JP5415009B2 - 蓄電デバイスモジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の蓄電デバイスを直列に電気的に接続した蓄電デバイスモジュールに関するものである。

近年、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラに代表される携帯機器用小型二次電池の分野では、小型化及び高容量化のニーズに応えるべく、９０年代初頭より、ニッケルカドミウム電池に続き、新型電池としてニッケル水素電池、リチウム二次電池の開発が進展し、２００Ｗｈ／ｌ以上の体積エネルギー密度を有する電池が市販されている。特にリチウムイオン電池は、３５０Ｗｈ／ｌ、形状によっては５００Ｗｈ／ｌを超える体積エネルギー密度を有するタイプも上市し、その市場を飛躍的に延ばしてきた。

一方、中大型蓄電デバイスの分野では、省資源を目指したエネルギーの有効利用及び地球環境問題の観点から、深夜電力貯蔵及び太陽光発電の電力貯蔵を目的とした家庭用分散型蓄電システム、電気自動車、ハイブリッド車向けの蓄電システムが注目を集めている。上記の蓄電システム分野では、多数の二次電池や電気二重層キャパシタを直列或いは並列に接続し、モジュールとして用いるのが常であり、要求される寿命は、小型携帯機器用の５年程度に比べ１０年以上と長い場合が多い。

その中でも、最近では、原油価格上昇に伴いガソリン価格が高騰する中、低燃費であり、環境に優しい車としてハイブリッド車の開発が加速され、ハイブリッド車用として、安全且つ高出力、高エネルギー密度、長寿命を有する中大型蓄電デバイスが希求されている。

これら中大型蓄電デバイスでは、複数の蓄電デバイスを直列又は並列に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電デバイスのモジュールとして用いられる場合が多い。

例えば、リチウムイオン電池を用いてモジュールを構成する場合、蓄電デバイスとしては高エネルギー密度が得られるものの、円筒型、角型等の形状が一般的であった為、蓄電デバイス内部に熱が蓄積されやすく信頼性、安全性に問題が残されていた。

上記の問題を解決する手段としては、蓄電デバイス形状を、外気と接触する面積がより大きくなる扁平形状とすることが考えられるが、放熱性に優れた扁平形状の蓄電デバイスにおいても、モジュール構造を工夫しない限り、放熱性が充分確保できず、結果として不均一な温度分布による劣化ポイントを発生させることが懸念され、信頼性に課題があった。

上記放熱性に起因する信頼性の問題点を解決する目的で、例えば外部接続端子が冷却フィンを兼ねる構造（特許文献１）、冷媒入出経路を備えたモジュールボックス構造（特許文献２）、隣接セル間に放熱用スリットを有したスペーサーの積層（特許文献３）、隣接セル間に外部ケースと接続した放熱用トレイ（特許文献４）等の放熱構造が開示されており、扁平型電池を用いた蓄電デバイスモジュールにおいて様々な放熱性の改善が検討されている。しかしながら、これら扁平型電池の端子構造は、いずれも電池周囲部に電池容器と絶縁された正極端子、負極端子が突出されており、モジュールに用いる場合、その突出した正極端子及び負極端子を隣接する蓄電デバイスと接続する為のスペースが必要となり、モジュールとしての体積エネルギー密度が低くなるという課題があった。

一方、缶体を外部端子とするコイン型電池において、例えば外装缶同士を圧接することにより電気的に接続した直列電池が市販されているが、容量が小さく、上述の蓄電システム分野への適用は困難である。

又、最近、電池容器にアルミ箔と樹脂との積層体を用いるアルミラミネート材が、小型リチウムイオン電池を始めとして、中大型電池に採用されてきている。しかしながら、アルミラミネート材は機械的強度が弱い為、製造時或いは使用時の落下やハンドリングにおいて、へこみ、穴、曲がり等が発生することにより電池が損傷を受けやすい。よって、モジュールを組み立てる場合には電池容器を補強する必要が有り（特許文献２）、結果としてモジュールとしてのエネルギー密度が下がってしまうという問題が残っていた。

又、中大型蓄電デバイスモジュールの実用化の妨げとなっているのが、モジュール組み立て部材のコストであり、端子間接続構造の簡略化、製造の容易性等によるコストの低減も解決すべき課題である。
特開２００５−７１６７４号公報 特開２００５−２９４０２３号公報 特開２００６−４８９９６号公報 特開２００６−３３９０３２号公報

上記従来技術から明らかな様に、家庭用分散型蓄電システム、電気自動車、ハイブリッド車等における蓄電システム分野においては、エネルギー密度を低下させることなく、簡便且つ組立工程が容易な端子間接続構造を有し、放熱性、信頼性、安全性に優れ、且つ、低コストで製造可能な蓄電デバイスモジュールが希求されている。本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便且つ製造容易なモジュール構造を有し、エネルギー密度が高く、放熱性に優れ、大電流負荷が可能である蓄電デバイスモジュールを提供することにある。

