JP2004193006A - Manufacturing method of layer-built cell, battery pack, and vehicle - Google Patents

Manufacturing method of layer-built cell, battery pack, and vehicle Download PDF

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達弘 福沢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a laminated cell capable of preventing a liquid junction between unit cell layers even when the laminated cell is composed by stacking a plurality of unit cell layers by using a polymer gel electrolyte. <P>SOLUTION: In the manufacturing method of the laminated cell, a plurality of sheet-like electrodes 10 are first manufactured (step S1). Next, the electrodes are stacked by interposing gel electrode layers 4 between the electrodes (step S2); a side face of an electrode layered product 30 formed by stacking the electrodes is fitted in a die 40 matching to the side face of the layered product 30 (step S3); and a molten resin is injected into the die 40 (step S4). After the resin is hardened (step S5), the die 40 is removed (step S6). The similar processes are repeated for all the four side faces of the layered product 30 (step S7, S4-S6). Since the resin 60 is provided for all the side faces of the layered product 30, the hardened resin plays a role of a sealing member for preventing any leakage of the gel electrolyte. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層電池の製造方法に関し、特に電解質にゲル電解質を用いた積層電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池では、その中に封入する電解質として、固体電解質を用いたもの、液体電解質を用いたもの、そして高分子ゲル電解質を用いたものがある。
【0003】
固体電解質には、たとえばポリエチレンオキシドなどの全固体高分子電解質が用いられ、一方、液体電解質には、100%電解液を用いる。高分子ゲル電解質は、これらの中間とも言うべきもので、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)などのそのもの自体はリチウムイオン伝導性を持たない高分子の骨格中に電解液を保持させたものである(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−204136号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この高分子ゲル電解質を用いて単電池層を構成し、この単電池層を複数積層してバイポーラ電池を製作した場合、各単電池層間において電解質が染み出し、他の単電池層の電解質と接触して液絡と称する単電池層同士の短絡が発生してしまうという問題があった。
【0006】
そこで本発明の目的は、高分子ゲル電解質を用いた単電池層を複数積層して積層電池を構成した場合でも単電池層同士の液絡を防止することができる積層電池の製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層電池の製造方法は、複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、該側面と合致する切り欠きを有する型に挿入し、前記型内に溶融した樹脂を注入して、該樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする。
【0008】
本発明の他の積層電池の製造方法は、複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、溶融した樹脂が充填されている水槽に漬けてから取り出し、前記電極積層体に付着した前記樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする。
【0009】
【発明の効果】
本発明の積層電池の製造方法では、電極積層体の側面に型をはめ込み、該型内に樹脂を注入して硬化させ、これを電極積層体の全側面について行う。したがって、硬化した樹脂がゲル電解質の漏れを防止するシール部材の役割を果たすので、ゲル電解質の漏れによる液絡を防止することができる。また、本発明の方法によりできた積層電池は、樹脂により、外部からの水分の浸入も防止することができ、剛性を向上することができる。
【0010】
本発明の他の積層電池の製造方法では、電極積層体の側面を、溶融した樹脂が充填されている水槽に漬けてから取り出し、電極積層体の側面全てに硬化した樹脂を提供する。したがって、硬化した樹脂がゲル電解質の漏れを防止するシール部材の役割を果たすので、ゲル電解質の漏れによる液絡を防止することができる。また、本発明の方法によりできた積層電池は、樹脂により、外部からの水分の浸入も防止することができ、剛性を向上することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面では、説明の明確のために一部構成要素を誇張して表現している。
【0012】
(第1の実施の形態)
本発明の第1は、複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、該側面と合致する切り欠きを有する型に挿入し、前記型内に溶融した樹脂を注入して、該樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする積層電池の製造方法である。
【0013】
なお、以下では、具体的に積層電池がバイポーラ電池である場合について説明するが、これに限定するものではなく、いかなる積層電池にも本願発明は適用することができる。
【0014】
図1は本発明バイポーラ電池の製造手順を示すフローチャート、図2はバイポーラ電池の電極を示す断面図、図3は電極がゲル電解質層を挟んで積層される様子を示す断面図、図4は電極積層体に型をはめる様子を示す斜視図図、図5は電極積層体に型をはめた状態を示す断面図、図6は型を外した後の電極積層体の様子を示す断面図である。
【0015】
以下、図1に示すフローチャートの各手順を説明しつつ、同時に該手順中のバイポーラ電池の様子について説明する。
【0016】
バイポーラ電池の製造手順として、まず、バイポーラ電極10を作製する(ステップS1)。バイポーラ電極10は、図2に示すように、集電体1の一の面に正極活物質層2を配置し、他の面に負極活物質層3を配置して作製する。換言すれば、正極活物質層2、集電体1および負極活物質層3を、この順序で積層してバイポーラ電極10を作製する。
【0017】
次に、作製したバイポーラ電極10をゲル電解質層4と共に積層する(ステップS2)。ここでバイポーラ電極10は、図3に示すように、全て積層順序が同一となるように配置され、ゲル電解質層4を挟んで積層されている。正極活物質層2および負極活物質層3の間にゲル電解質層4を設けることによって、イオン伝導がスムーズになり、パイポーラ電池全体としての出力向上が図れる。
【0018】
ゲル電解質層4に用いるゲル電解質は、たとえば、ポリマー骨格中に、数重量%〜98重量%程度電解液を保持させたゲル電解質で、特に本発明のバイポーラ電池では、70重量%以上電解液を保持したゲル電解質を使用する場合に有効である。なお、集電体1の間に挟まれる、負極活物質層3、ゲル電解質層4および正極活物質層2を合わせた層を単電池層20といい、バイポーラ電極10およびゲル電解質層4を積層してできた構造体を電極積層体30という。
【0019】
次に、電極積層体30の側面を型にはめ込む(ステップS3)。図4に示すように、型40は、電極積層体30の幅と略合致する切り欠きを有する断面コ字状に形成されており、上面が開口し、下面が閉じて形成されている。電極積層体30の側面に型40を挿入すると、図5に示すように、集電体1周辺に空間が形成される。
【0020】
そして、図5に示すように、型40の上面から溶融した液状の樹脂を流し込む(ステップS4)。流し込まれた樹脂は、型40の下面が閉じているので、型40の底から溜まっていく。樹脂は、型40の略上面まで溜められる。樹脂は、絶縁性があればよく、たとえば、シリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチレン、パラフィンワックスなどが挙げられる。
【0021】
型40内で樹脂が冷却して固体化したかどうかが作業者により判断される(ステップS5)。樹脂が固体化していない場合(ステップS5:NO)は、固体化するまで待機する。樹脂が固体化した場合(ステップS5:YES)は、型40を電極積層体30から取り外す(ステップS6)。型40を取り外した電極積層体30は、図6に示すように、樹脂60が電極積層体30の外周に取り付けられた状態となる。
【0022】
その後、電極積層体30の全側面について樹脂が供給済みかどうか判断される(ステップS7)。図4に示すように電極積層体30の両側面から型40をはめ込んだ場合、残りの2つの側面について樹脂を供給する必要がある。
【0023】
全側面に樹脂が供給済みでない場合(ステップS7:NO)は、ステップS4の処理に戻り、残りの側面について樹脂を供給する。全側面に樹脂が供給済みである場合(ステップS7:YES)は、電極積層体30の全ての側面に樹脂が供給され、ゲル電解質層4のゲル電解質が漏れることがないので、これによりバイポーラ電池の完成として、製造を終了する。
【0024】
以上のように、本発明のバイポーラ電池の製造方法では、電極積層体30を型40にはめ込み、型40に樹脂を流して固体化させることによって、電極積層体30の側面に樹脂60を設け、シール部材の役割を果たさせることができる。したがって、完成したバイポーラ電池のゲル電解質の漏れを防止することができ、ゲル電解質の漏れによる短絡を防止することができる。また、外部からの水分の浸入等も防止することができ、加えて、バイポーラ電池の剛性を向上することができる。
【0025】
樹脂の材料として、シリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチレン、パラフィンワックスなど固体化したときに比較的耐久性の高いものを用いているので樹脂60によるシールの耐久性も向上することができる。
【0026】
