JP2018049790A - 蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】シール性を安定して維持可能な蓄電装置の提供。【解決手段】セパレータSを介して積層される複数のバイポーラ電極20と、複数のバイポーラ電極20を保持する樹脂枠30と、を備え、複数のバイポーラ電極20の夫々は、集電体21と、集電体21の第1の面21aに設けられる正極層22と、集電体21における第2の面21bに設けられる負極層23と、を有し、複数のバイポーラ電極20は、隣接する正極層22と負極層23との間にセパレータSが挟まれてなる単電池要素70Aを構成するように、配置されており、樹脂枠30は、複数のバイポーラ電極20の積層方向において隣り合う集電体21間をシールするように、複数のバイポーラ電極20が有する複数の集電体21の周縁部を取り囲んで複数の集電体21を保持しており、樹脂枠30の内壁面において、積層方向に隣り合う集電体21の間には、凹部80が形成されている蓄電装置10。【選択図】図1
Description
本発明は、蓄電装置に関する。
蓄電装置として、例えば特許文献1に開示されているように、集電体の一方の面に正極層が形成され、集電体の他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極を有する装置が知られている。この蓄電装置では、複数のバイポーラ電極は、正極層と負極層とが電解質層を挟んで向き合うように、積層されている。複数の電極のうち積層方向に隣り合う電極間に設けられる正極層、電解質層及び負極層の積層体は、一つの単電池層を構成している。特許文献1に記載の蓄電装置では、複数のバイポーラ電極の積層方向に隣り合う2つの集電体間は、シール部でシールされている。
特許文献1のようなバイポーラ型の電極を備えた蓄電装置では、隣り合う単電池層を収容する空間内の圧力が増加した場合、樹脂枠が外側に押され、樹脂枠によるシール性が低下することがあった。
そこで、本発明は、シール性を安定して維持可能な蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る蓄電装置は、セパレータを介して積層される複数のバイポーラ電極と、上記複数のバイポーラ電極を保持する樹脂枠と、を備える蓄電装置であり、複数の上記バイポーラ電極のそれぞれは、集電体と、上記集電体の第1の面に設けられる正極層と、上記集電体における上記第1の面と反対側の第2の面に設けられる負極層と、を有し、複数の上記バイポーラ電極は、隣接する上記正極層と上記負極層との間に上記セパレータが挟まれてなる単電池要素を構成するように、配置されており、上記樹脂枠は、複数の上記バイポーラ電極の積層方向において隣り合う集電体の間をシールするように、複数の上記集電体の周縁部を取り囲んで複数の上記集電体を保持しており、上記積層方向に隣り合う上記集電体の間において、上記樹脂枠の内壁面には、凹部が形成されている。
上記構成では、隣り合うバイポーラ電極が有する集電体と、樹脂枠とで画成される空間内に単電池要素が配置されている。よって、複数のバイポーラ電極の積層方向において隣り合う2つの集電体と樹脂枠とで画成される部分は電池セルを構成する。上記蓄電装置では、蓄電装置を駆動した際に、電池セル内にガスが発生し、上記隣り合う2つの集電体と樹脂枠とで画成される空間内の圧力が増加する場合がある。樹脂枠の内壁面に凹部が形成されていれば、上記圧力は凹部の内面に作用するため、凹部が形成されていない場合に比べて、樹脂枠に印加される力が分散される。そのため、樹脂枠が外側に押圧されにくいので、樹脂枠によるシール性を安定して維持可能である。
上記凹部は、上記内壁面側から上記記樹脂枠の外壁面側に向けて先細りしたV字溝であってもよい。この場合、V字溝を構成する内側面に圧力が印加されることで、樹脂枠が集電体に押しつけられるので、シール性を向上できる。
上記凹部は、複数の上記バイポーラ電極の積層方向において対向しており上記積層方向と交わる一対の傾斜面を有し、各上記傾斜面と、上記積層方向との為す角度は、15度以上60度以下であってもよい。この場合、樹脂枠を形成しやすいとともに、シール性を向上させることが可能である。
上記凹部の内面は曲面であってもよい。
上記凹部は、複数の上記バイポーラ電極の上記積層方向に隣り合う上記集電体の間の中心をとおり上記積層方向に直交する仮想平面に対して対称な形状を有してもよい。
上記樹脂枠の内壁面のうち、複数の上記バイポーラ電極の積層方向に隣り合う上記集電体の間の部分において、上記凹部と上記集電体との間に平坦部が形成されていてもよい。
