JP7022308B2

JP7022308B2 - 電池モジュール

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Publication number: JP7022308B2
Application number: JP2018004373A
Authority: JP
Inventors: 卓誠坂本; 聡美山本; 晃一谷本; 真也大村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: JP2019125456A

Description

本発明は、電池モジュールに関する。詳しくは、複数の単電池を拘束した状態で保持する電池モジュールに関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等の単電池を備える電池モジュールは、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末等の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池を単電池として用いた電池モジュールは、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源として好ましく、今後も需要が拡大するものと期待されている。

かかる電池モジュールの典型的な構成として、複数の単電池が積層され、且つ該積層方向に所定の荷重が加えられた状態で拘束されて構築されるものがある。このような単電池の拘束は、主に電池モジュールの耐振動および耐衝撃、および電池性能確保の観点から行われる。しかしながら、かかる電池モジュールにおいて、電池の使用時（充放電時）に単電池の一部が膨張収縮したり、電池モジュールが経年劣化したりすることにより、電池モジュールの構築時において単電池に加えられていた拘束荷重の大きさが変化することがあり、かかる拘束荷重の変化に応じて単電池に加わる圧力が調節される必要があった。この種の技術に関する従来技術文献としては、特許文献１および２が挙げられる。

特開２０１７－１０３０８３号公報特開２０１６－１８７０４号公報

しかしながら、これら従来技術における電池モジュールの拘束圧の調節方法には、未だ改善の余地があった。特に、電池モジュールの使用時（充放電時）において、積層された各単電池の積層方向に相互に対向する面（以下、「積層面」という。）の中央部に比べて該積層面の縁部が大きく膨張収縮しがちな単電池を用いた電池モジュールの場合、従来技術によっては単電池の該積層面の全域において十分な拘束圧の制御が成されず、結果として電池性能が低下する虞があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、積層された各単電池に加えられる拘束圧が該単電池の積層面の全域において好適に制御されることにより、電池性能の劣化が抑制され得る電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明によると、複数の単電地が積層した積層体と、該積層された単電池間の間隙、該積層方向の一方の端部および他方の端部のうちの少なくとも一箇所に配置され、該積層体の積層方向にかかる圧力を調節する圧力調節部材と、を備えた電池モジュールが提供される。上記圧力調節部材は、背板と、該背板の一方面に突設され、かつ、該背板の周縁部に沿って形成された額縁部と、該背板の該額縁部が設けられた面と同じ面に突設され、かつ、該額縁部の内側に形成された複数の突起部と、を有する。上記圧力調節部材のうち、少なくとも上記額縁部と上記突起部は、ゴム弾性を示す材料で形成されている。また、上記圧力調節部材は、上記額縁部および上記突起部が上記積層体の位置する側を向くように配置されている。ここで、上記電池モジュールを上記積層方向から視たとき、上記額縁部が形成された領域内に上記積層された各単電池の積層面の外周が配置されていることを特徴とする。

かかる構成によると、電池モジュールの使用時において、該モジュールを構成する単電池が積層方向に膨張収縮したとしても、積層体の積層方向にかかる圧力が好適に調節されて変動しにくくなる。また、かかる構成によると、電池モジュールの構成が単純化されるため、電池モジュールがコンパクト化され得る。さらに、かかる構成によると、各単電池の積層面の縁部に対して、圧力調節部材の額縁部により好適な拘束圧を印加することができるため、局所的な膨張収縮による単電池の劣化を抑制し、電池性能の低下を抑制し得る電池モジュールが実現し得る。

一実施形態に係る電池モジュールを模式的に示す斜視図である。図１のＩＩ－ＩＩ’矢視断面図である。一実施形態に係る圧力調節部材を示す斜視図である。図１のＩＶ－ＩＶ’矢視断面図である。一実施形態に係る圧力調節部材の要部を模式的に示す図である。他の一実施形態に係る電池モジュールにおける図１のＩＶ－ＩＶ’矢視図に相当する図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。各図面は、一例を示すのみであり、各図面は、特に言及されない限りにおいて本発明を限定しない。

