WO2024116645A1 - 電池パック - Google Patents

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WO2024116645A1
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battery pack
battery
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一寿 井手口
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パナソニックエナジー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack in which a battery cell equipped with a discharge valve is housed in an exterior case.
  • Battery cells equipped with exhaust valves can prevent the battery case from bursting by opening the exhaust valve in the event of an abnormality.
  • the exhaust valve opens when the battery cell goes into thermal runaway and the internal pressure exceeds a threshold value, so the ejection material emitted by the thermal runaway becomes abnormally high temperature and pressure, which causes various thermal damage. Damage caused by thermal runaway includes the adverse effect of a thermal runaway battery cell inducing thermal runaway in other battery cells, which generates a large amount of thermal energy and accelerates the thermal damage, and the ejection material is ejected at a high temperature to the outside of the exterior case. The above thermal damage can be solved by attenuating the energy of the ejection material and ejecting it to the outside of the exterior case.
  • the battery pack 900 shown in the cross section of FIG. 10 has a plate-shaped heat-resistant plate 941 arranged inside the exterior case 902 at a position facing the electrode end surface of the battery cell 901 where the opening 912a of the exhaust valve 912 is located, and an L-shaped heat-resistant plate 942 arranged at a corner of the exterior case 902.
  • This structure of the battery pack 900 has two heat-resistant plates 940 to prevent thermal damage to the exterior case 902 due to high-temperature ejection, which increases the parts cost, and further, since each heat-resistant plate 940 is arranged in a fixed position inside the exterior case 902, the structure and assembly become complicated, which increases the manufacturing cost, and further, the space for incorporating the two heat-resistant plates 940 increases the external size of the exterior case 902.
  • the inventor has developed a battery pack in which a flame-retardant foam layer that disappears by itself to absorb thermal energy is placed at the opening of the exhaust valve of the battery cell, and the ejected material is safely exhausted to the outside of the exterior case.
  • This battery pack does not rely on a heat-resistant plate with excellent heat resistance properties such as metal or ceramic as in the past, but has the characteristic that it can eliminate thermal damage caused by thermal runaway by lowering the temperature of the ejected material with the thermal energy absorbed by the disappearance of the foam layer, guiding the cooled ejected material to an exhaust duct, and exhausting it from the exhaust duct to the outside of the case.
  • the foam layer that disappears by itself to absorb thermal energy needs to have a large disappearance volume in order to increase the thermal energy absorbed from the ejected material. Therefore, the foam layer used for this purpose needs to be thick and have a large disappearance volume.
  • This battery pack has a problem that the outer shape of the exterior case becomes large due to the thick foam layer that is stored. Furthermore, the use of a thick foam layer also increases the cost of parts. Furthermore, the foam layer needs to be made of a material with unique physical properties that uses a flame-retardant material that disappears without ignition, which also has the disadvantage of increasing the cost of parts.
  • the present invention was developed with the aim of eliminating the drawbacks of the battery packs mentioned above, and one object of the present invention is to provide a battery pack that can prevent thermal damage caused by ejection from a battery cell that has gone into thermal runaway while still having a thin flame-retardant foam layer.
  • a battery pack is a battery pack comprising a battery block made up of a plurality of battery cells with the opening of the exhaust valve disposed on a first end face, and an exterior case housing the battery block, the exterior case having an exhaust duct between the first end face of the battery cell and the first end face of the battery cell for ejection material exhausted from the opening of the exhaust valve, and a flame-retardant sheet disposed between the exhaust duct and the first end face of the battery cell, the flame-retardant sheet being a laminated sheet formed by laminating a flame-retardant non-foamed film, which has higher heat resistance than the foamed sheet and is thinner than the foamed sheet, on one side of the flame-retardant foamed sheet, the flame-retardant sheet having a through hole for ejection material in a position opposite the opening of the exhaust valve, the flame-retardant sheet being formed by disposing the non-foamed film in a position opposite the first end
  • the above battery packs have the advantage of being able to prevent thermal damage caused by ejection from battery cells that have gone into thermal runaway while still having a thin flame-retardant foam layer. Furthermore, because the built-in foam layer of the above battery packs can be made thin, the exterior case can be made compact, and the charge/discharge capacity relative to the volume can be increased while still ensuring safety.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a state in which the exterior case of FIG. 1 is attached.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the fireproof sheet of FIG. 2 in a state of being installed.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery pack of FIG. 1 .
  • 5 is an exploded perspective view showing the battery holder of FIG. 4 in a mounted state.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the battery pack of FIG. 1 taken along line VI-VI.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a main portion of FIG. 6 .
  • FIG. 7 is an enlarged perspective view of a main portion of FIG. 6 .
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a flow path of an ejected material.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery pack showing a conventional example.
  • a battery pack is a battery pack comprising a battery block made up of a plurality of battery cells with the opening of the exhaust valve disposed on the first end face, and an exterior case housing the battery block, the exterior case having an exhaust duct between the first end face of the battery cell and the first end face of the battery cell for ejection material exhausted from the opening of the exhaust valve, and a flame-retardant sheet disposed between the exhaust duct and the first end face of the battery cell, the flame-retardant sheet being a laminated sheet formed by laminating a flame-retardant non-foamed film, which has higher heat resistance than the foamed sheet and is thinner than the foamed sheet, on one side of the flame-retardant foamed sheet, the flame-retardant sheet having a through hole for ejection material in a position opposite the opening of the exhaust valve, the flame-retardant sheet being formed by disposing the non-foamed film in a position opposite the first end face
  • FIG. 9 is a locally enlarged cross-sectional view showing the first end face 15 of the battery cell 1, the flame-retardant sheet 4, and the exhaust duct 20.
  • the flow path of the ejection from the battery cell 1 that has gone into thermal runaway is indicated by arrows A, B, and C.
  • the ejection ejected from the opening 12a of the exhaust valve 12 of the battery cell 1 passes through the through hole 45 of the flame-retardant sheet 4 and is sprayed toward the exhaust duct 20, as indicated by arrow A.
  • the ejection ejected into the exhaust duct 20 collides with the inner surface of the exhaust duct 20, is reflected, and changes direction to be sprayed toward the surface of the foam sheet 41 of the flame-retardant sheet 4, as indicated by arrow B.
  • the high-temperature ejection material sprayed onto the surface of the foamed sheet 41 melts the foamed sheet 41 from the surface, disappears, and moves inside, and moves toward the surface of the non-foamed film 42 laminated on the back surface.
  • the foamed sheet 41 has a three-dimensional shape in which countless bubbles are partitioned by a flame-retardant thin film, and has an extremely low density due to the countless bubbles contained therein, and is quickly melted by the ejection material sprayed onto the surface, disappears, and moves the ejection material toward the surface of the non-foamed film 42.
  • the ejection material that has moved to the surface of the non-foamed film 42 collides with the surface of the non-foamed film 42 and is diffused, as shown by arrow C, and is reflected, melting the inside of the foamed sheet 41 in a wider area, and moves toward the surface of the foamed sheet 41 while disappearing.
  • the non-foamed film 42 is a non-foamed sheet that does not contain bubbles, and has higher heat resistance than the foamed sheet 41, and reflects the ejection material that passes through the foamed sheet 41 and is sprayed onto the surface toward the foamed sheet 41.
  • the non-foaming film 42 can be, for example, a polyimide sheet, and although this non-foaming film 42 will melt and disappear over time due to the thermal energy of the ejected material, it will also melt and disappear after reflecting the ejected material off its surface.
  • the ejected material discharged from the battery cell passes through the through holes in the flame-retardant sheet and is reflected by the exhaust duct, and moves toward the first end face of the battery cell while disappearing from the surface of the foam sheet toward the inside.
  • the ejected material is reflected by the non-foamed film with high heat resistance that is arranged between the first end face of the battery cell, thermal damage to the first end face of the battery cell due to the ejected material is prevented.
  • the ejected material reflected by the non-foamed film and spread over a wide area reverses its direction of movement and moves toward the surface of the foamed sheet, disappearing over a wide area of the foam sheet and disappearing over a considerably wide area of the flame-retardant sheet.
  • the ejected material disappears over a wide area and in a large volume in the flame-retardant sheet, losing thermal energy and decreasing in temperature.
  • the ejected material with a reduced temperature is discharged to the outside of the exterior case without causing thermal damage to the exhaust duct or exterior case.
  • the ejected material discharged to the outside of the exterior case after a reduced temperature does not ignite when it comes into contact with air, and furthermore, thermal damage outside the exterior case can be eliminated.
  • the flame-retardant sheet disposed between the exhaust duct and the first end surface of the battery cell prevents the harmful effects of thermal damage, in which high-temperature ejection material discharged from a thermally runaway battery cell overheats an adjacent battery cell and induces thermal runaway.
  • preventing the induction of thermal runaway is a particularly important characteristic in terms of ensuring safety.
  • a thermally runaway battery cell causes the adjacent battery cell to undergo thermal runaway by ejecting high-temperature ejection material with great force.
  • the battery pack can prevent the induction of thermal runaway by absorbing the heat of the ejection material, but this structure requires the placement of a heat-resistant material with excellent heat-resistant properties in a specific position.
