JP2004164897A - Bipolar battery - Google Patents

Bipolar battery Download PDF

Info

Publication number
JP2004164897A
JP2004164897A JP2002326701A JP2002326701A JP2004164897A JP 2004164897 A JP2004164897 A JP 2004164897A JP 2002326701 A JP2002326701 A JP 2002326701A JP 2002326701 A JP2002326701 A JP 2002326701A JP 2004164897 A JP2004164897 A JP 2004164897A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electron conductive
battery
polymer
positive electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002326701A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4674434B2 (en
Inventor
Yasuhiko Osawa
康彦 大澤
Yasunari Hisamitsu
泰成 久光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2002326701A priority Critical patent/JP4674434B2/en
Publication of JP2004164897A publication Critical patent/JP2004164897A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4674434B2 publication Critical patent/JP4674434B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bipolar battery made by using a novel collector excellent in corrosion resistance at a positive electrode side and not alloying with lithium at a negative electrode side, with its thickness appropriate in comparison with an electrode layer and an electrolyte layer. <P>SOLUTION: Of the bipolar battery 1 having a structure of laminating electrode lamination bodies formed by laminating a positive electrode layer 5 on one face of a sheet of polymer electrolyte film 3 and a negative electrode layer 7 on the other face through an electron conductive layer, the electron conductive layer 11 contains mainly an insulating polymer and an electron conductive filler. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極層と負極層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する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電気自動車などの大容量電源として、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が開発されてきた。リチウムイオン二次電池の基本構成は、アルミニウム集電体にコバルト酸リチウムなどの正極活物質とアセチレンブラックなどの導電助材をバインダを用いて塗布した正極と、銅集電体にカーボン微粒子をバインダを用いて塗布した負極を、ポリオレフィン系の多孔質膜セパレータを介して配置し、これにLiPF等を含む非水電解液を満たしたものとなっている。電気自動車等へ適用する場合には、この構成の単電池(セル)を直列接続して、電池モジュール単位、更にモジュールを直列接続して組電池を構成して用いる。
【0003】
電池のエネルギー密度、出力密度の観点からは、セル間接続、モジュール間接続の接続抵抗的、空間的、重量的改良が望まれる。最近、このセル間接続の抵抗低減が可能でコンパクト化が期待できるバイポーラ電極ユニットを採用した電池の提案がなされた(例えば、特許文献1参照。)。この提案では、集電体に2種類の金属箔を圧延加工したいわばクラッド材を用いて、電解質にゲル電解質を用いているので、各セル単位での密閉シールが不可欠であり、セル間の液絡がおこる可能性がある。このゲル電解質のかわりに、高分子固体電解質を用いれば、密閉シールが不要となり現実的なバイポーラ電池を構成できる(例えば、特許文献2、3参照。)。かかる電解質として高分子電解質を用いて構成された全固体高分子電池であるバイポーラ電池では、電解液を含まないために液漏れやガス発生などがなく、信頼性が極めて高いという利点を有している。(例えば、特許文献2、3参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−204136号公報
【特許文献2】
特開2000−100471号公報
【特許文献3】
特開2002−75455号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバイポーラ電池は、集電体層に金属箔やその積層体を用いていたため、正極側での耐食性の問題や負極でのリチウムとの合金化のため、使用できる集電体が極限られていた。また、数十μm程度の厚さの集電箔の片面に正極層、他方の面に負極層を配し、これを高分子電解質層を介して積層した構造であり、電極層と電解質層に比べて集電箔の厚さが厚くなり、電池のエネルギー密度、出力密度が低下するものである。
【0006】
したがって、本発明が目的とするところは、正極側での耐食性に優れ、かつ負極でのリチウムとの合金化を生じない新規な集電体であって、電極層と電解質層に比べてその厚さが適正である集電体を用いてなるバイポーラ電池を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、電子伝導性層が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴としたバイポーラ電池である。
【0008】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ電池では、集電体としての電子伝導性層に金属箔でないもの(絶縁性高分子とカーボンブラックなど)を用いることができ、正極側での耐食性に優れ、かつ負極でのリチウムとの合金化を生じず、さらに電子伝導性層を通常の方法で数十μm(通常35μm程度)の金属箔を用いる場合よりも薄くでき、該電子伝導性層の厚さを電極層と電解質層(膜)に対して適正な範囲(1〜20μm程度)にすることができ、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくできる。そのため、各種産業において有用な電力源となる。
【0009】
【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。
【0010】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、
電子伝導性層が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものである。
【0011】
電子伝導性層は、通常集電体(バイポーラ電池ではセル間隔壁兼電子伝導体)といわれ、電子的に伝導度が高い金属箔を使用しているが、バイポーラ電池では、電流は電極面と垂直方向に流れるので、それほど高い電子伝導性は必ずしも必要ない。また、従来は電極の製造法として、金属箔に電極原料スラリーを塗布して、乾燥固化(場合によっては重合)していた。そのため、用いる金属箔はある程度の強度が必要であり、これらのことから、材質にもよるが必然的に15〜20μm程度の厚さが必要であった。そこで、本発明の第一の形態では、バイポーラ電池である特徴を生かして、この電子伝導性層として、新たに絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた薄膜を用いた構造としたものである。
【0012】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態では、電子伝導性層として絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた薄膜は、それほど高い電子伝導性は必ずしも必要でないとの知見から、原料のスラリー化が容易であり、簡単に数μm程度に薄膜化できる原料を選択することができる点で有利である。すなわち、集電体としての電子伝導性層に金属以外の材質を用いることができるようになり、特にカーボンを電子伝導性フィラーとして用いた電子伝導性層は、該電子伝導性層(薄層)の貼り付けのほかに、電子伝導性層用原料スラリーを直接塗布することにより電子伝導性層を形成できて、エネルギー密度、出力密度の高いバイポーラ電池を構成できる。また、金属箔に比して、正極側での耐食性の問題や負極でのリチウムとの合金化の問題のない材料を選択できる点において有利である。また、原料のスラリー化が容易である材料を選択し得ることから、構造的にも、一定の強度を有する集電体の両面に電極原料スラリーを塗布して電極を形成するのではなく、例えば、一定の強度を持つ高分子電解質層の両面に電極原料スラリーを塗布して電極を形成し、該高分子電解質層の両面に形成した電極上に電子伝導性層の原料スラリーを塗布し、乾燥固化するなどして電子伝導性層を形成することができる点で有利である。すなわち、従来とは反対に電極上に電子伝導性層を形成すればよいため、該電子伝導性層は従来の製造過程で必要とされたような強度を全く必要とせず、簡単に薄膜化できる点においても極めて有利である。
【0013】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態において、電子伝導性層の厚さは、薄膜化し、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、1〜20μmが好ましく、より好ましくは5〜10μmの範囲とするのが望ましい。電子伝導性層の厚さが1μm未満の場合にはイオン的短絡の可能性があり、20μmを超える場合にはエネルギー密度的にメリットが小さい。
【0014】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態で用いることができる電子伝導性層は、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常におおきければよい。
【0015】
このうち、上記電子伝導性フィラーとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものから適宜選択して使用できるものであり、カーボンブラック、金属微粒子、導電性セラミックス等を用いることができる。なかでも、上記電子伝導性層の絶縁性高分子内への分散性から、種々の表面修飾ができる点で、カーボンブラックが好ましいといえるものである。電子伝導性層の電子伝導性フィラーにカーボンブラックを用いることにより、より容易に低コストで目的(高エネルギー密度化、高出力密度化)を達成することができる。
【0016】
上記電子伝導性フィラーの大きさは、分散性等の観点から0.5μm未満であるのがよい。0.5μmを超える場合には、薄膜をつくりにくくなる。ここでいう大きさは、電子伝導性フィラーの(基本)粒子の粒径(大きさ)の平均値とする。
【0017】
また、絶縁性高分子としては、特に制限されるものではなく、例えば、下記に示すような従来公知のものから適宜選択して使用できるものである。
【0018】
(1)熱可塑性の絶縁性高分子を利用することができる。かかる熱可塑性の絶縁性高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどが好適に使用できる。
【0019】
該熱可塑性の絶縁性高分子を用いて電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化させた電子伝導性層を形成する方法などが挙げられるが、これらに何ら制限されるべきものではない。
【0020】
(2)上記絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に共に分散可能なものも使用可能である。該溶媒分散性の絶縁性高分子は、電池性能に影響を及ぼさないもので溶媒に分散できればよい。かかる溶媒分散性の絶縁性高分子としては、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0021】
該溶媒分散性の絶縁性高分子を用いて電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、該絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーを溶媒に分散してなる電子伝導性層用原料スラリーを調製し、該電子伝導性層用原料スラリーを、例えば、一定の強度を有する電解質層の両面にそれぞれ形成した電極上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより電子伝導性層の薄膜を製膜できる。
【0022】
また、該電子伝導性層用原料スラリーをガラス板やPETフィルムに塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製した後、該薄膜を電極に貼り付け、その後ガラス板やPETフィルムを剥がすことで、電子伝導性層の薄膜を形成することもできる。
【0023】
ここで、上記(1)、(2)のいずれの製法方法においても、得られる電子伝導性層中のカーボンブラック等の電子伝導性フィラーの含有量が、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%の範囲となるように、原料中の電子伝導性フィラーの配合量を調整するのが望ましい。電子伝導性フィラーの含有量が、5質量%未満の場合には抵抗が大きくなり、50質量%を超える場合には均一な薄膜をつくりにくくなる。
【0024】
以下、本発明に係るバイポーラ電池の第一の代表的な実施形態を、図面を用いて簡単に説明する。ただし、本発明がかかる実施形態に何ら制限されるべきものでないことはいうまでもない。
【0025】
図1は、本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。図1に示すように、本発明のバイポーラ電池1は、一枚の高分子電解質膜(高分子電解質層3)の片方の面上に正極層5を有し、他方の面上に負極層7を有する電極積層体9を、電子伝導性層11を介して複数積層した構造を持つものであって、電子伝導性層11が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものである。言い換えれば、集電体としての電子伝導性層11の一の面に正極層5を配置し、他の面に負極層7を配置した構造のバイポーラ電極9’を、高分子電解質膜(高分子電解質層3)を介して複数積層した構造を持つものともいえる。すなわち、正極層5、電子伝導性層(集電体)11、および負極層7が、この順序で積層した構造を有する。
【0026】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態では、n個の電極積層体9と、n+1個の電子伝導性層11とを交互に積層し、最外層に電子伝導性層11を配置すればよい。
【0027】
電極積層体の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。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。
【0028】
次に、本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、電子伝導性層が金属層の少なくとも片面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層を有することを特徴とするものである。
