CN1285132C - 叠层型电池及相关方法 - Google Patents

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Abstract

叠层型电池提供有在叠层方向上叠置的待串联的多个单元电池，以及分别在多个单元电池上形成的分配电压测量焊片电极，从而能够对多个单元电池测量电压，分配电压测量焊片电极在叠层方向的相交方向上以偏离的位置设置在叠层型电池的侧面上。

Description

叠层型电池及相关方法
技术领域
本发明涉及叠层型电池及相关方法，更具体地说涉及叠层型电池以及能够对每个单元电池测量电压的方法。
背景技术
最近，对于环境保护来说，迫切需要降低二氧化碳的释放。在汽车业领域，人们高度期望能够通过引入电动车辆(EV)和混合型电动车辆(HEV)来降低二氧化碳的释放。已经开展了大量的科研工作来提供对进入实际用途关键的电机驱动二次电池。就二次电池而言，关注的焦点集中在能够实现高能量密度和大功率单位输出量的锂电池(锂离子电池)上。
特别地，为了确保二次电池的大功率输出能应用于汽车领域，已经建议提供一种由一组串联的二次电池(每个电池以下简称单元电池)组成的叠层型电池。
日本专利申请特许公开2001-250741号涉及了一种在技术领域不同于电池的电容器，但是该专利公开了由一组叠层电容器组成的叠层型双电层电容器结构，其中为了测量分配电压，在每个电容器上形成分配电压测量焊片电极。
发明内容
基于本发明人所进行的研究，对于叠层型电池优选地是理想地允许各个单元电池都分配电压，从而提供(充电电压)/(串联的单元电池数)的比例。
但是，实际上单元电池的内部电阻和电容会发生变化，因此各个单元电池所分配的电压会发生波动。结果分配电压高的单元电池就会恶化，并且可以想象叠层型电池的寿命周期会受到具有高分配电压的单元电池的限制。
为了解决这种现象，需要装配使各个单元电池所分配的电压变得可控，以至于使所有的单元电池均匀地分配电压。为此，需要制备用于逐个测量单元电池电压的电极。
在本文中，当研究日本专利申请特许公开2001-250741号所公开的结构时，电极组分的材料、充电和放电机理以及电容器和电池间的容量都存在着很大的差异，因此很难简单地将电容器技术应用于电池上。
更具体地说，在由一组单元电池装配的电池情况下，可以想象因为每个单元电池电极间的距离是极短的，并且相邻的分配电压测量焊片电极间的距离也是短的，所以可能发生相互接触或相互传导。特别地，在二次电池的情况中，可以设想因为电能连续地通过化学反应产生，如果万一发生这种情况，电池就可能会连续给出不同于电容器短路的功率输出，这样不仅短路的部分，而且整个电池都会受到不利地影响。
为了避免这种效应，尽管可以设想分配电压测量焊片电极的一个表面与防止接触的绝缘膜层压，但是分配电压测量焊片电极部分会变厚，并且在密封特性和空间效率方面可能会降低。
另外，在装配分配电压测量焊片电极的情况下，在将电压测量插槽或单元电池控制器装配到分配电压测量焊片电极上时，可以设想接触电极间的距离太小，这样在电压测量插槽或单元电池控制器中可能出现复杂的布线结构。
因此，本发明已经在本发明人上述研究的基础上完成，其目标是提供一种叠层型电池以及能够测量每个单元电池电压的相关方法。
为此，本发明提供了一种叠层型电池，包括：多个在叠层方向上叠置的串联的单元电池；在第一方向上延伸的连接到外部元件的主电路接触电极；和分别在多个单元电池上形成的分配电压测量焊片电极，以允许对多个单元电池测量电压，所述分配电压测量焊片电极在第二方向上延伸并且沿着与叠层方向相交的第一方向设置在叠层型电池的侧表面上彼此偏离的位置，所述第一方向与第二方向彼此不同。
同时，本发明还提供了一种生产叠层型电池的方法，包括：在叠层方向上叠置串联的多个单元电池；提供在第一方向上延伸的连接到外部元件的主电路接触电极；以及分别在多个单元电池上提供分配电压测量焊片电极，以允许对多个单元电池测量电压，所述分配电压测量焊片电极在第二方向上延伸，并且沿着与叠层方向相交的第一方向设置在叠层型电池的侧面上彼此偏离的位置，所述第一方向与第二方向彼此不同。
本发明的其它和进一步特征、优点和好处将从下面与下述附图相结合的描述中变得更加明显。
附图说明
图1是表示根据本发明第一个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图2是从图1中箭头A所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
图3是沿图1中线X-X所示的叠层型双极电池的截面视图。
图4是举例说明该实施方案每个集电器结构的截面视图。
图5是举例说明该实施方案图3中所示的叠层型双极电池的各个集电器结构的平面视图。
图6是表示根据本发明第二个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图7是从该实施方案图6中箭头B所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
图8是举例说明该实施方案图6中所示的叠层型双极电池的各个集电器结构的平面视图。
图9是表示根据本发明第三个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图10A是从该实施方案图9中箭头C所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
