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JP4976846B2 - 蓄電装置 - Google Patents

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Description

本願発明は、蓄電要素を樹脂で覆った蓄電装置に関する。
第1の従来技術として、バイポーラ電池が、シート状の電池要素を有し、水分との接触を嫌うリチウム二次シート電池である場合には、該シート状の電池要素を防水性のフィルムからなる袋体内に収納する方法が知られている。
また、第2の従来技術として、携帯電話等の小型の電子機器に使用されるリチウムイオン電池やポリマーリチウム電池において、複数の部材から構成された防水型の筐体の製造方法として、筐体の構成部材を型に装着した状態で、型に設けた接着性樹脂注入口から筐体の接合部に沿って接合部を一周する内部部品とは接触しない接着性樹脂充填路に接着性樹脂を注入して接着性樹脂を硬化させる方法が知られている。
これによれば、筐体を構成する複数部材同士の接合部近傍を接着性樹脂で被覆して、接合部の防水性を高めることができるというものである。
しかしながら、第1の従来技術では、防水性を確保することはできるものの、例えば、こうした電池を車両、特に電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車の駆動電源や補助電源として搭載して利用しようとする場合には、走行時に発生する振動や衝撃を受けるため、かかる防水性のフィルムからなる袋体だけでは、袋体内部に収納される電池要素に防振性や耐衝撃性を付与することができなかった。
同様に、こうした車両用電源として利用する場合、大電流による充放電による電池、特に電極タブの取り出し部の発熱による気密性の低下や絶縁性、耐熱性、耐電解液性、均圧保持性の低下などの問題があるが、こうした問題に対しても、上記防水性のフィルムからなる袋体だけでは充分でない場合もある。
また、第2の従来技術の筐体を利用する小型機器の電池などでも、防水性を確保することはできるものの、使用用途が主に携帯電話などの小型機器であり、筐体部材同士の接合部だけを外部ないし内部から接着性樹脂で防水シールするだけでは、上記と同様に車両用電源として利用する場合、走行時に発生する振動や衝撃を受けた場合、筐体内部の電池に対する十分な防振性や耐衝撃性などを付与することはできなかった。
同様に、こうした車両用電源として利用する場合、大電流による充放電による電池、特に電極タブの取り出し部の発熱による気密性の低下や絶縁性、耐熱性、耐電解液性、均圧保持性の低下などの問題があるが、こうした問題に対しても、上記防水シールだけでは充分でない場合もある。
そこで、これらの電池を車両に搭載可能な電源として、気密性を有し、さらに防振性、耐衝撃性を向上させた、バイポーラ型電池が提案されている(特許文献1参照)。このバイポーラ型電池は、正極と負極の組み合せの直列構成が少なくとも1以上存在し、検知タブを有し、電池要素の外部を少なくとも1以上の樹脂群によって被覆している。
このバイポーラ型電池では、電池外装の資材として樹脂を用いているため、防水性、耐熱性、気密性を確保することができる。また、電池要素の周囲全体を樹脂で被覆することにより絶縁性を確保することができる。
さらに、樹脂により電池要素、特に集電体の周囲全体を被覆して封止することになるため、電極間を均圧に保持することができる。そのため車両等における振動の防振、衝撃の吸収・緩和により、防振性、耐衝撃性を格段に向上させることができる。
特開2005−5163号公報
しかしながら、バイポーラ型電池では、温度が上昇することにより電解質が分解して、ガス放出による内圧上昇が起こり、電池寿命が低下するおそれがある。したがって、バイポーラ型電池を、単に樹脂で覆うのみでは、放熱が不十分である。
また、車両の外側から伝熱する冷気によってバイポーラ型電池の温度が低下した場合には、電池出入力が確保できなくなるおそれがある。このような場合、バイポーラ型電池の温度を速やかに適正温度に昇温させる必要がある。
