JP6292677B2 - 電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池セルがモジュールケースに収容された電池モジュール及びその製造方法に関する。

正極電極と負極電極がセパレータを介して重ねられて構成された電池セルが知られている。この種の電池セルを備える電池モジュールとしては、電池セルを保護するためのモジュールケースに電池セルが収容された電池モジュールが知られている。

ところで、電池モジュールは、電池セルに内部短絡が生じた場合に、電池セル内にガスが生じて、電池セルの内部圧力が上昇する。内部圧力が上昇したときに電池セルは、正極電極、負極電極がセパレータを介して積層された方向である、電池セルが厚み方向に対して膨張する。モジュールケース内に収容された電池セルは、上述のような電池セルの膨張が妨げられた場合、電池セルの内部電流が徐々に増え、内部電流の上昇に伴って電池セルが発熱し、電池セルが破壊されてしまう。

このような電池セルの膨張を許容するための対策として、複数の電池セルが収容されたモジュールケース内に、電池セルの膨張を許容するための変形部材が配置された構成が、特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の電池モジュールが備えるモジュールケースは、複数の電池セルと共に変形部材が収容されている。このモジュールケースは、所定の圧力以下で加圧されたときに弾性変形し、所定の圧力を超えたときにそれ以上は変形しなくなる変形部材によって、膨張する電池セルを押さえながら膨張を許容するように構成されている。

特開２００７−１７３０３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成は、モジュールケース内に変形部材を配置する構造が複雑であると共に、製造コストが増えるという問題があった。

そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができる電池モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、簡素な構成によって、電池セルに内部短絡が生じたときに電池セルの膨張を妨げることなく変形可能とし、安全性を向上することができる電池モジュール及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明に係る電池モジュールは、電池セルと、電池セルを内部に収容するモジュールケースと、を備える。電池セルは、正極電極と負極電極とがセパレータを介して積層または捲回された電池要素と、電解質とが外装体に収容されて扁平状に形成されている。そして、モジュールケースは、扁平状の電池セルの主面に対向する位置に、電池セルの主面側に膨出した変形部を有し、変形部は、電池セルが膨張したときにモジュールケースの外側に向かって膨出可能に形成されている。モジュールケースは、電池セルを収容するケース部と、ケース部内に配されて電池セルが固定されるボード部と、ケース部に取り付けられてボード部の表裏をそれぞれ覆って配置される一組のカバー部と、を有している。電池セルは、ボード部の表裏にそれぞれ配置されている。変形部は、一組のカバー部にそれぞれ形成されている。

また、本発明に係る電池モジュールの製造方法は、電池セルと、電池セルを内部に収容するモジュールケースと、を備え、電池セルが、正極電極と負極電極とがセパレータを介して積層または捲回された電池要素と、電解質とが外装体に収容されて扁平状に形成された電池モジュールの製造方法であって、モジュールケースの、扁平状の電池セルの主面に対向する位置に、電池セルが膨張したときにモジュールケースの外側に向かって膨出可能な変形部を、電池セルの主面側に膨出させて形成する工程を有する。モジュールケースは、電池セルを収容するケース部と、ケース部内に配されて電池セルが固定されるボード部と、ケース部に取り付けられてボード部の表裏をそれぞれ覆って配置される一組のカバー部と、を有し、変形部は、一組のカバー部にそれぞれ形成されている。電池セルは、ボード部の表裏にそれぞれ配置される。

本発明によれば、電池セルに内部短絡が生じたときにモジュールケースの変形部が電池セルの膨張を妨げることなく変形することによって、簡素な構成で、電池セルの内部電流が増えることを防ぎ、安全性を向上することができる。

