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JP6956258B2 - 固体電池モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、固体電池モジュールに関する。さらには、エネルギー密度が高く、十分な面圧を確保し、振動時における電極ずれを抑制した電池モジュールに関する。
従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを存在させ、液体の電解質（電解液）が充填された構造を有する。
リチウムイオン二次電池の電解液は、通常、可燃性の有機溶媒であるため、特に、熱に対する安全性が問題となる場合があった。そこで、有機系の液体の電解質に代えて、無機系の固体の電解質を用いた固体電池が提案されている（特許文献１参照）。固体電解質による固体電池は、電解液を用いる電池と比較して、熱の問題を解消するとともに、積層により高容量化および／または高電圧化することができ、さらに、コンパクト化の要請にも対応することができる。
このような二次電池の形状としては、円筒型や角型等が存在する。そして、大電流や大電圧を必要とする機器、例えば、ハイブリッド電気自動車等のモータ駆動用に使用する場合には、二次電池モジュールを構成する。
二次電池モジュールは、直列に連結された複数の二次電池からなり、複数の二次電池、電極接続部を内蔵する空間部が形成された電池ケース、および、電池ケースに結合されるモジュール構成部材を含む（特許文献２参照）。
より具体的な二次電池モジュールとしては、例えば、電池モジュール２００における電池の積層方向の断面図である図１（ａ）、および電池モジュール２００におけるＡ−Ａ’断面図である図１（ｂ）に示すように、電池セル２０２とセパレータ２１６とを交互に積層し、この積層体を、積層体の両端に設けたエンドプレート２１７とバインドバー２１４を用いて固定する構成となっている。
しかしながら、図１（ｂ）に示されるように、従来の二次電池モジュールを構成する電池２０１は、液体の電解質の場合に発生するガスを貯留する目的や電解液を注液する目的で、電池ケース２０３と電池セル２０２との間に、空間部が形成されていた。そしてこの残空間は、電池のエネルギー密度を低減させていた。
さらに、従来の電池モジュールでは、モジュール構成部材（図１（ｂ）においては、端子２０５、バスバー２０６、電圧検出線２０７、サーミスタ２０８、バインドバー２１４、ロワープレート２１５、熱伝導材２１８、冷却水２１９）は、電池ケース２０３の外側に、電極接続部に重畳する状態で配置されている。このため、電池モジュール全体の体積（すなわち、破線で示す領域）が大きくなり、モジュールのエネルギー密度を低減させていた。また、振動等によって、電極ずれ等が発生する場合があった。
特開２０００−１０６１５４号公報 特開２００６−２７８３２７号公報
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー密度が高く、振動時における電極ずれを抑制した電池モジュールを提供することにある。
本発明者らは、固体電解質を備える固体電池は、液体の電解質が充填されるリチウムイオン二次電池と異なり、充放電によるガス発生量が極めて少ないこと、また、電解質の充填により電池が膨潤しないことに着目した。そして、液体の電解質が充填されるリチウムイオン二次電池には必要であった、電池セルにおける残空間をなくすとともに、当該残空間となっていた部分にモジュール構成部材を配置すれば、エネルギー密度が高く、振動時における電池セルのズレまたは剥離等が抑制された固体電池モジュールを実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、複数の固体電池と、モジュール構成部材と、を含む固体電池モジュールであって、前記複数の固体電池は、所定の方向に略平行となるよう配置され、前記固体電池は、固体電池セルと、前記固体電池セルを収納する電池ケースとを備え、前記固体電池セルは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に存在する固体電解質と、前記正極に接続された正極タブと、前記負極に接続された負極タブと、を備え、前記電池ケースの外形寸法は、前記固体電池セルの外形寸法と略同一であり、前記電池ケースは、凹部を有し、前記モジュール構成部材は、前記凹部に配置される、固体電池モジュールである。
前記モジュール構成部材は、バスバー、サーミスタ、ハーネス、電圧検出線、電池ケース固定部材、セル電圧・温度モニターユニット等からなる群から選ばれる少なくとも１種であってもよい。
前記電池ケースは、少なくとも１つの凸部を有し、前記正極タブおよび前記負極タブは、前記凸部に格納されていてもよい。
前記電池ケースは、少なくとも２つの凸部を有し、前記正極タブおよび前記負極タブは、それぞれ別の凸部に格納されていてもよい。
前記正極タブが格納される凸部と、前記負極タブが格納される凸部は、前記電池ケースにおいて同一の面に設けられていてもよい。
前記正極タブが格納される凸部と、前記負極タブが格納される凸部は、前記電池ケースにおいて異なる面に設けられていてもよい。
前記電池ケースは、金属であり、前記所定の方向と略平行となる前記電池ケースを構成する面は、固体電池セルに面圧をかける押圧部を有し、前記押圧部により、隣り合った前記複数の固体電池の間に空隙部が形成されていてもよい。
前記押圧部は、前記電池ケースの一面のみに設けられていてもよい。
前記押圧部は、前記電池ケースの向かい合った一組の面に設けられていてもよい。
