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JP7670011B2 - 電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本願は電池モジュール及びその製造方法に関する。
非水電解質を有する非水二次電池は、電池内部へ水分が侵入すると、非水電解質が劣化し、電池性能が低下することが知られている。そのため、電池内部への水分の侵入を抑制する必要がある。電池内部への水分の侵入を抑制することができる電池は、例えば特許文献１に記載されている。
一方で、電池分野において、出力向上も課題の１つである。通常、二次電池は側面から突出するように電極端子が設けられ、そこから電流を取り出している。しかしながら、電池側面に設けられた電極端子から電流を取り出す場合、端子の面積が小さく、大電流を取り出せない問題がある。この問題に対し、電極体の両端面に集電体（端子）を設けることで、端子の面積を増大させ、大電流を取り出すことを可能にする技術が知られている。このような技術は、例えば特許文献２、３に記載されている。
特許文献２は、積層体と積層体に設けられた補強部材とを備える蓄電モジュールであって、積層体は、第１集電体及び第１集電体の第１面に設けられた第１活物質層を含む第１電極と、第２集電体、及び、第２集電体の第２面に設けられ、第１活物質層と異なる極性の第２活物質層を含み、第２活物質層が第１活物質層に対向するように第１電極に積層された第２電極と、第１電極及び第２電極の積層方向からみて第１活物質層及び第２活物質層を囲うように第１集電体と第２集電体との間に設けられ、第１集電体と第２集電体との間の空間を封止するための枠状のスペーサと、を有し、スペーサは、空間に臨む第１内側面と、前記第１内側面の反対側の第１外側面と、を含み、補強部材は、第１外側面の全周にわたって第１外側面を覆うように第１外側面に設けられており、第１外側面に沿って配置された金属層を有する、蓄電モジュールを開示している。
特許文献２によれば、蓄電モジュールの端面から大電流を取り出すことが可能である。また、特許文献２によれば、蓄電モジュールの側面全体にわたって金属層を有する補強部材が配置されているため、ガス・水分透過を抑制することができる。
特許文献３は、第一の金属シートと、蓄電素子と、第二の金属シートとをこの順に有するリチウムイオン電池モジュールであって、蓄電素子が、正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体がこの順に積層され、正極集電体と負極集電体とを最外層に有し、正極活物質層及び負極活物質層の外周を封止することで電解液が封入された構成であるリチウムイオン単電池を含んでおり、蓄電素子の最外層の正極集電体と第一の金属シートとの間、及び／又は、蓄電素子の最外層の負極集電体と前記第二の金属シートとの間に配置された導電性の弾性部材を有し、第一の金属シートと、第二の金属シートとが互いに絶縁されていることを特徴とするリチウムイオン電池モジュールが開示されている。また、同文献は、上記蓄電素子を収容する電池外装容器を備え、電池外装容器が、第一の金属シート及び第二の金属シートを備えており、第一の金属シート及び第二の金属シートが、弾性部材と接する接触面と電池外装容器の外側に露出した露出面とを有するリチウムイオン電池モジュールを開示している。
特許文献３によれば、蓄電モジュールの端面から大電流を取り出すことが可能である。また、特許文献３によれば、第一の金属シート及び第二の金属シートを備える電池外装容器に蓄電素子を収容することにより、ガス・水分透過を抑制することができる。
特開２０１９－５３８９２号公報 特開２０２２－２７２０１号公報 特開２０２１－３４１４１号公報
上述した通り、特許文献２、３に記載の蓄電モジュールによれば、端面から大電流を取り出すことが可能であり、かつ、電池内部へのガス・水分透過を抑制することができる。
しかしながら、特許文献２では、発電要素の側面にスペーサを形成し、さらにスペーサの外周全体に補助部材を配置している。補助部材を配置する際、スペーサと相溶する樹脂を接着剤として用いる必要性が生じる場合がある。すなわち、ガス・水分透過抑制を目的とするシール工程に一定の困難性がある。
特許文献３の蓄電モジュールは、金属層を露出させたラミネートシートを外装体として用いており、金属層を露出させる工程に一定の困難性がある。例えば、特許文献３にはラミネートシートに対し、溶剤処理や熱処理、火炎処理等を実施して、金属層を露出させることが記載されている。
本開示は、上記課題を解決するための一つの態様として、電極及び電解質層が交互に積層された蓄電モジュールと、蓄電モジュールを内部に収容する外装体と、を備え、外装体は蓄電モジュールを厚さ方向の両側から挟むように配置された一対のシート状構造体を有しており、シート状構造体は、蓄電モジュールの厚さ方向の端面に配置された金属シートと、金属シートの周囲を囲むように配置されたラミネートシートと、を有しており、金属シートは蓄電モジュールと電気的に接続しており、ラミネートシートの内側面は金属シートの側面に接合されており、一対のシート状構造体において、互いのラミネートシートの外周部が直接又は間接的に接合されている、電池モジュールを提供する。
上記電池モジュールにおいて、外装体は蓄電モジュールの周囲を囲むように配置される枠状部材を備え、一対のシート状構造体のうち、一方のシート状構造体のラミネートシートの外周部が枠状部材の一方の表面と接合されており、他方のシート状構造体のラミネートシートの外周部が枠状部材の他方の表面と接合されていてもよい。また、金属シートはラミネートシートよりも厚くてもよい。さらに、蓄電モジュールがバイポーラ型の蓄電モジュールであってもよい。
