JP6977660B2

JP6977660B2 - 二次電池モジュール

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Publication number: JP6977660B2
Application number: JP2018092536A
Authority: JP
Inventors: 秀明三宅; 広和川岡; 茂隆永松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: JP2019197712A

Description

本願は二次電池モジュールに関する。

リチウムイオン二次電池は、製造時に多数の電池を拘束して同時に充放電することを実施している。近年低コスト化等の要望によりラミネート外装の電池が増加しており、当該ラミネート外装電池は一般的に板状の電極端子を備えている。よって、このような二次電池を充放電するには、電極端子をワニ口クリップのような端子で掴み充放電を行う方法が採用されている。

例えば、特許文献１、２には、クリップ形状の充放電端子（チャック部）で電池の各電極端子を挟持して充放電を行うチャック機構が開示されている。

特開２０１４−１０２８８３号公報特開２０１２−３９５９号公報

特許文献１、２に示されるように、電池の電極端子を挟持する充放電端子を有する場合、充放電端子（チャック部）を開閉するために複雑な機構を必要とする。また、二次電池の厚さは必ずしも均一ではなく公差を持ち、かつ、電池は充放電時に膨張収縮するため、電極端子に対して挟持する充放電端子の中心（チャック中心）が合致していないと、電極端子に過剰な力が働き、電極端子が損傷する虞がある。

そこで、本願は簡易な機構で、適切に充放電可能な二次電池モジュールを提供することを課題とする。

本発明者らは鋭意検討の結果、電極端子又は該電極端子に接続されているものに対して、充放電端子を押し当てるように接続することで上記課題を解決することができることを知見した。

すなわち、本願は上記課題を解決するための１つの態様として、
複数の二次電池セルが積層された二次電池モジュールであって、複数の二次電池セルの間にそれぞれ挿入されるプレート部材を備え、プレート部材は非導電性部材からなる非接続部を備えるものであるか、あるいは、導電材からなる接続部及び非接続部を備えるものであるかの何れかであり、プレート部材が非接続部を備えるものである場合、二次電池セルの電極端子は二次電池セルの充放電を行う充放電装置の充放電端子に押し当てられるように接続可能であり、プレート部材が接続部及び非接続部を備えるものである場合、二次電池セルの電極端子は接続部に当接しており、接続部は充放電端子に押し当てられるように接続可能である、二次電池モジュールを開示する。

上記二次電池モジュールは次の形態であることが好ましい。すなわち、複数の二次電池セルが積層された二次電池モジュールであって、複数の二次電池セルの間にそれぞれ挿入されるプレート部材を備え、プレート部材は、導電性部材からかる接続部と、非導電性部材からなる非接続部と、を備え、接続部は、複数の二次電池セルの積層方向の一方の面に形成された凹凸形状の第一面と、積層方向に垂直な方向に形成された第三面と、を有し、非接続部は、積層方向の他方側に突出した凸部と、二次電池セルの電極面に当接する平坦部と、を有し、凸部は積層方向の他方の面に平坦に形成された第二面を有し、プレート部材に隣接する積層方向の一方側に配置された二次電池セルの電極端子に接続部の第一面が当接し、プレート部材に隣接する積層方向の他方側に配置された二次電池セルの電極端子に凸部の第二面が当接し、第三面は二次電池セルの充放電を行う充放電装置の充放電端子に押し当てられるように接続可能である、二次電池モジュールである。

本願が開示する二次電池モジュールによれば、簡易な機構で、適切に充放電することが可能である。

（ａ）、（ｂ）は、二次電池モジュール１００と充放電装置１とが接続する前後の様子を示しており、（ａ）は接続される前、（ｂ）は接続された後の様子を示している。（ｃ）は（ａ）のＣ１で示した部分の拡大図である。二次電池セル１０の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。プレート部材２０の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。端部プレート部材５０の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。端部プレート部材６０の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。拘束治具７０の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。（ｃ）は固定部材８０にボルトを用いた場合の正面図であり、（ｄ）はその側面図である。（ａ）、（ｂ）は二次電池モジュール１００の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。（ｃ）は（ｂ）のＣ２で示した部分の拡大図である。二次電池モジュール１００と充放電装置１とが接続される様子を示した図であり、（ａ）は接続される前、（ｂ）は接続された後の様子を示している。接続部３０のバネ機構を説明する図であり、（ａ）はバネを第一面３０ａと非接続部４０との間に設けた形態であり、（ｂ）は第一面３０ａと第三面３０ｂとをバネ状の接続部で接続した形態である。充放電装置と二次電池セルとが直接接続される形態を説明する図である。

