JP2006049054A

JP2006049054A - シート材型電池、シート材型電池を組み合わせた組電池及びシート材型電池の製造方法

Info

Publication number: JP2006049054A
Application number: JP2004227409A
Authority: JP
Inventors: Yukimasa Nishide; 行正西出
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP4661124B2

Abstract

【課題】シート材型電池において、その外表面に凹凸を形成することを可能にすることである。
【解決手段】シート材型電池１０は、電池用発電要素１２の両電極１４，１６を外部に引き出し、電池用発電要素１２を上下から内設部材である凹凸板材１８，２０で挟み込み、全体をシート材２２，２３で包み込み、シート材２２，２３の端部３４，３６等において熱溶着等で気密に接合して封止したものである。そして、凹凸板材１８，２０は、片面凹凸板であって、電池用発電要素１２を挟み込む面と反対側の面に凹凸部を有し、またシート材２２，２３も凹凸板材１８，２０の凹凸に対応する凹凸を有し、この凹凸同士を組み合わせて、シート材型電池１０の上下側面には凸部３０と凹部３２が形成される。これにより放熱面積が増大する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納するシート材型電池に関し、また、シート材型電池を組み合わせた組電池及びシート材型電池の製造方法に関する。

近年、種々の電子機器の発達に伴い、電子機器の小型化、省スペースのニーズが高まって、これに用いる電池にも薄型化や可撓性が求められている。そこで、シート状のラミネート材を用いて電池用発電要素を気密に封止することが行われる。例えば、シート状のラミネート材として、ポリエチレン層とアルミニウム箔層とポリエチレン層との３層構造のものを用い、発電要素を内部に収納し、電極を外に引き出してリチウムイオン電池やニッケル水素電池等を形成することが行われる。

例えば、特許文献１には、アルミニウムラミネートフィルムが伸縮性に乏しいことを改善するため、ラミネートシート材を波形状に形成したものを用いるリチウムイオン電池が記載されている。

また、特許文献２には、リチウムイオン電池等の非水電解質電池を金属ラミネート樹脂フィルムを用いて形成したものが、有機電解液の分解反応や正極活物質の分解反応等によって気体が発生し、電池が破裂、発火にいたることを防ぐため、電池の内部芯部に補強材を設けることが記載される。

特開２０００−１７３５５９号公報特開２０００−３５７５３６号公報

シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納する電池を、シート材型電池と呼ぶことにすれば、シート材型電池は小型化、省スペース化に適している。一方で、ラミネートフィルム等のシート材は剛性が低く、特許文献１に開示されるように波形状に形成しても、その形状自身は剛性がなく、例えば、電池を積層するとその波形状はつぶれてしまう。また、特許文献２の電池芯部に補強材を設ける方法によれば、電池を丈夫にはできるが、電池用発電要素の内部反応による膨張を効果的に拘束できず、内部抵抗が増大する等、電池性能が低下する恐れがある。

一般の硬殻ケースを用いる電池であれば、硬いケースであるので、電池用発電要素の内部反応による膨張を効果的に拘束できる。また、硬いケースを成型して凹凸を設けることが容易で、これにより放熱面積を増大させて放熱性を改善し、また、積層したときに凸部が向かい合うことで形成される隙間に冷却用の空気等の媒体を流すことができ、電池性能を安定させて使用することができる。これに対し、シート材型電池では、シート材の剛性が低いため、放熱用の凹凸等を電池表面に設けることが困難であり、また、電池用発電要素の内部反応による膨張を効果的に拘束できない。

本発明の目的は、電池の外表面に凹凸を形成することを可能にするシート材型電池、シート材型電池を組み合わせた組電池及びシート材型電池の製造方法を提供することである。また、他の目的は、電池用発電要素の内部反応等による膨張を拘束できるシート材型電池、シート材型電池を組み合わせた組電池及びシート材型電池の製造方法を提供することである。

本発明に係るシート材型電池は、シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納する電池において、シート材と電池用発電要素との間に設けられる部材であって、電池の外表面に放熱性を改善する凹凸を形成するための内設部材を備え、シート材は、内設部材と組み合わされ電池の外表面を形成する凹凸形状を有することを特徴とする。

また、内設部材は、一方側の面に凹凸部を有し、他方側の面は電池用発電要素の形状に沿った形状を有し、シート材より剛性の高い材料からなる凹凸板部材であることが好ましい。