図１は、一実施形態に係る電池モジュール１００の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ’矢視断面を模式的に示した概略図である。図１および図２に示すように、電池モジュール１００は、複数の単電池１０を有する積層体２０と、一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂと、一対のサイドプレート４０Ａ、４０Ｂと、圧力調節部材６０とを備えている。

積層体２０は、複数の単電池１０（好ましくは充放電可能な単電池１０）が所定の積層方向（図１中の矢印Ｘ方向）に積層されて配置されることにより構成されている。複数の単電池１０の間には、単電池１０以外の部材（例えば、冷却板等）が介在していてもよい。

＜単電池＞
単電池１０は、好適には全固体電池であり、より好適には全固体リチウム二次電池またはリチウム－硫黄二次電池である。全固体電池は、典型的には、正極、負極、および固体電解質を備える。単電池１０が全固体電池であった場合、正極、負極、および固体電解質の積層方向は、積層体２０の積層方向Ｘと同じである。単電池１０は、非水電解液二次電池であってもよい。非水電解液二次電池は、典型的には、正極、負極、セパレータ、および非水電解液を備える。単電池１０が非水電解液二次電池であった場合、正極、負極、およびセパレータの積層方向は、積層体２０の積層方向Ｘと同じである。よって、ここに開示される一実施形態の電池モジュール１００によると、単電池１０内の電極面に対して垂直方向に拘束荷重が印加される。

単電池１０として全固体電池を用いた場合、電池の充放電時において、積層体２０の積層方向Ｘに直交する方向（即ち、図１のＹＺ面の面内方向）における単電池１０の面である積層面の縁部は、中央部よりも大きく膨張収縮する傾向がある。ここに開示される技術によると、上記単電池１０の縁部にかかる拘束圧を好適に調節することができるため、全固体電池である単電池１０に対して本発明を適用することは有意義である。

また、単電池１０は、燃料電池や、ニッケル水素電池その他の二次電池であってもよい。なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。

単電池１０は、上述した正極、負極、電解質等の発電要素を内部に収容する外装体１４と、外装体１４から引き出された正極端子１２Ａおよび負極端子１２Ｂと、を備える。図１に示す例によると、正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂはそれぞれ外装体１４の同じ辺から引き出されている。

単電池１０の正極端子１２Ａと負極端子１２Ｂは、それぞれ外装体１４の対向する二つの辺から引き出されていてもよい。かかる単電池１０は、電池容量向上等の観点から好ましく採用され得る。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０を構成する正極に用いられる材料については、従来の全固体電池の正極に使用される材料であれば、特に限定されず用いることができる。例えば、正極に含まれる正極活物質としては、層状、オリビン系、スピネル型の化合物が用いられ得る。具体的には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ_{１－ｙ－ｚ}Ｃｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２、例えばＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）、ニッケルコバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ_１－ｘＣｏ_ｘＯ_２）、ニッケルマンガン酸リチウム（ＬｉＮｉ_１－ｘＭｎ_ｘＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リチウムマンガン酸化合物（Ｌｉ_１＋ｘＭ_ｙＭｎ_{２－ｘ－ｙ}Ｏ_４；Ｍ＝Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ）、リン酸金属リチウム（ＬｉＭＰＯ_４、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、フッ化リン酸金属リチウム（Ｌｉ_２ＭＰＯ_４Ｆ、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、リン酸金属リチウム（Ｌｉ_２ＭＰ_２Ｏ_７、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、チタン酸リチウム（Ｌｉ_ｘＴｉＯ_ｙ）などが例示される。または、正極活物質は硫黄元素を含んでいてもよく、硫黄（Ｓ）であってもよい。

ここに開示される技術によると、電池の充放電時に単電池１０が膨張伸縮したとしても、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が好適に調節され得る。このため、充放電時に大きく膨張伸縮する傾向がある硫黄（Ｓ）を正極材料として用いた単電池１０に対して、本発明に係る技術を適用することは、特に有意義である。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０を構成する負極に用いられる材料については、従来の全固体電池の負極に使用される材料であれば、特に限定されず用いることができる。例えば、負極に含まれる負極活物質としては、金属、炭素材などが用いられ得る。金属としては、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｂなどの金属、これらのいくつかを組み合わせた合金などが例示される。炭素材としては、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む炭素材料等、具体的には、天然または人造の黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、低温焼成炭素、または、これらのうちのいくつかを組み合わせた材料、が例示される。

