(57)【要約】【課題】二次電池モジュールの放熱性を向上させる。【解決手段】複数の二次電池セルを有する二次電池モジュールであって、二次電池セルは、正極、セパレータ、負極を有する電極体が積層されて構成され、二次電池セルは、二次電池セル内および電極体の面内方向端部に緩衝材を有し、電極体の積層方向において、複数の二次電池セルを挟むエンドプレートと電極体の面内方向において、複数の二次電池セルを挟むサイドプレートと、エンドプレートおよびサイドプレートが配置されていない方向において、複数の二次電池セルを挟むトッププレートリブと、を有する二次電池モジュール。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池セルを有する二次電池モジュールであって、
前記二次電池セルは、正極、セパレータ、負極を有する電極体が積層されて構成され、
前記二次電池セルは、前記二次電池セル内および前記電極体の面内方向端部に緩衝材を有し、
前記電極体の積層方向において、前記複数の二次電池セルを挟むエンドプレートと
前記電極体の面内方向において、前記複数の二次電池セルを挟むサイドプレートと、
前記エンドプレートおよび前記サイドプレートが配置されていない方向において、前記複数の二次電池セルを挟むトッププレートリブと、を有する二次電池モジュール。
【請求項２】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記トッププレートは、トッププレートリブを有する二次電池モジュール。
【請求項３】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記二次電池モジュールは、隣接する二次電池モジュールに電気的に接続するための第一モジュールバスバおよび第二モジュールバスバを有し、
前記複数の二次電池セルは、電極端子を有し、
前記第一モジュールバスバおよび第二モジュールバスバは、前記電極端子が形成された面と同一平面に形成され、
前記第一モジュールバスバは、前記二次電池モジュールから突出しており、
前記第二モジュールバスバは、前記二次電池モジュール内に形成されている二次電池モジュール。
【請求項４】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記エンドプレートにエンドプレート開口部が形成され、
前記第一モジュールバスバは、前記エンドプレート開口部を貫通する二次電池モジュール。
【請求項５】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記サイドプレートおよび前記複数の二次電池の間に形成された回路基板と、を有する二次電池モジュール。
【請求項６】
請求項5の二次電池モジュールにおいて、
前記回路基板に回路基板凹みが形成されている二次電池モジュール。
【請求項７】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記サイドプレートにサイドプレート開口部が形成されている二次電池モジュール。
【請求項８】
請求項1の二次電池モジュールにおいて、
前記複数の二次電池を電気的に接続する複数のセルバスバを有し、
前記第一モジュールバスバは、前記複数のセルバスバの間に形成されている二次電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池モジュールに関する技術として、特許文献1には以下の内容が開示されている。複数のバッテリーセルと、バッテリーセルを収容するように一端部が開放されたケースフレームと、ケースフレームの開放された一端部に組み立てられる仕上げプレートと、を備え、ケースフレームは、バッテリーセルの配列方向に沿ってバッテリーセルの両側面を覆うように延びる一対のサイドプレートと、一対のサイドプレートの間に閉鎖された他端部を形成するエンドプレートと、を備え、対をなすサイドプレート及びエンドプレートは一体に形成されるバッテリーパック。これにより、２つ以上複数のバッテリーセルを組み立ててモジュール化させる過程で、組み立て工程を容易に行わせながらも十分な結合強度を発揮するように結合構造の改善されたバッテリーパックが提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2015-046379号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献1ではバッテリーセルがプレートに挟まれている。プレートからの面圧によってバッテリーセルが変形する場合がある。バッテリーセルの変形により、バッテリーセルとプレートとの接触面積が減少し、バッテリーセルからプレートや外部への放熱路の確保が難しくなる。特許文献1では、プレートからの面圧によってバッテリーセルが変形することによるバッテリーセルとプレートとの接触面積に関する言及がなく、特許文献1の構成では二次電池モジュールの放熱性を向上させることは難しい。
【０００５】
本発明は、二次電池モジュールの放熱性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
【０００７】
