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技術 蓄電装置の製造方法

出願人 株式会社豊田自動織機
発明者 守作直人植田浩生
出願日 2018年7月30日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-142331
公開日 2020年2月6日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-021546
状態 未査定
技術分野 二次電池(鉛及びアルカリ蓄電池) 電気二重層コンデンサ等 電池及び電池容器の装着・懸架
主要キーワード 拘束ユニット 終端電極 拘束荷重 拘束板 未塗工領域 拘束面 スタック化 矩形環状
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図面 (7)

課題

複数の蓄電モジュールを積層方向拘束する際に、拘束板板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供する。

解決手段

蓄電装置1の製造方法は、バイポーラ電極13がセパレータ14を介して積層されてなる蓄電モジュール2を1対の拘束板23により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュール2のコンディショニングを行って、バイポーラ電極13を膨張させることにより、蓄電モジュール2の中央部の厚みを蓄電モジュール2の周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュール2を複数積層した状態で、複数の蓄電モジュール2を1対のエンドプレート7により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む。

概要

背景

例えば特許文献1には、蓄電装置が記載されている。特許文献1に記載の蓄電装置は、バイポーラ電極電解質層を介在させて積層した電池要素を有する複数のバイポーラ電池蓄電モジュール)と、複数のバイポーラ電池をバイポーラ電極の積層方向の両側から挟み込んで拘束する1対の保持板拘束板)とを備えている。

概要

複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供する。蓄電装置1の製造方法は、バイポーラ電極13がセパレータ14を介して積層されてなる蓄電モジュール2を1対の拘束板23により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュール2のコンディショニングを行って、バイポーラ電極13を膨張させることにより、蓄電モジュール2の中央部の厚みを蓄電モジュール2の周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュール2を複数積層した状態で、複数の蓄電モジュール2を1対のエンドプレート7により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む。

目的

本発明の目的は、複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

電極セパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置の製造方法において、前記蓄電モジュールを1対の第1拘束板により挟み込んで拘束した状態で、前記蓄電モジュールのコンディショニングを行って、前記電極を膨張させることにより、前記蓄電モジュールの中央部の厚みを前記蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、前記コンディショニング工程により得られた前記蓄電モジュールを複数積層した状態で、前記複数の蓄電モジュールを1対の第2拘束板により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む蓄電装置の製造方法。

請求項2

前記コンディショニング工程においては、前記蓄電モジュールの周縁の厚みに対する前記蓄電モジュールの中央の厚みを101%〜120%とする請求項1記載の蓄電装置の製造方法。

請求項3

前記第2拘束板の曲げ剛性が前記第1拘束板の曲げ剛性よりも低い請求項1または2記載の蓄電装置の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、蓄電装置の製造方法に関する。

背景技術

0002

例えば特許文献1には、蓄電装置が記載されている。特許文献1に記載の蓄電装置は、バイポーラ電極電解質層を介在させて積層した電池要素を有する複数のバイポーラ電池蓄電モジュール)と、複数のバイポーラ電池をバイポーラ電極の積層方向の両側から挟み込んで拘束する1対の保持板拘束板)とを備えている。

先行技術

0003

特開2007−122977号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、拘束板の拘束面が大きい場合には、1対の拘束板により複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板が撓みやすくなる。このため、拘束板の板厚を大きくしないと、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができない。拘束板の板厚を大きくすると、拘束板の体格及び重量の増大につながる。

0005

本発明の目的は、複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる蓄電装置の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0006

本発明の一態様は、電極セパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置の製造方法において、蓄電モジュールを1対の第1拘束板により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュールのコンディショニングを行って、電極を膨張させることにより、蓄電モジュールの中央部の厚みを蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくするコンディショニング工程と、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュールを複数積層した状態で、複数の蓄電モジュールを1対の第2拘束板により積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程とを含む。

