(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池要素を収容する電池要素収容部と、
電池要素収容部のまわりの外装フィルムの一部または全部に形成したフランジ部と、
正極引出タブおよび負極引出タブと、
を備えたフィルム外装電池が複数積層した電池モジュールであって、
前記電池モジュールは、
外周部と、当該外周部の内側に開口部を有する枠体をさらに備え、
前記枠体の前記外周部を、隣り合うフィルム外装電池のフランジ部の間に位置するように配置し、
前記外周部における前記フランジ部に対向する面には、前記フランジ側に突出する突出部を備え、
当該突出部を含む部分の枠体の厚さは、複数のフィルム外装電池のうち最も厚さの薄いものの厚さから前記突出部と対向するフランジ部の厚さを差し引いた距離以下であることを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記突出部は、少なくとも前記正極引出タブが前記外装フィルムから引き出している辺のフランジ部および、
前記負極引出タブが前記外装フィルムから引き出している辺のフランジ部に接することを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記フィルム外装電池は、隣り合うフィルム外装電池の少なくとも一方と接着部材を介して固定したことを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記枠体を２以上備え、
前記枠体の前記開口部を形成した側面とは異なる外側面で、前記２以上の枠体同士を接続部材で固定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記正極引出タブまたは正極引出タブに電気的に接続された正極延長タブの少なくともいずれか一方と、前記負極引出タブまたは負極引出タブに電気的に接続された負極延長タブの少なくともいずれか一方と、を前記枠体に締結部材で固定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記電池モジュールは、
外周部と、当該外周部の内側に中板を有し、中板の少なくとも一方の面を底とする凹部を備える箱体をさらに備え、
前記箱体の中板にフィルム外装電池を接着部材で固定し、前記中板に固定したフィルム外装電池と隣り合う外装電池と接着部材を介して固定したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記箱体を、前記電池モジュールの積層方向の最も外側に位置するように配置したことを特徴とする請求項６に記載の電池モジュール。
【請求項８】
電池要素を収容する電池要素収容部と、
電池要素収容部のまわりの外装フィルムの一部または全部に形成したフランジ部と、
正極引出タブおよび負極引出タブと、
を備えたフィルム外装電池が複数積層された電池モジュールであって、
前記電池モジュールは、
外周部と、当該外周部の内側に中板を有し、中板の少なくとも一方の面を底とする凹部を備える箱体をさらに備え、
前記箱体の中板にフィルム外装電池を接着部材で固定し、前記中板に固定したフィルム外装電池に、さらに別の箱体が接着部材を介して固定したことを特徴とする電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を内蔵する電池モジュール、電池パック、および電池パックを搭載した電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、電動バイク、電動アシスト自転車等をはじめとする車両に用いる電源や、家屋やビル等で用いられる電源には、二次電池を組み込んだ電池モジュールや電池パックを用いている。これらに利用する二次電池としては、各種のものを使用することができるが、質量エネルギー密度、体積エネルギー密度がともに大きく、単位電池当たりの電圧が高いリチウムイオン電池が好適である。
リチウムイオン電池には帯状の正極と帯状の負極とをセパレーターを介して積層したものを巻回した巻回型や、平板状の正極と負極とをセパレーターを介して積層した積層型があり、形状は柱状または扁平状が一般的である。【０００３】
これらのなかでも、電池要素をフィルム状部材で外装した扁平状のリチウムイオン電池は、概ね矩形状をしていることから密に機器内に収容できるうえに軽量であるので、高い体積エネルギー密度や質量エネルギー密度の装置を実現することができる。とりわけ、軽量という特性は、車両などの動力用モーター等の電源用の電池においては重要な意義を有している。【０００４】
特許文献１は、フィルム外装電池は、厚みの大きなアルミ缶等のケースに収納された電池に比べて、衝撃等に対する強度が小さい。このため、フィルム外装電池の発電要素に対応した個所に開口を設けた枠状の部材を配置し、外装材の周囲の熱溶着部を枠によって保持する構造を記載している。また、特許文献２は、電池を枠によって支える他の構造として、電池に設けた放熱板を確実に電池と密着させるために、枠の一部に弾性加圧部材を設ける構造を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０３２５８号公報
