JP4172328B2

JP4172328B2 - 電池および組電池

Info

Publication number: JP4172328B2
Application number: JP2003151132A
Authority: JP
Inventors: 昇平松下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004355915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ラミネートフィルムにて発電要素が密封された電池およびその電池を組み合わせてなる組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から，複数個の電池を繋ぎ合わせた組電池が各種の電子機器に利用されている。組電池の構成要素となる電池としては，例えばリチウムイオン電池がある。近年，リチウムイオン電池は，携帯型ＰＣや携帯電話を始めとする電子機器のみならず，ハイブリッド車や電気自動車の電源として注目されている。
【０００３】
リチウムイオン電池には，発電要素（電極体や電解液等）がラミネートフィルムに密封された状態で使用されるものがある。そのような形態の電池は，図１０に示すような手順で作成される。まず，図１０（Ａ）に示すような電極シート１２，１３とセパレータとを重ね合わせて捲回させたもの（以下，「発電要素１０」とする）を用意する。次に，図１０（Ｂ）に示すように正極端子３８と負極端子３９とをそれぞれ電極シート１２，１３に取り付ける。次に，図１０（Ｃ）に示すように発電要素１０をラミネートフィルム４１で包み，ラミネートフィルム４１の縁辺を熱溶着にてシールする。以上によりラミネートフィルム４１に密封された電池（単セル）３００が作成される。このような電池の記載としては，例えば特許文献１がある。
【０００４】
また，前述した単セル３００を組み合わせた組電池は，図１１および図１２に示すような手順で作成される。まず，図１１（Ａ）に示すようにケース７１と，正極端子３８および負極端子３９を拘束する端子拘束部材５３とを用意する。そして，単セル３００をケース７１内に収納し，図１１（Ｂ）に示すように端子拘束部材５３とともに単セル３００を密閉する。そして，図１２（Ａ）に示すようにケース７１に収納された単セル３０１〜３０４を同一平面上に並べて配置する。さらに，図１２（Ｂ）に示すように単セル拘束部材８１にて単セル３０１〜３０４をまとめて拘束する。以上により組電池４００が作成される。このように単セルを同一平面上（幅方向）に並べて配置する組電池の記載としては，例えば特許文献１がある。また，単セルを厚さ方向に並べて配置する組電池の記載としては，例えば特許文献２がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８２８号公報
【特許文献２】
特開昭６０−２０５９５８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した従来の技術には以下のような問題があった。すなわち，リチウムイオン電池は，充電および放電により電極シートの厚みが変化する。そのため，図１０に示した電池３００（特許文献１に記載されている電池）のように，発電要素１０が拘束されていない状態，すなわち自由に膨張および収縮が可能な状態では，電極シートに皺が生じる。そしてその皺により電極シート間のスムーズな電荷の移動が阻害される恐れがある。
【０００７】
また，組電池としては，次のような問題がある。図１２に示した組電池のように単セルを同一平面上に並べる場合には，単セルごとにケース７１を用意しなければならない。このケース７１は，発電要素１０の大きさだけではなく，当然ラミネートフィルム４１のシール部分を収納できる大きさのものでなければならない。そのため，そのようなサイズのケース７１を組み合わせると，組電池４００の全体のサイズが大きくなる。また，図１２に示したように各単セルをまとめて拘束すると，単セル拘束部材８１の撓みにより単セルごとに加えられる圧力が異なる可能性がある。また，特許文献２に記載された組電池のように単セルを厚さ方向に重ね合わせて配置する場合には，ケースの内壁に発電要素が接触することで各セルに同等の圧力を与えることができる。しかしながらこの配置では，厚さ方向のサイズが大きく，扁平形状（薄型）であるリチウムイオン電池の特徴を生かしきれない。また，どちらの配置の組電池であっても，単セルをまとめて拘束する必要があるため，単セルの配置の設計自由度が小さい。
【０００８】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，発電要素の膨張を抑制し，コンパクトな組電池とすることができる電池およびその電池にて構成された組電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決を目的としてなされた電池は，電極体を備えた発電要素と，発電要素を挟んで対向し，発電要素全体を発電要素の厚さ方向の両側から拘束し，発電要素の厚さ方向から見て発電要素のうちの電極積層箇所と重ならない位置で互いを固定する一対の拘束部材と，拘束部材および発電要素をまとめて密封するラミネートフィルムとを有するものである。また，本発明の組電池は，本発明の電池を組み合わせてなるものである。
