JP2024118159A - 電池モジュール及びスペーサ内蔵扁平電池 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電の繰り返しによって、電池モジュールに含まれる扁平電池の扁平電極体の電極体厚みが増加しても、定寸拘束した電池モジュールの各扁平電池に掛かる圧力の増加を抑制した電池モジュール、及び、これに用いるスペーサ内蔵扁平電池を提供する。
【解決手段】電池モジュール100は、拡がり方向SHに扁平な複数の扁平電池10を電池厚み方向BHに積み重ねた電池積層体120と、この電池積層体120を電池厚み方向BHに圧縮すると共に定寸拘束する拘束具110とを備え、扁平電池10は、前記拡がり方向SHに扁平で充放電の繰り返しと共に電極体厚みTHeが増加する扁平電極体30と電池ケース20とを有しており、電池積層体120は、電池厚み方向BHに降伏面圧FPY未満の面圧FP1が掛かった場合には、電池厚み方向BHに弾性圧縮され、降伏面圧FPYの面圧FP1が掛かると、塑性変形後厚みTqになるまでは電池厚み方向BHに塑性圧縮されるスペーサ80を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池モジュール、及び、スペーサ内蔵扁平電池に関する。

従来、車両等に搭載され、長期間にわたり使用される電池モジュール（組電池）として、電池厚み方向に直交する拡がり方向に扁平な複数の扁平電池を、電池厚み方向に積層して電池積層体を構成し、この電池積層体を拘束具で圧縮すると共に剛に拘束して定寸拘束とした電池モジュールが知られている。各扁平電池のサイクル特性を向上させるなどの理由から、積層された複数の扁平電池をそれぞれ電池厚み方向に圧縮するためである。

このような電池モジュールに用いる電池及びこれを用いた電池モジュール（組電池）として、例えば、特許文献１には、電極体とこれを収容する電池ケースを備える電池及び複数の電池を積層し定寸拘束した組電池が記載されている。この特許文献１の電池は、充放電の繰り返しによる電極体の膨張収縮によって電解液の濃度分布が生じるのを抑制するべく、電極体と電池ケースの間に弾性スペーサを設けている。

特開２０１４－２１６０８６号公報

ところで、電池モジュールに用いられる扁平電池の扁平電極体には、充放電の繰り返しと共に、徐々に電極体厚みが増加する扁平電極体がある。例えば、扁平電極体の負極板の負極活物質層に使用する負極活物質として、黒鉛などの炭素系負極活物質やシリコン、酸化シリコンなどのシリコン系負極活物質からなる負極活物質粒子を用いている場合などである。この場合、充放電に伴うＬｉイオンなどの挿入と脱離を繰り返すことで、活物質粒子が膨張したり亀裂を生じたりして膨化すると考えられる。なお、特にシリコン系の負極活物質粒子を用いた負極活物質層を有する負極板を含む扁平電極体において、充放電の繰り返し使用と共に電極体厚みが増加し易い。

このように、扁平電極体の電極体厚みが徐々に増加して扁平電池の電池厚み方向の電池厚みが増加すると、これに伴って定寸拘束した電池モジュールの各扁平電池に掛かる圧力が徐々に増加し、ついには非常に大きな圧力が掛かった状態となる場合がある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、充放電の繰り返しによって、電池モジュールに含まれる扁平電池の扁平電極体の電極体厚みが増加しても、定寸拘束した電池モジュールの各扁平電池に掛かる圧力の増加を抑制した電池モジュール、及び、これに用いるスペーサ内蔵扁平電池を提供するものである。

（１）上記課題を解決するための本発明の一態様は、電池厚み方向に直交する拡がり方向に扁平な複数の扁平電池を前記電池厚み方向に積み重ねた電池積層体と、前記電池積層体を前記電池厚み方向に圧縮すると共に定寸拘束する拘束具と、を備える電池モジュールであって、前記扁平電池は、前記拡がり方向に扁平で、充放電の繰り返しと共に前記電池厚み方向の電極体厚みが増加する扁平電極体と、前記扁平電極体を収容した電池ケースと、を有しており、前記電池積層体は、前記電池厚み方向に降伏面圧未満の面圧が掛かった場合には、前記電池厚み方向に弾性圧縮され、前記降伏面圧の面圧が掛かると、塑性変形後厚みになるまでは、塑性変形により前記電池厚み方向に塑性圧縮されるスペーサを含む電池モジュールである。

前述したように、複数の扁平電池を電池厚み方向に積み重ねた電池積層体を、拘束具で電池厚み方向に圧縮すると共に定寸拘束した電池モジュールでは、充放電の繰り返しと共に、各扁平電池の扁平電極体の電極体厚みが増加した場合、電極体に掛かる面圧は徐々に増加する。このため、充放電を繰り返すと、各扁平電池に掛かる面圧が極端に大きくなってしまう場合がある。
なお、このように極端に面圧が高い状態になると、拘束具が破損する虞がある。また、拘束具の破損を防止するべく、高い面圧に耐え得る高強度や大型の拘束具を用いる必要が生じるため好ましくない。

