JP4819399B2

JP4819399B2 - 薄型電池

Info

Publication number: JP4819399B2
Application number: JP2005154117A
Authority: JP
Inventors: 猛金井
Original assignee: NEC Corp; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; NEC Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP2006331874A

Description

本発明は、ラミネートフィルム等からなる包装体内に電池要素が電解液と共に収容された薄型電池に関する。

近年、電気自動車などの駆動用電源として、薄型電池（例えばリチウムイオン二次電池）を複数集合させて構成した組電池を用いることが行われている。また、そのような組電池において、電池の充放電性能を最大限に発揮させるためには（あるいは電池の寿命を短縮させないためには）、電池（薄型電池）を冷却する必要があることが知られている。薄型電池は一般に、ラミネートフィルムからなる包装体内に、金属箔の積層体として構成された電池要素が電解液と共に収容された構造となっている。

図８、図９は、特許文献１に開示された従来の薄型電池の構成を示している。薄型電池３５０は、正極用金属箔（不図示）と負極用金属箔とがセパレータを介して交互に積層された電池要素３０２と、その電池要素３０２を収容するための２枚のラミネートフィル３０１を有している。２枚のラミネートフィルム３０１は、その外周部の４辺において互いに熱シールされており、そのうちの一辺から電極タブ３０２ａが引き出されている。この薄型電池３５０は、ラミネートフィルム３０１が波形状に形成されていることを１つの特徴としており、これにより、例えば、図８の矢印Ａ方向に薄型電池３５０を曲げることができるようになっている。
特開２０００−１７３５５９号公報

このような薄型電池３５０を用いて組電池を構成する場合、例えば図１０に示すようにして電池を積層すれば、波形状部同士の間に空隙が確保され、これを通風路３７０として利用することができるとも考えられる。これによれば、特別なスペーサ等を用いることなく電池同士の間に通風路が確保されるため、組電池の構成を簡素化できる点で有利である。

しかし、特許文献１はそもそも薄型電池３５０をこのようにして積層することは想定しておらず、次のような理由から、このような積層を実現することは困難であると考えられる。すなわち、図１１に示すように、特許文献１の薄型電池では電池要素３０２とフィルム３０１との間には空洞部３０４が生じており、この部分ではフィルムが比較的変形しやくなっている。そのため、図１０のようにして積層した場合、実際にはフィルムが潰れてしまうおそれもあり、この場合、通風路３７０は確保されないこととなる。

前述の通り、フィルム３０１に形成された波形状部を利用すれば、スペーサ等を利用せずとも通風路３７０を確保することが可能である。しかし、これを実現するためには、フィルム３０１が変形しないように、つまり、通風路３７０が良好に確保されるように、何らからの対策を講じる必要がある。ここで、例えば、空洞部３０４内に補強部材を配置するなどしてフィルムが変形しないようにすることもできようが、これでは、不要な部材を追加することとなり好ましくない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、特別な部材を追加することなくフィルムの波形状部の剛性を確保することができ、しかも放熱を良好に行うことが可能な薄型電池を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の薄型電池は、電気的エネルギーを貯留及び出力するように構成された電池要素が、フィルム包装体の内部に電解液と共に収容された薄型電池において、前記電池要素の断面形状が波形状に形成され、前記フィルム包装体には、前記電池要素の外周面に沿うようにして、前記電池要素の波形状と形状を同じくする波形状部が形成されていることを特徴とする。また、上記本発明に関し、フィルム包装体の内部は真空引きされた状態となっていてもよいし、また、上記電池要素の波形状（フィルムの波形状部も同じ）は、サイン波形または台形波形であってもよい。

上記本発明によれば、電池要素が波形断面とされており、フィルム包装体の波形状部はその電池要素の外周面（表面）に沿うようにして形成されている。すなわち、フィルムと電池要素との間に空洞部を生じることなく、フィルム包装体の波形状部が形成されているため、フィルムの波形状部の剛性が十分に確保されたものとなっている。また、フィルムと電池要素との間の空洞部が生じていないことにより、従来の構成と比較して放熱性も良好なものとなっている（この詳細については〔発明を実施するための最良の形態〕の欄内で述べる）。そして、このように波形状に構成された本発明の薄型電池によれば、組電池を構成する際に特別なスペーサ等を要することなく、電池同士の間に通風路を確保することができる。

