JP6952036B2 - 電池、電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの電池、及びそのような電池を用いて構成される電池モジュールに関する。
近年、環境問題から、戸建て住宅などの家庭用途や、輸送機器、建設機器等の産業用途に用いることが可能な、風力発電、太陽光発電等から得られるクリーンエネルギーが注目されている。しかし、クリーンエネルギーは状況に応じた出力の変動が大きいという問題を有している。例えば、太陽光発電によるエネルギーは、太陽が昇っている日中には得られるが、太陽が沈んだ後の夜間には得られない。
クリーンエネルギーの出力を安定化するために、クリーンエネルギーを一時的に電池に蓄える技術が用いられる。例えば、電池に蓄えられた太陽光エネルギーは、太陽が沈んだ後の夜間にも利用可能となる。このようなクリーンエネルギーを蓄えるための電池としては、一般的に鉛電池が使用されていたが、鉛蓄電池は一般的に大型であり、エネルギー密度が低い、という欠点がある。
そこで、近年では、常温で作動可能であり、エネルギー密度も高いリチウムイオン二次電池が注目されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いという特性に加えて、インピーダンスが低いため応答性に優れている、という特徴も有する。
リチウムイオン二次電池としては、例えば、可撓性のフィルムの内部に電池要素が封入されているラミネート電池がある。ラミネート電池は、一般的に平板状であり、正極および負極が可撓性フィルムの外部に引き出されている。
上記のようなラミネート電池の２個以上を直列に接続して、容器本体（ケーシング）内に収容しモジュール化することで、大容量化に好適なものとする技術が知られている。
例えば、特許文献１（特許第３９７０６８４号公報）には、シート状に形成された４枚のシート状二次電池セルを互いに直列に接続して構成された組電池と、この組電池を収容する薄型直方体形状のケーシングとで構成された電池モジュールが開示されている。
特許第３９７０６８４号公報
特許文献１に記載されているような、ラミネート電池をケーシングに組み込んだ電池モジュールの場合には、ラミネート電池の周囲が前記ケーシングに対して接着などにより固着されていたり、電池の引き出しタブがネジ止めされていたりすることで、単位電池がケーシング内に固定されていても、ラミネートフィルム内に設けられている電極積層体が若干変位するようになっているので、電池モジュールに長時間の振動や衝撃が加わると、前記電極積層体が振り子のように作用し、ついには、ラミネートフィルムが破損し電解液が漏出したり、電極積層体と引き出しタブを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりするといった問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するものであって、本発明に係る電池は、正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、を有し、前記負極と、前記ラミネートフィルム外装材内面とが当接した状態となっており、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、を有し、前記電極積層体の最外層の負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記負極の活物質のＤ９０／Ｄ１０比が１．７以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記セパレーターの空隙率が３０％以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記電極積層体の積層方向の単位面積当たりの重量が１ｋｇ／ｍ２以上４０ｋｇ／ｍ２以下であることを特長とする。
また、本発明に係る電池モジュールは、前記のいずれかに記載の電池が用いられた電池モジュールであって、前記電極積層体の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ２以上の面圧を加える弾性物質を有することを特長とする。
また、本発明に係る電池モジュールは、面圧を加える方向における前記弾性物質のヤング率が０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、前記電極積層体の積層方向に面圧を加えることができる弾性層と、を有し、前記負極と、前記ラミネートフィルム外装材内面とが当接した状態となっており、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、前記電極積層体の積層方向に面圧を加えることができる弾性層と、を有し、前記電極積層体の最外層の負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記負極の活物質のＤ９０／Ｄ１０比が１．７以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記セパレーターの空隙率が３０％以上であることを特長とする。
また、本発明に係る電池は、前記電極積層体の積層方向の単位面積当たりの重量が１ｋｇ／ｍ２以上４０ｋｇ／ｍ２以下であることを特長とする。
