JP2018032581A

JP2018032581A - 組電池

Info

Publication number: JP2018032581A
Application number: JP2016165633A
Authority: JP
Inventors: 広隆渡辺; Hirotaka Watanabe; 広規田代; Hiroki Tashiro; 伸烈芳賀; Nobuyasu Haga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: JP6852308B2

Abstract

【課題】電池セルの摩耗劣化を抑制しつつも、ハイレート劣化をより抑制できる組電池を提供する。【解決手段】内部に電極巻回体２０が収容された複数の角型の電池セルと、複数のスペーサ１８と、が厚み方向に交互に積層された組電池であって、前記スペーサ１８の表面には、櫛歯状に並ぶとともに前記電池セルの表面に当接する複数のリブ３２が形成されており、前記リブ３２は、前記スペーサ１８の表面のうち、前記電極巻回体２０の幅方向両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ配されている。【選択図】図３

Description

本発明は、内部に電極巻回体が収容された複数の角型の電池セルと、複数のスペーサと、が厚み方向に交互に積層された組電池に関する。

リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、電動車両の駆動用電源や、携帯型電子機器の電源として多用されている。

角型の電池セルは、非水電解質二次電池として機能する電極巻回体および電解液を角型のセルケースに収容して構成される。かかる非水電解質二次電池からなる電池セルは、その表面に適度な圧力が付与されなければ、電極巻回体で均一な電池反応ができず、摩耗劣化が生じやすいことが知られている。そのため、従来から角型の電池セルと樹脂等からなるスペーサとを交互に積層して組電池を構成し、さらに、この組電池に積層方向圧縮の力を付与することが提案されている。例えば、特許文献１には、角型の蓄電素子（電池セル）とスペーサとを交互に積層した蓄電装置（組電池）が開示されている。特許文献1では、スペーサの表面に、蓄電素子の表面に当接する複数のリブを形成している。そして、この複数のリブ間が、冷却用の空気が流れる流路となる。また、この場合、リブを介して電池セルが均等に押圧されるため、電池セルの摩耗劣化が効果的に抑制される。

特開２０１６−０９１６６５号公報

しかし、非水電解質二次電池は、摩耗劣化だけでなく、ハイレート劣化も生じることが知られている。ハイレート劣化は、ハイレートでの充放電をくり返すことで生じる劣化である。かかるハイレート劣化は、ハイレートでの充放電に伴い膨張した電解液が、電極巻回体の外部に漏出することで生じると考えられている。電解液が電極巻回体の外部に漏出することで、電極巻回体内での塩（イオン）濃度分布の不均一化や、電極巻回体内での塩不足が生じ、電池セルの性能劣化、いわゆる、ハイレート劣化を招く。

特許文献１のように、電池セルの全面を、スペーサ表面のリブを介して均等に押圧した場合、電極巻回体の膨張が抑制される。この場合、電極巻回体が、膨張した電解液を保持しきれないため、電解液が電極巻回体の外部に漏出しやすくなり、ハイレート劣化が進行しやすくなる。つまり、特許文献１等の従来技術では、摩耗劣化は抑制できても、ハイレート劣化を十分に抑制できなかった。

そこで、本発明では、電池セルの摩耗劣化を抑制しつつも、ハイレート劣化をより抑制できる組電池を提供することを目的とする。

本発明の組電池は、内部に電極巻回体が収容された複数の角型の電池セルと、複数のスペーサと、が厚み方向に交互に積層された組電池であって、前記スペーサの表面には、櫛歯状に並ぶとともに前記電池セルの表面に当接する複数のリブが形成されており、前記リブは、前記スペーサの表面のうち、前記電極巻回体の幅方向両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ、または、前記電極巻回体の幅方向両端と上部と幅方向中央に対向する略Ｅ字状の範囲にのみ、配されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、電解液が溜まりやすい下部における電極巻回体の膨張が許容されるため、ハイレート劣化が抑制される。また、電極巻回体の上部や幅方向両端は、リブにより押されるため、電池セルの摩耗劣化も抑制される。