なお、上記第1実施形態では、単に型40に樹脂を流し込んで固体化させていたが、これに限定されない。シール部材として提供する樹脂は、バイポーラ電池の集電体1間の隙間を充分に埋め、且つ最小の量であることが望ましい。樹脂が多くなるほど、その体積および重量が増加し、バイポーラ電池の小型化の要請から外れるからである。樹脂を最小限とするために、型40の切り欠きの形状を電極積層体30の厚さと一致させ、且つ電極積層体30を型40内に挿入する量をできるだけ小さくすることが望ましい。
【0027】
また、上記第1実施形態では、バイポーラ電極10とゲル電解質層4からなる電極積層体30の側面に樹脂を提供していたが、電極積層体30を積層する際に、集電体1上に絶縁層を積層してもよい。図7は、集電体1上に絶縁層を積層したバイポーラ電池の部分断面図である。
【0028】
例えば正極活物質層2上に絶縁層5を設け、この状態で上述のように、電極積層体30の側面に樹脂60を供給していくと、図7に示すように、集電体1間に樹脂60と絶縁層5が設けられる。これにより、集電体1間の絶縁性を向上することができ、より確実に短絡を防止することができる。なお、上記第1実施形態の方法では、電極積層体30の外周にも多少の余分な樹脂60が供給されるが、図7では、説明のために余分な樹脂60の図示を省略している。
【0029】
(第2の実施の形態)
本発明の第2は、複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、溶融した樹脂が充填されている水槽に漬けてから取り出し、前記電極積層体に付着した前記樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする積層電池の製造方法である。
【0030】
図8は本発明バイポーラ電池の製造手順を示すフローチャート、図9はバイポーラ電池の製造過程の状態を示す図である。
【0031】
以下、図8に示すフローチャートの各手順を説明しつつ、同時に該手順中のバイポーラ電池の様子について説明する。
【0032】
第2実施形態に係るバイポーラ電池の製造手順として、バイポーラ電極10を作製し(ステップS11)、バイポーラ電極10間にゲル電解質層4を挟んで積層する(ステップS12)。ステップS11、S12の処理は、第1実施形態のステップS1、S2の処理と同様なので、具体的な説明は省略する。
【0033】
次に、溶融した樹脂が充填されている水槽に、電極積層体30の1つの側面を漬ける(ステップS13)。ここでは、図9(a)に示すように、電極積層体30の1つの側面を下側にする。また、図9(b)に示すように、加熱して溶融した状態の樹脂が充填されている水槽を予め用意しておく。そして、水槽の中に、電極積層体30の1つの側面の端部を漬けてから取り出す。そうすると、図9(c)に示すように、電極積層体30の側面、具体的には、集電体1間およびその周辺に樹脂が付着する。これは、樹脂自体の粘度によるものである。
【0034】
そして、図9(c)に示す状態で、しばらく放置し、樹脂が硬化したかどうかが判断される(ステップS14)。樹脂が硬化していない場合(ステップS14:NO)は、樹脂が硬化するまで待機する。
【0035】
図9(d)に示すように、樹脂が硬化した場合(ステップS14:YES)は、電極積層体30の全側面について樹脂が供給されたかどうかが判断される(ステップS15)。
【0036】
全側面について樹脂が供給されていない場合(ステップS15:NO)は、他の側面について樹脂を供給するために、ステップS13の処理に戻り、未処理の側面を水槽に漬ける。全側面について樹脂の供給が完了した場合(ステップS15:YES)は、電極積層体30の全ての側面に樹脂が供給され、ゲル電解質層4のゲル電解質が漏れることがないので、これによりバイポーラ電池の完成として、製造を終了する。
【0037】
以上のように、第2実施形態に係るバイポーラ電池の製造方法によっても、第1実施形態と同様に、電極積層体30の側面に、樹脂コーティングを施すことができる。これにより完成したバイポーラ電池では、ゲル電解質が漏れることがなく、ゲル電解質が染み出して他のゲル電解質層と接触して起こる短絡を防止することができる。また、外部からの水分の浸入等も防止することができ、加えて、バイポーラ電池の剛性を向上することができる。
【0038】
なお、上記手順では、電極積層体30の一側面を水槽に漬けて硬化を待ち、その後次の側面を水槽に漬けるというように、側面ごとに処理を行っている。しかし、各側面について順に水槽に漬け、全側面を水槽に漬け終わってから硬化を全側面の硬化を待つという手順に変更してもよい。
【0039】
また、第1実施形態で説明したように、電極積層体30の積層時に集電体1に予め絶縁層を設け、これを上記方法により樹脂コーティングすることによって、図7に示すような絶縁性を向上したバイポーラ電池を得ることができる。
【0040】
以下に、上記第1実施形態および第2実施形態により製造されるバイポーラ電池に使用することのできる集電体、正極、負極、ゲル電解質、および電池ケースなどについて説明する。
【0041】
[集電体]
集電体は、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、いかような形状を有するものにも製膜積層して形成し得る必要上、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などの金属粉末を主成分として、これにバインダー(樹脂)、溶剤を含む集電体金属ペーストを加熱して成形してなるものであり、上記金属粉末およびバインダーにより形成されてなるものである。また、これら金属粉末を1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよいし、さらに、製法上の特徴を生かして金属粉末の種類の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【0042】
上記バインダーとしては、特に制限されるべきものではなく、たとえば、エポキシ樹脂など、従来公知の樹脂バインダー材料を用いることができるほか、導電性高分子材料を用いても良い。
【0043】
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
【0044】
[正極活物質層]
正極は、正極活物質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩などが含まれ得る。また、この他にも、電子伝導性を高めるために導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてNMP(N−メチル−2−ピロリドン)、重合開始材としてAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)などが含まれ得る。特に、正極または負極の少なくとも一方に電解質、好ましくは固体高分子電解質が含まれていることが望ましいが、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。
【0045】
上記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、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn24などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2などのLi・Fe系複合酸化物などが挙げられる。この他、LiFePO4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;V25、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなどが挙げられる。
【0046】
正極活物質の粒径は、製法上、正極材料をペースト化してスプレーコートなどにより製膜し得るものであればよい。さらに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10〜0.1μmであるとよい。
【0047】
上記正極に含まれる電解質としては、固体高分子電解質、高分子ゲル電解質、およびこれらを積層したものなどが利用できる。すなわち、正極を多層構造とすることもでき、集電体側と電解質側とで、正極を構成する電解質の種類や活物質の種類や粒径、さらにはこれらの配合比を変えた層を形成することもできる。
【0048】
高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる。
【0049】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li210Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO22N、Li(C25SO22N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0050】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【0051】
上記リチウム塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li210Cl10等の無機酸陰イオン塩、Li(CF3SO22N、Li(C25SO22N等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0052】
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0053】
正極における、正極活物質、電解質(好ましくは固体高分子電解質)、リチウム塩、導電助剤の配合量は、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。たとえば、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が少なすぎると、活物質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、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した固体高分子電解質量を決定する。
【0054】
正極の厚さは、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。
【0055】
[負極活物質層]
負極は、負極活物質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩や導電助剤などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極活物質層」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。
【0056】
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。たとえば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、カーボンなどが好ましい。より好ましくは、カーボン、遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属複合酸化物である。さらに好ましくは、チタン酸化物、リチウム−チタン複合酸化物、カーボンである。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
【0057】
[電解質]
電解質としては、高分子ゲル電解質である。この電解質は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、20:80〜2:98と比較的電解液の比率が大きい範囲である。
【0058】
このような高分子ゲル電解質としては、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。これらについては、[正極]に含まれる電解質の1種として説明した高分子ゲル電解質と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【0059】