また、本発明に係る電池モジュールは、前記のいずれかに記載の電池が用いられた電池モジュールであって、前記弾性層が前記電極積層体の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ２以上の面圧を加えることを特長とする。
また、本発明に係る電池モジュールは、面圧を加える方向における前記弾性層のヤング率が０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下であることを特長とする。
本発明に係る電池は、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であり、このような本発明に係る電池によれば、電池に長時間の振動や衝撃が加わったとしても、ラミネートフィルム外装材が破損し電解液が漏出したり、電極積層体と引き出しタブとを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりする確率が低減し、優れた耐振動性・耐衝撃性を有する電池を提供できる。
また、本発明に係る電池モジュールによれば、電池モジュールに長時間の振動や衝撃が加わったとしても、電池のラミネートフィルム外装材が破損し電解液が漏出したり、電極積層体と引き出しタブとを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりする確率が低減し、優れた耐振動性・耐衝撃性を有する電池モジュールを提供できる。
電極積層体６０における各構成の積層順序を説明する図である。 本発明の実施形態に係る電池１００の電極積層体６０の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電池１００の斜視図である。 電池モジュール３００における各構成の積層順序を説明する図である。 本発明の実施形態に係る電池モジュール３００の一例の斜視図である。 本発明の実施形態に係る電池モジュール３００の断面の模式図である。 電極積層体６０の積層方向の単位面積当たりの重量を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係る電池モジュール３００の断面の模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は電極積層体６０における各構成の積層順序を説明する図である。また、図２は本発明の実施形態に係る電池１００の電極積層体６０の構成を示す図である。また、図３は本発明の実施形態に係る電池１００の斜視図である。
本実施形態においては、電池１００として、リチウムイオンが負極と正極とを移動することにより充放電が行われる、電気化学素子の１種であるリチウムイオン二次電池を例に説明するが、本発明は他の種類の電池にも適用することができる。
本発明の実施形態に係る電池１００は、複数の正極２０と複数の負極３０とがセパレーター４０を介して積層された電極積層体６０、および電解液（不図示）が、矩形のラミネートフィルム外装材８０内に収容された構造となっている。
図１は電極積層体６０における各構成の積層順序を説明する図である。図１に示すように、電極積層体６０を構成する上では、正極２０、負極３０、セパレーター４０が用いられている。
正極２０は、矩形状の正極本体部２２と、正極本体部２２から延出する短冊状の正極端子部２４とを有している。正極本体部２２においては、薄板状のアルミニウム板にリチウムコバルト複合酸化物等の正極活物質２６が塗布されている。
また、負極３０は、矩形状の負極本体部３２と、負極本体部３２から延出する短冊状の負極端子部３４とを有している。負極本体部３２においては、薄板状のニッケル板又は銅板にグラファイト等の負極活物質３６が塗布されている。
セパレーター４０は、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂から作られた、マイクロポーラスフィルム（微多孔フィルム）、不織布あるいは織布など、電解液を含浸することができる矩形のシート状の部材である。
上記のような各構成が、電極積層体６０として積層されると、正極２０に形成された正極端子部２４の全ては、負極３０に形成された負極端子部３４の全ては、それぞれ超音波溶着などにより互いに固着される。
さらに、図２に示すように、正極２０の負極端子部３４は、正極引き出しタブ１２０に導電接続され、また、負極３０の負極端子部は、負極引き出しタブ１３０に導電接続される。
正極引き出しタブ１２０にはアルミニウム板が用いられ、負極引き出しタブ１３０にはニッケル板または銅板が用いられる。負極引き出しタブ１３０を銅板で構成する場合、表面にニッケルめっきを施してもよい。
また、上記のような各構成が、電極積層体６０として積層されると、図２に示すように、電極積層体６０の対向する２辺側の２箇所において接着テープ６５などによる固着を行い、積層状態の保持を確実とするようにすることが好ましい。
図２に示されるように形成された電極積層体６０及び電解液（不図示）は、正極引き出しタブ１２０及び負極引き出しタブ１３０が引き出された状態で、ラミネートフィルム外装材８０内に封止され、図３に示されるような電池１００とされる。
