JPWO2012060031A1

JPWO2012060031A1 - 電池モジュール

Info

Publication number: JPWO2012060031A1
Application number: JP2011549092A
Authority: JP
Inventors: 啓介清水; 智彦横山; 藤川　万郷; 万郷藤川; 安井　俊介; 俊介安井; 大輔岸井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: US9088031B2; CN102598397B; CN102598397A; WO2012060031A1; US20120231317A1; JP5520320B2

Abstract

複数の素電池１０を備えた電池モジュール１００において、素電池１０の近傍に、冷却剤が封止された冷却ユニット２０が配されており、冷却剤は、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなり、冷却ユニット２０は、素電池１０が異常発熱したとき、その一部が開封されて、冷却剤が放出される開封部２３を備えている。

Description

本発明は、電池モジュールに関し、特に冷却剤を備えた電池モジュールに関する。

近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、このような二次電池を車両等の電源として使用することが検討されている。

中でも、汎用的な電池を並列又は直列に接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを組み合わせて多種多様な用途に対応させるという技術が採用され始めている。この技術では、電池モジュールを構成する電池（以下、「素電池」と記す。）を高性能化させることにより、電池モジュールの小型化及び軽量化を図ることができる。よって、電池モジュールを組み合わせる際の作業性の向上、及び、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度の向上等のメリットを得ることができる。

素電池を互いに近接させて配置すれば、電池モジュールの高エネルギー密度化及び小型化を図ることができる。しかし、隣り合う素電池間の距離が短すぎると、何れかの素電池が内部短絡等により異常発熱したとき（以下、「異常発熱時」と記す。）、異常発熱した素電池の周囲に位置する素電池が高温な熱に曝され、連鎖的に異常発熱が拡大する恐れがある。

特許文献１には、素電池の近傍に冷却チューブを配して、異常発熱時に、冷却チューブの一部を溶融させて冷却剤を放出して、素電池を放熱する技術が記載されている。

米国特許第７４３３７９４号明細書

素電池が異常発熱したとき、素電池の温度は急激に上昇するため、周辺の素電池への熱拡散を防止するためには、異常発熱した素電池の温度を迅速に低下させる必要がある。特許文献１に記載された冷却方法は、異常発熱した素電池に冷却剤（液体）を放出して、その気化熱により素電池を冷却するもので、冷却効率が大きい点で優れている。

例えば、冷却剤に水を使用した場合、水の比熱容量が４．２Ｊ／ｇ・Ｋに対して、気化熱は約２２５０Ｊ／ｇと非常に高いため、水を直接素電池に触れさせて、水の気化熱を利用して素電池を冷却すれば、異常発熱した素電池の温度を迅速に低下させることが期待できる。

しかしながら、水は、その粘度（２０℃で、約１ｍＰａ・ｓ）が低いため、冷却チューブから放出された水を、異常発熱した素電池に接触させても、十分な量の水が気化する前に、素電池から流れ落ちてしまう。そのため、十分な冷却効果が得られない。一方、複数の素電池を水に浸せば、十分な冷却効果が得られるが、電池モジュール内に、気化しない余分な水を多く含むことになるため、電池モジュールの質量当たりのエネルギー密度を低下させてしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電池モジュールを構成する素電池が異常発熱した際に、異常発熱した素電池の温度を迅速に低下させることのできる、冷却効率の高い電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電池モジュールは、異常発熱した素電池に放出する冷却剤の粘度を、冷却剤が素電池に接触している時間が長く、気化する冷却剤の量が多くなるような範囲に規定するものである。

すなわち、本発明に係る電池モジュールは、複数の素電池を備えた電池モジュールであって、素電池の近傍に、冷却剤が封止された冷却ユニットが配されており、冷却剤は、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなる。そして、冷却ユニットは、素電池が異常発熱したとき、その一部が開封されて、冷却剤が放出される開封部を備えている。好適には、所定の粘度範囲に調整された液体は、増粘剤が添加された水からなる。

本発明によれば、電池モジュールを構成する素電池が異常発熱した際、冷却剤が封止された冷却ユニットの一部が開封されて、所定の粘度範囲に調整された冷却剤が、異常発熱した素電池に放出されることによって、十分な量の冷却剤による気化熱で、異常発熱した素電池の温度を迅速に低下させることができる。これにより、質量当たりのエネルギー密度が高く、安全性に優れた電池モジュールを実現することができる。

