JP4114030B2 - 電池モジュール及び扁平形状電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平形状電池及びそのモジュールに関し、より具体的には、蓄電システム用の大容量二次電池として用いるのに適した扁平形状電池及びそのモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題及び省資源を目指したエネルギーの有効利用の観点から、深夜電力貯蔵や太陽光発電による電力貯蔵などを行うための家庭用分散型蓄電システム、電気自動車のための蓄電システム等が注目を集めている。このような蓄電システムに用いられる二次電池は、エネルギー容量が１０Ｗｈ以下の携帯機器用小型二次電池とは異なり、容量が大きい大型のものが必要となる。また、これらのシステムでは、複数の二次電池を直列に配置し、電圧が例えば５０〜４００Ｖの組電池として用いるのが常であり、ほとんどの場合、鉛電池を用いていた。
【０００３】
一方、携帯機器用小型二次電池の分野では、小型且つ高容量のニーズに応えるべく、新型電池としてニッケル水素電池、リチウム二次電池等の開発が進んでおり、１８０Ｗｈ／ｌ以上の体積エネルギー密度を有する電池が市販されている。特に、リチウムイオン電池は３５０Ｗｈ／ｌを超える高い体積エネルギー密度を実現する可能性を有すること、安全性、サイクル特性等の信頼性が金属リチウムを負極に用いたリチウム二次電池に比べて優れていることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【０００４】
また、薄型のリチウム二次電池として、薄型の外装に、例えば、金属と樹脂とをラミネートした厚さ１ｍｍ以下のフィルムを収納したフィルム電池（特開平５−１５９７５７号公報、特開平７−５７７８８号公報等）、厚さ２ｍｍ〜１５ｍｍ程度の小型角型電池（特開平８−１９５２０４号公報、特開平８−１３８７２７号公報、特開平９−２１３２８６号公報等）が知られている。
【０００５】
ただし、これらの薄型のリチウム電池は、いずれも、その目的が携帯機器の小型・薄型化に対応するものである。例えば、携帯用パソコンの底面に収納できる厚さ数ｍｍでＪＩＳ Ａ４サイズ程度の面積を有する薄型電池も開示されているが（特開平５−２８３１０５号公報）、エネルギー容量は１０Ｗｈ以下という小容量のものであった。また、このような小型の薄型電池の複数個を直列、並列に接続して電池モジュールを構成する場合、各電池の容量が小さいことから、放熱等を考慮する必要がないので、単純に積み重ねる等して構成され、特に工夫はなされていなかった。
【０００６】
このような携帯機器用小型二次電池の分野における技術的な発達を背景として、蓄電システム用大型電池の分野においても、高エネルギー密度電池の候補としてリチウムイオン電池をターゲットとした電池の開発が、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合（ＬＩＢＥＳ）等で精力的に進められてきている。これら大型リチウムイオン電池は、エネルギー容量が１００Ｗｈ〜４００Ｗｈ程度であり、また、体積エネルギー密度が２００Ｗｈ／ｌ〜３００Ｗｈ／ｌであり、携帯機器用小型二次電池並みのレベルに達している。
【０００７】
このような大型リチウムイオン電池の形状としては、直径５０ｍｍ〜７０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ〜４５０ｍｍの円筒型、厚さ３５ｍｍ〜５０ｍｍの角形或いは長円角形等の扁平角柱形のものが多い。このような大型電池を蓄電システムに用いる場合、一般に４〜１０個の大型電池（単電池）を直列に接続し、１５Ｖ〜５０Ｖの電池モジュールとし、さらに、これら電池モジュールを直列、並列に接続することにより、所定の電圧、容量を有する蓄電システムを構成している。
【０００８】
例えば、円筒型、角型の大型電池では、これらの電池の端子部は上蓋又は底部に設けられており、モジュールを構成する場合には、各単電池における端子部が設けられた面（上蓋或いは底部）が同一平面内に配置されるように各電池の上下方向を揃えた状態で並べて配置し、これらの端子部同士を接続している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一方、扁平形状の大型電池では、電池厚さが極めて薄いために、その側面ではなく広平面において端子部を設けている場合がある。この様な電池を複数重畳してモジュールを構成する場合、広平面から突出する端子部が邪魔になって、隣り合う電池間の間隔を狭めることが困難であった。このように電池間の間隔が大きくなると、モジュール全体の寸法が大きくなりコンパクトに出来ないという問題が生じる。このような問題は、広平面に端子部を有する扁平形状電池を用いて構成される電池モジュールに共通して生じ得る問題である。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の扁平形状電池を重畳して構成されたコンパクトな電池モジュール及びこれに利用される大容量の扁平形状電池を提供することをその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数の扁平形状電池のそれぞれが、片側の広平面部において突出する正極端子部及び負極端子部を有し、相互に重畳されて構成されており、２個ずつの扁平形状電池を１組とし、各組の２個の扁平形状電池は、前記正極端子部及び負極端子部が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するように配置され、且つ、扁平形状電池間で前記正極端子部及び負極端子部は前記広平面部に対して垂直な方向において重ならないように配置されている。
