JP6102455B2 - 組電池 - Google Patents

Description

本発明は、ラミネートフィルムで外装した単電池を複数接続した組電池に関する。

リチウムイオン電池等の非水電解液型の二次電池は、発電要素を金属製のケースに収容し、例えばケースの内側に絶縁フィルムを貼付してケースと発電要素とを絶縁している。発電要素は、正極と負極とがセパレータを介して積層あるいは巻回され、各要素間を電解液で充填する構成を有している。二次電池の発電要素は、例えば初期充電時の正極の膨張や運転環境下での振動によって、電極間の距離が変動し易い。電極間の距離が変動すると、電解液中に気泡等が入り易くなり、電池性能を劣化させる傾向にある。

そこで発電要素の電極間を一定に保つ技術としては、例えば特許文献１に開示されている技術がある。特許文献１の組電池では、発電要素の発電領域（正負極が重なり合う部分）内で、発電領域の端部を含み中央部を含まない領域にスペーサを配置している。スペーサの配置領域は、組み電池製造前に電池の充放電試験を行って電池の面圧分布を特定し、面圧分布に基づいた領域である。これによって発電要素の端部の面圧が中央部より低下することを防ぎ、電解液が発電要素外に漏出すること防止し、ハイレート劣化を抑制している。

特開２０１２−２３０８３７号公報

単電池の構成として、平板状の正極板と負極板とをセパレータを介在させつつ積層した発電要素の両面を一対のラミネートフィルムで挟み、その周縁部を熱溶着により接合する構成がある。このような単電池に対して、前述の特許文献１に記載のスペーサを用いると、ラミネートフィルムの強度が低いため、スペーサの境界部分でラミネートフィルムの表面に応力が集中し、ラミネートフィルムが損傷するおそれがある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、ラミネートセルの面圧分布ばらつきを低減し、発電部の膨張抑制可能な組電池を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、厚み方向に積層し互いに直列に接続される複数の平板状の単電池（１０）と、隣接する単電池の間に設けられる平板状の冷却板であって、厚み方向の両側に位置する偏平面が同一の材料からなる冷却板（２０）と、を含み、冷却板の偏平面（２０ａ）は、冷却板の偏平面（２０ａ）に対向する単電池の厚み方向の一方側に位置する偏平面（１０ｂ）と接触し、冷却板において単電池の発電部に対向する部分（２０ｂ）は、外装ケースの周縁部に対向する部分に比べて剛性が低く、冷却板は、厚み方向に見て、剛性が低い部分の領域が発電部が配置されている領域よりも小さく、厚み方向に見て、剛性が低い部分の領域が楕円状または多角形状であることを特徴とする。
さらに本発明は、厚み方向に積層し互いに直列に接続される複数の平板状の単電池（１０）と、隣接する単電池の間に設けられる平板状の冷却板であって、厚み方向の両側に位置する偏平面が同一の材料からなる冷却板（２０）と、を含み、冷却板の偏平面（２０ａ）は、冷却板の偏平面（２０ａ）に対向する単電池の厚み方向の一方側に位置する偏平面（１０ｂ）と接触し、冷却板において単電池の発電部に対向する部分（２０ｂ）は、外装ケースの周縁部に対向する部分に比べて剛性が低く、冷却板は、厚み方向に見て、剛性が低い部分の領域が発電部が配置されている領域よりも小さく、冷却板における剛性が高い部分と剛性が低い部分との境界は、厚み方向に直交する方向に見て、剛性が低い部分から剛性が高い部分へ向けて厚み方向に対して傾斜する傾斜部分を有することを特徴とする。

このような本発明に従えば、平板状の冷却板の偏平面は同一の材料からなるので、冷却板の偏平面の全体を押圧する力に対して、応力を偏平面の全体に分散することができる。このような冷却板の偏平面と単電池の偏平面とが接触して、単電池が積層される。単電池の発電部は、発電する際など膨張するおそれがある。発電部が膨張すると、外装ケースが変形の容易なラミネートフィルムであるので、ラミネートフィルムの剛性では膨張を抑えることができず、ラミネートフィルムも膨張する方向に変形する。しかし前述のように冷却板の偏平面が単電池の偏平面と接触しているので、単電池の膨張を冷却板によって抑制することができる。

