JP5258970B2 - 扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルおよび扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュール - Google Patents
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Description
この発明は、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなど電極が扁平に巻回された電力貯蔵デバイスセルおよびその電力貯蔵デバイスセルを複数直列に接続したモジュールに関する。
電極が扁平に巻回され容器に収納される電力貯蔵デバイスセルとしては、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタなどのセルがある。
電気二重層キャパシタは、セパレータを挟んで互いに対向する分極性電極(正極および負極)が設けられ、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用したものである。
電気二重層キャパシタは、セパレータを挟んで互いに対向する分極性電極(正極および負極)が設けられ、電解液中において分極性電極の表面に形成される電気二重層の静電容量を利用したものである。
また、リチウムイオン電池は、正極にコバルト、ニッケル、マンガンなどの酸化物を、負極にカーボンを用いたものであり、リチウムをカーボン負極に安定に充電貯蔵できることが特長である。
また、新しい電気二重層キャパシタとして、リチウムイオンキャパシタが開発されている。このリチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタの負極にリチウムイオンをドープしたもので、電気二重層キャパシタよりも高い上限電圧が得られるが、下限電圧を0Vにまでできないという特性をもつものである。
これらの電力貯蔵デバイスセルは、アルミラミネート容器や金属容器などの密閉容器に収納されているので、安価でコンパクトに構成できるが、出力電圧が3〜4V程度と、アルミ電解コンデンサの定格電圧の400Vに比べて低いので、直列に接続することでモジュール化して出力電圧を上げて使用されるのが一般的である。
扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルに用いられる電極は、厚さが10〜30μm程度の帯状の正極集電箔および負極集電箔の上に正極電極層および負極電極層を塗布してセルロースやオレフィン系の樹脂繊維などでできた多孔質な帯状のセパレータを介して、扁平形状の巻回軸芯を中心として数m〜数十mも巻回されたものである。
このように構成された扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルは、短冊状の電極を数十枚積み重ねられた積層形の電力貯蔵デバイスセルに比べて、短時間で巻回することができるので量産性や、低コストの点で有利である。
なお、巻回軸芯としては、扁平巻回するときにのみ用いて、完成セルの時点で抜かれてしまう場合が多いが、巻回軸芯を残す場合には、アルミニウムなどの金属製や樹脂製の中空パイプ状のものなどが用いられている。
このように構成された扁平巻回形の電力貯蔵デバイスセルは、短冊状の電極を数十枚積み重ねられた積層形の電力貯蔵デバイスセルに比べて、短時間で巻回することができるので量産性や、低コストの点で有利である。
なお、巻回軸芯としては、扁平巻回するときにのみ用いて、完成セルの時点で抜かれてしまう場合が多いが、巻回軸芯を残す場合には、アルミニウムなどの金属製や樹脂製の中空パイプ状のものなどが用いられている。
このような扁平巻回形の電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタは、省エネルギーの観点からモータの回生エネルギーを貯蔵する応用が期待されており、サーボモータやエレベータの巻き上げ機、電鉄のブレーキ回生、ハイブリッド自動車などのモータの回生に用いる場合には、100Aを超える大電流の充放電の繰り返し特性が求められている。
大電流が流れると電流の二乗と内部抵抗に比例する電力損失が発生し、充放電効率が悪化する。また、この電力損失がそのまま発熱となるため、熱伝導体である集電箔から速やかに放熱しないと、電力貯蔵デバイスセル内部の温度が上昇し、性能が急速に低下して寿命劣化などを引き起こす。
特に、充電時には、電極が膨らんで電解液が取り込まれるので、電解液の不足が生じやすく劣化を加速する要因になっていた。したがって、扁平巻回形の電力貯蔵デバイスにおいて、急速な充放電を実現するには、集電箔からの放熱性を大幅に上げると共に、発熱を防ぐためにも集電抵抗を大幅に低減する必要があった。ここで、集電抵抗とは、正極および負極の集電箔からそれぞれの電流端子に至るまでの電気抵抗を意味する。
そこで従来の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、正極集電箔および負極集電箔を、巻回された軸方向に対して互いに反対方向にセパレータより突出させ、かつ正極電極層および負極電極層を形成していない辺縁部をセパレータが露出するように一部を削除した切欠部と突出端部とで構成し、突出端部において正極集電箔および負極集電箔をそれぞれを積層方向に電気的に接続するとともに正極端子および負極端子を電気的に接続したものが用いられていた。
また、扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールにおいては、正極端子と隣接する他の電力貯蔵デバイスセルの負極端子とが近接するように複数個配列し、正極端子と負極端子とを電気伝導性の放熱板で接続したものが用いられていた(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に開示されている電扁平巻回形力貯蔵デバイスセルでは、従来に比べて集電や放熱が大幅に改善されるものの、集電端子を取り出すために、セルの4辺のうちの2辺を用いているために、巻回された軸方向に対してセルの幅をコンパクトにできないという問題がある。
