(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO2013099293
(43)【国際公開日】20130704
【発行日】20150430
(54)【発明の名称】電池パック
(51)【国際特許分類】
   H01M 2/10 20060101AFI20150403BHJP
   H01M 2/04 20060101ALI20150403BHJP
   H01M 2/12 20060101ALI20150403BHJP
【FI】
   !H01M2/10 A
   !H01M2/10 V
   !H01M2/04 F
   !H01M2/12 101
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】17
【出願番号】2013551485
(21)【国際出願番号】JP2012008458
(22)【国際出願日】20121228
(31)【優先権主張番号】2011288471
(32)【優先日】20111228
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KM,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市中央区城見2丁目1番61号
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西野 肇
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真1006番地 パナソニック株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】藤川 万郷
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真1006番地 パナソニック株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】嶋田 幹也
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真1006番地 パナソニック株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】安井 俊介
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真1006番地 パナソニック株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 庄一郎
【住所又は居所】大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内
【テーマコード(参考)】
5H011
5H012
5H040
【Fターム(参考)】
5H011AA13
5H011CC06
5H011DD03
5H011DD15
5H012AA01
5H012BB02
5H012CC01
5H012FF01
5H012GG01
5H040AA33
5H040AA37
5H040AS02
5H040AS07
5H040AT01
5H040AT06
5H040AY06
5H040NN03
(57)【要約】
複数のセル1が配列された電池パックであって、各セル1は、セル1内に発生したガスを一方向に排出させる排出口114を有し、複数のセル1は、2個のセル1を単位として配列されており、2個のセル1は、各セル1の排出口114から排出されるガスの向きが、互いに向かい合って配置されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のセルが配列された電池パックであって、
前記各セルは、該セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、
前記複数のセルは、2個のセルを単位として配列されており、
前記2個のセルは、前記各セルの排出口から排出されるガスの向きが、互いに向かい合って配置されている、電池パック。
【請求項2】
複数のセルが配列された電池パックであって、
前記各セルは、該セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、
前記複数のセルは、3個のセルを単位として配列されており、
前記3個のセルは、第1のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第2のセルに向かい、第2のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第3のセルに向かい、第3のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第1のセルに向かうように、互いに配置されている、電池パック。
【請求項3】
複数のセルが配列された電池パックであって、
前記各セルは、該セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、
前記複数のセルは、4個のセルを単位として配列されており、
