JP2004047262A - 薄型電池および組電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池の放熱効果を向上させる。
【解決手段】少なくとも金属層を含み、発電要素109を収容する電池外装106,107と、発電要素109を収容して封着されたヒートシール部108(外周縁)から導出され、発電要素109の電極に接続された電極端子104,105と、放熱部2とを設け、電池外装106,107の接続領域121と第1放熱部材21とを熱的に接続した。
【選択図】 図2
【解決手段】少なくとも金属層を含み、発電要素109を収容する電池外装106,107と、発電要素109を収容して封着されたヒートシール部108(外周縁)から導出され、発電要素109の電極に接続された電極端子104,105と、放熱部2とを設け、電池外装106,107の接続領域121と第1放熱部材21とを熱的に接続した。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【技術分野】
本発明は、電池外装内に発電要素が収容された薄型二次電池および組電池に関する。
【0002】
【背景技術】
二次電池の内部温度は充放電時に発生するジュール熱等によって上昇するが、電池の内部温度が過剰に上昇すると、電池の充放電特性を低下させるなど電池性能に悪影響を与える。これに対し、電池に接触する集熱板と、集熱部の熱を放熱させるヒートパイプとを備えた電池パックが提案されている(特開2002−134177号後方参照)。
【0003】
しかしながら、各単位電池に接触する集熱板を設けることにより、電池の体積及び重量が増加してしまい、出力密度を低下させ、電池の小型化・軽量化を妨げるという問題があった。
【0004】
【発明の開示】
本発明は、集熱板を設けることなく電池に発生する熱を効率的に放熱させることを目的とする。
【0005】
本発明によれば、少なくとも金属層を含み、発電要素を収容すると共に外周縁が封着される電池外装と、前記外周縁から導出され、前記発電要素の電極に接続された電極端子と、前記電池外装と熱的に接続された放熱手段とを有する薄型電池が提供される。
【0006】
この発明では、放熱手段を、発電要素を収容する電池外装に接続するため、充放電により発生した熱は放熱手段へ伝わって放熱されるため、電池外装により収容された発電要素の温度の上昇を抑制することができる。
【0007】
これにより、集熱板を設けることなく電池に発生する熱を効率的に放熱させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。
図1は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図2は図1のB−B線に沿う断面図である。図1は一つの薄型電池(単位電池)を示し、この薄型電池10を複数積層することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【0009】
まず図1及び図2を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄型電池10の全体構成について説明する。本例の薄型電池10はリチウム系の薄型二次電池であり、図1に示すように、電池外装106,107は封着される2枚の電池外装(上部電池外装106及び下部電池外装107)を含み、この上部電池外装106と下部電池外装107とは、発電に必要な発電要素109を収容し、その収容部分の外周縁にあるヒートシール部108において熱溶着により封着されている。このヒートシール部108から正極端子104と負極端子105とが導出されている。この正極端子104及び負極端子105が導出されるヒートシール部108以外のヒートシール部108には、図外の放熱部2と熱的に接続される接続領域121がある。この電池外装106,107に設けられた接続領域121が、薄型電池10の熱を放熱手段としての放熱部2へ伝える媒体として機能する。
【0010】
本形態の上部電池外装106および下部電池外装107は、少なくとも金属層を含んでおり、金属層に相当するアルミ箔製の中間層と、このアルミ箔製中間層の内側に形成されたエチレンアクリル酸共重合体(EAA)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱融着性高分子からなる内側層と、アルミ箔製中間層の外側に形成されたポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂製の外面層とを有する3層構造のラミネートフィルムである(再公表98/042,036号公報)。中間層としては、アルミニウム箔のほか、ステンレス箔等の可撓性及び強度に優れた金属箔を採用することができ、金属材料の種類は限定されない。
【0011】
電池外装106,107に設けられた接続領域121は、図外の放熱部2との熱的な接続が確保できればよく、熱溶着性の樹脂層が介在してもよいが、電池外装106,107に含まれる金属層が露出された状態であることが好ましい。接続領域121に金属層を露出させる場合には、3層のラミネートフィルムの外側樹脂層を剥がして金属層を露出させてもよいし、3層のラミネートフィルムを作成する際に、接続領域121に対応する部分の外側樹脂層を塗布しないことにより金属層を露出させてもよい。
【0012】
続いて、この電池外装106,107に包み込まれた薄型電池10の内部について図2を参照して説明する。図2に示すように、薄型電池10は、2枚の正極板101と、5枚のセパレータ102と、2枚の負極板103と、正極端子104と、負極端子105と、上部電池外装106と、下部電池外装107と、特に図示しない電解質とから構成されている。このうちの正極板101,セパレータ102,負極板103および電解質を特に発電要素109と称する。なお、正極板101,セパレータ102,負極板103の枚数には何ら限定されず、1枚の正極板101,3枚のセパレータ102,1枚の負極板104でも発電要素109を構成することができる。必要に応じて正極板、負極板およびセパレータの枚数を選択して構成することができる。
【0013】
