TW202209742A - 層疊型胞、電池模組及層疊型胞之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的目的在於提供具備可以使層疊型胞的重量不大增加而可以使氣體等流體逃逸之層疊型胞、電池模組、及層疊型胞之製造方法。 [解決手段] 於層疊型胞(10)，具備：收容電極(16,17)的收容部(13)，及與前述收容部(13)連通，可貯留由前述收容部(13)流入的流體的貯留部(20)；前述貯流部(20)，以比前述收容部(13)更為薄壁的層疊材形成。

Description

層疊型胞、電池模組及層疊型胞之製造方法
本發明係關於層疊型胞、電池模組及層疊型胞之製造方法。
從前，以層疊材形成的外殼內組裝入由正極、負極、隔板及電解質等所構成的電池胞之層疊型胞係屬已知。具備層疊型胞的電池，與圓筒形或四角形的電池相比，單位重量的能量密度較高。因此，近年來，作為飛行於平流層等的航空器的動力供給源，檢討著採用電池，但例如作為搭載於此種航空器的電池，一般認為搭載層疊型電池為佳。
然而，電池會因使用而反覆進行充放電而劣化，在層疊型胞內發生氣體等流體而使層疊型胞的內壓上升。特別是具有複數層疊型胞的電池，與圓筒形或四角形的胞所構成的電池相比，層疊型胞因柔軟而容易變形，所以因應於層疊型胞內的壓力上升，層疊型胞會膨脹。如此膨脹了的層疊型胞，會有層疊型胞內的正極與負極的間隔擴大，電池性能降低的疑慮。特別是平流層的氣壓為地面氣壓的約十分之一，在平流層那樣氣壓非常低的狀況下使用電池的場合，抑制前述的層疊型胞的膨脹被認為是個更進一步的課題。為了解消這樣的課題，提出了把在層疊材內發生的氣體等流體，藉由逃逸至緩衝空間，而抑制層疊型胞的膨脹的構成(例如，參照專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-187003號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，根據前述先前技術之層疊型胞，還留有因為設置緩衝空間所以比平常不設緩衝空間的場合重量大幅增加的課題。
本發明的目的在於解消前述先前技術所具有的課題，提供使層疊型胞的重量增加在最小限度，可以抑制層疊型胞的膨脹之層疊型胞、電池模組、及層疊型胞之製造方法。 [供解決課題之手段]
本發明係於層疊型胞，具備：收容電極的收容部，及與前述收容部連通，可貯留由前述收容部流入的流體的貯留部；前述貯流部，被構成為比前述收容部更為薄壁。
於此場合，前述貯留部，亦可設為對前述收容部鄰接於前述層疊型胞的寬幅方向上。前述貯留部，亦可偏移設在前述層疊型胞的長邊方向一方側。前述貯留部，亦可與前述收容部形成為一體。前述貯留部，亦可以使第1層疊材部分與第2層疊材部分對向的方式貼合構成，前述第1層疊材部分，具有朝向前述第2層疊材部分突出的突出區域部，前述第2層疊材部分，具有以離開前述第1層疊材部分的方式窪下的凹窪區域部，前述突出區域部，在流體由前述收容部流入前述貯留部時，往離開前述凹窪區域部的方向變形而使前述貯留部膨脹。前述突出區域部，亦可被形成為比前述凹窪區域部更為薄壁。前述突出區域部，亦可在前述貯留部膨脹時，成為與前述凹窪區域部約略對稱的形狀。前述突出區域部與前述凹窪區域部，亦可具有圓弧狀的剖面。
此外，本發明，係於具備複數個前述層疊型胞的電池模組，前述複數個層疊型胞，包含沿著前述層疊型胞的厚度方向相鄰接的方式配置的第1層疊型胞與第2層疊型胞，前述第1層疊型胞，以其貯留部成為在前述層疊型胞的長邊方向一方側偏移的位置的方式配置，且前述第2層疊型胞，以其貯留部成為在前述層疊型胞的長邊方向另一方側偏移的位置的方式配置。
