CN108075096B - 电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池组，其具备多个单电池和多个单电池之间串联的多条母线。多个单电池以一对平坦的侧面相对的方式排列。单电池分别具备电池壳体、正极片、负极片、正极端子、负极端子、在正极片与正极端子之间的导电路径中配置的电阻器、以及在负极片与负极端子之间的导电路径中配置的压力驱动型的电流切断机构。

Description

电池组
技术领域
本发明涉及电池组。详细而言，涉及具备多个二次电池的电池组。
背景技术
将多个二次电池(单电池)电连接而成的电池组，广泛用作车辆搭载用的高输出电源等。例如日本特开2015-002113公开了将多个单电池沿预定的排列方向配置，并用母线将这些多个单电池之间串联而成的电池组(蓄电模块)。日本特开2015-002113所记载的电池组，在施加外力时会在单电池之间形成外部电路路径。由此，电流在外部短路路径流动，使得各单电池的SOC降低。
发明内容
但是，根据本发明人的研究，上述技术中直到使单电池的SOC降低为止，需要一定程度的时间，例如几秒左右。因此，在使单电池的SOC降低期间会产生焦耳热(电阻热)，使单电池的温度急剧上升。对此，参照图4进行详细说明。
例如，对于多个单电池110A、110B、110C沿排列方向x排列并由母线170串联而成的电池组100，像钉子这样锐利的导电性异物F从排列方向x的上游侧U刺入。并且，导电性异物F贯穿多个单电池110A、110B。此时，配置在钉子的刺入方向、即排列方向x的最上游侧U(图4的左侧)的单电池110A，会发生与导电性异物刺入单独的单电池的情况相同程度的温度上升。但是，根据本发明人的研究，明确了配置于从排列方向x的上游侧U起第2个之后的单电池110B，会发生比配置于最上游侧U的单电池110A更急剧的温度上升。
也就是说，当导电性异物F贯穿单电池110A、110B时，在单电池110A的内部，由导电性异物F导致正极片120A与负极片130A发生短路。同样在单电池110B的内部，也由导电性异物F导致正极片120B与负极片130B发生短路。由此，在单电池110A、110B中分别流动短路电流E1。由于短路电流E1的焦耳热，使得单电池110A、110B的温度上升。另外，单电池110B的正极片120B、母线170、以及单电池110A的负极片130A，由于导电性异物F而形成外部导电路径。由此，在单电池110B的正极片120B与单电池110A的负极片130A之间发生外部短路。并且，流动700A左右的大的短路电流E2。也就是说，在单电池110B的负极片130B，流入在单电池110B的内部产生的短路电流E1、和由于外部短路而产生的短路电流E2这两种短路电流。其结果，单电池110B中会发生比单电池110A更急剧的温度上升。像这样，如果导电性异物贯穿两个以上单电池，则配置于从导电性异物刺入方向的上游侧起第2个之后的所有单电池中，都会发生由外部短路的短路电流引起的急剧的温度上升。
本发明提供一种电池组，该电池组在导电性异物贯穿了串联的多个单电池的情况下，能够抑制由短路电流导致的急剧的温度上升。
本发明的一技术方案提供一种电池组，其具备多个单电池和将上述多个单电池之间串联的多条母线。上述多个单电池分别具有一对平坦的侧面，并以上述平坦的侧面相对的方式排列。上述单电池分别具备：具有上述一对平坦的侧面的电池壳体；配置于上述电池壳体内部的正极片；配置于上述电池壳体内部的负极片；配置于上述电池壳体内部的非水电解质；在上述电池壳体的内部与上述正极片电连接、且一部分突出到上述电池壳体外部的正极端子；在上述电池壳体的内部与上述负极片电连接、且一部分突出到上述电池壳体外部的负极端子；在上述正极片与上述正极端子之间的导电路径中配置的电阻器；以及在上述负极片与上述负极端子之间的导电路径中配置的压力驱动型的电流切断机构。
在像钉子这样锐利的导电性异物贯穿了多个单电池的情况下，单电池内的温度一下子上升。此时，上述技术构成的电池组中，通过电阻器立即使正极片与正极端子之间的电阻增大。并且，电流切断机构迅速启动工作，切断负极片与负极端子之间的电路。由此，能够抑制经由母线在单电池之间流动大电流。因此，即使在配置于排列方向的第2个之后的单电池中，也能够抑制急剧的温度上升发生。
