JP2023147062A - バッテリモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】体積エネルギー密度を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供する。【解決手段】バッテリモジュール１００は、複数の円筒型電池１０を備える。円筒型電池１０は、軸心部材１１と、軸心部材１１の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群１２と、軸心部材１１の軸心方向の一方の端部に設けられている雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１の軸心方向の他方の端部に設けられている雌ネジ部１３Ｂと、を有する。バッテリモジュール１００は、隣接する円筒型電池１０が、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結されている。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリモジュールに関する。
近年、多くの人々が手頃で信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池の研究開発が実施されている。
特許文献１には、それぞれ螺子面を有する正、負の電極端子がケースの両端壁中央部に設けられる複数の円筒型電池と、両端部が隣接する一対の円筒型電池の正、負の電極端子に個別に螺合されて一対の円筒型電池を電気的、かつ、機械的に結合する接続部材と、を備える車両用組み電池が記載されている。
特開平１１－３３９７６１号公報
しかしながら、車両用組み電池は、デッドスペースが大きいため、体積エネルギー密度を向上させることが望まれている。
本発明は、体積エネルギー密度を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、バッテリモジュールにおいて、複数の円筒型電池を備え、前記円筒型電池は、軸心部材と、前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、前記軸心部材の軸心方向の一方の端部に設けられている第１締結部と、前記軸心部材の軸心方向の他方の端部に設けられている第２締結部と、を有し、隣接する前記円筒型電池が、前記第１締結部および前記第２締結部を介して、締結されている。
前記第１締結部および前記第２締結部の一方は、雄ネジ部であり、前記第１締結部および前記第２締結部の他方は、雌ネジ部であり、前記雄ネジ部は、前記軸心部材と一体に成形されていてもよい。
前記第１締結部は、前記正極および前記負極の一方と電気的に接続されており、前記第２締結部は、前記正極および前記負極の他方と電気的に接続されていてもよい。
前記円筒型電池は、前記巻回電極群を巻回している外装部材をさらに有してもよい。
前記円筒型電池は、前記軸心方向の一方の端部に配置されており、前記正極および前記負極の一方と電気的に接続されている第１蓋部材と、前記軸心方向の他方の端部に配置されており、前記正極および前記負極の他方と電気的に接続されている第２蓋部材と、をさらに有し、前記第１蓋部材および前記第２蓋部材は、それぞれ、前記軸心部材に対して略対称に傾斜している傾斜領域を有し、前記正極および前記負極は、それぞれ正極集電体および負極集電体を有し、前記正極集電体は、前記巻回電極群の前記軸心方向の一方の端部から延出している延出部を有し、前記負極集電体は、前記巻回電極群の前記軸心方向の他方の端部から延出している延出部を有し、前記正極集電体および前記負極集電体の一方の延出部は、束ねられた状態で前記軸心部材に集電し、前記正極集電体および前記負極集電体の他方の延出部は、束ねられた状態で前記外装部材に集電してもよい。
前記外装部材に集電する延出部と電気的に接続されている前記第１蓋部材および前記第２蓋部材の一方が、前記軸心部材に集電する延出部と電気的に接続されている前記第１蓋部材および前記第２蓋部材の他方よりも、前記傾斜領域の傾斜角度が大きくてもよい。
前記第１蓋部材および前記第２蓋部材は、外形が円錐体状であってもよい。
前記第１蓋部材は、前記正極集電体および前記負極集電体の一方と電気的に接続されており、前記第２蓋部材は、前記正極集電体および前記負極集電体の他方と電気的に接続されていてもよい。
前記正極集電体および前記負極集電体の一方の延出部は、少なくとも一部が前記外装部材で巻回されておらず、前記正極集電体および前記負極集電体の他方の延出部は、前記外装部材で巻回されていてもよい。
前記円筒型電池は、固体電池であってもよい。
前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されていてもよい。
本発明によれば、体積エネルギー密度を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供することができる。
