JP2019164883A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラ電極を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置１０は、集電板１６の一方の面に設けられた正極層１８と、一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層２０と、を有する複数のバイポーラ電極１２がセパレータ１４を介して積層された、蓄電装置であって、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、第一の面１６ａと、第一の面とは反対側の面であって、第一の面よりも表面粗さが荒い第二の面１６ｂと、を有する集電板と、正極層を形成する正極活物質６０と、負極層を形成すると共に、正極活物質よりも平均粒子径が大きい負極活物質７０と、を備え、第一の面に正極活物質が塗工され、第二の面に負極活物質が塗工されている。【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

集電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（特許文献１参照）。このバイポーラ電池では、電解質層が保持されたセパレータを挟んで複数のバイポーラ電極が直列に積層されている。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上記バイポーラ電極では、金属からなる箔の一方の面に正極活物質を塗工し、他方の面に負極活物質が塗工されている。バイポーラ電極を製造する際、箔等の集電板に対し活物質を接着させるためにバインダが用いられる。

本発明は、バイポーラ電極を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電装置は、集電板の一方の面に設けられた正極層と、前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層と、を有する複数のバイポーラ電極がセパレータを介して積層された、蓄電装置であって、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、第一の面と、第一の面とは反対側の面であって、第一の面よりも表面粗さが荒い第二の面と、を有する集電板と、正極層及び負極層の一方を形成する第一の活物質と、正極層及び負極層の他方を形成すると共に、第一の活物質よりも平均粒子径が大きい第二の活物質と、を備え、第一の面に第一の活物質が塗工され、第二の面に第二の活物質が塗工されている。

上記蓄電装置では、表面粗さが相対的に滑らかな第一の面に平均粒子径が相対的に小さな第一の活物質が配置され、表面粗さが相対的に荒い第二の面に平均粒子径が相対的に大きな第二の活物質が配置されている。このため、第一の面及び第二の面のそれぞれに形成された凹凸に、それぞれの活物質が深く入り易くなる。このため、第一の面と第一の活物質との密着性、及び第二の面と第二の活物質との密着性を高めることができる。集電板と活物質との密着性が相対的に高い場合、当該密着性が相対的に低い場合と比べてバインダの量が少なく済むので、上記構成の蓄電装置は、バイポーラ電極を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる。

第一の活物質は、正極層を形成する活物質であり、第二の活物質は、負極層を形成する活物質であってもよい。この構成では、正極層を形成する活物質の平均粒子径が負極層を形成する活物質の平均粒子径よりも小さい場合に、バインダ量を低減できる。

複数のバイポーラ電極を挟む一対の終端電極を更に備え、一対の終端電極の一方は、第三の面を有する集電体と、第三の面に塗工された第三の活物質と、を有し、一対の終端電極の他方は、第三の面よりも表面粗さが荒い第四の面を有する集電体と、第四の面に塗工され、第三の活物質よりも平均粒子径が大きい第四の活物質と、を有していてもよい。

上記蓄電装置では、表面粗さが相対的に滑らかな第三の面に平均粒子径が相対的に小さな第三の活物質が配置され、表面粗さが相対的に荒い第四の面に平均粒子径が相対的に大きな第四の活物質が配置されている。このため、第三の面及び第四の面のそれぞれに形成された凹凸に、それぞれの活物質が深く入り易くなる。このため、第三の面と第三の活物質との密着性、及び第四の面と第四の活物質との密着性を高めることができる。集電板と活物質との密着性が相対的に高い場合、当該密着性が相対的に低い場合と比べてバインダの量が少なく済むので、上記構成の蓄電装置は、バイポーラ電極を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる。

第三の活物質は、正極層を形成する活物質であり、第四の活物質は、負極層を形成する活物質であってもよい。この構成では、正極層を形成する活物質の平均粒子径が負極層を形成する活物質の平均粒子径よりも小さい場合に、バインダ量を低減できる。

上記蓄電装置は、ニッケル水素二次電池として構成してもよい。この構成のニッケル水素二次電池では、上記のとおり、正極層を形成する活物質及び負極層を形成する活物質がニッケル水素二次電池としての活物質の場合に、バインダ量を低減できる。

本発明によれば、バイポーラ電極を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる。

一実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 図１のバイポーラ電極の断面図である。 図１の正極終端電極及び負極終端電極の断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図１〜図３には、ＸＹＺ直交座標系が示される。

