JP6195311B2 - 電池パックとその製造方法、及びこれを備える電動車両並びに蓄電装置 - Google Patents
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Description
扁平形二次電池は、充放電によって電極体が膨張する。具体的には、扁平形二次電池を充電することで電極体が膨張し、扁平形二次電池を放電することで電極体が収縮する。また、繰り返し充放電されることによっても、電極体の活物質層が膨張する性質がある。
この種の二次電池を用いた高出力や高容量の電源装置として、複数の扁平形二次電池を積層している電池パックが開発されている(特許文献2参照)。
この電池パックは、容積効率が高く、容積に対するエネルギー密度を大きくできる。具体的には、積層している扁平形二次電池を直列に接続することで出力電圧を高め、並列に接続することで容量を大きくすることができる。この電池パックは、複数の扁平形二次電池を、絶縁材を介して積層して電池積層体とし、この電池積層体の両端にエンドプレートを配置して、一対のエンドプレートをバインドバーで連結して、複数の扁平形二次電池を積層状態に固定している。上述の通り、扁平形二次電池は、充放電や電池の劣化によって膨張するので、この電池パックは、エンドプレートとバインドバーを介して、電池積層体の変形や膨張を防止している。
(1)複数の扁平形二次電池を、絶縁材を挟んで厚さ方向に積層して電池積層体とする。
(2)電池積層体の両端部にエンドプレートを配置し、一対のエンドプレートをプレス機で加圧して、扁平形二次電池の積層方向に加圧する。
(3)エンドプレートで電池積層体を加圧する状態で、一対のエンドプレートにバインドバーを連結する。バインドバーが連結されて、一対のエンドプレートが扁平形二次電池を所定の締め付け圧で加圧する状態に保持した後、プレス機を取り除く。
以上の電池パックは、扁平形二次電池を非水電解質二次電池とするので、充放電が繰り返される状態においても電気特性の低下をより少なくできる。とくに、非水電解質二次電池は、正極と負極との間にセパレータを配置して渦巻き状に巻回している電極体が強いプレス圧でプレス成形されると、正極と負極がセパレータに密着されて互いに圧密状態に固定されるので、電極体の膨張をより効果的に抑制できる特徴がある。
以上の電池パックは、扁平形二次電池をリチウムイオン電池とするので、容積と重量に対する充電容量を大きくしながら、電極体の膨張をより効果的に抑制できる。
以上の電池パックは、電極体のプレス圧を、積層している扁平形二次電池の締め付け圧の2倍以上とするので、外装ケースを損傷することなく電極体を扁平状にプレス成形しながら、外装ケースに収納した状態では電極体の膨張による電気特性の劣化を有効に防止できる。
以上の電池パックは、渦巻き状の電極体を強いプレス圧で扁平状にプレス成形しているので、正極と負極が微多孔膜のセパレータに密着し、圧密状態に固定される。このため、電極体の膨張による電気特性の低下を防止できる。
以上の電池パックは、渦巻き状の電極体の膨張で、外装ケースが損傷するのをより確実に防止できる特徴がある。それは、渦巻き状の電極体が、封口板と底部との中間部で膨張して、外装缶と封口板との連結部を内部から押圧しないからである。
以上の電池パックは、エンドプレートとバインドバーとで、扁平形二次電池全体を均一な締め付け圧で加圧状態に固定して、扁平形二次電池の膨張による弊害をより効果的に抑制できる。
以上の電池パックは、バインドバーの曲げ強度を強くできるので、エンドプレートを定位置に配置して、扁平形二次電池を所定の締め付け圧で安定して積層方向に加圧して固定できる。
態に固定される扁平形二次電池の締め付け圧を、プレス成形工程におけるプレス圧よりも低くする。締め付け工程において、バインドバーに連結されるエンドプレートの締め付け圧は扁平形二次電池の外装ケースに作用するが、この締め付け圧は、プレス成形工程における電極体のプレス圧よりも低い。したがって、以上の製造方法は、電極体が締め付け圧よりも高いプレス圧で扁平状にプレス成形された状態で外装ケースに封入されるため、エンドプレートとバインドバーを介して電池積層体を締結した際に、締め付け圧によって電極体が変形することを防止できる特徴がある。また、プレス成形されて外装ケースに収納された電極体は、締め付け圧よりも強いプレス圧で扁平状に成形しているので、充放電が繰り返される状態においては電気特性の低下を少なくできる。とくに、正極と負極とをセパレータを挟んで渦巻き状に巻回してなる電極体が、強いプレス圧で扁平状に加圧成形されることによって、正極と負極とを圧密状態に固定して、電極体の膨張を抑制するからである。さらに、渦巻き状の電極体が、プレス成形工程において強いプレス圧で扁平状に加圧成形されるので、正極と負極とセパレータは、平面部分を湾曲部分で連結する形状に成形されて、正極と負極とを圧密状態に固定して、電極体の膨張を効果的に阻止する。以上の製造方法で得られる電池パックは、プレス成形された電極体自体の充放電による膨張を抑制するので、バインドバーとエンドプレートとで扁平形二次電池を強く締め付けて、外装ケースを損傷することなく、長期間にわたって電気特性の劣化を効果的に阻止して、寿命を長くできる優れた特徴を実現する。
