特開 2024-39203 電池モジュール

(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】P2024039203

(43)【公開日】2024-03-22

(54)【発明の名称】電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/291 20210101AFI20240314BHJP

   H01M 50/209 20210101ALI20240314BHJP

【ＦＩ】

H01M50/291

H01M50/209

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022143575

(22)【出願日】2022-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 聖

【テーマコード（参考）】

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H040AA00

5H040AS07

5H040AT02

5H040DD01

5H040NN01

5H040NN03

(57)【要約】

【課題】電池抵抗上昇の抑制と金属析出の抑制とを両立し得る電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュールは、第１の方向に並ぶように配列された複数の電池セルと、複数の電池セルの間に設けられたセパレータ部材とを備える。電池セルは、電極体と、電極体を収納する筐体と、第１の方向に直交する第２の方向に並ぶように筐体上に設けられた２つの電極端子とを含む。セパレータ部材は、本体と、本体から第１の方向に沿って突出する凸部とを含む。凸部の本体からの突出高さは、０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であり、第１の方向および第２の方向に直交する第３の方向において、凸部の先端の寸法は、筐体の寸法の７．７パーセント以上３０．８パーセント以下である。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に並ぶように配列された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの間に設けられたセパレータ部材とを備え、
前記電池セルは、電極体と、前記電極体を収納する筐体と、前記第１の方向に直交する第２の方向に並ぶように前記筐体上に設けられた２つの電極端子とを含み、
前記セパレータ部材は、本体と、前記本体から前記第１の方向に沿って突出する凸部とを含み、
前記凸部の前記本体からの突出高さは、０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であり、
前記第１の方向および前記第２の方向に直交する第３の方向において、前記凸部の先端の寸法は、前記筐体の寸法の７．７パーセント以上３０．８パーセント以下である、電池モジュール。

【請求項2】

前記第３の方向において、前記凸部の先端の寸法は、前記筐体の寸法の７．７パーセント以上１５．４パーセント以下である、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記凸部は、前記第３の方向における前記筐体の中心を含む領域に形成される、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項4】

前記凸部は、前記第２の方向に延びるように帯状に形成される、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記電極体は前記第２の方向および前記第３の方向のいずれから見ても平坦な外面を有する平坦部を有し、
前記凸部は、前記第１の方向から見て、少なくとも前記平坦部と重なる位置に設けられる、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記凸部は、前記第２の方向において少なくとも前記平坦部の全体にわたって形成されている、請求項５に記載の電池モジュール。

【請求項7】

前記凸部は、前記本体側から先端に向かって前記第３の方向の寸法がテーパ状に減少する形状を有する、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項8】

前記第１の方向における前記本体の厚み寸法は、前記凸部の突出高さよりも大きい、請求項１または請求項２に記載の電池モジュール。

【請求項9】

前記厚み寸法は０．２５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、請求項８に記載の電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１８－０６０７５５号公報（特許文献１）には、電極端子を上方に向けて電池セルを配置したときに、電池の側壁の下側の領域に掛かる面圧が、上側の領域に掛かる面圧よりも小さくなるように、スペーサ（セパレータ）に設けられると通部の高さを調整することにより、電池抵抗の上昇を抑制することが開示されている。

【0003】

特開２０１７－０９８１０７号公報（特許文献２）には、電極巻回体の上下両端部を押圧するセパレータのリブ（凸部）のばね定数を低く、電極巻回体の中央部を押圧するリブ（凸部）のばね定数を高く設定することにより、電極巻回体における金属析出を抑制することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－０６０７５５号公報

【特許文献2】特開２０１７－０９８１０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１および特許文献２においては、電池抵抗の上昇の抑制、および金属析出の抑制という別個の課題を個別に解決するための凸部の形状ないしばね定数の調整についての開示がなされている。しかし、これらの技術を単純に組み合わせても、２つの課題を同時に解決することはできない。

【0006】

本技術の目的は、電池容量ないし抵抗に関する性能向上と金属析出の抑制とを両立し得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】

