JP2018049791A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集電体の変形が抑制され得る蓄電装置の提供。【解決手段】セパレータＳを介して積層された複数のバイポーラ電極２０と、複数のバイポーラ電極を保持する絶縁性の枠体３０と、を備える蓄電装置であり、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、集電体２１と、集電体の第１の面に設けられる正極層２２と、集電体における第１の面と反対側の第２の面に設けられる負極層２３と、を有し、複数のバイポーラ電極は、隣接する正極層と負極層との間にセパレータが挟まれてなる単電池要素を構成するように、配置されており、枠体は、複数の集電体の周縁部を取り囲んで複数の集電体を保持しており、集電体の第１の面及び第２の面には、積層方向からみて、正極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に立体パターンＰが形成されている蓄電装置。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

蓄電装置として、例えば特許文献１に開示されているように、集電体の一方の面に正極層が形成され、集電体の他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極を有する装置が知られている。この蓄電装置では、複数のバイポーラ電極は、正極層と負極層とが電解質層を挟んで向き合うように、積層されている。複数の電極のうち積層方向に隣り合う電極間に設けられる正極層、電解質層及び負極層の積層体は、一つの単電池層を構成している。特許文献１に記載の蓄電装置では、複数のバイポーラ電極の積層方向に隣り合う２つの集電体間は、シール部でシールされている。

特開２０１０−２１２０９２号公報

特許文献１に記載されているような複数のバイポーラ電極が積層され、シール部でシールされた構成を有する蓄電装置では、蓄電装置を駆動した際に、複数のバイポーラ電極の積層方向に隣り合う２つの単電池層を収容する空間に圧力差が生じる場合がある。このように圧力差が生じると、集電体の表面に、上記積層方向に向けた力が加わるので、集電体が変形し、積層方向に隣り合う集電体が接触したり、場合によっては、集電体が破断するおそれもある。

そこで、本発明は、集電体の変形が抑制され得る蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る蓄電装置は、セパレータを介して積層される複数のバイポーラ電極と、上記複数のバイポーラ電極を保持する絶縁性の枠体と、を備える蓄電装置であり、複数の上記バイポーラ電極のそれぞれは、集電体と、上記集電体の第１の面に設けられる正極層と、上記集電体における上記第１の面と反対側の第２の面に設けられる負極層と、を有し、複数の上記バイポーラ電極は、隣接する上記正極層と上記負極層との間に上記セパレータが挟まれてなる単電池要素を構成するように、配置されており、上記枠体は、複数の上記集電体の周縁部を取り囲んで複数の上記集電体を保持しており、上記集電体の上記第１の面及び第２の面には、複数の上記バイポーラ電極の積層方向からみて、上記正極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に立体パターンが形成されている。

上記構成では、隣り合うバイポーラ電極のそれぞれが有する集電体と、枠体とで画成される空間内に単電池要素が配置されている。よって、複数のバイポーラ電極の積層方向において隣り合う２つの集電体と枠体とで画成される部分は電池セルを構成する。上記蓄電装置では、蓄電装置を駆動した際に、上記積層方向において隣り合う電池セルの間に差圧が生じても、集電体に立体パターンが形成されていることにより、集電体に印加される力が分散される。その結果、集電体の変形を抑制できる。

上記立体パターンは、上記積層方向からみて、上記集電体における上記負極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に形成されていてもよい。

複数の上記集電体の周縁部は、上記枠体内に埋設されており、上記立体パターンは、上記集電体において、上記枠体による埋設領域より内側に形成されていてもよい。

上記立体パターンは、立体トラスを含んでもよい。

上記立体パターンは、複数の凹部又は凸部が２次元状に配置されたパターンを含んでもよい。この場合、上記複数の凹部又は凸部は、千鳥格子状に配置されてもよい。

上記立体パターンは、上記積層方向からみて上記集電体における上記正極層の形成領域を囲む立体パターン領域に形成されており、上記立体パターン領域の周方向において、上記立体パターンの一部の形状は、他の部分の形状と異なってもよい。

