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JP2023147084A - バッテリモジュール - Google Patents

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JP2023147084A JP2022054644A JP2022054644A JP2023147084A JP 2023147084 A JP2023147084 A JP 2023147084A JP 2022054644 A JP2022054644 A JP 2022054644A JP 2022054644 A JP2022054644 A JP 2022054644A JP 2023147084 A JP2023147084 A JP 2023147084A
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Abstract

【課題】全固体電池の安全性を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供する。【解決手段】バッテリモジュールは、複数の円筒型固体電池１０を備える。円筒型固体電池１０は、軸心部材１１と、軸心部材１１の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群１２と、を有する。軸心部材１１は、軸心方向において、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂの間にＮＴＣサーミスタ１４が配置されているとともに、中心部に貫通孔Ｔが形成されている。円筒型固体電池１０は、貫通孔Ｔに配置されており、ＮＴＣサーミスタ１４の温度を調整する温度調整部をさらに有する。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリモジュールに関する。
近年、多くの人々が手頃で信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する二次電池の研究開発が実施されている。
特許文献１には、軸線方向に延びる軸孔を有する円筒形状の軸芯と、第１電極板、第２電極板およびセパレータを軸芯の外周に捲回してなる捲回電極体と、を備える電池が記載されている。ここで、軸孔は、電池の内圧が上昇して安全弁が開弁した場合に、ガスを外部に排出する経路として使用される。
特開２０１１－１３４６４１号公報
しかしながら、全固体電池の安全性を向上させることが望まれている。
本発明は、全固体電池の安全性を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、バッテリモジュールにおいて、複数の円筒型固体電池を備え、前記円筒型固体電池は、軸心部材と、前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、を有し、前記軸心部材は、軸心方向において、第１導電部材および第２導電部材の間にＮＴＣサーミスタまたはＣＴＲサーミスタが配置されているとともに、中心部に貫通孔が形成されており、前記円筒型固体電池は、前記貫通孔に配置されており、前記ＮＴＣサーミスタまたはＣＴＲサーミスタの温度を調整する温度調整部をさらに有する。
前記円筒型固体電池は、前記貫通孔に前記円筒型固体電池の状態を検知する検知部をさらに有してもよい。
前記円筒型固体電池は、前記軸心部材の軸心方向の一方の端部に設けられている第１締結部と、前記軸心部材の軸心方向の他方の端部に設けられている第２締結部と、を有し、隣接する前記円筒型固体電池が、前記第１締結部および前記第２締結部を介して、締結されていてもよい。
前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されていてもよい。
本発明によれば、全固体電池の安全性を向上させることが可能なバッテリモジュールを提供することができる。
本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す一部切り欠き斜視断面図である。 図１の円筒型固体電池を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のバッテリモジュールの一例を示す。また、図２に、図１の円筒型固体電池を示す。
バッテリモジュール１００は、複数の円筒型固体電池１０を備える。ここで、円筒型固体電池１０は、軸心部材１１と、軸心部材１１の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群１２と、軸心部材１１の軸心方向の一方（上方）の端部に設けられている第１締結部としての、雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１軸心方向の他方（下方）の端部に設けられている第２締結部としての、雌ネジ部１３Ｂと、を有する。また、バッテリモジュール１００は、隣接する円筒型固体電池１０が、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結されている。
このとき、雄ネジ部１３Ａは、軸心部材１１と一体に成形されている。このため、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを締結する際の回転トルクに対する強度が向上する。また、雄ネジ部１３Ａは、正極および負極の一方と電気的に接続されており、雌ネジ部１３Ｂは、正極および負極の他方と電気的に接続されている。
なお、第１締結部を雌ネジ部とし、第２締結部を雄ネジ部としてもよい。
軸心部材１１は、軸心方向において、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂの間にＮＴＣサーミスタ１４が配置されているとともに、中心部に貫通孔Ｔが形成されている。また、円筒型固体電池１０は、貫通孔Ｔに配置されており、ＮＴＣサーミスタ１４の温度を調整する温度調整部をさらに有する。このため、円筒型固体電池１０の状態が異常である（例えば、電圧が高い）場合に、温度調整部がＮＴＣサーミスタ１４を加熱することより、ＮＴＣサーミスタ１４の抵抗を低下させて、導通させる。その結果、電圧が高い円筒型固体電池１０は、導通した円筒型固体電池１０と電圧が同一になり、電圧が低下する。
