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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023073568
(43)【公開日】2023-05-26
(54)【発明の名称】電池モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01M 50/211 20210101AFI20230519BHJP
   H01M 50/466 20210101ALI20230519BHJP
   H01M 10/0583 20100101ALI20230519BHJP
   H01M 50/291 20210101ALI20230519BHJP
   H01M 50/293 20210101ALI20230519BHJP
【FI】
H01M50/211
H01M50/466
H01M10/0583
H01M50/291
H01M50/293
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021186103
(22)【出願日】2021-11-16
(71)【出願人】
【識別番号】515090628
【氏名又は名称】株式会社スリーダムアライアンス
(74)【代理人】
【識別番号】100121728
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 勝守
(74)【代理人】
【識別番号】100170900
【弁理士】
【氏名又は名称】大西 渉
(74)【代理人】
【識別番号】100222885
【弁理士】
【氏名又は名称】早川 康
(72)【発明者】
【氏名】▲柳▼澤 良太
(72)【発明者】
【氏名】吉田 孝
(72)【発明者】
【氏名】小島 直樹
(72)【発明者】
【氏名】永原 良樹
(72)【発明者】
【氏名】▲浜▼中 信秋
【テーマコード(参考)】
5H021
5H029
5H040
【Fターム(参考)】
5H021CC19
5H021HH10
5H029AJ05
5H029AL06
5H029AL11
5H029BJ04
5H029BJ15
5H029DJ04
5H029DJ06
5H029HJ01
5H029HJ04
5H040AA36
5H040AT04
5H040AY10
5H040CC15
5H040CC25
5H040CC34
5H040CC38
5H040NN01
5H040NN03
(57)【要約】
【課題】ジグザグ状に折り畳んでなるセパレータを有するラミネート型電池セルの劣化を防止することができる電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール1は、ジグザグ状に折り畳んでなるセパレータ4、正極部材5及び負極部材6を有する電池セル3を備える。セパレータ4は、第1折返線部4aと、第2折返線部4bと、仕切板部4cとを備える。収容フレーム2は、セパレータ4の折畳方向両側から電池セル2を挟み込むよう形成された第1壁部2a及び第2壁部2bを備える。第1壁部2aにおける第1対向面と第2壁部における第2対向面との間において、各第1折返線部4aに対応する側の距離をD1[m]と、各第2折返線部4bに対応する側の距離をD2[m]としたとき、以下の式(1)で示される関係が成り立つように構成されている。D1>D2・・・(1)
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
1つのラミネート型電池セル(3)か、或いは、複数のラミネート型電池セル(13、23)を積層してなる被収容体(3、13、23)を収容する収容体(2、12)を備えた電池モジュール(1、11)であって、
前記電池セル(3、13、23)は、1枚の帯状体(30)をジグザグ状に折り畳んでなるセパレータ(4、14、24)と、フィルム状又はシート状をなす複数の正極部材(5、15、25)及び負極部材(6、16、26)と、を備え、
前記セパレータ(4、14、24)は、前記帯状体(30)の一方の面(30a)側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第1折返線部(4a、14a、24a)と、前記帯状体の他方の面(30b)側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第2折返線部(4b、14b、24b)と、前記各第1折返線部(4a、14a、24a)と前記各第2折返線部(4b、14b、24b)とを境に前記帯状体(30)において区画形成された折畳方向に複数重なる仕切板部(4c)とを備え、
前記各正極部材(5、15、25)は、前記帯状体(30)の一方の面(30a)側において前記各仕切板部(4c)の間にそれぞれ挟み込まれ、前記各負極部材(6、16、26)は、前記帯状体(30)の他方の面(30b)側において前記各仕切板部(4c)の間にそれぞれ挟み込まれ、
