JP2004319210A

JP2004319210A - バイポーラ電池、バイポーラ電池の製造方法、組電池および車両

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Publication number: JP2004319210A
Application number: JP2003110274A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Fukuzawa; 達弘福沢; Kenji Hosaka; 賢司保坂
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP4218400B2

Abstract

【課題】加熱プレスによる熱融着樹脂の厚さの減少による、電池性能の低減を防止することができるバイポーラ電池を提供する。
【解決手段】本発明のバイポーラ電池１は、集電体２の一方の面に正極活物質層３が形成され他方の面に負極活物質層４が形成されてなるバイポーラ電極が、ゲル電解質層５を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、隣接する正極活物質層３、ゲル電解質層５、および負極活物質層４を含んで構成される単電池層６の周囲を取り囲むように、集電体２、７間に配置され、集電体２、７外部まで延びて、該外部で互いに熱融着されるシール部材９を有するバイポーラ電池である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ電池に関し、特に電解質に高分子ゲル電解質を用いたバイポーラ電池、該バイポーラ電池の製造方法、組電池、該バイポーラ電池を搭載した車両に関する。
【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（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
電解質に液体電解質または高分子ゲル電解質を用いる場合、集電体間に単電池層を囲むシール部材を設けている（たとえば、特許文献２）。シール部材がないと、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からである。ここで、単電池層は、正極活物質層、ゲル電解質層、および負極活物質層を含む。
【０００５】
シール部材を設けるには、集電体間の中央部に単電池層、外周部にシール用の熱融着樹脂を挟み込み、熱融着樹脂部分を加熱プレスして、集電体と熱融着樹脂を熱融着する手法がある。熱融着樹脂がシール部材となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２０４１３６号公報
【特許文献２】
特開平０８−００７９２６号公報（段落「００１２」、図２参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、集電体にシール部材を加熱プレスして熱融着するのでは、熱融着樹脂が加熱により溶融され、加圧により圧縮されるので、その厚さが減少する。
【０００８】
加熱プレス前には同等な厚さであっても、加熱プレス後には熱融着樹脂の厚さが減少するのでは、熱融着樹脂の方が単電池層よりも薄くなってしまう。特に、バイポーラ電池の積層数が多い場合には、集電体間の熱融着樹脂の厚さがそれぞれ少しずつ減少し、バイポーラ電池全体としては、熱融着樹脂が配置される端部側が、単電池層が配置される中央側に比べてかなり薄くなる。換言すると、端部側の厚さの減少とは反対に、中央側の厚さは厚くなる。
【０００９】
中央側の厚さが厚くなると、中央に配置される単電池層の密着性、すなわち、正極活物質層およびゲル電解質層、あるいは負極活物質層およびゲル電解質層の密着性が悪くなる。これは、バイポーラ電池の内部抵抗の増加につながり、電池性能を低減してしまう。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱融着樹脂の厚さの減少による、電池性能の低減を防止することができるバイポーラ電池、該バイポーラ電池の製造方法、該バイポーラ電池を用いた組電池および車両の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１２】
本発明の第１は、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が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置され、前記集電体外部まで延びて、該外部で互いに熱融着されるシール部材を有するバイポーラ電池である。
【００１３】
本発明の第２は、集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成して、バイポーラ電極を形成する工程と、前記集電体の一面または両面の端部に予めシール部材を熱融着する工程と、前記バイポーラ電極をゲル電解質層を挟んで積層する工程と、前記集電体の外部に延びるシール部材同士を、該外部で互いに熱融着する工程と、を有するバイポーラ電池の製造方法である。
【００１４】
【発明の効果】
上記本発明の第１では、シール部材が集電体外部で熱融着されるので、熱融着の際の溶融により、集電体間でシール部材の厚さが単電池層よりも薄くならない。したがって、単電池層とシール部材との厚さの不整合により生じる集電体間の歪を防止しつつ、シール部材を提供できる。集電体間に歪みが生じないので、バイポーラ電極とゲル電解質層との密着性が低下することがなく、電池の内部抵抗の増加を防止でき、電池性能を維持できる。
