JP2019192425A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】アルカリクリープの進行を抑制できる蓄電モジュールを提供する。【解決手段】蓄電モジュール１２は、電極板３４、電極板３４の一方面３４ａに正極活物質層を設けた正極３６、および電極板３４の他方面３４ｂに負極活物質層を設けた負極３８を含むバイポーラ電極３２がセパレータ４０を介して積層された電極積層体３０を備え、電極積層体３０の両端には、電極板３４の一方面３４ａに設けた正極活物質層が電極積層体３０の内側に向くように積層された正極側終端電極３７と、電極板３４の他方面３４ｂに設けた負極活物質層が電極積層体３０の内側を向くように積層された負極側終端電極３９とがそれぞれ積層され、電極板３４の縁部３４ｃには、組成に金属を含む絶縁部３５が枠状に形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電モジュールに関する。

従来の蓄電モジュールとして、電極板の一方面に正極が形成され、他方面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えた、いわゆるバイポーラ型の蓄電モジュールが知られている（特許文献１参照）。このような蓄電モジュールは、複数のバイポーラ電極を積層してなる積層体を備えている。積層体の側面には、積層方向に隣り合うバイポーラ電極間をシールする樹脂群が設けられている。隣り合うバイポーラ電極間に形成された内部空間には、電解液が収容されている。

特開２００５−５１６３号公報

特許文献１に記載された蓄電モジュールでは、電解液の漏れ等を防止するために、隣り合うバイポーラ電極間に形成された内部空間を樹脂部材でシールすることで液密性を確保している。一方、アルカリ水溶液を使用した電池特有の現象として、負極からの電解液漏れ（アルカリクリープ）が知られている。アルカリクリープを進行させる要因としては、樹脂部材と金属製の電極板の間に形成される微細な隙間を通して、負極の電位へ電解液を引き込む駆動力が生じることが挙げられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、アルカリクリープの進行を抑制できる蓄電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る蓄電モジュールは、電極板、電極板の一方面に正極活物質層を設けた正極、および電極板の他方面に負極活物質層を設けた負極を含むバイポーラ電極がセパレータを介して積層された積層体を備え、積層体の両端には、電極板の一方面に設けた正極活物質層が積層体の内側に向くように積層された正極側終端電極と、電極板の他方面に設けた負極活物質層が積層体の内側を向くように積層された負極側終端電極とがそれぞれ積層され、電極板の縁部には、組成に金属を含む絶縁部が枠状に形成されている。

かかる構成によれば、組成に金属を含む絶縁部を電極板の縁部に設けることで、電極板と樹脂部材との間にできた微細な隙間に入り込んだ電解液を負極の電位へ引き込む駆動力を低減することが可能となる。したがって、アルカリクリープの進行を抑制できる。

絶縁部は、積層体の積層方向に沿うように電極板の端部に形成されていてもよい。これにより、電解液を負極の電位へ引き込む駆動力をより確実に低減することができる。

絶縁部は、電極板の面上及び電極板の端部から電極板の他方面の外縁部に亘って枠状に形成され、積層体の積層方向から見て、セパレータの面積は、負極活物質層の面積よりも大きくなっていてもよい。これにより、電解液を負極の電位へ引き込む駆動力をより確実に低減することができる。

絶縁部は、電極板の他方面における負極活物質層の未塗工領域に形成されていてもよい。この場合、未塗工領域において隣り合う電極板同士の接触による短絡を防止できる。

絶縁部は、金属が錆びた部分であってもよい。この場合、金属をさびさせることで絶縁部を形成できるので、コストの低減化が図られる。

この蓄電モジュールによれば、アルカリクリープの進行を抑制できる。

蓄電モジュールを備える蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電モジュールの一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電モジュールの要部拡大断面図である。 蓄電モジュールの他実施形態の要部拡大断面図である。 蓄電モジュールの他実施形態の要部拡大断面図である。 蓄電モジュールの他実施形態の要部拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電モジュールの好適な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、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。蓄電装置１０は、複数の蓄電モジュール１２を積層してなる蓄電モジュール積層体１２ａと、蓄電モジュール積層体１２ａに対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材１６とを備えて構成されている。

