JP2019121450A - 蓄電モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解液の漏れを低減可能な蓄電モジュールを提供する。【解決手段】複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、電極積層体の側面を封止する封止体と、を備え、バイポーラ電極は、電極板と、電極板の一方の面に設けられた正極と、電極板の他方の面に設けられた負極と、を含み、封止体は、バイポーラ電極にそれぞれ設けられ、バイポーラ電極の各電極板の周縁部に接着された環状部と、電極積層体の側面を包囲し、かつ、各環状部と接着された筒状部と、を含み、環状部の材料は熱可塑性エラストマーである、蓄電モジュール。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電モジュール等に関する。

従来の蓄電モジュールとして、電極板の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えるバイポーラ電池が知られている。例えば、特許文献１に開示されたバイポーラ電池は、複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、電極積層体の側面に設けられたポリプロピレン製のセルケーシング（封止体）と、を備えている。バイポーラ電極の縁部には、ポリプロピレン層が設けられており、バイポーラ電極とセルケーシングとは、ポリプロピレン層を介して一体成形により強固に固着されている。これにより、電解液を封止することができる。

特開２００５−１３５７６４号公報

上述したような蓄電モジュールでは、電解液がアルカリ水溶液である場合、いわゆるアルカリクリープ現象により、電解液が各電極の電極板上を伝わり、ポリプロピレン層と当該電極板との間の隙間を通って当該電極板の外面側に滲み出ることがある。最外の電極でアルカリクリープ現象が起これば系外に電解液が漏れるし、内部の電極でアルカリクリープ現象が起こってもセル内の電解液の量が変動し、好ましくない。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電解液の漏れを低減可能な蓄電モジュールを提供する。

本発明の一形態に係る蓄電モジュールは、複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、電極積層体の側面を封止する封止体と、を備える。バイポーラ電極は、電極板と、電極板の一方の面に設けられた正極と、電極板の他方の面に設けられた負極と、を含む。封止体は、バイポーラ電極にそれぞれ設けられ、バイポーラ電極の各電極板の周縁部に接着された環状部と、電極積層体の側面を包囲し、かつ、各環状部と接着された筒状部と、を含む。環状部の材料は、熱可塑性エラストマーである。かかる蓄電モジュールによれば、環状部の接着時に環状部が冷却又は凝固により収縮して、封止体と電極板との接着界面に隙間が形成された場合であっても、環状部自身の弾性回復により、その隙間を埋めることができる。したがって、電解液の漏れを低減することができる。

熱可塑性エラストマーは、オレフィン系熱可塑性エラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、及び塩化ビニル系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる熱可塑性エラストマーであることができる。

電極板の周縁部は、突起を有することができる。かかる態様によれば、アンカー効果により封止体と電極板との接着がより強くなり、封止体と電極板との接着界面における隙間の形成を、より抑えることができる。また、封止体と電極板との接着界面に隙間が形成されたとしても、電極板の周縁部が突起を有すると、周縁部の表面が平滑である場合と比べて、隙間の中で電解液が通る経路長が長い。したがって、電解液の漏れをより低減することができる。

電極積層体は、積層方向の最外に、電極板と、電極板の一方の面に設けられた負極とを含み、上記一方の面が電極積層体の内側になるように配置された、負極終端電極をさらに備えることができる。封止体は、負極終端電極の電極板の周縁部に接着された負極終端環状部をさらに含むことができる。負極終端環状部の材料は、熱可塑性エラストマーであり、負極終端環状部は筒状部と接着されている。

本発明の一形態に係る、上記蓄電モジュールの製造方法は、環状部を圧縮しながら、環状部におけるバイポーラ電極の電極板の周縁部との接触面を溶融させて、周縁部に環状部を接着する工程と、環状部を圧縮した状態で、環状部の接触面を冷却する工程と、を備える。

本発明によれば、電解液の漏れを低減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、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、電極板の周縁部と封止体との接着界面を示す概略断面図である。 図４は、図２の一部を拡大して示す概略断面図である。

