JP7354971B2

JP7354971B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7354971B2
Application number: JP2020152872A
Authority: JP
Inventors: 学佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: JP2023160998A; US11942592B2; CN114171854A; JP2022047130A; US20220085403A1

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

例えば、特開２０２０－２４８２７号公報には、バイポーラ電極がセパレータを介して複数積層されてなる電極積層体と、電極積層体を取り囲む枠対と、を備えるバイポーラ電池が開示されている。バイポーラ電極は、集電体と、集電体の一方面に形成された正極活物質からなる正極と、集電体の他方面に形成された負極活物質からなる負極と、を有している。

特開２０２０－２４８２７号公報

特開２０２０－２４８２７号公報に記載されるバイポーラ電池では、所定の搭載面積内において、容量の増大と出力の向上とを両立することが困難である。例えば、上記バイポーラ電池において、バイポーラ電極の積層数を増やす（厚みを増やす）ことにより、容量は増大するものの、内部抵抗の増大に起因して出力が低下する。一方、各活物質層の厚みを低減することにより、抵抗が低減されるため、出力は向上するものの、容量が低下する。

本開示の目的は、所定の搭載面積において、容量を増大と出力の向上とを達成可能な電池モジュールを提供することである。

本開示の一局面に従った電池モジュールは、複数の電極が互いに並列となるように接続された電池モジュールであって、正極集電体と、前記正極集電体に設けられた第１正極活物質層と、前記正極集電体に設けられた第２正極活物質層と、を有する正極部材と、負極集電体と、前記負極集電体に設けられた第１負極活物質層と、前記負極集電体に設けられた第２負極活物質層と、を有する負極部材と、前記正極部材と前記負極部材との間に配置されたセパレータと、を備え、前記正極集電体は、前記第１正極活物質層と前記第２正極活物質層とが前記第１正極活物質層の厚み方向に並ぶように当該正極集電体が折り返された正極折返し部を有し、前記負極集電体は、前記第１負極活物質層と前記第２負極活物質層とが前記第１負極活物質層の厚み方向に並ぶように当該負極集電体が折り返された負極折返し部を有し、前記第１負極活物質層は、前記第１正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第１正極活物質層とともに第１電極を構成しており、前記第２負極活物質層は、前記第２正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第２正極活物質層とともに前記第１電極に並列接続された第２電極を構成しており、前記セパレータは、前記第１正極活物質層と前記第１負極活物質層との間に介在する第１介在部と、前記第２正極活物質層と前記第２負極活物質層との間に介在する第２介在部と、を有する。

本開示によれば、所定の搭載面積において、容量を増大と出力の向上とを達成可能な電池モジュールが提供される。

本開示の第１実施形態の電池モジュールの構成を概略的に示す断面図である。正極部材及び負極部材の構成を概略的に示す断面図である。正極部材及び負極部材の積層工程を概略的に示す図である。正極部材に枠部材を配置する工程を示す斜視図である。正極部材に枠部材を配置する工程を示す斜視図である。正極部材に枠部材を配置する工程を示す斜視図である。正極部材上にセパレータが配置された状態を示す斜視図である。セパレータ上に負極部材を配置する工程を示す斜視図である。セパレータ及び正極部材が折り返された状態を示す斜視図である。セパレータ及び負極部材が折り返された状態を示す斜視図である。比較例の回路構成を概略的に示す図である。比較例の回路構成を概略的に示す図である。本開示の第２実施形態の電池モジュールの正極部材及び負極部材の構成を概略的に示す断面図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態の電池モジュールの構成を概略的に示す断面図である。図２は、正極部材及び負極部材の構成を概略的に示す断面図である。この電池モジュール１は、例えば、車両のフロアの下面に搭載される。

図１及び図２に示されるように、電池モジュール１は、正極部材１０と、負極部材２０と、セパレータ３０と、枠部材４０と、正極集電板５１と、負極集電板５２と、絶縁部材６０と、拘束プレート７０と、拘束部材８０と、を備えている。この電池モジュール１では、複数の電極が互いに並列に接続されている。なお、図１では、セパレータ３０、枠部材４０の図示は省略されている。

