DE112007002557T5 - Stromspeichervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Stromspeichervorrichtung, aufweisend:
eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, und
eine feste Elektrolytschicht, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln einschließt,
wobei eine Dichte der Partikel in einem ersten Bereich der festen Elektrolytschicht geringer ist als eine Dichte der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungs- bzw. Stromspeichervorrichtung, wie eine Sekundärbatterie, mit einer festen Elektrolytschicht.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Sekundärbatterien werden in großem Umfang als Leistungsquelle für tragbare elektronische Geräte, wie einen Notebook-Computer und ein mobiles Telefon, verwendet und werden auch als Leistungsquelle eines Elektrofahrzeugs verwendet. Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um die mit einer Temperaturänderung in Zusammenhang stehende Verschlechterung der Batterieleistung zu verringern (siehe z. B. Patentdokumente 1 und 2).
  • In einer Sekundärbatterieelektrode, die im Patentdokument 1 beschrieben ist, sind eine Vielzahl von Minizellen als Elektrodenschichten auf einem Kollektor, der als Substrat dient, ausgebildet, um die Wärmespannung, die aus einer Temperaturänderung in der Sekundärbatterie entsteht, zu milder.
  • In der im Patentdokument 1 beschriebenen Sekundärbatterieelektrode enthalten die vielen Minizellen, die am Kollektor ausgebildet sind, unterschiedliche Mengen an Leitersubstanz, um für eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Sekundärbatterieelektrode zu sorgen. Genauer enthält eine Minizelle, die sich in der Mitte des Kollektors befindet, die kleinste Menge an Leitersubstanz, während eine Minizelle, die sich am Ende des Kollektors befindet, die größte Menge an Leitersubstanz enthält.
    • Patentdokument 1: japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2005-11660 (1, 2, 11 u. a.).
    • Patentdokument 2: japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2004-178914 .
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • In der im Patentdokument 1 beschriebenen Sekundärbatterieelektrode sind die Minizellen jedoch in manchen Bereichen an der Oberfläche des Kollektors ausgebildet, aber sind in anderen Bereichen nicht ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung verringert die Energieeffizienz der Sekundärbatterie, da kein elektrischer Strom in dem Bereich fließt, in dem keine Minizellen ausgebildet sind.
  • Um das Problem zu lösen, ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer Stromspeichervorrichtung, die in der Lage ist, eine verringerte Energieeffizienz der Stromspeichervorrichtung zu verhindern und Abweichungen bzw. Variationen der Temperaturverteilung zu vermeiden.
  • MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE
  • Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Stromspeichervorrichtung, die eine positive Elektrode und eine negative Elektrode sowie eine feste Elektrolytschicht einschließt, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln umfasst, wobei die Dichte der Partikel in einem ersten Bereich der ersten Elektrolytschicht niedriger ist als die Dichte der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich.
  • Der mittlere Durchmesser der Partikel im ersten Bereich kann größer sein als der mittlere Durchmesser der Partikel im zweiten Bereich. Anders ausgedrückt, der Durchmesser der Partikel, die sich im ersten Bereich befinden, kann größer sein als der Durchmesser der Partikel, die sich im zweiten Bereich befinden.
  • Wenn die feste Elektrolytschicht ein Haftmittel enthält, um die Partikelgruppe zu fixieren, kann die Menge des Haftmittels im ersten Bereich größer sein kann als die Menge des Haftmittels im zweiten Bereich. In diesem Fall kann der mittlere Durchmesser der Partikel im ersten Bereich im Allgemeinen größer sein als der mittlere Durchmesser der Partikel im zweiten Bereich.
  • Der erste Bereich kann ein Bereich sein, der sich im mittleren Abschnitt der festen Elektrolytschicht befindet, und der zweite Bereich kann ein Bereich sein, der sich näher an einem Endabschnitt befindet als der erste Bereich. Wenn die Wärmewirkungen von außerhalb der Stromspeichervorrichtung die Wärmeabstrahlung verringern, beispielsweise in einem Bereich der festen Elektrolytschicht, der sich an oder nahe an deren Endabschnitt befindet, kann die Dichte der Partikel in diesem Bereich niedriger sein als die Dichte der Partikel in anderen Bereichen.
  • Die Dichte der Partikel kann von der Endposition zum mittleren Abschnitt der festen Elektrolytschicht kontinuierlich oder schrittweise verringert werden.
  • In einer Stromspeichervorrichtung, die eine positive Elektrode und eine negative Elektrode und eine feste Elektrolytschicht aufweist, die sich zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode befindet und eine Gruppe von Partikeln umfasst, wobei die Dicke des ersten Bereichs der festen Elektrolytschicht größer sein kann als die Dicke eines zweiten Bereichs, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich, kann die Dicke der festen Elektrolytschicht kontinuierlich oder schrittweise variiert werden.
  • In diesem Fall kann die Dicke der positiven Elektrode und der negativen Elektrode, die mit der festen Elektrolytschicht in Berührung stehen, variiert werden. Genauer kann sowohl eine positive Elektrodenschicht (die ein positives aktives Elektrodenmaterial enthält), die in der positiven Elektrode enthalten ist, als auch eine negative Elektrodenschicht (die ein negatives aktives Elektrodenmaterial enthält), die in der negativen Elektrode enthalten ist, eine Dicke aufweisen, die gemäß der Dicke der festen Elektrolytschicht variiert. Dies kann für einen im Allgemeinen gleichmäßigen Abstand zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode sorgen.
  • In einer Stromspeichervorrichtung, die eine positive Elektrode und eine negative Elektrode und eine feste Elektrolytschicht aufweist, die sich zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode befindet und eine Gruppe von Partikeln umfasst, wobei das Material der Partikel in einem ersten Bereich der festen Elektrolytschicht sich von dem Material der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich, unterscheiden kann, so dass der Widerstandswert im ersten Bereich höher ist als der Widerstandswert im zweiten Bereich, können unterschiedliche Materialien verwendet werden, um den Widerstandswert der Partikelgruppe kontinuierlich oder schrittweise zu variieren.
  • Wenn unterschiedliche Materialien für die Partikelgruppe verwendet werden, werden jeweils unterschiedliche Partikelmaterialien für den ersten Bereich und den zweiten Bereich verwendet, oder es wird eine Vielzahl von Materialien verwendet und in variierenden Verhältnissen gemischt.
  • Wenn eine Vielzahl von festen Elektrolytschichten so gestapelt wird, dass sie zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet wird, kann die Dichte der Partikelgruppe über den Elektrolytschichten in den in der Stapelungsrichtung entsprechenden Bereichen variieren. Genauer kann die Dichte der Partikelgruppe in einer festen Elektrolytschicht, die sich auf einer Außenschichtseite befindet, niedriger sein als die Dichte der Partikelgruppe in einer festen Elektrolytschicht, die sich auf der Mittelschichtseite befindet.
  • Wenn die Vielzahl der festen Elektrolytschichten gestapelt wird, können die festen Elektrolytschichten unterschiedlich dick sein oder die festen Elektrolytschichten können Partikelgruppen aufweisen, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wie oben beschrieben, statt die Dichte der Partikelgruppe zu variieren.
  • WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die variierende Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht die Stromdichte in der Stromspeichervorrichtung variieren, um Variationen der Temperaturverteilung in der Stromspeichervorrichtung zu verhindern.
  • Da die variierende Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht Variationen der Temperaturverteilung verhindert, ist es außerdem nicht nötig, die positive Elektrode und die negative Elektrode mit Bereichen zu versehen, in denen keine Elektrolytschicht ausgebildet ist, wie im Patentdokument 1. Dies kann eine Verringerung der Energieeffizienz der Stromspeichervorrichtung verhindern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1: Eine seitliche (Teil-)Ansicht einer bipolaren Batterie, bei der es sich um die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt.
  • 2: Eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in einer bipolaren Batterie der ersten Ausführungsform und Graphen, welche die Beziehung zwischen der Position auf der festen Elektrolytschicht und der Dichte einer Gruppe von Partikeln, die Bestandteil der festen Elektrolytschicht sind, darstellen.