また、本発明の他の薄型電池は、それぞれ電気的エネルギーを貯留及び出力するように構成された２つの電池要素と、該２つの電池要素同士の間に配置された通路形成部材と、前記２つの電池要素及び前記通路形成部材を収容するフィルム包装体とを有する薄型電池であって、前記通路形成部材は、前記フィルム包装体を貫通した状態に延在する冷却風通路を複数有し、前記各電池要素の断面形状は波形状に形成され、前記フィルム包装体には、前記電池要素の外周面に沿うようにして、前記電池要素の波形状と形状を同じくする波形状部が形成されている。

この薄型電池は、１つのフィルム包装体の内部に２つの電池要素が配置されたものである。２つの電池要素の間には、通路形成部材が配置されており、この通路形成部材が補強部材として、あるいは、電池要素の冷却用部材として機能するようになっている。したがって、電池全体としての剛性が向上すると共に、放熱性も良好に維持される。この薄型電池においても、上記の薄型電池と同じように、電池要素が波形状とされると共にフィルム包装体には波形状部が形成されているため、上記同様、フィルムの波形状部の剛性が十分に確保され、また放熱性も良好なものとなる。

上記本発明の他の薄型電池に関し、前記通路形成部材は、前記電池要素のそれぞれに対向する第１の面及び第２の面を有し、前記電池要素はいずれも、その一方の面が前記第１の面又は第２の面に密着した状態で配置されていることが好ましい。電池要素が通路形成部材に密着していることで、電池要素の熱が通路形成部材に良好に伝わるようになり、結果的に電池の放熱性がより向上するためである。

また、前記フィルム包装体はより具体的には、２枚のラミネートフィルムからなるものであって、前記通路形成部材の、前記冷却風通路が開口する部位の近傍は、前記２枚のラミネートフィルムによって挟み込まれているものであってもよい。また、２つの電池要素は、前記通路形成部材を間において互いに対称の構造となっていることが好ましい。また、前記各電池要素の波形状は台形波形であり、前記フィルム包装体の内部は真空引きされた状態となっているものであってもよい。また、前記各冷却風通路の延在方向が、前記電池要素の波形状における波の稜線方向に一致しているものであってもよい。

上述したように本発明の薄型電池によれば、電池要素が波形断面とされており、フィルムの波形状部はこの電池要素の表面に沿うように形成されているため、特別な部材を追加することなくフィルムの波形状部の剛性を確保することができる。また、フィルムと電池要素の間には空洞部が生じないことから、電池の放熱性も良好なものとなる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の薄型電池の構成を示す断面図である。図１に示すように、薄型電池５０は、基本的には従来の構成同様、フィルム包装体を構成するフィルム２４Ａ、２４Ｂ（以下、単にフィルム２４とも言う）と、フィルム包装体内に電解液（不図示）と共に収容される電池要素２２とを有しており、フィルム２４同士を熱シールした封止部２６からは内部の電池要素２２に電気的に接続された電極タブ２５が引き出されている。

電池要素２２は、正極板２３ａ及び負極板２３ｂがセパレータ（不図示）を介して交互に積層されものであり、本実施形態においてはサイン波形の断面形状に形成されている。電池要素２２の厚さは例えば数ｍｍ〜十ｍｍ程度である。正極板２３ａ及び負極板２３ｂそれぞれの材質は、従来一般に用いられるものであれば特に限定されるものではない。

一例として、正極板２３ａは、金属酸化物などの正極活物資に、カーボンブラックなどの導電材と、ポリ四化フッ化エチレンの水性ディスパージョンなどの接着剤とを、重合比で例えば１００：３：１０の割合で混合したものを、正極側集電体としての金属箔（例えばアルミニウム箔）の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのちに所定の大きさに切断したものである。負極板２３ｂは、例えば、正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、スチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを例えば固形分比１００：５で混合し、この混合物を、負極側集電体としての金属箔（例えばニッケル箔又は銅箔）の両面に塗着、乾燥させ、圧延したのちに所定の大きさに切断したものである。

