JP5366176B2

JP5366176B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP5366176B2
Application number: JP2008106869A
Authority: JP
Inventors: 和人廣間
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: JP2009259581A

Description

本発明はラミネートフィルムで密閉された複数個の電池が積層されて組み立てられる電池モジュールに関する。

近年、携帯電話やノートパソコンに代表される携帯端末に使用される電池は軽量かつ高容量のものが必要とされ、比較的形状の自由度が高いラミネートフィルムを用いて電極や電解質等の電池要素を密閉したラミネート電池が採用されるようになってきた。また、ラミネート電池は複数個を積層させて多直の電池パックや電池モジュールの構造をとりやすく、それらが自転車や電動工具、自動車のように大電流が必要となる機器に使用される例が増大している。

図３はラミネート電池の斜視図である。ラミネート電池は、図３に示すように、電極、活物質、電解質などの電池要素をラミネートフィルムに収納し、正極タブ１１、負極タブ１２を外部に引出してラミネートフィルムを熱溶着し電池要素の周囲に熱溶着部１３を形成してラミネート電池１０としている。

ラミネート電池１０は過充電などの異常動作がなされた場合、リチウムイオン二次電池等の二次電池ではラミネート電池内部で電解質が気化してラミネートフィルムが膨張してしまう。複数のラミネート電池が積層されて接続され、過充電、過放電等の異常が生じた場合、電流をシャットダウンする役割を持つ保護回路が故障等した場合にはラミネート電池単体で異常動作を示し、電池モジュール内の積層電池が同様に膨張するために電池モジュールが変形するなどの問題点がある。

特許文献１には、素電池からのガス発生により、ラミネートフィルムが膨張した場合、そのガスを容易に逃散させるためリチウム二次電池を収納したケースの内面に鋭利な突起部を有する技術が記載されている。また、特許文献２には、ラミネート電池内部でのガス発生により膨張したとしても、ラミネートを破断し、ガスを外部に逃がすため、ケースは突起部を有し、突起部は先端からケース外部に通じる貫通孔を有する技術が記載されている。図４は従来のラミネート電池とケースとの関係を示す模式図である。図４に示すように従来は、外装ケース１４の内面に突起形状１４ａを設けて、ラミネート電池１５が膨張したときに突起形状１４ａがラミネートフィルムを破断させて内部のガスを抜いて上記問題を解決していた。

特開平１０−２０８７２０号公報特開２００３−１６８４１０号公報

ラミネート電池が直列または並列に接続されて積層された積層電池を有する電池モジュールにおいては、外装ケース内面に突起形状を設ける方法では電池が膨張した場合にラミネートが確実に破断される電池は突起形状に隣接するものか、または突起形状の到達範囲のラミネート電池に限られてしまう。そのため、突起形状の到達範囲のラミネート電池のみのガスが抜けてもその他のラミネート電池が膨張すれば電池モジュール全体としての膨張による変形の可能性をなくすことが出来ない。

また、電池モジュール内の各ラミネート電池内部で発生したガスが抜けずに電池が膨張し続けてしまった場合、膨張した積層電池により外装ケースが変形し正極または負極タブの接続部を支点として扇状に開いてしまうと、電池タブ同士が接触しショートが起こる可能性がある。

本発明では上記問題点に着目したもので、本発明の課題は、ラミネート電池の膨張による変形を防ぐことのできる電池モジュールを提供することにある。

電極、セパレータ、電解質などの電池要素を内包し、ラミネートフィルムで密閉されたラミネート電池が直列または並列に接続されて積層され、外装ケースに収納された積層電池を有する電池モジュールにおいて、前記積層電池の上下面には絶縁樹脂板が配置され、前記積層電池の側面が絶縁性粘着テープで固定されており、前記積層電池の中央部に、前記積層電池を圧迫しない状態で帯状の環状枠体が配置され、前記積層電池が膨張した際に前記積層電池が密着状態となり前記積層電池を圧迫する前記帯状の環状枠体が１箇所または複数箇所に配置されていることを特徴とする電池モジュールである。

また、前記帯状の環状枠体がナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂などの樹脂樹脂、またはニッケル材やステンレス材などの金属材料から選択される少なくとも１種の材料からなることが好ましい。さらに、前記積層電池の上下面に絶縁樹脂板を有し、側面に絶縁性粘着テープを有することが好ましい。

