JP6683084B2

JP6683084B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6683084B2
Application number: JP2016184445A
Authority: JP
Inventors: 大松代
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2036-09-21
Also published as: JP2018049743A

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置として、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バイポーラ電池が知られている（特許文献１参照）。バイポーラ電池は、セパレータを介して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。積層体には、シール用の樹脂製の枠体が設けられ、バイポーラ電極の積層によって形成される側面が保持されるようになっている。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上述のような蓄電装置では、バイポーラ電極の電極板の縁部は、枠体を構成する樹脂に保持されている。ここで、電極板を構成する材料と枠体を構成する樹脂との親和性が低いことにより、電極板と枠体との間の接合性が低く、これを向上することが要請されていた。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電極板と枠体との間の接合性を向上できる蓄電装置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装置は、一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、セパレータを介してバイポーラ電極を交互に積層してなる積層体と、バイポーラ電極の積層によって形成された積層体の側面を取り囲んで保持する樹脂性の枠体と、を備え、電極板の縁部には、当該縁部の表面を覆うめっき層が形成され、電極板の縁部は、めっき層を介して枠体に保持され、枠体を構成する樹脂とめっき層との線膨張係数の差は、枠体を構成する樹脂と電極板との線膨張係数の差よりも小さい。

この蓄電装置では、電極板の縁部には、当該縁部の表面を覆うめっき層が形成されている。従って、電極板の縁部は、めっき層を介して枠体に保持される。ここで、枠体を構成する樹脂とめっき層との線膨張係数の差は、枠体を構成する樹脂と電極板との線膨張係数の差よりも小さい。これにより、電極板が枠体に直接保持される場合に比して、枠体との境界部分の線膨張係数の差を小さくした状態にて、電極板を枠体に保持させることができる。以上により、電極板と枠体との間の接合性を向上できる。

また、めっき層の表面には、粗面部が形成されていてよい。このような構成によれば、めっき層の粗面部における凹凸形状が枠体に食い込んだ状態で、めっき層が枠体と接合することができるため、接合性を更に向上することができる。

本発明によれば、電極板と枠体との間の接合性を向上できる。

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。電極板の縁部の拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置１は、バイポーラ電極３の積層体２を備えたバイポーラ電池である。蓄電装置１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などの二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。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、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

蓄電装置１は、上述したバイポーラ電極３の積層体２と、積層体２を保持する枠体４と、積層体２を拘束する拘束部材５とを備えている。

積層体２は、セパレータ６を介して複数のバイポーラ電極３を積層することによって構成されている。バイポーラ電極３のそれぞれは、電極板１１と、電極板１１の一方面１１ａに設けられた正極１２と、電極板１１の他方面１１ｂに設けられた負極１３とを有している。積層体２において、一のバイポーラ電極３の正極１２は、積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極３の負極１３と対向し、一のバイポーラ電極３の負極１３は、積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極の正極１２と対向している。

電極板１１は、例えばニッケルからなる金属箔である。電極板１１の厚さは、例えば０．１μｍ〜１０００μｍ程度となっている。正極１２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１３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１１の他方面１１ｂにおける負極１３の形成領域は、電極板１１の一方面１１ａにおける正極１２の形成領域に対して一回り大きくてもよい。

電極板１１の縁部１１ｃは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域となっており、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板１１，１１間には、当該電極板１１，１１と枠体４の内壁４ａとによって仕切られた空間が形成されている。当該空間には、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる電解液（不図示）が収容されている。

積層体２の一方の積層端（図１における上側の積層端）には、片面に負極１３のみが設けられた電極板１１Ａが積層されている。当該電極板１１Ａは、セパレータ６を介して負極１３と最上層のバイポーラ電極３の正極１２とが対向するように配置されている。また、積層体２の他方の積層端（図１における下側の積層端）には、正極１２のみが設けられた電極板１１Ｂが積層されている。当該電極板１１Ｂは、セパレータ６を介して正極１２と最下層のバイポーラ電極３の負極１３とが対向するように配置されている。電極板１１Ａ，１１Ｂの縁部は、バイポーラ電極３の電極板１１と同様に、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。なお、電極板１１Ａ，１１Ｂは、バイポーラ電極３の電極板１１に比べて厚く形成されていてもよい。

セパレータ６は、例えばシート状に形成されている。セパレータの形成材料としては、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、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース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６は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ６は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

枠体４は、例えば絶縁性の樹脂を用いた射出成形によって矩形の筒状に形成されている。樹脂性の枠体４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）、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）又は変性ポリフェニレンサルファイド（変性ＰＰＳ）などが挙げられる。枠体４は、バイポーラ電極３の積層によって形成される積層体２の側面２ａを取り囲んで保持する部材である。より具体的には、枠体４は、バイポーラ電極３の電極板１１、及び積層体２の積層端に位置する電極板１１Ａ，１１Ｂの縁部を保持し、バイポーラ電極３，３間に形成される電解液の収容空間をシールしている。

