JP5398273B2

JP5398273B2 - 蓄電モジュール

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Publication number: JP5398273B2
Application number: JP2009004108A
Authority: JP
Inventors: 正晴神田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP2010161044A

Description

本発明は、複数枚の蓄電セルを積層配置してモジュール化した蓄電モジュールに関するものである。

太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。

現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、例えば、リチウムイオンキャパシタなどが提案されている（特許文献１，２等参照）。このリチウムイオンキャパシタとしては、電極を巻いて構成するタイプと電極を積層して構成するタイプとが知られているが、急速充放電に優れた蓄電モジュールを構成するためには、特許文献１，２等に開示されている積層タイプのキャパシタが用いられる。

リチウムイオンキャパシタの蓄電セルは、平板状の正極と負極とをセパレータを介して交互に積層してなる電極積層体を備えている。その電極積層体は、アルミニウム・ラミネートフィルム等の気密性軟包装材を用いたソフト容器内に電解液とともに密閉収納されている。この蓄電セルは、単体での出力電圧が低いため、それら蓄電セルを並列または直列につなぐことで、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電モジュールが構成される。また、蓄電セルの容器としてアルミニウム・ラミネートフィルムを用いることにより、蓄電モジュールの薄型化や軽量化が図られている。

特開２００８−６０４０７号公報特開２００８−９８３６１号公報

ところで、エネルギー容量が大きく、かつ急速充放電が可能な蓄電モジュールを製造するためには、複数の蓄電セルを接続しなければならない。よって、接続作業に手間が掛かり、作業負担が大きいといった問題がある。また、蓄電モジュールでは、複数枚の蓄電セルを積み重ねてモジュール化しているが、その際には接続しない電極同士がショートしないように注意して作業しなければならない。よって、組み立て作業性が悪くなるといった問題がある。

また、上述した蓄電セルでは、正極にアルミ材が用いられ、負極に銅材が用いられている。従って、複数の蓄電セルを直列に接続する際には、正極のアルミ材と負極の銅材とが接続されることとなる。しかし、アルミ材と銅材とを接続する場合には、電蝕の問題があり長期での接続信頼性が不足するため、溶接等で素材同士を溶け合わせるといった接続方法を採らなければならない。なお、溶接接続の場合、専用の治具等が必要となるため、作業が煩雑となってしまう。さらに、電極接続用端子（例えば、Ｌ型接続端子）を用いてネジ止め等によって各蓄電セルを接続する方法も考えられる。しかし、この方法では、ネジ止め用のナット板を片手で持つ必要があるため、空いているもう一方の手のみでドライバーを持ってネジ止めをしなくてはならず、作業性が悪くなる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電セルの接続作業性を向上することができる蓄電モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、手段１に記載の発明では、正極と負極とを積層してなる電極積層体を電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極及び前記負極にそれぞれ連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している複数枚の蓄電セルを備え、セル主面同士を対向させて積層配置することで前記複数枚の蓄電セルがモジュール化され、かつ、前記複数枚の蓄電セルが電気的に直列または並列に接続されている蓄電モジュールであって、前記蓄電セル間に介在して配置されるスタック部材を備えるとともに、前記スタック部材は、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子間に位置してそれら同士の接触を防止する第１絶縁部と、電気的に接続関係にある隣接した外部端子間に位置してそれらを支持する第２絶縁部とを有し、前記第２絶縁部には、ナット板を嵌め込んで固定するための固定凹部が形成されるとともに、前記外部端子には導電金属製のＬ型接続端子が溶接され、前記Ｌ型接続端子は、互いの一部を重ね合わせて配置されるとともに、その重なり合った部分が、前記固定凹部に固定された前記ナット板にネジ止めされていることを特徴とする蓄電モジュールをその要旨とする。

従って、上記手段１に記載の発明によれば、複数枚の蓄電セル間にスタック部材が介在して配置され、そのスタック部材の第１絶縁部によって、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子同士の接触が防止される。また、スタック部材の第２絶縁部によって、電気的に接続関係にある隣接した外部端子が支持される。このように、蓄電セル間にスタック部材を配置させることにより、蓄電セルの外部端子同士を容易に接続することができ、接続作業性を向上させることができる。また、手段１に記載の発明によれば、スタック部材の第２絶縁部に形成された固定凹部にナット板が嵌め込まれて固定される。そして、各外部端子に溶接された導電金属製のＬ型接続端子が重ね合わされ、その重なり合った部分がナット板にネジ止めされる。この場合、ナット板がスタック部材の第２絶縁部に予め固定されるので、そのナット板を手で持ってネジ止めする必要がなく、各外部端子の接続作業を容易に行うことができる。

