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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-04
(45)【発行日】2022-04-12
(54)【発明の名称】積層電池モジュール
(51)【国際特許分類】
H01M 10/052 20100101AFI20220405BHJP
H01M 10/0562 20100101ALI20220405BHJP
H01M 10/0587 20100101ALI20220405BHJP
H01M 50/20 20210101ALI20220405BHJP
【ＦＩ】
H01M10/052
H01M10/0562
H01M10/0587
H01M50/20
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2017075300
(22)【出願日】2017-04-05
(65)【公開番号】P2018181465
(43)【公開日】2018-11-15
【審査請求日】2018-09-21
【審判番号】
【審判請求日】2020-08-06
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000142115
【氏名又は名称】株式会社協豊製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100133835
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 努
(74)【代理人】
【識別番号】100208225
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 修二郎
(72)【発明者】
【氏名】北浦 誠之
(72)【発明者】
【氏名】藤嶋 正剛
(72)【発明者】
【氏名】磯谷 幸宏
(72)【発明者】
【氏名】小寺 将徳
【合議体】
【審判長】粟野 正明
【審判官】祢屋 健太郎
【審判官】平塚 政宏
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－３９０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－７２０３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－９１９１６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
H01M10/052
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む電池積層体、前記積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む拘束部材、並びに
前記積層体中で隣接する２つの前記単位電池の間、及び／又は前記電池積層体の端部と前記一対のエンドプレートのうちの１枚との間に位置する弾性部材と
を含む積層電池モジュールであって、
前記弾性部材が、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成され、かつ－３０℃における最低拘束荷重は、１ＭＰａ以上である、
積層電池モジュール。
【請求項2】
前記電池積層体が充電率１５％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以上である、請求項１に記載の積層電池モジュール。
【請求項3】
前記電池積層体が充電率９０％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以下である、請求項１又は２に記載の積層電池モジュール。
【請求項4】
前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が１００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の７５％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
【請求項5】
前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の６５％以下である、請求項４に記載の積層電池モジュール。
【請求項6】
前記弾性部材の８０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
【請求項7】
前記弾性部材が、ポリエステルエラストマーで構成される、請求項１～６のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
【請求項8】
前記電池積層体が、複数のラミネート電池を含む電池積層体であり、且つこれらのラミネート電池のそれぞれは、前記単位電池１個以上が外装体内に封入されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層電池モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
電池単位を１個以上含む電池積層体を、金属プレート等の拘束部材により挟み込み、所定の荷重で拘束した積層電池モジュールが知られている。
【0003】