图10B是从该实施方案图9中箭头D所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
图11是举例说明该实施方案图9中所示的叠层型双极电池的各个集电器结构的平面视图。
图12是表示根据本发明第四个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图13是从该实施方案图12中箭头E所示方向观察的单元电池控制器单元的侧视图。
图14是举例说明该实施方案图13中所示单元电池控制器的电流旁路的电路图。
图15是合并入该实施方案图单元电池控制器单元中电流旁路的电路图。
图16是表示根据本发明第五个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图17是从该实施方案图16中箭头F所示方向观察的单元电池控制器单元的侧视图。
图18是表示根据本发明第六个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图19A是从该实施方案图18中箭头G所示方向观察的一个单元电池控制器单元的侧视图。
图19B是从该实施方案图18中箭头H所示方向观察的另一个单元电池控制器单元的侧视图。
图20是表示根据本发明第七个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。
图21是该实施方案图20中线Y-Y所示的叠层型双极电池的截面视图。
图22是举例说明该实施方案图21中所示的集电器结构的平面视图。
图23是举例说明根据本发明第八个实施方案中车辆示意结构的视图。
具体实施方式
在下文中，参照适当的相关附图描述根据本发明每个实施方案的叠层型电池及相关方法。另外，在图表中，坐标轴D1、坐标轴D2和坐标轴D3形成直角坐标系。
(第一实施方案)
首先，参照图1到5，详细地描述根据本发明第一个实施方案的叠层型电池及相关方法。
图1是表示根据本发明第一个实施方案的片状叠层型双极电池(可以简称作“叠层型电池”、“双极电池”等等)外部结构的透视图，并且图2是从图1中箭头A所示方向观察的电池侧视图。
如图1和2所示，叠层型双极电池1由串联的一组单元电池组成并且按平行于坐标轴D3的方向叠置，详细情况在后面描述。
然后，分配电压测量焊片电极10到18与形成双极电池1的各个单元电池的集电器连接，从而允许分别测量单元电池的电压。适当安排分配电压测量焊片电极10到18，从而至少避免相邻的接触电极处于相同的平行位置，更具体地说分配电压测量焊片电极10到18在双极电池1的侧壁S上沿着其长度方向(平行于坐标轴D1的方向)偏斜(以至于当分配电压测量焊片电极10到18大小相等时，接触电极彼此等距地偏离)，从而防止接触电极在双极电池1的各个单元电池的叠层方向(平行于坐标轴D3的方向)上彼此重叠。典型地，就分配电压测量焊片电极11而言，分配电压测量焊片电极11在D1方向上与分配电压测量焊片电极10偏离约W的宽度。另外，分配电压测量焊片电极的数量可以根据单元电池叠层的数量来适当确定。
此外，与位于双极电池两端的集电器相连的是向外延伸到电池箱45的主电路接触电极19和20。
图3是举例说明双极电池1在图1中线X-X表示的截面上的内部结构的示意图。
如图3所示，双极电池1包括由依次层压的正极活性材料层32、集电器31和负极活性材料层33构成的双极电极30，以及插在一对双极电极30，30之一的正极活性材料层32和电极对另一个的负极活性物质层33之间的聚合物固体电解质层(可以仅称作“固体电解质层”等)。基本上，每个单元电池U由一对双极电极30，30，它们由集电器31和双极电极对之一的正极活性材料层32、集电器31和双极电极对另一个的负极活性材料层33构成，以及插在正极活性材料层32和负极活性材料层33之间的固体电解质层40组成。
也就是说，按n片双极电极30和(n+1)片固体电解质层40交替叠置层压的方式装配双极电池1，从而使之包括n片双极电极30和(n+1)片固体电解质层40，双极电极30包括n片集电器31，每片具有分配电压测量焊片电极并且由正极活性材料层32和负极活性材料层33形成。另外，集电器31，31被分别层压到最外面的聚合物电解质层40，40上，并且在位于最外层的集电器31，31上分别形成分配电压测量焊片电极。然后，最外面的集电器31，31与相关的主电路接触电极19和20连接，通过这种连接集电器31，31与外电路(没有显示)连接。此处，在最外面的与主电路接触电极19连接的集电器31上只形成负极活性材料层33，并且在最外面的与主电路接触电极20连接的集电器31上只形成正极活性材料层32。
此外，与形成单元电池U的叠层数相关的双极电极30的片数n，即叠层数可以根据想要的电压输出来调节。如果甚至在制备厚度极薄的片状双极电池1的情况下，也能够提高足够的输出，可以降低与形成单元电池U的叠层数相关的双极电极的叠层数。另外，在图中，尽管n典型地选择是7，但是本发明并没有局限于这个数目。
另外，由于在双极电池1的使用期间双极电池1需要防止来自外界和环境降解所遭遇的影响，片状单元电池U的叠层体需要包裹在片状电池箱45内。优选地，电池箱45可以由金属，例如铝、不锈钢、镍和铜制成，并且具有用诸如聚丙烯薄膜的绝缘膜覆盖的内表面。
此外，双极电池1用在通过锂离子传递来实现充放电的锂离子二次电池中。但是，如果可能获得有利的效果，例如电池特性的改善，双极电池也可以应用于其它类型的电池。
双极电池1的结构在下文中描述。
双极电极
图4是举例说明图3中一个双极电极结构的截面视图。
