JP7488244B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本技術は、電池モジュールに関する。

複数の電池セルを配列し、拘束部材により拘束した電池モジュールが従来から知られている。従来の電池モジュールの構造が、特許文献１ないし特許文献６に開示されている。

特許第６８９４３７９号公報 特開２０２０－０７７４９３号公報 国際公開第２０１９／１８７３１５号 特開２０１１－１７１０２９号公報 特開２０１９－１１４４７７号公報 国際公開第２０１５／１４５９２７号

電池モジュールを構成する複数の電池セルのうちの１つが熱暴走をおこしたとき、その伝播を抑制することが求められる。他方、コストの過度な増大は抑制しなければならない。従来の電池モジュールは、上記観点から必ずしも十分な構成を備えたものとはいえない。

本技術の目的は、高容量の電池モジュールにおいても、コストを過度に増大させることなく、熱暴走の伝播を抑制することが可能な電池モジュールを提供することにある。

１つの局面において、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板状の絶縁部材とを備える。絶縁部材は、熱膨張材料を含む熱膨張部を有する。

１つの局面において、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、複数の電池セルの第１の方向の両端に設けられた２つのエンドプレートと、２つのエンドプレートを第１の方向に拘束する拘束部材と、複数の電池セルと拘束部材との間に設けられた絶縁部材とを備える。絶縁部材は、熱膨張材料を含む熱膨張部を有する。

本技術によれば、電池セルの膨張圧力を絶縁部材で吸収するという従来の考え方とは逆に、電池セルの温度上昇時に絶縁部材が膨張することで、温度上昇した電池セルの熱が近傍の電池セルに伝播すること防ぐことができる。この結果、コストを過度に増大させることなく、熱暴走の伝播を抑制することが可能な電池モジュールを提供することができる。

電池モジュールの基本的構成を示す図である。 図１に示す電池モジュールにおける電池セルおよびエンドプレートを示す図である。 図１に示す電池モジュールにおける電池セルを示す図である。 １つの実施の形態に係る電池モジュールをＸ軸方向から見た状態を示す図である。 １つの実施の形態に係る電池モジュールをＺ軸方向から見た状態を示す図である。 電池セルとセパレータとの寸法関係を説明するための図である。

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。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。

図１は、電池モジュール１の基本的構成を示す図である。図２は、電池モジュール１に含まれる電池セル１００とエンドプレート２００とを示す図である。図３は、電池モジュール１における電池セル１００を示す図である。

図１，図２に示すように、電池モジュール１は、電池セル１００と、エンドプレート２００と、拘束部材３００と、冷却プレート４００を備える。

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向（第１の方向）に並ぶように設けられる。電池セル１００は、電極端子１１０を含む。複数の電池セル１００の間には、図示しないセパレータが介装されている。２つのエンドプレート２００に挟持された複数の電池セル１００は、エンドプレート２００によって押圧され、２つのエンドプレート２００の間で拘束されている。

エンドプレート２００は、Ｙ軸方向において電池モジュール１の両端に配置されている。エンドプレート２００は、電池モジュール１を収納するケースなどの基台に固定される。エンドプレート２００のＸ軸方向の両端には、段差部２１０が形成される。段差部２１０は、Ｚ軸方向に延びるように形成される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向は、互いに直交する。

エンドプレート２００は、たとえばアルミニウムまたは鋳鉄からなる。エンドプレート２００を構成する素材は、これらに限定されない。

拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに接続する。拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００に各々形成された段差部２１０に取り付けられる。

複数の電池セル１００およびエンドプレート２００の積層体に対してＹ軸方向の圧縮力を作用させた状態で拘束部材３００を段差部２１０に係合させ、その後に圧縮力を解放することにより、２つのエンドプレート２００を接続する拘束部材３００に引張力が働く。その反作用として、拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに近づける方向に押圧する。なお、エンドプレート２００および拘束部材３００の形状は、図１に示す例に限定されない。たとえば、段差部２１０が形成されないエンドプレート２００を設け、板状のエンドプレート２００に拘束部材３００を係合させ、Ｙ軸方向の両端方向からねじ留めして固定する場合もある。また、溶接によりエンドプレート２００と拘束部材３００とを接合する場合もある。

拘束部材３００は、たとえばアルミニウム、鉄またはステンレスからなる。拘束部材３００を構成する素材は、これらに限定されない。

冷却プレート４００は、複数の電池セル１００の底面上に設けられる。冷却プレート４００は、伝熱性に優れた金属などから構成される。一例として、冷却プレート４００は、アルミニウム製の押出材から形成される。冷却プレート４００により、電池セル１００からの放熱が促進される。冷却プレート４００の内部に流路を設け、流路内に冷却媒体を流して冷却性能をさらに高めてもよい。

