JP7174923B2

JP7174923B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP7174923B2
Application number: JP2019566397A
Authority: JP
Inventors: 卓也岡; 浩司芳澤; 茂樹松田; 義朗荒木
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN111033797A; US11450917B2; JPWO2019142645A1; CN111033797B; US20210135317A1; WO2019142645A1

Description

本開示は、蓄電装置に関する。

従来、二次電池と緩衝板とを備えた蓄電装置が知られている。例えば、特許文献１には、電気的に接続された複数の二次電池、及び複数の緩衝板が所定方向に交互に配列され、且つ当該配列方向に荷重が加えられた状態で拘束されてなる蓄電装置が開示されている。また、特許文献１には、緩衝板の二次電池に当接する接触面に、充放電に伴う二次電池の体積変化を許容する変形部と、二次電池の体積変化を許容しない非変形部とが形成された構成が開示されている。

特開２０１４－１５７７４７号公報

上述のように、蓄電装置を構成する二次電池は充放電により膨張、収縮して体積が変化する。つまり、充電率（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）に応じて二次電池の体積が変化する。二次電池のＳＯＣが低いときには、二次電池の収縮により二次電池の拘束力が小さくなるので、例えば二次電池を安定に保持することが難しくなり、振動によって極板間のズレが発生することも想定される。一方、ＳＯＣが高いときには、二次電池の膨張による反力が大きくなり、例えば電極体に加わる圧力が上昇してサイクル特性が低下することが想定される。

本開示の目的は、充放電に伴う二次電池の体積変化を許容しつつ、二次電池を安定に保持することが可能な蓄電装置を提供することである。

本開示の一態様である蓄電装置は、少なくとも１つの二次電池と、前記二次電池の互いに対向する側壁にそれぞれ当接する少なくとも２つの緩衝板とを備え、前記各緩衝板は、非変形部と、前記二次電池の体積変化に伴って弾性変形する変形部とをそれぞれ有し、前記非変形部は、前記変形部が嵌る貫通孔又は凹部を有し、前記変形部は、前記非変形部よりも分厚く形成されていることを特徴とする。

本開示の一態様によれば、充放電に伴う二次電池の体積変化を許容しつつ、二次電池を安定に保持することが可能な蓄電装置を提供できる。本開示の一態様である蓄電装置によれば、ＳＯＣが低い状態において二次電池の耐振動性が向上し、ＳＯＣが高い状態において二次電池の膨張による反力を抑制できる。

実施形態の一例である蓄電装置の斜視図である。図１中のＡＡ線断面の一部を示す図であって、二次電池のＳＯＣが０％の状態を示す。図１中のＡＡ線断面の一部を示す図であって、二次電池のＳＯＣが１００％の状態を示す。実施形態の一例である緩衝板の分解斜視図である。実施形態の一例である緩衝板の大きさ及び配置を説明するための図である。実施形態の他の一例である緩衝板を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示の蓄電装置は以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略～」との記載は、「略平行」を例に説明すると、完全に平行な状態及び実質的に平行と認められる状態の両方を意図する。

以下では、複数の二次電池及び複数の緩衝板を含む電池積層体を備えた蓄電装置を例示するが、本開示に係る蓄電装置は１つの二次電池と当該電池の互いに対向する側壁にそれぞれ当接する２つの緩衝板とで構成されていてもよい。また、電池積層体を構成する複数の二次電池が電気的に接続されているものとして説明するが、各二次電池は電気的に接続されていなくてもよく、複数の二次電池の一部だけが互いに電気的に接続されていてもよい。即ち、１つの電池積層体を構成する複数の二次電池は、個々に又は所定のブロック毎に、充放電可能に電源に接続される構成であってもよい。

また、二次電池を構成する電極体として、セパレータを介して複数の正極と複数の負極を交互に積層してなる積層型の電極体を例示するが、電極体はセパレータを介して長尺状の正極と長尺状の負極を巻回してなる巻回型であってもよい。