さらに冷却板は、単電池の発電部に対向する部分は、外装ケースの周縁部に対向する部分に比べて剛性が低い。単電池の外装ケースは、ラミネートフィルムの周縁部同士を熱溶着して貼り合わせることによって、発電部を内部に配置するための内部空間を形成している。したがって外装ケースの周縁部は膨張しないが、内部空間内に配置される発電部が膨張する。冷却板はこのような膨張する部分、すなわち発電部に対向する部分の剛性が低いので、剛性が高い部分に比べて変形しやすい。したがって発電部の膨張を単に剛性が高い部分で抑えつけるわけでなく、冷却板の偏平面も圧縮されて凹状に変形しつつ、発電部の膨張を冷却板の偏平面の全体で支えることができる。これによってラミネートフィルムからなる外装ケースに冷却板の偏平面から作用する応力は分散される。したがって外装ケースの一部に膨張による応力が集中して、外装ケースが損傷すること抑制することができる。これによって発電部の部分的な膨張を抑制することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

組電池１１を示す側面図である。 電池セル１０を示す平面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１および図２を用いて説明する。複数個の電池セル（単電池）１０は、電気的に接続されて一体の組電池（電池集合体）１１を構成する。組電池１１は、例えば、電動機のみによって走行する電気自動車（ＥＶ）、電動機と内燃機関とを併用して走行駆動力とするプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等に搭載される車両用蓄電池として用いられる。また組電池１１は、たとえば住宅における蓄電池用の定置用蓄電池として用いることができる。

電池セル１０は、走行により生成した電力や外部の給電装置等から供給される電力を充電することができ、さらに蓄電力を外部に放電して負荷機器を動作させることができる蓄電池である。電池セル１０は、電極積層体１２と、電極積層体１２を内部に収容する外装ケース１３と、正極端子１４と、負極端子１５と、を備えている。

電極積層体１２は、発電部であって、正極活物質を有する正極層と、負極活物質を有する負極層と、正極層と負極層の間に介在する媒体である電解質層と、正極層と負極層とを電気的に短絡しないように別々に仕切って配されるセパレータとを含む。電極積層体１２は、正極層、負極層、電解質層およびセパレータを積層することにより構成されている。電池セル１０は、例えば、外形が四角形状をなして平板状（扁平状）に形成された充放電可能な二次電池であり、本実施形態では、リチウムイオン電池とする。電池セル１０は、ニッケル水素電池等の他の二次電池で構成してもよい。

正極端子１４は、図２では図示は省略するが、電極積層体１２の正極層に接続された端子であって外装ケース１３から突出するように設けられている。正極端子１４は、アルミニウムを含む金属からなり、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。

負極端子１５は、図２では図示は省略するが、電極積層体１２の負極層に接続された端子であって外装ケース１３から突出するように設けられている。負極端子１５は、たとえば銅を含む金属からなり、たとえば銅または銅合金からなる。また各端子１４，１５は、断面が四角形状の薄板状であることにより、それぞれ可撓性を有している。

外装ケース１３は、外観が平板状であり、例えば、二つ折りにされたラミネートフィルムの周縁部１３ａ同士を熱溶着することによって周縁部１３ａ同士を封止して熱溶着部分を形成し、電池セル１０内部に密閉された内部空間１０ａを形成している。周縁部１３ａは、外装ケース１３の外周全体に所定幅の寸法で形成されている。周縁部１３ａは、電極積層体１２を収容する内部空間１０ａである密閉空間を形成するとともに、正極端子１４および負極端子１５を安定的に保持する。

ラミネートフィルムは、例えば、アルミニウム層とポリプロピレン層とを交互に積層したシートである。厚み方向の両端の表面層はポリプロピレン層であり、ポリプロピレン層が熱溶着されてラミネートフィルム同士が貼り合わされることになる。なお、ポリプロピレン層は、たとえばポリエチレン層およびポリエチレンテレフタラート層等であってもよい。