前記空隙部には、セル温度を抑制するための空気、水、伝熱材、およびヒーター等、ならびにモジュールを機能させるための電気絶縁材もしくは電気伝導材、緩衝材および電池ケース固定部材等からなる群から選ばれる少なくとも１種が存在していてもよい。
前記押圧部には、ヒートシンクが配置されていてもよい。
前記ヒートシンクは、フィンまたは凹凸形状であってもよい。
前記固体電池は、固体電池セルと前記電池ケースとの間に膨張材を備え、前記膨張材は、吸水または化学反応により体積膨張、または熱により体積変化するものであってもよい。
また別の本発明は、上記の固体電池モジュールを備える装置である。
本発明の固体電池モジュールは、エネルギー密度が高く、振動時における電極ずれが抑制された電池モジュールとなる。
従来の二次電池モジュールの側面図、およびＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの側面図、およびＡ−Ａ’断面図である。 固体電池モジュールを構成する固体電池の一実施形態に係る断面図である。 固体電池モジュールを構成する固体電池の一実施形態に係る断面図である。 固体電池モジュールを構成する固体電池の一実施形態に係る断面図である。 固体電池モジュールを構成する固体電池の一実施形態に係る簡略側面図である。
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。たたし、以下に示す実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明は下記に限定されるものではない。
本発明の固体電池モジュールは、複数の固体電池と、モジュール構成部材と、を含み、複数の固体電池は、所定の方向に平行となるよう配置され、前記固体電池は、固体電池セルと、前記固体電池セルを収納する電池ケースとを備え、前記固体電池セルは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に存在する固体電解質と、前記正極に接続された正極タブと、前記負極に接続された負極タブと、を備え、前記電池ケースの内形寸法は、前記固体電池セルの外形寸法と同一であり、前記電池ケースは、凹部を有し、前記モジュール構成部材は、前記凹部に配置されることを特徴とする。以下に、各構成要素について、図面を参照しながら説明する。本発明における上記「平行」とは、複数の固体電池を積層することで固体電池モジュールを構成する際に得られる程度の平行度合いを意味する。以下の説明において上記「平行」を完全な平行ではなく、上記の意味の、ある程度の裕度を持った平行度合いとして、「略平行」と記載する場合がある。本発明における上記「同一」とは、固体電池セルを電池ケースに収容する際の残空間を極めて小さくすることができる程度に、固体電池セルと電池ケースの寸法を同一化させることを意味する。以下の説明において上記「同一」を完全な同一ではなく、上記の意味の、ある程度の裕度を持った同一度合いとして、「略同一」と記載する場合がある。
［従来構造の電池モジュール］
ここでまず、従来構造の電池モジュールについて説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、従来構造の電池モジュールを、示す図である。図１（ａ）は、電池モジュール２００における電池２０１の積層方向の断面図、図１（ｂ）は、電池モジュール２００のＡ−Ａ’断面図である。
従来の電池モジュール２００は、図１（ａ）に示すように、複数の電池２０１が所定の方向に略平行となるよう配置される。隣り合った電池２０１の間には、セパレータ２１６が配置され、セパレータ２１６により、電気絶縁とモジュールを構成する電池２０１に均等な圧力がかかるようになっている。電池２０１とセパレータ２１６との積層体の両端には、エンドプレート２１７およびバインドバー２１４が配置される。エンドプレート２１７により、複数の電池２０１とセパレータ２１６の積層体に面圧をかけて整列を維持し、バインドバー２１４により結束性を高める。
図１（ａ）に示すように、従来の電池モジュール２００の上面は、モジュールの蓋に相当するトップカバー２１３で覆われており、トップカバー２１３により電気絶縁性が保たれる。また、電池２０１とセパレータ２１６の積層体は、バインドバー２１４によってロワープレート２１５に固定され、形状が維持される。さらに、電池モジュール２００の底面（すなわちロワープレート２１５が存在する面）には、電池２０１の積層体からの熱を伝導させ、冷却する目的で、シリコンコンパウンド等の熱伝導材２１８、および冷却水２１９が配置される。
また、従来の電池モジュール２００においては、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である図１（ｂ）に示すように、電池２０１は、電池セル２０２と、電池セル２０２を収納する電池ケース２０３とを備える。
さらに、従来の電池セル２０２は、正極（図示せず）と、負極（図示せず）と、正極および負極の間に存在する電解質（図示せず）と、正極に接続された正極タブ２０４と、負極に接続された負極タブ２０９とを有する。そして、液体の電解質の場合に発生するガスを貯留する目的や電解液を注液する目的で、電池ケース２０３と電池セル２０２との間には、空間部が設けられている。すなわち、従来の電池２０１は、電池セル２０２と電池ケース２０３との外形寸法に差があり、電池ケース２０３には、電池セル２０２が存在しない残空間が存在している。そしてこの残空間は、電池セルのエネルギー密度を低減させていた。
