JP2014150039A - Power storage device - Google Patents

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Katsutoshi Sakurai
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power storage device capable preventing damage on the components by absorbing expansion of a lithium ion battery during charging.SOLUTION: A unit cell 30 held by piling a laminate type battery 20 and a buffer member 32 is laminated in the inside of a frame 31, and the buffer member 32 is compressed by sandwiching the unit cell 30 between an upper side end plate 41 and a lower side end plate 42 and fastening it with a tie rod 43. Dimension of the laminate type battery 20 in the lamination direction is increased by charging, and the buffer member 32 is further compressed, thereby reducing stress acting on the tie rod 43.

Description

本発明は、二次電池などの蓄電装置の改良に関する。   The present invention relates to an improvement of a power storage device such as a secondary battery.

リチウムイオン電池を用いた蓄電装置としては、例えば特許文献1に開示されたものがある。この蓄電装置は、リチウムイオン電池を複数積層したもので、各リチウムイオン電池は、セパレータの両面に正極と負極を設けた蓄電素子を複数積層し、これをラミネートフィルムで包装して構成されている。   An example of a power storage device using a lithium ion battery is disclosed in Patent Document 1. This power storage device is formed by stacking a plurality of lithium ion batteries, and each lithium ion battery is configured by stacking a plurality of power storage elements each provided with a positive electrode and a negative electrode on both sides of a separator, and packaging them with a laminate film. .

ここで、正極は、正極活物質としてのLiMO(Mは金属元素)とアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成され、負極は、負極活物質としての例えばSiとアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成される。また、セパレータには電解液とLiイオンが含浸される。そして、充電するとSiとLiの化合物が生成され、放電すると化合物から単体のSiに戻る。 Here, the positive electrode is configured by solidifying LiMO 2 (M is a metal element) as a positive electrode active material and acetylene black with a binder, and the negative electrode is formed by solidifying, for example, Si and acetylene black as a negative electrode active material with a binder. Composed. Further, the separator is impregnated with the electrolytic solution and Li ions. When charged, a compound of Si and Li is generated, and when discharged, the compound returns to simple substance Si.

特開2012−138368号公報JP 2012-138368 A

ところで、本発明者等の検討によると、充電によりSiがLiと化合すると体積が増加し、リチウムイオン電池が積層方向に膨張することが判明している。このため、リチウムイオン電池を積層方向に固定しているタイロッドなどの構成部材に応力が作用し、これが繰り返されることによる構成部材の疲労破壊が懸念されている。   By the way, according to studies by the present inventors, it has been found that when Si combines with Li by charging, the volume increases and the lithium ion battery expands in the stacking direction. For this reason, there is a concern that stress is applied to a constituent member such as a tie rod that fixes the lithium ion battery in the stacking direction, and the fatigue failure of the constituent member due to the repetition thereof.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、充電の際のリチウムイオン電池の膨張を吸収し、構成部材の破損を未然に防止することができる蓄電装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a power storage device that can absorb expansion of a lithium ion battery during charging and prevent damage to constituent members.

本発明は、ラミネートフィルムにより蓄電素子を収容した複数のラミネート型電池を積層し、ラミネート型電池の間に、積層方向に変形する緩衝部材を設け、ラミネート型電池および緩衝部材を積層方向に拘束する拘束手段を設けた蓄電装置において、ラミネート型電池は、膨張状態と積層方向の寸法が膨張状態よりも小さい収縮状態の2つの状態を可逆的にとるものであり、緩衝部材の無負荷状態での積層方向の寸法は、ラミネート型電池の収縮状態において第1の変形量にて変形し、膨張状態において第1の変形量よりも大きい第2の変形量にて変形するように設定されていることを特徴とする。   In the present invention, a plurality of laminate-type batteries each containing an electric storage element are laminated by a laminate film, a buffer member that deforms in the stacking direction is provided between the laminate-type batteries, and the laminate-type battery and the buffer member are restrained in the stacking direction. In the power storage device provided with the restraining means, the laminate type battery reversibly takes two states, an expanded state and a contracted state in which the dimension in the stacking direction is smaller than the expanded state. The dimension in the stacking direction is set so as to be deformed by the first deformation amount in the contracted state of the laminated battery and to be deformed by the second deformation amount larger than the first deformation amount in the expanded state. It is characterized by.