【００１２】
前記複数の扁平形状電池の広平面部は矩形をなし、前記扁平形状電池に設けられた正極端子部及び負極端子部の各々は、該矩形をなす広平面部の一端縁に沿うように配置されるようにすることができる。
【００１３】
前記隣接する扁平形状電池における一方の扁平形状電池の正極端子部或いは負極端子部の突出した先端部と、他方の扁平形状電池の広平面部との間の距離が約１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００１４】
或いは、上記目的を達成するために、本発明の扁平形状電池は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上かつ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上の扁平形状電池として構成され、前記扁平形状をなす電池容器の広平面部は矩形であり、該矩形をなす一方の広平面部の一端縁近傍において、該端縁に垂直な中心線に関して非線対称に配置された正極端子部及び負極端子部を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る扁平形状の単電池（本実施形態においては二次電池）１を示す図であり、図１（ａ）は上側側面、図１（ｂ）は平面、図１（ｃ）は横側側面を示す。図１に示すように、本実施形態の単電池１は、電池容器を構成する上蓋１０及び底容器１２と、上蓋１０側に形成された矩形の広平面部Ｓから突出するように設けられた正極端子部１４及び負極端子部１６とを備えている。
【００１６】
単電池１の寸法は、例えば縦３００ｍｍ×横２１０ｍｍ×厚さ６ｍｍであり、正極にＬｉＭｎ₂Ｏ₄、負極に炭素材料を用いるリチウム二次電池の場合、家庭用蓄電システム（夜間電力貯蔵、コジェネレーション、太陽光発電等）、電気自動車等の蓄電システム等に用いることができ、大容量且つ高エネルギー密度を有することができる。この場合、エネルギー容量は、好ましくは３０Ｗｈ以上、より好ましくは５０Ｗｈ以上であり、且つエネルギー密度は、好ましくは１８０Ｗｈ／ｌ以上、より好ましくは２００Ｗｈ／ｌ以上である。エネルギー容量が３０Ｗｈ未満の場合、或いは、体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ未満の場合は、蓄電システムに用いるには容量が小さく、充分なシステム容量を得るために電池の直並列数を増やす必要があること、また、コンパクトな設計が困難となることから蓄電システム用としては好ましくない。なお、このような二次電池において、電解質としては、例えばリチウム塩を含む非水系電解質を用いることができる。
【００１７】
本実施形態の単電池の厚さｔは、好ましくは１２ｍｍ未満、より好ましくは１０ｍｍ未満、さらに好ましくは８ｍｍ未満である。厚さの下限については電極の充填率、電池サイズ（薄くなれば同容量を得るためには面積が大きくなる）を考慮した場合、２ｍｍ以上が実用的である。電池の厚さが１２ｍｍ以上になると、電池内部の発熱を充分に外部に放熱することが難しくなること、或いは電池内部と電池表面付近での温度差が大きくなり、内部抵抗が異なる結果、電池内での充電量、電圧のバラツキが大きくなる。なお、具体的な厚さは、電池容量、エネルギー密度に応じて適宜決定されるが、期待する放熱特性が得られる最大厚さで設計するのが、好ましい。
【００１８】
また、本実施形態の単電池の形状としては、例えば、扁平形状の表裏面が角形、円形、長円形等の種々の形状とすることができ、角形の場合は、一般に矩形であるが、三角形、六角形等の多角形とすることもできる。
【００１９】
なお、電池容器となる上蓋１０及び底容器１２に用いられる材質は、電池の用途、形状により適宜選択され、特に限定されるものではなく、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等が一般的であり、実用的である。この上蓋１０及び底容器１２は周縁部付近を全周に亘り溶接されている。また、電池容器の厚さも電池の用途、形状或いは電池容器の材質により適宜決定され、特に限定されるものではない。好ましくは、その電池表面積の８０％以上の部分の厚さ（電池容器を構成する一番面積が広い部分の厚さ）が０．２ｍｍ以上である。上記厚さが０．２ｍｍ未満では、電池の製造に必要な強度が得られないことから望ましくなく、この観点から、より好ましくは０．３ｍｍ以上である。また、同部分の厚さは、１ｍｍ以下であることが望ましい。この厚さが１ｍｍを超えると、電極面を押さえ込む力は大きくなるが、電池の内容積が減少し充分な容量が得られないこと、或いは、重量が重くなることから望ましくなく、この観点からより好ましくは０．７ｍｍ以下である。