図２に示されるように、正極部材１０は、正極集電体１２と、第１正極活物質層１４と、第２正極活物質層１６と、を有している。正極部材１０は、図２における紙面奥行き方向に長く伸びる形状を有している。

正極集電体１２は、薄い膜状に形成されている。本実施形態では、正極集電体１２は、アルミ箔で構成されている。正極集電体１２は、第１主面１２Ｓ１と、第１主面１２Ｓ１と反対側の第２主面１２Ｓ２と、を有している。

第１正極活物質層１４は、正極集電体１２に設けられている。本実施形態では、第１正極活物質層１４は、正極集電体１２の第１主面１２Ｓ１に設けられている。第１正極活物質層１４は、第１主面１２Ｓ１に正極活物質が塗工されることにより形成される。

第２正極活物質層１６は、正極集電体１２に設けられている。本実施形態では、第２正極活物質層１６は、正極集電体１２の第２主面１２Ｓ２のうち第１正極活物質層１４の厚み方向に第１正極活物質層１４と重ならない部位に設けられている。第２正極活物質層１６は、第２主面１２Ｓ２に正極活物質が塗工されることにより形成される。第２正極活物質層１６の厚みは、第１正極活物質層１４の厚みと同じに設定されている。

図２に示されるように、正極集電体１２は、正極折返し部１２ａを有している。正極折返し部１２ａは、第１正極活物質層１４と第２正極活物質層１６とが第１正極活物質層１４の厚み方向に並ぶように正極集電体１２が折り返された部位である。

正極集電板５１は、正極集電体１２の第２主面１２Ｓ２のうち厚み方向に第１正極活物質層１４と重なる部位に接続されている。

負極部材２０は、負極集電体２２と、第１負極活物質層２４と、第２負極活物質層２６と、を有している。負極部材２０は、図２における紙面奥行き方向に長く伸びる形状を有している。

負極集電体２２は、薄い膜状に形成されている。本実施形態では、負極集電体２２は、銅箔で構成されている。負極集電体２２は、第１主面２２Ｓ１と、第１主面２２Ｓ１と反対側の第２主面２２Ｓ２と、を有している。

第１負極活物質層２４は、負極集電体２２に設けられている。本実施形態では、第１負極活物質層２４は、負極集電体２２の第１主面２２Ｓ１に設けられている。第１負極活物質層２４は、第１主面２２Ｓ１に負活物質が塗工されることにより形成される。第１負極活物質層２４の厚みは、第１正極活物質層１４の厚みと同じに設定されている。第１負極活物質層２４は、第１正極活物質層１４と対向するように配置されることによって第１正極活物質層１４とともに第１電極Ｅ１を構成している。

第２負極活物質層２６は、負極集電体２２に設けられている。本実施形態では、第２負極活物質層２６は、負極集電体２２の第２主面２２Ｓ２のうち第１負極活物質層２４の厚み方向に第１負極活物質層２４と重ならない部位に設けられている。第２負極活物質層２６は、第２主面２２Ｓ２に負極活物質が塗工されることにより形成される。第２負極活物質層２６の厚みは、第１負極活物質層２４の厚みと同じに設定されている。第２負極活物質層２６は、第２正極活物質層１６と対向するように配置されることによって第２正極活物質層１６とともに前記第１電極Ｅ１に並列接続された第２電極Ｅ２を構成している。

図２に示されるように、負極集電体２２は、負極折返し部２２ａを有している。負極折返し部２２ａは、第１負極活物質層２４と第２負極活物質層２６とが第１負極活物質層２４の厚み方向に並ぶように負極集電体２２が折り返された部位である。

負極集電板５２は、負極集電体２２の第１主面２２Ｓ１のうち厚み方向に第２負極活物質層２６と重なる部位に接続されている。

図１に示されるように、正極集電板５１及び負極集電板５２は、絶縁部材６０を介して各電極Ｅ１，Ｅ２の積層方向における両側から拘束プレート７０で拘束されている。拘束部材８０は、拘束プレート７０を締め付けている。本実施形態では、拘束部材８０としてボルトが用いられている。

