JP7510882B2 - 隣接する電池セルを絶縁するためのセパレータおよびそれを備えた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、隣接する電池セルを絶縁するセパレータや、複数の電池セルと複数のセパレータを備える電源装置に関する。

近年、推進用の電源装置を使用する電動車両が普及している。電動車両は、様々な構成が知られており、例えば、駆動用のモータを搭載する電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）や、モータに加えてエンジンを搭載しているハイブリッドカー（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）などがある。これらの電動車両に搭載される電源装置では、複数の電池セルが用いられる。各々の電池セルは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電が可能な二次電池である。

電池セルは、高温になると著しく劣化する特性があるため、電池の劣化を抑制するには電池セルを冷却することが重要である。電池セルを冷却する冷却機構を備えた電源装置としては、隣接する電池セルの間に配置されるセパレータを用いて冷却用の流路を形成する技術が知られている（特許文献１）。特許文献１に開示されるセパレータは、典型的には樹脂で成形される。

特開２００６－４８９９６号公報

電池セルは、高温になると様々な不具合が生じることが知られている。特に、内部の発電要素の化学反応が熱によって促進されると、化学反応によって生じる熱により、さらに、自己加熱されるおそれがある。また、近年は、電動車両の航続距離を向上させるための手段の一つとして、高容量の電池セルが望まれている。電池セルは、容量が増加すると、電池セルが異常になった際の発熱量が増加する。特許文献１の電源装置は、隣接する電池セルの間に配置されるセパレータを用いて冷却用の流路を形成する構成であるため、セパレータを成形性の高い材料で成形する必要がある。典型的には、セパレータを構成する成形性の高い材料としては、樹脂が知られている。

しかしながら、電池セルの高容量化が進むと、樹脂で成形されたセパレータでは、断熱性能を確保するために、厚さが増大し、電源装置のエネルギー密度が低下するおそれがある。一方、高い断熱性能を示すものとして、多孔質粒子と、多孔質粒子を担持する繊維シートからなる断熱シートがあるが、シート以外の形状に成形することが難しいという問題がある。

本発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであり、本発明の主な目的は、断熱性能と成形性を両立することが可能な構成のセパレータを提供することにある。このようなセパレータを備える電源装置は、大型化を抑制しながら、隣接する電池セル同士の伝熱を抑制することができるという効果を奏する。

本発明のある態様のセパレータは、隣接する電池セルを絶縁するセパレータである。セパレータは、繊維材料および前記繊維材料より高い断熱性を有する断熱材料を含む断熱シートと、断熱シートよりも高い形状安定性を有する成形部材と、を備える。

また、本発明のある態様のセパレータは、隣接する電池セルを絶縁するセパレータであって、繊維材料と、繊維材料より高い断熱性を有する断熱材料と、熱を加えることで硬化する特性を有する熱可塑性樹脂を含む断熱シートである。

また、本発明のある態様のセパレータは、隣接する電池セルを絶縁するセパレータであって、繊維材料および前記繊維材料より高い断熱性を有する断熱材料を含む断熱シートである。断熱シートは、巻回加工されて一方向に延在するとともに、中心に空隙が形成される棒状の形状を有している。

また、本発明のある態様の電源装置は、外形を角形とした複数の電池セルと、隣接する電池セルを絶縁するための複数のセパレータと、複数の電池セルと複数のセパレータとを集合化する拘束部材と、を備えている。各々のセパレータは、上述に記載のセパレータである。

本発明によれば、断熱性能と成形性を両立することが可能となる構成のセパレータやこのセパレータを備える電源装置を提供することができる。

本発明のある態様の電源装置の斜視図である。 図１の電池セルの斜視図である。 図１のセパレータの一例を示す斜視図である。 図１のセパレータの一例を示す斜視図である。 図４のセパレータの変形例を示す斜視図である。 図１のセパレータの一例を示す斜視図である。 図６のセパレータの変形例を示す斜視図である。

まず、本発明のある態様の電源装置の構成を着想するに至った経緯について説明する。特許文献１に示されるように、典型的な電源装置は、複数の電池セルが同じ姿勢で配置される。隣接する電池セルの間には、隣接する電池セル同士の短絡を防止するために、絶縁性のセパレータが配置される。一方、近年、電池セルの高容量化に伴い、個々の電池セルが保有するエネルギー量が増大する傾向にある。

