JP3799463B2

JP3799463B2 - Battery module

Info

Publication number: JP3799463B2
Application number: JP37375498A
Authority: JP
Inventors: 治夫菊田; 彰人早野; 静邦矢田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000195480A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池モジュールに関し、特に、複数の蓄電システム用非水系二次電池を直列及び／又は並列に電気的に接続した電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省資源を目指したエネルギーの有効利用及び地球環境問題の観点から、深夜電力貯蔵及び太陽光発電の電力貯蔵を目的とした家庭用分散型蓄電システム、電気自動車のための蓄電システム等が注目を集めている。例えば、特開平６−８６４６３号公報には、エネルギー需要者に最適条件でエネルギーを供給できるシステムとして、発電所から供給される電気、ガスコージェネレーション、燃料電池、蓄電池等を組み合わせたトータルシステムが提案されている。このような蓄電システムに用いられる二次電池は、エネルギー容量が１０Ｗｈ以下の携帯機器用小型二次電池と異なり、容量が大きい大型のものが必要とされる。このため、上記の蓄電システムでは、複数の二次電池を直列に積層し、電圧が例えば５０〜４００Ｖの組電池として用いるのが常であり、ほとんどの場合、鉛電池を用いていた。
【０００３】
一方、携帯機器用小型二次電池の分野では、小型及び高容量のニーズに応えるべく、新型電池としてニッケル水素電池、リチウム二次電池の開発が進展し、１８０Ｗｈ／ｌ以上の体積エネルギー密度を有する電池が市販されている。特に、リチウムイオン電池は、３５０Ｗｈ／ｌを超える体積エネルギー密度の可能性を有すること、及び、安全性、サイクル特性等の信頼性が金属リチウムを負極に用いたリチウム二次電池に比べ優れることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【０００４】
これを受け、蓄電システム用大型電池の分野においても、高エネルギー密度電池の候補として、リチウムイオン電池をターゲットとし、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合（ＬＩＢＥＳ）等で精力的に開発が進められている。
【０００５】
これら大型リチウムイオン電池のエネルギー容量は、１００Ｗｈから４００Ｗｈ程度であり、体積エネルギー密度は、２００〜３００Ｗｈ／ｌと携帯機器用小型二次電池並のレベルに達している。その形状は、直径５０ｍｍ〜７０ｍｍ、長さ２５０ｍｍ〜４５０ｍｍの円筒型、厚さ３５ｍｍ〜５０ｍｍの角形又は長円角形等の扁平角柱形が代表的なものである。
【０００６】
上述の大型電池を蓄電システムに用いる場合、一般に４〜１０個の大型電池（単電池）を直列に接続し、１５〜５０Ｖの電池モジュールとし、さらに、これら電池モジュールを直列、並列に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電システムとして用いられることが多い。
【０００７】
また、薄型のリチウム二次電池については、薄型の外装に、例えば、金属とプラスチックをラミネートした厚さ１ｍｍ以下のフィルムを収納したフィルム電池（特開平５−１５９７５７号公報、特開平７−５７７８８号公報等）、厚さ２ｍｍ〜１５ｍｍ程度の小型角型電池（特開平８−１９５２０４号公報、特開平８−１３８７２７号公報、特開平９−２１３２８６号公報等）が知られている。これらのリチウム二次電池は、いずれも、その目的が携帯機器の小型化及び薄型化に対応するものであり、例えば携帯用パソコンの底面に収納できる厚さ数ｍｍでＪＩＳＡ４サイズ程度の面積を有する薄型電池も開示されているが（特開平５−２８３１０５号公報）、エネルギー容量が１０Ｗｈ以下であるため、蓄電システム用二次電池としては容量が小さ過ぎる。さらには、これら薄型電池を直列、並列に接続して電池モジュールとする場合、容量が小さいことから、放熱等を考慮しておらず、単純に積み重ねる等、特に工夫はなされていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
蓄電システム用の大型リチウム二次電池（エネルギー容量３０Ｗｈ以上）においては、高エネルギー密度が得られるものの、その電池設計が携帯機器用小型電池の延長にあることから、直径又は厚さが携帯機器用小型電池の３倍以上の円筒型、角型等の電池形状とされる。この場合には、充放電時の電池の内部抵抗によるジュール発熱、或いはリチウムイオンの出入りによって活物質のエントロピーが変化することによる電池の内部発熱により、電池内部に熱が蓄積されやすい。このため、電池内部の温度と電池表面付近の温度差が大きく、これに伴って内部抵抗が異なる。その結果、充電量、電圧のバラツキを生じ易い。また、この種の電池は複数個を組電池にして用いるため、システム内での電池の設置位置によっても蓄熱されやすさが異なって各電池間のバラツキが生じ、組電池全体の正確な制御が困難になる。更には、高率充放電時等に放熱が不十分な為、電池温度が上昇し、電池にとって好ましくない状態におかれることから、電解液の分解等よる寿命の低下、更には電池の熱暴走の誘起など信頼性、特に、安全性に問題が残されていた。
【０００９】
この問題を解決するため、電気自動車用の蓄電システムでは、冷却ファンを用いた空冷、ペルチェ素子を用いた冷却法（特開平８−１４８１８９号公報）、電池内部に潜熱蓄熱材を充填する方法（特開平９−２１９２１３号公報）が開示されているが、いずれも外部からの冷却であり、本質的な解決法であるとは言えない。
【００１０】
上記の問題を解決する手段としては、電池の表面積が大きくなる扁平型の電池が考えられるが、扁平形状の電池の場合、電池の厚みを薄くするに従い、電池表裏面積は大きくなり、電池内に収納される電極を押さえ込む力が弱くなる。特に、蓄電システムに用いられる大型リチウム二次電池（エネルギー容量３０Ｗｈ以上）においては、その傾向が強く、例えば、１００Ｗｈ級の厚さ６ｍｍのリチウムイオン電池を考えた場合、電池表裏面の大きさは６００ｃｍ²（片面）と非常に大きい。
【００１１】
また、上記の蓄電システムにおいては、複数の単電池を直列、並列に接続して用いる電池モジュールが基本単位になるが、扁平型電池を電池モジュールにする技術は少なく、特に、電極を押さえ込む力が弱い大型の扁平形状の電池の場合、高率放電における容量低下及び充放電の繰り返しによるサイクル劣化が大きいという問題がある。このような問題を単電池の構造のみの工夫で解決することは難しく、これら電池を組み合わせた電池モジュールにおける解決が必要となる。
【００１２】
本発明の目的は、３０Ｗｈ以上の大容量且つ１８０Ｗｈ／ｌ以上の体積エネルギー密度を有する蓄電システム用有機電解質電池を単電池として用いたサイクル特性及びレート特性の良好な電池モジュールを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、直列及び／又は並列に電気的に接続され、電池の厚み方向に１ｍｍ以上の隙間をもって配置された複数の単電池と、前記単電池間の隙間に配置され、両側の単電池を押圧するための少なくとも１つ以上の押圧部材と、前記複数の単電池を収容して固定するための外装部材とを備え、前記単電池は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え、厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状であり、エネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である非水系二次電池であり、前記押圧部材は、前記単電池の中央部付近に少なくとも１つ配置され、電池の厚み方向における外装部材の内側の長さは、前記複数の単電池の合計の厚さと、前記単電池間の隙間に配置された前記押圧部材の合計の厚さとを加えた長さであり、前記外装部材の少なくとも一部が、前記電池の厚み方向の両端に配置された前記単電池の表裏面側の中央付近に配置されていることを特徴とする電池モジュールを提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る一実施形態の電池モジュールについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る一実施形態の電池モジュールの構成を示す斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、電池モジュールは、外装部材５００、複数の単電池４０１を備える。外装部材５００の中には、以下に説明する押圧部材を介して積層された複数の単電池４０１が収容されて固定されている。複数の単電池４０１は、直列及び／又は並列に電気的に接続され、電池の厚み方向に１ｍｍ以上の隙間をもって並べられており、各単電池間の隙間には両側の単電池に接触する押圧部材が少なくとも１つ以上配置されており、該押圧部材により各単電池に圧力が加えられるような外装構造によりモジュール化されている。
【００１６】
次に、図１に示す外装部材についてさらに詳細に説明する。図２は、図１に示す外装部材の構成を示す斜視図である。
【００１７】
