JP4918625B2

JP4918625B2 - 電源装置

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Publication number: JP4918625B2
Application number: JP2011505287A
Authority: JP
Inventors: 善夫金田; 敏宏松本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: CN102217119A; EP2521202A4; EP2521202B1; EP2521202A1; US9240575B2; WO2011096032A1; JPWO2011096032A1; US20110269002A1

Description

本発明は、電源装置およびその製造方法に関する。

ハイブリッド自動車などの走行用モーターを駆動するためには、大電流が要求される。例えば、ハイブリッド自動車では、スタート時や加速時などに走行用のモーターを駆動するときに求められる電流は、１００Ａ以上と極めて大きい。このような、大電流を供給するための電源装置として、エネルギ密度が高い二次電池を含む電源装置が知られている。

このような電源装置として、ニッケル−水素電池や、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池などの単電池を複数接続した電源装置が知られている（例えば特許文献１および２参照）。

特許文献１および２の電源装置は、接続された複数の単電池と、単電池を固定するためのホルダとを有する。ホルダの材料は例えばプラスチックである。このように、接続された複数の単電池を有する電源装置は、仮に１つの単電池に問題が生じたとしても、他の単電池が機能する限り、電流を供給することができる。

しかしながら、特許文献１および２で開示された電源装置では、ホルダの材料がプラスチックなどの熱伝導率が低い材料であるので、電源装置の使用中に発生する単電池の熱が、ホルダに伝達されにくかった。このため、電源装置の使用中、熱が単電池に留まり、単電池の温度が高くなるという問題があった。

単電池の温度が高くなると単電池の性能が低下し、電源装置全体の性能が低下する。また、単電池がリチウムイオン電池である場合、温度が高くなると熱暴走の危険もある。

この問題を解決するために、接続された複数の単電池を熱伝導率の高いアルミなどの金属からなる成形体で囲む技術が知られている（例えば特許文献３参照）。

図１は、特許文献３に開示された電源装置１の斜視図である。図１に示されるように電源装置１は、複数の単電池収容穴１１を有する成形体１０と、単電池収容穴１１に収容された単電池２０と、を有する。また、成形体１０は、成形体１０を冷やすための冷媒が流れる冷媒流路１３を有する。成形体１０は、アルミなどの熱伝導率が高い材料からなる。

このように、単電池２０を熱伝導率が高い成形体１０で囲うことで、電源装置１の使用中に生じる単電池２０の熱は、成形体１０に伝達され、各単電池２０から熱が奪われる。このため、単電池２０が冷却され、単電池２０の温度が上昇することが防止される。また、成形体１０に伝達した熱は、冷媒流路１３を流れる冷媒に伝達され外部に放出される。

しかしながら、図１に示された電源装置１であっても、使用中に単電池２０が充分に冷却されず、単電池２０の温度が上昇するという問題があった。以下図２を参照しながら、電源装置１の使用中に単電池２０の温度が上昇する理由について説明する。図２は、図１に示された電源装置１の領域Ｘの拡大図を示す。

電源装置１では、単電池２０が電池収容穴１１に収容されるので、電池収容穴１１の直径は、単電池２０の直径よりも大きく設定される。このため、単電池２０を電池収容穴１１に収容すると、図２に示されるように、単電池２０と電池収容穴１１の内壁との間に、隙間Ｇが生じてしまう。単電池２０と電池収容穴１１の内壁との間に、隙間Ｇが形成されると、単電池２０と電池収容穴１１の壁との間の空気が断熱材として機能し、単電池２０の熱がボディに伝達されない。このため、熱が単電池２０内に留まり、単電池２０の温度が上昇してしまう。

したがって、単電池を囲む成形体の材料の熱伝導率を高めたとしても、単電池を充分に冷却することができず、単電池の性能低下および熱暴走といった問題が生じる。

このような問題を解決するために、成形体に単電池ではなく、正極、負極およびセパレータからなる電極群と電解液とを直接収容した電源装置が知られている（例えば特許文献４参照）。図３は特許文献４に開示された電源装置の分解斜視図である。図３に示されるように電源装置１は、４つの収容穴１１を有し、アルミなどからなる導電性の成形体１０と、収容穴１１に収容された４つの電極群２１と、を有する。また、成形体１０の内部は、冷却空気を通すために空洞となっている。また、図３に示される電源装置１では、側板３１および３３によって、各電極群２１が直列に接続されている。

