JP2006164782A - バイポーラ電池、組電池、複合電池およびこれらを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール部材の形状を維持しつつ、集電体に応力を発生させないバイポーラ電池を提供する。
【解決手段】 バイポーラ電池１０は、集電体１１の一方の面に正極活物質層１２が形成され他方の面に負極活物質層１３が形成されてなるバイポーラ電極１６と、バイポーラ電極１６間と交互に積層される電解質１４と、隣接する正極活物質層１２、電解質１４、および負極活物質層１３を含んで構成される単電池層１５の周囲を取り囲むように集電体１１間に固定され、異なる軟化点を有する樹脂層１８１、１８２が積層されてなるシール部材１８と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バイポーラ電池、組電池、複合電池およびこれらを搭載した車両に関する。

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。

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）。

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。

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。
特開平１１−２０４１３６号公報 特開平０８−００７９２６号公報（段落「００１２」）

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場合、次の問題がある。

シール部材が加熱により軟化された状態で加圧されると、シール部材が形状を維持できずに圧縮され、集電体間の距離が短くなってしまう。これでは、集電体間の絶縁距離が確保できない虞がある。

また、形状を維持した状態で接着するために、シール部材の加熱を低減し、加圧力を向上すると、集電体の接着部周辺に応力がかかってしまう。これでは、集電体が変形してしまい、電池性能が低下する虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シール部材の形状を維持しつつ、集電体に応力を発生させないバイポーラ電池、組電池、複合電池およびこれらを搭載した車両を提供することを目的とする。

本発明のバイポーラ電池は、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と、前記バイポーラ電極間と交互に積層される電解質と、隣接する前記正極活物質層、前記電解質、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固定され、異なる軟化点を有する樹脂層が積層されてなるシール部材と、を有する。

本発明のバイポーラ電池によれば、シール部材を集電体間に熱溶着する際、低い方の軟化点以上高い方の軟化点以下で加熱することによって、軟化点に到達して柔軟な樹脂層と、軟化点に到達せずに強固な樹脂層とが得られる。柔軟な樹脂層は、溶着時の加圧による応力を吸収できるので、応力による集電体の変形を防止できる。強固な樹脂層は、加圧に耐えて形状を維持できるので、集電体同士の間の距離を維持できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
（全体構成）
図１はバイポーラ電池の平面図、図２は図１の２−２線に沿った断面図、図３は図１の３−３線に沿った断面図である。

図１〜図３に示すように、バイポーラ電池は扁平型の本体から、正極タブおよび負極タブが引き出されている。

バイポーラ電池１０は、図２に示すように、両端部以外の集電体１１の両面中央に正極活物質層１２と負極活物質層１３が形成されており、この集電体１１の正極活物質層１２と負極活物質層１３との間にセパレータ１４を挟んで単電池層１５を構成し、この単電池層１５が同じ順番で複数積層された構造を持つ。集電体１１の片面に正極活物質層１２が形成され、他面に負極活物質層１３が形成されたものをバイポーラ電極１６という。なお、両端部にある集電体（端部集電体１７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。

集電体１１を挟んで正極活物質層１２と負極活物質層１３を設けた構成をバイポーラ電極という。

ここで、セパレータ１４は、たとえば、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂およびポリオレフィン系樹脂からなる群から、単独もしくは複合で選ばれてなる樹脂で形成されたポリマー骨格である。セパレータ１４は、数重量％〜９８重量％程度電解液を含むゲル電解質または液体電解質を保持することにより、電解質層を構成する。また、セパレータ１４は、自身が固体電解質により形成されることにより、電解質を保持することもできる。実施形態１では、セパレータ１４に、ゲル電解質を保持する場合について説明する。

セパレータ１４がゲル電解質を保持する場合、単電池層１５からの液漏れを防止するために、一つひとつの単電池層１５の周囲を取り囲み、集電体１１間、または、集電体１１および端部集電体１７の間に配置されるシール部材１８を設けている。

シール部材１８は、異なる樹脂層１８１、１８２を積層した２層構造に形成されている。シール部材１８は、加熱により軟化し、集電体１１に溶着する。このような材料をシール部材１８に用いることによって、単電池層１５からの液漏れを防止することができ、また集電体１１同士の接触による短絡を防止することができる。