本発明の蓄電装置によれば、集電体の変形が抑制され得る。

一実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 バイポーラ電極が有する集電体の構成を説明するための図面であり、（ａ）部は、集電体の第１の面側からみたバイポーラ電極を示しており、（ｂ）部は、集電体の第２の面側からバイポーラ電極を示している。 立体パターンの例を示す図面であり、（ａ）部は、立体パターンが立体トラスである場合の例を示しており、（ｂ）部は、立体パターンが複数の凸部が離散的に配置された形状である場合を例示しており、（ｃ）部は、立体パターンが、複数の凹部が千鳥格子状に配置された形状である場合を例示している。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

図１に示された蓄電装置１０は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池、又は電気二重層キャパシタである。蓄電装置１０は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。以下の説明では、断らない限り、蓄電装置１０がニッケル水素二次電池である形態を説明する。蓄電装置１０は、複数のバイポーラ電極２０と、それらを一括して保持する枠体３０とを備える。

各バイポーラ電極２０は、集電体２１と、集電体２１の第１の面２１ａに設けられた正極層２２と、集電体２１の第２の面（集電体２１における第１の面２１ａとは反対側の面）２１ｂに設けられた負極層２３とを有している。

集電体２１は、例えば金属箔であり、金属箔の例は、ニッケル箔である。集電体２１は、平面視した場合（集電体２１の厚さ方向からみた場合）、矩形又は正方形を呈す。集電体２１の厚さは、例えば０．１μｍ〜１０００μｍ程度である。正極層２２を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケル等が挙げられる。負極層２３を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金等が挙げられる。正極層２２及び負極層２３も、平面視した場合、矩形又は正方形を呈す。正極層２２及び負極層２３は、例えば、それらを構成する材料を、第１の面２１ａ及び第２の面２１ｂの所定領域に塗工することで形成され得る。

複数のバイポーラ電極２０は、蓄電装置１０が備えるセパレータＳを介して積層されている。複数のバイポーラ電極２０が積層された状態において、一のバイポーラ電極２０の正極層２２は、積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極２０の負極層２３とセパレータＳを介して対向し、一のバイポーラ電極２０の負極層２３は、積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極２０の正極層２２とセパレータＳを介して対向している。

セパレータＳは、シート状を呈しており、電解液を透過させ得る。セパレータＳの材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。セパレータＳは、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。セパレータＳの大きさは、例えば負極層２３と同じか又は負極層２３より大きい。セパレータＳは、枠体３０の内壁面に接しない程度の大きさとし得る。

蓄電装置１０は、図１に示したように、終端電極４０及び終端電極５０を備えてもよい。終端電極４０は、集電体４１と、集電体４１の第１の面４１ａ上に形成された正極層４２とを有する。終端電極５０は、集電体５１と、集電体５１の第１の面５１ａ上に形成された負極層５２とを有する。集電体４１及び集電体５１は、集電体２１より厚く構成され得る。この厚さの点以外の集電体４１及び集電体５１の構成は、集電体２１の構成と同様である。正極層４２及び負極層５２の構成は、正極層２２及び負極層２３の構成と同様である。

終端電極４０は、積層されたバイポーラ電極２０の一方の積層端（図１における上側の積層端）に、正極層４２が、最上層のバイポーラ電極２０の負極層２３に対してセパレータＳを介して対向するように配置されている。終端電極５０は、積層されたバイポーラ電極２０の他方の積層端（図１における下側の積層端）に、負極層５２が、最下層のバイポーラ電極２０の正極層２２に対してセパレータＳを介して対向するように配置されている。

枠体３０は、筒状部材であり、複数の集電体２１の周縁部を一括して保持している。具体的には、各集電体２１の周縁部が、枠体３０に埋設された状態で枠体３０に保持されている。筒状を呈する枠体３０を、その軸線方向からみた形状の例は、矩形又は正方形である。枠体３０は、絶縁性を有する材料から構成され得る。枠体３０の例は樹脂からなる樹脂枠であり、樹脂枠である枠体３０の材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）などが挙げられる。枠体３０は、集電体４１の周縁部及び集電体５１の周縁部を、集電体２１と同様に、枠体３０に埋設した状態で保持してもよい。

