JP7309997B2

JP7309997B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7309997B2
Application number: JP2022185572A
Authority: JP
Inventors: 舞子松村
Original assignee: 株式会社Ａｅｓｃジャパン
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: JP7396895B2; WO2019059045A1; JP2023015353A; CN111095668A; JPWO2019059045A1; JP2023123816A

Description

本発明は蓄電池に関する。

蓄電池が様々な用途で利用されている。例えば、蓄電池は、電動機付き自転車や小型の飛行物体（ドローンなど）などの機械を駆動するために利用されている。

蓄電池に関する先行技術として、例えば特許文献１や特許文献２がある。特許文献１は、ラミネートフィルムの貼着部分への応力集中が抑制されるラミネート型二次電池を開示している。特許文献２は、枠体に載置されたフィルム外装電池を複数個積層することで構成される電池モジュールを開示している。特許文献３は、単電池セルを積層させた組電池装置を開示している。特許文献３の組電池装置では、互いに対向する単電池セルそれぞれに放熱用の熱伝導部材が設けられている。さらに、単電池セル間で熱が伝導することを防ぐため、熱伝導部材の間に断熱層が設けられている。

特開２００５－３１７３１２号公報国際公開第２０１４／１９６３３１号特開２０１２－０８４３４７号公報

蓄電池は、低温環境では正常に動作しないことがある。そのため、低温環境で使用される蓄電池は、低温な外気の影響を防ぐための断熱が必要となる。一方で、蓄電池には、その内部で発生する熱を外部に放熱することも求められる。本発明者は、低温環境で使用できる新たな蓄電池を開発した。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、低温環境で使用できる新たな蓄電池を提供することをその目的の一つとする。

本発明の電池モジュールは、
扁平状の電池本体と、
平面視において前記電池本体の少なくとも一部と重なる断熱部と、
前記電池本体の側面の少なくとも一部に沿って設けられた放熱部と、を有する電池セルが複数積層され、
前記電池セルは、
前記電池本体を封止する封止材を有し、
前記封止材は、前記電池本体の側面の周辺に位置する周辺部を有し、
前記放熱部は、前記封止材の前記周辺部の少なくとも一部であり、
前記断熱部は、粘着材を介して、平面視において前記電池本体がある部分の前記封止材に設けられ、
複数の前記電池セルは、隣接する前記電池セルそれぞれが互いに対向する、前記断熱部が設けられている面で接着材を介して積層される。

本発明の電池モジュールは、本発明の電池セルが複数積層されたものである。

本発明によれば、低温環境で使用できる新たな蓄電池が提供される。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

実施形態１に係る電池セルの一例を示す斜視図である。枠体に収容された電池セルを例示する図である。断熱部が電池セルの上面側と下面側の双方に設けられるケースを例示する図である。封止材による封止のバリエーションを例示する図である。電池本体と重なりなおかつ封止材の周辺部とは重ならないように設けられている断熱部を例示する図である。袋状の封止材を例示する図である。実施形態２に係る電池モジュールを例示する斜視図である。実施形態２に係る電池モジュールの YZ 平面図である。各電池セルの上面に断熱部が設けられるケースを例示する図である。枠体を利用して積層された電池セルで構成される電池モジュールの斜視図である。枠体を利用して積層された電池セルの AB 断面図である。筐体に収容された電池モジュールを例示する図である。周辺部の一部が降り曲がった状態で筐体に収容されている電池モジュールを例示する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、特に説明する場合を除き、ブロック図における各ブロックは、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位の構成を表している。

図１は、実施形態１に係る電池セルの一例を示す斜視図である。電池セル１００は、その内部に扁平状の電池本体１１０を有する。例えば電池本体１１０の形状は、直方体である。ただし、電池本体１１０の形状は厳密な直方体である必要はなく、例えば直方体の各辺や頂点が面取りされた形状でもよい。

なお、電池本体１１０の形状は、扁平状、すなわち上面や下面から平面視した電池本体１１０の面（図１において XY 平面視した電池本体１１０の面）の辺の長さが電池本体１１０の厚さ（図１における Z 方向の大きさ）よりも大きければよく、直方体に限定されない。上面や下面から平面視した電池本体１１０の面の形状は、任意の形状（例えば楕円形など）とすることができる。また、電池本体１１０の上面と下面の大きさは同一でなくてもよい。