以上のように、セパレータ１４とバイポーラ電極１６とが交互に積層され、単電池層１５の周囲にシール部材１８が配置されて、電池要素２０が形成されている。

電池要素２０には、電流を引き出すための電極タブ３０ａ、ｂが接続されている。電極タブ３０ａは、電池要素２０の正極側に接続され、電極タブ３０ｂは、負極側に接続されている。電極タブ３０ａ、ｂは、図３に示すように、外装４０から引き出されている。

外装４０は、２枚のラミネートシート４１により形成されている。ラミネートシート４１は、アルミニウム層の両面が樹脂層で被覆された三層構造を有する。少なくとも一方のラミネートシート４１は、電池要素２０を内包する空間を設けるために、中高状に加工されている。ラミネートシート４１の縁は、熱融着等により接着される。これにより、外装４０内部に、電池要素２０が密閉される。

以上のように、本実施形態のバイポーラ電池１０は、２層構造のシール部材１８を有することを特徴とする。シール部材１８について、詳細に説明する。

（シール部材）
図４は電池要素を示す断面図である。

シール部材１８は、上述の通り、２層構造を有する。シール部材１８を構成する樹脂層１８１と樹脂層１８２とは、異なる樹脂により形成されている。

たとえば、樹脂層１８１は、樹脂層１８２よりも軟化点が小さい材料により形成されている。以下では、樹脂層１８１を軟化層１８１と称する。また、樹脂層１８２を維持層１８２と称する。

軟化層１８１は、たとえば、低密度ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）などの軟化点が低い材料や、変性ポリプロピレンなどの軟化点を低く操作できる材料により形成されている。変性プロピレンとしては、マレイン酸変性が有効である。しかし、これに限定されない。軟化層１８１には、維持層１８２に用いられる材料よりも軟化点が低ければ、如何なる材料を用いることもできる。

維持層１８２は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）など、融点・軟化点が比較的高い樹脂により形成される。このような軟化点が高い樹脂を選択することによって、軟化層１８１に用いことができる材料の選択の幅が広がる。維持層１８２は、軟化層１８１よりも軟化点が４０度以上高いことが好ましい。

電池要素２０は、図４に示すように、単電池層１５を囲むようにシール部材１８が配置された状態で、積層上下から加熱および加圧されることによって、シール部材１８が集電体１１間に溶着される。これにより、単電池層１５が集電体１１間に密閉される。

その後、さらに、電池要素２０は、図４に一点鎖線で示す部分が加熱および加圧されて、シール部材１８同士が溶着される。これにより、シール部材１８同士が溶着されて、電池要素２０全体が一体に維持される。なお、図４では、集電体１１によりシール部材１８間に大きな隙間があるように見える。しかし、実際は、集電体１１の厚さは薄いので、集電体１１の厚みに邪魔されず、集電体１１同士を溶着できる。

なお、図４では、軟化層１８１が上層で、維持層１８２が下層に配置されている。しかし、軟化層１８１が下層に、維持層１８２が上層に配置されてもよい。

（効果）
次に、シール部材１８の効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、軟化点が低い軟化層１８１と軟化点が高い維持層１８２とが組み合わされて、シール部材１８が２層構造に形成されている。

したがって、軟化層１８１の軟化点以上で、維持層１８２の軟化点未満の温度でシール部材１８を加熱することによって、軟化点に到達して柔軟な軟化層１８１と、軟化点に到達せずに強固な維持層１８２とが得られる。

軟化層１８１は弾力および変形により、図４に点線で囲む領域に発生する応力を吸収する。したがって、集電体１１にかかる応力が低減される。結果として、応力による集電体１１の金属劣化やシール部材１８の溶着不良を防止できる。

一方、維持層１８２は、変形することなく形状が維持される。したがって、少なくとも維持層１８２の厚さは、集電体１１間の距離が確保される。結果として、集電体１１同士の接触による単電池層１５の短絡を防止できる。

さらに、軟化層１８１と維持層１８２との軟化点が４０度以上離れているので、シール部材１８の溶着時の加熱制御精度を高くする必要がない。製造自由度が大きく、製造効率を向上できる。