蓄電装置１０は、複数（本実施形態では３つ）の蓄電モジュール１２を備えるが、単一の蓄電モジュール１２を備えてもよい。蓄電モジュール１２は例えばバイポーラ電池である。蓄電モジュール１２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であるが、電気二重層キャパシタであってもよい。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Ｄ１（Ｚ方向）に隣り合う蓄電モジュール１２，１２同士は、導電板１４を介して電気的に接続されている。積層方向Ｄ１から見て、蓄電モジュール１２及び導電板１４は例えば矩形形状を有する。導電板１４は、積層方向Ｄ１に隣り合う蓄電モジュール１２，１２間と、積層端に位置する蓄電モジュール１２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１２の外側に配置された一方の導電板１４には、正極端子２４が接続されている。積層端に位置する蓄電モジュール１２の外側に配置された他方の導電板１４には、負極端子２６が接続されている。正極端子２４及び負極端子２６は、例えば導電板１４の縁部から積層方向Ｄ１に直交する方向に引き出されている。正極端子２４及び負極端子２６により、蓄電装置１０の充放電が実施される。

各導電板１４の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路１４ａが設けられている。各流路１４ａは、例えば積層方向Ｄ１と、正極端子２４及び負極端子２６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１４ａに冷媒を流通させることで、導電板１４は、蓄電モジュール１２，１２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１２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Ｄ１から見た導電板１４の面積は、蓄電モジュール１２の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板１４の面積は、蓄電モジュール１２の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール１２の面積よりも大きくてもよい。

蓄電装置１０は、交互に積層された蓄電モジュール１２及び導電板１４を積層方向Ｄ１に拘束する拘束部材１６を備え得る。拘束部材１６は、一対の拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト１８およびナット２０）とを備える。各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと導電板１４との間には、例えば樹脂フィルム等の絶縁フィルム２２が配置される。各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向Ｄ１から見て、各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ及び絶縁フィルム２２は例えば矩形形状を有する。

積層方向Ｄ１から見た絶縁フィルム２２は導電板１４を覆っており、積層方向Ｄ１から見た絶縁フィルム２２の面積は導電板１４の面積よりも大きくなっている。また、積層方向Ｄ１から見た各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂは蓄電モジュール１２を覆っており、積層方向Ｄ１から見た各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの面積は、蓄電モジュール１２の面積よりも大きくなっている。

積層方向Ｄ１から見て、拘束プレート１６Ａの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔Ｈ１が蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向Ｄ１から見て、拘束プレート１６Ｂの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔Ｈ２が蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。積層方向Ｄ１から見て各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂが矩形形状を有している場合、挿通孔Ｈ１及び挿通孔Ｈ２は、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの角部に位置する。

一方の拘束プレート１６Ａは、負極端子２６に接続された導電板１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられ、他方の拘束プレート１６Ｂは、正極端子２４に接続された導電板１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられている。ボルト１８は、例えば一方の拘束プレート１６Ａ側から他方の拘束プレート１６Ｂ側に向かって挿通孔Ｈ１に通され、他方の拘束プレート１６Ｂから突出するボルト１８の先端には、ナット２０が螺合されている。これにより、絶縁フィルム２２、導電板１４及び蓄電モジュール１２が挟持されてユニット化されると共に、積層方向Ｄ１に拘束荷重が付加される。

図２は、図１の蓄電装置を構成する蓄電モジュールを示す概略断面図である。図３は、蓄電モジュールの要部拡大断面図である。具体的には、図３は、蓄電モジュールを構成する積層体の積層方向Ｄ１における外縁部（上側縁部及び下側縁部の各々）のうち、Ｘ方向における一方側（図２の図示左側）の部分を拡大して示した図である。なお、蓄電モジュールの概略構成を示す図２においては、積層体の外縁部の詳細な構成の図示は省略されている。

