JP2017117633A - 組電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池の長さを一定にしつつ、単電池に適切な拘束荷重を加えることが可能な組電池の製造方法、を提供する。【解決手段】組電池の製造方法は、電極体２０、および、電極体２０を収容するケース体３１を有する複数の単電池１０と、互いに隣り合う単電池１０間に配置されるスペーサ５１とを積層する工程と、複数の単電池１０とスペーサ５１とを積層する工程により得られた積層体に対して、単電池１０の積層方向に荷重を加える工程とを備える。ケース体３１は、単電池１０の積層方向から見た平面視において、電極体２０の反応部と対向する第１領域１１０と、電極体２０の反応部と対向しない第２領域１１６とを含む。積層体に対して荷重を加える工程時、ケース体３１は、第２領域１１６の少なくとも一部において単電池１０の積層方向に短くなるように変形し、かつ、第１領域１１０において電極体２０と接触する。【選択図】図６

Description

この発明は、組電池の製造方法に関する。

従来の組電池に関して、たとえば、特開２０１４−１５７７４７号公報（特許文献１）には、各単電池に付与される面圧を適正に維持することを目的とした、組電池および電池モジュールが開示されている。

特許文献１に開示された組電池は、互いに電気的に接続された状態で所定方向に配列され、かつ、その配列方向に荷重が加えられた状態で拘束される充放電可能な複数の単電池と、単電池の容器側壁に接触する接触面を有し、配列された複数の単電池間の間隙の少なくとも１箇所に配置される緩衝板とを備える。緩衝板の接触面には、単電池の変形を許容する変形部と、単電池の変形を許容しない非変形部とが形成されている。

特開２０１４−１５７７４７号公報 国際公開第２０１１／１５８３１３号 特開２０１５−１２５８５９号公報

上述の特許文献１に開示されるように、複数の単電池をスペーサを介して積層し、得られた積層体に対して単電池の積層方向に沿った荷重を加えて得られる組電池が知られている。

このような組電池の製造においては、単電池の厚みのばらつきに起因して、単電池の積層方向における組電池の長さ（以下、単に「組電池の長さ」ともいう）にばらつきが生じる。組電池の長さを一定にする場合、単電池の厚みが小さい場合を基準にして、単電池に必要下限荷重が加わるように、組電池の長さを設定する。しかしながら、そのように設定された組電池の長さを単電池の厚みが大きい場合に適用して組電池を製造すると、単電池に過大な拘束荷重が加わる懸念がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、組電池の長さを一定にしつつ、単電池に適切な拘束荷重を加えることが可能な組電池の製造方法を提供することである。

この発明に従った組電池の製造方法は、電極体、および、電極体を収容するケース体を有する複数の単電池と、互いに隣り合う単電池間に配置されるスペーサとを積層する工程と、複数の単電池とスペーサとを積層する工程により得られた積層体に対して、単電池の積層方向に荷重を加える工程とを備える。ケース体は、単電池の積層方向から見た平面視において、電極体の反応部と対向する第１領域と、電極体の反応部と対向しない第２領域とを含む。積層体に対して荷重を加える工程時、ケース体は、第２領域の少なくとも一部において単電池の積層方向に短くなるように変形し、かつ、第１領域において電極体と接触する。

このように構成された組電池の製造方法によれば、単電池の厚みが大きい場合であっても、積層体に対して荷重を加える工程時、ケース体が、電極体の反応部と対向しない第２領域の少なくとも一部において変形することにより、単電池の反応部に過大な拘束荷重が加わることを抑制できる。一方、積層体に対して荷重を加える工程時、ケース体が、電極体の反応部と対向する第１領域において電極体と接触することにより、単電池の反応部に必要な拘束荷重を加えることができる。したがって、本発明によれば、組電池の長さを一定にしつつ、単電池に適切な拘束荷重を加えることができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、組電池の長さを一定にしつつ、単電池に適切な拘束荷重を加えることが可能な組電池の製造方法を提供することができる。