（改良例１）
バイポーラ電池１０は自動車などの振動発生下に適用されうる。したがって、防振性能を向上することが好ましい。防振性能を向上するためには、シール部材１８の硬度、特に軟化層１８１の硬度は、ＪＩＳ−Ａ５〜９５度の範囲であることが好ましい。軟化層１８１の硬度ＪＩＳ−Ａが５度未満だと、柔らかすぎて加圧時の軟化層１８１の変形が大きすぎ、硬度ＪＩＳ−Ａが９５度より大きいと、硬すぎて、防振効果が小さくなってしまうからである。

電池要素２０の振動系モデルを図５に示す。

図５は電池要素をマスバネモデル化した図である。

図５に示す電池要素２０は、図２、図４と同様のバイポーラ電極１６を含み、単電池層１５が２層設けられている。

この電池要素２０は、図５に示すように、マス５１、５２、バネ５３、５４、ダンパー５５、５６から構成される振動系にモデル化される。

マス５１、５２は、バイポーラ電極１６（集電体１１の片面に正極活物質層１２が形成され、他面に負極活物質層１３が形成されたもの）に対応する。バネ５３、５４およびダンパー５５、５６は、シール部材１８に対応する。厳密には、セパレータ１４もバネ５３、５４およびダンパー５５、５６の効果を有する。

マス５１、５２の重量をＭ１、Ｍ２、バネ５３、５４のバネ係数をＫ１、Ｋ２、ダンパー５５、５６の減衰係数をＣ１、Ｃ２とする。通常Ｍ１＝Ｍ２、Ｋ１＝Ｋ２、Ｃ１＝Ｃ２となるので、防振効果が得られる。特に振動の減衰効果を大きくするためには、モデル化したときのシール部材１８の減衰係数Ｃ１、Ｃ２を大きくし、バネ係数Ｋ１、Ｋ２を低減する。シール部材１８の樹脂の硬度を変更することによって、減衰係数Ｃ１、Ｃ２および、バネ係数Ｋ１、Ｋ２を調整できる。

このように、シール部材１８の樹脂の硬度を選択することによって、防振効果を向上できる。防振により、シール部材１８が集電体１１へ与える衝撃を小さくできるという効果も有する。

さらに、防振に関して、本実施形態のバイポーラ電池１０を車両に適用する場合を考慮すると、車両が置かれる状況に基づいて、シール部材１８に用いる樹脂を決定する必要がある。車両は、温度が−３０度〜８０度の環境下に置かれることがあり、走行時に振動周波数１０Ｈｚ〜１ＫＨｚの振動が加えられる。この状況では、シール部材１８に用いる樹脂は、誘電正接が１．０×１０^−３〜５．０×１０^−１であることが好ましい。誘電正接が１．０×１０^−３未満では柔らかすぎ、５．０×１０^−１より大きいと硬すぎて、いずれも防振効果が小さいからである。

図６は、好ましい誘電正接を有する樹脂をシール部材に用いた場合のバイポーラ電池に加わる振動の周波数とバイポーラ電池の加速度の関係を示す図である。

従来の構造では、図６に示すように、周波数が８０Ｈｚ、１２０Ｈｚおよび２００Ｈｚのときに加速度が大きくなっている。すなわち、防振できていないことがわかる。

一方、実施形態の構造では、同じ周波数のときにおいても、ほとんど加速度は上がっていない。防振できていることがわかる。

振動の低減効果は、損失正接に依存し、損失正接は、動的粘弾性試験によって得られる。しかし、この試験は、比較的柔らかい樹脂を正確に測定することが困難であるので、損失正接と略対応が等しい誘電正接を用いることで特性を予想できる。したがって、上述のように、誘電正接の範囲を定めている。

しかし、損失正接が正確に測定できる場合には、損失正接も１．０×１０^−３〜５．０×１０^−１の範囲にあることが望ましい。

（改良例２）
上記実施形態では、シール部材１８を２層構造に形成している。しかし、これに限定されない。シール部材１８を２層より多い多層構造に形成できる。たとえば、図６に示すように、シール部材１８’を３層構造に形成できる。

図７は３層構造のシール部材を示す図である。

図７に示すシール部材１８’は、集電体１１に接触する樹脂層１８１が低い軟化点を有し、間に挟まれる１つの樹脂層１８２が高い軟化点を有する。すなわち、軟化層１８１の間に維持層１８２が挟まれている。ここで、軟化層１８１および維持層１８２に用いる材料は、上述の材料と同様である。両端に配置される軟化層１８１は、軟化点の差が４０度未満の異なった樹脂により形成できる。しかし、両端の軟化層１８１は、同一の材料で形成することが好ましい。

