(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、電池ユニットへの応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図った全固体電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【0008】
すなわち、本発明は、
電池ユニットが複数積層される全固体電池において、
前記電池ユニットは、正極層と負極層とによって固体電解質層が挟み込まれた構造の電池本体がラミネートフィルムによって包装されることで構成されると共に、
各電池ユニットの間には、それぞれ放熱部材が介在されており、
これらの放熱部材は、該放熱部材の面方向(積層方向に対して垂直方向)に冷媒(例えば空気)の通り道を形成可能とする空隙部を有する基層と、該基層を挟み込む、熱伝導性を有する一対の弾性体層とから構成されることを特徴とする。
そして、前記弾性体層における電池ユニットとの接触面側には、複数の凹部が設けられている。または、前記弾性体層における電池ユニットとの接触面側には、該弾性体層の側壁面側に連通する複数の溝が設けられている。
【0009】
本発明によれば、電池ユニットから発生した熱は、放熱部材における弾性体層から基層
へと伝わる。そして、基層には、空隙部により冷媒の通り道が形成されているため、基層に伝わった熱は、冷媒の流れによって、放熱部材の外部へと逃げていく。これにより、電池ユニット内部に熱が蓄えられてしまうことが抑制される。また、放熱部材には一対の弾性体層が設けられているので、電池ユニットが熱膨張しても、その変形が無理に抑制されることはない。そのため、電池ユニットへの応力を緩和させることができる。また、放熱部材の両側の面を弾性体層により構成したことで、電池ユニットにおけるラミネートフィルムへの密着性を高め、熱伝導性を高めることができる。また、弾性体層により、ラミネートフィルム全体に対して均一的に圧力がかかるため、放電性のバラツキを抑制することができる。更に、弾性体層が防振機能を発揮するため、電池ユニットへの振動の伝達を抑制する効果もある。
【0010】
前記基層は、不織布により構成されるとよい。
【0011】
これにより、放熱部材の面方向に対する放熱性を十分に発揮させることができる。また、基層自体も弾性的に変形可能なため、電池ユニットへの応力をより一層緩和させることができ、かつ防振機能をより高めることができる。
【0012】
また、前記基層は、金属により構成されることも好適である。
【0013】
これにより、基層自体の伝熱性を高めることができる。また、基層の剛性を高めることができる。
【0014】
前記弾性体層は、弾性材料中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、該弾性体層の熱伝導率が0.2W・m
−1・K
−1以上4W・m
−1・K
−1以下に設定されるとよい。
【0015】
これにより、弾性体層の熱伝導性を満足させつつ、ラミネートフィルムとの密着性を満足させることができる。
【0017】
前記弾性体層における電池ユニットとの接触面側に、複数の凹部が設けられている場合には、弾性体層の硬度が比較的高い場合でも、弾性体層とラミネートフィルムとの密着性を高めることができる。
【0019】
また、前記弾性体層における電池ユニットとの接触面側に、該弾性体層の側壁面側に連通する複数の溝が設けられている場合には、弾性体層の硬度が比較的高い場合でも、弾性体層とラミネートフィルムとの密着性を高めることができ、また、溝から熱を逃がすこともできる。
【0020】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【発明の効果】
【0021】
以上説明したように、本発明によれば、電池ユニットへの応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0024】
(実施例1)
図1〜
図4を参照して、本発明の実施例1に係る全固体電池について説明する。
【0025】
<全固体電池の全体構成>
特に、
図1を参照して、本発明の実施例に係る全固体電池の全体構成について説明する。
図1は本発明の実施例に係る全固体電池の概略構成図である。本実施例に係る全固体電池100は、電池ユニット10が複数積層されており、各電池ユニット10の間には、それぞれ放熱部材20が介在されるように構成されている。これら複数の電池ユニット10及び放熱部材20は、ケース40内に収納されている。また、各電池ユニット10に接続された配線30は、ケース40の外部に引き出されるように構成されている。なお、本実施例においては、電池ユニット10とケース40との間にも放熱部材20が設けられている。なお、電池ユニット10や放熱部材20は、上面側から見た形状は四角形であり、
図1においては、積層方向に切断した断面的な図によって、全固体電池100の概略構成を示している。
