JP2019125565A - 蓄電モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】枠体にて保持される集電体の一部への負荷の集中による不具合の発生を抑制できる蓄電モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】蓄電モジュールの製造方法は、板形状を呈する集電体を準備する工程と、集電体が有する一対の板面のうち一方の板面である第1面上に正極層を形成する工程と、集電体の一対の板面のうち他方の板面である第2面上に負極層を形成する工程と、集電体の外周縁部を覆う枠体を形成する工程と、集電体の厚さ方向に交差する交差方向にて、第1面の正極層が設けられる領域並びに第2面の負極層が設けられる領域と、外周縁部との間に位置する集電体の露出部に対してロールヘミング加工を施すことによって、露出部の少なくとも一部に湾曲部を形成する工程と、を備える。【選択図】図6
Description
本発明は、蓄電モジュール及びその製造方法に関する。
蓄電装置として、バイポーラ電極が積層された積層体を有する蓄電モジュールが知られている。下記特許文献1には、集電体と、集電体の一方面上に設けられた正極層と、集電体の他方面上に設けられた負極層とを含むバイポーラ電極が積層された積層体を有する蓄電モジュールが開示されている。
上述したようなバイポーラ電極の集電体は、蓄電モジュールの製造時に印加される外力、及び蓄電モジュールの充放電時の内圧変動等に起因して変形してしまうことがある。この集電体の変形を抑制するために、例えば、各バイポーラ電極の集電体の縁部を枠体によって保持することがある。
しかしながら、集電体を枠体によって保持すると、上記外力及び上記内圧変動に起因して、集電体において正極層及び負極層のいずれかが設けられている部分と、正極層及び負極層のいずれも設けられていない部分との境界に負荷(応力)が集中しやすくなる。また、集電体において枠体によって保持される縁部と、当該枠体によって保持されない部分との境界にも、負荷が集中する傾向にある。この負荷の集中に起因して集電体及び/または枠体の破断等が発生し、電気抵抗の増加、電池内での短絡、電解液の漏洩等の不具合が生じるおそれがある。
本発明の一側面の目的は、枠体にて保持される集電体の一部への負荷の集中による不具合の発生を抑制できる蓄電モジュール及びその製造方法を提供することである。
本発明の一側面に係る蓄電モジュールの製造方法は、板形状を呈する集電体を準備する工程と、集電体が有する一対の板面のうち一方の板面である第1面上に正極層を形成する工程と、集電体の一対の板面のうち他方の板面である第2面上に負極層を形成する工程と、集電体の外周縁部を覆う枠体を形成する工程と、集電体の厚さ方向に交差する交差方向にて、第1面の正極層が設けられる領域並びに第2面の前記負極層が設けられる領域と、外周縁部との間に位置する集電体の露出部に対してロールヘミング加工を施すことによって、露出部の少なくとも一部に湾曲部を形成する工程と、を備える。
この蓄電モジュールの製造方法によれば、露出部の少なくとも一部に湾曲部を形成する。このため、蓄電モジュールの充放電時等に集電体に対して圧力が印加されたとき、湾曲部が水平方向に沿って容易に圧縮される。これにより、例えば集電体において第1面の正極層が設けられる領域並びに第2面の前記負極層が設けられる領域と、集電体の露出部との境界、及び、集電体において枠体によって保持される外周縁部と、集電体の露出部との境界に集中する負荷が、湾曲部によって良好に分散される。したがって、枠体にて保持される集電体の一部への負荷の集中による不具合の発生を抑制できる。加えて、上記湾曲部は、集電体の露出部に対してロールヘミング加工を施すことによって形成される。これにより、集電体の寸法及び形状、もしくは露出部の位置が変化した場合であっても、新たな金型等を準備することなく湾曲部を形成できる。したがって、寸法等が異なる複数の蓄電モジュールを低コストにて製造できる。
湾曲部を形成する工程は、正極層を形成する工程と、負極層を形成する工程との前に実施されてもよい。この場合、湾曲部を容易且つ良好な形状にて形成できる。
湾曲部を形成する工程は、正極層を形成する工程と、負極層を形成する工程との後に実施されてもよい。この場合、集電体と、正極層と、負極層とを有するバイポーラ電極の品質を良好なものにできる。
湾曲部を形成する工程は、枠体を形成する工程の前に実施されてもよい。この場合、複数のバイポーラ電極を積層してからロールヘミング加工を行うことによって、ロールヘミング加工によって形成される湾曲部を積層方向における同じ位置に形成することができる。加えて、一度に複数のバイポーラ電極に対してロールヘミング加工を行うことができるので、蓄電モジュールの生産性を向上できる。
湾曲部を形成する工程は、ロールヘミング加工によって第1湾曲部を露出部に形成する工程と、露出部にて第1湾曲部よりも外側に、ロールヘミング加工によって第2湾曲部を形成する工程と、を有してもよい。この場合、湾曲部毎に印加される負荷を小さくできるので、第1湾曲部及び第2湾曲部の破損を抑制できる。
第1湾曲部を形成する工程と、第2湾曲部を形成する工程とは、連続して実施されてもよい。この場合、短時間にて第1湾曲部及び第2湾曲部の両方を形成できる。
厚さ方向にて、第1湾曲部の突出量は、第2湾曲部の突出量よりも大きくてもよい。この場合、蓄電モジュールの充放電反応に伴って発生する負荷が、集電体において正極層及び負極層のいずれかが設けられている部分と、露出部との境界に集中しやすいところ、当該負荷は、当該境界に近い第1湾曲部によって良好に分散できる。
湾曲部は、厚さ方向から見て波線形状を呈してもよい。この場合、湾曲部の特定箇所のみに負荷が集中することを抑制できる。
本発明の他の一側面に係る蓄電モジュールは、複数のバイポーラ電極を備える蓄電モジュールであって、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、複数のバイポーラ電極の積層方向に交差する交差方向に延在する板形状を呈し、交差方向に延在する一対の板面、及び交差方向におけるバイポーラ電極の周囲に配置された枠体によって覆われて保持される外周縁部を有する集電体と、集電体の一対の板面のうち一方の板面である第1面上に設けられ、交差方向にて外周縁部よりも内側に位置する正極層と、集電体の一対の板面のうち他方の板面である第2面上に設けられ、交差方向にて外周縁部よりも内側に位置する負極層と、を含み、集電体には、交差方向にて、外周縁部と、第1面の正極層が設けられる領域並びに第2面の負極層が設けられる領域との間に位置する露出部が設けられ、露出部には、ロールヘミング加工によって湾曲形状を呈する湾曲部が設けられる。
