JP2018073583A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応力の緩和によってバイポーラ電極における電極の破損や電極板からの電極の剥離を抑制できる蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置１は、一方面１１ａ側に正極１２が形成され、他方面１１ｂ側に負極が形成された電極板１１からなるバイポーラ電極２を有し、セパレータ６を介してバイポーラ電極２を積層してなる積層体３と、バイポーラ電極２の積層によって形成された積層体３の側面３ａにおいて電極板１１の縁部１１ｃを保持する枠体４と、積層体３に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材５と、を備え、正極１２及び負極１３は、いずれも略矩形状をなし、積層方向から見て、正極１２の形成領域は、負極１３の形成領域の内側に位置し、正極１２の角部１２ａは、丸みを帯びている。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置として、電極板の一方面に正極が形成され、他方面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えたバイポーラ電池が知られている（特許文献１参照）。バイポーラ電池は、セパレータを介して複数のバイポーラ電極を積層してなる積層体を備えている。積層体には、シール用の絶縁性の枠体が設けられ、バイポーラ電極の積層によって形成される側面において電極板の縁部が保持されるようになっている。また、積層体には、拘束部材によってバイポーラ電極の積層方向に拘束荷重が付加される場合がある。

特開２０１１−１５１０１６号公報

バイポーラ電極においては、材料の歩留まりを高め、かつ電極板に対する電極の塗工面積割合を確保する観点から、電極板の一方面に矩形の正極が形成され、他方面に矩形の負極が形成される。しかしながら、電極を矩形に形成した場合、拘束荷重による応力が電極の角部に集中し易いという問題がある。電極の角部に応力が集中すると、当該角部が起点となって、電極の破損や電極板からの剥離が生じることが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、応力の緩和によってバイポーラ電極における電極の破損や電極板からの電極の剥離を抑制でき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、一方面側に正極が形成され、他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、セパレータを介してバイポーラ電極を積層してなる積層体と、バイポーラ電極の積層によって形成された積層体の側面において電極板の縁部を保持する枠体と、積層体に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、正極及び負極は、いずれも略矩形状をなし、積層方向から見て、正極の形成領域は、負極の形成領域の内側に位置し、正極の角部は、丸みを帯びている。

この蓄電装置では、バイポーラ電極において、正極の形成領域が負極の形成領域の内側に位置している。この構成では、拘束部材によって積層体の積層方向に付加される拘束荷重は、主として正極に作用し、積層方向から見て正極の外側にはみ出す負極の縁部は、拘束荷重に対してはフリーとなる。したがって、バイポーラ電極を構成する電極のうち、正極の角部に丸みを持たせることにより、拘束荷重によって正極の角部に付加される応力を緩和することが可能となる。これにより、バイポーラ電極における電極の破損や電極板からの電極の剥離を抑制できる。

負極の角部は、丸みを帯びていてもよい。電極板の縁部が枠体によって保持されている場合、蓄電装置の使用時に内部ガスによる枠体の内圧上昇が生じると、枠体の膨張によってバイポーラ電極の電極板に面内方向に引っ張り応力が生じることが考えられる。したがって、正極の角部及び負極の角部にそれぞれ丸みを持たせることにより、枠体の膨張によって正極の角部及び負極の角部に付加される応力を緩和することが可能となる。これにより、バイポーラ電極における電極の破損や電極板からの電極の剥離を一層好適に抑制できる。

正極の角部の曲率は、負極の角部の曲率よりも小さくなっていてもよい。正極の角部には、拘束荷重による応力及び枠体の膨張による応力の双方が作用する。したがって、正極の角部の曲率を負極の角部の曲率よりも小さくすることで、正極の角部に付加される応力を一層確実に緩和できる。

正極の角部の曲率は、負極の角部の曲率よりも大きくなっていてもよい。この場合、正極の角部及び負極の角部にそれぞれ丸みを持たせた場合であっても、バイポーラ電極の積層体において正極と負極との対向面積を確保できる。したがって、蓄電装置の容量を十分に確保できる。

