JP7249553B2

JP7249553B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7249553B2
Application number: JP2020502916A
Authority: JP
Inventors: 勝利武田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: CN111373600A; US11476532B2; WO2019167612A1; US20200411818A1; JPWO2019167612A1; CN111373600B

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

従来、電気的に接続された複数の電池、及び複数のスペーサが所定方向に交互に配列された電池モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたスペーサは、隣接する単電池より生じた熱を吸熱する冷却用媒体であって吸熱により固体から液体に相変化し得る相変化物質からなる媒体を有する。当該媒体は、固体時にスペーサに保持されると共に、固体から液体に相変化したときにスペーサから外部へ流れ出すように配置されている。特許文献１には、一部の単電池に熱異常が発生した際に、隣接する単電池間の連鎖発熱を抑制できる、と記載されている。

特開２０１０－１９２３３３号公報

複数の電池を備えた電池モジュールにおいて、一部の電池が異常発熱した場合に、他の電池の温度上昇を抑制して連鎖発熱を防止することは重要な課題である。近年、電池の高容量化、高エネルギー密度化に伴い、異常発生時の発熱量が増加しているため、特許文献１の技術を含む従来の技術では、かかる電池の連鎖発熱を十分に防止できないことが想定される。

本開示の一態様である電池モジュールは、複数の電池と、前記複数の電池のうち、隣り合う電池同士の間に配置されるスペーサとを備え、前記スペーサは、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する反射層を有することを特徴とする。

本開示の一態様によれば、一部の電池が異常発熱した場合に、他の電池の温度上昇を抑制して連鎖発熱を防止することが可能な電池モジュールを提供できる。

実施形態の一例である電池モジュールの斜視図である。図１中のＡＡ線断面の一部を示す図である。実施形態の他の一例である電池モジュールを示す断面図である。実施形態の他の一例である電池モジュールを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示の電池モジュールは以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略～」との記載は、「略平行」を例に説明すると、完全に平行な状態及び実質的に平行と認められる状態の両方を意図する。

以下では、電池積層体を構成する複数の電池が電気的に接続されているものとして説明するが、各電池は電気的に接続されていなくてもよく、複数の電池の一部だけが互いに電気的に接続されていてもよい。即ち、１つの電池積層体を構成する複数の電池は、個々に又は所定のブロック毎に、充放電可能に電源及び負荷に接続される構成であってもよい。また、電池を構成する電極体として、セパレータを介して複数の正極と複数の負極を交互に積層してなる積層型の電極体を例示するが、電極体はセパレータを介して長尺状の正極と長尺状の負極を巻回してなる巻回型であってもよい。

図１は、実施形態の一例である電池モジュール１０の斜視図である。図２は、図１中のＡＡ線断面の一部を示す図である。

図１及び図２に例示するように、電池モジュール１０は、複数の電池１２と、複数の電池１２のうち、隣り合う電池１２同士の間に配置されるスペーサ３０とを備える。詳しくは後述するが、スペーサ３０は、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する反射層を有する。電池モジュール１０は、複数の電池１２と複数のスペーサ３０が所定方向に交互に配置されてなる電池積層体１１を備える。なお、本開示に係る電池モジュールは２つの電池とその間に配置される１つのスペーサとで構成されるものであってもよい。

電池モジュール１０は、電池１２及びスペーサ３０が並ぶ所定方向の両側から電池積層体１１を押圧する一対のエンドプレート２１を備える。本実施形態では、電池積層体１１を構成する複数の電池１２及び複数のスペーサ３０が水平方向に並んでいる。以下では、説明の便宜上、電池１２及びスペーサ３０が並ぶ所定方向を「第１方向又は厚み方向」、水平方向のうち第１方向に直交する方向を「第２方向又は横方向」、第１及び第２方向に直交する方向を「上下方向」とする。

電池モジュール１０は、複数の電池１２を電気的に接続して構成される組電池であって、電池パックとも呼ばれる。本実施形態では、電池積層体１１を構成する全ての電池１２が互いに電気的に接続されている。電池１２の例としては、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池が挙げられる。図１に示す例では、電池積層体１１が７つの角形電池である電池１２で構成されているが、電池１２の形状、数等は特に限定されない。