【0029】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態では、電子伝導性層の一部に金属層(例えば、金属箔)を使用する場合でも、第一の実施形態で説明したと同様の作用効果を奏するほかに、正極側の耐食性の問題回避などのために、電子伝導性層として、金属層と絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた層の積層体を用いることができる。これにより、通常使用できないような銅箔も、正極層側に絶縁性高分子にカーボンブラックのような電子伝導性フィラーを充填させた層を積層する(配置する)ことにより、金属層の1種として有効に活用することができるものである。したがって、こうした金属層と絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた層の積層体を電子伝導性層として用いた場合であっても、高エネルギー密度、高出力密度の電池を構成することができるものである。
【0030】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態における、金属層の少なくとも片面に設けられる絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層(本明細書中、単に、主要層ともいう)は、先述した本発明の第一の形態において説明した電子伝導性層と同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【0031】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態においても、電子伝導性層の厚さは、薄膜化により電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、本発明の第一の態様にける電子伝導性層の厚さと同程度であるのが望ましい。したがって、主要層の厚さは、金属層の厚さにもよるが、好ましくは0.1〜20μm、より好ましくは0.5〜10μmの範囲であるのが望ましい。主要層の厚さが0.1μm未満の場合にはエネルギ−密度的にメリットが小さくなる。なお、ここでいう主要層の厚さは、金属層の片面に設ける場合にはその厚さを、また金属層の両面に設ける場合には、これらの両面の合計の厚さをいうものとする。
【0032】
電子伝導性層の構成要件の1つである主要層は、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常に大きければよい。
【0033】
このうち、上記電子伝導性フィラーとしては、従来公知のものから適宜選択して使用できるものであるが、好ましくはカーボンブラックである。これは、上記主要層の絶縁性高分子内への分散性から、種々の表面修飾ができる点で、カーボンブラックが好ましいといえるものである。主要層の電子伝導性フィラーにカーボンブラックを用いることにより、より容易に低コストで目的(高エネルギー密度化、高出力密度化)を達成することができる。
【0034】
また、上記絶縁性高分子としては、特に制限されるものではなく、例えば、下記に示すような従来公知のものから適宜選択して使用できるものである。
【0035】
(1)熱可塑性の絶縁性高分子を利用することができる。かかる熱可塑性の絶縁性高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどが好適に使用できる。
【0036】
該熱可塑性の絶縁性高分子を用いて主要層、さらには電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化させた主要層を形成することができる。該主要層の薄膜は、金属層の片面または両面に積層することで電子伝導性層を形成することができる。あるいは主要層の薄膜を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付けるなどして積層し、その後、該主要層の薄膜上に金属層を積層することで、電子伝導性層、更には電極積層体を形成することもできるが、これらの方法に何ら制限されるべきものではない。
【0037】
(2)上記絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に共に分散可能なものも使用可能である。該溶媒分散性の絶縁性高分子は、電池性能に影響を及ぼさないもので溶媒に分散できればよい。かかる溶媒分散性の絶縁性高分子としては、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0038】
該溶媒分散性の絶縁性高分子を用いて主要層、さらには電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、該絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーを溶媒に分散してなる主要層用原料スラリーを調製し、該主要層用原料スラリーを、例えば、一定の強度を有する電解質層の両面にそれぞれ形成した電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)または該電極上に積層された金属層上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより主要層の薄膜を製膜できる。なお、電極上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより主要層の薄膜を製膜した場合には、主要層用原料スラリーを塗布後に金属層を積層した後に、乾燥して主要層の薄膜を製膜すればよい。これにより、電子伝導性層、さらには電極積層体を併せて形成することができる。
【0039】
また、該主要層用原料スラリーを金属層の片面又は両面に塗布し、溶媒を乾燥して主要層の薄膜を作製することで、電子伝導性層を形成することができる。この場合、該電子伝導性層の主要層(または金属層)側の面を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付けるなどして積層することで、後述する電極積層体を形成することもできる。
【0040】
さらに、該主要層用原料スラリーをガラス板やPETフィルムに塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製した後、該薄膜を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付け、その後ガラス板やPETフィルムを剥がすことで、主要層の薄膜を形成すると同時に電子伝導性層(さらには電極積層体)を形成することもできる。
【0041】
ここで、上記(1)、(2)のいずれの製法方法においても、得られる主要層中のカーボンブラック等の電子伝導性フィラーの含有量が、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%の範囲となるように、原料中の電子伝導性フィラーの配合量を調整するのが望ましい。電子伝導性フィラーの含有量が、5質量%未満の場合には、抵抗が大きくなり、50質量%を超える場合には均一な薄膜をつくりにくくなる。
【0042】
また、電子伝導性フィラーの大きさは、先に説明した第1の実施形態での電子伝導性フィラーの大きさと同じでよい。
【0043】
上記電子伝導性層の構成要件の1つである金属層(の材料)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ものであってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせたものを用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔を金属層として用いることが好ましい。
【0044】
金属層の厚さも、バイポーラ電池における集電体たる電子伝導性層の厚さを薄くし、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、1〜20μm、より好ましくは3〜10μmの範囲であるのが望ましいといえる。金属層の厚さが1μm未満の場合には、製造上問題であり、20μmを超える場合には電池のエネルギー密度的にメリットがちいさくなる。
【0045】
上記主要層と金属層の厚さの比は、特に制限されるものではないが、10:1〜1:20程度であれば良い。
【0046】
以下、本発明の第二の形態の代表的な実施例を、図面を用いて簡単に説明する。ただし、本発明がこれらの実施形態に何ら制限されるべきものでないことはいうまでもない。
【0047】
図2は、本発明に係るバイポーラ電池の第二の代表的な一実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。図2に示すように、本発明の第二のバイポーラ電池21は、一枚の高分子電解質膜(高分子電解質層23)の片方の面上に正極層25を有し、他方の面上に負極層27を有する電極積層体29を、電子伝導性層31を介して積層した構造を持つものであって、電子伝導性層31が、金属層31aの少なくとも片面、図中は正極層25と接する面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層(電子伝導性を有する層)31bを有することを特徴とするものである。言い換えれば、集電体としての電子伝導性層31の一の面(図2では、電子伝導性を有する層31b側)に正極層25を配置し、他の面(図2では、金属層31a側)に負極層27を配置した構造のバイポーラ電極29’を、高分子電解質膜(高分子電解質層23)を介して複数積層した構造を持つものともいえる。すなわち、正極層25、電子伝導性層(集電体)31(電子伝導性を有する層31b、金属層31a)、および負極層27が、この順序で積層した構造を有する。
【0048】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態では、n個の電極積層体29と、n+1個の電子伝導性層31とを交互に積層し、最外層に電子伝導性層31を配置すればよい。
【0049】
電極積層体の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。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。
【0050】
本発明に係るバイポーラ電池では、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、シート状に積層されたバイポーラ電池本体(図1、2を参照のこと。)を電池外装材または電池ケース(図示せず)に収容するとよい。バイポーラ電池本体を封止する電池外装材または電池ケースのうち、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの内面(両面)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体でラミネートした金属−高分子複合ラミネートフィルムのような従来公知の電池外装材で被覆したものなどが好適である。
【0051】
本発明に係るバイポーラ電池は、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。
【0052】
次に、本発明のバイポーラ電池の構成要素について、個別に説明する。
【0053】
[電子伝導性層]
電子伝導性層は、本発明の特徴とする構成要件であり、先述した第一および第二の実施形態において説明した通りである。
【0054】
すなわち、本発明に用いることができる電子伝導性層は、電子伝導性層が、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものであり、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で、面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常におおきければよい。
【0055】
電子伝導性フィラーとしては、カーボンブラックなどを好適に利用することができるが、これに制限されるものではない。かかる電子伝導性フィラー、特にカーボンブラックの量は5〜50質量%がよく、より好ましくは10〜30質量%である。
【0056】
▲1▼絶縁性高分子にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性高分子を用いることができる。
【0057】
▲2▼絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に分散可能なものを用いることができる。ここで、溶媒に分散可能な絶縁性高分子としては、電池性能に影響をおよびさないもので溶媒に分散できればよく、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0058】
[正極層(正極活物質層とも称する)]
正極層は、正極活物質を含む。この他にも、高分子電解質として極性を有する高分子とリチウム塩、電子伝導性を高めるために導電助材、バインダなどが含まれ得る。
【0059】
高分子電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、正極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。正極層における正極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、正極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0060】
一方、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極層に高分子電解質が含まれていなくてもよく、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が含まれていれば良い。
【0061】
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。
【0062】
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、電解質が固体でない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、正極活物質の平均粒径が0.1〜5μmであるとよい。
【0063】
高分子固体電解質用高分子としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。か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。本発明において高分子固体電解質は、正極活物質層または負極活物質層の少なくとも一方に含まれる。ただし、バイポーラ電池の電池特性をより向上させるためには、双方に含まれることが好適である。
【0064】
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。
【0065】
導電助材としては、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。
【0066】
上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、SBR、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0067】
正極層における、正極活物質、高分子固体電解質、リチウム塩、導電助材、バインダなどの配合量は、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。
【0068】
例えば、高分子固体電解質を用いる場合に、その配合量を決定する場合を例にとれば、正極層内における高分子固体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固体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固体電解質量を決定すればよい。なお、他の構成成分の配合量に関しても同様に適宜決定すればよい。
【0069】
ここで現状レベルの高分子固体電解質(イオン伝導度:10−5〜10−4S/cm)を用いて電池反応性を優先するバイポーラ電池を製造する場合について、具体的に考えてみる。かような特徴を有するバイポーラ電池を得るには、導電助材を多めにしたり活物質のかさ密度を下げたりして、活物質粒子間の電子伝導抵抗を低めに保つ。同時に空隙部を増やし、該空隙部に高分子固体電解質を充填する。かような処理によって高分子固体電解質の割合を高めるとよい。
【0070】
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。一般的な正極活物質層の厚さは10〜500μm程度である。
【0071】
[負極層]
負極層は、負極活物質を含む。この他にも、高分子電解質、イオン伝導性を高めるためにリチウム塩、電子伝導性を高めるために導電助材、バインダなどが含まれ得る。
【0072】