本発明によれば、シール性を安定して維持可能な蓄電装置を提供できる。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図1に示された蓄電装置10は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池、又は、電気二重層キャパシタである。蓄電装置10は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。以下の説明では、断らない限り、蓄電装置10がニッケル水素二次電池である形態を説明する。蓄電装置10は、複数のバイポーラ電極20と、それらを一括して保持する樹脂枠30とを備える。
各バイポーラ電極20は、集電体21と、集電体21の第1の面21aに設けられた正極層22と、集電体21の第2の面(集電体21における第1の面21aとは反対側の面)21bに設けられた負極層23とを有している。
集電体21は、例えば金属箔であり、金属箔の例は、ニッケル箔である。集電体21は、平面視した場合(集電体21の厚さ方向からみた場合)、矩形又は正方形を呈す。集電体21の厚さは、例えば0.1μm〜1000μm程度である。正極層22を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケル等が挙げられる。負極層23を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金等が挙げられる。正極層22及び負極層23も、平面視した場合、矩形又は正方形を呈す。正極層22及び負極層23は、例えば、それらを構成する材料を、第1の面21a及び第2の面21bの所定領域に塗工することで形成され得る。
複数のバイポーラ電極20は、蓄電装置10が備えるセパレータSを介して積層されている。複数のバイポーラ電極20が積層された状態において、一のバイポーラ電極20の正極層22は、積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極20の負極層23とセパレータSを介して対向し、一のバイポーラ電極20の負極層23は、積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極20の正極層22とセパレータSを介して対向している。
セパレータSは、シート状を呈しており、電解液を透過させ得る。セパレータSの材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。セパレータSは、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。
蓄電装置10は、図1に示したように、終端電極40及び終端電極50を備えてもよい。終端電極40は、集電体41と、集電体41の第1の面41a上に形成された正極層42とを有する。終端電極50は、集電体51と、集電体51の第1の面51a上に形成された負極層52とを有する。集電体41及び集電体51は、集電体21より厚く構成され得る。この厚さの点以外の集電体41及び集電体51の構成は、集電体21の構成と同様である。正極層42及び負極層52の構成は、正極層22及び負極層23の構成と同様である。
終端電極40は、積層されたバイポーラ電極20の一方の積層端(図1における上側の積層端)に、正極層42が、最上層のバイポーラ電極20の負極層23に対してセパレータSを介して対向するように配置されている。終端電極50は、積層されたバイポーラ電極20の他方の積層端(図1における下側の積層端)に、負極層52が、最下層のバイポーラ電極20の正極層22に対してセパレータSを介して対向するように配置されている。
樹脂枠30は、筒状部材であり、複数の集電体21の周縁部を一括して保持している。具体的には、各集電体21の周縁部が、樹脂枠30に埋設された状態で樹脂枠30に保持されている。筒状を呈する樹脂枠30を、その軸線方向からみた形状の例は、矩形又は正方形である。樹脂枠30の材料としては、例えばポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)などが挙げられる。樹脂枠30は、集電体41の周縁部及び集電体51の周縁部を、集電体21と同様に、樹脂枠30に埋設した状態で保持してもよい。
蓄電装置10は、樹脂枠30で保持された複数のバイポーラ電極20を、積層方向に拘束する一対の拘束プレート60A,60Bを備えてもよい。拘束プレート60A,60Bは金属プレートであり、拘束プレート60A,60Bの材料の例は、アルミニウム、炭素鋼、及びステンレスなどである。一対の拘束プレート60A,60Bは、複数のバイポーラ電極20を積層方向に拘束するとともに、樹脂枠30も拘束する。樹脂枠30は、終端電極40及び終端電極50を拘束してもよい。一方の拘束プレート60Aには正極端子PTが接続される。他方の拘束プレート60Bには負極端子NTが接続される。正極端子PT及び負極端子NTにより蓄電装置10の充放電を行うことができる。