在图4中，双极电极30具有这样一种结构：其中正极活性材料层32在集电器31的一个表面上形成，集电器的另一个表面由负极活性材料层33形成，也就是说，在这种结构中正极活性材料层32、集电器31和负极活性材料层33依次层压。
与这种双极电极30相比，由不是双极电极的普通电极组成的电池，在串联联接单元电池的情况下具有这样一种结构：使正极集电器和负极集电器借助连接部分(例如线路)与另一个电连接。对于这种电池，在连接部分产生连接电阻，它可能引起功率输出的恶化。另外，从电池组件、比表面积，例如连接部分的微型化角度来看，装备与电能产生能力不直接相关的组件会导致不方便，并且进而在这种程度上引起整个电池组件能量密度的降低。
相反，对于双极电极30，因为在相互串联的电极间不存在连接部分，所以可能使因连接部分电阻而降低的功率输出最小化。而且因为没有连接部分，所以可以实现电池组件的微型化。另外，由于没有连接部分，还可能改善整个电池组件的能量密度。
双极电池1可以包含位于正极活性材料层32和负极活性材料层33至少之一上的聚合物固体电解质。因此，通过在活性材料层的活性材料间填充聚合物电解质，可以在活性材料层中实现平稳的离子传递，这就改善了整个双极电池的功率输出。
集电器
图5是举例说明用于双极电池1双极电极30的集电器结构的平面视图，双极电池带有从最外面的集电器依次方便地并列布置的集电器，对集电器31顺序给出参照数字110到118。
如图5所示，集电器31，即集电器110到118具有按前面所述的在不至于彼此重叠的不同位置上形成的分配电压测量焊片电极10到18。另外，最外面的集电器110和118分别由主电路接触电极19和20形成，它们在不同于分配电压测量焊片电极10到18伸展方向的方向上相反地伸展，也就是说典型地在与分配电压测量焊片电极10到18伸展方向的相交方向上伸展。而且，除了分配电压测量焊片电极13到16所形成的位置不同外，带有分配电压测量焊片电极13到16的集电器113到116结构上与其它剩下的集电器相同，因此集电器113到116在本文中不再讨论。
如图1和2所示，层压使用这种集电器110到118的双极电极允许分配电压测量焊片电极10到18的位置沿着双极电池1的侧面长度方向彼此偏离，而不会彼此重叠。
因此甚至在厚度更薄的单元电池1的情况下，也不可能出现分配电压测量焊片电极10到18彼此相互接触而导致短路。此外，由于存在按照上述方式的分配电压测量焊片电极10到18的自身位置布局，能够避免这些元件彼此接触，所以不需要为了不接触而在分配电压测量焊片电极10到18的一个表面上粘附绝缘膜。这就具有防止电池变厚的性能。
正极活性材料层
除了正极活性材料外正极活性材料层32还可以包括聚合物固体电解质。除了这此组分，为了增加离子电导率添加剂可以包括锂盐或导电活性剂。
由过渡金属和锂组成的复合氧化物可以用作正极活性材料，并且在溶液型锂离子电池中使用。具体地说，它们包括Li-Co复合氧化物如LiCoO2，Li-Ni复合氧化物如LiNiO2，Li-Mn复合氧化物如尖晶石型LiMn2O4，以及Li-Fe复合氧化物如LiFeO2。另外，这些化合物可以进一步包括由过渡金属和锂组成的磷酸盐化合物如LiFePO4、硫酸盐化合物、过渡金属氧化物如V2O5、MnO2、TiS2、MoS2和MoO3、硫化物、PbO2、AgO和NiOOH。
为了使双极电池的电极电阻最小，正极活性材料优选地具有小于在溶液型锂离子电池中使用的材料颗粒直径的颗粒尺寸，溶液型锂离子电池中的电解质不是固体。具体地说，正极活性材料的平均颗粒直径可以在0.1～5μm的范围内。
所含的聚合物固体电解质并不限制于特定的聚合物材料，只要聚合物具有离子导电性就行。具有离子导电性的聚合物包括聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)和这些材料的共聚物。这类聚氧化烯烃聚合物可以溶解锂盐，例如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2。而且，桥结构的形成提供了极好的机械强度。尽管这种聚合物固体电解质可以包含在正极活性材料层和负极活性材料层至少一个中，但是为了使双极电池具有进一步改进的电池特性，正极活性材料层和负极活性材料层优选地都包含聚合物固体电解质。
可以使用诸如化合物LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2或这些化合物的混合物来作为要包含的锂离子盐。
要包含的导电活性剂可以包括乙炔黑、碳黑和石墨。但是，本发明并没有限制于这些化合物。
另外，正极活性材料、聚合物固体电解质、锂盐和导电活性剂的比例可以根据应用目的(认真考虑功率输出和能量)来确定。在活性材料层中要包含的聚合物固体电解质的比例太小会导致电池性能的恶化。相反，在活性材料层中要包含的聚合物固体电解质的比例太大，电池的能量密度会降低。因此，考虑到这些因素，聚合物固体电解质的量被适当地确定，从而满足目的用途。
此外，为了生产双极电池，目标是优先考虑电池的反应性质，使用聚合物固体电解质(离子电导率为105～104S/cm)，通过增加导电活性剂的量或者降低活性材料的表观密度，使活性材料颗粒间的电子传导电阻优选地维持在低的水平。同时，增加空间使聚合物固体电解质填充在这些空间内，因而增加要包含的聚合物固体电解质的比例是优选的。
此外，正极活性材料层的厚度没有具体地限制，同前面关于比例的描述一样，其厚度可以根据应用目的(考虑功率输出和能量)和离子导电率来确定。典型地，正极活性材料层的厚度可以在约10～500μm的范围内。
