JP7208309B1 - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電池の充放電の際に電流が分布することを抑制し、電池の劣化を抑制して電池の長寿命化を図ることができる二次電池モジュールを提供する。【解決手段】蓄電要素を複数積層されてなる積層型電池を備えた二次電池モジュールであって、積層型電池における最外層の少なくとも一面には、正極側電流取出層１６が接しており、正極側電流取出層１６は、積層型電池から電流が流れる電流取出部６を有し、電流取出部６が正極側電流取出層１６において複数の区画に分かれ、該区画に独立した電流取出線を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池モジュールに関する。

電気自動車及びハイブリッド電気自動車等の電源等に使用できる電池として高エネルギー密度のリチウムイオン電池が知られている。また、このリチウムイオン電池を複数積層した構造の積層型電池（例えば、特許文献１）を電池パッケージ内に収容した構成も知られている。

この積層型電池では、積層方向両端に、積層型電池の主面（略平面状の電池が積層された積層型電池における積層方向の端面）の形状と略同形状を呈する集電体（電流取り出し部）が配置され、両端の集電体が電極タブ（端子）と接続される。この電極タブが電池パッケージ外に引き出されている。

特開２０２１－３４１４１号公報

この積層型電池に電流が流れる経路として、正極電流取り出し部に接続された電極タブから、正極電流取り出し部の主面（積層型電池における積層方向の端面）上のある領域（以下、特定領域とも称する）に至り、この特定領域に接した積層型電池の主面上のある部分を介し、同部分に接した負極電流取り出し部の主面上のある領域（以下、特定領域とも称する）に至り、負極電流取り出し部に接続された電極タブに至る。従来の積層型電池では、この電流経路における特定領域ごとに、その電気抵抗が均一ではないことが通常である。電気抵抗が均一ではないと、電気抵抗が相対的に低い領域に相対的に大きな電流が流れ、充放電の際に電流が分布する。このような特定領域に対応する経路では、相対的に他の経路に比べて深度が高い充放電が繰り返されるので、電池の劣化が促進され、積層型電池の寿命を縮めるおそれがある。

そこで本発明は、電池の充放電の際に電流が分布することを抑制し、電池の劣化を抑制して電池の長寿命化を図ることができる二次電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る二次電池モジュールは、蓄電要素を複数積層されてなる積層型電池を備えた二次電池モジュールであって、前記積層型電池における最外層の少なくとも一面には、電流取出層が接しており、前記電流取出層は、前記積層型電池から電流が流れる電流取出部を有し、前記電流取出部が前記電流取出層において複数の区画に分かれ、該区画に独立した電流取出線を有する。

本発明によれば、電池の充放電の際に電流が分布することを抑制し、電池の劣化を抑制して電池の長寿命化を図ることができる。

図１は、電池セルを複数段に亘り積層させた例を示す斜視図である。 図２は、電池セルを単一層で構成した例を示す斜視図である。 図３は、二次電池モジュールの側断面図である。 図４は、正極側電流取出層を上面から視認した平面図である。 図５は、正極側電流取出層を上面から視認した他の形態を示す平面図である。 図６は、負極側電流供給層を下面から視認した平面図である。 図７は、リチウムイオン二次電池としての電池セルの拡大断面図を示す図である。 図８は、電池セルを複数に亘り積層させて接続した組電池を形成する例を示す図である。 図９は、電流取出部、複数の正極導電線、正極合流部から構成される電流取出ユニットを複数に亘り設ける例を示す図である。 図１０は、一の正極集電体上に対して一の電流取出ユニットを設けた電池セルを複数個設ける例を示す図である。 図１１は、正極側電流取出層について、上端から下端に至るまで貫通する小孔を形成させる例を示す図である。

以下、本発明を適用した二次電池モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明をする。

図１、２は、本発明を適用した二次電池モジュール１を示す斜視図であり、図３はその側断面図を示している。二次電池モジュール１は、負極集電体１１及び負極活物質層１２からなる負極２と、正極活物質層１４及び正極集電体１５からなる正極３とが、セパレータ１３を介して積層させた平板上の単電池からなる電池セル２０として構成される。即ち、二次電池モジュール１を構成する電池セル２０は、負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４、正極集電体１５が、図３における上方向に向けて積層され、全体として略矩形平板状に形成されている。

なお、図１は、電池セル２０を複数段に亘り積層させた例であり、図２は、電池セル２０を積層させることなく単一層で構成した例であり、何れも正極側から視認した状態を示す斜視図である。

二次電池モジュール１は、更に電池セル２０の周縁に配設される環状の枠部材９を備えている。枠部材９は、セパレータ１３の端部が埋め込まれてなることで当該セパレータ１３を支持すると共に、枠部材９は、その上面及び下面に正極集電体１５及び負極集電体１１を面接触させた上でそれぞれ固定している。負極集電体１１、正極集電体１５及びセパレータ１３の周縁部がこの枠部材９を介して固定されることにより、負極活物質層１２及び正極活物質層１４を外部に漏洩させることなく強固に封止することが可能となる。また、枠部材９は、負極集電体１１、セパレータ１３、正極集電体１５のそれぞれの位置関係を定めることができる。負極集電体１１とセパレータ１３との間隔、セパレータ１３と正極集電体１５との間隔は、電池の容量に応じて予め調整されるが、枠部材９を通じてこの調整された間隔を保持できるように負極集電体１１、セパレータ１３、正極集電体１５を固定することができる。

負極集電体１１の下側には、負極側電流取出層１０が平面状に積層され、正極集電体１５の上側には、同じく正極側電流取出層１６が平面状に積層されている。

図１に示すように電池セル２０を複数段に亘り積層されている場合には、その最外層の少なくとも一面に、正極側電流取出層１６、負極側電流取出層１０が接していればよい。

なお、以下に説明する負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４、正極集電体１５からなる蓄電要素は一例であり、例えば、集電体を挟みこむようにして、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４が設けられ、その最外層の少なくとも一面に、正極側電流取出層１６、負極側電流取出層１０が接する場合もある。

