JP2020181709A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液と熱交換する電池セルを備える電池モジュールにおいて、簡易な構成で冷却液を介した液絡の発生を抑制する。【解決手段】充放電に伴い発熱する電池セル２４を備え、電池セルは、冷却液との間で熱の授受を行うようになっている電池モジュールにおいて、電池セルは、通常の使用時に電流が流れる導電性の活電部２４ａと、通常の使用時に電流が流れない導電性の導電部２４ｂの一方または両方において、少なくとも一部を覆うように設けられた被覆層２５を備える。被覆層は、シリコン原子を含有する分子で構成されるシリコン含有粒子からなる。【選択図】図３

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

特許文献１では、冷却回路を流れる冷却液を用いて電池を冷却することが提案されている。冷却液を用いる液冷によれば、空冷等に比べて、電池の冷却能力を高くすることができる。

特開２０１６−１７９７４７号公報

しかしながら、冷却液を用いて電池の冷却を行う場合、電池への冷却液の漏出が問題となる。冷却液の多くは導電率が高いため、冷却液を介した液絡を防止する必要があり、大がかりな絶縁対策が必要となる。

本発明は上記点に鑑み、冷却液と熱交換する電池セルを備える電池モジュールにおいて、簡易な構成で冷却液を介した液絡の発生を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、充放電に伴い発熱する電池セル（２４）を備え、電池セルは、冷却液との間で熱の授受を行うようになっている電池モジュールであって、電池セルは、通常の使用時に電流が流れる導電性の活電部（２４ａ）と、通常の使用時に電流が流れない導電性の導電部（２４ｂ）の一方または両方において、少なくとも一部を覆うように設けられた被覆層（２５）を備えており、被覆層は、シリコン原子を含有する分子で構成されるシリコン含有粒子からなることを特徴とする。

これにより、電池セルの活電部や導電部の表面にシリコン含有粒子からなる被覆層からなる絶縁層を形成することができる。このため、冷却液が漏出して電池セルに接触しても、活電部や導電部と冷却液との間に絶縁層が存在しているので、冷却水を介した液絡の発生を抑制することができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本実施形態の熱輸送システムの概念図である。 電池モジュールの斜視図である。 被覆層が形成された電池セルの側面図である。 被覆層が形成された電池セルの側面図である。 電池セルを塩化ナトリウム水溶液に浸漬した場合のセル電圧の変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

本実施形態の電池冷却システム１は、走行用電動モータ（図示略）から車両走行用の駆動力を得る電気自動車に搭載されている。電池冷却システム１は、エンジン（換言すれば内燃機関）および走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド自動車に搭載されていてもよい。本実施形態の電池冷却システム１は、車両に搭載された電池モジュール２３を冷却する冷却装置として機能する。

図１に示すように、電池冷却システム１は、冷凍サイクル装置１０と、電池冷却部２０とを有している。電池冷却部２０では、冷却液による電池モジュール２３の冷却が行われる。

冷凍サイクル装置１０は蒸気圧縮式冷凍機であり、冷媒が循環する冷媒循環流路１１を有している。本実施形態の冷凍サイクル装置１０では、冷媒としてフロン系冷媒を用いており、高圧側冷媒圧力が冷媒の臨界圧力を超えない亜臨界冷凍サイクルを構成している。冷媒循環流路１１には、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および蒸発器１５が配置されている。

圧縮機１２は、電池モジュール２３から供給される電力によって駆動される電動圧縮機であり、冷媒を吸入して圧縮して吐出する。凝縮器１３は、圧縮機１２から吐出された高圧側冷媒と外気とを熱交換させることによって高圧側冷媒を凝縮させる高圧側熱交換器である。

膨張弁１４は、凝縮器１３から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧部である。膨張弁１４は、感温部を有し、ダイヤフラム等の機械的機構によって弁体を駆動する機械式の温度式膨張弁である。

蒸発器１５は、膨張弁１４を流出した低圧冷媒と電池冷却部２０の冷却液とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる低圧側熱交換器である。蒸発器１５で蒸発した気相冷媒は圧縮機１２に吸入されて圧縮される。蒸発器１５は、冷凍サイクル装置１０の低圧冷媒によって電池冷却部２０の冷却液を冷却するチラーである。

