JP7115350B2

JP7115350B2 - 積層型電池

Info

Publication number: JP7115350B2
Application number: JP2019022978A
Authority: JP
Inventors: 英文松山; 茂隆永松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP2020135922A

Description

本開示は、積層型電池に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用として、高い出力を有する積層型電池の需要が高まっている。積層型電池は、例えば、正極集電体層、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層されている構成単位セルが一つ又は交互に複数積層されている構造を有している。

積層型電池を充放電した際に、積層型電池の内部が発熱する場合があることが知られている。積層型電池の内部における発熱は、積層型電池の寿命の低下等の原因となりうる。したがって、積層型電池の放熱性能を向上させることが求められている。

特許文献１は、積層方向において上面側と下面側とを貫通する貫通部を備える発電要素と、発電要素の貫通部と対応した位置に、当該貫通部の貫通方向へと窪んだ凹部を備える電池外装体を有する積層型電池を開示している。同文献によると、積層型電池がこのような構造を有することにより、電池外装体の凹部によって、積層型電池の内部に蓄積する熱の放出が行われ、その放熱性能の向上を図ることができるとしている。

特許文献２は、構成単位セルがスペーサを挟んで積層されている積層型電池において、スペーサの側面が、積層型電池の側面に設けられた冷却器と溶接固定された構成を開示している。

なお、特許文献３は、短絡を抑制した全固体電池を開示している。同文献は、集電体層から一つの集電タブが延出している構造を開示している。

特開２００７－１８９１７号公報特開２０１２－２５６７９０号公報特開２０１８－５５８９８号公報

電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用として用いられる積層型電池には、高い出力が要求される。積層型電池をより高出力化すると、積層型電池の内部における発熱量もこれに伴って増加すると考えらえる。

したがって、電池の高出力化の要求に伴い、より効率的に電池内部の温度を調節することが求められている。

本開示は、効率よく内部の温度を調節することができる積層型電池を提供することを目的とする。

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
一つの又は互いに積層されている複数の構成単位セルを有している積層型電池であって、
少なくとも一つの前記構成単位セルが、複数の延出部を有している集電体層を有しており、かつ
前記延出部のうち少なくとも一つが、温度調節部材に接続されている、
積層型電池。

本開示によれば、効率よく内部の温度を調節することができる積層型電池を提供することができる。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う積層型電池が有する構成単位セルを側面から見た模式図である。図２は、本開示の一つの実施形態に従う積層型電池が有する構成単位セルの正極集電体層を構成単位セルの上側から見た模式図である。図３は、本開示の他の実施形態に従う積層型電池が有する構成単位セルの正極集電体層を構成単位セルの上側から見た模式図である。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

本開示の積層型電池は、一つの又は互いに積層されている複数の構成単位セルを有している。少なくとも一つの構成単位セルは、複数の延出部を有している集電体層を有している。更に、延出部のうち少なくとも一つは、温度調節部材に接続されている。

原理によって限定されるものではないが、本開示の積層型電池において、積層型電池の内部の温度を効率よく調節することができる原理は、以下のとおりである。

特許文献１及び２に開示されるような電池において、電池の内部で発生した熱は、電池の内部から電池の外装体まで電池内部の材料を介して伝達し、電池の外装体において放出される。

これに対して、本開示の積層型電池では、集電体層の延出部に温度調節部材が接続されている。そのため、積層型電池の内部を冷却する場合には、例えば延出部に接続された、放熱性を有する温度調節部材、具体的には、これらに限定されないが、放熱フィン、放熱プレート、又はヒートポンプ等によって、積層型電池の内部で発生した熱を、外装体を介さずに集電体層及び延出部を通じて直接的に積層型電池の外部に放出することができる。また、積層型電池の内部を加温する場合には、例えば延出部に接続された、発熱機能を有する温度調節部材、具体的には、これらに限定されないが、ヒーター又はヒートポンプ等によって、積層型電池の内部で発生した熱を、外装体を介さずに集電体層及び延出部を通じて直接的に電池内部を加温することができる。