そこで、本願発明は、蓄電要素が樹脂体で覆われた蓄電装置の温度制御を容易にすることを目的とする。
上記課題を解決するために本願発明の蓄電装置は、集電体の表面に正極層が形成された正極素子と、集電体の表面に負極層が形成された負極素子と、前記正極素子および前記負極素子の間に配置され、前記正極層および前記負極層と接触する固体電解質層と、を有する蓄電要素と、前記正極素子、前記負極素子および前記固体電解質層のうち、前記蓄電要素の外側に面する全ての領域に密接した状態で、前記蓄電要素を覆う樹脂体と、を有し、前記樹脂体は、前記蓄電要素との間で熱交換を行う熱交換媒体を導入させる貫通穴を有し、前記熱交換媒体は、前記貫通穴に接触した状態で、前記貫通穴に沿って移動することを特徴とする。
また、前記熱交換媒体を冷却する冷却手段や、熱交換媒体を加熱する加熱手段を設けることができる。これらの冷却手段や加熱手段は、熱交換媒体を蓄電装置の内外で循環させるための循環路に設けることができる。
前記蓄電要素は、前記蓄電要素の充放電を行わせるための電極端子を有しており、前記樹脂体は、前記電極端子の一部に密接した状態で、この電極端子の一部を覆うものとしてもよい。また、前記蓄電要素の蓄電制御に関わる蓄電制御部材を、前記樹脂体で覆って前記樹脂体に保持させるとよい。
ここで、前記蓄電制御部材としては、前記蓄電要素の電圧を検出する検出端子、前記蓄
電要素の蓄電量を監視する蓄電監視回路、又は、前記蓄電要素の温度を検出する温度検出センサを例示することができる。
本発明によれば、貫通路を介して熱交換媒体(冷媒)の冷気を蓄電要素に伝熱できるため、蓄電要素の放熱を促進できる。また、貫通路を介して熱交換媒体(温媒)の暖気を蓄電要素に伝熱できるため、温度が低下した蓄電装置を速やかに適正温度に昇温させることもできる。
以下、本発明の実施例について説明する。
(本願発明の概要)
図1及び図2を参照しながら、本願発明の蓄電ユニット(蓄電装置)の概要を説明する。ここで、図1は蓄電ユニットの斜視図であり、説明の便宜上、樹脂体内側のバイポーラ型電池なども図示している。図2は蓄電ユニットの概略図である。
本願発明の蓄電ユニット1は、電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車の駆動電源や補助電源として使用され、車両の座席シートの下部、運転席と助手席との間、後部トランクルームの下部などに配置することができる。
蓄電ユニット1は、バイポーラ型電池(蓄電要素)2と、このバイポーラ型電池2の周囲を覆う直方体形状の樹脂体3とからなる。樹脂体3には、バイポーラ型電池2の積層方向に延びる樹脂貫通穴3aが、バイポーラ型電池2の周りに4本形成されている。そして、これらの樹脂貫通穴3aには冷媒(熱交換媒体)を導通させることができるようになっている。
このように、バイポーラ型電池2の周囲を樹脂体3で覆うことにより、電池の防水性、耐熱性、気密性を保つことができる。また、電池要素の周囲全体を樹脂で覆うことにより、絶縁性を確保することができる。さらに、電極間を均圧に保持することができるため、車両等における振動の防振、衝撃の吸収・緩和により、防振性、耐衝撃性を向上させることができる。
他方、冷媒を導通させるための樹脂貫通穴3aを樹脂体3に形成することにより、樹脂体3で覆うことにより放熱が不十分となったバイポーラ型電池2の冷却を促進することができる。
次に、本願発明の蓄電ユニット1の構成を詳細に説明する。バイポーラ型電池2は、一枚の集電体21の一方の面に正極層23を、他方の面に負極層22を設けたバイポーラ電極25を、固体電解質層24を介して積層した構造となっている。
ただし、バイポーラ型電池2の一端は、正極層23に端子用正極集電体26のみを形成した構造となっており、他端は、負極層22に端子用負極集電体27のみを形成した構造となっている。集電体21、26、27の資材としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、銅箔を例示できる。
