JP6721053B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置及び蓄電装置の製造方法に関する。
従来、バイポーラ型の電極を備えた蓄電装置が知られている。例えば特許文献1に開示されている電池は、集電体の一方の面に電気的に結合した正極層が形成され、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極層が形成された複数の電極を有する。この電極は、電解質層を介して積層されて発電要素を形成する。電解質層からの電解液の漏れによる液絡を防止する目的で、電池の外周部にはシール部が配置されている。
特開2010−212092号公報
一般に、バイポーラ型の電極が積層方向に積層された構造を有する電池では、積層方向に互いに隣り合って配置される電極同士が接触し、短絡する虞がある。そのため、例えば、特許文献1に開示された電池では、隣接する電極間をシール部が絶縁することによって短絡を防止している。
しかしながら、特許文献1に開示されたシール部は、そもそも電解液の漏れ防止を目的としており、積層方向に所定量だけ押圧される。この場合、積層体としての高さを均一に保つために、一個毎のシール部の潰し量を厳しく設定する必要があり、交差設計がシビアになる。そのため、部材に対する精度要求が高くなり、製造コストの増加につながる。
本発明の一側面は、電極同士の短絡を安価に抑制することができる蓄電装置及び蓄電装置の製造方法を提供することを目的とする。
一側面の蓄電装置は、集電板の一方面に正極層が設けられるとともに集電板の他方面に負極層が設けられた複数の電極がセパレータを介して積層された蓄電装置であって、積層方向に隣り合うそれぞれの集電板同士の間において、集電板の周縁に沿って配置された複数のスペーサと、複数のスペーサの外周を被覆する樹脂枠と、を有する。
このような蓄電装置では、積層方向に隣り合うそれぞれの集電板同士の間に配置された複数のスペーサによって、集電板同士の短絡が抑制されている。また、複数のスペーサの外周を被覆する樹脂枠によって、積層された複数の電極の周縁が液密に形成され、電解液の漏れが防止される。このような構成では、潰し量などを考慮する必要がないため、各部材の精度要求が高くなることがない。したがって、電極同士の短絡を安価に抑制することができる。
また、一側面においては、スペーサと樹脂枠とが同じ材料によって形成されていてもよい。また、一側面においては、スペーサと樹脂枠とが異なる材料によって形成されていてもよい。例えば、スペーサと樹脂枠とを溶着等によって一体化させたい場合には、スペーサと樹脂枠とを同じ材料によって形成するとよい。
また、一側面においては、集電板の外周はスペーサ内に配置されていてもよい。このような構成によれば、スペーサと集電板との間を液密に形成することができる。
また、一側面においては、集電板の外周は樹脂枠内に配置されていてもよい。このような構成によれば、樹脂枠と集電板との間をより確実に液密に形成することができる。
また、一側面においては、スペーサの外周は、樹脂枠に向かって凸形状をなしていてもよい。このような構成によって、互いに隣り合う集電板同士が接触することを、より一層抑制することができる。
また、一側面においては、スペーサの外周の先端は、集電板の外周よりも外側の位置まで延在していてもよい。このような構成によって、互いに隣り合う集電板同士が接触することを確実に抑制することができる。
また、一側面においては、樹脂枠の内周面は、スペーサの外周の凸形状に対応した凹形状をなしていてもよい。このような構成によって、スペーサと樹脂枠とを容易に密着させることができる。
また、一側面においては、集電板の周縁には、外周から連続する切り込みが形成されていてもよい。切り込みによって、集電板の周縁が動きやすくなるため、シワ等の発生を抑制することができる。
また、一側面においては、スペーサは、積層方向から見て樹脂枠と重なる第1部分と、積層方向から見て樹脂枠よりも内側に延在する第2部分と、を有し、第1部分は、樹脂枠に接合されており、第2部分は、集電板に接合されていてもよい。集電板に接合される第2部分によって集電板の剛性を向上させることができるため、内圧等の外力による蓄電装置の変形を抑制することができる。
また、一側面においては、第2部分は、積層方向から見て正極層及び負極層のいずれにも重なっておらず、第2部分は、積層方向から見てセパレータと重なる部分を有してもよい。このような構成によれば、スペーサとセパレータとが重なる領域を適切に確保できるため、集電板同士の短絡を効果的に抑制することができる。
また、一側面においては、スペーサと樹脂枠とが同じ材料によって形成されてもよい。例えば、スペーサと樹脂枠とを溶着等によって一体化させる場合に、スペーサと樹脂枠とを同じ材料によって形成するのが好適である。
また、一側面においては、スペーサは、積層方向から見て枠状に形成されてもよい。このような構成によれば、スペーサの形状を単純化できる。
また、一側面においては、積層方向に隣り合うスペーサの端部同士を連結する連結部を更に有してもよい。このような構成によれば、連結部が設けられていることにより、スペーサの反り返りを抑制できる。その結果、複数の電極の積層ずれの発生を効果的に抑制することができる。
また、一側面においては、集電板の前記積層方向に交差する方向を向く端面からのスペーサの飛び出し量は、スペーサの積層方向の厚み以上であってもよい。このような構成によれば、樹脂枠を形成する際の工法的な制約を緩和することができる。例えば、上述のような一定以上の飛び出し量を有するスペーサの飛び出し部分(すなわち第1部分)により、樹脂枠をスペーサに対して熱板溶着により接合することが容易となる。
また、一側面においては、樹脂枠は、射出成形によって形成されてもよい。また、一側面においては、樹脂枠は、スペーサに対する熱板溶着によって形成されてもよい。このような構成によれば、樹脂枠により、積層された複数の電極の周縁を液密に形成することができ、電解液の漏れを防止できる。
また、一側面の蓄電装置の製造方法は、集電板の一方面に正極層が設けられるとともに集電板の他方面に負極層が設けられた電極における集電板の周縁にスペーサを固定する工程と、スペーサが固定された複数の電極を積層する工程と、積層した複数の電極に固定されたスペーサの外周を被覆するように、射出成形又はスペーサに対する熱板溶着によって樹脂枠を形成する工程と、を含む。
