JP7359023B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本開示は、蓄電モジュールに関する。

従来の蓄電モジュールとして、特開２０１９－１６０４８１号公報（特許文献１）には、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複数のバイポーラ電極がセパレータを介して積層されたバイポーラ型の蓄電モジュールが開示されている。

複数のバイポーラ電極の周縁には、互いに隣り合うバイポーラ電極の間に内部空間が形成されるように、封止部が設けられている。当該内部空間には、電解液が収容されている。

特開２０１９－１６０４８１号公報

特許文献１に記載のようなバイポーラ型蓄電モジュールにおいては、セパレータは、互いに隣り合うバイポーラ電極が接触して短絡することを防止する役割と、電解液を保持する役割を有する。セパレータは、正極および負極といった電極層よりも外形が大きく形成されている。

しかしながら、電極層から露出する部分のセパレータは、電解液を保持しなくてもよい部分であり、かつ、電極層にも挟まれていない部分である。このため、セパレータの形状には、改善の余地がある。

本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、互いに隣り合うバイポーラ電極間に形成される空間を拡大することができる蓄電モジュールを提供することにある。

本開示に基づく蓄電モジュールは、積層方向に沿って積層された複数のバイポーラ電極と、上記積層方向に沿って互いに隣り合う上記バイポーラ電極の間に介在する複数のセパレータと、上記積層方向に沿って互いに隣り合う上記バイポーラ電極の間に空間を形成するとともに上記空間を封止する封止部と、上記空間内に収容された電解液と、を備える。上記複数のバイポーラ電極の各々は、電極板と、上記積層方向における上記電極板の両面に設けられた電極層とを含む。上記セパレータは、上記積層方向から見た場合に、上記電極層に重なる重畳部と、上記電極層に重ならない露出部とを有する。上記露出部には、上記積層方向に沿った厚さが上記重畳部よりも薄い薄肉部が設けられている。

上記構成によれば、セパレータにおいては、積層方向から見た場合に電極層に重ならない露出部に、電極層に重畳する重畳部よりも相対的に薄い薄肉部が設けられている。このため、バイポーラ電極の間に形成される空間を拡大させることができる。

上記本開示に基づく蓄電モジュールにあっては、上記電極板の上記両面に形成された上記電極層は、互いに離間するように分割された複数の分割部を含んでいてもよい。この場合には、上記薄肉部は、上記積層方向から見た場合に、上記複数の分割部の間に設けられていることが好ましい。

上記構成によれば、電極層が分割されているため、バイポーラ電極の間に形成される空間をさらに拡大することができる。これにより、充放電によりガスが発生した場合に、バイポーラ電極の周縁部に応力が集中することを抑制することができる。

上記本開示に基づく蓄電モジュールにあっては、上記積層方向から見た場合、上記薄肉部は、上記電極層を囲むように設けられていてもよい。

上記構成によれば、電極層を囲むように薄肉部を設けることで、バイポーラ電極の間に形成される空間を大きく拡大させることができる。

上記本開示に基づく蓄電モジュールにあっては、上記薄肉部の硬度は、上記露出部において上記薄肉部が設けられていない部分における硬度よりも大きくてもよい。

上記構成によれば、薄肉部の硬度を高くすることで、セパレータの強度を高めることができる。これにより、重畳部と薄肉部との相対的な厚さの関係を維持しつつ、セパレータを全体的に薄くすることができる。この結果、蓄電モジュールの製造コストを低減することができる。

本開示によれば、互いに隣り合うバイポーラ電極間に形成される内部空間を拡大することができる蓄電モジュールを提供することができる。

実施の形態１に係る蓄電モジュールを具備する蓄電装置を示す概略断面図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを示す断面図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールにおいてセパレータの周辺の構造を拡大して示す拡大図である。 実施の形態１におけるセパレータの薄肉部と電極層との位置関係を示す平面図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第１工程を示す図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第２工程を示す図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第３工程を示す図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第４工程を示す図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第４工程の後状態を示す図である。 実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程に第５工程を示す図である。 実施の形態２に係る蓄電モジュールにおいてセパレータの薄肉部、電極層、および封止部の位置関係を示す平面図である。 図１１に示すＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿った断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合は、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組み合わせることは、当初から予定されている。