本発明によれば、電池モジュールにおいて過充電など何らかの異常が生じてラミネート電池内部の電解質が気化してラミネート電池が膨張し、膨張した積層電池が帯状の環状枠体により抑えられ圧迫されるが、ラミネートフィルムの熱溶着部のように構造的に弱い部位がその抑えに耐えられなくなって破断し、また、使用するラミネート電池にガスリーク弁があればそれが動作し、内部に溜まったガスが放出される。ラミネート電池は圧迫に耐えられなくなったものから順番に破断するかガスリーク弁が動作するため、電池モジュール内部の積層電池そのものが大きく膨張することがなく、それにより膨張した積層電池が外装ケースを変形し接続された電池タブを支点に扇状に開いて電池タブ同士が接触してショートする可能性をなくすことができ、電池モジュールとしての変形、ショートを防ぐことが出来る。

また、本発明により外装ケースに突起形状を設ける必要がなくなり、帯状の環状枠体を取り付けるだけのため組立自体も大きな工数をかけずに行うことが可能となる。

更には、電池モジュールの膨れに対する強度を持たせるための対策を外装ケースの肉厚や勘合形状に設ける必要がなくなり、外装ケース設計の幅が広がる効果もある。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の電池モジュールの実施の形態を示す斜視図であり、図２は本発明の電池モジュールの実施の形態を示す分解斜視図である。図３はラミネート電池の斜視図である。

ラミネート電池は電極、活物質、電解液などの電池要素を内包しラミネートフィルムで密閉され、図３に示すように正極タブ１１と負極タブ１２が同一辺から引き出され、ラミネート電池１０の周囲にラミネートフィルムの熱溶着部１３を形成している。なお、正極タブおよび負極タブは必ずしも同一辺から引き出されなくてもよく、対向辺から引き出されていてもよい。ラミネート電池としては例えばリチウムイオン二次電池がある。

単体のラミネート電池は例えば１個ずつ裏表が交互となる向きで積層され、隣り合うラミネート電池の正極タブと負極タブを溶接することにより直列接合される。なお、並列接続の場合には裏表が同一の向きで積層されることもできる。隣り合うラミネート電池の間にはポリカーボネート等の絶縁材料で成形された絶縁板（図示せず）が配置され両面テープにより電池と接着される。

次に、図２に示すように、接続される２つの電池タブ、即ち正極タブと負極タブの間にはＬ字型タブ６が配置され溶接される。２つの電池タブの間に配置されるＬ字型タブ６は、各電池の電圧を感知する信号線３となる電線が半田付けされたものである。また、メイン出力用の電線に接続される電池タブとメイン出力用電線４および信号線３が半田付けされたＬ字型タブ６がそれぞれに抵抗溶接される。接続された電池タブの上下には絶縁の役割を持つゴムスポンジ等からなるタブスペーサ５が配置される。所定個数のラミネート電池が接続された積層電池の上下に、ポリカーボネート等の絶縁樹脂材で成形された電池保護板７を両面テープで接着し、側面周囲に粘着テープ８、９を貼り付けて積層電池の絶縁と固定がなされる。

次に、図１に示すように積層電池を帯状の環状枠体２に通し、中央部に帯状の環状枠体を配置し、外装ケース（図示せず）に収納され電池モジュールとする。ここで、環状枠体はニッケル材やステンレス材などの金属環状体を成形したもの、または金属帯材を抵抗溶接、レーザー溶接、超音波溶接等の溶接により環状に接続したもの、或いはナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂などの樹脂材料で成形したものとする。帯状の環状枠体２のコーナー部２ａは予め成形して、組立てられた積層電池を通しやすく外装ケースに挿入しやすいようにしておく。また環状枠体は１個である必要はなく複数個が配置されていてもよい。さらに、環状枠体は通常の配置時には積層電池に密着している必要はなく、積層電池がわずかに膨張した際に密着された状態となり、さらなる膨張が抑制されればよい。

