JP2020129480A

JP2020129480A - 電池モジュール

Info

Publication number: JP2020129480A
Application number: JP2019021515A
Authority: JP
Inventors: 和久松田; Kazuhisa Matsuda; 啓太小宮山; Keita Komiyama; 英世戎崎; Hideyo Ebisaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-02-08
Also published as: JP7100807B2

Abstract

【課題】有毒ガスの漏出を事前に検知できる技術を提供する。【解決手段】ここに開示される電池モジュールは、二次電池１０を少なくとも１つ備えている。当該二次電池１０は、電極体１６を収容する第一外装体１２と、第一外装体１２を収容する第二外装体１４とを少なくとも備えており、第一外装体１２と第二外装体１４との間の空間Ｓに不活性ガスが充填されている。そして、二次電池１０の外部には、不活性ガスを検出する不活性ガス検出手段が設けられている。この電池モジュール１は、第一外装体１２の開放内圧が第二外装体１４の開放内圧よりも高いことを特徴とする。これにより、第一外装体１２から有毒ガスが漏出する前に、第二外装体１４の外側に不活性ガスを放出させることができるため、かかる不活性ガスを不活性ガス検出手段で検出することによって、有毒ガスの漏出を事前に検知することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、電池モジュールに関する。詳しくは、外装体の内部に電極体が収容された二次電池を備えた電池モジュールに関する。

リチウムイオン二次電池等の二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、いわゆるポータブル電源や車両搭載用の高出力電源等に好ましく利用されている。かかる二次電池の一例として、電解質として固体電解質を使用したいわゆる全固体電池（固体電解質電池ともいう。）が挙げられる。この全固体電池は、高機能化、高信頼性を有し、さらには液漏れの恐れがない安全でクリーンなエネルギーが得られることから、重要性がますます高まっている。かかる全固体電池は、ラミネートフィルム製の外装体の内部に電極体が収容されることによって構築される。

ところで、上述した二次電池の内部では、充放電に伴い硫化水素等の有毒ガスが発生することがある。このような有毒ガスが外装体の外部に漏出することを防止するために、種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発電要素（電極体）を内包する第１外装体と、発電要素と第１外装体との間に配置される第２外装体とを備え、第１外装体と第２外装体とにより囲まれる第１空間と、第２外装体により囲まれる第２空間とが形成された電池が開示されている。そして、かかる特許文献１には、上記第１空間と第２空間の各々の空間におけるガスを検出する検出部を備えた検出システムが開示されている。この検出システムは、上記第１空間におけるガスの検出結果と第２空間におけるガスの検出結果とに基づいて、第１外装体と第２外装体の破損の有無を検出する。また、電池外部にガスが漏出することを検知する技術の他の例として、特許文献２に記載の技術が挙げられる。

特開２０１８−１８８１５号公報特開２０１２−１６９２０４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、振動等の外部からの物理的な負荷によって、２層の外装体が同時に破損し、有毒ガスが外装体の外部に漏出する可能性がある。
本発明は、かかる問題を考慮して創出されたものであり、その目的は、有毒ガスの漏出を事前に検知でき、かつ、外部からの負荷によって複数の外装体が同時に破損することを防止できる技術を提供することである。

ここに開示される電池モジュールは、外装体の内部に電極体が収容された二次電池を少なくとも１つ備えている。かかる電池モジュールの二次電池は、電極体を収容する第一外装体と、第一外装体を収容する第二外装体と、を少なくとも備え、第一外装体と第二外装体との間の空間に不活性ガスが充填されている。また、二次電池の外部には、不活性ガスを検出する不活性ガス検出手段が設けられている。そして、ここに開示される電池モジュールは、第一外装体の開放内圧が第二外装体の開放内圧よりも高いことを特徴とする。

ここに開示される電池モジュールでは、内側（電極体側）に配置された第一外装体の開放内圧が、外側に配置された第二外装体の開放内圧よりも高くなっている。このため、内圧上昇や電極体の膨張等による第一外装体の膨張や、熱衝撃等による外装体の劣化などが生じた場合に、第一外装体よりも先に第二外装体が開放される。したがって、ここに開示される電池モジュールでは、第一外装体内部で発生した有毒ガスが漏出する前に、第一外装体と第二外装体との間に充填された不活性ガスが放出される。そして、この不活性ガスを、二次電池の外部に配置された不活性ガス検出手段で検出することによって、有毒ガスの漏出を事前に検知できる。
さらに、ここで開示される電池モジュールでは、第一外装体の開放内圧が第二外装体の開放内圧よりも高いため、第二外装体が開放されるような物理的な負荷が外部から加えられた場合に、第二外装体と同時に第一外装体が開放されることを防止できる。そして、上記したように、第二外装体が開放されたことを有毒ガスが漏出する前に検知できるため、電池の交換などの対応を行うことができる。このため、ここに開示される電池モジュールによると、外部からの負荷によって複数の外装体が同時に破損（開放）した状態になることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る電池モジュールの平面図である。本発明の一実施形態における二次電池の正面図である。図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における矢視断面図である。シール部の溶着温度と開放内圧との関係の一例を示すグラフである。

