JP7268635B2

JP7268635B2 - 蓄電セルおよび蓄電装置

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Publication number: JP7268635B2
Application number: JP2020074905A
Authority: JP
Inventors: 泰彦酒井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2023-05-08
Anticipated expiration: 2040-04-20
Also published as: CN113540681B; US20210328302A1; CN113540681A; JP2021174588A; US20240113379A1; US11876244B2

Description

本開示は、蓄電セルおよび蓄電装置に関する。

特開２０１２－９３１７号公報（特許文献１）には、電池容器の両側の側面にガス放出弁を設けた二次電池が開示されている。特許文献１において、ガス放出弁は、電極体の上下両端部に設けられた開口を電池容器の側面上に投影した領域に設けられる。

特開２０１３－１７１７３３号公報（特許文献２）には、電池容器の上側の蓋にガス放出弁が設けられた二次電池が開示されている。

特開２０１２－９３１７号公報特開２０１３－１７１７３３号公報

特許文献１に記載の二次電池においては、外部からの何らかの衝撃等により電極体が一方の側面側に寄って位置したときに、電極体がガス放出弁と重なり、ガス放出弁の開口が塞がれる場合がある。

特許文献２に記載の二次電池においては、電池容器内部のガス圧等により電極体が上側に持ち上げられたときに、蓋に設けられたガス放出弁の開口が電極体により塞がれる場合がある。

このように、特許文献１，２に記載の二次電池においては、筐体からのガス放出が必ずしも安定して行なわれない場合がある。

本開示の目的は、筐体からのガス放出を安定して行なうことが可能な蓄電セルおよび蓄電装置を提供することにある。

本開示に係る蓄電セルは、底面および側面を含み、内部空間を規定する筐体と、上記筐体の上記内部空間に収容される電極体と、上記筐体の上記側面に設けられたガス放出弁とを備える。

１つの態様において、上記筐体の上記底面は、第１方向に沿って第１の幅と、第２方向に沿って上記第１の幅よりも小さい第２の幅とを有する。上記筐体の上記側面は、上記第１方向の両端に各々位置する第１側面および第２側面を含む。上記電極体は、上記底面と反対側に上部隙間を形成可能、かつ上記電極体と上記第１側面および上記第２側面との間に側部隙間を形成可能な状態で上記内部空間に収容される。上記ガス放出弁は、上記第１側面に設けられた第１放出弁と、上記第２側面に設けられた第２放出弁とを含む。上記第１放出弁の開口の少なくとも一部は、上記上部隙間を上記第１側面上に投影した領域に位置する。上記第２放出弁の開口の少なくとも一部は、上記上部隙間を上記第２側面上に投影した領域に位置する。

１つの態様において、上記電極体は、正極および負極を含むシート状の積層体を巻回軸まわりに巻回して形成されるとともに、上記底面と反対側に上部隙間を形成可能、かつ上記電極体と上記側面との間に側部隙間を形成可能な状態で上記内部空間に収容される。上記ガス放出弁は、上記巻回軸が延びる方向に沿って上記電極体の両側に各々設けられた第１放出弁および第２放出弁を含む。上記第１放出弁の開口の少なくとも一部および上記第２放出弁の開口の少なくとも一部は、上記上部隙間を上記側面上に投影した領域に位置する。

１つの態様において、上記筐体の上記底面は、略長方形形状を有する。

１つの態様において、上記蓄電セルは、リチウムイオン電池を含む。

本開示に係る蓄電装置は、上記第１放出弁と上記第２放出弁とが対向する方向に直交する配列方向に並ぶ複数の上記蓄電セルと、上記配列方向に並ぶ複数の蓄電セルを拘束する拘束部材とを備える。

本開示によれば、蓄電セルおよび蓄電装置において、筐体からのガス放出を安定して行なうことができる。

蓄電装置を示す斜視図である。図１の蓄電装置に含まれる蓄電セルを示す斜視図である。図２に示す蓄電セルを示す分解斜視図である。蓄電セルにおけるガス放出弁の配置を示す図である。ガス放出弁と電極体との位置関係を示す図（その１）である。ガス放出弁と電極体との位置関係を示す図（その２）である。比較例に係る蓄電セルにおけるガス放出弁の配置を示す図である。蓄電セルにおける電極体構造の例を示す図（その１）である。蓄電セルにおける電極体構造の例を示す図（その２）である。

以下に、本開示の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本開示にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、蓄電装置１を示す斜視図である。蓄電装置１は、複数の蓄電セル１００と、拘束部材２００とを備える。複数の蓄電セル１００は、配列方向Ｄ１に並ぶように設けられている。

