JP5098318B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電池モジュールに関する。

組電池の単位ユニットである電池モジュールは、ケースの中に扁平型の二次電池である薄型電池を複数収納している。この薄型電池は、正極材と負極材と電解質とを積層した発電要素を可撓性を有するシート状の外装部材で覆った構成を有し、軽量で薄板状であるため、複数積層するのに適している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−６１４１

電池モジュールの薄型電池が何らかの異常により発熱した場合には、その電池モジュールの周辺に配置されている他の部品にも熱的な影響を及ぼす虞がある。このため、熱的な異常が電池モジュールに生じた場合に、その異常な事態の影響を他に及ぼさないようにする手段を講じることが要請されている。

本発明は、上記要請に応えるためになされたものであり、熱的な異常が生じた場合に、その異常な事態の影響を他に及ぼさないようにし得る電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、薄板状の正極電極及び負極電極を備える薄型電池を、厚み方向に複数枚積層するとともに電気的に直列に接続してなる電池群と、
前記薄型電池の前記電極を積層方向に沿う両側から挟持するスペーサと、
前記電極と前記スペーサとの積層状態を加圧する加圧手段と、を有し、
前記正極電極及び負極電極の接続されている面とは反対側の電極面の間に配置されるスペーサのうちの少なくとも１つは、導電性の基材と、前記基材の外面のうち少なくとも電極に接する面に絶縁材料で形成された絶縁層とを有し、
前記絶縁層は、前記電池群の定常作動温度より高い温度で軟化して、前記基材と前記電極とを電気的に接続させることを特徴とする電池モジュールである。

本発明によれば、熱的な異常が生じた場合には、電池群の定常作動温度より高い温度にまで温度上昇するとスペーサの絶縁層が軟化し、スペーサの導電性の基材と薄型電池の電極とが電気的に接続される。正常時には絶縁性を有していたスペーサが導電性を示す結果として、電流がスペーサの基材に流れるため、基材でエネルギーが消費され、薄型電池の異常な温度上昇を抑えることができる。従って、熱的な異常が生じた場合に、その異常な事態の影響を他に及ぼさないようにし得る電池モジュールとなる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図、図２は、図１に示される電池モジュールを分解して示す斜視図、図３は、電池の最小単位をなす薄型電池を示す図、図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５（Ａ）は、定常作動温度でのスペーサの状態を示す部分拡大断面図、図５（Ｂ）は、スペーサの絶縁層が軟化し、押し出された状態を示す部分拡大断面図。

なお、図１において長手方向前側に位置する面を前面、長手方向奥側に位置する面を背面とする。以下の説明では、薄型電池を「単電池」、薄型電池の電極を「タブ」と称する。

図１および図２に示すように、電池モジュール５０は、複数枚（図示例では８枚）の単電池１００を含むセルユニット６０が、これを保護するケース７０内に収納されている。

ケース７０は、開口部７４が形成された箱形状をなすロアケース７１と、開口部７４を閉じる蓋体をなすアッパーケース７２と、を含んでいる。ロアケース７１及びアッパーケース７２は、比較的薄肉の鋼板またはアルミ板から形成され、プレス加工によって所定形状が付与されており、通しボルトを挿通するためのボルト孔７３を有する。ロアケース７１とアッパーケース７２は、アッパーケース７２の縁部７８が、カシメ加工によって、ロアケース７１の周壁７７の縁部７９に巻き締められることにより、組み合わされている（図４参照）。

セルユニット６０は、８枚の単電池１００を積層するとともに各単電池１００を直列に接続してなる電池群８０と、電池群８０の前面および背面に着脱自在に取付けられる絶縁カバー９１，９２と、単電池１００のタブを挟持するための複数のスペーサ１３０，１３０’，１３５，１３５’と、電池群８０と外部を電気的に接続するための正負の出力端子１４０，１５０と、を含んでいる。

セルユニット６０は、電池群８０および複数のスペーサ１３０，１３０’，１３５，１３５’が厚み方向から押さえつけられた状態で、ケース７０内に収納されている。図示する実施形態においては、ケース７０によって、単電池１００のタブとスペーサ１３０，１３０’，１３５，１３５’との積層状態を加圧する加圧手段を形成している。なお、本発明は、加圧手段をケース７０により形成する場合に限定されるものではなく、ケース７０とは別個のクランプ部材などによって加圧手段を形成することもできる。

正負の出力端子１４０，１５０は、ロアケース７１の周壁７７の一部に形成された切り欠き部７５，７６を通してケース７０から外部に導出されている。

単電池１００は、図３（Ａ）に示すように、例えば、扁平なリチウムイオン二次電池であり図３（Ｂ）に示すように、正極板１２１、負極板１２２およびセパレータ１２３を順に積層した積層型の発電要素１２０が、ラミネートフィルムなどの外装材１２５で封止された単電池本体１０１を有する。単電池１００は、発電要素に一端が電気的に接続されるとともに板状をなす正極タブ１０５および負極タブ１１０が、外装材から外部に導出され、長手方向の両側に延びている。

