JP2022158289A - 積層型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電流偏差の増加を抑制しつつセルの電極板の平面サイズを大きくすることを可能とする。【解決手段】積層型電池は、セル積層体と、正極集電板及び負極集電板と、正極集電端子と、負極集電端子とを備える。セル積層体は、隣り合う電極板の正極層と負極層とが電解質層を介して向き合うように構成されたセルを複数積層して構成されている。正極集電板は、セル積層体との接合面に対して端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の正極側突出端部を含む。負極集電板は、セル積層体との接合面に対して端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の負極側突出端部を含む。端子配列方向における一対の正極側突出端部の断面積は、同方向における正極集電板の他の部位の断面積と比べて大きい。端子配列方向における一対の負極側突出端部の断面積は、同方向における負極集電板の他の部位の断面積と比べて大きい。【選択図】図５

Description

本開示は、積層型電池に関する。

特許文献１には、正極板、セパレータ、及び負極板を積層した極板群を備える電池が開示されている。この電池は、正極板と負極板の少なくとも一方の極板の基板端部を極板群の一面に突出させ、基板端部と板状集電端子に設けた櫛歯を溶接してなる。板状集電端子の櫛歯と集電端子本体とは別部品であり、櫛歯は集電端子本体に溶接されている。

特開２００２－１７５７９２号公報

ところで、正極集電板と負極集電板との間にセル積層体が介在する構造を有するバイポーラ型又はモノポーラ型の積層型電池において、電池性能の向上のためにセルの電極板の平面サイズを大きくすると、次のような問題が生じることが懸念される。すなわち、電極板の平面サイズの増加に伴って正極集電板及び負極集電板の平面サイズも大きくなる。その結果、各集電板の平面上において集電端子との距離が遠くなる部位が多くなる。集電端子との距離が遠い部位では、負極集電端子から負極集電板、セル積層体、及び正極集電板を介して正極集電端子に向かう電流経路の長さが大きくなる。つまり、電極板の平面サイズの増加は、セル積層体の内部の各部位の間での当該電流経路の長さの差の拡大につながる。

上記の電流経路が短いほど、電気抵抗が小さくなる。このため、電流経路長さの差が拡大すると、短い電流経路を電流がより集中的に流れることになる。換言すると、セル積層体の内部の各部位の間での電流偏差が大きくなる。そして、このような電流偏差の増加に起因する過度な電流の集中は、セル積層体の温度の局所的な上昇及び劣化促進につながる。

本開示は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、電流偏差の増加を抑制しつつ、セルの電極板の平面サイズを大きくすることを可能とした積層型電池を提供することを目的とする。

本開示に係る積層型電池は、セル積層体と、正極集電板及び負極集電板と、正極集電端子と、負極集電端子と、を備える。
セル積層体は、隣り合う電極板の正極層と負極層とが電解質層を介して向き合うように構成されたセルを複数積層して構成されている。正極集電板及び負極集電板は、平面形状をそれぞれ有し、セル積層体を介在するように配置されている。正極集電端子は、セルの積層方向から見て、端子配列方向の端部において正極集電板に設けられている。負極集電端子は、積層方向から見て、端子配列方向において正極集電端子が設けられた側の端部と反対側の端部において負極集電板に設けられている。
正極集電板は、セル積層体との接合面に対して端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の正極側突出端部を含む。負極集電板は、セル積層体との接合面に対して端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の負極側突出端部を含む。
端子配列方向における一対の正極側突出端部の断面積は、端子配列方向における正極集電板の他の部位の断面積と比べて大きい。端子配列方向における一対の負極側突出端部の断面積は、端子配列方向における負極集電板の他の部位の断面積と比べて大きい。

一対の正極側突出端部は、一対の正極側突出端部の端に折り返し形状を有してもよい。そして、一対の負極側突出端部は、一対の負極側突出端部の端に折り返し形状を有してもよい。

一対の正極側突出端部は、正極集電板に別体の板を接合して形成されていてもよい。そして、一対の負極側突出端部は、負極集電板に別体の板を接合して形成されていてもよい。

一対の正極側突出端部は、積層方向における一対の正極側突出端部の厚さが積層方向における正極集電板の他の部位の厚さと比べて大きくなるように、正極集電板の他の部位と一体的に形成されていてもよい。そして、一対の負極側突出端部は、積層方向における一対の負極側突出端部の厚さが積層方向における負極集電板の他の部位の厚さと比べて大きくなるように、負極集電板の他の部位と一体的に形成されていてもよい。

