JP2009272048A - 電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱性および耐振性に優れた電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュールは8個のラミネートセルが放熱板に粘着材で固定されている。ラミネートセルの放熱板との貼り合わせ面5の中央部の、貼り合わせ面に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14が0.15mm以下の厚さで塗布されており、その外周部の、貼り合わせ面に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに3N/10mm幅以上の粘着強度が得られる第2の粘着材13が、第1の粘着材14と同じ厚さで4箇所直線状に塗布されている。第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間には隙間20が形成されており、第2の粘着材13間にも隙間21が形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は電池モジュールに係り、特に、ラミネートフィルムを電池容器とした矩形状の密閉型二次電池を金属製の放熱板に固定した電池モジュールに関する。
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車(以下、電気自動車という。)等に使用される電池モジュールは、高電圧が要求されることから、円柱密閉型の単電池(いわゆる「セル」)を多数個(例えば、40〜100個)直列に接続されて構成され、さらに必要に応じて、複数個の電池モジュールが直並列で使用される。このような単電池は、一般に、大電流放電に適した構造が採られており、小型民生用電池より大きな容量(例えば、3Ah以上)を有している。また、電気自動車に使用される電池モジュールは、車内の空間を有効利用する観点から、コンパクトな設計が強く求められている。
従来、円柱密閉型電池は、有底円筒状の電池缶内に、捲回電極群を電解液に浸潤させた状態で、電池缶と電池蓋とをかしめた密閉構造が採られている。この電池缶には、コスト低減のため、鉄系材料を用いることが一般的である。しかしながら、鉄は比重が大きいことから、単電池の重量効率を高める上で大きな制約となっていた。
この問題を解決するため、古くから、アルミニウム箔などをガスバリア層として内層に組み込んだラミネートフィルムを、電池容器として用いたいわゆるラミネートセルが知られている(例えば、特許文献1参照)。ラミネートセルは、短冊状に切断した正極と負極とを交互に積層した電極群か、または、扁平状に捲回した電極群を、ラミネートフィルム製の容器に収容した構造が採られており、その外形は概ね矩形状(直方体状)ないし板状の形状を呈している。また、ラミネートセルを用いた電池モジュールも開示されている(例えば、特許文献2参照)。
特開昭60−230354号公報 特開2006−252855号公報
矩形状のラミネートセルを複数個用いて電池モジュールを構成する場合に、上述した円柱単電池と比べラミネートセルの表面が冷却風と接触する面積が少なくなるため、放熱性の向上が課題となる。すなわち、各ラミネートセルの温度にバラツキが生じるとラミネートセル間の充電量に差異が生じ一部のラミネートセルが他のラミネートセルの負荷となったり、電池モジュール全体の寿命が短縮したりする、という問題が生じる。
一方、電池モジュールが電気自動車に搭載されるような場合には、走行時の振動に対する耐久性(耐振性)の確保が重要である。しかしながら、このような矩形状のラミネートセルは、単に放熱板と押圧によって重ね合わせる(積層する)だけでは、ラミネートセルと放熱板との間に形成される空気層を除くことが困難なため、熱伝導性が悪化しやすい上、ラミネートフィルムの摩擦係数が小さく滑り易いため、耐振性を確保することも難しい。
このため、ラミネートセルを用いた電池モジュールでは、ラミネートセル同士あるいはラミネートセルと放熱板とを粘着材で貼り合わせた構造とすることが望ましい。しかし、粘着材は、一般に、熱伝導性に優れたものは粘着強度が低く、粘着強度に優れたものは熱伝導性が低いため、放熱性と耐振性とを両立させることは難しかった。
本発明は上記事案に鑑み、放熱性および耐振性に優れた電池モジュールを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は、ラミネートフィルムを電池容器とした矩形状の密閉型二次電池を金属製の放熱板に固定した電池モジュールであって、前記二次電池の少なくとも一面側が前記放熱板に、熱伝導性が0.8W/mK以上の第1の粘着材と、粘着強度が3N/10mm幅以上の第2の粘着材とを併用して貼り合わされていることを特徴とする。
ラミネートセルの発熱は正負極がセパレータを介して配置された電極群の内部で概ね均等に起こるが、中心部は特に放熱しにくいため熱がこもって温度が上昇しやすい。従って、ラミネートセルを放熱させるには特にその中心部での放熱を図ることが効果的である。一方、耐振性を向上させるには、矩形状のラミネートセルの外周部を強固に保持することが効果的である。そこで、本発明の電池モジュールでは、ラミネートセルと放熱板との貼り合わせ面のうち、ラミネートセルの中央部に放熱性に優れた、熱伝導性が0.8W/mK以上の第1の粘着材を用い、ラミネートセルの外周部に粘着強度に優れた、粘着強度が3N/10mm幅以上の第2の粘着材を用いて放熱板と貼り合わされている。このような構成を採ることにより、ラミネートセル内部での発熱は第1の粘着材を介して効率的に放熱板に伝達され、振動に対しては第2の粘着材によりラミネートセルが効率的に放熱板に保持されるので、放熱性と耐振性との両面に優れた電池モジュールを得ることができる。