ここに開示される技術によると、電池の充放電時に単電池１０が膨張伸縮したとしても、積層体２０の積層方向Ｘにかかる拘束圧が好適に調節され得る。このため、充放電時に大きく膨張伸縮する傾向があるＳｎ、Ｓｉ等の金属、またはこれらを組み合わせた合金を負極材料として用いた単電池１０に対して、本発明に係る技術を適用することは、特に有意義である。

単電池１０が全固体電池であった場合において、単電池１０に含まれる固体電解質としては、従来の全固体電池の固体電解質として使用される材料であれば、特に限定されずに用いることができる。例えば、固体電解質として、硫化物、酸化物等の無機系固体電解質が用いられ得る。なかでも硫化物固体電解質が好ましく採用され得る。また、固体電解質は結晶、非結晶あるいはガラスセラミックのいずれでであってよい。硫化物系固体電解質としては、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２系、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－ＬｉＩ系、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－Ｌｉ_３ＰＯ_４系等の非結晶、Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２等の結晶、Ｌｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１、Ｌｉ_３．２５Ｐ_０．９５Ｓ_４等のガラスセラミックスが例示される。酸化物系固体電解質としては、Ｌａ_０．５１Ｌｉ_０．３４ＴｉＯ_２．９４、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２等が例示される。

外装体１４は、薄く、軽量であって、柔軟性が高く、熱溶着や超音波溶着などによって容易に融着できるとともに、気密性、水分非透過性に優れた材料からなることが好ましい。外装体１４は、例えば、２つの高分子樹脂層の間に金属層を配置した三層構造を有するラミネートフィルムで構成されていてもよい。金属層は、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属箔から構成されてもよい。高分子樹脂層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、エチレンビニルアセテートなどの熱可塑性樹脂フィルムから構成されてもよい。図示されるような、外装体１４がかかるラミネートフィルムで構成された扁平な形状の単電池１０は、特に積層面の縁部において充放電時の膨張伸縮が大きくなる傾向にあるため、本発明に係る技術を適用するのに好適である。

＜エンドプレート＞
一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、積層体２０の積層方向Ｘの両端部に配置されている。本実施形態では、エンドプレート３０Ａは、積層体２０の積層方向Ｘの一方側の端部に加圧プレート５０および圧力調節部材６０を介在させて配置されている。エンドプレート３０Ｂは、積層体２０の積層方向Ｘの他の一方の端部に配置されている。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂには、積層体２０にかかる拘束荷重に耐え得る素材と形状が採用される。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、金属製であっても樹脂製であってもよく、例えば、炭素鋼製であってもよい。エンドプレート３０Ａ、３０Ｂは、板状に形成されている。

＜サイドプレート＞
一対のサイドプレート４０Ａ、４０Ｂの間には、積層体２０が配置される。図２に示すように、サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、積層体２０から離隔して配置されている。サイドプレート４０Ａとサイドプレート４０Ｂとは、積層体２０を介して対向している。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、それぞれ一対のエンドプレート３０Ａ、３０Ｂを連結する。即ち、サイドプレート４０Ａは、エンドプレート３０Ａの図１の矢印Ｚ方向の一方側の端部と、エンドプレート３０Ｂの図１の矢印Ｚ方向の一方側の端部とを連結する。サイドプレート４０Ｂは、エンドプレート３０Ａの図１の矢印Ｚ方向の他方側の端部と、エンドプレート３０Ｂの図１の矢印Ｚ方向の他方側の端部とを連結する。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂは、エンドプレート３０Ａ、３０Ｂと同じ材料から形成されていてもよく、異なる材料から形成されていてもよい。

サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとの連結は、ボルト等の締結部材によるものであってもよい。あるいは、サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとの連結は、溶接などによる強固な接合によるものであってもよい。サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとエンドプレート３０Ａ、３０Ｂとが溶接により接合される場合、エンドプレート３０Ａ、３０Ｂとサイドプレート４０Ａ、４０Ｂの素材としては金属が好ましく採用される。

