JP2023105535A

JP2023105535A - 空気二次電池

Info

Publication number: JP2023105535A
Application number: JP2022006422A
Authority: JP
Inventors: 克幸荻原; Katsuyuki Ogiwara; 剛史梶原; Takeshi Kajiwara; 賢大遠藤; Takahiro Endo; 茂和安岡; Shigekazu Yasuoka
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-07-31

Abstract

【課題】空気が通過する通気路への電解液の漏出を防止する空気二次電池を提供する。【解決手段】空気二次電池は、セパレータ５０を介して重ね合わされた空気極４０及び負極６０を含む電極群と、電極群を電解液と共に内部に収容する筐体とを備える。筐体は、空気極と反応する空気が流れる通気路２２を一方の面に有する流路板２０と、通気路を閉塞して電解液の通気路への漏出を防止する撥水膜３０と、液密通気膜を流路板に対して固定して空気極を包囲する導電性の枠体３２とを備える。通気路は、一方の面上にて枠体の枠内領域に形成される溝であり、空気の流れる方向における通気路の一端部及び他端部は、領域内に位置する。流路板は、枠体の外側に形成されて外部と連通する流路２３、２４と、通気路の一端部を流路に連通させる連通路２７とを含む。連通路は、流路板内に暗渠状に形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、空気二次電池に関する。

空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に、Ｌｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ等の金属を負極に用いる電池である。正極活物質を電池内に備える必要がないため、エネルギ密度が高く、小型化・軽量化が容易であることから注目を集めている。また、空気二次電池は、繰り返し充放電可能なため、電動車両などの駆動用電源や、自然エネルギの蓄電用途としての利用が期待されている。このような空気電池を電池セルとして例えば絶縁性の枠体内に直列接続させて組電池にする場合、それぞれの電池セルに空気を供給することが必要になる。

特許第６０５６４９６号

通常、空気二次電池では、空気極と反応する空気が液密通気膜に沿って流れる通気路は、電池セルの流路板の一方の主面内に形成される。この通気路は、通気路の開口部が液密通気膜によって閉塞されるため、通気路内への電解液の漏出が防止されている。一方、電池セルの直列接続のために積層する場合、各電池セルに空気を供給するために、外気と連通する流路は、流路板をその厚み方向に貫通して隣接する電池セルの流路に連通するように構成されている。このため、流路から通気路に連通させるための分岐路が電池セル毎に形成される。

このとき、液密通気膜の縁部が分岐路の上に被ると、枠によって液密通気膜を流路板に固定することができない部分が生じるため、充放電サイクルに伴う極板の膨張・収縮や、過充電時のガス発生に伴う内圧上昇により、電解液が通気路へ漏出してしまうことがあった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みて、通気路への電解液の漏出を防止する空気二次電池を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の空気二次電池は、セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含む電極群と、前記電極群を電解液と共に内部に収容する筐体と、を備えた空気二次電池であって、前記筐体は、前記空気極と反応する空気が流れる通気路を一方の主面に有する流路板と、前記通気路を閉塞して前記電解液の前記通気路への漏出を防止する液密通気膜と、前記液密通気膜を前記流路板に対して固定すると共に前記空気極を包囲する導電性の枠体と、を備え、前記通気路は、前記一方の主面上において前記枠体の枠内に画定される領域に形成される溝であり、前記空気の流れる方向における前記通気路の一端部及び他端部は、前記領域内に位置し、前記流路板は、前記枠体の外側に形成されて外部と連通する流路と、前記通気路の一端部を前記流路に連通させる連通路と、を有し、前記連通路は、前記流路板内に暗渠状に形成される、ことを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る空気二次電池によれば、セパレータに含まれる電解液の通気路への漏出を防止することができる。

本実施の形態に係る空気二次電池の断面図を示す。（Ａ）は、流路板に固定された撥水膜及び枠体の平面図を示し、（Ｂ）は、（Ａ）におけるＢ－Ｂ方向から見た流路板の断面の概略図である。第２の実施の形態に係る流路板の断面を示す概略図である。第３の実施の形態に係る流路板の断面を示す概略図である。

以下、本実施の形態に係る空気二次電池について図面を参照して説明する。

図１に、実施の形態に係る空気二次電池の断面図を示す。空気二次電池は、２つの空気二次電池セル（以下、電池セルと称す）１，１が積層されて直列接続され、電池ケース１０に収容されている。各電池セル１には、正極側から負極側に向けて、順に、流路板２０、撥水膜３０、空気極（正極）４０、セパレータ５０、負極６０、負極集電板７０が配列される。空気極（正極）４０は、セパレータ５０を介して負極６０と対向する。

