(57)【要約】【課題】単電池セルに過度な応力が加わることを防止できる組電池装置を提供する。【解決手段】組電池装置は、直方体形状をなす単電池セル１と板状の絶縁性のスペーサ２とが交互に複数個積層されてなり、該積層方向の両端から加圧拘束されてなる。スペーサ２は、正の線膨張係数をもつバインダ２１と、負の線膨張係数をもつ充填物とからなる。充填物は、単電池セル１とスペーサ２の積層方向に沿って配向している繊維状体２２であるとよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体形状をなす単電池セルと板状の絶縁性のスペーサとが交互に複数個積層されてなり、該積層方向の両端から加圧拘束されてなる組電池装置であって、
該スペーサは、前記積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、前記積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなることを特徴とする組電池装置。
【請求項２】
前記充填物は、前記積層方向に沿って配向している繊維状体である請求項１記載の組電池装置。
【請求項３】
前記充填物は、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（以下、「ＰＢＯ繊維」という。）、パラ型アラミド繊維及び高強度ポリエチレン繊維の中から選ばれる１種以上からなる請求項１又は請求項２に記載の組電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単電池セルをスペーサを介在させて積層してなる組電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、組電池装置としては、特許文献１の図２に示されるように、単電池セル（４１０）の間にスペーサ（４２０）を配置し、並列配置された列の距離が広がらないように、両端に配置した拘束スペーサ（４３０）と拘束ロッド（４４０）とで列を拘束する技術が開示されている。この技術では、単電池セルやスペーサの熱膨張時の単電池セルへの応力集中を防ぐために、隣り合う各スペーサ凸部（４２２Ａ、４２２Ｂ）を対向しない位置に配置するようにしている。スペーサは、高温時と低温時に膨張・収縮するため、低温時に単電池セルの列から拘束ロッドが外れないように、低温時の単電池セルに対して拘束ロッドで拘束する。
【特許文献１】特開２００８−４２８９号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、低温時に単電池セルの列を外れないように拘束スペーサと拘束ロッドとで拘束すると、高温時ではスペーサと単電池セルとが膨張して、単電池セルに過度な応力がかかる。ゆえに、単電池セルの電池性能への影響が依然として懸念される。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、単電池セルに過度な応力が加わることを防止できる組電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、直方体形状をなす単電池セルと板状の絶縁性のスペーサとが交互に複数個積層されてなり、該積層方向の両端から加圧拘束されてなる組電池装置であって、該スペーサは、前記積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、前記積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなることを特徴とする（請求項１）。
【０００６】
前記充填物は、前記積層方向に沿って配向している繊維状体であることが好ましい（請求項２）。
【０００７】
前記充填物は、ＰＢＯ繊維、パラ型アラミド繊維及び高強度ポリエチレン繊維の中から選ばれる１種以上からなることが好ましい（請求項３）。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単電池セルとスペーサとは交互に積層されている。スペーサは、積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなる。このため、スペーサの積層方向の線膨張係数が、バインダのみからなるスペーサの線膨張係数よりも小さくなる。ゆえに、高温時にスペーサが積層方向に膨張することが抑えられ、単電池セルに加わる応力を低減することができる。
【０００９】
充填物が単電池セルの積層方向に沿って配向している繊維状体である場合には、スペーサの積層方向の熱膨張・収縮を効果的に抑制することができる。
【００１０】
充填物が、ＰＢＯ繊維、パラ型アラミド繊維及び高強度ポリエチレン繊維の中から選ばれる場合には、ザイロン繊維及び高強度ポリエチレン繊維は繊維長さ方向に配向している。このため、充填物は、負の線膨張係数をもち、スペーサの線膨張係数の増加を効果的に抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の組電池装置は、電気自動車やハイブリッド車などの電源装置として好適に用いられる。
