JP2006054119A - バイポーラ電池および組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極部分に均等に圧力が加わるようにしたバイポーラ電池を提供する。
【解決手段】一つの集電体２の一面に正極３を設け、他面に負極４を設けたバイポーラ電極１０の正極３と負極４の間にセパレータ５を挟んで、バイポーラ電極１０を複数積層されており、セパレータ５は負極４のエッジに沿って設けられて絶縁性保持材１１によってその端部で固定されている。また、正極３、負極４、セパレータ５の周囲は集電体２の間に配置されてシール材９で封止されている。そして電極の存在する部分Ｐの厚さがシール材９が存在する部分Ｓの厚さ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイポーラ電池、およびこのバイポーラ電池による組電池に関する。

リチウムイオン二次電池は、その中に封入する電解質として、高分子ゲル電解質を用いたものがある。

高分子ゲル電解質は、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）。

このようなリチウムイオン二次電池においては、一つの単電池内にセパレータを挟んで正極と負極を対向させて封止しているのであるが、これら正極および負極（電極）のエッジが使用中にくずれなどにより、正極と負極が短絡するおそれがある。このような単電池内での短絡を防止するために、電極の周辺部分に絶縁物を配置したものがある（特許文献１参照）
特開平１１−２０４１３６号公報

しかしながら、単電池の周辺部分に絶縁材を配置すると、内側の電極がある部分に比較して厚くなりやすく、電極部分が周囲よりへこんだ状態となって電極部分に不均一な圧力がかかる可能性があり、そうすると電池が劣化しやすいという問題があった。

また、絶縁材を電極の周囲に設けただけでは、単電池内部において正極や負極が崩れた場合に、配置した絶縁材を超えて崩壊した電極成分が他の電極にまで達し、短絡するおそれもある。

そこで本発明の目的は、電極部分に均等に圧力が加わるようにしたバイポーラ電池を提供することである。

また、本発明の他の目的は、単電池内部における電極崩壊による短絡を完全に防止することのできるバイポーラ電池を提供することである。

本発明の上記目的は、一つの集電体の一面に正極を設け、他面に負極を設けたバイポーラ電極を、前記正極と前記負極の間にセパレータを介在させて複数積層することで、前記正極、前記負極、および前記セパレータによって構成された単電池が複数積層されたバイポーラ電池であって、前記正極、前記負極、および前記セパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲み、かつ、前記集電体同士の間に設けられたシール材を有し、前記正極および前記負極の存在する部分の前記積層方向の厚さが前記シール材の存在する部分の前記積層方向の厚さ以上であることを特徴とするバイポーラ電池によって達成される。

また、本発明は、上記他の目的を達成するために、セパレータは、単電池内部で正極および負極のうち少なくともいずれか一方を覆い、その端部が固定されていることを特徴とする。

本発明のバイポーラ電池によれば、電極部分の厚さがその周囲のシール部分の厚さ以上となるようにしたので、バイポーラ電池の積層電極全体に均一に圧力をかけやすくなり、劣化しにくい電池を構成することができる。

また、セパレータを単電池内部において電極（正極および負極）の周囲で固定したので、電極が崩壊した場合でも、電極周辺で電極を覆うように固定されたセパレータを超えて崩壊した電極成分が他の電極に達することがなくなり、単電池内部での短絡を完全に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施形態におけるバイポーラ電池の構造を説明するための断面図であり、図２は、バイポーラ電極の断面図である。なお、各図はバイポーラ電池の左半分のみを示し、同様の構成である右半分を省略した。

バイポーラ電池１は、一つの集電体２の両面に正極３と負極４が形成されており、この集電体２の正極３と負極４との間に電解質を含んだセパレータ５を挟んで単電池を構成し、この単電池が複数積層された構造を持つ。一枚の集電体２の一面に正極３が配置され、他面に負極４が配置されている構造の電極をバイポーラ電極１０と称する（図２）。すなわち、バイポーラ電池１は、バイポーラ電極１０にセパレータ５を挟んで複数積層した構造ということになる。