拘束部材２００は、拘束板２１０と、拘束板２２０と、拘束バンド２３０とを含む。拘束板２１０は、配列方向Ｄ１において蓄電装置１の一端に配置されており、拘束板２２０は、配列方向Ｄ１において蓄電装置１の他端に配置されている。拘束バンド２３０は、拘束板２１０および拘束板２２０を接続するとともに、拘束板２１０および拘束板２２０を拘束している。

拘束板２１０および拘束板２２０の間に配置された複数の蓄電セル１００は、拘束板２１０および拘束板２２０によって押圧されており、拘束板２１０および拘束板２２０の間で拘束されている。

図２は、蓄電セル１００を示す斜視図である。図３は、蓄電セル１００を示す分解斜視図である。図２，図３に示すように、蓄電セル１００は、平坦面状の直方体形状に形成されている。蓄電セル１００は、収容ケース１１０と、電極体１２０と、電解液１３０とを含む。

収容ケース１１０は、上方に向けて開口するケース本体１１０Ａと、ケース本体１１０Ａに組み合わされる蓋１１０Ｂとを含む。ケース本体１１０Ａと蓋１１０Ｂとにより、収容ケース１１０の内部空間１１０Ｃが規定される。

ケース本体１１０Ａは、主板１１１，１１２と、底板１１３と、端面板１１４，１１５とを含む。主板１１１，１１２と、端面板１１４，１１５とは、底板１１３の周縁部から上方に向けて延びるように形成されている。

主板１１１および主板１１２は配列方向Ｄ１（底板１１３の短手方向）に並んでいる。底板１１３は、略長方形形状を有する。端面板１１４および端面板１１５は幅方向Ｗ（底板１１３の長手方向）に並んでいる。

蓋１１０Ｂは、板状に形成されている。蓋１１０Ｂの上面には、正極外部端子１１６Ａと、負極外部端子１１６Ｂとが幅方向Ｗに間隔をあけて配置されている。

蓋１１０Ｂの下面には、正極集電板１１７Ａおよび負極集電板１１７Ｂが配置されている。正極集電板１１７Ａは、正極外部端子１１６Ａに接続されており、負極集電板１１７Ｂは負極外部端子１１６Ｂに接続されている。

主板１１１、１１２は、配列方向Ｄ１に沿って互いに対向する。底板１１３と蓋１１０Ｂとは、高さ方向Ｈに沿って互いに対向する。端面板１１４，１１５は、幅方向Ｗに沿って互いに対向する。図３に示すように、端面板１１４，１１５の幅方向Ｗの離間距離は、主板１１１、１１２の配列方向Ｄ１の離間距離、および底板１１３と蓋１１０Ｂとの高さ方向Ｈの離間距離よりも大きい。

電極体１２０は、正極１２１Ａと、負極１２１Ｂとを含む。正極１２１Ａは、正極集電板１１７Ａと電気的に接続され、負極１２１Ｂは、負極集電板１１７Ｂと電気的に接続される。

電極体１２０は、長尺シート状の正極と、長尺シート状の負極と、正極と負極との間に設けられる長尺シート状のセパレータとを積層した積層シートを幅方向Ｗの軸まわりに巻回し、扁平状に成形したものである。

蓄電装置１は、典型的にはリチウムイオン電池であるが、本開示はニッケル水素電池にも適用可能である。また、本開示はキャパシタにも適用可能である。

電解液１３０が分解、気化してガスが発生することがある。発生したガスが収容ケース１１０内に充満すると、電池内圧が上昇する。電池内圧が一定値以上に上昇したときは、収容ケース１１０内のガスを収容ケース１１０外へ放出することが求められる。

図４は、蓄電セル１００におけるガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの配置を示す。図４に示すように、ガス放出弁１１８Ａ（第１放出弁）は、端面板１１４（第１側面）上に設けられ、ガス放出弁１１８Ｂ（第２放出弁）は、端面板１１５（第２側面）上に設けられる。

図５，図６は、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂと電極体１２０との位置関係を示す図である。

図５に示すように、電極体１２０は、底板１１３（底面）と反対側に上部隙間１１０Ｄを形成し、電極体１２０と端面板１１４，１１５との間に側部隙間１１０Ｅを形成するように内部空間１１０Ｃに収容される。

収容ケース１１０内においてガスが発生し、内圧が一定値以上に達したとき、収容ケース１１０内のガスが収容ケース１１０外に放出される。ガスは、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂから矢印ＤＲ１１９Ａ，ＤＲ１１９Ｂ方向に沿って放出される。

図６に示すように、外部からの衝撃等により、収容ケース１１０内において、電極体１２０が幅方向Ｗの中心から一方の側部側（図６の例では端面板１１４側）に移動する場合がある。このとき、電極体１２０によってガス放出弁１１８Ａの開口の一部が塞がれ、ガス放出弁１１８Ａからのガスの放出が一部阻害される。