【００１２】
本発明の組電池装置において、単電池セルとしては一般的な所謂角型電池セルを用いることができる。樹脂製の筐体をもつもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたものを用いてもよいが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウムなどの金属製の筐体が表出する単電池セルを用いることが好ましい。単電池セルの上部には、一対の電極が突出形成されているのが一般的である。通常は、電極をもつ側が全て同じ側となるように、複数の単電池セルが積層される。
【００１３】
単電池セルの間には、板状のスペーサが介設されている。スペーサは、積層方向に正の線膨張係数をもつバインダと、積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物とからなる。
【００１４】
従来、単電池セルの間に介設されるスペーサは、正の線膨張係数をもつバインダから構成されていた。その場合、単電池セルから発する熱によって温度が上昇して、スペーサが積層方向に大幅に膨張してしまい、単電池セルに過大な応力を生じさせていた。そこで、本発明は、正の線膨張係数をもつバインダに、負の線膨張係数をもつ充填物を添加することで、バインダと充填物とからなるスペーサの線膨張係数を低減させたものである。
【００１５】
積層方向に正の線膨張係数をもつバインダは、分子配向性に乏しく、温度上昇によって分子運動が活発になると、各分子が伸びやすくなり、積層方向に伸びる。バインダは、絶縁性を有する材料であることがよく、たとえば、シリコーンゴムなどを用いることができる。シリコーンゴムの線膨張係数は、２００ｐｐｍ／℃程度である。
【００１６】
積層方向に負の線膨張係数をもつ充填物は、例えば、分子配向性をもつ高分子材料であるとよい。高分子材料の高分子鎖を引き伸ばして配向させると、最終的な理想構造として、図４（ａ）に示すように、トランスジグザグ構造となる。この構造は、これ以上引き伸ばすことができない状態であるため、温度上昇によって各原子が激しく運動すると、図４（ｂ）に示すように、分子鎖軸方向に収縮し、分子鎖の軸方向と直交する方向には膨張する。したがって、分子配向性をもつ高分子材料の多くは、分子鎖軸方向に負の線膨張係数をもつものが多い。
【００１７】
このような分子配向性をもつ高分子材料としては、例えば、高強度ポリエチレン繊維（商品名「ダイニーマ」）、ＰＢＯ繊維（商品名「ザイロン」）、パラ型アラミド繊維（商品名「ケブラー２９」、「ケブラー４９」、「テクノーラ」等）などがある。高強度ポリエチレン繊維の線膨張係数は−１２ｐｐｍ／℃であり、結晶化度は９５％以上であり、分子量は約４００万である。ＰＢＯ繊維は、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）を液晶紡糸した繊維である。ザイロン繊維の線膨張係数は−６ｐｐｍ／℃であり、結晶化度（例えば）は９５％以上である。ケブラー２９（商品名）の線膨張係数は−４．０ｐｐｍ／℃であり、ケブラー４９（商品名）の線膨張係数は−４．９ｐｐｍ／℃である。テクノーラ（商品名）は、コポリパラフェニレン−３，４’オキシジフェニレンーテレフタラミドであり、線膨張係数は−６ｐｐｍ／℃である。
【００１８】
負の線膨張係数をもつ充填物は、繊維状体であるとよい。繊維状体は、短繊維でも長繊維でもよいが、スペーサの厚み方向に配列させるために短繊維であることがよい。
【００１９】
繊維状体を構成する高分子材料は、繊維方向に分子配向していることが望ましい。また、繊維状体は、その繊維方向を、単電池セルの積層方向と平行に配向していることが望ましい。これにより、スペーサの積層方向の線膨張係数を効果的に抑えることができる。
【００２０】
スペーサが単電池セルの間に厚み方向で挟持される場合には、スペーサの厚み方向に、繊維状体が配向しているとよい。この場合には、スペーサの積層方向の熱膨張・収縮を効果的に抑制することができる。
【００２１】
繊維状体をスペーサの所定の向きに配向させるには、例えば、バインダに繊維状体を混合した混合材を形成する。混合材を型成形する際に、型内の混合材を溶融した状態とし、混合材の厚さ方向に磁場を印加する。これにより、繊維状体は、繊維長さ方向が磁場方向と平行になるように配向する。そして、繊維状体が厚み方向に配向したスペーサを作製することができる。
【００２２】
正の線膨張係数をもつバインダに対する負の線膨張係数をもつ充填物との配合比（体積比）は、１〜４０体積％であることが好ましい。この場合には、スペーサの形状を維持しつつ、スペーサの線膨張係数を低く抑えることができる。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
図１は本実施例に係る組電池装置の正面図である。この組電池装置では、直方体形状をなす単電池セル１と、電気絶縁性樹脂製の板状のスペーサ２とが、これらの厚み方向に交互に６個ずつ積層されて積層体３を形成している。積層体３の両端には、樹脂製の拘束プレート４が配置され、拘束ロッド５によって単電池セル１とスペーサ２とが互いに密着するように加圧された状態で拘束されている。