電池モジュール１０は、一対のエンドプレート２１によって電池積層体１１に所定の締め付け圧が作用するように、各エンドプレート２１に連結されたバインドバー２２を備える。各エンドプレート２１は、電池１２よりも第２方向（横方向）にやや長い板状体であって、電池積層体１１を第１方向の両側から挟持する。バインドバー２２は、例えば第１方向に沿って設けられる棒状の部材であって、電池積層体１１の第２方向両側にそれぞれ設けられる。

本実施形態では、一対のエンドプレート２１にわたって２本のバインドバー２２が取り付けられている。即ち、一対のエンドプレート２１は２本のバインドバー２２によって連結されている。具体的には、バインドバー２２の一端部が一方のエンドプレート２１に、バインドバー２２の他端部が他方のエンドプレート２１にそれぞれ締結され、各エンドプレート２１によって電池積層体１１に所定の締め付け圧が作用するように構成されている。エンドプレート２１に対するバインドバー２２の締結力を調整することで、当該締め付け圧を変更することができる。

電池積層体１１を構成する各電池１２は、外装缶１３と、外装缶１３の開口部を塞ぐ封口板１４とで構成される電池ケースをそれぞれ備える。電池積層体１１は、各電池１２の封口板１４が同じ方向を向くように、また封口板１４の高さが揃うように、電池１２及びスペーサ３０を交互に配置して構成されている。外装缶１３には、発電要素である電極体１５及び電解液が収容されている。なお、外装缶１３の表面には絶縁シートが装着されていてもよく、外装缶１３と電極体１５の間に絶縁シートが配置されていてもよい。

電池１２の体積エネルギー密度は、例えば５００Ｗｈ／Ｌ以上である。体積エネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌ以上のような高エネルギー密度の電池１２では、異常発生時の発熱量が大きくなるが、スペーサ３０を備えた電池モジュール１０によれば、発熱量が大きな電池１２を用いた場合でも連鎖発熱を高度に抑制できる。

図１に例示する電池ケースは、有底筒状の外装缶１３と、横方向に長い平面視略矩形形状の封口板１４とで構成される角形の金属製ケースである。外装缶１３は、互いに対向配置された２つの側壁１３Ａと、互いに対向配置された２つの側壁１３Ｂと、横方向に長い底面視略矩形形状の底面部とを有する。４つの側壁部は、例えば底面部に対して略垂直に形成されている。電池ケースの上面部は、封口板１４によって形成される。側壁１３Ａは、側壁１３Ｂより大きく、上下方向よりも横方向に長い略矩形形状を有し、側壁１３Ｂは、厚み方向よりも上下方向に長い略矩形形状を有する。

電池１２は、正極端子１６と、負極端子１７とを有する。例えば、正極端子１６は封口板１４の横方向一端側に設けられ、負極端子１７は封口板１４の横方向他端側に設けられる。電池積層体１１は、隣り合う電池１２の電極端子同士を接続する複数のバスバー２０を備える。本実施形態では、隣り合う電池１２で正極端子１６と負極端子１７の位置が互いに逆となるように各電池１２が配列され、バスバー２０によって隣り合う電池１２が直列に接続されている。即ち、バスバー２０は、隣り合う一方の電池１２の正極端子１６と、他方の電池１２の負極端子１７とを接続している。

電極体１５は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体である。電極体１５には、複数のセパレータを用いてもよく、つづら折りされた１枚のセパレータを用いてもよい。電極体１５の積層構造は、例えば電池１２が厚み方向両側から押圧されることで維持される。本実施形態では、正極及び負極が外装缶１３の各側壁１３Ａと略平行に配置され、また各側壁１３Ａが各エンドプレート２１と略平行に配置されている。このため、一対のエンドプレート２１によって電池積層体１１に作用する上記締め付け圧、即ち各電池１２の拘束力は側壁１３Ａに作用する。

電池モジュール１０は、各電池１２を冷却する冷却プレート２３を備えていてもよい。冷却プレート２３は、各電池１２の温度を均一化する機能を有し、また一部の電池１２が異常発熱した場合には、その電池１２を冷却して連鎖発熱の抑制に寄与する。冷却プレート２３の冷却方式は、プレート内に冷却水を循環させる水冷式、電子冷却式のいずれであってもよい。冷却プレート２３は、例えば各電池１２の底面部に当接するように、電池モジュール１０の底部に配置される。電池積層体１１と冷却プレート２３の間には熱伝導性の高いシート状の緩衝材２４が設けられてもよく、電池積層体１１は緩衝材２４を介して冷却プレート２３上に配置される。

