CN1497760A - 叠层电池、组装电池及车辆 - Google Patents

Abstract

一种叠层电池，包括含集流体的板状电极和设置在电极之间的电解质层。在叠层电池中，通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以如下方式在电极层叠体的最外层上设置电极：使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子。

Description

叠层电池、组装电池及车辆

技术领域

本发明涉及通过层叠其间夹有电解质层的板状电极而形成的叠层电池、其中连接多个叠层电池的组装电池以及安装了叠层电池或组装电池的车辆。

背景技术

近年来，为了环境保护，人们渴望减少二氧化碳的排放。在汽车工业中，人们希望通过引进电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)来实现二氧化碳排放的减少，在用于驱动发动机的二次电池的研制方面科研人员进行了艰苦的努力，这是将这些车辆投入实际应用的关键所在。作为这种二次电池，能够获得高能量和功率密度的叠层电池受到关注。

在叠层电池中，在电池封装内在将电解质层夹在板状电极之间的同时将板状电极以串联方式电连接。由于电流在电极的层叠方向即电池厚度方向上流动，导电路径具有宽面积，由此可以获得高功率。

在这种类型的常规叠层电池中，例如，在图1中所示的双极二次电池90中，电极100包括集流体101、正极活性材料层102和负极活性材料层103。将电解质层夹在电极100之间，层叠电极100，由此形成电极层叠体7。在电极层叠体7的两端设置集流体101，并将集流体101分别连接到各翼片(端子)104。这些集流体101引出到电池封装105之外(参见日本专利申请JP特开平2002-75455)。

发明内容

但在上述双极电池90中，当电流引出到电池封装105之外时，电流在各翼片104的纵向上流动，如图1中箭头所示。此外，虽然在叠层的中间电流在电极100的层叠方向上流动，但是在电极层叠体7两端的集流体101中电流在集流体101的纵向上流动。

由于相应于电流流过翼片104和在电极层叠体7两端的集流体101的电阻，因此减小了功率，由此降低了效率，导致了不需要的热量的产生。

考虑到上述问题，研制了本发明。本发明的目的是提供叠层电池，通过组合这些叠层电池形成的组装电池以及安装了叠层电池或组装电池的车辆。在这种叠层电池中，没有采用把电流引出到电池外部的翼片，由此可以防止由于经过翼片的电流引起的功率减小。

本发明的第一种方案提供一种叠层电池，包括：包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层，其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以如下方式在电极层叠体的最外层上设置电极：使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子。

本发明的第二种方案提供一种组装电池，包括：具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子的方式在电极层叠体的最外层上设置电极，并且以串联方式连接叠层电池。

本发明的第三种方案提供一种组装电池，包括：具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子的方式在电极层叠体的最外层上设置电极，并且以并联方式连接多个叠层电池使得叠层电池设置在两个集流板之间，用作叠层电池正极的端子连接到一个集流板，用作叠层电池负极的端子连接到另一个集流板。

本发明的第四种方案提供一种车辆，包括：具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以如下方式在电极层叠体的最外层上设置电极：使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子。

附图说明

现在参考附图描述本发明，其中：

图1是描述经过根据常规技术的双极二次电池的电流流动方向的截面图；

图2是描述双极电池电极的截面图；

图3是描述电极层叠有电解质层的结构的截面图；

图4是描述根据本发明的双极电池结构的截面图；

图5是描述根据本发明的双极电池的平面图；

图6是描述经过根据本发明的双极二次电池的电流流动方向的截面图；

图7是描述通过以串联方式互连本发明的双极电池形成的组装电池的截面图；

图8是描述通过以并联方式互连本发明的双极电池形成的组装电池的截面图；

图9是描述安装了根据本发明的双极电池或组装电池的车辆的截面图。

具体实施方式

下面，参考附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

本发明的第一实施例是通过层叠其间夹有电解质层的板状电极而形成的叠层电池。在这种叠层电池中，在电极层叠体的最外层上层叠电极，使得包括在这些电极中的集流体在电极层叠方向上向电池外部露出并用作端子。在此实施例中，针对叠层电池是双极电池的情况进行描述。