【特許文献２】特表２０１２−５２３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フィルム外装電池は、外装体は可撓性フィルムであるので、定寸に作製した缶状の容器を外装体とした電池とは異なっている。すなわち、内部に収容した電池要素の厚みの違いがフィルム外装電池の外形寸法の違いとなる。そのため、電池要素の大小によってフィルム外装電池の寸法が変わるのはもちろんのこと、製造上のばらつきによっても個々の寸法が異なることになる。特許文献１または２に記載の電池では、単位電池の電気容量の違いや製造ばらつきによるフィルム外装電池の厚みの違いに対応するためには、厚みが大きなフィルム外装電池に合わせた枠を準備する必要があった。【０００７】
また、 フィルム外装電池を電池ケースなどに収容した電池モジュールを製造する際に、フィルム外装電池を複数積層する場合には、以下の様な問題があった。すなわち、フィルム外装電池の厚さに対して枠の厚さが大きすぎると、フィルム外装電池を積み重ねるほど電池モジュールとしての体積効率を損なうこととなる。このような問題に対応するには、フィルム外装電池の厚みに応じて厚みが異なる枠体を準備することが必要となる。
特許文献１に記載の電池の場合、枠体の全周でフィルム外装電池の外周部を支持している。したがって、当該外周部を損傷しないようにするためには、一様な厚みの枠体が必要となるので、厚みに対応した様々の寸法の枠体を成型する必要があり、生産性が低下する。【０００８】
また、フィルム外装電池を、特許文献１や特許文献２に記載のような、枠状の部材を主要な保持部材として利用する場合には、フイルム外装電池の周辺部を保持することとなる。  フィルム外装電池の周辺部は、フィルム同士を熱融着した部分であるか、あるいはフィルム同士を折り返したのみであって厚みが小さい部分である。したがって、周辺部は機械的強度が弱くなる場合が生じ、周辺部への機械的ストレスが増加すると、外装フィルムが破れるおそれや、熱溶着した部分が開口してしまうおそれもあった。
本発明は、フィルム外装電池やフィルム外装電池を複数積層した電池モジュール、またはこれらのフィルム外装電池や電池モジュールに保護回路等を接続した電池パックにおいて、外部からの衝撃に対する耐久性が高いフィルム外装電池、電池モジュール、電池パックおよびその製造方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電池要素を収容する電池要素収容部と、電池要素収容部のまわりの外装フィルムの一部または全部に形成したフランジ部と、正極引出タブおよび負極引出タブと、を備えたフィルム外装電池が複数積層した電池モジュールであって、前記電池モジュールは、外周部と、当該外周部の内側に開口部を有する枠体をさらに備え、前記枠体の前記外周部を、隣り合うフィルム外装電池のフランジ部の間に位置するように配置し、前記外周部における前記フランジ部に対向する面には、前記フランジ側に突出する突出部を備え、当該突出部を含む部分の枠体の厚さは、複数のフィルム外装電池のうち最も厚さの薄いものの厚さから前記突出部と対向するフランジ部の厚さを差し引いた距離以下である電池モジュールを提供することで、課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フィルム外装電池の外周部にあるフランジ部への機械的なストレスを大幅に低減することができる。また、枠体の一部に突出部を設けるのみで良いので、単位電池の厚さが異なる場合であっても、入駒による金型成形によって突出部を設けることが可能となり、生産性に優れた枠体、電池、電池モジュールおよび電池パックを提供することができる。
また、フランジ部における正極引出タブや負極引出タブを引き出している部分に、枠体の突出部を載置するように配置すれば、フランジのなかで最も機械的なストレスが加わりやすい引出タブが存在する部分を衝撃から保護することが可能となる。
特に、電気自動車、電動バイク、電動アシスト自転車等に用いる電池モジュールや電池パックに組み込まれる電池モジュールのように、振動、衝撃を常時受ける用途に用いても、長時間にわたり安定した動作が期待でき、電動自転車等への配置の自由度が大きな電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の電池モジュールに使用するフィルム外装電池の一例を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の電池モジュールに使用するフィルム外装電池に装着する枠体の一例を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の電池モジュールに使用するフィルム外装電池に装着する枠体の一例を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の電池モジュールに使用するフィルム外装電池と枠体との配置の一例を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の電池モジュールに使用するフィルム外装電池と枠体の厚みの関係の一例を説明する図である。
