CN101079502B - 电池结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够提高散热性及防振性的电池结构体。所述电池结构体(10)，其将单电池层(20)多层层叠而形成，所述单电池层(20)将形成于一集电体(21)的表面的正极活化物质层(23)、保持电解质的隔离层(27)、形成于另一集电体(21)的表面的负极活化物质层(25)交替层叠，其中，所述电池结构体(10)在形成电池结构体(10)的多层单电池层(20)之中的至少一单电池层(20)与其它单电池层(20)之间具有散热部件(30)。

Description

电池结构体
技术领域
本发明涉及电池结构体，具体地说是涉及提高散热性的电池结构体。
背景技术
近年来，在提倡环境保护的背景之下，机动车排气所带来的大气污染成为世界性的问题。作为解决该问题的一个方法，以电力为动力源的电动机动车及将发动机与发电机组合而行驶的混合动力机动车正在受到关注。因此，装载在电动机动车或混合动力机动车上的高容量及高输出的电池的开发，在工业上占据重要地位。
为了使电池具有高容量及高输出，必须增大电池的电极面积或者层叠更多层的电池要素等。
但是，在层叠更多层电池要素的情况下，会由于电池厚度的增加引起电池的散热性能降低。即，若以大电流反复进行充放电时，则由电池的内部电阻产生的热量无法迅速散热，而使电池温度过度上升。电池的散热性能降低会成为使电池的输出降低、使电池的使用年限减少等的主要原因之一。
例如，在具有如下结构的双极型电池的情况下(专利文献1、专利文献2)，即，所述双极型电池具有双极型电极(以正极活化物质层、集电体及负极活化物质层这样的顺序层叠而形成的电极)和隔离层被交替地层叠的结构，由于正极活化物质层及负极活化物质层的发热量大，因此当谋求高容量及高输出时，由于热量容易滞留在电池内部，散热性变差，因此，容易导致电池中所含有的电解质等的劣化。
专利文献1(日本)特开2000-100471号公报
专利文献2(日本)特开2000-195495号公报
然而，以往没有进行关注保护电池结构体的构成要素以防止其受到热侵害的研究。
发明内容
本发明就是为了解决上述问题而形成的，其目的在于提供一种提高散热性的电池结构体。
为达到上述目的，本发明的电池结构体，其通过将单电池层多层层叠而形成，所述单电池层将形成于一集电体的表面的正极活化物质层、保持电解质的隔离层、形成于其它集电体的表面的负极活化物质层交替层叠，所述电池结构体的特征在于，所述电池结构体在形成所述电池结构体的多层单电池层之中的至少一单电池层与其它的单电池层之间具有散热部件。
根据如上构成的本发明的电池结构体，由于在形成电池结构体的多层单电池层中的至少一单电池层与其它的单电池层之间具有散热部件，因此能够提高电池结构体的散热性能。其结果，能够提高电池的输出及电池的耐用年限。
附图说明
图1是表示第一实施方式的电池结构体的概略外观图；
图2(A)～(B)是示意地表示图1所示的电池结构体的内部结构的图；
图3是表示电池结构体的块体、弹簧、减震器模型的图；
图4(A)～(B)是示意地表示第二实施方式的电池结构体的内部结构的图；
图5(A)～(C)是第三实施方式的组电池模块的概略结构图；
图6(A)～(C)是第四实施方式的组电池的概略结构图；
图7是表示第五实施方式的组电池被装载于车辆的状态的图；
图8是表示将实施例及比较例的防振性能进行比较的曲线的图；
图9是表示将实施例及比较例的散热性能进行比较的曲线的图。
标记说明
10、11电池结构体
13组电池模块
15组电池
20单电池层
21集电体
21a、21b最外层集电体
23正极活化物质
25负极活化物质
27、27a、27b、27c隔离层
30散热部件
40电池要素
50包覆材料
60A正极接片
60B负极接片
70密封部
75电池壳体
80槽条
85连接夹具
90弹性体
A接触区域
a接触区域A的长边长度
b接触区域A的短边长度
d接触区域A的对角线长度
c非散热部件电池结构体的厚度
L接触区域A的外周长度
S接触区域A的面积
具体实施方式
以下，分别根据第一实施方式～第四实施方式对本发明的电池结构体详细地进行说明。另外，以下的实施方式中参照的附图是将构成电池结构体的要素各层的厚度及形状放大表示的图，这是为了易于理解发明内容。
(第一实施方式)
图1～图3是用于说明本发明的第一实施方式的电池结构体的图。图1是表示本实施方式的电池结构体外观图，图2(A)～(B)是示意地表示图1所示的电池结构体的内部结构的图，图3是表示本实施方式的电池结构体的构成要素的振动系统模型的图。另外，虽然本发明的电池结构体对于层叠多层片状的电池要素的层叠型的电池结构体是有用的，但在本实施方式中，以层叠型的电池结构体中的双极型电池结构体(双极型电池)为例进行说明。
如图1所示，本实施方式的电池结构体10具有长方形的扁平形状，从其两侧部引出有用于取出电流的正极接片60A、负极接片60B。电池要素40由包覆材料(例如，层叠薄膜)50覆盖，电池要素40的周围被热熔合。因此，电池要素40在引出正极接片60A及负极接片60B的状态下被密封。
下面，参照图2对本实施方式的电池结构体10的内部结构详细地进行说明。
图2(A)～(B)是示意地表示图1所示的电池结构体10的内部结构的图，图2(A)是图1的沿II-II线的剖面图，图2(B)是图1所示的电池结构体10的平面概略图。
如图2(A)所示，本实施方式的电池结构体10具有：电池要素40a、40b、40c，其由层叠多层单电池层20而形成，所述单电池层20将形成于一集电体21的表面的正极活化物质层23、保持电解质的隔离层27、及形成于其它集电体21的表面的负极活化物质层25交替层叠；散热部件30；用于隔断与外部的物理接触的包覆材料50；以及用于从电池结构体10取出电力的正极接片60A和负极接片60B。另外，将层叠单电池层20的方向、即电池的厚度方向称为“层叠方向”，将相对于层叠方向垂直的方向、即集电体21延伸的方向称为“面方向”。