図１は、実施形態の一例である蓄電装置１０の斜視図である。図２及び図３は、図１中のＡＡ線断面の一部を示す図である。図２は二次電池１２のＳＯＣが０％の状態を、図３は二次電池１２のＳＯＣが１００％の状態をそれぞれ示す。

図１～図３に例示するように、蓄電装置１０は、二次電池１２及び緩衝板２０を交互に複数配置してなる電池積層体１１を備える。また、蓄電装置１０は、二次電池１２及び緩衝板２０が並ぶ方向の両側から電池積層体１１を押圧する一対のエンドプレート１８を備える。本実施形態では、電池積層体１１を構成する複数の二次電池１２及び複数の緩衝板２０が水平方向に並んでいる。以下では、説明の便宜上、二次電池１２及び緩衝板２０が並ぶ方向を「第１方向又は厚み方向」、水平方向のうち第１方向に直交する方向を「第２方向又は横方向」、第１及び第２方向に直交する方向を「上下方向」とする。

蓄電装置１０は、複数の二次電池１２を電気的に接続して構成される組電池であって、電池モジュール又は電池パックとも呼ばれる。本実施形態では、電池積層体１１を構成する全ての二次電池１２が互いに電気的に接続されている。二次電池１２の例としては、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池が挙げられる。図１に示す例では、電池積層体１１が７つの角形電池である二次電池１２で構成されているが、二次電池１２の数は特に限定されない。

蓄電装置１０は、一対のエンドプレート１８によって電池積層体１１に所定の締め付け圧が作用するように、各エンドプレート１８に連結されたバインドバー１９を備える。各エンドプレート１８は、二次電池１２よりも第２方向（横方向）にやや長い板状体であって、電池積層体１１を第１方向の両側から挟持する。バインドバー１９は、例えば第１方向に沿って設けられる棒状の部材であって、電池積層体１１の第２方向両側にそれぞれ設けられる。

本実施形態では、一対のエンドプレート１８にわたって２本のバインドバー１９が取り付けられている。即ち、一対のエンドプレート１８は２本のバインドバー１９によって連結されている。具体的には、バインドバー１９の一端部が一方のエンドプレート１８に、バインドバー１９の他端部が他方のエンドプレート１８にそれぞれ締結され、各エンドプレート１８によって電池積層体１１に所定の締め付け圧が作用するように構成されている。エンドプレート１８に対するバインドバー１９の締結力を調整することで、当該締め付け圧を変更することができる。

電池積層体１１を構成する各二次電池１２は、外装缶１３と、外装缶１３の開口部を塞ぐ封口板１４とで構成される電池ケースをそれぞれ備える。電池積層体１１は、各二次電池１２の封口板１４が同じ方向を向くように、また封口板１４の高さが揃うように、二次電池１２及び緩衝板２０を交互に配置して構成されている。外装缶１３には、発電要素である電極体３０及び電解液が収容されている。なお、電解液の代わりにゲル状ポリマー等を用いた固体電解質を用いてもよい。

図１に例示する電池ケースは、有底筒状の外装缶１３と、横方向に長い平面視略矩形形状の封口板１４とで構成される角形の金属製ケースである。外装缶１３は、互いに対向配置された２つの側壁１３Ａと、互いに対向配置された２つの側壁１３Ｂと、横方向に長い底面視略矩形形状の底面部とを有する。４つの側壁部は、例えば底面部に対して略垂直に形成されている。電池ケースの上面部は、封口板１４によって形成される。

二次電池１２は、正極端子１５と、負極端子１６とを有する。例えば、正極端子１５は封口板１４の横方向一端側に設けられ、負極端子１６は封口板１４の横方向他端側に設けられる。電池積層体１１は、隣り合う二次電池１２の電極端子同士を接続する複数のバスバー１７を備える。本実施形態では、隣り合う二次電池１２で正極端子１５と負極端子１６の位置が互いに逆となるように各二次電池１２が配列され、バスバー１７によって隣り合う二次電池１２が直列に接続されている。即ち、バスバー１７は、隣り合う一方の二次電池１２の正極端子１５と、他方の二次電池１２の負極端子１６とを接続している。