高分子電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、負極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。負極層における負極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、負極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0073】
一方、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、負極層に高分子電解質が含まれていなくてもよく、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が含まれていれば良い。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。
【0074】
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、ハードカーボン、ソフトカーボンなどを用いることができる。
【0075】
[高分子電解質層]
上記高分子電解質層としては、固体高分子電解質に制限されるべきものではなく、高分子ゲル電解質であっても、単電池層の周囲に絶縁層を形成するなどして、液絡を防止することができるものであれば利用することができるほか、これらを併用することもできる。また、電解質層を多層構造とすることもでき、正極側と負極側とで、電解質の種類や成分配合比を変えた層を形成することもできる。高分子ゲル電解質を用いる場合、該高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率(質量比)は、特に制限されるべきものではないが、20:80〜95:5の範囲での使用が一般的である。
【0076】
上記固体高分子電解質層は、イオン伝導性を有する高分子とリチウム塩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。イオン伝導性を有する高分子としては、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高分子が挙げられる。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。
【0077】
また、高分子ゲル電解質は、上記に規定したように、高分子マトリックスに、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。
【0078】
これら固体高分子電解質もしくは高分子ゲル電解質は、電池を構成する高分子電解質層のほか、上記したように正極層および/または負極層にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質層、正極層、負極層によって異なる高分子電解質を用いてもよいし、同一の高分子電解質を使用してもよいし、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【0079】
電池を構成する高分子電解質層の厚さは、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。一般的な高分子電解質層の厚さは10〜100μm程度である。
【0080】
[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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
[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。
【0084】
[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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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、電気自動車ないしハイブリッド電気自動車の車体中央部の座席下に組電池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。
【0088】
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。
【0089】
(1)電子伝導性層の形成
絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む電子伝導性層は、以下により得られる。
【0090】
▲1▼絶縁性高分子にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性高分子を用いる場合には、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化することにより得られる。
【0091】
▲2▼絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に分散可能なものを用いる場合には、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを溶媒に溶解してなるスラリーを電極に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布などにより製膜することにより得られる。あるいは、上記スラリーをガラス板やPETフィルムなどの支持材上に塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製することにより得られる。▲2▼の場合は、(2)以降で形成する電極を、予め適当な支持材(ガラス板やPETフィルムなど)ないし電解質層上に形成しておき、かかる電極上に電子伝導性層を▲2▼の手順で形成すればよい。すなわち、以下に説明する手順は、上記▲1▼の場合の手順であり、▲2▼の場合には、これらの形成順序や塗布や積層対象物ないし塗布や積層被対象物を入れ替えて行うものである。ただし、既に説明した図1、2に示すように電池を構成する上で、既存の集電体に電極を形成していたのを、集電体に変わる電子伝導性層を電極に形成することを除けば▲1▼と同様にして電池を形成することができる。そのため、▲2▼の製造方法を使った電池の製造手順に関しては、実施例で実施していることから、ここでの説明は省略する。
【0092】
(2)正極用組成物の塗布
正極用組成物は、通常、スラリー(正極用スラリー)として得られ、PET等のファイルム上に塗布される。この他に、上記▲1▼で作製した電子伝導性層を準備して、その一方の面に塗布してもよい。
【0093】
正極用スラリーは、正極活物質を含み、他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、高分子電解質用高分子の原料、リチウム塩、溶媒などが任意で含まれる。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材、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。
【0094】
高分子電解質の高分子原料は、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。
【0095】
正極活物質、導電助材、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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
正極活物質、リチウム塩、導電助材、バインダ、高分子電解質の高分子原料等の添加量は、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、高分子電解質の高分子原料の量応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。
【0099】
(3)正極層の形成
正極用スラリーが塗布された電子伝導性層を乾燥して、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80〜120℃で1〜6時間である。
【0100】
(4)負極用組成物の塗布
負極用組成物は、通常、スラリー(正極用スラリー)として得られ、PET等のファイルム上に塗布される。この他、正極層が塗布された面と反対側の電子伝導性層の面に、負極活物質を含む負極用組成物(負極用スラリー)を塗布してもよい。
【0101】
負極用スラリーは、負極活物質を含み、他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、高分子電解質用高分子の原料、リチウム塩、溶媒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。
【0102】
(5)負極層の形成
負極用スラリーが塗布された電子伝導性層を乾燥して、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80〜120℃で1〜6時間である。
【0103】
(6)バイポーラ電極と高分子電解質層との積層
別途、電極間に積層される高分子電解質層を準備する。
【0104】
高分子固体電解質層を用いる場合には、例えば、高分子固体電解質の原料高分子、リチウム塩等をNMPのような溶媒に溶解させて調製した溶液を硬化させることによって製造される。また、高分子ゲル電解質層を用いる場合には、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。
【0105】
これら高分子電解質層の厚さはスペーサを用いて制御できる。光重合開始剤を用いる場合には、光透過性のギャップに流し込み、紫外線を照射して架橋反応を進行させて製膜するとよい。ただし、この方法に限定されないことは勿論である。重合開始剤の種類に応じて、放射線重合、電子線重合、熱重合などを使いわける。用いる高分子電解質の原料高分子、電解液、リチウム塩、重合開始剤、各配合量などについては、前述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【0106】
以上のように作製した正負電極と高分子固体電解質層を高真空下で十分加熱乾燥してから、正負電極と高分子電解質層をそれぞれを適当なサイズに複数個切りだす。切りだされたバイポーラ電極と高分子電解質層とを所定数貼り合わせて、積層電池を作製する。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。最外層の高分子電解質層上には、それぞれ電極を配置する。正極側の最外層には、電子伝導性層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、電子伝導性層上に負極層のみを形成した電極を配置する。正負電極と高分子電解質層とを積層させてバイポーラ電池本体(電池積層体)を得る段階は、電池内部に水分等が混入するのを防止する観点から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。
【0107】
(7)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。
【0108】
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。
【0109】
【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。
【0110】
以下、本発明の実施例と比較例を説明する。
【0111】
高分子電解質としては、文献の方法に従って合成したポリエーテル形のネットワーク高分子の原料を用い(J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.)、リチウム塩としては、LiN(SO(以後これをBETIと略する)を用いた。
【0112】
(1)高分子電解質膜の作製
まず、高分子電解質膜の作製は、次のように行った。上記の高分子原料を53質量%、リチウム塩としてBETIを26質量%、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタールを高分子原料の0.1質量%加えて、溶媒としてドライアセトニトリル用いて溶液を調製したあとアセトニトリルを真空蒸留で除いた。テフロン(登録商標)スペーサーを用いて厚さを規定し、ガラス基板間にこの粘性の高い溶液を満たし、紫外線を20分間照射して光重合(架橋)した。膜を取り出して、真空容器に入れて90℃にて12時間高真空下で加熱乾燥して残留水分と溶媒を除いた。作製した高分子電解質膜の厚さは、20μmであった。
【0113】
(2)負極層の作製
負極層の作製は次のように行った。負極活物質としてLiTi12を用いた。この電極活物質28質量%、アセチレンブラック3質量%、上記の高分子原料を17質量%、BETIを8質量%、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルを高分子原料の0.1質量%加え、これに溶媒としてNMPを44質量%加えて十分に撹拌してスラリーを調製し、PETフィル上にコーターで塗布して、真空乾燥機にて90℃で2時間以上加熱乾燥して負極を作製した。作製した負極活物質層の厚さは、22μmであった。
【0114】
(3)正極層の作製
正極層の作製は次のように行った。正極活物質としてLiMn正極層を用いた。詳しくは、29質量%の平均粒径2μmのLiMn、8.7質量%のアセチレンブラック、17質量%の上記高分子原料、BETIを7.3質量%、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルを高分子原料の0.1質量%加え、これに溶媒としてNMPを41質量%加えて十分に撹拌してスラリーを調製し、PETフィル上にコーターで塗布して、真空乾燥機にて90℃で2時間以上加熱乾燥して正極を作製した。作製した正極活物質層の厚さは、20μmであった。
【0115】
以下の実施例及び比較例では、全て以下の条件で作製及び実験を行った。
【0116】
▲1▼電極部のサイズ:30mm×30mm、
▲2▼電極積層セル(単電池層)数:10、
▲3▼充放電条件:0.2C定電流、27V定電圧充電を合計10時間、放電は0.1Cにて10Vカットオフとした。
【0117】
実施例1
▲1▼ポリエチレンにカーボンブラック(ポリエチレン及びカーボンブラックの総量に対し約30質量%)を加えて溶融混練して、熱プレスロールを用いてよく伸ばして、厚さ10μmの電子伝導性フィルム形成して使用した。
【0118】
上記方法により、それぞれ電解質膜、正極層、負極層を作製した。銅箔上に、負極層/高分子電解質層/正極層を形成し、正極層の上に▲1▼の電子伝導性層を配置して、さらにその上に負極層/高分子電解質層/正極層を配置した。これを10回繰り返して最後の正極層上にアルミ箔を配置した。
【0119】
銅箔及びアルミ箔にニッケルのタブ(端子リード)を取り付け、電極部をアルミのラミネートフィルムのパックに真空封入して電池とした。
【0120】
本実施例で示したように、本発明では、電池の最外層の電極の電子伝導性層には、該電子伝導性層に代えて従来の集電体を採用しても良い。特に、金属層を用いない第一の実施形態においては、端子リードを容易に接続することができる点で有用なためである。
【0121】
実施例2
▲1▼トルエン中にネオプレンとカーボンブラックを分散させて(固形分約20質量%、うち40質量%をカーボンブラックとして)、PETフィルム上にスプレー塗布して熱風乾燥して、厚さ5μmの電子伝導性膜を作製して、実施例1の電子伝導性フィルムの代わりに用いて、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0122】
実施例3
実施例2の電子伝導性フィルムを厚さ4μmの銅箔の上に形成し、この電子伝送性膜を実施例1の負極側の面を銅箔にして配置し、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0123】
比較例1
実施例1の電子伝導性フィルムの代わりに、図3に示すように、正極層側に厚さ20μmのアルミ箔(第一集電箔51a)を用いて、負極層側に厚さ15μmの銅箔(第二集電箔51b)を用いて積層して、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0124】
作製したバイポーラ電池を充放電条件として、0.2C定電流、27V定電圧充電を合計10時間、放電は0.1Cにて10Vカットオフにて、充放電して各電池のエネルギー密度を計算して、比較例1の電池の値に対して比をとって、結果を表1に示した。表1の結果からわかるように、バイポーラ電池のセル間(単電池層間)を隔てる電子伝導性層に、絶縁性高分子中に電子伝導性フィラーを分散充填した層を用いていることにより、集電体として金属箔を用いる場合に比べて、バイポーラ電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【0125】
【表1】