以上の製造方法は、扁平形二次電池を非水電解質二次電池とするので、充放電が繰り返される状態においても電気特性の低下をより少なくできる。とくに、非水電解質二次電池は、正極と負極との間にセパレータを配置して渦巻き状に巻回している電極体が強いプレス圧でプレス成形されると、正極と負極がセパレータに密着されて互いに圧密状態に固定されるので、電極体の膨張をより効果的に抑制できる特徴がある。
以上の製造方法は、扁平形二次電池をリチウムイオン電池とするので、容積と重量に対する充電容量を大きくしながら、電極体の膨張をより効果的に抑制できる。
以上の製造方法は、プレス成形工程における渦巻き電極体のプレス圧を、締め付け工程における扁平形二次電池の締め付け圧の2倍以上と大きくするので、プレス成形工程では、電極体を確実に扁平状にプレス成形しながら、締め付け工程では、外装ケースを損傷することなく電池積層体を締め付けして、電極体の膨張による電気特性の劣化を有効に防止できる。
(巻回工程)
図4に示すように、正極11Aと負極11Bとをセパレータ11Cを挟む状態で渦巻き状に巻回して、図5と図6に示す渦巻き電極体11Uとする。
(プレス成形工程)
図5と図6に示すように、巻回工程で得られる渦巻き電極体11Uをプレス成形して扁平状の電極体11とする。さらに、このプレス成形工程では、渦巻き電極体を加熱状態で加圧して扁平状に成形することもできる。
(密閉工程)
以上のプレス成形工程で得られる扁平状にプレス成形された電極体11を、図7に示すように、外装ケース12に挿入して電解液(図示せず)を充填する状態で、外装ケース12を気密に密閉して扁平形二次電池1とする。
Li2CO3と(Ni0.35Co0.35Mn0.3)3O4とを、Liと(Ni0.35Co0.35Mn0.3)とのモル比が1:1となるように混合した。次いで、この混合物を空気雰囲気中にて900℃で20時間焼成し、LiNi0.35Co0.35Mn0.3O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得て、正極活物質32Aとする。以上のようにして得られた正極活物質32A、導電剤として薄片化黒鉛およびカーボンブラック、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液とを、リチウム遷移金属複合酸化物:薄片化黒鉛:カーボンブラック:ポリフッ化ビニリデン(PVdF)の質量比が88:7:2:3となるように混練し、正極スラリーを作製する。作製した正極スラリーを正極芯体31Aとしてアルミニウム合金箔(厚さ15μm)の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用したNMPを除去し正極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、アルミニウム合金箔のもう一方の面にも正極活物質合剤層を形成する。その後、圧延ロールを用いて圧延して、所定寸法に切断して正極11Aとする。
負極活物質32Bとしての人造黒鉛と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)と、結着材としてのスチレン−ブタジエン−ラバー(SBR)を水と共に混練して負極スラリーを作製する。ここで、負極活物質32B:カルボキシメチルセルロース(CMC):スチレン−ブタジエン−ラバー(SBR)の質量比は98:1:1となるように混合する。ついで、作製した負極スラリーを負極芯体31Bとしての銅箔(厚さが10μm)の一方の面に塗布した後、乾燥させてスラリー作製時に溶媒として使用した水を除去し負極活物質合剤層を形成する。同様の方法により、銅箔のもう一方の面にも負極活物質合剤層を形成した。その後、圧延ローラーを用いて圧延する。
(1)複数の扁平形二次電池1の間に絶縁材2を挟んで電池積層体9とする。
(2)電池積層体9の両端にエンドプレート4を配置し、エンドプレート4を介して電池積層体9を所定の圧力で加圧して加圧状態に保持する。
この状態において、絶縁材2は、活物質押圧部2Xでもって、扁平形二次電池1の外装缶12aの活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する。すなわち、活物質非接触領域12Yを強く押圧することなく、外装缶12aの活物質接触領域12Xは所定の圧力で加圧される。
(3)電池積層体9をエンドプレート4で加圧する状態で、一対のエンドプレート4をバインドバー5で連結して、扁平形二次電池1と絶縁材2とを加圧状態に固定する。