このような蓄電装置の製造方法によれば、集電板の周縁にスペーサを固定してから電極を積層することによって、積層方向に隣り合う集電板同士の間にそれぞれスペーサが配置される。このスペーサによって、集電板同士の短絡が抑制される。また、複数のスペーサの外周を一括で被覆する樹脂枠によって、積層された複数の電極の周縁が液密に形成され、電解液の漏れが防止される。樹脂枠は、射出成形又はスペーサに対する熱板溶着によって形成されるため、簡便に製造され得る。したがって、電極同士の短絡を安価に抑制することができる。
また、一側面においては、上記製造方法は、樹脂枠を形成する工程よりも前に、積層方向に隣り合うスペーサの端部同士を連結する工程を更に含んでもよい。この構成によれば、スペーサの反り返りが抑制された状態で、樹脂枠を形成することができる。その結果、複数の電極の積層ずれを抑制することができる。
一側面の蓄電装置及び蓄電装置の製造方法によれば、電極同士の短絡を安価に抑制することができる。
第1実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 バイポーラ電極を模式的に示す平面図である。 蓄電装置の製造工程を示す図である。 蓄電装置の製造工程を示す図である。 第2実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 第3実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。 図6の蓄電装置を構成する蓄電モジュールを模式的に示す断面図である。 図7のVIII−VIII線に沿った断面図である。 第1シール部に対する第2シール部の熱板溶着を説明するための図である。 連結部の例を模式的に示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
[第1実施形態]
図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を模式的に示す断面図である。図2は、蓄電装置に用いられるバイポーラ電極を模式的に示す平面図である。図1に示される蓄電装置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。
図1に示すように、蓄電装置1は、複数のバイポーラ電極10と、枠体20と、一対の拘束プレート30A,30Bとを備える。バイポーラ電極10は、集電板11と、集電板11の一方面11aに設けられた正極層13と、集電板11の他方面(集電板11における一方面11aとは反対側の面)11bに設けられた負極層15とを有している。集電板11は、例えばニッケルからなる金属箔であり、図2に示すように平面視矩形をなす。集電板11の厚さは、例えば0.1μm〜1000μm程度となっている。正極層13を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケル等が挙げられる。負極層15を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金等が挙げられる。
図2に示すように、集電板11の周縁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いる。集電板11の他方面11bにおける負極層15の形成領域は、集電板11の一方面11aにおける正極層13の形成領域に対して一回り大きくてもよい。集電板11の周縁11cには、外周11dから連続する切り込み11eが形成されている。本実施形態では、集電板11の4つの角に切り込み11eが形成されている。切り込み11eは、角の頂点から未塗工領域の内側の位置まで形成されており、負極層15までは到達していない。
複数のバイポーラ電極10は、セパレータ17を介して積層されている。複数のバイポーラ電極10が積層された状態において、一のバイポーラ電極10の正極層13は、積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極10の負極層15とセパレータ17を介して対向し、一のバイポーラ電極10の負極層15は、積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極10の正極層13とセパレータ17を介して対向している。本実施形態では、各バイポーラ電極10の他方面11bに設けられた負極層15がシート状のセパレータ17によって被覆されている。そのため、積層方向に対して同じ向きになるように複数のバイポーラ電極10を積層することによって、隣り合うバイポーラ電極10の正極層13と負極層15との間にセパレータ17が配置される。
セパレータ17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17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。
積層されたバイポーラ電極10の一方の積層端(図1における上側の積層端)には、片面に正極層13のみが設けられた集電板18が積層されている。この集電板18の正極層13は、最上層のバイポーラ電極10の負極層15に対してセパレータ17を介して対向している。また、積層されたバイポーラ電極10の他方の積層端(図1における下側の積層端)には、負極層15のみが設けられた集電板19が積層されている。この負極層15はセパレータ17によって被覆されている。この集電板19の負極層15は、最下層のバイポーラ電極10の正極層13に対してセパレータ17を介して対向している。集電板18,19は、集電板11と同様に、例えばニッケルからなる金属箔であり、平面視矩形をなしている。
集電板11の周縁11cは、枠体20の内壁に埋没した状態で枠体20に保持されている。これにより、積層方向に隣り合う集電板11,11間には、当該集電板11,11と枠体20の内壁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。
集電板18,19の周縁18c,19cは、バイポーラ電極10の集電板11と同様に、枠体20の内壁に埋没した状態で枠体20に保持されている。なお、集電板18,19は、バイポーラ電極10の集電板11に比べて厚く形成されていてもよい。
枠体20は、複数のスペーサ21と、樹脂枠25とによって形成されており、矩形の筒状をなしている。本実施形態では、複数のスペーサ21によって枠体20の内壁が形成され、樹脂枠25によって枠体20の外壁が形成されている。