  • 3: Ein Graph, der die Beziehung zwischen der Position in X-Richtung der bipolaren Batterie (Einheitszelle) und der Temperatur darstellt.
  • 4: Ein Schema, das den Sandwich-Aufbau einer Batterieeinheit zeigt.
  • 5: Eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in einer bipolaren Batterie, bei der es sich um eine Modifikation der ersten Ausführungsform handelt, und Graphen, welche die Beziehung zwischen der Position auf der festen Elektrolytschicht (der Position in X-Richtung) und der Dichte einer Gruppe von Partikeln in der festen Elektrolytschicht zeigen.
  • 6: Eine seitliche (Teil-)Ansicht der bipolaren Batterie, bei der es sich um eine Modifikation der ersten Ausführungsform handelt.
  • 7: Eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in einer bipolaren Batterie, bei der es sich um die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt, und Graphen, welche die Beziehung zwischen der Dicke und der Position der festen Elektrolytschicht zeigen.
  • 8: Eine Seitenansicht (eine Skizze) der bipolaren Batterie der zweiten Ausführungsform.
  • BESTE WEISE ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • Eine bipolare Batterie (Sekundärbatterie), die als Leistungs- bzw. Stromspeichervorrichtung dient und bei der es sich um die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt, wird nachstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine Seitenansicht (eines Teils) der bipolaren Batterie der ersten Ausführungsform. 2 ist eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in der bipolaren Batterie der ersten Ausführungsform und zeigt auch die Beziehung zwischen der Position auf der festen Elektrolytschicht und der Dichte einer Gruppe von Partikeln, die Bestandteil der festen Elektrolytschicht sind.
  • Wie in 1 dargestellt, weist die bipolare Batterie 1 der ersten Ausführungsform einen Aufbau auf, der durch Stapeln einer Vielzahl von bipolaren Elektroden 10, zwischen die feste Elektrolytschichten 14 eingebracht sind, gebildet wird.
  • Die erste Ausführungsform wird zwar in Verbindung mit der bipolaren Sekundärbatterie 1 beschrieben, aber die vorliegende Erfindung kann auch auf eine andere Sekundärbatterie, die nicht vom bipolaren Typ ist, angewendet werden. Eine Sekundärbatterie, die nicht vom bipolaren Typ ist, kann eine Elektrode mit der gleichen Art von Elektrolytschicht (positiver Elektrolytschicht oder negativer Elektrolytschicht), die auf beiden Seiten eines Kollektors ausgebildet ist, oder eine Elektrode mit einer Elektrolytschicht nur auf einer Seite eines Kollektors verwenden.
  • Obwohl in der ersten Ausführungsform nachstehend eine Sekundärbatterie beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung auch auf einen gestapelten Kondensator (einen elektrischen Doppelschichtkondensator), der als Stromspeichervorrichtung verwendet wird, angewendet werden.
  • In 1 weist die bipolare Elektrode 10 einen Kollektor 11 auf, der als Substrat dient, und weist eine positive Elektrolytschicht 12 auf, die auf einer Oberfläche (X-Y- Ebene) des Kollektors 11 ausgebildet ist. Eine negative Elektrolytschicht 13 ist auf der anderen Oberfläche des Kollektors 11 ausgebildet.
  • Der Kollektor 11 kann beispielsweise aus Aluminiumfolie oder einer Vielzahl von Metallarten (einer Legierung) gebildet werden. Der Kollektor 11 kann auch durch Bedecken einer Metalloberfläche mit Aluminium gebildet werden.
  • Der Kollektor 11 kann aus einem sogenannten Verbundkollektor gebildet werden, der aus einer Vielzahl von aneinander haftenden Metallfolienbögen besteht. Wenn ein Verbundkollektor verwendet wird, kann ein Kollektor der positiven Elektrode beispielsweise aus Aluminium bestehen, und ein Kollektor der negativen Elektrode kann beispielsweise aus Nickel oder Kupfer bestehen. Der Verbundkollektor kann einen Kollektor einer positiven Elektrode und einen Kollektor einer negativen Elektrode aufweisen, die in direktem Kontakt miteinander stehen, oder er kann eine leitfähige Schicht zwischen einem Kollektor einer positiven Elektrode und einem Kollektor einer negativen Elektrode enthalten.
  • Jede der Elektrodenschichten 12 und 13 enthält ein aktives Material, das für die positive Elektrode oder die negative Elektrode geeignet ist. Jede der Elektrodenschichten 12 und 13 kann eine Leitersubstanz, ein Haftmittel, ein Polyelektrolytgel zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit, einen Polyelektrolyten und einen Zusatz nach Bedarf einschließen. Es können bekannte Materialien zur Bildung der Elektrodenschichten 12 und 13 verwendet werden.
  • Für eine Nickelmetallhydrid(NiMH)-Batterie kann beispielsweise ein Nickeloxid als aktives Material der positiven Elektrodenschicht 12 verwendet werden, während eine Wasserstoff absorbierende Legierung, wie MmNi(5-x-z)AlxMnyCoz (Mm: Mischmetall) als aktives Material der negativen Elektrodenschicht 13 verwendet werden kann. Für eine Lithium-Sekundärbatterie kann ein Lithium/Übergangsmetall-Mischoxid als aktives Material der positiven Elektrodenschicht 12 verwendet werden, während Kohlenstoff als aktives Material der negativen Elektrodenschicht 13 verwendet werden kann.
  • Als Leitersubstanz können Acetylenschwarz, Kohleschwarz, Graphit, Kohlefaser und Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet werden.
  • Jede der Elektrodenschichten 12 und 13 kann beispielsweise anhand eines Tintenstrahlverfahrens auf dem Kollektor 11 gebildet werden.
  • Jede der festen Elektrolytschichten 14 wird zwischen zwei bipolare Elektroden 10 eingebracht. Genauer wird sie zwischen der positiven Elektrodenschicht 12 einer bipolaren Elektrode 10 und der negativen Elektrodenschicht 13 der anderen bipolaren Elektrode 10 angeordnet. Die feste Elektrolytschicht 14 weist eine im Allgemeinen gleichmäßige Dicke (einschließlich einiger Herstellungsfehler) auf.
  • Die feste Elektrolytschicht 14 umfasst eine Gruppe von Partikeln, die aus einer Vielzahl von Partikeln gebildet ist, und ein Haftmittel zum Fixieren der Partikel. Ein anorganischer fester Elektrolyt oder ein polymerer fester Elektrolyt kann als feste Elektrolytschicht 14 verwendet werden.
  • Beispielsweise können ein Nitrid von Li, ein Halogenid, ein Oxysalz und eine Phosphorsulfidverbindung als anorganisches festes Elektrolyt verwendet werden. Genauer können Li3N, LiI, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li4SiO4, Li2SiS3, Li2O-B2O3, Li2O2-SiO2, Li2S-GeS4, Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2S5 verwendet werden.
  • Als fester Polymerelektrolyt können beispielsweise ein Material, das aus dem oben beschriebenen Elektrolyten besteht, und ein Polymer für die Ionisation des Elektrolyten oder ein Material, das ein Polymer mit einer ionisierenden Gruppe einschließt, verwendet werden. Als Polymer für die Ionisation des Elektrolyten können beispielsweise ein Polyethylenoxidderivat und ein Polymer, das das Derivat enthält, oder ein Polypropylenoxidderivat und ein Polymer, das das Derivat enthält, oder ein Phosphoesterpolymer verwendet werden. Der anorganische feste Elektrolyt und der polymere feste Elektrolyt können kombiniert verwendet werden.
  • Wenn ein Sulfid als Material verwendet wird, das die feste Elektrolytschicht 14 in der Lithium-Sekundärbatterie bildet, kann die Leitfähigkeit für Lithiumionen verbessert werden. Beispiele für das Sulfid können Lithiumsulfid und Siliciumsulfid einschließen.