本開示は、上記課題を解決するための一つの態様として、金属シートの周囲にラミネートシートを配置し、ラミネートシートの内側面と金属シートの側面とを接合し、シート状構造物を得る第１接合工程と、電極及びセパレータが交互に積層された蓄電モジュールを厚さ方向から一対のシート状構造物で挟み、金属シートを蓄電モジュールの厚さ方向の端面に配置する配置工程と、配置工程後、一対のシート状構造体において、互いのラミネートシートの外周部を直接又は間接的に接合する第２接合工程と、を備える、電池モジュールの製造方法を提供する。
本開示の電池モジュールは、蓄電モジュールの厚さ方向の端面に金属シートが配置されており、電池モジュールの端面から大電流を取り出すことができる。また、本開示の電池モジュールは、金属シートが接合された一対のラミネートシートを用いて、蓄電モジュールを外装体の内部に封止するものであるので、簡易な構造で外装体内部へのガス・水分透過を抑制することができる。さらに、本開示の電池モジュールは、金属シートとラミネートシートとが別部材であり、これらを接合することで容易にシート状構造体を形成することができるため、容易に製造することができる。
本開示の電池モジュールの製造方法によれば、複雑な工程を要さず、簡易な工程で上述の電池モジュールを製造することができる。
電池モジュール１００の平面図である。 図１のＩＩ―ＩＩで切断した電池モジュール１００の断面図である。 蓄電モジュール１０の端部断面図である。 （ａ）１枚のラミネートシートからなるラミネートシート２３を示した図である。（ｂ）長さ方向沿って半分に切断された１対のラミネートシートＸを接合して得られたラミネートシート２３を示した図である。 電池モジュール２００の断面図である。 電池モジュール３００の断面図である。 電池モジュール４００の断面図である。 電池モジュール１００の製造方法のフローチャートを示した。 電池モジュール１００の製造方法の概略図を示した。 電池モジュール２００の製造方法の概略図を示した。 電池モジュール３００の製造方法の概略図を示した。 電池モジュール４００の製造方法の概略図を示した。
［電池モジュール］
本開示の電池モジュールについて、一実施形態である電池モジュール１００を用いて説明する。図１に電池モジュール１００の平面図を示した。図２に図１のＩＩ―ＩＩで切断した電池モジュール１００の断面図を示した。
図１、図２に示した通り、電池モジュール１００は、電極及びセパレータが交互に積層された蓄電モジュール１０と、該蓄電モジュール１０を内部に収容する外装体２０と、を備えている。
＜蓄電モジュール１０＞
蓄電モジュール１０は複数の電極及び複数の電解質層を有し、電極及び電解質層が交互に積層されたものである。蓄電モジュール１０は非水二次電池であってもよく、全固体二次電池であってもよい。また、蓄電モジュール１０はバイポーラ－型の蓄電モジュールであってもよい。以下では、蓄電モジュール１０がバイポーラ－型の非水リチウムイオン二次電池である場合を例示する。図３に蓄電モジュール１０の端部断面図を示した。
蓄電モジュール１０は電極積層体１８と、電極積層体１８の側面全体に設けられた封止部材１９と備えている。また、蓄電モジュール１０は内部に電解液を備えている。以下、各構成について説明する。
（電極積層体１８）
電極積層体１８は複数のバイポーラ電極１４及び複数のセパレータ１５を含み、バイポーラ電極１４及びセパレータ１５が交互に積層されたものである。バイポーラ電極１４及びセパレータ１５の数は特に限定されず、目的の電池性能に応じて適宜設定してよい。また、電極積層体１８は積層方向の一方の端部に配置された端部正極１６と、積層方向の他方の端部に配置された端部負極１７とをさらに含む。
バイポーラ電極１４は、集電体１１と、集電体１１の一方の面に配置された正極層１２と、集電体１１の他方の面に配置された負極層１３とを備えている。このように、バイポーラ電極１４は、集電体１１の両面に異なる極の電極層を備えている。
集電体１１はシート状の導電部材である。集電体１１としては、例えばステンレス、鉄、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属箔が挙げられる。金属箔はこれらの金属を２種以上含む合金からなっていてもよい。また、金属箔は所定のメッキ等の表面処理が施されていてもよい。集電体１１は、複数の金属箔からなっていてもよい。この場合、金属箔は接着剤等で接合されてもよく、プレス等によって接合されてもよい。集電体１１の形状は特に限定されないが、例えば略矩形状でよい。集電体１１の厚みは特に限定されないが、例えば５μｍ以上７０μｍ以下である。
正極層１２は正極活物質を含む。正極活物質は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、複合酸化物、金属リチウム、及び硫黄等が挙げられる。複合酸化物の組成には、例えば、鉄、マンガン、チタン、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとが含まれる。複合酸化物の例には、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）等が挙げられる。
正極層１２は任意に導電助剤を含んでいてもよい。導電助剤は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等の炭素材料が挙げられる。
正極層１２は任意に結着剤を含んでいてもよい。結着剤は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂；ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂；ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂；アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ（メタ）アクリル酸等のアクリル系樹脂；スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）；カルボキシメチルセルロース；アルギン酸ナトリウム、アルギン酸アンモニウム等のアルギン酸塩；水溶性セルロースエステル架橋体；デンプン－アクリル酸グラフト重合体等が挙げられる。