【００１０】
すなわち，本発明の電池では，拘束部材により発電要素が拘束されている。そのため，発電要素の膨張が抑制される。また，ラミネートフィルムにて発電要素と拘束部材とがまとめて密封されている。すなわち，本発明の電池は，発電要素が拘束された状態で密封されている。そのため，本発明の電池を組み合わせて組電池とする場合に，単セルを収納するケースや各電池をまとめて拘束する単セル拘束部材を設ける必要がない。よって，組電池の全体のサイズがコンパクトである。また，電池の配置における設計自由度が大きい。
【００１１】
また，本発明の電池の拘束部材は，発電要素にて発生した熱が伝達される放熱部を有し，放熱部は，発電要素の電極体から絶縁されていることとするとよりよい。これにより，発電要素の過熱を抑制することができる。放熱部の材質としては，例えばアルミ，銀等の金属が該当する。また，金属（合金を含む）でなくても熱伝導率が高い材質のものであれば本発明に適用可能である。例えば，窒化アルミ等の高熱伝導率セラミックスや，放熱性は劣るが電極体拘束という点ではＰＥ等の樹脂も使用できる。
【００１２】
また，本発明の電池は，発電要素の電極体に取り付けられた端子部材を有し，拘束部材は，端子部材に固定されていることとするとよりよい。これにより，本発明の電池を組み合わせて組電池とした場合に，発電要素，拘束部材および端子部材が一体となるために安定する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，電気自動車等の車両に搭載されるリチウムイオン電池に本発明を適用したものである。
【００１４】
実施の形態に係るリチウムイオン電池１００は，図１に示すように発電要素１０がラミネートフィルム４１に密封された状態のものである。ラミネートフィルム４１は，アルミ箔の両面に樹脂層を配したものである。リチウムイオン電池１００の側面からは，正極集電端子３１および負極集電端子３２が突出している。
【００１５】
図２は，リチウムイオン電池１００の密封前の状態を示す図である。本形態のリチウムイオン電池１００は，発電要素１０と，発電要素拘束板２１，２２と，正極集電端子３１と，負極集電端子３２とを有している。正極集電端子３１は，発電要素１０の正極の電極シートと導通している。負極集電端子３２は，発電要素１０の負極の電極シートと導通している。また，発電要素１０は，一対の発電要素拘束板２１，２２により挟持され，適当に加圧されている。すなわち，発電要素１０は，発電要素拘束板２１，２２により拘束されている。さらに発電要素拘束板２１は，正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定されている。同様に，発電要素拘束板２２も正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定されている。
【００１６】
発電要素１０は，図３に示すように正極の電極シート１２と，負極の電極シート１３とを有するものである。さらに発電要素１０には，セパレータや電解液が含まれている。また，発電要素１０は，電極シート１２，１３をセパレータとともに重ね合わせて捲回したものである。なお，図４に示すように適当な大きさでカットした電極シート１２，１３をセパレータとともに重ね合わせて積層したものであってもよい。発電要素１０の具体例としては，例えば正極の電極シート１２としてコバルト酸リチウム，負極の電極シート１３として黒鉛化炭素材料，セパレータとしてポリエチレン等の樹脂，さらに電解液としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒が利用される。
【００１７】
発電要素拘束板２１は，図５に示すように金属部２１１と，金属部２１１を囲む枠体２１２とを有している。金属部２１１は，熱伝導率が高い材質のものである。例えば，アルミが該当する。また，枠体２１２は，絶縁性を有するものである。例えば，ＰＥＴ，ＡＢＳ等の熱可塑性樹脂が該当する。また，枠体２１２には，正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定するためのネジ穴２１３，２１４が設けられている。
【００１８】
正極集電端子３１は，図６に示すように拘束部材３１１，３１４からなっている。なお，負極集電端子３２も同様である。この拘束部材３１１と拘束部材３１４との間に正極の電極シート１２が挟み込まれ，超音波溶接等にて接合される。また，正極集電端子３１の拘束部材３１１には，突起部３１２が設けられている。この突起部３１２は，ラミネートフィルム４１の外側に突出し，リチウムイオン電池１００の全体の正極端子として利用される部分である。また，拘束部材３１１には，発電要素拘束板２１と結合するための有底のネジ穴３１３が設けられている。なお，拘束部材３１４にも，同様のネジ穴３１５が設けられている。
【００１９】