【0026】
<電池ユニット>
特に、
図2を参照して、電池ユニット10について、より詳細に説明する。
図2は本発明の実施例に係る電池ユニットの模式的断面図である。本実施例に係る電池ユニット10は、電池本体がラミネートフィルムによって包装されたラミネート型の全固体電池である。ここでは、電池ユニット10として、ラミネート型の全固体リチウム電池を用いた場合を例にして説明する。
【0027】
電池ユニット10は、正極層12と負極層13とによって固体電解質層11が挟み込まれた構造の電池本体がラミネートフィルム14によって包装されることで構成される。固体電解質層11は、リチウムイオン伝導性を備えており、当該伝導性が高いほどよい。なお、正極層12,負極層13及び固体電解質層11は、平面形状(上面側から見た形状)が、いずれも4角形で、その大きさも同一である。
図2においては、これらの層の積層方向に電池ユニット10を切断した断面を示している。
【0028】
ラミネートフィルム14は、金属層と樹脂層が積層されたものを好適に用いることができる。特に、アルミニウムと熱溶着樹脂を重ね合わせてフィルム状にしたアルミラミネートフィルムを好適に用いることができる。そして、本実施例においては、一対のラミネートフィルム14の周縁を互いに密着することで、ラミネートフィルム14の内部に電池本体が包装されている。また、正極層12における固体電解質層11とは反対側の全面、及
び負極層13における固体電解質層11とは反対側の全面は、ラミネートフィルム14に対してそれぞれ密着している。
【0029】
正極層12と負極層13にそれぞれ接続されている配線30はラミネートフィルム14の外部に引き出されている。一対のラミネートフィルム14の周縁のうち、配線30が引き出されている部分を除く全体が互いに密着するように構成されている。そのため、ラミネートフィルム14の内部は密封された状態となっている。これにより、ラミネートフィルム14の内部への水分の浸入が抑制される。
【0030】
<放熱部材>
特に、
図3を参照して、放熱部材20について、より詳細に説明する。
図3は本発明の実施例に係る放熱部材の模式的断面図である。本実施例に係る放熱部材20は、基層21と、この基層21を挟み込む一対の弾性体層22とから構成される。なお、基層21及び弾性体層22は、平面形状(上面側から見た形状)が、いずれも4角形で、その大きさも同一である。
図3においては、これらの層の積層方向に放熱部材20を切断した断面を示している。
【0031】
基層21は、放熱部材20の面方向(積層方向に対して垂直方向)に冷媒の通り道を形成可能とする空隙部を有する構成である。なお、冷媒は通常空気となるが、空気に限らず各種流体でも構わない。以下の説明では、冷媒が空気の場合を例にして説明する。
【0032】
基層21の好適な例として、不織布を挙げることができる。また、不織布は、金属繊維、ガラス繊維、炭素繊維の他、樹脂製の繊維によって構成されるものを用いることができる。ただし、基層21に対しては、電池ユニット10の熱膨張等によって、電池ユニット10の積層方向に圧縮力が作用する。そのため、基層21を構成する不織布は、圧縮強度が高いほどよい。また、熱伝導率が高いほどよい。従って、金属繊維、ガラス繊維及び炭素繊維からなる不織布を採用するのが望ましい。なお、樹脂製の繊維の具体的な材料としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、レーヨン、ビニロン、ナイロン、ポリアミド、ポリイミド、アラミドを挙げることができる。また、不織布の目付けは20g/mm
2以上200g/mm
2以下に設定するとよい。更に、基層21の厚みは、0.1mm以上2.0mm以下に設定するとよい。
【0033】
弾性体層22は、熱伝導性を有している。より具体的には、弾性体層22は、ゴムやエラストマーなどの弾性材料を母材として、母材中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、弾性と熱伝導性の両者を有するように構成されている。更に具体的には、弾性体層22は、JIS K6253で規定されるデュロメータ硬さ(タイプA)が10度以上90度以下、かつ熱伝導率が0.2W・m
−1・K
−1以上4W・m
−1・K
−1以下に設定されるとよい。
【0034】
弾性体層22の熱伝導率が0.2W・m
−1・K
−1未満だと放熱機能が不十分になってしまう。また、弾性体層22の熱伝導率が4W・m
−1・K
−1を超えると、弾性体層22自体の熱伝導性は優れるものの、フィラーの充填率を高めなければならないことから、基層21との接着性が低下してしまい、ラミネートフィルム14との密着性も低下してしまう。そのため、結果的に、電池ユニット10から基層21への熱伝導性が低下してしまう。
【0035】