本発明の実施形態である組電池の概略斜視図である。電池セルの斜視図である。樹脂枠の概略正面図である。他の例の樹脂枠の概略正面図である。図３の樹脂枠における膨張許容範囲を示す図である。図４の樹脂枠における膨張許容範囲を示す図である。リブの形状に応じた劣化耐性の実験結果を示す図である。従来の樹脂枠の概略正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である組電池１０の概略斜視図である。なお、本願において、「下」とは、重力の作用方向であり、「上」とは、その反対側である。本実施形態の組電池１０は、角型の電池セル１６の端子２２ｐ，２２ｎが「上」となるように設置されている。

組電池１０は、電池積層体１２と、当該電池積層体１２の積層方向両側に配される一対のエンドプレート１４と、を備えている。さらに、電池積層体１２は、電池セル１６と、樹脂からなるスペーサ１８と、を厚み方向に交互に積層して構成される。

図２は、電池セル１６の斜視図である。電池セル１６は、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池や、ナトリウムイオン二次電池等である。この電池セル１６は、扁平な直方体状のセルケースの内部に、扁平形状の電極巻回体２０が電解液と共に収容された角型電池である。電極巻回体２０は、シート状の正極電極、セパレータ、負極電極を積層した後、渦巻き状に巻回した後、扁平状に成形して構成される。この電極巻回体２０は、その巻回軸Ｒが、重力方向（上下方向）に略直交するような姿勢で、セルケース内に収容されている。また、電極巻回体２０は、電解液に含浸されている。なお、以下では、この巻回軸Ｒの方向を、「幅方向」と呼ぶ。

電池セル１６の上端面からは、略円筒形の正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎが突出している。この正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎは、幅方向に間隔をあけて配置されている。電池セル１６の上端面のうち幅方向中央、すなわち、正極端子２２ｐおよび負極端子２２ｎの間には、ガス放出弁２４が設けられている。ガス放出弁２４は、電池セル１６の異常反応時に、当該電池セル１６の内部で発生したガスを放出する弁である。ガス放出弁２４は、電池セル１６の内圧が一定未満の場合には、閉鎖しているが、内圧が一定以上になれば、開放され、ガスを外部に放出する。このガス放出弁２４は、例えば、電池セル１６のケースのうちの一部を、一定以上の圧力を受けたときに破断するように薄肉に形成する等して構成される。ただし、ガス放出弁２４の構成は、これに限定されず、適宜、変更されてもよい。

複数の電池セル１６は、厚み方向に積層される。このとき、複数の電池セル１６は、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎが積層方向に交互に並ぶように、その向きを交互に替えて配される（図１参照）。すなわち、ある電池セル１６を、向かって右側に正極端子２２ｐが位置するように配置した場合には、次の電池セル１６は、向かって右側に負極端子２２ｎが位置するように配置する。そして、積層方向に隣接する正極端子２２ｐと負極端子２２ｎをバスバ（図示せず）で順次、連結することで、複数の電池セル１６が、電気的に直列に接続される。

電池セル１６と電池セル１６との間には、スペーサ１８が配される。換言すれば、電池積層体１２は、複数の電池セル１６と複数のスペーサ１８とを、交互に積層して成る。スペーサ１８は、絶縁性材料からなり、略平板のベース部２６（図１では見えず）と、当該ベース部２６の周縁から厚み方向に張り出す枠部２８と、ベース部の上端から突出するダクト片３０と、を備えている。

ベース部２６は、電池セル１６の間に配される部分で、その表面には、冷媒流路を構成するためのリブ３２が複数、間隔を開けて形成されている。図３は、ベース部２６の概略正面図である。図３では、見易さのために枠部２８とダクト片３０との図示は、省略している。また、図３において、墨ハッチングを施した箇所が、リブ３２である。図３から明らかな通り、本実施形態では、リブ３２は、ベース部２６の幅方向両側および上部に集中して設けられる一方、ベース部２６の下部かつ幅方向中央部分には、リブ３２は、設けられていない。かかる構成としたのは、電池セル１６の摩耗劣化およびハイレート劣化を防止するためであるが、これについては、後述する。

再び、図１を参照して説明すると、枠部２８は、電池セル１６の周面に沿う形状をしており、電池セル１６の面方向への移動を規制する。スペーサ１８の上端、かつ、幅方向中央には、ダクト片３０が設けられている。ダクト片３０は、スペーサ１８のベース部の上端から突出形成されており、電池セル１６の上端面に向かって開口した略Ｕ字形状となっている。このダクト片３０の上面は、電池セル１６のガス放出弁２４と対向している。また、ダクト片３０は、スペーサ１８のベース部２６よりも厚み方向に張り出しており、隣接する他のスペーサ１８のダクト片３０と密着する。複数のダクト片３０が互いに密着することで、電池積層体１２には、積層方向に延びるトンネルが形成される。このトンネルは、ガス放出弁２４から放出されたガスが流れる排煙ダクトとなる。

