JP2004158307A - Bipolar battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-reliability bipolar battery capable of preventing a liquid junction (short circuit) caused by oozing of an electrolytic solution from an electrolyte, in a bipolar battery using a gel electrolyte. <P>SOLUTION: This bipolar battery is composed by serially stacking, by interposing electrolyte layers 4, a plurality of bipolar electrodes each composed by forming a positive electrode on one surface of a collector and a negative electrode on the other surface thereof. The bipolar battery is characterized in that the electrolyte layer has a structure wherein a polymer gel electrolyte 4c is held in the vicinity of the center part of a non-woven fabric; and a resin for sealing the electrolyte is held in the circumferential part of the part of the non-woven fabric with the gel electrolyte held. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質と負極活物質とが集電体の両側に配置されてなるバイポーラ電池に関し、より詳しくは、高分子固体電解質に比してイオン伝導度に優れた高分子ゲル電解質を用いてなるバイポーラ電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。ただし、自動車に適用するためには、大出力を確保するために、複数の二次電池を直列に接続して用いる必要がある。
【0003】
しかしながら、接続部を介して電池を接続した場合、接続部の電気抵抗によって出力が低下してしまう。また、接続部を有する電池は空間的にも不利益を有する。即ち、接続部によって、電池の出力密度やエネルギー密度の低下がもたらされる。
【0004】
この問題を解決するものとして、集電体の両側に正極活物質と負極活物質とを配置したバイポーラ電池が開発されている。
【0005】
このうち、電解質として溶液を含まない高分子固体電解質を用いてなるバイポーラ電池が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。これによれば、電池内に溶液(電解液)を含まないため、液漏れやガス発生の心配がなく、信頼性が高く、また構造的にも密閉シールが不要なバイポーラ電池を提供できるものである。しかしながら、高分子固体電解質のイオン伝導度は、ゲル電解質と比べると低く、通常の使用環境では、電池の出力密度やエネルギー密度が十分でなく、実用化段階に至っていないのが現状であり、更なるイオン伝導度の向上が待たれている。
【0006】
一方、電解液を有する電解質を用いてなるバイポーラ電池が提案されている(例えば、特許文献2、3参照。)。電解液を有する電解質、特にゲル電解質を用いれば、イオン伝導度に優れ、電池の出力密度やエネルギー密度も十分に得られるため、実用化段階に最も近いバイポーラ電池として期待されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−100471号公報
【特許文献2】
特開2002−75455号公報
【特許文献3】
特開平11−204136号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゲル電解質を用いてバイポーラ電池を構成しようとすると、電解質部分から電解液が染み出し、他の単電池層の電解質と接触し、液絡(短絡)するおそれがあった。
【0009】
したがって本発明が目的とするところは、ゲル電解質を用いてなるバイポーラ電池において、電解質からの電解液の染み出しによる液絡(短絡)を防止し、信頼性の高いバイポーラ電池を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラリチウムイオン二次電池において、
前記電解質層が、不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に電解質シール用の樹脂が保持されてなる構造を有することを特徴とするバイポーラ電池である。
【0011】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ電池では、電解質層の構造を、不織布にゲル電解質を保持させ、同じ不織布の外周部に電解質シール用の樹脂を浸漬させて電解質シール部とすることで、高分子ゲル電解質からの電解液の漏れ出しによる液絡(短絡)を簡便かつ効果的に防ぐことができる。また、電解質シール部を、高分子ゲル電解質と一体で構成することにより、電池製造工程が大幅に簡略化される。すなわち、単電池層間の液絡(短絡)による自己放電を防止するために、単電池層間の外周囲に新たに絶縁体層を形成して電解液に対するシール性を持たせることも考えられるが、バイポーラ電池の構成及び製造工程が複雑化ないし煩雑化する。これに対し、本発明のバイポーラ電池は、特別な部材を設けなくとも、単電池層間の液絡を防止することができ、イオン伝導度に優れ、充放電特性などの電池特性に優れたコンパクトなバイポーラ電池を提供できる。そのため、信頼性が高く、優れたエネルギー密度および出力密度を保持できており各種産業において有用な電力源となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、説明する。
【0013】
本発明に係るバイポーラ電池は、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を、電解質を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラ電池において、
(1)前記電解質層が、不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に電解質シール用の樹脂が保持されてなる構造を有することを特徴とするもの(第一の実施形態)、および/または
(2)前記電解質層が、不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に全固体高分子電解質が保持されてなる構造を有することを特徴とするものである(第二の実施形態)。
【0014】
上記第一の実施形態では、電池製造時(電極積層時)に簡易に電解質シール部(電解質シール用の樹脂が保持されてなる部分)を形成することができ、電解質の漏れ出しによる液絡(短絡)を防ぐことができる。また、電解質シール部を、ゲル電解質と一体で構成することにより、電池製造工程が簡略化される。
【0015】
また、第二の実施形態では、外周部の全固体高分子電解質で、内部のゲル電解質の液の染み出しを防止することができ、電解質の漏れ出しによる液絡(短絡)を防ぐことができる。また、該外周部の全固体高分子電解質部でも電池反応が可能になる点で有利である。
【0016】
図1〜4に本発明に係るバイポーラ電池の基本構成の概略を図面を用いて簡単に説明する。このうち、図1には、バイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図2には、バイポーラ電池を構成する単電池層の構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図3には、バイポーラ電池の全体構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図4には、バイポーラ電池内に複数積層された単電池層が直列に接続されてなることを(記号化して)概念的に表わした概略図を示す。
【0017】
図1〜4に示したように、1枚の集電体1の片面に正極層2を設け、もう一方の面に負極層3を設けたバイポーラ電極5(図1参照のこと)を、電解質層4を挟み隣合うバイポーラ電極5の電極層2、3が対向するようになっている。すなわち、バイポーラ電池11では、集電体1の片方の面上に正極層2を有し、他方の面上に負極層3を有するバイポーラ電極(電極層)5を、電解質層4を介して複数枚積層した構造の電極積層体(バイポーラ電池本体)7からなるものである。最上層と最下層の電極5a、5bは、バイポーラ電極構造ではなく集電体1(または端子板)に必要な片面のみの電極層(正極層2または負極層3)を形成した構造となっている。
【0018】
また、こうしたバイポーラ電極5等を複数枚積層した電極積層体7の最上層と最下層の電極5a、5bは、バイポーラ電極構造でなくてもよく、集電体1(または端子板)に必要な片面のみの電極層(正極層2または負極層3)を配置した構造としてもよい(図3参照のこと)。また、バイポーラ電池11では、上下両端の集電体1にそれぞれ正極および負極リード8、9が接合されている。
【0019】
バイポーラ電極の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。シート状電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できるのであれば、バイポーラ電極の積層回数を少なくしてもよい。
【0020】
また、本発明のバイポーラ電池11では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電極積層体7部分を電池外装材(外装パッケージ)10に減圧封入し、電極リード8、9を電池外装材(外装パッケージ)10の外部に取り出した構造とするのがよい(図3、4参照のこと)。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆したアルミラミネートパックなどの高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電極積層体7を収納し減圧封入(密封)し、電極リード8、9を電池外装材10の外部に取り出した構成とするのが好ましい。このバイポーラ電池11の基本構成は、図4に示すように、複数積層した単電池層(単セル)6が直列に接続された構成ともいえるものである。なお、本発明のバイポーラ電池は、リチウムイオンの移動によって充放電が媒介されるバイポーラリチウムイオン二次電池に用いられる。ただし、電池特性の向上等の効果が得られるのであれば、他の種類の電池に適用することを妨げるものではない。
【0021】
従来の高分子ゲル電解質層を用いたバイポーラ電池では、図11に示すように、集電体1の片面に1種類の正極材料を用いて正極層2を形成し、反対側の面に1種類の負極材料を用いて負極層3を形成してバイポーラ電極5を形成し、それらを高分子ゲル電解質(層)4’を挟んで積層している。したがって、高分子ゲル電解質中に含まれる電解液が染み出して、他の単電池層6の電解液と接触することで、短絡(液絡)をするおそれがあった。しかしながら、本発明では、以下に図面を用いて説明するような、電解質層を形成することにより、従来の問題点を解決し得たものである。ここで、図5は、本発明のバイポーラ電池に用いられる代表的な電解質層の製造過程の様子を模式的に表わした平面概略図および断面概略図である。
【0022】
本発明のバイポーラ電池に用いられる電解質層は、図5〜7に示すように、電解質層に用いるサイズに相当する不織布4a(図5(A)、(B)参照のこと。)の外周部に、適当な方法(例えば、電解質シール用の樹脂(溶液)を塗布等し、乾燥硬化する方法等)にて電解質シール樹脂部4bを形成する(図5(C)、(D)、(D’)を参照のこと)。次に、不織布4aの中心部近傍(電解質シール樹脂部4bで囲われた内部)に、適当な方法(例えば、高分子ゲル電解質用原料スラリー(単にプレゲル溶液ともいう)を塗布等し、重合硬化する方法等)にてゲル電解質部4cを形成する(図5(E)、(F)、(F’)を参照のこと)。これにより、不織布4aの中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布4aの、ゲル電解質を保持させた部分(ゲル電解質部4c)の外周部(電解質シール樹脂部4b)に電解質シール用の樹脂が保持されてなる構造を有する、本発明の電解質層4を製造することができる。
【0023】
なお、本発明では、上記電解質シール樹脂部4bに代えて、電解質層に用いるサイズに相当する不織布4aの外周部に、適当な方法(例えば、全固体高分子電解質用の原料ポリマー(溶液)を塗布し、加熱乾燥する方法等)にて形成した、溶液(電解液)を含まない全固体高分子電解質部4b’を用いて電解質層4を製造してもよい。
【0024】
本発明では、不織布4aに電解質シール用の樹脂や全固体高分子電解質用の原料ポリマーやプレゲル溶液等を含浸するなどして、不織布4aの厚みを殆ど変えることなく、電解質シール樹脂部4b、全固体高分子電解質部4b’、ゲル電解質部4cを形成するようにしてもよいし(図5(D)、(F)参照のこと)、不織布4aの厚みよりも厚くなるように電解質シール樹脂部4b、全固体高分子電解質部4b’、ゲル電解質部4cを形成するようにしてもよい(図5(D’)、(F’)参照のこと)。特に、不織布4aの厚みよりも厚くする場合には、上記電解質シール樹脂部4bや全固体高分子電解質部4b’の形成からゲル電解質部4cを形成するまでの操作を何回か繰り返して厚さを増やすようにしても良いし、適当な厚み調整治具を用いて一度の操作で所定の厚みを得るようにしてもよいなど、特に制限されるべきものではない。
【0025】
高分子ゲル電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトなバイポーラ電池を得るためには、電解質層としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。かかる観点から、本発明の高分子ゲル電解質層の厚さは5〜200μm程度である。
【0026】
上記高分子ゲル電解質4を用いた本発明のバイポーラ電池では、図6、7に示すように、従来の高分子ゲル電解質層4’を用いたバイポーラ電池と同様に(図11と対比参照のこと。)、集電体1の片面に正極材料を用いて正極層2を形成し、反対側の面に負極材料を用いて負極層3を形成してバイポーラ電極5を形成し、上述したゲル電解質層4を挟んで積層すればよい。これにより、ゲル電解質層4のゲル電解質部4c中に含まれる電解液は、その外周部の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’により該外周部内への移動ができず、外部にまで染み出すのを効果的に防止できる。そのため、他の単電池層6の電解液と接触することはなく、短絡(液絡)をすることのない高い安全性を有する高品質のバイポーラ電池を提供することができるものである。
【0027】
特に、本発明では、図8に示すように、正極層2、負極層3が形成されていない電解質層4の外周部(周辺部)の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’の長さを1mm〜2cm程度、好ましくは5mm〜1cmの幅を持つようにするのが特に望ましい。これは、例えば、図8に示すように、各単電池層6の好適な厚さは、100〜200μm程度である。それに対し、電極層2,3の一般的なサイズは10cm×10cm程度である。そのため、電極層2,3を積層した際には、電解質層4の外周部(周辺部)の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’を正極層2、負極層3よりも上記のように長く(幅広に)しておくことで、該正極層2、負極層3が形成されていない電解質層4の外周部(周辺部;図中、丸で囲った部分参照のこと。)の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’と集電体1は、必然的に密着し、電極層2、3側から電解液の染み出しが起こっても、これをシールすることもできるため極めて有用である。これは、電池外装材で封止することで、電解質層4の外周部(周辺部)の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’と集電体1とが必然的に密着するような負荷が加わるためである。なお、必要があれば、適当に圧力を加えるなどして、上記電解質層4の周辺部の電解質シール樹脂部4bまたは高分子固体電解質部4b’と集電体1とを密着させるようにしてもよい。
【0028】
ここで、本発明の電解質層4を構成する不織布(ノンウーブンファブリック)4aとしては、特に制限されるべきものではない。すなわち、繊維を適当な方法でウェブ(薄綿)状またはマット状に配列させ、適当な接着剤あるいは繊維自身の融着力により接合して作ったシート状のものであればよい。上記接着剤としては、製造及び使用時の温度下で十分な耐熱性を有し、ゲル電解質に対しても反応性や溶解性等がなく安定したものであれば、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用できる。また、使用繊維としては、特に制限されるものではなく、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを用いることができ、使用目的(電解質層に要求される機械強度など)に応じて、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性を得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。すなわち、あまり不織布のかさ密度が大きすぎると、電解質層中の非電解質材料が占める割合が大きくなりすぎ、電解質層におけるイオン伝導度などを損なうおそれがあるためである。
【0029】
また、図5では、説明の都合上、電解質層と同じサイズの不織布を用いたが、実際の製造では、各種の印刷・塗布技術ないし薄膜形成技術を利用して、ロール状の不織布を利用して、該不織布上に連続的に電解質層を形成するようにしてもよいし、より大きな不織布を用いて、一度に大量の電解質層を形成するようにしてもよいなど各種量産化技術を適用することができる。
【0030】
また、電解質層4を構成するゲル電解質(単に、ゲル電解質ともいう)としては、特に制限されるべきものではなく、従来のゲル電解質層に用いられているものを適宜利用することができる。ここで、ゲル電解質とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。なお、本発明において、全固体高分子電解質(単に、高分子固体電解質ともいう)と、ゲル電解質との違いは、以下のとおりである。
【0031】
・ポリエチレンオキシド(PEO)などの全固体高分子電解質に、通常のリチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものがゲル電解質である。