セパレータ３０は、正極部材１０と負極部材２０との間に配置されている。セパレータ３０は、シート状に形成されている。セパレータ３０は、多孔質フィルムや不織布等で形成されている。セパレータ３０は、第１介在部３１と、第２介在部３２と、連結部３３と、を有している。

第１介在部３１は、第１正極活物質層１４と第１負極活物質層２４との間に介在している。

第２介在部３２は、第２正極活物質層１６と第２負極活物質層２６との間に介在している。

連結部３３は、第１介在部３１と第２介在部３２とを連結している。連結部３３は、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２間を通るように配置されている。具体的に、連結部３３は、負極集電体２２の第２主面２２Ｓ２と正極集電体１２の第１主面１２Ｓ１との間を通るとともに、第１介在部３１と第２介在部３２とを連結している。

枠部材４０は、合成樹脂等の絶縁体からなる。枠部材４０は、環状に形成されている。枠部材４０は、第１枠部４１と、第２枠部４２と、を有している。

第１枠部４１は、第１正極活物質層１４と第１負極活物質層２４とが互いに対向する方向（各電極の積層方向）と直交する直交方向における一方側に配置されている。第１枠部４１は、前記積層方向及び前記直交方向の双方に直交する方向に沿って延びる形状を有している。

第２枠部４２は、前記直交方向における他方側に配置されている。第２枠部４２は、第１枠部４１と対向している。第２枠部４２は、前記積層方向及び前記直交方向の双方に直交する方向に沿って延びる形状を有している。

図２に示されるように、正極集電体１２の一端部１２ｂは、第１枠部４１に固定されている。この一端部１２ｂには、電圧検出のため、Ｎｉ等からなるプレート９１と、基板（例えばフレキシブルプリント基板）９２と、が接続されている。正極折返し部１２ａは、第２枠部４２に固定されている。

負極集電体２２の一端部２２ｂは、第２枠部４２に固定されている。負極折返し部２２ａは、第１枠部４１に固定されている。

セパレータ３０の一端部３０ａは、第１枠部４１に固定されている。より詳細には、前記一端部３０ａは、第１枠部４１のうち正極集電体１２の一端部１２ｂと負極折返し部２２ａとの間の部位に固定されている。セパレータ３０の他端部３０ｂは、第２枠部４２に固定されている。より詳細には、前記他端部３０ｂは、第１枠部４１のうち正極折返し部１２ａと負極集電体２２の一端部２２ｂとの間の部位に固定されている。

次に、図３を参照しながら、正極部材１０及び負極部材２０の積層工程について説明する。

まず、第１正極活物質層１４と第１負極活物質層２４とが第１介在部３１を介して互いに対向するように配置される。これにより、第１正極活物質層１４と第１負極活物質層２４とによって第１電極Ｅ１が構成される。

そして、図３において矢印ＡＲ３１で示されるように、セパレータ３０が負極集電体２２の第２主面２２Ｓ２と対向するように当該セパレータ３０が折り返されるとともに、第２正極活物質層１６が前記厚み方向に第１正極活物質層１４と重なるように正極集電体１２が折り返される。

その後、図３において矢印ＡＲ３２で示されるように、セパレータ３０が第２正極活物質層１６と対向するように正極集電体１２が折り返されるとともに、第２負極活物質層２６が第２介在部３２を介して第２正極活物質層１６と対向するように負極集電体２２が折り返される。これにより、第２正極活物質層１６と第２負極活物質層２６とによって第２電極Ｅ２が構成される。

続いて、図４～図１０を参照しながら、正極部材１０及び負極部材２０の積層工程をより詳細に説明する。なお、図４～図１０では、枠部材４０の一部は省略されている。

まず、図４に示されるように、正極集電体１２の第１主面１２Ｓ１のうち第１正極活物質層１４の周囲に枠部材４０の一部が載置される。なお、正極集電体１２は、枠部材４０に干渉するのを避けるための切欠き１２ｃを有している。