上述电阻器，例如可以是具有正的温度电阻系数的PTC(正温度系数；PositiveTemperature Coefficient)元件。
本发明的一技术方案中，在所述正极端子与所述正极片之间的所述导电路径中，可以不具备电流切断机构。
本发明的一技术方案中，可以设置成：电流切断机构具有第一部件和第二部件，当电池壳体的内压超过电流切断机构的启动压力时，第一部件与第二部件的接合被切断，所述负极片与所述负极端子之间的导电路径被切断，电流被切断。
在此公开的电池组的一优选方式中，在上述正极端子与上述正极片之间的上述导电路径中，不具备电流切断机构。由此，能够通过简单的结构发挥本申请发明的效果。因此，能够提高电池组的生产效率，并且降低制造成本。
附图说明
下面，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术和工业意义进行说明，其中相同的标记表示相同的元件。
图1是示意性地表示一实施方式涉及的电池组的正视图。
图2是示意性地表示一实施方式涉及的单电池的内部结构的剖视图。
图3A是示意性地表示一实施方式涉及的电流切断机构的剖视图，表示启动工作前的状态。
图3B是示意性地表示一实施方式涉及的电流切断机构的剖视图，表示启动工作后的状态。
图4是示意性地表示导电性异物刺入相关技术的电池组中的状态的说明图。
具体实施方式
以下，适当参照附图，对本发明的一实施方式进行说明。再者，本说明书中除了特别提及的事项以外的且本发明的实施所需的事项(例如不作为本发明的技术特征的构成要素、电池的一般构建工艺)，可作为本领域技术人员基于该领域相关技术的设计事项来掌握。本发明能够基于本说明书所公开的内容和该领域技术常识而实施。另外，以下的附图中，对发挥相同作用的部件、部位附带相同标记，有时省略或简化重复的说明。各图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不一定反映实际的尺寸关系。再者，附图中的标记x表示单电池的排列方向。附图中的标记U和D分别表示上游侧和下游侧。
图1是示意性地表示一实施方式涉及的电池组1的正视图。电池组1具备多个单电池10A、10B、10C、10D、10E和将多个单电池10A、10B、10C、10D、10E之间电连接的多条母线70。多个单电池10A、10B、10C、10D、10E具有同一形状。各单电池10A、10B、10C、10D、10E具有扁平的方型。各单电池10A、10B、10C、10D、10E具有一对平坦的侧面(宽面)。单电池10A、10B、10C、10D、10E以平坦的侧面相对的方式沿排列方向x平行地排列。再者，在单电池10A、10B、10C、10D、10E之间，例如可以配置用于使在单电池10A、10B、10C、10D、10E中产生的热有效发散的散热部件、作为长度调整手段的垫片等。
在各单电池10A、10B、10C、10D、10E的外表面，配置有正极端子12A、12B、12C、12D、12E和负极端子14A、14B、14C、14D、14E。在电池组1中，通过多条母线70将多个单电池10A、10B、10C、10D、10E串联。换言之，相邻的单电池10A、10B、10C、10D、10E的正极端子12A、12B、12C、12D、12E与负极端子14A、14B、14C、14D、14E通过母线70交替连接。配置于排列方向x的上游侧U的端部(图1的左侧端部)的单电池10A的正极端子12A，是以能够与外部连接的方式开放的正极输出端子。另外，配置于排列方向x的下游侧D的端部(图1的右侧端部)的单电池10E的负极端子14E，是以能够与外部连接的方式开放的负极输出端子。再者，构成电池组1的单电池在此为5个，但并不限定于此。构成电池组的单电池的数量，典型地可以为10个以上的奇数个，例如10～100个左右。