加えて、従来の電池モジュール２００は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、モジュール構成部材２１０に相当する、端子２０５、バスバー２０６、電圧検出線２０７、およびサーミスタ２０８は、電池ケース２０３の外側に、正極タブ２０４と負極タブ２０９に重畳する状態で配置される。そして、重畳されたモジュール構成部材２１０を格納するように、トップカバー２１３によって、電池モジュール２００は蓋をされる。したがって、従来の電池モジュール２００は、電池２０１の外形となる電池ケース２０３と比較して、電池モジュール２００全体の体積（すなわち、破線で示す領域）が大きくなり、その結果、モジュールのエネルギー密度が低い状況であった。また、振動等によって、電極ずれ等が発生する場合があった。
［本発明の固体電池モジュール］
これに対して本発明の固体電池モジュールは、モジュールを構成する固体電池における残空間を極めて小さくするとともに、当該残空間となっていた部分にモジュール構成部材を配置することを特徴とする。
具体的には、本発明の固体電池モジュールは、複数の固体電池と、モジュール構成部材と、を含み、複数の固体電池は、所定の方向に略平行となるよう配置され、前記固体電池は、固体電池セルと、前記固体電池セルを収納する電池ケースとを備え、前記固体電池セルは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に存在する固体電解質と、前記正極に接続された正極タブと、前記負極に接続された負極タブと、を備え、前記電池ケースの内形寸法は、前記固体電池セルの外形寸法と略同一であり、前記電池ケースは、凹部を有し、前記モジュール構成部材は、前記凹部に配置される。
図２（ａ）および（ｂ）は、本発明の固体電池モジュールの一実施形態を示す図である。図２（ａ）は、電池モジュール１００における複数の電池１０１の積層方向（すなわち、所定の方向に対して垂直な方向）の断面図、図２（ｂ）は、電池モジュール１００のＡ−Ａ’断面図である。そして、図２（ａ）および（ｂ）に示される本発明の一実施形態に係る電池モジュール１００は、図３（ａ）に示される固体電池が、複数用いられたものである。
本発明の固体電池モジュールの一実施形態である電池モジュール１００は、図２（ａ）に示すように、複数の電池１０１が所定の方向に略平行となるよう配置される。一実施形態である電池モジュール１００の場合には、隣り合った電池１０１の間にはセパレータは配置されていないが、本発明においては必要に応じてセパレータを配置してもよい。
一実施形態である電池モジュール１００においては、電池１０１の積層体の両端には、バインドバー１１４のみが配置され、結束性を高めている。なお、一実施形態である電池モジュール１００の場合には、複数の電池１０１の両端にエンドプレートは配置されていないが、電池１０１の積層体に面圧をかける必要がある場合には、必要に応じてエンドプレートを配置してもよい。
図２（ａ）に示すように、本発明の一実施形態である電池モジュール１００の上面は、モジュールの蓋に相当するトップカバー１１３で覆われており、トップカバー１１３により電気絶縁性が保たれる。また、電池１０１の積層体は、バインドバー２１４によってロワープレート１１５に固定され、形状が維持される。本発明の一実施形態である電池モジュール１００の場合には、電池モジュール１００の底面（すなわちロワープレート１１５が存在する面）には、シリコンコンパウンド等の熱伝導材や冷却水は配置されていないが、電池１０１の積層体から放熱させ、冷却する必要がある場合には、必要に応じて熱伝導材や冷却水を配置してもよい。
（固体電池の配置方向（所定の方向））
本発明の固体電池モジュールにおいて、複数の固体電池は、所定の方向に略平行となるよう配置される。固体電池の配置方向は、本発明においては特に限定されるものではない。
例えば、図２に示される本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールにおいては、固体電池の配置方向（本明細書においては、「所定の方向」と定義する）は、トップカバー１１３およびロワープレート１１５に略垂直な方向となっている。しかしながら、本発明においては、この方向に限定されるものではない。トップカバー１１３およびロワープレート１１５に略平行となるよう、固体電池を積層しても問題ない。トップカバー１１３およびロワープレート１１５に略平行に配置する場合には、フットプリントが大きいモジュールを実現できるため、電極充填率を向上させるとともに、モジュールのエネルギー密度を向上させることができる。
次に、本発明の固体電池モジュールの特徴について、図２（ｂ）を参照しながら説明する。
本発明の一実施形態である電池モジュール１００においては、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図である図２（ｂ）に示すように、電池１０１は、電池セル１０２と、電池セル１０２を収納する電池ケース１０３とを備える。
そして、本発明の一実施形態である電池セル１０２は、従来の電池セルと同様に、正極（図示せず）と、負極（図示せず）と、正極および負極の間に存在する固体電解質（図示せず）と、正極に接続された正極タブ１０４と、負極に接続された負極タブ１０９とを有する。
ここで、本発明の特徴は、電池における残空間となる空間部が極めて小さいことである。すなわち、従来の電池は、電池セルと電池ケースとの外形寸法に差があり、電池ケースには、電池セルが存在しない残空間が存在していたが、本発明の電池モジュールを構成する電池は、電池ケースの外形寸法が固体電池セルの外形寸法と略同一となっており、従来の電池のような残空間は敢えて形成されない。すなわち、電池ケースは、電池セルの外形に沿って電池セルを被覆した状態となっており、従来の残空間であった部分は凹部として存在している。これにより、各電池におけるエネルギー密度を向上できるとともに、電池形状の自由度を向上することができる。