前記電池モジュール(1、11)において、それぞれ前記第1折返線部(4a、14a、24a)と前記第2折返線部(4b、14b、24b)との並設方向をX方向と、前記第1折返線部(4a、14a、24a)及び第2折返線部(4b、14b、24b)と平行に延びる方向をY方向と、前記セパレータ(4、14、24)の折畳方向をZ方向と、X方向一側を前記第1折返線部(4a、14a、24a)が位置する側と、X方向他側を前記第2折返線部(4b、14b、24b)が位置する側としたとき、
前記収容体(2、12)は、Z方向両側から前記被収容体(3、13、23)を挟み込むよう形成された第1壁部(2a、12a)及び第2壁部(2b、12b)を備え、
前記第1壁部(2a、12a)における前記被収容体(3、13、23)と対向する第1対向面(9b、19b)と前記第2壁部(2b、12b)における前記被収容体(3、13、23)と対向する第2対向面(10b、20b)との間において、前記X方向一側の距離をD1[m]と、前記X方向他側の距離をD2[m]としたとき、以下の式(1)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする電池モジュール。
D1>D2・・・(1)
【請求項2】
請求項1に記載の電池モジュールにおいて、
前記電池セル(3、13、23)の充電率が所定以上である状態において、前記被収容体(3、13、23)における前記X方向一側の前記Z方向の寸法をS1[m]と、前記X方向他側の前記Z方向の寸法をS2[m]としたとき、以下の式(2)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする電池モジュール。
D1―S1>D2―S2・・・(2)
【請求項3】
請求項2に記載の電池モジュールにおいて、
前記負極部材(6、16、26)における前記X方向の寸法をS3[m]と、前記負極部材(6、16、26)における前記Y方向の寸法をT3[m]と、前記負極部材(6、16、26)の負極活物質の総量をWn[g]と、前記第1対向面(9b、19b)の仮想延長面(9c)と前記第2対向面(10b、20b)の仮想延長面(10c)とがなす傾斜角度をθ[radian]としたとき、以下の式(3)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする電池モジュール。
tanθ=(R×Wn)/(S3×T3)・・・(3)
ただし、式(3)中のR[m/g]は、R≧0.025を満たす。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1つに記載の電池モジュールにおいて、
前記第1壁部(2a、12a)及び前記第2壁部(2b、12b)の少なくとも一方は、厚みが一定の壁本体(2a、2b、12a、12b)と、該壁本体(2a、2b、12a、12b)の内面に取り付けられ、前記X方向一側から前記X方向他側へと進むにつれて次第に厚みが増すスペーサ(9、10、19、20)とを備え、
前記第1対向面(9b、19b)及び前記第2対向面(10b、20b)の少なくとも一方は、前記スペーサ(9、10、19、20)の前記壁本体(2a、2b、12a、12b)とは反対側の面(9b、10b、19b、20b)で構成されていることを特徴とする電池モジュール。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか1つに記載の電池モジュールにおいて、
前記被収容体(13、23)は、複数の前記電池セル(13、23)が積層してなり、
前記各電池セル(13、23)の間には、弾性体(32)が介設されていることを特徴とする電池モジュール。
【請求項6】
請求項1から5のいずれか1つに記載の電池モジュールにおいて、
前記負極部材(6、16、26)を構成する負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素系活物質、ケイ素系活物質、スズ系活物質からなる群から選ばれる、少なくとも1つ以上の活物質を含んでいることを特徴とする電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ラミネート型電池セルを1つ以上備えた電池モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
二次電池を構成する電池モジュールとして、1枚の帯状体をジグザグ状に折り畳んでなるセパレータを有するラミネート型電池セルを備えたものが知られている。例えば、特許文献1に開示されている電池セルは、帯状体の一方の面側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第1折返線部と、帯状体の他方の面側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第2折返線部と、各第1折返線部と各第2折返線部とを境に帯状体において区画形成された折畳方向に複数重なる仕切板部とを備えている。各正極部材は、帯状体の一方の面側において各仕切板部の間にそれぞれ挟み込まれる一方、各負極部材は、帯状体の他方の面側において各仕切板部の間にそれぞれ挟み込まれている。