これに対し上述の電池モジュールでも、電池積層体は、拘束具で電池厚み方向に圧縮すると共に定寸拘束されている。しかしこれに加えて、この電池積層体は、降伏面圧の面圧が掛かると塑性変形するスペーサを含んでいる。このため、充放電の繰り返し使用と共に、電池積層体をなす扁平電池の扁平電極体の電極体厚みが増加した場合、スペーサに掛かる面圧は徐々に増加し、スペーサの厚みは弾性的に減少する。しかし、さらに扁平電極体の電極体厚みが増加し、スペーサに掛かる面圧が降伏面圧に達すると、スペーサの塑性変形により電池厚み方向に塑性圧縮されるので、スペーサに塑性変形が生じている間、スペーサの厚みは徐々に減少する一方、スペーサに掛かる面圧は概ね降伏面圧に保たれる。なおその後、さらなる扁平電極体の電極体厚みに増加により、スペーサの厚みが塑性圧縮の圧縮限界厚さに達すると、再び、スペーサは弾性的に圧縮され、スペーサに掛かる面圧も再び上昇する。このように、上述の電池モジュールでは、スペーサが上述の挙動を示すので、塑性変形を生じるスペーサを有さない電池モジュールに比して、面圧が降伏面圧に達した以降、扁平電池に掛かる面圧を低減することができる。

電池積層体に用いる扁平電池としては、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二次電池が挙げられる。また、扁平電池の扁平電極体としては、拡がり方向に扁平な電極体であれば良く、枚葉状の正極板、負極板及びセパレータを積層した積層型の電極体であっても、帯状の正極板、負極板及びセパレータを捲回し押し潰した扁平捲回型の電極体であっても良い。この扁平電極体は、充放電の繰り返し使用と共に電極体厚みが増加する特性を有している。例えば、負極板の負極活物質層に含まれる負極活物質粒子として、黒鉛等の炭素系活物質や、シリコン、酸化シリコンなどのシリコン系負極活物質からなる負極活物質粒子を含むものが挙げられる。また、電池ケース内に単数の扁平電極体を有する扁平電池のほか、電池ケース内に複数の扁平電極体を電池厚み方向に重ねて収容した扁平電池も用い得る。

また、電池積層体を定寸拘束する拘束具は、扁平電極体の電極体厚みが増加して扁平電池の電池厚みが増加して、各扁平電池に掛かる面圧が増加しても、電池積層体全体の電池厚み方向の寸法が変化せず、電池積層体を剛に拘束する拘束体である。

塑性変形を生じるスペーサとしては、圧縮されて面圧が増加し、降伏面圧に達すると、弾性変形から塑性変形に移行するが、その後、塑性変形の圧縮限界に達し塑性変形後厚みとなると、再び弾性変形に移行する板材であれば良い。例えば、シリカエアロゲル、アルミナエアロゲルなど金属酸化物の多孔質体、厚み方向に延びるハニカム構造を有する金属体、発泡ニッケルなどの発泡金属体、発泡スチロールなどの発泡樹脂体、シリカエアロゲルなどの金属酸化物の多孔質体と繊維との複合体（例えば、パナソニック社製のＮＡＳＢＩＳ（登録商標）など）を用いることができる。

上述のスペーサは、扁平電池のケース内で、電池厚み方向に扁平電極体と重ねて配置した、電池内スペーサであっても良い。また、扁平電池の外部において、電池厚み方向に扁平電池を重ねて配置して電池積層体を構成した、電池外スペーサであっても良い。

（２）上述の（１）に記載の電池モジュールであって、前記複数の扁平電池の少なくともいずれかは、前記扁平電極体と、前記スペーサであり、前記扁平電極体の前記電池厚み方向に重なる平板状の電池内スペーサと、を有するスペーサ内蔵扁平電池である電池モジュールとすると良い。

上述の電池モジュールでは、複数の扁平電池の少なくともいずれかは、スペーサ内蔵扁平電池である。このため、この電池モジュールでは、塑性変形可能なスペーサを含まない電池と同様に扱い得るスペーサ内蔵扁平電池を用いて、各電池に掛かる面圧を低減した電池モジュールとすることができる。

なお、電池モジュールでは、電池積層体をなす複数の扁平電池のうち、少なくともいずれかの扁平電池をスペーサ内蔵扁平電池とすれば良いが、すべての扁平電池をスペーサ内蔵扁平電池とするのが好ましい。
また、電池積層体には、電池積層体をなし電池厚み方向に積層された複数の扁平電池同士の間や扁平電池と拘束具のエンドプレートとの間などに、扁平電池同士間を絶縁したり、冷却エアを流通させるなどを目的とした電池間介在部材を配置しても良い。

（３）さらに（１）又は（２）に記載の電池モジュールであって、前記電池積層体は、前記電池積層体をなす複数の前記扁平電池同士の間、すべての前記扁平電池よりも前記電池厚み方向一方側、及び、すべての前記扁平電池よりも前記電池厚み方向他方側の少なくともいずれかに、前記スペーサである電池外スペーサを有する電池モジュールとすると良い。

上述の電池モジュールでは、電池積層体は、複数の扁平電池同士の間、すべての扁平電池よりも電池厚み方向一方側、或いは電池厚み方向他方側の少なくともいずれかに、即ち、扁平電池の外に電池外スペーサを有している。このため、上述の電池モジュールでは、塑性変形可能なスペーサを含まない従前の扁平電池を用いながらも、面圧が降伏面圧に達した以降、電池外スペーサの使用により、扁平電池に掛かる面圧を低減した電池モジュールとすることができる。