拘束プレート60A,60Bには、積層方向に延びるボルトBを貫通するための貫通孔が設けられる。ボルトBは拘束プレート60Aから拘束プレート60Bに向かって挿通される。ボルトBの先端にはナットNが螺合される。これにより、拘束プレート60A及び拘束プレート60Bは、それらの間の要素(例えば複数のバイポーラ電極20、複数のセパレータS及び樹脂枠30)に対して、拘束荷重を付加する。その結果、樹脂枠30内は密封される。なお、拘束プレート60A,60Bが短絡しないように、ボルトBと拘束プレート60A,60Bとは絶縁されていればよい。
上記蓄電装置10において、複数のバイポーラ電極20の積層方向において隣り合う集電体21及び集電体21の間には、正極層22、セパレータS及び負極層23の積層体である単電池要素70Aが配置されている。単電池要素70Aは、集電体21,21と樹脂枠30の内壁面30aとによって画成された収容室R1内に収容されている。収容室R1内には電解液(不図示)も収容されている。電解液は、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる液である。
蓄電装置10が終端電極40及び終端電極50を備える形態では、集電体41と、それと隣り合う集電体21の間には、正極層42、セパレータS及び負極層23の積層体である単電池要素70Bが配置されており、集電体51と、それと隣り合う集電体21の間には、正極層22、セパレータS及び負極層52の積層体である単電池要素70Cが配置されている。単電池要素70Bは、集電体21及び集電体41と樹脂枠30の内壁面30aとによって画成された収容室R2内に収容されており、単電池要素70Cは、集電体21及び集電体51と樹脂枠30の内壁面30aとによって画成された収容室R3内に収容されている。収容室R2及び収容室R3内には、電解液も収容されている。電解液の例は、収容室R1内に収容されている電解液と同様である。
上記蓄電装置10の構成では、積層方向に隣り合う集電体21(41,51)と、樹脂枠30の内壁面30aのうち隣り合う集電体21(41,51)の間の部分と、収容室R1(R2,R3)内に配置される単電池要素70A(70B,70C)と、電解液とは、電池セルCを構成する。したがって、蓄電装置10は、複数の電池セルCが集電体21を介して直列接続された電池スタックを備える。積層方向において、隣り合う電池セルC間の配置される集電体21は、隣り合う電池セルCの共通の壁部を構成する。
電池セルCを構成する樹脂枠30の内壁面30aには、図2に示したように、V字溝(凹部)80が形成されている。以下、断らない限り、収容室R1を含む電池セルCを例にして説明する。収容室R2,R3を含む電池セルCについては、隣り合う集電体の組を、集電体21と集電体21の代わりに、収容室R2を含む電池セルCにおいては集電体21と集電体41に変更する点及び収容室R3を含む電池セルCについては、集電体21と集電体51に変更する点以外は同様である。
V字溝80は、樹脂枠30の内壁面30a側から外壁面30b側に向けて先細りするように形成されている。V字溝80の頂部80aは、積層方向に隣り合う集電体21,21の間の中心をとおり積層方向に直交する仮想平面P内に位置している。V字溝80の開口側(頂部80aと反対側)の両端のそれぞれは、隣り合う集電体21,21と内壁面30aとの界面部分に位置している。すなわち、樹脂枠30の内壁面30aのうち隣り合う集電体21,21間の領域全体にV字溝80が形成されている。V字溝80の深さは、樹脂枠30の厚さ(軸線方向に直交する方向の長さ)より短い。V字溝80は、複数のバイポーラ電極20の積層方向において対向する一対の内側面80b及び内側面80cを有する。V字溝80は、仮想平面Pに対して対称な形状を有する。
内側面80b及び内側面80cは積層方向と交わる傾斜面であり、内側面80b及び内側面80cと上記積層方向とのなす角度である傾斜角θは、例えば15度以上60度以下である。内側面と積層方向との為す角度(傾斜角)とは、内側面と積層方向とで規定される角度のうち小さい方の角度である。
V字溝80は、樹脂枠30をその軸線方向からみた場合、周方向に沿って(換言すれば、軸線周りに)形成されている。V字溝80における内側面80b及び内側面80cと積層方向との為す傾斜角θは、周方向に沿って一様である必要はない。すなわち、樹脂枠30を積層方向からみた際に、樹脂枠30の周方向における一部では、傾斜角θは、他の部分と異なっていてもよい。例えば、樹脂枠30の角部及びその近傍では、傾斜角θは、他の部分より大きくてもよい。換言すれば、内側面80b及び内側面80cの積層方向に対する傾きが急になっていてもよい。
上記蓄電装置10は、例えば、次のようにして製造され得る。以下の説明では、断らない限り、終端電極40、終端電極50、拘束プレート60A及び拘束プレート60Bを備えた場合について説明する。
