JP6926509B2

JP6926509B2 - 蓄電装置

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Publication number: JP6926509B2
Application number: JP2017025986A
Authority: JP
Inventors: 晶小島
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: JP2018133197A

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置として、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（例えば特許文献１参照）。バイポーラ電極とは、集電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電極である。かかる蓄電電池は、例えば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。積層体において、バイポーラ電極の積層によって形成される側面には、例えば射出成形によって樹脂製の封止体が設けられる。この封止体により、各バイポーラ電極の電極板の縁部が保持され、バイポーラ電極間の封止がなされている。

特開２００６−１２８０３８号公報

上述したような蓄電装置においては、信頼性の向上の観点から、バイポーラ電極間の封止性を高めることが求められる。これは、バイポーラ電極間の封止性が、電解液の染み出しによる液絡（短絡）を抑制し、液絡による電圧低下を防止することに寄与するためである。

そこで、本発明は、バイポーラ電極間の封止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、一方面側及び他方面側に極性の異なる電極がそれぞれ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積層してなる電極積層体と、バイポーラ電極の縁部を包囲するように電極積層体の側面に設けられた封止体と、を備え、バイポーラ電極において、電極板の縁部には、一方面及び他方面の少なくとも一方から突出した突出部が設けられ、突出部が封止体に埋没した状態で、バイポーラ電極の縁部に封止体が結合されている。

この蓄電装置では、バイポーラ電極における電極板の縁部に、一方面及び他方面の少なくとも一方から突出した突出部が設けられている。そして、当該突出部が封止体に埋没した状態で、バイポーラ電極の縁部に封止体が結合されている。このような構成により、バイポーラ電極と封止体とを強固に結合でき、バイポーラ電極間の封止性を向上できる。

電極板において、一方面と封止体との接触面は、粗化面となっており、突出部は、一方面から突出するように設けられていてもよい。この場合、突出部を封止体に埋没させることに加えて、粗化面においてバイポーラ電極と封止体とを結合することで、バイポーラ電極と封止体とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極間の封止性を一層向上できる。

電極板において、一方面と封止体との接触面は、粗化面となっており、突出部は、他方面から突出するように設けられていてもよい。この場合、突出部を封止体に埋没させることに加えて、粗化面においてバイポーラ電極と封止体とを結合することで、バイポーラ電極と封止体とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極間の封止性を一層向上できる。

突出部は、一方面及び他方面のそれぞれから突出するように設けられていてもよい。この場合、バイポーラ電極の一方面及び他方面のそれぞれと封止体とを強固に結合でき、バイポーラ電極間の封止性を一層向上できる。

電極板において、一方面と封止体との接触面、及び他方面と封止体との接触面の少なくとも一方は、粗化面となっていてもよい。この場合、突出部を封止体に埋没させることに加えて、粗化面においてバイポーラ電極と封止体とを結合することで、バイポーラ電極と封止体とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極間の封止性をより一層向上できる。

突出部の突出方向が電極板側に傾いていてもよい。この場合、仮にバイポーラ電極と封止体との間に電極板の中央側から突出部に向かって電解液が進入したとしても、当該電解液が突出部を乗り越え難くなるため、バイポーラ電極間の封止性をより一層向上できる。

本発明によれば、バイポーラ電極間の封止性を向上できる蓄電装置を提供できる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１の蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。図２の一部を拡大して示す概略断面図である。第１変形例を示す概略断面図である。（ａ）は、第２変形例を示す概略断面図であり、（ｂ）は、第３変形例を示す概略断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置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。蓄電装置１は、複数の蓄電モジュール４を積層してなる蓄電モジュール積層体２と、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束荷重を付加する拘束部材３とを備えて構成されている。

蓄電モジュール積層体２は、複数（本実施形態では３体）の蓄電モジュール４と、蓄電モジュール４，４間に配置された複数の導電板５とによって構成されている。蓄電モジュール４は、例えば後述するバイポーラ電極１４を備えたバイポーラ電池であり、積層方向から見て矩形状をなしている。蓄電モジュール４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、或いは電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

積層方向に隣り合う蓄電モジュール４，４同士は、導電板５を介して電気的に接続されている。導電板５は、積層端に位置する蓄電モジュール４の外側にもそれぞれ配置されている。積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された一方の導電板５には、正極端子６が接続されている。また、積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された他方の導電板５には、負極端子７が接続されている。正極端子６及び負極端子７は、例えば導電板５の縁部から積層方向に交差する方向に引き出されている。正極端子６及び負極端子７により、蓄電装置１の充放電が実施される。