（実施の形態１）
［蓄電装置］
図１は、実施の形態１に係る蓄電モジュールを具備する蓄電装置を示す概略断面図である。図１を参照して、実施の形態１に係る蓄電モジュールを具備する蓄電装置１００について説明する。

実施の形態１に係る蓄電装置１００は、たとえば、フォークリフト、ハイブリッド自動車、または、電気自動車などの車両のバッテリとして用いられる。

図１に示すように、蓄電装置１００は、モジュール積層体１１０と、一対の拘束部材１５０とを備える。一対の拘束部材１５０は、モジュール積層体１１０の積層方向の両側からモジュール積層体１１０を拘束する。一対の拘束部材１５０とモジュール積層体１１０の間には、絶縁部材が配置されている。

モジュール積層体１１０は、互いに積層された複数の蓄電モジュール１と、複数の導電板１２０とを含んでいる。複数の蓄電モジュール１と、複数の導電板１２０とは、モジュール積層体１１０の積層方向において交互に隣接するように配列されている。

蓄電モジュール１は、モジュール積層体１１０の積層方向から見た場合（積層方向に沿って見た場合）に矩形状の外形を有している。互いに隣り合う蓄電モジュール１同士は、導電板１２０を介して電気的に接続されている。モジュール積層体１１０の積層方向における両端部の一方に位置する導電板１２０には、正極端子１３０が接続されている。モジュール積層体１１０の積層方向における両端部の他方に位置する導電板１２０には、負極端子１４０が接続されている。

蓄電モジュール１はいわゆるバイポーラ電池である。より具体的には、蓄電モジュール１は、ラミネート型の水系電池である。蓄電モジュール１は、たと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、または電気二重層キャパシタである。

［蓄電モジュール］
図２は、実施の形態１に係る蓄電モジュールを示す断面図である。図２を参照して、実施の形態１に係る蓄電モジュール１について説明する。

図２に示すように、蓄電モジュール１は、積層体１０と、封止部２０とを備える。積層体１０は、複数のバイポーラ電極１１と、複数のセパレータ１５と、電解液とを備える。複数のバイポーラ電極１１は、積層方向（図２中上下方向）に沿って積層されており、互いに隣り合うバイポーラ電極１１の間にセパレータ１５が介在している。

バイポーラ電極１１は、電極板１２と、電極層１３とを含む。電極板１２は、板状に設けられており、積層方向に並ぶ第１主面１２ａおよび第２主面１２ｂを有する。電極板１２は、たとえばニッケルまたはニッケル鋼板などで構成された金属からなる。電極板１２は、たとえば、ニッケルからなる矩形状の金属箔である。

電極層１３は、電極板１２の周縁の内側に形成されている。電極層１３は、電極板１２の有する両面に形成されている。電極層１３は、正極１３ｐと負極１３ｎとを含んでいる。正極１３ｐは、電極板１２が有する第１主面１２ａに形成されている。負極１３ｎは、電極板１２が有する第２主面１２ｂに形成されている。

なお、積層方向における積層体１０の一端（図２中における上端）を構成するバイポーラ電極１１においては、第１主面１２ａ上には正極１３ｐは設けられていない。また、積層方向における積層体１０の他端（図２中における下端）を構成するバイポーラ電極１１においては、第２主面１２ｂ上に負極１３ｎは設けられていない。

正極１３ｐは、正極活物質を含んでいる。正極活物質としては、たとえば水素化ニッケルが挙げられる。正極活物質の他、導電材およびバインダを含有してもよい。負極１３ｎは、負極活物質を含んでいる。負極活物質としては、たとえば水素吸蔵合金が挙げられる。

セパレータ１５は、上述のように互いに隣り合うバイポーラ電極１１の各々に形成された電極層１３の間に配置されている。具体的には、積層方向の一方側に位置するバイポーラ電極１１が有する負極１３ｎと、積層方向の他方側に位置するバイポーラ電極１１が有する正極１３ｐとの間に配置されている。

セパレータ１５は、たとえばシート状に形成されている、セパレータ１５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ラート（ＰＥＴ）、メチルセルロースなどからなる織布または不織布などが挙げられる。セパレータ１５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。