スペーサ21は、絶縁性の樹脂によって形成されており、矩形枠状をなしている。スペーサ21の内周21aは、バイポーラ電極10の集電板11の外周11dよりも内側に位置し、スペーサ21の外周21bは集電板11の外周11dよりも外側に位置している。スペーサ21は、バイポーラ電極10の積層方向に所定の厚みを有している。スペーサ21の厚みは、バイポーラ電極10の厚みとセパレータの厚みとの和と略同じであり、例えば0.1〜0.5mmである。スペーサ21は、バイポーラ電極10の集電板11の周縁11cを保持している。すなわち、集電板11の外周11dはスペーサ21内に配置されている。本実施形態では、スペーサ21の厚さ方向の中央に集電板11の周縁11cが配置されている。例えば、集電板11の周縁11cとスペーサ21とは熱圧着等によって接合されている。複数のバイポーラ電極10が積層された状態では、複数のスペーサ21も積層された状態となっている。この状態では、積層方向に隣り合うバイポーラ電極10,10同士の間に、一方のバイポーラ電極10を保持するスペーサ21の一部(他方のバイポーラ電極10側に面する部分)と、他方のバイポーラ電極10を保持するスペーサ21の一部(一方のバイポーラ電極10側に面する部分)とが配置される。
集電板18,19の周縁18c,19cは、バイポーラ電極10の集電板11と同様に、スペーサ21によって保持されている。集電板18と集電板18に隣り合う集電板11との間には、集電板18を保持するスペーサ21の一部と、当該集電板11を保持するスペーサ21の一部とが配置されている。また、集電板19及び集電板19に隣り合う集電板11との間には、集電板19を保持するスペーサ21の一部と、当該バイポーラ電極10を保持するスペーサ21の一部とが配置されている。
樹脂枠25は、矩形の筒状をなしており、複数のスペーサ21の外周を一括で被覆している。複数のスペーサ21と樹脂枠25とは、例えば溶着等によって一体化している。樹脂枠25を構成する樹脂は、スペーサ21を構成する樹脂と同じであってよい。このような樹脂としては、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)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)などが挙げられる。
一対の拘束プレート30A,30Bは、複数のバイポーラ電極10と、集電板18,19とを積層方向に拘束する。また、一対の拘束プレート30A,30Bは、枠体20も拘束する。一方の拘束プレート30Aには正極端子33が接続される。他方の拘束プレート30Bには負極端子35が接続される。正極端子33及び負極端子35により蓄電装置1の充放電を行うことができる。
拘束プレート30A,30Bには、積層方向に延びるボルト36を貫通するための貫通孔37が設けられる。ボルト36は拘束プレート30Aから拘束プレート30Bに向かって挿通される。ボルト36の先端にはナット38が螺合される。これにより、拘束プレート30A及び拘束プレート30Bは、セパレータ17を含む複数のバイポーラ電極10、集電板18、集電板19及び枠体20に対して、拘束荷重を付加する。その結果、枠体20内は密封される。
以下、上記した蓄電装置1の製造方法について説明する。
本実施形態における蓄電装置1の製造方法は、バイポーラ電極10における集電板11の周縁11cにスペーサ21を固定する第1工程と、スペーサ21が固定された複数のバイポーラ電極10を積層する第2工程と、積層したバイポーラ電極10に固定されたスペーサ21の外側に樹脂枠25を形成する第3工程と、を含む。
図3は、第1工程を示す図である。第1工程では、集電板11、正極層13及び負極層15を含むバイポーラ電極10にセパレータ17を固定する。そして、このバイポーラ電極10における集電板11の周縁11cにスペーサ21を固定する。図3の(a)に示されるように、本実施形態では、スペーサ21が厚さ方向に分割された矩形枠状の半スペーサ片22を用意する。半スペーサ片22の内周22aは、バイポーラ電極10の集電板11の外周11dよりも内側に位置し、半スペーサ片22の外周22bは集電板11の外周11dよりも外側に位置している。バイポーラ電極10の集電板11の一方面11a及び他方面11bにそれぞれ半スペーサ片22を配置し、一対の半スペーサ片22,22によって集電板11の周縁11cを挟持する。そして、図3の(b)に示されるように、一対の半スペーサ片22,22を加熱しながら加圧することによって、集電板11と一対の半スペーサ片22,22とを熱圧着するとともに、一対の半スペーサ片22,22同士を熱圧着する。これにより、バイポーラ電極10がスペーサ21によって保持される。
図4は、第2工程及び第3工程を示す図である。続いて、第2工程によって、スペーサ21が固定された複数のバイポーラ電極10を積層する。第2工程では、第1工程によってスペーサ21が固定された所定数のバイポーラ電極10を積層する。この場合、全てのバイポーラ電極10の正極層13及び負極層15の向きが同じになるように積層される。積層されたバイポーラ電極10の負極層15側の端部には、集電板18を配置する。また、積層されたバイポーラ電極10の正極層13側の端部には、集電板19を配置する。集電板18,19の周縁18c,19cには、バイポーラ電極10と同様にスペーサ21を固定している。
続く第3工程では、積層された複数のバイポーラ電極10及び集電板18,19を保持する複数のスペーサ21の外側に樹脂枠25を形成する。第3工程では、射出成型によって樹脂枠25を形成する。図4に示されるように、積層されたスペーサ21の外周に金型Kを固定し、金型K内に樹脂を注入する。本実施形態では、金型Kの内側にスペーサ21の外周21bが露出している。そのため、金型K内に注入された樹脂とスペーサ21の外周21bとが溶着し、一体化する。これにより、全てのスペーサ21の外周21bを一括で被覆する樹脂枠25が形成される。すなわち、スペーサ21と樹脂枠25とによって枠体20が形成される。そして、一対の拘束プレート30A,30Bを用いて、セパレータ17を含む複数のバイポーラ電極10、集電板18、集電板19及び枠体20を拘束することによって蓄電装置1を形成する。
