WO2013008321A1

WO2013008321A1 - 電池モジュール

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Publication number: WO2013008321A1
Application number: PCT/JP2011/065970
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Inventors: 友陽笹岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-01-17
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Abstract

　モジュール内に含まれる各電極に略均等な圧力を付与できる構造を備える電池モジュールを提供する。　少なくとも正極、電解質層、及び負極が積層した積層単位、並びに、当該積層単位を１単位又は２単位以上収納する電池ケースを備える単位電池を２以上備え、且つ、当該２以上の単位電池、及び流体を収納する密閉された筐体を備える電池モジュールであって、２以上の前記単位電池が、前記積層単位の積層方向と略同方向に積み重なり、積み重なる前記単位電池の間に、前記流体を流入可能な間隙部材を備えることを特徴とする、電池モジュール。

Description

電池モジュール

　本発明は、モジュール内に含まれる各電極に略均等な圧力を付与できる構造を備える電池モジュールに関する。

　二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積（充電）することが可能な電池である。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。

　リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト（Ｃと表現する）を用いた場合、放電時において、負極では下記式（Ｉ）の反応が進行する。
　Ｌｉ_ｘＣ→Ｃ＋ｘＬｉ^＋＋ｘｅ^－　　　（Ｉ）
（上記式（Ｉ）中、０＜ｘ＜１である。）
　式（Ｉ）の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、式（Ｉ）の反応で生じたリチウムイオン（Ｌｉ^＋）は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。

　また、正極活物質としてコバルト酸リチウム（Ｌｉ_１－ｘＣｏＯ_２）を用いた場合、放電時において、正極では下記式（ＩＩ）の反応が進行する。
　Ｌｉ_１－ｘＣｏＯ_２＋ｘＬｉ^＋＋ｘｅ^－→ＬｉＣｏＯ_２　　　（ＩＩ）
（上記式（ＩＩ）中、０＜ｘ＜１である。）
　充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト（Ｌｉ_ｘＣ）が、正極においてはコバルト酸リチウム（Ｌｉ_１－ｘＣｏＯ_２）が再生するため、再放電が可能となる。

　リチウム二次電池に通常使用される、有機溶媒にリチウム塩を溶解した電解液等の電解質は、導電度が極めて小さい。当該電解液の導電度は、ニッケルカドミウム二次電池等に使用される水溶液系の電解液の導電度の１／４０程度である。このため、リチウム二次電池においては電池の内部抵抗が大きくなり、電池の重負荷特性や低温特性が水溶液系に比べて劣るばかりでなく、発熱等の問題から電池の大型化の障害ともなる。

　リチウム二次電池の内部抵抗低減のための対策として、電池を構成する電極積層体の加圧が提案されている。電極積層体の加圧を用いた技術として、特許文献１には、負極、正極、非水電解液及びこれらを収納するケースで構成される素電池を複数個組み合わせて組電池ケースに収納してなる組電池において、上記素電池ケース外で、上記組電池ケース内の空間に気体、液体若しくは固体粉末、又はこれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧することを特徴とするリチウム二次電池に関する技術が開示されている。

特開平１０－２１４６３８号公報

　特許文献１の明細書の段落［００２９］には、複数の素電池を収納した組電池ケース内にアルゴンガスを充填し、素電池をアルゴンガスにより加圧する方法が記載されている。しかし、このような方法では、全ての素電池中の電極を均等に加圧することは難しい。
　本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、モジュール内に含まれる各電極に略均等な圧力を付与できる構造を備える電池モジュールを提供することを目的とする。

　本発明の電池モジュールは、少なくとも正極、電解質層、及び負極が積層した積層単位、並びに、当該積層単位を１単位又は２単位以上収納する電池ケースを備える単位電池を２以上備え、且つ、当該２以上の単位電池、及び流体を収納する密閉された筐体を備える電池モジュールであって、２以上の前記単位電池が、前記積層単位の積層方向と略同方向に積み重なり、積み重なる前記単位電池の間に、前記流体を流入可能な間隙部材を備えることを特徴とする。