本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す一部切り欠き斜視断面図である。 図１の円筒型電池を示す断面図である。 図１のバッテリモジュールの好ましい形態を示す部分拡大断面図である。 図３の円筒型電池の変形例を示す斜視図である。 固体電解質層－電極積層体の製造方法を示す斜視図である。 図５の製造方法により得られる円筒型電池の一例を示す図である。 図１のバッテリモジュールを格納するケースの一例を示す斜視図である。 図７のケースに格納されたバッテリモジュール１００が配置されている車両の一例を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す。また、図２に、図１の円筒型電池を示す。
バッテリモジュール１００は、複数の円筒型電池１０を備える。ここで、円筒型電池１０は、軸心部材１１と、軸心部材１１の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群１２と、軸心部材１１の軸心方向の一方（上方）の端部に設けられている第１締結部としての、雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１の軸心方向の他方（下方）の端部に設けられている第２締結部としての、雌ネジ部１３Ｂと、を有する。また、バッテリモジュール１００は、隣接する円筒型電池１０が、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結されている。これにより、バッテリモジュール１００は、デッドスペースが小さくなるため、体積エネルギー密度が向上する。
このとき、雄ネジ部１３Ａは、軸心部材１１と一体に成形されている。このため、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを締結する際の回転トルクに対する強度が向上する。また、雄ネジ部１３Ａは、正極および負極の一方と電気的に接続されており、雌ネジ部１３Ｂは、正極および負極の他方と電気的に接続されている。
なお、雄ネジ部１３Ａは、軸心部材１１と一体に成形されていなくてもよい。また、第１締結部を雌ネジ部とし、第２締結部を雄ネジ部としてもよい。
軸心部材１１は、軸心方向において、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂの間に絶縁部材１４が配置されており、絶縁部材１４は、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂと締結されている。これにより、後述する絶縁部材１７が圧縮されるため、円筒型電池１０の密閉性が向上する。ここで、第１導電部材１１ａは、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。また、絶縁部材１４は、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられており、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。さらに、第２導電部材１１ｂは、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられている。
第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。また、絶縁部材１４を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ等の樹脂が挙げられる。
電極積層体は、シート状であり、各電極は、電極集電体上に電極合材層が形成されている。すなわち、正極は、正極集電体上に正極合材層が形成されており、負極は、負極集電体上に負極合材層が形成されている。また、電解質は、特に限定されないが、例えば、一般的な樹脂多孔質膜（セパレータ）に含浸されている電解液等に含まれている。なお、円筒型電池１０が固体電池である場合、電解質は、ゲル電解質層、固体電解質層等に含まれている。
なお、電極積層体は、電解質を介して正極および負極が積層されていればよく、複数の正極および／または負極を有していてもよい。複数の正極および／または負極を有する電極積層体の積層構造としては、例えば、正極／電解質／負極／電解質／正極等が挙げられる。このとき、電極積層体は、例えば、ロールプレスすることにより製造することができる。
円筒型電池１０は、巻回電極群１２を巻回している外装部材１５をさらに有する。ここで、外装部材１５は、シート状である。外装部材１５を構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。
このとき、外装部材１５は、巻回電極群１２の軸心部材１１と接していない側の端部に、接着剤で接着していてもよいし、巻回電極群１２の軸心部材１１と接していない側の端部から延出している電極集電体であってもよい。これにより、軸心部材１１と巻回電極群１２と外装部材１５のいずれの間にもクリアランスが無く、機械的に一体となることで、バッテリモジュール１００の体積エネルギー密度が向上する。また、軸心部材１１と巻回電極群１２と外装部材１５が機械的に一体となることで、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを締結する際に、外装部材１５を支持してネジ締結する回転トルクの強度を十分に保持することができる。