発電要素109を構成する正極板101は、金属酸化物などの正極活物質に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重量比でたとえば100:3:10の割合で混合したものを、正極側集電体としてのアルミニウム箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。なお、上記のポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固形分である。
【0014】
正極活物質としては、例えばニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)などのリチウム複合酸化物や、カルコゲン(S、Se、Te)化物を挙げることができる。
【0015】
発電要素109を構成する負極板103は、例えば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛などのように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンをたとえば固形分比100:5で混合し、乾燥させたのち粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これに、アクリル樹脂エマルジョンなどの結着剤をたとえば重量比100:5で混合し、この混合物を負極側集電体としてのニッケル箔或いは銅箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。
【0016】
特に負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量にともなって出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車等の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【0017】
また、発電要素109のセパレータ102は、上述した正極板101と負極板103との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えてもよい。セパレータ102は、例えばポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって膜の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【0018】
なお、本発明のセパレータ102は、ポリオレフィンなどの単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン層をポリエチレン層でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布などを積層したものも用いることができる。セパレータ102を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能およびセパレータの形状維持(剛性向上)機能などの諸機能を付与することができる。また、セパレータ102の代わりにゲル電解質又は真性ポリマー電解質等を用いることもできる。
【0019】
以上の発電要素109は、上から正極板101と負極板103とが交互に、且つ当該正極板101と負極板102との間にセパレータ102が位置するような順序で積層され、さらに、その最上部及び最下部にセパレータ102が一枚ずつ積層されている。そして、2枚の正極板101のそれぞれは、正極側集電部104aを介して、金属箔製の正極端子104に接続される一方で、2枚の負極板103は、負極側集電部105aを介して、同じく金属箔製の負極端子105に接続されている。なお、正極端子104も負極端子105も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子104としてはアルミニウムやアルミニウム合金などを挙げることができ、負極端子105としてはニッケル、銅またはステンレスなどを挙げることができる。また、本例の正極側集電部104aも負極側集電部105aの何れも、正極板104および負極板105の集電体を構成するアルミニウム箔やニッケル箔、銅箔を延長して構成されているが、別途の材料や部品により当該集電部104a,105aを構成することもできる。
【0020】
上述した発電要素109、正極側集電部104a、正極端子104の一部、負極側集電部105aおよび負極端子105の一部は、電池外装106,107に包み込まれ、当該電池外装106、107により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入したのち、上部電池外装106及び下部電池外装107の外周縁108を熱融着などの方法により封止する。
【0021】
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)などのエステル系溶媒を挙げることができるが、本発明の有機液体溶媒はこれにのみ限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン(γ−BL)、ジエトシキエタン(DEE)等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒も用いることができる。
【0022】
同図に示されるように、封止された電池外装106、107の一方の端部から、正極端子104が導出するが、正極端子104の厚さ分だけ上部電池外装106と下部電池外装107との接合部に隙間が生じるので、薄型電池10内の封止性を維持するために、当該正極端子104と電池外装106、107とが接触する部分に、ポリエチレンやポリプロピレンから構成されたシールフィルムを熱融着などの方法により介在させることもできる。
【0023】
同様に、封止された電池外装106、107の他方の端部からは、負極端子105が導出するが、ここにも正極端子104側と同様に、当該負極端子105と電池外装106、107とが接触する部分にシールフィルムを介在させることもできる。なお、正極端子104および負極端子105の何れにおいても、シールフィルムは電池外装106,107を構成する樹脂と同系統の樹脂から構成することが熱融着性の点から望ましい。
【0024】