このように、本開示の積層型電池は、積層型電池の内部を直接的に調温することができるため、より効率よく、例えばより短時間で、かつ／又は積層型電池の内部における温度分布の発生を抑制しつつ、積層型電池の内部の温度を調節することができる。

《構成単位セル》
構成単位セルは、例えば正極集電体層、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層されている構成を有していることができる。

本開示の積層型電池は、全固体電池、又は液系電池のいずれであってもよい。本開示の積層型電池が全固体電池の場合、構成単位セルは、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層されている構成を有していることができる。また、これらの層は、正極集電体層及び負極集電体層が以下に記載の構成を有していることを除いて、全固体電池において一般的に用いられるものを用いることができる。

積層型電池は、モノポーラ型及びバイポーラ型のいずれの形態であってもよい。積層型電池がモノポーラ型である場合、積層方向に隣接する２つの構成単位セルは、正極集電体層又は負極集電体層を共有することができる。積層型電池がバイポーラ型である場合、積層方向に隣接する２つの構成単位セルは、正極及び負極集電体層の両方として用いられる正極／負極集電体層を共有することができる。

構成単位セルは、単独で、又は複数が互いに積層され、外装体に封入されて、積層型電池を構成していてよい。外装体としては、一つの又は互いに積層されている複数の構成単位セルを封入できる形状を有している限り、電池に用いることができる任意の外装体であってよい。

図１は、本開示の一つの実施形態に従う積層型電池が有する構成単位セルを側面から見た模式図である。なお、図１において、構成単位セルの側面とは、構成単位セルの各層の積層方向に直交する方向を意味している。

図１において、構成単位セル１００は、正極集電体層１０、正極活物質層２０、固体電解質層３０、負極活物質層４０、及び負極集電体層５０がこの順に積層されている。また、正極集電体層１０及び負極集電体層５０は、それぞれ複数の延出部１５及び５５を有している。更に、複数の延出部１５のうちの一つの延出部１５ａは、温度調節部材２００と接続されている。

なお、図１において記載していないが、温度調節部材２００は、複数の延出部１５のうちの一つの延出部１５ａのみでなく、他の延出部１５、例えば全ての延出部１５に接続されていてもよい。また、延出部１５ａに接続されている温度調節部材２００又は別個の温度調節部材２００が、負極集電体層５０の延出部５５の全部又は一部にも接続されていてよい。

《集電体層》
ここで、集電体層は、複数の延出部を有している。言い換えると、単一の集電体層は、２つ以上の延出部を有している。例えば、集電体層が矩形である場合、集電体層は、一つの辺に複数の延出部を有していてよく、二つ又はそれより多い辺に、それぞれ一つ又は複数の延出部を有していてよい。

集電体層は、正極集電体層及び負極集電体層を挙げることができる。したがって、本開示において、複数の延出部を有している集電体層は、正極集電体層及び負極集電体層のいずれか一方又は両方である。

図２及び図３は、それぞれ、本開示の一つの実施形態及び他の実施形態に従う積層型電池が有する構成単位セルの正極集電体層を、構成単位セルの上側から見た模式図である。ここで、図２及び３において、構成単位セルの上側とは、構成単位セルの積層方向に関して、正極集電体層側を意味している。

図２において、正極集電体層１０は、矩形を有しており、その四辺から、それぞれ一つの延出部１５を有している。また、四辺のうちの一辺から延出している延出部１５ａは、温度調節部材２００と接続されている。

また、図３において、正極集電体層１０は、矩形を有しており、対向しているある一対の辺は、それぞれ一つの延出部１５を有しており、対向しているもう一つの一対の辺は、それぞれ二つの延出部１５を有している。また、対向しているもう一つの一対の辺のうち一方の辺から延出している延出部１５ａは、温度調節部材２００と接続されている。

集電体層の材料は、電池の集電体として用いられる任意の材用であってよく、例えば、ＳＵＳ、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、又はカーボン等であってよいが、これらに限定されない。