電池セル１０の内部空間１０ａには、電極積層体１２、電極積層体１２と正極端子１４及び負極端子１５の接続部分が収容されている。また、熱溶着部分は、熱溶着されるラミネートフィルムの周縁部１３ａ同士を合わせて加圧した状態で、適正な所定温度かつ所定時間、加熱処理または超音波処理すること等により実施する。これによって繰り返しの充放電によって電池特性が低下しない所望の気密性能を得ることができる。

電池セル１０の内部空間１０ａは、図１では、本実施形態では上方側に突出するように形成されている。したがって電池セル１０の上方側の面は凸状であり、下方側の面は平坦状である。電池セル１０の凸状の部分（ラミエンボス）の寸法Ｌは、図１および図２に示すように、電極積層体１２の寸法よりもやや大きい。

１つの電池モジュール（図示せず）は、電池ケース（図示せず）内に複数の電池セル１０と複数の冷却板２０を収容している。電池セル１０は、図１に示すように正極端子１４および負極端子１５を折りたたむことによって、電池ケース内で、電池セル１０の板厚方向（厚さ方向）に積層されている。また積層方向に隣接する電池セル１０の間には、冷却板２０が設けられる。

電池ケース内に積層配置された複数の電池セル１０は、それぞれの電池セル１０から延出した薄板状（箔状）の端子１４，１５同士を例えば超音波溶接等により接合して、互いに電気的に直列に接続されている。一方の端部に位置する正極端子１４は、正極総端子（図示せず）に接続される。正極総端子は、正極端子１４と同じアルミニウムを含む金属からなる。また他方の端部に位置する負極端子１５は、負極総端子（図示せず）に接続される。負極総端子は、負極端子１５と同じ銅を含む金属からなる。

次に、冷却板２０に関して説明する。冷却板２０は、電池セル１０の放熱を促す部材であって、伝熱性に優れる材料、たとえばアルミニウムからなる。冷却板２０は、平板状であって、厚み方向の両側に位置する偏平面が面一の平坦状である。冷却板２０の偏平面は、同一の材料からなる。

冷却板２０の偏平面は、図１に示すように、隣接する電池セル１０の偏平面１０ｂと接触して積層される。電池セル１０の偏平面１０ｂは、電池セル１０の厚み方向の両側に位置する面である。冷却板２０の偏平面２０ａは、対向する電池セル１０の厚み方向の一方側に位置する偏平面１０ｂの全域に接触するように積層される。これによって電池セル１０の偏平面１０ｂからの熱を、効率よく冷却板２０に伝わる。

また冷却板２０は、内部に空間を有する中空の板である。冷却板２０は中空であるので、厚み方向に見て中空の部分は残余の部分（中実の部分）とは、剛性が異なる。冷却板２０の中空部分２０ｂは、図２に示すように、厚み方向に見て楕円状である。また中空部分２０ｂの領域、すなわち楕円状の領域は、厚み方向に見て、電極積層体１２が配置されている領域（以下、「発電領域」ということがある）１２ａよりも小さい。換言すると、発電領域１２ａは、中空部分２０ｂの領域（以下、「中空領域」ということがある）の全域を覆うように位置している。電池セル１０の発電領域１２ａは、正極層と負極層とが重なっている領域である。

このように冷却板２０が中空状であるので、冷却板２０において電池セル１０の電極積層体１２に対向する部分は、外装ケース１３の周縁部１３ａに対向する部分に比べて剛性が低い。ここで対向する部分とは、厚み方向に向かい合っている部分である。本実施形態では、冷却板２０は、厚み方向に見て、剛性が低い部分の領域が中空領域２０ｂとなる。また中空領域２０ｂは、楕円状であるので、厚み方向に見て、中実と中空との境界では、傾斜部分が連続している形状である。換言すると、剛性が高い部分と剛性が低い部分との境界は、形状が徐々に変化する形状徐変構造である。形状が徐々に変化するので、厚み方向に圧縮する応力が作用しても、局所的に応力が集中することが抑制されて、冷却板２０の偏平面２０ａを滑らかに凹状に湾曲させることができる。また楕円状には、小判状、長円状および円状なども含む。