なお、外装部材１５で巻回されている巻回電極群１２は、所定の張力を印加しながら、軸心部材１１の周りに電極積層体および外装部材１５を巻回することにより得られる。このとき、軸心部材１１の外側から押圧しながら、電極積層体および外装部材１５を巻回してもよい。
円筒型電池１０は、軸心方向の一方（上方）の端部に配置されており、正極および負極の一方と電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａと、軸心方向の他方（下方）の端部に配置されており、正極および負極の他方と電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂと、をさらに有する。ここで、第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂは、それぞれ、軸心部材１１に対して略対称に傾斜している傾斜領域を有し、外形が円錐体状である。また、外装部材１５および第１蓋部材１６Ａの間に、リング状の絶縁部材１７が配置されている。一方、第１蓋部材１６Ａは、雄ネジ部１３Ａと電気的に接続されており、第２蓋部材１６Ｂは、雌ネジ部１３Ｂおよび外装部材１５と電気的に接続されている。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、特に限定されない。第１蓋部材１６Ａの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、巻回電極群１２の軸心部材１１の側に隣接する延出部１８Ａの高さと、巻回電極群１２の巻回数によって決定される幅から成る傾斜角度となる。また、第１蓋部材１６Ａの傾斜領域は、延出部１８Ａが格納される体積を有している。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、軸心部材１１の軸心方向の上方の端部に設けられている雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１の軸心方向の下方の端部に設けられている雌ネジ部１３Ｂが締結される締結力で絶縁部材１７が圧縮され、その結果、外装部材１５と第１蓋部材１６Ａとが固定され、封止される。一方、第２蓋部材１６Ｂは、外装部材１５との接触部が、レーザー溶接により接合され、封止されるとともに一体化される。
絶縁部材１７を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ等の樹脂が挙げられる。
正極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の一方（上方）の端部から延出している延出部１８Ａを有し、負極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の他方（下方）の端部から延出している延出部１８Ｂを有する。ここで、正極集電体の延出部１８Ａは、第１蓋部材１６Ａに集電し、負極集電体の延出部１８Ｂは、第２蓋部材１６Ｂに集電する。
このとき、外装部材１５に集電する延出部１８Ｂと電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂが、軸心部材１１に集電する延出部１８Ａと電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａよりも、傾斜領域の傾斜角度が大きい。これにより、隣接する円筒型電池１０を、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結させやすくなる。
図３に、バッテリモジュール１００の好ましい形態を示す。
円筒型電池１０Ａは、正極集電体の延出部１８Ａが束ねられた状態で軸心部材１１に集電し、負極集電体の延出部１８Ｂが束ねられた状態で外装部材１５に集電する以外は、円筒型電池１０と同様である。この場合も、第１蓋部材１６Ａは、正極集電体と電気的に接続されており、第２蓋部材１６Ｂは、負極集電体と電気的に接続されている。
円筒型電池１０Ａは、図４に示すように、正極集電体の延出部１８Ａが、外装部材１５で巻回されておらず、負極集電体の延出部１８Ｂが、外装部材１５で巻回されている。なお、図４では、第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂで封止される前の円筒型電池１０Ａを示す。
以下、本実施形態のバッテリモジュールを構成する円筒型電池が全固体リチウム二次電池である場合について説明する。
正極集電体としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム箔等が挙げられる。
