JP7431185B2 - 電池モジュール - Google Patents

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Description

本開示は、電池モジュールに関する。
例えば、国際公開第２０２０／０１７４５８号には、複数のセルと、各セル間に配置された弾性体と、を備えるバッテリモジュールが開示されている。弾性体は、セルの体積変化に応じて変形可能である。弾性体の厚み方向における変形率は、１％～８０％の範囲内である。
国際公開第２０２０／０１７４５８号
国際公開第２０２０／０１７４５８号に記載されるような電池モジュールでは、各二次電池の膨張を適切な範囲に納めることが望ましい。例えば、各二次電池の膨張が制限されるように各二次電池の並び方向の両側から電池モジュールが拘束されると、二次電池のケースから電解液が排出される懸念がある。一方、各二次電池の膨張が全く制限されない場合、充放電の繰り返しに起因して電極間の距離が大きくなり、二次電池の容量が低下する懸念がある。
本開示の目的は、充放電の繰り返しに起因する各二次電池の容量の低下の抑制と、各二次電池のケースからの電解液の排出の抑制と、を両立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、互いに隣接するように配置された一対の二次電池と、前記一対の二次電池間に配置されたスペーサと、を備え、前記一対の二次電池の各二次電池は、それぞれが矩形状に形成されており、互いに対向するように配置された複数の電極と、直方体形状に形成されており、前記複数の電極を収容するケースと、前記ケース内に充填された電解液と、を含み、前記スペーサは、弾性体からなり、前記電極のアスペクト比は、１０以下であり、かつ、前記スペーサのバネ定数は、０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下である。
本開示によれば、充放電の繰り返しに起因する各二次電池の容量の低下の抑制と、各二次電池のケースからの電解液の排出の抑制と、を両立可能な電池モジュールを提供することができる。
本開示の一実施形態の電池モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。 図１に示される電池モジュールの正面図である。 スペーサの変形例を示す正面図である。 スペーサの変形例を示す正面図である。 本開示の実施例とその試験結果とを示す表である。
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。
図１は、本開示の一実施形態の電池モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。図２は、図１に示される電池モジュールの正面図である。この電池モジュール１は、例えば、車両に搭載される。なお、電池モジュール１の車両への搭載姿勢は問われない。
図１及び図２に示されるように、電池モジュール１は、一対の二次電池１０と、スペーサ２０と、を備えている。なお、二次電池１０及びスペーサ２０の数は、特に限定されない。
一対の二次電池１０は、互いに対向するように配置されている。各二次電池１０は、非水系二次電池（リチウムイオン電池等）である。各二次電池１０は、複数の電極１２（図２を参照）と、ケース１４と、一対の外部端子１６と、を有している。
各電極１２は、矩形状に形成されている。複数の電極１２は、互いに対向している。各電極１２のアスペクト比は、１０以下に設定されている。各電極１２のアスペクト比は、１．５以上１０以下に設定されることが好ましい。
ケース１４は、複数の電極１２を収容している。このケース１４内に電解液が充填されている。ケース１４は、直方体形状に形成されている。ケース１４は、扁平に形成されている。つまり、ケース１４は、相対的に大きな面積を有する２つの第１側面１４ａと、第１側面１４ａの面積よりも小さな面積を有する２つの第２側面１４ｂと、を有している。一対の二次電池１０は、各ケース１４の第１側面１４ａ同士が互いに対向するように配置されている。各第１側面１４ａは、平坦に形成されている。各ケース１４が並ぶ並び方向（図２における左右方向）に各電極１２が積層されている。
各外部端子１６は、ケース１４の外側面（本実施形態では上面）から突出している。一対の外部端子１６の一方は、正極端子であり、他方は、負極端子である。
スペーサ２０は、一対の二次電池１０間に配置されている。スペーサ２０は、弾性体からなる。本実施形態では、スペーサ２０は、平板状に形成されている。
上記に説明したような電池モジュール１において、各二次電池１０の膨張が完全に規制されるように各二次電池１０の並び方向（図２における左右方向）の両側から電池モジュール１が拘束されると、二次電池１０のケース１４から電解液が排出される懸念があり、一方、各二次電池１０の膨張が全く制限されない場合、充放電の繰り返しに起因して電極１２間の距離が大きくなり、二次電池１０の容量が低下する懸念がある。本発明者らは、この課題は、充電したときにおける二次電池１０のケース１４の並び方向への膨化率を０．１％以上１０％以下の範囲に収めることによって解決可能であることを見出した。なお、膨化率は、充電前の並び方向におけるケース１４の寸法に対する、充電後の並び方向におけるケース１４の寸法から充電前の並び方向におけるケース１４の寸法を引いた値の割合を意味する。