  • In der ersten Ausführungsform weist die Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14, wie in 2 dargestellt, eine Dichte (ein Volumen der Partikel pro Volumeneinheit) auf, die in der Mitte am geringsten ist und sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung zu einem äußeren Abschnitt hin kontinuierlich zunimmt. Die in der festen Elektrolytschicht 14 enthaltenen Partikel bestehen aus dem gleichen Material.
  • Genauer können die Partikel, die Bestandteil der festen Elektrolytschicht 14 sind, unterschiedliche mittlere Durchmesser aufweisen, um die Partikelgruppe mit variierender Dichte in der festen Elektrolytschicht 14 bereitzustellen. In diesem Fall kann der mittlere Durchmesser der Partikel, die sich im mittleren Abschnitt der festen Elektrolytschicht 14 befinden, größer sein als der mittlere Durchmesser der Partikel, die sich im Außenabschnitt befinden. Anders ausgedrückt, der Durchmesser der Partikel im Mittelabschnitt kann größer sein als der Durchmesser der Partikel im Außenabschnitt.
  • Eine Vielzahl von Gruppen von Partikeln, die unterschiedliche mittlere Durchmesser aufweisen, kann hergestellt und in sich kontinuierlich ändernden Verhältnissen gemischt werden, um die Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 mit sich kontinuierlich ändernder Dichte bereitzustellen, wie in 2 dargestellt.
  • Alternativ dazu kann die Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 die variierende Dichte aufweisen, weil eine Gruppe von Partikeln mit im allgemeinen gleichmäßigen Durchmessern (anders ausgedrückt, eine Gruppe von Partikeln mit einem bestimmten mittleren Durchmesser) in der gesamten festen Elektrolytschicht 14 verwendet wird und die Menge des Haftmittels, das in der festen Elektrolytschicht 14 enthalten ist, variiert wird. In diesem Fall kann die Menge an Haftmittel, die im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 14 enthalten ist, größer sein als die Menge an Haftmittel, die im Außenabschnitt enthalten ist.
  • Genauer kann die Menge an Haftmittel, die in der Partikelgruppe enthalten ist, bei der Herstellung der festen Elektrolytschicht 14 kontinuierlich variiert werden, um die Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 mit sich kontinuierlich ändernder Dichte bereitzustellen, wie in 2 dargestellt.
  • Es ist auch möglich, die Partikel mit unterschiedlichen Durchmessern herzustellen und das Haftmittel in variierender Menge je nach Position in der festen Elektrolytschicht 14 einzuschließen.
  • In der ersten Ausführungsform kann die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 auf der Basis der Temperaturverteilung in einer herkömmlichen bipolaren Batterie bestimmt werden. Die herkömmliche bipolare Batterie weist eine feste Elektrodenschicht mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Dicke auf, die eine Gruppe von Partikeln in im Allgemeinen gleichmäßiger Dichte enthält.
  • 3 zeigt die Beziehung zwischen der Position in der bipolaren Batterie 1 (Einheitszelle) in X-Richtung und der Temperatur. In 3 stellt die vertikale Achse die Temperatur in der Einheitszelle dar, während die horizontale Achse die Position in X-Richtung (oder Y-Richtung) darstellt. Die Einheitszelle bezeichnet ein Leistungserzeugungselement, das aus den beiden einander in Stapelrichtung (Z-Richtung) benachbarten bipolaren Elektroden 10 und der festen Elektrolytschicht 14, die zwischen diesen beiden bipolaren Elektroden 10 angeordnet ist, gebildet wird.
  • In 3 zeigt eine gepunktete Linie eine Temperaturverteilungskurve C, wenn die herkömmliche bipolare Batterie (Einheitszelle) verwendet wird. Wie von der Temperaturverteilungskurve C dargestellt, ist die Temperatur in der Mitte der bipolaren Batterie am höchsten und wird zu einem Außenabschnitt hin geringer. Da in der Mitte der Batte rie Wärme eher gehalten wird und somit die Wärmeübertragung (Wärmeabstrahlung) leidet, ist die Temperatur in der Mitte höher als in den anderen Bereichen.
  • Die Variationen der Temperaturverteilung innerhalb der X-Y-Ebene (anders ausgedrückt in der Stapelungsebene), die von der Temperaturverteilungskurve C dargestellt werden, verschlechtern die Leistung der bipolaren Batterie.
  • Um dem entgegenzuwirken, weist in der ersten Ausführungsform die Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 eine Dichte auf, die abhängig von der Position in der X-Y-Ebene variiert, wie oben beschrieben. Genauer ist die Dichte der Partikel im Mittelabschnitt geringer als die Dichte der Partikel im Außenabschnitt.
  • Die so gebildete feste Elektrolytschicht 14 kann die Stromdichte in dem Abschnitt (im Mittelabschnitt), der die Partikel mit geringerer Dichte enthält, verringern, wodurch die Wärmeerzeugung, die eine Folge des Ladens und Entladens der Batterie 1 ist, verringert wird.
  • Wenn der mittlere Durchmesser der Partikel im Mittelabschnitt größer ist als der mittlere Durchmesser der Partikel im Außenabschnitt, ist die Kontaktfläche zwischen den Partikeln im Mittelabschnitt geringer, um den Weg, auf dem sich die Ionen (beispielsweise die Lithiumionen in der Lithium-Sekundärbatterie) bewegen können, zu begrenzen, wodurch der Stromwert begrenzt wird. Da die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 im Mittelabschnitt geringer ist, ist der Widerstand in der festen Elektrolytschicht 14 im Mittelabschnitt höher.
  • Wenn dagegen die Menge an Haftmittel im Mittelabschnitt größer ist als die Menge an Haftmittel im Außenabschnitt, ist die Kontaktfläche zwischen den Partikeln im Mittelabschnitt kleiner, wodurch der Weg, auf dem sich die Ionen bewegen können, und somit der Stromwert verringert ist. Da die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 im Mittelabschnitt geringer ist, ist der Widerstand in der festen Elektrolytschicht 14 im Mittelabschnitt höher.
  • Energie, die als Wärme verbraucht wird, ist im Allgemeinen proportional zum Quadrat des Stromwerts und zum Widerstandswert, so dass die Energie weitgehend vom Stromwert abhängt. Wie oben beschrieben, weist die feste Elektrolytschicht 14 der ersten Ausführungsform einen Aufbau auf, in dem der Stromwert im Mittelabschnitt niedriger ist und der Widerstandswert höher ist. Somit kann erzeugte Wärme in dem Abschnitt mit dem niedrigeren Stromwert, anders ausgedrückt, im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 14, wirksam gesenkt werden.
  • Die Wärmeerzeugung im Mittelabschnitt kann auf diese Weise verringert werden, um Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene der bipolaren Batterie 1 zu verhindern.
  • In der bipolaren Batterie 1 der ersten Ausführungsform wird die Temperaturverteilungskurve von einer Kurve A aus einer Punkt/Strich-Linie in 3 in einem Anfangsbetriebszustand dargestellt. Der Grund dafür ist, dass die Temperatur wegen der Dichte der Partikel im Mittelabschnitt, die geringer ist als die Dichte der Partikel im Außenabschnitt, im Anfangsbetriebszustand im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 14 niedriger ist als die Temperatur im Außenabschnitt.
  • Mit Änderungen im Laufe der Zeit ändert sich jedoch die Temperaturverteilungskurve der bipolaren Batterie 1 in der X-Y-Ebene von der Kurve A der Punkt/Strich-Linie in eine Kurve B, die von einer durchgezogenen Linie dargestellt ist.
  • Der Grund dafür ist, dass die Temperatur in der Mitte der bipolaren Batterie 1 (Einheitszelle) aufgrund der Wärmeabstrahlung, die in der Mitte geringer ist als in den anderen Abschnitten, allmählich steigt. Die Dichte der Partikel in der Mitte wird vorab unter Berücksichtigung dieses Temperaturanstiegs bestimmt, wodurch die im Allgemeinen gleichmäßige Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene der bipolaren Batterie 1 (Einheitszelle) erreicht wird, wie von der Temperaturverteilungskurve B dargestellt. Wenn die bipolare Batterie 1 der ersten Ausführungsform in Betrieb genommen wird, wird sie vorzugsweise genutzt, nachdem die Temperaturverteilungskurve die Kurve B erreicht hat, die von der durchgezogenen Linie in 3 dargestellt wird.