　本発明においては、前記間隙部材は、多孔質体、織物、不織布、及び溝形成品からなる群より選ばれる少なくとも１つの部材であってもよい。

　本発明においては、前記単位電池は、前記積層単位を１～３単位備えることが好ましい。

　本発明においては、前記流体は、大気圧以上の圧力となるように加圧されていることが好ましい。

　本発明においては、前記流体は気体であることが好ましい。

　本発明によれば、間隙部材を単位電池間に配置することで、単位電池間に、流体が流入する空間を容易に確保することができる。その結果、本発明によれば、間隙部材中に流体が流入することにより、各単位電池を均等に加圧することができる。

本発明の電池モジュールの第１の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の電池モジュールの第２の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。２以上の単位電池を備える従来の電池モジュールの構造の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。従来の電池モジュールについて、流体が単位電池に与える圧力方向を示した断面模式図である。

　電池、特に固体電解質を用いた固体電池においては、電極に加わる圧力が充放電性能に大きな影響を与えることが知られている。電極積層体をその積層方向に沿って締め付けるというような、従来の機械的な圧力付与の方法では、各電極に均等な圧力を付与することや、経時的に安定した圧力を付与することは困難であった。
　一方、上述した特許文献１に記載されたような、流体を用いた圧力付与の方法は、特に複数の単位電池を積層した積層型の電池モジュールの場合において、各電極の厚みのバラつき等に起因する、面圧分布バラつきが課題であった。

　図３は、２以上の単位電池を備える従来の電池モジュールの構造の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、二重波線は図の省略を示す。
　図３に示すように、正極６、電解質層１、及び負極７が積層し、積層単位８が構成される。当該正極６は、正極活物質層２及び正極集電体４からなり、当該負極７は、負極活物質層３及び負極集電体５からなる。当該積層単位８が電池ケース９に収納され、単位電池１０が構成される。
　各単位電池１０は、積層体の積層方向と略同じ方向に重ねられている。隣り合う単位電池同士の正極集電体４及び負極集電体５は、互いにリード１１により接続される。なお、電池ケース９内の気密性を保つ観点から、リード１１の根元はシール材１２によりシールされている。単位電池は筐体２１内に収納され、筐体２１と単位電池１０の隙間に流体（図示せず）が充填される。直列に接続した単位電池の両端の正極集電体４及び負極集電体５には、正極リード２４又は負極リード２５がそれぞれ接続され、当該各リードの一部は筐体２１外に延長されている。なお、筐体２１内の気密性を保つ観点から、正極リード２４及び負極リード２５の根元は、シール材２６によりそれぞれシールされている。
　すなわち、図３に示した従来の電池モジュール３００は、３つの単位電池１０が直列に接続されたモノポーラー型電池、及び流体が、筐体２１に収納された電池モジュールである。

　図４は、図３に示した従来の電池モジュール３００について、流体が単位電池に与える圧力方向を示した断面模式図である。両矢印３２は流体による加圧方向を示す。
　図４に示すように、従来の電池モジュールの様な、単位電池が単に積層して筐体内に収納され、且つ筐体内に流体が充填された電池モジュールにおいては、積層した単位電池がその最も外側から加圧されるにすぎない。そのため、各積層単位中の電極面内において、各電極の厚み及び表面状態の差や、各電極の表面の凹凸等に依存して、面圧分布バラつきが発生する。電池の充放電性能は、電極に付与される面圧により変化するため、面圧分布バラつきが生じることは好ましくない。例えば、面圧が所定の圧力よりも低い場合には、電池内部の抵抗が増加するおそれがある。また、例えば、面圧が所定の圧力よりも高い場合には、耐久性が低下するおそれがある。

　本発明者は、鋭意努力の結果、流体により電極に圧力を付与する電池モジュールにおいて、各単位電池間に間隙部材を配置し、主に当該間隙部材に流体が流入することにより、各電極に均等な圧力を付与でき、電池性能及び電池の耐久性の向上が可能となることを見出し、本発明を完成させた。

