JP3937839B2

JP3937839B2 - モジュール

Info

Publication number: JP3937839B2
Application number: JP2001401955A
Authority: JP
Inventors: 洋金田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: US20030124416A1; DE10260798B4; CN1246922C; KR20030057482A; DE10260798A1; JP2003203615A; CN1430304A; US7087344B2; KR100498701B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平二次電池を用いたモジュール構造に関し、特に扁平型二次電池の押さえ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、一般的に充放電を繰り返すことにより内部ガスが発生し、この発生した内部ガスが電極間に入り込み性能劣化を引き起こす場合が多い。特にラミネートフィルムを外装体とする二次電池の場合、発生する内部ガスにより外装体が膨れてしまうため発電要素体を構成する電極間に隙間が生じやすくなり電池特性が劣化してしまう問題を抱えている。そこで多くの場合、ガスの発生を抑制する電解液の適用や電極間の隙間を抑制するセル構造などが適用されている。しかしながらガス発生を抑制できる電解液を適用しても長期的にはガスの蓄積による膨れは避けられない。また、単セル当たりに電極間の隙間を物理的に押さえ込むセル構造を適用した場合は単セル当たりの重量が増えてしまうため大型モジュールを作製すると容量密度の低いモジュールになってしまう課題を有していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、扁平型二次電池の充放電による膨れを抑制しつつ、軽量なモジュールを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セパレータを介して配置された正極と負極からなる扁平型二次電池を、上下カバーに収納したモジュールにおいて、
上記扁平型二次電池を押さえる、セル押さえ板と、
上記セル押さえ板と上記上下カバーの間に外力伝達柱と、を設けたことを特徴とするモジュールが提供される。
【０００５】
上記モジュールにおいて、上記セル押さえ板が上記扁平型二次電池の発電要素体全体を押さえ込む構成とすることができる。
また、上記モジュールにおいて、上記セル押さえ板が発電要素体よりも大きい構成とすることができる。
また、上記モジュールにおいて、上記セル押さえ板と上記扁平型二次電池の間にゴムシートを設けた構成とすることができる。
【０００６】
また上記モジュールにおいて、前記外力伝達柱と前記セル押さえ板とが一体成形された構成を採用することができる。
【０００７】
さらに上記モジュールにおいて、上記扁平型二次電池が、ラミネートフィルムを外装体とすることができる。また、上記モジュールにおいて、正極とセパレータと負極とが交互に積層してなる発電要素体を有する構成とすることができる。
本発明によればまた、セパレータを介して配置された正極と負極からなる扁平型二次電池を用いて構築するモジュールにおいて、上下カバーを撓ませて発生させた外力を外力伝達柱を介してセル押さえ板に伝達し、この伝達された外力を受けた上記セル押さえ板で発電要素体を押さえることにより、上記発電要素体に均等な面圧が加わることを特徴とするモジュールが提供される。
【０００８】
本発明は、扁平型二次電池が抱えている内部発生ガスによる膨れによって特性が劣化してしまう課題を、モジュール構造の工夫により解決するものである。
【０００９】
扁平型二次電池の場合、内部ガスの発生により太鼓型に膨れてしまうと電池外装体内の発電要素体を構成する電極間に隙間が生じやすくなり、特性の劣化を引き起こしてしまう。そこで、本発明は、この膨れを外部から強制的に押さえ込むモジュール構造を提案する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
単純な箱形モジュール外装体でセルの膨れを押さえ込むためにはモジュール外装体の厚みを増やし強度を上げることによって達成できるがモジュール自体の重量が重くなってしまい容量密度が低下する。逆に軽量なモジュール構造ではセルの膨れに伴いモジュール外装体も太鼓状に変形してしまうため特性劣化を抑制するための押さえ力を得ることはできない。
【００１１】
そこで本発明は、図１に示すようにモジュール構造をモジュール上下カバー１によって発生する外力２を外力伝達柱３を介しながらセル押さえ板４に伝達し、この押さえ板で扁平型二次電池６を押さえ込むサンドイッチ構造を提案する。
【００１２】
従来のモジュール構造を例にとり説明する。図４、図５に従来のモジュール構造を示す。図４は箱形ケース８に扁平型二次電池６を納めケース８と扁平型二次電池６との隙間に充填材９を注入しケース内に扁平型二次電池を固定する構造である。中にはケースと扁平型二次電池との隙間にゴムシート５を介在させたものもある。この構造の場合、扁平型二次電池の内部発生ガスにより扁平型二次電池が充填剤を押しのけて膨れてしまい特性が劣化してしまう。この原因は充填材またはゴムシートが扁平型二次電池の膨れを押さえきれていないためである。図５は上下カバータイプのモジュール構造で扁平型二次電池６を上下カバー１で挟み込み、挟み込む力で扁平型二次電池を固定する構造である。場合によってはケースと扁平型二次電池の固定面にゴムシート５を介在させる場合やケースと扁平型二次電池の側面部に生じる隙間に充填材９を注入する場合もあるが基本的には上下のカバー１による挟み込む力で扁平型二次電池が固定される構造である。このような上下カバー１で直接、扁平型二次電池を押さえ込む構造は上下カバー１が撓むことによって外力を生じさせるため扁平型二次電池内部の発電要素体の外周縁に外力が集中してしまう。ゴムシート５を介在させた場合は外力の集中を分散できるが扁平型二次電池内部の発電要素体の外周縁に外力が集中してしまう点に違いは無い。さらに扁平型二次電池６が膨れると内部ガスによって反発力が発生し、この反発力を押さえつける方向に上下カバー１が太鼓状に変形するため扁平型二次電池内部の発電要素体の外周縁に集中する外力が増えると共に扁平型二次電池内部の発電要素体を押さえる外力は膨れによって無くなり発電要素体の電極間に隙間が生じやすくなって性能劣化を引き起こす。さらにラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池の場合には、正極と負極とセパレータからなる発電要素体の外周縁に外力が集中してしまうため正極のエッジがセパレータを突き破って負極と接触してしまう短絡現象を引き起こしてしまう。この原因は上下カバーの挟み込み構造に起因している。挟み込み構造で膨れや短絡を回避するためには上下カバー１に撓みにくい高強度を有する材料を採用することによって達成できる。しかしながら撓みにくい材料は重い金属系か、あるいは厚い樹脂系でケースを作製する必要ある。いずれの場合においてもモジュールの重量が増え、かつ、高コストになってしまう。