電池セル１６およびスペーサ１８からなる電池積層体１２の積層方向両側には、一対のエンドプレート１４が配される。エンドプレート１４は、十分な剛性を有した材料、例えば、アルミニウムや硬質プラスチック等からなる板材である。この電池積層体１２および一対のエンドプレート１４で構成される積層体が、組電池１０である。かかる組電池１０には、積層方向圧縮の力（以下、「拘束力」という）が付与される。拘束力が付与されることで、組電池１０を構成する電池セル１６、スペーサ１８およびエンドプレート１４相互の動きが規制され、拘束される。また、拘束力が付与されることで、電池セル１６の表面と、スペーサ１８の表面に形成されたリブ３２とが密着し、電池セル１６に適度な圧力がかかる。

こうした拘束力は、例えば、拘束バンドと呼ばれる金属製のバンドを用いて付与される。具体的には、組電池１０に拘束力を付与する場合には、金属製で、長さ不変の拘束バンドの両端に、一対のエンドプレート１４を固定する。これにより一対のエンドプレート１４間の距離が固定される。ここで、拘束バンドで固定されるエンドプレート１４間の距離が、無負荷状態の電池積層体１２の積層方向長さよりも短くなるように、予め拘束バンドの長さを調節しておけば、電池積層体１２は、エンドプレート１４から積層方向圧縮の拘束力を受けることになる。

また、別の形態として、組電池１０を収容するケースのサイズを調節して、拘束力を付与してもよい。具体的には、ケースに設けられた収容空間の積層方向長さを、無負荷状態の組電池１０の積層方向長さよりも短くしておく。そして、この収容空間に、積層方向圧縮の力により収縮状態の組電池１０を収容するようにしてもよい。いずれにしても、積層方向圧縮の拘束力を付与することで、各電池セル１６の表面は、スペーサ１８に形成されたリブ３２に当接することになる。

次に、スペーサ１８に設けられたリブ３２の配置について図３を参照して説明する。既述した通り、図３は、スペーサ１８のベース部２６の正面図である。図３において、墨ハッチングが施された箇所がリブ３２である。ただし、リブ３２のうち濃墨ハッチングが施された箇所は、拘束が付与された際に、電池セル１６の表面に当接する当接部分である。また、リブ３２のうち、薄墨ハッチングが施された箇所は、ベース部２６の表面から当接部分高さまで徐々に上昇していく勾配部分、換言すれば、電池セル１６の表面には、当接しない部分である。さらに、図３において、二点鎖線で図示した矩形は、組電池１０として組付けられた際に、電池セル１６の電極巻回体２０に対向する領域を示している。

図３から明らかな通り、複数のリブ３２は、隣接するリブ３２との間に所定の間隔を開けて、櫛歯状に並んでいる。別の見方をすれば、リブ３２とリブ３２との間には、溝３４が形成されている。組電池１０に拘束力を付与したとき、リブ３２は、電池セル１６の表面に当接するが、このとき、溝３４は、電池セル１６を冷却する冷却風が流れる冷媒路として機能する。

リブ３２は、ベース部２６の幅方向両端近傍では、幅方向に延びており、ベース部２６の中央に近づくと、弧状に屈曲して下方に向かって延びる。電池セル１６を冷却する冷却風は、ベース部２６の下側から流入し、溝３４に沿って幅方向両側に広がり、最終的に、ベース部２６の幅方向端部から外部に放出される。図３における太線矢印は、冷却風の流れを示している。

ここで、図３から明らかな通り、本実施形態では、ベース部２６の下部、かつ、幅方向中央には、リブ３２は、設けられていない。換言すれば、本実施形態では、電極巻回体２０の両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ、リブ３２を設けている。かかる構成とするのは、電池セル１６の摩耗劣化およびハイレート劣化を抑制するためである。これについて、従来技術と比較して説明する。