如图2所示，作为双极电池的组件的板状双极电极10具有如下结构。正极活性材料层2设置在集流体1的一侧上，负极活性材料层3设置在集流体1的另一侧上。换句话说，双极电池10具有其中正极活性材料层2、集流体1和负极活性材料层3以此顺序进行层叠的结构。

如图3所示，放置具有上述结构的电极10，使得所有电极具有这种一致的层叠顺序，并且在将电解质层4夹在电极10之间的同时进行层叠，由此形成电极层叠体7。在正、负电极活性材料层2和3之间填充电解质层4实现了平稳的离子传导，提高了整个电池的功率。

由于这种电解质层4采用固体电解质，因此没有发生电解质泄漏，因而不再需要用于防止泄漏的结构。这样可以简化双极电池结构。在电解质层4采用液体或半固体凝胶材料的情况下，为了防止电解质泄漏，需要在集流体1之间进行密封。

顺便指出，通过将夹在集流体1之间的负极活性材料层3、电解质层4和正极活性材料层2进行层叠所形成的层称作单电池层20。

下面，描述本发明的双极电池的整体结构。

当双极电极10和电解质层4交替层叠以便提供双极电池30时，双极电极10通常层叠在电极层叠体7的最外层，如图4所示。在最外层上的双极电极10中，设置集流体1a和1b，以便处于最外面的位置。集流体1a和1b之后成为分别用作正、负极的端子。因而，在集流体1a的外部没有形成负极活性材料层3的情况下层叠用作正极的集流体1a。在集流体1b的外部没有形成正极活性材料层2的情况下层叠用作负极的集流体1b。

如图5所示，通过其中在中央形成了开口的叠片5a覆盖集流体1a。同样，通过其中在中央形成了开口的叠片5b覆盖集流体1b。此后，对叠片5a和5b的四边进行密封。另外，利用密封树脂6将叠片5a和5b中的开口边缘分别连接到集流体1a和1b。因此，双极电极10和电解质层4的四边在减小了压力下密封起来。密封树脂6可采用环氧树脂。

作为以上的结果，作为正端子的集流体1a和作为负端子的集流体1b暴露在双极电池30的外部。这些集流体1a和1b自身分别用作正、负端子。

对于叠片5a和5b，通常采用聚合物-金属复合膜。通过将热粘接树脂膜、金属箔和具有硬度的树脂膜按此顺序层叠，由此形成此复合膜。当叠片5a或5b的金属箔直接与用作端子的集流体1a或1b接触时，在它们之间形成了短路。因此，利用密封树脂6分别连接集流体1a和1b以及叠片5a和5b，这样它们没有彼此接触。

在具有上述结构的双极电池30中，电流从作为正端子的集流体1a流向作为负端子的集流体1b，如图6中箭头所示。具体而言，电流以双极电极10层叠的方向流动。因此，能够在没有改变电流流动方向的条件下将电流引出到电池外部。

正如以上所述，在本发明的双极电池30中，集流体1a和1b自身在双极电极10层叠的方向上暴露在电池的外部，由此分别用作正和负端子。因此，不需要采用以下结构：例如将翼片或类似物连接到集流体1以便将电流引出到电池外部。这样可以防止在电流流过翼片的同时由于翼片的电阻引起的电流损失。此外，由于集流体自身用作端子，不需要翼片。因此，电流没有沿着集流体向翼片流动，这样电流流过的距离缩短。由此减少了电流损失。由于不需要翼片，因此当以串联和/或并联方式连接多个叠层电池时具有高度的设计自由。

此外，因为电解质层由固体聚合物制成，所以不会出现电解质的泄漏。因此，不需要利用树脂或类似材料来密封电解质以防止泄漏，由此简化了双极电池30的结构。

制备图4所示的本发明的双极电池30和图1所示的常规双极电池90。除了端子的结构之外，这两种双极电池的所有组件在电极面积、层叠电极的数量等方面是相同的。在各电池的正、负端子之间施加频率为1kHz的交流电压(振幅)，在施加的过程中测量端子的电阻。在本发明的双极电池30中示出的电阻是3.1mΩ，而在常规双极电池90中的电阻是14.3mΩ。这些结果表明，借助本发明降低了端子中的电阻。

