JP7022311B2

JP7022311B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7022311B2
Application number: JP2018007552A
Authority: JP
Inventors: 卓誠坂本; 聡美山本; 晃一谷本; 真也大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN110061160A; JP2019128980A; US10886558B2; US20190229364A1; CN110061160B

Description

本発明は、電池モジュールに関する。詳しくは、複数の単電池を拘束した状態で保持する電池モジュールに関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等の単電池を備える電池モジュールは、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末等の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池を単電池として用いた電池モジュールは、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源として好ましく、今後も需要が拡大するものと期待されている。

かかる電池モジュールの典型的な構成として、複数の単電池が積層され、且つ該積層方向に所定の荷重が加えられた状態で拘束されて構築されるものがある。このような単電池の拘束は、主に電池モジュールの耐振動および耐衝撃、および電池性能確保の観点から行われる。この種の技術に関する従来技術文献としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、低温（典型的には＋４℃以下）の環境下において膨張しうる介在部材を備えた電池モジュールが開示されている。

特開２００８－２７７０４２号公報

この種の電池モジュールにおいて、電池の使用時（充放電時）に単電池の一部が膨張収縮したり、電池モジュールが経年劣化したりすることにより、電池モジュールの構築時において単電池に加えられていた拘束荷重の大きさが変化することがあった。また、電池の使用環境（例えば気温）に応じて、該拘束荷重の大きさが変化することがあった。このため、かかる拘束荷重の変化に応じて単電池に加わる圧力が調節される必要があった。

しかしながら、従来技術における電池モジュールの拘束圧の制御は十分なものではなかった。特に、電池の使用時（充放電時）に大きく膨張収縮する傾向がある単電池を用いて電池モジュールを構築する場合において、より十分な拘束圧の制御を行うことが求められていた。例えば、電池モジュールの温度が上昇しつつ単電池の膨張が進行した場合において、拘束圧の制御を十分に行うことが求められている。好適な拘束圧の印加が行われないと、電池モジュールの性能が低下する虞がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、充放電時に単電池が膨張収縮した場合においても、積層体の積層方向にかかる拘束圧が好適に制御されることにより、電池性能の劣化が抑制され得る電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明によると、複数の単電地が積層した積層体と、該積層された単電池間の間隙、該積層方向の一方の端部および他方の端部のうちの少なくとも一箇所に配置され、該積層体の積層方向にかかる拘束圧を調節する圧力調節部材と、を備えた電池モジュールが提供される。

上記単電池は、外装体と、該外装体に収容される電極体と、該電極体と電気的に接続され、かつ、該外装体から引き出された正極端子および負極端子と、を備える。上記圧力調節部材は、液体保持部と、液体貯蔵部と、を備える。ここで、上記液体保持部は、上記拘束圧が印加される位置に形成されており、かつ、液体と、該液体を保持可能な液体保持体と、を含み、さらに該液体保持体は、前記液体を可逆的に排出および吸収することができる。また、上記液体貯蔵部は、上記拘束圧が印加されない位置（例えば、前記正極端子および前記負極端子が前記外装体から引き出された方向の位置）に形成されている。さらに、上記液体保持部と上記液体貯蔵部との境界は、上記液体が可逆的に移動可能であり、かつ、上記液体保持体の上記液体貯蔵部への移動は阻止されるように形成されている。

かかる構成の電池モジュールによると、電池使用時（充放電時）に単電池が膨張して、積層体の積層方法にかかる拘束圧が変化する虞がある場合、圧力調節部材の液体保持部から液体貯蔵部へと液体が移動することにより、該拘束圧を好適な範囲に調節することができる。また逆に、電池使用時に単電池が収縮して、積層体の積層方法にかかる拘束圧が変化する虞がある場合は、圧力調節部材の液体貯蔵部から液体保持部へと液体が移動することにより、該拘束圧を好適な範囲に調節することができる。即ち、かかる構成によると、電池使用時に単電池が膨張収縮した場合であっても、積層体に印加される拘束圧を好適に制御することができる。

ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記液体保持体は、温度応答性のある吸水性高分子を含む。かかる電池モジュールによると、電池温度が上昇して単電池が膨張した場合に、温度に応じて上記吸収性高分子から液体が排出されて液体保持部へと移動しやすい。よって、かかる構成の電池モジュールによると、特に電池モジュールの温度が高い場合（例えば、３０℃以上）に、積層体に印加される拘束圧を好適に制御することができる。

ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記液体保持体は、上記拘束圧により弾性変形する多孔質高分子を含む。かかる液体保持体は、好適に液体を排出および吸収することができるため、該液体保持体を備えた圧力調節部材によると、積層体に印加される拘束圧を好適に制御することができる。また、かかる液体保持体は、拘束圧により弾性変化可能であるため、弾性変形により生じた弾性力によっても好適に上記拘束圧を制御することができる。

ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記液体保持体は、上記液体が可逆的に出入り可能である容器に収容された状態で上記液体保持部に保持されている。かかる構成によると、上記液体保持体は型崩れすることなく、長期間機能を発揮させることができる。

また、ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記液体貯蔵部は、液体保持部から相互に異なる方向に２つ以上形成されている。かかる構成によると、液体保持部から複数の液体貯蔵部へ液体の移動をより短時間のうちに完了させることができる。このため、圧力調節部材による積層体の拘束圧の制御をより迅速に効果的に行うことができる。

また、ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記液体貯蔵部は、上記正極端子及び／又は負極端子（以下、両端子をまとめて「正負極端子」という。）と積層方向に重なる領域に形成されている。かかる構成では、上記拘束圧が印加されない位置に配置する必要のある液体貯蔵部を、積層体を構成する単電池の正負極端子を配置する位置と積層方向に重複させる。このため、単電池の外装体から引き出される正負極端子の配置される空間とは別に液体貯蔵部を配置する空間をさらに別途設ける必要がなくなる。かかる空間が大きいと、電池モジュールにおける単位体積あたりの電池容量を低下させる要因になり得るため好ましくない。したがって、本態様の電池モジュールによると、電池モジュール全体の体積の有効利用（体積効率）を向上させることができる。

ここに開示される電池モジュールの好ましい他の一態様では、上記正極端子と上記負極端子は、上記外装体の対向する２つの辺からそれぞれ別方向に引き出されている。また、上記圧力調節部材は、２つの前記液体貯蔵部を有し、該２つの液体貯蔵部は、それぞれ、上記正極端子および上記負極端子と積層方向に重なる領域に形成されている。かかる構成の電池モジュールによると、圧力調節部材による積層体の拘束圧の制御を迅速に行うことができるとともに、正負極端子がそれぞれ別方向に引き出されるタイプの電池を単電池として積層する態様の電池モジュールにおいて、電池モジュール全体の体積効率を良好に保つことができる。

一実施形態に係る電池モジュールを模式的に示す斜視図である。図１のＩＩ－ＩＩ’矢視断面図である。一実施形態に係る圧力調節部材を模式的に示す平面図である。図３に示す圧力調節部材のＩＶ－ＩＶ’線による断面を含む斜視図である。図１のＶ－Ｖ’矢視図である。他の一実施形態に係る電池モジュールを図１のＶ－Ｖ’線から視た図である。他の一実施形態に係る電池モジュールを模式的に示す断面図である。他の一実施形態に係る電池モジュールを模式的に示す断面図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

ここに開示される製造方法は、電池ケースによりケースの内部が外部環境から遮断されている各種の密閉型電池の製造に適用することができる。典型的には、電池ケースによってケースの内部と外部との気体、液体および固体の流通が遮断されている各種の電池の製造に適用される。以下の説明では、まず、本発明に係る製造方法が適用され得る密閉型電池の構成を、リチウムイオン二次電池を例にして簡単に説明する。なお、本発明の製造方法の適用に係る密閉型電池をかかるリチウムイオン二次電池に限定する意図ではない。