電池セル１００は、リチウムイオン電池などの２次電池のセルであり、封止材１４０によって電池本体１１０を封止した構造を有している。封止材１４０は、電池本体１１０を封止する部材である。例えば封止材１４０は、ラミネートフィルムである。この場合、電池本体１１０は、封止材１４０によってラミネート封止されている。例えば電池本体１１０は、封止材１４０を構成する２枚のフィルムの間に封止されている。そして、このフィルムは、電池本体１１０の全周に渡って電池本体１１０よりも外側にはみ出している。以下このように、電池本体１１０よりも外側にはみ出している部分を、封止材１４０の周辺部（符号１４２）と呼ぶ。言い換えれば、周辺部１４２は、封止材１４０のうち、電池本体１１０の側面の周辺に位置する部分である。また、周辺部１４２は、封止材１４０を構成する２枚のフィルムが、電池本体１１０を介さずに対向している部分である。

電池セル１００はさらに、断熱部１２０、放熱部、電極１６０を有する。断熱部１２０は、少なくとも封止材１４０より熱伝導率が低い部材で構成されている。

断熱部１２０は、その内部に複数の空隙を有する部材とすることが好適である。複数の空隙は互いに独立していてもよい。また、少なくとも２つの空隙が互いに繋がっていてもよい。内部に複数の空隙を有する断熱部１２０は、例えばニトリル系合成ゴムなどの多孔質材料で形成される。ただし、断熱部１２０は多孔質材料以外の材料（例えば、ポリウレタン）で形成されてもよい。

断熱部１２０の熱伝導率は、0.02W/mK 以上とすることが好適である。また、断熱部１２０の熱伝導率は、0.05W/mK以下とすることが好適である。

断熱部１２０は、XY 平面視において電池本体１１０の少なくとも一部と重なるように設けられる。断熱の観点からは、断熱部１２０は、XY 平面視において電池本体１１０と略同一の面積を有し、なおかつ電池本体１１０の略全域と重なるように設けられることが好適である。

断熱部１２０の厚みは 2mm 以上とすることが好適である。また、断熱部１２０の厚みは 3mm 以下とすることが好適である。なお、断熱部１２０の厚みは、均一であってもよいし、不均一であってもよい。例えば、電池セル１００を使用した際に電池セル１００内の温度分布が不均一になる場合、その温度分布に合わせて断熱部１２０の厚みを不均一にすることが好適である。具体的には、比較的高温になる電池セル１００内の領域と平面視において重なる断熱部１２０の領域の厚みを、比較的薄くする。一方、比較的低温になる電池セル１００内の領域と重なる断熱部１２０の領域の厚みを、比較的厚くする。

例えば平面視において、断熱部１２０の中心部の厚みを、他の部分よりも薄くする。これは、後述するように周辺部１４２が放熱部として機能する場合、周辺部１４２による放熱の効果により、電池セル１００のうち周辺部１４２に近い部分（断熱部１２０の中心部から遠い部分）は、周辺部１４２から遠い部分（断熱部１２０の中心部に近い部分）よりも温度が低くなりやすいためである。その他にも例えば、運用前に電池セル１００のテストを行って電池セル１００内の温度分布を予め把握しておき、その温度分布によって断熱部１２０の厚みの分布を決定してもよい。

断熱部１２０の平面形状は、図１に示した長方形に限定されず、任意の形状とすることができる。また、断熱部１２０は、平面視において複数の開口部を有していてもよい。

断熱部１２０は、封止材１４０に直接取り付けられていてもよいし、別の部材を解して封止材１４０に取り付けられていてもよい。前者の場合、例えば断熱部１２０は、封止材１４０に溶着される。後者の場合、例えば断熱部１２０は、両面テープなどの粘着材料で封止材１４０に取り付けられる。

放熱部は、電池本体１１０から発生する熱を電池セル１００の外部へ放熱する役割を持つ部材である。例えば放熱部は、空気、金属などで形成される。放熱部の熱伝導率は 0.4W/mK 以上とすることが好適である。また、放熱部の熱伝導率は 0.6W/mK 以下とすることが好適である。特に、放熱部の熱伝導率は 0.5W/mK とすることが好適である。

放熱部は、電池本体１１０の側面の少なくとも一部に沿って設けられる。例えば、電池本体１１０の側面全周に亘って放熱部が設けられる。

図１において、放熱部は、封止材１４０によって構成されている。具体的には、封止材１４０が電池本体１１０の側面の周辺に位置する周辺部１４２を有し、この周辺部１４２が放熱部として機能している。なお、放熱部は、周辺部１４２の一部であってもよいし、全部であってもよい。放熱部として機能する周辺部１４２は、YX 平面視において、電池セル１００全体の面積の２０％以上の面積を有することが好適である。