本発明によれば、応力の緩和によってバイポーラ電極における電極の破損や電極板からの電極の剥離を抑制できる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 バイポーラ電極における正極及び負極の構成の一例を示す平面図である。 バイポーラ電極の積層体に付加される拘束荷重の様子を示す概略図である。 枠体の内圧上昇時にバイポーラ電極に付加される応力の様子を示す概略図である。 バイポーラ電極における正極及び負極の構成の別例を示す平面図である。 蓄電装置の変形例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置１は、バイポーラ電極２の積層体３を備えたバイポーラ電池である。蓄電装置１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、或いは電気二重層キャパシタである。蓄電装置１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、ニッケル水素二次電池を例示する。

蓄電装置１は、上述した積層体３と、積層体３を保持する枠体４と、積層体３を拘束する拘束部材５とを備えている。積層体３は、セパレータ６を介して複数のバイポーラ電極２を積層することによって構成されている。バイポーラ電極２は、一方面１１ａ側に正極１２が形成され、かつ他方面１１ｂ側に負極１３が形成された電極板１１からなる電極である。積層体３において、一のバイポーラ電極２の正極１２は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極２の負極１３と対向し、一のバイポーラ電極２の負極１３は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極２の正極１２と対向している。

セパレータ６は、例えばシート状に形成されている。セパレータ６を形成する材料としては、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。また、セパレータ６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。なお、セパレータ６は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

枠体４は、例えば絶縁性の樹脂を用いた射出成形によって矩形の筒状に形成されている。枠体４を構成する樹脂材料としては、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４は、バイポーラ電極２の積層によって形成される積層体３の側面３ａを取り囲むように構成されている。枠体４の内壁４ａには、各バイポーラ電極２の電極板１１の縁部１１ｃが埋没して保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板１１，１１間には、当該電極板１１，１１と枠体４の内壁４ａとによって仕切られた気密空間Ｖが形成されている。当該気密空間Ｖには、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電解液（不図示）が収容されている。

積層体３の一方の積層端（図１における上側の積層端）には、終端電極１５Ａが積層されている。また、積層体３の他方の積層端（図１における下側の積層端）には、終端電極１５Ｂが積層されている。終端電極１５Ａ，１５Ｂの縁部は、バイポーラ電極２の電極板１１の縁部１１ｃと同様に、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。終端電極１５Ａ，１５Ｂは、バイポーラ電極２の電極板１１に比べて厚く形成されていてもよい。終端電極１５Ａにおける積層体３側の面には、セパレータ６を介して最上層のバイポーラ電極２の負極１３と対向する正極１２が設けられている。また、終端電極１５Ｂにおける積層体３側の面には、セパレータ６を介して最下層のバイポーラ電極２の正極１２と対向する負極１３が設けられている。

拘束部材５は、一対の拘束プレート１６（１６Ａ，１６Ｂ）と、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト１７及びナット１８）とによって構成されている。拘束プレート１６は、例えば鉄などの金属によって板状に形成されている。拘束プレート１６の縁部には、ボルト１７の軸部を挿通させる挿通孔１６ａが枠体４よりも外側となる位置に設けられている。なお、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの少なくとも一方（図１では拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの双方）において、挿通孔１６ａには、拘束プレート１６と連結部材とを電気的に絶縁するカラーＣが挿入されている。

一方の拘束プレート１６Ａは、終端電極１５Ａ及び枠体４の一端面に突き当てられ、他方の拘束プレート１６Ｂは、終端電極１５Ｂ及び枠体４の他端面に突き当てられている。ボルト１７は、例えば一方の拘束プレート１６Ａ側から他方の拘束プレート１６Ｂ側に向かって挿通孔１６ａに通され、他方の拘束プレート１６Ｂから突出するボルト１７の先端には、ナット１８が螺合されている。これにより、積層体３、終端電極１５Ａ，１５Ｂ、及び枠体４が挟持されてユニット化されると共に、バイポーラ電極２の積層方向に拘束荷重が付加される。また、一方の拘束プレート１６Ａには、正極端子１９が接続され、他方の拘束プレート１６Ｂには、負極端子２０が接続されている。これらの正極端子１９及び負極端子２０により、蓄電装置１の充放電を実施できる。