图2是示意性地表示构成电池组1的单电池10A的内部结构的剖视图。再者，在此以单电池10A为例进行说明，构成电池组1的单电池10B、10C、10D、10E也是与单电池10A同样的结构。单电池10A是将电极体50和未图示的非水电解质收纳于电池壳体60的内部而构成的。
电池壳体60具备电池壳体主体62和堵塞其开口的盖板64。对于电池壳体60的材质不特别限定，例如为铝等轻量的金属制。电池壳体主体62具有上端开口的有底的长方体形状(方形)。在盖板64的上部，正极端子12A和负极端子14A突出。
以单电池10A的负极端子14A为例进行说明，如图3A所示，在盖板64形成有贯穿孔64A。负极端子14A***贯穿孔64A。负极端子14A的上端和下端折弯，由此固定于盖板64。在盖板64与负极端子14A之间配置有圆环状的绝缘部件66。绝缘部件66例如为合成树脂制。由此使盖板64与负极端子14A绝缘。
如图2所示，电极体50具有正极片20、负极片30和隔板片40。电极体50是正极片20和负极片30以夹持隔板片40的状态层叠而构成的。电极体50可以是矩形的正极片和负极片隔着隔板片层叠而成的层叠电极体，也可以是带状的正极片和负极片隔着隔板片层叠并在长度方向上卷绕而成的卷绕电极体。
正极片20具备正极集电体和固定在其表面的正极活性物质层。作为正极集电体，优选由导电性良好的金属(例如铝、镍等)制成的导电性部件。正极活性物质层在正极集电体的表面沿宽度方向W以预定宽度形成。在正极集电体的宽度方向W的一侧的端部(图2的左侧端部)，设有未形成正极活性物质层的正极活性物质层非形成部分22n。正极片20经由设置于正极活性物质层非形成部分22n的正极集电板22c，与正极端子12A电连接。
正极活性物质层包含正极活性物质。作为正极活性物质，例如优选LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Mn1.5O4等锂过渡金属复合氧化物。正极活性物质层可以包含正极活性物质以外的成分，例如导电材料、粘合剂等。作为导电材料，例如可例示炭黑(例如乙炔黑、科琴黑)、活性炭、石墨等碳材料。作为粘合剂，例如可例示聚偏二氟乙烯(PVdF)等卤化乙烯树脂、聚环氧乙烷(PEO)等聚环氧烷。
负极片30具备负极集电体和固定在其表面的负极活性物质层。作为负极集电体，优选由导电性良好的金属(例如铜、镍等)制成的导电性材料。负极活性物质层在负极集电体的表面沿宽度方向W以预定宽度形成。在负极集电体的宽度方向W的一侧的端部(图2的右侧端部)，设有未形成负极活性物质层的负极活性物质层非形成部分32n。负极片30经由设置于负极活性物质层非形成部分32n的负极集电板32c，与负极端子14A电连接。
负极活性物质层包含负极活性物质。作为负极活性物质，例如优选天然石墨、人造石墨、非晶质涂层石墨(在石墨粒子的表面涂布有非晶质碳的形态的石墨)等石墨系碳材料。负极活性物质层可以包含负极活性物质以外的成分，例如增粘剂、粘合剂等。作为增粘剂，例如可例示羧甲基纤维素(CMC)、甲基纤维素(MC)等纤维素类。作为粘合剂，例如可例示苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)等橡胶类、聚偏二氟乙烯(PVdF)等卤化乙烯树脂。
隔板片40配置于正极片20与负极片30之间。隔板片40将正极活性物质层与负极活性物质层绝缘。隔板片40构成为多孔质以使得非水电解液中所含的电荷载体能够通过。作为隔板片40，例如优选聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等树脂片。隔板片40可以在树脂片的表面具备包含氧化铝等无机化合物粒子(无机填料)的耐热层(Heat Resistant Layer：HRL层)。
非水电解质典型地包含非水溶剂和支持盐。作为非水溶剂，例如可例示碳酸酯类、酯类等。支持盐在非水溶剂中解离而生成电荷载体。作为支持盐，可例示锂盐、钠盐、镁盐等。在非水电解质中，例如可以包含联苯(BP)、环己基苯(CHB)等气体发生剂、包含硼原子和/或磷原子的草酸络合物、碳酸亚乙烯酯(VC)等皮膜形成剂、分散剂、增粘剂等的各种添加剂等。非水电解质可以是聚合物状(凝胶状)。
