JP2007311264A - 電池構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一の集電体(21)の表面に形成された正極活物質層(23)と電解質を保持するセパレータ(27)と他の集電体(21)の表面に形成された負極活物質層(25)とを交互に積層した単電池層(20)を複数積層して形成される電池構造体(10)であって、電池構造体(10)は、電池構造体(10)を形成する複数の単電池層(20)のうち、少なくとも一の単電池層(20)と他の単電池層(20)との間に放熱部材(30)を備えている。
【選択図】図2
Description
前記電池構造体は、前記電池構造体を形成する複数の単電池層のうち、少なくとも一の単電池層と他の単電池層との間に放熱部材を備えることを特徴とする。
図1〜図3は、本発明の第1実施の形態に係る電池構造体の説明に供する図である。図1は本実施の形態に係る電池構造体を示した外観図を、図2は図1に示した電池構造体の内部構造を模式的に示した図を、図3は本実施の形態に係る電池構造体の構成要素の振動系モデルを示した図を示す。なお、本発明に係る電池構造体は、シート状の電池要素が複数積層された積層型の電池構造体に有用であるが、本実施の形態では積層型の電池構造体の中でも双極型の電池構造体(双極型電池)を例にとって説明する。
放熱部材30は、熱伝導性の良好な材料や防振性を有する材料から形成され、電池要素を構成する単電池層(詳細は「単電池層」の項で説明する)30から発生する熱を放熱する機能を有し、さらに、電池構造体10が外部から受ける振動に対する防振の機能を有するものである(例えば、前記外部から受ける所定の振動数に対して電池構造体10の固有振動数が外れるようにして共振を防止(以下、「防振性」とも称する)する)。
単電池層20は、一の集電体21の表面に形成された正極活物質層23と電解質を保持するセパレータ27と他の集電体21の表面に形成された負極活物質層25とを交互に積層して形成され、電池要素40a、40b、40cを構成するものである。本実施の形態では、集電体21の一方の面に正極活物質層23が形成された正極と他方の面に負極活物質層25が形成された負極とを有する双極型電極と、セパレータ27を介して積層され、正極活物質層23、セパレータ27、および負極活物質層25がこの順に積層されて単電池層20を形成している。この際、一のバイポーラ電極の正極活物質層23と当該一の双極型電極に隣接する他の双極型電極の負極活物質層25とがセパレータ27を介して向き合うようにして、双極型電極およびセパレータ27が積層されている。
集電体21および最外層集電体21a、21bは、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス(SUS)箔など、導電性の材料から形成される。これらは単層で用いても良いし、複層で用いても良い。また、これらで被覆されたクラッド材を用いても良い。上述した材料は耐食性、導電性、または加工性などに優れる。
正極活物質層23は正極活物質を含み、正極活物質としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、PbO2、AgOまたはNiOOHなどを用いることができる。遷移金属とリチウムとの化合物としては、スピネルLiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物;LiCoO2などのLi−Co系複合酸化物;LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物;LiFeO2などのLi−Fe系複合酸化物;LiFePO4などの遷移金属とリチウムとのリン酸化合物;または遷移金属とリチウムとの硫酸化合物などが好ましい。遷移金属酸化物は、例えば、V2O5、MnO2、MoO3などが挙げられ、遷移金属硫化物は、例えば、TiS2、MoS2などが挙げられる。
負極活物質層25は負極活物質を含み、負極活物質としては結晶性炭素材;非結晶性炭素材;TiO、Ti2O3およびTiO2などの金属酸化物;Li4/3Ti5/3O4などのリチウムと遷移金属との複合酸化物からなる群から選択される少なくとも1種の材料などが好ましい。
セパレータ27は、電解質(詳細は「電解質層」の項で説明する)を保持するもので、電解質層を形成するものである。
電解質層は、電解質を含む層である。電解質層に含まれる電解質は、充放電時に正負極層間を移動するイオンのキャリアーとしての機能を有する。
電池構造体10は、集電体同士の間にシール部70を備えることができる。シール部70は、正極活物質層、電解質層および負極活物質層を取り囲むように配置されるため、電解質層としてゲル電解質を用いた場合に、電解液の漏出を防ぐことができる。
被覆材50は、電解液や気体を透過させないで電気絶縁性を示し、電解液などか内部に存在しても化学的に安定な材料から形成され、外部との物理的接触から保護したり、放熱性を良好にしたりするものである。
