JP2018049793A - 蓄電装置 - Google Patents

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耕二郎 田丸
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Abstract

【課題】部品の寸法公差や組み付け公差を適切に吸収し、通電性能及びシール性能を確保することができる蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置10は、バイポーラ電極12がセパレータ14を介して第一方向に積層されたバイポーラ電極群と、集電体16の一方の面にのみ正極層33又は負極層43が設けられた正極終端電極30及び負極終端電極40と、バイポーラ電極群、正極終端電極30及び負極終端電極40からなる積層体25の側面を取り囲んで保持するケース60と、積層体の第一方向における両端に配置され、積層体及びケースに対して第一方向に荷重を付加する一対の拘束体50、50と、拘束体とケースとの間に配置される絶縁性の第一の弾性体65と、を備え、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体とケースとが第一の弾性体を介して接触し、拘束体と積層体とが接触している。【選択図】図1

Description

本発明は、蓄電装置に関する。
集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極がセパレータを介して一方向に積層された積層体を備えるバイポーラ電池が知られている。例えば、特許文献1には、バイポーラ電極の積層方向から集電体を見たときに、外形となる端部が樹脂からなるケース(外装材)により被覆されると共に、積層体がバイポーラ電極の積層方向における両端に配置された拘束体(保持板)によって加圧された状態で拘束されているバイポーラ電池が開示されている。
特開2005−5163号公報
上記従来の蓄電装置では、両拘束体によって積層体を加圧した際に、積層方向における積層体の端部と拘束体とが接触されないと、通電性能が確保できない。また、同様に、ケースと拘束体とが密着されないと、積層体におけるシール性能が確保できない。しかしながら、両拘束体によって積層体を加圧した際に、積層体の端部と拘束体とを接触させると共に、ケースの端部と拘束体とを接触させるように、バイポーラ電極、ケース、及びケースの寸法を確保することは、製造上の誤差を考慮すると容易ではない。
そこで、本発明は、部品の寸法公差や組み付け公差を適切に吸収し、通電性能及びシール性能を確保することができる蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る蓄電装置は、集電体の一方の面に設けられた正極層と一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層とを有するバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、バイポーラ電極がセパレータを介して第一方向に積層されたバイポーラ電極群と、バイポーラ電極群の第一方向における両端にセパレータを介して配置され、バイポーラ電極群の集電体の一方の面にのみ正極層又は負極層が設けられた終端電極と、バイポーラ電極群と終端電極とからなる積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性のケースと、積層体の第一方向における両端に配置され、積層体及びケースに対して第一方向に荷重を付加する一対の拘束体と、拘束体とケースとの間に配置される絶縁性の第一の弾性体と、を備え、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体とケースとが第一の弾性体を介して接触し、拘束体と積層体とが接触している。
この構成の蓄電装置では、拘束体とケースとの間には、絶縁性の弾性部材である第一の弾性体が配置されている。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体と終端電極における集電体とは接触するが、拘束体とケースとが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
第一の弾性体は、ケースよりも積層方向における弾性係数が小さくてもよい。この場合、拘束体によって加圧したときに、ケースの形状を維持しつつ、第一の弾性体を圧縮することができる。
上記蓄電装置は、拘束体と終端電極における集電体との間に配置される第二の弾性体を更に備え、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体とケースとが第一の弾性体を介して接触し、拘束体と積層体とが第二の弾性体を介して接触していてもよい。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体と積層体とが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