前記4個のセルは、第1のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第2のセルに向かい、第2のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第3のセルに向かい、第3のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第4のセルに向かい、第4のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第1のセルに向かうように、互いに配置されている、電池パック。
【請求項4】
前記セルのケースに、前記排出口から排出されるガスの向きを示す目印が付されている、請求項1〜3のいずれかに記載の電池パック。
【請求項5】
前記セルは、円筒形ケースの開口部が封口板で封口され、該封口板の中央に突起部が形成された構成を有し、
前記排出口は、前記突起部の側壁に1個形成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の電池パック。
【請求項6】
前記突起部は、前記セルの電極端子を兼ねる、請求項5に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のセルが配列された電池パックに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球規模での環境的観点より、2次電池への期待が高まってきている。すなわち、EV、HEVや電動バイクなどの動力源としての用途や、ソーラ発電や風力発電など自然エネルギー発電との併用など、CO排出量削減のための重要な技術として注目されている。その中でも、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化が見込まれるため、特に期待が高い。
【0003】
複数のセルを並列や直列に接続した電池パックは、EVなどの動力用やソーラ発電などの蓄電用として、それぞれの用途にあった容量や出力を実現している。この場合、セルを効率よく配列することによって、電池パックの体積エネルギー密度や質量エネルギー密度を向上することが出来るため、セルの充填方法は各メーカーの重要なノウハウとなっている。
【0004】
特許文献1では、このセル配列の方法が記載されている。
【0005】
また、電池パックに用いるセルとしては、電池パックの容量及び体積エネルギー密度を高めるためリチウムイオン二次電池が用いられる事があるが、リチウムイオン二次電池は、異常発生時にセル内部の材料が熱暴走し、高温、高圧のガスを発生する。このような異常事態に対応するため、セル内部で発生した高温、高圧のガスを安全にセルの外部へ排出するための防爆弁を有した封口板が特許文献2で記載されている。
【0006】
さらには、セルを高密度に配列した電池パックでは、セル同士が非常に近接しているため、異常事態により1セルが熱暴走した場合、防爆弁より排出された高温、高圧ガスの影響を受けて、隣接セルも熱暴走が強制的に開始される場合がある。このような隣接セルの熱暴走が連続的に発生すると、電池パック全体の安全性が脅かされるおそれがある。特許文献3では、電池パック内にダクトを設けることにより、異常時にセルより排出された高温、高圧ガスを安全に電池パック外に放出する技術が記載されている。これにより、隣接セルの熱暴走が連続的に発生することを抑制し、電池パックの安全を確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2011−018640号公報
【特許文献2】特開平6−215747号公報
【特許文献3】特開2011−070872号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
電池パックのエネルギー密度を損なうことなく、セルの異常発生時においても電池パック全体の安全を確保することができれば、電池パックの利便性を向上することが出来る。
【0009】
特許文献1では、セルを高密度に配列することにより、電池パックのエネルギー密度は向上するものの、セルの異常発生時の安全確保は、逆に非常に困難となっている。
【0010】
特許文献2では、セルの異常発生時に安全に内部で発生したガスをセルの外に排出する事が出来、セルケースの破裂などの現象を抑制することが出来る。しかしながら、防爆弁より排出されたガスは、周囲にある不特定のセルへ浴びせられるため、隣接セルが連続的に熱暴走することを食い止めることは出来ない。
【0011】
これらを解決すべく、特許文献3では、異常発生時のセルから排出される高温、高圧ガスをダクトにより安全に電池パック外へ放出することが出来る。しかしながら、充放電に全く寄与しないダクトを電池パック内に設けるため、ダクトによる質量および体積の増加によって、電池パック自身のエネルギー密度が低下してしまう。
【0012】
これまで、1セルが異常発生した場合でも、電池パック全体へ類焼が拡大する事を抑制するため、電池パック内に、隙間や、隔壁、断熱材をレイアウトするなど、様々な検討を実施してきた。しかしながら、エネルギー密度を下げずに、類焼を抑制する事は非常に困難であった。