集電体層は、複数の延出部を有していればよく、その他の部分の形状は特に限定されず、例えば、箔状、板状、又はメッシュ状等であってよい。集電体層のその他の部分の形状は、箔状が好ましい。

〈延出部〉
延出部は、集電体層から延出している部分である。ここで、集電体層から延出しているとは、集電体層から構成単位セルの外部に延出していることを意味する。

延出部は、集電体層と一体的に形成されていてよい。また、延出部は、集電体層とは異なる部材であってもよく、集電体層から構成単位セルの外部に延出するように集電体層に接続されていてもよい。延出部は、集電体層との間の熱伝導性の観点から、集電体層と一体的に形成されていることが好ましいが、製造効率の観点から、集電体層とは異なる部材として形成されていてもよい。

延出部は、少なくとも一つに温度調節部材が接続されている。温度調節部材が接続されていない延出部には、例えば構成単位セルの内部の温度を検出又は測定するための装置、具体的には、温度検出装置、又は温度測定装置等の装置が接続されていてもよい。温度調節部材が接続されていない延出部にこれらの装置が接続されている場合、構成単位セルの内部の温度を把握しつつ、更に効率よく温度調節することができる。

延出部は、少なくとも温度調節部材を接続することができ、かつ集電体層との間で熱を伝導することができる任意の形状であってよい。このような形状としては、集電体層から延出している矩形又は楕円形等であってよいが、これらに限定されない。

延出部に用いられる材料は、集電体層との間で熱を伝導することができる材料であれば特に限定されず、集電体層と同一の材料であってよく、異なる材料であってもよい。

延出部の材料は、電池の集電体として用いられる材用と同様の材料であってよく、例えば、ＳＵＳ、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、又はカーボン等であってよいが、これらに限定されない。

延出部は、集電タブを兼ねていてもよい。

《温度調節部材》
温度調節部材は、延出部のうち少なくとも一つに接続されている。

温度調節部材は、延出部に電流を流すことによって延出部自体を加熱することができる任意の部材であってよい。このような部材としては、例えば、電源に接続された導線等を挙げることができるが、これらに限定されない。温度調節部材としてこのような部材を用いる場合には、温度調節部材は延出部と電気的に接続されている。

ここで、ある部材と他の部材とが電気的に接続されているとは、ある部材と他の部材との間に電流が流れることができるように接続されていることをいい、例えば、ある部材と他の部材とが、導電性を有する更に他の部材を介して物理的に接続されていてもよい。

また、温度調節部材は、積層型電池の外部の熱源から延出部に熱を伝導することができる任意の部材であってよく、外部の熱源自体であってよい。このような部材としては、例えば、通電されているニクロム線若しくはＰＴＣ素子等、燃焼している可燃物、エンジン若しくは半導体の排熱等を延出部に接しているヒートポンプ等であってよいが、これらに限定されない。温度調節部材としてこのような部材を用いる場合には、温度調節部材は延出部と熱的に接続されている。

更に、温度調節部材は、延出部から積層型電池の外部の冷却源に、電池内部の熱を伝導することができる任意の部材であってよく、外部の冷却源自体であってよい。このような部材としては、例えば、電池内部よりも温度が低い空気、水、氷等の冷却源に接しているヒートポンプ等であってよいが、これらに限定されない。

ここで、ある部材と他の部材とが熱的に接続されているとは、ある部材と他の部材との間に熱を伝達することができるように接続されていることをいい、例えば、ある部材と他の部材とが、熱伝導性を有する更に他の部材を介して物理的に接続されていてもよい。

１０正極集電体層
１５、５５延出部
２０正極活物質層
３０固体電解質層
４０負極活物質層
５０負極集電体層
１００構成単位セル
２００温度調節部材

Claims

一つの又は互いに積層されている複数の構成単位セルを有している積層型電池であって、
少なくとも一つの前記構成単位セルが、複数の延出部を有している集電体層を有しており、かつ
前記延出部のうち少なくとも一つが、温度調節部材に接続されている、
積層型電池。