JP7022343B2 - 組電池 - Google Patents

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本発明は、組電池に関する。
特開２０１３－０４５５７８号公報には、隣接する電池セル間に冷却板があり、各冷却板に冷媒を供給する接続配管を有する組電池が開示されており、接続配管をフレキシブルな配管とすることが開示されている。
特開２００９－０２６７０３号公報では、組電池の積層方向において、積層端に配置されるエンドプレートが積層方向の厚さを変更可能に構成することが開示されている。
特開２０１３－０４５５７８号公報 特開２００９－０２６７０３号公報
ところで、組電池は、積層方向において一部に熱が籠もりやすく、積層された電池セルの温度がばらつく場合がある。
ここで提案される組電池は、複数のセルと、冷媒供給管路と、冷媒回収管路と、複数の冷却部材と、間隙調整ユニットと、拘束ユニットとを備えている。
複数のセルは、それぞれ対向する一対の平面部を有し、かつ、隣接するセルにおいて平面部が対向するように並べられている。
冷媒供給管路は、並べられた複数のセルの側方において、複数のセルが並べられた方向に沿って延びている。冷媒回収管路は、並べられた複数のセルの側方において、冷媒供給管路とは異なる位置に複数のセルが並べられた方向に沿って延びている。
冷却部材は、複数のセルのうち、隣接するセルの間または隣接するセルを一組とした場合に一組のセルの間にそれぞれ配置された伝熱板と、伝熱板に取付けられた冷媒流路と、冷媒供給管路と冷媒流路とに接続された第１フレキシブルチューブと、冷媒流路と冷媒回収管路とに接続された第２フレキシブルチューブとをそれぞれ備えている。
間隙調整ユニットは、複数のセルが並べられた方向に沿って、隣接するセルの間または一組のセルの間に間欠的に配置されている。間隙調整ユニットは、隣接するセルの平面部にそれぞれ当てられる一対のプレートと、当該一対のプレート間に配置された弾性体とを有している。
拘束ユニットは、冷却部材が挟まれた状態において並べられた複数のセルの両端を拘束する一対の拘束部材と、拘束部材を支持する支持部材とを備えている。
かかる組電池によれば、冷却部材によってセルの温度のばらつきが小さく抑えられる。さらに隣接するセルの間または一組のセルの間に間隙調整ユニットが間欠的に配置されているので、セルや伝熱板の動きが小さく抑えられ、かつ、第１フレキシブルチューブと第２フレキシブルチューブの変形が小さく抑えられる。
組電池は、複数のセルが並べられた方向に沿って、冷却部材を移動可能に案内するガイドを備えていてもよい。
一対のプレートのうち、一方のプレートは拘束部材に対して固定的に配置されていてもよい。さらに、他方のプレートは、拘束部材に対して相対的に移動可能に配置されていてもよい。
セルは、電極体がラミネートフィルムに覆われたラミネート型セルであってもよい。
セルは、全固体電池であってもよい。
図１は、ここで提案される組電池１０を模式的に示す斜視図である。 図２は、セル１１の正面図である。 図３は、冷却部材１４を示す斜視図である。 図４は、セル１１からはみ出た部分１４ａ１を拡大した斜視図である。
以下、ここで提案される組電池の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。
図１は、ここで提案される組電池１０を模式的に示す斜視図である。ここで提案される組電池１０は、図１に示されているように、複数のセル１１と、冷媒供給管路１２と、冷媒回収管路１３と、複数の冷却部材１４と、間隙調整ユニット１５と、拘束ユニット１６とを備えている。
〈セル１１〉
複数のセル１１は、それぞれ対向する一対の平面部を有し、かつ、隣接するセルにおいて平面部が対向するように並べられている。セル１１は、組電池を構成する単電池である。本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「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、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。