本発明に係る蓄電装置は、集電体の一方の面に設けられた正極層と一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層とを有するバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、バイポーラ電極がセパレータを介して第一方向に積層されたバイポーラ電極群と、バイポーラ電極群の第一方向における両端にセパレータを介して配置され、バイポーラ電極群の集電体の一方の面にのみ正極層又は負極層が設けられた終端電極と、バイポーラ電極群と終端電極とからなる積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性のケースと、積層体の第一方向における両端に配置され、積層体及びケースに対して第一方向に荷重を付加する一対の拘束体と、拘束体と終端電極における集電体との間に配置される第二の弾性体と、を備え、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体とケースとが接触し、拘束体と積層体とが第二の弾性体を介して接触している。
この構成の蓄電装置では、拘束体と積層体との間には、第二の弾性体が配置されている。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、拘束体によって荷重が付加された状態において、拘束体とケースとは接触するが、拘束体と終端電極における集電体とが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
第二の弾性体は、集電体、正極層、負極層、及びセパレータの何れよりも積層方向における弾性係数が小さくてもよい。この場合、拘束体によって加圧したときに、積層体の形状を維持しつつ、第二の弾性体を圧縮することができる。
第二の弾性体は、導電性の多孔性金属であってもよい。この場合、例えば、拘束体が端子を兼用する構成において、導電性を確保することができる。
上記蓄電装置は、終端電極と拘束体との間に配置され、終端電極における集電体に接触配置される端子部材を更に備えていてもよい。
上記蓄電装置は、ニッケル水素二次電池として構成してもよい。この構成のニッケル水素二次電池では、上記のとおり、部品の寸法公差や組み付け公差を適切に吸収し、通電性能及びシール性能を確保することができる。
本発明によれば、部品の寸法公差や組み付け公差を適切に吸収し、通電性能及びシール性能を確保することができる。
第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。 第二実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 第三実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 変形例に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 更なる変形例に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図1〜図5には、XYZ直交座標系が示される。
(第一実施形態)
図1に示される蓄電装置10は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、又は電気自動車等の車両に搭載されるニッケル水素二次電池である。蓄電装置10は、複数のバイポーラ電極12(バイポーラ電極群)と、正極終端電極(終端電極)30と、正極端子部材35と、負極終端電極(終端電極)40と、負極端子部材45と、一対の拘束体50,50と、ケース60と、第一の弾性体65と、第二の弾性体70と、を備える。
複数のバイポーラ電極12は、セパレータ14を介して直列に積層される。複数のバイポーラ電極12のそれぞれは、一方の面16a及び一方の面16aとは反対側の他方の面16bを有する集電体16と、一方の面16aに設けられた正極層18と、他方の面16bに設けられた負極層20とを有している。正極層18及び負極層20は、複数のバイポーラ電極12の積層方向(第一方向)(以下、Z軸方向ともいう)に交差する平面(例えばXY平面)に沿って延在している。
セパレータ14は、互いに隣接するバイポーラ電極12の間、正極終端電極30とバイポーラ電極12との間、及びバイポーラ電極12と負極終端電極40との間に配置されている。例えば、セパレータ14は、Z軸方向から見た形状である矩形のシート状に形成されている。セパレータ14は例えば多孔膜又は不織布である。セパレータ14は電解液を透過させ得る。セパレータ14の材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリイミド等が挙げられる。電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液が使用され得る。
集電体16は、例えば、Z軸方向から見た形状が矩形であり、ニッケル、ステンレススチール、Niメッキされた鋼板等からなる金属箔である。集電体16の厚みは、例えば1〜50μmである。正極層18は、正極活物質を含む。正極活物質は、例えば水酸化ニッケル(Ni(OH))の粒子である。負極層20は、負極活物質を含む。負極活物質は、例えば水素吸蔵合金の粒子である。なお、集電体16は、例えば導電性樹脂でもよい。
正極終端電極30は、複数のバイポーラ電極12(バイポーラ電極群)のZ軸方向における一方側の端部にセパレータ14を介して配置される。すなわち、正極終端電極30は、Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12の最も外側に配置される。正極終端電極30は、例えば、Z軸方向から見た形状が矩形であり、ニッケル、ステンレススチール、Niメッキされた鋼板等からなる金属箔である集電体31と、集電体31の一方の面31aに設けられた正極層33と、を有している。正極層33は、XY平面に沿って延在している。集電体31は、Z軸方向において集電体16よりも厚い。正極層33は、バイポーラ電極12における正極層18と同じ構成である。
