JP3565216B2 - モジュール電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素としての積層電極を外装フィルムで被覆して密閉した積層型の電池を複数備えるモジュール電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車の排ガスによる大気汚染が世界的な問題となっている中で、電気を動力源とする電気自動車や、エンジンとモータを組み合わせて走行するいわゆるハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する高エネルギー密度・高出力となる高出力型電池の開発が産業上重要な位置を占めている。
【0003】
このような高出力電池としては、例えばリチウムイオン電池などの高エネルギー密度・高出力の電池を多数組み合わせたモジュール電池がある。
【0004】
従来、電池を多数組み合わせたモジュール電池とする場合、多数の電池を1列または複数列に積層した状態で各電池と配線を接続してサブアッセンブリ体とし、このサブアッセンブリ体をモジュールケースに収める構造をとっている(例えば特開2001−114157号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように多数の電池を配線に接続してサブアッセンブリ体とする場合、各電池の電極タブ同士の接続作業ならびに電極タブと配線との接続作業は煩雑である。
【0006】
特に、発電要素の両面を一対の外装フィルムで挟んで密閉した積層型電池は、小型軽量であるため車両搭載用の高出力電池として期待されているが、剛性に劣るため、各電池の電極タブ同士の接続作業ならびに電極タブと配線との接続作業には注意を要する。
【0007】
本発明はこのような従来技術を基に為されたものであって、その目的は、組立作業が容易なモジュール電池の提供である。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明にあっては、外装フィルム内に発電要素を密閉してなる電池と、この電池を載置保持する電池ホルダと、を備えるジュール電池であって、電池ホルダは、複数多段に積層自在に構成され且つ積層方向に隣合う電池ホルダの間から電池の電極タブを露出させることを特徴とするものである。
【0009】
【発明の効果】
本発明によれば、電池ホルダが電池の電極タブを露出させつつ複数多段に積層自在に構成されているため、電池ホルダを複数積層した状態にサブアッセンブリして、電極タブ同士の接続作業および電極タブと配線の接続作業を行える。そのため、電池の剛性を気にすることなく容易にモジュール電池の組立作業を行える。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面をもとに説明する。
【0011】
第1実施形態:図1〜図9は本発明の第1実施形態を示すものである。この第1実施形態のモジュール電池1は、図1〜図4に示すように、電池10を載置保持した電池ホルダ2(図6参照)を複数多段に積層してなる積層体3と、この積層体3を収容するモジュールケース4と、を備えた基本構造であり、積層体3内の電池10、10、・・・群が配線51〜56(バスバー53、54、55、56を含む)を介して直列およびまたは並列で入出力端子5、6に接続され、この入出力端子5、6を介して充放電するものである。
【0012】
「積層体」
積層体3は、図1〜図4に示すように、電池10を載置保持した電池ホルダ2(図6参照)を複数多段に積層した基本構造であり、この実施形態では放熱性を向上させるべく最上段および最下段に板状のヒートシンク7を積層するとともに、所定の電池ホルダ2、2間に板状のヒートシンク7を介在させてある。以下、積層体3を構成する「電池」と「電池ホルダ」とをそれぞれ詳しく説明する。
【0013】
「電池」
電池10は、図8〜図9に示すように、発電要素としての扁平形状の積層電極11を、一対の外装フィルムとしてのラミネートフィルム12、13の中央部に配置し、これらラミネートフィルム12、13によって積層電極11の両面を挟むようにして覆い、ラミネートフィルム12、13の周縁部を熱溶着により接合することにより、これらラミネートフィルム12、13間に積層電極11とともに電解液を密閉したものである。
【0014】
これにより、電池10の外観形状は、電池中央部の積層電極11を収容した部位が厚肉部10Aとなり、電池周縁部の接合部分が薄肉部10Bとなる。
【0015】
積層電極11は、複数枚の正極板11Aおよび負極板11Bをそれぞれセパレータ11Cを介在させつつ順次積層したものであり、各正極板11Aは、正極リード11Dを介して正極タブ(電極タブ)14に接続されるとともに、各負極板11Bは、負極リード11Eを介して負極タブ(電極タブ)15に接続され、これら正極タブ14および負極タブ15がラミネートフィルム12、13の接合部分10Bから外部に引き出されている。
【0016】
