JP4990532B2 - 二次電池モジュールを使用する、電池装置の製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、内部に取り付けた複数の単位セル、例えばリチウム−イオン重合体（ポリマー：polymer）二次セルを有する二次電池、及び、中型電池機構または大型電池機構を構成するのに使用される、二次電池モジュール、並びに、この二次電池モジュールを使用して電池機構を製造する方法に関する。本発明はまた、より詳しくは、電池機構の体積を最小に抑えるために高密度とし、かつ、電極間の接続を達成しうる高い安定性を有し、および使用者の電気的短絡に曝される危険性を最小に抑える、二次電池モジュールに関する。

発明の背景
近年、充電および放電可能な二次電池が、ワイヤレス可動装置用のエネルギー供給源として広く使用されている。また、二次電池は、化石燃料を使用する既存のガソリンおよびディーゼル車両により引き起こされる大気汚染のような問題を解決するために開発された電気自動車およびハイブリッド電気自動車用の動力源としても、非常に高い関心を集めている。

一般的に、小型の可動装置は、装置毎に一個または数個のセル（cell:電池）を使用する。他方、中型装置または大型装置、例えば自動車は、中型装置または大型装置において高い出力および大容量が必要とされることから、互いに電気的に接続された複数のセルを有する中型電池機構または大型電池機構を使用する。

中型電池機構または大型電池機構の単位セルとして通常使用される袋形状のリチウム−イオン重合体二次セルは、機械的強度が低いものである。この理由から、複数の単位セルがカートリッジ内に設置されることにより、これら単位セルが互いに電気的に直列または並列に接続され、そして、複数のカートリッジが互いに電気的に接続され、中型電池機構または大型電池機構を製造することとなる。

しかし、カートリッジは、ほぼ板形状に形成され、従って、カートリッジは大きな区域を占有することなる。さらに、カートリッジ間の間隔を大きくし、単位セルから発生する熱を効果的に消散させることから、電池機構の総体積が増加する。

また、各単位セルのカソードおよびアノードの突き出た区域が大きく、従って、電池機構を製造する技術者または使用者は、電気的短絡に曝される危険性が高いとされている。

さらに、電極間の電気的接続（直列または並列）が悪く、従って、外部の力、例えば振動および衝撃により短絡が起こることがあるとされている。

発明の概要
従って、本発明の目的は、従来技術の上記諸問題、ならびにこれまで必要とされている技術的問題を実質的に解決することである。

本発明者らは、様々な実験および研究を行い、最終的に、複数の単位セル「unit cell:ユニットセル、単位電池」を電池モジュール中に高密度で取り付け、それによって、電池機構の全体的な大きさを著しく縮小し、電極を高い安定性で互いに電気的に接続し、技術者が電池機構を製造する際、または使用者が電池機構を使用する際に、技術者または使用者が電気的短絡に曝される危険性を最小に抑えることができる、中型電池機構または大型電池機構用の二次電池モジュールを開発するに至った。
従って、本発明は、二次電池モジュールを使用する、電池装置の製造方法であって、
前記二次電池モジュールが、
一対の側方部材（右側部材及び左側部材）と、少なくとも一個の接続部材と、被覆部材とを備えてなり、
前記一対の側方部材（右側部材及び左側部材）が、前記一対の側方部材の内側表面に形成された複数の溝を有し、単位セルの側部が前記溝の中に確実に備え付けられてなり、
前記少なくとも一個の接続部材が、前記一対の側方部材と一体的に形成され、前記一対の側方部材の溝同士が互いに対面している際に、前記一対の側方部材が、前記単位セルの幅で、互いに間隔をおいて配置されてなり、
前記接続部材が、前記右側部材及び左側部材の前記上端部又は前記下端部に、並びに前記右側部材及び左側部材の前記前端部又は前記後端部に形成されてなり、及び
前記被覆部材が、前記単位セルを前記右側部材及び左側部材の間に取り付けている際に、前記右側部材及び左側部材の前記接続部材が形成されていない側の後端部又は前端部を覆うものであり、かつ、
前記被覆部材が、前記単位セルの電極接続部分の間に挿入される複数の電気的に絶縁する仕切部を包含してなるものであり、
(i) 前記右側部材及び左側部材の溝の間に定められた空間中に複数の単位セルを積み重ねて、
(ii) スリットを有する絶縁性補助部材が、前記単位セルの電極リード線を前記スリットに挿入することを通じて、前記単位セル上に配置し、
(ii’) 前記電極リード間の前記電気的接続が、互いに接続すべき前記電極リード線上に導電性の母線を配置し、レーザー溶接を行うことにより達成し、その際、単位セルの電池本体が、絶縁性補助部材により露出されないようにして、
前記補助部材の上に露出している前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、または前記単位セルの前記電極リード線を互いに平行に接続した後に前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、及び、溶接後、前記補助部材を取り外し、
(ii’’) 前記被覆部材を前記電極接続部分に取り付ける際、前記仕切部を、前記電極接続部分の間に挿入する工程をさらに含んでなり、
(iii) 前記電池モジュール中に取り付けた、互いに電気的に接続された単位セルを有する２個以上の電池モジュールを電気的に接続し、カソード端子及びアノード端子を形成することを含んでなる、製造方法を提案する。