【0032】
・ポリふっ化ビニリデン(PVDF)など、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものもゲル電解質にあたる。
【0033】
・ゲル電解質を構成するのポリマー(ホストポリマーないしポリマーマトリックスとも称する。)と電解液の比率は幅広く、ポリマー100質量%を全固体高分子電解質、電解液100質量%を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲル電解質にあたる。
【0034】
上記ゲル電解質の、ホストポリマーとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができるが、好ましくは、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリふっ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびそれらの共重合体が望ましく、溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、およびそれらの混合物が望ましい。
【0035】
上記ゲル電解質の、電解液(電解質塩および可塑剤)としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。具体的には、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0036】
本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本発明では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。
【0037】
また、本発明では、ゲル電解質に含まれる電解液の量は、図9に示すようにゲル電解質内部で略均一になるようにしてもよいし、中心部から外周部に向けて傾斜的に少なくしていってもよい。前者は、より広範囲で反応性を得ることができるため好ましく、後者は、外周部の全固体高分子電解質部4b’の電解液に対するシール性を高めることができる点で好ましい。中心部から外周部に向けて傾斜的に少なくしていく場合には、上記ホストポリマーには、リチウムイオン伝導性のあるポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)およびそれらの共重合体を用いることが望ましい。
【0038】
次に、上記第一の実施形態の電解質層を構成する電解質シール用の樹脂としては、電解液(アルカリ液)をシールすることができるものであれば特に制限されるべきものではなく、耐アルカリ性のある従来公知のシール樹脂を用いることができる。具体的には、例えば、シリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチレン、パラフィンワックスなどから選択される樹脂を用いるのが望ましい。これらの樹脂は、シール性(液密性)、耐薬品性、耐久性・耐候性、耐熱性などに優れ、ゲル電解質から電解液が染み出すのを効果的に防止することができ、電解質の漏れ出しによる液絡(短絡)を長期にわたり防ぐことができるからである。
【0039】
上記第二の実施形態の電解質層を構成する全固体高分子電解質としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。具体的には、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。全固体高分子電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。PEO、PPOのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SOなどのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。
【0040】
上記電解質層の中央近傍のゲル電解質部とその外周部の電解質シール樹脂部または全固体高分子電解質部との割合は、外周部の材料によっても異なるため一義的に決定することはできないが、外周部は、シール効果が得られる範囲内で極力少なくするのが、電池特性上望ましい。したがって、外周部の幅は、上述した集電体との密着を考慮しても、1mm〜1cm程度あれば、十分なシール効果を得ることができる。
【0041】
以上が、本発明に係るバイポーラ電池の特徴部分の構成要素である電解質層を中心に説明したが、本発明のバイポーラ電池の他の構成要素については、特に制限されるべきものではなく、従来公知のバイポーラ電池に幅広く適用可能である。
【0042】
以下、本発明のバイポーラ電池の構成要素ごとに簡単に説明するが、本発明がこれらに何ら制限されるべきものでないことは言うまでもない。
【0043】
[集電体]
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができ、例えば、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔を集電体として用いることが好ましい。
【0044】
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
【0045】
[正極層]
正極層は、正極活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、バインダ、高分子電解質などが含まれ得るが、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。
【0046】
このうち、正極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される、遷移金属とリチウムとの複合酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)を使用できる。具体的には、LiCoOなどのLi・Co系複合酸化物、LiNiOなどのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMnなどのLi・Mn系複合酸化物、LiFeOなどのLi・Fe系複合酸化物などが挙げられる。この他、LiFePOなどの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V、MnO、TiS、MoS、MoOなどの遷移金属酸化物や硫化物;PbO、AgO、NiOOHなどが挙げられる。
【0047】
正極活物質の粒径は、バイポーラ電池の電極抵抗を低減するために、溶液タイプのリチウムイオン電池で用いられる一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、正極活物質微粒子の平均粒径が0.1〜5μmであるとよい。
【0048】
上記導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0049】
上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0050】
上記高分子ゲル電解質は、上記に規定したように、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。
【0051】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0052】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【0053】
上記リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0054】
高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)は、使用目的などに応じて決定すればよいが、2:98〜90:10の範囲である。すなわち、電極層の外周部からの電解液の染み出しについても、図8で説明したように、本発明のゲル電解質層の外周部を電極端部よりも適当に長くすることで効果的にシールすることができる。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)に関しても、比較的電池特性を優先したものとすることができる。
【0055】
正極層における、正極活物質、導電助剤、バインダ、高分子電解質(ホストポリマー、電解液など)、リチウム塩の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。例えば、正極層内における高分子電解質の配合量が少なすぎると、正極層内でのイオン伝導抵抗やイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極層内における高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した高分子ゲル電解質量を決定する。
【0056】
正極層の厚さは、特に限定するものではなく、配合量について述べたように、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極層の厚さは10〜500μm程度である。
【0057】
[負極層]
負極層は、負極活物質活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、高分子電解質(ホストポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などが含まれ得るが、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、負極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。
【0058】
負極活物質の種類以外は、基本的に「正極層」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0059】
負極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。具体的には、カーボン、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物などを用いることができるが、好ましくはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物である。これらを用いることで、容量、出力特性(例えば、電池電圧が高くできるなど)に優れた電池を構成できるからである。なお、リチウム−遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウム−チタン複合酸化物などを用いることができる。また、カーボンとしては、例えば、黒鉛、グラファイト、アセチレンブラック、カーボンブラックなどを用いることができる。
【0060】
[高分子ゲル電解質層]
本発明の高分子ゲル電解質層、すなわち、(1)不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に電解質シール用の樹脂が保持されてなる構造を有する電解質層、および/または(2)不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に全固体高分子電解質が保持されてなる構造を有する電解質層を採用することができるものであり、これらに関しては、既に説明したとおりである。
【0061】
なお、上記(1)と(2)の電解質層は、1つの電池の中で併用してもよい。
【0062】
また、高分子電解質は、高分子ゲル電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【0063】
ところで、現在好ましく使用される高分子ゲル電解質用のホストポリマーは、PEO、PPOのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。従って、溶液系のリチウムイオン電池で一般に使用される、酸化還元電位の高い正極剤を使用する場合には、負極の容量が、高分子ゲル電解質層を介して対向する正極の容量より少ないことが好ましい。負極の容量が対向する正極の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極および負極の容量は、正極および負極を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。
【0064】
ただし、負極の容量を対向する正極の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。例えば、一のセル(単電池層)の平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。
【0065】
[絶縁層]
絶縁層は、集電体同士が接触したり、電解液が漏れ出したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものである。
【0066】
該絶縁層としては、絶縁性、電解液の漏出や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、エポキシ樹脂、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが使用できるが、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。
【0067】
[正極および負極端子板]
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。
【0068】
正極および負極端子板の材質は、通常リチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【0069】
正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【0070】
正極および負極端子板は、集電体と同じサイズであればよい。
【0071】
[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しては、通常リチウムイオン電池で用いられる公知のリードを用いることができる。なお、電池外装材(電池ケース)から取り出された部分は、自動車の熱源との距離がないことから、これらに接触して漏電したりして自動車部品(特に電子機器)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておくのが好ましい。
【0072】
[電池外装材(電池ケース)]
バイポーラ電池は、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、バイポーラ電池本体である電池積層体全体を電池外装材ないし電池ケース(図示せず)に収容するとよい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【0073】
次に、本発明では、上記のバイポーラ電池を複数個接続して構成した組電池とすることができる。すなわち、本発明のバイポーラ電池を少なくとも2個以上を用いて直列および/または並列に接続して構成した組電池とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、比較的安価に対応することが可能になる。
【0074】
具体的には、例えば、上記のバイポーラ電池をN個並列に接続し、N個並列にしたバイポーラ電池をさらにM個直列にして金属製ないし樹脂製の組電池ケースに収納し、組電池とする。この際、バイポーラ電池の直列/並列接続数は、使用目的に応じて決定する。例えば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)など大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両の駆動用電源に適用し得るように組み合わせればよい。また、組電池用の正極端子および負極端子と、各バイポーラ電池の電極リードとは、リード線等を用いて電気的に接続すればよい。また、バイポーラ電池同士を直列/並列に接続する際には、スペーサやバスバーのような適当な接続部材を用いて電気的に接続すればよい。ただし、本発明の組電池は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。また、該組電池には、使用用途に応じて、各種計測機器や制御機器類を設けてもよく、例えば、電池電圧を監視するために電圧計測用コネクタなどを設けておいてもよいなど、特に制限されるものではない。
【0075】
本発明では、上記のバイポーラ電池および/または組電池を駆動用電源として搭載した車両とすることができる。本発明のバイポーラ電池および/または組電池は、上述のように各種特性を有し、特に、コンパクトな電池である。このため、エネルギー密度および出力密度に関して、とりわけ厳しい要求がなされる車両、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源として好適である。例えば、図10に示したように、電気自動車ないしハイブリッド電気自動車15の車体中央部の座席下に組電池13を駆動用電源として搭載するのが、社内空間およびトランクルームを広く取れるため便利である。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるべきものではなく、後部トランクルームの下部に搭載してもよいし、あるいは電気自動車のようにエンジンを搭載しないのであれば、車体前方のエンジンを搭載していた部分などに搭載することもできる。なお、本発明では、組電池13だけではなく、使用用途によっては、バイポーラ電池を搭載するようにしてもよいし、これら組電池13とバイポーラ電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明のバイポーラ電池および/または組電池を駆動用電源として搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッド電気自動車が好ましいが、これらに制限されるものではない。
【0076】
本発明のバイポーラ電池の製造方法としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知の各種の方法を適宜利用することができる。以下に、簡単に説明する。ただし、高分子ゲル電解質層の製造方法に関しては、既に図5を用いて説明したとおりであるので、ここでの説明は省略する。
【0077】
(1)正極用組成物の塗布
まず、適当な集電体を準備する。正極用組成物は通常はスラリー(正極用スラリー)として得られ、集電体の一方の面に塗布される。
【0078】
正極用スラリーは、正極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、高分子ゲル電解質の原料(ホストポリマー、電解液など)、およびリチウム塩などが任意で含まれるが、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤、溶媒などが含まれていればよく、高分子ゲル電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。