上述のとおり、特許文献１の電源装置は、電池セル同士が近接して配置される構成となるため、ある電池セルが何らかの異常により、自己加熱される状態となると、当該電池セルから隣接する電池セルに熱が伝わる。異常な状態となった電池セルから隣接する電池セルに伝熱する熱量が大きい場合、伝熱された熱により隣接する電池セルの内部の発電要素の化学反応が促進されるおそれがある。電池セルの高容量化すると、異常な状態となった電池セルから隣接する電池セルに伝熱する熱量が相対的に大きくなるため、この現象が問題になる可能性がある。

この問題に対して、本発明の発明者らは、断熱性を有するセパレータを採用する構成について検討を行った。従来の電源装置では、セパレータは、隣接する電池セルの絶縁や結露水を介した短絡の防止等、様々な機能を実現できるような形状に成形するために、成形性の高い樹脂が用いられる。そのため、断熱性を高めるためには、セパレータの材厚を大きくする必要がある。しかしながら、セパレータの厚さを大きくすると、電源装置の大型化を招き、電源装置としての体積あたりの容量が低下する問題ある。一方、断熱性の高い部材としては、シート状の断熱部材があるが、この種の断熱部材は成形性が低いため、シート以外の形状に成形することが難しいという問題がある。斯かる実情に鑑み、本発明者らは、シート状の断熱部材を利用することができるようにするための構成について検討を行った。

（電源装置）
図１は、本発明のある態様の電源装置１００を示す斜視図である。図１に示すように、電源装置１００は、複数の電池セル１と、複数のセパレータ２と、複数の電池セル１と複数のセパレータ２とを集合化する拘束部材３と、を備える。複数の電池セル１は、一方向に沿って配置されている。それぞれのセパレータ２は、隣接する電池セル１の間に配置され、隣接する電池セル１を保持している。複数のセパレータ２は、絶縁性を有しており、隣接する電池セル１同士の短絡を防止する。また、セパレータ２は、断熱シートを含んでおり、隣接する電池セル同士の伝熱を抑制する。複数の電池セル１は、バスバー（図示せず）を介して、直列または並列に接続されている。電源装置１００は、並列接続される電池セル１の数と、直列接続される電池セル１の数に応じて、電源装置の電圧と容量が決まるようになっている。電池セル１は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池など、種々の二次電池が採用されうる。

セパレータ２に含まれる断熱シートは、０．１～１．５ｍｍの厚さのシートであり、織布や不織布等からなる繊維材料と、繊維材料の繊維間に担持される断熱材料とを含んでいる。本発明の実施形態に好適な断熱シートは、熱伝導率が０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の特性を有しているものである。断熱材料は、キセロゲルやエアロゲル等の空隙構造を有する多孔質材が好ましい。特に、シリカエアロゲルやシリカキセロゲルは、空気分子の運動を規制するナノサイズの空隙構造を有しており、優れた断熱性能を有している。また、シリカキセロゲルは、外部からの押圧に対してその構造を安定的に維持することができる。シリカ粒子は、融点が高いため、シリカキセロゲルも高い耐熱性を有している。繊維シートを構成する繊維は、種々の繊維を用いることができ、耐熱性を有する難燃性繊維を含んでいてもよい。難燃性繊維としては、酸化アクリル繊維、難燃性ビニロン繊維、ポリエーテルイミド繊維、アラミド繊維およびガラス繊維などが知られている。特に、繊維シートは、ガラス繊維を含むことで、耐熱性の向上に加え、剛性の向上およびクリープ変形の抑制が期待できる。難燃性繊維を含む繊維シートを用いた断熱シートは、電池セル１が熱暴走して高温に加熱されても破損することがなく、安定して熱エネルギーの伝導を遮断して、熱暴走の誘発を効果的に阻止できる。

なお、上述の断熱シートに含まれる繊維は、繊維径の細い合成繊維とすることが好ましい。断熱シートの断熱性は、後述する粉体の特性に起因するため、繊維径の細い合成繊維を基材とすることで、多量の粉体を断熱材に含ませることができる。本実施形態で用いられる繊維の繊維径としては、熱伝導率、生産性を両立させる観点から１～３０μｍが好ましい。

また、上述の断熱シートは、熱可塑性樹脂を添加して成形してもよい。熱可塑性樹脂を添加した断熱シートは、剛性を向上させることができる。断熱シートの表面をコート処理することで、様々な特性を付与することもできる。例えば、輻射率が低いアルミナからなるコーティング層で覆うことで、断熱部材の輻射伝熱の影響を抑制することができる。このように断熱シートを形成する際、添加物を調整することで、断熱性や耐熱性等を維持しつつ、要求される性能に応じて、物理的特性を適宜、付与することができる。

