JP2020021546A - 蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供する。【解決手段】蓄電装置１の製造方法は、バイポーラ電極１３がセパレータ１４を介して積層されてなる蓄電モジュール２を１対の拘束板２３により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュール２のコンディショニングを行って、バイポーラ電極１３を膨張させることにより、蓄電モジュール２の中央部の厚みを蓄電モジュール２の周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュール２を複数積層した状態で、複数の蓄電モジュール２を１対のエンドプレート７により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、蓄電装置の製造方法に関する。

例えば特許文献１には、蓄電装置が記載されている。特許文献１に記載の蓄電装置は、バイポーラ電極を電解質層を介在させて積層した電池要素を有する複数のバイポーラ電池（蓄電モジュール）と、複数のバイポーラ電池をバイポーラ電極の積層方向の両側から挟み込んで拘束する１対の保持板（拘束板）とを備えている。

特開２００７−１２２９７７号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、拘束板の拘束面が大きい場合には、１対の拘束板により複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板が撓みやすくなる。このため、拘束板の板厚を大きくしないと、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができない。拘束板の板厚を大きくすると、拘束板の体格及び重量の増大につながる。

本発明の目的は、複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供することである。

本発明の一態様は、電極がセパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置の製造方法において、蓄電モジュールを１対の第１拘束板により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュールのコンディショニングを行って、電極を膨張させることにより、蓄電モジュールの中央部の厚みを蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュールを複数積層した状態で、複数の蓄電モジュールを１対の第２拘束板により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む。

このような蓄電装置の製造方法においては、まず蓄電モジュールを１対の第１拘束板により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュールのコンディショニングを行って、電極を膨張させることにより、蓄電モジュールの中央部の厚みを蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくする。そして、コンディショニングが行われた蓄電モジュールを複数積層した状態で、複数の蓄電モジュールを１対の第２拘束板により積層方向に挟み込んで拘束する。このとき、蓄電モジュールの中央部の厚みが蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくなっているため、蓄電モジュールの中央部に拘束荷重がかかりやすくなる。これにより、第２拘束板の板厚を小さくしても、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる。また、第２拘束板の板厚を小さくすることにより、第２拘束板の体格及び重量を低減することができる。

コンディショニング工程においては、蓄電モジュールの周縁の厚みに対する蓄電モジュールの中央の厚みを１０１％〜１２０％としてもよい。この場合には、複数の蓄電モジュールを１対の第２拘束板により積層方向に拘束する際に、蓄電モジュールの中央部に拘束荷重がかかりやすくなると共に、第２拘束板の破損等を確実に防止することができる。

第２拘束板の曲げ剛性が第１拘束板の曲げ剛性よりも低くてもよい。第１拘束板はコンディショニング工程の実施時のみに使用されるため、第１拘束板の曲げ剛性が高くても、特に支障はない。従って、第１拘束板の自由度を高くすることができる。一方、第２拘束板は蓄電装置の一部品となるため、第２拘束板の曲げ剛性を低くすることにより、第２拘束板の体格及び重量を低減することが望ましい。

本発明によれば、複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法により製造される蓄電装置を示す概略断面図である。 図１に示されたエンドプレートの平面図である。 図１に示された蓄電モジュールの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。 図４に示されたコンディショニング工程を実施する様子を概略的に示す断面図である。 図４に示されたスタック化工程を実施する様子を概略的に示す断面図である。

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１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法により製造される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または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２を備えている。蓄電モジュール２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または電気二重層キャパシタ等である。ここでは、蓄電モジュール２として、ニッケル水素二次電池を例示する。

複数の蓄電モジュール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、積層方向（Ｚ軸方向）の両端に位置する蓄電モジュール２の積層方向の外側にも配置されている。蓄電モジュール２及び導電板３は、積層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、隣り合う蓄電モジュール２と電気的に接続されている。これにより、複数の蓄電モジュール２が積層方向に直列接続されている。蓄電モジュール２については、後で詳述する。

積層方向の一端（ここでは下端）に位置する導電板３には、正極端子４が接続されている。積層方向の他端（ここでは上端）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、蓄電モジュール２で発生した熱を放出する放熱板としての機能も併せ持っている。導電板３には、蓄電モジュール２の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）に延在した複数の流路３ａが設けられている。これらの流路３ａを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール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、蓄電モジュール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、蓄電モジュール２及び導電板３を積層方向に挟む１対のエンドプレート７と、これらのエンドプレート７同士を締結する複数組（ここでは１２組）のボルト８及びナット９とを有している。