次に、図５において矢印ＡＲ５１で示されるように、正極集電体１２が折り曲げられるとともに、矢印ＡＲ５２で示されるように、第１枠部４１が枠部材４０のうち第１枠部４１以外の部位に接続される。これにより、枠部材４０が環状となる。

その後、図６において矢印ＡＲ６１で示されるように、正極集電体１２が第１枠部４１上に重なるように折り曲げられた後、図７に示されるように、正極部材１０上にセパレータ３０が載置される。

そして、図８において矢印ＡＲ８１で示されるように、第１負極活物質層２４が第１介在部３１を介して第１正極活物質層１４と対向するように負極部材２０が載置される。これにより、第１正極活物質層１４と第１負極活物質層２４とによって第１電極Ｅ１が構成される。

その後、図８において矢印ＡＲ８２で示されるように、セパレータ３０が第２負極活物質層２６上に積層されるようにセパレータ３０が折り返されるとともに、第２正極活物質層１６が第１負極活物質層２４と重なるように正極集電体１２が折り返される。

続いて、図９において矢印ＡＲ９１で示されるように、第２介在部３２が第２正極活物質層１６上に重なるようにセパレータ３０が折り返されるとともに、第２負極活物質層２６が第２介在部３２を介して第２正極活物質層１６と対向するように負極集電体２２が折り返される。これにより、第２正極活物質層１６と第２負極活物質層２６とによって第２電極Ｅ２が構成される。

以上に説明したように、本実施形態の電池モジュール１では、第１正極活物質層１４及び第１負極活物質層２４により構成される第１電極Ｅ１と、第２正極活物質層１６及び第２負極活物質層２６により構成される第２電極Ｅ２と、が互いに並列となるように接続されているため、各電極Ｅ１，Ｅ２が直列に接続される場合に比べて出力が向上する。さらに、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２は、第１正極活物質層１４と第２正極活物質層１６とが互いに対向する方向に積層されているため、搭載面積の拡大が抑制される。よって、この電池モジュール１では、所定の搭載面積内において、容量の増大と出力の向上との双方が達成される。

ここで、図１１及び図１２を参照しながら、本実施形態に対する比較例の構造について説明する。

図１１は、従来構造のバイポーラ電池が並列に接続された場合の回路図である。このようにバイポーラ電池１０１，１０２が並列接続された場合、各バイポーラ電池１０１，１０２における通電抵抗差に起因して、互いに等電位となるべき部分間に例えば１０％程度の電位差が生じる場合がある。このため、この比較例の構造では、電池の外側に循環電流用の専用配線１０３が必要となる。

また、図１２に示されるように、専用配線１０３の断線を検知するためのヒューズ１０４や、電圧検知ユニット１０５も必要となる。このため、電池モジュールの構造が複雑化するとともに、コストも高くなる。

これに対し、本実施形態では、正極集電体１２及び負極集電体２２の面積が十分に確保されているため、ヒューズ等を設けることが不要となる。このため、電池モジュール１の構造の複雑化が回避される。

（第２実施形態）
次に、図１３を参照しながら、本開示の第２実施形態の電池モジュール１の正極部材１０及び負極部材２０の構成について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明が行われ、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は繰り返されない。

本実施形態では、正極活物質層と負極活物質層とが３層積層されている。つまり、本実施形態の電池モジュール１は、３つの電極Ｅ１～Ｅ３を有している。

正極部材１０は、第３正極活物質層１８をさらに有し、負極部材２０は、第３負極活物質層２８をさらに有している。第３正極活物質層１８及び第３負極活物質層２８は、第３電極Ｅ３を構成している。

各正極活物質層１４，１６，１８は、正極集電体１２の第１主面１２Ｓ１に設けられている。第１負極活物質層２４は、負極集電体２２の第１主面２２Ｓ１に設けられており、第２負極活物質層２６及び第３負極活物質層２８は、負極集電体２２の第２主面２２Ｓ２に設けられている。

