JP2010113861A - 組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を複数直列に接続して成る組電池であって、該電池の正極および負極の内部抵抗差を小さくし、出力特性に優れた組電池を提供する。
【解決手段】本発明によって提供される組電池１００は、正極および負極を備える電極体と、該電極体を収容するケース５０と、該正極および負極とそれぞれ電気的に接続される端子であって該ケースの外側に配置される正極端子６０および負極端子６２と、を備える充放電可能な単電池２０が複数直列に接続されて配列された組電池であって、上記配列方向に隣接する少なくとも一対の単電池において、一方の単電池の正極端子と該正極端子に対向する他方の単電池の負極端子との間にペルチェ素子１０が配設され、該素子に直流電流が通電された際に、上記一方の単電池の正極端子を加熱し、上記他方の単電池の対向負極端子を冷却するように配設されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の充放電可能な単電池が直列に接続された組電池に関する。

リチウム二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池或いはキャパシタ等の蓄電素子（物理電池）を単電池とし、該単電池を複数直列接続して成る組電池は高出力が得られる電源として、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池を単電池として複数直列に接続した組電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。

車両搭載用高出力電源としての組電池は、単電池が各単電池間を接続する部材等によって締結されて固定されることにより、限られたスペースに効率よく整然と配列された構成を備える。複数の単電池により構成される組電池は、充放電の繰り返しで各単電池の内部抵抗により発熱し易いため、各単電池の発熱を抑制することが求められる。
この種の単電池の温度調整に関する従来技術として、特許文献１〜４が挙げられる。特許文献１および２では、二次電池の外表面にペルチェ素子を接触させて、電池自体を加熱または冷却する装置等について開示されている。また、特許文献３では、並列に接続した電池の内部抵抗を等しくすることによって温度調整する技術が開示されている。さらに、特許文献４では、正極集電体および負極集電体の端部の温度差を小さくするシステムが開示されている。

特開２００６−１２７９２０号公報 特開平１１−１７６４８７号公報 特開２００８−１０９８４１号公報 特開２００８−２１５６９号公報

ところで、二次電池の電極は、電極活物質を主成分とする電極活物質層（具体的には、正極活物質層および負極活物質層）が正極集電体および負極集電体の表面に形成された構成を備える。例えば、リチウム二次電池の場合、正極集電体（例えば、アルミニウム）は負極集電体（例えば、銅）に比べると電気抵抗が大きい金属が用いられるため、正極は負極よりも内部抵抗が大きくなり易く、且つ発熱し易い傾向にある。特に、高出力を要する車両搭載用電源に用いられる二次電池においては、正負極の内部抵抗の差が大きいほど出力が低下する傾向にある。

そこで、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、二次電池を複数直列に接続して成る組電池であって、該電池の正極および負極の内部抵抗差を小さくすることにより出力特性に優れた組電池を提供することを目的とする。

本発明によって提供される組電池は、複数の充放電可能な単電池が直列に接続されて構成された組電池であって、正極および負極を備える電極体と、該電極体を収容するケースと、該正極および負極とそれぞれ電気的に接続される端子であって該ケースの外側に配置される正極端子および負極端子とを備える単電池（典型的には同形状の単電池）を複数備えている。
上記組電池は、上記配列方向に隣接する少なくとも一対の単電池において、一方の単電池の正極端子と該正極端子に対向する他方の単電池の負極端子との間にペルチェ素子が配設されており、該ペルチェ素子は、該素子に直流電流が通電された際に、上記一方の単電池の正極端子を加熱し、上記他方の単電池の対向負極端子を冷却するように配設されていることを特徴とする。

本明細書において「単電池」とは、組電池を構成するために相互に直列接続され得る個々の蓄電素子を指す用語であり、特に限定しない限り種々の組成の電池、キャパシタ（物理電池）を包含する。リチウム二次電池を構成する蓄電素子は、ここでいう「単電池」に包含される典型例であり、そのような単電池を複数備えて成るリチウム二次電池モジュール（電池パック）は、ここで開示される「組電池」の典型例である。