図７は，図２に示した状態におけるリチウムイオン電池１００を組み合わせる前の状態を示す図である。リチウムイオン電池１００では，発電要素１０の正極部１２を挟んで，正極集電端子３１の拘束部材３１１，３１４が配置される。なお，拘束部材３１１および拘束部材３１４は，互いにネジ穴が設けられていない面で対向させる。また，負極部１３を挟んで，負極集電端子３２の拘束部材３２１，３２４が配置される。また，発電要素１０を挟んで，発電要素１０上に発電要素拘束板２１，２２が配置される。そして，発電要素拘束板２１のネジ穴２１３と正極集電端子３１のネジ穴３１３とが面上同じ位置に配置される。また，正極集電端子３１のネジ穴３１５と発電要素拘束板２２のネジ穴２２３とが面上同じ位置に配置される。そして，リベット等により，発電要素拘束板２１と正極集電端子３１とが接合される。また，正極集電端子３１と発電要素拘束板２２とが接合される。同様に，発電要素拘束板２１のネジ穴２１４と負極集電端子３２のネジ穴３２３とが面上同じ位置に配置される。また，負極集電端子３２のネジ穴３２５と発電要素拘束板２２のネジ穴２２４とが面上同じ位置に配置される。そして，これらの構成部品がリベット等で接合される。なお，発電要素拘束板２１，正極集電端子３１，および発電要素拘束板２２をまとめて接合してもよい。その場合には，正極集電端子３１の各ネジ穴を貫通穴とし，さらに正極部１２にも貫通穴を設ける。そして，それらの貫通穴を発電要素拘束板２１，２２の各ネジ穴とともに面上同じ位置に配置し，それらをまとめて接合する。
【００２０】
次に，本形態のリチウムイオン電池１００（単セル）の作成手順について説明する。まず，図３に示したような正極の電極シート１２および負極の電極シート１３を有する発電要素１０を用意とする。次に，図８示すように正極集電端子３１が発電要素１０に接合される。また，負極集電端子３２も同様に接合される。具体的には，発電要素１０の電極シート１２が正極集電端子３１の拘束部材３１１，３１４に挟み込まれ，超音波溶接等により接合される。これにより正極集電端子３１は，リチウムイオン電池１００の正極端子となる。また，発電要素１０の電極シート１３が負極集電端子３２の拘束部材３２１，３２４に挟み込まれ，超音波溶接等により接合される。これにより負極集電端子３２は，リチウムイオン電池１００の負極端子となる。
【００２１】
次に，図２に示したように発電要素拘束部材２１，２２が発電要素１０上に配置され，正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定される。これにより発電要素１０は，発電要素拘束部材２１，２２に拘束される。よって，発電要素１０の膨張が抑制される。また，発電要素拘束部材２１の金属部２１１が発電要素１０と接しているため，発電要素１０で発生した熱が金属部２１１に伝達される。すなわち，金属部２１１は，発電要素１０の放熱板となっている。よって，発電要素１０の過熱を抑制することができる。また，発電要素拘束板２１は，枠体２１２で正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定される。そのため，正極集電端子３１および負極集電端子３２と金属部２１１とは絶縁されている。次に，図１に示したように正極集電端子３１，負極集電端子３２，および発電要素拘束板２１，２２が装着された発電要素１０がラミネートフィルム４１にて被覆される。そして，ラミネートフィルム４１の縁辺が熱溶着等でシールされる。これにより，本形態のリチウムイオン電池１００（単セル）が作成される。
【００２２】
次に，単セル１００を組み合わせた組電池２００の作成手順について説明する。まず，図９（Ａ）に示すように単セル１０１〜１０４を平面上に並べて配置する。各単セルは，前述した単セルの作成手順にて作成されたものである。すなわち，各単セルの発電要素は，剛性がある発電要素拘束部材２１，２２により拘束されている。そのため，各単セルの膨張を抑制するための部材は不要である。また，各単セルの集電端子をまとめて拘束する集電端子拘束部材５１，５２が配置されている。さらには，各単セル上に保護プレート６１，６２が配置されている。この保護プレート６１，６２は，各単セルのラミネートフィルムの外傷を防止するためのものである。このように配置された各構成部品を１つに組み合わせると，図９（Ｂ）に示すような組電池２００が作成される。
【００２３】
以上詳細に説明したように本形態のリチウムイオン電池１００は，発電要素１０を一対の発電要素拘束板２１，２２で拘束することとしている。これにより，発電要素１０の膨張を抑制することができている。さらに，発電要素拘束板２１，２２により発電要素１０が保護されるため，釘刺し等に対する安全性が高い。また，発電要素拘束板２１，２２を正極集電端子３１および負極集電端子３２に固定することとしている。そして，発電要素拘束板２１，２２，正極集電端子３１および負極集電端子３２を装着した状態で，ラミネートフィルム４１を被せることとしている。すなわち，発電要素１０が拘束された状態で被覆されている。そのため，組電池とする際に，発電要素１０を拘束するためのケースや拘束部材等を用意する必要がない。そのため，組電池とする際の，単セルの配置，サイズ等の設計自由度が大きい。また，剛性がある発電要素拘束板２１，２２，正極集電端子３１，負極集電端子３２が固定されているため，組電池とした場合に安定する。よって，発電要素の膨張を抑制し，組電池とする際の設計自由度が大きい電池およびその電池にて構成された組電池が実現されている。
