(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接配置されるとともに互いの間に中間スペース（３）が形成された少なくとも２個のセル（１）からなるモジュール電池であって、
前記中間スペース（３）は前記セル（１）の温度調整を行うための多孔性を有する変形可能な補償材（４）で充填され、
前記補償材（４）は層状体であり、単一の前記層状体を使用して多数の前記セル（１）をそれぞれ少なくとも一定の領域ごとにジグザグ状に包囲していることを特徴とするモジュール電池。
【請求項２】
前記補償材（４）は伝熱面（５）を有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール電池。
【請求項３】
前記補償材（４）はエラストマー材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール電池。
【請求項４】
前記補償材（４）は発泡材を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【請求項５】
前記補償材（４）は不織布を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【請求項６】
前記補償材（４）は難燃性処理されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【請求項７】
前記補償材（４）は接着剤を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【請求項８】
前記補償材（４）は高吸収材料を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【請求項９】
前記補償材（４）は型押成形されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のモジュール電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに隣接配置されるとともに互いの間に中間スペースが形成された少なくとも２個のセルからなる電池、いわゆるモジュール電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型モジュール電池は複数の単電池から構成されている。これらは、通常ひとつのハウジング内に収納されており、場合によってはいわゆる「スタック」の形態で区分け構成されることもある。一般に、ハイブリッド自動車ないし電気自動車用の、または工業的利用、たとえば特に中間蓄電用のモジュール電池は２０個から数百個におよぶ単電池を含んでいる。
【０００３】
これらの単電池としては、円形セルまたは角柱セル（いずれも剛性ハウジングを有している）として形成されているものや、ハウジングが両面コーティングされた金属シートとして形成されているもの、いわゆる「コーヒーバッグ・セル」がある。モジュール電池内部の最適な空間利用を達成するためには、角柱セルないし「コーヒーバッグ・セル」が使用される。
【０００４】
大型モジュール電池は、高エネルギー量が蓄えられているため、機能障害発生時には常に安全上のリスク因子となりうる。以下の表には、自動車用モジュール電池タイプの代表的な電気パラメータが表形式で例示されている。
【０００５】
【表１】
0005390713.tif 000002
【０００６】
ここで、リチウム・モジュール電池はＮｉＭＨモジュール電池に比較して、エネルギー密度が高く、セパレータは薄く、可燃性電解質を有するだけではなく、高い電圧およびリチウムを有する点も考慮する、さらに問題が大きくなりうる。
【０００７】
またモジュール電池の耐久性を確保するために、さらに、モジュール電池内の温度はできるだけ一定に保たれなければならない。つまり、最大３Ｋまでの温度差が理想的であり、最大５Ｋの温度差を越えてはならない。
【０００８】
上記の角柱セルないし「コーヒーバッグ・セル」は省スペース組み付けが可能であることから、大きな単位体積当たりエネルギー量を実現することができる。ただし、そこのような好適な配置構造においては、一定温度を遵守することならびに打撃・衝撃強さを確保するという点において技術的な困難が生じる。
【０００９】
こうした問題に対処すべく、従来の技術では、シール材の注入が行われる。しかし、この対処方法は、シール材が非常に重く、ふつう２ｋｇ／ｌ以上の密度を有することから不都合を生じる。
【００１０】
加えて、シール材には２種の成分の架橋が必要とされるため、その製造には手間がかかることになりそのコストが増加する。さらに、電解質に関して高度な封止が実現されなければならない。その際、セルの吹き出しとの関連で「自由スペース」内に高圧が生じることがある。
【００１１】
シール材の熱膨張は電気接点に圧力を及ぼし、その結果として、接点が分離されるといった危険が生じる。これはモジュール電池の故障を引き起こす。
【００１２】
