JP2019061834A - 蓄電モジュールの製造方法及び蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電極板及び樹脂部材の反りを抑制できる蓄電モジュールの製造方法及び蓄電モジュールを提供する。【解決手段】電極板３４と電極板３４の第１面３４ｃに設けられた正極３６と電極板３４の第２面３４ｄに設けられた負極３８とをそれぞれ含む複数のバイポーラ電極３２が積層された蓄電モジュール１２を製造する。まず、電極板３４の周縁部３４ａに、レーザ光Ｌを透過可能な枠体６０を配置する。次に、枠体６０にレーザ光Ｌを照射することによって、枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａに接合する。【選択図】図３

Description

本発明の一側面は、蓄電モジュールの製造方法及び蓄電モジュールに関する。

二次電池として、特許文献１に記載されたバイポーラ電池が知られている。このバイポーラ電池では、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が、電解質層を介して積層されている。集電体同士の間には、絶縁性のシール部が設けられている。このシール部は、集電体の周縁部にシールフィルムを熱融着することによって形成される。

特開２００５−１２９４５６号公報

しかしながら、熱融着により集電体（電極板）の周縁部にシールフィルム（樹脂部材）を接合する場合、電極板の線膨張係数と樹脂部材の熱膨張係数との差に起因して、電極板及び樹脂部材に反りが発生するおそれがある。

本発明の一側面は、電極板及び樹脂部材の反りを抑制できる蓄電モジュールの製造方法及び蓄電モジュール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モジュールの製造方法は、電極板と前記電極板の第１面に設けられた正極と前記電極板の第２面に設けられた負極とをそれぞれ含む複数のバイポーラ電極が積層された蓄電モジュールの製造方法であって、前記電極板の周縁部に、レーザ光を透過可能な樹脂部材を配置する工程と、前記樹脂部材に前記レーザ光を照射することによって、前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に接合する工程と、を含む。

この蓄電モジュールの製造方法によれば、樹脂部材に照射されたレーザ光が樹脂部材と電極板の周縁部との界面近傍に到達する。その結果、樹脂部材が溶けて電極板に接合される。レーザ光による接合では、熱融着による接合に比べて、電極板及び樹脂部材に与えるエネルギー量を小さくできる。そのため、電極板及び樹脂部材の反りを抑制できる。

前記樹脂部材を接合する工程では、前記レーザ光を透過可能な押圧部材を用いて前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に押圧しながら前記押圧部材に前記レーザ光を照射してもよい。この場合、樹脂部材と電極板の周縁部との間に隙間が生じ難い。その結果、樹脂部材と電極板の周縁部との間の接合強度が向上する。

本発明の一側面に係る蓄電モジュールは、電極板と前記電極板の第１面に設けられた正極と前記電極板の第２面に設けられた負極とをそれぞれ含む複数のバイポーラ電極が積層された蓄電モジュールであって、前記電極板の周縁部に接合された樹脂部材を有し、前記樹脂部材は、前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に接合するためのレーザ光を透過可能である。

この蓄電モジュールによれば、樹脂部材にレーザ光を照射することによって、樹脂部材を電極板の周縁部に接合することができる。樹脂部材に照射されたレーザ光は樹脂部材と電極板の周縁部との界面近傍に到達する。その結果、樹脂部材が溶けて電極板に接合される。レーザ光による接合では、熱融着による接合に比べて、電極板及び樹脂部材に与えるエネルギー量を小さくできる。そのため、電極板及び樹脂部材の反りを抑制できる。

本発明の一側面によれば、電極板及び樹脂部材の反りを抑制できる蓄電モジュールの製造方法及び蓄電モジュールが提供され得る。

蓄電モジュールを備える蓄電装置の実施形態を示す概略断面図である。 図１の蓄電装置を構成する蓄電モジュールを示す概略断面図である。 実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法の各工程を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には必要に応じてＸＹＺ直交座標系が示される。

図１を参照して、蓄電装置の実施形態について説明する。図１に示される蓄電装置１０は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。蓄電装置１０は、複数（本実施形態では３つ）の蓄電モジュール１２を備えるが、単一の蓄電モジュール１２を備えてもよい。蓄電モジュール１２は、バイポーラ電池である。蓄電モジュール１２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るが、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

複数の蓄電モジュール１２は、例えば金属板等の導電板１４を介して積層され得る。積層方向から見て、蓄電モジュール１２及び導電板１４は例えば矩形形状を有する。各蓄電モジュール１２の詳細については後述する。導電板１４は、蓄電モジュール１２の積層方向（Ｚ方向）において両端に位置する蓄電モジュール１２の外側にもそれぞれ配置される。導電板１４は、隣り合う蓄電モジュール１２と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール１２が積層方向に直列に接続される。積層方向において、一端に位置する導電板１４には正極端子２４が接続されており、他端に位置する導電板１４には負極端子２６が接続されている。正極端子２４は、接続される導電板１４と一体であってもよい。負極端子２６は、接続される導電板１４と一体であってもよい。正極端子２４及び負極端子２６は、積層方向に交差する方向（Ｘ方向）に延在している。これらの正極端子２４及び負極端子２６により、蓄電装置１０の充放電を実施できる。