【００２０】
上記のように、二次電池の厚さを１２ｍｍ未満に設計することにより、例えば、該電池が３０Ｗｈ以上の大容量且つ１８０Ｗｈ／ｌの高エネルギー密度を有する場合、高率充放電時等においても、電池温度の上昇が小さく、優れた放熱特性を有することができる。従って、内部発熱による電池の蓄熱が低減され、結果として電池の熱暴走も抑止することが可能となり信頼性、安全性に優れた単電池を提供することができる。
【００２１】
また、本実施形態において、単電池１の上蓋１０及び底容器１２からなる電池容器の内部には、正極、負極がセパレータを介して対向した電極積層体が収納されおり、この電極積層体における正極集電体、負極集電体のそれぞれが、電池容器外側に突出するように設けられた正極端子部１４及び負極端子部１６に電気的に接続されている。ただし、端子部１４，１６は電池容器と絶縁された状態で取り付けられている。なお、本実施形態の正極及び負極端子部１４，１６は、図１（ｃ）に示すように、導電性材料からなる断面略Ｌ字形の延長部材が単電池の広平面部Ｓを越えて延びるような構成とされているが、端子部の形態はこれに限られず種々の形態とすることができる。
【００２２】
このように設けられた正極及び負極端子部１４，１６は、広平面部Ｓの上側端縁Ｌに沿うように配置されていると共に、端縁Ｌに対して垂直な中心線ａに関して非線対称に配置されている。また、正極端子部１４は、広平面部Ｓの左側端縁から少なくとも端子部の寸法分離れた位置に設けられている。すなわち、このような単電池の２枚を、それぞれの端子部形成面同士が対向するように並列配置させた場合に、各電池の端子部は広平面部に対して垂直な方向（電池の厚さ方向）において重ならないような位置を占めるようになっている。
【００２３】
以下、上記に説明した実施形態の単電池を複数枚重畳して構成される、本実施形態の電池モジュールを説明する。図２は、複数の単電池１を収容して電池モジュールを構成するためのケーシング３を示す。ケーシング３は、内側において複数の単電池を所定の間隔で並列配置させるための電池支持部３０を備えている。本実施形態において電池支持部３０は、複数本の溝が互いに向かい合うような状態で所定間隔を開けて配置された一対の支持体（例えば厚さ５ｍｍ程度の平板）により構成されている。この溝に電池の周縁フランジ部（例えば厚さ約１ｍｍ、幅約２〜３ｍｍ）を嵌合させるようにして、ケーシング３内に単電池１を挿入することができる。ケーシング３内に収容された単電池１のそれぞれは、その両側が溝によりそれぞれ支持される。従って、電池間を所定間隔に保つことが出来る。ただし、ケーシングの形態はこれに限られず、複数の単電池を広平面が重畳するように配置させ、これらを所定間隔で適切に支持し得るようなものであれば、種々の形態とすることができる。
【００２４】
図３は、図２の矢印Ｘで示す方向からみたときのケーシング３内に収容された８枚の単電池の配置を示す図である。また、図４は、図３とは異なる配置形態を示している。
【００２５】
これらの図に示すように、単電池１は、隣接する片側の単電池に対して、正極端子部１４及び負極端子部１６が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するような配置とされる。このようにして、２個ずつの単電池が組をなしている。また、このような隣接する各組の２個の単電池間で、正極端子部１４及び負極端子部１６は広平面部に対して垂直な方向（電池の厚さ方向）において重ならないような位置に設けられる。なお、端子部が設けられていない側（底容器側）においては、所望の放熱効果が得られる限り、隣接する電池間で特に間隔を設ける必要はない。
【００２６】
電池をこのように配置すれば、広平面部から突出した端子部が隣接する単電池同士で広平面部内の同じ位置を占めるということがなく、電池間の間隔を最小限に留めることが出来る。すなわち、ｎ枚の単電池を重畳してモジュールを構成するとし、端子部の突出高さをｄとすると、端子部が電池厚さ方向で重なる配置とされている場合にはモジュール全体で少なくともｎ×ｄ分の電池間隔を必要とするのに対し、本実施形態のような配置とすればその半分（ｎ×ｄ／２）で足りる。従って、モジュールの寸法をコンパクトにすることができる。さらに、このような配置によれば、電池同士が偶発的に接触するような場合でも、端子部同士が接触することはなく、端子部と電池容器（上蓋）とが接触することになる。この場合、端子部と電池容器とは絶縁されていることから、電池間で電気的短絡が生じることがないので、安全性が高い。
【００２７】
また、本実施形態のように広平面部Ｓの端縁Ｌに垂直な中心線ａに関して非線対称に配置された正極端子部１４及び負極端子部１６を有する扁平形状二次電池（図１参照）を用いれば、同一の端子部配置パターンを有する電池によりモジュールを構成することができ、１種類の電池の製造で足りるのでコストを低減することができる。ただし、電池モジュールは異なる種類の電池を組み合わせて構成されていてもよく、例えば図５（ａ）及び（ｂ）に示すような２種類の電池を組み合わせて利用することもできる。
【００２８】