本実施形態では、ラミネートフィルム外装材８０は、電極積層体６０をその積層方向両側から挟んで包囲する２枚のラミネートフィルムからなり、電極積層体６０の周囲で重なり合った対向面同士における第１辺１１１、第２辺１１２、第３辺１１３、第４辺１１４を熱溶着し、熱溶着部（封止領域）８１を形成することで、電極積層体６０が電解液（不図示）と共に封止されている。ラミネートフィルム外装材８０において、第１辺１１１からは正極引き出しタブ１２０が、また、第２辺１１２からは負極引き出しタブ１３０が引き出される。
なお、本実施形態では、２枚のラミネートフィルムで電極積層体６０と電解液（不図示）とを封止する構成としたが、１枚のラミネートフィルを折り返すようにして電極積層体６０と電解液（不図示）とを封止する構成としてもよい。
ラミネートフィルム外装材８０を構成するラミネートフィルムとしては、柔軟性を有しており、かつ電解液が漏洩しないように、電極積層体６０と電解液（不図示）を封止できるものであれば、この種のフィルム外装電池に一般に用いられるフィルムを用いることができる。
ラミネートフィルム外装材８０に用いられるラミネートフィルムの代表的な層構成としては、金属薄膜層と熱溶着性樹脂層とを積層し、さらに、金属薄膜層の熱溶着性樹脂層と反対側の面にさらに、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルやナイロン等のフィルムからなる保護用樹脂層を積層した構成が挙げられる。電極積層体６０、電解液を封止するに際しては、熱溶着性樹脂層を対向させて電極積層体６０を包囲する。
金属薄膜層としては、例えば、厚さ１０μｍ〜１００μｍの、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｆｅ、ステンレス、Ｍｇ合金などの箔を用いることができる。
熱溶着性樹脂層に用いられる樹脂としては、熱溶着が可能な樹脂であれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、これらの酸変成物、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル等、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体などが使用できる。熱溶着性樹脂層の厚さは１０μｍ〜２００μｍが好ましく、より好ましくは３０μｍ〜１００μｍである。
ラミネートフィルム外装材８０の内面は、ラミネートフィルム外装材８０の上記のような熱溶着性樹脂層となる。一方、電極積層体６０においては、最外層には必ず負極３０となるように、積層順が規定されている。したがって、電池１００においては、電極積層体６０の負極３０と、ラミネートフィルム外装材８０内面（熱溶着性樹脂層）とが当接した状態した状態となっている。
ここで、電池１００において、電極積層体６０が振動や衝撃によって、ラミネートフィルム外装材８０内で動き出さないためには、負極３０と、ラミネートフィルム外装材８０内面との間の静止摩擦係数が所定値以上である必要がある。発明者は、この静止摩擦係数が０．１以上であることが好ましいことを実験的に見いだした。
このような静止摩擦係数を得るためには、負極活物質３６の体積粒度分布（Ｄ）に関連して、Ｄ９０／Ｄ１０比が１．７以上であることが好ましい。これは、Ｄ９０／Ｄ１０比が１．７未満であると、負極３０の表面が平坦となり、ラミネートフィルム外装材８０内面との間の静止摩擦係数を０．１以上とすることが困難となるからである。
また、電極積層体６０で積層されているセパレーター４０の空隙率は、３０％以上であることが好ましい。これは、空隙率を３０％以上とすることでセパレーター４０の柔軟性が向上し、ヤング率を低く抑えることが可能となるからである。
上記のような電池１００は、ケーシング内に組み込まれ、電池モジュール３００として利用されることが一般的である。このようなケーシングの一例として、収容ケース体２００と蓋体２１０とからなるものを例に説明する。なお、電池モジュール３００における正極引き出しタブ１２０や負極引き出しタブ１３０の電気接続部に関連する構成については図示省略する。
図４は電池モジュール３００における各構成の積層順序を説明する図である。また、図５は本発明の実施形態に係る電池モジュール３００の一例の斜視図である。本実施形態においては、図に示されるように、収容ケース体２００と蓋体２１０との間で、電池１００は上下から弾性物質１５０によって狭持されるようにしてケーシングされている。
弾性物質１５０としては、必要な弾性率および耐久性を満たす限り、用い得る材質が特に限定されるものではないが、例えばイソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどのゴム状高分子体や、これらを発泡多孔質化したスポンジ状質物、またはその他のポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィンなどの高分子を相分離、化学処理、粒子融着、繊維化などにより多孔質化したスポンジ状質物などの材質のものを用いることができる。
図６は、図５のＸ−Ｘ’を含む、積層方向に対して垂直な面の模式的な断面図である。図６において、電極積層体６０の最外層の負極３０については強調的な表示を行っている。本発明においては、前述したように、負極３０とラミネートフィルム外装材８０内面との間の静止摩擦係数は０．１以上として設定されている。