（４）他の解決手段は、電池厚み方向に直交する拡がり方向に扁平な扁平電池であって、充放電の繰り返しと共に前記電池厚み方向の電極体厚みが増加する扁平電極体と、前記扁平電極体を収容した電池ケースと、を有しており、電池ケース内で、前記扁平電極体の前記電池厚み方向に重なる平板状であり、前記電池厚み方向に降伏面圧未満の面圧が掛かった場合には、前記電池厚み方向に弾性圧縮され、前記降伏面圧の面圧が掛かると、塑性変形後厚みになるまでは、塑性変形により前記電池厚み方向に塑性圧縮される電池内スペーサをさらに有するスペーサ内蔵扁平電池である。

上述のスペーサ内蔵扁平電池では、電池ケース内に電池内スペーサを有しているので、別途、電池外スペーサを用意しなくとも、このスペーサ内蔵扁平電池を用いて電池モジュールを形成した場合、面圧が降伏面圧に達した以降、扁平電池に掛かる面圧を低減することができる。

実施形態に係る電池の斜視図である。 実施形態に係る電池を電池幅方向ＣＨ及び電池高さ方向ＤＨに沿う平面で切断した断面図である。 実施形態に係る電池を電池厚み方向ＢＨ及び電池高さ方向ＤＨに沿う平面で切断した断面図である。 実施形態に係る電池を電池厚み方向ＢＨ及び電池幅方向ＣＨに沿う平面で切断した断面図である。 実施形態に係り、電極体の斜視図である。 実施形態に係り、正極板と負極板とをセパレータを介して互いに重ねた状態を示す、電極体の展開図である。 塑性スペーサに掛かる面圧ＦＰとスペーサ厚みＴとの関係を示す説明図である。 実施形態に係る電池モジュールの側面図である。 拘束試験具を用いた、供試電池の厚みが増加した場合に塑性スペーサに掛かる面圧の変化を調査の様子を示す説明図である。 供試電池の充放電サイクル数と塑性スペーサに掛かる面圧との調査例である。 変形形態に係る電池を電池厚み方向ＢＨ及び電池高さ方向ＤＨに沿う平面で切断した断面図である。 変形形態に係る電池モジュールの側面図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る電池１０（扁平電池、スペーサ内蔵扁平電池の一例）、及び、これを用いた電池モジュール１００を、図１～図１０を参照しつつ説明する。なお、以下では、電池１０の電池厚み方向ＢＨ、電池幅方向ＣＨ及び電池高さ方向ＤＨを、図１に示す方向と定めて説明する。なお、電池厚み方向ＢＨに直交する方向、即ち、電池幅方向ＣＨ及び電池高さ方向ＤＨを含む方向を拡がり方向ＳＨとする。また、電極体３０の軸線方向ＥＨ、電極体厚み方向ＦＨ及び電極体幅方向ＧＨを、図５に示す方向と定めて説明する。

この電池１０は、拡がり方向ＳＨに扁平な角型で密閉型のリチウムイオン二次電池であり、電池モジュール１００および電池１０は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両や各種の機器に搭載される。

電池１０は、後述するように、複数の電池１０と電池間介在部材１３０とを交互に電池厚み方向ＢＨに積層して電池積層体１２０とし、この電池積層体１２０を拘束具１１０で拘束した電池モジュール１００として利用される（図８参照）。なお、図８では、電池１０の正極端子部６０及び負極端子部７０の記載を省略してある。

この電池１０は、拡がり方向ＳＨに扁平な直方体状の電池ケース２０と、この電池ケース２０内に収容された扁平状捲回型の電極体３０（扁平電極体の一例）と、電池ケース２０に支持された正極端子部６０及び負極端子部７０等から構成されている。電池ケース２０内には、非水系の電解液２７が保持されている。また、この電池１０では、電池ケース２０と電極体３０との間に、板状で一対の塑性スペーサ８０（スペーサ、電池内スペーサの一例）が配置されている。

このうち電池ケース２０は、金属（具体的にはアルミニウム）により形成されている。この電池ケース２０は、上側のみに矩形状の開口部２１ｈを有する有底角筒状のケース本体２１と、このケース本体２１の開口部２１ｈを封口する矩形板状の蓋体２３とから構成されている（図１～図４参照）。蓋体２３のうち、その長手方向（電池幅方向ＣＨ、図２において左右方向）の中央付近には、非復帰型の安全弁２３ｖが設けられている。

また、蓋体２３のうち、その長手方向の両端近傍には、電池ケース２０の内部から外部に延出する形態に正極端子部６０及び負極端子部７０がそれぞれ固設されている（図１、図２参照）。具体的には、アルミニウム製の正極端子部材６１及び銅製の負極端子部材７１は、それぞれ、電池ケース２０内で電極体３０に接続する一方、蓋体２３を貫通して電池ケース２０の外部に延出している。正極端子部材６１及び負極端子部材７１は、これらを絶縁する樹脂製の絶縁部材６５，７５を介して、蓋体２３に固定されている。