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のほか、上記したように正極および/または負極にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質、正極、負極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。
【0060】
電池を構成する電解質の厚さは、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。一般的な固体高分子電解質層の厚さは10〜100μm程度である。ただし、電解質の形状は、製法上の特徴を生かして、電極(正極または負極)の上面ならびに側面外周部も被覆するように形成することも容易であり、機能、性能面からも部位によらず常に略一定の厚さにする必要はない。
【0061】
[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型板を含めた電池積層体全体を電池外装材ないし電池ケース(図示せず)に収容するとよい。
【0062】
軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。
【0063】
この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【0064】
[正極および負極端子板]
正極および負極端子板は、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、製膜により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。
【0065】
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。たとえば、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。
【0066】
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。
【0067】
正極および負極端子板の形状は、型板と兼用する場合には、自動車の熱源外面等をトレースした形状に、また、型板と対極する位置に設けられる端子板では、該端子板を設置する集電体外面をトレースした形状であればよく、プレス成形等によりトレースして形成すればよい。なお、型板と対極する位置に設けられる端子板では、集電体と同様にスプレーコートにより形成してもよい。
【0068】
[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。
【0069】
図10は、第1実施形態または第2実施形態において製造されたバイポーラ電池をアルミラミネートパックにより電池100として構成した場合の外観を示す斜視図である。この電池100は、バイポーラ電池の両端に位置する集電体1に上記の正極および負極端子板を設け、さらにリードを取り付けて、電極101および102としている。
【0070】
次に、実際上記第1実施形態または第2実施形態により製造したバイポーラ電池の評価を行った実験例について説明する。
【0071】
実験例
<液絡評価>
上述した第1実施形態または第2実施形態の製造手順に従ってバイポーラ電池を製作し、単電池層20同士の液絡の評価を行った。
【0072】
(サンプル作製)
実施例として実際に作製したバイポーラ電池は、下記の通りである。
【0073】
集電体1は、20μmのステンレス(SUS)箔を使用し、積層の両端に位置する集電体1には正極活物質層2または負極活物質層3の一方のみを形成し、積層の中間の集電体1には正極活物質層2および負極活物質層3を形成した。
【0074】
正極活物質層2は、LiMn24に、導電助剤としてアセチレンブラック、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、粘度調整溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を混合して正極スラリーを作製し、これを正極活物質として、集電体であるステンレス箔(厚さ20μm)の片面に塗布し、乾燥させて膜厚40μmの正極活物質層2としている。
【0075】
負極活物質層3は、Li4Ti512に、導電助剤としてアセチレンブラック、バインダーとしてPVDF、粘度調整溶媒としてNMPを混合して負極スラリーを作製し、この負極スラリーを正極活物質層2を塗布したステンレス箔の反対面に塗布し、乾燥させて膜厚50μmの負極活物質層3としている。
【0076】
ゲル電解質層4は、厚さ50μmのポリプロピレン(PP)不識布に、ポリマー(ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体)5重量%、混合比1:3のエチレンカーボネート(EC)+ジメチルカーボネート(DMC)95重量%、EC+DMC電解液に対して1.0mol/lのLi(C25SO22N、からなるゲル電解質を保持させたものである。
【0077】
上記集電体1、正極活物質層2および負極活物質層3によりバイポーラ電極10を形成し、ゲル電解質層4を挟んで正極活物質層2と負極活物質層3とが対向するように積層した。積層後、電池構造体の外周に、型40をはめ込み、型40内に溶融した樹脂を流し込み、硬化を待って、電極積層体30の側面に樹脂60によるシール部材を形成した。電極積層体30の4つの側面全てについて、シール部材としての樹脂60の形成を行い、バイポーラ電池内にゲル電解質層4を密閉した。単電池層20の積層数は5層とした。
【0078】
また、この評価の比較例として、シール部材としての樹脂60を電極積層体30の側面に提供しないこと以外は同様構造のバイポーラ電池を形成した。
【0079】
液絡の評価は、実施例および比較例のバイポーラ電池の充放電サイクル試験を行うことにより評価した。充放電のサイクルは、0.5Cの電流で充電し、0.5Cの電流で放電を行い、これを1サイクルとした。
【0080】
(評価結果)
実施例のバイポーラ電池では、充放電サイクルを50サイクル超えても電極間の液絡(短絡)は起こらず、出力電圧が維持されていた。
【0081】
一方、比較例のバイポーラ電池では、初回の充電を行っている途中に、電解液が単電池層外に染み出し、他の単電池層のゲル電解質と接触して液絡が起こり、電池電圧が著しく低下した。
【0082】
この評価結果から、シール部材として樹脂60が電極積層体30の外周に形成されたバイポーラ電池を用いることで、単電池同士の液絡を確実に防止できることがわかる。
【0083】
なお、第2実施形態の製造方法に基づいて、電極積層体30の側面を樹脂入り水槽に漬けて4つの側面に樹脂を供給したバイポーラ電池についても同様に実験を行った。この実験においても、上記(評価結果)と同様の結果が得られた。
【0084】
(第3の実施の形態)
本発明の第3は、上記第1実施形態または第2実施形態のバイポーラ電池の製造方法により製造されたバイポーラ電池を複数個、並列および/または直列に接続してなる組電池である。
【0085】
図11は第3実施形態による組電池の斜視図であり、図12は組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【0086】
図11および図12に示すように組電池70は、上述した第1の実施の形態によるバイポーラ電池をラミネートパックによりパッケージした電池100(図10参照)複数個直接に接続したものをさらに並列に接続したものである。電池100同士は、導電バー53により各電池の電極101および102が接続されている。この組電池110には電極ターミナル111および112が、この組電池110の電極として組電池110の一側面に設けられている。
【0087】
この組電池においては、電池100を直接に接続しさらに並列に接続する際の接続方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池を製造することができる。
【0088】
本第3実施形態による組電池によれば、前述した第1実施形態または第2実施形態において製造される電池を用いて組電池化することで、高容量、高出力を得ることができ、しかも一つひとつの電池の信頼性が高いため、組電池としての長期的信頼性を向上させることができる。
【0089】
なお、組電池としての電池100の接続は、電池100を複数個全て並列に接続してもよいし、また、電池100を複数個全て直列に接続してもよい。
【0090】
(第4の実施の形態)
本発明の第4は、上記第1実施形態または第2実施形態のバイポーラ電池の製造方法により製造されたバイポーラ電池、または第3実施形態の組電池110を駆動用電源として搭載してなる車両である。バイポーラ電池または組電池110をモータ用電源として用いる車両としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車である。
【0091】
参考までに、図13に、組電池110を搭載する自動車130の概略図を示す。自動車に搭載される組電池110は、上記説明した特性を有する。このため、組電池110を搭載してなる自動車は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明バイポーラ電池の製造手順を示すフローチャートである。
【図2】バイポーラ電池の電極を示す断面図である。
【図3】電極がゲル電解質層を挟んで積層される様子を示す断面図である。
【図4】電極積層体に型をはめる様子を示す斜視図図である。
【図5】電極積層体に型をはめた状態を示す断面図である。
【図6】型を外した後の電極積層体の様子を示す断面図である。
【図7】集電体1上に絶縁層を積層したバイポーラ電池の部分断面図である。
【図8】本発明バイポーラ電池の製造手順を示すフローチャートである。
【図9】バイポーラ電池の製造過程の状態を示す図である。
【図10】本発明の製造方法により製造されたバイポーラ電池をアルミラミネートパックにより電池として構成した場合の外観を示す斜視図である。
【図11】第3実施形態による組電池の斜視図である。
【図12】組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【図13】組電池を搭載する自動車の概略図である。
【符号の説明】
1…集電体、
2…正極活物質層、
3…負極活物質層、
4…ゲル電解質層、
5…絶縁層、
10…バイポーラ電極、
20…単電池層、
30…電極積層体、
40…型、
53…導電バー、
60…樹脂、
70…組電池、
100…電池、
110…組電池、
130…自動車。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a stacked battery, and more particularly to a method for manufacturing a stacked battery using a gel electrolyte as an electrolyte.
[0002]
[Prior art]
Lithium secondary batteries include those using a solid electrolyte, those using a liquid electrolyte, and those using a polymer gel electrolyte as the electrolyte sealed therein.
[0003]
