CN101401249B - 层叠式电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

层叠式电池包括：在预定的方向上层叠在一起的多个单电池(30)；以及在预定的方向上束缚多个单电池(30)的束缚部件。单电池(30)包括：在预定的方向上重合的正极集电箔(31)和负极集电箔(36)；配置在正极集电箔(31)与负极集电箔(36)之间的电池元件(35)；以及绝缘树脂(45)，被正极集电箔(31)和所述负极集电箔(36)夹持，配置在电池元件(35)的周围。电池元件(35)包括：分别设置在正极集电箔(31)和负极集电箔(36)上并彼此相对的正极活性物质层(32)和负极活性物质层(37)；以及介于正极活性物质层(32)与负极活性物质层(37)之间的电解质层(41)。与包括电池元件(35)的区域(200)相比，包括绝缘树脂(45)的区域(300)处的单电池(30)的厚度更小。根据上述结构，提供了一种即使电池元件的厚度在充放电时发生了变化也会使合适的表面压力作用在电池元件上的层叠式电池及其制造方法。

Description

层叠式电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及层叠式电池及其制造方法。
背景技术
关于以往的层叠式电池，例如日本专利文献特开2004-327374号公报公开了能够防止由于在单电池层与密封部件之间形成的缝隙而引发的短路的双极电池(专利文献1)。在专利文献1所公开的双极电池中，由正极活性物质层、负极活性物质层、以及电解质层构成的单电池层配置在一对集电体之间。在一对集电体之间还配置有包围单电池层的周围的用于防止液体从单电池层渗漏的密封部件。
在所述专利文献1所公开的层叠式电池中，为了减小构成电池的各层间的电阻，设置了在各层的层叠方向上产生束缚力的束缚部件。但是，当正极和负极活性物质随着电池的充放电而膨胀、收缩时，正极和负极活性物质层的厚度会产生变化。此时，如果单电池层的厚度变得小于由密封部件限定的一对集电体之间的距离，则无法使合适的表面压力作用在单电池层上。由此，在单电池层的各层间接触电阻或者反应电阻可能会增大。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种即使电池元件的厚度在充放电时发生了变化也会使合适的表面压力作用在电池元件上的层叠式电池及其制造方法。
本发明的层叠式电池包括：在预定的方向上层叠在一起的多个单电池；以及在预定的方向上对多个单电池进行束缚的束缚部件。单电池包括：在预定的方向上重合的正极集电体和负极集电体；配置在正极集电体与负极集电体之间的电池元件；以及被夹持在正极集电体与负极集电体之间并配置在电池元件的周围的绝缘部件。电池元件包括：分别配置在正极集电体和负极集电体上并彼此相对的正极活性物质层和负极活性物质层；以及介于正极活性物质层与负极活性物质层之间的电解质层。与包括电池元件的位置相比，包括绝缘部件的位置处的预定方向上的单电池的厚度更小。
根据如上构成的层叠式电池，包括绝缘部件的位置处的单电池的厚度被设定为比包括电池元件的单电池的厚度小。因此，即使正极活性物质和负极活性物质的体积随着充放电而变化、电池元件的厚度变小，也能够更有效地避免由于绝缘部件而使正极集电体和负极集电体之间成为顶撞状态。由此，能够通过对多个单电池进行束缚的束缚部件而使合适的表面压力作用在电池元件上。
另外，优选的是：包括绝缘部件的位置处的单电池的厚度小于由于电池元件的体积变化而发生变化的、包括电池元件的位置处的单电池的厚度的最小值。根据如上构成的层叠式电池，能够通过对多个单电池进行束缚的束缚部件而使合适的表面压力可靠地作用在电池元件上。
另外，优选的是：单电池的厚度在包括电池元件的任何位置处均大致恒定。根据如上构成的层叠式电池，在包括电池元件的位置处，能够防止在多个单电池之间产生空隙。由此，能够抑制在多个单电池之间电阻增大的问题。
