JPWO2017056407A1 - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

実施形態の一例である電池モジュール（１０）は、２枚のラミネートフィルム（２２ａ），（２２ｂ）によって構成され、発電要素を収容した収容部（２３）、及び収容部（２３）の周囲に形成された封止部（２７）を含む外装体（２１）を有する単電池（２０）と、封止部（２７）上に配置された枠状の基部（３１）、及び基部（３１）から収容部（２３）上に張り出し、収容部（２３）の互いに略垂直な側面部（２４）と主面部（２５）との間に形成された曲面部（２６）から離れた位置で主面部（２５）を押える張り出し部（３２）を有するホルダー（３０）とを備える。単電池（２０）は、ホルダー（３０）を介して複数積み重ねられている。

Description

本開示は、電池モジュールに関する。

従来、単電池がホルダーを介して複数積み重ねられた電池モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、所謂ラミネート型電池を複数積み重ねてなる電池モジュールであって、電池外装体の発電要素収容部の周囲に形成された封止部をホルダーで挟持して各電池を拘束した電池モジュールが開示されている。

特許第５３９０５８０号公報

ところで、特許文献１の電池モジュールのように、電池外装体の封止部のみで各単電池を挟持した場合、特に各単電池が積み重ねられた方向に対する耐振動性、耐衝撃性に劣るという問題がある。そこで、電池外装体の発電要素収容部を押えて各単電池を固定する方法も考えられるが、発電要素収容部は封止部に比べて剛性が低く、また充放電により体積が変化するため、収容部を安易に押えると外装体が破断するおそれがある。

本開示に係る電池モジュールは、２枚のラミネートフィルムによって構成された外装体であって、発電要素を収容した収容部、及び収容部の周囲に形成された封止部を含む外装体を有する単電池と、封止部上に配置された枠状の基部、及び基部から収容部上に張り出し、収容部の互いに略垂直な側面部と主面部との間に形成された曲面部から離れた位置で主面部を押える張り出し部を有するホルダーとを備え、単電池がホルダーを介して複数積み重ねられていることを特徴とする。

本開示に係る電池モジュールによれば、各単電池の外装体を損傷させることなく、各単電池が積み重ねられた状態を安定に維持できる。本開示に係る電池モジュールは、従来のモジュールに比べて、耐振動性、耐衝撃性に優れている。

図１は第１実施形態である電池モジュールの分解斜視図である。 図２は第１実施形態である電池モジュールの断面図である。 図３は図２中のＡ部拡大図である。 図４は第１実施形態の変形例を示す図である。 図５は第１実施形態の変形例を示す図である。 図６は第１実施形態の変形例を示す図である。 図７は第２実施形態である電池モジュールの断面図である。

以下、実施形態の一例について詳細に説明する。
実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。本明細書において「略＊＊」との記載は、略垂直を例に説明すると、完全に垂直はもとより実質的に垂直と認められる場合を含む意図である。

図１〜図３を参照しながら、第１実施形態である電池モジュール１０について以下詳細に説明する。図１は、電池モジュール１０の分解斜視図である。図２は電池モジュール１０の断面図、図３は図２中のＡ部拡大図である。以下では、単電池２０が積み重ねられる方向（積層方向）を「上下方向α」とする。また、ラミネートフィルム２２ａは、ラミネートフィルム２２ｂに対して「上」に配置されているものとする。さらに、方向を示す用語として「前後方向β」、「横方向γ」を用いる。

図１に示すように、電池モジュール１０は、複数の単電池２０と、複数のホルダー３０とを備える。単電池２０は、２枚のラミネートフィルム２２ａ，２２ｂによって構成された外装体２１を有する所謂ラミネート型電池である。単電池２０の好適な一例は、リチウムイオン電池であって、発電要素として電極体と非水電解質を有する。電極体は、正極及び負極がセパレータを介して交互に複数積層された積層型、正極及び負極がセパレータを介して巻回された巻回型のいずれであってもよい。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水電解質は、液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。電解質塩は、リチウム塩であることが好ましい。

電池モジュール１０は、単電池２０がホルダー３０を介して複数積み重ねられた電池積層体１１を備える。電池積層体１１は、例えば単電池２０とホルダー３０が交互に積層されてなる。ホルダー３０は、各単電池２０の間に介在して、複数の単電池２０が積み重ねられた状態（即ち、電池積層体１１の構造）を維持し、特に上下方向αに対する電池積層体１１の耐振動性、耐衝撃性を高める。電池モジュール１０は、電池積層体１１のみから構成されてもよいが、一般的には電池積層体１１を収容するモジュールケース１２を備える。