负极活性材料层
除了负极活性材料外负极活性材料层33还可以包括聚合物固体电解质。除了这些化合物外，为了增加离子电导率添加剂可以包括锂盐和导电活性剂。除了这类负极活性材料外，其它的组分基本上与那些在正极活性材料中描述的内容相似。
尽管可以使用在溶液型锂离子电池中使用的负极活性材料来作为负极活性材料，但是考虑到具体包括的聚合物固体电解质的反应性质时，金属氧化物或者由金属和锂组成的复合氧化物是优选的。更优选地，负极活性材料可以包括过渡金属氧化物或者由过渡金属和锂组成的复合氧化物。更优选地，负极活性材料可以包括二氧化钛或者由钛和锂组成的复合氧化物。
此外，除了上述的化合物外，碳也可以优选地用作负极活性材料。当使用碳作为负极活性材料时，锂离子的引入使之能够获得与包含由锂组成的负极活性材料相同的高电压电池。要使用的碳优选地包括硬碳。因为就充电状态的波动而言，硬碳使双极电池具有比使用石墨时更大的电压波动，所以电压波动使充电状态要预知。因此，不需要为从电学变量计算充电状态和单元电池的电荷控制的目的提供努力和装置，而且同样的装置可以在简化的结构中实现。
聚合物固体电解质层
聚合物固体电解质层40由具有离子导电性的聚合物构成的层来制备，并且如果能表现出离子导电性，聚合物固体电解质不必限制于特定的材料。
可以包括诸如聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)和这些化合物共聚物的聚合物固体电解质来作为聚合物固体电解质。
此外，为了增加离子电导率可以在聚合物固体电解质层40中包含锂盐。锂盐包括化合物LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2或这些化合物的混合物。但是，锂盐并不局限于这些化合物。聚氧化烯烃聚合物可以溶解锂盐，例如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2。而且，桥结构的形成提供了极好的机械强度。
尽管在聚合物固体电解质层、正极活性材料层和负极活性材料层中都可以包含聚合物固体电解质，但是可以使用相同的聚合物固体电解质，并且也可以对于每层使用不同的聚合物固体电解质。
聚合物固体电解质层的厚度没有特别地限制。但是，为了得到致密的双极电池1，聚合物固体电解质层40优选地具有极薄但能确保电解质层功能的厚度。典型地，聚合物固体电解质层具有约5～200μm的厚度。
另外，目前优选地用于聚合物固体电解质的聚合物是诸如PBO和PPO的聚合物。因此，靠近正极的聚合物固体电解质在高温条件下具有低的抗氧化趋势。所以这类聚合物通常在溶液型锂离子电池中使用。当使用具有高氧化还原电位的正极试剂时，负极的容量优选地低于经聚合物固体电解质层相对于负极的正极容量。因此，如果负极的容量低于相对的正极容量，在充电后期可以就避免正极电势的过度增加。此处，“正极借助聚合物固体电解质层相对”意指是形成相同单元电池组件的正极。
当生产基于生产条件的正极和负极时，这种正极和负极的容量可以取作理论容量。当然，它可以是由测量装置直接测量的最终产品的容量。但是，如果负极的容量低于相对的正极容量，因为负极电位变得过低并且电池趋向于具有恶化的耐用性，所以需要注意充放电电压。特别地，根据所使用的正极活性材料的氧化还原电位，通过确定一个单元电池的平均充电电压使之位于适当的值来注意不要引起电池耐用性的恶化。
此外，固体聚合物电解质层40还可以包括聚合物凝胶电解质。聚合物凝胶电解质可以是具有离子导电性并且包含在锂离子二次电池中使用的电解质溶液的固体聚合物电解质，或者进一步包括没有离子导电性，但是在聚合物骨架结构中保留有相似的电解质溶液的聚合物。
这类电解质溶液(包括电解质盐和增塑剂)没有特别地限制，而且可以适当使用大量的电解质溶液。它们至少包括选自下面物质的一种锂盐(作为电解质盐)：无机酸阴离子盐，例如LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAICl4和Li2B10Cl10，有机酸阴离子盐，例如LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N和Li(C2F5SO2)2N，以及增塑剂(由有机溶剂组成)，例如由至少一种或两种以上选自以下物质的化合物混合的质子惰性溶剂：环状碳酸酯，比如丙烯碳酸酯和碳酸次乙酯；链碳酸酯，比如二甲基碳酸酯、甲醚碳酸酯和碳酸二乙酯；醚，比如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，4-二氧六环、1，2-二甲氧乙烷(1，2-dimethexiethane)和1，2-二丁氧乙烷(1，2-dibuthoxiethane)；内酯，比如γ-丁酪内酯(γ-butytyrolactone)；腈，比如乙腈；酯，比如丙酸甲酯；酰胺，比如二甲基甲醛；乙酸甲酯和甲酸甲酯。
另外，具有离子导电性的固体聚合物电解质可以包括聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)和这些化合物共聚物。
此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)(polyacrilonitrile)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以用作没有离子导电性的用于聚合物凝胶电解质的聚合物。而且，尽管PAN和PMMA几乎属于没有离子导电性类并且可以使用上述具有离子导电性的固体聚合物电解质，但是这些盐可以在聚合物凝胶电解质中使用。
