JP2018028983A - バイポーラ電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】押圧板と隣り合う単位電池の電圧を他の単位電池と均等化することができると共に、当該均等化回路を取り付けやすいバイポーラ電池を提供する。【解決手段】バイポーラ電池は、複数の単位セル10が積層方向に積層されることで形成された積層体11と、拘束具12と、均等化回路15とを備える。積層体は、押圧板と隣り合う第1単位セル10A,10Bと、第1単位セル10A,10Bよりも積層方向の中央側に配置された第2単位セル10とを含む。上記第1単位セル10A,10Bおよび第2単位セル10の集電板40は、シール部材42よりも外方向に張り出す張出部を含む。上記均等化回路15は、第1単位セル10A,10Bの張出部と、第2単位セル10の張出部とに接続される。【選択図】図2

Description

本開示に係る電池は、バイポーラ電池である。
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号公報に記載されたバイポーラ電池は、バイポーラ電極とセパレータとを積層することで形成されている。
バイポーラ電極は、集電体と、集電体の一方の側面に形成された正極と、集電体の他方の側面に形成された負極とを含む。セパレータは、電解質層を保持する部分と、電解質層を保持する部分の外周部に形成されたシール樹脂とを含む。
上記のバイポーラ電池においては、セパレータと、セパレータの一方の面に形成された正極と、セパレータの他方の面に形成された負極とによって1つの単位電池が形成されている。そして、複数の単位電池と集電板とが順次積層されている。
特開2011−151016号公報
上記特開2011−151016号公報に記載されたバイポーラ電池においては、セパレータに樹脂を含浸させて、シール部材を形成している。セパレータ内に樹脂を完全に含浸させることは困難であり、電解液がセパレータ内を通って外部に漏れるおそれがある。
そこで、本願発明者等は、下記のようなバイポーラ電池について検討した。発明者等が検討したバイポーラ電池は、複数の単位セルを積層した積層体と、この積層体の両端面を押圧する拘束具とを備える。そして、各単位セルは、集電板と、この集電板の上面に形成された単位電池と、単位電池の周囲を取り囲むように集電板に配置されたシール部材とを含む。そして、拘束具は、積層体の両端面を押圧する押圧板を含む。
この本願発明者等が検討したバイポーラ電池においては、シール部材を積層方向に隣り合う集電板によって挟みこんでいる。このため、シール部材の内側に電解液を収納したとしても、外部に電解液が漏れることを抑制することができる。
さらに、本願発明者等は、上記のバイポーラ電池において各単位電池について検討したところ、押圧板と隣り合う単位電池の熱が押圧板に放熱されるため、各単位電池の温度にばらつきが生じことを見出した。各単位電池の温度にばらつきが生じると、各単位電池の内部抵抗および電圧にばらつきが生じる。
このため、押圧板と隣り合う単位電池の電圧と、他の単位電池の電圧とを均等化する均等化回路を設ける必要がある。しかし、上記のバイポーラ電池においては、均等化回路を設ける構成について何ら検討されていなかった。
本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、押圧板と隣り合う単位電池の電圧を他の単位電池と均等化することができると共に、当該均等化回路を取り付けやすいバイポーラ電池を提供することである。
バイポーラ電池は、積層体と、拘束具と、均等化回路とを備える。上記積層体は、複数の単位セルが積層方向に積層されることで形成されている。上記拘束具は、積層体の端面を押圧する押圧板を含み、積層体を積層方向に押圧して積層体を拘束する。単位セルの各々は、集電板と、集電板に設けられた単位電池と、集電板に設けられると共に単位電池の周囲を取り囲むように形成されたシール部材とを含む。上記積層体は、押圧板と隣り合う第1単位セルと、第1単位セルよりも積層方向の中央側に位置する第2単位セルとを含む。上記第1単位セルおよび第2単位セルの集電板は、シール部材よりも外方向に張り出す張出部を含む。上記均等化回路は、第1単位セルの張出部と、第2単位セルの張出部とに接続される。
上記のバイポーラ電池において、押圧板と隣り合う第1単位セルの熱は押圧板に放熱され易く、第1単位セルの温度は高くなり難い。その一方で、第2単位セルは、隣接する単位セルも同様の温度になるため、低くなりにくい。このように、押圧板と隣り合う第1単位セルの温度が低くなると内部抵抗が高くなり、電圧(充電量)が高くなる。
上記のバイポーラ電池においては、均等化回路が第1単位セルの集電板と第2単位セルの集電板とを接続しており、第1単位セルと第2単位セルの電圧を均等化することができる。さらに、均等化回路は各単位セルの集電板の張出部に接続されており、均等化回路の接続が容易なものとなっている。