正極側電流取出層１６は、正極集電体１５の上面に形成されてなり、絶縁体で構成されている。正極側電流取出層１６は、図１に示すように複数の区画に応じた電流取出部６に分かれている。

この区画は、正極側電流取出層１６及び後述する負極側電流取出層１０において略均等の形状及び位置に設けられている。ここでいう略均等の形状とは、互いの形状の面における均等を意味するものに加え、面積が均等であると解されるものであってもよい。また各領域は完全なる均等の関係である場合に限定されるものではなく、ほぼ均等（略均等）であればよい。

この電流取出部６には、電池セル２０から電流が流れることとなる。この区画は、正極側電流取出層１６における裏側において分割されて構成されたものである。電流取出部６は、正極側電流取出層１６において完全に物理的に分離されていてもよいが、これに限定されるものでは無く、物理的には分離されていないものの見かけ上の境界が設けられた程度のものであってもよい。ここでいう見かけ上の境界とは、設計上割り当てた単なる境界、即ち設計図面上では境界として区切られたものであるものの、実際には全体として何ら境界の無い一つの正極側電流取出層１６として構成されているものであってもよい。また、この区画に応じた電流取出部６は、物理的に明確に区切られて構成されていてもよい。かかる場合には、正極側電流取出層１６は、互いに独立した区画となるように絶縁体等により隔てられて構成されている。正極側電流取出層１６を複数の区画に物理的に分割する場合、正極側電流取出層１６のみならず、電池セル２０を構成する負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４も同様に絶縁体等を介して隔てられるものであってもよい。

図４（ａ）は、一の電流取出部６に着目した場合において、この正極側電流取出層１６を上面から視認した平面図である。電流取出用端部３６ａ～３６ｄは、正極集電体１５に電気的に接続されている。また各電流取出用端部３６ａ～３６ｄから正極合流部２６までを電気的に接続するための複数本の正極導電線２２ａ～２２ｄとを備えている。以下、この電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６までを電流取出線ともいう。正極導電線２２ａ～２２ｄにおける電流取出用端部３６ａ～３６ｄから正極合流部２６に至るまでの長さは、互いに略同一である。ここでいう略同一とは、完全に長さが同一である場合に限定されるものではない。正極側電流取出層１６における電流取出部６は、その上面が互いに略均等な複数の領域３２ａ～３２ｄに分割されている。ここでいう略均等とは、領域３２ａ～３２ｄの形状が完全に対称で、かつ同一面積で構成されている場合を例にとり説明をするが、これに限定されるものでは無く、領域３２ａ～３２ｄの形状が完全な対象からややずれており、しかも領域３２ａ～３２ｄ間の面積において誤差が生じていてもよい。

なお、上述した実施形態においては、正極導電線２２ａ～２２ｄにおける電流取出用端部３６ａ～３６ｄから正極合流部２６までの電気抵抗が互いに略同一であってもよい。電気抵抗が互いに略同一になっていれば、各正極導電線２２ａ～２２ｄが互いに材質や長さ、径が互いに異なるものであってもよい。この電気抵抗が互いに略同一とは、２０％以下であれば好ましく、１０％以下、或いは５％以下であれば更に好ましい。

この領域３２ａ～３２ｄは、物理的に明確に区切られた領域で構成されている必要はなく、物理的な区切りの無い、見かけ以上区切られた領域であってもよい。ここでいう見かけ上の区切りとは、設計上割り当てた単なる区切り、即ち設計図面上では領域として区切られたものであるものの、実際には全体として何ら区切りの無い一つの正極側電流取出層１６として構成されているものであってもよい。また、この領域３２ａ～３２ｄは、物理的に明確に区切られた領域で構成されていてもよい。かかる場合には、正極側電流取出層１６は、互いに独立した領域３２ａ～３２ｄとなるように絶縁体等により隔てられて構成されている。正極側電流取出層１６を複数の領域３２ａ～３２ｂに物理的に分割する場合、正極側電流取出層１６のみならず、電池セル２０を構成する負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４も同様に絶縁体等を介して隔てられるものであってもよい。

図４（ａ）の例において領域３２ａ～３２ｄは、平面視で正方形状の正極側電流取出層１６を均等に４分割した形状で構成されており、ちょうど平面視で正方形状となる。但し、この領域３２ａ～３２ｄは、このような形状で構成されている場合に限定されるものではなく、仮に正極側電流取出層１６が平面視で長方形状とされているのであれば、これを４分割した長方形状で構成されていてもよい。

また図４（ａ）の例では、正極側電流取出層１６を領域３２ａ～３２ｄへと４分割する場合を例に挙げて説明をしたが、これに限定されるものではなく、複数であればいかなる数に分割されて構成されるものであってもよい。かかる場合においても、各領域３２は、互いに均等となるように構成されていることが前提となるが、ここでいう均等とは、形状の面における均等を意味するものに加え、面積が均等であると解されるものであってもよい。また各領域は完全なる均等の関係である場合に限定されるものではなく、ほぼ均等（略均等）であればよい。