本願発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、正極、負極、セパレータからなる２層以上の電極が積層された電極積層体を蓄電デバイス容器内に収容した扁平形状であり、蓄電デバイス容器が金属板のみ或いは金属板と樹脂との積層体より構成される上蓋及び底容器からなり、電極積層体における正極或いは負極のいずれか一方が上蓋へ電気的に接続され、もう一方の極が底容器へ電気的に接続され、上蓋と底容器は周囲部分で絶縁性樹脂を介して重ね合わせ接合され、上蓋と底容器が外部端子を兼ねる蓄電デバイスの直列モジュールにおいて、隣接する蓄電デバイス間を上蓋又は底容器の広平面部に導電性部材を介して、電気的に接続する蓄電デバイスモジュールを見出し、本発明を完成するに至った。

請求項１に記載の蓄電デバイスモジュールは、扁平形状の蓄電デバイス（単電池）を複数直列にした蓄電デバイスモジュールであって、前記蓄電デバイスは、正極、負極、セパレータからなる２層以上の電極が積層された電極積層体を蓄電デバイス容器内に収容した扁平形状であり、蓄電デバイス容器が金属板のみにより構成される上蓋及び底容器からなり、電極積層体における正極或いは負極のいずれか一方が上蓋へ電気的に接続され、もう一方の極が底容器へ電気的に接続され、上蓋と底容器は周囲部分で絶縁性樹脂を介して重ね合わせ接合され、上蓋と底容器が外部端子を兼ねており、前記蓄電デバイスモジュールは、導電性部材を介して前記蓄電デバイスを複数直列に接続し、その隣接する蓄電デバイス間の接続は、隣接する蓄電デバイスの一方の上蓋の広平面部と他方の底容器の広平面部を対向させて、厚さが０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である板状の導電性部材を介して、電気的に接続し、前記導電性部材が、凹凸形状を有する板状であり、外気が連通する空隙を有することを特徴とする。

請求項２に記載の蓄電デバイスモジュールは、蓄電デバイスの上蓋又は底容器の広平面部より導電性部材の一部がはみ出していることを特徴とする。

請求項３に記載の蓄電デバイスモジュールは前記導電性部材と上蓋又は底容器の広平面部の接触面積が、上蓋又は底容器の広平面部面積の２０％以上であることを特徴とする。

上記請求項１〜３の構成によれば、簡便且つ組み立てが容易なモジュール構造を有し、エネルギー密度が高く、放熱性に優れ、大電流負荷が可能であり、低コストで製造可能な蓄電デバイスモジュールを得ることができる。

本発明の蓄電デバイスモジュールは、蓄電デバイス容器が外部端子を兼ねる蓄電デバイスを直列に接続したものであり、このモジュールにおいて、隣接する蓄電デバイス間に導電性部材を介して、複数の蓄電デバイスを電気的に接続している。それゆえ、モジュール内の部品占有部分を必要最低限に抑えることができ、モジュールの体積エネルギー密度を高くすることが可能となる。又、その導電性部材が蓄電デバイスの放熱部材を兼ねる構造とすることができ、高率充放電に伴う蓄電デバイスの内部蓄熱を均一に放熱し、寿命の低下を抑制する、安全性を向上するといった効果が期待される。更には、蓄電デバイスの周囲部に、電気的接続に必要な端子等の部品が無くなり、且つ組み立てが容易である為、製造コストの削減が可能である。

本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。尚、以下では、蓄電デバイス（以下、単電池或いは電池と記載することもある。）として、リチウムイオン電池を例にとり説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の蓄電デバイスとして鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等に適用できる。

図１は、本発明のモジュールを構成する扁平形状の蓄電デバイス（単電池）を示す平面図及び側面図であり、図２は、図１に示す単電池の内部に収納される電極積層体を示す断面図である。ここでは、電極を積層する場合で説明しているが、電極を巻回する場合（図３）も含み、この電極積層体構造は、特に限定されるものではない。

本発明に用いる蓄電デバイス（単電池）は、上蓋１及び底容器２からなる電池容器と、前記電池容器の中に収納されている複数の正極１１、負極１２、１３、及びセパレータ１４からなる電極積層体とを備えている。前記単電池で構成されるモジュールは、家庭用分散型蓄電システム、電気自動車、ハイブリッド車等に用いられる中大型蓄電システム分野を狙ったものであり、この場合、大きなエネルギー容量（Ｗｈ）或いは出力（Ｗ）が必要であり、相当数の正極、負極、セパレータからなる電極が積層された電極積層体を用いる必要がある。ここで電極積層体とは、少なくとも正極或いは負極を２枚以上積層されたものであり、巻回構造、折り畳み構造なども含む。この電極積層体は、例えば、図２或いは図３の構造であり、正極、負極、セパレータの単位構造は、２層以上、好ましくは５層以上積層されている。正極１１、負極１２（又は積層体の両外側に配置された負極１３）は、例えば、図２及び図３に示す様に、セパレータ１４を介して交互に配置されて積層されるが、この配置に特に限定されず、積層数等は、必要とされる容量等に応じて種々の変更が可能である。又、図１に示す単電池の形状は、例えば幅９１ｍｍ、高さ１２９ｍｍ、厚さ５．３ｍｍ（体積６２．２ｃｍ^３）である。