本発明の態様によれば、上記および他の目的は、
ほぼ長方形の平行六面体構造に構築された二次電池モジュールであって、
一対の側方部材（右側部材および左側部材）と、及び
前記一対の側方部材（右側部材および左側部材）が前記側方部材の内側表面に形成された複数のグルーブ「groove:溝」を有することにより、単位セルの側部が前記グルーブの中に確実に備え付けられてなり、
少なくとも一個の接続部材とを備えてなり、
前記少なくとも一個の接続部材が前記側方部材と一体的に形成されることにより、前記側方部材のグルーブ同士が互いに対面している際に、前記側方部材が、前記単位セルの幅により互いに分離されてなるものにより達成することができる。

従って、単位セルが右側部材および左側部材間に順次挿入され、単位セルの対向する側部が、右側部材および左側部材の対面するグルーブの中に備え付けられる。

グルーブの幅は各単位セルの厚さに対応する。しかし、グルーブの長さは、単位セルを右側部材および左側部材間に安定して取り付けられることが可能な限り、特に制限はされない。本発明の電池モジュールでは、単位セルの対向する側部は側方部材に固定され、単位セルの他の区域は露出している。そのため、放熱効果が非常に高く、従って、高密度電池機構を製造できるように単位セル間の間隔が小さくても、所望の放熱が達成される。

好ましくは、接続部材は、右側部材および左側部材の上端部、下端部、前端部、および後端部の一つ以上で一体的に形成されている。接続部材が多数設けてある場合、右側部材および左側部材の前端部および後端部の少なくとも一方は開いていなければならず、これにより、右側部材および左側部材の前端部または後端部を通じて、単位セルを右側部材および左側部材間に挿入することができる。

本発明の好ましい実施態様でによれば、右側部材および左側部材がその上端部に接合突起を備えてなり、右側部材および左側部材がその下端部に、接合突起に対応する接合グルーブを備えている。従って、２個以上の電池モジュールを相互に簡単に接合することができる。上記の構造では、他の接合部材を使用することなく、複数の電池モジュールを相互に高密度で接合することが可能となる。

本発明の別の好ましい実施態様によれば、接続部材が、右側部材および左側部材の上端部または下端部に、及び右側部材および左側部材の前端部または後端部に形成されており、並びに、電池モジュールが、単位セルを右側部材および左側部材の間に取り付ける際に、右側部材および左側部材の開いた後端部または開いた前端部を覆うための追加被覆部材を備えてなる。

好ましくは、被覆部材は、単位セルの電極接続部分の間に挿入することができる複数の電気的に絶縁する仕切り（partitoin:仕切部、区分）を包含する。電極接続部分は、一の単位セルの電極が、その一の単位セルに隣接して配置された別の単位セルの電極に電気的に接続される区域である。電気的な接続は、直列接続または並列接続である。好ましくは電気的接続は直列接続である。

電池モジュールの組立が完了した後、電極接続部分は、仕切りにより相互から電気的に隔離されている。従って、技術者または使用者が電気的短絡に曝される危険性が最小に抑えられ、電池モジュールを使用する際の外部の力による電気的短絡の危険性は大幅に低下する。

本発明による二次電池モジュール用の材料は特に限定されない。好ましくは、電気的絶縁材料、例えばポリプロピレン、ポリブタジエン、ポリスチレン、またはアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、を二次電池モジュール用の材料として使用する。

本発明による電池モジュールで取り付けられる単位セルは、特に限定されるものではない。好ましくは、単位セルは、袋形状「pouch-shaped:小袋形状」のリチウム−イオン重合体二次セルである。