【0007】

本技術は、以下の電池モジュールを提供する。

【0008】

［１］第１の方向に並ぶように配列された複数の電池セルと、複数の電池セルの間に設けられたセパレータ部材とを備え、電池セルは、電極体と、電極体を収納する筐体と、第１の方向に直交する第２の方向に並ぶように筐体上に設けられた２つの電極端子とを含み、セパレータ部材は、本体と、本体から第１の方向に沿って突出する凸部とを含み、凸部の本体からの突出高さは、０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であり、第１の方向および第２の方向に直交する第３の方向において、凸部の先端の寸法は、筐体の寸法の７．７パーセント以上３０．８パーセント以下である、電池モジュール。

【0009】

［２］第３の方向において、凸部の先端の寸法は、筐体の寸法の７．７パーセント以上１５．４パーセント以下である、［１］に記載の電池モジュール。

【0010】

［３］凸部は、第３の方向における筐体の中心を含む領域に形成される、［１］または［２］に記載の電池モジュール。

【0011】

［４］凸部は、第２の方向に延びるように帯状に形成される、［１］から［３］のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【0012】

［５］電極体は第２の方向および第３の方向のいずれから見ても平坦な外面を有する平坦部を有し、凸部は、第１の方向から見て、少なくとも平坦部と重なる位置に設けられる、［１］から［４］のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【0013】

［６］凸部は、第２の方向において少なくとも平坦部の全体にわたって形成されている、［５］に記載の電池モジュール。

【0014】

［７］凸部は、本体側から先端に向かって第３の方向の寸法がテーパ状に減少する形状を有する、［１］から［６］のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【0015】

［８］第１の方向における本体の厚み寸法は、凸部の突出高さよりも大きい、［１］から［７］のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【0016】

［９］厚み寸法は０．２５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、［８］に記載の電池モジュール。

【発明の効果】

【0017】

本技術によれば、セパレータの本体から突出する凸部の突出高さおよび先端の寸法（幅）を所定の範囲内とすることにより、電極体において電解液をバランスよく保持するとともに、金属析出を効果的に抑制することができる。この結果、電池容量ないし抵抗に関する性能向上と金属析出の抑制とがを両立し得る電池モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】電池モジュールの基本的構成を示す図である。

【図2】電池セルを示す斜視図である。

【図3】電池セルおよびセパレータをＹ軸方向から見た状態を示す図である。

【図4】電池セルおよびセパレータをＸ軸方向から見た状態を示す図である。

【図5】本実施の形態に係るセパレータを用いた拘束実験の様子をＸ軸方向から見た状態を示す図である。

【図6】比較例に係るセパレータを用いた拘束実験の様子をＸ軸方向から見た状態を示す図である。

【図7】拘束部材による拘束寸法の算出について説明するためのグラフである。

【図8】電極体を示す断面図である。

【図9】電池セルの分解斜視図である。

【図10】性能評価を行うためのハイレートサイクルの条件を示すチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

【0020】

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

【0021】

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

【0022】

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

【0023】

本明細書において、「電池」は、典型的にはリチウムイオン電池であるが、本技術の思想は、ニッケル水素電池およびナトリウムイオン電池などの他の電池にも適用し得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。また、「電極板」は正極板および負極板を総称し得る。

【0024】

本明細書において、「電池セル」は、ハイブリッド車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）などに搭載可能である。ただし、「電池セル」の用途は、車載用に限定されるものではない。

【0025】

図１は、電池モジュール１の基本的構成を示す図である。図１に示すように、電池モジュール１は、電池セル１００と、エンドプレート２００と、拘束部材３００とを備える。

【0026】

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向（第１の方向）に並ぶように設けられる。これにより、電池セル１００の積層体が形成される。電池セル１００は、電極端子１１０を含む。複数の電池セル１００の間には、図示しないセパレータが介装されている。２つのエンドプレート２００に挟持された複数の電池セル１００は、エンドプレート２００によって押圧され、２つのエンドプレート２００の間で拘束されている。

【0027】

エンドプレート２００は、Ｙ軸方向において電池モジュール１の両端に配置されている。エンドプレート２００は、電池モジュール１を収納するケースなどの基台に固定される。拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに接続する。