また、特許文献1に開示されている扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールでは、電力貯蔵デバイスセルを横方向に並べて薄いモジュールを構成する場合に好ましい構造であるが、縦方向に並べた場合には、巻回された軸方向に対してモジュールの幅をコンパクトにできないという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、集電箔から電極端子を介して内部の熱を効率よく外部に放熱するとともに、巻回された軸方向に対してセルおよびモジュールの幅がコンパクトな扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルおよび扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールを得ることを目的とする。
この発明に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、正極集電箔に正極電極層が形成された帯状の正極と負極集電箔に負極電極層が形成された帯状の負極との間に電気絶縁性を有する帯状のセパレータを挟んで扁平な形状に巻回された扁平巻回電極部と、上記扁平巻回電極部に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器と、上記密封容器と電気的に絶縁されて上記正極集電箔および上記負極集電箔にそれぞれ接続された正極端子および負極端子とを備えた扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルにおいて、上記正極集電箔は、上記正極電極層を上記負極電極層に重ね合わせたとき上記負極集電箔と重ならない位置に上記正極電極層が形成されていない余白が残され、上記負極集電箔は、上記負極電極層を上記正極電極層に重ね合わせたとき上記正極集電箔と重ならない位置に上記負極電極層が形成されていない余白が残され、上記正極端子は、上記正極集電箔の余白と接続される正極集電箔接続部、上記密閉容器から外に延びる正極端子外部取り出し部および上記正極集電箔接続部と上記正極端子外部取り出し部との間に位置するとともに上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面の略半分を覆うセル内正極端子放熱部を含み、上記負極端子は、上記負極集電箔の余白と接続される負極集電箔接続部、上記密閉容器から外に延びる負極端子外部取り出し部および上記負極集電箔接続部と上記負極端子外部取り出し部との間に位置するとともに上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面の残りの部分を略覆うセル内負極端子放熱部を含み、上記セル内正極端子放熱部と上記セル内負極端子放熱部との間に端子間電気絶縁板を配置するとともに、上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面において、上記セル内正極端子放熱部および上記セル内負極端子放熱部により覆われていない面に段差吸収電気絶縁板を配置し、上記段差吸収電気絶縁板の厚さを上記セル内正極端子放熱部および上記セル内負極端子放熱部のそれぞれの厚さと略同じにしたものである。
また、本発明に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールは、この発明に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを2個ずつ1組にし、上記扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルのセル内正極端子放熱部が対面する密閉容器の主要面同士を、セル間放熱板を挟持して対峙させて配置し、上記セル間放熱板は、上記扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの底面または側面に沿うように延長された延長部を有し、上記延長部と接続されるとともに、底面に設けられる冷却部を有する。
本発明の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルでは、電流端子を、集電箔接続部、セル内端子放熱部および端子外部取り出し部を含んで構成し、突出端部からセル内端子放熱部を介して巻回された軸方向に面しない1辺から正極端子および負極端子を取り出すようにしたので、突出端部において、集電箔を接続し、集電箔から電極端子を介して内部の熱を効率よく外部に放熱することができるとともに、突出端部側のセルの幅をコンパクトにすることができる。
また、本発明の扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールにおいては、セル内端子放熱部を設けた主要面同士を、セル間放熱板を挟持して対峙させて積層すると共に、セル間放熱板に延長部を設けて、延長部を電力貯蔵デバイスモジュールの冷却部に接続させたので、突出端部に接続した集電箔から電極端子を介して内部の熱を効率よく外部に放熱することができるとともに、突出端部側のモジュールの幅をコンパクトにすることができる。
以下、本発明の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの平面模式図である。図1では、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの密閉容器の主要面を省略して内部を図示したものである。
この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルとして、電気二重層キャパシタを例にして説明するが、これに限るものではなく、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタなどであっても同様である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの平面模式図である。図1では、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの密閉容器の主要面を省略して内部を図示したものである。
この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルとして、電気二重層キャパシタを例にして説明するが、これに限るものではなく、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタなどであっても同様である。
この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3は、扁平に巻回される扁平巻回電極部4と、扁平巻回電極部4に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器10と、密閉容器10と電気的に絶縁されて正極集電箔に接続される正極端子1と、密閉容器10と電気的に絶縁されて負極集電箔に接続される負極端子2と、密閉容器10と正極端子1および負極端子2とを絶縁しながら密閉容器10を封止するガスシール部7と、を備える。