本实施方式中，在层叠方向(图2(A)中的上下方向)上以四层单电池层20为一组的电池要素分别隔着两层散热部件30串联地电连接。该电连接方式称为“三串联”。
散热部件30分别设置在电池要素40a的最下部的单电池层20与电池要素40b的最上部的单电池层20之间以及设置在电池要素40b的最下部的单电池层20与电池要素40c的最上部的单电池层20之间。但是，并不局限于这样的结构，可以根据使用状态，任意选择其所设置的位置。
在该三串联的电池结构体10的层叠方向的上下面上以面接触的方式配置用于取出电流的平板状的正极接片60A、负极接片60B。正极接片60A及负极接片60B由铜、铝及不锈钢等的导电性金属板形成，在图2(A)中，正极接片60A与位于电池要素40a的最外层的集电体(以下称为“最外层集电体”)21a经由散热部件30电连接。此外，负极接片60B与电池要素40c的最外层集电体21b经由散热部件30电连接。进而，将三串联的电池要素40a、40b及40c由用于收纳的包覆材料50覆盖，而形成电池结构体10。包覆材料50的边缘利用热熔合等进行粘接。由此，三串联的电池要素40a、40b、40c被密闭在包覆材料50内部。
另外，本实施方式的电池结构体10包括三个电池要素40a、40b、40c及四层散热部件30，但其数量可以任意选择。另外，包覆材料50可以根据使用情况适当进行设置。在本实施方式中，虽然将具有包覆材料50的称为电池结构体，但其也可以是不具有包覆材料50的结构。
本发明的电池结构体，通过将散热部件设置在单电池层之间，能够提高电池结构体内部的散热性。
另外，如前所述，为了使电池具有高容量及高输出，必须增大电池的电极面积或者层叠多层电池要素。但是，在增大电池的电极面积或层叠多层电池要素的情况下，难以确保电池的刚性。例如，如上述的双极型电池那样，当以层叠多层的电池谋求高容量及高输出时，由于必须增大双极型电极的面积或者增加双极型电极的层叠数，因此将其装载在车辆上的情况下，容易受车辆振动的影响。具体地说，在将其装载于车辆的情况下，有可能会出现车辆的振动与电池固有振动在某个一定频率相一致而发生电池共振的情况。当电池共振时，容易导致构成电池的层间发生局部或整体剥离的层间剥离，从而有可能成为引起内部短路等而降低电池输出以及降低电池的耐用年限等的原因。
但是，通过使所述散热部件具有防止承受来自外部的振动的功能，能够防止电池结构体的振动，其结果，能够防止构成电池结构体的要素之间(例如，单电池层之间)的层间剥离。其结果，能够提高电池的输出及电池的耐用年限。
以下，对本实施方式的电池结构体10的各构成要素详细地进行说明。
首先，对作为本发明的特征要素的散热部件进行说明。
(散热部件)
散热部件30由导热性良好的材料及具有防振性的材料形成，其具有将从构成电池要素的单电池层(详细内容在“单电池层”一项中进行说明)20产生的热量进行散热的功能。进而，在电池结构体10具有针对来自外部的振动的防振功能的情况下，能够提高电池结构体的刚性，其结果，由于能够提高针对来自外部的振动的防振性，因此是优选的(例如，使电池结构体10的固有振动频率偏离所受的来自外部的规定的振动频率而防止共振(以下称为“防振性”。))。
散热材料30例如通过在具有散热性的母材中分散防震性材料而形成。具体地讲，可以由选自下述材料组的任意一种材料形成：高分子材料、金属材料、高分子材料与金属材料的复合材料、或者在高分子材料中分散有导电性材料的复合材料。
散热部件30的导热率优选为0.1～450W/m·k。散热部件30可以由上述材料形成，也可以由例如橡胶材料(导热率0.2W/m·k)、陶瓷材料(导热率1.5W/m·k)、碳素钢(导热率50W/m·k)、铝材料(导热率230W/m·k)等形成。另外，由于本实施方式的情况是三串联的连接方式，因此为了将单电池层20之间电连接，需要采用具有导电性的散热材料。另一方面，后述的不是双极型的电池结构体11的情况(参照图4)，其连接方式上需要具有绝缘性的散热部件。
特别是，散热部件30为了提高导电性及散热性，可以在由金属材料形成的薄片材料上压接石墨而形成，也可以由在聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等的树脂中分散碳材填料的材料而形成。具体地讲，优选在合成橡胶中分散石墨等导电性填料的导电橡胶薄片或者在聚乙烯中分散碳材填料的薄片。这样，由于在树脂中分散碳材填料的材料导热性优良，因此散热性、防振性优良，进而，在层叠散热部件30时，由于在微观上看层间具有凹凸，因此也具有该凹凸的吸收效果，从而能够降低接触电阻。
另外，散热部件30的厚度优选为0.01～1mm。这是由于散热部件30的厚度在0.01mm以下时，难于充分确保散热性，而在1mm以上时，从防振性的观点来看是不优选的。
本实施方式的电池结构体10，其三个电池要素40a、40b、40c隔着两层散热部件30而层叠，但根据使用目的及使用状况，可以适当改变散热部件30的层数。例如，在装载于车辆上的情况下，通常，电池结构体受来自车辆的振动的频率约为100Hz以下的范围。当电池结构体的固有频率(共振频率)存在于在该范围的频率中的情况下，电池结构体发生共振，有可能使电池结构体的各构成要素间发生层间剥离等而引起内部短路，成为电池的输出降低及耐用年限减少的原因。因此，为了使其频率偏离上述的振动范围，可以适当改变电池结构体的散热部件的配置构成及其层数等。
另外，如图2(A)所示，电池结构体10具有包覆材料(详细情况在“包覆材料”一项中说明)50的情况下，需要使散热部件30的一部分与包覆材料50接触。由此，能够防止由散热部件30散发的热量滞留在包覆材料50内。在这种情况下，包覆材料50由具有散热性的材料形成。另外，本实施方式的情况，由于散热部件30为了将单电池层20间电连接而由具有导电性的材料形成，如后述的“包覆材料”一项中所述，包覆材料50需要由不透过电解液或气体而显示出电绝缘性，并且即使电解液等存在于内部也在化学上稳定的材料形成。另外，散热部件30的一部分与包覆材料50可以仅是简单的接触，也可以利用由具有散热性的材料形成的粘接剂进行粘接。
