CN104321920A - 电极块、层叠电池和层叠电池的组装方法 - Google Patents

电极块、层叠电池和层叠电池的组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抑制电池内部的温度上升、防止接触不良、同时防止电极之间短路且容易组装的电池。本发明中，电极块(21)具有：由正极(23a)、负极(23b)和设置在正极与负极之间的分隔件(23ca，23cb)层叠而成的电极组(23)，设置在电极组层叠方向两端的盖部件(24)，安装在电极组和盖部件的外表面的第一保持部件(22a)；所述第一保持部件电连接至作为所述正极和所述负极中的任一电极的第一电极，而不电连接至作为所述正极和所述负极中的另一电极的第二电极。进一步地，设置在电极组和盖部件中的孔形成通孔(25)，在该通孔中安装第二保持部件(22b)，从而制造电极块。此外，通过将该电极块层叠收纳于外壳体中，将集电体插入通孔中来制造层叠电池。

Description

电极块、层叠电池和层叠电池的组装方法
技术领域
本发明涉及旨在提高冷却性能、防止短路和接触不良的电极块、层叠电池及其组装方法。
背景技术
二次电池的电极结构主要分为卷绕型和层叠型两种类型。在具有卷绕型电极结构的电池(卷绕电池，例如参见专利文献1)中，正极、负极与夹在其间的分隔件在被卷绕成螺旋状的状态下收纳于电池壳体内。在具有层叠型电极结构的电池(层叠电池，例如参见专利文献2)中，正极、负极与插入其间的分隔件交替层叠而形成的电极组收纳于电池壳体内。现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-198044号公报
专利文献2：日本特开2000-48854号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
专利文献1中所公开的卷绕电池中，低导热率的分隔件在电池表面和中心之间多层叠置。其结果，即使电池壳体的表面温度接近环境温度，卷绕电池中心部分的温度也会变得相当高。若电池内部温度变为高温，可能会损害电池的性能。
专利文献2中公开的圆筒形层叠电池形成层叠电极分别与端子相邻接而集电的结构。因此，在组装过程中，可能出现正极和负极之间发生短路的初期故障。此外，可能出现由于分隔件插入电极和端子之间而发生接触不良的问题。此外，由于反复进行充放电，电极反复发生收缩和膨胀。其结果，由于电极发生变形、移位而使得电极和端子之间发生接触不良，这可能导致产生长期故障。
为了通过组装小电池形成电池组来实现电池的大容量化，电池的连接需要大量时间和劳动。此外，如果构成电池组的电池中的一个发生故障，用正常电池替换故障电池也需要大量时间和劳动。
为解决上述问题而设计了本发明，所解决的问题是提供一种抑制电池内部的温度上升、防止接触不良，同时防止电极之间短路且容易组装的电池。
解决问题的手段
本发明所述的电极块具有：由正极、负极和设置在所述正极与所述负极之间的分隔件层叠而成的电极组，设置在所述电极组层叠方向两端的盖部件，安装在所述电极组和所述盖部件的外表面的第一保持部件；所述第一保持部件电连接至作为所述正极和所述负极中的任一电极的第一电极，而不电连接至作为所述正极和所述负极中的另一电极的第二电极。
本文所述“外表面”指的是电极组和盖部件朝向外侧的面。根据该结构，所述第一保持部件安装至所述电极组和盖部件的外侧，以保持所述电极组和所述盖部件，使二者形成一体结构。如果形成一体结构，对电极体的处理就会变得容易。第一保持部件可覆盖除盖部件的孔的周缘以外的电极组和盖部件的外侧。另外，所述第一保持部件也可至少安装至电极组和盖部件的侧面，这是因为即使不将所述第一保持部件安装在所述盖部件的表面上，所述第一保持部件也能将电极组和盖部件保持为一体。
第一保持部件可以为一张金属板或多个短条状的金属板。另外，所述第一保持部件也可以为金属箔。
此外，将第一保持部件连接至所述第一电极，用作第一电极的集电端子。所述第一电极低热阻和低电阻地连接至第一保持部件。所述第一保持部件对所述第一电极的冷却和集电产生有利影响。
第一电极产生的热量传导至第一保持部件。第二电极产生的热量通过一个分隔件传导至第一电极。电极产生的热量以低热阻传导至第一保持部件。
通过对第一保持部件的表面进行冷却，可容易地抑制电极块内部的温度上升。
电极块不具有收纳所述电极块的外壳体和第二电极的集电体。实际上，如后所述，除电极块以外，电池还具有外壳体和第二电极的集电体。电极块是电池的组成部分之一。
另外，采用这样的电极块，通过实现模块化提高了电池的生产效率。此外，与将电极单独收纳于电池壳体中的情况相比，电极块能够防止正极或负极的损坏或移位，因而防止接触不良或短路。另外，通过调整收纳于电池壳体中的电极块的数量，可简便地增加或减少电池容量。即，由于将电极块并联连接，因此，通过增加电池块的数量可容易地增加电池容量。
在电极块中，优选地，所述第一电极、所述第二电极和所述分隔件分别在其中心具有孔，所述第二电极的外缘覆有所述分隔件，所述第一电极的孔的周缘覆有所述分隔件，所述分隔件的外缘覆有所述第一电极，所述分隔件的孔的周缘覆有所述第二电极。因此，分隔件确实使得第一电极和第二电极在其外缘和孔的周缘处相隔离。因此，即使当电极发生变形时，两电极也不会在其外缘和孔的周缘处发生接触。此外，也不会发生分隔件插入电极和端子之间而引起的接触不良。分隔件的外径大于第二电极的外径，并且分隔件的孔径小于第一电极的孔径。第一电极的外径大于分隔件的外径，并且分隔件的孔径大于第二电极的孔径。
