(57)【要約】【課題】正極の電流分布のムラを抑制可能な蓄電装置を提供する。【解決手段】蓄電装置１００は、セパレータ５０を介して交互に積層された正極３０及び負極４０を有する積層体２０を備え、正極３０は、正極金属箔３１と、正極金属箔３１上に形成された正極活物質層３２と、を有し、負極４０は、負極金属箔４１と、負極金属箔４１上に形成された負極活物質層４２と、を有し、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは負極金属箔４１の厚み４１Ｄよりも大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して交互に積層された正極及び負極を有する積層体を備え、
前記正極は、正極金属箔と、前記正極金属箔上に設けられた正極活物質層と、を有し、
前記負極は、負極金属箔と、前記負極金属箔上に設けられた負極活物質層と、を有し、
前記正極金属箔の厚みは前記負極金属箔の厚みよりも大きい、
蓄電装置。
【請求項２】
前記正極金属箔の厚みは、前記負極金属箔の厚みの１．５倍以上である、
請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記正極金属箔及び前記負極金属箔はニッケル箔であり、
前記正極活物質層は水酸化ニッケルを含み、
前記負極活物質層は水素吸蔵合金を含む、
請求項１又は２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記正極金属箔は、前記正極及び前記負極の積層方向から見て長尺状である、
請求項１〜３の何れか一項に記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、セパレータを介して複数の正極板と複数の負極板とを交互に積層した積層型の電極体を備えるニッケル水素蓄電池が記載されている。このニッケル水素電池の正極板は、発泡ニッケルからなる支持体と、この支持体に担持された活物質とを有している。また、負極板は、導電性を有する支持体と、この支持体に担持された水素吸蔵合金粉とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１９２０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電極（正極及び負極）の電気抵抗は、電極の金属箔（支持体）に由来する抵抗と、電極の金属箔に塗工された活物質層に由来する電気抵抗とを含んでいる。特許文献１に記載のような二次電池においては、正極全体の電気抵抗に対する正極金属箔に由来する電気抵抗の割合は、負極全体の電気抵抗に対する負極金属箔に由来する電気抵抗の割合よりも大きい。このため、正極金属箔の電気抵抗に由来する正極の電流分布のムラが生じやすい。
【０００５】
本発明は、正極における電流分布のムラを抑制することが可能な蓄電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係る蓄電装置は、セパレータを介して交互に積層された正極及び負極を有する積層体を備え、正極は、正極金属箔と、正極金属箔上に形成された正極活物質層と、を有し、負極は、負極金属箔と、負極金属箔上に形成された負極活物質層と、を有し、正極金属箔の厚みは負極金属箔の厚みよりも大きい。
【０００７】
この蓄電装置では、正極金属箔の厚みは負極金属箔の厚みよりも大きくなっている。これにより、正極金属箔の厚みが負極金属箔の厚みと同程度以下である場合と比較して正極金属箔の電気抵抗が低下するので、正極全体の電気抵抗に対する正極金属箔に由来する電気抵抗の割合が小さくなる。したがって、正極金属箔の電気抵抗に由来する正極の電流分布のムラを抑制することが可能である。
【０００８】
本発明に係る蓄電装置においては、正極金属箔の厚みは、負極金属箔の厚みの１．５倍以上であってもよい。この構成によれば、正極金属箔の電気抵抗に由来する正極の電流分布のムラを効果的に抑制することが可能である。
【０００９】
本発明に係る蓄電装置においては、正極金属箔及び負極金属箔はニッケル箔であり、正極活物質層は水酸化ニッケルを含み、負極活物質層は水素吸蔵合金を含んでもよい。このように、蓄電装置がいわゆるニッケル水素二次電池である場合、正極全体の電気抵抗に対する正極金属箔に由来する電気抵抗の割合が、負極全体の電気抵抗に対する負極金属箔に由来する電気抵抗の割合よりも大きくなりやすい。
【００１０】
