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JP7215270B2 - ケースの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ケース及びその製造方法、積層体の挿入方法、並びに電池スタックに関する。
全固体電池は電池反応を進行させるため、当該全固体電池を構成する各層の積層方向に例えば０．８～４０ＭＰａ程度の圧力をかける必要がある。
特許文献１には、全固体電池を構成する積層体の積層方向拘束圧力を与える拘束部材として、積層体の両表面を挟む板状部と、２つの板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結され、ねじ構造等により拘束圧力を調整する調整部を有する拘束部材が開示されている。
特許文献２には、全固体電池積層体を外装缶に密閉収容する手法が開示されている。特許文献２の手法は、全固体電池積層体を外装缶本体に収納した後、外装缶の上面部を構成する蓋部を溶接して、全固体電池積層体を密封収容している。
また特許文献３には、電池セルにかかる拘束荷重の面内均一性を改善する手法として、複数電池セルと、各電池セル間に配置されるスペーサを有し、前記スペーサが、電池ケースと当接する低ばね定数凸部と、高ばね定数凸部を有するバッテリが開示されている。
特開２０１８－１４２８６号公報 特開２０１８－１０７００３号公報 特開２０１７－２１２１２０号公報
全固体電池は使用状況や環境によって膨張収縮することが知られている。特許文献１の拘束部材や特許文献２の外装缶は、基本的に形状が変化しない。そのため、全固体電池が膨張した場合、過度に高い拘束圧力が発生する恐れがあった。高い拘束圧力は、全固体電池及び拘束部材の両方に負荷をかけるため、少なくとも一方が劣化し電池性能を低下させる恐れがあった。また全固体電池が収縮した場合には、十分な拘束圧力がかからない恐れがあった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、収容する積層体の膨張収縮に対応する伸縮性を備えたケース及びその製造方法、当該ケースに積層体を挿入する積層体の挿入方法、並びに当該ケースを用いた電池スタックを提供するものである。
本実施形態に係るケースは、積層体を収容するケースであって、
前記積層体と接触して対向する２つの接触部と、
前記２つの接触部を接続する２つのバネ構造と、
を有する。
このような構成のケースによれば、接触部にかかる力に応じてバネ構造が変形する。例えば、収容する積層体が膨張するときには、バネ構造が伸びることにより、積層体にかかる圧力が過度に高くなることが抑制される。一方、収容する積層体が収縮するときには、バネ構造が縮んで積層体と接触部との接触が維持されて、積層体にかかる圧力の低下が抑制される。
上記ケースは、繊維強化プラスチック製としてもよい。繊維強化プラスチック製とすることにより、より高強度のケースとなる。
本実施形態に係るケースの製造方法は、樹脂を含浸させた炭素繊維を型に巻きつける工程と、樹脂を硬化する工程とを有する。
このようなケースの製造方法によれば、繊維強化プラスチック製で高強度のケースを製造できる。
上記ケースの製造方法は、前記樹脂を含浸させた炭素繊維がシート状であってもよい。シート状の炭素繊維を用いることにより、製造時間を短縮できる。
上記ケースの製造方法は、前記型に巻きつける工程において、前記炭素繊維を型に追従するように押し付けながら巻きつけてもよい。このような製造方法によれば、ケースのバネ構造が凹部を有する場合であっても容易に製造できる。
上記ケースの製造方法は、前記型に巻きつける工程の後、前記型を中子型とし、外型を用いてプレスする工程を有してもよい。このような製造方法によれば、ケースのバネ構造が凹部を有する場合であっても容易に製造できる。
また、本実施形態に係るケースの製造方法は、炭素繊維を含有する樹脂組成物を射出成形する工程を有するものであってもよい。
本実施形態に係る積層体の挿入方法は、前記本実施形態のケースに積層体を挿入する方法であって、前記ケース、及び積層体を準備し、前記ケースの前記バネ構造を押し広げた状態で、積層体を挿入する。このような方法で積層体を挿入することにより、積層体が初期状態から収縮する場合でも、ケースから積層体への押圧を維持できる。
