JP6020786B2

JP6020786B2 - 二次電池セル及び二次電池モジュール

Info

Publication number: JP6020786B2
Application number: JP2012000842A
Authority: JP
Inventors: 晃一谷山; 和典原口; 耕嗣北田; 香織永田; 棚田　浩; 浩棚田; 拓也宮下
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: JP2013140740A

Description

本発明は、例えば、自動車等の車両に搭載される二次電池セル及び二次電池モジュールの構造に関する。

従来、例えば、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の比較的小型の電子機器用の二次電池として、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池等が知られている。また近年は、電気自動車等の各種車両に搭載される大型の二次電池の開発も進んでいる。

このような二次電池のセル構造としては、例えば、正極板と負極板とがセパレータを介して捲回されることで積層された電極群（電極束）が非水電解液と共に角形の外装部材（ケース）内に収納され、外装部材が蓋部材によって密閉されたものがある。

また、このような構成の二次電池セルは、比較的高温又は比較的低温の状態で使用されることで、劣化が進みやすくなる傾向にある。このため、二次電池セルは、所定温度に適宜調整することが好ましい。例えば、電気自動車等においては、エアコンからの空気を導入することで二次電池セルの温度調整（冷却）を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２６２１４４号公報

しかしながら、エアコンからの空気では、風の当たり方などによって各二次電池セル間に温度差が生じるため、すべての二次電池セルを最適な温度とすることは難しい。

各二次電池セルを所望の温度に調整するために、例えば、熱媒体を供給した供給管を電池ケースに固定して、各二次電池セルの温度調整（冷却又は加温）を行うことが考えられる。これにより各二次電池セルの温度調整が容易となり、二次電池セル間における温度差を減らすことができる。

しかしながら、二次電池セルにおいては、例えば、電極の膨張、電池ケース内部でのガス発生等により電池ケースが変形（膨張）してしまうことがある。そして、電池ケースに供給管を固定した構成では、このような電池ケースの変形に伴って供給管が剥がれてしまうという問題が生じる虞がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、供給管の剥離を抑制して効率的に温度調整を行うことができる二次電池セル及び二次電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、電極束と電解液とが収容される電池ケースと、前記電池ケースの側壁面に固定されて熱媒体が供給される供給管と、を備える二次電池セルであって、前記電池ケースは、前記供給管が固定された固定面部を前記側壁面に備えると共に、前記固定面部とは異なる前記側壁面に、当該固定面部よりも相対的に剛性が低く前記電池ケースの内圧上昇時に曲面を形成することにより前記固定面部の変形を抑制する低剛性面部を備えることを特徴とする二次電池セルにある。

本発明の第２の態様は、第１の態様の二次電池セルであって、前記電池ケースが角形であり、当該電池ケースの相対向する一方の側壁面が前記固定面部を備えており、前記低剛性面部が、前記電池ケースの他方の側壁面に設けられていることを特徴とする二次電池セルにある。

本発明の第３の態様は、第２の態様の二次電池セルであって、前記低剛性面部が、前記電池ケースの他方の側壁面の周縁部のみに設けられていることを特徴とする二次電池セルにある。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れか一つの態様の二次電池セルであって、前記低剛性面部は、前記電池ケースの厚さが前記固定面部よりも相対的に薄いことを特徴とする二次電池セルにある。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか一つの態様の二次電池セルであって、前記低剛性面部は、前記固定面部の材料とは異なる材料で形成されていることを特徴とする二次電池セルにある。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか一つの態様の二次電池セルを複数備える二次電池モジュールであって、各二次電池セルは、前記電池ケースの前記低剛性面部が隣接する前記二次電池セルの前記供給管に対向するようにそれぞれ近接して設けられていることを特徴とする二次電池モジュールにある。

本発明の第７の態様は、第１〜５の何れか一つの態様の二次電池セルを複数備える二次電池モジュールであって、隣接する各二次電池セルは、前記低剛性面部同士又は前記固定面部同士が対向するようにそれぞれ近接して設けられ、隣接する二つの前記二次電池セルが前記供給管を共有していることを特徴とする二次電池モジュールにある。