進而，本發明，係前述層疊型胞之製造方法，包含以前述貯留部收縮的方式使前述收容部內減壓之減壓步驟。 [發明之效果]
在本發明，可以提供具備可以使層疊型胞的重量增加在最小限度，且可以抑制層疊型胞的膨脹之層疊型胞、電池模組、及層疊型胞之製造方法。
以下，參照圖式說明本發明之適宜的實施型態。 圖1係顯示關於本發明之一實施型態之層疊型胞的立體圖，圖2顯示圖1之A-A剖面圖，圖3係模式顯示圖1之B-B剖面圖。又，於圖1，為了容易理解而使設於內部的負極集電體17的端部附近露出而顯示，此外，於圖3，圖3(a)顯示貯留部未膨脹的狀態之剖面圖，圖3(b)係貯留部膨脹的狀態之剖面圖。
層疊型胞10，例如驅動被搭載於航空器而用於驅動航空器的螺旋槳的電動馬達、驅動汽車車輪的電動馬達、驅動船舶的螺旋槳的電動馬達、與對電動馬達以外的電氣機器之電力供給。此層疊型胞10，沒有特別限定，以鋰離子電池為較佳的態樣之一。
層疊型胞10，如圖1所示，第1胞表層構件(第1層疊材部分)11a與第2胞表層構件(第2層疊材部分)11b被接合形成為板形狀。第1及第2胞表層構件11a,11b，擴展為薄片狀供密封外緣之密封件12，由密封件12突出為箱狀收容電極的收容部13，以及與收容部13連通而可以貯留從收容部13流入的流體的貯留部20被形成為一體。又，貯留部20，亦可因應需要而與收容部13分開設置，此外，可以膨脹的話亦可以層疊材以外的薄壁材料構成。此貯留部20，設為對收容部13鄰接於層疊型胞10的寬幅方向W上。貯留部20，沿著層疊型胞10的長邊方向L延伸，偏移於層疊型胞10的長邊方向L的一方側，亦即，設於比長邊方向L的中點位置P更靠近前述層疊型胞的長邊方向的端部側，亦即設於收容部13的第1密封件12a側。
第1及第2胞表層構件11a,11b，在收容部13側的密封件12與貯留部20側的密封件22被接合被貼合為背靠背而構成的。層疊型胞10，被導電連接於未圖示的BMS(電池管理系統)，藉由此BMS控制充電及放電。
第1及第2胞表層構件11a,11b，將薄板狀的層疊材壓製加工而形成。此層疊材，具有由金屬層、內層及外層構成的3個層。相關於本實施型態的層疊材，作為金屬層使用鋁或者鋁合金，內層使用PP等熱熔接材，外層使用尼龍或PET等。此層疊材，總厚為50μm以上200μm以下。又，於此總厚，也包含因應需要而形成的接著劑層的厚度。層疊材，藉由壓製成型使用於貯留部20的部分比用於收容部13的部分還要薄壁。第1及第2胞表層構件11a,11b，使分別的收容部13側的密封件12與貯留部20側的密封件22的內層彼此背靠背，藉由加壓而密接的狀態下根據熱熔接或根據超音波的層疊加工貼合而密封。
收容部13的密封件12，以第1密封件12a、第2密封件12b、第3密封件12c、及第4密封件12d構成。
第1密封件12a及第3密封件12c，位於層疊型胞10的長邊方向L的兩端，構成延伸於寬幅方向W的端邊。
第2密封件12b，沿著層疊型胞10的長邊方向L，且構成未被設置貯留部20之側的邊。
第4密封件12d，沿著層疊型胞10的長邊方向L，且構成被設置貯留部20之側的邊。第4密封件12d，只延伸到與貯留部20的密封件22交叉的位置而已。藉此，於第4密封件12d與第1密封件12a之間，被形成第1胞表層構件11a與第2胞表層構件11b未被貼合的區域亦即連通部12e。此連通部12e，是用於層疊材的貯留部20的部分與用於收容部13的部分之邊界，層疊材以連通部12e為邊界使貯留部20側比收容部13側更為薄壁。