手段２に記載の発明は、手段１において、前記スタック部材は、前記蓄電セルの前記セル主面と面接触する平坦部を有するスタックプレートであることをその要旨とする。

従って、上記手段２に記載の発明によれば、スタックプレートの平坦部が蓄電セルのセル主面と面接触するため、各蓄電セルを確実に積層配置させることができる。また、スタックプレートの平坦部によりセル主面全体に均等な圧力を加えることができ、蓄電セルの電池性能を良好な状態に維持することができる。

手段３に記載の発明は、手段１または２において、前記スタック部材は、積層配置時において隣接する他のスタック部材に係止して相互の位置決めを図る位置決め突起を有することをその要旨とする。

従って、上記手段３に記載の発明によれば、スタック部材の位置決め突起を他のスタック部材に係止させることにより、積層配置時におけるスタック部材同士の位置決めを確実に行うことができる。また、スタック部材間に位置ずれが起こりにくくなり、モジュールの耐衝撃性が向上する。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、蓄電モジュールにおける蓄電セルの接続作業性を向上することができる。

本発明を具体化した第１の実施の形態の蓄電モジュールを示す断面図。第１の実施の形態の蓄電モジュールを示す側面図。蓄電セルを示す平面図。蓄電セルを示す断面図。スタックプレートを示す平面図。第２の実施の形態の蓄電モジュールを示す断面図。第２の実施の形態の蓄電モジュールを示す側面図。ナット板を示す説明図。Ｌ型接続端子を示す説明図。別の実施の形態の蓄電モジュールを示す断面図。

［第１の実施の形態］

以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態における蓄電モジュールの概略構成を示す断面図であり、図２は蓄電モジュールを示す側面図である。また、図３は蓄電モジュールを構成する蓄電セルの平面図であり、図４はその蓄電セルの断面図である。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の蓄電モジュール１０は、複数枚（例えば１２枚）の蓄電セル１１を積層配置したモジュールであり、それら蓄電セル１１間にはスタックプレート１２（スタック部材）が介在されている。

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の蓄電セル１１は、正極２１、負極３１及びセパレータ４１を積層してなる電極積層体４５を備えている。この電極積層体４５では、正極２１と負極３１とをセパレータ４１を介して対向配置してなる発電要素を１単位として、複数単位の発電要素を積層している。

正極２１は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる正極電極２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している。正極集電体２３は、正極電極２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウムからなる導電性金属板を用いて形成されている。正極集電体２３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ２４が突出している。このタブ２４は、アルミニウムからなる正極外部端子２５に接続されている。

負極３１は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極電極３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。負極集電体３３は、負極電極３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅からなる導電性金属板を用いて形成されている。負極集電体３３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ３４が突出している。このタブ３４は、銅からなる負極外部端子３５に接続されている。

負極集電体３３において、対向する二辺の近傍に帯状のリチウム貼付部（図示略）が設けられており、そのリチウム貼付部にはプレドープ用のリチウム金属箔（図示略）が貼付される。なお、このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。

本実施の形態の蓄電セル１１では、電極積層体４５が電解液とともに容器４６内に密閉収納されている。この容器４６は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルム（金属ラミネートフィルム材）を用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。その開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極外部端子２５及び負極外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。

このようにして容器４６内に電極積層体４５を収容した場合、容器４６における一方の端部（図４では右側の端部）から正極外部端子２５が突出し、他方の端部（図４では左側の端部）から負極外部端子３５が突出する。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて、容器４６を形成してもよい。

本実施の形態の蓄電モジュール１０では、各蓄電セル１１のセル主面（図１では上面１１ａ及び下面１１ｂ）同士を対向させ、それら蓄電セル１１間にスタックプレート１２を介在させた状態で積層配置させることで各蓄電セル１１がモジュール化されている。そして、上下に配置される各蓄電セル１１について一方の蓄電セル１１の正極外部端子２５と他方の蓄電セル１１の負極外部端子３５とを溶接することにより、各蓄電セル１１が電気的に直列に接続されている。