正極合材層は、正極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ５／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ３／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ６／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ２／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ８／１０Ｃｏ１／１０Ｍｎ１／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／６Ｃｏ４／６Ｍｎ１／６）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３）Ｏ２、ＬｉＣｏＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、硫化リチウム、硫黄等が挙げられる。
固体電解質層を構成する固体電解質としては、リチウムイオンを伝導することが可能な材料であれば、特に限定されないが、例えば、酸化物系電解質、硫化物系電解質、有機物からなる結晶体に電解質が解離した分子結晶電解質等が挙げられる。
負極合材層は、負極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、Ｓｉ、ＳｉＯ、炭素材料等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、人工黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。
負極集電体としては、特に限定されないが、例えば、銅箔等が挙げられる。
次に、円筒型電池の製造方法について説明する。
図５に、固体電解質層－電極積層体の製造方法を示す。なお、図５では、固体電解質層－正極積層体の製造方法を示しているが、固体電解質層－負極積層体の製造方法も同様である。
まず、正極集電体５１の一方の面の少なくとも延出部１８Ａとなる領域以外の領域に、樹脂シート５２を貼り合わせる。次に、正極集電体５１の他方の面の延出部１８Ａとなる領域以外の領域に、正極合材層５３および固体電解質層５４を順次形成した後、プレスロールＰを用いて圧縮成形する。このとき、樹脂シート５２を貼り合わせたことで、圧縮成形による線圧で正極集電体５１が破断することが抑制される。次に、圧縮成形体を幅方向の中央部で半裁し、片側に延出部１８Ａを有する正極－固体電解質層積層体を得る。
正極－固体電解質層積層体および負極－固体電解質層積層体を、それぞれ延出部１８Ａおよび１８Ｂが互いに反対側に延出するように、軸心部材１１の周りに巻回し、巻回電極群１２を得る。次に、巻回電極群１２の周りに外装部材１５を巻回し、円筒型電池を得る。
図６に、図５の製造方法により得られる円筒型電池の一例を示す。
円筒型電池１０Ｂは、円筒型電池１０Ａと同様に、正極集電体の延出部１８Ａが束ねられた状態で軸心部材１１に集電し（図６（ａ）参照）、負極集電体の延出部１８Ｂが束ねられた状態で外装部材１５に集電する（図６（ｂ）参照）。このとき、樹脂シート５２は、延出部１８Ａの一部にも貼り合わせられているため、負極との間の絶縁を担保することができる。同様に、樹脂シート５２は、延出部１８Ｂの一部にも貼り合わせられているため、正極との間の絶縁を担保することができる。これにより、従来のリチウムイオン二次電池において、セパレータが延出することで担保していた絶縁を、セパレータを有しない全固体リチウム二次電池でも担保できるようになる。
樹脂シート５２を構成する材料としては、絶縁性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリアミド等が挙げられる。
また、樹脂シート５２は、多孔質シートであってもよい。さらに、樹脂シート５２の厚みは、負極の膨張量を吸収することが可能な圧縮量を考慮して設定することで、例えば、黒鉛、ＳｉＯ等の膨張を吸収する効果が得られる。
図７に、バッテリモジュール１００を格納するケースの一例を示す。また、図８に、図７のケースに格納されたバッテリモジュール１００が配置されている車両の一例を示す。
複数の円筒型電池１０が連結されているバッテリモジュール１００をケース７０に格納することで、曲げ応力に対する剛性が得られる。このため、バッテリモジュール１００が格納されているケース７０は、車両８０の梁の機能を有することが期待できる。なお、バッテリモジュール１００が格納されているケース７０は、車両８０の進行方向に平行な方向に配置されていてもよいし（図８（ａ）参照）、車両８０の進行方向に平行な方向に配置されていてもよい（図８（ｂ）参照）。
このとき、ケース７０の周面には、電圧検出線、サーミスタ等を接続させるための貫通孔７１が設けられているため、ＢＭＳの配置を容易にすることができる。また、ケース７０の天面および底面には、電流線を接続させるための貫通孔７２が設けられている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
１０、１０Ａ、１０Ｂ 円筒型電池
