JP2018060670A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂部材によるシール性を確保できる蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置１０は、複数のバイポーラ電極１２の積層方向に沿って延び、複数のバイポーラ電極１２を収容する筒状の樹脂ケース３０を備える。複数のバイポーラ電極１２のそれぞれは、第１の面１６ａ及び第２の面１６ｂを有する集電体１６と、第１の面１６ａに設けられた正極層１８と、第２の面１６ｂに設けられた負極層２０とを有する。集電体１６は、外周側の未塗工部２２と、中央側の塗工部２１とを含む。未塗工部２２の周縁部２４は樹脂ケース３０に埋設されている。積層方向に隣り合う２つの集電体１６の２つの周縁部２４の間には、互いに対面する第１の面１６ａおよび第２の面１６ｂの少なくともいずれかに設けられた酸化膜２６が配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えるバイポーラ電池が知られている（特許文献１参照）。このバイポーラ電池では、電解質層を挟んで複数のバイポーラ電極が直列に積層されている。電解質層はセパレータに保持される。セパレータにおける電解質を保持させた部分の外周部には、シール用の樹脂部材が配置されている。このバイポーラ電池では、樹脂部材を集電体に密着させることで、電池層の間のシールが行われている。集電体に樹脂部材を密着させるため、樹脂部材が成型された後に、樹脂部材に圧力または熱がかけられ、シール部が加圧変形または熱融着させられる。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上記バイポーラ電池では、樹脂部材に対する集電体の接合強度が不足し得るため、シール部の強度や気密性を担保することが難しい。

本発明は、樹脂部材によるシール性を確保できる蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る蓄電装置は、セパレータを介して積層された複数のバイポーラ電極を備える蓄電装置であって、複数のバイポーラ電極の積層方向に沿って延び、複数のバイポーラ電極を収容する筒状の樹脂部材を備え、複数のバイポーラ電極のそれぞれは、第１の面及び第１の面とは反対側の第２の面を有する集電体と、第１の面に設けられた正極層と、第２の面に設けられた負極層とを有し、集電体は、正極層および負極層が設けられない外周側の未塗工部と、正極層および負極層が設けられた中央側の塗工部とを含み、未塗工部の周縁部は樹脂部材に埋設されており、積層方向に隣り合う２つの集電体の２つの周縁部の間には、互いに対面する第１の面および第２の面の少なくともいずれかに設けられた酸化膜が配置される。

この蓄電装置によれば、集電体の塗工部には正極層および負極層が設けられる。未塗工部の周縁部は、樹脂部材に埋設される。積層方向に隣り合う２つの周縁部の間には、少なくともいずれかの面に設けられた酸化膜が配置される。この酸化膜は、表面に凹凸を有するため、凹部（孔部）に樹脂材料が入り込むことで、樹脂部材に対する集電体の接合強度が高められる。すなわちアンカー効果が得られる。よって、樹脂部材によるシール性が確保される。

酸化膜は、樹脂部材に埋設された周縁部から塗工部側にはみ出るように設けられてもよい。この場合、酸化膜は、樹脂部材よりも内側にはみ出る。酸化膜は絶縁性である。集電体の周縁部のみならず、樹脂部材の内側にも酸化膜が設けられることにより、隣り合う集電体同士の短絡が確実に防止される。

酸化膜は、酸化膜と同じ面に設けられた正極層または負極層の端縁に沿った領域まで設けられてもよい。絶縁性である酸化膜が正極層または負極層の端縁に沿った領域まで設けられると、未塗工部が露出する領域が小さくなる（または無くなる）。これにより、隣り合う集電体同士の短絡がより確実に防止される。

複数のバイポーラ電極において、酸化膜は、第２の面にのみ設けられてもよい。バイポーラ電極においては、第２の面に設けられた負極層は、第１の面に設けられた正極層よりも大きい場合がある。よって、第２の面側の未塗工部は、第１の面側の未塗工部よりも小さくなり得る。そのような第２の面において、酸化膜が負極層の端縁に沿った領域まで設けられると、酸化膜を形成すべき領域を小さくできる。このことは、たとえば、製造上の観点において有利である。