導電板１４は、蓄電モジュール１２において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板１４の内部に設けられた複数の空隙１４ａを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール１２からの熱を効率的に外部に放出できる。各空隙１４ａは例えば積層方向に交差する方向（Ｙ方向）に延在する。積層方向から見て、導電板１４は、蓄電モジュール１２よりも小さいが、蓄電モジュール１２と同じかそれより大きくてもよい。

蓄電装置１０は、交互に積層された蓄電モジュール１２及び導電板１４を積層方向に拘束する拘束部材１６を備え得る。拘束部材１６は、一対の拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト１８及びナット２０）とを備える。各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと導電板１４との間には、例えば樹脂フィルム等の絶縁フィルム２２が配置される。各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向から見て、各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ及び絶縁フィルム２２は例えば矩形形状を有する。絶縁フィルム２２は導電板１４よりも大きくなっており、各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂは、蓄電モジュール１２よりも大きくなっている。積層方向から見て、拘束プレート１６Ａの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔１６Ａ１が蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向から見て、拘束プレート１６Ｂの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔１６Ｂ１が蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。積層方向から見て各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂが矩形形状を有している場合、挿通孔１６Ａ１及び挿通孔１６Ｂ１は、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの角部に位置する。

一方の拘束プレート１６Ａは、負極端子２６に接続された導電板１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられ、他方の拘束プレート１６Ｂは、正極端子２４に接続された導電板１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられている。ボルト１８は、例えば一方の拘束プレート１６Ａ側から他方の拘束プレート１６Ｂ側に向かって挿通孔１６Ａ１及び挿通孔１６Ｂ１に通される。他方の拘束プレート１６Ｂから突出するボルト１８の先端には、ナット２０が螺合されている。これにより、絶縁フィルム２２、導電板１４及び蓄電モジュール１２が挟持されてユニット化されると共に、積層方向に拘束荷重が付加される。

図２を参照して、蓄電装置を構成する蓄電モジュールについて説明する。図２に示される蓄電モジュール１２は、複数のバイポーラ電極３２が積層された積層体３０を備える。バイポーラ電極３２の積層方向から見て、積層体３０は、例えば矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極３２間にはセパレータ４０が配置され得る。

各バイポーラ電極３２は、電極板３４と、電極板３４の第１面３４ｃに設けられた正極３６と、電極板３４の第２面３４ｄに設けられた負極３８とを含む。積層体３０において、一のバイポーラ電極３２の正極３６は、セパレータ４０を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極３２の負極３８と対向し、一のバイポーラ電極３２の負極３８は、セパレータ４０を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極３２の正極３６と対向している。

積層方向において、積層体３０の一端には、内側面（図示下側の面）に負極３８が配置された電極板３４が配置される。この電極板３４は負極側終端電極に相当する。積層方向において、積層体３０の他端には、内側面（図示上側の面）に正極３６が配置された電極板３４が配置される。この電極板３４は正極側終端電極に相当する。負極側終端電極の負極３８は、セパレータ４０を介して最上層のバイポーラ電極３２の正極３６と対向している。正極側終端電極の正極３６は、セパレータ４０を介して最下層のバイポーラ電極３２の負極３８と対向している。これら終端電極の電極板３４はそれぞれ隣り合う導電板１４（図１参照）に接続される。

蓄電モジュール１２は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在し、積層体３０を収容する筒状の樹脂部５０を備える。樹脂部５０は、複数の電極板３４の周縁部３４ａを保持する。樹脂部５０は、積層体３０を取り囲むように構成されている。樹脂部５０は、バイポーラ電極３２の積層方向から見て例えば矩形形状を有している。すなわち、樹脂部５０は例えば角筒状である。

樹脂部５０は、電極板３４の周縁部３４ａに接合されて、その周縁部３４ａを保持する第１シール部５２と、積層方向に交差する方向（Ｘ方向及びＹ方向）において第１シール部５２の外側に設けられた第２シール部５４とを有する。