電極体３０は、複数の正極３１（後述の図５参照）と複数の負極がセパレータを介して第１方向に交互に積層された積層型の電極体である。負極は、一般的に正極３１よりも一回り大きく、正極３１の合材層が形成された部分には必ず負極の合材層が対向配置される。電極体３０には、複数のセパレータを用いてもよく、つづら折りされた１枚のセパレータを用いてもよい。電極体３０の積層構造は、例えば緩衝板２０によって二次電池１２の厚み方向両側から押圧されることで維持される。なお、図２では、電極体３０が外装缶１３の底面部に接触しない状態で外装缶１３内に収容されているが、電極体３０は底面部に接触していてもよい。

本実施形態では、正極３１及び負極が外装缶１３の各側壁１３Ａと略平行に配置されている。また、各側壁１３Ａは各エンドプレート１８と略平行に配置されている。このため、一対のエンドプレート１８によって電池積層体１１に作用する上記締め付け圧、即ち各二次電池１２の拘束力は側壁１３Ａに作用する。側壁１３Ａは、側壁１３Ｂよりも大きく、正極３１及び負極よりも大面積に形成される。側壁１３Ｂは、電極体３０の厚みよりも厚み方向に長く形成される。例えば、側壁１３Ａは上下方向よりも横方向に長い略矩形形状を有し、側壁１３Ｂは厚み方向よりも上下方向に長い略矩形形状を有する。二次電池１２では、側壁１３Ａ，１３Ｂのうち、充放電による電極体３０の体積変化に伴って側壁１３Ａだけが変形する。

緩衝板２０は、２つの二次電池１２の間に介在し、各二次電池１２の側壁１３Ａに当接している。図１に示す例では、二次電池１２と各エンドプレート１８との間にも緩衝板２０がそれぞれ配置されている。電池積層体１１は、二次電池１２の数よりも１つ多い８つの緩衝板２０を有する。エンドプレート１８による締め付け圧は、各緩衝板２０を介して各二次電池１２の側壁１３Ａに伝達され、側壁１３Ａを介して電極体３０に作用する。緩衝板２０は、二次電池１２の体積変化を許容しつつ、隣り合う二次電池１２の端子間距離を一定に維持する機能を有する。

以下、図４及び図５をさらに参照しながら、緩衝板２０について詳説する。図４は緩衝板２０の分解斜視図、図５は緩衝板２０の大きさ及び配置を説明するための図である。

図２～図４に例示するように、各緩衝板２０は、非変形部２１と、二次電池１２の体積変化に伴って弾性変形する変形部２２とをそれぞれ有する。非変形部２１は、変形部２２が嵌る貫通孔２３を有する。緩衝板２０は、変形部２２が非変形部２１の貫通孔２３に挿入された状態で２つの二次電池１２の間隙に配置されている。また、変形部２２は非変形部２１よりも分厚く形成されている。貫通孔２３に非変形部２１よりも厚みのある変形部２２が挿入された構成によって、隣り合う二次電池１２の間隔（以下「セル間距離」という場合がある）を大きくすることなく、二次電池１２の体積変化に効率良く追従できる。

本明細書において、変形部２２の厚み等の寸法は、特に断らない限り、荷重が作用していない状態での寸法を意味する。緩衝板２０を二次電池１２の間隙から取り外したとき、或いはＳＯＣの低下により二次電池１２の厚みが減少して圧縮荷重が小さくなった状態（図２参照）において、変形部２２は、非変形部２１の厚み方向両側から第１方向に突出している。また、変形部２２は、蓄電装置１０の製造直後及び二次電池１２のＳＯＣが０％の状態においても、厚み方向にある程度圧縮されている。この場合、二次電池１２のＳＯＣが０％であっても変形部２２から押圧力（復元力）が側壁１３Ａに作用し、側壁１３Ａを介して電極体３０が挟持される。

非変形部２１は、二次電池１２の体積変化に伴って実質的に変形しない部分であって、変形部２２よりも弾性率が高い材料で構成されている。非変形部２１は、例えば剛性の高い絶縁性の樹脂材料で構成される。緩衝板２０が非変形部２１を有することで、緩衝板２０の形状が安定化し、二次電池１２をより安定に拘束、保持することができる。また、非変形部２１を設けることにより、二次電池１２の端子間距離を一定に維持することが容易になる。