なお、両端部にある集電体（端部集電体７と称する）は、一方の面に、正極または負極のみを有するもので、バイポーラ電池全体の電極と接続される。

正極３および負極４は、いずれも集電体２の周囲部分には存在せず、集電体２をシール材９が直接融着されて接合されている。

シール材９は、中心の高融点層９１を挟んで、それよりも低融点で融ける低融点層９２の３層構造からなる。このようなシール材９としては、ポリオレフィン系樹脂／ポリアミド系樹脂／ポリオレフィン系樹脂の三層樹脂、ポリオレフィン系樹脂／ＰＥＴ／ポリオレフィン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂／ＰＥＮ／ポリオレフィン系樹脂の三層樹脂などが好ましい。

なお、このような三層構造のシール材に変えて、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（フッ素樹脂）、シリコーン樹脂、およびウレタン樹脂よりなる群から選択された少なくとも一つの高分子材料からなる一層構造のシール材であってもよい
これらのシール材９は、集電体端部７側から、集電体２の外周部（図示矢印Ａ部分）を加熱しながら加圧することにより、集電体２とシール材９が熱圧着されて単電池の内部が密封されることになる。

なお、熱圧着のとき、図３に示すように、集電体２の外周部よりもさらに外側に出ているシール材９部分（図示Ｂ部分）の少なくとも一部を一緒に熱圧着してもよい。また、シール材９を集電体２の片方の面に熱融着した後、Ｂの部分だけで熱融着してもよい。これにより、融着範囲を厳密に限定することなく大雑把に集電体２の外周部を含めて外側のシール材９部分を融着することができ、製造が容易になる。また、万が一集電体２の外周部とシール材９との癒着部分から電解液がしみ出すようなことがあっても、その外側でシール材９同士が融着されて接合されているので、シール性を一層高め、他の単電池との液絡を防ぐことができる。

シール材９の厚さは、熱圧着後、バイポーラ電池１全体としてシール材が存在する部分の厚さが、電極（正極３および負極４）の存在している部分の厚さより薄くなるようにする必要がある。したがって、熱圧着を行う前の段階で、シール材９の厚さは、たとえば、単電池が構成されている部分の厚さよりはずかに厚いか、または同様かそれ以下にしておく必要がある。なお、単電池部分の厚さよりわずかに厚いものを用いる場合には、熱圧着によるシール材の融解による厚さの減少度合いから、熱圧着後最終的にシール材９が存在する部分の厚さが全体として電極の存在する部分の厚さよりも薄くなるように調整する必要がある。

また、本実施形態では、集電体２上の負極４が設けられている面の負極４とシール材９との間に、負極４の端部に沿って絶縁性保持材１１を設けている。この絶縁性保持材１１は、セパレータ５の端部を集電体２側に押さえつけるように固定して、セパレータ５によって正極４が覆われるようにしている。

この絶縁性保持材１１の厚さは、正極および負極の厚さの総計と同じか、電池全体としてこの絶縁性保持材１１を設置した部分の厚さが電極の存在する部分の厚さを越えない範囲で、正極３および負極４の厚さの総計よりわずかに厚い程度とすることが好ましい。

この導電性保持材１１によりセパレータの端部も固定され、内部でセパレータ５端部が振動したり、セパレータ５自体が移動したりするといったことを防止する。そして、使用中に電極が崩壊した場合でも、正極３側がセパレータ５によって覆われて、セパレータ５の端部が固定されているため、崩壊した電極成分が他の電極側へセパレータを超えて接触することがない。また、負極４のエッジに沿って絶縁性保持材１１を設けたことで、負極４のエッジにおける崩壊そのものを抑えることができ、一方の正極４側においても集電体２側へ押さえつけられたセパレータ５の端部が囲うようになるので、同様に正極４のエッジの崩壊を抑えることができる。

このような絶縁性保持材１１としては、電気導電性の無いものであればよく、たとえば、通常絶縁材として用いられているセラミックス、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの硬質の絶縁材料を用いることができる。また、ゲル電解質などのイオンは通すが電子は通さない物質、すなわち電子絶縁性の材料を用いることもできる。