複数の二次電池セルを有する二次電池モジュールであって、二次電池セルは、正極、セパレータ、負極を有する電極体が積層されて構成され、二次電池セルは、二次電池セル内および電極体の面内方向端部に緩衝材を有し、電極体の積層方向において、複数の二次電池セルを挟むエンドプレートと電極体の面内方向において、複数の二次電池セルを挟むサイドプレートと、エンドプレートおよびサイドプレートが配置されていない方向において、複数の二次電池セルを挟むトッププレートリブと、を有する二次電池モジュール。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、二次電池モジュールの放熱性を向上できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】二次電池モジュールの外観図
【図２】二次電池モジュールの分解図
【図３】二次電池モジュールの部分拡大図
【図４】二次電池モジュールの部分拡大図
【図５】二次電池セルの外観図
【図６】二次電池セルの分解図
【図７】二次電池セルの外観図
【図８】二次電池セルの外観図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１１】
本明細書に記載される「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用する。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的に記載されている上限値又は下限値に置き換えてもよい。本明細書に記載される数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。
【００１２】
本明細書では、二次電池セルとしてリチウムイオン二次電池を例にして説明する。リチウムイオン二次電池とは、電解質中における電極へのリチウムイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵または利用可能とする電気化学デバイスである。これは、リチウムイオン電池、非水電解質二次電池、非水電解液二次電池の別の名称で呼ばれており、いずれの電池も本発明の対象である。本発明の技術的思想は、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウムイオン二次電池、亜鉛二次電池、アルミニウムイオン二次電池などに対しても適用できる。
【実施例１】
【００１３】
図1は、二次電池モジュールの外観図である。図2は、二次電池モジュールの分解図である。二次電池モジュール2000は、複数の二次電池セル1000、複数のセルバスバ600、二つのエンドプレート2100、二つのサイドプレート2200、回路基板2300、第一モジュールバスバ2400、第二モジュールバスバ2450、トッププレート2500を有する。複数の二次電池セル1000に対してエンドプレート2100が配置されている方向をx軸方向、複数の二次電池セル1000に対してサイドプレート2200が配置されている方向をy軸方向、xy平面の垂線方向をz軸方向とする。
【００１４】
エンドプレート2100は、x軸方向（電極体400の積層方向）において複数の二次電池セル1000に面圧を付加する。エンドプレート2100は、セルバスバ600が配置されていない面に配置されている。エンドプレート2100によって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。複数の二次電池セル1000を確実に固縛できるように、yz平面においてエンドプレート2100は複数の二次電池セル1000よりも大きく、二次電池セル1000の全面にわたって形成することが望ましい。
【００１５】
エンドプレート2100には、第一モジュールバスバ2400が貫通できる空間が形成されている。図2では、エンドプレート2100にエンドプレート開口部2110が形成されている。yz平面において、エンドプレート開口部2110は第一モジュールバスバ2400より大きくなっており、エンドプレート開口部2110は、第一モジュールバスバ2400がエンドプレート2100を貫通できる程度の大きさになっている。エンドプレート2100は、ステンレスなどの鋼材、鉄、アルミなどの材料で作製される。
【００１６】
サイドプレート2200は、y軸方向（電極体400の面内方向）において複数の二次電池セル1000に面圧を付加する。サイドプレート2200は、セルバスバ600が配置されている面に配置されている。サイドプレート2200によって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。サイドプレート2200が二つのエンドプレート2100にネジ止めされることで、二つのエンドプレート2100はサイドプレート2200に保持される。サイドプレート2200とエンドプレート2100とのネジ止めの方向がエンドプレート2100による複数の二次電池セル1000の固縛の方向と同じになっているため、二次電池モジュール2000の剛性を高められる。また、サイドプレート2200の厚さとエンドプレート2100の厚さをほぼ同じにできるので、二次電池モジュール2000の剛性を高められる。サイドプレート2200は、ステンレスなどの鋼材、鉄、アルミなどの材料で作製される。