本開示に係る積層型電池によれば、上述した構成を有する正極側突出端部及び負極側突出端部を備えたことにより、正極集電板及び負極集電板のそれぞれは、端子配列方向の両端部に、電気抵抗が他の部位よりも低くなる構造を持つことができる。つまり、正極側突出端部及び負極側突出端部のそれぞれに電流が流れ易くなる構造が得られる。その結果、電流を正極集電板及び負極集電板の全体に分散させることができる。すなわち、上述の電流偏差を低減できる。正極集電板及び負極集電板がこのような集電構造を有することにより、電流偏差の増加を抑制しつつ、セルの電極板の平面サイズを大きくすることを可能とした積層型電池を提供することが可能となる。

実施の形態１に係る積層型バイポーラ電池の基本構成の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図１に示すセル積層体の構造の一例を概略的に示す断面図である。 図１に示す積層型バイポーラ電池をセル積層体におけるセルの積層方向Ｄ１から見た図である。 実施の形態１の積層型バイポーラ電池との対比のために参照される比較例に係る積層型バイポーラ電池の構成を説明するための図である。 図３中のＡ－Ａ線で切断されたセル積層体、正極集電板、及び負極集電板の断面図である。 実施の形態１に係る積層型バイポーラ電池の集電構造の効果を説明するための図である。 実施の形態２に係る積層型バイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る積層型バイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。

以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、本開示に係る技術思想が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、本開示に係る技術思想に必ずしも必須のものではない。

１．実施の形態１
１－１．積層型バイポーラ電池の基本構成例
図１は、実施の形態１に係る積層型バイポーラ電池１０の基本構成の一例を概略的に示す分解斜視図である。積層型バイポーラ電池１０（以下、単に「電池１０」とも称する）は、略直方体形状を有する。電池１０は、典型的には、充電可能な二次電池である。電池１０は、セル積層体１２と、正極集電板１４と、負極集電板１６と、正極集電端子１８と、負極集電端子２０とを備えている。

図１に示す一例では、電池１０は、積層された複数のセル積層体１２を備えている。図１に示すように、正極集電板１４及び負極集電板１６は、それぞれ平面形状を有する。そして、正極集電板１４及び負極集電板１６は、複数のセル積層体１２を介在するように配置されている。なお、正極集電板１４及び負極集電板１６の間に配置されるセル積層体１２の数は、特に限定されず、１つであってもよい。また、図１に示す一例では、セル積層体１２は、セル積層体１２を冷却するための冷却板２２と交互に積層されている。冷却板２２は、アルミニウム又は銅などの金属によって形成されており、隣り合うセル積層体１２を電気的に直列に接続している。

図２は、図１に示すセル積層体１２の構造の一例を概略的に示す断面図である。セル積層体１２は、セル２４を一方向に複数積層して構成されている。各セル２４は、隣り合うバイポーラ電極板２６の正極層２８と負極層３０とがセパレータ（電解質層）３２を介して向き合うように構成されている。なお、図２の紙面上下方向は、セル２４の「積層方向Ｄ１」に相当する。積層方向Ｄ１は、図１の紙面上下方向とも平行である。

より具体的には、セル積層体１２は、複数のバイポーラ電極板２６及び複数のセパレータ３２とともに、枠体３４を備えている。各バイポーラ電極板２６は、積層方向Ｄ１に間隔をあけて配置されるように枠体３４によって支持されている。セパレータ３２は、隣り合うバイポーラ電極板２６の間に配置されている。

各バイポーラ電極板２６は、電極板部３６と、正極層２８と、負極層３０とを含む。電極板部３６は、ニッケルなどの金属材料によって形成されている。正極層２８は、正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、水酸化ニッケルが用いられる。負極層３０は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、水素吸着合金が用いられる。なお、図２に示すように、積層方向Ｄ１の両端に位置する電極板部３６には、正極層２８及び負極層３０の一方のみが形成されている。セパレータ３２は、シート状に形成されている。セパレータ３２は、例えば、ポリオレフィン系樹脂から形成された多孔質膜を用いて構成されている。

