JP2019091606A - バイポーラ電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】設備コストを抑えつつ、電解液が満たされない内部空間を精度良く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、電極積層部13と一次シール部20とを備えた電池構造体23を作製する第1工程と、電極積層部13を積層方向に挟む1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束した状態で、一次シール部20の注入孔22から電池構造体23の内部に電解液Fを注入する第2工程と、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束することにより、電解液Fを注入孔22から排出する第3工程と、第3工程を実施した後、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する第4工程とを含む。【選択図】図5
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。
上記従来技術のようなバイポーラ電池の製造方法においては、バイポーラ電池の使用時におけるガスの発生等による内圧上昇及び安全弁の作動圧等を考慮して、電解液が満たされない内部空間を残すように規定量の電解液を注入する必要がある。従来では、例えば設計上の内部空間のばらつきを考慮して電解液の注入量を決定したり、或いは電解液の注入前に内部空間の容積を測定して電解液の注入量を決定している。しかし、設計上の内部空間のばらつきを考慮して電解液の注入量を決定する方法では、内部空間のばらつきが大きいと、電解液が満たされない内部空間を精度良く確保することが困難になる。内部空間の容積を測定して電解液の注入量を決定する方法では、測定装置が必要となるため、設備コストが高くなる。
本発明の目的は、設備コストを抑えつつ、電解液が満たされない内部空間を精度良く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、電解液を注入するための注入孔を有するシール部とを備えた電池構造体を作製する第1工程と、電極積層部を積層方向に挟む1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束した状態で、注入孔から電池構造体の内部に電解液を注入する第2工程と、1対の拘束部材の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束することにより、電解液を注入孔から排出する第3工程と、第3工程を実施した後、1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束する第4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、1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束した状態で、注入孔から電池構造体の内部に電解液を注入した後、1対の拘束部材の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束することにより、電池構造体の内部に注入された電解液を注入孔から排出する。その後、1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束する。すると、電解液の排出量に相当する分だけ、電池構造体において電解液が満たされない内部空間が増えることになる。これにより、内部空間のばらつきの大小に関わらず、電解液が満たされない内部空間を精度良く確保することができる。また、内部空間の容積を測定する装置を必要としないため、設備コストを抑えることができる。
電極積層部の積層方向から見たバイポーラ電極の面積とセパレータの圧縮前の空隙率と必要とする電池構造体の内部空間の容積とに基づいて、第3工程を実施する際における1対の拘束部材の間の距離を決定してもよい。この場合には、増やしたい内部空間を得るための1対の拘束部材の間の距離を、バイポーラ電極の面積及びセパレータの空隙率といった電極積層部に関する既知のパラメータを用いた計算によって容易に決定することができる。
第2工程及び第4工程では、1対の拘束部材の間に配置される第1スペーサと、1対の拘束部材を第1スペーサと共に締結する締結部材とを用いて、1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束し、第3工程では、1対の拘束部材の間に配置され、第1スペーサよりも小さい長さ寸法を有する第2スペーサと、1対の拘束部材を第2スペーサと共に締結する締結部材とを用いて、1対の拘束部材の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束部材により電極積層部を拘束してもよい。この場合には、1対の拘束部材の間の距離を簡単な構成で且つ高精度に設定することができる。
本発明によれば、設備コストを抑えつつ、電解液が満たされない内部空間を精度良く確保することができる。
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、鉄等の金属で形成されている。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をそれぞれ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。一次シール部20には、電解液を注入するための注入孔22が設けられている(図4〜図6参照)。
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23を作製する(工程S101)。