本発明においては、ラミネート型電池の収縮状態において緩衝部材は少し変形し、膨張状態において緩衝部材は大きく変形する。したがって、収縮状態においてラミネート型電池の保持力を確保することができる。また、ラミネート型電池の膨張状態においては、拘束手段の拘束力に対する反力は緩衝部材の弾発力となるので、拘束手段に作用する応力を軽減することができる。   In the present invention, the buffer member is slightly deformed in the contracted state of the laminated battery, and the buffer member is largely deformed in the expanded state. Therefore, the holding power of the laminate type battery can be ensured in the contracted state. Further, in the expanded state of the laminated battery, the reaction force against the restraining force of the restraining means becomes the elastic force of the buffer member, so that the stress acting on the restraining means can be reduced.

本発明においては、ラミネート型電池の各々を内側に保持する枠状の保持部材を備え、緩衝部材を、保持部材の内側に保持部材の内周面に接触した状態で保持させることができる。この態様では、緩衝部材の積層方向と直交する方向への変形が阻止されるので、緩衝部材によるラミネート型電池への加圧力を確保することができる。また、積層方向と直交する方向への変形による緩衝部材のへたりを抑制することができる。   In the present invention, a frame-shaped holding member that holds each laminated battery inside is provided, and the buffer member can be held inside the holding member in contact with the inner peripheral surface of the holding member. In this aspect, since the deformation of the buffer member in the direction perpendicular to the stacking direction is prevented, the pressure applied to the laminate type battery by the buffer member can be ensured. Moreover, the sag of the buffer member due to the deformation in the direction orthogonal to the stacking direction can be suppressed.

ところで、積層したラミネート型電池のうち中程に位置するものでは、熱がこもり易いため高温となる。このため電解液等からガスが発生し易く、一端発生したガスは積層したラミネート型電池に封止される。このため、ラミネート型電池の積層方向の寸法が大きくなる。そこで、そのような事態に対応するために、以下の態様を採用することができる。   By the way, in the laminated type battery which is located in the middle, the heat is likely to be trapped so that the temperature becomes high. For this reason, gas is easily generated from the electrolyte and the like, and the generated gas is sealed in the laminated battery. For this reason, the dimension of the lamination direction of a laminate type battery becomes large. Therefore, in order to cope with such a situation, the following modes can be adopted.

すなわち、保持部材は、第1の保持部材および第2の保持部材と、それら第1、第2の保持部材の間に設けられた第3の保持部材を備えることができる。また、第1の保持部材と第2の保持部材の積層方向外側にエンドプレートを設けることができる。さらに、エンドプレートと第1、第2の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池との間に第1の緩衝部材を設け、第3の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池と第1、第2の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池との間に第2の緩衝部材を設けることができる。そして、第2の緩衝部材の積層方向の厚さを第1の緩衝部材の厚さよりも大きくする。このような態様によれば、中程のラミネート型電池変形量を多くとることができ、ラミネート型電池の膨張を吸収することができる。   That is, the holding member can include a first holding member and a second holding member, and a third holding member provided between the first and second holding members. Moreover, an end plate can be provided on the outer side in the stacking direction of the first holding member and the second holding member. Further, a first buffer member is provided between the end plate and the laminated battery held inside the first and second holding members, and the laminated battery and the first battery held inside the third holding member A second buffer member can be provided between the laminated battery held inside the first and second holding members. And the thickness of the lamination direction of the 2nd buffer member is made larger than the thickness of the 1st buffer member. According to such an aspect, the amount of deformation of the intermediate laminate type battery can be increased, and the expansion of the laminate type battery can be absorbed.

