JP7754580B2 - 冷却フィンを含む電池モジュール - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２２年１０月２６日付韓国特許出願第１０－２０２２－０１３８９３５号および２０２３年１０月２３日付韓国特許出願第１０－２０２３－０１４２１１６号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本願明細書の一部として含まれる。

本願発明は、冷却フィンを含む電池モジュールに関する。詳細には、複数の二次電池を含む電池モジュールにおいて、二次電池は、長辺の長さを短くした２つ以上の電極アセンブリを、２つ以上の収納部を含むパウチ型ケースに内蔵した構造を有し、それぞれの二次電池が積層された状態で、収納部を接続する接続部に対応して形成された離隔空間には、それぞれ冷却フィンを位置させた構造の電池モジュールに関する。

化石燃料使用の急激な増加により、代替エネルギーやクリーンエネルギーの使用に対する要求が高まっている。その一環として、最も活発に研究されている分野が電気化学を利用した発電、蓄電分野である。

現在、このような電気化学的エネルギーを利用する電気化学素子の代表的な例として二次電池を挙げることができ、その使用領域がますます拡大している。

近年、ポータブルコンピュータ、携帯電話、カメラなどのモバイル機器に対する技術開発と需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急増している。そのような二次電池の中で、高い充放電特性と寿命特性を示し、環境にやさしいリチウム二次電池について多くの研究が行われており、また、商用化されて広く使用されている。

さらに、二次電池は、近年、ユーザーのニーズにより、ますます高エネルギー密度、高出力、長寿命、耐久性が可能な構成に発展している。これにより、二次電池の電圧使用範囲は４．５Ｖ以上のレベルにまで広がっている。

このような要求の増加に伴い、最近では、Ｎｉ含有量の多いリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物の正極材を使用している。しかし、Ｎｉ含有量が増えるほど高温において熱暴走による発火が発生する可能性が高くなる問題がある。

一方、最近では、大容量の電池に対する要求もあり、電池の長さを長くしたロングセル（Ｌｏｎｇ ｃｅｌｌ）で製作される傾向にある。この時、二次電池の安全性向上のために二次電池ケースの外側で電池の冷却を行うことになるが、電池のセンター、つまり中心部での冷却が難しく、セルのサイクルが増えるほど、熱の蓄積により、ロングセルの電池の安全性を確保することが困難となる。

したがって、大容量への要求が高まるほど、電池の駆動による熱蓄積を効果的に防止し、熱暴走による問題が発生する可能性を下げることができる技術の開発が急務である。

本願発明が解決しようとする課題は、二次電池の駆動時に発生するセンター部での熱蓄積を効果的に防止し、熱暴走発生の可能性を下げることができる電池モジュール構造を提供することである。

このような目的を達成するため、本願発明の一実施形態による電池モジュールは、
モジュールケース内に複数の二次電池を含む電池モジュールであって、複数の二次電池は、それぞれが正極と、負極と、正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む２つ以上の電極アセンブリと、非水電解質と、パウチ型ケースであって、２つ以上の電極アセンブリを平面上の横方向に配列されるように収納する２つ以上の収納部と、２つ以上の電極アセンブリがそれぞれ電気的に直列接続できるように収納部の間に形成される接続部と、を含むパウチ型ケースと、を含み、複数の二次電池は、それぞれ接続部が互いに向き合うように積層され、接続部で複数の二次電池の間にはそれぞれの離隔空間が形成されており、
それぞれの離隔空間には、それぞれ冷却フィンが位置することを特徴とする。

一つの具体的な例では、２つ以上の電極アセンブリは、第１電極アセンブリと、第２電極アセンブリと、を含むことができる。

ここで、第１電極アセンブリは、第１電極アセンブリの正極から延びる第１正極タブと、第１電極アセンブリの負極から延びる第１負極タブと、を含み、第２電極アセンブリは、第２電極アセンブリの正極から延びる第２正極タブと、第２電極アセンブリの負極から延びる第２負極タブと、を含み、第１電極アセンブリおよび第２電極アセンブリは、第１負極タブと第２正極タブが接続リードによって電気的に接続されているものであってもよい。即ち、第１電極アセンブリと第２電極アセンブリは、接続リードによって電気的に直列接続できるものである。

