JP7379279B2

JP7379279B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP7379279B2
Application number: JP2020105546A
Authority: JP
Inventors: 和樹多賀; 成人伊東; 衛吉岡
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: JP2021197344A

Description

本明細書に開示する技術は、電池モジュールに関する。特に、第１電池と、その第１電池と直列に接続されている第２電池と、を備えている電池モジュールに関する。

特許文献１に電池モジュールが開示されている。特許文献１の電池モジュールは、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して交互に積層されている複数の積層体を備えている。特許文献１の電池モジュールでは、一方の電池の各正極に積層されている第１集電体から、第１接続体群（特許文献１では、第１の電極タブ群と称している）が他方の電池に向かって延びている。他方の電池の各負極に積層されている第２集電体から、第２接続体群（特許文献１では、第２の電極タブ群と称している）が一方の電池に向かって延びている。第１接続体群および第２接続体群は、複数の金属箔を積層して構成されている。特許文献１の電池モジュールでは、第１接続体群と第２接続体群が互いに積層されている状態で、両接続体群が溶接される。

特開２０１７－２１２１７８号公報

正極と負極では、接続体の金属箔を構成する材料が異なる。第１接続体の表面の摩擦係数は、第２接続体の表面の摩擦係数と異なる。金属箔同士を接続する際に超音波溶接が用いられることがある。異なる材料で構成されている金属箔を積層方向に超音波溶接する場合、金属箔をその積層方向に対して直交する方向に振動させることがある。そのため、積層されている金属箔の表面の摩擦係数が異なる場合、摩擦係数が小さい金属箔は、超音波溶接時に積層方向に対して直交する方向にずれやすい。また、このずれを防止するために超音波溶接時に金属箔を加圧固定すると、金属箔が破断するおそれがある。このように、積層する金属箔の表面の摩擦係数が異なる場合、安定して超音波溶接をすることが難しい。本明細書では、複数の金属箔を積層した状態で電池が接続されている電池モジュールにおいて、超音波溶接時に金属箔がずれにくい電池モジュールを提供する。

本明細書が開示する電池モジュールは、第１電池と、その第１電池と直列に接続されている第２電池と、を備えている。第１電池は、複数の第１正極と、複数の第１負極と、複数の第１正極のそれぞれに積層されている複数の第１集電体と、複数の第１集電体のそれぞれから第２電池に向かって延びている複数の第１接続体と、を備えている。複数の第１接続体のそれぞれは、第１金属材料の金属箔で構成されている。第２電池は、複数の第２正極と、複数の第２負極と、複数の第２負極のそれぞれに積層されている複数の第２集電体と、複数の２集電体のそれぞれから第１電池に向かって延びている複数の第２接続体と、を備えている。複数の第２接続体のそれぞれは、第１金属材料とは異なる第２金属材料の金属箔で構成されている。第１電池の複数の第１接続体のそれぞれと、第２電池の複数の第２接続体のそれぞれとは、交互に積層されている状態でそれらの積層方向に超音波溶接されて接続されている。

上述した電池モジュールでは、複数の第１接続体のそれぞれと複数の第２接続体のそれぞれが交互に積層された状態で、複数の第１接続体と複数の第２接続体がそれらの積層方向に超音波溶接される。これにより、第１電池と第２電池を直列に接続する。超音波溶接時に第１金属材料の第１接続体の表面と第２金属材料の第２接続体の表面が直接当接する。その結果、複数の当接している接続体の表面間の摩擦係数は均一となる。すなわち、上述した電池モジュールは、超音波溶接時に、各接続体（すなわち金属箔）がずれにくい。

上述した電池モジュールでは、第１金属材料をアルミニウム系材料としてもよく、第２金属材料を銅系材料にしてもよい。これにより、直列接続時の抵抗を低減することができる。

