JP2004319362A - バイポーラ二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バイポーラ電極と固体電解質とを交互に積層して発電要素(12)を形成し、発電要素の積層方向両端に位置するバイポーラ電極に発電要素を充放電させるための正極タブ(14)と負極タブ(16)とを接続し、これ以外のバイポーラ電極に電圧検知用タブ(18)を接続し、電圧検知用タブを正極タブおよび負極タブとは異なる方向から引き出し、正極タブ、負極タブ、電圧検知用タブを外部端子に固定して取り付ける。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧検知用タブを備え耐振動性に優れたバイポーラ二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
バイポーラ二次電池は、下記特許文献1にも記載されているように、複数のバイポーラ電極から構成される電池であり、薄型、軽量で放熱性が良好であるなど、種々の優れた特性を備えている。
【0003】
バイポーラ二次電池は、外部に露出する充放電のための正極タブと負極タブとを備えている。バイポーラ二次電池を車両の動力源として使用する場合には、多数のバイポーラ二次電池を直並列接続しなければならないことから、多数のバイポーラ二次電池の正極タブと負極タブとが一箇所で束ねられ、絶縁物を介して車両側に取り付けられる。このため、各バイポーラ二次電池は主に正極タブと負極タブによって支えられることになる。
【0004】
また、バイポーラ二次電池を車両の動力源として使用する場合には、信頼性と安定性が要求されるため、それぞれのバイポーラ二次電池が正常に機能しているか否かを常に監視する必要がある。このため、すべてのバイポーラ二次電池の電圧を常時監視し、劣化したバイポーラ二次電池が検知できるようにしている。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−195495号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のバイポーラ二次電池は、主に正極タブと負極タブによって支えられているため、車両走行時の振動周波数(100Hz以下)とバイポーラ二次電池の共振周波数とがほぼ一致してしまい、バイポーラ二次電池が大きな振動にさらされることがある。当然のことながら、大きな振動を長時間受けつづけると、正極タブと負極タブに繰り返し応力がかかり、その部分が折れやすくなってバイポーラ二次電池の信頼性は低下する。
【0007】
また、従来のバイポーラ二次電池の監視は、正極タブと負極タブとの間の電圧を検知することによって行なっていたので、バイポーラ二次電池を構成する複数の単電池の一部が過放電や過充電を生じていても、それが検知される電圧の変化として顕著に現れない限り、バイポーラ電池が正常に機能していると判断されてしまう。単電池の過充電や過放電はバイポーラ二次電池の耐用年数や信頼性に悪影響を与える。
【0008】
本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、正極タブと負極タブに加え、電圧を検知するための電圧検知用タブを単電池ごとに設け、その電圧検知用タブによって単電池ごとの電圧の検知が可能であり、その電圧検知用タブによって耐振動性を向上させることができるバイポーラ二次電池の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続し、当該電圧検知用タブを前記正極タブおよび負極タブとは異なる方向から引き出している。
【0010】
電圧検知用タブ間の電圧は、2つのバイポーラ電極で形成される単電池の電圧を示す。電圧検知用タブ間の電圧を常時監視していれば、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握できる。したがって、さらに安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。
【0011】
また、バイポーラ二次電池からは多数の電圧検知用タブが引き出されている。これらの電圧検知用タブは外部の接続端子に接続され、バイポーラ二次電池が正極タブ、負極タブおよび多数の電圧検知用タブで支えられる。したがって、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、耐振動性が向上する。剛性の向上によりバイポーラ二次電池の共振周波数が高い方に移行することから振動によるタブ断裂の恐れがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【0012】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ二次電池によれば、バイポーラ電極から電圧検知用タブを引き出したので、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握でき、安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。また、バイポーラ二次電池が多数の電圧検知用タブによっても支えられるようになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるバイポーラ二次電池の好適な実施の形態を、[実施の形態1]と[実施の形態2]に分けて詳細に説明する。
【0014】
