JP2012104341A - 電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】センサを内蔵しつつも良好な電池性能を発揮する電池セルを提供する。
【解決手段】本発明の電池セル１は、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第１の積層電極体１１と、第１の積層電極体１１に配置される第１のスペーサ１２とを備えた第１の電池ブロック９と、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第２の積層電極体１１と、第２の積層電極体１１に配置される第２のスペーサ１２とを備えた第２の電池ブロック１０と、第１の電池ブロック９と第２の電池ブロック１０とが第１のスペーサ１２と第２のスペーサ１２とを接して収納される電池容器２と、センサ１５とを有する。センサ１５は、第１のスペーサ１２と第２のスペーサ１２との間に形成されるセンサ配置領域に配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサを備えた電池セルに関する。

電池には、放電のみ行う一次電池や充放電可能な二次電池があるが、いずれも使用時に発熱する現象が知られている。当該発熱により電池温度が上昇すると良好な電池性能が得られない可能性があるため、電池単体、すなわち電池セルの電池温度を計測すべく電池セル近辺に温度センサを配置し（特許文献１および特許文献２参照）、適宜冷却等して電池性能を良好に保つ試みがなされている。

特開２００４−１４１７１号公報 特開２００６−４９１１号公報

しかしながら、上記文献のように電池容器の近傍であっても外部に温度センサを配置しては、発熱している電池セル内部の正確な温度を正確に把握することは難しい。従って、電池性能を良好に保つための冷却制御等は複雑なものとなる。一方、仮に電池セル内部に安易に温度センサを内蔵すると、例えば電池容器内の電極板に接触させて温度センサを配置すると、電極板に歪や損傷が生じ、電池性能がかえって劣化するおそれもある。

本発明は、上述の事情に鑑み成されたものであって、センサを内蔵しつつも良好な電池性能を発揮する電池セルを提供することを目的の１つとする。

本発明の電池セルは、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第１の積層電極体と、前記第１の積層電極体に配置される第１のスペーサとを備えた第１の電池ブロックと、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第２の積層電極体と、前記第２の積層電極体に配置される第２のスペーサとを備えた第２の電池ブロックと、前記第１の電池ブロックと前記第２の電池ブロックとが前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとを接して収納される電池容器と、センサと、を有し、前記センサは、前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとの間に形成されるセンサ配置領域に配置されることを特徴とする。

上記の電池セルは、第１の電池ブロックの第１のスペーサと第２の電池ブロックの第２のスペーサとの間に形成されるセンサ配置領域にセンサが配置されているので、積層電極体を構成する電極板に歪や損傷が生じることが抑制される。

従って、本発明によれば、センサを内蔵しつつも良好な電池性能を発揮する電池セルを提供することができる。

第１実施形態の電池セルの構成を模式的に示す分解図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 図１に示す第２電池ブロックの詳細を示す模式図である。 図１に示すスペーサの変形例を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 第２実施形態の電池セルの構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。説明に用いる図面において、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせている場合がある。実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の電池セルの構成を模式的に示す分解図である。図１に示す電池セル１は、例えば角型のリチウムイオン二次電池セルである。
第１実施形態の電池セルは、電池容器に後述の電池ブロックを複数挿入且つセンサを当該複数の電池ブロック間に配置し、電極端子が備えられた蓋で電池容器を密閉されて構成される（電解液も電池容器内に貯留される）。以下、図１乃至図４を用いて、またいずれの図においても同一の直交座標系を用いて詳述する。

図１に示すように、電池容器２は上述の角型である。すなわち、電池容器２は、Ｙ軸方向に長辺（長さＬ）且つＸ軸方向に短辺（長さｌ（小文字のエル））を配置した略矩形の底面を持ち、当該底面の全ての辺に接続して当該底面に垂直方向（＋Ｚ方向）に伸びる壁面を持つ容器である。

蓋３は、電池容器２の上記底面と実質的に同一の板状の形状であり、電極端子（正極端子４又は負極端子５）が当該板状の形状の両面に貫通して固定されている。また、電解液を注液する注液孔７（図３参照）も形成されている。電池容器２と蓋３は、電解液等で変質しない絶縁性のプラスチック樹脂製でもよいし、アルミニウム等の導電性の金属製であってもよい。これらが互いに同一材料であると、溶接又は接着・熱溶着等で電池容器２と蓋３との上記密閉を効果的に行うことができる。これらが導電性の場合には、図１に示すように、電極端子が蓋３と電気的に接続しないように、電極端子と蓋３との間にプラスチック樹脂等の絶縁性部材６を設ける。