An all solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide is used for the solid electrolyte, while a 100% electrolyte is used for the liquid electrolyte. The polymer gel electrolyte can be said to be in the middle of these, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) itself, in which the electrolyte is held in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity ( For example, see Patent Document 1.)
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-204136 [0005]
[Problems to be solved by the invention]
When a single cell layer is formed using this polymer gel electrolyte, and a plurality of the single cell layers are stacked to produce a bipolar battery, the electrolyte seeps out between each single cell layer and comes into contact with the electrolyte of another single cell layer. As a result, there is a problem that a short circuit between the unit cell layers called a liquid junction occurs.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a laminated battery that can prevent a liquid junction between the unit cell layers even when a laminated battery is configured by laminating a plurality of unit cells using a polymer gel electrolyte. That is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a laminated battery according to the present invention includes laminating a gel electrolyte layer between a plurality of sheet-like electrodes, and forming a side surface of the laminated electrode laminate into a mold having a notch matching the side surface. The sealing member is inserted and molten resin is injected into the mold, and the resin is cured to prevent leakage of the gel electrolyte.
[0008]
Another method for producing a laminated battery according to the present invention is a water tank in which a gel electrolyte layer is sandwiched between a plurality of sheet-like electrodes, and a side surface of the laminated electrode laminate is filled with a molten resin. After being immersed, the resin adhered to the electrode laminate is cured to form a sealing member for preventing leakage of the gel electrolyte.
[0009]
【The invention's effect】
In the method for manufacturing a laminated battery according to the present invention, a mold is fitted into the side surface of the electrode laminate, a resin is injected into the mold and cured, and this is performed on all side surfaces of the electrode laminate. Therefore, the cured resin plays a role of a sealing member for preventing the leakage of the gel electrolyte, so that a liquid junction due to the leakage of the gel electrolyte can be prevented. Further, the laminated battery made by the method of the present invention can prevent the invasion of moisture from the outside by the resin, and can improve the rigidity.
[0010]
In another method for manufacturing a laminated battery of the present invention, the side surface of the electrode laminate is immersed in a water tank filled with a molten resin, taken out, and the cured resin is provided on the entire side surface of the electrode laminate. Therefore, the cured resin plays a role of a sealing member for preventing the leakage of the gel electrolyte, so that a liquid junction due to the leakage of the gel electrolyte can be prevented. Further, the laminated battery made by the method of the present invention can prevent the invasion of moisture from the outside by the resin, and can improve the rigidity.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, some constituent elements are exaggerated for clarity of description.
[0012]
(First Embodiment)
A first aspect of the present invention is to stack a gel electrolyte layer between a plurality of sheet-like electrodes, and to insert the side surface of the electrode stack formed by lamination into a mold having a notch matching the side surface, This is a method for manufacturing a laminated battery in which a molten resin is injected into the mold and the resin is cured to form a sealing member for preventing leakage of the gel electrolyte.
[0013]
In the following, a case where the stacked battery is a bipolar battery will be specifically described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any stacked battery.
[0014]
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the bipolar battery of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing electrodes of the bipolar battery, FIG. 3 is a cross-sectional view showing how electrodes are stacked with a gel electrolyte layer interposed therebetween, and FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a mold is fitted to the laminate, FIG. 5 is a sectional view showing a state in which the mold is fitted in the electrode laminate, and FIG. 6 is a sectional view showing a state of the electrode laminate after removing the mold. .
[0015]
Hereinafter, while describing each procedure of the flowchart shown in FIG. 1, the state of the bipolar battery during the procedure will be described at the same time.
[0016]
As a manufacturing procedure of the bipolar battery, first, the bipolar electrode 10 is manufactured (Step S1). As shown in FIG. 2, the bipolar electrode 10 is manufactured by disposing the positive electrode active material layer 2 on one surface of the current collector 1 and disposing the negative electrode active material layer 3 on the other surface. In other words, the bipolar electrode 10 is manufactured by laminating the positive electrode active material layer 2, the current collector 1, and the negative electrode active material layer 3 in this order.
