JP4117435B2

JP4117435B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP4117435B2
Application number: JP2000068485A
Authority: JP
Inventors: 彰人早野; 治夫菊田; 史郎加藤; 肇木下; 静邦矢田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2020-03-13
Also published as: JP2001256941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３０Ｗｈ級のリチウムイオン２次電池を複数個接続した、高容量の電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題、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を目的とした家庭用分散型蓄電システム或いは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。更に特開平6-86463号公報には、エネルギー需要者にエネルギーを最適条件で供給できるシステムとして、発電所から供給される電気、ガスコージェネレーション、燃料電池、蓄電池等を組み合わせたトータルシステムが提案されている。これら蓄電システムに用いる二次電池は、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積層し、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・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、リチウム二次電池の開発が進展し、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を超える体積エネルギー密度の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優れることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【０００４】
これを受け、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、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合（LIBES)等で勢力的に開発が進められている。
【０００５】
これら大型リチウムイオン電池はエネルギー容量が100Whから400Wh程度である。また、体積エネルギー密度は200〜300Wh/lと携帯機器用小型二次電池並のレベルに達している。その形状は直径50〜70mm、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が代表的なものである。
【０００６】
上述の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、並列に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電システムとして用いられることが多い。
【０００７】
一方、薄型のリチウム二次電池については、薄型の外装に、例えば、金属とプラスチック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。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り、例えば携帯用パソコン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以下であり、蓄電システム用二次電池としては容量が小さ過ぎる。さらには、これら薄型電池を直列、並列に接続し電池モジュールとする場合、容量が小さいことから、放熱等の考慮なく、単純に積み重ねる等、特に工夫はなされていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にリチウムイオン電池においては、機器の故障による誤作動や使用者側の誤用によって過充電や外部短絡といった状態になると、電池内部の加熱や電解液の分解等により、内部でガスが発生する。それによる内圧上昇に伴う事故を防止するために安全弁が備えられている。この種の安全弁は、内圧上昇による電池容器の膨張によって電池容器の変形に伴って開くものである。このような安全弁をもった単電池はモジュール内であっても安全弁の開放方向に阻害物がない限り正常に動作する。
【０００９】
しかしながら扁平型電池では、その薄型構造から安全弁が厚さ方向の広平面に備えられているものもあり、この場合上記電池が膨張しやすい構造のためにその膨張度合いが阻害された場合安全弁の作動が遅れてしまうという問題が生じる。
【００１０】
一方、上述の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に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電システムとして用いられることが多い。又、モジュール内では体積エネルギー密度を向上させるために単電池間の間隔を可能な限り狭くして並べられるのが一般的である。
【００１１】