特開２００６−１０７７７４号公報特開２００５−２８５４５５号公報特開平１０−１０６５２１号公報特開２００３−１０９６５５号公報

図３に示された特許文献４の電源装置１のように、各電極群２１を直列に接続するためには、正極と負極とがショートしないように、電極群２１を導電性の成形体１０から絶縁する必要がある。このため、収容穴１１に収容される電極群２１の外周を絶縁性のセパレータやシールで覆う必要がある。

しかし、電極群を絶縁体で覆ってしまうと、電極群と成形体とが直接接触せず、電極群から熱が成形体に伝達しにくくなる。したがって、特許文献４の電源装置では、電極群と成形体とを直接接触させたとしても、電極群から成形体に熱が充分に伝達されず、単電池の性能低下および熱暴走といった問題が生じる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、温度上昇による性能低下および熱暴走を抑制できる電源装置を提供することを目的とする。

本発明者は、成形体の収容穴に電極群および電解液（以下単に「ユニット」とも称する）を直接収容し、かつ電極群の正極または負極と成形体とを接触させることで、各ユニットを効率よく冷却することができることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。

すなわち、本発明は以下に示される電源装置に関する。
［１］２以上の独立した収容穴を有する成形体と、集電体および集電体上に配置された合剤層を有する正極ならびに負極と、前記正極と前記負極とにはさまれたセパレータとの積層物を捲回することで構成され、かつそれぞれの前記収容穴内に収容された、電極群と、それぞれの前記収容穴内に収容された、電解液と、を有する電源装置であって、前記電解液と、前記負極または前記正極とは、前記成形体に接触し、前記電極群は、柱状であり、前記電極群の側面は、前記負極または前記正極の集電体によって覆われ、電極群の端部が絶縁テープ又はキャップによって保護されている、電源装置。
［２］それぞれの前記電極群は、並列に接続される、［１］に記載の電源装置。
［３］前記成形体の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍＫ以上である、［１］または［２］に記載の電源装置。
［４］前記成形体の材料は、アルミニウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、カーボンまたはこれらの合金を含む、［２］に記載の電源装置。
［５］前記成形体は、放熱フィンをさらに有する、［１］〜［４］のいずれかに記載の電源装置。
［６］前記成形体は、押出形材である、［１］〜［５］のいずれかに記載の電源装置。

本発明の電源装置では、熱伝導率が高い電極群の正極または負極を成形体に接触させているので、ユニットの熱が成形体に伝達されやすい。そのため各ユニットは、効率的に冷却され、温度上昇による性能の低下および熱暴走を抑制することができる。

従来の電源装置の斜視図従来の電源装置の拡大図従来の電源装置の分解斜視図実施の形態１の電源装置の斜視図実施の形態１の電源装置の正面図実施の形態１の電源装置の放熱フィンを示す図実施の形態１の電極群の斜視図実施の形態１の電極群の断面図電極群の端部を絶縁テープで保護する方法を示す図実施の形態１の電源装置の断面図成形体の作製方法を示す図実施の形態１の電源装置の製造方法を示す図実施の形態２の電源装置の分解斜視図実施の形態３の電源装置の断面図

１．本発明の電源装置について
本発明は、複数の二次電池（ユニット）を接続することで大電流を供給することを可能とした電源装置に関する。本発明の電源装置は、１）成形体と、２）電極群と、３）電解液とを有する。本発明の電源装置は、ケースに収容されていない電極群および電解液を、成形体に直接収容し、かつ正極または負極を成形体に直接接触させることを特徴とする。このように、導電性が高い正極または負極が成形体に直接接触することで、ユニットの熱が効率よく成形体に伝達され、ユニットが高温になることを防止することができる。以下それぞれの構成部材について説明する。

１）成形体
成形体は、後述する電極群と電解液とを収容するための部材である。成形体は導電性であっても、非導電性であってもよい。成形体は、複数の独立した収容穴を有する。ここで「独立した」とは、各収容穴が互いに連通（液絡）していないことを意味する。成形体に設けられた収容穴は、成形体を貫通していてもよいし（図１０参照）、貫通していなくともよい（図１４参照）。収容穴の形状は特に限定されない。収容穴は、角柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。