酸化膜は、酸化膜と同じ面に設けられた正極層または負極層より薄くてもよい。正極層または負極層より薄い酸化膜は、バイポーラ電極の体格、すなわち積層方向における厚みに影響を与えない。したがって、シール性を確保しつつ、装置全体の大型化を防止できる。

本発明のいくつかの態様によれば、樹脂部材によるシール性が確保される。

本発明の一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１中の集電体を示す平面図である。 一実施形態におけるシール部分を示す断面図である。 他の実施形態におけるシール部分を示す断面図である。 更に他の実施形態におけるシール部分を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示される蓄電装置１０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ってもよいし、電気二重層キャパシタであってもよい。蓄電装置１０は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載され得る。
なお、図１には、ＸＹＺ直交座標系が示されている。

図１に示されるように、蓄電装置１０は、複数のバイポーラ電極１２を備える。複数のバイポーラ電極１２は、セパレータ１４を介して直列に積層される。複数のバイポーラ電極１２のそれぞれは、第１の面１６ａ及び第１の面１６ａとは反対側の第２の面１６ｂを有する集電体１６と、第１の面１６ａに設けられた正極層１８と、第２の面１６ｂに設けられた負極層２０とを有している。正極層１８及び負極層２０は、複数のバイポーラ電極１２の積層方向（以下、Ｚ軸方向ともいう）に交差する平面（例えばＸＹ平面）に沿って延在している。

セパレータ１４はシート状であってもよいし、袋状であってもよい。セパレータ１４は例えば多孔膜又は不織布である。セパレータ１４は電解液を透過させ得る。セパレータ１４の材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリイミド、アラミド繊維などポリアミド系等が挙げられる。また、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたセパレータ１４が使用されてもよい。電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液が使用され得る。

集電体１６は、例えば金属箔である。集電体１６は、ニッケル箔であってもよいし、ＳＰＣＣ等の鋼板であってもよい。集電体１６は、ニッケル箔以外の金属箔にニッケルめっきが施された部材であってもよい。集電体１６の厚みは、例えば０．１〜１０００μｍである。正極層１８は、正極活物質を含む。蓄電装置１０がニッケル水素二次電池の場合、正極活物質は、例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）の粒子である。蓄電装置１０がリチウムイオン二次電池の場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等である。負極層２０は、負極活物質を含む。蓄電装置１０がニッケル水素二次電池の場合、負極活物質は、例えば水素吸蔵合金の粒子である。蓄電装置１０がリチウムイオン二次電池の場合、負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等である。

Ｚ軸方向において、複数のバイポーラ電極１２及び複数のセパレータ１４は、電極１１２及び電極２１２によって挟まれてもよい。電極１１２及び電極２１２は、Ｚ軸方向において最も外側に位置する電極である。電極１１２は、集電体１１６と、集電体１１６のセパレータ１４側の面に設けられた正極層１８とを備える。電極２１２は、集電体１１６と、集電体１１６のセパレータ１４側の面に設けられた負極層２０とを備える。集電体１１６は、Ｚ軸方向において集電体１６よりも厚いこと以外は集電体１６と同じ構成を備える。

蓄電装置１０は、複数のバイポーラ電極１２を支持する樹脂ケース（樹脂部材）３０を備えてもよい。各バイポーラ電極１２の集電体１６の周縁部２４（図２参照）が樹脂ケース３０内に埋設される。樹脂ケース３０は、電極１１２及び電極２１２を支持してもよい。樹脂ケース３０は、隣接するセル間における絶縁性を確保するための絶縁ケースである。例えば、電極１１２及び電極２１２の集電体１１６の端部が樹脂ケース３０内に埋設される。樹脂ケース３０は、複数のバイポーラ電極１２及び複数のセパレータ１４を収容し得る筒状部材であってもよい。樹脂ケース３０内には電解液が充填される。