負極終端電極40は、複数のバイポーラ電極12(バイポーラ電極群)のZ軸方向における他方側の端部にセパレータ14を介して配置される。すなわち、負極終端電極40は、Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12の最も外側に配置される。負極終端電極40は、例えば、Z軸方向から見た形状が矩形であり、ニッケル、ステンレススチール、Niメッキされた鋼板等からなる金属箔である集電体41と、集電体41の一方の面41aに設けられた負極層43と、を有している。負極層43は、XY平面に沿って延在している。集電体41は、Z軸方向において集電体16よりも厚い。負極層43は、バイポーラ電極12における負極層20と同じ構成である。
正極端子部材35は、正極終端電極30と拘束体50との間に配置され、正極終端電極30における集電体31に接触配置されている。正極端子部材35は、接触部37と、引出部39と、を有している。接触部37は、例えば、Z軸方向から見た形状が矩形であり、正極終端電極30における集電体31の他方の面31bに、接触配置されている。引出部39は、後述する第一の弾性体65における貫通部65aに挿通され、ケース60の外側に引き出される。引出部39は、蓄電装置10の充放電を行うことができる端子として機能する。
負極端子部材45は、負極終端電極40と拘束体50との間に配置され、負極終端電極40における集電体41に接触配置されている。負極端子部材45は、接触部47と、引出部49と、を有している。接触部47は、例えば、Z軸方向から見た形状が矩形であり、負極終端電極40における集電体41の他方の面41bに、接触配置されている。引出部49は、後述する第一の弾性体65における貫通部65aに挿通され、ケース60の外側に引き出される。引出部49は、蓄電装置10の充放電を行うことができる端子として機能する。
図1に示されるように、ケース60は、Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12と、正極終端電極30と、負極終端電極40とを含んで構成される積層体25のZ軸方向と直交する方向における端部(Z軸方向から積層体25を見たときの外形となる端部)を覆う。言い換えれば、積層体25の側面を取り囲んで保持する。例えば、各バイポーラ電極12の集電体16の端部、正極終端電極30の集電体31の端部及び負極終端電極40の集電体41の端部がケース60内に埋設される。ケース60は、例えば、水酸化カリウムに対する腐食耐性を有するPP(ポリプロピレン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、変性PPE(変性ポリフェニレンエーテル)等からなり、筒状に形成された樹脂ケースである。ケース60内には電解液が充填される。
一対の拘束体50,50は、Z軸方向において、複数のバイポーラ電極12と、正極終端電極30と、負極終端電極40とを含んで構成される積層体25を挟持する。また、一対の拘束体50,50は、積層体25に加え、ケース60も挟持する。一対の拘束体50,50は、例えば、PA6(6−ナイロン)等の樹脂材料により形成されている。なお、一対の拘束体50,50は、導電性を有する、例えば炭素鋼等の材料により形成されていてもよい。この場合、拘束体50と正極端子部材35との間に、絶縁シートを配置すればよい。なお、一対の拘束体50,50は、水酸化カリウムに対する腐食耐性を有する材料から形成してもよい。
一対の拘束体50,50には、Z軸方向に延びるボルトBを貫通するための貫通孔50aが設けられる。貫通孔50aは、Z軸方向から見てケース60の外側に配置される。ボルトBは、一方の拘束体50から他方の拘束体50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、一対の拘束体50,50は、複数のバイポーラ電極12、複数のセパレータ14、正極終端電極30、負極終端電極40及びケース60に対して、拘束荷重を付加する。その結果、ケース60内は密封され得る。
第一の弾性体65は、拘束体50とケース60との間に配置される。第一の弾性体65は、水酸化カリウムに対する腐食耐性を有する絶縁性のゴム部材である。第一の弾性体65は、ケース60よりもZ軸方向(積層方向)における弾性係数(縦弾性係数)が小さい。第二の弾性体70は、拘束体50と正極終端電極30における集電体31との間、及び拘束体50と負極終端電極40における集電体41との間に配置される。第二の弾性体70は、絶縁性のゴム部材である。なお、第二の弾性体70は、水酸化カリウムに対する腐食耐性を有していてもよい。
第二の弾性体70のZ軸方向における弾性係数は、各集電体(バイポーラ電極12における集電体16、正極終端電極30における集電体31及び負極終端電極40における集電体41)、各正極層(バイポーラ電極12における正極層18、正極終端電極30における正極層33)、各負極層(バイポーラ電極12における負極層20、負極終端電極40における負極層43)、及び各セパレータ14の何れのZ軸方向における弾性係数よりも小さい。また、第二の弾性体70のZ軸方向における弾性係数は、積層体25全体のZ軸方向における弾性係数よりも小さい。
