JP2018028978A - バイポーラ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラ電池の単位セル内に形成された複数の単位電池を並列接続するための簡便で新規な構成を備えたバイポーラ電池を提供する。【解決手段】バイポーラ電池１は、複数の単位セル３を含み、複数の単位セル３が集電板４を介して積層方向に積層されることで形成された積層体２と、積層体２の両端面を積層方向と平行な方向に押圧することで積層体２を拘束する拘束具５とを備える。複数の単位セル３の各々は、積層方向において隣り合う２つの集電板４の間に形成された複数の単位電池を含み、少なくとも２つの単位電池３Ｍ，３Ｎは並列接続されている。【選択図】図２

Description

本開示は、バイポーラ電池に関する。

従来からバイポーラ電池について各種提案されている。たとえば、特開２０１１−１５１０１６号公報（特許文献１）に記載されたバイポーラ電池は、複数のバイポーラ電極および複数の電解質層を備えている。複数のバイポーラ電極の各々は、集電体を含み、集電体の一方の面には正極が形成され、集電体の他方の面には負極が形成されている。

これらのバイポーラ電極は、電解質層を挟んで積層され、いずれも直列に接続されている。このような構成を有するバイポーラ電池、すなわち、特開２０１１−１５１０１６号公報（特許文献１）に開示されたバイポーラ電池は、複数積層した単電池層（単位セル）が、バイポーラ電池内において直列接続された構成を備えているともいえるものである。

特開２０１１−１５１０１６号公報

バイポーラ電池の容量を増大させるためには、バイポーラ電池（単位セル）内に形成された複数の単位電池を並列接続するという手法が考えられる。特開２０１１−１５１０１６号公報（特許文献１）は、バイポーラ電池内に形成された複数の単位電池を並列接続することに関しては、何ら開示していない。

本開示は、バイポーラ電池の単位セル内に形成された複数の単位電池を並列接続するための簡便で新規な構成を備えたバイポーラ電池を提供することを目的とする。

本明細書に記載されたバイポーラ電池は、複数の単位セルを含み、複数の上記単位セルが集電板を介して積層方向に積層されることで形成された積層体と、上記積層体の両端面を上記積層方向と平行な方向に押圧することで上記積層体を拘束する拘束具と、を備え、複数の上記単位セルの各々は、上記積層方向において隣り合う２つの上記集電板の間に形成された複数の単位電池を含み、少なくとも２つの上記単位電池は並列接続されている。

本明細書に記載されたバイポーラ電池によれば、バイポーラ電池の単位セル内に形成された複数の単位電池を並列接続するための簡便で新規な構成を備え、高容量化を図ることが可能なバイポーラ電池を得ることができる。

実施の形態に係るバイポーラ電池１が搭載された車両１０を示す模式図である。 実施の形態に係るバイポーラ電池１を示す断面図である。 実施の形態に係るバイポーラ電池１の一部（単位セル３）を拡大して示す断面図である。 図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。

図１から図４を参照して、実施の形態におけるバイポーラ電池１について説明する。図１から図４に示す構成において、同一または実質的に同一の構成については同一の符号を付して、重複した説明を省略する場合がある。

（車両１０）
図１は、バイポーラ電池１が搭載された車両１０を示す模式図である。図１に示すように、車両１０は、バッテリユニット１１を含む。バッテリユニット１１は、バッテリケース１２と、バッテリケース１２内に空気を供給するファン１３とを含む。バッテリケース１２内には、複数のバイポーラ電池１が配置されている。

（バイポーラ電池１）
図２は、バイポーラ電池１を示す断面図である。図３は、バイポーラ電池１の一部（単位セル３）を拡大して示す断面図である。図４は、図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。

バイポーラ電池１は、水系電池である。水系電池とは、電解液に水溶液が用いられた電池であり、電解液にアルカリ性電解液が用いられた電池も水系電池に含まれる。つまり、水系とは「プロトン性」の意であり、非水系とは「非プロトン性」の意である。「プロトン性」溶媒とは、分子が解離することにより、水素イオン（プロトン）を放出する溶媒を意味する。「非プロトン性」溶媒とは、プロトンを放出しない溶媒である。たとえば、アルコールは有機溶媒であるが、プロトンを放出するので「プロトン性」溶媒に含まれる。

