JP4186500B2

JP4186500B2 - 扁平型二次電池を内包したモジュール

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Publication number: JP4186500B2
Application number: JP2002109669A
Authority: JP
Inventors: 洋金田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003303579A; WO2003085754A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平型二次電池を内包したモジュールに関し、特に、扁平型二次電池の充放電による膨れを抑制し、且つ軽量に構成した扁平型二次電池を内包したモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、二次電池は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有している。
かかる問題への対処手段として、ガスの発生を抑制する電解液の使用や、電極間の隙間を抑制するセル構造の適用などがある。
【０００３】
しかし、ガス発生を抑制可能な電解液を使用しても、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という問題がある。
【０００４】
ここで、従来の扁平型二次電池の例を説明する。
図６は第１の従来モジュールの構造説明図、図７は第２の従来モジュールの構造説明図である。
第１の従来モジュール１００は、図６に示すように、箱形ケース１０１に扁平型二次電池１０２を納め、箱形ケース１０１と扁平型二次電池１０２との隙間に充填材を注入し、ケース内に扁平型二次電池１０２を固定する構造である。なお、箱形ケース１０１と扁平型二次電池１０２との隙間に、ゴムシート１０４を介在させたタイプのものもある。
【０００５】
第２の従来モジュール１１０は、図７に示すように、扁平型二次電池１０２を上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂで挟み込み、挟み込む力で扁平型二次電池１０２を固定する構造である。
なお、上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂと扁平型二次電池１０２の固定面にゴムシート１０３を介在させる場合や、上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂと扁平型二次電池１０２の側面部に生じる隙間に、充填材を注入する場合もある。ただし、この場合でも、基本的には上下のカバー１１１ａ，１１１ｂによる挟み込む力で、扁平型二次電池１０２を固定する構造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１の従来モジュール１００の場合は、扁平型二次電池１０２の内部発生ガスにより、該本体１０２が充填材を押しのけて膨れてしまい、特性が劣化してしまう。この特性劣化の原因は、充填材またはゴムシート１０３が、扁平型二次電池１０２の膨れを押さえきれないためである。
【０００７】
また、前記第２の従来モジュール１１０の場合は、上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂが撓むことによって内部加圧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内部加圧力が集中してしまう。なお、ゴムシート１０４を介在させた場合は内部加圧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内部加圧力が集中してしまう点は防止できない。
【０００８】
さらに、扁平型二次電池１０２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カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂが太鼓状に変形する。そのため、扁平型二次電池内部の発電要素体の外周縁に集中する内部加圧力が増えるとともに、該本体内部の発電要素体を押さえる内部加圧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。
【０００９】
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内部加圧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。
【００１０】
挟み込み構造で膨れや短絡の回避は、上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂに撓み難い高剛性の材料を採用することによって達成できる。しかし、撓み難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がある。撓み難い材料および厚い樹脂系材料のいずれの場合においても、扁平型二次電池の重量が増え、かつ、高コストになってしまう。
【００１１】
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内部加圧力集中を回避する必要がある。さらに軽量な扁平型二次電池の構造にすることで、高容量密度および低コストを達成する必要がある。
【００１２】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたもので、扁平型二次電池の充放電による膨れを抑制し、かつ軽量に構成した扁平型二次電池を内包したモジュールの提供をする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成ため請求項１記載の発明は、扁平型二次電池を加圧しつつ固定するモジュール外装体と前記扁平型二次電池との間に、流体を密閉内包した流体内包袋を配置した構成としてある。
