TWI460903B

TWI460903B - Battery module

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Publication number: TWI460903B
Application number: TW098135048A
Authority: TW
Original assignee: Nec Energy Devices Ltd
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2014-11-11
Also published as: TW201115808A

Description

電池模組

本發明有關於積層複數個單位電池，並以膜狀外包裝材料封口之電池模組。

隨著近年來之電子機器，特別是行動電話、筆記型個人電腦、數位相機等之攜帶用資訊機器之發達和普及，而利用有小型、重量輕、而且高能量密度之二次電池。

在大能量密度之二次電池中，使用有以膜狀外包裝材料代替至目前之金屬製外包裝材料進行封口之電池。

以膜狀外包裝材料封口之電池因為每單位容積或重量之能量效率變大，所以適於使用在電動工具、電動腳踏車、電動汽車之電源用途之需要大電流之用途。另外，所具有之特徵是可以容易製作積層複數個單位電池並電性連接之電池模組或組電池。

圖5是立體圖，用來說明以膜狀外包裝材料封口之電池。

如圖5所示，積層正極電極和負極電極使其間包夾有分隔片，與電解質一起由膜狀外包裝材料進行封口，並將正極舌片21、負極舌片22引出到外部，使膜狀外包裝材料熱熔著，而在電池元件之周圍形成熱熔著部23作為單位電池20。

以膜狀外包裝材料封口之單位電池20當過充電等之異常時，在鋰離子二次電池等之二次電池，由於在電池內部產生之氣體之壓力而造成膜狀外包裝材料之膨脹。另外，在積層複數之單位電池並進行連接之電池模組中，當發生異常之情況時，會有電池模組進行變形等之問題。

為了使在單位電池內部產生之氣體容易釋放，提案有經由在收納單位電池之外殼內面設置銳利之突起部，用來破壞膜狀外包裝材料之提案。例如，參照專利文獻1。

另外，提案有在收納電池模組之外殼設置具有通孔之突起物，使所產生之氣體經由通孔而從膜狀外包裝材料之內部朝向外殼外部釋放。例如，參照專利文獻2。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平10-208720號公報

[專利文獻2]日本專利特開2003-168410號公報

在積層複數個以膜狀外包裝材料封口之單位電池，由串聯、並聯、串並聯地電性連接之組電池構成之電池模組中，在封裝外殼內面設置突起部之方法中，當單位電池膨脹之情況時，具有用來使膜狀外包裝材料確實地破斷之突起部之電池，只限於鄰接突起部者，或突起形狀到達範圍之單位電池。因此，只有突起部到達範圍之單位電池之壓力被釋放，其他單位電池繼續膨脹，要消除由於膨脹使電池模組變形之可能性會有困難。

另外，在電池模組內部之各個單位電池之壓力未被釋放而造成單位電池繼續膨脹之情況時，由於膨脹之電池使電池模組之框體變形，會有正極或負極舌片間互相接觸而發生短路之可能性。

本發明之課題是提供電池模組，以膜狀外包裝材料封口之單位電池即使在由於內部壓力之上升而變形之情況時，正極舌片和負極舌片亦不會發生電性接觸。

為了解決上述之課題，本發明之電池模組是積層複數個之以膜狀外包裝材料將電池元件封口而成之單位電池，在電性串聯、並聯或者串並聯連接之組電池長度方向之中央部配置至少為一個帶狀之環狀框體之電池模組。

上述電池模組其正極側輸入輸出線連接到接合在組電池之正極端部舌片之正極連接舌片，負極側輸入輸出線連接到接合在組電池之負極端部舌片之負極連接舌片，而電池電壓檢測線與位於組電池兩端部之正極連接舌片、負極連接舌片之任一方和接合於各個單位電池之正極舌片和負極舌片之接合部之中間連接舌片連接並被取出。

