JP4114030B2 - 電池モジュール及び扁平形状電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、扁平形状電池及びそのモジュールに関し、より具体的には、蓄電システム用の大容量二次電池として用いるのに適した扁平形状電池及びそのモジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球環境問題及び省資源を目指したエネルギーの有効利用の観点から、深夜電力貯蔵や太陽光発電による電力貯蔵などを行うための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。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は異なり、容量が大きい大型のものが必要となる。また、これらのシステムでは、複数の二次電池を直列に配置し、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、小型且つ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、リチウム二次電池等の開発が進んでおり、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を超える高い体積エネルギー密度を実現する可能性を有すること、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て優れていることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【0004】
また、薄型のリチウム二次電池として、薄型の外装に、例えば、金属と樹脂と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。
【0005】
ただし、これらの薄型のリチウム電池は、いずれも、その目的が携帯機器の小型・薄型化に対応するものである。例えば、携帯用パソコンの底面に収納できる厚さ数mmでJIS A4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)、エネルギー容量は10Wh以下という小容量のものであった。また、このような小型の薄型電池の複数個を直列、並列に接続して電池モジュールを構成する場合、各電池の容量が小さいことから、放熱等を考慮する必要がないので、単純に積み重ねる等して構成され、特に工夫はなされていなかった。
【0006】
このような携帯機器用小型二次電池の分野における技術的な発達を背景として、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た電池の開発が、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合(LIBES)等で精力的に進められてきている。これら大型リチウムイオン電池は、エネルギー容量が100Wh〜400Wh程度であり、また、体積エネルギー密度が200Wh/l〜300Wh/lであり、携帯機器用小型二次電池並みのレベルに達している。
【0007】
このような大型リチウムイオン電池の形状としては、直径50mm〜70mm、長さ250mm〜450mmの円筒型、厚さ35mm〜50mmの角形或いは長円角形等の扁平角柱形のものが多い。このような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、15V〜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、並列に接続することにより、所定の電圧、容量を有する蓄電システムを構成している。
【0008】
例えば、円筒型、角型の大型電池では、これらの電池の端子部は上蓋又は底部に設けられており、モジュールを構成する場合には、各単電池における端子部が設けられた面(上蓋或いは底部)が同一平面内に配置されるように各電池の上下方向を揃えた状態で並べて配置し、これらの端子部同士を接続している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
一方、扁平形状の大型電池では、電池厚さが極めて薄いために、その側面ではなく広平面において端子部を設けている場合がある。この様な電池を複数重畳してモジュールを構成する場合、広平面から突出する端子部が邪魔になって、隣り合う電池間の間隔を狭めることが困難であった。このように電池間の間隔が大きくなると、モジュール全体の寸法が大きくなりコンパクトに出来ないという問題が生じる。このような問題は、広平面に端子部を有する扁平形状電池を用いて構成される電池モジュールに共通して生じ得る問題である。
【0010】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の扁平形状電池を重畳して構成されたコンパクトな電池モジュール及びこれに利用される大容量の扁平形状電池を提供することをその目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電池モジュールは、複数の扁平形状電池のそれぞれが、片側の広平面部において突出する正極端子部及び負極端子部を有し、相互に重畳されて構成されており、2個ずつの扁平形状電池を1組とし、各組の2個の扁平形状電池は、前記正極端子部及び負極端子部が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するように配置され、且つ、扁平形状電池間で前記正極端子部及び負極端子部は前記広平面部に対して垂直な方向において重ならないように配置されている。
【0012】
前記複数の扁平形状電池の広平面部は矩形をなし、前記扁平形状電池に設けられた正極端子部及び負極端子部の各々は、該矩形をなす広平面部の一端縁に沿うように配置されるようにすることができる。
【0013】
前記隣接する扁平形状電池における一方の扁平形状電池の正極端子部或いは負極端子部の突出した先端部と、他方の扁平形状電池の広平面部との間の距離が約1mm以上であることが望ましい。
【0014】