蓄電装置１０は、正極プレート４０及び負極プレート５０を備えてもよい。正極プレート４０及び負極プレート５０は、Ｚ軸方向において、複数のバイポーラ電極１２及び複数のセパレータ１４を挟持する。正極プレート４０及び負極プレート５０は、電極１１２、電極２１２及び樹脂ケース３０を挟持してもよい。電極１１２は正極プレート４０とセパレータ１４との間に配置される。電極２１２は負極プレート５０とセパレータ１４との間に配置される。正極プレート４０には正極端子４２が接続される。負極プレート５０には負極端子５２が接続される。正極端子４２及び負極端子５２により蓄電装置１０の充放電を行うことができる。

正極プレート４０及び負極プレート５０には、Ｚ軸方向に延びるボルトＢを貫通するための貫通孔が設けられる。貫通孔は、Ｚ軸方向から見て樹脂ケース３０の外側に配置される。ボルトＢは正極プレート４０から負極プレート５０に向かって挿通され得る。ボルトＢの先端にはナットＮが螺合される。これにより、正極プレート４０及び負極プレート５０は、複数のバイポーラ電極１２、複数のセパレータ１４、電極１１２、電極２１２及び樹脂ケース３０を拘束できる。その結果、樹脂ケース３０内は密封され得る。

集電体１６の周縁部２４が樹脂ケース３０に埋設されることにより、樹脂ケース３０は、集電体１６の周縁部２４に密着し、周縁部２４をシールしている。樹脂ケース３０が周縁部２４をシールすることにより、集電体１６，１６間の空間は密閉されている。集電体１６，１６間の空間に存在するガスおよび電解液は、当該空間の外部に移動できなくなっている。

蓄電装置１０では、集電体１６の第１の面１６ａ側の正極層１８と、隣接する集電体１６の第２の面１６ｂ側の負極層２０と、正極層１８および負極層２０の間のセパレータ１４と、第１の面１６ａおよび第２の面１６ｂの間の空間を密閉する樹脂ケース３０とによって、一層のセルが構成されている。樹脂ケース３０は、あるセルから他のセルへとガスおよび電解液が移動することを規制している。これにより、隣接するセル間における絶縁性が確保されている。

図２および図３を参照して、樹脂ケース３０に対する集電体１６の接合構造（支持構造または保持構造）について説明する。図２は、第２の面１６ｂ側（負極層２０側）から見た集電体１６を示している。なお、図３に示される各構成は、図１に示された各構成とは上下反対になるように示されている。

図２に示されるように、集電体１６は、たとえば矩形状である。集電体１６は、正極層１８および負極層２０が設けられた塗工部２１と、正極層１８および負極層２０が設けられない未塗工部２２とを含む。未塗工部２２は矩形の環状をなし、集電体１６の外周側に位置する。塗工部２１は矩形状をなし、集電体１６の中央側に位置する。言い換えれば、塗工部２１は、未塗工部２２の内側に配置され、未塗工部２２によって囲まれている。

未塗工部２２のＸＹ方向における端部である周縁部２４は、上記した樹脂ケース３０（図２において仮想線で示される）に埋設される。矩形の環状をなす周縁部２４は、樹脂ケース３０の内部に配置されて、樹脂ケース３０内で終端している。

図２および図３に示されるように、未塗工部２２は、周縁部２４の内側に配置された露出部２３を含む。露出部２３は、電解液が充填された集電体１６，１６間の空間に露出している。露出部２３は、周縁部２４と塗工部２１との間に配置され、矩形の環状をなす部分である。

集電体１６の形状、正極層１８および負極層２０が設けられる領域（塗工部２１の形状）、未塗工部２２の形状、周縁部２４の形状等は、上記と違っていてもよい。これらの形状または領域は、矩形に限られない。これらの形状または領域は、多角形状であってもよいし、円形であってもよい。

