特許 7729356 電池システム

(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】2025-08-18

(45)【発行日】2025-08-26

(54)【発明の名称】電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20250819BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023008609

(22)【出願日】2023-01-24

(65)【公開番号】P2024104421

(43)【公開日】2024-08-05

【審査請求日】2024-07-09

(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

(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】萩原 英輝

(72)【発明者】

【氏名】長瀬 浩

(72)【発明者】

【氏名】小熊 泰正

(72)【発明者】

【氏名】吉田 淳

(72)【発明者】

【氏名】右田 翼

(72)【発明者】

【氏名】内田 義宏

【審査官】小林 秀和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１６５５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２２５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０１４２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１５９８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８９２６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

硫化物系全固体電池からなる単電池と、
一対の拘束部材の間に、前記単電池を複数積層した電池モジュールと、
積層された前記単電池の間に配置された中間プレートと、
前記中間プレートに加わる荷重を検知する検知部と、
前記中間プレートに加わる荷重の変化に基づいて、前記単電池における硫化水素の発生を推定する推定部と、を備えた電池システム。

【請求項2】

前記中間プレートは、前記拘束部材が固定されるベース部材に、片持ち状態で固定されており、
前記検知部は、前記中間プレートに設けられたひずみゲージである、請求項１に記載の電池システム。

【請求項3】

前記中間プレートは、前記単電池の積層方向に、変位可能とされており、
前記検知部は、前記中間プレートの変位を検知するセンサである、請求項１に記載の電池システム。

【請求項4】

前記単電池は、外装部材としてラミネートフィルムを有する、ラミネート型全固体電池である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池システム。

【請求項5】

前記単電池は、硫化物系固体電解質を含む、請求項４に記載の電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０２２－４６０７７号公報（特許文献１）には、正極および／または固体電解質に硫黄系材料を使用した二次電池において、硫化水素の発生が予測または検知された場合に、冷却器により二次電池を冷却する電池システムが、開示されている。

【0003】

この特許文献１では、二次電池を収容するバッテリケース内の圧力、あるいは、バッテリケース内の硫化水素濃度（硫黄濃度）を検知することよって、二次電池から硫化水素ガスが発生したことを検知している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２２－４６０７７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の構成では、二次電池から発生した硫化水素ガスがバッテリケース内に充満し、バッテリケース内の圧力が上昇するまで、あるいは、硫化水素濃度が高まるまで、硫化水素ガスの発生を検知できない。

【0006】

本開示の目的は、バッテリケース内に硫化水素ガスが充満する前に、硫化水素の発生を検知可能とすることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本開示の電池システムは、硫化物系全固体電池からなる単電池と、一対の拘束部材の間に単電池を複数積層した電池モジュールと、積層された単電池の間に配置された中間プレートと、中間プレートに加わる荷重を検知する検知部と、中間プレートに加わる荷重の変化に基づいて、単電池における硫化水素の発生を推定する推定部、とを備える。

【0008】

この構成によれば、単電池は、硫化物系全固体電池から構成される。本開示において、硫化物系全固体電池とは、正極の材料、あるいは、固体電解質の材料の少なくとも一方に、硫黄成分を含有するものである。単電池は、一対の拘束部材の間に積層され、電池モジュールを構成する。中間プレートが、積層された単電池の間に配置される。検知部は、中間プレートに加わる荷重を検知する。単電池の内部で硫化水素ガスが発生すると、単電池の内圧が上昇し、単電池の体積が増加する。単電池の体積が増加すると、中間プレートに加わる荷重が変化する。推定部は、中間プレートに加わる荷重の変化に基づいて、単電池における硫化水素の発生を推定する。中間プレートに加わる荷重の変化に基づいて、単電池における硫化水素の発生を推定するので、バッテリケース内に硫化水素ガスが充満する前に、硫化水素の発生を検知可能にできる。

【0009】

（２）中間プレートは、拘束部材が固定されるベース部材に、片持ち状態で固定されており、検知部は、中間プレートに設けられたひずみゲージであってもよい。

【0010】

この構成によれば、中間プレートは、拘束部材が固定されるベース部材に、片持ち状態で固定されているので、いずれかの単電池の内部で硫化水素ガスが発生し、単電池の体積が増加すると、中間プレートに加わる荷重が変化し、中間プレートが固定端を支点としてたわむ。このたわみを、中間プレートに設けられたひずみゲージによって検知することにより、単電池における硫化水素の発生を推定することができる。

【0011】

（３）中間プレートは、単電池の積層方向に、変位可能とされており、検知部は、中間プレートの変位を検知するセンサであってよい。

【0012】

この構成によれば、中間プレートは、単電池の積層方向に、変位可能とされているので、いずれかの単電池の内部で硫化水素ガスが発生し、単電池の体積が増加すると、中間プレートに加わる荷重が変化し、中間プレートが積層方向に変位する（移動する）。この変位を、センサによって検知することにより、単電池における硫化水素の発生を推定することができる。