本開示のバイポーラ電池によれば、押圧板と隣り合う単位電池の電圧を他の単位電池と均等化することができると共に、当該均等化回路を取り付けやすくなる。
本実施の形態に係るバイポーラ電池1が搭載された車両2を模式的に示す模式図である。 バイポーラ電池1を示す断面図である。 バイポーラ電池1の分解斜視図である。 積層体11を組み立てる過程を模式的に示す断面図である。 単位セル10を示す斜視図である。 単位セル10を示す平面図である。 充放電中のバイポーラ電池1における各単位セル10の温度を示すグラフである。 バイポーラ電池1の初期状態における各単位電池41の充電量を示すグラフである。 均等化回路15が設けられていないバイポーラ電池において、充放電を切り返した後における各単位電池41の充電量を示すグラフである。 均等化回路15が設けられたバイポーラ電池1において、充放電を繰り返した後における各単位電池41の充電量を示すグラフである。 バイポーラ電池1の変形例を示す断面図である。 バイポーラ電池1の変形例を示す断面図である。
図1から図12を用いて、各実施の形態に係るバイポーラ電池について説明する。なお、図1から図12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。
図1は、本実施の形態に係るバイポーラ電池1が搭載された車両2を模式的に示す模式図である。この図1に示すように、車両2は、バッテリユニット3を含む。
バッテリユニット3は、複数のバイポーラ電池1を収容するバッテリケース4と、バッテリケース4内に冷却風を供給するファン5とを含む。
図2は、バイポーラ電池1を示す断面図であり、図3は、バイポーラ電池1の分解斜視図である。図2に示すように、バイポーラ電池1は、複数の単位セル10が積層方向D1に積層されることによって形成された積層体11と、積層体11を積層方向D1に拘束する拘束具12と、複数の均等化回路15とを含む。
積層体11は、積層方向D1に配列する端面(第1端部)13および端面(第2端部)14とを含む。
拘束具12は、端面13を押圧する金属製の押圧板(第1押圧板)20と、端面14を押圧する金属製の押圧板(第2押圧板)21と、押圧板20および押圧板21を接続する複数の接続部材23とを含む。
押圧板20には、複数の貫通孔24が形成されており、押圧板21にも複数の貫通孔25が形成されている。
接続部材23は、押圧板20および押圧板21の間に配置された接続軸26と、接続軸26の一端を押圧板20に連結するボルト27と、接続軸26の他端を押圧板21に連結するボルト28と、絶縁部材29,30とを含む。
絶縁部材29には、ボルト27の軸部が挿入される貫通孔が形成されている。絶縁部材29は、貫通孔24内に挿入される筒状の筒部31と、筒部31の下端部に形成された鍔部32とを含む。鍔部32は、押圧板20の下面に配置されている。
絶縁部材29は、押圧板20とボルト27とを絶縁する部材であり、鍔部32は、押圧板20とボルト27のヘッド部とを絶縁し、筒部31は押圧板20とボルト27の軸部との間を絶縁する。
絶縁部材30も、絶縁部材29と同様に構成されており、絶縁部材30は、貫通孔25に挿入される筒部33と、押圧板21の上面に配置される鍔部34とを含む。この絶縁部材30は、押圧板21とボルト28とを絶縁する。
接続軸26の一端には、ボルト27の軸部と螺合する雌ねじ部が形成されており、接続軸26の他端には、ボルト28の軸部と螺合する雌ねじ部が形成されている。
そして、ボルト27,28を接続軸26に螺合させて、ボルト27,28を巻き締めることで、押圧板20,21が積層体11の端面13,14を押圧する。
絶縁部材29,30が押圧板20,21およびボルト27,28を絶縁するため、接続軸26は押圧板20,21から絶縁される。ここで、押圧板20および押圧板21は、積層体11と電気的に接続されている一方で、接続軸26が押圧板20,21から絶縁されているため、押圧板20および押圧板21の間で短絡することが抑制されている。そして、押圧板20および押圧板21を集電端子として利用することができる。
ここで、図3に示すように、接続軸26は、積層体11の周囲を取り囲むように間隔をあけて配置されている。このため、ファン5からの冷却風は、接続軸26の間を通って積層体11に達し、積層体11を冷却する。
すなわち、積層体11は、外気に曝されており、積層体11の熱を外気に直接放熱することができる。
なお、拘束具12の構成としては、上記のような構成に限られない。たとえば、接続部材23に代えて、押圧板20,21を拘束する拘束バンドや、押圧板20,21を互いに近づけるように付勢するバネなどの弾性部材を採用してもよい。また、絶縁部材29,30を省略すると共に、ボルト27,28として樹脂製のボルトを使用してもよい。
図2において、単位セル10は、積層方向D1に配列する上面(第1主表面)35および下面(第2主表面)36を含む集電板40と、集電板40の上面35に配置された単位電池41と、上面35に配置されると共に単位電池41の周囲を取り囲むように形成されたシール部材42とを含む。さらに、単位セル10は、シール部材42の外周面に形成されたシール部材53,54と、シール部材42の内側に形成された疎水性絶縁膜55,56とを含む。