Figure 2004164897

【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【図2】本発明に係るバイポーラ電池の第二の代表的な一実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【図3】従来の集電体を用いたバイポーラ電池であって、比較例1で作製したバイポーラ電池を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【符号の説明】
1、21、41…バイポーラ電池、
3、23、43…高分子電解質膜(高分子電解質層)、
5、25、45…正極層、
7、27、47…負極層、
9、29、49…単電池層、
9’、29’、49’…バイポーラ電極、
11、31…電子伝導性層、
31a…金属層、
31b…電子伝導性を有する層、
51…集電箔、
51a…第一集電箔、
51b…第二集電箔。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipolar battery in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are arranged on both sides of a current collector.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium ion secondary batteries capable of achieving high energy density and high output density have been developed as large-capacity power supplies for electric vehicles and the like. The basic structure of a lithium ion secondary battery is a positive electrode in which a positive electrode active material such as lithium cobalt oxide and a conductive additive such as acetylene black are applied to an aluminum current collector using a binder, and carbon fine particles are used as a binder for the copper current collector. The negative electrode applied by using is placed via a polyolefin-based porous membrane separator, and LiPF 6 And the like. When applied to an electric vehicle or the like, unit cells (cells) having this configuration are connected in series, a battery module unit, and modules are connected in series to form an assembled battery.
[0003]
From the viewpoint of the energy density and the output density of the battery, it is desired to improve the connection resistance, space, and weight of the connection between cells and between modules. Recently, there has been proposed a battery employing a bipolar electrode unit that can reduce the resistance of the connection between cells and can be expected to be compact (for example, see Patent Document 1). In this proposal, the collector is made of two kinds of metal foils, ie, a clad material is used, so to speak, a gel electrolyte is used as the electrolyte. Therefore, a hermetic seal in each cell unit is indispensable. Entanglement may occur. If a solid polymer electrolyte is used instead of the gel electrolyte, a hermetic seal is not required, and a realistic bipolar battery can be constructed (for example, see Patent Documents 2 and 3). A bipolar battery, which is an all-solid-state polymer battery formed using a polymer electrolyte as such an electrolyte, has the advantage that there is no liquid leakage or gas generation because it does not contain an electrolytic solution, and the reliability is extremely high. I have. (For example, see Patent Documents 2 and 3.)
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-204136
[Patent Document 2]
JP 2000-100471 A
[Patent Document 3]
JP-A-2002-75455
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional bipolar batteries use a metal foil or a laminate thereof for the current collector layer. Had been. In addition, a positive electrode layer is disposed on one side of a current collector foil having a thickness of about several tens of μm, and a negative electrode layer is disposed on the other side, and this is a structure in which this is laminated via a polymer electrolyte layer. In comparison, the thickness of the current collector foil is increased, and the energy density and output density of the battery are reduced.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a novel current collector having excellent corrosion resistance on the positive electrode side and not causing alloying with lithium at the negative electrode, and having a greater thickness than the electrode layer and the electrolyte layer. It is an object of the present invention to provide a bipolar battery using a current collector that is appropriate.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of one polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface is laminated via an electron conductive layer. In the bipolar battery, the electron conductive layer mainly includes an insulating polymer and an electron conductive filler.
[0008]
【The invention's effect】
In the bipolar battery of the present invention, a non-metallic foil (such as an insulating polymer and carbon black) can be used for the electron conductive layer as the current collector, and it has excellent corrosion resistance on the positive electrode side and lithium on the negative electrode. Alloying does not occur, and the electron conductive layer can be made thinner than in the case of using a metal foil of several tens of μm (usually about 35 μm) by an ordinary method. The thickness can be set to an appropriate range (about 1 to 20 μm) for the layer (film), and the energy density and the output density of the battery can be increased. Therefore, it is a useful power source in various industries.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0010]
The first embodiment of the bipolar battery according to the present invention has an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of one polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface, and an electron conductive layer. In a bipolar battery having a structure laminated through layers of
The electron conductive layer mainly comprises an insulating polymer and an electron conductive filler.
[0011]
The electron conductive layer is usually referred to as a current collector (a cell spacing wall and an electron conductor in a bipolar battery), and a metal foil having high electronic conductivity is used. Since it flows vertically, not so high electron conductivity is necessarily required. Conventionally, as a method for manufacturing an electrode, a slurry of an electrode material is applied to a metal foil and dried and solidified (in some cases, polymerized). Therefore, the metal foil to be used needs to have a certain level of strength. For these reasons, a thickness of about 15 to 20 μm is necessary depending on the material. Therefore, in the first embodiment of the present invention, a structure using a thin film in which an insulating polymer is newly filled with an electron conductive filler is used as the electron conductive layer, taking advantage of the feature of a bipolar battery. It is.
[0012]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, a thin film in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler as an electron conductive layer is based on the finding that not so high electron conductivity is necessarily required. This is advantageous in that it can be easily formed into a slurry and a raw material that can be easily formed into a thin film of about several μm can be selected. That is, a material other than metal can be used for the electron conductive layer as the current collector. In particular, the electron conductive layer using carbon as the electron conductive filler can be used as the electron conductive layer (thin layer). In addition to the above, the electron conductive layer can be formed by directly applying the raw material slurry for the electron conductive layer, whereby a bipolar battery having a high energy density and a high output density can be formed. Further, as compared with metal foil, it is advantageous in that a material having no problem of corrosion resistance on the positive electrode side and no problem of alloying with lithium on the negative electrode can be selected. In addition, since it is possible to select a material from which the raw material can be easily slurried, structurally, instead of applying an electrode raw material slurry to both surfaces of a current collector having a certain strength to form an electrode, for example, An electrode material slurry is applied to both surfaces of a polymer electrolyte layer having a certain strength to form electrodes, and a material slurry for an electron conductive layer is applied to the electrodes formed on both surfaces of the polymer electrolyte layer and dried. This is advantageous in that the electron conductive layer can be formed by solidification or the like. That is, since it is sufficient to form the electron conductive layer on the electrode, contrary to the conventional method, the electron conductive layer does not require any strength required in the conventional manufacturing process, and can be easily thinned. This is also very advantageous in point.
[0013]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, the thickness of the electron conductive layer is preferably 1 to 20 μm, more preferably 5 to 20 μm, from the viewpoint of reducing the thickness and increasing the energy density and output density of the battery. It is desirable that the thickness be in the range of 10 μm. If the thickness of the electron conductive layer is less than 1 μm, there is a possibility of an ionic short circuit, and if it exceeds 20 μm, the merit in terms of energy density is small.
[0014]
The electron conductive layer that can be used in the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, the electron conductive resistance is not large in the plane direction in a state where the electron conductive filler is dispersed in the insulating polymer. If the ion conduction resistance is very large, it is sufficient.
[0015]
Among them, the electron conductive filler is not particularly limited and may be appropriately selected from conventionally known ones, and may be carbon black, metal fine particles, conductive ceramics, or the like. . Among them, carbon black is preferable in that various surface modifications can be made from the dispersibility of the electron conductive layer in the insulating polymer. By using carbon black as the electron conductive filler of the electron conductive layer, the object (higher energy density and higher output density) can be achieved more easily and at low cost.
[0016]
The size of the electron conductive filler is preferably less than 0.5 μm from the viewpoint of dispersibility and the like. If it exceeds 0.5 μm, it becomes difficult to form a thin film. The size referred to here is the average value of the particle size (size) of the (basic) particles of the electron conductive filler.
[0017]
The insulating polymer is not particularly limited, and may be, for example, a polymer which can be appropriately selected from conventionally known polymers shown below.
[0018]
(1) A thermoplastic insulating polymer can be used. As such a thermoplastic insulating polymer, for example, polyethylene, polypropylene, polystyrene and the like can be suitably used.
[0019]
As a method for producing an electron conductive layer using the thermoplastic insulating polymer, for example, an electron conductive filler is kneaded and dispersed in a molten insulating polymer, and the thin film is formed by extrusion molding. Examples include a method of forming a conductive layer, but the method is not limited thereto.
[0020]
(2) Those in which the insulating polymer and the electron conductive filler can be dispersed in a solvent can also be used. The solvent-dispersible insulating polymer does not affect the battery performance and may be any one as long as it can be dispersed in a solvent. As the solvent-dispersible insulating polymer, for example, neoprene / toluene and various fluoroelastomers / methylethylketone can be used.
[0021]
As a method of producing an electron conductive layer using the solvent-dispersible insulating polymer, for example, a raw material slurry for an electron conductive layer obtained by dispersing the insulating polymer and an electron conductive filler in a solvent The raw material slurry for the electron conductive layer is prepared, for example, by direct spray coating on the electrodes formed on both sides of the electrolyte layer having a certain strength, for example, by coating with a doctor blade to form a thin film of the electron conductive layer. Film can be formed.
[0022]
Further, the raw material slurry for an electron conductive layer is applied to a glass plate or a PET film, a solvent is dried to form a thin film, the thin film is attached to an electrode, and then the glass plate or the PET film is peeled off. Alternatively, a thin film of an electron conductive layer can be formed.
[0023]
Here, in any of the production methods (1) and (2), the content of the electron conductive filler such as carbon black in the obtained electron conductive layer is preferably 5 to 50% by mass, more preferably. It is desirable to adjust the compounding amount of the electron conductive filler in the raw material so as to be in the range of 10 to 30% by mass. When the content of the electron conductive filler is less than 5% by mass, the resistance increases, and when it exceeds 50% by mass, it becomes difficult to form a uniform thin film.
[0024]
Hereinafter, a first representative embodiment of a bipolar battery according to the present invention will be briefly described with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention should not be limited to such an embodiment.
[0025]
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view schematically showing a first embodiment of a bipolar battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, the bipolar battery 1 of the present invention has a positive electrode layer 5 on one surface of one polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 3) and a negative electrode layer 7 on the other surface. , Having a structure in which a plurality of electrode laminates 9 having the following structure are laminated via an electron conductive layer 11, wherein the electron conductive layer 11 mainly contains an insulating polymer and an electron conductive filler. Is what you do. In other words, the bipolar electrode 9 'having a structure in which the positive electrode layer 5 is disposed on one surface of the electron conductive layer 11 serving as a current collector and the negative electrode layer 7 is disposed on the other surface is connected to a polymer electrolyte membrane (polymer). It can be said that it has a structure in which a plurality of layers are interposed via the electrolyte layer 3). That is, it has a structure in which the positive electrode layer 5, the electron conductive layer (current collector) 11, and the negative electrode layer 7 are laminated in this order.
[0026]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, n electrode laminates 9 and (n + 1) electron conductive layers 11 are alternately laminated, and the electron conductive layer 11 is arranged as the outermost layer. Good.
[0027]
The number of laminations of the electrode laminate is adjusted according to a desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible, the number of times of stacking the bipolar electrodes may be reduced.
[0028]
Next, the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention has a positive electrode layer on one surface of one polymer electrolyte membrane, an electrode laminate having a negative electrode layer on the other surface, A bipolar battery having a structure in which an electron conductive layer is interposed therebetween, wherein the electron conductive layer has a layer mainly containing an insulating polymer and an electron conductive filler on at least one side of a metal layer. It is.
[0029]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, even when a metal layer (for example, a metal foil) is used as a part of the electron conductive layer, the same operation and effect as described in the first embodiment can be obtained. In addition to the above, a laminate of a metal layer and a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler can be used as the electron conductive layer to avoid the problem of corrosion resistance on the positive electrode side. As a result, even a copper foil that cannot be used normally can be a kind of metal layer by laminating (arranging) a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler such as carbon black on the positive electrode layer side. It can be used effectively as Therefore, even when a laminate of such a metal layer and a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler is used as the electron conductive layer, a battery having a high energy density and a high power density must be formed. Can be done.
[0030]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, a layer mainly provided with an insulating polymer and an electron conductive filler provided on at least one surface of the metal layer (hereinafter, also referred to simply as a main layer) is Since the configuration is the same as that of the electron conductive layer described in the first embodiment of the present invention described above, description thereof will be omitted.
[0031]
Also in the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, the thickness of the electron conductive layer is set so that the electron density in the first aspect of the present invention is increased from the viewpoint of increasing the energy density and output density of the battery by thinning. Desirably, it is about the same as the thickness of the conductive layer. Therefore, the thickness of the main layer depends on the thickness of the metal layer, but is preferably in the range of 0.1 to 20 μm, more preferably 0.5 to 10 μm. When the thickness of the main layer is less than 0.1 μm, the merit in energy density is reduced. In addition, the thickness of the main layer referred to here means the thickness when provided on one side of the metal layer, and refers to the total thickness of both sides when provided on both sides of the metal layer. .
[0032]