上記電池容器は、図１に示す様に、扁平形状に構成された上蓋１及び底容器２からなる。上蓋１及び底容器２は、周囲部分で絶縁性樹脂を介し密着しうる構造を有している。中大型電池において放熱性を保持することは重要であり、円筒型や正方柱形状に近い直方体に対し、扁平形状の構造が望ましく、蓄電デバイスをモジュール化した場合のエネルギー密度を確保する為には、扁平形状で且つ矩形形状であることがより望ましい。

正極、負極、セパレータからなる２層以上の電極が積層された電極積層体より大電流を取り出す為に、正極或いは負極のいずれか一方が、上蓋１へ電気的に接続され、もう一方の極が、底容器２へ電気的に接続されていれば良く、その接続法については何ら限定されるものではない。ここで言う電極と蓄電デバイス容器（上蓋１或いは底容器２）への電気的接続とは、例えば電極が塗工された金属箔（集電体）の周囲側未塗工部分の一部を直接蓄電デバイス容器に電気的に接続する場合、電極が塗工された金属箔（集電体）に電気伝導性の集電タブ（集電部材）を電気的に接続する場合等が挙げられるが、その方法、集電体、集電タブ形状については、目的とする蓄電デバイスの用途、要求電流により適宜決定することができる。これまでコイン型、ボタン型電池に代表される小型電池では、電池容器に直接正極、負極を電気的に接続させる方法が用いられてきたが、中大型蓄電デバイスでは、蓄電デバイス容器に絶縁して取り付けられた端子部品の電池容器内側に、正極、負極を接続させている方式が一般的である。しかし、大電流を取り出す為の端子部品は、絶縁性、密閉性、機械的強度を要求される為、端子自体が複雑な形状加工品である場合が多く、又、その端子を絶縁しつつ密閉性を保持する為の絶縁部品についても、複雑な加工品で、且つ、かしめや締め付けによる固定も必要であった。結果として、端子部品は高価な部品となり、また組み立て時の工程数も多い為、コストが高くなる要因の一つであった。一方、本発明においては、正極及び負極の集電体の一部より直接或いは集電部材を介して蓄電デバイス容器に電気的に接合させることにより、電池容器自体が外部端子を兼ねることとなり、端子部品を削減することが可能である。

更に、本発明のモジュールに用いる蓄電デバイス（単電池）では、電極積層体における正極或いは負極の複数箇所が、上蓋或いは底容器へ電気的に接続することも可能である。例えば、図２に示す様な電極を積層する場合において、電極が塗工された金属箔（集電体）の周囲側未塗工部分の一部を、直接蓄電デバイス容器に電気的に接続する為、複数枚の正極及び負極の一部が、上蓋或いは底容器に接続される。又、図３に示す様な巻回構造の場合、巻回された正極或いは負極の複数箇所に集電体タブを電気的に接続し、この集電タブを蓄電デバイス容器に電気的に接続すること、或いは、巻回体上面、下面に電極が塗工された金属箔（集電体）の周囲側未塗工部分を出し、この集電体を潰し蓄電デバイス容器に電気的に接続する方法などを用いることにより、正極或いは負極の複数箇所が、上蓋或いは底容器へ電気的に接続することが可能である。この様に、正極或いは負極の複数箇所が、上蓋或いは底容器へ電気的に接続することにより、目的とする電池の用途、要求電流に対し、電極から外部端子（本発明では金属容器が兼ねる）における抵抗を低く設計することが可能であり、大電流負荷が必要とされる中大型蓄電デバイスに対しても容易に対応できる。

上記上蓋及び／又は底容器は、前記電極積層体を収容する為、凹型に加工することが好ましい。例えば図４に示す様に、上蓋１及び底容器２の接合を効果的にし、且つ電極積層体を収容する為に、底容器２は凹型に絞り加工され、周囲にフランジ部分を有している形状が考えられる。薄い金属板で電極積層体を収納するスペースを形成させるには、凹型に絞り加工を施す方式が、安価で寸法精度も高く望ましいが、複数の金属板を溶接等で組み立てて凹型部を持ち周囲にフランジ部を備えることも可能である。

前述のごとく本発明の電池容器（上蓋１及び底容器２）は外部端子を兼ねており、電池容器の一部に、電池容器と接続用端子を接着やかしめ等の方法で絶縁部品を介して備える必要性が無い。又、前記のごとく、電極積層体における正極及び負極の集電体の一部が、上蓋１及び底容器２に電気的に接続されている為、電極から上蓋１及び底容器２への集電部におけるジュール熱が、直接電池外部へ伝導され、極めて放熱性が高い単電池構造である。

電極積層体における正極或いは負極を、電池容器（上蓋１或いは底容器２）へ電気的に接続される手段としては、超音波溶接、レーザー溶接、抵抗溶接等の溶接或いは導電性接着剤による接合が挙げられる。その中でも、超音波溶接による接合方法が、電池上蓋及び底容器にクラックを発生させる可能性が低く、接着剤等の他の材料を用いる場合より、材料、工程も簡略であり、信頼性が高くコスト的に有利である為、好ましい。