本発明において、第2の粘着材間に複数の隙間が形成されていることが好ましく、第1および第2の粘着材の間に隙間が形成されていることがさらに好ましい。また、第1の粘着材は貼り合わせ面の面積の30%以上の面積を有しており、第2の粘着材は貼り合わせ面の面積の30%以上の面積を有していることが望ましい。さらに、第1および第2の粘着材の厚みが0.15mm以下であることがより望ましく、第1および第2の粘着材の厚みが同じであることがさらに望ましい。また、例えば、粘着材を0.15mm以下の厚さに塗布する作業は管理が難しいため、予め粘着材を一定厚さのシート状に加工し剥離紙に貼り合わせておいた両面粘着テープを用いるようにしてもよい。
本発明によれば、二次電池の少なくとも一面側が放熱板に、熱伝導性が0.8W/mK以上の第1の粘着材と、粘着強度が3N/10mm幅以上の第2の粘着材とを併用して貼り合わされているので、第1の粘着材を介して効率的に放熱板に伝達され、振動に対しては第2の粘着材によりラミネートセルが効率的に放熱板に保持されるため、放熱性および耐振性に優れた電池モジュールを得ることができる、という効果を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な電池モジュールの実施の形態について説明する。
1.ラミネートセル
(正極の作製)
正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物と、導電材として炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、溶媒のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて混合してスラリーを作製する。このスラリーを芯材(集電体)となる厚みが20μmのアルミニウム合金箔の両面に塗布、乾燥後、プレスして一体化する。その後、塗工部を幅86mm、無地部(図1の符号7参照)を幅17mmに切断してフープ状の正極を作製した。
(負極の作製)
負極活物質として炭素粒子と、結着剤としてPVDFとを溶媒のNMPに投入し混合して、スラリー状の溶液を作製する。このスラリーを芯材(集電体)となる厚みが10μmの銅箔の両面に塗布、乾燥後、プレスして一体化する。その後、塗工部を幅を88mm、無地部(図1の符号9参照)を幅15mmに切断してフープ状の負極を作製した。
(ラミネートセルの作製)
厚さが25μmのポリエチレン多孔膜からなるセパレータに上記作製した正極を熱溶着で袋状に封入した。封入した正極19枚と負極20枚とを交互に積層して、図1に示すように、正極端子2が導出された正極ストラップ6と正極無地部7、負極端子3が導出された負極ストラップ8と負極無地部9、をそれぞれ超音波溶接し、電極群4を構成した。
正極ストラップ6には、厚さ0.3mmのアルミニウム合金(JIS A3003相当品)を用い、電解液に接するおそれのない正極端子2の部分(電池外に露出した部分)のみ、片面に厚さ0.1mmのニッケルをクラッド加工した。一方、負極ストラップ8には、厚さ0.3mmの銅板(JIS C1020相当品)を用い、電池外に露出した負極端子3の部分のみ両面に厚さ0.05mmのニッケルをクラッド加工した。電極群4の厚さはおよそ4.8mm、容量は約3.2Ahである。
電極群4を、カップ状に成形したPP−アルミニウム箔−PETからなる厚さ約120μmのラミネートフィルム1に載置し、同一材質の平面状のラミネートフィルム1’を載せて、熱溶着によって封止した。この際、一部溶着せずに残しておいた合せ面から注射器を用いて所定量の電解液を注入した後、再度この部分を真空中で熱溶着して密封し、ラミネートセル12を作製した。熱溶着部10の幅は、全周にわたって約10mmとした。なお、熱溶着部10の正極端子2、負極端子3が配置される箇所には、電解液の液漏れを防止するために封止材11を介在させた。
2.電池モジュール
図2に示すように、以上のようにして得られたラミネートセル12を8個用いて2並列4直列の電池モジュール30を組み立てた。電池モジュール30は、8個のラミネートセル12、放熱板15、16、17、接続用のコネクタ18、ラミネートセル12同士およびラミネートセル12を放熱板15〜17に固定するための粘着材、放熱板15〜17を固定して一体化するためのタッピングネジ19で構成されている。電池モジュール30の容量は、2つのラミネートセル12が並列接続のため、約6.4Ahである。
電池モジュール30の側端となる放熱板16、17の一面には、それぞれ2つのラミネートセル12が粘着材により固定されており、中央に配置された放熱板15の両面には、それぞれ2つの(合計4つの)ラミネートセル12が粘着材により固定されている。放熱板15〜17には板厚0.5mmのアルミニウム合金(JIS A5052相当品)が用いられており、各ラミネートセル12と各放熱板15〜17との貼り合わせ面5(図1参照)の寸法は105mm×85mmとした。