在电极块中，优选地，所述第一保持部件至少在一个侧面具有多个突起。根据该结构，所述第一保持部件至少在与第一电极相接触的表面和与其相对的表面中的任一表面具有多个突起。所述多个突起咬入第一电极，从而牢固地保持所述第一电极以维持第一电极的形状，并确保第一电极与第一保持部件相接触。另外，优选将多个突起至少设置在与第一电极相接触的表面上。通过这种方式，即使第一电极发生体积变化，多个突起也能防止第一电极和第一保持部件之间的接触不良。此外，所述电极块还可具有插入所述第一保持部件和所述第一电极之间的金属板，所述金属板至少在一个侧面上具有多个突起。
在电极块中，优选以所述第一电极的外缘露出于以袋状形成的第一分隔件外部的方式，将所述第一电极包封到所述第一分隔件中。另外，在该电极块中，可以所述第二电极的孔的内缘露出于以袋状形成的第二分隔件外部的方式，将所述第二电极包封到所述第二分隔件中。
第一分隔件具有例如内缘侧通过焊接等方式粘合而成的袋状。以从该袋状分隔件的内部露出外缘的方式包封第一电极。例如，可以将第一电极夹入片状分隔件之间并焊接两个分隔件的内缘侧的方式，制作上述第一分隔件。此外，第二分隔件具有例如外缘侧通过焊接等方式粘合而成的袋状，以从该袋状分隔件的内部露出于内缘(即，孔的周缘)的方式包封第二电极。例如，可以将第二电极夹入片状分隔件之间并焊接两个分隔件的外缘侧的方式，制作所述第二分隔件。
根据该结构，在电极块的组装过程或运输过程产生的第一电极、第二电极的碎屑和异物被捕获到袋状分隔件内部，从而防止发生内部短路。
在电极块中，优选地，所述第一保持部件具有与该电极块的侧面相邻接的侧面部和从所述侧面部向所述盖部件的中心方向折弯的折弯部。根据该结构，第一保持部件在层叠方向上的两端部形成折弯部，侧面部位于折弯部之间的位置。
在电极块中，所述第一保持部件被固定于所述盖部件的外侧面。通过该结构，第一保持部件的层叠方向端部和盖部件的外侧面相固定，使得电极块具有一体结构。由于不具有折弯部，因而电极块的轴向尺寸变短。
在电极块中，优选地，所述盖部件在中心具有孔，所述正极、所述负极、所述分隔件和所述盖部件的孔以与所述电极组和所述盖部件处于层叠状态的方式形成通孔，所述电极块还具有安装于所述通孔内表面的第二保持部件，所述第二保持部件与所述第二电极电连接而不与所述第一电极电连接。根据该结构，第二保持部件与第一保持部件共同保持电极组的形状。
在电极块中，优选地，所述第二保持部件至少在一个侧面上具有多个突起。根据该结构，第二保持部件可以至少在与第二电极相接触的表面及其相对一侧的表面中的任一表面具有多个突起。所述多个突起咬入第二电极，从而牢固地保持所述第二电极并确保接触。另外，优选将多个突起至少设置在与第二电极相接触的表面上。通过这种方式，即使第二电极发生体积变化，多个突起也能防止第二电极和第二保持部件之间的接触不良。所述电极块还可具有插入所述第二保持部件和所述第二电极之间的金属板，所述金属板至少在一个侧面上具有多个突起。
本发明所述的层叠电池具有：电极块、用于收纳所述电极块的筒状外壳体、贯穿所述电极块的所述通孔的集电体。优选地，所述第一电极电连接至所述外壳体，并且，所述第二电极电连接至所述集电体。
根据该结构，外壳体作为第一电极的集电端子发挥作用。电极块的第一保持部件与外壳体的内表面直接接触或者通过导电部件接触。由此，第一电极通过第一保持部件低热阻、低电阻地连接至外壳体，使得对第一电极的冷却和集电有效地发挥作用。
此外，集电体所贯穿的第二电极的孔的内缘全部或部分地与集电体直接接触或者通过金属板等导电性部件相连接。由第二电极产生的热经由分隔件传导至第一电极，然后低热阻地传导至外壳体。
如上所述，本发明的层叠电池无需为了抑制电池内部温度上升而在电池内部设置用于冷却剂流动的管道或散热器。因此，本发明的层叠电池制造为紧凑结构。此外，本发明的层叠电池通过对外壳体的表面进行冷却而容易地抑制电池内部的温度上升。
此外，被收纳在外壳体内的电极块可以为一块或多块。可通过调节电极块的数量简单地改变电池容量。通过将多个电极块收纳于外壳体中，在结构上使电极块串联连接。在此情况下，对于相邻的电极块而言，将第一电极通过外壳体电连接，第二电极通过集电体电连接。从而，使多个电极块并联电连接。
顺便而言，迄今为止，在使多个电池并联电连接的情况下，通过使用接线将相邻电池的正极端子之间、负极端子之间分别相连接。也就是说，在电池并联连接的情况下，接线是必不可少的，因此，具有布线工作复杂、安装空间受限的缺陷。
另一方面，本发明所述的层叠电池中，通过将多个电极块层叠于外壳体中，可使得相邻电极块的正极端子之间、负极端子之间分别电连接。也就是说，在结构上单纯地串联连接、在电学上简单地并联连接。从而，可以简单地增大层叠电池的容量。
优选地，层叠电池的所述集电体具有导电性芯棒和覆于所述芯棒外周的结构件。通过芯棒使用高导电性的材料、结构件使用耐碱性强的材料，可制成导电性高、耐碱性强的集电体。
优选地，该层叠电池还具有用于封闭所述外壳体的开口部的密封盖，所述密封盖在其外周形成有两个环形槽，所述环形槽中安装有O型环，并且，所述环形槽之间进一步具有密封部件。根据该结构，通过在用于封闭外壳体的轴向端部的开口部的密封盖中设置的O型环和密封部件，防止层叠电池内部电解液的渗漏。
优选地，该层叠电池沿所述外壳体的轴向，在所述外壳体的外周面上安装有多个散热板。该结构提高了层叠电池的冷却性能。
优选地，该层叠电池还具有贯穿所述散热板的贯穿螺栓。根据该结构，通过贯穿螺栓可将散热板、外壳体和第一电极电连接。贯穿螺栓发挥第一电极的端子的功能。
