JP5837271B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に使用する電池モジュールに関する。

近年、電気を動力源とする電気自動車や、エンジンとモータを組み合わせて走行するハイブリッドカーが注目を集めており、これらに搭載する電池モジュールが種々提案されている。

自動車に使用する電池モジュールでは、２００〜３００ボルトの高電圧を得る必要がある。このような電池モジュールにおいては、多数の単体電池を直列に接続して高電圧を得ているため、電池モジュール内において何らかの方法で多数の単体電池を保持する必要がある。

一般的には、多数の電池単体を平板状に並べたり（特許文献１）、それを積層してさらに多数の電池単体を保持する場合もある（特許文献２）。ここで、電池モジュール内の個々の電池単体は、例えば、特許文献１の図６に示されているように、電極タブを挟持することで固定される。

個々の電池単体をその電極タブを挟持することで固定する場合には、自動車に発生する振動が電極タブを通して電池包材（基材層/アルミ層/熱シール層）中のアルミ層に伝わり、当該アルミ層が破断してしまうことがある。アルミ層は外部から電池内部に水蒸気が侵入することを防止するバリア層として設けられたものであるが、これが破断すると当該水蒸気バリアが壊れる。

さらに、アルミ層が破断すると、その内側の熱シール層も破断する。そして、電池内部の電解液が電池包材中のアルミ層に到達し、電解液を介して電池包材中のアルミ層と電極タブとの間で短絡（ショートカット）が発生する。

特開２００３−２４２９５１号公報 特開２００４−３１１３６号公報

したがって、本発明の目的は、振動に起因して、水蒸気バリアが破壊されたり、短絡が発生することのない電池モジュールを提供することである。

本発明は、上記課題を有効に解決するために創案されたものであって、以下の特徴を備えた電池モジュールを提供する。

本発明の電池モジュールは、積層体からなる包材で発電要素を覆ってなる電池単体を複数、外装ケース内に収容してなる。各電池単体の上記積層体を「非金属の基材層」と「熱シール層」とで構成するとともに、上記外装ケースを水蒸気バリア性のある材質で構成している。

上記積層体としては、例えば、「基材層としてのポリエチレンナフタレート層」と「熱シール層としての酸変成ポリオレフィン層」を積層したものを採用できるが、これに限定されるものではない。

上記構成を有する本発明の電池モジュールにおいては、各電池単体の包材中に金属層からなる水蒸気バリアが存在しない。そして、外部から電池内部に水蒸気が侵入するのを防止する水蒸気バリア性は、電池単体を収容する外装ケースにより達成している。

このような電池モジュールにおいては、モジュール内において電極タブを挟持することで各電池単体を固定したとしても（あるいは他の方法で固定したとしても）、水蒸気バリア性は電池単体を収容する外装ケースにより実現されているため、電極タブに伝わる振動が原因となって水蒸気バリア性が損なわれることはない。

また、発電要素を包む包材中に金属層が存在しないため、包材の最内層にクラックやピンホール等が生じて電解液が侵入したとしても、短絡が生じることはない。

なお、包材中に金属層が存在しないため、全体としてガス透過性を有する積層体を使用することも可能であり、その場合には、充放電に伴って電池内部で発生したガスを外部に逃がすことができるので、安全弁等の特別な機構を設けなくても、内圧上昇に起因した包材のクリープ変形や破断等を防止することができる。

さらに、包材中に金属層が存在しないため、次のような利点が得られる。
（１）電池単体を包材で覆う際に包材周縁部をシールするが、このシール工程における熱や圧によって、包材中の熱シール層が薄肉化することがある。その際、熱シール層の内側にアルミ等の金属層が存在すると、当該金属層と電極タブとが接触して短絡が発生する。包材中に金属層が存在しない本発明では、そのような短絡は生じない。
（２）電池包材をプレス成形する場合、金属層にクラックやピンホールが生じて水蒸気バリア性が低下することがある。本発明では、包材中には金属層が存在せず、外装ケースによって水蒸気バリア性を達成しているので、そのような不都合はない。
（３）電池包材の周縁をシールした後、当該シール部に対して折曲げ加工を行う場合、折曲げ工程で熱シール層にクラックが発生することがある。あるいは、電池自体が異常に昇温した場合に、電極から包材中に熱が伝わり、これによって熱シール層にクラックが発生することもある。熱シール層にクラックが発生した場合、包材中に金属層が存在すると、電解液を介して当該金属層と電極タブ（または、電極あるいは集電体）との間で短絡が発生する。包材中に金属層が存在しない本発明では、そのような短絡は生じない。

本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池モジュール１０の概要を説明する概略図である。

≪全体構成≫
図１に示したように、電池モジュール１０は、金属缶等の水蒸気バリア性を有する材料で構成される外装ケース４０に複数の電池単体３０を収容して構成される。外装ケース４０は、その側面に立設して設けられる複数の冷却フィン４１を有している。
外装ケース４０内において、各電池単体３０は直列接続されて大電圧を発生する。外装ケース４０の側面には内部の電池と導通する正極および負極の取出し端子４２、４３が露出している。取出し端子４２、４３の配置は、適宜変更することが可能である。
また、各電池単体３０の充放電を繰り返すうちに発生するガスを外部に逃がすための安全弁機構４４が外装ケース４０の側面に設けられる。
なお、外装ケース４０の内面には、耐電解液性をもたせるために腐食防止層がコーティングされる。