図１に示すように、拘束部材３は、積層される複数の電池セル１の積層方向の両端に配置される一対のエンドプレート３２と、一対のエンドプレート３２に固定される複数のバインドバー３４と、を含んでいる。エンドプレート３２には、バインドバー３４の端部が連結される。バインドバー３４は、止ネジ３６を介してエンドプレート３２に固定される。

バインドバー３４は、所定の厚さの金属板を所定の幅に加工して製作される。バインドバー３４は、端部をエンドプレート３２に連結して、一対のエンドプレート３２を連結して、その間に電池セル１を保持する。バインドバー３４は、一対のエンドプレート３２を所定の寸法に固定することで、その間に積層される電池セル１の膨張を抑制する。バインドバー３４が伸びると、電池セル１の膨張を阻止できないため、バインドバー３４には、電池セル１の膨張圧で伸びない強度の金属板、たとえばＳＵＳ３０４等のステンレス板や鋼板等の金属板を十分な強度を有する幅と厚さに加工して製作される。

なお、図１のバインドバー３４は、止ネジ３６でエンドプレート３２に固定しているが、必ずしも螺合部材で固定する必要はない。具体的には、溶接や係止構造などを利用して固定することもできる。また、図１の電源装置１００では、エンドプレート３２の側面にバインドバー３４が固定される構成となっているが、エンドプレートとバインドバーの固定構造は、図示されている構成に限る必要はない。バインドバー３４として必要な機能は、一対のエンドプレート３２の相対距離を規制することにある。一対のエンドプレートの変位を規制できる構成であれば、エンドプレート３２やバインドバー３４の構成はどのような構成であってもよい。

（電池セル）
図２に示すように、電池セル１は、直方体形状の外装缶１２と、正負の電極端子１６が設けられる封口体１４とを含んでいる。また、電池セル１は、外装缶１２内に収納される電極体を有しており、外装缶１２内に電解液が充填されており、充放電や劣化に伴い、膨張したり、収縮したりする特性を有している。

外装缶１２は、開口を有する箱型形状に形成されている。封口体１４は、外装缶１２に溶接され、外装缶１２の開口を閉塞する。具体的には、外装缶１２は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板を深絞り加工して製作される。封口体１４は、外装缶１２と同じように、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板で製作される。この封口体１４は、両端部に正負の電極端子１６が固定されている。封口体１４は、外装缶１２の開口部に挿入された状態で溶接される。典型的には、封口体１４の外周と外装缶１２の内周との境界にレーザービームを照射することで、封口体１４が外装缶１２に気密に固定される。

なお、外装缶や封口体が金属である電池セルは、表面に金属を露出することになる。この種の電池セルは、結露水等を介した短絡を防止するために、外装缶の表面を絶縁性の熱収縮チューブで覆う構成とすることがある。本実施形態においても、必要に応じて、外装缶１２の表面を熱収縮チューブで覆う構成を採用してもよい。

（セパレータ２Ａ）
図３は、図１に示すセパレータ２の一例を示す斜視図である。図３に示すように、セパレータ２Ａは、断熱シート２４Ａと、成形部材２２Ａを含んでいる。断熱シート２４Ａは、成形部材２２Ａに積層されており、成形部材２２Ａによってセパレータ２Ａとしての形状を保っている。成形部材２２Ａは、金属板であることが好ましい。成形部材２２Ａは、断面が矩形パターン状になる形状を有しており、断熱シート２４Ａが成形部材２２Ａの表面に沿って配置されている。これにより、セパレータ２Ａは、断面が矩形パターン状になるように、両面にそれぞれ一方向に延在する複数の溝２５Ａが形成される形状となる。セパレータ２Ａを隣接する電池セル１の間に介在させることで、電池セル１とセパレータ２Ａとの間に電池セルを冷却するための冷却隙間を形成することができるようになっている。

以上の構成のセパレータ２Ａは、例えば、成形部材２２Ａである金属板と、断熱シート２４Ａを積層したものをプレス加工して成形される。また、セパレータ２Ａは、あらかじめ上記形状に成形させた成形部材２２Ａに断熱シート２４Ａを貼付して成形してもよい。この構成のセパレータ２Ａは、断熱シート２４Ａと成形部材２２Ａとの間に接着層が介在している。なお、図示はしないが、セパレータ２Ａは、断熱シート２４Ａや成形部材２２Ａを複数層、積層して成形される構成であってもよい。