図１に示す例では、電池積層体１１を構成する各ホルダー３０同士が固定されておらず、例えばモジュールケース１２内に収容されることで前後方向β及び横方向γの動きが拘束される。また、各ホルダー３０は図示しない締結部材を用いて互いに固定されていてもよい。例えば、隣接配置される各ホルダー３０に互いに嵌合する連結部を設けてもよい。また、電池積層体１１の上下方向αの両側に配置され、当該積層体を挟んだ状態で互いに連結された一対のエンドプレートを設けてもよい。

モジュールケース１２は、底壁部１３と、底壁部１３上に立設した側壁部１４とを有し、ケース内には電池積層体１１を収容可能な空間が設けられている。モジュールケース１２には、側壁部１４の一部が外側に張り出した凸部１５が形成されている。凸部１５は、単電池２０から引き出された正極リード２８及び負極リード２９の収容空間を形成する。また、モジュールケース１２には、内部短絡等の異常発生時に単電池２０から放出されるガスを排出するための開口部１６が形成されている。図１に示す例では、前後方向βに並んで凸部１５と開口部１６が形成されている。なお、モジュールケース１２は図示しない蓋を有することが好ましい。

単電池２０は、上述の通り２枚のラミネートフィルム２２ａ，２２ｂによって構成された外装体２１を有する。ラミネートフィルム２２ａ，２２ｂには、金属層の両面に樹脂層が形成されたフィルムを用いることが好適であり、一方の樹脂層は熱圧着可能な樹脂で構成されていることが好ましい。金属層は、例えばアルミニウムの薄膜層であり、水分等の透過を防ぐ機能を有する。

外装体２１は、上述の発電要素を収容した収容部２３、及び収容部２３の周囲に形成された封止部２７を含む。本実施形態では、ラミネートフィルム２２ａがカップ形状に成形されており、当該フィルムに扁平な略直方体形状の収容部２３が形成されている。収容部２３は、例えば対向配置されるラミネートフィルム２２ｂと反対側に凸となるようにラミネートフィルム２２ａを絞り加工して形成される。ラミネートフィルム２２ｂは、略平坦であり、単電池２０の下面を形成している。封止部２７は、例えばラミネートフィルム２２ａ，２２ｂの周縁部同士を熱圧着して形成され、発電要素が収容される収容部２３の内部空間を密閉する。

収容部２３は、互いに略垂直な側面部２４と主面部２５を有する。本実施形態では、側面部２４が封止部２７に対して略垂直に形成され、上下方向αに沿っている。主面部２５は、側面部２４（上下方向α）に対して略垂直に形成され、単電池２０の上面を形成する。主面部２５は、単電池２０の下面を形成するラミネートフィルム２２ｂと略平行に配置され、前後方向βに長く延びた略長方形状をなす。

収容部２３には、側面部２４と主面部２５の間に曲面部２６が形成されている。曲面部２６は、収容部２３の外側に向かって湾曲しており、主面部２５の周りを囲むように設けられている。収容部２３は、上述のように絞り加工により形成されることが好適であり、曲面部２６は主面部２５に比べて強度が低くなっている。

単電池２０は、上述のように外装体２１から引き出された正極リード２８及び負極リード２９（以下、これらを総称して「極板リード」という）を有する。図１に示す例では、各極板リードが外装体２１の長手方向一端から引き出されている。各極板リードは、いずれも略平坦な板状体であって、封止部２７でラミネートフィルム２２ａ，２２ｂに接合され、封止部２７を通って各フィルムの間から外装体２１の外部に引き出されている。正極リード２８と負極リード２９は、それぞれ上下方向αに並んで配置されており、例えば図示しないバスバーを用いて直列に接続される。各極板リード及びバスバー等は、モジュールケース１２の凸部１５に収容される。

単電池２０を構成する正極は、例えば正極集電体と、当該集電体上に形成された正極合材層とで構成される。正極集電体には、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極リード２８は、正極集電体と電気的に接続されている。正極合材層は、正極活物質の他に、導電材及び結着材を含み、集電体の両面に形成されていることが好適である。正極活物質には、例えばリチウム含有複合酸化物が用いられる。好適な複合酸化物の一例としては、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ系のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。

単電池２０を構成する負極は、例えば負極集電体と、当該集電体上に形成された負極合材層とで構成される。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極リード２９は、負極集電体と電気的に接続されている。負極合材層は、負極活物質の他に、結着材を含むことが好適である。負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料であればよく、一般的には黒鉛が用いられる。