下面，对构成电池要素40a、40b、40c的单电池层20及构成单电池层20的各要素详细地进行说明。
(单电池层)
单电池层20通过交替地层叠如下的层而形成，即，形成于一集电体21的表面的正极活化物质层23、保持电解质的隔离层27、及形成于其它集电体21的表面的负极活化物质层25，构成电池要素40a、40b、40c。本实施方式中，形成了双极型电极和单电池层20，所述双极型电极具有在集电体21的一方的面上形成正极活化物质层23的正极和在另一方的面上形成负极活化物质层25的负极，所述单电池层20通过隔着隔离层27按如下顺序层叠正极活化物质层23、隔离层27及负极活化物质层25而形成。此时，一双极型电极的正极活化物质层23与该一双极型电极邻接的另一双极型电极的负极活化物质层25隔着隔离层27而相对，来层叠双极型电极及隔离层27。
另外，在单电池层20的外周配置用于使邻接的集电体21间绝缘的密封部70。另外，在集电体21上将形成正极活化物质层23的面称为正极，将形成负极活化物质层25的面称为负极。
如上所述，双极型电极在集电体21的一方的面上形成正极活化物质层23，在另一方的面上形成负极活化物质层25，但在最外层集电体21a、22b上，仅在单面上形成正极活化物质层23(正极侧最外层集电体21a)或负极活化物质层25(负极侧最外层集电体21b)中的一方。最外层集电体21a、22b也是双极型电极的一种。
在此，如图2(B)所示，当将正极活化物质层23与集电体21的正极活化物质接触区域或者负极活化物质层与集电体21的负极活化物质接触区域(以下将“正极活化物质接触区域”及“负极活化物质接触区域”称为“接触区域”)的短边长度设为b mm，将接触区域A的面积设为S mm2，将除了散热部件30之外的电池结构体(以下称为“非散热部件电池结构体”)的厚度设为c mm的情况下，优选的是满足以下条件，
S/c≤b/S    (1)。
在此，由于接触区域A的面积实际上是矩形，因此接触区域A的面积S能够通过接触区域A的长边的长度a与接触区域短边的长度b的积来求得。另外，本实施方式中，表示了具有包覆材料50(详细情况参照“包覆材料”一项)的电池结构体，但优选的是除了包覆材料50之外的非散热部件电池结构体的厚度为c mm。但是，为了方便，也可以将包含包覆材料50的非散热部件电池结构体的厚度设为c mm。这是因为只要是包覆材料50的厚度程度，则在达到本发明的目的方面是不成问题的。
在相对接触区域(相当于电极表面积)A的非散热部件电池结构体的厚度c的比例(S/c)比相对接触区域A的短边长度b的接触区域A的面积的比例(b/S)小的情况下，通过相对接触区域A的面积S的非散热部件电池结构体的厚度的平衡，特别是在装载于车辆上的电池结构体等中，能够使由大电流引起的充放电所产生的热量迅速散热，进而，能够对所受的来自车辆的振动进行防振。这样，通过满足上述数式(1)，来控制接触区域A的面积、接触区域A的短边长度及与非散热部件电池结构体的厚度的比例，能够提高电池结构体的散热性及防振性。
进而，为了提高电池结构体的散热性及防振性，优选的是如下地限制接触区域A。
优选的是接触区域A的外周长度L为所述非散热部件电池结构体厚度c的130倍以上，更优选的是300倍～2000倍。当接触区域A的外周长度L为所述非散热部件电池结构体厚度c的130倍以上时，则能够确保充分的散热性。特别是当接触区域A的外周长度L为所述非散热部件电池结构体厚度c的300倍～2000倍时，能够确保散热性及刚性，而且，还能够提高防振性。另外，接触区域A的外周长度L可以通过L＝2a+2b来求得。
另外，优选的是接触区域A的外周长度L为750～1450mm，优选的是所述非散热部件电池结构体厚度c为2～10mm，更优选的是4～8mm。当接触区域A的外周长度L为1450mm以下、所述非散热部件电池结构体厚度为2mm以上时，从确保刚性的观点看是优选的，当电极的外周长度L为750mm以上、所述非散热部件电池结构体厚度c为10mm以下时，从散热的观点是优选的。
另外，优选的是接触区域A的对角线长度d为260～550mm。当接触区域A的对角线长度d为260mm以上时，从散热性的观点是优选的，当为550mm以下时，从确保刚性的观点看是优选的。在不限制接触区域A的对角线长度d的情况下，如上所述仅限定接触区域A的外周长度L，可以做成极其细长的电池结构体。虽然即使是这样的电池结构体也能够达到本发明的目的，但为了进一步提高散热性及防振性，优选的是适当程度的长方形。
(集电体)
集电体21及最外层集电体21a、21b由铝箔、铜箔、不锈钢箔(SUS)等导电性材料形成。这些材料可以使用单层，也可以使用多层。另外，也可以使用由这些材料覆盖的包层材料。上述材料在耐腐蚀性、导电性及加工性等方面优良。
优选的是集电体21(最外层集电体21a、21b)的厚度为5～20μm，特别优选的是8～15μm，更优选的是10～15μm。当集电体21的厚度为5μm以上时，从刚性观点看是优选的，当集电体厚度在20μm以下时，从散热性的观点看是优选的。
(正极活化物质层)
正极活化物质层23包含正极活化物质，作为正极活化物质可以使用锂和过渡金属的复合氧化物、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、PbO2、AgO或NiOOH等。作为过渡金属和锂的化合物优选的是尖晶石LiMn2O4等的Li-Mn类复合氧化物；LiCoO2等的Li-Co类复合氧化物；LiNiO2等的Li-Ni类复合氧化物；LiFeO2等的Li-Fe类复合氧化物；LiFePO4等的过渡金属与锂的磷氧化物；或者过渡金属与锂的硫氧化物等。过渡金属氧化物可以举出例如V2O5、MnO2、MoO3等，过渡金属硫化物可以举出例如TiS2、MoS2等。
