JP2018198112A - バッテリセルの加圧装置におけるスペーサ - Google Patents

Abstract

【課題】加圧ガスの導入・排出により膨張・収縮するスペーサ１において、バッテリセルから高温ガスが噴出したような場合に隣接するバッテリセル２への影響を抑制する。【解決手段】バッテリセルの間に配置されるスペーサ１は、硬質剛性樹脂製のフレーム３１と、フレーム３１の一方の面に取り付けられたガスバッグ３２と、からなる。ガスバッグ３２は、２枚の可撓性シート３３の周縁部３３ａを接合することで袋状に構成される。フレーム３１は、隣接するバッテリセル２の間を仕切る隔壁４６を有するので、バッテリセル２から噴出した高温ガスによりガスバッグ３２が破損したり溶融した場合でも、隣接するバッテリセル２への影響が抑制される。【選択図】図５

Description

この発明は、偏平なバッテリセルをその厚さ方向に加圧するバッテリセルの加圧装置において、個々のバッテリセルの間に配置され、流体圧力によって膨張するスペーサの改良に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるバッテリセルは、例えば、ラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなしており、この外装体の周縁部の一部より正負の端子が導出されている。この種のバッテリセルを製造する際には、外装体の内部のガスを排出しつつ電解液を良好に浸透させるように、バッテリセルを所定の厚さ方向に加圧する工程が行われる。

本出願人が先に出願した特許文献１には、ガスバッグ型スペーサを用いた加圧装置が開示されている。この加圧装置は、複数個のバッテリセルを収容するマガジンのバッテリセル間のスペーサとして、加圧空気の供給によってバッテリセルの厚さ方向に膨張する袋状のスペーサを用いたものであり、各スペーサを縮小させた状態でバッテリセルを挿入配置した後に、各スペーサを膨張させることで、多数のバッテリセルを一斉に加圧することができる。

国際公開第２０１５／１４１６３１号

特許文献１のスペーサは、例えば２枚のゴムシートを周縁部で互いに接合して袋状とした上で、周縁部を枠状のフレームに接着した構成となっていた。そのため、隣接するバッテリセル同士の物理的な隔離が必ずしも十分ではなく、例えば初期充電時などに１つのバッテリセルから高温ガスが噴出したような場合に、隣接するバッテリセルに悪影響が及ぶ、という懸念があった。

本発明に係るバッテリセルの加圧装置におけるスペーサは、その一つの態様においては、
隣接するバッテリセルの間を仕切る隔壁を備えたフレームと、
このフレームの一方の面もしくは両面に配設され、周縁部が互いに接合された２枚の可撓性シートもしくは上記隔壁に周縁部が接合された１枚の可撓性シートからなるガスバッグと、を有している。

また他の一つの態様においては、
周縁部が互いに接合された２枚の可撓性シートからなるガスバッグと、
このガスバッグを支持するフレームと、
上記ガスバッグの２枚の可撓性シートの間に封入された板状部材と、
を有している。

このような構成では、フレームが備える隔壁、もしくはガスバッグの中に封入された板状部材によって、隣接するバッテリセル同士がより確実に隔離される。

この発明によれば、ガスバッグに供給される流体圧力によってバッテリセルを厚さ方向に加圧するという機能を維持しつつ、隣接するバッテリセルの間をより確実に隔離することができ、例えば１つのバッテリセルから高温ガスが噴出したような場合に、隣接するバッテリセルに悪影響が及ぶことを抑制できる。