在正极端子12A与正极片20之间、详细而言为正极端子12A与正极集电板22c之间，配置有PTC元件42。PTC元件42例如包含钛酸钡和微量的稀土元素而构成。PTC元件42是电阻器的一例。PTC元件42在PTC元件42自身的温度比居里点低的情况下，电阻值小。PTC元件42在PTC元件42自身的温度为居里点以上时，电阻值急剧增大。由此，正极端子12A与正极片20之间的电阻值瞬时增大，典型地正极端子12A与正极片20之间的电流的流动几乎被切断。
PTC元件42的居里点，例如可以通过调整PTC元件42的构成材料而任意设定。在一例中，PTC元件42的居里点为：认为在单电池10A的通常使用时不会到达的温度，具体而言为80～100℃，例如90～100℃。另外，对于PTC元件42的温度低于居里点时的电阻值不特别限定，典型地为1～500mΩ，例如1～300mΩ。对于PTC元件42的温度为居里点以上时的电阻值也不特别限定，典型地为1000Ω以上，例如3000～10000Ω。
在本实施方式中，PTC元件42为一个。PTC元件42在正极端子12A与正极片20之间串联。但PTC元件42也可以为两个以上的多个。该情况下，多个PTC元件42可以并联。
在负极端子14A与负极片30之间、详细而言为负极端子14A与负极集电板32c之间，配置有压力驱动型的电流切断机构(CID：Current Interrupt Device)44。电流切断机构44在负极端子14A与负极片30之间串联。压力驱动型的电流切断机构44被构成为：当电池壳体60的内压超过预定的启动压力时，强制切断负极端子14A与负极片30之间的导电路径。对于电流切断机构44的启动压力不特别限定，典型地为0.5～1MPa，例如0.7～0.9MPa。
如图3A所示，电流切断机构44具有第一部件46和第二部件48。第一部件46配置在电极体50的正极片20的上方(盖板64的方向)。第一部件46与盖板64平行配置。第一部件46例如由铜这样的导电性良好的材料制成。第一部件46具有矩形的板形状。第一部件46具备薄壁部46a和在其周围相对较厚形成的厚壁部46b。薄壁部46a形成为圆形。在薄壁部46a的中央部分形成有圆形的开口部46c。在薄壁部46a形成有未图示的断裂用的槽部(切口)。槽部以比开口部46c大一圈的直径，沿着开口部46c的外缘形成。
第二部件48配置于第一部件46与设置在盖板64的负极端子14A之间，构成这些部件之间的导电路径。第二部件48例如由铜这样的导电性良好的材料制成。第二部件48具有矩形的板形状。第二部件48为倒置板。第二部件48具备凸缘部48a和锥形的凸状部48b。凸缘部48a与凸状部48b一体地形成。凸缘部48a的至少一部分与负极端子14A的下端接合。凸状部48b以堵塞第一部件46的开口部46c的方式配置。凸状部48b与薄壁部46a的比槽部更靠近开口部46c的一侧接合。
在电池组1的通常使用时，如图3A所示，在单电池10A的内部，在电极体50的负极片30与负极端子14A之间形成导电路径。也就是说，经由第一部件46和第二部件48，从负极片30的负极集电板32c向负极端子14A流动电流。
另一方面，当导电性异物F刺入电池组1，在单电池10A的内部正极片20与负极片30发生短路时，流动短路电流。通过该内部短路时的短路电流，单电池10A的温度升高，单电池10A内的气体膨胀。另外，非水电解质的构成成分(例如非水溶剂)电分解，在电池壳体60内产生气体。由此，单电池10A的内部的压力上升。该压力作用于第二部件48的凸状部48b的下表面，将凸状部48b向上方推挤。并且，当电池壳体60的内压超过电流切断机构44的启动压力时，如图3B所示，第二部件48的凸状部48b从第一部件46剥离，以凸缘部48a为支点向盖板64的方向反转。通过该凸状部48b的变形，使第一部件46与第二部件48的接合被切断。其结果，负极端子14A与负极集电板32c之间的导电路径被切断，电流被切断。