本願は、複数の二次電池セルが積層された二次電池モジュールであって、複数の二次電池セルの間にそれぞれ挿入されるプレート部材を備え、プレート部材は非導電性部材からなる非接続部を備えるものであるか、あるいは、導電材からなる接続部及び非接続部を備えるものであるかの何れかであり、プレート部材が非接続部を備えるものである場合、二次電池セルの電極端子は二次電池セルの充放電を行う充放電装置の充放電端子に押し当てられるように接続可能であり、プレート部材が接続部及び非接続部を備えるものである場合、二次電池セルの電極端子は接続部に当接しており、接続部は充放電端子に押し当てられるように接続可能である、二次電池モジュールを開示するものである。このように、本願が開示する二次電池モジュールは、電極端子又は該電極端子に接続されているものに対して、充放電端子が押し当てられるように接続可能であることを一つの特徴としている。これにより、簡易な機構で、適切に充放電可能な二次電池モジュールを提供することができる。ここで「押し当てられる」とは、単に充放電端子を電極端子等に押し当てることを意味し、ワニ口クリップのような充放電端子で電極端子等を挟み込む形態を除く意味である。
以下に、本願の二次電池モジュールの具体的な形態について説明する。

本願が開示する二次電池モジュールの一つの形態は、二次電池セルの電極端子を充放電端子で挟持して充放電を行う機構ではなく、積層された複数の二次電池セルの間にそれぞれ所定のプレート部材を挿入して、該プレート部材で二次電池セルを挟み込み、プレート部材を介して、二次電池セルを充放電装置に接続する機構を採用している。ここで「接続」とは、いわゆる電気的な接続を意味し、２以上の物質間に電流が流れることが可能である状態を言う。
以下に、一つの形態の一実施形態である二次電池モジュール１００について説明する。

１．二次電池モジュール１００
二次電池モジュール１００は、プレート部材２０を介して、充放電装置１の充放電端子２とそれぞれの二次電池セル１０とを接続して充放電を行うことが可能である。図１（ａ）、（ｂ）は、上部に配置されている充放電装置１を下降させて二次電池モジュール１００に接続する前後の様子を示しており、図１（ａ）は接続される前、図１（ｂ）は接続された後の様子を示している。図１（ｃ）は図１（ａ）のＣ１で示した部分の拡大図であり、分かりやすさのため、それぞれの構成を分離して示している。

図１（ａ）〜（ｃ）に示したように、二次電池モジュール１００は複数の二次電池セル１０と、当該複数の二次電池セル１０の間にそれぞれ挿入されるプレート部材２０と、を備えている。また、二次電池モジュールは二次電池セル１０の両端部に端部プレート部材５０、６０をそれぞれ配置し、さらにこれらを２つの拘束治具７０で挟み積層構造としている。さらに固定部材８０で２つの拘束治具７０を固定することにより、積層方向の両側から内側に向かう圧縮力を発生させている。これにより、二次電池セル１０の電極端子１１がプレート部材２０の接続部３０に当接し、これらが接続される。
なお、図１（ａ）〜（ｃ）ではプレート部材２０の枚数が複数である形態を示したが、二次電池セルが２枚の場合、プレート部材は１枚で良い。