従って、モジュール内において厚さ方向に並列配置された単電池の各々は、膨張が阻害されやすい環境にある。単電池間の間隔を充分にとって電池モジュールとすれば回避できるが、体積エネルギー密度が低下してしまう。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、モジュールにおいてエネルギー密度の低下を抑え、かつ単電池と同等の条件において安全弁を作動させることにより、異常時に発火や爆発といった事故を未然に防止できる安全性の高い優れた扁平形状の非水系二次電池を用いた電池モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状の電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である単電池の複数枚を、外装容器内に並列配置して装填するとともに、これら複数枚の単電池を電気的に接続する電池モジュールであって、前記外装容器は、前記複数枚の単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該外装容器の内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列有し、該溝形案内部は、前記単電池が膨張し該単電池同士がその厚さ方向に押し合ったときに、該単電池が前記溝形案内部から離脱し得るように構成されていることを特徴とする電池モジュールによって達成される。
【００１４】
前記溝形案内部は、前記外装容器の底壁面に形成されていることが好ましい。
【００１５】
前記溝形案内部は、前記外装容器の側壁面に形成されていることが好ましい。
【００１６】
前記溝形案内部が、凹溝により形成され、該凹溝の溝幅は、該凹溝の底へ向かうにつれて漸次幅狭となるよう形成されていることが好ましい。
【００１７】
前記溝形案内部は、対向配置された凸壁によって形成され、該凸壁の基端部に折れ曲がり容易な弱点部を有していることとしても良い。
【００１８】
前記電池容器は、周縁部にフランジを有し、該フランジが前記溝形案内部に嵌められていることが好ましい。
【００１９】
【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の一例である電池モジュールの外装構造、図２は組電池に配置される単電池の並べ方、及び、図３は単電池である厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状の電池を、各々示すものである。
【００２０】
具体的には、図４に示すように、接続板Ａがとりつけられた単電池１０を上部から電池の外装容器１１に設けられた溝形案内部１２に挿入し図２のように並列に配置したのち接続板Ａ同士を接続する別の接続板Ｂを用いてビス止めをし直列接続する。
【００２１】
単電池は、図３において上蓋１及び底容器２からなる電池ケースＣを備えており、電池ケース３の中には正極、負極がセパレータを介して対向した電極積層体が入っている。又、正極集電体、負極集電体は各々正極端子３及び負極端子４に電気的に接続されている。正極端子３、負極端子４は電池ケースと絶縁された状態で取り付けられている。正極端子３、負極端子４に接続板Ａが取り付けられ、接続板Ａが別の接続板Ｂを用いて、他の単電池と直列に接続することができる。
【００２２】
上蓋１及び底容器２は、フランジ１３の部位において全周を溶接されている。上蓋１又は底容器２には、電池内部の内圧が上昇したとき解放する安全弁５が設けられている。安全弁５は、図示の例では、扁平形状の単電池１０の一方の広平面に、対角線を横切るようにして４本の直線状の薄肉部により形成されている。尚、図示しないが、安全弁は、扁平形電池容器の上側面に形成される場合もあり得る。
【００２３】
単電池の寸法は、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。
【００２４】
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。図２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ルーにおいては、２枚以上の複数枚の単電池を用いることができる。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。
【００２５】
また、本実施の形態の非水系二次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。さらに、肉厚の薄い円筒等の筒形にすることもできる。筒形の場合は、筒の肉厚がここでいう厚さとなる。また、製造の容易性の観点から、電池の扁平形状の表裏面が矩形であり、図３に示すようなノート型の形状が好ましい。
【００２６】
電池ケースとなる上蓋１及び底容器２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。また、電池ケースの厚さも電池の用途、形状或いは電池ケース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（電池ケース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。
【００２７】
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。
【００２８】
モジュールの外装容器について説明する。外装容器１１は、上部から所定の間隔で単電池１０が上部より挿入できるような外装容器が望ましく、そのため、外装容器１１の側壁内面に単電池１０の周縁部の少なくとも一部を案内する溝形案内部１２を複数列有している。