本发明的层叠式电池的制造方法是上述任一项中所述的层叠式电池的制造方法。层叠式电池的制造方法包括以下步骤：使正极集电体和负极集电体夹持电池元件，并且涂敷形成绝缘部件的绝缘材料；以及使正极集电体与负极集电体重合来制造单电池。制造单电池的步骤包括以下步骤：在涂敷了绝缘材料的位置处，在预定的方向上挤压正极集电体和负极集电体，同时使绝缘材料固化。
根据如上所述的层叠式电池的制造方法，能够容易地制造厚度在包括电池元件的位置处相对较大、在包括绝缘材料的位置处相对较小的单电池。
如上所述，本发明能够提供一种即使电池元件的厚度在充放电时发生了变化也能够使合适的表面压力作用在电池元件上的层叠式电池及其制造方法。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的层叠式电池的截面图；
图2是示出图1中的层叠式电池所包括的单电池的具体形状的截面图；
图3是示出充放电时的图2中的单电池的变形的状态的截面图；
图4是示出图2中的单电池的制造方法的第一正极形成步骤的截面图；
图5是示出图2中的单电池的制造方法的第二正极形成步骤的截面图；
图6是示出图2中的单电池的制造方法的第一负极形成步骤的截面图；
图7是示出图2中的单电池的制造方法的第二负极形成步骤的截面图；
图8是示出图2中的单电池的制造方法的层叠步骤的截面图；
图9是示出图2中的单电池的制造方法的切断步骤的截面图；
图10是示出经过图4和图5所示的步骤而获得的正极集电箔(集電箔)的立体图；
图11是示出图2中的单电池的第一变形例的截面图；
图12是示出图2中的单电池的第二变形例的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下参照的附图中，对相同或者相当的部件标记相同的标号。
图1是示出本发明的实施方式的层叠式电池的截面图。参照图1，层叠式电池10作为电源而被安装在将汽油机或柴油机等内燃机和可以进行充放电的电源作为动力源的混合动力汽车上。层叠式电池10由锂离子电池构成。
层叠式电池10包括：在箭头101所示的方向上层叠的多个单电池30；以及对多个单电池30进行束缚的螺栓24。层叠式电池10具有近似长方体的形状。层叠式电池10也可以具有单电池30的层叠方向的长度小于其他边的长度的小的薄板形状。多个单电池30被电串联连接。层叠式电池10例如具有200V以上的电压。层叠式电池10例如包括50个以上的单电池。
各个单电池30具有：片状的正极集电箔31和负极集电箔36；以及配置在正极集电箔31与负极集电箔36之间的电池元件35。电池元件35包括：分别设置在正极集电箔31和负极集电箔36上的正极活性物质层32和负极活性物质层37；以及设置在正极活性物质层32与负极活性物质层37之间的电解质层41。本实施方式的层叠式电池10是将正极活性物质32和负极活性物质37分别设置在两个集电箔上的二次电池。
正极集电箔31具有表面31a和在表面31a的相反侧与表面31a面对的表面31b。负极集电箔36具有表面36a和在表面36a的相反侧与表面36a面对的表面36b。在箭头101所示的单电池30的层叠方向上使正极集电箔31与负极集电箔36重合，使表面31a和表面36a彼此隔开距离而相向。
多个单电池30所具有的正极集电箔31全部形成为同一形状。多个单电池30所具有的负极集电箔36全部形成为同一形状。正极集电箔31例如由铝形成。负极集电箔36例如由铜形成。
正极活性物质层32和负极活性物质层37分别形成在表面31a和表面36a上。正极活性物质层32和负极活性物质层37间隔着电解质层41而彼此相对。构成单电池30的各个层在彼此相邻的位置处并在与单电池30的层叠方向垂直的平面内进行表面接触。电解质层41设置成覆盖负极活性物质层37。也可以将电解质层41设置成覆盖正极活性物质层32。
