JP6724552B2

JP6724552B2 - バッテリ

Info

Publication number: JP6724552B2
Application number: JP2016104972A
Authority: JP
Inventors: 広規田代
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-05-26
Also published as: JP2017212120A

Description

本発明は、バッテリに関する。

従来、例えば特許文献１には、平行に延在する一対の平面部と該一対の平面部の各一方端部の間および各他方端部の間に連続して形成された一対の湾曲部とを有する扁平形捲回電極群が扁平箱形の電池缶に収容された角形電池を、複数平行に並べて各角形電池の間に冷却媒体が流される組電池が記載されている。

この組電池では、互いに隣り合う角形電池の間であって前記扁平形捲回電極群の平面部と湾曲部との間の境界部分に対向する位置に境界部スペーサが配置され、互いに隣り合う角形電池の間であって前記扁平形捲回電極群の平面部に対向する位置に中間部スペーサが配置されている。このように境界部スペーサおよび中間部スペーサを配置することで、角形電池の充放電時に生じる発熱によって電池缶が外側に膨張するのを抑制でき、その結果、各角形電池間に形成される冷却媒体の通路の面積減少が抑制されて各角形電池に対する冷却を十分に行えると記載されている。

国際公開第２０１３／０８４２９０号

上記特許文献１に記載される組電池では、角形電池の配列方向に作用する所定の拘束荷重でもって拘束される必要がある。これにより、境界部スペーサで電池缶を押圧することができ、発熱時における電池缶の膨張を抑制できる。しかしながら、例えばアルミニウム合金からなる電池缶の側壁は可撓性を有するため、電池内部で発熱により膨張した扁平形捲回電極群が電池缶の側壁を介して境界部スペーサによって局所的に押圧されることになる。この場合、扁平形捲回電極群を構成する電極の表面で局所的に面圧が高くなる領域が発生し、面圧差が大きくなる領域で電気化学反応が集中的に生じて金属析出（例えばリチウムイオン電池の場合ではリチウム析出）が発生し易くなる。このような金属析出は、セパレータの貫通によって正極および負極間の内部短絡を引き起こす原因となる。

他方、各角形電池間に介在された例えば樹脂製のスペーサが継続的に押圧され且つ角形電池の発熱の影響を受けることでクリープが発生し、これによりスペーサの縮み量（つぶれ量）が大きくなって角形電池の配列方向における拘束荷重が低下することがある。そのため、上記のような組電池において各角形電池がしっかりと拘束された状態を維持するための拘束荷重は、上記のようなクリープを考慮して、組電池の組立時において所定の下限値以上となるよう大き目に設定しておく必要がある。

本発明の目的は、バッテリを構成する複数の電池セルに対する拘束荷重を確保しながら、電池セル内の電極捲回体を構成する電極の局所押圧による金属析出を抑制できるバッテリを提供することにある。

本発明に係るバッテリは、セパレータを挟んで正極電極および負極電極が扁平状に巻回されている電極捲回体を扁平箱形の電池ケースに収容してそれぞれ構成される複数の電池セルと、一方向に沿って配列された前記各電池セル間に介在されているスペーサと、前記複数の電池セルおよび前記スペーサに対して前記一方向に沿って拘束荷重を付与する拘束手段と、を備えるバッテリであって、前記電池ケースは可撓性の側壁を有し、前記スペーサは前記側壁に当接する低ばね定数凸部および高ばね定数凸部を含んでおり、前記スペーサの低ばね定数凸部は前記電池ケース内の前記電極捲回体に対向する位置で前記側壁に当接し、前記スペーサの高ばね定数凸部は前記電池ケース内の前記電極捲回体に対向しない位置で前記側壁に当接し、前記低ばね定数凸部と前記高ばね定数凸部の夫々は、前記電池セルの高さ方向に沿って延伸する細長い直方体状をなしていて、前記電池ケースの側壁に当接する先端面が細長い長方形状をなしており、前記スペーサが自然状態にあって押圧力が作用していないとき、前記低ばね定数凸部の突出長さが前記高ばね定数凸部の突出長さよりも長くなっている。

本発明に係るバッテリによれば、電極捲回体はスペーサの低ばね定数凸部により電池ケースの側壁を介して押圧されるため、比較的弱い押圧力で押圧されることになる。したがって、電極捲回体の局所押圧によって生じる電極の面圧差を低減でき、金属析出を抑制できる。また、スペーサの高ばね定数凸部は、電極捲回体と対向しない位置で電池ケースの側壁を比較的強く押圧することができ、その結果、各電池セルに対する拘束荷重を所定の下限値以上に確保することできる。