このような積層電池モジュールにおける電池積層体は、例えば、充放電、温度変化等に伴って体積が膨張及び収縮する。このような電池積層体の膨張及び収縮による拘束部材の破損を防止する等の目的で、例えば、電池積層体と金属プレートとの間に弾性部材を介在させることがある。
【0004】
例えば特許文献１には、
所定の方向に沿って積層された複数の電池セル（単位電池）を含む積層体と、
前記所定の方向における前記積層体の一端及び他端のそれぞれに配置された一対のエンドプレートを含み、前記エンドプレート同士を互いに締結することにより前記所定の方向に沿って前記電池セルに拘束荷重を付加する拘束部材と、
前記電池セルと共に前記拘束部材により前記拘束荷重が付加され、前記電池セルの膨張に伴って圧縮される弾性部材と、
前記弾性部材が圧縮されたときに前記弾性部材の一部を陥入させて逃す空間部を含む逃がし機構と、
を備える電池モジュールが記載されている。
所定の方向に沿って積層された複数の電池セル（単位電池）を含む積層体と、
前記所定の方向における前記積層体の一端及び他端のそれぞれに配置された一対のエンドプレートを含み、前記エンドプレート同士を互いに締結することにより前記所定の方向に沿って前記電池セルに拘束荷重を付加する拘束部材と、
前記電池セルと共に前記拘束部材により前記拘束荷重が付加され、前記電池セルの膨張に伴って圧縮される弾性部材と、
前記弾性部材が圧縮されたときに前記弾性部材の一部を陥入させて逃す空間部を含む逃がし機構と、
を備える電池モジュールが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１６－９１９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
電池積層体の膨張及び収縮は、充放電に伴う体積変化、及び温度に伴う体積変化の双方に起因する。拘束部材は、電池積層体が最も収縮した、低温且つ低充電率の状態において最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、電池積層体が最も膨張した、高温且つ高充電率の状態における荷重に耐えるように設計する必要がある。
【0007】
従来技術の積層電池モジュールにおいて、上記の要請を充足するためには、拘束部材を大型化する必要がある。特に、特許文献１の具体的な実施態様によると、拘束部材としてエンドプレートの他にミドルプレートを要するため、拘束部材の大型化の程度は著しい。
【0008】
本発明は、従来技術における上記の事情に鑑みてなされた。従って、本発明の目的は、拘束部材を大型化することなく、低温且つ低充電率の電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、高温且つ高充電率の電池積層体の荷重に耐え得る、積層電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、以下のとおりである。
【0010】
［１］ 負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む電池積層体、
前記積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む拘束部材、並びに
前記一対のエンドプレート間に位置する弾性部材と
を含む積層電池モジュールであって、
前記弾性部材が、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される、
前記積層電池モジュール。
［２］ 前記電池積層体が充電率１５％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以上である、［１］に記載の積層電池モジュール。
［３］ 前記電池積層体が充電率９０％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以下である、［１］又は［２］に記載の積層電池モジュール。
［４］ 前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が１００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の７５％以下である、［１］～［３］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［５］ 前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の６５％以下である、［４］に記載の積層電池モジュール。
［６］ 前記弾性部材の８０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以下である、［１］～［５］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［７］ 前記弾性部材が、ポリエステルエラストマーで構成される、［１］～［６］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［８］ 前記電池積層体が、複数のラミネート電池を含む電池積層体であり、且つこれらのラミネート電池のそれぞれは、前記単位電池１個以上が外装体内に封入されている、
［１］～［７］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