図１は、一実施形態に係る電池モジュール１００の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ’矢視断面を模式的に示した概略図である。図１および図２に示すように、電池モジュール１００は、複数の単電池１０を有する積層体２０と、一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂと、一対のサイドプレート４０Ａ、４０Ｂと、圧力調節部材６０とを備えている。

積層体２０は、複数の単電池１０（好ましくは充放電可能な単電池１０）が所定の積層方向（図１中の矢印Ｘ方向）に積層されて配置されることにより構成されている。図示はしていないが、複数の単電池１０の間には、単電池１０以外の部材（例えば、冷却板等）が介在していてもよい。例えば、単電池１０と後述する圧力調節部材６０との間には、圧力調節部材６０からの圧力を、積層体２０を構成する各単電池１０の積層方向Ｘに相互に対向する面（以下、「積層面」という。）に均一に伝達するための金属製のプレートが介在していてもよい。

＜単電池＞
単電池１０は、好適には全固体電池であり、より好適には全固体リチウム二次電池またはリチウム－硫黄二次電池である。全固体電池は、典型的には、正極、負極、および固体電解質を備える。単電池１０が全固体電池であった場合、正極、負極、および固体電解質の積層方向は、積層体２０の積層方向Ｘと同じである。単電池１０は、非水電解液二次電池であってもよい。非水電解液二次電池は、典型的には、正極、負極、セパレータ、および非水電解液を備える。単電池１０が非水電解液二次電池であった場合、正極、負極、およびセパレータの積層方向は、積層体２０の積層方向Ｘと同じである。よって、ここに開示される一実施形態の電池モジュール１００によると、単電池１０内の電極面に対して垂直方向に拘束荷重が印加される。

単電池１０として全固体電池を用いた場合、電池の充放電時において、積層体２０の積層方向Ｘに直交する方向（即ち、図１のＹＺ面の面内方向）における単電池１０の面である積層面の縁部は、中央部よりも大きく膨張収縮する傾向がある。ここに開示される技術によると、上記単電池１０の縁部を含む積層面の全域にかかる拘束圧を好適に調節することができるため、全固体電池である単電池１０に対して本発明を適用することは有意義である。

また、単電池１０は、燃料電池や、ニッケル水素電池その他の二次電池であってもよい。なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。

単電池１０は、上述した正極および負極を含む電極体、電解質等の発電要素を内部に収容する外装体１４と、外装体１４から引き出された正極端子１２Ａおよび負極端子１２Ｂと、を備える。正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂは、上記電極体と電気的に接続されている。図１に示す例によると、正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂはそれぞれ外装体１４の同じ辺から同方向に引き出されている。

単電池１０の正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂは、それぞれ外装体１４の対向する二つの辺から別々に引き出されていてもよい（後述する図６参照）。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０を構成する正極に用いられる材料については、従来の全固体電池の正極に使用される材料であれば、特に限定されず用いることができる。例えば、正極に含まれる正極活物質としては、層状、オリビン系、スピネル型の化合物が用いられ得る。具体的には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ_{１－ｙ－ｚ}Ｃｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２、例えばＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）、ニッケルコバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ_１－ｘＣｏ_ｘＯ_２）、ニッケルマンガン酸リチウム（ＬｉＮｉ_１－ｘＭｎ_ｘＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リチウムマンガン酸化合物（Ｌｉ_１＋ｘＭ_ｙＭｎ_{２－ｘ－ｙ}Ｏ_４；Ｍ＝Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ）、リン酸金属リチウム（ＬｉＭＰＯ_４、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、フッ化リン酸金属リチウム（Ｌｉ_２ＭＰＯ_４Ｆ、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、リン酸金属リチウム（Ｌｉ_２ＭＰ_２Ｏ_７、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_ｘＴｉＯ_ｙ）などが例示される。または、正極活物質は硫黄元素を含んでいてもよく、硫黄（Ｓ）であってもよい。