まず、複数のバイポーラ電極20、終端電極40及び終端電極50を、セパレータSを介して、前述したように積層する。その後、複数の集電体21、集電体41及び集電体51の周縁部を樹脂枠30で一括して埋設するとともに、樹脂枠30の内壁面30aにおいて隣り合う集電体21(41,51)の間の部分に、前述したように、V字溝80を形成するように射出成形によって樹脂枠30を形成する。この際、樹脂枠30には、収容室R1,R2,R3内に電解液を注入するための孔部を形成しておき、孔部を介して電解液を収容室R1,R2,R3に供給した後、上記孔部を塞ぐ。続いて、一対の拘束プレート60a,60Bで複数のバイポーラ電極20、終端電極40、終端電極50及び樹脂枠30を挟んだ後、ボルトB及びナットNによって、一対の拘束プレート60A,60Bを拘束することで、蓄電装置10が得られる。
蓄電装置10を駆動すると、各電池セルC内でガスが発生し、収容室R1内の圧力が増加する場合がある。各電池セルCを画成する樹脂枠30の内壁面30aには、V字溝80が形成されていることから、電池セルC内に生じた圧力は、V字溝80の内面(内側面80b及び内側面80c)に垂直に作用する。そのため、V字溝80が形成されていない場合に比べて、樹脂枠30に作用する力が種々の方向に分散され、樹脂枠30を外側に押す力(複数のバイポーラ電極20の積層方向に直交する方向の力)が低下する。よって、集電体21が樹脂枠30から外れたり、樹脂枠30と集電体21との界面近傍が破損することが抑制されるので、樹脂枠30による隣り合う集電体21間のシール性を安定して維持し易い。
V字溝80が有する内側面80b及び内側面80cに電池セルC内の圧力が印加されると、内側面80b及び内側面80cを介して、複数のバイポーラ電極20の積層方向において上向き及び下向きの力が生じる。換言すれば、樹脂枠30を集電体21に押しつける力が生じる。その結果、樹脂枠30と集電体21がより密着し、樹脂枠30によるシール性が向上する。
V字溝80が内壁面30aに形成されていることで、樹脂枠30を外側に向けて押す力が低下するので、樹脂枠30に保持されている集電体21を外側に向けて引っ張る力も低下する。そのため、集電体21の設計強度を下げることが可能であり、集電体21の厚さを薄くでき、結果として、蓄電装置10の小型化に資する。
V字溝80が、仮想平面Pに対して対称である形態では、電池セルCを画成する一対の集電体21それぞれと樹脂枠30との接合面に同様の力が作用するので、電池セルCにおけるシール性をより一層確保できる。
複数のバイポーラ電極20の積層方向からみて、蓄電装置10又は樹脂枠30の角部及びその近傍では、シール性が低下し易い。そのため、例えば、樹脂枠30の角部及びその近傍における傾斜角θを、樹脂枠30の周方向における他の部分より大きくした形態では、電池セルC内に生じる圧力に起因したシール性の低下を上記角部及びその近傍で、より効率的に防止できる。その結果、安定したシール性を確保可能である。
V字溝80の内側面80b及び内側面80cの積層方向に対する傾斜角θが15度以上60度以下である場合、樹脂枠30の成形性を確保しながらシール性をより一層確保できる。この点を、シミュレーション結果を参照して説明する。説明の便宜のため、シミュレーションの説明においても、図1に示した蓄電装置10の各要素と対応する要素には同様に符号を付し、重複する説明を省略する。
一対の集電体21及び集電体21の間が樹脂枠30でシールされた電池セルCをモデルとして、シミュレーションを行った。樹脂枠30の材料には、変性PPEを採用し、集電体21としてNi箔を想定した。樹脂枠30には、集電体21の厚さ方向における2つの集電体21の間の中心をとおり上記厚さ方向に直交する仮想平面Pに対して対称な形状を有するV字溝80を想定した。
シミュレーションでは、電池セルC内に温度25℃で、内圧1.2MPaのガスが発生したと仮定した状態で、V字溝80を構成する内側面80b(内側面80c)と積層方向とのなす角度である傾斜角θを0度〜90度まで10度刻みで変化させた場合のそれぞれについて、集電体21のうち樹脂枠30に埋設されている部分に作用する面圧(MPa)を計算した。上記面圧として、電池セルC内の圧力に起因して生じる力を計算した。傾斜角θが0度である場合は、V字溝80が形成されていない場合に相当する。シミュレーション結果は、図3に示したとおりである。図3において、横軸は、傾斜角θ(度)を示しており、縦軸は、面圧(MPa)を示している。