以下、スペーサ３０について詳説する。

図１及び図２に例示するように、スペーサ３０は、隣り合う２つの電池１２の間に介在し、各電池１２の側壁１３Ａに当接している。図１に示す例では、電池１２と各エンドプレート２１との間にもスペーサ３０がそれぞれ配置されている。電池積層体１１は、電池１２の数よりも１つ多い８つのスペーサ３０を有する。エンドプレート２１による締め付け圧は、例えば各スペーサ３０を介して各電池１２の側壁１３Ａに伝達され、側壁１３Ａを介して電極体１５に作用する。

スペーサ３０は、一部の電池１２が異常発熱した場合に、他の正常な電池１２、特に異常発熱した電池１２（以下、「トリガー電池」という場合がある）の隣に配置される電池１２（以下、「隣接電池」という場合がある）の温度上昇を抑制する機能を有する。スペーサ３０は、例えば隣接電池の温度を自己発熱開始温度未満に抑える。また、スペーサ３０は、隣り合う電池１２の間に所定の隙間を形成し、各電池１２の端子間距離を一定に維持する。スペーサ３０は、充放電に伴う電池１２の体積変化に追従し、当該体積変化を許容してもよい。

図２に例示するように、スペーサ３０は、熱抵抗が３Ｋ／Ｗ以上である断熱層として機能するシート状又は板状の断熱材３１と、断熱材３１の両面に設けられた反射層３２とを有する。一般的に、板状とはシート状よりも分厚い状態を意図するが、両者を明確に区別する必要はない。電池１２（外装缶１３の側壁１３Ａ）に当接するスペーサ３０の当接面の大きさは、側壁１３Ａの面積以下であることが好ましい。本実施形態では、スペーサ３０の当接面が側壁１３Ａと略同じ面積を有し、正極及び負極よりも大面積に形成されている。スペーサ３０は、２つの電池１２の間から外側に張り出さないように、当接面の周縁が側壁１３Ａの周縁と略一致した状態で配置されている。

断熱材３１は、熱伝導率が低い材料で構成される。断熱材３１の構成材料の熱伝導率は、０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。また、断熱材３１は弾性変形可能な弾性率の低い材料で構成されてもよい。断熱材３１は、例えば熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂シート、無機物シート、繊維シートなどで構成される。断熱材３１の厚みは、３Ｋ／Ｗ以上の熱抵抗を実現できれば特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ～３ｍｍである。断熱材３１の熱抵抗は、下記計算式により算出される。

計算式：Ｒ＝１／λ×ｄ／Ｓ
Ｒ：熱抵抗(Ｋ／Ｗ)
λ：断熱材の熱伝導率(Ｗ／(ｍ・Ｋ)
ｄ：断熱材厚み(ｍ)
Ｓ：断熱材面積(ｍ２)
熱伝導率は、定常法（保護熱板法・熱流計法）、非定常法（レーザーフラッシュ法・熱線法）を用いて、熱伝導測定装置により測定できる。

断熱材３１の具体例としては、グラスウール断熱シート、ＮＡＳＢＩＳ（登録商標）のような、繊維にシリカエアロゲルが含侵された断熱シートが挙げられる。また、断熱材３１（断熱シート）は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン－プロピレンゴム等のゴム製シート、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリイミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等の発泡シートなどであってもよい。断熱材３１は、複数の断熱シートを積層して構成されてもよく、例えばＮＡＳＢＩＳとシリコーンゴムが積層された構造を有していてもよい。

反射層３２は、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する。当該波長の電磁波を反射する反射層３２を隣り合う電池１２の間に配置することで、トリガー電池から発せられる輻射熱を遮断して隣接電池の温度上昇を抑制できる。反射層３２は、０．７μｍ～３μｍの波長範囲の全域にわたって６０％以上、好ましくは７０％以上の反射率を有する。反射層３２の厚みは、上記波長範囲の電磁波を６０％以上反射できれば特に限定されないが、好ましくは５０μｍ～５００μｍである。反射層３２の反射率は、分光反射率測定装置により測定できる。

反射層３２は、断熱材３１を構成する断熱シートの片面に設けられてもよいが、好ましくは断熱シートの両面に設けられる。反射層３２は、断熱材３１の表面の一部に設けられてもよいが、好ましくは断熱材３１の表面の略全域に設けられる。また、反射層３２は、正極及び負極より大面積に形成され、電池モジュール１０の厚み方向において正極及び負極の全体と重なっていることが好ましい。