変形部２２は、二次電池１２の体積変化に伴って弾性変形する部分であって、非変形部２１よりも柔軟な弾性率の低い材料で構成されている。変形部２２は、例えば絶縁性のゴム、発泡体、エラストマーなどで構成される。具体例としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン－プロピレンゴム等のゴム、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリイミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等の発泡体が挙げられる。緩衝板２０が変形部２２を有することで、二次電池１２の体積変化を吸収でき、二次電池１２の膨張による反力を抑制できる。ＳＯＣが低くなり二次電池１２が収縮したときには、側壁１３Ａを押圧して二次電池１２の耐振動性を改善できる。

また、変形部２２に、発泡体のような多孔質材料や、ＮＡＳＢＩＳ（登録商標）のような熱伝導性の低い材料を用いることで、二次電池１２間の断熱性能が高まり、類焼の抑制機能が向上する。

図４に例示するように、非変形部２１は、側壁１３Ａの周縁部に当接するように枠状に形成されている。貫通孔２３の形状は、特に限定されないが、好ましくは矩形形状である。貫通孔２３は、非変形部２１の中央部を含む広範囲に形成されることが好適である。貫通孔２３は、例えば孔縁が非変形部２１の端と略平行となるように、非変形部２１の周縁部に略一定幅の枠状部分を残して形成される。非変形部２１は、横方向長さＷ_２１が上下方向長さＬ_２１より長い矩形状の枠体であって、長手方向が電池積層体１１の横方向に沿うように配置される。

蓄電装置１０では、隣り合う２つの二次電池１２の最短距離が、非変形部２１の厚みＴ_２１によって決定される。即ち、セル間距離（最短距離）は、厚みＴ_２１と略同一となる。非変形部２１の厚みＴ_２１の一例は、１ｍｍ～３ｍｍである。厚みＴ_２１は、二次電池１２の体積が変化しても変化しないため、二次電池１２のＳＯＣに関わらずセル間距離が一定に維持される。一方、変形部２２の厚みＴ_２２は、二次電池１２の体積変化に追従して変化する。

変形部２２は、扁平な直方体であって、非変形部２１の厚みＴ_２１よりも大きな厚みＴ_２２を有する。但し、ＳＯＣの上昇により二次電池１２が膨張したときには、変形部２２が圧縮されて厚みＴ_２２が厚みＴ_２１よりも小さくなる。つまり、変形部２２が圧縮されていない状態において、変形部２２は非変形部２１よりも大きな厚みを有する。変形部２２は、例えば二次電池１２の体積変化により、厚みＴ_２２が少なくとも２００μｍ変化する。

変形部２２の厚みＴ_２２は、二次電池１２の厚みと非変形部２１の厚みＴ_２１の合計よりも小さく、好ましくは二次電池１２の厚みよりも小さい。厚みＴ_２２は、例えば非変形部２１の厚みＴ_２１の１．５倍～３倍であり、具体例としては１．５ｍｍ～９ｍｍである。

変形部２２は、非変形部２１の貫通孔２３に挿入可能な大きさで形成されている。変形部２２は弾性変形するので貫通孔２３より大きな寸法を有していてもよいが、二次電池１２の体積増を効率良く吸収すべく、貫通孔２３と同等又はそれ以下の寸法で形成されることが好ましい。即ち、変形部２２の横方向長さＷ_２２≦貫通孔２３の横方向長さＷ_２３であり、且つ変形部２２の上下方向長さＬ_２２≦貫通孔２３の上下方向長さＬ_２３の条件を満たすことが好ましい。

図５は、二次電池１２の正面図であって、緩衝板２０を仮想線で示している。図５では、外装缶１３の側壁１３Ａにおいて、非変形部２１が当接する部分に斜線ハッチングを、変形部２２が当接する部分にドットハッチングを付している。