図２は、セル１１の正面図である。この実施形態では、セル１１は、電極体２０がラミネートフィルムに覆われたラミネート型セルである。図２では、ラミネートフィルムの一部が破断されており、電極体２０が部分的に露出した形態で図示されている。セル１１は、全固体電池である。全固体電池は、例えば、電解質が固体電解質で構成されている。全固体電池は、固体電解質を通じた電荷担体の移動をスムーズにし、抵抗を低く抑えるために、電極体２０に所要の圧力が加え、電極活物質材料と固体電解質との接触を十分に確保することが必要である。他方で、充電時の膨張や放電時の収縮も大きい。また、セル１１は、充電時や放電時において発熱する。組電池１０では、組電池１０に組み込まれた複数のセル１１の温度のばらつきが小さく抑えられることが好ましい。
この実施形態では、セル１１は、ラミネートフィルム３０で電極体２０の全周が覆われたラミネート型セルである。セル１１は、図２に示されているように、平面部３１と、正極端子３２と、負極端子３３とを備えている。
平面部３１は、セル１１の電極体２０が収容された部位である。この実施形態では、セル１１は、全固体電池を構成している。電極体２０は、一部において図示は省略するが、例えば、正極集電体と、正極活物質含む固体電解質層である正極層３２ａと、固体電解質層３４と、負極活物質含む固体電解質層である負極層３３ａと、負極集電体とが積層された積層構造を有している。この実施形態では、電極体２０の最外周は、固体電解質層３４で覆われている。
この実施形態では、セル１１の平面部３１は、図２に示されているように、それぞれ略矩形であり、略矩形の扁平な電極体を覆った部位である。ラミネートフィルムは、平面部３１の周りを覆うように封止している。
平面部３１に収容される電極体２０は、電極体２０において積層される正極集電体（図示省略）と、正極集電体に積層された正極層３２ａと、正極層を覆うように積層された固体電解質層３４と、固体電解質層３４に積層された負極層３３ａと、負極集電体（図示省略）とがそれぞれ略矩形である。図２では、正極集電体と、負極集電体と、固体電解質層とは、それぞれ図示が省略されている。
正極層３２ａは、正極活物質含む固体電解質の層である。負極層３３ａは、負極活物質含む固体電解質の層である。固体電解質層３４は活物質を含有しない固体電解質の層である。負極層３３ａおよび固体電解質層３４は、正極層３２ａよりも一回り大きく、積層方向において正極層３２ａを覆っている。
平面部３１の対向する一対の辺のうち一方の辺側に正極端子３２が設けられ、他方の辺側に負極端子３３が設けられている。複数のセル１１のうち隣接するセル１１の向きは、正極端子３２と負極端子３３が同じ側に配置されるように互い違いに揃えられている。
正極集電体には正極端子３２が設けられている。負極集電体には負極端子３３が設けられている。正極端子３２は、電極体を収容したラミネートフィルムの内部からラミネートフィルムの片側にはみ出ている。負極端子３３は、電極体を収容したラミネートフィルムの内部からラミネートフィルムの反対側にはみ出ている。この実施形態では、電極体が収容された平面部３１の片側に正極端子３２が設けられ、反対側に負極端子３３が設けられている。
なお、ラミネート型セルにおけるラミネートフィルムや、全固体電池を構成するための正極活物質、負極活物質、固体電解質などは、種々提案されており、特に限定されない。本実施形態では、セル１１の平面部３１は、略矩形であるが、特に言及されない限りにおいて、セル１１の平面部３１は略矩形であることを要しない。また、他の変形例として、正極端子３２と負極端子３３とが、電極体を収容したラミネートフィルムの内部からラミネートフィルムの片側において同じ方向にはみ出ていてもよい。このように、正極端子３２と負極端子３３が、電極体を収容したラミネートフィルムの内部からはみ出ている位置は、特に言及されない限りにおいて上述した実施形態に限定されない。
〈冷媒供給管路１２，冷媒回収管路１３〉
複数のセル１１は、図２に示されているように、それぞれ対向する一対の平面部を有している。また、複数のセル１１は、図１に示されているように、隣接するセル１１において平面部３１を対向させ冷却部材１４を介在させつつ並べられている。冷媒供給管路１２は、並べられた複数のセル１１の側方において、複数のセル１１が並べられた方向に沿って延びている。冷媒回収管路１３は、並べられた複数のセル１１の側方において、冷媒供給管路１２とは異なる位置に延びている。このように冷媒供給管路１２と冷媒回収管路１３は、それぞれ冷媒が流通する管路であり、複数のセル１１が並べられた方向に沿って延びるように配置されている。この実施形態では、冷媒供給管路１２は、冷媒回収管路１３よりも高い位置に配置されている。