また、正極層23の正極活物質としては、スピネルLiMn2O4、溶液系のリチウムイオン電池で使用される遷移金属とリチイウムの複合酸化物を例示できる。具体的には、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2などのLi・Fe系複合酸化物を例示できる。この他、LiFePO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなどを使用することもできる。
集電体21の他方の面に形成される負極層22を構成する負極活物質としては、遷移金属酸化物、遷移金属とリチウムの複合酸化物、チタンの酸化物、チタンとリチウムとの複合酸化物を例示できる。
正極活物質及び負極活物質は、インクジェット方式、スプレー印刷、静電噴霧、スパッタリングなどの方法により集電体21上に形成される。なお、負極層22及び正極層23中にバインダー(例えば、リチウム塩と極性基を含む高分子からなる高分子固体電解質)を含ませてもよい。
固体電解質層24のイオン導電性物質としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンを例示できる。粉末状のイオン導電性物質には粘性バインダーが混合されている。この粘性バインダーとしては、ポリビニールアルコール(PVA)、メチルセルロース、ニトロセルロース、エセチルセルロース、ポリビニルブチラール、酢酸ビニル、ポリスチレン及び共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリレート、小麦デンプン、アルギン酸ソーダ、ワックスエマルジョン、アクリル酸エステルエマルジョン、ポリエチレングリコールを例示できる。
このように粘性バインダーを混合することにより、固体電解質層24の強度を高めることができる。
樹脂貫通穴3aには、図2に図示するように、循環路51が接続されており、この循環路51には、循環路51内の冷却水を樹脂貫通穴3aの内外で循環させるための循環ポンプ53及びバイポーラ型電池2の冷却によって温度上昇した冷却水を冷却するためのラジエタ52が設けられている。ここで、冷却水としては、フッ素系不活性液体、ATフルード、シリコンオイルを例示することができる。
図1に図示するように、バイポーラ型電池2の端子用集電体26、27の積層方向に直交する方向の端面には、電流を引き出すためのパワーケーブル(電極端子)62が電気的及び機械的に接続されている。
バイポーラ型電池2の各集電体21、26、27には、帯状の電圧検出用のタブ(蓄電制御部材、検出端子)63が電気的及び機械的に接続されており、これらのタブ63はリード線64を介して電気的及び機械的に接続されている。なお、図1では、端子用正極及び負極集電体26、27に接続されたタブ63のみを図示しており、バイポーラ電極25の集電体21に接続されるタブについては省略して図示している。
また、リード線64は電池ECU(蓄電制御部材、蓄電監視回路)65に対して電気的及び機械的に接続されており、電圧検出用のタブ63による検出結果は、電池ECU65に出力される。電池ECU65は、目標蓄電量の付近に蓄電量が維持されるように蓄電量を監視等している。
また、バイポーラ型電池2には、バイポーラ型電池2の温度を測定するためのサーミスタ61(蓄電制御部材、温度検出センサ)が取付けられており、このサーミスタ61は、電池ECU65に対して電気的及び機械的に接続されている。なお、図1では、サーミスタ61及び電池ECU65を接続するリード線を省略して図示している。
ここで、特許請求の範囲に記載の蓄電制御部材とは、バイポーラ型電池2に直接的又は間接的に接続され、バイポーラ型電池2の蓄電制御に関わる電池の付属物を意味しており、本実施例では、サーミスタ61、電圧検出用のタブ63、電池ECU65を蓄電制御部材としている。
電池ECU65は、サーミスタ61によって検出されたバイポーラ型電池2の温度情報に基づき、ラジエタ52及び循環ポンプ53の駆動を制御する。なお、具体的な制御方法については、後述する。
バイポーラ型電池2にサーミスタ61、パワーケーブル62、電圧検出用のタブ63を接続する方法としては、接合温度の低い超音波溶接等を例示できる。なお、各電圧検出用のタブ63とリード線64との接続方法としては、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接を例示できる。さらに、リベットのような連結バーを用いて、またはカシメの手法を用いてもよい。