図２に示すように、外装部材５００は、６本の電池表裏面側のはり部材５０１、６本の電池の厚み方向側のはり部材５０２、４本の縦方向のはり部材５０３を備え、図示のように各々が連結されている。図２に示す外装部材の構成は、一例であり、特にこの例に限定されるものではないが、以下に説明する押圧部材により各単電池に圧力が加え得るような構造であればよく、単電池の膨れに充分耐えうる強度を有する必要がある。
【００１８】
また、単電池の表裏面側のはり部材５０１の断面形状は、図３の（ａ）に示すようにコ字形状の両端部をさらに折り曲げて延出させた形状を有しているが、この例に特に限定されず、図３の（ｂ）に示す四角形、図３の（ｃ）に示すＷ字形状、図３の（ｄ）に示す円形、図３の（ｅ）に示すＬ字形状等が用いることができ、特に平板を折り曲げ加工したもの（図３の（ａ）、（ｃ））、Ｌ字形状のもの（図３の（ｅ））が軽量で強度が高いことから好ましい。また、電池厚み方向側のはり部材５０２も、上記と同様の種々の形状をとることが可能である。
【００１９】
また、外装部材５００は、単電池の表裏面側の全面に厚板、パンチング板等を用いたり、電池の厚み方向側の全面に厚板、パンチング板等を用いたり、電池モジュールの上部又は下部にはり部材、厚板材、パンチング板等を用いたり、これらを複合させたり、又は、はり部材の本数を増加又は減少させる等、種々の変更が可能であるが、電池の放熱を考えた場合、図２に示すように、単電池が外気になるべく触れることができるよう設計することが好ましい。また、先に述べたように、単電池中央部付近により高い圧力が必要になることから、例えば、図２に示すように単電池の表裏面側のはり部材５０１及び電池の厚み方向側のはり部材５０２は、単電池中央付近に少なくとも１本は配置されるように設計することが好ましい。
【００２０】
外装部材５００の組立は、特に限定されないが、ボルトによる固定、溶接等が実用的であり、特に、電池モジュールの組立の容易さ及びメンテナンスを考慮すると、少なくとも一部は、ボルトにより固定し、取り外し可能にすることが好ましい。
【００２１】
次に、押圧部材についてさらに詳細に説明する。図４は、押圧部材と単電池との位置関係を説明するための斜視図である。なお、図４では、説明を容易にするため、３枚の単電池の間に押圧部材を配置する場合について説明するが、他の枚数の単電池の場合でも、各単電池間に押圧部材が同様に配置される。
【００２２】
図４に示すように、単電池４０１ａと単電池４０１ｂとの隙間、及び単電池４０１ｂと単電池４０１ｃとの隙間に、それぞれ３本の角柱の押圧部材４０２が、両側の各単電池に接触するように配置されている。
【００２３】
本発明の電池モジュールに用いる単電池は、扁平形状を有していることから、電池の厚み方向の押さえが弱く、電池組立時又は電池充電時に、厚み（単電池の扁平形状の中央部Ｃ付近の厚み）が増加する傾向がある。ここで、押圧部材４０２の厚さをｕ、単電池４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの厚さをｔとすると、３枚の単電池の両端の距離は、３ｔ＋２ｕになる。従って、外装部材５００を３ｔ＋２ｕに合わせて設計すれば、各単電池４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃが厚みｔより膨れようとするとき、押圧部材４０２により各単電池４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに圧力がかかる。
【００２４】
押圧部材４０２は、上記の角柱に特に限定されず、円柱、中空の角柱、又は中空の円柱等を用いることができ、その断面形状も、四角形に特に限定されず、円形、円盤形、Ｌ字形状、Ｗ字形状等の種々の形状を用いることができる。また、押圧部材４０２の取り付け方法も、特に限定されず、単電池に溶接等で接続されていてもよく、外装部材との組み合わせによる押さえだけで固定することも可能である。
【００２５】
また、押圧部材４０２としては、弾性のある材料（例えばゴム）からなる部材、又は、弾性構造（例えばバネ）を有する部材を用いることもできる。例えば、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように、矢印方向に弾性を有するバネ板４１１、４１２を押圧部材として用いることも可能である。この場合、上述の角柱等の形状の押圧部材と異なり、単電池を押さえ込む力を、単電池間の隙間の大きさに応じて可変することができる。また、バネ板４１１、４１２は可撓性があるため、単電池間の種々の隙間の大きさに適用することができ、バネ板４１１、４１２が少なくとも両側の単電池に接触する範囲で、自由に外装部材を設計することができる。
【００２６】
上記単電池間の隙間は、１ｍｍ以上であり、好ましくは２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、更に好ましくは２ｍｍ以上８ｍｍ以下である。この隙間は単電池の厚み、容量、蓄電システムの使用環境、用途等により適宜決定されるが、この隙間が小さすぎると、単電池の発熱を充分に放熱することが難しくなり、大きすぎると電池モジュールの体積が大きくなり好ましくない。なお、この隙間は電池モジュールに冷却ファン、放熱板等の冷却構造がある場合、更に小さくすることができる。また、押圧部材に放熱板としての機能も兼ね備えるよう、アルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導率の高い金属を用いる場合も、単電池間の隙間を小さくすることができる。
【００２７】
単電池に対する押圧部材の配置位置は、特に限定されないが、電池を均一に押さえられる様配置すべきである。特に電池中央部が、単電池において内部の電極を押さえ込む力が弱いことから、単電池中央部付近には少なくとも１つ押圧部材を配置することが好ましい。また、上述の弾性を有する押圧部材を用いて、電池中央部を周辺部に比べ強く押さえ込むことにより、単電池を均一におさえることも可能である。
【００２８】
押圧部材と単電池が接触する面積は、単電池の扁平形状部分（表面又は裏面）の５０％以下であり、３０％以下であることがより好ましい。押圧部材が接触する面積が５０％を超えると、単電池の発熱を充分に放熱することが難しくなり好ましくない。
【００２９】
なお、図４では、３枚の単電池が並べられているが、本発明の電池モジュールにおいては、２枚以上の複数枚の単電池を用いることができる。望ましい単電池の枚数は、目的とする蓄電池システムの電圧、容量、大きさ、形状、単電池の電圧、容量、形状、重量等により適宜決定されるものであるが、一般には、４枚以上１０枚以下である。また、これら単電池の電池の接続については、直列又は並列に接続されるのが一般的であるが、１つの電池モジュール内で直列接続と並列接続とが混在してもよい。
【００３０】
次に、単電池である非水系二次電池についてさらに詳細に説明する。図６は、本発明の電池モジュールに用いられる扁平な矩形（ノート型）の蓄電システム用非水系二次電池の平面図及び側面図を示す図であり、図７は、図６に示す電池の内部に収納される電極積層体の構成を示す側面図である。
【００３１】
図６及び図７に示すように、単電池である非水系二次電池は、上蓋１及び底容器２からなる電池ケース（電池容器）と、該電池ケースの中に収納されている複数の正極１０１ａ、負極１０１ｂ、１０１ｃ、及びセパレータ１０４からなる電極積層体とを備えている。扁平型非水系二次電池の場合、正極１０１ａ、負極１０１ｂ（又は積層体の両外側に配置された負極１０１ｃ）は、例えば、図７に示すように、セパレータ１０４を介して交互に配置されて積層されるが、単電池の構成は、この配置に特に限定されず、積層数等は、必要とされる容量等に応じて種々の変更が可能である。
【００３２】
各正極１０１ａの正極集電体は、正極タブ１０３ａを介して正極端子３に電気的に接続され、同様に、各負極１０１ｂ、１０１ｃの負極集電体は、負極タブ１０３ｂを介して負極端子４に電気的に接続されている。正極端子３及び負極端子４は、電池ケースすなわち上蓋１と絶縁された状態で取り付けられている。上蓋１及び底容器２は、図６中の拡大図に示したＡ点で全周を溶接されている。上蓋１には、電池内部の内圧が上昇したときに解放するための安全弁５が設けられている。図６及び図７に示す非水系二次電池の形状は、例えば縦３００ｍｍ×横２１０ｍｍ×厚さ６ｍｍであり、正極１０１ａに正極にリチウム複合酸化物、負極に炭素材料を用いるリチウム二次電池の場合、８０〜１００Ｗｈ程度のエネルギー容量を
有し、本電池モジュールに用いることができる。
【００３３】
正極１０１ａに用いられる正極活物質としては、リチウム系の正極材料であれば、特に限定されず、リチウム複合コバルト酸化物、リチウム複合ニッケル酸化物、リチウム複合マンガン酸化物、或いはこれらの混合物、更にはこれら複合酸化物に異種金属元素を一種以上添加した系等を用いることができ、高電圧、高容量の電池が得られることから、好ましい。また、安全性を重視する場合、熱分解温度が高いマンガン酸化物が好ましい。このマンガン酸化物としてはＬｉＭｎ₂Ｏ₄に代表されるリチウム複合マンガン酸化物、更にはこれら複合酸化物に異種金属元素を一種以上添加した系、さらにはリチウム、酸素等を量論比よりも過剰にしたＬｉＭｎ₂Ｏ₄が挙げられる。
【００３４】