前記積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む拘束部材、並びに
前記一対のエンドプレート間に位置する弾性部材と
を含む積層電池モジュールであって、
前記弾性部材が、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される、
前記積層電池モジュール。
［２］ 前記電池積層体が充電率１５％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以上である、［１］に記載の積層電池モジュール。
［３］ 前記電池積層体が充電率９０％のときに、８０℃における拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重以下である、［１］又は［２］に記載の積層電池モジュール。
［４］ 前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が１００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の７５％以下である、［１］～［３］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［５］ 前記弾性部材の－３０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の６５％以下である、［４］に記載の積層電池モジュール。
［６］ 前記弾性部材の８０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以下である、［１］～［５］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［７］ 前記弾性部材が、ポリエステルエラストマーで構成される、［１］～［６］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
［８］ 前記電池積層体が、複数のラミネート電池を含む電池積層体であり、且つこれらのラミネート電池のそれぞれは、前記単位電池１個以上が外装体内に封入されている、
［１］～［７］のいずれか一項に記載の積層電池モジュール。
【発明の効果】
【0011】
本発明によると、拘束部材を大型化することなく、低温且つ低充電率の電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、高温且つ高充電率の電池積層体の荷重に耐え得る、積層電池モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
＜積層電池モジュール＞
本発明の積層電池モジュールは、
負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む電池積層体、
電池積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む拘束部材、並びに
一対のエンドプレート間に位置する弾性部材と
を含み、
弾性部材が、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される、
積層電池モジュールである。
本発明の積層電池モジュールは、
負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む電池積層体、
電池積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む拘束部材、並びに
一対のエンドプレート間に位置する弾性部材と
を含み、
弾性部材が、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される、
積層電池モジュールである。
【0014】
本発明の積層電池モジュールにおいて、
電池積層体の充電率が１５％のときに、８０℃における拘束荷重は、－３０℃における拘束荷重以上であってよく、
電池積層体の充電率が９０％のときに、８０℃における拘束荷重は、－３０℃における拘束荷重以下であってよい。
電池積層体の充電率が１５％のときに、８０℃における拘束荷重は、－３０℃における拘束荷重以上であってよく、
電池積層体の充電率が９０％のときに、８０℃における拘束荷重は、－３０℃における拘束荷重以下であってよい。
【0015】
本明細書中で、以下、充電率１５％のときの電池積層体の拘束荷重を「最低拘束荷重」といい、充電率９０％のときの電池積層体の拘束荷重を「最大拘束荷重」という。最低拘束荷重は、充電率１５％、１０％、５％、又は０％のときの電池積層体の拘束荷重であってよい。最大拘束荷重は、充電率９０％、９５％、又は１００％のときの電池積層体の拘束荷重であってよい。また、－３０℃から８０℃の温度範囲とは、本明細書が積層電池モジュールの使用環境として想定する温度範囲である。
【0016】
８０℃における電池積層体の最低拘束荷重を、－３０℃における最低拘束荷重以上とすることにより、通常想定される使用範囲において電池積層体が最も縮小した場合であっても、電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができる。－３０℃における最低拘束荷重は、例えば、１ＭＰａ以上、２ＭＰａ以上、４ＭＰａ以上、６ＭＰａ以上、８ＭＰａ以上、１０ＭＰａ以上、１２ＭＰａ以上、又は１５ＭＰａ以上であってよい。
