JP7107088B2 - 電池パック - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る電池パック10の全体構造の概略を示す斜視図である。図1に示すように、電池パック10は、積層された複数の電池100と、電池100を冷却する少なくとも1つの冷却部20と、電池100および冷却部20を収容するパックケース30と、を有する。図1に示す本形態では、電池パック10は、略矩形の扁平形状を有する。本明細書では、説明の便宜上、複数の電池100が積層される積層方向を図中に矢印Zで示し、電池パック10の長手方向を図中に矢印Yで示し、電池パック10の短手方向を図中に矢印Xで示す。また、X-Y平面に沿う方向を面方向と称する。複数の電池100の積層方向Zは、電池100に対して冷却部20が配置される方向と一致する。なお、積層方向Zから視た電池パック10の外形は、図1に示すような略長方形に限定されず、例えば、X方向およびY方向の長さが同じの略正方形でもよい。
本発明の実施形態に係る電池100の一例として非水電解質二次電池の1種である双極型リチウムイオン二次電池について説明するが、本発明を適用する電池は双極型リチウムイオン二次電池に制限されない。ここで、双極型リチウムイオン二次電池とは、双極型電極を含み、正極と負極との間をリチウムイオンが移動することで充電や放電を行う二次電池である。例えば、本発明は、発電要素において電極が並列接続されてなる形式のいわゆる並列積層型電池などの従来公知の任意の二次電池にも適用可能である。なお、本明細書では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「電池」と称する。
図8に示すように、単セル120は、正極130aおよび負極130bと、電解質層140とから構成される。正極130aは、正極活物質層132aが正極集電体131aに配置されてなる。負極130bは、負極活物質層132bが負極集電体131bに配置されてなる。正極活物質層132aと負極活物質層132bとは、電解質層140を介して互いに向かい合うように配置されている。
集電体131(隣接する正極集電体131aおよび負極集電体131b)は、正極活物質層132aと接する一方の面から、負極活物質層132bと接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体131を構成する材料は、特に限定されないが、例えば、導電性を有する樹脂や、金属が用いられうる。
図9は、本形態に係る電極活物質層132の一例を示す断面図である。電極活物質層132(正極活物質層132a、負極活物質層132b)は、電極活物質161(正極活物質または負極活物質)を含む非結着体からなる非結着活物質層である。図9に示すように、電極活物質層132は、必要に応じて、被覆剤162(被覆用樹脂163、導電助剤164)、導電部材165等を含んでもよい。さらに、電極活物質層132は、必要に応じてイオン伝導性ポリマー、リチウム塩等を含んでもよい。
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム-遷移金属リン酸化合物、リチウム-遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられる。さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)、またはリチウム-ニッケル-コバルト-アルミニウム複合酸化物(以下単に、「NCA複合酸化物」とも称する)などが用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有する。そして、遷移金属1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料(スズ、シリコン)、リチウム合金系負極材料(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金、リチウム-アルミニウム-マンガン合金等)などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として好ましく用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。また、(メタ)アクリレート系共重合体等の被覆用樹脂は特に炭素材料に対して付着しやすいという性質を有している。したがって、構造的に安定した電極材料を提供するという観点からは、負極活物質として炭素材料を用いることが好ましい。
図9に示すように、導電助剤164は、被覆用樹脂163とともに電極活物質161の表面を被覆する被覆剤162として用いられる。導電助剤164は、被覆剤中で電子伝導パスを形成し、電極活物質層132の電子移動抵抗を低減することで、電池の高レートでの出力特性向上に寄与し得る。
導電部材165は、電極活物質層132中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、図9に示すように、導電部材165の少なくとも一部が、電極活物質層132の2つの主面S1、S2同士を電気的に接続する導電通路を形成していることが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層132中の厚さ方向(積層方向Z)の電子移動抵抗がさらに低減されるため、電池の高レートでの出力特性をより一層向上しうる。なお、導電部材165の少なくとも一部が、電極活物質層132の2つの主面S1、S2同士を電気的に接続する導電通路を形成しているか否かは、SEMや光学顕微鏡を用いて電極活物質層132の断面を観察することにより確認することができる。