また、電極積層体６０の最外層の負極３０と、ラミネートフィルム外装材８０内面との間に十分な荷重をかけるために、弾性物質１５０のヤング率は０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下とする。これにより、弾性物質１５０は、電極積層体６０の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ２以上の面圧を加えることが可能となる。
また、図７は電池１００における電極積層体６０を抜き出して示す図であり、電極積層体６０の積層方向の単位面積当たりの重量を説明する図である。本発明においては、電極積層体６０の積層方向の単位面積当たりの重量は１ｋｇ／ｍ２以上４０ｋｇ／ｍ２以下とされている。
前記重量が４０ｋｇ／ｍ２を越えると、電極積層体６０の重量が大きくなりすぎ、摩擦力で電極積層体６０の動きを抑えきれなくなり、逆に、前記重量が１ｋｇ／ｍ２を下回ると、電池１００としてのエネルギー密度が大幅に低下してしまうこととなるので、前記重量は１ｋｇ／ｍ２以上４０ｋｇ／ｍ２以下として設定されている。
本発明に係る電池１００は、前記負極３０と前記ラミネートフィルム外装材８０内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であり、このような本発明に係る電池１００によれば、電池１００に長時間の振動や衝撃が加わったとしても、ラミネートフィルム外装材８０が破損し電解液が漏出したり、電極積層体６０と引き出しタブとを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりする確率が低減し、優れた耐振動性・耐衝撃性を有する電池１００を提供できる。
また、本発明に係る電池モジュール３００によれば、電池モジュール３００に長時間の振動や衝撃が加わったとしても、電池１００のラミネートフィルム外装材８０が破損し電解液が漏出したり、電極積層体６０と引き出しタブとを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりする確率が低減し、優れた耐振動性・耐衝撃性を有する電池モジュール３００を提供できる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８は本発明の他の実施形態に係る電池モジュール３００の断面の模式図であり、先の実施形態の図６に相当する図である。
以下、先の実施形態と、他の実施形態の相違点ついて説明する。先の実施形態の電池１００においては、電極積層体６０の最外層の負極３０と、ラミネートフィルム外装材８０内面との間に十分な荷重をかけるために、弾性物質１５０が電池１００の外部に設けられていた。
これに対して、他の実施形態の電池１００においては、電極積層体６０の最外層の負極３０と、ラミネートフィルム外装材８０内面との間に十分な荷重をかけるために、弾性層２５０が電池１００の内部に設けられていることを特長としている。
上記のような相違点以外の構成は、先の実施形態と、他の実施形態とで異なるところはない。他の実施形態においては、図８に示すように、電極積層体６０の積層方向に面圧を加えることができる弾性層２５０は、電極積層体６０中に設けられている。
弾性層２５０に用いる材質としては、必要な物性および耐久性を満たす限り、特に限定されるものではないが、例えば、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどのゴム状高分子体や、これらを発泡多孔質化したスポンジ状質物、またはその他のポリオレフィン、ハロゲン化ポリオレフィンなどの高分子を相分離、化学処理、粒子融着、繊維化などにより多孔質化したスポンジ状質物などを用いることができる。
また、弾性層２５０のヤング率は０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下とする。これにより、弾性層２５０は、電極積層体６０の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ２以上の面圧を加えることが可能となる。
以上のような他の実施形態に係る電池１００、及び、このような電池１００を用いた電池モジュール３００によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。
産業上の利用性
近年、エネルギー密度も高いリチウムイオン二次電池としては、例えば、可撓性のフィルムの内部に電池要素が封入されているラミネート電池がある。このようなラミネート電池をケーシングに組み込んだ電池モジュールの場合には、ラミネート電池の周囲が前記ケーシングに対して接着などにより固着されていたり、電池の引き出しタブがネジ止めされていたりすることで、単位電池がケーシング内に固定されていても、ラミネートフィルム内に設けられている電極積層体が若干変位するようになっているので、電池モジュールに長時間の振動や衝撃が加わると、前記電極積層体が振り子のように作用し、ついには、ラミネートフィルムが破損し電解液が漏出したり、電極積層体と引き出しタブを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりするといった問題があった。そこで、本発明に係る電池では、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上とされており、このような本発明に係る電池によれば、電池に長時間の振動や衝撃が加わったとしても、ラミネートフィルム外装材が破損し電解液が漏出したり、電極積層体と引き出しタブとを導電接続している部材が破断したり、あるいは、引き出しタブが破断したりする確率が低減し、優れた耐振動性・耐衝撃性を有する電池を提供でき、産業上の利用性が非常に大きい。