電池冷却部２０は、冷却液が循環する冷却液回路２１を有している。冷却液は、冷却液回路２１を構成する配管内に封入されている。冷却液として、エチレングリコール系の不凍液（ＬＬＣ）等を用いることができる。

冷却液回路２１には、蒸発器１５、冷却液ポンプ２２、電池モジュール２３が配置されている。

冷却液ポンプ２２は、冷却液回路２１を循環する冷却液を吸入して吐出する。冷却液ポンプ２２は電動式のポンプである。冷却液ポンプ２２は、電池冷却部２０を循環する冷却液の流量を調整する。

電池モジュール２３は、充放電可能な２次電池であり、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。電池モジュール２３は、車両停車時に外部電源（換言すれば商用電源）から供給された電力を充電可能となっている。電池モジュール２３に蓄えられた電力は、走行用電動モータのみならず、電池冷却システム１を構成する電動式構成機器をはじめとする各種車載機器に供給される。

電池モジュール２３は、充放電に伴い発熱する。電池モジュール２３は、冷却液回路２１を流れる冷却液と熱交換して冷却される。例えば、電池モジュール２３と接するように冷却用熱交換器を設け、冷却用熱交換器に冷却液が流通するようにすればよい。

図２に示すように、本実施形態では、電池モジュール２３として、複数個の電池セル２４からなる組電池を用いている。電池セル２４は、電極端子２４ａおよび電池ケース２４ｂを備えている。なお、図２では、被覆層２５の図示を省略している。

電極端子２４ａは、正極および負極である。電極端子２４ａは、例えばアルミニウムや銅などの金属からなる金属電極である。電極端子２４ａは、充放電時に電流が流れる活電部である。本明細書における活電部は、電池セル２４を通常に使用した場合に電流が流れる導電性の部位である。

電池ケース２４ｂは、例えばアルミニウムからなる金属ケースである。電池ケース２４ｂには、正極集電体、負極集電体、電解質、セパレータ等の構成要素が収容されている。電池ケース２４ｂは、導電体で構成されている。電池ケース２４ｂは、電流が流れ得る導電部であり、充放電時には電流が流れない。本明細書中における導電部は、電池セル２４を通常に使用した場合に電流が流れない導電性の部位である。電池セル２４を通常に使用した場合とは、充電時や放電時である。

図３、図４に示すように、電池セル２４には、被覆層２５が設けられている。被覆層２５は、絶縁性を備える絶縁層である。さらに、被覆層２５は撥水性も備えている。

図３に示す例では、被覆層２５が電池セル２４における電極端子２４ａが設けられた面を覆うように設けられている。図４に示す例では、被覆層２５が電池ケース２４ｂを含む電池セル２４の全体を覆うように設けられている。

被覆層２５は、シリコン含有粒子によって構成されている。シリコン含有粒子は、シリコン原子を含有する分子で構成される粒子である。シリコン原子を含有する分子としては、例えばシロキサンを好適に用いることができる。シロキサンは、シリコン原子と酸素原子が交互に結合したシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を骨格とする化合物である。

シリコン含有粒子は、ナノサイズからマイクロサイズの粒子であり、１０ｎｍ程度〜１０μｍ程度の粒子径を有している。本実施形態では、粒径が１μｍ未満のナノサイズのシリコン含有粒子を用いており、シリコン含有粒子をシリコンナノ粒子ともいう。

被覆層２５のシリコン含有粒子は、電極端子２４ａや電池ケース２４ｂを構成する金属の表面に対して、化学結合ではなく、分子間力によって結合している。分子間力は静電相互作用に基づく引力である。このため、分子間力による結合は、共有結合やイオン結合といった原子同士が結合する化学結合（分子内結合）に比べて弱い結合となっている。

電池セル２４では、表面に被覆層２５が形成されていることで、絶縁機能および撥水機能が付与される。これにより、電池セル２４に冷却液が漏出したとしても、電池セル２４と冷却液との間に絶縁層である被覆層２５が存在しているので、冷却水を介した液絡の発生を抑制することができる。

次に、被覆層２５を備える電池セル２４の製造方法について説明する。

〔第１工程：加熱処理〕
まず、電池セル２４を加熱する加熱処理を行う。加熱処理では、電池セル２４の電池性能に影響を与えない温度（例えば６０℃以下）で加熱する。加熱処理によって、電池セル２４の表面から水分が除去され、シリコン含有粒子が付着しやすくなる。