【0013】

（４）単電池は、外装部材としてラミネートフィルムを有する、ラミネート型全固体電池であってよい。

【0014】

この構成によれば、単電池は、ラミネート型全固体電池であり、外装部材がラミネートフィルムから構成される。ラミネートフィルムは、角型電池等を構成する金属ケースに比較して可撓性があり、単電池の内圧が上昇すると、比較的容易に体積が増加する。このため、中間プレートに加わる荷重の変化に基づいて、比較的精度よく単電池における硫化水素の発生を推定することができる。

【0015】

（５）単電池は、硫化物系固体電解質を含む、全固体電池であってよい。

【0016】

この構成によれば、硫化物系固体電解質に含まれる硫黄成分が水分と反応し、硫化水素が生成されたことを検知できる。

【発明の効果】

【0017】

本開示によれば、バッテリケース内に硫化水素ガスが充満する前に、硫化水素の発生を検知できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施の形態に係る電池システムの全体構成を概略的に示す図である。

【図2】（Ａ）および（Ｂ）は、単電池の概略構成を説明する図である。

【図3】（Ａ）および（Ｂ）は、単電池の積層方法を説明する図である。

【図4】制御装置で実行される硫化水素発生推定処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】変形例における電池モジュールの概略構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0020】

図１は、本開実施の形態に係る電池システム１００の全体構成を概略的に示す図である。電池システム１００は、電池モジュール２００と制御装置３００とを含む。電池モジュール２００は、複数の単電池１０を接続した組電池である。複数の単電池１０は、一対のエンドプレート３１、３２の間に積層されている。

【0021】

図２は、本実施の形態における単電池１０の概略構成を説明する図である。図２（Ａ）は、単電池１０の上面視である。単電池１０は、外装部材２０としてラミネートフィルムを用いたラミネート型全固体電池であり、外装部材２０から、負極端子（負極タブ）１ａおよび正極端子（正極タブ）５ａが突出している。ラミネートフィルムは、たとえば、アルミラミネートフィル製のパウチであってよく、樹脂フィルムの間にアルミ箔を挟んだ３層構造のフィルムであってよい。

【0022】

図２（Ｂ）は、外装部材２０に収納される全固体電池積層体１５であり、図２（Ａ）のＢ－Ｂ断面を示している。全固体電池積層体１５は、負極集電体層１、負極活物質層２、固体電解質層３、正極活物質層４、および正極集電体層５がこの順に積層された全固体電池素子８が、負極集電体層１及び正極集電体層５を共有し、積層順を逆方向として３個積層されている。負極集電体層１は負極端子１ａに接続され、正極集電体層５は正極端子５ａに接続される。なお、全固体電池積層体１５に含まれる全固体電池素子８の数は、１個であってもよく、４個以上であってもよい。絶縁フィルム７は、全固体電池積層体１５と外装部材（ラミネートフィルム）２０との間を絶縁する。

【0023】

単電池１０は、硫化物系全固体電池である。本開示において、硫化物系全固体電池とは、正極活物質層４の材料、あるいは、固体電解質層３の材料の少なくとも一方に、硫黄成分を含有するものである。本実施の形態では、固体電解質層３は、硫化物系固体電解質を含み、たとえば、硫化物系固体電解質は、５硫化リン（Ｐ_２Ｓ_５）、硫化リチウム（Ｌｉ_２Ｓ）、を出発原料としたものであってよい。この場合、正極活物質層４は、たとえば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸鉄リチウム、等を含んでよい。固体電解質層３が酸化物系固体電解質から構成される場合、正極活物質層４は、硫黄系正極活物質が用いられる。硫黄系正極活物質としては、有機硫黄化合物あるいは無機硫黄化合物であってよい。なお、固体電解質層３および正極活物質層４の両方が、硫黄成分を含んでもよい。

【0024】

図１を参照して、複数の単電池１０は、一対のエンドプレート３１、３２の間に配置され、積層されている。図３は、単電池１０の積層方法を説明する図である。単電池１０は平板形状であり、図３（Ａ）に示すように、単電池１０の外装部材２０が当接するよう積層されてよい。また、単電池１０の間に、平板形状のスペーサ（図示しない）を介して、複数の単電池１０を積層するようにしてもよい。なお、図３（Ｂ）に示すように、単電池１０の外形に対応した内側面を有する一対の枠対８１、８２を用いて、単電池１０を覆い、一対の枠対８１、８２で覆われた単電池１０を積層するようにしてもよい。

