JP7107912B2

JP7107912B2 - セパレータ及び固体電池モジュール

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Publication number: JP7107912B2
Application number: JP2019228059A
Authority: JP
Inventors: 拓哉谷内; 正弘大田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2022-07-27
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: JP2021096974A; CN113013534A; US12068452B2; CN113013534B; US20210194048A1

Description

本発明は、セパレータ及び固体電池モジュールに関する。

近年、高エネルギー密度を有し、かつ熱に対する安全性が高い、固体電解質を用いた固体電池に関する技術が提案されている。固体電池を電気自動車やハイブリッド電気自動車のモータ駆動用等、大電流、高電圧を要する用途に用いる場合、複数の固体電池を組み合わせてモジュール化した固体電池モジュールが用いられる。

特開２０１９－１０２２６１号公報

特許文献１には、固体電池を構成する積層体を外装体としてのラミネートフィルムに収容し、複数のラミネート型の固体電池を組み合わせ、バッテリーモジュールとする構成が開示されている。

固体電池モジュールは、電池セルを円筒型、角型、ラミネート型等の外装体内で保持するため、また、界面抵抗が増加して入出力特性が低下することを避けるため、電池へ十分な面圧を付与することが要求される。特許文献１に開示された技術は、複数の固体電池をプレートの間に挟み込むことで複数の固体電池を加圧して固定するものである。しかし、特許文献１に開示された技術は、固体電池同士が密着して固定されるため、固体電池の膨張による構成部材への影響や振動に対する影響等が十分に考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、固体電池セルに対し十分な面圧を付与することが可能であり、かつ、耐久性及び耐振動性に優れた固体電池モジュール及びセパレータを提供することを目的とする。

本発明は、複数の固体電池セルを有する固体電池モジュールにおいて、隣接する前記複数の固体電池セル間に配置されて前記複数の固体電池セル間を電気的に絶縁し、前記複数の固体電池セルの積層方向に対して付勢力を付与する弾性変形可能な弾性部材を有する、セパレータに関する。

前記セパレータは、前記複数の固体電池セル間に、空隙部を形成することが好ましい。

前記セパレータは、前記弾性部材を有する本体部と、固定部と、を有し、前記固定部は、少なくとも前記本体部の上部に配置され、前記固定部は、前記本体部の所定量以上の移動を規制することが好ましい。

また、本発明は、前記セパレータを有する固体電池モジュールであり、前記複数の固体電池セルは、正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層との間に存在する固体電解質層と、を備える積層体を有し、前記積層体の積層方向と、前記複数の固体電池セルの積層方向とは、同一方向である、固体電池モジュールに関する。

前記固体電池モジュールにおいて、前記複数の固体電池セルは、前記積層体の積層方向と略垂直となる面に対し面圧を付与する押圧部を有することが好ましい。

前記固体電池モジュールにおいて、前記複数の固体電池セルの両端には、バインドバー及びエンドプレートのうちいずれかが配置され、前記複数の固体電池セルの両端と、前記バインドバー及び前記エンドプレートのうちいずれかとの間には、前記複数の固体電池セルの積層方向に対して付勢力を付与する弾性変形可能な弾性部材を有する端部セパレータが配置されることが好ましい。

本発明によれば、固体電池セルに対し十分な面圧を付与することが可能であり、かつ、耐久性及び耐振動性に優れた固体電池モジュール及びセパレータを提供できる。

本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である。本発明の一実施形態に係る固体電池セルの断面図である。本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールのＡ－Ａ’断面図である。本発明の一実施形態に係るセパレータの分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である。本発明の他の実施形態に係る固体電池モジュールの断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。たたし、以下に示す実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明は以下に限定されるものではない。

＜固体電池モジュール＞
固体電池モジュール１００は、複数の固体電池セル１０１を有する。図１は、固体電池モジュール１００の構成を示す断面図である。複数の固体電池セル１０１は、図１に矢印で図示する積層方向に複数配列される。複数の固体電池セル１０１の間には、それぞれセパレータ１２０が配置される。セパレータ１２０には、空隙部１１１が形成される。複数の固体電池セル１０１の上部には、モジュール構成部材１１０が配置される。
固体電池モジュール１００は、上記以外に、トップカバー１１３、バインドバー１１４、及びロワープレート１１５を有する。