【００１４】
このようにすれば、例えば図１に示すように、モジュール外装体（上カバー１２ａ，下カバー１２ｂ）は扁平型二次電池１１を上下から押さえ込むために撓むことによって内部加圧力Ｐを発生させることができる。そして、流体内包袋１３ａ，１３ｂは内部加圧力Ｐを受け、扁平型二次電池１１の外周縁への内部加圧力の集中を回避しながら扁平型二次電池１１を均等な面圧で押さえ込むことができる。
【００１５】
また、モジュール外装体の撓みによる扁平型二次電池１１の外周縁への内部加圧力集中が無いので、モジュール外装体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。
【００１６】
次に請求項２記載の発明は、請求項１記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記流体内包袋は、前記扁平型二次電池を構成する発電要素体がなす領域以上の領域を覆う構成としてある。
【００１７】
このようにすれば、例えば図１に示すように、扁平型二次電池１１を構成する発電要素体１４（図２参照）がなす領域以上の領域を覆うように構成したので、発電要素体１４の全域に対し膨らみを抑制し、外周縁への内部加圧力の集中を防止できる。
【００１８】
次に請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記内包した流体は、消火作用を有する気体または液体または粉体またはゲルの何れか1つとした構成としてある。
【００１９】
このようにすれば、扁平型二次電池が外部からの破壊的損傷を受け、発火に至った場合であっても、流体内包袋が破裂することによって消火剤が散布されるので、従来よりも、より積極的に鎮火作用を持たせることが可能となる。
【００２０】
次に請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の扁平型二次電池において、
前記内包した流体は、消火作用を有する気体または液体または粉体またはゲルの少なくとも２種類以上の混合体として構成としてある。
【００２１】
このようにすれば、消火剤を混合体とすることにより、より鎮火効率をよくすることができる。
【００２２】
次に請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記扁平型二次電池は二次電池外装体により覆われてなり、該二次電池外装体は、ラミネートフィルムからなる構成としてある。
【００２３】
このようにすれば、二次電池外装体としてのラミネートフィルムは軽量かつ自由に変形可能なので、種々の形状の扁平型二次電池を、重量増加を抑制しつつ高いシール性能を維持して覆うことができる。
【００２４】
次に請求項６記載の発明は、請求項1乃至請求項５の何れか1つに記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記扁平型二次電池は、正極とセパレータと負極とを交互に積層してなる発電要素体を構成としてある。
【００２５】
このようにすれば、発電要素体を例えば図２に示す積層構造としたので、同一容積の巻回型二次電池に比べて高出力かつ低抵抗の二次電池を得ることができ、例えばハイブリッド型自動車等にも本発明の扁平型二次電池を適用することが可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
（１）第１の実施形態
図１は本実施形態の構造説明図である。
先ず、本実施形態の概要を説明する。
図１に示すように、本実施形態のモジュール１０は、扁平型二次電池１１を押さえるための内部加圧力Ｐを発生させる「モジュール外装体」である上カバー１２ａ，下カバー１２ｂと、内部加圧力Ｐを受け均一な面圧に分散する上方に配置した流体内包袋１３ａと下方に配置した流体内包袋１３ｂとを備えている。
【００２７】
上カバー１２ａ，下カバー１２ｂ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内部加圧力，重量，容積を勘案し選定することが望ましい。例えば、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。
例えば、強度の高いモジュールとしてはハイブリッド型自動車用のモジュールがあり、軽量なモジュールとしては電動自転車用のモジュールがある。
【００２８】
また、流体内包袋の材質及び内包流体の種類も多数存在する。内包流体を長期間維持し、かつ、高温環境下においても十分な耐久性をもたせるためには、融着層に未延伸ポリプロピレンを有する延伸ナイロンや融着層にポリエチレンを用いたアルミ箔に延伸ナイロンまたはポリエステルを合わせた三層品などを用いるとよい。
【００２９】
内包流体としては、空気，酸素及び不活性ガス（窒素，アルゴン，二酸化炭素等）などの気体、あるいは水，または水溶液（炭酸カリウム，リン酸塩，硫酸塩）などの液体を用いるとよい。さらに、粉体（炭素粉末、重炭酸ナトリウム、リン酸アンモニウム等）あるいはゲル（シリコン、デンプン、ゼラチン等）を用いることもできる。
【００３０】
扁平型二次電池１１を押さえる内部加圧力Ｐの大きさは、上下カバーの選定材料の厚さと撓み量から自由に設定できる。撓み量の作成手段としては、例えば上下カバーを扁平型二次電池方向に向かって、弾性力をもたせて滑らかな凸状に湾曲させればよい。そして、上下の湾曲凸状部で扁平型二次電池を常に押圧狭持すれば、扁平型二次電池に対して内部加圧力Ｐを確保することができる。
【００３１】
また、熱伝導性シリコーンゴムまたはゲルタイプの放熱シートやガラス繊維入りシリコーンフィルムなどを、扁平型二次電池１１と流体内包袋１３ａ，１３ｂとの間に介在させることによって充放電によるセルの発熱を、より効率よく放熱させることもできる。
【００３２】
一方、流体内包袋１３ａ，１３ｂを採用することにより安全性の面で以下の作用を持たせることができる。
