JP5223262B2

JP5223262B2 - 組電池

Info

Publication number: JP5223262B2
Application number: JP2007207406A
Authority: JP
Inventors: 尚美大鹿; 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP2009043570A

Description

本発明は、複数の電池を積層して構成される組電池に関する。

従来、正電極と負電極をセパレータを介して積層し、この積層体を外装材により外包して薄型電池を形成するとともに、複数の薄型電池をケース内に積層し、積層順に各電池を電気的に直列接続して組電池を構成したものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−３１１９５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の組電池は、薄型電池を積層順に直列接続するため、導電性の異物が組電池を貫通して内部短絡が生じた場合に、導電性異物に電池の積層数に比例した大きな短絡電流が流れる。その結果、組電池内部の発熱量が大きくなり、電池の温度上昇を招くという問題があった。

本発明による組電池は、扁平形状の少なくとも第１のセルと第２のセルと第３のセルとを積層してなる積層体と、第１のセルと第２のセル、および第２のセルと第３のセルを直列接続する接続手段とを有し、第１のセルと第２のセルの間に第３のセルが配設されることを特徴とする。

本発明によれば、導電性の異物が組電池を貫通した際の組電池の温度上昇を抑制することができる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図１０を参照して本発明の第１の実施の形態に係る組電池について説明する。
本実施の形態に係る組電池は、複数の薄型電池を積層して構成されるものであるが、薄型電池としてここではラミネート電池を用いる。まず、ラミネート電池単体の構成を説明する。図１は、ラミネート電池の上面図、図２は側面図、図３（ａ）はラミネート電池の内部構成を示す図２のIII部拡大図、図３（ｂ）はさらにその部分拡大図である。

ラミネート電池１はシート状リチウムイオン二次電池である。図１，２に示すように平面視略矩形状の可撓性の袋状外装材１００は、上側外装材１００Ｕと下側外装材１００Ｌをその縁部１０３ａ〜１０３ｄで熱溶着して密閉容器とされ、外装材１００の縁部１０３ａ〜１０３ｄはフランジ形状とされている。外装材１００の対向する端部１０３ｂ、１０３ｄからはそれぞれ正極端子１１０と負極端子１２０が突設されている。なお、外装材１００の端部１０３ｂ、１０３ｄにおける端子１１０，１２０の突出位置は電池１毎に異なっている（図５参照）。

図３に示すように袋状外装材１００の内部（密閉空間Ｓ）には、内部電極対１０１および電解液１０２が真空密封状態で収容されている。内部電極対１０１はシート状の正電極１０１ａおよび負電極１０１ｂを備えている。正電極１０１ａは、アルミ箔の正極集電体（正極箔）１０４の両面に正極活物質１０４ａを積層したものであり、負電極１０１ｂは、銅箔の負極集電体（負極箔）１０５の両面に負極活物質１０５ａを積層したものである。正電極１０１ａと負電極１０１ｂは、セパレータ１０１ｃを介して交互に積層されている。これら積層体が上述した内部電極対１０１を構成する。

図３（ａ）に示すように、負電極１０１ｂの負極箔１０５はそれぞれ負極端子１２０に連結されている。負極端子１２０は、袋状外装材１００の縁部１０３ｄを気密に貫通するとともに、縁部１０３ｄに固着される。なお、図示していないが、正極端子１１０も負極端子１２０と同様となっており、正極端子１１０には正電極１０１ａの正極箔１０４がそれぞれ連結されている。

正極箔１０４は例えばアルミニウム、正極活物質１０４ａは例えばリチウムマンガン酸、リチウムコバルト酸、リチウムニッケル酸などにより構成される。負極箔１０５は例えば銅、負極活物質１０５ａは例えばカーボンにより構成される。絶縁材１０４ｂ，１０５ｂは、イオン透過性も電子伝導性もない物質が使用でき、例えばアクリル系樹脂、ウレタン樹脂などにより構成される。

袋状外装材１００は、内面層１００ａ、中間層１００ｂおよび外面層１００ｃの三層構造のラミネートフィルムで形成されている。内面層１００ａには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドなどの耐電解液性およびヒートシール性に優れた熱可塑性樹脂が使用される。中間層１００ｂには、アルミ箔やステンレス箔等の可撓性および強度に優れた金属箔が使用される。外面層１００ｃには、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた絶縁樹脂が使用される。

以上のラミネート電池１を複数積層して積層体を形成し、ケース内に収容するとともに、各ラミネート電池１を電気的に直列接続して組電池を構成する。その際、本実施の形態では、各ラミネート電池１を積層順とは異なった順番で接続する。