【0013】
上記検討の中で、セルの類焼には2つのパターンが存在することが判った。1つは、セル同士が直接接触しているために、熱暴走したセルの熱が直接隣接セルの温度を上げ、熱暴走を誘発してしまう場合である。これは、セル同士の隙間を約0.5mm以上空けることにより抑制することが出来た。
【0014】
2つ目は、セルを固定もしくは、冷却する時に用いている固定板、冷却板などの電池パックの構造物を介した伝達熱による類焼である。セル同士は直接接触していなくても、電池パックの構造物が熱伝達の良い金属などの材料である場合は、この構造物を介して熱が伝達し、隣接セルの温度を上げ熱暴走を誘発してしまう。これは、セル間の固定治具を樹脂にしたり、セルと接触する金属板の接触面積を最小限にするために、金属板の表面を粗面化したり、あるいは、セルと金属板との間に2重の金属箔を入れるなどして、セルと金属板と間に空気層を設けたりすることによって、熱暴走の誘発を抑制することが出来るようになった。
【0015】
しかしながら、さらなる検証を行った結果、新たに3つ目の類焼パターンが明らかになった。すなわち、異常が発生したセルの封口板より排出される高温ガスが、隣接セルの温度を上げ熱暴走を誘発してしまう場合である。
【0016】
密閉されず、かつ、少数のセルが配列された電池パックの場合には、噴出した高温ガスは、すぐに急冷され隣接セルへの影響を失う。しかしながら、密閉され、かつ空間の少ない、多数のセルが配列された電池パックの場合には、電池パック内のセルから噴出したガスは、高温状態を維持し、隣接セルに多大な影響を及ぼすことが判明した。
【0017】
また、ガスの排出口は、セルの電極端子(封口板)を兼ねている場合が多いため、ガスの排出口の近傍には、セル同士を電気的に接続するリードが存在する。そのため、高温ガスを遮蔽する保護壁を設けたとしても、その構造が複雑になるため、電池パックのエネルギー密度が低下する上に、コストアップを招く。
【0018】
本発明は、エネルギー密度を損なうことなく、異常発生時においても安全性を確保できる電池パックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明に係る電池パックは、複数のセルが配列された電池パックであって、各セルは、セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、複数のセルは、2個のセルを単位として配列されており、2個のセルは、各セルの排出口から排出されるガスの向きが、互いに向かい合って配置されていることを特徴とする。
【0020】
本発明に係る他の電池パックは、複数のセルが配列された電池パックであって、各セルは、セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、複数のセルは、3個のセルを単位として配列されており、3個のセルは、第1のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第2のセルに向かい、第2のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第3のセルに向かい、第3のセルの排出口から排出されるガスの向きが、第1のセルに向かうように、互いに配置されていることを特徴とする。
【0021】
ある好適な実施形態において、上記セルのケースに、排出口から排出されるガスの向きを示す目印が付されている。
【0022】
ある好適な実施形態において、上記セルは、円筒形ケースの開口部が封口板で封口された構成を有し、封口板の中央には、突起部が形成されており、排出口は、突起部の側壁に1個形成されている。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、エネルギー密度を損なうことなく、異常発生時においても安全性を確保できる電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明のリチウムイオン二次電池の構成を示した概略図である。
【図2】類焼試験に用いた組電池の構成を示した透視図である。
【図3】組電池に用いたセルの形状、排出口の構成、及びセルの配置を示した表である。
【図4】円筒型のセルの封口板に排出口を設けた例を示した図である。
【図5】(a)、(b)は、2個のセルの排出方向を向かい合わせにするパターンを示した図である。
【図6】(a)、(b)は、円筒型セルに、刻印により排出口を形成する構成を示した図である。
【図7】角型セルに、刻印により排出口を形成する構成を示した図である。
【図8】類焼試験の結果をまとめた表である。
【図9】セルに付ける目印の一例を説明した図である。
【図10】セルに付ける目印の一例を説明した図である。
【図11】3個のセルを単位として配列した電池パックの例を示した図である。
【図12】4個のセルを単位として配列した電池パックの例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
【0026】
