JP2019087414A - バイポーラ電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータにおいて電解液が入るスペースを確保することができるバイポーラ電池の製造方法を提供する。【解決手段】バイポーラ電池の製造方法は、ニッケル箔１５の上面１５ａに形成された正極１６とニッケル箔１５の下面１５ｂに形成された負極１７とを有するバイポーラ電極１１がセパレータ１２を介して積層されてなる電極積層部１３と、電極積層部１３を取り囲むように配置され、ニッケル箔１５を保持する一次シール部２０とを備えた電池構造体２２を作製する工程と、電池構造体２２の内部を加熱する加熱工程と、電池構造体２２の内部空間Ｖの圧力を低下させる減圧工程と、加熱工程及び減圧工程を実施した後に、電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液を注入する注液工程とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、バイポーラ電池の製造方法に関する。

バイポーラ電池の製造方法としては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載のバイポーラ電池の製造方法では、集電体の一方の面に正極層が設けられると共に集電体の他方の面に負極層が設けられたバイポーラ電極をセパレータを介して複数積層させて、単電池（セル）を形成し、その後単電池に電解液を含浸させると共に、単電池の周囲を取り囲むように隣接するバイポーラ電極の集電体の間にシール層を配置することにより、バイポーラ電池を作製する。

特許第４３７０９０２号

ところで、セルの内部空間に空気が存在していると、セルの内部空間に電解液が入りにくいため、電解液の注入前にセルの内部空間を減圧することがある。しかし、セルの内部空間を減圧すると、セルの内部空間が縮小されるため、セパレータの容積が小さくなり、セパレータにおいて電解液が入るスペースが狭くなる。その状態で電解液を注入すると、セパレータに規定量の電解液が入らなかったり、セパレータに電解液が入るのに要する時間が長くなるおそれがある。

本発明の目的は、セパレータにおいて電解液が入るスペースを確保することができるバイポーラ電池の製造方法を提供することである。

本発明の一態様に係るバイポーラ電池の製造方法は、集電体の一方面に形成された正極と集電体の他方面に形成された負極とを有するバイポーラ電極がセパレータを介して積層されてなる電極積層部と、電極積層部を取り囲むように配置され、集電体を保持するシール部とを備えた電池構造体を作製する工程と、電池構造体の内部を加熱する加熱工程と、電池構造体の内部空間の圧力を低下させる減圧工程と、加熱工程及び減圧工程を実施した後に、電池構造体の内部空間に電解液を注入する注液工程とを含むことを特徴とする。

このようなバイポーラ電池の製造方法においては、電池構造体の内部を加熱することにより、セパレータが膨張するため、セパレータ内の容積が大きくなる。これにより、電池構造体の内部空間に電解液を注入する前に、電池構造体の内部空間の圧力を低下させても、つまり電池構造体の内部空間を減圧しても、セパレータにおいて電解液が入るスペースが確保される。

減圧工程は、加熱工程の後に実施してもよい。この場合には、電池構造体の内部の加熱によってセパレータが膨張した状態で、電池構造体の内部空間が減圧されることになる。このため、電池構造体の内部空間を減圧する際には、セパレータ内の容積が大きくなっている。従って、セパレータにおいて電解液が入るスペースが確保されやすくなる。

加熱工程では、恒温槽を用いて電池構造体の内部を加熱してもよい。この場合には、電極積層部の積層数が多くても、電池構造体の内部全体を一括して短時間で効率良く且つ均等に加熱することができる。

本発明によれば、セパレータにおいて電解液が入るスペースを確保することができる。

本発明の一実施形態に係るバイポーラ電池の製造方法により製造されるバイポーラ電池を備えた蓄電装置を示す概略断面図である。 バイポーラ電池の概略断面図である。 バイポーラ電池を製造する工程の手順を示すフローチャートである。 電池構造体の内部を加熱する方法を示す図である。 電池構造体の内部を加熱する他の方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図中、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るバイポーラ電池の製造方法により製造されるバイポーラ電池を備えた蓄電装置を示す概略断面図である。図１において、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、電気自動車等の車両のバッテリとして使用される。蓄電装置１は、複数（ここでは３つ）の蓄電モジュールとしてのバイポーラ電池２を備えている。バイポーラ電池２は、例えばニッケル水素二次電池である。