図５に例示するように、緩衝板２０は、二次電池１２に当接する面（以下「当接面」という場合がある）が正極３１よりも大きく、側壁１３Ａを介して正極３１の全体と対向するように配置されることが好ましい。正極３１にリード部等の合材層が存在しない集電体露出部が形成される場合、緩衝板２０の当接面は、正極３１の露出部を除く部分より大きければよい。即ち、緩衝板２０の当接面の面積は、正極３１の合材層が形成された部分の面積より大きいことが好ましい。他方、蓄電装置１０の小型化等の観点から、緩衝板２０の当接面の面積は、外装缶１３の側壁１３Ａの面積以下であることが好ましい。

本実施形態では、緩衝板２０の当接面が、外装缶１３の側壁１３Ａと略同じ面積を有し、正極３１及び負極よりも大面積に形成されている。また、緩衝板２０は、各二次電池１２の間から張り出さないように、当接面の周縁が側壁１３Ａの周縁と略一致した状態で配置されている。

非変形部２１は、貫通孔２３の縁部が側壁１３Ａを介して正極３１の周縁部と対向するように配置されることが好ましい。負極は正極３１よりも一回り大きいので、この場合、貫通孔２３の縁部は負極の周縁部と対向するように配置される。即ち、非変形部２１によって極板の周縁部が押え付けられる。他方、非変形部２１は、極板の周縁部を除く広範囲に対向しないことが好適である。ゆえに、貫通孔２３は、非変形部２１が極板の周縁部のみに対向するような大きさで形成される。この場合、非変形部２１と対向する極板の周縁部では電極体３０の膨張が抑えられるが、電極体３０に作用する拘束力が安定化し、極板間のズレを抑制し易くなる。

変形部２２は、二次電池１２に当接する面（当接面）が正極３１よりも小さく、側壁１３Ａを介して正極３１と対向するように配置されることが好ましい。この場合、変形部２２の当接面の全体が、正極３１及び負極と対向配置される。変形部２２の当接面は極板面積より大きくてもよいが、上述の通り、非変形部２１が極板の周縁部と対向するように当接面を極板より一回り小さくすることが好ましい。但し、変形部２２は極板の広範囲、例えば極板面積の８０％以上の範囲と対向配置されるので、電極体３０の体積変化による影響を十分に緩和できる。

上述の構成を備えた蓄電装置１０では、二次電池１２のＳＯＣが高くなると、電極体３０が膨張して厚みが増加し、電極体３０に押された外装缶１３の側壁１３Ａが変形して外側に膨らみ、二次電池１２の厚みが増加する（図３参照）。二次電池１２の厚みが大きくなると、変形部２２が圧縮されて非変形部２１の貫通孔２３内に押し込まれる。換言すると、二次電池１２の一部が貫通孔２３内に入り込む。なお、非変形部２１は変形せず、セル間距離は変化しない。つまり、各二次電池１２の厚みの増加は緩衝板２０の変形部２２によって吸収される。緩衝板２０は、各二次電池１２の電極体３０に所定の圧力を加えて極板距離を均一に維持しつつ、各二次電池１２の膨張による反力を低減する。

他方、蓄電装置１０は、二次電池１２のＳＯＣが低くなると、電極体３０の厚みが減少する（図２参照）。電極体３０の厚みが減少すると、変形部２２の押圧力（復元力）により外装缶１３の側壁１３Ａが変形して内側に凹み、側壁１３Ａを介して電極体３０が厚み方向両側から押圧される。電極体３０の厚みの減少により変形部２２に作用する圧縮荷重が小さくなるので、変形部２２が元の形状に戻ろうと膨らみ、非変形部２１の当接面を超えて第１方向両側に膨出すると共に、側壁１３Ａを介して電極体３０に所定の圧力を加える。このため、ＳＯＣが低い状態において二次電池１２の耐振動性が向上し、極板間のズレを抑制できる。