上記した蓄電装置1では、積層方向に隣り合う集電板11同士の間にそれぞれ配置された複数のスペーサ21によって、集電板11同士が直接接触することが抑制され、短絡が防止されている。また、複数のスペーサ21の外周21bを一括で被覆する樹脂枠25によって、積層された複数の集電板11の外周11dが液密に形成され、電解液の漏れが防止される。従来技術では、隣接する電極間を絶縁するシール部の潰し量を厳しく設定する必要があったが、上記のような構成では、潰し量などを考慮する必要がないため、各部材の精度要求が高くなることがない。したがって、電極同士の短絡を安価に抑制することができる。
また、上記した蓄電装置1の製造方法によれば、集電板11の周縁11cにスペーサ21を固定してからバイポーラ電極10を積層する。これによって、積層方向に隣り合うそれぞれの集電板11同士の間にスペーサ21が配置される。例えば、スペーサ21が配置されない状態で、樹脂枠25を形成するための射出成型が行われると、隣り合う集電板11の周縁11c同士が、注入された樹脂によって移動する虞がある。この場合、移動した周縁11c同士が接触する虞がある。また、注入された樹脂が流動し、正極層13又は負極層15に至る虞がある。本実施形態では、樹脂の注入前に予めスペーサ21を配置することによって、集電板11同士の接触が抑制される。また、スペーサ21によって、樹脂の正極層13側及び負極層15側への進行を抑制している。また、樹脂枠25は射出成形によって形成されるため、簡便に製造され得る。したがって、電極同士の短絡を安価に抑制することができる。
また、スペーサ21と樹脂枠25とが同じ材料によって形成されているため、射出成形によって樹脂枠25を形成する工程において、スペーサ21と樹脂枠25とが溶着によって一体化する。これによって、電解液の漏れをより効果的に抑制できる。
また、集電板11の外周11dはスペーサ21内に配置されている。このような構成によれば、スペーサ21と集電板11との間を液密に形成することができる。
また、集電板11の周縁11cには、外周11dから連続する切り込み11eが形成されている。実施形態では、矩形をなす集電板11の4つの角に切り込み11eが形成されている。そのため、集電板11の周縁11cが辺に対応する4つの部分に分割され、当該4つの部分が互いに独立して動くことになる。そのため、スペーサ21の取付けの際などに、集電板11にシワ、よれ等が発生することが抑制される。
[第2実施形態]
本実施形態に係る蓄電装置では、主としてスペーサの形状が第1実施形態の蓄電装置1と相違している。以下、主として第1実施形態と相違する点について説明し、同一の要素や部材については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
図5は、本実施形態に係る蓄電装置を模式的に示す断面図である。図5に示すように、蓄電装置101は、複数のバイポーラ電極10と、枠体120と、一対の拘束プレート30A,30Bとを備える。
枠体120は、複数のスペーサ121と、樹脂枠125とによって形成されており、矩形の筒状をなしている。スペーサ121は、絶縁性の樹脂によって形成されており、矩形枠状をなしている。スペーサ121は、バイポーラ電極10の積層方向に所定の厚みを有している。スペーサ121の厚みは、第1実施形態同様、バイポーラ電極10の厚みと略同じである。スペーサ121の外周121bにおける厚さ方向の中央は、樹脂枠125に向かって凸形状をなしている。図示例では、スペーサ121の外周121bが、厚さ方向に中央になるにつれて樹脂枠125側に突出するように、傾斜している。スペーサ121の外周121bの先端は、集電板11の外周11dよりも外側の位置まで延在している。
スペーサ121は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極10の間に配置されている。また、スペーサ121は、バイポーラ電極10の集電板11の周縁11cに配置されている。すなわち、集電板11の周縁11cは、積層方向の一方側及び他方側に配置された一対のスペーサ121,121によって挟持されている。なお、図示されるように、集電板11の外周11dは、スペーサ121によって挟持されておらず、樹脂枠125側まで延在している。また、スペーサ121は、集電板18とバイポーラ電極10との間、及び、集電板19とバイポーラ電極10との間にも配置されている。
樹脂枠125は、矩形の筒状をなしており、複数のスペーサ121の外周121bを一括で被覆している。複数のスペーサ121と樹脂枠125とは、例えば溶着等によって一体化している。バイポーラ電極10における集電板11の外周11dは、樹脂枠125に埋設されている。また、集電板18,19の外周も樹脂枠125に埋設されている。樹脂枠125を構成する樹脂は、スペーサ121を構成する樹脂と同じであってよいし、異なっていてもよい。このような樹脂としては、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)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)などが挙げられる。
樹脂枠125は、第1実施形態の樹脂枠25と同様に、射出成形によって形成され得る。そのため、樹脂枠125の内周面は、スペーサ121の外周121bの凸形状に対応した凹形状をなしている。蓄電装置101は、セパレータ17を含む複数のバイポーラ電極10、集電板18、集電板19及び枠体120を拘束プレート30A,30Bによって拘束することによって製造される。
このような蓄電装置101では、第1実施形態の蓄電装置1と同様に、積層方向に隣り合う集電板11同士の間にそれぞれ配置された複数のスペーサ121によって、集電板11同士が直接接触することが抑制されている。また、複数のスペーサ121の外周121bを一括で被覆する樹脂枠125によって、積層された複数の集電板11の外周11dが液密に形成され、電解液の漏れが防止されている。特に、集電板11の外周11dは樹脂枠125内に配置されているので、樹脂枠125と集電板11との間をより確実に液密に形成することができる。
また、スペーサ121の外周121bは、樹脂枠125に向かって突出している。そして、スペーサ121の外周121bの先端は、集電板11の外周11dよりも外側の位置まで延在している。このような構成によって、互いに隣り合う集電板11,11同士が接触することを確実に防止することができる。
また、樹脂枠125の内周面は、スペーサ121の外周121bの凸形状に対応した凹形状をなしているため、スペーサ121と樹脂枠125とを容易に密着させることができる。