負極１０１ｂ、１０１ｃに用いられる負極活物質としては、リチウム系の負極材料であれば、特に限定されず、リチウムをドープ及び脱ドープ可能な材料であることが、安全性、サイクル寿命などの信頼性が向上し好ましい。リチウムをドープ及び脱ドープ可能な材料としては、公知のリチウムイオン電池の負極材として使用されている黒鉛系物質、炭素系物質、錫酸化物系、ケイ素酸化物系等の金属酸化物、或いはポリアセン系有機半導体に代表される導電性高分子等が挙げられる。特に、安全性の観点から、１５０℃前後の発熱が小さいポリアセン系物質又はこれを含んだ材料が望ましい。
【００３５】
上記の非水系二次電池の電解質としては、公知のリチウム塩を含む非水系電解質を使用することができ、正極材料、負極材料、充電電圧等の使用条件により適宜決定され、より具体的にはＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄等のリチウム塩を、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γーブチルラクトン、酢酸メチル、蟻酸メチル、或いはこれら２種以上の混合溶媒等の有機溶媒に溶解したもの等が例示される。また、電解液の濃度は特に限定されるものではないが、一般的に０．５ｍｏｌ／ｌから２ｍｏｌ／ｌが実用的であり、該電解液は当然のことながら、水分が１００ｐｐｍ以下のものを用いることが好ましい。なお、本明細書で使用する非水系電解質とは、非水系電解液、有機電解液を含む概念を意味するものであり、また、ゲル状又は固体の電解質も含む概念を意味するものである。
【００３６】
セパレータ１０４の材質は、特に限定されるものではないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリアミド、クラフト紙、ガラス等が挙げられるが、ポリエチレン、ポリプロピレンが、コスト、含水などの観点から望ましい。また、セパレータは上記の一種又は複数種を用いることも可能であり、また、複数のセパレータがラミネート（接着）されていてもよい。
【００３７】
上記のように構成された非水系二次電池を用いた電池モジュールは、家庭用蓄電システム（夜間電力貯蔵、コージェネレション、太陽光発電等）、電気自動車等の蓄電システム等に用いることができ、大容量且つ高エネルギー密度を有することができる。この場合、単電池のエネルギー容量は、好ましくは３０Ｗｈ以上、より好ましくは５０Ｗｈ以上であり、且つエネルギー密度は、好ましくは１８０Ｗｈ／ｌ以上、より好ましくは２００Ｗｈ／ｌである。エネルギー容量が３０Ｗｈ未満の場合、或いは、体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ未満の場合は、該電池を組み合わせた電池モジュールを蓄電システムに用いるには容量が小さく、充分なシステム容量を得るために１つの電池モジュールの単電池の直並列数又は電池モジュールの数を増やす必要があること、また、コンパクトな設計が困難となることから蓄電システム用としては好ましくない。
【００３８】
また、上記の扁平形状の非水系二次電池の厚さは、好ましくは１２ｍｍ未満、より好ましくは１０ｍｍ未満、さらに好ましくは８ｍｍ未満である。厚さの下限については電極の充填率、電池サイズ（薄くなれば同容量を得るためには面積が大きくなる）を考慮した場合、２ｍｍ以上が実用的である。電池の厚さが１２ｍｍ以上になると、電池内部の発熱を充分に外部に放熱することが難しくなること、或いは電池内部と電池表面付近での温度差が大きくなり、内部抵抗が異なる結果、電池内での充電量、電圧のバラツキが大きくなる。なお、具体的な厚さは、電池容量、エネルギー密度に応じて適宜決定されるが、期待する放熱特性が得られる最大厚さで設計するのが、好ましい。
【００３９】
また、上記の非水系二次電池の形状としては、例えば、扁平形状の表裏面が角形、円形、長円形等の種々の形状とすることができ、角形の場合は、一般に矩形であるが、三角形、六角形等の多角形とすることもできる。さらに、肉厚の薄い円筒等の筒形にすることもできる。筒形の場合は、筒の肉厚がここでいう厚さとなる。また、製造の容易性の観点から、電池の扁平形状の表裏面が矩形であり、図６に示すようなノート型の形状が好ましい。
【００４０】
次に、上記の上蓋１及び底容器２からなる電池ケースの製造方法の一例として、ノート型形状の電池ケースの製造方法について説明する。一般に角形の電池は、民生用小型電池では、５０ｍｍ角、厚さ６ｍｍ程度のものであり、図８に示すように、厚板の深絞りで製造される底容器２１（負極端子を兼ねる）と、安全弁、正極端子を設置した上蓋２２をレーザー溶接することにより製造されている。
【００４１】
しかしながら、図６に示すようなノート型電池の場合、小型二次電池と同様の方法で製造することは難しく、電池ケースの底容器２は、図９に示す形状の薄板を破線Ｌ１に沿って内側に曲げ、さらに一点鎖線Ｌ２に沿って外側に曲げ、その後Ａで示される角部を溶接したり、又は、薄板の絞り加工（非常に浅い絞り加工）で製造し、端子及び安全弁が設置された上蓋１を図６の様に溶接することにより得られる。また、薄板を図１０の様に折曲げ、Ａ部を溶接した構造体１３に横蓋１１、１２を溶接することでも製造できる。
【００４２】
上記薄板等の電池ケースに用いられる材質は、電池の用途、形状により適宜選択され、特に限定されるものではなく、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等が一般的であり、実用的である。また、電池ケースの厚さも電池の用途、形状或いは電池ケースの材質により適宜決定され、特に限定されるものではない。好ましくは、その電池表面積の８０％以上の部分の厚さ（電池ケースを構成する一番面積が広い部分の厚さ）が０．２ｍｍ以上である。上記厚さが０．２ｍｍ未満では、電池の製造に必要な強度が得られないことから望ましくなく、この観点から、より好ましくは０．３ｍｍ以上である。また、同部分の厚さは、１ｍｍ以下であることが望ましい。この厚さが１ｍｍを超えると、電池の内容積が減少し充分な容量が得られないこと、或いは、重量が重くなることから望ましくなく、この観点からより好ましくは０．７ｍｍ以下である。
【００４３】
上記のように、非水系二次電池の厚さを１２ｍｍ未満に設計することにより、例えば、該電池が３０Ｗｈ以上の大容量且つ１８０Ｗｈ／ｌの高エネルギー密度を有する場合、高率充放電時等においても、電池温度の上昇が小さく、優れた放熱特性を有することができる。従って、内部発熱による電池の蓄熱が低減され、結果として電池の熱暴走も抑止することが可能となり信頼性、安全性に優れた非水系二次電池を提供することができ、電池モジュールの設計において、放熱対策等が容易であり、電池モジュールの信頼性、安全性を向上させることができる。
【００４４】
また、本実施形態の電池モジュールは、各単電池に充分な圧力を加えることが可能であり、単電池自身を均一な厚みに保つことができることから、サイクル特性及びレート特性に優れた電池モジュールを得ることができ、単電池の放熱特性の良さを十分に発揮することができる。なお、上記の電池モジュールは、単独で、若しくは更に複数個直列又は並列に接続されて、蓄電システムに用いられるが、実用においては、必要に応じて、該電池モジュールを制御するシステムをモジュールの側面又は上面等に設置することも可能である。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例）
（１）ＬｉＣｏ₂Ｏ₄１００重量部、アセチレンブラック８重量部、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）３重量部をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）１００重量部と混合し正極合材スラリーを得た。該スラリーを集電体となる厚さ２０μｍのアルミ箔の両面に塗布、乾燥した後、プレスを行い、正極を得た。図１１は電極の説明図である。本実施例において電極１０１の塗布面積（Ｗ１×Ｗ２）は、２６８×１７８ｍｍ²であり、２０μｍの集電体１０２の両面に９５μｍの厚さで塗布されている。その結果、電極厚さｔは２１０μｍとなっている。また、集電体１０２の一方の短辺の端部部分１ｃｍは、電極が塗布されておらず、タブ１０３（厚さ０．１ｍｍ、幅６ｍｍのアルミ）が溶接されている。
【００４６】
（２）メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ、大阪ガスケミカル製、品番６−２８）１００重量部、ＰＶＤＦ１０重量部をＮＭＰ９０重量部と混合し、負極合材スラリーを得た。該スラリーを集電体となる厚さ１４μｍの銅箔の両面に塗布、乾燥した後、プレスを行い、負極を得た。形状は前述の正極と同様であるので、図１１を用いて説明する。本実施例において電極１０１の塗布面積（Ｗ１×Ｗ２）は、２７０×１８０ｍｍ²であり、１４μｍの集電体１０２の両面に１０５μｍの厚さで塗布されている。その結果、電極厚さｔは２２４μｍとなっている。また、集電体１０２の一方の短辺の端部部分１ｃｍは、電極が塗布されておらず、タブ１０３（厚さ０．１ｍｍ、巾６ｍｍのニッケル）が溶接されている。
【００４７】
更に、同様の手法で片面だけに塗布し、それ以外は同様の方法で厚さ１１９μｍの片面電極を作成した。片面電極は（３）項の電極積層体において外側に配置される（図７中１０１ｃ）。
【００４８】
（３）上記（１）項で得られた正極８枚、負極９枚（内片面２枚）を図７に示すようにセパレータ１０４（ポリエチレン−ポリプロピレン不織布とポリプロピレン製微孔膜の重ね合わせ）を介して、交互に積層し電極積層体を作成した。
【００４９】