〈冷却部材１４〉
図３は、冷却部材１４を示す斜視図である。冷却部材１４は、図３に示されているように、伝熱板１４ａと、冷媒流路１４ｂと、フレキシブルチューブ１４ｃ（第１フレキシブルチューブと第２フレキシブルチューブ）とを備えている。また、この実施形態では、複数のセル１１が並べられた方向に沿って、冷却部材１４を移動可能に案内するガイド１８（図４参照）を備えている。
〈伝熱板１４ａ〉
伝熱板１４ａは、セル１１の平面部３１を覆いうる略矩形の板である。伝熱板１４ａは、所要の熱伝導率および軽量化が考慮され、この実施形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金となされている。この実施形態では、伝熱板１４ａの一部は、セル１１からはみ出るように延びている。図４は、セル１１からはみ出た部分１４ａ１を拡大した斜視図である。図４に示されているように、当該部位にはシャフト挿通孔１４ａ２が形成されている。
〈ガイド１８〉
伝熱板１４ａを案内するガイド１８は、複数のセル１１が並べられた方向に沿って延びたシャフト１８ａを有している。図４において、シャフト１８ａの一部は、２点鎖線によって仮想的に図示されている。かかるシャフト１８ａには、伝熱板１４ａのシャフト挿通孔１４ａ２が挿通されている。図３に示されているように、伝熱板１４ａを案内するガイド１８（この実施形態では、シャフト１８ａおよびシャフト挿通孔１４ａ２）は、伝熱板１４ａにセル１１が重ねられる領域から両側にはみ出た位置に設けられているとよい。これにより、伝熱板１４ａは、複数のセル１１が並べられた方向に沿って安定して移動する。伝熱板１４ａは、例えば、セル１１の膨張収縮に応じて移動する。なお、図１には、ガイド１８およびシャフト１８ａの図示は省略されている。シャフト１８ａに対して伝熱板１４ａが移動しうるので、例えば、シャフト１８にグリスなどの潤滑剤が適宜に塗布される。
〈冷媒流路１４ｂ〉
冷媒流路１４ｂは、伝熱板１４ａの一辺に取付けられており、冷媒（例えば、水）を流通させる流路である。冷媒流路１４ｂに冷媒が流されることによって、伝熱板１４ａは冷やされる。この実施形態では、伝熱板１４ａの一辺が、セル１１からはみ出ており、当該一辺に冷媒流路１４ｂが取付けられている。冷媒流路１４ｂの両端にはそれぞれ継手１４ｂ１，１４ｂ２を介してフレキシブルチューブ１４ｃが取付けられている。冷媒流路１４ｂの一端は、フレキシブルチューブ１４ｃを介して冷媒供給管路１２（図１参照）に繋がれている。冷媒流路１４ｂの他端は、図１に示されているように、フレキシブルチューブ１４ｃを介して冷媒回収管路１３に繋がれている。フレキシブルチューブ１４ｃは、冷媒供給管路１２と冷媒流路１４ｂおよび冷媒回収管路１３と冷媒流路１４ｂとを繋ぐ配管である。フレキシブルチューブ１４ｃは、冷媒供給管路１２と冷媒回収管路１３に対する冷媒流路１４ｂの相対的な変位に応じて変形する。ここで、冷媒供給管路１２と冷媒流路１４ｂとに接続されたフレキシブルチューブ１４ｃは、適宜に第１フレキシブルチューブと称される。冷媒流路１４ｂと冷媒回収管路１３とに接続されたフレキシブルチューブ１４ｃは、適宜に第２フレキシブルチューブと称される。
この実施形態では、冷却部材１４は、複数のセル１１のうち、隣接するセル１１を一組とした場合に一組のセル１１の間にそれぞれ配置されている。かかる形態に限定されず、冷却部材１４は、隣接するセル１１の間にそれぞれ配置されていてもよい。
〈間隙調整ユニット１５〉
図１に示されているように、間隙調整ユニット１５は、複数のセル１１が並べられた方向に沿って、隣接するセル１１の間に間欠的に配置されている。この実施形態では、冷却部材１４は、一組のセル１１の間に配置されており、間隙調整ユニット１５は、一組のセル１１の間に間欠的に配置されている。