この蓄電モジュールによれば、集電体の露出部には、ロールヘミング加工によって湾曲形状を呈する湾曲部が設けられる。このため、蓄電モジュールの充放電時等に集電体に対して圧力が印加されたとき、湾曲部が交差方向に沿って容易に圧縮される。これにより、例えば集電体において第1面の正極層が設けられる領域並びに第2面の前記負極層が設けられる領域と、集電体の露出部との境界、及び、集電体において枠体によって保持される外周縁部と、集電体の露出部との境界に集中する負荷が、湾曲部によって良好に分散される。したがって、枠体にて保持される集電体の一部への負荷の集中による不具合の発生を抑制できる。加えて、上記湾曲部は、集電体の露出部に対してロールヘミング加工を施すことによって形成される。これにより、集電体の寸法及び形状、もしくは露出部の位置が変化した場合であっても、新たな金型等を準備することなく湾曲部を形成できる。したがって、寸法等が異なる複数の蓄電モジュールが低コストにて製造可能になる。
本発明の一側面によれば、集電体の一部に負荷が集中することによる不具合の発生を抑制できる蓄電モジュール及びその製造方法を提供できる。加えて、寸法等が異なる複数の蓄電モジュールを低コストにて製造できる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。なお、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図1を参照しながら、蓄電装置の実施形態について説明する。図1は、実施形態に係る蓄電モジュールを備える蓄電装置を示す概略断面図である。図1に示される蓄電装置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。蓄電装置10は、複数(本実施形態では3つ)の蓄電モジュール12を備えるが、単一の蓄電モジュール12を備えてもよい。蓄電モジュール12は、バイポーラ電池である。蓄電モジュール12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等の二次電池である。二次電池は、全固体電池であってもよい。また、蓄電モジュール12は、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。
複数の蓄電モジュール12は、例えば金属板等の導電板14を介して積層される。複数の蓄電モジュール12の積層方向(Z方向)から見て、蓄電モジュール12及び導電板14は、例えば矩形形状を呈する。各蓄電モジュール12の詳細については後述する。導電板14は、複数の蓄電モジュール12の積層方向において両端に位置する蓄電モジュール12の外側にもそれぞれ配置される。導電板14は、隣り合う蓄電モジュール12と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール12が積層方向に直列に接続される。積層方向において、一端に位置する導電板14には正極端子24が接続されており、他端に位置する導電板14には負極端子26が接続されている。正極端子24は、接続される導電板14と一体であってもよい。負極端子26は、接続される導電板14と一体であってもよい。正極端子24及び負極端子26は、複数の蓄電モジュール12の積層方向に交差する方向(本実施形態では図1に示すX方向)に延在している。これらの正極端子24及び負極端子26により、蓄電装置10の充放電を実施できる。以下では、蓄電モジュール同士が積層する方向を単に「積層方向」とする。本実施形態では、「積層方向から見る」は、平面視に相当する。
導電板14は、蓄電モジュール12において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板14の内部に設けられた複数の空隙14aを空気や気体等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール12からの熱を効率的に外部に放出できる。各空隙14aは、例えば積層方向に交差する方向(本実施形態では図1に示すY方向)に延在する。積層方向から見て、導電板14は、蓄電モジュール12よりも小さいが、蓄電モジュール12と同じかそれより大きくてもよい。
蓄電装置10は、交互に積層された蓄電モジュール12及び導電板14を積層方向に拘束する拘束部材16を備え得る。拘束部材16は、一対の拘束プレート16A,16Bと、拘束プレート16A,16B同士を連結する連結部材(ボルト18及びナット20)とを備える。各拘束プレート16A,16Bと導電板14との間には、例えば樹脂フィルム等の絶縁フィルム22が配置される。各拘束プレート16A,16Bは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向から見て、各拘束プレート16A,16B及び絶縁フィルム22は例えば矩形形状を呈する。絶縁フィルム22は導電板14よりも大きくなっており、各拘束プレート16A,16Bは、蓄電モジュール12よりも大きくなっている。積層方向から見て、拘束プレート16Aの縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔16A1が蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向から見て、拘束プレート16Bの縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔16B1が蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。積層方向から見て各拘束プレート16A,16Bが矩形形状を呈している場合、挿通孔16A1及び挿通孔16B1は、拘束プレート16A,16Bの角部に位置する。
