JP2021082407A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの厚みが変化しても安定して拘束荷重を印加することができる電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明により、複数の電池セル１２を積層した積層体１０と、積層体１０を積層方向Ｔに押圧する加圧機構３０と、を備える電池モジュール１００が提供される。加圧機構３０は、積層方向Ｔと直交する方向Ｘに沿う回動軸を中心として回動する回動部材３２と、回動部材３２に取り付けられ、積層体１０を積層方向Ｔに押圧する押圧部材３８と、回動部材３２に取り付けられ、積層方向Ｔに沿って延びる延伸部材３４と、延伸部材３４に設けられ、押圧部材３８を付勢する荷重部材３６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

複数の電池セル（単電池）を電気的に接続してなる電池モジュールは、高出力電源として広く利用されている。電池モジュールでは、電池性能や電池寿命等を安定して発揮するために、電池セルに対して拘束荷重を加えることがある。拘束荷重の印加に関する従来技術文献として、特許文献１、２が挙げられる。

例えば特許文献１には、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、挿通孔を有する一対のエンドプレートと、当該一対のエンドプレートの挿通孔に挿通されるボルトと、当該ボルトに嵌め合わせられるナットと、を備える電池パックが開示されている。特許文献１の電池パックでは、エンドプレートの挿通孔にボルトが挿通され、当該ボルトにナットが嵌め合わせられることにより、エンドプレートが締め付けられる。これにより、一対のエンドプレートの間の積層方向の長さが固定され（定寸となり）、積層体に対して積層方向から所定の拘束荷重が加えられる。

特許第５９５４２５８号公報 特開２０１８−１０６９３０号公報

ところで、電池セルは、例えば環境温度の変化等によって収縮することがある。電池セルが収縮すると、電池セルの積層方向の長さ（厚み）が減少することがある。そのため、本発明者の検討によれば、特許文献１のように定寸で積層体に対して拘束荷重を加える方法では、電池セルの収縮に伴って拘束荷重が変動し、電池セルに安定して適切な拘束荷重を印加できないことがある。また、電池セルの収縮を見越して初期に適切な値よりも大きな拘束荷重を印加すると、電池セル内の構成に変化が生じ、電池性能が十分に発揮されない虞がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池セルの厚みが変化しても安定して拘束荷重を印加することができる電池モジュールを提供することにある。

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、上記積層体を積層方向に押圧する加圧機構と、を備える。上記加圧機構は、上記積層方向と直交する方向に沿う回動軸を中心として回動する回動部材と、上記回動部材に取り付けられ、上記積層体を上記積層方向に押圧する押圧部材と、上記回動部材に取り付けられ、上記積層方向に沿って延びる延伸部材と、上記延伸部材に設けられ、上記押圧部材を付勢する荷重部材と、を備える。

このような構成によれば、電池セルが収縮して電池セルの厚みが減少した場合であっても、電池セルに対して適切な拘束荷重を安定して印加することができる。したがって、上記構成によれば、初期に適切な値よりも大きな拘束荷重を印加する必要もなくなり、電池性能をいかんなく発揮することができる。

一実施形態に係る電池モジュールを模式的に示す斜視図である。 比較例１の電池モジュールを模式的に示す斜視図である。 実施例１および比較例１の電池モジュールについて、抵抗の変化量（％）を比較したグラフである。 実施例１および比較例１の電池モジュールについて、電池セル内のセパレータの収縮量（％）を比較したグラフである。

以下、図面を参照しながら、ここに開示される技術の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながらここに開示される技術を限定することを意図したものではない。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ここに開示される技術の実施に必要な事柄（例えば、ここに開示される技術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。ここに開示される技術は、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、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。

＜電池モジュール＞
図１は、本実施形態に係る電池モジュール１００の斜視図である。電池モジュール１００は、積層体１０と、定寸拘束機構２０と、加圧機構３０と、を備えている。定寸拘束機構２０および加圧機構３０は、積層体１０を積層方向Ｔに押圧する治具の一例である。積層体１０は、複数の電池セル１２と、複数のプレート１４と、を備えている。なお、図面中の符号Ｘ、Ｙ、Ｔは、それぞれ、電池セル１２の一の側面（幅広面）の幅方向、鉛直方向、電池セル１２の配列方向（積層体１０の積層方向）、を意味するものとする。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、電池モジュール１００の設置態様を何ら限定するものではない。