【００１７】
トッププレート2500は、z軸方向（エンドプレート2100およびサイドプレート2200が配置されていない方向）において複数の二次電池セル1000に面圧を付加する。トッププレート2500は、セルバスバ600が配置されていない面に配置されている。エンドプレート2100によって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。トッププレート2500よって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。トッププレート2500は、複数の二次電池セル1000のz軸方向上面に配置されている。トッププレート2500は、トッププレートリブ2510を有する。トッププレートリブ2510によって、トッププレート2500の曲げ剛性を向上できる。
【００１８】
回路基板2300は、y軸方向においてサイドプレート2200および二次電池セル1000の間に形成されている。回路基板2300には、コンバータ装置、インバータ装置、抵抗器などが配置される。y軸方向において、回路基板2300をサイドプレート2200および二次電池セル1000の間に形成することで、二次電池モジュール2000をコンパクトにできる。
【００１９】
x軸方向における回路基板2300の両端部には、回路基板凹み2310が形成されている。回路基板凹み2310により、第一モジュールバスバ2400と回路基板2300との干渉を防止している。図2では、回路基板2300の両端部に回路基板凹み2310が形成されているが、回路基板2300の片端部のみに回路基板凹み2310が形成されていてもよい。
【００２０】
図3は、二次電池モジュールの部分拡大図である。隣接する二次電池セル1000を電気的に直列に接続するために、二次電池セル1000のy軸方向側にはセルバスバ600が形成されている。二次電池モジュール2000のx軸方向両端には第一モジュールバスバ2400および第二モジュールバスバ2450が形成されている。
【００２１】
第一モジュールバスバ2400は、x軸方向においてエンドプレート2100より突出しており、第二モジュールバスバ2450はx軸方向においてエンドプレート2100内に形成されている。隣接する二次電池モジュール2000において、一方の第一モジュールバスバ2400と他方の第二モジュールバスバ2450が接続されることにより、隣接する二次電池モジュール2000は電気的に直列に接続される。セルバスバ600、第一モジュールバスバ2400、および第二モジュールバスバ2450が同一平面に形成されている。これにより、二次電池モジュール2000内の無駄なスペースが削減され、二次電池モジュール2000のエネルギー密度を向上できる。第一モジュールバスバ2400および第二モジュールバスバ2450の材質として、銅、アルミなどの電気伝導率が比較的よい材料を適用できる。
【００２２】
y軸方向において、第一モジュールバスバ2400はセルバスバ600に比べて突出している。y軸方向において、第一モジュールバスバ2400はセルバスバ600と同一平面に形成されていてもよい。その場合、第二モジュールバスバ2450をなくして、第一モジュールバスバ2400をセルバスバ600と接続して、隣接する二次電池モジュール2000を電気的に直列に接続してもよい。この場合、x軸方向端部に形成されたセルバスバ600が第二モジュールバスバ2450となる。
【００２３】
二次電池セル1000は、電極端子を有する。二次電池セル1000中の電極端子は二次電池セル1000のz軸方向両端に形成されており、電極端子の形成箇所に合わせて、セルバスバ600も二次電池セル1000のz軸方向両端に形成されている。第一モジュールバスバ2400は、z軸におけるサイドプレート2200およびエンドプレート2100をネジ止めするネジの間、セルバスバ600の間に形成されている。第二モジュールバスバ2450はz軸におけるセルバスバ600の上部に形成されている。セルバスバ600をz軸方向の一方方向に偏らせて配置させてもよい。z軸方向において、セルバスバ600の間に第一モジュールバスバ2400を形成することにより、二次電池モジュール2000の信頼性を向上できる。
【００２４】
セルバスバ600は電極端子に電気的に接続されている。セルバスバ600は複数の二次電池セル1000を電気的に接続する。セルバスバ600の材質として、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を適用できる。
【００２５】
図4は、二次電池モジュールの部分拡大図である。図4は、二次電池モジュール2000をx軸方向から見た図である。エンドプレートネジ2120によって、サイドプレート2200とエンドプレート2100とが締結されている。トッププレートネジ2520によって、トッププレート2500、エンドプレート2100、および車体のシャシー3000が締結されている。よって、二次電池モジュール2000を車体に固定できる。シャシー3000の代わりに二次電池モジュール2000を収容する二次電池パックケースを用いてもよい。
【００２６】