図１に示される蓄電装置１０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に搭載されるニッケル水素二次電池である。蓄電装置１０は、複数のバイポーラ電極１２と、正極終端電極１１２と、負極終端電極２１２と、正極プレート４０と、負極プレート５０と、絶縁ケース３０と、を備える。

複数のバイポーラ電極１２は、セパレータ１４を介して直列に積層される。複数のバイポーラ電極１２のそれぞれは、第一の面１６ａ及び第一の面１６ａとは反対側の第二の面１６ｂを有する集電板１６と、第一の面１６ａに設けられた正極層１８と、第二の面１６ｂに設けられた負極層２０とを有している。正極層１８及び負極層２０は、複数のバイポーラ電極１２の積層方向（以下、Ｚ軸方向ともいう）に交差する平面（例えばＸＹ平面）に沿って延在している。

セパレータ１４は、互いに隣接するバイポーラ電極１２の間、正極終端電極１１２とバイポーラ電極１２との間、及びバイポーラ電極１２と負極終端電極２１２との間に配置されている。例えば、セパレータ１４は、シート状に形成されている。セパレータ１４は例えば多孔膜又は不織布である。セパレータ１４は電解液を透過させ得る。セパレータ１４の材料の例には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、又はポリイミド、不織布等が挙げられる。電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液が使用され得る。

集電板１６は、例えばニッケル箔等の金属箔である。図２に示されるように、集電板１６の厚みＴ１は、例えば１０μｍ〜１００μｍである。集電板１６における第一の面１６ａは、集電板１６における第二の面１６ｂよりも表面粗さが荒い。ここでいう、表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定される最大高さＲｚである。例えば、第一の面１６ａの最大高さＲｚを１〜５とし、第二の面１６ｂの最大高さＲｚを５〜２０とすることができる。このような第一の面１６ａと第二の面１６ｂとの間で最大高さＲｚが異なる集電板１６は、このような関係の表面荒さに加工された（製造上、必然的に当該関係に形成される場合も含む）製品を用いてもよいし、エッチング等の方法によって意図的に表面処理を施してもよい。

正極層１８は、正極活物質（第一の活物質）６０を含む。正極活物質６０は、例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）の粒子である。正極活物質６０の平均粒子径は、後述する負極活物質（第二の活物質）７０よりも平均粒子径が小さい。ここでいう平均粒子径は、メジアン径（Ｄ５０）であり、ＪＩＳ Ｚ８９０１に規定されているように、粉体の粒径分布において、ある粒子径より大きい個数又は質量が全粉体の個数又は質量の５０％を占めるときの粒子径をいう。正極活物質６０の平均粒子径は、例えば１５μｍである。

負極層２０は、負極活物質７０を含む。負極活物質７０は、例えば水素吸蔵合金の粒子である。負極活物質７０の平均粒子径は、前述した正極活物質６０の平均粒子径よりも大きい。負極活物質７０の平均粒子径は、例えば２０μｍである。

図１及び図３に示されるように、正極終端電極１１２は、複数のバイポーラ電極１２のＺ軸方向における一方側の端部に配置される。すなわち、正極終端電極１１２は、Ｚ軸方向において、複数のバイポーラ電極１２の最も外側に配置される。正極終端電極１１２は、第三の面１１６ａを有する集電体１１６と、第三の面１１６ａに設けられた正極層１１８と、を有している。正極層１１８は、ＸＹ平面に沿って延在している。集電体１１６は、Ｚ軸方向において集電板１６よりも厚い。正極層１１８は、バイポーラ電極１２における正極層１８と同じ構成である。すなわち、第三の面１１６ａには、正極活物質（第三の活物質）６０が塗工されている。

負極終端電極２１２は、複数のバイポーラ電極１２のＺ軸方向における他方側の端部に配置される。すなわち、負極終端電極２１２は、Ｚ軸方向において、複数のバイポーラ電極１２の最も外側に配置される。負極終端電極２１２は、第四の面２１６ａを有する集電体２１６と、第四の面２１６ａに設けられた負極層２２０と、を有している。負極層２２０は、ＸＹ平面に沿って延在している。集電体２１６は、Ｚ軸方向において集電板１６よりも厚い。負極層２２０は、バイポーラ電極１２における負極層２０と同じ構成である。すなわち、第四の面２１６ａには、負極活物質（第四の活物質）７０が塗工されている。