なお、リチウムイオン電池の電解液溶媒は、単なる有機溶媒ではなく、分子の中にプロトンが取れる部分がなく、「非プロトン性」溶媒である。すなわち、リチウムイオン電池は、水系電池に含まれない。実施の形態１に係るバイポーラ電池１は、充放電可能な二次電池である。

図２〜図４（主として図２）に示すように、以上のような特性を有する本実施の形態のバイポーラ電池１は、積層体２、拘束具５（図２）、およびシール部材６を含む。

積層体２は、複数の単位セル３を含み、積層体２は、複数の単位セル３が集電板４を介して積層方向Ｄ１に積層されることで形成されている。積層体２は、積層方向Ｄ１の一端に端面２Ａ（図２）を有し、積層方向Ｄ１の他端に端面２Ｂ（図２）を有している。拘束具５は、積層方向Ｄ１と平行な方向において積層体２の端面２Ａ，２Ｂ（両端面）を両側から押圧することで積層体２を拘束している。

具体的には、拘束具５は、拘束板５Ａ，５Ｂ、連結軸５Ｃ、ボルト５Ｄ、ナット５Ｅを含む。拘束板５Ａ，５Ｂの外縁５ＡＥ，５ＢＥ（図２，図４）は、平面視でいずれも正方形の形状を有している。拘束板５Ａ，５Ｂの外縁５ＡＥ，５ＢＥは、積層体２の外縁よりも外側に位置している。拘束板５Ａは、積層体２の端面２Ａに対向し、端面２Ａに接するように配置される。拘束板５Ｂは、積層体２の端面２Ｂに対向し、端面２Ｂに接するように配置される。

拘束板５Ａ，５Ｂには、複数のボルト５Ｄを挿通するための貫通穴（図示せず）が設けられている。連結軸５Ｃが拘束板５Ａ，５Ｂの間に配置されるとともに、連結軸５Ｃの中にボルト５Ｄが挿通される。ボルト５Ｄとナット５Ｅとによって拘束板５Ａ，５Ｂは両側から挟み込まれる。積層体２の端面２Ａ，２Ｂ（両端面）は、積層方向Ｄ１と平行な方向において両側から押圧され、積層体２は積層方向Ｄ１の両側から拘束されることとなる。

図４に示すように、積層体２が拘束具５によって拘束されている状態において、複数の連結軸５Ｃ（本実施の形態では８本の連結軸５Ｃ）は、互いの間に間隔をあけて環状に並ぶように（積層体２およびシール部材６の周囲を取り囲むように）配置されている。ファン１３（図１）から供給された冷却風は、隣り合う連結軸５Ｃの間を通過して積層体２（集電板４の外縁４Ｅ）に吹き付けられる。積層体２は、この冷却風によって効率的に冷却されることができる。

（集電板４）
上述のとおり、積層体２は、複数の単位セル３が集電板４を介して積層方向Ｄ１に積層されることで形成されている（図２参照）。集電板４は、上面４Ａおよび下面４Ｂを含み、全体として板状の形状を有する。集電板４の外縁４Ｅ（図４）は、平面視で正方形の形状を有する。

（シール部材６）
シール部材６は、後述する単位セル３の周囲を取り囲むように環状に形成され（図４参照）、シール部材６の外縁６Ｅは平面視で略四角形の形状を有している。

図４に示すように、積層方向Ｄ１に沿って集電板４およびシール部材６を平面視したとすると、集電板４の外縁４Ｅは、シール部材６の外縁６Ｅの外側に位置している。集電板４のうちのシール部材６から外方に露出している部分は、ファン１３（図１）からの冷却風を直接的に受けることができ、集電板４は冷却風によって効率的に冷却されることができる。

本実施の形態のシール部材６は、環状に形成された樹脂枠６Ａ，６Ｂと、ガスケット６Ｃと、を含む。樹脂枠６Ａは、樹脂枠６Ｂの外側に配置され、樹脂枠６Ｂとの間に間隔をあけて配置されている。樹脂枠６Ａと樹脂枠６Ｂとの間には、環状の溝部６Ｄが形成される。ガスケット６Ｃは、溝部６Ｄ内に嵌め込まれる。シール部材６は、拘束具５の拘束力によって、積層方向Ｄ１において隣り合う２つの集電板４，４の間で挟み込まれている。

積層方向Ｄ１において隣り合う２つの集電板４，４と、これらの２つの集電板４，４の間に配置されたシール部材６（樹脂枠６Ａ）とによって、空間Ｓが形成される。空間Ｓ内には、複数の単位セル３に加えて、図示しない電解液（たとえばアルカリ性電解液）も収容されている。