【００１５】
本発明の第２では、集電体、正極活物質層、ゲル電解質層、負極活物質層、集電体およびシール部材を積層していき、最後にシール部材の端部を熱融着するだけなので、簡易な方法で、確実にゲル電解質層からの液漏れを防止できる。
【００１６】
【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各構成要素を誇張して表現している。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１は、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が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置され、前記集電体外部まで延びて、該外部で互いに熱融着されるシール部材を有するバイポーラ電池である。
【００１８】
また、本発明の第２は、集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成して、バイポーラ電極を形成する工程と、前記集電体の一面または両面の端部に予めシール部材を熱融着する工程と、前記バイポーラ電極をゲル電解質層を挟んで積層する工程と、前記集電体の外部に延びるシール部材同士を、該外部で互いに熱融着する工程と、を有するバイポーラ電池の製造方法である。
【００１９】
図１は、本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。
【００２０】
バイポーラ電池１は、両端部以外の集電体２の両面中央に正極活物質層３と負極活物質層４が形成されており、この集電体２の正極活物質層３と負極活物質層４との間に電解質層５を挟んで単電池層６を構成し、この単電池層６が複数積層された構造を持つ。なお、両端部にある集電体（端部集電体７と称する）は、このバイポーラ電池全体の電極と接続される。
【００２１】
そして、集電体２を挟んで正極活物質層３と負極活物質層４を設けた構成をバイポーラ電極という。
【００２２】
ここで、電解質層５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、特に本実施の形態においては、７０重量％以上電解液を保持したゲル電解質を使用することができる。
【００２３】
このバイポーラ電池１では、単電池層６からの液漏れを防止するために、一つひとつの単電池層６の周囲を取り囲み、集電体２間、または、集電体２および端部集電体７の間に配置されるシール部材９を設けている。
【００２４】
シール部材９は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのような絶縁性を有する熱融着樹脂により形成されている。シール部材９は、集電体２、７外部まで延びて、該外部で互いに熱融着される。また、後述するように、シール部材９は、積層前に、集電体２または端部集電体７に熱融着されている。これにより、シール部材９によって、各単電池層６が密閉される。したがって、単電池層６からの液漏れを防止することができ、また集電体同士の接触による短絡を防止することができる。
【００２５】
次に、本発明のバイポーラ電池１の製造手順について説明する。
【００２６】
図２〜図４は本発明のバイポーラ電池の製造手順を説明するための図である。
【００２７】
図２はバイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す断面図、図３はバイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す斜視図、図４はバイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材の大きさの一例を示す図、図５はバイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材の積層後の様子を示す断面図である。
【００２８】
本発明のバイポーラ電池１の製造手順としては、図２に示すように、まず、端部集電体７上に電極層（正極活物質層３または負極活物質層４、例えば、正極活物質層３）を積層し、その上にさらにゲル電解質層５を積層する。この積層したものを積層体Ａと称する。
【００２９】
次に、積層体Ａとは別に、集電体２の両面に負極活物質層４および正極活物質層３を取り付け、正極活物質層３上にゲル電解質層５を積層する。さらに、集電体２端部に、ゲル電解質層５の周りを取り囲むように、シール部材９を配置する。ゲル電解質層５を取り囲むために、シール部材９は、中央に貫通孔が形成されている（図３参照）。
【００３０】
シール部材９は、集電体２の負極活物質層４側に、熱融着により固定される。熱融着の際には、集電体２とシール部材９とを両側から加熱プレスする。シール部材９は、図２および図３に示すように、集電体２端部からその外部まで延びている。この積層したものを積層体Ｂと称する。積層体Ｂと全く同様の方法で、積層体Ｃを形成する。
【００３１】
続けて、端部集電体７上に負極活物質層４を積層し、端部集電体７の端部に、負極活物質層４を取り囲むように、シール部材９を配置する。積層体Ｂと同様に、シール部材９は、端部集電体７に熱融着により固定される。ここで積層したものを積層体Ｄと称する。
【００３２】
以上、作成した積層体Ａ〜Ｄについて、図２に示すように、積層体Ａ上に積層体Ｂ、積層体Ｃおよび積層体Ｄを順に積層して、図５に示すような積層体Ｘを作成する。積層体Ｘは、集電体２、７から３枚のシール部材９が延びている。