もう一つの具体的な例では、２つ以上の収納部は、第１電極アセンブリを内蔵する第１収納部と、第１収納部と離隔した状態で平面上の横方向に配列されており、第２電極アセンブリを内蔵する第２収納部と、を含み、接続部は、第１収納部と第２収納部との間に形成され、これらを接続し、接続部に接続リードが位置するものであってもよい。

このような接続部は、２つ以上の収納部と比較して、電極アセンブリの積層方向にくぼんだ形の湾入部の構造を有し、複数の二次電池が積層された状態で離隔空間を形成することができる。

具体的には、パウチ型ケースは、２つ以上の収納部と接続部とを含む下部ケースと、下部ケースを覆う上部ケースと、を含むことができる。

一方、このような電池モジュールにおいて、２つ以上の電極アセンブリは、それぞれ平面上の短辺の長さが長辺の長さの８０％から１００％であってもよい。

さらに、２つ以上の電極アセンブリは、それぞれ、平面上の長辺で電極アセンブリを固定するように積層方向に固定テープを付着することができる。

もう一つの具体的な例では、冷却フィンは、複数の二次電池が積層された状態でパウチ型ケースのシーリング部が形成する空間の一部にも追加的に形成されることができ、具体的には、複数の二次電池が積層された状態で、パウチ型ケースの平面上における長さが長い全長方向の一側面と、平面上における長さが短い全幅方向の両側面と、において形成されるシーリング部が形成する空間に追加で形成されることができる。

ここで、冷却フィンは空冷式または水冷式であることができる。

もう一つの具体的な例で、正極は正極活物質を含み、
正極活物質は、下記化学式１で表されるリチウム遷移金属酸化物であってもよい。

Ｌｉ_ａＮｉ_１－ｂＭ_ｂＯ_２－ｘＡ_ｘ （化学式１）
式中、
Ｍは、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏからなる群より選択された１種以上であり、
Ａは、酸素置換型ハロゲンであり、
１．００≦ａ≦１．０５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦０．０１である。

より具体的には、Ｍは、（Ｍｎ_ｃＣｏ_ｄ）であり、０≦ｃ≦１．０であり、０≦ｄ≦１．０であってもよい。

また、負極は負極活物質を含み、負極活物質は黒鉛系物質を含むことができる。

本願発明の一実施形態による電池モジュールの透過側面図である。 図１の電池モジュールにおける二次電池と冷却フィンの配置を示すための一部拡大図である。 図２の二次電池の分解上面図である。

以下、本願発明をより理解するために、本願発明をさらに詳細に説明する。

本願明細書及び特許請求の範囲に使用された用語や単語は、通例的又は辞書的な意味に限定して解釈されるべきではなく、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本願発明の技術的思想に合致する意味と概念で解釈されなければならない。

本願明細書で使用される用語は、単に例示的な実施形態を説明するために使用されるものであり、本願発明を限定する意図はない。単数形の表現は、文脈上明らかに異なる意味がない限り、複数形の表現を含む。

また、本願明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本願発明の一実施形態による電池モジュールは、
モジュールケース内に複数の二次電池を含む電池モジュールであって、複数の二次電池は、それぞれが正極と、負極と、正極と負極との間に介在される分離膜と、を含む２つ以上の電極アセンブリと、非水電解質と、パウチ型ケースであって、２つ以上の電極アセンブリを平面上の横方向に配列されるように収納する２つ以上の収納部と、２つ以上の電極アセンブリがそれぞれ電気的に直列接続できるように収納部間に形成される接続部と、を含むパウチ型ケースと、を含み、複数の二次電池は、それぞれ接続部が互いに向き合うように積層され、接続部で複数の二次電池の間にはそれぞれの離隔空間が形成されており、それぞれの離隔空間には、それぞれ冷却フィンが位置する構造で構成されている。