　本発明においては、積層単位の積層方向と、単位電池及び間隙部材が積み重なる方向とが、略同じ方向であることが必要である。このように積層単位の積層方向と、単位電池及び間隙部材が積み重なる方向を揃えることにより、各電極に均等な圧力を付与する効果を得るための電池モジュール内の構成を極めて簡素化することができ、電池モジュール全体の省体積化を図ることができる。
　なお、本発明に用いられる積層体は、正極、電解質層、及び負極が積層したものを、さらに捲き回して得られる捲回体であってもよい。捲回体が積層単位として使用される場合には、捲回体の積層方向とは、捲回軸に垂直な全ての方向を意味する。

　図１は、本発明の電池モジュールの第１の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、二重波線は図の省略を示す。
　図１に示すように、正極６、電解質層１、及び負極７が積層し、積層単位８が構成される。当該正極６は、正極活物質層２及び正極集電体４からなり、当該負極７は、負極活物質層３及び負極集電体５からなる。当該積層単位８が電池ケース９に収納され、単位電池１０が構成される。
　各単位電池１０は、積層体の積層方向と略同じ方向に積み重ねられている。隣り合う単位電池同士の正極集電体４及び負極集電体５は、互いにリード１１により接続される。なお、電池ケース９内の気密性を保つ観点から、リード１１の根元はシール材１２によりシールされている。

　本第１の典型例１００においては、さらに、積み重なる単位電池１０の間に、流体が流入する間隙部材１３を備える。間隙部材１３の厚さ及び面積は、２つの単位電池の間に流体が十分流入可能な隙間を設けることができれば、特に限定されない。間隙部材の詳細については後述する。
　単位電池１０、流体（図示せず）、及び間隙部材１３は筐体２１内に収納されている。間隙部材１３には流体が流入する。直列に接続した単位電池の両端の正極集電体４及び負極集電体５には、正極リード２４又は負極リード２５がそれぞれ接続され、当該各リードの一部は筐体２１外に延長されている。なお、筐体２１内の気密性を保つ観点から、正極リード２４及び負極リード２５の根元は、シール材２６によりそれぞれシールされている。

　図１中の両矢印３２は流体による加圧方向を示す。図１に示すように、本第１の典型例１００においては、各単位電池１０について、積層方向の両側から圧力が付与されることにより、面圧分布のバラつきが最小限に抑えられる。そのため、電池内部の抵抗を減らし、電池の耐久性を向上させることができる。
　また、本第１の典型例１００においては、筐体２１内の流体の充填量に関わらず、流体が間隙部材１３に流入することにより、流体が筐体２１内の一部分に偏ったり、好ましくない方向から単位電池に圧力がかかったりするおそれがなく、効率よく均等に単位電池に圧力を付与することができる。

　単位電池中の積層単位の数は特に限定されないが、各積層単位を均等かつ十分に加圧できるという観点から、単位電池中の積層単位は１～３単位であることが好ましい。単位電池中の積層単位が４単位以上であると、同じ単位電池中において、各積層単位に付与される圧力に差が生じるおそれがある。

　図２は、本発明の電池モジュールの第２の典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、二重波線は図の省略を示す。
　図２に示すように、正極６ａ、電解質層１、及び負極７が積層し、積層単位８ａが構成される。当該正極６ａは、正極活物質層２及び正極集電体４ａからなり、当該負極７は、負極活物質層３及び負極集電体５からなる。
　図２に示すように、正極６、電解質層１、及び負極７ｂが積層し、積層単位８ｂが構成される。当該正極６は、正極活物質層２及び正極集電体４からなり、当該負極７ｂは、負極活物質層３及び負極集電体５ｂからなる。
　本第２の典型例２００においては、電池ケース９内に積層単位８ａ及び８ｂが収納され、単位電池が構成される。積層単位８ａ及び８ｂは、一方の電極集電体を共有してもよい。すなわち、図２に示すように、積層単位８ａが備える正極集電体４ａは、積層単位８ｂが備える負極集電体５ｂであってもよい。
　各単位電池は、積層体の積層方向と略同じ方向に積み重ねられている。リード１１及びシール材１２については、第１の典型例と同様である。