本発明者等は、類焼試験後の電池パック及びセルの解析を行う中で、未燃焼のセルに対して、隣接セルとの位置関係を詳細に観察することによって、燃焼方向に一定の傾向を見出した。すなわち、隣接セルのうち、異常発生したセルのガスが排出される方向にあるセルが燃焼している確率が高く、ガスが排出される方向より外れているセルが、燃焼している確率が低い、という関係を見出した。
【0027】
このことから、ガスが排出される排出口の向きは、他のセルの類焼に大きく影響を及ぼすことから、電池パックの安全性を確保するには、セルから排出されるガスが排出される向きを制御することが重要となる。
【0028】
通常、円筒形セルのガスの排出口は、セルケースの開口部を封止した封口板に形成された突起部(電極端子)に設けられているが、排出口から排出されたガスの反作用によって、セル自体が飛散しないよう、排出口は、突起部に対して、点対称の位置に数カ所形成されている。これにより、排出口から排出されるガスが均等に分散されるため、セルの飛散を防止できる。
【0029】
本発明における電池パックは、複数のセルが配列された構成をなす。各セルは、セル内に発生したガスを、一方向に排出させる排出口を有し、複数のセルは、2個のセルを単位として配列されている。そして、2個のセル(一対のセル)は、各セルの排出口から排出されるガスの向きが、互いに向かい合って配置されている。
【0030】
このような構成により、一方のセルに異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、向かい合って配置された他方のセルのみに噴出され、類焼が及ぶ領域を限定することができる。なお、高温ガスの噴出を受けた他方のセルが、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、既に熱暴走に至っている一方のセルにのみ噴出されることになる。そのため、一対のセル以外の他のセルに、高温ガスが浴びせられて、類焼に至ることはない。
【0031】
また、電池パックを構成する複数のセルは、3個のセルを単位として配列されていてもよい。この場合、3個のセルは、各セルから排出されるガスの向きが、他の2個のセルのうちの1個のセルに向かうように、互いに配置されている。すなわち、3個のセルが、第1のセル、第2のセル、及び第3のセルで構成されている場合、3個のセルは、第1のセルの排出口から排出されるガスの向きが第2のセルに向かい、第2のセルの排出口から排出されるガスの向きが第3のセルに向かい、第3のセルの排出口から排出されるガスの向きが第1のセルに向かうように、互いに配置されている。
【0032】
このような構成により、3個のセルのうち、第1のセルに異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、第2のセルのみに噴出され、類焼が及ぶ領域を限定することができる。なお、高温ガスの噴出を受けた第2のセルが、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、第3のセルのみに噴射される。これにより、第3のセルも、類焼して熱暴走に至るが、第3のセルから排出された高温ガスは、既に暴走に至っている第1のセルにのみ噴出されることになる。そのため、3個のセル以外の他のセルに、高温ガスが浴びせられて、類焼に至ることはない。
【0033】
また、電池パックを構成する複数のセルは、4個のセルを単位として配列されていてもよい。この場合、4個のセルは、各セルから排出されるガスの向きが、他の3個のセルのうちの1個のセルに向かうように、互いに配置されている。すなわち、4個のセルが、第1のセル、第2のセル、第3のセル、及び第4のセルで構成されている場合、4個のセルは、第1のセルの排出口から排出されるガスの向きが第2のセルに向かい、第2のセルの排出口から排出されるガスの向きが第3のセルに向かい、第3のセルの排出口から排出されるガスの向きが第4のセルに向かい、第4のセルの排出口から排出されるガスの向きが第1のセルに向かうように、互いに配置されている。
【0034】
このような構成により、4個のセルのうち、第1のセルに異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、第2のセルのみに噴出され、類焼が及ぶ領域を限定することができる。なお、高温ガスの噴出を受けた第2のセルが、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、第3のセルのみに噴射され、高温ガスの噴出を受けた第3のセルが、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、第4のセルのみに噴射される。これにより、第4のセルも、類焼して熱暴走に至るが、第4のセルから排出された高温ガスは、既に暴走に至っている第1のセルにのみ噴出されることになる。そのため、4個のセル以外の他のセルに、高温ガスが浴びせられて、類焼に至ることはない。
【0035】
