JP6705337B2 - バイポーラ電池 - Google Patents

Description

本明細書に記載された電池はバイポーラ電池である。

従来からバイポーラ電池について各種提案されている。たとえば、特開２０１１−１５１０１６号公報に記載されたバイポーラ電池は、バイポーラ電極とセパレータとを積層することで形成されている。

バイポーラ電極は、集電体と、集電体の一方の側面に形成された正極と、集電体の他方の側面に形成された負極とを含む。セパレータは、電解質層を保持する部分と、電解質層を保持する部分の外周部に形成されたシール樹脂とを含む。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上記特開２０１１−１５１０１６号公報に記載されたバイポーラ電池においては、セパレータに樹脂を含浸させて、シール部材を形成している。セパレータ内に樹脂を完全に含浸させることは困難であり、電解液がセパレータ内を通って外部に漏れるおそれがある。

そこで、本願発明者等は、集電板の主表面に単位電池と、この単位電池の周囲を取り囲むシール部材とを含む単位セルを複数積層させて形成されたバイポーラ電池について検討した。

このバイポーラ電池においては、シール部材を積層方向に隣り合う集電板によって挟みこんでいる。このため、シール部材内に電解液を収納したとしても、外部に電解液が漏れることを抑制することができる。

さらに、発明者等は、上記のバイポーラ電池において、放熱性の向上を図るために、集電板の外周縁部に外方に張り出す張出部を形成することを検討した。

しかし、集電板に張出部を形成すると、積層方向に隣り合う集電板の張出部同士が接触し、短絡するという課題を見出した。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電解液の漏れの抑制、放熱性の向上および短絡の発生の抑制が図られたバイポーラ電池を提供することである。

本明細書に記載されたバイポーラ電池は、複数の単位セルが積層方向に積層されたバイポーラ電池である。上記単位セルは、厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含む複数の集電板と、第１主表面に配置された単位電池と、第１主表面に設けられると共に単位電池の周囲を取り囲むように形成されたシール部材とを含む。上記集電板は、シール部材に沿って延びる近接部分と、近接部分よりもシール部材から外方向に張り出す張出部分とを含む。上記積層方向から離れた位置からバイポーラ電池を視ると、積層方向に隣り合う集電板の張出部分は互いにずれるように配置されている。

上記のバイポーラ電池によれば、シール部材が集電板によって挟まれているため、シール部材内の密封性を確保することができる。

さらに、集電板には、シール部材よりも外方に張り出す張出部が形成されているため、張出部から熱を外部に放熱することができる。そして、各集電板に形成された張出部がずれるように形成されているため、張出部が撓んだとしても、張出部同士が接触することを抑制することができ、短絡が生じることを抑制することができる。

本明細書に記載されたバイポーラ電池によれば、解液の漏れの抑制、放熱性の向上および短絡の発生の抑制を図ることができる。

本実施の形態１に係るバイポーラ電池１が搭載された車両１０を模式的に示す模式図である。 実施の形態１に係るバイポーラ電池１を示す断面図である。 バイポーラ電池１を示す分解斜視図である。 単位セル２を示す斜視図である。 単位セル２Ａを示す平面図である。 単位セル２Ｂを示す平面図である。 単位セル２Ａおよび単位セル２Ｂを平面視したときの平面図である。 バイポーラ電池１Ａの積層体３Ａの一部を示す斜視図である。 単位セル２Ｃを示す平面図である。 単位セル２Ｄを示す平面図である。 単位セル２Ｅを示す平面図である。 単位セル２Ｆを示す平面図である。 単位セル２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆを含むユニット５を平面視したときの平面図である。 バイポーラ電池１Ｂの積層体３Ｂを示す平面図である。 単位セル２Ｇを示す平面図である。 単位セル２Ｈを示す平面図である。 実施の形態４に係るバイポーラ電池１Ｃを示す分解斜視図である。 単位セル６Ａを示す斜視図である。 積層体３Ｃを示す平面図である。