一方の拘束プレート16Aは、負極端子26に接続された導電板14に絶縁フィルム22を介して突き当てられ、他方の拘束プレート16Bは、正極端子24に接続された導電板14に絶縁フィルム22を介して突き当てられている。ボルト18は、例えば一方の拘束プレート16A側から他方の拘束プレート16B側に向かって挿通孔16A1及び挿通孔16B1に通される。他方の拘束プレート16Bから突出するボルト18の先端には、ナット20が螺合されている。これにより、絶縁フィルム22、導電板14及び蓄電モジュール12が挟持されてユニット化されると共に、積層方向に拘束荷重が付加される。
図2を参照して、蓄電装置を構成する蓄電モジュールについて説明する。図2は、図1の蓄電装置を構成する蓄電モジュールを示す概略断面図である。図2に示される蓄電モジュール12は、積層方向に沿って積層された複数のバイポーラ電極32を含む積層体30を備える。積層方向から見て、積層体30は、例えば矩形形状を呈する。積層方向に沿って隣り合うバイポーラ電極32同士の間には、セパレータ40が配置され得る。すなわち、積層体30は、複数のバイポーラ電極32と、複数のセパレータ40とを有する。
蓄電モジュール12は、積層方向に延在し、積層体30を収容する筒状の樹脂部50を備える。樹脂部50は、積層体30を取り囲むように構成されている部材である。樹脂部50は、バイポーラ電極32の積層方向から見て、例えば矩形の枠形状を呈している。すなわち、樹脂部50は、例えば角筒形状を呈している。樹脂部50を構成する樹脂材料としては、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)等が挙げられる。樹脂部50は、例えば射出成形等によって形成される。
樹脂部50は、積層体30に接触して保持する複数の第1シール部52と、積層方向に交差する交差方向(X方向及びY方向、以下では「水平方向」と呼称される)において第1シール部52の外側に設けられた第2シール部54とを有する。第2シール部54は、第1シール部52とシールされた状態で設けられている。すなわち、積層方向から見て、第1シール部52は積層体30の周囲に設けられて複数のバイポーラ電極32を保持しており、筒状の第2シール部54は第1シール部52の周囲に設けられている。
樹脂部50の内壁を構成する第1シール部52は、対応するバイポーラ電極32を保持するために設けられており、対応するバイポーラ電極32(すなわち積層体30)の各縁を全周にわたって覆う枠体である。第1シール部52は、水平方向において対応するバイポーラ電極32の周囲に配置される。積層方向において、第1シール部52の厚さは、バイポーラ電極32の厚さと、セパレータ40の厚さとの合計よりも大きい。第1シール部52は、例えばバイポーラ電極32に液密及び気密に溶着されることによって形成される。また、積層方向において隣り合う第1シール部52同士は、液密及び気密に溶着されている。これにより、積層方向に隣り合うバイポーラ電極32間には、当該バイポーラ電極32,32と第1シール部52とによって液密及び気密に仕切られた内部空間が形成されている。当該内部空間には、例えば水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、もしくはこれらの混合液等のアルカリ溶液からなる電解液(不図示)が収容されている。なお、「内部空間の体積」と言う場合は、セパレータ40の空隙を含む体積を意味する。
樹脂部50の外壁を構成する第2シール部54は、積層方向に延在する第1シール部52の外周面52aを覆っている。第2シール部54の内周面は、第1シール部52の外周面52aに例えば溶着されており、その外周面52aをシールする。すなわち、第2シール部54は、第1シール部52の外周面52aに接合されている。第1シール部52に対する第2シール部54の溶着面(接合面)は、例えば4つの矩形平面を呈する。
次に、図2に加えて図3(a),(b)及び図4を参照しながら、バイポーラ電極32について詳細に説明する。図3(a)は、蓄電モジュールの概略平面図であり、図3(b)は、図3(a)にて一点鎖線で囲った領域の拡大図である。図4は、蓄電モジュールの要部拡大断面図である。図2及び図4に示されるように、複数のバイポーラ電極32のそれぞれは、集電体34と、正極層36と、負極層38とを備える。集電体34は、積層方向に交差する一対の板面を有している。集電体34の一対の板面のうち一方の板面である第1面34a上には正極層36が設けられ、集電体34の一対の板面のうち他方の板面である第2面34b上には負極層38が設けられている。このため、集電体34は、積層方向に沿って正極層36と負極層38とによって挟持されている。
集電体34は、積層方向に交差する水平方向に延在する板形状を呈する可撓性の導電体である。このため、集電体34の厚さ方向は、積層方向に相当する。集電体34は、例えばニッケル箔、メッキ処理が施された鋼板、またはメッキ処理が施されたステンレス鋼板である。鋼板としては、例えばJIS G 3141:2005にて規定される冷間圧延鋼板(SPCC等)が挙げられる。ステンレス鋼板としては、例えばJIS G 4305:2015にて規定されるSUS304等が挙げられる。集電体34の厚さは、例えば0.1μm以上1000μm以下である。正極層36を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極層38を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。バイポーラ電極32の製造直後において、集電体34の第1面34aにおける正極層36の領域は、集電体34の第2面34bにおける負極層38の領域に対して一回り大きくてもよい。
図3(a)及び図4に示されるように、集電体34の周縁部34cは、正極層36及び負極層38が設けられない未塗工領域となっている。換言すると、正極層36及び負極層38のそれぞれは、水平方向において集電体34の周縁部34cよりも内側に位置するように設けられる。周縁部34cの縁側に位置する外周縁部61は、樹脂部50の第1シール部52によって覆われている。このため、集電体34の外周縁部61は、第1シール部52に埋没した状態で保持されている。また、周縁部34cには、水平方向にて、第1面34aの正極層36が設けられる領域並びに第2面34bの負極層38が設けられる領域と、外周縁部61との間に位置する露出部62が設けられる。第1面34aの正極層36が設けられる領域は、第1面34aにおいて正極層36に接触する領域に相当する。同様に、第2面34bの負極層38が設けられる領域は、第2面34bにおいて負極層38に接触する領域に相当する。水平方向に沿って、露出部62は、集電体34において正極層36及び負極層38の両方に対して積層方向に沿って重なる領域と、外周縁部61との間に位置してもよい。すなわち、露出部62は、水平方向に沿って、集電体34の塗工領域と、外周縁部61との間に位置してもよい。