【００３３】
これらのシール部材９の端部を、最後に、図５に示すように、加熱プレスすることによって、シール部材９同士が熱融着する。
【００３４】
以上の手順によって、図１に示すバイポーラ電池１が製造される。
【００３５】
なお、上記積層体Ｂ〜Ｄでは、集電体２、７に熱融着した後のシール部材９の厚さが、正極活物質層３、ゲル電解質層５および負極活物質層４の合計厚さ、すなわち、単電池層６の厚さと同等か、誤差３０μｍ以内である。
【００３６】
ただし、本発明のバイポーラ電池１では、上述のように、シール部材９は、集電体２端部の片面に熱融着されているだけであり、集電体２間でシールするものではない。つまり、シールは、バイポーラ電池１外部でシール部材９同士を熱融着させる部分で達成している。したがって、シール部材９の厚さが、単電池層６の厚さより薄くてもよい。
【００３７】
例えば、図４に示すようにシール部材９の厚さを負極活物質層４と略同等にすることができる。この場合、図４に示すように、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、およびシール部材９の幅を、それぞれ、１００ｍｍ、７０ｍｍ、７０ｍｍ、９０ｍｍ、および３０ｍｍとすることができる。ここで、集電体２とシール部材９とが熱融着される幅は、１０ｍｍである。
【００３８】
上記寸法のように、ゲル電解質層５の幅を大きくすることによって、シール部材９とゲル電解質層５の両者により、集電体２、７間の絶縁性を確保することができる。
【００３９】
本実施形態のバイポーラ電池１の奏する効果は、以下の通りである。
【００４０】
シール部材９が集電体２、７の外部で熱融着されるので、熱融着の際の溶融により、集電体２、７間でシール部材９の厚さが単電池層６よりも薄くならない。したがって、集電体２、７間の単電池層６とシール部材９との厚さの不整合による集電体２、７間（集電体２同士の間、および集電体２と端部集電体７との間を含む）の歪みを防止しつつ、ゲル電解質層５からの液漏れを防止するシール部材９を提供できる。集電体２、７間に歪みが生じないので、バイポーラ電極とゲル電解質層５との密着性が低下することがなく、電池の内部抵抗の増加を防止でき、電池性能を維持できる。
【００４１】
先に集電体２の端部にシール部材９を熱融着しておくので、積層体Ａ〜Ｄの積層後に、集電体２、７間でシール部材９の厚さが変動しない。したがって、単電池層６とシール部材９との厚さが、後発的に不整合になることを防止できる。
【００４２】
さらに、上述のように、集電体７、正極活物質層３、ゲル電解質層５、負極活物質層４、集電体２およびシール部材９を積層していき、最後にシール部材９の端部を熱融着するだけなので、簡易な方法で、確実にゲル電解質層からの液漏れを防止できる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、積層体ＡおよびＤの間に、積層体ＢおよびＣの２枚を積層していたが、これに限定されない。積層体Ｂと同等のものの積層数を増減することによって、出力の異なるバイポーラ電池１を構成できる。
【００４４】
（変形例）
バイポーラ電池１は、外装体に封入することもできる。以下では、バイポーラ電池１を外装体内に封入した電池の製造手順を説明する。
【００４５】
図６は図５に示す積層体を外装体に封入した様子を示す断面図、図７はバイポーラ電池を含む電池を示す断面図である。
【００４６】
まず、積層体Ｘを加熱プレスする前に、図６に示すように、外装体１０に該積層体Ｘを内包する。ここで、外装体１０は、シート状に形成された絶縁体である。２枚を一組として、積層体Ｘの上下から被せて、外装体の端部を合わせる。内包した後、積層体Ｘのシール部材９の端部を外装体１０で挟むように、両側から加熱プレスを行う。
【００４７】
加熱プレスを行うと、図７に示すように、シール部材９同士および外装体１０が密着する。ここでは、シール部材９の溶融により、シール部材９同士が熱融着すると共に、外装体１０は、シール部材９の最外層に熱融着される。積層体Ｘは、外装体１０内で、図１に示すバイポーラ電池１と同様に形成される。
【００４８】
このように、外装体１０内にバイポーラ電池１を含めて電池２０とすることによって、図１に示すバイポーラ電池１と同様の電池特性を有しつつ、振動や衝撃に対する耐久性を向上できる。
【００４９】
上記バイポーラ電池１および電池２０について、シール部材９以外の電池を構成する部材は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられているものと同じでよい。
【００５０】
以下に、このバイポーラ電池１に使用することのできる集電体、正極、負極、ゲル電解質等について説明する。
【００５１】
［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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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、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。
【００５５】