到目前为止已经描述了本发明的双极电池30的结构。接下来，针对在本发明的双极电池30中的集流体1、正极活性材料层2、负极活性材料层3、电解质层4和叠片5a和5b的材料等进行描述以供参考。但这些材料不特别限制于下面的那些。

(集流体)

集流体的表面材料采用铝。集流体的表面材料采用铝使得在集流体上形成的活性材料层具有高机械强度，即使当在活性材料层中含有固体聚合物电解质时。对集流体的结构没有特别限制，只要其表面材料是铝。集流体自身还可以由铝制成。作为选择，可以用铝涂覆集流体的表面，也就是说，通过在除了铝之外的材料(例如铜、钛、镍、不锈钢或其合金)的表面上涂覆铝而形成集流体。在某些情况下，可将两块或多块板粘接在一起并用作集流体。从耐腐蚀、生产能力、成本效率等的观点出发，优选采用单个铝箔作为集流体。对集流体的厚度没有特别限制，但通常在10-100μm的范围内。

(正极活性材料层)

正极活性材料层包含正极活性材料和固体聚合物电解质。除了这些之外，正极活性材料层可包含用于增加离子导电性的支撑电解质(锂盐)、用于增加电子导电性的导电材料、用于调节浆料粘度的作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、作为聚合引发剂的偶二异丁腈(AIBN)等。

对于正极活性材料，可以采用可用于液体锂离子电池的锂和过渡金属的复合氧化物。具体而言，可以列出Li-Co基复合氧化物例如LiCoO₂、Li-Ni基复合氧化物例如LiNiO₂、Li-Mn基复合氧化物例如尖晶石LiMn₂O₄和Li-Fe基复合氧化物例如LiFeO₂。此外，可以列出过渡金属和锂的磷酸盐化合物例如LiFePO₄或硫酸盐化合物、过渡金属氧化物或硫化物例如V₂O₅、MnO₂、TiS₂、MoS₂和MoO₃以及PbO₂、AgO和NiOOH。通过采用锂过渡金属复合氧化物作为正极活性材料，改善了叠层电池的活性和循环电阻，由此降低了成本。

优选采用粒径小于通常用于液体锂离子电池的正极活性材料的粒径的正极活性材料，以便降低双极电池的电极电阻。具体而言，正极活性材料的优选平均粒径在0.1-5μm的范围内。

对固体聚合物电解质没有特别地限制，只要它是具有高离子导电性的聚合物。具有高离子导电性的聚合物是聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、其共聚物等。这种类型的聚环氧烷烃基聚合物能够充分地溶解锂盐例如LiBF₄、LiPF₆、LiN(SO₂CF₃)₂和LiN(SO₂C₂F₅)₂，并且随着它们形成交联结构而获得了优异的机械强度。在本发明中，固体聚合物电解质包含在正、负电极活性材料层的至少一层中。但固体聚合物电解质优选同时包含在正、负电极活性材料层中，以便进一步改善双极电池的电池性能。

作为支撑电解质，  可以采用LiN(SO₂CF₃)₂、LiBF₄、LiPF₆、LiN(SO₂C₂F₅)₂或其混合物，但不必限于此。

导电材料可以是乙炔黑、碳黑、石墨等，但不必限于它们。

在正极活性材料层中正极活性材料、固体聚合物电解质、锂盐和导电材料的混合含量取决于电池的用途(例如，区分功率和能量的优选顺序)和离子导电性。例如，如果在活性材料层中固体聚合物电解质的混合含量太小，那么在活性材料层中离子导电和离子扩散的阻力变大，由此恶化了电池性能。另一方面，如果在活性材料层中固体聚合物电解质的混合含量过高，那么就降低了电池的能量密度。因此，根据这些因素确定足以达到目的的固体聚合物电解质的含量。

此处，具体考虑制造下述双极电池的情况。在此双极电池中，通过采用在本标准(10^-5至10^-4S/cm的离子导电性)的固体聚合物电解质，优先考虑活性。为了获得具有这种特性的双极电池，通过添加额外的导电材料或减少活性材料的容积密度，使得在活性材料颗粒之间的电子导电性阻力保持得比较低。同时，增加了空隙，固体聚合物电解质填入这些空隙中。利用这些工序，可以增加固体聚合物电解质的比率。

