(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層方向に積層された複数の電池セルと、
隣り合う前記電池セルの間に介在するスペーサとを備え、
前記スペーサは、前記積層方向に厚みを有する板状の形状を有する支持部を有し、
前記支持部は、前記積層方向に向く第一主面と第二主面とを有し、
前記スペーサはさらに、前記第一主面に設けられ前記第一主面から突出するリブ状の突出部を複数有し、
前記突出部は、間隔を空けて前記電池セルの高さ方向に並んで配置されており、
前記スペーサはさらに、前記第二主面に支持され、前記支持部よりも大きい熱膨張係数を有し、前記高さ方向における前記支持部の中央に配置された、板状の膨張部を有し、
前記膨張部は、２００℃以上の温度において前記積層方向における厚みが元の厚みに対して２倍以上になる材料で構成されており、
前記膨張部が前記支持部と隣の前記電池セルとの間に配置されることにより、前記高さ方向における前記膨張部の両側に隙間が形成され、
前記積層方向に見て、前記膨張部の面積は、前記電池セルの面積の２５％以上６７％以下である、電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケースを介して電極体に荷重を加える加圧部材を備える二次電池に関する技術が、たとえば特開２０１６−００４７２４号公報（特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−００４７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示される二次電池において、電池セルが発熱したとき、発熱した電池セルから加圧部材を介して、発熱した電池セルに隣接する電池セルへ熱が伝達されると、上記隣接する電池セルの性能が低下する可能性がある。
【０００５】
本開示では、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制できる電池スタックが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る電池スタックは、支持部と、膨張部と、電池セルとを備えている。膨張部は、支持部に支持されている。膨張部は、支持部よりも大きい熱膨張係数を有している。複数の電池セルは、支持部および膨張部を介して積層されている。複数の電池セルの積層方向に見て、膨張部の面積は、電池セルの面積の２５％以上６７％以下である。
【０００７】
上記電池スタックによると、電池セルが発熱した際に膨張部が熱膨張することにより、発熱した電池セルと、その電池セルに隣接する電池セルとの距離が大きくなる。これにより、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に従えば、発熱した電池セルに隣接する電池セルへの熱伝達を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に従う電池スタックの概略正面図である。
【図２】実施の形態に従うスペーサおよび膨張部の概略側面図である。
【図３】連鎖発熱試験の方法を示す概略図である。
【図４】隣接電池セルの温度と膨張部の面積との関係を示すグラフを示す図である。
【図５】過充電試験の方法を示す概略図である。
【図６】連鎖発熱試験および過充電試験の評価結果をまとめたグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて、実施の形態における電池スタックについて説明する。以下に示す実施の形態において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。
【００１１】
（構成）
図１は、実施の形態に従う電池スタック１の概略正面図である。図２は、実施の形態に従うスペーサ１３および膨張部１１の概略側面図である。図１および図２を参照して電池スタック１について説明する。
【００１２】
電池スタック１は、ハイブリッド自動車に搭載されている。電池スタック１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関とともに、ハイブリッド自動車の動力源とされている。別の例として、電池スタック１は、電気自動車または燃料電池自動車に搭載されている。
【００１３】
電池スタック１は、複数の電池セル１０と、スペーサ１３とを備えている。隣り合う電池セル１０の間に、スペーサ１３が介在している。図１，２中に図示された両矢印は、積層方向ＤＲ１と、上下方向ＤＲ２と、奥行方向ＤＲ３とを示している。
【００１４】
積層方向ＤＲ１は、電池セル１０が積層されている方向であり、図１においては図中の左右方向である。上下方向ＤＲ２は、電池セル１０の高さ方向であり、積層方向ＤＲ１と直交している。上下方向ＤＲ２は、図１においては図中の上下方向である。奥行方向ＤＲ３は、積層方向ＤＲ１および上下方向ＤＲ２に直交する方向であり、図２においては図中の左右方向である。
【００１５】
電池セル１０は、第一側面１０ａおよび第二側面１０ｂを含んでいる。第一側面１０ａおよび第二側面１０ｂは、積層方向ＤＲ１に向いている。第一側面１０ａは、電池セル１０の一方の側面であり、第二側面１０ｂは、電池セル１０の他方の面である。