複数の電池セル１２は、いずれも扁平な角型であり、同一形状を有している。複数の電池セル１２は、一対の平坦な幅広面（図１のＸＹ平面）が対向するように、積層方向Ｔ（図１の左右方向）に沿って一列に並んでいる。複数の電池セル１２は、典型的には図示しないバスバー等の導電部材によって、相互に電気的に接続されている。複数の電池セル１２は、典型的には充放電可能な二次電池、例えばリチウムイオン二次電池であってもよい。複数の電池セル１２は、それぞれ、図示しない発電要素が筐体となる電池ケースに収容されて構成されている。複数の電池セル１２は、気密に封止された密閉状態であってもよく、電池ケースの内部と大気とが連通した開放状態であってもよい。

電池セル１２の構成については従来と同様でよく、特に限定されない。発電要素は、典型的には、正極と、負極と、正極と負極とを絶縁するセパレータと、電解質と、を備えている。正極、セパレータ、負極は、積層方向Ｔに並んでいてもよい。正極と負極とは、それぞれ、電荷担体を可逆的に吸蔵及び放出可能な活物質を含んでいる。セパレータは、正極と負極との間に介在している。セパレータは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シートである。電解質は、例えば非水溶媒とリチウム塩等の支持塩とを含んでいる。電池ケースは、例えばアルミニウム等の軽量な金属製である。

複数のプレート１４は、いずれも平板状の部材であり、同一形状を有している。複数のプレート１４は、電池セル１２の積層方向Ｔの両側にそれぞれ配置され、電池セル１２を積層方向Ｔの両側から挟み込んでいる。プレート１４の幅広面（図１のＸＹ平面）は、電池セル１２の幅広面（図１のＸＹ平面）と対向し、当接している。プレート１４の幅広面は、電池セル１２の幅広面よりも面積が広い。プレート１４は、電池セル１２の幅広面を積層方向Ｔから均質に加圧する機能を有する。プレート１４は、電池セル１２で発生した熱を放散させるための流体の流路を有し、放熱板として機能をさらに有していてもよい。プレート１４は、熱伝導性を有する材料（例えば金属）で構成され、電池セル１２を冷却する冷却板としての機能をさらに有していてもよい。なお、プレート１４（特には、複数の電池セル１２の間に配置されたプレート１４）は必須ではなく、適宜省略してもよい。

定寸拘束機構２０は、一対の支持部材２２ａ、２２ｂと、２つの締結部材２４と、２つの被締結部材２６と、を備えている。定寸拘束機構２０は、ここでは積層体１０の積層方向Ｔの両側（図１の左側および右側）にそれぞれ位置している。定寸拘束機構２０は、２つの締結部材２４の間を定寸で拘束することにより、積層体１０に対して積層方向Ｔから所定の拘束荷重を印加するように構成されている。定寸拘束機構２０は、典型的には電池セル１２内の正極と負極との距離が近づくように、言い換えれば、正極および負極をセパレータに押しつけるように、拘束荷重を印加するように構成されている。

支持部材２２ａ、２２ｂは、いずれも平板形状であり、同一形状を有している。支持部材２２ａ、２２ｂは、積層体１０の積層方向Ｔの両端部にそれぞれ配置されている。支持部材２２ａ、２２ｂは、連結部材２８によって積層方向Ｔに連結されている。支持部材２２ａ、２２ｂは、幅広面（図１のＸＹ平面）がプレート１４と対向するように、積層方向Ｔに平行に配置されている。支持部材２２ａ、２２ｂの幅広面は、プレート１４の幅広面と同じかそれよりも面積が広い。支持部材２２ａ、２２ｂの幅広面の中心には、それぞれ挿通孔２２ｈが形成されている。挿通孔２２ｈは、支持部材２２ａ、２２ｂを積層方向Ｔに貫通している。なお、挿通孔２２ｈの数は、ここでは各支持部材２２ａ、２２ｂにつき１つずつであるが、それぞれ複数であってもよい。挿通孔２２ｈには、後述する締結部材２４の軸部２４ｂが遊挿される。