（固体電池セル）
固体電池セル１０１は、正極層、固体電解質層及び負極層からなる積層体１０２と、電池ケース１０３とを有する。図２は、固体電池セル１０１の構成を示す断面図である。積層体１０２は、電池ケース１０３に収容される。電池ケース１０３は、押圧部１１２を有する。積層体１０２の上端部には、積層体１０２と接続される正極タブ１０４及び負極タブ１０９が延出する。

積層体１０２は、正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に存在する固体電解質層と、を備える（図示省略）。正極層及び負極層は例えば電極材料（活物質）と金属箔等からなる集電体で構成される。上記正極層は正極タブ１０４と電気的に接続され、上記負極層は負極タブ１０９と電気的に接続される。正極層及び負極層に用いられる正極材料及び負極材料は特に制限されず、固体電池の正極及び負極として用いられる公知の材料が用いられる。正極材料及び負極材料には固体電解質及び活物質が含まれる。上記以外に、正極材料及び負極材料には、導電助剤や結着材等が含まれていてもよい。固体電解質層に用いられる固体電解質としては、特に制限されず、例えば酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質等の公知の固体電解質が用いられる。固体電解質には、必要に応じて結着剤等が含まれていてもよい。
図２に矢印で示す積層体１０２の積層方向と、図１に矢印で示す固体電池セル１０１の積層方向とは同一の方向である。

電池ケース１０３は、積層体１０２を収容する容器である。電池ケース１０３は、図２に示すように、押圧部１１２を有する。
電池ケース１０３の材質は、特に制限されないが、金属であることが好ましい。電池ケース１０３が金属であることで、放熱性が向上し、電池ケース１０３自体の強度も向上する。また、金属溶接が可能なため密閉性を向上できる。電池ケース１０３の外形は、積層体１０２の外形に沿ったものにすることができる。これにより、固体電池の体積を小さくしてエネルギー密度を向上させることができる。図３は、図１におけるＡ－Ａ’断面図である。図３に示すように、電池ケース１０３は積層体１０２の外形に沿って形成され、正極タブ１０４と負極タブ１０９を格納する凸部を有する。また、上記凸部により、電池ケース１０３の上部には凹部が形成される。上記凹部には、モジュール構成部材１１０としてのサーミスタ１０８等を配置してもよい。

押圧部１１２は、例えば、ばね等の弾性部材により構成され、弾性力によって積層体１０２に面圧を付与する。押圧部１１２により、図２に矢印で示す正極層、負極層及び固体電解質層からなる積層体１０２の積層方向に面圧が付与される。これにより、積層体１０２に対し初期荷重を付与でき、固体電池の入出力特性及び耐振動性を向上できる。押圧部１１２は、積層体１０２における上記積層方向に対して略垂直な面に設けられる。押圧部１１２は、例えば電池ケース１０３の対向する一組の面に設けられることが好ましいが、電池ケース１０３の片側の一面にのみ設けられていてもよい。押圧部１１２の構造は、積層体１０２に面圧を付与できるものであれば、特に制限されないが、例えば、階段状、波形形状、曲面で構成される形状等が挙げられる。

押圧部１１２は、電池ケース１０３と連続していてもよいが、電池ケース１０３と不連続な部材として形成されることが好ましい。図２に示すように、本実施形態に係る押圧部１１２は、電池ケース１０３とは不連続に形成される。また、押圧部１１２は、固体電池セル１０１の内側方向にスライド移動可能に構成される。上記押圧部１１２により、固体電池セル１０１に、後述するセパレータ１２０の弾性部材により付勢力が付与された場合に、積層体１０２に対し面圧を作用させやすくなる。また、固体電池セル１０１の内圧が高まった場合に、応力を逃がすことが可能となり、安全性を向上できる。
押圧部１１２により、隣接する固体電池セル１０１間には空隙が形成される。上記空隙には空隙部１１１を有するセパレータ１２０が配置される。