電流取出用端部３６ａ～３６ｄは、上述した領域３２ａ～３２ｄの略中心に設けられている。また、正極合流部２６は、各領域３２ａ～３２ｂからなる正極集電体１５の中心にあり、各領域３２ａ～３２ｂの境界が互いに一点で交差する合流点に設けられている。図４（ａ）の例では、領域３２ａ～３２ｄの略中心に設けられた電流取出用端部３６ａ～３６ｄからこの正極合流部２６に向けて正極導電線２２ａ～２２ｄが直線状に伸びている。即ち、正極導電線２２ａ～２２ｄは、互いに均等に設けられている領域３２ａ～３２ｄの略中心に設けられた電流取出用端部３６ａ～３６ｄから正極合流部２６に向けて直線状に延長されていることから、幾何的に長さが互いに同一になることは自明である。このようにして、正極導電線２２ａ～２２ｄの長さは互いに同一となるように設計されるが、必ずしも完全に同一である必要はなく、正極導電線２２ａ～２２ｄ間において多少の長さのずれがあっても許容される。正極合流部２６からは、放電時において電気回路上へ電流を供給するための導電体層からなる導電部８が接続される。即ち、各電流取出部６において正極合流部２６に接続される一の導電部８が割り当てられる。この電流を取り出すための導電部８、ひいてはこれを含む電流取出線が、電流取出部６毎に互いに独立して設けられることにより、区画に応じた電流取出部６毎に独立して電流を取り出すことが可能となる。

図４（ｂ）の例では、正極導電線２２、正極合流部２６の構成を省略した例を示している。つまり、区画に応じた各電流取出部６には、図４（ｂ）に示すように一の電流取出用端部３６から伸びる少なくとも１本の導電部８が設けられており、これが電流取出部６外へ延出されるものであってもよい。なお、かかる場合においても、導電部８は、途中で互いに異なる方向に分岐していてもよい。また、この図４（ｂ）に示す例では、領域３２の概念を捨象してもよい。

なお、正極合流部２６は、各領域３２ａ～３２ｂからなる正極集電体１５の中心に形成される点は、必須ではなく、例えば図５に示すように正極集電体１５の中心以外に形成されるものであってもよい。

なお、本発明においては、電流取出用端部３６ａ～３６ｄ、正極導電線２２ａ～２２ｄ、正極合流部２６からなる配線は必須ではなく、少なくとも電流取出用端部３６が設けられた配線で構成されていればよい。このとき、この電流取出用端部３６は、正極側電流取出層１６を上端から下端に至るまで貫通する構成とすることにより、正極側電流取出層１６の上部に別の回路を接続する場合において利便性を高くすることが可能となる。

負極側電流取出層１０は、図６（ａ）に示すように負極集電体１１の下面に形成されてなり、絶縁体で構成されている。負極側電流取出層１０中には、換言すれば負極集電体１１の下面には導電体としての複数の電流取出用端部３５ａ～３５ｄが接続されている。電流取出用端部３５ａ～３５ｄは、負極集電体１１に対して電気的に接続されている。

負極側電流取出層１０も、正極側電流取出層１６と同様に複数の区画に応じた電流取出部６´に分かれている。電流取出部６´には、電池セル２０から電流が流れることとなる。この電流取出部６´は、負極側電流取出層１０において完全に物理的に分離されていてもよいが、これに限定されるものでは無く、物理的には分離されていないものの見かけ上の境界が設けられた程度のものであってもよい。また、この電流取出部６´は、負極側電流取出層１０を物理的に明確に区切られて構成されていてもよい。かかる場合には、負極側電流取出層１０は、互いに独立した電流取出部６´となるように絶縁体等により隔てられて構成されている。負極側電流取出層１０を複数の区画に応じた電流取出部６´に物理的に分割する場合、負極側電流取出層１０のみならず、電池セル２０を構成する負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４も同様に絶縁体等を介して隔てられるものであってもよい。

各電流取出用端部３５ａ～３５ｄから負極合流部２５までを電気的に接続するための複数本の負極導電線２１ａ～２１ｄとを備えている。以下、この電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５を電流取出線ともいう。負極導電線２１ａ～２１ｄにおける電流取出用端部３５ａ～３５ｄから負極合流部２５に至るまでの長さは、互いに略同一である。負極側電流取出層１０も正極側電流取出層１６と同様にその下面が互いに略均等な複数の領域３１ａ～３１ｄに分割されている。この領域３１ａ～３１ｄの詳細は、上述した領域３２ａ～３２ｄと同様である。

かかる場合も負極導電線２１ａ～２１ｄにおける電流取出用端部３５ａ～３５ｄから負極合流部２５までの電気抵抗が互いに略同一であってもよい。電気抵抗が互いに略同一になっていれば、各負極導電線２１ａ～２１ｄが互いに材質や長さ、径が互いに異なるものであってもよい。この電気抵抗が互いに略同一とは、２０％以下であれば好ましく、１０％以下、或いは５％以下であれば更に好ましい。

電流取出用端部３５ａ～３５ｄは、上述した領域３１ａ～３１ｄの略中心に設けられている。また、負極合流部２５は、各領域３１ａ～３１ｄからなる負極側電流取出層１０の中心にあり、各領域３１ａ～３１ｄの境界が互いに一点で交差する合流点に設けられている。即ち、負極導電線２１ａ～２１ｄは、互いに均等に設けられている領域３１ａ～３１ｄの略中心に設けられた電流取出用端部３５ａ～３５ｄから負極合流部２５に向けて直線状に延長されていることから、幾何的に長さが互いに同一になることは自明である。このようにして、負極導電線２１ａ～２１ｄの長さは互いに同一となるように設計されるが、必ずしも完全に同一である必要はなく、負極導電線２１ａ～２１ｄ間において多少の長さのずれがあっても許容される。負極合流部２５には、放電時において電気回路上から電流が供給される導電体層からなる導電部７が接続される。即ち、各区画に応じた電流取出部６´において負極合流部２５に接続される一の導電部７が割り当てられる。この電流を取り出すための導電部７、ひいてはこれを含む電流取出線が区画に応じた電流取出部６´毎に互いに独立して設けられることにより、電流取出部６´毎に独立して電流を供給することが可能となる。

なお、負極合流部２５は、各領域３１ａ～３１ｄからなる負極側電流取出層１０の中心に形成される点は、必須ではなく、負極側電流取出層１０の中心以外に形成されるものであってもよい。

