特許 7478126 電池モジュールおよびその製造方法

(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】2024-04-23

(45)【発行日】2024-05-02

(54)【発明の名称】電池モジュールおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/289 20210101AFI20240424BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20240424BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20240424BHJP

   H01M 50/264 20210101ALI20240424BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20240424BHJP

   H01M 50/209 20210101ALN20240424BHJP

【ＦＩ】

H01M50/289

H01M50/262 Z

H01M50/291

H01M50/264

H01M50/262 E

H01M50/293

H01M50/209

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021187287

(22)【出願日】2021-11-17

(65)【公開番号】P2023074361

(43)【公開日】2023-05-29

【審査請求日】2022-11-21

(73)【特許権者】

【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】小村 哲司

【審査官】小川 進

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１５８９５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１５２２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４４８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１６５５９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／２０９

Ｈ０１Ｍ ５０／２６２－５０／２９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に配列された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルと同数設けられ、前記第１の方向に沿って前記複数の電池セルと各々隣接する複数の第１セパレータ層と、
互いに隣接する前記複数の電池セルの間のうち１箇所にのみ設けられ、前記第１セパレータ層よりも前記第１の方向に沿って変形しにくい第２セパレータ層と、
前記複数の電池セル、前記第１セパレータ層および前記第２セパレータ層の積層体の両端に設けられる２つのエンドプレートと、
前記２つのエンドプレートを前記第１の方向において互いに近づけるように押圧する拘束部材とを備えた、電池モジュール。

【請求項2】

前記第１セパレータ層は第１の弾性率を有し、前記第２セパレータ層は前記第１の弾性率よりも高い第２の弾性率を有する、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記第１の方向に対して各々直交する第２の方向または第３の方向からみて、前記第１セパレータ層および前記第２セパレータ層は、互いに異なる断面形状を有する、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4】

前記第１セパレータ層の内部に空隙が形成された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【請求項5】

前記第２セパレータ層は、前記第１の方向に沿った前記電池モジュールの端部から離間した位置に設けられる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【請求項6】

前記第２セパレータ層と前記電池セルとの間の接着力は、前記第１セパレータ層と前記電池セルとの間との接着力よりも小さい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池モジュール。

【請求項7】

複数の電池セルおよびエンドプレートを第１セパレータ層を介装しながら第１の方向に各々積層して第１積層体および第２積層体を形成する工程と、
前記第１積層体および前記第２積層体の前記第１の方向に沿う長さを各々計測する工程と、
各々が前記第１セパレータ層よりも変形しにくい、互いに厚みが異なる複数種の絶縁部材を準備する工程と、
前記第１積層体および前記第２積層体の前記第１の方向に沿う長さの合計と、予め定められた所定の値との差分に基づいて、前記複数種の絶縁部材の中から第２セパレータ層を選択して前記第１セパレータ層および前記第２セパレータ層の厚みの合計を調整する工程と、
選択された前記第２セパレータ層を前記第１積層体および前記第２積層体の間に介装する工程と、
前記複数の電池セルおよび前記エンドプレートならびに前記第１セパレータ層および前記第２セパレータ層を拘束部材で前記第１の方向に拘束する工程とを備えた、電池モジュールの製造方法。

【請求項8】

前記第１セパレータ層は第１の弾性率を有し、前記第２セパレータ層は前記第１の弾性率よりも高い第２の弾性率を有する、請求項７に記載の電池モジュールの製造方法。

【請求項9】

前記第１の方向に対して各々直交する第２の方向または第３の方向からみて、前記第１セパレータ層および前記第２セパレータ層は、互いに異なる断面形状を有する、請求項７または請求項８に記載の電池モジュールの製造方法。