在所述正极活化物质中，优选的是使用Li-Mn类复合氧化物。这是因为，在使用Li-Mn类复合氧化物的情况下，由于可以使从电压-充放电时间的曲线得到的充放电曲线的相对于充放电时间轴为水平的部分具有倾斜，从而能够通过测量电压推测电池的充电状态(SOC)。其结果，能够迅速检测出过充电或过放电来进行应对，从而能够提高发生异常时的可靠性。
正极活化物质的平均粒径优选的是10μm以下，更优选的是2μm以下。这是由于，当正极活化物质的平均粒径为10μm以下时，能够降低电极电阻，当在2μm以下时，即使正极活化物质层23的厚度薄，也能够使正极活化物质层23的表面均匀化。
此外，正极活化物质的平均粒径优选的是隔离层厚度的十分之一以下。这是因为，当正极活化物质的平均粒径在隔离层的厚度的十分之一以下的情况下，能够降低正极活化物质突破隔离层而引起微小短路的危险性。
(负极活化物质层)
负极活化物质层25包含负极活化物质，作为负极活化物质优选的是从如下的组中选择的一种材料，所述组是由结晶性碳材料；非结晶性碳材料；TiO、Ti2O3及TiO2等金属氧化物；Li4/3Ti5/3O4等锂和过渡金属的复合氧化物构成的组。
上述负极活化物质中优选的是使用结晶性碳材料或非结晶性碳材料，更优选的是非结晶性碳材料。当使用结晶性碳材料或非结晶性碳材料时，由于可以使从电压-充放电时间的曲线得到的充放电曲线的相对于充放电时间轴为水平的部分倾斜，因此能够通过测量电压来推测双极型电池的充电状态(SOC)。其结果，能够迅速检测出过充电或过放电，而能够提高发生异常时的可靠性。
负极活化物质的平均粒径优选的是10μm以下，更优选的是2μm以下。这是由于，当负极活化物质的平均粒径为10μm以下时，在降低电极电阻方面是优选的，当在2μm以下时，即使负极活化物质层25的厚度薄，也能够使负极活化物质层25的表面均匀化，因此是优选的。另外，负极活化物质的平均粒径优选的是后述的隔离层厚度的十分之一以下。这是因为，当负极活化物质的平均粒径在隔离层的厚度的十分之一以下时，能够降低负极活化物质突破隔离层而引起微小短路的危险性。
(隔离层)
隔离层27保持电解质(详细情况在“电解质层”一项中说明)，其形成电解质层。
隔离层27的肖氏A硬度(以下称为“硬度”)优选的是20～110。为了提高电池结构体的防振性，优选的是具有一定程度的粘弹性的隔离层的硬度，特别是在将电池结构体10装载于车辆上的情况下，当隔离层27的硬度为20以上时，由于共振频率不容易向低频侧转移，因此，能够防止达到共振频率(约为100Hz以下)，当隔离层27的硬度在110以下时，能够适当吸收振动而提高防振性。
进而，在使用上述硬度的隔离层的情况下，能够使两个电极层(正极、负极)间保持均匀。其结果，能够明显地降低由于受到来自外部的振动而使电极间的距离接近而进行接触从而造成短路的可能性，与以往情况相比，能够使用更薄的隔离层。另外，隔离层的硬度的测量方法可以根据JIS-K-6253所规定的测量方法。
另外，优选的是形成电池结构体10的多层单电池层20中，至少一个单电池层20的隔离层27的硬度与其它单电池层20的隔离层27具有不同的硬度。
另外，隔离层27的硬度，优选的是从位于电池结构体10的中心部的单电池层20c、20d的隔离层27朝向位于层叠方向两端的单电池层(最上层的单电池层20a及最下层的单电池层20b)20，其硬度逐渐增高。具体地，优选的是“单电池层20a(或单电池层20b)的隔离层27的硬度”大于“单电池层20c(或单电池层20d)的隔离层27的硬度”。另外，当将电池要素40a、40b、40c的单电池层20组(将图2中的单电池层20的四层看作一组的情况下)作为一个单电池层来看的情况下，优选的是“电池要素40a(或电池要素40b)的隔离层硬度”大于“电池要素40c的隔离层硬度”。另外，位于电池结构体的中心部的层只要是一层以上的单电池层即可。
使用这样的硬度不同的隔离层27的理由如下。
图3表示电池结构体10的振动系统(块体、弹簧、减震器系统)的模型300。如图3所示，由单电池层20及集电体21构成的电池要素被模型化为由块体320、弹簧311、313、减震器315、317构成的振动系统。
在本实施方式中，块体320由双极电极(其在集电体21的一方的面上形成正极活化物质层23，在另一方的面上形成负极活化物质层25)构成，块体320的调节可以通过使正极活化物质层23的厚度变化、使负极活化物质25的厚度变化、或者使集电体21的厚度变化而进行。
在此，在隔离层27b的弹性常数K2小于隔离层27a的弹性常数K1(K1＞K2)，隔离层27b的黏性系数C2大于隔离层27a的黏性系数C1(C2＞C1)的情况下，层叠方向内侧具有高的衰减性能。通常，由于构成单电池层20的材料使用相同材料，因此，置换为振动系统模型后，块体320、弹簧311、313、及减震器315、317分别相等。但是，如上所述，通过使一部分隔离层27的硬度与其它隔离层27的硬度不同，具体地说，通过使隔离层27的硬度从位于电池结构体10的中心部的单电池层20的隔离层27朝向位于层叠方向两端的单电池层(最上层的单电池层20a及最下层的单电池层20b)20，其硬度逐渐增高，而能够使电池结构体的共振频率向高频侧转移，从而能够降低电池结构体腹部(中央部附近)的振动传导率。其结果，能够进一步提高电池结构体的防振性。
但是，大部分能够作为电池结构体的隔离层使用的材料，通常具有随着隔离层硬度的降低而导热系数变高的倾向。由于导热系数越高散热性越高，因此，在位于电池结构体的中心部的隔离层硬度低于位于电池结构体的层叠方向两端的单电池层的隔离层硬度的情况下，由于可以使热量容易滞留的电池结构体的中心部具有高散热性，因此能够进一步提高电池结构体的散热性。
隔离层27不特别限定，优选的是包含从如下的组中选择出的至少一种树脂，既，所述组由聚酯类树脂、芳族聚酸胺类树脂、聚丙烯类树脂、包含无机材料的聚酯类树脂、包含无机材料的聚丙烯类树脂、及包含无机材料的芳族聚酸胺类树脂构成的组。在使用这样的树脂的情况下，能够将隔离层27形成为多孔质结构，进而，能够形成如上所述的具有高衰减性能的隔离层27。另外，这些树脂在防水性、防湿性、冷热循环性、耐热稳定性及绝缘性等方面也是优良的。特别是，在使用芳族聚酸胺类树脂的情况下，由于能够形成薄的隔离层，因此是优选的。