貯留部20的密封件22，以第5密封件22a、第6密封件22b、及第7密封件22c構成。
第5密封件22a及第7密封件22c，位於層疊型胞10的長邊方向L的兩端，構成延伸於寬幅方向W的端邊。第5密封件22a，延伸於收容部13的第1密封件12a的延長線上，被連接於收容部13的第1密封件12a。另一方面，第7密封件22c，以與收容部13的第4密封件12d交叉的方式延伸，被連接於收容部13的第4密封件12d。
第6密封件22b，沿著層疊型胞10的長邊方向L延伸，於貯留部20，構成未設收容部13之側的邊。
貯留部20，接於收容部13的邊未被密封，所以貯留部20的內部空間，透過連通部12e與收容部13的內部空間連通。藉此，成為收容部13內的電解液，或由於層疊型胞10的劣化產生的氣體可以通過連通部12e流入貯留部20的內部空間。
層疊型胞10，於長邊方向L的一端正極耳片15由第1及第2胞表層構件11a,11b突出往長邊方向L，於長邊方向L的另一端負極耳片14由第1及第2胞表層構件11a,11b突出往長邊方向L。
正極耳片15，如圖2所示，於第1及第2胞表層構件11a,11b內被導電連接於以鋁箔構成的3個正極集電體16。正極集電體16之各個，於兩面設有正極層16a,16a。正極層16a，把混合正極活性物質與導電輔助劑與結合劑之泥漿塗布於正極集電體16的兩面使乾燥，以成為特定厚度的方式壓製而形成。作為正極活性物質，只要是在放電時吸藏鋰離子，在充電時放出者即可，其材料構成沒有特別限定。例如，可以使用鎳錳鈷酸鋰(LiNix Mny Coz O2 )、鎳酸鋰(LiNiO2 )、鈷酸鋰(LiCoO2 )、磷酸錳鐵鋰(LiMnx Fey PO4 )等鋰複合化合物。另一方面，負極耳片14，於第1及第2胞表層構件11a,11b內被導電連接於以銅箔構成的4個負極集電體17。負極集電體17，在相鄰的2個負極集電體17之間放1個正極集電體16的方式配置。負極集電體17之各個，於兩面設有負極層17a,17a。作為負極層17a的材料，只要是在充電時吸藏鋰離子，在放電時放出者即可，其材料構成沒有特別限定。例如，可以使用成型為箔狀的金屬鋰或鋰合金以外，亦可使用把石墨或非晶質碳等碳材料或矽等活性物質與導電輔助劑及結合劑混合之泥漿塗布於負極集電體17的兩面而乾燥，壓製成型者。形成於正極集電體16上的正極層16a與形成於負極集電體17上的負極層17a之間，配置著使這些電氣絕緣，供保持電解液之形成為薄片狀的隔板18。隔板18，例如可以使用多孔性合成樹脂膜，特別是聚烯烴系高分子(聚乙烯、聚丙烯)之多孔膜。電解液是把支撐鹽溶解於有機溶媒者。有機溶媒，只要是通常使用於鋰離子二次電池的電解液之有機溶媒即可，沒有特別限定。例如，可以使用碳酸鹽類、鹵化烴、醚類、酮類、腈類、內酯類、氧雜環戊烷化合物等。支撐鹽的種類沒有特別限定，以係由LiPF6 、LiBF4 、LiClO4 、及LiAsF6 所選擇的無機鹽、該無機鹽的衍生物、由LiSO3 CF3 、LiC(SO3 CF3 )2 及LiN(SO3 CF3 )2 、LiN(SO2 C2 F5 )2 及LiN(SO2 CF3 )(SO2 C4 F9 )、Li(FSO2 )2 N、Li(CF3 SO2 )2 N所選擇的有機鹽、以及該有機鹽之至少1種為佳。正極集電體16、負極集電體17、及隔板18，分別被形成為薄片狀，以相互對面大部分的面重疊的方式層積著。在此，層疊型胞10的正極集電體16及負極集電體17的層數僅為一例，因應於層疊型胞10所要求的電池容量，亦可以其他層數之正極集電體16及負極集電體17構成層疊型胞10。