また、収容穴の数は、成形体に収容される電極群の数、すなわち電源装置の出力に応じて適宜選択され、通常は１０〜４０個である。それぞれの収容穴には後述する電極群および電解液が収容される。成形体の収容穴に収容された電極群および電解液は、ニッケル−水素電池や、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池、リチウム空気電池、空気亜鉛電池などの二次電池として機能する。成形体の一つの穴に収容され、二次電池として機能する電極群および電解液を、以下「ユニット」とも称する。したがって、本発明では、成形体が複数のユニットを有する。

収容穴の形状は、収容される電極群の形状によって適宜選択される。例えば、電極群が円柱の場合、収容穴も円柱状であり；電極群が角柱である場合、収容穴も角柱状である。収容穴が角柱（例えば四角柱）である場合、収容穴の形状が円柱である場合と比較して、ユニットと成形体との接触面積が増大する。このため、収容穴が角柱であると、成形体はユニットからより効率的に熱を奪うことができる。

成形体の材料は、熱伝導率が高いことが好ましい。より具体的には、成形体の材料の熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましく、５０Ｗ／ｍＫ以上であることが特に好ましい。このような、成形体の材料の例には、アルミニウムや、マグネシウム、鉄、ニッケル、カーボン、およびこれらの合金などが含まれる。特に、Ａ６０６３などのアルミニウム合金は、熱伝導率が高く成形が容易であることから、成形体の材料として好ましい。また、成形体の材料は、カーボンナノチューブやカーボングラファイトなどが分散された樹脂であってもよい。

成形体は、上述のように高い熱伝導率を有するので、高い放熱率を有する。また、本発明では、成形体に放熱フィンを形成したり（図５、図６参照）、冷媒流路を形成したりすることで、成形体の放熱率をさらに高めてもよい。

成形体は、さらにヒータを内蔵していてもよい。成形体がヒータを有することで、寒冷時であっても電源装置を使用することができる。また、成形体は、収容穴以外に、成形体の熱容量を調節するための孔を有していてもよい（図５、符号１１５参照）。

成形体の作製方法は特に限定されないが、例えば押し出し成形が好ましい。押し出し成形とは、加熱したビレットをダイス金型を通して押し出すことで、材料の形状を成形する方法である（図１１Ｃ参照）。押し出し成形によれば低コストで成形体を作製することができる。押出し成形によって作製された部材は、押出形材とも称される。

２）電極群
電極群は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータとからなる積層物を捲回することで構成される（図７Ａおよび図７Ｂ参照）。電極群は柱状であれば、円柱状であっても、角柱状であってもよい。上述のように本発明では、電極群は、成形体の収容穴に直接収容されることを特徴とする。したがって、本発明では、電極群が成形体に直接接触する。

成形体の収容穴に収容されたそれぞれの電極群は、直列に接続されても並列に接続されてもよいが、並列に接続されることが好ましい。各電極群（ユニット）が並列に接続されていると、１つのユニットが作動しなかった場合でも、他のユニットが作動すれば、電流を供給でき、電源装置の信頼性が高まるからである。一方、各電極群を直列に接続する場合は、正極と負極とがショートしないよう成形体が非導電性であることが求められる。

正極は、正極集電体および正極集電体上に配置された正極合剤層を有する。負極は、負極集電体および負極集電体上に配置された負極合剤層を有する。

正極集電体および負極集電体は、正極合剤層または負極合剤層を保持するとともに集電機能を有する電極基体である。正極集電体および負極集電体は、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔などの金属箔などからユニットの種類に応じて適宜選択される。例えば、ユニットがリチウムイオン電池として機能する場合、正極集電体はアルミニウム箔であり、負極集電体は銅箔である。一般的には、正極集電体としては厚さ５〜３０μｍのアルミニウム箔やアルミニウム合金箔が用いられ、負極集電体としては厚さ５〜２５μｍの銅箔が用いられることが多い。

正極合剤層は、正極活物質の粒子を結着材で結着させて形成された層である。結着材は、集電体と活物質との間および活物質間を結着させる。正極合剤層は、導電材を含み、さらに他の物質を含んでいてもよい。また、正極合剤層は一般的に、図８に示されたように、正極集電体の両方の面上に配置されている。

正極活物質の粒子の材料は、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物や、ＦｅＳ、ＴｉＳ_２などの遷移金属硫化物、ポリアニリン、ポリピロールなどの有機化合物、これらの化合物を部分的に元素置換したものなどである。正極活物質の粒子の平均粒径は、１〜１００μｍである。

