JP2022036429A - 電池モジュール、電池モジュールの使用方法及び電池セルの製造方法 - Google Patents

電池モジュール、電池モジュールの使用方法及び電池セルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電極から発生するガスをセパレータから抜けやすくする。【解決手段】正極電極１１０は、第１電極となっており、負極電極１２０は、第１電極より面積が大きい第２電極となっている。セパレータ１３０は、隣り合う正極電極１１０と負極電極１２０との間を通過して折り返しながら延伸している。複数の電池セル１０のいずれにおいても、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の同じ側の部分を覆っている。具体的には、複数の電池セル１０のいずれにおいても、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の上側部分を覆っている。【選択図】図４

Description

本発明は、電池モジュール、電池モジュールの使用方法及び電池セルの製造方法に関する。
近年、リチウムイオン二次電池セル等の非水電解質電池セルが開発されている。電池セルは、正極電極、負極電極及びセパレータを備えている。例えば特許文献１に記載されているように、セパレータは、隣り合う正極電極と負極電極との間を通過して折り返しながら延伸している。
特開２０１２－１９０５４８号公報
セパレータが隣り合う正極電極と負極電極との間を通過して折り返しながら延伸している場合、セパレータの折り返し部分が正極電極、負極電極等の電極の端部を覆っている。この場合、電極から発生したガスが、電極のうちセパレータの折り返し部分で覆われている端部の近傍に滞留する場合がある。滞留したガスによって、正極電極と負極電極との間での電池の反応が阻害される場合がある。これによって、電池の容量が低下し得るとともに、Ｌｉ析出等によって電池の発火のリスクが生じ得る。また、ガスによって押し上げられた金属等の汚染物質が電極の端部に付着して析出する場合がある。
本発明の目的の一例は、電極から発生するガスをセパレータから抜けやすくすることにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。
本発明の一態様は、
収容部材と、
前記収容部材に収容された複数の電池セルと、
を備え、
前記複数の電池セルの各々は、第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を有しており、
前記複数の電池セルのいずれにおいても、前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の同じ側の部分を覆っている、電池モジュールである。
本発明の他の一態様は、
収容部材と、前記収容部材に収容され、第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を有する複数の電池セルと、を備える電池モジュールの使用方法であって、
前記複数の電池セルのいずれにおいても、前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の同じ側の部分を覆う状態で、前記電池モジュールを使用する工程を備える、電池モジュールの使用方法である。
本発明のさらに他の一態様は、
第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を外装材によって包む工程と、
前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の上側部分を覆う状態で、前記外装材の内部のガスを抜く工程と、
を備える、電池セルの製造方法である。
本発明の上記一態様によれば、電極から発生するガスをセパレータから抜けやすくすることができる。
実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。 図１に示した収容部材に収容された複数の電池セルの斜視図である。 図２に示した電池セルの平面図である。 図３のＡ－Ａ´断面図である。 比較例に係る電池セルの断面図である。 実施形態に係る電池セルの製造方法の一例を説明するための図である。 変形例に係る電池セルの平面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
図１は、実施形態に係る電池モジュール２０の斜視図である。図２は、図１に示した収容部材２００に収容された複数の電池セル１０の斜視図である。図３は、図２に示した電池セル１０の平面図である。図４は、図３のＡ－Ａ´断面図である。
