JP6693364B2

JP6693364B2 - 水系電池

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Publication number: JP6693364B2
Application number: JP2016181772A
Authority: JP
Inventors: 卓郎菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP2018045949A

Description

本明細書に記載された内容は、水系電池に関する。

従来から各種電池について提案されており、たとえば、特許第５３６９３４２号公報に記載された二次電池は、電解液としてアルカリ水溶液が用いられた水系電池について記載されている。この水系電池は、筒状の外装体と、外装体内に配置された積層体と、積層体を貫通する軸部とを備え、積層体は、正極と、負極と、正極および負極の間に配置されたセパレータとを含む。

特許第５３６９３４２号公報

上記のように構成された水系電池においては、水系電池の使用環境によって水系電池に外力や振動が加えられ、セパレータが位置ずれするおそれがある。また、水系電池の製造過程において、正極、セパレータおよび負極を順次積層させる際にも、セパレータが位置ずれするおそれがある。このように、セパレータが位置ずれすると、水系電池の内部抵抗が高くなる。

本明細書に記載された水系電池は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、セパレータの位置ずれを抑制すると共にセパレータの位置ずれによる内部抵抗の上昇が抑制された水系電池を提案することである。

本明細書に記載された水系電池は、正極板と、セパレータと、負極板とが積層方向に積層された電極体と、電極体を収納する収納ケースと、電極体に挿入されると共に積層方向に延びる絶縁性の位置決め部材とを備える。上記電極体を積層方向から離れた位置から視ると、セパレータは、正極板および負極板のいずれとも対向する対向部分と、対向部分と隣り合うと共に正極板および負極板のいずれとも対向しない非対向部分とを含む。上記位置決め部材は、セパレータと非対向部分を通るように設けられる。

上記の水系電池によれば、位置決め部材がセパレータに挿入されており、セパレータが位置ずれを抑制することができる。セパレータの位置ずれが抑制されているので、電極体内の内部抵抗の上昇を抑制することができる。

また、セパレータの位置ずれが抑制されているので、セパレータがない状態で正極板および負極板が対向する領域を小さく抑えることができ、正極板および負極板が互いに直接接触することを抑制することができる。これにより、正極板および負極板間の短絡を防止することができる。

他の水系電池においては、上記位置決め部材は、積層方向に延びる軸部と、軸部から突出すると共に所定の間隔をあけて形成された複数の支持部とを含み、セパレータは、支持部によって支持される。

上記の水系電池によれば、各セパレータが所定の間隔で配置されており、積層されたセパレータ、正極板および負極板の各部材に加えられる面圧を均一化することができる。

本明細書に記載された水系電池によれば、セパレータの位置ずれを抑制することができ、セパレータの位置ずれによる内部抵抗の上昇を抑制することができる。

本実施の形態１に係る水系電池１を示す分解斜視図である。電極体３を示す分解斜視図である。積層方向Ｄ１に離れた位置から電極体３を見たときの電極体３の平面図である。水系電池１Ａの電極体３Ａを示す一部を断面視した側面図である。図４のＶ−Ｖ線における断面図である。位置決め部材６Ａを平面視したときの図である。位置決め部材６Ａを示す斜視図である。電極体３Ａの最も最下層に配置されたセパレータ４３Ａの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。セパレータ４３Ａの上方に配置されたセパレータ４１Ａの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。セパレータ４１Ａの上方に配置されたセパレータ４３Ｂの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。実施の形態３に係る水系電池１Ｂを示し、一部を断面視した側面図である。図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線における断面図である。

図１から図１２を用いて、水系電池について説明する。なお、図１から図１２に記載された構成において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る水系電池１を示す分解斜視図である。この図１に示すように、水系電池１は、ケース２と、ケース２内に収納された電極体３と、電極体３に挿入された複数の位置決め部材６とを含む。

ケース２は略直方体形状であり、ケース２は正極集電部４と負極集電部５とを含む。正極集電部４と負極集電部５とが互いに結合することで、ケース２が形成されている。

正極集電部４および負極集電部５は、金属ＮｉまたはＮｉめっき鋼鈑によって形成されている。

正極集電部４は、長方形形状に形成された天板部１０と、天板部１０の一方の短辺に接続された側壁部１１と、天板部１０の他方の短辺に接続された側壁部１２と、ガスケット１３，１４とを含む。