The main layer, which is one of the constituent requirements of the electron conductive layer, has a structure in which the electron conductive filler is dispersed in the insulating polymer, the electron conduction resistance is not large in the plane direction, and the ion conduction resistance is very low. It should be big.
[0033]
Among them, the electron conductive filler can be appropriately selected from conventionally known ones, and is preferably carbon black. It can be said that carbon black is preferable in that various surface modifications can be made from the dispersibility of the main layer in the insulating polymer. By using carbon black as the electron conductive filler of the main layer, the objectives (higher energy density and higher output density) can be achieved more easily at lower cost.
[0034]
Further, the insulating polymer is not particularly limited, and may be, for example, appropriately selected from conventionally known polymers shown below and used.
[0035]
(1) A thermoplastic insulating polymer can be used. As such a thermoplastic insulating polymer, for example, polyethylene, polypropylene, polystyrene and the like can be suitably used.
[0036]
The main layer using the thermoplastic insulating polymer, furthermore, as a method of manufacturing an electron conductive layer, for example, by kneading and dispersing an electron conductive filler in a molten insulating polymer, extrusion molding process. A thinned main layer can be formed. The thin film of the main layer can form an electron conductive layer by being laminated on one side or both sides of a metal layer. Alternatively, by laminating a thin film of the main layer on an electrode (specifically, an electrode formed on the electrolyte layer) or the like, and then laminating a metal layer on the thin film of the main layer, an electron conductive layer, Further, an electrode laminate can be formed, but the method is not limited to these methods.
[0037]
(2) Those in which the insulating polymer and the electron conductive filler can be dispersed in a solvent can also be used. The solvent-dispersible insulating polymer does not affect the battery performance and may be any one as long as it can be dispersed in a solvent. As the solvent-dispersible insulating polymer, for example, neoprene / toluene and various fluoroelastomers / methylethylketone can be used.
[0038]
As a method for producing the main layer using the solvent-dispersible insulating polymer, and further, an electron conductive layer, for example, for the main layer obtained by dispersing the insulating polymer and the electron conductive filler in a solvent A raw material slurry was prepared, and the raw material slurry for the main layer was formed on, for example, an electrode (specifically, an electrode formed on the electrolyte layer) formed on both sides of an electrolyte layer having a certain strength or laminated on the electrode. A thin film of the main layer can be formed by spray coating directly on the metal layer or coating with a doctor blade. In the case where a thin film of the main layer is formed by spray coating directly on the electrode, coating with a doctor blade, etc., a metal layer is laminated after applying the raw material slurry for the main layer, and then dried and dried. What is necessary is just to form a thin film. Thereby, the electron conductive layer and further the electrode laminate can be formed together.
[0039]
The electron conductive layer can be formed by applying the raw material slurry for the main layer to one or both surfaces of the metal layer and drying the solvent to prepare a thin film of the main layer. In this case, the surface of the electron conductive layer on the main layer (or metal layer) side is attached to an electrode (specifically, an electrode formed on an electrolyte layer) or the like to be laminated, whereby an electrode laminate described later is formed. It can also be formed.
[0040]
Further, the raw material slurry for the main layer is applied to a glass plate or a PET film, and a solvent is dried to form a thin film. Then, the thin film is attached to an electrode (specifically, an electrode formed on an electrolyte layer). Thereafter, by peeling off the glass plate or the PET film, the thin film of the main layer can be formed, and at the same time, the electron conductive layer (and further the electrode laminate) can be formed.
[0041]
Here, in any of the production methods (1) and (2), the content of the electron conductive filler such as carbon black in the obtained main layer is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10% by mass. It is desirable to adjust the compounding amount of the electron conductive filler in the raw material so as to be in the range of 3030% by mass. When the content of the electron conductive filler is less than 5% by mass, the resistance increases, and when it exceeds 50% by mass, it becomes difficult to form a uniform thin film.
[0042]
The size of the electron conductive filler may be the same as the size of the electron conductive filler in the first embodiment described above.
[0043]
The metal layer (material), which is one of the constituent requirements of the electron conductive layer, is not particularly limited, and a conventionally known material can be used. For example, an aluminum foil, a stainless steel foil, nickel A clad material of aluminum and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plated material of a combination of these metals is preferably used. Further, the metal surface may be coated with aluminum. In some cases, a laminate of two or more metal foils may be used. It is preferable to use an aluminum foil as the metal layer from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0044]
The thickness of the metal layer is also in the range of 1 to 20 μm, more preferably 3 to 10 μm, from the viewpoint of reducing the thickness of the electron conductive layer as a current collector in the bipolar battery and increasing the energy density and output density of the battery. It can be said that it is desirable. When the thickness of the metal layer is less than 1 μm, there is a problem in production, and when it exceeds 20 μm, the merit is reduced in terms of the energy density of the battery.
[0045]
The thickness ratio between the main layer and the metal layer is not particularly limited, but may be about 10: 1 to 1:20.
[0046]
Hereinafter, a typical example of the second embodiment of the present invention will be briefly described with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention should not be limited to these embodiments.
[0047]
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view schematically showing a second typical embodiment of the bipolar battery according to the present invention. As shown in FIG. 2, a second bipolar battery 21 of the present invention has a positive electrode layer 25 on one surface of one polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 23) and a positive electrode layer 25 on the other surface. It has a structure in which an electrode laminate 29 having a negative electrode layer 27 is laminated with an electron conductive layer 31 interposed therebetween, wherein the electron conductive layer 31 is formed on at least one side of a metal layer 31a, It is characterized in that a layer (layer having electron conductivity) 31b mainly containing an insulating polymer and an electron conductive filler is provided on the contacting surface. In other words, the positive electrode layer 25 is disposed on one surface of the electron conductive layer 31 as a current collector (in FIG. 2, on the side of the layer 31 b having electron conductivity), and the other surface (in FIG. 2, the metal layer 31 a It can be said that the bipolar electrode 29 'having a structure in which the negative electrode layer 27 is disposed on the (side) side has a structure in which a plurality of bipolar electrodes 29' are stacked via a polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 23). That is, it has a structure in which the positive electrode layer 25, the electron conductive layer (current collector) 31 (the layer 31b having electron conductivity, the metal layer 31a), and the negative electrode layer 27 are laminated in this order.
[0048]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, n electrode laminates 29 and (n + 1) electron conductive layers 31 are alternately laminated, and the electron conductive layer 31 is disposed as the outermost layer. Good.
[0049]
The number of laminations of the electrode laminate is adjusted according to a desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible, the number of times of stacking the bipolar electrodes may be reduced.
[0050]
In the bipolar battery according to the present invention, in order to prevent external impact and environmental degradation, the bipolar battery main body (see FIGS. 1 and 2) stacked in a sheet shape is connected to a battery exterior material or a battery case (see FIG. 1). (Not shown). Conventionally, such as a metal-polymer composite laminate film in which the inner surface (both surfaces) of aluminum, stainless steel, nickel, copper, etc. is laminated with an insulator such as a polypropylene film in the battery exterior material or battery case that seals the bipolar battery body Those covered with a known battery exterior material are suitable.
[0051]
The bipolar battery according to the present invention is used for a lithium ion secondary battery in which charge and discharge 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.
[0052]
Next, the components of the bipolar battery of the present invention will be described individually.
[0053]
[Electron conductive layer]
The electron conductive layer is a characteristic feature of the present invention, and is as described in the first and second embodiments.
[0054]
That is, the electron conductive layer that can be used in the present invention is characterized in that the electron conductive layer mainly contains an insulating polymer and an electron conductive filler. In the state of being dispersed in the polymer, it is sufficient that the electron conduction resistance is not large in the plane direction and the ionic conduction resistance is very large.
[0055]
As the electron conductive filler, carbon black or the like can be preferably used, but is not limited thereto. The amount of such an electron conductive filler, particularly carbon black, is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10 to 30% by mass.
[0056]
(1) A thermoplastic polymer such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene can be used as the insulating polymer.
[0057]
{Circle around (2)} Insulating polymers and electron conductive fillers that can be dispersed in a solvent can be used. Here, the insulating polymer dispersible in the solvent may be any one that does not affect the battery performance and can be dispersed in the solvent, and examples thereof include neoprene / toluene and various fluoroelastomers / methylethylketone.
[0058]
[Positive electrode layer (also referred to as positive electrode active material layer)]
The positive electrode layer contains a positive electrode active material. In addition, a polymer having polarity as a polymer electrolyte, a lithium salt, a conductive auxiliary material for improving electron conductivity, a binder, and the like may be included.
[0059]
When a polymer solid electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is desirable that the positive electrode layer also contains the polymer solid electrolyte. By filling the gap between the positive electrode active materials in the positive electrode layer with the solid polymer electrolyte, the ionic conduction in the positive electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0060]
On the other hand, when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, the polymer electrolyte may not be contained in the positive electrode layer, and it is sufficient if a conventionally known binder for binding the cathode active material fine particles is contained. .
[0061]
As the positive electrode active material, a composite oxide of a transition metal and lithium, 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.
[0062]
In order to reduce the electrode resistance of a bipolar battery, it is preferable that the particle size of the positive electrode active material be smaller than that generally used in a solution type lithium ion battery in which the electrolyte is not solid. Specifically, the average particle size of the positive electrode active material is preferably 0.1 to 5 μm.
[0063]
The polymer for a polymer solid electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and a copolymer thereof. Such a polyalkylene oxide-based polymer is 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. In the present invention, the polymer solid electrolyte is contained in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. However, in order to further improve the battery characteristics of the bipolar battery, it is preferable that both are included.
[0064]
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. However, it is not limited to these.
[0065]
Examples of the conductive additive include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not limited to these.
[0066]
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide or the like can be used. However, it is not limited to these.
[0067]
The amount of the positive electrode active material, solid polymer electrolyte, lithium salt, conductive additive, binder, etc. in the positive electrode layer should be determined in consideration of the intended use of the battery (output-oriented, energy-oriented, etc.) and ionic conductivity. It is.
[0068]
For example, in the case of using a solid polymer electrolyte, taking the case of determining the blending amount as an example, if the blending amount of the solid polymer electrolyte in the positive electrode layer is too small, the ionic conduction resistance or ion Diffusion resistance increases and battery performance decreases. On the other hand, if the blending amount of the solid polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery decreases. Therefore, the mass of the solid polymer electrolyte that meets the purpose may be determined in consideration of these factors. It should be noted that the amounts of the other components may be appropriately determined in the same manner.
[0069]
Here, the current level of polymer solid electrolyte (ion conductivity: 10 -5 -10 -4 (S / cm) to manufacture a bipolar battery giving priority to battery reactivity will be specifically considered. In order to obtain a bipolar battery having such features, the amount of the conductive auxiliary material is increased and the bulk density of the active material is reduced to keep the electron conduction resistance between the active material particles low. At the same time, the number of voids is increased, and the voids are filled with the solid polymer electrolyte. It is preferable to increase the proportion of the solid polymer electrolyte by such treatment.
[0070]
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 active material layer is about 10 to 500 μm.
[0071]
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer contains a negative electrode active material. In addition, a polymer electrolyte, a lithium salt for improving ionic conductivity, a conductive auxiliary for improving electron conductivity, a binder, and the like may be included.
[0072]
When a polymer solid electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is desirable that the negative electrode layer also contains the polymer solid electrolyte. By filling the gap between the negative electrode active materials in the negative electrode layer with the solid polymer electrolyte, the ionic conduction in the negative electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0073]
On the other hand, when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, the polymer electrolyte may not be contained in the negative electrode layer, and it is sufficient that a conventionally known binder that binds the negative electrode active material fine particles is included. . 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.
[0074]
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, hard carbon, soft carbon, or the like can be used.
[0075]
[Polymer electrolyte layer]
The polymer electrolyte layer is not limited to a solid polymer electrolyte, and even if it is a polymer gel electrolyte, a liquid junction is prevented by forming an insulating layer around the unit cell layer. Anything that can be used can be used, and these can be used in combination. Further, the electrolyte layer may have a multilayer structure, and a layer in which the type of electrolyte and the composition ratio of the electrolyte are changed between the positive electrode side and the negative electrode side may be formed. When the polymer gel electrolyte is used, the ratio (mass ratio) of the polymer and the electrolyte constituting the polymer gel electrolyte is not particularly limited, but may be in the range of 20:80 to 95: 5. Use is common.
[0076]
The solid polymer electrolyte layer is a layer composed of a polymer having ion conductivity and a lithium salt, and the material is not limited as long as it has ion conductivity. Examples of the polymer having ion conductivity include known polymers such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and a copolymer thereof. 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. 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.
[0077]
Further, the polymer gel electrolyte contains an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery in a polymer matrix, as defined above.