この発明に係るスペーサを備えた加圧装置の平面図。 同じく加圧装置の正面図。 スペーサの第１実施例を示す正面図。 同じく第１実施例のスペーサの分解斜視図。 図３のＡ−Ａ線に沿った要部の断面図。 膨張状態における図３のＡ−Ａ線に沿った断面図。 フレーム単体での正面図。 第２実施例のスペーサの要部の断面図。 第３実施例のスペーサの要部の断面図。 第４実施例のスペーサの要部の断面図。 第５実施例のスペーサの正面図。 図１１のＢ−Ｂ線に沿った要部の断面図。 耐燃性プレートの正面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、本発明のスペーサ１を用いた加圧装置１０全体の構成を示している。この加圧装置１０は、複数のバッテリセル２を収容するハウジング１１と、バッテリセル２の厚さ方向（図中の矢印Ｐ方向）に関して所定の等間隔置きにハウジング１１に固定され、内部に封入される作動流体としてのガスのガス圧力（流体圧力）に応じて、バッテリセル２の厚さ方向に膨張する複数のスペーサ１と、を備える。そして、複数のスペーサ１内のガス圧力を調整可能な流体圧力源として、ハウジング１１の外部にガス供給機１３を備えている。作動流体となるガスとしては、窒素やアルゴンに代表される不活性ガスを用いることが望ましい。

なお、バッテリセル２は、詳細には図示しないが、例えばリチウムイオン二次電池であり、偏平な長方形の外観形状を有しており、長手方向の一方の端縁に、導電性金属箔からなる薄板状の一対の端子を備えている。このバッテリセル２は、いわゆるフィルム外装電池として、長方形をなす電極積層体を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体の内部に収容したものである。発電要素である上記の電極積層体は、セパレータを介して交互に積層された複数の正極板および負極板から構成されている。

ハウジング１１は、コンベアで搬送するための平坦な矩形の板状をなすベースプレート１４と、このベースプレート１４の長手方向の両端部に立設された一対の固定プレート１５と、を有し、これら一対の固定プレート１５の間に、複数のスペーサ１が所定の等間隔置きに配置されている。なお、図１，図２においては、スペーサ１は概略的に図示されている。

固定プレート１５は、複数のバッテリセル２が加圧されたときにその全体の荷重を受けるもので、比較的に厚肉であり、ベースプレート１４に強固に固定されている。

固定プレート１５の四隅には、両固定プレート１５の間に架け渡されたガイドシャフト１６が固定されており、これら４本のガイドシャフト１６によって各スペーサ１が厚さ方向Ｐに摺動可能に支持されている。このガイドシャフト１６には、隣り合うスペーサ１間のピッチを一定とするように円筒状のブッシュ１７が各スペーサ１の間に挿入されている。つまり、ガイドシャフト１６上にブッシュ１７とスペーサ１とが互いに接触する状態で交互に配置されており、その全体が両側の固定プレート１５により挟持されている。これにより、一対の固定プレート１５の間で複数のスペーサ１が等間隔置きに配置されている。

また、ハウジング１１の側部には、圧力供給通路として、ガイドシャフト１６と平行に延びたガス配管２２が配置されており、このガス配管２２によって、ガス供給機１３から各スペーサ１に加圧したガスが供給されるようになっている。ガス配管２２の基端には、スペーサ１に導入されたガスの逆流を防止する逆止弁２９が設けられており、この逆止弁２９に着脱可能に接続されるジョイント３０を介して、ガス配管２２がガス供給機１３に接続される。逆止弁２９は、図示せぬ開放治具の係合あるいはパイロット圧の供給によって開放され、スペーサ１からのガス抜きが可能である。なお、ガス抜きの際のスペーサ１の収縮速度を速めるために、ガス供給機１３は、加圧ポンプに加えて、エゼクタポンプなどからなる減圧機構を具備していることが好ましい。

上記のような加圧装置１０は、例えばバッテリセル２への初充電およびその後のエージングに際してのバッテリセル２の加圧のために用いられる。ハウジング１１へのバッテリセル２の挿入は、個々のスペーサ１を収縮させたままの状態で行われる。図示するように、隣接する２つのスペーサ１の間にそれぞれバッテリセル２が挿入され、これにより、各スペーサ１は個々のバッテリセル２の間に位置した状態となる。スペーサ１が収縮することで、２つのスペーサ１の間に十分に大きい間隙が確保されるので、ロボットハンド等によりバッテリセル２を容易に挿入することができる。