正極タブ１０４及び負極タブ１０９は、それぞれ正極層及び負極層を構成する集電箔と電気的に接続され、積層体１０２の端面から外部に延出する。図３に示すように、正極タブ１０４及び負極タブ１０９は、積層体１０２の同一の端面における２か所から、それぞれ延出する。正極タブ１０４及び負極タブ１０９は、特に制限されないが、例えば厚さ５～５００μｍ程度の金属箔である。正極タブ１０４及び負極タブ１０９は、電池ケース１０３に形成される凸部に格納される。

（セパレータ）
セパレータ１２０は、複数の固体電池セル１０１間に配置され、複数の固体電池セル１０１間を電気的に絶縁する。セパレータ１２０は、少なくとも一部が絶縁性を有する絶縁材料により構成されることで、複数の固体電池セル１０１間を電気的に絶縁する。セパレータ１２０は、弾性部材１２３ａ及び１２３ｂを有し、図１に矢印で示す複数の固体電池セル１０１の積層方向に対して付勢力を付与する。セパレータ１２０は、固体電池セル１０１間に空隙部１１１を形成する。図４は、本実施形態に係るセパレータ１２０を示す分解斜視図である。図４に示すように、セパレータ１２０は、本体部１２３と、本体部１２３の上下に配置される固定部１２１、１２２と、を有する。

本体部１２３は、弾性部材１２３ａ、１２３ｂを有する。また、弾性部材１２３ａと１２３ｂとの間には空隙部１１１が形成される。弾性部材１２３ａ、１２３ｂの構成は、特に制限されないが、例えば一対の板バネ状の部材である。弾性部材１２３ａ、１２３ｂは、弾性変形可能な材料により構成される。上記材料としては、例えば、金属、セラミック、樹脂材料等が挙げられる。弾性部材１２３ａ、１２３ｂは、図１に矢印で示す固体電池セル１０１の積層方向に対して付勢力を付与するように配置される。例えば、本体部１２３は、弾性部材１２３ａにより付勢力が付与される方向と、弾性部材１２３ｂにより付勢力が付与される方向とが対向し、抗力が釣り合うように構成される。上記構成により、セパレータ１２０に隣接する固体電池セル１０１の双方に付勢力を付与できる。

弾性部材１２３ａ、１２３ｂにより、押圧部１１２を介し、積層体１０２に対して面圧が付与される。図１に矢印で示す固体電池セル１０１の積層方向は、図２に矢印で示す正極層、負極層及び固体電解質層からなる積層体１０２の積層方向と同一の方向である。従って、弾性部材１２３ａ、１２３ｂを有するセパレータ１２０により、固体電池セル１０１間に付勢力が付与されることで、押圧部１１２を介し、積層体１０２の積層方向に面圧が付与される。

空隙部１１１は、セパレータ１２０により固体電池セル１０１間に形成される。空隙部１１１は、図４及び図５に示すように、例えば弾性部材１２３ａと弾性部材１２３ｂとの間に形成される。空隙部１１１には、固体電池セル１０１の温度上昇を抑制するための空気や水等の流体、伝熱材、及びヒーター等のうち、少なくともいずれかを配置できる。これにより、固体電池モジュール１００の好ましい放熱性が得られる。
空隙部１１１には、上記以外に、固体電池モジュール１００を機能させるための電気絶縁材、電気伝導材、緩衝材、及び電池ケース固定部材等のうち、少なくともいずれかが配置されてもよい。

本体部１２３の上部には、固定部１２１と係合する係合部１２４が設けられる。図５は、固体電池モジュール１００に配置されたセパレータ１２０の上部付近を示す断面図である。図５に示すように、本体部１２３における弾性部材１２３ａ、１２３ｂは、上部で係合部１２４と連結される。係合部１２４の上端には凸部１２４ｂが形成される。係合部１２４の上部には、固定部１２１が配置される。