本发明所述的电池组具有：多个层叠电池；将相邻的所述层叠电池的所述贯穿螺栓相互连接的第一连接部件；将相邻的所述层叠电池的所述集电体相互连接的第二连接部件；通过所述第一连接部件和所述第二连接部件将多个所述层叠电池电连接。根据该结构，通过连接部件使多个层叠电池并联电连接。
本发明所述的电池组具有多个层叠电池和第三连接部件，所述第三连接部件将相邻的一个所述层叠电池的所述贯穿螺栓和另一所述层叠电池的所述集电体相连接，通过所述第三连接部件将多个所述层叠电池电连接。根据该结构，通过连接部件可使多个层叠电池串联电连接。
发明效果
根据如上所述的本发明，可抑制电池内部的温度上升，并可防止电极间的短路和接触不良。电池的组装变得简单。
附图说明
[图1A]表示第一实施方式所述的电极块的示意性结构的立体图。
[图1B]第一实施方式所述的电极块的轴向剖视图。
[图2A]包封于袋状分隔件内的电极的剖视图。
[图2B]包封于袋状分隔件内的正极的平面图。
[图2C]包封于袋状分隔件内的负极的平面图。
[图3A]电极块的金属板的剖视图。
[图3B]电极块的金属板的平面图。
[图4]第二实施方式所述的电极块的轴向剖视图。
[图5]第三实施方式所述的电极块的轴向剖视图。
[图6A]表示第四实施方式所述的电极块的示意性结构的立体图。
[图6B]第四实施方式所述的电极块的轴向剖视图。
[图7]表示第四实施方式所述的电极块的变形例的轴向剖视图。
[图8]表示使用电极块的层叠电池的示意性结构的立体图。
[图9]包含沿图8的IX-IX线的截面的层叠电池的侧视图。
[图10]图9的端部放大图。
[图11A]层叠电池外壳体的端部的剖面立体图。
[图11B]层叠电池外壳体的端部的剖视图。
[图12A]层叠电池集电体的局部剖面立体图。
[图12B]表示层叠电池集电体的制造工序的概略说明图。
[图13A]层叠电池第一母线的说明图。
[图13B]层叠电池第二母线的说明图。
[图14]将多个层叠电池相连接的模式图。
[图15]示出层叠电池的温度上升试验结果的图。
具体实施方式
以下将参照附图对本发明的实施方式进行说明，然而本发明并不限于这些实施方式。此外，以下描述的实施方式中，提及数量、尺寸、材料等的情况下，本发明的范围并不限于该数量、尺寸、材料等。
在对本发明各实施方式进行描述之前，首先对适用于本发明的二次电池进行描述。二次电池的类型并不限于以下所描述的类型，也可以是镍锌电池、二氧化锰电池、锌锰电池以及镍镉电池等二次电池。
<1.二次电池的类型>
[1-1.镍氢电池]
将溶剂加入储氢合金、导电性填料和粘合剂中得到糊状物，将该糊状物涂布到基板上，成形为片状，使其固化后作为负极使用。同样地，将溶剂加入羟基氧化镍(nickel oxyhydroxide)、导电性填料和粘合剂中得到糊状物，将该糊状物涂布到基板上，成形为片状，使其固化后作为正极使用。
作为导电性填料，使用碳粒子。作为粘合剂，使用将热塑性树脂溶解在水溶性溶剂中获得的树脂。作为基板，使用了发泡镍片。作为分隔件，使用了聚丙烯纤维。作为电解液，使用了KOH水溶液。
[1-2.锂离子电池]
对于负极，通过混合钛酸锂、羧甲基纤维素(CMC)和科琴碳黑(KB)，将其调制为浆状混合物。将该混合物涂布在不锈钢箔上，暂时干燥后进行加热处理，可得到负极。对于正极，通过混合磷酸铁锂、CMC、活性炭和KB，将其调制为浆料状混合物。将该混合物涂布在不锈钢箔上，暂时干燥后进行加热处理，可得到正极。
作为分隔件，可使用由聚丙烯制成的微孔膜。作为电解液，可使用1mol/L的LiPF6/EC:DEC。作为导电剂，可使用KB。作为粘合剂，可使用CMC。正极、负极和集电体可以使用不锈钢制成。
<2.电极块的实施方式>
以下，为了便于说明，将正极称为第一电极、负极称为第二电极进行说明，但并不限于此。
[2-1.第一实施方式]
图1A示出本发明第一实施方式所述的电极块的示意性立体图。图1B示出电极块的轴向示意性剖视图。如图1B所示，电极块21具有电极组23、盖部件24、第一保持部件22a和第二保持部件22b。
由袋状分隔件23c分隔的正极23a和负极23b进行层叠，构成电极组23。电极组23在其层叠方向(图1B中的方向X)的两端被夹在盖部件24之间。正极23a、负极23b、袋状分隔件23c和盖部件24分别为在中心具有孔的圆盘，并且以同心的方式层叠。盖部件24为聚丙烯材质，但也可以是其它绝缘性树脂。正极23a和负极23b覆有袋状分隔件。
图2A中示出了被形成为袋状的分隔件包封的电极的剖视图。简化起见，图2A中示出了一个正极23a和一个负极23b。除了其外缘部外，正极23a均被包在袋状分隔件23ca中。此外，除了在其中心设置的孔的周缘部外，负极23b的周围均被包在袋状分隔件23cb中。
图2B中示出了包封于袋状分隔件中的正极23a的平面图。图2C中示出了包封于袋状分隔件中的负极23b的平面图。
将正极23a夹在外径小于正极23a的外径、中心孔的直径小于正极23a孔的直径的两个分隔件之间，并通过热熔使所述分隔件彼此重叠之处(中心孔的周缘)相接合。从而，将正极23a包封于袋状分隔件23ca中。将负极23b夹在外径大于负极23b的外径、中心孔的直径大于负极23b的孔的直径的两个分隔件之间，并通过热熔使所述分隔件彼此重叠之处(外周缘)相接合。从而，将负极23b包封于袋状分隔件23cb中。
在电极块的组装过程中以及运输过程中产生的电极碎屑和异物被捕获到袋状分隔件内部。使用袋状分隔件时，由于电极碎屑和异物并不位于电极之间以及电极与集电端子之间，因此可防止内部短路。此外，可防止由于分隔件的安装位置移位后分隔件插入正极23a和负极23b与保持部件22之间引起的接触不良。