２０・・・正極
２２・・・正極本体部
２４・・・正極端子部
２６・・・正極活物質
３０・・・負極
３２・・・負極本体部
３４・・・負極端子部
３６・・・負極活物質
４０・・・セパレーター
４２・・・セパレーター本体部
４４・・・セパレーター延出片
６０・・・電極積層体
６５・・・接着テープ
８０・・・ラミネートフィルム外装材
８１・・・熱溶着部（封止領域）
１００・・・電池
１１０・・・電池本体部
１１１・・・第１辺
１１２・・・第２辺
１１３・・・第３辺
１１４・・・第４辺
１２０・・・正極引き出しタブ
１３０・・・負極引き出しタブ
１５０・・・弾性物質
２００・・・収容ケース体
２１０・・・蓋体
２５０・・・弾性層
３００・・・電池モジュール

Claims (14)

  1. 正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、
    前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、を有し、
    前記負極と、前記ラミネートフィルム外装材内面とが当接した状態となっており、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする電池。
  2. 正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、
    前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、を有し、
    前記電極積層体の最外層の負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする電池。
  3. 前記負極の活物質のＤ９０／Ｄ１０比が１．７以上であることを特長とする請求項１又は請求項２に記載の電池。
  4. 前記セパレーターの空隙率が３０％以上であることを特長とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池。
  5. 前記電極積層体の積層方向の単位面積当たりの重量が１ｋｇ／ｍ2以上４０ｋｇ／ｍ2以下であることを特長とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電池が用いられた電池モジュールであって、
    前記電極積層体の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ2以上の面圧を加える弾性物質を有することを特長とする電池モジュール。
  7. 面圧を加える方向における前記弾性物質のヤング率が０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下であることを特長とする請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、
    前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、
    前記電極積層体の積層方向に面圧を加えることができる弾性層と、を有し、
    前記負極と、前記ラミネートフィルム外装材内面とが当接した状態となっており、前記負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする電池。
  9. 正極と負極とセパレーターとが積層されてなる電極積層体と、
    前記電極積層体と電解液を収容するラミネートフィルム外装材と、
    前記電極積層体の積層方向に面圧を加えることができる弾性層と、を有し、
    前記電極積層体の最外層の負極と前記ラミネートフィルム外装材内面との間の静止摩擦係数が０．１以上であることを特長とする電池。
  10. 前記負極の活物質のＤ９０／Ｄ１０比が１．７以上であることを特長とする請求項８又は請求項９に記載の電池。
  11. 前記セパレーターの空隙率が３０％以上であることを特長とする請求項８又は請求項１０のいずれか１項に記載の電池。
  12. 前記電極積層体の積層方向の単位面積当たりの重量が１ｋｇ／ｍ2以上４０ｋｇ／ｍ2以下であることを特長とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の電池。
  13. 請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載の電池が用いられた電池モジュールであって、
    前記弾性層が前記電極積層体の積層方向に１００ｋｇｆ／ｍ2以上の面圧を加えることを特長とする電池モジュール。
  14. 面圧を加える方向における前記弾性層のヤング率が０．１ＭＰａ以上５Ｍｐａ以下であることを特長とする請求項１３に記載の電池モジュール。
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