JP4973824B2 - 電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の素電池が接続した電池モジュールに関し、特に、素電池の正極端子から排出されたガスを、安全に電池モジュール外部に排出する排出機構を有し、かつ複数の素電池を短い距離で直列接続できる電池モジュールに関する。

複数の素電池をケースに収容して、所定の電圧及び容量を出力できるようにした電池モジュールは、種々の機器、車両等の電源として広く使用されている。中でも、汎用的な素電池を並列接続及び直列接続して、所定の電圧及び容量を出力するように構成された電池モジュールは多種多様な用途に利用されている。電池モジュールに収容される素電池は、高性能化されることにより、小型化・軽量化が進んでいる。よって、電池モジュール自身を小型・軽量化することができるため、電池パックを組み立てる際の作業性が向上するとともに、車両等の限られた空間へ搭載する際の自由度が向上する。

一方、電池モジュールに収容する素電池の高性能化に伴い、素電池自身の安全性確保に加え、電池モジュールにおける安全性確保が重要である。特に、内部短絡等による発熱でガスが発生し、安全弁が作動して高温ガスが素電池外に放出された場合、周辺の素電池が高温ガスに曝され正常な素電池にまで影響を与え、連鎖的な劣化を引き起こす場合がある。

これに対して、特許文献１には、複数の素電池を収容するケースを、区画壁により、素電池を収容する電池室と、素電池から放出される高温ガスを排気する排出室とに区画し、素電池の安全弁の開口部を排気室に連通させた排気機構を備えた電源装置が記載されている。このような構成によって、素電池の安全弁から放出される高温ガスを、電池室に流入させることなく排気室に流入させ、ケースの排出口から筐体外に排出できる。これにより、周辺の素電池が、異常素電池から放出された高温ガスに曝させるのを防止でき、正常な素電池に与える影響を低減できる。

しかしながら、特許文献１に記載の電源装置は複数の素電池を、同一の電極が同一方向に向くように配置され、排気室が一方の電極側に配置されている。よって、複数の素電池が並列接続された電池ユニットを直列接続する場合、隣接する電池ユニットの正極と負極を接続するのに電池の長さ分の接続リードが必要となり、このリードが電流の流れる経路として抵抗になる。

また、複数の電池ユニットを正極と負極が交互になるように配列して、素電池の安全弁の開口部側に各々排気室を設けると、素電池の両極側に排気室を持つことになる。これにより、電池モジュールの体積が増大し、電池モジュールの単位体積当りの電力量が減少する。

特開２００７−０２７０１１号公報

本発明は、排気室による体積増加を極力抑制しながら、複数の素電池が極力短い距離で直列接続して電流の流れる経路の抵抗を低減できる電池モジュールを提供する。

本発明の電池モジュールは、第１の素電池と、第２の素電池と、第１の排気室と、第２の排気室を有する。第１の素電池は正極端子を第１の方向側に向けて配置されている。第２の素電池は、第１の素電池と直列接続され負極端子を第１の方向側に向けて配置され第１の素電池と隣接して配置されている。第１の排気室は、第１の素電池の正極端子に対向するように配置され、第１の素電池の正極端子から噴出するガスを排気する。第２の排気室は第２の素電池の正極端子に対向するように配置され第２の素電池の正極端子から発生するガスを排気する。第２の素電池の第１の方向側の端面と第１の排気室の第１の方向側の外面とが同一平面にある。第１の素電池の第１の方向側と反対方向である第２の方向側の端面と第２の排気室の第２の方向側の外面とが同一平面にある。

本構成によって、排気室による体積増加を極力抑制し、複数の素電池を並列接続した電池ユニットを極力短い距離で直列接続できる。

図１は本発明の実施の形態における電池モジュールに使用する素電池の構成を模式的に示した断面図である。 図２は本発明の実施の形態における電池モジュールの構成を模式的に示した斜視図である。 図３は図２の３−３線における断面図である。 図４は本発明の実施の形態におけるリード板の上面図である。 図５は本発明の実施の形態における排気室の上面図である。 図６は図２の６−６線における断面図である。

