JP5509684B2 - 電池パック - Google Patents
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Description
ほかに、示差走査熱量測定(Differential scanning calorimetry:DSC)の変曲点や圧力一定の下で、固体の単位長さの1℃当たりの延びを測定する線膨張率の変化点などを用いても良い。
本発明の電池パックの外装材を構成する形状維持ポリマーは、ポリオール及びポリイソシアネートを含む絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂を含有するものである。
本明細書において、絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂とは、25±5℃、65±5%RHで測定した体積固有抵抗値(Ω・cm)が、1010Ω・cm以上の硬化物となるものを言い、絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂は、1011Ω・cm以上の硬化物となるものがより好ましい。更に、絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂は、誘電率が6以下(1MHz)であり、絶縁破壊電圧が15kV/mm以上の硬化物となるものであることが好ましい。体積固有抵抗値の測定は、JIS C2105の規定により、25±5℃、65±5%RHで、サンプル(厚さ:3mm)に500Vの測定電圧を印加して60秒後の数値を測定することによって行う。
また、脂肪酸と反応するポリオールとしては、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサメチレングリコール及びジエチレングリコール等のグリコール、3官能ポリオールであるグリセリン、トリメチロールプロパン及びトリエタノールアミン、4官能ポリオールであるジグリセリン及びペンタエリスリトール、6官能ポリオールであるソルビトール、並びに8官能ポリオールであるマルトース及びスクロースから成る群より選ばれた少なくとも1種のものが挙げられる。その他、これらのポリオールに相当するアルキレンオキサイドと脂肪族、脂環族、芳香族アミンとの付加重合物や、該アルキレンオキサイドとポリアミドポリアミンとの付加重合物等が挙げられる。
また、アルキレンオキサイドとしては、例えばエチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド及びα−オレフィンオキサイドから成る群より選ばれた少なくとも1種のものが挙げられる。
これら触媒はそのまま用いてもよいし、酢酸エチル等の溶媒に、濃度が0.1〜20%となるように溶解して、イソシアネート100重量部に対して、固形分として0.01〜5重量部となるよう添加してもよい。このように、上記触媒の配合量は、そのまま、あるいは溶剤に溶解した状態のいずれの場合においても、固形分として、イソシアネート100重量部に対して0.01〜5重量部となるよう添加するのが好ましく、特に好ましくは0.05〜1重量部である。触媒の配合量が0.01重量部未満のように少な過ぎると、ポリウレタン樹脂成形体の形成が遅く、樹脂状に硬化せず成形が困難となる。逆に、5重量部を超えると、樹脂の形成が極端に速くなり、電池パックの外装材を構成する形状維持ポリマーとして成形しにくいからである。
上記の添加剤のうち、例えば難燃剤としては、トリエチルフォスフェート、トリス(2,3ジブロモプロピル)フォスフェート等を用いることができる。
また、その他の添加剤としては、三酸化アンチモン、ゼオライト等の充填剤や顔料、染料等の着色剤を用いることができる。
電池パックを構成する外装材は、上記形状維持ポリマーの他に、金属酸化物か金属窒化物等を含むフィラー材を含有させたものを用いることが好ましい。そのため、上記絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂を含有する形状維持ポリマーは、フィラー材との親和性、相溶性及び反応性を有するものであることが好ましい。また、形状維持ポリマーは、金属ラミネートフィルムとの密着性が良好であり、寸法安定性や成型性に優れるものが更に好ましい。