次に、電極体３０について説明する（図２～図６参照）。この電極体３０は、その軸線方向ＥＨが電池幅方向ＣＨと一致し、電極体厚み方向ＦＨが電池厚み方向ＢＨと一致し、電極体幅方向ＧＨが電池高さ方向ＤＨと一致する形態で、電池ケース２０内に収容されている（図２参照）。電極体３０は、帯状の正極板３１と帯状の負極板４１とを、帯状で多孔質樹脂からなる一対のセパレータ５１を介して互いに積層し（図６参照）、軸線ＡＸ周りに捲回し、扁平状に押し潰してなり、拡がり方向ＳＨに扁平な扁平捲回型の電極体である（図５参照）。この電極体３０は、後述するように、電池１０の充放電の繰り返し使用と共に電池厚み方向ＢＨの電極体厚みＴＨｅが増加する特性を有している。

帯状の正極板３１は、アルミニウムからなる帯状の正極電極箔３２と、この正極電極箔３２の表裏面のうち幅方向（図６中、上下方向）の一方側（図６中、上方）には、それぞれ長手方向（図６中、左右方向）に帯状に延びる、正極活物質層３３が形成されている。この正極活物質層３３は、正極活物質粒子３４と導電材と結着剤から形成されている。本実施形態では、正極活物質としてリチウム・コバルト・ニッケル・マンガン複合酸化物を、導電材としてアセチレンブラック（ＡＢ）を、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いている。

一方、帯状の負極板４１は、銅からなる帯状の負極電極箔４２と、この負極電極箔４２の表裏面のうち幅方向（図６中、上下方向）の他方側（図６中、下方）には、それぞれ長手方向（図６中、左右方向）に帯状に延びる、負極活物質層４３が形成されている。この負極活物質層４３は、負極活物質粒子と結着剤と増粘剤から形成されている。本実施形態では、負極活物質粒子４４として酸化珪素（ＳｉＯｘ）粒子と黒鉛粒子とを、結着剤としてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）を、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を用いている。なお、本実施形態では、負極活物質粒子４４における酸化珪素（ＳｉＯｘ）粒子と黒鉛粒子の重量比を、２：８とした。

この負極活物質粒子４４は、充電過程で膨張し放電過程で収縮する。これに加え、電池１０について充放電を繰り返すことで、負極活物質粒子４４中でも酸化珪素粒子は、徐々に膨張する。このため、負極板４１の厚みも徐々に増加する。

電極体３０において、正極板３１の一部は、セパレータ５１から軸線方向ＥＨの一方側ＥＨ１（図６中、上方、図２中、左方）に向けて扁平渦巻き状をなして突出し、電極体３０の正極集電部３０Ｐをなしている。この正極集電部３０Ｐには、正極端子部材６１が溶接されている。また、負極板４１の一部は、セパレータ５１から軸線方向ＥＨの他方側ＥＨ２Ｄ（図６中、下方、図２中、右方）に向けて扁平渦巻き状をなして突出し、電極体３０の負極集電部３０Ｎをなしている。この負極集電部３０Ｎには、負極端子部材７１が溶接されている。

電極体３０の正極集電部３０Ｐ及び負極集電部３０Ｎよりも軸線方向ＥＨの内側（中央）に位置し、平坦にされた多数の正極板３１及び負極板４１がセパレータ５１を介して互いに電極体厚み方向ＦＨ（電池厚み方向ＢＨ）に重なる部位を、平板状積層部３０Ｌとする（図５参照）。

次に、塑性スペーサ８０について説明する（図２～図４参照）。この塑性スペーサ８０は、電池ケース２０内のうち、電極体３０の電極体厚み方向ＦＨの両側にそれぞれ配置されている。これら２枚の塑性スペーサ８０は、電極体３０の平板状積層部３０Ｌよりも若干面積の広い（軸線方向ＥＨ及び電極体幅方向ＧＨの寸法がそれぞれ大きい）矩形板状であり、平板状積層部３０Ｌに重なって平板状積層部３０Ｌ外に配置されている。この塑性スペーサ８０は、例えば、繊維とシリカエアロゲルとの複合材（ＮＡＳＢＩＳ（商標名）、パナソニック社製）からなる。

この塑性スペーサ８０は、概ね、図７に示す特性を有している。塑性スペーサ８０のスペーサ厚みＴが、自由状態では初期厚みＴｓであったとする。この塑性スペーサ８０を徐々に圧縮すると、当初は弾性圧縮となり、面圧ＦＰ１が徐々に増加すると共に、スペーサ厚みＴは徐々に減少する。即ち、面圧ＦＰ１の増加と共に、スペーサ厚みＴは、概ね直線的に低下する。しかし、面圧ＦＰ１が降伏面圧ＦＰＹに達する（このときのスペーサ厚みＴを塑性変形前厚みＴｐとする）と、面圧ＦＰ１は殆ど増加すること無く圧縮が進行し、スペーサ厚みＴが急激に減少する。塑性スペーサ８０が塑性圧縮（塑性変形）されたためである。そして、スペーサ厚みＴが塑性変形後厚みＴｑに達すると、再び面圧ＦＰ１の増加と共にスペーサ厚みＴが弾性的に徐々に減少する。

電解液２７としは、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを３：４：３の体積比で含む混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたものを用いた。

また、図３に示すように、電池１０のうち、電極体３０の電極体厚み方向ＦＨ（電池厚み方向ＢＨ）の寸法を電極体厚みＴＨｅとし、電池１０の電池厚み方向ＢＨの寸法を電池厚みＴＨｂとする。電極体３０の電極体厚みＴＨｅは、前述した電池１０について充放電を繰り返すことによる負極活物質粒子４４の膨張により、徐々に増加する。