（単位セル３）
図３に示すように、複数の単位セル３の各々（１つ１つの単位セル３）は、積層方向Ｄ１において隣り合う集電板４，４の間に形成される。本実施の形態においては、複数の単位セル３の各々（１つ１つの単位セル３）は、１つの単位電池３Ｍと、１つのセパレータ３Ｇと、１つの単位電池３Ｎとを有している。セパレータ３Ｇの外縁３ＧＥ（図４）は、平面視で正方形の形状を有する。単位電池３Ｍ、セパレータ３Ｇおよび単位電池３Ｎは、積層方向Ｄ１において隣り合う集電板４，４の間に形成されている。

単位電池３Ｍは、負極活物質３Ａ、セパレータ３Ｂ、および正極基板３Ｃを含む。単位電池３Ｎは、負極基板３Ｄ、セパレータ３Ｅ、および正極活物質３Ｆを含む。一層ずつ説明すると、図３の紙面内の上から下に向かって、集電板４（下面４Ｂ）、負極活物質３Ａ、セパレータ３Ｂ、正極基板３Ｃ、セパレータ３Ｇ、負極基板３Ｄ、セパレータ３Ｅ、正極活物質３Ｆ、および集電板４（上面４Ａ）が順に並んで配置される。

負極活物質３Ａの外縁３ＡＥは、セパレータ３Ｂの外縁３ＢＥの内側に位置する。負極活物質３Ａの外縁３ＡＥ（および後述する正極活物質３Ｆの外縁３ＦＥ）の外側には、必要に応じて、シール性や絶縁性を有する環状部材４Ｒが適宜形成されているとよい。環状部材４Ｒが形成されている位置には、さらに、漏液を防止可能なコーキング処理が実施されていてもよい。あるいは、漏液を防止可能なコーキング処理等は、シール部材６の内周側に設けられていてもよく、シール部材６の外周側に設けられていてもよく、シール部材６の内周側および外周側の両方に設けられていてもよい。

負極活物質３Ａの外縁３ＡＥの場合と同様に、正極基板３Ｃの外縁３ＣＥは、セパレータ３Ｂの外縁３ＢＥおよびセパレータ３Ｇの外縁３ＧＥの内側に位置する。同様に、負極基板３Ｄの外縁３ＤＥは、セパレータ３Ｇの外縁３ＧＥおよびセパレータ３Ｅの外縁３ＥＥの内側に位置する。同様に、正極活物質３Ｆの外縁３ＦＥは、セパレータ３Ｅの外縁３ＥＥの内側に位置する。これらの構成によって、不要な短絡が発生することが抑制されている。

（配線部材３Ｌ，３Ｒ）
ここで、本実施の形態の積層体２は、配線部材３Ｌ，３Ｒによって並列接続が行われている。具体的には、積層方向Ｄ１において隣り合う２つの集電板４（４Ｓ），４（４Ｔ）の間で１つの単位セル３を構成している単位電池３Ｍと単位電池３Ｎとを見た場合、単位電池３Ｍの正極基板３Ｃが、配線部材３Ｒによって、単位電池３Ｎと直列接続されている一方の集電板４（４Ｔ）に電気接続されている。単位電池３Ｎの負極基板３Ｄが、配線部材３Ｌによって、単位電池３Ｍと直列接続されている他方の集電板４（４Ｔ）に電気接続されている。

したがって、隣り合う２つの集電板４（４Ｓ），４（４Ｔ）の間で１つの単位セル３を構成している単位電池３Ｍと単位電池３Ｎとを見た場合には、単位電池３Ｍと単位電池３Ｎとは、隣り合う２つの集電板４（４Ｓ），４（４Ｔ）の間で並列接続されていることになる。すなわち、本実施の形態のバイポーラ電池１においては、複数の単位セル３の各々は、積層方向Ｄ１において隣り合う２つの集電板４，４の間に形成された複数の単位電池３Ｍ，３Ｎを含んでおり、単位電池３Ｍ，３Ｎは並列接続されている。

この構成に限られず、複数の単位セル３の各々は、積層方向Ｄ１において隣り合う２つの集電板４，４の間に形成された３以上の単位電池を含んでいてもよく、これらのうちの少なくとも２つの単位電池が並列接続されていればよい。このような構成を有するバイポーラ電池１によれば、バイポーラ電池１の単位セル３内に形成された複数の単位電池（３Ｍ，３Ｎ）を並列接続するための簡便で新規な構成を備えたバイポーラ電池とすることができ、高容量化を図ることが可能である。