各ラミネートセル12と各放熱板15〜17とは2種類の粘着材(後述する第1および第2の粘着材)を併用して貼り合わされている。このような貼り合わせの態様例として、図3および図4に示す態様を挙げることができるが、本発明はこれに制限されるものではない。
図3に示す態様では、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5の中央部(中央を含む。)の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに0.8W/mK以上の熱伝導性を有する第1の粘着材14が0.15mm以下の厚さで塗布されており、その外周部の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに3N/10mm幅以上の引き剥がし強度(粘着強度)が得られる第2の粘着材13が、第1の粘着材14と同じ厚さ(0.15mm以下)で4箇所直線状に塗布されている。また、空気の流路を形成して放熱性をさらに高めるため、第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間には隙間20が形成されており、第2の粘着材13間にも隙間21が形成されている。ここでいう隙間とは、粘着材が未塗布の部分をいう。
一方、図4に示す態様は、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5に、第1の粘着材14と第2の粘着材13とをストライプ状に塗布し、放熱板15〜17に固定した例である。図3に示す態様と同様に、貼り合わせ面5の中央部(中央を含む。)の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに0.8W/mK以上の熱伝導性を有する第1の粘着材14が0.15mm以下の厚さで塗布されており、その外周部(両側)の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%以上に相当する部分に、固化したときに3N/10mm幅以上の引き剥がし強度(粘着強度)が得られる第2の粘着材13が、第1の粘着材14と同じ厚さ(0.15mm以下)で2箇所塗布されている。この態様でも、空気の流路を形成して放熱性をさらに高めるため、第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間には隙間20が形成されている。
ラミネートセル12の固定(耐振性)を確保するために、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5との反対側の面、すなわち、ラミネートセル12同士の貼り合わせ面5’には、粘着強度に優れた第2の粘着材13が塗布されている。
図2に示すように、中央に配置された放熱板15と一側に配置された放熱板17とは長手方向に板厚分(0.5mm×2)の長さが異なる(放熱板15が短い)点を除いては同一形状であり、両端部が直角方向に屈曲した腕部を構成している。この腕部の端部にはネジ穴がそれぞれ上下に2箇所ずつ合計4箇所形成されており、腕部の中央は切り欠かれている。一方、他側に配置された放熱板16は、放熱板15、17より長い腕部を有している点および放熱板17より長手方向に板厚分(0.5mm×2)の長さが長い点を除いて、放熱板15、17と形状が同じである。従って、放熱板15〜17の腕部の端部に形成された4個のネジ穴は放熱板15〜17をそれぞれ重ねるとき(組み立てるとき)に同一位置に位置するように形成されている。
放熱板15〜17は4個のタッピングネジ19で固定されており(図2では一部のタッピングネジを省略)、腕部の切り欠き箇所を介してコネクタ18(図2では一部コネクタを省略)で電気接続されており、上述したように2並列4直列の電池モジュール30が組み立てられている。
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の電池モジュールについて説明する。なお、比較のために作製した比較例の電池モジュールについても併記する。
(実施例1)
図3に示すように、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5の中央部の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%に相当する部分に、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14を0.15mmの厚さで塗布し、その外周部の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%に相当する部分に、固化したときに3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13を、第1の粘着材14と同じ厚さ(0.15mm)で4箇所直線状に塗布した。また、第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間に隙間20を形成し、第2の粘着材13間にも隙間21を形成した。
(実施例2)