さらにまた、シール材がゆっくりと移動することも不利な点である。これは、２つの接点間にシール材が侵入するという望ましくない事象を起こすからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記実情に鑑み、本発明の目的は、製造が容易であるとともに、位置決めされると、当該材が長く保持されるように、セルをモジュール電池内に収容すべく構成したモジュール電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題は本発明により、請求項１に記載の特徴によって解決される。
【００１５】
この発明構成では、冒頭に述べた形式のモジュール電池において、上記中間スペースがセルの温度調整を行うための多孔性を有する変形可能な補償材で充填され、補償材は層状体として形成され、単一の層状体を使用して多数のセルをそれぞれ少なくとも一定の領域ごとにジグザグ状に包囲することを特徴としている。層状体は、不織布、紙、クロス、スクリムまたは編布として形成することが考えられる。
【００１６】
本発明によれば、モジュール電池のセル間に多孔性を有する変形可能な補償材を配置することにより、複数の好適な効果がもたらされることが見出された。つまり、補償材が柔軟性を有することから圧縮性を有することになり、これにより製造時の誤差を確実に補償（吸収）することができる。製造に際してセルが過度に強く圧迫され、損傷をこうむることも回避される。さらに、セル上端での電気的接続のフレキシビリティが容易に保証される。セル間に配置された補償材は、特に、機械的バッファとして機能する。これはモジュール電池に衝撃が加わる際、有利である。また、まさにリチウム・セルにおいては、電気化学プロセスの進行中に、いわゆる「コーヒーバッグ・セル」の柔軟な収容体（ハウジング）に伝達される体積仕事が生ずる。この場合、最大体積と最小体積との典型的な差の値は３〜５％である。この体積仕事は「コーヒーバッグ・セル」間に配置された補償材によって補償（吸収）可能である。さらに、多孔性を有する補償材を使用することにより、モジュール電池の故障発生時にセルから流出し得る電解質の吸収も可能となる。
【００１７】
先に述べた種々の問題点は以下のようにして解決される。
上記補償材が伝熱面を備えると、モジュール電池の良好かつ速やかな冷却ないし昇温を保証するのに有利となる。この場合、冷えたモジュール電池を速やかに使用温度にまで昇温させることができると好都合である。冷えたモジュール電池は適度に温まったモジュール電池ほどの性能を発揮しないために、温度が０℃以下であれば、モジュール電池を温めるのが好適である。これは比較的低い容量ならびに比較的わずかな調整可能な電流によって実現することができる。さらに、冷えたリチウム・モジュール電池を、特に高電流にて充電することはデンドライト形成の可能性を高めてしまう。デンドライトとは、微小短絡をもたらし得る導電性結晶成長を意味している。
【００１８】
セルの温度調整は複数の方法で行うことができる。２枚の金属製電極導出板を介して接触冷却を行うことが可能である。その際、電極を介してセルへの熱貫流が最も効果的に行われるために、好適な方法となる。さらに、電極はふつう剛的に結合されているために、接触による冷却を容易に行うことができる。
【００１９】
セルの封止シームを介して接触冷却を行うことも可能である。この方法も実際に行われているが、シートセルは両面が非伝熱ポリマーでコーティングされており、電極導出板もまたセル内において非伝熱セパレータ膜で包囲されているために、封止シームとセル内部とのインタフェースにおける熱貫流は、２枚の電極導出板の冷却による場合よりもわずかである。
【００２０】
セル面の接触冷却を行うことも可能であろう。ただし、この可能性はこれまで顧慮されてこなかった。というのも、このケースではシートを通して行われるセル内部への熱貫流が、電極導出板を経て行われる冷却の場合に比較して、１／１０〜１／１００に低下するからである。これはセル内部の層状構造と関連している。面状冷却の場合、熱は伝熱性電極と非伝熱性セパレータとの層構造を通して垂直に排熱されなければならない。加えて、セル面自体が、セルの体積仕事（充電されたセルは未充電のセルに比較して約５％も厚さが増加する）に起因して、不安定である。こうした点からして、熱的接触は困難である。ただし、まさにこの冷却方式の場合、下記の表に示したような重要な利点が生ずる。
【００２１】
【表２】
0005390713.tif 000003
【００２２】
上記の表から、電極冷却が最も不効率であることが明らかになる。これに対して、目下のところ最も利用率の低い面冷却は、実効冷却面積が大きいために、最も好適な総効果をもたらすことが認められる。
【００２３】
主たる熱量は、補償材への伝熱がなければ、セル表面で直接排熱されなければならないだろう。それゆえ、好ましくは、補償材として、高い復元力を有する高多孔性の弾性材料が使用される。またそのため、温度補償を実現する自由な対流が行われるようにすべく、セル間に最小隙間間隔が保証されなければならない。容量約４００ｍｌのコイルセルの場合、この間隔は好ましくは約５ｍｍである。
【００２４】