【0025】

図１に戻り、単電池１０の積層方向の中央部には、単電池１０と単電池１０の間に中間プレート６０が配置されている。複数の単電池１０と中間プレート６０は、積層された状態で、一対のエンドプレート３１、３２の間に挟まれており、たとえば、拘束バンド８０によって、所定の拘束荷重が加わっている。一対のエンドプレート３１、３２は、ブラケット４１、４２によって、底板５０に固定されている。なお、一対のエンドプレート３１、３２は、本開示の「一対の拘束部材」の一例に相当する。

【0026】

本実施の形態において、中間プレート６０は、底板５０に形成された溝部５１に嵌め込まれて、固定されている。これにより、中間プレート６０は、片持ち状態で、底板５０に固定される。

【0027】

中間プレート６０には、ひずみゲージ７０が設けられている。ひずみゲージ７０は、箔型ひずみゲージであってよく、半導体ひずみゲージであってもよい。ひずみゲージ７０は、中間プレート６０の曲げひずみを検出する。

【0028】

一対のエンドプレート３１、３２の間に積層された単電池１０、中間プレート６０、底板５０、等からなる、電池モジュール２００は、バッテリケース９０に固定される。バッテリケース９０は、電池モジュール２００を収容する筐体（ハウジング）である。

【0029】

制御装置３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ、（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ、入出力ポート、等から構成され、電池モジュール２００の充放電を制御する。本実施の形態では、制御装置３００は、ひずみゲージ７０の検出信号に基づいて、単電池１０における硫化水素（Ｈ２Ｓ）の発生を推定する。制御装置３００は、本開示の「推定部」として機能する。

【0030】

図４は、制御装置３００で実行される硫化水素発生推定処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定期間毎に繰り返し処理される。まず、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０では、ひずみゲージ７０の検出信号に基づいて、中間プレート６０に加わる荷重Ｌの変化量（荷重変化量）ΔＬを取得する。

【0031】

電池モジュール２００のいずれかの単電池１０において、何らかの理由によって、固体電解質層３、あるいは、正極活物質層４に含まれる硫黄成分と水分が反応し、硫化水素が発生すると、ガス圧によって単電池１０の体積が増加する。単電池１０の体積が増加すると、中間プレート６０に加わる荷重が変化する。図１において、中間プレート６０より左側の単電池１０において硫化水素が発生すると、実線の矢印で示す向きの力Ｆａが中間プレート６０に作用する。図１において、中間プレート６０より右側の単電池１０において硫化水素が発生すると、破線の矢印で示す向きの力Ｆｂが中間プレート６０に作用する。

【0032】

中間プレート６０に、力Ｆａ、あるいは、力Ｆｂが作用すると、中間プレート６０に曲げモーメントが加わるので、ひずみゲージ７０によって曲げひずみが検出される。Ｓ１０では、この曲げひずみの大きさを、中間プレート６０に加わる荷重変化量ΔＬとして取得する。

【0033】

続くＳ１１では、荷重変化量ΔＬが所定値Ａ以上であるか否かを判定する。荷重変化量ΔＬが所定値Ａ未満であるときは、否定判定され、今回のルーチンを終了する。荷重変化量ΔＬが所定値Ａ以上であるときには、肯定判定されＳ１２へ進む。なお、所定値Ａは、予め実験等によって設定される。

【0034】

Ｓ１２では、単電池１０において、硫化水素が発生していると判断し、今回のルーチンを終了する。なお、Ｓ１２において、ひずみゲージ７０で検出した曲げひずみが、圧縮方向であるか、あるいは、引っ張り方向であるかを判別することによって、硫化水素が発生している単電池１０の配置箇所を特定することも可能である。たとえば、図１に示すように、中間プレート６０の左側の面にひずみゲージ７０が設けられている場合、中間プレート６０に力Ｆａが作用するとき、ひずみゲージ７０は引っ張り方向（伸び方向）の検出信号を出力し、中間プレート６０に力Ｆｂが作用するときには、ひずみゲージ７０は圧縮方向（縮み方向）の検出信号を出力する。したがって、ひずみゲージ７０の検出信号が、引っ張り方向のとき、中間プレート６０より左側の単電池１０のいずれかにおいて硫化水素が発生していると判断でき、ひずみゲージ７０の検出信号が圧縮方向のとき、中間プレート６０より右側の単電池１０のいずれかにおいて硫化水素が発生していると判断できる。

【0035】

本実施の形態によれば、積層された単電池１０の間に配置された中間プレート６０に設けたひずみゲージ７０で検出した曲げひずみによって、中間プレート６０に加わる荷重の変化を検出する。そして、中間プレート６０に加わる荷重の変化に基づいて、単電池１０における硫化水素の発生を推定するので、バッテリケース９０内に硫化水素が充満する前に、単電池１０において硫化水素が発生していることを検知できる。