図１は、本発明の実施の形態における電池モジュールに使用する素電池１００の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する素電池は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる素電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用できるため、電池モジュールをより容易に高性能化でき、低コスト化できる。

電池モジュールに使用する素電池１００としては、例えば、図１に示すような、円筒形のリチウムイオン二次電池を採用できる。このリチウムイオン二次電池は、一般的な構成であり、内部短絡等の発生により電池内の圧力が上昇したとき、電池内部に溜まったガスを電池外に放出する安全機構を有している。以下、図１を参照しながら、素電池１００の具体的な構成を説明する。

素電池１００は電極群４を有する。電極群４は正極１と、正極１と対向する負極２とをセパレータ３を介して捲回することで形成されている。正極１には例えばアルミニウム（Ａｌ）製のリード５が接続され、負極２には例えば銅製のリード６が接続されている。

電極群４は上下に絶縁板９、１０が配された状態でケース７に挿入されている。リード５の端部はフィルタ１２に、リード６の端部は負極端子を兼ねるケース７の底部にそれぞれ接合されている。さらに、リチウムイオンを伝導する非水電解質（図示せず）がケース７に注入されている。すなわち非水電解質は電極群４に含浸し、正極１と負極２との間に介在している。

フィルタ１２は、インナーキャップ１３に接続され、インナーキャップ１３の突起部は、金属製の弁体１４に接合されている。さらに、弁体１４は、正極端子を兼ねる端子板８に接続されている。そして、端子板８、弁体１４、インナーキャップ１３、及びフィルタ１２が一体となって、ガスケット１１を介して、ケース７の開口部を封口している。

素電池１００に内部短絡等が発生して、電池内にガスが溜まることで素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が端子板８に向かって膨れ、インナーキャップ１３と弁体１４との接合がはずれる。これにより、電流経路が遮断される。さらに素電池１００内の圧力が上昇すると、弁体１４が破断する。これによって、素電池１００内に発生したガスは、フィルタ１２の貫通孔１２ａ、インナーキャップ１３の貫通孔１３ａ、弁体１４の裂け目、そして、端子板８の開放部８ａを介して、素電池１００の外部へ排出される。

なお、素電池１００内に発生したガスを外部に排出する安全機構は、図１に示した構造に限定されず、他の構造であってもよい。

正極１は集電体１Ａと正極活物質を含む正極層１Ｂとから構成されている。正極層１Ｂは、例えばＬｉＣｏＯ_２やＬｉＮｉＯ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_４またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。正極層１Ｂは、さらに導電剤と結着剤とを含む。導電剤として、例えば天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、あるいはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類を用いることができる。また結着剤として、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミドなどを用いることができる。集電体１Ａとしては、Ａｌ、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。

非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、このような溶液を高分子で非流動化したいわゆるポリマー電解質が適用可能である。非水電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＣＯ_２）、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２などを用いることができる。有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを用いることができる。

負極２は集電体２Ａと負極活物質を含む負極層２Ｂとから構成されている。集電体２Ａは、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。負極層２Ｂに含まれる負極活物質としては、黒鉛などの炭素材料を用いることができる。または、ケイ素やスズあるいはその酸化物などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が８３３ｍＡｈ／ｃｍ^３を超える材料を用いることができる。前述のようにリード６はケース７の内底面に接続されているので、ケース７の外底面は負極端子として機能する。

図２は、本発明の実施の形態における電池モジュール２００の構成を模式的に示した斜視図である。電池モジュール２００は、Ｘ方向に５個の素電池１００（１００Ａ）が配列されて並列接続された電池ユニット３００（３００Ａ）を形成している。そして、電池ユニット３００Ａを含む複数の電池ユニット３００Ａ〜３００ＣがＹ方向に向かって並んで配置されている。その際、Ｚ方向に正極端子が向かうように配置された電池ユニット３００Ａの隣にＺ方向に負極端子が向かうように配置された電池ユニット３００Ｂが配置されている。すなわち、Ｚ方向に正極が向かうように配置される電池ユニット３００とＺ方向に負極端子が向かうように配置される電池ユニット３００とが交互に隣接して配置されている。

