(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-02
(45)【発行日】2023-10-11
(54)【発明の名称】蓄電モジュール
(51)【国際特許分類】
H01M 10/04 20060101AFI20231003BHJP
H01G 11/12 20130101ALI20231003BHJP
H01G 11/22 20130101ALI20231003BHJP
H01G 11/52 20130101ALI20231003BHJP
H01M 4/02 20060101ALI20231003BHJP
H01M 50/46 20210101ALI20231003BHJP
H01M 50/463 20210101ALI20231003BHJP
【FI】
H01M10/04 Z
H01G11/12
H01G11/22
H01G11/52
H01M4/02 Z
H01M50/46
H01M50/463 B
(21)【出願番号】P 2020024046
(22)【出願日】2020-02-17
【審査請求日】2022-10-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大内 政伸
(72)【発明者】
【氏名】奥村 素宜
(72)【発明者】
【氏名】寺島 大樹
(72)【発明者】
【氏名】南形 厚志
【審査官】冨士 美香
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-249259(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/04
H01M 50/40
H01G 11/22
H01G 11/52
H01G 11/12
H01M 10/058
H01M 10/24
H01M 4/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、蓄電モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【発明の効果】
【0016】
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。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【
図1】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2】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3】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】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5】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。
【
図6】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。
【
図7】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。
【
図8】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。
【
図9】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】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11】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】
図11に示すXII-XII線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
(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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
[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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
[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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
(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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【符号の説明】
【0069】
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。