また、内設部材は、２枚の凹凸板部材を備え、各凹凸板部材の他方側の面の間に電池用発電要素が挟み込まれることが好ましい。

また、内設部材は、角部が丸みを有する凹凸部を有することが好ましい。

また、シート材は、予め凹凸形状が形成されていることが好ましい。

また、本発明に係るシート材型電池を組み合わせた組電池は、シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納する扁平ケースを備え、側面を向かい合わせて整列配置される複数のシート材型単電池と、積層された複数の単電池を締め付ける積層固定手段と、を含む組電池であって、シート材型単電池は、シート材と電池用発電要素との間に設けられる部材であって、単電池の外側面に放熱性を改善する凹凸を形成するための内設部材を備え、シート材は、内設部材と組み合わされ電池の外表面を形成する凹凸形状を有し、隣り合う単電池は、向かい合う側面の間に放熱用冷媒を通すための凹凸隙間を形成するように積層されることを特徴とする。

また、本発明に係るシート材型電池の製造方法は、一方側の面に凹凸形状を有し、他方側の面に電池用発電要素の形状に沿った形状を有する内設部材を成形する工程と、２つの内設部材を、それぞれの他方側の面を向かい合わせ、その間に電池用発電要素を挟み、外側の両側面に凹凸形状を有するサブアセンブリを形成する工程と、シート材に、内設部材の凹凸に組み合わされる凹凸を成形する工程と、サブアセンブリの両側面の凹凸形状にシート材の凹凸を合わせて、サブアセンブリをくるむ工程と、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を接合してサブアセンブリを気密に封止する工程と、を備え、両側面に放熱性を改善する凹凸を有することを特徴とする。

上記シート材型電池の構成により、シート材と電池用発電要素との間に内設部材が設けられ、内設部材により電池の外表面に放熱性を改善する凹凸が形成される。そして、シート材は、内設部材と組み合わされ電池の外表面を形成する凹凸形状を有する。したがって、シート材型電池において、電池の外表面に凹凸を形成することが可能となり、放熱面積を増大させることができる。

また、内設部材は、一方側の面に凹凸部を有し、他方側の面は電池用発電要素の形状に沿った形状を有する凹凸板部材であるので、電池用発電要素に密着し、その発熱を面積の広い凹凸部から効率よく外部に逃がすことができる。また、内設部材はシート材より高い剛性を有するので、凹凸部形状を安定して維持でき、また、電池用発電要素の内部反応による膨張を板材の面による均一な反力で抑制でき、電池特性を向上させることができる。このように、内設部材は、放熱性を改善する放熱部材の機能と、電池用発電要素の形状を拘束してその特性を安定させる拘束部材の機能とを併せ持つことができる。

また、内設部材は、電池用発電要素を挟み込む２枚の凹凸板部材であるので、電池の外側両側面に凹凸が形成される。したがって、電池用発電要素の内部反応による膨張をより効果的に拘束できる。また、放熱面積がさらに増大するとともに、複数の電池を、側面を向かい合わせて積層するときに、向かい合う側面に凹凸隙間を形成することができる。この凹凸隙間に冷却用媒体を流すことで、放熱性がさらに改善される。

また、内設部材の凹凸部は、角部が丸みを有するので、内設部材にシート材をかぶせたときにシート材を傷つけることを防ぐことができる。

また、シート材は、予め凹凸形状が形成されるので、内設部材にシート材をかぶせて、電池外表面の凹凸を形成することが容易となる。

また、上記組電池の構成により、シート型単電池を複数積層し、その積層体を締め付ける。そして、各シート型単電池は、その外表面に凹凸が形成されるのであるから、隣り合う単電池は向かい合う側面の間に凹凸隙間を形成でき、この凹凸隙間に冷却用媒体を流すことで、放熱性が改善される。また、内設部材を介し、電池用発電要素の内部反応による膨張をより効果的に拘束でき、電池性能を向上できる。

また、上記シート材型電池の製造方法の構成により、一方側の面に凹凸形状を有し、他方側の面に電池用発電要素の形状に沿った形状を有する内設部材を成形し、シート材に、内設部材の凹凸に組み合わされる凹凸を成形する。そして、内設部材凹凸形状にシート材の凹凸を合わせて電池外表面を形成する。したがって、電池の外表面に凹凸を有するシート材型電池を容易に製造することができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、シート材型電池としてリチウムイオン電池について説明するが、シート材を用いて電池を形成するものであれば、これ以外の電池でもよく、例えばニッケル水素電池、あるいはキャパシタを電池として用いるものであってもよい。また、電池用発電要素の構成は２枚の電極体の間にセパレータをはさんで重ね合わせ、これをロール状に巻いたものとして説明するが、これらを平板状に積層する構成のものでもよい。また、シート材として、樹脂と金属と樹脂の３層ラミネートシート材について説明するが、電池の構成によっては樹脂層を適当に省略することができる。また、金属層はアルミニウム箔として説明するが、電池の構成上で十分なガスバリア性があれば、他の金属その他の材料であってもよい。