それぞれの電池ユニット３００Ａ〜３００Ｃの素電池１００Ａ〜１００Ｃの正極端子に対向するように、それぞれＸ方向に伸びた排気室１２０（１２０Ａ〜１２０Ｃ）が配置されている。この時、正極端子に設けられた開放部８ａも排気室１２０と対向している。そのとき、隣接する一方の電池ユニット、例えば電池ユニット３００Ｂの素電池１００ＢのＺ方向側の端面と、他方の電池ユニット３００Ａに対向する排気室１２０ＡのＺ方向側の外面とが同一平面になるように配置されている。つまり、排気室１２０が素電池１００の負極付近のケース７の側面に配置されている。

言い換えれば、素電池１００Ｂは負極端子側の端面が、素電池１００Ａの正極端子側の端面に対してＺ方向側に所定高さだけずらして配置されている。そして、排気室１２０Ａはその所定高さの範囲内に収まるように配置されている。

同様に、隣接する一方の電池ユニット３００Ａの素電池１００Ａの反Ｚ方向側の端面と、他方の電池ユニット３００Ｂに対向する排気室１２０Ｂの反Ｚ方向側の外面とが同一平面になるように配置されている。

言い換えれば、素電池１００Ａは負極端子側の端面が、素電池１００Ｂの正極端子側の端面に対して反Ｚ方向側に所定高さだけずらして配置されている。そして、排気室１２０Ｂはその所定高さの範囲内に収まるように配置されている。

このような配置とすることで、交互に配置した電池のそれぞれの正極側、すなわち電池モジュールの両端側に排気室を配置した場合に、体積効率を高くでき、より小型の電池モジュールにできる。

図３を用いて、素電池１００と排気室１２０との接続方法ならびに電池モジュール２００の並列接続構造について説明する。図３は、図２の３−３線における断面図である。

素電池１００の正極端子側の端面の外周部にリング体１０１が接合されている。リング体１０１は、樹脂材で形成されている。

リング体１０１及び素電池１００の正極端子側を覆うように、リード板１０２が設けられている。リード板１０２は、リング体１０１と気密されるとともに、正極端子である端子板８の上面と電気的に接続されている。同様に、並列した複数の素電池１００が、それぞれリード板１０２に電気的に接続されることで、複数の素電池１００が電気的に並列接続されている。リード板１０２は、Ni等で形成されている。

中空の箱状の排気室１２０は、リード板１０２の上方に配置されている。また、排気室１２０と、リード板１０２は気密されている。排気室１２０は、金属材で形成されている。

次に、素電池１００からガスが排出された場合に、電池モジュール２００外部にガスを排気する機構について図３、図４、図５を用いて詳細に説明する。図４は、本発明の実施の形態におけるリード板１０２の上面図である。図５は、本発明の実施の形態における排気室１２０の平面図である。

リード板１０２における素電池１００の正極端子に対向する位置には、図４に示すような貫通孔１０２１が設けられている。貫通孔１０２１は、例えば正極端子の外周に沿う複数の穴で形成されている。この時、貫通孔１０２１の内側の部分においてリード板１０２と正極端子とが電気的に接続されている。

また、リード板１０２は素電池１００の正極端子と接続する正極側接続部１０２２と素電池１００の負極端子と接続する負極側接続部１０２３とから構成されている。

また、図５に示すように排気室１２０における、リード板１０２の貫通孔１０２１に対向する位置には、貫通孔１２０１が設けられている。

このような構成において、内部短絡等の原因で素電池１００内部にガスが溜まった場合、開放部８ａから、素電池１００とリング体１０１とリード板１０２とで囲まれた空間にガスが排出される。そして、ガスはリード板１０２の貫通孔１０２１、排気室１２０の貫通孔１２０１をそれぞれ通って、排気室１２０内に排出される。最終的に、ガスは排気室１２０の排気口１２０２から電池モジュール２００外部へ排出される。