かかる構成の組電池では、複数の充放電可能な単電池が直列に接続されて構成された組電池であって、隣接する少なくとも一対の単電池において、一方の単電池の正極端子と該正極端子に対向する他方の単電池の該対向負極端子との間にはペルチェ素子が備えられている。
ここで、ペルチェ素子とは、２種類の対向する金属の接合部に配設され電気的に直列に接続して電流が流れると、片方の金属からもう片方へ熱を移動させる素子である。Ｐ型とＮ型の熱電半導体を備え、Ｎ型からＰ型へ電流が流れるペルチェ素子の吸熱部では、該放熱部と接合する金属の熱を吸収して冷却する。また、Ｐ型からＮ型へ電流が流れるペルチェ素子の放熱部では、該放熱部に接合する金属を加熱する。本発明では、かかるペルチェ素子が配列方向に隣接する少なくとも一対の単電池において、一方の単電池の正極端子と他方の単電池の負極端子との間に配設され、該素子に直流電流が通電された際には、当該ペルチェ素子の放熱部で正極端子を加熱し、吸熱部で他方の負極端子を冷却するように配設されている。
これにより、加熱された正極端子に接続された正極集電体に、該正極端子の熱が伝導して正極活物質が加熱されるため、正極の内部抵抗が減少する。一方、負極端子が冷却されることにより、負極端子に接続された負極集電体を介して負極活物質が冷却されるため、負極の内部抵抗が増加する。その結果、配列方向に対向する単電池の正極および負極の内部抵抗の差が小さくなるため、各々の単電池の電池特性のばらつきが抑制され、高出力性能を有する組電池を提供することができる。

また、本発明に係る組電池を備える車両が提供される。本発明によって提供される組電池は、車両に搭載される組電池として適した性能（例えば高出力）を示すものであり得る。したがって、かかる組電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用の電源として好適に使用され得る。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

本発明に係る組電池は、充放電可能な二次電池を単電池とし、そのような単電池を複数個直列に接続して成る組電池であればよく、該単電池の構成は特に制限されない。以下、角型（典型的には扁平形状）リチウム二次電池を複数直列に接続して成る組電池を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。よって、リチウム二次電池が本発明の適用電池種として好ましいが、その他、例えば、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等が好適な単電池の構成として挙げられる。また、該単電池の形状は特に限定されず、例えば、直方体状、円筒状等の外形であり得、該電池の形状及び大きさ並びにその他の構成についても、用途（典型的には車載用）によって適切に変更することができる。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る組電池１００の構成を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図１に示す組電池１００の構成を側面からみた側面模式図である。
図１および図２に示すように、ここで開示される組電池１００は、複数（本実施形態では図示されるように４個）の単電池２０を備える。単電池２０は、後述する扁平形状の捲回電極体８０（正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等を備える）を収容し得る形状の角型ケース５０を備える。かかるケース５０の上部表側には、捲回電極体８０の正極と電気的に接続する正極端子６０および負極と電気的に接続する負極端子６２が設けられている。
また、隣接する単電池２０間において一方の正極端子６０と隣接して対向する他方の負極端子６２とが接続具（バスバー）６４によって電気的に接続されている。このように各単電池２０を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池１００が構築される。なお、図示しないが、直列接続された両最端部の正負極端子６０，６２と別途用意された同型の組電池１００にバスバー等で接続し、配列される組電池１００の個数を増加することができる。また、該端子６０，６２からリード線等によって外部に引き出すことが可能である。

まず、本実施形態で使用され得る単電池２０の構成及び単電池２０を構成する各材料について詳述する。
図３は、捲回電極体８０の一例を模式的に示す正面図である。
図３に示すように、本実施形態に係る捲回電極体８０は、シート状正極８２（以下「正極シート８２」という。）とシート状負極８４（以下「負極シート８４」という。）を計２枚のシート状セパレータ８６（以下「セパレータシート８６」という。）と共に積層し、さらに当該正極シート８２と負極シート８４とをややずらしつつ捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体８０である。

かかる捲回電極体８０の捲回方向に対する横方向において、上記のとおりにややずらしつつ捲回された結果として、正極シート８２および負極シート８４の端の一部がそれぞれ捲回コア部分８１（すなわち、正極シート８２の正極活物質層形成部分と負極シート８４の負極活物質層形成部分とセパレータシート８６とが密に捲回された部分）から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分（すなわち正極活物質層の非形成部分）８２Ａおよび負極側はみ出し部分（すなわち負極活物質層の非形成部分）８４Ａには、正極リード端子８２Ｂおよび負極リード端子８４Ｂがそれぞれ付設されており、それぞれ、上述の正極端子６０および負極端子６２と電気的に接続される。

なお、かかる捲回電極体８０を構成する材料および部材自体は、従来のリチウム二次電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。
例えば、正極シート８２は長尺状の正極集電体の上にリチウム二次電池用正極活物質層が形成された構成を備える。正極集電体にはアルミニウム箔（本実施形態）その他の正極に適する金属箔が好適に使用される。正極活物質は従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、およびリチウムマンガン系複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物等が挙げられる。
また、正極活物質層には、上記正極活物質の他に、導電材が添加され得る。かかる導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましく、これらのうち一種のみを用いられていても二種以上が併用されていてもよい。さらに、一般的なリチウム二次電池に結着材として配合され得る一種または二種以上のポリマー材料を必要に応じて含有させることができる。