【0017】
一方で、８０℃における電池積層体の最大拘束荷重を、－３０℃における最大拘束荷重以下とすることにより、通常想定される使用範囲において電池積層体が最も膨張した場合の最大拘束荷重が抑制されるから、拘束部材を過度に大型化しなくても、電池積層体の拘束荷重に耐えることができる。８０℃における最大拘束荷重は、例えば、１００ＭＰａ以下、７５ＭＰａ以下、５０ＭＰａ以下、４０ＭＰａ以下、３０ＭＰａ以下、又は２５ＭＰａ以下であってよい。
【0018】
従来知られている積層電池モジュールは、例えば、８０℃における電池積層体の最低拘束荷重を－３０℃における最低拘束荷重以上に設定すると、８０℃における電池積層体の最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重を超えることとなっていた。そうすると、電池積層体が最も縮小したときに最低限必要な拘束荷重を与えることは可能であるが、電池積層体が最も膨張したときの拘束荷重の抑制ができないから、拘束部材の大型化を要する。
【0019】
従来知られている積層電池モジュールは、一方で、例えば、８０℃における電池積層体の最大拘束荷重を－３０℃における最大拘束荷重以下に設定すると、８０℃における電池積層体の最低拘束荷重が－３０℃における最低拘束荷重未満となっていた。そうすると、電池積層体が最も膨張したときの拘束荷重は抑制されるから、拘束部材を大型化する必要はないが、電池積層体が最も縮小したときに、最低限必要な拘束荷重を与えることができず、電池性能の低下を招いていた。
【0020】
８０℃における電池積層体の最低拘束荷重が－３０℃における最低拘束荷重以上であり、且つ８０℃における電池積層体の最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重以下である積層電池モジュールは、従来知られていない。
【0021】
本発明の積層電池モジュールは、上記の要件を同時に満たしてよい。従って、本発明の積層電池モジュールは、拘束部材を大型化することなく、低温且つ低充電率の電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、高温且つ高充電率の電池積層体の荷重に耐え得るものであってよい。
【0022】
以下、本発明の積層電池モジュールを構成する各部について、好ましい実施形態（以下、「本実施形態」という。）を例として説明する。しかし本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【0023】
＜電池積層体＞
本実施形態の積層電池モジュールにおける電池積層体は、負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む。
本実施形態の積層電池モジュールにおける電池積層体は、負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む。
【0024】
電池積層体において、隣接する単位電池は、負極集電体層若しくは正極集電体層又はこれらの双方を共有する構成であってよい。電池積層体は、例えば、負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層の積層順で、正極集電体層を共有して表裏が逆転する２種類の単位電池を有していてもよい。
【0025】
電池積層体は、全固体電池積層体であってよい。
【0026】
電池積層体は、複数のラミネート電池を含む電池積層体であってよい。ラミネート電池のそれぞれは、単位電池１個以上が外装体内に封入されていてよい。外装体は、例えばアルミニウムラミネートフィルム等から構成されていてよい。
【0027】
＜拘束部材＞
本実施形態の積層電池モジュールにおける拘束部材は、電池積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む。
本実施形態の積層電池モジュールにおける拘束部材は、電池積層体の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを互いに締結するテンション保持部材とを含む。
【0028】
エンドプレートは、例えば、矩形平板状であってよい。エンドプレートの矩形の大きさは、電気積層体の面方向の面積よりも大きくてよい。
【0029】
エンドプレートは、少なくとも電池積層体と接する領域には、貫通孔又は凹没部を有さないことが好ましい。エンドプレートがこのような形状を有することにより、例えば－３０℃以上８０℃以下の広い温度範囲において、電池積層体に対して後述の弾性部材の弾性を有効に作用させることができる。これにより、低温且つ低充電率の電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、高温且つ高充電率の電池積層体の荷重に耐え得ることとなり、好ましい。
【0030】
また、エンドプレートが少なくとも電池積層体と接する領域に貫通孔又は凹没部を有さないことにより、電池積層体に均等な拘束荷重を加えるための別の部材、例えばミドルプレートを配置する必要がない。これにより、拘束部材の大型化を回避することができ、好ましい。
【0031】
テンション保持部材は、例えば、長尺のボルトと、このボルトに螺合可能なナットとから構成されてよい。
【0032】