続いて、図3及び図4を参照して、薄型電池10を電気的に接続して積層させた組電池について説明する。積層される単位薄型電池10は、図2に示すような、発電要素109を収容する凹形状が形成されたカップ状外装106と、このカップ状外装106を覆うシート状外装107とを有している。図3の組電池は、2つの単位薄型電池10を、フラットなシート状外装107が対向するように重ねて電気的に並列接続をした電池対とし、さらに、この電池対を4直列に接続し、8つの単位薄型電池10を積層させた組電池である。対をなす電池対(薄型電池10)の間の隙間には、放熱部2としての第1放熱部材21が設けられている。この第1放熱部材21は、電極端子104,105が導出されるヒートシール部108(外周縁)以外のヒートシール部108の縁に沿って電池外装106,107の接続領域121に接するように配置され、電池外装106,107と熱的に接続されている。
【0025】
ここで、第1放熱部材21について図4を参照して説明する。図4は、図3の組電池を正面から見た図である。図4に示すように、第1放熱部材21は、単位薄型電池10の間の隙間を埋めるように配置されている。このヒートシール部108の厚みは封着されたラミネートシートの厚さ程度であり、発電要素109が収容されている部分との間には段差が生じている。この段差を埋めるように、薄いヒートシール部108(外周縁)に第1放熱部材21を配置することによって、積層された単位薄型電池10を安定させることができる。本実施形態の第1放熱部材21の厚さは、薄型電池10の厚さd(発電要素収容部の厚さ)の略2倍(nd=2d)とした。本形態では2つの単位薄型電池10からなる電池対の間に第1放熱部材21を配置するため、積層された薄型電池10のヒートシール部108と重なるヒートシール部108との距離は薄型電池10の厚みdの2倍となるからである。これにより、第1放熱部材21は、2つの単位薄型電池10からなる電池対と、この電池対に積層される電池対との間に生じる隙間(薄型電池10の2つ分の厚さ)を埋めることができる。ちなみに本実施形態の薄型電池10は4mmの厚さを有することから、第1放熱部材21の厚さを8mmとした。もちろん、単位薄型電池10を対を形成させずに積層する場合には、薄型電位10の厚さdと略同じ厚さ(nd=d)とすればよい。
【0026】
第1放熱部材21は、電池外装106,107のヒートシール部108に設けられた接続領域121と熱的に接続される。第1放熱部材21は単位薄型電池10同士の間に隙間なく介在するため、接続領域121は積層される第1放熱部材21に挟み込まれ、接続領域121と第1放熱部材21とは熱的に接続される。このように、充放電等により薄型電池10に生じた熱は、電池外装105,106の接続領域121を介して、第1放熱部材21に伝導される。第1放熱部材21は、薄型電池10から伝えられた熱を放熱し、薄型電池10の温度を一定に保つ。
【0027】
図3に示すように、本実施形態の薄型電池10は、接続領域121に接続する第1放熱部材21に加えて、第1放熱部材21と熱的に接続された第2放熱部材22、23とをさらに備えている。この第2放熱部材22、23は、複数の薄型電池10を収容する電池ケースの少なくとも一部を構成する。
【0028】
この組電池は、まず8つの単位薄型電池10を用意し、電気的な接続を確保しつつ2つの単位電池10のフラットなシート状外装107が対向するように組み合わせて対電池を形成し、この対電池を構成する各単位薄型電池10のヒートシール部108のうち電極端子104,105が導出されていないヒートシール部108と第1放熱部材21とを接合させる。本実施形態では、接続領域121が金属層を露出させた領域であるため、超音波振動を与えて第1放熱部材21と接続領域121とを超音波接合させる。この超音波接合は一般的な超音波接合装置を利用すればよく、振動素子により発生させた振動、例えば60〜120kHzの振動を、振動伝達手段を介して接続領域121へ伝達し、超音波振動により発生した摩擦熱を利用して接続領域121と第1放熱部材21とを接続する。もちろん、接続領域121に熱を与えて熱溶接してもよい。なお、接続領域121が熱融着性の樹脂層を露出させた領域である場合には、加熱することにより第1放熱部材21と接続領域121とを融着させる。
【0029】
このように、電池対と第1放熱部材21とが接合された電池を積層し、さらに電池対同士を接合し、組電池本体を形成する。さらに、この組電池を側面方向から覆う第2放熱部材22を第1放熱部材21と接合させる。第1放熱部材21と第2放熱部材22とが金属材料からなる場合には、超音波接合又は熱溶接により両部材を接合する。接着剤等を利用することもできる。第1放熱部材21と第2放熱部材22とを接合したところで、さらに薄型電池10を上面と底面から覆うように第2放熱部材23を接合させる。電極端子104,105の電気的な接続を確保し、電極端子104,105側から薄型電池10を覆うように図外の第2放熱部材を取り付る。これにより、組電池は放熱部材21〜23を含む電池ケースに収容される。
【0030】
このように、積層された単位薄型電池10の間の隙間に設けられた第1放熱部材21は、薄型電池10の左右側面側に接する第2放熱部材22と熱的に接続される。さらに、この第1放熱部材21と第2放熱部材22は、薄型電池10の上面底面側に接する第2放熱部材23と熱的に接続される。このように、充放電等により薄型電池10に生じた熱は、電池外装106,106に設けられた接続領域121から第1放熱部材21へ伝わり第1放熱部材21で放熱され、さらに第1放熱部材21から第2放熱部材22へと伝わり、さらに第2放熱部材22より第2放熱部材23へと伝わり放熱されることで、集熱板を設けることなく薄型電池10内の熱を効率良く放熱させることができる。特に、この第1放熱部材21、第2放熱部材22、23の少なくとも一部をアルミニウム、ステンレスその他の熱伝導性に優れた金属で構成することにより、熱伝導性を高めて放熱効率を向上させることができる。この場合において、この第1放熱部材21が熱的に接続される接続領域121の金属層を露出させた状態とすることにより、熱伝導性の高い金属間において熱の伝導が行われ、効率の高い放熱効果を得ることができる。
【0031】
このように、第1放熱部材21を、電池外装106,107に熱的に接続させることにより、集熱板を配置することなく薄型電池10内の熱を放熱させることができる。また、積層された薄型電池10は、第1放熱部材21及び第2放熱部材22,23のうち少なくとも何れか1つを介して相互に熱的に接続されることにより、積層された薄型電池10同士の温度のばらつきを抑制することができる。
【0032】
さらにまた、本例の放熱部2の放熱部材21,22,23は、電池ケースを構成する部材であるため、電池ケースのほかに放熱部を設ける必要がない。加えて、薄型電池10が電池ケースその他の放熱部に熱的に接続されることにより、電池ケースその他の放熱部に固定することができ、積層状態を保つ等の電池位置を固定することができる。