図１は、シート材型電池１０の斜視図、図２はその断面図である。シート材型電池１０は、電池用発電要素１２の両電極１４，１６を外部に引き出し、電池用発電要素１２を上下から内設部材である凹凸板材１８，２０で挟み込み、全体をシート材２２，２３で包み込み、シート材２２，２３の端部３４，３６，３８において熱溶着等で気密に接合して封止したものである。そして、凹凸板材１８，２０は、片面凹凸板であって、電池用発電要素１２を挟み込む面と反対側の面に凹凸部を有し、またシート材２２，２３も凹凸板材１８，２０の凹凸に対応する凹凸を有し、この凹凸同士を組み合わせて、シート材型電池１０の上下側面には凸部３０と凹部３２が形成される。

かかる構成のシート材型電池１０の各要素の詳細を、シート材型電池１０の製造手順に従って以下に説明する。

シート材型電池１０の製造組立には、まず電解液を注入する前の電池用発電要素１２を準備する。図３は、外部に引き出される両電極１４，１６を備える電池用発電要素１２を示す図である。電池用発電要素１２は、活物質が塗布された２枚の電極体の間にセパレータをはさんで重ね合わせ、これをロール状に巻いたものである。

２枚の電極体のうち一方の電極体はアルミニウム箔が下地材料で、その表面にコバルト酸リチウム等のリチウム含有複合化合物である活物質が塗布され、電荷を取り出す正の電極１４がアルミニウムの部分に溶接等で接続される。他方の電極体は銅箔が下地材料で、その上にリチウムイオンを吸蔵させた炭素材等の活物質が塗布され、電荷を取り出す負の電極１６が銅の部分に溶接等で接続される。セパレータは溶媒で可塑化されたポリマー電解質が用いられる。そして、一方の電極体、セパレータ、他方の電極体の順に重ねてこれをロール状に巻き、正の電極１４と負の電極１６とが外部に引き出される。

なお、この状態ではまだ電解液は注入されない。後述するように、シート材２２，２３によって電池用発電要素１２が包まれ、シート材２２，２３の端部３４，３６，３８が接続される工程において、電解液が注入されて一方の電極体とセパレータと他方の電極体との間に浸み込み、電池としての機能を発揮するようになる。電解質には、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＰＦ₆等のリチウム塩を溶解した有機溶媒が用いられる。

次に、内設部材である凹凸板材１８，２０を用意する。凹凸板材１８，２０は、シート材型電池１０の外側側面に放熱性を改善するための凹凸形状を形成させる機能と、電池用発電要素１２の形状を拘束する機能とを有する部材である。１つのシート材型電池１０に２つの凹凸板材１８，２０が用いられる。図４は、１組の凹凸板材１８，２０を示す図である。例えば、一方の凹凸部材１８で説明すると、内側の面４０は、電池用発電要素１２の形状に沿った形状を有し、外側の面は、凸部５０と凹部５２が繰り返す凹凸形状４４を有する。つまり、片面凹凸板である。図３で説明した電池用発電要素１２の外形の場合は、凹凸板材１８，２０の内側の面４０は平らでよい。あるいは、ロール状形状に倣った一部円弧を描く面であってもよい。他方の凹凸部材２０も、平らな内側の面４２と、凹凸形状４６を有する外側の面を有する。

かかる凹凸板材１８，２０は、熱伝導がよく、剛性が高い材料で構成するのが好ましい。例えば適当な厚みの金属板、プラスチック板を成形したものを用いることができる。外側の凹凸形状は、１ｍｍから数ｍｍのピッチで繰り返すことが好ましい。このピッチは、生産性と、要求される放熱性能とを考慮して定めることができる。また、凹凸形状はバリや鋭いエッジを避けることが好ましい。したがって、切削加工を用いてもよいが、エンボス加工等の塑性加工を用いることが好ましい。

凹凸板材１８，２０が用意できると、それぞれの凹凸板材１８，２０の内側の面を向かい合わせ、その間に先ほどの電池用発電要素１２を挟み込む。この状態を電池のサブアセンブリと呼ぶことにすると、電池のサブアセンブリは、外側の両側面に凹凸形状を有していることになる。

次に、シート素材から、凹凸形状を有するシート材２２，２３を形成する。図５は、シート素材から成形したシート材２２，２３を示す図である。シート材２２は、シート材型電池１０の上側面を覆う部分であり、シート材２３はシート材型電池１０の下側面を覆う部分であり、一体として成形され、その接続部に関し対称形で、接続部で折り曲げられて、電池用発電要素１２及び凹凸板材１８，２０を収容する空間を形成する。

