JP7481318B2 - 電池モジュールおよびセパレータ部材 - Google Patents

Description

本技術は、電池モジュールおよびセパレータ部材に関する。

複数の電池セルを積層した電池モジュールが従来から知られている。複数の電池セルの間に設けられるセパレータ部材には、隣接する電池セルの間の電気的絶縁性を確保するとともに、電池セルが膨張したときには、その膨張を吸収する機能が求められる。

特開２０１５－２０７５５３号公報 特開２０１５－２２５７００号公報 特開２０１６－０９１８７１号公報 特開２０１４－０７２０５５号公報 特開２０１９－１２８９９１号公報 特開２０１７－２１２１２０号公報 特開２０２０－０５７５９７号公報 特開２００９－１８７７８１号公報 特開２００７－１６５６９８号公報 特開２０１３－１９１４２２号公報 特開２０１７－１８３０７１号公報

高出力の電池セルにおいては、膨化力が大きくなる傾向にある。隣接する電池セル間の電気的絶縁性を安定して確保しながら大きな膨化力を吸収するという観点から、従来のセパレータ部材は依然として十分な構造を備えていない。

本技術の目的は、隣接する電池セル間の電気的絶縁性を安定して確保しながら大きな膨化力を吸収することが可能な電池モジュールおよびセパレータ部材を提供することにある。

本技術に係る電池モジュールは、第１の方向に沿って配列された複数の電池セルと、複数の電池セルの間に設けられた絶縁性のセパレータ部材とを備える。

セパレータ部材は、板状部を含む第１部分と、第１部分の板状部から複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを含む。

１つの局面において、第２部分が相対的に密に形成された第１領域と、第２部分が相対的に粗に形成された第２領域とがセパレータ部材上に形成される。

他の局面において、第２部分の第１の方向に沿う高さが相対的に大きく形成された第１領域と、第２部分の第１の方向に沿う高さが相対的に小さく形成された第２領域とがセパレータ部材上に形成される。

本技術に係るセパレータ部材は、第１の方向に沿って配列された複数の電池セルの間に設けられる絶縁性のセパレータ部材であって、板状部を含む第１部分と、第１部分の板状部から複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを備える。

１つの局面において、セパレータ部材は、第２部分が相対的に密に形成された第１領域と、第２部分が相対的に粗に形成された第２領域とを有する。

他の局面において、セパレータ部材は、第２部分の第１の方向に沿う高さが相対的に大きく形成された第１領域と、第２部分の第１の方向に沿う高さが相対的に小さく形成された第２領域とを有する。

本技術によれば、セパレータ部材の第２部分の変形を制御することにより、セパレータ部材本来の役割である電池セル間の絶縁性を確保しながら、電池セルの膨化力を吸収することができる。

実施の形態１に係る電池モジュールの斜視図である。 図１に示す電池モジュールに含まれるセパレータ部材を示す斜視図である。 セパレータ部材における突起の配置の一例を示す図である。 第１領域における突起の配置の一例を示す図である。 図４に示す突起が圧縮されて変形した状態を示す図である。 第１領域における突起の変形を説明するための図である。 実施の形態２に係る電池モジュールの分解斜視図である。 セパレータ部材における突起の配置の一例を示す図である。 セパレータ部材における突起の配置の変形例を示す図（その１）である。 セパレータ部材における突起の配置の変形例を示す図（その２）である。 セパレータ部材における突起の形状の変形例を示す図（その１）である。 セパレータ部材における突起の形状の変形例を示す図（その２）である。 セパレータ部材における突起の形状の変形例を示す図（その３）である。 図１３に示すセパレータ部材の断面図である。 セパレータ部材における突起の形状の変形例を示す図（その４）である。 図１５に示すセパレータ部材の断面図である。 実施の形態３に係る電池モジュールのセパレータ部材を示す斜視図である。 図１７に示すセパレータ部材の断面図である。

以下に、本技術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、本技術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、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電池モジュール１の斜視図である。図１に示すように、電池モジュール１は、電池セル１００と、セパレータ部材２００とを含む。

電池セル１００は、角形の電池セルであって、Ｙ軸方向（第１の方向）に沿って複数設けられる。複数の電池セル１００は、図示しないバスバーを介して互いに電気的に接続される。

