JP7133488B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、電池モジュールに関する。さらに詳しくは、モジュール全体の体積に影響を及ぼすことなく、効率よく冷却する構造を有する電池モジュールに関する。
従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを存在させ、液体の電解質（電解液）が充填された構造を有する。
リチウムイオン二次電池の電解液は、通常、可燃性の有機溶媒であるため、特に、熱に対する安全性が問題となる場合があった。そこで、有機系の液体の電解質に代えて、無機系の固体の電解質を用いた固体電池が提案されている（特許文献１参照）。
固体二次電池は、正極および負極の間に、電解質層として固体の電解質層を備え、正極、固体電解質、負極の構成を、複数積層して１つの電池セルを構成する。固体電解質による固体電池は、電解液を用いる電池と比較して、熱の問題を解消するとともに、積層により高容量化および／または高電圧化することができ、さらに、コンパクト化の要請にも対応することができる。
ここで、従来の液体の電解質（電解液）が充填された液系の二次電池は、電池内部の温度上昇を抑制して安全性を担保する目的で、セルを金属プレート等で挟み込み、セルで発生した熱をその金属プレートを伝熱させて、セル外に存在する冷却媒体に放熱する冷却構造となっている（特許文献２参照）。
また、伝熱プレートを備えさせて、放熱を促進させる冷却構造についても提案されている（特許文献３参照）。特許文献３に記載された組電池は、集熱部および放熱部が略Ｌ字形に連続した伝熱プレートを用いるものであり、集熱部は、集電タブまたはバスバーに接続され、放熱部は、組電池の他の面に沿って延びる構成となっている。
特開２０００－１０６１５４号公報 特開２００１－００６６３０号公報 特開２０１３－２２９２６６号公報
しかしながら、特許文献２に記載の冷却構造においては、セル内部で発生した熱の伝達経路は、電極積層体の積層方向となっており、したがって、熱伝導率が悪い経路にて熱を伝導させることとなり、冷却効率が悪い状況であった。
ここで、従来の一実施形態に係る電池モジュールを構成する電池セルの上面図と側面図を、図１に示す。図１に示される電池モジュールは、従来の全固体電池の態様を示す図である。図１（ａ）は、電池セルの上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したＸ軸方向からの側面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示したＹ軸方向からの側面図である。
従来の一実施形態に係る電池モジュール１０は、複数個の電池セル２０が積層配置され、それぞれの電池セル２０は、サポートプレート３によって挟まれた電極積層体１を内部に備える。電極積層体１は、端部から延出する集電タブ２を備え、集電タブ２は、電池セル２０の端部から導出している。
電池モジュール１０において、隣り合った電池セル２０の間には、緩衝材７が配置され、電池セル２０の積層体は、金属プレート８によって挟まれるとともに、冷媒９の上に載置されている。また、金属プレート８は、略Ｌ字形に屈曲しており、屈曲部は、冷媒９と電池セル２０の積層体との間に配置されている。
図１においては、電池セル２０の内部で発生した熱の伝達経路は、矢印で示される。図１に示される従来の電池モジュール１０においては、熱の伝達経路は、電極積層体１の中心から、電極積層体１の積層方向に電極積層体１を通過して、集熱のための金属プレート８に向かう。続いて、略Ｌ字形に屈曲した金属プレート８の屈曲部に向かって下降し、屈曲部を通過して、電池セル２０の下部に配置された冷媒９に到達する。
ここで、電極積層体の熱伝導は、積層方向よりも、積層体の積層面の方向のほうがよい。したがって、電極積層体の積層方向を伝達経路とする従来構造の電池モジュールは、熱伝導率が悪い経路にて熱を伝導させており、冷却効率が悪い状況であることが判る。
また、特許文献３に記載の冷却構造におけるＬ字形の伝熱プレートは、電池モジュールを構成する電池セル収容部の外に配置されている。このため、電池モジュール全体の体積が大きくなり、電池のエネルギー密度を低下させる要因となっていた。
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、モジュール全体の体積に影響を及ぼすことなく、効率よく冷却する構造を有する電池モジュールを提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を行った。そして、ラミネートセルに特有に存在するデッドスペースを利用しつつ、電極の積層方向に熱伝導させて放熱すれば、モジュールの体積を大きくすることなく、冷却効率を向上できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、電極積層体がラミネートフィルムに封入されたラミネート型電池セルが複数個、積層配置された電池モジュールであって、前記電極積層体は、端部から延出する集電タブを備え、前記集電タブは、前記ラミネート型電池セルの端部から導出しており、前記集電タブを挟み込むように、前記ラミネート型電池セルの外側に第１伝熱材が配置される、電池モジュールである。