図１から図１９を用いて、バイポーラ電池について説明する。なお、図１から図１９に示す構成において、同一または実質的に同一の構成については同一の符号を付して、重複した説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係るバイポーラ電池１が搭載された車両１０を模式的に示す模式図である。この図１に示すように、車両１０は、バッテリユニット１１を含む。

バッテリユニット１１は、バッテリケース１２と、バッテリケース１２内に空気を供給するファン１３とを含む。バッテリケース１２内には複数のバイポーラ電池１が配置されている。

図２は、実施の形態１に係るバイポーラ電池１を示す断面図であり、図３は、バイポーラ電池１を示す分解斜視図である。

図２および図３に示すように、バイポーラ電池１は、積層方向Ｄ１に複数の単位セル２が積層されて形成された積層体３と、積層体３を積層方向に拘束する拘束具４とを含む。

拘束具４は、積層体３の下面に配置された拘束板２０と、積層体３の上面に配置された拘束板２１と、拘束板２０および拘束板２１を連結する複数の連結軸２２とを含む。

連結軸２２は、拘束板２０に設けられたボルト２３と、拘束板２１に設けられたボルト２４とによって、拘束板２０，２１に固定されている。そして、拘束板２０および拘束板２１は、積層体３を上下方向から押圧しており、積層体３を積層方向Ｄ１に拘束している。

複数の連結軸２２は互に間隔をあけて配置されており、ファン１３から供給された冷却風は、積層体３に吹き付けられ、積層体３は当該冷却風によって冷却される。

なお、図３に示す単位セル２の数は、図面の都合上、少なくなっており、積層体３に設けられた単位セル２の数は、図３に示す数に限られない。

図４は、単位セル２を示す斜視図である。この図４および図２に示すように、単位セル２は、集電板３０と、単位電池３１と、シール部材３２とを含む。集電板３０は、厚さ方向に配列する上面３３および下面３４を含み、集電板３０は金属材料によって形成されている。

単位電池３１は、集電板３０の上面３３に配置されている。単位電池３１は、集電板３０の上面３３に配置された板状の正極３５と、正極３５の上面上に配置された板状のセパレータ３６と、セパレータ３６の上面上に配置された板状の負極３７とを含む。負極３７は、負極３７の上面側に配置された集電板３０の下面３４と接触している。

シール部材３２は、単位セル２の周囲を取り囲むように環状に形成されている。この図４などに示す例においては、シール部材３２は略四角形形状に形成されており、Ｘ方向に配列する側面４５，４６と、Ｙ方向に配列する側面４７，４８とを含む。

シール部材３２は、環状に形成された樹脂枠４０および樹脂枠４１と、ガスケット４２とを含む。樹脂枠４０は、樹脂枠４１の外側に間隔をあけて配置されている。樹脂枠４０および樹脂枠４１の間には環状の溝部４３が形成されている。ガスケット４２は、溝部４３内に嵌め込まれている。なお、ガスケット４２は、溝４３内に嵌め込まれている必要はなく、ガスケット４２のみでシール部材３２を構成するようにしてもよい。

シール部材３２は、拘束具４の拘束力によって、積層方向Ｄ１に隣り合う集電板３０によって挟み込まれている。このため、積層方向Ｄ１に隣り合う２つの集電板３０と、この２つの集電板３０の間に配置された樹脂枠４０とによって、単位セル２が収容された空間４４が密閉されている。

なお、この空間４４内には電解液も収納されている。なお、電解液としては、たとえば、アルカリ性電解液が採用されている。

ここで、本実施の形態に係るバイポーラ電池１は、水系電池である。水系電池とは、電解液に水溶液が用いられた電池であり、電解液にアルカリ性電解液が用いられた電池も水系電池に含まれる。

つまり、水系とは「プロトン性」の意であり、非水系とは「非プロトン性」の意である。「プロトン性」溶媒とは、分子が解離することにより、水素イオン（プロトン）を放出する溶媒を意味する。「非プロトン性」溶媒とは、プロトンを放出しない溶媒である。たとえば、アルコールは有機溶媒であるが、プロトンを放出するので「プロトン性」溶媒に含まれる。