図１～図４において、第１方向Ｘは、電池セル１０の長さ方向を示している。第１方向Ｘを示す矢印によって示される方向である第１方向Ｘの正方向は、後述する正極リード１１２から負極リード１２２に向かう方向である。第１方向Ｘを示す矢印によって示される方向の反対方向である第１方向Ｘの負方向は、負極リード１２２から正極リード１１２に向かう方向である。第２方向Ｙは、第１方向Ｘに交差、具体的には直交しており、電池セル１０の厚み方向を示している。第３方向Ｚは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの双方に交差、具体的には直交しており、電池セル１０の幅方向及び電池モジュール２０の高さ方向を示している。第３方向Ｚを示す矢印によって示される方向である第３方向Ｚの正方向は、鉛直方向の上方向を示している。第３方向Ｚを示す矢印によって示される方向の反対方向である第３方向Ｚの負方向は、鉛直方向の下方向を示している。また、図３において、第２方向Ｙを示すＸ付き白丸は、紙面の手前から奥に向かう方向が第２方向Ｙの正方向であり、紙面の奥から手前に向かう方向が第３方向Ｚの正方向であることを示している。図４において、第１方向Ｘを示すＸ付き白丸は、紙面の手前から奥に向かう方向が第１方向Ｘの正方向であり、紙面の奥から手前に向かう方向が第１方向Ｘの負方向であることを示している。後述する図５～図７においても同様である。
図１及び図２を用いて、電池モジュール２０について説明する。
電池モジュール２０は、複数の電池セル１０及び収容部材２００を備えている。複数の電池セル１０は、収容部材２００に収容されている。また、複数の電池セル１０は、一方向、具体的には第２方向Ｙに並んでいる。収容部材２００は、例えば、金属又は樹脂からなる筐体である。図２に示すように、各電池セル１０は、正極リード１１２、負極リード１２２、外装材１４０及び複数の固定部材１５０を有している。正極リード１１２及び負極リード１２２は、電池セル１０の第１方向Ｘの両側に設けられている。なお、正極リード１１２及び負極リード１２２は、双方とも、電池セル１０の第１方向Ｘの正方向側又は負方向側の端部に設けられていてもよい。外装材１４０は、後述する図４に示す正極電極１１０、負極電極１２０及びセパレータ１３０を含む積層体１００を電解液とともに包んでいる。外装材１４０のうちの第１方向Ｘに延伸する両辺には、例えば絶縁テープ等の固定部材１５０が設けられている。
図３及び図４を用いて、電池セル１０について説明する。本実施形態において、電池セル１０は、リチウムイオン二次電池である。
電池セル１０は、積層体１００を有している。積層体１００は、複数の正極電極１１０、複数の負極電極１２０及びセパレータ１３０を含んでいる。本実施形態において、正極電極１１０は、第１電極となっており、負極電極１２０は、第１電極より面積が大きい第２電極となっている。各正極電極１１０及び各負極電極１２０は、第２方向Ｙに厚みを有している。なお、正極電極１１０又は負極電極１２０の面積とは、正極電極１１０又は負極電極１２０を第２方向Ｙの正方向又は負方向から見たときの面積である。
図４に示すように、複数の正極電極１１０及び複数の負極電極１２０は、上記一方向、具体的には第２方向Ｙに沿って交互に並んでいる。セパレータ１３０は、隣り合う正極電極１１０と負極電極１２０との間を通過して折り返しながら延伸している。セパレータ１３０の折り返し部分は負極電極１２０の同じ側の部分を覆っている。具体的には、セパレータ１３０の折り返し部分は負極電極１２０の上側部分を覆っている。
外装材１４０は、積層体１００を第２方向Ｙの正方向側から覆う部分と、積層体１００を第２方向Ｙの負方向側から覆う部分と、を有している。外装材１４０のこれらの部分は、積層体１００の第１方向Ｘの正方向側及び負方向側の２辺と、第３方向Ｚの正方向側及び負方向側の２辺と、に沿って互いに貼り合わされて封止部１４２が形成されている。また、積層体１００の第３方向Ｚの正方向側の１辺と、積層体１００の第３方向Ｚの負方向側の１辺と、に沿って複数の固定部材１５０が設けられている。
図５は、比較例に係る電池セル１０Ｋの断面図である。比較例に係る電池セル１０Ｋは、以下の点を除いて、実施形態に係る電池セル１０と同様である。
電池セル１０Ｋは、積層体１００Ｋを有している。積層体１００Ｋは、複数の正極電極１１０、複数の負極電極１２０及びセパレータ１３０Ｋを含んでいる。電池セル１０Ｋでは、セパレータ１３０Ｋの折り返し部分が正極電極１１０の上側部分を覆っている。
図４に示した実施形態において、正極電極１１０及び負極電極１２０からガスが発生した場合を検討する。当該ガスは、例えば充電等、電池セル１０の使用によって発生する。正極電極１１０から発生したガスは浮力によって電解液内を上昇する。正極電極１１０の上側部分はセパレータ１３０によって覆われていない。このため、ガスはセパレータ１３０を透過する必要なく正極電極１１０の上方へ抜けていくことができる。これに対して、負極電極１２０から発生したガスが負極電極１２０の上方へ抜けていくためには、破線で囲まれた領域α等、セパレータ１３０のうち負極電極１２０の上側部分を覆う折り返し部分を透過する必要がある。実施形態では、セパレータ１３０のうち負極電極１２０の上側部分を覆う折り返し部分の第２方向Ｙの両側は、正極電極１１０によって覆われていない。したがって、セパレータ１３０のうち負極電極１２０の上側部分を覆う折り返し部分の第２方向Ｙの両側が正極電極１１０によって覆われている場合と比較して、負極電極１２０から発生したガスは、セパレータ１３０のうち負極電極１２０の上側部分を覆う折り返し部分を透過しやすくなっており、セパレータ１３０の当該折り返し部分の上方へ抜けやすくなっている。
