JP3998736B2

JP3998736B2 - 平角型電池モジュール

Info

Publication number: JP3998736B2
Application number: JP04845996A
Authority: JP
Inventors: 康夫雪田; 和也小島; 悦夫大上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2016-02-13
Also published as: JPH09219181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平角型電池モジュールに関し、さらに詳しくは平角型の非水電解液二次電池を複数組み合わせてモジュール化した平角型電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子技術のめざましい進歩は、電子機器の小型、軽量化を次々と実現させている。それに伴い、移動用電源としての電池に対しても益々小型、軽量かつ高エネルギー密度であることが求められるようになっている。従来、一般用途の二次電池としては、鉛電池、ニッケル・カドミューム電池等の水溶液系二次電池が主流である。しかし、これらの水溶液系二次電池は、サイクル特性に優れるものの、電池重量やエネルギー密度の点で十分に満足できるものとは言えない。
【０００３】
そこで、最近、リチウムやリチウム合金さらには炭素材料のようなリチウムイオンをドープ且つ、脱ドープが可能な物質を負極として使用し、また、正極にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム複合酸化物を使用する非水電解液二次電池の研究、開発が盛んに行われている。
この電池は、電池電圧が高く、高エネルギー密度を有し、サイクル性に優れた電池である。特に省エネルギー、環境汚染等の問題から電気自動車等で使用する高電圧（数十ボルト〜数百ボルト）、高エネルギー密度電池の開発が望まれている。これら電気自動車等で使用されるような、高電圧、高容量が要求される電池の場合、単セル電池が数十〜数百個も必要となり、通常これらは、数セルの単セル電池を直列又は並列に接続して組電池の形態を採る。
【０００４】
この際に使用される単セル電池の構造は、長尺電極を巻回してなる渦巻き型、平板電極を積層してなる平角型の二種類が一般的である。渦巻き型構造の電池は、比較的電池構造が簡単であるものの、円筒形状であることからスペースファクターが悪く、体積当たりのエネルギー密度が低下する、更に、充放電時の発熱による蓄熱が大きいという問題がある。
【０００５】
これに対し、平角型構造の電池は、スペースファクターが良く、充放電時の蓄熱も小さく、複数個の単セル電池を接続したモジュールとして、特に電気自動車等で使用するのに適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非水電解液を使用する電池においては、電解液の熱伝導度が水溶液系と比較して極めて低いために、平板型非水電解液二次電池を複数組み合わせたモジュールを用いて大電流における充電及び放電を行うと、電極の充放電反応による発熱が大きく、平角型構造の電池であっても、電池性能、特にサイクル特性の低下を招く懸念がある。
【０００７】
さらに、それに加えて、電池が大型化（大型モジュール化）する程、電極の発熱による熱膨張により電池内部の電極間に接触不良が発生する率が増大する。
即ち、電池の放熱性が悪いと温度変化により電極に膨張、収縮が起こり易くなり、電極の表面に凹凸が生じて接触不良が発生する。
【０００８】
そのため、イオン移動度に不具合が生じて、内部抵抗が増大して、上記電池性能の劣化を更に助長するという問題がある。これらの課題を解決するために、各電池内で放熱性を向上させる工夫がなされているが、そのために電池容器の重量もしくは体積が大幅に増大する等の新たな問題が生じてしまい、実用化の障害となっていた。
【０００９】
また、平角型構造の電池は、上記のような充放電に伴う発熱による電解液の気化、予め含まれていたガスの膨張などにより電池内部の圧力が上昇した際に、電池側面の剛性を維持するためには、その電池ケースをかなりの肉厚に設計する必要があった。しかし、ケースの肉厚を厚くすることにより、容積、重量エネルギー効率（単位容積あるいは重量当たりのエネルギーの大きさの程度）の低下を招き、スペースファクターの良かった平角型電池の長所が帳消しとなっていた。
【００１０】
