JP2018106967A - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラ電極の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供する。【解決手段】蓄電装置１は、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、他方面１５ｂ側に負極１７が形成された電極板１５からなるバイポーラ電極１４を有する蓄電装置であって、セパレータ１３を介してバイポーラ電極１４を積層してなる電極積層体１１と、バイポーラ電極１４の縁部１５ｃを包囲するように電極積層体１１の側面１１ａに設けられた封止体１２と、を備え、封止体１２は、各バイポーラ電極１４の縁部１５ｃに沿って設けられた一次封止体２１と、各一次封止体２１を包囲するように設けられた二次封止体２２と、を有し、二次封止体２２には、電極積層体１１の外側に突出した肉厚部２３が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。

従来の蓄電装置として、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（例えば特許文献１参照）。バイポーラ電極とは、集電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電極である。かかる蓄電電池は、例えば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。積層体において、バイポーラ電極の積層によって形成される側面には、例えば射出成形によって樹脂製の封止体が設けられる。この封止体により、各バイポーラ電極の電極板の縁部が保持され、バイポーラ電極間の封止がなされている。

特開２０１１−１５１０１６号公報

バイポーラ電極間の封止性を更に向上させるため、バイポーラ電極間を封止する一次封止体と、一次封止体間を封止する二次封止体とによって封止体を構成することが考えられる。しかしながら、このような構成を採用する場合、先に形成した一次封止体が二次封止体を射出成型する際の樹脂の射出圧或いは保圧によって変形し、一次封止体によるバイポーラ電極間の封止性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。

このような課題に対し、例えば一次封止体の厚さを積層方向に増大させ、二次封止体を射出成型する際の樹脂の射出圧或いは保圧に対する強度を確保することも考えられる。しかしながら、一次封止体の厚さを単純に大きくしてしまうと、積層体におけるバイポーラ電極の積層密度が減少し、電池出力の十分な確保が困難になるという問題が生じ得る。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、バイポーラ電極の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法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電極積層体と、バイポーラ電極の縁部を包囲するように電極積層体の側面に設けられた封止体と、を備え、封止体は、各バイポーラ電極の縁部に沿って設けられた一次封止体と、各一次封止体を包囲するように設けられた二次封止体と、を有し、二次封止体には、電極積層体の外側に突出した肉厚部が設けられている。

この蓄電装置では、各バイポーラ電極の縁部に沿って設けられた一次封止体と、各一次封止体を包囲するように設けられた二次封止体とによって封止体が構成されている。また、二次封止体には、電極積層体の外側に突出した肉厚部が設けられている。このような構成により、例えば射出成形によって二次封止体を形成する際、射出成形の金型において肉厚部に対応する部分を樹脂の射出圧或いは保圧を逃がす部分として用いることができる。したがって、一次封止体の厚さを増大させることなく一次封止体の変形を抑制することが可能となり、バイポーラ電極の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる。

また、電極板は、電極積層体の積層方向から見て矩形状であり、肉厚部は、電極板の各辺の中央部分に対応して設けられていてもよい。電極板が矩形状をなす場合、バイポーラ電極の縁部に沿って設けられた一次封止体の中央部分の強度が端部（角部）の強度に比べて低くなり易い。したがって、肉厚部を電極板の各辺の中央部分に対応して設けることにより、一次封止体の変形を一層好適に抑制できる。

また、電極積層体と封止体とを含んで構成される蓄電モジュールを積層してなる蓄電モジュール積層体と、蓄電モジュール積層体を積層方向に挟む一対のエンドプレートと、一対のエンドプレート同士を締結する締結ボルトと、を備え、肉厚部には、締結ボルトが通る凹部が設けられていてもよい。この場合、最終的な蓄電装置の構成に肉厚部を残存させた場合でも、蓄電モジュール積層体を拘束するための構成に肉厚部が干渉することを回避できる。

また、本発明の一側面に係る蓄電装置の製造方法は、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の製造方法であって、電極板の縁部に沿って一次封止体を設けたバイポーラ電極を積層して電極積層体を形成する電極積層体形成工程と、各一次封止体を包囲するように樹脂の射出成形によって二次封止体を形成する封止体形成工程と、を備え、封止体形成工程において、電極積層体の外側に突出した肉厚部を二次封止体に形成する。

この蓄電装置の製造方法では、封止体形成工程において、電極積層体の外側に突出した肉厚部を二次封止体に形成する。これにより、射出成形によって二次封止体を形成する際、射出成形の金型において肉厚部に対応する部分を樹脂の射出圧或いは保圧を逃がす部分として用いることができる。したがって、一次封止体の厚さを増大させることなく一次封止体の変形を抑制することが可能となり、バイポーラ電極の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる。