締結部材２４は、押圧部２４ａと、押圧部２４ａから延びる軸部２４ｂと、を備えている。締結部材２４は、例えばボルトである。締結部材２４は、例えば金属製である。押圧部２４ａは、軸部２４ｂの外形よりも大きな形状を有する。押圧部２４ａの外径は、支持部材２２ａ、２２ｂの挿通孔２２ｈよりも大きく、挿通孔２２ｈを貫通しない。押圧部２４ａの積層方向Ｔの側の面は、平坦である。押圧部２４ａは、積層方向Ｔの両端（図１の左端および右端）に配置されたプレート１４の中心に当接している。押圧部２４ａは、プレート１４を積層方向Ｔに押圧することにより、積層体１０に対して間接的に拘束荷重を印加する。軸部２４ｂは、支持部材２２ａ、２２ｂの挿通孔２２ｈよりも小さい外径を有している。軸部２４ｂは、挿通孔２２ｈに遊挿されている。軸部２４ｂの外表面には、ネジ溝が形成されている。

軸部２４ｂの先端２４ｔは、支持部材２２ａ、２２ｂから積層方向Ｔの外方（図１の左右方向）に突出している。軸部２４ｂの支持部材２２ａ、２２ｂから外方に突出した部分には、それぞれ被締結部材２６が締結されている。被締結部材２６は、例えばナットである。被締結部材２６は、例えば金属製である。被締結部材２６が軸部２４ｂの先端２４ｔから挿入され、締め付けられる。被締結部材２６は、支持部材２２ａ、２２ｂの挿通孔２２ｈの周縁に接触する。このとき、被締結部材２６を締め付ける際のトルクを測定することで、拘束荷重を調整することができる。これにより、２つの締結部材２４の間の積層方向Ｔの長さが固定され、定寸で積層体１０に対して適切な拘束荷重が印加される。

加圧機構３０は、回動部材３２と、回動部材３２に取り付けられた延伸部材３４と、延伸部材３４に設けられた荷重部材３６と、回動部材３２に取り付けられた押圧部材３８と、を備えている。加圧機構３０は、ここでは積層体１０の積層方向Ｔの片方の側（図１の左側）に位置している。加圧機構３０は、てこの機構を利用して、積層体１０を積層方向Ｔに加圧するように構成されている。加圧機構３０は、ここでは定寸拘束機構２０によってもたらされる初期の拘束荷重と等しい力で、積層体１０を積層方向Ｔに加圧するように構成されている。加圧機構３０は、ここでは定寸拘束機構２０によって積層体１０に印加される拘束荷重の変動を抑制するように構成されている。加圧機構３０は、積層体１０に対して安定して（所定の変動幅の範囲内で）拘束荷重を印加するように構成されている。

回動部材３２は、連結部材３９によって支持部材２２ｂに連結されている。回動部材３２は、長尺の円筒形状を有している。回動部材３２は、積層方向Ｔと直交するＸ方向（図１の前後方向）に沿って延びている。回動部材３２は、Ｘ方向に沿って配置された回動軸を有している。回動軸は、「てこ」の支点として機能する部分である。回動部材３２は、回動軸を中心として、少なくとも積層体１０に近づく加圧方向に（図１の矢印Ｆ２の方向に）回動可能に構成されている。回動部材３２の一端（図１の前端）には、延伸部材３４が接続されている。

延伸部材３４は、長尺な平板形状を有している。延伸部材３４は、積層方向Ｔに沿って延びている。延伸部材３４の積層方向Ｔの全長は、ここでは積層体１０の積層方向Ｔの全長よりも短い。ただし、延伸部材３４の積層方向Ｔの長さは、積層体１０の積層方向Ｔの全長よりも長くてもよい。延伸部材３４の回動部材３２から離れた側の端部分（図１の右端部分）には、荷重部材３６が設けられている。

