(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状の電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である単電池の複数枚を、並列配置し、電気的に接続した電池モジュールを収容するための電池モジュールケースであって、
前記電池モジュールケースは、前記複数枚の単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該ケース内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列有することを特徴とする電池モジュールケース。
【請求項２】
前記溝形案内部は、周縁部にフランジを有する単電池の該フランジを案内し得るように構成されていることを特徴とする請求項１記載の電池モジュールケース。
【請求項３】
前記電池モジュールケースは、該ケース底部に、各単電池を支持し得る支持部を残して、通気用開口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池モジュールケース。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３０Ｗｈ級の非水系二次電池を複数個接続した高容量の電池モジュールを収容するための電池モジュールケースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題、省資源を目指したエネルギーの有効利用の観点から、深夜電力貯蔵や太陽光発電を目的とした家庭用分散型蓄電システム或いは電気自動車のための蓄電システム等が注目を集めている。更に特開平6-86463号公報には、エネルギー需要者にエネルギーを最適条件で供給できるシステムとして、発電所から供給される電気、ガスコージェネレーション、燃料電池、蓄電池等を組み合わせたトータルシステムが提案されている。これら蓄電システムに用いる二次電池は、エネルギー容量が10Wh以下の携帯機器用小型二次電池と異なり、容量が大きい大型のものが必要となる。また、これらのシステムでは、複数の二次電池を直列に積層し、電圧が例えば50〜400Vの組電池として用いるのが常であり、ほとんどの場合、鉛電池を用いていた。
【０００３】
一方、携帯機器用小型二次電池の分野では小型・高容量のニーズに応えるべく、新型電池としてニッケル水素電池、リチウム二次電池の開発が進展し、180Wh/l以上の体積エネルギー密度を有する電池が市販されている。特にリチウムイオン電池は350Wh/lを超える体積エネルギー密度の可能性を有すること、安全性、サイクル特性等の信頼性が金属リチウムを負極に用いたリチウム二次電池に比べ優れることから、その市場を飛躍的に延ばしている。
【０００４】
これを受け、蓄電システム用大型電池の分野においても、高エネルギー密度電池の候補として、リチウムイオン電池をターゲットとし、リチウム電池電力貯蔵技術研究組合（LIBES)等で勢力的に開発が進められている。
【０００５】
これら大型リチウムイオン電池はエネルギー容量が100Whから400Wh程度である。また、体積エネルギー密度は200〜300Wh/lと携帯機器用小型二次電池並のレベルに達している。その形状は直径50〜70mm、長さ250mm〜450mmの円筒型、厚さ35mm〜50mmの角形或いは長円角形等の扁平角柱形が代表的なものである。
【０００６】
上述の大型電池を蓄電システムに用いる場合、一般に4〜10個の大型電池（単電池）を直列に接続し、15Ｖ〜50Ｖの電池モジュールとし、さらに、これら電池モジュールを直列、並列に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電システムとして用いられることが多い。
【０００７】
一方、薄型のリチウム二次電池については、薄型の外装に、例えば、金属とプラスチックをラミネートした厚さ1mm以下のフィルムを収納したフィルム電池（特開平5-159757号公報、特開平7-57788号公報等）、厚さ2mm〜15mm程度の小型角型電池（特開平8-195204号公報、特開平8-138727号公報、特開平9-213286号公報等）が知られている。いずれも、その目的が携帯機器の小型・薄型化に対応するものであり、例えば携帯用パソコン底面に収納できる厚さ数mmでJIS A4サイズ程度の面積を有する薄型電池も開示されているが（特開平5-283105号公報）、エネルギー容量は10Wh以下であり、蓄電システム用二次電池としては容量が小さ過ぎる。さらには、これら薄型電池を直列、並列に接続し電池モジュールとする場合、容量が小さいことから、放熱等の考慮なく、単純に積み重ねる等、特に工夫はなされていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、薄型電池であっても、エネルギー容量が３０Ｗ級の大型で扁平形状のものになると、単純に積み重ねたのでは、単電池の変形が生じたり、放熱作用が阻害されて内部温度の上昇による膨張が生じやすく好ましくない。
