WO2021192545A1 - 電池モジュール - Google Patents

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battery
secondary battery
electrode
negative electrode
winding
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遊馬 神山
山田　智之
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三洋電機株式会社
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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/209—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for prismatic or rectangular cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • This disclosure relates to a battery module.
  • a battery module in which a plurality of square secondary batteries are connected to each other and stacked is known.
  • the distance between the positive electrode and the negative electrode, which form the electrode body contained inside each battery becomes large, lithium may be deposited on the negative electrode. Therefore, in the battery module, a battery integrated body in which a plurality of batteries are laminated is used. It is restrained while being sandwiched between a pair of end plates from the stacking direction of the batteries so that the distance between the positive electrode and the negative electrode does not increase.
  • the binding load is adjusted by sandwiching the battery integrated body between a pair of end plates bridged by fixing members arranged on the side surfaces and applying a restraining load to the lower portion of the square secondary battery. This prevents the positive electrode-containing metal from precipitating on the negative electrode due to the gas generated by repeated charging and discharging.
  • a battery module may be configured using a large square secondary battery.
  • the end plate becomes large, the rigidity becomes lower than before, and it becomes easy to bend outward when the secondary battery is charged.
  • the inventors of the present application separate the end plate from the secondary battery adjacent to the end plate near the center portion in the lateral direction, and depending on the direction and position of the winding end of the negative electrode, the negative electrode It was found that the distance between the winding end and the positive electrode became large and lithium was deposited near the winding end of the negative electrode. Precipitation of lithium can cause an internal short circuit and must be suppressed.
  • Patent Document 1 does not examine the deflection of the end plate, and there is still room for improvement.
  • the battery module according to the present disclosure mutually bridges a battery aggregate in which a plurality of square secondary batteries are stacked, a pair of end plates that sandwich the battery aggregate from both sides in the stacking direction of the secondary batteries, and an end plate.
  • the secondary battery includes a side fixing member provided on the side surface of the secondary battery and a top surface fixing member provided on the upper surface of the secondary battery, and the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery are wound around the separator.
  • a flat wound electrode body is included so that the winding axis is in the lateral direction, and at least in a secondary battery adjacent to the end plate, the winding end of the negative electrode is upward and the cross section is orthogonal to the winding axis. Is located between half the height of the electrode body and the crown of the curved portion of the electrode body.
  • the battery module according to the present disclosure it is possible to suppress the precipitation of lithium at the winding end of the negative electrode.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module which is an example of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of a battery module which is an example of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a secondary battery included in a battery module which is an example of the present embodiment, and is a diagram showing an internal structure in a state where the front side of the exterior body is removed.
  • FIG. 4A is a plan view of the vicinity of the end plate of the battery module, which is an example of the present embodiment in the charged state.
  • FIG. 4B is a diagram showing a cross section taken along the line AA of FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a diagram corresponding to FIG. 4A in the conventional battery module.
  • FIG. 5B is a diagram corresponding to FIG. 4B in the conventional battery module.
  • FIG. 1 is a perspective view of the battery module 10
  • FIG. 2 is a plan view of the battery module 10.
  • the battery module 10 is a pair of a battery integrated body 14 in which a plurality of square secondary batteries 12 are stacked and a pair of battery integrated bodies 14 sandwiched from both sides in the stacking direction of the secondary batteries 12.
  • the side where the electrode plate terminal of the secondary battery 12 is provided is referred to as "upper", but of course, the orientation when the battery module 10 is mounted on a vehicle or the like is not limited.
  • the upper surface of the battery module 10 may be mounted in the horizontal direction.
  • the stacking direction of the secondary battery 12 may be referred to as "vertical direction”
  • the side surface direction of the secondary battery 12 may be referred to as “horizontal direction”
  • the vertical direction may be referred to as "height direction”.
  • the battery integrated body 14 may include an elastic plate 24 between the secondary batteries 12. As will be described later, when the secondary batteries 12 are bundled in the vertical direction, the elastic plate 24 is deformed and the deformation of the secondary battery 12 can be suppressed.
  • the material of the elastic plate 24 may be, for example, a resin such as polypropylene.
  • the same secondary battery is preferably used.
  • the same secondary battery is used, and the secondary batteries 12 are arranged so that the positions of the positive and negative terminals of the adjacent secondary batteries 12 are opposite to each other in the vertical direction.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are alternately arranged side by side.