図１〜図３に示すように、ホルダー３０は、１つの単電池２０に１つの割合で設けられている。本実施形態では、４つの単電池２０と４つのホルダー３０とが交互に積み重ねられて電池積層体１１が構成されている。以下では、上から３番目に配置された単電池２０を「単電池２０Ａ」、上から４番目（最も下）に配置された単電池２０を「単電池２０Ｂ」として説明する（図２参照）。単電池２０Ｂを除く３つの単電池２０は、２つのホルダー３０によって上下から挟持されている。単電池２０Ｂは、モジュールケース１２の底壁部１３上に配置され、底壁部１３とホルダー３０によって挟持されている。ホルダー３０は、各単電池２０を安定に支持可能な機械的強度（剛性）を有する。ホルダー３０は、樹脂製、金属製のいずれであってもよい。

ホルダー３０は、外装体２１の封止部２７上に配置された基部３１を有する。基部３１は、収容部２３の周囲に形成された封止部２７上に沿って枠状に形成されている。本実施形態では、封止部２７上からはみ出すことなく、収容部２３の周りを囲んで環状に基部３１が設けられている。基部３１の上下方向長さは収容部２３の上下方向長さよりも長く、基部３１の上端は収容部２３の主面部２５よりも上方に突出している。そして、単電池２０Ｂを除く３つの単電池２０の封止部２７は、２つのホルダー３０の基部３１によって上下から挟持されている。

基部３１は、極板リードが引き出される側と反対側である単電池２０の長手方向他端側に、封止部２７に当接する部分が切除された切り欠き（図示せず）を有することが好ましい。基部３１に当該切り欠きを形成することで、封止部２７の一部が上下から挟持されなくなり、内部短絡等の異常発生時にその部分が破断してガスが放出される。

ホルダー３０は、基部３１から収容部２３上に張り出した張り出し部３２を有する。張り出し部３２は、収容部２３の曲面部２６から離れた位置で主面部２５を押えている。ホルダー３０が封止部２７に加えて収容部２３の主面部２５を押えることにより、上下方向αに対する単電池２０の拘束力が高まり、耐振動性、耐衝撃性が向上する。また、上述のように、曲面部２６は主面部２５よりも強度が低いため、張り出し部３２が曲面部２６に触れることなく主面部２５を押えることで、収容部２３の破断を防止することができる。

張り出し部３２は、基部３１の上端から基部３１の内側に張り出していることが好適である。即ち、ホルダー３０の上面は基部３１と張り出し部３２の間に段差がなく略平坦である。張り出し部３２は、曲面部２６との間に隙間を有し、曲面部２６から離れた位置で主面部２５側（下方）に突出している。本実施形態では、張り出し部３２が断面略Ｌ字状に形成されている。これにより、張り出し部３２は曲面部２６と接触することなく、主面部２５を押えることができる。なお、基部３１は収容部２３の側面部２４と接触しておらず、基部３１と側面部２４との間には隙間が形成されている。

張り出し部３２は、主面部２５の全域を覆うように基部３１の内側に張り出し、主面部２５の略全域に当接していてもよいが、好ましくは曲面部２６に隣接する主面部２５の縁部のみに当接する。なお、張り出し部３２は主面部２５と曲面部２６との境界位置である主面部２５の縁には当接していない。ここで、主面部２５の縁部とは、主面部２５の縁から主面部２５の幅（短辺方向長さ）の１０％程度までの範囲を意味する。

張り出し部３２は、少なくとも主面部２５の対向する２辺に沿った縁部を押えることが好ましい。本実施形態では、張り出し部３２が主面部２５の周縁部に当接して枠状に形成されている。即ち、張り出し部３２は基部３１の内縁に沿って環状に形成されている。単電池２０を安定に支持するためには、単電池２０の端部に近い部分を支持することが好適であるから、主面部２５の縁部を押えることで耐振動性、耐衝撃性が向上する。また、主面部２５の縁部のみを押えることで、隣接配置された２つの単電池２０の間に充放電に伴う収容部２３の体積増加を吸収可能な隙間３３を形成することができる。

単電池２０Ａの場合、封止部２７Ａは、その上に配置されたホルダー３０Ａの基部３１Ａと、単電池２０Ｂの封止部２７Ｂ上に配置されたホルダー３０Ｂの基部３１Ｂとによって上下から挟持されている。そして、収容部２３Ａの主面部２５Ａの周縁部がホルダー３０Ａの張り出し部３２Ａによって上から押えられると共に、単電池２０Ａの下面を形成するラミネートフィルム２２ｂＡがホルダー３０Ｂの張り出し部３２Ｂによって下から支持されている。また、ホルダー３０Ｂによって単電池２０Ａ，２０Ｂの間には、収容部２３Ｂの体積増加を吸収するための隙間３３が形成されている。