なお、リチウムイオン電池の電解液溶媒は、単なる有機溶媒ではなく、分子の中にプロトンが取れる部分がなく、「非プロトン性」溶媒である。すなわち、リチウムイオン電池は、水系電池に含まれない。また、本実施の形態１に係るバイポーラ電池１は、充放電可能な二次電池である。

ここで、図４に示すように、積層方向Ｄ１に、単位セル２Ａと、単位セル２Ｂとが積層されている。単位セル２Ａは集電板３０Ａを含み、単位セル２Ｂは集電板３０Ｂを含む。

図５は、単位セル２Ａを示す平面図である。具体的には、積層方向Ｄ１に離れた位置から単位セル２Ａを視たときの平面図である。この図５に示すように、集電板３０Ａおよびシール部材３２を平面視すると、シール部材３２は集電板３０Ａ内に位置している。

集電板３０Ａは、シール部材３２の側面４７，４８に沿って延びる近接部分５０，５１と、側面４５，４６から大きく外方に張り出す張出部分５２，５３とを含む。

このため、張出部分５２，５３と側面４５，４６の間の距離は、近接部分５０，５１の外周縁部と側面４７，４８との間の距離よりも大きく、張出部分５２，５３が外部に露出する面積は、近接部分５０，５１が外部に露出する面積よりも広い。

集電板３０Ａがシール部材３２から露出する部分は、ファン１３からの冷却風に曝されており、冷却風によって冷却される。この単位セル２Ａにおいては、露出面積が広い張出部分５２，５３から多くの熱を放熱することができる。

図６は、単位セル２Ｂを示す平面図である。この図６に示すように、シール部材３２と集電板３０Ｂとを平面視すると、シール部材３２は集電板３０Ｂ内に位置しており、集電板３０Ｂの外周縁部はシール部材３２の外側に位置している。

単位セル２Ｂの集電板３０Ｂは、シール部材３２の側面４５，４６に沿って延びる近接部分５６，５７と、側面４７，４８から外方に張り出す張出部５４，５５とを含む。張出部５４，５５の外周縁部と側面４７，４８との間の距離は、近接部分５６，５７と側面４５，４６との間の距離よりも大きい。このため、張出部５４，５５がシール部材３２から露出する面積は、近接部分５６，５７がシール部材３２から露出する面積よりも広い。そして、張出部５４，５５から多くの熱が放熱される。

図７は、単位セル２Ａおよび単位セル２Ｂを平面視したときの平面図である。この図７および図４に示すように、積層方向Ｄ１に離れた位置から単位セル２Ａ，２Ｂを視ると、単位セル２Ａの張出部分５２，５３と、単位セル２Ｂの張出部５４，５５とは、水平方向にずれている。このため、仮に、張出部分５２，５３が自重により撓んだとしても、張出部分５２，５３が張出部５４，５５と接触することが抑制されており、集電板３０Ａと集電板３０Ｂとが短絡することが抑制されている。

そして、図３に示すように、積層体３は、単位セル２Ａと単位セル２Ｂとを順次積層することで形成されており、積層体３全体としてみたときにも、積層方向Ｄ１に隣り合う単位セル２間で短絡が生じることが抑制されている。
（実施の形態２）
図８などを用いて、実施の形態２に係るバイポーラ電池１Ａについて説明する。図８は、バイポーラ電池１Ａの積層体３Ａの一部を示す斜視図である。この図８に示すように、積層体３Ａは、ユニット５を複数積層することで形成されており、ユニット５は、単位セル２Ｃ、２Ｄ，２Ｅ，２Ｆを順次積層することで構成されている。

図９は、単位セル２Ｃを示す平面図である。この図９に示すように、単位セル２Ｃは、集電板３０Ｃを含み、集電板３０Ｃは、張出部６０Ｃと、近接部６１Ｃ〜６３Ｃとを含む。集電板３０Ｃおよびシール部材３２を平面視すると、近接部６１Ｃ，６２Ｃ，６３Ｃは、シール部材３２の側面４５，４６，４８に沿って延びるように形成されている。