ここに開示される技術によると、電池の充放電時に単電池１０が膨張伸縮したとしても、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が好適に調節され得る。このため、充放電時に大きく膨張伸縮する傾向がある硫黄（Ｓ）を正極材料として用いた単電池１０に対して、本発明に係る技術を適用することは、特に有意義である。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０を構成する負極に用いられる材料については、従来の全固体電池の負極に使用される材料であれば、特に限定されず用いることができる。例えば、負極に含まれる負極活物質としては、金属、炭素材などが用いられ得る。金属としては、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｂなどの金属、これらのいくつかを組み合わせた合金などが例示される。炭素材としては、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む炭素材料等、具体的には、天然または人造の黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、低温焼成炭素、または、これらのうちのいくつかを組み合わせた材料、が例示される。

ここに開示される技術によると、電池の充放電時に単電池１０が膨張伸縮したとしても、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が好適に調節され得る。このため、充放電時に大きく膨張伸縮する傾向があるＳｎ、Ｓｉ等の金属、またはこれらを組み合わせた合金を負極材料として用いた単電池１０に対して、本発明に係る技術を適用することは、特に有意義である。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０に含まれる固体電解質としては、従来の全固体電池の固体電解質として使用される材料であれば、特に限定されずに用いることができる。例えば、固体電解質として、硫化物、酸化物等の無機系固体電解質が用いられ得る。なかでも硫化物固体電解質が好ましく採用され得る。また、固体電解質は結晶、非結晶あるいはガラスセラミックのいずれでであってよい。硫化物系固体電解質としては、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２系、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－ＬｉＩ系、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－Ｌｉ_３ＰＯ_４系等の非結晶、Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２等の結晶、Ｌｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１、Ｌｉ_３．２５Ｐ_０．９５Ｓ_４等のガラスセラミックスが例示される。酸化物系固体電解質としては、Ｌａ_０．５１Ｌｉ_０．３４ＴｉＯ_２．９４、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２等が例示される。

外装体１４は、薄く、軽量であって、柔軟性が高く、熱溶着や超音波溶着などによって容易に融着できるとともに、気密性、水分非透過性に優れた材料からなることが好ましい。外装体１４は、例えば、２つの高分子樹脂層の間に金属層を配置した三層構造を有するラミネートフィルムで構成されていてもよい。金属層は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属箔から構成されてもよい。高分子樹脂層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、エチレンビニルアセテートなどの熱可塑性樹脂フィルムから構成されてもよい。図示されるような、外装体１４がかかるラミネートフィルムで構成された扁平な薄板形状の単電池１０は、充放電時の膨張伸縮が大きくなる傾向にあるため、本発明に係る技術を適用するのに好適である。

＜エンドプレート＞
一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、積層体２０の積層方向Ｘの両端部に配置されている。本実施形態では、エンドプレート３０Ａは、積層体２０の積層方向Ｘの一方側の端部に圧力調節部材６０を介在させて配置されている。エンドプレート３０Ｂは、積層体２０の積層方向Ｘの他の一方の端部に配置されている。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂには、積層体２０にかかる拘束荷重に耐え得る素材と形状が採用される。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、金属製であっても樹脂製であってもよく、例えば、炭素鋼製であってもよい。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、板状に形成されている。