上述した電池モジュールは、第１電池の複数の第１接続体のそれぞれは、積層されて第１接続体群を構成してもよく、第２電池の複数の第２接続体のそれぞれは、積層されて第２接続体群を構成してもよい。その場合、第１接続体のそれぞれと、第２接続体のそれぞれとのうちの少なくとも一方の表面には、それらの表面の摩擦係数を変化させるための表面処理が施されていてもよい。

表面処理によって接続体の表面の摩擦係数が変化することで、第１接続体と第２接続体の摩擦係数の差が小さくなる。これにより、上述した電池モジュールでは、第１接続体群と第２接続体群が互いに積層されている状態でそれらの積層方向に超音波溶接されても、各接続体（すなわち金属箔）がずれにくい。

上述した電池モジュールでは、第１金属材料をアルミニウム系材料とし、第２金属材料を銅系材料にする場合、アルミニウム系材料で構成される第１接続体の表面に表面処理を施してもよい。

アルミニウム系材料は、銅系材料に比して摩擦係数が小さい。アルミニウム系材料で構成される第１接続体の表面に表面処理を施して摩擦係数を大きくすることで、第１接続体と第２接続体の表面の摩擦係数の差が小さくなる。その結果、第１接続体が超音波溶接時にずれにくくなる。

上述した電池モジュールでは、第１電池および第２電池を同一の外装体で覆ってもよい。これにより、第１電池と第２電池を別々の外装体で覆うのに比して外装体の使用量を低減することができる。

上述した電池モジュールでは、複数の第１集電体のそれぞれが、第１金属材料の金属箔で構成されていてもよい。また、複数の第２集電体のそれぞれが、第２金属材料の金属箔で構成されていていてもよい。

この構成によれば、第１金属材料の１枚の金属箔によって第１集電体と第１接続体を構成することができる。そのため、簡潔な構成にすることができる。また、第１集電体と第１接続体を例えば超音波溶接によって接続する必要がなくなる。第１集電体と第１接続体が例えば超音波溶接によって接続されている場合には、他の部分を超音波溶接するときに、その超音波溶接の振動によって第１集電体と第１接続体が分離すること考えられる。しかしながら、上記の構成によれば、第１集電体と第１接続体が分離することを抑制できる。第２集電体と第２接続体についても同様である。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電池モジュールの平面図である。図１の線ＩＩ－ＩＩでカットした断面図である。図２の破線ＩＩＩで囲まれている範囲の拡大図である。図２の破線ＩＶで囲まれている範囲の拡大図である。変形例の電池モジュールにおける図４と同じ拡大図である。図５の破線ＶＩで囲まれている範囲の拡大図である。

（第１実施例）
図面を参照して実施例の電池モジュールについて説明する。図１は、実施例の電池モジュール２の平面図を示している。電池モジュール２は、外装体４の内部に第１電池１０と第２電池２０と電解液を収容している。実施例の電池モジュール２の外装体４は、ラミネートフィルムによって袋状に構成されている。第１電池１０と第２電池２０は、ともにいわゆる二次電池である。なお、本明細書では、図中の座標軸のＺ軸方向正側を「上」と表現し、その反対側を「下」と表現することがある。

図１に示されるように、第１電池１０と第２電池２０は互いに接続された状態で外装体４の内部に収容されている。第１電池１０の第２電池２０と反対側の端部には、負極タブ６が接続されている。第２電池２０の第１電池１０と反対側の端部には、正極タブ８が接続されている。負極タブ６は、銅板により構成され、正極タブ８は、アルミニウム板により構成されている。負極タブ６と正極タブ８は、電池モジュール２と外部の回路を電気的に接続する。