另外，包含无机材料的聚酯类树脂、包含无机材料的芳族聚酸胺类树脂、及包含无机材料的聚丙烯类树脂中所包含的“无机材料”，是指氧化铝、SiO2等微细的粉体或填料体，通过将该无机材料混入聚酯类树脂、芳族聚酸胺树脂、聚丙烯类树脂中，能够提高隔离层的刚性。另外，由于这些无机材料而容易形成细孔，使单位面积的空隙率增大，能够形成透气度、曲折路径率(曲路率)(详细情况后述)高的隔离层。隔离层的无机材料的含有量优选的是30～95质量％，更优选的是50～90质量％。
隔离层27的曲折路径率γ优选的是0.5～2.0。这是由于，为了提高输出，优选的是使隔离层27的曲折路径率γ减小，而当隔离层的曲折路径率γ过小时，则隔离层的弹性常数及黏性系数会降低，有可能降低防振性。另外，当隔离层的曲折路径率γ过大时，会影响电池结构体的输出，使输出难以增加。另外，本说明书中的曲折路径率定义为用以一般的吸附法求得的吸附表面积S1除以其投影面积S0的值(γ＝S1/S0)。
优选的是使隔离层27的厚度减薄到不失去电池结构体的各单电池层刚性程度的厚度，优选的是3μm以上～20μm以下。这是由于当隔离层的厚度薄时，虽然可以增加单电池26的层叠数，但其厚度过薄时，则会失去各单电池层的刚性。
(电解质层)
电解质层是包含电解质的层。包含于电解质层的电解质具有作为在充放电时在正负极层间移动的离子载体的功能。
作为电解质可以举出固体高分子电解质或凝胶电解质。作为固体高分子电解质可以举出聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、或它们的共聚物等。
凝胶电解质是在由高分子电解质构成的骨架中含有电解液的电解质。作为骨架可以使用具有离子传导性的固体高分子电解质或者不具有离子传导性的高分子。
电解液包括电解质盐和增塑剂。作为电解质盐，例如，可举出LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、或Li2B10Cl10等无机阴离子盐；或Li(CF3SO2)2N或Li(C2F5SO2)2N等有机阴离子盐。可以将它们中的一种与增塑剂混合，也可以将2种以上与增塑剂混合。作为增塑剂，例如，可举出碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯等环状碳酸酯类；二甲基碳酸酯、甲基乙基碳酸酯或二乙基碳酸酯等链状碳酸酯；四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，4-二噁烷、1，2-二甲氧基乙烷、1，2-二丁氧基乙烷等醚类；γ-丁内酯等内酯类；乙腈等腈类；丙酸甲酯等酯类；二甲基甲酰胺等酰胺类；以及乙酸甲酯、甲酸甲酯等酯类等。可以将它们中的一种与电解质盐混合，也可以将2种以上与电解质盐混合。
作为凝胶电解质中使用的具有离子传导性的固体高分子电解质，例如可举出聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、或它们的共聚物等。作为凝胶电解质中使用的不具有离子传导性的高分子，例如可举出聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、或聚甲基丙烯酸甲酯等。
在凝胶电解质中，优选的是固体高分子电解质与电解液的质量比为20∶80～98∶2。
(密封部)
电池结构体10可以在集电体彼此之间具有密封部70。由于密封部70配置成包围正极活化物质层、电解质层及负极活化物质层，因此，在作为电解质层使用凝胶电解质的情况下，能够防止电解液漏出。
如(日本)特开2004-158343号公报所记载的那样，密封部70优选的是在具有热熔合性的第一树脂彼此之间与集电体并行地设置比第一树脂熔点高的非导电性的第二树脂的结构。作为第一树脂和第二树脂的组合，在制法上优选的是第一树脂具有小于180℃的熔点，而第二树脂具有180℃以上的熔点且能够与第一树脂热熔合。作为这些数值没有特别限定，例如，作为第一树脂可举出聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯或热塑性烯烃橡胶等，作为第二树脂可举出尼龙6、尼龙66、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯等的聚酰胺类树脂或硅橡胶等。
下面，对覆盖电池结构体10的包覆材料50详细地进行说明。
(包覆材料)
包覆材料50是具有如下的特性的材料，其由不透过电解液或气体显示电绝缘性且即使内部存在有电解液等也在化学上稳定的材料形成，其能够保护不与外部物理接触并且散热性良好。
包覆材料50优选的是由例如聚酯、尼龙、聚丙烯、聚碳酸酯等高分子材料；铝、不锈钢、钛等金属材料；或高分子-金属复合材料等形成。尤其是在使用高分子-金属复合材料的情况下，由于能够在维持作为包覆材料50的强度的情况下使膜厚变薄，因此从电池结构体的保护及散热性方面看是优选的。
作为高分子-金属复合体，例如优选的是使用依次层叠了热熔合性树脂(例如，聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯、离子键聚合物树脂)膜、金属箔(例如，将铝、镍、不锈钢、铜或它们的合金制成箔)、具有良好的刚性的树脂(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙)膜的高分子金属复合膜。在包覆材料50由上述的膜形成的情况下，由于膜能够容易变形，因此，能够施加静水压，进而，由于存在金属箔，因此能够降低气体透过性，能够长时间维持包覆材料50的内部与外部的压力差。
如上所述构成的本发明的电池结构体，针对目前为止所没有的电极的表面积大(大约从A5尺寸到A2左右)、电池结构体的厚度为10mm以上厚的情况下出现的散热性及防振性的问题，利用散热部件的散热效果和防振效果，能够实现与以往的电池结构体那样厚度薄(3～10mm)的电池结构体相同等级的散热性，而且，与以往的电池结构体相比，能够提高防振性。其结果，能够提供要求高容量及高输出的电池结构体。