このように、シール部材１８’を３層構造にすることによって、集電体１１に挟んで熱融着する際に、両端の軟化層１８１が柔らかくなって集電体１１と溶着しやすくなる。したがって、シール性をさらに向上できる。

また、両端の軟化層１８１を同一の材料にすることによって、シール部材１８’同士を溶着する際の接着性が向上し、シール強度をより向上できる。

（バイポーラ電池の構成）
なお、本発明のバイポーラ電池の構成は、特に説明したものを除き、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。以下に、このバイポーラ電池に使用することのできる集電体、正極活物質層、負極活物質層、電解質等について参考までに説明する。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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結晶性炭素材または非結晶性炭素材などの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。

［電解質］
電解質としては、液体電解質や高分子ゲル電解質である。液体電解質や高分子ゲル電解質をセパレータ１４に保持する。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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

（実施例）
次に、実際に上記電池要素の構成を採用したバイポーラ電池を製作して評価を行った実施例について説明する。

＜サンプル作製＞
実施例として、仕様が異なる実施例１〜８のバイポーラ電池を作成した。

図８は、実施例１〜８のバイポーラ電池の仕様を示す図である。各実施例の詳細な構成は次の通りである。

（実施例１）
集電体としてＳＵＳ１５μｍにＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物からなる正極活物質（平均粒径５μｍ）を、厚さ１５μｍとなるように塗布・乾燥して、正極の反対面に、非結晶性炭素材料のハードカーボン負極活物質（平均粒径６μｍ）を、厚さ１５μｍとなるように塗布・乾燥して、バイポーラ電極を作成した。

そして、加架橋型ゲル電解質の前駆体を厚さ２５μｍで硬度ＪＩＳ−Ａ ６０のポリエステル不織布セパレータに染み込ませてできた電解質層を、バイポーラ電極に重ねた。

積層の両端用に、集電体に正極活物質または負極活物質だけを片面に塗布して電極を作成した。

ここで得られた電極について、４辺にシール部材を熱融着して仮止めした。

これらの電極を重ね、両側各１層、中央８層の１０層構造を形成した後、全体のシール部材を熱融着し、電池要素を作製した。

電池要素の正極端側には厚さ２００μｍで幅５５μｍのアルミニウムタブを振動溶着し、負極端側には厚さ２００μｍで幅５５μｍの銅タブを振動溶着した。

このタブを取り付けた電池要素をラミネート材で封止し、約８０度で約２時間熱架橋し、１０層のバイポーラ電池を作成した。

なお、シール部材は、図７に示すような３層構造のものを用いた。シール部材の維持層にはＰＥＴを用い、軟化層に図８の表に示す樹脂Ａを用いた。樹脂Ａとは、すなわち、硬度ＪＩＳ−Ａ約４０度で、周波数１ｋＨｚのときに誘電正接が約０．０１の低密度ポリエチレン（ＰＥ）である。樹脂Ａの間にＰＥＴを挟んだ三層構造のシール部材を用いた。

以下の実施例２〜８では、実施例１と同様の製造工程によりバイポーラ電池を作製した。実施例２〜８では、実施例１と異なる部分だけを説明する。

（実施例２）
実施例２では、実施例１のシール部材の維持層にＰＥＴの代わりにＰＥＮを用いた。

（実施例３）
実施例３では、実施例１のシール部材の維持層にＰＥＴの代わりにＰＥＮを用い、軟化層に樹脂Ａの代わりに樹脂Ｂを用いた。樹脂Ｂとは、硬度ＪＩＳ−Ａ約６０度で、周波数１ｋＨｚのときに誘電正接が約０．００５の変性ポリプロピレン（ＰＰ）である。

（実施例４）
実施例４では、実施例１のシール部材の維持層にＰＥＴの代わりにＰＥＮを用い、軟化層に樹脂Ａの代わりに樹脂Ｃを用いた。樹脂Ｃとは、硬度ＪＩＳ−Ａ約３０度で、周波数１ｋＨｚのときに誘電正接が約０．０１のエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）である。