即ち、本願の二次電池は、２つ以上の電極アセンブリが一つのパウチ型ケースに内蔵され、直列接続された構造であってもよく、具体的には、元々一つで製造された電極アセンブリを一つ当りその大きさを小さくして２つ以上の電極アセンブリとして形成し、これらを直列接続することにより、一つの電極アセンブリを形成したのと同じ効果を発揮する。

但し、背景技術で説明したように、従来のロングセルの場合、電池のセンター部で冷却がよく行われず、熱蓄積および暴走が発生するという問題があった。このようなロングセルを２つ以上に分離して形成することによって、このような問題を一部改善することができる。

また、分離された部分に冷却フィンを位置させることによって、センター部での熱蓄積および熱暴走の問題を解消することができる。

このような構造をより詳しく説明するために、以下、図１から図３を参照して説明する。理解を助けるために、一実施形態による図面を基に説明するが、本願発明の範囲がそれによって限定されるものではない。

図１には、本願発明の一実施形態による電池モジュールの透過側面図が模式的に示されている。

図１を参照すると、電池モジュール２００は、モジュールケース２３０内に複数の二次電池２１０が互いに向き合うように積層され、複数の二次電池２１０が積層された状態で、これらの間にはそれぞれ離隔空間が形成されており、離隔空間に冷却フィン２２０が形成された構造を有する。

この時、離隔空間は、２つ以上の電極アセンブリ（以下で更に具体的に説明）が電気的に直列接続できる部位、即ち、パウチ型ケースの接続部に対応する部位に形成され、さらに、パウチ型ケースの外周シーリング部が形成する空間の一部にも形成される場合がある。具体的には、パウチ型ケースの平面上における長さが長い全長方向の一側面と、平面上における長さが短い全幅方向の両側面と、において形成されるシーリング部が形成する空間に追加で形成することができる。

従って、本願発明によれば、積層される複数の二次電池２１０同士の間に冷却フィン２２０を位置することができ、全体的な体積の増加が最小化されるため、従来と比較して、電池モジュール２００の総体積が増加することなく、二次電池の中間部分でも冷却効果を発揮することができ、発火をより遅延させることができ、これにより、電圧降下も防止できる効果がある。

一方、本願発明の電池モジュール２００の二次電池２１０と、冷却フィン２２０を具体的に説明し、これらの形成関係を説明するために、下記の図２には、一つの二次電池と冷却フィンを拡大して示し、図３にはパウチ型ケースがシーリングされずにオープンになっている形態の二次電池の分解上面図を示した。

図２および図３の双方を参照し、ここで説明の便宜上、一つの二次電池と一つの冷却フィンを「二次電池アセンブリ」と命名する。

即ち、「二次電池アセンブリ」とは、二次電池以外に外部に形成される冷却フィンを含むことを示すためのものであり、一体として形成された形態だけでなく、単に二次電池の外部に冷却フィンが位置することも含む概念である。

本願発明の一実施形態による二次電池アセンブリ１００において、二次電池は、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０が非水電解質（図示せず）と共にパウチ型ケース１３０に収容されており、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０は、それぞれ互いに電気的に直列接続されている構造で構成されている。

具体的には、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０は、第１電極アセンブリ１１０および第２電極アセンブリ１２０を含み、第２電極アセンブリ１２０は、第１電極アセンブリ１１０と平面上の横方向に配列されている。

ここで、第１電極アセンブリ１１０は、第１正極１１１と、第１負極１１２と、第１正極１１１と第１負極１１２との間に介在される分離膜１１３と、を含む構造を有し、第２電極アセンブリ１２０は、第２正極１２１と、第２負極１２２と、第２正極１２１と第２負極１２２との間に介在される分離膜１２３と、を含む構造を有する。

また、第１電極アセンブリ１１０の正極１１１から第１正極タブ１１１ａが延びており、負極１１２から第１負極タブ１１２ａが延びている。第２電極アセンブリ１２０の正極１２１から第２正極タブ１２１ａが延びており、負極１２２から第２負極タブ１２２ａが延びている。ここで第１負極タブ１１２ａと第２正極タブ１２１ａが接続リード１５０によって電気的に接続されている。従って、第１電極アセンブリ１１０と第２電極アセンブリ１２０は、電気的に直列接続することができる。