この状態においても、絶縁材2の活物質押圧部2Xは、扁平形二次電池1の外装缶12aの活物質接触領域12Xを強く加圧する。活物質押圧部2Xに加圧されない外装缶12aの活物質非接触領域12Yは、強く加圧されることなく、扁平形二次電池1は積層状態に固定される。
(4)電池積層体9を加圧状態として、扁平形二次電池1の電極端子15にバスバー13が接続される。バスバー13は、扁平形二次電池1を直列に接続し、あるいは直列と並列に接続する。バスバー13は、電極端子15に溶接され、あるいはネジ止めされて、電極端子15に接続される。
図17は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車に電池パックを搭載する例を示す。この図に示す電池パックを搭載した車両HVは、車両HVを走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、モータ93に電力を供給する電池パック100と、電池パック100の扁平形二次電池を充電する発電機94と、エンジン96、モータ93、電池パック100、及び発電機94を搭載してなる車両本体90と、エンジン96又はモータ93で駆動されて車両本体90を走行させる車輪97とを備えている。電池パック100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。車両HVは、電池パック100の扁平形二次電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、電池パック100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電池パック100の扁平形二次電池を充電する。
また、図18は、モータのみで走行する電気自動車に電池パックを搭載する例を示す。この図に示す電池パックを搭載した車両EVは、車両EVを走行させる走行用のモータ93と、このモータ93に電力を供給する電池パック100と、この電池パック100の扁平形二次電池を充電する発電機94と、モータ93、電池パック100、及び発電機94を搭載してなる車両本体90と、モータ93で駆動されて車両本体90を走行させる車輪97とを備えている。電池パック100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。モータ93は、電池パック100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電池パック100の扁平形二次電池を充電する。
さらに、この電池パックは、移動体用の動力源としてのみならず、定置型の蓄電用設備としても利用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図19に示す。この図に示す電池パック100は、複数の電池ブロック81をユニット状に接続して電池ユニット82を構成している。各電池ブロック81は、複数の扁平形二次電池が直列及び/又は並列に接続されている。各電池ブロック81は、電源コントローラ84により制御される。この電池パック100は、電池ユニット82を充電用電源CPで充電した後、負荷LDを駆動する。このため電池パック100は、充電モードと放電モードを備える。負荷LDと充電用電源CPはそれぞれ、放電スイッチDS及び充電スイッチCSを介して電池パック100と接続されている。放電スイッチDS及び充電スイッチCSのON/OFFは、電池パック100の電源コントローラ84によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ84は充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをOFFに切り替えて、充電用電源CPから電池パック100への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷LDからの要求に応じて、電源コントローラ84は充電スイッチCSをOFFに、放電スイッチDSをONにして放電モードに切り替え、電池パック100から負荷LDへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチCSをONに、放電スイッチDSをONにして、負荷LDの電力供給と、電池パック100への充電を同時に行うこともできる。
1…扁平形二次電池
2…絶縁材 2X…活物質押圧部
2Y…非押圧部
4…エンドプレート
5…バインドバー 5A…端部プレート
6…冷却隙間
9…電池積層体
11…電極体 11A…正極
11B…負極
11C…セパレータ
11X…活物質塗布領域
11Y…芯体露出領域
11U…渦巻き電極体
12…外装ケース 12a…外装缶
12b…封口板
12A…幅広平面
12B…幅狭面
12X…活物質接触領域
12Y…活物質非接触領域
13…バスバー