また本実施形態に係る積層体の挿入方法は、前記本実施形態のケースに積層体を挿入する方法であって、前記ケース、及び積層体を準備し、前記積層体を積層方向に押し縮めた状態で、前記ケースに挿入する。このような方法で積層体を挿入することにより、積層体が初期状態から収縮する場合でも、ケースから積層体への押圧を維持できる。
本実施形態に係る電池スタックは、
対向する２つの接触部と、前記２つの接触部を接続する２つのバネ構造と、を有するケースと、
２個以上の全固体燃料電池セルが積層した積層体と、を有し、
前記積層体が前記ケース内に挿入され、前記積層体の積層方向両端が前記２つの接触部とそれぞれ接触し、
前記２つの接触部が前記積層体の積層方向に押圧している。
このような構成の電池スタックによれば、積層体中の各電池セルが膨張圧縮した場合にケースのバネ構造が伸縮するため、ケースから積層体にかかる圧力の変化が緩和される。その結果、積層体に係る圧力が適正な範囲内で維持される。
上記電池スタックは、前記全固体燃料電池セルが、負極にシリコンを含む硫化物電池セルであってもよい。本実施形態の電池スタックによれば、充電時の膨張率が比較的大きい負極にシリコンを含む硫化物電池セルであっても、膨張収縮に対応して積層体に適正な圧力をかけることができる。
本発明により、収容する積層体の膨張収縮に対応する伸縮性を備えたケース及びその製造方法、当該ケースに積層体を挿入する積層体の挿入方法、並びに当該ケースを用いた電池スタックを提供することができる。
本実施形態に係るケースの一例を示す斜視図である。 本実施形態に係る電池スタックの一例を示す斜視図である。 図２の正面図である。 積層体の膨張時におけるケースの変化を説明するための正面図である。 ケースの変形例を示す正面図である。 ケースの別の変形例を示す正面図である。 積層体の第１の挿入方法を説明するための正面図である。 積層体の第２の挿入方法を説明するための正面図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
なお、本発明において、「硬化」とは、樹脂同士や、樹脂と架橋剤とが化学反応を経て硬化する場合、及び、樹脂が化学反応を経ずにガラス転移温度以下への冷却等により硬化する場合を含む。
先ず、本実施形態のケースの構成を説明する。図１は、本実施形態のケースを模式的に示す断面図である。なお、以下の説明では、説明を明確にするために、三次元（ＸＹＺ）座標系を用いて説明する。なお、各軸方向の縮尺は各々異なる場合がある。
図１に示すケース１０は、積層体を収容するケースであって、積層体の収容後に、当該積層体の積層方向両端に各々接触する２つの接触部１１と、当該２つの接触部１１を接続する２つのバネ構造１２を有している。２つの接触部１１は互いに対向する位置に配置され、２つのバネ構造１２は互いに対向するように配置する。当該２つの接触部１１及び２つのバネ構造１２は全体として筒形状のケース１０を構成する。積層体２０は筒内に配置される（図２参照）。
ケース１０の材質は、必要な強度を達成可能な材質の中から任意の材質を用いることができる。後述する電池スタックの場合等、高い拘束圧力をかけた状態において、積層体が膨張収縮を繰り返すことから、ケースにはこれに耐えられる強度が要求される。この場合、ケースの材質として、金属や、繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いることが好ましい。また強度の点から、ケース１０の接触部１１とバネ構造１２とは一体成形されていることが好ましい。なお、製造方法については後述する。
図２は本実施形態に係る電池スタックの一例を示す斜視図である。また図３は図２の正面図である。２つの接触部１１は、積層体２０の積層方向端部と接触している。当該接触部１１はバネ構造１２の復元力により、積層体２０の積層方向に押圧する。
本実施形態においてバネ構造１２は、当該バネ構造１２の長さ方向（Ｘ軸方向）の力に応じて伸縮し、復元力を生じる構造である。例えば金属やＣＦＲＰの場合、材料自体の伸び率は小さいため形状によりバネ構造１２を達成する。バネ構造１２の形状の具体例としては、図１の例に示されるように湾曲した形状であってもよく、図５の例に示されるように折れ曲がりのある形状であってもよく、図６の例に示されるように波型（凹凸型）の形状であってもよい。
積層体２０は平板状の部材が２個以上積層したものである。平板状の部材は任意のものとすることができる。本実施形態ではケースが積層体の膨張収縮に対応する伸縮性を備えていることから、平板状の部材として、使用環境によって膨張圧縮する全固体電池セル２１を好適に用いることができる。本実施形態においては、膨張率の高い負極にシリコンを含む硫化物電池セルであっても好適に適用できる。