【0036】

本実施の形態では、一対のエンドプレート３１、３２および中間プレート６０は、底板５０に固定されていた。しかし、一対のエンドプレート３１、３２および中間プレート６０は、バッテリケース９０に、直接固定されてもよい。

【0037】

（変形例）
図５は、変形例における電池モジュール２００ａの概略構成を示す図である。電池モジュール２００ａでは、積層された単電池１０の中央部に位置する中間プレート６１は、底板５５に固定されていない。このため、中間プレート６１は、単電池１０の積層方向に変位（移動）可能である。底板５５において、中間プレート６１と対向する部分に、変位センサ（変位計）７１が設けられている。変位センサ７１は、中間プレート６１の変位によって抵抗が変化する可変抵抗式の変位センサであってよく、ホール効果を用いた非接触式リニア変位センサであってもよい。

【0038】

変形例においても、図４のフローチャートに示した処理によって、単電池１０における硫化水素の発生を推定する。変形例では、Ｓ１０において、変位センサ７１の検出信号に基づいて、中間プレート６１に加わる荷重Ｌの変化量（荷重変化量）ΔＬを取得する。

【0039】

電池モジュール２００のいずれかの単電池１０において、何らかの理由によって、固体電解質層３、あるいは、正極活物質層４に含まれる硫黄成分と水分が反応し、硫化水素が発生すると、ガス圧によって単電池１０の体積が増加する。単電池１０の体積が増加すると、中間プレート６１に加わる荷重が変化する。図５において、中間プレート６１より左側の単電池１０において硫化水素が発生すると、実線の矢印で示す向きの力Ｆａが中間プレート６１に作用する。図５において、中間プレート６１より右側の単電池１０において硫化水素が発生すると、破線の矢印で示す向きの力Ｆｂが中間プレート６１に作用する。

【0040】

中間プレート６１に、力Ｆａ、あるいは、力Ｆｂが作用すると、中間プレート６１が、単電池１０の積層方向に変位するので、変位センサ７１によって中間プレート６１の変位が検出される。Ｓ１０では、この変位の大きさを、中間プレート６０に加わる荷重変化量ΔＬとして取得する。Ｓ１１およびＳ１２の処理は、上記実施の形態と同様である。

【0041】

Ｓ１２において、変位センサ７１で検出した変位の方向によって、硫化水素が発生している単電池１０の配置箇所を特定することも可能である。たとえば、中間プレート６１に力Ｆａが作用し、図５において、中間プレート６１が右方向に変位したとき、中間プレート６１より左側の単電池１０のいずれかにおいて硫化水素が発生していると判断できる。また、中間プレート６１に力Ｆｂが作用し、図５において、中間プレート６１が左方向に変位したとき、中間プレート６１より右側の単電池１０のいずれかにおいて硫化水素が発生していると判断できる。

【0042】

この変形例においても、積層された単電池１０の間に配置された中間プレート６１の変位を検出する変位センサ７１で検出した変位によって、中間プレート６１に加わる荷重の変化を検出する。そして、中間プレート６１に加わる荷重の変化に基づいて、単電池１０における硫化水素の発生を推定するので、バッテリケース９０内に硫化水素が充満する前に、単電池１０において硫化水素が発生していることを検知できる。

【0043】

上記実施の形態および変形例では、ひずみゲージ７０を備える中間プレート６０、あるいは、中間プレート６１と変位センサ７１の組み合わせが、単電池１０の積層方向の中央部に設けられていた。しかし、これらの位置は、中央部に限られない。複数の中間プレート６０、あるいは、中間プレート６１と変位センサ７１の組み合わせが、たとえば、等間隔で配置されるようにしてもよい。また、ひずみゲージ７０を設けた中間プレート６０と、中間プレート６１と変位センサ７１の組み合わせとを、ひとつの電池モジュールに、間隔をおいて設けるようにしてもよい。

【0044】

なお、電池システム１００は、電動車両に搭載されてよく、定置用であってもよい。

【0045】

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。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて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】

【0046】

１ 負極集電体層、２ 負極活物質層、３ 固体電解質層、４ 正極活物質層、５ 正極集電体層、７ 絶縁フィルム、８ 全固体電池要素、１０ 単電池、１５ 全固体電池積層体、 ２０ 外装部材、３１，３２ エンドプレート、４１，４２ ブラケット、５０，５５ 底板、６０，６１ 中間プレート、７０ ひずみゲージ、７１ 変位センサ、８０ 拘束バンド、８１，８２ 枠対、９０ バッテリケース、１００ 電池システム、２００，２００ａ 電池モジュール、３００ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】