なお、排出口１２０２は、そのまま電池モジュール２００外部に開口していても良いし、別途設けられた排気筒等と連結するように構成しても良い。

図６を用いて、隣接する電池ユニット３００の素電池１００同士の直列接続構造に関して、より詳細に説明する。図６は、図２の６−６線における断面図である。

隣接する素電池１００、例えば素電池１００Ａと素電池１００Ｂとは、以下のように直列接続されている。

リード板１０２の一端側が、素電池１００Ａと排気室１２０Ａとの間に配置され、正極端子と接続されている。また、リード板１０２の他端側が、素電池１００Ａと排気室１２０Ａとの間から延出し、隣接する素電池１００Ｂの負極端子と対向するように配置され、負極端子と接続されている。リード板１０２は、素電池１００Ａの正極端子と素電池１００Ｂの負極端子とに沿うように折り曲げ加工されている。

同様に、素電池１００Ｂと素電池１００Ｃとがリード板１０２により直列接続されている。

このようにして、素電池１００Ａ〜１００Ｃが直列接続されている。なお、素電池１００Ａの負極端子に接続されたリード板１０２の他端側は例えば、負極側取り出し極（図示せず）に接続されている。同様に、素電池１００Ｃの正極端子接続されているリード板１０２の他端側は、正極側取り出し極（図示せず）に接続されている。

図６に示すように素電池１００Ｂの負極端子に対向するようにリード板１０２が設けられている場合、素電池１００Ａの正極端子と対向するように配置された排気室１２０ＡのＺ方向側の外面と、素電池１００Ｂの負極端子と対向するように配置されたリード板１０２のＺ方向側の外面とが同一平面にある。すなわち、素電池１００ＢのＺ方向側の端面が、リード板１０２のＺ方向側の外面で構成されている。

なお、リード板１０２は必ずしも図６に示すような形状及び接続方法である必要は無く、隣接する素電池１００の正極と負極とを接続できる構成であれば良い。例えば、素電池１００の負極付近のケース７のハロンなどの絶縁性部材からケース７の側面を露出させ、リード板１０２と素電池１００の負極付近のケース７を電気的に接続しても良い。この場合には、必ずしもリード板１０２は素電池１００の負極端子と対向するような構成にはならない。

また、本実施の形態では、５個の素電池１００を並列接続した電池ユニット３００を３個直列接続した電池モジュール２００を説明したが直列接続及び並列接続する素電池の個数はこれに限定されない。最小で２個の素電池１００を直列接続した構成（１並列、２直列）においても本発明の効果は得られる。

かかる構成によれば、素電池１００の負極側の面と、排気室１２０の同一方向側の外面が同一平面になりながら配置されているので、排気室１２０による電池モジュール２００の体積増加を極力抑制できる。また、複数の素電池１００を極力短い距離で直列接続して電流の流れる経路の抵抗を低減できる。

本発明の電池モジュールは、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。

１ 正極
１Ａ 集電体
１Ｂ 正極層
２ 負極
２Ａ 集電体
２Ｂ 負極層
３ セパレータ
４ 電極群
５ リード
６ リード
７ ケース
８ 正極端子（端子板）
８ａ 開放部
９，１０ 絶縁板
１１ ガスケット
１２ フィルタ
１２ａ 貫通孔
１３ インナーキャップ
１３ａ 貫通孔
１４ 弁体
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 素電池
１０１ リング体
１０２ リード板
１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ 排気室
３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ 電池ユニット
１０２１ 貫通孔
１２０１ 貫通孔
１２０２ 排気口

Claims (8)