【0079】
高分子ゲル電解質の原料は、PEO、PPO、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基(炭素−炭素二重結合など)を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子ゲル電解質を架橋することによって、機械的強度が向上する。
【0080】
正極活物質、導電助剤、バインダ、リチウム塩に関しては、前述した化合物を用いることができる。
【0081】
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。
【0082】
NMPなどの溶媒は、正極用スラリーの種類に応じて選択する。
【0083】
正極活物質、リチウム塩、導電助剤の添加量は、バイポーラ電池の目的等に応じて調節すればよく、通常用いられる量を添加すればよい。重合開始剤の添加量は、高分子原料に含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。
【0084】
(2)正極層の形成
正極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、正極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子固体電解質の機械的強度を高めてもよい。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された正極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。
【0085】
(3)負極用組成物の塗布
正極層が塗布された面と反対側の面に、負極活物質を含む負極用組成物(負極用スラリー)を塗布する。
【0086】
負極用スラリーは、負極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、高分子ゲル電解質の原料(ホストポリマー、電解液など)およびリチウム塩などが任意で含まれる。使用される原料や添加量については、「(1)正極用組成物の塗布」の項での説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0087】
(4)負極層の形成
負極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、負極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子ゲル電解質の機械的強度を高めてもよい。この作業により、バイポーラ電極が完成する。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された負極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。
【0088】
(5)バイポーラ電極と高分子ゲル電解質層との積層
別途、電極間に積層される高分子ゲル電解質層を準備する。該高分子ゲル電解質層は、既に図5を用いて説明した手順で作製すればよい。
【0089】
以上のように作製したバイポーラ電極を高真空下で十分加熱乾燥してから、バイポーラ電極と高分子ゲル電解質層をそれぞれを適当なサイズに複数個切りだす。高分子ゲル電解質層の幅を、バイポーラ電極の集電体サイズよりも若干小さくすることが多い(図8参照のこと)。切りだされたバイポーラ電極と高分子ゲル電解質とを所定数張り合わせて、バイポーラ電池本体(電池積層体)を作製する。積層数は、バイポーラ電池に求める電池特性を考慮して決定される。高分子ゲル電解質層が一面または両面に形成されたバイポーラ電極を、直接貼り合わせてもよい。最外層の高分子ゲル電解質上には、それぞれ電極を配置する。正極側の最外層には、集電体上に正極層のみを形成した電極を配置する。負極側の最外層には、集電体上に負極層のみを形成した電極を配置する。バイポーラ電極と高分子ゲル電解質とを積層させてバイポーラ電池を得る段階は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、アルゴン雰囲気下や窒素雰囲気下でバイポーラ電池を作製するとよい。
【0090】
(6)パッキング(電池の完成)
最後にバイポーラ電池本体(電池積層体)の両最外層の電子伝導性層上にそれぞれ、正極端子板、負極端子板を設置し、該正極端子板、負極端子板に、さらに正極リード、負極リードを接合(電気的に接続)して取り出す。正極リードおよび負極リードの接合方法としては特に制限されるべきものではないが、接合温度の低い超音波溶接等が好適に利用し得るものであるが、これに限定されるべきものではなく、従来公知の接合方法を適宜利用することができる。
【0091】
電池積層体全体を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池外装材ないし電池ケースで封止し、バイポーラ電池を完成させる。電池外装材(電池ケース)の材質は、内面がポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆された金属(アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅など)が好適である。
【0092】
【実施例】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。
【0093】
実施例1(第一の実施形態の例)
<電極の形成>
1.正極層
正極活物質として平均粒子径2μmのスピネルLiMn[85質量%]、導電助剤としてアセチレンブラック[5質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(NMPは、電極乾燥時にすべて揮発させて除去するので、電極の構成材料ではなく、適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して正極スラリーを作製した。
【0094】
集電体であるSUS箔(厚さ20μm)の片面に上記正極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、120℃で10分間乾燥させて乾燥厚さ50μmの正極層を形成した。
【0095】
2.負極層
負極活物質としてLiTi12[85質量%]、導電助剤としてアセチレンブラック[5質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてNMP(適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して負極スラリーを作製した。尚、負極活物質に用いたLiTi12の二次粒子の平均粒径は10μmで、0.2〜0.5μmの一次粒子がある程度ネッキングした構造になっていた。
【0096】
正極層を形成したSUS箔の反対面に、上記負極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、120℃で10分間乾燥させて乾燥厚さ50μmの負極層を形成した。
【0097】
集電体であるSUS箔の両面に正極層と負極層がそれぞれ形成されることにより、バイポーラ電極が形成された(図1参照のこと)。
【0098】
<シール部の形成>
厚さ50μmのポリプロピレン製の不織布の外周部の四辺を、外辺から10cmの幅で、電解質シール用の樹脂としてのエポキシ樹脂に浸漬させ、その後エポキシ樹脂を硬化させて、電解質シール部を形成した(図5(C)参照のこと)。
【0099】
<ゲル電解質層の形成>
外周部に電解質シール部を形成した不織布の、該電解質シール部の内側に、ゲル電解質用の原料として、ホストポリマーとしてポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体(共重合比が5:1、重量平均分子量が8000のものを用いた。)[5質量%]と、電解液としてEC+DMC(EC:DMC(体積比)=1:3)と、リチウム塩(支持塩)として1.0M Li(CSON(電解液とリチウム塩あわせて95質量%とした。また、リチウム塩の量は、電解液に対して1.0Mとした。)と、重合開始剤としてAIBN[ホストポリマーに対して0.1質量%]からなるプレゲル溶液を浸漬させて、不活性雰囲気下で90℃で1時間熱重合させることにより、不織布の中心部にゲル電解質を保持させてゲル電解質層を形成した(図5(E)参照のこと)。得られたゲル電解質層の厚さは50μmであり、不織布よりも厚くはならなかった。
【0100】
<バイポーラ電池の形成>
上記バイポーラ電極と、電解質保持不織布であるゲル電解質層を、電極の正極層と負極層がゲル電解質層を挟むように積層した。
【0101】
5層(単電池層5セル分)積層した後、電池積層体をラミネートパック(アルミニウムをポリプロピレンフィルムでラミネートしたもの;電池外装材)で封止し、バイポーラ電池を形成した。
【0102】
実施例2(第二の実施形態の例)
<電極の形成>
1.正極層
正極活物質として平均粒子径2μmのスピネルLiMn[85質量%]、導電助剤としてアセチレンブラック[5質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して正極スラリーを作製した。
【0103】
集電体であるSUS箔(厚さ20μm)の片面に上記正極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、120℃で5分間乾燥させて乾燥厚さ50μmの正極層を形成した。
【0104】
2.負極層
負極活物質としてLiTi12[85質量%]、導電助剤としてアセチレンブラック[5質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてNMP(適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して負極スラリーを作製した。尚、負極活物質に用いたLiTi12の二次粒子の平均粒径は10μmで、0.2〜0.5μmの一次粒子がある程度ネッキングした構造になっていた。
【0105】
正極層を形成したSUS箔の反対面に、上記負極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、120℃で5分間乾燥させて乾燥厚さ50μmの負極層を形成した。
【0106】
集電体であるSUS箔の両面に正極層と負極層がそれぞれ形成されることにより、バイポーラ電極が形成された(図1参照のこと)。
【0107】
<全固体電解質部の形成>
厚さ50μmのポリプロピレン製の不織布の外周部に、支持塩としてLi(CSON[28質量%]と、重合開始剤として有機過酸化物(具体的にはt−ヘキシルパーオキシピパレート)[0.7質量%]とを含むポリマー(ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体(共重合比が5:1、重量平均分子量が8000のものを用いた。)からなる全固体電解質用材料を外辺から幅10mmで浸漬させ、真空雰囲気中、80℃で10時間加熱乾燥すると同時に重合(架橋反応を促進)させて全固体電解質部を形成した(図5(C)参照のこと)。
【0108】
<ゲル電解質層の形成>
外周部に全固体電解質部を形成した不織布の、該全固体電解質部の内側に、ゲル電解質用の原料として、ホストポリマーとしてポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体(共重合比が5:1、重量平均分子量が8000のものを用いた。)[5質量%]と、電解液としてEC+DMC(EC:DMC(体積比)=1:3)と、リチウム塩(支持塩)として1.0M Li(CSON(電解液とリチウム塩あわせて95質量%とした。また、リチウム塩の量は、電解液に対して1.0Mとした。)と、重合開始剤としてAIBN[ホストポリマーに対して0.1質量%]からなるゲル電解質を保持させゲル電解質層を形成した(図5(E)参照のこと)。得られたゲル電解質層の厚さは50μmであり、不織布よりも厚くはならなかった。
【0109】
<バイポーラ電池の形成>
上記バイポーラ電極と、電解質保持不織布であるゲル電解質層を、電極の正極層と負極層がゲル電解質層を挟むように積層した。
【0110】
5層(単電池層5セル分)積層した後、電池積層体をラミネートパック((アルミニウムをポリプロピレンフィルムでラミネートしたもの;電池外装材)で封止し、バイポーラ電池を形成した。
【0111】
比較例1
比較例1として電解質シール部を持たないゲル電解質層を用いた以外は実施例1と同様にして5層(単電池層5セル分)積層した後、電池積層体をラミネートパック(アルミニウムをポリプロピレンフィルムでラミネートしたもの;電池外装材)で封止してバイポーラ電池を形成した(図11参照のこと。)。
【0112】
<評価>
上記実施例1、2および比較例1の各電池に充放電サイクル試験を行った。充放電サイクル試験は、25℃で行い、充放電電流値は0.5CAとした。
【0113】
電解質シール部を持たない比較例1の電池は、初回の充電を行っている途中に、電解液が単電池層外に染み出し、他の単電池層の電解質と接触して液絡が起こり、電池電圧が著しく低下した。
【0114】
他の電解質シール層を有する実施例1、2のバイポーラ電池は、50サイクルを超えても各単電池層の電圧が維持され、液絡が生じていないことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図2】本発明のバイポーラ電池を構成する単電池層(単セル)の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図3】本発明のバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図4】本発明のバイポーラ電池の基本構成を模式的に表わしてなる概略図である。
【図5】本発明のバイポーラ電池に用いられる代表的な電解質層の製造過程の様子を模式的に表わした平面概略図および断面概略図である。図5(A)は、製造前の電解質層の基材にあたる不織布を表す平面概略図である。図5(B)は、図5(A)のA−A線に沿った断面概略図である。図5(C)は、不織布の外周部に電解質シール用樹脂部または全固体高分子電解質部を形成した段階の電解質層の製造過程の様子を模式的に表わした平面概略図である。図5(D)および図5(D’)は、図5(C)のB−B線に沿った断面概略図である。図5(E)は、不織布の中央部近傍にゲル電解質部を形成して電解質層の完成した様子を模式的に表わした平面概略図である。図5(F)および図5(F’)は、図5(E)のC−C線に沿った断面概略図である。
【図6】本発明の高分子ゲル電解質(第一の実施形態)を用いたバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わしてなる断面概略図である。
【図7】本発明の高分子ゲル電解質(第二の実施形態)を用いたバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わしてなる断面概略図である。
【図8】本発明のバイポーラ電池を構成する電極積層体(一部)の外周部近傍の構造を模式的に表わしてなる断面概略図である。
【図9】本発明のバイポーラ電池に用いられる代表的な電解質層を模式的に表わした平面概略図であり、図9(B)は、電解質層に含まれる電解液量を、図9(A)のA−A線に沿って表示した図面である。
【図10】本発明に係るバイポーラ電池および/または組電池を駆動用電源として搭載した車両を模式的に表した概略図である。
【図11】従来の高分子ゲル電解質を用いた本発明のバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わしてなる断面概略図である。
【符号の説明】
1…集電体(金属箔)、
2…正極層、
3…負極層、
4…電解質層(電解質膜)、
4a…不織布、
4b…電解質シール樹脂部、
4b’…全固体高分子電解質部、
4c…ゲル電解質部、
4’…高分子ゲル電解質層、
5…バイポーラ電極、
5a…集電体の必要な片面のみに正極層を配置した電極、
5b…集電体の必要な片面のみに負極層を配置した電極、
6…単電池層(単セル)、
7…電極積層体、
8…正極リード、
9…負極リード、
10…電池外装材、
11…バイポーラリチウムイオン二次電池、
13…組電池、
15…車両(電気自動車又はハイブリッド電気自動車)。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipolar battery in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are arranged on both sides of a current collector, and more specifically, a polymer gel electrolyte having excellent ionic conductivity compared to a polymer solid electrolyte. The present invention relates to a bipolar battery used.
[0002]
[Prior art]
In recent years, reduction of carbon dioxide emission has been urgently required for environmental protection. The automobile industry is expected to reduce carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and is keen to develop secondary batteries for motor drives, which are key to their practical use. Is being done. As a secondary battery, attention has been focused on a lithium ion secondary battery capable of achieving high energy density and high output density. However, in order to apply it to an automobile, it is necessary to use a plurality of secondary batteries connected in series in order to secure a large output.
[0003]
However, when a battery is connected via the connection, the output decreases due to the electrical resistance of the connection. Also, batteries with connections have spatial disadvantages. That is, the connection portion lowers the output density and energy density of the battery.
[0004]