(第二实施方式)
在第一实施方式中对双极型的电池结构体进行了说明，但本发明的电池结构体也可以是例如不是双极型的电池结构体10的一般的锂离子电池那样的层叠型的电池结构体11。图4是示意地表示不是双极型的电池结构体10(参照图2)的层叠型电池结构体11的内部结构的图。从图4可以看出，电池结构体11与电池结构体10仅是其电极层的配置结构不同。另外，在图4中，由于电池结构体11的各构成要素与图1中的电池结构体10完全相同，因此省略共同的构成要素的说明。另外，在图4中，对于与图1所示的构成要素对应的构成要素附加相同的参照标记。
图4(A)～(B)所示的层叠型的电池结构体11，外观与图1所示的电池结构体10相同。图4(A)为沿图1的II-II线的剖面图，图4(B)为图1所示的电池结构体11的平面概略图。
参照图4(A)，构成本实施方式的电池结构体11的单电池层20，其通过由将正极活化物质层23两面配置的集电体21和将负极活化物质层25两面配置的集电体21夹持电解质层(相当于图1中的隔离层27)27而形成。在电池结构体11的中央部形成电解质层(隔离层)27夹持散热部件30的配置结构，由于本实施方式的电池结构体11与第一实施方式的电池结构体10的电极层的配置结构不同，因此需要具有绝缘性的散热部件。
另外，虽然图4(A)表示出包覆材料50与散热部件30被隔离的状态，但散热部件30的面向从图示的面看到的纵深方向(图4(B)的上下方向)的部位与包覆材料50接触。另外，由于散热部件30在层叠方向(图4(A)的上下方向)与包覆材料50接触的宽度小，而在从图示的面看到的纵深方向上与包覆材料50接触的宽度大，因此能够使来自散热部件30的热量充分向外部散热。
但是，具有本实施方式的层叠型电池结构体11的方式的一般锂离子电池为电池容量大的高能型电池，长时间持续提供电力的性能优良。相对于此，具有第一实施方式的双极型电池结构体10的方式的双极型电池为高输出密度的电池，短时间提供大的电力的性能优良。因此，采用哪一种方式，可以根据所需要的电力的方式进行适当确定。例如，在作为车辆的发动机驱动用电源使用的情况下，从能够达到高输出密度的观点看，本发明的电池结构体优选的是具有双极型电池结构体的双极型电池。
(第三实施方式)
以上所说明的电池结构体10、11可以多个串联或者并联连接而形成组电池模块。图5(A)～(C)是表示将图2或图4所示的电池结构体10、11装入壳体75的组电池模块13的概略结构的图。图5(A)表示组电池模块13的平面图，图5(B)表示组电池模块13的正面图，图5(C)表示组电池模块13的侧面图。
如图5(A)～(C)所示，制作的组电池模块13可以使用总线条80那样的电连接机构相互连接。
(第四实施方式)
可以更进一步地将第三实施方式的组电池模块13多个串联或并联连接而形成组电池15。
图6(A)～(C)是表示将图5(A)～(C)所示的组电池模块13六个并联连接的组电池15的概略结构图。图6(A)表示组电池15的平面图，图6(B)表示组电池15的正面图，图6(C)表示组电池15的侧面图。
如图6(A)～(C)所示，组电池模块13可以使用连接夹具85多段层叠而构成组电池15。进而，可以在各组电池模块13之间设置弹性体90，而形成防振结构。连接几个电池结构体10、11而制作组电池模块13或者层叠几段组电池模块13而制作组电池15，可以根据所装载的车辆(电动机动车)的电池容量及输出而进行设定。
这样，由于将多个组电池模块13串并联连接而构成的组电池15能够获得高容量及高输出，各组电池模块13的可靠性高，因此，能够维持作为组电池15的长期的可靠性。另外，即使一部分组电池模块13发生故障，也能够仅更换该故障部分而进行修理。
(第五实施方式)
如图7所示，在将组电池15装载于电动机动车100上时，将其装载在电动机动车100的车体中央部的座位下。如果将其装载于座位下，则能够增大车内空间及货箱空间。另外，装载组电池15的部位不局限于座位下，也可以是后部货箱的下部，也可以是车辆前方的发动机箱。使用以上的组电池15的电动机动车100具有高耐久性，即使长时间使用也能够提供充足的输出。进而，能够提供出由于轻量化而降低油耗、行驶性能优良的电动机动车、混合动力机动车。
实施例
以下，根据一实施例对本发明的电池结构体进行说明。另外，以下的实施例为易于理解发明而记载的，本发明的技术范围并不局限于该实施例所记载的内容。下面，对本实施例及比较例所使用的电池结构体的制造方法具体地进行说明。
电池结构体的制作
(1)双极型的电池结构体(以下称为“双极型电池结构体”)的制作
对本实施例及比较例所使用的双极型电池结构体的制造方法具体地进行说明。另外，实施例5～21及比较例5～12是制作由层压材料(相当于包覆材料)覆盖电池结构体的结构，实施例22～24及比较例(以往的电池结构体)13～14制作不使用层压材料的结构。另外，在比较例5～12中，制作没有设置散热部件的结构。散热部件是将表1中的由各种材料形成的散热部件对每十层电极层层叠一片。对于没有达到十层的电池结构体，在电池结构体的全部层叠层数的大致中央部的单电池层间设置散热部件。
由于作为实施例5～24及比较例5～14的基本结构的双极型电池结构体分别使用相同的制造方法，因此，作为双极型电池结构体的制造方法，以实施例11为例进行说明。
首先，作为电极层将15μm的SUS箔作为集电体使用，在SUS箔的一方的面上，作为正极活化物质将Li-Mn类的LiMnO2(平均粒径2μm)涂布10μm厚度，作为正极活化物质层(正极侧)。其后，在另一方的面(与涂布有正极活化物质层的面相反侧的面)上，作为负极活化物质将结晶质碳材料的硬质碳(平均粒径6μm)涂布15μm厚度，作为负极活化物质层(负极侧)。最外层集电体使用上述的SUS箔，制作成在一方的面上形成上述的正极活化物质层，而在另一方的面上形成负极活化物质层的电池结构体。电极层的尺寸制作成A4尺寸。