本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続し、当該電圧検知用タブを前記正極タブおよび負極タブとは異なる方向から引き出したものである。
【0015】
本実施の形態で例示するバイポーラ二次電池の形状は長方形であり、発電要素に接続される正極タブと負極タブは、その長方形の対向する2辺のそれぞれから別々に引き出される場合と、その長方形の1辺のみから並列的に引き出される場合とがある。
【0016】
正極タブと負極タブとがそれぞれ異なる辺から引き出されているバイポーラ二次電池を[実施の形態1]で、正極タブと負極タブとが同一の辺から引き出されているバイポーラ二次電池を[実施の形態2]でそれぞれ説明する。
【0017】
[実施の形態1]
図1は本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0018】
図示されているように、バイポーラ二次電池10は、その内部に発電要素12を備え、その発電要素12には正極タブ14、負極タブ16、電圧検出用タブ18(18A〜18K)が接続されている。発電要素12は、正面から見ると長方形の形状を有する直方体の三次元立体である。発電要素12は、たとえばラミネートフィルムのような長方形の2枚の高分子金属複合フィルム20によって上下方向から挟まれ、その周囲が熱融着されて封止される。正極タブ14、負極タブ16、電圧検出用タブ18は、高分子金属複合フィルム20から外部に露出している。なお、負極タブ16が高分子金属複合フィルム20から引き出される部分の断面は図1(c)に示すようになっており、その封止部分22では高分子金属複合フィルム20が負極タブ16の周囲に密着し、外部からの水分の浸入を防止している。
【0019】
正極タブ14と負極タブ16は、図示されているように、長方形形状を有するバイポーラ二次電池10の対向する2辺からそれぞれ引き出されている。すなわち、正極タブ14は長方形の1辺(上側)から引き出されとともに、負極タブ16は正極タブ14を引き出した辺に対向する1辺(下側)から引き出される。
【0020】
また、電圧検知用タブ18は、図示されているように、正極タブ14および負極タブ16とは異なる方向から引き出している。すなわち、電圧検知用タブ18は、正極タブ14と負極タブ16が引き出されている辺以外の辺から引き出される。
【0021】
電圧検知用タブ18の合計断面積は、正極タブ14と負極タブ16の合計断面積以下になるように、各電圧検知用タブ18の厚みを決めている。電圧検知用タブ18の断面積を正極タブ14と負極タブ16との関係において決めているのは、これらのタブが車両側の電極に固定して取り付けられたときに、バイポーラ二次電池10を主に支えるのが正極タブ14と負極タブ16になるようにし、バイポーラ二次電池10を補助的に支えるのが電圧検知用タブ18となりようにするためである。このようにすることによって、正極タブ14と負極タブ16に比較して剛性の小さい電圧検知用タブ18に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるからである。
【0022】
高分子金属複合フィルム20の各辺から引き出す電圧検知用タブ18の数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分する。図1に示したバイポーラ電池10の場合、左右の辺から6本ずつの電圧検知用タブ18を引き出している。また、各電圧検知用タブ18の幅と各電圧検知用タブ18の配置間隔とはammずつと等しくしてある。
【0023】
電圧検知用タブ18を左右均等な本数引き出すとともに、各電圧検知用タブ18の幅と各電圧検知用タブ18の配置間隔を等しくすると、バイポーラ二次電池10をバランス良く支えることができるようになり、また、電圧検知用タブ18に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるようになる。また、電圧検知用タブ18の配置間隔が等しいと、タブ相互間の短絡を防止でき、タブを接続するためのソケットが取り付けやすくなる。
【0024】
図2は図1の発電要素12の内部構成を示す図である。発電要素12は、図示されているように、集電体32(32B〜32J)の一方の面に正極層34が形成されその他方の面に負極層36が形成されたバイポーラ電極38が9本設けられている。また、発電要素12の積層方向両端に位置する集電体32Aおよび32Kには、正極層34A、負極層36Kの一方の電極層のみが形成されている。これらのバイポーラ電極38は、隣り合うバイポーラ電極38の正極層34と負極層36とを向き合わせ、バイポーラ電極38間に固体電解質40を介在させて積層する。
【0025】
本実施の形態では、9本のバイポーラ電極38、正極層34Aまたは負極層36Kのみを有する2つの集電体32Aおよび32K、10個の固体電解質40を図に示すように積層して発電要素12を形成している。したがって、2つの集電体32間で単電池▲1▼からまる10が形成される。本実施の形態では、単電池の端子間電圧を4.2Vにしているので、発電要素12の端子間電圧は42Vになる。バイポーラ二次電池は、1つあたりの単電池の端子間電圧がバイポーラ電極を用いないたとえばリチウムイオン二次電池などのような一般的な二次電池の端子間電圧に比較して高いので、容易に高電圧の電池を構成することができる。
【0026】
図3は図1の発電要素12における正極タブ14、負極タブ16、電圧検知用タブ18の接続状態を示す図である。
【0027】