【請求項10】

前記第１セパレータ層の内部に空隙が形成された、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の電池モジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電池モジュールおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２００９－２０００５１号公報（特許文献１）には、電池の積層体の積層方向長さに応じて長さ調整手段を設けることにより、組電池の拘束圧が規定圧力となるように拘束工程を行うことが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－２０００５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電池セルの特性を安定させるために、拘束圧を適切に調整することが求められる。他方、特許文献１に記載の組電池においては、長さ調整手段を設けることにより、組電池の積層方向長さが増大する。この結果、組電池の小型化が阻害される。

【0005】

本技術の目的は、小型化かつセル特性の安定が図られた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】

本技術に係る電池モジュールは、第１の方向に配列された複数の電池セルと、複数の電池セルと同数設けられ、第１の方向に沿って複数の電池セルと各々隣接する複数の第１セパレータ層と、互いに隣接する複数の電池セルの間のうち１箇所にのみ設けられ、第１セパレータ層よりも第１の方向に沿って変形しにくい第２セパレータ層とを備える。

【0007】

本技術に係る電池モジュールの製造方法は、複数の電池セルおよびエンドプレートを第１セパレータ層を介装しながら第１の方向に各々積層して第１積層体および第２積層体を形成する工程と、第１積層体および第２積層体の第１の方向に沿う長さを各々計測する工程と、各々が第１セパレータ層よりも変形しにくい、互いに厚みが異なる複数種の絶縁部材を準備する工程と、第１積層体および第２積層体の第１の方向に沿う長さの合計と、予め定められた所定の値との差分に基づいて、複数種の絶縁部材の中から第２セパレータ層を選択する工程と、選択された第２セパレータ層を第１積層体および第２積層体の間に介装する工程と、複数の電池セルおよびエンドプレートならびに第１セパレータ層および第２セパレータ層を拘束部材で第１の方向に拘束する工程とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本技術に係る電池モジュールによれば、比較的変形しやすい第１セパレータ層を電池セルの同数設けることにより、電池セルの積層数によらず、セル特性を安定させることができる。

【0009】

本技術に係る電池モジュールの製造方法によれば、第１積層体および第２積層体の長さの合計と予め定められた所定の値との差分に基づいて第２セパレータ層の厚みを調整する（複数種の絶縁部材から第２セパレータ層を選択する）ことにより、セパレータ層の厚みの増大を抑制しながら部品交差を吸収することができる。この結果、電池モジュールの小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電池モジュールの基本的構成を示す図である。

【図2】図１に示す電池モジュールにおける電池セルおよびエンドプレートを示す図である。

【図3】図１に示す電池モジュールにおける電池セルを示す図である。

【図4】電池モジュールにおけるセパレータの配置を示す図である。

【図5】電池モジュールの製造方法における第１の工程を示す図である。

【図6】電池モジュールの製造方法における第２の工程を示す図である。

【図7】一例に係る第１セパレータ層を示す側面図である。

【図8】一例に係る第２セパレータ層を示す側面図（その１）である。

【図9】一例に係る第２セパレータ層を示す側面図（その２）である。

【図10】一例に係る第１セパレータ層の断面図（その１）である。

【図11】一例に係る第１セパレータ層の断面図（その２）である。

【図12】一例に係る第２セパレータ層の表面状態を説明するための図（その１）である。

【図13】一例に係る第２セパレータ層の表面状態を説明するための図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。本明細書において、「電極」は正極および負極を総称し得る。

【0016】

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２は、電池モジュール１に含まれる電池セル１００とエンドプレート２００とを示す図である。図３は、電池モジュール１における電池セル１００を示す図である。

【0017】

図１，図２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。

【0018】

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向（第１の方向）に並ぶように配列される。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（後述のセパレータ４００）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。

【0019】

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。エンドプレート２００のＸ軸方向の両端には、段差部２１０が形成される。段差部２１０は、Ｚ軸方向に延びるように形成される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向は、互いに直交する。

【0020】

エンドプレート２００は、たとえばアルミニウムまたは鋳鉄からなる。エンドプレート２００を構成する素材は、これらに限定されない。

【0021】

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。拘束部材３００は、２つのエンドプレート２００に各々形成された段差部２１０に取り付けられる。

