JP2004039485A

JP2004039485A - モジュール電池

Info

Publication number: JP2004039485A
Application number: JP2002196227A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Ogami; 大上　悦夫
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】ポッティング材を用いたモジュール電池であって、さらに高い冷却性能および振動吸収性能を備えるモジュール電池の提供である。
【解決手段】電池２の電極タブ６、７に対応する位置に、モジュールケース３の底壁３ａから所定高さの一対のボス１０、１１（１２、１３）を突設する一方、電池２の電極タブ６、７に貫通孔８を設けた。そして、電池２をモジュールケース３の一対のボス１０および１１（１２および１３）に締結固定した後、モジュールケース３にポッティング材Ｐ原液を流し込んで電池２をポッティング材Ｐ内に埋設した。このため、ポッティング材Ｐの肉厚を希望する肉厚に管理でき、最適な振動吸収性能を発揮させることができる。しかも、電池２の発熱をタブ６、７およびボス１０、１１、１２、１３を通じてモジュールケース３本体に効率的に逃がすことができるため、冷却性能が向上する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素（積層電極）を外装フィルムで被覆して密閉した電池を複数備えるモジュール電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電要素（積層電極）を外装フィルムで密閉した電池は、ケースがフィルム材であるため小型軽量であり、複数の電池を組み合わせてモジュール電池とすることで、例えば高出力が要求される電気自動車やハイブリッド車の駆動源への適用が期待されている。
【０００３】
この種の電池は剛性が低いため、例えば特開２００１−２５６９３９号公報のようにモジュールケースに電池を狭持固定する技術が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のモジュール電池では、モジュールケースに電池を狭持固定する構造であるため、最適な振動吸収性能を発揮させることが難しい。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の改良に係り、その目的は、最適な振動吸収性能を備えるモジュール電池の提供である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外装フィルム内に発電要素を密閉するとともに該外装フルムから一対の電極タブを露出させてなる電池を、モジュールケースに複数収容したモジュール電池に適用される。そして、電池を、該電池の電極タブに設けられた貫通孔を通じて、電極タブに対応する位置にモジュールケースの底壁から所定高さに突設されたボスに締結固定し、モジュールケースにポッティング材を流し込むことで電池をポッティング材で固定するようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、ポッティング材の肉厚を希望する肉厚に管理でき、これにより最適な振動吸収性を発揮させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面をもとに説明する。図１〜図８は本発明の一実施形態を示すものであり、図１はこの実施形態のモジュール電池の一部破断部を含む全体図、図２は図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は図１中ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は図２中Ａ部の拡大図、図５はこの実施形態のモジュール電池に用いる電池であって、分図ａは上面図、分図ｂは側面図、図６は図５中ＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図、図７はこの実施形態のモジュール電池のバスバーであって、分図ａは上面図、分図ｂは側面図、図８はモジュール電池のポッティング材注入工程を示す説明図である。
【０００９】
この実施形態のモジュール電池１は、図１〜図３に示すように、電池２と、複数の電池２を収容してモジュール化する金属製のモジュールケース３と、モジュールケース３内に収容された電池２を埋設するポッティング材Ｐと、を備えた基本構造となっている。
【００１０】
「電池」
電池２は、図５、６に示すように、発電要素としての扁平形状の積層電極２１を、一対の外装フィルムとしてのラミネートフィルム２２、２３の中央部に配置し、これらラミネートフィルム２２、２３によって積層電極２１の両面を挟むようにして覆い、ラミネートフィルム２２、２３の周縁部を熱溶着により接合（接合部分２Ｂ）することにより、これらラミネートフィルム２２、２３間に積層電極２１とともに電解液を密閉したものである。これにより電池２の外観形状は、電池中央部の発電要素を収容した部位が厚肉部２Ａとなっており、電池周辺部の接合部位２Ｂが薄肉部２Ｂとなっている。
【００１１】
積層電極２１は、複数枚の正極板２１Ａおよび負極板２１Ｂをそれぞれセパレータ２１Ｃを介在させつつ順次積層したものである。各正極板２１Ａは、正極リード２１Ｄを介して正極タブ６に接続されるとともに、各負極板２１Ｂは、負極リード２１Ｅを介して負極タブ７に接続され、これら正極タブ６および負極タブ７がラミネートフィルム２２、２３の薄肉部２Ｂから外部に引き出されている。