このような正極板２３ａ及び負極板２３ｂをセパレータを介して交互に重ね、これをプレス加工することで、波形状をなす電池要素２２が得られる。電池要素２２を包装する際、真空引きを行いながら２枚のフィルム２４Ａ、２４Ｂ同士を熱シールすることが好ましい。これにより、フィルム包装体の内部が真空状態（大気圧より低い気圧状態をいう）となり、各フィルム２４Ａ、２４Ｂの内側面が電池要素２２の外周面に密着して沿うこととなる。

なお、フィルム２４Ａ、２４Ｂに対しては、例えばプレス加工等により予め波形状が付与されていてもよい。フィルムが比較的軟らかい場合、真空引きを行った際にフィルムが電池要素の外形に沿って密着するため、こうした事前のプレス加工は不要である。

図２は、薄型電池５０を重ね合せて組電池を構成した例を示している。２つの薄型電池５０を、互いのフィルム２４Ｂ同士が対向するように上下を反転させて重ねることで、波形状部の谷部同士の間に通風路７０が形成されることとなる。本実施形態の構成によれば電池同士の間に特別のスペーサ等を介在させなくとも通風路７０が形成されるという利点があるが、もっとも、必要に応じてスペーサ等を用いることも可能である。

電極タブ２５同士は、例えばレーザ溶接を利用して互いに接合することができる。波形状部の谷部がこのように通風路７０を構成することに鑑みれば、谷部の延在方向（すなわち波の稜線）は、従来の構成と同じように例えば電池の短手方向にまっすぐとなっていることが好ましく、これにより、通風路７０もまっすぐに形成されることとなる。

本実施形態の薄型電池５０では、電池要素２２が波形断面とされており、フィルム２４には、その電池要素２２の外周面に沿うような波形状部が形成されている。したがって、従来の構成のようにフィルムと電池要素との間に空洞部３０４（図１１参照）が生じることはない。このような構成によれば、フィルム２４の波形状部に剛性が確保されるため、図２のようにして電池同士を重ね合せたとしてもフィルムが変形することはなく、通風路７０が良好に確保されるものとなる。

また、本実施形態のように電池要素２２が波形状となっている場合、電池要素の外形形状を拡大することなく、正極板２３及び負極板２４の表面積を大きくすることできるため、電池の高出力化にも有利である。また、本実施形態の構成は、図１１の構成のように空洞部３０４が生じるものではないため、放熱の観点からも有利である。すなわち図１１の構成では、空洞部３０４があるため、通風路内に送られる冷媒（冷却風）と電池要素との間の熱交換が効率的に実施されないと考えられる。これに対し、本実施形態の構成では空洞部が生じていないため、冷媒と電池要素２２との間の熱交換が良好になされるものとなる。

また、本実施形態の構成では電池要素２２が波形断面とされているため、例えば図８の矢印Ｂ方向の外力が加わったとしても電池の変形は最小限に抑えられる。これは、波の稜線方向に関し、電池要素の剛性が向上したことに起因するものである。

なお、波形状部の形状（谷部の深さ、あるいは谷部同士の間隔等）は適宜変更可能である。また、波形状はサイン波形に限らず、例えば矩形波形又は台形波形が連続するようなものであってもよい。また、フィルム２４Ａ、２４Ｂの具体的な一例としては、例えば、熱溶融性を有する樹脂層と、金属薄膜などからなる非通気層と、ナイロンなどからなる保護層とがこの順番に積層された３層構造のラミネートフィルムであってもよい。

（第２の実施形態）
電池要素の断面形状が台形波形である薄型電池の例について、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５に示す薄型電池１５０では、電池要素の断面が台形波状とされていることに加え、１つのフィルム包装体内に２つの電池要素１２２Ａ、１２２Ｂが配置された構成となっている。すなわち、この薄型電池１５０は、通路形成部材１３０を挟み込むようにして、２つの電池要素１２２Ａ、１２２Ｂが配置されたいわゆるサンドイッチ型の構造となっている。