反射層３２は、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射可能な金属、無機物、樹脂などで構成される。反射層３２は、断熱材３１の表面に、シート状又は板状の反射材を貼着して設けられてもよく、蒸着、スパッタリング等により成膜されてもよい。また、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する材料を含有する塗膜を断熱材３１の表面に形成して反射層３２としてもよい。上記波長範囲の電磁波の反射率、耐熱性、成膜性等を考慮すると、反射層３２は金属層であることが好ましい。反射層３２に好適な金属としては、ステンレス鋼、ニッケル、ロジウム、銀、銅、金などが挙げられる。反射層３２は、複数の材料を積層して構成されてもよく、例えば複数の金属層が積層された構造を有していてもよい。

スペーサ３０は、上述のように、断熱材３１が２つの反射層３２によって挟まれた、反射層３２／断熱材３１／反射層３２の層構造を有する。図２に示す例では、電池１２の側壁１３Ａに反射層３２が接触している。隣り合う２つの電池１２の間に、波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する反射層３２、及び熱抵抗が３Ｋ／Ｗ以上の断熱材３１を配置することで、トリガー電池から発せられる輻射熱を遮断して隣接電池の温度上昇を抑制できる。そして、電池１２の連鎖発熱が防止される。

図３は、実施形態の他の一例であるスペーサ４０を備えた電池モジュール１０Ｘを示す図である。図３に例示するスペーサ４０は、断熱材３１及び反射層３２を有する点でスペーサ３０と共通するが、吸熱量が３００ｋＪ／ｋｇ以上である吸熱層４１を有する点でスペーサ３０と異なる。吸熱層４１は、トリガー電池の熱を吸収して隣接電池の温度上昇を抑制する機能を有する。自己発熱開始温度を考慮すると、吸熱層４１の吸熱量は、１０００ｋＪ／ｋｇ以上が好ましく、１５００ｋＪ／ｋｇ以上がより好ましい。吸熱層４１の吸熱量は、熱重量／示差走査熱量同時測定装置により測定できる。

吸熱層４１は、断熱材３１を構成する断熱シートの片面に設けられてもよいが、好ましくは断熱シートの両面に設けられる。スペーサ４０は、断熱材３１と反射層３２の間に吸熱層４１が介在した、反射層３２／吸熱層４１／断熱材３１／吸熱層４１／反射層３２の層構造を有する。なお、スペーサは、断熱材３１と吸熱層４１の間に反射層３２が介在した、吸熱層４１／反射層３２／断熱材３１／吸熱層４１／反射層３２の層構造を有していてもよい。

吸熱層４１は、例えばＭｇＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ、Ｌａ_２（ＳＯ_４）_３・ＸＨ_２Ｏ、Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１６Ｈ_２Ｏ等の水和物を含有する層であって、水和物から吸着水が脱離する脱水反応を利用してトリガー電池の熱を吸収する。また、吸熱層４１は、エリスリトール等を含有する層であってもよい。この場合、エリスリトールが固体から液体に相変化するときの潜熱を利用してトリガー電池の熱を吸収する。自己発熱開始温度を考慮すると、吸熱層４１に含有される吸熱材の反応温度は、１５０℃～２００℃であることが好ましい。吸熱層４１は、例えば吸熱材と、吸熱材同士を結着して層を形成する結着材（樹脂バインダ）とで構成される。

図４は、実施形態の他の一例であるスペーサ５０を備えた電池モジュール１０Ｙを示す図である。図４に例示するスペーサ５０は、反射層として機能するシート状又は板状の反射材５１を備える。反射材５１は、反射層３２と同様に、正極及び負極より大面積に形成され、電池モジュール１０Ｙの厚み方向において正極及び負極の全体と重なっていることが好ましい。反射材５１は、反射層３２と同様の材料で構成される。反射材５１の厚みは、上記波長範囲の電磁波を６０％以上反射できれば特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ～１ｍｍである。