緩衝部材は、無負荷状態において積層方向の一方向側において保持部材から突出し、積層方向の他方向側において保持部材に埋没している態様を採用することができる。この態様によれば、ラミネート型電池および緩衝部材を保持した保持部材を積層する際に、突出した緩衝部材を保持部材に挿入することで位置決めすることができる。   The buffer member can adopt a mode in which it protrudes from the holding member on one side in the stacking direction in an unloaded state and is buried in the holding member on the other side in the stacking direction. According to this aspect, when the laminated battery and the holding member holding the buffer member are stacked, positioning can be performed by inserting the protruding buffer member into the holding member.

本発明は、蓄電素子に含まれる負極材はリチウムイオンと合金を形成する活物質を含む場合にその効果が発揮される。リチウムイオンと合金を形成する活物質としては、Si、Snなどがある。   The present invention exhibits its effect when the negative electrode material included in the electricity storage element contains an active material that forms an alloy with lithium ions. Examples of the active material that forms an alloy with lithium ions include Si and Sn.

本発明によれば、充電の際のリチウムイオン電池の膨張を吸収し、構成部材の破損を未然に防止することができる等の効果が得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the effect of absorbing the expansion | swelling of the lithium ion battery in the case of charge and preventing the damage of a structural member beforehand is acquired.

本発明の実施形態における蓄電素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electrical storage element in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるラミネート型電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laminate type battery in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるラミネート型電池を示す側面図である。It is a side view which shows the laminate type battery in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における単位セルを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the unit cell in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における単位セルを示す平面図である。It is a top view which shows the unit cell in embodiment of this invention. 本発明の実施形態の蓄電装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the electrical storage apparatus of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の蓄電装置を示す側面図である。It is a side view which shows the electrical storage apparatus of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の蓄電装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electrical storage apparatus of embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態における単位セルを示す平面図である。It is a top view which shows the unit cell in other embodiment of this invention.

1.蓄電装置の構成
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は蓄電素子10を示す断面図である。図1において符号11はセパレータであり、セパレータ11には電解液とリチウムイオンが含浸されている。セパレータ11の片面には、正極12が形成されている。正極12は、LiMO(Mは金属元素)とアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成されている。セパレータ11の他面には、負極13が形成されている。負極13は、Siとアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成されている。なお、図1において符号14は正極集電箔であり、符号15は負極集電箔である。
1. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a power storage element 10. In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a separator, and the separator 11 is impregnated with an electrolytic solution and lithium ions. A positive electrode 12 is formed on one side of the separator 11. The positive electrode 12 is configured by solidifying LiMO 2 (M is a metal element) and acetylene black with a binder. A negative electrode 13 is formed on the other surface of the separator 11. The negative electrode 13 is configured by solidifying Si and acetylene black with a binder. In FIG. 1, reference numeral 14 denotes a positive electrode current collector foil, and reference numeral 15 denotes a negative electrode current collector foil.

上記構成の蓄電素子10はその厚さ方向に互いに積層され、正極集電箔14は箔22で正極集電端子23に接続され、負極集電箔15は箔22で負極集電端子24に接続されている。そして、積層された蓄電素子10はラミネートフィルム21で気密に包装され、ラミネートフィルム21から正極集電端子23と負極集電端子24を突出させたラミネート型電池20が構成されている。   The storage elements 10 having the above-described configuration are stacked on each other in the thickness direction, the positive electrode current collector foil 14 is connected to the positive electrode current collector terminal 23 by the foil 22, and the negative electrode current collector foil 15 is connected to the negative electrode current collector terminal 24 by the foil 22. Has been. The stacked power storage elements 10 are hermetically packaged with a laminate film 21 to form a laminate type battery 20 in which a positive electrode current collector terminal 23 and a negative electrode current collector terminal 24 protrude from the laminate film 21.