そして、直列接続のために使用された第１負極タブ１１２ａと第２正極タブ１２１ａを除いた第１正極タブ１１１ａと第２負極タブ１２２ａは、互いに異なる方向へパウチ型ケース１３０の外部に延びるリードに接続されている。

図面には、２つの電極アセンブリで構成される二次電池を開示したが、電極アセンブリの数は限定されず、２つ以上に直列接続することができる。但し、直列接続のための空間が必要であり、この部分においては発電素子を含むことができない。そのため、体積当たりエネルギー密度などを考慮して、２つの電極アセンブリで構成されることがより好ましい。

本願発明において、二次電池に２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０を含むようにするのは、従来のロングセルを長さが長い側において二つに分けることによりセンター部での熱蓄積を防止するためであり、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０は、それぞれ平面上における短辺の長さ（ｌ_１）が長辺の長さ（ｌ_２）の８０％～１００％であってもよく、具体的には９０％～１００％であってもよい。

また、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０に関しては、従来構造のものであれば限定されず、単位電極、単位分離膜がそれぞれ交互に積層される形態であってもよい。または、単位セル、例えば、極性が異なる電極が両側に配置された構造のフルセル、極性が同じ電極が両側に配置された構造のバイセル、一つの電極と分離膜が積層された構造のモノセルが積層されている構造であってもよい。

このような場合、それぞれの構成要素、または単位セルが互いに配列される時に不整合が発生することを防止するために、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０は、それぞれ平面上の長辺で電極アセンブリ１１０、１２０が固定されるように、積層方向に固定テープ１６０を付着させる場合がある。図面では、それぞれの電極アセンブリ１１０、１２０が２対の固定テープで固定されている構成を示したが、これらの数は限定されない。

一方、本願発明の二次電池は、一つの二次電池内に２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０を含むので、これらを収納できる特別な構造のパウチ型ケース１３０を含む。

具体的には、パウチ型ケース１３０は、２つ以上の電極アセンブリ１１０、１２０を収納できる２つ以上の収納部１３１、１３２を含む。具体的には、２つ以上の収納部１３１、１３２は、第１電極アセンブリ１１０を内蔵する第１収納部１３１と、第１収納部１３１と離隔した状態で平面上の横方向に配列され第２電極アセンブリ１２０を内蔵する第２収納部１３２と、を含む。

そして、パウチ型ケース１３０は、第１収納部１３１と第２収納部１３２とを接続する接続部１３３を含む。このような接続部１３３において、第１負極タブ１１２ａと第２正極タブ１２１ａとを接続する接続リード１５０が位置する。

従って、第１収納部１３１と第２収納部１３２との間に位置する接続部１３３は、電極アセンブリ１１０、１２０が収納されるほどの空間は必要とせず、接続リード１５０が安全に位置する形態であれば十分である。従って、図２で見られるように、接続部は、第１収納部１３１、第２収納部１３２と比較して、電極アセンブリ１１０、１２０の積層方向にくぼんだ形の湾入構造を形成する。

従って、このような湾入部によって、図１のように、二次電池が積層された状態で離隔空間が形成され、このような離隔空間によって、後に説明する冷却フィン１４１が効果的に位置することができる。

パウチ型ケース１３０の構造は、一つで構成される封止型のケースであってもよく、上部ケースと下部ケースとに分離されてもよく、限定されないが、離隔空間を効果的に形成するために、例えば、第１収納部１３１、第２収納部１３２、接続部１３３を含む下部ケース１３４と、下部ケース１３４を覆い、その後シーリングされる上部ケース１３５と、を含む構造であってもよい。このようなパウチ型ケース１３０は、アルミニウムラミネートシートで構成することができ、このパウチ型ケース１３０を構成する物質については、当業界において詳しく開示されているため、本願明細書ではこれに対する説明を省略する。

一方、従来は、パウチ型ケース１３０のセンター部には冷却フィンが位置することができなかったが、本願発明によれば、２つの収納部１３１、１３２を含むケースに２つの電極アセンブリ１１０、１２０を位置させることによって、収納部１３１、１３２の間の湾入部で接続部を形成し、これらから複数の二次電池が積層された時に離隔空間が形成され、冷却フィン１４１が位置することができるため、二次電池のセンター部においても冷却を行うことができる。

