JP2019040795A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】シール性を向上可能な蓄電モジュールを提供する。【解決手段】蓄電モジュール４は、複数のバイポーラ電極が積層されてなる電極積層体と、複数のバイポーラ電極それぞれに設けられた第１樹脂部２１と、を備える。複数のバイポーラ電極それぞれは、金属製の電極板１５と、電極板１５の一方面１５ａに設けられた正極１６と、電極板１５の他方面１５ｂに設けられた負極１７と、電極板１５の縁部１５ｃを覆う中間層２５と、を有する。第１樹脂部２１は、中間層２５を介して縁部１５ｃに設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電モジュールに関する。

特許文献１には、プラスチックのケーシングフレームに保持された状態でバイポーラ電池プレートが積み重ねられてなるバイポーラ電池アセンブリが記載されている。このバイポーラ電池アセンブリでは、ケーシングフレームとバイポーラ電池プレートとが超音波溶接によって互いに結合されている。

特表２０１７−５０８２４１号公報

上述のバイポーラ電池アセンブリでは、ケーシングフレームとバイポーラ電池プレートとの結合力が不十分で、電解液が漏れることがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、シール性を向上可能な蓄電モジュールを提供する。

本発明に係る蓄電モジュールは、複数の電極が積層されてなる電極積層体と、複数の電極それぞれに設けられた樹脂部と、を備え、複数の電極それぞれは、金属製の電極板と、電極板の少なくとも一方面に設けられた活物質層と、電極板の縁部を覆う中間層と、を有し、樹脂部は、中間層を介して縁部に設けられている。

この蓄電モジュールでは、電極の電極板の縁部が中間層により覆われており、樹脂部は、中間層を介して縁部に設けられている。このため、金属製の電極板と樹脂部とが互いに結合し難い材料の場合でも、中間層として、電極板及び樹脂部とそれぞれ結合し易い材料を選択すれば、電極板と樹脂部とを中間層を介して容易に結合させることができる。これにより、蓄電モジュールのシール性を向上させることができる。

本発明に係る蓄電モジュールでは、中間層は、チタン、シリコン、クロム、及びタングステンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含有していてもよい。これらの元素を含有する中間層によれば、樹脂部と電極板とを中間層を介して容易に結合させることができる。

本発明に係る蓄電モジュールでは、縁部は、粗面化され、複数の突起を有していてもよい。この場合、中間層を介した電極板と樹脂部との結合力が、アンカー効果によって向上する。

本発明に係る蓄電モジュールでは、中間層の厚さは、複数の突起それぞれの突出高さよりも薄くてもよい。この場合、突起が中間層に埋まり、アンカー効果が失われることを抑制することができる。

本発明に係る蓄電モジュールでは、中間層の厚さは、複数の突起の基端側で先端側よりも厚くてもよい。突起の先端側よりも基端側が樹脂部と結合し難いので、基端側に中間層を厚く配置することにより、基端側においても樹脂部と電極板とを中間層を介して容易に結合させることができる。

本発明によれば、シール性を向上可能な蓄電モジュールを提供することができる。

図１は、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 図２は、図１の蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 図３は、図２の蓄電モジュールの一部拡大図である。 図４は、変形例に係る蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 図５は、図４の蓄電モジュールの一部拡大図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、電極板が粗面化されている場合の中間層の効果について説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

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１に示される蓄電装置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。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、複数（本実施形態では４枚）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、又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、積層方向に隣り合う蓄電モジュール４，４間と、積層端に位置する蓄電モジュール４の外側と、にそれぞれ配置されている。積層端に位置する蓄電モジュール４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。積層端に位置する蓄電モジュール４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。図３は、図２の蓄電モジュールの一部拡大図である。図２及び図３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（電極）１４が積層されてなる。この例では、電極積層体１１の積層方向Ｄは蓄電モジュール積層体２の積層方向と一致している。バイポーラ電極１４は、電極板１５と、電極板１５の一方面１５ａに設けられた正極１６と、電極板１５の他方面１５ｂに設けられた負極１７と、中間層２５と、を有している。なお、図２では中間層２５の図示が省略されている。正極１６は、正極活物質が塗工されてなる正極活物質層である。負極１７は、負極活物質が塗工されてなる負極活物質層である。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Ｄ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。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Ｄ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。