また、弾性体層22のデュロメータ硬さ(タイプA)が90度を超えるとラミネートフィルム14との密着性が低下してしまう。そして、弾性体層22のデュロメータ硬さ(タイプA)が10度よりも小さいと、ラミネートフィルム14との密着性は優れるものの、フィラーの充填率を低くしなければならないことから、弾性体層22自体の熱伝導性が不
十分になってしまう。
【0036】
更に、弾性体層22の厚みは、0.2mm以上5mm以下、より好ましくは0.5mm以上2mm以下にすると好適である。この厚みが0.2mm未満の場合には、電池ユニット10が熱膨張した際に、応力を緩和する機能が十分に発揮されなくなってしまう。また、厚みを5mmよりも大きくすると、全固体電池100が大きくなり、重量も重くなってしまう。
【0037】
弾性体層22の母材の具体例としては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴムを挙げることができる。特に、成形性に優れ、かつラミネートフィルム14との密着性に優れるシリコーンゴムを好適に用いることができる。また、フィラーの材料の具体例としては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ、銀、銅、シリカ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、カーボンナノチューブを挙げることができる。
【0038】
<放熱メカニズム>
特に、
図4を参照して、本実施例に係る全固体電池100における放熱メカニズムについて説明する。
図4は本発明の実施例に係る全固体電池における熱の流れを説明する図である。
【0039】
電池ユニット10は、充電時及び放電時に発熱する。電池ユニット10により発生した熱は、電池ユニット10に密着して配置された放熱部材20へと伝わる。放熱部材20においては、弾性体層22から基層21へと熱が伝わる。そして、基層21においては、放熱部材20の面方向に空気の通り道が形成されているため、空気と共に熱が放熱部材20の外部へと逃げていく。
図4中の矢印は、熱の移動方向を示している。図示のように、電池ユニット10の表面付近から弾性体層22を介して基層21への熱の移動方向は、積層方向である。そして、基層21から放熱部材20の外部に熱が逃げる方向は、放熱部材20の面方向(積層方向に対して垂直方向)である。
【0040】
<本実施例に係る全固体電池の優れた点>
以上説明したように、本実施例に係る全固体電池100によれば、電池ユニット10から発生した熱は、放熱部材20における弾性体層22から基層21へと伝わる。そして、基層21には、空隙部により空気の通り道が形成されているため、基層21に伝わった熱は、空気の流れによって、放熱部材20の外部へと逃げていく。これにより、電池ユニット10の内部に熱が蓄えられてしまうことが抑制される。なお、自然対流などの空気の流れによって、基層21に伝わった熱を放熱部材20の外部に逃がすことができるが、ファン等を設置して強制的に気流を発生させることで、より効果的に熱を逃がすことが可能となる。
【0041】
また、放熱部材20には一対の弾性体層22が設けられているので、電池ユニット10が熱膨張しても、その変形が無理に抑制されることはない。そのため、電池ユニット10への応力を緩和させることができる。また、放熱部材20の両側の面を弾性体層22により構成したことで、電池ユニット10におけるラミネートフィルム14への密着性を高め、電池ユニット10から放熱部材20への熱伝導性を高めることができる。また、弾性体層22により、ラミネートフィルム14全体に対して均一的に圧力がかかるため、放電性のバラツキを抑制することができる。すなわち、電池本体に対する面圧が不均一な場合、位置に応じて放電性が異なるため、劣化が促進されてしまう。これに対して、本実施例においては、上記のように、ラミネートフィルム14全体に対して均一的に圧力が加わり、電池本体に対する面圧が均一的となる。従って、各位置での放電性のバラツキを抑制することができる。
【0042】
更に、放熱部材20には一対の弾性体層22が設けられており、弾性体層22によって防振機能が発揮される。従って、外部から電池ユニット10への振動の伝達を抑制する効果もある。
【0043】
また、基層21を不織布により構成することで、放熱部材20の面方向に対する放熱性を十分に発揮させることができる。また、基層21が不織布で構成されると、基層21自体も弾性的に変形可能なため、電池ユニット10への応力をより一層緩和させることができ、かつ防振機能をより高めることができる。
【0044】
更に、上記の通り、弾性体層22は、弾性材料中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、弾性体層22の熱伝導率が0.2W・m
−1・K
−1以上4W・m
−1・K
−1以下に設定されるとよい。これにより、弾性体層22の熱伝導性を満足させつつ、ラミネートフィルム14との密着性を満足させることができる。
【0045】
(その他)