そして、セパレータ、各正極部材及び各負極部材からなる積層体は、外装体に収容されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2016-103425号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、ラミネート型電池セルにおいては、各負極部材を構成する負極活物質の高充電状態時における膨張現象が知られている。このとき、特許文献1のようにセパレータがジグザグ状に折畳んだ帯状の態様であると、負極活物質の膨張によって、上記セパレータの第1折返線部側よりも第2折返線部側の方において負極の積層方向に拡がるように変形しやすくなる。その結果、電池セル内において上記セパレータの第1折返線部側と第2折返線部側とで電気化学反応の進み方が異なり、充放電サイクル容量維持率低下等、電池セルの劣化を引き起こしてしまうおそれがある。
【0005】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ジグザグ状に折り畳んでなるセパレータを有するラミネート型電池セルの劣化を防止することができる電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の目的を達成するために、本発明は、負極活物質の膨張によるセパレータの折畳方向の変形を規制できるよう収容体構造に工夫を凝らしたことを特徴とする。
【0007】
具体的には、1つのラミネート型電池セルか、或いは、複数のラミネート型電池セルを積層してなる被収容体を収容する収容体を備えた電池モジュールを対象とし、次のような対策を講じた。
【0008】
すなわち、第1の発明では、前記電池セルは、1枚の帯状体をジグザグ状に折り畳んでなるセパレータと、フィルム状又はシート状をなす複数の正極部材及び負極部材と、を備え、前記セパレータは、前記帯状体の一方の面側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第1折返線部と、前記帯状体の他方の面側を山折りして形成され且つ折畳方向に並ぶ複数の第2折返線部と、前記各第1折返線部と前記各第2折返線部とを境に前記帯状体において区画形成された折畳方向に複数重なる仕切板部とを備え、前記各正極部材は、前記帯状体の一方の面側において前記各仕切板部の間にそれぞれ挟み込まれ、前記各負極部材は、前記帯状体の他方の面側において前記各仕切板部の間にそれぞれ挟み込まれ、前記電池モジュールにおいて、それぞれ前記第1折返線部と前記第2折返線部との並設方向をX方向と、前記第1折返線部及び第2折返線部と平行に延びる方向をY方向と、前記セパレータの折畳方向をZ方向と、X方向一側を前記第1折返線部が位置する側と、X方向他側を前記第2折返線部が位置する側としたとき、前記収容体は、Z方向両側から前記被収容体を挟み込むよう形成された第1壁部及び第2壁部を備え、前記第1壁部における前記被収容体と対向する第1対向面と前記第2壁部における前記被収容体と対向する第2対向面との間において、前記X方向一側の距離をD1[m]と、前記X方向他側の距離をD2[m]としたとき、以下の式(1)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする。
D1>D2・・・(1)
【0009】
第2の発明では、第1の発明において、前記電池セルの充電率が所定以上である状態において、前記被収容体における前記X方向一側の前記Z方向の寸法をS1[m]と、前記X方向他側の前記Z方向の寸法をS2[m]としたとき、以下の式(2)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする。
D1―S1>D2―S2・・・(2)
【0010】
第3の発明では、第2の発明において、前記負極部材における前記X方向の寸法をS3[m]と、前記負極部材における前記Y方向の寸法をT3[m]と、前記負極部材の負極活物質の総量をWn[g]と、前記第1対向面の仮想延長面と前記第2対向面の仮想延長面とがなす傾斜角度をθ[radian]としたとき、以下の式(3)で示される関係が成り立つように構成されていることを特徴とする。
tanθ=(R×Wn)/(S3×T3)・・・(3)
ただし、式(3)中のR[m/g]は、R≧0.025を満たす。
【0011】
第4の発明では、第1から第3のいずれか1つの発明において、前記第1壁部及び前記第2壁部の少なくとも一方は、厚みが一定の壁本体と、該壁本体の内面に取り付けられ、前記X方向一側から前記X方向他側へと進むにつれて次第に厚みが増すスペーサとを備え、前記第1対向面及び前記第2対向面の少なくとも一方は、前記スペーサの前記壁本体とは反対側の面で構成されていることを特徴とする。
【0012】
第5の発明では、第1から第4のいずれか1つの発明において、前記被収容体は、複数の前記電池セルが積層してなり、前記各電池セルの間には、弾性体が介設されていることを特徴とする。
【0013】
