JP7161673B2

JP7161673B2 - 組電池

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Publication number: JP7161673B2
Application number: JP2018212344A
Authority: JP
Inventors: リカ島崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2038-11-12
Also published as: US11522238B2; US20200153058A1; CN111180622A; CN111180622B; JP2020080219A

Description

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、複数の放熱部材と、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。放熱部材は、隣接するセルの間のうち複数のセルが並べられた方向に沿って間欠的に配置され、かつ、配置された部位において隣接するセルの平面部からはみ出ている。拘束ユニットは、放熱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、複数のセルが並べられた方向に沿って間欠的に配置された放熱部材によって、並べられた複数のセルの温度のばらつきが小さく抑えられる。

ここで、放熱部材が配置された間隔は、複数のセルが並べられた方向に沿って両端よりも中間部で狭くなっていてもよい。また、放熱部材の熱容量は、複数のセルが並べられた方向に沿って両端よりも中間部で大きくてもよい。

放熱部材は、当該放熱部材が配置される部位において、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てもよい。この場合、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、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。
また、放熱部材は、セルの平面部に当てられる面にセルの平面部が収まる窪みを有していてもよい。

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。例えば、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を模式的に示す側面図である。図２は、組電池１０を模式的に示す平面図である。図３は、セル１１の正面図である。図４は、放熱部材１３の正面図である。図５は、一実施形態にかかる放熱部材１３を挟む隣接したセル１１を示す平面図である。図６は、他の実施形態に係る組電池１０Ａを模式的に示す側面図である。

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を模式的に示す側面図である。図２は、組電池１０を模式的に示す平面図である。ここで提案される組電池１０は、図１および図２に示されているように、複数のセル１１と、複数の放熱部材１３と、拘束ユニット１４とを備えている。図２では、拘束ユニット１４の一部が２点鎖線で示されている。

〈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３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３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３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３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は、電極体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３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。

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。
このようにこの実施形態では、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。

隣接するセル１１が直列に接続される場合には、隣接するセル１１の正極端子３２と負極端子３３が同じ側に配置される。換言すると、隣接するセル１１の向きが互い違いに揃えられる。隣接するセル１１が並列に接続される場合には、図示は省略するが、隣接するセル１１の向きは、隣接するセル１１の正極端子３２が同じ側に配置され、かつ、負極端子３３が同じ側に配置されるように揃えられる。換言すると、隣接するセル１１が同じ向きに揃えられる。

ここで、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。なお、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２０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２０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。

〈放熱部材１３〉
放熱部材１３は、隣接するセル１１の間のうち複数のセル１１が並べられた方向に沿って間欠的に配置されている。例えば、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１１Ａの間のうち、複数のセル１１が並べられた方向に沿って間欠的に配置されているとよい。放熱部材１３は、当該配置された部位において隣接するセルの平面部からはみ出ている。

図４は、放熱部材１３の正面図である。例えば、図４では、放熱部材１３に重ねられるセル１１が二点鎖線で書き表されている。図５は、一実施形態にかかる放熱部材１３を挟む隣接したセル１１を示す平面図である。図５で図示された放熱部材１３は、後述するようにセル１１の平面部３１が収まる窪み１３ａを有している。また、放熱部材１３が部分的に破断された断面が示されている。放熱部材１３は、所要の熱伝導率を有し、かつ、軽量化が図れる材料との観点において、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であるとよい。放熱部材１３は、セル１１の間に挟まれており、かつ、セル１１の平面部からはみ出ている。放熱部材１３は、セル１１の平面部からはみ出た部分が空気に触れて空気と熱交換される。また、放熱部材１３は、セル１１と接触している部位においてセル１１と熱交換される。これによって、セル１１から熱を奪い、空気との熱交換で放熱する。このため、組電池１０の周りに空気の流れを形成することによって、放熱部材１３を通じてセル１１の熱が効率良く放熱される。

放熱部材１３は、図４に示されているように、プレート状であり、セルの平面部に当てられる面にセル１１の平面部３１が収まる窪み１３ａを有している。この実施形態では、放熱部材１３の両面に窪み１３ａを有している。放熱部材１３の両面に窪み１３ａを有しているので、隣接するセル１１の間に放熱部材１３が介在している場合でも放熱部材１３が介在していることによる嵩張りが小さく抑えられる。