〔第２工程：シリコン付着処理〕
次に、電池セル２４にシリコン含有粒子を付着させるシリコン付着処理を行う。シリコン付着処理では、浸漬、ポッティング、スプレー等によって、電池セル２４の表面にシリコン含有粒子を付着させることができる。本実施形態では、シリコン含有粒子を液体に分散させたシリコン分散液体に電池セル２４を浸漬する浸漬処理を行う。

浸漬処理では、電池セル２４における被覆層２５を形成する部位をシリコン分散液体に浸漬すればよい。例えば図３に示す例では、電池セル２４における電極端子２４ａが設けられた部位をシリコン分散液体に浸漬すればよい。図４に示す例では、電池ケース２４ｂを含む電池セル２４の全体をシリコン分散液体に浸漬すればよい。

シリコン含有粒子として、シロキサンナノ粒子を用いている。シリコン含有粒子を分散させる液体としては、オイルを用いている。オイルの種類は特に限定されず、原油や鉱物油等を用いることができる。オイルとして、原油や鉱物油よりも精製度の高い油を用いてもよい。

浸漬処理において、シリコン分散液体におけるシリコン含有粒子の含有量を調整することで、シリコン分散液体の粘度を調整することができる。シリコン含有粒子の含有量を多くすることで、シリコン分散液体の粘度を高くすることができ、シリコン含有粒子の含有量を少なくすることで、シリコン分散液体の粘度を低くすることができる。シリコン分散液体の粘度を高くした場合には、電池セル２４に形成する被覆層２５を厚くすることができ、シリコン分散液体の粘度を低くした場合には、電池セル２４に形成する被覆層２５を薄くすることができる。

本実施形態では、電池セル２４をシリコン分散液体に浸漬する時間を３０分間としている。浸漬処理後、空気流で電池セル２４から余剰なシリコン分散液体を吹き飛ばす。

〔第３工程：液体除去処理〕
次に、電池セル２４の表面に付着したシリコン分散液体からオイルを除去する液体除去処理を行う。本実施形態では、電池セル２４を加熱することで、オイルを気化させてシリコン分散液体からオイルを除去している。

本実施形態の液体除去処理では、電池セル２４の電池性能に影響を与えない温度（例えば６０℃以下）で加熱する。液体除去処理の加熱温度は、オイルの種類によって変更すればよい。精製度が低いオイルであれば加熱温度を高くし、精製度が高いオイルであれば加熱温度を低くすればよい。

液体除去処理によって、電池セル２４の表面からオイルが除去され、電池セル２４の表面にシリコン含有粒子からなる被覆層２５を形成できる。

液体除去処理では、電池セル２４の表面からオイルを完全に除去する必要はなく、シリコン含有粒子が電池セル２４の表面で保持できれば、電池セル２４の表面にオイルが少量残留していてもよい。オイルは疎水性を有しているので、電池セル２４の表面に残留したオイルは、電池セル２４への水分の付着抑制に寄与する。

以上の第１工程から第３工程を行うことで、表面に被覆層２５が形成された電池セル２４を得ることができる。

ここで、本実施形態の電池セル２４における被覆層２５の耐久性を図５を用いて説明する。図５は、電池セル２４を５％塩化ナトリウム水溶液に浸漬した場合のセル電圧の変化を示している。図５では、実施例１、２と比較例のセル電圧の変化を示している。

実施例１は、粘度が１０００ｍＰａ・Ｓのゲル状のシリコン分散液体を用い、１ｍｍ以上の厚みを有する被覆層２５を形成している。実施例２は、粘度が３０ｍＰａ・Ｓ以下のシリコン分散液体を用い、１０μｍ程度の厚みを有する被覆層２５を形成している。比較例は、電池セル２４に被覆層２５が設けられていない。

図５に示すように、比較例では、浸漬開始前のセル電圧が４．０９４Ｖであり、塩化ナトリウム水溶液への浸漬開始から６時間経過後にセル電圧の急激な低下が見られた。これに対し、実施例２では、浸漬開始前のセル電圧が４．０８６Ｖであり、塩化ナトリウム水溶液への浸漬開始から２１時間経過後にセル電圧の急激な低下が見られた。実施例１では、浸漬開始前のセル電圧が４．０８５Ｖであり、塩化ナトリウム水溶液への浸漬開始から６０時間経過後にセル電圧が３．６５０Ｖになった。実施例１では、セル電圧の急激な低下が発生しなかった。