この電池１０は、電池モジュール１００として利用される（図８参照）。この電池モジュール１００は、電池積層体１２０と拘束具１１０とを備える。このうち、電池積層体１２０は、複数の電池１０と複数の電池間介在部材１３０とを電池厚み方向ＢＨ（電極体厚み方向ＦＨ）に交互に積層してなる。隣り合う電池１０同士は、図示しないバスバにより電気的に直列に接続されている。また、電池間介在部材１３０は、矩形板状をなし、隣り合う電池１０同士の間にそれぞれ配置され、電池１０との間に冷却空気が流通する冷却路（図示しない）を形成している。

一方、拘束具１１０は、電池積層体１２０、即ち、電池１０及び電池間介在部材１３０を電池厚み方向ＢＨに圧縮しつつ剛に定寸拘束する。この拘束具１１０は、一対のエンドプレート１１１と、４本の締結ボルト１１３と、８つのナット１１５とを有する。エンドプレート１１１は、矩形板状をなし、電池積層体１２０（積層された電池１０及び電池間介在部材１３０）の両側にそれぞれ配置されている。締結ボルト１１３は、両方の端部１１３ｔにネジが形成された両ネジの円柱状をなし、一対のエンドプレート１１１の間に配置されて、エンドプレート１１１同士の間を接続している。ナット１１５は、エンドプレート１１１に設けられた貫通孔（図示しない）に挿通された締結ボルトの端部１１３ｔをエンドプレート１１１に締結している。

この電池モジュール１００を構成した状態では、各電池１０の電極体３０の平板状積層部３０Ｌ及び塑性スペーサ８０は、電池ケース２０を介して電極体厚み方向ＦＨに圧縮され、かつ、電池１０を充放電して負極活物質粒子４４が膨張収縮しても、電池１０の電池厚みＴＨｂ（電池厚み方向ＢＨの寸法）が定寸に保たれた、圧縮定寸状態となる。

ここでもし、電池１０内に塑性スペーサ８０を有していない場合において、電池１０について充放電を繰り返すことで、電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加したときには、電池積層体１２０及び各電池１０の電池厚みＴＨｂが定寸に保たれているので、前述したように、徐々に電池１０に掛かる面圧ＦＰ１が増加し、ついには、極端に面圧が大きくなる場合がある。

しかるに、本実施形態の電池モジュール１００では、電池１０の電池ケース２０内に塑性スペーサ８０を備えているので、電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加した場合でも、各電池１０に掛かる面圧ＦＰ１の増加を抑制することができる。そこで、この塑性スペーサ８０を用いた場合と用いない場合の面圧の変化について、図９に示す拘束試験具ＣＢを用いて、下記の面圧試験により確認した。

＜面圧試験＞
先ず、拘束試験具ＣＢについて説明する。拘束試験具ＣＢは、いずれも矩形状の底板ＢＢ、中間板ＭＢ、及び上板ＵＢのほか、底板ＢＢの四隅にそれぞれ立設された支柱ボルトＢＴ、この支柱ボルトＢＴと上板ＵＢとを締結するナットＮＴ、底板ＢＢと中間板ＭＢとの間に配置するロードセルＬＣ、及び、ロードセルＬＣを駆動しロードセルＬＣに掛かる応力を検知する応力測定装置ＬＡからなる。なお、中間板ＭＢには、四隅に貫通孔（図示しない）が穿孔されており、支柱ボルトＢＴが挿通されている。

また、供試電池ＣＥは、以下のようにして形成した。先ず、前述の帯状の正極板３１から正極活物質層を設けた部分を２９ｍｍ×３９ｍｍの矩形状に切り出して、矩形状の２枚の正極板を用意する。また、前述の帯状の負極板４１から負極活物質層を設けた部分を３０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状に切り出して、矩形状の３枚の負極板を用意する。さらに前述の帯状のセパレータ５１から、３２ｍｍ×４２ｍｍの矩形状のセパレータを６枚切り出しておく。そして、正極板と負極板とをセパレータを介して交互に積層し、電極端子を取り付けて５層構造の積層型電極体を形成する。この積層型電極体を電極端子の一部が外部に突出する形態でアルミニウムラミネートフィルム製のケースに挿入し、電解液２７を注液し、封止して供試電池ＣＥを完成する。

この供試電池ＣＥ及び拘束試験具ＣＢを用いて、前述の塑性スペーサ８０から３２ｍｍ×４２ｍｍの矩形状に切り出した塑性スペーサＰＳの挙動について調査した。まず、拘束試験具ＣＢのうち、中間板ＭＢと上板ＵＢとの間に、供試電池ＣＥと塑性スペーサＰＳとを重ねて配置し、ナットＮＴを締めて、供試電池ＣＥと塑性スペーサＰＳとを密着させる僅かに面圧ＦＰを掛けた状態とする。これにより、中間板ＭＢＡと上板ＵＢとの間で、供試電池ＣＥと塑性スペーサＰＳとを圧縮すると共に定寸拘束する。

次いで、供試電池ＣＥを、電源（図示しない）に接続し、ＳＯＣ０％－１００％の範囲を、充電電流１／３ＣのＣＣＣＶ充電と放電電流１／３ＣのＣＣ放電を繰り返す充放電サイクルで充放電する。これと共に、充放電サイクルの回数とロードセルＬＣによって得られた、塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰを測定した。