従って、従来のセンター部での熱蓄積の問題を防止することができ、熱暴走発生の可能性を著しく下げることができる効果がある。

また、二次電池を全体的に冷却するために、図１、図２にも示したように、パウチ型ケース１３０のシーリング部が形成する空間の一部にも、冷却フィン１４２が形成されている場合がある。

具体的には、冷却フィン１４２は、パウチ型ケース１３０の平面上における長さが長い全長方向の一側面と、平面上における長さが短い全幅方向の両側面と、において形成されるシーリング部が形成する空間に追加で形成されている。もちろん、全ての側面に形成されてもよい。

ここで、冷却フィンは、従来公知の構成であれば限定されず、適用可能であり、例えば、空冷式または水冷式冷却フィンであってもよい。具体的には、冷却性をより高めるために、水冷式冷却フィンであってもよい。

ここで、収納部１３１、１３２の間に位置する冷却フィン１４１と、二次電池シーリング部、即ち、二次電池外周面を包む冷却フィン１４２とは、限定されるものではないが、互いに連通されているか、個別に形成されていてもよいが、具体的には、互いに連通されているのが好ましい。

このような構造を有する場合、実質的にロングセルと類似のエネルギー密度、容量を有しつつも、冷却が効果的に行われ、安全性を高める効果がある。

一方、このような二次電池に含まれる構成要素について以下で具体的に説明する。

正極は、正極活物質を含み、
正極活物質は、下記化学式１で表されるリチウム遷移金属酸化物であってもよい。

Ｌｉ_ａＮｉ_１－ｂＭ_ｂＯ_２－ｘＡ_ｘ （化学式１）
式中、
Ｍは、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏからなる群より選択された１種以上でであってもよく、
Ａは、酸素置換型ハロゲンであり、
１．００≦ａ≦１．０５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦０．０１である。

具体的には、Ｍは、（Ｍｎ_ｃＣｏ_ｄ）であり、ここで、０≦ｃ≦１．０、および０≦ｄ≦１．０であってもよい。即ち、本願による二次電池アセンブリにおいて、正極はＮｉが０．７以上に含まれるＮｉ含有量が多いリチウムニッケル系遷移金属酸化物であってもよい。

このようなＮｉ含有量が多い酸化物を正極活物質として使用する場合、大容量、高エネルギー密度などの長所を有するが、高温安全性に問題があるため、本願のような構造の二次電池アセンブリにより適合する。

より具体的には、Ｎｉのモル比は０．８～０．９、即ち、０．１≦ｂ≦０．２であってもよい。

また、正極は、化学式１で表される正極活物質以外に、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物や、１つまたはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２－ｘＯ_４（ここで、ｘは０～０．３３）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＶ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１－ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、ＭはＣｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａであり、ｘ＝０．０１～０．３）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_２－ｘＭ_ｘＯ_２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａであり、ｘ＝０．０１～０．１）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土類金属イオンで置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などを含んでもよく、混合して使用してもよい。

さらに、正極は、正極活物質を含む正極材が正極集電体上に形成された構造で構成することができ、正極材は、正極活物質以外に、導電材、バインダー、必要に応じて充填剤などをさらに含むことができる。

導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであり、構成される電池において、化学変化を引き起こさず、電子導電性を有するものであれば、特別な制限なく使用可能である。具体的な例としては、カーボンブラック、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、炭素繊維などの炭素系物質；天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；またはポリフェニレン誘導体などの導電性高分子などを挙げることができ、これらのうち１種単独または２種以上の混合物が使用できる。導電材は、正極材総重量に対して１重量％～３０重量％、具体的には１重量％～１０重量％、より詳しくは１重量％～５重量％含まれてもよい。

バインダーは、正極活物質粒子間の付着および正極活物質と集電体との接着力を向上させる役割を果たす。具体的な例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ－ｃｏ－ＨＦＰ）、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、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、エチレン－プロピレン－ジエンポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム、またはこれらの様々な共重合体などを挙げることができ、これらのうち１種単独または２種以上の混合物が使用できる。バインダーは、正極材総重量に対して１重量％～３０重量％、具体的には１重量％～１０重量％、より詳しくは１重量％～５重量％含まれてもよい。