本実施例においては、放熱部材20を構成する基層21として、不織布を採用する場合を示した。しかしながら、基層21としては、不織布に限らず、織布、編布、網などの多孔質材料を採用することもできる。ただし、放熱部材20の面方向に対する放熱性は、これら織布、編布、及び網よりも不織布の方が優れている。
【0046】
また、基層としては、多孔質材料だけでなく、その他の各種部材を採用することができる。以下、他の具体例をいくつか説明する。
【0047】
(実施例2)
図5には、本発明の実施例2が示されている。本実施例においては、基層の変形例について説明する。
図5は本発明の実施例2に係る基層を示す模式的断面図である。
【0048】
本実施例に係る基層21aは、一対の平板状の金属薄板21a1の間に、波状の金属薄板21a2が設けられた構造である。なお、一対の平板状の金属薄板21a1の間において、波状の金属薄板21a2が存在していない部分が、放熱部材の面方向に冷媒(空気)の通り道を形成可能とする空隙部となる。この基層21aの厚みは、1mm以上5mm以下に設定すると好適である。また、これら金属薄板21a1及び金属薄板21a2の材料の具体例としては、鉄、アルミニウム、銅及びこれらの合金を挙げることができる。なお、金属薄板21a1と金属薄板21a2は溶接などにより固定することで一体化することもできる。
【0049】
以上のように構成される基層21aの場合には、基層21a自体は弾性的に殆ど変形しないため、電池ユニットへの応力緩和及び防振機能の面では、不織布の場合に比べて劣る。しかしながら、本実施例に係る基層21aの場合には、基層21a自体の伝熱性が高く、かつ基層21aの剛性が高いという利点がある。
【0050】
なお、本実施例に係る基層21aは、上記実施例1における放熱部材20における基層21の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る基層21aも、上記実施例1の場合と同様に、一対の弾性体層によって挟み込まれ、これら基層21aと一対の弾性体層によって放熱部材が構成される。なお、本実施例においては、基層21aをインサート部品として、インサート成形により弾性体層を成形してもよい。また、基層21aと弾性体層を、熱伝導性接着剤によって接着してもよい。
【0051】
(実施例3)
図6には、本発明の実施例3が示されている。本実施例においては、基層の変形例について説明する。
図6は本発明の実施例3に係る基層を示す模式的断面図である。
【0052】
本実施例に係る基層21bは、金属板21b1に、複数の貫通孔21b2が形成された構成である。なお、複数の貫通孔21b2が、放熱部材の面方向に冷媒(空気)の通り道を形成可能とする空隙部となる。この基層21bの厚みは、1mm以上5mm以下に設定すると好適である。また、これら金属板21b1の材料の具体例としては、鉄、アルミニウム、銅及びこれらの合金を挙げることができる。
【0053】
以上のように構成される基層21bの場合にも、上記実施例2の場合と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。また、本実施例に係る基層21bにおいても、上記実施例1における放熱部材20における基層21の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る基層21bも、上記実施例1の場合と同様に、一対の弾性体層によって挟み込まれ、これら基層21bと一対の弾性体層によって放熱部材が構成される。なお、本実施例においては、基層21bをインサート部品として、インサート成形により弾性体層を成形してもよい。また、基層21bと弾性体層を、熱伝導性接着剤によって接着してもよい。
【0054】
(実施例4)
図7には、本発明の実施例4が示されている。本実施例においては、基層の変形例について説明する。
図7は本発明の実施例4に係る基層を示す模式的断面図である。
【0055】
本実施例に係る基層21cは、一対の平板状の金属薄板21c1の間に、2つの波状の薄板が交差するように形成された金属薄板21c2が設けられた構造である。なお、一対の平板状の金属薄板21c1の間において、金属薄板21c2が存在していない部分が、放熱部材の面方向に冷媒(空気)の通り道を形成可能とする空隙部となる。この基層21cの厚みは、1mm以上5mm以下に設定すると好適である。また、これら金属薄板21c1及び金属薄板21c2の材料の具体例としては、鉄、アルミニウム、銅及びこれらの合金を挙げることができる。なお、金属薄板21c1と金属薄板21c2は溶接などにより固定することで一体化することもできる。
【0056】
以上のように構成される基層21cの場合にも、上記実施例2の場合と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。また、本実施例に係る基層21cにおいても、上記実施例1における放熱部材20における基層21の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る基層21cも、上記実施例1の場合と同様に、一対の弾性体層によって挟み込まれ、これら基層21cと一対の弾性体層によって放熱部材が構成される。なお、本実施例においては、基層21cをインサート部品として、インサート成形により弾性体層を成形してもよい。また、基層21cと弾性体層を、熱伝導性接着剤によって接着してもよい。