一実施形態であるバッテリの斜視図である。（ａ）は本実施形態の単電池およびスペーサを上方から見た状態で概略的に示す図であり、（ｂ）は比較例の単電池およびスペーサを上方から見た状態で概略的に示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のスペーサが電池ケースを押圧する様子を説明するための図である。（ａ），（ｂ）は、他の実施形態をそれぞれ示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本発明の一実施形態であるバッテリ１０の斜視図である。図１における３つの矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する三方向を示す。本実施形態では、矢印Ｘを配列方向、矢印Ｙを幅方向、矢印Ｚを高さ方向ということがある。

バッテリ１０は、複数の電池セル１と、各電池セル１間に介在されたスペーサ２０Ａとを備える。本実施形態における電池セル１は、電力を充放電可能な例えばリチウムイオン電池等の二次電池が好適に用いられる。複数の電池セル１は、Ｘ方向に並んで配列されている。電池セル１の数は、バッテリ１０の要求出力等に基づいて、適宜設定することができる。なお、電池セル１は、リチウムイオン電池以外の二次電池、例えば、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、ナトリウム硫黄電池等が用いられてもよい。

電池セル１は、直方体状の扁平箱形をなす電池ケース２の内部に、扁平形状の電極捲回体３が電解質と共に収容されて封入されている。電極捲回体３は、正極電極および負極電極がセパレータを挟んで扁平形状に巻回されて構成される。正極電極を構成する正極活物質には、例えば、コバルト酸リチウムを用い、負極電極を構成する負極活物質には、例えば、カーボンを用いることができる。

電池ケース２は、例えばアルミニウム合金板等の金属板を絞り加工等によって扁平直方体状に形成した有底の筐体と、その筐体の開口部を塞ぐ蓋材とによって構成できる。電池ケース２は、配列方向Ｘに対向する一対の幅広の側壁２ａ，２ｂと、幅方向Ｙに対向する一対の幅狭のケース側壁と、底部とを有する。一対の幅広の側壁２ａ，２ｂは、アルミニウム合金板等の金属板部分によって構成されるため可撓性を有している。

本実施形態では、電池ケース２の内部に収容された扁平形状の電極捲回体３は、その巻回軸Ｏが幅方向Ｙに沿って配置されている。具体的には、図１中に破線で示すように、電極捲回体３は、幅方向Ｙから見た状態で、配列方向Ｘに向いた一対の平面部と、これら一対の平面部の高さ方向Ｚの両端部に連続する一対の湾曲部とを含むトラック形状（又は長円形状）をなしている。

電池ケース２の上面（すなわち蓋材の表面）２ｃには、正極端子４及び負極端子５がそれぞれ突出して設けられている。正極端子４は、電池ケース２内の電極捲回体３を構成する正極電極に電気的に接続されている。負極端子５は、電池ケース２内の電極捲回体３を構成する負極電極に電気的に接続されている。

本実施形態において、配列方向Ｘに隣り合う電池セル１同士は、図１に示すように、正極端子４と負極端子５とが配列方向Ｘに交互に並ぶように配置されている。そして、図示しないバスバーが、隣り合って配置される２つの電池セル１について、一方の電池セル１の正極端子４と、他方の電池セル１の負極端子５とに接続される。これにより、本実施形態のバッテリ１０では、すべての電池セル１が電気的に直列に接続されている。ただし、バッテリは、電気的に並列に接続された複数の電池セル１を含んでもよい。

バッテリ１０は、一対のエンドプレート１２ａ，１２ｂと、拘束バンド１４とを更に備える。これらのエンドプレート１２ａ，１２ｂおよび拘束バンド１４は、本発明における拘束手段に相当する。一対のエンドプレート１２ａ，１２ｂは、電池セル１の配列方向Ｘにおけるバッテリ１０の両端に配置されている。配列方向Ｘの一方端に位置するエンドプレート１２ａは、電池セル１と接触して配置されている。これに対し、配列方向Ｘの他方端に位置するエンドプレート１２ｂは、スペーサ２０Ａを介して電池セル１に対向配置されている。また、スペーサ２０Ａは、各電池セル１の間にそれぞれ挟まれて配置されている。スペーサ２０Ａの詳細については後述する。

