JP7172921B2

JP7172921B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP7172921B2
Application number: JP2019162088A
Authority: JP
Inventors: 博史西山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP2021039915A

Description

本開示は、電池パックに関する。

例えば、特開２０１５－１９１８７０号公報には、正極と、負極と、セパレータと、ラミネート外装体と、を備えるリチウムイオン二次電池が開示されている。このリチウムイオン二次電池では、電極（正極、負極）とセパレータとを良好に位置決めするため、セパレータのうち電極が接着される部位に、接着剤が設けられている。

特開２０１５－１９１８７０号公報

特開２０１５－１９１８７０号公報に記載されるリチウムイオン二次電池では、経年劣化によって接着層が正極及び負極間のリチウムイオンの移動を阻害し、電池性能が悪化するおそれがある。具体的に、経年劣化に伴う電極の膨張によって接着層が圧縮されることにより、接着層の密度が高まるため、接着層がリチウムイオンの移動に対する抵抗として作用する。

本開示の目的は、正極板及び負極板とセパレータとの良好な位置決めと、正極板及び負極板の経年劣化に伴って当該正極板及び負極板間を移動する金属イオンの抵抗が増大することの抑制と、を両立可能な電池パックを提供することである。

本開示の一局面に従った電池パックは、二次電池と、前記二次電池を押圧する押圧部材と、を備え、前記二次電池は、セパレータを介して正極板と負極板とが交互に並ぶように積層された積層電極体構造と、前記正極板と前記セパレータとの間、及び、前記負極板と前記セパレータとの間に設けられた接着層と、を有し、前記接着層は、前記正極板及び前記負極板の積層方向と直交する方向に間隔を置いた位置で、かつ、前記積層方向に互いに重なる位置に設けられており、前記積層電極体構造は、前記積層方向に前記接着層が存在しない非接着領域を有し、前記押圧部材は、前記積層電極体構造のうち前記非接着領域を前記積層方向に押圧する。

この電池パックでは、押圧部材が非接着領域を押圧することにより、非接着領域における正極板及び負極板間の抵抗が小さくなる。よって、接着層による正極板及び負極板とセパレータとの良好な位置決めと、正極板及び負極板の経年劣化に伴って当該正極板及び負極板間を移動する金属イオンの抵抗が増大することの抑制と、が両立される。

以上に説明したように、本開示によれば、正極板及び負極板とセパレータとの良好な位置決めと、正極板及び負極板の経年劣化に伴って当該正極板及び負極板間を移動する金属イオンの抵抗が増大することの抑制と、を両立可能な電池パックを提供することができる。

本開示の一実施形態の電池パックの二次電池の構成を概略的に示す斜視図である。電池パックの断面を概略的に示す図である。積層電極体構造の一部を概略的に示す図である。押圧部材の一部を概略的に示す図である。接着層が設けられていない積層電極体構造の初期状態を概略的に示す図である。図５に示される積層電極体構造の末期状態を概略的に示す斜視図である。セパレータ及び正極板間の全域とセパレータ及び負極板間の全域と接着層が設けられている積層電極体構造の初期状態を概略的に示す図である。図７に示される積層電極体構造の末期状態を概略的に示す斜視図である。奇数段接着層と偶数段接着層とが千鳥状に配置されている積層電極体構造の初期状態を概略的に示す図である。図９に示される積層電極体構造の末期状態を概略的に示す斜視図である。奇数段接着層と偶数段接着層とが千鳥状に配置され、かつ、押圧部材によって非接着領域が押圧されている積層電極体構造の初期状態を概略的に示す図である。図１１に示される積層電極体構造の末期状態を概略的に示す斜視図である。比較例１における積層電極体構造及び接着層を概略的に示す図である。比較例２における積層電極体構造及び接着層を概略的に示す図である。比較例３における積層電極体構造を概略的に示す図である。実施例における積層電極体構造、接着層及び押圧部材を概略的に示す図である。実施例の押圧部材を概略的に示す図である。抵抗上昇率の測定時の状態を概略的に示す平面図である。図１８に示される図の側面図である。測定結果を示すグラフである。

本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、本開示の一実施形態の電池パックの二次電池の構成を概略的に示す斜視図である。図２は、電池パックの断面を概略的に示す図である。この電池パック１は、例えば、車両に搭載される。

