特許 7557527 電池モジュール

(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】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/209 20210101AFI20240919BHJP

   H01M 50/264 20210101ALI20240919BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20240919BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20240919BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

H01M50/209

H01M50/264

H01M50/262 P

H01M10/0587

H01M10/04 W

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022509315

(86)(22)【出願日】2021-01-19

(86)【国際出願番号】 JP2021001689

(87)【国際公開番号】W WO2021192545

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2023-07-04

(31)【優先権主張番号】P 2020050939

(32)【優先日】2020-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001889

【氏名又は名称】三洋電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神山 遊馬

(72)【発明者】

【氏名】山田 智之

【審査官】川口 陽己

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－５４１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８７９１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１９２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１５６５４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１５３４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３３９９３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／２０－５０／２９８

Ｈ０１Ｍ １０／０５－１０／０５８７

Ｈ０１Ｍ １０／００－１０／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の角形二次電池が積層された電池集積体と、
前記電池集積体を前記二次電池の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレートと、
前記エンドプレートを相互に架橋する、前記二次電池の両側面に設けられた一対の側面固定部材、及び、前記二次電池の上面に設けられた上面固定部材とを備え、
前記二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された扁平状の巻回型電極体を巻回軸が横方向になるように含み、
少なくとも前記エンドプレートに隣接する前記二次電池においては、前記負極の巻終端が、上向きであり、前記巻回軸に直交する断面において、前記電極体の高さの半分から前記電極体の湾曲部の頭頂部までの間に位置する、電池モジュール。

【請求項2】

前記電極体の最外周は、負極である、請求項１に記載の電池モジュール。

【請求項3】

前記上面固定部材は、前記電池集積体の横方向の略中央に設けられている、請求項１又は２に記載の電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従前から、複数の角形二次電池を相互に接続して積層した電池モジュールが知られている。各電池の内部に含まれる電極体を構成する正極と負極との間の距離が大きくなると負極にリチウムが析出することがあるため、電池モジュールでは、複数の電池が積層された電池集積体を、電池の積層方向から一対のエンドプレートで挟みつつ拘束して正極と負極との間の距離が大きくならないように抑制している。特許文献１に開示された電池モジュールでは、電池集積体を、側面に配置した固定部材で架橋した一対のエンドプレートで挟んで拘束荷重をかけつつ、角形二次電池の下部の拘束荷重を調整することで、充放電の繰り返しにより発生したガスが原因となって負極に正極含有金属が析出することを抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１３３１９９号公報

【発明の概要】

【0004】

高容量化の観点から大型の角形二次電池を用いて電池モジュールを構成する場合がある。この場合、エンドプレートは、大きくなるため、従来よりも剛性が下がり、二次電池の充電時に外側にたわみやすくなる。本願発明者らは、エンドプレートが外側にたわむと、横方向の中央部付近でエンドプレートとエンドプレートに隣接する二次電池とが離間し、負極の巻終端の方向、位置によっては、負極の巻終端と正極との間の距離が大きくなって負極の巻終端の近傍にリチウムが析出することを見出した。リチウムの析出は内部短絡の原因となり得るので抑制する必要がある。特許文献１は、エンドプレートのたわみについては検討しておらず、未だ改善の余地がある。

【0005】

本開示に係る電池モジュールは、複数の角形二次電池が積層された電池集積体と、電池集積体を二次電池の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレートと、エンドプレートを相互に架橋する、二次電池の側面に設けられた側面固定部材、及び、二次電池の上面に設けられた上面固定部材とを備え、二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して巻回された扁平状の巻回型電極体を巻回軸が横方向になるように含み、少なくともエンドプレートに隣接する二次電池においては、負極の巻終端が、上向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体の高さの半分から電極体の湾曲部の頭頂部までの間に位置する。

【0006】

本開示に係る電池モジュールによれば、負極の巻終端におけるリチウムの析出を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本実施形態の一例である電池モジュールの斜視図である。

【図2】図２は、本実施形態の一例である電池モジュールの平面図である。

【図3】図３は、本実施形態の一例である電池モジュールに含まれる二次電池の斜視図であって、外装体の手前側を外した状態での内部の構造を示す図である。

【図4A】図４Ａは、充電状態における本実施形態の一例である電池モジュールのエンドプレート近傍の平面図である。

【図4B】図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ線に沿った断面を示す図である。

【図5A】図５Ａは、従来の電池モジュールにおける図４Ａに対応する図である。

【図5B】図５Ｂは、従来の電池モジュールにおける図４Ｂに対応する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら、本開示に係る電池モジュールの実施形態の一例について詳細に説明する。但し、本開示に係る電池モジュールは、以下で説明する実施形態に限定されない。実施形態の説明で参照する図面は模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法などは以下の説明を参酌して判断されるべきである。なお、本明細書において「略～」とは、略一定を例に説明すると、完全に一定はもとより、実質的に一定と認められるものを含む意図である。