【0033】
なお、本例では電池外装106,107に設けられた接続領域121を、放熱部としての組電池ケース(放熱部材21〜23)に直接接続したが、接続領域121をヒートパイプに接続し、ヒートパイプを介して外部に設けられた放熱部へ熱的に接続してもよい。
【0034】
<第2実施形態>
図5及び図6を参照して、第2実施形態を説明する。第2実施形態の薄型電池10は、封着されたヒートシール部108(外周縁)から外側へ向かって延びる延在領域120を有する点が第1実施形態と相違する。ここでは、異なる点を中心に説明し、第1実施形態と共通する点の説明は省略する。
【0035】
図5に示すように、延在領域120は、電池外装106,107のヒートシール部108のうち、正極端子104及び負極端子105が導出されるヒートシール部108以外のヒートシール部108から左右両外側に向かって延びている。この延在領域120は、上部電池外装106及び下部電池外装107の少なくとも何れか一方に設けられていればよく、上部電池外装106及び/又は下部電池外装107を構成するシートの一部として形成される。本実施形態の延在領域120は、フラットな(発電要素109を収容する凹部が形成されていない)下部電池外装107に設けられ、電池要素109を収容する凹部が形成された上部電池外装106は、ヒートシール部108の端部で切断されている。下部電池外装107にのみ延在領域120を設けたのは、上部電池外装106における凹部形状の形成、電池要素の収容等の作業性を担保するためである。もちろん、上部電池外装106と下部電池外装107の両方に延在領域120をそれぞれ設けてもよい。この場合には、上部電池外装106の延在領域120と下部電池外装の延在領域120とが溶着され、ヒートシール部108をより幅広とすることができ、発電要素109のシール性が向上する。
【0036】
また、各延在領域120には、収容される発電要素109を軸とする所定の対象位置に、2つの接続領域121が設けられている。接続領域121が設けられる位置は特に限定されないが、本例では延在領域120の端部に設けた。この接続領域121は、放熱部に含まれる第1の放熱部材21と熱的に接続されるための接続部分として機能する。この延在する接続領域121の長さは特に限定されず、単位薄型電池10の積層数、電池ケースのサイズ等に応じて適宜決定することができるが、本形態の薄型電池10は、図5に示すようにヒートシール部108を外周縁とする本体部分は、横(R)140mm、縦(Q)80mmの電池本体に対して、延在領域120を、横(R)140mm、縦(P)60mmとした。
【0037】
この延在領域120に設けられた接続領域121は、第1実施形態の接続領域と同様に、熱溶着性の樹脂層が露出された状態であってもよいし、電池外装106,107に含まれる金属層が露出された状態であってもよい。この樹脂層を露出させる手法、金属層を露出させる手法についても、第1実施形態において説明した手法を用いることができる。
【0038】
図6には、本実施形態の薄型電池10を8つ積層させた組電池を示した。この組電池は、第1実施形態と同様に2つの薄型電池10から電池対を形成し、この電池対を4つ積層させたものである。第1実施形態(図3)と異なる点は、ヒートシール部108から外側に延びた延在領域120が設けられており、第1放熱部21に熱的に接続される接続領域121が延在領域120に含まれている点である。本形態の接続領域121は、アルミニウムの金属層が露出されており、この接続領域121はアルミニウム金属材料からなる第1放熱部材21と接している。この接続領域121の金属層と第1放熱部材21とは、超音波接合により接合される。2つの薄型電池10のフラットな(発電要素109を収容する凹部が形成されていない)下部電池外装107を対向させた電池対を形成する2つの延在領域120を重ね、延在領域120の接続領域121上に設けた溶接スポットに超音波振動を与えて溶接させる。もちろん、接続領域121に熱を与えて熱溶接してもよい。
【0039】
このように、延在領域120を設けることにより、ヒートシール部108を幅広にとることができ、発電要素109の封着を確実に行うことができる。また、延在領域120を設けたことにより、薄型電池10の接続の自由度が大きくなるため、組電池の多様な電気的接続の態様にも応じることができ、組電池の接続のバリエーションを広くすることができる。なお、この溶接において与えられた熱は、接続領域121から延在領域120の全体に伝達され、広く且つ薄い延在領域120においては効率的に放熱されることから、発電要素109の温度を上昇させることを防止することができる。
【0040】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。
【図2】図1のB−B線に沿う断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る薄型電池を積層させた組電池を示す斜視図である。
【図4】図3に示す組電池の正面図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。
【図6】本発明の第2実施形態に係る薄型電池を積層させた組電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
10…薄型電池
101…正極板
102…セパレータ
103…負極板
104…正極端子
105…負極端子
106…上部電池外装
107…下部電池外装
109…発電要素
2…放熱部(放熱手段)
21…第1放熱部材、22,23…第2放熱部材)
【技術分野】
本発明は、電池外装内に発電要素が収容された薄型二次電池および組電池に関する。
【0002】
【背景技術】
二次電池の内部温度は充放電時に発生するジュール熱等によって上昇するが、電池の内部温度が過剰に上昇すると、電池の充放電特性を低下させるなど電池性能に悪影響を与える。これに対し、電池に接触する集熱板と、集熱部の熱を放熱させるヒートパイプとを備えた電池パックが提案されている(特開2002−134177号後方参照)。
【0003】
しかしながら、各単位電池に接触する集熱板を設けることにより、電池の体積及び重量が増加してしまい、出力密度を低下させ、電池の小型化・軽量化を妨げるという問題があった。
【0004】