エンドプレート７は、例えばアルミダイカスト等の金属で形成されている。エンドプレート７は、平面視矩形状を呈している（図２参照）。各エンドプレート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。絶縁フィルム１０は、平面視矩形状を呈している。積層方向から見たときのエンドプレート７の外形寸法は、積層方向から見たときの蓄電モジュール２、導電板３及び絶縁フィルム１０の外形寸法よりも大きい。エンドプレート７の外形寸法は、例えば５００ｍｍ×３００ｍｍ程度である。エンドプレート７の板厚は、例えば１０ｍｍ程度である。

エンドプレート７の周縁部には、図２に示されるように、ボルト８の軸部８ａが通る複数（ここでは１２個）の挿通孔７ａが設けられている。従って、複数組のボルト８及びナット９は、各エンドプレート７の周縁部同士を締結することになる。ボルト８の軸部８ａが各挿通孔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、蓄電モジュール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３は、蓄電モジュール２の概略断面図である。図３において、蓄電モジュール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。蓄電モジュール２は、電極積層体１１と、この電極積層体１１を封止する樹脂製の封止体１２とを備えている。

電極積層体１１は、複数のバイポーラ電極１３がセパレータ１４を介して積層されてなるバイポーラ電極群１５と、このバイポーラ電極群１５の積層方向の一端側（ここでは下側）に配置された正極終端電極１６と、バイポーラ電極群１５の積層方向の他端側（ここでは上側）に配置された負極終端電極１７とを有している。バイポーラ電極１３、セパレータ１４、正極終端電極１６及び負極終端電極１７は、平面視矩形状を呈している。

セパレータ１４は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１３の間に配置されている。バイポーラ電極１３は、電極板１８と、この電極板１８の一方面１８ａに形成された正極１９と、電極板１８の他方面１８ｂに形成された負極２０とを有している。バイポーラ電極１３の正極１９は、セパレータ１４を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１３の負極２０と対向している。バイポーラ電極１３の負極２０は、セパレータ１４を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１３の正極１９と対向している。

正極終端電極１６は、電極板１８と、この電極板１８の一方面１８ａに形成された正極１９とを有している。負極終端電極１７は、電極板１８と、この電極板１８の他方面１８ｂに形成された負極２０とを有している。正極終端電極１６の正極１９は、セパレータ１４を挟んでバイポーラ電極群１５の最下層のバイポーラ電極１３の負極２０と対向している。負極終端電極１７の負極２０は、セパレータ１４を挟んでバイポーラ電極群１５の最上層のバイポーラ電極１３の正極１９と対向している。正極終端電極１６及び負極終端電極１７の電極板１８は、積層方向に隣り合う導電板３（図１参照）とそれぞれ電気的に接続されている。

電極板１８は、例えばニッケルまたはニッケルメッキからなる矩形の金属箔である。電極板１８の一方面１８ａ及び他方面１８ｂは、粗面化されている。正極１９は、電極板１８の一方面１８ａ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２０は、電極板１８の他方面１８ｂ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。電極板１８の縁部は、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１４は、正極１９と負極２０との間に配置され、正極１９と負極２０とを隔離する。セパレータ１４は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１４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１４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。

封止体１２は、例えば絶縁性の樹脂により矩形環状に形成されている。封止体１２は、電極積層体１１を包囲するように配置されている。封止体１２は、バイポーラ電極１３、正極終端電極１６及び負極終端電極１７の電極板１８をそれぞれ保持する複数の第１封止部２１と、複数の第１封止部２１の周囲に配置された第２封止部２２とを有している。

第１封止部２１は、枠状を呈している。第２封止部２２は、蓄電モジュール２の外壁（筐体）を構成している。第２封止部２２は、角筒状を有している。第２封止部２２は、例えば射出成形により形成されている。第２封止部２２は、例えば射出成形時の熱により各第１封止部２１の外側面に溶着（接合）されている。

第１封止部２１及び第２封止部２２の樹脂材料としては、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）または変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等が挙げられる。