  • the battery integrated body 14 may include a bus bar 26 that electrically connects adjacent secondary batteries 12.
  • a bus bar 26 that electrically connects adjacent secondary batteries 12.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the adjacent secondary batteries 12 are connected by the bus bar 26, and the secondary batteries 12 mounted on the battery module 10 are connected in series.
  • the connection form of the secondary battery 12 is not limited to this.
  • the side surface fixing member 18 and the top surface fixing member 22 are crosslinked with a pair of end plates 16 provided at both ends in the vertical direction, and each end plate 16 is pressed against the battery integrated body 14 to cause a secondary battery. Twelve are united.
  • the end plate 16 may be a plate-like body that is one size larger than the secondary battery 12.
  • the end plate 16 may be formed with bolt holes for fastening the side surface fixing member 18 and the top surface fixing member 22.
  • the end plate 16 is a member that holds down the secondary battery 12 that has been expanded by charging, and is preferably made of a metal such as aluminum or iron from the viewpoint of improving rigidity.
  • the side surface fixing member 18 and the top surface fixing member 22 have a function of maintaining the united state of each secondary battery 12 together with the end plate 16 and holding the battery integrated body 14.
  • the side surface fixing member 18 and the top surface fixing member 22 are bridged between the pair of end plates 16 so that a vertical restraint load is applied from the end plates 16 at both ends to the battery integrated body 14. ..
  • compressive stress is also applied to the electrode body 30 inside the secondary battery 12 to prevent the distance between the positive electrode and the negative electrode from increasing.
  • the side surface fixing members 18 are provided on both side surfaces of the battery integrated body 14 along the vertical direction.
  • the pair of side surface fixing members 18 are arranged so as to sandwich the secondary batteries 12 from both sides in the lateral direction, and are preferably arranged so as to face each other.
  • a total of two batteries are provided on both side surfaces of the battery integrated body 14, but the number of the side surface fixing members 18 is not particularly limited.
  • the side surface fixing member 18 may be, for example, a metal plate-shaped member having a substantially constant width (length in the height direction).
  • the side surface fixing member 18 can also be made of resin.
  • both ends in the longitudinal direction of each side surface fixing member 18 are bent so as to wrap around the end faces in the longitudinal direction of each end plate 16, and the bent portions are bolted to the end plate 16. ..
  • the upper surface fixing member 22 is provided on the upper surface of the battery integrated body 14 along the vertical direction. In the examples shown in FIGS. 1 and 2, one is provided on the upper surface of the battery integrated body 14, but the number of the upper surface fixing members 22 is not particularly limited.
  • the upper surface fixing member 22 may be, for example, a metal plate-shaped member having a substantially constant width (length in the height direction).
  • the upper surface fixing member 22 can also be made of resin. In the example shown in FIG. 1, both ends in the longitudinal direction of the upper surface fixing member 22 are bent so as to wrap around the end faces in the longitudinal direction of each end plate 16, and the bent portions are bolted to the end plate 16.
  • the side surface fixing member 18 and the top surface fixing member 22 may be the same member. As a result, the number of parts types is reduced, which facilitates inventory control.
  • the secondary battery 12 is, for example, a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion battery.
  • FIG. 3 is a perspective view of the secondary battery 12 included in the battery module 10 which is an example of the present embodiment, and is a diagram showing the internal structure of the exterior body 32 with the front side removed.
  • the secondary battery 12 includes a winding type electrode body 30, an exterior body 32 for accommodating the electrode body 30, and a sealing plate 34. Both the exterior body 32 and the sealing plate 34 are made of metal, and are preferably made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the exterior body 32 has a bottom portion and a side wall portion erected on the peripheral edge of the bottom portion.
  • the side wall is formed substantially perpendicular to the bottom.
  • the shape of the exterior body 32 is not particularly limited, but as illustrated in FIG. 3, it may be a flat shape that is longer in the horizontal direction and the height direction than in the vertical direction, particularly in the horizontal direction.
  • the exterior body 32 is made of a metal material as described above, but a resin film may be attached to the outer surface of the exterior body 32 in order to ensure insulating properties.
  • the sealing plate 34 is a member for closing the opening of the exterior body 32 to seal the internal space of the battery case, and has a substantially rectangular shape long in the lateral direction. The periphery of the sealing plate 34 is welded to, for example, the peripheral edge of the opening of the exterior body 32.
