JP2006093144A - 二次電池および二次電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】二次電池モジュールを構成する際に，別途の電池隔壁を設けることなく放熱効率を改善することができる二次電池と，この二次電池を用いた二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】本発明によれば，陽極２２，陰極２４，およびセパレータ２６を含む電極群２０と，上記の電極群２０を収納するケース１１とを備え，上記のケース１１は，他の二次電池と組み合わせた時に流路が形成されるように，複数のチャンネル１１３を含むことを特徴とする二次電池１０と，この二次電池１０を用いた二次電池モジュール１が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池および二次電池モジュールに係り，より詳しくは，二次電池のケースに関するものである。
二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は，充電の不可能な一次電池とは異なり，充電および放電が可能な電池である。二次電池が低容量電池である場合は，電話やラップトップコンピュータおよびカムコーダのような，携帯可能な小型電子機器に使用され，大容量電池である場合は，ハイブリッド電気自動車などのモーター駆動用電源として広く使用されている。
このような二次電池は，様々な形状に製造できるが，代表的な形状としては，略円筒形と略角形を挙げることができる。この二次電池は，高電力を要求する器機，例えば電気自動車などのモーター駆動用に使用できるように，上記の高出力二次電池を複数連結接続させて，電池モジュールを構成することになる。
この電池モジュールは，数個〜数十個の二次電池を連結接続させて構成されるので，各二次電池で発生する熱を，効率よく放出しなければならない。特に，この電池モジュールが，電動掃除機もしくは電動スクーター，または，電気自動車もしくはハイブリッド自動車などの自動車，のモーター駆動用に適用される場合，上記の熱放出は，何よりも重要な点であると言える。
例えば，熱放出が十分にできない場合，各二次電池で発生する熱は，電池モジュールの温度上昇をもたらす。そして，上記の電池モジュールが適用された器機の誤作動を引き起こす結果になる。
特に，自動車用に使用される電池モジュールの場合，大電流で充放電されるために，使用状態によっては，二次電池の内部反応により熱が発生して相当な温度まで上昇することになる。この現象は，電池の固有特性に影響を与え，電池固有性能を低下させることになる。
一方，二次電池は，内部の化学的な反応によって内部圧力が上昇し，二次電池の形状に変化を引き起こすことがあり，その結果，二次電池の固有特性に悪い影響を与えてしまう。特に，角形の二次電池のように幅と長さの割合が大きい場合，このような問題点が，一層深刻なものとなる。
したがって，従来の電池モジュールにおいては，二次電池と二次電池との間に隔壁を設けて，二次電池間の冷却用空気流通のための間隔を確保し，この隔壁によって二次電池を支持することにより，二次電池に対する冷却を誘導し，二次電池の構造的な変形も防止していた。
しかしながら，二次電池モジュールを構成する際に上記の隔壁を設けると，二次電池モジュール全体の体積が大きくなってしまい，限定された空間に設けられるという電池モジュールの特性上，望ましくない。
さらに，隔壁を取り付ける作業工数の増加および部品数の増加は，生産単価を高くして価格競争力を低下させるという欠点があった。
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，二次電池モジュールを構成する際に別途の電池隔壁を使用しなくても放熱効率を改善することが可能な，新規かつ改良された二次電池および二次電池モジュールを提供することにある。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，陽極，陰極，およびセパレータを含む電極群と，この電極群を収納するケースとを備え，上記のケースは，他の二次電池と組み合わせた時に流路が形成されるように，複数のチャンネルを備えることを特徴とする二次電池が提供される。
上記のチャンネルは，上記ケースの表面に設けられる凹凸によって形成されてもよい。
上記の凹凸は，上記ケースの表面に所定の間隔を置いて突設されるリブによって形成されてもよい。
上記の凹凸は，上記ケースと一体形成されてもよい。
上記のリブの先端は，略平坦に形成されてもよい。
上記のリブは，上記ケースの高さ方向に沿って形成されてもよい。