充填剤は、電極の膨張を抑制する成分として任意選択で使用され、当該電池に化学的変化を引き起こさず、繊維状材料であれば特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオリフィン系ポリマー；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用され、正極材全体重量に対して０～１０重量％に含まれてもよい。

正極集電体は、電池に化学的変化を引き起こさず、導電性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、または、アルミニウムやステンレススチール表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用できる。また、正極集電体は、３μｍ～５００μｍの厚さを有することができ、集電体表面上に微細な凹凸を形成し、正極活物質の接着力を高めることもできる。例えば、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など様々な形態で使用することができる。

負極も、負極活物質を含む負極材が負極集電体上に形成された構造で構成することができ、負極材も負極活物質と共に、上述したように導電材およびバインダー、必要に応じて充填剤をさらに含むことができる。

負極活物質は、リチウムの可逆的な挿入および脱離が可能な化合物を使用することができる。具体的な例としては、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素質材料；Ｓｉ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｃｄ、Ｓｉ合金、Ｓｎ合金またはＡｌ合金などリチウムと合金化が可能な金属質化合物；ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）、ＳｎＯ_２、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物のようにリチウムをドープおよび脱ドープすることができる金属酸化物；またはＳｉ－Ｃ複合材またはＳｎ－Ｃ複合材のように、金属質化合物と炭素質材料を含む複合物などを挙げることができ、これらのいずれか一つまたは二つ以上の混合物を使用することができる。また、負極活物質として、金属リチウム薄膜が使用されることもできる。また、炭素材料は、低結晶炭素および高結晶性炭素などが全て使用できる。低結晶性炭素としては、軟化炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）および硬化炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）が代表的であり、高結晶性炭素としては、無定形、板状、麟片状、球形または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛、キシ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、メソフェーズピッチ炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏ－ｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、メソフェーズピッチ（Ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）、および、石油と石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒ ｃｏａｌ ｔａｒ ｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）などの高温焼成炭素が代表的である。但し、詳細には、黒鉛系物質を含むことができる。

負極集電体は、電池に化学的変化を引き起こさず、高い導電性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム－カドミウム合金などが使用できる。また、負極集電体は、通常３μｍ～５００μｍの厚さを有することができ、正極集電体と同様に、集電体表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化することもできる。例えば、フィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など様々な形態で使用することができる。

分離膜は、負極と正極を分離してリチウムイオンの移動通路を提供するもので、通常リチウム二次電池でセパレータとして使用されるものであれば、特別な制限なく使用可能である。特に電解質のイオン移動に対して抵抗が小さく、電解質に対して高い保湿性を有しているものが好ましい。具体的には、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレンホモポリマー、プロピレンホモポリマー、エチレン／ブテン共重合体、エチレン／ヘキセン共重合体およびエチレン／メタクリレート共重合体などのポリオレフィン系高分子で製造された多孔性高分子フィルムまたはこれらの２層以上の積層構造体を使用することができる。また、通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などの不織布を使用することもできる。また、耐熱性または機械的強度を確保するために、セラミック成分または高分子物質が含まれているコーティングされた分離膜を使用することもでき、任意選択でシングルレイヤーまたはマルチレイヤー構造で使用することができる。

また、本願発明で使用される非水電解質としては、リチウム二次電池製造時に使用可能な有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル型高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などが挙げられ、これらに限定されるものではない。