張出部６０Ｃは、シール部材３２の側面４７から外方に張り出すように形成されており、張出部６０Ｃは、近接部６１Ｃ，６２Ｃ，６３Ｃよりもシール部材３２から大きく張り出している。

図１０は、単位セル２Ｄを示す平面図である。この図１０に示すように、単位セル２Ｄは、集電板３０Ｄを含み、集電板３０Ｄは、張出部６０Ｄと、近接部６２Ｄ，６３Ｄ，６４Ｄとを含む。張出部６０Ｄは、シール部材３２の側面４５から外方に張り出しており、近接部６２Ｄ，６３Ｄ，６４Ｄは、側面４６，４８，４７に沿って延びている。そして、張出部６０Ｄは、近接部６２Ｄ，６３Ｄ，６４Ｄよりも大きく外方に張り出すように形成されている。

図１１は、単位セル２Ｅを示す平面図である。この図１１に示すように、単位セル２Ｅは、集電板３０Ｅを含み、集電板３０Ｅは、シール部材３２の側面４８から外方に向けて張り出す張出部６０Ｅと、側面４５，４６，４７に沿って延びる近接部６１Ｅ，６２Ｅ，６４Ｅとを含む。そして、張出部６０Ｅは、近接部６１Ｅ，６２Ｅ，６４Ｅよりも大きく外方に張り出すように形成されている。

図１２は、単位セル２Ｆを示す平面図である。この図１２に示すように、単位セル２Ｆは、集電板３０Ｆを含み、集電板３０Ｆは、側面４６から張り出す張出部６０Ｆと、側面４５，４７，４８に沿って延びる近接部６１Ｆ，６４Ｆ，６３Ｆとを含む。

図１３は、単位セル２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆを含むユニット５を平面視したときの平面図である。具体的には、ユニット５から積層方向Ｄ１に離れた位置からユニット５を平面視したときにおける平面図である。

この図１３に示すように、単位セル２Ｃの張出部６０Ｃと、単位セル２Ｄの張出部６０Ｄと、単位セル２Ｅの張出部６０Ｅと、単位セル２Ｆの張出部６０Ｆとは、互いに水平方向にずれるように形成されている。なお、図１３に示す例においては、各張出部６０Ｃ，６０Ｄ，６０Ｅ，６０Ｆが積層方向Ｄ１に重ならないように形成されている。

このため、張出部６０Ｃ，６０Ｄ，６０Ｅ，６０Ｆに撓みが生じたとしても、各張出部６０Ｃ，６０Ｄ，６０Ｅ，６０Ｆ同士が接触することが抑制されている。
（実施の形態３）
図１４などを用いて、実施の形態３に係るバイポーラ電池１Ｂについて説明する。図１４は、バイポーラ電池１Ｂの積層体３Ｂを示す平面図である。この図１４に示すように、バイポーラ電池１Ｂは、ユニット５Ｂを複数積層することで形成されており、ユニット５Ｂは、単位セル２Ｇと、この単位セル２Ｇの上面に配置された単位セル２Ｈとを含む。

ここで、図１５は、単位セル２Ｇを示す平面図である。この図１５に示すように、単位セル２Ｇは、集電板３０Ｇと、シール部材３２とを含み、集電板３０Ｇおよびシール部材３２を平面視すると、シール部材３２は集電板３０Ｇ内に位置している。

集電板３０Ｇは、張出部７０Ｇ，７１Ｇ，７２Ｇ，７３Ｇと近接部７４Ｇ，７５Ｇ，７６Ｇ，７７Ｇとを含み、張出部７０Ｇ，７１Ｇ，７２Ｇ，７３Ｇは近接部７４Ｇ，７５Ｇ，７６Ｇ，７７Ｇよりも外方に張り出している。

