電解液３５の溜りによって進行方向を屈曲させて、電極積層体の積層方向を伝熱経路としなければならない従来構造の電池モジュールは、熱伝導率が悪い経路にて熱を伝導させることとなり、冷却効率が悪い状況となる。さらに、図２に示される伝熱経路Ｐ３１は、電解液３５の溜りによって迂回を余儀なくされるため、伝熱距離が長くなり、この点からも冷却効率の低下が生じる。

また、図２に示される電池モジュール３０を構成する従来の電解液型の電池セル４０においては、電解液の注液および安全性を担保するためのガス溜空間として、空隙Ｓを必要としていた。

電池モジュールにおいては、通常、端子部やタブ部における発熱が大きく、このため、これら部分の冷却も必要とされている。しかしながら、図２に示される電池モジュール３０において、端子３４や集電タブ３３で発生した熱は、図２に矢印で示される伝熱経路Ｐ３２を通って電池セル４０の内部に移動し、その後、伝熱経路Ｐ３１を通って放熱される。

すなわち、空隙Ｓが存在しているために、端子３４から集電タブ３３に移動するにあたって、迂回せざるを得ない状況となり、その結果、伝熱距離が長くなり、冷却効率の低下が生じる。また、図２に示されるＹ軸方向に温度分布がつきやすく、温度コントロールが困難な状況となっていた。

本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却効率のよい電池モジュールを得ることのできる全固体電池セルを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を行った。そして、電解液を用いない全固体電池セルを用いて、電池セル内部の電極積層体の下面に伝熱材を配置し、伝熱材から外装材を通過するよう熱伝導させて放熱すれば、冷却効率のよい電池モジュールを構成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、電極積層体が外装材に封入された全固体電池セルであって、前記電極積層体は、端部から延出する集電タブを備え、前記集電タブは、前記全固体電池セルの端部から導出する端子に接続しており、前記外装材の内部に、前記電極積層体と前記外装材とに接するように、第１伝熱材が配置される、全固体電池セルである。

前記第１伝熱材は、前記外装材の少なくとも1つの面に沿って配置されていてもよい。

前記第１伝熱材は、前記電極積層体の積層方向に配置されていてもよい。

前記第１伝熱材が配置される前記外装材の面の裏側には、冷却システムが配置されていてもよい。

前記集電タブと前記端子との間に、さらに、第２伝熱材が配置されていてもよい。

前記第２伝熱材は、前記全固体電池セルの空隙に配置されていてもよい。

本発明の全固体電池セルは、電極積層体の下面に伝熱材を配置することで、迂回経路を通ることなく熱が伝導するため、効率的に電池セルを冷却することができる。その結果、従来問題となっていたセル中心部の熱のこもりを抑制し、本発明の全固体電池セルを用いた電池モジュールは、耐久性が向上する。

また、中心部の熱のこもりが抑制されることから、電極積層体の積層枚数を増加することができ、電池セルのエネルギー密度を向上することができる。

さらに、冷却効率が向上することから、モジュールに備えさせる冷却システムの能力を下げることができ、その結果、コストを低減することができる。

さらに、冷却システムの重量と体積を削減できることから、電池モジュール全体の重量および大きさを低減することが可能となり、エネルギー密度を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る全固体電池セルを用いた電池モジュールを示す図である。 従来の電解液型電池セルを用いた電池モジュールを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。たたし、以下に示す実施例は、本発明を例示するものであって、本発明は下記に限定されるものではない。

＜全固体電池セル＞
本発明の全固体電池セルは、電極積層体が外装材に封入された全固体電池セルであって、電極積層体は、端部から延出する集電タブを備え、集電タブは、前記全固体電池セルの端部から導出する端子に接続している。そして、外装材の内部に、電極積層体と外装材とに接するように、第１伝熱材が配置された構造を有する。

本発明の一実施形態に係る全固体電池セルを用いた電池モジュール構造を、図１に示す。図１に示される電池モジュール１０を構成する電池セル２０においては、電極積層１２が外装材１１に封入されている。電極積層体１１は、端部から延出する集電タブ１３を備え、集電タブ１３は、電池セル２０の端部の端子1４に接続している。

図１に示される本発明の一実施形態に係る全固体の電池セル２０においては、外装材１１の内部には電解液は存在していない。一方で、電極積層体１２と外装材１１とに接するように、第１伝熱材１５ａが配置される。第１伝熱材１５ａは、外装材１１の底面に沿って、面状に配置されている。

図１に示される電池モジュール１０においては、本発明の一実施形態に係る電池セル２０の下部に、セル外第１伝熱材１６、ローワープレート１７、セル外第２伝熱材１８、冷媒１９が順次配置されている。

図１に示される電池モジュール２０を構成する本発明の一実施形態に係る全固体の電池セル２０においては、電極積層体１１は、図に示すＹ軸方向に立てて封入されており、その積層方向はＸ軸方向となっている（図示せず）。