正極層１２の形状は特に限定されず、略矩形状でよい。正極層１２の厚みは特に限定されず、例えば１μｍ～１ｍｍの範囲である。正極層１２の面積は、負極層１３よりも小さくしてよい。正極層１２における各材料の含有量は特に限定されず、目的の電池性能に応じて適宜設定してよい。なお、正極層２０は上記した材料以外の材料を含んでもよい。
負極層１３は負極活物質を含む。負極活物質は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、黒鉛、人造黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、金属化合物、リチウムと合金化可能な元素もしくはその化合物、ホウ素添加炭素等が挙げられる。リチウムと合金化可能な元素の例としては、シリコン（ケイ素）及びスズが挙げられる。
負極層１３は任意に導電助剤を含んでいてもよい。導電助剤は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、正極層１２に適用可能な導電助剤の中から適宜選択してよい。
負極層１３は任意に結着剤を含んでいてもよい。結着剤は特に限定されず、目的の電池性能に応じて公知の材料の中から適宜選択してよい。例えば、正極層１２に適用可能な結着剤の中から適宜選択してよい。
負極層３０の形状は特に限定されず、略矩形状でよい。負極層１３の厚みは特に限定されず、例えば１μｍ～１ｍｍの範囲である。負極層１３の面積は、出力向上の観点から、正極層１２よりも大きくしてよい。負極層１３における各材料の含有量は特に限定されず、目的の電池性能に応じて適宜設定してよい。なお、負極層１３は上記した材料以外の材料を含んでもよい。
バイポーラ電極１４の作製方法は特に限定されず、公知の方法を採用してよい。例えば、例えば、電極層（正極層１２又は負極層２０）を構成する材料を乳鉢等で混合し、プレスすることで電極層を得、得られた電極層を集電体１１のそれぞれの面に配置すればよい。あるいは、電極層を構成する材料を溶媒とともに混合してスラリーを得た後、当該スラリーを集電体１１のそれぞれの面に塗布・乾燥すればよい。
セパレータ１５は、隣接するバイポーラ電極１４間、バイポーラ電極１４及び端部正極１７間、並びにバイポーラ電極１４及び端部負極１８間に配置される。セパレータ１５はシート状部材であり、電極層間の短絡を防止する部材である。セパレータ１５の材料は特に限定されないが、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルムや不織布等が挙げられる。セパレータ１５の形状は特に限定されず、略矩形状でよい。セパレータ１５の厚みは特に限定されず、例えば１μｍ～１ｍｍの範囲である。
セパレータ１５は非水電解質が含侵されており、これにより電解質層として機能する。非水電解質は非水溶媒と電解質（支持塩）とを含む。非水溶媒は特に限定されないが、例えば環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル類等が挙げられる。支持塩は、例えばリチウム塩である。リチウム塩は、例えば、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＦＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２等が挙げられる。非水溶媒及び指示塩は、単一の種類を用いてもよく、複数の種類を混合して用いてもよい。
端部正極１６は、集電体１１と、集電体１１の一方の面に配置された正極層１２とを有している。端部正極１６は、電極積層体１８の積層方向の一方の端部に配置される。具体的には、端部正極１６の正極層１２とバイポーラ電極１４の負極層１３とが向かい合うように、端部正極１６をセパレータ１５に積層する。
端部負極１７は、集電体１１と、集電体１１の一方の面に配置された負極層１３とを有している。端部負極１７は、電極積層体１８の積層方向の他方の端部に配置される。具体的には、端部負極１７の負極層１３とバイポーラ電極１４の正極層１２とが向かい合うように、端部負極１７をセパレータ１５に積層する。
端部正極１６及び端部負極１７の作製方法は特に限定されず、公知の方法を適宜採用してよい。例えば、上述したバイポーラ電極１４の作製方法と同様の方法を採用してよい。
（封止部材１９）
封止部材１９は電極積層体１８の側面全体に設けられており、複数のバイポーラ電極１４、端部正極１６、及び端部負極１７を保持する部材であり、絶縁性を有する樹脂である。また、封止部材１９は、蓄電モジュール１０の内部空間に電解液を封止するための部材でもある。
封止部材１９の材料は、例えば耐熱性を示す樹脂部材等が含まれる。耐熱性を示す樹脂部材の例には、ポリイミド、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）及びＰＡ６６等が含まれる。
（蓄電モジュール１０の製造方法）