  • the electrode body 30 has a flat shape in which a positive electrode 36 and a negative electrode 38 are wound around the separator 40.
  • the secondary battery 12 includes the winding electrode body 30 so that the winding shaft is in the lateral direction.
  • the electrode body 30 has a positive electrode 36 projecting on one end side in the winding axis direction and a negative electrode 38 projecting on the other end side in the winding axis direction. Each body 46 is connected. Further, a positive electrode terminal 44 is provided at one end in the lateral direction of the sealing plate 34, and a negative electrode terminal 48 is provided at the other end in the lateral direction. The positive electrode terminal 44 is connected to the positive electrode current collector 42, and is a negative electrode terminal. 48 is connected to the negative electrode current collector 46.
  • the sealing plate 34 has a liquid injection hole 50 for injecting an electrolyte into the exterior body 32, and a discharge valve 52 for discharging gas when the pressure inside the battery becomes a predetermined value or more. The liquid injection hole 50 is sealed with a sealing plug after the liquid injection.
  • FIG. 4A is a plan view of the vicinity of the end plate 16 of the battery module 10 which is an example of the present embodiment during charging
  • FIG. 4B is a view showing a cross section along the line AA of FIG. 4A.
  • each secondary battery 12 constituting the battery integrated body 14 expands in the vertical direction. Therefore, in the charged state, the secondary battery 12 whose both sides are sandwiched between the secondary batteries 12 has a large restraining load in the vertical direction, and the compressive stress on the electrode body 30 inside the secondary battery 12 also increases. The risk of lithium precipitation is small because the negative electrode 38 and the positive electrode 36 are separated from each other. On the other hand, in the charged state, the end plate 16 receives pressure from the adjacent secondary battery 12a and easily bends outward, so that the secondary battery 12a is separated from the end plate 16 and compressed with respect to the electrode body 30 inside the secondary battery 12a. There is a risk that the stress will be weakened and the distance between the positive electrode 36 and the negative electrode 38 will be increased.
  • a restraining load can be applied to the upper end of the end plate 16.
  • a restraining load can be applied to the upper end of the end plate 16.
  • a compressive stress can be applied above the electrode body 30.
  • a lower surface fixing member for cross-linking the end plates 16 may be provided on the lower surface of the battery integrated body 14.
  • a restraining load can be applied to the lower end of the end plate 16, the deflection of the lower end of the end plate 16 can be suppressed, and a compressive stress can be applied below the electrode body 30.
  • the upper surface fixing member 22 is provided substantially in the center of the battery integrated body 14 in the lateral direction. Since the end plate 16 having both ends in the lateral direction fixed by the side surface fixing members 18 is easier to separate from the secondary battery 12a in the center than both ends in the lateral direction, the upper surface fixing member 22 is provided substantially in the center in the lateral direction. , Deflection in the vertical direction can be suppressed at the upper end of the end plate 16, and compressive stress can be applied above the electrode body 30.
  • FIG. 4B is an enlarged view of the vicinity of the secondary battery 12a by cutting the center of the battery module 10 in the horizontal direction during charging along the line AA along the vertical direction.
  • the electrode body 30 included in the secondary battery 12a is shown in a cross section in the direction perpendicular to the winding axis, and the positive electrode body 36 and the negative electrode body 38 at the winding start portion and the winding end portion of the electrode body 30. And the separator 40 are described, and the part in the middle of winding is omitted.
  • the electrode body 30 has a flat shape, has a flat portion in the center, and has curved portions above and below the flat portion, respectively.
  • the band-shaped positive electrode 36 and the band-shaped negative electrode 38 are wound around the separator 40, and the negative electrode 38 is larger than the positive electrode 36 in both the width direction and the length direction.
  • the outermost circumference of the electrode body 30 may be the negative electrode 38.
  • the outermost circumference of the electrode body 30 means an electrode located on the outermost side of the positive electrode 36 or the negative electrode 38.
  • the separator 40 may be located outside the winding side of the outermost negative electrode 38.
  • the electrode body 30 expands and contracts due to repeated charging and discharging, but the frictional force received by the positive electrode 36 and the negative electrode 38 is large inside the winding, and the positions of the positive electrode 36 and the negative electrode 38 are unlikely to shift.
  • the negative electrode 38 on the outermost circumference receives a small frictional force, the distance between the negative electrode 38 and the positive electrode 36 adjacent to the inner peripheral side tends to increase due to misalignment.