【００２４】
図２に示すように、単電池セル１はリチウムイオン二次電池であり、極板、セパレータ、電解液などの電池要素がアルミニウム製の筐体１０内に収納されている。筐体１０の上部には、正極及び負極の一対の電極１１、１２が突出している。単電池セル１の筐体１０及びスペーサ２は６個の表面をもつ。筐体１０の表面のうち積層方向で相対する２つの表面１４，１５が、それぞれスペーサ２の表面２４，２５と対面している。単電池セル１の厚みは１４ｍｍである。
【００２５】
図３に示すように、スペーサ２は、シリコーンゴムからなるバインダ２１と、繊維状体２２とから形成されている。シリコーンゴムは、線膨張係数が２００ｐｐｍ／℃、熱伝導率５Ｗ／ｍＫである。繊維状体２２は、長さ０．２ｍｍの短い単繊維であり、高強度ポリエチレン繊維（東洋紡製「ダイニーマ」）を用いている。繊維状体２２はバインダ２１の中に均一に分散され、スペーサ２の厚み方向に配向している。高強度ポリエチレン繊維の線膨張係数は−１２ｐｐｍ／℃（−１２Ｅ−６ｍｍ／ｍｍ／℃）であり、結晶化度は９５％以上である。シリコーンゴムに対する高強度ポリエチレン繊維の配合比（体積比）は１５体積％である。
【００２６】
図２に示すように、スペーサ２の厚み方向の一方の表面２４は平坦面であり、他方の表面２５には空気流通用の多数の溝２０が形成されている。スペーサ２の厚みＴは３ｍｍであり、溝２０の深さＤは２ｍｍである。
【００２７】
スペーサ２を製造するにあたっては、シリコーンゴムと高強度ポリエチレン繊維とを混合して複合材とし、加熱してシリコーンゴムを溶融させる。この複合材を型に入れ、厚み方向に磁場を室温で１時間印加する。磁場の強度は８Ｔ（テスラ）である。繊維状体が厚み方向に配向した後に、複合材を冷却する。これにより、高強度ポリエチレン繊維が厚み方向に配向したスペーサ２が得られる。
【００２８】
（実施例２）
本例の組電池装置は、スペーサに含まれる繊維状体が配向していない点で、実施例１と相違する。スペーサでは、繊維状体がランダムな方向に配置され、均一に分散している。スペーサを製造するときには、シリコーンゴムと高強度ポリエチレンとからなる複合材を、磁場を印加することなく型成形する。その他は、実施例１と同様である。
【００２９】
（比較例１）
本比較例の組電池装置は、スペーサに繊維状体を含んでいない点が、実施例１と相違する。即ち、スペーサは、シリコーンゴムのみから形成されている。その他は、実施例１と同様である。
【００３０】
＜実験＞
実施例１、２及び比較例１のスペーサの線膨張係数を測定した。測定に供するスペーサの大きさは、縦１３０ｍｍ×横１３０ｍｍ×厚み１ｍｍとした。実施例１のスペーサは、縦方向に繊維状体を配向させた。標準温度２５℃のときのスペーサに縦方向に標線を記し、所定の温度の恒温槽に数時間入れた。恒温槽の温度は、−４０℃と９０℃である。その後、その標線の長さをスケールで測った。２５℃のときの標線の長さと、所定の温度のときの標線の長さとの差（伸び量ΔＬ）を求めた。この差を２５℃との温度差（ΔＴ）で除すことにより、線膨張係数を算出した。なお、線膨張係数の算出式は、伸び量ΔＬ／（２５℃のときの標線長さ×温度差ΔＴ）で表される。
【００３１】
測定したスペーサの線膨張係数を表１に示し、図５にはスペーサの伸び量ΔＬを示した。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
測定結果より、実施例１のスペーサが最も線膨張係数（伸び量）が少なく、比較例１が最も線膨張係数（伸び量）が大きくなった。実施例１、２のスペーサの線膨張係数が小さいのは、図３に示すように、バインダ２１の中に、負の線膨張係数をもつ繊維状体２２が含まれているためである。
【００３４】
また、実施例１のスペーサは、実施例２のスペーサよりも線膨張係数が小さかった。実施例１が実施例２よりも線膨張係数が小さいのは、実施例１の繊維状体２２が積層方向に配向しており、スペーサ２が繊維状体２２の配向方向に伸びにくくなったためである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１の組電池装置の正面図である。
【図２】実施例１の単電池セルとスペーサを示す説明図である。
【図３】実施例１の、プレートの伸縮方向を示す説明図である。
【図４】分子鎖のトランスジグザグ構造を示す説明図（ａ）、及び熱収縮した分子鎖を示す説明図（ｂ）。
【図５】実施例１、２及び比較例１のスペーサの伸び量と温度との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：単電池セル、２：スペーサ、３：積層体、４：拘束プレート、５：拘束ロッド、２０：溝、２１：バインダ、２２：繊維状体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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