蓄電モジュール１０の製造方法について一例を用いて説明する。まず、バイポーラ電極１４、端部正極１６及び端部負極１７に含まれる集電体１１に、事前にシート状の封止部材（封止部材シート）を配置しておく。具体的には、集電体１１の周囲を囲むように封止部材シートを配置し、封止部材シートを集電体１１に接合する。次に、封止部材シートが配置された集電体１１を用いて、バイポーラ電極１４、端部正極１６及び端部負極１７を作製する。得られたこれらの電極とセパレータ１５とを積層し、電極積層体１８を作製する。続いて、電極積層体１８の側面に設けられた複数の封止部材シートを接合し、封止部材１９を形成する。そして、封止された蓄電モジュール１０の内部空間に非水電解質を注入することにより、蓄電モジュール１０が得られる。封止部材シートの接合方法は特に限定されず、例えば熱溶着が挙げられる。このような構造を有する蓄電モジュールについては、例えば特許文献２に記載されている。
＜外装体２０＞
外装体２０は蓄電モジュール１０を内部に収容する部材である。図２に示した通り、外装体２０は蓄電モジュール１０を厚さ方向から挟むように配置された一対のシート状構造体２１、２１を有している。
（シート状構造体２１）
シート状構造体２１は、蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置された金属シート２２と、金属シート２２の周囲を囲むように配置されたラミネートシート２３と、を有している。上述した通り、蓄電モジュール１０は一対のシート状構造体２１、２１に挟みこまれている。ここで、蓄電モジュール１０に着目すると、蓄電モジュール１０の厚さ方向の一方側及び他方側の端面に金属シート２２、２２が配置される。図２に示した通り、シート状構造体２１は蓄電モジュール１０を収容可能にするために、蓄電モジュール１０の形状に応じてラミネートシート２３を適宜形成してよい。
（金属シート２２）
金属シート２２は、蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に積層されるものであり、蓄電モジュール１０と電気的に接続されている。具体的には、金属シート２２は端部正極１６又は端部負極１７の集電体１１と電気的に接続されている。従って、金属シート２２は集電板として機能する。金属シート２２が集電板として機能する場合、電池モジュール１００は金属シート２２を介して蓄電モジュール１０から電流を取り出す構造となるため、金属シート２２の面積を大きくすることで、大電流を取り出すことが可能となる。金属シート２２は蓄電モジュール１０の端面に配置される部材であるため、面積を大きくすることが容易である。
金属シート２２の材料は特に限定されず、目的に応じた金属を適宜採用してよい。例えば、導電性を有する金属を採用してよい。例えば、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属が挙げられる。
金属シート２２の厚さは特に限定されないが、例えば１０μｍ以上としてよく、５０μｍ以上としてよく、１００μｍ以上としてよい。金属シート２２の厚さが１０μｍ未満であると、金属シート２２の側面２２ａとラミネートシート２３の内側面２３ａとを接合することが困難になる。上限値は特に限定されないが、電池モジュール１００の大型化を抑制する観点から、金属シートの厚さは１０ｍｍ以下としてよく、５ｍｍ以下としてよく、１ｍｍ以下としてよい。耐久性を向上させる観点から、金属シート２２はラミネートシート２３よりも厚くしてよい。一方で、電池モジュール１００を小型化し、エネルギー密度を向上させる観点から、金属シート２２はラミネートシート２３よりも薄くしてよい。
金属シート２２の面積は特に限定されないが、大電流を取り出す観点から、蓄電モジュール１０の端面に配置される集電板１１の面積の６０％以上としてよく、８０％以上としてよい。上限値は特に限定されないが、電池モジュール１００の大型化を抑制する観点から、金属シート２２の面積は蓄電モジュール１０の端面の面積の２００％以下としてよく、１５０％以下としてよく、１２０％以下としてよく、１００％以下としてよい。金属シート２２の面積は、金属シート２２の外形形状から算出される面積である。蓄電モジュール１０の端面に配置される集電板１１は、露出している集電板１１の外形形状から算出される面積である。
金属シート２２は蓄電モジュール１０の端面に直接積層されていてもよく、他の部材を介して積層されていてもよい。金属シート２２と蓄電モジュール１０とが電気的に接続されていればよい。例えば、金属シート２２は導電性弾性部材を介して、蓄電モジュール１０に積層されていてもよい。導電性弾性部材としては特に限定されないが、金属繊維からなる弾性体や炭素材料と樹脂とを混合した弾性体が挙げられる。
金属シート２２の形状は特に限定されず、蓄電モジュール１０の端面の形状に合わせて適宜設定してよい。例えば、金属シート２２は矩形の平板形状でよい。ただし、後述するように、凸部を有する金属シートを採用してもよい。
また、金属シート２２は集電体として機能するほかに、冷却板として機能してもする。上述したとおり、金属シート２２は面積を大きくできる利点を有しているため、放熱性も大きくすることができる。
（ラミネートシート２３）
ラミネートシート２３は金属シート２２の周囲を囲むように配置される部材である。ラミネートシート２３は金属シート２２の外形形状に沿って形成された孔Ｈ（図４（ａ））を有しており、当該孔Ｈに金属シート２２が配置される。そして、金属シート２２とラミネートシート２３とが接合されることで、シート状構造体２１が形成される。