図３に示すように、電池セル１００は、平坦面状の略直方体形状に形成されている。電極端子１１０は、正極端子１１１と、負極端子１１２とを含む。正極端子１１１と負極端子１１２とは、Ｘ軸方向（第２の方向）に並ぶ。

電極端子１１０は、角型の筐体１２０（ケース）の上面に設けられている。Ｚ軸方向（第３の方向）に沿って対向する筐体１２０の上面および底面は、Ｘ軸方向が長辺方向、Ｙ軸方向が短辺方向となるような略長方形形状を有する。筐体１２０には、電極体および電解液が収容されている。

筐体１２０の上面には、ガス排出弁１２１が設けられている。筐体１２０内の圧力が上昇したときは、ガス排出弁１２１が開弁して筐体１２０内のガスが排出される。

電池モジュール１を製造する際は、まず、複数の電池セル１００をＹ軸方向に沿って積層する。次に、積層された複数の電池セル１００の両端にエンドプレート２００が設けられる。そして、複数の電池セル１００およびエンドプレート２００が、拘束部材３００によってＹ軸方向に拘束される。冷却プレート４００は、複数の電池セル１００が拘束される前に組み付けられてもよいし、複数の電池セル１００が拘束された後に組み付けられてもよい。

図４は、電池モジュール１をＸ軸方向から見た状態を示す図である。図４に示すように、電池モジュール１は、Ｙ軸方向（第１の方向）に沿って配列された複数の電池セル１００の間に設けられたセパレータ５００（絶縁部材）と、電池セル１００と冷却プレート４００との間に設けられた伝熱ゲル６００（流動性素材）とを含む。

セパレータ５００は、熱膨張材料を含む熱膨張部を構成する。セパレータ５００は、たとえば積水化学（株）製のＦｉ－Ｂｌｏｃｋを板状部材としたものにより構成することができる。セパレータ５００を構成する板状部材は、押出成形または射出成形により形成することが可能である。

電池モジュール１において、１つの電池セル１００が熱暴走をおこしたとき、その熱がセパレータ５００を介して隣接する電池セル１００に伝播する（矢印Ａ）こと、および冷却プレート４００を介して隣接する電池セル１００に伝播する（矢印Ｂ）ことを抑制したいという要請がある。

従来の電池モジュールは、電池セル１００の膨張圧力を、電池セル１００間のセパレータ（絶縁部材）に吸収させるという考え方を採用していた。

本実施の形態に係る電池モジュール１においては、従来の考え方とは逆に、電池セル１００の温度上昇時にセパレータ５００を膨張させる。セパレータ５００が膨張することにより、温度が上昇した電池セル１００と隣接する電池セル１００との距離を拡大することができる。これにより、熱暴走をおこした電池セル１００の熱がセパレータ５００を介して隣接する電池セル１００に伝播する（矢印Ａ）ことを抑制できる。

さらに、セパレータ５００が膨張して電池セル１００に圧縮力を加えることにより、筐体１２０に設けられたガス排出弁１２１を開弁させ、筐体１２０の内圧を低下させることが可能となる。

筐体１２０の底面においては、膨張した電池セル１００と冷却プレート４００との間に位置する伝熱ゲル６００が、セパレータ５００の熱膨張により当該電池セル１００の下部から排除される。これにより、熱暴走をおこした電池セル１００の熱が冷却プレート４００を介して隣接する電池セル１００に伝播する（矢印Ｂ）ことを抑制できる。

図５は、電池モジュール１をＺ軸方向から見た状態を示す図である。図５に示すように、電池モジュール１は、Ｙ軸方向（第１の方向）に沿って配列された複数の電池セル１００と拘束部材３００との間に設けられたシート部材７００（絶縁部材）を含む。

シート部材７００は、熱膨張材料を含む熱膨張部を構成する。シート部材７００を構成する熱膨張部は、セパレータ５００を構成する熱膨張部と同じ素材により形成され得る。シート部材７００は、セパレータ５００と同様に、熱暴走をおこした電池セル１００に隣接する位置で膨張する。これにより、熱暴走をおこした電池セル１００の側面を覆い、筐体１２０が破れることを防ぐことができるので、電池セル１００の側面からセル内容物が飛び出す（矢印Ｃ）ことを抑制することができる。さらに、シート部材７００が膨張して電池セル１００に圧縮力を加えることにより、筐体１２０に設けられたガス排出弁１２１を開弁させ、意図しない方向からのガス噴出を抑制することができる。