上記金属酸化物フィラー又は金属窒化物フィラーとしては、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)の酸化物若しくは窒化物、又は、これら酸化物若しくは窒化物の任意の混合物を挙げることができる。このような金属酸化物又は金属窒化物フィラーは、この外装材の硬さ及び熱伝導性を向上する機能を果たし、形状維持ポリマーを含む層と接触した状態で、金属酸化物フィラー又は金属窒化物フィラーを含む層を配置してもよく、この金属酸化物フィラー又は金属窒化物フィラーを形状維持ポリマーを含む層に混入してもよい。この場合、形状維持ポリマー層の全体に亘って、金属酸化物フィラー又は金属窒化物フィラーが均一に散在していることが好ましい。
本発明の電池パックは、外装材として、上記絶縁性の硬化性ポリウレタン樹脂を形状維持ポリマーとして含有するものを用いることによって、寸歩精度、耐衝撃性及び機械的強度がいずれも高く、小型(薄型)軽量化することができる。
このような外装材は、以下の物性値を有するものであることが好ましい。
外装材は、平常時には、優れた耐衝撃性及び機械的強度を有するものであり、一方、異常時には、電池から発生するガスを容易に外部に放出できるように、壊れ易くなるものであることが好ましく、このような外装材を構成する形状維持ポリマーとして硬化性ポリウレタン樹脂を用いることが好ましい。
この条件を満たすために、形状維持ポリマーを含む外装材は、ガラス転移点が、電池パックを平常使用する温度以上であり、且つ、異常時における温度以下のものであることが好ましい。
上記ガラス転移点が45℃未満であると、形状維持ポリマーを含む外装材のガラス転移点が平常時の温度を下回る場合があり、平常時において形状維持ポリマーを構成する高分子の熱運動が抑制されにくくなって、硬化性が保持されにくくなり、優れた機械的強度が発現され難くなるため好ましくない。
一方、ガラス転移点が130℃を超えると、形状維持ポリマーを含む外装材のガラス転移点が異常時における温度を上回る場合があり、異常時に形状維持ポリマーを構成する高分子の熱運動が抑制されて、外装材が破壊され難く、異常時に発生したガスを早期に外部へ逃がすことが難しくなるため好ましくない。
上記外装材の上記デュロメータD硬さがD30〜D99であると、耐衝撃性及び機械的強度が高い外装材を構成することができるため、好ましい。
なお、上記外装材は、JIS K7215に規定された標準環境(温度23℃±2℃及び50±5%RH)で測定したデュロメータD硬さよりも、異常時の温度、例えば60℃以上の温度で測定したデュロメータD硬さの方が小さいものであることが好ましい。異常時の温度下で、外装材の硬さが、標準時における硬さよりも小さくなると、異常時に発生したガスによって、外装材が開裂し易くなり、万一外装材が開裂した場合であっても早期にガスを外部に逃がすことができる。
厚みが1000μmを超えると、この外装材を用いて製造した電池パックでも、体積エネルギー密度の点でメリットを発揮し難いことがある。
さらに好ましくは厚みが300μm以下であり、電池パックに要求される耐衝撃性及び機械的強度を満たすものであれば、薄い程よい。
形状維持ポリマーとフィラーとの併用は、従来のアルミニウム金属や熱可塑性樹脂と金属の併用よりも、高強度で且つ耐衝撃性に優れるため、同等の強度が必要であれば薄く製造することで体積エネルギー密度を高めることができる。また、厚くすれば、従来よりも更に高強度で信頼性の高い電池パックを得ることができる。更に、電池のサイズや形状選択が自由であることから、サイズが大きい自転車や自動車、バックアップ電源といった大型電池にも適用でき、必要な部位に必要な強度で設計できる設計自由度を持っている。
図4に示す電池パックPは、概略を説明すると、複数の電池20と、これらの電池を電気的に接続して電池群Gを形成する接続部材31と、前記電池20同士を拘束する保持手段としての保持部材33Aと、保護回路基板32と、電池群G及び保護回路基板32を収容したケース(成形型)C内の空処に樹脂を充填して100℃以下で硬化することで電池群G、保護回路基板32及び保持部材33A等を一体的に被覆する外装材18を備えている。図示例の外装材18は、電池20の端子を外部に導出した状態にして電池群G及び保護回路基板32等を一体的に被覆する。
例えばアルミラミネートフィルムとして、アルミニウム層の両面に接着層と表面保護層が配設された積層構造を有するものを用いることができる。このようなアルミラミネートフィルムとしては、内側、すなわち電池素子10の表面側から順に、接着層としてのポリプロレン(PP層)、金属層としてのアルミニウム層及び表面保護層としてのナイロン層又はポリエチレンテレフタレート層(PET層)が配したものを好適に用いることができる。
図2は、包装体であるラミネートフィルム17に外装・収容される電池素子10の構造を示す斜視図である。同図において、電池素子10は、帯状の正極11と、セパレータ13aと、正極11と対向して配置された帯状の負極12と、セパレータ13bとを順に積層して、長手方向に巻回して形成されており、正極11及び負極12の両面にはゲル状電解質14が塗布してある。