１１ 軸心部材
１１ａ 第１導電部材
１１ｂ 第２導電部材
１２ 巻回電極群
１３Ａ 雄ネジ部
１３Ｂ 雌ネジ部
１４、１７ 絶縁部材
１５ 外装部材
１６Ａ 第１蓋部材
１６Ｂ 第２蓋部材
１８Ａ、１８Ｂ 延出部
５１ 正極集電体
５２ 樹脂シート
５３ 正極合材層
５４ 固体電解質層
７０ ケース
７１、７２ 貫通孔
８０ 車両
１００ バッテリモジュール

Claims (13)

  1. 複数の円筒型電池を備え、
    前記円筒型電池は、軸心部材と、前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、前記軸心部材の軸心方向の一方の端部に設けられている第１締結部と、前記軸心部材の軸心方向の他方の端部に設けられている第２締結部と、を有し、
    隣接する前記円筒型電池が、前記第１締結部および前記第２締結部を介して、連結されている、バッテリモジュール。
  2. 前記第１締結部および前記第２締結部の一方は、雄ネジ部であり、
    前記第１締結部および前記第２締結部の他方は、雌ネジ部であり、
    前記雄ネジ部は、前記軸心部材と一体に成形されている、請求項１に記載のバッテリモジュール。
  3. 前記第１締結部は、前記正極および前記負極の一方と電気的に接続されており、
    前記第２締結部は、前記正極および前記負極の他方と電気的に接続されている、請求項２に記載のバッテリモジュール。
  4. 前記円筒型電池は、前記巻回電極群を巻回している外装部材をさらに有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
  5. 前記円筒型電池は、前記軸心方向の一方の端部に配置されており、前記正極および前記負極の一方と電気的に接続されている第１蓋部材と、前記軸心方向の他方の端部に配置されており、前記正極および前記負極の他方と電気的に接続されている第２蓋部材と、をさらに有し、
    前記第１蓋部材および前記第２蓋部材は、それぞれ、前記軸心部材に対して略対称に傾斜している傾斜領域を有し、
    前記正極および前記負極は、それぞれ正極集電体および負極集電体を有し、
    前記正極集電体は、前記巻回電極群の前記軸心方向の一方の端部から延出している延出部を有し、
    前記負極集電体は、前記巻回電極群の前記軸心方向の他方の端部から延出している延出部を有し、
    前記正極集電体および前記負極集電体の一方の延出部は、束ねられた状態で前記軸心部材に集電し、
    前記正極集電体および前記負極集電体の他方の延出部は、束ねられた状態で前記外装部材に集電する、請求項４に記載のバッテリモジュール。
  6. 前記外装部材に集電する延出部と電気的に接続されている前記第１蓋部材および前記第２蓋部材の一方が、前記軸心部材に集電する延出部と電気的に接続されている前記第１蓋部材および前記第２蓋部材の他方よりも、前記傾斜領域の傾斜角度が大きい、請求項５に記載のバッテリモジュール。
  7. 前記第１蓋部材および前記第２蓋部材は、外形が円錐体状である、請求項５または６に記載のバッテリモジュール。
  8. 前記第１蓋部材は、前記正極集電体および前記負極集電体の一方と電気的に接続されており、
    前記第２蓋部材は、前記正極集電体および前記負極集電体の他方と電気的に接続されている、請求項５から７のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
  9. 前記正極集電体および前記負極集電体の一方の延出部は、少なくとも一部が前記外装部材で巻回されておらず、
    前記正極集電体および前記負極集電体の他方の延出部は、前記外装部材で巻回されている、請求項５から８のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
  10. 前記正極集電体は、一方の面の少なくとも前記延出部以外の領域に、樹脂シートが貼り合わされており、他方の面の前記延出部以外の領域に、正極合材層が形成されており、
    前記負極集電体は、一方の面の少なくとも前記延出部以外の領域に、樹脂シートが貼り合わされており、他方の面の前記延出部以外の領域に、負極合材層が形成されている、請求項５から９のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
  11. 前記正極集電体は、前記一方の面の前記延出部の一部にも、前記樹脂シートが貼り合わされており、
    前記負極集電体は、前記一方の面の前記延出部の一部にも、前記樹脂シートが貼り合わされている、請求項１０に記載のバッテリモジュール。
  12. 前記円筒型電池は、固体電池である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
  13. 前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されている、請求項１２に記載のバッテリモジュール。
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