また、封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型に凹部を設けることによって肉厚部を形成してもよい。この場合、凹部によって簡単な構成で樹脂の射出圧或いは保圧を逃がすことが可能となる。

また、封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型に当該金型内の圧力に応じて後退する壁部を設けることによって肉厚部を形成してもよい。この場合、壁部の後退によって簡単な構成で樹脂の射出圧或いは保圧を逃がすことが可能となる。

また、電極板は、電極積層体の積層方向から見て矩形状であり、封止体形成工程において、肉厚部を前記電極板の各辺の中央部分に対応して形成してもよい。電極板が矩形状をなす場合、バイポーラ電極の縁部に沿って設けられた一次封止体の中央部分の強度が端部（角部）の強度に比べて低くなり易い。したがって、肉厚部を電極板の各辺の中央部分に対応して設けることにより、一次封止体の変形を一層好適に抑制できる。

本発明によれば、バイポーラ電極の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 封止体の構成を示す概略断面図である。 蓄電装置の製造方法の一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電装置の製造方法の他の実施形態を示す概略断面図である。 封止体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及び蓄電装置の製造方法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、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。蓄電装置１は、複数の蓄電モジュール４を積層してなる蓄電モジュール積層体２と、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材３とを備えて構成されている。

蓄電モジュール積層体２は、複数（本実施形態では３体）の蓄電モジュール４と、蓄電モジュール４，４間に配置された複数の導電板５とによって構成されている。蓄電モジュール４は、例えば後述するバイポーラ電極１４を備えたバイポーラ電池であり、積層方向から見て矩形状をなしている。蓄電モジュール４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等の二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

積層方向に隣り合う蓄電モジュール４，４同士は、導電板５を介して電気的に接続されている。導電板５は、積層端に位置する蓄電モジュール４の外側にもそれぞれ配置されている。蓄電モジュールの外側に配置された一方の導電板５には、正極端子６が接続されている。また、蓄電モジュールの外側に配置された他方の導電板５には、負極端子７が接続されている。正極端子６及び負極端子７は、例えば導電板５の縁部から積層方向に交差する方向に引き出されている。正極端子６及び負極端子７により、蓄電装置１の充放電が実施される。

各導電板５の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路５ａが設けられている。各流路５ａは、例えば積層方向と、正極端子６及び負極端子７の引き出し方向とにそれぞれ直交する方向に互いに平行に延在している。これらの流路５ａに冷媒を流通させることで、導電板５は、蓄電モジュール４，４同士を電気的に接続する接続部材としての機能のほか、蓄電モジュール４で発生した熱を放熱する放熱板としての機能を併せ持つ。なお、図１の例では、積層方向から見た導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール４の面積よりも大きくてもよい。

拘束部材３は、蓄電モジュール積層体２を積層方向に挟む一対のエンドプレート８，８と、エンドプレート８，８同士を締結する締結ボルト９及びナット１０とによって構成されている。エンドプレート８は、積層方向から見た蓄電モジュール４及び導電板５の面積よりも一回り大きい面積を有する矩形の金属板である。エンドプレート８の内側面（蓄電モジュール積層体２側の面）には、電気絶縁性を有するフィルムＦが設けられている。フィルムＦにより、エンドプレート８と導電板５との間が絶縁されている。

エンドプレート８の縁部には、蓄電モジュール積層体２よりも外側となる位置に挿通孔８ａが設けられている。締結ボルト９は、一方のエンドプレート８の挿通孔８ａから他方のエンドプレート８の挿通孔８ａに向かって通され、他方のエンドプレート８の挿通孔８ａから突出した締結ボルト９の先端部分には、ナット１０が螺合されている。これにより、蓄電モジュール４及び導電板５がエンドプレート８，８によって挟持されて蓄電モジュール積層体２としてユニット化されると共に、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束荷重が付加される。

次に、蓄電モジュール４の構成について更に詳細に説明する。図２は、蓄電モジュール４の内部構成を示す概略断面図である。同図に示すように、蓄電モジュール４は、電極積層体１１と、電極積層体１１を封止する封止体１２とを備えて構成されている。

電極積層体１１は、セパレータ１３を介して複数のバイポーラ電極１４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１４は、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、かつ他方面１５ｂ側に負極１７が形成された電極板１５からなる電極である。電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の正極１６は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。また、電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の負極１７は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。

また、電極積層体１１の積層端の一方には、負極終端電極１８が配置され、電極積層体１１の積層端の他方には、正極終端電極１９が配置されている。負極終端電極は、内面側（積層方向の中心側）に負極１７が形成された電極板１５であり、正極終端電極は、内面側（積層方向の中心側）に正極１６が形成された電極板１５である。負極終端電極の負極１７は、セパレータ１３を介して積層端の一方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。正極終端電極１９の正極１６は、セパレータ１３を介して積層端の他方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。負極終端電極１８の電極板１５及び正極終端電極の電極板１５は、蓄電モジュール４に隣接する導電板５（図１参照）に対して電気的に接続される。