  • Hauptsächlich um die Wärmeausdehnung der bipolaren Batterie 1 der ersten Ausführungsform zu verringern, wird eine Batterieeinheit 100, die aus gestapelten bipolaren Batterien 1 (Einheitszellen) besteht, auf beiden Seiten (in Stapelrichtung) von Sandwich-Elementen 200 eingeschlossen, wie in 4 dargestellt. Genauer wird die Batterieeinheit 100 in Außenabschnitten gehalten, wie von Pfeilen in 4 dargestellt.
  • Obwohl die Wärmeausdehnung der Außenabschnittsseiten der Batterieeinheit 100 in diesem Aufbau verringert werden kann, kann die Wärmeausdehnung in der Mitte nicht verhindert werden. Dies kann zu einer durch die Wärmeausdehnung bedingten Verschiebung bzw. Verlagerung nur in der Mitte oder in der Nähe der Mitte führen.
  • Die bipolare Batterie 1 der ersten Ausführungsform kann verwendet werden, um Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene zu vermeiden, so dass die Wärmeausdehnung in der Mitte verringert werden kann. Auch wenn der in 4 verwendete Aufbau verwendet wird, ist es möglich, eine Verschiebung in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der Batterieeinheit 100 aufgrund einer Wärmeausdehnung zu verhindern.
  • Da die feste Elektrolytschicht 14 und die Elektrodenschichten 12 und 13 in der ersten Ausführungsform im Allgemeinen gleichmäßige Dicken aufweisen, können außerdem die Sandwich-Elemente 200 einen im Allgemeinen gleichmäßigen Druck auf die gesamte Oberfläche der bipolaren Batterie 1 ausüben.
  • Da die Elektrodenschichten 12 und 13 in der ersten Ausführungsform auf im Wesentlichen der gesamten Oberfläche des Kollektors 11 vorgesehen sind, können die Elektrodenschichten 12 und 13 im Vergleich zu dem Fall, wo eine Vielzahl von Minizellen (Elektrodenschichten) auf dem Kollektor ausgebildet sind, wie in der im Patentdokument 1 beschriebenen Sekundärbatterie, leichter auf dem Kollektor 11 ausgebildet werden. Außerdem kann verhindert werden, dass sich die Elektrodenschichten 12 und 13 vom Kollektor 11 lösen.
  • In der im Patentdokument 1 beschriebenen Sekundärbatterie bewirkt der Umstand, dass die Fläche jeder Minizelle bedeutend kleiner ist als die Fläche des Kollektors, dass die Minizelle sich während des Herstellungsprozesses der Sekundärbatterieelektrode oder während der Positionierung der Sekundärbatterie, welche die Sekundärbatterieelektrode enthält, leicht vom Kollektor löst. Wenn eine Vielzahl von Minizellen auf dem Kollektor ausgebildet wird, kann die Sekundärbatterieelektrode leicht verbogen werden, aber die Minizellen neigen dazu, sich wegen der Biegespannung der Sekundärbatterieelektrode von der Oberfläche des Kollektors zu lösen.
  • In der ersten Ausführungsform können die Elektrodenschichten 12 und 13, die auf im Wesentlichen der gesamten Oberfläche des Kollektors 11 ausgebildet sind, die wirksame Fläche, die als Elektrode verwendet werden kann, im Vergleich zu dem Fall, wo in einigen Bereichen keine Elektrodenschicht ausgebildet wird, wie im Patentdokument 1, vergrößern. Die Ausgestaltung der ersten Ausführungsform kann zu einer besseren Energieeffizienz der bipolaren Batterie 1 führen.
  • Obwohl die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 in der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform kontinuierlich in X-Richtung und in Y-Richtung variiert wird, kann die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 auch entweder in der X-Richtung oder in der Y-Richtung variiert werden. In diesem Fall können Variationen der Temperaturverteilung in der Richtung, in der die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht 14 variiert, verringert werden.
  • Obwohl die erste Ausführungsform im Zusammenhang mit Elektrodenschichten 12 und 13, die über der gesamten Oberfläche des Kollektors 11 ausgebildet sind, beschrieben wurde, kann in einigen Bereichen des Kollektors auch keine Elektrodenschicht ausgebildet sein. Die Modifikation wird ausführlich mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben.
  • 5 ist eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in einer bipolaren Batterie, wobei es sich um die Modifikation der ersten Ausführungsform handelt, und zeigt die Beziehung zwischen der Position (Position in X-Richtung) auf der festen Elektrolytschicht und der Dichte einer Gruppe von Partikeln in der festen Elektrolytschicht. 6 ist eine Seitenansicht (eines Teils) der bipolaren Batterie, bei der es sich um die Modifikation handelt.
  • Wie in 6 dargestellt, sind eine positive Elektrodenschicht 22 und eine negative Elektrodenschicht 23 auf entgegengesetzten Oberflächen eines Kollektors 21 ausgebildet. Sowohl die positive Elektrodenschicht 22 als auch die negative Elektrodenschicht 23 ist aus drei Schichten gebildet, wie nachstehend beschrieben.
  • Auf einer Oberfläche des Kollektors 21 ist eine erste positive Elektrodenschicht 22a ausgebildet, die sich im Mittelabschnitt befindet, und es sind eine zweite positive Elektrodenschicht 22b und eine dritte positive Elektrodenschicht 22c, die sich in X-Richtung auf beiden Seiten der ersten positiven Elektrodenschicht 22a befinden, ausgebildet. Zwischen den positiven Elektrodenschichten 22a bis 22c, die einander in der X-Richtung in 6 benachbart sind, gibt es Bereiche, in denen keine der positiven Elektrodenschichten 22a bis 22c ausgebildet ist. Die positiven Elektrodenschichten 22a bis 22c bestehen aus dem gleichen Material.
  • Auf der anderen Oberfläche des Kollektors 21 ist eine erste negative Elektrodenschicht 23a ausgebildet, die sich im Mittelabschnitt befindet, und es sind eine zweite negative Elektrodenschicht 23b und eine dritte negative Elektrodenschicht 23c, die sich in X-Richtung auf beiden Seiten der ersten negativen Elektrodenschicht 23a befinden, ausgebildet. Zwischen den negativen Elektrodenschichten 23a bis 23c, die einander in der X-Richtung in 6 benachbart sind, gibt es Bereiche, in denen keine der negativen Elektrodenschichten 23a bis 23c ausgebildet ist. Die negativen Elektrodenschichten 23a bis 23c bestehen aus dem gleichen Material.
  • Eine feste Elektrolytschicht 24 ist in Bereichen ausgebildet, die den Bereichen entsprechen, in denen die Elektrodenschichten 22 und 23 ausgebildet sind. Die feste Elektrodenschicht 24 weist eine erste feste Elektrolytschicht 24a auf, die sich zwischen der ersten positiven Elektrodenschicht 22a und der ersten negativen Elektrodenschicht 23a befindet, eine zweite feste Elektrolytschicht 24b, die sich zwischen der zweiten positiven Elektrodenschicht 22b und der zweiten negativen Elektrodenschicht 23b befindet, und eine dritte Elektrolytschicht 24c, die sich zwischen der dritten positiven Elektrodenschicht 22c und der dritten negativen Elektrodenschicht 223c befindet.
  • Wie in 5 dargestellt, weist die erste feste Elektrolytschicht 24a eine Partikelgruppe mit einer Dichte auf, die in X-Richtung in der Mitte geringer ist und zu einem äußeren Abschnitt hin (näher an der zweiten festen Elektrolytschicht 24b oder der dritten festen Elektrolytschicht 24c) kontinuierlich zunimmt. Sowohl die zweite feste Elektrolytschicht 24b als auch die dritte feste Elektrolytschicht 24c umfassen eine Partikelgruppe, die eine Dichte aufweist, die an der Position, die sich der Mitte (der ersten festen Elektrolytschicht 24a) am nächsten befindet, am geringsten ist und zu einem äußeren Abschnitt hin kontinuierlich zunimmt.