＜サイドプレート＞
一対のサイドプレート４０Ａ、４０Ｂの間には、積層体２０が配置される。図２に示すように、サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、積層体２０から離隔して配置されている。サイドプレート４０Ａとサイドプレート４０Ｂとは、積層体２０を介して対向している。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、それぞれ一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂを連結する。即ち、サイドプレート４０Ａは、エンドプレート３０Ａの図１の矢印Ｚ方向の一方側の端部と、エンドプレート３０Ｂの図１の矢印Ｚ方向の一方側の端部とを連結する。サイドプレート４０Ｂは、エンドプレート３０Ａの図１の矢印Ｚ方向の他方側の端部と、エンドプレート３０Ｂの図１の矢印Ｚ方向の他方側の端部とを連結する。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、エンドプレート３０Ａ、３０Ｂと同じ材料から形成されていてもよく、異なる材料から形成されていてもよい。

サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとの連結は、ボルト等の締結部材によるものであってもよい。あるいは、サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとの連結は、溶接などによる強固な接合によるものであってもよい。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとが溶接により接合される場合、エンドプレート３０Ａ、３０Ｂとサイドプレート４０Ａ、４０Ｂの素材としては金属が好ましく採用される。

＜圧力調節部材＞
図１および図２に示す実施形態では、積層体２０の積層方向Ｘの一方の端部とエンドプレート３０Ａとの間には、圧力調節部材６０が配置されている。圧力調節部材６０は、積層体２０の積層方向Ｘにかかる圧力（拘束圧）を調節し得る。かかる構成によると、積層体２０の積層方向Ｘの一方の端部のみに圧力調節部材６０が配置されており、電池モジュール１００の構成が単純であることから、電池モジュール１００のコンパクト化が達成されやすい。

図３は、一実施形態に係る圧力調節部材６０を模式的に示す平面図である。図４は、図３のＶＩ－ＶＩ’線による断面を含む圧力調節部材６０の模式的な斜視図である。圧力調節部材６０は、袋状に形成された外装フィルム５８と、袋状の外装フィルム５８の内部に形成された液体保持部６２および液体貯蔵部６４と、を備える。液体保持部６２と液体貯蔵部６４との境界５６は、液体保持部６２と液体貯蔵部６４とを隔離しつつ、液体が可逆的に移動可能であるように形成されている。例えば、袋状の外装フィルム５８の境界５６に位置する上下二枚の外装フィルム５８を、点線状に（即ち、適切な間隔を有する破線状に）熱溶着することにより、液体が液体保持部６２と液体貯蔵部６４の間を可逆的に移動可能であり、かつ、後述するような液体保持体６６の液体貯蔵部６４への移動は阻止される境界５６を形成することができる。

外装フィルム５８は、薄く、軽量であって、柔軟性が高く、熱溶着や超音波溶着などによって容易に融着できるとともに、気密性、水分非透過性に優れた材料からなることが好ましい。外装フィルム５８は、例えば、２つの樹脂層の間に金属層を配置した三層構造を有するラミネートフィルムで構成されていてもよい。金属層は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属箔から構成されてもよく、アルミニウム箔で構成されていることが好ましい。樹脂層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、エチレンビニルアセテートなどの熱可塑性樹脂フィルムから構成されてもよく、なかでもポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。

液体保持部６２には、液体保持体６６が配置される。液体保持体６６は、液体を保持しており、かつ該液体を可逆的に排出および吸収することができる材料で構成されている。液体貯蔵部６４には、液体保持体６６から排出された液体が移動してきたときに該液体を貯蔵可能な空間が形成されている。

かかる構成によると、液体保持体６６にかかる外部から圧力が増大した場合には、液体保持体６６から液体が排出され、該液体が境界５６を通って液体貯蔵部６４へと移動し、圧力調節部材６０の液体保持体６６が配置された部位の厚みが減少する。逆に、液体保持体６６にかかる外部から圧力が減少した場合には、液体保持体６６が液体を吸収するため、液体貯蔵部６４内の液体が境界５６を通って液体保持体６６へと移動し、圧力調節部材６０の液体保持体６６が配置された部位の厚みが増加する。このようにして、外部の圧力に応じて、圧力調節部材６０の厚みが変化して、外部から圧力を緩衝することができる。