貯留部20，如圖3(a)所示，以第1胞表層構件11a與第2胞表層構件11b對向的方式貼合而構成。第1胞表層構件11a，具有朝向第2表層構件11b突出的鵝蛋形狀的突出區域部21a。另一方面，第2胞表層構件11b，具有以離開第1表層構件11a的方式凹窪的鵝蛋形狀的凹窪區域部21b。這些突出區域部21a與凹窪區域部21b，具有以相互沿襲形成的圓弧狀的剖面。此外，突出區域部21a，藉由壓製成型形成為比凹窪區域部21b更為薄壁，強度比凹窪區域部21b更弱而容易變形。藉此，流體由收容部13內流入至貯留部20內時，突出區域部21a，如圖3(b)所示，往離開凹窪區域部21b的方向變形而成為與凹窪區域部21b約略對稱的形狀。亦即，藉由突出區域部21a變形而使貯留部20膨脹，貯留部20的貯留容量增大。
圖4係電池模組之立體圖。又，在圖4，為了容易理解而省略電池模組的筐體等之圖示，此外，層疊型胞10，由圖1的狀態反轉。
相關於本實施型態的電池模組100，如圖4所示，被層積著4枚層疊型胞10。此時，相鄰的層疊型胞10，以貯留部20交互位在層疊型胞10的長邊方向的中點位置P的不同側的方式成型及層積。亦即，沿著層疊型胞10的厚度方向T相鄰接的方式配置的2個層疊型胞10,10，以一方層疊型胞10的貯留部20成為在長邊方向L的一方側偏移的位置的方式配置，另一方的層疊型胞10的貯留部成為在長邊方向L的另一方側偏移的位置的方式配置。藉此，被層積於最上段的層疊型胞10，貯留部20對中點位置P位於一端側(負極耳片14突出的收容部13的第1密封件12a側)，由上方起算被層積於第2段的層疊型胞10，貯留部20對中點位置P位於另一端側(正極耳片15突出的收容部13的第3密封件12c側)。同樣地，被層積於由上起算第3段的層疊型胞10，貯留部20對中點位置P位於一端側(負極耳片14突出的收容部13的第1密封件12a側)，由上方起算被層積於第4段的層疊型胞10，貯留部20對中點位置P位於另一端側(負極耳片14突出的收容部13的第1密封件12a側)。藉此，即使貯留部20膨脹，相鄰的層疊型胞10的貯留部20彼此也不會抵接，所以可以使電池模組100在厚度方向T上薄化。
以下，說明層疊型胞10之製造方法。 圖5顯示層疊型胞的製造步驟之流程圖，圖6模式顯示製造過程之層疊型胞的B-B剖面圖。
製造層疊型胞10時，首先，將層疊材之第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b壓製成型(步驟S1：成型步驟)。此時，第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b，以對應於連通部12e(參照圖1)的部分為邊界以對應於貯留部20(參照圖1)的部分比對應於收容部13(參照圖1)的部分還要薄壁的方式被壓製成型。
成型第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b之後，於一對胞表層構件(第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b)間夾著正極集電體16、負極集電體17、及隔板18等電池要素而熔接(步驟S2：熔接步驟)。此時，第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b，被熔接著收容部13的第2密封件12b、第3密封件12c、第4密封件12d、第5密封件22a、第7密封件22c。