１．１．二次電池セル１０
二次電池セル１０は、１対の板状の電極端子１１（正極端子及び負極端子）と板状の二次電池本体１２とを備えていれば特に限定されず、公知の二次電池セルを使用することができる。例えば、リチウムイオン二次電池を挙げることができる。ここで、二次電池セル１０はラミネート包装されていることが好ましい。電極端子１１の材料は特に限定されないが、銅又はアルミニウムであることが好ましい。より好ましくは、低コスト化、軽量化、耐腐食性の観点からアルミニウムである。ただし、アルミニウム等は表面が酸化され易く、容易に表面が酸化被膜で覆われる。二次電池モジュール１００では電極端子１１との接続を確保するために、後述するようにプレート部材２０で二次電池１０を挟み込むことにより電極端子１１の酸化被膜を除去することができる。
図２に二次電池セル１０の概略図を示した。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。

１．２．プレート部材２０
プレート部材２０は板状の部材であり、接続部３０と非接続部４０とを有している。接続部３０は電極端子１１と充放電端子２とを接続する機能を有し、非接続部４０は延焼防止板として機能する。
図３にプレート部材２０の概略図を示した。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。ここで、正面図、及び背面図においては、紙面奥手前方向が積層方向である。側面図、平面図においては、紙面左右方向が積層方向である。

１．２．１．接続部３０
図３に示した通り、接続部３０は非接続部４０の上部に設けられており、二次電池セル１０の積層方向の一方（図３（ｂ）の紙面右方向）の面に形成された凹凸形状の第一面３０ａと、当該積層方向に垂直な方向（図３（ｂ）では紙面上方向）に形成された第三面３０ｂと、を有している。接続部３０は導電性部材からなる。導電性部材は公知の材料から適宜選択することができ、例えば銅などの金属材料を挙げることができる。

第一面３０ａは固定部材８０により生じた圧縮力により、隣接する積層方向の一方側に配置された二次電池セル１０の電極端子１１に当接し、これより電極端子１１と第一面３０ａとが接続する。また、第一面３０ａは凹凸形状を有しており、これにより電極端子１１の酸化被膜を除去することが可能である。電極端子１１の酸化被膜が除去されると、電極端子１１と第一面３０ａとを適切に接続することが可能となる。ここで、図３（ｂ）では三角形状の凹凸構造を有した第一面３０ａを示したが、凹凸構造はこれに限定されない。例えば、四角形以上の多角形状の凹凸構造でもよい。

第三面３０ｂは積層方向に垂直な方向に形成されており、上部に配置される充放電装置１の充放電端子２に接続可能である。図３（ｂ）で示した第三面３０ｂは平坦な面であるため、図１、図８で示した充放電端子２の形状は第三面３０ｂを挟持して接続する形状ではなく、第三面３０ｂに当接して（押し当てられて）接続される形状が採用されている。

このように、充放電時に電極端子１１と第一面３０ａとが当接し、充放電端子２と第三面とが当接することにより、接続部３０を介して電極端子１１と充放電端子２とが接続され、二次電池セル１０の充放電が可能となる。

ここで、図９に示したように、バネ機構を接続部３０に設けても良い。図９（ａ）はバネを第一面３０ａと非接続部４０との間に設けた形態であり、図９（ｂ）は第一面３０ａと第三面３０ｂとをバネ状の接続部で接続した形態である。このように、バネ機構を接続部３０に設けることにより二次電池セル１０の厚さに公差、ばらつきがあったとしても、第一面３０ａと電極端子１１とが適切に接続可能となる。

１．２．２．非接続部４０
非接続部４０は、積層方向の他方側（図３（ｂ）の紙面左側）に突出した凸部４１と、隣接する二次電池セル１０の電極面に当接する平坦部４２と、を有している。非接続部４０は非導電性部材からなる。非導電性部材は公知の材料から適宜選択することができ、例えば非導電性の樹脂を挙げることができる。

凸部４１は積層方向の他方（図３（ｂ）の紙面左方向）の面に平坦に形成された第二面４１ａを有している。第二面４１ａは固定部材８０により生じた圧縮力により、隣接する積層方向の他方側に配置された二次電池セル１０の電極端子１１に当接する。これにより、電極端子１１が接続部３０の第一面３０ａに押し付けられ、電極端子１１の酸化被膜を除去することができる。このとき、第二面４１ａは平坦な面であるため、電極端子１１を面で押圧することができ、過剰な力が電極端子１１に掛かることを抑制することができる。また、凸部４１の積層方向の長さを調節することによって、電極端子への過剰な負荷を調整することができる。