結着材の材料は、特に限定されないが、例えば、フッ素原子を含む樹脂やアクリレート単位を有するゴム粒子結着材などの熱可塑性樹脂である。フッ素原子を含む樹脂の例には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリフッ化ビニリデンの変性体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが含まれる。結着材の材料には、さらに反応性官能基が導入されたアクリレートモノマー、またはアクリレートオリゴマーが含まれていてもよい。

導電材の例には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラックおよびサーマルブラックなどのカーボンブラック、ならびに各種グラファイトが含まれる。

負極合剤層は、負極活物質の粒子を結着材で結着して形成された層である。負極合剤層は、導電材を含み、さらに他の物質を含んでいてもよい。また、負極合剤層は一般的に、図８に示されたように、負極集電体の両方の面上に配置されている。

負極活物質の材料は、例えば、グラファイトやコークスなどの炭素系活物質、金属リチウム、リチウム遷移金属窒化物、またはシリサイドなどのシリコン系複合材料である。
負極合剤層に含まれる結着材の材料の例には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびその変性体、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子（ＳＢＲ）およびその変性体などが含まれる。また負極合剤層に含まれる導電材は、正極合剤層に含まれる導電材と同じであってよい。

セパレータは、正極と負極とを絶縁し、かつ正極と負極との間のイオン伝導性を確保する部材である。セパレータの材料は、電源装置の使用時に安定な素材であれば特に限定されず、例えば、絶縁性の高分子多孔フィルムである。セパレータは、例えば、アルミナシリカ、酸化マグネシウム、酸化チタン、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの無機物粒子や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの有機物粒子、前記無機物粒子と有機物粒子との混合物、結着材、溶媒、各種添加剤などを混合したものを、塗布し、乾燥させ、圧延することにより作製することができる。セパレータの厚みは、特に限定されないが、例えば１０〜２５μｍである。

上述のように本発明では、電極群のうち負極または正極のいずれか一方が成形体に接触することを特徴とする。したがって、例えば成形体が導電性である場合、負極または正極のいずれか一方が成形体と電気的に接続する。このため、成形体が導電性である場合、成形体が正極または負極として機能し、それぞれの電極群が並列に接続される。

電極分の負極または正極のいずれか一方を成形体に接触させるために、本発明では柱状の電極群の側面が、負極または正極のいずれか一方によって覆われている（図７Ａ参照）。このように熱伝導率が低いセパレータでなく、熱伝導率が高い電極が成形体に接触することで、電極群の熱が成形体にスムーズに伝わりやすい。

また、本発明では、成形体に接触するのは、負極または正極の合剤層ではなく、負極または正極の集電体であることが好ましい。したがって柱状の電極群の側面は、負極または正極いずれか一方の集電体によって覆われていることが好ましい。合剤層よりも熱伝導率が高い集電体が成形体に接触することで、電極群の熱が成形体によりスムーズに伝わりやすい。比較的強度が低い正極または負極の合剤層が電極群の側面に露出していると、集電体を成形体に挿入する際に電極群の電極に傷がつく恐れもある。

３）電解液
電解液は、溶媒と、電解質とを含む。上述のように本発明では、電解液は、成形体の収容穴に直接収容されることを特徴とする。したがって、本発明では、電解液が成形体に接触する。

溶媒は、ユニットの種類によって適宜選択される。例えばユニットがリチウムイオン電池として機能する場合、溶媒は非水系溶媒である。非水系溶媒の例には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γーブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、γーブチロラクトンなどが含まれる。これらの非水溶媒は、単独で使用されてもよいし、２種以上を混合して使用されてもよい。

一方、ユニットがニッケル−水素電池や、ニッケル−カドミウム電池、空気亜鉛電池、リチウム空気電池などとして機能する場合、溶媒は水である。

電解質も、ユニットの種類によって適宜選択される。例えばユニットがリチウムイオン電池として機能する場合、電解質の例は、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ_４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ_６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３）、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム［ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２］などのリチウム塩を含む。

一方、ユニットがニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池、空気亜鉛電池として機能する場合、電解質の例は、水酸化カリウムなどを含む。

４）その他
本発明の電源装置は、さらに、成形体の収容穴を塞ぐ封口板を有する（図１０、図１３参照）。封口板には、発熱によってユニット内の圧力が増加した場合に圧力を逃がすための防爆弁が形成されていてもよい（図１０参照）。