包封于袋状分隔件23ca中的正极23a和包封于袋状分隔件23cb中的负极23b以将各自的孔相连通的方式将其依次层叠，形成电极组23。将盖部件24安装在电极组23的轴向两端(图1B中的X方向)。正极23a、负极23b、分隔件23ca、分隔件23cb和盖部件24的中心孔彼此连通，形成通孔25。
第一保持部件22a从电极组23和盖部件24的外侧保持电极组23和盖部件24的形状。第二保持部件22b从通孔25的内侧保持电极组23和盖部件24的形状。图3A和图3B分别示出了构成保持部件22的金属板220的剖视图和平面图。如图3A所示，金属板220具有以在其表面突起的方式形成的大量突起221。对于金属板220，通过压花辊(embossing roll)对金属板进行加工，设置多个突起和通孔，并设置倒钩。
金属板220厚度没有特别限制，但优选比正极23a或负极23b的厚度更小。虽然取决于正极23a或负极23b的厚度，但金属板220的厚度优选为10～100μm、更优选为20～50μm。金属板220的厚度大时，将增加电池的尺寸。此外，金属板220的厚度小时，将降低金属板的强度。
在突起221的顶部设置通孔，从而形成开口部222。在突起221的延伸方向的相反方向上，突起221被折回，在开口部222中形成倒钩223。金属板220为具有25μm的厚度(h1)的镍箔。在该镍箔上，形成由结构上部L1和结构下部L2形成的四角锥台状突起221。结构下部L2的纵向和横向的长度(图3B中的方向X、Y)各为1mm。在结构上部L1的纵向和横向的长度各为0.5mm。包含突起221的金属板220具有0.5mm的厚度(h2)。倒钩223的长度(h3)为0.15mm。
第一保持部件22a被设置在电极组23和盖部件24的外表面23d上。此处，外表面23d为电极组23的侧表面和盖部件24的露出表面。具体而言，将第一保持部件22a安装在电极组23的侧表面和包含盖部件24的外侧表面的周缘上。除了通孔25和通孔25附近区域外，第一保持部件22a包围住电极组23和盖部件24，从而起到了将作为电池主要构成部分的电极组形成单一结构体的作用。从而，通过将电极组一体化形成电极块，可实现层叠电池组装的简化。
通过突起221咬入正极23a和盖部件24的方式，第一保持部件22a保持电极组23和盖部件24的层叠状态。第一保持部件22a具有：覆盖电极组23和盖部件24的侧表面部分的第一侧面部22aa；以及，由第一侧面部22aa的端部沿盖部件24表面向电极组23的通孔25方向折弯的第一折弯部ab。
第二保持部件22b设置在电极组的通孔25的内周面23e中。通过突起221咬入负极23b和盖部件24的方式，第二保持部件22b保持电极组23和盖部件24的层叠状态。第二保持部件22b具有：覆盖内周面的第二侧面部22ba；以及，由第二侧面部22ba的端部沿盖部件24表面向电极组23的外径方向折弯的第二折弯部22bb。
通过第一侧面部22aa咬入正极23a的外周端部，第一保持部件22a和正极23a得以电连接。另外，通过第二侧面部22ba咬入负极23b的内周端部，第二保持部件22b和负极23b得以电连接。另一方面，由于第一折弯部22ab和第二折弯部22bb不相接触，并且盖部件24具有绝缘性，因此，第一保持部件22a和第二保持部件22b成为彼此绝缘的状态。
如上所述，通过在第一保持部件22a和第二保持部件22b中设置突起221，提高了正极之间的接合性和负极之间的接合性。此外，即使电极体积随电池充放电而发生变化时，由于所述突起咬入电极，因此能够防止电极和充当集电端子的保持部件之间发生接触不良。由此，改善了循环寿命特性。
尽管如上所述正极和负极可包封于袋状分隔件中，然而也可在不包封于袋状分隔件中的情况下实施。此种情况下，分隔件覆盖负极的外缘且分隔件覆盖正极的孔的周缘、正极覆盖分隔件的外缘且负极覆盖分隔件的孔的周缘。因此，分隔件确保使正极和负极在其外缘和孔的周缘处彼此隔离。即使电极发生变形，两电极在其外缘部和孔的周缘部处也并不发生接触。此外，分隔件并未插入负极和集电体之间，也未插入正极和外壳体之间。因此，不会发生由于插入分隔件而导致的接触不良。
[2-2.第二实施方式]
在对以下的各个实施方式进行的描述中，除非另有限定，否则将省略与第一实施方式共通的部分。正极和负极中的任一者可以安装有袋状分隔件。图4中示出的第二实施方式的电极块51中，正极23a包封于袋状分隔件23ca中，但负极23b并未包封于袋状分隔件中。这样可节省用于将负极包封于袋状分隔件中的时间和劳动，从而降低成本。在图4中，由于在电极组23的上下两端设置有负极23b，因此负极23b的数量多于正极23a。使用该电极块51构成的电池可以是正极调节型电池。
[2-3.第三实施方式]
图5示出了第三实施方式的电极块52的示意性剖视图。电极块52中，金属板26a插入第一保持部件27a和电极组23之间，金属板26b插入第二保持部件27b和电极组23之间。本实施方式中，如图3所示，金属板26至少在一个侧面上具有多个突起。金属板26的突起221咬入电极23a和23b，以确保各电极之间的连接。保持部件27与金属板26相互完全接触，从而确保电极23a、23b与保持部件27彼此电连接。保持部件27起到强度元件的作用。从而，在保持部件中，通过分别设置强度元件和满足各电极之间相连接的元件，可制造更大容量的电极块。
[2-4.第四实施方式]
图6A示出了第四实施方式所述的电极块的示意性立体图。图6B示出了所述电极块的示意性剖视图。电极块61具有电极组63、盖部件64和多个第一保持部件62。第一保持部件62用于保持电极组63和盖部件64的形状。