如上所述，对于本发明实施方案的双极电池1，因为各个单元电池的集电器具有为了防止在层压条件下相互重叠而在沿着双极电池侧面长度方向偏离的位置上形成的分配电压测量焊片电极10到18，所以各个单元电池的分配电压很容易测量。
另外，因为分配电压测量焊片电极10到18以在双极电池侧面的纵向方向偏离的方式布置和层压，从而即使在单元电池的厚度做得更薄时它们也不至于在相同的位置重叠，所以可以避免发生分配电压测量焊片电极之间的相互接触而引起短路。而且，这就不需要用绝缘涂层覆盖分配电压测量焊片电极的一个表面，因此使单元电池的厚度可以做得更薄。
此外，因为分配电压测量焊片电极11到17沿着双极电池1侧表面的长度方向等间隔并置，所以简化了与分配电压测量焊片电极11到17连接的电压测量插槽的结构，从而为生产提供了方便。
另外，因为本发明实施方案的双极电池1使用由聚合物固体电解质组成的电解质，所以不需要提供特殊部件就可以防止相邻电池间的液体泄漏。而且，活性材料层内部包含聚合物固体电解质，活性材料层具有极好的离子导电性从而使双极电池具有高的电池特性。
此外，当使用硬碳作为双极电池1的负极活性材料时，仅通过测量电压就可以简单实现单元电池的充电控制，因此可以得到具有简化结构和高功率输出的叠层型电池。
(第二实施方案)
接下来，参照图6～8详细描述根据本发明第二实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图6是表示根据本发明第二实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图，图7是从图6中箭头B所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
如图6和7所示，本发明第二实施方案的叠层型双极电池2不同于第一实施方案，因为双极电池2的集电器在沿着双极电池2侧表面的长度方向等距偏离的位置用两排分配电压测量焊片电极210到218和220到228，以在叠层条件下彼此不重叠的关系形成，并且在其它方面具有与第一实施方案相同的结构。因此，本实施方案的描述目标是不同点，而相似方面被适当省略或简化描述。
图8是举例说明图5所示那些各个集电器结构的平面视图。
如图8所示，在本实施方案中基本上与第一实施方案相似，集电器230到238和240到248分别用分配电压测量焊片电极210到218和220到228在不同的位置形成。而且，集电器230和集电器238分别用主电路接触电极19和20形成，它们典型地伸展在与分配电压测量焊片电极的伸展方向垂直的方向上。
更具体地说，位于叠层的单元电池正中间的集电器238，即一端用分配电压测量焊片电极218形成的集电器238具有由分配电压测量焊片电极220形成的相对端。因此，当分配电压测量焊片电极以两排形成时，分配电压测量焊片电极间的距离(一对测量电压的电极间的距离)，即与所有分配电压测量焊片电极相关的距离，例如分配电压测量焊片电极217和218与分配电压测量焊片电极220和221间的距离保持不变。因此，可以简化与分配电压测量焊片电极210到218和220到228关联的电压测量插槽的结构。
另外，在该图中因为中间的分配电压测量焊片电极和集电器仅在分配电压测量焊片电极的各自位置上不同于上述的另一个关联组件，而且在结构上也与这些组件相似，所以相同的说明可以省略。
如上所述，就本实施方案的双极电池2而言，因为两排分配电压测量焊片电极沿着电池侧面的长度方向等间隔地排列，从而在层压条件下彼此不重叠，甚至在大量单元电池叠层情况下它们也都被布置在电池的同一侧表面，所以可以可靠地避免相邻单元电池的分配电压测量焊片电极相互接触而引起短路。
此外，在两排布置的分配电压测量焊片电极之间，由于叠层中分配电压测量焊片电极在集电器的两端形成，所以分配电压测量焊片电极间的距离总是保持不变，因此在结构上可以简化分配电压测量插槽。
(第三实施方案)
接下来，参照图9到11详细描述根据本发明第三实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图9是表示根据本发明第三个实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图。图10A是从图9中箭头C所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。图10B是从图9中箭头D所示方向观察的叠层型双极电池的侧视图。
如图9到10B所示，本实施方案的双极电池3不同于第一实施方案，因为在沿着双极电池3每个侧表面S，S’的长度方向等距偏离的双极电池3的相对侧表面S，S’上，各个单元电池的集电器分别用分配电压测量焊片电极310到318和320到328，以在叠层条件下彼此不重叠的关系形成，并且在其它方面具有与第一实施方案相同的结构。因此，本实施方案的描述目标是不同点，而相似方面被适当省略或简化描述。
特别地，在双极电池3的两个相对侧表面S，S’上形成的分配电压测量焊片电极310到318和320到328按照单元电池叠层的次序以向右或者向左交替伸出的方式布置。也就是说，在图中所示的条件下从上而下，在第一个集电器上形成的分配电压测量焊片电极310向右伸出，在第二个集电器上形成的分配电压测量焊片电极320向左伸出，在第三个集电器上形成的分配电压测量焊片电极311向右伸出，并且依次类推分配电压测量焊片电极相似且交替地依次向左和向右伸出。