各エンドプレート１２ａ，１２ｂの上端面および下端面には、各２本の拘束バンド１４がそれぞれ取り付けられている。各拘束バンド１４は、配列方向Ｘに沿ってそれぞれ延伸している。各拘束バンド１４の両端部は、図示しないボルト等の締結部材によってエンドプレート１２ａ，１２ｂに締結されている。

エンドプレート１２ａ，１２ｂおよび拘束バンド１４を用いることにより、複数の電池セル１に対して拘束荷重Ｆ１を与えることができる。拘束荷重Ｆ１は、配列方向Ｘにおける両側から各電池セル１を押さえ付ける力であり、バッテリ１０が組み立てられた際に付与される初期荷重である。

なお、複数の電池セル１に対して拘束荷重Ｆ１を与える拘束手段は、図１に示す構造に限るものではない。例えば、拘束バンド１４の形状、本数、配置位置等は、適宜変更することができる。また、配列された電池セル１およびスペーサ２０Ａをバッテリケースに収容し、バッテリケースの互いに対向する一対の側壁によって拘束荷重を付与してもよい。

本実施形態のバッテリ１０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載することができる。ハイブリッド自動車は、車両の走行エネルギーを発生する動力源として、内燃機関と、バッテリ１０からの電力で駆動されるモータとを用いた車両である。電気自動車は、車両の動力源としてモータだけを用い、そのための電力源としてバッテリ１０だけ、又は、バッテリ１０と燃料電池を用いた車両である。バッテリ１０を搭載した車両では、バッテリ１０から出力された電気エネルギーを運動エネルギーに変換して車両を走行させたり、車両の制動時に発生する運動エネルギーを回生電力に変換してバッテリ１０に蓄えたりすることができる。

図２（ａ）は本実施形態の電池セル１およびスペーサ２０Ａを上方から見た状態で概略的に示す図であり、図２（ｂ）は比較例の電池セルおよびスペーサを上方から見た状態で概略的に示す図である。

図１および図２（ａ）に示すように、スペーサ２０Ａは、平板状のベース部２２と、ベース部２２から突出して形成された複数の凸部２４ａ，２４ｂとを有する。スペーサ２０Ａは、例えば、樹脂材料によって一体的に形成されている。本実施形態では、各凸部２４ａ，２４ｂは、電池セル１の高さ方向Ｚに沿って延伸する細長い直方体状をなし、電池ケース２の側壁２ｂに当接する先端面が細長い長方形状をなしている。また、スペーサ２０Ａにおいて、電池ケース２の他方の側壁２ａに当接するベース部２２の表面は、平坦面に形成されている。

凸部２４ａ，２４ｂの高さ方向Ｚの長さは、電池ケース２内に収容された電極捲回体３の平面部の高さ方向Ｚの長さと同じ程度に形成されるのが好ましい。バッテリ１０として組み立てられて拘束荷重Ｆ１が加わったとき、スペーサ２０Ａの各凸部２４ａ，２４ｂの先端面は、図２（ａ）に示すように、電池ケース２の平坦な側壁２ｂの外面に当接して押圧する。

本実施形態におけるスペーサ２０Ａでは、３つの凸部２４ａが形成されている。各凸部２４ａは、電池ケース２内の電極捲回体３に対向する位置で電池ケース２の側壁２ｂに当接する低ばね定数凸部である。例えば、低ばね定数凸部２４ａは、後述する高ばね定数凸部である凸部２４ｂと異なる樹脂材料、より詳しくは低弾性率の樹脂材料によって形成することで実現できる。このように異なる樹脂材料からなる各凸部２４ａは、インサート成形、接着、圧入等の方法でベース部２２に一体化することができる。また、各凸部２４ａは、ベース部２２上において幅方向Ｘに間隔をおいて配置されている。なお、凸部２４ａの数は、１つ又は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

他方、スペーサ２０Ａの幅方向Ｙの両端部に突設されている２つの凸部２４ｂは、電池ケース２内の電極捲回体３に対向しない位置で電池ケース２の側壁２ｂに当接する高ばね定数凸部である。各凸部２４ｂは、ベース部２２と同じ樹脂材領で一体に形成されている。各凸部２４ｂは、電池ケース２の両端側、すなわち、電池ケース２の幅狭の側壁近傍で側壁２ｂに当接していることが好ましい。

