(57)【要約】【課題】充電の際のリチウムイオン電池の膨張を吸収し、構成部材の破損を未然に防止することができる蓄電装置を提供する。【解決手段】フレーム３１の内側にラミネート型電池２０と緩衝部材３２を重ねて保持した単位セル３０を積層し、上側エンドプレート４１および下側エンドプレート４２で単位セル３０を挟み、タイロッド４３で締め付けて緩衝部材３２を圧縮する。充電するとラミネート型電池２０の積層方向の寸法が増加し、緩衝部材３２がさらに圧縮されてタイロッド４３へ作用する応力を緩和する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラミネートフィルムにより蓄電素子を収容した複数のラミネート型電池を積層し、前記ラミネート型電池の間に、前記積層方向に変形する緩衝部材を設け、前記ラミネート型電池および緩衝部材を前記積層方向に拘束する拘束手段を設けた蓄電装置において、
前記ラミネート型電池は、膨張状態と前記積層方向の寸法が前記膨張状態よりも小さい収縮状態の２つの状態を可逆的にとるものであり、
前記緩衝部材の無負荷状態での前記積層方向の寸法は、前記ラミネート型電池の収縮状態において第１の変形量にて変形し、前記膨張状態において前記第１の変形量よりも大きい第２の変形量にて変形するように設定されていることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記ラミネート型電池の各々を内側に保持する枠状の保持部材を備え、
前記緩衝部材は、前記保持部材の内側に該保持部材の内周面に接触した状態で保持されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記保持部材は、第１の保持部材および第２の保持部材と、それら第１、第２の保持部材の間に設けられた第３の保持部材を備え、
前記第１の保持部材と前記第２の保持部材の積層方向外側にエンドプレートが設けられ、
前記エンドプレートと前記第１、第２の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池との間には第１の緩衝部材が設けられ、
前記第３の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池と前記第１、第２の保持部材の内側に保持される前記ラミネート型電池との間には第２の緩衝部材が設けられ、
前記第２の緩衝部材は前記第１の緩衝部材よりも積層方向の厚さが大きいことを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記緩衝部材は、無負荷状態において前記積層方向の一方向側において前記保持部材から突出し、前記積層方向の他方向側において前記保持部材に埋没していることを特徴とする請求項２または３に記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記蓄電素子に含まれる負極材はリチウムイオンと合金を形成する活物質を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池などの蓄電装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池を用いた蓄電装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この蓄電装置は、リチウムイオン電池を複数積層したもので、各リチウムイオン電池は、セパレータの両面に正極と負極を設けた蓄電素子を複数積層し、これをラミネートフィルムで包装して構成されている。
【０００３】
ここで、正極は、正極活物質としてのＬｉＭＯ２（Ｍは金属元素）とアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成され、負極は、負極活物質としての例えばＳｉとアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成される。また、セパレータには電解液とＬｉイオンが含浸される。そして、充電するとＳｉとＬｉの化合物が生成され、放電すると化合物から単体のＳｉに戻る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３８３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、本発明者等の検討によると、充電によりＳｉがＬｉと化合すると体積が増加し、リチウムイオン電池が積層方向に膨張することが判明している。このため、リチウムイオン電池を積層方向に固定しているタイロッドなどの構成部材に応力が作用し、これが繰り返されることによる構成部材の疲労破壊が懸念されている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、充電の際のリチウムイオン電池の膨張を吸収し、構成部材の破損を未然に防止することができる蓄電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ラミネートフィルムにより蓄電素子を収容した複数のラミネート型電池を積層し、ラミネート型電池の間に、積層方向に変形する緩衝部材を設け、ラミネート型電池および緩衝部材を積層方向に拘束する拘束手段を設けた蓄電装置において、ラミネート型電池は、膨張状態と積層方向の寸法が膨張状態よりも小さい収縮状態の２つの状態を可逆的にとるものであり、緩衝部材の無負荷状態での積層方向の寸法は、ラミネート型電池の収縮状態において第１の変形量にて変形し、膨張状態において第１の変形量よりも大きい第２の変形量にて変形するように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、ラミネート型電池の収縮状態において緩衝部材は少し変形し、膨張状態において緩衝部材は大きく変形する。したがって、収縮状態においてラミネート型電池の保持力を確保することができる。また、ラミネート型電池の膨張状態においては、拘束手段の拘束力に対する反力は緩衝部材の弾発力となるので、拘束手段に作用する応力を軽減することができる。