電解質層140に使用される電解質は、特に制限はなく、液体電解質(電解液)、ゲルポリマー電解質などが制限なく用いられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保されうる。
集電板134a、134bを構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板134a、134bの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板134aと負極集電板134bとでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
シール部150は、集電体131同士の接触や単セル120の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部150を構成する材料としては、絶縁性、シール性(液密性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム(エチレン-プロピレン-ジエンゴム:EPDM)、等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いてもよく、ホットメルト接着剤(ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂)などを用いてもよい。なかでも、耐食性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることが好ましい。
図8に示すように、外装体112は、可撓性を有するシート材によって構成さる。可撓性を有するシート材としては、特に限定されないが、高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点からはラミネートフィルムによって構成することが好ましい。ラミネートフィルムには、例えば、ポリプロピレン(PP)、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。また、外部から掛かる発電要素111への群圧を容易に調整することができることから、外装体112はアルミネートラミネートがより好ましい。
図10は、変形例1に係る電池パックの変形抑制部40を説明するための側面図である。変形例1に係る変形抑制部40は、冷却部20の端部20Eを補強する補強部241によって構成される点で前述した実施形態とは異なる。
図11は、変形例2に係る電池パックの変形抑制部40を説明するための側面図である。変形例2に係る変形抑制部40は、冷却部20の端部20Eを挟持する把持部材341によって構成される点で前述した実施形態とは異なる。
例えば、変形抑制部40は、加圧部41、補強部241および把持部材341のうち2つ以上を組み合わせて構成してもよい。
11 発電要素、
20 冷却部、
20A (冷却部の)内部空間、
20S (冷却部の)接触面、
20E (冷却部の)端部、
21 平坦部、
22 凹部、
23、24 冷却板、
30 パックケース、
40 変形抑制部、
41 加圧部、
41S 加圧面、
241 補強部、
341 把持部材
341S 加圧面、
100 電池、
100S 表面、
111 発電要素、
112 外装体、
120 単セル、
130 電極、
130a 正極、
130b 負極、
131 集電体、
131a 正極集電体、
131b 負極集電体、
132 電極活物質層、
132a 正極活物質層、
132b 負極活物質層、
135 双極型電極、
140 電解質層、
150 シール部、
161 電極活物質、
P1 冷却部の内圧、
P2 加圧部の加圧力、
P3 電池から冷却部が受ける加圧力。
Claims (8)
- 電極活物質を含む非結着体からなる電極活物質層が集電体の表面に形成されてなる電極と、電解質層とを積層した発電要素が可撓性を有する外装体に収容された電池と、
前記発電要素の積層方向において前記電池の表面に対して加圧された状態で接触する冷却部と、
前記冷却部の端部の前記積層方向の変形を抑制する変形抑制部と、を備え、
前記冷却部は、冷媒を保持する内部空間を形成し、
前記冷却部の前記端部は、前記冷却部が前記電池の表面に接触する接触面よりも面方向の外側に突出する、電池パック。 - 前記変形抑制部は、前記冷却部の前記端部に対して前記積層方向に沿う加圧力を付与する加圧部を有する、請求項1に記載の電池パック。
- 前記加圧部の加圧力は、前記冷却部が前記電池から加圧された状態における前記冷却部の内部空間の内圧以上の値である、請求項2に記載の電池パック。
- 前記変形抑制部は、前記冷却部の前記端部を補強する補強部を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電池パック。
- 前記補強部の許容引張応力は、前記電池から加圧された状態において、前記冷却部の内部空間の内圧から前記端部が受ける最大引張応力よりも大きい、請求項4に記載の電池パック。
- 前記冷却部は、
前記接触面の面方向に沿って平坦な平坦部と、
前記平坦部の一部から前記内部空間側に向かって凹み、前記内部空間に前記冷媒の流路を形成する複数の凹部と、を備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の電池パック。 - 前記電極活物質層の面方向に沿う面の面積は、500cm2以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電池パック。
- 前記冷却部の前記接触面にかかる加圧力は、20kPa以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載の電池パック。
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