なお、本発明においては、電流取出用端部３５ａ～３５ｄ、負極導電線２１ａ～２１ｄ、負極合流部２５からなる配線は必須ではなく、少なくとも電流取出用端部３５が設けられた配線で構成されていればよい。このとき、この電流取出用端部３５は、負極側電流取出層１０を上端から下端に至るまで貫通する構成とすることにより、負極側電流取出層１０の下部に別の回路を接続する場合において利便性を高くすることが可能となる。

図６（ｂ）の例では、負極導電線２１、負極合流部２５の構成を省略した例を示している。つまり、区画に応じた各電流取出部６´には、図６（ｂ）に示すように一の電流取出用端部３５から伸びる少なくとも１本の導電部７が設けられており、これが電流取出部６´外へ延出されるものであってもよい。なお、かかる場合においても、導電部７は、途中で互いに異なる方向に分岐していてもよい。また、この図６（ｂ）に示す例では、領域３２の概念を捨象してもよい。

電池セル２０は、いわゆるリチウムイオン二次電池で構成される。図７（ａ）は、リチウムイオン二次電池としての電池セル２０の拡大断面図を示しており、負極２を構成する負極活物質層１２は、負極活物質４１と電解液４３とを含み、正極３を構成する正極活物質層１４は、正極活物質４２と電解液４３とを含んでいる。

このような電池セル２０をリチウムイオン二次電池として動作させる場合、先ず図示しない充電器の正極端子を正極３側に、充電器の負極端子を負極２側に接続して電流を流す。その結果、リチウム遷移金属複合酸化物等を含む正極活物質４２から引き離された電子は、充電器を含む外部回路を流れ、炭素系材料等からなる負極活物質４１へと到達する。その間において、プラスに帯電したリチウムイオンは、負極２側へと引き寄せられ、電解液４３を流れて負極活物質４１へと到達し、これに吸蔵される。正極活物質４２中の全てのリチウム原子が負極活物質４１へと到達することで、電池セル２０が完全に充電された状態となる。

放電時には、図示しない外部の負荷を正極３と負極２との間に接続する。これにより、この負極活物質４１に吸蔵されているリチウムイオンは、リチウム遷移金属複合酸化物の一部として安定な状態に戻るため、電解液４３を通過し、正極に向かって移動する。また電子も負極２から外部の負荷を通過して正極３側へと流れ込むことでエネルギーが消費される。

負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６を構成する材料は、例えばエポキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン等を始めとする絶縁性の樹脂で構成されていてもよいし、カーボンファイバー等からなる不織布等のような弾性変形可能な弾性材で構成してもよい。この負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６を構成する材料について、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等のいかなる種類の樹脂で構成されていてもよい。

正極側電流取出層１６と、この正極側電流取出層１６に含まれる電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６とは、いわゆるプリント基板のように機能が分類されていてもよい。つまり、正極側電流取出層１６は、プリント基板における絶縁体で構成され、電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６は、プリント基板における配線として構成されるものであってもよい。

負極側電流取出層１０と、この負極側電流取出層１０に含まれる電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５とは、いわゆるプリント基板のように機能が分類されていてもよい。つまり、負極側電流取出層１０は、プリント基板における絶縁体で構成され、電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５は、プリント基板における配線として構成されるものであってもよい。

正極側電流取出層１６及び負極側電流取出層１０は、プリント基板における絶縁体で構成する場合、その材質としては、紙基材にフェノール樹脂を含侵させた材料、紙基材にエポキシ樹脂を含侵させた材料、ガラス布（ガラス繊維を布状に編んだガラス織布）にエポキシ樹脂を含侵させた材料、紙基材にポリイミド樹脂を含侵させた材料、ガラス布基材にフッ素樹脂を含浸させた材料、ガラス布基材にPPO（Poly Phenylene Oxide）樹脂を含浸させた材料で構成してもよいし、アルミニウムのような金属をベースにした基板、或いはガラスセラミックをベースにした基板で構成してもよい。

このようなプリント基板のような機能分類がなされていることにより、他の図示しない回路やプリント基板に対して直接接続する場合において、その接触抵抗低減を図ることが可能となる。また、実際に硬質のプリント基板で正極側電流取出層１６及び負極側電流取出層１０を構成することにより、電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５や電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５からなる配線を施す上でその作業の容易性を向上させることができる。その結果、上述した配線を施す上で利便性を高くすることができる。

正極側電流取出層１６及び／又は負極側電流取出層１０は、フレキシブルプリント基板で構成されていてもよく、そのフレキシブルプリント基板は、両面に回路基板が形成された、いわゆる両面基板で構成されていてもよい。

このようフレキシブルプリント基板を両面基板で構成することにより、配線の自由度を高くすることができ、またデザインが容易なので片側より等長性を上げられるという利点がある。これに加えて、フレキシブルプリント基板を両面基板で構成することにより、表面から裏面までの面間の貫通孔や、面間を貫通する導電部を含むので、電池セル２０の熱を電池の外側に逃す能力を高くすることができる利点もある。

勿論、このフレキシブルプリント基板をいわゆる両面基板ではなく、片側のみに回路基板が形成された片面基板で構成してもよい。この片面基板は、配線デザイン性、基板垂直方向の熱伝導性の面において両面基板よりもやや劣る点があるものの、コストパフォーマンスに優れ、また基板の厚みを薄く構成できることから、エネルギー密度の面においても優れる。正極側電流取出層１６及び／又は負極側電流取出層１０をこのようなフレキシブルプリント基板で構成する場合においても、複数の区画に対応した電流取出部６、６´が構成され、各区画に応じた電流取出部６、６´から独立した電流取出線を有するものとなる。