図2は、巻回する前の帯状の正極、負極およびセパレータの配置と大きさを示した模式図である。
扁平巻回電極部4は、正極集電箔42に正極電極層43が形成された帯状の正極41、負極集電箔45に負極電極層46が形成された帯状の負極44、および正極41と負極44の間に挟まれる電気絶縁性を有する帯状のセパレータ40が巻回されたものである。
正極集電箔42に塗布された正極電極層43と負極集電箔45の裏面に塗布された負極電極層46とは、セパレータ40を介して対峙している。
扁平巻回電極部4は、正極集電箔42に正極電極層43が形成された帯状の正極41、負極集電箔45に負極電極層46が形成された帯状の負極44、および正極41と負極44の間に挟まれる電気絶縁性を有する帯状のセパレータ40が巻回されたものである。
正極集電箔42に塗布された正極電極層43と負極集電箔45の裏面に塗布された負極電極層46とは、セパレータ40を介して対峙している。
正極電極層43および負極電極層46の材料については、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタによって異なるが、一般的に用いられている材料をそのまま用いることができ、電気二重層キャパシタの場合には、活性炭微粒子に導電材としてカーボンブラックを添加し、増粘剤とバンダーを添加してペースト化して塗布し乾燥したものを用いることができる。その厚さは、用途によって異なるが、10〜100μm程度である。
セパレータ40としては、天然パルプ、天然セルロース、溶剤紡糸セルロース、バクテリアセルロースなどのセルロース系や、ガラス繊維、非フィブリル化有機繊維を含有する不織布のほか、芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルアミド、全芳香族ポリエーテル、全芳香族ポリアゾ化合物、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリ−p−フェニレンベンゾビスチアゾール(PBZT)、ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール(PBO)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフィリル化フォルムあるいは多孔質フィルムが用いられる。厚さとしては、15μmから50μm程度、気孔率(空隙率)は60体積%から80体積%程度で、平均気孔径が数μmから数十μmのものが用いられている。
セパレータ40に含浸される電解質については、電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池およびリチウムイオンキャパシタによって異なるが、一般的に用いられている材料をそのまま用いることができ、電気二重層キャパシタの場合には、例えばカチオンとアニオンの組み合わせで、カチオンが4級アンモニウム、1,3−ジアルキルイミダゾリウム、または1,2,3−トリアルキルイミダゾリウムで、アニオンがBF4−、PF6−、ClO4−、またはCF3SO3−の塩や、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム(DMPI)のAlCl4−やBF4−などの塩などが用いられており、溶媒として炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、スルフォラン、炭酸ジエチル、ジメトキシメタン、ジエトキシエタン、γ−ブチルラクトン、アセトニトリル、プロピオニトリルから選ばれる一種またはこれらの二種以上の混合溶媒などが用いられている。なお、本実施の形態において電解液とは、これらを含んだ液状の電解質溶液のことを意味する。
この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3において、正極41、負極44およびセパレータ40の長さは約8mである。正極41は、正極集電箔42の表面に右端に余白を残した状態で正極電極層43が形成されている。負極44は、負極集電箔45の表面に左端に余白を残した状態で負極電極層46が形成されている。そして、負極44、セパレータ40、正極41、セパレータ40の順に重ねられている。このとき、正極集電箔42の右側の余白部分および負極集電箔45の左側の余白部分が露出するようにずらして重ねられている。セパレータ40は、正極電極層43および負極電極層46より幅および長さとも広くしている。また、正極電極層43よりも負極電極層46が一回り大きくしている。これは、負極電極層46に対峙していない正極電極層43で特異的な腐食と劣化が起こることを防ぐためである。電気二重層キャパシタに限らず、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタでも同様の構成が用いられる。
正極集電箔42としては厚さ20〜30μm程度のアルミ箔が、負極集電箔45としては、厚さ20μm程度のアルミ箔もしくは厚さ10〜20μm程度の銅箔などが用いられる。
正極集電箔42および負極集電箔45は、それぞれ正極電極層43および負極電極層46が形成されていない余白を有する。そして、正極集電箔42および負極集電箔45は、セパレータ40を挟んで帯状の長手方向に巻回され、巻回された軸方向に対して互いに反対方向にセパレータ40より突出している。
正極集電箔42および負極集電箔45は、それぞれ正極電極層43および負極電極層46が形成されていない余白を有する。そして、正極集電箔42および負極集電箔45は、セパレータ40を挟んで帯状の長手方向に巻回され、巻回された軸方向に対して互いに反対方向にセパレータ40より突出している。
図3は、扁平巻回電極部の模式図である。
上述のようにして巻回装置で形成された扁平巻回電極部4の正極集電箔42の右側の余白47および負極集電箔45の左側の余白48から、プレス切断部49をプレス機によって分離し、正極突出端部14および負極突出端部24を作製する。
正極集電箔42の正極突出端部14において、正極集電箔42が積層方向に電気的に接続される。
負極集電箔45の負極突出端部24において、負極集電箔45が積層方向に電気的に接続される。
上述のようにして巻回装置で形成された扁平巻回電極部4の正極集電箔42の右側の余白47および負極集電箔45の左側の余白48から、プレス切断部49をプレス機によって分離し、正極突出端部14および負極突出端部24を作製する。