ラミネートシート２３は公知のラミネートシートを採用してよい。例えば、第１樹脂層、金属層、第２樹脂層がこの順で積層されたラミネートシートが挙げられる。このような構成のラミネートシートは一般的である。第１樹脂層はシーラント層及び／又は保護層として機能し、金属層の外側の表面に配置される。第１樹脂層の材料としては、熱可塑性樹脂としてよい。例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル；ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ナイロン等のポリアミド等が挙げられる。金属層はガスバリア層として機能し、第１樹脂層及び第２樹脂層の間に配置される。金属層は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属箔で構成されていてもよい。第２樹脂層はシーラント層として機能し、金属層の内側の表面に配置される。すなわち、第２樹脂層が他の部材との接合に使用される。第２樹脂層は熱可塑性樹脂から構成されている。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル；ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ナイロン等のポリアミド等が挙げられる。ラミネートシート２３の厚みは特に限定されないが、５０μｍ以上１ｍｍ未満である。なお、上記した３層構造のラミネートシートは一例であり、３層以上の層を有するラミネートシートであってもよい。例えば、第１樹脂層、第３樹脂層、金属層、第４樹脂層、第２樹脂層の順に積層された５層構造のラミネートシートを用いてもよい。第３樹脂層及び第４樹脂層の材料は目的に応じて適宜設定してよい。
ここで、図４（ａ）に示した通り、ラミネートシート２３は１枚のラミネートシートからなっていてもよいが、複数のラミネートシートを接合して作製されていてもよい。例えば、図４（ｂ）に示した通り、長さ方向沿って半分に切断された１対のラミネートシートＸを接合したものラミネートシート２３として用いてもよい。
（外装体２０の封止構造）
外装体２０の封止構造について説明する。図２示した通り、ラミネートシート２３の内側面２３ａ（孔Ｈの外周面）は金属シート２２の側面２２ａに接合されている。すなわち、シート状構造体２１はラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２の側面２２ａとを接合する接合部２４を有する。接合部２４はラミネートシート２３の内側面２３ａ（金属シート２２の側面２２ａ）全周に亘って形成されている。
また、一対のシート状構造体２１、２１において、互いのラミネートシート２３の外周部２３ｂが直接接合されている。すなわち、外装体２０は一対のラミネートシート２３の外周部２３ｂを接合する接合部２５を有している。接合部２５はラミネートシート２３の外周部２３ｂ全周に亘って形成されている。
このように、外装体２０は接合部２４、２５を有することにより、蓄電モジュール１０をその内部に封止している。これにより外装体２０内部へのガス・水分透過を抑制することができる。
なお、接合部２５（ラミネートシート２３の外周部２３ｂ）において、互いのラミネートシート２３は絶縁性が担保されており、ラミネートシート２３に含まれる金属層同士が接触しない構造を有している。ただし、さらに絶縁性を向上させ、金属層同士の接触による短絡を抑制する観点から、ラミネートシート２３の外周部２３ｂに絶縁処理（端部絶縁処理）を施してもよい。端部絶縁処理は公知であるためここでは詳しい説明を省略するが、例えば特許文献２に記載された方法を適宜採用してよい。
＜電池モジュールの他の形態１＞
電池モジュール１００では平板状の金属シート２２を用いているが、本開示の電池モジュールはこれに限定されない。例えば、凸部を有する金属シートを用いてもよい。図５に凸部を有する金属シート１２２を用いた電池モジュール２００の断面図を示した。
図５に示したとおり、外装体１２０は一対のシート状構造体１２１、１２１を備えており、シート状構造体１２１は凸部を有する金属シート１２２とラミネートシート２３とを備えている。また、金属シート１２２は平板部１２２ａと、平板部１２２ａから厚さ方向の外側に突出した凸部１２２ｂとを備えている。平板部１２２ａは凸部１２２ｂよりも大きい面積を有しており、蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置される。金属シート１２２と蓄電モジュール１０とは電気的に接続されているので、凸部１２２ｂは端子として使用してもよい。
ここで、金属シート１２２の厚さについて説明する。金属シート１２２の厚さは平板部１２２ａ及び凸部１２２ｂの厚さの合計である。金属シート１２２の厚さは特に限定されないが、例えば２０μｍ以上としてよく、１００μｍ以上としてよく、２００μｍ以上としてよく、１０ｍｍ以下としてよく、２ｍｍ以下としてよい。平板部１２２ａの厚さは特に限定されないが、１０μｍ以上としてよく、５０μｍ以上としてよく、１００μｍ以上としてよく、５ｍｍ以下としてよく、１ｍｍ以下ととしてよい。凸部１２２ｂの厚さは特に限定されないが、１０μｍ以上としてよく、５０μｍ以上としてよく、１００μｍ以上としてよく、５ｍｍ以下としてよく、１ｍｍ以下としてよい。
金属シート１２２とラミネートシート２３との接合形態は次のとおりである。図５に示した通り、ラミネートシート２３の内側面２３ａと凸部１２２ｂの側面１２２ｂａ（金属シート１２２の側面）とが接合されてる。すなわち、シート状構造体１２１は凸部１２２ｂ（金属シート１２２）とラミネートシート２３とを接合する接合部１２４を有する。接合部１２４はラミネートシート２３の内側面２３ａ（凸部１２２ｂの側面１２２ｂａ）全周に亘って形成されている。
また、図５に示した通り、ラミネートシート２３の内周部２３ｃと平板部１２２ａの外周部１２２ａａとが接合されていてもよい。すなわち、シート状構造体１２１は平板部１２２ａとラミネートシート２３とを接合する接合部１２６を有していてもよい。接合部１２６はラミネートシート２３の内周部２３ｃ（平板部１２２ａの外周部１２２ａａ）全周に亘って形成されている。このように、シート状構造体１２１がさらに接合部１２６を有することにより、金属シート１２２とラミネートシート２３とを強固に接合することができる。
＜電池モジュールの他の形態２＞