  • the winding end 38a of the negative electrode 38 is liable to be misaligned, applying a restraining load to the end plate 16 suppresses an increase in the distance from the positive electrode 36.
  • both ends of the end plate 16 in the lateral direction are fixed by the side surface fixing member 18 and the upper end is fixed by the top surface fixing member 22, when the secondary battery 12a expanded by charging receives pressure to the outside, the end plate 16 is fixed to the outside. As shown in FIG. 4B, the lower end bends outward to separate from the secondary battery 12a.
  • the upper end of the end plate 16 is fixed by the upper surface fixing member 22, it is in contact with the secondary battery 12a. As a result, even during charging, at least above, a restraining load is applied to the secondary battery 12a from the end plate 16, so that the curved portion of the electrode body 30 facing the upper end of the end plate 16 receives compressive stress.
  • the winding end 38a of the negative electrode 38 faces upward, and in a cross section orthogonal to the winding axis, half the height of the electrode body 30 to the curved portion of the electrode body 30. It is located between the top of the head 30a.
  • compressive stress can be applied to the winding end 38a of the negative electrode 38, which is less susceptible to winding tightening, so that precipitation of lithium in the vicinity of the winding end 38a can be suppressed.
  • the curved portion on the left side of the crown 30a receives compressive stress from the upper end of the end plate 16, so that if the winding end 38a of the negative electrode 38 is in this range, the end is directly end. It can receive compressive stress from the plate 16. Further, even if the position of the winding end 38a of the negative electrode 38 is below the curved portion, if the position is above half the height of the electrode body 30, the separator 40 is pulled by the restraining load of the end plate 16. A compressive stress is applied to the winding end 38a of the negative electrode 38.
  • FIG. 5A is a plan view of the vicinity of the end plate 16 of the conventional battery module 10 in the charged state
  • FIG. 5B is a view showing a cross section along the line BB of FIG. 5A. Since the secondary battery 12a expands in the charged state, as shown in FIG. 5A, the end plate 16 having both ends fixed by the side fixing members 18 in the lateral direction flexes laterally and is the largest in the center of the secondary battery 12a. Separated from.