  • the battery pack can prevent the induction of thermal runaway by absorbing the thermal energy of the ejection material by burning the flame-retardant foam flame-retardant sheet.
  • a battery pack with this structure in order to increase the amount of heat energy absorbed by burning, it is necessary to thicken the foam flame-retardant sheet, which increases the volume of the flame-retardant sheet and requires a larger exterior case.
  • Battery packs used for various purposes are required to have as small an external shape as possible, to increase the charge/discharge capacity, and to increase the charge/discharge capacity relative to the volume. Therefore, using a thick flame-retardant sheet would not solve the problem of reducing the volumetric charge/discharge capacity, which is important for a battery pack.
  • the above battery packs have the advantage that the thin flame-retardant sheet can prevent thermal runaway in the battery cells, allowing the exterior case to be made smaller and the charge/discharge capacity to be increased.
  • the above features are achieved by using a unique layered structure that can increase the volume that burns while still using a thin flame-retardant sheet.
  • the foam sheet can be a foam having closed cells.
  • the above battery pack has the advantage that the foamed flame-retardant sheet is made even thinner, which can more effectively prevent thermal damage to the battery pack caused by high-temperature, high-pressure ejection material.
  • the closed-cell foamed sheet contains countless closed bubbles that are surrounded by a thin flame-retardant film and partitioned into independent closed spaces, improving the heat resistance of the bubbles.
  • the ejection material that melts the foamed sheet and penetrates the interior as it disappears cannot penetrate into the bubbles without destroying the thin flame-retardant film surrounding the bubbles as it does in an open-cell foam layer, but penetrates into the bubbles by destroying the thin flame-retardant film that separates each bubble, and then penetrates into the interior, destroying the foamed sheet.
  • the battery pack described above has the advantage of being able to improve impact resistance and vibration resistance due to the cushioning properties of the closed cells in the foam sheet and the flame-retardant sheet placed between the exterior case and the battery block.
  • the above battery packs are
  • the foam sheet can be made of a heat-resistant rubber foam.
  • the above battery pack has the advantage of being able to improve impact resistance and vibration resistance due to the rubber-like elasticity of the heat-resistant rubber used in the foam sheet.
  • the foam sheet can be a chloroprene rubber foam.
  • the above battery pack uses chloroprene rubber, which has excellent mechanical strength, weather resistance, heat resistance, cold resistance, and oil resistance, for the foam sheet of the flame-retardant sheet, and has the advantage of being able to be used stably in a variety of environments with different external conditions.
  • the foam sheet can be made of silicone rubber foam.
  • the above battery pack uses silicone rubber foam, which has particularly excellent cold and heat resistance, for the foam sheet, and is therefore characterized by its ability to be used stably in a variety of external temperature environments.
  • the non-foamed film can be a polyimide film.
  • a polyimide film with a heat resistance temperature of 450°C or higher is used for the non-foamed film of the flame-retardant sheet, so the foamed sheet melts, disappears, and the ejected material that is sprayed onto the surface can be stably reflected and diffused to expand the disappearance area of the foamed sheet, resulting in the advantage of being able to stably prevent thermal damage caused by ejected material with a thin flame-retardant sheet.
  • the non-foamed film can be a fluororesin film.
  • the thickness of the foam sheet can be 2 mm or less.
  • the thickness of the non-foamed film can be 200 ⁇ m or less.
  • both the foamed sheet and the non-foamed film of the flame-retardant sheet are lost in the ejection, allowing the battery pack to absorb heat energy.
  • the exterior case is provided with a fireproof sheet disposed in the exhaust duct, and the exhaust duct can be provided between the fireproof sheet and the flame-retardant sheet.
  • the battery pack described above can protect the exterior case from high-temperature ejection material flowing into the exhaust duct, and prevent damage to the exterior case caused by the ejection material.
  • the outer case is provided with a fireproof sheet arranged in an exhaust duct, the fireproof sheet has an exhaust duct between it and the flame-retardant sheet, an outer exhaust duct between it and the inner surface of the outer case, and the fireproof sheet can have a through hole that guides ejection from the exhaust duct to the outer exhaust duct.
  • the battery pack described above can protect the outer case from high-temperature ejection that flows into the exhaust duct, and more reliably prevent damage to the outer case caused by ejection.
  • the battery block includes a battery holder in which multiple battery cells are arranged in fixed positions, the flame-retardant sheet has cutout gaps between adjacent battery cells, and the battery holder can be provided with an integral partition wall that is guided into the cutout gaps.
  • the above battery pack has the advantage that, in addition to the flame-retardant sheet, the partition walls of the battery holder arranged between the battery cells more reliably prevent the induction of thermal runaway in adjacent battery cells, thereby achieving higher safety.
  • Battery packs can be made lighter and have higher capacity by using non-aqueous secondary batteries such as lithium-ion battery cells, but this type of battery pack can cause the internal pressure of the battery cells to rise and explode if used under abnormal conditions, so a discharge valve is provided to prevent this.
  • the discharge valve opens and discharges ejected material from the opening.
  • the ejected material from the battery cells is high in temperature and pressure, and can cause various thermal damage. Thermal damage caused by ejected material can, for example, induce thermal runaway in adjacent battery cells, thermally damage the exterior case, or cause fire if high-temperature ejected material is discharged outside the exterior case.
  • FIG. 1 is a perspective view of the battery pack 100
  • Fig. 2 is an exploded perspective view of the exterior case 2 attached
  • Fig. 3 is an exploded perspective view of the fireproof sheet attached
  • Fig. 4 is an exploded perspective view of the battery pack in Fig. 1
  • Fig. 5 is an exploded perspective view of the battery cell 1 attached to the battery holder 60
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of the battery pack 100 in Fig. 1 taken along line VI-VI
  • Figs. 7 and 8 are enlarged views of the main parts of Fig. 6,
  • Fig. 9 is a schematic diagram showing the flow path of the ejected material discharged from the opening 12a of the discharge valve 12 of the battery cell 1.
  • the battery pack 100 comprises a battery block 10 consisting of a plurality of battery cells 1, and an exterior case 2 of a closed structure in which the battery block 10 is disposed.
  • An exhaust duct 20 is provided between the exterior case 2 and the battery block 10, which exhausts ejected materials from the battery cells 1 to the outside of the case.
  • a flame-retardant sheet 4 is disposed between the exhaust duct 20 and the battery block 10 in the exterior case 2.
  • the flame-retardant sheet 4 is a sheet that will not ignite when high-temperature, high-pressure ejected materials are emitted from battery cells 1 that have gone into thermal runaway inside the exterior case 2, and this thin flame-retardant sheet 4 prevents various thermal damage and safely exhausts the ejected materials from the exhaust duct 20. (Battery block 10)
  • the battery block 10 has multiple battery cells 1 arranged in fixed positions in a battery holder 60 and connected in parallel or series by lead plates 3.
  • Lithium ion batteries which have a large charge/discharge capacity relative to their weight and volume, are suitable for the battery cells 1.
  • Lithium ion batteries can reduce the external dimensions of the battery pack 100 and the weight while increasing the charge/discharge capacity.
  • the battery pack of the present invention is not limited to lithium ion batteries for the battery cells, and can use any battery that can be recharged, such as other secondary batteries, for example other non-aqueous electrolyte secondary batteries and all-solid-state batteries.
  • the battery cell 1 has positive and negative electrodes 13 at both ends.
  • the battery cell 1 shown in FIG. 5 is a cylindrical battery 1A, with an opening 12a of the exhaust valve 12 at the first end face 15.
  • the first end face 15 of the battery cell 1 is the exhaust end face for ejected material, and the opposite side of the exhaust end face is a non-exhaust end face where the opening 12a of the exhaust valve 12 is not arranged and does not exhaust ejected material.
  • the battery cell 1 is a cylindrical battery 1A, but the battery cell 1 is not necessarily limited to a cylindrical battery 1A, and a battery with an opening 12a of the exhaust valve 12 at the first end face 15, such as a rectangular battery, can also be used.
  • the opening of the outer can which is made by pressing a metal plate, is airtightly sealed with a sealing plate.
  • the sealing plate has an opening 12a of the exhaust valve 12 and serves as the first end face 15 of the battery cell 1.
  • the battery cell 1 can also have the opening 12a of the exhaust valve 12 on the bottom plate of the exterior can, so the bottom surface of the exterior can on which the opening 12a of the exhaust valve 12 is provided can also be the first end surface 15 on which the opening 12a of the exhaust valve 12 is located.
  • the battery block 10 shown in FIG. 4 has each battery cell 1 in a parallel position, with the electrodes 13 at both ends of the battery cell 1 arranged on the same plane.
  • lead plates 3 are arranged on the opposing surfaces where the electrodes 13 of the battery cells 1 are arranged on the same plane.
  • the discharge end face and non-discharge end face of the battery cells 1 are arranged on the same plane, and the battery cells 1 are connected in parallel and in series by one lead plate 3.
  • the lead plate 3 has a connection arm 31 that connects to the positive and negative electrodes 13 of the battery cells 1.