なお、一対の拘束体50,50が絶縁性の部材の場合には、第二の弾性体70として、導電性の多孔性金属であり、Ni又はステンレススチール等からなるポーラスメタルを用いてもよい。また、一対の拘束体50,50が導電性の部材の場合には、絶縁シートを介して上記ポーラスメタルを配置してもよい。
蓄電装置10は、一対の拘束体50,50によって荷重が付加された状態において、拘束体50とケース60とが第一の弾性体65を介して接触し、拘束体50と積層体25とが第二の弾性体70を介して接触している。
次に、第一実施形態の蓄電装置10の作用効果について説明する。第一実施形態の蓄電装置10では、拘束体50とケース60との間には、絶縁性の弾性部材である第一の弾性体65が配置されている。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、拘束体50によって荷重が付加された状態において、拘束体50と積層体25とが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
また、第一実施形態の蓄電装置10では、一対の拘束体50,50によって積層体25の加圧状態が維持されるので、充放電時にケース60の内圧が上昇したとしても、ケース60に保持された各集電体(バイポーラ電極12における集電体16、正極終端電極30における集電体31及び負極終端電極40における集電体41)の動きが規制される。したがって、各集電体のZ軸方向への動きにより、ケース60が破損されることを防止できる。
第一実施形態において、第一の弾性体65は、ケース60よりもZ軸方向における弾性係数が小さいので、一対の拘束体50,50によって加圧したときに、ケース60の形状を維持しつつ、第一の弾性体65を圧縮することができる。また、第二の弾性体70は、各集電体、各正極層、各負極層、及び各セパレータ14の何れよりもZ軸方向における弾性係数が小さいので、一対の拘束体50,50によって加圧したときに、積層体25の形状を維持しつつ、第二の弾性体70を圧縮することができる。
(第二実施形態)
次に、第二実施形態に係る蓄電装置110について説明する。図2に示される蓄電装置110は、第一実施形態の蓄電装置10の構成からケース60のZ軸方向における両端に配置される第一の弾性体65を取り除いた構成である。この場合、正極端子部材35の引出部39は、ケース60における貫通部60aに挿通され、ケース60の外側に引き出される。同様に、負極端子部材45の引出部49は、ケース60における貫通部60aに挿通され、ケース60の外側に引き出される。これ以外は、図1の蓄電装置10と大きく変わる構成はない。
第二実施形態に係る蓄電装置110では、拘束体50と積層体25との間には、第二の弾性体70が配置されている。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、拘束体50によって荷重が付加された状態において、拘束体50とケース60とは接触するが、拘束体50と終端電極(正極終端電極30及び負極終端電極40)における集電体(集電体31及び集電体41)とが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
(第三実施形態)
次に、第三実施形態に係る蓄電装置210について説明する。図3に示される蓄電装置210は、第一実施形態の蓄電装置10の構成から積層体25のZ軸方向における両端に配置される第二の弾性体70を取り除いた構成である。この場合、一対の拘束体50,50には、積層体25が配置される方向に突出する突出部50b,50bが形成される。これ以外は、図1の蓄電装置10と大きく変わる構成はない。
第三実施形態に係る蓄電装置210では、拘束体50とケース60との間には、絶縁性の弾性部材である第一の弾性体65が配置されている。これにより、部品の寸法公差又は組み付け公差を適切に吸収することができるので、一対の拘束体50,50によって荷重が付加された状態において、拘束体50と終端電極(正極終端電極30及び負極終端電極40)における集電体(集電体31及び集電体41)とは接触するが、拘束体50とケース60とが接触しなくなるような場合がなくなる。この結果、通電性能及びシール性能を確保することができる。
以上、第一、第二及び第三実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。
上記実施形態では、ケース60は、図1に示されるように筒状に形成された例を挙げて説明したが、例えば、図4の蓄電装置410に示されるように、内側に配置され各集電体(バイポーラ電極12における集電体16、正極終端電極30における集電体31及び負極終端電極40における集電体41)を保持しつつ取り囲む第一樹脂部60Aと、第一樹脂部60Aの外側に配置され、第一樹脂部60Aを取り囲む第二樹脂部67とからなるケース160であってもよい。この場合であっても、拘束体50とケース160との間に第一の弾性体65を配置するか、拘束体50と終端電極における集電体(正極終端電極30における集電体31及び負極終端電極40における集電体41)との間に第二の弾性体70を配置するか、また、第一の弾性体65及び第二の弾性体70の両方を配置することにより、第一、第二及び第三実施形態と同様の効果を得ることができる。
