JP2018073518A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池モジュールの生産性を向上させる。【解決手段】電池ユニット、上部接続端子、底部接続端子、およびケースを有する二次電池が複数積層される構成される二次電池モジュールであって、電池ユニットは、正極、電解質層、負極が積層されて構成されており、上部接続端子および底部接続端子は、正極、電解質層、負極の積層方向両端に形成され、ケースは、電池ユニット、上部接続端子、および底部接続端子を収納し、上部接続端子は、ケースから露出している上部接続端子露出部を有し、底部接続端子は、ケースから露出している底部接続端子露出部を有し、上部接続端子露出部および底部接続端子露出部は積層方向で重畳しており、電池ユニットの積層方向に隣接する二次電池は、上部接続端子露出部および底部接続端子露出部で直列に接続される二次電池モジュール。【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池モジュールに関する。

多彩な電池収納部に対応可能であり、組電池としても電池収納部にからの脱落を防止することが可能な固体電池として、特許文献１には、第１電極層１２と固体電解質層１３と第２電極層１１とを備えた積層体１９を有する固体電池１０において、第１電極層１２と第２電極層１１は互いに逆方向に引き出され、それぞれ積層体１９の側面の第１内部端子２１及び第２内部端子２３に接続され、さらに第１内部端子２１上に形成され第１内部端子２１の一部を露出するよう接続される第１外部端子２２と、第２内部端子２３上に形成され第２内部端子２３の一部を露出するよう接続される第２外部端子２４とを有し、第２外部端子２４は積層体１９の上面まで延在し、第１外部端子２２は積層体１９の下面まで延在している固体電池１０が開示されている。

特開2016-1602号公報

特許文献１では、積層体の上面における第２外部端子と固体電池に隣接する別の固体電池の積層体の下面における第１外部端子とが直接接続することで、固体電池同士が互いにかみ合い、ケースに搭載しても固体電池の脱落を防止している。積層型の二次電池では、二次電池の膨れを抑制するために積層体の積層方向で二次電池を加圧し、二次電池同士を固縛するのが一般的であるが、特許文献１の組電池では、第１外部端子および第２外部端子の接触性を保つために、積層体の面内方向の加圧も必要となり、組電池の生産性が低下する可能性がある。

本発明は、二次電池モジュールの生産性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

電池ユニット、上部接続端子、底部接続端子、およびケースを有する二次電池が複数積層される構成される二次電池モジュールであって、電池ユニットは、正極、電解質層、負極が積層されて構成されており、上部接続端子および底部接続端子は、正極、電解質層、負極の積層方向両端に形成され、ケースは、電池ユニット、上部接続端子、および底部接続端子を収納し、上部接続端子は、ケースから露出している上部接続端子露出部を有し、底部接続端子は、ケースから露出している底部接続端子露出部を有し、上部接続端子露出部および底部接続端子露出部は積層方向で重畳しており、電池ユニットの積層方向に隣接する二次電池は、上部接続端子露出部および底部接続端子露出部で直列に接続される二次電池モジュール。

本発明により、二次電池モジュールの生産性を向上できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る二次電池の模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の部品構成図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。 本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池の模式図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１、図２は本発明の一実施形態に係る二次電池の模式図、図３は本発明の一実施形態に係る二次電池の部品構成図である。図１は上部接続端子４０００を確認できる図であり、図２は底部接続端子５０００を確認できる図である。以下では二次電池が全固体電池である場合について説明する。

二次電池２０００は、複数の電池ユニット１０００、複数の電池ユニット１０００の上部に形成された上部接続端子４０００、複数の電池ユニット１０００の底部に形成された底部接続端子５０００、ケース３０００、を有する。上部接続端子４０００および底部接続端子５０００は、後述する正極、電解質層３００、負極の積層方向両端に形成されている。ケース３０００は、複数の電池ユニット１０００、上部接続端子４０００、底部接続端子５０００を収納している。図１、図２および図３では、二次電池２０００は複数の電池ユニット１０００を有しているが、一つの電池ユニット１０００を有していてもよい。

上部接続端子４０００は、上部接続板４１００、上部接続ブロック４３００、を有する。上部接続板４１００は複数の電池ユニット１０００の上部に形成されており、複数の電池ユニット１０００と電気的に接続されている。上部接続ブロック４３００（上部接続端子露出部）は、上部接続板４１００の上部に形成されており、ケース３０００から露出している。図３において、複数の電池ユニット１０００の最上部ではアルミニウム合金製の正極集電体が露出している。また、上部接続板４１００および上部接続ブロック４３００の材料は、正極集電体と同様にアルミニウム合金製同じ部材のアルミとなっている。