以下、図面を適宜参照しながら、ここで開示される電池モジュールの好適な実施形態について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。また、本明細書中の数値範囲Ａ〜Ｂ（Ａ、Ｂは任意の数）は、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。

なお、以下の説明では、ここで開示される二次電池の一例として、固体電解質層を備えたリチウムイオン二次電池（全固体リチウムイオン二次電池）を挙げている。しかし、ここで開示される技術の適用対象は、全固体リチウムイオン二次電池に限られない。ここで開示される二次電池の種類としては、他の金属イオンを電荷担体とするもの、例えば、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウムイオン二次電池等であってもよい。また、ここで開示される二次電池は、液状の非水電解液を使用する電池（非水電解液二次電池）であってもよい。

１．全体構成
図１は、本実施形態に係る電池モジュールの平面図である。図１に示すように、本実施形態に係る電池モジュール１は、複数の二次電池１０を備えている。この電池モジュール１では、複数の二次電池１０が拘束部材３６に拘束された状態で電池ケース３０の内部に収容されている。また、本実施形態に係る電池モジュール１は、電池ケース３０内部へ大気を導入する吸気手段３２と、電池ケース３０外部へ大気を排出する排気手段３４とを備えた空冷式の電池モジュールである。かかる吸気手段３２および排気手段３４には、例えば、ファンが使用される。

そして、本実施形態に係る電池モジュール１は、各々の二次電池１０の外部に配置される不活性ガス検出手段２０を備えている。なお、本実施形態では、各々の二次電池１０の外部、かつ、電池ケース３０の内部に、不活性ガス検出手段２０が配置されている。具体的には、不活性ガス検出手段２０は、電池ケース３０の内の排気手段３４の近傍（換言すると、電池ケース３０内のガス流路の下流側）に配置されている。詳しくは後述するが、本実施形態では、有毒ガスが漏出する前に不活性ガスが放出されるように各々の二次電池１０が構成されているため、かかる不活性ガスを不活性ガス検出手段２０が検出することによって、有毒ガスの漏出を事前に検知することができる。

２．二次電池
次に、本実施形態に係る電池モジュール１に使用される二次電池１０について説明する。図２は、本実施形態における二次電池の正面図である。また、図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における矢視断面図である。

図２および図３に示すように、本実施形態における二次電池１０は、電極体１６と、当該電極体１６を収容する第一外装体１２と、第一外装体１２を収容する第二外装体１４とを備えている。また、本実施形態における二次電池１０は、正極端子１７と負極端子１８とを備えている。正極端子１７は、第一外装体１２と第二外装体１４を貫通し、電極体１６の正極に接続される。同様に、負極端子１８は、第一外装体１２と第二外装体１４を貫通し、電極体１６の負極に接続される。

（１）電極体
上述したように、本実施形態における二次電池１０は、全固体リチウムイオン二次電池である。かかる全固体リチウムイオン二次電池では、電極体１６として、固体電解質層を備えた積層型電極体が用いられる。詳しい図示は省略するが、この積層型電極体は、シート状の正極と負極と固体電解質層を複数備えており、正極と負極との間に固体電解質層が配置されるように各層を順次積層させることによって構成される。
そして、全固体リチウムイオン二次電池では、正極と負極と固体電解質層の各々の層に固体電解質が含まれている。本実施形態において好適に用いられる固体電解質の一例として、硫化物固体電解質が挙げられる。硫化物固体電解質は、高いイオン伝導性を有する一方で、硫化水素等の有毒ガスが発生しやすいという問題も有している。しかし、本実施形態によると、有毒ガスの漏出を事前に検知できるため、有毒ガスを電池外部へ漏出させることなく、硫化物固体電解質を使用することができる。なお、硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２系、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_３系、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系、Ｌｉ_２Ｓ−ＧｅＳ_２系、Ｌｉ_２Ｓ−Ｂ_２Ｓ_３系、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｐ_２Ｓ_５系、Ｌｉ_４ＳｉＯ_４−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２系、等のガラス若しくはガラスセラミックスが挙げられる。また、より高いイオン伝導性を実現するという観点から、Ｌｉ_２Ｓとハロゲン化リチウム（例えばＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ）とから構成されるＬｉ_２Ｓベースの固溶体が好ましく用いられる。このような硫化物固体電解質の好適例として、ＬｉＢｒ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＢｒ−ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、等が挙げられる。