図１に示される本発明の一実施形態に係る電池モジュール１０においては、電池セル２０の冷却は、電池セル２０の下面から伝熱させる方法による。すなわち、電池セル２０の内部で発生した熱は、図１に矢印で示される伝熱経路Ｐ１を通って、放熱される。

具体的には、電池セル２０の内部で発生した熱は、電極積層体１２の中心から、電極積層体１２の積層面の方向（図中のＹ軸方向）に移動して電池セル２０の下部に向かい、第１伝熱材１５ａに到達する。

ここで、第１伝熱材１５ａは熱伝導率が高いことから、熱の伝導を阻害しない。このため、熱は第１伝熱材１５ａをそのまま通過し、外装材３１に到達する。その後、電池セル４０の下部に積層配置されたセル外第１伝熱材３６に入り、ローワープレート３７、およびセル外第２伝熱材３８を通過して、冷媒３９に到達する。

本発明の全固体電池セルは、外装材の内部に、電極積層体と外装材とに接するように、第１伝熱材が存在していることを特徴とする。第１伝熱材が、電極積層体と外装材との伝熱経路として活用されるため、従来の電解液の溜りによって迂回を余儀なくされていた状況を回避することができる。このため、伝熱距離が短くなり、冷却効率を向上することができる。

本発明の全固体電池セルに用いられる第１伝熱材の材料は、特に限定されるものではなく、電池セルで発生した熱を伝導できるものであればよい。なかでは、電極積層体よりも熱伝導率の高い素材とすれば、さらに効率的に熱を伝導させることができ、冷却効率を向上させることができる。本発明において、第１伝熱材の熱伝導率は、電極積層体の積層方向（図１においてはＸ軸方向）の熱伝導率と同等以上とすることが好ましい。

また、本発明の全固体電池セルに用いられる第１伝熱材は、電気絶縁性を有する材料であることが好ましい。電気絶縁性を有することにより、電池セルの短絡を防止することができる。

また、本発明の全固体電池セルに用いられる第１伝熱材は、電極積層体を構成する材料に対して、化学的に安定な材料であることが好ましい。化学的に安定な材料とすることにより、電池セルの安全性を向上することができる。

さらに、本発明の全固体電池セルに用いられる第１伝熱材は、緩衝材としての機能を発揮するものであることが好ましい。緩衝材としての機能を有していれば、振動に対する電池セルの耐久性が向上し、電池モジュールの耐久性に寄与する。

特に、全固体電池は、積層方法（図１においてはＸ軸方向）と比較して、積層方向に対して垂直な方向（図１においてはＹ軸方向）からの衝撃に対しての耐性が低く、割れが発生しやすい傾向にある。したがって、第１伝熱材を、電極積層体の積層方向に、電極積層体の端面を被覆するように配置することで、電池セルの耐衝撃性を向上し、割れを抑制することが可能となる。

また、電極積層体の熱伝導率は、積層方向（図１においてはＸ軸方向）よりも、積層体の積層面の方向（図１においてはＹ軸方向）のほうが高い。このため、第１伝熱材を、電極積層体の積層方向に、電極積層体の端面を被覆するように配置すれば、電極積層体の熱伝導率が高い方向で熱を伝導させることができ、冷却効率をより向上することが可能となる。

なお、第１伝熱材を、電極積層体の積層方向に、電極積層体の端面を被覆するように配置する場合には、第１伝熱材は、電極積層体のすべての電極層に接触するように配置することが好ましい。すべての電極層に接することにより、すべての電極層から直接、しかも熱伝導率が高い経路で、第１伝熱材に熱を伝導させることができ、冷却効果をさらに向上することが可能となる。

図１に示される本発明の一実施形態に係る全固体の電池セル２０においては、外装材１１の内部に、集電タブ１３と端子１４との間に、第２伝熱材１５ｂが配置されている。

本発明の全固体電池セルは、外装材の内部の集電タブと端子との間に、第２伝熱材が配置されていることが好ましい。第２伝熱材の配置により、電池セルの冷却効率が向上するとともに、温度コントロールが容易となる。

一般に、電池モジュールにおいては、端子部やタブ部における発熱が大きく、冷却の必要性があった。これに対して、集電タブと端子との間に、第２伝熱材を配置することで、本発明の全固体電池セルは、端子部やタブ部周辺の冷却効率を向上することができる。

また、集電タブと端子との間に、第２伝熱材を配置することで、電池セルを低温にて使用する際には、逆に、端子部で発生した熱を利用することが可能となり、低温時の出力特性を向上させることができる。

図１に示される本発明の一実施形態に係る全固体の電池セル２０おいて、端子１４や集電タブ１３で発生した熱は、図１に矢印で示される伝熱経路Ｐ２を通って電池セル２０の内部に移動し、その後、伝熱経路Ｐ１を通って放熱される。