蓄電装置１０は、枠体３０で保持された複数のバイポーラ電極２０を、積層方向に拘束する一対の拘束プレート６０Ａ，６０Ｂを備えてもよい。拘束プレート６０Ａ，６０Ｂは金属プレートであり、拘束プレート６０Ａ，６０Ｂの材料の例は、アルミニウム、炭素鋼、及びステンレスなどである。一対の拘束プレート６０Ａ，６０Ｂは、複数のバイポーラ電極２０を積層方向に拘束するとともに、枠体３０も拘束する。枠体３０は、終端電極４０及び終端電極５０を拘束してもよい。一方の拘束プレート６０Ａには正極端子ＰＴが接続される。他方の拘束プレート６０Ｂには負極端子ＮＴが接続される。正極端子ＰＴ及び負極端子ＮＴにより蓄電装置１０の充放電を行うことができる。

拘束プレート６０Ａ，６０Ｂには、積層方向に延びるボルトＢを貫通するための貫通孔が設けられる。ボルトＢは拘束プレート６０Ａから拘束プレート６０Ｂに向かって挿通される。ボルトＢの先端にはナットＮが螺合される。これにより、拘束プレート６０Ａ及び拘束プレート６０Ｂは、それらの間の要素（例えば複数のバイポーラ電極２０、複数のセパレータＳ及び枠体３０）に対して、拘束荷重を付加する。その結果、枠体３０内は密封される。なお、拘束プレート６０Ａ，６０Ｂが短絡しないように、ボルトＢと拘束プレート６０Ａ，６０Ｂとは絶縁されていればよい。

上記蓄電装置１０において、複数のバイポーラ電極２０の積層方向において隣り合う集電体２１及び集電体２１の間には、正極層２２、セパレータＳ及び負極層２３の積層体である単電池要素７０Ａが配置されている。単電池要素７０Ａは、集電体２１，２１と枠体３０の内壁面とによって画成された収容室Ｒ１内に収容されている。収容室Ｒ１内には電解液（不図示）も収容されている。電解液は、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる液である。

蓄電装置１０が終端電極４０及び終端電極５０を備える形態では、集電体４１と、それと隣り合う集電体２１の間には、正極層４２、セパレータＳ及び負極層２３の積層体である単電池要素７０Ｂが配置されており、集電体５１と、それと隣り合う集電体２１の間には、正極層２２、セパレータＳ及び負極層５２の積層体である単電池要素７０Ｃが配置されている。単電池要素７０Ｂは、集電体２１及び集電体４１と枠体３０の内壁面とによって画成された収容室Ｒ２内に収容されており、単電池要素７０Ｃは、集電体２１及び集電体５１と枠体３０の内壁面とによって画成された収容室Ｒ３内に収容されている。収容室Ｒ２及び収容室Ｒ３内には、電解液も収容されている。電解液の例は、収容室Ｒ１内に収容されている電解液と同様である。

上記蓄電装置１０の構成では、積層方向に隣り合う集電体２１（４１，５１）と、枠体３０のうち隣り合う集電体２１（４１，５１）の間の部分と、収容室Ｒ１（Ｒ２，Ｒ３）内に配置される単電池要素７０Ａ（７０Ｂ，７０Ｃ）と、電解液とは、電池セルＣを構成する。したがって、蓄電装置１０は、複数の電池セルＣが集電体２１を介して直列接続された電池スタックを備える。積層方向において、隣り合う電池セルＣ間の配置される集電体２１は、隣り合う電池セルＣの共通の壁部を構成する。

次に、図２に示したバイポーラ電極２０を参照しながら、集電体２１の構成について、詳述する。図２の（ａ）部は、第１の面２１ａ側からみたバイポーラ電極２０の平面図であり、図２の（ｂ）部は、第２の面２１ｂ側からみたバイポーラ電極２０の平面図である。図２の（ａ）部及び（ｂ）部では、説明の便宜のため、枠体３０を一点鎖線で示している。