集電体１１６の厚みＴ２は、例えば５ｍｍ〜３０ｍｍである。集電体１１６における第三の面１１６ａは、集電体２１６における第四の面２１６ａよりも表面粗さが滑らかである。集電体２１６の厚みＴ３は、例えば５ｍｍ〜３０ｍｍである。集電体２１６における第四の面２１６ａは、集電体１１６における第三の面１１６ａよりも表面粗さが荒い。ここでいう、表面粗さは、上記と同様に、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定される最大高さＲｚである。例えば、第三の面１１６ａの最大高さＲｚを１〜５とし、第四の面２１６ａの最大高さＲｚを５〜２０とすることができる。このような第三の面１１６ａと第四の面２１６ａとの間で最大高さＲｚが異なる集電体１１６，２１６は、このような関係の表面荒さに加工された（製造上、必然的に当該関係に形成される場合も含む）製品を組み合わせてもよいし、エッチング等の方法によって意図的に表面処理を施してもよい。

図１に示されるように、絶縁ケース３０は、複数のバイポーラ電極１２を支持する。例えば、各バイポーラ電極１２の集電板１６の端部が絶縁ケース３０内に埋設される。また、絶縁ケース３０は、正極終端電極１１２及び負極終端電極２１２を支持する。例えば、正極終端電極１１２の集電体１１６の端部及び負極終端電極２１２の集電体２１６の端部が絶縁ケース３０内に埋設される。絶縁ケース３０は、例えば、ＰＰ，ＰＰＳ又は変性ＰＰＥからなる樹脂ケースである。絶縁ケース３０は、複数のバイポーラ電極１２及び複数のセパレータ１４を収容し得る筒状部材であってもよい。絶縁ケース３０内には電解液が充填される。

正極プレート４０及び負極プレート５０は、Ｚ軸方向において、複数のバイポーラ電極１２と、正極終端電極１１２と、負極終端電極２１２とを含んで構成される積層体２５を挟持する。また、第一実施形態の正極プレート４０及び負極プレート５０では、積層体２５に加え、絶縁ケース３０も挟持する。正極プレート４０には正極端子４９が接続される。負極プレート５０には負極端子５９が接続される。正極端子４９及び負極端子５９により蓄電装置１０の充放電を行うことができる。

正極プレート４０には、Ｚ軸方向に延びるボルトＢを貫通するための貫通孔４６が設けられる。負極プレート５０には、Ｚ軸方向に延びるボルトＢを貫通するための貫通孔５６が設けられる。貫通孔４６，５６は、Ｚ軸方向から見て絶縁ケース３０の外側に配置される。ボルトＢは正極プレート４０から負極プレート５０に向かって挿通される。ボルトＢの先端にはナットＮが螺合される。これにより、正極プレート４０及び負極プレート５０は、複数のバイポーラ電極１２、複数のセパレータ１４、正極終端電極１１２、負極終端電極２１２及び絶縁ケース３０に対して、拘束荷重を付加する。その結果、絶縁ケース３０内は密封される。

次に、上記実施形態の蓄電装置１０の作用効果について説明する。上記蓄電装置１０では、図２に示されるように、バイポーラ電極１２において、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定される最大高さＲｚが相対的に小さい第一の面１６ａに、ＪＩＳ Ｚ８９０１に規定されＤ５０が相対的に小さな正極活物質６０が配置され、最大高さＲｚが相対的に大きい第二の面１６ｂにＤ５０が相対的に大きな負極活物質７０が配置されている。このため、第一の面１６ａ及び第二の面１６ｂのそれぞれに形成された凹凸に、それぞれの活物質（正極活物質６０及び負極活物質７０）が深く入り易くなる。このため、第一の面１６ａと正極活物質６０との密着性、及び第二の面１６ｂと負極活物質７０との密着性を高めることができる。集電板１６と活物質（正極活物質６０及び負極活物質７０）との密着性が相対的に高い場合、当該密着性が相対的に低い場合と比べてバインダの量が少なく済む。これにより、上記構成の蓄電装置１０は、バイポーラ電極１２を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる。