面冷却を機能し得るようにするための重要な前提条件は、セルとセル間に配置された補償材の間の良好な接触である。たとえば、補償材とセル表面の間にエアクッションがあるために機械的接触が存在しない場合には、冷却効果は劇的に低下する。補償材は、ｚ方向へのセルの膨張に追従することができなければならない。さらに、補償材の少なくともセルに対向した表面は、伝熱性を有していなければならない。補償材全体が伝熱性を有することは技術的に好ましいが、コスト面からすれば必ずしも最適ではない。それゆえ、柔軟で、可逆的な圧縮性を具え、無不可状態にて２０％以上の総空隙率を有し、少なくとも片側表面が伝熱性を備えた連続気泡材料が特に好ましい。この空隙率によって、セルの厚さ変化に追従可能なｚ方向の圧縮が許容される。また、可逆性によって、補償材はセルが再び薄くなる際のセル表面の運動に追従することができ、その結果、常にセル表面との間に機械的接触を維持することが可能となる。
【００２５】
上記の背景からして、特に、不織布は、伝熱性を有するテキスタイル材料またはシートと貼り合わされてもよい。不織布は炭素繊維または金属コーティングを有していてもよいであろう。これによって、不織布は伝熱性を確保することができる。これは卓越した熱伝導率と同時に柔軟性を供する。不織布全体が伝熱性を有するように形成されていてもよいであろう。これは、伝熱性を有する繊維、金属、グラファイト、炭素、カーボンナノチューブ、電解析出またはＣＶＤ蒸着によって達成された金属コーティングされた繊維、伝熱性を有する粒子、金属、セラミックとくにＡｌ２Ｏ３、ススとくに導電性カーボンブラック、グラフェンおよび／またはその他の導電性炭素修飾体によって達成可能である。不織布には、伝熱性を有する繊維ないし糸、特に金属繊維が組み込まれてもよい。ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリルニトリドまたはポリビニルアルコールからなるポリマー繊維も使用可能であろう。
【００２６】
特に「コーヒーバッグ・セル」では、伝熱性を有する不織布によってその全面にわたって均等な温度調整が可能である。こうした背景からして、不織布をＡｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ガラス、導電性カーボンブラック、グラファイトシート、アルミニウムシートまたは金属繊維で仕上げ加工することが考えられる。
【００２７】
補償材は、セルの温度調整を達成するために、加熱または冷却装置と接続してもよいであろう。加熱装置により、セルの能動加熱が可能となる。また、冷却装置を用いることにより、セルの能動的な冷却が可能となる。
【００２９】
補償材はエラストマー材料を含むまたはエラストマー層として形成されてもよい。２個のセルの間に複数の層を配置することも提案される。エラストマー材料は、セルを冷却、加熱するまたはその温度を一定に保つべく、伝熱性を有するように形成されるとよい。その際、エラストマー材料は、板チョコ構造と同様に、凹凸溝を有するような成形品として形成されると好適である。このエラストマー材料は「コーヒーバッグ・セル」のフレームとして機能することができる。
【００３０】
このような技術思想からの展開として、補償材が気泡材を含むようにまたは気泡材から製造されるようにすることも提案される。気泡材は連続気泡材であってよく、これによりガスの吹き出しを許容することができる。
【００３１】
補償材は不織布を含むまたは不織布から製造されることも好適である。モジュール電池を構成するセル間に不織布を配置することによって、複数の好適な効果がもたらされる。不織布が圧縮性を有することにより、製造時の誤差を確実に補償することができる。製造に際してセルが過度に強く圧迫されて、損傷をこうむることも回避される。さらに、セル上端での電気的接続の可撓性が容易に保証されるようになる。セル間に配置された不織布は、とりわけ、機械的バッファとして機能する。これはモジュール電池に衝撃が加わる際に特に有利である。また、特にリチウム・セルにおいては、電気化学プロセスの進行中に、いわゆる「コーヒーバッグ・セル」の柔軟なハウジングに伝達される体積仕事が生ずる。この場合、最大体積と最小体積との典型的な差の値は３〜５％である。この体積仕事は「コーヒーバッグ・セル」間に配置された不織布によって補償（吸収）可能である。さらに、不織布を使用することにより、モジュール電池の故障発生時にセルから流出し得る電解質の吸収が可能となる。こうした効果は、それによって滴下が生じないために、モジュール電池のリサイクルに際して特に有利となる。連続気泡タイプの不織布の使用により、さらに、モジュール電池の外部短絡に際して、電解質の速やかな放出ないし吹き出しが可能とされる。不織布とくに高い空隙率を有する不織布は低密度である。ポリマー密度が１．４ｋｇ／ｌのポリエステル不織布は、空隙率が５０％であれば、０．７ｋｇ／ｌの密度を有するにすぎない。
【００３２】
補償材は難燃性処理されてもよい。いわゆる「ファイヤーブロッカー」不織布はモジュール電池から生ずる火災を抑止するのに有利である。この種の火災は、短絡、過充電または機械的損傷に起因して生じ得る。さらに、難燃性処理された不織布は、外部からモジュール電池に作用する火炎からモジュール電池を保護することができる。
【００３３】
補償材に接着剤を含ませてもよい。特に、粘着性コンパウンド接着剤の塗設によって、不織布に容易に接着性を付与することができる。これによって、モジュール電池製造中に、不織布を容易に配置、固定することができる。こうした背景からして、ホットメルト接着剤を使用することも提案される。ホットメルト接着剤は加工が容易である。
【００３４】