  • FIG. 5B as in FIG. 4B, the electrode body 30 included in the secondary battery 12a is shown in a cross section in the direction perpendicular to the winding axis, and the winding start portion and the winding end portion of the electrode body 30 are shown.
  • the positive electrode 36, the negative electrode 38, and the separator 40 are described, and the winding middle portion is omitted.
  • the end plate 16 is separated from the secondary battery 12a, no restraining load is applied to the secondary battery 12a from the end plate 16, and the compressive stress on the electrode body 30 inside the secondary battery 12a.
  • the winding end 38a faces downward and is located below half the height of the electrode body 30 in the cross section orthogonal to the winding axis, but any position of the electrode body 30 is an end plate. Since the compressive stress is not applied from 16, the distance between the winding end 38a and the positive electrode 36 may increase regardless of the direction and position of the winding end 38a.
  • Battery module 12 (square) secondary battery 14 Battery integrated body 16 End plate 18 Side fixing member 22 Top fixing member 24 Elastic plate 26 Bus bar 30 Electrode body 32 Exterior body 34 Seal plate 36 Positive electrode 38 Negative electrode 40 Separator 42 Positive electrode current collector 44 Positive electrode terminal 46 Negative electrode current collector 48 Negative electrode terminal 50 Liquid injection hole 52 Discharge valve

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Abstract

電池モジュールは、複数の角形二次電池が積層された電池集積体と、電池集積体を二次電池の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレートと、エンドプレートを相互に架橋する、二次電池の両側面に設けられた一対の側面固定部材、及び、二次電池の上面に設けられた上面固定部材とを備え、二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された扁平状の巻回型電極体を巻回軸が横方向になるように含み、少なくともエンドプレートに隣接する二次電池においては、負極の巻終端が、上向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体の高さの半分から電極体の湾曲部の頭頂部までの間に位置する。

Description

電池モジュール
　本開示は、電池モジュールに関する。
　従前から、複数の角形二次電池を相互に接続して積層した電池モジュールが知られている。各電池の内部に含まれる電極体を構成する正極と負極との間の距離が大きくなると負極にリチウムが析出することがあるため、電池モジュールでは、複数の電池が積層された電池集積体を、電池の積層方向から一対のエンドプレートで挟みつつ拘束して正極と負極との間の距離が大きくならないように抑制している。特許文献１に開示された電池モジュールでは、電池集積体を、側面に配置した固定部材で架橋した一対のエンドプレートで挟んで拘束荷重をかけつつ、角形二次電池の下部の拘束荷重を調整することで、充放電の繰り返しにより発生したガスが原因となって負極に正極含有金属が析出することを抑制している。
特開２０１８－１３３１９９号公報
　高容量化の観点から大型の角形二次電池を用いて電池モジュールを構成する場合がある。この場合、エンドプレートは、大きくなるため、従来よりも剛性が下がり、二次電池の充電時に外側にたわみやすくなる。本願発明者らは、エンドプレートが外側にたわむと、横方向の中央部付近でエンドプレートとエンドプレートに隣接する二次電池とが離間し、負極の巻終端の方向、位置によっては、負極の巻終端と正極との間の距離が大きくなって負極の巻終端の近傍にリチウムが析出することを見出した。リチウムの析出は内部短絡の原因となり得るので抑制する必要がある。特許文献１は、エンドプレートのたわみについては検討しておらず、未だ改善の余地がある。