【0057】
(実施例5)
図8には、本発明の実施例5が示されている。本実施例においては、基層の変形例について説明する。
図8は本発明の実施例5に係る基層を示す模式的断面図である。
【0058】
本実施例に係る基層21dは、一対の平板状の金属薄板21d1の間に、複数の金属薄板21d2が隔壁のようにして設けられた構造である。なお、一対の平板状の金属薄板21d1の間において、金属薄板21d2が存在していない部分が、放熱部材の面方向に冷媒(空気)の通り道を形成可能とする空隙部となる。この基層21dの厚みは、1mm以上5mm以下に設定すると好適である。また、これら金属薄板21d1及び金属薄板21d2の材料の具体例としては、鉄、アルミニウム、銅及びこれらの合金を挙げることがで
きる。なお、金属薄板21d1と金属薄板21d2は溶接などにより固定することで一体化することもできる。
【0059】
以上のように構成される基層21dの場合にも、上記実施例2の場合と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。また、本実施例に係る基層21dにおいても、上記実施例1における放熱部材20における基層21の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る基層21dも、上記実施例1の場合と同様に、一対の弾性体層によって挟み込まれ、これら基層21dと一対の弾性体層によって放熱部材が構成される。なお、本実施例においては、基層21dをインサート部品として、インサート成形により弾性体層を成形してもよい。また、基層21dと弾性体層を、熱伝導性接着剤によって接着してもよい。
【0060】
(実施例6)
図9には、本発明の実施例6が示されている。本実施例においては、弾性体層の変形例について説明する。
図9は本発明の実施例6に係る弾性体層を示す平面図である。
【0061】
本実施例に係る弾性体層22aには、電池ユニットとの接触面側に、複数の凹部(ディンプル)22a1が設けられている。これにより、弾性体層22aの硬度が比較的高い場合でも、弾性体層22aにおける凹部22a1の付近は変形し易くなる。そのため、弾性体層22aと、上記実施例1で説明した電池ユニット10におけるラミネートフィルム14との密着性を高めることができる。一般的に、ゴム材料の熱伝導性を高くすると、ゴムの硬度は高くなる。従って、ゴムの硬度が高い場合に、本実施例に係る弾性体層22aを適用すると好適である。
【0062】
なお、本実施例に係る弾性体層22aは、上記実施例1における放熱部材20における弾性体層22の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る弾性体層22aの場合においても、上記実施例1の場合と同様に、基層を一対の弾性体層22aによって挟み込むことで、これら基層と一対の弾性体層22aによって放熱部材が構成される。なお、基層に関しては、実施例1で示した基層21に限らず、上記実施例2〜5で示した基層21a,21b,21c,21dのいずれを適用してもよい。
【0063】
(実施例7)
図10には、本発明の実施例7が示されている。本実施例においては、弾性体層の変形例について説明する。
図10は本発明の実施例7に係る弾性体層を示す平面図である。
【0064】
本実施例に係る弾性体層22bには、電池ユニットとの接触面側に、弾性体層22bの側壁面側に連通する複数の溝22b1が設けられている。これにより、弾性体層22bの硬度が比較的高い場合でも、弾性体層22bにおける溝22b1の付近は変形し易くなる。そのため、弾性体層22bと、上記実施例1で説明した電池ユニット10におけるラミネートフィルム14との密着性を高めることができる。一般的に、ゴム材料の熱伝導性を高くすると、ゴムの硬度は高くなる。従って、ゴムの硬度が高い場合に、本実施例に係る弾性体層22bを適用すると好適である。また、本実施例の場合には、溝22b1が冷媒(空気)の通り道となるため、溝22b1から熱を逃がす効果もある。
【0065】
なお、本実施例に係る弾性体層22bは、上記実施例1における放熱部材20における弾性体層22の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る弾性体層22bの場合においても、上記実施例1の場合と同様に、基層を一対の弾性体層22bによって挟み込むことで、これら基層と一対の弾性体層22bによって放熱部材が構成される。なお、基層に関しては、実施例1で示した基層21に限らず、上記実施例2〜5で示した基層21a,21b,21c,21dのいずれを適用してもよい。