JP2008311173A

JP2008311173A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2008311173A
Application number: JP2007160027A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kimura; 健治木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】充放電等に伴う蓄電体の膨張及び収縮を蓄電装置内で吸収することのできる蓄電装置を提供する。
【解決手段】本発明の蓄電装置（１）は、電気的に接続された状態で積層された複数の蓄電体（１０）と、積層方向において隣り合う蓄電体の間に配置され、導電性を有する弾性部材（２０）とを有する。ここで、蓄電体を３つ以上有している場合には、積層方向において隣り合う少なくとも１組の蓄電体の間に、弾性部材を配置することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電体が電気的に接続された状態で積層された蓄電装置に関するものである。

二次電池では、充電及び放電によって活物質が膨張したり、収縮したりすることがある。この場合には、例えば、活物質と、この活物質と接触する集電体との間における接触抵抗が変化し、二次電池の性能が劣化してしまうことがある。

そこで、特許文献１に記載の電池では、集電体やセパレータなどの電池構成部材に圧力を吸収する特性を持たせることにより、充放電に伴う活物質の膨張及び収縮を上記電池構成部材で吸収するようにしている。具体的には、圧力吸収部材として、表面をディンプル加工したプレート、波板状プレート、プリーツ状プレートを用いている。
特開２００３−３１７７９５号公報実公平０３−４１４０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電池では、圧力吸収部材の構造（言い換えれば、単電池の構造）が複雑となるため、電池の製造工程が複雑化したり、電池の製造コストが上昇したりしてしまう。

そこで、本発明の目的は、複数の蓄電体が電気的に接続された状態で積層された蓄電装置であって、簡単な構成で、蓄電体の膨張や収縮を吸収することができる蓄電装置を提供することにある。

本発明である蓄電装置は、電気的に接続された状態で積層された複数の蓄電体（いわゆる発電要素）と、積層方向において隣り合う蓄電体の間に配置され、導電性を有する弾性部材とを有することを特徴とする。ここで、弾性部材は、少なくとも積層方向において弾性変形が可能となっている。

ここで、蓄電体を３つ以上有している場合には、積層方向において隣り合う少なくとも１組の蓄電体の間に、弾性部材を配置することができる。また、複数の蓄電体を、積層方向における両端部から狭持するための狭持機構を設けることができる。

蓄電体は、集電体上に正極用の活物質が形成された正極体と、集電体上に負極用の活物質が形成された負極体と、正極体及び負極体の間に位置する電解質層とで構成することができる。ここで、電解質層としては、固体電解質層を用いることができる。

弾性部材としては、導電性を有する部材を用いて、弾性変形可能な構造体を形成することができる。具体的には、導電性を有するゴムシートを用いることができる。また、導電性を有する部材を、積層方向における断面で曲率を有する形状に形成することができる。具体的には、導電性を有する板状の部材（金属板等）を曲げ形成しておくことができる。さらに、導電性を有しない部材（高分子樹脂等）を用いて弾性変形可能な構造体を形成する場合には、この構造体の表面に、導電性材料を含む導電層を形成することができる。

本発明によれば、積層方向において隣り合う蓄電体の間に弾性部材を配置することにより、蓄電体の膨張及び収縮に応じて弾性部材を弾性変形させることができ、蓄電体の膨張及び収縮に伴う変位を蓄電装置内で吸収することができる。また、導電性を有する弾性部材を用いることにより、積層方向で隣り合う蓄電体を電気的に接続させておくことができる。

しかも、本発明では、積層方向で隣り合う蓄電体の間に弾性部材を配置するだけの簡単な構成において、上述した効果を得ることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である蓄電装置について、図１及び図２を用いて説明する。ここで、図１は、蓄電装置（一部）の概略構成を示す外観斜視図であり、図２は、蓄電装置の全体構成を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施例の蓄電装置１では、複数の単電池（蓄電体）１０が、導電性を有する弾性部材２０を介して積層されている。まず、単電池１０の構成について、図１を用いて説明する。

