JP3624903B2

JP3624903B2 - モジュール電池

Info

Publication number: JP3624903B2
Application number: JP2002196215A
Authority: JP
Inventors: 悦夫大上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2004039484A; US20040036444A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素（積層電極）を外装フィルムで被覆して密閉した積層型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として具現化される。
【０００４】
従来、電池を多数組み合わせて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、従来技術においては、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配線との接続作業には注意を要する。また、仮組されたサブアッセンブリ体も、強度が極めて低く、取り扱いが難しい。
【０００６】
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、組立作業を容易化できるモジュール電池の提供である。
【０００８】
本発明にあっては、外装フィルム内に発電要素を密閉し且つ前記発電要素に接続された電極タブを前記外装フィルム外に引き出してなる複数の電池を、パッキングケースに収容保持した電池パックと、前記電池パックを複数積層した状態にサブアッセンブリした積層体を保持する電池パックホルダと、を備えたモジュール電池であって、前記電池パックのパッキングケースは、該パッキングケース内の各電池の電極タブを露出する開口部を両端に備える筒状形状であり、前記積層体は前記パッキングケースの開口部を積層方向に揃えた状態で積層して成り、前記電池パックホルダは、全てのパッキングケースの開口部を一括して覆って気密す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、外装フィルム内に発電要素を密閉し且つ前記発電要素に接続された電極タブを前記外装フィルム外に引き出してなる複数の電池をパッキングケースに保持した電池パックを、備え、前記パッキングケースは、該パッキングケース内の各電池の電極タブを露出する開口部を両端に備える筒状形状であるため、複数の電池パックを積層した状態にサブアッセンブリし、この状態で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極めて容易にモジュール電池の組立作業を行える。
【００１０】
しかも本発明によれば、電池パックを複数積層した積層体は、電池パックのパッキングケースの開口部を積層方向に揃えた状態としてあるため、特に電極タブ同士の接続作業が容易となる。また、本発明によれば、電池パックを複数積層した状態にサブアッセンブリした積層体を保持する電池パックホルダを備え、この電池パックホルダが、全てのパッキングケースの開口部を一括して覆って気密することを特徴とするため、組立作業が容易となる。しかも、電池および配線および電気接続部分は全て気密空間内に納まる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１〜図１１は本発明の一実施形態を示すものである。
【００１３】
この実施形態のモジュール電池１は、図１〜図４に示すように、複数の電池１０を筒状のパッキングケース３（３Ａ、３Ｂ）で収容保持した電池パック２と、この電池パック２を複数積層してなる積層体６を保持する一対の電池パックホルダ４、５と、を備えた基本構造である。
【００１４】
「電池パック」
電池パック２は、上述のように電池１０と、複数の電池１０を収容保持するパッキングケース３と、を備えて構成される。なお、この実施形態ではパッキングケース３に４つの電池１０を収容するようにしたが、電池１０の数はいくつでもよい。
【００１５】
「電池」
電池パック２内の電池１０は、図８〜図１０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（接合部分Ｂ）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。
【００１６】
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る。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Ｂから外部に引き出されている。
【００１７】
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をＡｌ、負極タブ１５をＮｉで形成するものとする。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。
【００１８】
「パッキングケース」
電池パック２のパッキングケース３は、図１１、１２に示すように、４つの電池１０を積層した状態にまとめて収容保持するものであり、両端に、電池１０の電極タブ（正極タブ１４および負極タブ１５）を露出する開口部３ａ、３ｂを備える断面六角形の筒状形状をなしている（図１および図４〜図６参照）。このパッキングケース３は、電池１０を狭持して保持すべく一対の分割ケース３Ａ、３Ｂからなり、この一対の分割ケース３Ａ、３Ｂを重ね合わせて接合（例えば超音波接合）してなる。より具体的には、一対の分割ケース３Ａ、３Ｂは、分割ラインＰを中心に対称に形成され、その短手方向両端に長手方向に沿って形成され互いに接合される接合壁３１、３１と、該接合壁３１、３１より傾斜壁３２、３２を介して凹設され且つ積層最上段の電池１０また積層最下段の電池１０に当接する狭持壁３３と、を備えている。狭持壁３３の内面の四隅には、分割ケース３Ａ、３Ｂの重ね合わせ方向に向けて突設されたロケートピン３４が設けられており、このロケートピン３４に複数の電池１０が積層されつつ位置決めされる。なお、このロケートピン３４に対応して、電池１０の接合部（薄肉部）Ｂの四隅には、ロケートピン３４と嵌合する貫通孔１６が設けられている。
【００１９】
また、このように構成されるパッキングケース３には、その両端の開口部３ａ、３ｂの周縁から電池パック２の積層方向に向けてフランジ３５が突設されており、図１、４、６に示すようにパッキングケース３（電池パック２）を複数積層した際には、このフランジ３５がスペーサの役割を担って、積層方向に隣合う電池パック２の間に空隙Ｓが形成されるようになっている。この空隙Ｓにより、電池パック２の放熱が促進される。空隙Ｓを流れる空気（流体）は、前記フランジ部３５、３５の延在方向に沿って流通方向が規制され、図４中紙面表裏方向または図６中左右方向に流れるようになっていて、この空気に電池パック２の熱が放熱される。
【００２０】
空隙Ｓは、図６に示すようにその流通方向Ｙ中間部（狭持壁３３に対応）に対して、流通方向Ｙ両端部（接合壁３１、３１に対応）が幅広に設定されており、空気が流れ込み易くなっている。しかも、流通方向Ｙ中間部から流通方向Ｙ両端部に向けて幅が漸次広くなるように設定されているため、さらに空気が流れ込み易く、冷却性能に優れた構造となっている。なお、流通する流体の少なくとも上流側が広く設定されればよい。また、図１３に示すように、パッキングケース３の分割ケース３Ａ（３Ｂ）に、空隙Ｓに対応する位置に冷却フィン３６を設けることでさらに冷却性能を向上させてもよい。
【００２１】
「電池パックホルダ」