露出部62は、集電体34において第1シール部52が形成される領域(すなわち、外周縁部61)と、正極層36が形成される領域と、負極層38が形成される領域とのいずれからも露出する部分である。ここで正極層36が形成される領域とは、集電体34の第1面34aにおいて正極層36が後に形成される領域であり、既に正極層36が形成された領域であってもよい。同様に、負極層38が形成される領域とは、集電体34の第1面34aにおいて負極層38が後に形成される領域であり、既に負極層38が形成された領域であってもよい。露出部62は、水平方向における第1シール部52と負極層38との間に位置し、水平方向に沿った第1シール部52と負極層38との間隔S1より長い長尺部71を有する。このため、長尺部71の長さは、第1シール部52と負極層38との水平方向に沿った間隔S1よりも大きい。本実施形態では、間隔S1は、蓄電モジュール12の製造直後の負極層38の端面38aと、第1シール部52の内周面52bとのX方向に沿った間隔とする(図4を参照)。
長尺部71には、積層方向に沿って突出する湾曲形状を呈する湾曲部71aが設けられている。図3(a)に示されるように、湾曲部71aは、積層方向から見て負極層38を囲うように集電体34に設けられた枠形状を呈する溝として構成される。このため、長尺部71は、積層方向から見て集電体34の四辺に沿うように集電体34に設けられており、露出部62の全体にわたって設けられている。したがって本実施形態では、露出部62と長尺部71とは、実質的に同一になっている。本実施形態では、湾曲部71aは、積層方向から見て、角が丸まった四角枠形状を呈するように設けられている。加えて図3(b)に示されるように、湾曲部71aは、積層方向から見て波線形状になるように形成されている。
湾曲部71aは、例えば露出部62の一部に形成される加工部分である(詳細は後述する)。本実施形態では、湾曲部71aは、水平方向から見て弓なりに湾曲されており、略円弧形状を呈している。上述したように集電体34は可撓性を示すことから、湾曲部71aは水平方向に圧縮可能に構成されている。例えば、集電体34が負極層38等からの荷重に応じて延伸するとき、湾曲部71aが圧縮される。
湾曲部71aは、負極層38から正極層36に向かって突出するように湾曲している。これは、負極層38は、正極層36よりも蓄電モジュール12の充放電等により膨張しやすい傾向にあるからである。このため、湾曲部71aが正極層36側に向かって突出する湾曲形状を呈することによって、負極層38の膨張によって集電体34に印加される圧力を、湾曲部71aの圧縮によって好適に分散できる。例えば、蓄電モジュールが多数の充放電反応を実施した後、負極活物質(例えば、水素吸蔵合金)の体積の膨張率は、正極活物質(例えば、水酸化ニッケル)の体積の膨張率よりも数倍になることがある。負極層38の膨張は、例えば、蓄電装置の充電時に水素吸蔵合金が水素を吸蔵すること、及び、充放電反応の繰り返しに伴って水素吸蔵合金が微粉化することによって発生する。水素吸蔵合金の微粉化は、水素吸蔵合金が水素の吸蔵放出を繰り返す時、水素の動きに起因した応力が、水素吸蔵合金の粒子の内部に繰り返し付加される。これにより、粒子内部の結晶粒界や結晶亜粒界に転位が蓄積されて空孔が発生及び成長し、合金内に亀裂が進展することによって発生する。
積層方向における湾曲部71aの最大突出量E1は、積層方向に沿って隣り合う集電体34間の距離よりも小さい。この場合、隣り合う集電体34同士の短絡を防止できる。本実施形態では、最大突出量E1は、バイポーラ電極32の厚さよりも薄ければよい。隣り合うバイポーラ電極32の間にはセパレータ40が存在するため、隣り合う集電体21との接触はセパレータ40によって阻害され、当該集電体21同士の短絡を生じないためである。最大突出量E1は、例えば正極層36の厚さの0.3倍以上1倍未満が好ましい。最大突出量E1が0.3倍以上であることによって、湾曲部71aが水平方向に沿って良好に圧縮されて圧力が分散される。最大突出量E1が1倍未満であることによって、セパレータ40が圧縮されて湾曲することによって当該セパレータ40の位置ずれが生じ、短絡が発生することを抑制できる。最大突出量E1は、湾曲部71aにおいて最も突出している最大突出点Pから、集電体34の第1面34aまでの積層方向に沿った距離に相当する。なお、湾曲部71aの最大突出量E1は、必ずしも一定でなくてもよい。例えば、一部の湾曲部71aの最大突出量は、他の部分の最大突出量よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。
水平方向において、セパレータ40の外周縁40aは、湾曲部71aの最大突出点Pと第1シール部52との間に位置する。換言すると、水平方向におけるセパレータ40の外周縁40aは、湾曲部71aの最大突出点Pよりも第1シール部52側に位置する。この場合、積層方向において正極層36側に位置する隣の集電体34と、最大突出点Pとの接触が、セパレータ40によって防止できる。本実施形態では、セパレータ40の外周縁40aは第1シール部52と離間しているが、当該外周縁40aは第1シール部52に接触してもよい。この場合、湾曲部71aが圧縮し、最大突出点Pが湾曲部71aの圧縮前の位置から移動した場合であっても、集電体34同士の短絡はセパレータ40によって防止できる。なお、セパレータ40は、例えば矩形形状を呈するシート状の絶縁部材である。セパレータ40を形成する材料としては、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、ポリプロピレン等からなる織布又は不織布等が例示される。また、セパレータ40は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されたものであってもよい。