液体保持体６６は、大量の液体を保持可能であり、かつ該液体を外部からの圧力に応じて可逆的に排出および吸収することができる材料で構成されていることが好ましい。好ましい液体保持体６６としては、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビ二ルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリ－Ｎ－イソプロピルアミド等の吸水性高分子、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレンおよびポリプロピレン等のポリオレフィン、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド、メラミン樹脂等の高分子多孔質体、不織布等の繊維集積体等が挙げられる。なかでも、液体保持体６６として、吸水性高分子または高分子多孔質体が好ましく採用され得る。

液体保持体６６としては、上述する吸水性高分子の一種を単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。あるいは、液体保持体６６として、上述する高分子多孔質体の一種を単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。または、液体保持体６６として、吸水性高分子、高分子多孔質体および繊維集積体から選ばれた二種以上を組み合せて用いることができる。

液体保持体６６を構成する材料として、温度応答性のある吸水性高分子が好ましく採用され得る。温度応答性のある吸水性高分子（感温性多孔質高分子ゲルともいう。）とは、温度刺激に対して可逆的に膨張伸縮する高分子であり、典型的には、各高分子が特異的に有する転移温度よりも高温において液体を排出し、該転移温度よりも低温において液体を吸収する。

ここに開示する液体保持体６６として好適に用いられ得る温度応答性のある吸水性高分子として、ポリ－Ｎ－イソプロピルアミドが挙げられる。ポリ－Ｎ－イソプロピルアミドを液体保持体６６として採用すると、電池モジュール１００の温度がポリ－Ｎ－イソプロピルアミドの下限臨界溶解温度（ＬＣＳＴ）である約３２℃より低いときは、液体保持体６６が液体を吸収して圧力調節部材６０の厚みが増大することにより積層体２０にかかる拘束圧を向上させることができ、電池モジュール１００の温度が約３２℃より高いときは、液体保持体６６が液体（例えば水）を排出して圧力調節部材６０の厚みが減少することにより積層体２０にかかる拘束圧を低下させることができる。なお、適切なモノマーとＮ－イソプロピルアミドとを共重合させることによって、温度応答性の異なる種々のポリ－Ｎ－イソプロピルアミド誘導体を形成することによって、温度応答性の調節を行うことができる。例えば、Ｎ－イソプロピルアミドと疎水性モノマー（メタクリル酸ブチル等）を共重合させることにより、ＬＣＳＴをより低温側にシフトさせることができる。一方、Ｎ－イソプロピルアミドと親水性モノマー（Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等）を共重合させることにより、ＬＣＳＴをより高温側にシフトさせることができる。
このように温度応答性の異なる種々の吸水性高分子材料を適当に採用することによって、充放電時に温度が上昇しつつ膨張する傾向がある単電池１０を用いた電池モジュール１００において、所望の温度に応じて好適に拘束圧の調節を行うことができる。

あるいはまた、高分子多孔質体としては、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧により弾性変形するものが好ましく用いられ得る。かかる高分子多孔質体を液体保持体６６として採用した場合、液体保持体６６は多孔質体の細孔において液体を好適に保持することができ、さらに外部からの圧力により変形することによって液体を可逆的に排出および吸収することができる。このため、かかる液体保持体６６を含む圧力調節部材６０によると、積層体２０にかかる拘束圧を好適に制御することができる。さらに、上記拘束圧により弾性変形する高分子多孔質体を含む液体保持体６６によると、かかる弾性変形により生じる弾性力によっても好適に積層体２０に印加される拘束圧を制御することができる。

上述したような構成の液体保持体６６は、液体が可逆的に出入り可能である容器６８に収容された状態で液体保持部６２内に保持されていてもよい。かかる容器６８に液体保持体６６を収容することによって、液体保持体６６は型崩れすることなく、圧力調節部材６０（液体保持部６２）中で長期間、液体を排出／吸収する機能を発揮させることができる。容器６８は、液体保持体６６が液体を排出／吸収して変形するのに応じて、容易に変形するものであることが好ましい。