なお、当該密閉の段階では注液孔７が埋められていないため、厳密な意味では実質的に完全な密閉状態ではない。当該密閉の後、注液孔７から電解液（図示せず）を注液し、ネジ等の封止部材８により注液孔７を塞いで上記実質的に完全な密閉状態とする。当該実質的に完全な密閉状態をより完全なものとするため、封止部材８は蓋３と同一材料であることが望ましい。

電池容器２内には、少なくとも２つの電池ブロックが内蔵される。図１では、第１電池ブロック９と第２電池ブロック１０の２つの電池ブロックが示されている。第１電池ブロック９と第２電池ブロック１０は、製造容易の観点から同一の構成としており、説明容易のため、「第１」及び「第２」と区別している。

かようにいずれの電池ブロックも同一構成であるため、ここでは１つの電池ブロックの詳細を説明するにあたり、第２電池ブロック１０を例にとり、図４を用いて説明する。
電池ブロックは、正極板と負極板とがセパレータを介して積層された積層電極体１１と、積層電極体１１の周囲を取り囲む形状の樹脂製（例えば絶縁性のプラスチック樹脂製）のスペーサを備えている。図４では、実質的に幅Ｗ×高さｈ×厚みｔの矩形で板状の第１スペーサ１２が２つと、実質的に幅ｗ×高さｈ×厚みｔの矩形で板状の第２スペーサ１３が２つ示されている（ただし、Ｗ>ｗである）。

第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３には、積層電極体１１への電解液の浸透を良好とするために、後述の凸部１７の配置を阻害しない位置に貫通孔１６が形成されている（電解液の浸透を効果的にするために図示のように複数形成するのが望ましい）。また、第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３には、積層電極体１１を電池セル１の振動等から保護するため、突起した形状の複数の凸部１７（高さｄ）が形成されている。凸部１７は、板状の第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３の裏面から押圧し且つ変形させることで形成することができる（図４では、第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３ともに、凸部１７が形成されている一方の面を表面、その他方の面を裏面という）。凸部は、当該表面から見て円筒形状やドーム形状など、上記保護の機能を有するものであればいかような形状でもよい。複数の凸部１７は、隣り合う凸部１７とは所定間隔空け且つ一定の規則性をもって配置される。従って、碁盤の目のように第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３へ凸部１７を配置してもよいし、千鳥状に第１スペーサ１２及び第２スペーサ１３へ凸部１７を配置してもよい。

ただし、第１スペーサ１２において、上記規則性に従えば配置されるはずの凸部１７のうち、一部の凸部１７については形成されていない（上記規則性に従えば配置されるはずの凸部１７の形成領域であって、実際には凸部１７の形成がなされない領域を凸部不形成領域１２ａという）。後に詳述するが、これは、凸部不形成領域１２ａを含み且つ第１スペーサ１２の表面に沿って凸部不形成領域１２ａを放射状に取り囲んでいる複数の凸部１７を結んで形成される領域に、センサ１５を載置する空間を確保するためである。

２つの第１スペーサ１２がそれらの裏面を積層電極体１１へ向け且つ積層電極体１１を挟んで配置され、また、２つの第２スペーサ１３がそれらの裏面を積層電極体１１へ向け且つ第１スペーサ１２の裏面と垂直方向に２つの第２スペーサ１３の裏面が配置され且つ積層電極体１１を挟んで配置されている。すなわち、これら４つのスペーサで取り囲んだ空間に積層電極体１１が配置されて上記電池ブロックとなる。

図４では、これら４つのスペーサを互いに組み木状に組み合わせ容易とするため、第１スペーサ１２のＺ軸方向へ向かう辺であって−Ｙ側に存在する辺から+Ｙ方向に凹形状の切り欠きを２つ設け、第１スペーサ１２のＺ軸方向へ向かう辺であって+Ｙ側に存在する辺から−Ｙ方向に凹形状の切り欠きを２つ設け、第２スペーサ１３のＺ軸方向へ向かう辺であって−Ｘ側に存在する辺から−Ｘ方向に凸形状の突起を上記凹形状の切り欠きに対応する位置に２つ設け、第２スペーサ１３のＺ軸方向へ向かう辺であって+Ｘ側に存在する辺から＋Ｘ方向に凸形状の突起を上記凹形状の切り欠きに対応する位置に２つ設けている。当該凹形状の切り欠きと当該凸形状の突起を嵌め合わせることで、上記４つのスペーサは、積層電極体１１を四方から挟む井桁の形状を維持することができる。