図１、図２及び図５に示されるように、スタックプレート１２は、蓄電セル１１のセル主面１１ａ，１１ｂと面接触する平坦部５１を有する平面視矩形状の部材であり、例えば、難燃性樹脂材料である難燃性ポリプロピレンやガラス入りナイロンなどを用いて成形されている。スタックプレート１２には、その外周を囲むように枠部５２が形成され、対向する二辺（本実施の形態では短手方向の二辺）となる枠部５２の内側に所定の間隔をおいて補強用のリブ５３が形成されている。スタックプレート１２において、枠部５２の高さ方向（図１の上下方向）の中間部分にその内側を塞ぐよう平坦部５１が形成されている。

図１に示されるように、スタックプレート１２において、補強用のリブ５３に対応する位置に蓄電セル１１の外部端子２５，３５の基端が配置されるとともに、枠部５２側の位置に外部端子２５，３５の先端が配置される。そして、電気的に接続関係にある隣接した外部端子２５，３５は、その先端が枠部５２の外表面に沿うようにして折り曲げられるとともに、互いの一部を重ね合わせて配置される。ここで、外部端子２５，３５を折り曲げることで蓄電セル１１が位置決めされる。その後、各外部端子２５，３５の重なり合った部分を枠部５２の外表面に押し当てた状態でレーザ溶接することで各外部端子２５，３５が電気的に接続される。枠部５２の外表面において外部端子２５，３５を配置する部分は若干窪んでおり、外部端子２５，３５の折り曲げ作業が容易に行えるようになっている。また、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子２５，３５間には、スタックプレート１２における外縁部が配置される。

このように、本実施の形態のスタックプレート１２では、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子２５，３５間に位置する外縁部が、それら端子同士の接触を防止する第１絶縁部５５となっている。また、電気的に接続関係にある隣接した外部端子２５，３５間に位置する枠部５２が、それら端子を支持する第２絶縁部５６となっている。本実施の形態では、蓄電モジュール１０を構成する複数段のスタックプレート１２において、外部端子２５，３５の接続は左右の枠部５２で交互に行われている。そして、各スタックプレート１２において、その接続部を支持する第２絶縁部５６の反対側の外縁部が第１絶縁部５５となっている。

また、図２及び図５に示されるように、スタックプレート１２のコーナ部には、他のスタックプレート１２に係止して相互の位置決めを図る位置決め突起５７，５８が設けられている。位置決め突起５７，５８は、スタックプレート１２の上方（プレート厚さ方向）に突出するよう設けられており、上方に配置されるスタックプレート１２の枠部５２の内面に係止することでスタックプレート１２同士が位置決めされている。

図１に示されるように、蓄電モジュール１０を構成する複数のスタックプレート１２において、最上部及び最下部に配置されるエンドプレート１２ａ，１２ｂは、蓄電セル１１間に配置されるスタックプレート１２とほぼ同じ形状であるが、枠部５２及びリブ５３の高さが若干低く形成されている。また、蓄電モジュール１０において、スタックプレート１２を介して蓄電セル１１を積層配置した状態では、各スタックプレート１２間に若干の隙間ができるようになっており、スタックプレート１２の中央に形成された平坦部５１に蓄電セル１１のセル主面１１ａ，１１ｂが面接触している。なお、蓄電セル１１は厚さにバラツキがあるため、スタックプレート１２における枠部５２及びリブ５３の高さ寸法は、その厚さバラツキを考慮して設定されている。このように、スタックプレート１２の平坦部５１がセル主面１１ａ，１１ｂに面接触することにより、各蓄電セル１１の正極２１及び負極３１に対してその厚さ方向から圧力が均等に加わるようになっている。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の蓄電モジュール１０では、複数枚の蓄電セル１１間にスタックプレート１２が介在して配置され、そのスタックプレート１２の第１絶縁部５５によって、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子２５，３５同士の接触が防止される。また、スタックプレート１２の第２絶縁部５６によって、電気的に接続関係にある隣接した外部端子２５，３５が支持される。このように、蓄電セル１１間にスタックプレート１２を配置させることにより、各蓄電セル１１の外部端子２５，３５同士を容易に接続することができ、接続作業性を向上させることができる。

（２）本実施の形態の蓄電モジュール１０では、スタックプレート１２の第２絶縁部５６の外表面に沿うようにして、蓄電セル１１の外部端子２５，３５を曲げることにより、各外部端子２５，３５を容易に重ね合わせることができる。そして、第２絶縁部５６の外表面に押し付けた状態で各外部端子２５，３５の溶接を確実に行うことができる。このようにすると、スタックプレート１２が溶接時に外部端子２５，３５を支持する溶接用治具として実質的に機能しうるため、溶接用の治具を別途用いなくても溶接を容易に行うことができる。