正極集電箔42の正極突出端部14において、正極集電箔42が積層方向に電気的に接続される。
負極集電箔45の負極突出端部24において、負極集電箔45が積層方向に電気的に接続される。
図4は、扁平巻回電極部4に取り付ける前の正極端子1と負極端子2とを分けて示した平面模式図である。
正極端子1は、正極集電箔接続部11、セル内正極端子放熱部12および正極端子外部取り出し部13で構成されている。
正極集電箔接続部11は、正極端子折り曲げ部15と正極端子対面部16とが設けられ、正極端子折り曲げ部15で正極端子1を180度折り曲げて、正極集電箔42の正極突出端部14を挟み込み、超音波溶接等で、接続部6において、正極集電箔42の正極突出端部14と正極端子1とが電気的に接続されている。
セル内正極端子放熱部12は、隙間31を介してセル内負極端子放熱部22と対峙すると共に、主要面電気絶縁シート5を介して、扁平巻回電極部4の一方の主要面の片側を覆ってセル内端子放熱部32を構成する。
正極端子外部取り出し部13は、密閉容器10の4辺の中で、巻回された軸方向の2辺の中の一方の辺35からガスシール部7を介して外部に取り出されている。
正極端子1は、正極集電箔接続部11、セル内正極端子放熱部12および正極端子外部取り出し部13で構成されている。
正極集電箔接続部11は、正極端子折り曲げ部15と正極端子対面部16とが設けられ、正極端子折り曲げ部15で正極端子1を180度折り曲げて、正極集電箔42の正極突出端部14を挟み込み、超音波溶接等で、接続部6において、正極集電箔42の正極突出端部14と正極端子1とが電気的に接続されている。
セル内正極端子放熱部12は、隙間31を介してセル内負極端子放熱部22と対峙すると共に、主要面電気絶縁シート5を介して、扁平巻回電極部4の一方の主要面の片側を覆ってセル内端子放熱部32を構成する。
正極端子外部取り出し部13は、密閉容器10の4辺の中で、巻回された軸方向の2辺の中の一方の辺35からガスシール部7を介して外部に取り出されている。
負極端子2は、負極集電箔接続部21、セル内負極端子放熱部22および負極端子外部取り出し部23で構成されている。
負極集電箔接続部21は、負極端子折り曲げ部25と負極端子対面部26とが設けられ、負極端子折り曲げ部25で負極端子2を180度折り曲げて、負極集電箔45の負極突出端部24を挟み込み、超音波溶接等で、接続部6において、負極集電箔45の負極突出端部24と負極端子2とが電気的に接続されている。
セル内負極端子放熱部22は、隙間31を介してセル内正極端子放熱部12と対峙すると共に、主要面電気絶縁シート5を介して、扁平巻回電極部4の一方の主要面の片側の残りを覆ってセル内端子放熱部32を構成する。
負極端子外部取り出し部23は、密閉容器10の4辺の中で、巻回された軸方向の2辺の中の一方の辺35からガスシール部7を介して外部に取り出されている。
負極集電箔接続部21は、負極端子折り曲げ部25と負極端子対面部26とが設けられ、負極端子折り曲げ部25で負極端子2を180度折り曲げて、負極集電箔45の負極突出端部24を挟み込み、超音波溶接等で、接続部6において、負極集電箔45の負極突出端部24と負極端子2とが電気的に接続されている。
セル内負極端子放熱部22は、隙間31を介してセル内正極端子放熱部12と対峙すると共に、主要面電気絶縁シート5を介して、扁平巻回電極部4の一方の主要面の片側の残りを覆ってセル内端子放熱部32を構成する。
負極端子外部取り出し部23は、密閉容器10の4辺の中で、巻回された軸方向の2辺の中の一方の辺35からガスシール部7を介して外部に取り出されている。
正極端子1としては、厚さ0.5〜1mm程度のアルミやステンレスが、負極端子2としては、厚さ0.5〜1mm程度のアルミやニッケルメッキした銅が用いられる。これらの金属箔や電流端子の厚さについては、取り出す電流の大きさによって選択され、電流が大きくなるほど厚い素材が用いられる。
主要面電気絶縁シート5としては、ポリカーボネート、ポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂フィルムや多孔質シートを用いることができる。主要面電気絶縁シート5の厚さとしては、10μmから1mm程度のものまで使用することができる。厚さを薄くするほど、セルの厚さを薄くでき、体積エネルギー密度や重量エネルギー密度を高めることができるが、電気絶縁が難しくなる。主要面電気絶縁シート5としてセパレータ40と同じ材料を用いても良い。
扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3の大きさについては、使用目的によって異なるが、本実施の形態1においては、扁平巻回電極部4の巻回の軸方向の長さが約100mm、横が約80mm、厚さが約10mmで、電気二重層キャパシタの静電容量で約1000Fである。
密閉容器10はアルミラミネートフィルムで構成されており、正極端子1および負極端子2を外部に取り出す部分以外は予め封止されて袋状に加工されている。熱融着シール材料として、ポリエチレンやポリプロピレンフィルムが用いられる。
正極端子1および負極端子2が接続された扁平巻回電極部4を、正極端子外部取り出し部13および負極端子外部取り出し部23が密閉容器10の開口部分から外に突き出すようにして密閉容器10に挿入する。そして、密閉容器10の内部を開口部分から真空に引いて扁平巻回電極部4に含まれていた水分などを除去した後、開口部分から電解液を密閉容器10の内部に注入する。電気二重層キャパシタの場合には、予備充電回路を用いて、正極端子1と負極端子2との間に動作電圧よりも高い電圧を印加して、さらに水分などを除去する。その後で開口部分を封止して扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を完成させる。
この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3では、正極集電箔42の正極突出端部14と正極端子1とが電気的に接続され、負極集電箔45の負極突出端部24と負極端子2とが電気的に接続されているので、集電抵抗を低くすることができるとともに、正極集電箔42から正極端子1および負極集電箔45から負極端子2を介して内部の熱を効率よく外部に放熱することができる。