複数のバイポーラ電池２は、金属製の導電板３を介して積層されている。導電板３は、最上側及最下側に位置するバイポーラ電池２の外側にも配置されている。バイポーラ電池２及び導電板３は、例えば積層方向（Ｚ軸方向）から見て矩形状（平面視矩形状）を呈している。導電板３は、隣り合うバイポーラ電池２と電気的に接続されている。これにより、複数のバイポーラ電池２が積層方向に直列接続されている。バイポーラ電池２については、後で詳述する。

最下側に位置する導電板３には、正極端子４が接続されている。最上側に位置する導電板３には、負極端子５が接続されている。正極端子４及び負極端子５は、積層方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）に延在している。このような正極端子４及び負極端子５を設けることにより、蓄電装置１の充放電を実施することができる。

導電板３は、バイポーラ電池２において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板３には、積層方向と正極端子４及び負極端子５の延在方向とに垂直な方向（Ｙ軸方向）に延在した複数の空隙３ａが設けられている。これらの空隙３ａを空気等の冷媒が通過することにより、バイポーラ電池２からの熱を効率的に外部に放出することができる。

また、蓄電装置１は、バイポーラ電池２及び導電板３を積層方向に拘束する拘束ユニット６を備えている。拘束ユニット６は、バイポーラ電池２及び導電板３を積層方向に挟む１対の拘束プレート７と、これらの拘束プレート７同士を締結する複数組のボルト８及びナット９とを有している。

拘束プレート７は、鉄等の金属からなっている。各拘束プレート７と導電板３との間には、樹脂フィルム等の絶縁フィルム１０がそれぞれ配置されている。拘束プレート７及び絶縁フィルム１０は、例えば平面視矩形状を呈している。拘束プレート７は、積層方向から見てバイポーラ電池２、導電板３及び絶縁フィルム１０よりも大きい。

拘束プレート７の縁部には、ボルト８の軸部８ａを挿通させる複数の挿通孔７ａが設けられている。ボルト８の軸部８ａが各拘束プレート７の挿通孔７ａを挿通した状態で、軸部８ａの先端部にナット９が螺合することで、バイポーラ電池２、導電板３及び絶縁フィルム１０が１対の拘束プレート７に挟持される。これにより、バイポーラ電池２、導電板３及び絶縁フィルム１０に積層方向の拘束荷重が付与される。

図２は、バイポーラ電池２の概略断面図である。図２において、バイポーラ電池２は、複数のセル（例えば２４セル）が積層された構造（複数セル構造）を有している。バイポーラ電池２は、複数のバイポーラ電極１１がセパレータ１２を介して積層されてなる電極積層部１３と、この電極積層部１３を取り囲むシール枠１４とを備えている。

バイポーラ電極１１及びセパレータ１２は、例えば平面視矩形状を呈している。セパレータ１２は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１１の間に配置されている。バイポーラ電極１１は、集電体であるニッケル箔１５と、このニッケル箔１５の上面１５ａ（一方面）に形成された正極１６と、ニッケル箔１５の下面１５ｂ（他方面）に形成された負極１７とを有している。

バイポーラ電極１１の正極１６は、セパレータ１２を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１１の負極１７と対向している。バイポーラ電極１１の負極１７は、セパレータ１２を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１１の正極１６と対向している。

電極積層部１３の最下層には、正極側終端電極１８が配置されている。正極側終端電極１８は、ニッケル箔１５と、このニッケル箔１５の上面１５ａに形成された正極１６とを有している。電極積層部１３の最上層には、負極側終端電極１９が配置されている。負極側終端電極１９は、ニッケル箔１５と、このニッケル箔１５の下面１５ｂに形成された負極１７とを有している。正極側終端電極１８の正極１６は、セパレータ１２を挟んで最下層のバイポーラ電極１１の負極１７と対向している。負極側終端電極１９の負極１７は、セパレータ１２を挟んで最上層のバイポーラ電極１１の正極１６と対向している。正極側終端電極１８及び負極側終端電極１９のニッケル箔１５は、積層方向に隣り合う導電板３（図１参照）に接続されている。

正極１６は、ニッケル箔１５の一方面に正極活物質を塗工することにより形成されている。正極活物質としては、例えばコバルト（Ｃｏ）酸化物コートが施された水酸化ニッケルが用いられる。負極１７は、ニッケル箔１５の他方面に負極活物質を塗工することにより形成されている。負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が用いられる。ニッケル箔１５の縁部１５ｃは、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。