＜加圧プレート＞
図１および図２に示す実施形態では、積層体２０の積層方向Ｘの一方側の端部に隣接して、加圧プレート５０が配置されている。加圧プレート５０の図１の矢印Ｚ方向の一方側の端部はサイドプレート４０Ａに接しており、加圧プレート５０の図１の矢印Ｚ方向の他方側の端部はサイドプレート４０Ｂに接している。加圧プレート５０は、サイドプレート４０Ａ、４０Ｂとは接合されていない状態で配置されており、積層体２０が積層方向Ｘに膨張縮小するのに応じて、積層方向Ｘに可逆的に移動可能な状態で配置される。加圧プレート５０によると、後述する圧力調節部材６０の額縁部６４Ａおよび突起部６４Ｂが弾性変形することにより発生する弾性力を、積層体２０の積層面に均一に伝達することができる。

＜圧力調節部材＞
図１および図２に示す実施形態では、積層体２０の積層方向Ｘの一方の端部とエンドプレート３０Ａとの間には、圧力調節部材６０が配置されている。具体的には、積層体２０の積層方向Ｘの一方の端部に隣接して配置された加圧プレート５０と、エンドプレート３０Ａとの間に、圧力調節部材６０が配置されている。圧力調節部材６０は、積層体２０の積層方向Ｘにかかる圧力（拘束圧）を調節し得る。かかる構成によると、積層体２０の積層方向Ｘの一方の端部のみに圧力調節部材６０が配置されており、電池モジュール１００の構成が単純であることから、電池モジュール１００のコンパクト化が達成されやすい。

図３は、一実施形態に係る圧力調節部材６０を示す斜視図である。圧力調節部材６０は、背板６２と、背板６２の一方面に突設された額縁部６４Ａと、背板６２の一方面であって額縁部６４Ａが設けられた面と同じ面に突設された複数の突起部６４Ｂと有する。額縁部６４Ａは、背板６２の周縁部に沿って所定の幅を持って形成されている。複数の円柱形の突起部６４Ｂは、背板６２の上記周縁部の内側に規則的に配置されて形成されている。

ここで、額縁部６４Ａと突起部６４Ｂはそれぞれゴム弾性を示す材料で形成されており、額縁部６４Ａと突起部６４Ｂが突設されている方向に弾性変形することにより復元力（弾性力）を発生することが可能である。

図４は、図１のＩＶ－ＩＶ’矢視断面を模式的に示した概略図である。図２および図４に示すように、圧力調節部材６０は、額縁部６４Ａおよび突起部６４Ｂが積層体２０の位置する方を向くようにして配置されている。図４の点線は、電池モジュール１００を積層方向Ｘから視たときの積層体２０（または積層体２０を構成する単電池１０）が配置されている領域の外周を示す。図４に示すように、ここに開示される電池モジュール１００を積層方向Ｘから視たとき、積層体２０（または単電池１０）の外縁は、額縁部６４Ａが形成された領域内に配置されている。即ち、額縁部６４Ａは、加圧プレート５０を介して、積層体２０（単電池１０）の積層方向Ｘに直交する方向（即ち、図４におけるＹＺ面の面内方向）の縁部に圧力を印加することができる。また、突起部６４Ｂは、加圧プレート５０を介して、積層体２０（単電池１０）の積層面の中央部に圧力を印加することができる。

かかる構成によると、圧力調節部材６０により積層体２０の積層方向Ｘにかかる圧力を調節することができる。特に、積層体２０の積層面における単電池１０の縁部が、該方向における単電池１０の中央部よりも大きく膨張収縮する傾向がある単電池１０を用いた場合においても、単電池１０の当該縁部における局所的な膨張収縮に応じて額縁部６４Ａの働きにより当該縁部にかかる圧力を好適に調節することができるため、積層体２０の積層面にかかる拘束圧の均一性が向上する。このため、かかる構成によると、単電池１０の局所的な膨張収縮に起因する劣化が抑制された電池モジュール１００が実現され得る。