単電池１０は、正極体１１と、負極体１２と、正極体１１及び負極体１２の間に配置された固体電解質層１３とで構成されている。ここで、単電池１０は、１つの発電要素として構成されている。

正極体１１は、集電体１１ａと、集電体１１ａの一方の面（固体電解質層１３と向かい合う面）に形成された正極層（電極層）１１ｂとを有している。正極層１１ｂは、固体電解質層１３と接触している。

また、負極体１２は、集電体１２ａと、集電体１２ａの一方の面（固体電解質層１３と向かい合う面）に形成された負極層（電極層）１２ｂとを有している。負極層１２ｂは、固体電解質層１３と接触している。正極層１１ｂ及び負極層１２ｂは、インクジェット方式等を用いることにより、集電体１１ａ，１２ａ上に形成することができる。

集電体１１ａ，１２ａは、例えば、アルミニウム箔で形成したり、複数の金属（合金）で形成したりすることができる。また、金属（アルミニウムを除く）の表面にアルミニウムを被覆させたものを集電体１１ａ，１２ａとして用いることもできる。さらに、集電体１１ａ，１２ａは、同一の材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。

正極層１１ｂ及び負極層１２ｂには、正極及び負極に応じた活物質が含まれている。また、正極層１１ｂ及び負極層１２ｂには、必要に応じて、導電剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための無機固体電解質、高分子ゲル電解質、高分子固体電解質、添加剤などが含まれる。

例えば、ニッケル−水素電池では、正極層１１ｂの活物質として、ニッケル酸化物を用い、負極層１２ｂの活物質として、ＭｍＮｉ_{（５−ｘ−ｙ−ｚ）}Ａｌ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_ｚ（Ｍｍ：ミッシュメタル）等の水素吸蔵合金を用いることができる。また、リチウムイオン電池では、正極層１１ｂの活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極層１２ｂの活物質として、カーボンを用いることができる。また、導電剤として、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブを用いることができる。

なお、本実施例では、単電池１０として二次電池を用いた場合について説明するが、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）にも本発明を適用することができる。

固体電解質層１３には、複数の粒子からなる粒子群と、この粒子群を結着させるための結着剤とが含まれている。ここで、固体電解質層１３としては、無機固体電解質や高分子固体電解質を用いることができる。

無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩、硫化リン化合物を用いることができる。より具体的には、Ｌｉ_３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ_３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ_４、ＬｉＳｉＯ_４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＳｉＳ_３、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ_２−ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｓ−ＧｅＳ_４、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５を用いることができる。

また、高分子固体電解質としては、例えば、上記の電解質と電解質の解離を行う高分子とから構成された物質、高分子にイオン解離基を持たせた物質を用いることができる。電解質の解離を行う高分子としては、例えば、ポリエチレンオキサイド誘導体および該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体および該誘導体を含むポリマー、リン酸エステルポリマーを用いることができる。なお、無機固体電解質及び高分子固体電解質を併用することもできる。

なお、本実施例の蓄電装置１において、積層される単電池１０の数は、適宜設定することができる。すなわち、蓄電装置１として、所望の出力が得られるように、単電池１０の数を設定することができる。

次に、弾性部材２０の構成について説明する。弾性部材２０は、蓄電装置１の積層方向（図１の上下方向）において隣り合う２つの単電池１０の間に配置されている。これにより、積層体３０が構成される。ここで、弾性部材２０の一方の面は、単電池１０における集電体１１ａのうち、正極層１１ｂが形成された面とは反対側の面と接触している。また、弾性部材２０の他方の面は、他の単電池１０における集電体１２ａのうち、負極層１２ｂが形成された面とは反対側の面と接触している。