また、本発明の電源装置は、温度センサとヒータまたはクーラとを含む温度調節機構を有していてもよい。温度調節機構により、電源装置が高温になりすぎたり、低温になりすぎることを防止することができる。

このように形成された電源装置の電圧は通常１．２〜３．７Ｖであり、容量は２５〜１２０Ａｈである。さらに大きな電圧や出力が必要な場合は、複数の本発明の電源装置を接続すればよい。例えば、大電流が求められる自動車用電源装置では、７つの本発明の電源装置が直列に接続されたモジュールが、１４個、並列に接続される。

本発明の電源装置を使用中には、各ユニットが放電し、電流が供給される。このとき各ユニットが提供するエネルギの一部は熱に変換される。このため電源装置の使用中は、各ユニットは熱を発する。ユニットが発する熱がユニット内に留まると、ユニットの温度が上昇し、ユニットの性能が低下する。

上述のように本発明では、ユニットが直接成形体の収容穴に収容され、かつ熱伝導率が高い負極または正極を成形体に接触している。このため、ユニットの熱が効率よく成形体に伝達される。これにより、ユニットの熱は、速やかに成形体に奪われ、ユニットは効率的に冷却される。

ユニットから成形体に伝達された熱は、成形体の外部に放出される。上述のように、本発明では成形体の放熱率が高いので、成形体に伝達された熱は速やかに外部に放出され、成形体自体が高温になることはない。

２．本発明の電源装置の熱容量
本発明の電源装置の熱容量は大きいことが好ましい。具体的には、本発明の電源装置の熱容量は、４７５Ｊ／Ｋ以上であることが好ましい。電源装置の熱容量を調節するには、成形体の質量を増やしてもよいし、ユニットの数を増加させてもよい。１つのユニットの熱容量は約３５Ｊ／Ｋである。例えば、アルミからなる成形体の質量を４８０ｇ以上とし、ユニットの数を１０以上とすれば、単位体積辺りの出力が高く、かつ、熱容量が大きい電源装置が得られる。以下、電源装置の熱容量が大きいことの利点について説明する。

電極群に混入した金属片などの異物などによって、ユニットの正極と負極とがショートした場合、ユニットが有するエネルギの多くが熱に変換されてしまうことがある。ショートによってユニットが有するエネルギの多くが熱に変換されてしまうと、ユニットが急激に発熱し、熱暴走が発生することがある。ここで「熱暴走」とは、発熱が発熱を招くという正のフィードバックにより、温度の制御ができなくなる現象を意味する。具体的には、熱暴走では、正極が分解することで酸素が放出され、電解液が酸化分解することで、さらなる熱が発生する。リチウムイオン電池の場合、通常、電池の温度が約１５０℃を超えると、熱暴走の恐れが生じる。

ショートによるユニットの発熱を空冷することで、熱暴走の発生を抑えることも考えられる。しかし、ショートによる発熱は、極めて短時間で発生するので、空冷では冷却が間に合わない。

しかし、上述のように本発明の電源装置の熱容量は、４７５Ｊ／Ｋ以上と大きいので、仮に１つのユニットの正極と負極とがショートし、ユニットが有するエネルギが熱に変換された場合であっても、電源装置全体でユニットの熱を吸収し、電源装置が１５０℃以上になることを防止することができ、熱暴走が発生することを抑制することができる。

例えば、１つのユニットの電圧が３．６Ｖで、容量が４Ａｈである場合、１つのユニットが有するエネルギは、
３．６Ｖ×４Ａｈ＝１４．４Ｗｈ＝５１８３６Ｊ
である。

このため、電源装置の熱容量は、４７５Ｊ／Ｋ以上である場合、１つのユニットが有するエネルギが全て熱に変換されたとしても、電源装置の上昇温度は、
５１８３６Ｊ／４７５Ｊ／Ｋ＝１０９．１Ｋ以下である。

このため、仮に環境温度が４０℃だとしても、電源装置の温度は１５０℃以下（４０℃＋１０９．１℃＝１４９．１℃）に保たれ、熱暴走を抑制することができる。

以下、本発明を図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、本発明は図示された実施の形態に限定されない。