まず、このようなサンドイッチ型の構造の基本的な考え方について、図６、図７を参照して説明する。なお、図６、図７では、本実施形態の構成要素と区別するため図３〜図５とは異なる符号を付して各構成要素を示している。

図６、図７に示す薄型電池２５０は、２つの電池要素２２２Ａ、２２２Ｂと、それらの間に配置される偏平な通路形成部材２３０とを有している。１つの電池要素は例えば３．６Ｖ程度の起電力を出力するものであり、本構成ではこれが２つあるために倍の出力（７．２Ｖ程度）が得られるようになっている。

通路形成部材２３０は樹脂成形品であり、リブによって仕切られた冷却風通路２３２（高さ寸法が例えば１．５〜２．０ｍｍ程度）を複数有している。薄型電池の完成状態では、図７に示すように、この通路形成部材２３０の短手方向の両端がフィルムの封止部２２６に挟み込まれている。これにより、冷却風通路２３２はフィルムによって塞がれることなく、フィルム外包体を貫通した状態となっている。この冷却風通路２３２内に冷却風を送ることにより、電池要素からの熱が外部に逃がされるようになっている。

通路形成部材２３０を用いることなく、単に２つの電池要素２２２Ａ、２２２Ｂを積層する構成では電池要素の内部に熱がこもりやすく、それに起因した問題も生じやすい。これに対して、図６、図７に示すサンドイッチ型の構造によれば、電池要素同士の間に冷却風通路２３２が確保されているため、放熱を良好に行うことができるという利点がある。また、この薄型電池では、通路形成部材２３０が補強部材としても機能することから、薄型電池全体としての剛性が向上するという利点もある。

再び図３を参照する。本実施形態に係る薄型電池１５０は、こうしたサンドイッチ型構造の利点を保ちつつ、電池要素の断面形状を波形状にしたものである。すなわち、図６の電池要素２２２Ａ、２２２Ｂに代えて電池要素１２２Ａ、１２２Ｂが配置されており、通路形成部材２３０に代えて、複数の冷却風通路１３２を有する通路形成部材１３０が配置されている。

各電池要素１２２Ａ、１２２Ｂはいずれも同じ構成であり、その断面形状は台形の波形状となっている。各電池要素を構成する正極板１２３ａ及び負極板１２３ｂは、第１の実施形態の正極板２３ａ及び負極板２３ｂと同様のものを使用可能である。

２つの電池要素１２２Ａ、１２２Ｂは、通路形成部材１３０を間において互いに対称の構造となっており、一方の電池要素の山部１２７の反対側には、他方の電池要素の山部１２７が存在している。それぞれの山部１２７ではフィルムの表面が平坦になっており、これにより、電池同士の重ね合せが良好にできるようになっている。

図４は、薄型電池１５０を重ね合せて組電池を構成した例を示している。２つの薄型電池１５０を、各電池の山部１２７同士が互いに接触するように重ねることで、波形状部の谷同士の間に断面六角形状の通風路１７０が形成される。通風路１７０は、冷却風通路１３２と同じ方向に延在しており、また、通風路１７０の開口と冷却風通路１３２の開口とはいずれも同じ方向を向いている。このような構成によれば、各通路１３２、１７０に冷却風を送り込むためのダクト（不図示）を構成しやすいという利点がある。

図５には、薄型電池１５０の側縁部の一部が拡大して示されている。図示するように、通路形成部材１３０は、冷却風通路１３２が開口する部位の近傍が２枚のフィルム１２４Ａ、１２４Ｂによって挟み込まれている。この場合、各フィルムの内側面が、例えば熱シールにより通路形成部材の外周面に接合されていてもよい。あるいは、接着剤等を介在させた状態で、フィルムの内側面と通路形成部材の外周面とが接合されていてもよい。

以上説明した本実施形態によれば、電池要素１２２Ａ、１２２Ｂが波形状とされていることによる、第１の実施形態同様の利点が得られる。また、薄型電池１５０は、２つの電池要素が通路形成部材を挟み込むように配置されたサンドイッチ型構造となっているため、放熱性や剛性を損なうことなく、電池要素２個分の出力が得られるようになっている。