このように、本実施形態では、電流取出部が電流取出層において複数の区画に分かれ、該区画に独立した電流取出線を有する。公知の積層型電池の構成（例えば、積層型電池の最外層の集電体（電流取出部）に電極タブ（端子）が接続された構成）では、電流取出部の一部において電流が集中するおそれがあるのに対し、本実施形態では、電流取出部が複数の区画に分かれ、当該区画にそれぞれ電流取出線を有するため、電流取出部位が分散される。そのため、公知の積層型電池の構成と比較して、本実施形態では電流取出部のある一部に電流が集中することが抑制されるので、電流が分布することを抑制することができる。電流の分布が抑制されることにより、積層型電池のある一部において深度が高い充放電が繰り返されることが抑えられるので、電池の劣化を抑制することができる。

なお、各区画に設けられる導電部７、８の配線幅や配線厚みは以下に説明する（１）式に基づいて規定されていてもよい。

最大電流／区画数＜（配線厚み（ｏｚ）／３５）×配線幅（ｍｍ）・・・・（１）
ここでいう最大電流は、負極側電流取出層１０、正極側電流取出層１６を流れる最大電流である。（１）式の左辺は、この最大電流を区画数で割ることにより得られる、区画当たりの最大電流である。導電部７、８の配線幅や配線厚みは、この区画当たりの最大電流を上回っていればよいことから、（１）式の右辺に示す関係からなる配線厚み（ｏｚ）、配線幅（ｍｍ）で設計される必要がある。この（１）式の右辺に示す関係の根拠としては、配線厚み３５ｏｚで配線幅１ｍｍであるとき１Ａまで耐えることができるというのが業界の一般的なルールであり、これに基づくものである。

例えば、最大電流が２０Ａであり、区画数が３６であれば区画当たりの最大電流は０．５５Ａとなる。かかる場合には、例えば、配線厚み７０ｏｚで配線幅０．５ｍｍであれば、（１）式の右辺である０．５５Ａを上回るため、（１）式を満たすものとなる。

ちなみに、配線厚み７０ｏｚに設計するためには、あまりに正極側電流取出層１６、負極側電流取出層１０、ひいてはこれを構成するプリント基板が薄いと、導電部７、８自体の搭載が困難になる。このため、正極側電流取出層１６、負極側電流取出層１０、ひいてはこれを構成するプリント基板の厚みは１００μ以上であることが望ましい。

また区画数は、電池セル２０をいわゆる全樹脂電池で構成する場合、４以上４０以下であることが望ましい。この区画数の下限は、単電池としての電池セル２０における単電池の電極面積（ｃｍ^２）／４００、区画数の上限は、単電池としての電池セル２０の電極面積（ｃｍ^２）／４００で計算されるものであってもよい。

正極側電流取出層１６に含まれる電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６、並びに導電部８は、金めっきを施すことにより、電池の電位によるプリント基板の腐食を抑えることができる。同様に、電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５並びに導電部７は、金めっきを施すことにより、電池の電位によるプリント基板の腐食を抑えることができる。

電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６を構成する材料は、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性高分子材料、導電性ガラス等が挙げられる。このとき、電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６は、導電性高分子材料からなる樹脂集電体で構成されるものであってもよく、樹脂集電体を構成する導電性高分子材料としては、例えば、導電性高分子や、マトリックス樹脂に対して必要に応じて導電性フィラーからなる導電剤を添加したものを用いるようにしてもよい。電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５を構成する材料も電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６と同様である。

枠部材９を構成する材料としては、負極集電体１１及び正極集電体１５との接着性を有し、電解液４３に対して耐久性のある材料であれば特に限定されないが、高分子材料、特に熱硬化性樹脂が好ましい。枠部材９を構成する材料は、具体的には、エポキシ系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリフッ化ビニデン樹脂等が挙げられ、耐久性が高く取り扱いが容易であることからエポキシ系樹脂が好ましい。

上述した構成からなる単電池からなる電池セル２０の製造方法としては、例えば、負極集電体１１、負極活物質層１２、セパレータ１３、正極活物質層１４、正極集電体１５の順に重ね合わせた後、電解液４３を注入し、負極活物質層１２、セパレータ１３及び正極活物質層１４の外周を枠部材９で封止し、更に負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６を積層させることで得ることができる。その際には、上述した電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５、並びに電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６も形成していくことになる。負極活物質層１２及び正極活物質層１４の外周を枠部材９で封止する方法としては、負極活物質層１２及び正極活物質層１４を一方の枠部材９の上面及び下面に接合して封止し、他方の枠部材９においてセパレータ１３を挿入した状態で、一方の枠部材９と他方の枠部材９同士を接着して封止する方法で単電池からなるリチウムイオン二次電池の電池セル２０を得ることができる。

なお、上述した形態からなる電池セル２０では、液体状の電解液４３の代わりに図７（ｂ）に示すような固体電解質４６を用いた、いわゆる全固体リチウムイオン電池で構成した電池セル２０´に代替させるようにしてもよい。電池セル２０´では、セパレータ１３の構成を省略し、負極２から正極３に至るまで固体電解質４６で満たされた状態となる。負極活物質層１２では、この固体電解質４６内に負極活物質４１が介在された状態となる。正極活物質層１４では、この固体電解質４６内に正極活物質４２が介在された状態となる。この電池セル２０´を構成する各構成要素の詳細や材料については、電池セル２０を構成する各構成要素と同様であることから、これと同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。

固体電解質４６としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体電解質４６中には、イオン伝導性を確保するために支持塩（リチウム塩）が含まれる。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、またはこれらの混合物等が使用できる。但し、固体電解質４６を構成するＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２等のリチウム塩をよく溶解し得る特質を備え、両者間で架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現させることができる。

上述した固体電解質４６を電解質として用いる電池セル２０´によれば、電解質の流動性がないので、電解質の流出を防止するためのシール構造が不要となり、二次電池モジュール１の構成を簡略化することが可能となる。これに加えて、電池セル２０´によれば、電解質として固体を用いることで、漏液を防止することが可能となり、リチウムイオン二次電池特有の問題である液絡を防ぎ、信頼性をより向上させることが可能となる。