本発明に係る蓄電装置においては、正極金属箔は、正極及び負極の積層方向から見て長尺状である。このように、正極金属箔が長尺状である場合、正極金属箔が短尺状である場合と比較して、長手方向における電流分布のムラがより発生しやすい。したがって、上述したように正極金属箔の厚みを負極金属箔の厚みよりも大きくすることにより、正極の電流分布のムラを抑制することがより有効となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、正極の電流分布のムラを抑制可能な蓄電装置を提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る蓄電装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１に示された蓄電装置の積層体を概略的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は図２に示された積層体の正極を概略的に示す図、（ｂ）は負極を概略的に示す図である。
【図４】正極金属箔の厚みとＳＯＣの分布のムラとの相関及び負極金属箔の厚みとＳＯＣの分布のムラとの相関を示す図である。
【図５】（ａ）は比較例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図であり、（ｂ）は実施例に係る負極のＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図である。
【図６】（ａ）は実施例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図であり、（ｂ）は別の実施例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して電池モジュールの一実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、図面の説明において重複する説明を省略する場合がある。また、以下の図面には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる直交座標系を示す場合がある。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る蓄電装置を概略的に示す断面図である。図１に示される蓄電装置１００は、例えば、自動車などの車両のバッテリーとして用いられるニッケル水素二次電池である。蓄電装置１００は、筐体１０と、筐体１０内に収容された積層体２０と、を備えている。筐体１０には、例えば、正極端子１１及び負極端子１２が取り付けられている。筐体１０が金属製である場合、正極端子１１及び負極端子１２のそれぞれは、例えばリング状の絶縁部材１３を介して筐体１０に取付けられる。
【００１５】
なお、筐体１０が樹脂などの絶縁性部材によって形成されている場合には、絶縁部材１３は不要ある。積層体２０は後述する正極タブ３３（図３参照）が積層されて形成された正極タブ群２１と、負極タブ４３（図３参照）が積層されて形成された負極タブ群２２と、を有している。正極タブ群２１は正極端子１１と電気的に接続され、負極タブ群２２は負極端子１２と電気的に接続されている。
【００１６】
筐体１０内には、１つの積層体２０のみが収容されていてもよいが、複数の積層体２０が収容されていてもよい。筐体１０内に複数の積層体２０が収容される場合、複数の積層体２０は、例えば、隔壁（不図示）を介してＹ軸方向（積層体２０における正極３０及び負極４０の積層方向（以下、単に「積層方向」という場合がある））に沿って互いに配列される。複数の積層体２０の正極タブ群２１及び負極タブ群２２は、バスバーなどの接続部材を介して互いに電気的に接続される。
【００１７】
次に、図２及び図３を参照して、積層体２０、正極３０、及び負極４０ついて説明する。図２は、図１に示された蓄電装置の積層体を概略的に示す断面図である。また、図３（ａ）は図２に示された積層体の正極を概略的に示す図、図３（ｂ）は負極を概略的に示す図である。図２，３に示されるように、積層体２０は、シート状の正極３０と、シート状の負極４０と、セパレータ５０と、を有している。正極３０及び負極４０は、セパレータ５０を介して交互に積層されている。本実施形態においては、袋状のセパレータ５０に正極３０が内包され、この正極３０を内包したセパレータ５０付きの正極３０と負極４０とを交互に積層することによって積層体２０が形成されている。
【００１８】
セパレータ５０の形成材料としては、ポリエステル（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロースなどからなる不織布又は不織布等が例示される。なお、セパレータの形状は袋状に限定されず、シート状のものを用いてもよい。