第6の発明では、第1から第5のいずれか1つの発明において、前記負極部材を構成する負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素系活物質、ケイ素系活物質、スズ系活物質からなる群から選ばれる、少なくとも1つ以上の活物質を含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
第1の発明では、第1壁部と第2壁部との間隔は、X方向他側がX方向一側よりも狭い、つまり、X方向他側におけるZ方向の距離D2がX方向一側におけるZ方向の距離D1よりも短いので、電池セル内において負極活物質の膨張があっても、電池セルのX方向他側の部位におけるZ方向の変形がX方向一側の部位よりも規制されやすくなる。したがって、電池セルのX方向一側と他側とにおけるZ方向における偏った変形が抑制されるので、電池セル内における電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等、電池セルの劣化を防ぐことができる。
【0015】
第2の発明では、電池セルの高充電状態による負極活物質の膨張時において、電池セルにおけるX方向他側の部位がX方向一側の部位よりもZ方向に膨張しやすく、且つ、第1壁部と第2壁部との間隔におけるX方向他側がX方向一側よりも狭くなっているので、電池セルにおけるX方向他側の部位においてZ方向に圧縮させる力が、X方向一側の部位よりも大きくなる。したがって、電池セルの高充電状態において、負極活物質の膨張によって電池セルにおけるX方向他側の部位に偏って発生する変形を規制することができるようになり、電池セル内における電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等、電池セルの劣化を防ぐことができる。
【0016】
第3の発明では、電池セルに対する第1対向面及び第2対向面の傾斜の設定が負極活物質の総量によって異なる電池セルの充電時の負極活物質の膨張度合に対応する適切なものになる。したがって、電池セルの高充電状態における負極活物質の膨張時において、電池セルのX方向他側の部位を過剰にZ方向に圧縮させる力が作用して電池セルの信頼性が悪化することや、電池セルのX方向他側の部位に作用するZ方向に圧縮させる力が不足して当該X方向他側の部位に偏った変形が発生してしまうのを防止できる。
【0017】
第4の発明では、壁本体にスペーサを取り付けることにより、X方向一側とX方向他側とにおいて第1対向面と第2対向面との間の間隔、つまりZ方向の距離を簡単に変えることができるようになる。したがって、例えば、取り付けるスペーサの種類を変えることにより、第1対向面と第2対向面との間の間隔を細かく調整することができる。
【0018】
第5の発明では、各電池セルの負極活物質が膨張する際、各電池セル間に介設された弾性体が各負極活物質の変形に倣って変形して、各電池セル同士が直接的に接することが回避されるようになる。したがって、例えば、負極活物質の膨張によって隣り合う2つの電池セルが直接的に接してしまい、電池セルにおけるX方向他側の部位に局所的にZ方向に過剰な圧縮力が作用して当該電池セルの信頼性が悪化するといったことを防止できる。
【0019】
第6の発明では、炭素系活物質、ケイ素系活物質、スズ系活物質の少なくとも1つを負極活物質に用いた電池セルにおける電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等、電池セルの劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】本発明の実施形態1に係る電池モジュールの斜視図である。
図2図1のII-II線による断面図である。
図3】電池セル内における積層構造の分解斜視図である。
図4】収容フレームの断面構造を示す概念図である。
図5】(a)は、充電率0%における電池セルの状態を示す図であり、(b)は、充電率100%における電池セルの状態を示す図である。
図6】本発明の実施形態2に係る図1相当図である。
図7図6のVII-VII線による断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
【0022】
《発明の実施形態1》
図1及び図2は、本発明の実施形態1に係る電池モジュール1を示す。該電池モジュール1は、略平板状をなす1つのラミネート型の電池セル3と、電池セル3を収容する収容フレーム2(収容体)とを備えている。
【0023】
電池セル3は、1枚の帯状体をジグザグ状に折り畳んでなる所謂つづら折り型のセパレータ4と、矩形板状をなすフィルム材又はシート材からなるそれぞれ複数の正極部材5及び負極部材6と、平坦な袋状をなす外装体7とを備えている。
【0024】
セパレータ4は、図3に示すように、帯状体30の一方の面30a側を山折りして形成された複数の第1折返線部4aと、帯状体30の他方の面30b側を山折りして形成された複数の第2折返線部4bと、各第1折返線部4aと各第2折返線部4bとを境に帯状体30において区画形成された複数の仕切板部4cとを備え、各仕切板部4cが折畳方向に重なるとともに、当該仕切板部4cに隣接して各第1折返線部4a及び各第2折返線部4bがそれぞれ折畳方向に並んでいる。
【0025】