【００１６】
スペーサ１３は、支持部１５、突出部１２、および膨張部１１を含んでいる。複数の電池セル１０は、支持部１５、突出部１２、および膨張部１１を介して、積層方向ＤＲ１に積層されている。
【００１７】
支持部１５は、積層方向ＤＲ１に厚みを有する板状の形状を有している。支持部１５は、第一主面１５ａおよび第二主面１５ｂを有している。第一主面１５ａは、支持部１５のうちの積層方向ＤＲ１に向く一方の面であり、第二主面１５ｂは、支持部１５のうちの積層方向ＤＲ１に向く他方の面である。第一主面１５ａおよび第二主面１５ｂは、平坦な平面である。
【００１８】
突出部１２は、支持部１５の第一主面１５ａに設けられている。突出部１２は、支持部１５の第一主面１５ａから突出しており電池セル１０の第二側面１０ｂに向けて延びている。突出部１２の先端は、第二側面１０ｂと接触している。積層方向ＤＲ１における、突出部１２の先端から支持部１５の第二主面１５ｂまでの長さは、たとえば１．９[ｍｍ]である。突出部１２は、間隔を空けて上下方向ＤＲ２に並んで配置されている。突出部１２は、奥行方向ＤＲ３に沿って延びるリブ状の形状を有している。
【００１９】
第二側面１０ｂ、突出部１２、および第一主面１５ａに囲われた領域には、冷却路１２ａが形成されている。図示しないファンから供給される空気が冷却路１２ａを通過することで、電池セル１０が冷却される。
【００２０】
膨張部１１は、支持部１５の第二主面１５ｂに支持されている。膨張部１１は、上下方向ＤＲ２における支持部１５の中央に配置されている。膨張部１１は、支持部１５の第二主面１５ｂから電池セル１０の第一側面１０ａに向かって突出している。膨張部１１は、板状の形状を有している。膨張部１１は、積層方向ＤＲ１に厚みを有している。膨張部１１の厚みは、たとえば１．５[ｍｍ]である。膨張部１１は、奥行方向ＤＲ３における電池セル１０の一方の端部から電池セル１０の他方の端部に亘って配置されている。膨張部１１は、突出面１１ａを有している。突出面１１ａは、第一側面１０ａと接触している。
【００２１】
膨張部１１は、支持部１５よりも大きい熱膨張係数を有している。膨張部１１には、たとえば無機繊維、アラミド繊維、ゴム、および膨張性黒鉛等を混合した材料が用いられている。膨張部１１は、２００[℃]以上の温度において、積層方向ＤＲ１における厚みが元の厚みに対して２倍以上になる材料で構成されている。
【００２２】
膨張部１１が、第二主面１５ｂと第一側面１０ａとの間に配置されることにより、隙間１４が形成される。隙間１４は、上下方向ＤＲ２における膨張部１１の両側に形成されている。図示しないファンから供給される空気が隙間１４を通過することで、電池セル１０が冷却される。
【００２３】
積層方向ＤＲ１に見て、膨張部１１の面積は、電池セル１０の面積の２５％以上６７％以下である。突出面１１ａの面積は、第二側面１０ｂの面積の２５％以上６７％以下である。以下、積層方向ＤＲ１に見た際の膨張部１１の面積を単に「膨張部１１の面積」、積層方向ＤＲ１に見た際の電池セル１０の面積を単に「電池セル１０の面積」と称する。
【００２４】
（作用効果）
図１に示す電池セル１０のうち、過剰に発熱した電池セル１０を発熱電池セル１０Ｃ、発熱電池セル１０Ｃの第一側面１０ａ側における隣の電池セル１０を第一電池セル１０Ｌ、発熱電池セル１０Ｃの第二側面１０ｂ側における隣の電池セル１０を第二電池セル１０Ｒと称して、作用効果について説明する。
【００２５】
まず、発熱電池セル１０Ｃから第一電池セル１０Ｌへの熱伝達について説明する。発熱電池セル１０Ｃから発せられた熱は、膨張部１１に伝達される。膨張部１１に熱伝達されることにより、膨張部１１が熱膨張し、膨張部１１の積層方向ＤＲ１における長さが大きくなる。これにより、支持部１５および突出部１２は、発熱電池セル１０Ｃから離れる方向に移動し第一電池セル１０Ｌを押圧する。突出部１２に押圧された第一電池セル１０Ｌは、発熱電池セル１０Ｃから離れる方向に移動する。発熱電池セル１０Ｃと第一電池セル１０Ｌとの距離が大きくなるので、発熱電池セル１０Ｃから第一電池セル１０Ｌへの熱伝達を抑制できる。
【００２６】
次に、発熱電池セル１０Ｃから第二電池セル１０Ｒへの熱伝達について説明する。発熱電池セル１０Ｃから発せられた熱は、支持部１５および突出部１２を介して膨張部１１に伝達される。これにより、膨張部１１が熱膨張し、膨張部１１の積層方向ＤＲ１における長さが大きくなる。熱膨張した膨張部１１に押圧された第二電池セル１０Ｒは、発熱電池セル１０Ｃから離れる方向に移動する。発熱電池セル１０Ｃと第二電池セル１０Ｒとの距離が大きくなるので、発熱電池セル１０Ｃから第二電池セル１０Ｒへの熱伝達を抑制できる。
【００２７】
上記のように、発熱電池セル１０Ｃに隣接する電池セル１０への熱伝達を抑制することで、発熱電池セル１０Ｃの発熱による連鎖的な発熱を抑制することができる。
【００２８】
支持部１５と第一側面１０ａとの間には、隙間１４が形成されている。隙間１４から放熱されることにより、電池セル１０の第一側面１０ａと支持部１５との間に熱がこもりにくくなるので、電池セル１０の過剰な発熱を抑制できる。したがって、スペーサ１３が融点に達することを抑制することができる。