また、スペーサ121と樹脂枠125とが異なる材料によって形成されている場合であっても、集電板11の外周11dが樹脂枠125に埋設されているので、電解液の漏れ等を抑制することができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
例えば、第1実施形態では、集電板11の周縁11cがスペーサ21内に保持されている例を示したが、これに限定されない。例えば、集電板の一方面のみにスペーサを溶着させてユニット化し、これを積層させてもよい。
[第3実施形態]
図6〜図10を参照して、第3実施形態に係る蓄電装置201について説明する。図6に示される蓄電装置201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。蓄電装置201は、複数(本実施形態では3つ)の蓄電モジュール202を備えるが、単一の蓄電モジュール202を備えてもよい。蓄電モジュール202は、バイポーラ電池である。蓄電モジュール202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であるが、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、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202は、例えば金属板等の導電板203を介して積層され得る。蓄電モジュール202の積層方向D1(Z方向)から見て、蓄電モジュール202及び導電板203は例えば矩形形状を有する。導電板203は、積層方向D1において両端に位置する蓄電モジュール202の外側にもそれぞれ配置される。導電板203は、隣り合う蓄電モジュール202と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール202が積層方向D1に直列に接続される。積層方向D1において、一端に位置する導電板203には正極端子204が接続されている。他端に位置する導電板203には負極端子205が接続されている。正極端子204は、接続される導電板203と一体であってもよい。負極端子205は、接続される導電板203と一体であってもよい。正極端子204及び負極端子205は、積層方向D1に交差する方向(X方向)に延在している。これらの正極端子204及び負極端子205により、蓄電装置201の充放電を実施できる。
導電板203は、蓄電モジュール202において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板203の内部に設けられた複数の空隙203aを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール202からの熱を効率的に外部に放出できる。各空隙203aは例えば積層方向D1に交差する方向(Y方向)に延在する。積層方向D1から見て、導電板203は、蓄電モジュール202よりも小さいが、蓄電モジュール202と同じかそれより大きくてもよい。
蓄電装置201は、交互に積層された蓄電モジュール202及び導電板203を積層方向D1に拘束する拘束部材206を備え得る。拘束部材206は、一対の拘束プレート206A,206Bと、拘束プレート206A,206B同士を連結する連結部材(ボルト207及びナット208)とを備える。各拘束プレート206A,206Bと導電板203との間には、例えば樹脂フィルム等の絶縁フィルム209が配置される。各拘束プレート206A,206Bは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向D1から見て、各拘束プレート206A,206B及び絶縁フィルム209は例えば矩形形状を有する。絶縁フィルム209は導電板203よりも大きくなっている。各拘束プレート206A,206Bは、蓄電モジュール202よりも大きくなっている。積層方向D1から見て、拘束プレート206Aの縁部には、ボルト207の軸部を挿通させる挿通孔H1が蓄電モジュール202よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向D1から見て、拘束プレート206Bの縁部には、ボルト207の軸部を挿通させる挿通孔H2が蓄電モジュール202よりも外側となる位置に設けられている。積層方向D1から見て各拘束プレート206A,206Bが矩形形状を有している場合、挿通孔H1及び挿通孔H2は、拘束プレート206A,206Bの角部に位置する。
一方の拘束プレート206Aは、負極端子205に接続された導電板203に絶縁フィルム209を介して突き当てられている。他方の拘束プレート206Bは、正極端子204に接続された導電板203に絶縁フィルム209を介して突き当てられている。ボルト207は、例えば一方の拘束プレート206A側から他方の拘束プレート206B側に向かって挿通孔H1及び挿通孔H2に通される。他方の拘束プレート206Bから突出するボルト207の先端には、ナット208が螺合されている。これにより、絶縁フィルム209、導電板203及び蓄電モジュール202が挟持されてユニット化されると共に、積層方向D1に拘束荷重が付加される。
図7は、蓄電装置201を構成する蓄電モジュール202を模式的に示す断面図である。図8は、図7のVIII−VIII線に沿った断面図である。図7に示されるように、蓄電モジュール202は、複数のバイポーラ電極(電極)212が積層された積層体210を備える。バイポーラ電極212の積層方向D1から見て、積層体210は例えば矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極212間には、セパレータ220が配置され得る。
バイポーラ電極212は、電極板214(集電板)と、電極板214の一方面に設けられた正極216(正極層)と、電極板214の他方面に設けられた負極218(負極層)とを含む。積層体210において、一のバイポーラ電極212の正極216は、セパレータ220を挟んで積層方向D1に隣り合う一方のバイポーラ電極212の負極218と対向し、一のバイポーラ電極212の負極218は、セパレータ220を挟んで積層方向D1に隣り合う他方のバイポーラ電極212の正極216と対向している。