なお、本発明を適用した二次電池モジュール１は、リチウムイオン二次電池の電池セル２０を単電池で構成される場合に限定されるものではない。例えば図１、８に示すように、電池セル２０を複数に亘り積層させて接続した組電池５０を形成するものであってもよい。

このような組電池５０を形成する場合には、複数の電池セル２０を直列接続することにより、最上段の電池セル２０の正極側電流取出層１６に設けられた導電部８と最下段の電池セル２０の負極側電流取出層１０に設けられた導電部７を介して電流を供給自在に構成するようにしてもよい。かかる場合には、互いに接続する電池セル２０の負極側電流取出層１０の下面と正極側電流取出層１６の上面が隣接するように積層されている。更にこのような組電池５０を形成する場合には、複数の電池セル２０を並列接続するようにしてもよいし、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。このような組電池５０を構成することにより、高容量、高出力と得ることができる。これ以外には、個々の電池セル２０の負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６にそれぞれ接続された導電部７、８から独立に電流を供給自在に構成するようにしてもよい。

次に、本発明を適用した二次電池モジュール１の動作について説明をする。

放電時において二次電池モジュール１を図示しない外部の負荷を正極３と負極２との間に接続した場合には、負極活物質層１２から負極集電体１１へと到達した電子は、この負極集電体１１に接続された電流取出用端部３５に集められる。電流取出用端部３５は、各領域３１ａ～３１ｄに設けられていることから、各区画に応じた電流取出部６´における各領域３１ａ～３１ｄにおける電子は、その領域３１毎に設けられた電流取出用端部３５に集まることになる。各電流取出用端部３５に集められた電子は負極導電線２１を介して負極合流部２５へと集められ、導電部７を介して外部回路へと送られる。同様に、正極集電体１５上を伝搬しようとする電子は、外部回路から導電部８を介して正極合流部２６へと送られる。正極合流部２６に送られた電子は、正極導電線２２を介して電流取出用端部３６へと送られる。電流取出用端部３６は、各領域３２ａ～３２ｄに設けられていることから、各領域３２ａ～３２ｄにおける電子は、その領域３２を構成する正極集電体１５へと伝搬し、その領域３２における正極活物質層１４へ伝搬することとなる。

上述した動作を電子の流れではなく、電流の流れで説明するのであれば、正極側電流取出層１６における各領域３２ａ～３２ｄにおける電流は、それぞれの領域３２の中心に設けられた電流取出用端部３６により電流取出部６´毎に独立して取り出される。各電流取出用端部３６により取り出された電流は、正極導電線２２を流れて正極合流部２６へと送られ、この正極合流部２６から導電部８を介して外部回路を流れる。外部回路からの電流は、各電流取出部６´に設けられた導電部７を介して負極合流部２５へ流れ込み、ここから各負極導電線２１へ分岐し、電流取出用端部３５に到達する。電流取出用端部３５は、領域３１ａ～３１ｄ毎に設けられていることから当該領域３１ａ～３１ｄに電流を流すことができる。

これに加えて、放電時には、負極活物質４１内に吸蔵されたリチウムイオンが正極活物質４２へ向けて移動することになる。このリチウムイオンは、正極活物質４２に向けて極力最短距離で移動しようとすることは自明であることから、その移動経路は長手方向ｘに対して垂直方向となる、厚み方向ｚと平行方向で、かつ直線状となる。

このような電流の流れとリチウムイオンの移動経路の前提の下で、正極側電流取出層１６における各領域３２ａ～３２ｄにおける電流は、それぞれの領域３２の中心に設けられた電流取出用端部３６により取り出される。即ち、各領域３２ａ～３２ｄ毎に電流が分散して電流取出用端部３６に取り出され、取り出された電流は分散して正極導電線２２を流れて正極合流部２６へと送られる。同様に負極合流部２５へ流れ込んだ電流は分散して各負極導電線２１へ分岐し、電流取出用端部３５に到達する。

同様に正極側電流取出層１６における各電流取出部６における電流は、電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６を介して取り出される。同様に負極に流れ込んだ電流は、各電流取出部６´に分散して各負極導電線２１へ分岐し電流取出用端部３５に到達する。

負極においても同様に、外部回路からの電流は、負極合流部２５へ流れ込み、ここから各負極導電線２１において分散されて電流取出用端部３５に到達する。電流取出用端部３５は、領域３１ａ～３１ｄ毎に設けられていることから当該領域３１ａ～３１ｄに電流を流すことができる。その結果、負極集電体１１を流れる電流が一極集中することなく、分散させることができる。

その結果、負極集電体１１へ供給する電流、正極集電体１５から取り出す電流が負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６において一極集中することなく、分散させることができる。その結果、各負極導電線２１、各正極導電線２２を流れる電流を下げることができ、抵抗を下げることができる。これに加えて、各負極導電線２１、各正極導電線２２を介して負極側電流取出層１０、正極側電流取出層１６を流れる電流の経路が何れも伝搬距離が等しくなることから、負極側電流取出層１０、正極側電流取出層１６内における抵抗の均一化を図ることができる。その結果、本発明によれば、負極側電流取出層１０、正極側電流取出層１６上に局所的な抵抗分布を発生させることなく、特定領域間において抵抗の均一化を図ることができ、電流を均一に流すことができる。このため、特定領域に対応する経路では、相対的に他の経路に比べて深度が高い充放電が繰り返されることがなくなり、電池の劣化を防止し、電池の高寿命化を実現できる。