図５は、好適な一実施形態にかかる突起部６４Ｂの配置およびサイズを説明するための図である。円柱形の突起部６４Ｂの直径をａ、突起部６４Ｂ間の距離をｂとしたとき、直径ａと距離ｂが以下の不等号式（１）を満たすように突起部６４Ｂの配置とサイズを設計すると、より好適な圧力調節機能をもつ。
ａ ≧ ｂ ≧ ａ／２（１）

距離ｂが直径ａの半分（即ち、ａ／２）よりも小さすぎると、突起部６４Ｂが弾性変形しにくくなる。また、距離ｂが直径ａよりも大きすぎると、圧力調節部材６０における突起部６４Ｂの数が減少するため、積層体２０（または単電池１０）の積層面における中央部にかかる圧力を調節する機能が不十分となりやすい。

額縁部６４Ａおよび突起部６４Ｂ（好ましくは額縁部６４Ａ、突起部６４Ｂおよび背板６２）を構成するゴム弾性を示す材料としては、特に限定されることなく、種々のゴム材料が用いられ得る。かかる材料としてはブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプロピレンゴム、ポリウレタン、シリコーンゴム等の合成ゴムが例示される。なかでも、好適に積層体２０の積層方向Ｘに掛かる拘束圧を制御し得る観点から、スチレン・ブタジエンゴムが好適に採用され得る。額縁部６４Ａ、突起部６４Ｂおよび背板６２はそれぞれ異なる材料で構成されていてもよく、同じ材料で構成されていてもよい。製造容易性の観点からは、額縁部６４Ａ、突起部６４Ｂおよび背板６２は同じ材料で構成されており、一体化していることが好ましい。

図６は、他の一実施形態に係る圧力調節部材６０を用いた電池モジュール１００の図１のＩＶ－ＩＶ’矢視図に相当する図である。図６に示す例によると、突起部６４Ｂは四角柱の形状をしている。突起部６４Ｂの形状は、突起部６４Ｂの突設された方向に好適に弾性変形して復元力（弾性力）を発生させる効果を示す限りにおいて、円柱形（図４）および四角柱（図６）に限定されず、種々の形状をとることができる。例えば、図６のように積層体の積層方向から視た時に、突起部は、複数の突設部位がそれぞれ連結して一定の幅を有する直線状または波状のラインを形成していてもよい。

他の一実施形態に係る電池モジュール１００では、圧力調節部材６０が、積層体２０を構成する単電池１０同士の間隙に配置されている。例えば、圧力調節部材６０は、積層体２０の積層方向Ｘの中央部に配置されてもよい。かかる構成によると、積層体２０の積層面にかかる拘束圧の均一性が向上し得る。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０単電池
１２Ａ正極端子
１２Ｂ負極端子
１４外装体
２０積層体
３０Ａエンドプレート
３０Ｂエンドプレート
４０Ａサイドプレート
４０Ｂサイドプレート
５０加圧プレート
６０圧力調節部材
６２背板
６４Ａ額縁部
６４Ｂ突起部
１００電池モジュール

Claims

複数の単電池が積層した積層体と、
前記積層された単電池間の間隙、該積層方向の一方の端部および他方の端部のうちの少なくとも一箇所に配置され、前記積層体の積層方向にかかる圧力を調節する圧力調節部材と、を備えた電池モジュールであって、
前記圧力調節部材は、
背板と、
前記背板の少なくとも一方面に突設され、かつ、該背板の周縁部に沿って形成された額縁部と、
前記背板の前記額縁部が設けられた面と同じ面に突設され、かつ、前記額縁部の内側に形成された複数の突起部と、を有し、
前記圧力調節部材のうち、少なくとも前記額縁部と前記突起部は、ゴム弾性を示す材料で形成されており、
前記圧力調節部材は、前記額縁部および前記突起部が前記積層体の位置する側を向くように配置されており、
前記電池モジュールを前記積層方向から視たとき、前記額縁部が形成された領域内に前記積層された各単電池の積層面の外周が配置されていること、
を特徴とする電池モジュール。