各導電板５の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路５ａが設けられている。各流路５ａは、例えば積層方向と、正極端子６及び負極端子７の引き出し方向とにそれぞれ直交する方向に互いに平行に延在している。これらの流路５ａに冷媒を流通させることで、導電板５は、蓄電モジュール４，４同士を電気的に接続する接続部材としての機能のほか、蓄電モジュール４で発生した熱を放熱する放熱板としての機能を併せ持つ。なお、図１の例では、積層方向から見た導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール４の面積よりも大きくてもよい。

拘束部材３は、蓄電モジュール積層体２を積層方向に挟む一対のエンドプレート８，８と、エンドプレート８，８同士を締結する締結ボルト９及びナット１０とによって構成されている。エンドプレート８は、積層方向から見た蓄電モジュール４及び導電板５の面積よりも一回り大きい面積を有する矩形の金属板である。エンドプレート８の内側面（蓄電モジュール積層体２側の面）には、電気絶縁性を有するフィルムＦが設けられている。フィルムＦにより、エンドプレート８と導電板５との間が絶縁されている。

エンドプレート８の縁部には、蓄電モジュール積層体２よりも外側となる位置に挿通孔８ａが設けられている。締結ボルト９は、一方のエンドプレート８の挿通孔８ａから他方のエンドプレート８の挿通孔８ａに向かって通され、他方のエンドプレート８の挿通孔８ａから突出した締結ボルト９の先端部分には、ナット１０が螺合されている。これにより、蓄電モジュール４及び導電板５がエンドプレート８，８によって挟持されて蓄電モジュール積層体２としてユニット化されると共に、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束荷重が付加される。

次に、蓄電モジュール４の構成について更に詳細に説明する。図２は、蓄電モジュール４の内部構成を示す概略断面図である。同図に示すように、蓄電モジュール４は、電極積層体１１と、電極積層体１１を封止する封止体１２とを備えて構成されている。

電極積層体１１は、セパレータ１３を介して複数のバイポーラ電極１４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１４は、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、かつ他方面１５ｂ側に負極１７が形成された電極板１５からなる電極である。電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の正極１６は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。また、電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の負極１７は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。

また、電極積層体１１の積層端の一方には、負極終端電極１８が配置され、電極積層体１１の積層端の他方には、正極終端電極１９が配置されている。負極終端電極１８は、内面側（積層方向の中心側）に負極１７が形成された電極板１５であり、正極終端電極１９は、内面側（積層方向の中心側）に正極１６が形成された電極板１５である。負極終端電極１８の負極１７は、セパレータ１３を介して積層端の一方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。正極終端電極１９の正極１６は、セパレータ１３を介して積層端の他方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。負極終端電極１８の電極板１５及び正極終端電極１９の電極板１５は、蓄電モジュール４に隣接する導電板５（図１参照）に対して電気的に接続される。

電極板１５は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板１５の縁部（バイポーラ電極１４の縁部）１５ｃ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おり、当該未塗工領域は、封止体１２に埋没して保持されている。正極１６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。また、負極１７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。本実施形態では、電極板１５の他方面１５ｂにおける負極１７の形成領域は、電極板１５の一方面１５ａにおける正極１６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１３は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１３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、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１３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１３は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

封止体１２は、例えば絶縁性の樹脂によって矩形の筒状に形成されている。封止体１２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）などが挙げられる。封止体１２は、バイポーラ電極１４の積層によって形成される電極積層体１１の側面１１ａを取り囲むように構成されている。

封止体１２は、各バイポーラ電極１４の電極板１５の縁部１５ｃに沿って設けられた一次封止体２１と、それら一次封止体２１の全体を外側から包囲するように設けられた二次封止体２２とによって構成されている。一次封止体２１は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極板１５の一方面１５ａ側の縁部１５ｃ（未塗工領域）において、電極板１５の全ての辺にわたって連続的に設けられている。本実施形態では、一次封止体２１は、電極板１５の一方面１５ａ側から端面１５ｄ側に回り込むように設けられ、例えば溶着によって一方面１５ａ及び端面１５ｄに対して結合されている。

一次封止体２１において、端面１５ｄ側に回り込んだ部分の端面２１ａは、電極板１５の他方面１５ｂと面一になっており、端面２１ａとは反対側の端面２１ｂは、端面２１ａと平行な平坦面となっている（図３）。封止体１２において、一の一次封止体２１の端面２１ａは、積層方向に隣り合う一方の一次封止体２１の端面２１ｂに接触しており、一の一次封止体２１の端面２１ｂは、積層方向に隣り合う他方の一次封止体２１の端面２１ａに接触している。