［実施の形態１］
図４は、実施の形態１の電源装置１００の斜視図である。図５は、実施の形態１の電源装置１００の正面図である。

図４および５に示されるように、電源装置１００は、成形体１１０と、ユニット１２０と、を有する。さらに、電源装置１００は、正極封口板１３０と負極封口板１４０とを有する（図１０参照）。

成形体１１０は、例えばアルミニウムからなる、導電性部材である。成形体１１０は、複数の収容穴１１１を有する。収容穴１１１は、成形体１１０を貫通する。収容穴１１１にはユニット１２０が収容されている。

成形体１１０の寸法は特に限定されないが、例えば、長さＬが１４０〜１８０ｍｍであり；奥行きＷは５０〜９０ｍｍであり；高さＨが４０〜８０ｍｍである（図４参照）。また、収容穴の直径Φは、１０〜３０ｍｍである（図５参照）。

また、成形体１１０は、複数の放熱フィン１１３を有する（図４、図５参照）。図４および図５では成形体１１０が板状の放熱フィンを有する例を示したが、成形体１１０は、図６Ａに示されるような、棒状の放熱フィン１１３を有してしてもよい。棒状の放熱フィンは、板状の放熱フィンと比較して表面積が大きいので、成形体１１０の放熱率をより向上させることができる。また、図６Ｂに示されるように、放熱フィン１１３に複数の突起１１７を設けることで、放熱フィン１１３の表面積を増大させてもよい。

さらに、成形体１１０は、複数の孔１１５を有する（図４、図５参照）。孔１１５内は空洞であってもよいが、ニクロム棒が挿入されていてもよい。孔１１５に挿入されたニクロム棒は、寒冷時に電源装置を暖めるヒータとして機能しうる。また、成形体１１０の熱容量を調節するために孔１１５内は、水やゲル、カーボン、鉄、銅などで満たされていてもよい。また、孔１１５は、冷媒流路として機能してもよい。

ユニット１２０は、収容穴１１１に収容され、電極群１２１と、電解液１２３とを有する（図１０参照）。

図７Ａは、電極群１２１の斜視図である。図７Ａに示されるように電極群１２１は、円柱状である。電極群１２１の側面は、正極１６１によって覆われている。したがって本実施の形態では、正極１６１が成形体１１０に接触し、成形体１１０と電気的に接続する。

図７Ｂは、電極群１２１の分解斜視図である。図７Ｂに示されるように電極群１２１は、シート状の正極１６１およびシート状のセパレータ１６３およびシート状の負極１６５の積層物を捲回することで構成される。

図８は、正極１６１、セパレータ１６３および負極１６５の一点鎖線Ａによる断面図である。図８に示されるように、正極１６１は、集電体１６１ａと、集電体１６１ａを挟む合剤層１６１ｂとからなり、負極１６５は、集電体１６５ａと、集電体１６５ａを挟む合剤層１６５ｂとからなる。

図８に示されるように、本実施の形態では、正極１６１の集電体１６１ａがセパレータ１６３および負極１６５よりも長くされている。このように正極１６１の集電体１６１ａをセパレータ１６３および負極１６５よりも長くすることで、電極群１２１の側面を正極１６１の集電体１６１ａで構成することができ、合剤層よりも熱伝導率が高い正極１６１の集電体１６１ａを成形体１１０に接触させることができる。

また、電極群１２１の一方の端部は、キャップや絶縁テープ１６７などで保護されていることが好ましい。保護される電極群１２１の端部は、電極群１２１を成形体１１０に挿入する際の、挿入方向の先端部であることが好ましい。これにより、成形体１１０に電極群１２１を挿入する際に、電極が傷つけられることを防止することができる。

電極群１２１の一方の端部を絶縁テープ１６７で保護するには、図９Ａ〜図９Ｄに示されるように、電極群１２１の一方の端部を絶縁テープ１６７でラップ（図９Ａ〜図９Ｃ）し、そして、電極群１２１よりもはみ出した箇所の絶縁テープ１６７を畳めばよい（図９Ｃ、図９Ｄ）。

図１０は、図４に示された電源装置１００の一点鎖線Ａによる断面図である。図１０に示されるように、電極群１２１と電解液１２３とは、成形体１１０に接触する。また、ユニット１２０は、正極と負極とのショートを防止する絶縁板１２９を有する。ユニット１２０が収容された収容穴１１１は、正極封口板１３０と負極封口板１４０とで塞がれる。