この発明の実施の形態における組電池の製造方法を用いて製造される組電池を示す側面図である。 図１中の組電池を構成する単電池を示す断面図である。 図２中の単電池内に収容される電極体を示す分解組み立て図である。 図２中の単電池内に収容される電極体を示す斜視図である。 この発明の実施の形態における組電池の製造方法の工程を示す側面図である。 この発明の実施の形態における組電池の製造方法の工程を示す断面図である。 ケース体の第１領域および第２領域を説明するための図である。 ケース体の第１領域および第２領域を説明するための図である。 ケース体の第１領域および第２領域を説明するための図である。 この発明の実施の形態における組電池の製造方法において用いられるスペーサを示す図である。 図１０中のＸＩ−ＸＩ線上に沿ったスペーサを示す断面図である。 比較例における組電池の製造方法の工程を示す側面図である。 比較例における組電池の製造方法の工程を示す側面図である。 スタック長の変動量と、拘束荷重との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態における組電池の製造方法において、電極体の保持力を調整する工程を示す断面図である。 ケース体の変形量（ストローク）と、電極体に発生する荷重との関係を示すグラフである。 ケース体の拘束面を正面から見た正面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における組電池の製造方法を用いて製造される組電池を示す側面図である。図２は、図１中の組電池を構成する単電池を示す断面図である。図１および図２を参照して、まず、本実施の形態における組電池の製造方法を用いて製造される組電池１００の構造について説明する。

組電池１００は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリから電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、電気自動車などに搭載される。

組電池１００は、複数の単電池１０と、複数のスペーサ５１と、エンドプレート４１およびエンドプレート４２とを有する。単電池１０は、代表的な例として、リチウムイオン電池から構成されている。

複数の単電池１０は、スペーサ５１を介して、矢印１０２に示す方向に積層されている（以下、矢印１０２に示す方向を「単電池１０の積層方向」ともいう）。単電池１０は、略直方体の薄板形状を有する。

単電池１０は、正極端子３４および負極端子３５を有する。正極端子３４および負極端子３５は、複数の単電池１０間で互いに電気的に直列に接続されている。

積層された複数の単電池１０の両側には、それぞれ、エンドプレート４１およびエンドプレート４２が配置されている。エンドプレート４１およびエンドプレート４２は、図示しない結合部材によって互いに結合されている。このような構成により、複数の単電池１０は、単電池１０の積層方向に沿った拘束荷重を受けた状態で一体に保持されている。

図３は、図２中の単電池内に収容される電極体を示す分解組み立て図である。図４は、図２中の単電池内に収容される電極体を示す斜視図である。図２から図４を参照して、単電池１０は、電極体２０と、ケース体３１と、集電端子３６および集電端子３７とを有する。

ケース体３１は、単電池１０の外観をなす。ケース体３１は、アルミニウム等の金属から形成されている。ケース体３１は、拘束面３１ａを有する。拘束面３１ａは、単電池１０の外観をなす複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。拘束面３１ａは、矩形形状を有する。複数の単電池１０は、互いに隣り合う単電池１０間で拘束面３１ａ同士が向い合わせとなるように積層されている。

本実施の形態では、ケース体３１が、本体部３２および蓋部３３が組み合わさって構成されている。本体部３２は、一方向に開口された略直方体の筐体形状を有する。蓋部３３は、本体部３２の開口部を塞ぐように設けられている。蓋部３３には、正極端子３４および負極端子３５が取り付けられている。

電極体２０は、電解液とともにケース体３１に収容されている。電極体２０は、正極シート２１と、セパレータ２９を介して正極シート２１と重ね合わされた負極シート２６とから構成されている。

正極シート２１は、略矩形形状を有するアルミニウム箔から形成されている。正極シート２１の両面には、正極活物質を含有するペースト２２が塗布されている。正極シート２１の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２２が塗布されていないペースト未塗布部２３が、帯状に延びて形成されている。

負極シート２６は、正極シート２１と同一形状を有する銅箔から形成されている。負極シート２６の両面には、負極活物質を含有するペースト２７が塗布されている。負極シート２６の長手方向に延びる一方の周縁には、ペースト２７が塗布されていないペースト未塗布部２８が、帯状に延びて形成されている。