上述のように構成されたセル積層体１２の内部には、隣り合う電極板部３６と枠体３４とによって収容空間３８が形成されている。この収容空間３８内には、セパレータ３２と、正極層２８と、負極層３０と、電解液（図示省略）とが配置されている。電解液は、例えば、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ溶液である。そして、セパレータ３２と、負極層３０と、正極層２８と、電解液とによってセル２４が形成されている。セル２４は、積層方向Ｄ１に複数配列されている。各セル２４は、電極板部３６によって直列に接続されている。電池１０の放電時には、セル積層体１２の内部では、電流は、図２中の上方側（負極集電板１６の側）から下方側（正極集電板１４の側）に向けて流れる。

図３は、図１に示す電池１０をセル積層体１２におけるセル２４の積層方向Ｄ１から見た図である。換言すると、図３は、図１の紙面上方向から電池１０を見下ろした図に相当する。このため、正極集電板１４は、負極集電板１６と重なっており、負極集電板１６によって隠れている。

図３の紙面左右方向、すなわち、積層方向Ｄ１から見て長方形形状を有する負極集電板１６の一辺１６ａと平行な方向を、「端子配列方向Ｄ２」と称する。正極集電端子１８及び負極集電端子２０は、セル積層体１２に対して同じ側（図３では、負極集電板１６の一辺１６ａの側）に設けられている。これらの集電端子（例えば、集電タブ）１８及び２０は、電池１０が発生した電力を外部に取り出すために設けられている。

そのうえで、図３に示すように（すなわち、積層方向Ｄ１から見て）、正極集電端子１８は、端子配列方向Ｄ２の端部１４ａにおいて正極集電板１４に設けられている。一方、負極集電端子２０は、積層方向Ｄ１から見て、端子配列方向Ｄ２において正極集電端子１８が設けられた側の端部１６ｂと反対側の端部１６ｃにおいて負極集電板１６に設けられている。

１－２．比較例
図４は、実施の形態１の電池１０との対比のために参照される比較例に係る積層型バイポーラ電池１００の構成を説明するための図である。図４は、図３と同じ方向から電池１００を見た図である。比較例に係る電池１００は、正極集電板及び負極集電板の構成において、実施の形態１に係る電池１０と相違している。

電池１００が備える正極集電板１０２及び負極集電板１０４は、一般的な形状を有している。具体的には、図４に示すように（積層方向Ｄ１から見て）、正極集電板１０２及び負極集電板１０４は、セル積層体１２と同等のサイズで形成されている。付け加えると、ここで着目するサイズは、端子配列方向Ｄ２のサイズである。端子配列方向Ｄ２における正極集電板１０２及び負極集電板１０４のそれぞれの幅は、セル積層体１２のそれと同等である。

上述の構成を有する比較例の電池１００では、電池性能の向上のためにバイポーラ電極板２６の平面サイズを大きくすると（より詳細には、図４中の左右方向及び上下方向のサイズを大きくすると）、次のような課題が生じる。すなわち、バイポーラ電極板２６の平面サイズの増加に伴って正極集電板１０２及び負極集電板１０４の平面サイズも大きくなる。その結果、各集電板１０２及び１０４の平面上において集電端子１８、２０との距離が遠くなる部位が多くなる。集電端子１８、２０との距離が遠い部位では、負極集電端子２０から負極集電板１０４、セル積層体１２、及び正極集電板１０２を介して正極集電端子１８に向かう電流経路（図４中の各矢印参照）の長さが大きくなる。つまり、バイポーラ電極板２６の平面サイズの増加は、セル積層体１２の内部の各部位の間での当該電流経路の長さの差の拡大につながる。

図４では、例示された各電流経路を流れる電流の大きさが矢印の太さによって表されている。上記の電流経路が短いほど、電気抵抗が小さくなる。このため、電流経路長さの差が拡大すると、短い電流経路を電流がより集中的に流れることになる。換言すると、セル積層体１２の内部の各部位の間での電流偏差が大きくなる。そして、このような電流偏差の増加に起因する過度な電流の集中は、セル積層体１２の温度の局所的な上昇につながる。

１－３．実施の形態１の特徴的な集電構造
比較例を参照して説明した上述の課題に鑑み、本実施形態の電池１０は、次のような特徴的な集電構造を有する。ここでは、上述の図３とともに図５が参照される。図５は、図３中のＡ－Ａ線で切断されたセル積層体１２、正極集電板１４、及び負極集電板１６の断面図である。