また、正極端子1が、正極集電箔接続部11、セル内正極端子放熱部12および正極端子外部取り出し部13で構成され、且つ負極端子2が、負極集電箔接続部21、セル内負極端子放熱部22および負極端子外部取り出し部23で構成されるので、正極集電箔42および負極集電箔45から集熱した熱を、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22で放熱した後で、正極端子外部取り出し部13および負極端子外部取り出し部23から電流を取り出すことができる。これによって、正極端子外部取り出し部13および負極端子外部取り出し部23をガスシールするガスシール部7に伝わる熱を少なくして、ガスシール部7の高温化を防止し、大電流の急速な充放電を繰り返した場合でも、ガスシール部7の温度を低く保って、ガスシール性の低下を防止することができる。
ガスシール部7はポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂で構成され、120℃以上で軟化するために、120℃以上の高温になると、ガスシール性が劣化し、大気中の水分が密閉容器10内に進入し、有機溶媒や電解質と反応してガスを発生させ、セルを劣化させたり、密閉容器を膨張させたりする恐れがあるが、上述のようにすることによりガスシール性の低下を防げる。
なお、正極突出端部14の間に、露出したセパレータ40と接する電解液リザーバを備えても良く、電解液のセパレータ40への移動を容易にするとともに、電解液リザーバによってセパレータ40の電解液の過不足を補償し、充放電に伴う電解液の増減に対応してセパレータ40が常に電解液で満たされた状態を維持することができる。本発明の実施の形態1の構造によって、電解液リザーバの設置に障害になることは一切ない。
また、上述の実施の形態1に係る扁平巻回電極部4の正極突出端部14および負極突出端部24を2箇所ずつ、正極端子1の正極集電箔接続部11を2箇所、負極端子2の負極集電箔接続部21を2箇所設けているが、それぞれ1箇所だけでも良いし、3箇所以上設けても良く、同様の効果が得られる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を用いた電力貯蔵デバイスモジュールについて図5から図8を用いて説明する。
図5は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3によりセル間放熱板8を挟む様子を示す模式図である。図6は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を10個用いた電力貯蔵デバイスモジュールの接続前の平面図である。図7と図8は、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを10個用いた10セルモジュールの接続後の平面図と正面図である。
次に、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を用いた電力貯蔵デバイスモジュールについて図5から図8を用いて説明する。
図5は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3によりセル間放熱板8を挟む様子を示す模式図である。図6は、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を10個用いた電力貯蔵デバイスモジュールの接続前の平面図である。図7と図8は、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを10個用いた10セルモジュールの接続後の平面図と正面図である。
この発明の実施の形態2に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールでの扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3は、実施の形態1に係るものである。この扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3の扁平な密閉容器10の幅広い2つの側面の中のセル内端子放熱部32が接する側面は放熱に関して主要面となる。
そして、扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールは、10個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3がプラスチック製のモジュール容器51の内部に一列に並べられて収納されている。一列に並べた扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を2個ずつに区分けし、区分けした2個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を、間にセル間放熱板9を介在され主要面が対向するように配置する。
セル間放熱板8には、セル間放熱板延長部9があり、セル間放熱板延長部9を電力貯蔵デバイスモジュール底面の冷却部55と接する。
そして、扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールは、10個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3がプラスチック製のモジュール容器51の内部に一列に並べられて収納されている。一列に並べた扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を2個ずつに区分けし、区分けした2個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3を、間にセル間放熱板9を介在され主要面が対向するように配置する。
セル間放熱板8には、セル間放熱板延長部9があり、セル間放熱板延長部9を電力貯蔵デバイスモジュール底面の冷却部55と接する。
1つの扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3の正極端子1と隣接する扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3の負極端子とを超音波溶接等で接続し、セル間接続部52を形成する。プラス端子53とマイナス端子54の間に10個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルが直列に接続される。