容器６８は、例えば、複数の貫通孔を有する袋状に形成された容器であり得る。例えば、容器６８は、網状（網目構造）に形成されたシートにより形成された袋状の容器であってもよい。容器６８の材質としては金属または樹脂が好ましい。軽量および耐腐食性の観点から、容器６８の材質としては樹脂が好ましく採用され得る。例えば、容器６８の材質として、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート等が好ましく用いられ得る。

圧力調節部材６０に含まれる液体としては、液体保持体６６に好適に保持される観点から、親水性溶媒が好ましく用いられる。例えば、水、または水を含む水系溶媒が好ましい。かかる溶媒は、塩を含んでいてもよい。塩としては、無機塩、有機塩等が例示される。無機塩としては、正塩、酸性塩、塩基性塩等が例示される。かかる塩を含む液体によると、液体保持体６６の液体保持性を制御することができる。圧力調節部材６０に含まれる液体として、塩を含む水溶液を用いる場合、その濃度は特に限定されない。

図５は、図１のＶ－Ｖ’矢視図（模式的な概要図）である。図５に示すように、圧力調節部材６０は、積層体２０（または積層体２０を構成する単電池１０）が配置されている領域に液体保持部６２が重なるように配置される。即ち、液体保持部６２は、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が印加される位置に配置される。また、圧力調節部材６０は、積層体２０（または積層体２０を構成する単電池１０）が配置されている領域の外側に液体貯蔵部６４が重なるように配置される。即ち、液体貯蔵部６４は、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が印加されない位置に配置されている。好ましくは、液体貯蔵部６４は、正極端子１２Ａおよび負極端子１２Ｂが外装体１４から引き出された方向に形成されている。換言すれば、液体貯蔵部６４は、正負極端子１２Ａ，１２Ｂと積層方向に重なる領域に形成されている。かかる構成によると、液体貯蔵部６４には上記拘束圧が印加されないため、好適に液体を貯蔵することができるとともに、図５に示すように、単電池１０の外装体１４から引き出される正負極端子１２Ａ，１２Ｂの配置される空間とは別に液体貯蔵部６４を配置する空間をさらに設ける必要がなくなる。このため、単位体積あたりの電池容量を高めて電池モジュール全体の体積の有効利用率（体積効率）を向上させることができる。

積層体２０を構成する単電池１０が積層方向Ｘに膨張収縮した場合、圧力調節部材６０の液体保持部６２が配置された部位に印加される圧力の大きさが変化する。かかる外部からの圧力変化に応じて、液体保持部６２は液体を排出または吸収することにより、圧力調節部材６０の厚みが変化し、これにより積層体２０が積層方向Ｘにかかる拘束圧を好適に制御することができる。

図６は、他の一実施形態に係る電池モジュール１００を図１のＶ－Ｖ’線から視た図である。本実施形態に係る単電池１０の正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂは、外装体１４の対向する２つの辺から引き出されている。本実施形態に係る圧力調節部材６０は、２つの液体貯蔵部６４を有しており、２つの液体貯蔵部６４は、正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂが外装体１４から引き出されたそれぞれの方向において、それぞれ、正極端子１２Ａおよび負極端子１２Ｂと積層方向に重なる領域に別々に形成されている。また、液体保持部６２は、図６に示すように、積層体２０の積層方向Ｘから視て、積層体２０（または単電池１０）が配置されている領域に重なるように配置されている。かかる構成によると、液体保持部６２から２つの液体貯蔵部６４への液体の移動がより短時間のうちに完了するため、圧力調節部材６０による積層体２０の拘束圧の制御がより効果的に行われ得る。