セパレータ２９は、短手方向の長さが正極シート２１および負極シート２６よりも小さく形成された略矩形形状を有する。セパレータ２９としては、たとえば、多孔質のポリプロピレン樹脂シートを使用することができる。

正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９が、セパレータ２９、負極シート２６、セパレータ２９、正極シート２１の順に重ね合わされている。このとき、正極シート２１にペースト２２が塗布された領域と、負極シート２６にペースト２７が塗布された領域とが、セパレータ２９を介して向かい合う。正極シート２１のペースト未塗布部２３が、セパレータ２９の長手方向に延びる一方の端辺から露出し、負極シート２６のペースト未塗布部２８が、セパレータ２９の長手方向に延びる他方の端辺から露出する。

電極体２０は、巻回タイプであり、正極シート２１、負極シート２６および２枚のセパレータ２９からなる積層体が、図４中に示す仮想上の中心軸１０１を中心に巻回されることによって形成されている。積層体は、中心軸１０１に直交する平面で切断した場合の断面形状が、トラック形状（長方形と、２つの半円とを組み合わせた形状）となるように巻回されている。このように構成された電極体２０は、中心軸１０１を挟んだ両側で平面状に延在する一対の側面２０ａを有する。

各シートが巻回された積層体の状態において、正極シート２１のペースト未塗布部２３が多層に重なった位置は、集電端子３６を介して正極端子３４に接続され、負極シート２６のペースト未塗布部２８が多層に重なった位置は、集電端子３７を介して負極端子３５に接続されている。

図５は、この発明の実施の形態における組電池の製造方法の工程を示す側面図である。図６は、この発明の実施の形態における組電池の製造方法の工程を示す断面図である。続いて、この発明の実施の形態における組電池の製造方法について説明する。

図５および図６を参照して、本実施の形態における組電池の製造方法は、複数の単電池１０と、互いに隣り合う単電池１０間に配置されるスペーサ５１とを積層する工程と、その積層工程により得られた積層体１２に対して、単電池１０の積層方向に荷重を加える工程とを有する。積層体１２に対して荷重を加える工程時、ケース体３１が、第２領域１１６の少なくとも一部において単電池１０の積層方向に短くなるように変形し、かつ、第１領域１１０において電極体２０と接触する。

図７から図９は、ケース体の第１領域および第２領域を説明するための図である。図７中には、ケース体３１の拘束面３１ａの平面視が示され、図８中には、電極体２０の正面図および側面図が示され、図９中には、図８中のＩＸ−ＩＸ線上に沿った電極体２０の断面図が示されている。

図７から図９を参照して、ケース体３１は、単電池１０の積層方向から見た平面視において、電極体２０の反応部と対向する第１領域１１０と、電極体２０の反応部と対向しない第２領域１１６とを有する。第１領域１１０および第２領域１１６は、ケース体３１の拘束面３１ａに規定されている。

より具体的に説明すると、電極体２０の反応部とは、図９中に示す電極体２０の断面において、正極活物質を含有するペースト２２と、負極活物質を含有するペースト２７とが、正極シート２１および負極シート２６の積層方向に渡って重なり合う部分である。

拘束面３１ａを平面視した場合に、第１領域１１０は、矩形形状を有する。第１領域１１０は、矩形形状を有する拘束面３１ａの中央部に規定されている。図７および図９中に示すように、第１領域１１０の横方向の１辺の範囲は、電極体２０の反応部の幅１１２によって定められる。図７および図８中に示すように、第１領域１１０の縦方向の１辺の範囲は、電極体２０の反応部のうちの側面２０ａに対応する長さ１１４（電極体存在部）によって定められる。

第２領域１１６は、第１領域１１０の周縁に沿って帯状に延びる額縁形状を有する。第２領域１１６は、矩形形状を有する拘束面３１ａの周縁部に規定されている。

図１０は、この発明の実施の形態における組電池の製造方法において用いられるスペーサを示す図である。図１１は、図１０中のＸＩ−ＸＩ線上に沿ったスペーサを示す断面図である。