或いは、上記目的を達成するために、本発明の扁平形状電池は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え電池容器にて密閉されエネルギー容量が30Wh以上かつ体積エネルギー密度が180Wh/l以上の扁平形状電池として構成され、前記扁平形状をなす電池容器の広平面部は矩形であり、該矩形をなす一方の広平面部の一端縁近傍において、該端縁に垂直な中心線に関して非線対称に配置された正極端子部及び負極端子部を有する。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の実施形態に係る扁平形状の単電池(本実施形態においては二次電池)1を示す図であり、図1(a)は上側側面、図1(b)は平面、図1(c)は横側側面を示す。図1に示すように、本実施形態の単電池1は、電池容器を構成する上蓋10及び底容器12と、上蓋10側に形成された矩形の広平面部Sから突出するように設けられた正極端子部14及び負極端子部16とを備えている。
【0016】
単電池1の寸法は、例えば縦300mm×横210mm×厚さ6mmであり、正極にLiMn2O4、負極に炭素材料を用いるリチウム二次電池の場合、家庭用蓄電システム(夜間電力貯蔵、コジェネレーション、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、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以上である。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、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電池の直並列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。なお、このような二次電池において、電解質としては、例えばリチウム塩を含む非水系電解質を用いることができる。
【0017】
本実施形態の単電池の厚さt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。
【0018】
また、本実施形態の単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。
【0019】
なお、電池容器となる上蓋10及び底容器12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。この上蓋10及び底容器12は周縁部付近を全周に亘り溶接されている。また、電池容器の厚さも電池の用途、形状或いは電池容器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(電池容器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、電極面を押さえ込む力は大きくなるが、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。
【0020】
上記のように、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、安全性に優れた単電池を提供することができる。
【0021】
また、本実施形態において、単電池1の上蓋10及び底容器12からなる電池容器の内部には、正極、負極がセパレータを介して対向した電極積層体が収納されおり、この電極積層体における正極集電体、負極集電体のそれぞれが、電池容器外側に突出するように設けられた正極端子部14及び負極端子部16に電気的に接続されている。ただし、端子部14,16は電池容器と絶縁された状態で取り付けられている。なお、本実施形態の正極及び負極端子部14,16は、図1(c)に示すように、導電性材料からなる断面略L字形の延長部材が単電池の広平面部Sを越えて延びるような構成とされているが、端子部の形態はこれに限られず種々の形態とすることができる。
【0022】
このように設けられた正極及び負極端子部14,16は、広平面部Sの上側端縁Lに沿うように配置されていると共に、端縁Lに対して垂直な中心線aに関して非線対称に配置されている。また、正極端子部14は、広平面部Sの左側端縁から少なくとも端子部の寸法分離れた位置に設けられている。すなわち、このような単電池の2枚を、それぞれの端子部形成面同士が対向するように並列配置させた場合に、各電池の端子部は広平面部に対して垂直な方向(電池の厚さ方向)において重ならないような位置を占めるようになっている。
【0023】
以下、上記に説明した実施形態の単電池を複数枚重畳して構成される、本実施形態の電池モジュールを説明する。図2は、複数の単電池1を収容して電池モジュールを構成するためのケーシング3を示す。ケーシング3は、内側において複数の単電池を所定の間隔で並列配置させるための電池支持部30を備えている。本実施形態において電池支持部30は、複数本の溝が互いに向かい合うような状態で所定間隔を開けて配置された一対の支持体(例えば厚さ5mm程度の平板)により構成されている。この溝に電池の周縁フランジ部(例えば厚さ約1mm、幅約2〜3mm)を嵌合させるようにして、ケーシング3内に単電池1を挿入することができる。ケーシング3内に収容された単電池1のそれぞれは、その両側が溝によりそれぞれ支持される。従って、電池間を所定間隔に保つことが出来る。ただし、ケーシングの形態はこれに限られず、複数の単電池を広平面が重畳するように配置させ、これらを所定間隔で適切に支持し得るようなものであれば、種々の形態とすることができる。
【0024】
図3は、図2の矢印Xで示す方向からみたときのケーシング3内に収容された8枚の単電池の配置を示す図である。また、図4は、図3とは異なる配置形態を示している。
【0025】
これらの図に示すように、単電池1は、隣接する片側の単電池に対して、正極端子部14及び負極端子部16が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するような配置とされる。このようにして、2個ずつの単電池が組をなしている。また、このような隣接する各組の2個の単電池間で、正極端子部14及び負極端子部16は広平面部に対して垂直な方向(電池の厚さ方向)において重ならないような位置に設けられる。なお、端子部が設けられていない側(底容器側)においては、所望の放熱効果が得られる限り、隣接する電池間で特に間隔を設ける必要はない。