集電板40は、たとえば、ニッケル板およびニッケルメッキ鋼板等の金属板などである。なお、集電板40の厚さは、たとえば、50〜700μmである。このように、集電板40は、所定の厚みを有するため、複数の集電板40を互いに間隔をあけて配置したとしても、集電板40の外周縁部が撓むことが抑制されている。
単位電池41は、積層方向D1に配列する上面(第3主表面)46および下面(第4主表面)47を含むセパレータ44と、上面46に配置された負極45と、下面47に配置された正極43とを含む。
図4は、積層体11を組み立てる過程を模式的に示す断面図である。この図4に示すように、積層体11は、バイポーラ電極17とセパレータ44とを交互に積層することで形成されている。バイポーラ電極17は、集電板40と、集電板40の上面35に形成された正極43と、集電板40の下面36に形成された負極45とを含む。
また、各集電板40の上面35にはシール部材42および疎水性絶縁膜55が設けられており、下面36には疎水性絶縁膜56が形成されている。
そして、バイポーラ電極17およびセパレータ44を順次積層すると、積層方向に隣り合う集電板40の間において、正極43と、正極43の上面に配置されたセパレータ44と、セパレータ44の上面に配置される負極45とによって単位電池41が形成される。
また、単位電池41と、シール部材42と、疎水性絶縁膜55と、疎水性絶縁膜56とによって、単位セル10が形成される。
正極43は、80〜99mass%程度の正極活物質を含有する。正極活物質は、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)である。水酸化ニッケルは、充電により、オキシ水酸化ニッケル(NiOOH)に変化する。オキシ水酸化ニッケルは、放電により、水酸化ニッケルに戻る。すなわち、正極43は、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルの少なくとも一方を含有する。
正極43は、正極活物質の他、導電材およびバインダを含有してもよい。正極43は、たとえば、0.5〜10mass%程度の導電材を含有してもよい。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。正極43は、たとえば、0.5〜10mass%程度のバインダを含有してもよい。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、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。
負極45は、水素吸蔵合金を含む。水素吸蔵合金は、負極活物質である。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(「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す)等が挙げられる。負極45は、水素吸蔵合金の成形体であってもよいし、水素吸蔵合金が基材に保持されたものであってもよい。基材としては、たとえば、パンチングメタル等が挙げられる。
なお、活物質保持体を用いて、正極43または負極45を形成するようにしてもよい。たとえば、活物質保持体を溶接、圧接等により集電板40の上面35および下面36に接合すると共に、活物質保持体に正極活物質ペーストまたは負極活物質ペーストを充填することによって、正極43または負極45を形成してもよい。活物質保持体としては、たとえば、パンチングメタル、メタルメッシュ等が挙げられる。
セパレータ44は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布等である。セパレータ44には、電解液が含浸されている。電解液は、たとえば、水酸化カリウム(KOH)水溶液等である。
ここで、本実施の形態に係るバイポーラ電池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。また、本実施の形態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5は、単位セル10を示す斜視図である。この図5に示すように、単位電池41のうち、セパレータ44が最も大きく、セパレータ44の外周縁部の全周は、正極43および負極45の外周縁部よりも外側に張り出している。
シール部材42は、単位セル10の周囲を取り囲むようにループ状に形成されている。シール部材42は、ループ状の樹脂枠50と、樹脂枠50の内側に配置されたループ状の樹脂枠51と、樹脂枠50および樹脂枠51の間に配置されたガスケット52とを含む。
ガスケット52は、長期的な高い気密性、優れた耐熱性、耐薬品性、電気的絶縁性を有する樹脂で形成されており、たとえば、ポリアリーレンサルファイド樹脂、熱可塑性エラストマーまたはポリアリーレンスルフィド樹脂などを含む樹脂で形成されている。