具体的には、非水電解質は、有機溶媒およびリチウム塩を含むことができる。

有機溶媒としては、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動できる媒質役割をすることができるものであれば、特別な制限なく使用することができる。具体的には、有機溶媒としては、メチルアセテート（ｍｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、酢酸エチル（ｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｔｅ）、γ－ブチロラクトン（γ－ｂｕｔｙｒｏｌａｃｔｏｎｅ）、ε－カプロラクトン（ε－ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）などのエステル系溶媒；ジブチルエーテル（ｄｉｂｕｔｙｌｅｔｈｅｒ）またはテトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）などのエーテル系溶媒；シクロヘキサノン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ）などのケトン系溶媒；ベンゼン（ｂｅｎｚｅｎｅ）、フルオロベンゼン（ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）などの芳香族炭化水素系溶媒；ジメチルカーボネート（ｄｉｍｅｔｈｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ｄｉｅｔｈｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＭＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＭＣ）、エチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＣ）、炭酸プロピレン（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）などのカーボネート系溶媒；エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒；Ｒ－ＣＮ（ＲはＣ２～Ｃ２０の直鎖状、分岐状または環構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含むことができる）などのニトリル類；ジメチルホルムアミドなどのアミド類；１，３－ジオキソランなどのジオキソラン類；またはスルホラン（ｓｕｌｆｏｌａｎｅ）類などが使用できる。この中でもカーボネート系溶媒が好ましく、電池の充放電性能を高めることができる高いイオン伝導度および高誘電率を有する環状カーボネート（例えば、エチレンカーボネートまたは炭酸プロピレンなど）と、底粘度の鎖状カーボネート系化合物（例えば、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートまたはジエチルカーボネートなど）の混合物がより好ましい。この場合、環状カーボネートと鎖状カーボネート（ｌｉｎｅａｒ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）は、約１：１～約１：９の体積比で混合して使用すると、電解液としての性能が高くなる。

リチウム塩は、リチウム二次電池で使用されるリチウムイオンを提供できる化合物であれば特別な制限なく使用することができる。具体的にリチウム塩は、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＯ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_３）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、またはＬｉＢ（Ｃ_２Ｏ_４）_２などが使用できる。リチウム塩の濃度は、０．１Ｍ～２．０Ｍの範囲内で使用することが好ましい。リチウム塩の濃度がこの範囲に含まれると、電解質が適切な伝導度および粘度を有するため、優れた電解質性能となり、リチウムイオンが効果的に移動することができる。

非水電解質には、構成成分の他に、電池の寿命特性の向上、電池容量低下の抑制、電池の放電容量向上などを目的に、例えば、ジフルオロエチレンカーボネートなどのようなハロアルキレンカーボネイト系化合物、ピリジン、トリエチルホスファート、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ－グライム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ－置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ－置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２－メトキシエタノールまたは三塩化アルミニウムなどの添加剤を１種以上さらに含んでもよい。この時、添加剤は、非水電解質総重量に対して０．１重量％～５重量％で含まれてもよい。

上述のように本願発明による電池モジュールは、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ／カメラなどの携帯用機器、およびハイブリッド電気自動車（ｈｙｂｒｉｄｅ ｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ、ＨＥＶ）などの電気自動車分野などにデバイス電源として使用することができる。

上述した構造的変化を除いた電池モジュールの製造方法は、当業界に知られており、本願明細書ではこれに関する説明を省略する。

本願発明が属した分野で通常の知識を有する者であれば、上述の内容を基に本願発明の範囲内で様々な応用および変形を行うことが可能であろう。

以上、説明したように、本願発明によれば、二次電池の電極組立体のサイズを小さくしつつ、その数を増やして直列接続し、その接続部位に冷却フィンを追加的に配置できる構造の電池モジュールを提供することにより、二次電池駆動時に発生するセンター部での熱蓄積を効果的に防止し、熱暴走の発生可能性を下げることができる効果がある。

１００ 二次電池アセンブリ
１１０ 第１電極アセンブリ
１１１ 第１正極
１１２ 第１負極
１１３ 第１分離膜
１１１ａ 第１正極タブ
１１２ａ 第１負極タブ
１２０ 第２電極アセンブリ
１２１ 第２正極
１２２ 第２負極
１２３ 第２分離膜
１２１ａ 第２正極タブ
１２２ａ 第２負極タブ
１３０ パウチ型ケース
１３１ 第１収納部
１３２ 第２収納部
１３３ 接続部
１４１、１４２ 冷却フィン
１５０ 接続リード
１６０ 固定テープ

Claims (13)