樹脂部５０の内壁を構成する第１シール部５２は、複数のバイポーラ電極３２（すなわち積層体３０）における電極板３４の周縁部３４ａの全周にわたって設けられている。第１シール部５２は、電極板３４の周縁部３４ａに例えば溶着されており、その周縁部３４ａをシールする。すなわち、第１シール部５２は、電極板３４の周縁部３４ａに接合されている。各バイポーラ電極３２の電極板３４の周縁部３４ａは、第１シール部５２に埋没した状態で保持されている。積層体３０の両端に配置された電極板３４の周縁部３４ａも、第１シール部５２に埋没した状態で保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板３４，３４間には、当該電極板３４，３４と第１シール部５２とによって気密に仕切られた内部空間Ｖが形成されている。すなわち、内部空間Ｖはバイポーラ電極３２と樹脂部５０との間に形成されている。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。

第１シール部５２は、複数の枠体６０（樹脂部材）が積層方向に積層されたシール部である。各枠体６０は、電極板３４の周縁部３４ａに接合される。枠体６０は、積層方向から見て例えばリング状である。枠体６０は、枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａに接合するためのレーザ光Ｌ（図３（ｂ）参照）を透過可能である。

樹脂部５０の外壁を構成する第２シール部５４は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在する第１シール部５２の外周面５２ａを覆っている。第２シール部５４の内周面５４ａは、第１シール部５２の外周面５２ａに例えば溶着されており、その外周面５２ａをシールする。すなわち、第２シール部５４は、第１シール部５２の外周面５２ａに接合されている。第１シール部５２に対する第２シール部５４の溶着面（接合面）は、例えば４つの矩形平面をなす。

電極板３４は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板３４の周縁部３４ａは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域となっている。未塗工領域では、電極板３４が露出している。その未塗工領域が、樹脂部５０の内壁を構成する第１シール部５２に埋没して保持されている。正極３６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。負極３８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。電極板３４の第２面３４ｄにおける負極３８の形成領域は、電極板３４の第１面３４ｃにおける正極３６の形成領域に対して一回り大きくてもよい。

セパレータ４０は、例えばシート状に形成されている。セパレータ４０は、例えば矩形形状を有する。セパレータ４０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や織布又は不織布等が例示される。また、セパレータ４０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４０は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

樹脂部５０（第１シール部５２及び第２シール部５４）は、例えば絶縁性の樹脂を用いた射出成形によって矩形の筒状に形成されている。樹脂部５０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）等が挙げられる。

次に、図３を参照して、実施形態に係る蓄電モジュールの製造方法について説明する。この方法により、上述の蓄電モジュール１２を製造することができる。

（配置工程）
まず、図３（ａ）に示されるように、バイポーラ電極３２を準備し、電極板３４の周縁部３４ａに枠体６０（樹脂部材）を配置する。枠体６０は、電極板３４の第１面３４ｃ上に載置される。枠体６０の外周端６０ｅは電極板３４の外周端３４ｅよりも外側に位置している。積層方向に沿った枠体６０の断面形状は例えば矩形である。枠体６０は、後述のレーザ光Ｌを透過可能である。

（接合工程）
次に、図３（ｂ）に示されるように、枠体６０にレーザ光Ｌを照射することによって、枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａに接合する。すなわち、枠体６０は電極板３４の周縁部３４ａにレーザ溶着される。これにより、枠体６０と電極板３４の周縁部３４ａとの間がシールされる。レーザ光Ｌは、レーザ光源７０から出射され、積層方向に沿って進む。レーザ光Ｌは、枠体６０を透過して枠体６０と電極板３４との界面近傍で熱を発生させる。レーザ光Ｌの波長は例えば８００〜１１００ｎｍである。レーザ光Ｌのパワーは例えば１０〜５００Ｗである。レーザ光ＬはＣＷレーザ光であってもよいし、パルスレーザ光であってもよい。レーザ光ＬがＣＷレーザ光であると、積層方向から見て枠体６０の全周にわたってレーザ光Ｌを照射することによって、枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａ全周に接合することができる。レーザ光Ｌの波長に対する枠体６０の透過率は例えば２０％以上である。枠体６０の透過率は、枠体６０に含まれる色素の含有量を調整することによって変更可能である。電極板３４の第１面３４ｃは粗化面であってもよい。庇部を有する凹部が第１面３４ｃに形成されていると、当該凹部内に溶けた枠体６０の樹脂材料が入り込む。その結果、庇部が抜け止め部として作用するので、枠体６０と電極板３４との間の接合強度が向上する。

レーザ光Ｌを透過可能な押圧部材８０を用いて枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａに押圧しながら押圧部材８０にレーザ光Ｌを照射してもよい。枠体６０は、積層方向において圧縮される。押圧部材８０は、例えば電極板３４の第１面３４ｃに対向配置される板状部材である。押圧部材８０は、積層方向から見て枠体６０の全周にわたって枠体６０を押圧している。レーザ光Ｌは、押圧部材８０及び枠体６０を透過して電極板３４の第１面３４ｃに到達する。押圧部材８０を用いない場合、レーザ光Ｌは枠体６０に直接照射され得る。