【００２９】
（その他）
支持部１５は板状の形状に限られず、たとえば、枠状に構成されていてもよい。支持部１５が膨張部１１を支持する態様は、膨張部１１を支持部１５の主面へ取り付ける態様に限られず、たとえば、枠状の支持部または凹部を有する支持部１５に膨張部１１をはめ込む態様であってもよい。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例について説明する。積層方向に見た際の面積が異なる複数の膨張部を作製し、上記膨張部を用いて以下に示す試験を実施した。試験に用いた電池セルは、積層方向における寸法を２６．４[ｍｍ]、上下方向における寸法を９１[ｍｍ]、奥行方向における寸法を１４８[ｍｍ]とした（第一側面および第二側面の面積を１３４６８[ｍｍ２]とした）。電池セルの容量は、５０[Ａｈ]とした。電池セル内部の正極箔にはアルミニウムを使用し、その厚みは１２[μｍ]とした。電池セル内部の負極箔には銅を使用し、その厚みは１０[μｍ]とした。試験時の温度は、２５[℃]とした。電池セルの充電率（State Of Charge）は、１００％とした。
【００３１】
図３は、連鎖発熱試験の方法を示す概略図である。連鎖発熱試験では、直列に接続した７つの電池セルを積層させて電池スタックを形成し、電池セルのうちの１つを発熱させ、発熱した電池セル（発熱電池セル）に隣接する電池セル（隣接電池セル）の温度を評価した。電池セルの発熱方法として、所定の速度で徐々に釘を電池セルの内部に刺し込み、内部短絡を疑似的に発生させることにより電池セルを発熱させる方法を採用した。釘の径は３[ｍｍ]とし、釘の先端角度は３０[度]とした。釘の速度は１０[ｍｍ／ｓｅｃ]とした。
【００３２】
図４は、隣接電池セルの温度と膨張部の面積との関係を示すグラフを示す図である。図４中の横軸は膨張部の面積（単位：ｍｍ２）を、縦軸は隣接電池セルの温度（単位：℃）を示している。図４のグラフに示す実線は、連鎖発熱試験の評価結果に基づく近似曲線を示している。図４より、膨張部の面積が３４００[ｍｍ２]以上であれば、隣接電池セルが過剰に発熱せず、電池セルの発煙温度（電池セルが発煙し始める温度）である２５０[℃]に到達しないことがわかった。
【００３３】
膨張部１１の面積が、電池セル１０の面積の２５％（≒３４００[ｍｍ２]／１３４６８[ｍｍ２]）以上であることにより、支持部１５が膨張部１１に対して倒れ込むことを抑制できる。これにより、支持部１５と電池セル１０とが接触することによる熱伝達を抑制できる。したがって、発熱電池セルから隣接電池セルへの熱伝達を抑制できる。
【００３４】
図５は、過充電試験の方法を示す概略図である。電池セルを両側からスペーサを介して拘束板で挟み込んで試験を実施した。電池セルの寸法、電極箔および容量、ならびに試験時の温度の条件は、連鎖発熱試験と同じとした。充電率１００％（満充電）の電池セルに対して、１[Ｃ]で充電した。充電を終了するタイミングは、電池セルの電圧が満充電時の電池セルの電圧の１．５倍に達した後か、６０分経過した後とした。
【００３５】
上記過充電試験の結果、膨張部の面積が電池セルの面積の６７％よりも大きい場合に、電池セルが過剰に発熱し発熱することがわかった。膨張部が断熱材として機能し、電池セルから十分に放熱されないためである。
【００３６】
膨張部の面積を電池セルの面積の６７％以下とすることにより、電池セル１０と支持部１５との間に十分な大きさの隙間１４が形成され、電池セル１０の放熱性を確保することができる。したがって、電池セル１０の過剰な発熱を抑制することができる。
【００３７】
図６は、連鎖発熱試験および過充電試験の評価結果をまとめたグラフを示す図である。図６中の横軸は電池セルの奥行方向における寸法（単位：ｍｍ）を、縦軸は電池セルの上下方向における寸法（単位：ｍｍ）を示している。
【００３８】
膨張部の面積が電池セルの面積の２５％よりも小さい場合（図６中の領域Ｘ）、連鎖発熱試験の評価結果が不可（隣接電池セルから発熱）となり、膨張部の面積が電池セルの面積の６７％よりも大きい場合（図６中の領域Ｙ）、過充電試験の評価結果が不可（電池セルから発熱）となった。
【００３９】
膨張部１１の面積を電池セル１０の面積の２５％以上６７％以下（図６中の領域Ｚ）とすることにより、発熱電池セルの過剰な発熱を抑制した上で、発熱した電池セル１０に隣接する電池セル１０への熱伝達を抑制できることが示された。
【００４０】
今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
１  電池スタック、１０  電池セル、１０Ｃ  発熱電池セル、１０Ｌ  第一電池セル、１０Ｒ  第二電池セル、１０ａ  第一側面、１０ｂ  第二側面、１１  膨張部、１１ａ  突出面、１２  突出部、１２ａ  冷却路、１３  スペーサ、１４  隙間、１５  支持部、１５ａ  第一主面、１５ｂ  第二主面、ＤＲ１  積層方向、ＤＲ２  上下方向、ＤＲ３  奥行方向。
【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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