電動車両等に適用されるリチウムイオン電池の容量およびエネルギー密度を向上させるために、近年、収容ケース１１０内に電極材料や構造材料を高密に充填する傾向にある。この結果、電極体１２０がガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの開口を塞ぐ可能性が高くなっている。

しかし、本実施の形態に係る蓄電セル１００においては、端面板１１５側にもガス放出弁１１８Ｂが設けられているため、図６の状態において、ガス放出弁１１８Ｂからのガスの放出は通常どおり行なわれる。

さらに、蓄電セル１００では、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂにおける収容ケース１１０内面側の開口の一部が、上部隙間１１０Ｄと重なる。すなわち、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの開口の一部が、上部隙間１１０Ｄを端面板１１４，１１５上に投影した領域に位置する。

よって、図６の状態において、ガス放出弁１１８Ａの開口は電極体１２０によって完全には塞がれない。図６の状態においても、ガス放出弁１１８Ａは、少なくとも部分的にはガスの放出が可能である。

このように、本実施の形態に係る蓄電セル１００においては、電極体１２０が幅方向Ｗに移動した場合にも、ガス流路が確保され、収容ケース１１０内のガスの放出が阻害されない。よって、電池内圧の制御が容易である。

また、蓄電セル１００においては、電極体１２０が幅方向Ｗの中央に位置しているとき、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの近傍に空間（上部隙間１１０Ｄおよび側部隙間１１０Ｅ）が形成されるため、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂ近傍の圧力の過剰な上昇が抑制される。この結果、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂによる意図しないガス放出が抑制される。この意味においても、蓄電セル１００では電池内圧の制御が容易である。

図５，図６の例では、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの開口の一部が、上部隙間１１０Ｄを端面板１１４，１１５上に投影した領域に位置する場合について説明したが、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの開口の全体が、上部隙間１１０Ｄを端面板１１４，１１５上に投影した領域に位置してもよい。

図７は、比較例に係る蓄電セルにおけるガス放出弁の配置を示す図である。図７においては、蓄電セルの収容ケース１１００の上面に、ガス放出弁１１８０Ａ，１１８０Ｂが設けられている。

図７の比較例においても、図５，図６の例と同様に、電極体１２００が幅方向Ｗに移動した場合に、収容ケース１１００内のガスの放出が阻害されることはない。しかし、図７の比較例においては、収容ケース１１００内で発生したガスの圧力により電極体１２００が上昇したときに、ガス放出弁１１８０Ａ，１１８０Ｂの開口が塞がれ、ガスの放出が阻害される。

収容ケース１１００内の充填率を高くする場合、電極体１２００がガス放出弁１１８０Ａ，１１８０Ｂの開口を塞ぐ可能性が高くなる。

これに対し、本実施の形態に係る蓄電セル１００においては、電極体１２０の両側に位置する端面板１１４，１１５にガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂを設けているため、収容ケース１１０内において電極体１２０が上昇しても、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂからのガスの放出は阻害されにくい。

図８，図９は、蓄電セル１００における電極体構造の例を示す図である。図８，図９に示すように、集電部１１７Ｃ，１１７Ｄ，１１７Ｅ，１１７Ｆおよび電極体１２０を含む電極体構造は、主板１１１，１１２側から見て、左右対称な形状を有している。

図８の例のように、電極体１２０の左右に集電部１１７Ｃ，１１７Ｄを設けてもよいし、図９の例のように、電極体１２０の上部に集電部１１７Ｅ，１１７Ｆを設けてもよい。

上述した実施の形態を要約すると、以下のとおりである。本実施の形態に係る蓄電セル１００は、底板１１３（底面）および端面板１１４，１１５（側面）を含み、内部空間１１０Ｃを規定する収容ケース１１０（筐体）と、収容ケース１１０の内部空間１１０Ｃに収容される電極体１２０と、収容ケース１１０の端面板１１４，１１５に設けられたガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂとを備える。

収容ケース１１０の底板１１３は、幅方向Ｗ（第１方向）に沿って相対的に大きな幅（第１の幅）と、配列方向Ｄ１（第２方向）に沿って相対的に小さな幅（第２の幅）とを有する。収容ケース１１０の端面板１１４（第１側面）および端面板１１５（第２側面）は、幅方向Ｗの両端に各々位置する。

電極体１２０は、正極および負極を含むシート状の積層体を幅方向Ｗの軸（巻回軸）まわりに巻回して形成される。電極体１２０は、底板１１３と反対側に上部隙間１１０Ｄを形成可能な状態で内部空間１１０Ｃに収容される。電極体１２０は、電極体１２０と端面板１１４，１１５との間に側部隙間１１０Ｅを形成可能な状態で内部空間１１０Ｃに収容される。