挿入後、ハウジング１１は加圧工程に移送され、ガス供給機１３に接続される。このガス供給機１３によって各スペーサ１に加圧ガスを供給することにより、各スペーサ１が膨張する。これによって、隣り合う２つのスペーサ１の間に配置されたバッテリセル２が厚さ方向に加圧される。バッテリセル２が加圧状態となったら、ガス供給機１３を停止し、ジョイント３０を逆止弁２９から取り外すことが可能である。ジョイント３０を取り外した後も、逆止弁２９によって加圧状態が保持される。

エージングが終了してバッテリセル２をハウジング１１から取り出す際には、逆止弁２９を開放してガスを排出し、再びスペーサ１を収縮させる。これによって、隣り合うスペーサ１の間の間隙がバッテリセル２の厚さよりも大きくなるので、ロボットハンド等により加圧装置１０からバッテリセル２を容易に抜き出すことができる。

図３は、第１実施例のスペーサ１を単体で示す正面図、図４は、分解斜視図、である。また、図５および図６は、図３のＡ−Ａ線に沿った要部の断面図であり、図５は収縮状態における断面図、図６は膨張状態における断面図を示している。

このスペーサ１は、硬質合成樹脂によって一体に成形された矩形のフレーム３１と、このフレーム３１の一方の面に配設された２枚の可撓性シート３３からなるガスバッグ３２と、から構成されている。

ガスバッグ３２を構成する可撓性シート３３は、適宜な強度を有する布を基材とし、その片面もしくは両面に軟質合成樹脂もしくはゴムを塗布して、軟質合成樹脂層ないしゴム層を設けたものである。軟質合成樹脂もしくはゴムとしては、軟質ポリ塩化ビニル樹脂、軟質ポリウレタン、天然ゴム、クロロプレンゴム、などを用いることができるが、一実施例では、難燃性を有する軟質ポリウレタンが用いられている。そして、２枚の可撓性シート３３は、四辺に沿った周縁部３３ａが互いに接合されて袋状のガスバッグ３２を構成している。周縁部３３ａは、例えば熱融着することによって互いに接合されている。ガスバッグ３２は、四辺の中の一辺に、ガスバッグ３２内へのガスの導入口となる管状のコネクタ５１を備えている。このコネクタ５１は、周縁部３３ａの接合時に、２枚の可撓性シート３３の間に挟み込まれている。前述した加圧装置１０のガス配管２２は、このコネクタ５１に接続される。

上記フレーム３１を構成する硬質合成樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン樹脂、硬質ポリウレタン樹脂、硬質ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアミド樹脂、などを用いることができるが、一実施例では、難燃性を有するポリカーボネート樹脂が用いられている。なお、フレーム３１を構成する硬質合成樹脂としては、ガスバッグ３２の可撓性シート３３における合成樹脂ないしゴム材料よりも融点が高いことが望ましい。

図７は、ガスバッグ３２を取り付ける前のフレーム３１単体での正面図である。この第１実施例では、フレーム３１は、全体として矩形の板状をなしており、四隅にそれぞれ側方へ突出した突起片３４を備え、各突起片３４には、前述したガイドシャフト１６がそれぞれ嵌合する切欠部３５が設けられている。また、下縁に沿って底壁３６を備えているとともに、左右の側縁に沿って側壁３７，３８を備えており、かつ一方の側壁３８と平行に並んでガイド壁３９が設けられている。これらの底壁３６、側壁３７，３８およびガイド壁３９は、フレーム３１の表裏両面から上記の厚さ方向Ｐへそれぞれ突出しており、基本的にフレーム３１の表裏で対称な形状をなしている。また、側壁３７，３８およびガイド壁３９は、実質的に同一の外形状を有しており、隣接した２つのスペーサ１の間に挿入されるバッテリセル２を円滑に案内するように、上部にテーパ部３７ａ，３８ａ，３９ａを備えている。また、図４に示すように、フレーム３１の一方の面（例えばガスバッグ３２側の面）においては、挿入されたバッテリセル２を下側から受けるように、３箇所に分割された形のセル支持片４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）が底壁３６からさらに厚さ方向Ｐに突出するように設けられている。