図4および図5において符号31はフレーム(保持部材)である。フレーム31は、鉄、アルミニウム、ベークライト、合成樹脂等からなる矩形の枠体である。フレーム31の内側には、ラミネート型電池20が配置されている。ラミネート型電池20は、4つの側面をフレーム31の内周面に密着させ、正極集電端子23と負極集電端子24をフレーム31の側面から突出させた状態でフレーム31に保持されている。なお、図5において符号31aは、後述するタイロッドを通すための孔である。   4 and 5, reference numeral 31 denotes a frame (holding member). The frame 31 is a rectangular frame made of iron, aluminum, bakelite, synthetic resin, or the like. A laminated battery 20 is disposed inside the frame 31. The laminated battery 20 is held by the frame 31 in a state where the four side surfaces are in close contact with the inner peripheral surface of the frame 31 and the positive electrode current collecting terminal 23 and the negative electrode current collecting terminal 24 are projected from the side surface of the frame 31. In FIG. 5, reference numeral 31 a is a hole for passing a tie rod described later.

図4に示すように、フレーム31には、一対の緩衝部材32がラミネート型電池20を挟むようにして保持されている。緩衝部材32は、スポンジ、ゴム、ウレタンなどの弾性変形可能な材料で構成され、その4つの側面はフレーム31の内周面に密着させられている。また、緩衝部材32の表面は、フレーム31の表面から僅かに突出している。このように構成された単位セル30は互いに積層され、図6〜図8に示す蓄電装置40が構成される。   As shown in FIG. 4, a pair of buffer members 32 are held on the frame 31 so as to sandwich the laminated battery 20 therebetween. The buffer member 32 is made of an elastically deformable material such as sponge, rubber, urethane, and the four side surfaces thereof are in close contact with the inner peripheral surface of the frame 31. Further, the surface of the buffer member 32 slightly protrudes from the surface of the frame 31. The unit cells 30 configured in this way are stacked on each other, and the power storage device 40 shown in FIGS. 6 to 8 is configured.

図6において符号41は上側エンドプレート、符号42は下側エンドプレートである。上側エンドプレート41、下側エンドプレート42、およびフレーム31にはタイロット(拘束手段)43が挿通され、タイロット43の下端部に取り付けたナット45によって締め付け固定されている。これにより、蓄電装置40は、上下方向に変形しない剛体として構成されている。そして、緩衝部材32は、タイロッド43の締め付け力により積層方向へ弾性変形させられ、その表面はフレーム31の表面と面一となる。なお、図中符号44はバスバーである。バスバー44は、フレーム31から突出した正極集電端子23と負極集電端子24を接続している。   In FIG. 6, reference numeral 41 denotes an upper end plate, and reference numeral 42 denotes a lower end plate. A tie lot (restraining means) 43 is inserted into the upper end plate 41, the lower end plate 42, and the frame 31, and is fastened and fixed by a nut 45 attached to a lower end portion of the tie lot 43. Thereby, the electrical storage apparatus 40 is comprised as a rigid body which does not deform | transform in an up-down direction. The buffer member 32 is elastically deformed in the stacking direction by the tightening force of the tie rod 43, and the surface thereof is flush with the surface of the frame 31. In the figure, reference numeral 44 denotes a bus bar. The bus bar 44 connects the positive current collector terminal 23 and the negative current collector terminal 24 protruding from the frame 31.

2.蓄電装置の作用
上記構成の蓄電装置40において充電を行うと、負極13に含まれる活物質のSiとLiとが化合し、負極13の体積が増加する。これにより、ラミネート型電池20の積層方向の寸法が増加する。この寸法増加により緩衝部材32が収縮し、タイロッド43には緩衝部材32の収縮に対する弾発力が加えられる。したがって、緩衝部材32のヤング率を適宜設定することにより、タイロッド43に加わる力を許容範囲内とすることができ、タイロッド43やフレーム31の破損を未然に防止することができる。
2. Action of Power Storage Device When charging is performed in the power storage device 40 having the above-described configuration, Si and Li as active materials contained in the negative electrode 13 combine to increase the volume of the negative electrode 13. Thereby, the dimension of the lamination type battery 20 in the stacking direction increases. Due to this increase in size, the buffer member 32 contracts, and an elastic force against the contraction of the buffer member 32 is applied to the tie rod 43. Therefore, by appropriately setting the Young's modulus of the buffer member 32, the force applied to the tie rod 43 can be within an allowable range, and damage to the tie rod 43 and the frame 31 can be prevented.