発電要素12の積層方向両端に位置する集電体32Aと32Kにはそれぞれ負極タブ16と正極タブ14が接続される。正極タブ14と負極タブ16には、図示されていない車両の負荷(モータ、電装品など)が接続され、これらのタブ14、16には、非常に大きな充放電電流が流れる。また、発電要素12が備えるすべての集電体(11本)には、単電池の端子間電圧を検知するための電圧検知用タブ18(18A〜18K)が接続される。正極タブ14と負極タブ16の幅および厚み(換言すれば断面積)は、主にそれに流れるであろう充放電時の電流値により決定される。一方、電圧検知用タブ18の幅及び厚みは、主にバイポーラ二次電池10の振動を抑制する観点(換言すれば正極タブ14と負極タブ16により不足する剛性を補う観点)から決定される。
【0028】
本実施の形態では、電圧検知用タブ18を発電要素12の2辺に振り分けており、また、すべての単電池の端子間電圧の検知を可能にするため、電池要素12の真中に位置する集電体32Fには、対向する辺に引き出される2本の電圧検知用タブ18Fを接続してある。したがって、図2の▲1▼〜まる10の単電池の端子間電圧を検出することができる。
【0029】
また、電圧検知用タブ18は、図3に示すように、発電要素12の辺の長手方向にバイポーラ電極38の積層順に整列して引き出している。つまり、発電要素12の右側の辺に、発電要素12の一番下に位置する集電体32Aに接続される電圧検知用タブ18Aからその真中に位置する集電体32Fに接続される電圧検知用タブ18Fを順番に整列して引き出し、発電要素12の左側の辺に、発電要素12の真中に位置する集電体32Fに接続される電圧検知用タブ18Fからその一番上に位置する集電体32Kに接続される電圧検知用タブ18Kを順番に整列して引き出している。
【0030】
このように、電圧検知用タブ18A〜18Kを整列して引き出すと、各電圧検知用タブ18の封止部分の密封性が良好になり、バイポーラ二次電池10の信頼性が向上する。また、バイポーラ二次電池10をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブ18に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0031】
図4は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0032】
このタイプのバイポーラ二次電池10Aは、図1のバイポーラ二次電池10とは電圧検知用タブ18の数が少ない点で異なっており、その他の点では図1のバイポーラ二次電池10と同一である。図4のバイポーラ二次電池10Aは、バイポーラ二次電池10Aの右側から5本の電圧検知用タブ18(18B〜18F)が、その左側から4本の電圧検知用タブ18(18G〜18J)が引き出されている。
【0033】
これらの電圧検知用タブ18は、図5に示すように、発電要素12の積層方向両端に位置する集電体32Aおよび32K以外の集電体32(32B〜32J)に接続されている。したがって、このタイプのバイポーラ二次電池10Aの場合、図2に示した単電池▲2▼〜▲5▼、▲7▼〜▲9▼の端子間電圧を検出することができる。
【0034】
このタイプのバイポーラ二次電池10Aの場合、図1に示した構成のバイポーラ二次電池10と比較すると、電圧検知用タブ18の本数が少ない分振動に対する剛性が低下するが、その低下は各電圧検知用タブ18の幅や厚みを調整することによって防止することができる。
【0035】
図6は本実施の形態にかかるさらに他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0036】
このタイプのバイポーラ二次電池10Bは、図1のバイポーラ二次電池10とは、電圧検知用タブ18がその右側のみから引き出されており、電圧検知用タブ18の配置間隔がその幅よりも狭くなっている点で異なっている。
【0037】
電圧検知用タブ18は、図1のバイポーラ二次電池10と同数設けられているので、図2に示したすべての単電池▲1▼〜まる10の端子間電圧を検知することができる。
【0038】
このタイプのバイポーラ二次電池10Bの場合、図1に示した構成のバイポーラ二次電池10と比較すると、電圧検知用タブ18が片側のみから引き出されているため、振動に対する剛性の低下は否めない。しかし、その低下は各電圧検知用タブ18の幅や厚みを調整することによってある程度までは抑えることができる。
【0039】
[実施の形態2]
図7は本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0040】
図示されているように、バイポーラ二次電池10Cは、その内部に発電要素12を備え、その発電要素12には正極タブ14、負極タブ16、電圧検出用タブ18(18A〜18K)が接続されている。発電要素12は、正面から見ると長方形の形状を有する直方体の三次元立体である。発電要素12は、たとえばラミネートフィルムのような長方形の2枚の高分子金属複合フィルム20によって上下方向から挟まれ、その周囲が熱融着されて封止される。正極タブ14、負極タブ16、電圧検出用タブ18は、高分子金属複合フィルム20から外部に露出している。なお、負極タブ16が高分子金属複合フィルム20から引き出される部分の断面は図7(c)に示すようになっており、その封止部分22では高分子金属複合フィルム20が正極タブ14と負極タブ16の周囲に密着し、外部からの水分の浸入を防止している。
【0041】