平坦部４２は凸部４１に接続され、積層方向に垂直な方向（図３（ｂ）の紙面上下向）に延びる板状の部材であり、固定部材８０により生じた圧縮力により隣接する二次電池セル１０の電極面に当接する。非接続部４０は耐熱性の非導電性部材からなっていることが好ましい。これにより平坦部４２は延焼防止板として機能し、製造上の不具合で二次電池セル１０等が熱暴走したときに、隣接する二次電池セル１０への伝熱を抑制することができる。
ここで「電極面」とは、二次電池セル本体１２の積層方向に形成された面を意味する。

１．３．端部プレート部材５０
端部プレート部材５０はプレート部材２０から接続部３０を取り除いた形状を有している。すなわち、端部プレート部材５０は凸部５１と平坦部５２とを有する。図４に端部プレート部材５０の概略図を示した。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。
ここで、端部プレート部材５０の凸部５１及び平坦部５２の材料、作用、及び機能等は、プレート部材２０の凸部４１及び平坦部４２の材料、作用、及び機能等と同様であるので説明を省略する。

１．４．端部プレート部材６０
端部プレート部材６０はプレート部材２０から凸部４１を取り除いた形状を有している。すなわち、端部プレート部材６０は接続部６１と平坦部６２とを有している。図５に端部プレート部材６０の概略図を示した。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は平面図である。
ここで、端部プレート部材６０の接続部６１及び平坦部６２の材料、作用、及び機能等は、プレート部材２０の接続部３０及び平坦部４２の材料、作用、及び機能等と同様であるので説明を省略する。

１．５．拘束治具７０
拘束治具７０は板状の部材であり、端部プレート部材５０、６０のさらに外側にそれぞれ配置される。そして、固定部材８０を用いてこれらの拘束治具７０を積層方向の両側から内側に向かう圧縮力が発生するように固定し、積層構造とする。拘束治具７０は公知のものを使用することができる。固定部材８０も公知のものを使用することができ、例えばバンドやワイヤー、ボルトやナット等を挙げることができる。
図６に拘束治具７０の概略図を示した。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。（ｃ）は固定部材８０にボルトを用いた場合の正面図であり、（ｄ）はその側面図である。破線は固定部材８０が貫通している様子を示している。

２．二次電池モジュール１００の充放電機構
以上、二次電池モジュール１００の構成について説明した。次に、二次電池モジュール１００の充放電機構について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は二次電池モジュール１００の概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図７（ｃ）は図７（ｂ）のＣ２で示した部分の拡大図である。ここで、図７（ａ）〜（ｃ）において、紙面左右方向が積層方向であり、紙面右側が積層方向の一方側、紙面左側が積層方向の他方側とする。

図７（ａ）、（ｂ）に示したように、二次電池モジュール１００は複数の二次電池セル１０、複数の二次電池セル１０の間にそれぞれ挿入されたプレート部材２０を有し、さらにこれらの両側の端部にそれぞれ端部プレート部材５０、６０を配置している。そして、さらにこれらを２つの拘束治具７０で挟み、図７に不図示の固定部材８０により積層方向の両側から内側に向かう圧縮力を発生させるように拘束治具７０を固定し、全体を積層構造としている。

積層方向の両側から内側に向かう圧縮力が発生することにより、図７（ｃ）に示したように、紙面左側に配置されたプレート部材２０の第一面３０ａが電極端子１１に当接する。また、図７（ｃ）の紙面右側に配置されたプレート部材２０の第二面４１ａが電極端子１１に当接する。すなわち、１つの二次電池セル１０が隣接するプレート部材２０に挟まれる構造となる。これにより、電極端子１１と第一面３０ａとが凸部４１により強く押し付けられ、電極端子１１の表面に形成されている酸化被膜等が除去され、電極端子１１と第一面３０ａとが適切に接続される。なお、端部の二次電池セル１０は端部プレート部材５０及びプレート部材２０、端部プレート部材６０及びプレート部材２０の間にそれぞれ挟まれる構造となり、これらも上記と同様の機構により適切に接続される。