凸部を有する金属シートを用いた電池モジュールのさらなる形態を説明する。図６に他の形態である電池モジュール３００の断面図を示した。
図６に示した通り、外装体２２０は一対のシート状構造体２２１、２２１を備えており、シート状構造体２２１は凸部を有する金属シート２２２とラミネートシート２３とを備えている。また、金属シート２２２は平板部２２２ａと、平板部２２２ａから厚さ方向の外側に突出した凸部２２２ｂとを備えている。凸部２２２ｂは１つでもよいが、複数でもよい。凸部２２２ｂの数が多くなるほど、金属シート２２２の表面積が増大し、放熱性が増大する。金属シート２２２の厚さは金属シート１２２と同様である。
金属シート２２２とラミネートシート２３との接合形態は次のとおりである。図６に示した通り、ラミネートシート２３の内側面２３ａと平板部２２２ａの側面２２２ａａ（金属シート１２２の側面）とが接合されてる。すなわち、シート状構造体２２１は平板部２２２ａ（金属シート２２２）とラミネートシート２３とを接合する接合部２２４を有する。接合部２２４はラミネートシート２３の内側面２３ａ（平板部２２２ａの側面２２２ａａ）全周に亘って形成されている。
＜電池モジュールの他の形態３＞
電池モジュール１００では一対のシート状構造体２１、２１において、互いのラミネートシート２３の外周部２３ｂが直接接合されているが、本開示の電池モジュールはこの形態に限定されず、他の部材を介して、互いのラミネートシートの外周部が間接的に接合されていてもよい。図７に電池モジュール４００の断面図を示した。
外装体３２０は、一対のシート状構造体２１、２１に加えて、蓄電モジュール１０の周囲を囲むように配置される枠状部材３２７を備えている。枠状部材３２７の材料は特に限定されないが、例えばアルミラミネートシート等のラミネートシートが挙げられる。枠状部材３２７はラミネートシートを枠状に成形することによりを得ることができる。枠状部材３２７の大きさは特に限定されず、蓄電モジュール１０の周囲を囲むことができればよい。枠状部材３２７の厚みは特に限定されないが、蓄電モジュール１０の厚みの以上としてよい。
外装体３２０において、一対のシート状構造体２１、２１のうち、一方のシート状構造体２１のラミネートシート２３の外周部２３ｂが枠状部材の３２７の厚さ方向の一方の面３２７ａと接合されており、他方のシート状構造体２１のラミネートシート２３の外周部２３ｂが枠状部材３２７の他方の面３２７ｂと接合されている。すなわち、外装体３２０は、一方のラミネートシート２３の外周部２３ｂ及び枠状部材３２７の厚さ方向の一方の面３２７ａを接合する接合部３２８と、他方のラミネートシート２３の外周部２３ｂ及び枠状部材３２７の厚さ方向の他方の面３２７ａを接合する接合部３２９と、を有する。接合部３２８、３２９は一方及び他方のラミネートシート２３の外周部２３ｂ（枠状部３２７の面３２７ａ、３２７ｂ）全周に亘って形成されている。これにより、外装体３２０の内部に蓄電モジュール１０を封止することができる。
外装体３２０は枠状部材３２７を備えることにより、次の利点がある。例えば、外装体が枠状部材を有しない場合、製造時において、外装体を減圧封止するとラミネートシートに形成された角部に応力が集中する。また、電池使用時において、ラミネートシートが熱による膨張・収縮を繰り返し、これによりさらに角部に応力が集中する。このような応力集中により角部が摩耗・摩滅され、破損する虞がある。これに対し、外装体３２０が枠状部材３２７を備えることにより、ラミネートシート３２７に角部が生じないので、破損を抑制することができる。また、外装体３２０は枠状部材３２７を備えることにより、外装体３２０の外形形状を小さくすることができ、電池モジュール４００全体のエネルギー密度を向上することができる。
以上より、複数の実施形態を用いて本開示の電池モジュールを説明した。本開示の電池モジュールによれば、大電流を取り出し可能であり、かつ、簡易な構造で外装体内部へのガス・水分透過を抑制することができる。さらに、本開示の電池モジュールは、金属シートとラミネートシートとが別部材であり、これらを接合することで容易にシート状構造体を形成することができるため、容易に製造することができる。
また、特許文献２に記載の蓄電モジュールと比較すると、特許文献２の蓄電モジュールは電極積層体の封止部材に直接ラミネートシートを接合する形態であるため、ラミネートシートの樹脂層と封止部材とが相溶する必要がある。すなわち、材料選択の自由度が狭い。また、ラミネートシートと封止部材とを直接熱溶着しているため、加熱時に封止部材の構造が崩れ、電解液が漏れる虞がある。これに対し、本開示の電池モジュールはラミネートシートと蓄電モジュールとを直接接合する形態ではないため、材料選択の自由度が高い。また、接合時に蓄電モジュール内部の電解液が漏れる虞もない。
さらに、特許文献３に記載の蓄電モジュールと比較すると、特許文献３に記載の蓄電モジュールは金属層を露出させたラミネートシートを外装体として用いており、金属層を露出させるために溶剤処理や熱処理、火炎処理等を実施している。これに対し、本開示の電池モジュールでは、別部材である金属シートとラミネートシートとを用いて、これらを接合することで容易にシート状構造体を形成することができる。従って、本開示の電池モジュールは容易に製造することができる。
なお、上記では電池モジュールの複数の実施形態をそれぞれ説明したが、これらの実施形態は互いに組み合わされてもよい。例えば、凸部を有する金属シートを用いつつ、外装体の構成部材に枠状部材を含めてもよい。
［電池モジュールの製造方法］
本開示の電池モジュールの製造方法について、一実施形態である電池モジュール１００の製造方法を用いて説明する。図８に電池モジュール１００の製造方法のフローチャートを示した。また、図９（ａ）～（ｄ）に電池モジュール１００の製造方法の概略図を示した。