側壁部１１，１２は、天板部１０の各短辺から負極集電部５に向けて延びており、側壁部１１と側壁部１２とは互いに対向するように配置されている。

側壁部１１は、側辺２１および側辺２２と、側辺２１，２２の端部同士を接続する端辺２０とを含む。側辺２１には加締め片２３が形成されており、側辺２２には加締め片２４が形成されている。

側壁部１２は、側辺２６および側辺２７と、側辺２６および側辺２７の端部同士を接続する端辺２５とを含む。側辺２６には加締め片２８が形成されており、側辺２７には加締め片２９が形成されている。

ガスケット１３は、側壁部１１の端辺２０に設けられており、ガスケット１４は側壁部１２の端辺２５に設けられている。ガスケット１３，１４は、絶縁性の樹脂材料などによって形成されている。

負極集電部５は、長方形形状に形成された底板部３０と、底板部３０の一方の長辺から正極集電部４に向けて延びる側壁部３１と、底板部３０の他方の長辺から正極集電部４に向けて延びる側壁部３２と、ガスケット１５，１６とを含む。

側壁部３１は、側辺３３および側辺３４と、側辺３３の端部および側辺３４の端部を接続する端辺３５とを含む。側壁部３２は、側辺３６，３７と、側辺３６の端部および側辺３７の端部を接続する端辺３８とを含む。

ガスケット１５は、側壁部３１の側辺３３、端辺３５および側辺３４に亘って延びるように配置されており、ガスケット１６も、側壁部３２の側辺３６、端辺３８および側辺３７に亘って延びるように形成されている。なお、ガスケット１５，１６も、樹脂などの絶縁材料によって形成されている。そして、正極集電部４と、負極集電部５とを組み合わせてケース２を形成する際には、加締め片２３，２４，２８，２９が側辺３６，３３，３７，３４と共に加締められる。このように正極集電部４および負極集電部５が一体化されたときにおいても、ガスケット１３，１４，１５，１６によって、正極集電部４と負極集電部５との絶縁性は確保されている。

図２は、電極体３の一部を示す分解斜視図である。この図２に示すように、電極体３は、正極板４０と、セパレータ４１と、負極板４２と、セパレータ４３とを順次、積層方向Ｄ１に積層することで形成されている。なお、本実施の形態においては、正極板４０、セパレータ４１，４３および負極板４２が複数積層されている。

正極板４０は、水酸化Ｎｉなどから形成されており、負極板４２は水素吸蔵合金などから形成されている。セパレータ４１およびセパレータ４３は、ポリオレフィン系不織布から形成されている。

なお、ケース２内には、電解液が電極体３と共に収納されており、電解液としては、アルカリ性電解液が採用されている。

ここで、水系電池とは、電解液に水溶液が用いられた電池であり、電解液にアルカリ性電解液が用いられた電池も水系電池に含まれる。

つまり、水系とは「プロトン性」の意であり、非水系とは「非プロトン性」の意である。「プロトン性」溶媒とは、分子が解離することにより、水素イオン（プロトン）を放出する溶媒を意味する。「非プロトン性」溶媒とは、プロトンを放出しない溶媒である。たとえば、アルコールは有機溶媒であるが、プロトンを放出するので「プロトン性」溶媒に含まれる。

なお、リチウムイオン電池の電解液溶媒は、単なる有機溶媒ではなく、分子の中にプロトンが取れる部分がなく、「非プロトン性」溶媒である。すなわち、リチウムイオン電池は、水系電池に含まれない。また、本実施の形態１に係る水系電池１は、充放電可能な二次電池である。

図３は、積層方向Ｄ１に離れた位置から電極体３を見たときの電極体３の平面図である。この図３に示すように、正極板４０は、セパレータ４１，４３から外方に張り出す張出部分５０，５１を含み、張出部分５０，５１は、端辺５２，５３を含む。