【図６】図６は、本発明のフィルム外装電池と枠体との配置の別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明に使用するフィルム外装電池の一例を説明する図である。
フィルム外装電池１００は、外面側には耐候性が大きなフィルムを積層し、内面側には、熱溶着性のフィルムを積層したフィルム外装材によって外装している。一例を挙げれば、アルミニウム箔の外面側にポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等の耐候性が大きなフィルムを積層し、内面側には、ポリエチレンフィルム等の熱溶着性の合成樹脂フィルム等を積層した積層フィルムを挙げることができる。
【００１３】
フィルム外装電池は、電池要素や電解液等をフィルム外装材の電池要素収容部１１０に収容して、正極引出タブ１２０と、負極引出タブ１３０とを、フィルム外装材の外に引き出している。
電池要素は、正極活物質を担持した正極電極と、負極活物質を担持した負極電極とを、セパレーターを介して積層したもの、あるいは帯状の正極電極と負極電極とをセパレーターを介して積層したものを巻回したもの、あるいは巻回体を扁平状に押圧したものを用いている。
正極引出タブの一端は正極電極と電気的に接続し、他端をフィルム外装材の外に引き出している。また、負極引出タブの一端を負極電極と電気的に接続し、他端をフィルム外装材の外に引き出している。
【００１４】
フィルム外装電池１００の正極引出タブ１２０に、正極延長タブ１２２の一端をスポット溶接、超音波溶着等の溶着手段で接合することができる。図１では、正極延長タブ１２２の一端を正極タブの先端に接合しており、正極延長タブの他端を、正極引出タブの引出方向と直角方向であって、負極引出タブが存在しない側に向くように配置している。
また、負極引出タブ１３０には、一端を負極引出タブに接合した負極延長タブ１３２を、正極延長タブ１２２の引き出し方向とは反対方向へ引き出している。
【００１５】
それぞれの延長タブには、ニッケル、ニッケル合金等で作製したものが使用できる。
フィルム外装材は、上端部１１１、上端部外縁１１１ａ、下端部１１２、下端部外縁１１２ａ、側部１１３、側部外縁１１３ａを備えている。
【００１６】
図１では、上端部１１１が正極引出タブと負極引出タブの引出方向になっている。上端部１１１、下端部１１２、側部１１３などのフランジ部は、その一部また全部を、電池要素収容部に電解液を注入した後に熱溶着で封止することによって、フィルム外装材の内部に電解液を留めている。
【００１７】
フィルム外装材は、電池要素の両面に配置した２枚のフィルム外装材の外縁の四辺を熱溶着したものを用いることができる。また、これに限らず、１枚のフィルム外装材を折り曲げて電池要素を両面から覆い、電解液を注液した後に残りの３辺を熱溶着することで作製したものであっても良く、封止部分は適宜決定することができる。
正極引出タブ１２０と負極引き出タブ１３０とは両方を上端部外縁または下端部外縁から引き出しても良いし、対向する外縁から別々に引き出してもよい。
なお、ここでは説明の便宜上、正極引出タブ１２０または負極引き出しタブ１３０の少なくとも一方を引き出している端部を便宜的に上端部とし、対向する他方を便宜的に下端部とし、上端部と下端部とは異なる端部を便宜的に側部としている。しかしながら、上端部が下端部よりも地面に対して上方に位置することを意味するわけではない。
【００１８】
本発明のフィルム外装電池の構成の一例を挙げれば、電池本体の正極電極には、活物質としてリチウムマンガン複合酸化物やリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物を活物質として用いることができる。また、これに適宜導電性付与材やその他の添加剤を加えることができる。集電箔としては、アルミニウム箔等のように正極の電位が加わっても安定な金属を挙げることができる。
【００１９】
また、負極電極には、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料等を、カーボンブラック等の導電性付与材、結着剤等を混合したスラリーを銅箔等に塗布乾燥したものを用いることができる。
フィルム状外装材を用い、正極引出タブと負極引出タブを外装材の外部に導出する蓄電素子としては、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等を挙げることができる。本発明の電池積層体を外装フィルムに収容する部分の構成をそれらの蓄電素子にも適用可能である。
【００２０】
図２は、本発明における、フィルム外装電池に装着する枠体の一例を説明する図である。
枠体２０１は、強度が大きいＡＢＳ、ポリカーボネート等の合成樹脂製の成形体で作製したものである。フィルム外装電池（図示しない）の外周部のフランジ部に対応する枠体の枠部２０３の内側には、電池要素収容部に対応する空間部２０２を有している。