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、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ_４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_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＴａＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ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。
【００６０】
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。
【００６１】
上記リチウム塩としては、たとえば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＴａＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０等の無機酸陰イオン塩、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
［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。
【００６６】
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、ハード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。
【００６７】
［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）が、２０：８０〜２：９８と比較的電解液の比率が大きい範囲である。
【００６８】
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も含まれる。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
［外装体（電池ケース）］
外装体には、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、従来公知の材料を用いて、バイポーラ電池を収納し密封した構成とする。
【００７２】
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体の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【００７３】
［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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
［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。
【００７８】
図８は、外装体１０にアルミラミネートパックを用いてなる電池２０の外観を示す斜視図である。この電池２０は、内包するバイポーラ電池１の端部集電体７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２３および２４としている。
【００７９】
次に、実際上記バイポーラ電池１を製作して評価を行った実験例について説明する。
【００８０】
実験例
＜内部抵抗評価＞
上述した実施の形態と同様にして電池２０を製作し、電圧の評価を行った。
【００８１】
（サンプル作製）
実施例として実際に作製した電池２０は、下記の通りである。
【００８２】
集電体２、７は、厚さ２０μｍのステンレス（ＳＵＳ）箔を使用し、端部集電体７には正極活物質層３または負極活物質層４を形成し、集電体２には正極活物質層３および負極活物質層４を形成した。
【００８３】
正極活物質層３は、ＬｉＭｎ２Ｏ４（８５％）に、導電助剤としてアセチレンブラック（５％）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（１０％）、粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量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３としている。
【００８４】
負極活物質層４は、ハードカーボン（９０％）に、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０％）、粘度調整溶媒としてＮＭＰ（適量）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３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４０μｍの負極活物質層４としている。
【００８５】
上記手順で形成したバイポーラ電極の正極側の面の外周部に、シール部材９を熱融着させた。
【００８６】
高分子ゲル電解質層５は、厚さ１００μｍ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）１０重量％、混合比１：１のエチレンカーボネート（ＥＣ）＋プロピレンカーボネート（ＰＣ）に１．０ｍｏｌ／ｌのＬｉＢＥＴＩを溶解させたもの９０重量％、および重合開始剤からなるプレゲル溶液を浸透させて、不活性雰囲気下で熱重合させたものである。
【００８７】