0007

このような蓄電装置の製造方法においては、まず蓄電モジュールを1対の第1拘束板により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュールのコンディショニングを行って、電極を膨張させることにより、蓄電モジュールの中央部の厚みを蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくする。そして、コンディショニングが行われた蓄電モジュールを複数積層した状態で、複数の蓄電モジュールを1対の第2拘束板により積層方向に挟み込んで拘束する。このとき、蓄電モジュールの中央部の厚みが蓄電モジュールの周縁部の厚みよりも大きくなっているため、蓄電モジュールの中央部に拘束荷重がかかりやすくなる。これにより、第2拘束板の板厚を小さくしても、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる。また、第2拘束板の板厚を小さくすることにより、第2拘束板の体格及び重量を低減することができる。

0008

コンディショニング工程においては、蓄電モジュールの周縁の厚みに対する蓄電モジュールの中央の厚みを101%〜120%としてもよい。この場合には、複数の蓄電モジュールを1対の第2拘束板により積層方向に拘束する際に、蓄電モジュールの中央部に拘束荷重がかかりやすくなると共に、第2拘束板の破損等を確実に防止することができる。

0009

第2拘束板の曲げ剛性が第1拘束板の曲げ剛性よりも低くてもよい。第1拘束板はコンディショニング工程の実施時のみに使用されるため、第1拘束板の曲げ剛性が高くても、特に支障はない。従って、第1拘束板の自由度を高くすることができる。一方、第2拘束板は蓄電装置の一部品となるため、第2拘束板の曲げ剛性を低くすることにより、第2拘束板の体格及び重量を低減することが望ましい。

発明の効果

0010

本発明によれば、複数の蓄電モジュールを積層方向に拘束する際に、拘束板の板厚を小さくしつつ、蓄電モジュールの中央部を十分に拘束することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法により製造される蓄電装置を示す概略断面図である。
図1に示されたエンドプレートの平面図である。
図1に示された蓄電モジュールの概略断面図である。
本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。
図4に示されたコンディショニング工程を実施する様子を概略的に示す断面図である。
図4に示されたスタック化工程を実施する様子を概略的に示す断面図である。

実施例

0012

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

0013

図1は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法により製造される蓄電装置を示す概略断面図である。図1において、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または電気自動車等の車両のバッテリとして使用される。

0014

蓄電装置1は、複数(ここでは3つ)の蓄電モジュール2を備えている。蓄電モジュール2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または電気二重層キャパシタ等である。ここでは、蓄電モジュール2として、ニッケル水素二次電池を例示する。

0015

複数の蓄電モジュール2は、金属製の導電板3を介して積層されている。導電板3は、積層方向(Z軸方向)の両端に位置する蓄電モジュール2の積層方向の外側にも配置されている。蓄電モジュール2及び導電板3は、積層方向から見て矩形状(平面視矩形状)を呈している。導電板3は、隣り合う蓄電モジュール2と電気的に接続されている。これにより、複数の蓄電モジュール2が積層方向に直列接続されている。蓄電モジュール2については、後で詳述する。

0016

積層方向の一端(ここでは下端)に位置する導電板3には、正極端子4が接続されている。積層方向の他端(ここでは上端)に位置する導電板3には、負極端子5が接続されている。正極端子4及び負極端子5は、積層方向に垂直な方向(X軸方向)に延在している。このような正極端子4及び負極端子5を設けることにより、蓄電装置1の充放電を実施することができる。

0017

導電板3は、蓄電モジュール2で発生した熱を放出する放熱板としての機能も併せ持っている。導電板3には、蓄電モジュール2の積層方向と正極端子4及び負極端子5の延在方向とに垂直な方向(Y軸方向)に延在した複数の流路3aが設けられている。これらの流路3aを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール2からの熱を効率的に外部に放出することができる。

0018

また、蓄電装置1は、蓄電モジュール2及び導電板3を積層方向に拘束する拘束ユニット6を備えている。拘束ユニット6は、蓄電モジュール2及び導電板3を積層方向に挟む1対のエンドプレート7と、これらのエンドプレート7同士を締結する複数組(ここでは12組)のボルト8及びナット9とを有している。