また、冷却板２０における剛性が高い部分と剛性が低い部分との境界は、厚み方向に直交する方向（側方）に見て、剛性が低い部分から剛性が高い部分へ向けて傾斜する傾斜部分を有する。本実施形態では、図１に示すように、剛性が高い部分と剛性が低い部分との境界は、中空領域２０ｂの端部である。この中空領域２０ｂの端部を側方に見ると、図２にて仮想線で示すように、外方に凸となる半円状である。したがって境界では、傾斜部分が連続している形状である。換言すると、剛性が高い部分と剛性が低い部分との境界は、形状が徐々に変化する形状徐変構造である。形状が徐々に変化するので、厚み方向に圧縮する応力が作用しても、局所的に応力が集中することが抑制されて、偏平面を滑らかに凹状に湾曲させることができる。したがって半円状に限らず、Ｖ字状であってもよい。

冷却板２０の厚み寸法は、たとえば２ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、中空領域２０ｂにおける上面および下面の厚み寸法は、たとえば０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満である。

次に、各電池セル１０を充放電する場合について説明する。本実施形態のような組電池１１の場合、ハイレートでの充放電の前後で外装ケース１３にかかる面圧にばらつきが生じる。具体的には、外装ケース１３の偏平面内の領域のうち、電池セル１０の厚み方向に見て、発電領域１２ａ内において、面圧が上昇する傾向にある。一方で、発電領域１２ａ内の端部では面圧が下降する傾向にある。この面圧のばらつきは、電池性能を劣化させる要因となる。例えば、端部の面圧が中央部よりも低下することで、電極積層体１２内の電解液が中央部から端部に移動し易くなり、その結果として電解液が電極積層体１２外に漏出してしまう。

そこで本実施形態の冷却板２０が、隣接する電池セル１０の間に積層されている。平板状の冷却板２０の偏平面２０ａは同一の材料からなるので、冷却板２０の偏平面２０ａの全体を押圧する力に対して、応力を偏平面の全体に分散することができる。このような冷却板２０の偏平面２０ａと電池セル１０の偏平面１０ｂとが接触して、電池セル１０が積層される。前述のように発電領域１２ａが膨張すると、外装ケース１３が変形の容易なラミネートフィルムであるので、ラミネートフィルムの剛性では膨張を抑えることができず、ラミネートフィルムも膨張する方向に変形する。しかし前述のように冷却板２０の偏平面２０ａが電池セル１０の偏平面１０ｂと接触しているので、電池セル１０の膨張を冷却板２０によって抑制することができる。

さらに冷却板２０は、電池セル１０の電極積層体１２に対向する部分は、外装ケース１３の周縁部１３ａに対向する部分に比べて剛性が低い。電池セル１０の外装ケース１３は、ラミネートフィルムの周縁部１３ａ同士を熱溶着して貼り合わせることによって、電極積層体１２を内部に配置するための内部空間１０ａを形成している。したがって外装ケース１３の周縁部１３ａは膨張しないが、内部空間１０ａ内に配置される電極積層体１２が膨張する。冷却板２０はこのような膨張する部分、すなわち電極積層体１２に対向する部分の剛性が低いので、剛性が高い部分に比べて変形しやすい。したがって電極積層体１２の膨張を単に剛性が高い部分で抑えつけるわけでなく、冷却板２０の偏平面２０ａも圧縮されて中空領域２０ｂが凹状に変形しつつ、電極積層体１２の膨張を冷却板２０の偏平面２０ａの全体で支えることができる。これによってラミネートフィルムからなる外装ケース１３に冷却板２０の偏平面２０ａから作用する応力は分散される。したがって外装ケース１３の一部に膨張による応力が集中して、外装ケース１３が損傷すること抑制することができる。これによって電極積層体１２の部分的な膨張を抑制することができる。したがって面圧のばらつきを抑制でき、電池性能の劣化を抑制することができる。