図２及び図３に示すように、蓄電モジュール１２は、複数のバイポーラ電極３２が積層された電極積層体３０を備える。バイポーラ電極３２の積層方向Ｄ１から見て電極積層体３０は例えば矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極３２間には、セパレータ４０が配置され得る。バイポーラ電極３２は、電極板３４と、電極板３４の一方面３４ａに設けられた正極３６と、電極板３４の他方面３４ｂに設けられた負極３８とを含む。

電極積層体３０において、一のバイポーラ電極３２の正極３６は、セパレータ４０を挟んで積層方向Ｄ１に隣り合う一方のバイポーラ電極３２の負極３８と対向し、一のバイポーラ電極３２の負極３８は、セパレータ４０を挟んで積層方向Ｄ１に隣り合う他方のバイポーラ電極３２の正極３６と対向している。

積層方向Ｄ１において、電極積層体３０の一端には、内側面に負極３８が配置された電極板３４（負極側終端電極３９）が配置されている。また、電極積層体３０の他端には、内側面に正極３６が配置された電極板３４（正極側終端電極３７）が配置されている。負極側終端電極３９の負極活物質層は、セパレータ４０を介して最上層のバイポーラ電極３２の正極活物質層と対向している。正極側終端電極３７の正極活物質層は、セパレータ４０を介して最下層のバイポーラ電極３２の負極活物質層と対向している。これら終端電極の電極板３４は、それぞれ隣り合う導電板１４（図１参照）に接続される。

また、蓄電モジュール１２は、電極積層体３０を封止するシール部材である枠体５０を備えている。枠体５０は、積層方向Ｄ１に延在する電極積層体３０の側面３０ａにおいて電極板３４の縁部３４ｃを保持している。枠体５０は、積層方向Ｄ１から見て電極積層体３０の周囲に設けられており、電極積層体３０の側面３０ａを取り囲むように構成されている。さらに、枠体５０は、複数の電極板３４の縁部３４ｃを保持するように構成されている。枠体５０は、例えば絶縁性の樹脂によって形成されているシール部材である。枠体５０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。

枠体５０は、縁部３４ｃに枠状に設けられた第１樹脂部５２と、第１樹脂部５２の周囲に設けられ、電極積層体３０を収容する枠状の第２樹脂部５４とを有している。第１樹脂部５２は、所定の厚さ（積層方向Ｄ１の長さ）を有するフィルムである。第１樹脂部５２は、積層方向Ｄ１から見て矩形枠状であり、例えば超音波又は熱により、縁部３４ｃの全周にわたって連続的に溶着されている。第１樹脂部５２は、電極板３４の一方面３４ａ（ここでは正極３６が形成される面）側の縁部３４ｃに設けられている。第１樹脂部５２は、積層方向Ｄ１から見て、正極３６及び負極３８から離間して設けられている。第１樹脂部５２の外縁部と第２樹脂部５４の内壁面とは、当接している。

第１樹脂部５２は、図３に示すように、第１部分５２ａと、第２部分５２ｂとを有している。第１部分５２ａは、一方面３４ａ上に設けられ、積層方向Ｄ１から見て電極板３４と重なっている。第２部分５２ｂは、第１部分５２ａと一体的に形成され、積層方向Ｄ１から見て電極板３４の外側に設けられている。第１部分５２ａの厚さは、第２部分５２ｂの厚さよりも薄く、正極活物質層の厚さと同等であるが、同等以上であってもよい。第１部分５２ａと第２部分５２ｂとの間には、積層方向Ｄ１に延在する段差面５２ｃが形成されている。

図３において、第１部分５２ａの上面には、セパレータ４０の外縁部が配置されている。積層方向Ｄ１から見て、第１部分５２ａとセパレータ４０の外縁部とは、互いに重なっている。セパレータ４０の外縁部は、セパレータ４０の外縁に沿って並ぶ複数箇所において、例えば溶着により第１部分５２ａの上面に固定されている。セパレータ４０の外縁部は、段差面５２ｃに当接していてもよいし、段差面５２ｃから離間していてもよい。段差面５２ｃの高さ（積層方向Ｄ１の長さ）は、セパレータ４０の厚さと負極活物質層の厚さとの和と同等であってもよいし、同等以上であってもよい。