[0017]
Next, the produced bipolar electrode 10 is laminated with the gel electrolyte layer 4 (step S2). Here, as shown in FIG. 3, the bipolar electrodes 10 are all arranged in the same lamination order, and are laminated with the gel electrolyte layer 4 interposed therebetween. By providing the gel electrolyte layer 4 between the positive electrode active material layer 2 and the negative electrode active material layer 3, ion conduction becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0018]
The gel electrolyte used for the gel electrolyte layer 4 is, for example, a gel electrolyte in which an electrolyte solution of about several to 98% by weight is held in a polymer skeleton. Particularly, in the bipolar battery of the present invention, 70% by weight or more of the electrolyte solution is used. This is effective when the retained gel electrolyte is used. Note that a layer including the negative electrode active material layer 3, the gel electrolyte layer 4, and the positive electrode active material layer 2 sandwiched between the current collectors 1 is referred to as a unit cell layer 20, and the bipolar electrode 10 and the gel electrolyte layer 4 are laminated. The resulting structure is referred to as an electrode laminate 30.
[0019]
Next, the side surface of the electrode stack 30 is fitted into a mold (step S3). As shown in FIG. 4, the mold 40 is formed in a U-shaped cross section having a notch substantially matching the width of the electrode stack 30, and has an upper surface opened and a lower surface closed. When the mold 40 is inserted into the side surface of the electrode stack 30, a space is formed around the current collector 1 as shown in FIG.
[0020]
Then, as shown in FIG. 5, a molten liquid resin is poured from the upper surface of the mold 40 (step S4). Since the lower surface of the mold 40 is closed, the poured resin accumulates from the bottom of the mold 40. The resin is stored up to a substantially upper surface of the mold 40. The resin only needs to have insulating properties, and examples thereof include silicone, epoxy, urethane, polybutadiene, polypropylene, polyethylene, and paraffin wax.
[0021]
An operator determines whether the resin has cooled and solidified in the mold 40 (step S5). If the resin is not solidified (step S5: NO), the process waits until the resin is solidified. If the resin has solidified (step S5: YES), the mold 40 is removed from the electrode laminate 30 (step S6). The electrode laminate 30 from which the mold 40 has been removed is in a state in which the resin 60 is attached to the outer periphery of the electrode laminate 30 as shown in FIG.
[0022]
Thereafter, it is determined whether the resin has been supplied to all side surfaces of the electrode stack 30 (step S7). As shown in FIG. 4, when the mold 40 is fitted from both side surfaces of the electrode laminate 30, it is necessary to supply the resin to the remaining two side surfaces.
[0023]
If the resin has not been supplied to all the side surfaces (step S7: NO), the process returns to step S4, and the resin is supplied to the remaining side surfaces. When the resin has been supplied to all the side surfaces (step S7: YES), the resin is supplied to all the side surfaces of the electrode stack 30 and the gel electrolyte of the gel electrolyte layer 4 does not leak, so that the bipolar battery Is completed as the completion of the above.
[0024]
As described above, in the manufacturing method of the bipolar battery of the present invention, the resin 60 is provided on the side surface of the electrode laminate 30 by fitting the electrode laminate 30 into the mold 40 and allowing the resin to flow into the mold 40 to solidify. It can serve as a sealing member. Therefore, leakage of the gel electrolyte of the completed bipolar battery can be prevented, and a short circuit due to leakage of the gel electrolyte can be prevented. In addition, intrusion of moisture from the outside can be prevented, and in addition, the rigidity of the bipolar battery can be improved.
[0025]
As a resin material, a material having relatively high durability when solidified, such as silicon, epoxy, urethane, polybutadiene, polypropylene, polyethylene, and paraffin wax, is used, so that the durability of the seal by the resin 60 can be improved. .
[0026]
In the first embodiment, the resin is simply poured into the mold 40 to be solidified. However, the present invention is not limited to this. It is desirable that the resin provided as the seal member sufficiently fills the gap between the current collectors 1 of the bipolar battery and has a minimum amount. This is because, as the amount of the resin increases, the volume and the weight of the resin increase, and the bipolar battery is not required to be downsized. In order to minimize the amount of resin, it is desirable that the shape of the notch of the mold 40 match the thickness of the electrode stack 30 and that the amount of the electrode stack 30 inserted into the mold 40 be as small as possible.
[0027]
In the first embodiment, the resin is provided on the side surface of the electrode stack 30 including the bipolar electrode 10 and the gel electrolyte layer 4. However, when the electrode stack 30 is stacked, the resin is provided on the current collector 1. An insulating layer may be stacked. FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a bipolar battery in which an insulating layer is stacked on current collector 1.
[0028]
For example, when the insulating layer 5 is provided on the positive electrode active material layer 2 and the resin 60 is supplied to the side surface of the electrode laminate 30 in this state as described above, the gap between the current collectors 1 is increased as shown in FIG. Is provided with a resin 60 and an insulating layer 5. Thereby, the insulation between the current collectors 1 can be improved, and a short circuit can be more reliably prevented. In the method of the first embodiment, some extra resin 60 is also supplied to the outer periphery of the electrode stack 30. However, in FIG. 7, the extra resin 60 is omitted for the sake of explanation. .
[0029]
(Second embodiment)
In the second aspect of the present invention, the gel electrolyte layer is sandwiched between a plurality of sheet-like electrodes, and the side surface of the electrode laminate obtained by the lamination is immersed in a water tank filled with molten resin and then taken out. And a method for manufacturing a laminated battery in which the resin adhered to the electrode laminate is cured to form a sealing member for preventing leakage of a gel electrolyte.
[0030]
FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the bipolar battery of the present invention, and FIG. 9 is a view showing a state of a manufacturing process of the bipolar battery.
[0031]
Hereinafter, the state of the bipolar battery during the procedure will be described while describing each procedure of the flowchart illustrated in FIG.
[0032]
As a manufacturing procedure of the bipolar battery according to the second embodiment, a bipolar electrode 10 is manufactured (step S11), and the gel electrolyte layer 4 is sandwiched between the bipolar electrodes 10 (step S12). The processing of steps S11 and S12 is the same as the processing of steps S1 and S2 of the first embodiment, and a specific description will be omitted.
[0033]
Next, one side surface of the electrode laminate 30 is immersed in a water tank filled with the molten resin (Step S13). Here, as shown in FIG. 9A, one side surface of the electrode stack 30 is set to the lower side. In addition, as shown in FIG. 9B, a water tank filled with a resin that has been heated and melted is prepared in advance. Then, the end portion of one side surface of the electrode laminate 30 is immersed in a water tank and then taken out. Then, as shown in FIG. 9C, the resin adheres to the side surfaces of the electrode stack 30, specifically, between the current collectors 1 and the periphery thereof. This is due to the viscosity of the resin itself.