かかる本発明では、二次電池セルを構成する電池ケースの内部圧力が上昇した場合でも、低剛性部が変形（膨張）することで固定部の変形が抑制される。このため、電池ケースの内部圧力が上昇しても、供給管の剥離が生じることがない。したがって、熱媒体が供給された供給管によって、二次電池セルの温度調整を良好に行うことができる。例えば、二次電池モジュールを構成する各二次電池セル間における温度差も減らすことができる。

本発明の一実施形態に係る二次電池セルの内部構成を示す分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る二次電池セルの概略構成を示す縦断面図である。本発明の一実施形態に係る電極束の積層構造を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る二次電池セルの概略構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る電池ケースの構造を示す図であり、図２のＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池セルの変形状態を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る供給管の変形例を示す斜視図である。本発明に係る二次電池モジュール及び二次電池パックの概略構成を示す図である。本発明に係る二次電池パックの使用態様の一例を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの変形状態を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池セルの変形例を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの変形例を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２に示す本実施形態に係る電池１０は、例えば、リチウムイオン電池である密閉形電池であり、正極板２１及び負極板２２を備える電極束（エレメント）２０と、集電体３０，４０とが非水電解液（図示なし）と共に外装部材である電池ケース５０内に収容されている。この電池ケース５０の上部は、蓋部材６０で密閉されている。なお図示は省略するが、電池ケース５０内には電池ケース５０の内面を覆う絶縁部材が設けられており、電池ケース５０と内部に収容される電極束２０及び集電体３０，４０との絶縁が図られている。

電極束２０の正極板２１には集電体３０の一端側が接続され、この集電体３０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する正極端子部材７０が接続されている。負極板２２には集電体４０の一端側が接続されている。この集電体４０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する負極端子部材８０が接続されている。

蓋部材６０の上下面側には、各貫通孔６１の開口部に対応して絶縁シート部材９０がそれぞれ設けられている。正極端子部材７０及び負極端子部材８０は、この絶縁シート部材９０によって蓋部材６０との絶縁が図られている。

電極束２０は、図３に示すように、例えば、金属箔からなる正極板２１と負極板２２とがセパレータ２３を介してオフセット積層されて形成されている。本実施形態に係る電極束２０は、セパレータ２３を介して帯状の正極板２１及び負極板２２を扁平形状に捲回されて形成されている。なお帯状の正極板２１及び負極板２２には、両者が重なる部分に、それぞれ活物質が塗布されている。

ところで、このような二次電池セル１０を構成する電池ケース５０の相対向する一方の側壁面５１には、図４及び図５に示すように、電池ケース５０を冷却又は加温するための熱媒体が供給される供給管１００が固定されている。すなわち電池ケース５０の側壁面５１は、供給管１００が固定される固定部５２となっている。本実施形態では、熱媒体として冷却水或いは冷却オイルが供給される供給管１００が、電池ケース５０の深さ方向である第１の方向に所定間隔で三本配されて、電池ケース５０の固定部５２である側壁面５１に固定されている。

なお、供給管１００の形状は、特に限定されないが、電池ケース５０との接触面積が比較的大きい形状であることが好ましい。本実施形態では、断面が略楕円形の供給管１００を用いている。

一方、固定部５２に対向する電池ケース５０の他方の側壁面５３は、固定部５２よりも相対的に剛性が低い低剛性部５４となっている。具体的には、低剛性部５４は、固定部５２よりも電池ケース５０の厚さが薄く形成されることで固定部５２よりも剛性が低くなっている（図５参照）。なお本実施形態では、電池ケース５０の厚さを変化させることで、固定部５２よりも剛性の低い低剛性部５４を形成するようにしたが、固定部５２及び低剛性部５４の構成は特に限定されない。例えば、低剛性部５４は、固定部５２の材料とは異なる材料で形成することで固定部５２よりも剛性が低くなるようにしてもよい。何れにしても、低剛性部５４の剛性が、固定部５２の剛性よりも相対的に低くなっていればよい。