次に、上述したバイポーラ電極２の構成について更に詳細に説明する。

図２は、バイポーラ電極における正極及び負極の構成の一例を示す平面図である。同図に示すように、バイポーラ電極２は、電極板１１と、電極板１１の一方面１１ａに設けられた正極１２と、電極板１１の他方面１１ｂに設けられた負極１３とを有している。電極板１１は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。本実施形態では、電極板１１は、長方形状をなしている。電極板１１の縁部１１ｃは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域となっており、当該未塗工領域が枠体４の内壁４ａに埋没して保持される領域となっている。

正極１２を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極１３を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。電極板１１の他方面１１ｂにおける負極１３の形成領域は、電極板１１の一方面１１ａにおける正極１２の形成領域に対して一回り大きくなっている。本実施形態では、正極１２の形成領域及び負極１３の形成領域は、いずれも略長方形状となっており、その長辺及び短辺の向きは、電極板１１の長辺及び短辺の向きとそれぞれ一致している。また、積層体３におけるバイポーラ電極２の積層方向から見て、正極１２の形成領域は、負極１３の形成領域の内側に位置している。すなわち、正極１２の形成領域は、負極１３の形成領域の外側にはみ出ないようになっており、正極１２の全面が電極板１１を挟んで負極１３と対向した状態となっている。

正極１２の４つの角部１２ａ及び負極１３の４つの角部１３ａは、いずれも丸みを帯びている（円弧状或いはＲ状となっている）。正極１２の角部１２ａの曲率Ｒａは、負極１３の角部１３ａの曲率Ｒｂよりも小さくなっている。バイポーラ電極２の積層方向（電極板１１の厚さ方向）から見て、正極１２の角部１２ａは、負極１３の角部１３ａよりも内側（電極板１１の中心側）である緩やかにカーブし、負極１３の角部１３ａは、正極１２の角部１２ａよりも外側（電極板１１の角部側）で正極１２の角部１２ａよりも急峻にカーブしている。

続いて蓄電装置１の作用効果について説明する。

上述したように、蓄電装置１では、拘束部材５によって積層体３の積層方向に拘束荷重が付加されている。また、蓄電装置１では、電極板１１の縁部１１ｃが枠体４の内壁４ａによって保持されているため、蓄電装置１の使用時に内部ガスによる枠体４の内圧上昇が生じると、枠体４が外側に膨張することによって電極板１１に面内方向に引っ張り応力が生じることが考えられる。電極を矩形に形成した場合、これらの応力が電極の角部に集中し易いという問題がある。電極の角部に応力が集中すると、当該角部が起点となって、電極の破損や電極板からの剥離が生じることが考えられる。このような問題に対し、蓄電装置１では、正極１２の４つの角部１２ａ及び負極１３の４つの角部１３ａがいずれも丸みを帯びている。このように、角部１２ａ，１３ａに丸みを持たせることにより、角部１２ａ，１３ａを例えば直角に形成する場合に比べて、角部１２ａ，１３ａへの応力の集中を緩和できる。

正極１２及び負極１３に対する応力を更に考察すると、蓄電装置１では、バイポーラ電極２において、積層体３の積層方向から見た場合に、正極１２の形成領域が負極１３の形成領域の内側に位置している。このため、図３に示すように、拘束部材５によって積層体３の積層方向に付加される拘束荷重Ｐは、主として正極１２に作用し、積層方向から見て正極１２の外側にはみ出す負極１３の縁部１３ｃは、拘束荷重Ｐに対してはフリーとなる。したがって、バイポーラ電極２を構成する電極のうち、少なくとも正極１２の角部１２ａに丸みを持たせることにより、拘束荷重Ｐによって正極１２の角部に付加される応力を緩和することが可能となり、バイポーラ電極２における電極の破損や電極板１１からの電極の剥離を抑制できる。

また、蓄電装置１では、電極板１１の縁部１１ｃが枠体４の内壁４ａによって保持されている。このため、蓄電装置１の使用時に内部ガスによる枠体４の内圧上昇が生じると、図４に示すように、枠体４の膨張によってバイポーラ電極２の電極板１１に面内方向に引っ張り応力Ｑが生じることが考えられる。この引っ張り応力Ｑにより、電極板１１に形成されている正極１２の角部１２ａ及び負極１３の角部１２ａにも電極板１１の角部に向かう方向に引っ張り応力が生じることとなる。したがって、正極１２の角部１２ａ及び負極１３の角部１３ａにそれぞれ丸みを持たせることにより、枠体４の膨張によって正極１２の角部１２ａ及び負極１３の角部１３ａに付加される応力を緩和することが可能となる。これにより、バイポーラ電極２における電極の破損や電極板からの電極の剥離を一層好適に抑制できる。