正極タブ14と負極タブ16は、図示されているように、長方形形状を有するバイポーラ二次電池10の同一の1辺からから引き出されている。すなわち、正極タブ14と負極タブ16は長方形の1辺(上側)から並列的に引き出されている。
【0042】
また、電圧検知用タブ18は、図示されているように、正極タブ14および負極タブ16とは異なる方向から引き出している。すなわち、電圧検知用タブ18は、正極タブ14と負極タブ16が引き出されている辺以外の3辺から引き出される。
【0043】
電圧検知用タブ18の合計断面積は、実施の形態1と同様、正極タブ14と負極タブ16の合計断面積以下になるように、各電圧検知用タブ18の厚みを決めている。
【0044】
高分子金属複合フィルム20の各辺から引き出す電圧検知用タブ18の数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分する。図7に示したバイポーラ電池10Cの場合、左右の辺から4本ずつの電圧検知用タブ18を引き出し、下側の辺から3本の電圧検知用タブ18を引き出している。また、左右の辺から引き出されている電圧検知用タブ18は、各電圧検知用タブ18の幅と各電圧検知用タブ18の配置間隔とはammずつと等しくしてある。下側の辺から引き出されている電圧検知用タブ18は、配置間隔を均等にしている。
【0045】
電圧検知用タブ18を左右均等な本数引き出すとともに、各電圧検知用タブ18の幅と各電圧検知用タブ18の配置間隔を等しくし、さらに下側の辺からも電圧検知用タブ18を引き出すと、バイポーラ二次電池10をバランス良く支えることができるようになり、また、電圧検知用タブ18に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるようになる。
【0046】
なお、発電要素12の構造と発電要素12における正極タブ14、負極タブ16、電圧検知用タブ18の接続状態は実施の形態1と同一であるので、これらの説明は省略する。
【0047】
図8は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0048】
このタイプのバイポーラ二次電池10Dは、図7のバイポーラ二次電池10Cとは電圧検知用タブ18を引き出す辺の数と各辺から引き出される電圧検知用タブ18の数が異なる点で相違しており、その他の点では図7のバイポーラ二次電池10Cと同一である。すなわち、図8のバイポーラ二次電池10Dは、バイポーラ二次電池10Dの右側から6本の電圧検知用タブ18(18A〜18F)が、その左側からも6本の電圧検知用タブ18(18F〜18K)が引き出されている。
【0049】
このタイプのバイポーラ二次電池10Dの場合、図7に示した構成のバイポーラ二次電池10Cと比較すると、電圧検知用タブ18が引き出される辺の数が少ない分振動に対する剛性が低下するが、その低下は各電圧検知用タブ18の幅や厚みを調整することによって防止することができる。
【0050】
図9は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【0051】
このタイプのバイポーラ二次電池10Eは、図7のバイポーラ二次電池10Cとは、電圧検知用タブ18がその右側のみから引き出されている点で異なっている。
【0052】
このタイプのバイポーラ二次電池10Eの場合、図7に示した構成のバイポーラ二次電池10Cと比較すると、電圧検知用タブ18が片側のみから引き出されているため、振動に対する剛性の低下は否めない。しかし、その低下は各電圧検知用タブ18の幅や厚みを調整することによってある程度までは抑えることができる。
【0053】
以上、本発明にかかるバイポーラ二次電池を2つの実施の形態に分けて説明したが、本発明のバイポーラ二次電池の各構成要素は次のような材料を用いて構成することができる。
【0054】
本発明のバイポーラ二次電池では、バイポーラ電極38の正極層34をLi−Mn系の複合酸化物により形成している。正極層34の正極材料としては、リチウム金属酸化物、リチウム金属酸化物の一部を他の元素で置換した複合酸化物、マンガン酸化物など各種公知の正極材料を適宜使用することができる。具体的には、リチウム金属酸化物としてはリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMnO2、LiMn2O4)、リチウム鉄酸化物(LiXFeOY)、リチウムバナジウム酸化物(LiXVYOZ)等が挙げられる。上記正極材料の中では、リチウムマンガン酸化物が好ましい。
【0055】
本発明のバイポーラ二次電池では、バイポーラ電極38の負極層36を結晶性炭素材または非結晶性炭素材により形成している。負極層36の負極材料としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト、活性炭などの炭素材料、またはSnBXPYOZ、Nb2O5、LiTiXOY、LiFeXOY、LiMnXOYなどの金属酸化物を単独または混合して使用できる。
【0056】
集電体32は、リチウムイオン二次電池に使用されている各種公知の材料を用いることができ、具体的には、ステンレス鋼(SUS)、正極側にアルミニウム箔、負極側に銅箔を位置させアルミ−銅の積層材などが挙げられる。
【0057】
バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができ、溶媒としてはバインダーを溶解させる各種極性溶媒が使用できる。具体的には、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、N−メチルピロリドン(NMP)などが挙げられる。なお、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを使用した場合はN−メチルピロリドンを用いることが好ましい。
【0058】
固体電解質40を構成するために用いられる非水電解液としては、リチウムイオン伝導性のある各種溶液が好ましく、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等の環状炭酸エステルを単体または適宜組み合わせて使用することができる。また、電気伝導度を高くし、かつ適切な粘度を有する電解液を得るため、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトン、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等を併用してもよい。非水電解液中の電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3などが挙げられる。
【0059】
固体電解質40を構成するために用いられるセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂の微多孔膜、不織布などを用いうる。
【0060】
次に、本発明にかかるバイポーラ二次電池が車両に搭載された場合に、車両から受ける振動によってバイポーラ二次電池自体がどのように振動するのかを調査してみた。この調査は次のようにして行った。
【0061】
まず、本発明にかかる種々のタイプのバイポーラ二次電池を車両側に設けられている端子に接続した。そして、その電池のほぼ中央部に加速度ピックアップを取り付け、インパルスハンマーによってハンマリングした時の加速度ピックアップの振動スペクトルを測定した。測定方法は、JIS B 0908(振動および衝撃ピックアップの校正方法・基本概念)に準拠した。測定スペクトルは、FFT分析器により解析し、周波数と加速度の次元に変換した。この得られた周波数に関して平均化とスムージングを行い、振動伝達率スペクトルを得た。
【0062】
その調査結果は、下記の表1のようになった。
【0063】
【表1】
【0064】
表において、加速度比は、それぞれのタイプのバイポーラ二次電池から得られた10Hz、50Hz、100Hzの測定値を、比較例に対する加速度値を基準とする比率に換算したものである。したがって、加速度比=1.0のときには比較例との加速度の絶対値が同じことを意味し、加速度比が0.0から1.0までの値のときには振動が減少していることを意味し、加速度比が1.0以上のときには反共振を起こして逆に振動が増加していることを意味する。
【0065】
平均減衰量は、加速度比を10〜300Hzで測定しその減衰量を平均したものであり、その数値が大きい程振動が低減されていることを意味する。
【0066】
周波数シフトは、加速度比の測定により得られた振動伝達スペクトルのうち、最も低周波に出る第1次ピークの周波数を測定し、基準のデータからの周波数シフト量を測定したものである。周波数シフトの基準値は、それぞれのタイプのバイポーラ二次電池の電圧検知用タブを接続しない場合に得られた測定結果を用いている。
【0067】
表1において、実施例1のバイポーラ二次電池の構造は、図1に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の4辺を固定している。またその内部構造は図3に示した構造と同一の構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、1:0.9であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は1:1で等しくしてある。
【0068】
実施例1の周波数−振動伝達率の特性は図10に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が100Hz以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても(通常100Hz以下の振動が多く発生する)、大きく振動しないことがわかる。
【0069】
また、実施例4のバイポーラ二次電池の構造は、図6に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の3辺を固定している。またその内部構造は図5に示した構造をベースとする構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、1:0.7であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は1:0.5としてある。
【0070】
実施例4の周波数−振動伝達率の特性は図11に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が100Hz以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても(通常100Hz以下の振動が多く発生する)、大きく振動しないことがわかる。
【0071】