電池セル１６は、その使用に伴い、徐々に劣化していくが、この劣化の種類として、摩耗劣化とハイレート劣化とが知られている。摩耗劣化は、電池セル１６を構成する材料、例えば、電極やセパレータが、劣化していくことである。この摩耗劣化を防止するためには、セルケース内での電極巻回体２０の変形（うねり）を防止することが有効である。そして、電極巻回体２０のうねりを防止するには、電池セル１６の表面を、適度な圧力で、均等に押圧することが効果的である。

そのため、従来のスペーサ１８では、ベース部２６の全面に、均等にリブ３２を設けていた。図８は、従来のスペーサ１８の一例を示す図である。従来のスペーサ１８のベース部２６には、リブ３２が、ベース部２６の全面に均等に設けられている。この場合、電池セル１６の摩耗劣化が効果的に抑制できる。しかし、この場合、電極巻回体２０の全面が均等に押圧されるため、ハイレート劣化が生じやすい。

ハイレート劣化は、電池セル１６を、ハイレートで充放電すると生じる劣化である。このハイレート劣化は、ハイレートでの充放電に伴い膨張した電解液が、電極巻回体２０の外部に漏出することで生じると考えられている。電解液が電極巻回体２０の外部に漏出することで、電極巻回体２０内での塩（イオン）濃度分布の不均一化や、電極巻回体２０内での塩不足が生じ、電池セル１６の性能が劣化する。

図８に示すように、電極巻回体２０の全体を均等に押圧するようにリブ３２を設けた場合、ハイレートでの充放電により、電解液が膨張しても、電極巻回体２０の膨張が規制される。その結果、電極巻回体２０が、膨張した電解液を保持しきれず、電解液が、電極巻回体の幅方向両端（巻回軸Ｒ方向両端）から外部に漏出するハイレート劣化が生じやすい。

こうしたハイレート劣化を抑制するためには、電極巻回体２０の膨張を、極力、許容することが望ましい。電解液の膨張に伴い、電極巻回体２０も膨張できれば、電解液の漏出、ひいては、ハイレート劣化が効果的に抑制できる。

ここで、電解液は、重力の関係で、電極巻回体２０の下部に溜まりやすい。そのため、ハイレートで充放電した際の電解液の膨張量は、電極巻回体２０の上部よりも下部のほうが大きくなる。また、電極巻回体２０で保持しきれなかった電解液は、主に、電極巻回体２０の幅方向両端（巻回軸Ｒ方向両端）から外部に漏出する。したがって、この電解液の漏出を防止するためには、電解液の漏出を堰き止めるように、電極巻回体２０の幅方向両端を押圧することが望ましい。また、膨張量の大きい電極巻回体２０の下部においては、電解液の膨張に追従して、電極巻回体２０も膨張できるようにすることが望ましい。

そこで、本実施形態では、ベース部２６のうち、電極巻回体２０の下部かつ幅方向中央に対向する範囲には、リブ３２を設けず、電極巻回体２０の膨張を許容している。これにより、ハイレート劣化を効果的に防止できる。その一方で、ベース部２６のうち、電極巻回体２０の幅方向両端および上部に対向する略コ字状範囲には、櫛歯状にリブ３２を設けている。このように、適度な間隔でリブ３２を設けることで、電池セル１６の摩耗劣化を抑制できる。また、電極巻回体２０の幅方向両端を押さえるように、リブ３２を設けることで、電解液の漏出が堰き止められ、ハイレート劣化も抑制できる。

さらに、本実施形態によれば、電池セル１６を冷却する冷却風の流速を均一化できる。そして、これにより、圧損を低減でき、電池セル１６をより効率的に冷却できる。すなわち、既述した通り、電池セル１６を冷却する冷却風は、ベース部２６の下部から流入する。図８に示す従来技術では、ベース部２６の下部にも複数のリブ３２が形成されているため、下部から流入した冷却風は、その流路が急激に絞られるため、流速が一時的に高くなる。図８において斜線ハッチングを施した箇所は、流速が急激に高く成る箇所を示している。このように冷媒流路の急激な絞り、ひいては、流速の急激な上昇があると、圧損が増加するため、電池セル１６の冷却効率が低下する。

一方、本実施形態では、冷却風の入口である下部には、リブ３２を設けていない。そのため、下部から流入した冷却風は、徐々に絞られることになるため、流速の急激な変化が生じにくく、圧損を効果的に防止できる。