このように、正極側において、各電流取出用端部３６から正極合流部２６までを電気的に接続するための複数本の正極導電線２２を備えており、その正極導電線２２の電気抵抗は、互いに略同一とされている。特に、正極側電流取出層１６において互いに略均等となる位置に電流取出用端部３６が設けられている。これにより、正極側電流取出層１６において取り出されるべき電流を、複数の電流取出用端部３６間でより均等に取り出すことができ、これを複数本の正極導電線２２に分散させて流すことができ、電流が局所的に多く流れる部位が生じることが無くなる。このとき、正極側電流取出層１６が互いに略均等な複数の領域３２に分割され、各電流取出用端部３６は、各領域３２の略中心に設けられていることで、正極側電流取出層１６において取り出されるべき電流を、複数の電流取出用端部３６間で更に均等に取り出すことが可能となる。

同様に、負極側において、各電流取出用端部３５から負極合流部２５までを電気的に接続するための複数本の負極導電線２１を備えており、その負極導電線２１の電気抵抗は、互いに略同一とされている。特に、負極側電流取出層１０において互いに略均等となる位置に電流取出用端部３５が設けられている。これにより、負極集電体１１に対して供給されるべき電流を、複数の電流取出用端部３５間でより均等に供給することができ、この電流取出用端部３５に対しては複数本の負極導電線２１に分散させて流すことができ、電流が局所的に多く流れる部位が生じることが無くなる。このとき、負極側電流取出層１０が互いに略均等な複数の領域３１に分割され、各電流取出用端部３５は、各領域３１の略中心に設けられていることで、負極集電体１１に対して供給されるべき電流を、複数の電流取出用端部３５間で更に均等に供給することが可能となる。

なお、本発明では、少なくとも正極側又は負極側において、上述したメカニズムに基づいた動作が発現していればよく、常に正極側と負極側の双方においては上述したメカニズムに基づいた動作の発現は必須とはならない。このため、上述した正極側電流取出層１６における電流取出用端部３６、正極導電線２２、正極合流部２６の構成、負極側電流取出層１０における電流取出用端部３５、負極導電線２１、負極合流部２５の構成は、上述した動作を発現させる方のみに設けられていればよく、動作を発現させない側においては省略するようにしてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものでは無い。図９に示すように、各区画に応じた電流取出部６において、電流取出用端部３６、複数の正極導電線２２、正極合流部２６から構成される電流取出ユニット６１を複数に亘り設けるようにしてもよい。かかる場合には、一の電池セル２０における正極側電流取出層１６上に対して複数の電流取出ユニット６１をそれぞれ配設するようにしてもよい。また、図１０は、電池セル２０を複数に亘り並列に配置することで二次電池モジュールを構成する例である。この図１０の例では、並列に配置した４つの電池セル２０で共通の正極合流部２６を共有する例である。各電池セル２０における正極側電流取出層１６には、それぞれ一の電流取出用端部３６が設けられている。一の正極合流部２６を共有する４つの電池セル２０の各電流取出用端部３６ａ～３６ｄから同様に正極導電線２２ａ～２２ｄがこの正極合流部２６まで延長される構成となる。各正極導電線２２ａ～２２ｄの電気抵抗は互いに略同一となる。

この図９、１０の例では、正極全体合流部７２が別途設けられる。この正極全体合流部７２は、各正極合流部２６により取り出された電流を一箇所に集めるための部位である。各正極合流部２６は、正極全体合流部７２に対してユニット正極導電線９２により電気的に接続されている。このユニット正極導電線９２は、その材質等については、正極導電線２２と同様であり、一端が正極合流部２６に、また他端が正極全体合流部７２に接続されている。

このとき、各ユニット正極導電線９２の長さは、互いに略同一とされている。この正極全体合流部７２に対する各正極合流部２６の位置は様々であることから、各ユニット正極導電線９２の長さを略同一にするために、意図的に迂回をさせたり、ある領域を往復させるような導線形状にする等して調整されることとなる。

このように、正極合流部２６から正極全体合流部７２までを電気的に接続するための複数本のユニット正極導電線９２を備えており、そのユニット正極導電線９２の長さは、互いに略同一とされている。これにより、正極集電体１５において取り出されるべき電流を、複数の正極合流部２６間でより均等に取り出すことができ、これを複数本のユニット正極導電線９２に分散させて流すことができ、電流が局所的に多く流れる部位が生じることが無くなる。これにより、電流分布の均一化を図ることができることから、電池セル２０自体の劣化を抑えることができ、ひいては電池セル２０の高寿命化を実現できる。

このとき、各ユニット正極導電線９２の正極合流部２６から正極全体合流部７２までの電気抵抗が互いに略同一になっていれば、互いに材質や長さ、径が互いに異なるものであってもよい。この電気抵抗が互いに略同一とは、２０％以下であれば好ましく、１０％以下、或いは５％以下であれば更に好ましい。

なお、上述した説明において、ユニット正極導電線９２は、正極合流部２６を始点とし、正極全体合流部７２を終点とする場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものでは無い。

図４（ｂ）に示すように、正極合流部２６を設けない例の場合には、各ユニット正極導電線９２は、一の電流取出用端部３６から伸びる少なくとも１本の導電部８が兼ねるものであってもよい。
かかる場合には、この導電部８も兼ねるユニット正極導電線９２の、電流取出用端部３６から正極全体合流部７２まで電気抵抗が、互いに略同一であればよい。

負極についても同様であり、この図９でいう正極全体合流部７２に対応する図示しない負極全体合流部が別途設けられていてもよい。この図示しない負極全体合流部は、複数設けられた各負極合流部２５により供給すべき電流を一箇所に集めるための部位である。各負極合流部２５は、図示しない負極全体合流部に対して、ユニット正極導電線９２に対応する図示しないユニット負極導電線により電気的に接続されている。これにより負極側においても電流分布の均一化を図ることができることから、電池セル２０自体の劣化を抑えることができ、ひいては電池セル２０の高寿命化を実現できる。