前記正極タブ14および負極タブ15は、Al,Cu,Ni,Feなどの金属箔によって形成され、この実施形態では正極タブ14がAl、負極タブ15がNiで形成されている。また、前記ラミネートフィルム12、13は、外側から内側に向けて、樹脂層としてのナイロン層α、接着剤層β、金属層としてのアルミ箔層γ、樹脂層としてのPE(ポリエチレン)またはPP(ポリプロピレン)層δで構成される(図14参照)。
【0017】
「電池の素材」
なお、この実施形態のモジュール電池1は、車両搭載用であって、電池としては高エネルギー密度・高出力のリチウムイオン二次電池が使用されている。以下、リチウムイオン電池の材質の説明を付加する。
【0018】
正極板11Aを形成している正極の正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式LiNi1−xMxO2(但し、0.01≦x≦0.5であり、MはFe,Co,Mn,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表せる化合物を含有する。
【0019】
また、正極はリチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式LiyMn2−zM’zO4(但し、0.9≦y≦1.2、0.01≦z≦0.5であり、M’はFe,Co,Ni,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。また、一般式LiCo1−xMxO2(但し、0.01≦x≦0.5であり、MはFe,Ni,Mn,Cu,Zn,Al,Sn,B,Ga,Cr,V,Ti,Mg,Ca,Srの少なくとも一つである。)で表せる化合物であるリチウムコバルト複合酸化物を含有してもよい。
【0020】
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物およびリチウムコバルト複合酸化物は、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において600℃〜1000℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩等からも同様に合成可能である。
【0021】
なお、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などの正極活物質の平均粒径は、30μm以下であることが好ましい。
【0022】
また、負極板11B、11B、・・・を形成している負極活物質としては、比表面積が0.05m2/g以上、2m2/g以下の範囲であるものを使用する。この範囲とすることにより、負極表面上におけるSEI(Solid Electrolyte Interface:固体電解質界面)の形成を充分に抑制することができる。
【0023】
負極活物質の比表面積が0.05m2/g未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが放電時において負極活物質中から充分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が2m2/gを越える場合、負極表面上におけるSEI形成を制御することができない。
【0024】
負極活物質としては、対リチウム電位が2.0V以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークスなどのコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラックなどの炭素質材料を使用することが可能である。
【0025】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズ等の比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、3B族典型元素の他、SiやSnなどの元素、または例えばMxSi、MxSn(但し、式中MはSi又はSnを除く1つ以上の金属元素を表す。)で表されるSiやSnの合金などを使用することができる。これらの中でも、特にSiまたはSi合金を使用することが好ましい。
【0026】
さらに、電解液としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のものの他、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。
【0027】
非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
【0028】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリルなどが挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