【００２４】
また，発電要素拘束板２１は金属部２１１を有することとしている。そして，その金属部２１１を発電要素１０と接するように配置することとしている。これにより，発電要素１０から発生する熱を外部に逃がすことができ，発電要素１０の過熱を抑制することができている。
【００２５】
また，本形態の組電池では，先に発電要素１０を拘束して後にラミネートフィルム４１で被覆している。従来の組電池では，先にラミネートフィルム４１で被覆して後に発電要素１０を拘束しているため，ラミネートフィルム４１も収納できるサイズのケースを用意しなければならない。しかしながら本形態の発電要素拘束部材２１，２２は，発電要素１０と同等のサイズである。従って，組電池の全体のサイズがコンパクトである。
【００２６】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，組電池の構成部品である電池はリチウムイオン電池に限るものではない。すなわち，ニッケル水素電池やニッカド電池でも本発明を適用できる。
【００２７】
なお，上述した本発明の実施形態には，特許請求の範囲に記載した発明以外にも，以下の付記に示すような発明が含まれる。
【００２８】
［付記１］複数個の電池を組み合わせてなる組電池において，
各電池は，
電極体を備えた発電要素と，
前記発電要素を挟んで対向し，前記発電要素を両側から拘束する拘束部材と，
前記拘束部材および前記発電要素をまとめて密封するラミネートフィルムとを有することを特徴とする組電池。
【００２９】
［付記２］付記１に記載する組電池において，
前記拘束部材は，前記発電要素にて発生した熱が伝達される放熱部を有し，
前記放熱部は，前記発電要素の電極体から絶縁されていることを特徴とする組電池。
【００３０】
［付記３］付記１または付記２に記載する組電池において，
前記発電要素の電極体に取り付けられた端子部材を有し，
前記拘束部材は，前記端子部材に固定されていることを特徴とする組電池。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば，発電要素の膨張を抑制し，コンパクトな組電池とすることができる電池およびその電池にて構成された組電池が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るリチウムイオン電池の外観を示す図である。
【図２】図１に示したリチウムイオン電池におけるラミネートフィルムの密封前の外観を示す図である。
【図３】リチウムイオン電池の発電要素の構成（捲回型）を示す図である。
【図４】リチウムイオン電池の発電要素の構成（積層型）を示す図である。
【図５】本形態の電池に係る発電要素拘束部材を示す図である。
【図６】本形態の電池に係る正極集電端子を示す図である。
【図７】リチウムイオン電池を組み合わせる前の状態を示す図である。
【図８】集電端子が溶接された状態の発電要素を示す図である。
【図９】実施の形態に係る組電池の作成手順を示す図である。
【図１０】従来の形態のリチウムイオン電池に係る単電池の作成手順を示す図である。
【図１１】従来の形態のリチウムイオン電池に係る組電池の作成手順（その１）を示す図である。
【図１２】従来の形態のリチウムイオン電池に係る組電池の作成手順（その２）を示す図である。
【符号の説明】
１０発電要素
２１発電要素拘束板
３１正極集電端子
３２負極集電端子
４１ラミネートフィルム
１００リチウムイオン電池
２００組電池
２１１金属部
２１２枠体

Claims

電極体を備えた発電要素と，
前記発電要素を挟んで対向し，前記発電要素全体を前記発電要素の厚さ方向の両側から拘束し，前記発電要素の厚さ方向から見て前記発電要素のうちの電極積層箇所と重ならない位置で互いを固定する一対の拘束部材と，
前記拘束部材および前記発電要素をまとめて密封するラミネートフィルムとを有することを特徴とする電池。
請求項１または請求項２に記載する電池において，
前記拘束部材は，前記発電要素にて発生した熱が伝達される放熱部を有し，
前記放熱部は，前記発電要素の電極体から絶縁されていることを特徴とする電池。
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する電池において，
前記発電要素の電極体に取り付けられた端子部材を有し，
前記拘束部材は，前記端子部材に固定されていることを特徴とする電池。
複数個の電池を組み合わせてなる組電池において，
各電池は，
電極体を備えた発電要素と，
前記発電要素を挟んで対向し，前記発電要素全体を前記発電要素の厚さ方向の両側から拘束し，前記発電要素の厚さ方向から見て前記発電要素のうちの電極積層箇所と重ならない位置で互いを固定する一対の拘束部材と，
前記拘束部材および前記発電要素をまとめて密封するラミネートフィルムとを有することを特徴とする組電池。