上記と同様の原理で、バッテリモジュール１００の製造時に、円筒型固体電池１０を連結した後に、温度調整部がＮＴＣサーミスタ１４を加熱することより、ＮＴＣサーミスタ１４の抵抗を低下させて、導通させることにより、複数の円筒型固体電池１０の電圧のバラツキが解消される。
なお、円筒型固体電池１０は、温度調整部がＮＴＣサーミスタ１４を冷却してもよい。これにより、加熱されたＮＴＣサーミスタ１４を加熱される前の状態に戻すことができる。
温度調整部としては、特に限定されないが、例えば、水冷式の冷却デバイス、空冷式の冷却デバイス、金属、ヒートパイプ等の電熱材、または、発熱抵抗体が回路上に設置されている加熱デバイス等が挙げられ、二種以上を併用してもよい。さらに、加熱デバイスとしては、特に限定されないが、例えば、コイル状の電熱線、セラミック抵抗器、ＰＴＣヒータ素子が設置されている回路を有するデバイス等が挙げられる。
このとき、ＮＴＣサーミスタ１４は、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂと締結されている。これにより、後述する絶縁部材１７が圧縮されるため、円筒型固体電池１０の密閉性が向上する。ここで、第１導電部材１１ａは、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。また、ＮＴＣサーミスタ１４は、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられており、軸心方向の下方の端部に雌ネジ部が設けられている。さらに、第２導電部材１１ｂは、軸心方向の上方の端部に雄ネジ部が設けられている。
なお、第１導電部材１１ａ、第２導電部材１１ｂおよびＮＴＣサーミスタ１４における雄ネジ部および雌ネジ部の配置は、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂとＮＴＣサーミスタ１４を締結させることが可能であれば、特に限定されない。
また、第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂが、ＮＴＣサーミスタ１４を介して、嵌合していてもよい。
第１導電部材１１ａおよび第２導電部材１１ｂを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。また、ＮＴＣサーミスタ１４を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、バンドギャップ半導体からなるＳｉＣ、Ｓｉ等が挙げられる。また、ＮＴＣサーミスタ１４としては、例えば、絶縁体の一部に、これらの材料が配置されており、温度を感知して微小電流が流れる機構を有するデバイス等が挙げられる。
なお、ＮＴＣサーミスタ１４の代わりに、ＣＴＲサーミスタを用いてもよい。
円筒型固体電池１０は、貫通孔Ｔに円筒型固体電池１０の状態を検知する検知部をさらに有していてもよい。この場合は、円筒型固体電池１０の状態が異常であることを検知部が検知した場合に、抵抗発熱体に電流を流してＮＴＣサーミスタ１４を加熱し、ＮＴＣサーミスタ１４の抵抗が低下させて、導通させる。
検知部としては、円筒型固体電池１０の状態が異常であることを検知することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、電圧センサ、温度センサ、熱量センサ等が挙げられる。
電極積層体は、シート状であり、各電極は、電極集電体上に電極合材層が形成されている。すなわち、正極は、正極集電体上に正極合材層が形成されており、負極は、負極集電体上に負極合材層が形成されている。また、電解質は、特に限定されないが、例えば、ゲル電解質層、固体電解質層等に含まれていてもよい。
なお、電極積層体は、電解質を介して正極および負極が積層されていればよく、複数の正極および／または負極を有していてもよい。複数の正極および／または負極を有する電極積層体の積層構造としては、例えば、正極／電解質／負極／電解質／正極等が挙げられる。このとき、電極積層体は、例えば、ロールプレスすることにより製造することができる。
円筒型固体電池１０は、巻回電極群１２を巻回している外装部材１５をさらに有する。ここで、外装部材１５は、シート状である。外装部材１５を構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。
このとき、外装部材１５は、巻回電極群１２の軸心部材１１と接していない側の端部に、接着剤で接着していてもよいし、巻回電極群１２の軸心部材１１と接していない側の端部から延出している電極集電体であってもよい。これにより、バッテリモジュール１００の体積エネルギー密度が向上する。
なお、外装部材１５で巻回されている巻回電極群１２は、所定の張力を印加しながら、軸心部材１１の周りに電極積層体および外装部材１５を巻回することにより得られる。このとき、軸心部材１１の外側から押圧しながら、電極積層体および外装部材１５を巻回してもよい。
円筒型固体電池１０は、軸心方向の一方（上方）の端部に配置されており、正極および負極の一方と電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａと、軸心方向の他方（下方）の端部に配置されており、正極および負極の他方と電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂと、をさらに有する。ここで、第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂは、それぞれ、軸心部材１１に対して略対称に傾斜している傾斜領域を有し、外形が円錐体状である。また、外装部材１５および第１蓋部材１６Ａの間に、リング状の絶縁部材１７が配置されている。一方、第１蓋部材１６Ａは、雄ネジ部１３Ａと電気的に接続されており、第２蓋部材１６Ｂは、雌ネジ部１３Ｂおよび外装部材１５と電気的に接続されている。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、特に限定されない。第１蓋部材１６Ａの傾斜領域における軸心部材１１に対する傾斜角度は、巻回電極群１２の軸心部材１１の側に隣接する延出部１８Ａの高さと、巻回電極群１２の巻回数によって決定される幅から成る傾斜角度となる。また、第１蓋部材１６Ａの傾斜領域は、延出部１８Ａが格納される体積を有している。