弾性部材２０は、板状に形成されており、導電性を有するとともに、外力（具体的には、隣接する単電池１０の膨張や収縮）に応じて弾性変形が可能となっている。このように、導電性を有する弾性部材２０を、積層方向において隣り合う２つの単電池１０の間に配置することで、これらの単電池１０は、弾性部材２０を介して電気的に直列に接続されることになる。

ここで、本実施例では、弾性部材２０として、導電性を有するゴムシートを用いている。

次に、本実施例の蓄電装置１の全体構成について、図２を用いて説明する。

複数の単電池１０を、弾性部材２０を介して積層した積層体３０に対して、この積層方向（図２の上下方向）における両端部には、電力を取り出すための端子部材３１，３２が設けられている。端子部材３１は、正極用の端子であり、積層された複数の単電池１０のうち、積層方向における一端に位置する単電池１０の集電体１１ａと接触している。また、端子部材３２は、負極用の端子であり、積層された複数の単電池１０のうち、積層方向における他端に位置する単電池１０の集電体１２ａと接触している。

一方、積層体３０は、ケース４０で覆われている。ケース４０は、ラミネートフィルムで形成されたフィルム部材４０ａ，４０ｂで構成されている。フィルム部材４０ａ，４０ｂの両端部は、熱融着によって固定されている。ケース４０内には、ドライガス（例えば、空気や窒素ガス）が充填されている。なお、ケース４０内を真空状態としてもよい。

また、ラミネートフィルムとして、一般的には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。ここで、熱融着性樹脂フィルムは、積層体３０を収容する際のシールとして用いられ、金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を持たせるために用いられる。

熱融着性樹脂としては、例えば、ポリエチレンやエチレンビニルアセテートを用いることができる。金属箔としては、例えば、アルミニウム箔やニッケル箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやナイロンを用いることができる。一方、ケース４０及び端子部材３１，３２の間には、絶縁部材４１が設けられている。

積層体３０を収容したケース４０は、積層方向における両端側から狭持部材５１，５２によって狭持されている。狭持部材５１，５２は、締結部材５３，５４によって互いに連結されており、締結部材５３，５４を締め付けることにより、積層体３０を収容したケース４０に対して外力（狭持部材５１，５２が互いに近づく方向の力）が与えられる。ここで、狭持部材５１，５２及び締結部材５３，５４によって、複数の単電池１０を両端部から狭持するための狭持機構が構成される。

端子部材３１，３２の一部には、配線３３，３４が固定されている。配線３３，３４は、ケース４０及び狭持部材５１，５２を貫通して、蓄電装置１の外部に延びている。これにより、複数の単電池１０で発生した電力を外部に取り出すことができる。配線３３，３４は、複数の単電池１０から得られる電力によって駆動される電子機器に接続されている。ここで、本実施例の蓄電装置１を車両に搭載した場合には、上記電子機器として、車両の走行に用いられるモータ等を用いることができる。なお、配線３３，３４の外周面は、絶縁性の層で形成されている。

上述した構成の蓄電装置１において、単電池１０の充放電を行った場合には、単電池１０が積層方向において膨張したり、収縮したりすることがある。具体的には、単電池１０における正極層１１ｂ及び負極層１２ｂに含まれる活物質が膨張したり、収縮したりする。

ここで、複数の単電池１０を含む積層体３０は、この積層方向における両端部から狭持部材５１，５２によって狭持されており、積層体３０の積層方向における長さを所定の寸法に設定している。この構成において、単電池１０内の活物質が膨張すると、単電池１０を構成する集電体１１ａ，１２ａ等に対して過度の負荷がかかることがある。また、活物質が収縮すると、正極層１１ｂが集電体１１ａから離れたり、負極層１２ｂが集電体１２ｂから離れたりし、この離れた部分において電流の流れが抑制されてしまう。

特に、正極体１１及び負極体１２の間に配置される電解質層として、固体電解質層１３を用いた場合には、単電池１０において、活物質の膨張又は収縮による影響を受けやすくなる。