なお、図４に示すように、集電体２の正極３を設けた面側に絶縁性保持材１１を設けてもよく、この場合もまったく同じようにセパレータ５が負極４を覆うように固定されているので、崩壊した電極成分が他の電極側へセパレータ５を超えて接触することがない。

以下さらに他の構成部材について説明する。

［集電体］
集電体２（および７）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。

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。

また集電体２（および７）は、上記金属（またはそれらの合金）の薄膜であってもよい。

なお、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。

［正極（正極活物質層）］
正極３は、正極活物質を含む。このほかにも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩、導電助材などが含まれ得る。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。

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。このほか、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。

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が、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。

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。好ましくは、高分子ゲル電解質を構成する高分子と電解液との比率（質量比）が、２０：８０〜２：９８とする、比較的電解液の比率が大きい範囲である。

高分子ゲル電解質は、イオン伝導性を有する高分子骨格中に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を保持させたものや、あるいは、それ自身ではリチウムイオン伝導性を持たない高分子骨格中に同様の電解液を保持させたものなどが含まれる。

ここで、高分子ゲル電解質として用いる高分子は、たとえば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つ高分子（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）などが用いられる。ただし、これに限られるわけではない。

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）、またはこれらの混合物を含み、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、エチルメチルカーボネート、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。

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。

導電助材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。

正極における、正極活物質、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。したがって、これらの要因を考慮して、目的に合致した電解質量を決定する。

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。

［負極（負極活物質層）］
負極４は、負極活物質を含む。このほかにも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩や導電材などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極」の項で記載した内容と同様であるため説明を省略する。

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。

［セパレータ］
ここで用いているセパレータ５は電解質層となるもので、正極３および負極４内の活物質そのものが混合することなく分離させた状態を保ち、かつ、イオンのみを通過させるものである。このようなセパレータ５としては、たとえば、高分子繊維や高分子膜などを基材として、この基材に、高分子骨格中に数質量％〜９８質量％程度電解液を保持させたゲル電解質を保持させて、膜状に整形したものである。

［電解質］
セパレータ５に含ませる電解質としては、たとえば、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高分子と電解液との比率（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。

このような高分子ゲル電解質としては、イオン伝導性を有する高分子骨格中に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を保持させたものや、あるいは、それ自身ではリチウムイオン伝導性を持たない高分子骨格中に同様の電解液を保持させたものなどが含まれる。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。

これら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。

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る。

［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または電池ケースに収容するとよい。

軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱圧着にて接合することにより、電池積層体（図１、図３、および図４に示したバイポーラ電池１）を減圧封入し密封することが好ましい。

図５は、バイポーラ電池１をアルミラミネートパックにより電池２０として構成した場合の外観を示す図面であり、図６はこの電池２０の断面図である。

図示するように、この電池２０は、バイポーラ電池１の端部集電体７に上記の正極端子板２３および負極端子板２４を設けている（必要により、さらにリードを取り付けてもよい）。

バイポーラ電池１は、周囲のシール部分（図１、図３のＳ部分、他の図においても同様）の厚さｈ１が、電極部分（図１、図３のＰ部分、他の図においても同様）の厚さｈ２以下となるようにしているので、バイポーラ電池１の電極部分の周囲に、電極部分より厚さが厚く突出する部分が無いため、ラミネートパックに減圧封入するだけで、ラミネートパック材２５によって電極部分に均等に圧力が加わるようになる。

なお、金属ケースなどに封入する場合にも、同様にバイポーラ電池１の電極部分の周囲に突出する部分が無いため、ケースの上下から圧力を加えるだけで、電極部分に均等に圧力が加わるようになる。

［正極および負極端子］
正極および負極端子は、最外層の端部集電体７に取り付けられる。正極および負極端子板（不図示）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。

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。

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。

以上のように構成した本第１の実施形態によれば、このシール部分Ｓの全体の厚さｈ１が、電極部分Ｐの厚さｈ２よりも薄いので、実際に電池として作用する電極反応部分に均一に圧力をかけることができるようになる。しかも、電極にかかる圧力が均一化されることにより、同一電極内での反応性、あるいはインピーダンスの面内での相違が非常に少なくなり、電池の劣化も抑えることができるため、電極活物質層を非常に薄くして高出力電池の製作が容易になる。