ホルダー３０Ｂの張り出し部３２Ｂにおいて、収容部２３Ｂの主面部２５Ｂに当接する部分の幅Ｗ₃₂（横方向長さ）は、例えば主面部２５Ｂの幅（横方向長さ）の３％〜２５％程度であってもよいが、好ましくは３％〜１０％である。張り出し部３２Ｂは、例えば主面部２５Ｂの縁から０．５ｍｍ〜５ｍｍ離れた位置よりも主面部２５Ｂの内側に当接する。張り出し部３２Ｂの上下方向長さＨ₃₂、即ち隙間３３の上下方向長さは、収容部２３Ｂが最も膨張したときに単電池２０Ａの下面に接触しない長さとされる。単電池２０Ａのラミネートフィルム２２ｂＡが下方に膨出する場合は、かかる膨出も考慮して長さＨ₃₂を設定する。なお、ここではホルダー３０Ｂを例に種々の寸法を説明したが、他のホルダー３０についても同様である。

上記構成を備えた電池モジュール１０によれば、ホルダー３０が収容部２３の曲面部２６に接触しない状態で主面部２５の縁部を押えるため、外装体２１を損傷させることなく、各単電池２０が積み重ねられた状態を安定に維持できる。電池モジュール１０は、封止部２７のみを挟持する従来の電池モジュールに比べて、特に上下方向αに対する耐振動性、耐衝撃性に優れている。

図４〜図６に、第１実施形態の変形例を示す。図６（Ａ）では、１つの単電池２０のみを図示しているが、この場合も、複数の単電池２０と複数のホルダー３０が交互に積み重ねられて電池モジュールが構成される。

図４に示す例では、張り出し部３２Ｂの主面部２５Ｂに当接する部分に、クッション性のある弾性部材３４が設けられている。弾性部材３４は、充放電により収容部２３Ｂの体積が増加したときに弾性変形し、かかる体積の増加を吸収する。好適な弾性部材３４としては、発泡体、ゴム部材等が例示できる。張り出し部３２Ｂの全体が弾性部材３４によって構成されていてもよいが、好ましくは張り出し部３２Ｂの単電池２０Ｂと当接する部分には剛性の高い支持部３５が設けられる。図４に示す例では、基部３１Ｂの上端から主面部２５Ｂとの間に隙間をあけて支持部３５が内側に張り出している。弾性部材３４は、支持部３５の下面に取り付けられ、収容部２３の曲面部２６から離れた位置で主面部２５を押えている。

図５に例示するホルダー３０Ｘでは、基部３１から収容部２３上に張り出した張り出し部３２Ｘが主面部２５の全域を覆っている。この場合、張り出し部３２Ｘは、曲面部２６から離れた主面部２５の略全域に当接していてもよいが、好ましくは曲面部２６に隣接する主面部２５の縁部のみに当接する。張り出し部３２Ｘは、主面部２５の周縁部に当接することが特に好ましい。図５に示す例では、張り出し部３２Ｘと主面部２５との間に隙間３３Ｘが形成されている。ホルダー３０Ｘは、その上に配置される単電池２０の下面に隙間なく接触している。

図６（Ａ）に例示するホルダー３０Ｙは、張り出し部３２Ｙと収容部２３の主面部２５との間に配置された金属板３６を有する。金属板３６は、主面部２５の略全域を覆い、曲面部２６から離れた位置で主面部２５を押えている。金属板３６は、例えばアルミニウムを含む金属から構成され、類焼を抑制するための隔壁として機能する。金属板３６は、例えば前後方向βに長い略長方形状を有し、金属板３６には下方に突出した突部３７が長辺方向に沿って形成されている。図６（Ａ）に示す例では、張り出し部３２Ｙが金属板３６を介して主面部２５を押えている。この場合、金属板３６の突部３７によって主面部２５の対向する２辺に沿った縁部が押さえられる。