除了外缘部分以外，正极63a包封于袋状分隔件63ca中。另外，除了中心孔的周缘部分以外，负极63b包封于袋状分隔件63cb中。通过孔相互重叠的方式，使包封于袋状分隔件63ca的正极63a和包封于袋状分隔件63cb的负极63b依次进行层叠。该电极组63被夹持在其中心具有孔的盖部件64之间。电极组63的中心孔与盖部件64的中心孔相互连通，作为整体形成电极块61的通孔67。第二保持部件65被设置在通孔67的内周面。
本实施方式的盖部件64是用金属制成的。与盖部件64相接触的电极(图6B中的负极63b)包封于袋状分隔件(图6B中的63cb)中。由于电极包封于袋状分隔件中，盖部件64没有与相接的电极直接接触。在图6中，由于插入盖部件64，负极63b和正极63a并未发生短路。
第一保持部件62是短条状的金属板。第一保持部件62的一端固定在一个盖部件64的侧表面上，另一端固定在另一盖部件64的侧表面上。此类固定方法例如可以是点焊，但也可以是钎焊。从而，通过第一保持部件保持电极组63的上述形状，使得作为电极块具有一体结构。
盖部件64的中心孔的直径大于负极63b的孔径，因此，当将第二保持部件65安装至电极组63中时，盖部件64与第二保持部件65形成不会接触的结构。此外，优选在盖部件64的孔中配置绝缘环68。绝缘环68切实防止盖部件64与第二保持部件65相接触，从而防止电极之间发生短路。
盖部件64也可以是绝缘性的圆盘。这种情况下，使用粘合剂将盖部件64与第一保持部件62固定。
[2-4-1.第四实施方式的变形例]
图7示出图6B的电极块的变形例的示意性剖视图。如果在盖部件64和电极组63之间配置绝缘板69，可以在电极组63的上端或下端配置未包封于袋状分隔件中的负极63b。绝缘板69防止金属制的盖部件64与负极63b之间发生短路。此外，如图所示，也可通过追加第二保持部件65而组成电极块。
在上述实施方式中，可在电极组的外周面和通孔的内表面中任一者的表面上安装图3所示的金属板。此外，对于金属板的突起，除了仅在与电极组相接触的表面上设置突起外，也可仅在其相对的表面设置突起，也可以在两个表面均设置突起。
[2-5.电极块的组装方法]
(1)以两个外径小于正极外径、中心孔的直径小于正极的孔的直径的分隔件夹持正极，使用加热器将分隔件相重叠的部位接合。以两个外径大于负极外径、中心孔的直径大于负极的孔的直径的分隔件夹持负极，使用加热器将分隔件相重叠的部位接合。
(2)准备两个盖部件。随后，在内径稍大于正极外径的筒的中心插入中心孔的直径小于负极的孔的直径的圆棒，从而使圆棒穿过一个盖部件的孔。
(3)随后，将包封于袋状分隔件的负极和包封于袋状分隔件的正极依次穿入圆棒。
(4)最后将另一盖部件穿入圆棒，从而，如上所述制造夹持在盖部件之间的电极组。
(5)随后，从筒中将盖部件和电极组与圆棒一并取出，在盖部件和电极组的外周面上安装第一保持部件。沿着盖部件的表面将第一保持部件轴向的两端向圆棒方向进行90度折弯，形成第一折弯部。第一折弯部位于第一侧面部的两端。
(6)随后，从盖部件和电极组中抽出圆棒。随后，在盖部件和电极组的通孔的内表面上安装第二保持部件。沿着盖部件的表面将第二保持部件轴向的两端向外周方向进行折弯，形成与第二侧面部相连的第二折弯部。
(8)由此，通过第一保持部件和第二保持部件将电极组和一对盖部件进行一体化来制造电极块。此外，必要的情况下，也可制造不具有第二保持部件的电极块。
<3.层叠电池的实施方式>
[3-1.层叠电池的构造]
图8示出了使用本发明的电极块的层叠电池的示意性结构的立体图。图9为沿图8中IX-IX线的截面上半部分中所含的层叠电池的侧视图。然后，图10是图9的层叠电池的端部的扩大剖面图旋转90度所示的图。层叠电池31具有外壳体32、集电体33、多个散热板34和外罩35这些主要结构。外壳体32内部收纳有层叠的多个电极块21。集电体33在外壳体32的轴向(图9中的X方向)上贯穿多个电极块21。以散热板34的中心孔接触外壳体32的外周的方式，将多个散热板34沿X方向安装在外壳体32的外周上。外罩35用于收纳外壳体32、集电体33、散热板34和贯穿螺栓46。在外罩35的轴向端部，分别作为连接部件，安装有第一母线36和第二母线37。
将电极块21层叠并收纳于圆筒状管32a内部。管32a的内径比电极块21的外径略小。从而，在将电极块21推入管32a时，电极块21的外周面和管32a的内周面保持相接触的状态。管32a的两端开口部以圆柱状的密封盖32b封住。密封盖32b在其中心设置有用于集电体33贯穿的中心孔32ba以及为了进行电解液注入的注液孔32bb(参见图11A)。注液孔32bb通过安装电解液注入座39的方式，从电解液注入座39中设有的孔来向外壳体32内部注入电解液。
密封盖32b中，在外周面形成两个槽32bc，并在两个槽32bc之间形成相对较浅的槽32bd(参见图11B)。两个槽32bc中分别设置有O型环32c，槽32bd中设置有液体衬垫(liquid gasket)32d，从而防止电解液渗漏至电池外部。液体衬垫32d优选使用粘度高的材料，例如可使用沥青。
管32a和密封盖32b材质均为镀镍的铁，具有导电性。外壳体32的内周面和正极23a通过第一保持部件22a而相互接触，使得外壳体32和正极23a成为电连接的状态。外壳体32起到正极的集电端子的作用。密封盖32b和集电体33之间安装有绝缘套管(sleeve)40，从而通过密封盖32防止外壳体32和集电体33之间发生短路(参见图10)。
集电体33为导电性圆棒。通过第二保持部件22b使集电体33的外周面和负极23b相接触，由此使二者成为电连接的状态。集电体33起到负极的集电端子的作用。