（４）電池の底容器２（図６参照）は、０．５ｍｍのＳＵＳ３０４製薄板を深さ５ｍｍに絞り作成した。また、電池の上蓋１も厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０４製薄板で作成した。該上蓋には、ＳＵＳ３０４製の正極及び負極端子３、４（６ｍｍφ）を取り付けると共に安全弁用穴（８ｍｍφ）を設け、正極及び負極端子３、４は、ポリプロピレン製パッキンで上蓋１と絶縁されている。
【００５０】
（５）上記（３）項で作成した電極積層体の各正極タブ１０３ａを正極端子３に、各負極タブ１０３ｂを負極端子４に接続線を介して溶接したのち、電極積層体を底容器２に配置し、絶縁テープで固定し、図６の角部Ａを全周に亘りレーザー溶接した。その後、安全弁用穴から電解液としてエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを１：１重量比で混合した溶媒に１ｍｏｌ／ｌの濃度にＬｉＰＦ₆を溶解した溶液を注液し、厚さ０．１ｍｍのアルミ箔を用いて蓋を閉めた。
【００５１】
（６）得られた電池を５Ａの電流で４．１Ｖまで充電し、その後４．１Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、１０Ａの定電流で２．５Ｖまで放電した。放電容量は２１．１Ａｈであった。放電時の電池の温度上昇は、同容量の箱形電池（厚み１２ｍｍ以上の電池）の場合に比べ少なかった。
【００５２】
（７）上記の電池を用いて上記と同一条件で充放電を１０サイクル繰り返した時の容量は１９．８Ａｈであった。さらに、１１サイクル目に５Ａの電流で４．１Ｖまで充電し、その後４．１Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、２０Ａの定電流で２．５Ｖまで放電したところ、単電池での容量は１１．８Ａｈとレート特性が不十分であった。
【００５３】
（８）上記単電池を８枚用い、図１２の様に並べ、図２に示す外装部材５００に入れ、電池モジュールを作製した。各電池間には厚さ３ｍｍで幅２０ｍｍの押圧部材４０２を３枚、図４に示すような位置に挿入した。押圧部材４０２の位置は単電池の中央部と単電池の外側から２０ｍｍとした。また、単電池の表裏面側のはり部材５０１には、厚さ２ｍｍのＳＵＳ３０４製平板を、図３の（ａ）に示す断面形状を有するように折り曲げて作成した部材（深さ４ｍｍ、幅３０ｍｍ）を用いた。電池の厚み方向側のはり部材５０２は、厚み５ｍｍで幅３０ｍｍのアルミ板を用いた。また、縦方向のはり部材５０３には、厚さ２ｍｍで幅５ｍｍのＳＵＳ３０４製Ｌ字形状部材を使用した。各はり部材はボルトで締めて固定した。得られた電池モジュールの電池の厚み方向の長さが８１ｍｍであり、外装部材５００の内側の長さが６９ｍｍであり、単電池両端の間隔が６９ｍｍになるように設計されている。
【００５４】
（９）（８）で得られた電池モジュールにおいて、各単電池を直列に接続し、５Ａの定電流で３２．８Ｖまで充電し、その後３２．８Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、１０Ａの定電流で２０Ｖまで放電した。放電容量は２０．７Ａｈであった。
【００５５】
（１０）該電池モジュールの単電池を用いて同一条件で充放電を１０サイクル繰り返した時の容量は２０．１Ａｈであった。さらに、１１サイクル目に５Ａの電流で３２．８Ｖまで充電し、その後３２．８Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、２０Ａの定電流で２０Ｖまで放電したところ、容量は１５．８Ａｈとレート特性が単電池に比べ向上した。
（比較例）
押圧部材を用いない点以外は上記の実施例と同様にして電池モジュールを作製した。各単電池を直列に接続し、５Ａの電流で３２．８Ｖまで充電し、その後３２．８Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、１０Ａの定電流で２０Ｖまで放電した。放電容量は２０．４Ａｈであった。
【００５６】
次に、該電池モジュールの単電池を用いて同一条件で充放電を１０サイクル繰り返した時の容量は１９．５Ａｈであった。さらに、１１サイクル目に５Ａの電流で３２．８Ｖまで充電し、その後３２．８Ｖの定電圧を印加する定電流定電圧充電を８時間行った。続いて、２０Ａの定電流で２０Ｖまで放電したところ、容量は１０．９Ａｈとレート特性が悪かった。
【００５７】
【発明の効果】
以上から明らかな通り、本発明によれば、３０Ｗｈ以上の大容量且つ１８０Ｗｈ／ｌ以上の体積エネルギー密度を有し、放熱特性の優れた安全性の高い蓄電システム用有機電解質電池を単電池として用い、該単電池を複数接続する電池モジュールにおいて、両側の単電池を押圧するための少なくとも１つ以上の押圧部材を単電池間の隙間に配置することにより、良好なサイクル特性及びレート特性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態の電池モジュールの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す外装部材の構成を示す斜視図である。
【図３】図２に示す外装部材のはり部材の断面形状の例を示す図である。
【図４】押圧部材と単電池との位置関係を説明するための斜視図である。
【図５】他の押圧部材の例を示す斜視図である。
【図６】図１に示す単電池の一例である蓄電システム用非水系二次電池の平面図及び側面図を示す図である。
【図７】図６に示す電池の内部に収納される電極積層体の構成を示す側面図である。
【図８】従来の小型角型電池の製造方法の説明図である。
【図９】図１に示す底容器の製造方法の一例の説明図である。
【図１０】本発明の非水系二次電池の電池ケースの製造方法の他の一例の説明図である。
【図１１】本発明の電池モジュールの実施例に用いた単電池の電極の説明図である。
【図１２】本発明の電池モジュールの実施例に用いた単電池の配置の説明図である。
【符号の説明】
１上蓋
２底容器
３正極端子
４負極端子
５安全弁
１０１電極
１０１ａ正極（両面）
１０１ｂ負極（両面）
１０１ｃ負極（片面）
１０２集電体
１０３タブ
１０３ａ正極タブ
１０３ｂ負極タブ
１０４セパレータ
１１１ａ正極ユニット
１１１ｂ負極ユニット
１１１ｃ片面負極ユニット
４０１、４０１ａ、４０２ｂ、４０２ｃ単電池
４０２押圧部材
５００外装部材
５０１、５０２、５０３はり部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery module, and more particularly to a battery module in which a plurality of non-aqueous secondary batteries for a power storage system are electrically connected in series and / or in parallel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, from the viewpoint of effective use of energy aiming at resource saving and global environmental problems, attention has been focused on home-use distributed storage systems for the storage of late-night power storage and solar power generation, storage systems for electric vehicles, etc. Collecting. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-86463 proposes a total system that combines electricity, gas cogeneration, fuel cells, storage batteries, and the like supplied from a power plant as a system that can supply energy to energy consumers under optimum conditions. ing. A secondary battery used in such a power storage system requires a large battery having a large capacity, unlike a small secondary battery for portable equipment having an energy capacity of 10 Wh or less. For this reason, in the above power storage system, a plurality of secondary batteries are usually stacked in series and used as an assembled battery having a voltage of 50 to 400 V, for example, and in most cases, lead batteries are used.