一方、負極シート８４は長尺状の負極集電体の上にリチウム二次電池用負極活物質層が形成された構成を備える。負極集電体には銅箔（本実施形態）その他の負極に適する金属箔が好適に使用される。負極活物質は従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、カーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状の炭素材料（カーボン粒子）が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの（グラファイト）、難黒鉛化炭素質のもの（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素質のもの（ソフトカーボン）、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。
なお、一般的なリチウム二次電池に結着材として配合され得る一種または二種以上のポリマー材料を必要に応じて含有させることができる。

また、正負極シート８２，８４間に使用される好適なセパレータシート８６としては多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合（すなわち、この場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。）があり得る。なお、単電池のケース５０内に収容する電極体８０は上記捲回タイプに限定されない。例えば正極シートと負極シートをセパレータ（或いはセパレータとしても機能し得る固体またはゲル状電解質）と共に交互に積層して成る積層タイプの電極体であってもよい。

続いて、ケース５０内に上記捲回電極体８０と共に収容される電解質の構成について説明する。本実施形態の電解質は例えばＬｉＰＦ_６等のリチウム塩である。本実施形態では、適当量（例えば濃度１Ｍ）のＬｉＰＦ_６等のリチウム塩をジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒（例えば質量比１：１）のような非水電解液に溶解して電解液として使用している。捲回電極体８０をケース５０に収容するとともに、上記電解液を注入して封止することによって本実施形態の単電池２０は構築される。
なお、ケース５０の材質は、従来の単電池で使用されるものと同じであればよく特に制限はないが、比較的軽量な金属ケースが適当である。例えば、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等の鉄材やアルミニウム又はその合金が挙げられる。或いは、拘束時の荷重によって歪みやすい材質、例えば、表面に絶縁用樹脂コーティングが施されているような金属製ケース、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂その他の合成樹脂製ケースでもよい。

次に、本実施形態の組電池１００の構成および構成する各材料について詳述する。
図１および図２に示されるように、本実施形態の組電池１００は、上記構築した単電池２０が所定の方向に直列に接続して配列した構成を備える。同形状の複数の単電池２０は、それぞれの正極端子６０および負極端子６２が交互に一定の間隔で配置されるように一つずつ反転させつつ、ケース５０の幅広な面（すなわちケース５０内に収容される捲回電極体８０の扁平面に対応する面）が対向する方向に配列される。そして、配列方向に対向する単電池２０の正極端子６０および負極端子６２には、外部回路（当該電池と直列に接続される他の電池であり得る）との接続用の接続具（バスバー）６４が装着され、各単電池２０は直列に接続される。

また、本実施形態の組電池１００は、図示されるように、隣接する一対の単電池２０間において、配列方向に対向する一方の単電池２０の正極端子６０と該正極端子６０に対向する他方の単電池２０の負極端子６２との間にペルチェ素子１０がそれぞれ配設されている。
ここで、本実施形態で使用される単電池２０の正極集電体および負極集電体は、一般的なリチウム二次電池に用いられる材料であるアルミニウムおよび銅が使用されている。アルミニウムは銅に比べると導電性が低いため、アルミニウムを正極集電体とするリチウム二次電池の正極の内部抵抗は負極の内部抵抗に比べて大きくなる傾向にある。特に、高出力を要する車両搭載用に用いられる単電池２０においては、正負極の内部抵抗の差が大きいほど組電池１００としての出力が低下する。そこで、本発明が好適に適用され得る本実施形態では、配列方向に対向する単電池２０の正極端子６０と負極端子６２との間にペルチェ素子１０を後述するように配設させることにより、正負極の内部抵抗差を小さくさせ、出力特性を向上させることができる。

上記ペルチェ素子１０は、対向する金属（ここでは、正極端子６０と負極端子６２）の接合部に配設され電気的に直列に接続して電流が流れると片方の金属からもう片方へ熱を移動させる素子である。かかる素子１０の動作原理を利用し、該素子１０の上記放熱部側に正極端子６０を配設（接触）させ、該素子１０の吸熱部側に負極端子６２を配設（接触）させ、該ペルチェ素子１０に所定の直流電流を流すことにより、正極端子６０を加熱し、他方の負極端子６２を冷却するように構成されている。かかる構成の結果、正極端子６０は加熱されることにより、正極端子６０に接続された正極集電体（典型的には正極リード端子８２Ｂ）を介して正極活物質が加熱されるため、正極の内部抵抗が減少する。一方、負極端子６２は冷却されることにより、負極端子６２に接続された負極集電体（典型的には負極リード端子８４Ｂ）を介して負極活物質が冷却されるため、負極の内部抵抗が増加する。その結果、配列方向に対向する単電池２０の正極および負極の内部抵抗の差が小さくなり、各々の単電池２０の電池特性（例えば出力特性）のばらつきが抑制され高出力性能を有する組電池１００が提供され得る。
なお、隣接（対向）する正極端子６０および負極端子６２の間に配設された上記ペルチェ素子１０に直流電流を供給する手段であるが、図示しない外部供給電源と各ペルチェ素子１０とを接続する専用ライン（回路）によって個々のペルチェ素子１０もしくは直列接続された一連のペルチェ素子１０に所定電圧の直流電流を供給する手段によってもよいし、或いは、接続具（バスバー）６４を介して直列接続する充放電回路を利用して各ペルチェ素子１０に直流電流を供給してもよい。