図５に示されているように、放熱部材１３は、セル１１の正極端子３２と負極端子３３に干渉しない位置において、セル１１からはみ出ているとよい。放熱部材１３がセル１１からはみ出た部位１３ｂは、空気に触れやすく、放熱に寄与しやすい。ここで、放熱部材１３の窪み１３ａの深さは、セル１１の平面部３１が盛り上がった高さよりも小さいとよい。窪み１３ａの幅は、平面部３１の幅よりも大きいとよい。また、セル１１の正極端子３２と負極端子３３の間では、放熱部材１３の幅はラミネートフィルム３０の幅よりも小さいとよい。また、窪み１３ａにおける放熱部材１３の肉厚は、例えば、０．５ｍｍ以上であるとよい。このように、放熱部材１３の窪み１３ａは、セル１１の盛り上がった平面部３１の高さよりも少し浅く、かつ、幅方向において少し確実に収まるような寸法であるとよい。また、放熱部材１３は、ラミネートフィルム３０には当たるが、正極端子３２や負極端子３３には接触しない形状であるとよい。この実施形態では、図５に示されているように、ラミネートフィルム３０に当たる部位では、ラミネートフィルム３０の内側に寸法が採られている。また、セル１１からはみ出た部位１３ｂは、正極端子３２や負極端子３３に接触しない位置において、ラミネートフィルム３０からはみ出ている。

かかる放熱部材１３は、このようにセル１１からはみ出た部位を多く有することによって、空気との熱交換が進み、セル１１から熱を効率良く放熱することができる。他方で放熱部材１３を多く配置することは、複数のセル１１が並べられる方向において組電池１０が嵩張る原因となり、また組電池１０の重量が重たくなる原因となる。かかる観点において、放熱部材１３は、特に、組電池１０の熱が籠もりやすい部位に配置されているとよい。例えば、組電池１０と他の部品との配置や組電池１０の周りの空気の流れなどが考慮されて、特に熱が籠もりやすい部位に組電池１０に放熱部材１３が組み込まれてもよい。例えば、並べられた複数のセルが概ね一様に発熱するような場合には、放熱部材１３は、隣接するセル１１の間のうち複数のセル１１が並べられた方向に沿って間欠的に配置されているとよい。放熱部材１３が、複数のセル１１が並べられた方向に沿って間欠的に配置されていることによって、放熱部材１３が配置された部位で温度が安定する。つまり、並べられた複数のセル１１は、間欠的に放熱されやすくなる。このため、並べられた複数のセル１１の温度のばらつきが小さく抑えられる。

また、この場合、複数のセル１１が並べられた方向に沿って両端よりも中間部で熱が籠もりやすい傾向がある。このため、放熱部材１３が配置された間隔は、複数のセル１１が並べられた方向に沿って両端よりも中間部で狭くなっているとよい。かかる形態によって、複数のセル１１が並べられた方向に沿った中間部で熱が放熱されやすくなり、並べられた複数のセル１１の温度のばらつきが小さく抑えられる。また、かかる形態に代えて、あるいは、組み合わせて、放熱部材１３の熱容量が、複数のセル１１が並べられた方向に沿って両端よりも中間部で大きくてもよい。かかる構成によっても、複数のセル１１が並べられた方向に沿った中間部で熱が放熱されやすくなり、並べられた複数のセル１１の温度のばらつきが小さく抑えられる。

例えば、図１に示された形態では、複数のセル１１が並べられた方向に沿って、両端から最初の放熱部材１３までに並べられたセル１１の数はそれぞれ１０である。次の放熱部材１３までに並べられたセル１１の数はそれぞれ８である。中間部では、放熱部材１３の間に並べられたセルの数は６である。なお、セル１１の数や、放熱部材１３の数などは、図１に限定されず、適宜変更されうる。

また、放熱部材１３の間に並べられたセル１１の数は、セル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、並列接続されるセル１１の間に放熱部材１３が挟まれないので、セル１１間の接続が一様な構造になる。このため、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、放熱部材１３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、放熱部材１３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１４〉
拘束ユニット１４は、一対の拘束部材１４ａ，１４ｂと、拘束部材１４ａ，１４ｂを支持する支持部材１４ｃとを備えている。この実施形態では、一対の拘束部材１４ａ，１４ｂは、放熱部材１３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１４ａ，１４ｂは、エンドプレートとも称される。支持部材１４ｃは、この実施形態では、一対の拘束部材１４ａ，１４ｂ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。