図２および図３を参照して、電池モジュール２の内部の構造について説明する。図２に示されるように、第１電池１０と第２電池２０はともに複数の層が積層されて構成されている。第１電池１０は、複数の第１金属箔１２のそれぞれと、複数の第２金属箔１４のそれぞれとが、発電要素を挟んで交互に積層されて構成されている。第２電池２０は、複数の第１金属箔２２のそれぞれと、複数の第２金属箔２４のそれぞれとが、発電要素を挟んで交互に積層されて構成されている。図２では、第１電池１０の最も上側に位置している第１金属箔１２にのみ符号を記載し、それ以外の第１金属箔１２の符号の記載を省略している。また、第１電池１０の最も下側に位置している第２金属箔１４にのみ符号を記載し、それ以外の第２金属箔１４の符号の記載を省略している。同様に、第２電池の最も上側に位置している第１金属箔２２と最も下側に位置している第２金属箔２４にのみ符号を記載し、それ以外の金属箔の符号の記載を省略している。

第１電池１０の第１金属箔１２は、第１集電体１２ａと第１接続体１２ｂを備えている。第１接続体１２ｂは、第１集電体１２ａから第２電池２０に向かって延びている。第１電池１０の第２金属箔１４は、第２集電体１４ａと第２接続体１４ｂを備えている。第２接続体１４ｂは、第２集電体１４ａから負極タブ６に向かって延びている。図２に示されるように、複数の第２接続体１４ｂの端部は、負極タブ６に積層されている。第２電池２０の第２金属箔２４は、第２集電体２４ａと第２接続体２４ｂを備えている。第２接続体２４ｂは、第１電池１０に向かって延びている。第２電池２０の第１金属箔２２は、第１集電体２２ａと第１接続体２２ｂを備えている。第１接続体２２ｂは、正極タブ８に向かって延びている。複数の第１接続体２２ｂの端部は、正極タブ８に積層されている。第１金属箔１２、２２は、アルミニウムにより構成されている。第２金属箔１４、２４は、銅により構成されている。すなわち、第１金属箔１２、２２と、第２金属箔１４、２４は、異なる金属材料の金属箔である。

図３を参照して第１電池、第２電池の詳細構造について説明する。図３は、図２の破線ＩＩＩに囲まれている範囲の拡大図である。図３では、第２電池の積層体の一部を拡大しているが、第２電池２０についても同じ構造である。図３に示されるように、第１電池１０は、セパレータ３０と、正極１０Ｐと、第１集電体１２ａと、負極１０Ｎと、第２集電体１４ａが互いに積層されて形成されている。第１集電体１２ａは、上下の正極１０Ｐに挟まれるように積層されている。正極１０Ｐの下側には、セパレータ３０が積層されている。セパレータ３０の下側には、負極１０Ｎが積層されている。第２集電体１４ａは、上下の負極１０Ｎに挟まれるように積層されている。なお、正極１０Ｐおよび負極１０Ｎは、対応する集電体の片方の面にのみ積層されてもよい。

正極１０Ｐは、正極活性物質を含んでいる。正極活性物質は、典型的にはＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム遷移金属複合酸化物である。負極１０Ｎは、負極活性物質を含んでいる。負極活性物質は、典型的にはソフトカーボン等の炭素材料である。外装体４（図２参照）の内部に収容されている電解液は、典型的には有機溶媒である。第１電池１０は、正極１０Ｐと負極１０Ｎの間で電解液を介してリチウムイオンが移動することによって放電および充電を行う。第１電池１０の第１集電体１２ａと第２集電体１４ａは、第１電池１０が発生させる電気を集める。セパレータ３０は、隣接する正極１０Ｐと負極１０Ｎが接触することを防止する。なお、第１電池１０と第２電池２０が電力を発生させる技術については、既知であるためここでは説明を省略する。

再び図２を参照して、第１電池１０と第２電池２０を接続する構造について説明する。先に述べたように、第１電池１０と第２電池２０は、同じ構造を有している。第１電池１０と第２電池２０は、電池モジュール２の中央部で互いに接続されている。図２に示されるように、第１電池１０からは、複数の第１接続体１２ｂが第２電池２０に向かって延びている。第２電池２０からは、複数の第２接続体２４ｂが第１電池１０に向かって延びている。第１電池１０の複数の第１接続体１２ｂは、正極１０Ｐ（図３参照）と積層されている第１集電体１２ａと一体に構成されている。同様に、第２電池２０の複数の第２接続体２４ｂは、第２電池２０の負極と積層されている第２集電体２４ａと一体に構成されている。複数の第１接続体１２ｂのそれぞれと複数の第２接続体２４ｂのそれぞれは、互いに交互に積層されている。すなわち、第１電池１０と第２電池２０は、直列に接続されている。第１電池１０と第２電池２０の電圧は、ともに例えば４Ｖである。実施例の電池モジュール２は、第１電池１０と第２電池２０を直列に接続することで、電圧を８Ｖに増加させる。