[0078]
These solid polymer electrolytes or polymer gel electrolytes can be included in the positive electrode layer and / or the negative electrode layer as described above, in addition to the polymer electrolyte layer constituting the battery, but the polymer electrolyte layer constituting the battery, Different polymer electrolytes may be used for the positive electrode layer and the negative electrode layer, the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used for different layers.
[0079]
The thickness of the polymer electrolyte layer constituting the battery 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 an electrolyte can be secured. The thickness of a general polymer electrolyte layer is about 10 to 100 μm.
[0080]
[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.
[0081]
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.
[0082]
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.
[0083]
[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.
[0084]
[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. It is good to house in. From the viewpoint of weight reduction, using a conventionally known battery exterior material such as a polymer-metal composite laminate film 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. It is preferable that the battery stack is housed and hermetically sealed by 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. It is preferable to use a polymer-metal composite laminate film or the like having excellent thermal conductivity in that heat can be efficiently transmitted from a heat source of an automobile and the inside of the battery can be quickly heated to a battery operating temperature.
[0085]
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.
[0086]
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.
[0087]
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, it is convenient to mount a battery pack as a driving power source under a seat in the center of the body of an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, because it is possible to widen a company space and a trunk room. 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 assembled battery but also a bipolar battery may be mounted depending on the intended use, or the assembled battery 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.
[0088]
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.
[0089]
(1) Formation of electron conductive layer
An electron conductive layer mainly containing an insulating polymer and an electron conductive filler is obtained as follows.
[0090]
(1) When a thermoplastic polymer such as polyethylene, polypropylene, or polystyrene is used as the insulating polymer, the electron conductive filler is kneaded and dispersed in the melted insulating polymer, and is thinned by extrusion molding. Is obtained by
[0091]
(2) When the insulating polymer and the electron conductive filler are dispersible in a solvent, a slurry formed by dissolving the insulating polymer and the electron conductive filler in the solvent is directly spray-coated on the electrode, It is obtained by forming a film by coating with a blade. Alternatively, it can be obtained by applying the above slurry on a support material such as a glass plate or a PET film and drying the solvent to form a thin film. In the case of (2), the electrodes to be formed in (2) and thereafter are formed in advance on a suitable support material (glass plate, PET film, etc.) or an electrolyte layer, and the electron conductive layer is formed on such an electrode. What is necessary is just to form by the procedure of 2 ▼. In other words, the procedure described below is the procedure in the case of the above (1), and in the case of (2), the order of formation, application and lamination of the object or application and application of the lamination is exchanged. It is. However, when the battery is configured as shown in FIGS. 1 and 2 already described, an electrode is formed on the existing current collector, but an electron conductive layer instead of the current collector is formed on the electrode. A battery can be formed in the same manner as in (1) except for (1). Therefore, the procedure for manufacturing the battery using the manufacturing method of (2) is performed in the embodiment, and the description is omitted here.
[0092]
(2) Application of positive electrode composition
The composition for the positive electrode is usually obtained as a slurry (slurry for the positive electrode), and is applied on a film such as PET. Alternatively, the electron conductive layer prepared in the above (1) may be prepared and applied to one surface thereof.
[0093]
The positive electrode slurry contains a positive electrode active material, and optionally contains, as other components, a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, a raw material of a polymer for a polymer electrolyte, a lithium salt, a solvent, and the like. When a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is sufficient that a conventionally known binder for binding the positive electrode active material particles to each other, a conductive auxiliary material for increasing electron conductivity, a solvent, and the like are included. The host polymer, the electrolyte, the lithium salt, and the like as the raw material of the gel electrolyte may not be contained.
[0094]
Examples of the polymer material for the polymer electrolyte include PEO, PPO, and copolymers thereof, and the polymer material 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.
[0095]
As for the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the lithium salt, the compounds described above can be used.
[0096]
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.
[0097]
The solvent such as NMP is selected according to the type of the positive electrode slurry.
[0098]
The addition amount of the positive electrode active material, the lithium salt, the conductive additive, the binder, the polymer raw material of the polymer electrolyte, and the like may be adjusted according to the purpose of the bipolar battery, and may be the usual amount. The amount of the polymerization initiator to be added is determined according to the amount of the polymer raw material of the polymer electrolyte. Usually, it is about 0.01 to 1% by mass with respect to the polymer raw material.
[0099]
(3) Formation of positive electrode layer
The electron conductive layer 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. The drying conditions are determined according to the applied slurry for the positive electrode and cannot be uniquely defined, but are usually at 80 to 120 ° C. for 1 to 6 hours.
[0100]
(4) Application of composition for negative electrode
The composition for a negative electrode is usually obtained as a slurry (a slurry for a positive electrode), and is applied on a film such as PET. In addition, a negative electrode composition (negative electrode slurry) containing a negative electrode active material may be applied to the surface of the electron conductive layer opposite to the surface on which the positive electrode layer is applied.
[0101]
The negative electrode slurry contains a negative electrode active material, and optionally contains, as other components, a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, a raw material of a polymer for a polymer electrolyte, a lithium salt, a solvent, and the like. 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.
[0102]
(5) Formation of negative electrode layer
The electron conductive layer to which the negative electrode slurry has been applied is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the slurry for the negative electrode, the cross-linking reaction may proceed to increase the mechanical strength of the polymer 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 80 to 120 ° C. for 1 to 6 hours.
[0103]
(6) Lamination of bipolar electrode and polymer electrolyte layer
Separately, a polymer electrolyte layer to be laminated between the electrodes is prepared.
[0104]
When the polymer solid electrolyte layer is used, the polymer solid electrolyte layer is produced by, for example, curing a solution prepared by dissolving a raw material polymer of the polymer solid electrolyte, a lithium salt, or the like in a solvent such as NMP. When a polymer gel electrolyte layer is used, for example, as a raw material of the polymer gel electrolyte, a pre-gel solution comprising a host polymer and an electrolyte solution, a lithium salt, a polymerization initiator, and the like are simultaneously heated and dried under an inert atmosphere. It is produced by polymerizing (promoting a crosslinking reaction).
[0105]
The thickness of these polymer electrolyte layers can be controlled using a spacer. In the case of using a photopolymerization initiator, it is preferable to pour the mixture into a light transmissive gap and irradiate ultraviolet rays to advance a crosslinking reaction to form a film. However, it is a matter of course that the present invention is not limited to this method. Depending on the type of the polymerization initiator, radiation polymerization, electron beam polymerization, thermal polymerization, and the like are properly used. The raw material polymer, electrolytic solution, lithium salt, polymerization initiator, blending amount, and the like of the polymer electrolyte to be used are as described above, and thus description thereof is omitted here.
[0106]
After the positive and negative electrodes and the polymer solid electrolyte layer prepared as described above are sufficiently heated and dried under a high vacuum, a plurality of the positive and negative electrodes and the polymer electrolyte layer are cut into appropriate sizes. A predetermined number of the cut-out bipolar electrodes and polymer electrolyte layers are attached to each other to produce a laminated battery. The number of layers is determined in consideration of battery characteristics required for a bipolar battery. Electrodes are arranged on the outermost polymer electrolyte layers. The outermost layer on the positive electrode side is provided with an electrode in which only the positive electrode layer is formed on the electron conductive layer. In the outermost layer on the negative electrode side, an electrode in which only the negative electrode layer is formed on the electron conductive layer is arranged. The step of laminating the positive and negative electrodes and the polymer electrolyte layer to obtain a bipolar battery main body (battery laminate) is preferably performed in an inert atmosphere from the viewpoint of preventing water and the like from entering the inside of the battery. For example, a bipolar battery is preferably manufactured in an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
[0107]
(7) 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.
[0108]
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.
[0109]
【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.
[0110]
Hereinafter, examples of the present invention and comparative examples will be described.
[0111]
As the polymer electrolyte, a raw material of a polyether-type network polymer synthesized according to the method of literature is used (J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.), and as the lithium salt, LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 (Hereinafter referred to as BETI).
[0112]
(1) Preparation of polymer electrolyte membrane
First, the production of the polymer electrolyte membrane was performed as follows. A solution was prepared by adding 53% by mass of the above polymer material, 26% by mass of BETI as a lithium salt, and 0.1% by mass of benzyl dimethyl ketal as a photopolymerization initiator, and using dry acetonitrile as a solvent. Then acetonitrile was removed by vacuum distillation. The thickness was regulated using a Teflon (registered trademark) spacer, the space between the glass substrates was filled with this highly viscous solution, and ultraviolet light was irradiated for 20 minutes to perform photopolymerization (crosslinking). The film was taken out, placed in a vacuum vessel, and dried by heating under high vacuum at 90 ° C. for 12 hours to remove residual water and solvent. The thickness of the produced polymer electrolyte membrane was 20 μm.
[0113]
(2) Preparation of negative electrode layer
The production of the negative electrode layer was performed as follows. Li as negative electrode active material 4 Ti 5 O 12 Was used. 28% by mass of this electrode active material, 3% by mass of acetylene black, 17% by mass of the above polymer material, 8% by mass of BETI, and 0.1% by mass of azobisisobutyronitrile as a thermal polymerization initiator were used. NMP as a solvent was added thereto, and 44% by mass of NMP was added thereto, and the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry was applied on a PET fill with a coater, and dried by heating at 90 ° C. for 2 hours or more in a vacuum drier. Was prepared. The thickness of the manufactured negative electrode active material layer was 22 μm.
[0114]
(3) Preparation of positive electrode layer
The production of the positive electrode layer was performed as follows. LiMn as positive electrode active material 2 O 4 A positive electrode layer was used. Specifically, LiMn with an average particle size of 2 μm of 29% by mass 2 O 4 8.7% by mass of acetylene black, 17% by mass of the above polymer material, 7.3% by mass of BETI, and azobisisobutyronitrile as a thermal polymerization initiator 0.1% by mass of the polymer material, A slurry was prepared by adding 41% by mass of NMP as a solvent to the mixture and sufficiently stirring to prepare a slurry. The slurry was applied on a PET fill with a coater, and dried by heating in a vacuum dryer at 90 ° C. for 2 hours or more to produce a positive electrode. . The thickness of the produced positive electrode active material layer was 20 μm.
[0115]
In the following examples and comparative examples, fabrication and experiments were performed under the following conditions.
[0116]
(1) Size of the electrode part: 30 mm × 30 mm,
(2) Number of electrode laminated cells (unit cell layers): 10,
{Circle around (3)} Charging / discharging conditions: 0.2 C constant current, 27 V constant voltage charging was performed for a total of 10 hours, and discharging was performed at 0.1 C and 10 V cut off.
[0117]
Example 1
{Circle around (1)} Carbon black (about 30% by mass based on the total amount of polyethylene and carbon black) is added to polyethylene, melt-kneaded, and stretched well using a hot press roll to form an electron conductive film having a thickness of 10 μm. used.
[0118]
By the above method, an electrolyte membrane, a positive electrode layer, and a negative electrode layer were produced, respectively. A negative electrode layer / a polymer electrolyte layer / a positive electrode layer is formed on a copper foil, and an electron conductive layer (1) is arranged on the positive electrode layer, and a negative electrode layer / a polymer electrolyte layer / a positive electrode is further formed thereon. The layers were arranged. This was repeated 10 times, and an aluminum foil was disposed on the last positive electrode layer.
[0119]
Nickel tabs (terminal leads) were attached to copper foil and aluminum foil, and the electrodes were vacuum-sealed in aluminum laminate film packs to obtain batteries.
[0120]
As shown in the present embodiment, in the present invention, a conventional current collector may be used as the electron conductive layer of the outermost electrode of the battery instead of the electron conductive layer. Particularly, in the first embodiment that does not use a metal layer, it is useful in that the terminal leads can be easily connected.
[0121]
Example 2
{Circle around (1)} Neoprene and carbon black are dispersed in toluene (solid content: about 20% by mass, of which 40% by mass is carbon black), spray-coated on a PET film, dried with hot air, and dried to a thickness of 5 μm. A conductive film was prepared, and a bipolar battery similar to that of Example 1 was formed using the electron conductive film of Example 1 instead of the electron conductive film.
[0122]
Example 3
The electron conductive film of Example 2 was formed on a copper foil having a thickness of 4 μm, and the electron transmitting film was disposed on the negative electrode side surface of Example 1 with copper foil. A battery was configured.
[0123]
Comparative Example 1
As shown in FIG. 3, instead of the electron conductive film of Example 1, a 20 μm thick aluminum foil (first current collector foil 51a) was used on the positive electrode layer side, and a 15 μm thick copper A bipolar battery similar to that of Example 1 was formed by laminating the foils (second current collector foil 51b).
[0124]
Using the prepared bipolar battery as a charge and discharge condition, charge and discharge at a constant current of 0.2 C and a constant voltage of 27 V for a total of 10 hours, and discharge at a cutoff of 10 V at 0.1 C to calculate the energy density of each battery. The results are shown in Table 1 in comparison with the value of the battery of Comparative Example 1. As can be seen from the results shown in Table 1, the use of a layer in which an electron conductive filler is dispersed and filled in an insulating polymer is used as the electron conductive layer separating the cells of a bipolar battery (layer between cells). The energy density of the bipolar battery can be improved as compared with the case where a metal foil is used as the electric body.
[0125]
[Table 1]
Figure 2004164897