なお、図３に示したリブ３２の配置は、一例であり、電極巻回体２０の下部を押さえるリブ３２が十分に少ないのであれば、他の形態でもよい。例えば、図４に示すように、リブ３２を、電極巻回体２０の両端、上部、および、幅方向中央に対向する略Ｅ字状の範囲にのみ設けてもよい。図４では、図３の構成に加え、さらに、幅方向中央において上下に延びるリブ３２を有している。この場合でも、電極巻回体２０の下部における膨張が許容されるため、ハイレート劣化が効果的に防止される。

図５、図６は、電極巻回体２０の膨張可能範囲を示す図である。図５、図６において、クロスハッチングを施した箇所は、電極巻回体２０の膨張が可能な範囲を示している。図５、図６から明らかな通り、リブ３２を略コ字状範囲に配した場合（図５）、リブ３２を略Ｅ字状範囲に配した場合（図６）のいずれにおいても、膨張可能範囲を十分に確保できる。特に、膨張量が大きい下部における膨張可能範囲を広く確保できる。その結果、ハイレート劣化を効果的に抑制できる。その一方で、電極巻回体２０の上部や幅方向両端に対向する範囲には、リブ３２が設けられているため、摩耗劣化も効果的に抑制できる。

図７は、リブ３２の形状に応じた劣化耐性の実験結果を示す図である。図７において、横軸は、ハイレートでの充放電のサイクル数を、縦軸は、電池セル１６の抵抗の上昇率を示している。図７では、初期状態の電池セル１６の抵抗を１００％としている。また、図７において、実線および三角形のマーカは、図３に示すスペーサ１８を、破線および黒丸のマーカは、図４に示すスペーサ１８を、一点鎖線および四角形のマーカは、図８に示すスペーサ１８（従来のスペーサ１８）を用いた組電池１０での実験結果を示している。

図７から明らかな通り、電池セル１６の抵抗値は、充放電を繰りかえすことで、次第に増加する。しかし、電極巻回体２０の下部中央を押さえるリブ３２が無い、あるいは、少ない図３、図４のスペーサ１８を用いた場合、電極巻回体２０の全体を均等に押さえる図８のスペーサ１８を用いた場合と比べて、抵抗の上昇が大幅に押さえられていることが分かる。具体的には、図８の形態で、抵抗値が、約３５％以上増加した場合でも、図３、図４の形態では、抵抗の上昇は、５％〜１０％程度に押さえることができる。すなわち、図３、図４の形態によれば、従来技術と比べて、電池セル１６の劣化を、１／３〜１／７程度に押さえることができる。

以上の説明から明らかな通り、スペーサ１８に設けるリブ３２を、電極巻回体２０の幅方向両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ、または、電極巻回体２０の幅方向両端と上部と幅方向中央に対向する略Ｅ字状の範囲にのみ、配することで、電池セル１６の摩耗劣化を抑制しつつ、ハイレート劣化も抑制できる。また、かかる配置とすることで、リブ３２間に形成される冷媒路を流れる冷却風の流速を均一化でき、電池セル１６をより効率的に冷却できる。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、電極巻回体２０の幅方向両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ、または、電極巻回体２０の幅方向両端と上部と幅方向中央に対向する略Ｅ字状の範囲にのみリブ３２を設けるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本実施形態では、電池セル１６やスペーサ１８の個数や構成は、全て一例であり、適切な箇所にリブ３２が設けられるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。また、本実施形態では、複数の電池セル１６を直列接続しているが、複数の電池セル１６は、並列接続されてもよい。

１０組電池、１２電池積層体、１４エンドプレート、１６電池セル、１８スペーサ、２０電極巻回体、２２ｎ負極端子、２２ｐ正極端子、２４ガス放出弁、２６ベース部、２８枠部、３０ダクト片、３２リブ、３４溝。

Claims

内部に電極巻回体が収容された複数の角型の電池セルと、複数のスペーサと、が厚み方向に交互に積層された組電池であって、
前記スペーサの表面には、櫛歯状に並ぶとともに前記電池セルの表面に当接する複数のリブが形成されており、
前記リブは、前記スペーサの表面のうち、前記電極巻回体の幅方向両端および上部に対向する略コ字状の範囲にのみ、または、前記電極巻回体の幅方向両端と上部と幅方向中央に対向する略Ｅ字状の範囲にのみ、配されている、
ことを特徴とする組電池。