図４を参照して、第１電池１０と第２電池２０を直列に接続する構造について説明する。図４は、第１電池１０の複数の第１接続体１２ｂと第２電池２０の複数の第２接続体２４ｂを接続する超音波溶接時の断面図である。図４に示されるように、最も下側に位置している第２接続体２４ｂは、アンビル４２に支持される。上方から溶接ホーン４０が第１接続体１２ｂに接近する。溶接ホーン４０は、最も上側に位置している第１接続体１２ｂと当接した状態で、図４の矢印に示されるように、Ｘ軸方向に振動する。溶接ホーン４０は、例えば１秒間あたり約２万回Ｘ軸方向に振動する。これにより、隣接している複数の接続体間の油分や、埃、酸化被膜が取り除かれる。その結果、隣接している接続体同士が原子間距離まで接近して接続される。このように、第１電池１０の複数の第１接続体１２ｂのそれぞれと、第２電池２０の複数の第２接続体２４ｂのそれぞれは、互いに交互に積層されている状態で、それらの積層方向に超音波溶接で接続される。

第１電池１０の第１接続体１２ｂと第２電池２０の第２接続体２４ｂを超音波溶接する際、複数の第１接続体１２ｂと複数の第２接続体２４ｂは、溶接ホーン４０と同調してＸ軸方向に振動する。隣接している第１接続体１２ｂと第２接続体２４ｂがＸ軸方向にずれてしまうと、安定して超音波溶接できない。また、第１接続体１２ｂと第２接続体２４ｂは、ともに約１０μｍの厚みの金属箔で構成されている。このため、超音波溶接時のＸ軸方向のずれを防止するために溶接ホーン４０により加圧すると、金属箔が破断するおそれがある。特に、溶接ホーン４０と当接する最も上側に位置している第１接続体１２ｂが、溶接ホーン４０の加圧により破断するおそれがある。

先に述べたように、第１接続体１２ｂは、アルミニウムの金属箔である。第２接続体２４ｂは、銅の金属箔である。アルミニウムの金属箔と銅の金属箔では、その表面の摩擦係数が異なる。表面の摩擦係数が小さければ、超音波溶接時にＸ軸方向にずれやすい。表面の摩擦係数が大きければ、超音波溶接時にＸ軸方向にずれにくい。隣接している接続体のＸ軸方向のずれを抑制するためには、複数の隣接している接続体間の摩擦係数を均一に近づける必要がある。

第１実施例の電池モジュール２（図２参照）の第１電池の複数の第１接続体１２ｂのそれぞれと第２電池の複数の第２接続体２４ｂのそれぞれは、互いに交互に積層されている状態で、それらの積層方向に超音波溶接で接続される。すなわち、第１実施例の電池モジュール２では、超音波溶接時に、アルミニウムの第１接続体１２ｂの表面と銅の第２接続体２４ｂの表面が当接している状態で、複数の第１接続体１２ｂと複数の第２接続体２４ｂが積層されている。その結果、隣接している接続体間の摩擦係数は均一となる。すなわち、第１実施例の電池モジュール２は、超音波溶接時に、各接続体がずれにくい。

（第２実施例）
図５を参照して第２実施例の電池モジュール２ａについて説明する。図５は、第２実施例の電池モジュール２ａが備えている第１電池１０ａと第２電池２０ａを直列に接続する構造を示す断面図である。なお、第１実施例の第１電池１０と第２実施例の１０ａは、図５に示す接続部以外では同じ構造であるため図示および説明を省略する。同様に、第１実施例の第２電池２０と第２実施例の２０ａは、図５に示す接続部以外では同じ構造であるため図示および説明を省略する。