間隙調整ユニット１５は、隣接するセル１１の平面部３１にそれぞれ当てられる一対のプレート１５ａ，１５ｂと、一対のプレート１５ａ，１５ｂの間に配置された弾性体１５ｃとを有している。弾性体１５ｃは、金属ばねでもよいが、弾性域を超えるような力が作用する場合には壊れてしまう。かかる観点において、作用する力が大きい場合には、所要の機械的特性を有する樹脂ばね、ゴムなどの非金属ばねが採用されうる。
なお、間隙調整ユニット１５の間に並べられたセル１１の数は、セル１１が並列接続される数（並列数）で割り切れる数にするとよい。これにより、セル１１間の接続が容易になる。例えば、２つのセル１１が並列に接続され、並列に接続されたセル群を直列に接続するような場合には、冷却部材１４の間に並べられたセル１１の数は、１０，８，６など２の倍数であるとよい。例えば、３つのセル１１が並列に接続され、並列に接続されたセル群を直列に接続するような場合には、冷却部材１４の間に並べられたセル１１の数は、１２，９，６など３の倍数であるとよい。
〈拘束ユニット１６〉
拘束ユニット１６は、図１に示されているように、一対の拘束部材１６ａ，１６ｂと、拘束部材１６ａ，１６ｂを支持する支持部材１６ｃとを備えている。図１では、支持部材１６ｃは、２点鎖線で示されている。この実施形態では、一対の拘束部材１６ａ，１６ｂは、冷却部材１４（この実施形態では、伝熱板１４ａ）が挟まれた状態において並べられた複数のセル１１の両端を拘束する部材である。かかる拘束部材１６ａ，１６ｂは、エンドプレートとも称される。支持部材１６ｃは、この実施形態では、一対の拘束部材１６ａ，１６ｂに架け渡された金属製のバンドであり、拘束バンドとも称される。
この実施形態では、拘束ユニット１６の一方の拘束部材１６ｂに弾性体１６ｄと押圧プレート１６ｅが取付けられている。弾性体１６ｄは、間隙調整ユニット１５の弾性体１５ｃと同様の部材であり得る。押圧プレート１６ｅは、一方の拘束部材１６ｂに対向するセル１１の平板部に当てられるプレートである。弾性体１６ｄは、一方の拘束部材１６ｂと押圧プレート１６ｅとの間に圧縮された状態で配置されている。かかる組電池１０は、拘束ユニット１６の作用によって、並べられた複数のセル１１にそれぞれ所要の拘束力を作用させる。セル１１は、所要の拘束力が作用することによって固体電解質を通じた電荷担体の移動をスムーズにし、抵抗が低く抑えられる。他方で、複数のセル１１は、充電時の膨張や放電時の収縮がそれぞれ大きい。特に、セル１１が全固体電池である場合には、拘束力が大きく、かつ、充電時や放電時における膨張と収縮が大きくなる。
この際、例えば、間隙調整ユニット１５がなく、拘束ユニット１６の一方の拘束部材１６ｂに弾性体１６ｄが取付けられているだけでは、弾性体１６ｄが取付けられた側とは反対側に配置されたセル１１の移動量が大きくなる。つまり、当該セル１１の移動量は、複数のセル１１の膨張収縮による各セル１１の変位が積算された変位量となる。また、セル１１の変位に応じて、セル１１の間に取付けられた冷却部材１４の移動量が大きくなる。冷却部材１４の移動量が大きくなると、冷媒供給管路１２や冷媒回収管路１３に対する冷却部材１４の変位が大きくなる。このため、冷却部材１４の冷媒流路１４ｂに取付けられたフレキシブルチューブ１４ｃの変位量が大きくなる。
図１に示された組電池１０では、複数のセル１１が並べられた方向に沿って、隣接するセル１１の間に間欠的に間隙調整ユニット１５が配置されている。このように間隙調整ユニット１５の一対のプレート１５ａ，１５ｂの間隔は、セル１１の膨張収縮に追従して変化する。これにより、各セル１１の冷媒供給管路１２や冷媒回収管路１３に対する変位が小さく抑えられる。このように間隙調整ユニット１５が設けられていることによって、セル１１の変位が小さく抑えられる。このため、冷媒供給管路１２や冷媒回収管路１３に対する冷却部材１４の変位が小さくなる。さらに、冷却部材１４の冷媒流路１４ｂに取付けられたフレキシブルチューブ１４ｃの変位量が小さくなる。フレキシブルチューブ１４ｃの変位量が小さくなることにより、設計上の自由度が高くなる。また、伝熱板１４ａの変位が小さくなるのでガイドが設けられている場合には、ガイドの摩耗や潤滑剤の使用量などが低減される。