上述電池模組中，上述電池電壓檢測線連接於形成有複數個電性獨立地設置在絕緣板上之熔線之晶片熔線上並被取出。

上述電池模組其上述單位電池之正極活性物質為鋰錳複合氧化物。

上述電池模組其上述帶狀之環狀框體由合成樹脂材料或金屬材料構成，或者由合成樹脂材料及金屬材料兩者構成。

上述電池模組在上述組電池之積層面之上表面和下表面具有絕緣樹脂板，而在側面貼著有絕緣性黏著帶。

依照本發明時，當構成電池模組之組電池之單位電池膨脹時，因為裝著有在積層方向按壓組電池之帶狀之環狀框體，所以在過充電等之異常時，即使在以膜狀外包裝材料封口之單位電池內之壓力有上升之情況時，因為積層方向之膨脹被限制，所以將單位電池封口之膜狀外包裝材料之熱熔著部、裝著在膜狀外包裝材料之壓力釋放閥、或形成在膜狀外包裝材料之易破斷部不能承受內部壓力之增大而破斷，而使電池內部之壓力釋放。

其結果是由於電池模組內部之組電池不會大幅地膨脹，所以可以防止因組電池之膨脹而使電池模組之框體變形，因此不會有電池舌片間互相接觸而短路之可能性。

另外，在本發明中只在組電池之積層方向安裝按壓之帶狀之環狀框體，組建步驟不需要大幅變更，同時電池模組之框體亦使用先前技術所使用者就可以實現。

另外，對於電池模組，不需要在封裝外殼施加對組電池之膨脹具有強度之特別對策。

下面參照圖式用來說明本發明。

圖1是分解立體圖，用來說明本發明之電池模組之一實施態樣。

電池模組1具有將複數單位電池20積層在電池模組之框體11a、11b內之組電池4。電池模組之框體11a、11b可以使用聚碳酸酯、ABS樹脂等之合成樹脂、鋁、軟鋼、不銹鋼等之金屬材料。電池模組之框體11a、11b係利用螺絲12互相結合。

當構成框體之構件係使用合成樹脂材料之情況時，可以防止已施加電壓之部分與框體接觸時之短路。另外一方面，在需要良好散熱特性和框體之強度時，最好使用金屬材料。

該實例所示之電池模組1係串聯連接6個單位電池20而形成組電池4。單位電池之形狀、連接個數、電性連接方法可以依照使用目的適當地變更。

組電池4利用雙面黏著帶接著以聚碳酸酯等之合成樹脂材料所成形之電池保護板7，將黏著帶8、9貼著在側面周圍而進行組電池4之絕緣和固定。

其次，將組電池4放入到帶狀之環狀樞體2之框內，在組電池長度方向之中央部配置帶狀之環狀框體2，將其收納在框體11a、11b成為電池模組1。

環狀框體可以使用有由鎳材料或不銹鋼材料等所成形之金屬環狀體者，或利用電阻熔接、雷射熔接、超音波熔接等之熔接將金屬帶材料連接成為環狀者，或利用尼龍、聚乙烯、聚丙烯、氟樹脂等之合成樹脂材料所成形者。另外，經由預先成形之帶狀環狀框體2之角部2a，可以使其易於裝著到組電池。

另外，環狀框體不一定要密著在組電池，只要在組電池有稍微膨脹時成為密著狀態，具有可以抑制進一步之膨脹之作用者即可。

另外，在電池模組1設有組電池4之正極側輸入輸出線54，上述組電池4之負極側輸入輸出線55，和用以監視各個單位電池電壓之已引出之電池電壓檢測線60。

在正極側輸入輸出線54設有短路時保護用之電流熔線57，在電池電壓檢測線60連接有電壓檢測線防止短路用之晶片熔線61。

依照此種方式，經由使用在絕緣板上形成電性獨立之複數個熔線62，而使複數電壓檢測線之電性連接變為容易，可以在短時間內確實地進行組建。

另外，在框體設有用來與使用電池模組之機器、或組電池等連接之輸入輸出線外部連接器59、和電池電壓檢測線外部連接器66。

圖2為用來說明本發明之電池模組之電性佈線之一實施態樣之圖。

在圖2所示之實例中，將6個單位電池20串聯連接而構成組電池4。

連接從位於組電池4積層體一端之單位電池之正極所引出之正極側輸入輸出線54，和連接從位於上述組電池積層體另外一端之單位電池之負極所引出之負極側輸入輸出線55，該正極側輸入輸出線54經由電流熔線57連接到輸入輸出線外部連接器59，而連接到電池保護電路基板。