【0029】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネートなどを含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するSEIの性状(保護膜の機能)に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【0030】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に0.05重量%以上、5重量%以下の割合で含有されることが好ましく、特に0.5重量%以上、3重量%以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギ密度の高い非水二次電池となる。
【0031】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばLiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3Liなどが使用可能である。これらの電解質塩は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いることも可能である。
【0032】
このようなリチウムイオン二次電池を使用することで、この実施形態のモジュール電池1は車両用搭載用に適した構成となっている。
【0033】
「電池ホルダ」
電池ホルダ2は、図5〜図7に示すように、電池10を載置保持しつつ複数多段に積層自在に構成されるものであり、電池10の薄肉部10Bを載置する枠部21と、電池10の厚肉部10Aを収容する開口部22と、を備えて枠状に形成されている。
【0034】
電池ホルダ10の枠部21には、電池10の薄肉部10Bを載置する載置面23の外周側に、電池ホルダ2の積層方向に向けて立壁24が突設されている。この立壁24の高さd2は、電池10の薄肉部10Bの厚みd4と同一か若しくは電池10の薄肉部10の厚みd4より高く設定され、その先端面24aが隣接する電池ホルダ2の裏面に当接する。これにより、電池ホルダ2を積層した際に、電池10が圧迫されることなくまた圧迫されたとしても過度に圧迫されることがない。
【0035】
そして、この枠部21の立壁24には、電池ホルダ2の長手方向両端に、電極タブ14、15を露出させる切欠部24c、24cが設けられている。これにより、電池ホルダ2を複数多段に積層すると、積層方向に隣接する電池ホルダ2、2の間に電池10が保持され、且つ、隣接する電池ホルダ2、2の間から電池10の電極タブ14、15が露出する。そのため、電池10の剛性を気にすることなく、電極タブ14、15同士の接続作業および電極タブ14、15と配線51〜56との接続作業を行うことができる。またこの実施形態では、図6に示すように、電池ホルダ10の厚みd1が電池10の厚みd3とほぼ同一に設定されており、これにより電池ホルダ10の厚みd1が最小限に抑えられる。結果、モジュール電池1全体として小型化に寄与する。
【0036】
枠部21の載置面23の四隅には、電池ホルダ10の重ね合わせ方向に向けて突設されたロケートピン25が設けられており、このロケートピン25が電池10の接合部10Bに設けられた貫通孔16に嵌合されることで、電池ホルダ2に電池10が位置決めされる。
【0037】
また、電池ホルダ2の裏面26には、ロケートピン25に対応する位置にロケート穴27が形成されている。そのため、電池ホルダ2を積層すると、積層方向下側の電池ホルダ2のロケートピン25と、積層方向上側の電池ホルダ2のロケート穴27と、が係合して、電池ホルダ2をズレなく多段に積層できるようになっている。
【0038】
各電池ホルダ2には、可撓アーム28aの先端に爪28bを備えてなる継手28が設けられており、これにより、複数の電池ホルダ2を連結固定できるようになっている。この実施形態では、図5に示すように4つのタイプの電池ホルダ2(2A、2B、2C、2D)を備え、それぞれ継手28の構成が異なってる。以下、図5を参照しつつタイプ別に電池ホルダ2(2A、2B、2C、2D)の説明を加える。
【0039】
(A)電池ホルダ2Aは、上側に直接積層した電池ホルダを連結固定できるタイプであって、この電池ホルダ2Aの継手28は、積層方向上側に隣接する電池ホルダ2の枠部21の外周溝29に爪28bが係合するように、可撓アーム28aの長さが設定される
(B)電池ホルダ2Bは、ヒートシンク7を介在させた状態で上側に電池ホルダ2を連結固定できるタイプであって、この電池ホルダ2Bの継手28は、ヒートシンク7を介して隣接する上側の電池ホルダ2の外周溝29に爪28bが係合するように可撓アーム28aの長さが設定される
(C)電池ホルダ2Cは、上側にヒートシンク7を連結固定できるタイプであって、この電池ホルダ2Cの継手28は、上側のヒートシンク7の表面周縁の角部に爪28bが係合するように可撓アーム28aの長さが設定される