張出部７０Ｇと近接部７４Ｇとは、シール部材３２の側面４５と隣り合う位置に設けられており、張出部７０Ｇは近接部７４Ｇよりも側面４７側に位置している。

張出部７１Ｇと近接部７５Ｇとは、側面４６と隣り合う位置に設けられており、張出部７１Ｇは、近接部７５Ｇよりも側面４８側に位置している。

張出部７２Ｇと近接部７６Ｇとは、シール部材３２の側面４７と隣り合う位置に設けられており、張出部７２Ｇは近接部７６Ｇよりも側面４６側に位置している。

張出部７３Ｇと近接部７７Ｇは、シール部材３２の側面４８と隣り合う位置に設けられており、張出部７３Ｇは近接部７７Ｇよりも側面４５側に位置している。

図１６は、単位セル２Ｈを示す平面図である。この図１６に示すように、単位セル２Ｈは、集電板３０Ｈと、シール部材３２とを含む。

集電板３０Ｈは、張出部７０Ｈ，７１Ｈ，７２Ｈ，７３Ｈと、近接部７４Ｈ，７５Ｈ，７６Ｈ，７７Ｈとを含み、張出部７０Ｈ，７１Ｈ，７２Ｈ，７３Ｈは、近接部７４Ｈ，７５Ｈ，７６Ｈ，７７Ｈよりもシール部材３２から大きく外方に張り出している。張出部７０Ｈおよび近接部７４Ｈは、側面４５と隣り合うように配置されており、張出部７０Ｈは、近接部７４Ｈよりも側面４８に近い位置に配置されている。

張出部７１Ｈおよび近接部７５Ｈは、側面４６と隣り合う位置に設けられており、張出部７１Ｈは近接部７５Ｈよりも側面４７側に位置している。張出部７２Ｈおよび近接部７６Ｈは、側面４７と隣り合う位置に設けられており、張出部７２Ｈは、近接部７６Ｈよりも側面４５に近い位置に設けられている。

そして、図１４に示すように、単位セル２Ｇおよび単位セル２Ｈを平面視すると、単位セル２Ｇの張出部７０Ｇ，７１Ｇ，７２Ｇ，７３Ｇと、張出部７０Ｈ，７１Ｈ，７２Ｈ，７３Ｈとは水平方向にずれている。このため、張出部７０Ｇ，７１Ｇ，７２Ｇ，７３Ｇと、張出部７０Ｈ，７１Ｈ，７２Ｈ，７３Ｈとが接触することが抑制されている。
（実施の形態４）
図１７などを用いて、実施の形態４に係るバイポーラ電池１Ｃについて説明する。図１７は、実施の形態４に係るバイポーラ電池１Ｃを示す分解斜視図である。図１７に示すように、バイポーラ電池１Ｃは、積層体３Ｃと、積層体３Ｃを拘束する拘束具４とを含む。積層体３は、複数の単位セル６Ａ〜６Ｈを含む。

図１８は、単位セル６Ａを示す斜視図である。この図１８に示すように、単位セル６Ａは、略円板状の集電板８０と、この集電板８０の上面に配置された電池セル８１と、電池セル８１の周囲を取り囲むように形成された円環状のシール部材８２とを含む。シール部材８２は、樹脂枠８３と、樹脂枠８３の内側に配置された樹脂枠８４と、樹脂枠８３および樹脂枠８４の間に配置されたガスケット８５とを含む。そして、集電板８０の外周縁部は、シール部材８２よりも外側に位置している。

集電板８０は、シール部材８２に沿って延びる近接部８６Ａと、近接部８６Ａよりも外方に張り出す張出部８７Ａとを含む。

なお、図１７に示すように、他の単位セル６Ｂ〜６Ｈは、集電板８０Ｂ〜８０Ｈを含み、各集電板８０Ｂ〜８０Ｈに、張出部８７Ｂ〜８７Ｈを含む。

図１９は、積層体３Ｃを示す平面図である。具体的には、積層方向Ｄ１に離れた位置から積層体３Ｃを平面視したときの平面図である。この図１９に示すように、各張出部８７Ａ〜８７Ｈは、互いに水平方向にずれている。なお、図１７などに示す単位セル６の数は、分かり易さの観点から適宜設定されたものであり、単位セル６の数としては、図１７に示す例に限られない。このため、本実施の形態４に係るバイポーラ電池１Ｃにおいても、積層方向Ｄ１に隣り合う張出部同士が接触することが抑制されている。