封止部２０は、積層方向に沿って互いに隣り合うバイポーラ電極１１の間に空間Ｓが形成されるように、複数のバイポーラ電極１１の周縁を封止する。封止部２０は、内側において上記空間Ｓを密封している。

複数のバイポーラ電極１１の周縁が封止部２０に埋設されており、これにより封止部２０は、複数のバイポーラ電極１１を保持する。

封止部２０は、たとえば絶縁性の樹脂で構成されている。封止部２０は、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、または、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）などから構成され得る。

上述の空間Ｓ内には、電解液が収容されている。電解液は、たとえば水酸化カリウム水溶液などのアルカリ水溶液を含む。電解液は、正極１３ｐ、負極１３ｎおよびセパレータ１５に含浸される。

図３は、実施の形態１に係る蓄電モジュールにおいてセパレータの周辺の構造を拡大して示す拡大図である。図４は、実施の形態１におけるセパレータの薄肉部と電極層との位置関係を示す平面図である。図３および図４を参照して、セパレータ１５の構成について詳細に説明する。

図３および図４に示すように、セパレータ１５は、積層方向から見た場合に、電極層１３に重なる重畳部１６と、電極層１３に重ならない露出部１７とを有する。

重畳部１６は、主として、負極１３ｎと正極１３ｐとの間に位置する部分である。積層方向に平行な重畳部１６の厚さは、略一定である。

露出部１７は、電極層１３の外側に位置し、上記積層方向にから見た場合に電極層１３の周囲に位置する。露出部１７には、積層方向に沿った厚さが上記重畳部１６よりも薄い薄肉部１８が設けられている。薄肉部１８は、積層方向から見た場合に、電極層１３を囲むように設けられている。

また、薄肉部１８の硬度は、上記露出部１７において薄肉部１８が設けられていない部部における硬度よりも大きくなっていてもよい。薄肉部１８の硬度を高くすることで、セパレータ１５の強度を高めることができる。これにより、重畳部１６と薄肉部１８との相対的な厚さの関係を維持しつつ、セパレータ１５を全体的に薄くすることができる。この場合には、セパレータ１５の体積を小さくすることができるため、蓄電モジュール１の製造コストを低減させることができる。

たとえば、薄肉部１８は、セパレータ１５の所定の領域を圧縮加工することによって形成することができる。

以上のように、実施の形態１に係る蓄電モジュール１にあっては、上述のように薄肉部１８が形成されることにより、バイポーラ電極１１の間に形成される空間Ｓ（具体的には、積層方向において互いに隣り合う電極板１２の間に形成される空間）を拡大させることができる。

これにより、充放電において副反応でガスが発生した場合に、上記空間Ｓ内で圧力が上昇することを抑制できる。この結果、封止部２０の破損を抑制したり、電解液が封止部２０の外部に漏出することを抑制することができる。さらには、電極層１３の体積を減少させることなく、上記空間Ｓを拡大することができるため、電池性能が低下することも抑制することができる。

さらに、積層方向から見た場合に、電極層１３を全体的に囲むように薄肉部１８を設けることにより、バイポーラ電極１１の間に形成される空間をより大きく拡大させることができる。

［製造方法］
図５から図８は、実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第１工程から第４工程を示す図である。図９は、実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程における第４工程の後状態を示す図である。図１０は、実施の形態１に係る蓄電モジュールを製造する製造工程に第５工程を示す図である。図５から図８を参照して、実施の形態１に係る蓄電モジュール１の製造方法について説明する。

蓄電モジュール１を製造するにあたり、まず、バイポーラ電極１１を形成する工程が実施される。バイポーラ電極を形成する工程においては、図５に示すように、第１工程として、電極板１２となる金属箔３１の一方の主面３１ａに負極１３ｎとなる負極用造粒体４１を塗布する。

具体的には、一方の主面３１ａが塗布装置４０側を向くように、ロール状に巻回された金属箔３１を送り出す。次に、塗布装置４０を用いて、送り出された金属箔３１の一方の主面３１ａの所定の位置に負極用造粒体４１を塗布する。塗布された負極用造粒体４１を乾燥することで、金属箔３１の一方の主面３１ａに負極１３ｎが形成される。