本実施形態では、充電時における並び方向への各ケース１４の膨化率を０．１％以上１０％以下の範囲に収めるという観点から、スペーサ２０のバネ定数は、０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下に設定されている。「バネ定数」は、スペーサ２０をその厚み方向に１ｍｍ変位させるのに必要な単位面積当たりの力を意味する。
また、スペーサ２０は、以下の式（１）及び式（２）の双方を満たす材料からなる。
０．０３ＭＰａ／ｍｍ＜γ１ ・・・（１）
５．４ＭＰａ／ｍｍ＞γ２ ・・・（２）
γ１及びγ２は、以下のとおりである。
γ１＝（α２－α１）／ｄ（０．００２－０．００１）
γ２＝（β２－β１）／ｄ（０．１０１－０．１）
ｄ：並び方向におけるケース１４の厚み
Ｄ：一対の二次電池１０間の距離
α１：スペーサ２０の厚みがＤ－０．００１ｄとなるまで一対の二次電池１０が圧縮されたときのスペーサ２０の面圧
α２：スペーサ２０の厚みがＤ－０．００２ｄとなるまで一対の二次電池１０が圧縮されたときのスペーサ２０の面圧
β１：スペーサ２０の厚みがＤ－０．１ｄとなるまで一対の二次電池１０が圧縮されたときのスペーサ２０の面圧
β２：スペーサ２０の厚みがＤ－０．１０１ｄとなるまで一対の二次電池１０が圧縮されたときのスペーサ２０の面圧
以上に説明した電池モジュール１では、電極１２のアスペクト比が１０以下であることにより、並び方向におけるケース１４による各電極１２の拘束力が適切に確保されるため、電極間距離の増大が抑制され、スペーサ２０のバネ定数が０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下であることにより、並び方向における各ケース１４の膨化率が０．１％以上１０％以下の範囲に収まる。このため、充放電の繰り返しに起因する各二次電池１０の容量の低下の抑制と、各二次電池１０のケース１４からの電解液の排出の抑制と、が有効に両立される。
なお、上記実施形態において、図３に示されるように、スペーサ２０は、平板状に形成された基部２２と、並び方向（図３の左右方向）における基部２２の両側面に設けられた複数の突出部２４と、を有していてもよい。複数の突出部２４は、ケース１４の高さ方向（図３の上下方向）に互いに離間するように配置されている。この場合において、複数の突出部２４とケース１４の第１側面１４ａとの接触面積は、第１側面１４ａに対する基部２２の投影面積の１０％～８０％程度に設定されることが好ましい。
また、図４に示されるように、スペーサ２０は、ラミネートフィルム２６と、ラミネートフィルム２６内に封入された液体２８と、を有していてもよい。
次に、図５を参照しながら、上記実施形態の実施例及び比較例とその試験結果について説明する。この試験結果は、以下の充電条件及び放電条件が５００サイクル繰り返されたときの結果である。
充電条件：４．２５Ｖ、０．５Ｃ＿ＣＣＣＶ，０．１Ｃカット
放電条件：２．８Ｖ，０．５Ｃ
図５に示されるように、実施例１～実施例１７は、電極１２のアスペクト比が１０以下で、かつ、スペーサ２０のバネ定数が０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下である。この実施例１～実施例１７では、ケース１４の膨化率が０．１％以上１０％以下の範囲に収まることが確認された。
また、実施例１～実施例１７では、抵抗上昇率が１００％以下となることが確認された。なお、表における抵抗上昇率の判定欄には、抵抗上昇率が１００％以下の場合「○」、１００％よりも大きい場合「△」が示されている。
さらに、実施例１～１７では、サイクル維持率が１００％以上となることが確認された。なお、表におけるサイクル維持率の判定欄には、サイクル維持率が１００％以上の場合「○」、１００％未満９８％以上の場合「△」、９８％未満の場合「×」が示されている。
一方、各比較例は、電極１２のアスペクト比が１０以下であること、及び、スペーサ２０のバネ定数が０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下であることのいずれか一方を満足していない。これら比較例では、ケース１４の膨化率が０．１％以上１０％以下の範囲に収まらない例が多く見られた。
具体的に、比較例１、比較例２、比較例５～比較例７では、スペーサ２０のバネ定数が０．０３ＭＰａ／ｍｍ未満であることに起因してケース１４の膨化率が１０％以上となり、これにより、サイクル維持率が１００％未満となった。
また、比較例３及び比較例４では、スペーサ２０のバネ定数が５．４ＭＰａ／ｍｍよりも大きいことに起因してケース１４の膨化率が０．１％未満となり、これにより、抵抗上昇率が１００％よりも大きくなった。
また、比較例８及び比較例９では、スペーサ２０のバネ定数は０．０３ＭＰａ／ｍｍであり、ケース１４の膨化率は１０％となったものの、電極１２のアスペクト比が１０よりも大きいこと（二次電池１０の幅が大きすぎること）に起因して電極１２を拘束する力が低下し、電極間距離が大きくなることによってサイクル維持率が１００％未満となった。