上記正極活物質層３、集電体２、７、負極活物質層４からなるバイポーラ電極にシール部材９を熱融着させたもの、およびゲル電解質層５を、正極活物質層３と負極活物質層４がゲル電解質層５を挟むような構成で積層した。単電池層６の積層数は４層とし、積層したバイポーラ電池１を外装体１０内に封入した。封入後、外装体１０の外側から、バイポーラ電池１のシール部材９の端部にあたる部分に加熱プレスをかけ、シール部材９同士を熱融着させると同時に、シール部材９と外装体１０も融着させた。
【００８８】
また、この評価の比較例として、シール部材９が集電体２、７の外部に延長しておらず、集電体２、７の端部で加熱プレスによりシール部材９および集電体２、７、外装体１０を熱融着させている、同様構造の電池を形成した。
【００８９】
内部抵抗の評価は、実施例および比較例の電池２０に対し、２５℃、満充電の状態で交流インピーダンス測定を行うことにより評価した。
【００９０】
（評価結果）
実施例の電池２０では、内部抵抗が２．３５Ωとなった。
【００９１】
一方、比較例の電池では、内部抵抗が４．１３Ωとなった。
【００９２】
比較例の電池の方の内部抵抗が高いのは、集電体２、７端部の加熱プレスにより、集電体２、７間に歪みが生じ、バイポーラ電極とゲル電解質層との密着性が低下したからであると考えられる。
【００９３】
この評価結果から、集電体端部に加熱プレスを行うのではなく、集電体２、７外部で加熱プレスを行いシールすれば、集電体２、７間の歪みによる電池性能の低下がないことがわかる。
【００９４】
＜液絡評価＞
上述した実施の形態と同様にして電池２０を製作し、単電池同士の液絡の評価を行った。
【００９５】
（サンプル作製）
実施例として実際に作製した電池２０は、下記の通りである。
【００９６】
集電体２、７は、厚さ２０μｍのステンレス（ＳＵＳ）箔を使用し、端部集電体７には正極活物質層３または負極活物質層４を形成し、集電体２には正極活物質層３および負極活物質層４を形成した。
【００９７】
正極活物質層３は、ＬｉＭｎ２Ｏ４（８５％）に、導電助剤としてアセチレンブラック（５％）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（１０％）、粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量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３としている。
【００９８】
負極活物質層４は、ハードカーボン（９０％）に、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０％）、粘度調整溶媒としてＮＭＰ（適量）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３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４０μｍの負極活物質層４としている。
【００９９】
上記手順で形成したバイポーラ電極の正極側の面の外周部に、シール部材９を熱融着させた。
【０１００】
高分子ゲル電解質層５は、厚さ１００μｍ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）１０重量％、混合比１：１のエチレンカーボネート（ＥＣ）＋プロピレンカーボネート（ＰＣ）に１．０ｍｏｌ／ｌのＬｉＢＥＴＩを溶解させたもの９０重量％、および重合開始剤からなるプレゲル溶液を浸透させて、不活性雰囲気下で熱重合させたものである。
【０１０１】
上記正極活物質層３、集電体２、７、負極活物質層４からなるバイポーラ電極にシール部材９を熱融着させたもの、およびゲル電解質層５を、正極活物質層３と負極活物質層４がゲル電解質層５を挟むような構成で積層した。単電池層６の積層数は４層とし、積層したバイポーラ電池１を外装体１０内に封入した。封入後、外装体１０の外側から、バイポーラ電池１のシール部材９の端部にあたる部分に加熱プレスをかけ、シール部材９同士を熱融着させると同時に、シール部材９と外装体１０も融着させた。
【０１０２】
また、この評価の比較例として、シール部材９を持たない、同様構造の電池を形成した。
【０１０３】
液絡の評価は、実施例および比較例の電池２０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、０．５ＣＡの電流で充電し、０．５ＣＡの電流で放電を行い、これを１サイクルとした。
【０１０４】
（評価結果）
実施例の電池２０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。
【０１０５】
一方、比較例の電池では、１０サイクル目の充電を行っている途中に、電解液が単電池層外に染み出し、他の単電池層の電解質層５と接触して液絡が起こり、電池電圧が著しく低下した。
【０１０６】
この評価結果から、単電池層６ごとに、これを取り囲むシール部材９を設けることで、単電池同士の液絡を確実に防止できることがわかる。
【０１０７】
（第２の実施の形態）
本発明の第３は、上記第１の実施の形態のバイポーラ電池１または電池２０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。
【０１０８】
図９は、第２の実施の形態による組電池の斜視図であり、図１０は、内部構成を上方から見た図面である。
【０１０９】
図９および図１０に示すように組電池５０は、上述した第１の実施の形態によるバイポーラ電池１をラミネートパックによりパッケージした電池２０（図８参照）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２０同士は、導電バー５３により各電池の電極２３および２４が接続されている。この組電池５０には電極ターミナル５１および５２が、この組電池５０の電極として組電池５０の一側面に設けられている。