【００１２】
前記正極タブ６および負極タブ７は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属箔によって形成され、この実施形態では正極タブ６はＡｌで、負極タブ７はＮｉで形成される。また、前記ラミネートフィルム２２、２３は、外側から内側に向けて、樹脂層としてのナイロン層α、接着剤層β、金属層としてのアルミ箔層γ、樹脂層としてのＰＥ（ポリエチレン）またはＰＰ（ポリプロピレン）層δで構成される。
【００１３】
「電池の素材」
この実施形態の電池２は、高エネルギー密度・高出力のリチウムイオン二次電池を使用しており、車両用駆動源として最適なモジュール電池となっている。より具体的には、リチウムイオン二次電池は、以下のような構成である。
【００１４】
正極板２１Ａを形成している正極の正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式ＬｉＮｉ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物を含有する。
【００１５】
また、正極はリチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式ＬｉｙＭｎ_２−ｚＭ’ｚＯ_４（但し、０．９≦ｙ≦１．２、０．０１≦ｚ≦０．５であり、Ｍ’はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。また、一般式ＬｉＣｏ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムコバルト複合酸化物を含有してもよい。
【００１６】
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物およびリチウムコバルト複合酸化物は、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩等からも同様に合成可能である。
【００１７】
なお、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などの正極活物質の平均粒径は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
また、負極板２１Ｂを形成している負極活物質としては、比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ以上、２ｍ^２／ｇ以下の範囲であるものを使用する。この範囲とすることにより、負極表面上におけるＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：固体電解質界面）の形成を充分に抑制することができる。
【００１９】
負極活物質の比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが放電時において負極活物質中から充分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が２ｍ^２／ｇを越える場合、負極表面上におけるＳＥＩ形成を制御することができない。
【００２０】
負極活物質としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークスなどのコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラックなどの炭素質材料を使用することが可能である。
【００２１】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズ等の比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、３Ｂ族典型元素の他、ＳｉやＳｎなどの元素、または例えばＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（但し、式中ＭはＳｉ又はＳｎを除く１つ以上の金属元素を表す。）で表されるＳｉやＳｎの合金などを使用することができる。これらの中でも、特にＳｉまたはＳｉ合金を使用することが好ましい。
【００２２】
さらに、電解液としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のものの他、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。
【００２３】
非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
【００２４】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリルなどが挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００２５】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネートなどを含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するＳＥＩの性状（保護膜の機能）に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【００２６】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に０．０５重量％以上、５重量％以下の割合で含有されることが好ましく、特に０．５重量％以上、３重量％以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギ密度の高い非水二次電池となる。