前述熔接後，以使未被熔接的第6密封件22b的開口朝向鉛直方向上方的狀態使用未圖示的噴嘴把電解液注入一對胞表層構件內(步驟S3：注入步驟)。此時，第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b，如圖6所示，成為隔著間隙的狀態。
注入電解液後，以前述開口朝向鉛直方向上方的狀態，如圖5所示，透過第6密封件22b的開口以貯留部20收縮的方式使收容部13內減壓進行抽真空(步驟S4：減壓步驟)。藉此，第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b之間隙被減壓，如圖3(a)所示，成為第1胞表層構件11a與第2胞表層構件11b密接的狀態。
抽真空後，以前述開口朝向鉛直方向上方的狀態，如圖5所示，以減壓貯留部20內的狀態，使一對胞表層構件之第6密封件22b熔接(步驟S5：密封步驟)。藉此，收容部13及貯留部20完全被密封。 藉由以上的步驟，製造層疊型胞10。
相關於本實施型態的層疊型胞10，具備：收容電極之正極集電體16及負極集電體17的收容部13，與收容部13連通，可貯留由收容部13流入的流體的貯留部20；貯流部20，被構成為比收容部13更為薄壁。藉此，與貯留部20與收容部13為相同厚度的場合相比，可以抑制追加貯留部所導致的層疊型胞10的重量增加。此外，貯留部20，比收容部13更為薄壁，所以以與收容部13相同的層疊材成型也比收容部13更柔軟而容易變形，可以適切地貯留由收容部13流入的流體。因此，可以抑制層疊型胞10的重量增加同時可以使在收容部20內產生的氣體等流體往貯留部20逃逸。結果，藉由抑制氣體等流體導致收容部20的內壓上升而抑制層疊型胞10的膨脹，可以減低層疊型胞10內的正極與負極的間隔擴大，所以可抑制層疊型胞的性能降低。
此外，層疊型胞10，因應於劣化產生的氣體等流體的量而使貯留部20膨脹，所以使用者、檢查工作者、交換工作者等可以藉著視覺確認、藉由攝影機等確認貯留部20而判斷層疊型胞10的劣化程度。結果，可以在適切的時期交換層疊型胞10。
以上，根據實施型態說明了本發明，但是本發明不限於此。例如，在前述實施型態，層疊型胞10，在長遍方向L的相反側分別突出著正極耳片15及負極耳片14，但不以此為限。正極耳片15及負極耳片14，分別在長邊方向L的相同側突出亦可。
此外，在前述實施型態，作為第1及第2胞表層構件11a,11b使用具有鋁層的鋁層疊材，但不限於此。金屬層亦可使用SUS(不銹鋼)或鈦(Ti)等。
進而，在前述實施型態，貯留部20，其突出區域部21a與凹窪區域部21b，具有以相互沿襲形成的圓弧狀的剖面，但是不以此為限。具有角的形狀(例如梯形狀)亦可。
此外，在前述實施型態，貯留部20，其第1胞表層構件11a，具有以朝向第2表層構件11b突出的鵝蛋形狀的突出區域部21a，第2胞表層構件11b，具有以離開第1表層構件11a的方式凹窪的鵝蛋形狀的凹窪區域部21b，但是不以此為限。第2胞表層構件11b，具有朝向第1表層構件11a突出的鵝蛋形狀的突出區域部，第1胞表層構件11a，具有以離開第2表層構件11b的方式凹窪的鵝蛋形狀的凹窪區域部亦可。
進而，在前述實施型態，於步驟S3，在一對胞表層構件內注入電解液，但不以此為限。替代電解液，注入凝膠電解質亦可。