例えば図５に示す様に、前記正極集電体の一部１６ａ或いは負極集電体の一部１６ｂを、上蓋１又は／及び底容器２へ接続する場合、集電体の一部を複数枚重ねて蓄電デバイス容器に溶接することにより、抵抗が低く且つ発熱も低く抑えられ、大電流を取り出すことも可能となり、高出力用途に用いることができる。

図４に示す様に、電池の上蓋１と底容器２は、絶縁性樹脂を介して重ね合わせ接合されている。この絶縁性樹脂５は、特に限定するものではなく、絶縁性を保持しつつ接合することが可能な樹脂（加熱などで接着可能な接着性樹脂）であり、オレフィン系、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、シリコン系などの樹脂が挙げられるが、変性ポリプロピレン、変性ポリエチレンに代表される熱融着型で水分透過率の低い接着性樹脂が耐電解液性も高く好ましい。絶縁性樹脂は少なくとも１種か複数種の積層体で構成することができる。又、絶縁性樹脂に、少なくとも１種は熱可塑性樹脂成形シートを用いることで、製造上の取扱いが容易であり、工程も簡略化できる為、なお好ましい。

絶縁性樹脂５を介した上蓋１及び底容器２の外周部は、図４に示す様に、例えば、ヒートシールにより接合できる。この場合、容器の変形による歪みや周辺への熱影響を与える可能性がある為、接合部は加熱しながら接合部周囲を冷却する方法が好ましい。

前記絶縁性樹脂５は、上蓋１及び底容器２の一部と密着されている必要がある。その方法の具体例としては、例えば、図６及び図７に示す様に、上蓋１及び底容器２に、絶縁性樹脂５を各々外側にはみ出させヒートシールにより仮接着した後、電極積層体を治具或いは絶縁テープで固定する。次に、正極集電体の一部１６ａを上蓋１のＡ位置に、負極集電体の一部１６ｂを底容器２のＢ位置へ電気的に接続する。電極積層体は、上蓋１に密着させた状態で、負極集電体の一部１６ｂを折り曲げて、底容器２を取り付け固定する。その後絶縁性樹脂５を仮接着した上蓋１及び底容器２を合わせヒートシールにより接合する。

本発明のモジュールは、家庭用分散型蓄電システム、電気自動車、ハイブリッド車等の蓄電システムに用いることができ、大容量或いは大出力、且つ、高エネルギー密度を有することができる。この場合、エネルギー密度を重視する設計では、モジュールに用いる蓄電デバイス（単電池）のエネルギー容量は１４Ｗｈ以上、且つ、エネルギー密度が２２０Ｗｈ／ｌ以上が好ましく、高出力タイプを重視する設計では、１０秒率の出力が５０Ｗ以上、更に好ましくは１００Ｗ以上、特に好ましくは２００Ｗ以上、且つエネルギー密度が１００Ｗｈ／ｌ以上であることが好ましい。この出力値、エネルギー密度値が小さい場合、蓄電システム用途では、充分なシステム容量或いは出力を得る為に電池の直並列数を増やす必要があること、又、コンパクトな設計が困難となることから、蓄電システム用途としては好ましくない。従って、単電池は、好ましくはその体積が２０ｃｍ^３以上、更に好ましくは５０ｃｍ^３以上である。

本発明のモジュールに用いる蓄電デバイス（単電池）は、扁平形状をしており、具体的な厚さは、容量、エネルギー密度に応じて適宜決定されるが、好ましくは２０ｍｍ未満であり、更に好ましくは１５ｍｍ未満であり、期待する放熱特性が得られる最大厚さで設計することが好ましい。又、エネルギー密度の観点から２ｍｍ以上、好ましくは４ｍｍ以上が望ましい。

前記電池容器を構成する上蓋１、底容器２の材質としては、負極側に用いる場合、ステンレス、銅、ニッケル、鉄或いはそれらを主体とする合金等が主要部材として用いられ、正極側に用いる場合アルミニウム或いはアルミニウムを主体とする合金等を用いる事が単電池の重量エネルギー密度、耐食性、コストの観点から望ましい。又、上記金属板と樹脂との積層体を用いることも可能である。

前記電池容器を構成する上蓋１及び底容器２の厚さは、単電池の用途、容器の材質等により適宜決定され、特に限定されるものではないが、好ましくは、その電池表面積の８０％以上の部分の厚さ（電池容器を構成する一番面積が広い部分の厚さ）が０．０５ｍｍ以上である。厚さが０．０５ｍｍ未満では、単電池の製造及び取扱いに必要な強度が得られないという問題があり、この観点から、より好ましくは厚さ０．１ｍｍ以上である。又同部分の厚さは、０．３ｍｍ以下であることが望ましく、この厚さが０．３ｍｍを超えると、機械的強度は大きくなるが、単電池の内容積が減少しエネルギー密度が低下する傾向にある。

本発明のモジュールに用いる扁平形状を有する蓄電デバイス（単電池）は、電極面を挟持し押圧する力が弱くなる場合、内部抵抗が増大し、サイクル寿命が低下して電池性能に影響を与えることがある。これらの問題に対しては、例えば、次に説明する様に、単電池内を大気圧未満にして封口することが可能である。