【００１３】
以上のような従来の問題を回避するためには扁平型二次電池をある程度の面圧で押さえつけ充放電によるセルの膨れを押さえつける必要がある。また、この押さえつける力をモジュール外装体で発生させるためには外装体の撓み力を用いる必要があるがこの際に生じるカバーの撓みによる扁平型二次電池の外周縁への外力集中を回避する必要がある。さらに軽量なモジュール構造にすることで高容量密度および低コストを達成する必要がある。
【００１４】
本発明の構造は上記に記載した従来のモジュール構造で達成できなかった問題を解決する構造となっている。
【００１５】
図１を用いて本発明の作用を説明する。図１に示すように本発明のモジュール構造は二次電池を上下から挟み込む構造になっている。この構造は上下カバー１と外力伝達柱３とセル押さえ板４とゴムシート５からなる。
【００１６】
上下カバー１は扁平型二次電池６を上下から押さえ込むために撓むことによって外力２を発生させる作用を持つ。外力伝達柱３は、上下カバー１が撓むことにより生じる扁平型二次電池６の外周縁への外力集中を回避しながらセル押さえ板４に外力を伝える作用を持つ。押さえ板４は外力伝達柱３を通して伝わった外力２で扁平型二次電池６を押さえる作用を持つ。ゴムシート５は押さえ板４からの外力２を分散させ扁平型二次電池６の製造バラツキやモジュールの製造バラツキによる押さえ圧力の不均一性を緩和させる作用を持つ。外力伝達柱３の数及び設置位置はセル押さえ板４が扁平型二次電池６を均一な面圧で押さえることができる位置にすることが望ましい。
【００１７】
さらに本発明の構造であれば上下カバー１の撓みによる扁平型二次電池６の外周縁への外力集中が無いので上下カバー１の撓みを考慮した材料選定が不要となるため金属系および樹脂系の材料であっても軽く薄いモジュール構造を構築することが可能となる。
【００１８】
図１に示すように本発明のモジュールは扁平型二次電池６を押さえるための外力２を発生させる上下カバー１と、その外力を伝達する外力伝達柱３と、外力伝達柱３を通して外力を受けるセル押さえ板４とセル押さえ板４からの面圧を分散させるゴムシート５とから構成され、ゴムシート５を介して上下カバー１で扁平型二次電池６を挟み込む構造になっている。
【００１９】
モジュールの材質は樹脂系、金属系いずれにおいても作製可能であり目的にあったモジュールの外力、重量、容積を勘案し選定することが望ましい。たとえば強度の高いモジュールを作製したい場合には金属系材料を選定すればよいが若干重量は重くなる。逆に軽量なモジュールを作製したい場合は樹脂系材料を選定すればよいが金属系よりは強度が落ちる。扁平型二次電池を押さえる外力の大きさは選定材料の厚さと撓み量から自由に設定できる。
【００２０】
以下に図１を用いて本発明の実施例を説明する。まず、モジュールの材質であるがＳＵＳ材を採用した。上下カバー１の大きさはＷ１００ｍｍ×Ｄ１５０ｍｍ×Ｔ３ｍｍ、外力伝達柱３の大きさはＷ１０ｍｍ×Ｄ２０ｍｍ×Ｔ２ｍｍで上下各４ｐ、セル押さえ板４の大きさはＷ８０ｍｍ×Ｄ１３４ｍｍ×Ｔ３ｍｍ、ゴムシート５の大きさはＷ７０ｍｍ×Ｄ１２４ｍｍ×Ｔ１．５ｍｍとした。なお、ゴムシート５の材質は弾性率の高いフッ素系のスポンジシートとした。ラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池６には正極と負極がセパレータを介して積層されてなる発電要素体を内包し非水系電解液を含浸させた積層タイプを採用した。扁平型二次電池６の大きさはＷ９０ｍｍ×Ｄ１４０ｍｍ×Ｔ４ｍｍであり内包する発電要素体の大きさはＷ７０ｍｍ×１２４ｍｍ×Ｔ３．８ｍｍである。また外装体であるラミネートフィルムの厚さは１００μｍである。
【００２１】
上記構成で扁平型二次電池６を挟みこみ上下カバーを撓ませ外力２を加えていった。この際、外力伝達柱３の設置位置はセル押さえ板に均一に近い面圧を与えるよう調整しておく。面圧の均一性と外力の大きさはゴムシート５と扁平型二次電池６との間に感圧紙を挟み込んで確認した。
【００２２】
本実施例では外力が４０ｋｇｆ及び８０ｋｇｆで扁平型二次電池の発電要素体外周縁に外力が集中する現象は無く扁平型二次電池の上下面をほぼ均一に押さえ込むことができる。この効果は少なくとも扁平型二次電池２〜４個を積み重ねた条件でも再現する。（それ以上の積み重ね試験は行っていない。）なお、この外力を本実施例における扁平型二次電池の面圧に換算した場合、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２及び１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２に相当する。
【００２３】
次にモジュールでのサイクル試験を実施した結果を示す。試験条件は４５℃環境下における４．２Ｖ−２．５Ｖ：ＣＣＣＶの５００サイクル試験とした。評価サンプルは本実施例のモジュール構造で面圧０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２、１ｋｇｆ／ｃｍ^２のものと従来モジュール１、従来モジュール２の４水準で行った。従来モジュール１は図４に示すように１ｍｍ厚のアルミ筒缶ケース８に扁平型二次電池６を内包し、アルミ缶８と二次電池６との隙間にウレタン系樹脂の充填材９を注入し固めたものであり、図５に示す従来モジュール２は３ｍｍのＳＵＳ材上下カバー１で１ｍｍ厚のフッ素系スポンジシート５を上下に介して扁平型二次電池６を挟み込んだものであり、加えた外力２としては８０ｋｇｆ程度であるがＳＵＳの上下カバー１が撓んでしまうため挟み込んだ扁平型二次電池６の発電要素体外周縁に外力が集中している状態のものである。これら４水準のモジュールについてサイクル試験を行った結果を表１に示す。表１から判るように本発明のモジュール構造のものは明らかに従来モジュールよりもサイクル特性が向上している。特に従来モジュール１と面圧１ｋｇｆ／ｃｍ^２の本発明モジュール構造では５００サイクル後の容量維持率で１０％程度の差が生じている。
【００２４】
【表１】