図５から図１１を参照して、スペーサ５１は、全体として、単電池１０の積層方向が厚み方向となる略直方体の薄板形状を有する。スペーサ５１は、表面５１ａを有する。スペーサ５１は、表面５１ａが単電池１０（ケース体３１）の拘束面３１ａと向かい合わせとなるように、互いに隣り合う単電池１０間に配置されている。表面５１ａは、拘束面３１ａに対応する形状である矩形形状を有する。

スペーサ５１には、凹部５２が形成されている。凹部５２は、表面５１ａからスペーサ５１の厚み方向に凹むように形成されている。表面５１ａを正面から見た場合に、凹部５２は、第１領域１１０に対応する形状である矩形形状を有する。凹部５２は、矩形形状を有する表面５１ａの中央部に形成されている。

スペーサ５１は、突出部５３を有する。突出部５３は、凹部５２の底面から突出するように設けられ、その突出する先端に表面５１ａを形成している。突出部５３は、凹部５２の周縁に沿って帯状に延びる額縁形状を有する。

このように構成されたスペーサ５１を互いに隣り合う単電池１０間に介挿することにより、積層体１２に対して拘束荷重を加える工程時、突出部５３に当接するケース体３１の第２領域１１６の部分が、単電池１０の積層方向において凹形状に塑性変形する。また、ケース体３１の第１領域１１０は、電極体２０と接触しながら、電極体２０に対して図６中の面圧分布１４１に示すような拘束荷重を加える。

続いて、この発明の実施の形態における組電体の製造方法によって奏される作用効果について、比較例を交えながら説明する。

図１２および図１３は、比較例における組電池の製造方法の工程を示す側面図である。図１２および図１３を参照して、本比較例では、互いに隣り合う単電池１０間に、略直方体の薄板形状を有するスペーサ５６を配置する。スペーサ５６には、スペーサ５１における凹部５２が形成されていない。

単電池１０には、製造上の公差により、厚みが小さいものと大きいものとが存在する。厚みが大きい単電池１０が用いられた場合（図１２の上図）と、厚みが小さい単電池１０が用いられた場合（図１２の下図）とにおいて、一定の拘束荷重を加えると、単電池１０の積層方向における組電池１００の長さ（単電池１０のスタック長）にばらつき１２１が生じる。

一方、単電池１０（電極体２０）には、拘束荷重の上限値が、電池性能を維持することができる上限荷重として定められ、拘束荷重の下限値が、ケース体３１に対する電極体２０の必要保持力を発生させることができる下限荷重として定められている。図１３中に示すように、スタック長を一定（変動小）にする場合、厚みが小さい単電池１０が用いられた場合において上記の下限荷重が発生するまで、スタック長を短くする。しかしながら、厚みが大きい単電池１０が用いられた場合において、そのスタック長となるまで荷重を加えると、単電池１０に過大な拘束荷重が加わることとなり、単電池１０の性能が十分に発揮されないおそれがある。

図１４は、スタック長の変動量と、拘束荷重との関係を示すグラフである。図１４を参照して、図１２および図１３中の比較例におけるスタック長の変動量と、拘束荷重との関係が、曲線１３６によって示され、本実施の形態における組電池の製造方法におけるスタック長の変動量と、拘束荷重との関係が、曲線１３１によって示されている。グラフ中、拘束荷重Ａが、予め定められた拘束荷重の下限値であり、拘束荷重Ｃが、予め定められた拘束荷重の上限値である。

図１２および図１３中の比較例では、厚みが大きい単電池１０が用いられた場合において、設定されたスタック長変動量１３２が得られまで荷重を上昇させると、拘束荷重Ｃよりも大きい拘束荷重Ｄが単電池１０に加わる。

図５、図６および図１４を参照して、これに対して、本実施の形態における組電池の製造方法では、積層体１２に対して荷重を加える工程時、ケース体３１が、第２領域１１６の少なくとも一部において単電池１０の積層方向に短くなるように変形し、かつ、第１領域１１０において電極体２０と接触する。