上記実施形態又は変形例では、蓄電装置10の充放電を行うことができる端子を積層体25の側面から引き出す例を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図5の蓄電装置510に示されるように、Z軸方向における両端、すなわち、積層方向における両端に設けられてもよい。この場合、一対の拘束体50,50のそれぞれを導電部材によって形成し、それぞれの拘束体50,50に電気的に接続される端子81,83を設けることができる。また、端子81,83に電気的に接続される導通部材が一対の拘束体50,50のそれぞれに埋め込まれてもよい。これらの場合、正極終端電極30における集電体31と拘束体50との間、及び負極終端電極40における集電体41と集電体41との間には、導電性を有しながらも弾性を有する、例えば、ポーラスメタル等を配置してもよい。ポーラスメタルは、水酸化カリウムに対する腐食耐性を有することが好ましい。これにより、導電性を確保しながらも、部品の寸法公差や組み付け公差を適切に吸収し、通電性能及びシール性能を確保することができる。また、ボルトBの貫通孔50aは、貫通孔内周及びボルト座面とその周面が絶縁処理されている。
また、上記実施形態又は変形例では、蓄電装置10がニッケル水素二次電池の例を挙げて説明したが、リチウムイオン二次電池であってもよい。この場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、又は硫黄等である。負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、又はホウ素添加炭素等である。
10,110,210,410,510…蓄電装置、12…バイポーラ電極、14…セパレータ、16…集電体、18…正極層、20…負極層、25…積層体、30…正極終端電極、31…集電体、35…正極端子部材、40…負極終端電極、33…正極層、41…集電体、43…負極層、45…負極端子部材、50…拘束体、60,160…ケース、65…第一の弾性体、70…第二の弾性体。

Claims (8)

  1. 集電体の一方の面に設けられた正極層と前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層とを有するバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
    前記バイポーラ電極がセパレータを介して第一方向に積層されたバイポーラ電極群と、
    前記バイポーラ電極群の前記第一方向における両端に前記セパレータを介して配置され、前記バイポーラ電極群の集電体の一方の面にのみ正極層又は負極層が設けられた終端電極と、
    前記バイポーラ電極群と前記終端電極とからなる積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性のケースと、
    前記積層体の前記第一方向における両端に配置され、前記積層体及び前記ケースに対して前記第一方向に荷重を付加する一対の拘束体と、
    前記拘束体と前記ケースとの間に配置される絶縁性の第一の弾性体と、を備え、
    前記拘束体によって荷重が付加された状態において、前記拘束体と前記ケースとが前記第一の弾性体を介して接触し、前記拘束体と前記積層体とが接触している、蓄電装置。
  2. 前記第一の弾性体は、前記ケースよりも積層方向における弾性係数が小さい、請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記拘束体と前記終端電極における集電体との間に配置される第二の弾性体を更に備え、
    前記拘束体によって荷重が付加された状態において、前記拘束体と前記ケースとが前記第一の弾性体を介して接触し、前記拘束体と前記積層体とが前記第二の弾性体を介して接触している、請求項1又は2記載の蓄電装置。
  4. 集電体の一方の面に設けられた正極層と前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層とを有するバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
    前記バイポーラ電極がセパレータを介して第一方向に積層されたバイポーラ電極群と、
    前記バイポーラ電極群の前記第一方向における両端に前記セパレータを介して配置され、前記バイポーラ電極群の集電体の一方の面にのみ正極層又は負極層が設けられた終端電極と、
    前記バイポーラ電極群と前記終端電極とからなる積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性のケースと、
    前記積層体の前記第一方向における両端に配置され、前記積層体及び前記ケースに対して前記第一方向に荷重を付加する一対の拘束体と、
    前記拘束体と前記終端電極における集電体との間に配置される第二の弾性体と、を備え、
    前記拘束体によって荷重が付加された状態において、前記拘束体と前記ケースとが接触し、前記拘束体と前記積層体とが前記第二の弾性体を介して接触している、蓄電装置。
  5. 前記第二の弾性体は、前記集電体、前記正極層、前記負極層、及び前記セパレータの何れよりも積層方向における弾性係数が小さい、請求項3又は4記載の蓄電装置。
  6. 前記第二の弾性体は、導電性の多孔性金属である、請求項3〜5の何れか一項記載の蓄電装置。
  7. 前記終端電極と前記拘束体との間に配置され、前記終端電極における集電体に接触配置される端子部材を更に備えている、請求項1〜6の何れか一項記載の蓄電装置。
  8. ニッケル水素二次電池である、請求項1〜7の何れか一項記載の蓄電装置。
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