図４に示す様に、上蓋１には、電解液の注液口３が開けられており、電解液注液後、注液用の穴を熱可塑性樹脂フィルム或いは熱可塑性樹脂フィルムと金属箔との積層体を用いて、４００００Ｐａ以下の減圧下で封口する。例えば、アルミニウム−変成ポリプロピレンラミネートフィルムからなる封口フィルム４を用いて、封口される。この場合、封口フィルム４は、単電池内部の内圧が上昇したときに解放する為の安全弁を兼ね備えることができる。封口フィルム４による最終封口工程後の電池容器内の圧力は、大気圧未満であり、好ましくは４００００Ｐａ以下、更に好ましくは１３０００Ｐａ以下である。この圧力は、使用するセパレータ、電解液の種類、電池容器の材質及び厚み、単電池の形状等を加味して決定されるものである。内圧が大気圧以上の場合、単電池厚みが、設計値より大きくなる。或いは、単電池の厚みバラツキが大きくなり、単電池の内部抵抗及び容量にバラツキが発生する原因となる為、好ましくない。

本発明のモジュールは、上記蓄電デバイス（単電池）を複数直列にしたモジュールであり、隣接する蓄電デバイス間を上蓋又は底容器の広平面部に導電性部材を介して、電気的に接続することを特徴とする。ここで直列とは、２個以上の複数個からなる蓄電デバイスを直列或いは直列と並列の複合により、電気的に接続されたものである。又、家庭用分散型蓄電システム、電気自動車、ハイブリッド車等の蓄電システムに用いる場合、通常直列にする蓄電デバイス（単電池）は４個以上、制御面から考えると１０個以下である。

図８は、本実施形態の一例である蓄電デバイスモジュールを示す側面図である。図８に示すように、モジュール１０１は、蓄電デバイス１０２と導電体部材１０３を交互に積層し、電気的に接続されている。電気的接続の方法は、特に限定されるものではなく、目的とする蓄電デバイスモジュールにおいて、接続による抵抗が要求される性能に対し大きな影響を与えないよう適宜決定される。その方法の具体例としては、例えば、ＡＢＳ樹脂からなる絶縁性のモジュール外装部材１０４に収納することにより、単電池１０２と導電性部材１０３は圧接され、各単電池を電気的に接続することができる。又、単電池と導電性部材の接続面に、導電性ペーストを塗布し、接着する方法も可能であり、導電性部材を上蓋１、底容器２と溶接し電気的に接続することもできる。接続面に導電ペーストを塗布することにより接続面の信頼性、耐久性、且つ接続抵抗の低減が期待できる。又、積層された単電池と導電性部材を外部から拘束することにより接続することも可能であり、この場合、拘束により導電性部材が単電池を押えることで、単電池の膨れを抑制し、信頼性、耐震動性の向上が期待できる。更には、導電性部材の接続面に弾性を有する第２の導電性部材を介して、圧接することも考えられる。これまで説明した導電性部材を介する隣接単電池同士の接続については、全ての単電池を接続するのが望ましいが、場合により一部の隣接単電池は他の接続の方法を用いて、電気的に接続することもできる。

図８に示す蓄電デバイス（単電池）１０２については、正極、負極、セパレータからなる２層以上の電極が積層された電極積層体を蓄電デバイス容器内に収容した扁平形状であり、蓄電デバイス容器が金属板のみ或いは金属板と樹脂との積層体より構成される上蓋及び底容器からなり、電極積層体における正極或いは負極のいずれか一方が上蓋へ電気的に接続され、もう一方の極が底容器へ電気的に接続され、上蓋と底容器は周囲部分で絶縁性樹脂を介して重ね合わせ接合され、上蓋と底容器が外部端子を兼ねる蓄電デバイス（単電池）を用いることができる。従って、蓄電デバイス（単電池）１０２を隣接する蓄電デバイス間を上蓋又は底容器の広平面部に導電性部材を介して、電気的に接続することにより得られるモジュール１０１は、部品点数も少なく組立工程が容易である為、製造コストの削減が可能である。

ここで導電性部材１０３は、隣接する蓄電デバイス（単電池）間を電気的に接続する部材であり、導電性が高い材質が望ましく、要求されるモジュールの出力、導電性部材の厚さ、接触面積により適宜決定すべきものであるが、例えば体積抵抗率が１０^２Ω・ｃｍ以下が好ましい。より好ましくは１０^０Ω・ｃｍ以下、更に好ましくは１０^―３Ω・ｃｍ以下である。一般的に、導電性が高い材質は熱伝導性が高い為、放熱部材を兼ねることができる。よって、高率充放電に伴う単電池の内部蓄熱を均一に放熱し、寿命の低下を抑制することが期待される。

上記導電体部材１０３の材質としては、上記の通り導電性に優れた材質であれば、特に限定されないが、例えば金属類、炭素系材料、導電性樹脂類、導電性ゴム類等から選ばれる少なくとも１種か複数種で構成された材質が考えられる。複数の単電池を電気的に接続するには、体積抵抗率、放熱性を重視する場合は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル等を主体とする金属が例示される。