（３）本実施の形態の蓄電モジュール１０では、スタックプレート１２の平坦部５１が蓄電セル１１のセル主面１１ａ，１１ｂと面接触するため、各蓄電セル１１を確実に積層配置させることができる。また、スタックプレート１２の平坦部５１によってセル主面１１ａ，１１ｂ全体に均等な圧力を加えることができる。この結果、蓄電セル１１の正極２１及び負極３１間の距離が短くなり、良好な蓄電性能を得ることができる。

（４）本実施の形態の蓄電モジュール１０では、スタックプレート１２の位置決め突起５７，５８を上方に配置される他のスタックプレート１２に係止させることにより、積層配置時における各スタックプレート１２の位置決めを確実に行うことができる。また、スタックプレート１０間に位置ずれが起こりにくくなり、モジュールの耐衝撃性が向上する。

（５）本実施の形態の蓄電モジュール１０では、各スタックプレート１２の枠部５２によって蓄電セル１１が囲まれているので、蓄電セル１１を確実に保護、補強することができ、蓄電モジュール１０の製品信頼性を十分に高めることができる。
［第２の実施の形態］

次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。図６は、本実施の形態の蓄電モジュール１０Ａの概略構成を示す断面図であり、図７は、蓄電モジュール１０Ａを示す側面図である。本実施の形態の蓄電モジュール１０Ａでは、各蓄電セル１１の外部端子２５，３５の接続方法が上記第１の実施の形態と異なる。具体的には、上記第１の実施の形態では、各外部端子２５，３５をレーザ溶接にて接続していたが、本実施の形態では、各外部端子２５，３５をネジ止めにて接続している。

詳述すると、本実施の形態のスタックプレート１２ｃには、第２絶縁部５６となる枠部５２に固定凹部６０が形成されており、その固定凹部６０にナット板６１が嵌め込まれている。なお、スタックプレート１２ｃにおいて、枠部５２に固定凹部６０が形成されている点以外の構成（平坦部５１やリブ５３等）は、上記第１の実施の形態のスタックプレート１２と同じである。また、蓄電モジュール１０Ａの最上部及び最下部に配置されるエンドプレート１２ａ，１２ｂの形状は第１の実施の形態と同じである。

図８に示されるように、ナット板６１は、細長い板状をなし、３個のネジ孔６２がその長手方向に等間隔となるよう形成されている。また、ナット板６１の四隅は面取りされている。

蓄電セル１１の各外部端子２５，３５には、Ｌ型接続端子６４が超音波溶接にて接合されている。図９に示されるように、Ｌ型接続端子６４は、矩形状の銅板を断面Ｌ字状に折り曲げて形成されている。そして、Ｌ型接続端子６４において、一方の平面部６５は蓄電セル１１の外部端子２５，３５に溶接される部位であり、他方の平面部６６にはネジを挿通するための３個の貫通孔６７が等間隔に形成されている。

図６及び図７に示されるように、蓄電セル１１の各外部端子２５，３５に接合されたＬ型接続端子６４は、互いの一部（平面部６６）を重ね合わせて配置されるとともに、その重なり合った部分が、スタックプレート１２ｃの固定凹部６０に固定されているナット板６１にネジ止めされる。

本実施の形態の蓄電モジュール１０Ａでは、スタックプレート１２ｃの固定凹部６０にナット板６１が嵌め込まれて固定された後、各外部端子２５，３５に溶接されたＬ型接続端子６４がナット板６１にネジ止めされる。このように、ナット板６１がスタックプレート１２ｃの固定凹部６０に固定されることにより、従来のようにナット板６１を手で持ってネジ止めする必要がなく、各外部端子２５，３５の接続作業を容易に行うことができる。また、蓄電モジュール１０Ａでは、各蓄電セル１１の外部端子２５，３５がネジ止めにて接続されているため、蓄電モジュール１０Ａを構成するいずれかの蓄電セル１１が動作不良となった場合、その蓄電セル１１のみを容易に交換することができる。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記第１の実施の形態の蓄電モジュール１０では蓄電セル１１の各外部端子２５，３５を溶接にて接続し、上記第２の実施の形態の蓄電モジュール１０Ａでは蓄電セル１１の各外部端子２５，３５をネジ締結にて接続していたが、溶接による接続とネジ締結による接続とを混在させた蓄電モジュールに具体化してもよい。その具体例を図１０に示している。図１０の蓄電モジュール１０Ｂでは、右側に位置する外部端子２５，３５同士をナット板６１を用いたネジ止めにて接続した後、左側に位置する外部端子２５，３５同士をレーザ溶接にて接続している。なお、蓄電モジュール１０Ｂで用いられるスタックプレート１２ｄには、右側の枠部５２のみに固定凹部６０が形成されている。この場合、２つの蓄電セル１１が溶接にて接続されることとなるため、いずれかの蓄電セル１１が動作不良となったときには、全部の蓄電セル１１を交換するのではなく、不良となった蓄電セル１１とそれに溶接されている蓄電セル１１との２つの蓄電セル１１が交換される。