本発明の一実施形態である電池モジュール１００についてみると、図２（ｂ）に示すように、電池ケース１０３の外形は、電池セル１０２の外形に沿うものとなっており、電池ケース１０３内部において、正極タブ１０４と負極タブ１０９との間に残空間が存在しない。正極タブ１０４と負極タブ１０９との間には凹部が形成されており、すなわち、電池セル１０２の上面には、従来の電池では残空間であった領域に凹部が存在する形状となる。
本発明の特徴は、さらに、従来の電池において残空間となっていた部分に、モジュール構成部材を配置することである。すなわち、従来の電池モジュールでは、残空間を有する電池ケースの外側に、端子、バスバー、電圧検出線、およびサーミスタ等のモジュール構成部材が、正極タブと負極タブに重畳する状態で配置されていたが、本発明の電池モジュールでは、モジュールを構成する電池において、従来の電池では残空間であった領域に形成した凹部に、モジュール構成部材を配置する。これにより、電池モジュール全体の体積を小さくすることができ、その結果、電池モジュールのエネルギー密度を向上することができる。また、振動等による電極ずれ等を抑制することができる。
本発明の一実施形態である電池モジュール１００についてみると、図２（ｂ）に示すように、モジュール構成部材１１０を構成する、端子１０５は、電池ケース１０３の凹部に、正極タブ１０４と負極タブ１０９に導通する状態で配置される。また、その他のモジュール構成部材１１０である、バスバー１０６、電圧検出線１０７、およびサーミスタ１０８は、電池ケース１０３の凹部に、端子１０５に並ぶように配置される。
＜固体電池＞
固体電池は、固体電池セルと、固体電池セルを収納する電池ケースとを備える。図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図である図２（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る電池１０１は、電池セル１０２と、電池セル１０２を収納する電池ケース１０３とを備える。
［固体電池セル］
固体電池セルは、従来の電池セルと同様に、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に存在する固体電解質と、前記正極に接続された正極タブと、前記負極に接続された負極タブと、を備える。本発明において固体電池セルは、電極の積層体であっても、ラミセルであっても、問題なく対応することができる。
本発明の一実施形態である図２（ｂ）に示す電池セル１０２においては、正極層（図示せず）と、負極層（図示せず）と、正極層および負極層の間に存在する固体電解質層（図示せず）と、正極層に接続された正極タブ１０４と、負極層に接続された負極タブ１０９とを有する。
（正極および負極）
本発明の固体電池モジュールの固体電池を構成する正極および負極は、特に限定されるものではなく、固体電池の正極または負極として用いることのできるものであればよい。正極および負極は、活物質や固体電解質を含み、任意に、導電助剤や結着剤等を含んでいてもよい。
本発明の固体電池モジュールの固体電池を構成する正極および負極は、電極を構成することのできる材料から２種類を選択し、２種類の化合物の充放電電位を比較し、貴な電位を示すものを正極に、卑な電位を示すものを負極に用いて、任意の電池を構成することができる。
（固体電解質）
本発明の固体電池モジュールの固体電池を構成する固体電解質は、必要に応じて結着剤等を含む。本発明においては、固体電池の固体電解質として用いることのできるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、酸化物系や硫化物系の固体電解質を挙げることができる。なお、固体電解質に含まれる各物質の組成比については、電池が適切に作動可能であれば、特に限定されるものではない。
また、固体電解質は、正極と負極との間に適切に存在し、正極と負極との間のイオン伝導が可能な状態であれば、厚みや形状等は特に限定されるものではない。また、製造方法も特に限定されるものではない。
（正極タブ・負極タブ）
正極タブおよび負極タブは、正極または負極の集電箔に連結し、電池の集電の役割を担う。本発明の固体電池モジュールの固体電池を構成する正極タブおよび負極タブは、固体電池に用いられる集電体であれば、その材質や構造等は特に限定されるものではない。本発明においては、例えば、厚さ１０〜５００μｍ程度の金属箔等を挙げることができる。
｛タブの配置｝
本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池において、正極タブおよび負極タブは、正極層または負極層の集電箔にそれぞれ連結しているため、電池セルにおいて、正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の端面から延出するように設けられる。
ここで、タブの配置について、図面に基づいて説明する。図２（ｂ）は、本発明の固体電池モジュールの一実施形態に係る電池モジュール１００のＡ−Ａ’断面図であり、図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明の固体電池モジュールを構成する一実施形態に係る固体電池の断面図である。図３（ａ）および（ｂ）は、電池セル１０２を構成する正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の積層方向（両矢印で図示する）に対して平行な、正極タブ１０４または負極タブ１０９部分における断面を示しており、図２（ｂ）は、垂直な断面を示している。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、正極タブ１０４および負極タブ１０９は、電池セル１０２を構成する正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の端面から延出するように、正極または負極の集電箔に連結して設けられる。図２（ｂ）に示される実施形態においては、正極タブ１０４と負極タブ１０９は、電池セル１０２の正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の同一の端面における２か所から、それぞれ延出している。そして、図２（ｂ）に示される実施形態では、電池ケース１０３には、正極タブ１０４を格納する凸部と、負極タブ１０９を格納する凸部の、２つの凸部が設けられ、正極タブ１０４と負極タブ１０９は、それぞれの凸部内に格納されている。