【0009】

まず、図１及び図２を参照しながら、本開示の実施形態の一例である電池モジュール１０について説明する。図１は、電池モジュール１０の斜視図、図２は、電池モジュール１０の平面図である。

【0010】

図１及び図２に例示するように、電池モジュール１０は、複数の角形二次電池１２が積層された電池集積体１４と、電池集積体１４を二次電池１２の積層方向の両側から挟む一対のエンドプレート１６と、エンドプレート１６を相互に架橋する、二次電池１２の両側面に設けられた一対の側面固定部材１８、及び、二次電池１２の上面に設けられた上面固定部材２２とを備える。なお、本明細書において二次電池１２の極板端子が設けられている側を「上」としたが、当然に、電池モジュール１０が車両等に搭載される場合の向きを限定するものではなく、例えば、電池モジュール１０の上面を水平方向にして搭載してもよい。また、本明細書では、説明の便宜上、二次電池１２の積層方向を「縦方向」、二次電池１２の側面方向を「横方向」、上下方向を「高さ方向」という場合がある。

【0011】

電池集積体１４は、二次電池１２同士の間に弾性プレート２４を含んでもよい。後述するように、各二次電池１２は縦方向に沿って結束した際に、弾性プレート２４が変形して二次電池１２の変形を抑制することができる。弾性プレート２４の材質は、例えば、ポリプロピレン等の樹脂でもよい。

【0012】

電池集積体１４を構成する二次電池１２には、容量、寸法、種類等が異なる電池を用いることも可能であるが、好ましくは同じ二次電池を用いる。図１及び図２では、同じ二次電池を使用し、隣り合う二次電池１２同士の正負端子の横方向の位置が互いに逆となるように各二次電池１２が配置されるので、縦方向に正極端子と負極端子が交互に並んだ状態となる。

【0013】

電池集積体１４は、隣り合う二次電池１２同士を電気的に接続するバスバー２６を備えてもよい。図１及び図２に示す例では、バスバー２６により、隣接する二次電池１２の正極端子と負極端子とが接続されており、電池モジュール１０に搭載された各二次電池１２は直列接続されている。但し、二次電池１２の接続形態はこれに限定されない。

【0014】

電池モジュール１０では、縦方向両端部に設けられた一対のエンドプレート１６に側面固定部材１８及び上面固定部材２２を架橋して、各エンドプレート１６を電池集積体１４に押し付けることで、二次電池１２を結束している。エンドプレート１６は、二次電池１２よりも一回り大きい板状体でもよい。エンドプレート１６には、側面固定部材１８及び上面固定部材２２を締結するためのボルト孔が形成されていてもよい。エンドプレート１６は、充電により膨張した二次電池１２を押さえ込む部材であり、剛性向上の観点から、アルミニウムや鉄等の金属製が好ましい。

【0015】

側面固定部材１８及び上面固定部材２２は、上述のように、エンドプレート１６と共に各二次電池１２の結束状態を維持し、電池集積体１４を保持する機能を有する。換言すれば、側面固定部材１８及び上面固定部材２２は、一対のエンドプレート１６の間を架橋することで、両端のエンドプレート１６から電池集積体１４に縦方向の拘束荷重がかかるようにしている。これにより、二次電池１２内部の電極体３０にも圧縮応力を印可し、正極と負極との間の距離が大きくなるのを抑制している。

【0016】

側面固定部材１８は、縦方向に沿って電池集積体１４の両側面に設けられる。一対の側面固定部材１８は、各二次電池１２を横方向両側から挟むように配置され、好ましくは互いに対向配置される。図１に示す例では、電池集積体１４の両側面にそれぞれ１本ずつ合計２本設けられているが、側面固定部材１８の本数は特に限定されない。

【0017】

側面固定部材１８は、例えば略一定の幅（高さ方向長さ）を有する金属製の板状部材であってもよい。側面固定部材１８は、樹脂製とすることも可能である。図１に示す例では、各側面固定部材１８の長手方向両端部が、各エンドプレート１６の縦方向端面上に回り込むように折り曲げられ、当該折り曲げられた部分がエンドプレート１６にボルト止めされている。

【0018】

上面固定部材２２は、縦方向に沿って電池集積体１４の上面に設けられる。図１及び図２に示す例では、電池集積体１４の上面に１本設けられているが、上面固定部材２２の本数は特に限定されない。上面固定部材２２は、例えば略一定の幅（高さ方向長さ）を有する金属製の板状部材であってもよい。上面固定部材２２は、樹脂製とすることも可能である。図１に示す例では、上面固定部材２２の長手方向両端部が、各エンドプレート１６の縦方向端面上に回り込むように折り曲げられ、当該折り曲げられた部分がエンドプレート１６にボルト止めされている。側面固定部材１８と、上面固定部材２２とは、同じ部材であってもよい。これにより、部品種類が減るので、在庫管理が容易になる。