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view schematically illustrating a first embodiment of a bipolar battery according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic partial sectional view schematically showing a second representative embodiment of a bipolar battery according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of a bipolar battery using a conventional current collector, schematically showing the bipolar battery manufactured in Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
1, 21, 41 ... bipolar battery,
3, 23, 43: polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer),
5, 25, 45 ... positive electrode layer,
7, 27, 47 ... negative electrode layer,
9, 29, 49 ... cell layer,
9 ', 29', 49 '... bipolar electrodes,
11, 31 ... electron conductive layer,
31a: metal layer,
31b ... a layer having electron conductivity,
51 ... current collector foil,
51a: first current collector foil,
51b ... second collector foil.

Claims (5)

一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、
電子伝導性層が、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするバイポーラ電池。
In a bipolar battery having a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of one polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface is laminated via an electron conductive layer,
A bipolar battery, wherein the electron conductive layer mainly contains an insulating polymer and an electron conductive filler.
一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、
電子伝導性層が、金属層の少なくとも片面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層を有することを特徴とするバイポーラ電池。
In a bipolar battery having a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of one polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface is laminated via an electron conductive layer,
A bipolar battery, wherein the electron conductive layer has a layer mainly containing an insulating polymer and an electron conductive filler on at least one surface of the metal layer.
電子伝導性フィラーが、カーボンブラックであることを特徴とする請求項1または2に記載のバイポーラ電池。3. The bipolar battery according to claim 1, wherein the electron conductive filler is carbon black. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイポーラ電池を複数接続してなることを特徴とする組電池。An assembled battery comprising a plurality of the bipolar batteries according to claim 1 connected to each other. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイポーラ電池および/または請求項4に記載の組電池を搭載してなることを特徴とする車両。A vehicle comprising the bipolar battery according to any one of claims 1 to 3 and / or the battery pack according to claim 4.
JP2002326701A 2002-11-11 2002-11-11 Bipolar battery Expired - Lifetime JP4674434B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002326701A JP4674434B2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Bipolar battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002326701A JP4674434B2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Bipolar battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004164897A true JP2004164897A (en) 2004-06-10
JP4674434B2 JP4674434B2 (en) 2011-04-20

Family

ID=32805555

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002326701A Expired - Lifetime JP4674434B2 (en) 2002-11-11 2002-11-11 Bipolar battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4674434B2 (en)

