(57)【要約】【課題】二次電池モジュールの短絡を防止する。【解決手段】複数の二次電池セルと、複数の二次電池セルを電気的に接続する複数のセルバスバと、を有する二次電モジュールであって、複数の二次電池セルが積層されている方向をx軸方向、複数の二次電池セルに対して複数のセルバスバ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軸方向としたとき、x軸方向において、二次電モジュールの端面に形成されたサイドプレートと、二次電モジュール同士を接続するモジュールバスバと、を有し、x軸方向から見たとき、モジュールバスバは複数の二次電池セルから突出しており、サイドプレートおよびモジュールバスバの複数の二次電池セルから突出している部分の間において、サイドプレートまたはモジュールバスバを絶縁する絶縁部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と、
前記複数の二次電池セルを電気的に接続する複数のセルバスバと、を有する二次電モジュールであって、
前記複数の二次電池セルが積層されている方向をx軸方向、
前記複数の二次電池セルに対して前記複数のセルバスバ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軸方向としたとき、
x軸方向において、前記二次電モジュールの端面に形成されたサイドプレートと、
前記二次電モジュール同士を接続するモジュールバスバと、を有し、
x軸方向から見たとき、前記モジュールバスバは前記複数の二次電池セルから突出しており、
前記サイドプレートおよび前記モジュールバスバの前記複数の二次電池セルから突出している部分の間において、前記サイドプレートまたは前記モジュールバスバを絶縁する絶縁部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、
前記絶縁部は、x軸方向から見たとき前記モジュールバスバが露出するサイドプレート凹部であ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、
前記絶縁部は、前記サイドプレートおよび前記モジュールバスバの前記複数の二次電池セルから突出している部分の間に形成された絶縁樹脂であ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、
前記絶縁部は、前記サイドプレートまたは前記モジュールバスバの表面に形成された絶縁体であ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、
y軸方向において、前記複数の二次電池セルの上に形成された回路基板と、
前記回路基板は、前記モジュールバスバが貫通する回路基板開口部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、
前記回路基板および前記サイドプレートをねじ止めする回路基板ネジを有し、
前記回路基板ネジの表面に絶縁性材料が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。バスバー30〜32が接続される端子本体122を含む電極部12a及び12bを有する単セル10a〜10dとしての非水電解質二次電池10と、単セル10a〜10dの蓋部12の主面12xに配置されるバスバーホルダー20を備え、バスバーホルダー20を構成するホルダー本体20a及び20bは、主面12xとの対向面である裏面21bに、前記表面の起伏である回り止め123に対応した凹部25を有する、電源モジュール1。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2015-49951号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属製平板のバスバーにおける突出部を金属製のエンドプレートに対して近い位置に形成した場合、電源モジュールへの衝撃によりバスバーが変形し、バスバーとエンドプレートとの接触により短絡が発生する可能性がある。特許文献1には、バスバーとエンドプレートとの短絡に関する言及はない。
【０００５】
本発明は、二次電池モジュールの短絡を防止す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と、複数の二次電池セルを電気的に接続する複数のセルバスバと、を有する二次電モジュールであって、複数の二次電池セルが積層されている方向をx軸方向、複数の二次電池セルに対して複数のセルバスバ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軸方向としたとき、x軸方向において、二次電モジュールの端面に形成されたサイドプレートと、二次電モジュール同士を接続するモジュールバスバと、を有し、x軸方向から見たとき、モジュールバスバは複数の二次電池セルから突出しており、サイドプレートおよびモジュールバスバの複数の二次電池セルから突出している部分の間において、サイドプレートまたはモジュールバスバを絶縁する絶縁部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短絡を防止できる。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】二次電池セルの外観図。