　本第２の典型例２００においては、上記第１の典型例１００と同様に、積み重なる単位電池の間に、流体が流入する間隙部材１３を備える。単位電池、流体（図示せず）、及び間隙部材１３は筐体２１内に収納され、間隙部材１３には流体が流入する。正極リード２４、負極リード２５、及びシール材２６については、上記第１の典型例１００と同様である。

　図２中の両矢印３２は、図１と同様のものを示す。図２に示すように、上記第１の典型例１００と同様に、本第２の典型例２００においては、面圧分布のバラつきが最小限に抑えられることにより、電池内部の抵抗を減らし、電池の耐久性を向上させることができる。また、図２に示すように、上記第１の典型例１００と同様に、本第２の典型例２００においては、筐体２１内の流体の充填量に関わらず、効率よく均等に単位電池に圧力を付与することができる。

　本発明の実施形態は、上記第１の典型例及び第２の典型例に限定されない。上記２つの典型例は、いずれも、単位電池が直列に接続したモノポーラー型の電池モジュールであるが、単位電池が並列に接続したバイポーラー型の電池モジュールであってもよく、また、モノポーラー型とバイポーラー型を組み合わせた電池モジュールであってもよい。すなわち、各単位電池の間に間隙部材が配置されていれば、各単位電池間の電気的接続の態様は特に限定されない。

　以下、本発明の電池モジュールに用いられる、正極、負極、電解質層、積層単位、電池ケース、間隙部材、流体、及び筐体、並びに本発明の電池モジュールに好適に用いられるセパレータ等のその他の部材について、詳細に説明する。

　（正極）
　本発明に用いられる正極は、好ましくは、正極集電体、及び、当該正極集電体に接続した正極タブを備えており、さらに好ましくは正極活物質を含有する正極活物質層を備える。

　本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、Ｎｉ、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＭｎＯ_４、Ｌｉ_２ＮｉＭｎ_３Ｏ_８、Ｌｉ_３Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３及びＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３等を挙げることができる。正極活物質からなる微粒子の表面にＬｉＮｂＯ_３等を被覆してもよい。
　これらの材料の中でも、本発明においては、ＬｉＣｏＯ_２を正極活物質として用いることが好ましい。

　本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とする電池モジュールの用途等により異なるものであるが、５～２５０μｍの範囲内であるのが好ましく、２０～２００μｍの範囲内であるのが特に好ましく、特に３０～１５０μｍの範囲内であることが最も好ましい。

　正極活物質の平均粒径としては、例えば１～５０μｍの範囲内、中でも１～２０μｍの範囲内、特に３～５μｍの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。

　正極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着剤等を含有していても良い。
　本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ＶＧＣＦ等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常１～１０質量％の範囲内である。

　本発明に用いられる正極活物質層が有する結着剤としては、例えば、スチレン－ブタジエンゴム、エチレン－プロピレンゴム、スチレン－エチレン－ブタジエンゴム等の合成ゴム；ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素ポリマーを挙げることができる。また、正極活物質層における結着剤の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着剤の含有量は、通常１～１０質量％の範囲内である。

　本発明に用いられる正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものであれば、特に限定されない。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス、ニッケル、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム、アルミニウム合金及びステンレスが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。

　正極タブは、正極集電体と、電池外部の外部負荷やリードとを連結するための部材である。正極タブは、上述した正極集電体と同様の材料であれば特に限定されない。正極タブの材料としては、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、及びステンレス等を挙げることができる。
　シール性向上の観点から、正極タブのシールタブと、後述する電池ケースのシール部には、専用シール材を用いても良い。専用シール材としては、ポリプロピレン等の汎用ポリマーが挙げられる。正極タブとシールを一体化した市販のタブリード（住友電気工業製）等を用いてもよい。

　本発明に用いられる正極を製造する方法は、上記の正極を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。なお、正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。

　（負極）
　本発明に用いられる負極は、好ましくは、負極集電体、及び、当該負極集電体に接続した負極タブを備えており、さらに好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備える。

　負極活物質層に用いられる負極活物質としては、金属イオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではない。金属イオンとしてリチウムイオンを用いる場合には、例えば、金属リチウム、リチウム合金、チタン酸リチウム等の金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、及びグラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。