また、４つの突起片３４の中で、フレーム３１の上方寄りに位置する２つの突起片３４の表側には、セル支持片４０と同様に厚さ方向Ｐに突出したピン４１が設けられている。フレーム３１の表側に突出した上記のセル支持片４０および一対のピン４１は、図１，図２のようにハウジング１１に組み付けたときに、隣接するスペーサ１のフレーム３１の裏側の面に当接し、互いに隣接する２つのスペーサ１の間隔を確保するように機能する。従って、前述したブッシュ１７は省略することも可能である。

なお、図示例は、図示せぬ端子が導出されたバッテリセル２の一方の端縁が、ガイド壁３９側となる姿勢（換言すれば端子が横向きとなった姿勢）でもって、バッテリセル２が各スペーサ１の間に挿入される。従って、スペーサ１は左右非対称であり、バッテリセル２の一対の端子は、隣接する２つのスペーサ１の側壁３８とガイド壁３９とによって案内される。

上記フレーム３１の一方の面（ガスバッグ３２側の面）には、矩形に連続したガスバッグ接合面４５が設けられている。このガスバッグ接合面４５は、フレーム３１の上縁と底壁３６ならびに側壁３７とガイド壁３９とに囲まれた矩形の領域の周縁に沿って、略一定の幅でもって、かつ一平面に沿って形成されている。ガスバッグ３２を構成する２枚の可撓性シート３３の各々は、上記ガスバッグ接合面４５の外形寸法に対応した大きさを有し、ガスバッグ３２として袋状に構成された上で、周縁部が上記ガスバッグ接合面４５に接着剤を介して接合されている。なお、ガスバッグ３２（つまり可撓性シート３３）の大きさは、加圧対象となるバッテリセル２の大きさを考慮して設定されている。

一方、上記フレーム３１のガスバッグ接合面４５の内側の領域つまりガスバッグ接合面４５に囲まれた中央部分の領域は、開口部を具備しない平板状の隔壁４６となっている。図５に示すように、隔壁４６と周囲のガスバッグ接合面４５との境界４８には、僅かな段差が存在し、隔壁４６の表面がガスバッグ接合面４５に対して僅かに後退している。

なお、ガスバッグ接合面４５は、フレーム３１の周縁における表面（ガスバッグ３２に覆われない部分）と段差のない同一平面に構成することも可能であるが、図示例のように、ガスバッグ３２の接合時の位置決めのために、フレーム３１の周縁における面から後退した形にガスバッグ接合面４５を設けるようにしてもよい（図５参照）。

上記フレーム３１の側壁３７には、前述したコネクタ５１との干渉を避けるように、凹部４９が形成されており、この凹部４９を介してコネクタ５１が側壁３７よりも外側へ導出されている。

上記のように構成された第１実施例のスペーサ１にあっては、フレーム３１が加圧装置１０のハウジング１１に支持され、該フレーム３１の一方の面に設けられたガスバッグ３２が、図６および図５に示すように、膨張・収縮する。各々のバッテリセル２は、隣接する２つのスペーサ１の間に装填されるので、偏平形状をなすバッテリセル２の一方の面がガスバッグ３２の可撓性シート３３の外側面に接し、かつバッテリセル２の他方の面が他のスペーサ１の隔壁４６表面に接し、両者間でバッテリセル２の厚さ方向に加圧される。

フレーム３１は、スペーサ１の一方の側と他方の側とを隔てる隔壁４６を備えており、隣接する２つのバッテリセル２の間がこの隔壁４６によって仕切られることとなる。従って、例えば初期充電時などに１つのバッテリセル２から高温ガスが噴出したような場合に、仮にガスバッグ３２が破損あるいは溶融したとしても、隔壁４６によって２つのバッテリセル２が互いに隔離されているので、隣接するバッテリセル２に及ぼす影響が少なくなる。