例如，如图12A所示，集电体33可由管状结构件33b和收纳于其中的芯体33a构成。在本实施方式中，芯体33a由铜制成，且结构件33b由铁制成。铜的导电性高，但具有相对较低的耐碱性。铁比铜的导电率低，然而由于铁与碱反应形成钝化膜，因而对碱具有耐腐蚀性。集电体33的表面可具有镀镍层33c。镀镍层也具有耐碱性。根据该结构，可形成导电性高、耐碱性强的集电体。
可通过向铁制的管中压入铜线，制造如图12A所示的集电体33。此外，也可如图12B所示，使结构件33b沿芯体33a周围收拢并使芯体33a向箭头方向移动，并铆接覆盖结构件33b。随后可在表面上进行镀镍，制作集电体33。
以下将参考图10，对层叠电池31的端部结构进行说明。在收纳有电极块21的外壳体32的上侧，设置有压板45。压板45的上侧设置有第一联结部件41。第一联结部件41在其一侧表面上设有螺纹孔41a，并在另一侧表面上设有安装孔41b。向安装孔41b中嵌入集电体33的端部。将六角螺栓43旋入螺纹孔41a中，从而将第一母线36安装至第一联结部件41。从而，集电体33与第一母线36彼此电连接。第一母线36起到负极端子的作用。
贯穿螺栓46上端设置有第二联结部件42。第二联结部件42在其一侧表面上设有螺纹孔42a，并在另一侧表面上设有安装孔42b。向安装孔42b中嵌入贯穿螺栓46。将六角螺栓43旋入螺纹孔42a中，从而将第二母线37安装至第二联结部件42，从而通过贯穿螺栓46将外壳体32与第二母线37彼此电连接。第二母线37起到正极端子的作用。
压板45为矩形金属板，具有嵌合第一联结部件41的孔45a、贯穿螺栓46贯穿的孔45b和电解液注入座39贯穿的孔45c。压板45与外壳体32相接触，压板起到正极的集电端子的功能。第一联结部件41和压板45之间设置有绝缘环47，以使压板45与集电体33之间彼此绝缘。
压板45用于将通过六角螺栓43施加的力得以分散。电极块21通过六角螺栓43在轴向方向(图10中的X方向)受到压缩力作用。该压缩力起到防止电极块随充放电而变形、并减小电极块之间的接触电阻的作用。
电解液注入座39为中心具有孔的细长圆柱，是用于由外部将电解液注入外壳体32内部的注液口。注入电解液后，通过安装塞子38将外壳体32内部密封。此外，层叠电池的下端和上端具有同样的结构。
散热板34为矩形板状，在中心具有贯穿层叠电池31的电池孔34a、在四角具有贯穿螺栓46贯穿的螺栓孔34b(例如图8所示)。散热板34具有导电性，其材料为在表面镀镍的铝。电池孔34a与外壳体32的表面相接触，从而使外壳体32的热向散热板34传导。
此外，贯穿螺栓46具有导电性，其材料为表面镀镍的铁。从而，螺栓孔34b通过与贯穿螺栓46相接触，使得外壳体32、散热板34和贯穿螺栓46彼此电连接。此外，散热板34和贯穿螺栓46的材质不限于铁、铝，也可以是其他金属。
此外，外罩35具有截面为大致正方形的框状方管35a和位于方管35a两端部的大致正方形的盖部件35b。外罩35a的内尺寸和散热板34的外尺寸大致相同。盖部件35b具有贯穿第一联结部件41的孔35c以及贯穿第二联结部件42的孔35d。
[3-3.母线结构和层叠电池的连接结构]
图13A示出本实施方式的第一母线36的立体图。第一母线36为大致三角形的金属板，设置有3个使六角螺栓43能够通过的第一螺栓孔36a。第一母线36安装在层叠电池31的端部，对相邻的层叠电池31进行电连接。例如，通过六角螺栓43将一个层叠电池31的第一联结部件41和第一母线36的一个第一螺栓孔36a相连接，通过六角螺栓43将另一层叠电池31的第二联结部件42和第一母线36剩余的两个第一螺栓孔36a相连接，从而使得两个层叠电池31得以电连接。
图13B示出第二母线37的立体图。第二母线37为具有三个第二螺栓孔37a的细长板状金属板。第二母线37安装在层叠电池31的端部，对相邻的层叠电池31进行电连接。例如，通过六角螺栓43将一个层叠电池31的第一联结部件41和第二母线37的一个第二螺栓孔37a相连接，通过六角螺栓43将另一层叠电池31的第二联结部件42和第二母线37剩余的两个第二螺栓孔37a相连接，从而使得两个层叠电池31得以电连接。
第一母线36和第二母线37的形状并不特别限定于本实施方式。此外，第一母线36和第二母线37的材料为表面镀镍的铁。
图14示出了使用第一母线36和第二母线37将多个层叠电池31串联连接的一个实例。第一母线36为如图14所示的容易在纵向上连接层叠电池31的形状，第二母线37为如图14所示的容易在横向上连接层叠电池31的形状。使用多个层叠电池31组成电池包的情况下，适当地选择母线可确保排列上的自由度。例如，可使用第二母线37将相邻电池的集电体33之间彼此相连接，同时将贯穿螺栓46之间彼此相连接，从而并联连接层叠电池。
[3-3.层叠电池的组装方法]
以下将对使用电极块21的层叠电池31的组装方法进行说明。
(1)使用[2-5]所示的方法制作多个电极块21，同时，将外壳体32的管32a固定在工作台上。
(2)将密封盖32b安装至管32a一端的开口部，从另一端的开口部将多个电极块21压入外壳体32。
(3)随后，将集电体33压入电极块21中心的通孔25。将密封盖32b安装至管32a另一端的开口部。随后，抽出外壳体内部的空气，然后加入电解液并密封。
(4)随后，将多个散热板34安装至外壳体32，然后以4个贯穿螺栓46穿过散热板34，并通过第二保持部件42将其固定。使用方管35a包围安装有散热板的外壳体的侧面和上下表面。接下来，从方管35a的两端压入压板45，随后安装第一联结部件41、第二联结部件42、电解液注入座39等。随后，将盖部件35b安装至方管35a的两端，然后安装母线36和37。