また、負極板４２も、セパレータ４１，４３から外方に張り出す張出部分５４，５５を含み、張出部分５４，５５は、端辺５６，５７を含む。

そして、各負極板４２の端辺５７は側壁部３１に接触しており、負極板４２の端辺５６は負極集電部５の側壁部３２に接触している。同様に、正極板４０の端辺５２は、正極集電部４の側壁部１２に接触しており、端辺５３は正極集電部４の側壁部１１に接触している。

図３において、セパレータ４１，４３は、正極板４０および負極板４２のいずれとも対向する対向部分４５と、正極板４０および負極板４２のいずれにとも対向しない非対向部分４６とを含む。セパレータ４１，４３の非対向部分４６には穴部４７が形成されており、この穴部４７に位置決め部材６が挿入されている。位置決め部材６は、樹脂などの絶縁材料によって形成されている。

なお、この図３に示す例においては、対向部分４５は略長方形形状であり、非対向部分４６は対向部分４５の角部と隣り合うように位置している。そして、各位置決め部材６は、電極体３の上面から下面まで貫通するように設けられている。

このように、各セパレータ４１およびセパレータ４３は、位置決め部材６によって位置決めされており、水系電池１の外部から外力が加えられたり、水系電池１に振動が生じたとしても、各セパレータ４１，４３が位置ずれすることを抑制することができる。

そして、各位置決め部材６は、正極板４０および負極板４２のいずれにも接触または近接するように設けられており、正極板４０および負極板４２が位置ずれすることが抑制されている。

具体的には、正極板４０の端辺５２，５３が側壁部１２，１１に接触しており、Ｘ方向に位置ずれし難く、さらに、複数の位置決め部材６によって、Ｙ方向に位置ずれすることが抑制されている。そのため、正極板４０がセパレータ４１，４３に対して相対的に位置ずれすることが抑制されている。

負極板４２の端辺５６，５７は、側壁部３２，３１に接触しておりＹ方向に位置ずれしにくく、さらに、複数の位置決め部材６によって、Ｘ方向に位置ずれすることが抑制されている。そのため、負極板４２が、セパレータ４１，４３に対して相対的に位置ずれすることが抑制されている。

その結果、正極板４０、負極板４２およびセパレータ４１，４３が互いに位置ずれが抑制されているので、位置ずれによる内部抵抗の上昇を抑制することができる。

仮に、セパレータ４１，４３が大きく位置ずれすると、正極板４０および負極板４２の間にセパレータ４１，４３が配置されていない領域が大きくなり、正極板４０および負極板４２が短絡するおそれがある。

その一方で、本実施の形態１に係る電極体３によれば、セパレータ４１，セパレータ４３、正極板４０および負極板４２の位置ずれが抑制されており、セパレータ４１，４３が間になく、正極板４０および負極板４２が直接対向する領域が小さく抑えられている。このため、正極板４０および負極板４２が接触することが抑制されており、正極板４０および負極板４２の間で短絡が生じることが抑制されている。

なお、位置決め部材６が挿入される穴部４７は、セパレータ４１およびセパレータ４３に形成されており、正極板４０および負極板４２に形成されておらず、電極体３の製造工数の低減も図られている。

上記のように構成された水系電池１の電極体３を製造する際には、まず、複数の位置決め部材６を所定位置に配置する。その後、セパレータ４３を位置決め部材６の上方に配置し、セパレータ４３を下降させて、セパレータ４３の各穴部４７に位置決め部材６を通する。このようにして、セパレータ４３を所定位置に配置する。

その後、正極板４０をセパレータ４３の上面に配置する。そして、セパレータ４１の穴部４７に位置決め部材６を通しながらセパレータ４１を正極板４０の上面に配置する。これにより、セパレータ４１が所定位置に配置される。その後、セパレータ４１の上面に負極板４２を配置する。そして、上記の工程を繰り返すことで、電極体３を製造することができる。

このように、本実施の形態１に係る電極体３の製造方法によれば、各セパレータ４１，４３を所定位置に配置させながら、正極板４０、セパレータ４１、負極板４２およびセパレータ４３を順次積層させることができる。これにより、製造された電極体３において、セパレータ４１，４３の位置ずれによる内部抵抗の上昇を抑制することができる。