封止材１４０がラミネートフィルムで構成されており、周辺部１４２が放熱部として機能する場合、ラミネートフィルムは、金属材料（例えば、アルミニウム）を含むことが好適である。例えばラミネートフィルムは、熱圧着のための樹脂層と、放熱のための金属層とが積層された構造を有する。金属層の厚みは、ラミネートフィルム全体の 20% 以上とすることが好適である。また、金属層の厚みは、ラミネートフィルム全体の 50％以下とすることが好適である。

放熱部は、封止材１４０の周辺部１４２以外のもので構成されてもよい。例えば電池セル１００を枠体に収容し、この枠体の一部が放熱部として機能するようにしてもよい。枠体は、例えば樹脂など、熱伝導率が高い部材で形成されることが好適である。

図２は、枠体に収容された電池セル１００を例示する図である。図２において、枠体１０は、電極１６０を保持するように形成されている。また、枠体１０は、周辺部１４２を全周に亘って保持するように形成されている。ただし、枠体１０は、必ずしも周辺部１４２を全周に亘って保持する必要はなく、周辺部１４２の一部のみを保持するように形成されてもよい。枠体１０は軽量なものが好ましい。具体的には、単位体積当たりの重量が 1g 程度であることが好適である。

なお、これまでの説明では電池本体を封止材で封止したもの（図２における電池セル１００）を電池セルと呼んでいるが、電池本体を封止材で封止したものとこれを収容する枠体（図２における電池セル１００及び枠体１０）を合わせて電池セルと呼んでもよい。以下では説明の都合上、これまでの説明と同様に、枠体を含めず、電池本体を封止材で封止したものを電池セルと呼ぶ。

電極１６０は、電池本体１１０と接続されている電極であり、封止材１４０の外側に引き出されている。なお図１では、XY 平面視において、電池セル１００の１つの短辺に２つの電極１６０が並べて設けられている。しかし、電極１６０が設けられる位置は任意である。例えば、電池セル１００の１つの長辺に２つの電極１６０が並べて設けられてもよいし、対向する２つの短辺それぞれに電極１６０が１つずつ設けられてもよいし、対向する２つの長辺それぞれに電極１６０が１つずつ設けられてもよい。

＜作用・効果＞
本実施形態の電池セル１００には、平面視において電池本体１１０の少なくとも一部と重なる位置に断熱部１２０が設けられている。この断熱部１２０により、低温の外気が電池本体１１０に及ぼす影響を少なくすることができる。よって、電池セル１００の低温特性を向上させることができる。

また、本実施形態の電池セル１００には、電池本体１１０の側面の少なくとも一部に沿って、放熱部が設けられている。この放熱部により、電池本体１１０によって発生する熱を外部に逃がすことができるため、電池本体１１０が高温になることを防ぐことができる。

さらに、電池セル１００において、断熱部１２０と放熱部は、離間した位置に設けられている。こうすることで、断熱部１２０と放熱部が互いに干渉して断熱又は放熱の効率が下がることを防ぐことができる。

＜電池セル１００のその他のバリエーション＞
図１の断熱部１２０は、電池セル１００の上面側（-Z 側）に設けられている。しかし、断熱部１２０は、電池セル１００の下面側（+Z 側）に設けられてもよいし、電池セル１００の上面側と下面側の双方に設けられてもよい。

図３は、断熱部１２０が電池セル１００の上面側と下面側の双方に設けられるケースを例示する図である。上面側に設けられる断熱部１２０と下面側に設けられる断熱部１２０は、同じ大きさであってもよいし異なる大きさであってもよい。またこれらの断熱部１２０は、平面視において少なくとも一部が重なるように配置されてもよいし、平面視において重ならないように配置されてもよい。

図１において、封止材１４０は、YZ 平面視において電極１６０よりも凸となる部分が電池本体１１０の上面側と下面側の双方に存在するように、電池本体１１０を封止している。しかし、封止材１４０は、YZ 平面視において電極１６０よりも凸となる部分が電池本体１１０の上面側と下面側のいずれか一方にのみ存在するように電池本体１１０を封止してもよい。