二次電池セル1000は、電極体400および外装体500を有する。二次電池セル1000の外装体500の材質がポリオレフィン等の柔らかい材料であった場合、エンドプレートネジ2120やサイドプレート2200等によって、二次電池セル1000に面圧を付加すると、二次電池セル1000が変形し、二次電池セル1000とシャシー3000との接触面積が減少し、二次電池セル1000からシャシー3000や外部への放熱路の確保が難しくなる。
【００２７】
図4では、二次電池セル1000内および電極体400およびシャシー3000の間（電極体400の面内方向端部）に緩衝材700が形成されている。緩衝材700の形成により、二次電池セル1000をz軸方向に固縛する際、緩衝材700が変形することで、電極体400への過度な負荷を緩和し、電極体400の損傷を防ぐことができる。また、緩衝材700を介して、電極体400で発生した熱が、シャシー3000側へ伝わり易くなり、二次電池セル1000の放熱性が向上する。緩衝材700の材質として、例えば、シリコンゲル等を適用できる。
【００２８】
図5は、二次電池セルの外観図である。図6は、二次電池セルの分解図である。図7、図8は、二次電池セルの外観図である。二次電池セル1000は、正極100（電極）、負極200（電極）、正極端子150（電極端子）、負極端子250（電極端子）、セパレータ300、外装体500、緩衝材700を有する。図6のように、正極100、負極200、セパレータ300が積層されている方向がx軸方向、電極端子が形成されている方向がy軸方向、xy平面の垂線方向がz軸方向、となる。
【００２９】
正極100は、正極合剤層110（電極合剤層）、正極集電体120、および正極タブ130（電極タブ）を有する。正極集電体120（電極集電体）の両面に正極合剤層110が形成されている。負極200、負極合剤層210（電極合剤層）、負極集電体220（電極集電体）、および負極タブ230（電極タブ）を有する。負極集電体220の両面に負極合剤層210が形成されている。
【００３０】
正極100、セパレータ300、負極200が積層されて電極体400が構成される。二次電池セル1000は、複数の電極体400が積層されて構成される。正極タブ130同士および負極タブ230が接続されることで、二次電池セル1000中で電気的な並列接続が構成される。図5の二次電池セル1000は積層型の二次電池であるが、捲回円筒型の二次電池、捲回角型の二次電池を適用してもよい。
【００３１】
＜電極合剤層＞
正極合剤層110は、Liの吸蔵・放出が可能な正極活物質を有する。正極活物質としては、LiCo系酸化物、LiNi系複合酸化物、LiMn系複合酸化物な、Li-Co-Ni-Mn複合酸化物、LiFeP系酸化物などが上げられる。負極合剤層210は、Liの吸蔵・放出が可能な負極活物質を有する。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Si金属やSi合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。
【００３２】
電極合剤層中に、電極合剤層内の電子伝導性を担う正極導電剤や、電極合剤層内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには電極合剤層内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。
【００３３】
電極合剤層の作製方法は、例えば以下の通りである。まず、電極合剤層に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを電極集電体上に塗工する。塗工方法として、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などが挙げられる。次に、溶媒を除去するために電極集電体上に塗工された電極合剤層を乾燥させる。次に、電極合剤層内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するために電極合剤層をプレスする。
【００３４】
＜電極集電体、電極タブ＞
電極集電体は電極タブと電気的に接続されている。電極タブは電極集電体の側面に導出されている。図6において、電極タブには電極合剤層が形成されていない。ただし、電池性能に悪影響を与えない範囲で電極タブに電極合剤層を形成してもよい。
【００３５】
正極集電体120および正極タブ130には、アルミニウム箔、孔径0.1mm〜10mmのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などを適用できる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなどを適用できる。
【００３６】
負極集電体220および負極タブ230には、銅箔、孔径0.1mm〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられる。材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなどを適用できる。
【００３７】