上部絶縁部材４２００は、上部接続板４１００の上部に形成されており、上部接続ブロック４３００の周囲を取り囲むように形成されている。上部絶縁部材４２００は、上部接続端子４０００およびケース３０００を絶縁している。上部絶縁部材４２００には上部絶縁部材開口部４２５０が設けられており、上部絶縁部材開口部４２５０を上部接続ブロック４３００が貫通している。上部絶縁部材４２００の材料として、PBT、PP、PC等の絶縁性樹脂が挙げられる。上部絶縁部材４２００を射出成形により形成することで、上部接続端子４０００とケース上面部３１００とは予め一体化される。

底部接続端子５０００は複数の電池ユニット１０００の下部に形成されており、電池ユニット１０００と電気的に接続されている。底部接続端子５０００は、ケース３０００から露出している。底部接続端子５０００の下部には凹部が形成されており、凹部により隣接する二次電池中の上部接続ブロック４３００と嵌め合うことができる。図３において、複数の電池ユニット１０００の最下部では銅製の負極集電体が露出している。また、底部接続端子５０００の材料は、負極集電体と同様に銅製となっている。

底部絶縁部材５２００は、底部接続端子５０００の下部に形成されている。底部絶縁部材５２００は、底部接続端子５０００およびケース３０００を絶縁している。底部絶縁部材５２００には底部絶縁部材開口部５２５０が設けられており、隣接する二次電池中の上部接続ブロック４３００と嵌め合うように形成されている。底部絶縁部材５２００の材料として、PBT、PP、PC等の絶縁性樹脂が挙げられる。底部絶縁部材５２００を射出成形により形成することで、底部接続端子５０００とケース底面部３５００とは予め一体化される。

ケース３０００は、ケース上面部３１００、ケース側面部３２００、ケース前面部３３００、ケース後面部３４００、ケース底面部３５００、を有する。ケース上面部３１００にはケース上面開口部３１５０が設けられており、ケース上面開口部３１５０を上部接続ブロック４３００が貫通している。ケース底面部３５００にはケース底面開口部３５５０が設けられており、隣接する二次電池中の上部接続ブロック４３００と嵌め合うように形成されている。ケース３０００の材料には難燃性ＰＢＴが用いられている。ケース上面部３１００、ケース側面部３２００、ケース前面部３３００、ケース後面部３４００、ケース底面部３５００各々の接触界面にはシーラントが塗工されて気密が確保されている。ケース３０００の材料は少なくとも電池ユニット１０００群に対向する面が絶縁処理されたアルミニウム合金、ステンレス鋼としてもよく、またこのとき上記のケース各部同士は溶接により気密が確保されてもよい。
図３では、上部接続端子４０００に凸部となる上部接続ブロック４３００が形成され、底部接続端子５０００に凹部が形成されているが、上部接続端子４０００に凹部を形成し、底部接続端子５０００に凸部を形成してもよい。上部接続端子４０００および底部接続端子５０００で電気的接続を担保できれば、上部接続端子４０００および底部接続端子５０００に凹凸がなくてもよく、上部接続端子４０００および底部接続端子５０００両方に凸部が形成されていてもよい。上部接続端子４０００および底部接続端子５０００の一方に凹部、もう一方に凸部を形成することで、二次電池２０００同士を高密度に積層し電気的に接続することができる。

図４は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。図４において、隣接する二次電池２０００同士は、上部接続端子４０００および底部接続端子５０００は積層方向で重畳するように形成されている。図４のように複数の二次電池２０００を重ねて二次電池モジュール１００００を作製する際に、二次電池２０００の膨れを抑制するために二次電池２０００の積層方向両端より固縛体により複数の二次電池２０００を加圧する場合がある。この際、固縛体により複数の二次電池２０００を加圧すると同時に、隣接する二次電池２０００の上部接続端子４０００および底部接続端子５０００に面圧を付与することができるので、二次電池モジュールの生産性を向上できる。

図５は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、片側負極１００、両側正極２５０、電解質層３００、両側負極１５０、片側正極２００を有する。以下では、片側負極１００または片側正極２００を片側電極と称する場合がある。両側正極２５０または両側負極１５０を両側電極と称する場合がある。片側正極２００または両側正極２５０を正極と称する場合がある。片側負極１００または両側負極１５０を負極と称する場合がある。

両側正極２５０は、二つの正極合材層２５１、正極集電体２５２を有する。両側正極２５０において、正極集電体２５２の両面に正極合材層２５１が形成されている。片側正極２００は、正極合材層２５１、正極集電体２５２を有する。片側正極２００において、正極集電体２５２の片面に正極合材層２５１が形成されており、もう一方の面は正極集電体２５２が露出している。

両側負極１５０は、二つの負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。両側負極１５０において、負極集電体１５２の両面に負極合材層１５１が形成されている。片側負極１００は、負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。片側負極１００において、負極集電体１５２の片面に負極合材層１５１が形成されており、もう一方の面は負極集電体１５２が露出している。