（実施例５）
実施例５では、実施例１のシール部材の維持層にＰＥＴの代わりにＰＥＮを用い、軟化層に樹脂Ａと樹脂Ｂを用いた。すなわち、シール部材の３層構造に含まれる２層の軟化層のうち、一方に樹脂Ａを用い、他方に樹脂Ｂを用いた。

（実施例６）
実施例６では、実施例１のシール部材の３層構造の代わりに２層構造を採用した。シール部材は、ＰＥＴと樹脂Ａとを重ねて２層構造とした。また、実施例１のバイポーラ電極において、負極活物質に結晶性炭素材を用いた。

（実施例７）
実施例７では、シール部材の２層構造を採用し、軟化層に樹脂Ｃを用いた。

（実施例８）
実施例８では、実施例１の１０層に代えて１００層のバイポーラ電池を作成した。シール部材の軟化層には樹脂Ｃを用いた。

（比較例）
比較例として、上記実施例１と同様の製造工程によりバイポーラ電池を作製した。比較例のバイポーラ電池では、実施例１のシール部材の３層構造に対し、１層構造を採用した。

＜試験＞
以上のように作製した各実施例１〜８および比較例のバイポーラ電池について、以下の試験を行った。

（シール性の試験）
得られたバイポーラ電池について、満充電（単層４．２Ｖ相当）にして、６０度の環境下で３０日保存した。

シール不良が発生しなかったものを「○」、シール不良が発生したものを「×」として、図８に結果を示した。シール不良が発生したかどうかは、電解質が染み出していないかを外観から判断した。

図８に示すように、実施例１〜８のシール樹脂を多層構造にしたものには、一切液漏れが見られなかった。一方、比較例では、液漏れが見られた。

この試験から、シール部材を多層構造とすることによって、シール性が向上されることがわかる。

（平均減衰率の測定）
得られたバイポーラ電池について、電池要素の単電池層の略中央に加速度ピックアップを設け、インパルスハンマーによってハンマリングしたときの加速度ピックアップの振動スペクトルを測定した。該測定のための各種設定については、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）に従った。

測定スペクトルを、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（図６参照）。

上記振動伝達率スペクトルについて、上記各実施例１〜８および比較例について、それぞれ、最も低周波側に現れる第１ピークの面積の比較基準値に対する比率を平均減衰率とした。数値が大きいほど、振動が低減されたことを意味する。比較基準値には、比較例のスペクトルを用いた。

図８の結果を参照すると、比較例に対して、実施例１〜８のいずれも２０％以上減衰していることがわかる。特に実施例４に示すように、シール部材の維持層にＰＥＮを用い、軟化層に樹脂Ｃを用いる場合が減衰率が３５％と高かった。実施例１、２、５に示すように、シール部材の軟化層に樹脂Ａを用いる場合も、減衰率が３０％と高かった。

以上から、実施例１〜８については、シール性および振動減衰量共に、向上できることがわかる。特に、シール部材を３層構造としたときに減衰量を向上できる。シール部材の維持層にはＰＥＮが特に適し、軟化層には樹脂Ｃ、樹脂Ａが特に適することがわかる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、第１実施形態のバイポーラ電池１０を複数個、並列および／または直列に接続して、組電池が得られる。

図９はバイポーラ電池を複数個並列接続した組電池を示す図、図１０はバイポーラ電池と同等の通常の電池とを並列に接続した組電池を示す図、図１１は複合組電池を示す図である。

図９に示すように、バイポーラ電池１０を２つずつ直列接続して、それらを並列接続して組電池６０を構成できる。できた組電池６０をさらに組み合わせて複合組電池とすることもできる。電池１０同士は、導電バー６１により各電池の電極３０ａおよび３０ｂが接続されている。組電池には、電極ターミナル６２、６３が電極として一側面に設けられている。

なお、電池１０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。

なお、組電池としての電池１０の接続は、電池１０を複数個全て並列に接続してもよいし、また、電池１０を複数個全て直列に接続してもよい。

また、図１０に示すように、バイポーラ電池１０と、該バイポーラ電池１０と同等の電圧を有する通常の電池９０とを並列に接続して組電池を構成することもできる。ここで、通常の電池９０とは、リチウムイオン二次電池などである。該リチウムイオン二次電池は、バイポーラ電池１０と同じ正極活物質および負極活物質を含むことが望ましい。そして、バイポーラ電池１０の一つの単電池層１５と同等の電圧を有するリチウムイオン二次電池８０を、バイポーラ電池１０の単電池層１５の数だけ直列接続する。さらに、直列接続された複数のリチウムイオン二次電池と、バイポーラ電池１０との電圧を合わせて並列接続できる。