さらに、実施例5のバイポーラ二次電池の構造は、図8に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の3辺を固定している。またその内部構造は図3に示した構造をベースとする構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、1:0.95であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は1:1としてある。
【0072】
実施例5の周波数−振動伝達率の特性は図12に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が100Hz以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても(通常100Hz以下の振動が多く発生する)、大きく振動しないことがわかる。
【0073】
以上のように、本発明にかかるバイポーラ二次電池によれば、電圧検知用タブが設けられていない従来のものに比較して、各周波数の加速度比、平均減衰量ともに大きく低減させることができる。また、車両に多く発生する100Hz以下の周波数では共振しなくなり、車両に搭載する電池としては剛性の高い堅固なものとすることができる。
【0074】
本発明では、上記のバイポーラ二次電池を、少なくとも2以上直列または並列に接続(直並列接続)して組電池モジュールとすることができる。なお、組電池モジュールを形成する二次電池は、本発明のバイポーラ二次電池と従来のリチウム二次電池とを混在させても良い。それぞれの二次電池をどの程度の割合で混在させるかは、組電池モジュールとして要求される安全性能、出力性能に応じて決める。また、上記のバイポーラ二次電池を直並列接続して第1組電池ユニットを形成するとともに、この第1組電池ユニットの端子間電圧と電圧を同一にするバイポーラ電池以外の二次電池が直並列接続されてなる第2組電池ユニットを形成し、この第1組電池ユニットと第2組電池ユニットを並列接続することによって組電池モジュールとしても良い。
【0075】
組電池モジュール50を形成するには、例えば、図13に示すように、バイポーラ二次電池10を5枚並列に接続し、5枚並列にしたバイポーラ二次電池10をさらに2枚直列にして金属製の組電池ケース55に収納する。このように、バイポーラ二次電池10を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール50を提供することができる。
【0076】
また、この組電池モジュール50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、組電池ケース55の蓋体に電池電圧(各単電池およびバイポーラ二次電池の端子間電圧)を監視するために電圧計測用コネクタなどを設けもよい。さらにバイポーラ二次電池10同士を連結するためには、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接または電子ビーム溶接により、または、リベットを用いて、またはカシメの手法を用いて、連結するようにしてもよい。
【0077】
次に、上記の組電池モジュール50を、少なくとも2以上直列、並列または直並列に接続し、組電池60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、新たに組電池モジュールを作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。組電池60としては、例えば、図14に示したように、上記の組電池モジュール50を6組並列に接続して組電池60とするには、各組電池ケース55の蓋体に設けられた組電池モジュール50の正極端子42および負極端子44を、外部正極端子部、外部負極端子部を有する組電池正極端子連結板62、組電池負極端子連結板64を用いてそれぞれ電気的に接続する。また、各組電池ケース55の両側面に設けられた各ネジ孔部(図示せず)に、該固定ネジ孔部に対応する開口部を有する連結板66を固定ネジ67で固定し、各組電池モジュール500同士を連結する。また、各組電池モジュール50の正極端子42および負極端子44は、それぞれ正極および負極絶縁カバーにより保護され、適当な色、例えば、赤色と青色に色分けすることで識別されている。
【0078】
このように、組電池モジュールを複数直並列接続されてなる組電池は、一部の電池、組電池が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能である。
【0079】
組電池60を、電気自動車に搭載するには、図15に示したように、電気自動車70の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【0080】
なお、本発明では、組電池60だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、これら組電池と組電池モジュールを組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または組電池モジュールを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カーが好ましいが、これらに制限されるものではない。
【0081】
本発明の実施の形態は以上のとおりであるが、次に請求項ごとの発明の効果を説明する。
【0082】