冷却剤の粘度の違いによる冷却効果の差を検証するための試験方法を示した図である。本発明における冷却ユニットの構成を模式的に示した側面図である。本発明の一実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した平面図である。図３のＡ−Ａに沿った断面図である。異常発熱した素電池から離れた地点における温度を示したグラフである。本発明の他の実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した平面図である。本発明の他の実施形態における電池モジュールの構成を模式的に示した平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１は、冷却剤の粘度の違いによる冷却効果の差を検証するための試験方法を示した図である。

図１に示すように、１８６５０サイズ（直径１８ｍｍ×長さ６５ｍｍ）の円筒型リチウムイオン電池（容量が２．６Ａｈ）１０Ａ、１０Ｂを１ｍｍの間隔を空けて並べ、電池１０Ａ、１０Ｂの間に、冷却剤が封止された冷却ユニット２０を配置した。

図２は、冷却ユニット２０の構成を模式的に示した側面図である。図２に示すように、冷却ユニット２０は、ラミネートフィルム２１が折り返されて形成され、折り返しにより互いに重なり合った三側方の周縁が融着されて封止されている。そして、冷却剤として２ｇの水がラミネートフィルム２１内に封止されている。ラミネートフィルム２１の周縁において融着された封止部２２、２２、２３のうち、折返部と反対側に位置する封止部２３は、他の封止部２２、２２よりも溶着強度の弱い開封部となっている。そのため、異常発熱時には、冷却ユニット２０は、開封部２３において優先的に開封され、冷却剤が開封部２３から放出されるようになっている。

図１に示すように、ヒータＨで、素電池１０Ａの側面を加熱して、素電池１０Ａを熱暴走させると、素電池１０Ａが異常発熱して温度が上昇する。すると、素電池１０Ａの近傍に配された冷却ユニット２０の温度が上昇して、冷却ユニット２０の開封部２３が開封されて冷却剤が、異常発熱した素電池１０Ａに放出される。

ここで、冷却剤として、水２ｇに、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを、０．３〜５．０質量％の範囲で変えて添加し、粘度を、０．３〜４００Ｐａ・ｓの範囲に変えた冷却剤を用意した。そして、これらの冷却剤を、冷却ユニット２０に封止し、開封部２３から放出される冷却剤による冷却効果を調べた。具体的には、素電池１０Ａを熱暴走させて、冷却ユニット２０の開封部２３を開封して冷却剤を素電池１０Ａに放出させた後の素電池１０Ｂの最高到達温度を測定した。ここで、冷却剤の粘度は、ＢＨ型粘度計（東機産業（株）製）を用いて、ロータの径１５ｍｍ、ロータの回転数２回／min、測定温度２５℃の条件で測定した。また、素電池１０Ｂの温度は、Ｋ熱電対を用いて測定した。なお、熱暴走した素電池１０Ａの最高到達温度は、約５００℃であった。

表１に、その結果を示す。表１に示すように、冷却剤の粘度が０．３Ｐａ・ｓの場合、隣接する素電池１０Ｂの最高温度は１６８℃であったが、冷却剤の粘度を２Ｐａ・ｓ以上にすると、隣接する素電池１０Ｂの最高温度は約１００℃まで低下した。さらに、冷却剤の粘度を大きくすると、３５０Ｐａ・ｓを超えるあたりから、隣接する素電池１０Ｂの最高温度が徐々に上昇し始め、冷却剤の粘度が４００Ｐａ・ｓになると、再び、隣接する素電池１０Ｂの最高温度は１７０℃まで達した。なお、表１には示していないが、冷却剤として、増粘剤を添加しない純粋な水（粘度：１ｍＰａ・Ｓ（２０℃））を用いた場合には、隣接する素電池１０Ｂの最高温度は１７５℃まで達した。

例えば、リチウムイオン電池の場合、内部短絡が発生して、ジュール熱により素電池１０の温度が上昇して、電池温度が約１５０℃を超えると、電極と電解液との反応が発生して、異常発熱に至るおそれがある。従って、異常発熱した素電池から、周囲の素電池に連鎖的な異常発熱の拡大を防止するには、周辺の素電池の温度を約１５０℃以下に抑えることが有効である。