第２樹脂部５４は、電極積層体３０及び第１樹脂部５２を取り囲み、蓄電モジュール１２の外壁（筐体）を構成している。第２樹脂部５４は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、積層方向Ｄ１において電極積層体３０の全長にわたって延在している。第２樹脂部５４は、積層方向Ｄ１を軸方向として延在する矩形枠状である。第２樹脂部５４は、積層方向Ｄ１に延在する第１樹脂部５２の外側面を覆っている。第２樹脂部５４は、第１樹脂部５２の外側面に接合され、第１樹脂部５２の外側面をシールしている。第２樹脂部５４は、例えば射出成形時の熱によって第１樹脂部５２の外側面に溶着されている。第２樹脂部５４は、熱板溶着によって第１樹脂部５２の外側面に溶着されていてもよい。

第２樹脂部５４は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の他方面３４ｂ（ここでは負極３８が形成される面）の外側に延在する面において、隣の第２樹脂部５４と当接している。第２樹脂部５４は、積層方向Ｄ１における両端部の各々において、内側に延在する枠状のフランジ部５４ａ，５４ｂを有している。フランジ部５４ａ，５４ｂは、電極積層体３０の積層端に位置する第１樹脂部５２の積層方向Ｄ１における外側面の少なくとも一部を覆う部分である。積層方向Ｄ１において、電極積層体３０の下側に配置されるフランジ部５４ｂは、上側に配置されるフランジ部５４ａよりも厚く幅広であることが望ましい。電極積層体３０は、積層方向Ｄ１における両端部に形成されるフランジ部５４ａ，５４ｂによって挟持されている。

積層方向Ｄ１で隣り合う電極板３４，３４の間には、当該電極板３４と第１樹脂部５２とにより液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、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水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４０、正極３６及び負極３８内に含浸されている。電解液は強アルカリ性であるため、枠体５０は、耐強アルカリ性を有する樹脂材料により構成されている。

枠体５０には、各内部空間Ｖに連通する複数の連通孔（不図示）が設けられている。連通孔は、積層方向Ｄ１に交差（ここでは、直交）する方向に延び、各内部空間Ｖに電解液を注入するための注液口として機能すると共に、電解液が注入された後は、圧力調整弁（不図示）の接続口として機能する。

電極板３４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３４は、ニッケルからなる矩形の金属箔でもよい。電極板３４の縁部３４ｃ（バイポーラ電極３２の外縁部）は、矩形枠状であり、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。当該未塗工領域は、枠体５０の内壁を構成する第１樹脂部５２により保持される領域となっている。

電極板３４の縁部３４ｃには、組成に金属を含む絶縁部３５が設けられている。具体的には、図３のように、電極板３４の端部３４ｄの面に金属製の絶縁部３５を設ける。金属製の絶縁部３５は、不動態被膜でもよいし、電極板３４を構成する金属が錆びた部分でもよい。

正極３６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３８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。電極板３４の他方面３４ｂにおける負極３８の形成領域は、電極板３４の一方面３４ａにおける正極３６の形成領域に対して一回り大きくなっている。

セパレータ４０は、例えばシート状に形成されている。セパレータ４０を形成する材料としては、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。また、セパレータ４０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。