なお、塗布された負極用造粒体４１は、圧延されることで整形されてもよい。また、負極用造粒体４１は、負極活性物質粒子および結着剤等と、溶媒とを混合することで調製される。

続いて、図６に示すように、第２工程においては、金属箔３１の他方の主面３１ｂに正極１３ｐとなる正極用造粒体４３を塗布する。

具体的には、他方の主面３１ｂが塗布装置４２を向くように、負極１３ｎが形成されロール状に巻回された金属箔３１を送り出す。次に、塗布装置４２用いて、送り出された金属箔３１の他方の主面３１ｂの所定の位置に正極用造粒体４３を塗布する。この際、正極用造粒体４３は、負極１３ｎに対応する位置に塗布される。塗布された正極用造粒体４３を乾燥することで、金属箔３１の他方の主面３１ｂに正極１３ｐが形成される。

なお、塗布された正極用造粒体４３は、圧延されることで整形されてもよい。また、正極用造粒体４３は、正極活性物質粒子および結着剤等と、溶媒とを混合することで調製される。

続いて、正極１３ｐおよび負極１３ｎが形成された金属箔３１を所定の長さに切断することにより、バイポーラ電極１１が形成される。

次に、図７に示すように、第３工程において、バイポーラ電極１１の周縁に封止部２０となる封止枠２１を固定する。封止枠２１は、たとえば樹脂によって構成されており、バイポーラ電極１１の周縁に熱溶着される。

続いて、図８および図９に示すように、第４工程において、セパレータ１５に薄肉部１８を形成する。具体的には、圧縮装置５０を用いて、セパレータ１５の所定の位置を圧縮する。圧縮装置５０は、セパレータ１５を載置するベース部５２と、セパレータ１５を押圧する押圧部５１とを含む。これにより、圧縮された部分が加工硬化し、圧縮されていない部分と比較して硬度が大きくなる。この結果、セパレータ１５の全体的な強度も向上する。

なお、圧縮加工する場合には、ホットプレスをしてもよい。この場合には、セパレータ１５において圧縮された部分が溶融硬化することで、さらに薄肉部１８の硬度を高くすることができる。これにより、セパレータ１５の全体的な強度をさらに向上させることができるため、より厚さの薄いセパレータ１５を用いることができる。このような場合には、セパレータ１５の体積をさらに減少させることができるため、蓄電モジュール１の製造コストをより削減することができる。

次に、図１０に示すように、第５工程において、バイポーラ電極１１と、薄肉部１８が形成されたセパレータ１５とを交互に積層し、積層体１０を形成する。この際、積層方向において互いに隣り合うバイポーラ電極１１の間（より具体的には互いに隣り合う電極板１２の間）に空間Ｓが形成される。続いて、上記空間Ｓ内に電解液を注入する。

上記のような工程を経て、実施の形態１に係る蓄電モジュール１を製造することができる。

（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に係る蓄電モジュールにおいてセパレータの薄肉部、電極層、および封止部の位置関係を示す平面図である。図１２は、図１１に示すＸＩＩ－ＸＩＩ線に沿った断面図である。図１１および図１２を参照して、実施の形態２に係る蓄電モジュール１Ａについて説明する。

図１１および図１２に示すように、実施の形態２に係る蓄電モジュール１Ａは、実施の形態１に係る蓄電モジュール１と比較した場合に、電極層１３の形状およびセパレータ１５に設けられた薄肉部１８の形状が相違する。その他の構成については、ほぼ同様である。

実施の形態２に係る蓄電モジュール１Ａにおいては、電極層１３は、互いに離間するように分割された複数の分割部１３１を含む。複数の分割部１３１は、行列状に配置されている。すなわち、実施の形態２においては、電極層１３における正極１３ｐが、行列状に分割されており、電極層１３における負極１３ｎも同様に行列状に分割されている。

この場合においては、セパレータ１５の薄肉部１８は、積層方向から見た場合に、複数の分割部１３１の間に設けられている。具体的には、薄肉部１８は、格子状に設けられている。

このように構成された場合であっても、薄肉部１８によって、互いに隣り合うバイポーラ電極１１の間に形成される空間Ｓ（積層方向において互いに隣り合う電極板１２の間に形成される空間）を拡大させることができるため、実施の形態１とほぼ同様の効果が得られる。