  • the lead plate 3 is formed by cutting and bending a single metal plate into a shape that connects the connection arm 31 to a planar lead body 30.
  • connection arm 31 of this lead plate 3 is cut, excluding the connection part between the lead body 30 and the connection arm 31, to provide the connection arm 31 on the lead body 30.
  • the connection arm 31 of the connection arm 31 is provided on the lead body 30 by cutting the welding part 35 that is connected to the electrode 13 of the battery cell 1 toward the electrode 13 of the battery cell 1, providing a gap between the lead body 30 and the lead body 30.
  • the connection arm 31 guides the welded portion 35 into the electrode opening of the battery holder 60 and connects to the electrode 13 of the battery cell 1.
  • the lead plate 3 in FIG. 4 has a first connection arm 32 connected to the sealing plate electrode of the battery cell 1 and a second connection arm 33 connected to the bottom electrode.
  • the battery cell 1 has an opening 12a of the exhaust valve 12 on the end face where the sealing plate electrode is provided, and this end face is the first end face 15. Therefore, the lead plate 3 allows ejection material discharged from the battery cell 1 to pass through the gap between the first connection arm 32 connected to the sealing plate electrode of the first end face 15 and the lead body 3 as a passage gap 36 for ejection material.
  • the first connection arm 32 connects the connection part 34 at its base to the lead body 30, and the welded part 35 protrudes toward the electrode 13 to widen the passage gap 36 for ejection material.
  • the battery block 10 shown in Figure 4 has seven parallel units, with three battery cells 1 connected in parallel with lead plates 3.
  • the seven parallel units are connected in series with the lead plates 3 that also connect the battery cells 1 in parallel.
  • This battery block 10 has 21 battery cells 1 connected in a 3-parallel, 7-series configuration with eight lead plates.
  • the battery block 10 has four lead plates 3 on each of the left and right sides.
  • the three lead plates connect three battery cells 1 in parallel to form parallel units, and the parallel units are connected in series.
  • the remaining lead plate connects three battery cells 1 in parallel and serves as the output terminal of the battery block 10.
  • the battery block 10 has multiple battery cells 1 inserted into a battery holder 60 and positioned in fixed positions, with each battery cell 1 positioned without misalignment.
  • the battery holder 60 is made of thermoplastic plastic, and each battery cell 1 is positioned in a parallel posture with the electrode surfaces at both ends on the same plane.
  • Polycarbonate is a suitable thermoplastic material for the battery holder 60, which has excellent strength and heat resistance.
  • other thermoplastic materials with excellent strength and heat resistance can also be used for the battery holder.
  • the battery holder 60 in FIG. 5 has an insertion tube portion 62 that positions each battery cell 1 in a fixed position. As shown in the exploded perspective view of FIG.
  • the battery holder 60 has an electrode opening 63 that exposes the electrode 13 of the battery cell 1 on the electrode set surface where the lead plate 3 is placed.
  • the lead plate 3 exposes the electrode 13 of the battery cell 1 in the electrode opening 63, and the connection arm 31 is connected by a method such as welding.
  • the exterior case 2 is produced, for example, by molding a thermoplastic.
  • the plastic of the exterior case 2 can be a thermoplastic with high heat resistance and strength, such as high-density polyethylene, polypropylene, polyimide, polycarbonate, etc.
  • the exterior case 2 shown in the exploded perspective view of FIG. 2 has a pair of separate cases 2A and 2B connected at the opening edge, and the battery block 10 is placed and stored inside.
  • the separate cases 2A and 2B are made of plastic molded into a box shape that connects the peripheral wall consisting of the side plate 25 and the end plate 26 around the surface plate 24.
  • the separate cases 2A and 2B in FIG. 2 connect the opening edges of the side plates 25 on both sides with a locking structure.
  • the locking structure is provided by providing a locking protrusion 27 on the inner surface of the side plate 25 of one separate case 2A, and providing a connecting piece 28 that locks to the locking protrusion 27 on the side plate 25 of the other separate case 2B, protruding from the outer periphery.
  • the connecting pieces 28 are provided with locking holes 28a that guide and lock the locking protrusions 27.
  • the separate cases 2A and 2B can be connected by inserting the connecting pieces 28 of one separate case 2B into the inner surface of the side plate 25 of the other separate case 2A, and guiding and locking the locking protrusions 27 into the locking holes 28a.
  • the exterior case 2 shown in the figure has two sets of connecting pieces 28 on each of the side plates 25 on both sides of one separate case 2B, reliably connecting the pair of separate cases 2A and 2B without misalignment.
  • This structure has the advantage that the separate cases 2A and 2B can be connected so that they do not easily come off, but the present invention does not limit the exterior case 2 to this structure, and any structure in which the battery block 10 can be placed and stored inside and the opening can be closed to form a closed structure can be used.
  • the exterior case 2 has an exhaust duct 20 on its inner surface that guides the ejected material to the outside.
  • the exhaust duct 20 is a gap for guiding and discharging the ejected material discharged from the opening 12a of the exhaust valve 12.
  • the exhaust duct 20 is provided between the first end face 15 of the battery cell 1 and discharges the ejected material discharged from the opening 12a of the exhaust valve 12 to the outside of the exterior case 2.
  • the battery block 10 shown in the exploded oblique view of Figure 2 has an exhaust duct 20 on the inside of the side plate 25.
  • the exhaust duct 20 is not limited to this.
  • the exterior case 2 has a plurality of exhaust openings 23 that discharge the ejected material from the exhaust duct 20 to the outside.
  • the exhaust duct 20 is set to, for example, 0.5 mm or more and 2 mm or less, preferably 0.7 mm or more and 1.5 mm or less, so that the ejection material that has passed through the through holes 45 of the flame-retardant sheet 4 can be reflected and sprayed onto the surface of the foam sheet 41 to melt and disappear the flame-retardant sheet 4.
  • the pressure loss of the ejection material is too large to smoothly exhaust the ejection material from the exterior case 2, and if the exhaust duct 20 is too wide, the pressure loss is too small to efficiently reflect the ejection material that has passed through the through holes 45 of the flame-retardant sheet 4 to melt the flame-retardant sheet 4 and disappear, and the thermal energy of the ejection material cannot be efficiently attenuated.
  • the battery pack 100 shown in the exploded perspective view of FIG. 4 has a fireproof sheet 5 arranged in the exhaust duct 20.
  • the fireproof sheet 5 protects the outer case 2 from the ejection that has passed through the through hole 45 of the flame-retardant sheet 4.
  • the fireproof sheet 5 is preferably a heat-resistant sheet that does not ignite when the ejection is sprayed onto it, such as a silica cross sheet.
  • the battery pack 100 shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 9 has a gap between the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4 to form the exhaust duct 20.
  • the gap between the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4 is formed by interposing a support member 47 between the inner surfaces of the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4 facing each other.
  • the support member 47 has an appropriate thickness, shape, size, material, arrangement, and number to form a predetermined gap between the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4.
  • the support member 47 in FIG. 4 is in the form of two rod plates, and is arranged between the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4 near both the left and right ends of the battery holder 60 to form a gap.
  • the support member 47 is also arranged on both the upper and lower sides of the battery holder 60.
  • the support member 47 is made of hard rubber, for example, a non-foamed hard chloroprene rubber sheet.
  • This exhaust duct 20 changes the direction of the high-temperature ejection that has passed through the flame-retardant sheet 4 on the surface of the fireproof sheet 5, moving a part of the ejection toward the surface of the flame-retardant sheet 4, and discharging the remaining part in the longitudinal direction of the exhaust duct 20 to the outside of the exterior case 2.
  • the ejection that moves toward the surface of the flame-retardant sheet 4 disappears from the flame-retardant sheet 4 and drops in temperature, then flows back into the exhaust duct 20 and is discharged outside the case.
  • the support member 47 between the fireproof sheet 5 and the flame-retardant sheet 4 the outer surface of the battery block 10 is pressed against the inner surface of the exterior case 2, which contributes to improving impact resistance and vibration resistance.
  • the exterior case 2 shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 7 has gaps on both sides of the fireproof sheet 5, and an outer exhaust duct 21 is provided between the fireproof sheet 5 and the inner surface of the exterior case 2.
  • the fireproof sheet 5 has a plurality of through holes 51 that allow the ejection to pass through, and the ejection flows from the exhaust duct 20 to the outer exhaust duct 21 through the through holes 51.
  • the through holes 51 are not arranged opposite the through holes 45 of the flame-retardant sheet 4, but are opened at a position away from the through holes 45.
  • the flame-retardant sheet 4 shown in the exploded perspective view of FIG. 4 has through holes 45 arranged opposite the first end surface 15 of the battery cell 1 (the end surface where the opening 12a of the exhaust valve 12 is provided), and has through holes 51 arranged opposite the bottom surface of the battery cell 1 (the bottom surface of the battery cell 1).
  • the ejection material that passes through the through holes 45 of the flame retardant sheet 4 and flows into the exhaust duct 20 is collided with the inner surface of the fireproof sheet 5 and dispersed inside the exhaust duct 20, and then passes through the through holes 51 and guides it to the outer exhaust duct 21.