图11是举例说明图5中各个集电器结构的平面视图。
如图11所示，在本实施方案中基本上与第一实施方案相似，集电器330到338和340到348用分配电压测量焊片电极310到318和320到328在不同的位置形成。
更具体地说，为了使分配电压测量焊片电极310到318和320到328按照单元电池叠层的次序向右或者向左交替伸出，分配电压测量焊片电极310从图中第一个集电器330向右伸出，分配电压测量焊片电极320从图中第二个集电器341向左伸出，分配电压测量焊片电极311从图中第三个集电器331向右伸出，依次类推分配电压测量焊片电极依次相似且交替地向左和向右伸出，并且最后的集电器348由图中向左伸出的分配电压测量焊片电极328形成。而且，在不同于分配电压测量焊片电极伸展方向的方向上，分别在第一个集电器330和最后一个集电器348上相应形成主电路接触电极19和20。
另外，在该图中因为中间的分配电压测量焊片电极和集电器仅在分配电压测量焊片电极的各自位置上不同于上述的另一个关联组件，而且在结构上也与这些组件相似，所以相同的说明可以省略。
如上所述，就本实施方案的双极电池3而言，因为分配电压测量焊片电极以层压条件下非重叠的关系沿着电池侧面的长度方向等间隔地偏离，甚至在大量单元电池叠层情况下它们也都被布置在电池的两个侧表面，所以可以可靠地避免相邻单元电池的分配电压测量焊片电极相互接触而引起短路。尤其是因为装配从相邻集电器伸展的分配电压测量焊片电极，使之在电池彼此相对的两面伸出，所以可以可靠地避免相邻集电器的分配电压测量焊片电极形成短路。
(第四实施方案)
接下来，参照图12～15详细描述根据本发明第四实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图12是表示本实施方案叠层型双极电池外部结构的透视图。图13是从图12中箭头E所示方向观察的单元电池控制器单元的侧视图。
如图12和13所示，在本实施方案中，第一实施方案的双极电池1装配有控制单元电池的单元电池控制器单元CU1。
如图13所示，根据双极电池1中布置的分配电压测量焊片电极10到18，单元电池控制器CU1具有用分配电压焊片连接电极400到408提供的插槽形成的单元结构。分配电压焊片连接电极400到408相应地与分配电压测量焊片电极10到18连接。
单元电池控制器CU1典型地位于一组单元电池的各个正极和各个负极之间，并且具有电流旁路，当单元电池的电压超过给定值时，正极和负极连接到正极和负极间的旁路电解质上。
图14是举例说明电流旁路结构的电路图。
如图14所示，电流旁路50包括一个电路，其中齐纳二极管52和电阻54串联在单元电池55的正极(+)和负极(-)间。如果超过齐纳二极管52的反向击穿电压，充电期间电流通过电流旁路50而不通过电解质。
图15是举例说明这种电流旁路50与单元电池控制器CU1连接的电路图。
如图15所示，每个都由一组齐纳二极管52和电阻54组成的电流旁路分别连接在分配电压焊片连接电极400和401、401和402等等之间。而且，因为分配电压焊片连接电极的数量仅是例释性的，并且分配电压焊片连接电极403和407间的电路结构与上述的那些结构相似，所以这些电路结构的描述被省略。
对于这种结构，由于单元电池控制器CU1与双极电池1连接，电流旁路50与双极电池1的各个单元电池并联连接。
首先，在双极电池1充电期间，在相对于单元电池55电流施加方向的齐纳二极管阻滞传导的方向上，齐纳二极管与单元电池55连接，在充电开始初期，因为形成双极电池1的单元电池55的充电电压没有达到反向击穿电压(在此电压下电流旁路50的齐纳二极管52导通)，所以几乎没有电流流过电流旁路50。
当充电进行时，通过单元电池10终端的电压增加，并且如果该电压超过反向击穿电压，电流旁路50的齐纳二极管52导通，旁路电流流过单元电池55。当使用齐纳电压为4.0V的齐纳二极管时，单元电池55的充电在穿过终端的电压达到4.0V时终止。穿过终端的电压达到充电电压的单元电池55自动终止其充电模式，并且在所有电流旁路50通过单元电池55时，双极电池1的充电终止。
而且，在所有单元电池55都被旁路的条件下，电流流过与电池充电器串联的电流旁路50，同时电流受与齐纳二极管52串联的电阻54限制。因此，电阻54具有抑制电流增加的功能，从而当电流绕经电流旁路50，过量的电流不会流过电流旁路50。选择电阻54的电阻值，从而阻止过大的电流流过电流旁路50。
如上所述，对于本实施方案的双极电池1，由于存在在整体结构中由插槽形成的单元电池控制器CU1，插槽由分配电压焊片连接电极400到408结合在双极电池1中装配的分配电压测量焊片电极10到18来提供，并且CU1与双极电池1连接，所以很容易控制双极电池1各个单元电池的充电电压。
此外，因为在单元电池控制器CU1中提供电流旁路能够在单元电池的充电电压超过给定值时激活电流旁路，从而终止充电状态，所以甚至在电池特性，例如电池容量和内阻不均匀的情况下，也可以准备均匀且优化的可充电环境。因此，在每个单元电池中不会偏差负荷情况，并且可以实现均匀地充电，这就使电池带有改善的寿命周期和改善的可靠性。因此，安装电流旁路的目的在于保护单元电池的过充电，从而使各个单元电池的充电状态在整个充电期间是均匀的，由此使某些单元电池不会遭受由于充电状态中的不平衡而导致的过充电状态。
另外，就本实施方案而言，尽管电流旁路50由齐纳二极管52和电阻54串联的电路组成，但电流旁路50可以只包括齐纳二极管。但是，当电流旁路50通过电流时，双极锂离子二次电池的充电电流增加，优选地电流旁路50带有电阻54，从而在一定程度上抑制电流的增加，防止过量的电流通过电流旁路50。