此外，在前述實施型態，記載著針對第1胞表層構件11a及第2胞表層構件11b的皮厚(總厚)使用測微器測定的場合之厚度關係，但並不以此為限。替代測微器，使用光學顯微鏡、工具顯微鏡、X線CT裝置亦可，進而，使用超音波式、放射線式、磁性方式的非破壞測定器亦可。
10:層疊型胞 11a:第1胞表層構件 11b:第2胞表層構件 12:密封件 12a:第1密封件 12b:第2密封件 12c:第3密封件 12d:第4密封件 12e:連通部 13:收容部 14:負極耳片 15:正極耳片 16:正極集電體 16a:正極層 17:負極集電體 17a:負極層 18:隔板 20:貯留部 21a:突出區域部 21b:凹窪區域部 22:密封件 22a:第5密封件 22b:第6密封件 22c:第7密封件 100:電池模組 L:長邊方向 P:中點位置 T:厚度方向 W:寬幅方向
[圖1]係關於本發明之一實施型態之層疊型胞的立體圖。 [圖2]係層疊型胞之A-A剖面圖。 [圖3(a)]係顯示貯留部未膨脹的狀態之剖面圖，[圖3(b)]係貯留部膨脹的狀態之剖面圖。 [圖4]係電池模組之立體圖。 [圖5]係層疊型胞之製造步驟之流程圖。 [圖6]係模式顯示製造過程之層疊型胞的B-B剖面圖。
10:層疊型胞
11a:第1胞表層構件
11b:第2胞表層構件
12:密封件
12a:第1密封件
12b:第2密封件
12c:第3密封件
12d:第4密封件
12e:連通部
13:收容部
14:負極耳片
15:正極耳片
17:負極集電體
20:貯留部
22:密封件
22a:第5密封件
22b:第6密封件
22c:第7密封件
L:長邊方向
P:中點位置
T:厚度方向
W:寬幅方向

Claims (10)

  1. 一種層疊型胞，具備： 收容電極的收容部，及 與前述收容部連通，可貯留由前述收容部流入的流體的貯留部； 前述貯流部，被構成為比前述收容部更為薄壁。
  2. 如請求項1之層疊型胞， 前述貯留部，設為對前述收容部鄰接於前述層疊型胞的寬幅方向上。
  3. 如請求項1或2之層疊型胞， 前述貯留部，偏移設在前述層疊型胞的長邊方向一方側。
  4. 如請求項1至3之任一之層疊型胞， 前述貯留部，與前述收容部形成為一體。
  5. 如請求項1至4之任一之層疊型胞， 前述貯留部以使第1層疊材部分與第2層疊材部分對向的方式貼合構成， 前述第1層疊材部分，具有朝向前述第2層疊材部分突出的突出區域部， 前述第2層疊材部分，具有以離開前述第1層疊材部分的方式窪下的凹窪區域部， 前述突出區域部，在流體由前述收容部流入前述貯留部時，往離開前述凹窪區域部的方向變形而使前述貯留部膨脹。
  6. 如請求項5之層疊型胞， 前述突出區域部，被形成為比前述凹窪區域部更為薄壁。
  7. 如請求項5或6之層疊型胞， 前述突出區域部，在前述貯留部膨脹時，成為與前述凹窪區域部約略對稱的形狀。
  8. 如請求項5至7之任一之層疊型胞， 前述突出區域部與前述凹窪區域部，具有圓弧狀的剖面。
  9. 一種電池模組，具備複數個請求項1至8之任一之層疊型胞， 前述複數個層疊型胞，包含沿著前述層疊型胞的厚度方向相鄰接的方式配置的第1層疊型胞與第2層疊型胞， 前述第1層疊型胞，以其貯留部成為在前述層疊型胞的長邊方向一方側偏移的位置的方式配置，且 前述第2層疊型胞，以其貯留部成為在前述層疊型胞的長邊方向另一方側偏移的位置的方式配置。
  10. 一種層疊型胞之製造方法，係請求項1至9之任一之層疊型胞之製造方法，包含以前述貯留部收縮的方式使前述收容部內減壓之減壓步驟。
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