シート素材は、表面保護用の１２μｍ厚さのポリエチレンフィルムと、ガスバリア層としての９μｍ厚さのアルミニウム箔と、熱溶着層としての１００μｍ厚みを有する酸変性ポリエチレンフィルムの３層ラミネートのものを用いることができる。このシート素材を適当な成形加工機および輪郭切断機等を用い、収容部空間を形成する壁部と、外側側面の凹凸形状５８，５９と、熱溶着される端部等が所定の形状に形成され、凹凸形状を有するシート材２２，２３となる。

外側側面の凹凸形状５８，５９は、凸部６０，６１と凹部６２，６３とが繰り返され、その内側形状は図４で説明した凹凸板材１８，２０の外側面の凹凸に対応するものとなっており、シート材２２，２３の収容空間に電池のサブモジュールを配置したときに、凹凸板材１８，２０の凹凸形状４４，４６と、シート材２２，２３の凹凸形状５８，５９とが組み合わさるようになっている。

図３の電解液を含まない電池用発電要素１２の供給、図４の凹凸板材１８，２０の形成と供給、図５の凹凸形状を有するシート材２２，２３の形成と供給は、この順序で行ってもよく、別の順序で行ってもよく、また平行に行ってもよい。

いずれにせよ、凹凸部材と１８，２０と電池用発電要素１２からなる電池のサブアセンブリと、凹凸形状を有するシート材２２，２３とが揃うと、電池のサブアセンブリの両側面の凹凸形状４４，４６に、シート材２２，２３の凹凸形状５８，５９をあわせて、サブアセンブリをくるむ。具体的には、シート材２２，２３の片側、例えば、下側のシート材２３に、その凹凸形状５９に下側の凹凸部材２０を合わせるようにして、電池のサブアセンブリを配置し、ついで、上側のシート材２２を接続部で折り曲げ、その凹凸形状５８を上側の凹凸板材１８，２０に合わせるようにし、端部３５と端部３４との間に電極１４を挟んで合わせ、端部３７と端部３６との間に電極１６を挟んで合わせ、端部３９と端部３８を合わせる。なお、ここで上側、下側というのは、図１から図５を通して、紙面の上側、下側に対応するものである。

こうして、シート材２２，２３の外側に電極１４，１６が引き出されて、電池のサブアセンブリが収納されると、シート材２２，２３の端部が熱溶着される。熱溶着を全部終わる前に、図３に関連して説明したように、電池用発電要素１２のための電解液が注入される。具体的には、注入口を予め設け、その他を熱溶着し、注入口から電解液を注入し、その後注入口をふさぐ等の方法で、電解液注入と、シート材２２，２３の気密封止を行うことができる。このようにしてシート材型電池１０が組み立てられ、電極１４，１６の間から約３．６Ｖの出力を取り出すことができる。

出来上がったシート材型電池１０は、図１に示すように上下側面に凹凸形状を有し、放熱面積が増大して、放熱特性を改善できる。そして、内部的には、熱伝導がよく、剛性の高い凹凸板材１８，２０で電池用発電要素１２が挟み込まれるので、電池用発電要素１２の内部反応による膨張が拘束され、電池性能が安定して維持でき、膨張を拘束しないときに比べ電池特性が向上する。

図６は、両側面に凹凸形状を有するシート材型電池１０を４個用いて組電池７０を構成する様子を示す図である。４個のシート材型電池１０は、凹凸を有する側面を向かい合わせ、凸部が互いに対向するように整列配置して積層される。そして、その積層体の両外端は板材７２，７３で抑えられ、締め付け帯７４で締め付けられる。締め付けは、集積体の両端に板材７２，７３を介して所定の荷重まで加圧し、板材７２，７３に締め付け帯７４，７５をネジ止め、溶接等の適当な固定手段で固定することで行うことができる。板材７２，７３と締め付け帯７４は、シート材型電池１０を単電池として、これらの集積固定手段に相当する。４個のシート材型電池１０は直列に接続され、その両端には、４×３．６Ｖ＝１４．４Ｖの出力を取り出すことができる。

組電池７０は、積層された各シート材型電池１０の向かい合う側面で、凸部同士が向かい合って隙間７６が形成される。この隙間に冷風等の放熱用媒体を通すことができ、これにより、各シート材型電池１０の放熱特性及び組電池７０の放熱特性をより改善できる。また、各シート材型電池１０は、板材７２，７３及び締め付け帯７４により締め付けられ、その締め付け力は、凹凸板材１８，２０によってほぼ均一に電池用発電要素１２に伝えられる。したがって、各シート材型電池１０の電池用発電要素１２の内部反応による膨張等は、これにより効果的に抑制される。