[0034]
Then, in the state shown in FIG. 9 (c), it is left for a while, and it is determined whether or not the resin is cured (step S14). If the resin is not cured (step S14: NO), the process waits until the resin is cured.
[0035]
As shown in FIG. 9D, when the resin is cured (Step S14: YES), it is determined whether the resin is supplied to all side surfaces of the electrode stack 30 (Step S15).
[0036]
If the resin has not been supplied to all the side surfaces (step S15: NO), the process returns to step S13 to supply the resin to the other side surface, and the unprocessed side surface is immersed in the water tank. When the supply of the resin has been completed for all the side surfaces (Step S15: YES), the resin is supplied to all the side surfaces of the electrode stack 30, and the gel electrolyte of the gel electrolyte layer 4 does not leak. Is completed as the completion of the above.
[0037]
As described above, the resin coating can also be applied to the side surfaces of the electrode stack 30 in the same manner as in the first embodiment, by the method for manufacturing a bipolar battery according to the second embodiment. As a result, in the completed bipolar battery, the gel electrolyte does not leak, and a short circuit that occurs when the gel electrolyte oozes out and comes into contact with another gel electrolyte layer can be prevented. In addition, intrusion of moisture from the outside can be prevented, and in addition, the rigidity of the bipolar battery can be improved.
[0038]
In the above procedure, one side surface of the electrode laminate 30 is immersed in a water tank to wait for curing, and then the next side surface is immersed in a water tank, so that processing is performed for each side surface. However, the procedure may be changed to a procedure in which each side is immersed in a water tank in order, and after all the sides are immersed in the water tank, curing is waited for all sides to be cured.
[0039]
Further, as described in the first embodiment, an insulating layer is provided in advance on the current collector 1 when the electrode laminate 30 is laminated, and is coated with a resin by the above-described method, so that the insulating property shown in FIG. An improved bipolar battery can be obtained.
[0040]
Hereinafter, a current collector, a positive electrode, a negative electrode, a gel electrolyte, a battery case, and the like that can be used for the bipolar batteries manufactured according to the first and second embodiments will be described.
[0041]
[Current collector]
Since the current collector can be formed by laminating and forming any shape by a thin film manufacturing technique such as spray coating on the manufacturing method, for example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel ( SUS) and a metal powder such as an alloy thereof as a main component, which is formed by heating a current collector metal paste containing a binder (resin) and a solvent, and formed by the metal powder and the binder. It is. In addition, these metal powders may be used alone or as a mixture of two or more types. Further, different types of metal powders are laminated in multiple layers by taking advantage of the characteristics of the production method. It may be something.
[0042]
The binder is not particularly limited. For example, a conventionally known resin binder material such as an epoxy resin may be used, and a conductive polymer material may be used.
[0043]
The thickness of the current collector is not particularly limited, but is usually about 1 to 100 μm.
[0044]
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode contains a positive electrode active material. In addition, an electrolyte, a lithium salt, or the like may be included to increase ionic conductivity. In addition, other than the above, a conductive auxiliary agent for enhancing electron conductivity, NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) as a solvent for adjusting slurry viscosity, AIBN (azobisisobutyronitrile) as a polymerization initiator, and the like. May be included. In particular, it is desirable that at least one of the positive electrode and the negative electrode contains an electrolyte, preferably a solid polymer electrolyte, but it is preferable that both are contained in order to further improve the battery characteristics of the bipolar battery.
[0045]
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, Li · Co-based composite oxide such as LiCoO 2, Li · Ni-based composite oxide such as LiNiO 2, Li · Mn-based composite oxide such as spinel LiMn 2 O 4, Li · such LiFeO 2 Fe-based composite oxides and the like can be mentioned. In addition, transition metal and lithium phosphate compounds and sulfate compounds such as LiFePO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH and the like.
[0046]
The particle size of the positive electrode active material may be any as long as the positive electrode material can be formed into a paste and spray-coated to form a film. Further, in order to reduce the electrode resistance of the bipolar battery, it is preferable to use one having a smaller particle size 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 10 to 0.1 μm.
[0047]
As the electrolyte contained in the positive electrode, a solid polymer electrolyte, a polymer gel electrolyte, a laminate of these, and the like can be used. That is, the positive electrode may have a multilayer structure, and the current collector side and the electrolyte side form a layer in which the type of the electrolyte constituting the positive electrode, the type and the particle size of the active material, and the mixing ratio thereof are changed. You can also.
[0048]
The polymer gel electrolyte is a solid polymer electrolyte having ion conductivity containing an electrolyte solution usually used in lithium ion batteries, and further contains a polymer skeleton having no lithium ion conductivity. And those holding similar electrolytes.
[0049]
Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any one that is usually used in a lithium ion battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , inorganic acid anion salts such as LiAlCl 4 and Li 2 B 10 Cl 10 and organic acid anions such as LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N. At least one lithium salt (electrolyte salt) selected from ionic salts, and cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; tetrahydrofuran; 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane Ethers such as 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; An organic solvent (plasticizer) such as an aprotic solvent or a mixture of at least one selected from two or more can be used. However, it is not limited to these.
[0050]
Examples of the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). it can. However, it is not limited to these. Since PAN, PMMA, and the like fall into the category of having little ionic conductivity, they can be the above-mentioned polymers having ionic conductivity, but are used here as polymer gel electrolytes. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
[0051]
As the lithium salt, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 and the like inorganic acid anion salts, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Organic acid anion salts such as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N or a mixture thereof can be used. However, it is not limited to these.
[0052]
Examples of the conductive assistant include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not limited to these.
[0053]
The amounts of the positive electrode active material, the electrolyte (preferably a solid polymer electrolyte), the lithium salt, and the conductive additive in the positive electrode are determined in consideration of the purpose of use of the battery (e.g., emphasis on output and energy) and ion conductivity. Should. For example, if the amount of the electrolyte, particularly the solid polymer electrolyte, in the positive electrode is too small, the ionic conduction resistance and the ionic diffusion resistance in the active material layer increase, and the battery performance is reduced. On the other hand, if the amount of the electrolyte, particularly the solid polymer electrolyte, in the positive electrode is too large, the energy density of the battery decreases. Therefore, a solid polymer electrolyte mass that meets the purpose is determined in consideration of these factors.
[0054]
The thickness of the positive electrode 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 ion conductivity, as described for the blending amount. The thickness of a general positive electrode active material layer is about 10 to 500 μm.
[0055]
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode includes a negative electrode active material. In addition, an electrolyte, a lithium salt, a conductive additive, and the like may be included in order to increase ion conductivity. 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 active material layer”, and thus the description is omitted here.
[0056]
As the negative electrode active material, a negative electrode active material used in a solution-type lithium ion battery can be used. For example, metal oxide, lithium-metal composite oxide metal, carbon and the like are preferable. More preferred are carbon, transition metal oxide, and lithium-transition metal composite oxide. More preferred are titanium oxide, lithium-titanium composite oxide, and carbon. These may be used alone or in combination of two or more.