(第五实施方案)
接下来，参照图16和17详细描述根据本发明第五实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图16是表示本实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图，图17是从图16中箭头F所示方向观察的单元电池控制器单元的侧视图。
如图16所示，在本实施方案中，第二实施方案的双极电池2装配有用于控制二次电池的单元电池控制器单元CU2。
更具体地说，如图17所示，像第四实施方案的单元电池控制器单元一样，其中插槽在单元结构中形成，依据双极电池2的分配电压测量焊片电极210到218和220到228，单元电池控制器单元CU2具有两排分配电压焊片连接电极500到508和510到518。分配电压焊片连接电极500到508和510到518相应地与分配电压测量焊片电极210到218和220到218连接。而且，尽管省略了详细说明，但是像在上述的第四实施方案中一样，由齐纳二极管和电阻组成的电流旁路被合并入单元电池控制器单元CU2内。
另外，对于上述本实施方案的双极电池2而言，像已经结合双极电池1描述的第四实施方案中一样，各个单元电池的充电电压能够简单且可靠地控制。
(第六实施方案)
接下来，参照图18到19B详细描述根据本发明第六实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图18是表示本实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图；图19A是从图18中箭头G所示方向观察的一个单元电池控制器单元的侧视图；图19B是从图18中箭头H所示方向观察的另一个单元电池控制器单元的侧视图。
如图18所示，本实施方案具有这样的结构：其中与相应的用于控制单元电池的单元电池控制器连接的分配电压接触连接插槽SK1和SK2与第三实施方案的双极电池3连接。此处，从位于双极电池3两个侧表面的分配电压焊片连接电极的角度来看，分配电压接触连接插槽没有在单元结构中形成关联的单元电池控制器(没有显示)。当然，如果从尺寸的角度来看生产能力，在第四和第五实施方案中使用单元结构是可接受的。
更具体地说，如图19A和19B所示，分配电压接触连接插槽SK1和SK2分别带有分配电压焊片连接电极600到608和610到618，它们由双极电池3的相关分配电压测量焊片电极310到320和320到328形成。然后，为了使分配电压测量焊片电极形成一组，对于每个单元电池例如一组分配电压测量焊片电极310到320，一组分配电压测量焊片电极311到321等等，集中线分别指向单元电池控制器。也就是说，连接分配电压焊片连接电极600和610，从而使分配电压测量焊片电极310和320能够测量一个单元电池的电压；连接分配电压焊片连接电极601和611，从而使分配电压测量焊片电极311和321能够测量另一个单元电池的电压，而且以相似的方式连接剩下单元电池的分配电压焊片连接电极允许集中线指向单元电池控制器。从分配电压焊片连接电极聚集的线与未显示的单元电池控制器连接，并且测量每个单元电池的电压，从而实现控制来使各个单元电池在相同的充电状态下充电。
甚至就本实施方案的双极电池3而言，像已经结合双极电池1描述的第四实施方案中一样，各个单元电池的充电电压能够简单且可靠地控制。
(第七实施方案)
接下来，参照图20到22详细描述根据本发明第七实施方案的叠层型电池及其相关方法。
图20是表示本实施方案的叠层型双极电池外部结构的透视图；图21是图20中线Y-Y所示的叠层型双极电池的截面视图，并且图22是举例说明各个集电器结构的平面视图。
如图20所示，本实施方案的双极电池7具有这样的结构：其中装配有分配电压测量焊片电极的一组单元电池通过分配电压测量焊片电极并联连接。
更具体地说，双极电池7由多片双极电池单元701组成，每个都具有与第五实施方案中双极电池1相同的结构，双极电池单元701通过每个单元电池的各个分配电压测量焊片电极710到718并联连接。因此，双极电池7具有如下内部结构：典型地以两个双极电池单元701，图21中的701，该结构采取一个双极电池单元701的双极电极30与另一个双极电池单元701的关联双极电极30连接的形式。双极电池单元701具有与上面参照图3描述的第一实施方案的单元相似的内部结构，其中n片双极电极30，每片包括用正极活性材料层32和负极活性材料层33层压的集电器31，(n+1)片聚合物固体电解质层40被交替层压，其中最外面的聚合物固体电解质层包括集电器31、分别层压相关活性材料层32，33的31。
此外，位于双极电池7一端的双极电池单元701具有分配电压测量焊片电极710到718，它们并没有与相邻的双极电池单元701连接，并且单元电池控制器CU1单元与之相连。而且，单元电池控制器单元CU1在结构上与上述第四实施方案中相似。
另外，每个双极电池单元701中使用的集电器如此装配，典型地如图22中的一个双极电池单元701所示，集电器在它们的两侧形成，并且沿着叠层排列的集电器730到738的两边，在彼此偏离的位置上带有反方向向外伸展的分配电压测量焊片电极710到718。因此，像第一实施方案的双极电池1(参见图2)一样，分配电压测量焊片电极710到718沿着双极电池单元701侧表面的长度方向彼此偏离，并且以叠层条件下非重叠的关系等距安排。而且，省略了图20中在最左端另一侧表面上的分配电压测量焊片电极的描述。