【0026】
電池をこのように配置すれば、広平面部から突出した端子部が隣接する単電池同士で広平面部内の同じ位置を占めるということがなく、電池間の間隔を最小限に留めることが出来る。すなわち、n枚の単電池を重畳してモジュールを構成するとし、端子部の突出高さをdとすると、端子部が電池厚さ方向で重なる配置とされている場合にはモジュール全体で少なくともn×d分の電池間隔を必要とするのに対し、本実施形態のような配置とすればその半分(n×d/2)で足りる。従って、モジュールの寸法をコンパクトにすることができる。さらに、このような配置によれば、電池同士が偶発的に接触するような場合でも、端子部同士が接触することはなく、端子部と電池容器(上蓋)とが接触することになる。この場合、端子部と電池容器とは絶縁されていることから、電池間で電気的短絡が生じることがないので、安全性が高い。
【0027】
また、本実施形態のように広平面部Sの端縁Lに垂直な中心線aに関して非線対称に配置された正極端子部14及び負極端子部16を有する扁平形状二次電池(図1参照)を用いれば、同一の端子部配置パターンを有する電池によりモジュールを構成することができ、1種類の電池の製造で足りるのでコストを低減することができる。ただし、電池モジュールは異なる種類の電池を組み合わせて構成されていてもよく、例えば図5(a)及び(b)に示すような2種類の電池を組み合わせて利用することもできる。
【0028】
さらに、本実施形態のように端子部が広平面部の一端縁に沿うように配置された単電池を用いれば、電池内部の使用不可能な空間(デッドスペース)を減らすことができ、電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【0029】
なお、上記単電池は、電池端子部においては、端子部の突出した先端部と隣りの電池の広平面部との間の距離が、電池厚さ方向において1mm以上の隙間となるように並べられており、より好ましくは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さ、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。この隙間は電池モジュールに冷却ファンがある場合、更に小さくすることができる。
【0030】
図6は、図3に示した8枚の単電池が直列接続されてモジュールの形態とされた様子を示す。図からわかるように、隣接する単電池間で、正極端子部と負極端子部とが接続板18によって順次電気的に接続されている。このようにして、所望の電圧、容量を有する電池モジュールを得ることが可能である。
【0031】
なお、図3に示す形態では、8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は、2枚以上の複数枚の単電池を用いて構成することができる。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。
【0032】
このように形成されたモジュールは、単独あるいは更に複数個直列に接続され、蓄電システムに用いられる。実用においては、必要に応じて、本発明の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等に設置することも可能である。
【0033】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、端子部が広平面部から突出するように設けられた扁平形状の電池をコンパクトに組電池化した電池モジュールを提供することができる。また、これに好適に利用できる扁平形状電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る扁平形状電池を示す図であり、(a)は上側側面図、(b)は平面図、(c)は横側側面図である。
【図2】図1に示す扁平形状電池を複数収容するためのケーシングの斜視図である。
【図3】図2に示す矢印Xの方向からみたときの、ケーシング内に収容された8枚の単電池の配置を示す側面図である。
【図4】図3とは異なる電池の配置を示す側面図である。
【図5】図1に示す形態とは異なる端子部配置形態を有する単電池の平面図であり、(a)及び(b)はそれぞれ異なる端子部配置形態の単電池を示す。
【図6】図3に示した8枚の単電池が直列接続されてモジュールの形態とされた状態を示す側面図である。
【符号の説明】
1 単電池(二次電池)
10 上蓋
12 底容器
14 正極端子部
16 負極端子部
S 広平面部
L 端縁
Claims (4)
- 複数の扁平形状電池のそれぞれが、片側の広平面部において突出する正極端子部及び負極端子部を有し、相互に重畳されて構成される電池モジュールであって、
2個ずつの扁平形状電池を1組とし、各組の2個の扁平形状電池は、前記正極端子部及び負極端子部が設けられた側の広平面部同士が互いに対向するように配置され、且つ、扁平形状電池間で前記正極端子部及び負極端子部は前記広平面部に対して垂直な方向において重ならないように配置されていることを特徴とする電池モジュール。 - 前記複数の扁平形状電池の広平面部は矩形をなし、前記扁平形状電池に設けられた正極端子部及び負極端子部の各々は、該矩形をなす広平面部の一端縁に沿うように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電池モジュール。
- 前記隣接する扁平形状電池における一方の扁平形状電池の正極端子部或いは負極端子部の突出した先端部と、他方の扁平形状電池の広平面部との間の距離が約1mm以上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。
- 正極、負極及び電解質を備え電池容器にて密閉されエネルギー容量が30Wh以上かつ体積エネルギー密度が180Wh/l以上の扁平形状電池であって、
前記扁平形状をなす電池容器の広平面部は矩形であり、
該矩形をなす一方の広平面部の一端縁近傍において、該端縁に垂直な中心線に関して非線対称に配置された正極端子部及び負極端子部を有することを特徴とする扁平形状電池。
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