ガス放出弁１１８Ａ（第１放出弁）は、端面板１１４に設けられ、ガス放出弁１１８Ｂ（第２放出弁）は、端面板１１５に設けられる。ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂは、電極体１２０を巻回する軸が延びる幅方向Ｗに沿って電極体１２０の両側に各々設けられる。ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの開口の少なくとも一部は、上部隙間１１０Ｄを端面板１１４，１１５上に投影した領域に位置する。

これにより、電極体１２０が端面板１１４側に偏って位置したときも、端面板１１５に設けられたガス放出弁１１８Ｂは通常どおりガスを放出するとともに、端面板１１４に設けられたガス放出弁１１８Ａの開口も完全に塞がれることはないため、ガス放出弁１１８Ａも少なくとも部分的にガスを放出する機能を維持する。さらに、収容ケース１１０内のガス圧によって電極体１２０が上昇したときも、端面板１１４，１１５に設けられたガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂのガス放出機能は維持される。

よって、本実施の形態に係る蓄電セル１００においては、収容ケース１１０からのガス放出を安定して行なうことができる。

蓄電セル１００において、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの詳細な構造は特に限定されるものではなく、一般的な構造をガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂとして使用することができる。ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂは、収容ケース１１０内の圧力が所定値以上となったときに、収容ケース１１０内のガスを収容ケース１１０外へ放出できるものであればよい。

本実施の形態においては、主板１１１，１１２側から見て、左右対称な位置にガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂが設けられているが、本開示の範囲はこれに限定されない。たとえば、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂの高さ方向Ｈの位置が互いに若干異なっていてもよい。

端面板１１４，１１５の任意の位置に、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂ以外のガス放出弁を追加してもよい。主板１１１，１１２および蓋１１０Ｂの任意の位置に、ガス放出弁１１８Ａ，１１８Ｂ以外のガス放出弁を追加してもよい。

以上、本開示の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の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。本開示の範囲は特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

１蓄電装置、１００蓄電セル、１１０収容ケース、１１０Ａケース本体、１１０Ｂ蓋、１１０Ｃ内部空間、１１０Ｄ上部隙間、１１０Ｅ側部隙間、１１１，１１２主板、１１３底板、１１４，１１５端面板、１１６Ａ正極外部端子、１１６Ｂ負極外部端子、１１７Ａ正極集電板、１１７Ｂ負極集電板、１１７Ｃ，１１７Ｄ，１１７Ｅ，１１７Ｆ集電部、１１８Ａ，１１８Ｂガス放出弁、１２０電極体、１２１Ａ正極、１２１Ｂ負極、１３０電解液、２００拘束部材、２１０，２２０拘束板、２３０拘束バンド。

Claims

底面および側面を含み、内部空間を規定する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に収容される電極体と、
前記筐体の前記側面に設けられたガス放出弁とを備え、
前記筐体の前記底面は、第１方向に沿って第１の幅と、第２方向に沿って前記第１の幅よりも小さい第２の幅とを有し、
前記筐体の前記側面は、前記第１方向の両端に各々位置する第１側面および第２側面を含み、
前記電極体は、前記底面と反対側に上部隙間を形成可能、かつ前記電極体と前記第１側面および前記第２側面との間に側部隙間を形成可能な状態で前記内部空間に収容され、
前記ガス放出弁は、前記第１側面に設けられた第１放出弁と、前記第２側面に設けられた第２放出弁とを含み、
前記第１放出弁の開口の少なくとも一部は、前記上部隙間を前記第１側面上に投影した領域に位置し、
前記第２放出弁の開口の少なくとも一部は、前記上部隙間を前記第２側面上に投影した領域に位置する、蓄電セル。
底面および側面を含み、内部空間を規定する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に収容される電極体と、
前記筐体の前記側面に設けられたガス放出弁とを備え、
前記電極体は、正極および負極を含むシート状の積層体を巻回軸まわりに巻回して形成されるとともに、前記底面と反対側に上部隙間を形成可能、かつ前記電極体と前記側面との間に側部隙間を形成可能な状態で前記内部空間に収容され、
前記ガス放出弁は、前記巻回軸が延びる方向に沿って前記電極体の両側に各々設けられた第１放出弁および第２放出弁を含み、
前記第１放出弁の開口の少なくとも一部および前記第２放出弁の開口の少なくとも一部は、前記上部隙間を前記側面上に投影した領域に位置する、蓄電セル。
前記筐体の前記底面は、略長方形形状を有する、請求項１または請求項２に記載の蓄電セル。
前記蓄電セルは、リチウムイオン電池を含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の蓄電セル。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の蓄電セルであって、前記第１放出弁と前記第２放出弁とが対向する方向に直交する配列方向に並ぶ複数の蓄電セルと、
前記配列方向に並ぶ複数の蓄電セルを拘束する拘束部材とを備えた、蓄電装置。