本実施形態のバイポーラ電極１２では、集電体１６の周縁部２４に酸化膜２６が設けられている。図３に示されるように、酸化膜２６は、積層方向（Ｚ軸方向）に隣り合う２つの集電体１６，１６における２つの周縁部２４，２４の間に配置されている。酸化膜２６は、互いに対面する第１の面１６ａおよび第２の面１６ｂの少なくともいずれかの面に設けられている。すべてのバイポーラ電極１２において、酸化膜２６は、第２の面１６ｂにのみ設けられている。

酸化膜２６は、たとえば陽極酸化処理等の公知の酸化処理技術によって形成され得る。酸化膜２６は、多孔質（ポーラス）である。酸化膜２６は、絶縁性である。酸化膜２６は、凹凸形状の表面２６ａを含む。酸化膜２６は、たとえば負極層２０よりも薄い。

各構成の厚みの一例を挙げると、たとえば、集電体１６の厚みは１０〜５０μｍであり、正極層１８の厚みは９０μｍであり、負極層２０の厚みは６０μｍであり、セパレータ１４の厚みは１００〜１２０μｍである。負極層２０の厚みが６０μｍであるのに対し、酸化膜２６の厚みは、６０μｍ未満である。酸化膜２６の厚みは厳密に調整されなくてもよいが、たとえば、３０μｍ未満であってもよいし、１０μｍ未満であってもよい。

図２および図３に示されるように、バイポーラ電極１２では、負極層２０は、正極層１８よりも大きい。言い換えれば、正極層１８および負極層２０をＸＹ平面に投影した場合、正極層１８は、負極層２０に包含される。このような大小関係により、ＰＮ比は１以上に調整されている。

酸化膜２６は、第２の面１６ｂの外周側の全周にわたって設けられている。酸化膜２６は、周縁部２４から負極層２０の端縁２０ａに沿った領域まで設けられている。酸化膜２６は、負極層２０の端縁２０ａの近傍にまで設けられている。絶縁性である酸化膜２６は、負極層２０の領域には設けられていない。すなわち、負極層２０と酸化膜２６とは、重なり合わない。酸化膜２６は、負極層２０の端縁２０ａに接するように設けられてもよいし、負極層２０の端縁２０ａとの間に隙間が形成されるように設けられてもよい。このように、酸化膜２６は、未塗工部２２の第２の面１６ｂの略全域に設けられている。

酸化膜２６は、周縁部２４上に配置されて樹脂ケース３０に埋設される埋設部２６ｂと、露出部２３上に配置されて樹脂ケース３０からはみ出す露出部２６ｃとを含む。埋設部２６ｂは、表面２６ａの凹部（孔部）に樹脂ケース３０の樹脂材料が入り込むことにより、樹脂ケース３０に接合されている。凹部（孔部）に樹脂ケース３０の樹脂材料が浸入して固まることで、樹脂ケース３０と周縁部２４との間に凹凸状の嵌合（噛み合い）が形成され、接合強度が高められている。露出部２６ｃは、電解液が充填された集電体１６，１６間の空間に露出している。

続いて、蓄電装置１０の製造方法の一例について説明する。まず、準備工程として、複数のバイポーラ電極１２と複数のセパレータ１４とを準備する。バイポーラ電極１２は、集電体１６に対して酸化膜２６を形成し、さらに正極層１８および負極層２０を形成することによって得られる。より詳細には、集電体１６の周縁部２４および露出部２３に、第２の面１６ｂ側に対して陽極酸化処理等を施すことにより、酸化膜２６を形成する。負極層２０が形成される（塗工される）領域に酸化膜２６が重ならないように、マスキンング処理を施してもよい。その後、第１の面１６ａに正極層１８を形成し、第２の面１６ｂに負極層２０を形成する。

次に、積層工程として、セパレータ１４を介して複数のバイポーラ電極１２を直列に積層する。隣り合う周縁部２４，２４の間には、必ず酸化膜２６が配置される。

次に、射出成形工程として、例えば金型を用いた射出成形により、樹脂ケース３０を形成する。このとき、樹脂材料が酸化膜２６の表面２６ａの凹部（孔部）に流れ込む。これにより、接合強度が高められ、アンカー効果が得られる。なお、射出成形に限られず、熱圧着等によって樹脂ケース３０を形成してもよい。樹脂ケース３０を成形する方法は特に限定されない。