  • the outer exhaust duct 21 discharges the ejection material that flows in to the outside of the exterior case 2.
  • the ejection material is dispersed into the multiple through holes 51 and flows into the outer exhaust duct 21, where it is further dispersed and discharged outside the case from the multiple exhaust openings 23 provided in the exterior case 2.
  • the exterior case 2 has a label 29 attached to its surface that blocks the opening of the exhaust opening 23. The label 29 is peeled off by the ejection material, and the ejection material is discharged to the outside of the exterior case 2.
  • the fireproof sheet 5 arranged on the exhaust duct 20 protects the inner surface of the exterior case 2
  • a thermoplastic with low heat resistance can be used for molding the exterior case 2
  • the side plate 25 of the exterior case 2 located on the outside of the exhaust duct 20 can be made thin to prevent damage to the exterior case 2 due to ejected material.
  • a two-layer structure in which the exhaust duct 20 is provided on the inside of the fireproof sheet 5 and the outer exhaust duct 21 is provided on the outside of the fireproof sheet 5 can be realized, which realizes the feature of more effectively suppressing thermal damage to the exterior case 2 due to ejected material.
  • the upper and lower exterior cases 2 have the fireproof sheet 5 arranged on the exhaust duct 20 to protect the inner surface and prevent thermal damage to the exterior case 2 due to ejected material, but it is not necessary to arrange the fireproof sheet 5 on the exhaust duct 20. This is because the heat resistance of the exterior case 2 can be increased to prevent thermal damage to the exterior case 2 due to ejected material. (Flame-retardant sheet 4)
  • the flame-retardant sheet 4 melts and disappears due to the thermal energy of the high-temperature ejection material, absorbing the thermal energy of the ejection material.
  • This flame-retardant sheet 4 is a laminated sheet 4a in which a flame-retardant non-foamed film 42, which has higher heat resistance than the foamed sheet 41 and is thinner than the foamed sheet 41, is laminated on one side of the foamed sheet 41 made by foaming a flame-retardant material.
  • the flame-retardant sheet 4 is arranged such that the non-foamed film 42 faces the first end face 15 of the battery cell 1, and the foamed sheet 41 faces the exhaust duct 20.
  • the flame-retardant sheet 4 has a through hole 45 for the ejection material at a position opposite the opening 12a of the exhaust valve 12, so that the ejection material discharged from the opening 12a of the exhaust valve 12 passes through the through hole 45 and flows into the exhaust duct 20.
  • the flame-retardant sheet 4 is arranged such that the non-foamed film 42 is laminated on the lead plate 3 and is located opposite the first end face 15 of the battery cell 1. Furthermore, the flame-retardant sheet 4 has a cutout gap 46 between adjacent battery cells 1.
  • the battery pack 100 shown in the exploded perspective view of FIG. 4 has a planar lamination surface 17 on the surface of the battery holder 60, on which the flame-retardant sheet 4 is laminated via the lead plate 3.
  • the lamination surface 17 is provided on both sides of the battery holder 60, which has the first end surface 15 and the bottom surface of the battery cell 1 arranged on the same plane.
  • the battery holder 60 in FIG. 4 has multiple lamination surfaces 17 that are equal to the outer shape of the lead plate 3, and between adjacent lamination surfaces 17, protruding partition walls 61 are provided to be inserted between adjacent lead plates 3.
  • the partition walls 61 are disposed between adjacent lead plates 3 to insulate the lead plates 3 that have a potential difference. Furthermore, the partition walls 61 are also guided by the cutout gaps 46 provided in the flame-retardant sheet 4 laminated to the lead plate 3, preventing the induction of thermal runaway in adjacent battery cells 1.
  • the non-foamed film 42 is a non-foamed film with excellent heat resistance that is thinner than the foamed sheet 41, and preferably a polyimide film with a heat resistance temperature of 450°C or higher.
  • the non-foamed film 42 of the present invention is not limited to a polyimide film, and films with excellent heat resistance, such as plastic films such as fluororesin films and silicone films, or metal films, can also be used.
  • the non-foamed film 42 is preferably a thin film with a thickness of 200 ⁇ m or less, more preferably 100 ⁇ m or less, to make the flame-retardant sheet 4 thin.
  • the thickness of the non-foamed film 42 is preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 30 ⁇ m or more.
  • the foam sheet 41 is a foam with closed cells that has excellent heat resistance, and is preferably made of chloroprene rubber foam.
  • a chloroprene rubber foam sheet with closed cells has the advantage that it can effectively prevent thermal damage caused by high-temperature, high-pressure ejection material while being extremely thin at about 1 mm in thickness. This is because the closed-cell foam sheet 41 has countless closed cells that are surrounded by a thin flame-retardant film and partitioned into independent closed spaces, improving the heat resistance of the bubbles.
  • the ejection material that melts the foam sheet 41 and penetrates the inside while disappearing cannot penetrate the bubbles without losing the thin flame-retardant film around the bubbles as in a foam layer with open cells, but penetrates the bubbles while losing the thin flame-retardant film that partitions each bubble, and then penetrates the inside, disappearing the foam sheet 41.
  • the flame-retardant sheet 4 which has a non-foaming film 42 laminated to one side of the foaming sheet 41, has a foaming sheet 41 thickness of 1 mm, and achieves the same thermal runaway damage prevention effect as a 4 mm foaming sheet without a non-foaming film laminated to it.
  • the flame-retardant sheet 4, which has a non-foaming film 42 laminated to the foaming sheet 41 achieves the same thermal damage prevention effect while being extremely thin at 1/4 the thickness.
  • thermo runaway cell a specific battery cell (thermal runaway cell) was locally thermally runaway among multiple battery cells consisting of lithium-ion batteries with an outer diameter of 22 mm, a total length of 70 mm, and a capacity of 5000 mA or more.
  • This flame-retardant sheet placed on the surface of the thermal runaway cell melted and disappeared.
  • This flame-retardant sheet was made by bonding a non-foamed film made of polyimide film with a thickness of 50 ⁇ m to one side of a foamed sheet made of chloroprene rubber (Inomak Chloroprene Rubber C4350) with a thickness of 1 mm.
  • the flame-retardant sheet only in the area facing the thermal runaway battery cell (thermal runaway cell) disappeared locally, absorbing the thermal energy of the ejected material and preventing thermal damage caused by the ejected material.
  • the above flame-retardant sheet absorbed a large amount of thermal energy from the ejected material by losing both part of the non-foamed film and the foamed sheet.
  • the flame-retardant sheet can also absorb the thermal energy of the ejected material by eliminating only the foamed sheet, without necessarily eliminating the non-foamed film.
  • the present invention can be effectively used as a battery pack that prevents thermal damage caused by high-temperature ejection from the exhaust valve of the battery cell.