  • Ein Bereich (ein freier Platz) in dem keine Elektrodenschicht 22 oder 23 oder feste Elektrolytschicht 24 auf dem Kollektor 21 ausgebildet ist, kann in der Modifikation vorgesehen sein und verwendet werden, um die Wärme, die in der bipolaren Batterie erzeugt wird, nach außen abzustrahlen. Genauer kann, da die Temperatur in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der bipolaren Batterie 2 am höchsten ist, der Bereich, in dem keine Elektrodenschicht 22 oder 23 ausgebildet ist, in der Mitte oder in der Nähe der Mitte vorgesehen werden, um die Wärme innerhalb der bipolaren Batterie 2 wirksam abzustrahlen.
  • Da jede der festen Elektrolytschichten 24a bis 24c die Partikelgruppe mit der je nach der Position in X-Richtung variierenden Dichte aufweist, können zudem Variationen der Temperaturverteilung in X-Richtung vermieden werden.
  • Obwohl die feste Elektrolytschicht 24 in der Modifikation entsprechend den Bereichen ausgebildet ist, in denen die Elektrodenschichten 22 und 23 ausgebildet sind, kann die feste Elektrolytschicht 24 auch als Einzelkomponente ausgebildet werden, wie in der ersten Ausführungsform (siehe 1). Eine solche Ausgestaltung kann verhindern, dass einander in Stapelrichtung benachbarte Kollektoren 21 miteinander in Kontakt kommen und dann einen Kurzschluss verursachen.
  • Obwohl die Modifikation für den Fall beschrieben wurde, dass zwei Bereiche vor gesehen sind, in denen keine Elektrodenschichten 22, 23 oder dergleichen ausgebildet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Zahl der Bereiche, in denen die Elektrodenschicht 22, 23 oder dergleichen nicht ausgebildet ist, kann nach Bedarf bestimmt werden. Je mehr Bereiche vorhanden sind, in denen keine Elektrodenschicht 22 oder 23 ausgebildet ist, desto mehr ist die Energieeffizienz der bipolaren Batterie 2 verringert. Somit ist es bevorzugt, so wenig Bereiche wie möglich vorzusehen, in denen keine Elektrodenschichten 22 oder 23 ausgebildet sind.
  • Die Modifikation schließt Bereiche ein, in denen keine Elektrodenschicht 22 oder 23 ausgebildet ist, aber die Bereiche, in denen keine Elektrodenschicht ausgebildet ist, sind kleiner als die Bereiche in der Sekundärbatterie, die im Patentdokument 1 beschrieben ist, wodurch eine extreme Verringerung der Energieeffizienz der bipolaren Batterie verhindert wird.
  • Obwohl die erste Ausführungsform und die Modifikation im Zusammenhang mit einer sich kontinuierlich ändernden Dichte der Partikelgruppe in den festen Elektrolytschichten 14 und 24 beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht kann auch schrittweise geändert werden. Beispielsweise kann die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht schrittweise entlang den Kurven, welche die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht in 2 darstellen, geändert werden. Eine solche Ausgestaltung kann ebenfalls Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene der bipolaren Batterie (Einheitszelle) verringern.
  • Die Dichte der Partikelgruppe wird in einer einzelnen festen Elektrolytschicht 14 oder 24 in der ersten Ausführungsform und der Modifikation variiert, wie oben beschrieben. In einer zusammengesetzten Batterie, die aus gestapelten Einheitszellen (bipolaren Batterien) besteht, wie in 1 dargestellt, kann die Dichte der Partikelgruppe über den festen Elektrolytschichten je nach Position in Stapelrichtung variiert werden.
  • In der bipolaren Batterie mit dem Stapelaufbau kann die Neigung zur Wärmeableitung im Mittelabschnitt und im Außenabschnitt in Stapelrichtung variieren, wodurch Variationen der Temperaturverteilung zwischen den Einheitszellen bewirkt werden. Die Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung können durch Variieren der Dichte der Partikelgruppe über den festen Elektrolytschichten in Stapelrichtung verringert werden.
  • Genauer kann die Dichte der Partikelgruppe in einer festen Elektrolytschicht, die sich in einer mittleren Schicht befindet, niedriger bestimmt werden als die Dichte der Partikelgruppe in einer festen Elektrolytschicht, die sich in einer äußeren Schicht befindet, wenn sie an den entsprechenden Positionen in Stapelrichtung verglichen werden.
  • Es ist auch möglich, dass die in der ersten Ausführungsform oder der Modifikation beschriebene feste Elektrolytschicht sich in der Mittelschicht befindet, und dass die herkömmliche feste Elektrolytschicht (die feste Elektrolytschicht, welche die Partikelgruppe mit der im Allgemeinen gleichmäßigen Dichte einschließt) als feste Elektrolytschicht verwendet wird, die sich in einer äußeren Schicht befindet.
  • Die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht (genauer der Partikeldurchmesser oder die Menge an Haftmittel) wird in der ersten Ausführungsform und der Modifikation unter Berücksichtigung der Wärmeabstrahlungsfähigkeit der bipolaren Batterie selbst variiert. Wenn jedoch Temperatureinflüsse von außen Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene bewirken, kann die Dichte der Partikel gruppe in der festen Elektrolytschicht angesichts der Temperatureinflüsse variieren. Dies wird nachstehend ausführlich beschrieben.
  • Wenn beispielsweise eine Wärmequelle (wie ein Verbrennungs- oder Elektromotor) nahe an der bipolaren Batterie angeordnet ist, können die Temperatureinflüsse von der Wärmequelle die Temperatur in einem Bereich der bipolaren Batterie, der sich näher an der Wärmequelle befindet als andere Bereiche, erhöhen (anders ausgedrückt, die Wärmeabstrahlung verringern).
  • Die Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebenen können dadurch verhindert werden, dass man die Dichte der Partikelgruppe in dem Bereich der festen Elektrolytschicht, der sich näher an der Wärmequelle befindet, niedriger bestimmt als die Dichte der Partikelgruppe in anderen Bereichen. Die variierende Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht kann bewirken, dass die variierende Stromdichte die Variationen der Temperaturverteilung innerhalb der bipolaren Batterie (Einheitszelle) verringert, wie in der ersten Ausführungsform.
  • Die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht kann angesichts der Temperaturverteilungs-Kennwerte in der X-Y-Ebene (die vorhersagbar sind) unter Berücksichtigung der Temperatureinflüsse von der Wärmequelle festgelegt werden.
  • Beispielsweise kann zusätzlich zu der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung der festen Elektrolytschicht oder anstelle der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung der festen Elektrolytschicht die Dichte der Partikelgruppe in einem Bereich der festen Elektrolytschicht, der sich näher an der Wärmequelle befindet (beispielsweise in einem Bereich auf einer Seite, die sich näher an einem äußeren Abschnitt befindet), geringer sein als die Dichte der Partikelgruppe in den anderen Bereichen (beispielsweise einem Bereich auf der anderen Seite, die sich näher am äußeren Abschnitt befindet). Dies kann die auf die Wärmeerzeugung zurückgehenden Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene verhindern, die durch das La den und Entladen der bipolaren Batterie und die Wärmeerzeugung im Zusammenhang mit äußeren Temperatureinflüssen bewirkt werden.
  • Wenn die Temperatur in einem Bereich der festen Elektrolytschicht, der sich näher an der Wärmequelle befindet, aufgrund der Temperatureinflüsse von der Wärmequelle am höchsten ist (die Wärmeabstrahlung am niedrigsten ist), kann die geringste Dichte der Partikelgruppe in diesem Bereich, der sich nahe an der Wärmequelle befindet, bestimmt werden.