荷重部材３６は、延伸部材３４に下方向の（図１の矢印Ｆ１の方向の）力を付与する部材である。荷重部材３６は、ここでは延伸部材３４の上面３４ｓに載せ置かれている。ただし、荷重部材３６は、延伸部材３４の下面あるいは側面などに取り付けられていてもよい。荷重部材３６は、例えば重りである。荷重部材３６は、「てこ」の力点として機能する部分である。荷重部材３６は、加圧方向（図１の矢印Ｆ２の方向）への回動を付勢する。言い換えれば、荷重部材３６は、押圧部材３８を積層体１０に近づく方向に付勢する。なお、荷重部材３６は、延伸部材３４と一体化されていてもよい。

押圧部材３８は、回動部材３２に取り付けられている。押圧部材３８は、回動部材３２と接触する部分から上方に向かって延びている。押圧部材３８は、平板形状である。押圧部材３８は、一方（図１の左側）の締結部材２４の先端２４ｔに、直接的または間接的に当接している。押圧部材３８は、「てこ」の作用点として機能する部分である。押圧部材３８は、積層方向Ｔの一方向側（図１の矢印Ｆ３の方向）に傾動し、締結部材２４を押圧する。これにより、間接的に積層体１０が押圧され、積層方向Ｔに加圧される。

本実施形態の加圧機構３０は、てこの機構（第１のてこ）を利用している。このため、加圧機構３０が積層体１０を加圧する力は、例えば次の条件：荷重部材３６の重さ；図１の正面視における、回動部材３２の回動軸の中心から締結部材２４の軸部２４ｂの中心までの長さＬｂ；図１の正面視における、回動部材３２の回動軸の中心から荷重部材３６の中心までの長さＬａ；で調整することができる。狙いの荷重よりも軽い荷重部材３６で加圧機構３０を作用させる観点からは、長さＬａと長さＬｂとが、Ｌｂ≦Ｌａを満たすとよく、例えば２Ｌｂ≦Ｌａを満たしていてもよい。省スペース化の観点からは、長さＬａが積層体１０の積層方向Ｔの全長と同じかそれよりも短くてもよい。

以上のように、本実施形態の電池モジュール１００によれば、電池セル１２の積層方向Ｔの長さ（厚み）が変化した場合、例えば、電池セル１２が収縮して電池セル１２の厚みが減少した場合であっても、電池セル１２に対して適切な拘束荷重を安定して印加することができる。したがって、上記構成によれば、初期に適切な値よりも大きな拘束荷重を印加する必要もなくなり、拘束荷重が大きくなることに伴う問題を回避することができる。これにより、電池性能をいかんなく発揮することができる。加えて、加圧機構３０によればシンプルな機構で、このような構成を安価に実現することができる。

＜電池モジュールの作製方法＞
電池セル１２がリチウムイオン二次電池である場合、電池セル１２内に所定以上の水分が含まれると、電池性能が低下することがある。そのため、電池セル１２をモジュール化する前あるいはモジュール化した後に、電池セル１２の環境温度を３０℃以上に（典型的には３０〜１２０℃、例えば４５〜１１０℃、６０〜８０℃に）高めて、発電要素の水分量を低減させる乾燥工程を含むことがある。乾燥工程では、正極および／または負極内の材料の収縮を抑制する観点等から、開放状態の電池セル１２を積層方向Ｔから拘束して、加圧することがある。上記した治具（定寸拘束機構２０および加圧機構３０）は、このような乾燥工程を含む電池モジュール１００の作製方法で好適に使用しうる。