なお、本発明においては、図２（ｂ）、図３（ａ）〜（ｂ）、図４に示すように、正極タブ１０４および負極タブ１０９は、電池セルを構成する正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の同じ端面から延出するように配置してもよいし、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、正極タブ１０４および負極タブ１０９がそれぞれ異なる端面から延出するように、別々に配置してもよい。
［電池ケース］
（外形寸法）
本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、その外形寸法が固体電池セルの外形寸法と略同一である。これは、固体電池は、液体の電解質が充填されるリチウムイオン二次電池とは異なり、ガスを貯留するための空間や、電解液を注液するための空間を設ける必要がないためである。すなわち固体電池の場合には、電池ケースに電池セルを挿入後は、電池セルのガス発生量は無視できるほど小さく、残空間は必要とはならない。
そこで、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、残空間となる空間部を極めて小さいものとし、電池セルの外形に沿って電池セルを被覆した状態となっている。本発明においては、これにより、固体電池の体積を小さくすることができ、その結果、各電池のエネルギー密度が向上するとともに、電池形状の自由度を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である図２（ｂ）においては、電池セル１０２は電池ケース１０３に収納され、電池ケース１０３は、電池セル１０２の外形に沿って電池セル１０２を被覆し、電池ケース１０３の外形寸法は電池セル１０２の外形寸法と略同一となっている。
（凹部）
上記の通り、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、電池セルの外形に沿って電池セルを被覆し、その外形寸法が固体電池セルの外形寸法と略同一であることにより、従来の電池では残空間であった部分が、電池ケースにおいて凹部として存在することになる。
すなわち、本発明における凹部は、従来の電池では残空間であった空間部であるため、凹部が形成される位置は、電池ケースにおいて特に限定されるものではない。電池ケースの任意の面において、面の中心部であっても、周辺部であってもよい。また、凹部は、電池ケースにおいて、１つのみならず、複数設けられていてもよい。
本発明の固体電池モジュールにおいては、電池ケースの凹部にモジュール構成部材を配置する。これにより、電池モジュール全体の体積を小さくすることができ、その結果、電池モジュールのエネルギー密度を向上することができる。さらには、電池ケース内に残空間がないため、振動等による電池セルのズレまたは剥離等を抑制することも可能となる。
本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である図２（ｂ）においては、モジュール構成部材となるサーミスタ１０８が、電池ケース１０３に形成された凹部に配置されている。
（材料）
電池ケースの材料としては、特に限定されるものではないが、金属であることが好ましい。金属であることにより、放熱性が向上し、ケースそのものの強度の向上や金属溶接が可能なため密閉性が向上する。
（押圧部）
液体の電解質を備えるリチウムイオン二次電池の場合には、電池ケースに電池セルを挿入した後に電解液を充填することで、電池セルに電解液が膨潤し、その後に初期充放電やエイジングを実施することで、電池セルが体積膨張し、その結果、電池ケースと電池セルとが密着し、面圧がかかる状況となっていた。
しかしながら、固体電解質を備える固体電池は、電池ケースに電池セルを挿入後は、電池セルの体積膨張が少ないため、上記の方法による電池への十分な面圧は発生しなかった。そこで、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、固体電池セルに面圧をかける押圧部を有することが好ましい。
押圧部は、ばねの力によって固体電池セルに面圧をかける作用を発現する。このため、固体電池セルにおける正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の積層方向に対して、略垂直な面（すなわち、正極層、固体電解質層、および負極層と略平行な面）に押圧部を設ける。これにより、正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の積層方向に面圧がかるため、単一の電池セルに対して初期荷重をかけることができ、入出力特性と耐振動性を向上させることができる。
また、本発明の固体電池モジュールにおける固体電池の配置方向（所定の方向）と略平行な面に押圧部を存在させれば、モジュール全体に面圧がかかることから、隣り合った電池との間のセパレータを省略することができ、また、モジュール両端のエンドプレートを省略することができる。その結果、モジュール全体の体積を小さくすることができ、電池モジュールのエネルギー密度を向上することができる。