14…集電体
15…電極端子
21…冷却溝
22…ガイド壁
27…対向壁
28…底板
29…切り欠き凹部
31…芯体 31A…正極芯体
31B…負極芯体
31y…芯体露出部
32…活物質 32A…正極活物質
32B…負極活物質
33…注入穴
34…安全弁
40…加圧プレート
81…電池ブロック
82…電池ユニット
84…電源コントローラ
85…並列接続スイッチ
90…車両本体
93…モータ
94…発電機
95…DC/ACインバータ
96…エンジン
97…車輪
EV…車両
HV…車両
LD…負荷
CP…充電用電源
DS…放電スイッチ
CS…充電スイッチ
OL…出力ライン
HT…ホスト機器
DI…入出力端子
DA…異常出力端子
DO…接続端子
m…巻き軸
Claims (14)
- 複数の扁平形二次電池を積層してなる電池積層体と、この電池積層体の両端に配置しているエンドプレートと、このエンドプレートに連結されて前記電池積層体の扁平形二次電池を所定の締め付け圧で積層方向に加圧状態で固定してなるバインドバーとを備える電池パックであって、
前記電池積層体を構成してなる扁平形二次電池が、正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に巻回してなる電極体と、この電極体と電解液とを収納してなる密閉構造の外装ケースとを備え、
前記扁平形二次電池の電極体を、前記バインドバーによる扁平形二次電池の締め付け圧よりも高いプレス圧で扁平状にプレス成形された電極体とすることを特徴とする電池パック。 - 前記扁平形二次電池が非水電解質二次電池である請求項1に記載される電池パック。
- 前記非水電解質二次電池がリチウムイオン電池である請求項2に記載される電池パック。
- 前記電極体のプレス圧が、前記扁平形二次電池の締め付け圧の2倍以上である請求項1から3のいずれかに記載される電池パック。
- 前記電極体のセパレータが熱可塑性樹脂フィルムの微多孔膜である請求項1から4のいずれかに記載される電池パック。
- 前記外装ケースが、外装缶と封口板とからなり、外装缶の開口部に封口板をレーザー溶接して外装缶の開口部を封口板で密閉構造に閉塞してなる構造で、
前記プレス成形された電極体が、渦巻き状に巻回された巻き軸を前記封口板と平行な姿勢として外装缶に収納してなる請求項1から5のいずれかに記載される電池パック。 - 前記エンドプレートの全体形状が四角形で、四隅部にバインドバーを連結している請求項1から6のいずれかに記載される電池パック。
- 前記バインドバーが横断面形状をL字状とする金属板である請求項7に記載される電池パック。
- 正極と負極とをセパレータを挟む状態で渦巻き状に巻回して渦巻き電極体とする巻回工程と、
巻回工程で得られる渦巻き電極体をプレス成形して電極体とするプレス成形工程と、
このプレス成形工程で得られるプレス成形された電極体を、外装ケースに挿入して電解液を充填する状態で、外装ケースを気密に密閉して扁平形二次電池とする密閉工程と、
密閉工程で得られる複数の扁平形二次電池を積層して電池積層体とする扁平形二次電池の積層工程と、
この積層工程で得られる電池積層体の両端部にエンドプレートを配置して、一対のエンドプレートにバインドバーを連結して、電池積層体の扁平形二次電池を所定の締め付け圧で加圧状態に固定する締め付け工程とからなり、
前記プレス成形工程において、前記渦巻き電極体が、前記締め付け工程における扁平形二次電池の締め付け圧よりも強いプレス圧でプレス成形されて扁平状にプレス成形されることを特徴とする電池パックの製造方法。 - 前記扁平形二次電池が非水電解質二次電池である請求項9に記載される電池パックの製造方法。
- 前記非水電解質二次電池がリチウムイオン電池である請求項10に記載される電池パックの製造方法。
- 前記プレス成形工程における渦巻き電極体のプレス圧が、1MPa以上であって20MPa以下で、該プレス圧が、前記締め付け工程における扁平形二次電池の締め付け圧の2倍以上である請求項9から11のいずれかに記載される電池パックの製造方法。
- 請求項1から8のいずれかに記載の電池パックを備えてなる電動車両であって、
前記電池パックと、該電池パックから電力供給される走行用のモータと、前記電池パック及び前記モータを搭載してなる車両本体と、前記モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪とを備えることを特徴とする電池パックを備える電動車両。 - 請求項1から8のいずれかに記載の電池パックを備えてなる蓄電装置であって、
前記電池パックへの充放電を制御する電源コントローラを備えており、
前記電源コントローラでもって、外部からの電力により前記電池パックへの充電を可能とすると共に、前記電池パックに対し充電を行うよう制御することを特徴とする蓄電装置。
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