スペーサ５０は、反射材５１の両面に設けられた断熱材５２を有する。断熱材５２は、例えば断熱材３１と同様の材料で構成され、０．１ｍｍ～３ｍｍ程度の厚みを有する。断熱材５２は、３Ｋ／Ｗ以上の熱抵抗を有することが好ましい。断熱材５２は、反射材５１の表面の一部に設けられてもよく、反射材５１の表面の略全域に設けられてもよい。図４に示す例では、反射材５１の表面のうち、上端部と下端部のみに断熱材５２が設けられている。断熱材５２は、反射材５１の表面に貼着されてもよく、塗工されてもよい。

電池モジュール１０Ｙには、反射材５１と電池１２との間に空気層５３が存在する。図４に示す例では、反射材５１の表面の一部に断熱材５２を設けることで、断熱材５２の厚みに対応する空気層５３が形成される。空気層５３は、断熱層として機能するので、トリガー電池の熱を遮断して隣接電池の温度上昇抑制に寄与する。なお、２枚の反射材５１を用いて、その間に空気層５３を形成してもよい。隣り合う２つの電池１２の間には、空気層５３／反射材５１／空気層５３／反射材５１／空気層５３が設けられてもよい。

上述の構成を備えた電池モジュール１０，１０Ｘ，１０Ｙによれば、一部の電池１２が異常発熱した場合に、他の電池１２の温度上昇を抑制して連鎖発熱を防止することが可能である。かかる効果を確認するために、１つの電池（定格容量５０Ａｈ、体積エネルギー密度５００Ｗｈ／Ｌ）に直径３ｍｍの釘を突き刺して強制短絡させ（トリガー電池を作製）、隣接電池の温度変化を測定した。反射層を有さない断熱材のみからなるスペーサを備えた電池モジュールを比較例として、隣接電池の温度上昇がどの程度抑制されるかを確認したところ、下記の結果が得られた。

＜実施例１＞
比較例で用いた断熱材の両面に、厚み０．１ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）からなる反射層（波長２μｍの電磁波の反射率：７０％）を有するスペーサを用いた。その結果、隣接電池の温度上昇は、比較例の場合と比べて約１５℃抑制された。

＜実施例２＞
比較例で用いた断熱材の両面に、厚み０．１ｍｍのＳＵＳで構成される反射層、及び厚み０．１ｍｍの銀（Ａｇ）で構成される反射層（波長０．７μｍの電磁波の反射率：９８．５％）を有するスペーサを用いた。スペーサは、Ａｇ／ＳＵＳ／断熱材／ＳＵＳ／Ａｇの層構造を有する。その結果、隣接電池の温度上昇は、比較例の場合と比べて約２０℃抑制された。

なお、上述の実施形態では、電池モジュールを構成する電池として角形電池である電池１２を例示したが、電池は円筒形の金属製電池ケースを備えた円筒形電池、金属層と樹脂層が積層されたラミネートシートで構成される電池ケースを備えたラミネート電池などであってもよい。円筒形電池を備えた電池モジュールは、各電池を収容する電池ホルダーを備えていてもよい。この場合、隣り合う円筒形電池の間に設けられる電池ホルダーの壁面に、上述の反射層が設けられていてもよい。また、円筒形電池の側面と対向する電池ホルダーの壁面には、反射層に加えて、上述の断熱層及び上述の吸熱層の少なくとも一方が設けられてもよい。或いは、電池ホルダーが断熱層として機能してもよい。

１０電池モジュール
１１電池積層体
１２電池
１３外装缶
１３Ａ，１３Ｂ側壁
１４封口板
１５電極体
１６正極端子
１７負極端子
２０バスバー
２１エンドプレート
２２バインドバー
２３冷却プレート
２４緩衝材
３０，４０，５０スペーサ
３１，５２断熱材
３２反射層
４１吸熱層
５１反射材
５３空気層

Claims

複数の電池と、
前記複数の電池のうち、隣り合う電池同士の間に配置されるスペーサと、
を備え、
前記スペーサは、
波長０．７μｍ～３μｍの電磁波を６０％以上反射する反射層と、
熱抵抗が３Ｋ／Ｗ以上である断熱層として機能するシート状又は板状の断熱材と、
吸熱量が３００ｋＪ／ｋｇ以上である吸熱層と、
を有し、
前記断熱材の両面に前記反射層及び前記吸熱層がそれぞれ設けられた構造を有する、電池モジュール。
前記反射層と前記電池との間には、空気層が存在する、請求項１に記載の電池モジュール。
前記反射層は、金属で構成されている、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
前記電池のエネルギー密度が５００Ｗｈ／Ｌ以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の電池モジュール。