【０１１０】
この組電池においては、電池２０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。
【０１１１】
本第２の実施の形態による組電池によれば、前述した第１の実施の形態による電池を用いて組電池化することで、高容量、高出力と得ることができ、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。
【０１１２】
なお、組電池としての電池２０の接続は、電池２０を複数個全て並列に接続してもよいし、また、電池２０を複数個全て直列に接続してもよい。
【０１１３】
（第３の実施の形態）
本発明の第４は、上記第１実施形態のバイポーラ電池１、電池２０、または第２実施形態の組電池５０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１または組電池５０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。
【０１１４】
参考までに、図１１に、組電池５０を搭載する自動車１００の概略図を示す。自動車に搭載される組電池５０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池５０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】本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。
【図２】バイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す断面図である。
【図３】バイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す斜視図である。
【図４】バイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材の大きさの一例を示す図
【図５】バイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材の積層後の様子を示す断面図である。
【図６】図５に示す積層体を外装体に封入した様子を示す断面図である。
【図７】バイポーラ電池を含む電池を示す断面図である。
【図８】外装体にアルミラミネートパックを用いてなる電池の外観を示す斜視図である。
【図９】組電池の斜視図である。
【図１０】組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【図１１】組電池を搭載する自動車の概略図である。
【符号の説明】
１…バイポーラ電池、
２（７）…集電体（端部集電体）、
３…正極活物質層、
４…負極活物質層、
５…ゲル電解質層、
６…単電池層、
９…シール部材、
１０…外装体、
２０…電池、
５０…組電池、
１００…自動車。

Claims

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が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、
隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置され、前記集電体外部まで延びて、該外部で互いに熱融着されるシール部材を有するバイポーラ電池。
前記集電体および前記シール部材が内包される外装体をさらに有し、
前記外装体は、前記シール部材同士の熱融着と共に、前記シール部材の最外層に熱融着される請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記シール部材は、前記集電体の一面または両面の端部に予め熱融着されており、その後、熱融着された集電体と共に積層される請求項１または請求項２に記載のバイポーラ電池。
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１〜請求項３のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
前記ゲル電解質層に、高分子電解質を用いた請求項１〜請求項４に記載のバイポーラ電池。
集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成して、バイポーラ電極を形成する工程と、
前記集電体の一面または両面の端部に予めシール部材を熱融着する工程と、
前記バイポーラ電極をゲル電解質層を挟んで積層する工程と、
前記集電体の外部に延びるシール部材同士を、該外部で互いに熱融着する工程と、
を有するバイポーラ電池の製造方法。
前記熱融着する工程では、併せて、前記集電体および前記シール部材を内包する外装体と、前記シール部材とを熱融着する請求項４に記載のバイポーラ電池の製造方法。
請求項１〜５のいずれか一つに記載のバイポーラ電池、または、請求項６または請求項７に記載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。
請求項１〜５のいずれか一つに記載のバイポーラ電池、請求項６または請求項７に記載の製造方法により製造されたバイポーラ電池、または、請求項６に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。