外装ケース４０内への各電池単体３０の装着方法については後述する。

≪電池単体３０の構造≫
図２は、電池単体３０の構造を示す分解斜視図であり、図３は、その組立図である。
電池単体３０は、発電要素３１を外装フィルム３２で封止して構成される。発電要素３１は、それ自体は従来から知られたものである。簡単に説明すると、ポリマー電解質を保持したセパレータの両側に、正極および負極を配置したものであって、正極につながる正極タブ３５および負極につながる負極タブ３６が外部に突出している。

外装フィルム３２は、その中央線３３において２つに折り畳まれて発電要素３１を挟み込むとともに、正極タブ３５および負極タブ３６を外部に突出させた状態で、折畳線３３以外の３方を熱シールすることで、発電要素３１を密封している（図３）。

≪外装フィルム３２の積層構造≫
図２中に部分的に拡大して示したように、外装フィルム３２は２層構造を有していて、非金属の基材層としてのＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）層３２ａの上に、熱シール層としてのＰＰａ（酸変性ポリプロピレン）層３２ｂを有している。

本発明で使用する外装フィルム３２の特徴は、その積層構造中に金属層からなる水蒸気バリア層が存在しないことである。一般には、外部から電池内部に水蒸気が侵入するのを防止するためのバリア層（例えば、アルミ箔層）が外装フィルム中に設けられる。本発明では、外装フィルム中にそのような金属製バリア層を設けてはいない。その代わりに、外装ケース４０に水蒸気バリア性を付与し、これにより、外部から各電池内に水蒸気が侵入することを防止している。

以上の条件が満たされるのであれば、上記ＰＥＮ／ＰＰａの２層構造以外にも適宜の材料を用いて外装フィルムを構成することは可能である。基材層は非金属製であれば足り、また、熱シール層として、ＰＰａ以外の酸変成ポリオレフィン（例えば、酸変成ポリエチレン等）や、その他の材料を採用することができる。
なお、後述するように、外装フィルム３２内に金属層が存在しないことから短絡が生じることもない。

なお、酸変成ポリオレフィンは金属に対する接着性が良好であることから、金属製の電極タブ３５、３６を挟持するようにシールする必要のある電池単体３０に適している。また、ＰＥＮは耐熱性が良好であるから、発熱を伴う電池単体３０に適している。

また、外装フィルム３２をＰＥＮ／ＰＰａの２層構成とするとガス透過性が得られるので、次のようなメリットがある。
すなわち、アルミ層はガスバリア性を有するので、これが存在すると、充放電に伴って電池内部で発生したガスが外部に逃げることができず、内圧が上昇する。そのため、何らかの手段でガスを外部に逃がさないと、クリープや破断等の問題が生じる。
しかし、外装フィルム３２自体がガス透過性を有すると、電池内部で発生したガスが外部に逃げるため、そのような問題は生じない。

≪外装ケース４０の材料≫
外装ケース４０は水蒸気バリア性を有するものであれば足りるので、この条件を満たす適宜の材料（例えば、金属缶、金属層を含む積層体、プラスチック等）で構成することができる。

≪外装ケース４０内での各電池単体３０の固定≫
次に、外装ケース４０内への各電池単体３０の装着方法について説明する。しかし、外装ケース４０内において、各電池単体をどのように固定するかについては、本発明において特に限定されるものではない。

仮に、特許文献１の図６に示されるように、電極タブを挟持する構成を採用したとしても、振動に起因する水蒸気バリアの破損は生じない。何故なら、電極タブを通して振動が外装フィルムに伝達されるとしても、そこには水蒸気バリア層は存在せず、外装ケース４０によって水蒸気バリア性が確保されているからである（他の方法で電池単体３０を外装ケース４０内に固定した場合でも同様に、水蒸気バリアの破損は生じない）。

また、外装フィルム３２の積層構造中に金属層が存在しないので、次のようなメリットがある。すなわち、電極タブから伝わる振動により外装フィルム最内層の熱シール層が破断して、積層構造部にまで電池内部の電解液が達したとしても、そこには、電極タブと導通関係にある金属層は存在しないので、短絡が生じることもない。