（実施の形態２）
図４などを用いて、実施の形態２に係る水系電池１Ａについて説明する。図４は、水系電池１Ａの電極体３Ａを示す一部を断面視した側面図である。また、図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図である。

この図４および図５に示すように、セパレータ４１，４３には、非対向部分４６に穴部４７Ａが形成されており、各穴部４７Ａに位置決め部材６Ａが挿入されている。

図６は、位置決め部材６Ａを平面視したときの図であり、図７は、位置決め部材６Ａを示す斜視図である。この図６および図７に示すように、位置決め部材６Ａは、軸部６０と、軸部６０の周面に所定の間隔をあけて形成された複数の突起部６１〜６８が形成されている。

図６に示すように、突起部６１〜６８は、軸部６０の周面の周方向に等間隔に設けられており、図７に示すように、突起部６１〜６８は、軸部６０の軸方向に等間隔に設けられている。各突起部６１〜６８は、軸部６０の周面から外方向に突出するように形成されている。

図８は、電極体３Ａの最も最下層に配置されたセパレータ４３Ａの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。

この図８に示すように、穴部４７Ａの内周縁部は、円弧状に延びる円弧部７０と、穴部４７の中心方向に向けて突出する突出部７１とを含む。

セパレータ４３Ａの穴部４７Ａの開口縁部は、軸部６０と、突起部６１よりも上方に位置する突起部６２〜６８を通すような形状である。そして、セパレータ４３Ａの突出部７１は突起部６１と接触するように形成されている。そのため、セパレータ４３Ａは、位置決め部材６Ａの突起部６１によって支持されている。

図９は、セパレータ４３Ａの上方に配置されたセパレータ４１Ａの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。図８および図９に示すように、セパレータ４１Ａの穴部４７Ａは、セパレータ４３Ａの穴部４７Ａを回転させた形状になっている。

具体的には、セパレータ４１Ａの突出部７１は、突起部６２と接触するように形成されており、セパレータ４１Ａは、位置決め部材６Ａの突起部６２によって支持されている。なお、セパレータ４１Ａの穴部４７Ａは、突起部６２よりも上方に位置する突起部６３〜６８を通すような形状である。

また、図１０は、セパレータ４１Ａの上方に配置されたセパレータ４３Ｂの穴部４７Ａおよびその周囲の構成を示す平面図である。この図９および図１０に示すように、セパレータ４３Ｂの穴部４７Ａは、セパレータ４１Ａの穴部４７Ａを回転させた形状となっている。

そして、セパレータ４３Ｂの穴部４７Ａの突出部７１は、位置決め部材６Ａの突起部６３と接触するように形成されている。このため、セパレータ４３Ｂは、位置決め部材６Ａの突起部６３によって支持されている。

このように、図４に示す各セパレータ４１Ａ，４３Ａ，４１Ｂ，４３Ｂ，４１Ｃ，４３Ｃ，４１Ｄ，４３Ｄの各穴部４７Ａの形状を異ならせて、各セパレータ４１Ａ，４３Ａ，４１Ｂ，４３Ｂ，４１Ｃ，４３Ｃ，４１Ｄ，４３Ｄを図６および図７に示す各突起部６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８で支持するようにしている。

このように構成された電極体３Ａにおいては、各セパレータ４１，４３の間隔が所定の間隔となっており、各セパレータ４１，４３、正極板４０および負極板４２に加えられる面圧を均一化することができる。

これにより、電極体３Ａ内の圧力分布を均一化することができ、部分的に劣化を進行することを抑制することができる。

また、上記のように構成された電極体３Ａを製造する際には、まず、複数の位置決め部材６Ａを立てた状態で、まず、セパレータ４３Ａを位置決め部材６Ａの上方から降ろして、セパレータ４３Ａの穴部４７Ａに突起部６８，６７，６６，６５，６４，６３，６２を順次通す。そして、セパレータ４３Ａの突出部７１が突起部６１にあたり、セパレータ４３Ａが複数の位置決め部材６Ａの突起部６１によって支持される。