なお、上記の各実施の形態において、各集電板のうちシール部材から露出する部分を絶縁部材で覆うようにしてもよい。たとえば、露出部分に絶縁テープを貼り付けたり、絶縁コーキングを施したり、絶縁物を溶射して塗布することが考えられる。また、集電板の外周縁部にシール性のある拘束部を設けるようにしてもよい。また、集電板の全外周縁部に上記のような絶縁処理を施す場合に限られず、複数の辺部のうち一部の辺部に施すようにしてもよい。なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本明細書に記載されたバイポーラ電池は、たとえば、車両や電気機器の電源に利用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ バイポーラ電池、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ，６Ａ，６Ｂ，６Ｈ 単位セル、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 積層体、４ 拘束具、５，５Ｂ ユニット、１０ 車両、１１ バッテリユニット、１２ バッテリケース、１３ ファン、２０，２１ 拘束板、２２ 連結軸、２３，２４ ボルト、３０，８０ 集電板、３１ 単位電池、３２，８２ シール部材、３３ 上面、３４ 下面、３５ 正極、３６ セパレータ、３７ 負極、３８，３９ 絶縁処理部、４０，４１ 樹脂枠、４２ ガスケット、４３ 溝部、４４ 空間、４５，４６，４７，４８ 側面、５０，５１，５６，５７ 近接部分、５２，５３ 張出部分、５４，５５，６０Ｃ，６０Ｄ，６０Ｅ，６０Ｆ，７０Ｇ，７０Ｈ，７１Ｇ，７１Ｈ，７２Ｇ，７２Ｈ，７３Ｇ，７３Ｈ，８７Ａ，８７Ｂ，８７Ｈ 張出部、６１Ｃ，６１Ｅ，６１Ｆ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅ，６３Ｃ，６３Ｄ，６３Ｆ，６４Ｄ，６４Ｅ，６４Ｆ，７４Ｇ，７４Ｈ，７５Ｇ，７５Ｈ，７６Ｇ，７６Ｈ，７７Ｇ，７７Ｈ，８６Ａ 近接部、８１ 電池セル、Ｄ１ 積層方向。

Claims (1)

1. 複数の単位セルが積層方向に積層されたバイポーラ電池であって、
   各単位セルは、厚さ方向に配列する第１主表面および第２主表面を含む集電板と、
   前記第１主表面に配置された単位電池と、
   前記第１主表面に設けられると共に前記単位電池の周囲を取り囲むように形成されたシール部材とを含み、
   前記集電板は、前記シール部材に沿って延びる複数の近接部分と、前記近接部分よりも前記シール部材から外方向に張り出す複数の張出部分とを含み、
   前記積層方向から離れた位置から前記バイポーラ電池を視ると、前記積層方向に隣り合う前記集電板の前記張出部分は互いにずれるように配置され、前記シール部材は、方形形状に形成されており、
   前記シール部材は、第１方向に配列する第１側面および第２側面と、第２方向に配列する第３側面および第４側面を含み、
   前記複数の張出部分は、前記第１側面の一端から他端に亘って延びると共に前記第１側面から外方に張り出すように形成された第１張出部分と、前記第２側面の一端から他端に亘って延びると共に前記第２側面から外方に張り出すように形成された第２張出部分とを含み、
   前記複数の近接部分は、前記第３側面の一端から他端に亘って前記第３側面に沿って延びるように形成された第１近接部分と、前記第４側面の一端から他端に亘って前記第４側面に沿って延びるように形成された第２近接部分とを含む、バイポーラ電池。

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