まず、比較例として、例えば８枚のラミネート電池１を積層順に直列接続した例を図４（ａ）に模式的に示す。なお、以下では各電池１（セル）を接続順に第１セル１１、第２セル１２、・・、第８セル１８と呼ぶ。図４（ａ）では、各セル間の電位差が互いに等しいため、上方に行くに従いセルの電位が高くなり、最上部の第１セル１１が最高電位、最下部の第８セル１８が最小電位となっている。すなわちセル１１〜１８の積層順と電位の高低順が一致している。

これに対し、本実施の形態では、図４（ｂ）に示すように第１セル１１〜第８セル１８を積層して積層体５０を形成する。すなわち、第２セル１２と第３セル１３、第４セル１４と第５セル１５、第６セル１６と第７セル１７の順番をそれぞれ入れ替える。これら入れ替えた層の間では、上方よりも下方の電位が高くなっており、セル１１〜１８の積層順と電位の高低順が不一致である。

図５は、本実施の形態に係る組電池の具体的構成を示す斜視図であり、図６は上面図、図７は図５の矢視VI図である。以下、外装材１００の側方空間を図６に示すように幅方向に第１領域Ａ１〜第４領域Ａ４に分けて説明する。なお、第１セル１１〜第８セル１８の正極端子１１０をそれぞれ１１１〜１１８、負極端子１２０をそれぞれ１２１〜１２８で表す。

図７に示すように第１セル１１と第３セル１３と第５セル１５と第７セル１７は、それぞれ図の右側に正極端子１１１，１１３，１１５，１１７が位置し、左側に負極端子１２１，１２３，１２５，１２７が位置するように配置されている。第２セル１２と第４セル１４と第６セル１６と第８セル１８は、それぞれ図の右側に負極端子１２２，１２４，１２６，１２８が位置し、左側に正極端子１１２，１１４，１１６，１１８が位置するように配置されている。

第１セル１１の正極端子１１１と負極端子１２１、第２セル１２の正極端子１１２、および第８セル１８の負極端子１２８はそれぞれ第１領域Ａ１にて突設している。第２セル１２の負極端子１２２，第３セル１３の正極端子１１３と負極端子１２３、および第４セル１４の正極端子１１４はそれぞれ第２領域Ａ２にて突設している。第４セル１４の負極端子１２４、第５セル１５の正極端子１１５と負極端子１２５、第６セル１６の正極端子１１６はそれぞれ第３領域Ａ３にて突設している。第６セル１６の負極端子１２６、第７セル１７の正極端子１１７と負極端子１２７、第８セル１８の正極端子１１８はそれぞれ第４領域Ａ４にて突設している。

第１セル１１の正極端子１１１と第８セル１８の負極端子１２８を除き、各端子１１２〜１１８，１２１〜１２７は上方または下方に向けて折り曲げられ、対向する端子同士が溶接により接合されている。これにより第１セル１１〜第８セル１８の積層体５０が図４（ｂ）に示すように直列接続される。

以上の組電池は図７に示すようにケース２０内に収容され、上方がカバー２１によって蓋をされて車両等に搭載される。ここで、積層方向外側に配置されたセル（例えば第１セル１１と第８セル１８）は、片面のみしか他のセルに接していないため、積層方向内側に配置されたセル（例えば第４セル１４と第５セル１５）よりも外部への放熱量が大きい。この点を利用して本実施の形態では、導電性の異物が組電池を貫通した際の短絡電流による電池内部の温度上昇を抑える。

図８は、導電性の異物１５（例えば釘）が組電池を積層方向に貫通した際の組電池内部の短絡電流の流れ示す図である。なお、説明を簡単にするため、図８には第１セル１１〜第３セル１３のみを示す。図８（ａ）は図４（ａ）に対応し、図８（ｂ）は図４（ｂ）に対応している。第１セル１１〜第３セル１３を図示のように棒状の異物１５が貫通すると、異物１５を介して各セル間を短絡電流ｉが流れる。

この際、異物１５の抵抗がどこも同じだと仮定すると、図８（ａ）に示すように各セル１１〜１３を積層順に接続した場合には、各セル間の電位差が等しいため、各セル間を流れる短絡電流ｉの大きさも等しい（ｉ＝ｉ１）。このとき、短絡電流ｉが大きいほど異物１５の発熱量は大きくなるが、各セル間を流れる短絡電流ｉは等しいので、短絡電流ｉによるセル１１〜１３の発熱量は互いに等しい。