蓄電装置40において放電すると、SiとLiの化合物から単体のSiに戻り、負極13の寸法が元に戻る。これにより、緩衝部材32の寸法も元に戻るが、その状態で緩衝部材32は圧縮されており、中間のラミネート型電池20を保持している。   When the electric storage device 40 is discharged, the compound of Si and Li returns to the single Si, and the dimensions of the negative electrode 13 are restored. As a result, the size of the buffer member 32 is also restored, but in this state, the buffer member 32 is compressed and holds the intermediate laminated battery 20.

特に、上記実施形態では緩衝部材32の4つの側面をフレーム31の内周面に密着させているので、緩衝部材32の横方向への変形が阻止され、緩衝部材32によるラミネート型電池20への加圧力を確保することができる。また、横方向への変形による緩衝部材32のへたりを抑制することができる。   In particular, in the above embodiment, the four side surfaces of the buffer member 32 are in close contact with the inner peripheral surface of the frame 31, so that the buffer member 32 is prevented from being deformed in the lateral direction, and the buffer member 32 is applied to the laminated battery 20 by the buffer member 32. A pressing force can be secured. Further, it is possible to suppress the sag of the buffer member 32 due to the deformation in the lateral direction.

3.他の実施形態
図9は本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態では、ラミネート型電池20と緩衝部材32がフレーム31に対して上方へずれて配置されている。このような単位セル30を積層するに際しては、突出している緩衝部材32が隣接するフレーム31に嵌合する。したがって、単位セル30の位置決めを簡単に行うことができる。単位セル30を積層した後、上側エンドプレート41と下側エンドプレート42とを単位セル30の上下に配置し、タイロッド43で締め付ける。これにより、ラミネート型電池20と緩衝部材32がフレーム31の中に収まり、かつ、緩衝部材32が圧縮される。蓄電装置40が充電された場合には、前記実施形態と同等の効果を得ることができる。
3. Other Embodiments FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention. In this embodiment, the laminated battery 20 and the buffer member 32 are disposed so as to be shifted upward with respect to the frame 31. When stacking such unit cells 30, the protruding buffer members 32 are fitted into the adjacent frames 31. Therefore, the unit cell 30 can be easily positioned. After the unit cells 30 are stacked, the upper end plate 41 and the lower end plate 42 are arranged above and below the unit cell 30 and tightened with the tie rods 43. Thereby, the laminate type battery 20 and the buffer member 32 are accommodated in the frame 31, and the buffer member 32 is compressed. When the power storage device 40 is charged, the same effect as that of the above embodiment can be obtained.

図6において、積層方向の中央部に位置する緩衝部材32の厚さを他のものよりも厚くすることができる。これにより、熱がこもり易く高温となる中央部のラミネート型電池20でガスが発生して積層方向の寸法が大きくなった場合であっても、その寸法増加を厚い緩衝部材32で吸収することができる。   In FIG. 6, the thickness of the buffer member 32 located at the center in the stacking direction can be made thicker than the others. As a result, even if gas is generated in the central laminate-type battery 20 where heat easily accumulates and the temperature becomes high, and the dimension in the stacking direction increases, the increase in the dimension can be absorbed by the thick buffer member 32. it can.

本発明はリチウムイオン電池等を用いた蓄電装置に利用可能である。   The present invention is applicable to a power storage device using a lithium ion battery or the like.