図５に示した比較例において、正極電極１１０及び負極電極１２０からガスが発生した場合を検討する。負極電極１２０から発生したガスは浮力によって電解液内を上昇する。負極電極１２０の上側部分はセパレータ１３０Ｋによって覆われていない。このため、ガスはセパレータ１３０Ｋを透過する必要なく負極電極１２０の上方へ抜けていくことができる。これに対して、正極電極１１０から発生したガスが正極電極１１０の上方へ抜けていくためには、破線で囲まれた領域β等、セパレータ１３０Ｋのうち正極電極１１０の上側部分を覆う折り返し部分を透過する必要がある。しかしながら、比較例では、セパレータ１３０Ｋのうち正極電極１１０の上側部分を覆う折り返し部分の第２方向Ｙの両側が負極電極１２０によって覆われている。したがって、セパレータ１３０Ｋのうち正極電極１１０の上側部分を覆う折り返し部分の第２方向Ｙの両側が負極電極１２０によって覆われていない場合と比較して、正極電極１１０から発生したガスは、セパレータ１３０Ｋのうち正極電極１１０の上側部分を覆う折り返し部分を透過しにくくなっており、セパレータ１３０Ｋの当該折り返し部分の上方へ抜けにくくなっている。
図５に示した比較例においては、上述したように、正極電極１１０から発生したガスが、セパレータ１３０Ｋのうち正極電極１１０の上側部分を覆う折り返し部分の上方へ抜けにくくなっている。したがって、比較例においては、正極電極１１０から発生したガスが正極電極１１０の上側部分の近傍に滞留して正極電極１１０と負極電極１２０との間における電池セル１０Ｋの反応が阻害されるおそれがある。これによって、電池セル１０Ｋの容量が低下し得るとともに、Ｌｉ析出等によって電池セル１０Ｋの発火のリスクが生じ得る。また、比較例においては、金属等の汚染物質が正極電極１１０から発生したガスによって押し上げられて正極電極１１０の表面に付着して析出するおそれがある。これに対して、図４に示した実施形態においては、上述したように、負極電極１２０から発生したガスが、セパレータ１３０のうち負極電極１２０の上側部分を覆う折り返し部分の上方へ抜けやすくなっている。したがって、実施形態では、比較例と比較して、負極電極１２０から発生したガスが正極電極１１０と負極電極１２０との間における電池セル１０の反応を阻害することや、金属等の汚染物質が負極電極１２０の上側部分の表面に析出することを抑制することができる。
実施形態においては、図２に示した複数の電池セル１０のいずれにおいても、図４に示すように、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の同じ側の部分を覆っている。具体的には、複数の電池セル１０のいずれにおいても、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の上側部分を覆っている。したがって、複数の電池セル１０のいずれにおいても、負極電極１２０から発生したガスがセパレータ１３０から抜けやすくなっている。
図６は、実施形態に係る電池セル１０の製造方法の一例を説明するための図である。
まず、正極電極１１０と、負極電極１２０と、隣り合う正極電極１１０と負極電極１２０との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータ１３０と、を外装材１４０によって包む。
具体的には、外装材１４０は、積層体１００を第２方向Ｙの正方向側から覆う部分と、積層体１００を第２方向Ｙの負方向側から覆う部分と、を有している。外装材１４０のこれらの部分は、積層体１００の第３方向Ｚの負方向側の１辺と、積層体１００の第１方向Ｘの負方向側の１辺及び当該１辺から第３方向Ｚの正方向側に向けて延伸する領域と、積層体１００の第１方向Ｘの正方向側の１辺及び当該１辺から第３方向Ｚの正方向側に向けて延伸する領域と、に沿って互いに貼り合わされて、封止部１４２が形成されている。次いで、外装材１４０の内部に電解液を注入する。次いで、外装材１４０のうち積層体１００の第３方向Ｚの正方向側の１辺から離れた部分に、溶着等の貼り合わせによって第１封止部１４２ａを形成する。これによって、積層体１００が外装材１４０によって封止される。
次いで、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の上側部分を覆う状態で、外装材１４０の内部のガスを抜く。
具体的には、まず、初期充電を行うことで外装材１４０の内部に発生するガスを、第１封止部１４２ａよりも第３方向Ｚにおいて積層体１００の近傍に形成された第１孔１４４ａから抜く。第１孔１４４ａは、第１封止部１４２ａが形成された後に形成される。具体的には、第１孔１４４ａは、ガスを抜きたいタイミング、例えば、初期充電によってガスが発生した後に形成される。しかしながら、第１孔１４４ａが形成されるタイミングはこの例に限定されない。次いで、外装材１４０のうち第１孔１４４ａよりも第３方向Ｚにおいて積層体１００の近傍に、溶着等の貼り合わせによって第２封止部１４２ｂを形成する。次いで、エージングを行うことで発生する外装材１４０の内部に発生するガスを、第２封止部１４２ｂよりも第３方向Ｚにおいて積層体１００の近傍に形成された第２孔１４４ｂから抜く。第２孔１４４ｂは、第２封止部１４２ｂが形成された後に形成される。具体的には、第２孔１４４ｂは、ガスを抜きたいタイミング、例えば、エージングによってガスが発生した後に形成される。しかしながら、第２孔１４４ｂが形成されるタイミングはこの例に限定されない。次いで、積層体１００の第３方向Ｚの正方向側の１辺に沿って、溶着等の貼り合わせによって第３封止部１４２ｃを形成する。次いで、切取線１４６に沿って外装材１４０を切り取る。これによって、電池セル１０が製造される。