前記第１伝熱材は、前記集電タブの面に沿って配置されていてもよい。
前記第１伝熱材は、前記電池モジュールの空隙に配置されていてもよい。
前記ラミネート型電池セルは、内部に、第２伝熱材を備えていてもよい。
前記ラミネート型電池セルは、全固体電池セルであってもよい。
前記ラミネート型電池セルは、液体、固体、またはゲル状の電解質を有していてもよい。
本発明の電池モジュールは、デッドスペースを利用しつつ、電極積層体の積層面の方向に熱伝導させて放熱する構造であるため、電池モジュール全体の体積を大きくすることなく、冷却効率を向上することができる。
すなわち、本発明の電池モジュールは、冷却効率と同時にスペース効率も寄与する電池モジュールとなるため、エネルギー密度の向上と冷却効率の向上の両方の要請を、同時に満足させることができる。
さらに、電池における部品充填を密にできることから、振動や衝撃等の外力に対する影響を軽減でき、機械的な耐久性を向上することができる。
従来の電池モジュールを構成する電池セルの上面図と側面図である。 本発明の一実施形態に係る電池モジュールを構成する電池セルの上面図と側面図である。 本発明の一実施形態に係る電池モジュールを構成する電池セルの側面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。たたし、以下に示す実施例は、本発明を例示するものであって、本発明は下記に限定されるものではない。
＜電池モジュール＞
本発明の電池モジュールは、ラミネート型電池セルと、集電タブと、第１伝熱材と、を必須の構成要素として備える。本発明の電池モジュールは、電極積層体がラミネートフィルムに封入されたラミネート型電池セルが複数個、積層配置されており、電極積層体は、端部から延在する集電タブを備え、集電タブは、ラミネート型電池セルの端部から導出しており、集電タブを挟み込むように、ラミネート型電池セルの外側に第１伝熱材が配置された構造を有する。
本発明の電池モジュールに適用できるラミネート型電池セルは、特に限定されるものではない。液体の電解質を備える液系の二次電池であっても、固体またはゲル状の電解質を備える固体電池であってもよい。また、固体またはゲル状の電解質を備える電池セルの場合には、電解質は、有機系であっても無機系であってもよい。
［第１実施形態］
第１実施形態に係る本発明の電池モジュールを、図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る電池モジュールを構成する電池セルの上面図と側面図である。図２（ａ）は、電池モジュールを構成する電池セルの上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したＹ軸方向からの側面図である。
図２に示される電池モジュール３０は、複数個の電池セル４０が積層配置され（積層された状態は図示せず）、それぞれの電池セル４０は、サポートプレート３３によって挟まれた電極積層体３１を内部に備える。電極積層体３１は、端部から延出する集電タブ３２を備え、集電タブ３２は、電池セル４０の端部から導出している。
電池モジュール３０においては、電極積層体３１の端部から延出する集電タブ３２を挟み込むように、電池セル４０の外側に第１伝熱材３６が配置される。また、電池セル４０は、冷媒３９の上に載置されている。なお、第１実施形態に係る電池セル４０においては、サポートプレート３３の外側には、伝熱シート３４が配置され、電極積層体３１とサポートプレート３３との間には、伝熱緩衝材３５が配置されている。
図２に示される第１実施形態に係る電池モジュール３０を構成する電池セル４０において、電池セル４０の内部で発生した熱の伝達経路は、矢印で示される。図２に示される電池モジュール３０においては、熱の伝達経路は、電極積層体３１の中心から、電極積層体３１の積層面の方向に電極積層体３１を通過して、集電タブ３２に向かう。続いて、集電タブ３２を通過して、集電タブ３２を挟み込むように、電池セル４０の外側に配置された第１伝熱材３６に向かい、第１伝熱材３６を下降して、電池セル４０の下部に配置された冷媒３９に到達する。
ここで、電極積層体の熱伝導は、積層方向よりも、積層体の積層面の方向のほうがよい。したがって、電極積層体の積層面の方向を伝達経路とする本発明の電池モジュールは、熱伝導率が高い経路にて熱を伝導させることとなり、冷却効率が高い状況となる。
なお、図２に示される第１実施形態に係る電池モジュール３０においては、第１伝熱材３６は、集電タブ３２の面に沿って配置されている。また、第１伝熱材３６は、従来の電池モジュール（図１を参照）では空隙であった領域に配置されている。
本発明の電池モジュールにおいては、第１伝熱材を集電タブの面に沿って配置することが好ましい。これにより、熱伝導のために利用できる面積が増えることから、冷却効率を向上することができる。
また、本発明の電池モジュールにおいては、第１伝熱材は、従来の電池モジュール（図１を参照）では空隙であった領域に配置することが好ましい。具体的には、ラミネート型電池セルによる電池モジュールにおいて、集電タブのシール部付近に存在していたデッドスペースに配置することが好ましい。