As a solution to this problem, a bipolar battery in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are arranged on both sides of a current collector has been developed.
[0005]
Among them, a bipolar battery using a polymer solid electrolyte containing no solution as an electrolyte has been proposed (for example, see Patent Document 1). According to this, since no solution (electrolyte solution) is contained in the battery, there is no need to worry about liquid leakage or gas generation, and a highly reliable bipolar battery that does not require a hermetically sealed structure can be provided. is there. However, the ionic conductivity of the polymer solid electrolyte is lower than that of the gel electrolyte, and the output density and energy density of the battery are not sufficient in a normal use environment, and the battery has not yet reached the stage of practical use. The improvement of ionic conductivity is expected.
[0006]
On the other hand, a bipolar battery using an electrolyte having an electrolytic solution has been proposed (for example, see Patent Documents 2 and 3). If an electrolyte having an electrolytic solution, particularly a gel electrolyte, is used, it is expected to be a bipolar battery which is excellent in ionic conductivity and sufficiently obtains the output density and energy density of the battery, which is the closest to the practical use stage.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2000-100471 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-75455
[Patent Document 3]
JP-A-11-204136
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an attempt is made to construct a bipolar battery using a gel electrolyte, the electrolyte may seep out from the electrolyte portion, come into contact with the electrolyte of another unit cell layer, and cause a liquid junction (short circuit).
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a bipolar battery using a gel electrolyte, which prevents a liquid junction (short circuit) due to seepage of an electrolyte solution from the electrolyte and provides a highly reliable bipolar battery. .
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a bipolar lithium ion secondary battery in which a positive electrode is formed on one surface of a current collector, and a bipolar electrode in which a negative electrode is formed on the other surface is stacked in series with an electrolyte layer interposed therebetween.
The electrolyte layer has a structure in which a polymer gel electrolyte is held in the vicinity of the center of the nonwoven fabric, and a resin for electrolyte sealing is held on the outer periphery of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. This is a bipolar battery.
[0011]
【The invention's effect】
In the bipolar battery of the present invention, the structure of the electrolyte layer, the gel electrolyte is held in the nonwoven fabric, and the resin for the electrolyte seal is immersed in the outer periphery of the same nonwoven fabric to form the electrolyte seal portion. A liquid junction (short circuit) due to leakage of the electrolyte can be easily and effectively prevented. In addition, by forming the electrolyte seal portion integrally with the polymer gel electrolyte, the battery manufacturing process is greatly simplified. In other words, in order to prevent self-discharge due to a liquid junction (short circuit) between the unit cell layers, it is conceivable to newly form an insulator layer around the outer periphery between the unit cell layers to have a sealing property with respect to the electrolytic solution. The configuration and manufacturing process of the bipolar battery become complicated or complicated. On the other hand, the bipolar battery of the present invention can prevent a liquid junction between unit cells without providing a special member, is excellent in ionic conductivity, and is a compact battery excellent in battery characteristics such as charge and discharge characteristics. Bipolar batteries can be provided. Therefore, it has high reliability, can maintain excellent energy density and power density, and is a useful power source in various industries.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0013]
The bipolar battery according to the present invention is a bipolar battery in which a positive electrode is formed on one surface of a current collector, and a bipolar electrode in which a negative electrode is formed on the other surface is stacked in series with a plurality of electrolytes sandwiched therebetween.
(1) The electrolyte layer has a structure in which a polymer gel electrolyte is held near the center of the nonwoven fabric, and a resin for electrolyte sealing is held on the outer periphery of a portion of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. Characterized by having (first embodiment), and / or
(2) The electrolyte layer has a structure in which a polymer gel electrolyte is held near the center of the nonwoven fabric, and an all-solid polymer electrolyte is held on the outer periphery of a portion of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. (Second embodiment).
[0014]
In the first embodiment, the electrolyte seal portion (the portion where the resin for the electrolyte seal is held) can be easily formed at the time of manufacturing the battery (at the time of laminating the electrodes). Short circuit) can be prevented. In addition, by forming the electrolyte seal portion integrally with the gel electrolyte, the battery manufacturing process is simplified.
[0015]
Further, in the second embodiment, the all solid polymer electrolyte in the outer peripheral portion can prevent the liquid of the internal gel electrolyte from seeping out, and can prevent a liquid junction (short circuit) due to leakage of the electrolyte. . In addition, it is advantageous in that a battery reaction can be performed even in the all solid polymer electrolyte portion on the outer peripheral portion.
[0016]
The outline of the basic configuration of the bipolar battery according to the present invention will be briefly described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the structure of a bipolar electrode constituting a bipolar battery, and FIG. 2 is a schematic sectional view showing the structure of a unit cell layer constituting a bipolar battery. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view, FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the entire structure of a bipolar battery, and FIG. 4 is a diagram in which a plurality of unit cell layers stacked in a bipolar battery are connected in series. FIG. 1 shows a schematic diagram conceptually (in symbolic form) of what happens.
[0017]
As shown in FIGS. 1 to 4, the bipolar electrode 5 (see FIG. 1) in which the positive electrode layer 2 is provided on one surface of one current collector 1 and the negative electrode layer 3 is provided on the other surface is connected to the electrolyte. The electrode layers 2 and 3 of the bipolar electrode 5 adjacent to each other with the layer 4 interposed therebetween are opposed to each other. That is, in the bipolar battery 11, a plurality of bipolar electrodes (electrode layers) 5 having the positive electrode layer 2 on one surface of the current collector 1 and the negative electrode layer 3 on the other surface are provided via the electrolyte layer 4. It is composed of an electrode laminate (bipolar battery body) 7 having a laminated structure. The electrodes 5a and 5b of the uppermost layer and the lowermost layer do not have a bipolar electrode structure, but have a structure in which an electrode layer (positive electrode layer 2 or negative electrode layer 3) on only one side required for the current collector 1 (or terminal plate) is formed. I have.
[0018]
Also, the uppermost and lowermost electrodes 5a and 5b of the electrode stack 7 in which a plurality of such bipolar electrodes 5 and the like are stacked need not have a bipolar electrode structure, and are necessary for the current collector 1 (or terminal plate). A structure in which only one electrode layer (the positive electrode layer 2 or the negative electrode layer 3) is provided (see FIG. 3). In the bipolar battery 11, the positive and negative electrode leads 8, 9 are respectively joined to the current collectors 1 at the upper and lower ends.
[0019]
The number of laminations of the bipolar electrode is adjusted according to a desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the thickness of the sheet-shaped battery is made as thin as possible, the number of times of laminating the bipolar electrodes may be reduced.