上記ケースの高さ方向に対して垂直な方向に沿って切断した上記リブの断面は，略台形形状であってもよい。
上記のチャンネルは，上記ケースの向かい合う２つの外側面に対称に形成されてもよい。
上記のケースには，互いに反対側に配設される一対の開口部が形成されてもよい。
上記のケースは，射出成形によって形成されてもよい。
上記の二次電池は，略角形形状であってもよい。
上記の二次電池は，モーター駆動用に用いられても良い。
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，陽極，陰極，およびセパレータを含む電極群と，この電極群を収納するケースとを備え，所定のパターンに配列される複数の二次電池を含み，上記二次電池は上記ケースに形成された複数の冷却媒体流動用チャンネルを含み，相隣接した上記二次電池は，一方の二次電池のチャンネルが他方の二次電池のチャンネルと重なるように配置される二次電池モジュールが提供される。
上記のチャンネルは，上記ケースに所定の間隔を置いて配設されるリブによって形成されてもよい。
上記のリブは，上記ケースと一体に形成されてもよい。
相隣接した上記二次電池は，互いにリブを突き合わせて密着してもよい。
相隣接した二次電池は，それぞれのリブが互いの二次電池のリブ間の空間に配置されて密着してもよい。
前記ケースは，互いに反対側に配置される一対の開口部を含んでもよい。
前記ケースは，射出成形によって形成されてもよい。
上記の二次電池モジュールは，上記複数の二次電池を収納するハウジングをさらに含んでもよい。
本発明によれば，二次電池用ケースの形状を改善することにより，二次電池モジュールの二次電池間に，冷却媒体である空気流通のための隔壁を別途設けることなく冷却媒体の流通構造を簡単に形成することができ，隔壁の省略によってモジュール全体の体積を減少させることが可能な，二次電池および二次電池モジュールを提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る，形状を略角形にして構成された二次電池を示す斜視図である。図２は図１に示した二次電池の分解斜視図である。これらの図に基づいて，本実施形態に係る二次電池を，以下で説明する。
本実施形態の二次電池１０は，例えば，横方向（図１中のＸ軸方向）に長い略六面体形状を有している。二次電池１０は，表面にリブ１１１が一体に形成されたケース１１に電極群２０を収容し，ケース１１の開放部，すなわち開口部１１ａを，キャッププレート３０で密封した形状となっている。
本実施形態において，電極群２０は，陽極２２，陰極２４，および陽極２２と陰極２４との間に介在される絶縁体からなるセパレータ２６から形成されており，これらの陽極２２，陰極２４，およびセパレータ２６を一体に巻き取って略ゼリーロール形態に形成した後，プレスのような加圧手段によって押圧して，略角形に形成したものである。
ケース１１は，例えば，アルミニウムもしくはアルミニウム合金，ニッケルの鍍金されたスチールなどのような導電性金属材，またはポリエチレン，ポリプロピレン，テフロン（登録商標）のような高分子の絶縁物質から形成されている。ケース１１は，例えば，電極群２０を収容しケース１１の内部に内装するための開口部１１ａが設けられた，略六面体形状に形成される。
本実施形態において，ケース１１には，上記の開口部１１ａのほかに，この開口部１１ａの反対側に他の開口部１１ｂが設けられる。
上記の開口部１１ａ，１１ｂにおいて，ケース１１の上側，すなわちＺ軸正方向側に配置される開口部１１ａには，電極群２０の陽極２２と陰極２４にそれぞれ電気的に接続される陽極用端子６０と陰極用端子７０とが取り付けられたキャッププレート３０が，例えば熔接によって結合される。
また，ケース１１の下側，すなわちＺ軸負方向側に配置される開口部１１ｂには，別途のボトムプレート３２が，例えば熔接によって結合される。
この際，キャッププレート３０およびボトムプレート３２は，それぞれ開口部１１ａ，１１ｂに対応する形状（例えば，本実施形態においては略直四角形形状）に形成され，陽極用電極端子６０および陰極用電極端子７０は，キャッププレート３０に形成された貫通孔（図示せず）を通じてケース１１の外部に突出されるように，それぞれ固定される。
さらに，キャッププレート３０は，設定圧力で破損することでケース１１内部のガスをケース１１の外へ放出し，電池の爆発を防止するベント部４０をさらに設けることができる。
また，ケース１１には，表面に冷却媒体流動用チャンネル１１３が複数形成される。本実施形態において，この冷却媒体流動用チャンネル１１３は，ケース１１の表面に一体に形成される凹凸構造として形成される。