在另外一方面，在單位電池之各個正極側連接有電池電壓檢測線60，經由晶片熔線61之輸入側連接器61a連接到電性互相獨立之6個熔線62。

連接到晶片熔線61之輸出側連接器61b之輸出側電池電壓檢測線64成為連接到電池電壓檢測線外部連接器66，經由連接器而連接到電池保護電路。

構成組電池之單位電池之串聯個數可以依照使用電池之機器所需要之電壓、電流適當地設定。使用電池之機器之電壓，代表性者有12V系統或24V系統，但是在鋰離子二次電池之情況時，在12V系統最好串聯連接3~4個，在24V系統最好串聯連接6~8個。另外，經由變化串聯連接之個數可以因應以36V、42V等為首之各種電壓。

圖3是用來說明本發明之電池模組之另一實施態樣之圖，成為用來說明將框體拆除後之電池模組之圖。

在圖1所示之電池模組中，在組電池4於電池長度方向之中央部設置1個帶狀之環狀框體2，與此相對地在圖3所示者，係在中央部設有間隔地配置2個。

依照此種方式，在經由配置2個帶狀之環狀框體成為大組電池中，可以抑制由於電池內部壓力之膨脹所造成之變形，帶狀之環狀框體之數目並不只限於2個，亦可以依照電池之大小配置任意個數。

另外，在以上之說明中所說明之實例是將環狀框體配置在單位電池長度方向之中央部，經由配置在由於內部壓力增大而受到大幅變形之長度方向之中央部，可以有效地防止電池模組之變形。

圖4是立體圖，用來說明組電池之組建步驟。

使利用膜狀外包裝材料封口之單位電池21積層既定之個數，在連接正極舌片22、負極舌片23之後，在正極舌片、負極舌片之上下配置橡膠海棉等之具有彈性之絕緣性分隔片5。

其次，在連接有單位電池21之組電池4之上下，利用雙面黏著帶接著由聚碳酸酯等之絕緣樹脂材料所成形之電池保護板7，在側面周圍貼著黏著帶8、9而進行組電池之絕緣和固定。

圖5是分解立體圖，用來說明組電池之電性連接。

圖5是用來說明使利用膜狀外包裝材料封口之單位電池21積層既定之個數並串聯連接之情況之圖，成為表示從上層起之第1層和第2層之2個，和最下層之1個，而其中間則被省略之圖。

在最上層之單位電池20a之正極舌片21a接合有正極連接舌片71，在正極連接舌片71連接有正極側輸入輸出線54和電池電壓檢測線60。

另外一方面，在最上層之單位電池20a之負極舌片22a和第2層之正極舌片22b之間，配置有中間連接舌片73而使三者接合成為一體。另外，在中間連接舌片連接有電池電壓檢測線60。

另外，在位於最下層之單位電池20f之負極舌片22f接合有負極連接舌片72，在負極連接舌片72連接有負極側輸入輸出線。

依照此種方式，連接正極側輸入輸出線54和電池電壓檢測線60。

另外，在位於最下層之單位電池20f之負極舌片22f接合有負極連接舌片72，在負極連接舌片72連接有負極側輸入輸出線55。

依照此種方式，最好不利用焊接連接正極側輸入輸出線54、負極側輸入輸出線55、單位電池之正極舌片、負極舌片，而在分別利用焊接將正極側輸入輸出線54和電池電壓檢測線60連接到正極連接舌片71，和將負極側輸入輸出線55連接到負極連接舌片72之後，利用電阻熔接使正極連接舌片71和正極舌片接合，同樣地利用電阻熔接使負極連接舌片接合在負極舌片，然後在利用預先焊接而使其他之電池電壓檢測線60連接在中間連接舌片73之後，配置在使正極舌片和負極舌片接合之位置，並利用電阻熔接進行中間連接舌片和正極舌片、負極舌片之熔接。