図２（ａ）の下図として、各凸部２４ａ，２４ｂによって電池セル１に作用する面圧が示されており、横軸が幅方向位置を表し、縦軸が面圧を表している。この下図を参照すると、本実施形態のスペーサ２０Ａを用いた場合、低ばね定数凸部２４ａに対応する位置での面圧Ｐ１が低く抑えられ、高ばね定数凸部２４ｂに対応する位置での面圧Ｐ２が大きくなっている（すなわちＰ１＜Ｐ２）。

図２（ｂ）に示す比較例のスペーサ２０Ｂでは、間隔をおいて形成された３つの凸部２４ｃによって、電極捲回体３に対向する位置で電池ケース２の側壁２ｂを押圧する例が示される。この例において、凸部２４ｃによって電池ケース２に作用する面圧をＰ２とした場合、電池セル１に対する所望の拘束荷重Ｆ１を確保しようとすると面圧Ｐ３が高くなる。

上述した本実施形態のスペーサ２０Ａの凸部２４ａ，２４ｂによる面圧Ｐ１，Ｐ２と比較すると、Ｐ１＜Ｐ３＜Ｐ２の関係になる。このように大きな面圧Ｐ３で可撓性の側壁２ｂを介して電極捲回体３を局所的に押圧すると、凸部２４ｃに対向する位置と対向しない位置とで面圧差が大きくなり、その結果、電極捲回体３における電気化学反応の集中が発生して金属析出（リチウムイオン電池の場合にはリチウム析出）が生じ易くなる。

これに対し、本実施形態におけるスペーサ２０Ａを用いた場合には、電極捲回体３に対向する位置に配置された低ばね定数凸部２４ａで比較的弱い面圧Ｐ１で可撓性の側壁２ｂを介して電極捲回体３を押圧するので、電極捲回体３を構成する正極電極および負極電極に生じる面圧差を低減できる。その結果、電極捲回体３における電気化学反応の集中によって生じ得る金属析出（リチウムイオン電池の場合にはリチウム析出）を抑制できる。また、低ばね定数凸部２４ａによる電極捲回体３の拘束面積を小さくするとともに面圧を低減することで、短時間で高電力を充放電する際に生じるハイレート劣化の耐性も向上する。

他方、本実施形態のスペーサ２０Ａでは、高ばね定数凸部２４ｂで電池ケース２の幅方向両側端部の側壁２ｂを比較的強い面圧Ｐ２でしっかりと押圧できる。高ばね定数凸部２４ｂは電極捲回体３に対向しない位置で電池ケース２の側壁２ｂを押圧するので、電極捲回体３を構成する正極電極および負極電極に対して面圧差の影響を与えることはない。したがって、本実施形態のスペーサ２０Ａを用いれば、低ばね定数凸部２４ａによる電池ケース２に対する拘束荷重が低くても、高ばね定数凸部２４ｂによって電池セル１に対する拘束荷重Ｆ１を所定の下限値以上に確保することができる。

図２（ａ）を再び参照すると、スペーサ２０Ａの各凸部２４ａ，２４ｂの間には、複数の空間２６が形成されている。これらの空間２６は、例えば空気等の温度調整媒体を流す流路として利用できる。各空間２６に温度調整媒体を流すことによって電池セル１を電池ケース２の外側から冷却することが可能である。これとは逆に、電池セル１が適正な動作温度より低温である場合には、例えば加熱した空気等を空間２６に温度調整媒体として流して、電池セル１を昇温させることもできる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のスペーサ２０Ａが電池ケース２を押圧する様子を説明するための図である。

図３（ａ）は、スペーサ２０Ａが押圧されていない自然状態にあるときの側面図である。スペーサ２０Ａが自然状態にあって押圧力が作用していないとき、低ばね定数凸部２４ａの突出長さが高ばね定数凸部２４ｂの突出長さよりも段差ｄだけ長く形成されている。そのため、図３（ｂ）に示すように、スペーサ２０Ａが電池セル１の側壁２ｂに押し付けられたとき、まず、低ばね定数凸部２４ａがつぶれ量ｙだけ変形した状態になる。このとき、高ばね定数凸部２４ｂは、電池ケース２の側壁２ｂに接触していない。この状態で、スペーサ２０Ａが電池セル１に及ぼす拘束荷重は、３つの低ばね定数凸部２４ａの合計のばね定数をｋ２とすると、「ｋ２×ｙ」で表すことができる。なお、この状態では高ばね定数凸部２４ｂは電池ケース２に当接していないため、高ばね定数凸部２４ｂによる拘束荷重は「０」である。