电解质层41是由表现出离子传导性的材料形成的层。通过使电解质层41位于其间，正极活性物质层32与负极活性物质层37之间的离子传导变得顺畅，能够提高层叠式电池10的输出。在本实施方式中，电解质层41由固体电解质形成。电解质层41还可以是胶状的电解质或液体状的电解质。在该情况下，通过浸渍电解质的隔板来构成电解质层41。
单电池30还包括绝缘树脂45。绝缘树脂45在正极集电箔31与负极集电箔36之间沿着表面31a和36a的周边设置。绝缘树脂45设置在电池元件35的周围。绝缘树脂45配置成在整个外围包围电池元件35的周围。绝缘树脂45设置在表面31a和36a上的与正极活性物质层32和负极活性物质层37间隔开的位置。绝缘树脂45设置成与电解质层41接触。通过绝缘树脂45，电池元件35被封入正极集电箔31与负极集电箔36之间的空间内。
绝缘树脂由绝缘材料形成，例如由环氧树脂、丙烯酸树脂、硅橡胶或氟橡胶形成。绝缘树脂45由固化时收缩的接合剂形成。构成绝缘树脂45的树脂材料可以是热可塑性树脂，也可以是热固化性树脂。
按照在彼此相邻的单电池30之间正极集电箔31与负极集电箔36邻接的方式来层叠多个单电池30。在配置于单电池30的层叠方向上的一端的正极集电箔31上连接有正极端子26。在配置于单电池30的层叠方向上的另一端的正极集电箔36上连接有负极端子27。
层叠在一起的多个单电池30由作为封装体的层积膜28覆盖。作为层积膜28，例如使用在由铝制成的基材上覆以聚对苯二甲酸乙二酯树脂(PET：poly ethylene terephthalate)而形成的材料。层积膜28主要是为了防止水分浸入而设置的。根据电解质层41的种类等，有时省略层积膜28。
在层叠在一起的多个单电池30的两侧设置有束缚板21、23。束缚板21与束缚板23通过在单电池30的层叠方向上延伸的螺栓24而被结合在一起。在层叠在一起的多个单电池30的周围配置有多个螺栓24。通过螺栓24的轴向力，多个单电池30在其层叠方向上受到束缚。通过正极集电箔31和负极集电箔36，电池元件35在单电池30的层叠方向上被按压。
此外，在本实施方式中，使用螺栓24来作为束缚多个单电池30的束缚部件，但是不限于此，束缚部件例如还可以是在单电池30的层叠方向上产生紧固力的橡胶、绳、带状物(band)、或带(tape)等。
在彼此相邻的多个单电池30之间配置有薄片部件46，薄片部件46被正极集电箔31和负极集电箔36夹持。薄片部件46包括从正极集电箔31与负极集电箔36之间延伸出来的冷却用突片(tab)47。冷却用突片47被引出到层积膜28的外侧。薄片部件46由热传导性良好的导电性材料形成。薄片部件46例如由铝、铜、或碳片形成。通过上述结构，在单电池30中产生的热被传导至薄片部件46的冷却用突片47，并向层积膜28的外侧高效率地散热。此外，薄片部件46不是必须设置的。
接着，对构成图1中的层叠式电池10的各个部件进行详细的说明。正极活性物质层32含有正极活性物质和固体高分子电解质。正极活性物质层32可以包含：用于提高离子传导性的导电盐(锂盐)、用于提高电子传导性的导电助剂、作为浆粘度的调整溶剂的NMP(N—甲基—2—吡咯烷酮)、作为聚合引发剂的AIBN(偶氮二异丁腈)等。
作为正极活性物质，可以使用在锂离子二次电池中通常使用的锂和过渡性金属的复合氧化物。作为正极活性物质，可以例举出LiCoO2等Li-Co系复合氧化物、LiNiO2等Li-Ni系复合氧化物、尖晶石LiMn2O4等Li-Mn系复合氧化物、LiFeO2等Li-Fe系复合氧化物等。此外，可以举出LiFePO4等过渡性金属和锂的磷酸化合物或硫酸化合物；V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3等过渡性金属氧化物或硫化物；PbO2、AgO、NiOOH等。