図１０に、拘束試験具ＣＢを用いて行った面圧試験で得られた、供試電池ＣＥの充放電のサイクル数と供試電池ＣＥ及び塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰとの関係を、破線のグラフ（スペーサあり）で示す。併せて、塑性スペーサＰＳを無くして、中間板ＭＢと上板ＵＢとの間に供試電池ＣＥのみ配置して定寸拘束した場合の、供試電池ＣＥの充放電のサイクル数と供試電池ＣＥに掛かる面圧ＦＰとの関係についても、実線のグラフ（スペーサ無し）で示す。

図１０のうち、実線で示す「スペーサ無し」のグラフによれば、供試電池ＣＥに施した充放電のサイクル数の増加と共に、塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰが徐々に且つ単調に増加している。前述したように、充放電により、負極活物質粒子４４が膨張し、負極板４１の厚み、ひいては供試電池ＣＥ内の積層型電極体の電極体厚みが徐々に増加する一方、供試電池ＣＥは、中間板ＭＢと上板ＵＢとの間で定寸拘束されている。このため、供試電池ＣＥは弾性圧縮され、供試電池ＣＥに掛かる面圧ＦＰが徐々に上昇したと考えられる。

一方、図１０のうち、破線で示す「スペーサあり」のグラフでは、サイクル回数が少ない段階（具体的には、サイクル回数が１９回以下の場合）では、「スペーサ無し」のグラフと同じく、供試電池ＣＥに施した充放電のサイクル数の増加と共に、供試電池ＣＥ及び塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰが徐々に増加している。前述した「スペーサ無し」の場合と同様に、充放電により、負極活物質粒子４４が膨張し、負極板４１の厚み、ひいては供試電池ＣＥ内の積層型電極体の電極体厚みが徐々に増加する一方、供試電池ＣＥと塑性スペーサＰＳは、中間板ＭＢと上板ＵＢとの間で定寸拘束されている。このため、供試電池ＣＥ及び塑性スペーサＰＳは弾性圧縮され、供試電池ＣＥ及び塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰが上昇したと考えられる。

但し、破線で示す「スペーサあり」のグラフでは、面圧が或る程度増加した段階（具体的には、面圧ＦＰが１．４ＭＰａに達した段階）以降は、実線で示す単調増加する「スペーサ無し」のグラフとは異なる挙動となった。
まず、塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰが或る程度増加した段階から、しばらくの間（塑性変型期間、具体的には、面圧ＦＰが１．４ＭＰａに達したサイクル回数が１９回から２８回までの９サイクル分の期間）は、面圧ＦＰが増加せず一定の大きさ（本例では１．４ＭＰａ）に保持されていた。この一定の面圧ＦＰ（本例では１．４ＭＰａ）が、図７における降伏面圧ＦＰＹに相当すると考えられる。つまり、サイクル回数が１９回から２８回までの９サイクル分の塑性変型期間には、供試電池ＣＥ内の積層型電極体の電極体厚みが徐々に増加しても、塑性スペーサＰＳが塑性圧縮され、スペーサ厚みＴが塑性変形前厚みＴｐから急激に減少したため、面圧ＦＰが増加しなかったと考えられる。
なお、塑性圧縮の段階を超えると、即ち、スペーサ厚みＴが塑性変形後厚みＴｑに達すると、具体的には、サイクル回数が２９回以降は、再びサイクル数の増加と共に、塑性スペーサＰＳに掛かる面圧ＦＰが徐々に増加している。

塑性スペーサＰＳにこのような挙動が生じるため、図１０における実線と破線のグラフを比較すれば容易に理解できるように、サイクル回数１９回以降は、塑性スペーサＰＳにおける塑性圧縮（塑性変型）の発生により、実線で示す「スペーサ無し」の場合に比して、破線で示す「スペーサあり」の場合には、供試電池ＣＥに掛かる面圧ＦＰが小さくなっている。さらには、サイクル回数２９回以降は、実線で示す「スペーサ無し」の場合に比して、破線で示す「スペーサあり」の場合には、供試電池ＣＥに掛かる面圧ＦＰが常に約０．５ＭＰａ程度小さくなることが判る。

本実施形態の電池モジュール１００でも、互いに直列に接続した各電池１０を充放電すると、負極活物質粒子４４の膨張により、各電池１０の電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加する（図３参照）。その一方、電池モジュール１００では、各電池１０の電池ケース２０内に、前述の塑性スペーサＰＳと同様の塑性スペーサ８０を有している。このため、本実施形態の電池モジュール１００でも、充放電サイクルの回数と、電極体３０及び塑性スペーサ８０に掛かる面圧ＦＰ１とには、上述の面圧試験の結果（図１０における「スペーサあり」のグラフ参照）と同様の挙動が生じる。

即ち、サイクル回数が少ない段階では、各電池１０に施した充放電のサイクル数の増加と共に、電極体３０及び塑性スペーサ８０に掛かる面圧ＦＰ１が徐々に増加する。充放電により、負極活物質粒子４４が膨張し、負極板４１の厚み、ひいては電池１０内の電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加する一方、各電池１０を含む電池積層体１２０は、拘束具１１０の一対のエンドプレート１１１との間で定寸拘束されている。このため、各電池１０の塑性スペーサ８０は弾性圧縮され、各塑性スペーサ８０に掛かる面圧ＦＰ１が上昇したと考えられる。