尚、以下では、便宜上、電池モジュール1において、第1折返線部4aと第2折返線部4bとの並設方向をX方向と、第1折返線部4a及び第2折返線部4bと平行に延びる方向をY方向と、セパレータ4の折畳方向をZ方向とそれぞれ定義するとともに、X方向一側を第1折返線部4aが位置する側と、X方向他側を第2折返線部4bが位置する側と、Y方向一側を正極タブ8aが位置する側と、Y方向他側を負極タブ8bが位置する側と、それぞれ定義する。
【0026】
正極部材5は、アルミニウム箔やアルミニウム合金箔等からなる略矩形板状をなす導電性の正極集電体の両面に正極活物質等の正極合剤層を積層したものであり、Y方向一端には、正極集電リード5aが接続されている。
【0027】
正極部材5は、帯状体30の一方の面30a側において隣り合う2つの仕切板部4cの間にそれぞれ挟み込まれている。
【0028】
正極部材5は、その全領域が隣り合う2つの仕切板部4cに覆われていて、正極集電リード5aは、X方向とZ方向との両方に直交するY方向一側に向かってセパレータ4から延出している。
【0029】
一方、負極部材6は、銅箔等からなる略矩形板状をなす導電性の負極集電体の両面に負極活物質等の負極合剤層を積層したものであり、Y方向他端には、負極集電リード6aが接続されている。なお、本実施形態では、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素系活物質、ケイ素系活物質、スズ系活物質からなる群から選ばれる少なくとも1つ以上を含んでいる。
【0030】
負極部材6は、帯状体30の他方の30b側において隣り合う2つの仕切板部4cの間にそれぞれ挟み込まれている。
【0031】
負極部材6は、その全領域が隣り合う2つの仕切板部4cに覆われていて、負極集電リード6aは、Y方向他側に向かってセパレータ4から延出している。
【0032】
外装体7は、図1及び図2に示すように、例えば、アルミニウム箔の両面に樹脂層を積層した一対の第1ラミネートフィルム7a及び第2ラミネートフィルム7bをその間に収容空間が形成されるように重ねて外周部分を互いに接合して形成されたものであり、収容空間には、セパレータ4、正極部材5及び負極部材6からなる電極積層体35が図示しない電解液とともに収容されている。
【0033】
外装体7のY方向一端には、各正極集電リード5aに繋がる正極タブ8aが収容空間から外装体7の外側に延出すように設けられ、外装体7のY方向他端には、各負極集電リード6aに繋がる負極タブ8bが収容空間から外装体7の外側に延出すように設けられている。
【0034】
収容フレーム2は、断面形状が略四角形をなす扁平な角筒形状をなしており、互いに対向する第1壁部2a及び第2壁部2bと、Y方向に帯状に延び且つ第1壁部2a及び第2壁部2bにおけるX方向他側縁部同士を繋ぐ第3壁部2cと、Y方向に帯状に延び且つ第1壁部2a及び第2壁部2bにおけるX方向一側縁部同士を繋ぐ第4壁部2dとを備え、第1壁部2a、第2壁部2b、第3壁部2c及び第4壁部2dは、連続する断面ロ字状をなしている。
【0035】
第1壁部2aと第2壁部2bとは、同形状で且つ互いに平行に延びているとともに、厚みが一定に設定されている。
【0036】
そして、収容フレーム2は、電池セル3を第1壁部2a及び第2壁部2bにより、Z方向両側から挟み込んだ状態で収容するようになっており、電池セル3の外装体7におけるX方向一側の端部は、第4壁部2dに当接するとともに、電池セル3の外装体7におけるX方向他側の端部は、第3壁部2cに当接するようになっている。
【0037】
また、第3壁部2cのY方向の寸法は、セパレータ4における各第2折返線部4bの全長よりも長く設定されていて、収容フレーム2が電池セル3を収容すると、第3壁部2cが各第2折返線部4bの延長方向、つまり、Y方向の全域に亘って連続して延びる姿勢となるようになっている。
【0038】
さらに、第1壁部2a及び第2壁部2bの内面には、第1スペーサ9及び第2スペーサ10がそれぞれ取り付けられている。
【0039】
第1スペーサ9は、第1面9aが第1壁部2aの内面に取り付けられているとともに、第1面9aの反対側の第2面9bが電池セル3の第1ラミネートフィルム7aに対向かつ当該第1ラミネートフィルム7aと直接的に接触するようになっている。なお、第2面9bが、特許請求の範囲における第1対向面に対応する。
【0040】
そして、第1スペーサ9は、X方向一側からX方向他側へと進むにつれて次第に厚みが増すようになっている。つまり、第2面9bがX方向他側にいくほど、第1ラミネートフィルム7a側に位置するようになっている。
【0041】
第2スペーサ10は、第3面10aが第2壁部2bの内面に取り付けられているとともに、第3面10aの反対側の第4面10bが電池セル3の第2ラミネートフィルム7bに対向かつ当該第2ラミネートフィルム7bと直接的に接触するようになっている。なお、第4面10bが、特許請求の範囲における第2対向面に対応する。
【0042】
そして、第2スペーサ10は、X方向一側からX方向他側へと進むにつれて次第に厚みが増すようになっている。つまり、第4面10bがX方向他側にいくほど、第2ラミネートフィルム7b側に位置するようになっている。