表１に示した結果から、冷却剤の粘度を２〜３５０Ｐａ・ｓの範囲に調整することによって、隣接する素電池１０Ｂの温度を１５０℃以下に抑えられることが分かる。すなわち、冷却剤の粘度を２〜３５０Ｐａ・ｓの範囲に調整することによって、異常発熱した素電池１０から、周囲の素電池１０に連鎖的な異常発熱の拡大を防止することができる。

これは、冷却剤の粘度を２〜３５０Ｐａ・ｓの範囲に調整することによって、冷却ユニット２０から放出された冷却剤が、異常発熱した素電池１０Ａに接触している時間が長くなり、その結果、気化する冷却剤の量が多くなって、十分な量の冷却剤による気化熱で素電池１０Ａが冷却されたためと考えられる。一方、冷却剤の粘度が３５０Ｐａ・ｓを超えると、再び、隣接する素電池１０Ｂの温度が１５０℃以上に上昇したのは、冷却剤が気化した後に、新たな冷却剤が素電池１０Ａに継続的に供給されず、却って、冷却効率が低下してしまったためと考えられる。

なお、上記冷却剤による冷却効果は、冷却剤の粘度を調整することによって得られるもので、冷却剤に用いる材料は特に制限されない。特に、水は、気化熱が大きく（約２２５０Ｊ／ｇ）、かつ、化学的にも安定しており、冷却効率を高める材料として好適である。また、水以外にも、例えば、シリコーンオイル、イオン液体等を冷却剤として用いることができる。

また、冷却剤の粘度の調整は、上記試験で用いたカルボキシメチルセルロースの他に、例えば、キサンタンガム、ゼラチン、アルギン酸等の増粘剤を、所定量、冷却剤に添加すればよい。

また、冷却ユニット２０の構成は特に制限されないが、好適には、図２に示したような冷却剤を封止したラミネートフィルムを用いることができる。

ラミネートフィルムは、例えば、融着層、基材、及び絶縁層の３層フィルムが好適に用いられる。ここで、融着層としては、厚み４０μｍ程度のポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）等を、基材としては、厚み５０μｍ程度のアルミニウムやステンレス等を、絶縁層としては、ナイロンやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等を、それぞれ用いることができる。

図２に示した冷却ユニット２０において、ラミネートフィルム２１の周縁において融着された封止部２２、２２、２３のうち、封止部（開封部）２３における融着層をポリエチレンで、他の封止部２３における融着層をポリプロピレンで構成すれば、ポリエチレンの融点（１２０〜１３０℃）は、ポリプロピレンの融点（１６０〜１８０℃）よりも低いため、異常発熱時に冷却ユニットの温度が上昇すると、冷却ユニット２０は、開封部２３が優先的に溶融されて、冷却剤が開封部２３から放出される。

このような構成の冷却ユニット２０は、素電池１０が異常発熱したとき、開封部が所定の温度に達したとき、自動的に開封されるため、余分な温度センサや、開封機構を必要としないため、簡単で、かつ小型の冷却ユニット２０を実現できる。

なお、開封部２３は、他の封止部２２、２２よりも溶着強度の弱い部位であればよく、このような構成は、封止部２２の融点を変えること以外に、例えば、開封部２３にける溶着圧力を、他の封止部２２、２２における溶着圧力よりも小さくしたり、開封部２３にける溶着幅を、他の封止部２２、２２における溶着幅よりも狭くしたり、あるいは、開封部２３にける溶着温度を、他の封止部２２、２２における溶着温度よりも低くする等の方法で形成することができる。

また、開封部２３を設ける位置は特に制限されないが、電池モジュール１００の使用状態において、開封部２３が素電池１０の重心位置よりも上側に位置していれば、開封部２３から放出される冷却剤は、異常発熱した素電池１０の上側部分にかかるため、冷却効率をより高めることが可能となる。

図３及び図４は、本発明の一実施形態における電池モジュール１００の構成を模式的に示した図で、図３は平面図で、図４は図３のＡ−Ａに沿った断面図である。

図３及び図４に示すように、本実施形態における電池モジュール１００は、複数の素電池１０が配列されてケース３０内に収容されている、素電池１０の近傍には、冷却剤が封止された冷却ユニット２０が配されており、冷却ユニット２０は、素電池１０が所定温度以上に上昇したとき、その一部が開封されて、冷却剤が放出される開封部（不図示）を備えている。ここで、冷却ユニット２０に収容された冷却剤は、増粘剤を添加することにより、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなる。