導電体部材１０３の厚さは、目的とするモジュールのエネルギー密度、導電体部材の放熱性、材質、形状に応じて適宜決定されるが、好ましくは０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。厚さが０．２ｍｍ未満では、充分な放熱を得ることが難しくなり好ましくない。又、５ｍｍ以上では、モジュール体積が増大し、モジュールとしてのエネルギー密度が低下する。モジュールのエネルギー密度を重視する場合、好ましくは２ｍｍ以下、更に好ましくは１．５ｍｍ以下が望ましい。

蓄電デバイス（単電池）１０２の上蓋又は底容器より導電性部材１０３の一部が、例えば図８に示されるように、はみ出していることがより好ましい。この様に導電性部材が単電池からはみ出すことにより、そのはみ出した部分より単電池の放熱性を向上させることが可能となる。前記単電池に対する導電性部材のはみ出し面積は、該導電性部材の放熱特性により適宜決定される。しかし、この構造は放熱性を向上させる反面、単電池よりはみ出した部分が大き過ぎると、モジュール体積が増大し、エネルギー密度が低下することから、電池外寸内に収めることが望ましい。

次に、本発明のモジュールに用いる導電性部材の形状につき、更に好ましい形状について説明する。図９は、図１に示す導電性部材１０３の形状の一例を示す平面図及び側面図である。

導電性部材の形状は、高率充放電による温度上昇に対し、優れた放熱特性を望まれる自動車用途等においては、導電性部材が空隙を有し、その空隙が外気を連通する為の通気路を所持する形状が望ましい。前記空隙が外気を連通することにより、より大きな放熱効果が期待される。前記導電性部材の空隙は、単電池の広平面部との接続面に、凹凸形状を有することが好ましく、その凹凸形状は、単電池との接触面積の観点より、図９に示す導電部材１０３の端面部から端面部への溝加工品等が考えられる。その導電性部材の溝が、外気を連通させる為の通気路となり、単電池の放熱性が向上する。前記導電性部材が溝加工品の場合、溝は所定の間隔で構成される。前記溝幅は、広過ぎると単電池の押圧が不均一となり、狭すぎると外気を連通する通気路が小さくなる為、この観点より１ｍｍ以上５ｍｍ以下が望ましい。更に好ましくは２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

蓄電デバイス（単電池）１０２の上蓋又は底容器の広平面部と導電性部材１０３の広平面部の接触面積は、特に限定されないが、例えば拘束で電気的に接続する場合においては、接触面積が重要となり、好ましくは単電池の上蓋又は底容器の広平面部面積の２０％以上である。２０％未満では、接触面積が小さくなることにより、単電池と導電部材間の低抵抗接続を維持することが難しい場合があるからである。又、接触面積が単電池の表面積の７０％以上では、導電性部材自体の重量が重くなることにより、モジュールとしての重量エネルギー密度が低くなることから望ましくない。

以下、リチウムイオン電池系を一例とし、本発明の実施例を示し具体的に説明する。本発明は、これら実施例の記載により限定されるものではなく、その他の電池系やキャパシタ等にも適用可能である。

（１）まず、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物としてＬｉＮｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、導電材である高比表面積天然黒鉛（ＢＥＴ法比表面積＝２５０ｇ／ｍ^２）及びアセチレンブラックとを乾式混合した。バインダーであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を溶解させたＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）中に、得られた混合物を均一に分散させて、スラリー１を調製した。次いで、スラリー１を集電体となるアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥した後、プレスを行い、正極を得た。

正極中の固形分重量比は、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物：高比表面積天然黒鉛：アセチレンブラック：ＰＶＤＦ＝９２：３：２：３となるよう調製した。

図１０−（ａ）は、正極の説明図である。本実施例において、正極１１の塗布面積（Ｗ１×Ｗ２）は、１０９×７９ｍｍ^２である。又、電極の短辺側には、スラリー１が塗布されていない集電体の一部１６ａが設けられている。

（２）二重構造黒鉛粒子は、天然黒鉛（平均粒径２５μｍ、タップ密度０．８６ｇ／ｃｍ^３）と石油ピッチ（軟化点２５０℃、トルエン不溶分３０％）を混合・焼成して得た。

（３）上記（２）で作製した二重構造黒鉛粒子（黒鉛粒子コアの（００２）面の面間隔（ｄ００２）＝０．３４ｎｍ未満、被覆層の（００２）面の面間隔（ｄ００２）＝０．３４ｎｍを越える）および導電材である人造黒鉛を乾式混合した後、バインダーであるＰＶＤＦを溶解させたＮＭＰ中に均一に分散させ、スラリー２を調製した。次いで、スラリー２を集電体となる銅箔の両面に塗布し、乾燥した後、プレスを行ない、負極を得た。

負極中の固形分比率（重量比）は、二重構造黒鉛粒子：人造黒鉛：ＰＶＤＦ＝９３：２：５となるよう調製した。

図１０−（ｂ）は、負極の説明図である。負極１２の塗布面積（Ｗ１×Ｗ２）は、１１０×８１ｍｍ^２である。又、電極の短辺側には、スラリー２が塗布されていない集電体の一部１６ｂが設けられている。