具体的にチャンネル１１３は，ケース１１の表面に所定の間隔を置いて配設される複数のリブ１１１によって形成される。すなわち，リブ１１１が配設された部位は，上記の凹凸構造の凸部に対応し，相隣接するリブ１１１間の空間は，上記の凹凸構造の凹部に対応する。この凸部と凹部との組合せにより，上記のチャンネル１１３は形成される。
本実施形態の説明または図面においては，チャンネル１１３がリブ１１１により形成された例を用いて説明しているが，本発明に係るチャンネルの形成構造が，上記のものに限定されるわけではない。本発明に係るチャンネルは，冷却媒体が流れることのできる流路として形成される場合であれば，その形状に制限はなく，例えば，上記のケースの表面に部分的に突出する形態の突起，凹凸，またはこれらの組合せであってもよい。
本実施形態において，リブ１１１は，ケース１１の高さ方向（例えば，図２のＺ軸方向）に長く形成された形状を有している。リブ１１１の先端１１１ａは，平坦部をもつように形成され，上記の高さ方向（Ｚ軸方向）に対して直交した方向（例えば，図２のＸ軸方向）に対する断面が，ケース１１の一面からリブ１１１の先端１１１ａに行くに従って次第に幅が小さくなる，略台形形状に形成される（図３参照）。
図４Ａおよび図４Ｂは，本実施形態に係るリブの形状の変形例を示す断面図である。図４Ａは，リブ１１１’の断面が略四角形形状に，図４Ｂは，リブ１１１”の断面が略半円形状に形成された場合を表している。
上記の変形例においても，それぞれのリブ１１１’，１１１”の先端１１１ａ’，１１１ａ”は，平坦部を有するように形成される。
そして，上記のように形成されるリブ１１１は，上記の二次電池が複数配置されて二次電池モジュールを構成する際，相隣接した二次電池同士が接する部分にのみ，選択的に形成することができる。
本発明の第１の実施形態に係る二次電池１０は，上記の二次電池モジュールを構成する際に，例えば，図２中のＹ軸方向に沿って，並んで配列されるので，ケース１１の長辺，すなわち，図２のＸ軸方向に対して平行なケース１１の辺，に対応するケース１１の外側表面に，上記のリブ１１１を形成することになる。
具体的に，本発明の第１の実施形態において，リブ１１１は対向する上記の外側表面に，対称に形成される。
本実施形態の二次電池１０において，ケース１１は，例えば，金型を用いて製造することができるだけでなく，射出成形によっても製造することができる。この際，リブ１１１は，ケース１１と一体に形成されることになる。
上記のケース１１の製造方法において，例えば，射出成形によりケース１１とともにリブ１１１を形成する場合に，上述したように，ケース１１は，ケースの上端および下端に開口部１１ａ，１１ｂを有する構造であるため，ケース１１とリブ１１１とを，容易に一体形成することができる。
また，本発明の第１の実施形態において，陽極用電極端子６０と陰極用電極端子７０とは，ケース１１の上側開口部１１ａに結合されるキャッププレート３０に，それぞれ配設されるものとして説明した。しかし，本発明において，例えば，陽極用電極端子と陰極用電極端子とは，ケースの上側開口部および下側開口部にそれぞれ結合されるキャッププレートおよびボトムプレートにそれぞれ取り付けられて，電極群の陽極と陰極とに電気的に接続される構成を有することもできる。
上記のように構成される，本発明の第１の実施形態に係る二次電池１０は，図５に示すような二次電池モジュールを構成することができる。この実施形態について，以下に説明する。
図５は本発明の第１の実施形態に係る二次電池モジュールを，概略的に示す側断面図であり，図６は，図５に示した二次電池モジュールのハウジングに収納される複数の二次電池の，配列状態の一部を示す斜視図である。
図５および図６に示すように，本実施形態に係る二次電池モジュールは，図１〜図４に基づいて説明した二次電池１０が，複数連結接続された状態で，ハウジング１００に収納されて形成される。
ここで，複数の二次電池１０は，例えば，一列または二列に配列された状態で，その配列体の両端にエンドプレート１４，１５を配置し，二次電池１０とエンドプレート１４もしくは１５とを互いに密着させた後，エンドプレート１４，１５に螺合される締結棒１６の結合力によって，互いに固定される。
このように固定された複数の二次電池１０は，両エンドプレート１４，１５がハウジング１００に螺子などによって結合されることにより，ハウジング１００内に収納されて固定される。
本実施形態において，ハウジング１００には，例えば，一側面上端に二次電池１０の温度を制御するための冷却媒体である温度制御用空気が流入される流入口１０１が形成される。また，二次電池１０を挟んで反対側の側面下端には，二次電池１０間を通過した上記の空気が排出される排出口１０３が形成される。ただし，本発明において，上記のハウジング１００の構造，温度制御用空気の流入口１０１および排出口１０３の位置などは，上記のものに特に限定されるわけではない。