  • Wenn dagegen die Wärmequelle in Stapelrichtung der zusammengesetzten Batterie, die aus gestapelten Einheitszellen (bipolare Batterien) besteht, angeordnet ist, wie in 1 usw. dargestellt, ist eine von der Vielzahl von Einheitszellen, die sich näher an der Wärmequelle befindet, den Temperatureinflüssen der Wärmequelle ausgesetzt. Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, dass unterschiedliche Ausgestaltungen für die feste Elektrolytschicht in einer Einheitszelle, die sich näher an der Wärmequelle befindet, und der festen Elektrolytschicht, die der Wärmequelle gegenüber angeordnet ist, vorgesehen werden.
  • Genauer kann die Dichte der Partikelgruppe in der bzw. den festen Elektrolytschicht(en), die sich näher an der Wärmequelle befinden (auf einer der beiden äußersten Schichten in Stapelrichtung), geringer sein als die Dichte der Partikelgruppe in den anderen festen Elektrolytschichten (beispielsweise der festen Elektrolytschicht, die sich an der äußersten Schicht in Stapelrichtung befindet). Anders ausgedrückt, die Dichte der Partikelgruppe kann unter der Vielzahl von Elektrolytschichten in den entsprechenden Bereichen in Stapelrichtung variiert werden.
  • In diesem Fall kann beispielsweise die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht, die sich in Stapelrichtung an der oder nahe der Mittelschicht befindet, und in der festen Elektrolytschicht, die sich in der äußersten Schicht befindet, die sich näher an der Wärmequelle befindet, niedriger sein als die Dichte der Partikelgruppe in den anderen Elektrolytschichten. Eine solche Ausgestaltung kann die Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung auch dann verhindern, wenn die bipolare Batterie mit dem Stapelaufbau Temperatureinflüssen von der Wärmequelle ausgesetzt ist.
  • Wenn die Temperatur in der Einheitszelle, die sich in der äußersten Schicht befindet, die nahe an der Wärmequelle angeordnet ist, am höchsten ist (anders ausgedrückt, wenn die Wärmeabstrahlung dort am geringsten ist), kann die geringste Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht dieser Einheitszelle bestimmt werden.
  • In der oben beschriebenen Ausgestaltung, in der die Dichte der Partikelgruppe über den festen Elektrolytschichten abhängig von der Position in Stapelrichtung variiert wird, kann als feste Elektrolytschicht nur die feste Elektrolytschicht verwendet werden, die u. a. in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, oder die herkömmliche feste Elektrolytschicht (die feste Elektrolytschicht, welche die Partikelgruppe mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Dichte einschließt) zusätzlich zu der festen Elektrolytschicht in der ersten Ausführungsform oder dergleichen.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • Nun wird eine bipolare Batterie (Sekundärbatterie), bei der es sich um die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt, mit Bezug auf 7 und 8 beschrieben. 7 ist eine Vorderansicht einer festen Elektrolytschicht zur Verwendung in der bipolaren Batterie der zweiten Ausführungsform und zeigt die Beziehung zwischen der Dicke und der Position der festen Elektrolytschicht. 8 ist eine Seitenansicht (eine Skizze) der bipolaren Batterie der zweiten Ausführungsform.
  • Die erste Ausführungsform wurde für den Fall beschrieben, dass die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht in X-Richtung und in Y-Richtung variiert. In der zweiten Ausführungsform enthält die feste Elektrolytschicht eine Gruppe von Partikeln in im Allgemeinen gleichmäßiger Dichte (einschließlich einiger Herstellungs fehler), deren Dicke variiert. Der Schwerpunkt der folgenden Beschreibung liegt hauptsächlich auf den Unterschieden zur ersten Ausführungsform.
  • In 7 weist eine feste Elektrolytschicht 34 eine Dicke (Länge in einer Z-Richtung) auf, die in der Mitte am größten ist und zu einem äußeren Abschnitt hin in einer X-Richtung kontinuierlich abnimmt. Ebenso ist die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 in der Mitte am größten und nimmt zu einem äußeren Abschnitt hin in einer Y-Richtung kontinuierlich ab. Anders ausgedrückt, jede der Oberfläche der festen Elektrolytschicht 34 (der Oberflächen, die mit den Elektrodenschichten 32 und 33 in Kontakt stehen, was später beschrieben wird), weist eine konvex gekrümmte Form auf.
  • Andererseits sind auf der Oberfläche eines Kollektors 31 zu beiden Seiten eine positive Elektrodenschicht 32 bzw. eine negative Elektrodenschicht 33 ausgebildet. Die positive Elektrodenschicht 32 weist eine Dicke auf, die in der Mitte am geringsten ist und zu einem äußeren Abschnitt hin kontinuierlich zunimmt. Die negative Elektrodenschicht 33 weist eine Dicke auf, die in der Mitte am geringsten ist und zu einem äußeren Abschnitt hin kontinuierlich zunimmt. Diese Ausgestaltung macht es möglich, zwei benachbarte Kollektoren 31 in im Allgemeinen regelmäßigen Abständen in einer Stapelrichtung (Z-Richtung) anzuordnen. Sowohl die positive Elektrodenschicht 32 als auch die negative Elektrodenschicht 33 können eine im Allgemeinen gleichmäßige Dicke aufweisen.
  • Wie in der ersten Ausführungsform enthält sowohl die positive Elektrodenschicht 32 als auch die negative Elektrodenschicht 33 ein aktives Material und dergleichen, das für die positive Elektrode oder die negative Elektrode geeignet ist. Sowohl die positive Elektrodenschicht 32 als auch die negative Elektrodenschicht 33 steht mit der Oberfläche der festen Elektrolytschicht 34 in Kontakt.
  • Wie oben beschrieben, kann die variierende Dicke der festen Elektrolytschicht 34 die Stromdichte in einer X-Y-Ebene variieren. Wenn die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 im Mittelabschnitt größer ist als die Dicke im Außenabschnitt, ist der Wider stand im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 34 größer und der Stromwert ist niedriger.
  • Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, ist als Wärme verbrauchte Energie im Allgemeinen proportional zum Widerstandswert und dem Quadrat des Stromwerts, so dass die Energie weitgehend vom Stromwert abhängt. In der Ausgestaltung der festen Elektrolytschicht 34 der zweiten Ausführungsform ist der Stromwert im Mittelabschnitt niedriger, wie oben beschrieben. Somit kann die Wärmeerzeugung in dem Abschnitt mit dem niedrigeren Stromwert, anders ausgedrückt, im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 34, wirksam verringert werden.
  • Die auf diese Weise verringerte Wärmeerzeugung im Mittelabschnitt kann Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene einer bipolaren Batterie 3 verhindern.
  • Die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 in der zweiten Ausführungsform kann auf der Basis der Temperaturverteilung in einer herkömmlichen bipolaren Batterie (einer Batterie, die die feste Elektrolytschicht mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Dicke einschließt) bestimmt werden. Anders ausgedrückt – wie oben in der ersten Ausführungsform beschrieben, kann die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 nach Bedarf bestimmt werden, um eine im Allgemeinen flache Temperaturverteilungskurve bei der Anwendung zu erhalten.
  • Die in der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen auf der gesamten Oberfläche des Kollektors 31 ausgebildeten Elektrodenschichten 32 und 33 können die wirksame Fläche, die als Elektrode verwendet werden kann, im Vergleich zu dem Fall, wo die Vielzahl von Minizellen (Elektrodenschichten) auf dem Kollektor ausgebildet werden, wie im Patentdokument 1 beschrieben, vergrößern. Außerdem kann in der zweiten Ausführungsform die Fläche jeder der Elektrodenschichten 32 und 33 im Vergleich zu den Minizellen, die im Patentdokument 1 beschrieben sind, vergrößert werden, so dass verhindert werden kann, dass die Elektrodenschichten 32 und 33 sich vom Kollektor 31 lösen.
  • Die Ausbildung der Elektrodenschichten 32 und 33 über der gesamten Oberfläche des Kollektors 31 kann die wirksame Fläche, die als Elektrode nutzbar ist, vergrößern, um die Energieeffizienz der bipolaren Batterie 3 im Vergleich zu dem Fall, dass die Elektrodenschicht in manchen Bereichen nicht ausgebildet ist, zu verbessern.