本発明の態様によれば、上記した二次電池モジュールを使用する中型電池機構または大型電池機構の製造方法を提供する。特に、本電池機構製造方法は、
(i)前記電池モジュールの右側部材および左側部材に形成されたグルーブの、最下側から第１番目のグルーブの中に、一の単位セルの対向する側部を挿入し、前記グルーブ同士が対面し、前記一の単位セルを固定し、および
前記電池モジュールの右側部材および左側部材の、最下側から第２番目のグルーブの中に、別の単位セルの対向する側部を挿入し、前記別の単位セルを固定し、それによって、
前記右側部材および左側部材の間に定められた空間中に複数の単位セルを積み重ねてなり、
(ii)前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、または前記単位セルの前記電極リード線を互いに平行に接続した後に前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、及び
(iii)前記電池モジュール中に取り付けた、互いに電気的に接続された単位セルを有する一個以上の電池モジュールを電気的に接続し、カソード端子およびアノード端子を形成することの各工程を含んでなるものである。

好ましくは、工程(i)は、グルーブの中に接着剤または樹脂、例えばシリコン（シリコーン）を塗布または部分的に充填し、単位セルがグルーブの中により安定して固定されることを包含する。

好ましくは、工程(ii)は、スリットを有する絶縁性補助部材を、単位セルの電極リード線を挿入することを通じて、単位セル上に配置し、及び、補助部材の上に露出している単位セルの電極リード線を電気的に接続し、それによって、電極間の接続をより確実に、容易に達成できるようにすることを包含する。好ましくは、電極間の電気的接続は、互いに接続すべき電極リード線上に導電性の母線を配置し、レーザー溶接を行うことにより、達成される。一般的に、電極リード線は、レーザー溶接により互いに接続されるので、電極リード線は高い信頼性および安定性を有する。しかし、単位セルの電池本体をレーザー光線に露出すると、単位セルが損傷を受けることがある。本発明によれば、上記のような絶縁性補助部材を備えることにより、上記の問題は排除される。

工程(iii)で、複数の単位セルを内部に取り付けた一個の電池モジュールだけを使用して中型電池機構または大型電池機構を製造することができる。あるいは、２個以上の電池モジュールを使用して中型電池機構または大型電池機構を製造することもできる。２個以上の電池モジュールを使用して中型電池機構または大型電池機構を製造する場合、右側部材および左側部材の上端部に接合突起を備え、右側部材および左側部材の下端部に、上記のように接合突起に対応する接合グルーブを備えるのが好ましい。

状況に応じて、電池機構の製造方法は、工程(ii)または工程(iii)の後に、上記の被覆部材を電極接続部分に取り付ける工程をさらに含んでなり、これによって、技術者または使用者が電気的短絡に曝される危険性が最小に抑えられ、電池モジュールを製造または使用する際の電極接続部分間の電気的短絡が大幅に低下する。

発明を実施するための具体的な態様

本発明の上記の目的、特徴および他の利点は、添付の図面を参照して行う下記の詳細な説明からより深く理解される。

ここで、本発明の好ましい実施態様を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、無論、本発明の範囲は、例示する実施態様により制限されるものではない。

図１は、本発明の好ましい実施態様による二次電池モジュール１００を示す典型的な透視図である。

図１に関して、電池モジュール１００は、開いた上部および開いた前部を有する、ほぼ長方形の平行六面体構造に構築されている。

左側部材２００および右側部材３００には、それぞれグルーブ２１０および３１０が形成されており、これらのグルーブは、側方部材２００および３００の内側表面上に配置され、グルーブ２１０および３１０が互いに向き合うようになっている。側方部材２００と３００の間の間隔（より詳しくは、左側部材２００のグルーブ２１０と右側部材３００のグルーブ３１０との間の間隔）は、左側部材２００と右側部材３００の間に挿入される各単位セル（図には示していない）の幅と等しいか、またはそれより僅かに大きい。また。側方部材２００と３００のグルーブ２１０および３１０は、各単位セルの厚さと等しいか、またはそれより僅かに大きい幅Ｗを有する。グルーブ２１０および３１０の深さＤは、単位セルをグルーブ２１０および３１０の中に安定して備え付けられる限り、特に制限されない。

側方部材２００および３００は、電池モジュール１００の底部を構成する接続部材４００と一体的に形成されている。電池モジュール１００の後部には、別の接続部材５００が配置されているが、この部材５００は、側方部材２００および３００および接続部材４００に接合されているか、または側方部材２００および３００および接続部材４００と一体的に形成されている。