固体高分子电解质只要是表现出离子传导性的高分子即可，对其没有特别的限定，例如可以举出聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烯(PPO)、以及它们的共聚合体等。上述聚烯烃基氧化物系高分子容易溶解于LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2等锂盐。正极活性物质层32和负极活性物质层37中的至少一者包含固体高分子电解质。更加优选的是在正极活性物质层32和负极活性物质层37中都包含固体高分子电解质。
作为导电盐，可以使用Li(C2F5SO2)2N、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2C2F5)2、或者它们的混合物等。作为导电助剂，可以使用乙炔黑、碳黑、石墨等。
负极活性物质层37包含负极活性物质和固体高分子电解质。负极活性物质层还可以包含用于提高离子传导性的导电盐(锂盐)、用于提高电子传导性的导电助剂、作为浆粘度的调整溶剂的NMP(N—甲基—2—吡咯烷酮)、作为聚合引发剂的AIBN(偶氮二异丁腈)等。
作为负极活性物质，可以使用锂离子二次电池通常使用的材料。但是，在使用固体电解质时，作为负极活性物质，优选使用碳或锂与金属氧化物或金属的复合氧化物。更加优选的是负极活性物质为碳或锂与过渡性金属的复合氧化物。进一步优选的是过渡性金属为钛。即，进一步优选的是负极活性物质为钛氧化物或钛与锂的复合氧化物。
作为形成电解质层41的固体电解质，例如可以使用聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烯(PPO)、以及它们的共聚体等固体高分子电解质。固体电解质包括用于确保离子传导性的导电盐(锂盐)。作为导电盐，可以使用LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、或者它们的混合物等。
此外，表1～表3表示出了形成正极活性物质层32、负极活性物质层37、以及电解质层41的材料的具体例子。表1表示出了电解质层41为有机固体电解质时的具体例子，表2表示出了电解质层41为无机固体电解质时的具体例子，表3表示出了电解质层41为胶状电解质时的具体例子
Figure G2007800087516D00091
Figure G2007800087516D00111
Figure G2007800087516D00121
Figure G2007800087516D00131
Figure G2007800087516D00141
图2是示出图1中的层叠式电池所包括的单电池的具体形状的截面图。图2中的单电池30表示了省略图1中的薄片部件46后的状态。
参照图2，在与单电池30的层叠方向相垂直的平面内规定了配置有电池元件35的区域200和配置有绝缘树脂45的区域300。在区域200中，正极活性物质层32、电解质层41、以及负极活性物质层37这三个层在单电池30的层叠方向上重合。
将沿单电池30的层叠方向的、表面31b与表面36b之间的单电池30的长度称为单电池30的厚度，单电池30形成为区域300处的厚度t小于单电池30的厚度T。优选的是单电池30的厚度T和t满足t/T≤0.9的关系。进一步优选的是单电池30的厚度T和厚度t满足t/T≤0.8的关系。举出一例，例如厚度T为100μm，厚度t为80μm。
随着从区域200向区域300接近，正极集电箔31轻微弯曲而接近负极集电箔36。随着从区域200向区域300接近，负极集电箔36轻微弯曲而接近负极集电箔31。正极集电箔31和负极集电箔36形成为在区域200处比在区域300处更向单电池30的层叠方向凸起的形状。在多个单电池30在其层叠方向上受到束缚的状态下，在区域300处，在彼此相邻的单电池30的正极集电箔31与负极集电箔36之间形成有缝隙50。