補償材が高吸収材料（高吸水材料）を含むように構成してもよい。これによって、モジュール電池内部の湿度管理が可能となる。水と結合する特性を有する不織布の使用により、モジュール電池内部における凝縮液の発生を回避することができよう。これはモジュール電池ハウジング内に配置された不織布中の吸水物質または高吸水物質を利用して達成することができる。これはまた、水蒸気の吸収に関しても有用である。
【００３５】
補償材は型押成形された領域とくに深絞りされた領域を含んでいてよいであろう。これによって補償材の圧縮性の向上がもたらされる。型押形状を付与することにより、特に、適切な圧縮性を備えた不織布を創出することができる。型押形状は不織布の最適な圧縮性が実現されるような幾何的形状で形成されてもよい。
【００３６】
上述のモジュール電池は、車両とくに自動車、航空機および、モジュール電池を必要とするその他の移動用アプリケーションに使用することができる。さらに、上記モジュール電池を定置式アプリケーションに使用することも考えられる。
【００３７】
今や、本発明の理論を有利な形で実施しかつ発展させる多様な可能性が存在する。これについては、一方で従請求項の記載を、他方で以下に図面を参照して行われる本発明によるモジュール電池の好ましい実施例の説明を参照されたい。
【００３８】
以下では、図面を参照して行われる好ましい実施例の説明とともに、本発明の理論の一般に好ましい実施態様ならびに発展形態の説明も行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】左の図は、２個のセルからなるユニットの平面図であり、右の図は、セル間にセルの温度調整を行うための不織布が収容された２個のセルの側面図である。
【図２】左の図は、セル間に両面コーティングされた補償材が収容された３個のセルからなるユニットを示す図であり、右の図は、セル間に片面コーティングされた補償材が収容された３個のセルからなるユニットを示す図である。
【図３】セル間に補償材が収容されて、セル間に圧力センサと温度センサとが配置された２個のセルからなるユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１の左側の図は、電極導出板２が突き出した２個のセル１からなるモジュール電池構成ユニットの平面図を示している。右側の図には、双方のセル１の側面図が表されている。これらの図は、互いに隣接して配置され、セル間に中間スペース３が形成された少なくとも２個のセル１からなるモジュール電池を概略的に示している。中間スペース３は、セル１の温度調整を行うための多孔性を有する変形可能な補償材４で充填されている。
【００４１】
補償材４は、セル面との熱的接触をつくり出す伝熱面５を有している。双方向矢印は補償材４の圧縮方向を表している。
【００４２】
補償材４は不織布として形成されている。セル１は封止シーム６を有した「コーヒーバッグ・セル」として形成されている。
【００４３】
図２の左側の図は、伝熱面５で両面コーティングされた補償材４がセル間に配置された３個のセル１からなるユニットを示している。補償材４は、伝熱層を備えた不織布からなる本体４ａから構成されている。この伝熱層は不織布と貼り合わされており、かつ、アルミニウムシートとして形成されている。伝熱層を形成するために金属を使用することにより、補償材４の導電性が実現される。こうした伝熱・導電性は補償材４の全面にわたって一貫して保証されている。
【００４４】
図２の右側の図は、片面のみが伝熱面５でコーティングされた補償材４がセル間に配置された３個のセル１からなるユニットを示している。補償材４は、伝熱層を備えた不織布からなる本体４ａから構成されている。この伝熱層は不織布と貼り合わされており、かつ、アルミニウムシートとして形成されている。伝熱層を形成するために金属を使用することにより、補償材４の導電性が実現される。こうした伝熱・導電性は補償材４の全面にわたって一貫して保証されている。
【００４５】
図３は、補償材４がセル間に収容された２個のセル１からなるユニットを示している。補償材４内には圧力センサ７が収容されている。補償材４とセル１の間には温度センサ８が収容されている。補償材４への温度センサ８の組み入れによって、その場での温度測定とともに、速やかな温度調整が可能とされる。セル１間の中間スペース３内に圧力センサを組み入れることにより、さらなる安全監視が可能とされる。時間劣化もしくは不適切に過充電された「コーヒーバッグ・セル」は大幅な厚さの増加を示す。こうしたコーヒーバッグ・セルは「膨らんだ頬」に類似した状態を示す。これは中間スペース３内に圧力増加をもたらすことになるが、それは圧力センサによって検知可能である。
【００４６】
本発明のさらに別の有利な実施態様および発展形態については、本願明細書の一般的な記述及び本願明細書添付の特許請求の範囲を参照することによって明らかになる。
【００４７】
最後に、上述した実施の形態は本発明の原理のわかりやすい説明を目的としたものであり、本発明の範囲をこれらの実施形態に制限するものではないことを、ここで特に強調しておく。
【図１】
0005390713.tif 000004
【図２】
0005390713.tif 000005
【図３】
0005390713.tif 000006