セパレータ１２は、正極１６と負極１７との間に配置され、正極１６と負極１７とを隔離する。セパレータ１２は、積層方向から見てニッケル箔１５よりも小さく且つ正極１６及び負極１７よりも大きい。セパレータ１２は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１２は、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、もしくはＰＥ、ＰＰ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはメチルセルロース等からなる不織布または織布等で形成されている。また、セパレータ１２は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されていてもよい。なお、セパレータ１２の形状としては、特にシート状に限られず、袋状であってもよい。

シール枠１４は、電極積層部１３を取り囲むように配置され、各ニッケル箔１５の縁部１５ｃを保持する複数の一次シール部２０と、これらの一次シール部２０の周囲に配置された二次シール部２１とを有している。

各一次シール部２０は、積層方向に沿ってニッケル箔１５毎に配置されている。一次シール部２０は、枠状に形成されている。一次シール部２０は、ニッケル箔１５の縁部１５ｃに溶着されている。また、積層方向に隣り合う一次シール部２０同士も溶着されている。従って、積層方向に隣り合う一次シール部２０には、ニッケル箔１５の縁部１５ｃが埋没した状態で保持されている。

積層方向に隣り合うニッケル箔１５間には、ニッケル箔１５、正極１６、負極１７及び一次シール部２０によって画成された内部空間Ｖが設けられている。内部空間Ｖは、液密に形成されている。セパレータ１２内を含む内部空間Ｖには、アルカリ性の電解液が注入されている。アルカリ性の電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等を含むアルカリ溶液が用いられている。一次シール部２０は、内部空間Ｖを封止する。

二次シール部２１は、角筒状を有している。二次シール部２１は、各一次シール部２０を取り囲んでおり、内部空間Ｖを更に封止する。二次シール部２１は、各一次シール部２０に溶着されている。

一次シール部２０及び二次シール部２１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）または変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等の樹脂で形成されている。

図３は、以上のようなバイポーラ電池２を製造する工程の手順を示すフローチャートである。図３において、まず図４に示されるような電池構造体２２を作製する（工程Ｓ１０１）。

電池構造体２２は、ニッケル箔１５の上面１５ａに形成された正極１６とニッケル箔１５の下面１５ｂに形成された負極１７とを有するバイポーラ電極１１がセパレータ１２を介して複数積層されてなる電極積層部１３と、この電極積層部１３を取り囲むように配置され、ニッケル箔１５の縁部１５ｃを保持する複数の一次シール部２０とを備えている。電池構造体２２は、図２に示されたバイポーラ電池２において二次シール部２１が無い状態であり、複数セル構造を有している。なお、１つのセルは、２つのニッケル箔１５、正極１６、負極１７、セパレータ１２及び一次シール部２０により構成されている。

続いて、電池構造体２２の内部を加熱する（工程Ｓ１０２）。このような加熱工程では、図４に示されるように、電池構造体２２を恒温槽２３の中に入れ、その状態で恒温槽２３内を所定の温度に保つことにより、電池構造体２２の内部を加熱する。これにより、電池構造体２２の内部が温められるため、セパレータ１２が膨張し、セパレータ１２内を含む電池構造体２２の内部空間Ｖの容積が増加する。

続いて、電池構造体２２の内部空間Ｖの圧力を低下させる。つまり、電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧する（工程Ｓ１０３）。このような減圧工程では、電池構造体２２を恒温槽２３の中から取り出した後、真空ポンプ（図示せず）によって、一次シール部２０に設けられた注液孔２４を通して電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧する。これにより、電池構造体２２の内部空間Ｖに存在する空気が排出される。

続いて、電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液を注入する（工程Ｓ１０４）。このような注液工程では、シリンジ（図示せず）を用いて、一次シール部２０に設けられた注液孔２４から電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液を注入する。このとき、電池構造体２２の内部空間Ｖから空気が抜けているため、電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液が入りやすくなっている。注入された電解液は、セパレータ１２内に入り込んでいく。なお、注液孔２４は、電解液の注入後にシール材（図示せず）により封止される。

その後、二次シール部２１を各一次シール部２０に溶着することにより、上記のバイポーラ電池２が得られる。

以上のように本実施形態にあっては、電池構造体２２の内部を加熱する加熱工程と電池構造体２２の内部空間Ｖの圧力を低下させる減圧工程とを実施した後に、電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液を注入する注液工程を実施する。このように電池構造体２２の内部を加熱することにより、セパレータ１２が膨張するため、セパレータ１２内の容積が大きくなる。これにより、電池構造体２２の内部空間Ｖに電解液を注入する前に、電池構造体２２の内部空間Ｖの圧力を低下させても、つまり電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧しても、セパレータ１２において電解液が入るスペースが確保される。その結果、セパレータ１２の流路抵抗が小さくなるため、セパレータ１２に規定量の電解液を入れることができると共に、セパレータ１２に電解液を入れるのに要する時間を短縮することができる。