[0057]
[Electrolytes]
The electrolyte is a polymer gel electrolyte. The electrolyte may have a multilayer structure, and a layer in which the type of electrolyte and the compounding ratio are changed between the positive electrode side and the negative electrode side may be formed. When a polymer gel electrolyte is used, the ratio (mass ratio) between the polymer constituting the polymer gel electrolyte and the electrolyte is in a range where the ratio of the electrolyte is relatively large, from 20:80 to 2:98.
[0058]
As such a polymer gel electrolyte, a solid polymer electrolyte having ion conductivity and an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery are included. However, a high polymer gel electrolyte having no lithium ion conductivity is used. The one in which the same electrolytic solution is held in the skeleton of the molecule is also included. These are the same as the polymer gel electrolyte described as one of the electrolytes included in the [positive electrode], and thus description thereof will be omitted.
[0059]
These solid polymer electrolytes or polymer gel electrolytes may be included in the positive electrode and / or the negative electrode as described above, in addition to the polymer electrolyte constituting the battery, but depending on the polymer electrolyte, the positive electrode, and the negative electrode constituting the battery. Different polymer electrolytes may be used, the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used for different layers.
[0060]
The thickness of the electrolyte 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 solid polymer electrolyte layer is about 10 to 100 μm. However, the shape of the electrolyte can be easily formed so as to cover the upper surface and the outer peripheral portion of the side surface of the electrode (positive electrode or negative electrode) by taking advantage of the characteristics of the manufacturing method. It is not always necessary to have a substantially constant thickness.
[0061]
[Battery exterior material (battery case)]
In order to prevent external impact and environmental degradation, the bipolar battery uses the entire battery stack, including the bipolar battery body template, in order to prevent external impact and environmental degradation during use. It may be housed in an exterior material or a battery case (not shown).
[0062]
From the viewpoint of weight reduction, a conventionally known battery package such as a polymer-metal composite laminate film or an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is coated with an insulator such as a polypropylene film. It is preferable that the battery laminate is housed and sealed by using a material and joining a part or all of its peripheral portion by heat fusion.
[0063]
In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may have a structure sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, the use of a polymer-metal composite laminate film or aluminum laminate pack with excellent thermal conductivity allows the heat to be efficiently transmitted from the heat source of the vehicle and quickly heats the inside of the battery to the battery operating temperature. preferable.
[0064]
[Positive and negative terminal plates]
The positive and negative electrode terminal plates have a function as terminals, and it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning, but the electrodes, electrolytes and current collectors formed by film formation all have low mechanical strength. Therefore, it is desirable to have sufficient strength to sandwich and support them from both sides. 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.
[0065]
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.
[0066]
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.
[0067]
When the shape of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is also used as a template, the terminal plate is provided in a shape obtained by tracing the outer surface of a heat source of an automobile or the like, and in the terminal plate provided at a position opposite to the template, the terminal plate is provided. Any shape may be used as long as the outer surface of the current collector is traced, and may be formed by tracing by press molding or the like. In the terminal plate provided at a position opposite to the template, the terminal plate may be formed by spray coating similarly to the current collector.
[0068]
[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.
[0069]
FIG. 10 is a perspective view showing an appearance when the bipolar battery manufactured in the first embodiment or the second embodiment is configured as a battery 100 by an aluminum laminate pack. In the battery 100, the positive electrode and the negative electrode terminal plates described above are provided on the current collector 1 located at both ends of the bipolar battery, and leads are further attached to form electrodes 101 and 102.
[0070]
Next, an experimental example in which the bipolar battery manufactured according to the first embodiment or the second embodiment is actually evaluated will be described.
[0071]
Experimental example <Evaluation of liquid junction>
A bipolar battery was manufactured according to the manufacturing procedure of the first embodiment or the second embodiment described above, and a liquid junction between the unit cell layers 20 was evaluated.
[0072]
(Sample preparation)
The bipolar battery actually manufactured as an example is as follows.
[0073]
The current collector 1 uses a stainless steel (SUS) foil of 20 μm, and only one of the positive electrode active material layer 2 and the negative electrode active material layer 3 is formed on the current collector 1 located at both ends of the lamination. A positive electrode active material layer 2 and a negative electrode active material layer 3 were formed on the current collector 1 of Example 1.
[0074]
The positive electrode active material layer 2 is obtained by mixing LiMn 2 O 4 with acetylene black as a conductive additive, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a viscosity adjusting solvent to form a positive electrode slurry. The positive electrode active material was prepared and applied as a positive electrode active material to one surface of a stainless steel foil (thickness: 20 μm) as a current collector and dried to form a positive electrode active material layer 2 having a thickness of 40 μm.
[0075]
The negative electrode active material layer 3 was prepared by mixing Li 4 Ti 5 O 12 with acetylene black as a conductive additive, PVDF as a binder, and NMP as a viscosity adjusting solvent to prepare a negative electrode slurry. Is applied to the opposite surface of the stainless steel foil coated with and then dried to form a negative electrode active material layer 3 having a thickness of 50 μm.
[0076]
The gel electrolyte layer 4 is composed of a 50 μm thick polypropylene (PP) undifferentiated cloth, a polymer (copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide) 5 wt%, a mixing ratio of 1: 3 ethylene carbonate (EC) + dimethyl carbonate ( A gel electrolyte comprising 95% by weight of DMC (DMC) and 1.0 mol / l of Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N with respect to the EC + DMC electrolyte.
[0077]
A bipolar electrode 10 is formed by the current collector 1, the positive electrode active material layer 2, and the negative electrode active material layer 3, and the positive electrode active material layer 2 and the negative electrode active material layer 3 are laminated with the gel electrolyte layer 4 interposed therebetween. did. After lamination, the mold 40 was fitted around the outer periphery of the battery structure, the molten resin was poured into the mold 40, and after curing, a sealing member made of the resin 60 was formed on the side surface of the electrode laminate 30. The resin 60 as a sealing member was formed on all four side surfaces of the electrode stack 30, and the gel electrolyte layer 4 was sealed in the bipolar battery. The number of stacked unit cells 20 was five.
[0078]
As a comparative example of this evaluation, a bipolar battery having the same structure except that the resin 60 as a sealing member was not provided on the side surface of the electrode laminate 30 was formed.
[0079]
The evaluation of the liquid junction was performed by performing a charge / discharge cycle test of the bipolar batteries of the example and the comparative example. In the charge / discharge cycle, the battery was charged with a current of 0.5 C and discharged with a current of 0.5 C, which was defined as one cycle.
[0080]
(Evaluation results)
In the bipolar battery of the example, a liquid junction (short circuit) between the electrodes did not occur even if the charge and discharge cycle exceeded 50 cycles, and the output voltage was maintained.
[0081]
On the other hand, in the bipolar battery of the comparative example, during the initial charging, the electrolyte oozes out of the unit cell layer and comes into contact with the gel electrolyte of the other unit cells to cause a liquid junction, and the battery voltage is reduced. Markedly reduced.
[0082]
From this evaluation result, it can be seen that by using a bipolar battery in which the resin 60 is formed on the outer periphery of the electrode laminate 30 as the sealing member, liquid junction between the cells can be reliably prevented.