当該凹形状の切り欠きと当該凸形状の突起を形成しない場合には、電池ブロックを形成する際に、上記４つのスペーサを積層電極体１１に適宜接触・配置した上、絶縁性テープ等でこれら全てのスペーサを巻く等し、これら全てのスペーサを物理的に接続させることとなる。しかしながら、上記凹形状の切り欠き又は上記凸形状の突起を各スペーサに形成することで、これらを嵌め合わせて容易に電池ブロックを形成でき、従って、生産性を向上することができる。

そして、上記のように構成される電池ブロックを並べて電池ユニット（ここでは、第１電池ブロック９及び第２電池ブロック１０の２つの電池ブロックが並べられて電池ユニットとなる）とし、絶縁性のプラスチック樹脂等の緩衝材１４（図１では簡便のため図示を省略。図２、図３参照）を電池容器２の底面に敷いた上で、電池ユニットを電池容器２の内部へ挿入する。このとき、第１スペーサ１２と第２スペーサ１３が挿入ガイドの機能を発揮するので、当該挿入は容易になり、且つ、積層電極体１１が当該挿入の際に損傷することが防止できる。なお、緩衝材１４は、実質的に上記底面を覆って配置され、電池セル１の高さ方向（Ｚ方向）に振動が生じた場合においても、電池セル１に内蔵される電池ユニットに伝達される振動を緩和することができる。

上記電池ユニットを電池容器２へ挿入した後、又は挿入する前に、センサ１５が、凸部不形成領域１２ａを含み且つ第１スペーサ１２の表面に沿って凸部不形成領域１２ａを放射状に取り囲んでいる複数の凸部１７を結んで形成される領域（以下、センサ配置領域という）に配置される。第１電池ブロック９及び第２電池ブロック１０は、互いの第１スペーサ１２の凸部１７が接触し合って電池ユニットを形成しているため、電池ブロックの積層方向（Ｘ軸方向）におけるセンサ配置領域の幅は、凸部の高さｄを用いると、２×ｄで表される（図２参照）。

また、センサ配置領域は、センサ１５の外形を実質的に複数の凸部１７によって少なくとも点で支えることでセンサ１５が電池容器２内の所定位置に配置・固定され、電池セル１に振動等が加えられた場合においても電池容器２内でセンサ１５が大きく暴れることのないように、その動きを第１スペーサ１２の表面において規制すべく設計される。上述のように複数の凸部１７によってセンサ１５を点で支えることで、電解液の循環を遮ることを防止できるので、電池性能の優れた電池セル１とすることができる。もちろん、設計仕様に応じて、複数の凸部１７を適宜連続してつないだ線状の構造として、すなわち点ではなく線でセンサ１５の外形を支えるよう設計してもよい。当該線のみではなく、点と線を混在させてセンサ１５の外形を支えるよう設計してもよい。

なお、１つの電池ブロックを挟みこむ上述の２つの第１スペーサ１２は同一構成としたが、２つの電池ブロックが接触する部位におけるそれぞれのスペーサで、上記センサ配置領域が形成されればよいので、必ずしもかように同一構成とする必要はない。第１スペーサ１２に相当する２種のスペーサ１２Ａ及び１２Ｂで１つの電池ブロックを挟み込み且つ２つの電池ブロックを並べた際の一例を図５に示す（他の構成は全て図１の構成と同様であるので説明を省略する）。

スペーサ１２Ａ及び１２Ｂは、図５（ａ）に示すように、互いに第１スペーサ１２と同様の寸法であるが、図５（ａ）のＣ−Ｃ’線でのＸＹ平面断面図（２つの電池ブロックが接触する箇所における互いのスペーサの断面図）である図５（ｂ）に示すように、互いの複数の凸部１７は同一パターンで形成されていない。スペーサ１２Ａ及び１２Ｂを重ね合わせた際、互いの凸部１７が重ねあわないように設計されており、従って、この場合には、センサ配置領域の幅は、凸部１７の高さｄと同一となる。２つの第１スペーサ１２を用いる場合に比べ、かようにセンサ配置領域の幅を小さくすることができるので、上述の効果に加え、電池セルの小型化を促進することができる。

また、ここでは、電池容器２に内蔵される電池ブロック間に発生する温度を計測するため、センサ１５は温度センサとして説明する。しかしながら、電池ブロック間に発生する圧力を計測する場合には圧力センサなど、電池セル１の内部に発生する温度、圧力等のいかなるパラメータを計測するかによって、センサ１５の種類を適宜変更可能である。また、センサが小型であって上記センサ配置領域における上記規制が容易でない場合には、センサの本体をセンサ収納容器１５Ａに収納してセンサ１５とし、このセンサ収納容器１５Ａの外形を上記のように規制する構成としてもよい。