積層方向において、積層体30の一端(図示上側)には、内側面(図示下側の面)に正極層36が配置された集電体34が配置される。この集電体34は、正極側の終端電極に相当する。積層方向において、積層体30の他端(図示下側)には、内側面(図示上側の面)に負極層38が配置された集電体34が配置される。この集電体34は負極側の終端電極に相当する。これら終端電極の集電体34は、それぞれ隣り合う導電板14(図1参照)に接続される。本実施形態に係る積層体30は、積層された複数のバイポーラ電極32と、積層方向における各終端電極とにより構成されている。積層体30の両端に配置された各終端電極の集電体34の外周縁部も、第1シール部52に埋没した状態で保持されている。
次に、図5を参照しながら本実施形態の蓄電モジュール12の製造方法の一例を説明する。図5は、蓄電モジュール12の製造方法を説明するためのフローチャートである。
まず、板形状を呈する集電体34を準備する(第1工程S1)。次に、集電体34の第1面34a上に正極層36を形成する(第2工程S2)。第2工程S2では、例えば、第1面34a上に正極活物質を塗布することによって正極層36が形成される。次に、集電体34の第2面34b上に負極層38を形成する(第3工程S3)。第3工程S3では、例えば第2面34b上に負極活物質を塗布することによって負極層38が形成される。
次に、集電体34の未塗工領域である周縁部34cに対してロールヘミング加工を施すことによって、湾曲部71aを形成する(第4工程S4)。本実施形態のロールヘミング加工は、プレス加工のように一対の金型を用いる代わりに、例えば後述するヘミング加工装置を用いて対象物を塑性変形させる加工方法である。ヘミング加工装置を用いた対象物の塑性変形は、例えば、折曲加工による対象物の変形だけでなく、凹部又は凸部を形成するための対象物の変形等も含まれる。以下にて、図6を参照しながらヘミング加工装置、及びヘミング加工装置を用いた第4工程S4の詳細について説明する。図6は、本実施形態のロールヘミング加工を説明するための図である。
図6に示されるように、本実施形態のヘミング加工装置80は、シャフト81と、シャフト81の先端部81aに交換可能に固定されるローラ82と、シャフト81の基端側に設けられる駆動部83とを備える。シャフト81は、その軸線周りに回転自在に駆動部83に取り付けられており、略円柱形状を呈している部材である。ローラ82は、シャフト81の回転に連動して回転する部材であって、略独楽形状または略球形状を呈する。ローラ82は、ロールヘミング加工時に集電体34に接触する凸曲面82aを有する。凸曲面82aは、ローラ82の周方向に沿って全周にわたって設けられる凸円弧から構成されており、シャフト81の軸線に対して直交する方向に対して突出するように湾曲した面である。ローラ82の断面において、凸曲面82aの曲率半径は、一定又は略一定であることが好ましい。これにより、湾曲部71aの曲率半径が一定又は略一定になる。また、シャフト81の軸線方向に沿ったローラ82の寸法は、負極層38と第1シール部52との間隔S1未満であることが好ましい。これにより、第4工程S4にて負極層38及び第1シール部52とローラ82との接触を抑制できる。駆動部83は、シャフト81及びローラ82の回転を制御する部材であり、シャフト81を回転させるモータ、当該モータの駆動を制御する制御装置等を有する。駆動部83は、上下左右に移動可能に構成されている。このため、シャフト81及びローラ82は、駆動部83の移動に伴って上下左右に移動可能になっている。
第4工程S4では、まず、上述したヘミング加工装置80のシャフト81及びローラ82を回転させる。次に、集電体34の周縁部34cにおいて水平方向に沿って外周縁部61よりも内側の部分(後の露出部62)における第2面34bに、ローラ82の凸曲面82aを当接させる。次に、ローラ82を積層方向において正極層36側に移動させることによって、周縁部34cの上記部分をローラ82の凸曲面82aの形状に沿って塑性変形させる。そして、駆動部83が集電体34の外周縁部61に沿って移動することによって、ローラ82が集電体34の露出部62上を走査される。これにより、湾曲部71aを外周縁部61に沿って延在するように形成する。このようなロールヘミング加工によって湾曲部71aを形成することによって、湾曲部71aにおける金属組織は、ローラ82の走査方向に沿って配向される傾向にある。この金属組織の配向は、金属顕微鏡、走査型電子顕微鏡等にて確認可能であり、且つ、例えばプレス加工によって湾曲部を設けた場合の金属組織の配向と区別可能である。以上により、集電体34、正極層36、及び負極層38を有すると共に、周縁部34cに湾曲部71aが外周縁部61に沿って設けられたバイポーラ電極32が形成される(以上、図2〜図4等を参照)。
第4工程S4では、湾曲部71aが所望の形状になるまで集電体34に対してロールヘミング加工を実施することが好ましい。例えば耐食性の観点から、メッキ処理が施されたステンレス鋼板を集電体34として適用する場合、当該ステンレス鋼板の特性上、スプリングバックが発生しやすい傾向にある。このため、集電体34の同一箇所に対してロールヘミング加工を複数回実施することによって、加工後の湾曲部71aを所望の形状に維持することができる。複数回ロールヘミング加工を実施する場合、所定回数毎にローラ82の大きさを変更してもよい。例えば、ローラ82の大きさを徐々に大きくしてもよい。これにより、良好な形状を呈する湾曲部71aを形成可能になる。
次に図5に戻って、集電体34の周縁部34cの外周縁部61を覆う第1シール部52を形成する(第5工程S5)。第5工程S5では、例えば外周縁部61の全体に対して樹脂を射出成形した後、当該樹脂を冷却等によって硬化することで第1シール部52を形成する。これにより、水平方向に沿って集電体34の塗工領域と、第1シール部52によって覆われた外周縁部61との間に位置する周縁部34cの露出部62に、湾曲部71aが設けられる。
次に、複数のバイポーラ電極32を積層する(第6工程S6)。第6工程S6では、積層方向において隣り合うバイポーラ電極32同士の間にセパレータ40を挟みながら、複数のバイポーラ電極32を積層する。第6工程S6では、接触する第1シール部52同士を溶着してもよい。