積層方向に隣り合うバイポーラ電極１３の間、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１３と正極終端電極１６との間、及び積層方向に隣り合うバイポーラ電極１３と負極終端電極１７との間には、電極板１８、正極１９、負極２０及び第１封止部２１によって画成された内部空間Ｖがそれぞれ設けられている。第１封止部２１及び第２封止部２２は、各内部空間Ｖを封止する。

各内部空間Ｖには、アルカリ性の電解液（図示せず）が収容されている。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のアルカリ溶液を含む電解液が用いられている。電解液は、セパレータ１４、正極１９及び負極２０の内部に含浸されている。

図４は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。図４において、まず上記の蓄電モジュール２を複数製造する蓄電モジュール製造工程が実施される（工程Ｓ１０１）。

続いて、各蓄電モジュール２のコンディショニングを行うコンディショニング工程が実施される（工程Ｓ１０２）。蓄電モジュール２のコンディショニングとは、蓄電モジュール２の充放電を複数サイクル繰り返し行うことにより、蓄電モジュール２を電池として活性化させることである。

蓄電モジュール２のコンディショニングは、図５（ａ）に示されるように、１対の拘束板２３（第１拘束板）により蓄電モジュール２をバイポーラ電極１３の積層方向に挟み込んで拘束した状態で行われる。このとき、複数組のボルト２４及びナット２５により各拘束板２３同士が締結される。拘束板２３としては、例えば鉄板が使用される。拘束板２３は、平面視矩形状を呈している。積層方向から見たときの拘束板２３の外形寸法は、積層方向から見たときの蓄電モジュール２の外形寸法よりも大きい。複数組のボルト２４及びナット２５は、１対の拘束板２３により蓄電モジュール２が挟み込まれた状態で、蓄電モジュール２を囲むように各拘束板２３の周縁部同士を締結する。

蓄電モジュール２は、コンディショニング時にバイポーラ電極１３が膨張するという特性を有している。このとき、バイポーラ電極１３の膨張量は、拘束荷重が低いほど大きくなる。また、蓄電モジュール２の拘束に使用される拘束板を薄くすると、バイポーラ電極１３の中央部の膨張量がバイポーラ電極１３の周縁部の膨張量よりも大きくなる。

そこで、薄い拘束板２３を用いて蓄電モジュール２を拘束した状態で、蓄電モジュール２のコンディショニングを行うことにより、バイポーラ電極１３を膨張させる。拘束板２３の板厚は、例えば２０ｍｍ程度である。これにより、図５（ｂ）に示されるように、中央部の厚みが周縁部の厚みよりも大きい蓄電モジュール２が得られる。つまり、蓄電モジュール２の形状が凸状となる。なお、蓄電モジュール２の中央部とは、積層方向から見たときの蓄電モジュール２の中央部のことであり、蓄電モジュール２の周縁部とは、積層方向から見たときの蓄電モジュール２の周縁部のことである。

このとき、蓄電モジュール２の周縁の厚みｄ１に対する蓄電モジュール２の中央の厚みｄ２は、１０１％〜１２０％であるのが好ましい。蓄電モジュール２の周縁の厚みｄ１は、例えば９．３ｍｍ程度である。蓄電モジュール２の中央の厚みｄ２は、例えば９．５ｍｍ程度である。なお、蓄電モジュール２の周縁の厚みｄ１に対する蓄電モジュール２の中央の厚みｄ２は、拘束板２３の材料及び厚さを変えることで適宜変更可能である。

このようなコンディショニング工程が実施された後、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュール２を複数積層した状態で、１対のエンドプレート７（第２拘束板）により複数の蓄電モジュール２を積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程が実施される（工程Ｓ１０３）。

具体的には、図６（ａ）に示されるように、コンディショニングが行われた複数の蓄電モジュール２を導電板３を介して積層し、更に蓄電モジュール２の積層方向の外側に導電板３及び絶縁フィルム１０（図６では不図示）を配置した状態で、１対のエンドプレート７により蓄電モジュール２、導電板３及び絶縁フィルム１０を積層方向に挟み込む。そして、複数組のボルト８及びナット９により各エンドプレート７同士を締結する。

ここで、エンドプレート７の曲げ剛性は、コンディショニング工程において使用された拘束板２３の曲げ剛性よりも低い。具体的には、エンドプレート７の材質は、拘束板２３の材質よりも軽い。また、エンドプレート７の板厚は、上述したように拘束板２３の板厚よりも小さい。