この発明の実施の形態2に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールによれば、2個の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3ごとに挿入されたセル間放熱板8によって、集熱され、扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールの外部に熱が放出されるので、各扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3の正極集電箔42および負極集電箔45から集熱した熱を、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22でセル間放熱板8に放熱した後、正極端子外部取り出し部13および負極端子外部取り出し部23から電流を取り出すことができる。これによって、正極端子外部取り出し部13および負極端子外部取り出し部23をガスシールするガスシール部7に伝わる熱が少なくなり、ガスシール部7の高温化を防止し、大電流の急速な充放電を繰り返した場合でも、ガスシール部7の温度を低く保って、ガスシール性の低下を防止することができる。
また、この発明の実施の形態2に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールによれば、セル間放熱板延長部9から、モジュール容器51の底面に備えた冷却部55に効率よく伝熱できるので、扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールの一部分のみを空冷または水冷によって冷却すればよい。
なお、セル間放熱板延長部9は、底面ではなくモジュール容器51の両側面または片側の側面に接することができるようにしても良い。その場合、実施の形態2で底面に備えた冷却部55を側面に設けることで、実施の形態2の場合と同様の効果をえることができる。
また、セル間放熱板延長部9または冷却部55に蓄冷材を接触させれば、万一、一定の温度以上の温度になった場合に、蓄冷材の潜熱効果によって、冷却し、温度の上昇を防止することができる。蓄冷材としては、100℃を越える温度で溶融あるいは軟化して吸熱する物質が望ましく、ポリエチレンやポリプロピレンの熱可塑性樹脂や溶融塩、糖類などを用いることができる。蓄冷材はモジュール容器51の中に入っていてよい。また、モジュール容器51の一部を形成していて良い。
また、冷却部55の外側に接触させていてもよい。セル間放熱板延長部9または冷却部55に蓄熱材を接触させた形態は、大電流で100℃を越える場合の他、自動車のエンジンルームに装着した場合のように、外部から高温が与えられる恐れがある場合に特に有効である。
また、冷却部55の外側に接触させていてもよい。セル間放熱板延長部9または冷却部55に蓄熱材を接触させた形態は、大電流で100℃を越える場合の他、自動車のエンジンルームに装着した場合のように、外部から高温が与えられる恐れがある場合に特に有効である。
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの模式図である。
この発明の実施の形態3に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3Bは、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3にバランス抵抗38を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
バランス抵抗38は、チタニアの微粒子に10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をバインダーとして、圧延して厚さ0.1mmのシート状にしたものを、50mm×50mmの大きさに切断して用いた。
バランス抵抗38は、セル内正極端子放熱部12とセル内負極端子放熱部22とを跨って両方に接触している。
図9は、この発明の実施の形態3に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの模式図である。
この発明の実施の形態3に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3Bは、この発明の実施の形態1に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル3にバランス抵抗38を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明は省略する。
バランス抵抗38は、チタニアの微粒子に10重量%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)をバインダーとして、圧延して厚さ0.1mmのシート状にしたものを、50mm×50mmの大きさに切断して用いた。
バランス抵抗38は、セル内正極端子放熱部12とセル内負極端子放熱部22とを跨って両方に接触している。
バランス抵抗38は、バランス抵抗38を通じて徐々にリーク電流を流し、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルのセル電圧が高く維持されないようにする保護回路である。扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを直列に接続した扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュールの場合に特に大きな効果を発揮し、各扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルのセル電圧のアンバランスを解消する役割も果たす。
実施の形態3のバランス抵抗38は、保護回路としての役割を果たし、半導体であるチタニアで構成しているので、そのバンドギャップである3V以上の電圧が正極と負極の間に加わると抵抗が低下して短絡電流が流れ、3V以上にセル電圧が上昇することを防止する。3V以上のセル電圧では、電解液が分解してガス発生が起こったり、容量が低下したり、セルの内部抵抗が増大したりするなどの劣化が起こる恐れがあるが、バランス抵抗38を備えることにより、その恐れを解消することができる。
また、ハンダ付けや接続などの部品が不要なので、セル内部での接続が可能になると共に、工程が簡素化できる効果が得られる。
また、バランス抵抗38を備えることで、通常用いられる保護回路を用いる必要がなくなる。
また、バランス抵抗38を備えることで、通常用いられる保護回路を用いる必要がなくなる。
なお、バランス抵抗38は実施の形態3のように半導体ではなくても良く、通常の抵抗器に用いられるような抵抗体を用いてもよい。バランス抵抗38の抵抗値としては100Ωから500Ω程度が望ましく、抵抗値が小さすぎると、多くのリーク電流が流れるので、エネルギー効率が悪化する。また抵抗値が大きすぎると、バランス抵抗38としての働きが弱まる。
実施の形態4.