本発明における押圧部は、電池ケースの一面のみに設けても、あるいは、向かい合った一組の面に設けても、いずれであってもよい。電池ケースの一面のみに設ける場合には、電池セルにおける正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の片側からのみ、積層方向に面圧を作用させる。向かい合った一組の面に設ける場合には、電池セルにおける正極層、固体電解質層、および負極層の積層体を挟み込んで、両側から積層方向に面圧を作用させることができる。本発明においては、向かい合った一組の面に設けることが好ましい。
図３および図４は、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の一実施形態に係る断面図である。図３および図４の電池１０１においては、電池セル１０２において、正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の積層方向（両矢印で図示する）に対して、略垂直となる面に、押圧部１１２が設けられる。図３（ａ）および図４の電池１０１は、押圧部１１２が、向かい合った一組の面に設けられた態様である。図３（ｂ）における押圧部１１２は、電池ケース１０３の一面のみに設けられた態様である。
押圧部の構造は、固体電池セルに面圧をかける作用を発現するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、階段状、波形形状、曲面で構成される形状等が挙げられる。
図３および図４の電池１０１は、階段状の押圧部１１２が設けられた実施形態である。
また、押圧部は、電池ケースにおいて、押圧部以外の部分と連続する構造であっても、あるいは、不連続な構造であっても、いずれであってもよい。不連続な構造とすることにより、ばねの力とともに、その他の力を作用させることができる。
図３および図４の電池１０１は、階段状の押圧部１１２が、電池ケース１０３に不連続に形成された実施形態である。本実施形態のように、押圧部が内側にスライド可能となる構造とすれば、例えば、固体電池モジュールを形成する際に両端から押圧した場合に、電池セルに面圧を作用させやすくなる。あるいは、電池セルの内圧が高まった場合に、応力を逃がして安全性を向上させることができる。
（空隙部）
固体電池の電池ケースが、押圧部を有する場合には、本発明の固体電池モジュールにおいて、隣り合った固体電池の間には、空隙部が形成される。具体的には、本発明の一実施形態に係る固体電池モジュール側面図である図２（ａ）においては、電池モジュール１００は、図３に示される固体電池が複数配置された構成をとる。図２（ａ）に示すように、電池モジュール１００においては、複数の電池１０１が、所定の方向に略平行となるよう配置され、隣り合った電池１０１の間には、電池１０１の電池ケース１０３に存在する押圧部１１２によって、空隙部１１１が形成される。
形成される空隙部には、セル温度を抑制するための空気、水、伝熱材、およびヒーター等や、モジュールを機能させるための電気絶縁材もしくは電気伝導材、緩衝材、および電池ケース固定部材等からなる群から選ばれる少なくとも１種が存在することが好ましい。形成される空隙部により、絶縁性とともに放熱性を付与することができる。
｛ヒートシンク｝
また、電池ケースの押圧部には、ヒートシンクが配置されることが好ましい。ヒートシンクにより、冷却面積を増大させて冷却効率を高めることができ、冷却水等の他の冷却手段を省略することも可能となる。ヒートシンクの構成は特に限定されるものではなく、そのサイズについても、空隙部に配置できるものであればよい。
押圧部にヒートシンクを配置する場合には、フィンであることが好ましい。フィンは、電池ケースの表面積を大きくできるため、冷却効率の点で特に好ましい。なお、フィンの材料としては、熱伝導性がよいものであれば、特に限定されるものではない。また、その形状についても、特に限定されるものではない。
図４は、押圧部にフィンを備えさせた固体電池の一実施形態を示す例である。図４に示されるように、電池１０１は、押圧部１１２を有する電池ケース１０３に電池セル１０２を内包されており、押圧部１１２に、複数のフィン１１６が配置される。
押圧部にヒートシンクを配置する場合には、電池ケース表面にエンボス加工等を施した、凹凸形状であってもよい。電池ケース表面にエンボス加工等を施す凹凸形状の場合には、得られる固体電池の体積エネルギー密度の低下を抑えつつ、冷却効果を付与することができる。
ヒートシンクを凹凸形状とする場合には、その形状は特に限定されるものではないが、例えば、波形形状とすることが好ましい。波形形状とする場合には、押圧部にて、均一性の高いばね圧を発生させることが可能となる。波形形状としては、例えば、三角波形状、のこぎり波形状、矩形波形状、正弦波形状等が挙げられる。
（凸部）
本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、少なくとも１つの凸部を有し、正極タブおよび負極タブは、凸部に格納されることが好ましい。
上記の通り、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、その外形寸法が固体電池セルの外形寸法と略同一であり、従来の電池では残空間であった部分が、電池ケースにおいて凹部として存在している。したがって、電池セルにおいて、正極層、固体電解質層、および負極層の積層体の端面から延出する正極タブおよび負極タブは、電池ケースの凹部以外に格納されることとなる。