[0003]
On the other hand, in the field of small secondary batteries for portable devices, the development of nickel-metal hydride batteries and lithium secondary batteries as new batteries has progressed to meet the needs for small size and high capacity, and has a volumetric energy density of 180 Wh / l or more. Batteries are commercially available. In particular, a lithium ion battery has a possibility of a volume energy density exceeding 350 Wh / l, and reliability such as safety and cycle characteristics is superior to a lithium secondary battery using metallic lithium as a negative electrode. , Has dramatically expanded its market.
[0004]
In response, in the field of large-scale batteries for power storage systems, lithium-ion batteries are targeted as candidates for high-energy density batteries, and development is actively underway by the Lithium Battery Power Storage Technology Research Association (LIBES) and others. .
[0005]
The energy capacity of these large-sized lithium ion batteries is about 100 Wh to 400 Wh, and the volume energy density is 200 to 300 Wh / l, the same level as a small secondary battery for portable devices. The shape is typically a cylindrical shape having a diameter of 50 mm to 70 mm, a length of 250 mm to 450 mm, and a flat prismatic shape such as a square or oblong square having a thickness of 35 mm to 50 mm.
[0006]
When using the above-mentioned large battery for a power storage system, generally 4 to 10 large batteries (single cells) are connected in series to form a battery module of 15 to 50 V, and these battery modules are connected in series and in parallel. It is often used as a power storage system having a predetermined voltage and capacity.
[0007]
As for a thin lithium secondary battery, for example, a film battery in which a film having a thickness of 1 mm or less obtained by laminating metal and plastic is accommodated in a thin exterior (Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-159757 and 7-57788). And a small prismatic battery having a thickness of about 2 mm to 15 mm (Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-195204, 8-138727, 9-213286, etc.) are known. Each of these lithium secondary batteries has a purpose corresponding to the miniaturization and thinning of portable devices. For example, the lithium secondary battery has a thickness of several millimeters that can be stored on the bottom of a portable personal computer and has an area of about JIS A4 size. Although the thin battery which has is also disclosed (Unexamined-Japanese-Patent No. 5-283105), since an energy capacity is 10 Wh or less, a capacity | capacitance is too small as a secondary battery for electrical storage systems. Furthermore, when these thin batteries are connected in series and in parallel to form a battery module, since the capacity is small, heat dissipation is not taken into consideration, and no particular contrivance is made such as simple stacking.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
A large lithium secondary battery (with an energy capacity of 30 Wh or more) for a power storage system can obtain a high energy density, but its battery design is an extension of a small battery for portable devices, so the diameter or thickness is for portable devices. The shape of the battery is a cylindrical shape or a rectangular shape that is three times or more that of a small battery. In this case, heat is likely to be accumulated inside the battery due to Joule heat generation due to the internal resistance of the battery during charging and discharging, or internal heat generation of the battery due to change in entropy of the active material due to the entry and exit of lithium ions. For this reason, the temperature difference between the temperature inside the battery and the vicinity of the battery surface is large, and the internal resistance differs accordingly. As a result, variations in charge amount and voltage are likely to occur. In addition, since this type of battery is used as a plurality of assembled batteries, the ease of heat storage differs depending on the installation position of the batteries in the system, resulting in variations among the batteries, and accurate control of the entire assembled battery is possible. It becomes difficult. In addition, because of insufficient heat dissipation during high-rate charging / discharging, etc., the battery temperature rises, leaving the battery unfavorable, resulting in a decrease in life due to decomposition of the electrolyte, and thermal runaway of the battery. Problems such as induction of reliability, particularly safety, remained.
[0009]
In order to solve this problem, in an electricity storage system for an electric vehicle, an air cooling using a cooling fan, a cooling method using a Peltier device (Japanese Patent Laid-Open No. 8-148189), a method of filling a latent heat storage material inside a battery ( Japanese Patent Laid-Open No. 9-219213) is disclosed, but any of them is cooling from the outside, and cannot be said to be an essential solution.
[0010]
As a means for solving the above problem, a flat battery with a large surface area of the battery can be considered, but in the case of a flat battery, as the thickness of the battery is reduced, the front and back areas of the battery increase, The force for pressing the electrode to be stored is weakened. In particular, a large lithium secondary battery (energy capacity of 30 Wh or more) used in a power storage system has a strong tendency. For example, when considering a 100 Wh-class lithium ion battery having a thickness of 6 mm, the size of the front and back surfaces of the battery is 600cm ² Very large (one side).
[0011]
Further, in the above power storage system, a battery module that uses a plurality of single cells connected in series or in parallel is a basic unit, but there are few techniques for converting a flat battery into a battery module, and in particular, the force to hold down an electrode is low. In the case of a weak large-sized flat battery, there is a problem that the cycle deterioration due to the capacity reduction in high-rate discharge and repeated charge / discharge is large. It is difficult to solve such a problem only with a device structure of a single battery, and a solution in a battery module combining these batteries is required.
[0012]
An object of the present invention is to provide a battery module having good cycle characteristics and rate characteristics using an organic electrolyte battery for a power storage system having a large capacity of 30 Wh or more and a volume energy density of 180 Wh / l or more as a unit cell. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is arranged in a gap between a plurality of single cells that are electrically connected in series and / or in parallel and arranged with a gap of 1 mm or more in the thickness direction of the battery. At least one pressing member for pressing the unit cells on both sides, and the plurality of unit cells. Contain The unit cell includes a non-aqueous electrolyte including a positive electrode, a negative electrode, and a lithium salt, has a flat shape with a thickness of less than 12 mm, an energy capacity of 30 Wh or more, and a volume energy density of 180 Wh. / Non-aqueous secondary battery The at least one pressing member is arranged near the center of the unit cell, and the inner length of the exterior member in the thickness direction of the cell is the total thickness of the plurality of unit cells and the interval between the unit cells. The total thickness of the pressing members disposed in the gap is added, and at least a part of the exterior member is on the front and back sides of the unit cell disposed at both ends in the thickness direction of the battery. Located near the center The battery module characterized by the above is provided.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a battery module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
[0015]
As shown in FIG. 1, the battery module includes an exterior member 500 and a plurality of single cells 401. In the exterior member 500, a plurality of unit cells 401 stacked via pressing members described below are accommodated and fixed. The plurality of unit cells 401 are electrically connected in series and / or in parallel, and are arranged with a gap of 1 mm or more in the thickness direction of the cells, and the gap between each unit cell is in contact with the unit cells on both sides. At least one or more members are arranged, and a module is formed by an exterior structure in which pressure is applied to each unit cell by the pressing member.
[0016]
Next, the exterior member shown in FIG. 1 will be described in more detail. FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of the exterior member illustrated in FIG. 1.
[0017]
As shown in FIG. 2, the exterior member 500 includes six battery front and back beam members 501, six battery thickness direction beam members 502, and four vertical beam members 503. As shown in FIG. The structure of the exterior member shown in FIG. 2 is an example, and is not particularly limited to this example. However, any structure may be used as long as pressure can be applied to each single cell by a pressing member described below. It must be strong enough to withstand battery swelling.
[0018]
Further, the cross-sectional shape of the beam member 501 on the front and back surfaces of the unit cell has a shape in which both ends of the U-shape are further bent and extended as shown in FIG. There is no particular limitation on the example, and the quadrangle shown in FIG. 3B, the W shape shown in FIG. 3C, the circle shown in FIG. 3D, and the L shape shown in FIG. In particular, those obtained by bending a flat plate ((a) and (c) in FIG. 3) and L-shaped ((e) in FIG. 3) are preferable because they are lightweight and have high strength. Further, the beam member 502 on the battery thickness direction side can take various shapes similar to the above.
[0019]
In addition, the exterior member 500 uses a thick plate, a punching plate, or the like on the entire front and back sides of the unit cell, or uses a thick plate, a punching plate, or the like on the entire surface in the thickness direction of the battery. Various changes are possible, such as using a beam member, thick plate material, punching plate, etc., combining these, or increasing or decreasing the number of beam members, but when considering heat dissipation of the battery, As shown in FIG. 2, it is preferable to design so that the unit cell can be exposed to the outside air as much as possible. Further, as described above, since a higher pressure is required near the center of the unit cell, for example, as shown in FIG. 2, the beam member 501 on the front and back sides of the unit cell and the beam in the thickness direction side of the cell. It is preferable that at least one member 502 is designed in the vicinity of the center of the unit cell.