本実施例では、積層方向において隣り合う２つの単電池１０の間に、弾性部材２０を配置しているため、単電池１０が膨張又は収縮しても、この単電池１０の変形に応じて弾性部材２０が変形する。すなわち、弾性部材２０は、単電池１０の変形を吸収する方向に変形する。より具体的には、単電池１０が膨張すれば、弾性部材２０が収縮し、単電池１０が収縮すれば、弾性部材２０が膨張することになる。

これにより、積層体３０の積層方向における長さを略一定の状態に維持することができる。しかも、積層体３０の積層方向における長さが概ね変化しないことにより、狭持部材５１，５２を含む狭持機構を簡素な構成とすることができる。

また、本実施例では、積層方向において隣り合う単電池１０の間に、弾性部材２０を配置するだけの構成であるため、簡単な構成で、上述した効果を得ることができる。

しかも、本実施例の蓄電装置１（積層体３０）は、複数の単電池１０をそれぞれ用意（製造）しておき、これらの単電池１０を積層する際に、弾性部材２０を隣り合う単電池１０の間に配置することによって、得ることができる。このように、２つの単電池１０の間に弾性部材２０を配置するだけであるため、複雑な製造工程を経ることなく、従来の製造方法と概ね同様の方法によって、蓄電装置１（積層体３０）を製造することができる。なお、単電池１０及び弾性部材２０を積層する際には、単電池１０や弾性部材２０が積層方向と直交する方向にずれてしまわないように、位置決めを行っておく必要がある。

本実施例では、固体電解質層１３を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、ゲル状又は液状の電解質を用いることもできる。例えば、セパレータとしての不織布や樹脂材に電解液を含ませたものを用いることができる。

この場合には、液状の電解質等が単電池１０の外部に漏れてしまうのを防止するために、シール材を用いる必要がある。具体的には、図３に示すように、各単電池１０における２つの集電体１１ａ，１２ａの間に、シール材１４を設けることができる。これにより、集電体１１ａ，１２ａ及びシール材１４によって囲まれる空間が、密閉空間となり、液状の電解質等の漏れを防止することができる。なお、図３に示す電解質層１３は、上述したゲル状又は液状の電解質で構成される層である。

一方、積層方向で隣り合う単電池１０の間に配置される弾性部材２０としては、上述した導電性を有するゴムシートに限るものではない。例えば、図４に示す構成の弾性部材を用いることができる。

図４（Ａ）に示す弾性部材２１は、導電性を有する平板状の部材（金属等）を、一方向（Ｘ方向）に関して曲げ形成したものである。すなわち、弾性部材２１は、図４（Ａ）に示す断面形状が、Ｙ方向に延びた形状となっている。ここで、図４に示すＺ軸は、上述した蓄電装置１の積層方向に相当する。また、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸と直交する面内に位置し、互いに直交する軸である。

図４（Ａ）に示す構成でも、弾性部材２１が矢印Ｄ１方向又は矢印Ｄ２方向に弾性変形することにより、単電池１０の膨張及び収縮を積層体３０内で吸収することができる。具体的には、単電池１０が膨張した場合には、弾性部材２１が矢印Ｄ２方向に弾性変形し、単電池１０が収縮した場合には、弾性部材２１が矢印Ｄ１方向に弾性変形することになる。ここで、矢印Ｄ１方向の変形は、弾性部材２１の曲率が大きくなる方向への変形を示し、矢印Ｄ２方向への変形は、弾性部材２１の曲率が小さくなる方向への変形を示す。

なお、弾性部材２１は、隣り合う単電池１０間の導通を図るために、少なくとも一部が、隣り合う２つの単電池１０に常に接触している必要がある。

図４（Ａ）に示す構成では、導電性を有する平板状の部材を、一方向（Ｘ方向）に関して曲げ形成したものであるが、二方向（Ｘ方向及びＹ方向）に関して曲げ形成したものであってもよい。この場合には、弾性部材のうち、一方の単電池１０と向かい合う面が凹面（球面の一部）となり、他方の単電池１０と向かい合う面が凸面（球面の一部）となる。