【0022】

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を段差部２１０に係合させ、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。エンドプレート２００は、段差部２１０を有する構造に限定されない。

【0023】

拘束部材３００は、たとえばアルミニウム、鉄またはステンレスからなる。拘束部材３００を構成する素材は、これらに限定されない。

【0024】

図３に示すように、電池セル１００は、平坦面状の略直方体形状に形成されている。電極端子１１０は、正極端子１１１と、負極端子１１２とを含む。正極端子１１１と負極端子１１２とは、Ｘ軸方向（第２の方向）に並ぶ。角型の筐体１２０は、Ｚ軸方向（第３の方向）に沿って対向する上面および底面を有する。電極端子１１０は、筐体１２０の上面に設けられている。筐体１２０の上面および下面は、Ｘ軸方向が長辺方向、Ｙ軸方向が短辺方向となるような略長方形形状を有する。筐体１２０には、電極体および電解液が収容されている。

【0025】

電池モジュール１を製造する際は、まず、複数の電池セル１００をＹ軸方向に沿って積層する。次に、積層された複数の電池セル１００の両端にエンドプレート２００が設けられる。そして、複数の電池セル１００およびエンドプレート２００が、拘束部材３００によってＹ軸方向に拘束される。

【0026】

図４は、電池モジュール１におけるセパレータ４００の配置を示す図である。図４に示すように、セパレータ４００は、第１セパレータ層４１０と、第２セパレータ層４２０とを含む。第１セパレータ層４１０および第２セパレータ層４２０は、樹脂などの絶縁部材により各々形成される。

【0027】

第１セパレータ層４１０は、複数（図４の例では４個）の電池セル１００と同数設けられる。第１セパレータ層４１０は、Ｙ軸方向に沿って複数の電池セル１００と各々隣接する。第１セパレータ層４１０は、第２セパレータ層４２０よりもＹ軸方向に変形しやすいように形成される。第１セパレータ層４１０は、電池セル１００の膨圧力を吸収する「弾性層」に相当する。

【0028】

第２セパレータ層４２０は、複数の電池セル１００の間のうち、１箇所のみに設けられる。第２セパレータ層４２０は、第１セパレータ層４１０よりもＹ軸方向に変形しにくいように構成される。

【0029】

第２セパレータ層４２０は、電池モジュール１におけるＹ軸方向の中心付近に設けられる。換言すると、第２セパレータ層４２０は、電池モジュール１のＹ軸方向の端部から離間した位置に設けられる。

【0030】

図４に示す構造において、仮に、第２セパレータ層４２０を設けず、代わりに第１セパレータ層４１０を設ける場合には、第１セパレータ層４１０の数が電池セル１００よりも１つ多くなる。この場合、製造時に同じ条件で電池セル１００を拘束しても、その後の電池使用時における拘束荷重は、電池セル１００の積層数（ｎ）によって若干変動し得る。

【0031】

たとえば、電池セル１００の積層数が１０である場合、１０個分の電池セル１００の膨張による変形量を１１層の第１セパレータ層４１０で吸収（１層あたり１０／１１個分を吸収）する。他方、電池セル１００の積層数が２０である場合、２０個分の電池セル１００の膨張による変形量を２１層の第１セパレータ層４１０で吸収（１層あたり２０／２１個分吸収）する。このように、電池モジュール１において第１セパレータ層４１０および電池セル１００の数が異なる場合、電池セル１００の積層数（ｎ）によって各々の第１セパレータ層４１０の変形量が異なることになる。したがって、製造時に同じ条件で拘束しても、電池使用時において電池セル１００に作用する拘束力が積層数（ｎ）によって異なることになる。この結果、電池セル１００の特性が安定しなくなる。他方、電池セル１００の積層数（ｎ）に応じて製造時の拘束条件を変化させることは、電池モジュール１の製造工程の煩雑化を招く。