第１の実施形態の電池モジュールを示す斜視図である。 第１の実施形態の電池モジュールを示す断面図である。 第１の実施形態の電池モジュールが変形した状態を示す断面図である。 第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルを説明するための模式図である。 第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルを説明するための模式図である。 第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルの外装体を説明するための模式図である。 第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルの外装体を説明するための模式図である。 第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルの外装体を説明するための模式図である。 第１の実施形態におけるモジュールケースのケース部を示す平面図である。 第１の実施形態におけるモジュールケースのカバー部を示す平面図である。 モジュールケースのケース部の他の構成例を示す平面図である。 モジュールケースのカバー部の他の構成例を示す平面図である。 第２の実施形態の電池モジュールを示す斜視図である。 第２の実施形態の電池モジュールを示す断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１Ａに、第１の実施形態の電池モジュールの斜視図を示す。図１Ｂに、第１の実施形態の電池モジュールの断面図を示す。図１Ｃに、第１の実施形態の電池モジュールが変形した状態の断面図を示す。図２Ａ及び図２Ｂに、第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルの模式図を示す。図３Ａ〜図３Ｃに、第１の実施形態の電池モジュールにおける電池セルの外装体の模式図を示す。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１の実施形態の電池モジュール１は、複数の電池セル５と、複数の電池セル５を内部に収容するモジュールケース６と、を備えている。本実施形態では、２つの電池セル５を収容するモジュールケース６を示すが、電池セル５の代わり組電池が収容されてもよく、説明の便宜上、１つの電池セル又は組電池のみがモジュールケースに収容される構成については説明を省略する。

電池セル５は、正極電極としての複数の正極集電体７と、負極電極としての複数の負極集電体８と、正極集電体７と負極集電体８との間に配されるセパレータ９と、を有し、正極集電体７と負極集電体８とがセパレータ９とを介して積層された電池要素としての積層集電体１０を有している。電池セル５は、積層集電体１０と、電解質としての電解液（不図示）と、が外装体１１に収容されて扁平状に形成されている。なお、本発明では、正極集電体７と負極集電体８とがセパレータ９を介して重ねられた部分であって、後述する正極集電タブ１２及び負極集電タブ１３を除いた部分を、便宜上、電池要素と称する。

正極集電体７は、アルミニウム製の帯状の集電体の両面に、正極合剤が塗布されて形成されている。負極集電体８は、銅製の帯状の集電体の両面に、負極合剤が塗布されて形成されている。

また、正極集電体７には正極集電タブ１２が一体に形成されており、負極集電体８には負極集電タブ１３が一体に形成されている。正極集電タブ１２は、一端が正極集電体７と電気的に接続されており、他端が外装体１１の外部に引き出されている。同様に、負極集電タブ１３は、一端が負極集電体８に電気的に接続されており、他端が外装体１１の外部に引き出されている。

正極集電体７を形成する工程では、図示しないが、巻き出し側ロールから供給された帯状の集電体を巻き取り側ロールに巻き取りながら、巻き出し側ロールから供給される集電体上に正極合剤を塗布する。このとき、帯状の集電体の長手方向に対して、正極合剤が塗布された塗布部と、正極合剤が塗布されない非塗布部とを交互に形成する。そして、塗布部と共に非塗布部の一部をプレス加工によって打ち抜くことによって、非塗布部の一部が正極集電タブとして形成される。また、負極集電体を形成する工程についても、正極集電体を形成する工程と同様であるので説明を省略する。

正極集電タブ１２及び負極集電タブ１３は、外装体１１の一端側からそれぞれ引き出される構成に限定されるものではなく、外装体１１の対向する両端の一方から正極集電タブが引き出され、他方から負極集電タブが引き出されるように構成されてもよいことは勿論である。

積層集電体１０は、正極集電タブ１２及び負極集電タブ１３が引き出されていない側面が、図２Ａに示すように、固定テープ１４によって、各電極集電体７、８とセパレータ９が束ねられて固定されており、各電極集電体７、８やセパレータ９の相対位置にずれが生じることが防止されている。

図２Ｂに示すように、積層集電体１０の一端から引き出された複数の正極集電タブ１２は、束ねられて正極端子１７に接続されている。同様に、複数の負極集電タブ１３は、束ねられて負極端子１８に接続されている。また、各集電タブ１２、１３は、導電性を有する補充部材を介して各端子１７、１８と接続されてもよい。