図2に示すように、拘束具12が積層体11に加える押圧力によって、シール部材42は積層方向D1に隣り合う2つの集電板40によって挟み込まれている。ガスケット52の高さは、2つの集電板40から加えられる挟持力によって、自然状態のときの高さよりも低くなっており、ガスケット52は、積層方向D1に隣り合う集電板40に密着している。
ガスケット52が各集電板40に密着しているため、単位電池41の電解液が外部に漏れることが抑制されている。なお、シール部材42の構成としては、樹脂枠50,51およびガスケット52を含む構成に限られない。たとえば、ガスケット52をシール部材42としてもよく、ガスケット52の他にシールリングなどを採用してもよい。
さらに、単位セル10は、樹脂枠50の外周面に形成されたシール部材53,54を含む。樹脂枠50は、積層方向D1に隣り合う2つの集電板40によって挟まれており、シール部材53は、一方の集電板40と樹脂枠50とによって形成される角部を埋めるようにループ状に形成されている。シール部材54は、他方の集電板40と樹脂枠50とによって形成される角部を埋めるように形成されている。これにより、電解液の封止性の向上が図られている。
図6は、単位セル10を示す平面図である。具体的には、集電板40およびシール部材42などを積層方向D1に離れた位置から視たときの平面図である。なお、この図6においては、負極45は、図示していない。
この図6に示すように、単位セル10は、単位電池41の周囲を取り囲むように、上面35に形成された疎水性絶縁膜55を含む。
疎水性絶縁膜55は、疎水性材料によって形成されており、たとえば、フルオロポリマーまたは類似の材料などの好適な疎水性材料から形成されている。たとえば、疎水性絶縁膜55における電解液の接触角が90°以上となる材料によって疎水性絶縁膜55が形成されている。
疎水性絶縁膜55の外周縁部は、セパレータ44の外周縁部よりも外側に位置しており、セパレータ44の外周縁部が疎水性絶縁膜55上に位置している。
このため、セパレータ44の外周縁部から電解液が疎水性絶縁膜55上に染み出ようとしても、疎水性を有する疎水性絶縁膜55によって弾かれる。その結果、セパレータ44に含浸した電解液がセパレータ44から漏れ難くなり、電解液がシール部材42に達することを抑制することができる。これによって、電解液が外部に漏れることを抑制することができる。
なお、疎水性絶縁膜55にセパレータ44の外周縁部が接触していることは必須の構成ではなく、平面視した際に、疎水性絶縁膜55がセパレータ44よりも外側に配置されていてもよい。なお、疎水性絶縁膜56も疎水性絶縁膜55と同様に形成されている。
図6において、シール部材42は、方形形状に形成されており、シール部材42は、Y方向に配列する側面60および側面61とX方向に配列する側面62および側面63とを含む。
集電板40は、側面60に沿って延びる近接部分70と、側面61に沿って延びる近接部分71とを含む。さらに、集電板40は、側面62から外方向に張り出す張出部72と、側面63から外方向に張り出す張出部73とを含む。
なお、張出部72,73の外周縁部と側面62,63との間の距離は、近接部分70,71の外周縁部と側面60,61との間の距離よりも長い。
そして、図5に示すように、均等化回路15は、積層方向に隣り合う集電板40の各張出部73に接続されている。なお、この図5に示す例においては、張出部73に接続されているが、張出部72同士を接続するようにしてもよい。
このように、本実施の形態に係るバイポーラ電池1においては、各集電板40にはシール部材42から外側に張り出す張出部72,73が形成されており、この張出部72,73に均等化回路15を接続するようにしているため、均等化回路15を簡単に取り付けることができる。そして、均等化回路15は、抵抗を含み、均等化回路15によって接続された各単位電池41の電圧は、互いに均等化される。
上記のように構成されたバイポーラ電池1において、図2において、積層体11は、押圧板20の上面に配置された単位セル10Aと、押圧板21の下面に配置された単位セル10Bと、積層体11の中央に位置する単位セル10Dとを含む。
単位セル10Aは、押圧板20の上面に配置された集電板40Aと、集電板40Aの上面に形成された単位電池41Aとを含む。そして、単位セル10Aの集電板40Aに接続された均等化回路15は、単位セル10Aの集電板40Aと、単位セル10Aよりも積層体11の中央側に位置する単位セル10の集電板40とを接続している。
押圧板21と隣り合う単位セル10Bは、押圧板21Aの下面に配置された集電板40Cと、集電板40Cと隣り合う集電板40Bと、集電板40Cおよび集電板40Bの間に形成された単位電池41Bとを含む。そして、単位セル10Bの集電板40Bに接続された均等化回路15は、単位セル10Bの集電板40Bと、単位セル10Bよりも積層体11の中央側に位置する単位セル10の集電板40とを接続している。
単位セル10Dは、集電板40Dと、集電板40Dの上面に形成された単位電池41Dとを含む。