　本開示に係る電池モジュールは、複数の角形二次電池が積層された電池集積体と、電池集積体を二次電池の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレートと、エンドプレートを相互に架橋する、二次電池の側面に設けられた側面固定部材、及び、二次電池の上面に設けられた上面固定部材とを備え、二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された扁平状の巻回型電極体を巻回軸が横方向になるように含み、少なくともエンドプレートに隣接する二次電池においては、負極の巻終端が、上向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体の高さの半分から電極体の湾曲部の頭頂部までの間に位置する。
　本開示に係る電池モジュールによれば、負極の巻終端におけるリチウムの析出を抑制することができる。
図１は、本実施形態の一例である電池モジュールの斜視図である。 図２は、本実施形態の一例である電池モジュールの平面図である。 図３は、本実施形態の一例である電池モジュールに含まれる二次電池の斜視図であって、外装体の手前側を外した状態での内部の構造を示す図である。 図４Ａは、充電状態における本実施形態の一例である電池モジュールのエンドプレート近傍の平面図である。 図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ線に沿った断面を示す図である。 図５Ａは、従来の電池モジュールにおける図４Ａに対応する図である。 図５Ｂは、従来の電池モジュールにおける図４Ｂに対応する図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示に係る電池モジュールの実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示に係る電池モジュールは、以下で説明する実施形態に限定されない。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などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略～」とは、略一定を例に説明すると、完全に一定はもとより、実質的に一定と認められるものを含む意図である。
　まず、図１及び図２を参照しながら、本開示の実施形態の一例である電池モジュール１０について説明する。図１は、電池モジュール１０の斜視図、図２は、電池モジュール１０の平面図である。
　図１及び図２に例示するように、電池モジュール１０は、複数の角形二次電池１２が積層された電池集積体１４と、電池集積体１４を二次電池１２の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレート１６と、エンドプレート１６を相互に架橋する、二次電池１２の両側面に設けられた一対の側面固定部材１８、及び、二次電池１２の上面に設けられた上面固定部材２２とを備える。なお、本明細書において二次電池１２の極板端子が設けられている側を「上」としたが、当然に、電池モジュール１０が車両等に搭載される場合の向きを限定するものではなく、例えば、電池モジュール１０の上面を水平方向にして搭載してもよい。また、本明細書では、説明の便宜上、二次電池１２の積層方向を「縦方向」、二次電池１２の側面方向を「横方向」、上下方向を「高さ方向」という場合がある。
　電池集積体１４は、二次電池１２同士の間に弾性プレート２４を含んでもよい。後述するように、各二次電池１２は縦方向に沿って結束した際に、弾性プレート２４が変形して二次電池１２の変形を抑制することができる。弾性プレート２４の材質は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂でもよい。
　電池集積体１４を構成する二次電池１２には、容量、寸法、種類等が異なる電池を用いることも可能であるが、好ましくは同じ二次電池を用いる。図１及び図２では、同じ二次電池を使用し、隣り合う二次電池１２同士の正負端子の横方向の位置が互いに逆となるように各二次電池１２が配置されるので、縦方向に正極端子と負極端子が交互に並んだ状態となる。
　電池集積体１４は、隣り合う二次電池１２同士を電気的に接続するバスバー２６を備えてもよい。図１及び図２に示す例では、バスバー２６により、隣接する二次電池１２の正極端子と負極端子とが接続されており、電池モジュール１０に搭載された各二次電池１２は直列接続されている。但し、二次電池１２の接続形態はこれに限定されない。
　電池モジュール１０では、縦方向両端部に設けられた一対のエンドプレート１６に側面固定部材１８及び上面固定部材２２を架橋して、各エンドプレート１６を電池集積体１４に押し付けることで、二次電池１２を結束している。エンドプレート１６は、二次電池１２よりも一回り大きい板状体でもよい。エンドプレート１６には、側面固定部材１８及び上面固定部材２２を締結するためのボルト孔が形成されていてもよい。エンドプレート１６は、充電により膨張した二次電池１２を押さえ込む部材であり、剛性向上の観点から、アルミニウムや鉄等の金属製が好ましい。
　側面固定部材１８及び上面固定部材２２は、上述のように、エンドプレート１６と共に各二次電池１２の結束状態を維持し、電池集積体１４を保持する機能を有する。換言すれば、側面固定部材１８及び上面固定部材２２は、一対のエンドプレート１６の間を架橋することで、両端のエンドプレート１６から電池集積体１４に縦方向の拘束荷重がかかるようにしている。これにより、二次電池１２内部の電極体３０にも圧縮応力を印可し、正極と負極との間の距離が大きくなるのを抑制している。
　側面固定部材１８は、縦方向に沿って電池集積体１４の両側面に設けられる。一対の側面固定部材１８は、各二次電池１２を横方向両側から挟むように配置され、好ましくは互いに対向配置される。図１に示す例では、電池集積体１４の両側面にそれぞれ１本ずつ合計２本設けられているが、側面固定部材１８の本数は特に限定されない。