従来、デッドスペースであった領域を活用することで、スペース効率を向上することができる。その結果、伝熱材の配置による電池モジュール全体の体積の増大を抑制でき、電池のエネルギー密度の低下を抑制することができる。
また、第１実施形態に係る電池セルのように、サポートプレートの外側に、伝熱シートを配置すれば、熱伝導の効率を向上することができ、その結果、冷却効率を向上することができる。
また、第１実施形態に係る電池セルのように、電極積層体とサポートプレートとの間に、伝熱性を有する緩衝材を配置すれば、熱伝導の効率を向上するとともに、外力に対する機械的な耐久性を向上することができ、例えば、振動によるセルの割れを抑制することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態に係る本発明の電池モジュールを、図３を用いて説明する。図３は、第２実施形態に係る電池モジュールを構成する電池セルの側面図である。
図３に示される電池モジュール５０は、複数個の電池セル６０が積層配置され（積層された状態は図示せず）、それぞれの電池セル６０は、電極積層体５１を内部に備える。電極積層体５１は、端部から延出する集電タブ５２を備え、集電タブ５２は、電池セル６０の端部から導出している。
電池モジュール５０においては、図２に示される第１実施形態と同様に、電極積層体５１の端部から延出する集電タブ５２を挟み込むように、電池セル６０の外側に第１伝熱材５６が配置される。また、電池セル６０は、冷媒５９の上に載置される。
なお、第２実施形態に係る電池セル６０においては、電池セル６０の内部に、第２伝熱材５７が配置されている。第２伝熱材５７は、電極積層体５１の積層方向（すなわち積層面に対しては垂直）に、冷媒５９に隣接する面に、冷媒５９に沿うように面状に配置されている。
図３に示される第２実施形態に係る電池モジュール５０を構成する電池セル６０において、電池セル６０の内部で発生した熱の伝達経路は、矢印で示される。図３に示される電池モジュール５０においては、熱の伝達経路として、第１伝熱材を通過する、第１実施形態と同様の第１経路と、第２伝熱材を通過する、第２実施形態に特有の第２経路の２種類の経路が存在する。
具体的に、第１実施形態と同様の第１経路によれば、電池セル６０の内部で発生した熱は、電極積層体５１の中心から、電極積層体５１の積層面の方向に電極積層体５１を通過して、集電タブ５２に向かう。続いて、集電タブ５２を通過して、集電タブ５２を挟み込むように、電池セル６０の外側に配置された第１伝熱材５６に向かい、第１伝熱材５６を下降して、電池セル６０の下部に配置された冷媒５９に到達する。
また、第２伝熱材を通過する、第２実施形態に特有の第２経路によれば、電池セル６０の内部で発生した熱は、電極積層体５１の中心から、電極積層体５１の積層面の方向であって、第１経路とは垂直な方向に電極積層体５１を通過して、電池セル６０の内部に配置された第２伝熱材５７に向かう。そして、第２伝熱材５７を通過て、電池セル６０の下部に配置された冷媒５９に到達する。
第２実施形態における熱の伝達経路は、第１経路および第２経路のいずれも、電極積層体の積層面の方向に通過させる経路となる。したがって、第２実施形態の電池モジュールの熱伝導効率は、非常に高いものとなり、顕著な冷却効率を発現させることができる。
なお、第２伝熱材を電池セルの中に備える第２実施形態は、電解液を有しない全固体電池の場合に、特に好ましく適用することができる。
＜その他の構成＞
本発明の電池モジュールにおいて、上記した以外の構成については、特に限定されるものではない。電池の分野において、公知となっている材料、方法等を適用することができる。
１０、３０、５０ 電池モジュール
２０、４０、６０ ラミネート型電池セル
１、３１、５１ 電極積層体
２、３２、５２ 集電タブ
３、３３、 サポートプレート
３４ 伝熱シート
３５ 伝熱緩衝材
３６、５６ 第１伝熱材
５７ 第２伝熱材
７ 緩衝材
８ 金属プレート
９、３９、５９ 冷媒

Claims (5)

  1. 電極積層体がラミネートフィルムに封入されたラミネート型電池セルが複数個、積層配置された電池モジュールであって、
    前記電極積層体は、端部から延出する集電タブを備え、
    前記集電タブは、前記ラミネート型電池セルの端部から導出しており、
    前記集電タブを挟み込むように、前記ラミネート型電池セルの外側に第１伝熱材が配置され、
    前記ラミネート型電池セルは、内部に、第２伝熱材を備える、電池モジュール。
  2. 前記第１伝熱材は、前記集電タブの面に沿って配置される、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記第１伝熱材は、前記電池モジュールの空隙に配置される、請求項１または２に記載の電池モジュール。
  4. 前記ラミネート型電池セルは、全固体電池セルである、請求項１から３いずれかに記載の電池モジュール。
  5. 前記ラミネート型電池セルは、液体、固体、またはゲル状の電解質を有する、請求項１から３いずれかに記載の電池モジュール。
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