【００２７】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉなどが使用可能である。これらの電解質塩は、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を混合して用いることも可能である。
【００２８】
「モジュールケース」
図１〜３に示すように、モジュールケース３は、上部開口部を有する容器形状であって、蓋体４によって密閉される。モジュールケース３の底壁３ａ内面からは、各電池２の電極タブ（正極タブ６および負極タブ７）に対応する位置に一対のボス１０、１１および一対のボス１２、１３が突設されている。
【００２９】
この実施形態では、背中合わせで積層された２つの電池２、２が一組で用いられ、一対のボス１０、１１に、一組の電池２の電極タブ６、７を載置してボルトＢで締結固定し、また一対のボス１２、１３に、一組の電池２の電極タブ６、７を載置してボルトＢで締結固定している。なお、電池２には、電極タブ６、７に貫通孔８が予め設けられており、この貫通孔８を通じてボス１０（１１、１２、１３）に締結固定されるようになっている。
【００３０】
一対のボス１０、１１および一対のボス１２、１３は、モジュールケース３の底壁３ａ内面から所定高さに設定されており、これによりモジュールケース３の底壁３ａ内面と電池２との間に均一の空隙が形成される。このため、モジュールケース３にポッティング材Ｐ原液を注入した際には（図８参照）、モジュールケース３の底壁３ａと電池２との間に確実にポッティング材Ｐが流れ込み、所定時間を経過して固化するポッティング材Ｐの肉厚は均一となる。
【００３１】
ここで、各電池２間および該電池２と入出力端子１７、１８との間は、平板状のバスバー１４およびＬ字状のバスバー１５、１６によって電気的に接続されて強電回路が形成されるが、この実施形態では、各バスバー１４、１５、１６は電池２の電極タブ６、７とともにボス１０、１１、１２、１３に共締めされている。
【００３２】
図４は、この共締め構造であって、代表してボス１３への共締め構造を示す。具体的には、この共締め構造は、図４に示すように、ボス１３の頂面に絶縁性ワッシャ２５、バスバー１４、積層された一組の電池２の正極タブ６、絶縁性ワッシャ２６、ワッシャ２７を順次積み重ねて、これらをともにボルトＢでボス１３に締結固定した構造である。
【００３３】
また、モジュールケース３の底壁３ａ外面のボス１０、１１、１２、１３に対応する位置には冷却フィン１９が設けられていて、電池２の発電要素２１の発熱は、正極タブ６および負極タブ７→ボルトＢ→ボス１０、１１、１２、１３→（モジュールケース３本体）→冷却フィン１９→大気と放熱され、より効率的に放熱できる。
【００３４】
なお、この実施形態では、上記のようにボス１０、１１、１２、１３の裏面に冷却フィン１９を設けてあるが、図９に示すようにモジュールケース３の底壁３ａ外面全体に冷却フィン３１を設けた構造でもよい。この場合は、モジュール電池３０の冷却性能がさらに向上する。しかも、冷却フィン３１によってモジュールケース３の剛性が向上し、モジュール電池３０の取扱い性も向上する。
【００３５】
「組立工程」
以下、この実施形態のモジュール電池１の組立工程を説明する。
【００３６】
（１）まず、モジュールケース３の一対のボス１０、１１に、絶縁性ワッシャ２５および絶縁性ワッシャ２６およびワッシャ２７を介して、バスバー１４、１５および背中合わせに積層した一組の電池２、２のタブ６、７を共締めすることで、電池２、２を固定する（図４参照）。また、同様に、一対のボス１２、１３に、絶縁性ワッシャ２５および絶縁性ワッシャ２６およびワッシャ２７を介して、バスバー１４、１６および背中合わせに積層した一組の電池２、２のタブ６、７を共締めすることで、電池２、２を固定する（図４参照）
（２）次に、バスバー１５、１６と入出力端子１７、１８を接続して、強電回路を形成する。ここで、回路が異常なく形成されているか、導通検査を行い、仮に、回路が断線している場合は、ボルトＢを外して部品を部分的に交換する
（３）回路の導通検査が正常であれば、図８に示すようにモジュールケース３の底壁３ａ近傍までポッティング材注入ノズルＮを挿入して、モジュールケース３の底壁３ａからポッティング材Ｐ原液を注入していく
（４）最終的に、ポッティング材Ｐが固化してから、モジュールケース３に蓋体４を被せて接合して、モジュール電池１とする。
【００３７】
「作用効果」
ここで、振動吸収性を発揮すべく、図１０、１１に示すようにモジュールケース１０１内に電池１０２を納めてウレタン樹脂などのポッティング材Ｐを流し込んで固定することも考えられる。
【００３８】
しかしながら、この場合、ポッティング材を適切な状態に注入することが難しい。つまり、図１０に示すように、モジュールケース１０１の底壁１０１ａに電池１０２、１０２、・・・を配置した状態でポッティング材Ｐ原液を注入する場合、モジュールケース１０１と電池１０２、１０２、・・・との隙間にポッティング材Ｐを十分に回り込ませることが困難であり、ポッティング材Ｐの振動吸収性を十分に発揮することができない。また、図１１に示すように、モジュールケース１０１の底壁１０１ａと電池１０２、１０２、・・・との間にスペーサ１０７を配置して隙間Ｓを確保する構造としても、ポッティング材Ｐを均一の厚みにすることは難しく、十分な振動吸収性を発揮させることが難しい。しかも、この場合、スペーサ１０７の部分でポッティング材Ｐが不連続となるなるため、このスペーサ１０７の部分での振動吸収性を期待できないことは勿論のこと、スペーサ１０７周辺に応力が集中してしまいポッティング材Ｐが分解または剥離してしまう虞がある。