図４（Ｂ）に示す弾性部材２２は、導電性を有しない弾性変形可能な部材２２ａの表面に、導電性材料で形成された導電層２２ｂを形成したものである。弾性変形可能な部材２２ａとしては、高分子樹脂で形成することができる。弾性部材２２では、弾性変形可能な部材２２ａによって、単電池１０の膨張及び収縮を吸収することができ、導電層２２ｂによって、隣り合う２つの単電池１０の導通を図ることができる。

導電層２２ｂは、隣り合う単電池１０を電気的に直列に接続できればよく、弾性変形可能な部材２２ａの表面全体に形成しておいたり、一部の表面に形成しておいたりすることができる。また、弾性変形可能な部材２２ａの表面ではなく、内部に導電層を形成することもできる。具体的には、導電層を、弾性変形可能な部材２２ａを貫通するように導電層を形成し、この導電層の両端部を、隣り合う２つの単電池１０に接触させることもできる。

図４（Ｃ）に示す弾性部材２３は、導電性を有する平板状の部材（金属等）を、この断面（Ｘ−Ｚ断面）が波形状となるように形成したものである。この構成では、単電池１０が膨張したときには、弾性部材２３が矢印Ｄ３方向に変形して、弾性部材２３の頂角θが大きくなる。言い換えれば、弾性部材２３のＸ方向における長さが大きくなる。

また、単電池１０が収縮したときには、弾性部材２３が矢印Ｄ４方向に変形して、弾性部材２３の頂角θが小さくなる。言い換えれば、弾性部材２３のＸ方向における長さが小さくなる。なお、弾性部材２３は、隣り合う単電池１０間の導通を図るために、少なくとも一部が、隣り合う２つの単電池１０に常に接触している必要がある。

上述した実施例では、図１，２に示すように、複数の単電池１０において、隣り合う単電池１０の間のすべてに弾性部材２０を配置しているが、これに限るものではない。すなわち、積層方向において隣り合う少なくとも１組（２つ）の単電池１０の間に、弾性部材２０を配置すればよい。弾性部材２０を配置する位置や数は、単電池１０の変形特性（膨張及び収縮の際の変形量）に基づいて、適宜設定することができる。言い換えれば、積層体３０の積層方向における長さを略一定に保つことができるように、弾性部材２０の位置や数を決定すればよい。

本発明の実施例１である蓄電装置の一部の構成を示す外観斜視図である。実施例１である蓄電装置の全体構成を示す断面図である。実施例１の変形例における単電池の構成を示す断面図である。実施例１の変形例における弾性部材の構成を示す概略図（Ａ〜Ｃ）である。

符号の説明

１：蓄電装置
１０：単電池
１１：正極体
１２：負極体
１１ａ，１２ａ：集電体
１１ｂ，１２ｂ：電極層（正極層、負極層）
１３：固体電解質層
２０〜２３：弾性部材
５１，５２：狭持部材
５３，５４：締結部材

Claims

電気的に接続された状態で積層された複数の蓄電体と、
積層方向において隣り合う前記蓄電体の間に配置され、導電性を有する弾性部材とを有することを特徴とする蓄電装置。
前記蓄電体を３つ以上有しており、
前記弾性部材は、積層方向において隣り合う少なくとも１組の前記蓄電体の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記複数の蓄電体を、積層方向における両端部から狭持するための狭持機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
前記蓄電体は、
集電体上に正極用の活物質が形成された正極体と、
集電体上に負極用の活物質が形成された負極体と、
前記正極体及び前記負極体の間に位置する電解質層とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置。
前記電解質層は、固体電解質層であることを特徴とする請求項４に記載の蓄電装置。