(D)電池ホルダ2Dは、上側に直接積層した電池ホルダ2を連結固定できるとともに、下側にヒートシンク7を連結固定できるタイプであって、2種類の継手28、28を備える。一方の継手28は、積層方向上側に隣接する電池ホルダ2の枠部21の外周溝29に爪28bが係合するように可撓アーム28aの長さが設定され、他方の継手28は、下側のヒートシンク7の裏面周縁の角部に爪28bが係合するように可撓アーム28aの長さが設定される。
【0040】
なお、この実施形態では、上記のように4つのタイプの電池ホルダ2(2A、2B、2C、2D)を用いて積層体3を構成しているが、例えば図15に示すように電池ホルダ2Aと同等で且つ電池ホルダ2Aの継手位置が干渉ないように構成された電池ホルダ2Eを付加することで、積層体内の電池数は自由に変更できる。
【0041】
「モジュールケース」
モジュールケース4は、図1〜図4に示すように、容器状に形成されたケース本体41と、ケース本体41の上部開口部を気密する蓋体42と、からなり、積層体3を収容するものである。モジュールケース4内面には、モジュールケース4内面を周回する一対のリブ43、43が突設されており、このリブ43、43によって積層体3とモジュールケース4内面との間には空隙Sが形成される。なお、リブ43は、図2、4に示すように、ケース本体41に設けられたリブ44と、蓋体42に設けられたリブ45と、からなっている。
【0042】
そして、蓋体41には送風口46および排風口47が設けられており、送風口46から空隙Sに導入した外気を排風口47から排出することで、積層体3内の電池10、10、・・・群の熱を放熱できるようになっている。なお、図中、符号48、49は、積層体3をモジュールケース4内にガタ無く保持するための楔状スペーサである。
【0043】
「組立工程」
このように構成されたモジュール電池1は、以下のように組み立てられる。
【0044】
まず、図6に示すように、一つの電池ホルダ2に一つの電池10を載置保持する。このとき、電池ホルダ2のロケートピン25に電池10の貫通孔16を外嵌することで、電池10が電池ホルダ2上に位置決め保持される。
【0045】
次に、図5に示すように、このように電池10を載置保持した電池ホルダ2と、ヒートシンク7と、を所定の順番で連結固定して積層体3とする。なお、図5中において電池10は省略してある。
【0046】
次に、積層体3から露出する電池10の電極タブ14、15を、配線51、52(バスバー53、54、55、56を含む)を介して、蓋体41に固定された入出力端子5、6に直列およびまたは並列で接続して、強電回路を構成する。このとき、積層体3を構成する電池ホルダ2によって電池10が保持されているため、電池10の脆弱性を気にすることなく、電極タブ14、15同士の接続作業および電極タブ14、15と配線51〜56との接続作業を行うことができる。
【0047】
次に、図4に示すように、このように配線51〜56が接続された積層体3をケース本体41に収容し、積層体3とケース本体41のリブ43との間に一対の楔状スペーサ48、49を嵌合することで、積層体3をケース本体41にガタ無く納める。
【0048】
最終的に、ケース本体41の上部開口部に蓋体42を被せて接合し、求めるモジュール電池1とする。
【0049】
「作用効果」
このように構成されるモジュール電池1は、以下の作用効果を備える。
【0050】
(1)電池10の電極タブ14、15を露出させつつ該電池10を載置保持する電池ホルダ2を、複数多段に積層自在に構成したため、電池10の脆弱性を気にすることなく、電池ホルダ2を複数積層して、電池10の電極タブ14、15同士の接続作業および電極タブ14、15と配線51〜56の接続作業を行える。そのため、モジュール電池1の組立作業が容易となる
(2)電池ホルダ2がロケートピン25を備える一方で、電池10が電池ホルダ2のロケートピン25に貫通される貫通孔16を備えるため、電池10の位置決めが容易となり、さらにモジュール電池1の組立作業が容易となる。また、各電池ホルダ2に電池10がガタ無く保持されるため、モジュール電池1の取り扱い性も向上する
(3)積層方向に隣合う電池ホルダ2同士が連結自在に構成されているため、電池ホルダ2を複数多段に積層した積層体3を組み立ることが極めて容易となる。結果、モジュール電池1の組立作業がさらに容易となる
(4)積層方向に隣り合う電池ホルダ2の間に板状のヒートシンク7を介在させてあるため、積層体3から効率的に放熱できる。なお、図10、図11に示すように、ヒートシンク70を中空にした場合、ヒートシンク70の中空部71も流路となるため、さらに放熱性に優れたモジュール電池となる。
【0051】
第2実施形態:図12、13は本発明の第2実施形態を示す。なお、第1実施形態と同様の構成には同一符号を付して、説明を省略する。
【0052】
この第2実施形態の電池ホルダ30は、図12、13に示すように、電池ホルダ30の枠部21の載置面23を囲むように、電池ホルダ30の積層方向に向けて立壁31が突設されている。立壁31には、電池10の電極タブ14、15に対応する位置に切欠部32が設けられており、この切欠部32を通じて電極タブ30を電池ホルダ30外に露出するようになっている。立壁31の内側面31bは、図14に示すように、電池10の外周端末に当接しており、電池10の接合部10Bから電解液が漏れ出すことを抑制するシール面となる。