ハウジング１００の内部に収納される複数の二次電池１０は，相隣接した二次電池１０間にそれぞれ対応するリブ１１１が対向するように位置する。
この際，対向する各二次電池１０のリブ１１１の先端１１１ａは，互いに接触し，このような状態で複数の二次電池１０は互いに密着される。この状態で，二次電池１０はエントプレート１４，１５と締結棒１６によって固定され，一つのアセンブリを構成する。
このような構造が出来上がると，相隣接する二次電池１０と二次電池１０との間には，上記のチャンネル１１３によって流路Ｇが最終に形成される（図７参照）。ハウジング１００の流入口１０１を通じてハウジング１００の内部に流入された温度制御用空気は，この流路Ｇを通って二次電池１０間を通過し，ハウジング１００の排出口１０３を通じて排出されることにより，二次電池１０を冷却させて二次電池の温度を制御することになる。
このように，本実施形態による二次電池１０は，二次電池モジュールを構成する際に，相隣接した他の二次電池との間に，従来のように隔壁を別途介在しなくとも，ケース１１の外表面に一体に形成されたリブ１１１により，温度制御用空気が流れる流路を充分に形成して二次電池モジュールを構成することができる。
図８は，本実施形態に係る二次電池モジュールにおいて，二次電池の配列構造の変形例を示した部分断面図である。
この構造によれば，相隣接する二次電池が互いに密着する際に，ケース２１に形成されたチャンネル２１３が，互いにずれて重なるように配列される。図７に示す二次電池の配列構造においては，二次電池のチャンネルが完全に重なるように配列されたが，この変形例においては，チャンネル２１３が互いにずれて部分的に重なるように配列されている。
このような構造は，それぞれの二次電池のリブ２１１が隣接した二次電池のチャンネル２１３内に配設され，その先端２１１ａが隣接した二次電池のケース２１の外表面に密着することで形成される。
このような構造によれば，相隣接した二次電池は，それぞれのリブ２１１が相手側二次電池のチャンネル２１３内に収納されるので，これら二次電池を組み合わせて電池配列体を構成する際，その組合せをより容易に形成することができる。
また，上述した構成において，二次電池のケースが導電性物質からなる場合には，相手側のリブがケースに触れて起こる電気的ショートを防止するために，これらの間に不導体を介在することができる。
さらに，隔壁の省略による製造工程数の短縮と部品数の節減により，二次電池モジュールの製造単価を低めることができることになる。
図９は，図５を通じて言及した二次電池モジュール１が，モーター５０を駆動させることを概略的に示した概略図である。
上記のような構成により得られる本発明に係る二次電池モジュール１は，例えば，ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車），ＥＶ（電気自動車），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなどのようにモーターにより作動する機器において，モーターを駆動するためのエネルギー源（モーター駆動用）として使用することが可能であり，それ以外にも高出力／大容量が要求される多様な用途に使用することが可能である。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明に係る二次電池モジュールは，高出力／大容量が要求される多様な用途に使用することが可能である。
本発明の第１の実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次電池を示す分解斜視図である。 図１をＩＩ−ＩＩ線で切断した際の部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るリブの変形例を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るリブの変形例を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次電池モジュールを概略的に示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次電池の配列状態を示す部分斜視図である。 図６において，相隣接した二次電池の密着状態を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次電池の配列構造の変形例において，相隣接した二次電池の密着状態を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る二次電池モジュールがモーターを駆動させることを概略的に示した概略図である。