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006185854A (en) * 2004-12-28 2006-07-13 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2006190649A (en) * 2004-12-07 2006-07-20 Nissan Motor Co Ltd Biploar battery and its manufacturing method
JP2006302616A (en) * 2005-04-19 2006-11-02 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2007213930A (en) * 2006-02-08 2007-08-23 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery, battery pack and vehicle with them mounted thereon
JP2007329004A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Nissan Motor Co Ltd Electrode for bipolar battery
JP2007335206A (en) * 2006-06-14 2007-12-27 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2008140638A (en) * 2006-11-30 2008-06-19 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
DE112007001063T5 (en) 2006-11-15 2009-02-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Power storage device
WO2010103874A1 (en) 2009-03-12 2010-09-16 日産自動車株式会社 Bipolar battery current collector and bipolar battery
JP2010218764A (en) * 2009-03-13 2010-09-30 Nissan Motor Co Ltd Current collector for bipolar lithium ion secondary battery
JP2010251159A (en) * 2009-04-16 2010-11-04 Nissan Motor Co Ltd Bipolar secondary battery
JP2011048932A (en) * 2009-08-25 2011-03-10 Nissan Motor Co Ltd Bipolar secondary battery
JP2011054492A (en) * 2009-09-03 2011-03-17 Nissan Motor Co Ltd Collector for bipolar battery
JP2011054325A (en) * 2009-08-31 2011-03-17 Nissan Motor Co Ltd Collector for bipolar type secondary battery
JP2011181520A (en) * 2011-05-19 2011-09-15 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2011204510A (en) * 2010-03-26 2011-10-13 Kyocera Corp All solid lithium ion secondary battery
JP2012216561A (en) * 2012-07-04 2012-11-08 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
EP2530769A1 (en) * 2010-01-29 2012-12-05 Nissan Motor Co., Ltd. Collector for bipolar lithium ion secondary battery
WO2014188896A1 (en) * 2013-05-20 2014-11-27 日東電工株式会社 Collector and bipolar battery
WO2019078093A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 富士フイルム株式会社 Electrode laminate, all-solid laminated secondary cell, and method for manufacturing same
WO2019078160A1 (en) * 2017-10-17 2019-04-25 日産自動車株式会社 Resin current collector, multilayer current collector and lithium ion battery
CN111490187A (en) * 2019-01-29 2020-08-04 现代自动车株式会社 Shell structure of all-solid-state battery and module structure using same
CN113013558A (en) * 2020-12-25 2021-06-22 连云港普利特电子科技有限公司 Bipolar battery tab and production method thereof
CN114899551A (en) * 2022-05-30 2022-08-12 安普瑞斯(无锡)有限公司 Composite membrane and lithium ion battery containing same

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56149776A (en) * 1980-04-23 1981-11-19 Toray Ind Inc Lead acid battery
JPS60189867A (en) * 1984-03-12 1985-09-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid electrolyte secondary battery
JPS63266773A (en) * 1987-04-24 1988-11-02 Mitsubishi Petrochem Co Ltd Flat type battery
JPH11297332A (en) * 1998-04-13 1999-10-29 Tdk Corp Current collector and sheet type electrochemical element using the same
JP2000100471A (en) * 1998-09-22 2000-04-07 Mitsubishi Cable Ind Ltd Sheet battery
JP2002015727A (en) * 2000-06-29 2002-01-18 Toyo Kohan Co Ltd Lithium based secondary battery
JP2002075455A (en) * 2000-08-24 2002-03-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium secondary cell
JP2002216846A (en) * 2001-01-18 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd Sheet-shaped cell

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56149776A (en) * 1980-04-23 1981-11-19 Toray Ind Inc Lead acid battery
JPS60189867A (en) * 1984-03-12 1985-09-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid electrolyte secondary battery
JPS63266773A (en) * 1987-04-24 1988-11-02 Mitsubishi Petrochem Co Ltd Flat type battery
JPH11297332A (en) * 1998-04-13 1999-10-29 Tdk Corp Current collector and sheet type electrochemical element using the same
JP2000100471A (en) * 1998-09-22 2000-04-07 Mitsubishi Cable Ind Ltd Sheet battery
JP2002015727A (en) * 2000-06-29 2002-01-18 Toyo Kohan Co Ltd Lithium based secondary battery
JP2002075455A (en) * 2000-08-24 2002-03-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd Lithium secondary cell
JP2002216846A (en) * 2001-01-18 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd Sheet-shaped cell

Cited By (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190649A (en) * 2004-12-07 2006-07-20 Nissan Motor Co Ltd Biploar battery and its manufacturing method
US8445139B2 (en) 2004-12-07 2013-05-21 Nissan Motor Co., Ltd. Bipolar electrode batteries and methods of manufacturing bipolar electrode batteries
JP2006185854A (en) * 2004-12-28 2006-07-13 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2006302616A (en) * 2005-04-19 2006-11-02 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2007213930A (en) * 2006-02-08 2007-08-23 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery, battery pack and vehicle with them mounted thereon
JP2007329004A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Nissan Motor Co Ltd Electrode for bipolar battery
JP2007335206A (en) * 2006-06-14 2007-12-27 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
DE112007001063B4 (en) 2006-11-15 2023-07-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha power storage device
DE112007001063T5 (en) 2006-11-15 2009-02-12 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Power storage device
US8323822B2 (en) 2006-11-15 2012-12-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Power storage device with different electrolyte layers in stack
JP2008140638A (en) * 2006-11-30 2008-06-19 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
WO2010103874A1 (en) 2009-03-12 2010-09-16 日産自動車株式会社 Bipolar battery current collector and bipolar battery
US10177387B2 (en) 2009-03-12 2019-01-08 Nissan Motor Co., Ltd. Bipolar battery current collector that contracts to interrupt a flow of electric current in a direction thereof and bipolar battery
JP2010218764A (en) * 2009-03-13 2010-09-30 Nissan Motor Co Ltd Current collector for bipolar lithium ion secondary battery
JP2010251159A (en) * 2009-04-16 2010-11-04 Nissan Motor Co Ltd Bipolar secondary battery
JP2011048932A (en) * 2009-08-25 2011-03-10 Nissan Motor Co Ltd Bipolar secondary battery
JP2011054325A (en) * 2009-08-31 2011-03-17 Nissan Motor Co Ltd Collector for bipolar type secondary battery
JP2011054492A (en) * 2009-09-03 2011-03-17 Nissan Motor Co Ltd Collector for bipolar battery
EP2530769A1 (en) * 2010-01-29 2012-12-05 Nissan Motor Co., Ltd. Collector for bipolar lithium ion secondary battery
EP2530769A4 (en) * 2010-01-29 2013-08-28 Nissan Motor Collector for bipolar lithium ion secondary battery
KR101322584B1 (en) 2010-01-29 2013-10-28 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 Collector for bipolar lithium ion secondary battery
US9077040B2 (en) 2010-01-29 2015-07-07 Nissan Motor Co., Ltd. Collector having multiple resin layers for bipolar lithium ion secondary battery
JP2011204510A (en) * 2010-03-26 2011-10-13 Kyocera Corp All solid lithium ion secondary battery
JP2011181520A (en) * 2011-05-19 2011-09-15 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
JP2012216561A (en) * 2012-07-04 2012-11-08 Nissan Motor Co Ltd Bipolar battery
WO2014188896A1 (en) * 2013-05-20 2014-11-27 日東電工株式会社 Collector and bipolar battery
JP2019075300A (en) * 2017-10-17 2019-05-16 三洋化成工業株式会社 Resin current collector, laminated current collector, and lithium ion battery
WO2019078160A1 (en) * 2017-10-17 2019-04-25 日産自動車株式会社 Resin current collector, multilayer current collector and lithium ion battery
CN111247675A (en) * 2017-10-17 2020-06-05 日产自动车株式会社 Resin collector, laminated collector, and lithium ion battery
JP7010653B2 (en) 2017-10-17 2022-01-26 三洋化成工業株式会社 Resin current collectors, laminated current collectors, and lithium-ion batteries
US11380901B2 (en) 2017-10-17 2022-07-05 Nissan Motor Co., Ltd. Resin current collector, multilayer current collector and lithium ion battery
JPWO2019078093A1 (en) * 2017-10-20 2020-10-22 富士フイルム株式会社 Electrode laminate, all-solid-state laminated secondary battery and its manufacturing method
WO2019078093A1 (en) * 2017-10-20 2019-04-25 富士フイルム株式会社 Electrode laminate, all-solid laminated secondary cell, and method for manufacturing same
CN111490187A (en) * 2019-01-29 2020-08-04 现代自动车株式会社 Shell structure of all-solid-state battery and module structure using same
CN113013558A (en) * 2020-12-25 2021-06-22 连云港普利特电子科技有限公司 Bipolar battery tab and production method thereof
CN113013558B (en) * 2020-12-25 2023-04-25 连云港普利特电子科技有限公司 Bipolar battery tab and production method thereof
CN114899551A (en) * 2022-05-30 2022-08-12 安普瑞斯(无锡)有限公司 Composite membrane and lithium ion battery containing same

Also Published As

Publication number Publication date
JP4674434B2 (en) 2011-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4674434B2 (en) Bipolar battery
JP4972862B2 (en) Method for manufacturing battery electrode
JP4370902B2 (en) Bipolar battery and manufacturing method thereof.
US7220516B2 (en) Bipolar battery with flexible insulation film
JP5135822B2 (en) Lithium ion secondary battery and battery pack using the same
JP5200367B2 (en) Bipolar battery electrode
US7462420B2 (en) Electrode with a phase-separated binder that includes a vinylidene fluoride binder polymer and a polyether polar polymer with a lithium salt
KR20100112648A (en) Battery with battery electrode and method of manufacturing same
JP2009004181A (en) Electrode for battery
JP2010160983A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and its electrode
JP2007257862A (en) Electrode for secondary battery, and secondary battery
JP2004362859A (en) Lithium-ion secondary battery
JP2005174691A (en) Bipolar battery
JP2004253155A (en) Bipolar battery
JP2003031261A (en) Bipolar battery
JP2004311108A (en) Total polymer electrolyte battery and manufacturing method
JP2006294272A (en) Secondary battery, battery pack, and vehicle mounting these
JP2005129456A (en) Gel electrolyte bipolar battery and its manufacturing method
JP2004319210A (en) Bipolar battery, manufacturing method of bipolar battery, battery pack, and vehicle
JP2005174844A (en) Bipolar battery
JP4055640B2 (en) Bipolar battery, bipolar battery manufacturing method, battery pack and vehicle
JP2004071405A (en) Bipolar battery
JP4066760B2 (en) Bipolar battery
JP4032931B2 (en) Bipolar battery
JP2010073420A (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050726

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080131

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090421

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090618

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100824

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101025

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20101228

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110110

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140204

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4674434

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

EXPY Cancellation because of completion of term