実施例１、２では、電池セル２４に被覆層２５を設けることで、電池セル２４を塩化ナトリウム水溶液に浸漬した場合であっても、セル電圧の急激な低下の発生を防止でき、あるいは、セル電圧の急激な低下が発生するまでの時間を長くすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、電池セル２４の電極端子２４ａや電池ケース２４ｂにおいて、表面にシリコン含有粒子からなる被覆層２５を設けることで、電極端子２４ａや電池ケース２４ｂの表面に絶縁層を形成することができる。これにより、冷却液が漏出して電池セル２４に接触しても、電極端子２４ａや電池ケース２４ｂと冷却液との間に絶縁層である被覆層２５が存在しているので、冷却水を介した液絡の発生を抑制することができる。

また、被覆層２５は撥水性を備えているので、電極端子２４ａや電池ケース２４ｂの表面に冷却液が付着することを抑制できる。このため、冷却水を介した液絡の発生を効果的に抑制することができる。

また、図３に示した例では、活電部である電極端子２４ａの表面に被覆層２５を形成している。これにより、漏電しやすい電極端子２４ａと冷却液との間に絶縁層が形成されるため、冷却水を介した液絡の発生を効果的に抑制することができる。

また、図４に示した例では、導電部である電池ケース２４ｂの表面に被覆層２５を形成している。これにより、面積が比較的大きくなる電池ケース２４ｂと冷却液との間に絶縁層が形成されるため、冷却水を介した液絡の発生を効果的に抑制することができる。

また、シリコン含有粒子からなる被覆層２５は、高い耐久性を備えている。このため、被覆層２５による絶縁性を長期間に渡って維持することができる。

また、本実施形態では、シリコン含有粒子をオイルに分散させたシリコン分散液体を用いて電池セル２４の表面に被覆層２５を形成している。これにより、簡易な方法で電池セル２４の表面に被覆層２５を形成することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態では、本発明の電池モジュールをリチウムイオン電池に適用したが、本発明の電池モジュールをリチウムイオン電池とは異なる種類の電池に適用してもよい。

また、上記実施形態では、図４で活電部である電池ケース２４ｂおよび導電部である電極端子２４ａの両方に被覆層２５を形成した例を示したが、電池ケース２４ｂのみに被覆層２５を形成してもよい。

また、上記実施形態では、図３は電極端子２４ａの全体に被覆層２５を形成した例を示し、図４は電極端子２４ａおよび電池ケース２４ｂの全体に被覆層２５を形成した例を示したが、これらの部位の全体に限らず、少なくとも一部に被覆層２５を形成すればよい。

また、上記実施形態では、第３工程である液体除去処理において、電池セル２４を加熱して電池セル２４の表面に付着したシリコン分散液体からオイルを除去するようにしたが、加熱以外の方法によってオイルを除去するようにしてもよい。例えば、減圧によってオイルの気化温度を低下させ、シリコン分散液体からオイルを除去するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、電池セル２４の表面に形成する被覆層２５を１層とした例について説明したが、複数の被覆層２５を積層して形成してもよい。複数の被覆層２５を積層する場合には、上述した第１工程〜第３工程を繰り返し行えばよい。被覆層２５の積層数を多くすることで、被覆層２５の厚みを大きくすることができ、耐久性を向上させることができる。

２３ 電池モジュール
２４ 電池セル
２４ａ 電極端子（活電部、金属電極）
２４ｂ 電池ケース（導電部、金属ケース）
２５ 被覆層

Claims (3)

1. 充放電に伴い発熱する電池セル（２４）を備え、前記電池セルは、冷却液との間で熱交換するようになっている電池モジュールであって、
   前記電池セルは、通常に使用した場合に電流が流れる導電性の活電部（２４ａ）と、通常に使用した場合に電流が流れない導電性の導電部（２４ｂ）の一方または両方において、少なくとも一部を覆うように設けられた被覆層（２５）を備えており、
   前記被覆層は、シリコン原子を含有する分子で構成されるシリコン含有粒子からなる電池モジュール。
2. 前記活電部は、金属電極（２４ａ）である請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記電池セルは、構成要素を収容する金属ケース（２４ｂ）を備え、
   前記導電部は、前記金属ケースである請求項１または２に記載の電池モジュール。

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