また、一つひとつの単電池ごとにその内部をシール材９で密封したことで、電極（主に正極３）やセパレータ５から滲出する可能性のある電解液が単電池の外に漏れ出すのを防止し、単電池同士の液絡を防ぐことができる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明を適用した第２の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。

本第２の実施形態のバイポーラ電池２００は、セパレータ５を電極部分の端からさらに集電体２の外周端方向まで延ばしておき、集電体外周部とシール材９により挟み込んだ構造としたものである。ここでは、集電体２の負極４が設けられている面側にセパレータ５を挟み込んでいるが、当然に、正極３が設けられている集電体の面側の面に挟み込むようにしてもよい。

また、シール材９は、集電体２の外側においてシール材９同士を熱圧着している。これは、集電体２の負極４が設けられている面側はセパレータ５を挟み込んでいるため、この部分での完全なシールができないので、シール材９同士を熱圧着することで、このセパレータを挟み込んだ部分からの液漏れを防止する。なお、集電体２の正極３が設けられている面はシール材９が熱圧着されて密封されている。したがって、単電池同士が液絡することはない。

なお、そのほかの構成は、前述した第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

このように構成された第２の実施形態においても、セパレータ５がその端部でシール材９と集電体２の間に挟まれて固定されるため、セパレータ５は正極３および負極４を覆うことになり、電極の崩壊が起きた場合でも崩壊した電極成分がセパレータを超えて接触することを防止することができる。また、本第２の実施形態においても、第１の実施形態同様に、シール部分は電極部分より薄く構成することで、電極面にかかる圧力を均一化できるので、高出力の電池を製作することができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明を適用した第３の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。

本第３の実施形態におけるバイポーラ電池３００は、前述した第１の実施形態において集電体２の片面にのみ設けた絶縁性保持材を集電体２の両面に設けて（図示絶縁性保持材１１ａおよび１１ｂ）、その間にセパレータ５を挟んで固定したものである。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

このように本第３の実施形態は、絶縁性保持材１１ａおよび１１ｂを集電体２の両面に設けてセパレータ５を固定したので、第１の実施形態同様に、電極の崩壊が起きた場合でも崩壊した電極成分がセパレータを超えて接触することを防止することができる。また、正極３および負極４の両方共、そのエッジに沿って絶縁性保持材１１ａおよび１１ｂが設けられているため、正極３および負極４のエッジの崩壊を防ぐことができる。また、本第３の実施形態においても、第１の実施形態同様に、シール部分は電極部分より薄く構成することで、電極面にかかる圧力を均一化できるので、高出力の電池を製作することができる。

（第４の実施形態）
図９は、本発明を適用した第４の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。

本第４の実施形態におけるバイポーラ電池４００は、単電池ごとに設けたシール材９の端部の間にスペーサ１２を入れている。

本発明では、シール材９そのものの厚さが、融着後、全体として電極部分の厚さ以下となるようにしている。このため、各層のシール材９自体が単電池部分の厚さより薄くすることがある。そうした場合、積層数を多くすると、シール材９同士を集電体２の外側で融着すること、シール材９端部のすぼまり方が大きくなって寸法的に融着が難しくなる。

本第４の実施形態では、シール材９の端部の間にスペーサ１２を入れることで、シール材端部に置けるすぼまりを少なくして、寸法的にシール材９同士を集電体２の外側で融着させることが難しい場合にも、シール材同士を融着できるようにしたものである。これにより、積層数を多くした場合でも、シール材９同士を集電体２の外側で確実に融着することができるので、シール性を向上させることができる。

このスペーサ１２としては、たとえば、シール材と同じ材料をスペーサ１２に適した大きさに切り出して用いることが好ましい。シール材と同じ材料をスペーサ１２として用いることで、たとえば、シール材として用いた余りを利用することもでき、材料費を節減することも可能となる。また、スペーサ１２を入れる割合は、このシール材９端部における厚さが電極部より大きくならない程度で、かつ、シール材９端部が確実にシールできるようになればよいので、各シール材９ごとに入れてもよいし、複数のシール材９に対して１枚スペーサ１２を入れるようにしてもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、上述した第１〜４の実施形態のいずれかのバイポーラ電池を複数個接続した組電池である。