流路板２０は、導電性を呈する矩形の平板からなり、図２（Ａ）に示すように、空気極４０に対向する一方の主面２１に、空気極４０と反応する空気が流れる面内方向に沿って流れる通気路２２と、通気路２２に空気を導入する導入路２３と、通気路２２を流れた空気を外部に導出する導出路２４とが形成されている。導入路２３及び導出路２４は、それぞれ流路として、流路板２０を厚み方向に貫通する。流路板２０は、電池ケース１の正極端子板側に位置する。

さらに、撥水膜３０が、流路板２０の主面２１に対し、矩形の枠体３２によってガス拡散膜３１を介して固定される。撥水膜３０は、通気路２２の主面２１上の開口を閉塞しながらも、導入路２３及び導出路２４を被覆せずに流路板２０に固定される。すなわち、通気路２２は、枠体３２によって画定された枠内領域２５に位置し、導入路２３及び導出路２４は、どちらも枠外領域２６に位置する。

通気路２２は、流路板２０の主面２１において、一端部２２Ｂから空気が通過する方向に他端部２２Ｃまで延びる溝として形成され、平面視形状が全体として１本のサーペンタイン形状をなす。通気路２２の一端部２２Ｂは、導入路２３近傍に位置して後述する連通路２７を介して互いに連通する。通気路２２の他端部２２Ｃは、導出路２４近傍に位置して、連通路２７を介して互いに連通する。通気路２２は、放電時に空気極４０へ空気中の酸素を供給するとともに、充電時に空気極４０から生じた酸素を外部へ排出する。通気路２２は、空気極４０に向けて開口し、空気の通過方向に交差する方向の断面は、矩形などの適宜の形状に形成されている。なお、図２（Ａ）に示す通気路２２の一方の主面２１上、すなわち平面視における形状は、一例であり、サーペンタイン形状の折り返す数は、特に限定されるものではない。他の実施の形態では、電池セル１の特性や規格に応じて適宜の形状をとり得る。

ガス拡散膜３１は、例えば多孔質基材からなり、空気極４０の充放電反応に必要な空気と水素とを、効率良く拡散させる機能を備える。

撥水膜３０は、液密通気膜として、微多孔性樹脂フィルムからなり、通気路２２を流れる空気を空気極４０へ通過させると共に、空気極４０側にある電解液の通気路２２への漏出を防止する。撥水膜３０は、通気路２２の開口２２Ａを、一端部２２Ｂから空気流の通過方向に沿う他端部２２Ｃまでの全長を閉塞しながらも、導入路２３及び導出路２４を閉塞しない形状及び大きさを有する。

枠体３２は、導電性材料にて矩形に形成され、撥水膜３０に対向する枠面３４が平面状であり、撥水膜３０を流路板２０に固定すると共に、枠体３２の内側に空気極４０を包囲する。

空気極４０は、多数の空孔を有する導電性の極板基材と、空孔内及び極板基材の表面に保持される空気極合剤（正極合剤）とからなる。このような極板基材としては、例えば、発泡ニッケルやニッケルメッシュが用いられる。空気極合剤は、酸化還元触媒、導電剤及びフッ素樹脂を含む。酸化還元触媒としては、酸化還元の二元機能を有するものであれば特に限定されない。好ましい酸化還元触媒としては、パイクロア型のビスマスルテニウム酸化物が用いられる。

セパレータ５０は、空気極４０及び負極６０の間に配置されて空気極４０及び負極６０を電気的に絶縁する。セパレータ５０は、例えば、ポリアミド繊維製の不織布又はポリオレフィン繊維製の不織布にて作成され、アルカリ電解液を内部に含む。本実施の形態において、セパレータ５０は、全体として矩形状をなし、平面視形状は、空気極４０の平面視形状及び負極６０の平面視形状よりも大きく形成されている。

負極６０は、多数の空孔を有する導電性の負極基材と、空孔内及び負極基材の表面に保持された負極合剤とからなる。負極基材としては、例えば、発泡ニッケルが用いられる。負極合剤は、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子からなる水素吸蔵合金粉末と、導電剤と、結着剤とを含む。導電剤としては、黒鉛、カーボンブラック等を用いることができる。水素吸蔵合金粒子を構成する水素吸蔵合金としては、例えば、希土類－Ｍｇ－Ｎｉ系水素吸蔵合金が用いられる。