【０００９】
また、一般的にリチウムイオン電池においては、機器の故障による誤作動や使用者側の誤用によって過充電や外部短絡といった状態になると、電池内部の加熱や電解液の分解等により電解液が蒸発し、内部でガスが発生する。それによる内圧上昇に伴う事故を防止するために安全弁が備えられている。このような安全弁をもった単電池はモジュール内であっても安全弁の開放方向に阻害物がない限り正常に動作する。
【００１０】
しかしながら扁平型電池では、その薄型構造から安全弁が厚さ方向に備えられているものもあり、上記電池が膨張しやすい構造のためにその膨張度合いが阻害された場合安全弁の作動が遅れてしまうという問題が生じる。
【００１１】
一方、上述の電池を蓄電システムに用いる場合、一般に4〜10個の大型電池（単電池）を直列に接続し、15Ｖ〜50Ｖの電池モジュールとし、さらに、これら電池モジュールを直列に接続し、所定の電圧、容量を有する蓄電システムとして用いられることが多い。又、モジュール内では体積エネルギー密度を向上させるために単電池間の間隔を可能な限り狭くして並べられるのが一般的である。
【００１２】
従って、モジュール内において厚さ方向に並列配置された単電池の各々は、膨張が阻害されやすい環境にある。単電池間の間隔を充分にとって電池モジュールとすれば回避できるが、体積エネルギー密度が低下してしまう。
【００１３】
本発明の目的は、上記問題点を解決すべく、エネルギー密度の低下を抑えつつ、扁平面を鉛直方向に立たせる自立性がない扁平形状単電池を所要間隔にて容易に並列配置することができる電池モジュールケースを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、正極、負極及びリチウム塩を含む非水系電解質を備え厚さ１２ｍｍ未満の扁平形状の電池容器にて密閉されエネルギー容量が３０Ｗｈ以上且つ体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ以上である単電池の複数枚を、並列配置し、電気的に接続した電池モジュールを収容するための電池モジュールケースであって、前記電池モジュールケースは、前記複数枚の単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該ケース内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列有することを特徴とする電池モジュールケースにより達成される。
【００１５】
前記溝形案内部は、周縁部にフランジを有する単電池の該フランジを案内し得るように構成されていることが好ましい。
【００１６】
前記電池モジュールケースは、該ケース底部に、各単電池を支持し得る支持部を残して、通気用開口が形成されていることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電池モジュールケースの第１実施形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。図１は電池モジュールケースの第１実施形態を単電池とともに示す斜視図、図２は図１の電池モジュールケースの底面部を示す斜視図である。
【００１８】
電池モジュールケース１は、図１に示すように、単電池２を所要間隔で並列配置し得るように、対向するケース内壁面に複数列の溝形案内部３が形成されている。本実施形態においては、溝形案内部３は、凹溝で形成されており、図の上下方向に底面まで連続して延設されているが、断続的に形成しても良いし、ケース内壁面の一部に形成してもよい。即ち、溝形案内部３は、単電池２の周縁部の少なくとも一部を案内することによって、複数枚の単電池が所要間隔で並列配置できる構成となっていれば良い。
【００１９】