【発明の開示】
本発明は、集熱板を設けることなく電池に発生する熱を効率的に放熱させることを目的とする。
【0005】
本発明によれば、少なくとも金属層を含み、発電要素を収容すると共に外周縁が封着される電池外装と、前記外周縁から導出され、前記発電要素の電極に接続された電極端子と、前記電池外装と熱的に接続された放熱手段とを有する薄型電池が提供される。
【0006】
この発明では、放熱手段を、発電要素を収容する電池外装に接続するため、充放電により発生した熱は放熱手段へ伝わって放熱されるため、電池外装により収容された発電要素の温度の上昇を抑制することができる。
【0007】
これにより、集熱板を設けることなく電池に発生する熱を効率的に放熱させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。
図1は本発明の実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図、図2は図1のB−B線に沿う断面図である。図1は一つの薄型電池(単位電池)を示し、この薄型電池10を複数積層することにより所望の電圧、容量の組電池が構成される。
【0009】
まず図1及び図2を参照しながら、本発明の実施形態に係る薄型電池10の全体構成について説明する。本例の薄型電池10はリチウム系の薄型二次電池であり、図1に示すように、電池外装106,107は封着される2枚の電池外装(上部電池外装106及び下部電池外装107)を含み、この上部電池外装106と下部電池外装107とは、発電に必要な発電要素109を収容し、その収容部分の外周縁にあるヒートシール部108において熱溶着により封着されている。このヒートシール部108から正極端子104と負極端子105とが導出されている。この正極端子104及び負極端子105が導出されるヒートシール部108以外のヒートシール部108には、図外の放熱部2と熱的に接続される接続領域121がある。この電池外装106,107に設けられた接続領域121が、薄型電池10の熱を放熱手段としての放熱部2へ伝える媒体として機能する。
【0010】
本形態の上部電池外装106および下部電池外装107は、少なくとも金属層を含んでおり、金属層に相当するアルミ箔製の中間層と、このアルミ箔製中間層の内側に形成されたエチレンアクリル酸共重合体(EAA)、ポリエチレン、ポリプロピレン等の熱融着性高分子からなる内側層と、アルミ箔製中間層の外側に形成されたポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂製の外面層とを有する3層構造のラミネートフィルムである(再公表98/042,036号公報)。中間層としては、アルミニウム箔のほか、ステンレス箔等の可撓性及び強度に優れた金属箔を採用することができ、金属材料の種類は限定されない。
【0011】
電池外装106,107に設けられた接続領域121は、図外の放熱部2との熱的な接続が確保できればよく、熱溶着性の樹脂層が介在してもよいが、電池外装106,107に含まれる金属層が露出された状態であることが好ましい。接続領域121に金属層を露出させる場合には、3層のラミネートフィルムの外側樹脂層を剥がして金属層を露出させてもよいし、3層のラミネートフィルムを作成する際に、接続領域121に対応する部分の外側樹脂層を塗布しないことにより金属層を露出させてもよい。
【0012】
続いて、この電池外装106,107に包み込まれた薄型電池10の内部について図2を参照して説明する。図2に示すように、薄型電池10は、2枚の正極板101と、5枚のセパレータ102と、2枚の負極板103と、正極端子104と、負極端子105と、上部電池外装106と、下部電池外装107と、特に図示しない電解質とから構成されている。このうちの正極板101,セパレータ102,負極板103および電解質を特に発電要素109と称する。なお、正極板101,セパレータ102,負極板103の枚数には何ら限定されず、1枚の正極板101,3枚のセパレータ102,1枚の負極板104でも発電要素109を構成することができる。必要に応じて正極板、負極板およびセパレータの枚数を選択して構成することができる。
【0013】
発電要素109を構成する正極板101は、金属酸化物などの正極活物質に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重量比でたとえば100:3:10の割合で混合したものを、正極側集電体としてのアルミニウム箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。なお、上記のポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョンの混合比率は、その固形分である。
【0014】
正極活物質としては、例えばニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)などのリチウム複合酸化物や、カルコゲン(S、Se、Te)化物を挙げることができる。
【0015】
発電要素109を構成する負極板103は、例えば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、または黒鉛などのように、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンをたとえば固形分比100:5で混合し、乾燥させたのち粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これに、アクリル樹脂エマルジョンなどの結着剤をたとえば重量比100:5で混合し、この混合物を負極側集電体としてのニッケル箔或いは銅箔などの金属箔の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのち所定の大きさに切断したものである。
【0016】
特に負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量にともなって出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車等の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【0017】