次に、本発明を実施例により具体的に説明する。

（実施例１）
ラミネート電池は、正極活物質としてマンガン酸リチウム、負極活物質として黒鉛、電解液としてＬｉＰＦ₆をエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒に溶解したものを用い、正極タブ、負極タブを同一辺から引き出した図１に示すようなラミネートフィルムで密閉した縦１５８ｍｍ×横８２ｍｍ×厚さ５．６ｍｍのものを用いた。このラミネート電池を裏表が交互になる向きで６個直列に積層した。正極タブと負極タブの間にはＬ字型タブが配置され溶接される。Ｌ字型タブは、各電池の電圧を感知する信号線となる電線が半田付けされ、メイン出力用電線および信号線が半田付けされたＬ字型タブがそれぞれに抵抗溶接される。抵抗溶接後のタブの上下には縦２０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ２ｍｍのゴムスポンジからなるタブスペーサが両面テープでタブが露出しないように接着されて絶縁がなされる。ラミネート電池間には１６０×８０ｍｍ×０．１５ｍｍのポリカーボネート板を配置し両面テープにより接続し、積層電池とした。積層電池の上下に１６０ｍｍ×８２ｍｍ×０．５ｍｍのポリカーボネートからなる電池保護板を両面テープで接着し、側面周囲に粘着テープを貼り付けて積層電池を絶縁、固定した。このとき積層電池は１６０．２ｍｍ×８２．１ｍｍ×３６．５ｍｍとなった。

この積層電池の中央部に幅１０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍの環状のニッケル材を内側寸法が８４ｍｍ×３８．５ｍｍとなるように加工した帯状の環状枠体を３０ｍｍ間隔で２箇所に配置した。その後、ポリカーボネートからなる外装ケースに収納し電池モジュールとした。

（実施例２）
実施例１と同様に積層電池を作製した。この積層電池の中央部に幅１３ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの環状のニッケル材を内側寸法が８４ｍｍ×３８．５ｍｍとなるように加工した帯状の環状枠体を配置した。その後、ポリカーボネートからなる外装ケースに収納し電池モジュールとした。

（実施例３）
実施例１と同様に積層電池を作製した。幅１５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、内側寸法が８４ｍｍ×３８．５ｍｍとなるようにポリカーボネートを射出成形した帯状の環状枠体を積層電池の中央部に３０ｍｍ間隔で２箇所配置した。その後、ポリカーボネートからなる外装ケースに収納し電池モジュールとした。

(比較例)
実施例１と同様に積層電池を作製し、ポリカーボネートからなる外装ケースに収納し電池モジュールとした。

実施例１、２、３および比較例の電池モジュールのメイン出力用電線に保護回路を通さず直接４４Ｖ、７Ａの過充電試験を行なったところ実施例１、２、３ではラミネートフィルムの熱溶着部が破断し、ガスが放出され、外装ケースの変形は見られなかったのに対し、比較例ではラミネート電池が膨張し、外装ケースが変形した。

本発明の電池モジュールの実施の形態を示す斜視図。本発明の電池モジュールの実施の形態を示す分解斜視図。ラミネート電池の斜視図。従来のラミネート電池とケースとの関係を示す模式図。

符号の説明

１電池モジュール
２環状枠体
２ａコーナー部
３信号線
４メイン出力用電線
５タブスペーサ
６Ｌ字型タブ
７電池保護板
８、９粘着テープ
１０ラミネート電池
１１正極タブ
１２負極タブ
１３熱溶着部
１４外装ケース
１４ａ突起形状
１５ラミネート電池

Claims

電極、セパレータ、電解質などの電池要素を内包し、ラミネートフィルムで密閉されたラミネート電池が直列または並列に接続されて積層され、外装ケースに収納された積層電池を有する電池モジュールにおいて、
前記積層電池の上下面には絶縁樹脂板が配置され、
前記積層電池の側面が絶縁性粘着テープで固定されており、
前記積層電池の中央部に、
前記積層電池を圧迫しない状態で帯状の環状枠体が配置され、
前記積層電池が膨張した際に、前記積層電池が密着状態となり前記積層電池を圧迫する前記帯状の環状枠体が１箇所または複数箇所に配置されていることを特徴とする電池モジュール。
前記帯状の環状枠体がナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂などの樹脂材料、またはニッケル材やステンレス材などの金属材料から選択される少なくとも１種の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
前記積層電池の上下面に絶縁樹脂板を有し、側面に絶縁性粘着テープを有することを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
相互に接続する正極タブと負極タブの間にはＬ字型タブを配置して溶接し、２つの電池タブの間に配置するＬ字型タブに、各電池の電圧を感知する信号線を接続し、電池タブの上下には絶縁の役割を持つタブスペーサを配置し、上下面に絶縁樹脂材で成形された電池保護板を両面テープで接着し、側面周囲にコの字状の粘着テープを貼り付けて積層電池の絶縁と固定をしたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。