0019

エンドプレート7は、例えばアルミダイカスト等の金属で形成されている。エンドプレート7は、平面視矩形状を呈している(図2参照)。各エンドプレート7と導電板3との間には、樹脂フィルム等の絶縁フィルム10がそれぞれ配置されている。絶縁フィルム10は、平面視矩形状を呈している。積層方向から見たときのエンドプレート7の外形寸法は、積層方向から見たときの蓄電モジュール2、導電板3及び絶縁フィルム10の外形寸法よりも大きい。エンドプレート7の外形寸法は、例えば500mm×300mm程度である。エンドプレート7の板厚は、例えば10mm程度である。

0020

エンドプレート7の周縁部には、図2に示されるように、ボルト8の軸部8aが通る複数(ここでは12個)の挿通孔7aが設けられている。従って、複数組のボルト8及びナット9は、各エンドプレート7の周縁部同士を締結することになる。ボルト8の軸部8aが各挿通孔7aを挿通した状態で、軸部8aの先端部にナット9が螺合することで、蓄電モジュール2、導電板3及び絶縁フィルム10に積層方向の拘束荷重が付与される。

0021

図3は、蓄電モジュール2の概略断面図である。図3において、蓄電モジュール2は、複数のセル(例えば24セル)が積層された構造(複数セル構造)を有している。蓄電モジュール2は、電極積層体11と、この電極積層体11を封止する樹脂製の封止体12とを備えている。

0022

電極積層体11は、複数のバイポーラ電極13がセパレータ14を介して積層されてなるバイポーラ電極群15と、このバイポーラ電極群15の積層方向の一端側(ここでは下側)に配置された正極終端電極16と、バイポーラ電極群15の積層方向の他端側(ここでは上側)に配置された負極終端電極17とを有している。バイポーラ電極13、セパレータ14、正極終端電極16及び負極終端電極17は、平面視矩形状を呈している。

0023

セパレータ14は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極13の間に配置されている。バイポーラ電極13は、電極板18と、この電極板18の一方面18aに形成された正極19と、電極板18の他方面18bに形成された負極20とを有している。バイポーラ電極13の正極19は、セパレータ14を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極13の負極20と対向している。バイポーラ電極13の負極20は、セパレータ14を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極13の正極19と対向している。

0024

正極終端電極16は、電極板18と、この電極板18の一方面18aに形成された正極19とを有している。負極終端電極17は、電極板18と、この電極板18の他方面18bに形成された負極20とを有している。正極終端電極16の正極19は、セパレータ14を挟んでバイポーラ電極群15の最下層のバイポーラ電極13の負極20と対向している。負極終端電極17の負極20は、セパレータ14を挟んでバイポーラ電極群15の最上層のバイポーラ電極13の正極19と対向している。正極終端電極16及び負極終端電極17の電極板18は、積層方向に隣り合う導電板3(図1参照)とそれぞれ電気的に接続されている。

0025

電極板18は、例えばニッケルまたはニッケルメッキからなる矩形の金属箔である。電極板18の一方面18a及び他方面18bは、粗面化されている。正極19は、電極板18の一方面18aに正極活物質を塗工することにより形成されている。正極活物質としては、例えばコバルト(Co)酸化物コートが施された水酸化ニッケルが用いられる。負極20は、電極板18の他方面18bに負極活物質を塗工することにより形成されている。負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が用いられる。電極板18の縁部は、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。

0026

セパレータ14は、正極19と負極20との間に配置され、正極19と負極20とを隔離する。セパレータ14は、例えばシート状に形成されている。セパレータ14は、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、もしくはPE、PPまたはメチルセルロース等からなる不織布または織布等で形成されている。また、セパレータ14は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されていてもよい。

0027

封止体12は、例えば絶縁性の樹脂により矩形環状に形成されている。封止体12は、電極積層体11を包囲するように配置されている。封止体12は、バイポーラ電極13、正極終端電極16及び負極終端電極17の電極板18をそれぞれ保持する複数の第1封止部21と、複数の第1封止部21の周囲に配置された第2封止部22とを有している。

0028

第1封止部21は、枠状を呈している。第2封止部22は、蓄電モジュール2の外壁筐体)を構成している。第2封止部22は、角筒状を有している。第2封止部22は、例えば射出成形により形成されている。第2封止部22は、例えば射出成形時の熱により各第1封止部21の外側面に溶着接合)されている。