図５に示されるように、第２実施例の電池モジュール２ａでは、複数の第１接続体１２ｃが積層されて第１接続体群１２ｇを構成している。同様に、複数の第２接続体２４ｃが積層されて第２接続体群２２ｇを構成している。第１接続体群１２ｇの下方に第２接続体群２２ｇが配置されている。第２接続体群２２ｇは、下方からアンビル４２に支持されている。第１接続体群１２ｇの上方から溶接ホーン４０が接近して、第１接続体群１２ｇの最も上側に位置している第１接続体１２ｃと溶接ホーン４０が当接する。第２実施例の電池モジュール２ａは、図５に示される状態で第１接続体群１２ｇと第２接続体群２２ｇが超音波溶接される。すなわち、第１電池１０ａの第１接続体群１２ｇと、第２電池２０ａの第２接続体群２２ｇとは、互いに積層されている状態でそれらの積層方向に超音波溶接されて接続される。

図６を参照して第１接続体群１２ｇと第２接続体群２２ｇの詳細構造について説明する。図６は、図５の破線ＶＩに囲まれた範囲の拡大図である。先に述べたように、第１接続体群１２ｇと第２接続体群２２ｇは、超音波溶接時に溶接ホーン４０に同調してＸ軸方向に振動する。第１実施例の電池モジュール２と同様に、第１接続体１２ｃは、アルミニウムの金属箔であり。第２接続体２４ｃは、銅の金属箔である。アルミニウムの金属箔は、銅の金属箔に比して、摩擦係数が小さい。このため、第１接続体群１２ｇの複数の第１接続体１２ｃは、超音波溶接時にずれるおそれがある。

図６に示されるように、第１接続体１２ｃの先端には、無電解ニッケル層１２ｍが形成されている。無電解ニッケル層１２ｍは、メッキ処理によって第１接続体１２ｃの先端に形成される。無電解ニッケル層１２ｍは、アルミニウムの金属箔に比して摩擦係数が大きい。第１接続体１２ｃの先端に無電解ニッケル層１２ｍを形成することで、第１接続体１２ｃの摩擦係数が変化する。その結果、第１接続体１２ｃの表面の摩擦係数と、第２接続体２４ｃの表面の摩擦係数の差が小さくなる。このように、第２実施例の電池モジュール２ａ（図５参照）は、第１接続体１２ｃに無電解ニッケル層１２ｍを形成する表面処理を施すことで、第１接続体群１２ｇの複数の第１接続体１２ｃの超音波溶接時のずれを抑制することができる。

（対応関係）無電解ニッケル層１２ｍを形成するメッキ処理が、「表面処理」の一例である。「表面処理」は、錫メッキであってもよい。また、「表面処理」は、コーティング処理であってもよい。さらに、「表面処理」は、第１接続体１２ｃの表面粗さを粗くする磨き処理であってもよい。

以上、実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

（変形例１）上述した実施例では、第１、第２集電体と、第１、第２接続体が、それぞれ一枚の金属箔によって形成されている。変形例では、第１集電体と第１接続体、第２集電体と第２接続体が、それぞれ、別体で構成されていてもよい。

（変形例２）上述した実施例では、２個の電池が直列に接続されている。変形例では、さらに複数の電池が直列に接続されていてもよい。

（変形例３）上述した第２実施例では、第１接続体１２ｃの表面のみに無電解ニッケル層１２ｍが形成されているが、変形例では、第２接続体２４ｃの表面にも無電解ニッケル層を形成する表面処理を施してもよい。