セパレータ９は、ポリオレフィン系の樹脂材によって形成されている。また、セパレータ９は、正極集電タブ１２を除いた正極集電体７の部分が挿入されるような袋状に形成されてもよい。袋状のセパレータ９は、四角形状をなす２つのセパレータ９を重ねて、２つのセパレータ９の外周部の３辺を熱融着することによって形成される。また、袋状のセパレータ９に正極集電体７を挿入する構成の場合、負極集電体８の主面の外形寸法をセパレータ９の主面の外形寸法と等しく形成して、セパレータ９に負極集電体８を重ねることで、積層集電体１０における、正極集電体７の主面の面内方向における、正極集電体７と負極集電体８との相対位置を安定させることができる。

外装体１１は、積層集電体１０の変形を許容するように、変形しやすいアルミニウムシート等の可撓性を有する材料によって形成されることが好ましい。外装体１１は、図３Ａに示すように、積層集電体１０が収容される収容部１９を構成するように一組の外装部材１１ａが組み合わされて構成されている。また、図３Ｂに示すように、外装体１１は、収納部１９を有する外装部材１１ｂの一端を折り返して収容部１９の開口を閉じるように構成されてもよい。さらに、外装体１１は、図３Ｃに示すように、収容部１９を有する箱状に形成された、いわゆる角型の電池缶１１ｃとして形成されてもよいことは勿論である。

図４に、第１の実施形態におけるモジュールケース６のケース部２１の平面図を示す。図５に、第１の実施形態におけるモジュールケース６のカバー部２２の平面図を示す。

図１Ａに示すように、本実施形態の要部であるモジュールケース６は、樹脂材料によって形成されており、電池セル５を収容するケース部２１と、電池セル５の一方の主面を覆うカバー部２２と、を有している。

図１Ａ及び図４に示すように、ケース部２１は、開口を有する箱状に形成されており、開口にカバー部２２が取り付けられて閉じられる。ケース部２１の底面である同一面上には、２つの電池セル５が、底面に形成された仕切り壁２６を間に挟んで、並んで配置されている。また、ケース部２１には、電池セル５を固定するための締結ネジ２７の受け部２８が形成されている。

また、ケース部２１の底面には、図４に示すように、電池セル５同士を電気的に接続するためのバスバー２５が設けられている。また、ケース部２１には、電池セル５の各端子と接続されてモジュールケース６の外部まで引き出された配線（不図示）や、コネクタ２９が設けられている。

図１Ｂ及び図５に示すように、カバー部２２は、電池セル５の主面に対向する位置に、電池セル５の主面に膨出した変形部２３が設けられている。すなわち、変形部２３は、扁平状の電池セル５に生じる膨張が相対的に大きな部分に対応する位置に形成されている。

変形部２３は、図１Ｃに示すように、電池セル５が膨張したときにモジュールケース６の外側に向かって膨出可能に形成されている。変形部２３は、電池セル５の外形に対応する四角形の凹部状に形成されており、変形部２３の外形寸法が電池セル５の外形寸法とほぼ等しく形成されている。

なお、実施形態では、変形部２３の内面と、電池セル５の主面との間に、所定の間隙が設けられているが、必要に応じて、変形部２３の内面が電池セル５の主面に当接されてもよい。カバー部２２の変形部２３の内面を、電池セル５の外装体１１に当接させることで、モジュールケース６によって電池セル５が更に安定的に支持される。

図６に、モジュールケース６のケース部の他の構成例の平面図を示す。図７に、モジュールケース６のカバー部の他の構成例の平面図を示す。

また、正極端子１７と負極端子１８が両端からそれぞれ引き出される電池セルを用いる構成の場合には、図６に示すようにモジュールケース６のケース部２１内の、電池セル５の両端側に、バスバー２５を配置するための空間が設けられている。この構成の場合も、モジュールケース６のカバー部２２には、図７に示すように、ケース部２１内に配置された電池セル５の主面の位置に対応して、変形部２３が形成されている。

また、本実施形態では、電池セル５がケース部２１の底面上に固定されたが、この構成に限定されるものではなく、必要に応じて、電池セル５がカバー部２２側に締結ネジを介して固定されてもよい。