单电池30在区域200处具有固定的厚度T。即，在区域200处，表面31b和表面36b在与多个单电池30的层叠方向相垂直的平面内彼此平行地延伸。通过上述结构，能够在设置了电池元件35的位置处使正极集电箔31与负极集电箔36进行表面接触，防止在二者之间产生空隙。
图3是示出充放电时图2中的单电池产生变形的状态的截面图。参照图2和图3，在层叠式电池10中，正极活性物质层32和负极活性物质层37内的正极和负极活性物质会随着充放电反应而膨胀、收缩。因此，正极活性物质层32和负极活性物质层37的体积发生变化，电池元件35的厚度会根据情况而减小。此时，由于绝缘树脂45，正极集电箔31与负极集电箔36之间成为顶撞状态，螺栓24的束缚力可能会无法充分地作用在电池元件35上。
对此，在本实施方式中，设定为区域300处的单电池30的厚度t小于区域200处的单电池30的厚度T。因此，在电池元件35的厚度减小、并且区域200处的单电池30的厚度T减小时，可以使正极集电箔31和负极集电箔36维持在区域200处比在区域300处更凸起的形状。此时，能够使螺栓24的束缚力作用在电池元件35上。
另外，可以通过适当地控制区域300处的单电池30的厚度t而将厚度t设定为比区域200处的单电池30的厚度T的最小值Tmin小。此时，能够与层叠式电池10的充放电的状态无关地使螺栓24的束缚力可靠地作用在电池元件35上。
接着，对图2中的单电池30的制造方法进行说明。图4～图9是示出图2中的单电池的制造方法的步骤的截面图。参照图4，通过溅射等成膜步骤，在正极集电箔31的表面31a上形成正极活性物质层32。参照图5，在表面31a上如同包围正极活性物质层32的周围那样来涂敷绝缘树脂45。
参照图6，与图4所示的步骤相同，在负极集电箔36的表面36a上形成负极活性物质层37。并且，在表面36a上形成覆盖所述负极活性物质层37的电解质层41。参照图7，在表面36a上如同包围负极活性物质层37和电解质层41的周围那样来涂敷绝缘树脂45。
参照图8，使正极集电箔31与负极集电箔36重合，使分别涂敷在正极集电箔31和负极集电箔36上的绝缘树脂45彼此接触。在设置有绝缘树脂45的位置处配置挤压装置61并使该挤压装置61夹持正极集电箔31和负极集电箔36。通过挤压装置61在单电池30的层叠方向上挤压正极集电箔31和负极集电箔36，同时使绝缘树脂45固化。通过上述步骤，使正极集电箔31与负极集电箔36形成为一体。
参照图9，切断正极集电箔31和负极集电箔36的周边，在绝缘树脂45上形成切断面。通过上述步骤，制成区域300处的单电池30的厚度t被设定成比区域200处的单电池30的厚度T小的单电池30。
图10是示出经过图4和图5中所示的步骤而得到的正极集电箔的立体图。参照图10，在图4和图5所示的步骤中，可以在一个正极集电箔131上的隔开间隔的多个位置处分别形成正极活性物质层32和绝缘树脂45。同样，在图6和图7所示的步骤中，可以在一个负极集电箔上的隔开间隔的多个位置处分别形成负极活性物质层37、电解质层41、以及绝缘树脂45。然后，通过实施分别由图8和图9示出的层叠步骤和切断步骤，能够一并制造出多个单电池30。
本发明的实施方式的层叠式电池10包括：在预定的方向(图1中的箭头101所示的方向)上层叠在一起的多个单电池30；以及作为在预定的方向上对多个单电池30进行束缚的束缚部件的螺栓24。单电池30包括：在预定的方向上重合的正极集电箔31和负极集电箔36；配置在正极集电箔31与负极集电箔36之间的电池元件35；以及被正极集电箔31和负极集电箔36夹持并配置在电池元件35的周围的、作为绝缘部件的绝缘树脂45。电池元件35包括：分别设置在正极集电箔31和负极集电箔36上并彼此相对的正极活性物质层32和负极活性物质层37；以及介于正极活性物质层32与负极活性物质层37之间的电解质层41。与作为包括电池元件35的位置的区域200相比，作为包括绝缘树脂45的位置的区域300处的预定方向上的单电池30的厚度更小。