図１０は、第５の実施形態による組電池の斜視図であり、図１１は、内部構成を上方から見た図面である。

図示するようにこの組電池５０は、上述した第１〜４の実施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２０（図３参照）を複数個直列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。

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。

本第５の実施形態による組電池によれば、前述した各実施形態によるバイポーラ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は、内部の単電池における液絡が防止されていて信頼性が高いため、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。

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。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、上述した第２の実施形態による組電池を複数個接続した組電池モジュールである。

図１２は、第６の実施形態による組電池モジュールの斜視図である。

この組電池モジュール６０は、前述した第５の実施形態による組電池５０を複数個積層し、各組電池５０の電極ターミナル５１、５２を導電バー６１および６２によって接続し、モジュール化したものである。

このように、組電池５０をモジュール化することによって、電池制御を容易にし、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車などの車載用として最適な組電池モジュールとなる。そして、この組電池モジュール６０は、上述した組電池を用いたものであるから長期的信頼性の高いものとなる。

なお、このような組電池モジュールも組電池の一種である。

さらに参考までに、図１３に、組電池モジュール６０を搭載する自動車１００の概略図を示す。この自動車は、上述した第６の実施形態による組電池モジュールを搭載し、モータの電源として使用してなる自動車である。自動車に搭載される組電池モジュール６０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池モジュール６０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。

特に、自動車などに搭載された電池は、振動に強くなければならないが、本発明によるバイポーラ電池は、単電池内部で振動により電極のエッジが崩壊したような場合でも単電池内部で短絡は起きないため、振動による電池性能の劣化がおきにくいといった効果が期待される。

組電池モジュールをモータ用電源として用いる自動車としては、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。

上述した第１■第４の実施形態に基づくバイポーラ電池を製作し、充放電サイクル特性を試験した。

（実施例１）
正極は、正極活物質として平均粒径０．８μｍのスピネルのマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）を用いた。負極は、負極活物質として平均粒径２μｍのハードカーボンを用いた。正極、負極共に、バインダーとしてＰＶｄＦを用いた。同様に、導電助材としてアセチレンブラックを用いた。

集電体は、厚さ１５μｍのステンレス箔（ＳＵＳ３１６Ｌ）を用いた。リチウム塩としては、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２（以後これをＢＥＴＩと称する）を用いた。

シール材は、三層構造で、厚さが約６０μｍで中心層が高融点のＰＥＴ層で、両側を金属に接着できるように変性したポリプロピレン層で挟んだシールフィルムを用いた。

セパレータは、高分子電解質膜として中心に厚さ２０μｍのアラミドの通気性膜を用いて次のように製作した。１．０ Ｍ ＢＥＴＩのＰＣ＋ＥＣ（１：１）の電解液に下記の架橋性ゲル電解質マトリックス高分子原料と、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタールを高分子原料の０．１重量％加えてゲル電解質原料溶液を調製した。アラミドの通気性膜をガラス板で挟み、その隙間にゲル電解質原料溶液を染み込ませて紫外線を膜の両面から２０分間照射して架橋して、この膜をセパレータとして使用した。架橋性ゲル電解質マトリックス高分子原料としては、文献の方法に従って合成したポリエーテル形のネットワーク高分子原料を用いた（Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．， １４５ （１９９８） １５２１．）。

バイポーラ電極の作製は次のように行った。前記ステンレス箔製の集電体の片面に、シール部分を残して電極部分を塗工した。負極層は平均粒子径２μｍのハードカーボンとＰＶｄＦにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を加えてホモジナイザーでよく撹拌混合したあと脱泡機にて脱泡して、上記ステンレス箔にコーターで塗布乾燥した。固形物ハードカーボンとＰＶｄＦの重量比は９：１であった。このステンレス箔の反対側に負極と対応するようにして同様にして正極用のスピネルのマンガン酸リチウムスラリーを調製して、コーターにて塗布乾燥した。このときの正極層の組成比はＬｉＭｎ_２Ｏ_４：アセチレンブラック：ＰＶｄＦ＝７５：１０：１５であった。この電極をシール部分を含めて電極部分が８ｃｍｘ８ｃｍとなるように切り出して、ロールプレスでプレスをかけたあと１日９０℃で真空乾燥した。正極活物質層と負極活物質層の厚さは、それぞれ３５μｍ、３０μｍであった。