[0020]
The assembly of the exterior member 500 is not particularly limited, but fixing with bolts, welding, and the like are practical. Particularly, considering the ease of assembly and maintenance of the battery module, at least a part is fixed with bolts and removed. Preferably it is possible.
[0021]
Next, the pressing member will be described in more detail. FIG. 4 is a perspective view for explaining the positional relationship between the pressing member and the unit cell. In FIG. 4, for ease of explanation, a case where a pressing member is arranged between three unit cells will be described. However, even in the case of other number of unit cells, there is a pressing member between each unit cell. Arranged similarly.
[0022]
As shown in FIG. 4, three prismatic pressing members 402 are in contact with the unit cells on both sides in the gap between the unit cells 401a and 401b and the unit cell 401b and the unit cell 401c. Are arranged as follows.
[0023]
Since the unit cell used in the battery module of the present invention has a flat shape, the thickness of the cell is weakly pressed, and the thickness (near the central part C of the unit cell flat shape) during battery assembly or battery charging is weak. The thickness) tends to increase. Here, if the thickness of the pressing member 402 is u and the thickness of the unit cells 401a, 401b, and 401c is t, the distance between both ends of the three unit cells is 3t + 2u. Therefore, if the exterior member 500 is designed to be 3t + 2u, when the unit cells 401a, 401b, 401c are about to swell from the thickness t, the pressure member 402 applies pressure to the unit cells 401a, 401b, 401c.
[0024]
The pressing member 402 is not particularly limited to the above-described prism, and a cylinder, a hollow prism, a hollow cylinder, or the like can be used, and the cross-sectional shape is not particularly limited to a quadrangle, and is circular, disk-shaped, L-shaped. Various shapes such as a shape and a W shape can be used. A method for attaching the pressing member 402 is not particularly limited, and may be connected to the single cell by welding or the like, and can be fixed only by pressing with a combination with the exterior member.
[0025]
Further, as the pressing member 402, a member made of an elastic material (for example, rubber) or a member having an elastic structure (for example, a spring) can be used. For example, as shown in FIGS. 5A and 5B, spring plates 411 and 412 having elasticity in the arrow direction can be used as the pressing member. In this case, unlike the above-described pressing member having a shape such as a prism, the force for pressing the unit cells can be varied according to the size of the gap between the unit cells. In addition, since the spring plates 411 and 412 are flexible, they can be applied to various gap sizes between the single cells, and the spring plates 411 and 412 are free as long as the spring plates 411 and 412 contact at least the single cells on both sides. The exterior member can be designed.
[0026]
The gap between the single cells is 1 mm or more, preferably 2 mm or more and 12 mm or less, more preferably 2 mm or more and 8 mm or less. This gap is appropriately determined depending on the thickness, capacity, usage environment, usage, etc. of the unit cell. If this gap is too small, it will be difficult to sufficiently dissipate the heat generated by the unit cell. The volume of the module becomes large, which is not preferable. The gap can be further reduced when the battery module has a cooling structure such as a cooling fan or a heat sink. Moreover, also when using metals with high heat conductivity, such as aluminum or aluminum alloy, so that the pressing member also has a function as a heat sink, the gap between the single cells can be reduced.
[0027]
Although the arrangement position of the pressing member with respect to the unit cell is not particularly limited, it should be arranged so that the battery can be pressed uniformly. In particular, it is preferable that at least one pressing member is disposed in the vicinity of the central portion of the single cell because the central portion of the battery has a weak force for pressing the internal electrode in the single cell. In addition, by using the pressing member having elasticity as described above, the cell center can be pressed down more strongly than the periphery, so that the cells can be kept uniform.
[0028]
The area where the pressing member and the single cell come into contact is 50% or less, more preferably 30% or less, of the flat portion (front surface or back surface) of the single cell. When the area where the pressing member comes into contact exceeds 50%, it is difficult to sufficiently dissipate the heat generated by the unit cell, which is not preferable.
[0029]
In FIG. 4, three unit cells are arranged, but in the battery module of the present invention, two or more unit cells can be used. The desired number of cells is appropriately determined depending on the voltage, capacity, size, shape, voltage, capacity, shape, weight, etc. of the target storage battery system. Less than In addition, the cells of these single cells are generally connected in series or in parallel, but series connection and parallel connection may be mixed in one battery module.
[0030]
Next, the non-aqueous secondary battery that is a single battery will be described in more detail. FIG. 6 is a diagram showing a plan view and a side view of a flat rectangular (note type) non-aqueous secondary battery for power storage system used in the battery module of the present invention, and FIG. 7 is a diagram of the battery shown in FIG. It is a side view which shows the structure of the electrode laminated body accommodated in an inside.
[0031]
As shown in FIGS. 6 and 7, the non-aqueous secondary battery, which is a single battery, includes a battery case (battery container) including an upper lid 1 and a bottom container 2, and a plurality of positive electrodes housed in the battery case. 101a, negative electrodes 101b and 101c, and an electrode laminate including the separator 104. In the case of a flat type non-aqueous secondary battery, the positive electrodes 101a and the negative electrodes 101b (or the negative electrodes 101c arranged on both outer sides of the laminate) are alternately arranged via separators 104 as shown in FIG. However, the configuration of the unit cells is not particularly limited to this arrangement, and the number of stacks and the like can be variously changed according to the required capacity and the like.
[0032]
The positive electrode current collector of each positive electrode 101a is electrically connected to the positive electrode terminal 3 via the positive electrode tab 103a. Similarly, the negative electrode current collector of each negative electrode 101b, 101c is connected to the negative electrode terminal 4 via the negative electrode tab 103b. Is electrically connected. The positive terminal 3 and the negative terminal 4 are attached in a state insulated from the battery case, that is, the upper lid 1. The upper lid 1 and the bottom container 2 are welded all around the point A shown in the enlarged view of FIG. The upper lid 1 is provided with a safety valve 5 for releasing when the internal pressure inside the battery rises. The shape of the non-aqueous secondary battery shown in FIGS. 6 and 7 is, for example, 300 mm long × 210 mm wide × 6 mm thick. The lithium secondary battery uses a lithium composite oxide for the positive electrode 101a and a carbon material for the negative electrode. The energy capacity of about 80-100Wh
And can be used for the battery module.
[0033]
The positive electrode active material used for the positive electrode 101a is not particularly limited as long as it is a lithium-based positive electrode material, and lithium composite cobalt oxide, lithium composite nickel oxide, lithium composite manganese oxide, or a mixture thereof, A system in which one or more different metal elements are added to these composite oxides can be used, and a high voltage and high capacity battery can be obtained, which is preferable. Further, when safety is important, manganese oxide having a high thermal decomposition temperature is preferable. As this manganese oxide, LiMn ₂ O _Four Lithium composite manganese oxide, a system in which one or more different metal elements are added to these composite oxides, and LiMn in which lithium, oxygen, etc. are made in excess of the stoichiometric ratio ₂ O _Four Is mentioned.
[0034]
The negative electrode active material used for the negative electrodes 101b and 101c is not particularly limited as long as it is a lithium-based negative electrode material, and is a material capable of doping and dedoping lithium, such as safety and reliability such as cycle life. Is preferable. Examples of materials that can be doped and dedoped with lithium include graphite-based materials, carbon-based materials, tin oxide-based, silicon oxide-based metal oxides, and polyacene, which are used as negative electrode materials for known lithium ion batteries. Examples thereof include conductive polymers represented by organic organic semiconductors. In particular, from the viewpoint of safety, a polyacene-based substance that generates a small amount of heat at around 150 ° C. or a material containing the same is desirable.
[0035]
As the electrolyte of the non-aqueous secondary battery described above, a non-aqueous electrolyte containing a known lithium salt can be used, and is appropriately determined depending on the use conditions such as the positive electrode material, the negative electrode material, the charging voltage, and more specifically. LiPF ₆ , LiBF _Four LiClO _Four A lithium salt such as propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyl lactone, methyl acetate, methyl formate, or a mixture of two or more of these solvents. Etc. are exemplified. Further, the concentration of the electrolytic solution is not particularly limited, but generally 0.5 mol / l to 2 mol / l is practical, and naturally the electrolytic solution has a water content of 100 ppm or less. It is preferable to use it. In addition, the non-aqueous electrolyte used in this specification means a concept including a non-aqueous electrolyte solution and an organic electrolyte solution, and also refers to a concept including a gel-like or solid electrolyte.