次に、第1シール部52の外周面52aを覆う第2シール部54を形成する(第7工程S7)。第7工程S7では、例えば外周面52aの全体に対して樹脂を射出成形した後、当該樹脂を冷却等によって硬化することで第2シール部54を形成する。なお、第7工程S7の終了後、隣り合うバイポーラ電極32と、第1シール部52とによる内部空間内には、電解液が収容される。以上の工程を経て、蓄電モジュール12が製造される。
以下では、本実施形態に係る電池モジュールの作用効果について、図7(a),(b)に示される比較例を参照しながら説明する。図7(a),(b)は、比較例に係る電池モジュールの要部拡大断面図である。図7(a)は、負極層38が膨張する前の状態を示しており、図7(b)は、負極層38が膨張した後の状態を示している。図7(a),(b)に示されるように、比較例におけるバイポーラ電極132には、本実施形態の長尺部71(より具体的には、湾曲部71a)が設けられていない。
上述したように、バイポーラ電極132が繰り返し充放電することによって、図7(b)に示されるように負極層38が膨張する傾向にある。ここで、バイポーラ電極132の集電体134の外周縁部61が第1シール部52によって拘束されているので、集電体134は、負極層38の膨張に応じて伸長することが妨げられている。このため、負極層38の膨張に起因して発生する荷重が、集電体134に印加される。この荷重は、バイポーラ電極132の構成上、膨張後の負極層38と露出部62との境界B1、及び第1シール部52と露出部62との境界B2とに集中する傾向にある。このような負荷の集中は、第1シール部52によって集電体134が拘束されているため、発生しやすくなっている。したがって比較例に係るバイポーラ電極132では、境界B1における集電体134の破断、及び/または境界B2における樹脂部50(特に、第1シール部52)の亀裂もしくは破断が発生しやすくなる。このような破断等が発生してしまうと、バイポーラ電極132の電気抵抗の増加だけではなく、蓄電モジュール12内での短絡、電解液の漏洩等の不具合が生じるおそれがある。
これに対して本実施形態に係る製造方法によって製造された蓄電モジュール12によれば、露出部62の少なくとも一部に湾曲部71aを形成する。このため、蓄電装置10の充放電時等に集電体34に対して圧力が印加されたとき、湾曲部71aが水平方向に沿って容易に圧縮される。これにより、例えば集電体34において負極層38が設けられている部分と、集電体34の露出部62との境界B1、及び、集電体34において樹脂部50によって保持される外周縁部61と、集電体34の露出部62との境界B1に集中する傾向にある負荷が、湾曲部71aによって良好に分散される。したがって、第1シール部52にて保持される集電体34の一部への負荷の集中による不具合の発生を抑制できる。
また、湾曲部71aは、集電体34の露出部62に対してロールヘミング加工を施すことによって形成される。これにより、集電体34の寸法及び形状、もしくは露出部62の位置が変化した場合であっても、新たな金型等を準備することなく湾曲部71aを形成できる。例えば、ヘミング加工装置80におけるローラ82の大きさの変更、駆動部83の移動制御の変更等によって、プレス加工と比較して集電体34の寸法変化等に対して容易に対応できる。したがって、寸法等が異なる複数の蓄電モジュールを低コストにて製造できる。
加えて、プレス加工を実施して積層方向から見て四角枠状の湾曲部を形成する場合、各辺の伸び変形歪みが各角部に集中してしまう。これにより、集電体34の未塗工領域である周縁部34cの全体が撓み、第1シール部52によって外周縁部61が良好にシールされないおそれがある。これに対してロールヘミング加工によって湾曲部71aを形成する場合、上記変形歪みが発生しにくくなる。したがって、第1シール部52によるシール性も確保できる。
さらには、ローラ82を用いて集電体34を加工する場合、圧縮残留応力が湾曲部71aに残存する傾向にある。これにより、負極層38等からの圧力に起因して集電体34が伸長する際に発生する引張応力が、上記圧縮残留応力によって緩和される。このため、露出部62における破損等が良好に抑制される。
また、例えば樹脂部50を射出成形にて形成するとき、集電体34の外周縁部61には樹脂の射出圧力が印加される。また、樹脂の射出が完了した後、当該樹脂を冷却して成形するときに、樹脂の熱収縮に起因した荷重が外周縁部61に印加される。このような圧力及び荷重もまた、湾曲部71aによって良好に分散される。上記圧力及び上記荷重は、第1シール部52及び第2シール部54のそれぞれの成形時に発生する。また、積層体30に含まれる複数のバイポーラ電極32において、各湾曲部71aは、負極層38から正極層36に向かって突出するように湾曲されている。これにより、湾曲部71aに起因したバイポーラ電極32同士の短絡が防止される。
なお、上記比較例では、上述した不具合を抑制すべく、集電体134の厚さを大きくし、その破断強度等を高くすることが考えられる。しかしながら、集電体134の厚さを大きくすると、同一外形寸法の蓄電モジュールに収容されるバイポーラ電極132の数が低減してしまい、蓄電装置の充放電特性のエネルギー量を示す電池容量が低下してしまう。加えて、蓄電装置自体の重量も増加してしまう。このため、蓄電装置を車両に搭載した場合、当該車両の燃費性能が低下してしまう。これに対して本実施形態に係る製造方法によって製造された蓄電モジュール12によれば、集電体34に湾曲部71aが設けられることによって、集電体34の厚さを低く抑えることができる。このため、蓄電装置10の軽量化も実現可能である。
湾曲部71aを形成する第4工程S4は、正極層36を形成する第2工程S2と、負極層38を形成する第3工程S3との後に実施される。このため、集電体34と、正極層36と、負極層38とを有するバイポーラ電極32の品質を良好なものにできる。
第4工程S4は、第1シール部52を形成する第5工程S5の前に実施される。このため、集電体34をクランプ装置等にて固定することによって、正極層36及び負極層38の損傷を抑制しつつ、集電体34の露出部62における所望の位置に湾曲部71aを形成できる。また、複数のバイポーラ電極32を積層してからロールヘミング加工を行うことによって、ロールヘミング加工によって形成される湾曲部71aを積層方向における同じ位置に形成することができる。加えて、一度に複数のバイポーラ電極32に対してロールヘミング加工を行うことができるので、蓄電モジュール12の生産性を向上できる。