　負極活物質層は、必要に応じて導電化材及び結着剤等を含有していても良い。
　負極活物質層中に用いることができる結着剤及び導電化材は、上述したものを用いることができる。また、結着剤及び導電化材の使用量は、硫化物系固体電池モジュールの用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば５～１５０μｍの範囲内、中でも１０～８０μｍの範囲内であることが好ましい。

　本発明に用いられる負極集電体は、上記負極活物質層の集電を行う機能を有するものであれば特に限定されない。
　負極集電体の材料としては、例えばニッケル、銅、及びステンレス等を挙げることができる。また、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。

　負極タブは、負極集電体と、電池外部の外部負荷やリードとを連結するための部材である。負極タブは、上述した負極集電体と同様の材料であれば特に限定されない。負極タブの材料としては、例えばニッケル、銅、及びステンレス等を挙げることができる。
　専用シール材が使用できる点、及び、タブとシールを一体化したタブリードが使用できる点は、正極タブと同様である。

　本発明に用いられる負極の製造方法としては、上述したような正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。
　本発明に用いられる正極及び／又は負極は、後述する電解液、ゲル電解質、及び固体電解質等を含んでいてもよい。

　（電解質層）
　本発明に用いられる電解質層は、正極活物質層及び負極活物質層の間に保持され、正極活物質層及び負極活物質層との間で金属イオンを交換する働きを有する。
　電解質層には、電解液、ゲル電解質、及び固体電解質等を用いることができる。これらは、１種類のみを単独で用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

　電解液としては、非水系電解液及び水系電解液を用いることができる。
　非水系電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池に用いる非水系電解液としては、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４及びＬｉＡｓＦ_６等の無機リチウム塩；ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２（Ｌｉ－ＴＦＳＩ）、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２及びＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、エチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル（ＡｃＮ）、ジメトキシメタン、１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、１，３－ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（ＴＥＧＤＭＥ）、テトラヒドロフラン、２－メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）及びこれらの混合物等を挙げることができる。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば０．５～３ｍｏｌ／Ｌの範囲内である。

　本発明においては、非水系電解液又は非水溶媒として、例えば、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピペリジニウム　ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＰＰ１３ＴＦＳＩ）、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピロリジニウム　ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（Ｐ１３ＴＦＳＩ）、Ｎ－ブチル－Ｎ－メチルピロリジニウム　ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（Ｐ１４ＴＦＳＩ）、Ｎ，Ｎ－ジエチル－Ｎ－メチル－Ｎ－（２－メトキシエチル）アンモニウム　ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＤＥＭＥＴＦＳＩ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ－トリメチル－Ｎ－プロピルアンモニウム　ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＴＭＰＡＴＦＳＩ）に代表されるような、イオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。

　水系電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池に用いる水系電解液としては、通常、リチウム塩及び水を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＯＨ、ＬｉＣｌ、ＬｉＮＯ_３、ＣＨ_３ＣＯ_２Ｌｉ等のリチウム塩等を挙げることができる。

　本発明に用いられるゲル電解質は、通常、非水系電解液にポリマーを添加してゲル化したものである。例えば、リチウム二次電池の非水ゲル電解質は、上述した非水系電解液に、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等のポリマーを添加し、ゲル化することにより得られる。本発明においては、ＬｉＴＦＳＩ（ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２）－ＰＥＯ系の非水ゲル電解質が好ましい。

　固体電解質としては、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、及びポリマー電解質等を用いることができる。これらの材料は、その結晶体も用いることができる。
　硫化物系固体電解質としては、具体的には、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_３、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_３－Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２、Ｌｉ_２Ｓ－Ｓｉ_２Ｓ、Ｌｉ_２Ｓ－Ｂ_２Ｓ_３、Ｌｉ_２Ｓ－ＧｅＳ_２、ＬｉＩ－Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＩ－Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２－Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_３ＰＳ_４－Ｌｉ_４ＧｅＳ_４、Ｌｉ_３．４Ｐ_０．６Ｓｉ_０．４Ｓ_４、Ｌｉ_３．２５Ｐ_０．２５Ｇｅ_０．７６Ｓ_４、Ｌｉ_４－ｘＧｅ_１－ｘＰ_ｘＳ_４等を例示することができる。
　酸化物系固体電解質としては、具体的には、ＬｉＰＯＮ（リン酸リチウムオキシナイトライド）、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_０．７（ＰＯ_４）_３、Ｌａ_０．５１Ｌｉ_０．３４ＴｉＯ_０．７４、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_２ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２ＳｉＯ_４等を例示することができる。
　ポリマー電解質は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池のポリマー電解質は、通常、リチウム塩及びポリマーを含有する。リチウム塩としては、上述した無機リチウム塩、及び／又は有機リチウム塩を使用できる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。