また、実施の形態２においては、複数の分割部１３１の間に隙間が形成されることにより、上記空間Ｓをさらに拡大することができる。これにより、充放電によりガスが発生した場合に、バイポーラ電極１１の周縁部に応力が集中することを抑制することができる。

なお、実施の形態２においては、複数の分割部１３１の間に薄肉部１８が設けられる場合を例示して説明したがこれに限定されない。薄肉部１８は、実施の形態１のように電極層１３（複数の分割部１３１）を全体的に囲む枠状に形成されたものを含んでいてもよい。

また、実施の形態２に係る蓄電モジュール１Ａも、実施の形態１に係る蓄電モジュール１の製造工程に準拠した工程によって製造することができる。

以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は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すべての変更が含まれる。

１，１Ａ 蓄電モジュール、１０ 積層体、１１ バイポーラ電極、１２ 電極板、１２ａ 第１主面、１２ｂ 第２主面、１３ 電極層、１３ｎ 負極、１３ｐ 正極、１５ セパレータ、１６ 重畳部、１７ 露出部、１８ 薄肉部、２０ 封止部、２１ 封止枠、３１ 金属箔、３１ａ 一方の主面、３１ｂ 他方の主面、４０ 塗布装置、４１ 正極用造粒体、４２ 塗布装置、４３ 負極用造粒体、５０ 圧縮装置、５１ 押圧部、５２ ベース部、１００ 蓄電装置、１１０ モジュール積層体、１２０ 導電板、１３０ 正極端子、１３１ 分割部、１４０ 負極端子、１５０ 拘束部材、Ｓ 空間。

Claims (5)

1. 積層方向に沿って積層された複数のバイポーラ電極と、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に介在する複数のセパレータと、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に空間を形成するとともに前記空間を封止する封止部と、
   前記空間に配置された電解液と、を備え、
   前記複数のバイポーラ電極の各々は、電極板と、前記積層方向における前記電極板の両面に設けられた電極層とを含み、
   前記セパレータは、前記積層方向から見た場合に、前記電極層に重なる重畳部と、前記電極層に重ならない露出部とを有し、
   前記露出部には、前記積層方向に沿った厚さが前記重畳部よりも薄い薄肉部が設けられており、
   前記電極板の前記両面に形成された前記電極層は、互いに離間するように分割された複数の分割部を含み、
   前記薄肉部は、前記積層方向から見た場合に、前記複数の分割部の間に設けられている、蓄電モジュール。
2. 前記積層方向から見た場合、前記薄肉部は、前記電極層を囲むように設けられている、請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記薄肉部の硬度は、前記露出部において前記薄肉部が設けられていない部分における硬度よりも大きい、請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
4. 積層方向に沿って積層された複数のバイポーラ電極と、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に介在する複数のセパレータと、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に空間を形成するとともに前記空間を封止する封止部と、
   前記空間に配置された電解液と、を備え、
   前記複数のバイポーラ電極の各々は、電極板と、前記積層方向における前記電極板の両面に設けられた電極層とを含み、
   前記セパレータは、前記積層方向から見た場合に、前記電極層に重なる重畳部と、前記電極層に重ならない露出部とを有し、
   前記露出部には、前記積層方向に沿った厚さが前記重畳部よりも薄い薄肉部が設けられており、
   前記積層方向から見た場合、前記薄肉部は、前記電極層を囲むように設けられている、蓄電モジュール。
5. 積層方向に沿って積層された複数のバイポーラ電極と、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に介在する複数のセパレータと、
   前記積層方向に沿って互いに隣り合う前記バイポーラ電極の間に空間を形成するとともに前記空間を封止する封止部と、
   前記空間に配置された電解液と、を備え、
   前記複数のバイポーラ電極の各々は、電極板と、前記積層方向における前記電極板の両面に設けられた電極層とを含み、
   前記セパレータは、前記積層方向から見た場合に、前記電極層に重なる重畳部と、前記電極層に重ならない露出部とを有し、
   前記露出部には、前記積層方向に沿った厚さが前記重畳部よりも薄い薄肉部が設けられており、
   前記薄肉部の硬度は、前記露出部において前記薄肉部が設けられていない部分における硬度よりも大きい、蓄電モジュール。

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