このようにエンドプレート７の曲げ剛性が低いことに加え、ボルト８の軸部８ａが通る複数の挿通孔７ａがエンドプレート７の周縁部のみに設けられている。このため、エンドプレート７の拘束面が大きいと、１対のエンドプレート７により複数の蓄電モジュール２を拘束したときに、図６（ｂ）に示されるように、エンドプレート７が積層方向の外側に対して凸状に撓みやすくなる。しかし、コンディショニング工程の実施によって、蓄電モジュール２の中央部の厚みが蓄電モジュール２の周縁部の厚みよりも大きくなっている。このため、エンドプレート７が撓んでも、蓄電モジュール２の中央部に拘束荷重がかかりやすくなる（図６（ｂ）の破線Ｐ参照）。

以上のように本実施形態にあっては、まず蓄電モジュール２を１対の拘束板２３により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュール２のコンディショニングを行って、バイポーラ電極１３を膨張させることにより、蓄電モジュール２の中央部の厚みを蓄電モジュール２の周縁部の厚みよりも大きくする。そして、コンディショニングが行われた蓄電モジュール２を複数積層した状態で、複数の蓄電モジュール２を１対のエンドプレート７により積層方向に挟み込んで拘束する。このとき、蓄電モジュール２の中央部の厚みが蓄電モジュール２の周縁部の厚みよりも大きくなっているため、蓄電モジュール２の中央部に拘束荷重がかかりやすくなる。これにより、エンドプレート７の板厚を小さくしても、蓄電モジュール２の中央部を十分に拘束することができる。また、エンドプレート７の板厚を小さくすることにより、エンドプレート７の体格及び重量を低減することができる。

また、本実施形態では、蓄電モジュール２の周縁の厚みｄ１に対する蓄電モジュール２の中央の厚みｄ２を１０１％〜１２０％とするので、複数の蓄電モジュール２を１対のエンドプレート７により積層方向に拘束する際に、蓄電モジュール２の中央部に拘束荷重がかかりやすくなると共に、エンドプレート７の破損等を確実に防止することができる。

また、本実施形態では、エンドプレート７の曲げ剛性が拘束板２３の曲げ剛性よりも低い。拘束板２３はコンディショニング工程の実施時のみに使用されるため、拘束板２３の曲げ剛性が高くても、特に支障はない。従って、拘束板２３の自由度を高くすることができる。一方、エンドプレート７は蓄電装置１の一部品となるため、エンドプレート７の曲げ剛性を低くすることにより、エンドプレート７の体格及び重量を低減することが望ましい。

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、エンドプレート７の曲げ剛性が拘束板２３の曲げ剛性よりも低くなっているが、特にその形態には限られず、エンドプレート７の絶対的な板厚が小さくなるのであれば、エンドプレート７の曲げ剛性が拘束板２３の曲げ剛性よりも高くてもよい。

また、上記実施形態では、蓄電モジュール２は、電極板１８の一方面１８ａに形成された正極１９と電極板１８の他方面１８ｂに形成された負極２０とを有するバイポーラ電極１３がセパレータ１４を介して積層されてなる構造を有しているが、本発明は、特にその形態には限られず、蓄電モジュールのコンディショニング時に電極の膨張が発生するのであれば、バイポーラ電極以外の電極がセパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置にも適用可能である。

１…蓄電装置、２…蓄電モジュール、７…エンドプレート（第２拘束板）、１３…バイポーラ電極、１４…セパレータ、２３…拘束板（第１拘束板）。

Claims (3)

1. 電極がセパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置の製造方法において、
   前記蓄電モジュールを１対の第１拘束板により挟み込んで拘束した状態で、前記蓄電モジュールのコンディショニングを行って、前記電極を膨張させることにより、前記蓄電モジュールの中央部の厚みを前記蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、
   前記コンディショニング工程により得られた前記蓄電モジュールを複数積層した状態で、前記複数の蓄電モジュールを１対の第２拘束板により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む蓄電装置の製造方法。
2. 前記コンディショニング工程においては、前記蓄電モジュールの周縁の厚みに対する前記蓄電モジュールの中央の厚みを１０１％〜１２０％とする請求項１記載の蓄電装置の製造方法。
3. 前記第２拘束板の曲げ剛性が前記第１拘束板の曲げ剛性よりも低い請求項１または２記載の蓄電装置の製造方法。

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