電極積層体１１において、積層方向Ｄの一端には負極終端電極１８が配置され、積層方向Ｄの他端には正極終端電極１９が配置されている。負極終端電極１８は、電極板１５、及び電極板１５の他方面１５ｂに設けられた負極１７を含んでいる。正極終端電極１９は、電極板１５、及び電極板１５の一方面１５ａに設けられた正極１６を含んでいる。負極終端電極１８の負極１７は、セパレータ１３を介して積層方向Ｄの一端のバイポーラ電極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を介して積層方向Ｄの他端のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。

電極板１５は、金属製であり、例えばニッケル又はニッケルメッキ鋼板からなる。電極板１５の少なくとも表層部分は、ニッケルを主成分として含んでいる。なお、「主成分」とは、総重量に対する当該成分の重量割合が５０％以上であることを示す。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１５ｃは、矩形枠状をなし、正極活物質及び負極活物質が塗工されない未塗工領域となっている。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。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。

中間層２５は、電極板１５の縁部１５ｃを覆っている。中間層２５は、縁部１５ｃにおける後述の第１樹脂部２１が設けられる表面を覆っている。すなわち、中間層２５は、電極板１５の縁部１５ｃにおいて一方面１５ａ側から端面にわたって設けられている。中間層２５は、電極板１５の端面の全面に設けられている。積層方向Ｄから見て、中間層２５は、例えば、縁部１５ｃの全周にわたって連続的に設けられている。中間層２５は、電極板１５の表層部分の主成分であるニッケルよりも、樹脂と結合し易い材料により形成されている。電解液がアルカリ溶液からなるため、中間層２５の材料としては、アルカリ耐性を有する材料が選ばれる。中間層２５は、チタン、シリコン、クロム、及びタングステンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含有している。中間層２５は、例えばメッキ法、スパッタ法、又はＣＶＤ法によって形成される。

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、積層方向Ｄに延びる電極積層体１１の側面１１ａにおいて電極板１５の縁部１５ｃを保持すると共に、側面１１ａを取り囲むように構成されている。

封止体１２は、複数のバイポーラ電極１４それぞれの電極板１５の縁部１５ｃに設けられ縁部１５ｃを保持する第１樹脂部（樹脂部）２１と、それら第１樹脂部２１の全体を外側から包囲するように設けられた第２樹脂部２２とを有している。第１樹脂部２１は、中間層２５を介して電極板１５の縁部１５ｃに設けられている。第１樹脂部２１は、中間層２５を全体的に覆うと共に、中間層２５からはみ出さないように設けられている。すなわち、第１樹脂部２１は、電極板１５の縁部１５ｃにおいて一方面１５ａ側から端面にわたって設けられている。積層方向Ｄから見て、第１樹脂部２１は、矩形枠状をなし、電極板１５の縁部１５ｃの全周にわたって連続的に設けられている。

第１樹脂部２１は電極板１５の一方面１５ａ及び端面に当接しておらず、これらから離間している。第１樹脂部２１は、例えば超音波溶着、熱溶着、レーザ溶着等の溶着、又は、射出成型等によって電極板１５の縁部１５ｃに設けられている。なお、第１樹脂部２１は、中間層２５からはみ出し、第１樹脂部２１は電極板１５の一方面１５ａに当接していてもよい。また、電極板１５の端面が中間層２５から露出しており、第１樹脂部２１は中間層２５から露出した電極板１５の端面に当接していてもよい。

第１樹脂部２１は、積層方向Ｄから見て、側面１１ａよりも内側に配置された内側部分２１ａと、側面１１ａよりも外側に張り出すように配置された外側部分２１ｂとを有している。内側部分２１ａは、積層方向Ｄで隣り合う縁部１５ｃ，１５ｃの間に配置され、これらの縁部１５ｃ，１５ｃにより挟持されている。外側部分２１ｂの積層方向Ｄの長さは、内側部分２１ａの積層方向Ｄの長さよりも長い。このため、第１樹脂部２１は、内側部分２１ａと外側部分２１ｂとの間に段差面２１ｃを有している。段差面２１ｃは、電極板１５の端面、つまり側面１１ａの一部を覆っている。段差面２１ｃの積層方向Ｄの長さ、すなわち、外側部分２１ｂの積層方向Ｄの長さと、内側部分２１ａの積層方向Ｄの長さとの差は、電極板１５の積層方向Ｄにおける長さ（板厚）と同等である。