図１及び図２に示されるように、電池パック１は、二次電池１００と、押圧部材２００と、を備えている。なお、図１では、押圧部材２００の図示は省略されている。

二次電池１００は、容器１１０と、積層電極体構造１２０と、接着層１３０と、一対の外部端子１４０と、を有している。本実施形態では、二次電池１００として、リチウムイオン二次電池が採用されている。

容器１１０は、積層電極体構造１２０、接着層１３０、電解液等を収容している。容器１１０は、直方体形状に形成されている。本実施形態では、容器１１０の高さ方向（図１における上下方向）における寸法は、容器１１０の幅方向の寸法よりも小さく、容器１１０の厚さ方向（図２における左右方向）の寸法よりも大きい。

一対の外部端子１４０は、容器１１０の上面に設けられている。一対の外部端子１４０の一方は、正極端子であり、他方は、負極端子である。各外部端子１４０は、容器１１０の上面に設けられた端子板１４２と、端子板１４２から上方に向かって突出する形状を有する端子ボルト１４４と、を有している。一対の外部端子１４０は、容器１１０の幅方向（高さ方向及び厚さ方向の双方に直交する方向）に互いに離間した位置に配置されている。

図２に示されるように、積層電極体構造１２０は、セパレータ１２３を介して正極板１２１と負極板１２２とが交互に並ぶように積層された電極体構造である。例えば、正極板１２１は、アルミニウムからなり、負極板１２２は、銅からなる。本実施形態では、積層電極体構造１２０は、正極板１２１及び負極板１２２の積層方向（図２における左右方向）が容器１１０の厚さ方向と平行となるように容器１１０に収容されている。

接着層１３０は、正極板１２１とセパレータ１２３との間、及び、負極板１２２とセパレータ１２３との間に設けられている。図２に示されるように、接着層１３０は、高さ方向（積層方向及び幅方向の双方に直交する方向）に間隔を置いた位置で、かつ、積層方向に互いに重なる位置に設けられている。本実施形態では、図３に示されるように、接着層１３０は、幅方向に連続的につながる形状を有している。接着層１３０は、奇数段接着層１３１と、偶数段接着層１３２と、を有している。

奇数段接着層１３１は、高さ方向において上から奇数番目に設けられた接着層である。奇数段接着層１３１は、積層方向における一方側（図２における右側）から他方側（図２における左側）に向かって奇数番目に設けられたセパレータ１２３とそれに隣接する正極板１２１との間、及び、積層方向における一方側から他方側に向かって偶数番目に設けられたセパレータ１２３とそれに隣接する負極板１２２との間に設けられている。

偶数段接着層１３２は、高さ方向において上から偶数番目に設けられた接着層（高さ方向に互いに隣接する一対の奇数段接着層１３１間に設けられた接着層）である。偶数段接着層１３２は、積層方向における一方側から他方側に向かって奇数番目に設けられたセパレータ１２３とそれに隣接する負極板１２２との間、及び、積層方向における一方側から他方側に向かって偶数番目に設けられたセパレータ１２３とそれに隣接する正極板１２１との間に設けられている。

図２に示されるように、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とは、積層方向と直交する断面において千鳥状に配置されている。奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とは、高さ方向に互いに離間している。すなわち、図２に示されるように、積層電極体構造１２０は、積層方向に接着層１３０が存在しない非接着領域Ｒを有している。

押圧部材２００は、二次電池１００を押圧する部材である。図２に示されるように、押圧部材２００は、積層電極体構造１２０のうち非接着領域Ｒを積層方向に押圧する。押圧部材２００は、ベース２１０と、複数の押圧突部２２０と、を有している。

図２及び図４に示されるように、ベース２１０は、平板状に形成されている。ベース２１０は、積層方向に二次電池１００と対向する位置に配置されている。

各押圧突部２２０は、ベース２１０から積層方向に二次電池１００に向かって突出する形状を有している。各押圧突部２２０は、高さ方向に間隔を置いて配置されている。各押圧突部２２０は、積層方向に非接着領域Ｒと重なる位置に設けられている。

例えば、各押圧突部２２０のベース２１０からの突出寸法は、各押圧突部２２０の高さ方向の寸法と等しく設定される。また、高さ方向に互いに隣接する押圧突部２２０間の寸法は、前記突出寸法よりも大きく設定される。