【００２９】
図示の扁平型電池の場合、厚さ１ｍｍのフランジ１３が数ミリの幅で全周縁部において存在するのでこのフランジ１３が溝形案内部１２に嵌まり込むような構造とすることができる。このようなフランジを有しない例えば単純な扁平箱形の単電池の場合（図示せず）は、その周囲が溝形案内部１２に嵌まり込む。
【００３０】
外装容器１１の上部（入口）に形成される溝形案内部１２は、上記した接続板Ｂにより並列配置した単電池１０をビス等で連結する関係上、並列配置した単電池１０上部の並列間隔が正確であることが好ましく、そのため、溝形案内部１２にフランジ１３が嵌まっている状態で、フランジ１３がぐらつかないような形状であることが好ましい。そのため、溝形案内部１２の断面形状は、矩形であって、フランジ１３にぴったりと嵌まる形状であることが好ましいが、そうすると単電池１０が膨張したときに、単電池１０の膨張を阻害し、単電池１０の望ましくない変形（爆発につながる可能性がある）を引き起こす畏れがある。そこで、図１に例示した外装容器１１上部の溝形案内部１２は、外装容器１１の上端から１０ｍｍの短幅（長さ）に形成してあり、その溝深さは、約０．５ｍｍに設定されている。これらの寸法は、特に限定される訳ではないが、上記趣旨より、外装容器１１の上部の溝形案内部１２の溝長さは２〜１５ｍｍ、溝深さは２ｍｍ以下であることが好ましい。このように溝形案内部１２の寸法を設定しておけば、単電池１０が膨張しても、フランジ１３が少し変形する程度でその膨張に追従することができる。
【００３１】
単電池１０は、モジュール化するために接続板Ｂ（図４）によって単電池１０上部が接続されていると、単電池１０が膨張しても単電池１０の上部（外装容器１１の挿入口側端）の並列間隔は大きく変化し得ない。しかしながら、図５に示すように、外装容器１１の端に位置する単電池１０がその中央付近を中心に膨張し、膨張した単電池１０の下方が大きく移動した場合に、単電池１０の上部は図示の如く僅かではあるが傾こうとするから、その傾きによって単電池１０の上部のフランジ１３を変形を緩和させながら、そのフランジ１３が単電池１０の傾きに従って溝形案内部１２内を移動できるようにしておくことが望ましい。そのために、溝形案内部１２は、単電池が膨張し互いに押し合ったときに、図５に示すように、単電池１０の上部が、その膨張力の作用によって溝形案内部１２内で傾斜し易いような形状としておくとができ、例えば、溝形案内部１２の断面形状を半円、楕円、逆台形等とすることができる。並列配置される単電池１０同士の間隔は、単電池１０の電池容器に設けた端子３，４（図３）及び接続板Ａ（図３）に接触せず、単電池１０の放熱空間を考慮した所定間隔を維持できれば特に限定はしない。
【００３２】
上記したように、並列配置した単電池１０の上部は、接続板Ｂにより連結されていると、単電池１０が膨張した場合であっても該上部における並列間隔は大きく変化しないが、底部の並列間隔は連結されていないため、単電池の底部（下部）は、外装容器１１内で自由に移動できることになり不安定であるから、溝形案内部は、外装容器１１の下部にも形成している。そのため、外装容器１１内側のの底壁面、及び／又は側壁面であって略中間高さより下部に形成される。このような外装容器１１の底壁面、側壁面に形成される溝形案内部は、上部に比べて単電池１０の膨張時における移動度が大きいことから（上部は接続板Ｂにより連結されているから）、単電池１０が膨張時にその溝形案内部から離脱しやすい構造としている。
【００３３】
外装容器１１の底壁面に形成した溝形案内部１２を、図６〜図８に例示した。
【００３４】
図５に示した外装容器１１底壁面の溝形案内部１２は、単電池１０の厚さ方向に力が加わった場合に、単電池１０が溝形案内部１２から移動して離脱できるよう、断面円形状の凹溝として、その溝幅が溝底へ向かうにつれて漸次幅狭となるように形成されている。この溝形案内部１２は、図示の例では最大深さが０．５ｍｍ、曲率半径を０．５ｍｍとしている。溝形案内部１２は、最大深さは２ｍｍ以下とすることが好ましく、断面円弧状の場合の曲率半径は、最大深さをＸｍｍとした場合に１．０Ｘｍｍ以上とすることが好ましい。その理由は、最大深さが２ｍｍより大きいと引っかかりが強くて単電池１０が溝形案内部から外れにくくなり、また、最大深さＸｍｍに対して曲率半径が１．０Ｘｍｍより小さいと単電池１０の溝形案内部１２内での滑りが悪くなるからである。
【００３５】
図７に示した外装容器１１底壁面の溝形案内部１２は、レール状の凸壁２０を対向配置させて溝形とし、凸壁２０の基端部に折れ曲がり容易な弱点部２１を形成することにより構成している。図示の例では、弱点部２１は、薄肉部分により形成されているが、細孔を連続的に直線状に配置したミシン目様のものにより形成することもできる。このような凸壁２０は、単電池１０が、図５及び図６に示すように膨張により押し合い、単電池１０下部に力がかかった時に弱点部２１が折れ曲がり、単電池１０の膨張を許容し、安全弁を適切に働かせるのである。
【００３６】
図８に示した外装容器１１底壁面の溝形案内部１２は、断面が略逆台形状の凹溝として、その溝幅が溝底へ向かうにつれて漸次幅狭となるように形成されている。この場合も、溝形案内部１２の溝深さは、上記した断面円弧状の場合と同様に２ｍｍ以下とすることが好ましい。そして、その溝底の幅は、単電池１０の幅、即ち図示の例ではフランジ１３の幅と略同等であることが、単電池１０を正確に案内する上で好ましい。また、逆台形形状の長辺に相当する溝開口最大幅は、単電池１０のフランジ１３の滑りを良くする観点から、前記溝底幅の１．５〜３倍程度とすることが好ましい。