また、図示しないが、複数の電池セル５が積層されてまとめられて組電池が構成され、組電池がモジュールケース６内に収容されてもよい。この構成の場合、積層された電池セル５は、固定テープによって束ねられて固定される。

以上のように構成された電池モジュール１について、電池セル５に内部短絡が生じたときの変形部２３の動作を説明する。

モジュールケース６内の電池セル５に内部短絡が生じた場合、図１Ｃに示すように、外装体１１内に生じたガスによって外装体１１が電池セル５の外側に向かって膨らむ。このように電池セル５の主面が膨らんだときに、電池セル５が変形部２３を押し上げて、変形部２３がモジュールケース６の外側に向かって膨出する。

電池セル５の膨張に応じて変形部２３が変形することで、モジュールケース６が電池セル５の膨張を妨げることなく、正極集電体７及び負極集電体８が変形することに伴って電極間の抵抗が増える。このため、電池セル５に内部短絡が生じたときに、内部電流が上昇することが抑えられる。

上述したように、実施形態の電池モジュール１は、モジュールケース６が変形部２３を有することによって、電池セル５に内部短絡が生じたときに、変形部２３がモジュールケース６の外側に向かって変形するので、電極間の抵抗が増え、内部電流の増加を防ぐことができる。その結果、簡素な構成で、電池モジュール１の安全性を高めることができる。

また、本実施形態は、特許文献１に記載の構成に比べて、モジュールケース６に変形部２３を成形するという簡素な構成によって、各電池セル５の膨張を許容することができると共に、電池モジュール１の製造コストが増えることを抑えることができる。

加えて、本実施形態は、上述した特許文献１のように電池セルが膨出することを許容するための変形部材がモジュールケースの内部に設けられる構成や、電池セルの膨張を許容する空間がモジュールケースの内部に確保される構成と比べて、電池セル５が正常な状態において、モジュールケース６全体の薄型化を図ることができる。

また、電池モジュール１は、電池セル５が大きく膨張した場合であっても、モジュールケース６の変形部２３だけが変形するだけであり、モジュールケース６内に収容されている他の正常な電池セル５に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

また、電池モジュール１によれば、電池セル５のサイズや変形量に応じて、変形部２３の大きさや、変形部２３の変形量を適宜調整することで、使用する電池セル５に適する変形部２３を容易に形成することができる利点も有する。

（第２の実施形態）
図８Ａに、第２の実施形態の電池モジュールの斜視図を示す。図８Ｃに、第２の実施形態の電池モジュールの断面図を示す。第２の実施形態における電池セルは、第１の実施形態における電池セル５と同一であるため、電池セル５についての説明を省略する。また、第２の実施形態において、上述した実施形態と同様な構成部材については簡単に説明する。

第２の実施形態の電池モジュール２は、モジュールケースの両面側に電池セル５がそれぞれ配置されており、モジュールケースの両面に変形部が設けられている点が、第１の実施形態と異なっている。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第２の実施形態の電池モジュール２が備えるモジュールケース２６は、電池セル５を収容するためのケース部３１と、複数の電池セル５が固定されるボード部３２と、ボード部３２に固定された電池セル５の主面を覆う一組のカバー部３３と、を有する。

ケース部３１は、両側が開口する角筒状に形成されており、内部に、ボード部３２が固定されている。

ボード部３２は、図８Ｂに示すように、平板状に形成されており、表面及び裏面に、複数の電池セル５が配置されている。ボード部３２の表面である同一面上には、２つの電池セル５が仕切り壁３６を間に挟んで、並んで配置されている。また、ボード部３２の裏面にも、表面と同様に、２つの電池セル５が仕切り壁３６を間に挟んで、並んで配置されている。