根据如上构成的本发明的实施方式的层叠式电池10，通过使螺栓24的束缚力更可靠地作用在电池元件35上，能够抑制构成电池元件35的各层间的接触电阻或反应电阻增大。
图11是示出图2中的单电池的第一变形例的截面图。参照图11，在本变形例中，正极活性物质层32和负极活性物质层37都被电解质层41覆盖。图12是示出图2中的单电池的第二变形例的截面图。参照图12，在本变形例中，正极活性物质层32和负极活性物质层37都未被电解质层41覆盖。在具有上述结构的层叠式电池中，也同样能够取得上述效果。
此外，在本实施方式中说明了层叠式电池10由锂离子电池形成的情况，但是不限于此，也可以由锂离子电池以外的二次电池形成。
另外，可以将层叠式电池10安装在将燃料电池和二次电池作为驱动源的燃料电池混合动力车辆(FCHV：Fuel Cell Hybrid Vehicle)或电动汽车(EV：Electric Vehicle)上。在本实施方式的混合式车辆中，以耗油率最佳工作点来驱动内燃机，与此相对，在燃料电池混合动力车辆中，以发电效率最佳工作点来驱动燃料电池。另外，关于二次电池的使用，在两种混合动力车辆中基本上不变。
应认为本次公开的实施方式在所有方面均仅为例示而不具有限制作用。本发明的范围由权利要求书而非上述说明来表示，并包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。
产业上的实用性
本发明主要应用于将内燃机和可以进行充放电的电源作为动力源的混合动力汽车的电源。

Claims (4)

1.一种层叠式电池，包括：在预定的方向上层叠在一起的多个单电池(30)；以及在所述预定的方向上束缚多个所述单电池(30)的束缚部件(24)；其中，
所述单电池(30)包括：
在所述预定的方向上相互对准的正极集电体(31)和负极集电体(36)；
电池元件(35)，具有：分别设置在所述正极集电体(31)和所述负极集电体(36)上并彼此相对的正极活性物质层(32)和负极活性物质层(37)；以及介于所述正极活性物质层(32)与所述负极活性物质层(37)之间的电解质层(41)；所述电池元件配置在所述正极集电体(31)与所述负极集电体(36)之间；以及
绝缘部件(45)，被所述正极集电体(31)和所述负极集电体(36)夹持，配置在所述电池元件(35)的周围；
与包括所述电池元件(35)的位置(200)相比，包括所述绝缘部件(45)的位置(300)处的所述预定方向上的所述单电池(30)的厚度更小。
2.根据权利要求1所述的层叠式电池，其中，
与由于所述电池元件(35)的体积变化而发生变化的、包括所述电池元件(35)的位置(200)处的所述单电池(30)的厚度的最小值相比，包括所述绝缘部件(45)的位置(300)处的所述单电池(30)的厚度更小。
3.根据权利要求1所述的层叠式电池，其中，
在包括所述电池元件(35)的任何位置处所述单电池(30)的厚度均大致恒定。
4.一种权利要求1所述的层叠式电池的制造方法，包括以下步骤：
使所述正极集电体(31)和所述负极集电体(36)夹持所述电池元件(35)，并且涂敷形成所述绝缘部件(45)的绝缘材料；以及
使所述正极集电体(31)与所述负极集电体(36)在所述预定的方向上相互对准来制造所述单电池(30)；
制造所述单电池(30)的步骤包括以下步骤：在涂敷了所述绝缘材料的位置处，在所述预定的方向上挤压所述正极集电体(31)和所述负极集电体(36)，同时使所述绝缘材料固化。
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