【図５】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。図3は、二次電池モジュールの部分拡大図である。二次電池モジュール2000は、セルバスバ600、絶縁カバー610、複数の二次電池セル1000、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、モジュールバスバ2400、トッププレート2500を有する。複数の二次電池セル1000に対してサイドプレート2200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に対してエンドプレート2100および回路基板2300が配置されている方向をy軸方向、xy平面の垂線方向（複数の二次電池セル1000に対してトッププレート2500が配置されている方向）をz軸方向とする。
【００１４】
＜セルバスバ600＞
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。セルバスバ600は、二次電池セル1000中の電極端子に電気的に接続されている。セルバスバ600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。
【００１５】
絶縁カバー610は、セルバスバ600同士が電気的に接触しないために設けられている。絶縁カバー610は、二次電池セル1000表面に固定され、セルバスバ600と二次電池セル1000との間を覆うような形状である。y軸方向における絶縁カバー610の厚みは、y軸方向におけるセルバスバ600の厚みより大きい。これにより、セルバスバ600同士の電気的な接触をより防止できる。絶縁カバー610の材質として、ポリエチレン等の絶縁樹脂等を適用できる。
【００１６】
＜絶縁カバー610＞
絶縁カバー610は、絶縁カバー凹部615を有する。y軸方向から見た際、絶縁カバー凹部615には絶縁樹脂等が形成されていない。絶縁カバー凹部615により、絶縁カバー610は、セルバスバ600に嵌め合うように配置できる。また、絶縁カバー凹部615により、モジュールバスバ2400をy軸方向に突出させることができる。y軸方向から見た際、隣接する絶縁カバー610二つを合わせた絶縁カバー凹部615の大きさは各セルバスバ600の大きさとほぼ同じになっているが、各セルバスバ600の大きさよりも大きくしてもよい。
【００１７】
＜エンドプレート2100＞
エンドプレート2100は、y軸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によって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。絶縁カバー610の近い方に設けられているエンドプレート2100のxz平面における面積は、モジュールバスバ2400が回路基板2300を貫通できるように、xz平面における複数の二次電池セル1000の面積よりも小さくなっている。エンドプレート2100に開口部を設けて、その開口部にモジュールバスバ2400を貫通させてもよい。絶縁カバー610の遠い方に設けられているエンドプレート2100のxz平面における面積は、複数の二次電池セル1000に面圧を付加できるように、xz平面における複数の二次電池セル1000の面積よりと同じか大きくなっている。エンドプレート2100の材質として、ステンレスなどの鋼材、鉄、アルミなどを適用できる。
【００１８】
＜サイドプレート2200＞
サイドプレート2200は、x軸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の材質として、ステンレスなどの鋼材、鉄、アルミ等を適用できる。
【００１９】
サイドプレート2200は、z軸方向における両端部にサイドプレート凹部2210を有する。サイドプレート凹部2210により、モジュールバスバ2400とサイドプレート2200間との電気的な接触が防止される。図1〜図3では、サイドプレート凹部2210は、サイドプレート2200のz軸方向両端部に形成されているが、セルバスバ600が形成されている側のみにサイドプレート凹部2210が形成されていてもよい。
【００２０】
サイドプレート2200は、z軸方向における中央部にサイドプレート凸部2220を有する。y軸方向において、サイドプレート凸部2220は、エンドプレート2100にねじ止めされている。
【００２１】
＜回路基板2300＞
回路基板2300は、回路基板2300と複数の二次電池セル1000でエンドプレート2100を挟むように配置されている。換言すれば、エンドプレート2100において複数の二次電池セル1000が配置されている側とは反対側に回路基板2300が配置されている。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。
【００２２】
y軸方向において、回路基板2300は、回路基板ネジ2320によってサイドプレート2200にねじ止めされている。回路基板ネジ2320の表面に絶縁性材料が形成されていることが望ましい。具体的には、回路基板ネジ2320の表面を絶縁処理するか、回路基板ネジ2320としてプラスチック等の絶縁性の材料を用いることが望ましい。これにより、回路基板ネジ2320とサイドプレート2200との短絡を防止できる。回路基板ネジ2320の表面を絶縁処理する方法として、回路基板ネジ2320の表面を例えば外装体500に用いられる熱収縮チューブのように樹脂で囲む等がある。
【００２３】
回路基板2300は、回路基板開口部2310を有する。xy平面において、回路基板開口部2310はモジュールバスバ2400同じか大きくなっており、回路基板開口部2310は、モジュールバスバ2400が回路基板2300を貫通できる大きさになっている。
【００２４】
＜モジュールバスバ2400＞