[0083]
In addition, based on the manufacturing method of 2nd Embodiment, the experiment was similarly performed about the bipolar battery which immersed the side surface of the electrode laminated body 30 in the water tank containing resin, and supplied resin to four side surfaces. In this experiment, results similar to the above (evaluation results) were obtained.
[0084]
(Third embodiment)
A third aspect of the present invention is an assembled battery in which a plurality of bipolar batteries manufactured by the method for manufacturing a bipolar battery according to the first or second embodiment are connected in parallel and / or in series.
[0085]
FIG. 11 is a perspective view of the battery pack according to the third embodiment, and FIG. 12 is a view of the internal structure of the battery pack as viewed from above.
[0086]
As shown in FIG. 11 and FIG. 12, the battery pack 70 is formed by connecting a plurality of directly connected batteries 100 (see FIG. 10) in which the bipolar battery according to the first embodiment is packaged by a laminate pack, and further connected in parallel. It was done. In the batteries 100, the electrodes 101 and 102 of each battery are connected by a conductive bar 53. In the battery pack 110, electrode terminals 111 and 112 are provided on one side surface of the battery pack 110 as electrodes of the battery pack 110.
[0087]
In this assembled battery, ultrasonic welding, heat welding, laser welding, rivets, caulking, electron beam, or the like can be used as a connection method when the batteries 100 are directly connected and further connected in parallel. By employing such a connection method, a battery pack having long-term reliability can be manufactured.
[0088]
According to the battery pack according to the third embodiment, a high capacity and high output can be obtained by using the battery manufactured in the above-described first embodiment or the second embodiment to make a battery pack, and Since the reliability of each battery is high, the long-term reliability of the assembled battery can be improved.
[0089]
The connection of the batteries 100 as the assembled battery may be performed by connecting all of the batteries 100 in parallel or by connecting all of the batteries 100 in series.
[0090]
(Fourth embodiment)
A fourth aspect of the present invention is a vehicle equipped with the bipolar battery manufactured by the method for manufacturing a bipolar battery according to the first or second embodiment or the battery pack 110 according to the third embodiment as a driving power supply. is there. A vehicle using the bipolar battery or the battery pack 110 as a power source for a motor is a vehicle whose wheels are driven by a motor, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
[0091]
For reference, FIG. 13 shows a schematic diagram of an automobile 130 on which the battery pack 110 is mounted. The battery pack 110 mounted on the vehicle has the characteristics described above. For this reason, an automobile equipped with the battery pack 110 has high durability and can provide a sufficient output even after being used for a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the bipolar battery of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing electrodes of a bipolar battery.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which electrodes are stacked with a gel electrolyte layer interposed therebetween.
FIG. 4 is a perspective view showing a state in which a mold is fitted to the electrode laminate.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a mold is fitted to the electrode laminate.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state of the electrode laminate after removing the mold.
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a bipolar battery in which an insulating layer is laminated on a current collector 1.
FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the bipolar battery of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a state of a manufacturing process of the bipolar battery.
FIG. 10 is a perspective view showing an appearance when a bipolar battery manufactured by the manufacturing method of the present invention is formed as a battery by an aluminum laminate pack.
FIG. 11 is a perspective view of a battery pack according to a third embodiment.
FIG. 12 is a drawing of the internal configuration of the battery pack viewed from above.
FIG. 13 is a schematic view of an automobile equipped with a battery pack.
[Explanation of symbols]
1 ... current collector,
2 ... Positive electrode active material layer,
3: Negative electrode active material layer,
4 ... Gel electrolyte layer,
5 ... insulating layer,
10 ... Bipolar electrode,
20 ... cell layer,
30 ... electrode laminate,
40 ... type,
53 ... conductive bar,
60 ... resin,
70 ... battery pack,
100 ... battery,
110 ... battery pack,
130 ... Car.

Claims (9)

複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、該側面と合致する切り欠きを有する型に挿入し、前記型内に溶融した樹脂を注入して、該樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする積層電池の製造方法。The gel electrolyte layer is sandwiched between a plurality of sheet-shaped electrodes, and the side faces of the electrode laminate are inserted into a mold having a notch matching the side faces, and the resin melted in the mold. And a resin for curing the resin to prevent leakage of the gel electrolyte to form a sealing member. 複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層し、積層してできた電極積層体の側面を、溶融した樹脂が充填されている水槽に漬けてから取り出し、前記電極積層体に付着した前記樹脂を硬化させてゲル電解質の漏れを防止するシール部材とする積層電池の製造方法。A gel electrolyte layer is sandwiched between a plurality of sheet-shaped electrodes, and the side surfaces of the laminated electrode laminate are immersed in a water bath filled with a molten resin, taken out, and attached to the electrode laminate. A method for manufacturing a laminated battery, wherein the resin is cured to form a sealing member for preventing leakage of gel electrolyte. 複数のシート状の電極間にゲル電解質層を挟んで積層する際に、前記電極を構成する集電体上に絶縁部材を設ける請求項1または請求項2に記載の積層電池の製造方法。The method for producing a laminated battery according to claim 1, wherein when laminating the gel electrolyte layer between a plurality of sheet-like electrodes, an insulating member is provided on a current collector constituting the electrodes. 前記シール部材は、シリコン、エポキシ、ウレタン、ポリブタジエン、ポリプロピレン、ポリエチレン、パラフィンワックスからなる群から選択される樹脂である請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の積層電池の製造方法。The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the sealing member is a resin selected from the group consisting of silicon, epoxy, urethane, polybutadiene, polypropylene, polyethylene, and paraffin wax. 前記電極は、
集電体、正極活物質層および負極活物質層からなり、前記集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなるバイポーラ電極であって、
前記正極活物質層および前記負極活物質層がゲル電解質を挟んで対向するように積層される請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の積層電池の製造方法。
The electrode is
A bipolar electrode comprising a current collector, a positive electrode active material layer, and a negative electrode active material layer, wherein a positive electrode active material layer is formed on one surface of the current collector, and a negative electrode active material layer is formed on the other surface. hand,
The method for manufacturing a laminated battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are laminated so as to face each other with a gel electrolyte interposed therebetween.
前記正極活物質層には、リチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれ、
前記負極活物質層には、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれる請求項5に記載の積層電池の製造方法。
The positive electrode active material layer contains a composite oxide of lithium and a transition metal,
The method according to claim 5, wherein the negative electrode active material layer contains a composite oxide of carbon or lithium and a transition metal.
請求項1〜6に記載の積層電池の製造方法により製造された積層電池。A multilayer battery manufactured by the method for manufacturing a multilayer battery according to claim 1. 請求項7に記載の積層電池を複数個接続してなる組電池。An assembled battery comprising a plurality of the laminated batteries according to claim 7 connected to each other. 請求項7に記載の積層電池、または請求項8に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。A vehicle comprising the stacked battery according to claim 7 or the battery pack according to claim 8 mounted as a driving power source.
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