このように、電池パックを構成する複数のセルを、ガスの排出方向を一方向に規制した2個〜4個のセルを単位として配列させることによって、1個のセルに異常が発生した場合でも、類焼の範囲を、配列の単位を構成する2個〜4個のセルに止めることができ、電池パック全体に、類焼が及ぶのを防止することができる。これにより、エネルギー密度を損なうことなく、異常発生時においても安全性を確保できる電池パックを実現することができる。
【0036】
本発明において、セルのケースに、排出口から排出されるガスの向きを示す目印が付されているのが好ましい。これにより、複数のセルを配列して電池パックを構成するとき、配列の単位を構成する2個〜4個のセルを、セルのケースに設けた目印を基準に、ガスの排出方向が所定の向きになるように、容易に配置することができる。
【0037】
本発明において、セルが、円筒形ケースの開口部が封口板で封口され、封口板の中央に突起部が形成された構成を有し、排出口は、突起部の側壁に1個形成されているのが好ましい。なお、この突起部は、セルの電極端子を兼ねていてもよい。これにより、ガスの排出方向を一方向に規制したセルを簡単な構成で形成できるため、エネルギー密度を損なうことなく、異常発生時においても安全性を確保できる電池パックを、容易に実現することができる。
【0038】
本発明において、ガスを排出する排出口の構成は、特に制限されない。例えば、セルケースの開口部を、防爆弁を有する封口板で封口し、この封口板に孔を設け、セル内の圧力が上昇して、防爆弁が作動したとき、封口板に設けた孔(排出口)からガスが排出される構成であってもよい。あるいは、セルケースの側壁又は底部に薄肉部を形成し、セル内の圧力が上昇して、薄肉部が破断し、破断により生じた開口部(排気口)からガスが排出される構成であってもよい。
【0039】
本発明において、排出口から排出されるガスの向きを示す目印の構成は、特に制限されず、例えば、ケースに、模様、突起、窪み、刻印、シール、印字等を付したものであってもよい。
【0040】
目印に模様を付す場合、セルの組立工程で有機性電解液の付着などで消失しないよう、耐溶剤性のインクを用いるか、セルへの注液や洗浄工程の後に画くことが望ましい。また、目印に突起を形成する場合、セル組立ての最終工程において接着剤による装着が望ましい。目印に窪みを形成する場合、最後工程で形成すると、ケース内の電極群へのダメージが懸念されるため、組立ライン投入前に形成し、窪みの目印を基に、排出口の位置合わせを組立時に行うことが望ましい。目印に刻印を付す場合、レーザーを用いケース表面に印字することで形成することができる。この場合、耐溶剤性もあり、内部へのダメージもほとんど無いため、組立工程の段階を選ばずに行うことができる。目印にシールを貼る場合、組立工程の前もしくは初期で貼りつけるときは、治具の擦れや電解液の接触により剥がれ落ちない生地及び接着剤を用いる必要がある。シールを貼る場合、セルを電池パックに固定した後、剥がすことも可能である。
【0041】
本発明において、セルの種類は特に制限されない。例えば、円筒型、扁平型、コイン型、角型などの非水電解質二次電池に適用可能であり、セルの形状は特に限定されない。非水電解質二次電池の代表的な例としては、リチウムイオン二次電池を挙げることができる。
【実施例】
【0042】
本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0043】
図1は、本実施例で作製したリチウムイオン二次電池(以下、単に「セル」という)1の構成を示した概略図である。
【0044】
図1に示すように、正極時板101と負極板103がセパレータ105を介して捲回された極板群112が、電解液とともに、電池ケース108内に収容されている。電池ケース108の開口部は、封口板110で封口されており、封口板110の中央部に突起部11が形成され、突起部111の側壁に、排出口114が1個形成されている。排出口114からは、電池内で発生したガスが、一方向に規制されて外部に排出される。
【0045】
図1に示したセル1を、以下のようにして作製した。
【0046】
正極板101は、アルミニウム箔の集電体に正極合剤を塗着したものを用い、負極板103は、銅箔の集電体に負極合剤を塗着したものを用いた。また、セパレータ105の厚みを20μmとした。正極リード集電体102と、アルミニウム箔集電体とは、レーザー溶接した。また、負極リード集電体104と、銅箔集電体とは抵抗溶接した。負極リード集電体104は、金属製有底ケース108の底部と抵抗溶接により電気的に接続した。正極リード集電体102は、防爆弁を有した封口板110の金属製フィルターにレーザー溶接により電気的に接続した。金属製有底ケース108の開口部から非水電解液を注入した。金属製有底ケース108の開放端に溝部を形成し、正極リード集電体102を折り曲げ、金属製有底ケース108の溝部に樹脂製アウターガスケット109と封口板110とを装着して、金属製有底ケース108の開放端をかしめて封口した。
【0047】
(1)負極板の作製
カルボキシメチルセルロース(CMC)を水に溶解し、CMC濃度1質量%の水溶液を得た。黒鉛粒子(平均粒径20μm、比表面積4.2m/g)100質量部と、CMC水溶液100質量部とを混合し、混合物の温度を25℃に制御しながら攪拌した。その後、混合物を120℃で5時間乾燥させ、乾燥混合物を得た。