  • Da die Verwendung der bipolaren Batterie 3 in der zweiten Ausführungsform Variationen der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene verhindern kann, kann die Wärmeausdehnung in der Mitte oder in der Nähe der Mitte verringert werden. Auch wenn der in 4 dargestellte Aufbau verwendet wird, kann eine Verschiebung nur in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der bipolaren Batterie 3 aufgrund einer Wärmeausdehnung verhindert werden.
  • Zwar wurde die zweite Ausführungsform im Zusammenhang mit der kontinuierlich variierenden Dicke der festen Elektrolytschicht 34 und der Elektrodenschichten 32 und 33 beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 und der Elektrodenschichten 32 und 33 kann auch schrittweise variiert werden. Beispielsweise kann die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 schrittweise entlang der Kurven, welche die Dicke der festen Elektrolytschicht zeigen, die in 7 dargestellt sind, variiert werden.
  • Die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 und der Elektrodenschichten 32 und 33 kann in entweder der X- oder der Y-Richtung variiert werden. In diesem Fall können Variationen der Temperaturverteilung in der Richtung, in der die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 und der Elektrodenschichten 32 und 33 variiert werden kann, verhindert werden.
  • Es ist auch möglich, eine der Oberflächen der festen Elektrolytschicht 34 so zu bilden, dass sie im Allgemeinen flach ist, und die anderen Oberfläche als gekrümmte Oberfläche, in der die Dicke im Mittelabschnitt größer ist als die Dicke im Außenabschnitt. In diesem Fall weist die Elektrodenschicht (die positive Elektrodenschicht oder die negative Elektrodenschicht), die mit der einen Oberfläche der festen Elektrodenschicht 34 in Kontakt steht, eine im Allgemeinen gleichmäßige Dicke auf. Die Elektrodenschicht (die positive Elektrodenschicht oder die negative Elektrodenschicht), die mit der anderen Oberfläche der festen Elektrodenschicht 34 in Kontakt steht, weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Elektrodenschicht 32 oder 33, die in 8 dargestellt ist.
  • Die Dicke jeder der festen Elektrolytschichten 34 der zweiten Ausführungsform variiert in der X-Y-Ebene. Jedoch kann in einer zusammengesetzten Batterie, die aus gestapelten bipolaren Batterien 3 (Einheitszellen) besteht, die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 abhängig von der Position in Stapelrichtung variiert werden. Dies kann ebenfalls Variationen der Temperaturverteilung in Stapelrichtung verhindern.
  • Genauer kann die Dicke einer festen Elektrolytschicht, die sich im Mittelabschnitt befindet, größer bestimmt werden als die Dicke einer festen Elektrolytschicht, die sich im Außenabschnitt befindet, wenn sie an den entsprechenden Positionen in Stapelrichtung verglichen werden.
  • Es ist auch möglich, dass die in der zweiten Ausführungsform beschriebene feste Elektrolytschicht 34 als feste Elektrolytschicht verwendet wird, die sich auf oder nahe der Mittelschicht befindet, und dass die herkömmliche Elektrolytschicht (die feste Elektrolytschicht mit einer im Allgemeinen gleichmäßigen Dicke) als feste Elektrolytschicht verwendet wird, die sich in der äußeren Schicht befindet.
  • Die Dicke der festen Elektrolytschicht 34 wird in der zweiten Ausführungsform unter Berücksichtigung der Wärmeabstrahlungsfähigkeit der bipolaren Batterie selbst variiert. Wenn Temperatureinflüsse von außen eine Variation der Temperaturverteilung in der X-Y-Ebene bewirken, kann jedoch die Dicke der Elektrolytschicht 34 angesichts der Temperatureinflüsse variiert werden.
  • Genauer können wie in der ersten Ausführungsform die Variationen der Temperaturverteilung dadurch verhindert werden, dass die Dicke eines Bereichs der festen Elektrolytschicht 34, der sich nahe an der Wärmequelle befindet, größer bestimmt wird als die Dicke der anderen Bereiche. Die variierende Dicke der festen Elektrolytschicht 34 kann dafür sorgen, dass die variierende Stromdichte die Variationen der Temperaturverteilung innerhalb der bipolaren Batterie (Einheitszelle) 3 verringert, wie in der zweiten Ausführungsform.
  • Wie in der ersten Ausführungsform können die Dicke der festen Elektrolytschicht, die sich an oder nahe der in Stapelrichtung mittleren Schicht befindet, und die Dicke der festen Elektrolytschicht die sich an der äußersten Schicht näher an der Wärmequelle befindet, größer sein als die Dicke der anderen festen Elektrolytschichten. Ein solcher Aufbau kann die Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung auch dann vermeiden, wenn die bipolare Batterie mit der Stapelstruktur den Temperatureinflüssen der Wärmequelle ausgesetzt wird.
  • Außerdem ist es möglich, wie in der Modifikation (5 und 6) der ersten Ausführungsform, einen Bereich (mehrere Bereiche) vorzusehen, in denen die Elektrodenschichten 32 oder 33 oder die feste Elektrolytschicht 34 nicht ausgebildet sind.
  • Nun wird eine bipolare Batterie (eine Sekundärbatterie) beschrieben, bei der es sich um die Dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt. In der Dritten Ausführungsform bestehen Gruppen von Partikeln, die Bestandteil der festen Elektrolytschicht sind, aus unterschiedlichen Materialien, um Variationen der Temperaturverteilung innerhalb der bipolaren Batterie zu vermeiden.
  • Da die Ausgestaltung der bipolaren Batterie der dritten Ausführungsform der Ausgestaltung (1) der in der ersten Ausführungsform beschriebenen bipolaren Batterie ähnelt, werden Elemente, die den in der ersten Ausführungsform beschriebenen gleich sind, mit den gleichen Bezugszahlen beschrieben. Die folgende Beschreibung legt ihren Schwerpunkt auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform.
  • Die feste Elektrolytschicht 14 enthält eine Vielzahl von Partikelarten, die aus verschiedenen Materialien bestehen, und ein Haftmittel, um die Partikel zu fixieren. Die feste Elektrolytschicht 14 ist so ausgebildet, dass sie im Mittelabschnitt eine niedrigere Stromdichte aufweist als im Außenabschnitt.
  • Genauer kann eine Gruppe von Partikeln, die sich im Mittelabschnitt der festen Elektrolytschicht 14 befinden, aus einer Gruppe von Partikeln gebildet sein, die einen niedrigeren Widerstandswert aufweisen als eine Gruppe von Partikeln, die sich im Außenabschnitt befinden. Genauer kann der Widerstandswert durch Verwenden von Partikeln mit unterschiedlichen Graden von Ionenleitfähigkeit oder durch Verwenden von Partikeln, die mit einer Beschichtung überzogen sind, variiert werden.
  • Spezifische Beispiele der Materialien der Partikel, aus denen die feste Elektrolytschicht besteht, und der Grade der Ionenleitfähigkeit schließen Li2O-B2O3; 10–7 [S/cm], Li2O2-SiO2; 10–6 [S/cm], Li2S-GeS4; 10–5 [S/cm], Li2S-P2S5; 10–4 [S/cm], LiI-Li2S-P2S5; 10–3 [S/cm] ein.
  • Wenn Partikel, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, verwendet werden, können Materialien variiert werden oder eine Vielzahl von Materialien werden in wechselnden Verhältnissen gemischt, je nach der Position in der festen Elektrolytschicht.
  • Wenn dagegen die Oberfläche der Partikel eine Beschichtung trägt, kann der Grad der Ionenleitfähigkeit je nach dem Material der Beschichtung erhöht oder gesenkt werden. Wenn Partikel unterschiedlicher Art (Partikel mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien) verwendet werden, kann die Art der Partikel variiert werden oder es kann eine Vielzahl von Partikelarten in wechselnden Verhältnissen gemischt werden, je nach der Position in der festen Elektrolytschicht.
  • Die Partikel ohne Beschichtung und die beschichteten Partikel können kombiniert verwendet werden.