積層体２０は、全固体電池セル２１からなる積層体であってもよいが、全固体電池セル２１の積層体の積層方向両端にさらにエンドプレート２２を有する積層体であってもよい。エンドプレート２２の材質としては、金属やＣＦＲＰ等が挙げられ、ケース１０との接触面のエッジが面取り加工（Ｒ加工）されていることが好ましい。このようなエンドプレートを配置することによりケース１０の一部に負荷が集中することが抑制される。
ここで接触部１１間の距離（以下、長径ということがある）をａとする。図１中のａ０はケース１０に力がかかっていないとき（以下、初期状態ということがある）の接触部１１間の距離である。
また、積層体の積層方向厚み（以下単に厚みということがある）をｂとする。図３中のｂｍは積層体２０が最も収縮した状態における積層体２０の厚みである。
積層体２０収容時のケース１０の長径ａは、積層体２０の厚みｂと一致する。図３に示されるように本実施形態のケース１０は、積層体の厚みが最小値ｂｍとなったときにも、積層体を押圧していることが好ましい。このような観点から、接触部１１間の初期状態の距離ａ０が積層体の厚みの最小値ｂｍよりも小さいことが好ましい。
本実施形態のケース１０は、収容予定の積層体の厚みｂｍを考慮して設計すればよい。
図４は、積層体の膨張時におけるケースの変化を説明するための正面図である。図４に示すように、ケース１０内に収容する積層体２０は使用環境に応じて膨張することがある。特許文献１及び２のように拘束部材が基本的に変形しない場合には、積層体２０は積層方向に膨張することが困難であり、過度に高い拘束圧力が発生することがあった。
本実施形態のケース１０は収容する積層体２０が膨張すると、バネ構造１２が押し広げられてケース１０の長径ａは膨張後の積層体の厚みｂまで伸びる。その結果、圧力変化は緩和されて、過度に高い圧力がかかることが抑制される。
次に、本実施形態のケース１０に積層体２０を挿入する２つの方法について説明する。下記の挿入方法によれば、（ケース１０の初期状態の長径ａ０）＜（積層体２０最小厚みｂｍ）の関係を満たす積層体をケースに挿入できる。
図７を参照して第１の挿入方法を説明する。図７は積層体の第１の挿入方法を説明するための正面図である。図７中のｂ０は初期状態の積層体の厚みを示す。第１の挿入方法は、ケース１０のバネ構造１２を押し広げ、ケース１０の長径ａをｂ０以上とした状態で、積層体２０を挿入する。この方法によれば積層体２０を容易に挿入できる。本挿入方法は、バネ構造が図１や図５に示される凸型形状の場合に特に好適に用いることができる。一方、図６の例に示される凹凸型形状の場合には、十分に押し広げられない場合がある。その場合、下記の第２の挿入方法を採用してもよい。
図８を参照して第２の挿入方法を説明する。図８は積層体の第２の挿入方法を説明するための正面図である。第２の挿入方法は、積層体２０を、圧縮機構２３を用いて厚みａ０以下まで押し縮めた状態で、ケース１０に挿入する。挿入後に圧縮機構２３を取り除くことで挿入が完了する。この方法であれば、ケースが押し広げにくい形状であっても積層体２０を挿入することが可能である。
さらに、上記第１の挿入方法と第２の挿入方法を組み合わせてもよい。即ち、ケース１０を押し広げ、且つ、積層体２０を押し縮めることで、（積層体の厚みｂ）＜（ケースの長径ａ）の状態として積層体を挿入する。この方法によれば、積層体側に過度な負荷をかけることなくケースに積層体を挿入できる。
次に、本実施形態のケースの好適な製造方法について説明する。まず、繊維強化プラスチック製のケースの製造方法について説明し、次いで金属製のケースの製造方法について説明する。
第１の製造方法は、樹脂を含浸させた炭素繊維を型に巻きつける工程と、樹脂を硬化する工程と、を有する。
炭素繊維に含浸させる樹脂は、熱硬化性樹脂であってもよく、熱可塑性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂の場合、通常、架橋剤（熱硬化剤）を組み合わせて用いる。
本製造方法では、ケース１０用の型（マンドレル）を準備する。これとは別に、熱硬化性樹脂、又は加熱して流動化した熱可塑性樹脂中に炭素繊維を浸漬することにより、炭素繊維に樹脂を含浸させる。次いで、型を回転させながら炭素繊維をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により所定の厚みとなるまで巻きつける。次いで、樹脂を硬化することによりケース１０が製造できる。当該第１の製造方法によれば長い炭素繊維を巻きつけるため機械強度に優れたケース１０を得ることができる。