（変形例４）上述した実施例では、第１電池と第２電池を同一の外装体４で覆っているが、変形例では、第１電池と第２電池を別々の外装体で覆ってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ：電池モジュール
４：外装体
６：負極タブ
８：正極タブ
１０、１０ａ：第１電池
１０Ｎ：負極
１０Ｐ：正極
１２、２２：第１金属箔
１２ａ、２２ａ：第１集電体
１２ｂ、１２ｃ、２２ｂ：第１接続体
１２ｇ：第１接続体群
１２ｍ：無電解ニッケル層
１４、２４：第２金属箔
１４ａ、２４ａ：第２集電体
１４ｂ、２４ｂ、２４ｃ：第２接続体
２０、２０ａ：第２電池
２２ｇ：第２接続体群
３０：セパレータ
４０：溶接ホーン
４２：アンビル

Claims

第１電池と、前記第１電池と直列に接続されている第２電池と、を備えている電池モジュールであって、
前記第１電池は、
複数の第１正極と、
複数の第１負極と、
複数の前記第１正極のそれぞれに積層されている複数の第１集電体と、
複数の前記１集電体のそれぞれから前記第２電池に向かって延びている複数の第１接続体と、を備えており、
複数の前記第１接続体のそれぞれは、第１金属材料の金属箔で構成されており、
前記第２電池は、
複数の第２正極と、
複数の第２負極と、
複数の前記第２負極のそれぞれに積層されている複数の第２集電体と、
複数の前記２集電体のそれぞれから前記第１電池に向かって延びている複数の第２接続体と、を備えており、
複数の前記第２接続体のそれぞれは、前記第１金属材料とは異なる第２金属材料の金属箔で構成されており、
前記第１電池の複数の前記第１接続体のそれぞれと、前記第２電池の複数の前記第２接続体のそれぞれとは、交互に積層されて互いの金属箔の表面が直接当接している状態でそれらの積層方向に超音波溶接されて接続されている、電池モジュール。
請求項１に記載の電池モジュールであって、
前記第１金属材料は、アルミニウム系材料であり、
前記第２金属材料は、銅系材料である、電池モジュール。
第１電池と、前記第１電池と直列に接続されている第２電池と、を備えている電池モジュールであって、
前記第１電池は、
複数の第１正極と、
複数の第１負極と、
複数の前記第１正極のそれぞれに積層されている複数の第１集電体と、
複数の前記１集電体のそれぞれから前記第２電池に向かって延びている複数の第１接続体と、を備えており、
複数の前記第１接続体のそれぞれは、第１金属材料の金属箔で構成されているとともに積層されて第１接続体群を構成しており、
前記第２電池は、
複数の第２正極と、
複数の第２負極と、
複数の前記第２負極のそれぞれに積層されている複数の第２集電体と、
複数の前記２集電体のそれぞれから前記第１電池に向かって延びている複数の第２接続体と、を備えており、
複数の前記第２接続体のそれぞれは、前記第１金属材料とは異なる第２金属材料の金属箔で構成されているとともに積層されて第２接続体群を構成しており、
前記第１電池の複数の前記第１接続体のそれぞれと、前記第２電池の複数の前記第２接続体のそれぞれとのうちの少なくとも一方の表面には、それらの表面の摩擦係数を変化させるための表面処理が施されており、
前記第１電池の前記第１接続体群と、前記第２電池の前記第２接続体群とは、互いに積層されて互いの接続体群の表面が直接当接している状態でそれらの積層方向に超音波溶接されて接続されている、電池モジュール。
請求項３に記載の電池モジュールであって、
前記第１金属材料は、アルミニウム系材料であり、
前記第２金属材料は、銅系材料であり、
複数の前記第１接続体のそれぞれの表面に前記表面処理が施されている、電池モジュール。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電池モジュールであって、
前記第１電池および前記第２電池は、同一の外装体で覆われている、電池モジュール。
請求項１から５のいずれか一項に記載の電池モジュールであって、
複数の前記第１集電体のそれぞれは、前記第１金属材料の金属箔で構成されており、
複数の前記第２集電体のそれぞれは、前記第２金属材料の金属箔で構成されている、電池モジュール。