【0048】
乾燥混合物101質量部と、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)の結着剤0.6質量部と、カルボキシメチルセルロース0.9質量部と、適量の水とを混合し、負極合剤スラリーを調製した。負極合剤スラリーを、電解銅箔(厚さ12μm)の両面にダイコートを用いて塗布し、120℃で乾燥させた後、ローラで圧延して、厚さ160μmの負極合剤層を形成した。負極合剤層を電解銅箔とともに所定形状に裁断することにより、負極板103を得た。
【0049】
(2)正極板の作製
正極活物質である100質量部のLiNi0.80Co0.15Al0.05に対し、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を4質量部添加し、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とともに混合し、正極合剤スラリーを調製した。正極合剤スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に、ダイコートを用いて塗布、乾燥させた後、圧延して、正極合剤層を形成した。正極合剤層をアルミニウム箔とともに所定形状に裁断することにより、正極板101を得た。
【0050】
(3)非水電解質の調製
エチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを、VEC:VEMC:VDMC=20:20:60の質量比で含む混合溶媒に、1モル/リットルの濃度でLiPFを溶解させ作成した。
【0051】
(4)セルの作製
正極板101と負極板103とを、厚み20μmのセパレータ105を介して捲回して、円筒状の極板群112を作製した。極板群112を、金属製有底ケース108に挿入し、開口部を封口してセル1を作製した。セル1は、直径18mm、高さ65mmの円筒型セルで、セルの設計容量は2750mAhであった。完成したセル1を、厚み80μmのポリエチレンテレフタレート製の熱収縮チューブ11で覆い、90℃の温風で熱収縮させ完成セルとした。
【0052】
〈類焼試験〉
(1)セルの充電
作製したセルに対し、放電状態から1.375A(0.5It)の電流値で定電流充電を行い、4.2V到達後、4.2Vで定電圧充電を行った。電流値が0.05Aとなった時点で充電を終了した。
【0053】
(2)類焼評価用の組電池の作製
作製したセルを用いて、図2に示すような類焼評価用の組電池を作製した。セルの固定は、セルの中央部に、固定材203として接着剤もしくは、金属板を用いた。組電池は、9個のセルをモジュールとして、1段目のモジュール204、2段目のモジュール205、3段目のモジュール206を組み合わせて構成した。2段目のモジュール205の中央には、類焼試験の際、始めに過熱させるためのトリガーセル207を配置した。
【0054】
図3は、組電池に用いたセルの形状、排出口の構成、及びセルの配置を示した表である。
【0055】
セルの形状は、円筒型と角型とを用いた。排出口を設ける場所は、封口板、セルの底板、及び側面とした。なお、セルの底板及び側面に設けた排出口は、セルケースに刻印(薄肉部)を形成したものである。
【0056】
図4は、円筒型のセルの封口板に排出口301を設けた例を示した図である。排出口301は、封口板の突起部(キャップ)の側壁に開口部を設けた構成とし、排出口3の口数は、1個、3個、6個とした。図3中の303は、ガスの噴出方向を示す。
【0057】
セルの配置は、図2に示すように、モジュールの段間隙間208、及びセル間の隙間209を調整して組電池を作製した。作製した組電池は、ポリカーボネートの樹脂からなる電池パックケース201で組電池全体を覆い電池パックとした。
【0058】
2個のセルを対とする隣接セルのパターンとしては、図2に示すように、隣接するモジュール間で、2個のセルの封口板を向かい合わせにするパターン210、モジュール内の2個のセルが横並びのパターン211、隣接するモジュール間で、2個のセルの底板を向かい合わせにするパターン212、モジュール内の2個のセルが互いに倒置の関係のパターン213を設けた。
【0059】
また、排出口が1個の場合の2個のセルの排出方向を向かい合わせにするパターンとしては、図5(a)に示すように、2個のセルを単位として配列したモジュール内において、2個のセルの排出方向を互いに向かい合わせに配置したパターン41と、図5(b)に示すように、モジュ−ル間において、2個のセルの排出方向を互いに向かい合わせにしたパターン42を設けた。なお、段をまたいで一対のセルを配置する場合は、2段目のモジュール403にあるトリガーセル401と向き合うように、1段目のモジュール402のセルの排出方向を調整し、3段目のモジュール404のセルの排出方向は、外側に向くようにした。
【0060】