しかし、塑性スペーサ８０に掛かる面圧ＦＰ１が増加して、塑性スペーサ８０の降伏面圧ＦＰＹに達した段階（スペーサ厚みＴが塑性変形前厚みＴｐに達した段階。図７参照）からしばらくの期間（塑性変型期間）は、充放電のサイクル数が増加しても面圧ＦＰ１が増加せず降伏面圧ＦＰＹに保持される。この塑性変型期間は、各電池１０内の電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加しても、各電池１０内の塑性スペーサ８０が塑性圧縮され、スペーサ厚みＴが塑性変形前厚みＴｐから減少したため、面圧ＦＰ１が増加しなかったと考えられる。

その後、塑性圧縮期間を超えると、即ち、各電池１０内の塑性スペーサ８０のスペーサ厚みＴが塑性変形後厚みＴｑに達すると、再び充放電のサイクル数の増加と共に、電極体３０及び塑性スペーサ８０に掛かる面圧ＦＰ１が徐々に増加する。

かくして、図１０において破線で示す「スペーサあり」のグラフと同様、塑性スペーサ８０の塑性圧縮（塑性変型）の発生により、塑性圧縮期間の開始以降は、実線で示す「スペーサ無し」の場合に相当する、塑性スペーサ８０を有さない電池を用いた電池モジュールに比して、塑性スペーサ８０に、さらには各電池１０に掛かる面圧ＦＰ１が小さくなる。またさらに、塑性圧縮期間以降は、塑性スペーサ８０を有さない電池を用いた電池モジュールに比して、電池１０に掛かる面圧ＦＰ１を常に小さくできる。

（変型形態）
次いで変型形態に係る電池モジュール３００について、図１１及び図１２を参照して説明する。上記実施形態の電池モジュール１００では、電池ケース２０内に電極体３０のほかに塑性スペーサ８０を配置した電池１０と電池間介在部材１３０とを交互に積層した電池積層体１２０を、拘束具１１０で拘束した（図８参照）。

これに対し、変形形態に掛かる電池モジュール３００では、電池ケース２２０内に電極体３０は配置するが、塑性スペーサを有しない点で電池１０と異なる電池２１０を用いる（図１１参照）。その代わりに、電池外の塑性スペーサ３３０（実施形態の塑性スペーサ８０と同じ）用いる。即ち、電池２１０と電池外の塑性スペーサ３３０とを交互に積層した電池積層体３２０を、実施形態と同様の拘束具１１０で拘束している（図１２参照）。実施形態と同じく、隣り合う電池２１０同士は、図示しないバスバにより電気的に直列に接続されている。なお、電池２１０は、有底角筒状のケース本体２２１内に電極体３０及び電解液２７を収容し、矩形状の開口部２２１ｈを蓋体２２３で封口してなる。

この変型形態の電池モジュール３００でも、互いに直列に接続した各電池２１０を充放電すると、負極活物質粒子４４の膨張により、各電池２１０の電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加する（図１１参照）。またこれにより電池厚みＴＨｂも徐々に増加する。一方、電池モジュール３００では、各電池２１０同士の間に、前述の塑性スペーサＰＳと同様の塑性スペーサ３３０を有している。このため、本変型形態の電池モジュール３００でも、充放電サイクルの回数と、電極体３０、電池２１０及び塑性スペーサ３３０に掛かる面圧ＦＰ２とには、上述の面圧試験の結果（図１０における「スペーサあり」のグラフ参照）と同様の挙動が生じる。

即ち、サイクル回数が少ない段階では、各電池２１０に施した充放電のサイクル数の増加と共に、電極体３０及び塑性スペーサ３３０に掛かる面圧ＦＰ２が徐々に増加する。充放電により、負極活物質粒子４４が膨張し、負極板４１の厚み、ひいては電池２１０内の電極体３０の電極体厚みＴＨｅ及び電池２１０の電池厚みＴＨｂが徐々に増加する一方、各電池２１０を含む電池積層体３２０は、拘束具１１０の一対のエンドプレート１１１との間で定寸拘束されている。このため、各電池２１０及び塑性スペーサ３３０は弾性圧縮され、各電池２１０及び塑性スペーサ３３０に掛かる面圧ＦＰ２が上昇したと考えられる。

しかし、電池外の各塑性スペーサ３３０に掛かる面圧ＦＰ２が増加して、塑性スペーサ３３０の降伏面圧ＦＰＹに達した以降（スペーサ厚みＴが塑性変形前厚みＴｐに達した以降。図７参照）、しばらくの期間（塑性変型期間）は、充放電のサイクル数が増加しても面圧ＦＰ２が増加せず降伏面圧ＦＰＹに保持される。この塑性変型期間は、各電池２１０内の電極体３０の電極体厚みＴＨｅが徐々に増加しても、電池外の塑性スペーサ３３０が塑性圧縮され、スペーサ厚みＴが塑性変形前厚みＴｐから減少したため、面圧ＦＰ２が増加しなかったと考えられる。

その後、塑性圧縮期間を超えると、即ち、塑性スペーサ３３０のスペーサ厚みＴが塑性変形後厚みＴｑに達すると、再び充放電のサイクル数の増加と共に、電極体３０及び塑性スペーサ３３０に掛かる面圧ＦＰ２が徐々に増加する。