そして、図３（ｃ）に示すように、スペーサ２０Ａの各凸部２４ａ，２４ｂのつぶれ量ｙが更に大きくなって高ばね定数凸部２４ｂも電池ケース２の側壁２ｂに押圧された状態になったとき、低ばね定数凸部２４ａによる拘束荷重は「ｋ２×ｙ」で表され、２つの高ばね定数凸部２４ｂの合計のばね定数をｋ１としたとき高ばね定数凸部２４ｂによる拘束荷重は「ｋ１×（ｙ−ｄ）」で表すことができる。これらの合計荷重、すなわち、ｋ１×（ｙ−ｄ）＋ｋ２×ｙが上述した所望の拘束荷重Ｆ１となるように、低ばね定数凸部２４ａのばね定数ｋ２、高ばね定数凸部２４ｂのばね定数ｋ１、および、低ばね定数凸部２４ａと高ばね定数凸部２４ｂ間の段差距離ｄを設計すればよい。

なお、本発明は、上述した実施形態およびその変形例の構成に限定されるものでななく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記では、弾性率が異なる樹脂材料を用いることでスペーサ２０Ａの低ばね定数凸部２４ａおよび高ばね定数凸部２４ｂを構成する例について説明したが、これに限定されるものでない。図４（ａ）に示すスペーサ２０Ｃのように、低ばね定数凸部２４ａが、幅方向に湾曲して延びる皿ばね状または板ばね状に形成されてもよい。また、図４（ｂ）に示すスペーサ２０Ｄのように、ベース部２３を波板状に形成し、ベース部２３に含まれる多数の突出部のうちの例えば３つの突出部の高さを大きくすることによって、低ばね定数凸部２４ａを構成してもよい。

また、上記においてはスペーサ２０Ａのベース部２２の一方側表面に低ばね定数凸部２４ａおよび高ばね定数凸部２４ｂを設ける例について説明したが、ベース部２２の配列方向Ｘの両側表面に各凸部２４ａ，２４ｂを設けてもよい。

さらに、上記においては低ばね定数凸部２４ａと高ばね定数凸部２４ｂとの間に段差ｄを設けて低ばね定数凸部２４ａが先につぶれる構成としたが、これに限定されるものではない。低ばね定数凸部２４ａおよび高ばね定数凸部２４ｂの各先端面が同一平面上となるように構成してもよい。

１電池セル、２電池ケース、２ａ，２ｂ（電池ケースの）側壁、３電極捲回体、４正極端子、５負極端子、１０バッテリ、１２ａ，１２ｂエンドプレート（拘束手段）、１４拘束バンド（拘束手段）、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄスペーサ、２２，２３ベース部、２４ａ低ばね定数凸部、２４ｂ高ばね定数凸部、２６空間、ｄ段差、Ｆ１拘束荷重、ｋ１高ばね定数、ｋ２低ばね定数、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３面圧、ｙつぶれ量。

Claims

セパレータを挟んで正極電極および負極電極が扁平状に巻回されている電極捲回体を扁平箱形の電池ケースに収容してそれぞれ構成される複数の電池セルと、
一方向に沿って配列された前記各電池セル間に介在されているスペーサと、
前記複数の電池セルおよび前記スペーサに対して前記一方向に沿って拘束荷重を付与する拘束手段と、を備えるバッテリであって、
前記電池ケースは可撓性の側壁を有し、前記スペーサは前記側壁に当接する低ばね定数凸部および高ばね定数凸部を含んでおり、前記スペーサの低ばね定数凸部は前記電池ケース内の前記電極捲回体に対向する位置で前記側壁に当接し、前記スペーサの高ばね定数凸部は前記電池ケース内の前記電極捲回体に対向しない位置で前記側壁に当接し、
前記低ばね定数凸部と前記高ばね定数凸部の夫々は、前記電池セルの高さ方向に沿って延伸する細長い直方体状をなしていて、前記電池ケースの側壁に当接する先端面が細長い長方形状をなしており、
前記スペーサが自然状態にあって押圧力が作用していないとき、前記低ばね定数凸部の突出長さが前記高ばね定数凸部の突出長さよりも長くなっている、バッテリ。