固定部１２１は、本体部１２３の上端に設けられる係合部１２４と係合可能な部材である。固定部１２１は、係合部１２４と係合することで、本体部１２３の水平方向及び上下方向に対する所定量以上の移動を規制する。固定部１２１は、図４に示すように、本体部１２３の上端に沿って配置される略直方体形状を有する部材である。固定部１２１は、係合部１２１ａと、凹部１２１ｂと、を有する。
係合部１２１ａは、固定部１２１の長手方向のいずれかの箇所に形成される。係合部１２１ａは、後述する凹部１２４ａと係合し、本体部１２３の移動を規制する。係合部１２１ａは、詳しくは、セパレータ１２０が固体電池セル１０１間に配置された状態で、本体部１２３の図１に示す積層方向と直交する水平方向に対する移動を規制する。凹部１２１ｂは、固定部１２１の長手方向に沿って、凹み状に形成される。凹部１２１ｂは、後述する凸部１２４ｂと係合し、本体部１２３の上下方向に対する移動を規制する。凹部１２１ｂの開口する方向と、係合部１２１ａの設けられる方向とは、同一方向である。係合部１２１ａ及び凹部１２１ｂは、後述する凹部１２４ａ及び凸部１２４ｂと係合可能であるように、本体部１２３側に向けて配置される。

固定部１２２は、本体部１２３の下端に設けられる係合部１２５と係合可能な部材である。固定部１２２及び係合部１２５は、上記説明した固定部１２１及び係合部１２４と上下対称構造を有する。セパレータ１２０の下部はロワープレート１１５に当接するため、固体電池セル１０１の膨張等により、セパレータ１２０が下方に突出することはない。従って、上記固定部１２２及び係合部１２５を設けず、固定部１２１及び係合部１２４のみを設けてセパレータ１２０を構成することもできる。

図５に示すように、係合部１２４の上部には、固定部１２１が配置される。固定部１２１は、凹部１２１ｂが凸部１２４ｂと係合可能であるように配置される。図５に示すように、固定部１２１及び本体部１２３は、凹部１２１ｂと凸部１２４ｂとの間に一定の空間が形成されるように配置される。即ち、固定部１２１は、本体部１２３の上方に対する所定量の移動が許容されるように配置される。これにより、例えば固体電池セル１０１が膨張し、空隙部１１１が狭くなった場合であっても、過剰な付勢力を上方に逃がすことができる。上記に加え、所定量以上の本体部１２３の上方への移動が規制されるため、セパレータ１２０が固体電池セル１０１に対して上部に飛び出し、固体電池セル１０１間に付与される付勢力が失われることを防止できる。また、固体電池モジュール１００に振動が加えられた場合、本体部１２３の上方への所定量の移動が許容され、所定量以上の移動が規制されるため、固体電池モジュール１００の好ましい耐振動性が得られる。なお、上記凹部１２１ｂと凸部１２４ｂとの間の空間は、弾性部材１２３ａ、１２３ｂによる付勢力が適正な範囲となるように調整されることが好ましい。

係合部１２１ａ及び凹部１２４ａは、上記凹部１２１ｂ及び凸部１２４ｂと同様に、本体部１２３の水平方向への所定量の移動が許容され、所定量以上の移動が規制されるように構成されることが好ましい。例えば、係合部１２１ａの長手方向の長さを、凹部１２４ａの長手方向の長さよりも短く構成してもよい。

（モジュール構成部材）
モジュール構成部材１１０は、固体電池モジュール１００を構成する部材であり、複数の固体電池セル１０１の上部に配置される。モジュール構成部材１１０は、例えばバスバー１０６、電圧検出線１０７、及びサーミスタ１０８を含む。モジュール構成部材１１０には、上記以外にハーネス、電池ケース固定部材、セル電圧・温度モニターユニット等が含まれていてもよい。上記モジュール構成部材１１０は、特に限定されず、通常の電池モジュールに使用される公知の構成部材が用いられる。
モジュール構成部材１１０は、図３に示すように、電池ケース１０３に形成された凹部に配置されてもよい。これにより、固体電池モジュール１００の体積を低減し、エネルギー密度を向上できる。また、振動等による固体電池セル１０１の位置ずれや剥離等を防止できる。