両側正極２５０、電解質層３００、両側負極１５０が積層されて電極体４００が構成される。複数の電極体４００が積層され、電極体４００中の正極集電体２５２（正極タブ２５４）同士および負極集電体１５２（負極タブ１５４）が接続されることで、電池ユニット１０００中で電気的な並列接続が構成される。片側負極１００、電解質層３００、複数の電極体４００、電解質層３００、片側正極２００が積層されて電池ユニット１０００が構成される。

積層方向における電池ユニット１０００の端部には片側負極１００および片側正極２００が形成されており、負極集電体１５２および正極集電体２５２が露出しており、正極集電体２５２の露出している部分および負極集電体１５２の露出している部分が対向して配置され、接触している。これにより、ある電池ユニット１０００に別の電池ユニット１０００を積層させるだけで、隣接する電池ユニット１０００同士を直列に接続でき、二次電池２０００中で電気的な多直多並列を構成できる。図５では、複数の電池ユニット１０００は積層方向に電気的に直列に接続されているが、並列に接続されていてもよい。

＜正極合材層２５１＞
正極合材層２５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系複合酸化物などが上げられる。正極合材層２５１中に、正極合材層２５１内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層２５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層２５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層２５１を作製する方法として、正極合材層２５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体２５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層２５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層２５１が形成する。

＜正極集電体２５２＞
正極集電体２５２は、正極塗工部２５３および正極タブ２５４を有する。正極塗工部２５３上に正極合材層２５１が形成されている。正極タブ２５４上の一部または全部には正極合材層２５１が形成されていない。正極タブ２５４は、発電した電気を外部に取り出すために配置されており、両側正極２５０または片側正極２００の一辺から突出している。図５では、正極タブ２５４は後述する負極タブ１５４と同じ方向に突出しているが、異なる方向から突出していてもよい。正極タブ２５４および負極タブ１５４が同方向に突出していることにより、電池ユニット１０００中の正極タブ２５４および負極タブ１５４の占有面積を小さくすることができ、電池ユニット１０００のエネルギー密度を向上できる。以下では、正極タブ２５４または負極タブ１５４を電極タブと称する場合がある。

電池ユニット１０００中のそれぞれの正極タブ２５４は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳している。電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士は、例えば超音波接合で接合される。電池ユニット１０００を個別に作製する場合、超音波接合時に他の電池ユニット１０００が干渉しない。また、同じ部材同士が超音波接合で接合され、異材を含まずに超音波接合で接合されるため、接続信頼性が高い。

図１では、隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳しているが、重畳していなくてもよい。また、図１では、隣接する電池ユニット１０００において、一方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、他方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、を重畳させているが、一方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、他方の電池ユニット１０００における接合された複数の負極タブ１５４と、を重畳させてもよい。隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士（または複数の正極タブ２５４と複数の負極タブ１５４）を、電池ユニット１０００を積層方向から見たときに重畳させることにより、電池ユニット１０００を樹脂成型体で収納する場合、同一の樹脂成型体でそれぞれの電池ユニット１０００を収納できる。図１では、隣接する電池ユニット１０００が直列接続されているので、隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士は絶縁されていることが望ましい。

正極集電体２５２には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体２５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層１５１＞
負極合材層１５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な負極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合材層１５１中に、負極合材層１５１内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層１５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層１５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合材層１５１を作製する方法として、負極合材層１５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを負極集電体１５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、負極合材層１５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、負極合材層１５１が形成する。

＜負極集電体１５２＞
負極集電体１５２は、負極塗工部１５３および負極タブ１５４を有する。負極塗工部１５３および負極タブ１５４の構成は、概ね正極塗工部２５３および正極タブ２５４の構成と同様である。

負極集電体１５２には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体１５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜電解質層３００＞
電解質層３００には、例えば固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、二次電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。電解質層３００は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。電解質層３００の厚さは二次電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズであることが望ましい。

図６は、本発明の一実施形態に係る二次電池の模式図である。本実施形態では，隣接する電池ユニット１０００同士は上下が逆方向になるよう積層され、その結果、電池ユニット１０００毎に正極タブ２５４群および負極タブ１５４群が交互に積層され，それらがバスバー（図示せず）を介して電気的に接続されている。図５では、隣接する電池ユニット１０００同士は同じ向きに積層されにおいて、一方の電池ユニット１０００における正極集電体２５２および他方の電池ユニット１０００における負極集電体１５２を接触させて隣接する電池ユニット１０００を直列に接続しているが、図６のように、隣接する電池ユニット１０００の電極タブを接合して隣接する電池ユニット１０００を直列に接続してもよい。その場合、電池ユニット１０００の上下端部において、正極集電体２５２および負極集電体１５２を露出させる必要はない。隣接する電池ユニット１０００の電極タブを接合して隣接する電池ユニット１０００を直列に接続する場合、電池ユニット１０００中の電極体４００を樹脂フィルムなどで覆うことが望ましい。