本実施形態の電池セル１においては、センサ本体が温度センサである熱電対としているため、図１〜図４に示すように、当該熱電対をセンサ収納容器１５Ａに収納した構成としている。熱電対は異種金属が接合された構成であり、熱電対により温度計測を行う場合には、それぞれの異種金属に接続された配線１５ａと配線１５ｂを電池セル１の外部へ取り出して、これら配線を電池セル１外部の電圧計２３に接続する必要がある。そこで、これら２つの配線１５ａ及び１５ｂを束ねて、封止部材８と一体化させている。この構成により、注液孔７からこれらの配線を取り出し且つ注液後に封止部材８にて電池セル１を実質的に完全な密閉状態とすることができる。

さらに、積層電極体１１は、複数の正極板と複数の負極板とがそれぞれセパレータを介して順次積層された積層電極体（積層型積層電極体）でもよいし、１つの正極板と１つの負極板とが１つのセパレータを介して積層され且つ巻かれた状態の積層電極体（捲回型積層電極体）でもよい。

図１及び図４では図示を省略しているが、図２及び図３に示すように、積層電極体１１には正極板から延びる正極タブ１９と負極板から延びる負極タブ２０とが形成されており、それぞれ対応する正極リード２１または負極リード２２を介して、それぞれに対応する正極端子４または負極端子５に電気的に接続されている。

電池セル１に振動等が加えられた場合においても電池容器２内で上記電池ユニットが大きく暴れることのないように、積層電極体１１の厚み（Ｘ軸方向）が設計される。ここでは、２つの電池ブロックから１つの電池ユニットが形成されているので、積層電極体１１の厚み（Ｘ軸方向）は、（ｌ−（（４×ｄ）＋（４×ｔ）））／２と設計されている。この式中の「ｌ」は、小文字のエルである。

積層電極体１１の高さ（Ｚ軸方向）は、第１スペーサ１２と第２スペーサ１３によってしっかり挟みこまれるように、これらスペーサの高さｈと実質的に同じ又は小さく、設計されている。なお、当該スペーサの高さｈは、電池セル１の高さ方向（Ｚ軸方向）の内寸Ｈと実質的に同じ又はやや小さめに設計される。

以上の構成により、本実施形態の電池セルは、リチウム二次電池の充放電において最も高温となる電池セル内部の中央付近の温度をセンサにて計測することが可能となる。その際、電池ブロックのそれぞれ配置され且つ電池ブロック間に配置されるスペーサにより形成されるセンサ配置領域に当該センサが配置されるので、電極板の歪や損傷を防止しつつ良好な電池性能を発揮する電池セルを提供することができる。

［第２実施形態］
次に、図６を用いて、第２実施形態の電池セルについて説明する。第１実施形態の電池セルとの相違点は、第１実施形態ではセンサ１５の配線１５ａ及び１５ｂを２つとも注液孔７から取り出していたが、そのうち１本の配線のみを注液孔７から取り出し且つ他方の配線は取り出さない構成としている点である。他の構成は、第１実施形態の電池と同様であるので、第１実施形態と同一番号を付して当該番号の説明を省略する。
第２実施形態の電池セルでは、電池容器２と蓋３は、いずれも導電性のある材料、例えば金属で形成される。センサ１５’から伸びる２本の配線１５ａ’と１５ｂ’のうち、配線１５ａ’は第１実施形態の電池セルと同様に電池セル外部に導かれ、電圧計２３に接続される。

配線１５ｂ’については、電池ユニットが電池容器２に挿入される前に、緩衝材１４に配線１５ｂ’を貫通させる孔が形成されている以外は緩衝材１４と同一の緩衝材１４’に当該貫通させて、緩衝材１４’を電池容器２の底に配置する。これにより、電池容器２と緩衝材１４’との間に挟みこまれて配線１５ｂ’が電池容器２に接触し、且つ、電池容器２へ電池ユニットを挿入するとその重みにより配線１５ｂ’と電池容器２との接触がさらに強化される構成が得られる。

封止部材８と電池容器２との間には金属端子２５が配置され、金属端子２５に接続された配線２４が電圧計２３に接続されることで、当該センサ１５’の電圧計測（電圧による温度計測）がなされる。すなわち、この場合には、電池容器２及び蓋３が導電性のある材料であることにより、これらを実質的に配線として利用することができる。この構成により、注液孔７が小さく、電池セルに内蔵されるセンサの２つの配線を両方とも電池セル外部へ注液孔７を介して導き出すことが容易でない場合にも、適切にセンサを配置できるので、電池セルの小型化が可能とすることができる。