【0043】
すなわち、実施形態1に係る第1スペーサ9と第2スペーサ10との間の距離、つまり、Z方向の間隔は、図4に示すように、第2面9bと第4面10bとの間において、仕切板部4cのX方向一側におけるZ方向の距離をD1[m]と、仕切板部4cのX方向他側におけるZ方向の距離をD2[m]としたとき、以下の式(1)で示される関係が成り立つように構成されている。
D1>D2・・・(1)
【0044】
さらに、実施形態1に係る第1スペーサ9と第2スペーサ10との間のZ方向の距離及び電池セル3のZ方向の寸法は、電池セル3の充電率(SOC:State of Charge)が所定以上である状態(例えば、図5(b)参照)において、電池セル3におけるX方向一側のZ方向の寸法をS1[m]と、X方向他側のZ方向の寸法をS2[m]としたとき、以下の式(2)で示される関係が成り立つように構成されている。
D1―S1>D2―S2・・・(2)
【0045】
また、実施形態1に係る第1スペーサ9の第2面9bと第2スペーサ10の第4面10bとがなす角度は、図4に示すように、負極部材6におけるX方向の寸法をS3[m](図3を参照)と、負極部材6におけるY方向の寸法をT3[m]と、負極部材6の負極活物質の総量をWn[g]と、第2面9bの仮想延長面9cと第4面10bの仮想延長面10cとがなす傾斜角度をθ[radian]としたとき、以下の式(3)で示される関係が成り立つように構成されている。
tanθ=(R×Wn)/(S3×T3)・・・(3)
ただし、式(3)中のR[m/g]は、R≧0.025を満たす。
【0046】
つまり、実施形態1に係る第1スペーサ9及び第2スペーサ10は、上記式(1)~(3)で示される関係が全て成り立つように構成されている。
【0047】
次に、充電率に応じた電池セル3のZ方向の寸法変化について、図5を用いて詳述する。図5において、(a)は電池セル3の充電率が0%の状態を示しており、(b)は電池セル3の充電率が100%の状態を示している。
【0048】
図5(a)に示すように、電池セル3の充電率が低いときは、正極部材5の正極活物質が膨張している。このとき、ジグザグ状に折り畳まれたセパレータ4の構造、つまり、セパレータ4における正極部材5が収容される空間のX方向他側は閉じられている一方、X方向一側が開口している構造に起因して、X方向一側の部位がX方向他側よりもZ方向に正極活物質が膨張しやすくなっている。そのため、電池セル3の充電率が低いときは、電池セル3におけるX方向一側の部位の厚み方向、つまり、Z方向の寸法S1が、X方向他側の部位のZ方向の寸法S2よりも大きくなっている。
【0049】
その後、電池セル3の正極タブ8a及び負極タブ8bを電源(図示せず)に接続し、電池セル3の充電を行うと、正極部材5の正極活物質から放出されたリチウムイオンが負極部材6の負極活物質に吸蔵されることにより電池セル3の負極部材6が膨張し始める。その際、ジグザグ状に折り畳まれたセパレータ4の構造、つまり、セパレータ4における負極部材6が収容される空間のX方向一側は閉じられている一方、X方向他側が開口している構造に起因してX方向他側がX方向一側よりもZ方向に負極活物質が膨張しやすくなっている。そのため、図5(b)に示すように、電池セル3の充電率が高いときは、電池セル3におけるX方向他側の部位のZ方向の寸法S2が、X方向一側の部位のZ方向の寸法S1よりも大きくなる。その結果、電池セル3内において負極部材6のX方向一側の部位とX方向他側の部位とで電気化学反応の進み方が異なるようになり、電池セル3の充放電サイクル容量維持率低下等、電池セル3の劣化を引き起こすようになる。なお、図5(a)(b)に示すように、電池セル3の充電率に応じて、正極部材5の正極活物質、或いは、負極部材6の負極活物質が膨張するが、負極活物質は、その膨張度合が正極活物質よりも大きいことから、正極活物質が膨張する場合に比べて電池セル3内の化学反応の進み方に偏りが生じやすく、電池セル3の劣化が引き起こされやすい。
【0050】
これに対して、本発明の実施形態1に係る電池モジュール1によれば、第1壁部2aと第2壁部2bとの間隔は、X方向他側がX方向一側よりも狭い、つまり、X方向他側におけるZ方向の距離D2がX方向一側におけるZ方向の距離D1よりも短いので、図5(b)に示すように、電池セル3の充電に伴って電池セル3内において負極活物質が膨張しても、電池セル3のX方向他側の部位におけるZ方向の変形がX方向一側の部位よりも規制されやすくなる。したがって、電池セル3のX方向一側と他側とにおけるZ方向における偏った変形が抑制されるので、電池セル3内における電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等、電池セル3の劣化を防ぐことができる。
【0051】