【0019】

次に、図３を参照しながら、電池集積体１４を構成する二次電池１２の構造について説明する。二次電池１２は、例えば、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池である。図３は、本実施形態の一例である電池モジュール１０に含まれる二次電池１２の斜視図であって、外装体３２の手前側を外した状態での内部の構造を示す図である。二次電池１２は、巻回型の電極体３０と、電極体３０を収容する外装体３２と、封口板３４とを含む。外装体３２及び封口板３４はいずれも金属製であり、アルミニウム製又はアルミニウム合金製であることが好ましい。

【0020】

外装体３２は、底部、及び底部の周縁に立設した側壁部を有する。側壁部は、底部に対して略垂直に形成される。外装体３２の形状は、特に限定されないが、図３に例示するように、縦方向よりも横方向及び高さ方向、特に横方向に長い扁平な形状でもよい。外装体３２は、上記のように金属材料で構成されているが、外装体３２の外面には、絶縁性を確保するために樹脂フィルムが装着されていてもよい。封口板３４は、外装体３２の開口を塞いで電池ケースの内部空間を密閉するための部材であって、横方向に長い略長方形状を有する。封口板３４の周囲は、例えば外装体３２の開口の周縁部に溶接されている。

【0021】

電極体３０は、正極３６と負極３８とがセパレータ４０を介して巻回され、扁平状の形状を有する。二次電池１２は、巻回型電極体３０を巻回軸が横方向になるように含む。

【0022】

電極体３０は、巻回軸方向一端側に正極３６が、巻回軸方向他端側に負極３８がそれぞれ突出しており、正極３６には正極集電体４２が、負極３８には負極集電体４６がそれぞれ接続される。また、封口板３４の横方向一端部に正極端子４４が、横方向他端部に負極端子４８がそれぞれ設けられており、正極端子４４は、正極集電体４２に接続されており、負極端子４８は、負極集電体４６に接続されている。封口板３４は、外装体３２内に電解質を注液するための注液孔５０と、電池内部の圧力が所定値以上となった場合にガスを排出するための排出弁５２とを有する。なお、注液孔５０は、注液後には封止栓により封止される。

【0023】

次に、図４Ａと図４Ｂを参照しながら、上面固定部材２２の機能について説明する。図４Ａは、充電時における本実施形態の一例である電池モジュール１０のエンドプレート１６近傍の平面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ線に沿った断面を示す図である。

【0024】

充電時においては、電池集積体１４を構成する各二次電池１２は、縦方向に膨張する。したがって、充電状態においては、両側を二次電池１２で挟まれた二次電池１２は、縦方向に受ける拘束荷重が大きくなり、二次電池１２内部の電極体３０への圧縮応力も大きくなるので、負極３８と正極３６との距離が離れてリチウムの析出するリスクは小さい。一方、充電状態では、エンドプレート１６が隣接する二次電池１２ａから圧力を受けて外側にたわみやすいため、二次電池１２ａがエンドプレート１６と離間し、二次電池１２ａ内部の電極体３０に対する圧縮応力が弱くなって正極３６と負極３８との間の距離が大きくなるリスクがある。

【0025】

図４Ａに示すように、上面固定部材２２を設けることで、エンドプレート１６の上端にも拘束荷重をかけることができる。これにより、少なくともエンドプレート１６の上端のたわみを抑制し、電極体３０の上方に圧縮応力を印可することができる。さらに、電池集積体１４の下面に、エンドプレート１６を相互に架橋する下面固定部材を設けてもよい。これにより、エンドプレート１６の下端にも拘束荷重をかけることができて、エンドプレート１６の下端のたわみを抑制し、電極体３０の下方に圧縮応力を印可することができる。

【0026】

上面固定部材２２は、電池集積体１４の横方向の略中央に設けられていることが好ましい。横方向の両端を側面固定部材１８で固定されたエンドプレート１６は、横方向の両端よりも中央で二次電池１２ａと離間しやすいため、横方向の略中央に上面固定部材２２を設けることで、エンドプレート１６の上端において縦方向へのたわみを抑制し、電極体３０の上方に圧縮応力を印可することができる。

【0027】

図４Ｂを参照しつつ、エンドプレート１６に隣接した二次電池１２ａ内部の電極体３０の状態について説明する。図４Ｂは、充電時の電池モジュール１０の横方向の中央をＡ－Ａ線に沿って縦方向に沿って切断して、二次電池１２ａ近傍を拡大した図である。