上述のとおり、本実施の形態のバイポーラ電池１は、水系電池である。リチウムイオン電池は、電池を構成している部分とその外部との間で水分に対する十分な遮断が必要となる。これに対して本実施の形態のバイポーラ電池１においては、シール部材６によって水分を遮断することができるとともに、シール部材６から外方に露出している集電板４の外縁４Ｅを通して、積層体２を効率的に冷却することも可能である。

また、リチウムイオン電池は、バイポーラ電池１のような水系電池と比較して低い電導度を有する電解液が使用されるため、リチウムイオン電池においては電極間の距離を短くし、かつ正極と負極との対向面積を増加させて低抵抗化を図る必要があり、１つの単位セルの中に複数の電極を並列に配置した場合には、セルごとに外装を配置する必要があり、電極間の距離が短いことに起因して端部でのシールを確保することも困難である。これに対して本実施の形態のバイポーラ電池１においては、隣り合う２つの集電板４，４の間で、単位電池３Ｍと単位電池３Ｎとがセパレータ３Ｇを介して配置されており、単位電池３Ｍ，３Ｎおよびセパレータ３Ｇの周囲を取り囲むようにシール部材６が配置されており、１つの単位セル３を構成している単位電池３Ｍと単位電池３Ｎとは、簡便な構成にて、配線部材３Ｒ，３Ｌによって並列接続されることが可能となっている。

Ｎｉ−ＭＨ電池では、電極から発生したガスを正極および負極で吸収するといった反応が起こっており、板状電極でガスの移動が妨げられるという可能性もある。これに対して、たとえばバイポーラ電池１においては、正極基板３Ｃおよび負極基板３Ｄに、ガスの透過性を有する部材（基材）を適用しても構わない。集電板４には、電解液の透過を防止可能な部材を適用する。ガスの透過性を有する部材（基材）の例としては、パンチングメタル、発泡メタル、不織布などが挙げられる。

さらには、上記の実施の形態において、集電板４のうちのシール部材６から露出している部分を絶縁部材で覆うようにしてもよい。たとえば、露出部分に絶縁テープを貼り付けたり、絶縁コーキングを施したり、絶縁物を溶射して塗布することが考えられる。また、集電板４の外縁４Ｅまたはその近傍にシール性のある拘束部を設けるようにしてもよい。また、集電板４の全ての外縁４Ｅに上記のような絶縁処理を施す場合に限られず、複数の辺部のうちの一部の辺部に施すようにしてもよい。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的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。

本明細書に記載されたバイポーラ電池は、たとえば、車両や電気機器の電源に利用することができる。

１ バイポーラ電池、２ 積層体、２Ａ，２Ｂ 端面、３ 単位セル、３Ａ 負極活物質、３ＡＥ，３ＢＥ，３ＣＥ，３ＤＥ，３ＥＥ，３ＦＥ，３ＧＥ，４Ｅ，５ＡＥ，５ＢＥ，６Ｅ 外縁、３Ｂ，３Ｅ，３Ｇ セパレータ、３Ｃ 正極基板、３Ｄ 負極基板、３Ｆ 正極活物質、３Ｌ，３Ｒ 配線部材、３Ｍ，３Ｎ 単位電池、４ 集電板、４Ａ 上面、４Ｂ 下面、４Ｒ 環状部材、５ 拘束具、５Ａ，５Ｂ 拘束板、５Ｃ 連結軸、５Ｄ ボルト、５Ｅ ナット、６ シール部材、６Ａ，６Ｂ 樹脂枠、６Ｃ ガスケット、６Ｄ 溝部、１０ 車両、１１ バッテリユニット、１２ バッテリケース、１３ ファン、Ｄ１ 積層方向、Ｓ 空間。

Claims (1)

1. 複数の単位セルを含み、複数の前記単位セルが集電板を介して積層方向に積層されることで形成された積層体と、
   前記積層体の両端面を前記積層方向と平行な方向に押圧することで前記積層体を拘束する拘束具と、を備え、
   複数の前記単位セルの各々は、前記積層方向において隣り合う２つの前記集電板の間に形成された複数の単位電池を含み、少なくとも２つの前記単位電池は並列接続されている、
   バイポーラ電池。

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