図6及び図7は、円筒型のセルに、刻印により排出口を形成する構成を示した図である。図6(a)は、円筒ケースの底板501に刻印を形成したもので、セル内の圧力が上昇して刻印が破断することにより、排出口502が形成される。図6(b)は、封口板の突起部(キャップ)の側壁503に刻印を形成したもので、セル内の圧力が上昇して刻印が破断することにより、排出口504が形成される。図7は、角型ケースの側面601に刻印を形成したもので、セル内の圧力が上昇して刻印が破断することにより、排出口602が形成される。
【0061】
(3)類焼試験
図2に示した組電池において、中央に配置したトリガーセル207を、他のセルと電気的に絶縁し、このトリガーセル207を、最大電圧50V、最大電流10Aで定電流、定電圧充電して過充電を行い、過熱させた。
【0062】
図8は、図3の表に示した各組電池に対して、類焼試験を行った結果を示した表である。なお、類焼試験の評価は、各段のモジュールにおいて、類焼に至ったセルの数をカウントすることによって行った。そして、トリガーセル207に対して、類焼に至ったセルが1個の場合、類焼が拡大しなかったものと判定した。
【0063】
図8の表に示した比較例1、2では、セルの排出口が3方向、及び6方向になっている。そのため、トリガーセルの排出口から排出された高温ガスは、円周方向に噴出するため、トリガーセルが配置された2段目のモジュールにあるセルのうち、比較例1では、7個のセル、比較例2では8個全部のセルに類焼が及んでいた。なお、1段目のセルにも類焼が及んでいるが、これは、2段目のセルのほとんどが過熱したため、1段目のセルが、2段目のセルからの煽り熱により類焼が拡大したものと考えられる。
【0064】
比較例3では、セルの排気口は1方向であるが、セルの配置において、排気口からのガスの噴出方向を規制せず、ランダムに配置したため、トリガーセル207が配置された2段目のモジュールにあるセルのうち、4個のセルに類焼が及んでいた。これは、トリガーセルから噴出された高温ガスによって、隣接するセルに類焼が及び、さらに、このセルから他のセルに類焼が及んだためと考えられる。なお、1段目のセルにも類焼が及んでいるが、これは、1段目のセルが、2段目のセルからの煽り熱により類焼が拡大したものと考えられる。
【0065】
一方、実施例1〜5は、セルの排気口が1方向で、かつ、2個のセルの排気方向が、互いに向かい合わせになるように配置したもので、トリガーセル207に対向して配置された1個のセルのみに類焼が及んでいた。これは、トリガーセルから排出された高温ガスは、向かい合って配置された他方のセルのみに噴出され、類焼が及ぶ領域を限定できたためと考えられる。なお、類焼が及んだセルが、さらに、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、既に熱暴走に至っているトリガーセルにのみ噴出されるため、2個のセル以外の他のセルに類焼が及ぶことはない。
【0066】
また、実施例6、7は、セルの排気口が1方向で、かつ、隣接するモジュール間で、対向する2個のセルの封口板または底板を、互いに向かい合わせに配置したもので、トリガーセル207に対向して配置された1段目の1個のセルのみに類焼が及んでいた。これは、実施例1〜5と同様に、トリガーセルから排出された高温ガスは、向かい合って配置された他方のセルのみに噴出され、類焼が及ぶ領域を限定できたためと考えられる。
【0067】
また、実施例11は、角型のセルを用い、セルの排出口を、セルケースの側面に形成した刻印で構成し、2個のセルの排気方向が、互いに向かい合わせになるように配置したもので、この場合も、実施例1〜5と同様に、トリガーセル207に対向して配置された1個のセルのみに類焼が及んでいた。
【0068】
ところで、組電池内のセルは、過熱されたセルから、セルの固定材を介した熱伝導や、煽り熱によって、直接、過熱したセルから高温ガスを受けなくても、過熱するおそれがある。そこで、本発明の効果を実効あるものにするために、これらの影響について、検討を加えた。
【0069】
実施例8は、モジュール間の隙間の距離を、実施例1〜7の5mmから2mmに短くしたものである。この場合、1段目及び3段目のセルは、2段目の過熱したセルからの煽り熱の影響を受けて過熱するおそれがある。しかしながら、実施例8では、モジュール間に鉄板を挿入することによって、その影響を抑制することができた。これは、モジュール間に挿入した鉄板によって、煽り熱が遮断されたためである。
【0070】
実施例9、10は、セルの固定材を、実施例1〜7の樹脂接着剤から、金属板(SUS板)に変えたものである。この場合、1段目及び3段目のセルは、2段目の過熱したセルから固定材を介した熱伝導により過熱するおそれがある。しかしながら、実施例9では、セルと接触する金属板の面を粗面化することによって、その影響を抑制することができた。これは、金属板の面を粗面化することによって、セルとの接触面積が減少し、伝達される熱量が低減されたためである。また、実施例10では、金属箔を、セルの回りに3周捲くことによって、その影響を抑制することができた。これは、金属箔を、セルの回りに3周捲くことによって、固定材の金属板とセルとの間に空気層ができ、伝達される熱量が低減されたためである。
【0071】