本願発明者らの実験によれば、集電体21への面圧が0.2MPa未満以下であるとシール性が低下し、集電体21を樹脂枠30で安定して保持できないことがわかっている。したがって、図3において、面圧が0.2MPa以上であれば、シール性を確実に保持できるので、傾斜角θは、面圧が0.2MPa以上を実現可能な15度以上であることが好ましい。一方、樹脂枠30を射出成形で形成する際、傾斜角θとして60度を超えると、金型から樹脂枠30を取り出しにくい。したがって、傾斜角θは60度以下が好ましい。そのため、シール性を確保しながら、樹脂枠30を容易に形成するために、傾斜角θは、15度以上60度以下であることが好ましい。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
V字溝80は、樹脂枠の内壁面のうち複数のバイポーラ電極の積層方向において隣り合う集電体の間の部分全体に形成されていなくてもよい。例えば、図4に示したように、複数のバイポーラ電極20の積層方向において、一対の集電体21及び集電体21と、V字溝80との間に平坦部31が形成されていてもよい。このようは平坦部31とV字溝80とを有する樹脂枠は、例えばV字溝80が形成されていない樹脂枠を一旦作製し、その後、切削加工でV字溝80を形成することで得られる。そして、そのように樹脂枠を形成した後、バイポーラ電極20を樹脂枠にはめ込み一体化すればよい。樹脂枠に形成される凹部は、V字溝に限定されず、U字状の溝でもよい。更に、例えば、図5に示した凹部80Aのように、内面が曲面の凹部であってもよい。凹部は、図2に例示した仮想平面Pに対して対称でなくてもよい。
10…蓄電装置、20…バイポーラ電極、21…集電体、21a…第1の面、21b…第2の面、22…正極層、23…負極層、30…樹脂枠、30a…内壁面、30b…外壁面、31…平坦部、70A…単電池要素、80…V字溝(凹部)、80b…内側面(傾斜面)、80c…内側面(傾斜面)、P…仮想平面、S…セパレータ。
Claims (7)
- セパレータを介して積層される複数のバイポーラ電極と、
前記複数のバイポーラ電極を保持する樹脂枠と、
を備える蓄電装置であって、
複数の前記バイポーラ電極のそれぞれは、
集電体と、
前記集電体の第1の面に設けられる正極層と、
前記集電体における前記第1の面と反対側の第2の面に設けられる負極層と、
を有し、
複数の前記バイポーラ電極は、隣接する前記正極層と前記負極層との間に前記セパレータが挟まれてなる単電池要素を構成するように、配置されており、
前記樹脂枠は、複数の前記バイポーラ電極の積層方向において隣り合う集電体の間をシールするように、複数の前記バイポーラ電極が有する複数の前記集電体の周縁部を取り囲んで複数の前記集電体を保持しており、
前記積層方向に隣り合う前記集電体の間において、前記樹脂枠の内壁面には、凹部が形成されている、
蓄電装置。 - 前記凹部は、前記内壁面側から前記樹脂枠の外壁面側に向けて先細りしたV字溝である、
請求項1に記載の蓄電装置。 - 前記凹部は、複数の前記バイポーラ電極の積層方向において対向しており前記積層方向と交わる一対の傾斜面を有し、
各前記傾斜面と、前記積層方向との為す角度は、15度以上60度以下である、
請求項1又は2に記載の蓄電装置。 - 前記凹部の内面は曲面である、
請求項1に記載の蓄電装置。 - 前記凹部は、複数の前記バイポーラ電極の前記積層方向に隣り合う前記集電体の間の中心をとおり前記積層方向に直交する仮想平面に対して対称な形状を有する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電装置。 - 前記樹脂枠の内壁面のうち、複数の前記バイポーラ電極の積層方向に隣り合う前記集電体の間の部分において、前記凹部と前記集電体との間に平坦部が形成されている、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄電装置。 - 前記凹部は、前記積層方向からみて前記樹脂枠の周方向に沿って形成されており、
前記周方向における一部の前記凹部の形状は、他の部分の前記凹部の領域と異なる、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の蓄電装置。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019220273A (ja) * | 2018-06-15 | 2019-12-26 | 株式会社豊田自動織機 | 電池モジュール |
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2016
- 2016-09-23 JP JP2016185845A patent/JP2018049790A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019220273A (ja) * | 2018-06-15 | 2019-12-26 | 株式会社豊田自動織機 | 電池モジュール |
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