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。図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の構成についてさらに詳細に説明する。図２は、一実施形態に係る蓄電モジュール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の側面１１ａ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を介して積層された複数のバイポーラ電極１４を有する。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。電極積層体１１は、積層方向Ｄに延びる側面１１ａを有している。バイポーラ電極１４は、電極板１５、電極板１５の一方面１５ａに設けられた正極１６、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１６は正極活物質層である。負極１７は負極活物質層である。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。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。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。負極終端電極１８の電極板１５の一方面１５ａには、蓄電モジュール４に隣接する一方の導電板５が接触している。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。正極終端電極１９の電極板１５の他方面１５ｂには、蓄電モジュール４に隣接する他方の導電板５が接触している。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は金属板であり、金属板の例としては、ニッケル箔、及び、ニッケルメッキ鋼板が挙げられる。ニッケルメッキ鋼板は、表面にニッケルメッキを備える鋼板である。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い。

電極板１５の周縁部１５ｃは、正極及び負極がその上に設けられていない領域であり、積層方向Ｄから見て矩形環状をなしている。

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の形成材料としては、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等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、複数の環状部２１と、筒状部２２とを有し、電極積層体１１の側面１１ａを包囲する。

環状部２１は、積層方向Ｄに厚みを有する樹脂フィルムであって、積層方向Ｄから見て矩形環状である。

環状部２１は、バイポーラ電極１４、負極終端電極１８、及び正極終端電極１９の各電極板１５の一方面１５ａ側の周縁部１５ｃに接着されている。積層方向Ｄから見ると、各環状部２１の外側境界は、各電極板１５の周縁部１５ｃの外側境界よりも外に張り出しており、環状部２１の内側部分は周縁部１５ｃと重なり、環状部２１の外側部分は周縁部１５ｃと重ならない。各環状部２１の外側部分は筒状部２２に埋没しており、各環状部２１と筒状部２２とは、その接触面において接着している。積層方向Ｄで隣り合う環状部２１，２１同士は、互いに離間している。

筒状部２２は、積層方向Ｄを軸方向として配置された、開口の断面が矩形の筒である。筒状部２２は、電極積層体１１の側面１１ａを、積層方向Ｄにおいて電極積層体１１の全長にわたって覆うことができる長さを有し、蓄電モジュール４の外壁（筐体）を構成している。筒状部２２の内面は、各環状部２１の上記外側部分とそれぞれ接着されている。

封止体１２は、積層方向Ｄに隣り合うバイポーラ電極１４，１４の間、積層方向Ｄに隣り合う負極終端電極１８とバイポーラ電極１４との間、及び積層方向Ｄに隣り合う正極終端電極１９とバイポーラ電極１４との間をそれぞれ封止している。これにより、積層方向Ｄで隣り合うバイポーラ電極１４，１４の間、積層方向Ｄに隣り合う負極終端電極１８とバイポーラ電極１４との間、及び積層方向Ｄに隣り合う正極終端電極１９とバイポーラ電極１４との間には、それぞれ気密に仕切られた内部空間Ｖが形成されている。この内部空間Ｖには、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。電解液の例は、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液である。

環状部２１は、熱可塑性エラストマーの成形物である。熱可塑性エラストマーとしては、オレフィン系熱可塑性エラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、及び塩化ビニル系熱可塑性エラストマーが挙げられるが、これらに限定されない。電解液はアルカリ性であるため、これらのエラストマーはアルカリに対して耐性を有することが好ましい。オレフィン系熱可塑性エラストマーとしては、例えば、ポリプロピレンとＥＰＭ（エチレンプロピレンゴム）又はＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）との混合物が挙げられる。スチレン系熱可塑性エラストマーとしては、例えば、ポリプロピレン及びスチレンゴムの混合物が挙げられる。アルカリ耐性の観点から、熱可塑性エラストマーは、オレフィン系熱可塑性エラストマーであることが好ましい。封止体１２と電極板１５との接着界面における隙間の形成を抑える観点から、熱可塑性エラストマーは、環状部２１の収縮量を補うのに十分な程度の弾性回復を示す熱可塑性エラストマーであることが好ましい。