電極集電体および電極タブの厚さは、10nm〜1mmであることが望ましい。二次電池セル1000のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から1μm〜100μm程度が望ましい。
【００３８】
＜セパレータ300＞
セパレータ300は、正極100と負極200との間に形成され、二次電池セル1000がリチウムイオン二次電池の場合リチウムイオンを透過させ、正極100と負極200の短絡を防止する。セパレータ300を構成する材料として、微多孔膜や固体電解質等を利用できる。
【００３９】
微多孔膜として、ポリエチレンやポリプロピレンといったポリオレフィンやガラス繊維などを利用できる。セパレータ300に微多孔膜が用いられる場合、複数の電極体400を収納する外装体500の空いている1辺や注液孔から二次電池セル1000に電解液を注入することで、二次電池セル1000中に電解液が充填される。
【００４０】
電解液は、例えば溶媒及びリチウム塩を有し、正極100と負極200の間でリチウムイオンの伝達させる媒体となる。溶媒として、エチレンカーボネート（EC）、ジメチルカーボネート（DMC）、ジエチルカーボネート（DEC）、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン等を用いることができる。こられの材料を単独または複数組み合わせて使用してもよい。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、リチウムビスオキサレートボラート（LiBOB）、リチウムイミド塩（例えば、リチウムビス（フルオロスルホニル）イミド、LiFSI）等を好ましく用いることができる。これらのリチウム塩を単独または複数組み合わせて使用してもよい。
【００４１】
固体電解質として、Li10Ge2PS12、Li2S-P2S5などの硫化物系、Li-La-Zr-Oなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させた半固体電解質、高分子ゲルを電解質としたゲル電解質等を利用できる。セパレータ300として固体電解質を用いた場合、固体電解質が正極100と負極200の間にリチウムイオンの伝達させる媒体となり、上記の電解液は基本不要となるため、二次電池セル1000中で電気的な直列接続を構成できる。ただし、二次電池セル1000中での電気的な短絡を防止できるのであれば、セパレータ300として固体電解質を用いた場合でも二次電池セル1000中に電解液を添加してもよい。
【００４２】
セパレータ300は、シートとして正極100と負極200との間に形成してもよいし、電極合剤層の上に塗布により形成してもよい。電極合剤層の両面にセパレータ300を形成してもよく、正極100と負極200との間にセパレータ300が形成されれば、電極合剤層の片面にセパレータ300が形成されていてもよい。セパレータ300の厚さは二次電池セル1000のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数nm〜数mmのサイズとなる。
【００４３】
＜電極端子＞
電極端子は電極タブと電気的に接続される。正極端子150および負極端子250の材質として、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレスなどの金属を適用できる。   
＜外装体500＞
外装体500は、電極、セパレータ300、電極端子を収納する。電極端子をセルバスバ600に電気的に接続させるために、外装体500の電極端子が形成されている面では、電極端子を露出させるように外装体500に開口部が形成されている。外装体500の材質として、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル（PET）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、ポリビニリデンフルオライド（PVDF）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（PFA）、シリコーン、エチレンプロピレン（EP）ゴム、ネオプレンゴム等の柔らかい材料を適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
100 正極、110 正極合剤層、120 正極集電体、130 正極タブ、150 正極端子
200 負極、210 負極合剤層、220 負極集電体、230 負極タブ、250 負極端子
300 セパレータ
400 電極体
500 外装体
600 セルバスバ
700 緩衝材
1000 二次電池セル
2000 二次電池モジュール
2100 エンドプレート、2110 エンドプレート開口部、2120 エンドプレートネジ
2200 サイドプレート
2300 回路基板、2310 回路基板凹み
2400 第一モジュールバスバ、2450 第二モジュールバスバ
2500 トッププレート、2510 トッププレートリブ、2520 トッププレートネジ
3000 シャシー
【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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