積層方向D1において、積層体210の一端には、内側面に負極218が配置された電極板214(負極側終端電極)が配置される。積層体210の他端には、内側面に正極216が配置された電極板214(正極側終端電極)が配置される。負極側終端電極の負極218は、セパレータ220を介して最上層のバイポーラ電極212の正極216と対向している。正極側終端電極の正極216は、セパレータ220を介して最下層のバイポーラ電極212の負極218と対向している。これら終端電極の電極板214は、それぞれ隣り合う導電板203(図6参照)に接続される。
蓄電モジュール202は、積層方向D1に延在する積層体210の側面を取り囲む枠体230を備える。枠体230は、電極板214の周縁部214aに接合された第1シール部240(スペーサ)と、積層方向D1から見て第1シール部240の周囲に設けられた第2シール部250(樹脂枠)と、を備え得る。
第1シール部240は、バイポーラ電極212毎に1つずつ設けられている。第1シール部240は、積層方向D1から見て枠状(本実施形態では矩形枠状)に形成されており、電極板214の周縁部の全周にわたって設けられている。第1シール部240は、積層方向D1から見て第2シール部250と重なる第1部分241と、積層方向D1から見て第2シール部250よりも内側に延在する第2部分242と、を有する。
第1部分241は、第1シール部240の外周側の部分であり、第2部分242の外側に連続して設けられている。第1部分241は、第2シール部250に埋設されるようにして、第2シール部250に接合されている。積層方向D1に隣り合う第1部分241の間には、第2シール部250が充填されている。第1部分241と第2シール部250とは、後述するように、例えば射出成形又は熱板溶着により接合されている。第1部分241の長さLは、第1部分241の積層方向D1の厚みT以上とされている(L≧T)。ここで、第1部分241の長さLは、電極板214の側端部214b(積層方向D1に交差する方向を向く端面)からの第1シール部240の飛び出し量に相当する。
第2部分242は、第1シール部240の内周側の部分である。第2部分242は、電極板214に接合されている。図7に示されるように、本実施形態では、第2部分242の積層方向D1における一方面と電極板214の正極216が設けられた側の側面の縁部とが、例えば溶着により接合されている。また、第2部分242は、積層方向D1から見て、正極216及び負極218のいずれにも重ならないように形成されている。すなわち、積層方向D1から見て、第1シール部240の内側面240a(すなわち、第2部分242の内側面)と正極216及び負極218との間に隙間が生じるように、第2部分242の積層方向D1に直交する方向における幅が調整されている。
第2部分242は、積層方向D1から見てセパレータ220と重なる部分を有する。本実施形態では、第2部分242の内側部分に、第1シール部240の他の部分よりも積層方向D1における厚みが小さい段差部243が形成されている。段差部243は、第2部分242の積層方向D1における他方面(電極板214に接合される面とは反対側の面)側に設けられている。段差部243には、セパレータ220の周縁部220aが配置される。すなわち、本実施形態では、段差部243が上述したセパレータ220と重なる部分に相当する。
なお、図7においては、段差部243の高さ(積層方向D1における長さ)はセパレータ220の高さと同一とされているが、段差部243の高さは、セパレータ220の高さよりも大きくてもよいし、セパレータ220の高さよりも小さくてもよい。また、第2部分242に段差部243を設けることは必須ではなく、セパレータ220は、第2部分242の少なくとも一部に重なって配置されていればよい。また、図7においては、一の電極板214に接合された第1シール部240と、当該一の電極板214の正極216側においてセパレータ220を挟んで隣り合う他の電極板214とは、離間している。しかし、当該第1シール部240と当該他の電極板214とが当接するように、第1シール部240の厚みTが設定されてもよい。
第2シール部250は、積層方向D1を軸方向として延在する筒状部材である。第2シール部250は、積層方向D1から見て、矩形枠状に形成されている(図8参照)。第2シール部250は、積層方向D1において積層体210の全長にわたって延在する(図7参照)。第2シール部250には、積層方向D1に配列された複数の第1シール部240の第1部分241が埋設されている。第2シール部250の内側面250aは、電極板214の側端部214bと当接している。積層方向D1に隣り合う電極板214,214間には、当該電極板214,214と、第1シール部240と、第2シール部250とによって気密に仕切られた内部空間が形成されている。当該内部空間には、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。
電極板214は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板214の側端部214bを含む周縁部214a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。正極216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218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214の他方面における負極218の形成領域は、電極板214の一方面における正極216の形成領域に対して一回り大きくなっている。
セパレータ220は、例えばシート状に形成されている。セパレータ220は、例えば矩形形状を有する。セパレータ220は、多孔性樹脂からなる。セパレータ220は、例えば、多孔性樹脂の一種である不織布からなる。セパレータ220を形成する材料としては、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220は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ220は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。