図６（Ｂ）に例示するホルダー３０Ｚは、基部３１と張り出し部３２Ｚとが別体に構成され、張り出し部３２Ｚが金属板により構成されている。金属板は主面部２５の全域を覆うように基部３１上に設置され、単電池２０間に介在されるように積層される。ホルダー３０の基部３１と金属板は、封止部２７を挟んで積層される部分に、例えば、金属棒４２が貫通され、その金属棒４２の両端に形成されたネジ部にナット４３を締結して複数のホルダー３０Ｚ及び複数の単電池２０は積層した状態に固定される。そして、各金属板は主面部２５を押える突部４１を有しており、主面部２５は突部４１により曲面部２６から離れた位置で押えられる。

図７は、第２実施形態である電池モジュール５０を示す断面図である。
電池モジュール５０は、単電池６０の外装体６１を構成するラミネートフィルム６２ａ，６２ｂが互いに反対側に膨出して収容部６３が形成されている点で、ラミネートフィルム２２ａのみを絞り加工して収容部２３が形成された電池モジュール１０と異なる。収容部６３は、ラミネートフィルム６２ａ，６２ｂを絞り加工して形成され、ラミネートフィルム６２ａだけでなく、ラミネートフィルム６２ｂにも、即ち外装体６１の上下に、側面部６４、主面部６５、及び曲面部６６が形成される。側面部６４及び主面部６５は互いに略垂直であり、それらの間に外側に向かって湾曲した曲面部６６が形成されている。

図７に示す例では、３つの単電池６０がホルダー３０，７０によって保持されている。ホルダー３０，７０は、それぞれ２つずつ、合計４つ設けられている。２つのホルダー３０は、１つが一番上に配置された単電池６０の上に設けられ、もう１つが一番下に配置された単電池６０の下に設けられている。ホルダー７０は、２つの単電池６０の間に設けられ、ホルダー３０と同様に、封止部６７上に配置された枠状の基部７１と、基部７１の内側に張り出した張り出し部７２とを有する。張り出し部７２は、曲面部６６から離れた位置で主面部６５を押えている。ホルダー７０は、主面部６５の周縁部に当接し、２つの単電池６０の間に隙間７３を形成することが好ましい。ホルダー７０には、ホルダー３０について説明した上述の構成が適用できる。

基部７１は、２つの単電池６０の封止部６６に当接している。張り出し部７２は、基部７１の上下方向中央部から内側に張り出し、断面略Ｔ字状に形成されている。そして、張り出し部７２は、曲面部６６と接触することなく、２つの単電池６０の各主面部２５をそれぞれ押えている。

１０ 電池モジュール、１１ 電池積層体、１２ モジュールケース、１３ 底壁部、１４ 側壁部、１５ 凸部、１６ 開口部、２０ 単電池、２１ 外装体、２２ａ，２２ｂ ラミネートフィルム、２３ 収容部、２４ 側面部、２５ 主面部、２６ 曲面部、２７ 封止部、２８ 正極リード、２９ 負極リード、３０ ホルダー、３１ 基部、３２ 張り出し部、３３ 隙間、３４ 弾性部材、３５ 支持部、３６ 金属板、３７，４１ 突部、４２ 金属棒、４３ ナット

Claims (6)

1. ２枚のラミネートフィルムによって構成された外装体であって、発電要素を収容した収容部、及び前記収容部の周囲に形成された封止部を含む外装体を有する単電池と、
   前記封止部上に配置された枠状の基部、及び前記基部から前記収容部上に張り出し、前記収容部の互いに略垂直な側面部と主面部との間に形成された曲面部から離れた位置で前記主面部を押える張り出し部を有するホルダーと、
   を備え、前記単電池が前記ホルダーを介して複数積み重ねられた、電池モジュール。
2. 前記ホルダーの前記張り出し部は、前記収容部の前記曲面部に隣接する前記主面部の縁部のうち、少なくとも前記主面部の対向する２辺に沿った縁部に当接し、隣接配置された２つの前記単電池の間に隙間を形成する、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記ホルダーの前記張り出し部は、前記主面部の周縁部に当接して枠状に形成されている、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記ホルダーは、前記張り出し部と前記収容部の前記主面部との間に配置され、前記主面部の略全域を覆い、前記曲面部から離れた位置で前記主面部を押える金属板を有し、
   前記張り出し部は前記金属板を介して前記主面部を押えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
5. 前記単電池の前記収容部は、前記各ラミネートフィルムが互いに反対側に膨出して形成されており、
   前記ホルダーの前記張り出し部は、隣接配置される２つの前記単電池の前記各主面部を押えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
6. 前記ホルダーの前記張り出し部は、前記主面部の全域を覆う金属板により構成され、
   前記金属板は前記単電池間に介在され、前記曲面部から離れた位置で前記主面部を押える突部を有する、請求項１に記載の電池モジュール。

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