【0028】

図４Ｂにおいては、巻回軸に垂直な方向の断面で、二次電池１２ａに含まれる電極体３０が示されており、電極体３０の巻き始め部分と巻き終わり部分における正極３６、負極３８、及びセパレータ４０が記載され、巻き途中部分は省略されている。電極体３０は、扁平な形状であり、中央に平坦部を有し、平坦部の上方と下方にそれぞれ湾曲部を有する。電極体３０においては、帯状の正極３６と帯状の負極３８とがセパレータ４０を介して巻回されており、負極３８は、幅方向及び長さ方向の両方において、正極３６よりも大きい。

【0029】

電極体３０の最外周は、負極３８であってもよい。ここで、電極体３０の最外周とは、正極３６又は負極３８の最も巻外側に位置する電極を意味する。最外周の負極３８よりも巻外側にセパレータ４０があってもよい。電極体３０は、充放電の繰り返しにより膨張収縮するが、巻内側では正極３６及び負極３８が受ける摩擦力が大きく、正極３６及び負極３８の位置ずれが生じにくい。一方、最外周の負極３８は、受ける摩擦力が小さいため、位置ずれが生じて内周側に隣接する正極３６との間の距離が大きくなりやすい。特に、負極３８の巻終端３８ａは、位置ずれが生じやすいので、エンドプレート１６により拘束荷重をかけることで、正極３６との距離が大きくなることを抑制している。

【0030】

エンドプレート１６は、横方向の両端を側面固定部材１８で固定され、さらに上端を上面固定部材２２で固定されているため、充電により膨張した二次電池１２ａから外側への圧力を受けた時には、図４Ｂに示すように下端が外側にたわんで、二次電池１２ａから離間する。一方、エンドプレート１６の上端は、上面固定部材２２によって固定されているので、二次電池１２ａと接触している。これにより、充電時にも、少なくとも上方では、二次電池１２ａに対してエンドプレート１６から拘束荷重がかかるため、エンドプレート１６の上端に対向する電極体３０の湾曲部は圧縮応力を受ける。

【0031】

少なくともエンドプレート１６に隣接する二次電池１２ａにおいては、負極３８の巻終端３８ａが、上向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体３０の高さの半分から電極体３０の湾曲部の頭頂部３０ａまでの間に位置する。これにより、巻き締りを受けにくい負極３８の巻終端３８ａにも圧縮応力を印可することができるので、巻終端３８ａ近傍でのリチウムの析出を抑制できる。

【0032】

図４Ｂにおいて、頭頂部３０ａより左側（エンドプレート１６に近い側）の湾曲部は、エンドプレート１６の上端から圧縮応力を受けるので、負極３８の巻終端３８ａがこの範囲にあれば、直接、エンドプレート１６からの圧縮応力を受けることができる。また、負極３８の巻終端３８ａの位置が、当該湾曲部よりも下であっても、電極体３０の高さの半分から上であれば、エンドプレート１６の拘束荷重によりセパレータ４０が引っ張られるので、負極３８の巻終端３８ａには圧縮応力が印可される。

【0033】

次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら、従来の電池モジュール１０の場合について説明する。図５Ａは、充電状態における従来の電池モジュール１０のエンドプレート１６近傍の平面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面を示す図である。充電状態では二次電池１２ａが膨張するので、図５Ａに示すように、横方向の両端を側面固定部材１８で固定されたエンドプレート１６は、横方向にたわみ、中央で最も大きく二次電池１２ａと離間する。

【0034】

図５Ｂにおいては、図４Ｂと同様に、巻回軸に垂直な方向の断面で、二次電池１２ａに含まれる電極体３０が示されており、電極体３０の巻き始め部分と巻き終わり部分における正極３６、負極３８、及びセパレータ４０が記載され、巻き途中部分は省略されている。上記のように、エンドプレート１６が二次電池１２ａと離間しているため、二次電池１２ａに対してエンドプレート１６から拘束荷重がかからず、二次電池１２ａ内部の電極体３０に対する圧縮応力が印可されないため、負極３８の巻終端３８ａと正極３６との間の距離が大きくなり、巻終端３８ａ近傍にリチウムが析出するリスクがある。なお、図５Ｂにおいては、巻終端３８ａは下向きであり、巻回軸に直交する断面において、電極体３０の高さの半分よりも下に位置するが、電極体３０のいずれの位置もエンドプレート１６から圧縮応力を印可されていないので、巻終端３８ａの方向と位置に寄らず、巻終端３８ａと正極３６との間の距離が大きくなる可能性がある。

【符号の説明】

【0035】

１０ 電池モジュール
１２ （角形）二次電池
１４ 電池集積体
１６ エンドプレート
１８ 側面固定部材
２２ 上面固定部材
２４ 弾性プレート
２６ バスバー
３０ 電極体
３２ 外装体
３４ 封口板
３６ 正極
３８ 負極
４０ セパレータ
４２ 正極集電体
４４ 正極端子
４６ 負極集電体
４８ 負極端子
５０ 注液孔
５２ 排出弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】