[0020]
Further, in the bipolar battery 11 of the present invention, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the electrode laminate 7 is sealed in a battery exterior material (exterior package) 10 under reduced pressure, and the electrode leads 8, It is preferable to adopt a structure in which 9 is taken out of the battery exterior material (exterior package) 10 (see FIGS. 3 and 4). From the viewpoint of weight reduction, conventionally known batteries such as a polymer-metal composite laminate film such as an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel and copper is coated with an insulator such as a polypropylene film; A part or all of the peripheral portion is joined by heat fusion using an exterior material, thereby housing and laminating the electrode laminate 7 under reduced pressure (sealing), and attaching the electrode leads 8 and 9 to the battery exterior material 10. It is preferable to adopt a configuration taken out to the outside. The basic configuration of the bipolar battery 11 can be said to be a configuration in which a plurality of stacked unit cell layers (single cells) 6 are connected in series, as shown in FIG. The bipolar battery of the present invention is used for a bipolar lithium ion secondary battery in which charging and discharging are mediated by movement of lithium ions. However, this does not prevent application to other types of batteries as long as effects such as improvement in battery characteristics can be obtained.
[0021]
In a conventional bipolar battery using a polymer gel electrolyte layer, as shown in FIG. 11, a positive electrode layer 2 is formed on one surface of a current collector 1 using one type of positive electrode material, and one type is formed on an opposite surface. A negative electrode layer 3 is formed using the negative electrode material to form a bipolar electrode 5, and these are laminated with a polymer gel electrolyte (layer) 4 'interposed therebetween. Therefore, the electrolyte contained in the polymer gel electrolyte may ooze out and come into contact with the electrolyte of the other unit cell layer 6 to cause a short circuit (liquid junction). However, in the present invention, the conventional problems can be solved by forming an electrolyte layer as described below with reference to the drawings. Here, FIG. 5 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view schematically showing a state of a process of manufacturing a typical electrolyte layer used in the bipolar battery of the present invention.
[0022]
As shown in FIGS. 5 to 7, the electrolyte layer used in the bipolar battery of the present invention is provided on the outer peripheral portion of the nonwoven fabric 4a (see FIGS. 5A and 5B) corresponding to the size used for the electrolyte layer. The electrolyte seal resin portion 4b is formed by an appropriate method (for example, a method of applying a resin (solution) for electrolyte seal and drying and curing) (FIGS. 5C, 5D, and 5 '). )checking). Next, a suitable method (for example, a raw material slurry for a polymer gel electrolyte (also simply referred to as a pregel solution)) is applied to the vicinity of the central portion of the nonwoven fabric 4a (the inside surrounded by the electrolyte seal resin portion 4b) and polymerized and cured. To form a gel electrolyte portion 4c (see FIGS. 5 (E), (F) and (F ′)). As a result, the polymer gel electrolyte is held near the central portion of the nonwoven fabric 4a, and the outer periphery (electrolyte sealing resin portion 4b) of the portion (gel electrolyte portion 4c) of the same nonwoven fabric 4a holding the gel electrolyte is sealed with the electrolyte. Electrolyte layer 4 of the present invention having a structure in which a resin for use is held.
[0023]
In the present invention, an appropriate method (for example, a raw material polymer (solution) for an all solid polymer electrolyte) is applied to the outer peripheral portion of the nonwoven fabric 4a corresponding to the size used for the electrolyte layer instead of the electrolyte seal resin portion 4b. The electrolyte layer 4 may be manufactured using an all-solid polymer electrolyte portion 4b 'that does not contain a solution (electrolyte solution) formed by a method of applying and heating and drying.
[0024]
In the present invention, the electrolyte sealing resin portion 4b, the entirety of the electrolyte sealing resin portion 4b, and the like are hardly changed by impregnating the nonwoven fabric 4a with a resin for electrolyte sealing, a raw material polymer for all solid polymer electrolyte, a pregel solution or the like. The solid polymer electrolyte portion 4b 'and the gel electrolyte portion 4c may be formed (see FIGS. 5D and 5F), and the electrolyte sealing resin portion is made thicker than the thickness of the nonwoven fabric 4a. 4b, an all-solid polymer electrolyte portion 4b ', and a gel electrolyte portion 4c may be formed (see FIGS. 5 (D') and (F ')). In particular, when the thickness is made larger than the thickness of the nonwoven fabric 4a, the operation from the formation of the electrolyte sealing resin portion 4b and the all-solid polymer electrolyte portion 4b 'to the formation of the gel electrolyte portion 4c is repeated several times. There is no particular limitation, for example, the number may be increased, or a predetermined thickness may be obtained by a single operation using an appropriate thickness adjusting jig.
[0025]
The thickness of the polymer gel electrolyte layer is not particularly limited. However, in order to obtain a compact bipolar battery, it is preferable to make the battery as thin as possible as long as the function as the electrolyte layer can be secured. From such a viewpoint, the thickness of the polymer gel electrolyte layer of the present invention is about 5 to 200 μm.
[0026]
In the bipolar battery of the present invention using the polymer gel electrolyte 4, as shown in FIGS. 6 and 7, similarly to the conventional bipolar battery using the polymer gel electrolyte layer 4 '(see FIG. 11 for comparison). .), A positive electrode layer 2 is formed on one surface of the current collector 1 using a positive electrode material, and a negative electrode layer 3 is formed on the opposite surface using a negative electrode material to form a bipolar electrode 5. What is necessary is just to laminate with the layer 4 interposed. As a result, the electrolyte contained in the gel electrolyte portion 4c of the gel electrolyte layer 4 cannot move into the outer peripheral portion by the electrolyte seal resin portion 4b or the polymer solid electrolyte portion 4b 'on the outer peripheral portion, and cannot move to the outside. Can be effectively prevented from oozing out. Therefore, it is possible to provide a high-quality bipolar battery that does not come into contact with the electrolytic solution of the other unit cell layer 6 and has high safety without causing a short circuit (liquid junction).
[0027]
In particular, in the present invention, as shown in FIG. 8, the outer periphery (peripheral portion) of the electrolyte seal resin portion 4b or the solid polymer electrolyte portion 4b 'of the electrolyte layer 4 where the positive electrode layer 2 and the negative electrode layer 3 are not formed. It is particularly desirable that the length has a width of about 1 mm to 2 cm, preferably 5 mm to 1 cm. This is because, for example, as shown in FIG. 8, a preferable thickness of each unit cell layer 6 is about 100 to 200 μm. On the other hand, the general size of the electrode layers 2 and 3 is about 10 cm × 10 cm. Therefore, when the electrode layers 2 and 3 are stacked, the electrolyte sealing resin portion 4b or the polymer solid electrolyte portion 4b ′ on the outer peripheral portion (peripheral portion) of the electrolyte layer 4 is more intense than the positive electrode layer 2 and the negative electrode layer 3. By making it longer (wider), the outer peripheral portion (peripheral portion; see the portion circled in the drawing) of the electrolyte layer 4 where the positive electrode layer 2 and the negative electrode layer 3 are not formed. The electrolyte seal resin portion 4b or the solid polymer electrolyte portion 4b 'and the current collector 1 inevitably adhere to each other, and even if the electrolyte seeps out from the electrode layers 2, 3 side, this can be sealed. Therefore it is extremely useful. This is because the current collector 1 is inevitably adhered to the electrolyte seal resin portion 4b or the solid polymer electrolyte portion 4b 'at the outer peripheral portion (peripheral portion) of the electrolyte layer 4 by sealing with the battery exterior material. This is because a heavy load is applied. If necessary, the current collector 1 may be brought into close contact with the electrolyte sealing resin portion 4b or the solid polymer electrolyte portion 4b 'around the electrolyte layer 4 by applying appropriate pressure or the like. Good.
[0028]
Here, the nonwoven fabric (nonwoven fabric) 4a constituting the electrolyte layer 4 of the present invention is not particularly limited. In other words, any sheet may be used as long as the fibers are arranged in a web (thin cotton) or mat shape by an appropriate method, and are joined by an appropriate adhesive or the fusion force of the fibers themselves. The adhesive is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance at the temperature during production and use, and is stable without any reactivity or solubility even for the gel electrolyte. Instead, a conventionally known one can be used. The fibers used are not particularly limited, and for example, conventionally known fibers such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polypropylene, polyethylene, polyimide, and aramid can be used. Used alone or in combination depending on the mechanical strength required for the above). The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. That is, if the bulk density of the nonwoven fabric is too large, the proportion of the non-electrolyte material in the electrolyte layer becomes too large, which may impair the ionic conductivity and the like in the electrolyte layer.
[0029]
In FIG. 5, for convenience of explanation, a nonwoven fabric having the same size as the electrolyte layer is used. However, in actual production, a roll-shaped nonwoven fabric is used by using various printing / coating techniques or thin film forming techniques. Various mass production techniques may be applied, such as forming an electrolyte layer continuously on the nonwoven fabric, or using a larger nonwoven fabric to form a large amount of electrolyte layer at a time. be able to.
[0030]
In addition, the gel electrolyte constituting the electrolyte layer 4 (also simply referred to as a gel electrolyte) is not particularly limited, and a gel electrolyte used in a conventional gel electrolyte layer can be appropriately used. Here, the gel electrolyte refers to a gel electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer matrix. In the present invention, the difference between an all solid polymer electrolyte (also simply referred to as a polymer solid electrolyte) and a gel electrolyte is as follows.
[0031]
A gel electrolyte containing an all-solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide (PEO) and an electrolyte used in a normal lithium ion battery.
[0032]
-A polymer electrolyte such as polyvinylidene fluoride (PVDF) having no lithium ion conductivity and having an electrolyte retained therein is also a gel electrolyte.
[0033]
The ratio of the polymer constituting the gel electrolyte (also referred to as a host polymer or a polymer matrix) and the electrolyte is wide, and if 100% by weight of the polymer is an all solid polymer electrolyte and 100% by weight of the electrolyte is a liquid electrolyte, the intermediate Every body is a gel electrolyte.
[0034]
The host polymer of the gel electrolyte is not particularly limited, and a conventionally known host polymer can be used. Preferably, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene glycol (PEG) is used. ), Polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) (PMMA) and copolymers thereof are desirable, and the solvent is ethylene carbonate (EC), propylene Carbonate (PC), gamma-butyrolactone (GBL), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and mixtures thereof are preferred.
[0035]
The electrolytic solution (electrolyte salt and plasticizer) of the gel electrolyte is not particularly limited, and conventionally known ones can be used. More specifically, it may be any one that is usually used in a lithium ion battery. 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 Acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 Cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate and the like containing at least one lithium salt (electrolyte salt) selected from organic acid anion salts such as N; chains such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate Ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; Esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; and organic solvents (plasticizers) such as aprotic solvents in which at least one or more selected from methyl acetate and methyl formate are mixed. You can use what you used However, it is not limited to these.
[0036]
The proportion of the electrolyte solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity and the like. The present invention is particularly effective for a gel electrolyte containing a large amount of an electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.