図４は、封止材１４０による封止のバリエーションを例示する図である。図４（ａ）では、YZ 平面視において電極１６０よりも凸となる部分が電池本体１１０の上面側のみに存在する。一方、図４（ｂ）では、YZ 平面視において電極１６０よりも凸となる部分が電池本体１１０の下面側のみに存在する。

図４のように、YZ 平面視において電極１６０よりも凸となる部分が電池本体１１０の上面側と上面側のいずれか一方にのみ存在する場合においても、断熱部１２０は、電池本体１１０の上面側と下面側のどちらか一方に設けられてもよいし、双方に設けられてもよい。

ここで、断熱部１２０が、YZ 平面視において電極１６０よりも凸とはならない側に設けられるとする。図５は、YZ 平面視において電極１６０よりも凸とはならない側に断熱部１２０が設けられるケースを例示する図である。このケースでは、平面視において周辺部１４２と重なる位置に断熱部１２０を設けることも可能である。ただし、断熱と放熱の兼ね合いから、断熱部１２０は、電池本体１１０と重なりなおかつ封止材１４０の周辺部とは重ならないように設けられることが好適である（図５参照）。なお、断熱の観点から、断熱部１２０は、電池本体１１０の略全域と重なるように設けられることが好適である。

封止材１４０は、前述したように２枚のフィルムで構成されるものに限定されない。例えば封止材１４０は、袋状のフィルムで構成されてもよい。図６は、袋状の封止材１４０を例示する図である。封止材１４０は、電池セル１００を入れる前の状態において、４辺の内の１つのみが開いている。そして、この開口部分から電池セル１００を挿入し、この開口部分を封止する（例えばラミネート封止する）ことによって、電池セル１００が封止された電池セル１００を形成する。

［実施形態２］
図７は、実施形態２に係る電池モジュール２００を例示する斜視図である。電池モジュール２００は、複数の電池セル１００を積層することで構成されている組電池である。

図８は、実施形態２に係る電池モジュール２００の YZ 平面図である。図８の各電池セル１００には、図３に示した電池セル１００と同様に、上面側と下面側の双方に断熱部１２０が設けられている。さらに図８において、隣接する２つの電池セル１００は、粘着材１５０（以下、粘着材）を介して積層されている。粘着材は、例えば両面テープである。

実施形態１で述べたように、断熱部１２０は、電池セル１００の上面側と下面側のいずれか一方にのみ設けられてもよい。電池セル１００の上面側及び下面側のいずれか一方にのみ断熱部１２０が設けられる場合、複数の電池セル１００はいずれも、同じ側に断熱部１２０を有することが好ましい。図９は、各電池セル１００の上面に断熱部１２０が設けられるケースを例示する図である。図９の電池セル１００は、断熱部１２０が上側のみに設けられている点で、図３に示した電池セル１００と異なる。このように各電池セル１００の同じ側の面に断熱部１２０を設けることで、隣接する２つの電池セル１００の間に必ず断熱部１２０が位置するようになる。よって、隣接する２つの電池セル１００の間で熱が伝わることを防ぐことができる。

ここで、複数の電池セル１００が積層された状態を維持する方法は、粘着材１５０を利用して電池セル１００同士を固定する方法に限定されない。例えば、隣接する電池セル１００それぞれが互いに対向する面に断熱部１２０を有する場合、互いに対向する断熱部１２０の面を係り合わせてもよい。この場合、互いに対向する断熱部１２０の面が係り合うように、断熱部１２０の面を加工しておく。例えば、断熱部１２０に凹凸形状を設け、一方の断熱部１２０において凸の部分が、他方の断熱部１２０において凹の部分にはまるように加工する。なお、面同士が互いに係り合うようにする加工には、その他の様々な加工を採用できる。その他にも例えば、電池モジュール２００を構成する複数の電池セル１００をテープ等で括ることによって、電池セル１００が積層された状態を維持してもよい。

電池セル１００は、枠体１０を利用して積層されてもよい。図１０は、枠体１０を利用して積層された電池セル１００で構成される電池モジュール２００の斜視図である。また、図１１は、図１０の AB 断面図である。

枠体１０を利用する場合、例えば隣接する２つの枠体１０において、一方の枠体１０の一部と他方の枠体１０の一部を係り合わせる（例えば、一方の枠体１０の一部が、他方の枠体１０の一部を把持する）ことによって、複数の枠体１０が積層された状態を維持することができる。その他にも例えば、隣接する２つの枠体１０の間に粘着材１５０を設けることで、これらが積層された状態を維持してもよい。また、電池モジュール２００をテープ等で括ることにより、枠体１０が積層された状態を維持してもよい。