依照此種方式，可以防止在利用焊接連接正極連接舌片71、負極連接舌片72、中間連接舌片73之後，由於利用熔接連接正極舌片或負極舌片之焊接熱對電池造成不良之影響。

圖6是立體圖，用來說明利用膜狀外包裝材料封口之單位電池之一實施態樣。

利用膜狀外包裝材料封口之單位電池之製造，是經由積層正極電極、負極電極、分隔片，並利用膜狀外包裝材料將充填有電解液之電池元件封口而製成。

在本實例中，單位電池20是正極舌片21和負極舌片22從單位電池之同一稜邊引出，以膜狀外包裝材料封口之單位電池20在周圍形成膜狀外包裝材料之熱熔著部23而進行封口。

正極舌片和負極舌片並不只限於上述方式之從同一稜邊引出者，亦可以成為從面對邊引出者。

作為單位電池，其正極之製作可以將經由使鋰過渡金屬複合氧化物之粒子和碳黑等之具有導電性碳質材料一起與結著劑分散所形成之膠漿，塗佈在由鋁箔構成之集電體上。

鋰過渡金屬複合氧化物可以使用鋰錳複合氧化物。在使用鋰錳複合氧化物之情況時，當與使用鋰鈷複合氧化物之電池比較，因為充電時之安全性較高，所以各個單位電池之保護電路可以成為簡單者。因此可以使電池模組小型化。

鋰錳複合氧化物並不只限於包含有鋰和錳之氧化物，亦可以成為包含有其他之元素之複合氧化物。

另外，負極之製作可以將經由摻雜、不摻雜鋰，將石墨、無定形碳粉末、矽等一起和結著劑攪拌所獲得之膠漿，塗佈在銅箔上。

作為膜狀外包裝材料，最好是在單位電池之內面配置熱熔著性之聚乙烯膜，在外面配置強度較大之聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、聚醯胺(polyamide)膜等，在內面、外面之合成樹脂膜間配置鋁箔，並使用積層之可彎性之積層膜。

圖7是立體圖，用來說明以膜狀外包裝材料封口之單位電池之另一實施態樣。

圖7所示之單位電池20在周緣部具有安全閥24，其在電池內部壓力上升之情況時利用裂開而使壓力釋放。

配置安全閥24之部分最好設在正極舌片21和負極舌片22間之端子間封口部25以外之周緣部，經由設在位於端子間封口部之相反側之長度方向端部之封口部，可以使壓力增大時對端子之影響減小，而可以快速地使壓力釋放。

安全閥24之形成可以經由使以比膜狀外包裝材料為低之壓力而裂開之膜，熱熔著在設於膜狀外包裝材料之孔穴之部分，或對膜狀外包裝材料進行切割而形成薄壁部等。

依照此種方式，經由設置以比膜狀外包裝材料之以熱熔著構成之接合部為低之壓力而裂開之部分，同時在單位電池設置環狀框體，於內部壓力增大時不會產生電池模組之變形，可以安全地釋放壓力。

[實施例]

其次，以實施例說明本發明。

[實施例1]

以膜狀外包裝材料封口之單位電池之製作是使用錳酸鋰作為正極活性物質，石墨作為負極活性物質，和將LiPF₆ 溶解在乙烯碳酸酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)之混合溶媒者作為電解液，用來製作從同一稜邊引出正極舌片、負極舌片之縱158mm×橫82mm×厚5.6mm者。

然後，對各個單位電池之正極舌片，以與負極舌片重疊之方式，積層6個之單位電池，在單位電池之間配置縱160mm、橫80mm、厚0.5mm聚碳酸酯板，利用雙面黏著帶而接合。

其次，如圖2之佈線圖所示，在配置於一端之單位電池之正極舌片，利用電阻熔接接合已焊接有連接至熔線之正極側輸入輸出線54和電池電壓檢測線60之正極側連接舌片。另外，在上述單位電池之負極舌片和鄰接之單位電池之正極舌片之間，配置已焊接連接有電池電壓檢測線之L字形之中間連接舌片，並利用電阻熔接接合成一體。