また、ボード部３２の外周部は、ケース部３１の内面に固定されており、電池セル５を固定するための締結ネジ（不図示）の受け部３８が形成されている。

カバー部３３の、ボード部３２に固定された２つの電池セル５の各主面に対向する位置には、変形部３４が形成されている。

なお、モジュールケースの変形部の構造は、上述した実施形態に示した構造に限定されるものではない。モジュールケースの変形部は、複数の段差が同心円状に形成されてなる階段状や、変位量が相対的に大きくなる傾向にある電池セルの主面の中央の段差を大きく、電池セルの外周側に向かって段差が徐々に小さくなるように形成された形態や、ひだ状の折り返し部を含む蛇腹状の形態に形成されてもよく、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、カバー部は、変形部のみを変形しやすくするために、変形部の周囲の部分よりも変形部の厚みが薄く形成されてもよい。また、変形部は、変形するときに折り曲がる折曲部が、変形部の他の部分よりも薄く形成されたり、変形部の厚みが段階的に変化するように形成されたりしてもよい。

また、モジュールケースに収容する電池セルの形状や、膨張が生じる領域や、電池セルの変形量の大きさに応じて、電池セルの主面側に膨出する変形部の形状や厚みが適切に設定されてもよく、変形部の内面などに、変形を促すための溝が形成されてもよい。また、モジュールケースのカバー部は、１つの電池セルの主面に対応して、複数の変形部が所定の領域に分散して配置されてもよい。

上述した実施形態では、カバー部に変形部が一体に形成されたが、必要に応じて、変形部が、カバー部の他の部分に比べて剛性が小さい材料で形成されてもよい。また、変形部は、所定の圧力以上が加わったときに、モジュールケースの外側に変形すると共にカバー部から変形部が破断するように構成されてもよい。

なお、上述した実施形態の電池モジュールでは、積層構造の電池セルが用いられたが、電池セルの構造を限定するものではなく、正極集電体と負極集電体がセパレータを介して捲回されてなる捲回構造の電池セルが用いられてもよいことは勿論である。

この出願は、２０１３年 ３月１５日に出願された日本出願特願２０１３−５３３８８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 電池モジュール
５ 電池セル
６ モジュールケース
７ 正極集電体
８ 負極集電体
９ セパレータ
１０ 積層集電体
１１ 外装体
２３ 変形部

Claims (4)

1. 電池セルと、該電池セルを内部に収容するモジュールケースと、を備える電池モジュールであって、
   前記電池セルは、正極電極と負極電極とがセパレータを介して積層または捲回された電池要素と、電解質とが外装体に収容されて扁平状に形成され、
   前記モジュールケースは、前記扁平状の電池セルの主面に対向する位置に、前記電池セルの前記主面側に膨出した変形部を有し、
   前記変形部は、前記電池セルが膨張したときに前記モジュールケースの外側に向かって膨出可能に形成されており、
   前記モジュールケースは、前記電池セルを収容するケース部と、該ケース部内に配されて前記電池セルが固定されるボード部と、前記ケース部に取り付けられて前記ボード部の表裏をそれぞれ覆って配置される一組のカバー部と、を有し、
   前記電池セルは、前記ボード部の表裏にそれぞれ配置され、
   前記変形部は、前記一組のカバー部にそれぞれ形成されている、電池モジュール。
2. 前記モジュールケースには、複数の前記電池セルが収容されている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記複数の前記電池セルは、前記モジュールケース内に、同一面上に並べて配置されている、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 電池セルと、該電池セルを内部に収容するモジュールケースと、を備え、前記電池セルが、正極電極と負極電極とがセパレータを介して積層または捲回された電池要素と、電解質とが外装体に収容されて扁平状に形成された電池モジュールの製造方法であって、
   前記モジュールケースの、前記扁平状の電池セルの主面に対向する位置に、前記電池セルが膨張したときに前記モジュールケースの外側に向かって膨出可能な変形部を、前記電池セルの前記主面側に膨出させて形成する工程を有し、
   前記モジュールケースは、前記電池セルを収容するケース部と、該ケース部内に配されて前記電池セルが固定されるボード部と、前記ケース部に取り付けられて前記ボード部の表裏をそれぞれ覆って配置される一組のカバー部と、を有し、前記変形部は、前記一組のカバー部にそれぞれ形成されており、
   前記電池セルは、前記ボード部の表裏にそれぞれ配置される、電池モジュールの製造方法。

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