たとえば、流体内包袋１３ａ，１３ｂに内包する流体に消火剤を用いると、本発明の扁平型二次電池が外部からの破壊的損傷を受け、発火に至った場合であっても、流体内包袋１３ａ，１３ｂが破裂することによって消火剤が散布されるので、従来よりも、より積極的に鎮火作用を持たせることが可能となる。
流体内包袋に内包する消火剤としては気体タイプの二酸化炭素や液体タイプの硫酸カリウム溶液、粉末タイプとしては窒素ガスにカーボン粉末を混合したものなどが挙げられる。
【００３３】
次に図１を参照しつつ、本実施形態の詳細を説明する。
まず、上カバー１２ａ，下カバー１２ｂの材質として、ＭＣナイロン（登録商標）を採用した。上カバー１２ａ，下カバー１２ｂの大きさは、Ｗ１０５ｍｍ×Ｄ１７０ｍｍ×Ｔ１０ｍｍである。流体内包袋１３ａ，１３ｂの材質はアルミ箔とし、融着層には未延伸ポリプロピレンを用いた。内包袋の大きさはＷ７０ｍｍ×Ｄ１２４ｍｍ×Ｔ３ｍｍであり、内包流体は純水とした。
【００３４】
ラミネートフィルムを「二次電池外装体」とする扁平型二次電池１１には、図２に示すように、正極１４ａと負極１４ｂがセパレータ１４ｃを介して積層されてなる発電要素体１４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１１の大きさはＷ９０ｍｍ×Ｄ１４０ｍｍ×Ｔ４ｍｍであり、内包する発電要素体１４の大きさはＷ７０ｍｍ×１２４ｍｍ×Ｔ３．８ｍｍである。また、外装体（図示省略）であるラミネートフィルムの厚さは１００μｍである。
【００３５】
上記構成で扁平型二次電池１１を挟みこみ、上カバー１２ａ，下カバー１２ｂを撓ませることにより内部加圧力Ｐを加えていった。この際、流体内包袋１３ａ，１３ｂの配置は、扁平型二次電池１１の発電要素体１４を覆い、かつ四方は開放するように調整しておく。面圧の均一性と内部加圧力Ｐの大きさは、流体内包袋と扁平型二次電池との間に、面圧測定用の感圧紙（図示省略）を挟み込んで調整した。
【００３６】
本実施形態では、内部加圧力Ｐが４０ｋｇｆ及び８０ｋｇｆで扁平型二次電池１１の発電要素体の外周縁（図２に示すセパレータ１４ｃ等の長方形の外周縁）に集中する現象は無く、扁平型二次電池１１の上下面を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を２〜４個積み重ねた条件でも再現することを実験で確認した。なお、この内部加圧力Ｐを本実施形態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。
【００３７】
次に、モジュール１０に、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（Constant Current Constant Voltage、定電圧定電流）の５００サイクル試験とした。
評価サンプルは、本実施形態のモジュール構造で面圧０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２、１ｋｇｆ／ｃｍ^２のものと、第１の従来モジュール１１０と、第２の従来モジュール１１０の４水準で行った。
【００３８】
前記図６に示した第１の従来モジュール１００は、１ｍｍ厚のアルミ筒缶の箱形ケース１０１に扁平型二次電池１０２を内包し、箱形ケース１０１と扁平型二次電池１０２との隙間に、ウレタン系樹脂の充填材１０３を注入し固めたものである。
【００３９】
前記図７に示した第２の従来モジュール１１０は、３ｍｍのＳＵＳ材製の上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂで１ｍｍ厚のシリコン系スポンジからなるゴムシート１０３を上下に介在させて扁平型二次電池１０２を挟み込んだものである。加えた内部加圧力としては８０ｋｇｆ程度であるが、ＳＵＳ製の上カバー１１１ａ，下カバー１１１ｂが撓んでしまうため、挟み込んだ扁平型二次電池１０２の発電要素体の外周縁に内部加圧力が集中してしまう。
【００４０】
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図３に示す。図３から判るように、本実施形態のモジュール構造のものは、明らかに従来例よりもサイクル特性が向上している。特に、第１の従来モジュール１００と面圧１ｋｇｆ／ｃｍ^２の本実施形態の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。
ここに、容量維持率とは、充放電を繰返した場合に、初期を１００％としたときに維持している容量の割合をいう。
【００４１】
（２）第２の実施形態
本実施形態では、カバーの材質として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。上カバー１２ａ，下カバー１２ｂの大きさはＷ１０５ｍｍ×Ｄ１７０ｍｍ×Ｔ１０ｍｍである。
【００４２】
流体内包袋の材質はアルミ箔とし、融着層には未延伸ポリプロピレンを用いた。内包袋の大きさはＷ７０ｍｍ×Ｄ１２４ｍｍ×Ｔ５ｍｍであり、内包流体は空気とした。ラミネートフィルムを外装体とする扁平型二次電池１１は前記第１の実施形態で使用したものと同じである。
【００４３】
上記構成で扁平型二次電池１１を挟みこみ、上カバー１２ａ，下カバー１２ｂを撓ませ内部加圧力Ｐを加えていった。この際、流体内包袋１３ａ，１３ｂの配置は、扁平型二次電池１１を構成する発電要素体１４を覆い、かつ四方は開放するよう調整しておく。面圧の均一性と内部加圧力の大きさは、流体内包袋１３ａ，１３ｂと扁平型二次電池１１との間に感圧紙（図示省略）を挟み込んで調整した。
【００４４】
本実施形態でも内部加圧力を４０ｋｇｆ及び８０ｋｇｆに調整した。この場合、扁平型二次電池１１の発電要素体の外周縁に内部加圧力が集中する現象は無く、扁平型二次電池１１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。
なお、この内部加圧力を本実施形態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程度に相当する。