そこで本発明においては、電池セルとなる積層体の端面から延出する正極タブおよび負極タブを格納するための凸部を有する電池ケースとし、正極タブおよび負極タブを凸部に格納することが好ましい。これにより、従来の電池では残空間であった部分に形成される凹部との境界を明確にし、凹部に配置されるモジュール構成部材をより密にパッキングすることが可能となる。その結果、固体電池モジュール全体の体積を小さくすることができ、エネルギー密度を向上させることができる。
また、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースは、少なくとも２つの凸部を有し、正極タブおよび負極タブが、それぞれ別の凸部に格納されることが好ましい。
本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池の電池ケースが、少なくとも２つの凸部を有する場合には、正極タブが格納される凸部と、負極タブが格納される凸部とは、電池ケースにおいて同一の面に設けられていても、異なる面に設けられていても、いずれであってもよい。
本発明の固体電池モジュールの一実施形態に係る電池モジュール１００のＡ−Ａ’断面図である図２（ｂ）、本発明の固体電池モジュールを構成する一実施形態に係る固体電池の断面図である図３（ａ）、（ｂ）および図４には、正極タブ１０４が格納される凸部と、負極タブ１０９が格納される凸部との２つの凸部を有する電池ケース１０３が示され、正極タブ１０４が格納される凸部と負極タブ１０９が格納される凸部とは、電池ケース１０３において同一の面に設けられた態様が示されている。また別の実施形態である、図５（ａ）〜（ｃ）には、正極タブ１０４が格納される凸部と負極タブ１０９が格納される凸部とが、電池ケース１０３において異なる面に設けられた態様が示されている。
［膨張材］
上記のように、固体電解質を備える固体電池は、電池ケースに電池セルを挿入後は、電池セルの体積膨張は無視できるほど小さいため、液体の電解質を備えるリチウムイオン二次電池のように、電池セルの体積膨張による面圧は発生していなかった。そこで、本発明の固体電池モジュールを構成する固体電池は、固体電池セルと電池ケースとの間に膨張材を備えることが好ましい。電池ケースに電池セルを挿入の後に、膨張材によって電池ケースと電池セルとを密着させ、固体電池に面圧を付与することができる。
図６は、固体電池セルと電池ケースとの間に膨張材を備える固体電池の一実施形態を示す例である。図６（ａ）に示されるように、本発明の一実施形態の固体電池は、電池セル１０２と電池ケース１０３との間に、膨張材１２０が配置され、図６（ｂ）に示されるように、膨張材１２０を膨張させて、電池セル１０２と電池ケース１０３とを密着させ、固体電池に面圧を付与することが好ましい。
膨張材としては、特に限定されるものではないが、吸水または重合等の化学反応により体積膨張、あるいは熱により体積変化するものが好ましい。
電池の組み立ては、通常、ドライ環境下で実施されるが、ｐｐｍオーダーの水分の混入は避けられない状況である。吸水により膨張する膨張材を用いる場合には、混入した水分を吸収して体積膨張するため、電池ケースと電池セルとを密着させて、固体電池に面圧を付与すると同時に、固体電池内部の水分を０％に近づけることができる。特に、硫化物系の電解質を用いる場合には、水分の存在により硫化水素が発生し、電池セルを劣化させる場合があった。吸水により膨張する膨張材を用いることにより、硫化物系の電解質を用いる場合であっても硫化水素の発生を抑制することができ、その結果、固体電池の劣化を抑制することができる。また、固体電池の封止部が劣化して大気が入ってきた場合にも、電池内部に流入する大気中の水分を吸収するため、電池の劣化を抑制することができる。
吸水により体積膨張する材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、ゼオライトやシリカゲル等を挙げることができる。
また、膨張材として重合等の化学反応により体積膨張するものを用いる場合には、重合組成物中に重合開始剤を加えることで、体積膨張のタイミングを図り、その後に固化させることができる。したがって、面圧を確保したいタイミングで体積膨張させることができる。
重合等の化学反応により体積膨張する材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、発砲ウレタン等を挙げることができる。
また、膨張材として熱により体積変化するものを用いる場合には、熱膨張係数の差を利用して、面圧を担保することが可能となる。例えば、膨張材を常温以下に冷却して体積収縮させ、収縮した状態で電池ケースに内包し、電池ケース内包後に常温に戻して膨張材を膨張させることにより、電池ケースと電池セルとを密着させ、固体電池に面圧を付与することができる。
熱により体積変化する材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート樹脂等を挙げることができる。
＜モジュール構成部材＞
本発明の固体電池モジュールを構成するモジュール構成部材は、特に限定されるものではなく、通常の電池モジュールに必要な構成であればよい。例えば、バスバー、サーミスタ、ハーネス、電圧検出線、電池ケース固定部材、セル電圧・温度モニターユニット等を挙げることができ、本発明においては、これらからなる群から選ばれる少なくとも１種であればよい。
［モジュール構成部材の配置］
本発明の固体電池モジュールを構成するモジュール構成部材は、モジュールを構成する電池の電池ケースに形成された凹部に配置される。本発明においては、各種のモジュール構成部材の中で、少なくとも１部の要素が配置されていればよい。