電池パックホルダ４、５は、複数の電池パック２を積層した状態にサブアッセンブリした積層体６を保持するものである。より詳しくは、電池パックホルダ４、５は、容器状に形成された本体部４ａ、５ａと、両端を揃えて積層された電池パック２の積層体（サブアッセンブリ体）６の両端を受け入れて嵌合する嵌合部４ｂ、４ｂと、を備えており、これにより複数のハッキングケース３（電池パック２）をまとめて保持するとともにパッキングケース３の両端の開口部３ａ、３ｂ一括して覆って気密している。一方の電池パックホルダ４には、電池１０の正極タブ１４または負極タブ１５に電線を介して接続される出入力端子２１、２２が設けられ、この入出力端子２１、２２を通じてモジュール電池１の充放電が行われる。また、この電池パックホルダ４には、過電流保護素子などを含んで充放電を制御する制御回路基板２３および該制御回路基板２３に接続される制御コネクタ２４が固定されている。
【００２２】
「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。
【００２３】
まず、図１２→図１１に示すように電池パック２を製造する。具体的には、各分割ケース３Ａ、３Ｂのロケートピン３４に電池１０の貫通孔１６を嵌合してそれぞれの分割ケース３Ａ、３Ｂに電池１０を位置決めして仮保持する。電池１０を仮保持した分割ケース３Ａ、３Ｂを重ね合わせて接合壁３１同士およびロケートピン１６同士を接合（例えば超音波接合）することで求める電池パック２とする。
【００２４】
次に、上述のように製造された電池パック２を、その電池パック２の開口部３ａ、３ｂを揃えて積層した積層体６とし、この状態で開口部３ａ、３ｂから露出する電極タブ１４、１５同士および電極タブ１４、１５と配線とを接続する。なお、積層体６は、紐部材や治具などを用いて仮組した状態でもよいし、隣り合う電池パック２、２同士を接合した状態でもよい。
【００２５】
最終的に、積層体６の両端を一対の電池パックホルダ４、５の嵌合部４ｂ、５ｂに嵌合した後、積層体６と電池パックホルダ４、５と接合（例えば超音波接合）して、求めるモジュール電池１とする。
【００２６】
「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。
【００２７】
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ＬｉＮｉ_１−ｘＭｘＯ_２（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。
【００２８】
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ＬｉｙＭｎ_２−ｚＭ’ｚＯ_４（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ＬｉＣｏ_１−ｘＭｘＯ_２（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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０．０５ｍ^２／ｇ以上、２ｍ^２／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（ＳｏｌｉｄＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ：固体電解質界面）の形成を充分に抑制することができる。
【００３２】
負極活物質の比表面積が０．０５ｍ^２／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２ｍ^２／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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ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。
【００４１】
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。
【００４２】
「作用効果」
上記のようにこの実施形態のモジュール電池１によれば、複数の電池１０を収容保持するとともに電極タブ１４、１５を露出する開口部３ａ、３ｂを備えるパッキングケース３を備えるため、電池１０の剛性にかかわらず、電池パック２を複数積層した状態にサブアッセンブリして、電極タブ１４、１５同士の接続作業および電極タブ１４、１５と配線との接続作業を行える。即ち、モジュール電池１の組立作業が容易となる。
【００４３】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池パック２を複数積層した積層体６を保持する電池パックホルダ４を備えるため、組立作業が容易となる。しかも、この電池パックホルダ４が、全ての電池パック２の開口部３ａ、３ｂを一括して覆って気密するため、電池１０および配線および電気接続部分は全て気密空間内に納まり、埃・塵を嫌う電気接続部分を完全に気密でき、モジュール電池を長寿命化できる。
【００４４】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、積層方向に隣り合う電池パック２、２の間に空隙Ｓが設けられているため、該空隙Ｓによりモジュール電池１の放熱性能が向上する。
【００４５】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、空隙Ｓは、空気の流通方向Ｙ両端部が幅広に設定されているため、空隙Ｓに空気が流入しやすく、放熱性能に優れる。しかも、空気の流通方向Ｙ中間部から流通方向Ｙ両端部に向けて漸次幅広となるように傾斜（傾斜壁３２に対応）させてあるため、さらに空隙Ｓに流体が流入しやすい。
【００４６】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池パック２のパッキングケース３は電池１０を狭持して保持する一対の分割ケース３Ａ、３Ｂからなるため、電池パック２の組立が容易である。結果、モジュール電池１の組立作業がさらに容易化する。
【００４７】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池１０はパッキンングケース３内にロケートピン１６によって位置決め保持されるため、電池パック２の組立がさらに容易化する。また、電池１０がパッキングケース３内にガタ無く保持されることとなるため、電池パック２の取り扱い性が向上する。
【００４８】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、一対の分割ケース３Ａ、３Ｂが分割ラインＰに中心に対称形状であるため、部品を共用でき、コスト削減につながる。
【００４９】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池１０が高エネルギー密度・高出力のリチウムイオン電池であるため、車両用駆動源として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この実施形態のモジュール電池の上面図。
【図２】同モジュール電池の側面図。
【図３】図１中矢示ＩＩＩ方向から見た同モジュール電池の側面図。
【図４】図１中ＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。
【図５】一部破断部を含む図２相当の側面図。
【図６】図１中ＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】電池パックのパッキングケースの分割ケースを示す図。
【図８】電池の斜視図。
【図９】電池の上面図。
【図１０】図９中Ｘ−Ｘ線に沿う断面図、
【図１１】電池パックの側面図。
【図１２】電池パックの分解側面図。
【図１３】分割ケースの変形例を示す図。
【符号の説明】
１モジュール電池
２電池パック
３パッキングケース
３ａ、３ｂ開口部
３Ａ、３Ｂ分割ケース
４、５電池パックホルダ
６積層体
１０電池
１１積層電極（発電要素）
１２、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
３４ロケートピン
Ｐ分割ライン
Ｓ空隙

