JP6680644B2 - バイポーラ型ニッケル水素電池の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、バイポーラ型ニッケル水素電池に関する。

特開２０１１−１５１０１６号公報（特許文献１）は、バイポーラ構造を有する電池を開示している。

特開２０１１−１５１０１６号公報

電池技術の分野において、バイポーラ構造とは、バイポーラ電極板が積層されて構成される電池構造を示す。バイポーラ電極板は、１枚で、正極板および負極板の両方を兼ねる。すなわち、バイポーラ電極板は、集電板、該集電板の一方の面に配置されている正極活物質層、および該集電板の他方の面に配置されている負極活物質層を含む。バイポーラ構造を採用することにより、コンパクトで高い電圧を有する電池を構成することが可能となる。

各種の電池系において、バイポーラ構造が検討されている。ニッケル水素電池は、その有力候補の一つである。しかし、バイポーラ構造を有するニッケル水素電池（以下「バイポーラ型ニッケル水素電池」と称される）は、高容量化が困難である。

電池容量が増加するためには、集電板がより多くの電極活物質を保持する必要がある。すなわち、バイポーラ電極板において、電極活物質層の面積が広くなるか、あるいは電極活物質層が厚くなる必要がある。しかしながら、電極活物質層の面積が広くなると、必然的に電池の平面サイズ（フットプリント）も大きくなる。すなわち、コンパクトな電池を構成することが困難となる。またニッケル水素電池の電極活物質（特に正極活物質）は、導電性が低い。そのため、電極活物質層が厚くなると、電池抵抗が高くなる。

本開示は、高容量化が可能なバイポーラ型ニッケル水素電池を提供することを目的とする。

本開示のバイポーラ型ニッケル水素電池は、複数のバイポーラ電極板が積層されて構成されている。
バイポーラ電極板は、集電板、正極活物質層および負極活物質層を含む。集電板は、第１面および第２面を有する。第２面は、第１面の反対面である。正極活物質層は、第１面に配置されている。負極活物質層は、第２面に配置されている。
正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一方は、導電性多孔質体を含む。導電性多孔質体は、集電板に接合されている。

以下では、正極活物質層および負極活物質層が「電極活物質層」と総称される場合がある。上記において、導電性多孔質体は、集電板に接合されている。換言すれば、導電性多孔質体を含む電極活物質層が、集電板と電気的に接触している。導電性多孔質体は、電極活物質層の厚さ方向に導電経路を形成することができる。そのため、電極活物質層が厚くなっても、電池抵抗が過度に増加することがない。したがって、コンパクトで高容量なバイポーラ型ニッケル水素電池が実現される。

バイポーラ型ニッケル水素電池の最小単位を示す概略断面図である。 バイポーラ電極板の第１製造例を説明する図である。 バイポーラ電極板の第２製造例を説明する図である。 バイポーラ電極板の第３製造例を説明する図である。 バイポーラ型ニッケル水素電池の第１構造例を示す概略断面図である。 図５のＸＹ平面を示す図である。 バイポーラ型ニッケル水素電池の第２構造例を示す概略断面図である。 バイポーラ型ニッケル水素電池の第３構造例を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」と記される）が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

以下の説明では、バイポーラ型ニッケル水素電池が「電池」と略記される場合がある。正極活物質および負極活物質が「電極活物質」と総称される場合もある。

＜バイポーラ型ニッケル水素電池＞
図１は、バイポーラ型ニッケル水素電池の最小単位を示す概略断面図である。バイポーラ型ニッケル水素電池は、複数（２枚以上）のバイポーラ電極板１００が積層されて構成されている。バイポーラ電極板１００同士の間には、セパレータ２００が配置されている。セパレータ２００は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布等でよい。セパレータ２００には、電解液が保持されている。電解液は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等でよい。電解液に代えて、ゲル状電解質が使用されてもよい。

《バイポーラ電極板》
バイポーラ電極板１００は、集電板１０、正極活物質層２０および負極活物質層３０を含む。集電板１０は、第１面１１および第２面１２を有する。第２面１２は、第１面１１の反対面である。正極活物質層２０は、第１面１１に配置されている。負極活物質層３０は、第２面１２に配置されている。

正極活物質層２０および負極活物質層３０の少なくとも一方は、導電性多孔質体を含む。すなわち、正極活物質層２０または負極活物質層３０の一方が、導電性多孔質体を含んでもよいし、正極活物質層２０および負極活物質層３０の両方が、導電性多孔質体を含んでもよい。

導電性多孔質体は、たとえば、ニッケル、銅等の金属、あるいは炭素等から構成される。導電性多孔質体は、導電性を有する限り、樹脂等から構成されていてもよい。あるいは、導電性多孔質体は、金属、炭素および樹脂等が複合化されたものであってもよい。