電池構造体23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、電解液を注入するための注入孔22を有する複数の一次シール部20とを備えている。電池構造体23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、図4に示されるように、1対の拘束板24(拘束部材)、複数のスペーサ25(第1スペーサ)及び複数の締結部材26を用意する。拘束板24は、電極積層部13を積層方向に挟む部材である。拘束板24は、例えば鉄等の金属で形成されている。スペーサ25は、1対の拘束板24の間に配置され、1対の拘束板24の間の距離を設定する円筒部材である。スペーサ25は、例えば鉄等の金属で形成されている。スペーサ25の軸長(長さ寸法)は、バイポーラ電池2における電極積層部13の積層方向の寸法と一致している。締結部材26は、ボルト27及びナット28からなり、1対の拘束板24同士をスペーサ25と共に締結する。拘束板24の縁部には、ボルト27の軸部27aを挿通させる複数の挿通孔24aが設けられている。
そして、1対の拘束板24の間の距離が予め決められた規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する(工程S102)。具体的には、1対の拘束板24により電極積層部13をスペーサ25と共に挟み込んだ状態で、ボルト27の軸部27aを各拘束板24の挿通孔24a及びスペーサ25に挿通し、軸部27aの先端部にナット28を螺合させる。これにより、セパレータ12が初期状態から圧縮され、電極積層部13に積層方向の拘束荷重が付与される。
続いて、電池構造体23の内部に電解液を注入する(工程S103)。具体的には、図4に示されるように、一次シール部20における注入孔22が設けられた部分の外面が上面となるように電池構造体23を横に倒した状態で、一次シール部20の上面にゴムパッキン29を装着する。このとき、電池構造体23の上下方向はX軸方向となる。ゴムパッキン29には、電解液を注入するための複数の注入孔29aが設けられている。ゴムパッキン29を一次シール部20に装着するときは、注入孔22の位置と注入孔29aの位置とが一致するようにゴムパッキン29を一次シール部20の上面に載置する。
その状態で、複数のシリンジ30により電池構造体23の各セル内に注入孔29a,22を通して電解液Fを注入する。すると、図5(a)に示されるように、注入された電解液Fは、セパレータ12内を含む内部空間Vに入り込む。このとき、電解液Fが満たされない内部空間Vが電池構造体23のX軸方向の上部に僅かに残っている。
続いて、図5(b)に示されるように、スペーサ31(第2スペーサ)を用意する。スペーサ31は、スペーサ25と同様に金属製の円筒部材である。スペーサ31の軸長は、スペーサ25の軸長よりも短い。
そして、スペーサ25に代えてスペーサ31を用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する(工程S104)。具体的には、1対の拘束板24により電極積層部13をスペーサ31と共に挟み込んだ状態で、ボルト27の軸部27aを各拘束板24の挿通孔24a及びスペーサ31に挿通し、軸部27aの先端部にナット28を螺合させる。すると、上記の工程S102の実施時よりも電極積層部13が押し込まれることで、セパレータ12が更に圧縮され、電極積層部13に更なる積層方向の拘束荷重が付与される。これにより、電池構造体23の各セル内に注入された電解液の一部が注入孔22,29aを通って電池構造体23の外部に排出されるようになる。
続いて、図6に示されるように、再びスペーサ25を用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する(工程S105)。すると、電池構造体23の内部から電解液Fが排出された量に相当する分だけ、電池構造体23において電解液Fが満たされない内部空間Vが増える。
以上において、工程S101は、電極積層部13と一次シール部20とを備えた電池構造体23を作製する第1工程である。工程S102,S103は、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束した状態で、注入孔22から電池構造体23の内部に電解液Fを注入する第2工程である。工程S104は、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束することにより、電解液Fを注入孔22から排出する第3工程である。工程S105は、第3工程を実施した後、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する第4工程である。
ここで、電極積層部13の積層方向から見たバイポーラ電極11の面積とセパレータ12の圧縮前(初期状態)の空隙率と必要とする電池構造体23の内部空間Vの容積とに基づいて、工程S104を実施する際における1対の拘束板24の間の距離が決定される。なお、バイポーラ電極11の面積は、ニッケル箔15における一次シール部20の内側領域の面積である。
その後、一次シール部20からゴムパッキン29を取り外し、更に電極積層部13から拘束板24及びスペーサ25を取り外すことで、1対の拘束板24による電極積層部13の拘束を解除する。そして、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。なお、注入孔22は、シール材(図示せず)により封止される。
以上のように本実施形態にあっては、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束した状態で、一次シール部20の注入孔22から電池構造体23の内部に電解液Fを注入した後、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束することにより、電池構造体23の内部に注入された電解液Fを注入孔22から排出する。その後、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する。すると、電解液Fの排出量に相当する分だけ、電池構造体23において電解液Fが満たされない内部空間Vが増えることになる。これにより、内部空間Vのばらつきの大小に関わらず、電解液Fが満たされない内部空間Vを精度良く確保することができる。また、内部空間Vの容積を測定する装置を必要としないため、設備コストを抑えることができる。