[正極]
正極は、正極活物質を含有する正極活物質層を正極集電体の両面状に形成されたものである。正極集電体は、例えばアルミニウム(Al)箔などの金属箔により構成され、一方、正極活物質層は、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成される。ここで、正極活物質、導電剤、結着剤及び溶剤は、均一に分散していればよく、その混合比は問われない。
LiXMO2…(1)
(式中のMは少なくとも一種の遷移金属を示し、Xは電池の充放電状態によって異なるが、通常は0.05〜1.10である)で表されるリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることができる。なお、リチウム複合酸化物を構成する遷移金属(M)としては、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)等を用いることができる。
また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能であり、LiNi0.5Co0.5O2やLiNi0.8Co0.2O2等をその例として挙げることができる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。更に、正極活物質としてTiS2、MoS2、NbSe2及びV2O5等のリチウムを有しない金属硫化物又は酸化物を使用してもよい。これらの正極活物質は、単独で又は複数種を混合して用いてもよい。
負極は、負極活物質を含有する負極活物質層が負極集電体の両面上に形成されたものである。負極集電体は、例えば銅(Cu)箔、ニッケル箔又はステンレス箔などの金属箔により構成される。
具体的にリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としては、グラファイト、難黒鉛化炭素及び易黒鉛化炭素等がある。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス)、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、及び活性炭等の炭素材料を使用することができる。
さらに、リチウムをドープ・脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やSnO2等の酸化物を使用することができる。
は、例えば銅、ニッケル等がある。
また、正極端子15a及び15bの接続箇所は、電気的接触がとれているのであれば、取り付ける場所や取り付ける方法は上記の例に限定されない。
電解液としては、リチウムイオン電池に一般的に使用される電解質塩と非水溶媒が使用可能である。
リチウム塩を溶解する濃度は、上記非水溶媒に溶解することができる濃度であれば問題はないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して0.4mol/kg〜2.0mol/kgの範囲であることが好ましい。
マトリクスポリマは、上記非水溶媒に上記電解質塩が溶解されてなる非水電解液に相溶可能であり、ゲル化できるものであればよい。このようなマトリクスポリマとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、及びポリメタクリロニトリルを繰り返し単位に含むポリマーが挙げられる。このようなポリマーは、一種類を単独で用いてもよいし、二種類以上を混合して用いてもよい。
セパレータは、例えばポリプロピレン(PP)若しくはポリエチレン(PE)などのポリオレフィン系の材料から成る多孔質膜、又はセラミック製の不織布などの無機材料から成る多孔質膜により構成され、これらの二種以上の多孔質膜を積層した構造としてもよい。中でも、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質フィルムが最も有効である。
上記のようにして作製したゲル状電解質溶液を正極11及び負極12に均一に塗布し、正極活物質層及び負極活物質層に含浸させた後、常温で保存するか、若しくは乾燥工程を経てゲル状電解質層14を形成する。
次いで、この電池素子10をラミネートフィルム17の凹部(空所)17aに収容して外装し、ゲル状非水電解質二次電池を得る。
また、アルミラミネートフィルム17で電池素子10を収容及び封止を行った後、図3(A)(B)に示すように、電池素子10が収容された凹部17aの両側の部分(以下、サイド封止部と適宜称する)17bを、凹部17aの方向に向けて折り曲げる。