導電性多孔質体は、内部の空隙に、電極活物質を保持することもできる。導電性多孔質体は、たとえば、金属不織布、発泡金属、パンチングメタル、メタルメッシュ等であってもよい。あるいは導電性多孔質体は、樹脂製の不織布に金属メッキが施されたものであってもよい。

導電性多孔質体は、集電板１０に接合されている。種々の方法により、導電性多孔質体は、集電板１０と接合され得る。たとえば、抵抗溶接、超音波溶着、圧接、圧着等により、導電性多孔質体は、集電板１０に接合され得る。

＜バイポーラ電極板の製造方法＞
以下、図２〜図４により、バイポーラ電極板の製造方法が説明される。

《第１製造例》
図２は、バイポーラ電極板の第１製造例を説明する図である。第１製造例では、導電性多孔質体が電極活物質の保持体として機能する。

まず、図２（Ａ）に示されるように、集電板１０および導電性多孔質体１が準備される。集電板１０は、たとえば、ニッケル板、ニッケルメッキが施された鋼板等でよい。集電板１０は、第１面１１および第２面１２を有する。

図２（Ｂ）に示されるように、導電性多孔質体１が、第１面１１に配置される。たとえば、溶接、圧接等により、導電性多孔質体１が、集電板１０に接合される。

図２（Ｃ）に示されるように、導電性多孔質体１に、正極活物質ペースト２が充填され、乾燥される。すなわち、導電性多孔質体１内の空隙に、電極活物質が保持される。これにより、正極活物質層２０が形成される。乾燥後、正極活物質層２０が圧延されてもよい。

正極活物質ペースト２は、正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒等が混合されることにより、調製される。正極活物質は、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）₂）である。導電材は、たとえば、酸化コバルト（ＣｏＯ）、水酸化コバルト（Ｃｏ（ＯＨ）₂）等でよい。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等でよい。溶媒は、たとえば、水でよい。

第１製造例において、正極活物質ペースト２が、負極活物質ペーストに置き換えられることにより、負極活物質層３０が形成され得る。負極活物質ペーストは、負極活物質、バインダおよび溶媒等が混合されることにより、調製される。負極活物質は、水素吸蔵合金である。水素吸蔵合金は、たとえば、ＡＢ５型合金等でよい。ＡＢ５型合金としては、たとえば、ＬａＮｉ₅、ＭｍＮｉ₅等が挙げられる。ここで「Ｍｍ」はミッシュメタルと称される希土類金属の混合物を示している。バインダとしては、たとえば、正極活物質ペースト２で例示されたバインダが使用され得る。

《第２製造例》
図３は、バイポーラ電極板の第２製造例を説明する図である。第２製造例でも、導電性多孔質体が電極活物質の保持体として機能する。

図３（Ａ）に示されるように、第２製造例では、導電性多孔質体１が集電板１０の表面に配置される前に、正極活物質ペースト２が導電性多孔質体１に充填される。これにより、予め正極活物質層２０が形成される。

次いで図３（Ｂ）に示されるように、正極活物質層２０が、第１面１１に配置される。配置後、たとえば、溶接、圧接等により、正極活物質層２０（すなわち、導電性多孔質体１）が集電板１０に接合される。第２製造例においても、正極活物質ペースト２が負極活物質ペーストに置き換えられることにより、負極活物質層３０が形成され得る。

《第３製造例》
図４は、バイポーラ電極板の第３製造例を説明する図である。第３製造例では、導電性多孔質体が電極活物質層内に分散しており、導電性多孔質体が電極活物質層に保持されている。

図４（Ａ）に示されるように、第３製造例では、まず導電性多孔質体１および正極活物質３を含有する混合物４が調製される。混合物４は、バインダおよび溶媒等を含有してもよい。

次いで、図４（Ｂ）に示されるように、集電板１０の第１面１１に、混合物４が塗工され、乾燥される。これにより、導電性多孔質体１を含む正極活物質層２０が形成される。たとえば、正極活物質層２０が圧延されることにより、導電性多孔質体１が集電板１０に接合されることになる。

第３製造例においても、正極活物質３が負極活物質に置き換えられることにより、負極活物質層３０が形成され得る。

＜バイポーラ型ニッケル水素電池の構造例＞
以下、図５〜図８により、本実施形態に係るバイポーラ型ニッケル水素電池の構造例が説明される。バイポーラ型ニッケル水素電池は、高い電圧を有することができる。さらに、本開示のバイポーラ型ニッケル水素電池は、高容量でありコンパクトである。したがって、本開示のバイポーラ型ニッケル水素電池は、たとえば、電気自動車等の電源に好適である。ただし、本開示のバイポーラ型ニッケル水素電池の適用用途は、車載用途に限られない。本開示のバイポーラ型ニッケル水素電池は、あらゆる用途に適用され得る。