また、電池セル3の高充電状態による負極活物質の膨張時において、電池セル3におけるX方向他側の部位がX方向一側の部位よりもZ方向に膨張しやすく、且つ、第1壁部2aと第2壁部2bとの間隔におけるX方向他側がX方向一側よりも狭くなっているので、電池セル3におけるX方向他側の部位においてZ方向に圧縮させる力が、X方向一側の部位よりも大きくなる。したがって、電池セル3の高充電状態において、負極活物質の膨張によって電池セル3におけるX方向他側の部位に偏って発生する変形を規制することができるようになり、電池セル3内における電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等、電池セル3の劣化を防ぐことができる。
【0052】
また、電池セル3に対する第2面9b及び第4面10bの傾斜の設定が負極活物質の総量によって異なる電池セル3の充電時の負極活物質の膨張度合に対応する適切なものになる。したがって、電池セル3の高充電状態における負極活物質の膨張時において、電池セル3のX方向他側の部位を過剰にZ方向に圧縮させる力が作用して電池セル3の信頼性が悪化することや、電池セル3のX方向他側の部位に作用するZ方向に圧縮させる力が不足して当該X方向他側の部位に偏った変形が発生してしまうのを防止できる。
【0053】
また、第1壁部2a及び第2壁部2bの壁本体に第1スペーサ9及び第2スペーサ10をそれぞれ取り付けることにより、X方向一側とX方向他側とにおいて第2面9bと第4面10bとの間の間隔、つまり、Z方向の距離を簡単に変えることができるようになる。したがって、例えば、取り付ける第1スペーサ9及び第2スペーサ10の種類を変えることにより、第2面9bと第4面10bとの間の間隔を細かく調整することができる。
【0054】
そして、炭素系活物質、ケイ素系活物質、スズ系活物質の少なくとも1つを負極活物質に用いた電池セル3における電気化学反応を均一にして充放電サイクル容量維持率低下等の電池セル3の劣化を防ぐことができる。
【0055】
《発明の実施形態2》
図6及び図7は、本発明の実施形態2の電池モジュール11を示す。実施形態2では、第1電池セル13及び第2電池セル23がZ方向に積層されている点、及び、Z方向における第1電池セル13と第2電池セル23との間には、弾性体32(例えば、ゴムなど)が介設されている点が実施形態1と異なる。
【0056】
第1電池セル13は、第3折返線部14a及び第4折返線部14bを備える第1セパレータ14と、第1正極部材15と、第1負極部材16と、一対の第3ラミネートフィルム17a及び第4ラミネートフィルム17bを有する第1外装体17と、第1正極タブ18aと、及び第2負極タブ18bとを備えている。また、第2電池セル23は、第5折返線部24a及び第6折返線部24bを備える第2セパレータ24、第2正極部材25と、第2負極部材26と、一対の第5ラミネートフィルム27a及び第6ラミネートフィルム27bを有する第2外装体27と、第2正極タブ28aと、及び第2負極極タブ28bとを備えている。実施形態2における第1電池セル13及び第2電池セル23の詳細構造は、実施形態1の電池セル3と同様のため詳細な説明は省略する。なお、実施形態2における第3折返線部14a及び第5折返線部24aは、特許請求の範囲における第1折返線部に対応し、第4折返線部14b及び第6折返線部24bは、特許請求の範囲における第2折返線部に対応する。
【0057】
収容フレーム12は、第1壁部12aと、第2壁部12bと、第3壁部12cと、及び、第4壁部12dにより構成されるとともに、第1電池セル13及び第2電池セル23を収容している。当該収容フレーム12の詳細構造は、第1壁部12aと第2壁部12bとの間隔、つまり、Z方向の距離が第1電池セル13、第2電池セル23及び弾性体32に対応するようになっている以外は実施形態1と同様のため詳細な説明は省略する。
【0058】
第3スペーサ19は、一方の第5面19aが収容フレーム12の第1壁部12aの内面に取り付けられているとともに、他方の第6面19bが第3ラミネートフィルム17aに対向かつ当該第3ラミネートフィルム17aと直接的に接触するようになっている。当該第3スペーサ19の詳細構造は、実施形態1の第1スペーサ9と同様のため詳細な説明は省略する。
【0059】
第4スペーサ20は、一方の第7面20aが収容フレーム12の第2壁部12bの内面に取り付けられているとともに、他方の第8面20bが第6ラミネートフィルム27bに対向かつ当該第6ラミネートフィルム27bと直接的に接触するようになっている。当該第4スペーサ20の詳細構造は、実施形態1の第2スペーサ10と同様のため詳細な説明は省略する。
【0060】
また、実施形態2における第3スペーサ19及び第4スペーサ20は、実施形態1における第1スペーサ9及び第2スペーサ10と同様に上述した式(1)~(3)の関係が全て成り立つように構成されている。つまり、第3スペーサ19と第4スペーサ20との間の距離、つまり、Z方向の間隔は、第6面19bと第8面20bとの間において、X方向一側の距離をD1[m]と、X方向他側の距離をD2[m]としたとき、以下の式(1)で示される関係が成り立つように構成されている。
D1>D2・・・(1)
【0061】