ボルトは、例えば、エンドプレートの外延部分においてエンドプレートに挿通されてよい。そして、挿通されたボルトの両端に対し、エンドプレートの外側からナットを螺合することにより、電池積層体に拘束荷重を加えてよい。
【0033】
＜弾性部材＞
弾性部材は、－３０℃から８０℃まで温度上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される。本明細書において、弾性係数とは、ＪＩＳ Ｋ７１８１に準拠して、後述の実施例における条件下で測定した圧縮弾性係数を意味する。
弾性部材は、－３０℃から８０℃まで温度上昇に伴って弾性係数が低下する材料から構成される。本明細書において、弾性係数とは、ＪＩＳ Ｋ７１８１に準拠して、後述の実施例における条件下で測定した圧縮弾性係数を意味する。
【0034】
弾性部材が、上記のような温度依存性の弾性係数を示す材料から構成されることにより、８０℃における電池積層体の最低拘束荷重を、－３０℃における電池積層体の最低拘束荷重以上に設定することができる。
【0035】
上記の効果を有効に発現する観点から、弾性部材を構成する材料の８０℃における弾性係数は、－３０℃における弾性係数の７５％以下又は６５％以下であってよい。
【0036】
更に、積層電池モジュールのサイズの増大を抑制しつつ、環境温度及び充電状態によらずに電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えるために、弾性部材を構成する材料の－３０℃における弾性係数は、例えば、１００ＭＰａ以上、１５０ＭＰａ以上、２００ＭＰａ以上、又は２５０ＭＰａ以上であってよい。同様の理由から、弾性部材を構成する材料の８０℃における弾性係数は、例えば、２５ＭＰａ以上、５０ＭＰａ以上、７５ＭＰａ以上、又は１００ＭＰａ以上であってよい。
【0037】
一方で、環境温度及び充電状態によらずに電池積層体に過度の拘束荷重が印加されないように、弾性部材を構成する材料の８０℃における弾性係数は、２００ＭＰａ以下、１８０ＭＰａ以下、又は１５０ＭＰａ以下であってよい。同様の理由から、弾性部材を構成する材料の－３０℃における弾性係数は、例えば、１，０００ＭＰａ以下、９００ＭＰａ以下、８００ＭＰａ以下、７００ＭＰａ以下、又は６００ＭＰａ以上であってよい。
【0038】
弾性部材を構成する材料は、好ましくは例えば、
－３０℃における弾性係数が１００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の７５％以下であってよく、又は
－３０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の６５％以下であってよい。
－３０℃における弾性係数が１００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の７５％以下であってよく、又は
－３０℃における弾性係数が２００ＭＰａ以上であり、且つ８０℃における弾性係数が－３０℃における弾性係数の６５％以下であってよい。
【0039】
弾性部材の弾性係数は、具体的には例えば、電池積層体のサイズ、膨張収縮の程度、弾性部材の厚さ等に応じて、適宜に設定されてよい。－３０℃において特定の弾性係数を示す材料が、８０℃においてどのような範囲の弾性係数を示せば、本実施形態における弾性部材として好適であるかは、例えば、以下の考察によって知ることができる。
【0040】
例えば、特定の構成を有する放電状態の電池積層体、及び特定の厚さを有する弾性部材から成る積層体が、拘束部材によって拘束されて、－３０℃において最低限必要な拘束荷重が印加されている積層電池モジュールを想定する。このときの弾性部材の、－３０℃における弾性係数は、具体的な数値を想定する。そして、積層体の温度を放電状態のまま－３０℃から８０℃まで上昇させた場合の拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重と等しくなるような、弾性部材の弾性係数を求める。この値を、この積層電池モジュールに使用される弾性部材について、－３０℃における弾性係数を上記の特定の値としたときの８０℃における弾性係数の好適な下限値としてよい。
【0041】
次に、上記の積層電池モジュールについて、－３０℃において充電状態としたときの積層体の拘束荷重を求める。そして、この積層体の温度を充電状態のまま－３０℃から８０℃まで上昇させた場合の拘束荷重が、－３０℃における拘束荷重と等しくなるような、弾性部材の弾性係数を求める。この値を、この積層電池モジュールに使用される弾性部材について、－３０℃における弾性係数を上記の特定の値としたときの８０℃における弾性係数の好適な上限値としてよい。
【0042】
－３０℃の弾性係数としての特定の値を少しずつ変化させながら、以上の計算を繰り返して行うことにより、特定の積層電池モジュールにおける特定厚さの弾性部材について、－３０℃における弾性係数と、８０℃における弾性係数との関係、即ち、－３０℃における弾性係数に対する８０℃における弾性係数の範囲（上限及び下限）を知ることができる。
【0043】