セパレータ部材２００は、複数の電池セル１００の間に設けられる。セパレータ部材２００は、隣接する電池セル１００の意図しない電気的導通を防止する。セパレータ部材２００は、隣接する電池セル１００の電気的絶縁性を確保する。

図２は、セパレータ部材２００を示す斜視図である。図２に示すように、セパレータ部材２００は、ベース２１０（第１部分）と、突起２２０（第２部分）とを含む。

ベース２１０は、突起２２０よりも硬質の素材により構成され得る。ベース２１０は、セパレータ部材２００のフレーム部分を構成し得る。ベース２１０は、たとえば硬質樹脂、金属などにより構成することができる。

電池セル１００は、電極体を収容するケース本体１１０と、溶接部においてケース本体１１０に溶接接合される封口板１２０とを各々含む。ベース２１０は、溶接部に相当する部分（溶接部およびその近傍）において電池セル１００に当接する当接部分２１１を含む。

突起２２０は、ベース２１０の板状部からＹ軸方向に沿って突出する。突起２２０は、ベース２１０よりも軟質の素材によって構成され得る。突起２２０は、セパレータ部材２００の変形吸収部（電池セル１００の膨化力吸収部）を構成し得る。突起２２０は、たとえば軟質樹脂、ゴム、ウレタン、シリコンなどの絶縁性の素材により構成することができる。突起２２０は、弾性変形により電池セル１００の膨化力を吸収し得る。

図３は、突起２２０の配置の一例を示す図である。図３に示すように、ベース２１０は、Ｘ軸方向（第２の方向）が長辺、Ｚ軸方向（第３の方向）が短辺となる略矩形形状を有する。ベース２１０の板状部上において、突起２２０が相対的に密に形成された第１領域１０と、突起２２０が相対的に粗に形成された第２領域２０とが形成されている。第１領域１０は、ベース２１０の板状部の外周側に位置し、第２領域２０は、ベース２１０の板状部の中央側に位置する。

図４は、第１領域１０における突起２２０の配置の一例を示す図である。図５は、図４に示す突起２２０が圧縮されて変形した状態を示す図である。図６は、第１領域１０における突起２２０の変形を説明するための図である。

図４は、電池セル１００が膨張していない状態を示す。図４に示す状態から、電池セル１００が膨張すると、突起２２０が圧縮され、その断面が拡大するように変形する。その結果、図５に示すように、突起２２０の外周面が互いに当接する。突起２２０の外周面が互いに当接すると、突起２２０のそれ以上の圧縮変形が抑制される。図６（ａ）は図４の状態に対応し、図６（ｂ）は図５の状態に対応する。

このように、ベース２１０の外周部分に位置する第１領域１０においては、電池セル１００が膨張したとき、突起２２０の圧縮変形量が一定値以上に達すると、隣接する突起２２０の外周面が互いに当接し、それ以上の突起２２０の圧縮変形が抑制される。この結果、第１領域１０においては、それ以上の電池セル１００の膨張が抑制され、隣接する電池セル１００間の所定の距離を確保することが可能である。

他方、ベース２１０の中央部分に位置する第２領域２０においては、突起２２０が相対的に粗に形成されているため、突起２２０が圧縮変形しても、隣接する突起２２０の外周面どうしが当接するという事象は生じない、または、第１領域１０よりも生じにくい状況にある。したがって、第２領域２０における突起２２０は、第１領域１０における突起よりも大きな膨張を吸収することが可能である。

電池モジュール１における電池セル１００のＹ軸方向の膨張は、ケース本体１１０の中央部においてより大きく生じやすい。本実施の形態に係るセパレータ部材２００においては、外周部分に位置する第１領域１０においては突起２２０の圧縮変形量を小さく、中央部分に位置する第２領域２０においては突起２２０の圧縮変形量を大きくするように制御することができるので、セパレータ部材２００の本来の役割である電池セル１００間の絶縁性を確保しながら、電池セル１００の膨化力を吸収することができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る電池モジュール１の分解斜視図である。図７に示すように、本実施の形態に係る電池モジュール１は、実施の形態１と同様に、電池セル１００と、セパレータ部材２００とを備える。