・上記各実施の形態において、スタック部材としてのスタックプレート１２，１２ａ〜１２ｄは、その全体を樹脂材料で成形した剛体の樹脂成形品であるが、例えば、平坦部５１等を金属などの別部材で形成してもよい。また、スタックプレート１２，１２ａ〜１２ｄの平坦部５１を省略した枠部５２のみでスタック部材を構成してもよい。

・上記各実施の形態の蓄電モジュール１０，１０Ａ，１０Ｂでは、正極外部端子２５及び負極外部端子３５を蓄電セル１１の対向する２辺から引き出す構成であったが、これに限定するものではなく、一辺から各外部端子２５，３５を引き出す構成としてもよいし、直角に交わる２辺から各外部端子２５，３５を引き出す構成としてもよい。

・上記実施の形態では、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタの蓄電セル１１に具体化したが、リチウム以外のアルカリ金属をプレドープさせるタイプのアルカリ金属イオンキャパシタの蓄電セルに具体化することもできる。あるいは、本発明を非水系二次電池や電気二重層キャパシタの蓄電セルなどに具体化することもできる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１乃至５のいずれかにおいて、前記スタック部材は、剛体の樹脂成形品からなることを特徴とする蓄電モジュール。

（２）上記手段４または５において、前記各蓄電セルの外部端子の接続部のうちのいずれかを前記溶接にて接続する一方、残りの接続部を前記Ｌ型接続端子と前記ナット板とを用いたネジ止めにて接続することを特徴とする蓄電モジュール。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…蓄電モジュール
１１…蓄電セル
１１ａ…セル主面としての上面
１１ｂ…セル主面としての下面
１２，１２ａ〜１２ｄ…スタック部材としてのスタックプレート
２１…正極
２５…外部端子としての正極外部端子
３１…負極
３５…外部端子としての負極外部端子
４５…電極積層体
４６…金属ラミネートフィルム材からなる容器
５１…平坦部
５５…第１絶縁部
５６…第２絶縁部
５７，５８…位置決め突起
６０…固定凹部
６１…ナット板
６４…Ｌ型接続端子

Claims

正極と負極とを積層してなる電極積層体を電解液とともに金属ラミネートフィルム材で密封封止してなり、前記正極及び前記負極にそれぞれ連結された外部端子が前記金属ラミネートフィルム材から突出して露呈している複数枚の蓄電セルを備え、セル主面同士を対向させて積層配置することで前記複数枚の蓄電セルがモジュール化され、かつ、前記複数枚の蓄電セルが電気的に直列または並列に接続されている蓄電モジュールであって、
前記蓄電セル間に介在して配置されるスタック部材を備えるとともに、前記スタック部材は、電気的に非接続関係にある隣接した外部端子間に位置してそれら同士の接触を防止する第１絶縁部と、電気的に接続関係にある隣接した外部端子間に位置してそれらを支持する第２絶縁部とを有し、
前記第２絶縁部には、ナット板を嵌め込んで固定するための固定凹部が形成されるとともに、前記外部端子には導電金属製のＬ型接続端子が溶接され、
前記Ｌ型接続端子は、互いの一部を重ね合わせて配置されるとともに、その重なり合った部分が、前記固定凹部に固定された前記ナット板にネジ止めされている
ことを特徴とする蓄電モジュール。
前記スタック部材は、前記蓄電セルの前記セル主面と面接触する平坦部を有するスタックプレートであることを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
前記スタック部材は、積層配置時において隣接する他のスタック部材に係止して相互の位置決めを図る位置決め突起を有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電モジュール。