下面，将作为加热交联型凝胶电解质的前体的PVdF浸入聚酯类无纺布隔离层(20μm厚度，硬度为肖氏A“61”)，作为电解质层。
下面，在含有约1重量％碳的碳素钢(厚度0.1mm)薄片的两面上极其微量地涂布低粘度的导电膏后，压缩粘接平均粒径5μm的石墨粉体，制造散热部件(表1中为“碳素钢+碳”)。
接着，在由正极活化物质层、隔离层、负极活化物质层形成的单电池层上，如上所述地设置散热部件，层叠所期望的层叠数。然后，在最外层集电体的正极侧振动熔接Al的接片(厚度100μm、宽度100mm)，在最外层集电体的负极侧振动熔接Cu的接片(厚度100μm、宽度100mm)。
接着，用层压材料覆盖并密封电池结构体，所述层压材料由作为热熔合性树脂膜的马来酸改性的聚丙烯膜、作为金属箔的SUS、作为具有刚性的树脂膜的尼龙-铝-改性聚丙烯的三层结构形成。
接着，在大约80℃下进行约两小时的加热交联，制作成双极型的电池结构体。
(2)非双极型的电池结构体(以下称为“层叠型电池结构体”)的制作
对本实施例及比较例所使用的层叠型电池结构体的制造方法具体地进行说明。另外，实施例1～8、比较例1～4制作用层压材料(相当于包覆材料)覆盖电池结构体的结构，在比较例1～4中，制作没有设置散热部件的结构。另外，散热部件是将表1的规格的散热部件对每十层电极层层叠一片。对于没有达到十层的电池结构体，在电池结构体的全部层叠数的大致中央部的单电池层间设定散热部件。
由于作为实施例1～8及比较例1～4的基本结构的层叠型电池结构体分别使用相同的制造方法，因此，作为层叠型电池结构体的制造方法，以实施例2为例进行说明。
首先，将15μm的铝箔作为集电体使用，在铝箔的两面上作为正极活化物质将Li-Mn类的LiMnO2(平均粒径2μm)涂布10μm的厚度，作为正极活化物质层(正极层)。将15μm的铜箔作为集电体使用，在铜箔的两面上作为负极活化物质将结晶性碳材料的硬质碳(平均粒径6μm)涂布15μm的厚度，作为负极活化物质层(负极层)。
下面，将加热交联型凝胶电解质的前体浸入聚酯类无纺布隔离层(厚度20μm，硬度为肖氏A硬度“61”)，作为电解质层。电极的尺寸制作成A4尺寸。
下面，在由主要成分为氧化铝的陶瓷薄片(厚度0.1mm)的两面上极其微量地涂布低粘度的导电膏后，压缩粘接平均粒径5μm的石墨粉体，制造散热部件(表1中为“陶瓷”)。
接着，在由正极活化物质层、隔离层、负极活化物质层形成的单电池层上如上所述地设置散热部件，并层叠所期望的层叠数。然后，在最外层集电体的正极侧振动熔接Al的接片(厚度100μm，宽度100mm)，在最外层集电体的负极侧振动熔接Cu的接片(厚度100μm，宽度100mm)。
接着，用层压材料覆盖并密封电池结构体，所述层压材料由作为热熔合性树脂膜的马来酸改性的聚丙烯膜、作为金属箔的SUS、作为具有刚性的树脂膜的尼龙-铝-改性聚丙烯三层结构形成。
接着，在大约80℃下进行约两小时的加热交联，制作成层叠型电池结构体。
另外，如上所述，在实施例9～12中，作为散热部件使用“碳素钢+碳”，在实施例1～8中，作为散热部件使用“陶瓷”，而在实施例13～15、18中，使用如下的散热部件，即，在铝片(厚度0.1mm)的两面上极其微量地涂布低粘度的导电膏后，压缩粘接平均粒径5μm的石墨粉体而制造的散热部件(表1中为“铝+碳”)，在实施例16、19～24中，使用如下的散热部件，即，在聚乙烯中作为导电填料分散碳材料而制造的散热部件(表1中为“PE+碳”)，在实施例17中，使用如下的散热部件，即，在橡胶材料中作为导电填料分散碳材料而制造的散热部件(表1中为“橡胶+碳”)。
表1表示出制作的电极层(正极活化物质层接触区域或负极活化物质层接触区域)的长边长度a(mm)、电极层短边长度b(mm)、电池结构体的厚度c(对于设置有散热部件的电池结构体来说是除了散热部件之外的厚度)、电极层的外周长度L、电极面积S、及电极的对角线T。
振动衰减率的测定
在通过上述的实施例1～24及比较例1～14的电池结构体的制作方法得到的单电池层要素的中央部设置加速度拾取器，测定由脉动锤进行击打时的加速度拾取器的振动范围。设定方法以JIS-B-0908(振动及冲击拾取器的校正方法、基本概念)为基准。测定范围由FFT分析器进行解析，并变换为频率及加速度的量纲。对所得的频率进行平均化和平滑化，得到振动传导率范围。将该加速度范围的10～300Hz之间的平均值作为振动平均值。
作为比较基准使用相同的电极层面积的比较例中的最厚的规格。具体地，实施例1～4的比较基准设为比较例1，实施例5～8的比较基准设为比较例3，实施例9～12的比较基准设为比较例5，实施例13～15的比较基准设为比较例7，实施例16～18的比较基准设为比较例9，实施例19～21的比较基准设为比较例11，实施例22～24的比较基准设为比较例13。将各自的作为基准的范围作为振动平均值，将相对各基准的振动平均值的比作为平均减少量。
将相对各实施例的振动平均值的各基准值的比作为振动衰减率。即，通过“(实施例的振动平均值×100)/(比较例的振动平均值)”而求得振动衰减率。振动衰减率为0％的情况表示比较例与实施例的振动平均值相等，没有产生衰减，振动衰减率为30％的情况表示相对比较例的实施例的振动平均值降低了30％。
另外，各基准使用具有相同的电极面积的比较例。具体地，实施例1、2的比较基准设为比较例4，实施例3～6及13的比较基准设为比较例5，实施例7～9的比较基准设为比较例6，实施例10～12的比较基准设为比较例7。
图8表示本实施例之中的实施例15、16、17及比较例9的振动传导率和频率的曲线，表1表示各实施例的振动衰减率和各实施例及各比较例的一次振动峰值(最低频率侧出现的最大峰值频率)。