集電体２１の第１の面２１ａには正極層２２が形成され、第２の面２１ｂには負極層２３が形成されている。負極層２３の形成領域Ａ２は、集電体２１において、枠体３０に埋設される埋設領域（図２において、一点鎖線で示した枠体３０と集電体２１との重複領域）より内側に配置されている。通常、負極層２３の形成領域Ａ２は、集電体２１の厚さ方向（複数のバイポーラ電極２０の積層方向）からみて、正極層２２の形成領域Ａ１より広い。換言すれば、集電体２１の厚さ方向からみて、正極層２２の形成領域Ａ１は、負極層２３の形成領域Ａ２より内側に配置されている。

本実施形態において、負極層２３の形成領域Ａ２は、上記埋設領域と負極層２３の形成領域Ａ２との間に一定の隙間を有するように設定されている。正極層２２の形成領域Ａ１は、負極層２３の形成領域Ａ２の内側に位置することから、上記埋設領域と正極層２２の形成領域Ａ１との間にも一定の隙間が生じている。そのため、図１に示したように、収容室Ｒ１（Ｒ２，Ｒ３）内には、単電池要素７０Ａ（７０Ｂ，７０Ｃ）で占められていない空間部分（以下、「自由空間」と称す）が存在する。この自由空間部分は、複数のバイポーラ電極２０の積層方向から電池セルＣをみて、収容室Ｒ１内で、正極層２２より外側の部分であり得る。収容室Ｒ２，Ｒ３についても同様である。

集電体２１の第１の面２１ａ及び第２の面２１ｂにおいて、集電体２１の厚さ方向からみて、負極層２３の形成領域Ａ２と、集電体２１のうち枠体３０に埋設された埋設領域との間には立体パターン領域ＴＡが配置されている。図２の（ａ）部及び（ｂ）部では、立体パターン領域ＴＡをハッチングで示している。立体パターン領域ＴＡは、積層方向からみて正極層２２の形成領域Ａ１（又は負極層２３の形成領域Ａ２）を取り囲むように環状に形成されている。

立体パターン領域ＴＡには、立体パターンＰが形成されている。図３は、立体パターンＰの種々の例を示す図面であり、立体パターン領域ＴＡの一部拡大図である。

立体パターンＰの一例は、図３の（ａ）部に示したように、立体トラスである。立体トラスは、三角形を呈する面８１が立体的に組み合わされた形状をなし、ダイヤモンドカット、ミウラパターンなどとも称される。立体パターンＰの他の例は、図３の（ｂ）部に示したように、複数の凸部８２が２次元状に配置されたパターンである。立体パターンＰの更に他の例は、図３の（ｃ）部に示したように、複数の凹部８３が２次元状に配置されたパターンである。図３の（ｃ）部では、凹部８３が千鳥格子状に配置されている例を示している。

図３の（ｂ）部では、凸部８２が２次元状に配置され、図３の（ｃ）部では凹部が２次元状に配置された例を示したが、図３の（ｂ）部では、凸部の代わりに凹部が形成されてもよいし、図３の（ｃ）部では、凹部の代わりに凸部が形成されてもよい。凹部及び凸部の配置パターンは、図３の（ｂ）部及び（ｃ）部に例示したパターンに限定されない。

図３の（ａ）部〜（ｃ）部に示したような立体パターンＰは、例えば所定の立体形状を集電体２１にプレスし、転写することで形成され得る。例えば、図３の（ｂ）部及び（ｃ）部のように、凹部又は凸部を２次元的に配置するパターンでは、エンボス加工により形成され得る。第１の面２１ａ及び第２の面２１ｂに形成される立体パターンＰは同じでもよいし、異なってもよい。ただし、製造の容易性から同じパターンであることが好ましい。

上記のように、集電体２１に立体パターンＰが形成されていることの作用効果について、立体パターンＰを形成していない場合と比較して説明する。

集電体を介して積層された電池セルを備える蓄電装置を駆動した際に、隣り合う電池セル間に差圧が生じる場合がある。このような差圧が生じると、集電体において、上記自由空間部分に対応する領域（単電地要素で支持されていない部分）が変形し、隣り合う集電体が接触したり、破れてしまうおそれがある。