このような構成によれば、電極体２０の反応部に対して積極的に荷重を加えていた比較例と比べて、スタック長の変動量に対する拘束荷重の立ち上がり（単位変動量当たりの発生荷重）が抑えられるとともに、第２領域１１６において押圧されたケース体３１が、電極体２０の反応部に対して間接的に荷重を加える。これにより、ケース体３１内で電極体２０の保持に必要な下限荷重を単電池１０に加えることができる。また、単電池１０の厚みが大きい場合であって、厚みが小さい単電池１０が用いられた場合を基準に設定されたスタック長変動量１３２が得られるまで荷重を上昇させても、電極体２０の反応部に過大な拘束荷重が加わることを抑制できる（図１４中において、拘束荷重Ｂ＜拘束荷重Ｃ（上限値））。

なお、本実施の形態では、巻回タイプの電極体２０について説明したが、これに限られず、電極体は、正極シート、セパレータおよび負極シートを繰り返し積層した積層タイプであってもよい。この場合、ケース体３１の第１領域１１０の縦方向および横方向の１辺は、電極体２０の反応部の幅によって規定される。

続いて、本実施の形態における組電池の製造方法において、電極体２０の保持力を調整する方法について説明する。

図１５は、この発明の実施の形態における組電池の製造方法において、電極体の保持力を調整する工程を示す断面図である。図１６は、ケース体の変形量（ストローク）と、電極体に発生する荷重との関係を示すグラフである。

図１５および図１６を参照して、電極体２０の保持力は、電極体２０に作用する面圧、ケース体３１および電極体２０の接触面積および摩擦係数に比例する。図１６中に示すように、電極体２０に発生する荷重は、ケース体３１の板厚が大きいほど大きくなるため、ケース体３１の板厚を増大させると、電極体２０に作用する面圧分布１４２は大きくなる。

したがって、ケース体３１の板厚を変化させることによって、電極体２０の保持力を調整することができる。

図１７は、ケース体の拘束面を正面から見た正面図である。電極体２０に作用する平均面圧を増大させる方法としては、ケース体３１の材質として、引っ張り強度が高い材料を選択する方法や、図１７中に示すように、第１領域１１０の周長を増大させる方法がある。これらの場合、面圧分布が変化すると同時に、ケース体３１の変形量が変化し、ケース体３１および電極体２０間の摩擦力（摩擦係数）の調整が可能となる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における組電池の製造方法によれば、組電池１００の長さを一定にしつつ、単電池１０に適切な拘束荷重を加えることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、複数の単電池を積層して得られる組電池の製造に利用される。

１００ 組電池、１０ 単電池、１２ 積層体、２０ 電極体、２０ａ 側面、２１ 正極シート、２２，２７ ペースト、２３，２８ 未塗布部、２６ 負極シート、２９ セパレータ、３１ ケース体、３１ａ 拘束面、３２ 本体部、３３ 蓋部、３４ 正極端子、３５ 負極端子、３６，３７ 集電端子、４１，４２ エンドプレート、５１，５６ スペーサ、５１ａ 表面、５２ 凹部、５３ 突出部、１０１ 中心軸、１１０ 第１領域、１１２ 幅、１１４ 長さ、１１６ 第２領域、１２１ ばらつき、１３１，１３６ 曲線、１３２ スタック長変動量、１４１，１４２ 面圧分布。

Claims (1)

1. 電極体、および、前記電極体を収容するケース体を有する複数の単電池と、互いに隣り合う前記単電池間に配置されるスペーサとを積層する工程と、
   前記複数の単電池とスペーサとを積層する工程により得られた積層体に対して、前記単電池の積層方向に荷重を加える工程とを備え、
   前記ケース体は、前記単電池の積層方向から見た平面視において、前記電極体の反応部と対向する第１領域と、前記電極体の反応部と対向しない第２領域とを含み、
   前記積層体に対して荷重を加える工程時、前記ケース体は、前記第２領域の少なくとも一部において前記単電池の積層方向に短くなるように変形し、かつ、前記第１領域において前記電極体と接触する、組電池の製造方法。

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