弾性部材は、例えば、ウレタン、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、ポリエステルエラストマー等から、－３０℃から８０℃まで温度の上昇に伴って弾性係数が低下する材料のうち、８０℃における電池積層体の最低拘束荷重を－３０℃における最低拘束荷重以上とすることができる材料から選択されてよく、更に、８０℃における電池積層体の最大拘束荷重を－３０℃における最大拘束荷重以下とすることができる材料から選択されてよい。特に好ましくはポリエステルエラストマーである。ポリエステルエラストマーは、例えば、ハードセグメント（例えば結晶相）とソフトセグメント（例えば非晶相）とを有していてよい。このようなポリエステルエラストマーの市販品としては、例えば、東レ・デュポン（株）製の品名「ハイトレル」等を例示できる。
【0044】
弾性部材は、気泡を内包しない中実体であってよい。
【0045】
弾性部材は、例えば、矩形平板状であってよい。弾性部材の矩形の大きさは、電気積層体の面方向の面積と同等であってよく、又はこれよりも大きくてよい。
【0046】
弾性部材は、一対のエンドプレート間に位置する。
【0047】
弾性部材は、例えば、電池積層体の中間位置、即ち例えば、電池積層体中で隣接する２つの単位電池の間に配置してもよく、電池積層体の端部とエンドプレートのうちの１枚との間に配置してもよい。更に、これらのうちの複数の箇所に、分割して配置してもよい。
【0048】
図１に、本実施形態の積層電池モジュールの一例の構造を示した。
【0049】
図１の積層電池モジュールは、
複数のラミネート電池１１を含む電池積層体１５、
電池積層体１５の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレート２１と、一対のエンドプレート２１を互いに締結するテンション保持部材２２とを含む拘束部材２０、及び
エンドプレート２１のうちの１つと電池積層体１５の積層方向両端部との間に位置する弾性部材３０と
を含む。
複数のラミネート電池１１を含む電池積層体１５、
電池積層体１５の積層方向両端部に位置する一対のエンドプレート２１と、一対のエンドプレート２１を互いに締結するテンション保持部材２２とを含む拘束部材２０、及び
エンドプレート２１のうちの１つと電池積層体１５の積層方向両端部との間に位置する弾性部材３０と
を含む。
【0050】
＜電池積層体における各層の構成材料＞
本実施形態の積層電池モジュールにおける電池積層体は、上記のとおり、負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む。これらの電池積層体を構成する各層は、それぞれ、公知の材料から構成されていてよい。以下に、電池積層体を構成する各層の構成材料についての非限定的な例を挙げる。
本実施形態の積層電池モジュールにおける電池積層体は、上記のとおり、負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電体層をこの順に有する単位電池を１個以上含む。これらの電池積層体を構成する各層は、それぞれ、公知の材料から構成されていてよい。以下に、電池積層体を構成する各層の構成材料についての非限定的な例を挙げる。
【0051】
［負極集電体層］
負極集電体層は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ等から成る箔であってよい。
負極集電体層は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ等から成る箔であってよい。
【0052】
［負極活物質層］
負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、固体電解質、バインダー、導電材等を更に含有してよい。
負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、固体電解質、バインダー、導電材等を更に含有してよい。
【0053】
負極活物質層における負極活物質は、例えば、グラファイト、シリコン等の公知の負極活物質を適宜用いることができる。
【0054】
負極活物質層における固体電解質としては、硫化物系固体電解質を好適に使用することができ、具体的には例えば、Ｌｉ２ＳとＰ２Ｓ５との混合物（混合質量比Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０～１００：０、特に好ましくはＬｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７０：３０）を挙げることができる。
【0055】
負極活物質層におけるバインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）に代表されるフッ素原子含有樹脂等を使用することができる。
【0056】
負極活物質層における導電材としては、カーボンナノファイバー（例えば昭和電工（株）製のＶＧＣＦ等）、アセチレンブラック等の公知の導電材を挙げることができる。
【0057】
［固体電解質層］
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含み、好ましくは更にバインダーを含有してよい。
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含み、好ましくは更にバインダーを含有してよい。
【0058】
固体電解質層における固体電解質としては、負極活物質層に使用できるものとして上述した材料を用いることができる。
【0059】
固体電解質層におけるバインダーとしてはブタジエンゴム（ＢＲ）が好適である。