このような低剛性部５４が電池ケース５０に設けられていることで、例えば、温度上昇等の要因により電池ケース５０の内部圧力が上昇した際に、図６に示すように、固定部５２よりも剛性の低い低剛性部５４が変形（膨張）し、固定部５２は実質的に変形（膨張）することがない。このため、電池ケース５０の内部圧力が上昇しても、供給管１００が固定部５２から剥離されることがない。したがって、熱媒体が供給された供給管によって二次電池セルの温度調整を良好に行うことができる。

なお本実施形態では、複数の供給管１００が電池ケース５０の第１の方向に並設された構成を例示したが、これら複数の供給管１００の配置は特に限定されず、例えば、図７に示すように、電池ケース５０の左右方向である第２の方向に所定間隔で配置されていてもよい。何れにしても、電池ケース５０に複数の供給管１００が固定されていることで、二次電池セル１０を効果的に冷却することができる。

また二次電池セル１０の発熱量は、各部位によって異なる場合がある。この場合には、発熱量に応じて各供給管１００の太さを変えたり冷却水の供給量を変えたりすることで、二次電池セル１０をさらに効果的に冷却することもできる。

また、角形の密閉型電池である二次電池セル１０は、例えば、図８（ａ）に示すように、複数個（例えば、５個〜８個程度）ずつまとめて小ケース１１０内に収納されて二次電池モジュール１２０が形成される。さらに図８（ｂ）に示すように、複数個の二次電池モジュール１２０がバッテリトレイ１３１及びバッテリカバー１３２で構成される大ケース（ケーシング）１３０内に収納されて電池パック１４０が形成される。電池パック１４０は、図９に示すように、電気自動車等の車両２００に搭載される。

そして、このように二次電池モジュール１２０を構成する各二次電池セル１０は、電池ケース５０の低剛性部５４が隣接する二次電池セル１０に固定された供給管１００に対向するようにそれぞれ近接して設けられていることが好ましい。各二次電池セル１０の間隔は特に限定されないが、電池ケース５０の内部圧力の上昇等によって低剛性部５４が変形した際に、隣接する二次電池セル１０の電池ケース５０に固定された供給管１００に接触する程度の間隔で形成されていることが好ましい。例えば、図１０に示すように、低剛性部５４が最大程度まで変形した際に、隣接する二次電池セル１０の供給管１００に接触する程度の間隔で、各二次電池セル１０が近接して配置されていることが好ましい。

これにより、各二次電池セル１０の温度調整を良好に行うことができる。そして、二次電池モジュール１２０を構成する各二次電池セル１０間における温度差も減らすことができる。

なお上述の実施形態では、低剛性部５４が電池ケース５０の側壁面５３の全面に設けられていたが、二次電池モジュール１２０を構成する各二次電池セル１０は、例えば、図１１（ａ）に示すように、電池ケース５０の側壁面５３の外周部のみに低剛性部５４が設けられていてもよい。このような構成では、図１１（ｂ）に示すように、電池ケース５０の内部圧力の上昇により低剛性部５４が変形しても、側壁面５３の中央部は平坦なまま維持される。これにより、隣接する二次電池セル１０の供給管１００に対する接触面積を大きくすることができ、各二次電池セル１０をさらに効果的に冷却することができる。

また上述の実施形態では、二次電池モジュール１２０を構成する各二次電池セル１０は、低剛性部５４と固定部５２とが対向するように配設されていたが、二次電池モジュール１２０の構成は、特に限定されるものではない。例えば、図１２に示すように、二次電池モジュール１２０を構成する各二次電池セル１０を固定部５２同士又は低剛性部５４同士が対向するように配置され、隣接する二つの二次電池セル１０が供給管１００を共有するようにしてもよい。このような構成では、複数の二次電池セル１０を少ない供給管１００で効率的に冷却することができ、二次電池モジュール１２０の小型化を図ることができる。