さらに、第3スペーサ19と第4スペーサ20との間のZ方向の距離及び被収容体(第1電池セル13及び第2電池セル23)のZ方向の寸法は、被収容体(第1電池セル13及び第2電池セル23)の充電率(SOC:State of Charge)が所定以上である状態(図5(b)参照)において、被収容体(第1電池セル13及び第2電池セル23)におけるX方向一側のZ方向の寸法をS1[m]と、X方向他側のZ方向の寸法をS2[m]としたとき、以下の式(2)で示される関係が成り立つように構成されている。
D1―S1>D2―S2・・・(2)
【0062】
また、第3スペーサ19の第6面19bと第4スペーサ20の第8面20bとがなす角度は、第1負極部材16及び第2負極部材26におけるX方向の寸法をS3[m]と、第1負極部材16及び第2負極部材26におけるY方向の寸法をT3[m]と、負極部材6の負極活物質の総量をWn[g]と、第6面19bの仮想延長面(図示せず)と第8面20bの仮想延長面(図示せず)とがなす傾斜角度をθ[radian]としたとき、以下の式(3)で示される関係が成り立つように構成されている。
tanθ=(R×Wn)/(S3×T3)・・・(3)
ただし、式(3)中のR[m/g]は、R≧0.025を満たす。
【0063】
実施形態2によると、第1電池セル13及び第2電池セル23の第1負極部材16及び第2負極部材26の負極活物質が膨張する際、各電池セル13、23間に介設された弾性体32が各負極部材16、26の負極活物質の変形に倣って変形して、各電池セル13、23同士が直接的に接することが回避されるようになる。したがって、例えば、負極活物質の膨張によって隣り合う第1電池セル13及び第2電池セル23が直接的に接してしまい、第1電池セル13及び第2電池セル23におけるX方向他側の部位に局所的にZ方向に過剰な圧縮力が作用して当該第1電池セル13及び第2電池セル23の信頼性が悪化するといったことを防止できる。
【0064】
また、実施形態1では、第1壁部2a及び第2壁部2bの各内面に第1スペーサ9及び第2スペーサ10がそれぞれ取り付けられていたが、いずれか一方のスペーサのみ取り付けるようにしてもよく、第1スペーサ9及び第2スペーサ10を取り付けなくてもよい。例えば、第1壁部2aに第1スペーサ9が取り付けられるとともに、第2壁部2bに第2スペーサ10が取り付けられていない場合は、第2面9bが特許請求の範囲における第1対向面、第2壁部2bの内面が特許請求の範囲における第2対向面をそれぞれ構成するようになる。さらに、第1壁部2a及び第2壁部2bに第1スペーサ9及び第2スペーサ10が取り付けられていない場合は、当該第1壁部2a及び第2壁部2bの各内面が、特許請求の範囲における第1対向面、第2対向面をそれぞれ構成するようになる。
【0065】
また、実施形態1では、第1スペーサ9及び第2スペーサ10は、X方向一側からX方向他側へと進むにつれて次第に厚みが増す、つまり、Z方向の寸法が増すように構成されていたが、X方向他側の部位がX方向一側の部位よりもZ方向の寸法が大きくなっていればよい。
【0066】
また、実施形態1では、電池セル3は、2つの正極部材5、3つの負極部材6で構成されていたが、正極部材、負極部材の数はこれに限らない。
【0067】
また、実施形態2では、電池モジュール11は、2つの電池セルを積層するようにしていたが、3つ以上の電池セルを積層するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0068】
本発明は、1つのラミネート型電池セルか、或いは、複数のラミネート型電池セルを積層してなる被収容体を収容する収容体を備えた電池モジュールに適している。
【符号の説明】
【0069】
1、11 電池モジュール
2、12 収容フレーム(収容体)
2a、12a 第1壁部
2b、12b 第2壁部
3 電池セル(ラミネート型電池セル、被収容体)
4 セパレータ
4a 第1折返線部
4b 第2折返線部
4c 仕切板部
5 正極部材
6 負極部材
9 第1スペーサ(スペーサ)
9b 第2面(第1対向面)
9c 第2面(第1対向面)の仮想延長面
10 第2スペーサ(スペーサ)
10b 第4面(第2対向面)
10c 第4面(第2対向面)の仮想延長面
13 第1電池セル(ラミネート型電池セル、被収容体)
14 第1セパレータ
14a 第3折返線部(第1折返線部)
14b 第4折返線部(第2折返線部)
15 第1正極部材
16 第1負極部材
19 第3スペーサ(スペーサ)
19b 第6面(第1対向面)
20 第4スペーサ(スペーサ)
20b 第8面(第2対向面)
23 第2電池セル(ラミネート型電池セル、被収容体)
24 第2セパレータ
24a 第5折返線部(第1折返線部)
24b 第6折返線部(第2折返線部)
25 第2正極部材
26 第2負極部材
30 帯状体
32 弾性体
D1 第2面と第4面との間におけるX方向一側の距離
D2 第2面と第4面との間におけるX方向他側の距離
S1 電池セルにおけるX方向一側のZ方向の寸法
S2 電池セルにおけるX方向他側のZ方向の寸法
S3 負極部材におけるX方向の寸法
T3 負極部材におけるY方向の寸法
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7