更に、上記と同様の手法により片面だけにスラリー２を塗布し、片面電極を作製した。片面電極は、後述の（４）項の電極積層体において外側に配置される（図２中１３）。

（４）上記（１）項で得られた正極１０枚と上記（２）項で得られた負極１１枚（内片面２枚）とを、セルロース抄紙とポリエチレン製微孔膜とを重ね合わせたセパレータ１４を介して交互に積層し、電池容器との絶縁の為に外側の負極１３の更に外側にセパレータ１４を配置し、電極積層体を作製した。

（５）図４に示す様に、厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４製薄板を深さ４．８ｍｍに絞り幅９１ｍｍ、長さ１２９ｍｍの底容器２を作製した。底容器２は２ｍｍ幅のフランジを備えている。上蓋１は、厚さ０．２ｍｍのＭｎ−Ａｌ系合金３００３製薄板により幅９１ｍｍ、長さ１２９ｍｍで作製した。次いで、厚さ０．1ｍｍ、幅９１ｍｍ（内寸８５ｍｍ）、長さ１２９ｍｍ（内寸１２３ｍｍ）の枠状に裁断した絶縁性樹脂５を、上蓋１及び底容器２に熱溶着した。

（６）次いで、（５）で得られた上蓋１及び底容器２（図６ａ）を用いて、超音波アンビル上面に、上蓋１の上に上記（４）項で作製した電極積層体の正極集電体より、正極集電体の一部１６ａを重ねた上方より超音波チップを押し当て溶接した（図６ｂ）。次いで、超音波アンビル上面に、底容器２に負極集電体より負極集電体の一部１６ｂを重ねた上方より超音波チップを押し当て溶接した（図６ｃ）。図６ｄに示す様に、電極積層体を上蓋１に密着させた状態で、負極集電体の一部１６ｂを折り曲げて底容器２を取り付け固定した。

上記工程の後、絶縁性樹脂５を介した上蓋１及び底容器２の外周部は、ヒートシールにより、接合部は加熱しながら、接合部周囲は冷却して接合した。

次いで、図７に示す注液口３（直径６ｍｍ）から、電解液（エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートを体積比３０：７０に混合した溶媒に、全溶媒重量の２重量％に相当する量のビニレンカーボネートを加えた後、１ｍｏｌ／ｌの濃度にＬｉＰＦ_６を溶解した溶液）を注液した。次いで、大気圧下で樹脂テープを用いて注液口３を一旦封口した。

（７）２５℃中でこの電池を１Ａの電流で４．２Ｖまで充電した後、４．２Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を合計８時間行い、続いて１Ａの定電流で３Ｖまで放電した。

（８）次に、電池の仮封口を取り外した後、容器内部が４００００ＰＡの減圧下となる様に、直径８ｍｍに打ち抜いた厚さ０．０８ｍｍのアルミニウム箔−変性ポリプロピレンラミネートフィルムからなる封口フィルム４を、温度２５０〜３５０℃、圧力１〜３ｋｇ／ｃｍ^２、加圧時間５〜１０秒の条件で熱融着することにより、注液口３を最終的に封口し、幅９１ｍｍ、高さ１２９ｍｍ、厚さ５．３ｍｍの扁平形状の単電池を得た。

（９）２５℃中でこの単電池を用いて１Ａの電流で４．２Ｖまで充電した後、４．２Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を合計８時間行い、続いて１Ａの定電流で３Ｖまで放電し、容量を測定したところ、４．４９Ａｈの容量が得られた。この単電池のエネルギーは１７．６Ｗｈであり、エネルギー密度は２８３Ｗｈ／ｌであった。

（１０）次に、幅９１ｍｍ、高さ１０９ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの銅板を用いて、溝幅２ｍｍ、溝間隔４ｍｍ、溝深さ１ｍｍの寸法で、図９に示す様に広面部の表裏で溝部が互い違いな位置関係となるように加工し、導電性部材１０３を得た。

（１１）上記単電池７枚、導電性部材８枚を用い、図８に示すように単電池１０２と導電性部材１０３を交互に積層し、幅９７ｍｍ（内寸９３ｍｍ）、高さ１３５ｍｍ（内寸１３１ｍｍ）、厚さ５３．１ｍｍ（内寸４９．１ｍｍ）のモジュール外装部材５に収納し、圧接することにより直列接続されたモジュール１０１を作成した。

（１２）（１１）で得られたモジュール１０１を用いて、２５℃中で１Ａの電流で２８．７Ｖまで充電した後、２８．７Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を合計８時間行い、続いて１Ａの定電流で２１Ｖまで放電し、容量を測定したところ、４．４Ａｈの容量が得られた。この蓄電デバイスのモジュールの内部抵抗は１ｋＨｚの交流インピーダンス値が８７．９ｍΩ、エネルギーは１１０．９Ｗｈであり、エネルギー密度は１５９．５Ｗｈ／ｌであった。
（比較例）

（１）単電池の外部接続用に、周囲部より外側に幅３０ｍｍ、長さ１５ｍｍの外部端子を設けた以外は、実施例と同様の図１１に示す単電池２０２を用いて、幅９７ｍｍ（内寸９３ｍｍ）、高さ１５５ｍｍ（内寸１５１ｍｍ）、厚さ５６．６ｍｍ（内寸５２．６ｍｍ）のモジュール外装部材２０３に、前記単電池７枚を電池間の隙間が１．５ｍｍ、各単電池が直列に接続になるよう収納し、端子間接続部材２０４を用いてボルトにて締結し、図１２に示すモジュール２０１を作成した。