さらに、当該配列する単電池２０間ならびに単電池２０配列方向の両側には、所定形状の間隔保持板（スペーサー）４０がケース５０の幅広面に密接した状態で配置される。かかる間隔保持板４０は、使用時に各単電池２０内で発生する熱を放散させるための放熱部材として機能し得る材質および／または形状であることが好ましい。例えば、熱伝導性の良い金属製若しくは軽量で硬質なポリプロピレンその他の合成樹脂製の間隔保持板４０が好適である。また、図示されるように、単電池２０間の内部抵抗により熱を放熱するため櫛型のような凹凸形状面４１を備える間隔保持板４０が好適である。

而して、図１および図２に示すように、上記配列させた単電池２０および間隔保持板４０の周囲には、本実施形態に係る拘束部材が配備される。すなわち、図示されるように、単電池２０群の両側に配置されている間隔保持板４０のさらに外側には、一対の拘束板７６Ａ，７６Ｂが密着して配置される。また、当該一対の拘束板７６Ａ，７６Ｂを架橋するように、単電池２０群の両側面には締付け用ビーム材７２が取り付けられる。そして、ビーム材７２の端部をビス７８により拘束板７６Ａ，７６Ｂに締め付け且つ固定することによって上記単電池２０および間隔保持板４０を拘束することができる。これにより、本実施形態に係る組電池１００を構築し得る。

本実施形態に係る組電池１００は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター（電動機）用電源として好適に使用し得る。従って、本発明では、かかる組電池１００を電源として備える車両（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）を提供することができる。

以上、本発明の組電池製造方法および該方法によって製造され得る組電池の好ましい一実施形態を詳細に説明したが、本発明をかかる構成の方法および組電池に限定するものではない。例えば、単電池のケース内に収容する電極体は上記捲回タイプに限定されない。正極シートと負極シートをセパレータ（或いはセパレータとしても機能し得る固体またはゲル状電解質）と共に交互に積層して成る積層タイプの電極体であってもよい。
また、単電池の種類は上述したリチウム二次電池に限られず、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池、例えばリチウム金属やリチウム合金を負極とするリチウム金属電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、或いは電気二重層キャパシタであってもよい。

また、図１に示す組電池１００は本発明を説明するために敢えてシンプルな構成としてあるが、本発明の構成および効果を損なわない限りにおいて様々な変形や装備の追加が行われ得ることは当業者には明らかである。例えば、自動車等の車両に搭載する場合、より多くの単電池２０が直列に接続され得ると共に、組電池の主要部（単電池群、等）を保護するための外装カバー、車両の所定部位に当該組電池を固定するための部品、複数の組電池（電池モジュール）を相互に連結するための部品等が装備され得るが、このような装備の有無は本発明の技術的範囲を左右するものではない。

本発明の一実施形態に係る組電池１００の構成を模式的に示す斜視図である。 図１に示す組電池１００の構成を側面からみた側面模式図である。 捲回電極体８０の一例を模式的に示す正面図である。

符号の説明

１０ ペルチェ素子
２０ 単電池
４０ 間隔保持板（スペーサー）
４１ 凹凸形状面
５０ ケース
６０ 正極端子
６２ 負極端子
６４ 接続具（バスバー）
７２ ビーム材
７６Ａ，７６Ｂ 拘束板
７８ ビス
８０ 電極体
８１ 捲回コア部分
８２ 正極シート
８２Ａ 正極側はみ出し部分
８２Ｂ 正極リード端子
８４ 負極シート
８４Ａ 負極側はみ出し部分
８４Ｂ 負極リード端子
８６ セパレータシート
１００ 組電池

Claims (1)

1. 正極および負極を備える電極体と、
   該電極体を収容するケースと、
   該正極および負極とそれぞれ電気的に接続される端子であって該ケースの外側に配置される正極端子および負極端子と、
   を備える充放電可能な単電池が複数直列に接続されて配列された組電池であって、
   前記配列方向に隣接する少なくとも一対の単電池において、一方の単電池の正極端子と該正極端子に対向する他方の単電池の負極端子との間にペルチェ素子が配設されており、
   ここで、前記ペルチェ素子は、該素子に直流電流が通電された際に、前記一方の単電池の正極端子を加熱し、前記他方の単電池の対向負極端子を冷却するように配設されていることを特徴とする、組電池。
   

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