第１孔１４４ａ又は第２孔１４４ｂから外装材１４０の内部のガスを抜く場合、図４を用いて説明したように、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の上側部分を覆うようにすることができる。これによって、初期充電又はエージングによって負極電極１２０から発生したガスをセパレータ１３０から抜けやすくすることができる。
図７は、変形例に係る電池セル１０Ａの平面図である。変形例に係る電池セル１０Ａは、以下の点を除いて、実施形態に係る電池セル１０と同様である。
外装材１４０Ａは、積層体１００の第３方向Ｚの負方向側で折り返している。また、外装材１４０Ａのうち積層体１００を第２方向Ｙの正方向及び負方向の双方から覆う部分が溶着等によって互いに貼り合わせられて、積層体１００のうちの第３方向Ｚの正方向側の１辺及び第１方向Ｘの正方向及び負方向側の２辺に沿って封止部１４２Ａが形成されている。本変形例においても、実施形態と同様にして、負極電極１２０から発生したガスがセパレータ１３０から抜けやすくなっている。
変形例に係る電池セル１０Ａの製造方法においても、図６を用いて説明した例と同様にして、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の上側部分を覆う状態で、外装材１４０の内部のガスを抜くことができる。この場合、ガスを抜いた後に電池セル１０Ａにロールプレスを行ってもよい。ロールプレスによって、ガスを積層体１００の周囲の余剰空間に追い出すことができる。また、外装材１４０Ａに形成された孔を介してガスをさらに抜いてもよい。
以上、図面を参照して本発明の実施形態及び変形例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、実施形態では、負極電極１２０の面積が正極電極１１０の面積より大きくなっている。しかしながら、正極電極１１０の面積が負極電極１２０の面積より大きくてもよい。この場合、正極電極１１０から発生したガスをセパレータ１３０から抜けやすくすることができる。
また、実施形態に係る電池モジュール２０は、複数の電池セル１０のいずれにおいても、セパレータ１３０の折り返し部分が負極電極１２０の同じ側の部分、例えば負極電極１２０の上側の部分を覆う状態で、使用されてもよい。この場合、電池セル１０の使用によって発生するガスをセパレータ１３０から抜けやすくすることができる。
１０ 電池セル
１０Ａ 電池セル
１０Ｋ 電池セル
２０ 電池モジュール
１００ 積層体
１００Ｋ 積層体
１１０ 正極電極
１１２ 正極リード
１２０ 負極電極
１２２ 負極リード
１３０ セパレータ
１３０Ｋ セパレータ
１４０ 外装材
１４０Ａ 外装材
１４２ 封止部
１４２Ａ 封止部
１４２ａ 第１封止部
１４２ｂ 第２封止部
１４２ｃ 第３封止部
１４４ａ 第１孔
１４４ｂ 第２孔
１４６ 切取線
１５０ 固定部材
２００ 収容部材
Ｘ 第１方向
Ｙ 第２方向
Ｚ 第３方向

Claims (5)

  1. 収容部材と、
    前記収容部材に収容された複数の電池セルと、
    を備え、
    前記複数の電池セルの各々は、第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を有しており、
    前記複数の電池セルのいずれにおいても、前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の同じ側の部分を覆っている、電池モジュール。
  2. 前記複数の電池セルのいずれにおいても、前記セパレータの前記折り返し部分が前記第２電極の上側部分を覆っている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第１電極が正極電極であり、前記第２電極が負極電極である、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
  4. 収容部材と、前記収容部材に収容され、第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を有する複数の電池セルと、を備える電池モジュールの使用方法であって、
    前記複数の電池セルのいずれにおいても、前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の同じ側の部分を覆う状態で、前記電池モジュールを使用する工程を備える、電池モジュールの使用方法。
  5. 第１電極と、前記第１電極より面積が大きい第２電極と、隣り合う前記第１電極と前記第２電極との間を通過して折り返しながら延伸するセパレータと、を外装材によって包む工程と、
    前記セパレータの折り返し部分が前記第２電極の上側部分を覆う状態で、前記外装材の内部のガスを抜く工程と、
    を備える、電池セルの製造方法。
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