電極板１５は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板１５の縁部（バイポーラ電極１４の縁部）１５ｃ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、当該未塗工領域は、封止体１２に埋没して保持されている。正極１６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。また、負極１７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。本実施形態では、電極板１５の他方面１５ｂにおける負極１７の形成領域は、電極板１５の一方面１５ａにおける正極１６の形成領域に対して一回り大きくなっている。

セパレータ１３は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１３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１３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１３は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

封止体１２は、例えば絶縁性の樹脂によって矩形の筒状に形成されている。封止体１２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。封止体１２は、バイポーラ電極１４の積層によって形成される電極積層体１１の側面１１ａを取り囲むように構成されている。

封止体１２は、図２及び図３に示すように、バイポーラ電極１４の電極板１５の縁部に沿って設けられた一次封止体２１と、一次封止体２１を包囲するように設けられた二次封止体２２とによって構成されている。一次封止体２１は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極板１５の一方面１５ａ側の縁部１５ｃ（未塗工領域）において、電極板１５の全ての辺にわたって連続的に設けられている。一次封止体２１は、例えば溶着によって当該縁部１５ｃに対して結合されている。

一次封止体２１は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４間を封止するほか、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４の電極板１５，１５間のスペーサとして機能する。電極板１５，１５間には、一次封止体２１の厚さによって規定される内部空間Ｖが形成され、当該内部空間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。なお、図２及び図３の例では、電極板１５の一方面１５ａ側にのみ一次封止体２１が形成されているが、一次封止体２１は、一方面１５ａ及び他方面１５ｂ側の双方に形成されていてもよく、電極板１５の縁部１５ｃが埋没するように形成されていてもよい。

二次封止体２２は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極積層体１１における積層方向の全長にわたって延在している。二次封止体２２は、例えば射出成型時の熱により、一次封止体２１の外表面及び電極板１５の縁部１５ｃの端面のそれぞれに対して溶着されている。二次封止体２２には、図３に示すように、電極積層体１１の外側に突出した肉厚部２３が設けられている。肉厚部２３は、二次封止体２２の他の部分に対して倍程度の厚さを有しており、電極板１５の各辺の中央部分に対応して一定の幅で設けられている。

続いて、上述した蓄電装置１の製造方法について説明する。

本実施形態に係る蓄電装置１の製造方法は、電極積層体形成工程と、封止体形成工程とを含んで構成されている。電極積層体形成工程では、まず、所定数のバイポーラ電極１４を用意し、各バイポーラ電極１４における電極板１５の縁部１５ｃに沿ってそれぞれ一次封止体２１を溶着する。各電極板１５の縁部１５ｃに一次封止体２１を溶着した後、バイポーラ電極１４を積層する。これにより、バイポーラ電極１４，１４間に一次封止体２１が配置された状態で電極積層体１１が得られる。

封止体形成工程では、図４に示すように、射出成形の金型３１内に電極積層体１１を配置する。金型３１内に樹脂を射出し、金型３１と電極積層体１１との間の空間に樹脂を充填させる。これにより、一次封止体２１を包囲するように二次封止体２２が形成され、電極積層体１１の側面１１ａに封止体１２が設けられる。ここで、図４に示すように、金型３１の内部には、肉厚部２３の位置に応じた凹部３２が設けられている。金型３１内に射出された樹脂が凹部３２内にも充填されることで、電極板１５の各辺の中央部分に対応して二次封止体２２に肉厚部２３が形成される。なお、樹脂の射出位置は、図４の矢印で示すように、例えば凹部３２を挟むように金型３１の角部寄りの位置となっている。

封止体形成工程の後、電極板１５，１５間の内部空間Ｖに電解液を注入する工程、蓄電モジュール４と電極板１５とを積層して蓄電モジュール積層体２を形成する工程、及び拘束部材３によって蓄電モジュール積層体２を拘束する工程等を経て、図１に示した蓄電装置１が得られる。

以上説明したように、蓄電装置１では、各バイポーラ電極１４の縁部１５ｃに沿って設けられた一次封止体２１と、各一次封止体２１を包囲するように設けられた二次封止体２２とによって封止体１２が構成されている。また、二次封止体２２には、電極積層体１１の外側に突出した肉厚部２３が設けられている。このような構成により、射出成形によって二次封止体２２を形成する際、射出成形の金型３１において肉厚部２３に対応する部分を樹脂の射出圧或いは保圧を逃がす部分として用いることができる。したがって、一次封止体２１の厚さを増大させることなく一次封止体２１の変形を抑制することが可能となり、バイポーラ電極１４の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる。