その後、拘束工程として、図１に示されるように、正極プレート４０及び負極プレート５０により、複数のバイポーラ電極１２、複数のセパレータ１４、電極１１２、電極２１２及び樹脂ケース３０を挟持する。さらに、ボルトＢ及びナットＮを用いて正極プレート４０及び負極プレート５０に拘束力を付与する。以上の一連の工程を経て、蓄電装置１０が製造される。

蓄電装置１０によれば、未塗工部２２の周縁部２４は、樹脂ケース３０に埋設される。積層方向に隣り合う２つの周縁部２４の間には、第２の面１６ｂに設けられた酸化膜２６が配置される。この酸化膜２６は、表面２６ａに凹凸を有するため、凹部（孔部）に樹脂材料が入り込むことで、樹脂ケース３０に対する集電体１６の接合強度が高められている。すなわちアンカー効果が得られている。よって、樹脂ケース３０による密着性すなわちシール性が確保され、隣接するセル間における絶縁性が確保されている。酸化膜２６が集電体１６の全周にわたって設けられていることにより、周方向の全域において接合強度が高められ、シール性・絶縁性に関する信頼性が高められている。

絶縁性である酸化膜２６は、樹脂ケース３０よりも内側にはみ出る。周縁部２４のみならず、樹脂ケース３０の内側にも酸化膜２６が設けられることにより、隣り合う集電体１６，１６同士の短絡が確実に防止されている。このように、酸化膜２６は、樹脂ケース３０に対する接合強度の向上のみならず、その絶縁性を利用した短絡の防止にも寄与している。たとえば、あるセル内の圧力が上昇した場合には、集電体１６の両面側の圧力差によって集電体１６は積層方向（Ｚ軸方向）に移動し得る。集電体１６が移動しても、露出部２３と露出部２３との間には酸化膜２６が存在するため、これらの短絡を防止することができる。

絶縁性である酸化膜２６が負極層２０の端縁２０ａに沿った領域まで設けられるので、未塗工部２２が露出する領域が小さくなっている。酸化膜２６を端縁２０ａに接するように設ければ、未塗工部２２が露出する領域は無くなる。これらにより、隣り合う集電体１６，１６同士の短絡がより確実に防止されている。

バイポーラ電極１２においては、第２の面１６ｂ側の未塗工部２２は、第１の面１６ａ側の未塗工部２２よりも小さい。そのような第２の面１６ｂにおいて、酸化膜２６が負極層２０の端縁２０ａに沿った領域まで設けられるので、酸化膜２６を形成すべき領域を小さくできる。このことは、たとえば、製造上の観点において有利である。

負極層２０より薄い酸化膜２６は、バイポーラ電極１２の体格、すなわち積層方向における厚みに影響を与えない。したがって、シール性を確保しつつ、蓄電装置１０の全体が大型化することが防止されている。

図４を参照して、他の実施形態に係る集電体１６の接合構造（支持構造または保持構造）について説明する。図４に示されるように、酸化膜２６は、集電体１６の第１の面１６ａにのみ設けられている。酸化膜２６は、第１の面１６ａの外周側の全周にわたって設けられている。酸化膜２６は、周縁部２４から正極層１８の端縁１８ａに沿った領域まで設けられている。絶縁性である酸化膜２６は、正極層１８の領域には設けられていない。すなわち、正極層１８と酸化膜２６とは、重なり合わない。酸化膜２６は、正極層１８の端縁１８ａに接するように設けられてもよいし、正極層１８の端縁１８ａとの間に隙間が形成されるように設けられてもよい。このように、酸化膜２６は、未塗工部２２の第１の面１６ａの略全域に設けられている。