【０００９】
本発明においては、ラミネート型電池の各々を内側に保持する枠状の保持部材を備え、緩衝部材を、保持部材の内側に保持部材の内周面に接触した状態で保持させることができる。この態様では、緩衝部材の積層方向と直交する方向への変形が阻止されるので、緩衝部材によるラミネート型電池への加圧力を確保することができる。また、積層方向と直交する方向への変形による緩衝部材のへたりを抑制することができる。
【００１０】
ところで、積層したラミネート型電池のうち中程に位置するものでは、熱がこもり易いため高温となる。このため電解液等からガスが発生し易く、一端発生したガスは積層したラミネート型電池に封止される。このため、ラミネート型電池の積層方向の寸法が大きくなる。そこで、そのような事態に対応するために、以下の態様を採用することができる。
【００１１】
すなわち、保持部材は、第１の保持部材および第２の保持部材と、それら第１、第２の保持部材の間に設けられた第３の保持部材を備えることができる。また、第１の保持部材と第２の保持部材の積層方向外側にエンドプレートを設けることができる。さらに、エンドプレートと第１、第２の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池との間に第１の緩衝部材を設け、第３の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池と第１、第２の保持部材の内側に保持されるラミネート型電池との間に第２の緩衝部材を設けることができる。そして、第２の緩衝部材の積層方向の厚さを第１の緩衝部材の厚さよりも大きくする。このような態様によれば、中程のラミネート型電池変形量を多くとることができ、ラミネート型電池の膨張を吸収することができる。
【００１２】
緩衝部材は、無負荷状態において積層方向の一方向側において保持部材から突出し、積層方向の他方向側において保持部材に埋没している態様を採用することができる。この態様によれば、ラミネート型電池および緩衝部材を保持した保持部材を積層する際に、突出した緩衝部材を保持部材に挿入することで位置決めすることができる。
【００１３】
本発明は、蓄電素子に含まれる負極材はリチウムイオンと合金を形成する活物質を含む場合にその効果が発揮される。リチウムイオンと合金を形成する活物質としては、Ｓｉ、Ｓｎなどがある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、充電の際のリチウムイオン電池の膨張を吸収し、構成部材の破損を未然に防止することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における蓄電素子を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるラミネート型電池を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるラミネート型電池を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態における単位セルを示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態における単位セルを示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態の蓄電装置を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態の蓄電装置を示す側面図である。
【図８】本発明の実施形態の蓄電装置を示す斜視図である。
【図９】本発明の他の実施形態における単位セルを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．蓄電装置の構成
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は蓄電素子１０を示す断面図である。図１において符号１１はセパレータであり、セパレータ１１には電解液とリチウムイオンが含浸されている。セパレータ１１の片面には、正極１２が形成されている。正極１２は、ＬｉＭＯ２（Ｍは金属元素）とアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成されている。セパレータ１１の他面には、負極１３が形成されている。負極１３は、Ｓｉとアセチレンブラックとをバインダーで固めて構成されている。なお、図１において符号１４は正極集電箔であり、符号１５は負極集電箔である。