10 蓄電素子
11 セパレータ
12 正極
13 負極
21 ラミネートフィルム
20 ラミネート型電池
31 フレーム(保持部材)
32 緩衝部材
30 単位セル
40 蓄電装置
41 上側エンドプレート、
42 下側エンドプレート
43 タイロット(拘束手段)
44 バスバー

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power storage element 11 Separator 12 Positive electrode 13 Negative electrode 21 Laminated film 20 Laminated battery 31 Frame (holding member)
32 buffer member 30 unit cell 40 power storage device 41 upper end plate,
42 Lower end plate 43 Tylot (restraint)
44 Busbar

Claims (5)

ラミネートフィルムにより蓄電素子を収容した複数のラミネート型電池を積層し、前記ラミネート型電池の間に、前記積層方向に変形する緩衝部材を設け、前記ラミネート型電池および緩衝部材を前記積層方向に拘束する拘束手段を設けた蓄電装置において、
前記ラミネート型電池は、膨張状態と前記積層方向の寸法が前記膨張状態よりも小さい収縮状態の2つの状態を可逆的にとるものであり、
前記緩衝部材の無負荷状態での前記積層方向の寸法は、前記ラミネート型電池の収縮状態において第1の変形量にて変形し、前記膨張状態において前記第1の変形量よりも大きい第2の変形量にて変形するように設定されていることを特徴とする蓄電装置。
A plurality of laminate-type batteries containing power storage elements are laminated by a laminate film, a buffer member that deforms in the stacking direction is provided between the laminate-type batteries, and the laminate-type battery and the buffer member are restrained in the stacking direction. In the power storage device provided with the restraining means,
The laminate type battery reversibly takes two states, an expanded state and a contracted state in which the dimension in the stacking direction is smaller than the expanded state.
The dimension in the stacking direction of the buffer member in an unloaded state is deformed by the first deformation amount in the contracted state of the laminate type battery, and is larger than the first deformation amount in the expanded state. A power storage device configured to be deformed by a deformation amount.
前記ラミネート型電池の各々を内側に保持する枠状の保持部材を備え、
前記緩衝部材は、前記保持部材の内側に該保持部材の内周面に接触した状態で保持されていることを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
A frame-shaped holding member that holds each of the laminate type batteries inside,
The power storage device according to claim 1, wherein the buffer member is held inside the holding member while being in contact with an inner peripheral surface of the holding member.
前記保持部材は、第1の保持部材および第2の保持部材と、それら第1、第2の保持部材の間に設けられた第3の保持部材を備え、
前記第1の保持部材と前記第2の保持部材の積層方向外側にエンドプレートが設けられ、
前記エンドプレートと前記第1、第2の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池との間には第1の緩衝部材が設けられ、
前記第3の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池と前記第1、第2の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池との間には第2の緩衝部材が設けられ、
前記第2の緩衝部材は前記第1の緩衝部材よりも積層方向の厚さが大きいことを特徴とする請求項2に記載の蓄電装置。
The holding member includes a first holding member and a second holding member, and a third holding member provided between the first and second holding members,
An end plate is provided on the outer side in the stacking direction of the first holding member and the second holding member,
A first buffer member is provided between the end plate and the laminated battery held inside the first and second holding members,
A second buffer member is provided between the laminate type battery held inside the third holding member and the laminate type battery held inside the first and second holding members,
The power storage device according to claim 2, wherein the second buffer member has a greater thickness in the stacking direction than the first buffer member.
前記緩衝部材は、無負荷状態において前記積層方向の一方向側において前記保持部材から突出し、前記積層方向の他方向側において前記保持部材に埋没していることを特徴とする請求項2または3に記載の蓄電装置。   The said buffer member protrudes from the said holding member in the one direction side of the said lamination direction in a no-load state, and is buried in the said holding member in the other direction side of the said lamination direction. The power storage device described. 前記蓄電素子に含まれる負極材はリチウムイオンと合金を形成する活物質を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の蓄電装置。   The power storage device according to claim 1, wherein the negative electrode material included in the power storage element includes an active material that forms an alloy with lithium ions.
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