ここで、図５～図１２を参照しながら、上記実施形態及びそれに対する比較例について、二次電池１００の初期状態における抵抗と末期状態における抵抗とについて説明する。

図５及び図６は、セパレータ１２３と正極板１２１との間、及び、セパレータ１２３と負極板１２２との間に接着層が設けられていない場合における初期状態と末期状態とを示している。

図５に示される初期状態では、矢印ＡＲ１で示されるように、リチウムイオンは、正極板１２１及び負極板１２２間を移動する。このときの抵抗は、小さい。しかしながら、図６に示されるように、経年劣化に起因して正極板１２１に膨張部分１２１Ａが生じ、負極板１２２に膨張部分１２２Ａが生じると、それら膨張部分１２１Ａ，１２２Ａが抵抗Ｒ１として作用するため、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗が増大する。

図７及び図８は、セパレータ１２３及び正極板１２１間の全域とセパレータ１２３及び負極板１２２間の全域とに接着層１３５が設けられた場合における初期状態と末期状態とを示している。

図７に示される初期状態では、図５に示される例と同様、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗は、小さい。しかしながら、図８に示されるように、経年劣化に起因して正極板１２１に膨張部分１２１Ａが生じ、負極板１２２に膨張部分１２２Ａが生じると、接着層１３５が圧縮されることによって当該接着層１３５の密度が高まるため、この接着層１３５がリチウムイオンの移動に対する抵抗として作用する。このため、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗Ｒ２は、図６に示される例における抵抗Ｒ１よりも大きくなる。

図９及び図１０は、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とが千鳥状に配置されている場合における初期状態と末期状態とを示している。

図９に示される初期状態では、図５及び図７に示される例と同様、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗は、小さい。しかしながら、図１０に示されるように、経年劣化に起因して正極板１２１に膨張部分１２１Ａが生じ、負極板１２２に膨張部分１２２Ａが生じると、奇数段接着層１３１及び偶数段接着層１３２が圧縮されることによってこれら接着層１３１，１３２の密度が高まるため、これらの接着層１３１，１３２がリチウムイオンの移動に対する抵抗として作用する。ただし、図９及び図１０に示される例では、図７及び図８に示される例に比べて接着層の量が少ないため、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗Ｒ３は、図６に示される例における抵抗Ｒ１よりも大きくなるものの、図８に示される例における抵抗Ｒ２よりは小さい。

図１１及び図１２は、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とが千鳥状に配置され、かつ、押圧部材２００によって非接着領域Ｒが押圧されている場合における初期状態と末期状態とを示している。

図１１に示される初期状態では、図５、図７及び図９に示される例と同様、リチウムイオンが正極板１２１及び負極板１２２間を移動する際の抵抗は、小さい。しかしながら、図１２に示されるように、経年劣化に起因して正極板１２１に膨張部分１２１Ａが生じ、負極板１２２に膨張部分１２２Ａが生じると、図１０に示される例と同様、奇数段接着層１３１及び偶数段接着層１３２が圧縮されることによってこれら接着層１３１，１３２の密度が高まるため、これらの接着層１３１，１３２がリチウムイオンの移動に対する抵抗として作用する。ただし、各押圧突部２２０によって押圧されている非接着領域Ｒでは、正極板１２１及び負極板１２２間の距離が小さくなるため、この非接着領域Ｒにおける抵抗は、図６に示される例の抵抗Ｒ１よりも小さくなる。このため、非接着領域Ｒにおいて、リチウムイオンは、矢印ＡＲ２で示されるように、その他の領域よりも正極板１２１及び負極板１２２間を良好に移動することが可能となる。その結果、図１２に示される例における抵抗Ｒ４は、図６に示される例における抵抗Ｒ１と同等となる。

以上に説明したように、本実施形態の電池パック１では、押圧部材２００が非接着領域Ｒを押圧することにより、非接着領域Ｒにおける正極板１２１及び負極板１２２間の抵抗が小さくなる。よって、接着層１３０による正極板１２１及び負極板１２２とセパレータ１２３との良好な位置決めと、正極板１２１及び負極板１２２の経年劣化に伴って当該正極板１２１及び負極板１２２間を移動するリチウムイオンの抵抗が増大することの抑制と、が両立される。