図4に示すように、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5の中央部の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%に相当する部分に、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14を0.15mmの厚さで塗布し、その外周部(両側)の、貼り合わせ面5に対する面積割合として30%に相当する部分に、固化したときに3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13を、第1の粘着材14と同じ厚さ(0.15mm)で2箇所塗布した。第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間には隙間20を形成した。
(実施例3)
実施例3では、実施例1と粘着材の塗布位置、塗布面積、塗布厚は同一であるが、固化したときに1W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14と3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13とを用いた。
(実施例4)
実施例4では、実施例1と粘着材の塗布位置、塗布面積、塗布厚は同一であるが、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14と3.8N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13とを用いた。
(実施例5)
実施例5では、実施例1と粘着材の種類や塗布位置、塗布面積は同一であるが、第1の粘着材14および第2の粘着材13の厚さを0.2mmとした。
(実施例6)
実施例6では、粘着材を電池モジュール30の組立工程において塗布するのではなく、予め0.1mmのシート状に加工され剥離紙と貼り合わされている、いわゆる両面粘着テープを用いたものである。それぞれの粘着テープの貼り付け位置と面積は実施例1と同一であり、用いた粘着材も実施例1と同一で、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材と3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材とを用いた。
(比較例1)
比較例1では、従来と同様に、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5の全面に、固化したときに3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13(塗布厚0.15mm)のみを用いた。
(比較例2)
比較例2では、ラミネートセル12の放熱板15〜17との貼り合わせ面5の全面に、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14(塗布厚0.15mm)のみを用いた。なお、ラミネートセル12同士の貼り合わせ面5’には、実施形態と同様に、第2の粘着材13を用いた。
(比較例3)
比較例3では、実施例1と粘着材の塗布位置、塗布面積、塗布厚は同一であるが、固化したときに0.65W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材と3N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材13とを用いた。
(比較例4)
比較例4では、実施例1と粘着材の塗布位置、塗布面積、塗布厚は同一であるが、固化したときに0.8W/mKの熱伝導性を有する第1の粘着材14と2.4N/10mm幅の引き剥がし強度が得られる第2の粘着材とを用いた。
(試験)
上記作製した実施例および比較例の電池モジュールについて、耐振性および放熱性の試験を行った。試験内容は次の通りである。
<耐振性試験>
電池モジュールを鉛直方向に5Gの加速度で連続100時間振動させたときに、貼り合わせ面5の移動が鉛直方向に0.5mm以下であれば○、0.5mmを越え1mm以下であれば△、1mmを越えて移動するか電池モジュールの破損に至った場合は×と判定した。
<放熱性試験>
電池モジュールを、25°Cの雰囲気中で、1C電流(2並列のため6.4A)でSOC100%からSOC5%まで80回繰り返し充放電したときの、ラミネートセル12同士の貼り合わせ面5’の中央部の最高温度が45°C以下であれば○、45°Cを越え50°C以下であれば△、50°Cを越えたときは×と判定した。
下表1に、耐振性試験および放熱性試験の試験結果を示す。
Figure 2009272048
表1から明らかなように、比較例1の電池モジュールは、耐振性には優れているが、放熱性が不十分である。比較例2の電池モジュールは、比較例1のものと逆の結果となっている。粘着材の塗布厚さが0.2mmと厚い実施例5の電池モジュールは、十分な放熱性が得られなかった。熱伝導性に優れた粘着材でも、塗布厚が大きいと、放熱性が不足するため、0.15mm以下とすることが望ましい。実施例1〜4、6の電池モジュールは、耐振性および放熱性の両者に優れるが、コスト面を考慮すると、必要以上に熱伝導性の高い粘着材や粘着強度の高い粘着材を用いなくとも、実用上は実施例1、2、6の電池モジュールで十分である。特に、実施例6の電池モジュールは、両面粘着テープを用いたため、作業の管理も容易であり、好ましい態様である。
(作用・効果等)
次に、本実施形態の電池モジュール30の作用、効果等について説明する。