上記において、内設部材として、片面凹凸板である凹凸板材１８，２０を説明した。内設部材としては、凹凸部材は２つが好ましいが、１つでもよい。また、放熱特性の改善の面からは、シート材型電池の外表面に凹凸を形成できるものであれば、片面凹凸板以外のものでもよい。たとえば、半月形断面の棒を所定ピッチで、シート材と電池用発電要素の間に配列してもよい。断面形状は半月形以外の凸部形状でもよい。また、直線状の凸部及び凹部でなくても、平板の上に丸い突起が離散的に配置されるものでもよい。突起の形状は丸以外のものでもよい。突起の配置は格子状の配置でも千鳥配置でもよい。また、網目状に板材を組み合わせた内設部材を用いてもよい。

また、上記において、シート材は、接続部で上部用のシート材と下部用のシート材が接続される一体成形で、接続部で折り曲げ、３辺を熱溶着するものとしたが、上部用シート材と下部用シート材を別体とし、４辺を熱溶着するものとしてもよい。それ以外の袋状形成法を用いてもよい。

電子機器用の電池及び組電池として用いることができる。また、車両用の電池及び組電池として用いることができる。

本発明に係る実施の形態におけるシート材型電池の斜視図である。本発明に係る実施の形態におけるシート材型電池の断面図である。本発明に係る実施の形態における電池用発電要素を示す図である。本発明に係る実施の形態における凹凸板材を示す図である。本発明に係る実施の形態におけるシート材を示す図である。本発明に係る実施の形態におけるシート材型電池１０を用いて組電池を構成する様子を示す図である。

符号の説明

１０シート材型電池、１２電池用発電要素、１４，１６電極、１８，２０凹凸板材、２２，２３シート材、３０，５０，６０，６１凸部、３２，５２，６２，６３凹部、３４，３５，３６，３７，３８，３９端部、４０、４２内側の面、４４，４６，５８，５９凹凸形状、７０組電池、７２，７３板材、７４締め付け帯、７６隙間。

Claims

シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納する電池において、
シート材と電池用発電要素との間に設けられる部材であって、電池の外表面に放熱性を改善する凹凸を形成するための内設部材を備え、
シート材は、内設部材と組み合わされ電池の外表面を形成する凹凸形状を有することを特徴とするシート材型電池。
請求項１に記載のシート材型電池において、
内設部材は、一方側の面に凹凸部を有し、他方側の面は電池用発電要素の形状に沿った形状を有し、シート材より剛性の高い材料からなる凹凸板部材であることを特徴とするシート材型電池。
請求項２に記載のシート材型電池において、
内設部材は、２枚の凹凸板部材を備え、各凹凸板部材の他方側の面の間に電池用発電要素が挟み込まれることを特徴とするシート材型電池。
請求項２に記載のシート材型電池において、
内設部材は、角部が丸みを有する凹凸部を有することを特徴とするシート材型電池。
請求項１に記載のシート材型電池において、
シート材は、予め凹凸形状が形成されていることを特徴とするシート材型電池。
シート材で電池用発電要素を包み込み、電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を気密に封止して収納する扁平ケースを備え、側面を向かい合わせて整列配置される複数のシート材型単電池と、
積層された複数の単電池を締め付ける積層固定手段と、
を含む組電池であって、
シート材型単電池は、
シート材と電池用発電要素との間に設けられる部材であって、単電池の外側面に放熱性を改善する凹凸を形成するための内設部材を備え、
シート材は、内設部材と組み合わされ電池の外表面を形成する凹凸形状を有し、
隣り合う単電池は、向かい合う側面の間に放熱用冷媒を通すための凹凸隙間を形成するように積層されることを特徴とするシート材型電池を組み合わせた組電池。
一方側の面に凹凸形状を有し、他方側の面に電池用発電要素の形状に沿った形状を有する内設部材を成形する工程と、
２つの内設部材を、それぞれの他方側の面を向かい合わせ、その間に電池用発電要素を挟み、外側の両側面に凹凸形状を有するサブアセンブリを形成する工程と、
シート材に、内設部材の凹凸に組み合わされる凹凸を成形する工程と、
サブアセンブリの両側面の凹凸形状にシート材の凹凸を合わせて、サブアセンブリをくるむ工程と、
電池用発電要素から両電極を外部に引き出し、シート材の端部を接合してサブアセンブリを気密に封止する工程と、
を備え、両側面に放熱性を改善する凹凸を有することを特徴とするシート材型電池の製造方法。