[0037]
Further, in the present invention, the amount of the electrolytic solution contained in the gel electrolyte may be made substantially uniform inside the gel electrolyte as shown in FIG. 9, or may be gradually reduced from the center to the outer periphery. You may do. The former is preferable because reactivity can be obtained in a wider range, and the latter is preferable in that the sealing property of the all-solid polymer electrolyte portion 4b 'on the outer peripheral portion with respect to the electrolytic solution can be enhanced. When the concentration is gradually reduced from the center toward the outer periphery, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and a copolymer thereof having lithium ion conductivity are used as the host polymer. It is desirable.
[0038]
Next, the resin for the electrolyte sealing constituting the electrolyte layer of the first embodiment is not particularly limited as long as it can seal the electrolyte solution (alkaline solution). A conventionally known sealing resin having a certain property can be used. Specifically, for example, it is desirable to use a resin selected from silicon, epoxy, urethane, polybutadiene, polypropylene, polyethylene, paraffin wax and the like. These resins have excellent sealing properties (liquid tightness), chemical resistance, durability / weather resistance, heat resistance, etc., can effectively prevent the electrolyte solution from seeping out of the gel electrolyte, This is because a liquid junction (short circuit) due to leakage can be prevented for a long time.
[0039]
The all solid polymer electrolyte constituting the electrolyte layer of the second embodiment is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. Specifically, it is a layer composed of a polymer having ion conductivity, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity. Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and a copolymer thereof. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to secure ion conductivity. As the lithium salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Or a mixture thereof can be used. However, it is not limited to these. Polyalkylene oxide polymers such as PEO and PPO are made of LiBF. 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 And other lithium salts. Further, by forming a crosslinked structure, excellent mechanical strength is exhibited.
[0040]
The ratio between the gel electrolyte portion near the center of the electrolyte layer and the electrolyte seal resin portion or the all solid polymer electrolyte portion at the outer periphery cannot be uniquely determined because the ratio varies depending on the material of the outer periphery. It is desirable in terms of battery characteristics that the portion be as small as possible within a range where a sealing effect can be obtained. Therefore, a sufficient sealing effect can be obtained if the width of the outer peripheral portion is about 1 mm to 1 cm even in consideration of the close contact with the current collector.
[0041]
The foregoing has been described mainly with respect to the electrolyte layer which is a component of the characteristic portion of the bipolar battery according to the present invention. However, other components of the bipolar battery according to the present invention are not particularly limited and are conventionally known. Is widely applicable to bipolar batteries.
[0042]
Hereinafter, each component of the bipolar battery of the present invention will be briefly described, but it goes without saying that the present invention should not be limited to these components.
[0043]
[Current collector]
The current collector that can be used in the present invention is not particularly limited, and a conventionally known current collector can be used. For example, aluminum foil, stainless steel foil, a clad material of nickel and aluminum, copper and aluminum Or a plating material of a combination of these metals is preferably used. Alternatively, a current collector in which aluminum is coated on a metal surface may be used. In some cases, a current collector in which two or more metal foils are bonded may be used. It is preferable to use an aluminum foil as a current collector from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0044]
The thickness of the current collector is not particularly limited, but is usually about 1 to 100 μm.
[0045]
[Positive electrode layer]
The positive electrode layer contains a positive electrode active material. In addition, a conductive auxiliary agent for improving electron conductivity, a lithium salt for improving ionic conductivity, a binder, a polymer electrolyte, and the like may be included, but when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, It is sufficient that the binder contains a conventionally known binder for binding the fine particles of the positive electrode active material, a conductive auxiliary agent for enhancing electron conductivity, and the like. It does not have to be included.
[0046]
Among these, as the positive electrode active material, a composite oxide of a transition metal and lithium (lithium-transition metal composite oxide), which is also used in a solution-based lithium ion battery, can be used. Specifically, LiCoO 2 Li-Co based composite oxides such as LiNiO 2 Li-Ni based composite oxide such as spinel LiMn 2 O 4 Li-Mn based composite oxides such as LiFeO 2 Li.Fe-based composite oxides such as In addition, LiFePO 4 Phosphoric acid compounds and sulfuric acid compounds of transition metals and lithium; 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , MoO 3 Transition metal oxides and sulfides such as PbO 2 , AgO, NiOOH and the like.
[0047]
In order to reduce the electrode resistance of a bipolar battery, it is preferable to use a positive electrode active material having a particle size smaller than a particle size generally used in a solution type lithium ion battery. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material fine particles is preferably 0.1 to 5 μm.
[0048]
Examples of the conductive assistant include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not limited to these.
[0049]
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF) or the like can be used. However, it is not limited to these.
[0050]
The polymer gel electrolyte is a solid polymer electrolyte having ion conductivity, as defined above, containing an electrolyte solution usually used in lithium ion batteries. Also, those in which a similar electrolyte is held in a polymer skeleton having no polymer are also included.
[0051]
Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any one that is usually used in a lithium ion battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 Acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 Cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate and the like containing at least one lithium salt (electrolyte salt) selected from organic acid anion salts such as N; chains such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate Ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; Esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; and organic solvents (plasticizers) such as aprotic solvents in which at least one or more selected from methyl acetate and methyl formate are mixed. You can use what you used However, it is not limited to these.
[0052]
Examples of the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). it can. However, it is not limited to these. Since PAN, PMMA, and the like fall into the category of having little ionic conductivity, they can be the above-mentioned polymers having ionic conductivity, but are used here as polymer gel electrolytes. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
[0053]
Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 Inorganic acid anion salts such as Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 Organic acid anions such as N, and mixtures thereof can be used. However, it is not limited to these.
[0054]
The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolyte in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use and the like, but is in the range of 2:98 to 90:10. In other words, as described with reference to FIG. 8, the leakage of the electrolytic solution from the outer periphery of the electrode layer is also effectively sealed by appropriately making the outer periphery of the gel electrolyte layer of the present invention longer than the end of the electrode. can do. Therefore, the battery characteristics can be given a relatively high priority also in the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte.
[0055]
The amount of the positive electrode active material, conductive auxiliary agent, binder, polymer electrolyte (host polymer, electrolyte solution, etc.), and lithium salt in the positive electrode layer depends on the intended use of the battery (output-oriented, energy-oriented, etc.) and ionic conductivity. The decision should be taken into account. For example, if the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too small, the ionic conduction resistance and the ionic diffusion resistance in the positive electrode layer increase, and the battery performance decreases. On the other hand, if the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery decreases. Therefore, a polymer gel electrolysis mass that meets the purpose is determined in consideration of these factors.
[0056]
The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the intended use of the battery (e.g., emphasis on output, energy, etc.) and ionic conductivity, as described for the blending amount. The thickness of a general positive electrode layer is about 10 to 500 μm.
[0057]
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer contains a negative electrode active material active material. In addition, a conductive auxiliary agent for improving electron conductivity, a binder, a polymer electrolyte (such as a host polymer and an electrolyte), and a lithium salt for improving ionic conductivity may be included. In the case of using a polymer gel electrolyte, it is sufficient that a conventionally known binder that binds the negative electrode active material fine particles to each other, a conductive auxiliary agent for increasing electron conductivity, and the like are included, and a host polymer as a raw material of the polymer electrolyte is used. , Electrolyte and lithium salt may not be contained.
[0058]
Except for the type of the negative electrode active material, the content is basically the same as that described in the section of “Positive electrode layer”, and thus the description is omitted here.
[0059]
As the negative electrode active material, a negative electrode active material used in a solution-type lithium ion battery can be used. Specifically, carbon, a metal oxide, a lithium-metal composite oxide, or the like can be used, but carbon or a lithium-transition metal composite oxide is preferable. By using these, a battery excellent in capacity and output characteristics (for example, battery voltage can be increased) can be configured. As the lithium-transition metal composite oxide, for example, a lithium-titanium composite oxide or the like can be used. As the carbon, for example, graphite, graphite, acetylene black, carbon black, and the like can be used.
[0060]
[Polymer gel electrolyte layer]
The polymer gel electrolyte layer of the present invention, that is, (1) the polymer gel electrolyte is held near the center of the nonwoven fabric, and the resin for electrolyte sealing is placed on the outer periphery of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. And (2) a polymer gel electrolyte held near the center of the nonwoven fabric, and an all-solid polymer on the outer periphery of the portion of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. An electrolyte layer having a structure in which an electrolyte is held can be employed, and these are as described above.
[0061]
The electrolyte layers (1) and (2) may be used together in one battery.
[0062]
Further, the polymer electrolyte may be contained in the polymer gel electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer, but the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layers. Good.
[0063]
Meanwhile, a host polymer for a polymer gel electrolyte which is preferably used at present is a polyether polymer such as PEO or PPO. For this reason, the oxidation resistance on the positive electrode side under high temperature conditions is weak. Therefore, when using a positive electrode agent having a high oxidation-reduction potential, which is generally used in a solution-based lithium ion battery, the capacity of the negative electrode is preferably smaller than the capacity of the positive electrode opposed via the polymer gel electrolyte layer. preferable. When the capacity of the negative electrode is smaller than the capacity of the opposed positive electrode, it is possible to prevent the positive electrode potential from excessively rising at the end of charging. In addition, the capacity of the positive electrode and the negative electrode can be obtained from the manufacturing conditions as a theoretical capacity at the time of manufacturing the positive electrode and the negative electrode. The capacity of the finished product may be measured directly by a measuring device.
[0064]
However, if the capacity of the negative electrode is smaller than the capacity of the opposite positive electrode, the potential of the negative electrode may be too low and the durability of the battery may be impaired. For example, the average charge voltage of one cell (single cell layer) is set to an appropriate value for the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material to be used, and care is taken so that the durability does not decrease.
[0065]
[Insulating layer]
The insulating layer is formed around each electrode for the purpose of preventing current collectors from contacting each other, leaking out of the electrolytic solution, and short-circuiting due to slight irregularities at the ends of the stacked electrodes. Things.
[0066]
As the insulating layer, any material having an insulating property, a sealing property (sealing property) against leakage of an electrolyte solution or moisture permeation from the outside, heat resistance at a battery operating temperature, and the like may be used. Although rubber, polyethylene, polypropylene and the like can be used, epoxy resins are preferred from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film formation), economy, and the like.
[0067]
[Positive and negative terminal plates]
The positive and negative electrode terminal plates may be used as needed. When used, it is better to have as thin as possible from the viewpoint of thinning in addition to having the function as a terminal, but since the laminated electrodes, electrolyte and current collector all have low mechanical strength, It is desirable to have enough strength to sandwich and support from above. Further, from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion, it can be said that the thickness of the positive electrode and negative electrode terminal plates is usually preferably about 0.1 to 2 mm.
[0068]
As the material of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal plate, a material usually used in a lithium ion battery can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), alloys thereof, and the like can be used. It is preferable to use aluminum from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0069]
The materials of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same or different. Further, these positive and negative electrode terminal plates may be formed by laminating different materials from each other in multiple layers.
[0070]
The positive and negative electrode terminal plates may have the same size as the current collector.