  • Auf diese Weise werden Partikel unterschiedlicher Art verwendet, um unterschiedliche Widerstandswerte in der festen Elektrolytschicht bereitzustellen, so dass die Stromdichte in der bipolaren Batterie variiert werden kann, um Variationen der Temperaturverteilung in der bipolaren Batterie (Einheitszelle) zu verhindern. Genauer kann eine Wärmeerzeugung am oder nahe am mittleren Abschnitt der bipolaren Batterie verringert werden, um Variationen der Temperaturverteilung zu verhindern.
  • Andererseits kann in einer zusammengesetzten Batterie, die aus gestapelten bipolaren Batterien (Einheitszellen) besteht, die Ausgestaltung (die Art der Partikel) der festen Elektrolytschicht abhängig von der Position der festen Elektrolytschicht in Stapelrichtung variiert werden. Beispielsweise kann der Widerstand einer festen Elektrolytschicht, die sich in einer mittleren Schicht befindet, größer bestimmt werden als der Widerstand einer festen Elektrolytschicht, die sich in einer äußeren Schicht befindet, wenn sie an den entsprechenden Positionen in der Stapelrichtung verglichen werden. Dies kann ebenfalls Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung verhindern.
  • In der dritten Ausführungsform weist die feste Elektrolytschicht eine im Allgemeinen gleichmäßige Dicke auf und schließt unterschiedliche Arten von Partikel ein. Jedoch kann die Dicke der festen Elektrolytschicht wie in der zweiten Ausführungsform variiert werden, wobei die unterschiedlichen Arten von Partikel beibehalten werden. In diesem Fall können die beiden Parameter, nämlich die Art der Partikel und die Dicke der festen Elektrolytschicht, angemessen bestimmt werden, um Variationen der Temperaturverteilung in der bipolaren Batterie (Einheitszelle) zu verhindern.
  • Außerdem kann, wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen, die Art der Partikel in der festen Elektrolytschicht angesichts der Temperatureinflüsse variiert werden, wenn Temperatureinflüsse von außen Variationen der Wärmeverteilung in der X-Y-Richtung bewirken.
  • Genauer kann die Art der Partikel auf geeignete Weise gewählt werden, so dass der Widerstand in einem Bereich der festen Elektrolytschicht, der sich nahe an der Wärmequelle befindet, größer ist als der Widerstand in anderen Bereichen, wodurch Variationen der Temperaturverteilung innerhalb der X-Y-Ebene verhindert werden.
  • Wie in der ersten Ausführungsform kann der Widerstand in der festen Elektrolytschicht, die sich in oder nahe an der in Stapelrichtung mittleren Schicht befindet, und der Widerstand der festen Elektrolytschicht, die sich in der äußersten Schicht, näher an der Wärmequelle, befindet, niedriger sein als der Widerstand in den anderen festen Elektrolytschichten. Ein solcher Aufbau kann Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung auch dann verhindern, wenn die bipolare Batterie mit dem gestapelten Aufbau den Temperatureinflüssen einer Wärmequelle ausgesetzt ist.
  • Zwar wurden die ersten bis dritten Ausführungsformen für die Ausgestaltung beschrieben, in der eine Vielzahl von bipolaren Elektroden gestapelt werden, wobei die feste Elektrolytschicht zwischen diesen angeordnet wird, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung auf eine Ausgestaltung anwendbar, die gewickelte bipolare Elektroden einschließt.
  • Wenn beispielsweise die Dichte der Partikelgruppe in der festen Elektrolytschicht variiert wird, wie in der ersten Ausführungsform, kann die gewickelte feste Elektrolytschicht von dem Ende, das sich in der Mitte befindet, bis zu dem Ende, das sich in einer äußeren Schicht befindet, in eine Vielzahl von Bereichen aufgeteilt werden, und die Dichte der Partikelgruppe kann über den Bereichen variiert werden. Genauer kann die Dichte der Partikelgruppe zur Mitte hin verringert werden.
  • In diesem Fall ist die Stromdichte in dem mittleren Bereich niedriger als die Stromdichte in dem Bereich der äußeren Schicht. Dies kann Variationen der Temperaturverteilung in der Stapelrichtung der bipolaren Elektrode (anders ausgedrückt, in Durchmesserrichtung der zylindrischen Form) verhindern.
  • Die in der dritten Ausführungsform beschriebene Ausgestaltung kann auf eine Batterie der Art angewendet werden, die gewickelte Elektroden aufweist, ebenso wie der Fall, dass die Dichte der Partikelgruppen variiert wird.
  • Die in den ersten bis dritten Ausführungsformen beschriebene Sekundärbatterie kann beispielsweise als Stromspeichervorrichtung zum Antreiben eines Elektromotors in einem Elektrofahrzeug (EV), einem Hybrid/Elektro-Fahrzeug (HEV) und einem Brennstoffzellen-Fahrzeug (FCV) verwendet werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • AUFGABE: Schaffung einer Stromspeichervorrichtung, die in der Lage ist, eine verringerte Energieeffizienz der Stromspeichervorrichtung zu verhindern und Variationen der Temperaturverteilung zu vermeiden.
  • LÖSUNG: Die Stromspeichervorrichtung schließt eine positive Elektrode und eine negative Elektrode (10, 11, 12, 13) und eine feste Elektrolytschicht (14), die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln enthält, ein, wobei die Dichte der Partikel in einem ersten Bereich der festen Elektrolytschicht geringer ist als die Dichte der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-11660 [0004]
    • - JP 2004-178914 [0004]

Claims (10)

  1. Stromspeichervorrichtung, aufweisend: eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, und eine feste Elektrolytschicht, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln einschließt, wobei eine Dichte der Partikel in einem ersten Bereich der festen Elektrolytschicht geringer ist als eine Dichte der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich.
  2. Stromspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Durchmesser der Partikel im ersten Bereich größer ist als ein mittlerer Durchmesser der Partikel im zweiten Bereich.
  3. Stromspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die feste Elektrolytschicht ein Haftmittel zum Fixieren der Partikel enthält, und eine Menge des Haftmittels im ersten Bereich größer ist als eine Menge des Haftmittels im zweiten Bereich.
  4. Stromspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Durchmesser der Partikel im ersten Bereich im Allgemeinen einem mittleren Durchmesser der Partikel im zweiten Bereich gleich ist.
  5. Stromspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Bereich ein Bereich ist, der sich im mittleren Abschnitt der festen Elektrolytschicht befindet, und der zweite Bereich ein Bereich ist, der sich näher an einem Endabschnitt befindet als der erste Bereich.
  6. Stromspeichervorrichtung nach Anspruch 5, wobei eine Dichte der Partikel von der Endposition zur Mittelposition der festen Elektrolytschicht kontinuierlich oder schrittweise verringert wird.
  7. Stromspeichervorrichtung, aufweisend: eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, und eine feste Elektrolytschicht, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln einschließt, wobei eine Dicke eines ersten Bereichs der festen Elektrolytschicht größer ist als eine Dicke eines zweiten Bereichs, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich.
  8. Stromspeichervorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Dicke eines Bereichs sowohl der positiven Elektrode als auch der negativen Elektrode, der dem ersten Bereich entspricht, kleiner ist als eine Dicke eines Bereichs, der dem zweiten Bereich entspricht.
  9. Stromspeichervorrichtung, aufweisend: eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, und eine feste Elektrolytschicht, die zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist und eine Gruppe von Partikeln einschließt, wobei ein Material der Partikel in einem ersten Bereich der festen Elektrolytschicht sich von einem Material der Partikel in einem zweiten Bereich, der eine höhere Wärmeabstrahlung aufweist als der erste Bereich, unterscheidet, so dass ein Widerstandswert des ersten Bereichs höher ist als ein Widerstandswert des zweiten Bereichs.
  10. Stromspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste Bereich ein Bereich ist, der sich in einem mittleren Abschnitt der festen Elektrolytschicht befindet, und der zweite Bereich ein Bereich ist, der sich näher an einem Endabschnitt befindet als der erste Bereich.
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