一方、図８（ｂ）に示すように第２セル１２と第３セル１３を入れ替えて積層した場合には、隣接する第１セル１１と第３セル１３の間の電位差が大きいため、セル１１，１３間を上記ｉ１よりも大きな短絡電流ｉ２が流れる。これにより第１セル１１と第３セル１３を異物１５が貫通した直後の組電池のＳＯＣは、図８（ａ）の第１セル１１と第２セル１２を異物１５が貫通した直後の組電池のＳＯＣよりも減少する。そのため、第２セル１２と第３セル１３の電位差が小さくなり、その分、セル１２，１３間を流れる短絡電流ｉ３が上記ｉ１よりも小さくなる。その結果、短絡電流ｉによる第１セル１１の発熱量は大きいが、その反面、第２セル１３の発熱量は小さくなる。

ここで、第１セル１１は組電池の最も外側に配置されるので、外部への放熱量が大きく、発熱量の大きい第１セル１１の温度上昇を効率よく抑えることができる。また、組電池の内側に配置される第２セル１３は発熱量が小さいので、異物１５が貫通した際の電池内部の温度上昇を効率よく抑制することができる。

なお、第１の実施の形態は、組電池内側の第２セル１２〜第７セル１７の積層順を入れ替えて積層体５０を構成した点を特徴としており、図４（ｂ）に示した以外の積層順としてもよい。例えば図９（ａ）に示すように第１セル１１、第３セル１３、第５セル１５、第７セル１７、第２セル１２、第４セル１４、第６セル１６、第８セル１８の順に積層してもよく、図９（ｂ）に示すように第１セル１１、第３セル１３、第５セル１５、第７セル１７、第６セル１６、第４セル１４、第２セル１２、第８セル１８の順に積層してもよい。いずれの場合も組電池の内側に配置されたセルの発熱量を小さくすることができ、電池内部の温度上昇を抑えることができる。

組電池全体を異物１５が貫通した直後の組電池の温度上昇の割合を図１０に示す。図のＡ〜Ｄは、それぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）、図９（ａ）、図９（ｂ）の積層順に対応する。図４（ｂ）では、異物１５が各セルを上方から順番に貫通するとき、上から３番目のセル１２を貫通した際にセル１２，１３間に上下反対の電位差が生じ、さらに上から５番目のセル１４と７番目のセル１６を貫通したときも上下反対の電位差が生じる。これにより、図１０に示すように、組電池の温度上昇を最も小さくできる。

第１の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）組電池の内側のセル１２〜１７の積層順を入れ替えて積層体５０を構成し、下方に配置されたセルの電位が上方に配置されたセルの電位よりも大きくなるようにした。これにより、組電池を異物１５が貫通した際の組電池の内側の発熱量が小さくなり、組電池の温度上昇を抑えることができる。
（２）第２セル１２と第３セル１３、第４セル１４と第５セル１５、第６セル１６と第７セル１７をそれぞれ入れ替えて積層すれば、電池の温度上昇を最も効率よく抑えることができる。
（３）互いに接続する端子同士をＡ１〜Ａ４の同一の領域内に突設し、接続しない端子はＡ１〜Ａ４の他の領域内に突設するようにしたので、隣接しないセル同士であっても容易に接続することができる。

−参考例−
図１１，１２を参照して参考例に係る組電池について説明する。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図１１は、参考例に係る組電池の構成を模式的に示す図である。図１１では、各セル１１〜１８が第３セル１３、第２セル１２、第１セル１１、第４セル１４、第５セル１５、第８セル１８、第７セル１７，第６セル１６の順に積層され、組電池が構成されている。すなわち第１セル１１の積層順と第８セル１８の積層順をそれぞれ入れ替えたことにより、組電池内において上下の電位差が一部逆転している。

このように構成した組電池に異物１５が貫通すると、第１の実施の形態と同様、電池内側の発熱量を小さくすることができ、これにより組電池の温度上昇を抑えることができる。また、第２の実施の形態では、上方から異物１５が貫通した際、上から６番目のセル１８を貫通したときに、つまり全てのセル１１〜１８を貫通する前に、異物１５を介して第１セル１１〜第８セル１８が全短絡する。このため電池のＳＯＣが早期に減少し、温度上昇を効果的に抑えることができる。

なお、図１１では第１セル１１と第８セル１８の双方を電池（積層体５０）の内側に配置したが、いずれか一方のみを内側に配置するようにしてもよい。例えば図１２に示すように、第１セル１１を電池の一端部に配置し、第８セル１８のみを電池の内側に配置してもよい。図１２では、第８セルを上から５番目に配置しているため、上方から異物１５が貫通した際、上から５番目のセル１８を貫通したときに、第１セル１１〜第８セル１８が全短絡する。