【００３７】
上記のような構成を有する電池モジュールによれば、単電池が上記した要因により、図５、図６に示すように膨張しても、その膨張により、単電池１０は、互いに押し合うことで、溝形案内部１２から離脱し、上記安全弁を確実に作動させることができるのである。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電池モジュールによれば、外装容器が、前記複数枚の単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該外装容器の内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列有し、該溝形案内部は、前記単電池が膨張し該単電池同士がその厚さ方向に押し合ったときに、該単電池が前記溝形案内部から離脱し得るように構成されていることとしたので、単電池を容易に所要間隔で並列配置させることができるとともに、安全弁が扁平形状の広平面部にある場合に適切に作動させることができる。
【００３９】
また、前記溝形案内部を、前記外装容器の底壁面に形成しておけば、外装容器の底部における単電池の案内を確実にし、並列する単電池同士が上部で連結されていた場合でも、単電池が膨張した際に上部に比べて大きい移動を阻害することなく、単電池を溝形案内部から離脱させる、単電池の適切な膨張を確保することができる。
【００４０】
さらに、前記溝形案内部を、前記外装容器の側壁面に形成しておけば、単電池を外装容器に差し込む作業が容易になり、また、該溝形案内部を外装容器側壁面の上部に設けた場合には、並列させた単電池の上部間隔を一定にして単電池同士を上部で電気的に連結することが容易になる。
【００４１】
前記外装容器底壁面の溝形案内部を、凹溝により形成し、該凹溝の溝幅を、該凹溝の底へ向かうにつれて漸次幅狭となるよう形成すれば、単電池は、膨張時にその漸次幅狭となる傾斜面に沿って移動できるので、離脱が容易になる。
【００４２】
さらにまた、前記単電池の電池容器が周縁部にフランジを有し、該フランジが前記溝形案内部に嵌められていることとすれば、単電池を溝形案内部に挿入することが容易になるとともに、膨張時にはそのフランジが変形することにより、単電池本体の変形を阻止し、単電池の適切な膨張を可能にする等の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電池モジュールの一実施形態を分解して示す斜視図である。
【図２】図１の電池モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図３】図１の電池モジュールの単電池を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は左側面図である。
【図４】図１の電池モジュールを電気的に接続した状態を示す平面図である。
【図５】単電池が膨張した状態を示す図２に対応する断面図である。
【図６】単電池が膨張した状態を示す図２に対応する断面図である。
【図７】本発明の構成要素である溝形案内部の他の形態を拡大して示す電池モジュールの部分断面図である。
【図８】本発明の構成要素である溝形案内部の更に他の形態を拡大して示す電池モジュールの部分断面図である。
【符号の説明】
１上蓋
２底容器
３正極端子
４負極端子
５安全弁
１０単電池
１１外装容器
１２溝形案内部
１３フランジ
２０突壁
２１弱点部
Ａ接続板
Ｂ接続板
Ｃ電池ケース

Claims

正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状の電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である単電池の複数枚を、外装容器内に並列配置して装填するとともに、これら複数枚の単電池を電気的に接続する電池モジュールであって、
前記外装容器は、前記複数枚の単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該外装容器の内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列有し、該溝形案内部は、前記単電池が膨張し該単電池同士がその厚さ方向に押し合ったときに、該単電池が前記溝形案内部から離脱し得るように構成されていることを特徴とする電池モジュール。
前記溝形案内部が、前記外装容器の底壁面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
前記溝形案内部が、前記外装容器の側壁面に形成されてい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。
前記溝形案内部が、凹溝により形成され、該凹溝の溝幅は、該凹溝の底へ向かうにつれて漸次幅狭となるよう形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電池モジュール。
前記溝形案内部は、対向配置された凸壁によって形成され、該凸壁の基端部に折れ曲がり容易な弱点部を有していることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電池モジュール。
前記電池容器は、周縁部にフランジを有し、該フランジが前記溝形案内部に嵌められていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の電池モジュール。