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Abstract

消失して噴出物の熱エネルギーを吸収する発泡シートを薄くしながら熱暴走した電池セルの噴出物による熱障害を防止する。電池パックは、噴出物の排出弁１２の開口部１２ａを第１端面１５に配置する複数の電池セル１からなる電池ブロック１０を、電池セル１の排出弁１２の開口部１２ａから排出される噴出物をケース外に排出する排出ダクト２０を設けている外装ケース２に収納して、排出ダクト２０と電池セル１の第１端面１５との間には、難燃性の発泡シート４１の片面に、発泡シート４１よりも耐熱特性に優れた薄い非発泡フィルム４２を積層している難燃シート４を配置して、非発泡フィルム４２を電池セル１の第１端面１５側に配置して、発泡シート４１を排出ダクト２０の対向位置に配置し、難燃シート４は、電池セル１の第１端面１５との対向位置に噴出物の貫通穴４５を設けている。

Description

電池パック
　本発明は、排出弁を備える電池セルを外装ケースに収納している電池パックに関する。
　排出弁を設けている電池セルは、異常時に排出弁が開弁して電池ケースの破裂を防止できる。排出弁は、電池セルが熱暴走して内圧が閾値を超えると開弁するので、熱暴走して排出する噴出物は異常な高温・高圧となり、種々の熱障害を起こす原因となる。熱暴走による障害は、熱暴走した電池セルが他の電池セルの熱暴走を誘発して発生する熱エネルギーが大きくなって熱障害を加速する弊害と、噴出物が外装ケースの外部に高い温度で排出される障害とがある。以上の熱障害は、噴出物のエネルギーを減衰して外装ケースの外部に排出することで解消できる。図１０の電池パック９００は、電池セル９０１の排出弁９１２から噴出される高温・高圧の噴出物が外装ケース９０２の一部を破損してケース外に噴出されるのを防止するために、ケースの内面に耐熱プレート９４０を配置している（特許文献１参照）。
特開２０２１－１５００８２号公報
　図１０の断面図に示す電池パック９００は、外装ケース９０２の内側であって、排出弁９１２の開口部９１２ａのある電池セル９０１の電極端面との対向位置には板状の耐熱プレート９４１を配置して、外装ケース９０２の隅部にはＬ字状の耐熱プレート９４２を配置している。この構造の電池パック９００は、高温の噴出物による外装ケース９０２の熱損傷を防止するために、２枚の耐熱プレート９４０を設けるので部品コストが高くなり、さらに、各々の耐熱プレート９４０を外装ケース９０２内部の定位置に配置するために、構造や組み立てが複雑になって製造コストが高くなり、さらに２枚の耐熱プレート９４０を内蔵するスペースが外装ケース９０２の外形を大きくする欠点がある。
　本発明者は以上の問題を解消するために、それ自体が消失して熱エネルギーを吸収する難燃性の発泡層を電池セルの排出弁の開口部に配置して噴出物を外装ケースの外部に安全に排出する電池パックを開発した。この電池パックは、従来のように、金属やセラミックなどの耐熱特性の優れた耐熱プレートによらず、発泡層を消失させて吸収する熱エネルギーで噴出物の温度を低下させて、温度の低下した噴出物を排出ダクトに案内して、排出ダクトからケース外に排出すことで熱暴走に起因する熱障害を解消できる特長がある。それ自体が消失して熱エネルギーを吸収する発泡層は、噴出物から吸収する熱エネルギーを大きくするために消失体積を大きくする必要がある。したがって、この用途に使用される発泡層は、厚くして消失体積を大きくする必要がある。この電池パックは、収納する厚い発泡層によって外装ケースの外形が大きくなる問題がある。さらに厚い発泡層を使用することで部品コストも高くなる。さらに発泡層は、発火することなく消失する難燃性の素材を使用する独特の物性の素材を使用する必要があって、このことも部品コストを高くする欠点がある。
　本発明は、以上の電池パックの欠点を解消することを目的に開発されたもので、本発明の一目的は、難燃性の発泡層を薄くしながら熱暴走した電池セルの噴出物による熱障害を防止できる電池パックを提供することにある。
　本発明のある態様に係る電池パックは、排出弁の開口部を第１端面に配置してなる複数の電池セルからなる電池ブロックと、電池ブロックを収納してなる外装ケースとを備える電池パックであって、外装ケースは、電池セルの第１端面との間に排出弁の開口部から排出される噴出物の排出ダクトを有し、排出ダクトと電池セルの第１端面との間に配置してなる難燃シートを備え、難燃シートは、難燃性の発泡シートの片面に、発泡シートよりも高い耐熱特性であって、発泡シートよりも薄い難燃性の非発泡フィルムを積層してなる積層シートであって、排出弁の開口部との対向位置に噴出物の貫通穴を有し、難燃シートが、非発泡フィルムを電池セルの第１端面の対向位置に配置して、発泡シートを排出ダクトの対向位置に配置してなる。
　以上の電池パックは、難燃性の発泡層を薄くしながら熱暴走した電池セルの噴出物による熱障害を防止できる特長がある。さらに以上の電池パックは、内蔵する発泡層を薄くできるので、外装ケースをコンパクトとして、体積に対する充放電容量を大きくしながら安全性を確保できる特長も実現する。
本発明の実施形態１に係る電池パックを示す斜視図である。 図１の外装ケースが装着される状態を示す分解斜視図である。 図２の防火シートが装着される状態を示す分解斜視図である。 図１の電池パックの分解斜視図である。 図４の電池ホルダが装着される状態を示す分解斜視図である。 図１の電池パックのＶＩ－ＶＩ線断面図である。 図６の要部拡大断面図である。 図６の要部拡大斜視図である。 噴出物の流路を示す概略模式図である。 従来例を示す電池パックの断面図である。
　本発明の一実施態様に係る電池パックは、排出弁の開口部を第１端面に配置してなる複数の電池セルからなる電池ブロックと、電池ブロックを収納してなる外装ケースとを備える電池パックであって、外装ケースは、電池セルの第１端面との間に排出弁の開口部から排出される噴出物の排出ダクトを有し、排出ダクトと電池セルの第１端面との間に配置してなる難燃シートを備え、難燃シートは、難燃性の発泡シートの片面に、発泡シートよりも高い耐熱特性であって、発泡シートよりも薄い難燃性の非発泡フィルムを積層してなる積層シートであって、排出弁の開口部との対向位置に噴出物の貫通穴を有し、難燃シートが、非発泡フィルムを電池セルの第１端面の対向位置に配置して、発泡シートを排出ダクトの対向位置に配置してなる。
　以上の電池パックは、電池セルの排出弁の開口部との対向位置に薄い難燃シートを配置して、熱暴走した電池セルから排出される高温、高圧の噴出物による熱障害を防止できる特長がある。図９は、電池セル１の第１端面１５と難燃シート４と排出ダクト２０とを示す局部拡大断面図である。この図は、熱暴走した電池セル１から排出される噴出物の流路を矢印Ａ、矢印Ｂ、矢印Ｃで示している。電池セル１の排出弁１２の開口部１２ａから噴出される噴出物は、矢印Ａで示すように、難燃シート４の貫通穴４５を透過して排出ダクト２０に向かって噴射される。排出ダクト２０に噴射された噴出物は、排出ダクト２０の内面に衝突し、反射され、方向転換して矢印Ｂで示すように、難燃シート４の発泡シート４１表面に向かって吹き付けられる。発泡シート４１表面に吹き付けられた高温の噴出物は、発泡シート４１を表面から溶融し、消失させながら内部に移動して、裏面に積層している非発泡フィルム４２の表面に向かって移動する。発泡シート４１は、無数の気泡が難燃性の薄膜で区画されなる立体形状で、内在する無数の気泡によって密度が極めて低く、表面に吹き付けられる噴出物によって速やかに溶融し、消失して噴出物を非発泡フィルム４２の表面に向かって移動させる。非発泡フィルム４２の表面に移動した噴出物は、矢印Ｃで示すように、非発泡フィルム４２の表面に衝突して拡散され、反射されて発泡シート４１の内部をより広い領域で溶融し、消失しながら、発泡シート４１の表面に向かって移動する。非発泡フィルム４２は、気泡の内在しない非発泡のシートであって、耐熱特性も発泡シート４１よりも高く、発泡シート４１を透過して表面に吹き付けられる噴出物を発泡シート４１に向かって反射する。非発泡フィルム４２は、例えばポリイミドシートが使用できるが、この非発泡フィルム４２は、噴出物の熱エネルギーで経時的に溶融して消失はするが、表面で噴出物を反射した後溶融して、消失する。
　以上の難燃シートは、電池セルから排出された噴出物が、難燃シートの貫通穴を通過して排出ダクトで反射されて、発泡シートを表面から内部に向かって消失しながら電池セルの第１端面に向かって移動するが、電池セルの第１端面との間に配置している高い耐熱特性の非発泡フィルムで反射されるので、噴出物による電池セルの第１端面の熱障害が防止される。さらに、非発泡フィルムで反射されて広い領域に拡散された噴出物は、移動方向が反転して発泡シート表面に向かって移動して、発泡シートを広い領域で消失して、難燃シートを相当に広い領域で消失する。噴出物は、難燃シートを広い面積で大容積に消失して熱エネルギーを失い、温度が低下する。温度の低下した噴出物は、排出ダクトや外装ケースの熱障害を与えることなく、外装ケースの外部に排出される。温度低下して外装ケースの外部に排出される噴出物は、空気に触れて発火することがなく、さらに外装ケースの外部での熱障害を解消できる。
　以上のように、排出ダクトと電池セルの第１端面との間に配置している難燃シートは、熱暴走した電池セルから排出される高温の噴出物が、隣の電池セルを過熱して熱暴走を誘発させる熱障害の弊害を防止する。電池パックにおいて、熱暴走の誘発を阻止することは、安全性の確保から特に大切な特性である。熱暴走した電池セルは、高温の噴出物を勢いよく噴出して隣の電池セルを熱暴走させる原因となる。電池パックは、噴出物の熱を吸収して熱暴走の誘発を防止できるが、この構造は耐熱特性に優れた耐熱材を特定の位置に配置する必要がある。電池パックは、難燃性の発泡体の難燃シートを焼損させて噴出物の熱エネルギーを吸収して、熱暴走の誘発を防止できる。しかしながら、この構造の電池パックは、焼損して吸収する熱エネルギーを大きくするために、発泡体の難燃シートを厚くする必要があって、難燃シートの体積が大きくなって外装ケースを大きくする必要がある。種々の用途に使用される電池パックにおいて、可能な限り外形を小さくして充放電できる容量を大きくして、体積に対する充放電容量を大きくすることが要求されるので、厚い難燃シートを使用することは、電池パックとして大切な体積充放電容量を低減する問題を解消できない。