同樣地，在位於第二號至第六號單位電池之負極舌片和正極舌片之間，配置已焊接連接有電池電壓檢測線之L字形之中間連接舌片，並利用電阻熔接而連接。

在另外一端，亦即在位於第六號單位電池之負極舌片，利用電阻熔接接合已焊接連接有負極側輸入輸出線之負極側連接舌片。

在正極舌片和負極舌片之上下，利用雙面黏著帶以各個舌片不會露出之方式接著由縱20mm×橫30mm×厚2mm之橡膠海棉所構成之分隔片而使其絕緣。

另外，在組電池積層面之上表面、下表面，利用雙面黏著帶接著由縱160mm、橫82mm、高0.5mm之聚碳酸酯所構成之電池保護板，在組電池之側面周圍貼著ㄈ字形之黏著帶，而進行組電池之絕緣和固定。

所製成之組電池為縱160.2mm、橫82.1mm、厚36.5mm。

在所獲得之組電池中，於長度方向之中央部，將寬度10mm×厚度0.2mm之鎳板使內側尺寸為將橫84mm、縱38.5mm之四角形狀環狀體以30mm之間隔而配置於2個位置。

其次，收納在由聚碳酸酯所構成之框體，使電池電壓輸出線之連接器連接到晶片熔線之連接器，並且連接晶片熔線之連接器和外部連接用連接器。另外，安裝正極側輸入輸出線、負極側輸入輸出線之連接器而成為電池模組。

[實施例2]

與實施例1同樣地製作組電池。在該組電池長度方向之中央部，將寬度13mm×厚度0.3mm之環狀之鎳材料加工成內側尺寸為84mm×38.5mm之帶狀之環狀框體而進行配置。然後，收納在由聚碳酸酯構成之框體而成為電池模組。

[實施例3]

與實施例1同樣地製作組電池。在組電池長度方向之中央部，以30mm之間隔在2個位置配置射出成形寬度15mm、厚度2mm、內側尺寸為84mm×38.5mm之聚碳酸酯之帶狀之環狀框體。然後，收納在由聚碳酸酯構成之框體而成為電池模組。

[比較例1]

與實施例1同樣地製作單位電池，收納在由聚碳酸酯構成之框體而成為電池模組。

在實施例1、2、3和比較例之電池模組之正極側輸入輸出線未插入有保護電路，而直接通電44V、7A之電流進行過充電試驗，在實施例1、2、3膜狀外包裝材料和熱熔著部進行破斷，使氣體放出，未發現有封裝外殼之變形，與此相對地，在比較例1單位電池膨脹，框體變形。

(產業上之可利用性)

本發明在構成電池模組之單位電池之積層體所構成之組電池膨脹時，因為在組電池長度方向之中央部裝著有在積層方向按壓組電池之帶狀之環狀框體，所以即使在過充電等之異常時，以膜狀外包裝材料封口之單位電池內部壓力上升之情況時，因為朝向積層方向之膨脹被限制，所以將單位電池封口之膜狀外包裝材料之熱熔著部、或裝著在膜狀外包裝材料之壓力釋放閥、或形成在膜狀外包裝材料之易破斷部因不能承受內部壓力之增大而破斷，而使電池內部之壓力釋放。其結果是在框體不需要施加特別之對策用以增大對應單位電池膨脹之強度。

1．．．電池模組

2．．．帶狀之環狀框體

2a．．．環狀框體之角部

4．．．組電池

5．．．絕緣性分隔片

7．．．電池保護板

8、9．．．黏著帶

11a、11b．．．框體

12．．．螺絲

20、20a、20b、20f、21．．．單位電池

21、21a、22、22b．．．正極舌片

22、22a、22f、23．．．負極舌片

23．．．熱熔著部

24．．．安全閥

25．．．端子間封口部

54．．．正極側輸入輸出線

55．．．負極側輸入輸出線

57．．．電流熔線

59．．．輸入輸出線外部連接器

60．．．電池電壓檢測線

61．．．晶片熔線

61a．．．輸入側連接器

61b．．．輸出側連接器

62．．．熔線

64．．．輸出側電池電壓檢測線

66．．．電池電壓檢測線外部連接器

71．．．正極連接舌片

72．．．負極連接舌片

73．．．中間連接舌片

圖2為說明本發明之電池模組之電性佈線之一實施態樣之圖。

圖3為說明本發明之電池模組之另一實施態樣之圖。