次に、放熱部材１３の変形例を説明する。
図６は、他の実施形態に係る組電池１０Ａを模式的に示す側面図である。
図６に示されているように、放熱部材１３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４１，４２と、当該一対のプレート４１，４２間に配置された弾性体４３とを有していてもよい。

なお、組電池１０において放熱部材１３が配置される部位は、上述の通りであり、例えば、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とよい。また、この実施形態では、図６に示されているように、拘束部材１４ａ，１４ｂにも弾性体４３を介して、放熱部材１３のプレート４１，４２が取付けられている。弾性体４３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、所要の機械強度を有する樹脂ばねやゴムなどの非金属ばねが採用されうる。

このように放熱部材１３が、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４１，４２と、当該一対のプレート４１，４２間に配置された弾性体４３とを有している。かかる構成によって、放熱部材１３の一対のプレート４１，４２の間隔が、セル１１の膨張収縮に追従して変化する。これにより、セル１１に所要の拘束力を作用させることができる。これにより、特に、セル１１が全固体電池である場合でも、固体電解質と活物質との接触が確保され、抵抗が低く抑えられうる。

一対のプレート４１，４２のうち、一方のプレート（例えば、プレート４１）は拘束ユニット１４の拘束部材１４ａ，１４ｂ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４２）は、拘束部材１４ａ，１４ｂに対して相対的に移動可能に配置されているとよい。かかる構成によれば、複数のセル１１は、全体として変位が抑制される。固定的に配置されるプレート４１は、例えば、拘束ユニット１４の一部（例えば、支持部材１４ｃ（拘束バンド））に固定されているとよい。

また、セル１１に所要の拘束力を作用させるとの観点において、図６に示されているように、拘束部材１４ａ，１４ｂと、当該拘束部材１４ａ，１４ｂに隣接するセルとの間には、さらにセルに当てられたプレート４４と、当該プレート４４と、拘束部材１４ａ，１４ｂとの間に配置された弾性体４５とが設けられていてもよい。この際、プレート４４も、放熱部材１３としての機能を奏しうる。

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。

１０，１０Ａ組電池
１１セル
１１Ａ一組のセル
１３放熱部材
１３ａ窪み
１３ｂセル１１からはみ出る部位１３ｂ
１４拘束ユニット
１４ａ，１４ｂ拘束部材
１４ｃ支持部材
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
４１，４２プレート
４３弾性体
４４プレート
４５弾性体

Claims

複数のセルと、
複数の放熱部材と、
拘束ユニットと
を備え、
前記セルは、ラミネートフィルムで電極体の全周が覆われたラミネート型セルであり、扁平な電極体を覆った部位である平面部と、前記ラミネートフィルムからはみ出た正極端子と、負極端子とを備えており、
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、
前記放熱部材は、
前記隣接するセルの間のうち前記複数のセルが並べられた方向に沿って間欠的に配置され、当該配置された部位において隣接するセルの前記平面部が収まる窪みを両側に有し、かつ、前記セルの正極端子と負極端子に干渉しない位置において隣接するセルの前記平面部からはみ出ており、
前記拘束ユニットは、前記放熱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。
前記放熱部材が配置された間隔は、前記複数のセルが並べられた方向に沿って両端よりも中間部で狭くなっている、請求項１に記載された組電池。
前記放熱部材の熱容量は、前記複数のセルが並べられた方向に沿って両端よりも中間部で大きい、請求項１または２に記載された組電池。
前記放熱部材は、
当該放熱部材が配置される部位において、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た、請求項１から３までの何れか一項に記載された組電池。
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４に記載された組電池。
複数のセルと、
複数の放熱部材と、
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、
前記放熱部材は、
前記隣接するセルの間のうち前記複数のセルが並べられた方向に沿って間欠的に配置され、かつ、当該配置された部位において隣接するセルの前記平面部からはみ出ており、
前記拘束ユニットは、前記放熱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おり、
前記放熱部材は、
当該放熱部材が配置される部位において、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、
組電池。
前記放熱部材は、セルの平面部に当てられる面に前記セルの平面部が収まる窪みを有する、請求項１から６までの何れか一項に記載された組電池。
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７までの何れか一項に記載された組電池。
前記セルは、全固体電池である、請求項８に記載された組電池。