枠体２０１の枠部２０３の表面には、フィルム外装電池のフランジ部と対向し、フランジ側に向かって突出する突出部２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅおよび２０３ｆを設けている。
【００２１】
図１で説明するフィルム外装電池のフランジ部のうち、電極引出タブの一方を配置する箇所に対向する枠体の表面に突出部２０３ａを設けており、他方の電極引出タブを配置した箇所に対向する枠体の表面に突出部２０３ｆを設けている。
また、フランジ部に枠体を載置するときに、枠体の突出部によって枠体がフランジ上への安定した載置が可能であるように、電極引出タブを配置した場所に対応する以外の箇所にも突出部を有している。
【００２２】
突出部２０３ｃ、２０３ｄは、突出部２０３ａおよび２０３ｆを設けた枠部とは空間部を介して対向する位置の枠部に設けている。突出部２０３ｂ、２０３ｅは、突出部２０３ａ、２０３ｆを設けた外周部とは直交する位置の枠部に設けている。
【００２３】
図２において、枠体の突出部は、枠体の外周部の両面に設けているが、フィルム外装電池の形状に応じて、片面のみに設けてもよい。
枠体を設けることで、電池モジュールあるいは電池パック等が衝撃を受けたときでもフィルム外装電池やこれを電池ケース内に組み込んだ電池モジュールが、当該フィルム外装電池や電池モジュールを収容する電池ケース（図示せず）の内壁等に衝突するのを防ぐことが可能である。
【００２４】
また、枠体の突出部によってフィルム外装電池のフランジ部と枠体とが激しく衝突することを防いでいる。フィルム外装電池のフランジ部のうち、正極引出タブや負極引出タブを引き出している箇所は、各引出タブによって最も衝撃の影響を受けやすい部分なので、突出部は引出タブを備えたフランジ部に対向する位置に配置するのが好ましい。
これにより、外部からの衝撃を受けた際の引出タブを備えたフランジ部の振幅が小さくなり、外装フィルムの損傷を著しく低減することが可能となる。
【００２５】
本発明においては、フィルム外装電池１００の少なくとも上端部１１１と下端部１１２に対応する位置の枠体上に突出部を設けるか、または、少なくとも上端部と両側部に対応する位置の枠体上に突出部を設けることが好ましい。
枠体の外周部における空間部側とは反対の側面には、平坦面２０９を形成している。その結果、複数のフィルム外装電池を積層し、これに応じて複数の枠体を配置した場合に、この平坦面２０９に粘着テープ等の固定部材や、補強部材の接着、固定がし易くなる。
【００２６】
また、電池モジュールの軽量化のために、凹部２０６を形成してもよい。ここで凹部２０６を貫通孔にしてもよいが、枠体の外周部の内面側はフィルム外装体と接触するので、内面側は平滑である方が好ましい。上端部および下端部における空間部を配置した側とは反対の面についても同様に凹部を形成することができる。
枠体の側面には、側面締結部２１０ａを設けている。また、側面締結部２１０ａが位置する枠体の側面とは反対側にも側面締結部を設けている。
【００２７】
図１に示した正極延長タブ、および負極延長タブを備えたフィルム外装電池に枠体を載置し、フィルム外装電池のいずれか一方の極性の延長タブを、側面締結部２１０ａに重なるように配置し、これらのタブをねじ止めやピン止め、あるいは溶接などの締結手段を用いて枠体に固定することで、直列に接続したフィルム外装電池の間に枠体を配置することができる。反対側に位置する側面締結部２１０ａと他方の極性の延長タブとの接続も同様に行うことができる。
【００２８】
図３は、本発明のフィルム外装電池に装着する箱体の一例を示す図である
ここでは、フィルム外装電池における正極引出タブと負極引出タブとをいずれも同じ端部から引き出した構成に対応する形状をしているが、タブの引出方向や寸法に応じて適宜変形することが可能である。
図２において説明した枠体２０１の外周部の内側には空間部を形成していたのに対して、図３で示す枠体２０１は、外周部の内部に中板２０４を設けており、中板の両面をそれぞれ底部とした凹部を、箱体の両面に形成している点が相違している。他の部分は、先に示した図２と同様の構成であるので詳細な説明は省略する。
【００２９】
図４は、図２に示す枠体をフィルム外装電池に装着し、図１に示すフィルム外装電池を積層する際の配置を説明する図である。
また、図５は、本発明における、フィルム外装電池と枠体との厚みの関係の一例を説明する図である。
最下段にフィルム外装電池１００（図示しない）を配置し、当該フィルム外装電池１００の電池要素収容部１１０の周囲に形成した上端部、下端部、側部１１３等のフランジ部に、枠体２０１を枠体の外周部に配置した突出部によって載置している。ここでは、便宜上、フィルム外装電池の主面を水平面に平行にした状態で置いた上に枠体とフィルム外装電池を繰り返し積み上げていくような説明をしているが、フィル外装電池の主面を床面に垂直にした場合には、枠体は隣り合うフィルム外装電池のフランジ部の間に配置された状態となる。
【００３０】