このように、複数列の溝形案内部３によって、複数の単電池を案内し支持させる構成としたことにより、自立性の無い扁平大型電池を安定して並列配置させつつ、所要の放熱空間を確保することを容易に為し得る。即ち、扁平形状をした電池は、箱形電池や円柱形電池のように安定して自立することができないので、自立させるための手段として溝形案内部３が奏効し得る。
【００２０】
電池モジュールケース１の寸法は、単電池２の大きさ、必要放熱空間、枚数などによって決定され、図示の例では、単電池２は、縦３００ｍｍ×横２１０ｍｍ×厚さ６ｍｍであり、電池モジュールケース１の寸法は、３３０ｍｍ×２５０ｍｍ×１１０ｍｍとしている。
【００２１】
図示の単電池２の電池容器は、上蓋１と底容器２とを周縁部にて溶接することにより密閉されており、その周縁部によってフランジ４が形成されている。フランジ４は、単電池２の大きさ等によって変わるが、上記した寸法の単電池の場合で、数ミリメートル幅で約１ｍｍ厚とすることができる。
【００２２】
溝形案内部３は、斯かるフランジ４を受け入れ、案内し得るように構成することができ、その溝深さは、単電池３を支持できれば良く、その溝幅は、フランジ４がぐらつかない程度に案内し支持できれば良く、フランジ４の寸法、単電池２の大きさ等によって決定されるが、上記寸法のフランジ４を有する単電池２の場合、溝形案内部３の寸法は、例えば、深さを０．５ｍｍとし、溝幅を１ｍｍ強に設定しておくことができる。
【００２３】
上記したような扁平形状の大型電池は、一般にその片側の広平面部に電極端子（図４の符号１０ａ参照）が突出しており、その場合、その電極端子が隣の単電池２の電池容器（又は電極端子）と接触しないように、並列配置される単電池２同士の間隔は、少なくとも前記電極端子の突出幅以上に設定される。そのため、溝形案内部３の間隔は、並列する単電池２の隙間が１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍとなるように設定される。また、溝形案内部３の間隔は、並列する単電池２の隙間が１２ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下となるように設定される。並列する単電池２同士の隙間が１ｍｍより小さいと、単電池の発熱を充分に放熱することが難しくなり、１２ｍｍより大きいと電池モジュールの体積が大きくなり好ましくないからである。従って、溝形案内部３の間隔は、前記電極端子の突出幅の他に、単電池２の厚み、容量、蓄電システムの使用環境、用途等により適宜決定されることとなる。
【００２４】
前記したようにフランジ４を溝形案内部３に案内支持させて単電池２を並列配置することによって、単電池２同士の離隔間隔を小さくすることが容易となり、従って、電池モジュールケース１の全体寸法を小さくすることが容易となる。即ち、電池モジュールケース１の全体寸法を小さくするためには、単電池２同士の間隔を出来るだけ小さくする必要がある。仮に単電池２にフランジがない場合には、単電池２の側面を溝形案内部３に嵌め入れて案内させることとなり、単電池２同士の離隔間隔は上記した理由から１ｍｍ以上であるから、最小の１ｍｍに設定するためには、溝形案内部３の間隔を１ｍｍに設定しなければならず、本実施形態のように大型の単電池の場合にあっては、１ｍｍといった幅で大型単電池を支持することは強度上の問題を生じることがある。それに比べて、フランジ４を案内し支持させることとすれば、溝形案内部３の間隔をより大きくとることができ、強度上の問題が無く、単電池２同士の離隔間隔も小さくすることができる。
【００２５】
溝形案内部３は、図示の例では、９本が平行に形成されているが、２枚以上の複数枚の単電池を用いることができれば良い。望ましい溝形案内部３の数は、目的とする蓄電池システムの電圧、容量、大きさ、形状、単電池の電圧、容量、形状、重量等により適宜決定される。電池モジュールケース１は、ＡＢＳ等のスチレン系樹脂のような非導電性の難燃性樹脂材料で形成することができる。
【００２６】
また、電池モジュールケース１は、図２に示すように、底面に放熱のための開口部５を形成しておくことが好ましい。図２に示す例では、モジュールケース１の内底面に形成された溝形案内部３の溝底部が単電池を支持する支持部となっている。開口部５は、図示のような矩形開口に限らず、穿孔により多数の通風口を形成する等、種々の形態を採用することができる。
【００２７】