第1実施の形態では双極型の電池構造体について説明したが、本発明の電池構造体は、例えば、双極型の電池構造体10でない一般リチウムイオン電池のような積層型の電池構造体11であっても良い。図4は双極型の電池構造体10(図2参照)でない積層型の電池構造体11の内部構造を模式的に示した図である。図4から分かるように、電池構造体11と電池構造体10とは、その電極層の配置構成が異なるのみである。また、図4において、電池構造体11の各構成要素は、図1における電池構造体10と全く同じであるので共通する構成要素の説明は省略する。また、図4において、図1に示した構成要素と対応する構成要素には、同じ参照番号を付してある。
以上説明してきた電池構造体10、11は、複数、直列に又は並列に接続して組電池モジュールを形成することができる。図5は図2または図4に示した電池構造体10、11をケース80に入れた組電池モジュール13の概略的な構成を示す図である。図5(A)は、組電池モジュール13の平面図を、図5(B)は組電池モジュール13の正面図を、図5(C)は組電池モジュール13の側面図を示したものである。
第3実施の形態に係る組電池モジュール13をさらに複数、直列に又は並列に接続して組電池15を形成することができる。
組電池15を、電気自動車100に搭載するには、図7に示すように、電気自動車100の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池15を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池15を用いた電気自動車100は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供することができる。さらに、軽量化による燃費の低減、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供することができる。
(1)双極型の電池構造体(以下、「双極型電池構造体」と称する)の作成
本実施例および比較例で用いた双極型電池構造体の製造方法を具体的に説明する。なお、実施例5〜21および比較例5〜12は電池構造体をラミネート材(被覆材に該当する)で覆ったもの、実施例22〜24および比較例(従来の電池構造体)13〜14はラミネート材無しのものを作成した。また、比較例5〜12においては、放熱部材を介在させないものを作成した。放熱部材は、表1における各種材料から形成される放熱部材を電極層10層ごとに1枚積層した。10層に満たない電池構造体については、電池構造体の全体積層数の略中央部における単電池層間に放熱部材を設定した。
本実施例および比較例で用いた積層型電池構造体の製造方法を具体的に説明する。なお、実施例1〜8、比較例1〜4は電池構造体をラミネート材(被覆材に該当する)で覆ったものを作成し、比較例1〜4においては、放熱部材を介在させないものを作成した。また、放熱部材は、表1における仕様の放熱部材を電極層10層ごとに1枚積層した。10層に満たない電池構造体については、電池構造体の全体積層数の略中央部における単電池層間に放熱部材を設定した。
上述した実施例1〜24および比較例1〜14における電池構造体の作成方法により得られた単電池層要素の中央部に加速度ピックアップを設定し、インパルスハンマーによってハンマリングしたときの加速度ピックアップの振動スペクトルを測定した。設定方法はJIS−B−0908(振動及び衝撃ピックアップの校正方法・基本概念)に準拠した。測定スペクトルはFFT分析器により解析し周波数と加速度の次元に変換した。得られた周波数の平均化とスムージングを行い、振動伝達率スペクトルを得た。この加速度スペクトルの10〜300Hzまでの平均を振動平均値とした。
上述した実施例1〜24および比較例1〜14における電池構造体の作成方法により得られた電池構造体を用いて、10Cサイクル試験を60分行い、試験中の電池構造体の中央部平均温度の最高到達温度を測定し、試験開始前の温度との差を熱上昇とした。また、60分後に電流を止め室温で放置した際の温度変化を調べ、室温まで戻る時間を放熱時間とした。測定は60分間行い、60分間で室温まで戻らない場合は、60分以上と記載した。電池構造体の温度の測定は略中央に位置する箔の縁に熱電対を取り付けて測定を行った。なお、「10Cサイクル試験を60分行う」とは、10Cの電流値で、6分の充電と6分の放電とを5回行うことである。
13 組電池モジュール、
15 組電池、
20 単電池層、
21 集電体、
21a、21b 最外層集電体、
23 正極活物質層、
25 負極活物質層、
27、27a、27b、27c セパレータ
30 放熱部材、
40、 電池要素、
50 被覆材、
60A 正極タブ
60B 負極タブ
70 シール部、
75 電池ケース、
80 バスパー、
85 接続治具、
90 弾性体、
A 接触領域、
a 接触領域Aの長辺長さ、
b 接触領域Aの短辺長さ、
d 接触領域Aの対角線の長さ、
c 非放熱部材電池構造体の厚さ、
L 接触領域Aの外周の長さ、
S 接触領域Aの面積。
Claims (25)
- 一の集電体の表面に形成された正極活物質層と電解質を保持するセパレータと他の集電体の表面に形成された負極活物質層とを交互に積層した単電池層を複数積層して形成される電池構造体であって、
前記電池構造体は、前記電池構造体を形成する複数の単電池層のうち、少なくとも一の単電池層と他の単電池層との間に放熱部材を備えることを特徴とする電池構造体。 - 前記放熱部材は、外部から受ける振動を防振する機能を有することを特徴とする請求項1に記載の電池構造体。