そして、この状態において、充放電端子２を第三面３０ｂに押し当てるように当接させることにより、充放電端子２と第三面３０ｂとが接続される。すなわち、プレート部材２０の接続部３０を介して、二次電池セル１０の電極端子１１と、充放電装置１の充放電端子２とが接続される。そして、充放電装置を起動させ、二次電池セルの充放電を開始することができる。
図８に二次電池モジュール１００と充放電装置１とが接続される様子を示した。（ａ）は接続される前、（ｂ）は接続された後の様子を示している。充放電装置１の充放電端子２の破線で示した部分は、充放電装置１の内部に配置されている部分である。

従来から酸化被膜を除去する方法として、特開２００６−２８４３６２号公報、特開２００６−２０８２３５号公報、及び特開２００６−３３３８号公報等に開示されているように、基本的に電極端子に充放電端子を強く押し当てる方法が採用されている。ここで、特許文献１、２に開示されているように電極端子を充放電端子で挟持して充放電を行う機構の場合、電極端子を充放電端子に強く押し当てるためには充放電端子の大きさを大きくする等の工夫を必要とする。それに対して、充放電装置１００は、上記のようにプレート部材２０を用いて、単に二次電池セル１０を挟み込むことで電極端子の酸化被膜を除去して接続を確保することができる。すなわち、複雑な機構を利用せず、簡易な構造で接続を確保することができる。また、上記したように、プレート部材２０の接続部３０、非接続部４０を適宜設定することにより、電極端子１１に過剰な負荷がかからない構造とすることができる。
よって、二次電池モジュール１００によれば、簡易な構造で、適切に充放電を行うことができる。

なお、二次電池モジュール１００に適用可能な充放電装置１としては、接続部３０の第三面３０ｂに当接して接続される形状の充放電端子２が採用されていれば特に限定されない。図８に示したように、充放電端子２の第三面３０ｂに当接する部分は凹凸形状とすることができる。また、第三面３０ｂに当接した際に、過剰な負荷がかからないように、充放電装置１と充放電端子２とをバネ等の弾性部材で接続しておくができる。

３．充放電装置と二次電池セルとが直接接続する形態
これまで、プレート部材２０を介して充放電装置１と二次電池セル１０とを接続する二次電池モジュール１００について説明をしてきたが、ここでプレート部材２０を介さずに直接接続する形態の二次電池モジュール２００についても説明する。図１０に示したように、二次電池モジュール２００では二次電池セル１１０の電極端子１１１が９０°折り曲げられており、上記第三面のように、積層方向に垂直な方向に平坦な面を形成する。よって、二次電池セル１１０を挟むプレート部材１２０は接続部及び凸部を設けておらず、単に延焼防止板としてのみ機能する平坦部のみからなる。そして、充放電装置の充放電端子を折り曲げられた電極端子１１１に押し当てるように当接することにより、充放電装置と二次電池セルが直接接続される。

４．充放電システム
本願は他の態様として、二次電池モジュールと充放電装置とを有する充放電システムを開示する。二次電池モジュール及び充放電装置の構成に関しては、上記と同様であるためここでは説明を省略する。

１充放電装置
２充放電端子
１０、１１０二次電池セル
２０、１２０プレート部材
３０接続部
３０ａ第一面
３０ｂ第三面
４０非接続部
４１凸部
４１ａ第二面
４２平坦部
５０端部プレート部材
６０端部プレート部材
７０拘束治具
８０固定部材
１００、２００二次電池モジュール

Claims

複数の二次電池セルが積層された二次電池モジュールであって、
複数の前記二次電池セルの間にそれぞれ挿入されるプレート部材を備え、
前記二次電池セルは二次電池本体と前記二次電池本体の１つの側面から同じ方向に突出して配置される１対の電極端子とを備え、
前記プレート部材は導電材からなる接続部及び非導電性部材からなる非接続部を備え、
前記二次電池セルの前記電極端子は前記接続部に当接しており、前記接続部は充放電装置の充放電端子に押し当てられるように接続可能である、
二次電池モジュール。