（その他の構成部材）
図１に示すように、固体電池モジュール１００の上面は、トップカバー１１３により被覆される。複数の固体電池セル１０１の両端には、バインドバー１１４が配置される。バインドバー１１４により、複数の固体電池セル１０１の結束性を高め、ロワープレート１１５に固定できる。本実施形態に係る固体電池モジュール１００は、セパレータ１２０により複数の固体電池セル１０１間に付勢力が付与されるため、複数の固体電池セルに面圧を付与するエンドプレートは配置されていない。しかし、エンドプレートを配置して固体電池モジュールを構成してもよい。ロワープレート１１５は、固体電池モジュール１００の底面を構成する。本実施形態に係る固体電池モジュール１００は、セパレータ１２０により好ましい放熱性を有しているため、ロワープレート１１５内に固体電池セル１０１を冷却する構成を有していない。しかし、用途に応じてシリコンコンパウンド等の熱伝導材をロワープレート１１５と固体電池セル１０１との間に配置しても良いし、冷却水をロワープレート内又はロワープレート下部に配置して固体電池モジュールを構成してもよい。また、ロワープレート１１５内に緩衝材を配置し、固体電池モジュール１００を構成してもよい。これにより、固体電池モジュール１００の耐振動性を向上できる。

上記本実施形態に係るセパレータ１２０及び固体電池モジュール１００によれば、以下の効果が奏される。

複数の固体電池セル１０１を有する固体電池モジュール１００において、隣接する固体電池セル１０１間に配置されて固体電池セル１０１間を電気的に絶縁するセパレータ１２０を、複数の固体電池セル１０１の積層方向に対して付勢力を付与する、弾性変形可能な弾性部材１２３ａ、１２３ｂを有するものとした。これにより、固体電池セル１０１の膨張によるセル間距離の拡大を防止でき、バスバー１０６等のモジュール構成部材等へ応力が加わる等の影響を抑制でき、耐久性に優れる。また、固体電池セル１０１同士が弾性部材により固定されるため、振動への影響を低減し、固体電池セル１０１を適度に固定できる。

セパレータ１２０により、複数の固体電池セル１０１間に空隙部１１１が形成されるものとした。これにより、空隙部１１１に固体電池セル１０１の温度上昇を抑制するための部材等を配置できるため、固体電池セル１０１の好ましい冷却効果が得られる。

セパレータ１２０を、弾性部材１２３ａ、１２３ｂを有する本体部１２３の上部に、本体部１２３の所定量以上の移動を規制する固定部１２１を有するものとした。これにより、セパレータ１２０の一定量の弾性変形が許容されると共に、セパレータ１２０が上部に飛び出すことを防止できる。従って、固体電池モジュール１００の耐振動性や耐久性を維持できる。

固体電池モジュール１００において、固体電池セル１０１の積層体１０２の積層方向と、複数の固体電池セル１０１の積層方向を同一方向とした。これにより、セパレータ１２０により積層体１０２に対して面圧を付与でき、固体電池の入出力特性及び耐振動性を向上できる。

固体電池モジュール１００において、固体電池セル１０１は、積層体１０２の積層方向と略垂直となる面に対し面圧を付与する押圧部１１２を有するものとした。これにより、セパレータ１２０により付与される付勢力を、押圧部１１２を介して積層体１０２に対して付与できるため、固体電池の入出力特性及び耐振動性を好ましく向上できる。

（他の実施形態）
図６は、本発明の他の実施形態に係る固体電池モジュール１００ａの構成を示す断面図である。図６に示すように、固体電池モジュール１００ａは、複数の固体電池セル１０１の両端にバインドバー１１４が配置される。また、複数の固体電池セル１０１の両端と、バインドバー１１４との間には、端部セパレータ１２０ａが配置される。複数の固体電池セル１０１の両端には、バインドバー１１４に代えてエンドプレートが配置されていてもよい。上記以外の固体電池モジュール１００ａの構成は、上記固体電池モジュール１００と同様に構成できる。