0029

第1封止部21及び第2封止部22の樹脂材料としては、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)または変性ポリフェニレンエーテル変性PPE)等が挙げられる。

0030

積層方向に隣り合うバイポーラ電極13の間、積層方向に隣り合うバイポーラ電極13と正極終端電極16との間、及び積層方向に隣り合うバイポーラ電極13と負極終端電極17との間には、電極板18、正極19、負極20及び第1封止部21によって画成された内部空間Vがそれぞれ設けられている。第1封止部21及び第2封止部22は、各内部空間Vを封止する。

0031

各内部空間Vには、アルカリ性電解液(図示せず)が収容されている。アルカリ性の電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液を含む電解液が用いられている。電解液は、セパレータ14、正極19及び負極20の内部に含浸されている。

0032

図4は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の製造方法の工程を示すフローチャートである。図4において、まず上記の蓄電モジュール2を複数製造する蓄電モジュール製造工程が実施される(工程S101)。

0033

続いて、各蓄電モジュール2のコンディショニングを行うコンディショニング工程が実施される(工程S102)。蓄電モジュール2のコンディショニングとは、蓄電モジュール2の充放電を複数サイクル繰り返し行うことにより、蓄電モジュール2を電池として活性化させることである。

0034

蓄電モジュール2のコンディショニングは、図5(a)に示されるように、1対の拘束板23(第1拘束板)により蓄電モジュール2をバイポーラ電極13の積層方向に挟み込んで拘束した状態で行われる。このとき、複数組のボルト24及びナット25により各拘束板23同士が締結される。拘束板23としては、例えば鉄板が使用される。拘束板23は、平面視矩形状を呈している。積層方向から見たときの拘束板23の外形寸法は、積層方向から見たときの蓄電モジュール2の外形寸法よりも大きい。複数組のボルト24及びナット25は、1対の拘束板23により蓄電モジュール2が挟み込まれた状態で、蓄電モジュール2を囲むように各拘束板23の周縁部同士を締結する。

0035

蓄電モジュール2は、コンディショニング時にバイポーラ電極13が膨張するという特性を有している。このとき、バイポーラ電極13の膨張量は、拘束荷重が低いほど大きくなる。また、蓄電モジュール2の拘束に使用される拘束板を薄くすると、バイポーラ電極13の中央部の膨張量がバイポーラ電極13の周縁部の膨張量よりも大きくなる。

0036

そこで、薄い拘束板23を用いて蓄電モジュール2を拘束した状態で、蓄電モジュール2のコンディショニングを行うことにより、バイポーラ電極13を膨張させる。拘束板23の板厚は、例えば20mm程度である。これにより、図5(b)に示されるように、中央部の厚みが周縁部の厚みよりも大きい蓄電モジュール2が得られる。つまり、蓄電モジュール2の形状が凸状となる。なお、蓄電モジュール2の中央部とは、積層方向から見たときの蓄電モジュール2の中央部のことであり、蓄電モジュール2の周縁部とは、積層方向から見たときの蓄電モジュール2の周縁部のことである。

0037

このとき、蓄電モジュール2の周縁の厚みd1に対する蓄電モジュール2の中央の厚みd2は、101%〜120%であるのが好ましい。蓄電モジュール2の周縁の厚みd1は、例えば9.3mm程度である。蓄電モジュール2の中央の厚みd2は、例えば9.5mm程度である。なお、蓄電モジュール2の周縁の厚みd1に対する蓄電モジュール2の中央の厚みd2は、拘束板23の材料及び厚さを変えることで適宜変更可能である。

0038

このようなコンディショニング工程が実施された後、コンディショニング工程により得られた蓄電モジュール2を複数積層した状態で、1対のエンドプレート7(第2拘束板)により複数の蓄電モジュール2を積層方向に挟み込んで拘束するスタック化工程が実施される(工程S103)。