次に、セパレータ４３Ａの上面に正極板４０を配置する。次に、セパレータ４１Ａを位置決め部材６Ａの上方に配置し、その後、セパレータ４１Ａを下方に下降させる。そして、セパレータ４１Ａの穴部４７Ａに突起部６８，６７，６６，６５，６４，６３を順次通して、突起部６２上にセパレータ４１Ａを配置する。次に、セパレータ４１Ａの上面に負極板４２を配置する。

そして、順次複数のセパレータ４１，４３、正極板４０および負極板４２を順次積層して、電極体３Ａを作成することができる。このように、本実施の形態２に係る電極体３Ａの製造方法によれば、各セパレータ４１およびセパレータ４３間の間隔を等間隔に配置することができる。なお、電極体３Ａの製造工程においても、各セパレータ４１，４３は、位置決め部材６によって位置決めされており、製造過程において、セパレータ４１，４３が所定位置からの位置ずれを抑制することができる。

（実施の形態３）
図１１および図１２を用いて、実施の形態３に係る水系電池１Ｂについて説明する。図１１は、実施の形態３に係る水系電池１Ｂを示し、一部を断面視した側面図である。この図１１に示すように、水系電池１Ｂのケース２の上面には、安全弁７５および注入部７６とが形成されている。安全弁７５は、ケース２内の内圧が所定圧以上になった際に開弁してケース２内のガスを外部に排気する。注入部７６は、製造過程において、電解液を注入する際に用いられる。

図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線における断面図である。この図１２に示すように、正極板４０は、側壁部３１よりも側辺３３に近い位置に配置されており、負極板４２は、側壁部１１よりも側壁部１２に近い位置に配置されている。セパレータ４１およびセパレータ４３は、側壁部３１および側壁部１１の角部より側壁部１２および側辺３３の角部に近い位置に配置されている。

このため、ケース２内において、側壁部３１および側壁部１１の角部付近には、セパレータ４１，４３、正極板４０および負極板４２が配置されていない空間７７が形成されている。

そして、空間７７の上方に、安全弁７５および注入部７６が配置されており、安全弁７５および注入部７６の配置スペースを確保することができる。

なお、本実施の形態３に係る水系電池１Ｂにおいても、複数の位置決め部材６が電極体３Ｂに設けられており、水系電池１Ｂに外力が加えられたり振動が生じたとしても、正極板４０、セパレータ４１，４３および負極板４２が位置ずれすることが抑制されており、電極体３Ｂの内部抵抗の上昇が抑制されている。

以上、実施の形態１〜３について説明したが、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。本発明の技術的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ことが意図される。

本明細書に記載された水系電池は、たとえば、車両や各種機器に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ水系電池、２ケース、３，３Ａ，３Ｂ電極体、４正極集電部、５負極集電部、６，６Ａ位置決め部材、１０天板部、１１，１２，３１，３２側壁部、１３，１４，１５，１６ガスケット、２０，２５，３５，３８，５２，５３，５６，５７端辺、２１，２２，２６，２７，３３，３４，３６，３７側辺、２３，２４，２８，２９加締め片、３０底板部、４０正極板、４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４３，４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄセパレータ、４２負極板、４５対向部分、４６非対向部分、４７，４７Ａ穴部、５０，５１，５４，５５張出部分、６０軸部、６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８突起部、７０円弧部、７１突出部、７５安全弁、７６入部、７７空間、Ｄ１積層方向。

Claims

正極板と、セパレータと、負極板とが積層方向に積層された電極体と、
前記電極体を収納する収納ケースと、
前記電極体に挿入されると共に前記積層方向に延びる絶縁性の位置決め部材と、
を備え、
前記電極体を前記積層方向から離れた位置から視ると、前記セパレータは、前記正極板および前記負極板のいずれとも対向する対向部分と、前記対向部分と隣り合うと共に前記正極板および前記負極板のいずれとも対向しない非対向部分とを含み、
前記位置決め部材は、前記セパレータと前記非対向部分を通るように設けられ、
前記位置決め部材は、前記積層方向に延びる軸部と、前記軸部から突出すると共に所定の間隔をあけて形成された複数の支持部とを含み、
前記セパレータは、前記支持部によって支持された、水系電池。