Claims

外装フィルム内に発電要素を密閉し且つ前記発電要素に接続された電極タブを前記外装フィルム外に引き出してなる１以上の電池を、パッキングケースに収容保持した電池パックと、前記電池パックを複数積層した状態にサブアッセンブリした積層体を保持する電池パックホルダと、を備えたモジュール電池であって、
前記電池パックのパッキングケースは、該パッキングケース内の各電池の電極タブを露出する開口部を両端に備える筒状形状であり、
前記積層体は、前記パッキングケースの開口部を積層方向に揃えた状態で積層して成り、
前記電池パックホルダは、全てのパッキングケースの開口部を一括して覆って気密す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、
積層方向に互いに隣り合う電池パックの間に、冷却流体が流通可能な空隙を設けたことを特徴とするモジュール電池。
請求項２記載のモジュール電池において、
前記積層方向に互いに隣り合う電池パックの間に設けられた空隙は、該空隙を流通する流体の流通方向中間部よりも流通方向上流側が広く設定されていることを特徴とするモジュール電池。
請求項２または請求項３記載のモジュール電池において、
前記電池パックのパッキングケースには、前記空隙に臨む冷却フィンが設けられてい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、
前記パッキングケースは、前記電池を狭持して保持する一対の分割ケースからなることを特徴とするモジュール電池。
請求項５記載のモジュール電池において、
前記分割ケースの少なくとも一方にロケートピンを設けるとともに、前記電池に前記ロケートピンに嵌合する貫通孔を設けたことを特徴とするモジュール電池。
請求項５または請求項６記載のモジュール電池において、
前記一対の分割ケースが分割ラインに中心に対称形状であることを特徴とするモジュール電池。