　（積層単位）
　本発明に用いられる積層単位は、上述した正極、電解質層、及び負極が積層した積層単位である。
　なお、上述したように、１つの単位電池が２以上の積層単位を備える場合には、隣り合う積層単位同士は、一方の電極の一部又は全部を共有してもよい。すなわち、一方の積層単位にとっての正極は、他方の積層単位にとっての負極であってもよい。また、一方の積層単位にとっての正極集電体は、他方の積層単位にとっての負極集電体であってもよい。
　単位電池が２つの積層単位を備え、隣り合う積層単位同士が電極集電体を共有する場合に、単位電池内の積層の具体例としては、正極集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、負極集電体の積層態様が挙げられる。
　単位電池が３つの積層単位を備え、隣り合う積層単位同士が電極集電体を共有する場合に、単位電池内の積層の具体例としては、正極集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、集電体、正極活物質層、電解質層、負極活物質層、負極集電体の積層態様が挙げられる。
　なお、単位電池間で積層単位の数が異なっていてもよい。

　（電池ケース）
　本発明に用いられる電池ケースの形状及び材料は、１単位又は２単位以上の上記積層単位を保護し、流体が内部に入り込むことを許さない密閉性を有し、且つ、圧力が付与されることにより主に当該積層単位の積層方向に沿って変形する電池ケースであれば、特に限定されない。
　本発明に使用できる電池ケースの形状としては、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等が例示できる。
　本発明に使用できる電池ケースの材料としては、具体的には、金属製の缶や、ラミネート等が例示できる。ラミネート型の場合は、ラミネートフィルムとして、ポリエチレンフタレート／アルミニウム／ポリエチレンの３層フィルムが使用できる。

　（間隙部材）
　本発明に用いられる間隙部材は、各積層単位に圧力を付与するための流体が流入する空間を形成できる部材であれば、特に限定されない。
　間隙部材は、具体的には、多孔質体、織物、不織布、及び溝形成品等が例示できる。
　多孔質体は、流体が流入する際に細孔が潰れないものであれば特に限定されないが、具体的には、ニッケル多孔質体、チタン多孔質体、ステンレス多孔質体等の金属多孔質体；アルミナ多孔質体、炭化ケイ素多孔質体等のセラミックス多孔質体；ウレタン多孔質樹脂、ポリプロピレン多孔質樹脂等の多孔質樹脂；等が例示できる。これらの中では、十分な強度を有し、且つ難燃性であることから、金属多孔質体及びセラミックス多孔質体が好ましい。
　織物は、繊維間の規則的な隙間が流体の流入により潰れないものであれば特に限定されないが、具体的には、ガラス繊維織物、カーボン繊維織物、ケブラー織物、金属織物等が例示できる。
　不織布は、不規則に絡まる繊維間の隙間が流体の流入により潰れないものであれば特に限定されないが、具体的には、ガラス不織布、カーボン不織布、金属不織布等が例示できる。
　溝形成品は、流体の流入により変形しない程度の強度の溝が形成されたものであれば特に限定されないが、具体的には、ステンレス製のプレス成形品、チタン製のプレス成形品等の金属製波状成形品；樹脂の射出成形品；等が例示できる。
　流体がより流入しやすく、その結果圧力を均等に電極に付与できるという観点から、多孔質体、織物、不織布、及び溝形成品のうち、多孔質体がより好ましい。
　間隙部材の厚さは、十分量の流体が流入できる程度の厚さであれば特に限定されない。材料にもよるが、間隙部材の厚さは０．１～１ｍｍ程度が好ましい。