一次封止体２１は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４間を封止するほか、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４の電極板１５，１５間のスペーサとして機能する。電極板１５，１５間には、一次封止体２１の電極板１５，１５間に位置する部分の厚さによって規定される内部空間Ｖが形成され、当該内部空間Ｖ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。

二次封止体２２は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極積層体１１における積層方向の全長にわたって延在している。二次封止体２２は、例えば射出成型時の熱により、一次封止体２１の外表面に溶着されている。封止体１２において、内部空間Ｖに収容された電解液は、積層方向に隣り合う一次封止体２１，２１間を通り得るが、一次封止体２１と二次封止体２２との溶着部分で封止されている。

続いて、図３を参照しつつ、バイポーラ電極１４と一次封止体２１との結合部分について更に詳細に説明する。バイポーラ電極１４においては、電極板１５の一方面１５ａの全面が粗化面１５ｅとなっており、これにより、一方面１５ａと一次封止体２１との接触面１５ｆが粗化面１５ｅとなっている。粗化面１５ｅには、溶着時における樹脂との結合を促進するための凹凸が形成されている。この凹凸は、例えば電極板１５の表面にエッチング加工や電解メッキ処理などを施すことにより形成される。

バイポーラ電極１４において、電極板１５の縁部１５ｃには、一方面１５ａから突出した突出部２３が設けられている。突出部２３は、例えば、電極板１５の外縁に沿って、電極板１５の全ての辺にわたって連続的に設けられている。本実施形態では、突出部２３は、一方面１５ａに略垂直な方向に突出しており、先端に向かって先細りとなる形状を有している。突出部２３の突出高さは、例えば粗化面１５ｅを構成する凸部の高さよりも高く、かつ一方面１５ａ上の正極１６の厚さよりも低くなっている。突出部２３は、例えばスリッタ又はレーザ切断装置等を用いて電極板１５を母材から切り出す際に電極板１５の縁部１５ｃに形成されるバリによって構成されている。この突出部２３が一次封止体２１に埋没した状態で（埋没するように）、バイポーラ電極１４における電極板１５の縁部１５ｃに一次封止体２１が結合されている。これにより、突出部２３がアンカーとなり、一次封止体２１と電極板１５との間の結合強度が高められている。

以上説明したように、蓄電装置１では、バイポーラ電極１４における電極板１５の縁部１５ｃに、一方面１５ａから突出した突出部２３が設けられている。そして、当該突出部２３が封止体１２に埋没した状態で、電極板１５の縁部１５ｃに封止体１２が結合されている。このような構成により、バイポーラ電極１４と封止体１２とを強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を向上できる。また、仮にバイポーラ電極１４と封止体１２との間に電解液が進入したとしても、突出部２３によって当該電解液を堰き止めることができる。これによっても、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を向上できる。

また、蓄電装置１では、電極板１５において、一方面１５ａと封止体１２との接触面１５ｆは、粗化面１５ｅとなっており、突出部２３は、一方面１５ａから突出するように設けられている。これにより、突出部２３を封止体１２に埋没させることに加えて、粗化面１５ｅにおいてバイポーラ電極１４と封止体１２とを結合することで、バイポーラ電極１４と封止体１２とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を一層向上できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、図４に示す第１変形例のように構成されてもよい。第１変形例では、一次封止体２１は、電極板１５の一方面１５ａ側と他方面１５ｂ側とにわたって設けられており、一次封止体２１に電極板１５の縁部１５ｃが埋没している。突出部２３は、他方面１５ｂから突出するように設けられている。

このような第１変形例によっても、上記実施形態と同様に、バイポーラ電極１４と封止体１２とを強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を向上できる。更に、突出部２３を封止体１２に埋没させることに加えて、粗化面１５ｅにおいてバイポーラ電極１４と封止体１２とを結合することで、バイポーラ電極１４と封止体１２とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を一層向上できる。

また、図５（ａ）に示す第２変形例のように、突出部２３の突出方向が電極板１５側に傾いていてもよい。この例では、突出部２３の突出方向は、電極板１５の一方面１５ａに対して４５度程度傾いている。このような第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、バイポーラ電極１４と封止体１２とを強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を向上できる。更に、第２変形例では、仮にバイポーラ電極１４と封止体１２との間に電極板１５の中央側から突出部２３に向かって電解液が進入したとしても、当該電解液が突出部２３を乗り越え難いため、バイポーラ電極１４，１４間の封止性をより一層向上できる。