【００１９】
正極３０は、長方形状の正極金属箔３１と、正極金属箔３１上に形成された正極活物質層３２と、積層方向に交差する方向（ここではＸ軸方向）における一方側に設けられた正極タブ３３と、を有している。正極金属箔３１は、積層方向から見て長尺状である。より具体的には、積層方向に交差する第１方向（ここではＸ軸方向）における正極金属箔３１の寸法は、積層方向及び第１方向に交差する第２方向（ここではＺ軸方向）における正極金属箔３１の寸法よりも大きい。正極タブ３３は、正極金属箔３１の長手方向（ここではＸ軸方向）の端部を含む領域に突設されている。正極金属箔３１は、例えば、ニッケル箔などの導電性材料から形成される。
【００２０】
正極活物質層３２は、例えば、水酸化ニッケルなどの正極活物質を含む。正極活物質層３２の厚さは、例えば、２０μｍ以上４００μｍ以下程度とすることができる。なお、本実施形態において、正極活物質層３２は正極金属箔３１の両面に形成されているが、正極活物質層３２は正極金属箔３１の一面側にのみ形成されていてもよい。正極タブ３３は、正極金属箔３１から延びる長方形状の部分であり、正極活物質層３２が塗工されていない未塗工領域である。
【００２１】
負極４０は、長方形状の負極金属箔４１と、負極金属箔４１上に形成された負極活物質層４２と、積層方向に交差する方向（ここではＸ軸方向）における他方側に設けられた負極タブ４３と、を有している。負極金属箔４１は、積層方向から見て長尺状である。より具体的には、積層方向に交差する第１方向における負極金属箔４１の寸法は、積層方向及び第１方向に交差する第２方向における負極金属箔４１の寸法よりも大きい。負極タブ４３は、負極金属箔４１の長手方向（ここではＸ軸方向）の端部を含む領域に突設されている。負極金属箔４１は、例えば、ニッケル箔などの導電性材料から形成される。
【００２２】
負極活物質層４２は、例えば、水酸化ニッケルや水素吸蔵合金などの負極活物質を含む。負極活物質層４２の厚みは、例えば、２０μｍ以上４００μｍ以下程度とすることができる。なお、本実施形態において、負極活物質層４２は負極金属箔４１の両面に形成されているが、負極活物質層４２は負極金属箔４１の一面側にのみ形成されていてもよい。負極タブ４３は、負極金属箔４１から延びる長方形状の部分であり、負極活物質層４２が塗工されていない未塗工領域である。
【００２３】
ここで、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは、例えば、２０μｍ以上１００μｍ以下程度である。また、負極金属箔４１の厚み４１Ｄは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下程度である。ただし、厚み３１Ｄ及び厚み４１Ｄは、上記の数値範囲において、厚み３１Ｄが厚み４１Ｄよりも大きくなるように選択される。つまり、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは、負極金属箔４１の厚み４１Ｄよりも大きい。
【００２４】
一例として、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは、負極金属箔４１の厚み４１Ｄの１．５倍以上である。すなわち、例えば負極金属箔４１の厚み４１Ｄが２０μｍである場合には、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは３０μｍ以上である。ここで厚み３１Ｄが厚み４１Ｄよりも大きいとは、例えば、厚み３１Ｄと厚み４１Ｄとの間に製造誤差などに起因する微差を越えて有意な差（例えば１０μｍ以上の差）が生じていることを意味する。別の一例として、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは、負極金属箔４１の厚み４１Ｄの２倍以上であってもよい。すなわち、例えば負極金属箔４１の厚み４１Ｄが１０μｍである場合には、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは２０μｍ以上とすることができる。
【００２５】
以上説明したように、蓄電装置１００では、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは負極金属箔４１の厚み４１Ｄよりも大きくなっている。これにより、正極金属箔３１の厚み３１Ｄが負極金属箔４１の厚み４１Ｄと同程度以下である場合と比較して正極金属箔３１の電気抵抗が低下するので、正極３０全体の電気抵抗に対する正極金属箔３１に由来する電気抵抗の割合が小さくなる。これにより、正極金属箔３１の電気抵抗に由来する正極３０の電流分布のムラを抑制することが可能である。また、正極３０の電流分布のムラが抑制されることにより、効率よく電流を取り出すことが可能である。