以上のようにして作製したバイポーラ電極１０の片面の周辺部分にシール材９を簡易的に融着して（製作途中における脱落防止のため）、第１の実施形態のように（図３参照）、バイポーラ電極１０の間に、上記で作製したセパレータ５（電解質層）を挟み、さらにセパレータ５の周辺部分が保持できるように集電体２の負極４側面に絶縁性保持材１１として厚さ５０μｍのカプトンの粘着フィルムを貼り付けて、これらを積層し、集電体２の周辺の外側部分のシール材９端部も含むように集電体２の周辺を熱圧着してシール材９を完全に融着させた。バイポーラ電池の積層数は合計２０層とした。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．７３ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０２ｍｍであった。したがって、集電体外周部にカプトンフィルムを設けた部分とその外側のシール材部分の厚さが、内側の電極の存在する部分よりも薄くなった。

（実施例２）
実施例１と同じ各材料を用いて、第２の実施形態のように（図７参照）、セパレータ５を集電体２の外周付近まで長くし、カプトンフィルムの代わりにシール材９で挟んで固定されるようにし、バイポーラ電極１０を合計２０層積層し、集電体の周囲と共にシール材も熱圧着した。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．９４ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０２ｍｍであった。したがって、集電体外周部のシール部分の厚さは、内側の電極が存在する部分よりも薄くなった。

（実施例３）
実施例１と同じ各材料を用いて、第３の実施形態のように（図８参照）、セパレータ５の周辺部分を保持する絶縁性保持材１１ａおよびｂ（両方ともに厚さ２５μｍの極薄ＰＥＴ粘着フィルム）を集電体２の両面に配置し、バイポーラ電極１０を合計２０層積層して、集電体の周囲と共にシール材も熱圧着した。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．７３ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０３ｍｍであった。したがって、集電体外周部のシール部分の厚さは、内側の電極が存在する部分よりも薄くなった。

（実施例４）
実施例１と同じ各材料を用いて、第１の実施形態のように（図４参照）、集電体２の正極３側面の周辺部分に約２０μｍ厚のエポキシ製の絶縁性保持材１１を設けて、バイポーラ電極１０を合計２０層積層し、集電体２の周囲と共にシール材９も熱圧着した。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．５２ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０３ｍｍであった。したがって、集電体外周部のシール部分の厚さは、内側の電極が存在する部分よりも薄くなった。

（実施例５）
実施例１と同じ各材料を用いて、第４の実施形態のように（図９参照）、シール材９端部の集電体２から外側部分に、スペーサ１２としてシール材と同じものを、シール材３枚おきに２枚（合計１２枚）挟んでバイポーラ電極１０を合計２０層積層し、集電体の周囲と共に、シール材も熱圧着した。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．９２ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０２ｍｍであった。したがって、集電体外周部のシール部分の厚さは、内側の電極が存在する部分よりも薄くなった。

（比較例１）
図１４に示すように、セパレータ５を正極３および負極４よりも少し大きくするだけで、周辺において固定または保持することなく、集電体２の周囲をシール材９で封止した。バイポーラ電極は合計２０層積層した。

このとき集電体周囲のシール部分Ｓの厚さｈ１は１．５３ｍｍ、集電体２の電極がある部分Ｐの厚さｈ２は２．０３ｍｍであった。

（比較例２）
バイポーラ電極周辺部に熱融着するシールフィルムの厚さを９０μｍにしたこと以外は、実施例２と同様の構造となるようにして、２０層のバイポーラ電極を積層した。

このとき集電体周囲のシール部分の厚さは２．５２ｍｍ、集電体の電極がある部分の厚さは２．０３ｍｍであった。したがって、集電体外周部のシール部分の厚さは、内側の電極が存在する部分よりも厚くなった。