素電池１０は、例えば、円筒形のリチウムイオン二次電池を用いることができる。リチウムイオン二次電池は、正極板と負極板とがセパレータを介して捲回された電極群が、電解液とともに電池ケースに収容されている。電池ケースの開口部は、封口板で封口されており、封口板の突起部１１が正極端子、電池ケースの底部が負極端子となっている。また、複数の素電池１０は、ケース３０内において互いに直列接続又は並列接続されている。

また、冷却ユニット２０は、例えば、図２示したような構成を採用することができる。本実施形態では、冷却ユニット２０は、隣り合う素電池１０の間に配され、複数の素電池１０に対して、一体的に形成されている。

本実施形態において、電池モジュール１００を構成する素電池１０が内部短絡等で異常発熱したとき、異常発熱した素電池１０の近傍にある冷却ユニットは、異常発熱した素電池１０からの熱を受けて温度が上昇する。そして、素電池１０が異常発熱したとき、冷却ユニット２０の開封部が開封されて、所定の粘度範囲に調整された冷却剤が、異常発熱した素電池１０に放出される。例えば、開封部が、他の封止部よりも融点の低い融着層で溶着されている場合には、開封部の温度が融点以上に達した時点で、開封部が開封される。また、開封部が、他の封止部よりも溶着強度の弱い部位からなる場合には、冷却剤が加熱されて気化し、冷却ユニット２０内が所定の圧力以上になった時点で、開封部が開封される。

このように、素電池１０が異常発熱したとき、異常発熱した素電池１０の近傍にある冷却ユニット２０の開封部は開封されて、冷却剤が異常発熱した素電池１０に放出されると、冷却剤は、所定の粘度範囲に調整されているため、冷却剤は、長い時間、異常発熱した素電池１０に接触することができる。そのため、十分な量の冷却剤による気化熱で、異常発熱した素電池１０を冷却することができるため、異常発熱した素電池１０の温度を迅速に低下させることができる。これにより、異常発熱した素電池１０から、周辺の素電池１０に連鎖的に異常発熱が拡大するのを防止することができる。また、冷却剤の粘度を所定の範囲に調整することによって、冷却剤の冷却効率が高まるため、少ない量の冷却剤で、異常発熱した素電池１０の温度を低下させることができる。その結果、質量当たりのエネルギー密度が高く、安全性に優れた電池モジュール１００を実現することができる。

ここで、冷却ユニット２０は、素電池１０の近傍に配されるが、その距離は、異常発熱した素電池１０からの熱が、冷却ユニット２０に伝わって温度上昇することにより、冷却ユニット２０の開封部が開封される距離であればよい。

図５は、異常発熱した素電池１０の側面から、それぞれ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ離れた地点における温度を、空気層の熱伝導率（２０℃で、０．０２３４Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1）から計算で求めた値を示したグラフである。ここで、素電池１０の側面の温度を、それぞれ、３００℃、５００℃としたときの各地点での温度を求めた。

図５に示すように、素電池１０の側面から１ｍｍ離れた地点でも、素電池１０の側面の温度３００℃、５００℃に対して、それぞれ、２１０℃、３４５℃まで達している。このことから、冷却ユニット２０を、素電池１０から１ｍｍ程度の距離に配しても、異常発熱した素電池１０からの熱が、冷却ユニット２０に伝わって温度上昇することにより、冷却ユニット２０の開封部を開封することが可能である。

このように、冷却ユニット２０は、素電池１０の近傍に配されていればよいが、勿論、素電池１０の外面に接して配されていてもよい。この場合、少なくとも、冷却ユニット２０の開封部２３が、素電池１０の外面に接して配されていることが好ましい。

図６は、本発明の他の実施形態における電池モジュール１１０の構成を模式的に示した平面図で、図３に示した電池モジュール１００の構成とは、冷却ユニット２０の構成が異なる。

すなわち、図６に示すように、本実施形態における冷却ユニット２０は、素電池１０の外周に沿って配され、かつ、複数の素電池１０に対して、一体的に形成されている。例えば、円筒形の素電池１０の場合、素電池１０の側面の略半周に沿って、冷却ユニット２０が配される。