なお、正極と負極と固体電解質層の各々の層を構成する材料のうち、固体電解質を除く材料は、一般的な全固体リチウムイオン二次電池に用いられ得るものを特に制限なく使用することができ、本発明を特徴付けるものでないため説明を省略する。

（２）外装体
上記したように、本実施形態における二次電池１０は、第一外装体１２と、第二外装体１４とを有する二重構造の外装体を備えている。第一外装体１２と第二外装体１４は、いずれも、所定の機械的強度を有する樹脂材料を含むラミネートフィルムによって構成されている。
具体的には、図３に示すように、第一外装体１２は、電極体１６を挟んで対向する一対のラミネートフィルムによって構成されている。そして、図２に示すように、第一外装体１２の外周縁部には、上記一対のラミネートフィルムを溶着させた第一シール部１２ａが形成される。これによって、第一外装体１２の内部に電極体１６が収容される。また、図３に示すように、第二外装体１４は、電極体１６と第一外装体１２とを挟んで対向する一対のラミネートフィルムによって構成されている。そして、図２に示すように、第二外装体１４の外周縁部には、一対のラミネートフィルムを溶着させた第二シール部１４ａが形成される。これによって、第二外装体１４の内部に第一外装体１２が収容される。
なお、第一外装体１２と第二外装体１４を構成するラミネートフィルムに用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリエステル、ナイロン、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン等が挙げられる。また、第一外装体１２および第二外装体１４は、上記ラミネートフィルムの他に、所定の厚みの金属箔（例えば、アルミニウム箔）を備えていてもよい。

また、本実施形態における二次電池１０では、第一外装体１２と第二外装体１４との間の空間Ｓに不活性ガスが充填されている。かかる不活性ガスには、人体や環境への影響が小さく、上記空間Ｓを貫通する正極端子１７および負極端子１８を変質させないガスが好ましく用いられる。かかる不活性ガスの具体例として、窒素ガス（Ｎ_２ガス）、アルゴンガス（Ａｒガス）、ヘリウムガス（Ｈｅガス）等が挙げられる。なお、不活性ガス検出手段２０（図１参照）における検出精度を向上させるという観点から、不活性ガスには、大気中に含まれないガスがより好ましく用いられる。

そして、本実施形態における二次電池１０では、第一シール部１２ａの幅ｗ１が第二シール部１４ａの幅ｗ２よりも長くなっている（ｗ１＞ｗ２）。このように各々のシール部の幅を異ならせることによって、第一外装体１２の開放内圧を第二外装体１４の開放内圧よりも高くすることができる。なお、本明細書における「外装体の開放内圧」とは、内圧上昇に伴い外装体が密閉性を保てずに破断する圧力を指す。具体的には、外装体の一部にガス注入孔を開け、当該ガス注入孔から空気や不活性ガスを注入することによって内圧を上昇させ、外装体が破断して注入したガスが漏出した（内圧が低下した）ときの圧力を「開放内圧」という。

上記したように、本実施形態における二次電池１０は、第一外装体１２の開放内圧が第二外装体１４の開放内圧よりも高くなるように構成されている。このため、電池内圧の上昇、電極体１６の膨張、熱衝撃による外装体の劣化等が生じた場合、内側（電極体１６側）に配置された第一外装体１２よりも先に、外側に配置された第二外装体１４を開放させることができる。これによって、第一外装体１２の内部で生じた有毒ガスが漏出する前に、上記空間Ｓに充填された不活性ガスを第二外装体１４の外部（二次電池１０の外部）に放出することができる。そして、この不活性ガスを不活性ガス検出手段２０（図１参照）が検出することによって、二次電池１０の外部に有毒ガスが漏出する可能性が高まっていることを事前に検知できる。

また、本実施形態では、内側に配置された第一外装体１２の開放内圧が高くなっているため、第二外装体１４が開放されるような物理的な負荷が外部から加えられたとしても、第二外装体１４と同時に第一外装体１２が開放されることを防止できる。そして、上記したように、第二外装体１４が開放されたことを有毒ガスが漏出する前に検知できるため、二次電池１０の交換などの対応を行うことができる。このため、本実施形態によると、外部からの負荷によって複数の外装体が同時に破損（開放）した状態になることを防止できる。