以上のように、蓄電装置１０によれば、充放電に伴う二次電池１２の体積変化を許容しつつ、二次電池１２を安定に保持することが可能である。緩衝板２０は、二次電池１２のＳＯＣに関わらず外装缶１３の側壁１３Ａに当接し、電極体３０に所定の圧力を加える。このため、ＳＯＣが低い状態において二次電池１２の耐振動性が向上し、ＳＯＣが高い状態において二次電池１２の膨張による反力を抑制できる。貫通孔２３に非変形部２１よりも分厚い変形部２２が挿入された構成によって、例えばセル間距離を短くして装置の小型化を図りながら、サイクル特性を向上させることができる。

図６は、実施形態の他の一例である緩衝板２０Ｘを示す断面図である。図６に例示するように、緩衝板２０Ｘの非変形部２１Ｘには、貫通孔２３の代わりに凹部２３Ｘが形成されている点で、緩衝板２０の非変形部２１と異なる。非変形部２１Ｘには、各二次電池１２に対向する両面において、周縁部を除く広範囲に変形部２２Ｘが嵌る凹部２３Ｘが形成されている。変形部２２Ｘは、非変形部２１Ｘの両側に設けられ、非変形部２１Ｘよりも分厚く形成される。この場合、各変形部２２Ｘの厚みＴ_２２ｘの合計が、非変形部２１Ｘの厚みＴ_２１ｘより大きければよい。各変形部２２Ｘの厚みＴ_２２ｘは、厚みＴ_２１ｘより大きくても小さくてもよく、同じであってもよい。

緩衝板２０Ｘは、緩衝板２０と同様に、二次電池１２に当接する面が正極３１よりも大きく、側壁１３Ａを介して正極３１の全体と対向するように配置されることが好ましい。また、非変形部２１Ｘは凹部２３Ｘの縁部が側壁１３Ａを介して正極３１の周縁部と対向するように配置されることが好ましい。変形部２２Ｘは、二次電池１２に当接する面が正極３１よりも小さく、側壁１３Ａを介して正極３１と対向配置される。

緩衝板２０Ｘを用いた場合も、二次電池１２のＳＯＣが上昇して電極体３０の厚みが増加したときに、変形部２２Ｘが圧縮されて凹部２３Ｘ内に押し込まれる。他方、二次電池１２のＳＯＣが低下して電極体３０の厚みが減少すると、変形部２２Ｘが緩衝板２０の厚み方向両側に膨出する。これにより、ＳＯＣが低い状態において二次電池１２の耐振動性が向上し、ＳＯＣが高い状態において二次電池１２の膨張による反力を抑制できる。

１０蓄電装置
１１電池積層体
１２二次電池
１３外装缶
１３Ａ，１３Ｂ側壁
１４封口板
１５正極端子
１６負極端子
１７バスバー
１８エンドプレート
１９バインドバー
２０，２０Ｘ緩衝板
２１，２１Ｘ非変形部
２２，２２Ｘ変形部
２３貫通孔
２３Ｘ凹部
３０電極体
３１正極

Claims

少なくとも１つの二次電池と、
前記二次電池の互いに対向する側壁にそれぞれ当接する少なくとも２つの緩衝板と、
を備え、
前記各緩衝板は、非変形部と、前記二次電池の体積変化に伴って弾性変形する変形部とをそれぞれ有し、
前記非変形部は、前記変形部が嵌る貫通孔又は凹部を有し、
前記変形部は、前記非変形部よりも分厚く形成されており、
前記二次電池は、セパレータを介して複数の正極及び複数の負極を交互に積層してなる電極体を有し、
前記負極は、前記正極よりも大きく、
前記緩衝板は、前記二次電池に当接する面が前記正極よりも大きく、前記側壁を介して前記正極の全体と対向するように配置されており、
前記非変形部は、前記貫通孔又は前記凹部の縁部が前記側壁を介して前記正極の周縁部と対向するように配置され、前記側壁に当接して配置されており、
前記変形部は、前記二次電池に当接する面が前記正極よりも小さく、前記側壁を介して前記正極と対向するように配置されている、蓄電装置。
前記二次電池及び前記緩衝板を交互に複数配置してなる電池積層体と、
前記二次電池及び前記緩衝板が並ぶ方向の両側から前記電池積層体を押圧する一対のエンドプレートと、
を備える、請求項１に記載の蓄電装置。