ここで、冷却ユニット２０は、素電池１０が所定温度以上に上昇したとき、その一部が開封されて、冷却剤が放出される開封部（不図示）を備えている。また、冷却ユニット２０に収容された冷却剤は、増粘剤を添加することにより、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなる。

本実施形態では、冷却ユニット２０が、素電池１０の外周に沿って配されているため、異常発熱した素電池１０に対向する冷却ユニット２０の面積が増え、冷却ユニット２０の開封部から放出される冷却剤が、素電池１０の外周に万遍なく供給される。その結果、異常発熱した素電池１０を、より効率的に冷却することができる。

図７は、本発明の他の実施形態における電池モジュール１２０の構成を模式的に示した平面図で、図３に示した電池モジュール１００の構成とは、冷却ユニット２０を配する位置が異なる。

すなわち、図７に示すように、本実施形態における冷却ユニット２０は、配列した各素電池１０に対して一方向側（図７では、素電池１０の上方）に配置される。この場合、全ての素電池１０に対して、１つの冷却ユニット２０を配すればよいため、電池モジュール１２０内における冷却ユニット２０の占める領域を縮小することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、電池モジュールを構成する素電池１０をリチウムイオン二次電池としたが、これ以外の二次電池（例えばニッケル水素電池）であってもよい。また、素電池１０は、円筒形電池だけでなく、角形電池やラミネート電池であってもよい。

また、上記実施形態では、冷却ユニット２０を、冷却剤を封止したラミネートフィルムで構成したが、例えば、冷却ユニット２０の温度を検出する温度センサを備え、冷却ユニット２０が所定温度以上になったことを検出して、冷却ユニット２０に設けられた開封部を強制的に開封する機構を備えた構成のものであってもよい。また、冷却剤には、不凍剤が添加されていてもよい。

本発明における電池モジュールは、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器の電源に、あるいは、電動工具、電気自動車等の駆動用電源等に好適に用いられる。

１０素電池
１１突起部
２０冷却ユニット
２１ラミネートフィルム
２２封止部
２３封止部（開封部）
３０ケース
１００電池モジュール

すなわち、本発明に係る電池モジュールは、複数の素電池を備えた電池モジュールであって、素電池の近傍に、冷却剤が封止された冷却ユニットが配されており、冷却剤は、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなる。そして、冷却ユニットは、冷却剤を封止したラミネートフィルムからなり、素電池が異常発熱したとき、その一部が開封されて、冷却剤が放出される開封部を備えている。好適には、所定の粘度範囲に調整された液体は、増粘剤が添加された水からなる。

Claims

複数の素電池を備えた電池モジュールであって、
前記素電池の近傍に、冷却剤が封止された冷却ユニットが配されており、
前記冷却剤は、粘度が２〜３５０Ｐａ・Ｓの範囲に調整された液体からなり、
前記冷却ユニットは、前記素電池が異常発熱したとき、その一部が開封されて、前記冷却剤が放出される開封部を備えている、電池モジュール。
前記液体は、増粘剤が添加された水からなる、請求項１に記載の電池モジュール。
前記冷却ユニットは、隣り合う前記素電池の間に配されている、請求項１に記載の電池モジュール。
前記冷却ユニットは、前記冷却剤を封止したラミネートフィルムからなる、請求項１に記載の電池モジュール。
前記ラミネートフィルムは、その周縁が融着された封止部を有し、
前記開封部は、前記封止部の一部であって、該封止部の他の部位よりも溶着強度の弱い部位からなる、請求項４に記載の電池モジュール。
前記ラミネートフィルムは、融点の異なる２種類の融着層を含み、前記開封部における融着層の融点は、他の封止部における融着層の融点よりも低い、請求項５に記載の電池モジュール。
前記冷却ユニットは、前記素電池の外周に沿って配されている、請求項１に記載の電池モジュール。
前記冷却ユニットは、前記複数の素電池に対して、一体的に形成されている、請求項１に記載の電池モジュール。
前記増粘剤は、カルボキシメチルセルロース、キサンタンガム、ゼラチン、アルギン酸からなる群から選ばれる少なくとも一種である、請求項２に記載の電池モジュール。
前記冷却剤は、不凍剤が添加されている、請求項１または２に記載の電池モジュール。
前記冷却ユニットは、前記開封部が前記素電池の外面に接して配されている、請求項１に記載の電池モジュール。