また、本実施形態では、増やしたい内部空間Vを得るための1対の拘束板24の間の距離を、バイポーラ電極11の面積及びセパレータ12の空隙率といった電極積層部13に関する既知のパラメータを用いた計算によって容易に決定することができる。
また、本実施形態では、上記の工程S102,S105を実施するときは、1対の拘束板24の間に配置されるスペーサ25と、1対の拘束板24をスペーサ25と共に締結する締結部材26とを用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束し、上記の工程S104を実施するときは、1対の拘束板24の間に配置され、スペーサ25よりも小さい長さ寸法を有するスペーサ31と、1対の拘束板24をスペーサ31と共に締結する締結部材26とを用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束する。従って、1対の拘束板24の間の距離を簡単な構成で且つ高精度に設定することができる。
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、上記の工程S102,S105を実施するときは、スペーサ25を用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長となるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束し、上記の工程S104を実施するときは、スペーサ31を用いて、1対の拘束板24の間の距離が規定長よりも短くなるように1対の拘束板24により電極積層部13を拘束しているが、特にそのようなスペーサ25,31を用いずに、例えば電極積層部13をプレスしてもよい。この場合、上記の工程S104の実施時には、上記の工程S102,S105の実施時よりも電極積層部13のプレス量を多くする。
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23において上記の工程S102〜S105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上記の工程S102〜S105を実施してもよい。
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…注入孔、23…電池構造体、24…拘束板(拘束部材)、25…スペーサ(第1スペーサ)、26…締結部材、31…スペーサ(第2スペーサ)、F…電解液、V…内部空間。
Claims (3)
- 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、電解液を注入するための注入孔を有するシール部とを備えた電池構造体を作製する第1工程と、
前記電極積層部を積層方向に挟む1対の拘束部材の間の距離が規定長となるように前記1対の拘束部材により前記電極積層部を拘束した状態で、前記注入孔から前記電池構造体の内部に前記電解液を注入する第2工程と、
前記1対の拘束部材の間の距離が前記規定長よりも短くなるように前記1対の拘束部材により前記電極積層部を拘束することにより、前記電解液を前記注入孔から排出する第3工程と、
前記第3工程を実施した後、前記1対の拘束部材の間の距離が前記規定長となるように前記1対の拘束部材により前記電極積層部を拘束する第4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。 - 前記電極積層部の積層方向から見た前記バイポーラ電極の面積と前記セパレータの圧縮前の空隙率と必要とする前記電池構造体の内部空間の容積とに基づいて、前記第3工程を実施する際における前記1対の拘束部材の間の距離を決定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。
- 前記第2工程及び前記第4工程では、前記1対の拘束部材の間に配置される第1スペーサと、前記1対の拘束部材を前記第1スペーサと共に締結する締結部材とを用いて、前記1対の拘束部材の間の距離が前記規定長となるように前記1対の拘束部材により前記電極積層部を拘束し、
前記第3工程では、前記1対の拘束部材の間に配置され、前記第1スペーサよりも小さい長さ寸法を有する第2スペーサと、前記1対の拘束部材を前記第2スペーサと共に締結する前記締結部材とを用いて、前記1対の拘束部材の間の距離が前記規定長よりも短くなるように前記1対の拘束部材により前記電極積層部を拘束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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JP2017219247A JP2019091606A (ja) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | バイポーラ電池の製造方法 |
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JP2019192585A (ja) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | 株式会社豊田自動織機 | 蓄電モジュールの製造方法、蓄電装置の製造方法、及び、蓄電装置 |
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CN112448074A (zh) * | 2019-08-28 | 2021-03-05 | 北京好风光储能技术有限公司 | 一种双极性电池堆 |
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