すなわち、本発明の全固体電池セルが、外装材の内部の集電タブと端子との間に、第２伝熱材を備える場合には、第２伝熱材は、集電タブと端子との伝熱経路として活用される。このため、従来の電解液型電池セルにおいて、電解液の注液および安全性を担保するために必要とされていた空隙Ｓ（図２においては空隙Ｓ）によって迂回を余儀なくされていた状況を回避でき、その結果、伝熱距離が短くなり、冷却効率を向上することができる。

なお、第２伝熱材は、従来の電解液型の電池セルにおいて、電解液の注液および安全性を担保するための空隙Ｓ（図２においては空隙Ｓ）に配置することが好ましい。

これにより、全固体電池セルには必要のないスペースを活用することができ、また、伝熱材の配置による電池モジュールの体積の増大を防止することができる。したがって、電池のエネルギー密度の低下を防止しつつ、冷却効率を向上させることができる。

＜その他の構成＞
本発明の全固体電池セルにおいて、上記した以外の構成については、特に限定されるものではない。電池の分野において、公知となっている材料、方法等を適用することができる。

１０、３０ 電池モジュール
２０、４０ 電池セル
１１、３１ 外装材
１２、３２ 電極積層体
１３、３３ 集電タブ
１４、３４ 端子
１５ａ 第１伝熱材
１５ｂ 第２伝熱材
３５ 電解液
１６、３６ セル外第１伝熱材
１７、３７ ローワープレート
１８、３８ セル外第２伝熱材
１９、３９ 冷媒
Ｓ 空隙
Ｐ１ 伝熱経路１
Ｐ２ 伝熱経路２
Ｐ３１ 伝熱経路３１
Ｐ３２ 伝熱経路３２

従来の電解液型電池セルを用いた電池モジュール構造を、図２に示す。図２に示される電池モジュール３０を構成する電池セル４０においては、電極積層体３２が外装材３１に封入されている。電極積層体３２は、端部から延出する集電タブ３３を備え、集電タブ３３は、電池セル４０の端部の端子３４に接続している。

図２に示される電池モジュール３０を構成する従来の電解液型の電池セル４０においては、電極積層体３２は、図に示すＹ軸方向に立てて封入されており、その積層方向はＸ軸方向となっている（図示せず）。電解液３５はセルの上部から注液され、電池の耐久性能を保持する観点から、電極の空隙以上に余剰に注入するため、重力により電池セル４０の下部にたまる構造となっている。

本発明の一実施形態に係る全固体電池セルを用いた電池モジュール構造を、図１に示す。図１に示される電池モジュール１０を構成する電池セル２０においては、電極積層体１２が外装材１１に封入されている。電極積層体１２は、端部から延出する集電タブ１３を備え、集電タブ１３は、電池セル２０の端部の端子１４に接続している。

図１に示される電池モジュール１０を構成する本発明の一実施形態に係る全固体の電池セル２０においては、電極積層体１２は、図に示すＹ軸方向に立てて封入されており、その積層方向はＸ軸方向となっている（図示せず）。

ここで、第１伝熱材１５ａは熱伝導率が高いことから、熱の伝導を阻害しない。このため、熱は第１伝熱材１５ａをそのまま通過し、外装材１１に到達する。その後、電池セル２０の下部に積層配置されたセル外第１伝熱材１６に入り、ローワープレート１７、およびセル外第２伝熱材１８を通過して、冷媒１９に到達する。

特に、全固体電池は、積層方向（図１においてはＸ軸方向）と比較して、積層方向に対して垂直な方向（図１においてはＹ軸方向）からの衝撃に対しての耐性が低く、割れが発生しやすい傾向にある。したがって、第１伝熱材を、電極積層体の積層方向に、電極積層体の端面を被覆するように配置することで、電池セルの耐衝撃性を向上し、割れを抑制することが可能となる。

Claims (6)

1. 電極積層体が外装材に封入された全固体電池セルであって、
   前記電極積層体は、端部から延出する集電タブを備え、
   前記集電タブは、前記全固体電池セルの端部から導出する端子に接続しており、
   前記外装材の内部に、前記電極積層体と前記外装材とに接するように、第１伝熱材が配置される、全固体電池セル。
2. 前記第１伝熱材は、前記外装材の少なくとも1つの面に沿って配置される、請求項１に記載の全固体電池セル。
3. 前記第１伝熱材は、前記電極積層体の積層方向に配置される、請求項１または２に記載の全固体電池セル。
4. 前記第１伝熱材が配置される前記外装材の面の裏側には、冷却システムが配置される、請求項１から３いずれかに記載の全固体電池セル。
5. 前記集電タブと前記端子との間に、さらに、第２伝熱材が配置される、請求項１〜４いずれかに記載の全固体電池セル。
6. 前記第２伝熱材は、前記全固体電池セルの空隙に配置される、請求項５に記載の全固体電池セル。

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