正極集電板１４は、セル積層体１２との接合面４０に対して端子配列方向Ｄ２の両端側に突出するように形成された一対の正極側突出端部１４ｄを含む。同様に、負極集電板１６は、セル積層体１２との接合面４２に対して端子配列方向Ｄ２の両端側に突出するように形成された一対の負極側突出端部１６ｄを含む。

そして、図５から分かるように、端子配列方向Ｄ２における正極側突出端部１４ｄの断面積は、同方向Ｄ２における正極集電板１４の他の部位（つまり、正極側突出端部１４ｄ以外の部位）の断面積と比べて大きい。同様に、端子配列方向Ｄ２における負極側突出端部１６ｄの断面積は、同方向Ｄ２における負極集電板１６の他の部位の断面積と比べて大きい。

より詳細には、実施の形態１では、正極側突出端部１４ｄは、正極側突出端部１４ｄの端に折り返し形状１４ｄ１を有することにより、端子配列方向Ｄ２における当該正極側突出端部１４ｄの断面積が他の部位の断面積と比べて大きくなっている。同様に、負極側突出端部１６ｄは、負極側突出端部１６ｄの端に折り返し形状１６ｄ１を有することにより、端子配列方向Ｄ２における当該負極側突出端部１６ｄの断面積が他の部位の断面積と比べて大きくなっている。折り返し形状１４ｄ１は、例えば、当該正極側突出端部１４ｄの端に曲げ加工を施すことによって形成できる。このことは、折り返し形状１６ｄ１についても同様である。

１－４．効果
図６は、実施の形態１に係る電池１０の集電構造の効果を説明するための図である。図６は、図３と同じ方向から電池１０を見た図である。上述のように、電池１０の集電板１４及び１６は、断面積が他の部位と比べて大きな正極側突出端部１４ｄ及び負極側突出端部１６ｄを備えている。このため、集電板１４及び１６のそれぞれは、端子配列方向Ｄ２の両端部に、電気抵抗が他の部位よりも低くなる構造を持つことができる。つまり、正極側突出端部１４ｄ及び負極側突出端部１６ｄのそれぞれに電流が流れ易くなる構造が得られる。その結果、図６中に矢印で示すように、図４に示す比較例と比べて、電流を集電板１４及び１６の全体に分散させることができる。すなわち、上述の電流偏差を低減できる（過度な電流の集中を抑制できる）ので、セル積層体１２の温度の局所的な上昇を抑制できる。

以上のように、本実施形態の集電構造によれば、電流偏差の増加を抑制しつつ、バイポーラ電極板２６の平面サイズを大きくすることを可能とした積層型バイポーラ電池１０を提供することが可能となる。

２．実施の形態２
図７は、実施の形態２に係る積層型バイポーラ電池５０の構成を説明するための断面図である。図７は、図５と同様の断面図を示している。実施の形態２に係る電池５０は、集電板の構成において、実施の形態１に係る電池１０と相違している。

具体的には、本実施形態では、端子配列方向Ｄ２における正極集電板５２の一対の正極側突出端部５２ｄの断面積を同方向Ｄ２における他の部位の断面積と比べて大きくするために、一対の正極側突出端部５２ｄは、正極集電板５２の本体に別体の板５４を接合して形成されている。この板５４は、正極集電板５２と同じ金属材料を用いて形成されている。正極集電板５２と板５４との接合は、例えば、溶接又は接着によって行うことができる。

上述した一対の正極側突出端部５２ｄと同様に、端子配列方向Ｄ２における負極集電板５６の一対の負極側突出端部５６ｄの断面積を同方向Ｄ２における他の部位の断面積と比べて大きくするために、一対の負極側突出端部５６ｄは、負極集電板５６の本体に別体の板５８を接合して形成されている。

以上説明した実施の形態２の集電構造によっても、電流偏差の増加を抑制しつつ、バイポーラ電極板２６の平面サイズを大きくすることを可能とした積層型バイポーラ電池５０を提供することができる。

３．実施の形態３
図８は、実施の形態３に係る積層型バイポーラ電池６０の構成を説明するための断面図である。図８は、図５と同様の断面図を示している。実施の形態３に係る電池６０は、集電板の構成において、実施の形態１に係る電池１０と相違している。