本発明においては、従来の電池では残空間であった領域に形成された凹部に、モジュール構成部材を配置することにより、電池モジュール全体の体積を小さくすることができ、その結果、電池モジュールのエネルギー密度を向上させることができる。また、電池ケース内に残空間がないため、振動等による電池セルのズレまたは剥離等を抑制することができる。
本発明の一実施形態である電池モジュール１００についてみると、図２（ｂ）に示すように、電池ケース１０３の外形は、電池セル１０２の外形に沿うものとなっており、電池ケース１０３には、正極タブ１０４を格納する凸部と負極タブ１０９を格納する凸部との間に凹部が形成されている。すなわち、電池セル１０２の上面は、従来の電池では残空間であった領域に凹部が存在する形状となっている。
本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である図２（ｂ）においては、モジュール構成部材であるサーミスタ１０８が、正極タブ１０４が格納された凸部と負極タブ１０９が格納された凸部との間に形成された凹部に配置されている。また、２つの端子１０５は、正極タブ１０４が格納された凸部と負極タブ１０９が格納された凸部とにそれぞれ導通する状態で配置され、その他のモジュール構成部材である、バスバー１０６、電圧検出線１０７は、端子１０５に並ぶように配置されている。
＜固体電池モジュールの用途＞
本発明の固体電池モジュールは、各種の装置に用いることができる。本発明の固体電池モジュールは、その体積が小さく、エネルギー密度が大きいこと、また、振動により端子ずれ等も発生しにくいことから、携帯機器はもちろんのこと、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の電源として、好適に用いることができる。
１００、２００ 電池モジュール
１０１、２０１ 電池
１０２、２０２ 電池セル
１０３、２０３ 電池ケース
１０４、２０４ 正極タブ
１０５、２０５ 端子
１０６、２０６ バスバー
１０７、２０７ 電圧検出線
１０８、２０８ サーミスタ
１０９、２０９ 負極タブ
１１０、２１０ モジュール構成部材
１１１ 空隙部
１１２ 押圧部
１１３、２１３ トップカバー
１１４、２１４ バインドバー
１１５、２１５ ロワープレート
１１６ フィン
１２０ 膨張材
２１６ セパレータ
２１７ エンドプレート
２１８ 熱伝導材
２１９ 冷却水

Claims (14)

  1. 複数の固体電池と、モジュール構成部材と、を含む固体電池モジュールであって、
    前記複数の固体電池は、所定の方向に平行となるよう配置され、
    前記固体電池は、固体電池セルと、前記固体電池セルを収納する電池ケースとを備え、
    前記固体電池セルは、正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に存在する固体電解質と、前記正極に接続された正極タブと、前記負極に接続された負極タブと、を備え、
    前記電池ケースの外形寸法は、前記固体電池セルの外形寸法と同一であり、
    前記電池ケースは、凹部を有し、
    前記モジュール構成部材は、前記凹部に配置される、固体電池モジュール。
  2. 前記モジュール構成部材は、バスバー、サーミスタ、ハーネス、電圧検出線、電池ケース固定部材、セル電圧・温度モニターユニットからなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１に記載の固体電池モジュール。
  3. 前記電池ケースは、少なくとも１つの凸部を有し、
    前記正極タブおよび前記負極タブは、前記凸部に格納される、請求項１または２に記載の固体電池モジュール。
  4. 前記電池ケースは、少なくとも２つの凸部を有し、
    前記正極タブおよび前記負極タブは、それぞれ別の凸部に格納される、請求項１〜３のいずれか記載の固体電池モジュール。
  5. 前記正極タブが格納される凸部と、前記負極タブが格納される凸部は、前記電池ケースにおいて同一の面に設けられる、請求項４に記載の固体電池モジュール。
  6. 前記正極タブが格納される凸部と、前記負極タブが格納される凸部は、前記電池ケースにおいて異なる面に設けられる、請求項４に記載の固体電池モジュール。
  7. 前記電池ケースは、金属であり、
    前記所定の方向と平行となる前記電池ケースを構成する面は、前記固体電池セルに面圧をかける押圧部を有し、
    前記押圧部により、隣り合った前記複数の固体電池の間に空隙部が形成される、請求項１から６のいずれか記載の固体電池モジュール。
  8. 前記押圧部は、前記電池ケースの一面のみに設けられる、請求項７に記載の固体電池モジュール。
  9. 前記押圧部は、前記電池ケースの向かい合った一組の面に設けられる、請求項７に記載の固体電池モジュール。
  10. 前記空隙部には、空気、水、伝熱材、およびヒーター、ならびに電気絶縁材もしくは電気伝導材、緩衝材、および電池ケース固定部材からなる群から選ばれる少なくとも１種が存在している、請求項６〜９のいずれか記載の固体電池モジュール。
  11. 前記押圧部には、ヒートシンクが配置される、請求項６〜１０のいずれか記載の固体電池モジュール。
  12. 前記ヒートシンクは、フィンまたは凹凸形状である、請求項１１に記載の固体電池モジュール。
  13. 前記固体電池は、固体電池セルと前記電池ケースとの間に膨張材を備え、
    前記膨張材は、吸水または化学反応により体積膨張、あるいは熱により体積変化する、請求項１〜１２のいずれか記載の固体電池モジュール。
  14. 請求項１〜１３のいずれか記載の固体電池モジュールを備える装置。
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