また、蓄電装置１では、電極板１５が電極積層体１１の積層方向から見て矩形状をなし、肉厚部２３は、電極板１５の各辺の中央部分に対応して設けられている。電極板１５が矩形状をなす場合、電極板１５の縁部（バイポーラ電極１４の縁部）１５ｃに沿って設けられた一次封止体２１の中央部分の強度が端部（角部）の強度に比べて低くなり易い。したがって、肉厚部２３を電極板１５の各辺の中央部分に対応して設けることにより、一次封止体２１の変形を一層好適に抑制できる。

また、蓄電装置１の製造方法では、封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型３１に凹部３２を設けることによって肉厚部２３を形成している。これにより、凹部３２に樹脂を充填することによって簡単な構成で樹脂の射出圧或いは保圧を逃がすことが可能となる。

図５に示す例のように、封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型３１に、当該金型３１内の圧力に応じて後退する壁部３３を設けることによって肉厚部２３を形成してもよい。同図の例では、金型３１において、電極板１５の各辺の中央部分に対応する壁部３３が、バネなどの弾性部材３４によって内側（電極積層体１１の配置領域側）に向かって付勢されている。これらの壁部３３は、金型３１内の初期の空間が樹脂によって充填され、金型３１内の圧力が増大してきた場合に外側に後退する。壁部３３の後退によって金型３１に生じた空間は、樹脂の射出圧或いは保圧を逃がす部分となると共に、当該空間内に樹脂を充填することによって肉厚部２３が形成される。このような構成においても、一次封止体２１の厚さを増大させることなく一次封止体２１の変形を抑制することが可能となり、バイポーラ電極１４の封止性能の確保及び積層密度の確保を両立できる。

なお、蓄電装置１の製造方法においては、封止体形成工程の後、二次封止体２２に形成された肉厚部２３を切削等によって除去する工程を更に含んでいてもよい。この場合、肉厚部２３が蓄電装置１の他の構成に干渉してしまうことを回避できる。蓄電装置１において、肉厚部２３に干渉し得る部材が締結ボルト９である場合には、例えば図６に示すように、締結ボルトが通る凹部２３ａを肉厚部２３に設けるようにしてもよい。この場合、最終的な蓄電装置１の構成に肉厚部２３を残存させた場合でも、蓄電モジュール積層体２を拘束するための構成に肉厚部２３が干渉することを回避できる。

１…蓄電装置、２…蓄電モジュール積層体、８…エンドプレート、９…締結ボルト、１１…電極積層体、１１ａ…側面、１２…封止体、１３…セパレータ、１４…バイポーラ電極、１５…電極板、１５ａ…一方面、１５ｂ…他方面、１５ｃ…縁部、２１…一次封止体、２２…二次封止体、２３…肉厚部、２３ａ…凹部、３１…金型、３２…凹部、３３…壁部。

Claims (7)

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電極積層体と、
   前記バイポーラ電極の縁部を包囲するように前記電極積層体の側面に設けられた封止体と、を備え、
   前記封止体は、前記各バイポーラ電極の縁部に沿って設けられた一次封止体と、前記各一次封止体を包囲するように設けられた二次封止体と、を有し、
   前記二次封止体には、前記電極積層体の外側に突出した肉厚部が設けられている蓄電装置。
2. 前記電極板は、前記電極積層体の積層方向から見て矩形状であり、
   前記肉厚部は、前記電極板の各辺の中央部分に対応して設けられている請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記電極積層体と前記封止体とを含んで構成される蓄電モジュールを積層してなる蓄電モジュール積層体と、
   前記蓄電モジュール積層体を積層方向に挟む一対のエンドプレートと、
   前記一対のエンドプレート同士を締結する締結ボルトと、を備え、
   前記肉厚部には、前記締結ボルトが通る凹部が設けられている請求項１又は２記載の蓄電装置。
4. 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の製造方法であって、
   前記電極板の縁部に沿って一次封止体を設けた前記バイポーラ電極を積層して電極積層体を形成する電極積層体形成工程と、
   前記各一次封止体を包囲するように樹脂の射出成形によって二次封止体を形成する封止体形成工程と、を備え、
   前記封止体形成工程において、前記電極積層体の外側に突出した肉厚部を前記二次封止体に形成する蓄電装置の製造方法。
5. 前記封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型に凹部を設けることによって前記肉厚部を形成する請求項４記載の蓄電装置の製造方法。
6. 前記封止体形成工程において、樹脂の射出成形に用いる金型に当該金型内の圧力に応じて後退する壁部を設けることによって前記肉厚部を形成する請求項４記載の蓄電装置の製造方法。
7. 前記電極板は、前記電極積層体の積層方向から見て矩形状であり、
   前記封止体形成工程において、前記肉厚部を前記電極板の各辺の中央部分に対応して形成する請求項４〜６のいずれか一項記載の蓄電装置の製造方法。

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