二次電池モジュール2000のx軸方向両端にはモジュールバスバ2400が形成されている。モジュールバスバ2400はy軸方向において回路基板2300より突出している。隣接する二次電池モジュール2000において、一方のモジュールバスバ2400と他方のモジュールバスバ2400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は電気的に直列または並列に接続される。セルバスバ600、モジュールバスバ2400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。モジュールバスバ2400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。
【００２５】
＜トッププレート2500＞
トッププレート2500は、z軸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およびシャーシ3000（土台）によって、複数の二次電池セル1000は固縛されている。z軸方向において、トッププレート2500は、サイドプレート2200にねじ止めされている。トッププレート2500の材質として、サイドプレートやエンドプレートと同様の材質(例えば、SUSやアルミ)等を適用できる。
【００２６】
モジュールバスバ2400が、二次電池セル1000のセルバスバ600が配置されている方向に、複数の二次電池セル1000より、特に、回路基板2300より突出して形成されていることにより、二次電池セル1000の面積が小さい面であるxz平面に二次電池モジュール2000の体積エネルギー密度向上に寄与しない空間が生まれる。これにより、二次電池セル1000の面積が大きい面であるyz平面に二次電池モジュール2000の体積エネルギー密度向上に寄与しない空間が生まれる場合に対して、二次電池モジュール2000の体積エネルギー密度を向上できる。モジュールバスバ2400を回路基板2300から突出させた場合、サイドプレート2200が金属製であれば、モジュールバスバ2400とサイドプレート2200との接触により短絡が発生する可能性ある。
【００２７】
そこで、サイドプレート2200およびモジュールバスバ2400の複数の二次電池セル1000から突出している部分の間において、サイドプレート2200またはモジュールバスバ2400を絶縁する絶縁部を設ける、具体的には、サイドプレート2200にサイドプレート凹部2210を設けることにより、モジュールバスバ2400とサイドプレート2200間との電気的な接触を防止できる。モジュールバスバ2400とサイドプレート2200間との電気的な接触を防止する手段として、サイドプレート2200およびモジュールバスバ2400の複数の二次電池セル1000から突出している部分の間に絶縁樹脂を形成してもよい。サイドプレート凹部2210を設けずに、サイドプレート2200またはモジュールバスバ2400の表面に絶縁体を形成する、換言すれば、サイドプレート2200またはモジュールバスバ2400の表面に絶縁処理を施してもよい。
【００２８】
サイドプレート凹部2210を設けることにより、部品体積を削減できる。絶縁樹脂を形成することにより、回路基板2300と二次電池セル1000で囲まれた空間へのゴミの侵入を抑制できる。サイドプレート2200またはモジュールバスバ2400の表面を絶縁処理することにより、サイドプレート2200にサイドプレート凸部2220を設ける必要がなくなる。これらの方法を単独または複数用いてもよい。
【００２９】
図4は、二次電池セルの外観図である。図5は、二次電池セルの分解図である。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5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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
＜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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
＜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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
＜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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
＜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。
【００４５】
＜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の材質はアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、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、ネオプレンゴム等を適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
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、610 絶縁カバー、615 絶縁カバー凹部
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
2200 サイドプレート、2210 サイドプレート凹部、2220 サイドプレート凸部
2300 回路基板、2310 回路基板開口部  2320 回路基板ネジ
2400 モジュールバスバ
2500 トッププレート
3000 シャーシ
【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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