次に、本実施形態の作用を説明する。上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）バイポーラ電極３２において、金属である電極板３４と樹脂部材である第１樹脂部５２との間には微細な隙間が生じ、その隙間に電解液が入り込んでいる。電極積層体３０内では、電池であるため電位勾配が生じており、微細な隙間に入り込んだ電解液にも電位勾配が生じる。このとき、電解液中のアルカリイオンが負極電位に引き寄せられるため、アルカリクリープが生じ得る。これに対し、蓄電モジュール１２では、電極板３４の端部３４ｄに絶縁部３５を設けることで、電極板３４と樹脂部材である第１樹脂部５２の間にできた微細な隙間に入り込んだ電解液の経路の一部分において電位勾配をなくすことができる。このことにより、電解液が負極の電位へ引っ張られる駆動力を低減することが可能となる。したがって、アルカリクリープの進行を抑制できる。

なお、上記実施形態は、以下のように変形してもよい。

上記実施形態においては、電極板３４の縁部３４ｃに絶縁部３５が設けられている。しかし、電極板３４の端部３４ｄのみに絶縁部３５を設けるだけでなく、図５及び図６のように、端部３４ｄから電極板３４の平面上の外縁部にかけて枠状に絶縁部３５を設けてもよい。この際、電極板３４の他方面３４ｂの負極未塗工領域に絶縁部３５を設けることが望ましく、積層方向Ｄ１から見て正極活物質層に絶縁部３５が対向していないことが更に望ましい。また、積層方向Ｄ１から見て、セパレータ４０は、負極活物質層よりも大きい面積を有しており、負極活物質層を覆うように配置されていることが望ましい。

また、図４及び図６に示すように、各バイポーラ電極３２の電極板３４の端部３４ｄが第１樹脂部５２間に位置していてもよい。

上記変形例では、効果（１）のほかに、以下の効果を得ることができる。

（２）端部３４ｄから電極板３４の平面上の外縁部にかけて枠状に絶縁部３５を設けた場合、負極未塗工領域が絶縁部３５に覆われるため、当該領域において隣り合う電極板３４の接触による短絡を防止する効果がある。この場合、図３及び図４の形態のように、第１樹脂部５２の第１部分５２ａにセパレータ４０の外縁部を設置する必要がなくなる。このため、図５及び図６に示す形態のように、第１樹脂部５２の内縁部の段差が不要となり、構造を簡略化できる。

（３）各バイポーラ電極３２の電極板３４の端部３４ｄを第１樹脂部５２間に保持した場合、第１樹脂部５２同士の接触領域が増えるため、溶着工程が簡略化できる効果がある。また、電極板３４や枠体５０にシワやヨレを生じにくくすることができる。

１２…蓄電モジュール、３０…電極積層体（積層体）、３２…バイポーラ電極、３４…電極板、３４ａ…一方面、３４ｂ…他方面、３４ｃ…縁部、３４ｄ…端部、３５…絶縁部、３６…正極、３７…正極側終端電極、３８…負極、３９…負極側終端電極、４０…セパレータ、Ｄ１…積層方向。

Claims (5)

1. 電極板、前記電極板の一方面に正極活物質層を設けた正極、および前記電極板の他方面に負極活物質層を設けた負極を含むバイポーラ電極がセパレータを介して積層された積層体を備え、
   前記積層体の両端には、電極板の一方面に設けた正極活物質層が前記積層体の内側に向くように積層された正極側終端電極と、電極板の他方面に設けた負極活物質層が前記積層体の内側を向くように積層された負極側終端電極とがそれぞれ積層され、
   前記電極板の縁部には、組成に金属を含む絶縁部が枠状に形成されている蓄電モジュール。
2. 前記絶縁部は、前記積層体の積層方向に沿うように前記電極板の端部に形成されている請求項１記載の蓄電モジュール。
3. 前記絶縁部は、前記電極板の面上及び前記電極板の端部から前記電極板の他方面の外縁部に亘って枠状に形成され、
   前記積層体の積層方向から見て、前記セパレータの面積は、負極活物質層の面積よりも大きくなっている請求項１記載の蓄電モジュール。
4. 前記絶縁部は、前記電極板の他方面における前記負極活物質層の未塗工領域に形成されている請求項３記載の蓄電モジュール。
5. 前記絶縁部は、前記金属が錆びた部分である請求項１〜４のいずれか一項記載の蓄電モジュール。

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