かくして、図１０における破線のグラフと同様、塑性スペーサ３３０の塑性圧縮（塑性変型）の発生により、塑性圧縮期間の開始以降は、実線で示す「スペーサ無し」の場合に相当する、塑性スペーサ３３０を有さない電池積層体を用いた電池モジュールに比して、塑性スペーサ３３０に、さらには各電池２１０に掛かる面圧ＦＰ２が小さくなる。またさらに、塑性圧縮期間以降は、塑性スペーサ３３０を有さない電池を用いた電池モジュールに比して、電池２１０に掛かる面圧ＦＰ２を常に小さくできる。

なお、本変型形態の電池モジュール３００は、塑性変形可能なスペーサを含まない従前の電池２１０を用いながらも、塑性スペーサ３３０の使用により、面圧ＦＰ２が降伏面圧ＦＰＹに達した以降、各電池２１０に掛かる面圧ＦＰ２を低減することができる。

以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、電池ケース２０内に電極体３０のほか、電極体３０の電極体厚み方向ＦＨの両側に一対の塑性スペーサ８０を配置した電池１０を用いた例を示した（図３参照）。しかし、電極体３０の電極体厚み方向ＦＨの片側に塑性スペーサ８０を配置した電池を用いても良い。

また実施形態では、電池モジュール１００に用いる全ての電池を、塑性スペーサ８０を内蔵した電池１０とした（図８参照）。しかし、一部の電池のみ塑性スペーサ８０を内蔵した電池１０としても良い。
また同様に、変型形態では、電池モジュール３００の電池積層体３２０において、複数の電池２１０と複数の塑性スペーサ３３０とを交互に積層した（図１２参照）。しかし、複数の塑性スペーサ３３０の一部を実施形態で用いた電池間介在部材１３０に代えて、電池積層体３２０に用いる塑性スペーサ３３０の数を減しても良い。逆に、エンドプレート１１１と電池２１０との間にも塑性スペーサ３３０を配置するようにしても良い。

１０（扁平電池、スペーサ内蔵扁平電池）
２１０ 電池（扁平電池）
２０，２２０ 電池ケース
３０ 電極体（扁平電極体）
ＴＨｅ 電極体厚み
３０Ｌ 平板状積層部
８０ 塑性スペーサ（電池内スペーサ，スペーサ）
１００，３００ 電池モジュール
１１０ 拘束具
１２０，３２０ 電池積層体
３３０ 塑性スペーサ（電池外スペーサ）
ＢＨ 電池厚み方向
ＢＨ１ 電池厚み方向一方側
ＢＨ２ 電池厚み方向他方側
ＳＨ 拡がり方向
ＥＨ 軸線方向
ＥＨ１ 軸線方向一方側
ＥＨ２ 軸線方向他方側
ＦＨ 電極体厚み方向（積層方向）
ＧＨ 電極体幅方向
ＦＰ，ＦＰ１，ＦＰ２ 面圧
ＦＰＹ 降伏面圧
Ｔ スペーサ厚み
Ｔｓ 初期厚み
Ｔｐ 塑性変形前厚み
Ｔｑ 塑性変形後厚み

Claims (4)

1. 電池厚み方向に直交する拡がり方向に扁平な複数の扁平電池を前記電池厚み方向に積み重ねた電池積層体と、
   前記電池積層体を前記電池厚み方向に圧縮すると共に定寸拘束する拘束具と、を備える
   電池モジュールであって、
   前記扁平電池は、
   前記拡がり方向に扁平で、充放電の繰り返しと共に前記電池厚み方向の電極体厚みが増加する扁平電極体と、
   前記扁平電極体を収容した電池ケースと、を有しており、
   前記電池積層体は、
   前記電池厚み方向に降伏面圧未満の面圧が掛かった場合には、前記電池厚み方向に弾性圧縮され、前記降伏面圧の面圧が掛かると、塑性変形後厚みになるまでは、塑性変形により前記電池厚み方向に塑性圧縮されるスペーサを含む
   電池モジュール。
2. 請求項１に記載の電池モジュールであって、
   前記複数の扁平電池の少なくともいずれかは、
   前記扁平電極体と、
   前記スペーサであり、前記扁平電極体の前記電池厚み方向に重なる平板状の電池内スペーサと、を有する
   スペーサ内蔵扁平電池である
   電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電池モジュールであって、
   前記電池積層体は、
   前記電池積層体をなす複数の前記扁平電池同士の間、すべての前記扁平電池よりも前記電池厚み方向一方側、及び、すべての前記扁平電池よりも前記電池厚み方向他方側の少なくともいずれかに、前記スペーサである電池外スペーサを有する
   電池モジュール。
4. 電池厚み方向に直交する拡がり方向に扁平な扁平電池であって、
   充放電の繰り返しと共に前記電池厚み方向の電極体厚みが増加する扁平電極体と、
   前記扁平電極体を収容した電池ケースと、を有しており、
   電池ケース内で、前記扁平電極体の前記電池厚み方向に重なる平板状であり、
   前記電池厚み方向に降伏面圧未満の面圧が掛かった場合には、前記電池厚み方向に弾性圧縮され、前記降伏面圧の面圧が掛かると、塑性変形後厚みになるまでは、塑性変形により前記電池厚み方向に塑性圧縮される
   電池内スペーサをさらに有する
   スペーサ内蔵扁平電池。

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