また、上記蓄電装置１０では、正極終端電極１１２及び負極終端電極２１２において、最大高さＲｚが相対的に小さい第三の面１１６ａにＤ５０が相対的に小さな正極活物質６０が配置され、最大高さＲｚが相対的に大きい第四の面２１６ａにＤ５０が相対的に大きな負極活物質７０が配置されている。このため、第三の面１１６ａ及び第四の面２１６ａのそれぞれに形成された凹凸に、それぞれの活物質（正極活物質６０及び負極活物質７０）が深く入り易くなる。このため、第三の面１１６ａと正極活物質６０との密着性、及び第四の面２１６ａと負極活物質７０との密着性を高めることができる。したがって、正極活物質６０と第三の面１１６ａ、及び負極活物質７０と第四の面２１６ａとの剥離強度が高くなり、正極活物質６０、及び負極活物質７０がそれぞれ集電板１６より脱離しにくくなる。また、集電体と活物質との密着性が相対的に高い場合、当該密着性が相対的に低い場合と比べてバインダの量が少なく済む。これにより、上記構成の蓄電装置１０は、正極終端電極１１２及び負極終端電極２１２を製造する際に用いられるバインダ量を低減できる。

以上、一実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、Ｄ５０（平均粒子径）が正極活物質６０のＤ５０よりも大きな負極活物質７０を用いる例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｄ５０（平均粒子径）が負極活物質７０のＤ５０よりも大きな正極活物質６０を用いてもよい。この場合、正極活物質６０は、集電板１６において、最大高さＲｚが相対的に大きな（表面粗さが荒い）第二の面１６ｂ側に配置され、負極活物質７０は、最大高さＲｚが相対的に小さな（表面粗さが滑らかな）第一の面１６ａ側に配置されればよい。また、集電体１１６，２１６においては、正極活物質６０は、最大高さＲｚが相対的に大きな（表面粗さが荒い）第四の面２１６ａに配置され、負極活物質７０は、最大高さＲｚが相対的に小さな（表面粗さが滑らかな）第三の面１１６ａに配置されればよい。

また、上記実施形態又は変形例では、蓄電装置１０がニッケル水素二次電池の例を挙げて説明したが、リチウムイオン二次電池であってもよい。この場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等である。負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等である。

１０…蓄電装置、１２…バイポーラ電極、１４…セパレータ、１６…集電板、１６ａ…第一の面、１６ｂ…第二の面、１８…正極層、２０…負極層、６０…正極活物質（第一の活物質・第三の活物質）、７０…負極活物質（第二の活物質・第四の活物質）、１１２…正極終端電極、１１６…集電体、１１６ａ…第三の面、１１８…正極層、２１２…負極終端電極、２１６…集電体、２１６ａ…第四の面、２２０…負極層。

Claims (5)

1. 集電板の一方の面に設けられた正極層と、前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられた負極層と、を有する複数のバイポーラ電極がセパレータを介して積層された、蓄電装置であって、
   前記複数のバイポーラ電極のそれぞれは、
   第一の面と、前記第一の面とは反対側の面であって、前記第一の面よりも表面粗さが荒い第二の面と、を有する集電板と、
   前記正極層及び前記負極層の一方を形成する第一の活物質と、前記正極層及び前記負極層の他方を形成すると共に、前記第一の活物質よりも平均粒子径が大きい第二の活物質と、を備え、
   前記第一の面に前記第一の活物質が塗工され、前記第二の面に前記第二の活物質が塗工されている、蓄電装置。
2. 前記第一の活物質は、前記正極層を形成する活物質であり、前記第二の活物質は、前記負極層を形成する活物質である、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記複数のバイポーラ電極を挟む一対の終端電極を更に備え、
   前記一対の終端電極の一方は、第三の面を有する集電体と、前記第三の面に塗工された第三の活物質と、を有し、
   前記一対の終端電極の他方は、前記第三の面よりも表面粗さが荒い第四の面を有する集電体と、前記第四の面に塗工され、前記第三の活物質よりも平均粒子径が大きい第四の活物質と、を有している、請求項１又は２記載の蓄電装置。
4. 前記第三の活物質は、前記正極層を形成する活物質であり、前記第四の活物質は、前記負極層を形成する活物質である、請求項３に記載の蓄電装置。
5. ニッケル水素二次電池である、請求項１〜４の何れか一項記載の蓄電装置。

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