単電池２は、正極にＬｉＭｎ2Ｏ4、負極に炭素材料を用いるリチウム二次電池の場合、家庭用蓄電システム（夜間電力貯蔵、コジェネレーション、太陽光発電等）、電気自動車等の蓄電システム等に用いることができ、大容量且つ高エネルギー密度を有することができる。この場合、エネルギー容量は、好ましくは３０Ｗｈ以上、より好ましくは５０Ｗｈ以上であり、且つエネルギー密度は、好ましくは１８０Ｗｈ／ｌ以上、より好ましくは２００Ｗｈ／ｌ以上である。エネルギー容量が３０Ｗｈ未満の場合、或いは、体積エネルギー密度が１８０Ｗｈ／ｌ未満の場合は、蓄電システムに用いるには容量が小さく、充分なシステム容量を得るために電池の直並列数を増やす必要があること、また、コンパクトな設計が困難となることから蓄電システム用としては好ましくない。なお、このような二次電池において、電解質としては、例えばリチウム塩を含む非水系電解質を用いることができる。
【００２８】
また、単電池２の厚さｔは、好ましくは１２ｍｍ未満、より好ましくは１０ｍｍ未満、さらに好ましくは８ｍｍ未満である。厚さの下限については電極の充填率、電池サイズ（薄くなれば同容量を得るためには面積が大きくなる）を考慮した場合、２ｍｍ以上が実用的である。電池の厚さが１２ｍｍ以上になると、電池内部の発熱を充分に外部に放熱することが難しくなること、或いは電池内部と電池表面付近での温度差が大きくなり、内部抵抗が異なる結果、電池内での充電量、電圧のバラツキが大きくなる。なお、具体的な厚さは、電池容量、エネルギー密度に応じて適宜決定されるが、期待する放熱特性が得られる最大厚さで設計するのが、好ましい。
【００２９】
電池容器となる上蓋１及び底容器２に用いられる材質は、電池の用途、形状により適宜選択され、特に限定されるものではなく、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等が一般的であり、実用的である。また、電池容器の厚さも電池の用途、形状或いは電池容器の材質により適宜決定され、特に限定されるものではない。好ましくは、その電池表面積の８０％以上の部分の厚さ（電池容器を構成する一番面積が広い部分の厚さ）が０．２ｍｍ以上である。上記厚さが０．２ｍｍ未満では、電池の製造に必要な強度が得られないことから望ましくなく、この観点から、より好ましくは０．３ｍｍ以上である。また、同部分の厚さは、１ｍｍ以下であることが望ましい。この厚さが１ｍｍを超えると、電極面を押さえ込む力は大きくなるが、電池の内容積が減少し充分な容量が得られないこと、或いは、重量が重くなることから望ましくなく、この観点からより好ましくは０．７ｍｍ以下である。
【００３０】
上記のように、二次電池の厚さを１２ｍｍ未満に設計することにより、例えば、該電池が３０Ｗｈ以上の大容量且つ１８０Ｗｈ／ｌの高エネルギー密度を有する場合、高率充放電時等においても、電池温度の上昇が小さく、優れた放熱特性を有することができる。従って、内部発熱による電池の蓄熱が低減され、結果として電池の熱暴走も抑止することが可能となり信頼性、安全性に優れた単電池となる。
【００３１】
次に、電池モジュールケースの第２実施形態について図３〜図８を参照して説明する。図３は、第２実施形態の電池モジュールケースを単電池とともに示す斜視図、図４は図３の電池モジュールケースの底部を示す縦断面図である。
【００３２】
電池モジュールケース１１は、上部から所定の間隔で単電池１０が上部より挿入し易いように、溝形案内部１２が、電池モジュールケース１１の上端から１０ｍｍの範囲に設けてある。この第２実施形態においても、単電池１０が周縁部にフランジ１３を有し、そのフランジ１３を溝形案内部１２が案内している点は、上記第１実施形態と同様である。
【００３３】
そして、溝形案内部１２が電池モジュールケース１１の上部だけであると、単電池１０を電池モジュールケース１１内に真っ直ぐに（鉛直方向に）配列することが困難であるから、電池モジュールケース１１の底面にも、図４に示すように、溝形案内部１２が複数列形成されている。
【００３４】
電池モジュールケース１１の上端に形成された溝形案内部１２は、単電池１０の電池容器が隣の単電池１０の電極端子１０ａに接触せず、且つ、単電池１０が膨張し電池底部に力が加わった時に単電池１０が離脱できるような寸法であればよい。
【００３５】
底面部に形成される溝形案内部１２は、単電池１０が膨張し互いに押し合ったときに、図５、６に示すように、単電池１０が溝形案内部１２から離脱し、単電池１０の膨張するスペースを確保できるように構成することが好ましい。これは、図示のような扁平形状の大型電池は、その広平面部に薄肉線により形成された安全弁（図示せず）を有することが一般的であり、斯かる安全弁を適切に作動させるためには、正常な膨張を為すことが必要となるためである。
【００３６】