<4.功能和效果>
以下，将以第一实施方式的电极块以及使用该电极块的层叠电池为例，对其功能和效果进行说明。
[4-1.整块化的效果]
对于第一实施方式的电极块21而言，通过第一保持部件22a和第二保持部件22b保持电极组23的形状，因此，正极23a、负极23b和分隔件23c并不各自分散，而是形成一体。从而，电极组23可作为一整块进行处理，制造加工性好。
根据本实施方式的层叠电池31，将多个电极块21进行层叠，从而易于制造大容量的电池。
[4-2.金属板的效果]
由于第一保持部件22a和第二保持部件22b在与电极组21相接触的表面具有多个突起221，因此通过该突起221咬入电极，使得进一步提高了正极和外壳体或负极和集电体之间的接合。另外，即使当电池随充放电而发生电极体积变化，由于该突起咬入电极，因此也可抑制电极和端子之间的接触不良。从而，循环寿命特性得以改善。
[4-3.袋状分隔件的效果]
进一步地，由于正极23a和负极23b分别被袋状分隔件23ca和23cb包裹，因此电池搬运过程以及组装过程中产生的电极碎屑和异物被捕获到袋状分隔件内部。袋状分隔件防止电极碎屑或异物进入电极之间以及电极和集电端子之间，从而防止了内部短路。进一步地，防止分隔件安装位置移位后，分隔件插入正极23a和外壳体32之间以及负极23b和集电体33之间而引起的接触不良。
[4-4.层叠的效果]
此外，本实施方式的层叠电池31由多个电极块21层叠构成。具体而言，相邻电极块21的第一保持部件22a之间直接连接以及通过外壳体32相连接，第二保持部件22b之间直接连接以及通过集电体33相连接。由此多个电极块21得以并联电连接。也就是说，本实施方式的层叠电池31中，仅将多个电极块21层叠于外壳体32中，就可将相邻电极块21的正极端子之间、负极端子之间分别彼此得以电连接。从而，多个电极块21在结构上简单地串联连接以及并联电连接，由此可以简单地增加层叠电池的容量。
[4-5.冷却的效果]
关于冷却性能具有以下效果。正极23a经由第一保持部件22a用力压至外壳体32的内周面，使正极23a与外壳体32紧密接触。因此，正极23a产生的热经由第一保持部件22a传导至外壳体32。另一方面，负极23b产生的热经由分隔件23c传导至正极23a。由于分隔件23c为单片薄板，因此不会显著妨碍传热。从而，正极23a和负极23b中产生的热均低热阻地传导至外壳体32，从而抑制了层叠电池31内部的温度上升。
在卷绕型电池中，电池中心部和电池壳体之间存在多层难以传热的分隔件。因此，即使对电池壳体进行冷却，电池内部的温度也并不显著降低。作为实例可举出18650型电池，将层叠型电池与卷绕型电池的总传热系数进行比较，其结果表明本发明的层叠电池的总传热系数比以往的卷绕电池的大近10万倍。
本发明的层叠电池中，可将电池内部的温度抑制至与电池表面的温度相近。电池表面上的热传导对电池内部的热传导产生速率控制。为了进一步降低电池内部的温度，需要降低电池表面的温度。因此，将多个散热板34安装至外壳体32的外周，通过增加散热面积，试图进一步提高冷却性能。由冷却风扇对层叠电池的壳体进行空气冷却时，电池内部的温度变为51℃。另一方面，在层叠电池上安装散热板进行自然空气冷却的情况下，电池内部温度可抑制到23℃，这些结果已得到实验证实。
图15中示出了本实施方式的层叠电池31的温度上升试验结果。在图中，曲线(1)表示充电电压，曲线(2)表示放电电压，曲线(3)和(4)分别表示充电时以及放电时的电池内部温度。如图15所示，本实施方式的层叠电池31即使进行充放电，电池温度也几乎不发生变化，从而可抑制电池内部的温度上升。此外，在充放电初期，电池温度下降是由于室温降低。因此，与以往的卷绕电池相比，无需在电池内部设置用于冷却剂流动的管道等，可通过使用紧凑结构来抑制电池的温度上升。
<6.其他实施方式>
以上，参考附图对本发明的优选实施方式进行了说明，然而，各种添加、更改或删除可以在不脱离本发明主旨的范围内进行。
尽管本实施方式的层叠电池以外壳体作为正极集电体、集电体作为负极集电体为例进行了说明，然而，也可使用外壳体作为负极集电体、集电体用作正极集电体这样的结构。此外，尽管本实施方式的电极组在其中心具有圆形的通孔，并且作为整体形成圆筒形状，然而并不限于此，可以是方筒形状的电极组，通孔也可以是方形。尽管本实施方式的层叠电池的形状以圆柱形状为例进行了说明，然而也可以是棱柱形状。
在本实施方式中所描述的各种部件的材料也可以是上述实施方式以外的材料。例如，由金属制成的部件并不限于表面镀镍的铁，也可以是表面未进行镀镍的金属。此外，尽管在本实施方式中，作为实例主要描述了镍氢电池，然而本发明也可适用于任何其它二次电池，如锂离子电池、锰电池。
工业实用性
本发明所述的层叠电池可适用于工业应用的蓄电装置和民用的蓄电装置。
符号说明
11 层叠电池
12 圆筒形罐(a：侧部内表面)
13 电极组(a：正极；b：负极；c：分隔件)
14 绝缘板
15 外壳体
16 盖部件
17 集电体(a：轴部；b：终止部；c：正极端子)
18 轴承
21 电极块
22 保持部件(a：侧面部；b：折弯部)
23 电极组(a：正极；b：负极；c：分隔件)
24 盖部件
25 通孔
26 金属板
27 保持部件
31 层叠电池
32 外壳体(a：管；b：密封盖)
33 集电体(a：芯体；b：结构件；c：镀镍层)
34 散热板(a：电池孔；b：螺栓孔)
35 外罩(a：方管；b：盖部件)
36 第一母线
37 第二母线
38 塞子
39 电解液注入座
40 绝缘套管
41 第一联结部件
42 第二联结部件