具体的には、本実施形態では、端子配列方向Ｄ２における正極集電板６２の一対の正極側突出端部６２ｄは、積層方向Ｄ１における一対の正極側突出端部６２ｄの厚さが正極集電板６２の他の部位の厚さと比べて大きくなるように、当該他の部位と一体的に形成されている。このような一対の正極側突出端部６２ｄの形成は、例えば、押し出し加工を利用して行うことができる。

上述した一対の正極側突出端部６２ｄと同様に、端子配列方向Ｄ２における負極集電板６４の一対の負極側突出端部６４ｄは、積層方向Ｄ１における一対の負極側突出端部６４ｄの厚さが負極集電板６４の他の部位の厚さと比べて大きくなるように、当該他の部位と一体的に形成されている。

以上説明した実施の形態３の集電構造によっても、電流偏差の増加を抑制しつつ、バイポーラ電極板２６の平面サイズを大きくすることを可能とした積層型バイポーラ電池６０を提供することができる。

なお、上述した実施の形態１等では、「電解質層」として、電解液を含侵させたセパレータ３２が例示されたが、本開示に係る「電解質層」は、例えば、固体電解質であってもよいし、或いはゲル状電解質であってもよい。また、上述した実施の形態１等では、積層型バイポーラ電池１０、５０、６０が例示された。しかしながら、本開示に係る「積層型電池」は、バイポーラ型に限られず、モノポーラ型であってもよい。すなわち、本開示に係る「セル積層体」は、「隣り合う電極板」の一方が有する正極層とその他方が有する負極層とが電解質層を介して向き合うように構成されたセルを複数積層して構成されていてもよい。

１０、５０、６０ 積層型バイポーラ電池
１２ セル積層体
１４、５２、６２ 正極集電板
１４ｄ、５２ｄ、６２ｄ 正極側突出端部
１４ｄ１ 正極側突出端部の折り返し形状
１６、５６、６４ 負極集電板
１６ｄ、５６ｄ、６４ｄ 負極側突出端部
１６ｄ１ 負極側突出端部の折り返し形状
１８ 正極集電端子
２０ 負極集電端子
２４ セル
２６ バイポーラ電極板
２８ バイポーラ電極板の正極層
３０ バイポーラ電極板の負極層
３２ セパレータ
３４ 枠体
３６ バイポーラ電極板の電極板部
３８ セル積層体の内部の収容空間
４０、４２ セルの接合面
５４、５８ 板

Claims (4)

1. 隣り合う電極板の正極層と負極層とが電解質層を介して向き合うように構成されたセルを複数積層したセル積層体と、
   平面形状をそれぞれ有し、前記セル積層体を介在するように配置された正極集電板及び負極集電板と、
   前記セルの積層方向から見て、端子配列方向の端部において前記正極集電板に設けられた正極集電端子と、
   前記積層方向から見て、前記端子配列方向において前記正極集電端子が設けられた側の端部と反対側の端部において前記負極集電板に設けられた負極集電端子と、
   を備え、
   前記正極集電板は、前記セル積層体との接合面に対して前記端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の正極側突出端部を含み、
   前記負極集電板は、前記セル積層体との接合面に対して前記端子配列方向の両端側に突出するように形成された一対の負極側突出端部を含み、
   前記端子配列方向における前記一対の正極側突出端部の断面積は、前記端子配列方向における前記正極集電板の他の部位の断面積と比べて大きく、
   前記端子配列方向における前記一対の負極側突出端部の断面積は、前記端子配列方向における前記負極集電板の他の部位の断面積と比べて大きい
   ことを特徴とする積層型電池。
2. 前記一対の正極側突出端部は、前記一対の正極側突出端部の端に折り返し形状を有し、
   前記一対の負極側突出端部は、前記一対の負極側突出端部の端に折り返し形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
3. 前記一対の正極側突出端部は、前記正極集電板に別体の板を接合して形成されており、
   前記一対の負極側突出端部は、前記負極集電板に別体の板を接合して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。
4. 前記一対の正極側突出端部は、前記積層方向における前記一対の正極側突出端部の厚さが前記積層方向における前記正極集電板の前記他の部位の厚さと比べて大きくなるように、前記正極集電板の前記他の部位と一体的に形成されており、
   前記一対の負極側突出端部は、前記積層方向における前記一対の負極側突出端部の厚さが前記積層方向における前記負極集電板の前記他の部位の厚さと比べて大きくなるように、前記負極集電板の前記他の部位と一体的に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層型電池。

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