如上所述，本实施方式涉及的电池组1中，在导电性异物贯穿了多个单电池10A、10B、10C、10D、10E的情况下，如果单电池10A、10B、10C、10D、10E内的温度升高，则通过PTC元件42，使正极端子12A、12B、12C、12D、12E与正极片20之间的电阻急剧增大。另外，压力驱动型的电流切断机构44启动工作，切断负极端子14A、14B、14C、14D、14E与负极片30之间的电流。通过该技术构成，在电池组1中，难以经由母线70和导电性异物形成外部短路路径。典型地，在导电性异物贯穿的各单电池10A、10B、10C、10D、10E中，仅分别发生内部短路。因此，对于配置在从导电性异物刺入方向的上游侧起第2个之后的单电池，能够防止由外部短路导致的急剧的温度上升。由此，能够将各单电池的温度上升抑制为较低，例如成为与导电性异物刺入单独的二次电池时的温度上升相同的程度。
电池组1可以利用于各种用途，其特征在于，通过各单电池10A、10B、10C、10D、10E具有上述那样的结构，与相关技术的产品相比，对于导电性异物的耐久性(例如穿刺耐性)提高。因此，可以有效利用该特征，优选应用于大容量的二次电池，例如电池容量为20Ah以上的、典型地为25Ah以上的、例如30Ah以上的二次电池。另外，电池组1例如能够很好地用作混合动力车、电动车等移动体的动力源(驱动电源)。
以下，对本发明涉及的几个实施例进行说明，但并不意图将本发明限定于该具体例所示的内容。
1.电池组的制作
准备了在厚度为12μm的铝箔的表面，固定有包含LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的正极活性物质层的正极片。另外，准备了在厚度为10μm的铜箔的表面，固定有包含石墨的负极活性物质层的负极片。接着，将上述准备的正极片和负极片隔着隔板(PP/PE/PP的三层结构的树脂片)层叠，制作了层叠电极体。然后将上述制作的层叠电极体与非水电解液一起收纳于方型的电池壳体中。
接着，在正极片与正极端子之间配置PTC元件(居里点：130℃，居里点以上的温度时的电阻值：3000Ω)。另外，在负极片与负极端子之间配置CID(启动压力：0.8MPa)。像这样，制作了5个理论容量为35Ah的单电池。使5个单电池之中偶数个的单电池旋转180°，以5个单电池的宽面分别相对的方式，沿着预定的排列方向x排列成一列。并且，将多个单电池的正极端子与负极端子通过母线串联，由此制作了如图1所示的实施例1的电池组。
在比较例1中，在正极片与正极端子之间配置CID取代PTC元件，并且没有在负极片与负极端子之间设置安全机构，除此以外与上述实施例1同样地制作了电池组。在比较例2中，没有在正极片与正极端子之间配置PTC元件，除此以外与上述实施例1同样地制作了电池组。在比较例3中，在正极片与正极端子之间配置CID取代PTC元件，并且在负极片与负极端子之间配置PTC元件取代CID，除此以外与上述实施例1同样地制作了电池组。在比较例4中，在正极片与正极端子之间配置CID取代PTC元件，除此以外与上述实施例1同样地制作了电池组。在比较例5中，没有在正极片与正极端子之间、以及负极片与负极端子之间设置安全机构，并且在母线的中途部配置了保险丝，除此以外与上述实施例1同样地制作了电池组。
2.穿刺试验
在25℃的温度环境下，将上述电池组(实施例1、比较例1～5)充电，调整为SOC100％(满充电)的充电状态。接着，在从各单电池的电池壳体的宽面的中心稍稍靠下的位置贴附热电偶。然后，在25℃的温度环境下，在贴附了热电偶的宽面的中心附近，沿着排列方向x刺入钨制的钉子(直径为6mm，顶端锐度为60°)。钉子以25mm/sec的穿刺速度呈直角地刺入单电池，贯穿了构成电池组的全部5个单电池。在沿着从排列方向x的上游侧U向下游侧D的第1方向刺入钉子的情况、以及相反沿着从下游侧D向上游侧U的第2方向刺入钉子的情况下实施了该试验。并且，对于配置在穿刺方向的第2～5个单电池，测定了从穿刺起0.1秒后的电压下降量(V)。另外，记录了穿刺试验期间各单电池的温度变化。对于各方向，将穿刺试验时的电压下降量和最高温度示于表1。
表1
Figure BDA0001443180430000111