図10は、この発明の実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの模式図である。
図10に示すように、実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、セル内正極端子放熱部12とセル内負極端子放熱部22と間に端子間電気絶縁板61を配置している。さらに、扁平巻回電極部の広い方の一方の側面において、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22により覆われていない面に、段差吸収電気絶縁板62を配置している。ここで、段差吸収電気絶縁板62の厚さは、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22の厚さと、およそ同じにしている。
図10は、この発明の実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの模式図である。
図10に示すように、実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、セル内正極端子放熱部12とセル内負極端子放熱部22と間に端子間電気絶縁板61を配置している。さらに、扁平巻回電極部の広い方の一方の側面において、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22により覆われていない面に、段差吸収電気絶縁板62を配置している。ここで、段差吸収電気絶縁板62の厚さは、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22の厚さと、およそ同じにしている。
端子間電気絶縁板61および段差吸収電気絶縁板62としては、各種樹脂などを用いることができ、ポリエチレン(PE)樹脂やポリプロピレン(PP)樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂などが望ましい。また、端子間電気絶縁板61および段差吸収電気絶縁板62の厚さは、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22の厚さと、ほぼ同じであることが望ましく、段差を小さくすることで、扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを積層した場合に、隣接するセルとの密着性を確保し、面圧を均一化することができる。樹脂以外に、高熱伝導シートやゴムラバーなどを用いても良い。なお、端子間電気絶縁板61については、厚さは、セル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22よりも薄くても支障はないが、同程度の厚さであることが望ましい。また、端子間電気絶縁板61と段差吸収電気絶縁板62は、一体化されていてもよく、同一材料であっても良い。
実施の形態4の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、他の実施の形態に比べて、巻回形電力貯蔵デバイスセルの広い方の一方の側面、すなわち、主要面に占めるセル内正極端子放熱部12およびセル内負極端子放熱部22の面積が小さく、接続部6が正負1個ずつになっている。これによって、セル内電極端子放熱部からの放熱機能は減少するが、内部抵抗を低く保った上で、端子材料のコストを削減するとともに、接続部を接続する製造コストを削減することができる。
実施の形態5.
図11は、この発明の実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの正極集電箔の余白と負極集電箔の余白の大部分を切除した模式図である。
正極集電箔の余白と負極集電箔の余白の大部分を切除しており、切除した残りの負極集電箔の余白部63と、切除した残りの正極集電箔の余白部64に対して、正極集電箔接続部11と負極集電箔接続部21が両側面から飛び出している。この飛び出した正極集電箔接続部11と負極集電箔接続部21を折り曲げることによって、図11の幅方向のコンパクト化を図ることが可能になる。
図11は、この発明の実施の形態4に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの正極集電箔の余白と負極集電箔の余白の大部分を切除した模式図である。
正極集電箔の余白と負極集電箔の余白の大部分を切除しており、切除した残りの負極集電箔の余白部63と、切除した残りの正極集電箔の余白部64に対して、正極集電箔接続部11と負極集電箔接続部21が両側面から飛び出している。この飛び出した正極集電箔接続部11と負極集電箔接続部21を折り曲げることによって、図11の幅方向のコンパクト化を図ることが可能になる。
図12は、正極集電箔接続部11と負極集電箔接続部21とを折り曲げて密閉容器に収納した模式図である。具体的には、図11の構成を備えた実施の形態5に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを、負極接続折り曲げ部65および正極接続折り曲げ部66により折り曲げる構造とすることで、密閉容器10に収納した状態を示している。このように、図12の構成を備えた実施の形態5に係る扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルは、図10の実施の形態4に比べて、幅方向のコンパクト化を図ることができ、密閉容器10も小さくてすむ構造を実現できる。また、切除した正極集電箔の余白および負極集電箔の余白の分だけ、重量が軽くなり、エネルギー密度や出力密度を増すことが可能になる。