　側面固定部材１８は、例えば略一定の幅（高さ方向長さ）を有する金属製の板状部材であってもよい。側面固定部材１８は、樹脂製とすることも可能である。図１に示す例では、各側面固定部材１８の長手方向両端部が、各エンドプレート１６の縦方向端面上に回り込むように折り曲げられ、当該折り曲げられた部分がエンドプレート１６にボルト止めされている。
　上面固定部材２２は、縦方向に沿って電池集積体１４の上面に設けられる。図１及び図２に示す例では、電池集積体１４の上面に１本設けられているが、上面固定部材２２の本数は特に限定されない。上面固定部材２２は、例えば略一定の幅（高さ方向長さ）を有する金属製の板状部材であってもよい。上面固定部材２２は、樹脂製とすることも可能である。図１に示す例では、上面固定部材２２の長手方向両端部が、各エンドプレート１６の縦方向端面上に回り込むように折り曲げられ、当該折り曲げられた部分がエンドプレート１６にボルト止めされている。側面固定部材１８と、上面固定部材２２とは、同じ部材であってもよい。これにより、部品種類が減るので、在庫管理が容易になる。
　次に、図３を参照しながら、電池集積体１４を構成する二次電池１２の構造について説明する。二次電池１２は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池である。図３は、本実施形態の一例である電池モジュール１０に含まれる二次電池１２の斜視図であって、外装体３２の手前側を外した状態での内部の構造を示す図である。二次電池１２は、巻回型の電極体３０と、電極体３０を収容する外装体３２と、封口板３４とを含む。外装体３２及び封口板３４はいずれも金属製であり、アルミニウム製又はアルミニウム合金製であることが好ましい。
　外装体３２は、底部、及び底部の周縁に立設した側壁部を有する。側壁部は、底部に対して略垂直に形成される。外装体３２の形状は、特に限定されないが、図３に例示するように、縦方向よりも横方向及び高さ方向、特に横方向に長い扁平な形状でもよい。外装体３２は、上記のように金属材料で構成されているが、外装体３２の外面には、絶縁性を確保するために樹脂フィルムが装着されていてもよい。封口板３４は、外装体３２の開口を塞いで電池ケースの内部空間を密閉するための部材であって、横方向に長い略長方形状を有する。封口板３４の周囲は、例えば外装体３２の開口の周縁部に溶接されている。
　電極体３０は、正極３６と負極３８とがセパレータ４０を介して巻回され、扁平状の形状を有する。二次電池１２は、巻回型電極体３０を巻回軸が横方向になるように含む。
　電極体３０は、巻回軸方向一端側に正極３６が、巻回軸方向他端側に負極３８がそれぞれ突出しており、正極３６には正極集電体４２が、負極３８には負極集電体４６がそれぞれ接続される。また、封口板３４の横方向一端部に正極端子４４が、横方向他端部に負極端子４８がそれぞれ設けられており、正極端子４４は、正極集電体４２に接続されており、負極端子４８は、負極集電体４６に接続されている。封口板３４は、外装体３２内に電解質を注液するための注液孔５０と、電池内部の圧力が所定値以上となった場合にガスを排出するための排出弁５２とを有する。なお、注液孔５０は、注液後には封止栓により封止される。
　次に、図４Ａと図４Ｂを参照しながら、上面固定部材２２の機能について説明する。図４Ａは、充電時における本実施形態の一例である電池モジュール１０のエンドプレート１６近傍の平面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ線に沿った断面を示す図である。
　充電時においては、電池集積体１４を構成する各二次電池１２は、縦方向に膨張する。したがって、充電状態においては、両側を二次電池１２で挟まれた二次電池１２は、縦方向に受ける拘束荷重が大きくなり、二次電池１２内部の電極体３０への圧縮応力も大きくなるので、負極３８と正極３６との距離が離れてリチウムの析出するリスクは小さい。一方、充電状態では、エンドプレート１６が隣接する二次電池１２ａから圧力を受けて外側にたわみやすいため、二次電池１２ａがエンドプレート１６と離間し、二次電池１２ａ内部の電極体３０に対する圧縮応力が弱くなって正極３６と負極３８との間の距離が大きくなるリスクがある。
　図４Ａに示すように、上面固定部材２２を設けることで、エンドプレート１６の上端にも拘束荷重をかけることができる。これにより、少なくともエンドプレート１６の上端のたわみを抑制し、電極体３０の上方に圧縮応力を印可することができる。さらに、電池集積体１４の下面に、エンドプレート１６を相互に架橋する下面固定部材を設けてもよい。これにより、エンドプレート１６の下端にも拘束荷重をかけることができて、エンドプレート１６の下端のたわみを抑制し、電極体３０の下方に圧縮応力を印可することができる。
　上面固定部材２２は、電池集積体１４の横方向の略中央に設けられていることが好ましい。横方向の両端を側面固定部材１８で固定されたエンドプレート１６は、横方向の両端よりも中央で二次電池１２ａと離間しやすいため、横方向の略中央に上面固定部材２２を設けることで、エンドプレート１６の上端において縦方向へのたわみを抑制し、電極体３０の上方に圧縮応力を印可することができる。
　図４Ｂを参照しつつ、エンドプレート１６に隣接した二次電池１２ａ内部の電極体３０の状態について説明する。図４Ｂは、充電時の電池モジュール１０の横方向の中央をＡ－Ａ線に沿って縦方向に沿って切断して、二次電池１２ａ近傍を拡大した図である。
　図４Ｂにおいては、巻回軸に垂直な方向の断面で、二次電池１２ａに含まれる電極体３０が示されており、電極体３０の巻き始め部分と巻き終わり部分における正極３６、負極３８、及びセパレータ４０が記載され、巻き途中部分は省略されている。電極体３０は、扁平な形状であり、中央に平坦部を有し、平坦部の上方と下方にそれぞれ湾曲部を有する。電極体３０においては、帯状の正極３６と帯状の負極３８とがセパレータ４０を介して巻回されており、負極３８は、幅方向及び長さ方向の両方において、正極３６よりも大きい。