【００２５】
次に図２を用いて本発明のその他の実施例を説明する。まず、モジュールの材質であるがガラスエポキシ樹脂を採用した。ガラスエポキシ樹脂はガラス繊維を含有させ通常のエポキシ樹脂よりも強度を向上させたものである。上下カバー１の大きさはＷ１００ｍｍ×Ｄ１５０ｍｍ×Ｔ５ｍｍ、外力伝達柱３とセル押さえ板４の作用を一緒にした外力伝達押さえ板７の寸法は上面寸法Ｗ１０ｍｍ×Ｄ１０ｍｍで下面寸法Ｗ８０ｍｍ×Ｄ１３０ｍｍで厚さＴ３ｍｍ、ゴムシート５の大きさはＷ７３ｍｍ×Ｄ１２４ｍｍ×Ｔ１．５ｍｍとした。なお、ゴムシート５の材質は弾性率の高いフッ素系のスポンジシートとした。ラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池６は前記実施例で使用したものと同じものである。
【００２６】
上記構成で扁平型二次電池６を挟みこみ上下カバーを撓ませ外力２を加えていった。この際、外力伝達押さえ板７は上下カバー１の中心（真ん中）に設置する。外力伝達押さえ板７の上面寸法および厚さは扁平型二次電池６に均一な面圧を与えるよう設計した。面圧の均一性と外力の大きさはゴムシート５と扁平型二次電池６との間に感圧紙を挟み込んで確認した。
【００２７】
本実施例では外力を８ｋｇｆ〜８０ｋｇｆまで振ってみたが扁平型二次電池の発電要素体外周縁に外力が集中する現象は無く扁平型二次電池の上下面をほぼ均一に押さえ込むことを確認した。この効果は少なくとも扁平型二次電池２〜４個を積み重ねた条件でも再現する。（それ以上の積み重ね試験は行っていない。）なお、この外力を本実施例における扁平型二次電池の面圧に換算した場合、０．１〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度に相当する。
【００２８】
次にモジュールでのサイクル試験を実施した結果を示す。試験条件は４５℃環境下における４．２Ｖ−２．５Ｖ：ＣＣＣＶの５００サイクル試験とした。評価サンプルは本実施例のモジュール構造で面圧０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２、０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２、１ｋｇｆ／ｃｍ^２の３水準で行った。これら３水準のモジュールについてサイクル試験を行った結果を表２に示す。表１と表２から判るように本実施例のモジュール構造のものも５００サイクル後の容量維持率で最大１０％程度の差が生じている。面圧が０．１ｋｇｆ／ｃｍ^２の低面圧での押さえ力であっても５％程度の容量維持率の向上が期待できる。
【００２９】
【表２】