【0028】

複数の電池セル１００およびエンドプレート２００の積層体に対してＹ軸方向の圧縮力を作用させた状態で拘束部材３００をエンドプレート２００に固定し、その後に圧縮力を解放することにより、２つのエンドプレート２００を接続する拘束部材３００に引張力が働く。その反作用として、拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００を互いに近づける方向に押圧する。

【0029】

図２は、電池セル１００を示す斜視図である。図２に示すように、電池セル１００は、角型形状を有する。電池セル１００は、電極端子１１０と、筐体１２０（外装缶）とを有する。すなわち、電池セル１００は角型二次電池セルである。

【0030】

電極端子１１０は、筐体１２０上に形成されている。電極端子１１０は、Ｙ軸方向（第１の方向）に直交するＸ軸方向（第２の方向）に沿って並ぶ正極端子１１１および負極端子１１２を有する。正極端子１１１および負極端子１１２は、Ｘ軸方向において、互いに離れて設けられている。

【0031】

筐体１２０は、直方体形状を有し、電池セル１００の外観をなす。筐体１２０は、図示しない電極体および電解液を収容するケース本体１２０Ａと、ケース本体１２０Ａの開口を封止する封口板１２０Ｂとを含む。封口板１２０Ｂは、溶接によりケース本体１２０Ａに接合される。

【0032】

筐体１２０は、上面１２１と、下面１２２と、第１側面１２３と、第２側面１２４と、２つの第３側面１２５とを有する。筐体１２０には、ガス排出弁１２６が設けられている。

【0033】

上面１２１は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に直交するＺ軸方向（第３の方向）に直交する平面である。上面１２１には、電極端子１１０が配置されている。下面１２２は、Ｚ軸方向に沿って上面１２１に対向している。

【0034】

第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に直交する平面からなる。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、筐体１２０が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、矩形形状を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、Ｘ軸方向が長手方向となり、Ｚ軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。

【0035】

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向に隣り合う電池セル１００，１００の間において、第１側面１２３どうし、第２側面１２４どうしが向かい合わせとなるように積層されている。これにより、複数の電池セル１００が積層されるＹ軸方向において、正極端子１１１と負極端子１１２とが、交互に並んでいる。

【0036】

ガス排出弁１２６は、上面１２１に設けられている。ガス排出弁１２６は、電池セル１００の温度が上昇し（熱暴走）、筐体１２０の内部で発生したガスにより筐体１２０の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを筐体１２０の外部に排出する。

【0037】

図３，図４は、各々、電池セル１００およびセパレータ４００（セパレータ部材）をＹ軸方向、Ｘ軸方向から見た状態を示す図である。

【0038】

図３，図４に示すように、セパレータ４００は、本体４１０と、本体からＹ軸方向に沿って突出する凸部４２０部とを含む。

【0039】

凸部４２０の本体からの突出高さ（Ｔ）は、０．０５ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下程度である。凸部４２０の先端の幅（Ｗ）は、ケース本体１２０Ａの高さ（Ｈ）の７．７パーセント以上３０．８パーセント以下程度（より好ましくは、７．７パーセント以上１５．４パーセント以下程度）である。

【0040】

図３，図４の例では、凸部４２０は、Ｚ軸方向におけるケース本体１２０Ａの中心付近に形成されているが、凸部４２０の設置高さは、図３，図４に示す位置に限定されない。

【0041】

図３，図４の例では、凸部４２０は、Ｘ軸方向に延びるように帯状に形成されているが、凸部の形状は、図３，図４に示す位置に限定されない。

【0042】

帯状の凸部４２０のＸ軸方向の長さ（Ｌ）は適宜変更可能である。図３，図４の例では、凸部４２０は、Ｙ軸方向から見て、後述の電極体１３０の平坦部１３０Ａと重なる位置に設けられている。また、凸部４２０は、Ｘ軸方向において平坦部１３０Ａの略全体にわたって形成されていることが好ましい。

【0043】

凸部４２０の断面形状は、適宜変更可能である。図３，図４の例では、凸部４２０の根元（本体４１０側）から先端に向かって凸部４２０の幅（Ｗ）が一定であるが、たとえば、本体４１０側から先端に向かって凸部４２０の幅（Ｗ）がテーパ状に減少する形状であってもよい。