【００２６】
図４は、正極金属箔の厚みとＳＯＣの分布のムラとの相関及び負極金属箔の厚みとＳＯＣの分布のムラとの相関を示す図である。図４に示されるように、正極３０におけるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）分布のムラ（電流分布のムラによって生じる現象）は、負極４０におけるＳＯＣ分布のムラと比較して全体的に大きくなっている。また、正極３０及び負極４０の両方において、金属箔（正極金属箔３１又は負極金属箔４１）の厚みが大きくなるにつれて、ＳＯＣ分布のムラが小さくなっている。ただし、負極４０においては、負極金属箔４１の厚み４１Ｄを大きくすることによるＳＯＣ分布のムラの減少量は相対的に小さい。
【００２７】
これに対して、正極３０においては、正極金属箔３１の厚み３１Ｄを大きくすることによってＳＯＣ分布のムラが（負極４０の場合と比較して）大きく減少している。特に、正極金属箔３１の厚み３１Ｄが１０μｍ〜４０μｍの範囲においては、ＳＯＣ分布のムラが約１５％程度から約７％程度まで減少しており、正極金属箔３１の厚み３１Ｄを大きくすることによる効果が顕著に現れている。よって、負極金属箔４１に比べて正極金属箔３１を厚くすることが特に有効である。このように、蓄電装置１００にあっては、正極３０におけるＳＯＣのムラが低減されるため、ＳＯＣの上限付近及び下限付近で発生する副反応が面内一部で発生することを防げ、使用可能ΔＳＯＣを広げることができる。
【００２８】
また、正極金属箔３１の厚み３１Ｄは、負極金属箔４１の厚み４１Ｄの１．５倍以上とすることができる。この場合には、正極金属箔３１の電気抵抗に由来する正極３０の電流分布のムラを効果的に抑制することが可能である。
【００２９】
また、蓄電装置１００においては、正極活物質層３２は水酸化ニッケルを含み、負極活物質層４２は水素吸蔵合金を含んでいる。このように、蓄電装置１００がいわゆるニッケル水素二次電池である場合、正極３０全体の電気抵抗に対する正極金属箔３１に由来する電気抵抗の割合は、負極４０全体の電気抵抗に対する負極金属箔４１に由来する電気抵抗の割合よりも大きくなりやすい。
【００３０】
また、蓄電装置１００においては、正極金属箔３１は、積層方向から見て長尺状である。このように、正極金属箔３１が長尺状である場合、正極金属箔３１が短尺状である場合と比較して、その長手方向における電流分布のムラがより発生しやすい。したがって、上述したように正極金属箔３１の厚み３１Ｄを負極金属箔４１の厚み４１Ｄよりも大きくすることにより、正極３０の電流分布のムラを抑制することがより有効となる。
【００３１】
以上の実施形態は、本発明に係る蓄電装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る蓄電装置は、上述した蓄電装置１００に限定されない。本発明に係る蓄電装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した蓄電装置１００を任意に変形したものとすることができる。
【００３２】
例えば、蓄電装置１００においては、正極金属箔３１及び負極金属箔４１の形状は特に限定されない。例えば、正極金属箔３１及び負極金属箔４１は、積層方向に交差する第１方向よりも、積層方向及び第１方向に交差する第２方向に長尺な形状であってもよい。
【実施例】
【００３３】
続いて、電極の実施例について説明する。ここでは、まず、正極３０の比較例として、正極Ａを作製した。正極Ａにおいては、正極金属箔をニッケル箔とした。また、正極Ａにおける正極金属箔の厚み、横幅、及び、縦幅、並びに、正極Ａにおける正極活物質層の材料、及び、塗工厚みは、下記表１に示される通りとした。一方、負極４０の実施例として、負極Ｂを作製した。負極Ｂにおいては、負極金属箔をニッケル箔とした。また、負極Ｂの各値、及び、活物質については、下記表１に示される通りとした。
【００３４】
【表１】
2018018772.tif 000003
【００３５】
図５（ａ）は、比較例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図である。図５（ｂ）は、実施例に係る負極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図である。図５に示されるシミュレーション結果の例は、Ｎｅｗｍａｎモデルを用いた電気化学シミュレーションにより得られたものである。また、図５におけるＳＯＣの値（％）は、初期の満充電容量を１００％として６．５Ａで１３２０秒放電したときの値である。