【0060】
［正極活物質層］
正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、更に、固体電解質、バインダー、導電材等を含有してよい。
正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、更に、固体電解質、バインダー、導電材等を含有してよい。
【0061】
正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム、三元系リチウム酸化物等の公知の正極活物質を適宜用いることができる。
【0062】
正極活物質層における固体電解質、バインダー及び導電材としては、それぞれ、負極活物質層に使用できるものとして上述した材料を適宜用いることができる。
【0063】
［正極集電体層］
正極集電体層を構成する材料としては、例えば、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ等から成る箔を使用することができる。
正極集電体層を構成する材料としては、例えば、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ等から成る箔を使用することができる。
【実施例】
【0064】
以下の実施例及び比較例において、各部材の弾性係数は、ＪＩＳ Ｋ７１８１に準拠して、以下の条件にて測定した圧縮弾性係数である。
サンプル形状及びサイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの矩形板状
測定荷重範囲：０ＭＰa～２５ＭＰa
試験速度：０．０６ｍｍ／分
サンプル形状及びサイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの矩形板状
測定荷重範囲：０ＭＰa～２５ＭＰa
試験速度：０．０６ｍｍ／分
【0065】
＜実施例１＞
正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層をこの順で有する全固体単位電池の複数を積層し、外装体内に封入して得られた、厚み８．５４ｍｍのラミネート電池を４８個準備した。ラミネート電池の弾性係数、及びラミネート電池における各層の構成は以下のとおりである。
正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層をこの順で有する全固体単位電池の複数を積層し、外装体内に封入して得られた、厚み８．５４ｍｍのラミネート電池を４８個準備した。ラミネート電池の弾性係数、及びラミネート電池における各層の構成は以下のとおりである。
【0066】
［弾性係数］
充電率１５％時
－３０℃：１，７９０ＭＰａ
８０℃：２，３３０ＭＰａ
充電率９０％時
－３０℃：１，７９０ＭＰａ
８０℃：２，５００ＭＰａ
充電率１５％時
－３０℃：１，７９０ＭＰａ
８０℃：２，３３０ＭＰａ
充電率９０％時
－３０℃：１，７９０ＭＰａ
８０℃：２，５００ＭＰａ
【0067】
［各層の構成］
正極集電体層：Ａｌ箔
正極活物質層：三元系Ｌｉ酸化物、固体電解質、及び導電助剤としての気相法炭素繊維を含む
固体電解質層：Ｌｉ、Ｐ、及びＳを含む
負極活物質層：炭素材料及び固体電解質を含む
負極集電体層：Ｃｕ箔
正極集電体層：Ａｌ箔
正極活物質層：三元系Ｌｉ酸化物、固体電解質、及び導電助剤としての気相法炭素繊維を含む
固体電解質層：Ｌｉ、Ｐ、及びＳを含む
負極活物質層：炭素材料及び固体電解質を含む
負極集電体層：Ｃｕ箔
【0068】
厚み４０ｍｍの矩形板状の弾性部材を準備した。この弾性部材の材質としては、東レ・デュポン社製のポリエステルエラストマー「ハイトレル５５５７」を使用した。「ハイトレル５５５７」の弾性係数は、以下のとおりである。
－４０℃：３３２ＭＰａ
－３０℃：２９４ＭＰａ
－２０℃：２５５ＭＰａ
０℃：２０７ＭＰａ
２３℃：１８１ＭＰａ
８０℃：１１８ＭＰａ
１２０℃：８７ＭＰａ
－４０℃：３３２ＭＰａ
－３０℃：２９４ＭＰａ
－２０℃：２５５ＭＰａ
０℃：２０７ＭＰａ
２３℃：１８１ＭＰａ
８０℃：１１８ＭＰａ
１２０℃：８７ＭＰａ
【0069】
上記のラミネート電池及び弾性部材、並びにテンション保持部材を用いて図１に示した構造の実施例用積層電池モジュール１００を作製した。即ち、ラミネート電池１１を４８個積層して電池積層体１５とし、その積層方向端部に弾性部材３０を配置して得られた積層体を、２枚のエンドプレート２１で挟んだ。これら２枚のエンドプレート２１を、２本のテンション保持部材２２のボルト連結によって積層体を挟んだ状態で固定して拘束部材２０とし、充電率が６０％のとき、２５℃において２０．０ＭＰａの初期拘束荷重を印加した。得られた積層電池モジュール１００における、弾性部材３０とラミネート電池１１との接触面積は１５，９００ｍｍ２であった。エンドプレート２１及びテンション保持部材２２の材質は、それぞれ以下のとおりである。
エンドプレート：機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ、厚み２０ｍｍ
テンション保持部材：耐食Ａｌ合金Ａ６０６１、直径９ｍｍ
エンドプレート：機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ、厚み２０ｍｍ
テンション保持部材：耐食Ａｌ合金Ａ６０６１、直径９ｍｍ
【0070】