請求項1に記載の発明にあっては、バイポーラ電極から電圧検知用タブを引き出したので、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握でき、安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。また、バイポーラ二次電池が多数の電圧検知用タブによっても支えられるようになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、耐振動性が向上し、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【0083】
請求項2に記載の発明にあっては、バイポーラ二次電池が少なくとも3方向から引き出されているタブによって支えられることになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、その共振周波数が高くなって耐振動性が向上し、振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0084】
請求項3に記載の発明にあっては、バイポーラ二次電池が複数の方向から引き出されているタブによって支えられることになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、その共振周波数が高くなって耐振動性が向上し、振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0085】
請求項4に記載の発明にあっては、電圧検知用タブの合計断面積を正極タブと負極タブの合計断面積以下としているので、バイポーラ二次電池を主に支えるのが正極タブと負極タブであり、バイポーラ二次電池を補助的に支えるのが電圧検知用タブであるという関係となり、正極タブと負極タブに比較して剛性の小さい電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0086】
請求項5に記載の発明にあっては、各辺に引き出す電圧検知用タブの数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分するので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0087】
請求項6に記載の発明にあっては、電圧検知用タブは、辺の長手方向にバイポーラ電極の積層順に整列して引き出すので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0088】
請求項7に記載の発明にあっては、電圧検知用タブの幅と電圧検知用タブの配置間隔とが等しいので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【0089】
請求項8に記載の発明にあっては、発電要素は、高分子金属複合フィルムによって封止されており、正極タブ、負極タブ、電圧検知タブは、高分子金属複合フィルムから引き出されているので、電池の必要部品点数が少なく、小型で、車両の搭載に適したバイポーラ二次電池となる。
【0090】
請求項9に記載の発明にあっては、正極層にLi−Mn系の複合酸化物を用いているので、高出力のバイポーラ二次電池を構成することができ、異常時の信頼性が向上する。
【0091】
請求項10に記載の発明にあっては、負極層に結晶性炭素材または非結晶性炭素材を用いているので、高出力のバイポーラ二次電池を構成することができ、異常時の信頼性が向上する。
【0092】
請求項11に記載の発明にあっては、請求項1〜10のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続することによって組電池モジュールを構成すると、その組電池モジュールは、基本となるバイポーラ二次電池の数や接続方法を変えるだけで種々の容量や電圧を得ることができ、それらのチューニングが容易となる。
【0093】
請求項12に記載の発明にあっては、請求項1〜10のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続して第1組電池ユニットを構成し、バイポーラ電池以外の二次電池を直並列接続して第2組電池ユニットを構成し、これらのユニットを並列に接続することによって組電池モジュールを構成すると、その組電池モジュールは、出力電圧重視のバイポーラ電池と出力容量重視の一般二次電池(たとえばリチウムイオン二次電池)が組み合わされたものとなり、相互の弱点を補い合うことができる。
【0094】
請求項13に記載の発明にあっては、請求項11または請求項12に記載の組電池ユニットを直並列接続することによって組電池を構成すると、その組電池は、基本となる組電池ユニットの数や接続方法を変えるだけで種々の容量や電圧を得ることができ、それらのチューニングが容易となる。
【0095】
請求項14に記載の発明にあっては、請求項11または請求項12に記載の組電池ユニット、または、請求項13に記載の組電池を搭載することによって、車両の重量を極度に増加させることがなくなり、また、車両の有効スペースを極端に狭めることがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)が(a)のA−A断面図を示している。
【図2】図1の発電要素の内部構成を示す図である。
【図3】図1の発電要素における正極タブ、負極タブ、電圧検知用タブの接続状態を示す図である。
【図4】実施の形態1にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【図5】図4の発電要素における正極タブ、負極タブ、電圧検知用タブの接続状態を示す図である。