正極封口板１３０は、正極端子１３１と、防爆弁１３３と、電解液供給孔１３５とを有する。また、正極封口板１３０は、電極群１２１の正極から伸びた正極リード１２５と接続されていることが好ましいが、正極リード１２５は無くともよい。上述したように電極群の正極１６１は、成形体１１０に直接接触しているので、リードが無くとも、正極１６１と、成形体１１０に接続された正極封口板１３０と、は電気的に接続しているからである。

負極封口板１４０は、負極端子１４１とガスケット１４３とを有する。ガスケット１４３は、負極端子１４１を絶縁している。負極端子１４１は、電極群１２１の負極から伸びた負極リード１２７と接続している。負極リード１２７は例えばニッケルからなる。

このように、本実施の形態では、電極群１２１が成形体１１０に直接収容され、かつ熱伝導率の高い正極１６１の集電体１６１ａが成形体１１０に接触している。このため、電源装置１００の使用時に、ユニット１２０の熱が成形体１１０に奪われ、ユニット１２０が効率的に冷却される。このため、本実施の形態によれば、温度の上昇によるユニットの性能の低下および熱暴走を抑制することができる。

また、本実施の形態では、ユニット１２０が成形体１１０に直接収容されているので、電極端子と、実際に電力を生み出す電極群とを介在する部材が少ない。このため、ユニット１２０から電流をロスなく取り出すことができる。一方、電極群および電解液と、電極群および電解液を収容するケースとを有する単電池を成形体に挿入する従来の電源装置では（特許文献３参照）、電極群と電極端子との間にケースなどの部材が介在するので、電流がロスするおそれがある。

次に、本実施の形態の電源装置１００の製造方法について、図１１Ａ〜図１１Ｃおよび図１２Ａ〜図１２Ｃを参照しながら説明する。

電源装置１００の製造方法は、例えば、１）成形体１１０を準備する第１ステップ（図１１Ａ〜Ｃ参照）と、２）成形体１１０の収容穴１１１に、電極群１２１を挿入する第２ステップ（図１２Ａ）と、３）封口板で収容穴１１１を塞ぐ第３ステップ（図１２Ｂ）と、４）電解液供給孔１３５から収容穴１１１内に電解液１２３を注入する第４ステップ（図１２Ｃ）と、を有する。以下それぞれのステップについて説明する。

第１ステップでは、成形体１１０を準備する。成形体１１０を準備するには、成形体１１０を押出し成形で作製すればよい。押出し成形による成形体の作製方法は、例えば、適温に加熱されたアルミビレット１５０を耐圧容器のコンテナ１５１に挿入するステップ（図１１Ａ参照）と、挿入されたアルミビレット１５０を押盤１５３でダイス１５５方向に押し込むステップ（図１１Ｂおよび図１１Ｃ参照）とを有する。コンテナ１５１に挿入されるアルミビレット１５０の温度は、約４００℃であることが好ましい。

アルミビレット１５０を押盤１５３でダイス１５５方向に押し込むことで、アルミビレット１５０はダイス孔１５７から押出され（図１１Ｂ参照）、所望の形状を有する成形体１１０が作製される（図１１Ｃ参照）。

図１２Ａは、第２ステップを示す。図１２Ａに示されるように第２ステップでは、成形体１１０の収容穴１１１に、電極群１２１を挿入する。電極群１２１は正極リード１２５と負極リード１２７とを有する。図１２Ａに示されるように、正極リード１２５には予め正極封口板１３０が接続され、負極リード１２７には予め負極封口板１４０が接続されていてもよい。

上述のように本実施の形態では、電極群１２１の側面が正極１６１で覆われているため、成形体１１０の収容穴１１１に、電極群１２１を挿入する際、正極１６１の挿入方向の先端が傷つく恐れがある。しかし、本実施の形態のように、電極群１２１の挿入方向の先端部を絶縁テープ１６７で保護することで（図７Ａ参照）、電極群１２１を挿入する際に正極１６１の挿入方向の先端が傷つくことを抑制することができる。また、本実施の形態では、電極群１２１の側面は、強度の低い合剤層ではなく、比較的強度の高い集電体によって覆われている。このため、正極１６１は、より傷つけられにくい。