【００４５】
次に、サイクル試験を実施した結果を説明する。
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形態のモジュール構造で面圧０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２と１ｋｇｆ／ｃｍ^２の２水準で行った。
これら２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図４に示す。図３と図４から判るように、本実施形態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。
【００４６】
（３）第３の実施形態
図５は第１，第２の実施形態を拡張した場合であり、２０個の扁平型二次電池１１を用いて大型のモジュール２０を構築した一例である。カバー１２Ａａ，１２Ａｂは奥行きを長くした上下カバーである。
【００４７】
以上のように第１，第２の実施形態のモジュール構造を採用することにより、従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、上下カバーの材質を高強度の樹脂系にすることで、軽量な扁平型二次電池も構築可能となる。
さらに第１，第２のモジュール構造を複数配列することによって、大型のモジュール（第３の実施形態）も構築することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、以下の効果を発揮することができる。
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ので、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ので、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内部加圧力集中による短絡現象を抑制することができる。
【００４９】
また、本発明のモジュール構造は、内部加圧力をカバーの撓みで得る構造であるが、カバー材質の撓みによる発電要素体外周縁への内部加圧力集中が無いため、所定の内部加圧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、且つ、軽量なモジュールを構築することができる。
さらに本発明の構造は１個から数個のモジュール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。
【００５０】
さらに、流体内包袋を採用することにより安全性の面で効果が期待できる。流体内包袋に内包する流体に消火剤を採用することにより、本発明のモジュールが外部からの破壊的損傷を受け、発火に至った場合であっても流体内包袋が破裂することによって消火剤が散布されるので、従来よりも、より積極的に鎮火作用を持たせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施形態の構造説明図である。
【図２】同第１の実施形態における、発電要素体の構造説明図である。
【図３】同第１の実施形態と従来例を、或る条件下でサイクル試験した結果を比較して示す図である。
【図４】同第１の実施形態と従来例を、別の条件下でサイクル試験した結果を比較して示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の構造説明図である。
【図６】第1の従来例の構造説明図である。
【図７】第２の従来例の構造説明図である。
【符号の説明】
Ｐ内部加圧力
１０第1の実施形態のモジュール
１１扁平型二次電池
１２ａ，１２Ａａ上カバー
１２ｂ，１２Ａｂ下カバー
１３ａ，１３ｂ流体内包袋
１４発電要素体
１４ａ正極
１４ｂ負極
１４ｃセパレータ
２０第３の実施形態のモジュール
１００第１の従来モジュール
１０１箱形ケース
１０２扁平型二次電池
１０３ゴムシート
１１０第２の従来モジュール
１１１ａ上カバー
１１１ｂ下カバー

Claims

扁平型二次電池を加圧しつつ固定するモジュール外装体と前記扁平型二次電池との間に、流体を密閉内包した流体内包袋を配置してなることを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。
請求項１記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記流体内包袋は、前記扁平型二次電池を構成する発電要素体がなす領域以上の領域を覆うことを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。
請求項１または請求項２記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記内包した流体は、消火作用を有する気体または液体または粉体またはゲルのいずれか一つであることを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。
請求項１または請求項２記載の扁平型二次電池において、
前記内包した流体は、消火作用を有する気体または液体または粉体またはゲルの二種類以上の混合体であることを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。
請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記扁平型二次電池は二次電池外装体により覆われてなり、該二次電池外装体は、ラミネートフィルムからなることを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。
請求項1〜請求項５のいずれか一つに記載の扁平型二次電池を内包したモジュールにおいて、
前記扁平型二次電池は、正極とセパレータと負極とを交互に積層してなる発電要素体を備えたことを特徴とする扁平型二次電池を内包したモジュール。