符号の説明
１ 二次電池モジュール
１０ 二次電池
１１，２１ ケース
１１ａ，１１ｂ 開口部
１４，１５ エンドプレート
１６ 締結棒
２０ 電極群
２２ 陽極
２４ 陰極
２６ セパレータ
３０ キャッププレート
３２ ボトムプレート
４０ ベント部
５０ モーター
６０ 陽極用電極端子
７０ 陰極用電極端子
１００ ハウジング
１０１ 流入口
１０３ 排出口
１１１，２１１ リブ
１１１ａ，２１１ａ リブ先端
１１３，２１３ チャンネル
Ｇ 流路

Claims (20)

  1. 陽極，陰極，およびセパレータを含む電極群と；
    前記電極群を収納するケースと；
    を備え，
    前記ケースは，他の二次電池と組み合わせた時に流路が形成されるように，複数のチャンネルを備えることを特徴とする，二次電池。
  2. 前記チャンネルは，前記ケースの表面に設けられる凹凸によって形成されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記凹凸は，前記ケースの表面に所定の間隔を置いて突設されるリブによって形成されることを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記凹凸は，前記ケースと一体形成されることを特徴とする，請求項２または３に記載の二次電池。
  5. 前記リブの先端は，略平坦に形成されることを特徴とする，請求項３に記載の二次電池。
  6. 前記リブは，前記ケースの高さ方向に沿って形成されることを特徴とする，請求項３または５に記載の二次電池。
  7. 前記ケースの高さ方向に対して垂直な方向に沿って切断した前記リブの断面は，略台形形状であることを特徴とする，請求項６に記載の二次電池。
  8. 前記チャンネルは，前記ケースの向かい合う２つの外側面に，対称に形成されることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
  9. 前記ケースは，互いに反対側に配設される一対の開口部が形成されることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
  10. 前記ケースは，射出成形によって形成されることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。
  11. 略角形形状であることを特徴とする，請求項１〜１０のいずれかに記載の二次電池。
  12. モーター駆動用に用いられることを特徴とする，請求項１〜１１のいずれかに記載の二次電池。
  13. 陽極，陰極，およびセパレータを含む電極群と，前記電極群を収納するケースとを備え；
    所定のパターンに配列される複数の二次電池を含み；
    前記二次電池は，前記ケースに形成された複数の冷却媒体流動用チャンネルを含み；
    相隣接した前記二次電池は，一方の前記二次電池の前記チャンネルが他方の前記二次電池の前記チャンネルと重なるように配置されることを特徴とする，二次電池モジュール。
  14. 前記チャンネルは，前記ケースに所定の間隔を置いて配設されるリブによって形成されることを特徴とする，請求項１３に記載の二次電池モジュール。
  15. 前記リブは，前記ケースと一体形成されることを特徴とする，請求項１４に記載の二次電池モジュール。
  16. 相隣接した前記二次電池は，互いに前記リブを突き合わせて密着することを特徴とする，請求項１４または１５に記載の二次電池モジュール。
  17. 相隣接した前記二次電池は，それぞれの前記リブが互いの前記リブ間の空間に配置されて密着することを特徴とする，請求項１４〜１６のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  18. 前記ケースは，互いに反対側に配設される一対の開口部を含むことを特徴とする，請求項１３〜１７のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  19. 前記ケースは，射出成形によって形成されることを特徴とする，請求項１３〜１８のいずれかに記載の二次電池モジュール。
  20. 前記複数の二次電池を収納するハウジングをさらに含むことを特徴とする，請求項１３〜１９のいずれかに記載の二次電池モジュール。
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