また、発電要素109のセパレータ102は、上述した正極板101と負極板103との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えてもよい。セパレータ102は、例えばポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって膜の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【0018】
なお、本発明のセパレータ102は、ポリオレフィンなどの単層膜にのみ限られず、ポリプロピレン層をポリエチレン層でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔膜と有機不織布などを積層したものも用いることができる。セパレータ102を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能およびセパレータの形状維持(剛性向上)機能などの諸機能を付与することができる。また、セパレータ102の代わりにゲル電解質又は真性ポリマー電解質等を用いることもできる。
【0019】
以上の発電要素109は、上から正極板101と負極板103とが交互に、且つ当該正極板101と負極板102との間にセパレータ102が位置するような順序で積層され、さらに、その最上部及び最下部にセパレータ102が一枚ずつ積層されている。そして、2枚の正極板101のそれぞれは、正極側集電部104aを介して、金属箔製の正極端子104に接続される一方で、2枚の負極板103は、負極側集電部105aを介して、同じく金属箔製の負極端子105に接続されている。なお、正極端子104も負極端子105も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子104としてはアルミニウムやアルミニウム合金などを挙げることができ、負極端子105としてはニッケル、銅またはステンレスなどを挙げることができる。また、本例の正極側集電部104aも負極側集電部105aの何れも、正極板104および負極板105の集電体を構成するアルミニウム箔やニッケル箔、銅箔を延長して構成されているが、別途の材料や部品により当該集電部104a,105aを構成することもできる。
【0020】
上述した発電要素109、正極側集電部104a、正極端子104の一部、負極側集電部105aおよび負極端子105の一部は、電池外装106,107に包み込まれ、当該電池外装106、107により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入したのち、上部電池外装106及び下部電池外装107の外周縁108を熱融着などの方法により封止する。
【0021】
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)などのエステル系溶媒を挙げることができるが、本発明の有機液体溶媒はこれにのみ限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン(γ−BL)、ジエトシキエタン(DEE)等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒も用いることができる。
【0022】
同図に示されるように、封止された電池外装106、107の一方の端部から、正極端子104が導出するが、正極端子104の厚さ分だけ上部電池外装106と下部電池外装107との接合部に隙間が生じるので、薄型電池10内の封止性を維持するために、当該正極端子104と電池外装106、107とが接触する部分に、ポリエチレンやポリプロピレンから構成されたシールフィルムを熱融着などの方法により介在させることもできる。
【0023】
同様に、封止された電池外装106、107の他方の端部からは、負極端子105が導出するが、ここにも正極端子104側と同様に、当該負極端子105と電池外装106、107とが接触する部分にシールフィルムを介在させることもできる。なお、正極端子104および負極端子105の何れにおいても、シールフィルムは電池外装106,107を構成する樹脂と同系統の樹脂から構成することが熱融着性の点から望ましい。
【0024】
続いて、図3及び図4を参照して、薄型電池10を電気的に接続して積層させた組電池について説明する。積層される単位薄型電池10は、図2に示すような、発電要素109を収容する凹形状が形成されたカップ状外装106と、このカップ状外装106を覆うシート状外装107とを有している。図3の組電池は、2つの単位薄型電池10を、フラットなシート状外装107が対向するように重ねて電気的に並列接続をした電池対とし、さらに、この電池対を4直列に接続し、8つの単位薄型電池10を積層させた組電池である。対をなす電池対(薄型電池10)の間の隙間には、放熱部2としての第1放熱部材21が設けられている。この第1放熱部材21は、電極端子104,105が導出されるヒートシール部108(外周縁)以外のヒートシール部108の縁に沿って電池外装106,107の接続領域121に接するように配置され、電池外装106,107と熱的に接続されている。
【0025】
ここで、第1放熱部材21について図4を参照して説明する。図4は、図3の組電池を正面から見た図である。図4に示すように、第1放熱部材21は、単位薄型電池10の間の隙間を埋めるように配置されている。このヒートシール部108の厚みは封着されたラミネートシートの厚さ程度であり、発電要素109が収容されている部分との間には段差が生じている。この段差を埋めるように、薄いヒートシール部108(外周縁)に第1放熱部材21を配置することによって、積層された単位薄型電池10を安定させることができる。本実施形態の第1放熱部材21の厚さは、薄型電池10の厚さd(発電要素収容部の厚さ)の略2倍(nd=2d)とした。本形態では2つの単位薄型電池10からなる電池対の間に第1放熱部材21を配置するため、積層された薄型電池10のヒートシール部108と重なるヒートシール部108との距離は薄型電池10の厚みdの2倍となるからである。これにより、第1放熱部材21は、2つの単位薄型電池10からなる電池対と、この電池対に積層される電池対との間に生じる隙間(薄型電池10の2つ分の厚さ)を埋めることができる。ちなみに本実施形態の薄型電池10は4mmの厚さを有することから、第1放熱部材21の厚さを8mmとした。もちろん、単位薄型電池10を対を形成させずに積層する場合には、薄型電位10の厚さdと略同じ厚さ(nd=d)とすればよい。
【0026】