負極集電板７０は、導電性部材からなり、一方の面が負極６０に電気的に接続され、多方の面が直列接続される隣接する電池セル１の正極側に、または電池ケース１の負極端子板１２に電気的に接続される。

空気極４０、セパレータ５０及び負極６０は、電極群１００を構成し、ガスケット３３により流路板２０に固定され、一の電池セル１を構成する。

さらに、流路板２０の導入路２３及び導出路２４は、それぞれ一の電池セル１内において、流路板２０から負極集電板７０にかけて線条に延びて、電池セル１内の吸気路８１及び排気路８２をそれぞれ形成する。吸気路８１では、吸い込まれた空気が吸気路８１を経て通気路２２に向けて流れる。一方、排気路８２では、通気路２２を流れた空気流が外部に向けて排出される。

２つの上記電池セル１，１が直列接続されて組電池を構成し、電池ケース１０に収納される。電池ケース１０の一端に正極端子板１１が、他端に負極端子板１２が電気的に接続される。

次に、流路板２０における、通気路２２、導入路２３及び導出路２４の連通構造について説明する。まず、通気路２２と導入路２３との連通構造を説明する。図２（Ａ）に示すように、平面視で、流路板２０の空気極４０と対向する主面２１に撥水膜３０が枠体３２によって取り付けられ、通気路２２全体が枠体３２の内部に位置する。すなわち、通気路２２は、空気極４０と対向する主面２１において、撥水膜３０を固定する枠体３２によって囲まれた枠内領域２５に形成される。導入路２３は、枠体３２の外側の領域２６に、流路板２０を厚み方向に貫通して形成される。

導入路２３は、連通路２７を介して通気路２２と連通する。連通路２７は、流路板２０の内部に暗渠状に形成され、一端部が通気路２２の一端部２２Ｂと連通し、他端部が導入路２３の側面部２３Ａに開口する。本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、流路板２０は、２枚の金属板、第１金属板２０１及び第２金属板２０２を一体化されて形成される。連通路２７は、第１金属板２０１の他方の主面に、線条の溝として形成され、長手方向の一端部が導入路２３の側面部２３Ａに開口し、他端部が、第１金属板２０１の厚み方向に貫通して通気路２２と連通する。そして、第１金属板２０１の溝が第２金属板２０２に塞がれることによって、連通路２７は暗渠になる。２枚の金属板２０１，２０２に対して切削、フォトエッジング加工を行って一体化させることにより、連通路２７を容易に流路板２０内で暗渠にすることができる。

また、上記構成により、流路板２０と枠体３２とで挟み込まれた撥水膜３０の部分は、流路板２０の厚み方向において通気路２２とは重畳しない。従って、流路板２０主面２１上における通気路２２の開口２２Ａ全体が、撥水膜３０によって閉塞されるので、電極群１００側からの通気路２２への電解液の漏出を防止することができる。なお、通気路２２と導出路２４との連通構造は、流路板２０における導出路２４の位置が導入路２３と異なり、且つ空気の流れる方向が逆になるのみなので、詳細な説明については省略する。

図３に、第２の実施の形態の電池セル１を構成する流路板１２０を示す。第２の実施の形態において、流路板１２０以外の構成は、上記実施形態と同じであるので、詳細な説明は省略する。

流路板１２０は、２枚の金属板、第１金属板１２１及び第２金属板１２２を一体化されて形成される。通気路２２は、第１金属板１２１の空気極４０と対向する主面１２１Ａにおいて、撥水膜３０を固定する枠体３２によって囲まれた枠内領域１２５に形成され、通気路２２の一端部が厚み方向に貫通する貫通孔１２３となる。一方、第２金属板１２２の第１金属板１２１に固定される主面１２２Ａ側に、線条の溝１２４が形成され、溝１２４の一端部は、導入路２３の側面部２３Ａに開口し、他端部は、第１金属板１２１の貫通孔１２３に相当する箇所に位置する。第１金属板１２１及び第２金属板１２２が一体化されると、貫通孔１２３および溝１２４が連通路２７を構成する。

図４に、第３の実施の形態の電池セル１を構成する流路板２２０を示す。第３の実施の形態において、流路板２２０以外の構成は、既述の実施形態と同じであるので、詳細な説明は省略する。