43 六角螺栓
45 压板
46 贯穿螺栓
47 绝缘环
51 电极块
52 电极块
61 电极块
62 第一保持部件
63 电极组(a：正极；b：负极；c：分隔件)
64 盖部件
65 第二保持部件
67 通孔
68 绝缘环
69 绝缘板
220 金属板
221 突起
222 开口部
223 倒钩

Claims (19)

1.一种电极块，其中，所述电极块具有：
由正极、负极和设置在所述正极与所述负极之间的分隔件层叠而成的电极组；
设置在所述电极组层叠方向两端的盖部件；以及
安装在所述电极组和所述盖部件的外表面的第一保持部件，
所述第一保持部件电连接至作为所述正极和所述负极中的任一电极的第一电极，而不电连接至作为所述正极和所述负极中的另一电极的第二电极。
2.如权利要求1所述的电极块，其中，
所述第一电极、所述第二电极和所述分隔件各自在其中心具有孔；
所述第二电极的外缘覆有所述分隔件；
所述第一电极的孔的周缘覆有所述分隔件；
所述分隔件的外缘覆有所述第一电极；以及
所述分隔件的孔的周缘覆有所述第二电极。
3.如权利要求1所述的电极块，其中，所述第一保持部件至少在一个侧面上具有多个突起。
4.如权利要求1所述的电极块，其中，所述电极块还具有插入所述第一保持部件和所述第一电极之间的金属板，所述金属板至少在一个侧面上具有多个突起。
5.如权利要求1所述的电极块，其中，以所述第一电极的外缘露出于以袋状形成的第一分隔件外部的方式，将所述第一电极包封到所述第一分隔件中。
6.如权利要求1所述的电极块，其中，以所述第二电极的孔的内缘露出于以袋状形成的第二分隔件外部的方式，将所述第二电极包封到所述第二分隔件中。
7.如权利要求1所述的电极块，其中，所述第一保持部件具有与该电极块的侧面相邻接的侧面部和由所述侧面部向所述盖部件的中心方向折弯的折弯部。
8.如权利要求1所述的电极块，其中，所述第一保持部件被固定于所述盖部件的外侧面。
9.如权利要求1所述的电极块，其中，所述盖部件在中心具有孔，所述正极、所述负极、所述分隔件和所述盖部件的孔以与所述电极组和所述盖部件处于层叠状态的方式形成通孔，所述电极块还具有安装于所述通孔内表面的第二保持部件，所述第二保持部件与所述第二电极电连接而不与所述第一电极电连接。
10.如权利要求9所述的电极块，其中，所述第二保持部件至少在一个侧面上具有多个突起。
11.如权利要求9所述的电极块，其中，所述电极块还具有插入所述第二保持部件和所述第二电极之间的金属板，所述金属板至少在一个侧面上具有多个突起。
12.一种层叠电池，其中，所述层叠电池具有：
如权利要求1至11中任一项所述的电极块；
用于收纳所述电极块的筒状外壳体；以及
贯穿所述电极块的所述通孔的集电体，
其中，所述第一电极电连接至所述外壳体，并且，所述第二电极电连接至所述集电体。
13.如权利要求12所述的层叠电池，其中，所述集电体具有导电性芯棒和覆于所述芯棒外周的结构件。
14.如权利要求12所述的层叠电池，所述层叠电池还具有：
用于封闭所述外壳体的开口部的密封盖，
所述密封盖在其外周形成有两个环形槽，
所述环形槽中安装有O形环，并且，所述环形槽之间进一步具有密封部件。
15.如权利要求12所述的层叠电池，其中，沿所述外壳体的轴向，在所述外壳体的外周面上安装有多个散热板。
16.如权利要求15所述的层叠电池，所述层叠电池还具有贯穿所述散热板的贯穿螺栓。
17.一种电池组，其中，所述电池组具有：
多个如权利要求16所述的层叠电池；
第一连接部件，所述第一连接部件将相邻的所述层叠电池的所述贯穿螺栓相互连接；以及
第二连接部件，所述第二连接部件将相邻的所述层叠电池的所述集电体相互连接；
其中，通过所述第一连接部件和所述第二连接部件将多个所述层叠电池电连接。
18.一种电池组，其中，所述电池组具有：
多个如权利要求16所述的层叠电池；以及
第三连接部件，所述第三连接部件将相邻的一个所述层叠电池的所述贯穿螺栓和另一所述层叠电池的所述集电体相连接，
通过所述第三连接部件将多个所述层叠电池电连接。
19.权利要求12所述的层叠电池的组装方法，其中，所述组装方法具有：
步骤A：以两个外径小于正极外径、中心孔的直径小于所述正极的孔的直径的第一分隔件夹持所述正极，使用加热器将所述第一分隔件相重叠的部位接合，同时，以两个外径大于所述负极外径、中心孔的直径大于所述负极的孔的直径的第二分隔件夹持所述负极，使用加热器将所述第二分隔件相重叠的部位接合，从而制造包封于袋状分隔件中的正极和负极；
步骤B：在与所述集电体的直径相同的圆棒上，依次穿入包封于所述袋状分隔件中的负极和包封于所述袋状分隔件中的正极，组装电极组；
步骤C：从所述圆棒两端穿入中心有孔的盖部件夹持所述电极组，对所述盖部件施以压力，压缩所述电极组；
步骤D：保持压缩状态，在所述电极组的外侧面上安装第一保持部件，同时，沿着所述盖部件的表面将所述第一保持部件向所述圆棒的方向折弯，从而在所述电极组和所述盖部件上安装所述第一保持部件；
步骤E：保持压缩状态，抽出所述圆棒；
步骤F：在所述电极组和所述盖部件的中心的通孔的内表面上安装第二保持部件；
步骤G：重复进行步骤A～E，组装多个所述电极块；
步骤H：将多个所述电极块压入筒状外壳体的内部；
步骤I：在所述外壳体的开口部安装密封盖；
步骤J：将所述集电体压入多个所述电极块的所述第二保持部件的内侧；
步骤K：抽出所述外壳体中的空气；
步骤L：在所述外壳体的开口部两端安装密封盖，密封电池内部；以及
步骤M：将电解液注入所述外壳体的内部。
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