筒状部２２を構成する樹脂は、環状部２１を構成する樹脂と同じでよいし、同じでなくてもよい。筒状部２２を射出成型により形成する観点及びアルカリ耐性の観点から、筒状部２２を構成する樹脂は、好ましくは熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系の熱可塑性樹脂、及び、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等のポリフェニレンエーテル系の樹脂が挙げられる。

環状部２１及び筒状部２２を構成する材料は、いずれも樹脂であり、これらの材料は互いに相溶性を有することができる。この場合、環状部２１と筒状部２２とは互いに直接接着することが可能である。なお、環状部２１と筒状部２２とは、接着層を介して接着されていてもよい。

図３に示すように、周縁部１５ｃは、粗面を形成する突起１５ｐを有することができる。突起１５ｐは、例えば、２〜２０μｍ又は５〜１５μｍであることができる。周縁部１５ｃがこのような突起１５ｐを有する場合、アンカー効果により、環状部２１と電極板１５との接着がより強くなり、封止体１２と電極板１５との接着界面における隙間の形成を、より抑えることができる。また、封止体１２と電極板１５との接着界面に隙間が形成されたとしても、周縁部１５ｃが平滑である場合と比べて、隙間の中で電解液が通る経路長が長いため、電解液の漏れをより低減することができる。少なくとも、一方面１５ａにおける周縁部１５ｃの表面が粗面であれば、封止体１２と電極板１５との接着が向上する。

突起１５ｐは、例えば、図３のように、基端側から先端側に向かって先太りとなる形状を有することができる。この場合、隣接する突起１５ｐ，１５ｐの間の断面形状はアンダーカット形状となり、アンカー効果が生じ易い。なお、図３は模式図であって、突起１５ｐの形状及び密度等は特に限定されない。

続いて、上述した蓄電モジュール４の製造方法について説明する。一実施形態において、蓄電モジュール４の製造方法は、一次成形工程と、積層工程と、二次成形工程と、注入工程と、を含む。

一次成形工程では、まず、所定数のバイポーラ電極１４、並びに一対の負極終端電極１８及び正極終端電極１９を用意し、各電極板１５の少なくとも一方面１５ａ側の周縁部１５ｃ上に環状部２１を載せ、環状部２１を電極板１５の周縁部１５ｃに対してプレスすることによって環状部２１を厚み方向に圧縮しながら、環状部２１における周縁部１５ｃとの接触面を溶融させて、周縁部１５ｃに環状部２１を接着する。その後、環状部２１を圧縮した状態を維持しつつ環状部２１を冷却する。接触面の溶融による接着は、熱溶着又は超音波溶着などにより行える。熱溶着の場合、環状部２１を直接加熱してもよいが、電極板１５の周縁部１５ｃを加熱すると、接触面を選択的に溶融できて好適である。溶融した環状部２１の接触面は、冷却すると再び凝固する。このため、環状部２１は、溶着後の冷却又は凝固により収縮し、環状部２１と電極板１５との間に微細な隙間が生じる場合がある。しかしながら、本発明においては、冷却時においても環状部２１が圧縮されているので、冷却時にできた上記隙間に環状部２１の一部が弾性回復して入り込み、隙間を埋めることができる。

積層工程では、環状部２１が電極板１５の周縁部１５ｃ同士の間に配置されるように、セパレータ１３を介してバイポーラ電極１４、負極終端電極１８及び正極終端電極１９を積層することにより、電極積層体１１を形成する。二次成形工程では、射出成型の金型内に電極積層体１１を配置した後、金型内に溶融樹脂を射出することにより、電極積層体１１を包囲するように筒状部２２を形成する。この際、筒状部２２は、環状部２１の外側部分を埋め込むように形成され、射出成型時の熱によって、該外側部分に溶着（接着）される。注入工程では、二次成形工程の後、バイポーラ電極１４，１４間の内部空間Ｖに電解液を注入する。これにより、蓄電モジュール４が得られる。

図１に示される蓄電装置１は、得られた蓄電モジュール４と導電板５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得られる。