なお、本実施形態のセンサは、第１実施形態で述べたと同様のものでもよい。電池容器２等を配線代わりに用いるため、例えば温度センサとしてその温度測定の精度が求められる場合には、センサ１５’を一定の熱により断線するヒューズ等の温度センサとすれば、温度計測用の電圧計２３では電気的に断線したか否かを計測するだけであるので、十分な精度を担保することができる。

上記第１及び第２実施形態の電池セルでは、電池セルが２つの電池ブロックを備えている例を説明しているが、電池セルに含まれる電池ブロックの数は３以上でも構わない。電池セルが３以上の電池ブロックを備えている場合に、互いに隣り合う複数の電池ブロックのいずれの間にセンサが配置されていてもよいし、特定の電池ブロック間にセンサが配置されていてもよい。

また、センサからそれに接続された配線が電池セル外部へ導き出される構成を示したが、当該センサから配線が電池セル外部へ導き出される構成でなくともよい。当該センサから当該センサに内蔵された無線装置によって無線によりその測定情報が電池セル外部へ伝達される構成としてもよいし、電池セルを分解した際に初めてその測定情報の履歴が得られる構成としてもよい。

さらに、上記実施形態の電池セルはリチウムイオン二次電池セルを一例として説明を行ったが、一次電池や二次電池等のいかなる電池の電池セルにも本発明は適用可能である。

１・・・電池セル、２・・・電池容器、３・・・蓋、４・・・正極端子、５・・・負極端子、６・・・絶縁性部材、７・・・注液孔、８・・・封止部材、９・・・第１の電池ブロック、１０・・・第２の電池ブロック、１１・・・積層電極体、１２・・・第１スペーサ（第１のスペーサ、第２のスペーサ）、１３・・・第２スペーサ（第３のスペーサ、第４のスペーサ）、１４、１４’・・・緩衝材、１５・・・センサ、１５Ａ・・・センサ収納容器、１５ａ・・・第１配線、１５ｂ・・・第２配線、１５ａ’・・・第１配線、１５ｂ’・・・第２配線、１６・・・貫通孔、１７・・・凸部、１８・・・凸部不形成領域、１９・・・正極タブ、２０・・・負極タブ、２１・・・正極リード、２２・・・負極リード、２３・・・電圧計、２４・・・配線、２５・・・金属端子

Claims (7)

1. 正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第１の積層電極体と、前記第１の積層電極体に配置される第１のスペーサとを備えた第１の電池ブロックと、
   正極板と負極板とがセパレータを介して積層された第２の積層電極体と、前記第２の積層電極体に配置される第２のスペーサとを備えた第２の電池ブロックと、
   前記第１の電池ブロックと前記第２の電池ブロックとが前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとを接して収納される電池容器と、
   センサと、を有し、
   前記センサは、前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとの間に形成されるセンサ配置領域に配置されることを特徴とする電池セル。
2. 前記第１のスペーサ又は前記第２のスペーサの表面には複数の凸部が形成され、
   前記センサ配置領域に配置された前記センサは、実質的に前記複数の凸部によって前記センサの外形の一部が少なくとも点で支えられ且つ規制されることを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
3. 前記第１の電池ブロックは、前記第１の積層電極体を２つの前記第１のスペーサで挟みこんで構成され、
   前記第２の電池ブロックは、前記第２の積層電極体を２つの前記第２のスペーサで挟みこんで構成されることを特徴とする請求項２に記載の電池セル。
4. 前記第１の電池ブロックは、２つの前記第１のスペーサとで前記第１の積層電極体の周りを井桁状に取り囲む２つの第３のスペーサをさらに備え、
   前記第２の電池ブロックは、２つの前記第２のスペーサとで前記第２の積層電極体の周りを井桁状に取り囲む２つの第４のスペーサをさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の電池セル。
5. 前記センサ配置領域に配置された前記センサは、前記センサの外形の一部が少なくとも線で支えられ且つ規制されることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池セル。
6. 前記第１の積層電極体と前記第２の積層電極体はいずれも積層型であり、
   前記第１のスペーサと前記第２のスペーサは実質的に同一構成であって、
   前記第３のスペーサと前記第４のスペーサは実質的に同一構成であって、
   前記センサは温度センサであることを特徴とする請求項５に記載の電池セル。
7. 前記電池容器は導電性であり、
   前記センサは２本の配線を備え、
   前記配線のうち一方の配線は前記電池容器に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池セル。

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