次に、図3を用いて、バイポーラ型電池2の周りを樹脂体で覆う方法について説明する。図3は、バイポーラ型電池2の周りを樹脂体3で覆う方法を有効に実施するための型枠の概略図であり、(a)が型枠の断面図であり、(b)が(a)のA−A´断面図である。
型枠7は、一対の左側型枠7A及び右側型枠7Bから構成されている。左側型枠7Aは、基板71Aと、この基板71Aの縁から基板71Aの厚み方向に立ち上がる側壁72Aとから構成される。右側型枠7Bも、左側型枠7Aと同様に、基板71Bと、この基板71Bの縁から基板71Bの厚み方向に立ち上がる側壁72Bとから構成される。
左側型枠7Aの先端には取り付け突起部72aが形成されており、右側型枠7Bの先端には取り付け穴部72bが形成されている。
基板71A、71Bの角部近傍にはそれぞれ、基板71の板厚方向に延びる四本の樹脂挿入棒74A、74Bが設けられている。左側型枠7Aの樹脂挿入棒74Aの先端には取り付け突起部74aが形成されており、右側型枠7Bの樹脂挿入棒74Bの先端には取り付け穴部74bが形成されている。
左側型枠7Aの取り付け突起部72aを、右側型枠7Bの取り付け穴部72bに圧入させるとともに、左側型枠7Aの取り付け突起部74aを、右側型枠7Bの取り付け穴部74bに圧入させることにより、左側型枠7A及び右側型枠7Bは連結される。
また、右側型枠7Bの側壁72Bには、型枠7の外側から内側に樹脂を注入するための樹脂注入口72cが形成されている。
上述の構成において、バイポーラ型電池2を型枠7にセットする。
次に、樹脂注入口72cを介して型枠7の内側に液状の樹脂材料を注入して、固化させる。これにより、バイポーラ型電池2に樹脂が密着し、バイポーラ型電池2を確実に封止することができる。このとき、固化した樹脂材料によって、パワーケーブル62、電圧検出用のタブ63、リード線64、電池ECU65及びサーミスタ61を蓄電ユニット1に対して同時に固定できるため、製造効率を向上させることができる。
また、電圧検出用のタブ63、リード線64、電池ECU65及びサーミスタ61を、全て樹脂体3に保持させているため、これらの電池付属品を固定するための固定部材が不要となり、コストを削減することができる。
パワーケーブル62が樹脂体3の外側に突出しているため、電流の引き出しが容易となる。
ここで、樹脂材料としては、防水性、防湿性、耐熱安定性、絶縁性、難燃性などの性能
を有する、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ナイロン(ポリアミド)系樹脂、オレフィ
ン系樹脂、シリコンゴム、オレフィン系エラストマー等を例示できる。また、これらの樹脂を混合した混合樹脂を使用することもできる。
また、樹脂材料は、型枠7に注入してから所定時間経過後に、固化するタイプを用いることも可能であり、樹脂固化のために熱を付加するタイプも適用可能である。このように液状の樹脂を用いることにより、容易にバイポーラ型電池2を気密構造とすることができる。
樹脂が固化すると、左側型枠7A及び/又は右側型枠7BをY軸方向に移動させ、一体化された左側及び右側型枠7A、7Bを分解する。なお、樹脂固化後における左側及び右際型枠7A、7Bの分解作業を容易にするために、型枠7、樹脂挿入棒74A、74Bの表面(樹脂に接触する面)をフッ素樹脂などの低摩擦部材で覆うとよい。
これにより、冷却水を通す樹脂貫通穴3aを有する樹脂体3によってバイポーラ型電池2が覆われた蓄電ユニット1を製造することができる。
次に、図4を用いて、バイポーラ型電池2の冷却動作について説明する。ここで、図4はバイポーラ型電池2の冷却動作を説明するためのフローチャートである。なお、図4のフローチャートは、電池ECU65によって実行される。また、バイポーラ型電池2は、リチウムイオン電池であるものとする。
サーミスタ61から出力される温度情報に基づき、バイポーラ型電池2の温度が閾値(60℃)を超えているかどうかを判別し(ステップS101)、閾値を超えている場合には、循環ポンプ53及びラジエタ52が駆動される。