図１の電池モジュール１００は、個別に、または少なくとも一個の別の電池モジュール１００との組合せで使用することができる。２個以上の電池モジュール１００の間における確実な接合を達成するために、側方部材２００および３００の上端部に接合突起２２０を形成し、側方部材２００および３００の下端部に接合突起２３０を形成する。接合グルーブ２３０は、接合突起２２０に対応する。

図２は、２個の二次電池モジュール１０１および１０２間の接合を部分的に拡大して示す図である。

図２に関して、複数の単位セル５０１、５０２…を内部に取り付けた電池モジュールの一つ、すなわち第一電池モジュール１０１は、その側方部材２０１の上端部にフック形状の接合突起２２１を備えている。側方部材２０１の下端部には、接合突起２２１に対応する接合グルーブ２３１が形成されている。第一電池モジュール１０１の接合グルーブ２３１の中に、他の電池モジュール、すなわち二次電池モジュール１０２、の側方部材２０２に形成された接合突起２２２が確実に係合する。

図３は、単位セル５０１、５０２ ...を本発明の電池モジュールに取り付ける際に、補助部材６００を使用して行う、単位セル５０１、５０２ ...間の電気的接続を例示する典型的な透視図である。説明を簡単にし、理解し易くするために、図３には電池モジュールを示していない。

図３に関して、単位セル５０１、５０２ ...の電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...は、単位セル５０１、５０２ ...を電池モジュール（図には示していない）に取り付ける際に、上方向に突き出る。電気的絶縁部材である補助部材６００は複数のスリット６１０を有し、それらのスリットを通して、単位セル５０１、５０２ ...の電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...を挿入する。

単位セル５０１、５０２ ...間の電気的接続を行うには、単位セル５０１、５０２ ...の電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...が、補助部材６００のスリット６１０を通って補助部材６００の上に露出するように、補助部材６００を単位セル５０１、５０２ ...上に配置する。次に、補助部材６００の上に露出した電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...を折り曲げ、次いで母線７００を、単位セル５０１、５０２ ...の折り曲げた電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...の上に取り付ける。例えば、第一単位セル５０１と第二単位セル５０２との間の直列接続を達成するには、第一単位セル５０１のカソードリード線５０１ｃおよび第二単位セル５０２のアノードリード線５０２ａを折り曲げ、第一単位セル５０１の折り曲げたカソードリード線５０１ｃが、第二単位セル５０２の折り曲げたアノードリード線５０２ａと対向するようにし、次いで、母線７００を、第一単位セル５０１の折り曲げたカソードリード線５０１ｃおよび第二単位セル５０２の折り曲げたアノードリード線５０２ａの上に取り付ける。同様に、第二単位セル５０２と第三単位セル５０３との間の直列接続を達成するには、第二単位セル５０２のカソードリード線５０２ｃおよび第三単位セル５０３のアノードリード線５０３ａを折り曲げ、第二単位セル５０２のカソードリード線５０２ｃが、第三単位セル５０３のアノードリード線５０３ａと対向するようにし、次いで、母線７００を、第二単位セル５０２の折り曲げたカソードリード線５０２ｃおよび第三単位セル５０３の折り曲げたアノードリード線５０３ａの上に取り付ける。上記の工程を他の単位セルに対しても行う。最後に、単位セル５０１、５０２ ...の電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...および母線７００をレーザー光線で照射し、接触区域を溶接する。単位セル５０１、５０２ ...の電極リード線５０１ｃ、５０２ａ、５０２ｃ、５０３ａ ...および母線７００は、レーザー光線で溶接されるが、単位セルの電池本体は、絶縁性補助部材６００を備えることにより、悪影響を受けない。従って、より強力なレーザー光線を使用して信頼性の高い溶接操作を達成することができる。レーザー溶接操作が完了した後、補助部材６００を取り外す。その結果、単位セル５０１、５０２ ...は、単位セル５０１、５０２ ...が電極接続部分７１０を包含したまま、互いに接続される。

図４は、本発明の好ましい実施態様による被覆部材８００を示す典型的な透視図であり、この被覆部材は、単位セル間の電気的接続が図３に示すように完了した後、電池モジュールの開いた区域、より詳しくは、電極接続部分７１０、を覆うことができる。

図４に関して、被覆部材８００は、電池モジュール（図には示していない）の開いた区域に取り付ける主要本体８１０、および主要本体８１０の一表面に形成された複数の仕切り８２０、８２１、８２２ ...を備えてなる。