上述のように、正極１２の角部１２ａには、拘束荷重による応力と枠体４の膨張による応力の双方が作用する。これに対し、負極１３の角部１３ａには、主として枠体４の膨張に応力する応力のみが作用する。したがって、図２に示したように、正極１２の角部１２ａの曲率Ｒａを負極１３の角部の曲率Ｒｂよりも小さくすることで、正極１２の角部１２ａに付加される応力を一層確実に緩和できる。

蓄電装置１では、角部１２ａ，１３ａを除いて正極１２及び負極１３の形状が矩形となっているので、電極板１１に対する電極の塗工面積割合を確保でき、積層体３の体積エネルギー密度の向上が図られる。また、電極の塗工の際の材料の歩留まりを高めることができる。さらに、積層方向から見て、正極１２の形成領域が負極１３の形成領域の内側に位置していることで、充放電サイクルの繰返しによる容量劣化を抑制できる。

図５は、バイポーラ電極における正極及び負極の構成の別例を示す平面図である。この例では、正極１２の角部１２ａの曲率Ｒａと負極１３の角部１３ｂの曲率Ｒｂとの大小関係が、図２に示した形態と反対になっている。すなわち、正極１２の角部１２ａの曲率Ｒａは、負極１３の角部１３ａの曲率Ｒｂよりも大きくなっている。バイポーラ電極２の積層方向（電極板１１の厚さ方向）から見て、正極１２の角部１２ａは、負極１３の角部１３ａよりも内側（電極板１１の中心側）で急峻にカーブし、負極１３の角部１３ａは、正極１２の角部１２ａよりも外側（電極板１１の角部側）で正極１２の角部１２ａよりも緩やかにカーブしている。

このような構成においても、上記実施形態と同様に、正極１２の角部１２ａ及び負極１３の角部１３ａに付加される応力を緩和することが可能となる。これにより、バイポーラ電極２における電極の破損や電極板からの電極の剥離を好適に抑制できる。また、正極１２の角部１２ａの曲率Ｒａを負極１３の角部１３ａの曲率Ｒｂよりも大きくする場合、正極１２の形状が矩形に近づくため、バイポーラ電極２の積層体３において正極１２と負極１３との対向面積を確保できる。したがって、蓄電装置１の容量を一層十分に確保できる。

上記実施形態では、拘束プレート１６Ａに接続された正極端子１９及び拘束プレート１６Ｂに接続された負極端子２０は、それぞれ積層体３における積層方向に引き出されているが（図１参照）、正極端子１９及び負極端子２０の構成はこれに限られるものではない。例えば図６に示すように、正極端子１９が拘束プレート１６Ａからバイポーラ電極２の面内方向に沿って引き出され、負極端子２０が拘束プレート１６Ｂからバイポーラ電極２の面内方向に沿って引き出される構成であってもよい。

１…蓄電装置、２…バイポーラ電極、３…積層体、３ａ…側面、４…枠体、５…拘束部材、６…セパレータ、１１…電極板、１１ａ…一方面、１１ｂ…他方面、１１ｃ…縁部、１２…正極、１２ａ…角部、１３…負極、１３ａ…角部。

Claims (4)

1. 一方面側に正極が形成され、他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
   セパレータを介して前記バイポーラ電極を積層してなる積層体と、
   前記バイポーラ電極の積層によって形成された前記積層体の側面において前記電極板の縁部を保持する枠体と、
   前記積層体に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、
   前記正極及び前記負極は、いずれも略矩形状をなし、
   前記積層方向から見て、前記正極の形成領域は、前記負極の形成領域の内側に位置し、
   前記正極の角部は、丸みを帯びている、蓄電装置。
2. 前記負極の角部は、丸みを帯びている、請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記正極の角部の曲率は、前記負極の角部の曲率よりも小さくなっている、請求項２記載の蓄電装置。
4. 前記正極の角部の曲率は、前記負極の角部の曲率よりも大きくなっている、請求項２記載の蓄電装置。

Images