上記で作製した積層電池モジュール１００について、温度－３０℃～８０℃、及び充電率１５％～９０％の範囲におけるモジュール全長及び拘束荷重の値を計算により求めた。これらの温度範囲及び充電率の範囲は、電池の通常の使用範囲を想定したものである。結果を図２に示した。
【0071】
図２の四角形において、左下の点が－３０℃及び充電率１５％のとき、左上の点が－３０℃及び充電率９０％のとき、右下の点が８０℃及び充電率１５％のとき、並びに右上の点が８０℃及び充電率９０％のときを示す。図２に示されたように、この積層電池モジュール１００では、８０℃における最低拘束荷重が－３０℃における最低拘束荷重よりも大きく、且つ、８０℃における最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重よりも小さかった。
【0072】
＜比較例１＞
弾性部材を使用しなかった他は実施例１と同様にして、図３に示した構造の比較例用積層電池モジュール１１０を作製した。図３の積層電池モジュール１１０は、ラミネート電池１１を４８個積層して得られた電池積層体１５を、２枚のエンドプレート２１で挟み、これら２枚のエンドプレート２１を、２本のテンション保持部材２２のボルト連結によって連結して拘束部材２０とし、この拘束部材２０で電池積層体１５を挟んだものである。
弾性部材を使用しなかった他は実施例１と同様にして、図３に示した構造の比較例用積層電池モジュール１１０を作製した。図３の積層電池モジュール１１０は、ラミネート電池１１を４８個積層して得られた電池積層体１５を、２枚のエンドプレート２１で挟み、これら２枚のエンドプレート２１を、２本のテンション保持部材２２のボルト連結によって連結して拘束部材２０とし、この拘束部材２０で電池積層体１５を挟んだものである。
【0073】
初期拘束荷重は、充電率が６０％、２５℃において、２４．０ＭＰａとした。
【0074】
上記で作製した積層電池モジュール１１０について、温度－３０℃～８０℃、及び充電率１５％～９０％の範囲におけるモジュール全長及び拘束荷重の値を計算により求めた。結果を図４に示した。
【0075】
図４に示されたように、この積層電池モジュール１１０では、８０℃における最低拘束荷重が－３０℃における最低拘束荷重よりも大きかったが、８０℃における最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重よりも大きかった。
【0076】
＜実施例及び比較例の検討＞
図４に示した比較例１の積層電池モジュールでは、８０℃における最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重よりも有意に大きく、この条件下で拘束部材に印加される荷重が過度に大きいことが分かった。
図４に示した比較例１の積層電池モジュールでは、８０℃における最大拘束荷重が－３０℃における最大拘束荷重よりも有意に大きく、この条件下で拘束部材に印加される荷重が過度に大きいことが分かった。
【0077】
これに対して、図２に示した実施例１の積層電池モジュールでは、低温且つ低充電率の電池積層体に最低限必要な拘束荷重を与えることができるとともに、高温且つ高充電率のときの電池積層体の荷重が抑制されているから、大型の拘束部材を使用する必要なしに実用に供することができ、電池の小型化が可能であることが検証された。
【0078】
＜参考例＞
図５～図７に、実施例１で使用した電池積層体について、弾性部材の厚さを変更した場合の、８０℃における弾性係数と－３０℃における弾性係数との好ましい関係の範囲をシミュレートした結果示すグラフを示した。図５が弾性部材の厚さ３０ｍｍの場合、図６が４０ｍｍの場合、及び図７が５０ｍｍの場合である。図５～７において、２つの実線で挟まれた領域が、－３０℃における弾性係数と８０℃における弾性係数との関係の好ましい範囲を示している。当業者は、これらの図を参照して、８０℃における弾性係数及び－３０℃における弾性係数を適宜に設定し、弾性部材を構成する材料を選択することができる。
図５～図７に、実施例１で使用した電池積層体について、弾性部材の厚さを変更した場合の、８０℃における弾性係数と－３０℃における弾性係数との好ましい関係の範囲をシミュレートした結果示すグラフを示した。図５が弾性部材の厚さ３０ｍｍの場合、図６が４０ｍｍの場合、及び図７が５０ｍｍの場合である。図５～７において、２つの実線で挟まれた領域が、－３０℃における弾性係数と８０℃における弾性係数との関係の好ましい範囲を示している。当業者は、これらの図を参照して、８０℃における弾性係数及び－３０℃における弾性係数を適宜に設定し、弾性部材を構成する材料を選択することができる。
【0079】
なお、弾性部材が複数の箇所に分割して配置されているとき、図５～７における弾性部材の厚さは、分割配置された複数の弾性部材の厚さの合計値と考えてよい。
【符号の説明】
【0080】
１１ ラミネート電池
１５ 全固体電池積層体
２０ 拘束部材
２１ エンドプレート
２２ テンション保持部材
３０ 弾性部材
１００ 積層電池モジュール
１１０ 比較例１における積層電池モジュール
１５ 全固体電池積層体
２０ 拘束部材
２１ エンドプレート
２２ テンション保持部材
３０ 弾性部材
１００ 積層電池モジュール
１１０ 比較例１における積層電池モジュール
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】