1 正極端子、2 負極端子、3、3B 扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル、4 扁平巻回電極部、5 主要面電気絶縁シート、6 接続部、7 ガスシール部、8 セル間放熱板、9 セル間放熱板延長部、10 密閉容器、11 正極集電箔接続部、12 セル内正極端子放熱部、13 正極端子外部取り出し部、14 正極突出端部、15 正極端子折り曲げ部、16 正極端子対面部、21 負極集電箔接続部、22 セル内負極端子放熱部、23 負極端子外部取り出し部、24 負極突出端部、25 負極端子折り曲げ部、26 負極端子対面部、31 隙間、32 セル内端子放熱部、35 辺、38 バランス抵抗、40 セパレータ、41 正極、42 正極集電箔、43 正極電極層、44 負極、45 負極集電箔、46 負極電極層、47、48 余白、49 プレス切断部、51 モジュール容器、52 セル間接続部、53 プラス端子、54 マイナス端子、55 冷却部、61 端子間電気絶縁板、62 段差吸収電気絶縁板、63 切除した残りの負極集電箔の余白部、64 切除した残りの正極集電箔の余白部、65 負極接続折り曲げ部、66 正極接続折り曲げ部。
Claims (7)
- 正極集電箔に正極電極層が形成された帯状の正極と負極集電箔に負極電極層が形成された帯状の負極との間に電気絶縁性を有する帯状のセパレータを挟んで扁平な形状に巻回された扁平巻回電極部と、上記扁平巻回電極部に電解液を含浸させて密閉収納する密閉容器と、上記密封容器と電気的に絶縁されて上記正極集電箔および上記負極集電箔にそれぞれ接続された正極端子および負極端子とを備えた扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルにおいて、
上記正極集電箔は、上記正極電極層を上記負極電極層に重ね合わせたとき上記負極集電箔と重ならない位置に上記正極電極層が形成されていない余白が残され、
上記負極集電箔は、上記負極電極層を上記正極電極層に重ね合わせたとき上記正極集電箔と重ならない位置に上記負極電極層が形成されていない余白が残され、
上記正極端子は、上記正極集電箔の余白と接続される正極集電箔接続部、上記密閉容器から外に延びる正極端子外部取り出し部および上記正極集電箔接続部と上記正極端子外部取り出し部との間に位置するとともに上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面の一部を覆うセル内正極端子放熱部を含み、
上記負極端子は、上記負極集電箔の余白と接続される負極集電箔接続部、上記密閉容器から外に延びる負極端子外部取り出し部および上記負極集電箔接続部と上記負極端子外部取り出し部との間に位置するとともに上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面の残りの部分を覆うセル内負極端子放熱部を含み、
上記セル内正極端子放熱部と上記セル内負極端子放熱部との間に端子間電気絶縁板を配置するとともに、上記扁平巻回電極部の広い方の一方の側面において、上記セル内正極端子放熱部および上記セル内負極端子放熱部により覆われていない面に段差吸収電気絶縁板を配置し、
上記段差吸収電気絶縁板の厚さを上記セル内正極端子放熱部および上記セル内負極端子放熱部のそれぞれの厚さと略同じにした
ことを特徴とする扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル。 - 上記正極集電箔の余白は、上記正極集電箔が上記セパレータおよび上記負極集電箔と扁平に巻回されたとき、同じ位置に来るように残された突出端部であり、
上記負極集電箔の余白は、上記負極集電箔が上記セパレータおよび上記正極集電箔と扁平に巻回されたとき、同じ位置に来るように残された突出端部であることを特徴とする請求項1に記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル。 - 上記セル内正極端子放熱部と上記セル内負極端子放熱部とを接続するバランス抵抗を有することを特徴とする請求項1に記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル。
- 上記バランス抵抗は、半導体微粒子を含んでシート状に構成されたことを特徴とする請求項3に記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル。
- 複数の請求項1乃至4のいずれかに記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルを2個ずつ1組にし、上記扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルのセル内正極端子放熱部が対面する密閉容器の主要面同士を、セル間放熱板を挟持して対峙させて配置し、
上記セル間放熱板は、上記扁平巻回形電力貯蔵デバイスセルの底面または側面に沿うように延長された延長部を有し、
上記延長部と接続されるとともに、底面に設けられる冷却部を有することを特徴とする扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュール。 - 上記延長部または上記冷却部に蓄冷材を接触させたことを特徴とする請求項5に記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスモジュール。
- 上記正極集電箔は、上記正極集電箔接続部と接続される余白部以外の余白部が切除され、
上記負極集電箔は、上記負極集電箔接続部と接続される余白部以外の余白部が切除され、
上記正極集電箔接続部および上記負極集電箔接続部を折り曲げて上記密閉容器に収納したことを特徴とする請求項1に記載の扁平巻回形電力貯蔵デバイスセル。
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