上述した例示的な実施形態及び実施例は、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、互いに隣接するように配置された一対の二次電池と、前記一対の二次電池間に配置されたスペーサと、を備え、前記一対の二次電池の各二次電池は、それぞれが矩形状に形成されており、互いに対向するように配置された複数の電極と、直方体形状に形成されており、前記複数の電極を収容するケースと、前記ケース内に充填された電解液と、を含み、前記スペーサは、弾性体からなり、前記電極のアスペクト比は、１０以下であり、かつ、前記スペーサのバネ定数は、０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下である。
この電池モジュールでは、電極のアスペクト比が１０以下であることにより、並び方向におけるケースによる各電極の拘束力が適切に確保されるため、電極間距離の増大が抑制され、スペーサのバネ定数が０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下であることにより、並び方向における各ケースの膨化率が０．１％以上１０％以下の範囲に収まる。このため、充放電の繰り返しに起因する各二次電池の容量の低下の抑制と、各二次電池のケースからの電解液の排出の抑制と、が有効に両立される。
また、前記電極のアスペクト比は、１．５以上であることが好ましい。
また、前記一対の二次電池が並ぶ並び方向における前記ケースの厚みをｄとし、前記一対の二次電池間の距離をＤとし、前記スペーサの厚みがＤ－０．００１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をα１とし、前記スペーサの厚みがＤ－０．００２ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をα２とし、（α２－α１）／ｄ（０．００２－０．００１）＝γ１とし、前記スペーサの厚みがＤ－０．１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をβ１とし、前記スペーサの厚みがＤ－０．１０１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をβ２とし、（β２－β１）／ｄ（０．１０１－０．１）＝γ２としたとき、前記スペーサは、０．０３ＭＰａ／ｍｍ＜γ１を満たし、かつ、５．４ＭＰａ／ｍｍ＞γ２を満たす材料からなることが好ましい。
なお、今回開示された実施形態及び実施例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、上記した実施形態及び実施例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 二次電池、１２ 電極、１４ ケース、１６ 外部端子、２０ スペーサ。

Claims (2)

  1. 互いに隣接するように配置された一対の二次電池と、
    前記一対の二次電池間に配置されたスペーサと、を備え、
    前記一対の二次電池の各二次電池は、
    それぞれが矩形状に形成されており、互いに対向するように配置された複数の電極と、 直方体形状に形成されており、前記複数の電極を収容するケースと、
    前記ケース内に充填された電解液と、を含み、
    前記スペーサは、弾性体からなり、
    前記電極のアスペクト比は、１０以下であり、かつ、前記スペーサのバネ定数は、０．０３ＭＰａ／ｍｍ以上５．４ＭＰａ／ｍｍ以下であり、
    前記一対の二次電池が並ぶ並び方向における前記ケースの厚みをｄとし、
    前記一対の二次電池間の距離をＤとし、
    前記スペーサの厚みがＤ－０．００１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をα１とし、
    前記スペーサの厚みがＤ－０．００２ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をα２とし、
    （α２－α１）／ｄ（０．００２－０．００１）＝γ１とし、
    前記スペーサの厚みがＤ－０．１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をβ１とし、
    前記スペーサの厚みがＤ－０．１０１ｄとなるまで前記一対の二次電池が圧縮されたときの前記スペーサの面圧をβ２とし、
    （β２－β１）／ｄ（０．１０１－０．１）＝γ２としたとき、
    前記スペーサは、０．０３ＭＰａ／ｍｍ＜γ１を満たし、かつ、５．４ＭＰａ／ｍｍ＞γ２を満たす材料からなり、
    互いに隣接する一対の前記二次電池の並び方向における前記ケースの膨張化率は、０．１％以上１０％以下であり、
    充電条件が４．２５Ｖ、０．５Ｃ＿ＣＣＣＶ，０．１Ｃカット、かつ、放電条件が２．８Ｖ，０．５Ｃのサイクルが５００サイクル繰り返されたときの抵抗上昇率は、９８．０％以上１００．０％以下である、電池モジュール。
  2. 前記電極のアスペクト比は、１．５以上である、請求項１に記載の電池モジュール。
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