　以上の電池パックは、薄い難燃シートで電池セルの熱暴走の誘発を防止できるので、外装ケースを小さくして充放電容量を大きくできる特長がある。以上の特長は、薄い難燃シートを使用しなから、焼損する体積を大きくできる独特の積層構造とすることで実現する。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、発泡シートを、独立気泡を有する発泡体にできる。
　以上の電池パックは、難燃シートの発泡シートをさらに薄くして、高温、高圧の噴出物による電池パックの熱障害をより効果的に防止できる特長がある。それは、独立気泡の発泡シートは、内在する無数の独立気泡が、難燃性の薄膜に囲まれて独立した閉鎖空間に区画されるので、気泡による耐熱特性が向上することに加えて、発泡シートを溶融し、消失しながら内部を透過する噴出物が、連続気泡の発泡層のように気泡周囲の難燃性の薄膜を消失することなく気泡内に侵入できず、各々の気泡を区画している難燃性の薄膜を消失して気泡内に侵入しながら、発泡シートを消失して内部に浸透するからである。
　さらに以上の電池パックは、発泡シートの独立気泡によるクッション性によって、外装ケースと電池ブロックの間に配置される難燃シートによって、耐衝撃強度と耐振動特性を向上できる特長も実現する。
以上の電池パックは、
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、発泡シートを、耐熱ゴムの発泡体にできる。以上の電池パックは、発泡シートに使用する耐熱ゴムのゴム状弾性によって、耐衝撃強度と耐振動特性を向上できる特長がある。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、発泡シートをクロロプレンゴムの発泡体にできる。以上の電池パックは、難燃シートの発泡シートに機械的強度、耐候性、耐熱性、耐寒性、耐油性に優れたクロロプレンゴムを使用するので、外的条件が異なる種々の環境で安定して使用できる特長がある。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、発泡シートをシリコンゴムの発泡体にできる。以上の電池パックは、耐寒性と耐熱性に特に優れたシリコンゴムの発泡体を発泡シートに使用するので、種々の外的温度環境において安定して使用できる特長がある。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、非発泡フィルムをポリイミドフィルムにできる。難燃シートの非発泡フィルムに耐熱温度が４５０℃以上のポリイミドフィルムを使用するので、発泡シートを溶融し、消失して表面に吹き付けられる噴出物を、安定して反射し、拡散して発泡シートの消失領域を拡大できるので、薄い難燃シートで安定して噴出物による熱障害を防止できる特長がある。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、非発泡フィルムをフッ素樹脂のフィルムにできる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、発泡シートの厚さを２ｍｍ以下にできる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、非発泡フィルムの厚さを２００μｍ以下にできる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、難燃シートの発泡シートと非発泡フィルムの両方が噴出物で消失して熱エネルギーを吸収することができる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、外装ケースが、排出ダクトに配置してなる防火シートを備え、防火シートと難燃シートとの間に排出ダクトを設けることができる。以上の電池パックは、排出ダクトに流入する高温の噴出物から外装ケースを保護して、外装ケースの噴出物による損傷を防止できる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、外装ケースが、排出ダクトに配置してなる防火シートを備え、防火シートが、難燃シートとの間に排出ダクトを設けて、外装ケース内面との間に外側排出ダクトを設けてなり、かつ、排出ダクトの噴出物を外側排出ダクトに案内する透過穴を有することができる。以上の電池パックは、排出ダクトに流入する高温の噴出物から外装ケースを保護して、外装ケースの噴出物による損傷をより確実に防止できる。
　本発明の他の実施態様に係る電池パックは、電池ブロックが、複数の電池セルを定位置に配置してなる電池ホルダを備え、難燃シートが、隣接する電池セルの間に切り欠き隙間を有し、電池ホルダが、切り欠き隙間に案内される区画壁を一体構造に設けることができる。以上の電池パックは、難燃シートに加えて、電池セルの間に配置している電池ホルダの区画壁でもって、隣の電池セルの熱暴走の誘発をより確実に防止して、より高い安全性を実現できる特長がある。
　以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
　さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
（実施の形態１）
　電池パックは、リチウムイオン電池セル等の非水系二次電池を使用して軽量化しながら高容量化できるが、この種の電池パックは、異常な状態で使用されると電池セルの内圧が上昇して破裂するので、この弊害を防止するために排出弁を設けている。排出弁は、内圧が閾値を超えると開弁して開口部から噴出物を排出する。電池セルから排出される噴出物は高温、高圧で、種々の熱障害を起こす原因となる。噴出物による熱障害は、例えば、隣接する電池セルの熱暴走を誘発し、外装ケースを熱破損し、あるいは又高温の噴出物が外装ケースの外部に排出されて発火する等である。
　本発明の実施形態１に係る電池パック１００を図１～図９に示す。図１は電池パック１００の斜視図、図２は外装ケース２が装着される状態の分解斜視図、図３は防火シートが装着される状態の分解斜視図、図４は図１の電池パックの分解斜視図、図５は電池ホルダ６０に電池セル１が装着される状態の分解斜視図、図６は図１の電池パック１００のＶＩ－ＶＩ線断面図、図７及び図８は図６の要部拡大図、図９は電池セル１の排出弁１２の開口部１２ａから排出される噴出物の流路を示す概略模式図、をそれぞれ示している。
　電池パック１００は、複数の電池セル１からなる電池ブロック１０と、電池ブロック１０を内部に配置している閉鎖構造の外装ケース２とを備える。外装ケース２は、電池ブロック１０との間に、電池セル１が排出する噴出物をケースの外部に排出する排出ダクト２０を設けている。外装ケース２は、排出ダクト２０と電池ブロック１０との間に難燃シート４を配置している。難燃シート４は、外装ケース２の内部において、熱暴走した電池セル１から排出される高温、高圧の噴出物で発火しないシートで、この薄い難燃シート４でもって種々の熱障害を防止して、噴出物を排出ダクト２０から安全に排出する。
（電池ブロック１０）
　電池ブロック１０は、複数の電池セル１を電池ホルダ６０で定位置に配置して、リード板３で並列や直列に接続している。電池セル１は、重量と体積に対する充放電容量の大きいリチウムイオン電池が適している。リチウムイオン電池は、電池パック１００の外形を小さく、また軽量化して充放電容量を大きくできる。ただし、本発明の電池パックは、電池セルをリチウムイオン電池に特定するものでもなく、他の２次電池、例えば他の非水電解液二次電池や全個体電池等の充電できる全ての電池を使用できる。
　電池セル１は両端に正負の電極１３を設けている。図５に示す電池セル１は円筒型電池１Ａで、第１端面１５に排出弁１２の開口部１２ａを設けている。電池セル１は、第１端面１５を噴出物の排出端面とし、排出端面の反対側は排出弁１２の開口部１２ａが配置されず、噴出物を排出しない非排出端面としている。図５に示す電池ブロック１０は、電池セル１を円筒型電池１Ａとするが、電池セル１は必ずしも円筒型電池１Ａに特定するものでなく、第１端面１５に排出弁１２の開口部１２ａを設けている電池、たとえば角形電池も使用できる。円筒型電池は、金属板をプレス加工して制作している外装缶の開口部を、封口板で気密に密閉している。封口板は、排出弁１２の開口部１２ａを設けて、電池セル１の第１端面１５としている。電池セル１は、外装缶の底板に排出弁１２の開口部１２ａを設けることもできるので、電池セル１は、排出弁１２の開口部１２ａを設けている外装缶の底面を排出弁１２の開口部１２ａのある第１端面１５とすることもできる。
　図４に示す電池ブロック１０は、各々の電池セル１を平行姿勢として、電池セル１両端の電極１３を同一平面に配置している。電池ブロック１０は、電池セル１の電極１３を同一平面に配置している対向する表面にリード板３を配置している。電池ブロック１０は、同一平面に電池セル１の排出端面と非排出端面を配置して、１枚のリード板３で電池セル１を並列と直列に接続している。リード板３は、電池セル１の正負の電極１３に接続している接続アーム３１を設けている。リード板３は、１枚の金属板を裁断し、曲げ加工して平面状のリード本体３０に接続アーム３１を連結する形状としている。このリード板３は、リード本体３０と接続アーム３１との連結部を除く、接続アーム３１の外周縁を切断して、リード本体３０に接続アーム３１を設けている。接続アーム３１は、電池セル１の電極１３に接続される溶着部３５を電池セル１の電極１３に向かって突出させて、リード本体３０との間に隙間を設けている。接続アーム３１は、溶着部３５を電池ホルダ６０の電極開口に案内して、電池セル１の電極１３に接続される。