このようにして、図３（ｃ）に示されるように、枠体６０が電極板３４の周縁部３４ａに接合される。レーザ光Ｌの照射によって枠体６０を構成する樹脂材料が溶けて下方に垂れるので、接合後の枠体６０は、下方に突出する突起６０ｐを有する。突起６０ｐは、積層方向から見て枠体６０の全周にわたって電極板３４の外周端３４ｅの外側に位置する。

（積層工程）
次に、図２に示されるように、セパレータ４０を介して複数のバイポーラ電極３２を積層して、積層体３０を得る。複数の枠体６０が積層方向に積層されることによって、第１シール部５２が構成される。

（シール工程）
次に、図２に示されるように、第１シール部５２の外側に第２シール部５４を形成する。第２シール部５４によって、隣り合う枠体６０間がシールされる。第２シール部５４は、例えば射出成形等により形成される。例えば、モールド内に、流動性を有する第２シール部５４の樹脂材料を流し込むことによって、第２シール部５４が形成され得る。第２シール部５４は、例えば筒状の樹脂部材を第１シール部５２に溶着することによって形成されてもよい。溶着では、例えば第１シール部５２と第２シール部５４との間に熱板を挟んで第１シール部５２及び第２シール部５４を加熱した後、熱板を抜いて第１シール部５２と第２シール部５４とが溶着される。あるいは、隣り合う枠体６０同士を互いに溶着することによって第２シール部５４を形成してもよい。溶着方法としては、例えば熱板溶着、熱風溶着、レーザ溶着等が挙げられる。熱板溶着では、例えば枠体６０に熱板を押し付けることによって、第２シール部５４が形成される。

（注液及び封止工程）
次に、注液口等を通じて、樹脂部５０内に電解液を注入する。電解液を注入した後、注液口を封止することによって、蓄電モジュール１２が製造される。

その後、図１に示されるように、導電板１４を介して複数の蓄電モジュール１２を積層する。積層方向の両端に位置する導電板１４にはそれぞれ正極端子２４及び負極端子２６が予め接続されている。その後、積層方向の両端に、絶縁フィルム２２を介して一対の拘束プレート１６Ａ，１６Ｂをそれぞれ配置し、ボルト１８及びナット２０を用いて、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ同士を連結する。このようにして、図１に示される蓄電装置１０が製造される。

以上説明したように、上述した蓄電モジュール１２の製造方法によれば、枠体６０に照射されたレーザ光Ｌが枠体６０と電極板３４の周縁部３４ａとの界面近傍に到達する。その結果、枠体６０を構成する樹脂材料が溶けて電極板３４に接合される。レーザ光Ｌによる接合では、熱融着による接合に比べて、電極板３４及び枠体６０に与えるエネルギー量を小さくできる。そのため、電極板３４の線膨張係数と枠体６０の線膨張係数との差に起因する電極板３４及び枠体６０の反りを抑制できる。

押圧部材８０を用いて枠体６０を電極板３４の周縁部３４ａに押圧しながら押圧部材８０にレーザ光Ｌを照射すると、枠体６０と電極板３４の周縁部３４ａとの間に隙間が生じ難い。その結果、枠体６０と電極板３４の周縁部３４ａとの間の接合強度が向上する。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

１２…蓄電モジュール、３２…バイポーラ電極、３４…電極板、３４ａ…周縁部、３４ｃ…第１面、３４ｄ…第２面、３６…正極、３８…負極、６０…枠体（樹脂部材）、８０…押圧部材、Ｌ…レーザ光。

Claims (3)

1. 電極板と前記電極板の第１面に設けられた正極と前記電極板の第２面に設けられた負極とをそれぞれ含む複数のバイポーラ電極が積層された蓄電モジュールの製造方法であって、
   前記電極板の周縁部に、レーザ光を透過可能な樹脂部材を配置する工程と、
   前記樹脂部材に前記レーザ光を照射することによって、前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に接合する工程と、
   を含む、蓄電モジュールの製造方法。
2. 前記樹脂部材を接合する工程では、前記レーザ光を透過可能な押圧部材を用いて前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に押圧しながら前記押圧部材に前記レーザ光を照射する、請求項１に記載の蓄電モジュールの製造方法。
3. 電極板と前記電極板の第１面に設けられた正極と前記電極板の第２面に設けられた負極とをそれぞれ含む複数のバイポーラ電極が積層された蓄電モジュールであって、
   前記電極板の周縁部に接合された樹脂部材を有し、
   前記樹脂部材は、前記樹脂部材を前記電極板の前記周縁部に接合するためのレーザ光を透過可能である、蓄電モジュール。

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