【００３６】
図５（ａ）に示されるように、正極Ａでは、正極タブＡ１近傍の領域におけるＳＯＣの値が３９．３８％と最小値になっている。ＳＯＣの値は、正極タブＡ１から離れるにつれて徐々に大きくなるように変化している。正極タブＡ１が設けられた一方側とは反対側の領域（正極タブＡ１から最も離れた領域）におけるＳＯＣの値は５６．６５％と最大値になっている。
【００３７】
すなわち、正極金属箔の厚みが１０μｍの正極ＡにおけるＳＯＣ分布のムラは最大で１７．２７％である。なお、ＳＯＣ分布のムラは、反応ムラ（電流分布のムラ）を示している。つまり、正極タブＡ１近傍の領域では反応が比較的進んでいるが、正極タブＡ１が設けられた一方側とは反対側の領域では反応が比較的進んでおらず、電流分布のムラが大きくなっていることが分かる。
【００３８】
これに対して、図５（ｂ）に示されるように、負極Ｂでは、負極タブＢ１近傍の領域におけるＳＯＣの値は６０．８１％と最小値になっている。負極Ｂにおいても、ＳＯＣの値は、負極タブＢ１から離れるにつれて徐々に変化している。負極タブＢ１が設けられた他方側とは反対側の領域（負極タブＢ１から最も離れた領域）におけるＳＯＣの値は６４．１９％と最大値になっている。したがって、負極金属箔の厚みが１０μｍの負極ＢにおけるＳＯＣ分布のムラは最大で３．３８％であり、正極ＡにおけるＳＯＣ分布のムラと比較して小さくなっている。このことから、正極における電流分布のムラを抑制する要求が相対的に高いことが理解される。
【００３９】
次に、正極３０の実施例として、正極Ｃを作製した。正極Ｃの構成は、正極３０と同様である。より具体的には、正極Ｃにおいては、正極金属箔をニッケル箔とした。また、正極Ｃにおける正極金属箔の厚み、横幅、及び、縦幅、並びに、正極Ｃにおける正極極活物質層の材料、及び、塗工厚みは、下記表２に示される通りとした。一方、正極３０の別の実施例として、正極Ｄを作製した。正極Ｄの構成は、正極３０と同様である。より具体的には、正極Ｄにおいては、正極金属箔をニッケル箔とした。また、正極Ｄの各値、及び、活物質については、下記表２に示される通りとした。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
図６（ａ）は実施例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図であり、（ｂ）は別の実施例に係る正極におけるＳＯＣのシミュレーション結果の例を示す図である。図６におけるシミュレーションの条件は、図５におけるシミュレーションの条件と同様である。図６（ａ）に示されるように、正極金属箔の厚みが２０μｍの正極Ｃの場合、正極タブＣ１近傍の領域におけるＳＯＣの値が５１．１１％（最小値）となり、正極タブＣ１が設けられた一方側とは反対側の領域（正極タブＣ１から最も離れた領域）におけるＳＯＣの値は６６．９４％（最大値）となった。
【００４２】
したがって、この場合の正極ＣにおけるＳＯＣ分布のムラは最大で１５．８３％であった。つまり、比較例に係る正極Ａに比べ、ＳＯＣ分布のムラが減少している。また、図６（ｂ）に示されるように、正極金属箔の厚みが４０μｍの場合、正極タブＤ１近傍の領域におけるＳＯＣの値が４６．３９％（最小値）であり、正極タブＤ１が設けられた一方側とは反対側の領域（正極タブＤ１から最も離れた領域）におけるＳＯＣの値は５５．５６％（最大値）であった。
【００４３】
したがって、この場合の正極ＤにおけるＳＯＣ分布のムラは最大で９．１７％であり、比較例に係る正極Ａに比べて、ＳＯＣ分布のムラが更に減少していることが確認できた。以上の結果から、正極の厚みは、例えば２０μｍ以上（負極の厚みの２倍以上、又は、１０μｍ以上負極の厚みより大きな厚み）とすることができ、より好ましくは、４０μｍ以上（負極の厚みの４倍以上、又は、３０μｍ以上負極の厚みよりも大きな厚み）とすることができる。
【符号の説明】
【００４４】
２０…積層体、３０…正極、３１…正極金属箔、３１…正極金属箔、３２…正極活物質層、４０…負極、４１…負極金属箔、４２…負極活物質層、５０…セパレータ、１００…蓄電装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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