次に、図８は、第２実施例のスペーサ１の要部の断面図であり、前述した図５と同様に図３のＡ−Ａ線に沿った断面に対応している。この第２実施例は、フレーム３１の隔壁４６として、鉄あるいはアルミニウム等の金属板を用いたものであり、この金属板からなる隔壁４６が、硬質合成樹脂からなる枠状のフレーム３１に例えばインサート成形によって取り付けられている。

次に、図９は、第３実施例のスペーサ１の要部の断面図であり、前述した図５と同様に図３のＡ−Ａ線に沿った断面に対応している。この第３実施例は、ガスバッグ３２を１枚の可撓性シート３３によって構成したものである。すなわち、１枚の可撓性シート３３の周縁部３３ａがフレーム３１のガスバッグ接合面４５に例えば接着剤を介して接合されており、隔壁４６と可撓性シート３３との間に形成される空間５５が、ガスが導入されるガスバッグ３２の内部空間となっている。なお、隔壁４６は、第２実施例のように金属板から構成することも可能である。

次に、図１０は、第４実施例のスペーサ１の要部の断面図である。この第４実施例は、フレーム３１の隔壁４６の両面に、それぞれガスバッグ３２を配設したものである。これら一対のガスバッグ３２は、同時に膨張・収縮される。なお、第３実施例のように、各々のガスバッグ３２をそれぞれ１枚の可撓性シート３３によって構成することも可能である。

次に、図１１〜図１３は、第５実施例のスペーサ１を示している。図１１は、第５実施例のスペーサ１の正面図、図１２は、図１１のＢ−Ｂ線に沿った要部の断面図、図１３は、ガスバッグ３２の中に封入された耐燃性プレート６１の正面図である。

この第５実施例のスペーサ１は、前述した第１実施例と同様に、硬質合成樹脂からなるフレーム３１と、このフレーム３１の一方の面に配設された２枚の可撓性シート３３からなるガスバッグ３２と、を備える。フレーム３１は、基本的な構成は第１実施例におけるフレーム３１と変わりがないが、ガスバッグ接合面４５（図１２参照）に囲まれた内側の領域（つまり隔壁４６に相当する領域）が大きな矩形の開口部５２となっている。なお、この開口部５２は必ずしも必須のものではなく、隔壁４６によって塞がれた構成であってもよい。

ガスバッグ３２は、基本的な構成は第１実施例におけるガスバッグ３２と同様であり、２枚の可撓性シート３３の周縁部３３ａを熱融着等によって互いに接合することで袋状に構成してある。そして、フレーム３１のガスバッグ接合面４５に例えば接着剤を介して接合されて、支持されている。

ここで、第５実施例のスペーサ１にあっては、袋状のガスバッグ３２の中に、スペーサ１の一方の側と他方の側との間を隔てるように、板状部材つまり耐燃性プレート６１が封入されている。この耐燃性プレート６１は、例えば、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の板厚の鉄あるいはアルミニウム等の金属板、あるいは、１ｍｍ程度の板厚の硬質合成樹脂板からなる。耐燃性プレート６１を構成する硬質合成樹脂としては、フレーム３１と同様に、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン樹脂、硬質ポリウレタン樹脂、硬質ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアミド樹脂、などを用いることができるが、実施例のフレーム３１と同じく、難燃性を有するポリカーボネート樹脂が好適である。なお、耐燃性プレート６１を構成する硬質合成樹脂としては、ガスバッグ３２の可撓性シート３３における合成樹脂ないしゴム材料よりも融点が高いことが望ましい。図示した一実施例においては、耐燃性プレート６１は、アルミニウム板からなる。