続いて、図４を参照して、本発明の作用効果を説明する。図４は、図２の一部を拡大して示す概略断面図である。

蓄電モジュール４では、いわゆるアルカリクリープ現象により、電解液Ｌが電極板１５上を伝わり、封止体１２の環状部２１と電極板１５との間を通って電極板１５の一方面１５ａ側に滲み出ることがある。アルカリクリープ現象は、電気化学的な要因と流体現象等により、蓄電装置１の充電時、放電時、及び無負荷時に、電極積層体１１中の各バイポーラ電極１４及び負極終端電極１８において生じる。図４には、例として、負極終端電極１８においてアルカリクリープ現象が発生した場合の電解液Ｌの移動経路が、矢印Ａで示されている。アルカリクリープ現象は、負極電位、電解液Ｌ、及び電解液Ｌの通り道がそれぞれ存在することにより生じる。アルカリクリープ現象を抑制するには、電解液Ｌの通り道について対策することが考えられる。この通り道は以下のようにして形成されると推察される。環状部２１を溶着する際に、環状部２１はその溶着面において一時的に加熱され、溶融し、その後の冷却により、溶着面が再び凝固する。この凝固時、及び、常温までの冷却時に、環状部２１が収縮し、弱く接着された封止体１２と電極板１５との間に隙間（通り道）が形成されると考えられる。また、筒状部２２の溶着時に環状部２１が加熱された場合にも、同様に、通り道が形成される可能性がある。

本発明の上記実施形態によれば、環状部２１の加熱時及び冷却時に熱可塑性エラストマー製の環状部２１が圧縮されているため、冷却中に環状部２１が弾性回復して膨らむことができる。環状部２１又は筒状部２２の溶着後に環状部２１が冷却又は凝固により収縮して、封止体１２と電極板１５との接着界面に隙間が形成された場合であっても、環状部２１自身の弾性回復により、その隙間を埋めることができる。したがって、アルカリクリープ現象を抑制し、電解液Ｌの漏れを低減することができる。

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。環状部２１は、電極板１５の一方面１５ａだけでなく電極板１５の端面を覆うように周縁部１５ｃに設けられていてもよい。このように電極板１５と封止体１２との接着面をより広くすることで、電解液Ｌの漏れをさらに低減可能となる。

また、環状部２１の形状も、中央部に電極板１５に対応した穴が開いた形状であれば矩形環に限定されず、電極板１５の形状に合わせて種々の形態にすることができる。

４…蓄電モジュール、１１…電極積層体、１１ａ…側面、１２…封止体、１４…バイポーラ電極、１５…電極板、１５ａ…一方面、１５ｂ…他方面、１５ｃ…周縁部、１６…正極、１７…負極、２１…環状部、２２…筒状部、Ｄ…積層方向。

Claims (5)

1. 複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、前記電極積層体の側面を封止する封止体と、を備え、
   前記バイポーラ電極は、電極板と、前記電極板の一方の面に設けられた正極と、前記電極板の他方の面に設けられた負極と、を含み、
   前記封止体は、
   前記バイポーラ電極にそれぞれ設けられ、前記バイポーラ電極の各電極板の周縁部に接着された環状部と、
   前記電極積層体の側面を包囲し、かつ、各前記環状部と接着された筒状部と、を含み、
   前記環状部の材料は、熱可塑性エラストマーである、蓄電モジュール。
2. 前記熱可塑性エラストマーが、オレフィン系熱可塑性エラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、及び塩化ビニル系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる熱可塑性エラストマーである、請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記電極板の前記周縁部が突起を有する、請求項１又は２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記電極積層体は、積層方向の最外に、電極板と、前記電極板の一方の面に設けられた負極とを含み、前記一方の面が前記電極積層体の内側になるように配置された、負極終端電極をさらに備え、
   前記封止体は、
   前記負極終端電極の前記電極板の周縁部に接着された負極終端環状部、をさらに含み、
   前記負極終端環状部の材料は熱可塑性エラストマーであり、
   前記負極終端環状部は前記筒状部と接着された、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電モジュールの製造方法であって、
   前記環状部を圧縮しながら、前記環状部における前記バイポーラ電極の前記電極板の前記周縁部との接触面を溶融させて、前記周縁部に前記環状部を接着する工程と、
   前記環状部を圧縮した状態で、前記環状部の前記接触面を冷却する工程と、を備える、製造方法。

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