そのため、溝形案内部１２は、凹溝により形成し、該凹溝の溝幅が、該凹溝の底へ向かうにつれて漸次幅狭となるよう形成することができ、例えば、断面円弧状（図４〜図６）、断面逆台形状（図７）等とすることができる。
【００３７】
断面円弧状とした場合の溝形案内部１２は、最大深さが２ｍｍ以下とすることが好ましく、図示の例では、０．５ｍｍである。また、その曲率半径は、最大深さをＸｍｍとした場合に、１．０Ｘｍｍ以上に設定することが好ましく、図示の例では、０．５ｍｍである。これは、最大深さが２ｍｍより大きいと引っかかりが強くて単電池１０が溝形案内部から外れにくくなり、また、最大深さＸｍｍに対して曲率半径が１．０Ｘｍｍより小さいと単電池１０の溝形案内部１２内での滑りが悪くなるからである。
【００３８】
溝形案内部１２を断面逆台形状とした場合は、その溝深さは、上記した断面円弧状の場合と同様に２ｍｍ以下とすることが好ましい。そして、その溝底の幅は、単電池１０の幅、即ち図示の例ではフランジ１３の厚みと略同等であることが、単電池１０を正確に案内する上で好ましい。また、逆台形形状の長辺に相当する溝開口最大幅は、単電池１０のフランジ１３の滑りを良くする観点から、前記溝底幅の１．５〜３倍程度とすることが好ましい。
【００３９】
上記のような構成を有する電池モジュールケースによれば、単電池が上記した要因により、図５、図６に示すように膨張しても、その膨張により、単電池１０は、互いに押し合うことで、溝形案内部１２から離脱し、上記安全弁を確実に作動させることができるのである。
【００４０】
また、溝形案内部１２は、上記のような凹部の溝形に限らず、図８に示すように、レール状の凸壁２０を対向配置させて溝形とし、凸壁２０の基端部に折れ曲がり容易な弱点部２１を形成することにより構成しても良い。図示の例では、弱点部２１は、薄肉部分により形成されているが、細孔を連続的に直線状に配置したミシン目様のものにより形成することもできる。このような凸壁２０は、単電池１０が、図５及び図６に示すように膨張により押し合い、単電池１０下部に力がかかった時に弱点部２１が折れ曲がり、単電池１０の膨張を許容し、安全弁を適切に働かせるのである。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電池モジュールケースによれば、
複数枚の扁平形状単電池を所要間隔で並列配置し得るように、該ケース内壁面に、前記単電池の周縁部の少なくとも一部を案内し得る溝形案内部を複数列設けたので、自立性の無い扁平形状の単電池を安定して並列配置しつつ、所要の放熱空間を確保することが容易に行える。
【００４２】
また、前記溝形案内部を、周縁部にフランジを有する単電池の該フランジを案内し得るように構成しておけば、該フランジを有する単電池の並列配置及び所要放熱空間の確保が容易に行えることに加え、フランジを溝形案内部により案内し支持させることとすれば、フランジを有しない単電池の場合に比べて溝形案内部の間隔をより大きくとることができ、所要強度を確保しつつ単電池同士の間隔を狭めて電池容積の縮小化を図ることができる。
【００４３】
更に、前記電池モジュールケースに、該ケース底部に、各単電池を支持し得る支持部を残して、通気用開口を形成しておけば、該ケース内の風通しが良くなり、単電池の放熱効果を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電池モジュールケースの第１実施形態を単電池とともに示す斜視図である。
【図２】図１の電池モジュールケースを底側から見た斜視図である。
【図３】本発明に係る電池モジュールケースの第２実施形態を単電池とともに示す斜視図である。
【図４】図３の電池モジュールケースの内部の底面部を示すを断面図である。
【図５】図３の電池モジュールケースに装填した単電池が膨張した状態を示す断面図である。
【図６】他の単電池が膨張した状態を示す図５に対応する断面図である。
【図７】本発明の構成要素である溝形案内部の他の形態を拡大して示す電池モジュールケースの部分断面図である。
【図８】本発明の構成要素である溝形案内部の更に他の形態を拡大して示す電池モジュールケースの部分断面図である。
【符号の説明】
１，１１  電池モジュールケース
２，１０  単電池
３，１２  溝形案内部
４，１３  フランジ
５  開口部
【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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