　（流体）
　本発明に使用できる流体は、加圧に使用できる流体であれば特に限定されず、気体・液体を問わない。本発明においては、流体は大気圧以上の圧力となるように加圧されていることが好ましい。
　取り扱いが容易で十分な量を供給できるという観点から、本発明に使用できる流体としては、具体的には、窒素、アルゴン、ヘリウム、空気、二酸化炭素等の気体；シリコーンオイル、フッ素系オイル等の液体；等が例示できる。本発明においては、流体は気体であることが好ましい。
　加圧に気体を使用する場合には、気体の圧力は０．１～１０ＭＰａが好ましい。気体の圧力が０．１ＭＰａ未満であるとすると、十分な圧力を積層単位に付与できないおそれがある。一方、気体の圧力が１０ＭＰａを超えるとすると、電池ケースや筐体が圧力に耐えられず、電池モジュールが破損するおそれがある。
　特に、本発明の電池モジュールを、自動車等の移動体に搭載する場合には、不測の衝撃が電池モジュールに加わること等も考慮し、気体の圧力を０．１～１．０ＭＰａとすることが好ましい。

　密閉された筐体への流体の供給方法は特に限定されず、公知の方法を使用できる。使用する流体が気体である場合には、ガスボンベ等の供給源から筐体内に気体を供給した後、筐体を密閉してもよく、又は、当該気体からなる雰囲気下で筐体を組み立て、そのまま筐体を密閉してもよい。
　使用する流体が液体である場合には、液体を供給するポンプ等の供給源から筐体内に液体を供給した後、筐体を密閉すればよい。

　（筐体）
　本発明に用いられる筐体の形状及び材料は、単位電池及び間隙部材を保護でき、流体がモジュール外部に逃げることを許さない密閉性を有し、且つ、流体の充填により変形しない筐体であれば、特に限定されない。
　十分量の流体を筐体内に充填できるという観点から、筐体内に収納される単位電池及び間隙部材の総体積は、筐体の容積の８５～９９．５％であることが好ましい。
　本発明に使用できる筐体の形状としては、具体的には、円筒型、角型、コイン型等が例示できる。本発明に使用できる筐体の材料としては、具体的には、ステンレス、鉄、アルミ等が例示できる。

　（その他の構成要素）
　その他の構成要素として、セパレータを本発明に用いることができる。セパレータは、上記正極及び負極の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、電解質層を保持する機能を有する。上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース及びポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレン及びポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばＰＥ／ＰＰの２層構造のセパレータ、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的な電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。

１　電解質層
２　正極活物質層
３　負極活物質層
４，４ａ　正極集電体
５，５ｂ　負極集電体
６，６ａ　正極
７，７ｂ　負極
８，８ａ，８ｂ　積層単位
９　電池ケース
１０　単位電池
１１　リード
１２　シール材
１３　間隙部材
２１　筐体
２４　正極リード
２５　負極リード
２６　シール材
３２　流体による加圧方向を示す両矢印
１００　本発明の電池モジュールの第１の典型例
２００　本発明の電池モジュールの第２の典型例
３００　従来の電池モジュール

Claims

　少なくとも正極、電解質層、及び負極が積層した積層単位、並びに、当該積層単位を１単位又は２単位以上収納する電池ケースを備える単位電池を２以上備え、且つ、当該２以上の単位電池、及び流体を収納する密閉された筐体を備える電池モジュールであって、
　２以上の前記単位電池が、前記積層単位の積層方向と略同方向に積み重なり、
　積み重なる前記単位電池の間に、前記流体を流入可能な間隙部材を備えることを特徴とする、電池モジュール。
　前記間隙部材は、多孔質体、織物、不織布、及び溝形成品からなる群より選ばれる少なくとも１つの部材である、請求の範囲第１項に記載の電池モジュール。
　前記単位電池は、前記積層単位を１～３単位備える、請求の範囲第１項又は第２項に記載の電池モジュール。
　前記流体は、大気圧以上の圧力となるように加圧されている、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか一項に記載の電池モジュール。
　前記流体は気体である、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか一項に記載の電池モジュール。