80゜未満では、凹部17aの両側に設けられたサイド封止部17bが開きすぎて電池20の幅が広くなってしまい、電池20の小型化及び電池容量の向上が困難となる。また、上限値の100゜は凹部17aの形状によって規定される値であり、扁平型の電池素子10を収容する場合、折り曲げ角度の限界値は100゜程度となる。なお、サイド封止部17bにおける熱溶着の幅は、好ましくは0.5〜2.5mm、より好ましくは1.5〜2.5mmである。
上記の電池20、すなわち正極11、負極12及びセパレータ13a,13bから成る電池素子10を包装体であるラミネートフィルム17で包装した電池20は、図5に示す如く、正極端子15a及び負極端子15bを外部に導出状態にしている。また、図4に示す電池パックPでは、上記電池20を複数(図示例では4個)備え、これらの電池20を接続部材31により電気的に接続して電池群Gを形成すると共に、前記電池20同士を保持手段である保持部材33Aにより互いに拘束する。
外装材(樹脂)の特性、すなわち形状維持ポリマー及び無機フィラーの種類、荷重撓み温度、ガラス転移点、伸び率及び硬化方式(硬化温度)を夫々異ならせて、先述の製造方法に従って、夫々の外装材で電池群を一体的に被覆した電池パックを作成した。そして、各例の電池パックについて、以下の性能評価を行った。
定格エネルギー密度(Wh/l)=(平均放電電圧(V)×定格容量(Ah))/電池体積
なお、1Cは、電池の理論容量を一時間で放出可能な電流値を示す。
なお、振動試験においては、定期的に電圧モニタ用タブを介して、各電池の各層の電圧を監視し、各層の平均電圧から0.05V以上電圧降下した層があった電池を異常電池としてその数を記録し、平均値の集計から除外した。
外装材の樹脂、樹脂に含有する吸熱剤、吸熱剤の種類(組成)、吸熱開始温度、添加量及び硬化方式(硬化温度)を夫々異ならせて、先述の製造方法に従って、夫々の外装材で電池群を一体的に被覆した電池パックを作成した。そして、各例の電池パックについて、以下の性能評価を行った。
Claims (12)
- 正極と負極とをセパレータを介して巻回又は積層して成る電池素子を包装体で包装した複数の電池と、
これらの電池を電気的に接続して電池群を形成する接続部材と、
前記電池の横断面に相当する形態をなし、前記複数の電池のそれぞれの配置に対応して形成された複数の開口のそれぞれに、前記複数の電池のそれぞれを嵌合することにより、前記電池同士を互いに拘束する保持手段と、
前記電池群に接続した保護回路基板と、
前記電池群、前記保護回路基板及び前記保持手段を収容した成形型の空処に樹脂を充填して100℃以下で硬化することで前記電池群、前記保護回路基板及び前記保持手段を一体的に被覆する外装材と
を備えた電池パック。 - 前記外装材の樹脂が、ウレタン樹脂、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂のうちのいずれかの樹脂を含んでいる請求項1に記載の電池パック。
- 前記外装材の樹脂が、ウレタン樹脂、アクリル樹脂及びエポキシ樹脂のうちのいずれかの硬化性樹脂であると共に、吸熱反応を有する化合物から成る吸熱剤を含有している請求項1に記載の電池パック。
- 前記外装材の樹脂は、JIS K−7113で規定される伸び率が5%以上40%以下である請求項2又は3に記載の電池パック。
- 前記外装材の樹脂は、JIS K−7191で規定される荷重0.45MPaでの荷重たわみ温度が60℃以上、及びガラス転移温度(Tg)が55℃以上のいずれか一方である請求項2又は3に記載の電池パック。
- 前記外装材の樹脂が、Al,Siを含む酸化物及び窒化物のいずれか一方を含んでいる請求項2又は3に記載の電池パック。
- 前記電池素子の包装体が、一層又は二層のフィルムであり、前記フィルムはポリオレフィンフィルムを含んでいる請求項1〜6の何れかに記載の電池パック。
- 前記吸熱剤が、90〜150℃の間に吸熱反応を有する化合物から成る請求項3〜7の何れかに記載の電池パック。
- 前記吸熱反応を有する化合物が、水酸化物、水和物、包接化合物、水和塩及び炭酸化合物のうちの少なくとも一つを含んでいる請求項8記載の電池パック。
- 前記水酸化物が、銅、亜鉛、アルミニウム、コバルト及びニッケルのうちから選択した金属水酸化物である請求項9記載の電池パック。
- 前記水和物が、銅、亜鉛、アルミニウム、コバルト、カルシウム、ジルコニウム、ニッケル及びマグネシウムのうちから選択した金属水和物である請求項9記載の電池パック。
- 前記電池素子の包装体が、アルミラミネートフィルムである請求項1〜11のいずれか1項に記載の電池パック。
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