さらに、本実施形態のように端子部が広平面部の一端縁に沿うように配置された単電池を用いれば、電池内部の使用不可能な空間（デッドスペース）を減らすことができ、電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【００２９】
なお、上記単電池は、電池端子部においては、端子部の突出した先端部と隣りの電池の広平面部との間の距離が、電池厚さ方向において１ｍｍ以上の隙間となるように並べられており、より好ましくは２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、更に好ましくは２ｍｍ以上８ｍｍ以下である。この隙間は単電池の厚さ、容量、蓄電システムの使用環境、用途等により適宜決定されるが、この隙間が小さすぎると、単電池の発熱を充分に放熱することが難しくなり、大きすぎると電池モジュールの体積が大きくなり好ましくない。この隙間は電池モジュールに冷却ファンがある場合、更に小さくすることができる。
【００３０】
図６は、図３に示した８枚の単電池が直列接続されてモジュールの形態とされた様子を示す。図からわかるように、隣接する単電池間で、正極端子部と負極端子部とが接続板１８によって順次電気的に接続されている。このようにして、所望の電圧、容量を有する電池モジュールを得ることが可能である。
【００３１】
なお、図３に示す形態では、８枚の単電池が並べられているが、本発明の電池モジュールは、２枚以上の複数枚の単電池を用いて構成することができる。望ましい単電池の枚数は、目的とする蓄電池システムの電圧、容量、大きさ、形状、単電池の電圧、容量、形状、重量等により適宜決定される。
【００３２】
このように形成されたモジュールは、単独あるいは更に複数個直列に接続され、蓄電システムに用いられる。実用においては、必要に応じて、本発明の電池モジュールを制御するシステムをモジュールの側面等に設置することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、端子部が広平面部から突出するように設けられた扁平形状の電池をコンパクトに組電池化した電池モジュールを提供することができる。また、これに好適に利用できる扁平形状電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る扁平形状電池を示す図であり、（ａ）は上側側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は横側側面図である。
【図２】図１に示す扁平形状電池を複数収容するためのケーシングの斜視図である。
【図３】図２に示す矢印Ｘの方向からみたときの、ケーシング内に収容された８枚の単電池の配置を示す側面図である。
【図４】図３とは異なる電池の配置を示す側面図である。
【図５】図１に示す形態とは異なる端子部配置形態を有する単電池の平面図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ異なる端子部配置形態の単電池を示す。
【図６】図３に示した８枚の単電池が直列接続されてモジュールの形態とされた状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 単電池（二次電池）
１０ 上蓋
１２ 底容器
１４ 正極端子部
１６ 負極端子部
Ｓ 広平面部
Ｌ 端縁

Claims (4)

1. 複数の扁平形状電池のそれぞれが、片側の広平面部において突出する正極端子部及び負極端子部を有し、相互に重畳されて構成される電池モジュールであって、
   ２個ずつの扁平形状電池を１組とし、各組の２個の扁平形状電池は、前記正極端子部及び負極端子部が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するように配置され、且つ、扁平形状電池間で前記正極端子部及び負極端子部は前記広平面部に対して垂直な方向において重ならないように配置されていることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記複数の扁平形状電池の広平面部は矩形をなし、前記扁平形状電池に設けられた正極端子部及び負極端子部の各々は、該矩形をなす広平面部の一端縁に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記隣接する扁平形状電池における一方の扁平形状電池の正極端子部或いは負極端子部の突出した先端部と、他方の扁平形状電池の広平面部との間の距離が約１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池モジュール。
4. 正極、負極及び電解質を備え電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上かつ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上の扁平形状電池であって、
   前記扁平形状をなす電池容器の広平面部は矩形であり、
   該矩形をなす一方の広平面部の一端縁近傍において、該端縁に垂直な中心線に関して非線対称に配置された正極端子部及び負極端子部を有することを特徴とする扁平形状電池。

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