また、本実施形態では、加熱工程を実施した後に減圧工程を実施するので、電池構造体２２の内部の加熱によってセパレータ１２が膨張した状態で、電池構造体２２の内部空間Ｖが減圧されることになる。このため、電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧する際には、セパレータ１２内の容積が大きくなっている。従って、セパレータ１２において電解液が入るスペースが確保されやすくなる。

また、本実施形態では、恒温槽２３を用いて電池構造体２２の内部を加熱するので、電極積層部１３の積層数が多くても、電池構造体２２の内部全体を一括して短時間で効率良く且つ均等に加熱することができる。

また、電池構造体２２の内部空間Ｖが減圧されると、電池構造体２２における隣り合うセルの空間同士が互いに干渉し合う。このため、隣り合う一方のセルのセパレータ１２内の容積が小さくなると、隣り合う他方のセルのセパレータ１２内の容積が大きくなり、結果として各セルのセパレータ１２内の容積がばらつきやすくなる。しかし、本実施形態では、電池構造体２２の内部が加熱されるので、電池構造体２２の内部空間Ｖの容積が全体的に大きくなる。従って、その後の減圧工程において隣り合うセルの空間同士が干渉し合っても、各セルのセパレータ１２内の容積のばらつきが抑えられる。これにより、各セパレータ１２において電解液が入るスペースを均等化することができる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、電池構造体２２の内部を加熱した後に、電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧しているが、特にその形態には限られず、電池構造体２２の内部を加熱すると同時に、電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧してもよいし、或いは電池構造体２２の内部空間Ｖを減圧した後に、電池構造体２２の内部を加熱してもよい。この場合でも、電池構造体２２の内部の加熱によってセパレータ１２が膨張するため、セパレータ１２において電解液が入るスペースを確保することができる。

また、上記実施形態では、二次シール部２１が無い状態の電池構造体２２において加熱工程、減圧工程及び注液工程を実施しているが、特にその形態には限られず、二次シール部２１がある状態の電池構造体において加熱工程、減圧工程及び注液工程を実施してもよい。

また、上記実施形態では、電池構造体２２は複数セル構造を有しているが、電池構造体２２の構成としては、特にそれには限られず、図５に示されるような１セル構造であってもよい。そのような１セル構造の電池構造体２２の内部を加熱するときは、例えば図５に示されるように、電池構造体２２の上方及び下方に設置されたヒータ２５によって加熱してもよい。

また、複数セル構造の電池構造体２２の内部を加熱するときでも、ヒータ２５を用いてもよい。この場合には、電池構造体２２の上方及び下方だけでなく電池構造体２２の側方にもヒータ２５を設置することで、電池構造体２２の内部全体を均等に加熱することができる。

さらに、上記実施形態では、バイポーラ電池２はニッケル水素二次電池であるが、バイポーラ電池２としては、特にニッケル水素二次電池には限られず、リチウムイオン二次電池等であってもよい。

２…バイポーラ電池、１１…バイポーラ電極、１２…セパレータ、１３…電極積層部、１５…ニッケル箔（集電体）、１５ａ…上面（一方面）、１５ｂ…下面（他方面）、１６…正極、１７…負極、２０…一次シール部（シール部）、２２…電池構造体、２３…恒温槽、Ｖ…内部空間。

Claims (3)

1. 集電体の一方面に形成された正極と前記集電体の他方面に形成された負極とを有するバイポーラ電極がセパレータを介して積層されてなる電極積層部と、前記電極積層部を取り囲むように配置され、前記集電体を保持するシール部とを備えた電池構造体を作製する工程と、
   前記電池構造体の内部を加熱する加熱工程と、
   前記電池構造体の内部空間の圧力を低下させる減圧工程と、
   前記加熱工程及び前記減圧工程を実施した後に、前記電池構造体の内部空間に電解液を注入する注液工程とを含むことを特徴とするバイポーラ電池の製造方法。
2. 前記減圧工程は、前記加熱工程の後に実施することを特徴とする請求項１記載のバイポーラ電池の製造方法。
3. 前記加熱工程では、恒温槽を用いて前記電池構造体の内部を加熱することを特徴とする請求項１または２記載のバイポーラ電池の製造方法。

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