主要本体８１０は、電池モジュールの、電極接続部分７１０が位置する開いた区域に取り付けるのに好適なサイズおよび形状を有する。仕切り８２０、８２１、８２２ ...は、図３の電極接続部分７１０間に仕切り８２０、８２１、８２２ ...を挿入できるように、主要本体８１０に形成する。仕切り８２０、８２１、８２２ ...の高さｈおよび幅ｗには、電極接続部分７１０が仕切り８２０、８２１、８２２ ...により互いに分離される限り、特に制限は無い。

図３に示すように、左側電極接続部分７１０および右側電極接続部分７１０は、交互に配置されている。従って、図４に示すように、右側仕切り８２０、８２２ ...および左側仕切り８２１、８２３ ...も、電極接続部分７１０に対応して交互に配置されている。

本発明の好ましい実施態様を例示の目的で開示したが、当業者には明らかなように、請求項に規定する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

産業上の利用可能性及び効果

上記の説明から明らかなように、この中または大型電池機構用の二次電池モジュールにより、複数の単位セルを電池モジュール中に高密度で取り付けることができる。従って、本発明には、電池機構の全体的な大きさを著しく小さくする効果がある。また、本発明には、安定性の高い電気的接続を電極間に達成する効果もある。さらに、本発明には、技術者が電池機構を製造する際、または使用者が電池機構を使用する際に、技術者または使用者が電気的短絡に曝される危険性を最小限に抑え、電池機構を使用する際の外部の力による電気的短絡の危険性を大幅に低減させる効果がある。

図１は、本発明の好ましい実施態様による二次電池モジュールを示す典型的な透視図である。 図２は、２個の二次電池モジュール（その一方を図１に示す）間の接合を部分的に拡大して示す図である。 図３は、本発明の好ましい実施態様により補助部材を使用して行う単位セルの電極リード線間の電気的接続を示す典型的な透視図である。 図４は、本発明の好ましい実施態様による被覆部材を示す典型的な透視図である。

Claims (3)

1. 二次電池モジュールを使用する、電池装置の製造方法であって、
   前記二次電池モジュールが、
   一対の側方部材（右側部材及び左側部材）と、少なくとも一個の接続部材と、被覆部材とを備えてなり、
   前記一対の側方部材（右側部材及び左側部材）が、前記一対の側方部材の内側表面に形成された複数の溝を有し、単位セルの側部が前記溝の中に確実に備え付けられてなり、
   前記少なくとも一個の接続部材が、前記一対の側方部材と一体的に形成され、前記一対の側方部材の溝同士が互いに対面している際に、前記一対の側方部材が、前記単位セルの幅で、互いに間隔をおいて配置されてなり、
   前記接続部材が、前記右側部材及び左側部材の前記上端部又は前記下端部に、並びに前記右側部材及び左側部材の前記前端部又は前記後端部に形成されてなり、及び
   前記被覆部材が、前記単位セルを前記右側部材及び左側部材の間に取り付けている際に、前記右側部材及び左側部材の前記接続部材が形成されていない側の後端部又は前端部を覆うものであり、かつ、
   前記被覆部材が、前記単位セルの電極接続部分の間に挿入される複数の電気的に絶縁する仕切部を包含してなるものであり、
   (i) 前記右側部材及び左側部材の溝の間に定められた空間中に複数の単位セルを積み重ねて、
   (ii) スリットを有する絶縁性補助部材が、前記単位セルの電極リード線を前記スリットに挿入することを通じて、前記単位セル上に配置し、
   (ii’) 前記電極リード間の前記電気的接続が、互いに接続すべき前記電極リード線上に導電性の母線を配置し、レーザー溶接を行うことにより達成し、その際、単位セルの電池本体が、絶縁性補助部材により露出されないようにして、
   前記補助部材の上に露出している前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、または前記単位セルの前記電極リード線を互いに平行に接続した後に前記単位セルの電極リード線を互いに直列に接続し、及び、溶接後、前記補助部材を取り外し、
   (ii’’) 前記被覆部材を前記電極接続部分に取り付ける際、前記仕切部を、前記電極接続部分の間に挿入する工程をさらに含んでなり、
   (iii) 前記電池モジュール中に取り付けた、互いに電気的に接続された単位セルを有する２個以上の電池モジュールを電気的に接続し、カソード端子及びアノード端子を形成することを含んでなる、製造方法。
2. 工程(i)が、前記単位セルを前記溝の中に挿入する前に、前記溝の中に接着剤または樹脂を塗布または部分的に充填することを含んでなる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記単位セルが、袋形状のリチウム−イオン重合体セルである、請求項１に記載の製造方法。

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