[0071]
[Positive and negative electrode leads]
As the positive and negative electrode leads, known leads that are usually used in lithium ion batteries can be used. In addition, since the part taken out of the battery exterior material (battery case) does not have a distance from the heat source of the automobile, it does not affect the automobile parts (especially electronic devices) by contacting them and causing a short circuit. It is preferable to coat with a heat-shrinkable heat-shrinkable tube or the like.
[0072]
[Battery exterior material (battery case)]
In order to prevent external shock and environmental degradation, the bipolar battery body must be entirely covered with a battery exterior material or battery case in order to prevent external impact and environmental degradation during use. (Not shown). From the viewpoint of weight reduction, a conventionally known battery package such as a polymer-metal composite laminate film or an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is coated with an insulator such as a polypropylene film. It is preferable that the battery laminate is housed and sealed by using a material and joining a part or all of its peripheral portion by heat fusion. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may have a structure sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, the use of a polymer-metal composite laminate film or aluminum laminate pack with excellent thermal conductivity allows the heat to be efficiently transmitted from the heat source of the vehicle and quickly heats the inside of the battery to the battery operating temperature. preferable.
[0073]
Next, in the present invention, an assembled battery formed by connecting a plurality of the above bipolar batteries can be provided. That is, by using at least two or more bipolar batteries of the present invention and connecting them in series and / or in parallel to form an assembled battery, it is possible to respond to the demand for battery capacity and output for each purpose of use relatively inexpensively. It becomes possible to do.
[0074]
Specifically, for example, the above-mentioned N bipolar batteries are connected in parallel, and N parallel bipolar batteries are further connected in series to be stored in a metal or resin battery pack case to form a battery pack. . At this time, the number of series / parallel connected bipolar batteries is determined according to the purpose of use. For example, a large-capacity power supply such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) may be combined so as to be applicable to a driving power supply of a vehicle requiring a high energy density and a high output density. Further, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal for the assembled battery and the electrode lead of each bipolar battery may be electrically connected using a lead wire or the like. When the bipolar batteries are connected in series / parallel, they may be electrically connected using a suitable connecting member such as a spacer or a bus bar. However, the battery pack of the present invention should not be limited to the battery described here, and a conventionally known battery can be appropriately used. In addition, the assembled battery may be provided with various measuring devices and control devices according to the intended use, for example, a voltage measuring connector or the like may be provided to monitor the battery voltage. There is no particular limitation.
[0075]
According to the present invention, a vehicle equipped with the bipolar battery and / or the assembled battery as a driving power source can be provided. The bipolar battery and / or assembled battery of the present invention has various characteristics as described above, and is particularly a compact battery. For this reason, it is suitable as a power source for driving vehicles that have particularly strict requirements regarding energy density and output density, for example, electric vehicles and hybrid electric vehicles. For example, as shown in FIG. 10, it is convenient to mount the battery pack 13 as a drive power source under a seat at the center of the body of an electric vehicle or a hybrid electric vehicle 15 because the internal space and the trunk room can be widened. However, the present invention is not limited to these, and may be mounted at the lower part of the rear trunk room, or if the engine is not mounted like an electric vehicle, the engine at the front of the vehicle body is mounted. It can also be mounted on parts that were used. In the present invention, not only the battery pack 13 but also a bipolar battery may be mounted depending on the intended use, or these battery packs 13 and the bipolar battery may be mounted in combination. Further, as the vehicle on which the bipolar battery and / or the assembled battery of the present invention can be mounted as a driving power source, the above-described electric vehicle or hybrid electric vehicle is preferable, but is not limited thereto.
[0076]
The method for manufacturing the bipolar battery of the present invention is not particularly limited, and various conventionally known methods can be appropriately used. The following is a brief description. However, the method for manufacturing the polymer gel electrolyte layer is the same as that described with reference to FIG. 5, and a description thereof will not be repeated.
[0077]
(1) Application of positive electrode composition
First, an appropriate current collector is prepared. The positive electrode composition is usually obtained as a slurry (positive electrode slurry), and is applied to one surface of the current collector.
[0078]
The positive electrode slurry is a solution containing a positive electrode active material. Other components include a conductive auxiliary agent, a binder, a polymerization initiator, a raw material of a polymer gel electrolyte (a host polymer, an electrolyte solution, and the like), and a lithium salt. When used, it is sufficient that a conventionally known binder for binding the fine particles of the positive electrode active material, a conductive auxiliary agent for increasing electron conductivity, a solvent, and the like are included, and a host polymer as a raw material of the polymer gel electrolyte, an electrolyte solution And lithium salts may not be contained.
[0079]
Examples of the raw material of the polymer gel electrolyte include PEO, PPO, and a copolymer thereof, and the polymer gel electrolyte preferably has a crosslinkable functional group (such as a carbon-carbon double bond) in the molecule. By cross-linking the polymer gel electrolyte using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
[0080]
As for the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the lithium salt, the compounds described above can be used.
[0081]
The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyldimethyl ketal is used as a photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as a thermal polymerization initiator.
[0082]
The solvent such as NMP is selected according to the type of the positive electrode slurry.
[0083]
The amounts of the positive electrode active material, the lithium salt, and the conductive additive may be adjusted according to the purpose of the bipolar battery or the like, and may be generally used. The amount of the polymerization initiator to be added is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the polymer material. Usually, it is about 0.01 to 1% by mass relative to the polymer raw material.
[0084]
(2) Formation of positive electrode layer
The current collector coated with the positive electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the slurry for the positive electrode, a cross-linking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the solid polymer electrolyte. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. Drying conditions are determined according to the applied slurry for the positive electrode and cannot be uniquely defined, but are usually from 40 to 150 ° C. for 5 minutes to 20 hours.
[0085]
(3) Application of composition for negative electrode
A negative electrode composition (negative electrode slurry) containing a negative electrode active material is applied to the surface opposite to the surface on which the positive electrode layer is applied.
[0086]
The negative electrode slurry is a solution containing a negative electrode active material. As other components, a conductive auxiliary, a binder, a polymerization initiator, a raw material (a host polymer, an electrolytic solution, and the like) of a polymer gel electrolyte, a lithium salt, and the like are optionally included. The raw materials used and the amounts added are the same as those described in the section of “(1) Application of positive electrode composition”, and thus description thereof is omitted here.
[0087]
(4) Formation of negative electrode layer
The current collector coated with the negative electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the slurry for the negative electrode, the crosslinking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer gel electrolyte. By this operation, a bipolar electrode is completed. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied slurry for the negative electrode, and cannot be uniquely defined, but are usually at 40 to 150 ° C. for 5 minutes to 20 hours.
[0088]
(5) Lamination of bipolar electrode and polymer gel electrolyte layer
Separately, a polymer gel electrolyte layer to be laminated between the electrodes is prepared. The polymer gel electrolyte layer may be prepared by the procedure already described with reference to FIG.
[0089]
After sufficiently heating and drying the bipolar electrode produced as described above under a high vacuum, a plurality of bipolar electrodes and a plurality of polymer gel electrolyte layers are cut into appropriate sizes. The width of the polymer gel electrolyte layer is often slightly smaller than the current collector size of the bipolar electrode (see FIG. 8). A predetermined number of the cut-out bipolar electrodes and polymer gel electrolyte are attached to each other to produce a bipolar battery body (battery laminate). The number of layers is determined in consideration of battery characteristics required for a bipolar battery. A bipolar electrode having a polymer gel electrolyte layer formed on one or both sides may be directly bonded. Electrodes are arranged on the outermost polymer gel electrolyte. In the outermost layer on the positive electrode side, an electrode in which only the positive electrode layer is formed on the current collector is arranged. In the outermost layer on the negative electrode side, an electrode in which only the negative electrode layer is formed on the current collector is arranged. The step of obtaining a bipolar battery by laminating a bipolar electrode and a polymer gel electrolyte is preferably performed in an inert atmosphere. For example, a bipolar battery is preferably manufactured in an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
[0090]
(6) Packing (completion of battery)
Finally, a positive electrode terminal plate and a negative electrode terminal plate are respectively disposed on both outermost electron conductive layers of the bipolar battery body (battery laminate), and a positive electrode lead and a negative electrode lead are further provided on the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate. Are joined (electrically connected) and taken out. The method for joining the positive electrode lead and the negative electrode lead is not particularly limited, but ultrasonic welding or the like having a low joining temperature can be suitably used, but is not limited to this. A known joining method can be appropriately used.
[0091]
The entire battery stack is sealed with a battery exterior material or a battery case in order to prevent external impact and environmental degradation, thereby completing a bipolar battery. The material of the battery exterior material (battery case) is preferably a metal (aluminum, stainless steel, nickel, copper, or the like) whose inner surface is covered with an insulator such as a polypropylene film.
[0092]
【Example】
The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
[0093]
Example 1 (example of the first embodiment)
<Formation of electrode>
1. Positive electrode layer
Spinel LiMn having an average particle diameter of 2 μm as a positive electrode active material 2 O 4 [85% by mass], acetylene black [5% by mass] as a conductive aid, PVDF [10% by mass] as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent (NMP is (Because it is removed by volatilization, an appropriate amount was added so as to obtain an appropriate slurry viscosity instead of the constituent material of the electrode.) A material composed of the above ratio (indicated by a ratio converted by a component excluding the slurry viscosity adjusting solvent). To prepare a positive electrode slurry.
[0094]
The positive electrode slurry was applied to one surface of a SUS foil (thickness: 20 μm) as a current collector, placed in a vacuum oven, and dried at 120 ° C. for 10 minutes to form a positive electrode layer having a dry thickness of 50 μm.
[0095]
2. Negative electrode layer
Li as negative electrode active material 4 Ti 5 O 12 [85% by mass], acetylene black [5% by mass] as a conductive additive, PVDF [10% by mass] as a binder, and NMP (an appropriate amount was added so as to obtain an appropriate slurry viscosity) as a slurry viscosity adjusting solvent. The negative electrode slurry was prepared by mixing the materials in the above-described ratio (the ratio was calculated in terms of components excluding the slurry viscosity adjusting solvent). In addition, Li used for the negative electrode active material was used. 4 Ti 5 O 12 Has an average particle size of 10 μm, and has a structure in which primary particles of 0.2 to 0.5 μm are necked to some extent.
[0096]
The negative electrode slurry was applied to the opposite surface of the SUS foil on which the positive electrode layer was formed, placed in a vacuum oven, and dried at 120 ° C. for 10 minutes to form a negative electrode layer having a dry thickness of 50 μm.
[0097]
A bipolar electrode was formed by forming a positive electrode layer and a negative electrode layer on both sides of a SUS foil as a current collector (see FIG. 1).
[0098]
<Formation of seal part>
Four sides of an outer peripheral portion of a 50 μm-thick polypropylene nonwoven fabric were immersed in an epoxy resin as a resin for electrolyte sealing with a width of 10 cm from the outer edge, and then the epoxy resin was cured to form an electrolyte seal portion. (See FIG. 5C).