なお、電池要素からの熱を良好に放熱する観点からすれば、電池要素１２２Ａの下面と通路形成部材１３０の上面（第１の面）とが密着するような構成となっていることが好ましい。すなわち、電池要素の下面と通路形成部材の上面とが相補的な形状となっていることが好ましい。これは、電池要素１２２Ｂの上面と通路形成部材１３０の下面（第２の面）との関係においても同様である。このように、電池要素と通路形成部材とが互いに密着する構成となっていることにより、電池要素の熱が通路形成部材に良好に伝わるようになる。通路形成部材に伝わった熱は、冷却風通路１３２内に送られる冷媒（冷却風）との間で熱交換され外部に逃がされる。

なお、通路形成部材１３０における冷却風通路１３２同士の間隔は特に限定されるものではないが、各冷却風通路１３２は等間隔で配置されていることが好ましい。これにより、電池要素に対する冷却が均一的なものとなる。通路形成部材１３０は樹脂成形品に限らず、例えば絶縁性の２枚の板部材が対向配置されてなるものであってもよい。具体的な材質の一例を挙げれば、該板部材は、例えば金属等の熱良導体に電気絶縁材をコーティングしたものであってもよい。金属等の熱良導体を用いることによって、冷却風通路１３２内の冷媒と電池要素との間の熱交換が良好になされるものとなる。

以上、本発明について２つの実施形態を例に挙げて説明したが、各実施形態の構成は互いに組み合わされて使用されてもよい。例えば、第２の実施形態の構成において電池要素の波形状をサイン波形とすることも可能である。

第１の実施形態に係る薄型電池の構成を示す断面図である。図１の薄型電池を重ね合せて組電池を構成した例を示す図である。第２の実施形態に係る薄型電池の構成を示す断面図である。図３の薄型電池を重ね合せて組電池を構成した例を示す図である。図３の薄型電池の側縁部を一部拡大して示す斜視図である。第２の実施形態に係る薄型電池の基本的な構成について説明するための分解斜視図である。図６の薄型電池の完成状態を示す外観斜視図である。従来の薄型電池の構成を示す外観斜視図である。図８の薄型電池の構成を示す分解斜視図である。従来の薄型電池を重ね合せて組電池を構成した例を示す図である。図８の薄型電池の内部構造を示す断面図である。

符号の説明

２２、１２２Ａ、１２２Ｂ電池要素
２３ａ、１２３ａ正極板
２３ｂ、１２３ｂ負極板
２４Ａ、２４Ｂ、１２４Ａ、１２４Ｂフィルム
２５、１２５電極タブ
２６封止部
１２７山部
１３０通路形成部材
１３２冷却風通路
５０、１５０薄型電池
７０、１７０通風路

Claims

それぞれ電気的エネルギーを貯留及び出力するように構成された２つの電池要素と、該２つの電池要素同士の間に配置された通路形成部材と、前記２つの電池要素及び前記通路形成部材を収容するフィルム包装体とを有する薄型電池であって、
前記通路形成部材は、前記フィルム包装体を貫通した状態に延在する冷却風通路を複数有し、前記各電池要素の断面形状は波形状に形成され、前記フィルム包装体には、前記電池要素の外周面に沿うようにして、前記電池要素の波形状と形状を同じくする波形状部が形成されている薄型電池。
前記通路形成部材は、前記電池要素のそれぞれに対向する第１の面及び第２の面を有し、前記電池要素はいずれも、その一方の面が前記第１の面又は第２の面に密着した状態で配置されている、請求項１に記載の薄型電池。
前記フィルム包装体は２枚のラミネートフィルムからなるものであって、前記通路形成部材の、前記冷却風通路が開口する部位の近傍は、前記２枚のラミネートフィルムによって挟み込まれている、請求項１又は２に記載の薄型電池。
前記２つの電池要素は、前記通路形成部材を間において互いに対称の構造となっている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の薄型電池。
前記各電池要素の波形状は台形波形であり、前記フィルム包装体の内部は真空引きされた状態となっている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の薄型電池。
前記各冷却風通路の延在方向が、前記電池要素の波形状における波の稜線方向に一致している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の薄型電池。