　図４のリード板３は、電池セル１の封口板電極に接続される第１の接続アーム３２と、底面電極に接続される第２の接続アーム３３とを設けている。電池セル１は、封口板電極を設けている端面に排出弁１２の開口部１２ａを設けて、この端面を第１端面１５としているので、リード板３は、第１端面１５の封口板電極に接続される第１の接続アーム３２とリード本体３との間の隙間を、噴出物の通過隙間３６として、電池セル１から排出される噴出物を通過させる。第１の接続アーム３２は、付け根の連結部３４をリード本体３０に連結して、溶着部３５を電極１３に向かって突出させて噴出物の通過隙間３６を広くしている。
　図４に示す電池ブロック１０は、リード板３で３本の電池セル１を並列して７組の並列ユニットを設けている。７組の並列ユニットは、電池セル１を並列に接続しているリード板３で直列に接続している。この電池ブロック１０は、２１本の電池セル１を８枚のリード板でもって、３並７直に接続している。電池ブロック１０は、左右の両側面に、各々４枚のリード板３を配置している。３枚のリード板は、３本の電池セル１を並列に接続して並列ユニットとして、並列ユニットを直列に接続している。残り１枚のリード板は、３本の電池セル１を並列に接続して電池ブロック１０の出力端子としている。
　電池ブロック１０は、図５の分解斜視図に示すように、複数の電池セル１を電池ホルダ６０に挿入して定位置に配置して、各々の電池セル１を位置ずれなく配置している。電池ホルダ６０は熱可塑性のプラスチック製で、各々の電池セル１を平行姿勢として、両端の電極面を同一平面に配置している。電池ホルダ６０の熱可塑性プラスチックは、強度と耐熱特性に優れポリカーボネートが適している。ただ、電池ホルダは、強度と耐熱特性に優れた他の熱可塑性プラスチックも使用できる。図５の電池ホルダ６０は、各々の電池セル１を定位置に配置する挿入筒部６２を設けている。電池ホルダ６０は、図４の分解斜視図に示すように、電池セル１の電極１３を露出させる電極開口６３を、リード板３を配置する電極セット面に設けている。リード板３は、電極開口６３に電池セル１の電極１３を露出して、接続アーム３１を溶着などの方法で接続している。
　図７に示す電池ホルダ６０は、電極１３をセットする電極セット面に隣接するリード板３の間の切り欠き隙間４６に案内する区画壁６１を設けている。区画壁６１は、隣接するリード板３の隙間に案内されて、電位差のある隣接するリード板３を絶縁する。
（外装ケース２）
　外装ケース２は、例えば、熱可塑性プラスチックを成形して制作される。外装ケース２のプラスチックは、耐熱温度が高くて強度のある熱可塑性プラスチック、例えば、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリカーボネート等が使用できる。図２の分解斜視図に示す外装ケース２は、一対の分割ケース２Ａ、２Ｂを開口縁で連結して内部に電池ブロック１０を配置、収納している。分割ケース２Ａ、２Ｂは、表面プレート２４の周囲に、側面プレート２５と端面プレート２６からなる周壁を連結している箱形にプラスチックを成形している。図２の分割ケース２Ａ、２Ｂは、両側の側面プレート２５の開口縁を係止構造で連結している。係止構造は、一方の分割ケース２Ａの側面プレート２５内面に係止凸部２７を設けて、他方の分割ケース２Ｂの側面プレート２５にこの係止凸部２７に係止される連結片２８を外周縁から突出して設けている。連結片２８は、係止凸部２７を案内して係止する係止穴２８ａを設けている。この分割ケース２Ａ、２Ｂは、一方の分割ケース２Ｂの連結片２８を他方の分割ケース２Ａの側面プレート２５の内面に挿入し、係止凸部２７を係止穴２８ａに案内して係止して連結できる。図の外装ケース２は、一方の分割ケース２Ｂの両側の側面プレート２５に各々２組の連結片２８を設けて、一対の分割ケース２Ａ、２Ｂを確実に位置ずれなく連結している。この構造は、分割ケース２Ａ、２Ｂを簡単に外れないように連結できる特長があるが、本発明は外装ケース２をこの構造に特定するものでなく、内部に電池ブロック１０を配置、収納して開口部を閉塞して閉鎖構造にできる全ての構造の外装ケースとすることができる。
　外装ケース２は内面に噴出物を外部に案内する排出ダクト２０を設けている。排出ダクト２０は、排出弁１２の開口部１２ａから排出される噴出物を案内し排出するための隙間である。排出ダクト２０は、電池セル１の第１端面１５との間に設けられて、排出弁１２の開口部１２ａから排出される噴出物を外装ケース２の外部に排出する。図２の分解斜視図に示す電池ブロック１０は、側面プレート２５の内側に排出ダクト２０を設けている。ただし、排出ダクト２０はこれに特定されるものではない。排出ダクト２０は、後述する難燃シート４で熱エネルギーの吸入された噴出物が流入されて外装ケース２の外部に排出する。外装ケース２は排出ダクト２０の噴出物を外部に排出する複数の排出開口２３を設けている。排出ダクト２０は、難燃シート４の貫通穴４５を透過した噴出物を反射して、発泡シート４１表面に吹き付けして難燃シート４を溶融し、消失できる、たとえば０．５ｍｍ以上であって２ｍｍ以下、好ましくは０．７ｍｍ以上であって１．５ｍｍ以下に設定している。狭すぎる排出ダクト２０は、噴出物の圧力損失が大き過ぎて噴出物をスムーズに外装ケース２から排出できず、広すぎる排出ダクト２０は、圧力損失が小さくなって難燃シート４の貫通穴４５を透過した噴出物を効率よく反射して難燃シート４を溶融し、消失できず、噴出物の熱エネルギーを効率よく減衰できないからである。
　図４の分解斜視図に示す電池パック１００は、排出ダクト２０に防火シート５を配置している。防火シート５は、難燃シート４の貫通穴４５を透過した噴出物から外装ケース２を保護する。防火シート５は、好ましくは噴出物が吹き付けられて発火しない耐熱特性のシート、例えばシリカクロスシートなどが使用できる。図９の拡大断面図に示す電池パック１００は、防火シート５と難燃シート４との間に隙間を設けて排出ダクト２０としている。防火シート５と難燃シート４との間に隙間は、防火シート５と難燃シート４の各々に相対する内面の間に支持部材４７を介在させて形成する。支持部材４７は、防火シート５と難燃シート４との間に所定の隙間を形成できる適切な厚み、形状、サイズ、材質、配置、個数とする。例えば、図４の支持部材４７は２枚の棒板状とし、電池ホルダ６０の左右両端付近の、防火シート５と難燃シート４との間に配置して隙間を形成する。図に示すように、防火シート５と難燃シート４を電池ホルダ６０の上下両面側に配置する場合は、支持部材４７も電池ホルダ６０の上下両面側に配置する。支持部材４７は、硬質ゴム、例えば、非発泡の硬質クロロプレンゴムシートにより構成される。この排出ダクト２０は、難燃シート４を透過した高温の噴出物を防火シート５の表面で方向転換して、噴出物の一部を難燃シート４の表面に向かって移動し、残りの一部を排出ダクト２０の長手方向に流動して外装ケース２の外部に排出する。難燃シート４の表面に向かって移動する噴出物は、難燃シート４を消失して温度低下した後、再び排出ダクト２０に流入してケース外に排出される。また、防火シート５と難燃シート４との間に支持部材４７を介在させることにより電池ブロック１０の外面が外装ケース２の内面に押し付けられることになり、耐衝撃強度と耐振動特性の向上に寄与する。
　図７の拡大断面図に示す外装ケース２は、防火シート５の両面に隙間を設けて、外装ケース２内面との間には外側排出ダクト２１を設けている。この防火シート５は、噴出物を透過させる複数の透過穴５１を設けて、透過穴５１で排出ダクト２０から外側排出ダクト２１に噴出物を流入させる。透過穴５１は、難燃シート４の貫通穴４５と対向位置には配置されず、貫通穴４５から離れた位置に開口される。噴出物を貫通穴４５と透過穴５１とを直線状に透過させることなく、貫通穴４５を透過した噴出物を排出ダクト２０で分散し、分散された噴出物を透過穴５１から外側排出ダクト２１に流入させるためである。図４の分解斜視図に示す難燃シート４は、電池セル１の第１端面１５（排出弁１２の開口部１２ａを設けている端面）との対向位置に貫通穴４５を配置して、電池セル１の底面（電池セル１の底面）との対向位置に透過穴５１を配置している。この構造の外装ケース２は、難燃シート４の貫通穴４５を透過して、排出ダクト２０に流入する噴出物を、防火シート５内面に衝突させて排出ダクト２０内に拡散した後、透過穴５１に通過させて外側排出ダクト２１に案内する。外側排出ダクト２１は流入する噴出物を外装ケース２外に排出する。噴出物は、複数の透過穴５１に分散して外側排出ダクト２１に流入し、外側排出ダクト２１でさらに分散されて外装ケース２に設けている複数の排出開口２３からケース外に排出される。外装ケース２は、排出開口２３の開口部を閉塞するラベル２９を表面に付着している。ラベル２９は噴出物で剥離されて、噴出物を外装ケース２の外部に排出する。
　排出ダクト２０に配置している防火シート５が外装ケース２の内面を保護するので、外装ケース２を成形する熱可塑性プラスチックに耐熱特性の低いプラスチックも使用でき、さらに排出ダクト２０の外側に位置する外装ケース２の側面プレート２５を薄くして、噴出物による外装ケース２の損傷を防止できる。さらに、防火シート５の内側に排出ダクト２０を設けて、防火シート５の外側に外側排出ダクト２１を設ける二層構造として、外装ケース２の噴出物による熱障害をさらに効果的に抑制できる特長が実現できる。上下の外装ケース２は、内面を保護するために排出ダクト２０に防火シート５を配置して、噴出物による外装ケース２の熱障害を防止しているが、排出ダクト２０には必ずしも防火シート５を配置する必要はない。それは、外装ケース２の耐熱特性を高くして、噴出物による外装ケース２の熱障害を防止できるからである。