以上の評価結果から、2個のセル(一対のセル)を、各セルの排出口から排出されるガスの向きが、互いに向かい合って配置することによって、一方のセルに異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、向かい合って配置された他方のセルのみに噴出され、類焼が及び領域を限定することができる。このとき、高温ガスの噴出を受けた他方のセルが、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、既に熱暴走に至っている一方のセルにのみ噴出されることになる。そのため、一対のセル以外の他のセルに、類焼が拡大するのを防止できる。
【0072】
次に、図9、10を参照ながら、セル及び電池パックに付ける目印の一例を説明する。
【0073】
図9は、セルの排出口701を交互に向きを変えるために、2種類の目印702を用いた例である。電池パック側の目印703に、セルの目印704を合わせることによって、2個のセルが対となって、ガスの排出方向705が向き合う構成となる。
【0074】
図10は、凹凸を組み合わせることにより、ガスの排出方向を制御する例である。排出口801に対し、120°の方向に、ポリプロピレン樹脂の突起状目印802を接着剤で形成した。これを、セルの固定材805に形成した凹み804へ合わせることにより、ガの排出方向806が向き合う構成となる。
【0075】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、電池パックを構成する複数のセルを、2個のセルを単位として配列したが、3個若しくは4個のセルを単位に配列してもよい。
【0076】
図11は、3個のセルを単位に配列した例を示した図である。図11に示すように、3個のセルは、第1のセル901の排出口から排出されるガスの向きAが、第2のセル902に向かい、第2のセル902の排出口から排出されるガスの向きAが、第3のセル903に向かい、第3のセル903の排出口から排出されるガスの向きAが、第1のセル901に向かうように、互いに配置されている。
【0077】
このような構成により、3個のセルのうち、第1のセル901に異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、第2のセル902のみに噴出され、被害が発生する領域を限定することができる。なお、高温ガスの噴出を受けた第2のセル902が、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、第3のセル903のみに噴射される。これにより、第3のセル903も、類焼して熱暴走に至るが、第3のセル903から排出された高温ガスは、既に暴走に至っている第1のセル901にのみ噴出されることになる。そのため、3個のセル以外の他のセルに、高温ガスが浴びせられて、類焼に至ることはない。
【0078】
図12は、4個のセルを単位に配列した例を示した図である。図12に示すように、4個のセルは、第1のセル1001の排出口から排出されるガスの向きAが、第2のセル1002に向かい、第2のセル1002の排出口から排出されるガスの向きAが、第3のセル1003に向かい、第3のセル1003の排出口から排出されるガスの向きAが、第4のセル1004に向かい、第4のセル1004の排出口から排出されるガスの向きAが、第1のセル1001に向かうように、互いに配置されている。
【0079】
このような構成により、4個のセルのうち、第1のセル1001に異常が発生したときでも、異常セルから排出された高温ガスは、第2のセル1002のみに噴出され、被害が発生する領域を限定することができる。なお、高温ガスの噴出を受けた第2のセル1002が、類焼して熱暴走に至り、高温ガスを排出したとしても、この高温ガスは、第3のセル1003のみに噴射される。これにより、第3のセル1003も、類焼して熱暴走に至るが、第3のセル1003から排出された高温ガスは、第4のセル1004のみに噴射される。これにより、第4のセル1004も、類焼して熱暴走に至るが、第4のセル1004から排出された高温ガスは、既に暴走に至っている第1のセル1001にのみ噴出されることになる。そのため、4個のセル以外の他のセルに、高温ガスが浴びせられて、類焼に至ることはない。
【産業上の利用可能性】
【0080】
本発明の電池パックは、太陽光発電や風力発電など大型の電源や、電気自動車、ハイブリッド自動車(HEV)などの車両の電源などに有用である。
【符号の説明】
【0081】
11 セル缶絶縁体
101 正極板
102 正極リード集電体
103 負極板
104 負極リード集電体
105 セパレータ
108 金属製有底ケース
109 樹脂製アウターガスケット
110 封口板
112 極板群
114 排出口
201 電池パックケース
204 1段目モジュール
205 2段目モジュール
206 3段目モジュール
207 トリガーセル
208 モジュール段間の隙間
209 セル間の隙間
301 排出口
401 トリガーセル
701 排出口
702 目印
703 目印
704 目印
801 排出口
802 突起状目印
805 固定材
806 排出方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】