【0044】

凸部４２０は本体４１０と一体に形成されてもよいし、別部材により形成されてもよい。たとえば、樹脂板からなる本体４１０に樹脂テープを貼り付けることにより凸部４２０を形成してもよい。このとき、本体４１０を構成する樹脂板の厚みは凸部４２０の突出高さより大きくてもよいし、小さくてもよいし、略同じであってもよい。典型的な一例において、本体４１０の厚みは凸部４２０の突出高さ（Ｔ）よりも大きい。

【0045】

図５，図６は、各々、本実施の形態に係るセパレータ４００、セパレータ４００Ａを用いた拘束実験の様子をＸ軸方向から見た状態を示す図である。

【0046】

図５の例では、一対の拘束板５００に本体４１０と凸部４２０とを含むセパレータ４００を各々設置し、凸部４２０を電池セル１００のケース本体１２０Ａに当接させ、ケース本体１２０Ａを押圧する。

【0047】

本体４１０としては、たとえば０．２５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下程度の厚み寸法を有する樹脂板を使用可能である。凸部４２０としては、たとえばＰＰ基材を含む両面テープを使用可能である。

【0048】

図６の例では、一対の拘束板５００に凸部のないセパレータ４００Ａを各々設置し、接着層４００Ｂを介して電池セル１００のケース本体１２０Ａを押圧する。

【0049】

図７は、電池セル１００の拘束寸法の算出について説明するためのグラフである。図５，図６による拘束実験により、複数の異なる拘束寸法で拘束したときの反力を測定し（図７中の「実測値」）、近似直線に基づいて、所定の反力Ｆ１（たとえば３００Ｎ）となる狙い拘束寸法Ｄ１を算出する。この狙い拘束寸法Ｄ１に基づいて、後述のハイレートサイクル試験およびリチウム析出評価試験が行われる。

【0050】

図８は、電極体１３０を示す断面図である。図８に示すように、電極体１３０は、正極板１３１Ａと、負極板１３１Ｂと、セパレータ１３３（１３３Ａ，１３３３Ｂ）とを重ねたものをＸ軸まわりに巻回して形成される。電極体１３０の内部には、電界液が浸透している。電極体１３０は、Ｘ軸方向から見て平坦な外面を有する平坦部１３０Ａと、Ｒ形状の外面を有する湾曲部１３０Ｂとを有する。平坦部１３０Ａは、Ｚ軸方向の中央部に位置し、湾曲部１３０Ｂは、Ｚ軸方向の両端部に位置している。

【0051】

図９は、電池セル１００の分解斜視図である。図９に示すように、電池セル１００の筐体１２０は、角形のケース本体１２０Ａと、封口板１２０Ｂとを有する。

【0052】

ケース本体１２０Ａの内部には、電極体１３０とともに図示しない電解液が収容される。電極体１３０は、Ｘ軸方向に並ぶように正極１３１および負極１３２を有する。電極体１３０のＸ軸方向の両端部に位置する正極１３１および負極１３２においては、電極板がＹ軸方向の中心に集まるように集箔されている。正極１３１および負極１３２の間に位置する平坦部１３０Ａは、Ｚ軸方向から見ても平坦な外面を有している。

【0053】

封口板１２０Ｂは、ケース本体１２０Ａの開口部を封口する。封口板１２０Ｂの上面には、電極端子１１０（正極端子１１１および負極端子１１２）がＸ軸方向に間隔をあけて設けられている。封口板１２０Ｂの下面には、集電体１４０が設けられる。集電体１４０は、正極側の集電体１４１および負極側の集電体１４２を含む。正極側の集電体１４１は、正極端子１１１に電気的に接続される。負極側の集電体１４２は、負極端子１１２に電気的に接続される。

【0054】

さらに、正極側の集電体１４１は、電極体１３０の正極１３１に接続され、負極側の集電体１４２は、電極体１３０の負極１３２に接続される。これにより、電極体１３０の正極１３１および負極１３２と、正極端子１１１および負極端子１１２とが電気的に接続される。