図８は、セパレータ部材２００における突起２２０の配置の一例を示す図であり、図９，図１０は、その変形例を示す図である。

図８～図１０に示すように、本実施の形態においても、ベース２１０の板状部上において、突起２２０が相対的に密に形成された第１領域１０と、突起２２０が相対的に粗に形成された第２領域２０とが形成されている。第１領域１０は、ベース２１０の板状部の外周側に位置し、第２領域２０は、ベース２１０の板状部の中央側に位置する。

図１１，図１２は、突起の形状の変形例を示す図である。図８～図１０に示す突起２２０が円形の断面形状を有するのに対し、図１１の変形例において、突起２２０は四角形形状を有する。突起２２０は、たとえば八角形形状など、他の多角形形状を有してもよい。また、突起２２０は、円形形状と多角形形状とを組み合わせた断面形状を有してもよい。

図１２の変形例においては、複数の突起２２０の大きさが互いに異なる。具体的には、ベース２１０の外周部分において突起２２０の断面が相対的に大きく、ベース２１０の中央部分において突起２２０の断面が相対的に小さく形成される。

突起の断面形状には特に制限はなく、楕円形状、直線と曲線とを組み合わせた輪郭の形状であってもよい。突起の配置についても、上述の例に限定されるものではなく、その他の格子配置、千鳥配置とすることもあり得る。

図１３～図１６は、突起２２０の形状のさらなる変形例を示す図である。なお、図１４は、図１３に示すセパレータ部材２００の断面図であり、図１６は、図１５に示すセパレータ部材２００の断面図である。

図１３～図１６に示す変形例は、突起２２０の断面形状がＹ軸方向沿って変化する断面形状を有することを特徴とする。図１３，図１４の例では、突起２２０の先端に向かって突起２２０の径が縮小するテーパ形状を有し、図１５，図１６の例では、突起２２０の根元から先端に向かって突起２２０の径が増大した後、さらに先端に向かって縮小する樽形状を有する。

さらに、１つのベース２１０上において、複数の突起２２０が互いに異なる形状を有していてもよい。また、Ｙ軸方向に配列される複数のセパレータ部材２００において、突起２２０の配置および形状が互いに異なるものであってもよい。

本実施の形態に係るセパレータ部材２００においても、ベース２１０の外周部分に位置する第１領域１０においては、圧縮変形時に突起２２０どうしを積極的に当接させ、ベース２１０の中央部分に位置する第２領域２０においては、圧縮変形時にも突起２２０どうしを当接させにくくすることで、第１領域１０においては突起２２０の圧縮変形量を小さく、第２領域２０においては突起２２０の圧縮変形量を大きくするように制御することができるので、セパレータ部材２００の本来の役割である電池セル１００間の絶縁性を確保しながら、電池セル１００の膨化力を吸収することができる。

（実施の形態３）
図１７は、実施の形態３に係るセパレータ部材２００を示す斜視図である。図１８は、図１７に示すセパレータ部材２００の断面図である。図１７に示すように、本実施の形態に係るセパレータ部材２００も、実施の形態１，２と同様に、ベース２１０と、突起２２０とを含む。

本実施の形態に係るセパレータ部材２００は、第１領域１０において突起２２０のＹ軸方向に沿う高さが相対的に大きく形成され、第２領域２０において突起２２０のＹ軸方向に沿う高さが相対的に小さく形成されることを特徴する。

図１７，図１８の例では、突起２２０の断面形状はＹ軸方向に沿って一定であるが、突起２２０の断面形状はＹ軸方向に沿って変化してもよい。

本実施の形態に係るセパレータ部材２００においては、突起２２０の高さを調整することにより、第１領域１０においては電池セル１００の膨張を抑制し、第２領域２０においては電池セル１００の比較的大きな膨張を吸収することができるので、セパレータ部材２００の本来の役割である電池セル１００間の絶縁性を確保しながら、電池セル１００の膨化力を吸収することができる。