（２）（１）で得られたモジュール２０１を用いて、２５℃中で１Ａの電流で２８．７Ｖまで充電した後、２８．７Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を合計８時間行い、続いて１Ａの定電流で２１Ｖまで放電し、容量を測定したところ、４．４Ａｈの容量が得られた。この蓄電デバイスのモジュールの内部抵抗は１ｋＨｚの交流インピーダンス値が８９．１ｍΩ、エネルギーは１１０．９Ｗｈであり、エネルギー密度は１３０．３Ｗｈ／ｌであった。

実施例と比較例より、実施例は簡便且つ組み立てが容易な電気的接続構造を有し、比較例と同じ放熱スペースを有するにも係わらず、内部抵抗は同等であり、エネルギー密度が２０％以上向上できる。又、比較例において単電池間の放熱スペースなく組み立てたモジュールの場合、エネルギー密度は１５８．９Ｗｈ／ｌと実施例と同等であるが、放熱スペースを所持していないことから信頼性、安全性に問題を生じる。

本発明の蓄電デバイスモジュールは、簡便且つ組み立てが容易な電気的接続構造を有し、部品占有部分を必要最低限に抑えることができ、モジュールの高エネルギー密度化が可能となり、放熱性に優れ、大電流負荷にも対応できる。又、蓄電デバイスと電気的に接続する導電性部材が、電気的接続部材及び放熱部材を兼ねることから、放熱性に優れ、特に、エネルギー容量、出力、安全性、信頼性、コスト要求の高い中大型蓄電デバイスを用いた蓄電システム分野において、その効果が大きい。

本発明のモジュールを構成する単電池を示す平面図及び側面図である。 図１に示す蓄電デバイス（単電池）の内部に収納される電極積層体の積層方式における断面図である。 図１に示す蓄電デバイス（単電池）の内部に収納される電極積層体の巻回方式における断面図である。 図１に示す蓄電デバイス（単電池）の上蓋と底容器、絶縁性樹脂の平面図及び側面から見た断面図である。 正極集電体或いは負極集電体を上蓋又は底容器に接続する溶接工程を示す断面図である。 図５に示す溶接工程の説明図である。 図１に示す蓄電デバイス（単電池）の正極及び負極が上蓋と底容器に接続された状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態である蓄電デバイスモジュールの構造を示す側面図である。 図８に示す導電性部材の形状の一例を示す平面図及び断面図である。 図２に示す電極積層体を構成する正極、負極、及びセパレータの平面図である。 比較例のモジュールを構成する蓄電デバイス（単電池）を示す平面図及び側面図である。 比較例における蓄電デバイスモジュールの構造を示す側面である。

符号の説明

１ 上蓋
２ 底容器
３ 注液口
４ 封口フィルム
５ 絶縁性樹脂
６ 金属板
７ 樹脂フィルム
１１ 正極（両面）
１２ 負極（両面）
１３ 負極（片面）
１４ セパレータ
１５ａ 正極集電体
１５ｂ 負極集電体
１６ａ 正極集電体の一部
１６ｂ 負極集電体の一部
Ａ 上蓋へ正極集電体の一部を接続する位置
Ｂ 底容器へ負極集電体の一部を接続する位置
１０１ モジュール
１０２ 蓄電デバイス（単電池）
１０３ 導電性部材
１０４ モジュール外装部材
２０１ モジュール
２０２ 蓄電デバイス（単電池）
２０３ モジュール外装部材
２０４ａ 端子間接続部材
２０４ｂ 端子間接続部材

Claims (3)

1. 扁平形状の蓄電デバイス（単電池）を複数直列にした蓄電デバイスモジュールであって、
   前記蓄電デバイスは、正極、負極、セパレータからなる２層以上の電極が積層された電極積層体を蓄電デバイス容器内に収容した扁平形状であり、蓄電デバイス容器が金属板のみにより構成される上蓋及び底容器からなり、電極積層体における正極或いは負極のいずれか一方が上蓋へ電気的に接続され、もう一方の極が底容器へ電気的に接続され、上蓋と底容器は周囲部分で絶縁性樹脂を介して重ね合わせ接合され、上蓋と底容器が外部端子を兼ねており、
   前記蓄電デバイスモジュールは、導電性部材を介して前記蓄電デバイスを複数直列に接続し、その隣接する蓄電デバイス間の接続は、隣接する蓄電デバイスの一方の上蓋の広平面部と他方の底容器の広平面部を対向させて、厚さが０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下である板状の導電性部材を介して、電気的に接続し、前記導電性部材が、凹凸形状を有する板状であり、外気が連通する空隙を有することを特徴とする蓄電デバイスモジュール。
2. 前記蓄電デバイスの上蓋又は底容器の広平面部より導電性部材の一部がはみ出していることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスモジュール。
3. 前記導電性部材と上蓋又は底容器の広平面部の接触面積が、上蓋又は底容器の広平面部面積の２０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄電デバイスモジュール。

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