同様に、負極終端電極１８及び正極終端電極１９の電極板１５の縁部１５ｃにも第１樹脂部２１が設けられている。その結果、各バイポーラ電極１４と同様に、負極終端電極１８及び正極終端電極１９の電極板１５の縁部１５ｃも、第１樹脂部２１に埋没した状態で保持されている。積層方向Ｄで隣り合う第１樹脂部２１，２１同士は、電極板１５の他方面１５ｂの外側に延在する面において互いに当接している。これにより、積層方向Ｄで隣り合う電極板１５，１５の間には、電極板１５と第１樹脂部２１とによって気密に仕切られた複数の内部空間Ｕが形成されている。この内部空間Ｕ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。電解液は、セパレータ１３、正極１６及び負極１７内に含浸されている。

第２樹脂部２２は、封止体１２の外壁を構成している。第２樹脂部２２は、積層方向Ｄを軸方向として延在する筒状部である。第２樹脂部２２は、積層方向Ｄにおいて電極積層体１１の全長にわたって延在している。第２樹脂部２２は、積層方向Ｄに延在する第１樹脂部２１の外側面を覆っている。第２樹脂部２２は、例えば、射出成型時の熱によって第１樹脂部２１の外表面に溶着されている。

以上説明したように、蓄電モジュール４では、バイポーラ電極１４の電極板１５の縁部１５ｃが中間層２５により覆われており、封止体１２の第１樹脂部２１は、中間層２５を介して縁部１５ｃに設けられている。このため、金属製の電極板１５と第１樹脂部２１とが互いに結合し難い材料の場合でも、中間層２５として、電極板１５及び第１樹脂部２１とそれぞれ結合し易い材料を選択すれば、電極板１５と第１樹脂部２１とを中間層２５を介して容易に結合させることができる。これにより、蓄電モジュール４のシール性を向上させることができる。

中間層２５は、チタン、シリコン、クロム、及びタングステンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含有している。これらの元素は金属製の電極板１５及び第１樹脂部２１のいずれとも相性がよく、互いに結合し易い。このため、これらの元素を含有する中間層２５によれば、第１樹脂部２１と電極板１５とを中間層２５を介して容易に結合させることができる。

本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。

図４は、変形例に係る蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。図５は、図４の蓄電モジュールの一部拡大図である。図４及び図５に示されるように、変形例に係る蓄電モジュール４Ａは、第１樹脂部２１の形状及び中間層２５が設けられる位置の点で、実施形態に係る蓄電モジュール４（図２参照）と相違する。蓄電モジュール４Ａでは、中間層２５は電極板１５の縁部１５ｃにおいて一方面１５ａのみを覆い、電極板１５の端面は中間層２５から露出している。第１樹脂部２１は段差面２１ｃ（図２参照）を有さず、平板状であり、外側部分２１ｂの積層方向Ｄの長さは、内側部分２１ａの積層方向Ｄの長さと同等である。これにより、電極板１５の端面は、第１樹脂部２１から露出している。蓄電モジュール４Ａにおける第１樹脂部２１の内側部分２１ａの積層方向Ｄの長さは、蓄電モジュール４における第１樹脂部２１の内側部分２１ａの積層方向Ｄの長さよりも短い。したがって、蓄電モジュール４Ａでは、内側部分２１ａは、積層方向Ｄで隣り合う縁部１５ｃ，１５ｃの間に配置されているものの、一方の縁部１５ｃから離間しており、縁部１５ｃ，１５ｃにより挟持されていない。第１樹脂部２１の外側部分２１ｂの一部は、第２樹脂部２２に埋没している。積層方向Ｄで隣り合う第１樹脂部２１，２１同士は、互いに離間している。このため、蓄電モジュール４Ａでは、第１樹脂部２１の外表面に溶着された第２樹脂部２２により、積層方向Ｄで隣り合うバイポーラ電極１４，１４間が封止され、内部空間Ｕが形成されている。