流路板２２０は、３枚の金属板、第１金属板２２１、第２金属板２２２及び第３金属板２２３を一体化されて形成される。通気路２２は、第１金属板２２１の空気極４０と対向する主面２２１Ａにおいて、撥水膜３０を固定する枠体３２によって囲まれた枠内領域２２５に形成され、また、通気路２２の一端部が厚み方向に貫通する貫通孔２２６を有する。第２金属板２２２には、貫通孔２２６と導入路２３の側面部２３Ａに開口する細長い開口２２７が形成される。第３金属板２２３には、導入路２３の一部となる貫通孔２２８が形成される。第１金属板２２１から第３金属板２２３が順に一体化されたときに、通気路２２と導入路２３とを連通させる連通路２７が設けられ、暗渠となる。

空気二次電池は、いずれの実施の形態の流路板２０、１２０、２２０を用いた電池セル１であっても、撥水膜３０を流路板２０、１２０、２２０の主面に固定する枠体３２と流路板２０、１２０、２２０との間に、通気路２２の一部が位置したり、通気路２２が交差したりしないので、電極群１００に含まれる電解液の通気路２２への漏出は、確実に防止される。

また、導入路２３及び導出路２４は、いずれも積層された電池セル１を各部品の厚み方向に線条に貫通する。従って、複数の電池セル１を直列接続するために積層したときに、各電池セル１の導入路２３及び導出路２４が、線条に連通される。このようにして、空気二次電池において線条に延びる吸気路８１および排気路８２が設けられるので、各電池セル１への空気の供給及び排出を、均一に行うことができる。

さらに、流路板２０は、少なくとも２枚の金属板を各々加工してから一体化させて作製している。従って、連通路２７は、一の金属板において空気極とは反対側の面に溝を形成し、他方の金属板によって、かかる溝の開口部を閉塞することによって作製することができる。従って、流路板内にて、連通路を容易に暗渠状とすることができる。

また、実施の形態に係る流路板は、単一の電池セルからなる空気二次電池の流路板としても用いることができる。

１電池セル
１０電池ケース
２０流路板
２３、２４流路
２２通気路
２７連通路
３０撥水膜
３２枠体
４０空気極
５０セパレータ
６０負極

Claims

セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含む電極群と、前記電極群を電解液と共に内部に収容する筐体と、を備えた空気二次電池であって、
前記筐体は、
前記空気極と反応する空気が流れる通気路を一方の主面に有する流路板と、
前記通気路を閉塞して前記電解液の前記通気路への漏出を防止する液密通気膜と、
前記液密通気膜を前記流路板に対して固定すると共に前記空気極を包囲する導電性の枠体と、
を備え、
前記通気路は、前記一方の主面上において前記枠体の枠内に画定される領域に形成される溝であり、前記空気の流れる方向における前記通気路の一端部及び他端部は、前記領域内に位置し、
前記流路板は、前記枠体の外側に形成されて外部と連通する流路と、前記通気路の一端部を前記流路に連通させる連通路と、を有し、
前記連通路は、前記流路板内に暗渠状に形成される、空気二次電池。
前記流路は、前記流路板の一方の主面において前記枠体の固定面と対向する枠状の領域から離間している、請求項１記載の空気二次電池。
前記流路板は、２枚以上の金属板を互いの厚み方向に積層することによって設けられ、
前記流路は、前記流路板を厚み方向に貫通する貫通孔であり、
前記連通路は、空気の流れる方向における一端部が前記通気路の一端部に連通し、他端部が前記流路の側面部に開口する、請求項１または２記載の空気二次電池。
複数の空気二次電池セルが互いに積層されて直列接続される空気二次電池であって、
前記複数の空気二次電池セルの各々は、セパレータを介して重ね合わされた空気極及び負極を含む電極群と、前記電極群を電解液と共に内部に収容する筐体と、を備え、
前記筐体は、
前記空気極と反応する空気が流れる通気路を一方の主面に有すると共に、厚み方向に貫通する２つの流路を有する流路板と、
前記通気路を閉塞して前記電解液の前記通気路への漏出を防止する液密通気膜と、
前記液密通気膜を前記流路板に対して固定して前記空気極を包囲する導電性の枠体と、
前記負極に対し前記セパレータとは反対側に位置して前記負極と電気的に接続されて、隣接する空気二次電池と接続される負極集電体と、
を備え、
前記通気路は、前記枠体の内枠にて包囲される前記一方の主面上の領域に形成された溝であり、前記空気の流れる方向における前記通気路の両端部は、前記領域内に位置し、
前記２つの流路は、それぞれ前記枠体の外側に位置して外部と連通し、
前記流路板は、前記通気路の両端部をそれぞれ対応する流路に連通させる連通路を有し、
前記連通路は、前記流路板内に暗渠状に形成されて前記流路の側面部に開口する、空気二次電池。