組電池１０は、図１に示された形態に限定されない。例えば、並べられる複数のセル１１の数が多くなった場合には、適当な数の間隙調整ユニット１５が設けられているとよい。また、間隙調整ユニット１５の一対のプレート１５ａ，１５ｂのうち、一方のプレート（例えば、プレート１５ａ）は拘束ユニット１６の拘束部材１６ａ，１６ｂに対して固定的に配置されているとよい。この場合、他方のプレート（例えば、プレート１５ｂ）は、拘束部材１６ａ，１６ｂに対して相対的に移動可能に配置されているとよい。この場合、間隙調整ユニット１５の一方のプレート１５ａが固定的に配置されているので、間隙調整ユニット１５の間のセル１１の最大の移動量が限定的であり、フレキシブルチューブ１４ｃの変位量が小さく抑えられる。固定的に配置されたプレート１５ａは、例えば、拘束ユニット１６の一部（例えば、支持部材１６ｃ（拘束バンド））に固定されているとよい。
以上、ここで提案される組電池について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた組電池の実施形態などは、本発明を限定しない。
例えば、冷媒供給管路１２と冷媒回収管路１３が設けられる位置や冷却部材１４の構造などは、上記の実施形態に限定されない。図示は省略するが、冷媒供給管路１２と冷媒回収管路１３は、並べられた前記複数のセルに対して同じ側に配置されていてもよい。この場合、冷媒供給管路１２と冷媒回収管路１３に応じて、冷却部材１４の伝熱板１４ａの形状や冷媒流路１４ｂの配置やフレキシブルチューブ１４ｃの配置などが変更されうる。
１０ 組電池
１１ セル
１２ 冷媒供給管路
１３ 冷媒回収管路
１４ 冷却部材
１４ａ 伝熱板
１４ａ１ 伝熱板１４ａのはみ出た部分
１４ａ２ シャフト挿通孔
１４ｂ 冷媒流路
１４ｂ１，１４ｂ２ 継手
１４ｃ フレキシブルチューブ
１４ｄ 弾性体
１５ 間隙調整ユニット
１５ａ，１５ｂ プレート
１５ｃ 弾性体
１６ 拘束ユニット
１６ａ，１６ｂ 拘束部材
１６ｃ 拘束部材
１８ ガイド
１８ａ シャフト
２０ 電極体
３０ ラミネートフィルム
３１ 平面部
３２ 正極端子
３２ａ 正極層
３３ 負極端子
３３ａ 負極層
３４ 固体電解質層

Claims (5)

  1. 複数のセルと、
    冷媒供給管路と、
    冷媒回収管路と、
    複数の冷却部材と、
    間隙調整ユニットと、
    拘束ユニットと
    を備え、
    前記複数のセルは、それぞれ対向する一対の平面部を有し、かつ、隣接するセルにおいて平面部が対向するように並べられており、
    前記冷媒供給管路は、並べられた前記複数のセルの側方において、前記複数のセルが並べられた方向に沿って延びており、
    前記冷媒回収管路は、並べられた前記複数のセルの側方において、前記冷媒供給管路とは異なる位置に前記複数のセルが並べられた方向に沿って延びており、
    前記冷却部材は、
    前記複数のセルのうち、隣接するセルの間または隣接するセルを一組とした場合に一組のセルの間にそれぞれ配置された伝熱板と、
    伝熱板に取付けられた冷媒流路と、
    前記冷媒供給管路と前記冷媒流路とに接続された第１フレキシブルチューブと、
    前記冷媒流路と前記冷媒回収管路とに接続された第２フレキシブルチューブと
    をそれぞれ備えており、
    間隙調整ユニットは、
    前記複数のセルが並べられた方向に沿って、隣接するセルの間または前記一組のセルの間に間欠的に配置されており、
    隣接するセルの平面部にそれぞれ当てられる一対のプレートと、
    当該一対のプレート間に配置された弾性体と
    を有し、
    前記拘束ユニットは、前記冷却部材が挟まれた状態において並べられた前記複数のセルの両端を拘束する一対の拘束部材と、前記拘束部材を支持する支持部材とを備えている、
    組電池。
  2. 前記複数のセルが並べられた方向に沿って、前記冷却部材を移動可能に案内するガイドを備えた、請求項１に記載された組電池。
  3. 前記一対のプレートのうち、一方のプレートは前記拘束部材に対して固定的に配置され、他方のプレートは、前記拘束部材に対して相対的に移動可能に配置されている、請求項１または２に記載された組電池。
  4. 前記セルは、電極体がラミネートフィルムに覆われたラミネート型セルである、請求項１から３までの何れか一項に記載された組電池。
  5. 前記セルは、全固体電池である、請求項４に記載された組電池。
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