蓄電モジュール４，４Ａでは、第１樹脂部２１と電極板１５との結合力を向上させるために、縁部１５ｃにおける第１樹脂部２１が取り付けられる表面が粗面化されていてもよい。具体的には、例えば、一方面１５ａが縁部１５ｃにおいて電解メッキ処理により粗面化されてもよい。蓄電モジュール４の場合は、一方面１５ａに加えて、電極板１５の端面が粗面化されていてもよい。このように電極板１５が粗面化されている場合、粗面化により形成された凹部内に第１樹脂部２１が入り込み、アンカー効果が発揮される。

電極板１５が粗面化されている場合の中間層２５の効果について、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して詳細に説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、中間層の効果について説明するための模式図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、電極板１５の一方面１５ａは粗面化され、電極板１５は、一方面１５ａから突出する複数の突起１５ｄを有している。突起１５ｄは、例えば、基端側から先端側に向かって先太りとなる形状を有している。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）は模式図であって、突起１５ｄの形状及び密度等は特に限定されない。

図６（ａ）には、比較例に係る蓄電モジュールの場合が示されている。比較例に係る蓄電モジュールは、中間層２５が設けられていない点で、蓄電モジュール４，４Ａと主に相違している。第１樹脂部２１は、突起１５ｄの先端側よりも基端側と結合し難い。このため、突起１５ｄの先端側では、電極板１５が第１樹脂部２１と結合するものの、突起１５ｄの基端側では、電極板１５が第１樹脂部２１と結合せず、電極板１５と第１樹脂部２１との間に隙間１５ｇが形成される。したがって、比較例に係る蓄電モジュールでは、突起１５ｄの先端側ではアンカー効果が得られるものの、突起１５ｄの基端側ではアンカー効果が得られ難い。このため、シール性を十分に向上させることができない。

図６（ｂ）には、蓄電モジュール４，４Ａの場合が示されている。蓄電モジュール４，４Ａでは、第１樹脂部２１が中間層２５を介して電極板１５に設けられている。これにより、突起１５ｄの基端側も第１樹脂部２１と容易に結合するので、突起１５ｄの基端側に隙間１５ｇが形成されることが抑制される。よって、蓄電モジュール４，４Ａでは、電極板１５の粗面化により、突起１５ｄの先端側だけでなく基端側でもアンカー効果が得られるので、シール性を十分に向上させることができる。ここでは、中間層２５の厚さ（平均厚さ）は、突起１５ｄの突出高さ（平均突出高さ）よりも薄くなっている。これにより、突起１５ｄが中間層２５に埋まり、アンカー効果が失われることを抑制することができる。なお、中間層２５の厚さ（平均厚さ）は、複数の突起１５ｄの基端側で先端側よりも厚くてもよい。突起１５ｄの先端側よりも基端側が第１樹脂部２１と結合し難いので、基端側に中間層２５を厚く配置することにより、基端側においても第１樹脂部２１と電極板１５とを中間層２５を介して容易に結合させることができる。

４，４Ａ…蓄電モジュール、１１…電極積層体、１４…バイポーラ電極、１５…電極板、１５ａ…一方面、１５ｂ…他方面、１５ｃ…縁部、１５ｄ…突起、１６…正極、１７…負極、２１…第１樹脂部（樹脂部）、２５…中間層。

Claims (5)

1. 複数の電極が積層されてなる電極積層体と、
   前記複数の電極それぞれに設けられた樹脂部と、を備え、
   前記複数の電極それぞれは、金属製の電極板と、前記電極板の少なくとも一方面に設けられた活物質層と、前記電極板の縁部を覆う中間層と、を有し、
   前記樹脂部は、前記中間層を介して前記縁部に設けられている、蓄電モジュール。
2. 前記中間層は、チタン、シリコン、クロム、及びタングステンからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含有している、請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記縁部は、粗面化され、複数の突起を有している、請求項１又は２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記中間層の厚さは、前記複数の突起それぞれの突出高さよりも薄い、請求項３に記載の蓄電モジュール。
5. 前記中間層の厚さは、前記複数の突起の基端側で先端側よりも厚い、請求項３又は４に記載の蓄電モジュール。

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