对正极活性材料层的厚度没有特别地限制，但应当取决于电池的用途(例如，区分功率和能量的优选顺序)和离子导电性，正如针对混合含量所谈到的那样。通常，正极活性材料层的厚度大约在5-500μm的范围内。

(负极活性材料层)

负极活性材料层包含负极活性材料和固体聚合物电解质。除了这些之外，负极活性材料层可包含用于增加离子导电性的支撑电解质(锂盐)、用于增加电子导电性的导电材料、用于调节浆料粘度的作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、作为聚合引发剂的偶二异丁腈(AIBN)等。除了负极活性材料的种类之外，负极活性材料层的含量基本上与在“正极活性材料层”部分描述的含量相同。因此，在此省略了描述。

用于液体锂离子电池的负极活性材料也可用作该负极活性材料。然而，由于固体聚合物电解质用于本发明的双极电池，因此考虑到在固体聚合物电解质中的活性，优选采用碳、金属氧化物、或锂和金属的复合氧化物。具体而言，负极活性材料是碳、或者锂和过渡金属的复合氧化物。甚至更优选，过渡金属是钛。简言之，更为优选的是负极活性材料是氧化钛或者钛或锂的复合氧化物。

通过采用碳或者锂和过渡金属的复合氧化物作为负极活性材料，改善了叠层电池的活性和循环阻力，由此降低了成本。

(电解质层)

该层由具有离子导电性的聚合物制成，对它的材料没有限制，只要它显示出离子导电性。作为优选，固体电解质用于防止电解质泄漏。固体电解质是固体聚合物电解质例如聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)或其共聚物。在固体聚合物电解质层中含有支撑电解质(锂盐)以便确保离子导电性。支撑电解质可以是LiBF₄、LiPF₆、LiN(SO₂CF₃)₂、LiN(SO₂C₂F₅)₂或其混合物，但不必限于此。聚环氧烷烃基聚合物例如PEO和PPO能够充分地溶解锂盐例如LiBF₄、LiPF₆、LiN(SO₂CF₃)₂和LiN(SO₂C₂F₅)₂，并且随着它们形成交联结构而获得了优异的机械强度。

固体聚合物电解质可以包含在固体聚合物电解质层和正、负极活性材料层中。相同的固体聚合物电解质可用于所有的这些层，对于各层还可以采用不同的固体聚合物电解质。

(叠片)

叠片用作电池的封装材料。通常，采用通过将热粘接树脂膜、金属箔和具有硬度的树脂膜按此顺序层叠而形成的聚合物-金属复合膜。

对于热粘接树脂膜，可采用聚乙烯(PE)、离子交联聚合物、乙烯-醋酸乙烯(EVA)等。金属箔例如可以是铝(Al)箔、镍(Ni)箔。具有硬度的树脂膜例如可以是聚对苯二甲酸乙烯酯(PET)和尼龙。具体而言，叠片可以是PE/Al箔/PET层状膜、PE/Al箔/尼龙层状膜、离子交联共聚物/Ni箔/PET层状膜、EVA/Al箔/PET层状膜、离子交联共聚物/Al箔/PET层状膜。当把电池元件包封在内部时，热粘接树脂膜用作密封层。金属箔和具有硬度的树脂膜提供了对水分、气体和化学品具有耐受性的封装材料。叠片可通过超声波焊接等方法安全简便地连接在一起。

(第二实施例)

本发明的第二实施例是将在第一实施例中描述的多个双极电池30串联连接而构成的组装电池。在此组装电池中，连接双极电池30从而连接用作双极电池30的正极的正端子表面和用作双极电池30的负极的负端子表面。

如图7所示，制备在第一实施例中所描述的多个双极电池30，通过层叠双极电池30形成组装电池60。以此方式，可获得具有高功率的组装电池。此处，层叠双极电池30，使得一个双极电池30的正端子表面和另一个双极电池30的邻接负端子表面彼此接触。换句话说，层叠双极电池30，使得在各双极电池30中的单电池层20(参见图3)的层叠顺序是一致的。