[0036]
The material of the separator 104 is not particularly limited, and examples thereof include polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyamide, kraft paper, glass, and the like, and polyethylene and polypropylene are preferable from the viewpoints of cost, water content, and the like. Moreover, said separator can also use 1 type or multiple types of above, and the some separator may be laminated (adhered).
[0037]
The battery module using the non-aqueous secondary battery configured as described above can be used for a household power storage system (night power storage, cogeneration, solar power generation, etc.), a power storage system such as an electric vehicle, and the like. , Can have large capacity and high energy density. In this case, the energy capacity of the unit cell is preferably 30 Wh or more, more preferably 50 Wh or more, and the energy density is preferably 180 Wh / l or more, more preferably 200 Wh / l. When the energy capacity is less than 30 Wh, or when the volume energy density is less than 180 Wh / l, the battery module combined with the battery has a small capacity for use in an electricity storage system, and one capacity is required to obtain a sufficient system capacity. Since it is necessary to increase the number of battery modules in series / parallel or the number of battery modules, and it is difficult to achieve a compact design, it is not preferable for a power storage system.
[0038]
Moreover, the thickness of the flat non-aqueous secondary battery is preferably less than 12 mm, more preferably less than 10 mm, and even more preferably less than 8 mm. As for the lower limit of the thickness, 2 mm or more is practical in consideration of the filling factor of the electrode and the battery size (the area becomes larger in order to obtain the same capacity as the thickness is reduced). When the thickness of the battery is 12 mm or more, it becomes difficult to sufficiently dissipate the heat generated inside the battery to the outside, or the temperature difference between the inside of the battery and the vicinity of the battery surface increases, resulting in different internal resistances. The variation in the amount of charge and voltage in the battery increases. The specific thickness is appropriately determined according to the battery capacity and the energy density, but it is preferable to design with the maximum thickness that provides the expected heat dissipation characteristics.
[0039]
In addition, as the shape of the non-aqueous secondary battery, for example, the front and back surfaces of the flat shape can be various shapes such as a square shape, a circular shape, an oval shape, etc. It can also be a polygon such as a triangle or a hexagon. Furthermore, it can also be made into cylindrical shapes, such as a thin cylinder. In the case of a cylinder, the thickness of the cylinder is the thickness referred to here. Further, from the viewpoint of ease of manufacturing, the flat front and back surfaces of the battery are rectangular, and a notebook shape as shown in FIG. 6 is preferable.
[0040]
Next, as an example of a method for manufacturing a battery case including the upper lid 1 and the bottom container 2, a method for manufacturing a notebook battery case will be described. In general, a rectangular battery is a small consumer battery having a size of about 50 mm square and a thickness of about 6 mm. As shown in FIG. 8, a bottom container 21 (also serving as a negative electrode terminal) manufactured by deep drawing of a thick plate is used. It is manufactured by laser welding the upper lid 22 provided with a safety valve and a positive electrode terminal.
[0041]
However, in the case of the notebook type battery as shown in FIG. 6, it is difficult to manufacture by the same method as the small secondary battery, and the bottom container 2 of the battery case is a thin plate having the shape shown in FIG. Bending inward and then bending outward along the alternate long and short dash line L2, then welding the corner indicated by A, or manufacturing by thin plate drawing (very shallow drawing), terminals and safety valves are installed Further, the upper lid 1 is obtained by welding as shown in FIG. Moreover, it can also be manufactured by bending a thin plate as shown in FIG. 10 and welding the horizontal lids 11 and 12 to the structure 13 where the portion A is welded.
[0042]
The material used for the battery case such as the thin plate is appropriately selected depending on the use and shape of the battery, and is not particularly limited, and iron, stainless steel, aluminum and the like are common and practical. Further, the thickness of the battery case is appropriately determined depending on the use and shape of the battery or the material of the battery case, and is not particularly limited. Preferably, the thickness of the portion of 80% or more of the battery surface area (the thickness of the portion having the largest area constituting the battery case) is 0.2 mm or more. If the thickness is less than 0.2 mm, it is not desirable because the strength required for manufacturing the battery cannot be obtained. From this viewpoint, it is more preferably 0.3 mm or more. The thickness of the same part is desirably 1 mm or less. If the thickness exceeds 1 mm, the internal volume of the battery is reduced and a sufficient capacity cannot be obtained, or the weight increases, which is not desirable. From this viewpoint, the thickness is preferably 0.7 mm or less.
[0043]
As described above, by designing the thickness of the non-aqueous secondary battery to be less than 12 mm, for example, when the battery has a large capacity of 30 Wh or more and a high energy density of 180 Wh / l, a high rate charge / discharge, etc. However, the rise in battery temperature is small, and it can have excellent heat dissipation characteristics. Therefore, the heat storage of the battery due to internal heat generation is reduced, and as a result, it is possible to suppress the thermal runaway of the battery, and it is possible to provide a non-aqueous secondary battery excellent in reliability and safety. Measures for heat dissipation are easy, and the reliability and safety of the battery module can be improved.
[0044]
In addition, since the battery module of this embodiment can apply sufficient pressure to each unit cell and can maintain the unit cell in a uniform thickness, a battery module having excellent cycle characteristics and rate characteristics can be obtained. It is possible to obtain the good heat dissipation characteristics of the unit cell. The above battery module is used alone or in a plurality or more connected in series or in parallel to be used in a power storage system. In practice, a system for controlling the battery module is used as a side surface of the module as necessary. Alternatively, it can be installed on the upper surface or the like.
[0045]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(Example)
(1) LiCo ₂ O _Four 100 parts by weight, 8 parts by weight of acetylene black and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed with 100 parts by weight of N-methylpyrrolidone (NMP) to obtain a positive electrode mixture slurry. The slurry was applied to both sides of a 20 μm thick aluminum foil serving as a current collector, dried, and then pressed to obtain a positive electrode. FIG. 11 is an explanatory diagram of electrodes. In this embodiment, the application area (W1 × W2) of the electrode 101 is 268 × 178 mm. ² It is applied to both sides of a 20 μm current collector 102 with a thickness of 95 μm. As a result, the electrode thickness t is 210 μm. In addition, an electrode is not applied to the end portion 1 cm of one short side of the current collector 102, and a tab 103 (aluminum having a thickness of 0.1 mm and a width of 6 mm) is welded.
[0046]
(2) 100 parts by weight of mesocarbon microbeads (MCMB, manufactured by Osaka Gas Chemical Co., No. 6-28) and 10 parts by weight of PVDF were mixed with 90 parts by weight of NMP to obtain a negative electrode mixture slurry. The slurry was applied to both sides of a 14 μm thick copper foil serving as a current collector, dried, and then pressed to obtain a negative electrode. Since the shape is the same as that of the above-described positive electrode, it will be described with reference to FIG. In this embodiment, the application area (W1 × W2) of the electrode 101 is 270 × 180 mm. ² It is applied to both surfaces of a 14 μm current collector 102 with a thickness of 105 μm. As a result, the electrode thickness t is 224 μm. In addition, an electrode is not applied to an end portion 1 cm of one short side of the current collector 102, and a tab 103 (nickel having a thickness of 0.1 mm and a width of 6 mm) is welded.
[0047]
Further, a single-sided electrode having a thickness of 119 μm was prepared by the same method except that the coating was applied to only one side. The single-sided electrode is disposed on the outside in the electrode laminate of item (3) (101c in FIG. 7).
[0048]
(3) The separator 104 (superposition of polyethylene-polypropylene nonwoven fabric and polypropylene microporous membrane) is applied to the eight positive electrodes and nine negative electrodes (two inner surfaces) obtained in the above item (1) as shown in FIG. Thus, an electrode laminate was prepared by alternately laminating.
[0049]
(4) The bottom container 2 of the battery (see FIG. 6) was made by drawing a 0.5 mm SUS304 thin plate to a depth of 5 mm. Further, the upper lid 1 of the battery was made of a thin plate made of SUS304 having a thickness of 0.5 mm. The upper lid is attached with positive electrode and negative electrode terminals 3, 4 (6mmφ) made of SUS304 and is provided with a safety valve hole (8mmφ). The positive electrode and negative electrode terminals 3, 4 are insulated from the upper lid 1 by a polypropylene packing. .