拘束部材５は、一対の拘束プレート２１，２１と、拘束プレート２１，２１同士を連結する連結部材（ボルト２２及びナット２３）とによって構成されている。拘束プレート２１は、例えば鉄などの金属によって平板状に形成されている。拘束プレート２１の縁部には、ボルト２２を挿通させる挿通孔２１ａが枠体４よりも外側となる位置に設けられている。また、拘束プレート２１の一面側には、絶縁性部材２４を介して集電板２５（２５Ａ，２５Ｂ）が結合されている。これにより、拘束プレート２１は、拘束機能と集電機能とを兼ねる集電板付き拘束プレートとなっている。拘束プレート２１と集電板２５との間に介在させる絶縁性部材２４の形成材料としては、例えばフッ素系樹脂やポリエチレン樹脂が挙げられる。

一方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ａと電極板１１Ａとが当接するように枠体４の一端面に突き当てられ、他方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ｂと電極板１１Ｂとが当接するように枠体４の他端面に突き当てられている。ボルト２２は、例えば一方の拘束プレート２１側から他方の拘束プレート２１側に向かって挿通孔２１ａに通され、他方の拘束プレート２１から突出するボルト２２の先端には、ナット２３が螺合されている。

これにより、積層体２、電極板１１Ａ，１１Ｂ、及び枠体４が挟持されてユニット化されると共に、拘束荷重が付加される。また、集電板２５Ａ，２５Ｂは、積層体２を積層方向に挟むように拘束プレート２１と積層体２との間に配置される。集電板２５Ａには、正極端子２６が接続され、集電板２５Ｂには、負極端子２７が接続されている。正極端子２６及び負極端子２７により、蓄電装置１の充放電を行うことができる。

続いて、上述した蓄電装置１における電極板１１と枠体４との接合部の構成について、更に詳細に説明する。なお、以下の説明においては、電極板１１について説明を行うが、電極板１１Ａ，１１Ｂについても同様の構成を有する。

図２（ａ）に示すように、電極板１１の縁部１１ｃには、当該縁部１１ｃの表面を覆うめっき層３０が形成されている。電極板１１の縁部１１ｃは、めっき層３０を介して枠体４に保持されている。めっき層３０を形成する方法は特に限定されず、例えば、電解めっき、無電解めっき、溶融めっき等を採用してよい。また、めっき層３０の厚みは特に限定されないが、電極板１１の厚みが５０〜１０００μｍであるのに対して、めっき層３０の厚みが０．５〜１０μｍに設定されてよい。

めっき層３０は、電極板１１のうち、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域である縁部１１ｃのみに形成されてよい。また、めっき層３０は、電極板１１の縁部１１ｃのうち、少なくとも枠体４の内壁４ａに埋没した部分に形成されてよい。また、めっき層３０は、電極板１１の縁部１１ｃのうちの枠体４の内壁４ａに埋没した部分の全領域に形成されていてよい。あるいは、めっき層３０は、電極板１１の縁部１１ｃのうちの枠体４の内壁４ａに埋没した部分の一部の領域に形成されていてよい。具体的に、めっき層３０は、電極板１１の縁部１１ｃのうち、一方面１１ａ、他方面１１ｂに形成されていてよい。なお、説明の便宜上、図２（ａ）では一方面１１ａと他方面１１ｂを接続する端面が図示されており、当該部分にもめっき層３０が形成されている。ただし、実際の電極板１１は非常に薄く、当該端面は目視困難な程度に小さい。

めっき層３０のうち、一方面１１ａ及び他方面１１ｂに対応する部分の外周側の端部３０ｂ，３０ｃの位置は特に限定されない。例えば、図２（ａ）に示すように、端部３０ｂ，３０ｃは、枠体４の内壁４ａの表面から外側（積層体の内側）へ延びていてよい。この場合、電極板１１において枠体４の樹脂と接触する部分を全てめっき層３０で覆うことができる。あるいは、端部３０ｂ，３０ｃは、枠体４の内壁４ａの内部に配置されていてよい。この場合、めっき層３０全体が枠体４内に埋設されるため、めっき層３０が電解液と接触することを防止できる。例えば、高アルカリ環境下では、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛及びこれらの合金は腐食される可能性がある。従って、めっき層３０としてそれらの材料を採用したとしても、めっき層３０全体を枠体４内に埋設することで、腐食を防止できる。あるいは、端部３０ｂ，３０ｃは、枠体４の内壁４ａの表面と同位置に配置されてもよい。この場合、電極板１１において枠体４の樹脂と接触する部分を全てめっき層３０で覆うことができ、且つ、めっき層３０全体を枠体４内に埋設することで、腐食を防止できる。