これに対して、集電体２１の第１の面２１ａ及び第２の面２１ｂに立体パターンＰが形成されていると、集電体２１に印加される力（圧力）が立体パターンＰで分散される。そのため、上記のように差圧が生じても、電池セルＣを挟む２つの集電体２１及び集電体２１がその内側に向けて変形しくい。その結果、隣り合う集電体２１が接触したり、集電体２１の破断したりすることが抑制されるので、蓄電装置１０を安定して動作可能である。

このように立体パターンＰは、隣り合う電池セルＣ間に差圧が生じた場合に、その影響で集電体２１に印加される力を分散させる機能を有する。したがって、立体パターンＰの形状、大きさ（又は密度）などは、上記機能を実現可能に適宜設定されればよい。

立体パターンＰは、立体パターン領域ＴＡ全体に一様である必要はない。すなわち、立体パターン領域ＴＡの延在方向（周方向）に沿って一部に形成されている立体パターンＰは、他の部分に形成されている立体パターンＰと異なるパターンでもよい。例えば、積層方向からみて集電体２１の角部近傍の立体パターンＰは、他の部分の立体パターンＰと異なってもよい。立体パターンＰが異なるとは、図３の（ａ）部〜（ｃ）部に示したようなパターンの種類自体が異なる場合と、立体パターンＰの大きさが異なる（又は密度が異なる）場合も含む。

集電体２１にかかる差圧の影響は、集電体２１の角部近傍で大きくなる傾向にある。よって、集電体２１の角部近傍の立体パターンＰを、他の部分より、差圧を分散しやすいように形成することで、差圧の影響を最小にすることができる。その結果、蓄電装置１０を一層安定して動作させることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。

例えば、立体パターンＰは、複数のバイポーラ電極の積層方向からみて、集電体における正極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に形成されていればよい。したがって、集電体において枠体に埋設される領域にも形成されていてもよい。更に、複数のバイポーラ電極の積層方向からみて、正極層の形成領域の周りに離散的に形成されていてもよい。

１０…蓄電装置、２０…バイポーラ電極、２１…集電体、２１ａ…第１の面、２１ｂ…第２の面、２２…正極層、２３…負極層、３０…枠体、７０Ａ…単電池要素、Ｓ…セパレータ、Ａ１…正極層の形成領域、Ａ２…負極層の形成領域、Ｐ…立体パターン、ＴＡ…立体パターン領域。

Claims (7)

1. セパレータを介して積層される複数のバイポーラ電極と、
   前記複数のバイポーラ電極を保持する絶縁性の枠体と、
   を備える蓄電装置であって、
   複数の前記バイポーラ電極のそれぞれは、
   集電体と、
   前記集電体の第１の面に設けられる正極層と、
   前記集電体における前記第１の面と反対側の第２の面に設けられる負極層と、
   を有し、
   複数の前記バイポーラ電極は、隣接する前記正極層と前記負極層との間に前記セパレータが挟まれてなる単電池要素を構成するように、配置されており、
   前記枠体は、複数の前記集電体の周縁部を取り囲んで複数の前記集電体を保持しており、
   前記集電体の前記第１の面及び第２の面には、複数の前記バイポーラ電極の積層方向からみて、前記正極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に立体パターンが形成されている、
   蓄電装置。
2. 前記立体パターンは、前記積層方向からみて、前記集電体における前記負極層の形成領域より外側の領域の少なくとも一部に形成されている、
   請求項１に記載の蓄電装置。
3. 複数の前記集電体の周縁部は、前記枠体内に埋設されており、
   前記立体パターンは、前記集電体において、前記枠体による埋設領域より内側に形成されている、
   請求項１に記載の蓄電装置。
4. 前記立体パターンは、立体トラスを含む、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 前記立体パターンは、複数の凹部又は凸部が２次元状に配置されたパターンを含む、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記複数の凹部又は凸部は、千鳥格子状に配置されている、
   請求項５に記載の蓄電装置。
7. 前記立体パターンは、前記積層方向からみて前記集電体における前記正極層の形成領域を囲む立体パターン領域に形成されており、
   前記立体パターン領域における周方向において、前記立体パターンの一部の形状は、他の部分の形状と異なる、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置。

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