枠体230(第1シール部240及び第2シール部250)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)、又は変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)等が挙げられる。
次に、蓄電装置201(主に蓄電モジュール202)の製造方法について説明する。本実施形態における蓄電装置201の製造方法は、バイポーラ電極212における電極板214の周縁部214aに第1シール部240の第2部分242を固定する第1工程と、第1シール部240が固定された複数のバイポーラ電極212を積層する第2工程と、積層したバイポーラ電極212に固定された第1シール部240の外側に第2シール部250を形成する第3工程と、を含む。
第1工程では、正極216及び負極218が設けられた電極板214の周縁部214aに、第1シール部240の第2部分242が溶着等により固定される。そして、第2部分242に設けられた段差部243に、セパレータ220の周縁部220aが配置される。
第2工程では、第1工程によって第1シール部240が固定された複数のバイポーラ電極212が積層される。これにより、積層体210(図7参照)が形成される。ただし、第2工程が完了した時点では、第2シール部250は形成されていない。
第3工程では、第1シール部240の第1部分241(すなわち、積層方向D1から見て電極板214の側端部214bよりも外側に突出した部分)が第2シール部250に埋設されるように、第2シール部250が形成される。第2シール部250は、第1実施形態で説明した手法(図4参照)と同様の射出成形により形成されてもよい。あるいは、第2シール部250は、第1シール部240の第1部分241に対する熱板溶着により形成されてもよい。
図9は、第1シール部240に対する第2シール部250の熱板溶着について説明するための図である。ここでは一例として、積層方向D1から見て矩形枠状に形成される第2シール部250は、積層方向D1から見た矩形枠の各辺に対応する4つの板状部材251に分割されている。そして、1つの板状部材251は、積層方向D1から見て矩形枠状に形成された第1シール部240の1つの辺に対応する部分に対して、熱板溶着により溶着される。具体的には、図9に示されるように、表面が加熱されて溶融した板状部材251の溶融部分251aが、第1シール部240の外側面240bに対向する方向に、第1シール部240の第1部分241に対して押し当てられる。これにより、第1部分241は、溶融部分251aに埋設されるようにして、板状部材251に溶着される。このような熱板溶着が、第1シール部240の4辺のそれぞれに対して実行される。これにより、4つの板状部材251が、第1部分241に溶着されると共に、積層体210の周囲を取り囲むように矩形枠状に形成される。第1シール部240において、電極板214の側端部214bからの第1シール部240の飛び出し量(すなわち、第1部分241の長さL)が一定以上確保されている(L≧T)ことにより、上述の熱板溶着の作業が容易となっている。最後に、隣り合う板状部材251の端部同士を溶着等により接合することにより、第2シール部250が形成される。ただし、熱板溶着により第2シール部250を形成する手順は上記手順に限られない。例えば、第2シール部250は、積層方向D1から見た矩形枠の隣り合う2辺に対応するようにL字状に形成された2つの板状部材に分割されていてもよい。この場合、L字状に形成された各板状部材を、第1シール部240の隣り合う2辺に対応する部分に対して熱板溶着し、各板状部材の端部同士を溶着等により接合することにより、第2シール部250を形成することができる。
上述した第1〜第3工程により、1つの蓄電モジュール202(図7参照)が形成される。同様の工程により、複数(本実施形態では3つ)の蓄電モジュール202が用意される。その後、図6に示されるように、蓄電モジュール202、導電板203、及び絶縁フィルム209を拘束部材206によって拘束することにより、蓄電装置201が製造される。
以上述べた蓄電装置201では、第1シール部240(スペーサ)は、積層方向D1から見て第2シール部250(樹脂枠)と重なる第1部分241と、積層方向D1から見て第2シール部250よりも内側に延在する第2部分242と、を有する。第1部分241は、第2シール部250に接合されている。第2部分242は、電極板214(集電板)に接合されている。このような構成によれば、電極板214に接合される第2部分242によって電極板214の剛性を向上させることができるため、内圧等の外力による蓄電装置201の変形を抑制することができる。
また、第2部分242は、積層方向D1から見て正極216(正極層)及び負極218(負極層)のいずれにも重なっておらず、第2部分242は、積層方向D1から見てセパレータ220と重なる部分を有する。本実施形態では、第2部分242は、セパレータ220と重なる部分として、段差部243を有する。このような構成によれば、第1シール部240とセパレータ220とが重なる領域を適切に確保できるため、積層方向D1に隣り合う電極板214同士の短絡を効果的に抑制することができる。
また、第1シール部240と第2シール部250とは、同じ材料によって形成されてもよい。例えば、第1シール部240と第2シール部250とを上述したような溶着(射出成形又は熱板溶着等)によって一体化させる場合に、第1シール部240と第2シール部250とを同じ材料によって形成するのが好適である。
また、第1シール部240は、積層方向D1から見て枠状(本実施形態では矩形枠状)に形成されている。このような構成によれば、第1シール部240の形状を単純化できる。
また、電極板214の側端部214b(積層方向D1に交差する方向を向く端面)からの第1シール部240の飛び出し量(すなわち、第1部分241の長さL)は、第1シール部240の積層方向D1の厚みT以上である。このような構成によれば、第2シール部250を形成する際の工法的な制約を緩和することができる。上述した通り、一定以上の飛び出し量(長さL)を有する第1シール部240の飛び出し部分(すなわち第1部分241)により、第2シール部250を第1シール部240に対して熱板溶着により接合することが容易となる。
また、上述した通り、第2シール部250は、射出成形によって形成されてもよいし、第1シール部240に対する熱板溶着によって形成されてもよい。このような構成によれば、第2シール部250により、積層された複数のバイポーラ電極212の周縁を液密に形成することができ、電解液の漏れを防止できる。