第２の製造方法は、樹脂を含浸させた炭素繊維としてシート状の炭素繊維（プレプリグ）を準備し、当該シート状の炭素繊維をシートワインディング法（ＳＷ法）により型に巻きつけた後、樹脂を硬化する方法である。この方法によれば、前記第１の製造方法よりも生産性が向上する。
上記第１の製造方法及び上記第２の製造方法は、バネ構造が図１や図５に示される凸型形状の場合に特に好適に用いることができる。一方、図６の例に示される凹凸型形状の場合には凹部１３の形成が困難である。
第３の製造方法は、前記型に巻きつける工程において、前記炭素繊維を型に追従するように押し付けながら巻きつける。この方法によれば、バネ構造が凹凸型形状のケース１０を好適に製造できる。具体的には、上記ＦＷ法又はＳＷ法において、型と炭素繊維が接触する位置に押圧機構を配置し、炭素繊維を型に押圧することで型に追従させる。本製造法においては、凹部から炭素繊維が外れないように局所的な加熱機構を備えることが好ましい。樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、型と接触する前の炭素繊維を加熱して熱可塑性樹脂を流動化させておく。また、樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、炭素繊維と型が接触した後に加熱して硬化させる。加熱手段としては、例えば、レーザーやＩＲランプ等を用いることができる。
第４の製造方法は、ＦＷ法又はＳＷ法で炭素繊維を型に巻きつけた後、前記型を中子型とし、外型を用いてプレスする。この方法の場合、プレス時に凹部に炭素繊維が入り込むため、炭素繊維を型に巻きつける際は、必ずしも凹部に炭素繊維が追従していなくてもよい。
このような第３の又は第４の製造方法によれば凹凸型形状のケースを好適に製造することができる。
また、第５の製造方法として、炭素繊維を含有する樹脂組成物を射出成形する方法が挙げられる。炭素繊維が短くなるため、上記第１～第４の製造方法と比較して強度がやや劣るものの、生産性に優れている。そのためケースの用途に応じて、本製造方法を採用できる。
また、金属製のケースを製造する場合には、所定の大きさの金属板を準備した後、プレスしてケースの外形を形成した後、端部を溶接して筒状とすればよい。
次に、図２を参照して、本実施形態に係る電池スタックを説明する。本実施形態に係る電池スタック１００は、対向する２つの接触部１１と、前記２つの接触部１１を接続する２つのバネ構造１２と、を有するケース１０と、２個以上の全固体電池セル２１が積層した積層体２０とを有し、前記積層体２０が前記ケース１０内に挿入され、前記積層体２０の積層方向両端が前記２つの接触部１１とそれぞれ接触し、前記２つの接触部１１が前記積層体２０の積層方向に押圧している。
本実施形態の電池スタック１００によれば、積層体２０中の各電池セル２１が膨張圧縮した場合にケース１０のバネ構造１２が伸縮するため、ケース１０から積層体２０にかかる圧力の変化が緩和される。その結果、積層体に係る圧力が適正な範囲内（例えば０．８～４０ＭＰａ程度）で維持される。本実施形態においては、膨張率の高い負極にシリコンを含む硫化物電池セルであっても好適に適用できる。
１０ ケース、 １１ 接触部、 １２ バネ構造、 １３ 凹部、 ２０ 積層体、 ２１ 電池セル、 ２２ エンドプレート、 ２３ 圧縮機構 、 １００ 電池スタック

Claims (4)

  1. 積層体を収容し、前記積層体と接触して対向する２つの接触部と、前記２つの接触部を接続する２つのバネ構造と、を有し、繊維強化プラスチック製であるケースの製造方法であって、
    樹脂を含浸させた炭素繊維を型に巻きつける工程と、
    樹脂を硬化する工程と、を有する、
    ケースの製造方法。
  2. 前記樹脂を含浸させた炭素繊維がシート状である、
    請求項１に記載のケースの製造方法。
  3. 前記型に巻きつける工程において、
    前記炭素繊維を型に追従するように押し付けながら巻きつける、
    請求項１又は２に記載のケースの製造方法。
  4. 前記型に巻きつける工程の後、
    前記型を中子型とし、外型を用いてプレスする工程を有する、
    請求項１又は２に記載のケースの製造方法。
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