また負極についても同様に、図１０に示すように、電池セル２０を複数に亘り並列に配置することで二次電池モジュールを構成してもよい。かかる場合には、並列に配置した４つの電池セル２０で共通の負極合流部２５を共有するようにしてもよい。各電池セル２０における負極側電流取出層１０には、それぞれ一の電流取出用端部３５が設けられている。一の負極合流部２５を共有する４つの電池セル２０の各電流取出用端部３５ａ～３５ｄから同様に負極導電線２１ａ～２１ｄがこの負極合流部２５まで延長される構成となる。各負極導電線２１ａ～２１ｄの長さは互いに略同一となる。 上述した実施形態においては、各ユニット正極導電線９２に対応する図示しないユニット負極導電線の、負極合流部２５から正極全体合流部７２に対応する図示しない負極全体合流部までの長さは、互いに略同一であるのは、各図示しないユニット負極導電線が同一の材質で同一の径で構成されている場合の例である。これにより、各図示しないユニット負極導電線間の電気抵抗は略同一となる。

このとき、各図示しないユニット負極導電線の正極合流部２６から正極全体合流部７２までの電気抵抗が互いに略同一になっていれば、互いに材質や長さ、径が互いに異なるものであってもよい。

また図６（ｂ）に示すように、負極合流部２５を設けない例の場合には、各導電部７が図示しないユニット負極導電線を兼ねることになるが、かかる場合においても、各導電部７における正極全体合流部７２までの電気抵抗が互いに略同一になっていれば、互いに材質や長さ、径が互いに異なるものであってもよい。図６（ｂ）に示すように、負極合流部２５が形成されていない場合、各図示しないユニット負極導電線は、一の電流取出用端部３５から伸びる少なくとも１本の導電部７が兼ねるものであってもよい。かかる場合には、この導電部７も兼ねる図示しないユニット負極導電線の、電流取出用端部３５から正極全体合流部７２に相当する図示しない負極全体合流部まで電気抵抗が、互いに略同一であればよい。

なお、上述した実施の形態においては、放電時において負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６における抵抗を均一化することで局所的な電流の集中を抑制できる点について説明をしたが、充電時においても同様である。充電時には、電流の向きが全て逆になるだけであり、負極側電流取出層１０及び正極側電流取出層１６における抵抗を均一化するメカニズムは放電時と同様である。このため本発明は、放電時のみならず充電時においても、局所的な電流の集中を抑制でき、電池の寿命を更に伸ばすことが可能となる。

また、正極側電流取出層１６について、図１１に示すように、上端から下端に至るまで貫通する小孔９６が形成された材料で構成する場合、以下に説明する効果を奏することとなる。製造時において、正極側電流取出層１６と正極集電体１５との間に気泡８１が形成される場合には、減圧環境下におくことで気泡８１が小孔９６を通過し、外部に放出されることで、これを除去することが可能となる。

このようにして気泡８１が除去されることで、正極集電体１５と正極側電流取出層１６との間で密着性が向上することとなる。負極側電流取出層１０においても同様に小孔９６を形成させておくことにより、気泡８１を同様に除去することで密着性を向上させることが可能となる。

１ 二次電池モジュール
２ 負極
３ 正極
６ 電流取出部
７、８ 導電部
９ 枠部材
１０ 負極側電流取出層
１１ 負極集電体
１２ 負極活物質層
１３ セパレータ
１４ 正極活物質層
１５ 正極集電体
１６ 正極側電流取出層
２０ 電池セル
２１ 負極導電線
２２ 正極導電線
２５ 負極合流部
２６ 正極合流部
３１、３２ 領域
３５、３６ 電流取出用端部
４１ 負極活物質
４２ 正極活物質
４３ 電解液
４６ 固体電解質
５０ 組電池
６１ 電流取出ユニット
７２ 正極全体合流部
８１ 気泡
９２ ユニット正極導電線
９６ 小孔

Claims (7)

1. 蓄電要素を複数積層されてなる積層型電池を備えた二次電池モジュールであって、
   前記積層型電池における最外層の少なくとも一面には、電流取出層が接しており、
   前記電流取出層は、前記積層型電池から電流が流れる電流取出部を有し、
   前記電流取出部が前記電流取出層において複数の区画に分かれ、該区画に独立した電流取出線を有しており、
   １以上の電流取出用端部を含む電流取出ユニットを複数備え、
   前記電流取出用端部から電極全体合流部までを電気的に接続するためのユニット電極導電線が前記電流取出ユニット毎に設けられ、
   前記各ユニット電極導電線の電気抵抗は、互いに略同一である、
   二次電池モジュール。
2. 前記電流取出部が前記電流取出層において４以上５０以下の区画に分かれていること
   を特徴とする請求項１記載の二次電池モジュール。
3. 前記区画が前記電流取出層において略均等の形状及び位置に設けられていること
   を特徴とする請求項２記載の二次電池モジュール。
4. 前記電流取出層は、その上面が互いに略均等な複数の領域に分割され、
   前記各電流取出部は、前記各領域の略中心に設けられていること
   を特徴とする請求項３記載の二次電池モジュール。
5. 前記電流取出線は、複数の電流取出用端部と、前記各電流取出用端部から電極合流部までを電気的に接続するための複数本の電極導電線とを有し、
   前記各電極導電線の電気抵抗は、互いに略同一であること
   を特徴とする請求項１～４のうち何れか１項記載の二次電池モジュール。
6. 前記電流取出層は、フレキシブルプリント基板から成り、
   前記フレキシブルプリント基板は、両面基板である、
   請求項１～５のうち何れか１項記載の二次電池モジュール。
7. 前記電流取出層は、フレキシブルプリント基板から成り、
   前記フレキシブルプリント基板は、前記積層型電池の正極側及び負極側に設けられ、
   前記電流取出部が前記フレキシブルプリント基板において複数の区画に分かれ、該区画に独立した電流取出線を有する、
   請求項１～６のうち何れか１項記載の二次電池モジュール。

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