（難燃シート４）
　難燃シート４は、高温の噴出物の熱エネルギーでそれ自体が溶融し、消失して、噴出物の熱エネルギーを吸収する。この難燃シート４は、難燃材を発泡させてなる発泡シート４１の片面に、発泡シート４１よりも高い耐熱特性であって、発泡シート４１よりも薄い難燃性の非発泡フィルム４２を積層している積層シート４ａである。難燃シート４は、非発泡フィルム４２を電池セル１の第１端面１５の対向位置に配置して、発泡シート４１を排出ダクト２０の対向位置に配置している。難燃シート４は排出弁１２の開口部１２ａとの対向位置に噴出物の貫通穴４５を設けて、排出弁１２の開口部１２ａから排出される噴出物を貫通穴４５に透過させて排出ダクト２０に流入させる。難燃シート４は、非発泡フィルム４２をリード板３に積層して、電池セル１の第１端面１５の対向位置に配置している。さらに難燃シート４は、隣接する電池セル１の間に切り欠き隙間４６を設けている。
　図４の分解斜視図に示す電池パック１００は、電池ホルダ６０の表面に、リード板３を介して難燃シート４を積層する平面状の積層面１７を設けている。積層面１７は、電池セル１の第１端面１５と底面を同一平面に配置している電池ホルダ６０の両面に設けている。図４の電池ホルダ６０は、リード板３の外形に等しい複数の積層面１７を設けて、隣の積層面１７との間には、隣接するリード板３の間に挿入される区画壁６１を突出して設けている。区画壁６１は、隣接するリード板３の間に配置されて、電位差のあるリード板３を絶縁する。さらに、区画壁６１は、リード板３に積層される難燃シート４に設けた切り欠き隙間４６にも案内されて、隣接する電池セル１の熱暴走の誘発を防止している。
　非発泡フィルム４２は、発泡シート４１よりも薄い耐熱特性に優れた非発泡のフィルムで、好ましくは、耐熱温度を４５０℃以上とするポリイミドフィルムが使用できる。ただ、本発明の非発泡フィルム４２をポリイミドフィルムに特定するものでなく、フッ素樹脂フィルムやシリコーンフィルム等のプラスチックフィルム、あるいは金属製のフィルム等、耐熱特性に優れたフィルムも使用できる。非発泡フィルム４２は、好ましくは膜厚を２００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とする薄いフィルムを使用して、難燃シート４を薄くできる。ただ、非発泡フィルム４２が薄すぎると噴出物に対する耐熱性が低下するので、非発泡フィルム４２の膜厚は、好ましくは２０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上とする。
　発泡シート４１は、耐熱特性に優れた独立気泡を有する発泡体で、好ましくはクロロプレンゴムの発泡体を使用する。独立気泡を有するクロロプレンゴムの発泡シートは、膜厚を約１ｍｍと極めて薄くしながら、高温、高圧の噴出物による熱障害を効果的に防止できる特長がある。それは、独立気泡の発泡シート４１は、内在する無数の独立気泡が、難燃性の薄膜に囲まれて独立した閉鎖空間に区画されるので、気泡による耐熱特性が向上することに加えて、発泡シート４１を溶融し、消失しながら内部を透過する噴出物が、連続気泡の発泡層のように気泡周囲の難燃性の薄膜を消失することなく気泡内に侵入できず、各々の気泡を区画している難燃性の薄膜を消失して気泡内に侵入しながら、発泡シート４１を消失して内部に浸透するからである。
　発泡シート４１の片面に非発泡フィルム４２を積層している以上の難燃シート４は、発泡シート４１を膜厚１ｍｍとして、非発泡フィルムを積層しない４ｍｍの発泡シートと同等の熱暴走の損傷防止効果を実現する。すなわち、発泡シート４１に非発泡フィルム４２を積層している難燃シート４は、厚さを１／４と極めて薄くしながら、同等の熱障害の防止効果を実現する。
　実証試験において、外径が２２ｍｍ、全長が７０ｍｍ、容量を５０００ｍＡ以上とするリチウムイオン電池からなる複数の電池セルの内、特定の電池セル（熱暴走セル）を局所的に熱暴走させる試験を実施した。その結果、熱暴走セルの表面に配置している難燃シートが溶融し、消失することが確認された。この難燃シートは、厚さが１ｍｍのクロロプレンゴム（イノマック　クロロプレンゴム　Ｃ４３５０）からなる発泡シートの片面に、厚さが５０μｍのポリイミドフィルムからなる非発泡フィルムを接合したものとした。この場合において、熱暴走した電池セル（熱暴走セル）の対向位置にある領域のみの難燃シートが局所的に消失することで、噴出物の熱エネルギーが吸収されて、噴出物による熱障害を防止できることが確認された。以上の難燃シートは、非発泡フィルムの一部と発泡シートの両方を消失して、噴出物から多量の熱エネルギーを吸収している。ただし、難燃シートは、必ずしも非発泡フィルムを消失することなく、発泡シートのみを消失して噴出物の熱エネルギーを吸収することもできる。
　本発明は、電池セルの排出弁から排出される高温の噴出物による熱障害を防止する電池パックとして有効に使用できる。
１００、９００…電池パック
１…電池セル
１Ａ…円筒型電池
２…外装ケース
２Ａ、２Ｂ…分割ケース
３…リード板
４…難燃シート
４ａ…積層シート
５…防火シート
１０…電池ブロック
１２…排出弁
１２ａ…開口部
１３…電極
１５…第１端面
１７…積層面
２０…排出ダクト
２１…外側排出ダクト
２３…排出開口
２４…表面プレート
２５…側面プレート
２６…端面プレート
２７…係止凸部
２８…連結片
２８ａ…係止穴
２９…ラベル
３０…リード本体
３１…接続アーム
３２…第１の接続アーム
３３…第２の接続アーム
３４…連結部
３５…溶着部
３６…通過隙間
４１…発砲シート
４２…非発泡フィルム
４５…貫通穴
４６…切り欠き隙間
４７…支持部材
５１…透過穴
６０…電池ホルダ
６１…区画壁
６２…挿入筒部
６３…電極開口
９０１…電池セル
９０２…外装ケース
９１２…排出弁
９１２ａ…開口部
９４０…耐熱プレート
９４１…板状の耐熱プレート
９４２…Ｌ字状の耐熱プレート

Claims (13)

  1. 　排出弁の開口部を第１端面に配置してなる複数の電池セルからなる電池ブロックと、
    　前記電池ブロックを収納してなる外装ケースとを備える電池パックであって、
    　前記外装ケースは、
    　　前記電池セルの前記第１端面との間に前記排出弁の前記開口部から排出される噴出物の排出ダクトを有し、
    　　前記排出ダクトと前記電池セルの前記第１端面との間に配置してなる難燃シートを備え、
    　前記難燃シートは、
    難燃性の発泡シートの片面に、
    前記発泡シートよりも高い耐熱特性であって、
    　前記発泡シートよりも薄い難燃性の非発泡フィルムを積層してなる積層シートであって、
    前記排出弁の前記開口部との対向位置に噴出物の貫通穴を有し、
    　前記難燃シートが、
    前記非発泡フィルムを前記電池セルの前記第１端面の対向位置に配置して、
    前記発泡シートを前記排出ダクトの対向位置に配置してなる電池パック。
  2. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記発泡シートが、
    　　独立気泡を有する発泡体である電池パック。
  3. 　請求項２に記載する電池パックであって、
    　前記発泡シートが、
    　　耐熱ゴムの発泡体である電池パック。
  4. 　請求項３に記載する電池パックであって、
    　前記発泡シートがクロロプレンゴムの発泡体である電池パック。
  5. 　請求項３に記載する電池パックであって、
    　前記発泡シートがシリコンゴムの発泡体である電池パック。
  6. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記非発泡フィルムがポリイミドフィルムである電池パック。
  7. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記非発泡フィルムがフッ素樹脂のフィルムである電池パック。
  8. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記発泡シートの厚さが２ｍｍ以下である電池パック。
  9. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記非発泡フィルムの厚さが２００μｍ以下である電池パック。
  10. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記難燃シートが、
    　　前記発泡シートと前記非発泡フィルムの両方を噴出物で消失して熱エネルギーを吸収する電池パック。
  11. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記外装ケースが、
    前記排出ダクトに配置してなる防火シートを備え、
    　前記防火シートと前記難燃シートとの間に前記排出ダクトを設けてなる電池パック。
  12. 　請求項１に記載する電池パックであって、
    　前記外装ケースが、
    前記排出ダクトに配置してなる防火シートを備え、
    　前記防火シートが、
    前記難燃シートとの間に前記排出ダクトを設けて、
    　　前記外装ケース内面との間に外側排出ダクトを設けてなり、かつ、
    　　前記排出ダクトの噴出物を前記外側排出ダクトに案内する透過穴を有する電池パック。
  13. 　請求項１ないし１２のいずれか一項に記載する電池パックであって、
    　前記電池ブロックが、
    　　複数の前記電池セルを定位置に配置してなる電池ホルダを備え、
    　前記難燃シートが、
    　　隣接する前記電池セルの間に切り欠き隙間を有し、
    　前記電池ホルダが、
    　　前記切り欠き隙間に案内される区画壁を一体構造に設けてなる電池パック。
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