湾曲部71aは、積層方向から見て波線形状を呈している。このため、湾曲部71aの特定箇所のみに負荷が集中することを抑制できる。
次に、図8(a),(b)及び図9を参照しながら、上記実施形態の変形例について説明する。図8(a)は、上記実施形態の第1変形例の蓄電モジュールを示す概略平面図であり、図8(b)は、図8(a)のVIIIb−VIIIb線に沿った要部拡大断面図である。図9(a)は、上記実施形態の第2変形例の蓄電モジュールを示す概略平面図であり、図9(b)は、図9(a)のIXb−IXb線に沿った要部拡大断面図である。
図8(a),(b)に示されるように、第1変形例の集電体34Aにおける長尺部71Aには、積層方向に交差する方向(図8(b)ではX方向)に沿って並ぶ第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとが設けられている。第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとのそれぞれは、水平方向から見て弓なりに湾曲されており、略円弧形状を呈している。第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとのそれぞれは、ロールヘミング加工によって設けられる。隣り合う第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとの突出方向は、互いに異なっている。具体的には、第1湾曲部71cは、第2湾曲部71dよりも集電体34Aの中心側(すなわち、負極層38側)に設けられており、負極層38から正極層36に向かって突出する湾曲形状を呈している。また、第2湾曲部71dは、露出部62において第1湾曲部71cよりも外側(すなわち、集電体34Aの外周縁部61側)に設けられており、正極層36から負極層38に向かって突出する湾曲形状を呈している。このような変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。また、第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとのそれぞれに印加される負荷を小さくできるので、第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとの破損を抑制できる。
また、第1変形例では、長尺部71Aにおいて第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとをつなぐ接続部分71eの厚さT1は、集電体34Aにおいて正極層36と負極層38とが設けられている部分の厚さT2よりも薄くなっている。具体的には、接続部分71eの厚さT1は、厚さT2の50%以上95%以下になっている。接続部分71eの厚さT1が厚さT2の50%以上であることによって、接続部分71eが容易に破断することを抑制できる。接続部分71eの厚さT1が厚さT2の95%以下であることによって、接続部分71eを起点として第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとの両方が湾曲しやすくなる。
第1変形例においては、第1湾曲部71cを形成した後に第2湾曲部71dを形成することが好ましい。これにより、集電体34の加工時に正極層36及び負極層38が損傷することを抑制できる。また、第1変形例では、積層方向に沿った第1湾曲部71cと第2湾曲部71dとの突出量は同一であるが、互いに異なってもよい。積層方向において、第1湾曲部71cの突出量は、第2湾曲部71dの突出量よりも大きいことが好ましい。これにより、蓄電モジュール12の充放電反応に伴って発生する負荷が境界B1に集中しやすいところ、当該負荷は、境界B1に近い第1湾曲部71cによって良好に分散できる。
図9(a)に示されるように、第2変形例の集電体34Bにおける長尺部71Bには、湾曲部71bが積層方向から見て渦巻き状に形成されている。湾曲部71bにおいて、積層方向に交差する方向に沿って内側に位置する部分が第1湾曲部71fに相当し、外側に位置する部分が第2湾曲部71gに相当する。このため、第1湾曲部71fと第2湾曲部71gとは、連続して形成されている。また、図9(b)に示されるように、第1湾曲部71fと第2湾曲部71gとは、互いに負極層38から正極層36に向かって突出する湾曲形状を呈している。このような第2変形例においても、第1変形例と同様の作用効果が奏される。加えて、短時間にて第1湾曲部71f及び第2湾曲部71gの両方を形成できる。
本発明に係る蓄電モジュール及びその製造方法は、上記実施形態及び上記変形例に限定されず、他に様々な変形が可能である。上記実施形態及び上記変形例では、集電体の露出部の全てが長尺部に相当しているが、これに限られない。図10は、上記実施形態の第3変形例の蓄電モジュールを示す概略平面図である。図10に示されるように、集電体34Cにおける露出部62の一部に湾曲部71aが形成されてもよい。この場合、露出部62において湾曲部71aが形成されていない部分の負極層38から第1シール部52までの長さは、負極層38と第1シール部52との間隔S1と同一になる。このような第3変形例においても、湾曲部71aが形成された部分にて荷重を分散することが可能であるので、上記実施形態と同様の作用効果が奏される。
上記実施形態において、蓄電モジュールの製造方法の各工程の順番は、限定されない。例えば、第2工程S2と第3工程S3とは、互いに逆でもよい。また、湾曲部71aを形成する第4工程S4は、第2工程S2と第3工程S3との前に実施されてもよい。この場合、湾曲部は、集電体において外周縁部よりも内側であって、正極層が形成される領域と、負極層が形成される領域との両方よりも外側に位置する領域(後の露出部)に形成されるので、正極層及び負極層へのダメージ等を考慮しなくてもよい。このため、湾曲部を容易且つ良好な形状にて形成できる。