このような構造によっても、上記実施形態と同様の作用・効果が得られる。なお、正極層１８は負極層２０よりも小さいため、上記実施形態に比して、酸化膜２６を形成すべき領域は比較的大きくなる。しかし、たとえば正極層１８の大きさが負極層２０の大きさと略等しい場合には、製造上の観点においてもデメリットは少ない。

図５を参照して、更に他の実施形態に係る集電体１６の接合構造（支持構造または保持構造）について説明する。図５に示されるように、酸化膜２６は、集電体１６の第１の面１６ａおよび第２の面１６ｂの両方に設けられている。両面に設けられた酸化膜２６，２６は、上記の２つの実施形態における各酸化膜２６と同様である。この態様によれば、周縁部２４の両面側において、樹脂ケース３０に対する接合強度および密着性が高められており、集電体１６が樹脂ケース３０に対して動きにくく（ずれにくく）なっている。このような構造によっても、上記実施形態と同様の作用・効果が得られる。

以上、本発明の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。たとえば、酸化膜２６の厚みは、正極層１８および負極層２０の厚みと同等であってもよいし、正極層１８および負極層２０の厚みよりも大きくてもよい。

酸化膜２６は、活物質層（負極層２０または正極層１８）の周縁に沿った領域にまで設けられなくてもよい。酸化膜２６は樹脂ケース３０と活物質層との中間部まで設けられてもよい。集電体１６の周縁部２４にのみ酸化膜２６が設けられてもよい。すなわち、樹脂ケース３０に埋設される領域にのみ酸化膜２６が設けられてもよい。その場合、酸化膜２６は樹脂ケース３０の内側にはみ出さず、樹脂ケース３０の内部に収まる。埋設部２６ｂのみが設けられ、露出部２６ｃは設けられない。

酸化膜２６が全周にわたって設けられる態様に限られない。酸化膜２６は、周縁部２４の一部に設けられてもよい。樹脂ケース３０に対する集電体１６の所望の接合強度が得られる程度に、周縁部２４の複数箇所に酸化膜２６が形成されてもよい。たとえば、周方向に離間するように、複数の酸化膜２６が形成されてもよい。複数のバイポーラ電極１２がセパレータ１４を介して直列に積層される場合に限られない。

１０…蓄電装置、１２…バイポーラ電極、１４…セパレータ、１６…集電体、１６ａ…第１の面、１６ｂ…第２の面、１８…正極層、１８ａ…端縁、２０…負極層、２０ａ…端縁、２１…塗工部、２２…未塗工部、２４…周縁部、２６…酸化膜。

Claims (5)

1. セパレータを介して積層された複数のバイポーラ電極を備える蓄電装置であって、
   前記複数のバイポーラ電極の積層方向に沿って延び、前記複数のバイポーラ電極を収容する筒状の樹脂部材を備え、
   前記複数のバイポーラ電極のそれぞれは、第１の面及び前記第１の面とは反対側の第２の面を有する集電体と、前記第１の面に設けられた正極層と、前記第２の面に設けられた負極層とを有し、
   前記集電体は、前記正極層および前記負極層が設けられない外周側の未塗工部と、前記正極層および前記負極層が設けられた中央側の塗工部とを含み、前記未塗工部の周縁部は前記樹脂部材に埋設されており、
   前記積層方向に隣り合う２つの前記集電体の２つの前記周縁部の間には、互いに対面する前記第１の面および前記第２の面の少なくともいずれかに設けられた酸化膜が配置される、蓄電装置。
2. 前記酸化膜は、前記樹脂部材に埋設された前記周縁部から前記塗工部側にはみ出るように設けられている、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記酸化膜は、前記酸化膜と同じ面に設けられた前記正極層または前記負極層の端縁に沿った領域まで設けられている、請求項２に記載の蓄電装置。
4. 前記複数のバイポーラ電極において、前記酸化膜は、前記第２の面にのみ設けられている、請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記酸化膜は、前記酸化膜と同じ面に設けられた前記正極層または前記負極層より薄い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。

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