図４においては、最下段のフィルム外装電池の電池要素収容部に接着部材２３０を設け、当該接着部材によって載置したフィルム外装電池を固定している。このときの枠体２０１の突出部を含めた厚みは、フィルム外装電池の厚さｔ１から前記突出部と対向するフランジ部の厚さｔ２を差し引いた距離以下である。
また、隣り合うフィルム外装電池を接着部材を介して接続する場合には、枠体２０１の突出部を含めた厚みは、フィルム外装電池の厚さｔ１と接着部材の厚さｄの合計から、突出部と対向するフランジ部の厚さｔ２を差し引いた距離以下である。
【００３１】
これにより、フィルム外装電池のフランジには枠体が１つ載置された分だけの負荷が加わるのみである。したがって、主として枠体がフィルム外装電池を支える従来の構成よりも、はるかに前記フランジに対する負荷を小さくすることができる。
【００３２】
また、電極引出タブが存在し、フィルム外装電池の内部に収容した電池要素に最も負荷が加わるフランジ部に突出部を設ければ、フランジ部において最も損傷しやすい電極引出タブが位置する部分の振幅を最も小さくなるようにすることができ、振動に対する耐性を最も効果的に得ることができる。
【００３３】
また、正極引出タブと負極引出タブの位置に対応する枠体の外周部は幅広としており、正極引出タブと負極引出タブのそれぞれの先端が枠体の外縁から突出しないような形状としている。これにより、外部から加わる振動に対してはさらに耐性のある構造とすることができる。
また、隣り合うフィルム外装電池を接着部材を介して接続した場合には枠体がフィルム外装電池を支える主体とならないので、フィルム外装電池のフランジと接する部分が枠体の一部に設けた突出部であっても、フランジへの機械的なストレスが大幅に低減することができ、フランジ部の損傷を防ぐことが可能となる。
【００３４】
また、枠体の一部に突出部を設けるだけでも良いので、当該突出部を別部材で枠体に取り付けるか、入駒による金型成形によって突出部を設けるなどによって、様々な厚みのフィルム外装電池に適用することが可能となり、生産性に優れた枠体、電池、電池モジュールおよび電池パックを提供することができる。
フィルム外装電池を固定する接着部材は両面接着テープやホットメルト接着剤等の接着剤等を用いることができるが、作業性を考慮すると両面接着テープを用いることが好ましい。
【００３５】
図２、図３では正極引出タブと負極引出タブが引き出された辺の向きをそろえた状態で積層しているが、引き出す向きを別々の方向にしてもよい。
また、枠体の寸法は、フィルム外装電池の上端部外縁１１１ａ、下端部外縁１１２ａ、側部外縁１１３ａの外周縁と一致するか、フィルム外装電池の外周縁よりも外側となるように形成するのが好ましい。
多数のフィルム外装電池を積層する場合には、これらの構成を繰り返すことで形成することができる。このとき、電池を直列に接続するのであれば、となり合うフィルム外装電池を重ねた時に、正極タブと負極タブが重なるように交互に反転させながらフィルム外装電池を配置すればよい。
【００３６】
また、図４では、図２の枠体を用いてフィルム外装電池に載置した電池モジュールの例を示したが、図６に示すように、箱体と枠体を組み合わせた電池モジュールにしてもよい。
図６では、最下段に箱体２０１ｄを配置し、箱体の中板２０４にフィルム外装電池を載置している。最下段の箱体に載置したフィルム外装電池１００の電池要素収容部１１０の周囲に形成されたフランジ部に、枠体２０１ｃの枠部を載置している。
さらに、最下段の箱体に載置したフィルム外装電池の電池要素収容部に接着部材２３０で別のフィルム外装電池を接着している。このときの箱体の中板２０４から、箱体の外周部の表面２０３が位置する平面までの距離は、最下段のフィルム外装電池のフランジ部の下面から、箱体の中板の上面までの距離と等しいか、小さくしている。
【００３７】
また、枠体２０１ｃの厚みは、最下段のフィルム外装電池のフランジ部の上面と、その上に重ねたフィルム外装電池のフランジ部の下面との間隔と等しいか、小さくしている。 この構成によれば、箱体や枠体の外周部に対応するフランジ部だけでフィルム外装電池を保持することはないので、フランジに対する負荷を小さくすることができる。
【産業上の利用の可能性】
【００３８】
本発明の電池パックは、振動、衝撃に対する耐性が大きな電池モジュールおよび電池パックを提供することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・フィルム外装電池、１１０・・・電池要素収容部、１１１ａ・・・上端部外縁、１１２ａ・・・下端部外縁、１１３・・・側部、１１３ａ・・・側部外縁、１２０・・・正極引出タブ、１２２・・・正極延長タブ、１３０・・負極引出タブ、１３２・・・負極延長タブ、２０１，２０１ａ、２０１ｃ，２０１ｄ・・・枠体、２０２・・・空間部、２０３・・・枠部、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅ、２０３ｆ・・・突出部、２３０・・・接着部材
【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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