耐燃性プレート６１は、２枚の可撓性シート３３の周縁部３３ａ（つまり接合部）とは重ならない範囲にあり、かつできるだけ大きな面積を覆うように、その大きさが設定されている。つまり、図１２の断面図に示すように、耐燃性プレート６１の周縁は、互いに接合されている２枚の可撓性シート３３の周縁部３３ａの内周縁から僅かに離れている。

図１３は、耐燃性プレート６１を単体で示しており、図示するように、耐燃性プレート６１は、鋭利な角部が可撓性シート３３を傷つけることのないように、四隅６１ａが円弧形ないし斜めに切り落とされた形状をなしている。そして、ガスバッグ３２内部でのガスの通流ないし移動を許容するために、複数の円形の孔６２が開口形成されている。また、ガスバッグ３２のコネクタ５１に対応した位置に、矩形の切欠部６３が設けられている。従って、コネクタ５１から導入されたガスは、耐燃性プレート６１に阻害されることなくガスバッグ３２の各部へ速やかに流入する。そのため、耐燃性プレート６１を具備しない場合と同様にガスバッグ３２が均等に膨張・収縮する。

このような第５実施例のスペーサ１においては、例えば初期充電時などに１つのバッテリセル２から高温ガスが噴出したような場合に、仮にガスバッグ３２の可撓性シート３３が破損あるいは溶融したとしても、隣接するバッテリセル２との間に耐燃性プレート６１が存在するので、隣接するバッテリセル２に及ぼす影響が少なくなる。

なお、フレーム３１の両面にガスバッグ３２を配置することも可能である。この場合、いずれか一方のガスバッグ３２に耐燃性プレート６１を封入するようにしてもよく、あるいは双方のガスバッグ３２に耐燃性プレート６１を配置してもよい。

前述したように、いずれの実施例においても、ガスバッグ３２に導入するガスとしては不活性ガスが望ましい。不活性ガスであれば、仮に高温ガス等によってガスバッグ３２が破れても、高温となっているバッテリセル２の酸化が抑制される。

１…スペーサ
２…バッテリセル
１１…ハウジング
３１…フレーム
３２…ガスバッグ
３３…可撓性シート
４５…シート接合面
４６…隔壁
６１…耐燃性プレート
６２…孔

Claims (8)

1. ラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなす複数のバッテリセルを上記厚さ方向に加圧するバッテリセルの加圧装置において、個々のバッテリセルの間に配置され、内部に封入される作動流体の流体圧力に応じて上記厚さ方向に膨張するスペーサであって、
   隣接するバッテリセルの間を仕切る隔壁を備えたフレームと、
   このフレームの一方の面もしくは両面に配設され、周縁部が互いに接合された２枚の可撓性シートもしくは上記隔壁に周縁部が接合された１枚の可撓性シートからなるガスバッグと、
   を有することを特徴とするバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
2. 上記隔壁は、合成樹脂製の上記フレームの一部として一体に成形されている、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
3. 上記隔壁は、合成樹脂製の上記フレームに取り付けられた金属板からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
4. ラミネートフィルムからなる外装体の内部に発電要素が電解液とともに封入され、厚さ方向に薄肉な偏平形状をなす複数のバッテリセルを上記厚さ方向に加圧するバッテリセルの加圧装置において、個々のバッテリセルの間に配置され、内部に封入される作動流体の流体圧力に応じて上記厚さ方向に膨張するスペーサであって、
   周縁部が互いに接合された２枚の可撓性シートからなるガスバッグと、
   このガスバッグを支持するフレームと、
   上記ガスバッグの２枚の可撓性シートの間に封入された板状部材と、
   を有することを特徴とするバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
5. 上記板状部材は金属板からなる、ことを特徴とする請求項４に記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
6. 上記板状部材は難燃性の合成樹脂板からなる、ことを特徴とする請求項４に記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
7. 上記板状部材は、上記ガスバッグ内部での作動流体の通流を許容する孔が開口している、ことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。
8. 上記作動流体として不活性ガスが導入される、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のバッテリセルの加圧装置におけるスペーサ。

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