また、本実施形態では、電池ケース３０内に、複数の二次電池１０と、不活性ガス検出手段２０とが収容されている。これによって、１つの不活性ガス検出手段２０で複数の二次電池１０を検査することができるため、複数の二次電池の各々にセンサを取り付ける必要がある従来技術よりも部品点数を少なくすることができる。この結果、電池ケース３０内の二次電池１０の個数を増加させて電池モジュール１の性能を向上させることができると共に、センサの個数減少によるコスト削減に貢献することもできる。

３．他の実施形態
以上、ここに開示される電池モジュールの一実施形態について説明した。しかし、ここに開示される電池モジュールは、上述の実施形態に限定されず、種々の形態を採用することができる。

（１）開放内圧の調節
図２に示すように、上述の実施形態では、第一シール部１２ａの幅ｗ１と第二シール部１４ａの幅ｗ２とを異ならせることによって、第一外装体１２の開放内圧を第二外装体１４の開放内圧よりも高くしている。しかし、各々の外装体の開放内圧を調節する手段は、これに限定されない。例えば、シール部を形成する際の溶着条件（加熱温度、加熱時間等）を変更することによって、各々の外装体の開放内圧を調節することもできる。本発明者らは、シール部の形成の際の加熱温度を上昇させると、開放内圧が高くなることを実験で確認している（図４参照）。具体的には、本発明者らが行った実験によると、ラミネートフィルムを溶着させる際の温度を３０℃上昇させると、外装体の開放内圧が約１０倍になることが確認されている。また、第一外装体と第二外装体の各々の材料を異ならせることによって、各々の外装体の開放内圧を調節することもできる。

（２）不活性ガス検出手段
また、図１に示すように、上述の実施形態では、排気手段３４の近傍に不活性ガス検出手段２０が１つ配置されている。しかし、不活性ガス検出手段の数や配置位置は、特に限定されず、電池モジュールの構造に応じて適宜変更することが好ましい。例えば、吸気手段や排気手段を有さず、完全に密閉された電池ケースの内部に二次電池を収容する場合には、電池ケースの内部の中心付近に不活性ガス検出手段を配置すると好ましい。これによって、各々の二次電池から放出された不活性ガスを適切に検出できる。
また、電池ケースを有しておらず、開放された空間に各々の二次電池が配置されるような電池モジュールの場合には、複数個（好ましくは２〜５個）の二次電池に対して不活性ガス検出手段を一つ配置すると好ましい。このように複数の不活性ガス検出手段を配置することによって、各々の二次電池から放出された不活性ガスを適切に検出できる。

（３）外装体の間の空間
また、第一外装体１２と第二外装体１４との間の空間Ｓの幅ｗ３は、１０ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがより好ましい。このように、第一外装体１２と第二外装体１４との寸法差を小さくすると、第一外装体１２の膨張に伴って第二外装体１４を適切に膨張させることができるため、第一外装体１２よりも先に第二外装体１４を開放させる作用を適切に生じさせることができる。
一方、第二外装体１４が開放された際に、不活性ガス検出手段２０が適切に検出できる程度の不活性ガスを放出させるという観点から、第一外装体１２と第二外装体１４との間の空間Ｓの幅ｗ３の下限を設定すると好ましい。なお、かかる幅ｗ３の下限については、二次電池のサイズに応じて適宜設定される。

以上、本発明の一実施形態に係る電池モジュールを説明したが、上述の説明は例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。

１電池モジュール
１０二次電池
１２第一外装体
１２ａ第一シール部
１４第二外装体
１４ａ第二シール部
１６電極体
１７正極端子
１８負極端子
２０不活性ガス検出手段
３０電池ケース
３２吸気手段
３４排気手段
３６拘束部材
Ｓ第一外装体と第二外装体との間の空間

Claims

外装体の内部に電極体が収容された二次電池を少なくとも１つ備えた電池モジュールであって、
前記二次電池は、
前記電極体を収容する第一外装体と、
前記第一外装体を収容する第二外装体と、
を少なくとも備え、
前記第一外装体と前記第二外装体との間の空間に不活性ガスが充填されており、
前記二次電池の外部に、前記不活性ガスを検出する不活性ガス検出手段が設けられており、
前記第一外装体の開放内圧が前記第二外装体の開放内圧よりも高いことを特徴とする、電池モジュール。