如上所述，通过简单层叠多个双极电池30，构成了本发明的组装电池60。这样，双极电池以串联方式连接，形成了结构简单的组装电池，而不需要任何特殊构件。

由多个双极电池30形成了组装电池60。因此，即使当其中发现了有缺陷的双极电池30，也可以通过仅替换掉有缺陷的一个而采用剩余的好电池，这具有高的成本效率。

附图中，示出了双极电池30的端子，好像它们彼此分开。然而，其端子是彼此接触的，这是因为实际的叠片非常薄，露出端子表面的开口非常大。

(第三实施例)

本发明的第三实施例是通过并联连接第一实施例的多个双极电池30而构成的组装电池。在此组装电池中，双极电池30设置在两个集流板之间，用作叠层电池正极的端子连接到一个集流板，用作叠层电池负极的端子连接到另一个集流板。

如图8所示，制备多个双极电池30，利用两个集流板71和72、通过以并联方式连接多个双极电池30，形成了组装电池70。以此方式，可以获得长寿命组装电池。此处，多个双极电池30放置在集流板71和72之间，使得各双极电池30的正端子表面与集流板71(正端板)接触，各双极电池30的负端子表面与集流板72(负端板)接触。

如上所述，利用两个连接板71和72、以简单结构并联连接双极电池30，由此形成了本发明的组装电池70。

由多个双极电池30形成了组装电池70。因此，即使当其中发现了有缺陷的双极电池30，也可以通过仅替换掉有缺陷的一个而采用剩余的好电池，这具有高的成本效率。

附图中，示出了双极电池30的端子，好像它们与集流板71和72分开。然而，端子和集流板是彼此接触的，这是因为实际的叠片非常薄，露出端子表面的开口非常大。

(第四实施例)

本发明的第四实施例是安装了第一实施例的双极电池30或第二或第三实施例的组装电池60或70作为驱动电源的车辆。

本发明的双极电池30具有以上描述的各种特性，特别是，它是小型电池。因此，双极电池30非常适合用作对能量和功率密度有明确要求的车辆电源。当固体聚合物电解质用于电解质层时，缺点在于，和凝胶电解质相比离子导电性下降。然而，当用在车辆中时，双极电池的周围环境在一定程度上可以保持在高温。从这点出发，可以说本发明的双极电池优选用于车辆。

在此将2002年10月10日提交的日本专利申请P2002-297070的全部内容引作参考。

虽然参考本发明的特定实施例描述了本发明，但本发明不限于上述实施例。对于本领域的普通技术人员而言，根据这些教导，可以进行(各种变化和修改)。参考下面的权利要求限定本发明的范围。

Claims (7)

1.一种叠层电池，包括：

包括集流体的板状电极；和

在电极之间设置的电解质层，

其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，以及

以如下方式在电极层叠体的最外层上设置电极：使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子。

2.根据权利要求1的叠层电池，

其中电极是双极电极，在双极电极中，正极活性材料层形成在集流体的一个表面上，负极活性材料层形成在集流体的另一个表面上，以及

叠层电池是双极锂离子二次电池，在此电池中，多个双极电极以串联方式层叠，电解质层夹在双极电极之间。

3.根据权利要求2的叠层电池，

其中正极活性材料包括锂和过渡金属的复合氧化物，负极活性材料包括碳以及锂和过渡金属的复合氧化物的任意一种。

4.根据权利要求1的叠层电池，

其中电解质层包括固体聚合物。

5.一种组装电池，包括：

具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，

其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，

以使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子的方式在电极层叠体的最外层上设置电极，并且

以串联方式连接叠层电池。

6.一种组装电池，包括：

具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，

其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，

以使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子的方式在电极层叠体的最外层上设置电极，并且

以并联方式连接多个叠层电池使得叠层电池设置在两个集流板之间，用作叠层电池正极的端子连接到一个集流板，用作叠层电池负极的端子连接到另一个集流板。

7.一种车辆，包括：

具有包括集流体的板状电极和在电极之间设置的电解质层的叠层电池，

其中通过层叠电极和电解质层形成电极层叠体，

以如下方式在电极层叠体的最外层上设置电极：使得集流体在电极层叠体的层叠方向上暴露于叠层电池的外部并用作端子。

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