1. 正極端子を第１の方向側に向けて配置された第１の素電池と、
   前記第１の素電池と直列接続され負極端子を前記第１の方向側に向けて配置され前記第１の素電池と隣接して配置される第２の素電池と、
   前記第１の素電池の前記正極端子に対向するように配置され、前記第１の素電池の前記正極端子から噴出するガスを排気する第１の排気室と、
   前記第２の素電池の正極端子に対向するように配置され前記第２の素電池の前記正極端子から発生するガスを排気する第２の排気室をと、を備え、
   前記第２の素電池の前記第１の方向側の端面と前記第１の排気室の前記第１の方向側の外面とが同一平面にあり、
   前記第１の素電池の前記第１の方向側と反対方向である第２の方向側の端面と前記第２の排気室の前記第２の方向側の外面とが同一平面にあることを特徴とする電池モジュール。
2. 前記第１の素電池の前記正極端子と前記第２の素電池の負極端子とを電気的に接続するリード板をさらに備え、
   前記リード板の一端は、前記第１の素電池の前記正極端子と前記排気室との間に前記正極端子と対向するように配置され、
   前記リード板の他端は、前記第２の素電池の前記負極端子と対向するように配置され、
   前記第２の素電池の前記負極側の端面を前記リード板の他端の前記第１の方向側の外面が形成する
   請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記リード板は、前記第１の素電池の前記正極端子と前記第２の素電池の前記負極端子とに沿うように折り曲げ加工されている
   請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記リード板は、前記正極端子と対向する位置に貫通孔を有し、
   前記第１の排気室は、前記リード板の前記貫通孔と対向する位置に貫通孔を有し、
   前記正極端子から噴出する前記ガスは、前記リード板の貫通孔、前記第１の排気室の貫通孔を通り、前記第１の排気室に排出される
   請求項２に記載の電池モジュール。
5. 前記リード板の前記貫通孔は、前記正極端子の外周に沿う複数の穴であり、
   前記正極端子は前記リード板の前記複数の穴よりも内側の部分で前記リード板と電気的に接続している
   請求項４に記載の電池モジュール。
6. 複数の前記第１の素電池と、複数の前記第２の素電池とを備え、
   前記複数の前記第１の素電池は並列に接続され、
   前記第１の排気室は前記複数の前記第１の素電池の並列方向に沿って設けられることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
7. 複数の前記第１の素電池の前記正極端子と複数の前記第２の素電池の負極端子とを電気的に接続するリード板をさらに備え、
   前記リード板の一端は、複数の前記第１の素電池の前記正極端子と前記排気室との間に前記正極端子と対向するように配置され、
   前記リード板の他端は、複数の前記第２の素電池の前記負極端子と対向するように配置され、
   前記リード板は複数の前記第１の素電池を並列に接続し、
   前記リード板は複数の前記第２の素電池を並列に接続し、
   前記第２の素電池の前記負極側の端面を前記リード板の他端の前記第１の方向側の外面が形成する
   請求項６に記載の電池モジュール。
8. 正極を第１の方向側に向けて配置された第１の素電池と、前記第１の素電池と直列接続され負極を前記第１の方向側に向けて配置され前記第１の素電池と隣接して配置される第２の素電池と、
   前記第１の素電池の正極端子に対向するように配置され、前記第１の素電池の前記正極端子から噴出するガスを排気する第１の排気室と、
   前記第２の素電池の正極端子に対向するように配置され、前記第２の素電池の前記正極端子から発生するガスを排気する第２の排気室と、を備え、
   前記第２の素電池は前記負極側の端面が、前記第１の素電池の前記正極側の端面に対して前記第１の方向側に所定高さだけずらして配置され、前記第１の排気室は前記所定高さの範囲内に収まるように配置され、
   前記第２の素電池は正極側の端面が、前記第１の素電池の負極側の端面に対して前記第１の方向側に所定高さだけずらして配置され、前記第２の排気室は前記所定高さの範囲内に収まるように配置される
   電池モジュール。

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