第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料としては、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、金属等が挙げられる。第１蓋部材１６Ａおよび第２蓋部材１６Ｂを構成する材料は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
また、軸心部材１１の軸心方向の上方の端部に設けられている雄ネジ部１３Ａと、軸心部材１１の軸心方向の下方の端部に設けられている雌ネジ部１３Ｂが締結される締結力で絶縁部材１７が圧縮され、その結果、外装部材１５と第１蓋部材１６Ａとが固定され、封止される。一方、第２蓋部材１６Ｂは、外装部材１５との接触部が、レーザー溶接により接合され、封止されるとともに一体化される。
絶縁部材１７を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ＰＦＡ等の樹脂が挙げられる。
正極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の一方（上方）の端部から延出している延出部１８Ａを有し、負極集電体は、巻回電極群１２の軸心方向の他方（下方）の端部から延出している延出部１８Ｂを有する。ここで、正極集電体の延出部１８Ａは、第１蓋部材１６Ａに集電し、負極集電体の延出部１８Ｂは、第２蓋部材１６Ｂに集電する。
このとき、外装部材１５に集電する延出部１８Ｂと電気的に接続されている第２蓋部材１６Ｂが、軸心部材１１に集電する延出部１８Ａと電気的に接続されている第１蓋部材１６Ａよりも、傾斜領域の傾斜角度が大きい。これにより、隣接する円筒型固体電池１０を、雄ネジ部１３Ａおよび雌ネジ部１３Ｂを介して、連結させやすくなる。
以下、本実施形態のバッテリモジュールを構成する円筒型固体電池が全固体リチウム二次電池である場合について説明する。
正極集電体としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム箔等が挙げられる。
正極合材層は、正極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ５／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ３／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ６／１０Ｃｏ２／１０Ｍｎ２／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ８／１０Ｃｏ１／１０Ｍｎ１／１０）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／６Ｃｏ４／６Ｍｎ１／６）Ｏ２、Ｌｉ（Ｎｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３）Ｏ２、ＬｉＣｏＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、硫化リチウム、硫黄等が挙げられる。
固体電解質層を構成する固体電解質としては、リチウムイオンを伝導することが可能な材料であれば、特に限定されないが、例えば、酸化物系電解質、硫化物系電解質、有機物からなる結晶体に電解質が解離した分子結晶電解質等が挙げられる。
負極合材層は、負極活物質を含み、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、Ｓｉ、ＳｉＯ、炭素材料等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、人工黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。
負極集電体としては、特に限定されないが、例えば、銅箔等が挙げられる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
１０ 円筒型固体電池
１１ 軸心部材
１１ａ 第１導電部材
１１ｂ 第２導電部材
１２ 巻回電極群
１３Ａ 雄ネジ部
１３Ｂ 雌ネジ部
１４ ＮＴＣサーミスタ
１５ 外装部材
１６Ａ 第１蓋部材
１６Ｂ 第２蓋部材
１７ 絶縁部材
１８Ａ、１８Ｂ 延出部
１００ バッテリモジュール
Ｔ 貫通孔

Claims (4)

  1. 複数の円筒型固体電池を備え、
    前記円筒型固体電池は、軸心部材と、前記軸心部材の周りに、電解質を介して正極および負極が積層されている電極積層体が巻回されている巻回電極群と、を有し、
    前記軸心部材は、軸心方向において、第１導電部材および第２導電部材の間にＮＴＣサーミスタまたはＣＴＲサーミスタが配置されているとともに、中心部に貫通孔が形成されており、
    前記円筒型固体電池は、前記貫通孔に配置されており、前記ＮＴＣサーミスタまたはＣＴＲサーミスタの温度を調整する温度調整部をさらに有する、バッテリモジュール。
  2. 前記円筒型固体電池は、前記貫通孔に前記円筒型固体電池の状態を検知する検知部をさらに有する、請求項１に記載のバッテリモジュール。
  3. 前記円筒型固体電池は、前記軸心部材の軸心方向の一方の端部に設けられている第１締結部と、前記軸心部材の軸心方向の他方の端部に設けられている第２締結部と、を有し、
    隣接する前記円筒型固体電池が、前記第１締結部および前記第２締結部を介して、締結されている、請求項１または２に記載のバッテリモジュール。
  4. 前記電極積層体は、固体電解質層を介して前記正極および前記負極が積層されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリモジュール。
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