如表1所示，在比较例5中，无论从第1方向和第2方向的任一方向刺入钉子，第2个之后的单电池的电压下降量都大。另外，最高温度也达到600℃左右。在比较例1、3中，沿第2方向刺入钉子的情况下，没有发生电压下降，最高温度也被抑制为460℃以下。但是，在沿第1方向刺入钉子的情况下，电压下降量大，最高温度也达到620～630℃。在比较例2中，与比较例1、3相反地，在沿第1方向刺入钉子的情况下，没有发生电压下降，最高温度也被抑制为450℃。但是，在沿第2方向刺入钉子的情况下，电压下降量大，最高温度也达到640℃。根据这些结果，认为在比较例1～3、5中，在CID或保险丝启动工作之前，经由母线发生了外部短路，由于此时流动的短路电流，导致单电池的温度上升了。
在实施例1和比较例4中，无论从第1方向和第2方向的任一方向刺入钉子，都没有观察到第2个之后的单电池的电压下降，并且最高温度也被抑制为较低。其中，尤其是在正极侧具备PTC元件、在负极侧具备CID的实施例1，与正极侧和负极侧都具备CID的比较例4相比，最高温度被抑制为较低，穿刺耐性进一步提高。也就是说，实施例1的电池组与比较例4的电池组相比，尽管结构更简单，但发挥了更优异的效果。
由该结果可以明确，在此公开的效果，无法通过例如在正极侧和/或负极侧具备CID、在正极侧具备CID并在负极侧PTC元件、以及在外部路径(母线)具备保险丝等而发挥。换言之，从抑制穿刺方向的第2个之后的单电池的电压下降、抑制温度上升这一观点出发，可以说在正极侧具备PTC元件并在负极侧具备CID的电池组的结构是有利的。
以上，对本发明进行了详细说明，但上述实施方式和实施例只是例示，在此公开的发明包括将上述具体例进行各种变形、变更得到的方案。
上述实施方式中，电阻器为PTC元件42，但并不限定于此。电阻器例如可以是使炭黑、金属等导电性粉末分散于结晶性的高分子聚合物中而形成的聚合物系的PTC热敏电阻。该情况下，可以在聚合物的熔点使电阻值发生大的变化。另外，电阻器例如也可以是由将热膨胀系数不同的两枚金属板贴合而成的双金属片构成的开关部件，该开关部件在预定温度以下导通，当超过该预定温度时变为非导通状态。这些电阻器都能够发挥与上述实施方式同样的效果。

Claims (5)

1.一种电池组，其特征在于，具备多个单电池和将所述多个单电池之间串联的多条母线，
所述多个单电池分别具有一对平坦的侧面，并以所述平坦的侧面相对的方式排列，
所述单电池分别具备：
具有所述一对平坦的侧面的电池壳体；
配置于所述电池壳体内部的正极片；
配置于所述电池壳体内部的负极片；
配置于所述电池壳体内部的非水电解质；
在所述电池壳体的内部与所述正极片电连接、且一部分突出到所述电池壳体外部的正极端子；
在所述电池壳体的内部与所述负极片电连接、且一部分突出到所述电池壳体外部的负极端子；
在所述正极片与所述正极端子之间的导电路径中配置的电阻器；以及
在所述负极片与所述负极端子之间的导电路径中配置的压力驱动型的电流切断机构，
所述电阻器是正温度系数元件、正温度系数热敏电阻或双金属片中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，
所述电阻器是具有正的温度电阻系数的所述正温度系数元件。
3.根据权利要求1或2所述的电池组，其特征在于，
在所述正极端子与所述正极片之间的所述导电路径中不具备电流切断机构。
4.根据权利要求1或2所述的电池组，其特征在于，
所述电流切断机构具有第一部件和第二部件，
当所述电池壳体的内压超过所述电流切断机构的启动压力时，所述第一部件与所述第二部件的接合被切断，所述负极片与所述负极端子之间的所述导电路径被切断，电流被切断。
5.根据权利要求3所述的电池组，其特征在于，
所述电流切断机构具有第一部件和第二部件，
当所述电池壳体的内压超过所述电流切断机构的启动压力时，所述第一部件与所述第二部件的接合被切断，所述负极片与所述负极端子之间的所述导电路径被切断，电流被切断。
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