図６では、上部接続板４１００に上部接続板タブ４１５０が設けられており、複数の電池ユニット１０００の最上部の電池ユニット１０００の正極タブ群と共に超音波接合されている。これにより、複数の電池ユニット１０００と上部接続板４１００とが電気的に接続される。また、底部接続端子５０００に底部接続端子タブ５０５０が設けられており、複数の電池ユニット１０００の最下部の電池ユニット１０００の負極タブ群と共に超音波接合されている。これにより、複数の電池ユニット１０００と底部接続端子５０００とが電気的に接続される。

図７は、本発明の一実施形態に係る二次電池モジュールの模式図である。二次電池モジュール１００００は、複数の二次電池２０００および固縛体６０００を有している。二次電池モジュール１００００の積層方向の両端に固縛体６０００が形成されており、積層方向で二つの固縛体６０００の間に複数の二次電池２０００が形成されている。

図７では、複数の二次電池２０００が積層方向に積層して直列接続されている。隣接する複数の二次電池２０００の端子が広く面状に面で接触されているため、抵抗を低くすることができる。また、端子同士を繋ぐバスバーが不要なので、実装密度を向上できる。固縛体６０００は、二次電池モジュール１００００の積層方向の両端にのみ形成されているので、二次電池２０００単位で固縛体を形成する必要がなく、実装密度を向上できる。固縛体６０００は上部接続ブロック４３００が形成されている部分以外に形成されている。換言すれば、固縛体６０００と上部接続ブロック４３００との間に空間が形成されている。これにより、上部接続ブロック４３００におけるインバータ等との接続部分を確保できる。

１００ 片側負極
１５０ 両側負極
１５１ 負極合材層
１５２ 負極集電体
１５３ 負極塗工部
１５４ 負極タブ
２００ 片側正極
２５０ 両側正極
２５１ 正極合材層
２５２ 正極集電体
２５３ 正極塗工部
２５４ 正極タブ
３００ 電解質層
４００ 電極体
１０００ 電池ユニット
２０００ 二次電池
３０００ ケース
３１００ ケース上面部
３１５０ ケース上面開口部
３２００ ケース側面部
３３００ ケース前面部
３４００ ケース後面部
３５００ ケース底面部
３５５０ ケース底面開口部
４０００ 上部接続端子
４１００ 上部接続板
４１５０ 上部接続板タブ
４２００ 上部絶縁部材
４２５０ 上部絶縁部材開口部
４３００ 上部接続ブロック
５０００ 底部接続端子
５０５０ 底部接続端子タブ
５２００ 底部絶縁部材
５２５０ 底部絶縁部材開口部
６０００ 固縛体
１００００ 二次電池モジュール

Claims (5)

1. 電池ユニット、上部接続端子、底部接続端子、およびケースを有する二次電池が複数積層される構成される二次電池モジュールであって、
   前記電池ユニットは、正極、電解質層、負極が積層されて構成されており、
   前記上部接続端子および前記底部接続端子は、前記正極、前記電解質層、前記負極の積層方向両端に形成され、
   前記ケースは、前記電池ユニット、前記上部接続端子、および前記底部接続端子を収納し、
   前記上部接続端子は、前記ケースから露出している上部接続端子露出部を有し、
   前記底部接続端子は、前記ケースから露出している底部接続端子露出部を有し、
   前記上部接続端子露出部および前記底部接続端子露出部は積層方向で重畳しており、
   前記電池ユニットの積層方向に隣接する前記二次電池は、前記上部接続端子露出部および前記底部接続端子露出部で直列に接続される二次電池モジュール。
2. 請求項１の二次電池モジュールであって、
   前記ケースは、ケース上面部またはケース底面部を有し、
   前記ケース上面部および前記上部接続端子、または、前記ケース底面部および前記底部接続端子は、絶縁部材と共に予め一体化されている二次電池モジュール。
3. 請求項１の二次電池モジュールであって、
   前記二次電池モジュールは、固縛体を有し、
   複数の前記二次電池の積層方向の両端にのみ前記固縛体が形成される二次電池モジュール。
4. 請求項１の二次電池モジュールであって、
   前記正極は、正極集電体を有し、
   前記負極は、負極集電体を有し、
   前記電池ユニットの積層方向両端で前記正極集電体および前記負極集電体が露出しており、
   前記正極集電体の露出している部分および前記負極集電体の露出している部分が対向して配置され、接触していることにより、隣接する電池ユニット同士を直列に接続される二次電池モジュール。
5. 請求項４の二次電池モジュールであって、
   前記二次電池モジュールは、固縛体を有し、
   前記固縛体と前記上部接続端子との間に空間が形成される二次電池モジュール。

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