本実施形態の電池モジュール30では、各ラミネートセル12と放熱板15〜17との貼り合わせ面のうち、ラミネートセル12の中央部に放熱性に優れた、熱伝導性が0.8W/mK以上の第1の粘着材14を用い、ラミネートセル12の外周部に粘着強度に優れた、粘着強度が3N/10mm幅以上の第2の粘着材13を用いて放熱板と貼り合わされている。このため、ラミネートセル12の内部での発熱は第1の粘着材14を介して効率的に放熱板15〜17に伝達され、振動に対しては第2の粘着材13によりラミネートセル12が効率的に放熱板15〜17に保持される。すなわち、ラミネートセル12の発熱は電極群4の内部で概ね均等に起こるが、中心部は特に放熱しにくいため熱がこもって温度が上昇しやすいため、ラミネートセル12を放熱させるには特にその中心部の放熱を考慮することが効果的である一方、耐振性を向上させるには、矩形状のラミネートセル12の外周部を強固に保持することが効果的である。また、第1の粘着材14と各第2の粘着材13との間には隙間20が形成されており(図3、4に示す態様)、第2の粘着材13間にも隙間21が形成されている(図3に示す態様)。このため、空気の流路を形成して放熱性をさらに高めることができる。従って、本実施形態の電池モジュール30は、試験結果でも示したように、放熱性と耐振性との両面に優れる。
また、本実施形態の電池モジュール30では、8個のラミネートセル12が放熱板を介してコンパクトに配置されているので、モジュール全体の小型化を図ることができる。さらに、アルミニウム合金製の放熱板16、17が外装ケースの役割を果たしているので、軽量化も図ることができる。
なお、本記実施形態では、積層式の電極群4を例示したが、本発明はこれに限定されず、扁平捲回式の電極群を用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、ラミネートセル12を2個ずつ放熱板15〜17に粘着材で固定した例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、ラミネートセル12を3個ずつ以上放熱板15〜17に粘着材で固定するようにしてもよい。すなわち、本発明はラミネートセル12の直並列状態に限らず適用可能である。さらに、本実施形態では、ラミネートセルの一面側を放熱板に固定した構造を例示したが、本発明はこれに制約されず、例えば、両面側を放熱板に固定した構造を採るようにしてもよい。
本発明は放熱性および耐振性に優れた電池モジュールを提供するものであるため、電池モジュールの製造ないし販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールに用いられるラミネートセルを示す平面図および側断面図である。 実施形態の電池モジュールの分解斜視図である。 実施形態の電池モジュールに用いられるラミネートセルの貼り合わせ面に塗布された第1の粘着材および第2の粘着材の位置の一態様を模式的に示す平面図である。 実施形態の電池モジュールに用いられるラミネートセルの貼り合わせ面に塗布された第1の粘着材および第2の粘着材の位置の他の態様を模式的に示す平面図である。
符号の説明
1 ラミネートフィルム
1’ ラミネートフィルム
12 ラミネートセル(密閉型二次電池)
13 第2の粘着材
14 第1の粘着材
15、16、17 放熱板
20、21 隙間
30 電池モジュール

Claims (8)

  1. ラミネートフィルムを電池容器とした矩形状の密閉型二次電池を金属製の放熱板に固定した電池モジュールであって、前記二次電池の少なくとも一面側が前記放熱板に、熱伝導性が0.8W/mK以上の第1の粘着材と、粘着強度が3N/10mm幅以上の第2の粘着材とを併用して貼り合わされていることを特徴とする電池モジュール。
  2. 前記第1の粘着材は前記二次電池と前記放熱板との貼り合わせ面の中央部に配置されており、前記第2の粘着材は前記貼り合わせ面の外周部に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 前記第2の粘着材間に複数の隙間が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電池モジュール。
  4. 前記第1および第2の粘着材の間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電池モジュール。
  5. 前記第1の粘着材は前記貼り合わせ面の面積の30%以上の面積を有しており、前記第2の粘着材は前記貼り合わせ面の面積の30%以上の面積を有していることを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載の電池モジュール。
  6. 前記第1および第2の粘着材の厚みが0.15mm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電池モジュール。
  7. 前記第1および第2の粘着材の厚みが同じであることを特徴とする請求項6に記載の電池モジュール。
  8. 前記第1および第2の粘着材に両面粘着テープを用いたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の電池モジュール。
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