上記実施形態及び上記変形例において、ヘミング加工装置80は、シャフト81及びローラ82とは別に、回転自在なシャフトと、当該シャフトに連動して回転可能なローラとを有してもよい。このローラは、ロールヘミング加工時において、ローラ82が集電体において当接する面と反対側の面に接触可能な凹曲面を有する。これにより、ロールヘミング加工時において、集電体は、一対のローラによって挟持可能になる。凹曲面は、当該ローラの周方向に沿って全周にわたって設けられる凹円弧から構成されており、取り付けられるシャフトの軸線方向に直交する方向に対して窪むように湾曲した面である。上記ローラの断面において、凹曲面の曲率半径は、凸曲面82aの曲率半径とほぼ同一もしくは大きくなっている。このような凹曲面を有するローラを用いることによって、湾曲部の形状を安定して形成できる。
上記実施形態と上記変形例とは、適宜組み合わせてもよい。例えば、上記第1変形例と第3変形例とは、互いに組み合わせてもよい。
上記実施形態では、湾曲部は負極層から正極層に向かって突出しているが、これに限られない。湾曲部は、正極層から負極層に向かって突出してもよい。この場合、積層体に含まれる複数のバイポーラ電極において、各湾曲部は、正極層から負極層に向かって突出するように湾曲される。また、積層方向から見た湾曲部は、波線形状を呈さなくてもよい。例えば、積層方向から見た湾曲部は、直線形状を呈してもよいし、折れ線形状を呈してもよい。
上記実施形態と、上記第1変形例と、上記第2変形例とでは、湾曲部は露出部の一部に設けられているが、これに限られない。例えば、湾曲部は、露出部の全体にわたって設けられてもよい。また、湾曲部は、露出部だけでなく外周縁部にも設けられてもよい。すなわち、湾曲部は、集電体における未塗工領域の全体に設けられてもよい。
上記第1変形例及び上記第2変形例においては、2つの湾曲部が設けられているが、3つ以上の湾曲部が設けられてもよい。この場合、隣り合う湾曲部同士の突出方向は、互いに異なっていることが好ましい。すなわち、複数の湾曲部によって略蛇腹形状が呈されていることが好ましい。これにより、集電体に荷重が印加された場合、複数の湾曲部が容易に圧縮し、当該荷重が良好に分散される。また、複数の湾曲部が露出部に設けられる場合であっても、最も負極層に近い湾曲部は、負極層から正極層に向かって突出することが好ましい。これにより、負極層側から印加される圧力を、湾曲部によって良好に分散できる。
10…蓄電装置、12…蓄電モジュール、30…積層体、32…バイポーラ電極、34,34A〜34C…集電体、34a…第1面、34b…第2面、36…正極層、38…負極層、40…セパレータ、40a…外周縁、50…樹脂部、52…第1シール部(枠体)、54…第2シール部、61…外周縁部、62…露出部、71,71A,71B…長尺部、71a,71b…湾曲部、71c,71f…第1湾曲部、71d,71g…第2湾曲部、71e…接続部分、B1,B2…境界、E1…最大突出量、P…最大突出点、S1…間隔。
Claims (9)
- 板形状を呈する集電体を準備する工程と、
前記集電体が有する一対の板面のうち一方の板面である第1面上に正極層を形成する工程と、
前記集電体の前記一対の板面のうち他方の板面である第2面上に負極層を形成する工程と、
前記集電体の外周縁部を覆う枠体を形成する工程と、
前記集電体の厚さ方向に交差する交差方向にて、前記第1面の前記正極層が設けられる領域並びに前記第2面の前記負極層が設けられる領域と、前記外周縁部との間に位置する前記集電体の露出部に対してロールヘミング加工を施すことによって、前記露出部の少なくとも一部に湾曲部を形成する工程と、
を備える蓄電モジュールの製造方法。 - 前記湾曲部を形成する工程は、前記正極層を形成する工程と、前記負極層を形成する工程との前に実施される、請求項1に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 前記湾曲部を形成する工程は、前記正極層を形成する工程と、前記負極層を形成する工程との後に実施される、請求項1に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 前記湾曲部を形成する工程は、前記枠体を形成する工程の前に実施される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 前記湾曲部を形成する工程は、
ロールヘミング加工によって第1湾曲部を前記露出部に形成する工程と、
前記露出部にて前記第1湾曲部よりも外側に、ロールヘミング加工によって第2湾曲部を形成する工程と、を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電モジュールの製造方法。 - 前記第1湾曲部を形成する工程と、前記第2湾曲部を形成する工程とは、連続して実施される、請求項5に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 前記厚さ方向にて、前記第1湾曲部の突出量は、前記第2湾曲部の突出量よりも大きい、請求項5または6に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 前記湾曲部は、前記厚さ方向から見て波線形状を呈する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の蓄電モジュールの製造方法。
- 複数のバイポーラ電極を備える蓄電モジュールであって、
前記複数のバイポーラ電極のそれぞれは、
前記複数のバイポーラ電極の積層方向に交差する交差方向に延在する板形状を呈し、前記交差方向に延在する一対の板面、及び前記交差方向における前記バイポーラ電極の周囲に配置された枠体によって覆われて保持される外周縁部を有する集電体と、
前記集電体の前記一対の板面のうち一方の板面である第1面上に設けられ、前記交差方向にて前記外周縁部よりも内側に位置する正極層と、
前記集電体の前記一対の板面のうち他方の板面である第2面上に設けられ、前記交差方向にて前記外周縁部よりも内側に位置する負極層と、を含み、
前記集電体には、前記交差方向にて、前記外周縁部と、前記第1面の前記正極層が設けられる領域並びに前記第2面の前記負極層が設けられる領域との間に位置する露出部が設けられ、
前記露出部には、ロールヘミング加工によって湾曲形状を呈する湾曲部が設けられる、
蓄電モジュール。
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