本実施形態の作製方法では、まず、開放状態の電池セル１２を用意する。次いで、定寸拘束機構２０を開放した状態で、一対の支持部材２２ａ、２２ｂの間に積層体１０を配置する。次いで、支持部材２２ａ、２２ｂの挿通孔２２ｈに締結部材２４の軸部２４ｂを挿入する。そして、定寸拘束機構２０を閉じ、被締結部材２６を締め付けて、所定の拘束荷重（一例では０．１〜１０ｋＮ、例えば１ｋＮ）を印加する。次いで、延伸部材３４の上面３４ｓに、所定の重さの荷重部材３６を固定する。これにより、加圧機構３０により、積層体１０に対して積層方向Ｔに所定の圧力（一例では０．１〜１０ｋＮ、例えば１ｋＮ）が加えられる。以上のようにして、積層体１０が治具で挟み込まれ、電池モジュール１００が得られる。典型的には、この状態で乾燥工程を行った後、電池セル１２を密閉状態として、出荷されうる。

以下、本発明に関する試験例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。

まず、「実施例１」として、図１に示す電池モジュール１００を用意した。また、「比較例１」として、図２に示す電池モジュール５０を用意した。電池モジュール５０は、積層体１０と、定寸拘束機構２０と、を備えている。電池モジュール５０は、実施例１とは異なり、上記したような加圧機構３０は備えていない。電池モジュール５０は、乾燥中の電池セル１２の収縮によって積層方向の長さが減少することを見越して、定寸拘束機構２０で印加する初期の拘束荷重が、実施例１の２倍（２ｋＮ）となるように作製した。

そして、実施例１の電池モジュール１００および比較例１の電池モジュール５０について、それぞれ抵抗値を測定した後、１１０℃の温度環境下で１時間保持する乾燥工程を行った。乾燥工程の後、再び抵抗値を測定し、乾燥工程前後の抵抗値の差から、抵抗の変化量（％）を算出した。測定および算出は、各例につき複数の電池モジュール１００、５０に対して行った。結果を図３に示す。なお、図３では、平均値を棒グラフで示し、結果のバラつきをエラーバーで示している。

図３に示すように、実施例１では、比較例１に比べて乾燥工程後の抵抗値の増大が抑えられていた。具体的には、２．５％の低減効果が確認された。また、実施例１では、比較例１に比べて結果のバラつきも抑えられていた。具体的には、比較例１でバラつきが±１％だったのに対し、実施例１では±０．５％に半減されていた。この理由として、加圧機構３０を設けたことによって拘束荷重が安定し、電池セル１２内の正負極間の距離（密着状態）が均質になったことや、積層体１０の全長の長さが安定したことが考えられる。

また、乾燥工程後の電池セル１２を解体して樹脂製のセパレータを取り出し、乾燥工程前後のセパレータの厚みの差から、収縮量（％）を算出した。結果を図４に示す。なお、図４では、平均値を棒グラフで示し、結果のバラつきをエラーバーで示している。

図４に示すように、乾燥中の電池セル１２の収縮を見越して初期に加える拘束荷重を高くした（実施例１の２倍とした）比較例１では、乾燥工程でセパレータが潰れて、大きく収縮（変形）していた。これに対して、初期に適正値の拘束荷重を印加した実施例１では、セパレータの収縮が相対的に小さく抑えられていた。具体的には、比較例１でセパレータの収縮量が５±１％だったのに対し、実施例１では２．５±０．５％に半減されていた。また、実施例１では、拘束荷重が安定したことで、比較例１に比べて結果のバラつきも半減されていた。

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 積層体
１２ 電池セル
２０ 定寸拘束機構
２２ａ、２２ｂ 支持部材
３０ 加圧機構
３２ 回動部材
３４ 延伸部材
３６ 荷重部材
３８ 押圧部材
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、
   前記積層体を積層方向に押圧する加圧機構と、
   を備え、
   前記加圧機構は、
   前記積層方向と直交する方向に沿う回動軸を中心として回動する回動部材と、
   前記回動部材に取り付けられ、前記積層体を前記積層方向に押圧する押圧部材と、
   前記回動部材に取り付けられ、前記積層方向に沿って延びる延伸部材と、
   前記延伸部材に設けられ、前記押圧部材を付勢する荷重部材と、
   を備える、電池モジュール。

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