【００３９】
これに対して、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池２の一対の電極タブ６、７に対応する位置に、モジュールケース３の底壁３ａ内面から一対のボス１０、１１（１２、１３）を突設する一方、前記電池２の電極タブ６、７に貫通孔８を設け、該電池２をモジュールケース３のボス１０、１１（１２、１３）に締結固定した後、モジュールケース３にポッティング材Ｐ原液を流し込んで電池２をポッティング材Ｐに固定した構造をとるため、ポッティング材Ｐの肉厚を希望する肉厚に管理でき、最適な振動吸収性能を発揮させることができる。
【００４０】
しかも、電池２の発熱を電極タブ６、７およびボス１０、１１、１２、１３を通じてモジュールケース本体に効率的に逃がすことができるため、冷却性能が向上する。また、モジュールケース３が金属製であるため、さらに効率的に電池２の発熱を放熱できる。
【００４１】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、電池２の電極タブ６、７はバスバー１４、１５、１６と共締めしてあるため、組立作業が容易となる。つまり、通常、複数の電池をモジュール化する場合、複数の電池とバスバーとを溶接（例えば超音波溶接）してサブアセンブリした後、モジュールケース内に納めるが、この場合、比較的軟弱な電池と硬質なバスバーとのサブアッセンブリ体は取り扱いが難しく、モジュール電池の組立作業が煩雑である。しかしながら、この実施形態では、順次、電池２とバスバー１４、１５、１６とをモジュールケース３に組み付けて共締めした構造であるため、組立作業が容易となる。また、ポッティング材Ｐを注入前に導通検査を行い異常ならば、部分的に交換することが容易であるため、品質管理も容易となる。
【００４２】
また、この実施形態のモジュール電池１によれば、モジュールケース３の底壁３ａ外面のボス１０、１１、１２、１３に対応する位置に冷却フィン１９を設けたため、より効率的に放熱でき、モジュール電池１の冷却性能がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの実施形態のモジュール電池の横断面図。
【図２】図２は図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。
【図３】図３は図１中ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。
【図４】図４は図２中のＡ部の拡大図。
【図５】図５はこの実施形態のモジュール電池に用いる電池であって、分図ａは上面図、分図ｂは側面図。
【図６】図６は図５中ＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】図７はこの実施形態のモジュール電池のバスバーであって、分図ａは上面図、分図ｂは側面図。
【図８】図８はモジュール電池のポッティング材注入工程を示す説明図。
【図９】図９は本発明のモジュール電池の変形例を示す図。
【図１０】図１０はモジュール電池の一従来例を示す説明図。
【図１１】図１１はモジュール電池の一従来例を示す説明図。
【符号の説明】
１　モジュール電池
２　電池
３　モジュールケース
３ａ　モジュールケース底壁
６　正極タブ（電極タブ）
７　負極タブ（電極タブ）
８　貫通孔
１０　ボス
１１　ボス
１２　ボス
１３　ボス
１４　バスバー
１５　バスバー
１６　バスバー
１９　冷却フィン
２１　積層電極（発電要素）
２２　ラミネートフィルム（外装フィルム）
２３　ラミネートフィルム（外装フィルム）
２５　絶縁性ワッシャ（絶縁材）
２６　絶縁性ワッシャ（絶縁材）
Ｐ　ポッティング材
３０　モジュール電池
３１　冷却フィン

Claims

外装フィルム内に発電要素を密閉するとともに該外装フィルムから一対の電極タブを露出させてなる電池と、前記電池を複数収容するモジュールケースと、を備えたモジュール電池であって、
各電池の電極タブに対応する位置に、前記モジュールケースの底壁から所定高さのボスを突設する一方、前記電池の電極タブに貫通孔を設け、
該電池を該電池の電極タブの貫通孔を通じて前記モジュールケースのボスに締結固定し、前記モジュールケースにポッティング材を流し込んで前記電池をポッティング材に固定したことを特徴とするモジュール電池。
請求項１記載のモジュール電池あって、
前記モジュールケースは、金属製であり、
前記電池の電極タブは、前記モジュールケースのボスに絶縁材を介在させてボルトで締結固定してあることを特徴とするモジュール電池。
請求項１または請求項２記載のモジュール電池であって、
前記電池の電極タブはバスバーと共締めしてあることを特徴とするモジュール電池。
請求項１〜３のいずれか１項記載のモジュール電池であって、
前記モジュールケースの底壁外面の、前記ボスに対応する位置に冷却フィンを設けたことを特徴とするモジュール電池。
請求項１〜３のいずれか１項記載のモジュール電池であって、
前記モジュールケースの底壁外面全体に冷却フィンを設けたことを特徴とするモジュール電池。