- さらに、前記電池構造体を被覆する被覆材を備え、
前記被覆材は、前記放熱部材の一部と接触することを特徴とする請求項1または2に記載の電池構造体。 - 前記正極活物質接触領域の外周の長さ、または、前記負極活物質接触領域の外周の長さは、前記放熱部材を除く前記電池構造体の厚さの130倍以上であることを特徴とする請求項4に記載の電池構造体。
- 前記正極活物質接触領域の外周の長さ、または、前記負極活物質接触領域の外周の長さは、前記放熱部材を除く前記電池構造体の厚さの300〜2000倍であることを特徴とする請求項4に記載の電池構造体。
- 前記正極活物質接触領域の外周の長さ、または、前記負極活物質接触領域外周の長さは750mm〜1450mmであって、
前記放熱部材を除く前記電池構造体の厚さは2〜10mmであることを特徴とする請求項4に記載の電池構造体。 - 前記放熱部材を除く前記電池構造体の厚さは4〜8mmであることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記正極活物質接触領域の対角線の長さ、または、前記負極活物質接触領域の対角線の長さは260〜550mmであることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記放熱部材の厚さは、0.01〜1mmであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記放熱部材の熱伝導率は、0.1〜450W/m・kであることを特徴とする請求項1〜8、または10のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記放熱部材は、放熱性を有する母材中に防振性材料を分散させて形成されることを特徴とする請求項1〜8、10〜11のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記放熱部材は、高分子材料、金属材料、高分子材料と金属材料との複合材料、および高分子材料に導電性材料を分散させた複合材料からなる群から選択されるいずれか1つの材料から形成されることを特徴とする請求項1〜8、10〜12のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記電池構造体を形成する複数の単電池層のうち、少なくとも一の単電池層におけるセパレータのショアA硬度と他の単電池層におけるセパレータのショアA硬度とは異なることを特徴とする請求項1に記載の電池構造体。
- 前記セパレータのショアA硬度は、前記電池構造体の中心に位置する前記セパレータから積層方向両端に位置する単電池層に向かってセパレータのショアA硬度が次第に高くなることを特徴とするとする請求項1または14に記載の電池構造体。
- 前記セパレータのショアA硬度は、20〜110であることを特徴とする請求項1、14、15のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記セパレータの曲路率は、0.5〜2.0であることを特徴とする請求項1、4、14〜16のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記セパレータは、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂、およびポリプロピレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも1つの樹脂を含むことを特徴とする請求項1、14〜17のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記正極活物質層は正極活物質を含み、
前記正極活物質の平均粒径は、0.1μm〜2μm以下であることを特徴とする請求項1または4に記載の電池構造体。 - 前記正極活物質は、Li−Mn系複合酸化物またはLi−Ni系複合酸化物の少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項1、4、19のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記負極活物質層は負極活物質を含み、
前記負極活物質の平均粒径は、0.1μm〜2μm以下であることを特徴とする請求項1または4に記載の電池構造体。 - 前記負極活物質は、結晶性炭素材または非結晶性炭素材のうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項1、4、21のいずれか1項に記載の電池構造体。
- 前記被覆材は、高分子材料と金属材料との複合材料から形成されることを特徴とする請求項3に記載の電池構造体。
- 請求項1〜23のいずれかに記載の電池構造体が複数個、直列接続またはおよび並列接続のうち少なくともいずれか一方の接続方法によって接続されて構成される組電池。
- 請求項1〜23のいずれかに記載の電池構造体、または請求項24に記載の組電池を搭載することを特徴とする車両。
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