複数の単電池１００は、図４に示すように、正極タブ１０５および負極タブ１１０が単電池の積層方向に沿って交互となるように、つまり、タブの電気的極性が異なるように積層され、単電池１００同士は、単電池本体１０１に両面テープまたは接着剤が付けられることによって、相互に固定されている。

これら複数の単電池１００のうち、ロアケース７１に最も近い側の最下層の電池１００は、正極タブ１０５が正極側の出力端子１４０に接続され、アッパーケース７２に最も近い最上層の電池１００は、負極タブ１１０が負極側の出力端子１５０に接続される。

最上層と最下層との間の電池１００は、負極タブ１１０が一段上に積層されている他の電池１００の正極タブ１０５と接続され、正極タブが一段下に積層されている他の電池１００の負極タブ１１０と接続されて、結果として直列に接続されている。なお、正負の出力端子１４０，１５０とタブとの接続及び正極タブ１０５と負極タブ１１０との接続方法は、超音波溶接である。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、レーザ溶接でもよい。

最上層と最下層の単電池１００のタブのケース側の面には、絶縁材料で形成される第１スペーサ１３５，１３５’が配置され、タブとタブとの間には、導電性の基材１３１に絶縁層１３２をコーティングした第２スペーサ１３０，１３０’が配置される。

第１スペーサ１３５の厚みは、単電池１００の１個分の厚さとほぼ等しく、第２スペーサ１３０の厚みは、単電池１００の２個分の厚さとほぼ等しい。ただし、背面側の積層方向最上層のタブに配置される第１スペーサ１３５’は、厚み調整のために、単電池１００の２個分の厚さとほぼ等しい厚みを有し、前面側の積層方向最下層のタブに配置される第２スペーサ１３０’は、厚み調整のために、単電池１００の１個分の厚さを有する。

各スペーサの幅は、単電池１００の幅と略同等であり、各スペーサの両端には、ボルトの軸力を受けるスリーブ９３が挿入されるスリーブ孔９５が形成されている。

第１スペーサ１３５，１３５’および第２スペーサ１３０，１３０’は、加圧手段であるケース７０により、積層方向両側から加圧され、複数のタブを挟持している。

なお、最上層のタブ上に配置された第１スペーサ１３５、１３５’とアッパーケース７２との間には、絶縁性の緩衝材９４が設けられている。

第１スペーサ１３５，１３５’の材料は、電気絶縁性を備え、タブを挟持するに足りる強度を備える限りにおいて限定されないが、例えば、電気絶縁性の樹脂材料を用いることができる。

第２スペーサ１３０，１３０’は、概説すれば、導電性の基材１３１と、基材１３１の外面のうち少なくともタブに接する面に絶縁材料をコーティングして形成される絶縁層１３２とを有している。絶縁層１３２は、電池群８０の定常作動温度（電池内部の正極板１２１と負極板１２２とが短絡する等の異常が発生していない時の温度）より高い温度で軟化して、基材１３１とタブ１０５，１１０とを電気的に接続させる。絶縁層１３２が軟化する温度は、ある特定の温度に限定されるものではなく、電池群８０の定常作動温度、定常作動温度の変動幅、および絶縁層１３２を形成する材料の特性などを考慮して適宜選択することができるが、例えば、１２０〜１８０℃の範囲内の温度に設定することが好ましい。そのような温度範囲に設定しておけば、電池内部の正極板１２１と負極板１２２とが短絡する等によって熱的な異常が生じた場合に、その異常な事態の影響をできるだけ他に及ぼさないようにできるからである。

さらに詳しくは、第２スペーサ１３０，１３０’は、電気絶縁性の絶縁層１３２が、導電性の基材１３１の厚み方向の両面にコーティングされた３層構造を有する。

絶縁層１３２は、電気絶縁性を備え、かつ電池群８０の定常作動温度より高い温度で軟化する材料から形成される。なお、本実施形態に係る電池モジュール５０は、リチウムイオン二次電池であり、定常作動温度は、概ね１００℃程度である。

上述のような性質を有する材料として、例えば、熱可塑性フッ素樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネートまたは延伸ポリプロピレンから選択することができる。

熱可塑性フッ素樹脂としては、約１５０℃で軟化する旭硝子株式会社製のＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー）であるＦｌｕｏｎ（登録商標）を例示でき、ポリエチレンナフタレートとしては、約１８０℃で軟化する帝人デュポンフィルム株式会社のテオネックス（Ｔｅｏｎｅｘ）（登録商標）を例示できる。

ポリカーボネートの軟化温度は、約１３０℃であり、延伸ポリプロピレンの軟化温度は、約１２０℃である。

絶縁層１３２の厚み寸法は、電池モジュール５０の定常作動時に電気絶縁性を確保し、軟化時に積層方向から加わる力により少なくとも薄肉化して、タブと基材１３１とを電気的に接続することができる範囲であり、例えば２０〜５０μｍである。