図１２Ｂは、第３ステップを示す。図１２Ｂに示されるように第３ステップでは、正極封口板１３０および負極封口板１４０を成形体１１０に接続し、収容穴１１１を塞ぐ。封口板を成形体に接続する手段の例には、レーザ溶接、かしめ、コイニング、超音波溶接、熱溶着、ロウ付け、プレス、摩擦接合およびネジ留めなどが含まれる。電解液の漏れを防止するという観点からは、封口板は、レーザ溶接で成形体１１０に接合されることが好ましい。

図１２Ｃは、第４ステップを示す。図１２Ｃに示されるように第４ステップでは、正極封口板１３０の電解液供給孔１３５から、電解液１２３を注入する。その後、電解液供給孔１３５を防爆弁１３３で塞ぐことで、実施の形態１の電源装置１００が製造される。

［実施の形態２］
実施の形態１では、各正極封口板が独立している形態について説明した。実施の形態２では、電源装置が全ての収容穴を閉じる一枚の正極封口板を有する形態について説明する。

図１３は、実施の形態２の電源装置２００の分解斜視図である。電源装置２００は、正極封口板が連結されている以外は、図４に示された実施の形態１の電源装置１００と同じである。実施の形態１の電源装置１００と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。

図１３に示されるように電源装置２００は、一枚の正極封口板２４０を有する。このように、本実施の形態では、正極封口板２４０がユニット１２０ごとに分かれていないので、部品点数が少なく、より簡便に電源装置を製造することができる。

［実施の形態３］
実施の形態１および実施の形態２では、収容穴が成形体を貫通する形態について説明した。実施の形態３では、収容穴が成形体を貫通しない形態について説明する。

図１４は実施の形態３の電源装置３００の断面図である。電源装置３００は、収容穴２１１の形状が異なる以外は、図１０に示された実施の形態１の電源装置１００と同じである。実施の形態１の電源装置１００と同一の構成部材については、同一の符号を付し説明を省略する。

図１４に示されるように電源装置３００は、成形体２１０および封口板２３０を有する。成形体２１０は、収容穴２１１を有する。収容穴２１１は、成形体２１０を貫通していない。このような成形体２１０は、例えばインパクト成形によって成形されることができる。

封口板２３０は、負極端子２３１を有する。負極端子２３１は負極リード１２７と接続している。負極端子２３１は、ガスケット２３３によって絶縁されている。

このように、本実施の形態では、インパクト成形で成形体を作製するので、より簡便に電源装置を製造することができる。

本出願は、２０１０年２月３日出願の特願２０１０−０２２２９６に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明の電源装置は、フォークリフトやハイブリッドカー、電気自動車などの車両用電源装置、電子機器のバックアップ電源および家庭用の蓄電池装置として好適に用いることができる。

１００、２００、３００電源装置
１１０、２１０成形体
１１１、２１１収容穴
１１３放熱フィン
１１５孔
１１７突起
１２０ユニット
１２１電極群
１２３電解液
１２５正極リード
１２７負極リード
１２９絶縁板
１３０２４０正極封口板
１３１正極端子
１３３防爆弁
１３５電解液供給孔
１４０負極封口板
１４１負極端子
１４３ガスケット
１５０アルミビレット
１５１コンテナ
１５３押盤
１５５ダイス
１５７ダイス孔
１６１正極
１６３セパレータ
１６５負極
１６７絶縁テープ
２３０封口板
２３１負極端子
２３３ガスケット

Claims

２以上の独立した収容穴を有する成形体と、
集電体および集電体上に配置された合剤層を有する正極ならびに負極と、前記正極と前記負極とにはさまれたセパレータとの積層物を捲回することで構成され、かつそれぞれの前記収容穴内に収容された、電極群と、
それぞれの前記収容穴内に収容された、電解液と、を有する電源装置であって、
前記電解液と、前記負極または前記正極とは、前記成形体に接触し、前記電極群は、柱状であり、前記電極群の側面は、前記負極または前記正極の集電体によって覆われ、電極群の端部が絶縁テープ又はキャップによって保護されている、電源装置。
それぞれの前記電極群は、並列に接続される、請求項１に記載の電源装置。
前記成形体の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１に記載の電源装置。
前記成形体の材料は、アルミニウム、マグネシウム、鉄、ニッケル、カーボンまたはこれらの合金を含む、請求項２に記載の電源装置。
前記成形体は、放熱フィンをさらに有する、請求項１に記載の電源装置。
前記成形体は、押出形材である、請求項１に記載の電源装置。