　電極体３０の最外周は、負極３８であってもよい。ここで、電極体３０の最外周とは、正極３６又は負極３８の最も巻外側に位置する電極を意味する。最外周の負極３８よりも巻外側にセパレータ４０があってもよい。電極体３０は、充放電の繰り返しにより膨張収縮するが、巻内側では正極３６及び負極３８が受ける摩擦力が大きく、正極３６及び負極３８の位置ずれが生じにくい。一方、最外周の負極３８は、受ける摩擦力が小さいため、位置ずれが生じて内周側に隣接する正極３６との間の距離が大きくなりやすい。特に、負極３８の巻終端３８ａは、位置ずれが生じやすいので、エンドプレート１６により拘束荷重をかけることで、正極３６との距離が大きくなることを抑制している。
　エンドプレート１６は、横方向の両端を側面固定部材１８で固定され、さらに上端を上面固定部材２２で固定されているため、充電により膨張した二次電池１２ａから外側への圧力を受けた時には、図４Ｂに示すように下端が外側にたわんで、二次電池１２ａから離間する。一方、エンドプレート１６の上端は、上面固定部材２２によって固定されているので、二次電池１２ａと接触している。これにより、充電時にも、少なくとも上方では、二次電池１２ａに対してエンドプレート１６から拘束荷重がかかるため、エンドプレート１６の上端に対向する電極体３０の湾曲部は圧縮応力を受ける。
　少なくともエンドプレート１６に隣接する二次電池１２ａにおいては、負極３８の巻終端３８ａが、上向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体３０の高さの半分から電極体３０の湾曲部の頭頂部３０ａまでの間に位置する。これにより、巻き締りを受けにくい負極３８の巻終端３８ａにも圧縮応力を印可することができるので、巻終端３８ａ近傍でのリチウムの析出を抑制できる。
　図４Ｂにおいて、頭頂部３０ａより左側（エンドプレート１６に近い側）の湾曲部は、エンドプレート１６の上端から圧縮応力を受けるので、負極３８の巻終端３８ａがこの範囲にあれば、直接、エンドプレート１６からの圧縮応力を受けることができる。また、負極３８の巻終端３８ａの位置が、当該湾曲部よりも下であっても、電極体３０の高さの半分から上であれば、エンドプレート１６の拘束荷重によりセパレータ４０が引っ張られるので、負極３８の巻終端３８ａには圧縮応力が印可される。
　次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら、従来の電池モジュール１０の場合について説明する。図５Ａは、充電状態における従来の電池モジュール１０のエンドプレート１６近傍の平面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面を示す図である。充電状態では二次電池１２ａが膨張するので、図５Ａに示すように、横方向の両端を側面固定部材１８で固定されたエンドプレート１６は、横方向にたわみ、中央で最も大きく二次電池１２ａと離間する。
　図５Ｂにおいては、図４Ｂと同様に、巻回軸に垂直な方向の断面で、二次電池１２ａに含まれる電極体３０が示されており、電極体３０の巻き始め部分と巻き終わり部分における正極３６、負極３８、及びセパレータ４０が記載され、巻き途中部分は省略されている。上記のように、エンドプレート１６が二次電池１２ａと離間しているため、二次電池１２ａに対してエンドプレート１６から拘束荷重がかからず、二次電池１２ａ内部の電極体３０に対する圧縮応力が印可されないため、負極３８の巻終端３８ａと正極３６との間の距離が大きくなり、巻終端３８ａ近傍にリチウムが析出するリスクがある。なお、図５Ｂにおいては、巻終端３８ａは下向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体３０の高さの半分よりも下に位置するが、電極体３０のいずれの位置もエンドプレート１６から圧縮応力を印可されていないので、巻終端３８ａの方向と位置に寄らず、巻終端３８ａと正極３６との間の距離が大きくなる可能性がある。
１０　　電池モジュール
１２　　（角形）二次電池
１４　　電池集積体
１６　　エンドプレート
１８　　側面固定部材
２２　　上面固定部材
２４　　弾性プレート
２６　　バスバー
３０　　電極体
３２　　外装体
３４　　封口板
３６　　正極
３８　　負極
４０　　セパレータ
４２　　正極集電体
４４　　正極端子
４６　　負極集電体
４８　　負極端子
５０　　注液孔
５２　　排出弁

Claims (3)

  1. 　複数の角形二次電池が積層された電池集積体と、
    　前記電池集積体を前記二次電池の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレートと、
    　前記エンドプレートを相互に架橋する、前記二次電池の両側面に設けられた一対の側面固定部材、及び、前記二次電池の上面に設けられた上面固定部材とを備え、
    　前記二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された扁平状の巻回型電極体を巻回軸が横方向になるように含み、
    　少なくとも前記エンドプレートに隣接する前記二次電池においては、前記負極の巻終端が、上向きであり、前記巻回軸に直交する断面において、前記電極体の高さの半分から前記電極体の湾曲部の頭頂部までの間に位置する、電池モジュール。
  2. 　前記電極体の最外周は、負極である、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 　前記上面固定部材は、前記電池集積体の横方向の略中央に設けられている、請求項１又は２に記載の電池モジュール。
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