1. モジュールケース内に複数の二次電池を含む電池モジュールであって、
   前記複数の二次電池は、
   それぞれが正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に介在される分離膜と、を含む２つ以上の電極アセンブリと、
   非水電解質と、
   パウチ型ケースであって、
   前記２つ以上の電極アセンブリを平面上の横方向に配列されるように収納する２つ以上の収納部と、
   前記２つ以上の電極アセンブリがそれぞれ電気的に直列接続できるように収納部の間に形成される接続部と、を含むパウチ型ケースと、を含み、
   前記複数の二次電池は、それぞれ前記接続部が互いに向き合うように積層され、前記接続部で前記複数の二次電池の間にはそれぞれの離隔空間が形成されており、
   前記それぞれの離隔空間には、それぞれ冷却フィンが位置しており、
   前記接続部は、前記２つ以上の収納部のうち、前記横方向に隣り合う２つの収納部を接続する空間を有し、
   前記２つ以上の電極アセンブリのうち、前記隣り合う２つの収納部の一方に収納される電極アセンブリと、前記隣り合う２つの収納部の他方に収納される電極アセンブリとは、前記接続部の空間に位置する接続リードを介して直列接続される、電池モジュール。
2. 前記２つ以上の電極アセンブリは、第１電極アセンブリと、第２電極アセンブリと、を含み、
   前記第１電極アセンブリは、前記第１電極アセンブリの正極から延びた第１正極タブと、前記第１電極アセンブリの負極から延びた第１負極タブと、を含み、
   前記第２電極アセンブリは、前記第２電極アセンブリの正極から延びた第２正極タブと、第２電極アセンブリの負極から延びた第２負極タブとを含み、
   前記第１負極タブと前記第２正極タブとは、前記接続リードによって電気的に接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
3. 前記２つ以上の収納部は、
   前記第１電極アセンブリを内蔵する第１収納部と、
   前記第１収納部と離隔した状態で平面上の横方向に配列されており、前記第２電極アセンブリを内蔵する第２収納部と、を含み、
   前記接続部は、前記第１収納部と前記第２収納部との間に形成されてこれらを接続する、請求項２に記載の電池モジュール。
4. 前記接続部は、前記２つ以上の収納部と比較して、電極アセンブリの積層方向にくぼんだ形の湾入部の構造を有し、前記複数の二次電池が積層された状態で前記離隔空間を形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
5. 前記パウチ型ケースは、
   前記２つ以上の収納部と接続部とを含む下部ケースと、
   前記下部ケースを覆う上部ケースと、を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
6. 前記２つ以上の電極アセンブリは、それぞれ平面上の短辺の長さが長辺の長さの８０％から１００％である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
7. 前記２つ以上の電極アセンブリは、それぞれ平面上の長辺で電極アセンブリを固定するように積層方向に固定テープが付着されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
8. 前記冷却フィンは、前記複数の二次電池が積層された状態で、前記パウチ型ケースのシーリング部が形成する空間の一部にも追加で形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
9. 前記冷却フィンは、複数の二次電池が積層された状態で、前記パウチ型ケースの平面上における長さが長い全長方向の一側面と、平面上における長さが短い全幅方向の両側面と、において形成されるシーリング部が形成する空間に追加で形成されている、請求項８に記載の電池モジュール。
10. 前記冷却フィンは空冷式または水冷式である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
11. 前記正極は、正極活物質を含み、
    前記正極活物質は、下記化学式１で表されるリチウム遷移金属酸化物であり、
    Ｌｉ_ａＮｉ_１－ｂＭ_ｂＯ_２－ｘＡ_ｘ （化学式１）
    式中、
    Ｍは、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｏからなる群より選択された１種以上であり、
    Ａは、酸素置換型ハロゲンであり、
    １．００≦ａ≦１．０５、０≦ｂ≦０．３、０≦ｘ≦０．０１である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。
12. 前記Ｍは、（Ｍｎ_ｃＣｏ_ｄ）であり、
    ０≦ｃ≦１．０であり、
    ０≦ｄ≦１．０である、請求項１１に記載の電池モジュール。
13. 前記負極は負極活物質を含み、
    前記負極活物質は黒鉛系物質を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池モジュール。