セパレータ５００およびシート部材７００により、電池セル１００の４つの側面を取り囲むように熱膨張部を設けることができる。他方、電池セル１００の筐体１２０に形成されたガス排出弁１２１は、筐体１２０上における熱膨張部が形成された部分（筐体１２０の側面）を避けた位置（筐体１２０の上面）に形成される。

これにより、電池セル１００の４つの側面方向（４方向）から熱暴走をおこした電池セル１００に圧縮力を加え、筐体１２０に設けられたガス排出弁１２１の開弁を促し、意図しない方向からのガス噴出を抑制することができる。この結果、高容量の電池モジュール１においても、コストを過度に増大させることなく、熱暴走の伝播を抑制することができる。

セパレータ５００およびシート部材７００を構成する熱膨張部は、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ブチルゴムなどのベース素材に熱膨張性の高い無機材料、揮発性有機化合物を配合した樹脂により構成することができる。熱膨張部は、１５０℃以上２００℃以下程度の温度に達したときに膨張を開始する。熱膨張部の膨張倍率は、圧縮拘束のない状態で１０倍以上３０倍以下程度である。熱膨張部は、難燃性に構成される。

セパレータ５００およびシート部材７００を構成する熱膨張部において、膨張後の熱伝導率（たとえば０．２２Ｗ／ｍ・Ｋ程度）は、膨張前の熱伝導率（たとえば０．４６Ｗ／ｍ・Ｋ程度）よりも低い。すなわち、膨張後においては、厚み増による熱抵抗の増大に加えて、熱伝導率の低下による熱抵抗の増大の効果を得ることができる。

図６は、電池セル１００とセパレータ５００との寸法関係を説明するための図である。図６に示すように、セパレータ５００の幅（Ｂ１：たとえば１４４ｍｍ程度）は、電池セル１００の筐体１２０の幅（Ｂ：たとえば１４８ｍｍ程度）よりも若干小さく形成されている。セパレータ５００は、筐体１２０の幅方向（Ｘ軸方向）の両側に各々略同じ距離（Ｂ２）のマージンをもって配置される。マージン（Ｂ２）は、たとえば約２ｍｍ程度である。

セパレータ５００の高さ（Ｈ１：たとえば７５ｍｍ程度）は、電池セル１００の筐体１２０の高さ（Ｈ：たとえば９１ｍｍ程度）よりも小さく形成されている。セパレータ５００は、筐体１２０の高さ方向（Ｚ軸方向）の両側にマージンをもって配置される。底面側のマージン（Ｈ２）は、たとえば約２．５ｍｍ程度である。

ただし、セパレータ５００の幅（Ｂ１）ないし高さ（Ｈ１）は適宜変更される。セパレータ５００は、電池セル１００の筐体１２０と同じ幅（Ｂ）ないし高さ（Ｈ）を有してもよい。セパレータ５００の想定厚みは、たとえば０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下程度である。

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、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、１２１ ガス排出弁、２００ エンドプレート、２１０ 段差部、３００ 拘束部材、４００ 冷却プレート、５００ セパレータ、６００ 伝熱ゲル、７００ シート部材。

Claims (5)

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前記第１の方向の両端に設けられた２つのエンドプレートと、
   前記２つのエンドプレートを前記第１の方向に拘束する拘束部材と、
   少なくとも前記複数の電池セルの間、および前記複数の電池セルと前記拘束部材との間に設けられた絶縁部材とを備え、
   前記絶縁部材は、熱膨張材料を含む熱膨張部を有し、
   前記複数の電池セルは、互いに対向する上面および底面、ならびに４つの側面を含む角型の筐体を各々有し、
   前記熱膨張部は、前記４つの側面を取り囲むように設けられ、
   前記筐体の前記上面にガス排出弁が設けられ、
   前記筐体の前記底面上に金属製の冷却プレートが設けられ、
   前記複数の電池セルと前記冷却プレートとの間に伝熱性を有する流動性素材が設けられた、電池モジュール。
2. 前記熱膨張部が膨張することにより、温度上昇した電池セルに圧縮力を加えることが可能である、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記ガス排出弁は、前記筐体上における前記熱膨張部が形成された部分を避けた位置に形成される、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記熱膨張部は、１５０℃以上２００℃以下の温度に達したときに膨張を開始する、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. 前記熱膨張部の膨張倍率は、圧縮拘束のない状態で１０倍以上３０倍以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池モジュール。

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