《第１構造例》
図５は、バイポーラ型ニッケル水素電池の第１構造例を示す概略断面図である。
電池１０００は、バイポーラ電極板１００、セパレータ２００、およびシール部３００を備える。複数のバイポーラ電極板１００は、Ｚ軸方向に積層されている。バイポーラ電極板１００同士の間には、セパレータ２００が配置されている。

図６は、図５のＸＹ平面（Ｘ軸方向およびＹ軸方向を含む平面）を示す図である。正極活物質層２０およびシール部３００は、集電板１０の表面に配置されている。シール部３００は、正極活物質層２０の周囲を取り囲んでいる。図６では図示されていないが、負極活物質層３０およびセパレータ２００も、正極活物質層２０と同様に、シール部３００により周囲を取り囲まれている。正極活物質層２０および負極活物質層３０の周縁には、絶縁処理等が施されていてもよい。

シール部３００は、たとえば、ガスケット３０１、シールリング３０２およびシール剤３０３等により構成される。ガスケット３０１およびシールリング３０２は、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）製、架橋ポリエチレン（ＰＥ）製、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）製、ＰＴＦＥ製等でよい。シール剤３０３は、たとえば、エポキシ樹脂、シリコーンゴム等でよい。

図５に示されるように、Ｚ軸方向の両端には、拘束板９００が配置されている。ボルト９０１およびナット９０２が締め付けられることにより、拘束板９００がバイポーラ電極板１００をＺ軸方向に圧迫する。これにより、集電板１０がガスケット３０１およびシールリング３０２を圧縮する。ガスケット３０１およびシールリング３０２の反発力により、シール部３００と集電板１０との隙間が封じられる。さらにシールリング３０２に、シール剤３０３が塗布されることにより、シール部３００のシール性が向上する。

このようにして、発電要素（正極活物質層２０、負極活物質層３０および電解液）は、シール部３００により、外気から隔離される。一般的な電池は、発電要素を外気から隔離するために、筐体を備えている。電池１０００では、シール部３００が筐体の機能を兼ねている。そのため、一般的な電池と比較して、電池外装が簡略化され得る。

電池１０００では、全てのバイポーラ電極板１００が直列に接続されている。電池１０００では、バイポーラ電極板１００の積層数に応じて、高い電圧が得られる。さらに本実施形態では、正極活物質層２０および負極活物質層３０が厚く形成され得る。したがって、電池１０００は、高容量でコンパクトな電池となり得る。

《第２構造例》
図７は、バイポーラ型ニッケル水素電池の第２構造例を示す概略断面図である。
電池２０００は、リードタブ４００を備える。電池２０００では、リードタブ４００により、バイポーラ電極板１００の一部が並列に接続されている。バイポーラ電極板１００が並列に接続されることにより、電池２０００の出力電流が高められる。

《第３構造例》
図８は、バイポーラ型ニッケル水素電池の第３構造例を示す概略断面図である。
電池３０００は、外装体５００を備える。外装体５００は、たとえば、アルミラミネートフィルム製の袋等でよい。リードタブ４００の一部は、外装体５００から露出しており、外部端子として機能する。外装体５００とリードタブ４００との隙間は、たとえば、樹脂３０４等により封じられる。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 導電性多孔質体、２ 正極活物質ペースト、３ 正極活物質、４ 混合物、１０ 集電板、１１ 第１面、１２ 第２面、２０ 正極活物質層、３０ 負極活物質層、１００ バイポーラ電極板、２００ セパレータ、３００ シール部、３０１ ガスケット、３０２ シールリング、３０３ シール剤、３０４ 樹脂、４００ リードタブ、５００ 外装体、９００ 拘束板、９０１ ボルト、９０２ ナット、１０００，２０００，３０００ 電池。

Claims (1)

1. 複数のバイポーラ電極板が積層されて構成されており、
   前記バイポーラ電極板は、集電板、正極活物質層および負極活物質層を含み、
   前記集電板は、第１面および第２面を有し、
   前記第２面は、前記第１面の反対面であり、
   前記正極活物質層は、前記第１面に配置されており、
   前記負極活物質層は、前記第２面に配置されており、
   前記正極活物質層および前記負極活物質層の少なくとも一方は、導電性多孔質体を含み、
   前記導電性多孔質体は、前記集電板に接合されている、バイポーラ型ニッケル水素電池の製造方法であって、
   前記導電性多孔質体および電極活物質を含有する混合物を調製すること、
   前記第１面または前記第２面に、前記混合物を塗工することにより、前記正極活物質層または前記負極活物質層を形成すること、
   および
   前記正極活物質層または前記負極活物質層を圧延することにより、前記正極活物質層または前記負極活物質層に含まれる前記導電性多孔質体と、前記集電板とを接合させること、
   を含む、
   バイポーラ型ニッケル水素電池の製造方法。