電池モジュール２００は、筐体に収容されてもよい。図１２は、筐体に収容された電池モジュール２００を例示する図である。図１２において筐体２０に収容されている電池モジュール２００は、図８で例示した電池モジュールである。放熱の観点から、筐体２０には空気が通る孔を設けることが好適である。この孔は、筐体２０の各面に均一に、できるだけ多く設けられることが好適である。

筐体２０に収容する際、封止材１４０の周辺部１４２の一部が折り曲がった状態になってもよい。図１３は、周辺部１４２の一部が折り曲がった状態で筐体２０に収容されている電池モジュール２００を例示する図である。図１３において筐体２０に収容されている電池モジュール２００は、図８で例示した電池モジュールである。こうすることで、筐体２０の大きさ（電池モジュール２００の大きさ）を小さくすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以下、参考態様の例を付記する。
１．扁平状の電池本体と、
平面視において前記電池本体の少なくとも一部と重なる断熱部と、
前記電池本体の側面の少なくとも一部に沿って設けられた放熱部と、を有する電池セル。
２．前記電池本体を封止する封止材を有し、
前記封止材は、前記電池本体の側面の周辺に位置する周辺部を有し、
前記放熱部は前記周辺部の少なくとも一部である、１．に記載の電池セル。
３．前記電池本体を封止する封止材と、枠体とを有し、
前記封止材は、前記電池本体の側面の周辺に位置する周辺部を有し、
前記枠体は前記周辺部を保持し、
前記放熱部は前記枠体である、１．又は２．に記載の電池セル。
４．前記放熱部の熱伝導率は 0.4W/mK 以上 0.6W/mK 以下である、１．から３．いずれか一つに記載の電池セル。
５．前記断熱部の熱伝導率は 0.02W/mK 以上0.05W/mK以下である、１．から４．いずれか一つに記載の電池セル。
６．前記断熱部は複数の空隙を有する、１．から５．いずれか一つに記載の電池セル。
７．前記断熱部は、前記電池本体の上面側及び下面側の双方に設けられている、１．から６．いずれか一つに記載の電池セル。
８．前記電池本体の上面側と下面側の双方に凸となる部分が存在するように前記電池本体を封止する封止材を有する、１．から７．いずれか一つに記載の電池セル。
９．１．から８．いずれか一つに記載の電池セルが複数積層された電池モジュール。

この出願は、２０１７年９月２２日に出願された日本出願特願２０１７－１８２２４１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

扁平状の電池本体と、
平面視において前記電池本体の少なくとも一部と重なる断熱部と、
前記電池本体の側面の少なくとも一部に沿って設けられた放熱部と、を有する電池セルが複数積層され、
前記電池セルは、
前記電池本体を封止する封止材を有し、
前記封止材は、前記電池本体の側面の周辺に位置する周辺部を有し、
前記放熱部は、前記封止材の前記周辺部の少なくとも一部であり、
前記断熱部は、粘着材を介して、平面視において前記電池本体がある部分の前記封止材に設けられ、
複数の前記電池セルは、隣接する前記電池セルそれぞれが互いに対向する、前記断熱部が設けられている面で接着材を介して積層される、電池モジュール。
前記電池セルは、
枠体を有し、
前記封止材は、前記電池本体の側面の周辺に位置する周辺部を有し、
前記枠体は前記周辺部を保持し、
前記放熱部は前記枠体である、請求項１に記載の電池モジュール。
前記電池セルの前記放熱部の熱伝導率は 0.4W/mK 以上 0.6W/mK 以下である、請求項１または２に記載の電池モジュール。
前記電池セルの前記断熱部の熱伝導率は 0.02W/mK 以上0.05W/mK以下である、請求項１乃至３いずれか一項に記載の電池モジュール。
前記電池セルの前記断熱部は複数の空隙を有する、請求項１乃至４いずれか一項に記載の電池モジュール。
前記電池セルの前記断熱部は、前記電池本体の上面側及び下面側の双方に設けられている、請求項１乃至５いずれか一項に記載の電池モジュール。
前記電池セルの前記封止材は、前記電池本体の上面側と下面側の双方に凸となる部分が存在するように前記電池本体を封止する、請求項１乃至６いずれか一項に記載の電池モジュール。