【0053】
また、この第2実施形態では、立壁31の上面31a(即ち、積層方向上側の電池ホルダとの当接面)に環状溝33が設けられ、この環状溝33にシール部材としての〇リング34が装着されるようになっている。この電池ホルダ30を積層すると、図13に示すように、積層方向に隣り合う電池ホルダ30同士の当接面間に、電池ホルダ30の枠部21の全周に亘ってシール部材34が介在して、筒状となる積層体3内に電池群10、10・・・が完全に密閉される。これにより、仮に電池10の液漏れがあっても、電解液が積層体3内にとどまる。
【0054】
このように、この第2実施形態によれば、電池ホルダ30が電池10の外周縁末に当接するシール面31bを備えるため、電池10の外周端末から電解液が液漏れしにくい構造となる。そのため、取り扱い性に優れるモジュール電池となる。
【0055】
また、この第2実施形態によれば、積層方向に隣り合う電池ホルダ30同士の当接面間に、シール部材34が介在してあるため、筒状となる積層体3内に電池10が完全に密閉された状態となり、仮に電解液の液漏れなどがあっても、電解液は積層体3内にとどまる。そのため、電解液がモジュールケース4外に漏れ出すようなことが無く、さらに取り扱い性に優れるモジュール電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のモジュール電池の一部破断部を含む上面図。
【図2】図1中II−II線に沿う側断面図。
【図3】図1中III−III線に沿う側断面図。
【図4】同モジュール電池の分解図。
【図5】同モジュール電池の積層体を示す図であって、分図aは分解図、分図bは組立図。
【図6】同モジュール電池の電池を載置した状態の電池ホルダを示す図であって、分図aは上面図、分図bは側面図、分図cは分図bと異なる方向から見た側面図、分図dは裏面図、分図eは分図a中SB−SB線に沿う断面図。
【図7】同モジュール電池の電池ホルダを示す図であって、分図aは上面図、分図bは側面図、分図cは分図bとは異なる方向から見た側面図、分図dは裏面図、分図eは分図a中SA−SA線に沿う断面図。
【図8】同モジュール電池の電池を示す図であって、分図aは上面図、分図bは側面図。
【図9】同モジュール電池の電池の内部構成を示す概略図。
【図10】第1実施形態の変形例を示す図1相当の図。
【図11】図10のモジュール電池の一部破断部を含む側面図。
【図12】本発明の第2実施形態のモジュール電池の電池ホルダを示す図であって、分図aは上面図、分図bは側面図、分図cは異なる方向から見た側面図、分図dは分図a中SC−SC線に沿う断面図。
【図13】第2実施形態の電池ホルダを積層した状態を示す図。
【図14】第2実施形態の電池ホルダに電池を載置した状態を示す要部断面図。
【図15】本発明のモジュール電池の積層体のその他の例を示す図。
【符号の説明】
1 モジュール電池
2 電池ホルダ
3 積層体
4 モジュールケース
7 ヒートシンク
10 電池
11 積層電極(発電要素)
12 ラミネートフィルム(外装フィルム)
13 ラミネートフィルム(外装フィルム)
14 正極タブ(電極タブ)
15 負極タブ(電極タブ)
16 貫通孔
25 ロケートピン
30 電池ホルダ
31b シール面
34 Oリング(シール部材)
51〜56 配線
S 空隙
Claims (6)
- 外装フィルム内に発電要素を密閉してなる電池と、前記電池を載置保持する電池ホルダと、を備え、
前記電池ホルダは、電池を保持しつつ複数多段に積層自在に構成され、
積層方向に隣合う電池ホルダの間から前記電池の電極タブを露出させてなることを特徴とするモジュール電池。 - 請求項1記載のモジュール電池において、
前記電池ホルダはロケートピンを備え、前記電池は前記電池ホルダのロケートピンに貫通される貫通孔を備えることを特徴とするモジュール電池。 - 請求項1または請求項2記載のモジュール電池において、
積層方向に隣合う電池ホルダ同士が連結自在に構成されてなることを特徴とするモジュール電池。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項記載のモジュール電池において、
積層方向に隣り合う電池ホルダの間に板状のヒートシンクを介在させてあることを特徴とするモジュール電池。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項記載のモジュール電池において、
前記電池ホルダは、電池の外周端末に当接するシール面を備えることを特徴とするモジュール電池。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項記載のモジュール電池において、
積層方向に隣り合う電池ホルダ同士の当接面間に、シール部材を介在してあることを特徴とするモジュール電池。
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