この構成によると、セパレータ２は、断熱性の高い断熱シートと成形性の高い成形部材とで構成されており、柔軟性の高い断熱シートが所定の形状に成形された成形部材を介して形状が保持することができるようになっている。

（セパレータ２Ｂ）
図４および図５は、図１に示すセパレータ２の一例を示す斜視図である。図４および図５に示すセパレータ２Ｂは、上述の断熱シートのうちの熱可塑性樹脂を含む断熱シート２４Ｂである。図４のセパレータ２Ｂは、断熱シート２４Ｂの少なくとも一部が圧縮変形されており、両面にそれぞれ一方向に延在する複数の溝２５Ｂが形成される。具体的には、図４のセパレータ２Ｂは、隣接する電池セル１に当接する基部２６Ｂと、基部２６Ｂよりも厚さが薄い薄肉部２７Ｂとが形成される。基部２６Ｂは、外形が隣接する電池セル１の対向する面に対して平行な面に延在する平面状に形成される。薄肉部２７Ｂは、隣接する電池セル１の間に、一方向に延在する少なくとも一つの冷却隙間を形成する形状を有する。図５のセパレータ２Ｂは、断熱シート２４Ｂの全面が圧縮変形されており、両面にそれぞれ一方向に延在する複数の溝２５Ｂが形成される。これらのセパレータ２Ｂは、具体的には、断熱シート２４Ｂを加熱した状態で所定の形状に圧縮させた後、冷却することで熱可塑性樹脂が硬化させることで、所定の形状に成形される。なお、熱可塑性樹脂を含む断熱シート２４Ｂは、金属板のように延性が高いわけではないため、変形度合いの大きい圧縮変形を行うとシートが破れたり、熱硬化性樹脂に亀裂が入ったりするおそれがある。そのため、セパレータ２Ｂの形状は、図４や図５に例示されるように、波状に変形させることが好ましい。

この構成によると、断熱シートを製造する際に、熱可塑性樹脂を添加されているので、断熱シートの成形性が向上しており、断熱シート２４Ｂを所定の形状に成形することができるようになっている。

（セパレータ２Ｃ）
図６および図７は、図１に示すセパレータ２の一例を示す斜視図である。図６に示すように、セパレータ２Ｃは、棒状の複数の断熱シート２４Ｃで構成されている。それぞれの断熱シート２４Ｃは、巻回加工され、中心軸に沿って空隙が形成される棒状の形状を有している。また、隣接する電池セルの間に配置される複数の断熱シートの間には、隙間が形成されており、電池セルを冷却するための冷却隙間とすることができるようになっている。加えて、断熱シート２４Ｃの中心軸に沿って形成される空隙も、電池セルを冷却するための冷却隙間として機能するようになっている。図６のセパレータ２Ｃを構成する断熱シート２４Ｃは、断面視において、外形が円形となる螺旋状に成形されている。図７のセパレータ２Ｃを構成する断熱シート２４Ｃは、断面視において、外形が四角形となる螺旋状に成形されている。以上の構成のセパレータ２Ｃは、例えば、角柱や円柱の芯材に断熱シート２４Ｃを巻きつけて巻回され、巻き終わりの端部をテープや接着剤で固定した後、芯材を取り除くことで成形できる。

この構成によると、セパレータ２は、シートで成形可能な形状でありながら、断熱性と電池セルの冷却用の流路を形成することができるようになっている。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各々の構成要素や各々の処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００…電源装置、 １…電池セル、 １２…外装缶、 １４…封口体、 １６…電極端子、 ２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…セパレータ、 ２２Ａ…成形部材、 ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…断熱シート、 ２５Ａ、２５Ｂ…溝、 ２６Ｂ…基部、 ２７Ｂ…薄肉部、 ３…拘束部材、 ３２…エンドプレート、 ３４…バインドバー、 ３６…止ネジ

Claims (3)

1. 隣接する電池セルを絶縁するセパレータにおいて、
   本セパレータは、繊維材料および前記繊維材料より高い断熱性を有する断熱材料を含む断熱シートであり、巻回加工されて一方向に延在するとともに、中心に空隙が形成される棒状の形状を有することを特徴とするセパレータ。
2. 請求項１に記載のセパレータにおいて、
   さらに、前記断熱シートの端部に設けられる接着材料を備えるセパレータ。
3. 外形を角形とした複数の電池セルと、
   隣接する電池セルの間に配置される複数のセパレータであって、それぞれのセパレータが請求項１または２に記載されたセパレータである、該複数のセパレータと、
   前記複数の電池セルと前記複数のセパレータとを集合化する拘束部材と、を備える電源装置。

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