閾値を60℃に設定したのは、リチウムイオン電池を、60℃以上の温度環境下で放置すると、ガスの発生により内圧が上昇するおそれがあるからである。
この循環ポンプ53の圧力作用により、循環路51内の冷却液は樹脂貫通穴3aに流入し、樹脂貫通穴3aを介して冷却液の冷気がバイポーラ型電池2に伝熱する(ステップS102)。これにより、発熱したバイポーラ型電池2を速やかに冷却することができる。
バイポーラ型電池2の冷却に用いられた冷却液は、樹脂貫通穴3aから流出して、再び循環路51に戻り、循環路51に設けられたラジエタ52の冷却作用により冷却される。
ラジエタ52で冷却された冷却液は、循環ポンプ53の圧力作用により、再び樹脂貫通穴3aに流入する。
バイポーラ型電池2の温度が60℃以下に低下した場合には(ステップS103)、ラジエタ52及び循環ポンプ53の駆動が停止され、バイポーラ型電池2に対する冷却作用が停止される(ステップS104)。
バイポーラ型電池2の温度が60℃以下に低下していない場合には(ステップS103)、ラジエタ52及び循環ポンプ53の駆動が維持され、バイポーラ型電池2に対する冷却作用が継続される。
このように、バイポーラ型電池2の温度が60℃を超えないように温度制御することにより、バイポーラ型電池2の内圧上昇を未然に防止することができる。
(他の実施例)
本実施例は、バイポーラ型電池を例にして説明したが、バイポーラ型ではない二次電池(蓄電装置)についても本発明を適用することができる。ここで、バイポーラ型ではない二次電池では、集電体を二つの異なる金属で構成し、一方の集電体の面に正極層、他方の集電体の面に負極層を施した電極が用いられたりする。例えば、アルミニウム金属に正電極層が形成され、銅に負電極層が形成された電極を用いたリチウムイオン電池についても適用することができる。
また、蓄電装置としての電気二重層キャパシタにも本発明は適用することができる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介在させて交互に重ね合わせたものである。そして、この電気二重層キャパシタにおいては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。
上述の実施例では、樹脂貫通穴3aに冷却水を導通させているが、冷却ガスを導通させてもよい。冷却ガスとしては、空気、窒素を例示することができる。
また、樹脂貫通穴3aをバイポーラ型電池2の積層方向に形成したが、積層方向に対して傾斜する傾斜方向に配置してもよい。すなわち、バイポーラ型電池2の積層方向に直交する方向の端面に対して干渉しない非干渉領域であれば、どのような位置に形成してもよい。
本願発明は、バイポーラ型電池2を加熱する場合についても適用することができる。低温環境下では、バイポーラ型電池2の電池出力があがりにくいため、電池温度を速やかに適正温度に昇温させる必要がある。
すなわち、バイポーラ型電池2がリチウムイオン電池である場合には、−10℃以下に電池温度が低下すると、電池出力があがりにくくなる。
ここで、図5は本実施例の蓄電ユニット1´の概略図であり、図6は本実施例のバイポーラ型電池2の冷却及び加熱動作を示したフローチャートである。なお、実施例1と同一の構成要素は、同一符号を付して説明を省略する。なお、図6のフローチャートは、電池ECU65によって実行される。
本実施例の循環路51には、実施例1の循環ポンプ53及びラジエタ52のほかに、加熱器54が設けられている。
サーミスタ61から出力される温度情報に基づき、バイポーラ型電池2の温度が60℃を超えているかどうかを判別し(ステップS201)、60℃を超えていない場合には、さらに、−10℃より低いかどうかを判別する(ステップS202)。バイポーラ型電池2の温度が−10℃よりも低い場合には、加熱器54及び循環ポンプ53が駆動される。
加熱器54によって加熱された熱交換媒体は、循環ポンプ53の圧力作用により、樹脂貫通穴3aに流入し、熱交換媒体の熱がバイポーラ型電池2に伝熱される。これにより、低温化したバイポーラ型電池2を速やかに昇温させることができる。なお、熱交換媒体としては、実施例1の冷却液と同様のものを使用することができる。