また上述の実施形態では、電池ケース５０の一方の側壁面５１の全体が固定部５２となっており、他方の側壁面５３の全体が低剛性部５４となっている構成を例示したが、固定部５２及び低剛性部５４が、それぞれの側壁面５１，５３に設けられていてもよい。例えば、図１３に示すように、電池ケース５０の各側壁面５１，５３に供給管１００が固定されると共に、各供給管１００が固定された固定部５２の間に対応する部分に低剛性部５４が設けられていてもよい。このような構成では、電池ケース５０と供給管１００との総接触面積を比較的広く確保することができる。また電池ケース５０の内部圧力の上昇に伴って電池ケース５０が変形した際には、低剛性部５４と各供給管１００との接触面積がさらに大きくなる。したがって二次電池モジュール１２０を構成する二次電池セル１０を効率的に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。

例えば、供給管１００に供給される冷却水等の熱媒体は、常に循環されていてもよいが、例えば、二次電池セル１０を充電する際に、冷却水等を外部から供給管１００に供給して循環させ、充電終了後に抜き取るようにしてもよい。これにより、充電時における二次電池セル１０の温度調整（冷却）を良好に行うことができ、且つ走行時における車両の軽量化を図ることもできる。

また例えば、上述の実施形態では、供給管１００に冷却水等を供給して電池ケース５０を冷却する構成を例示したが、例えば、電気自動車に搭載される走行用モータの冷却液等を供給管１００に供給するようにしてもよい。モータの冷却により暖められた冷却水を供給管１００に供給することで、例えば、低温始動時等に、二次電池セル１０を所望の温度まで短時間で暖めることもできる。

１０二次電池セル
２０電極束
２１正極板
２２負極板
２３セパレータ
３０集電体
４０集電体
５０電池ケース
５１側壁面
５２固定部
５３側壁面
５４低剛性部
６０蓋部材
６１貫通孔
７０正極端子部材
８０負極端子部材
９０絶縁シート部材
１００供給管
１１０小ケース
１２０二次電池モジュール
１３０大ケース
１３１バッテリトレイ
１３２バッテリカバー
１４０電池パック
２００車両

Claims

電極束と電解液とが収容される電池ケースと、
前記電池ケースの側壁面に固定されて熱媒体が供給される供給管と、
を備える二次電池セルであって、
前記電池ケースは、前記供給管が固定された固定面部を前記側壁面に備えると共に、前記固定面部とは異なる前記側壁面に、当該固定面部よりも相対的に剛性が低く前記電池ケースの内圧上昇時に曲面を形成することにより前記固定面部の変形を抑制する低剛性面部を備える
ことを特徴とする二次電池セル。
請求項１に記載の二次電池セルであって、
前記電池ケースが角形であり、当該電池ケースの相対向する一方の側壁面が前記固定面部を備えており、
前記低剛性面部が、前記電池ケースの他方の側壁面に設けられていることを特徴とする二次電池セル。
請求項２に記載の二次電池セルであって、
前記低剛性面部が、前記電池ケースの他方の側壁面の周縁部のみに設けられていることを特徴とする二次電池セル。
請求項１〜３の何れか一項に記載の二次電池セルであって、
前記低剛性面部は、前記電池ケースの厚さが前記固定面部よりも相対的に薄いことを特徴とする二次電池セル。
請求項１〜４の何れか一項に記載の二次電池セルであって、
前記低剛性面部は、前記固定面部の材料とは異なる材料で形成されていることを特徴とする二次電池セル。
請求項１〜５の何れか一項に記載の二次電池セルを複数備える二次電池モジュールであって、
各二次電池セルは、前記電池ケースの前記低剛性面部が隣接する前記二次電池セルの前記供給管に対向するようにそれぞれ近接して設けられていることを特徴とする二次電池モジュール。
請求項１〜５の何れか一項に記載の二次電池セルを複数備える二次電池モジュールであって、
隣接する各二次電池セルは、前記低剛性面部同士又は前記固定面部同士が対向するようにそれぞれ近接して設けられ、
隣接する二つの前記二次電池セルが前記供給管を共有していることを特徴とする二次電池モジュール。