第1放熱部材21は、電池外装106,107のヒートシール部108に設けられた接続領域121と熱的に接続される。第1放熱部材21は単位薄型電池10同士の間に隙間なく介在するため、接続領域121は積層される第1放熱部材21に挟み込まれ、接続領域121と第1放熱部材21とは熱的に接続される。このように、充放電等により薄型電池10に生じた熱は、電池外装105,106の接続領域121を介して、第1放熱部材21に伝導される。第1放熱部材21は、薄型電池10から伝えられた熱を放熱し、薄型電池10の温度を一定に保つ。
【0027】
図3に示すように、本実施形態の薄型電池10は、接続領域121に接続する第1放熱部材21に加えて、第1放熱部材21と熱的に接続された第2放熱部材22、23とをさらに備えている。この第2放熱部材22、23は、複数の薄型電池10を収容する電池ケースの少なくとも一部を構成する。
【0028】
この組電池は、まず8つの単位薄型電池10を用意し、電気的な接続を確保しつつ2つの単位電池10のフラットなシート状外装107が対向するように組み合わせて対電池を形成し、この対電池を構成する各単位薄型電池10のヒートシール部108のうち電極端子104,105が導出されていないヒートシール部108と第1放熱部材21とを接合させる。本実施形態では、接続領域121が金属層を露出させた領域であるため、超音波振動を与えて第1放熱部材21と接続領域121とを超音波接合させる。この超音波接合は一般的な超音波接合装置を利用すればよく、振動素子により発生させた振動、例えば60〜120kHzの振動を、振動伝達手段を介して接続領域121へ伝達し、超音波振動により発生した摩擦熱を利用して接続領域121と第1放熱部材21とを接続する。もちろん、接続領域121に熱を与えて熱溶接してもよい。なお、接続領域121が熱融着性の樹脂層を露出させた領域である場合には、加熱することにより第1放熱部材21と接続領域121とを融着させる。
【0029】
このように、電池対と第1放熱部材21とが接合された電池を積層し、さらに電池対同士を接合し、組電池本体を形成する。さらに、この組電池を側面方向から覆う第2放熱部材22を第1放熱部材21と接合させる。第1放熱部材21と第2放熱部材22とが金属材料からなる場合には、超音波接合又は熱溶接により両部材を接合する。接着剤等を利用することもできる。第1放熱部材21と第2放熱部材22とを接合したところで、さらに薄型電池10を上面と底面から覆うように第2放熱部材23を接合させる。電極端子104,105の電気的な接続を確保し、電極端子104,105側から薄型電池10を覆うように図外の第2放熱部材を取り付る。これにより、組電池は放熱部材21〜23を含む電池ケースに収容される。
【0030】
このように、積層された単位薄型電池10の間の隙間に設けられた第1放熱部材21は、薄型電池10の左右側面側に接する第2放熱部材22と熱的に接続される。さらに、この第1放熱部材21と第2放熱部材22は、薄型電池10の上面底面側に接する第2放熱部材23と熱的に接続される。このように、充放電等により薄型電池10に生じた熱は、電池外装106,106に設けられた接続領域121から第1放熱部材21へ伝わり第1放熱部材21で放熱され、さらに第1放熱部材21から第2放熱部材22へと伝わり、さらに第2放熱部材22より第2放熱部材23へと伝わり放熱されることで、集熱板を設けることなく薄型電池10内の熱を効率良く放熱させることができる。特に、この第1放熱部材21、第2放熱部材22、23の少なくとも一部をアルミニウム、ステンレスその他の熱伝導性に優れた金属で構成することにより、熱伝導性を高めて放熱効率を向上させることができる。この場合において、この第1放熱部材21が熱的に接続される接続領域121の金属層を露出させた状態とすることにより、熱伝導性の高い金属間において熱の伝導が行われ、効率の高い放熱効果を得ることができる。
【0031】
このように、第1放熱部材21を、電池外装106,107に熱的に接続させることにより、集熱板を配置することなく薄型電池10内の熱を放熱させることができる。また、積層された薄型電池10は、第1放熱部材21及び第2放熱部材22,23のうち少なくとも何れか1つを介して相互に熱的に接続されることにより、積層された薄型電池10同士の温度のばらつきを抑制することができる。
【0032】
さらにまた、本例の放熱部2の放熱部材21,22,23は、電池ケースを構成する部材であるため、電池ケースのほかに放熱部を設ける必要がない。加えて、薄型電池10が電池ケースその他の放熱部に熱的に接続されることにより、電池ケースその他の放熱部に固定することができ、積層状態を保つ等の電池位置を固定することができる。
【0033】
なお、本例では電池外装106,107に設けられた接続領域121を、放熱部としての組電池ケース(放熱部材21〜23)に直接接続したが、接続領域121をヒートパイプに接続し、ヒートパイプを介して外部に設けられた放熱部へ熱的に接続してもよい。
【0034】
<第2実施形態>
図5及び図6を参照して、第2実施形態を説明する。第2実施形態の薄型電池10は、封着されたヒートシール部108(外周縁)から外側へ向かって延びる延在領域120を有する点が第1実施形態と相違する。ここでは、異なる点を中心に説明し、第1実施形態と共通する点の説明は省略する。
【0035】
図5に示すように、延在領域120は、電池外装106,107のヒートシール部108のうち、正極端子104及び負極端子105が導出されるヒートシール部108以外のヒートシール部108から左右両外側に向かって延びている。この延在領域120は、上部電池外装106及び下部電池外装107の少なくとも何れか一方に設けられていればよく、上部電池外装106及び/又は下部電池外装107を構成するシートの一部として形成される。本実施形態の延在領域120は、フラットな(発電要素109を収容する凹部が形成されていない)下部電池外装107に設けられ、電池要素109を収容する凹部が形成された上部電池外装106は、ヒートシール部108の端部で切断されている。下部電池外装107にのみ延在領域120を設けたのは、上部電池外装106における凹部形状の形成、電池要素の収容等の作業性を担保するためである。もちろん、上部電池外装106と下部電池外装107の両方に延在領域120をそれぞれ設けてもよい。この場合には、上部電池外装106の延在領域120と下部電池外装の延在領域120とが溶着され、ヒートシール部108をより幅広とすることができ、発電要素109のシール性が向上する。