また、平角型構造の電池では、振動や衝撃が加わったときに単セル電池の位置ずれを防止する必要もある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、ケースの肉厚を厚くすることなく容積、重量エネルギー効率が良く、スペースファクターが良く、且つ耐振動性に優れた平角型電池モジュールを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の平角型電池モジュールは、複数枚の電極を積層して構成された平角型の電池本体と、電池本体を囲うケースと、他の平角型電池との締結のためにケースの側周部に設けられた締結部とを有し、電極面同士が平行になるように、ケースにおける電池本体の電極面に平行な面同士を互いに対向させて配列された複数の平角型電池と、複数の平角型電池における締結部同士を締結する締結手段とを備え、締結手段が、複数の平角型電池を挟み電極面に平行に配置された押さえ板と、一方の押さえ板側より当該押さえ板および締結部を貫くボルトと、他方の押さえ板側よりボルトに螺合して複数の平角型電池を締結するナットとを有するものである。
【００１４】
本発明では、電極面同士が平行になるように配列された複数の平角型電池における締結部同士を締結手段によって締結することによって平角型電池モジュールが構成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る平角型電池としての単セル電池の組立斜視図である。
本実施の形態に係る単セル電池１は、図１に示したように、複数枚の電極を積層して構成された平角型の電池本体としての積層電極体３と、この積層電極体３の側周部を囲うフレーム４と、このフレーム４の２つの開口部を封止するフレームシール４ａ，４ｂと、上端部が開放され、フレーム４およびフレームシール４ａ，４ｂによって囲われた積層電極体３を収納するケース２と、このケース２の上端部を閉塞する天板６とを備えている。以下、この単セル電池１の詳細な構造を、作成順に従って説明する。
【００１６】
図２は単セル電池１の積層電極体３の一部の側断面を表すものである。まず、この図２に示したように、正極電極７および負極電極８を積層した積層電極体３を作成した。負極電極８は、不活性ガス気流中で焼成した後、粉砕して得られた平均粒径２０μｍの炭素９０重量部および結着材としてのフッ化ビニルデン樹脂１０重量部をＮ−メチルピロリドンに分散した負極活物質８ａとなるスラリーを、厚さ１０μｍの銅箔の負極集電体８ｂの両面に塗布、乾燥し、さらに例えば１２０°Ｃにてホットプレスを行って、厚さ１８０μｍの電極原板を作成し、塗布部を１６０．５ｍｍ×１１６ｍｍの大きさに切断して形成した。なお、負極集電体８ｂのうち塗布部よりはみ出た部分はリード１０となっている。
【００１７】
次に、正極電極７は、平均粒径１５μｍのＬｉＣｏＯ₂粉末９１重量部、導電材としてのグラファイト６重量部および結着材としてのフッ化ビニルデン樹脂３重量部をＮ−メチルピロリドンに分散した正極活物質７ａとなるスラリーを、厚さ２０μｍのアルミ箔の正極集電体７ｂの両面に塗布、乾燥し、さらに例えば１２０°Ｃにてホットプレスを行って、厚さ１５０μｍの電極原板を作成し、負極電極８と同様に、塗布部を１６０．５ｍｍ×１１６ｍｍの大きさに切断して形成した。なお、正極集電体７ｂのうち塗布部よりはみ出た部分はリード１０となっている。
【００１８】
このようにして得られた２種類の電極７，８を、それぞれ、大きさ１６７．５ｍｍ×１２３ｍｍの微多孔性のポリエチレンフィルムから成るセパレータ９で挟み、その外周部をヒートシールすることにより、フィルムに袋詰めされた最終の電極体を得た。このように袋詰めされ、それぞれ正極電極７、負極電極８を含む電極体を、負極電極８を含む電極体については５４枚、正極電極７を含む電極体につていは５３枚、交互に積層し、外周に粘着テープを巻いて固定し電極積層体３とした。この電極積層体３において、集電体７ｂ，８ｂの各面を電極面という。
【００１９】
次に、図１に示した正極電極端子５ａと負極電極端子５ｂに、それぞれ、上記の積層電極体３の各正極電極７のリード１０と各負極電極８のリード１０を超音波溶接する。
【００２０】
本実施の形態に係る単セル電池１を複数個接続してモジュール構造体としたとき、各々の電極集電体７ｂ、８ｂ間には大電圧が生じるので、絶縁性を向上させるため、上記積層電極体３を図１に示すように、ＰＰ（ポリプロピレン）から成るフレーム４内に入れ、両側の開口部をアルミラミネートフィルムから成るフレームシール４ａ、４ｂで封止した。
【００２１】
そして、厚さ１．５ｍｍのステンレス板の両端を折り曲げ、この２つの折り曲げ部にそれぞれステンレスの耳片１１をレーザー溶接した天板６に、フレーム４内に収まった積層電極体３の電極集電体７ａ，７ｂに対応する電極端子５ａ，５ｂをＯリング２１を介して六角ナット２２にて固定した。各耳片１１には、ボルト貫通用の透孔１１ａが形成されている。
【００２２】
さらに、これを上端部が開放されたステンレスから成るケース２に挿入した。ケース２は、積層電極体３の両面に対向するようにコ字状に折り曲げられ、表面に絞りプレス加工にてリブが設けられている厚さ３００μｍのステンレス板の両側部に、厚さ１．２ｍｍのステンレス板から成る側板１２をレーザー溶接し、上端部が開放された八角柱状とし、その下部の二隅にボルト貫通用の孔１１ａを有するステンレス製の耳片１１をレーザー溶接することにより作成した。
【００２３】
各耳片１１にはＰＯＭ（ポリオキシメチレン）等から成る絶縁カバー１２ａを被せ、耳片１１を別の単セル電池１の耳片１１と重ねたときのケース２間の絶縁性を確保した。