また、図５（ｂ）に示す第３変形例のように構成されてもよい。第３変形例では、第１変形例と同様に、一次封止体２１は、電極板１５の一方面１５ａ側と他方面１５ｂ側とにわたって設けられている。第３変形例では、電極板１５の一方面１５ａの全面及び他方面１５ｂの全面が粗化面１５ｅとなっており、これにより、一方面１５ａと一次封止体２１との接触面１５ｆ、及び他方面１５ｂと一次封止体２１との接触面１５ｆが粗化面１５ｅとなっている。一方面１５ａ及び他方面１５ｂのそれぞれから突出するように突出部２３が設けられており、これら突出部２３のそれぞれが一次封止体２１に埋没している。

このような第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、バイポーラ電極１４と封止体１２とを強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性を向上できる。更に、突出部２３を封止体１２に埋没させることに加えて、粗化面１５ｅにおいてバイポーラ電極１４と封止体１２とを結合することで、バイポーラ電極１４の一方面１５ａ及び他方面１５ｂのそれぞれと封止体１２とを一層強固に結合でき、バイポーラ電極１４，１４間の封止性をより一層向上できる。

また、上記実施形態では、電極板１５において、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、かつ他方面１５ｂ側に負極１７が形成されていたが、一方面１５ａ側及び他方面１５ｂ側に極性の異なる電極がそれぞれ形成されていればよく、上記実施形態において、一方面１５ａ側に負極１７が形成され、かつ他方面１５ｂ側に正極１６が形成されていてもよい。また、上記実施形態及び第１〜第３変形例では、一方面１５ａ及び／又は他方面１５ｂのうち接触面１５ｆ以外の部分が平坦面となっていてもよい。また、一方面１５ａの全面及び／又は他方面１５ｂの全面が平坦面となっていてもよい。また、突出部２３の形状や突出部２３の突出方向は限定されず、例えば突出部２３の突出方向が電極板１５とは反対側に傾いていてもよい。

１…蓄電装置、１１…電極積層体、１１ａ…側面、１２…封止体、１３…セパレータ、１４…バイポーラ電極、１５…電極板、１５ａ…一方面、１５ｂ…他方面、１５ｃ…電極板の縁部（バイポーラ電極の縁部）、１５ｅ…粗化面、１５ｆ…接触面、１６…正極、１７…負極、２３…突出部。

Claims

一方面側及び他方面側に極性の異なる電極がそれぞれ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積層してなる電極積層体と、
前記バイポーラ電極の縁部を包囲するように前記電極積層体の側面に設けられた封止体と、を備え、
前記バイポーラ電極において、前記電極板の縁部には、前記一方面及び前記他方面の少なくとも一方から突出した突出部が設けられ、
前記突出部が前記封止体に埋没した状態で、前記バイポーラ電極の縁部に前記封止体が結合されており、
前記突出部の突出方向が前記電極板の内側に傾いている、蓄電装置。
一方面側及び他方面側に極性の異なる電極がそれぞれ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積層してなる電極積層体と、
前記バイポーラ電極の縁部を包囲するように前記電極積層体の側面に設けられた封止体と、を備え、
前記バイポーラ電極において、前記電極板の縁部には、前記一方面又は前記他方面の一方から突出した突出部が設けられ、
前記突出部が前記封止体に埋没した状態で、前記バイポーラ電極の縁部に前記封止体が結合されており、
前記突出部は、前記電極板の端面に隣接して設けられていると共に、先端に向かって先細りとなる形状を有している、蓄電装置。
前記突出部は、前記電極板の切断時に形成されたバリによって構成されている、請求項２に記載の蓄電装置。
前記電極板において、前記一方面と前記封止体との接触面は、粗化面となっており、
前記突出部は、前記一方面から突出するように設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
前記電極板において、前記一方面と前記封止体との接触面は、粗化面となっており、
前記突出部は、前記他方面から突出するように設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電装置。
前記突出部は、前記一方面及び前記他方面のそれぞれから突出するように設けられている、請求項１に記載の蓄電装置。
前記電極板において、前記一方面と前記封止体との接触面、及び前記他方面と前記封止体との接触面の少なくとも一方は、粗化面となっている、請求項６に記載の蓄電装置。