【００１７】
上記構成の蓄電素子１０はその厚さ方向に互いに積層され、正極集電箔１４は箔２２で正極集電端子２３に接続され、負極集電箔１５は箔２２で負極集電端子２４に接続されている。そして、積層された蓄電素子１０はラミネートフィルム２１で気密に包装され、ラミネートフィルム２１から正極集電端子２３と負極集電端子２４を突出させたラミネート型電池２０が構成されている。
【００１８】
図４および図５において符号３１はフレーム（保持部材）である。フレーム３１は、鉄、アルミニウム、ベークライト、合成樹脂等からなる矩形の枠体である。フレーム３１の内側には、ラミネート型電池２０が配置されている。ラミネート型電池２０は、４つの側面をフレーム３１の内周面に密着させ、正極集電端子２３と負極集電端子２４をフレーム３１の側面から突出させた状態でフレーム３１に保持されている。なお、図５において符号３１ａは、後述するタイロッドを通すための孔である。
【００１９】
図４に示すように、フレーム３１には、一対の緩衝部材３２がラミネート型電池２０を挟むようにして保持されている。緩衝部材３２は、スポンジ、ゴム、ウレタンなどの弾性変形可能な材料で構成され、その４つの側面はフレーム３１の内周面に密着させられている。また、緩衝部材３２の表面は、フレーム３１の表面から僅かに突出している。このように構成された単位セル３０は互いに積層され、図６〜図８に示す蓄電装置４０が構成される。
【００２０】
図６において符号４１は上側エンドプレート、符号４２は下側エンドプレートである。上側エンドプレート４１、下側エンドプレート４２、およびフレーム３１にはタイロット（拘束手段）４３が挿通され、タイロット４３の下端部に取り付けたナット４５によって締め付け固定されている。これにより、蓄電装置４０は、上下方向に変形しない剛体として構成されている。そして、緩衝部材３２は、タイロッド４３の締め付け力により積層方向へ弾性変形させられ、その表面はフレーム３１の表面と面一となる。なお、図中符号４４はバスバーである。バスバー４４は、フレーム３１から突出した正極集電端子２３と負極集電端子２４を接続している。
【００２１】
２．蓄電装置の作用
上記構成の蓄電装置４０において充電を行うと、負極１３に含まれる活物質のＳｉとＬｉとが化合し、負極１３の体積が増加する。これにより、ラミネート型電池２０の積層方向の寸法が増加する。この寸法増加により緩衝部材３２が収縮し、タイロッド４３には緩衝部材３２の収縮に対する弾発力が加えられる。したがって、緩衝部材３２のヤング率を適宜設定することにより、タイロッド４３に加わる力を許容範囲内とすることができ、タイロッド４３やフレーム３１の破損を未然に防止することができる。
【００２２】
蓄電装置４０において放電すると、ＳｉとＬｉの化合物から単体のＳｉに戻り、負極１３の寸法が元に戻る。これにより、緩衝部材３２の寸法も元に戻るが、その状態で緩衝部材３２は圧縮されており、中間のラミネート型電池２０を保持している。
【００２３】
特に、上記実施形態では緩衝部材３２の４つの側面をフレーム３１の内周面に密着させているので、緩衝部材３２の横方向への変形が阻止され、緩衝部材３２によるラミネート型電池２０への加圧力を確保することができる。また、横方向への変形による緩衝部材３２のへたりを抑制することができる。
【００２４】
３．他の実施形態
図９は本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態では、ラミネート型電池２０と緩衝部材３２がフレーム３１に対して上方へずれて配置されている。このような単位セル３０を積層するに際しては、突出している緩衝部材３２が隣接するフレーム３１に嵌合する。したがって、単位セル３０の位置決めを簡単に行うことができる。単位セル３０を積層した後、上側エンドプレート４１と下側エンドプレート４２とを単位セル３０の上下に配置し、タイロッド４３で締め付ける。これにより、ラミネート型電池２０と緩衝部材３２がフレーム３１の中に収まり、かつ、緩衝部材３２が圧縮される。蓄電装置４０が充電された場合には、前記実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００２５】
図６において、積層方向の中央部に位置する緩衝部材３２の厚さを他のものよりも厚くすることができる。これにより、熱がこもり易く高温となる中央部のラミネート型電池２０でガスが発生して積層方向の寸法が大きくなった場合であっても、その寸法増加を厚い緩衝部材３２で吸収することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明はリチウムイオン電池等を用いた蓄電装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  蓄電素子
１１  セパレータ
１２  正極
１３  負極
２１  ラミネートフィルム
２０  ラミネート型電池
３１  フレーム（保持部材）
３２  緩衝部材
３０  単位セル
４０  蓄電装置
４１  上側エンドプレート、
４２  下側エンドプレート
４３  タイロット（拘束手段）
４４  バスバー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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