[0050]
(5) After welding each positive electrode tab 103a of the electrode laminate prepared in the above item (3) to the positive electrode terminal 3 and each negative electrode tab 103b to the negative electrode terminal 4 via a connecting wire, the electrode laminate is attached to the bottom container 2 Was fixed with an insulating tape, and the corner A in FIG. 6 was laser welded over the entire circumference. After that, LiPF was added to the concentration of 1 mol / l in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a 1: 1 weight ratio as an electrolytic solution from the safety valve hole. ₆ The solution in which was dissolved was poured, and the lid was closed using an aluminum foil having a thickness of 0.1 mm.
[0051]
(6) The obtained battery was charged to 4.1 V with a current of 5 A, and then constant current and constant voltage charging in which a constant voltage of 4.1 V was applied was performed for 8 hours. Subsequently, the battery was discharged to 2.5 V with a constant current of 10A. The discharge capacity was 21.1 Ah. The temperature rise of the battery at the time of discharging was less than that of a box battery having the same capacity (battery having a thickness of 12 mm or more).
[0052]
(7) The capacity when charging and discharging were repeated 10 cycles under the same conditions as described above using the above battery was 19.8 Ah. Furthermore, in the 11th cycle, the battery was charged to 4.1 V with a current of 5 A, and then a constant current and constant voltage charge for applying a constant voltage of 4.1 V was performed for 8 hours. Subsequently, when the battery was discharged at a constant current of 20 A to 2.5 V, the capacity of the single cell was 11.8 Ah and the rate characteristics were insufficient.
[0053]
(8) Eight unit cells were used, arranged as shown in FIG. 12, and placed in the exterior member 500 shown in FIG. 2 to produce a battery module. Three pressing members 402 having a thickness of 3 mm and a width of 20 mm were inserted between the batteries at positions as shown in FIG. The position of the pressing member 402 was 20 mm from the center of the unit cell and the outside of the unit cell. Further, the beam member 501 on the front and back surfaces of the unit cell is a member (depth 4 mm, width 30 mm) formed by bending a 2 mm thick SUS304 flat plate so as to have the cross-sectional shape shown in FIG. ) Was used. As the beam member 502 on the thickness direction side of the battery, an aluminum plate having a thickness of 5 mm and a width of 30 mm was used. Further, as the vertical beam member 503, an L-shaped member made of SUS304 having a thickness of 2 mm and a width of 5 mm was used. Each beam member was fixed with bolts. The obtained battery module is designed so that the length in the thickness direction of the battery is 81 mm, the inner length of the exterior member 500 is 69 mm, and the distance between the both ends of the unit cell is 69 mm.
[0054]
(9) In the battery module obtained in (8), each single cell is connected in series, charged to 32.8V with a constant current of 5A, and then applied with a constant voltage of 32.8V. For 8 hours. Subsequently, the battery was discharged to 20V with a constant current of 10A. The discharge capacity was 20.7 Ah.
[0055]
(10) The capacity when charging / discharging was repeated 10 cycles under the same conditions using the unit cell of the battery module was 20.1 Ah. Furthermore, in the 11th cycle, the battery was charged to 32.8 V with a current of 5 A, and thereafter, constant current and constant voltage charging in which a constant voltage of 32.8 V was applied was performed for 8 hours. Subsequently, when the battery was discharged to 20 V with a constant current of 20 A, the capacity was 15.8 Ah, and the rate characteristics were improved as compared with the single cell.
(Comparative example)
A battery module was fabricated in the same manner as in the above example except that the pressing member was not used. The single cells were connected in series, charged to 32.8 V with a current of 5 A, and then subjected to constant current and constant voltage charging in which a constant voltage of 32.8 V was applied for 8 hours. Subsequently, the battery was discharged to 20V with a constant current of 10A. The discharge capacity was 20.4 Ah.
[0056]
Next, the capacity when charging / discharging was repeated 10 cycles under the same conditions using the unit cell of the battery module was 19.5 Ah. Furthermore, in the 11th cycle, the battery was charged to 32.8 V with a current of 5 A, and thereafter, constant current and constant voltage charging in which a constant voltage of 32.8 V was applied was performed for 8 hours. Subsequently, when the battery was discharged to 20 V with a constant current of 20 A, the capacity was 10.9 Ah and the rate characteristics were poor.
[0057]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, according to the present invention, a highly safe organic electrolyte battery for a power storage system having a large capacity of 30 Wh or more and a volumetric energy density of 180 Wh / l or more, excellent heat dissipation characteristics, and used as a unit cell In the battery module for connecting a plurality of the unit cells, at least one pressing member for pressing the unit cells on both sides is disposed in the gap between the unit cells, thereby achieving good cycle characteristics and rate characteristics. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a configuration of an exterior member shown in FIG. 1. FIG.
3 is a diagram showing an example of a cross-sectional shape of a beam member of the exterior member shown in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a perspective view for explaining a positional relationship between a pressing member and a unit cell.
FIG. 5 is a perspective view showing an example of another pressing member.
6 is a diagram showing a plan view and a side view of a non-aqueous secondary battery for a power storage system that is an example of the single battery shown in FIG. 1. FIG.
7 is a side view showing a configuration of an electrode laminate housed in the battery shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional method for manufacturing a small prismatic battery.
FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of a manufacturing method of the bottom container shown in FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram of another example of a method for manufacturing a battery case of a non-aqueous secondary battery according to the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a cell electrode used in an example of the battery module of the present invention.
FIG. 12 is an explanatory diagram of the arrangement of single cells used in the example of the battery module of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Upper lid
2 Bottom container
3 Positive terminal
4 Negative terminal
5 Safety valve
101 electrode
101a Positive electrode (both sides)
101b Negative electrode (both sides)
101c Negative electrode (single side)
102 Current collector
103 tabs
103a Positive electrode tab
103b Negative electrode tab
104 separator
111a positive electrode unit
111b negative electrode unit
111c single-sided negative electrode unit
401, 401a, 402b, 402c unit cell
402 Pressing member
500 Exterior member
501, 502, 503 Beam members

Claims

直列及び／又は並列に電気的に接続され、電池の厚み方向に１ｍｍ以上の隙間をもって配置された複数の単電池と、
前記単電池間の隙間に配置され、両側の単電池を押圧するための少なくとも１つ以上の押圧部材と、
前記複数の単電池を収容して固定するための外装部材とを備え、
前記単電池は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え、厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状であり、エネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である非水系二次電池であり、
前記押圧部材は、前記単電池の中央部付近に少なくとも１つ配置され、
電池の厚み方向における外装部材の内側の長さは、前記複数の単電池の合計の厚さと、前記単電池間の隙間に配置された前記押圧部材の合計の厚さとを加えた長さであり、
前記外装部材の少なくとも一部が、前記電池の厚み方向の両端に配置された前記単電池の表裏面側の中央付近に配置されていることを特徴とする電池モジュール。A plurality of single cells that are electrically connected in series and / or parallel and arranged with a gap of 1 mm or more in the thickness direction of the battery;
At least one pressing member disposed in the gap between the unit cells, for pressing the unit cells on both sides;
An exterior member for housing and fixing the plurality of single cells,
The unit cell includes a nonaqueous electrolyte containing a positive electrode, a negative electrode, and a lithium salt, has a flat shape with a thickness of less than 12 mm, an energy capacity of 30 Wh or more, and a volume energy density of 180 Wh / l or more. der is,
At least one pressing member is disposed near the center of the unit cell,
The inner length of the exterior member in the thickness direction of the battery is a length obtained by adding the total thickness of the plurality of unit cells and the total thickness of the pressing members arranged in the gaps between the unit cells. ,
At least a part of the exterior member is disposed in the vicinity of the center of the front and back surfaces of the unit cell disposed at both ends in the thickness direction of the battery.

前記単電池の電池容器の板厚は、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。The battery module according to claim 1, wherein a plate thickness of the battery container of the unit cell is 0.2 mm or more and 1 mm or less.

前記単電池の扁平形状の表裏面の形状は、矩形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池モジュール。The battery module according to claim 1, wherein a shape of the flat front and back surfaces of the unit cell is a rectangle.

前記押圧部材と前記単電池とが接触する面積は、前記単電池の扁平形状部分の面積の５０％以下であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の電池モジュール。The battery module according to any one of claims 1 to 3, wherein an area where the pressing member and the unit cell come into contact is 50% or less of an area of a flat portion of the unit cell.