ここで、各材料の線膨張係数について説明する。本実施形態に係る蓄電装置１において、枠体４を構成する樹脂とめっき層３０との線膨張係数の差は、枠体４を構成する樹脂と電極板１１との線膨張係数の差よりも小さい。例えば、枠体４の樹脂の線膨張係数に比して、電極板１１の線膨張係数が小さい場合、めっき層３０の線膨張係数は、枠体４の樹脂と電極板１１との間の値に設定されてよい。ただし、枠体４を構成する樹脂とめっき層３０との線膨張係数の差が、枠体４を構成する樹脂と電極板１１との線膨張係数の差よりも小さい限り、めっき層３０の線膨張係数は、枠体４を構成する樹脂の線膨張係数以上の値であってもよい。この場合、めっき層３０と電極板１１との線膨張係数の差が、枠体４の樹脂と電極板１１との線膨張係数の差より大きくなるが、金属材料と金属材料との間の接合強度は、（線膨張係数の差に関わらず）金属材料と樹脂との間の接合強度よりも大きくなる。従って、当該場合であっても、電極板１１を枠体４の樹脂に直接接合させる場合に比して、電極板１１をめっき層３０を介して枠体４の樹脂に接合させた方が、接合強度が向上する。また、当該事情があるため、枠体４を構成する樹脂とめっき層３０との線膨張係数の差は小さい方が好ましい。

例えば、電極板１１の材料として採用されるニッケル（Ｎｉ）の線膨張係数は１２．８×１０^６（／Ｋ）となる。例えば、枠体４の樹脂として変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）の線膨張係数は、９０×１０^６（／Ｋ）となる。この場合、枠体４を構成する樹脂と電極板１１との線膨張係数の差は、７７．２×１０^６（／Ｋ）となる。従って、上述の条件を満たすためのめっき層３０の材料として、線膨張係数が２６．９×１０^６（／Ｋ）であるスズ（Ｓｎ）、線膨張係数が３０．２×１０^６（／Ｋ）である亜鉛（Ｚｎ）、線膨張係数が２８．８×１０^６（／Ｋ）であるスズ（Ｐｂ）、または線膨張係数が２９．１×１０^６（／Ｋ）である鉛（Ｓｎ）等を採用してもよい。

次に、電極板１１及びめっき層３０の表面処理について説明する。図２（ｂ）に示すように、めっき層３０の表面３０ａには、粗面部３５が形成されてよい。このような粗面部３５は、電極板１１に表面３０ａの粗いめっき層３０を形成することで構成される。

なお、めっき層３０の表面３０ａに形成される凸部の形状は特に限定されない。例えば、凸部の形状は、粒状の形状であってよく、先端が尖った針状の形状であってよく、突出した部分から更に枝状に分岐して突出する部分が形成されるような形状であってもよい。

次に、本実施形態に係る蓄電装置１の作用・効果について説明する。

この蓄電装置１では、電極板１１の縁部１１ｃには、当該縁部１１ｃの表面を覆うめっき層３０が形成されている。従って、電極板１１の縁部１１ｃは、めっき層３０を介して枠体４に保持される。ここで、枠体４を構成する樹脂とめっき層３０との線膨張係数の差は、枠体４を構成する樹脂と電極板１１との線膨張係数の差よりも小さい。これにより、電極板１１が枠体４に直接保持される場合に比して、枠体４との境界部分の線膨張係数の差を小さくした状態にて、電極板１１を枠体４に保持させることができる。以上により、電極板１１と枠体４との間の接合性を向上できる。

また、めっき層３０の表面３０ａには、粗面部３５が形成されていてよい。このような構成によれば、めっき層３０の粗面部３５における凹凸形状が枠体４に食い込んだ状態で、めっき層３０が枠体４と接合することができるため、接合性を更に向上することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述の実施形態では、めっき層が単層である場合の例について説明したが、めっき層は多層であってもよい。すなわち、めっき層は、異なる材料で構成される複数の層を有して良い。この場合、枠体を構成する樹脂とめっき層の最外層との線膨張係数の差が、枠体を構成する樹脂と電極板との線膨張係数の差よりも小さければよい。

１…蓄電装置、３…バイポーラ電極、４…枠体、６…セパレータ、１１…電極板、１２…正極、１３…負極、３０…めっき層、３５…粗面部。

Claims

一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
セパレータを介して前記バイポーラ電極を交互に積層してなる積層体と、
前記バイポーラ電極の積層によって形成された前記積層体の側面を取り囲んで保持する樹脂性の枠体と、を備え、
前記電極板の縁部には、当該縁部の表面を覆うめっき層が形成され、
前記電極板の縁部は、前記めっき層を介して前記枠体に保持され、
前記枠体を構成する樹脂と前記めっき層との線膨張係数の差は、前記枠体を構成する樹脂と前記電極板との線膨張係数の差よりも小さい、蓄電装置。
前記めっき層の表面には、粗面部が形成されている、請求項１に記載の蓄電装置。