なお、図１３では、説明のため、正極集電体１２のうち第２正極活物質層１６を支持する部位１２ｅとこの部位１２ｅと対向する部位１２ｆとの間に隙間が形成されており、正極集電体１２のうち第３正極活物質層１８を支持する部位１２ｇとこの部位１２ｇと対向する部位１２ｈとの間に隙間が形成されており、負極集電体２２のうち第２負極活物質層２６を支持する部位２２ｅとこの部位２２ｅと対向する部位２２ｆとの間に隙間が形成されている。ただし、実際は、部位１２ｅと部位１２ｆとは互いに接触しており、部位１２ｇと部位１２ｈとは互いに接触しており、部位２２ｅと部位２２ｆとは互いに接触している。

セパレータ３０は、第３正極活物質層１８と第３負極活物質層２８との間に介在する第３介在部３４と、第２介在部３２と第３介在部３４とを連結する他の連結部３５と、を有している。

なお、正極活物質層と負極活物質層とが４層以上積層される場合についても、図１３に示される構造と同様に積層される。

上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

上記実施形態における電池モジュールは、複数の電極が互いに並列となるように接続された電池モジュールであって、正極集電体と、前記正極集電体に設けられた第１正極活物質層と、前記正極集電体に設けられた第２正極活物質層と、を有する正極部材と、負極集電体と、前記負極集電体に設けられた第１負極活物質層と、前記負極集電体に設けられた第２負極活物質層と、を有する負極部材と、前記正極部材と前記負極部材との間に配置されたセパレータと、を備え、前記正極集電体は、前記第１正極活物質層と前記第２正極活物質層とが前記第１正極活物質層の厚み方向に並ぶように当該正極集電体が折り返された正極折返し部を有し、前記負極集電体は、前記第１負極活物質層と前記第２負極活物質層とが前記第１負極活物質層の厚み方向に並ぶように当該負極集電体が折り返された負極折返し部を有し、前記第１負極活物質層は、前記第１正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第１正極活物質層とともに第１電極を構成しており、前記第２負極活物質層は、前記第２正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第２正極活物質層とともに前記第１電極に並列接続された第２電極を構成しており、前記セパレータは、前記第１正極活物質層と前記第１負極活物質層との間に介在する第１介在部と、前記第２正極活物質層と前記第２負極活物質層との間に介在する第２介在部と、を有する。

この電池モジュールでは、第１正極活物質層及び第１負極活物質層により構成される第１電極と、第２正極活物質層及び第２負極活物質層により構成される第２電極と、が互いに並列となるように接続されているため、各電極が直列に接続される場合に比べて出力が向上する。さらに、第１電極及び第２電極は、第１正極活物質層と第２正極活物質層とが互いに対向する方向に積層されているため、搭載面積の拡大が抑制される。よって、この電池モジュールでは、所定の搭載面積内において、容量の増大と出力の向上との双方が達成される。

また、電池モジュールは、絶縁体からなる枠部材をさらに備えることが好ましい。

この場合において、前記正極折返し部は、前記枠部材に固定されていることが好ましい。

このようにすれば、枠部材に対する正極部材の相対変位が抑制される。

また、前記負極折返し部は、前記枠部材に固定されていることが好ましい。

このようにすれば、枠部材に対する負極部材の相対変位が抑制される。

また、前記セパレータの端部は、前記枠部材に固定されていることが好ましい。

このようにすれば、枠部材に対するセパレータの相対変位が抑制される。

また、前記正極集電体は、第１主面及び第２主面を有し、前記第１正極活物質層は、前記正極集電体の前記第１主面に設けられており、前記第２正極活物質層は、前記正極集電体の前記第２主面のうち前記正極集電体の厚み方向に前記第１正極活物質層と重ならない部位に設けられており、前記負極集電体は、第１主面及び第２主面を有し、前記第１負極活物質層は、前記負極集電体の前記第１主面に設けられており、前記第２負極活物質層は、前記負極集電体の前記第２主面のうち前記負極集電体の厚み方向に前記第１負極活物質層と重ならない部位に設けられていてもよい。