また、上記実施形態では、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とが千鳥状に設けられているため、積層電極体構造１２０の全域にわたって均一に正極板１２１及び負極板１２２とセパレータ１２３との良好な位置決めが達成される。

次に、図１３～図２０を参照しながら、上記実施形態に対する比較例１～比較例３と上記実施形態の実施例との電池評価について説明する。

図１３は、比較例１における積層電極体構造及び接着層を概略的に示す図である。比較例１では、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とが千鳥状に配置されている。

図１４は、比較例２における積層電極体構造及び接着層を概略的に示す図である。比較例２では、セパレータ１２３及び正極板１２１間の全域とセパレータ１２３及び負極板１２２間の全域とに接着層１３５が設けられている。

図１５は、比較例３における積層電極体構造を概略的に示す図である。比較例３では、セパレータ１２３と正極板１２１との間、及び、セパレータ１２３と負極板１２２との間に接着層が設けられていない。

図１６は、実施例における積層電極体構造、接着層及び押圧部材を概略的に示す図である。実施例では、奇数段接着層１３１と偶数段接着層１３２とが千鳥状に配置され、かつ、押圧部材２００によって非接着領域Ｒが押圧されている。この実施例では、図１７に示されるように、各押圧突部２２０のベース２１０からの突出寸法Ｌ１は、３ｍｍに設定されており、各押圧突部２２０の高さ方向の寸法Ｌ２は、３ｍｍに設定されており、高さ方向に互いに隣接する押圧突部２２０間の寸法Ｌ３は、５ｍｍに設定されている。

電池評価は、次のようにして行われた。すなわち、各比較例及び実施例を、７０℃かつＳＯＣ（残容量）が６０％の状態で１８０日間保存することにより劣化（正極板１２１及び負極板１２２を膨張）させ、それぞれ抵抗上昇率を測定した。抵抗上昇率は、２５℃かつＳＯＣが５０％の状態で３４０Ａを５秒間放電することによって測定された。この抵抗上昇率の測定は、図１８及び図１９に示されるように、拘束部材３００によって拘束荷重が４．９Ｎとなる状態で行われた。また、この測定は、３０日ごとに行われた。

図２０は、その測定結果を示している。図２０では、縦軸に抵抗上昇率が示されており、横軸に保存日数の平方根が示されている。図２０に示されるように、今回の実施例では、比較例３（接着層が設けられていないもの）と同等の電池性能を維持できていることが分かった。つまり、上記実施例では、セパレータ１２３に対する正極板１２１及び負極板１２２の変位を抑制しつつ、耐久後の抵抗上昇率を抑えることが可能となることが確認された。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、二次電池１００及び押圧部材２００からなるユニットが、積層方向に複数並ぶように配置されてもよい。すなわち、電池パック１は、積層方向に並ぶように配置された複数の二次電池１００と、積層方向に互いに隣接する一対の二次電池１００間に配置された複数の押圧部材２００と、を備えていてもよい。この場合、各押圧部材２００は、ベース２１０から積層方向における一方側に向けて突出する押圧突部２２０と他方側に向けて突出する押圧突部２２０とを有することが好ましい。

また、接着層１３０は、幅方向（図３における左右方向）に連続的につながる形状ではなく、幅方向に間隔を置いて設けられていてもよい。

１電池パック、１００二次電池、１１０容器、１２０積層電極体構造、１２１正極板、１２２負極板、１２３セパレータ、１３０接着層、１３１奇数段接着層、１３２偶数段接着層、１４０外部端子、１４２端子板、１４４端子ボルト、２００押圧部材、２１０ベース、２２０押圧突部、Ｒ非接着領域。

Claims

二次電池と、
前記二次電池を押圧する押圧部材と、を備え、
前記二次電池は、
セパレータを介して正極板と負極板とが交互に並ぶように積層された積層電極体構造と、
前記正極板と前記セパレータとの間、及び、前記負極板と前記セパレータとの間に設けられた接着層と、を有し、
前記接着層は、前記正極板及び前記負極板の積層方向と直交する方向に間隔を置いた位置で、かつ、前記積層方向に互いに重なる位置に設けられており、
前記積層電極体構造は、前記積層方向に前記接着層が存在しない非接着領域を有し、
前記押圧部材は、前記積層電極体構造のうち前記非接着領域のみを前記積層方向に押圧する、電池パック。