图8表示本实施例之中的实施例16、17、18及比较例9的振动传导率和频率。如已说明的那样，在通常的在车辆上发生的振动约为100Hz以下，当在该范围内存在电池结构体的一次振动频率时，则在车辆上电池结构体会发生共振。参照图8可知，比较例5在100Hz以下出现了一次共振峰值。另一方面，由于实施例16、17及18的一次共振峰值与100Hz相比位于高频侧，因此，可知在车辆上没有形成共振。进而，在表1的一次共振峰值一栏中可知，即使是在图8未表示的实施例中，一次共振峰值也与100Hz相比出现在高频侧。另外，参照表2，从振动衰减率一栏可以看出，各实施例中的振动平均值降低了。由此可知，本发明的电池结构体与现有的电池结构体相比防振性优良。
温升值及散热时间的测定
使用根据上述的实施例1～24及比较例1～14的电池结构体的制造方法所得的电池结构体，进行60分钟10C循环试验，测定试验中的电池结构体的中央部平均温度的最高到达温度，将其与试验开始前的温度的差作为温升值。另外，在60分钟后，切断电流，测定在室温下放置时的温度变化，将降回至室温时的时间作为散热时间。测定进行60分钟，在60分钟内没有降回至室温的情况下，记为60分钟以上。另外，所谓“进行60分钟10C循环试验”是指以10C的电流值将六分钟充电和六分钟放电进行五次。
表2表示各实施例及各比较例的温升值及散热时间。散热时间的测定进行到60分钟为止，在60分钟内没有降回至室温的情况记为“60以上”。从表2的温升值一栏可以看出，在将各比较例与各实施例进行比较的情况下，在各实施例中，在使用过程中电池结构体内部的温度不易上升。进而，参照表2的散热时间一栏可以看出，在各比较例中，中央部平均温度即使经过60分钟还未降至室温，而与此相对，在实施例中，中央部平均温度即使长也仅在20分钟左右就能够降至室温。
图9表示实施例16、17、18及比较例9的散热性能。从图9可以看出，由于各实施例16～18在进行10C循环试验过程中的0～60分钟期间，电池温度-时间曲线的斜率小，而在60分钟以后斜率变大，因此，与比较例相比较，实施例的电池结构体在使用过程中电池结构体内部的温度不易上升。由此可知，本发明的电池结构体与现有的电池结构体相比散热性优良。
本发明在涉及要求高输出、高容量或高耐久性的电池结构体的技术领域中是很有用的。
Figure G2007101041583D00221

Claims (17)

1.一种电池结构体，该电池结构体通过将单电池层多层层叠而形成，所述单电池层将形成于一集电体表面的正极活化物质层、保持电解质的隔离层、形成于另一集电体表面的负极活化物质层交替层叠，其特征在于，
所述电池结构体在形成所述电池结构体的多层单电池层之中的至少一单电池层与其它单电池层之间具有散热部件，还具有覆盖所述电池结构体的包覆材料，所述包覆材料与所述散热部件的一部分相接触。
2.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述散热部件具有防止来自外部的振动的功能。
3.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述散热部件的厚度是0.01～1mm。
4.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述散热部件的导热率是0.1～450W/m·k。
5.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述散热部件通过在具有散热性的母材中分散防振性材料而形成。
6.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述散热部件由选自下述材料组的任意一种材料形成：高分子材料、金属材料、高分子材料与金属材料的复合材料、及在高分子材料中分散导电材料的复合材料。
7.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
形成所述电池结构体的多层单电池层之中的至少一单电池层的隔离层的肖氏A硬度与其它单电池层的隔离层的肖氏A硬度不同。
8.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述隔离层的肖氏A硬度，随着从位于所述电池结构体中心的所述单电池层朝向位于层叠方向两端的单电池层，所述隔离层的肖氏A硬度逐渐增高。
9.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述隔离层的肖氏A硬度是20～110。
10.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述隔离层包含选自下述组中的至少一种树脂：聚酯类树脂、芳族聚酸胺类树脂及聚丙烯类树脂。
11.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述正极活化物质层包含正极活化物质，
所述正极活化物质的平均粒径是0.1μm～2μm。
12.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述正极活化物质包含Li-Mn类复合氧化物和Li-Ni类复合氧化物中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述负极活化物质层包含负极活化物质，
所述负极活化物质的平均粒径是0.1μm～2μm。
14.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，
所述负极活化物质包含结晶性碳材料和非结晶性碳材料中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的电池结构体，其特征在于，所述包覆材料由高分子材料与金属材料的复合材料形成。
16.一种组电池，所述组电池通过将权利要求1～15中任一项所述的多个电池结构体利用串联连接或并联连接中的至少一种连接方法进行连接而构成。
17.一种车辆，其特征在于，装载有权利要求1～15中任一项所述的电池结构体或权利要求16所述的组电池。
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