【0032】

これに対し、本実施の形態に係る電池モジュール１においては、比較的変形しやすい第１セパレータ層４１０と電池セル１００とを同数とすることにより、電池使用時において、電池セル１００の積層数（ｎ）によらず同じ拘束荷重を電池セル１００に作用させることができるので、工程の煩雑化を抑制しながら、電池セル１００の特性を安定させることができる。

【0033】

次に、図５，図６を用いて、電池モジュール１の製造方法について説明する。図５に示すように、まず、複数の電池セル１００およびエンドプレート２００を第１セパレータ層４１０を介装しながらＹ軸方向（第１の方向）に各々積層することで、第１積層体１０および第２積層体２０が形成される。

【0034】

図５の例では、第１積層体１０および第２積層体２０は、互いに同数（各々２個）の電池セル１００を含むが、本技術の範囲はこれに限定されない。第１積層体１０および第２積層体２０に含まれる電池セル１００を同数とすることで、電池モジュール１におけるＹ軸方向の中心付近に第２セパレータ層４２０を設けることができる。

【0035】

次に、第１積層体１０および第２積層体２０のＹ軸方向に沿う長さが各々計測され、その合計値が算出される。

【0036】

第２セパレータ層４２０は、互いに厚みが異なる複数種の絶縁部材から選択される。第１積層体１０および第２積層体２０のＹ軸方向に沿う長さの合計値と、予め定められた所定の値（設計値）との差分に基づいて、予め準備された複数種の絶縁部材の中から、最も適切な厚み（Ｔ）を有する第２セパレータ層４２０が選択される。

【0037】

次に、図６に示すように、選択された第２セパレータ層４２０が第１積層体１０および第２積層体２０の間に介装される。その後、電池セル１００、エンドプレート２００、第１セパレータ層４１０、および第２セパレータ層４２０を拘束部材３００によりＹ軸方向に拘束することにより、図４に示す電池モジュール１が形成される。

【0038】

本実施の形態に係る電池モジュール１の製造方法によれば、第１積層体１０および第２積層体２０の長さの合計と、予め定められた所定の値との差分に基づいて第２セパレータ層４２０の厚みを調整する（複数種の絶縁部材から最も適切な厚み（Ｔ）を有する第２セパレータ層４２０を選択する）ことにより、セパレータ４００の厚みの増大を抑制しながら部品交差を吸収することができる。この結果、電池モジュール１の小型化を図ることができる。すなわち、第２セパレータ層４２０は、部品公差による厚みのばらつきを吸収する「厚み調整層」に相当する。

【0039】

第１セパレータ層４１０と第２セパレータ層４２０とは、各々の弾性率を互いに異ならせることにより変形のしやすさを異ならせてもよいし、各々の形状を互いに異ならせることにより変形のしやすさを異ならせてもよい。

【0040】

たとえば、第１セパレータ層４１０の弾性率（第１の弾性率）を第２セパレータ層４２０の弾性率（第２の弾性率）よりも低く、換言すると、第２セパレータ層４２０の弾性率（第２の弾性率）を第１セパレータ層４１０の弾性率（第１の弾性率）よりも高くすることで、第２セパレータ層４２０を第１セパレータ層４１０よりもＹ軸方向に変形しにくくすることができる。

【0041】

具体的には、第１セパレータ層４１０の弾性率（第１の弾性率）は、Ｙ軸方向の単位歪みに対して面圧５０ＭＰａ以下程度に設定され得る。第２セパレータ層４２０の弾性率（第２の弾性率）は、Ｙ軸方向の単位歪みに対して面圧２００ＭＰａ以上程度に設定され得る。すなわち、第２セパレータ層４２０は、第１セパレータ層４１０に対して４倍以上程度変形しにくい素材により構成されることが好ましい。ただし、本技術の範囲はこの範囲に限定されない。