[0099]
<Formation of gel electrolyte layer>
As a raw material for the gel electrolyte, a copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide (copolymerization ratio: 5: 1, weight average) as a raw material for the gel electrolyte, inside the non-woven fabric having an electrolyte seal portion formed on the outer periphery. [5% by mass], EC + DMC (EC: DMC (volume ratio) = 1: 3) as an electrolyte, and 1.0 M Li (C) as a lithium salt (supporting salt). 2 F 5 SO 2 ) 2 N (the total amount of the electrolyte and the lithium salt was 95% by mass. The amount of the lithium salt was 1.0 M with respect to the electrolyte). 1% by mass), and thermally polymerized at 90 ° C. for 1 hour in an inert atmosphere to hold the gel electrolyte at the center of the nonwoven fabric to form a gel electrolyte layer (FIG. 5 ( See E)). The thickness of the obtained gel electrolyte layer was 50 μm, which was not thicker than the nonwoven fabric.
[0100]
<Formation of bipolar battery>
The bipolar electrode and a gel electrolyte layer as an electrolyte-retaining nonwoven fabric were laminated so that the positive electrode layer and the negative electrode layer of the electrode sandwiched the gel electrolyte layer.
[0101]
After laminating five layers (equivalent to five cells), the battery laminate was sealed with a laminate pack (aluminum laminated with a polypropylene film; battery exterior material) to form a bipolar battery.
[0102]
Example 2 (example of the second embodiment)
<Formation of electrode>
1. Positive electrode layer
Spinel LiMn having an average particle diameter of 2 μm as a positive electrode active material 2 O 4 [85% by mass], acetylene black [5% by mass] as a conductive aid, PVDF [10% by mass] as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent (to obtain an appropriate slurry viscosity) Was mixed in the above ratio (showing a ratio converted by a component excluding the solvent for adjusting the slurry viscosity) to prepare a positive electrode slurry.
[0103]
The positive electrode slurry was applied to one surface of a SUS foil (thickness: 20 μm) as a current collector, placed in a vacuum oven, and dried at 120 ° C. for 5 minutes to form a positive electrode layer having a dry thickness of 50 μm.
[0104]
2. Negative electrode layer
Li as negative electrode active material 4 Ti 5 O 12 [85% by mass], acetylene black [5% by mass] as a conductive additive, PVDF [10% by mass] as a binder, and NMP (an appropriate amount was added so as to obtain an appropriate slurry viscosity) as a slurry viscosity adjusting solvent. The negative electrode slurry was prepared by mixing the materials in the above-described ratio (the ratio was calculated in terms of components excluding the slurry viscosity adjusting solvent). In addition, Li used for the negative electrode active material was used. 4 Ti 5 O 12 Has an average particle size of 10 μm, and has a structure in which primary particles of 0.2 to 0.5 μm are necked to some extent.
[0105]
The negative electrode slurry was applied to the opposite surface of the SUS foil on which the positive electrode layer was formed, placed in a vacuum oven, and dried at 120 ° C. for 5 minutes to form a negative electrode layer having a dry thickness of 50 μm.
[0106]
A bipolar electrode was formed by forming a positive electrode layer and a negative electrode layer on both sides of a SUS foil as a current collector (see FIG. 1).
[0107]
<Formation of all solid electrolyte part>
Li (C) is used as a supporting salt on the outer periphery of a 50 μm-thick polypropylene nonwoven fabric. 2 F 5 SO 2 ) 2 Polymer (copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide) containing N [28% by mass] and an organic peroxide (specifically, t-hexylperoxypiparate) [0.7% by mass] as a polymerization initiator (A material having a copolymerization ratio of 5: 1 and a weight-average molecular weight of 8000 was used.) A material for an all-solid electrolyte was immersed in a width of 10 mm from the outer periphery and dried by heating at 80 ° C. for 10 hours in a vacuum atmosphere. Simultaneously, polymerization (acceleration of the cross-linking reaction) was carried out to form an all solid electrolyte portion (see FIG. 5C).
[0108]
<Formation of gel electrolyte layer>
As a raw material for a gel electrolyte, a copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide (copolymerization ratio: 5: 1, as a host polymer) as a raw material for a gel electrolyte of a nonwoven fabric having an all solid electrolyte portion formed on the outer peripheral portion. [5% by mass], EC + DMC (EC: DMC (volume ratio) = 1: 3) as an electrolytic solution, and 1.0 M Li (as a lithium salt (supporting salt)) C 2 F 5 SO 2 ) 2 N (the total amount of the electrolyte and the lithium salt was 95% by mass. The amount of the lithium salt was 1.0 M with respect to the electrolyte). 1% by mass] to form a gel electrolyte layer (see FIG. 5E). The thickness of the obtained gel electrolyte layer was 50 μm, which was not thicker than the nonwoven fabric.
[0109]
<Formation of bipolar battery>
The bipolar electrode and a gel electrolyte layer as an electrolyte-retaining nonwoven fabric were laminated so that the positive electrode layer and the negative electrode layer of the electrode sandwiched the gel electrolyte layer.
[0110]
After laminating five layers (equivalent to five cells), the battery laminate was sealed with a laminate pack (aluminum laminated with a polypropylene film; battery exterior material) to form a bipolar battery.
[0111]
Comparative Example 1
After laminating 5 layers (for 5 single battery layers) in the same manner as in Example 1 except that a gel electrolyte layer having no electrolyte seal portion was used as Comparative Example 1, a battery pack was laminated with a laminate pack (aluminum made of polypropylene film). (A battery exterior material) to form a bipolar battery (see FIG. 11).
[0112]
<Evaluation>
Each of the batteries of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was subjected to a charge / discharge cycle test. The charge / discharge cycle test was performed at 25 ° C., and the charge / discharge current value was 0.5 CA.
[0113]
In the battery of Comparative Example 1 having no electrolyte seal portion, during the initial charging, the electrolyte oozes out of the unit cell layer and comes into contact with the electrolyte of another unit cell layer to cause a liquid junction, Battery voltage dropped significantly.
[0114]
In the bipolar batteries of Examples 1 and 2 having another electrolyte sealing layer, it was confirmed that the voltage of each unit cell layer was maintained even after more than 50 cycles, and no liquid junction occurred.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view schematically showing a basic structure of a bipolar electrode constituting a bipolar battery of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic structure of a unit cell layer (single cell) constituting the bipolar battery of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view schematically showing a basic structure of a bipolar battery of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing a basic configuration of a bipolar battery of the present invention.
FIG. 5 is a schematic plan view and a schematic cross-sectional view schematically showing a state of a manufacturing process of a typical electrolyte layer used in the bipolar battery of the present invention. FIG. 5A is a schematic plan view illustrating a nonwoven fabric that is a base material of an electrolyte layer before production. FIG. 5B is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. FIG. 5C is a schematic plan view schematically showing a state of a process of manufacturing an electrolyte layer at a stage where an electrolyte sealing resin portion or an all-solid polymer electrolyte portion is formed on an outer peripheral portion of a nonwoven fabric. FIGS. 5D and 5D ′ are schematic cross-sectional views taken along line BB of FIG. 5C. FIG. 5E is a schematic plan view schematically showing a state in which a gel electrolyte portion is formed near the center of the nonwoven fabric to complete the electrolyte layer. FIGS. 5F and 5F ′ are schematic cross-sectional views taken along line CC of FIG. 5E.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a basic structure of a bipolar battery using the polymer gel electrolyte (first embodiment) of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic structure of a bipolar battery using the polymer gel electrolyte (second embodiment) of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a structure near an outer peripheral portion of an electrode laminate (part) constituting a bipolar battery of the present invention.
FIG. 9 is a schematic plan view schematically showing a typical electrolyte layer used in the bipolar battery of the present invention. FIG. 9B shows the amount of electrolyte contained in the electrolyte layer in FIG. 2) is a drawing displayed along the line AA.
FIG. 10 is a schematic diagram schematically showing a vehicle equipped with a bipolar battery and / or a battery pack according to the present invention as a driving power supply.
FIG. 11 is a schematic sectional view schematically showing the basic structure of a bipolar battery of the present invention using a conventional polymer gel electrolyte.
[Explanation of symbols]
1 ... current collector (metal foil)
2 ... Positive electrode layer,
3: Negative electrode layer,
4 ... Electrolyte layer (electrolyte membrane),
4a: non-woven fabric,
4b: electrolyte sealing resin part,
4b ': all solid polymer electrolyte part,
4c: gel electrolyte part,
4 ': polymer gel electrolyte layer,
5 ... Bipolar electrode,
5a: an electrode having a positive electrode layer disposed only on one required surface of the current collector;
5b: an electrode in which a negative electrode layer is arranged on only one required surface of the current collector,
6 ... unit cell layer (single cell),
7 ... electrode laminate,
8 Positive electrode lead,
9 ... negative electrode lead,
10. Battery exterior material,
11. Bipolar lithium ion secondary battery,
13 ... battery pack,
15 Vehicle (electric vehicle or hybrid electric vehicle).

Claims (6)

集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラ電池において、
前記電解質層が、不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に電解質シール用の樹脂が保持されてなる構造を有することを特徴とするバイポーラ電池。
In a bipolar battery in which a positive electrode is formed on one surface of a current collector and a bipolar electrode having a negative electrode formed on the other surface, a plurality of bipolar electrodes are stacked in series with an electrolyte layer interposed therebetween.
The electrolyte layer has a structure in which a polymer gel electrolyte is held in the vicinity of a central portion of the nonwoven fabric, and a resin for electrolyte sealing is held in an outer peripheral portion of a portion of the same nonwoven fabric holding the gel electrolyte. Features a bipolar battery.
前記電解質シール用の樹脂に、シリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチレン、パラフィンワックスから選択される樹脂を用いたことを特徴とする請求項1に記載のバイポーラ電池。The bipolar battery according to claim 1, wherein a resin selected from silicone, epoxy, urethane, polybutadiene, polypropylene, polyethylene, and paraffin wax is used as the resin for the electrolyte seal. 集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラ電池において、
前記電解質層が、不織布の中心部近傍に高分子ゲル電解質が保持され、同一の不織布の、ゲル電解質を保持させた部分の外周部に全固体高分子電解質が保持されてなる構造を有することを特徴とするバイポーラ電池。
In a bipolar battery in which a positive electrode is formed on one surface of a current collector and a bipolar electrode having a negative electrode formed on the other surface, a plurality of bipolar electrodes are stacked in series with an electrolyte layer interposed therebetween.
The electrolyte layer has a structure in which a polymer gel electrolyte is held near the center of the nonwoven fabric, and the same nonwoven fabric has a structure in which an all-solid polymer electrolyte is held on the outer periphery of the portion holding the gel electrolyte. Features a bipolar battery.
正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、
負極活物質としてカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイポーラ電池。
Using a lithium-transition metal composite oxide as the positive electrode active material,
The bipolar battery according to any one of claims 1 to 3, wherein carbon or a lithium-transition metal composite oxide is used as the negative electrode active material.
請求項1〜4に記載のバイポーラ電池を複数個接続して構成した組電池。An assembled battery comprising a plurality of the bipolar batteries according to claim 1 connected to each other. 請請求項1〜4に記載のバイポーラ電池および/または請求項5に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなることを特徴とする車両。A vehicle comprising the bipolar battery according to claims 1 to 4 and / or the assembled battery according to claim 5 as a driving power supply.
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