なお、電池単体を包む外装フィルム３２（包材）は実際には種々の形態をなすが、あらゆる場合において、包材中に金属層が存在しないことに起因して、種々の利益がもたらされる。例えば、次のようなものである。
（１）電池単体を包材で覆う際に包材周縁部をシールするが、このシール工程における熱や圧によって、包材中の熱シール層が薄肉化することがある。その際、熱シール層の内側にアルミ等の金属層が存在すると、当該金属層と電極タブとが接触して短絡が発生する。包材中に金属層が存在しない本発明では、そのような短絡は生じない。
（２）電池包材をプレス成形する場合、金属層にクラックやピンホールが生じて水蒸気バリア性が低下することがある。本発明では、包材中には金属層が存在せず、外装ケースによって水蒸気バリア性を達成しているので、そのような不都合はない。
（３）電池包材の周縁をシールした後、当該シール部に対して折曲げ加工を行う場合、折曲げ工程で熱シール層にクラックが発生することがある。あるいは、電池自体が異常に昇温した場合に、電極から包材中に熱が伝わり、これによって熱シール層にクラックが発生することもある。熱シール層にクラックが発生した場合、包材中に金属層が存在すると、電解液を介して当該金属層と電極タブ（または、電極あるいは集電体）との間で短絡が発生する。包材中に金属層が存在しない本発明では、そのような短絡は生じない。

次に、図４および図５を参照して、外装ケースの内部構造を幾つか例示的に説明する。各例では、枠体５１、６１は、図１に示したように、冷却フィン４１、取出し端子４２、４３、安全弁機構４４を側面に備えるが、図示は省略している。

≪内部構造１：図４≫
複数のガイド溝５１ａを内面に有する有底の枠体５１内に、複数の仕切板５３を装着して、枠体５１内を複数の領域に区画する。あるいは、一体成形された仕切用成形品５５を枠体５１内に装着して、枠体５１内を複数の領域に区画する。
以上のようにして区画された枠体５１内の各領域内に、粘着テープや適宜の固定具を用いて、電池単体を固定し、その後、不図示の蓋体で密閉する。
なお、仕切板５３または仕切用成形品５５は、いずれも枠体５１よりもやや低く形成されていて、蓋体で密閉した場合にも、区画された各領域は上部において互いに連通する。この連通した空間を利用して、各電池単体３０を電気的に接続する。

≪内部構造２：図５≫
有底の枠体６１内に、それに内接する寸法に成形された成形品６２を挿通する。仕切用成形品６２は複数の区画領域６２ａを有していて、各区画領域内に、粘着テープや適宜の固定具を用いて、電池単体を固定し、その後、不図示の蓋体で密閉する。
なお、仕切用成形品６２は、枠体６１よりもやや低く形成されていて、蓋体で密閉した場合にも、区画された各領域は上部において互いに連通する。この連通した空間を利用して、各電池単体３０を電気的に接続する。

また、図５中に示した有底の枠体６１の内周面に沿って、複数の電池単体を両面テープ等で固定し、その隙間を埋めるように、絶縁性オイルを充填してもよい。絶縁性オイルを充填すると、絶縁性、難燃性、冷却効率の向上が期待できる。

なお、本発明における「水蒸気バリア性を有する外装ケース」とは、図４の例では枠体５１およびその蓋体（不図示）を、図５の例では枠体６１およびその蓋体（不図示）を、それぞれ指す（内部の仕切部材は含まれない）。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールを説明する斜視図。 図１の電池モジュールに収容される各電池単体の分解斜視図。 図２の電池モジュールの組立図。 本発明における電池モジュールの外装ケースの一例を説明する斜視図。 本発明における電池モジュールの外装ケースの他の例を説明する斜視図。

符号の説明

１０ 電池モジュール
３０ 電池単体
３１ 発電要素
３２ 外装フィルム
３２ａ ポリエチレンナフタレート層（基材層）
３２ｂ 酸変性ポリプロピレン層（熱シール層）
３３ 中央線（折畳線）
３５ 正極タブ
３６ 負極タブ
４０ 外装ケース
４１ 冷却フィン
４２ 正極取出し端子
４３ 負極取出し端子
４４ 安全弁機構
５１ 枠体
５１ａ ガイド溝
５３ 仕切板
５５ 仕切用成形品
６１ 枠体
６２ 仕切用成形品
６２ａ 区画領域

Claims (4)

1. 複数の電池単体（３０）と、該複数の電池単体（３０）を収容する外装ケース（４０）とを含む電池モジュールにおいて、
   上記各電池単体（３０）は、発電要素（３１）と、該発電要素（３１）を密封する、積層体からなる包材（３２）と、上記包材（３２）から突出する正極タブ（３５）および負極タブ（３６）とを備え、
   上記積層体は、振動に起因する短絡を防止するため、金属層を含まず、非金属の基材層（３２ａ）と熱シール層（３２ｂ）とで構成されており、
   上記外装ケース（４０）は、水蒸気バリア性のある材質で構成されていて、収容した上記複数の電池単体（３０）を外部の水蒸気から密封遮断していることを特徴とする、電池モジュール。
   
2. 上記包材（３２）は、基材層としてのポリエチレンナフタレート層（３２ａ）と、熱シール層としての酸変成ポリオレフィン層（３２ｂ）の積層体で構成されていることを特徴とする、請求項１記載の電池モジュール。
   
3. 上記包材（３２）がガス透過性を有することを特徴とする、請求項１記載の電池モジュール。
   
4. 上記外装ケースが金属缶（４０）であることを特徴とする、請求項１記載の電池モジュール。

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