【0042】

図７ないし図９は、第１セパレータ層４１０および第２セパレータ層４２０をＸ軸方向またはＺ軸方向から見た側面図である。

【0043】

第１セパレータ層４１０および第２セパレータ層４２０の形状を異ならせる場合、たとえば、図７に示すように、第１セパレータ層４１０に第１の幅（Ｂ１）を有する突起４１１を設け、図８に示すように、第２セパレータ層４２０に第１の幅（Ｂ１）よりも大きい第２の幅（Ｂ２）を有する突起４２１を設けることにより、第２セパレータ層４２０を第１セパレータ層４１０よりもＹ軸方向に変形しにくくすることができる。

【0044】

または、図７に示すように、第１セパレータ層４１０に突起４１１を設け、図９に示すように、第２セパレータ層４２０には突起を設けないようにすることで、第２セパレータ層４２０を第１セパレータ層４１０よりもＹ軸方向に変形しにくくすることができる。

【0045】

図７に示す第１セパレータ層４１０に対して、図８，図９に示す第２セパレータ層４２０は、電池セル１００と接触してＹ軸方向の圧縮力を受ける面積が大きいため、面圧が低減され、Ｙ軸方向に変形しにくくなる。

【0046】

第１セパレータ層４１０および第２セパレータ層４２０の変形のしやすさを異ならせるにあたり、素材の弾性率の違いと、断面形状の違いとを併用してもよい。

【0047】

図１０，図１１は、第１セパレータ層４１０のＸ軸方向またはＺ軸方向の断面図である。図１０に示すように、第１セパレータ層４１０の内部に空間４１２（空隙）を形成することにより、第１セパレータ層４１０を相対的に変形しやすくすることができる。

【0048】

また、図１１に示すように、第１セパレータ層４１０を気泡４１３（空隙）を有する発泡構造とすることにより、第１セパレータ層４１０を相対的に変形しやすくすることができる。

【0049】

図１２（Ａ），図１３（Ａ）は、第２セパレータ層４２０のＸ軸方向の断面図である。図１２（Ｂ），図１３（Ｂ）は、第２セパレータ層４２０をＹ軸方向から見た図である。

【0050】

第２セパレータ層４２０の表面は、電池セル１００から剥離しやすい構造ないし材質とすることができる。第２セパレータ層４２０が電池セル１００から剥離しやすい構造ないし材質であれば、第１積層体１０および第２積層体２０の長さの合計に異常がある場合、第２セパレータ層４２０の差し替えを容易に行うことができる。

【0051】

このとき、第１セパレータ層４１０と電池セル１００との間は接着し、第２セパレータ層４２０と電池セル１００との間は接着しないような構成とすることができる。もしくは、第２セパレータ層４２０と電池セル１００との間が、第１セパレータ層４１０と電池セル１００との間より剥離しやすくなる構造や材質を選択することができる。

【0052】

第２セパレータ層４２０が電池セル１００から剥離しやすい構造ないし材質としては、たとえば、図１２に示すように、第２セパレータ層４２０のＸ軸方向全体に亘って延びる凹部４２２が形成され得る。また、図１３に示すように、第２セパレータ層４２０の表面にブラスト処理を施すことにより凹部４２３を形成することができる。

【0053】

さらに、第２セパレータ層４２０の表面に表面滑性処理を施してもよい。表面滑性処理は、ハロゲン化処理、粉末処理、およびコーティング処理を含む。ハロゲン化処理は、塩素およびフッ素などのハロゲンを付加反応させる処理である。粉末処理は、シリカ、タルク、コーンスターチなどの粉末を付着させる処理である。コーティング処理は、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂などからなる表面コートを形成する処理である。

【0054】

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】

【0055】

１ 電池モジュール、１０ 第１積層体、２０ 第２積層体、１００ 電池セル、１１０ 電極端子、１１１ 正極端子、１１２ 負極端子、１２０ 筐体、２００ エンドプレート、２１０ 段差部、３００ 拘束部材、４００ セパレータ、４１０ 第１セパレータ層、４１１ 突起、４１２ 空間、４１３ 気泡、４２０ 第２セパレータ層、４２１ 突起、４２２，４２３ 凹部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】