バイポーラ型電池2を加熱した熱交換媒体は、樹脂貫通穴3aから流出し、再び循環路51に戻り、加熱器54により加熱される。加熱器54によって加熱された熱交換媒体は、循環ポンプ53の圧力作用により、再び樹脂貫通穴3aに流入する。
バイポーラ型電池2の温度が−10℃以上に昇温した場合には、循環ポンプ53及び加熱器54の駆動が停止され、蓄電ユニット1´への熱交換媒体の供給が停止される(ステップS205)。
バイポーラ型電池2の温度が−10℃以上に昇温していない場合には、循環ポンプ53及び加熱器54の駆動が維持され、蓄電ユニット1´への熱交換媒体の供給が継続される。
このように、−10℃以下に低下したバイポーラ型電池2を熱交換媒体を用いて加熱することにより、バイポーラ型電池2を速やかに適正温度に昇温させることができる。
なお、バイポーラ型電池2が60℃以上に昇温した場合の冷却動作(ステップS201、S206、S207、S208)については、実施例1と同様であるため、説明を省略する。
蓄電ユニットの概略図である。 実施例1の蓄電ユニットの概略図である。 型枠の概略図であり、(a)が型枠の断面図であり、(b)が(a)のA−A´断面図である。 バイポーラ型電池の冷却動作を説明するためのフローチャートである。 実施例2の蓄電ユニットの概略図である。 実施例2のバイポーラ型電池の冷却動作を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
1 1 ´ 蓄電ユニット
2 バイポーラ型電池
3 樹脂体
3a 樹脂貫通穴
21、26、27集電体
22 負極層
23 正極層
24 固体電解質層
25 バイポーラ電極
51 循環路
52 ラジエタ
53 循環ポンプ
54 加熱器
61 サーミスタ
62 パワーケーブル
63 タブ
64 リード線
65 電池ECU

Claims (7)

  1. 集電体の表面に正極層が形成された正極素子と、集電体の表面に負極層が形成された負極素子と、前記正極素子および前記負極素子の間に配置され、前記正極層および前記負極層と接触する固体電解質層と、を有する蓄電要素と、
    前記正極素子、前記負極素子および前記固体電解質層のうち、前記蓄電要素の外側に面する全ての領域に密接した状態で、前記蓄電要素を覆う樹脂体と、を有し、
    前記樹脂体は、前記蓄電要素との間で熱交換を行う熱交換媒体を導入させる貫通穴を有し、
    前記熱交換媒体は、前記貫通穴に接触した状態で、前記貫通穴に沿って移動することを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記熱交換媒体を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記熱交換媒体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項2に記載の蓄電装置。
  4. 前記蓄電要素は、前記蓄電要素の充放電を行わせるための電極端子を有しており、
    前記樹脂体は、前記電極端子の一部に密接した状態で、この電極端子の一部を覆うことを特徴とする請求項1からのうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
  5. 前記蓄電要素の充放電制御に関わる蓄電制御部材を、前記樹脂体で覆って前記樹脂体に保持させたことを特徴とする請求項1からのうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
  6. 前記蓄電制御部材は、前記蓄電要素の電圧を検出する検出端子、又は、前記蓄電要素の蓄電量を監視する蓄電監視回路であることを特徴とする請求項に記載の蓄電装置。
  7. 前記蓄電制御部材は、前記蓄電要素の温度を検出する温度検出センサであることを特徴とする請求項5に記載の蓄電装置。
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