如上所述，就本实施方案而言，由于存在每个装配有分配电压测量焊片电极并且通过多片分配电压测量焊片电极并联连接的电池单元，即使双极电池单元701中的任何单元电池发生恶化并且产生无穷大的内阻时，也允许电流流过通过分配电压接触测量电极与损坏单元电池并联连接的另一个双极电池单元701的单元电池。因此，甚至在双极电池单元701中存在任何恶化的单元电池的情况下，电池7可以连续使用而不会引起任何性能上的快速降低。
(第八实施方案)
接下来，参照图23详细描述根据本发明第八实施方案的叠层型电池及其相关方法。
如图23所示，本实施方案的车辆包括第一到第七实施方案的双极电池，并且更优选地双极电池装配有根据第四到第七实施方案的单元电池控制器单元，作为安装在车辆下部区域的电池组件800。
这种电池组件800由一组通过主电路接触电极19和20而串联或并联，或者由这些连接的组合来连接的双极电池构成。该电池组件800可以用作车辆801，例如电池驱动的电动车辆或者混合电动车辆原始驱动力的供应。电池组件800的安装区域并没有限制于在车辆的下部区域，并且电池组件800可以位于发动机室或吊顶内部。
就上述的本实施方案而言，因为可以提供安全并具有良好燃料消耗的混合型车辆和电动车辆，并且在电池的每个单元电池内恶化发生很少，从而使电池具有长时间的寿命周期，所以可以延长车辆的电池更新周期。
根据上述各个实施方案的叠层型电池，在分配电压测量焊片电极间不可能发生相互接触而引起短路，并且可以简化并可靠地测量各个单元电池的分配电压。
于2002年8月26日提交的日本专利申请TOKUGAN 2002-245144号的全部内容引入本文作参考。
尽管参照本发明的特定实施方案上面已经描述了本发明，但是本发明并没有限制于上述的实施方案。根据本发明的教导，对于本领域的技术人员可能出现上述实施方案的修改和变化。本发明的范围参照权利要求书定义。

Claims (20)

1、一种叠层型电池，包括：
多个在叠层方向上叠置的串联的单元电池；
在第一方向上延伸的连接到外部元件的主电路接触电极；和
分别在多个单元电池上形成的分配电压测量焊片电极，以允许对多个单元电池测量电压，所述分配电压测量焊片电极在第二方向上延伸并且沿着与叠层方向相交的第一方向设置在叠层型电池的侧表面上彼此偏离的位置，所述第一方向与第二方向彼此不同。
2、根据权利要求1的叠层型电池，其中在与叠层方向相交的方向上，分配电压测量焊片电极中相邻电极之一相对于相邻电极中另一个的偏离值大于该另一个的宽度。
3、根据权利要求2的叠层型电池，其中分配电压测量焊片电极排列在等距偏离的位置。
4、根据权利要求1的叠层型电池，其中分配电压测量焊片电极在叠层型电池的侧表面上按多排形成。
5、根据权利要求1的叠层型电池，其中在与叠层方向相交的方向上，分配电压测量焊片电极进一步设置在与叠层型电池侧表面相反的另一个侧表面上的偏离的位置。
6、根据权利要求1的叠层型电池，其中多个叠层型电池的分配电压测量焊片电极中的相邻电极相互连接，从而允许多个叠层型电池的多个单元电池中的相邻电极相应地并联连接。
7、根据权利要求1的叠层型电池，其中叠层型电池包括由依次层压的正极活性材料层、集电器和负极活性材料层构成的双极电极，以及邻接双极电极形成的电解质层。
8、根据权利要求7的叠层型电池，其中电解质层包括聚合物固体电解质层，并且正极活性材料层和负极活性材料层至少之一包含含在聚合物固体电解质层中的聚合物固体电解质。
9、根据权利要求7的叠层型电池，其中叠层型电池包括锂离子二次电池。
10、根据权利要求7的叠层型电池，其中包含在负极活性材料层中的负极活性材料至少包括金属氧化物和由金属与锂构成的复合氧化物之一。
11、根据权利要求7的叠层型电池，其中包含在负极活性材料层中的负极活性材料包括碳。
12、根据权利要求11的叠层型电池，其中碳是硬碳。
13、根据权利要求1的叠层型电池，其中单元电池控制器与多个单元电池连接，从而控制多个单元电池充电电压。
14、根据权利要求13的叠层型电池，其中带有分配电压焊片连接电极的插槽与分配电压测量焊片电极连接，从而允许单元电池控制器与之连接。
15、根据权利要求14的叠层型电池，其中单元电池控制器与插槽形成整体结构。
16、根据权利要求14的叠层型电池，其中在叠层方向的相交方向上，分配电压测量焊片电极进一步设置在与叠层型电池侧表面相反的另一个侧表面上的偏离的位置；并且插槽与设置在叠层型电池侧表面上的一排分配电压测量焊片电极以及设置在与叠层型电池侧表面相反的另一侧表面上的一排分配电压测量焊片电极中的每一排连接。
17、根据权利要求13的叠层型电池，其中单元电池控制器包括电流旁路，当单元电池电压超过给定值时，电流旁路电连接单元电池的正极和负极。
18、根据权利要求17的叠层型电池，其中电流旁路包括取决于电压而导通的电元件。
19、根据权利要求18的叠层型电池，其中电流旁路进一步包括与电元件串联的电阻元件。
20、一种生产叠层型电池的方法，包括：
在叠层方向上叠置串联的多个单元电池；
提供在第一方向上延伸的连接到外部元件的主电路接触电极；以及
分别在多个单元电池上提供分配电压测量焊片电极，以允许对多个单元电池测量电压，所述分配电压测量焊片电极在第二方向上延伸，并且沿着与叠层方向相交的第一方向设置在叠层型电池的侧面上彼此偏离的位置，所述第一方向与第二方向彼此不同。
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