【図6】実施の形態1にかかるさらに他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【図7】実施の形態2にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【図8】実施の形態2にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【図9】実施の形態2にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、(a)がその正面図を、(b)がその側面図を、(c)がそのA−A断面図を示している。
【図10】実施例1にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図11】実施例4にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図12】実施例5にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図13】組電池モジュールの一例を示す図である。
【図14】組電池の一例を示す図である。
【図15】組電池を搭載した状態の電気自動車を示す図である。
【符号の説明】
10…バイポーラ二次電池、
12…発電要素、
14…正極タブ、
16…負極タブ、
18(18A〜18K)…電圧検出用タブ、
20…高分子金属複合フィルム、
22…封止部分、
32…集電体、
34…正極層、
36…負極層、
38…バイポーラ電極、
40…固体電解質、
50…組電池モジュール、
55…組電池ケース、
60…組電池、
70…電気自動車。
Claims (14)
- 集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、
当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、
前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続し、
当該電圧検知用タブを前記正極タブおよび負極タブとは異なる方向から引き出したことを特徴とするバイポーラ二次電池。 - 前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、
前記正極タブを当該長方形の1辺から引き出すとともに、前記負極タブを、前記正極タブを引き出した辺に対向する1辺から引き出し、
前記電圧検知用タブを、残りのいずれかの1辺または2辺から引き出したことを特徴とする請求項1記載のバイポーラ二次電池。 - 前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、
前記正極タブおよび前記負極タブを当該長方形の同一の1辺から引き出し、
前記電圧検知用タブを、残りのいずれかの1辺、残りのいずれかの2辺、または3辺から引き出したことを特徴とする請求項1記載のバイポーラ二次電池。 - 前記電圧検知用タブの合計断面積は、前記正極タブと前記負極タブの合計断面積以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
- 各辺に引き出す前記電圧検知用タブの数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分することを特徴とする請求項2または3記載のバイポーラ二次電池。
- 前記電圧検知用タブは、前記辺の長手方向に前記バイポーラ電極の積層順に整列して引き出すことを特徴とする請求項2または3記載のバイポーラ二次電池。
- 前記電圧検知用タブの幅と当該電圧検知用タブの配置間隔とが等しいことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
- 前記発電要素は、高分子金属複合フィルムによって封しされており、
前記正極タブ、前記負極タブ、前記電圧検知タブは、前記高分子金属複合フィルムから引き出されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。 - 前記正極層は、Li−Mn系の複合酸化物により形成されていることを特徴とする請求項1記載のバイポーラ二次電池。
- 前記負極層は、結晶性炭素材または非結晶性炭素材により形成されていることを特徴とする請求項1記載のバイポーラ二次電池。
- 請求項1〜10のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池モジュール。
- 請求項1〜10のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続して第1組電池ユニットを形成するとともに、当該第1組電池ユニットの端子間電圧と電圧を同一にするバイポーラ電池以外の二次電池が直並列接続されてなる第2組電池ユニットを形成し、当該第1組電池ユニットと当該第2組電池ユニットを並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池モジュール。
- 請求項11または請求項12に記載の組電池ユニットを直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池。
- 請求項11または請求項12に記載の組電池ユニット、または、請求項13に記載の組電池を搭載したことを特徴とする車両。
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