電池モジュール１００の製造方法は、金属シート２２の周囲にラミネートシート２３を配置し、ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２の側面２２ａとを接合し、シート状構造物２１を得る第１接合工程Ｓ１と、電極及びセパレータが交互に積層された蓄電モジュール１０を厚さ方向の両側から一対のシート状構造物２１、２１で挟み、金属シート２２を蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置する配置工程Ｓ２と、配置工程Ｓ２後、一対のシート状構造体２１、２１において、互いのラミネートシート２３の外周部２３ｂを直接接合する第２接合工程Ｓ３と、を備える。
＜第１接合工程Ｓ１＞
接合工程Ｓ１は、金属シート２２の周囲にラミネートシート２３を配置し、ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２の側面２２ａとを接合し、シート状構造物２１を得る工程である。図９（ａ）、（ｂ）が第１接合工程Ｓ１に当たる。具体的には、まず、ラミネートシート２３の孔Ｈに金属シート２２を配置する。次に、ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２の側面２２ａとを接合し、接合部２４を形成する。これにより、シート状構造体２１が得られる。ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２の側面２２ａとを接合方法は特に限定されず、熱溶着でもよく、レーザー溶着でもよい。また、接着剤を用いて、これらを接合してもよい。
＜配置工程Ｓ２＞
配置工程Ｓ２は、第１接合工程Ｓ１後に実施され、複数の電極及び複数のセパレータが交互に積層された蓄電モジュール１０を厚さ方向の両側から一対のシート状構造物２１、２１で挟み、金属シート２２を蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置する工程である。図９（ｃ）が配置工程Ｓ２に当たる。他の部材を介して、金属シート２２を蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置する場合、配置工程Ｓ２において、金属シート２２と蓄電モジュール１０との間に他の部材を配置する。
＜第２接合工程Ｓ３＞
第２接合工程Ｓ３は、配置工程Ｓ２後、一対のシート状構造体２１、２１において、互いのラミネートシート２３の外周部２３ｂを直接接合する工程である。図９（ｄ）が第２接合工程Ｓ３に当たる。これにより、外装体２０の内部に蓄電モジュール１０を封止することができる。
ラミネートシート２３の外周部２３ｂを直接接合する方法は特に限定されず、熱溶着でもよく、レーザー溶着でもよい。また、接着剤を用いて、これらを接合してもよい。第２接合工程Ｓ２は、大気雰囲気下で行ってもよいが、減圧雰囲気下で行ってもよい。例えば、外装体２０内部を真空引きしながら、第２接合工程Ｓ３を実施し、外装体２０に蓄電モジュール１０を封止してもよい。
また、蓄電モジュール１０は事前に非水電解質がその内部に注入されているものを用いてもよいが、第２接合工程Ｓ３において、蓄電モジュール１０に電解液を注入してもよい。例えば、蓄電モジュール１０の側面に外装体２０の外側まで延出した電解液注入口を設け、当該電解液注入口を介して、蓄電モジュール１０に非水電解質を注入してもよい。
＜電池モジュールの製造方法の他の形態１＞
他の形態である電池モジュール２００の製造方法について説明する。電池モジュール１００の製造方法と、電池モジュール２００の製造方法とは、第１接合工程のみが異なっており、その他の工程は同じである。
電池モジュール１００の製造方法では、第１接合工程Ｓ１において、ラミネートシート２３の内側面２３ａと平板状の金属シート２２の側面２２ａとを接合している。これに対し、電池モジュール２００の製造方法では、第１接合工程において、ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート１２２に設けられた凸部１２２ｂの側面１２２ｂａとを接合する。また、第１接合工程において、ラミネートシート２３の内周部２３ｃと平板部１２２ａの外周部１２２ａａとを接合してもよい。これにより、金属シート１２２とラミネートシート２３とを強固に接合することができる。ラミネートシート２３の内周部２３ｃと平板部１２２ａの外周部１２２ａａとの接合方法は特に限定されず、熱溶着でもよく、レーザー溶着でもよい。また、接着剤を用いて、これらを接合してもよい。
図１０（ａ）～（ｄ）に電池モジュール２００の製造方法の概略図を示した。図１０（ａ）～（ｄ）に示した通り、金属シート１２２及びラミネートシート２３を用いて、第１接合工程を実施することで、シート状構造体１２１が得られる。そして、一対のシート状構造体１２１と蓄電モジュール１０を用いて、配置工程及び第２接合工程を実施することで、電池モジュール２００が得られる。
＜電池モジュールの製造方法の他の形態２＞
他の形態である電池モジュール３００の製造方法について説明する。電池モジュール１００の製造方法と、電池モジュール３００の製造方法とは、第１接合工程のみが異なっており、その他の工程は同じである。
電池モジュール１００の製造方法では、第１接合工程Ｓ１において、ラミネートシート２３の内側面２３ａと平板状の金属シート２２の側面２２ａとを接合している。これに対し、電池モジュール３００の製造方法では、第１接合工程において、ラミネートシート２３の内側面２３ａと金属シート２２２に設けられた平板部２２２ａの側面２２２ａａとを接合する。
図１１（ａ）～（ｄ）に電池モジュール３００の製造方法の概略図を示した。図１１（ａ）～（ｄ）に示した通り、金属シート２２２及びラミネートシート２３を用いて、第１接合工程を実施することで、シート状構造体２２１が得られる。そして、一対のシート状構造体２２１と蓄電モジュール１０を用いて、配置工程及び第２接合工程を実施することで、電池モジュール３００が得られる。