端部セパレータ１２０ａは、弾性変形可能な弾性部材を有し、図６に矢印で図示する複数の固体電池セル１０１の積層方向に対して付勢力を付与する。端部セパレータ１２０ａは、例えば図６に示すように、上記実施形態に係るセパレータ１２０を上下方向に二分割した構成を有する。端部セパレータ１２０ａは、例えば本体部として１枚の板バネ状の弾性部材を有し、隣接する固体電池セル１０１に対して付勢力を付与する。また、端部セパレータ１２０ａは、少なくとも上部に固定部を有しており、上記本体部の上下方向及び水平方向のうち少なくともいずれかへの移動が規制される。上記以外の端部セパレータ１２０ａの構成は、セパレータ１２０と同様に構成できる。

上記実施形態に係る固体電池モジュール１００ａによれば、以下の効果が奏される。固体電池モジュール１００ａは、複数の固体電池セル１０１の両端に端部セパレータ１２０ａが配置される。端部セパレータ１２０ａにより、複数の固体電池セル１０１の積層方向に対して付勢力が付与される。従って、固体電池の入出力特性及び耐振動性をより好ましく向上できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

上記実施形態において、セパレータ１２０の有する弾性部材を、一対の板バネ状の部材である弾性部材１２３ａ、１２３ｂとして説明したが、上記に限定されない。セパレータ１２０の有する弾性部材は、隣接する固体電池セル１０１に付勢力を付与可能なものであればよい。また、上記弾性部材は隣接する固体電池セル１０１の積層方向の対向する両方向に付勢力を付与する一対の弾性部材には限定されない。上記弾性部材は、隣接する固体電池セル１０１の積層方向の一方にのみ付勢力を付与するものであってもよい。又は、セパレータ１２０に、固体電池セル１０１積層方向の一方に付勢力が付与される箇所と、対向する他方に付勢力が付与される箇所とが交互に設けられていてもよい。

１００、１００ａ固体電池モジュール
１０１固体電池セル
１０２積層体
１１１空隙部
１１２押圧部
１２０セパレータ
１２０ａ端部セパレータ
１２１固定部
１２３本体部
１２３ａ弾性部材
１２３ｂ弾性部材

Claims

複数の固体電池セルを有する固体電池モジュールにおいて、隣接する前記複数の固体電池セル間に配置されて前記複数の固体電池セル間を電気的に絶縁し、
前記複数の固体電池セルの積層方向に対して付勢力を付与する弾性変形可能な弾性部材を有する本体部と、固定部と、を有し、
前記固定部は、少なくとも前記本体部の上部に配置され、
前記固定部は、前記本体部の所定量以上の移動を規制する、セパレータ。
前記複数の固体電池セル間に、空隙部を形成する、請求項１に記載のセパレータ。
複数の固体電池セルを有する固体電池モジュールにおいて、隣接する前記複数の固体電池セル間に配置されて前記複数の固体電池セル間を電気的に絶縁し、
前記複数の固体電池セルの積層方向に対して付勢力を付与する弾性変形可能な弾性部材である一対の板バネ状の部材を有し、前記複数の固体電池セル間に、空隙部を形成する、セパレータ。
前記弾性部材を有する本体部と、固定部と、を有し、
前記固定部は、少なくとも前記本体部の上部に配置され、
前記固定部は、前記本体部の所定量以上の移動を規制する、請求項３に記載のセパレータ。
請求項１～４いずれかに記載のセパレータを有する固体電池モジュールであり、
前記複数の固体電池セルは、正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層との間に存在する固体電解質層と、を備える積層体を有し、
前記積層体の積層方向と、前記複数の固体電池セルの積層方向とは、同一方向である、固体電池モジュール。
前記複数の固体電池セルは、前記積層体の積層方向と略垂直となる面に対し面圧を付与する押圧部を有する、請求項５に記載の固体電池モジュール。
前記複数の固体電池セルの両端には、バインドバー及びエンドプレートのうちいずれかが配置され、
前記複数の固体電池セルの両端と、前記バインドバー及び前記エンドプレートのうちいずれかとの間には、前記複数の固体電池セルの積層方向に対して付勢力を付与する弾性変形可能な弾性部材を有する端部セパレータが配置される、請求項５又は６に記載の固体電池モジュール。