【００３０】
図３は本実施例を拡張し、２０個の扁平型二次電池６を用いた４段５列で２０直列の大型モジュールを構築した一例である。
【００３１】
以上のように本発明のモジュール構造を採用することにより状来のモジュール構造では達成できなかったラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池の特性を低下させることなくモジュールを構築することが可能となる。また、モジュールの材質を高強度の樹脂系にすることで軽量なモジュールも構築可能となる。さらに本発明のモジュール構造を拡張することによって大型のモジュールも構築することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のモジュール構造は所定の面圧で均一に扁平型二次電池を押さえ込むことができるためラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池の充放電による膨れ現象を抑制し電池特性を劣化させる事無く長期的なサイクル特性を引き出すことができる。同時に扁平型二次電池の発電要素体全体を均一な面圧で押さえ込むため従来のモジュール構造で問題となっていた発電要素体外周縁への外力集中による短絡現象を抑制することができる。
【００３３】
また、本発明のモジュール構造は外力をカバーの撓みで得る構造であるが材質の撓みによる発電要素体外周縁への外力集中が無いため所定の外力を得るためのカバー材質の選定幅が広がる。よって扁平型二次電池を所定の面圧で押さえて、かつ、軽量なモジュールを構築することができる。
【００３４】
さらに本発明の構造は１個から数個の扁平型二次電池を重ねた場合でも有効であり、この構造を拡張することで数十個のモジュールも作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１および構造説明図である。
【図２】本発明の実施形態２および構造説明図である。
【図３】本発明の構造を用いた４段４列で２０直列の大型モジュール構築例
【図４】従来モジュール１の構造説明図である。
【図５】従来モジュール２の構図説明図である。
【符号の説明】
１上下カバー
２上下カバーを撓ませて発生させた外力
３外力伝達柱
４セル押さえ板
５ゴムシート
６扁平型二次電池
７外力伝達柱とセル押さえ板を一体成形した外力伝達セル押さえ板
８箱形ケース
９充填材注入部

Claims

セパレータを介して配置された正極と負極からなる扁平型二次電池を、上下カバーに収納したモジュールにおいて、
前記扁平型二次電池を押さえる、セル押さえ板と、
前記セル押さえ板と前記上下カバーの間に外力伝達柱と、を設けたことを特徴とするモジュール。
請求項１記載のモジュールにおいて、前記セル押さえ板が前記扁平型二次電池の発電要素体全体を押さえ込むことを特徴とするモジュール。
請求項２記載のモジュールにおいて、前記セル押さえ板が発電要素体よりも大きいことを特徴とするモジュール。
請求項１乃至３記載のモジュールにおいて、前記セル押さえ板と前記扁平型二次電池の間にゴムシートを設けたことを特徴とするモジュール。
請求項１乃至４記載のモジュールにおいて、前記外力伝達柱と前記セル押さえ板とが一体形成されたことを特徴とするモジュール。
請求項１乃至５いずれかに記載のモジュールにおいて、前記扁平型二次電池が、ラミネートフィルムを外装体とすることを特徴とするモジュール。
請求項６に記載のモジュールにおいて、前記扁平型二次電池が、正極とセパレータと負極とが交互に積層してなる発電要素体を有することを特徴とするモジュール。
セパレータを介して配置された正極と負極からなる扁平型二次電池を用いて構築するモジュールにおいて、上下カバーを撓ませて発生させた外力を外力伝達柱を介してセル押さえ板に伝達し、この伝達された外力を受けた前記セル押さえ板で発電要素体を押さえることにより、前記発電要素体に均等な面圧が加わることを特徴とするモジュール。