また、前記セパレータは、前記第１電極及び前記第２電極間を通るとともに前記第１介在部と前記第２介在部とを連結する連結部をさらに有することが好ましい。

このようにすれば、第１介在部と第２介在部とが互いに別体で構成されている場合に比べ、セパレータの取り扱いが容易になる。

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。

１電池モジュール、１０正極部材、１２正極集電体、１２Ｓ１第１主面、１２Ｓ２第２主面、１４第１正極活物質層、１６第２正極活物質層、１８第３正極活物質層、２０負極部材、２２負極集電体、２２Ｓ１第１主面、２２Ｓ２第２主面、２４第１負極活物質層、２６第２負極活物質層、２８第３負極活物質層、３０セパレータ、３１第１介在部、３２第２介在部、３３連結部、３４第３介在部、３５他の連結部、４０枠部材、４１第１枠部、４２第２枠部、５１正極集電板、５２負極集電板、６０絶縁部材、７０拘束プレート、８０拘束部材、Ｅ１第１電極、Ｅ２第２電飾、Ｅ３第３電極。

Claims

複数の電極が互いに並列となるように接続された電池モジュールであって、
第１主面及び第２主面を有する正極集電体と、前記正極集電体の前記第１主面に設けられた第１正極活物質層と、前記正極集電体の前記第２主面に設けられた第２正極活物質層と、を有する正極部材と、
第１主面及び第２主面を有する負極集電体と、前記負極集電体の前記第１主面に設けられた第１負極活物質層と、前記負極集電体の前記第２主面に設けられた第２負極活物質層と、を有する負極部材と、
前記正極部材と前記負極部材との間に配置されたセパレータと、を備え、
前記正極集電体は、前記第１正極活物質層と前記第２正極活物質層とが前記第１正極活物質層の厚み方向に並ぶように当該正極集電体が折り返された正極折返し部を有し、
前記負極集電体は、前記第１負極活物質層と前記第２負極活物質層とが前記第１負極活物質層の厚み方向に並ぶように当該負極集電体が折り返された負極折返し部を有し、
前記第２正極活物質層は、前記正極集電体の前記正極折返し部が折り返されていない状態において前記正極集電体のうち当該正極集電体の厚み方向に前記第１正極活物質層と重ならない部位に設けられており、
前記第２負極活物質層は、前記負極集電体の前記負極折返し部が折り返されていない状態において前記負極集電体のうち当該負極集電体の厚み方向に前記第１負極活物質層と重ならない部位に設けられており、
前記第１負極活物質層は、前記第１正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第１正極活物質層とともに第１電極を構成しており、
前記第２負極活物質層は、前記第２正極活物質層と対向するように配置されることによって前記第２正極活物質層とともに前記第１電極に並列接続された第２電極を構成しており、
前記負極折返し部は、前記第１電極及び前記第２電極を基準として前記正極折返し部が形成された側と反対側に形成されており、
前記セパレータは、
前記第１正極活物質層と前記第１負極活物質層との間に介在する第１介在部と、
前記第２正極活物質層と前記第２負極活物質層との間に介在する第２介在部と、
前記第１電極及び前記第２電極間を通るとともに前記第１介在部と前記第２介在部とを連結する連結部と、を有し、
前記連結部は、
前記第１電極及び前記第２電極間を通過する通過要素と、
前記第１負極活物質層と前記正極折返し部との間で折り返されており、前記第１介在部と前記通過要素とを連結する第１折返し要素と、
前記第２正極活物質層と前記負極折返し部との間で折り返されており、前記第２介在部と前記通過要素とを連結する第２折返し要素と、を有する、電池モジュール。
絶縁体からなる枠部材をさらに備える、請求項１に記載の電池モジュール。
前記正極折返し部は、前記枠部材に固定されている、請求項２に記載の電池モジュール。
前記負極折返し部は、前記枠部材に固定されている、請求項２又は３に記載の電池モジュール。
前記セパレータの端部は、前記枠部材に固定されている、請求項２から４のいずれかに記載の電池モジュール。