【００２４】
最後に天板６をケース２の上端に置き、ケース２との間をレーザー溶接することにより単セル電池１を作成した。上記単セル電池１の各電極端子５ａ、５ｂに設けた電解液注入口５ｃからプロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートの混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１モル／リットルの割合で溶解した電解液２４（図２参照）を減圧、注液、加圧のサイクルを繰り返すことにより注入し、電解液注入口５ｃに栓をして最終の単セル電池１を得た。ここで、単セル電池１の設計容量は４０Ａｈである。
【００２５】
次に、本実施の形態に係る平角型電池モジュールについて、作成順に説明する。
【００２６】
図３は本実施の形態に係る電池モジュールの組立斜視図である。本実施の形態に係る電池モジュールは、上述した構成の単セル電池１を４個ずつ電極面が平行になるように配列し、これを２列に並べて構成している。配列した複数の単セル電池１の集合体は、電極面に平行に配置した押さえ板１３，１３で挟んでいる。押さえ板１３，１３には、各単セル電池１の耳片１１の透孔１１ａに対応する四隅にボルト貫通用の透孔が形成されている。そして、一方の押さえ板１３側より、押さえ板１３，１３の透孔および各単セル電池１の耳片１１の透孔１１ａをボルト１４で貫き、他方の押さえ板１３側よりボルト１４のねじ部にナット２３を螺合し締め付けて、８個の単セル電池１を締結している。
【００２７】
そして、各単セル電池１の電極端子５ａ、５ｂを適宜に接続するためのつなぎリード１５を、リード取付ボルト１７によって、電極端子絶縁板１６を介して単セル電池１の電極端子５ａ、５ｂに固定し、さらに一部のつなぎリード１５に電流取り出しのための端末電極１８を取り付けて、電池モジュールを完成した。
【００２８】
このように本実施の形態では、複数の単セル電池１のケース２における電極面に平行な面の四隅に設けられた耳片１１をボルト１４およびナット２３によって締結して電池モジュールを構成するようにしたので、電池モジュールに振動や衝撃が加わっても単セル電池１のずれが少なく、耐振動性が向上する。また、上述のように複数の単セル電池１を締結することによって剛性が維持されるため、ケースの肉厚を厚くする必要がなく、また従来に比べて使用部品点数が削減されるので、容積当たり、重量当たりのエネルギー密度が向上した電池モジュールを提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の平角型電池モジュールによれば、平角型電池におけるケースの側周部に締結部を設け、電極面同士が平行になるように配列された複数の平角型電池における締結部同士を締結手段によって締結すると共に、この締結手段を、複数の平角型電池を挟み電極面に平行に配置された押さえ板と、一方の押さえ板側より当該押さえ板および締結部を貫くボルトと、他方の押さえ板側よりボルトに螺合して複数の平角型電池を締結するナットとを備えるように構成したので、ケースの肉厚を厚くする必要がなく、容積、重量エネルギー効率およびスペースファクターが良く、且つ耐振動性に優れた平角型電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る単セル電池の組立斜視図である。
【図２】図１に示した単セル電池における積層電極体の一部の側断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る電池モジュールの組立斜視図である。
【符号の説明】
１…単セル電池、２…下ケース、３…積層電極体、４…フレーム
５ａ…正極電極端子、５ｂ…負極電極端子、５ｃ…電解液注入孔
６…天板、７…正極電極、８…負極電極、９…セパレータ、１０…リード
１１…耳片、１１ａ…透孔、１２…側板、１３…押さえ板、１４…ボルト
２３…ナット

Claims

複数枚の電極を積層して構成された平角型の電池本体と、前記電池本体を囲うケースと、他の平角型電池との締結のために前記ケースの側周部に設けられた締結部とを有し、電極面同士が平行になるように、前記ケースにおける電池本体の電極面に平行な面同士を互いに対向させて配列された複数の平角型電池と、
前記複数の平角型電池における締結部同士を締結する締結手段とを備え、
前記締結手段は、
前記複数の平角型電池を挟み電極面に平行に配置された押さえ板と、
一方の押さえ板側より前記押さえ板および前記締結部を貫くボルトと、
他方の押さえ板側より前記ボルトに螺合して複数の平角型電池を締結するナットと
を有することを特徴とする平角型電池モジュール。
前記締結部は、ボルト貫通用の透孔が形成され、前記ケースにおける電池本体の電極面に平行な面の四隅に設けられた耳片であることを特徴とする請求項１記載の平角型電池モジュール。
前記耳片は絶縁カバーで覆われていることを特徴とする請求項２記載の平角型電池モジュール。