以上のようにして作製した各バイポーラ電池を図５および６に示したようにアルミニウムの箔をプラスチィックスフィルムでラミネートした箔の袋に入れて電流端子と各単電池の電圧を検出するセル電圧検出端子をとりだして、内部を減圧してシールした。このようにして作製した電池について、０．５Ｃの電流レートで、７９Ｖと５５Ｖの間で充放電をくりかえした。

実施例１から実施例５の電池は、５０回の充放電後でも容量が初期に比べて９０％以上保持していた。これに対して比較例１の電池は１つの単電池に短絡傾向がみられ安定に充放電を続けることができなかった。また、比較例２の電池は、５０回の充放電後容量が７５％に低下した。

以上の試験結果から、本発明の電池構造を用いることによって信頼性の高いバイポーラ電池を構成できることがわかる。

本発明を適用した第１の実施形態によるバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。 バイポーラ電極の断面図である。 第１の実施形態によるバイポーラ電池のシール構造の異なる場合を説明するための断面図である。 第１の実施形態によるバイポーラ電池の絶縁性保持材の異なる場合を説明するための断面図である。 上記バイポーラ電池をラミネートパックにした電池の外観を示す斜視図である。 上記バイポーラ電池をラミネートパックにした電池の断面図である。 本発明を適用した第２の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。 本発明を適用した第３の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。 本発明を適用した第４の実施形態におけるバイポーラ電池を示す断面図である。 本発明を適用した第５の実施形態による組電池の斜視図である。 上記組電池の内部構成を上方から見た図面である。 本発明を適用した第６の実施形態による組電池モジュールの斜視図である。 本発明を適用した第６の実施形態における組電池モジュールを設けた自動車の図面である。 比較例１の構成を示す断面図である。

符号の説明

１、２００、３００、４００…バイポーラ電池、
２…集電体、
３…正極、
４…負極、
５…セパレータ、
６…単電池、
７…端部集電体、
９…シール材、
１０…バイポーラ電池、
１１、１１ａ、１１ｂ…絶縁性保持材、
１２…スペーサ、
２０…電池、
５０…組電池、
６０…組電池モジュール、
１００…自動車。

Claims (10)

1. 一つの集電体の一面に正極を設け、他面に負極を設けたバイポーラ電極を、前記正極と前記負極の間にセパレータを介在させて複数積層することで、前記正極、前記負極、および前記セパレータによって構成された単電池が複数積層されたバイポーラ電池であって、
   前記正極、前記負極、および前記セパレータによって構成された単電池の周囲を取り囲み、かつ、前記集電体同士の間に設けられたシール材を有し、
   前記正極および前記負極の存在する部分の前記積層方向の厚さが前記シール材の存在する部分の前記積層方向の厚さ以上であることを特徴とするバイポーラ電池。
2. 前記セパレータは、前記単電池内部で前記正極および前記負極のうち少なくともいずれか一方を覆い、その端部が固定されていることを特徴とする請求項１記載のバイポーラ電池。
3. 前記単電池内部で、前記正極および前記負極のうち少なくともいずれか一方の電極端に沿って設けられ、前記セパレータの端部を固定する絶縁性保持材をさらに有することを特徴とする請求項１または２記載のバイポーラ電池。
4. 前記セパレータは、前記シール材と前記集電体との間に挟まれて端部が固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のバイポーラ電池。
5. 前記シール材は、前記集電体と接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のバイポーラ電池。
6. 前記シール材は、前記集電体の外側まで延びており、シール材同士が各集電体の外側で互いに接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のバイポーラ電池。
7. 前記シール材同士が各集電体の外側で互いに接合されている部分で厚さを増すためのスペーサを介在させていることを特徴とする請求項６記載のバイポーラ電池。
8. 前記正極、前記負極、および前記セパレータのうち、少なくともいずれかにゲル電解質を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のバイポーラ電池。
9. ラミネートフィルムパックに減圧下で封入されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のバイポーラ電池。
10. 請求項１〜９のいずれか一つ記載の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たことを特徴とする組電池。

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