このように本実施形態の冷却板２０は、周辺部の剛性が高く、中央部の剛性が低い。そして隣接する電池セル１０に冷却板２０は全面が接触する構造である。これによってハイレート時に発生する中央部の面圧上昇を抑えつつ、ラミネートフィルムからなる外装ケース１３の損傷を防止し、電池セル１０中央部の荷重抜けを防ぐことができる。したがって電極積層体１２における電極間距離を一定に維持することができる。ここでいう電池セル１０中央部は、電極積層体１２の正負両端より内側の領域である。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、冷却板２０は中空構造であったが、中空構造に限るものではない。冷却板２０の中空部分２０ｂに、冷却板２０よりも剛性が弱い材料、たとえば樹脂などで充填してもよい。これによって剛性が低い部分と剛性が高い部分とを有する冷却板を実現することができる。

前述の第１実施形態では、剛性が低い領域は、厚み方向に見て、楕円状であったが、楕円状に限るものではない。多角形状であってもよく、複数の小さい中空空間を形成してもよい。

前述の第１実施形態では、剛性の高低の境界は、側方に見て、傾斜部分を有する形状であったが、このような形状に限るものではない。たとえば多段状であってもよく、屈曲している形状であってもよい。また中空領域２０ｂは、側方に見て、長円状であったが、楕円状および小判状であってもよく、偏平な多角形状であってもよい。

１０…電池セル（単電池） １０ａ…内部空間
１０ｂ…電池セル１０の偏平面 １１…組電池
１２…電極積層体 １２ａ…発電領域
１３…外装ケース １３ａ…周縁部
１４…正極端子 １５…負極端子
２０…冷却板 ２０ａ…冷却板２０の偏平面
２０ｂ…中空部分

Claims (3)

1. 厚み方向に積層され、互いに直列に接続される複数の平板状の単電池（１０）と、
   隣接する前記単電池の間に設けられる平板状の冷却板であって、前記厚み方向の両側に位置する偏平面が同一の材料からなる冷却板（２０）と、を含み、
   前記各単電池は、
   発電する発電部（１２）と、
   ラミネートフィルムの周縁部（１３ａ）同士を熱溶着して貼り合わせることによって、前記発電部を内部に配置するための内部空間（１０ａ）を形成する外装ケース（１３）と、を有し、
   前記冷却板の偏平面（２０ａ）は、前記冷却板の偏平面（２０ａ）に対向する前記単電池の前記厚み方向の一方側に位置する偏平面（１０ｂ）と接触し、
   前記冷却板において前記単電池の前記発電部に対向する部分（２０ｂ）は、前記外装ケースの周縁部に対向する部分に比べて剛性が低く、
   前記冷却板は、
   前記厚み方向に見て、前記剛性が低い部分の領域が前記発電部が配置されている領域よりも小さく、
   前記厚み方向に見て、前記剛性が低い部分の領域が楕円状または多角形状であることを特徴とする組電池。
2. 前記冷却板における前記剛性が高い部分と前記剛性が低い部分との境界は、前記厚み方向に直交する方向に見て、前記剛性が低い部分から前記剛性が高い部分へ向けて前記厚み方向に対して傾斜する傾斜部分を有することを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 厚み方向に積層され、互いに直列に接続される複数の平板状の単電池（１０）と、
   隣接する前記単電池の間に設けられる平板状の冷却板であって、前記厚み方向の両側に位置する偏平面が同一の材料からなる冷却板（２０）と、を含み、
   前記各単電池は、
   発電する発電部（１２）と、
   ラミネートフィルムの周縁部（１３ａ）同士を熱溶着して貼り合わせることによって、前記発電部を内部に配置するための内部空間（１０ａ）を形成する外装ケース（１３）と、を有し、
   前記冷却板の偏平面（２０ａ）は、前記冷却板の偏平面（２０ａ）に対向する前記単電池の前記厚み方向の一方側に位置する偏平面（１０ｂ）と接触し、
   前記冷却板において前記単電池の前記発電部に対向する部分（２０ｂ）は、前記外装ケースの周縁部に対向する部分に比べて剛性が低く、
   前記冷却板は、前記厚み方向に見て、前記剛性が低い部分の領域が前記発電部が配置されている領域よりも小さく、
   前記冷却板における前記剛性が高い部分と前記剛性が低い部分との境界は、前記厚み方向に直交する方向に見て、前記剛性が低い部分から前記剛性が高い部分へ向けて前記厚み方向に対して傾斜する傾斜部分を有することを特徴とする組電池。

Images