＜電池モジュールの製造方法の他の形態３＞
他の形態である電池モジュール４００の製造方法について説明する。電池モジュール１００の製造方法と、電池モジュール４００の製造方法とは、配置工程及び第２接合工程のみが異なっており、その他の工程は同じである。
電池モジュール１００の製造方法では、配置工程Ｓ２において、蓄電モジュール１０を厚さ方向から一対のシート状構造物２３で挟み、金属シート２２を蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置し、第２接合工程Ｓ３おいて、互いのラミネートシート２３の外周部２３ｂを直接接合している。これに対し、電池モジュール４００の製造方法では、配置工程において、蓄電モジュール１０の周囲を囲む枠状部材３２７を介して、蓄電モジュール１０を厚さ方向から一対のシート状構造物２３で挟み、金属シート２２を蓄電モジュール１０の厚さ方向の端面に配置し、第２接合工程において、一対のシート状構造体２１、２１のうち、一方のシート状構造体２１のラミネートシート２３の外周部２３ｂと枠状部材３２７の厚さ方向の一方の面３２７ａと接合し、他方のシート状構造体２１のラミネートシート２３の外周部２３ｂと枠状部材３２７の他方の面３２７ｂとを接合する。ラミネートシート２３と枠状部材３２７との接合方法は特に限定されず、熱溶着でもよく、レーザー溶着でもよい。また、接着剤を用いて、これらを接合してもよい。
図１２（ａ）～（ｄ）に電池モジュール３００の製造方法の概略図を示した。図１２（ａ）～（ｄ）に示した通り、金属シート２２及びラミネートシート２３を用いて、第１接合工程を実施することで、シート状構造体２１が得られる。そして、一対のシート状構造体２１、蓄電モジュール１０、及び枠状部材３２７を用いて、配置工程及び第２接合工程を実施することで、電池モジュール４００が得られる。
以上より、複数の実施形態を用いて本開示の電池モジュールの製造方法を説明した。本開示の電池モジュールの製造方法によれば、簡易な工程で蓄電モジュールを外装体の内部に封止し、大電流を取り出し可能な電池モジュールを製造することができる。
なお、上記では電池モジュールの製造方法の複数の実施形態をそれぞれ説明したが、これらの実施形態は互いに組み合わされてもよい。例えば、凸部を有する金属シートを用いて、第１接合工程を実施しつつ、枠状部材を用いて第２接合工程を実施してもよい。
１０ 蓄電モジュール
１１ 集電体
１２ 正極層
１３ 負極層
１４ バイポーラ電極
１５ セパレータ
１６ 端部正極
１７ 端部負極
１８ 電極積層体
１９ 封止部材
２０、１２０、２２０、３２０ 外装体
２１、１２１、２２１、３２１ シート状構造体
２２、１２２、２２２ 金属シート
２２ａ、 側面
１２２ａ、２２２ａ 平板部
１２２ａａ 外周部
２２２ａａ 側面
１２２ｂ、２２２ｂ 凸部
１２２ｂａ 側面
２３ ラミネートシート
２３ａ 内側面
２３ｂ 外周部
２３ｃ 内周部
２４、１２４、２２４ 接合部
２５ 接合部
１２６ 接合部
３２７ 枠状部材
３２７ａ 面
３２７ｂ 面
３２８ 接合部
３２９ 接合部
１００、２００、３００、４００ 電池モジュール
Ｈ 孔
Ｘ ラミネートシート

Claims (5)

  1. 電極及び電解質層が交互に積層された蓄電モジュールと、前記蓄電モジュールを内部に収容する外装体と、を備え、
    前記外装体は前記蓄電モジュールを厚さ方向の両側から挟むように配置された一対のシート状構造体を有しており、
    前記シート状構造体は、前記蓄電モジュールの厚さ方向の端面に配置された金属シートと、前記金属シートの周囲を囲むように配置されたラミネートシートと、を有しており、
    前記金属シートは、その厚さ方向一端が前記蓄電モジュールと電気的に接続しており、厚さ方向他端は外部に露出しており、
    前記ラミネートシートの内側面は前記金属シートの側面に接合されており、
    一対の前記シート状構造体において、互いの前記ラミネートシートの外周部が直接又は間接的に接合されている、
    電池モジュール。
  2. 前記外装体は前記蓄電モジュールの周囲を囲むように配置される枠状部材を備え、
    一対の前記シート状構造体のうち、一方の前記シート状構造体の前記ラミネートシートの外周部が前記枠状部材の一方の表面と接合されており、他方の前記シート状構造体の前記ラミネートシートの外周部が前記枠状部材の他方の表面と接合されている、
    請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記金属シートは前記ラミネートシートよりも厚い請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記蓄電モジュールがバイポーラ型の蓄電モジュールである、請求項１～３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
  5. 請求項１に記載の電池モジュールを製造する方法であって、
    前記金属シートの周囲に前記ラミネートシートを配置し、前記ラミネートシートの内側面と前記金属シートの側面とを接合し、前記シート状構造体を得る第１接合工程と、
    前記蓄電モジュールを厚さ方向から一対の前記シート状構造体で挟み、前記金属シートを前記蓄電モジュールの厚さ方向の端面に配置する配置工程と、
    配置工程後、一対の前記シート状構造体において、互いの前記ラミネートシートの外周部を直接又は間接的に接合する第２接合工程と、を備える、
    電池モジュールの製造方法。
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