ここで、第１セル１１と第８セル１８の位置を近づけると、例えば図１２の第８セル１８を第１セル１１に隣接して上から２番目に配置すると、異物１５が貫通した際に第１セル１１〜第８セル１８がより早期に全短絡する。しかし、この場合には、第１セル１１と第８セル１８の間の電位差が大きいため、セル１１，１８間の局所的な発熱量が大きくなりすぎるという問題がある。したがって、第１セル１１と第８セル１８は、少なくとも隣り合わない位置に配置することが好ましい。

なお、上記実施の形態（例えば図４（ｂ）、図９）では、第１セル１１（第１のセル）と第２セル１２（第２のセル）の間に第３セル１３（第３のセル）を配置し、第３セル１３と第８セル１８（第４セル）の間に第２セル１２を配置してセル１１〜１８の積層体５０を構成したが、積層体の構成はこれに限らない。セル１１〜１８の両端部１０３ｂ、１０３ｄから端子１１１〜１１８，１２１〜１２８を突設し、これら端子を溶接によって接合してセル１１〜１８を直列接続したが、接続手段はこれに限らない。例えばロー付けや耐熱用接着剤などにより端子を接合するようにしてもよい。また、セル１１〜１８の両端部１０３ｂ、１０３ｄから端子を突出させるのではなく、一端部から突出させるようにしてもよい。

上記実施の形態では、ラミネートフィルムを外装材１００とするラミネート電池１を積層して組電池を構成するようにしたが、他の薄型電池を積層して組電池を構成するようにしてもよい。扁平形状であればセルは薄型でなくてもよい。組電池を車両に搭載するようにしたが、車両用以外の組電池として用いることもできる。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の組電池に限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る組電池を構成するラミネート電池の上面図。本発明の第１の実施の形態に係る組電池を構成するラミネート電池の側面図。図２のIII部拡大図。（ａ）は比較例としての組電池の概略構成を示す図、（ｂ）は第１の実施の形態に係る組電池の概略構成を示す図。第１の実施の形態に係る組電池の斜視図。第１の実施の形態に係る組電池の上面図。第１の実施の形態に係る組電池の側面図。導電性の異物が組電池を貫通した際の短絡電流の流れを説明する図。第１の実施の形態の変形例を示す図。第１の実施の形態の組電池による効果を示す図。参考例に係る組電池の概略構成を示す図。参考例の変形例を示す図。

１１第１セル
１２第２セル
１３第３セル
１８第８セル
５０積層体
１００外装材
１１１〜１１８正極端子
１２１〜１２８負極端子

Claims

扁平形状の少なくとも第１のセルと第２のセルと第３のセルとを積層してなる積層体と、
前記第１のセルと前記第２のセル、および前記第２のセルと前記第３のセルを直列接続する接続手段とを有し、
前記第１のセルと前記第２のセルの間に前記第３のセルが配設され、
前記第１のセルは、前記積層体の積層方向の最も外側に配置される
ることを特徴とする組電池。
請求項１に記載の組電池において、
前記積層体は、前記接続手段により前記第３のセルに直列接続された第４のセルをさらに有し、
前記第３のセルと前記第４のセルの間に前記第２のセルが配設されることを特徴とする組電池。
扁平形状の少なくとも第１のセルと第２のセルと第３のセルとを積層してなる積層体と、
前記第１のセルと前記第２のセル、および前記第２のセルと前記第３のセルを直列接続する接続手段とを有し、
前記第１のセルと前記第２のセルの間に前記第３のセルが配設され、
直列接続された最小電位のセル又は最大電位のセルは、前記積層体の積層方向両端部にそれぞれ配設されることを特徴とする組電池。
請求項１又は３に記載の組電池において、
前記接続手段は、前記第１のセル、前記第２のセル、および前記第３のセルの端部からそれぞれ突設された正極用および負極用の第１の端子、第２の端子、および第３の端子を有し、
前記正極用または負極用の第１の端子と前記負極用または正極用の第２の端子を接続し、前記正極用または負極用の第２の端子と前記負極用または正極用の第３の端子を接続するとともに、
前記正極用または負極用の第１の端子およびこの第１の端子に接続される前記負極用または正極用の第２の端子は、それぞれ同一領域内にて突設され、前記正極用または負極用の第３の端子は、前記第１の端子と前記第２の端子とは異なる領域内にて突設されることを特徴とする組電池。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の組電池において、
少なくとも前記第１〜第３のセルは、ラミネートフィルムを外装材とする薄型のラミネート電池であることを特徴とする組電池。