【0036】
また、各延在領域120には、収容される発電要素109を軸とする所定の対象位置に、2つの接続領域121が設けられている。接続領域121が設けられる位置は特に限定されないが、本例では延在領域120の端部に設けた。この接続領域121は、放熱部に含まれる第1の放熱部材21と熱的に接続されるための接続部分として機能する。この延在する接続領域121の長さは特に限定されず、単位薄型電池10の積層数、電池ケースのサイズ等に応じて適宜決定することができるが、本形態の薄型電池10は、図5に示すようにヒートシール部108を外周縁とする本体部分は、横(R)140mm、縦(Q)80mmの電池本体に対して、延在領域120を、横(R)140mm、縦(P)60mmとした。
【0037】
この延在領域120に設けられた接続領域121は、第1実施形態の接続領域と同様に、熱溶着性の樹脂層が露出された状態であってもよいし、電池外装106,107に含まれる金属層が露出された状態であってもよい。この樹脂層を露出させる手法、金属層を露出させる手法についても、第1実施形態において説明した手法を用いることができる。
【0038】
図6には、本実施形態の薄型電池10を8つ積層させた組電池を示した。この組電池は、第1実施形態と同様に2つの薄型電池10から電池対を形成し、この電池対を4つ積層させたものである。第1実施形態(図3)と異なる点は、ヒートシール部108から外側に延びた延在領域120が設けられており、第1放熱部21に熱的に接続される接続領域121が延在領域120に含まれている点である。本形態の接続領域121は、アルミニウムの金属層が露出されており、この接続領域121はアルミニウム金属材料からなる第1放熱部材21と接している。この接続領域121の金属層と第1放熱部材21とは、超音波接合により接合される。2つの薄型電池10のフラットな(発電要素109を収容する凹部が形成されていない)下部電池外装107を対向させた電池対を形成する2つの延在領域120を重ね、延在領域120の接続領域121上に設けた溶接スポットに超音波振動を与えて溶接させる。もちろん、接続領域121に熱を与えて熱溶接してもよい。
【0039】
このように、延在領域120を設けることにより、ヒートシール部108を幅広にとることができ、発電要素109の封着を確実に行うことができる。また、延在領域120を設けたことにより、薄型電池10の接続の自由度が大きくなるため、組電池の多様な電気的接続の態様にも応じることができ、組電池の接続のバリエーションを広くすることができる。なお、この溶接において与えられた熱は、接続領域121から延在領域120の全体に伝達され、広く且つ薄い延在領域120においては効率的に放熱されることから、発電要素109の温度を上昇させることを防止することができる。
【0040】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。
【図2】図1のB−B線に沿う断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る薄型電池を積層させた組電池を示す斜視図である。
【図4】図3に示す組電池の正面図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る薄型電池の全体を示す平面図である。
【図6】本発明の第2実施形態に係る薄型電池を積層させた組電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
10…薄型電池
101…正極板
102…セパレータ
103…負極板
104…正極端子
105…負極端子
106…上部電池外装
107…下部電池外装
109…発電要素
2…放熱部(放熱手段)
21…第1放熱部材、22,23…第2放熱部材)
Claims (13)
- 少なくとも金属層を含み、発電要素を収容すると共に外周縁が封着される電池外装と、
前記外周縁から導出され、前記発電要素の電極に接続された電極端子と、
前記電池外装と熱的に接続された放熱手段とを有する薄型電池。 - 前記電池外装は、前記外周縁のうち前記電極端子が導出される外周縁以外の外周縁に前記放熱手段と熱的に接続される接続領域を有する請求項1記載の薄型電池。
- 前記電池外装は、前記封着された外周縁のうち前記電極端子が導出される外周縁以外の外周縁から外側に向かって延びる延在領域を有し、
前記延在領域は、前記放熱手段と熱的に接続される接続領域を含む請求項1記載の薄型電池。 - 前記接続領域は、前記電池外装の金属層が露出された領域を含む請求項2又は3記載の薄型電池。
- 前記発電要素の正極活物質がリチウム成分を含み、
前記発電要素の負極活物質が炭素系材料を含む請求項1乃至4の何れかに記載の薄型電池。 - 少なくとも金属層を含む電池外装内に発電要素が収容され、前記発電要素の電極に接続された電極端子が前記電池外装の外周縁から導出された複数の薄型電池を電気的に接続して積層させた組電池であって、
前記薄型電池の電池外装と熱的に接続された放熱手段をさらに有し、
前記放熱手段は、前記積層された複数の薄型電池間の隙間に設けられた第1放熱部材を含む組電池。 - 前記第1放熱部材は、前記外周縁のうち前記電極端子が導出される外周縁以外の外周縁と熱的に接続されている請求項6記載の組電池。
- 前記電池外装は、前記封着された外周縁のうち前記電極端子が導出される外周縁以外の外周縁から外側に向かって延びる延在領域を有し、
前記第1放熱部材は、前記延在領域の少なくとも一部と熱的に接続されている請求項6記載の組電池。 - 前記延在領域のうち、少なくとも前記第1放熱部材と接する領域は、前記電池外装の金属層が露出された領域を含む請求項7又は8記載の組電池。
- 前記第1放熱部材は、前記薄型電池の厚さの略n倍(nは自然数)の厚さを有する請求項6乃至9の何れかに記載の組電池。
- 前記放熱手段は、前記第1放熱部材と熱的に接続された第2の放熱部材をさらに含み、
前記第2放熱部材は、電池を収容する電池ケースの少なくとも一部を構成する請求項6乃至10の何れかに記載の組電池。 - 前記放熱手段の少なくとも一部は、金属材料からなる請求項6乃至11記載の組電池。
- 前記発電要素の正極活物質がリチウム成分を含み、
前記発電要素の負極活物質が炭素系材料を含む請求項6乃至12の何れかに記載の組電池。
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