図７は、他の一実施形態に係る電池モジュール１００を模式的に示す断面図である。図７に示すように、圧力調節部材６０は、積層された単電池１０間の間隙のうちの一箇所に配置されてもよい。かかる構成によると、電池モジュール１００がコンパクト化されやすい。

図８は、他の一実施形態に係る電池モジュール１００を模式的に示す断面図である。図８に示すように、圧力調節部材６０は、積層された単電池１０間の間隙の複数個所に配置されてもよい。例えば、圧力調節部材６０は、単電池１０同士の全ての間隙に配置されてもよい。また、圧力調節部材６０は、単電池１０同士の全ての間隙と単電池１０の積層方向Ｘの両端部とに配置されてもよい。かかる構成によると、圧力調節部材６０による積層体２０の積層方向Ｘへの拘束圧の調節機能がより好適に働く。よって、充放電によって大きく膨張収縮する傾向がある単電池１０を用いる場合において、かかる実施形態は好適に採用され得る。

圧力調節部材６０は、積層体２０の積層方向Ｘの中央部に配置されてもよい。かかる構成によると、電池モジュールのコンパクト化と、拘束圧の制御とがバランス良く達成された電池モジュールが実現し得る。また、積層体２０の積層方向Ｘの中央部は、電池使用時に最も高温になりやすい部位であるため、該中央部に温度応答性のある吸水性高分子を含む圧力調整部材６０を配置すると、電池モジュール１００の温度変化により精度よく応答して積層体２０にかかる拘束圧を制御することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０単電池
１２Ａ正極端子
１２Ｂ負極端子
１４外装体
２０積層体
３０Ａエンドプレート
３０Ｂエンドプレート
４０Ａサイドプレート
４０Ｂサイドプレート
５６境界
５８外装フィルム
６０圧力調節部材
６２液体保持部
６４液体貯蔵部
６６液体保持体
６８容器
１００電池モジュール

Claims

複数の単電池が積層した積層体と、
前記積層された単電池間の間隙、該積層方向の一方の端部および他方の端部のうちの少なくとも一箇所に配置され、前記積層体の積層方向にかかる拘束圧を調節する圧力調節部材と、を備えた電池モジュールであって、
前記単電池は、外装体と、該外装体に収容される電極体と、該電極体と電気的に接続され、かつ、該外装体から引き出された正極端子および負極端子と、を備え、
前記圧力調節部材は、液体保持部と、液体貯蔵部と、を備えており、
前記液体保持部は、
前記拘束圧が印加される位置に形成されており、
かつ、液体と、該液体を保持可能な液体保持体と、を含み、
ここで、前記液体保持体は、前記液体を可逆的に排出および吸収することができ、
前記液体貯蔵部は、
前記拘束圧が印加されない位置に形成されており、
かつ、前記液体を貯蔵可能な空間を有しており、
前記液体保持部と前記液体貯蔵部との境界は、前記液体が可逆的に移動可能であり、かつ、前記液体保持体の前記液体貯蔵部への移動は阻止されるように形成されていること、
を特徴とする電池モジュール。
前記液体保持体は、温度応答性のある吸水性高分子を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
前記液体保持体は、前記拘束圧により弾性変形する高分子多孔質体を含む、請求項１に記載の電池モジュール。
前記液体保持体は、前記液体が可逆的に出入り可能である容器に収容された状態で前記液体保持部に保持されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
前記液体貯蔵部は、前記液体保持部から相互に異なる方向に２つ以上形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の電池モジュール。
前記液体貯蔵部は、前記正極端子及び／又は負極端子と前記積層方向に重なる領域に形成されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
前記正極端子と前記負極端子は、前記外装体の対向する２つの辺からそれぞれ別方向に引き出されており、
前記圧力調節部材は、２つの前記液体貯蔵部を有し、
前記２つの液体貯蔵部は、それぞれ、前記正極端子および前記負極端子と前記積層方向に重なる領域に形成されていること、
を特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の電池モジュール。