基材１３１の材質は、例えばアルミニウム、銅、鉄などのような導電性の材料が用いられる。

この電池モジュール５０にあっては、図５（Ａ）に示すように、加圧手段であるケース７０から加えられる力Ｆにより、第２スペーサ１３０，１３０’は、接合されたタブ１０５，１１０を挟持している。定常作動温度時は、接合されたタブ１０５，１１０と導電性の基材１３１とは、絶縁層１３２により絶縁状態が確保されている。

一方、何らかの異常により単電池１００が異常発熱した場合において、電池群８０の定常作動温度より高い軟化温度にまで温度上昇すると、第２スペーサ１３０，１３０’の絶縁層１３２が軟化する。すると、図５（Ｂ）に示すように、絶縁層１３２の一部は、ケース７０から加えられる力Ｆにより、第２スペーサ１３０，１３０’の基材１３１とタブ１０５，１１０との間から押し出される。

この結果、絶縁層１３２は薄肉化あるいは存在しない箇所が生じることによって、接合されたタブ１０５，１１０と基材１３１との電気絶縁性を確保できなくなり、タブ１０５，１１０と基材１３１とが電気的に接続される。

タブ１０５，１１０と基材１３１とが電気的に接続されると、電流が基材１３１に流れ、基材１３１でエネルギーが消費される。

従って、単電池１００での発熱を抑えることができ、単電池１００の異常な温度上昇を防ぐことが可能である。単電池１００の異常な膨張を抑えることができ、ケース７０の変形を防止することもできる。

また、事故によって導電性の異物が単電池１００を貫通するような場合においても、電流が、単電池１００内の正極材および負極材に接触した導電性の異物に流れ、単電池１００内部が異常発熱する虞がある。

このような場合でも、本発明によれば、前述のように基材１３１に電流を流すことで単電池１００の異常な発熱を抑えることができる。

以上のように、本実施形態の電池モジュール５０によれば、熱的な異常が生じた場合に、その異常な事態の影響を他に及ぼさないようにして安全性を高めることが可能となる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、上述した実施形態では、絶縁層１３２は、基材１３１の外面のうちタブに接触する面に形成されたが、基材１３１の全体を覆うように形成されてもよい。

また、第１スペーサ１３５，１３５’の代わりに、第２スペーサ１３０，１３０’を配置することも可能である。この場合、電池モジュール５０内部の温度上昇の際に、絶縁層１３２が軟化し、ケース７０と基材１３１とが電気的に接続されないように、第２スペーサ１３０，１３０’とケース７０との間には、軟化温度に達しても絶縁性を維持し得る絶縁性部材が設けられる。

これとは逆に、タブ間の少なくとも１箇所に第２スペーサ１３０，１３０’を配置した状態で、第１スペーサ１３５，１３５’を、第２スペーサ１３０，１３０’の代わりに、タブ間に配置することも可能である。タブの間に配置されるスペーサのうちの少なくとも１つを第２スペーサ１３０，１３０’から構成しておけば、正常時には絶縁性を有していたスペーサが異常時に導電性を示す結果として、電池モジュール５０の異常発熱の抑制を図ることができるからである。

本発明の実施形態に係る電池モジュールを示す斜視図である。 図１に示される電池モジュールを分解して示す斜視図である。 電池群に含まれる単電池を示し、（Ａ）は単電池の斜視図であり、(Ｂ)は(Ａ)のα−α線に沿う断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 接合された電極とこれを挟持するスペーサの部分拡大断面図であり、図５（Ａ）は、定常作動温度での状態を示し、図５（Ｂ）は、絶縁層が軟化し、押し出されたときの状態を示している。

符号の説明

５０ 電池モジュール
７０ ケース（加圧手段）、
８０ 電池群、
１００ 単電池（薄型電池）、
１０５，１１０ タブ（電極）、
１３０，１３０’，１３５，１３５’ スペーサ、
１３１ 基材、
１３２ 絶縁層。

Claims (3)

1. 薄板状の正極電極及び負極電極を備える薄型電池を、厚み方向に複数枚積層するとともに電気的に直列に接続してなる電池群と、
   前記薄型電池の前記電極を積層方向に沿う両側から挟持するスペーサと、
   前記電極と前記スペーサとの積層状態を加圧する加圧手段と、を有し、
   前記正極電極及び負極電極の接続されている面とは反対側の電極面の間に配置されるスペーサのうちの少なくとも１つは、導電性の基材と、前記基材の外面のうち少なくとも電極に接する面に絶縁材料で形成された絶縁層とを有し、
   前記絶縁層は、前記電池群の定常作動温度より高い温度で軟化して、前記基材と前記電極とを電気的に接続させることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記絶縁層の絶縁材料は、熱可塑性フッ素樹脂、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネートまたは延伸ポリプロピレンのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記絶縁層が軟化する温度は、１２０〜１８０℃の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。

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