0039

具体的には、図6(a)に示されるように、コンディショニングが行われた複数の蓄電モジュール2を導電板3を介して積層し、更に蓄電モジュール2の積層方向の外側に導電板3及び絶縁フィルム10(図6では不図示)を配置した状態で、1対のエンドプレート7により蓄電モジュール2、導電板3及び絶縁フィルム10を積層方向に挟み込む。そして、複数組のボルト8及びナット9により各エンドプレート7同士を締結する。

0040

ここで、エンドプレート7の曲げ剛性は、コンディショニング工程において使用された拘束板23の曲げ剛性よりも低い。具体的には、エンドプレート7の材質は、拘束板23の材質よりも軽い。また、エンドプレート7の板厚は、上述したように拘束板23の板厚よりも小さい。

0041

このようにエンドプレート7の曲げ剛性が低いことに加え、ボルト8の軸部8aが通る複数の挿通孔7aがエンドプレート7の周縁部のみに設けられている。このため、エンドプレート7の拘束面が大きいと、1対のエンドプレート7により複数の蓄電モジュール2を拘束したときに、図6(b)に示されるように、エンドプレート7が積層方向の外側に対して凸状に撓みやすくなる。しかし、コンディショニング工程の実施によって、蓄電モジュール2の中央部の厚みが蓄電モジュール2の周縁部の厚みよりも大きくなっている。このため、エンドプレート7が撓んでも、蓄電モジュール2の中央部に拘束荷重がかかりやすくなる(図6(b)の破線P参照)。

0042

以上のように本実施形態にあっては、まず蓄電モジュール2を1対の拘束板23により挟み込んで拘束した状態で、蓄電モジュール2のコンディショニングを行って、バイポーラ電極13を膨張させることにより、蓄電モジュール2の中央部の厚みを蓄電モジュール2の周縁部の厚みよりも大きくする。そして、コンディショニングが行われた蓄電モジュール2を複数積層した状態で、複数の蓄電モジュール2を1対のエンドプレート7により積層方向に挟み込んで拘束する。このとき、蓄電モジュール2の中央部の厚みが蓄電モジュール2の周縁部の厚みよりも大きくなっているため、蓄電モジュール2の中央部に拘束荷重がかかりやすくなる。これにより、エンドプレート7の板厚を小さくしても、蓄電モジュール2の中央部を十分に拘束することができる。また、エンドプレート7の板厚を小さくすることにより、エンドプレート7の体格及び重量を低減することができる。

0043

また、本実施形態では、蓄電モジュール2の周縁の厚みd1に対する蓄電モジュール2の中央の厚みd2を101%〜120%とするので、複数の蓄電モジュール2を1対のエンドプレート7により積層方向に拘束する際に、蓄電モジュール2の中央部に拘束荷重がかかりやすくなると共に、エンドプレート7の破損等を確実に防止することができる。

0044

また、本実施形態では、エンドプレート7の曲げ剛性が拘束板23の曲げ剛性よりも低い。拘束板23はコンディショニング工程の実施時のみに使用されるため、拘束板23の曲げ剛性が高くても、特に支障はない。従って、拘束板23の自由度を高くすることができる。一方、エンドプレート7は蓄電装置1の一部品となるため、エンドプレート7の曲げ剛性を低くすることにより、エンドプレート7の体格及び重量を低減することが望ましい。

0045

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、エンドプレート7の曲げ剛性が拘束板23の曲げ剛性よりも低くなっているが、特にその形態には限られず、エンドプレート7の絶対的な板厚が小さくなるのであれば、エンドプレート7の曲げ剛性が拘束板23の曲げ剛性よりも高くてもよい。

0046

また、上記実施形態では、蓄電モジュール2は、電極板18の一方面18aに形成された正極19と電極板18の他方面18bに形成された負極20とを有するバイポーラ電極13がセパレータ14を介して積層されてなる構造を有しているが、本発明は、特にその形態には限られず、蓄電モジュールのコンディショニング時に電極の膨張が発生するのであれば、バイポーラ電極以外の電極がセパレータを介して積層されてなる複数の蓄電モジュールを備えた蓄電装置にも適用可能である。

0047

1…蓄電装置、2…蓄電モジュール、7…エンドプレート(第2拘束板)、13…バイポーラ電極、14…セパレータ、23…拘束板(第1拘束板)。

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