[第3実施形態の変形例]
第3実施形態において、蓄電モジュール202は、積層方向D1に隣り合う第1シール部240の端部(周縁部)同士を連結する連結部260を更に有してもよい。図10は、連結部260(図10の破線で囲んだ部分)の例を模式的に示す図である。連結部260は、例えば隣り合う第1シール部240の外側面240b(図9参照)を加熱することで溶融部を形成し、隣り合う第1シール部240の各々に形成された溶融部同士を接合することにより形成され得る。このような連結部260を形成することにより、第1シール部240の周縁部の積層方向D1における反り返りを抑制できるため、複数のバイポーラ電極212の積層ずれの発生を効果的に抑制できる。
蓄電装置201の製造方法において、連結部260を形成する場合には、上述した第3工程の前に、積層方向D1に隣り合う第1シール部240の端部同士を連結する工程が実行される。当該工程では、例えば、上述したような加熱処理及び溶融部同士の接合処理が実行されることにより、連結部260が形成される。このような構成によれば、第1シール部240の周縁部の積層方向D1における反り返りが抑制された状態で、第3工程において第2シール部250を形成することができる。その結果、複数のバイポーラ電極212の積層ずれの発生を効果的に抑制することができる。
なお、隣り合う第1シール部240同士を連結する連結部260は、第1シール部240の周縁部の全周にわたって設けられるのではなく、第1シール部240の周縁部の一部に設けられてもよい。例えば、連結部260は、第1シール部240の周縁部において一定間隔毎に点状に設けられてもよい。また、図10の例では連結部260の内側面260aと電極板214の側端部214bとの間に隙間が空いているが、連結部260の内側面260aと電極板214の側端部214bとは当接してもよい。
1,101,201…蓄電装置、10,212…バイポーラ電極、11…集電板、13…正極層、15…負極層、17,220…セパレータ、21,121…スペーサ、25,125…樹脂枠、202…蓄電モジュール、214…電極板(集電板)、216…正極(正極層)、218…負極(負極層)、230…枠体、240…第1シール部(スペーサ)、241…第1部分、242…第2部分、250…第2シール部(樹脂枠)、260…連結部。

Claims (14)

  1. 集電板の一方面に正極層が設けられるとともに前記集電板の他方面に負極層が設けられた複数の電極がセパレータを介して積層された蓄電装置であって、
    積層方向に隣り合うそれぞれの前記集電板同士の間において、前記集電板の周縁に沿って配置された複数のスペーサと、
    前記複数のスペーサの外周を被覆する樹脂枠と、
    を有し、
    前記スペーサは、前記積層方向から見て前記樹脂枠と重なる第1部分と、前記積層方向から見て前記樹脂枠よりも内側に延在する第2部分と、を有し、
    前記第1部分は、前記樹脂枠に接合されており、
    前記第2部分は、前記集電板に接合されている、蓄電装置。
  2. 前記第2部分は、前記積層方向から見て前記正極層及び前記負極層のいずれにも重なっておらず、
    前記第2部分は、前記積層方向から見て前記セパレータと重なる部分を有する、
    請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記スペーサと前記樹脂枠とが同じ材料によって形成されている、
    請求項1又は2に記載の蓄電装置。
  4. 前記スペーサは、前記積層方向から見て枠状に形成されている、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  5. 前記積層方向に隣り合う前記スペーサの端部同士を連結する連結部を更に有する、
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  6. 前記集電板の前記積層方向に交差する方向を向く端面からの前記スペーサの飛び出し量は、前記スペーサの前記積層方向の厚み以上である、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  7. 集電板の一方面に正極層が設けられるとともに前記集電板の他方面に負極層が設けられた複数の電極がセパレータを介して積層された蓄電装置であって、
    積層方向に隣り合うそれぞれの前記集電板同士の間において、前記集電板の周縁に沿って配置された複数のスペーサと、
    前記複数のスペーサの外周を被覆する樹脂枠と、
    を有し、
    前記集電板の外周は前記樹脂枠内に配置されており、
    前記スペーサの外周は、前記樹脂枠に向かって凸形状をなしている、蓄電装置。
  8. 前記スペーサと前記樹脂枠とが同じ材料によって形成されている、
    請求項に記載の蓄電装置。
  9. 前記スペーサと前記樹脂枠とが異なる材料によって形成されている、
    請求項に記載の蓄電装置。
  10. 前記スペーサの外周の先端は、前記集電板の外周よりも外側の位置まで延在している、
    請求項7〜9のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  11. 前記樹脂枠の内周面は、前記スペーサの外周の前記凸形状に対応した凹形状をなしている、
    請求項7〜10のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  12. 前記集電板の周縁には、外周から連続する切り込みが形成されている、
    請求項7〜11のいずれか一項に記載の蓄電装置。
  13. 集電板の一方面に正極層が設けられるとともに前記集電板の他方面に負極層が設けられた電極における前記集電板の周縁にスペーサを固定する工程と、
    前記スペーサが固定された複数の前記電極を積層する工程と、
    積層した複数の前記電極に固定された前記スペーサの外周を被覆するように、射出成形又は前記スペーサに対する熱板溶着によって樹脂枠を形成する工程と、を含む、
    蓄電装置の製造方法。
  14. 前記樹脂枠を形成する工程よりも前に、隣り合う前記スペーサの端部同士を連結する工程を更に含む、
    請求項13に記載の蓄電装置の製造方法。
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