図2において、単位セル10Aの熱は押圧板20に放熱され易く、単位セル10Bの熱は押圧板21に放熱され易い。その一方で、単位セル10Dは、積層方向D1に隣り合う2つの単位セル10も単位セル10Dと同様の温度になるため、単位セル10Dの温度は低くなりにくい。このように、単位セル10A,10Bの温度は、他の単位セル10よりも低くなり易い。
図7は、充放電中のバイポーラ電池1における各単位セル10の温度を示すグラフである。この図7からも明らかなように、単位セル10A、10Bの温度は、単位セル10Dよりも低くなり易い。
図8は、バイポーラ電池1の初期状態における各単位電池41の充電量を示すグラフである。そして、図9は、均等化回路15が設けられていないバイポーラ電池において、充放電を繰り返した後における各単位電池41の充電量を示すグラフであり、図10は、均等化回路15が設けられたバイポーラ電池1において、充放電を繰り返した後における各単位電池41の充電量を示すグラフである。
図8に示すように、初期状態においては、各単位電池41の電圧は均一である。そして、図10に示すように、均等化回路15が設けられたバイポーラ電池1においては、充放電を繰り返しても各単位電池41の充電量は均一となっている。その一方で、図9に示すように、均等化回路15が設けられていないバイポーラ電池においては、単位電池41Aおよび単位電池41Bの充電量が、他の単位電池41の充電量よりも高くなる。
温度が低くなり易い単位電池41A,41Bにおいては、内部抵抗が高くなり易く、これに伴い充電効率が悪くなり、さらに、各単位電池41A,41Bの容量が低下する。そして、均等化回路15が設けられていないバイポーラ電池1においては、図8に示すように単位電池41A,41Bと、単位電池41Dとにおいて充電量(電圧)に差が生じる。そこで、本実施の形態においては、各単位セル10毎に均等化回路15を設けて、各単位電池41の電圧の均等化を図っている。その結果、図10に示すように、各単位電池41の充電量の均一化を図ることができた。
なお、図11に示すように、各均等化回路15にスイッチ19を設けるようにしてもよい。なお、各均等化回路15の電気回路としては、図12に示すように構成してもよい。
また、上記の実施の形態においては、隣り合う単位電池41同士を均等化回路15で接続するようにしているが、単位電池41Aと単位電池41Dとを均等化回路15で接続すると共に、単位電池41Bと単位電池41Dとを均等化回路15で接続するようにしてもよい。単位電池41Aおよび単位電池41Bの充電量が高くなり易いためである。なお、当該構成を採用することで、均等化回路15の個数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることができる。
なお、今回開示された実施の形態は全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。本発明の範囲は上記した説明ではなく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全ての変更が含まれることが意図される。
1 バイポーラ電池、2 車両、3 バッテリユニット、4 バッテリケース、5 ファン、10,10A,10B,10D 単位セル、11 積層体、12 拘束具、13,14 端面、15 均等化回路、17 バイポーラ電極、20,21,21A 押圧板、23 接続部材、24,25 貫通孔、26 接続軸、27,28 ボルト、29,30 絶縁部材、31,33 筒部、32,34 鍔部、35,46 上面、36,47 下面、40,40A,40B,40C,40D 集電板、41,41A,41B,41D 単位電池、42,53,54 シール部材、43 正極、44 セパレータ、45 負極、50,51 樹脂枠、52 ガスケット、55,56 疎水性絶縁膜、60,61,62,63 側面、70,71 近接部分、72,73 張出部、D1 積層方向。

Claims (1)

  1. 複数の単位セルが積層方向に積層されることで形成された積層体と、
    前記積層体の端面を押圧する押圧板を含み、前記積層体を前記積層方向に押圧して前記積層体を拘束する拘束具と、
    均等化回路と、
    を備えたバイポーラ電池であって、
    前記複数の単位セルの各々は、集電板と、前記集電板に設けられた単位電池と、前記集電板に設けられると共に前記単位電池の周囲を取り囲むように形成されたシール部材とを含み、
    前記積層体は、前記押圧板と隣り合う第1単位セルと、前記第1単位セルよりも前記積層方向の中央側に配置された第2単位セルとを含み、
    前記第1単位セルおよび前記第2単位セルの集電板は、シール部材よりも外方向に張り出す張出部を含み、
    前記均等化回路は、前記第1単位セルの張出部と、前記第2単位セルの張出部とに接続された、バイポーラ電池。
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