なお、実施の形態１，２の特徴部分（突起２２０の配置、形状）と、実施の形態３の特徴部分（突起２２０の高さ）とを組み合わせて用いてもよい。

突起２２０の径に差を設ける場合、最大径と最小径との比は、たとえば約２倍程度である。突起２２０の高さに差を設ける場合、最大高さと最小高さとの比は、たとえば約２倍程度である。突起２２０の間隔に差を設ける場合、最大間隔と最小間隔との比は、たとえば約１．５倍程度である。突起２２０どうしを積極的に当接させて剛性を増加させたい第１領域１０においては、たとえば図８（千鳥配置）に示す第１領域１０（二点鎖線）の正方形の一辺の長さは、各々の突起２２０の半径の３倍以下程度であり、図９（格子配置）に示す第１領域１０（二点鎖線）の正方形の一辺の長さは、各々の突起２２０の半径の２．２５倍以下程度である。また、互いに当接する突起２２０の外周面に摩擦力を増大させるスパイク部を設けてもよい。

以上、本技術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。本技術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 電池モジュール、１０ 第１領域、２０ 第２領域、１００ 電池セル、１１０ ケース本体、１２０ 封口板、２００ セパレータ部材、２１０ ベース、２１１ 当接部分、２２０ 突起。

Claims (9)

1. 第１の方向に沿って配列された複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルの間に設けられた絶縁性のセパレータ部材とを備え、
   前記セパレータ部材は、
   板状部を含む第１部分と、
   前記第１部分の前記板状部から前記複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により前記複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを含み、
   前記第２部分が相対的に密に形成された第１領域と、前記第２部分が相対的に粗に形成された第２領域とが前記セパレータ部材上に形成され、
   前記電池セルの膨張に伴って前記第１領域に位置する複数の前記第２部分の外周面が互いに当接する、電池モジュール。
2. 第１の方向に沿って配列された複数の電池セルと、
   前記複数の電池セルの間に設けられた絶縁性のセパレータ部材とを備え、
   前記セパレータ部材は、
   板状部を含む第１部分と、
   前記第１部分の前記板状部から前記複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により前記複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを含み、
   前記第２部分の前記第１の方向に沿う高さが相対的に大きく形成された第１領域と、前記第２部分の前記第１の方向に沿う高さが相対的に小さく形成された第２領域とが前記セパレータ部材上に形成され、
   前記電池セルの膨張に伴って前記第１領域に位置する複数の前記第２部分の外周面が互いに当接する、電池モジュール。
3. 前記第１領域は、前記第１部分の前記板状部の外周側に位置し、前記第２領域は、前記第１部分の前記板状部の中央側に位置する、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記第２部分は、前記第１の方向に沿って一定の断面形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記第２部分は、前記第１の方向に沿って変化する断面形状を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 前記第２部分は、前記第１部分よりも軟質の素材により構成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
7. 前記複数の電池セルは、電極体を収容するケース本体と、溶接部において前記ケース本体に溶接接合される封口板とを各々含み、
   前記第１部分は、前記溶接部に相当する位置において前記電池セルに当接し、前記第２部分よりも硬質の当接部分を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
8. 第１の方向に沿って配列された複数の電池セルの間に設けられる絶縁性のセパレータ部材であって、
   板状部を含む第１部分と、
   前記第１部分の前記板状部から前記複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により前記複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを備え、
   前記第２部分が相対的に密に形成された第１領域と、前記第２部分が相対的に粗に形成された第２領域とを有し、
   前記電池セルの膨張に伴って前記第１領域に位置する複数の前記第２部分の外周面が互いに当接する、セパレータ部材。
9. 第１の方向に沿って配列された複数の電池セルの間に設けられる絶縁性のセパレータ部材であって、
   板状部を含む第１部分と、
   前記第１部分の前記板状部から前記複数の電池セルに向かって突出し、弾性変形により前記複数の電池セルの膨化力を吸収可能な第２部分とを備え、
   前記第２部分の前記第１の方向に沿う高さが相対的に大きく形成された第１領域と、前記第２部分の前記第１の方向に沿う高さが相対的に小さく形成された第２領域とを有し、
   前記電池セルの膨張に伴って前記第１領域に位置する複数の前記第２部分の外周面が互いに当接する、セパレータ部材。

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