【0055】

図１０は、性能評価を行うためのハイレートサイクルを示すチャートである。このハイレートサイクルの条件を表１に示す。

【0056】

【表1】

【0057】

図１０に示されるハイレートサイクルを表１に示す条件の下で実施し、電池セル１００の容量維持率と抵抗上昇率を測定した。ハイレートサイクル試験については、凸部の寸法を変えながら、各寸法ごとにｎ＝２ずつ試験を実施した。電池セル１００の容量および抵抗については、以下の条件で取得した。

【0058】

［容量（ＣＣＣＶ放電容量充放電条件）
２５℃恒温槽内で測定（電池ケース底面温度は２５±２℃以内）
（１）ＣＣ－ＣＶ充電（４Ａ／４．１Ｖ）×２ｈ
（２）休止×３０ｍｉｎ
（３）ＣＣ－ＣＶ放電（２Ａ／３Ｖ）×３ｈ

【0059】

［出力抵抗］
２５℃恒温槽内で測定（電池ケース底面温度は２５±２℃以内）
３．７０６Ｖに調整後、１３０Ａで１０ｓｅｃ放電した時の抵抗を算出

【0060】

［取得のタイミング］
（１）初期
（２）９０００サイクル直後
（３）サイクル後５日放置後

【0061】

また、リチウム析出評価試験については、ハイレートサイクル試験と同様に凸部の寸法を変えながら、各寸法ごとにｎ＝１ずつ試験を実施した。

【0062】

上述のハイレートサイクル試験およびリチウム析出評価試験により取得された性能評価結果を表２に示す。ここで、電池セル１００のケース本体１２０Ａの高さ（Ｈ）は６５．０ｍｍである。したがって、Ｗ＝５ｍｍのときＷ／Ｈ≒０．０７７であり、Ｗ＝１０ｍｍのときＷ／Ｈ≒０．１５４であり、Ｗ＝２０ｍｍのときＷ／Ｈ≒０．３０７である。

【0063】

【表2】

【0064】

表２に示す結果によれば、実施例１ないし実施例３において、析出限界電流を維持しながら、高い容量維持率ないし低い抵抗上昇率が実現されている。

【0065】

特に、実施例２（Ｗ＝５ｍｍ，Ｔ＝０．１０ｍｍ）においては、「凸部なし」の比較例２と同等の析出限界電流（１２０Ａ）を維持しながら、最も高い容量維持率ないし低い抵抗上昇率を実現しており、電解液を巻回体である電極体１３０内に留める空間を適度に設けることにより、充放電サイクル中における電解液の電極体１３０からの出入りを抑制し、電極体１３０における塩濃度分布が均一化され、充放電サイクル後の抵抗上昇率が特に低い値に抑制されていると理解される。

【0066】

このように、本実施の形態に係るセパレータ４００によれば、本体４１０から突出する凸部４２０の突出高さ（Ｔ）および先端の幅（Ｗ）を所定の範囲（０．０５ｍｍ≦Ｔ≦０．１０ｍｍ，０．０７７Ｈ≦Ｗ≦０．３０８Ｈ）とすることにより、電極体１３０において電解液をバランスよく保持するとともに、リチウムなどの金属析出を効果的に抑制することができる。この結果、電池容量ないし抵抗に関するハイレート性能向上と金属析出の抑制とを両立した電池モジュール１を提供することが可能となる。

【0067】

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0068】

１ 電池モジュール、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、１２０Ａ ケース本体、１２０Ｂ 封口板、１２１ 上面、１２２ 下面、１２３ 第１側面、１２４ 第２側面、１２５ 第３側面、１２６ ガス排出弁、１３０ 電極体、１３０Ａ 平坦部、１３０Ｂ 湾曲部、１３１ 正極、１３１Ａ 正極板、１３２ 負極、１３２Ａ 負極板、１３３，１３３Ａ，１３３Ｂ セパレータ、１４０，１４１，１４２ 集電体、２００ エンドプレート、３００ 拘束部材、４００，４００Ａ セパレータ、４００Ｂ 接着層、４１０ 本体、４２０ 凸部、５００ 拘束板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】