このように、並列接続することによって、バイポーラ電池１０とリチウムイオン二次電池の互いの特徴を有する組電池が得られる。すなわち、バイポーラ電池１０により瞬間的な高出力が得られ、リチウムイオン二次電池により持続的な出力が得られる。

図１０に示す組電池７０をさらに積層して直列接続することによって、図１１に示すような複合組電池９０を構成することもできる。組電池７０のようなサブモジュールを組み合わせて複合組電池９０にできるので、車両の仕様に合わせて、適当な出力の複合組電池９０を簡単に作成できる。これにより、車両ごとに個別に組電池を製造しなくてもよく、組電池の製造コストを低減できる。

以上のように、第２実施形態の組電池によれば、前述した第１実施形態によるバイポーラ電池１０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。

（第３実施形態）
第３実施形態では、第１実施形態のバイポーラ電池１０、または第２実施形態の組電池６０、７０、複合組電池９０を駆動用電源として搭載してなる車両１００が得られる。バイポーラ電池１０または組電池６０、７０、複合組電池９０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。

参考までに、図１２に、組電池６０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６０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池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。

上記バイポーラ電池１０、組電池６０は、軽くて小さい電池を達成できるので、車両に搭載する際のスペース要望に応えられる。たとえば、電池は、車両の床下、シートバック裏、シート下に設置できる。

バイポーラ電池の平面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 図１の３−３線に沿った断面図である。 電池要素を示す断面図である。 電池要素をマスバネモデル化した図である。 好ましい誘電正接を有する樹脂をシール部材に用いた場合のバイポーラ電池に加わる振動の周波数とバイポーラ電池の加速度の関係を示す図である。 ３層構造のシール部材を示す図である。 実施例１〜８のバイポーラ電池の仕様を示す図である。 バイポーラ電池を複数個並列接続した組電池を示す図である。 バイポーラ電池と同等の通常の電池とを並列に接続した組電池を示す図である。 複合組電池を示す図である。 組電池を搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０…バイポーラ電池、
１１…集電体、
１２…正極活物質層、
１３…負極活物質層、
１４…セパレータ、
１５…単電池層、
１６…バイポーラ電極、
１７…端部集電体、
１８…シール部材、
１８１…軟化層、
１８２…維持層、
２０…電池要素、
３０ａ、３０ｂ…電極、
４０…外装、
４１…ラミネートシート、
５１…マス、
５３…バネ、
５５…ダンパー、
６０、７０…組電池、
８０…複合組電池、
１００…自動車。

Claims (11)

1. 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と、
   前記バイポーラ電極と交互に積層される電解質と、
   隣接する前記正極活物質層、前記電解質、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固定され、異なる軟化点を有する樹脂層が積層されてなるシール部材と、
   を有するバイポーラ電池。
2. 前記シール部材は、積層される樹脂層の軟化点の温度差が４０度以上である請求項１に記載のバイポーラ電池。
3. 前記シール部材は、少なくとも３層を含み、前記集電体に接触する樹脂層は低い軟化点を有し、間に挟まれる少なくとも１つの樹脂層は高い軟化点を有する請求項１または請求項２に記載のバイポーラ電池。
4. 前記シール部材のうち、軟化点が低い方の樹脂層は、低密度ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体および変性ポリプロピレンから選ばれる材料により形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
5. 前記シール部材のうち、軟化点が低い方の樹脂層は、硬度ＪＩＳ−Ａ５〜９５度である請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
6. 前記シール部材は、周波数が１０Ｈｚ〜１ＫＨｚで、温度が−３０度〜８０度の範囲の場合、誘電正接が１．０×１０^−３〜５．０×１０^−１である請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
7. 前記正極活物質層には、Ｌｉ・Ｍｎ系複合酸化物が用いられ、
   前記負極活物質層には、結晶性炭素材または非結晶性炭素材が用いられる請求項１〜６のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
8. 請求項１〜７のいずれか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てなる組電池。
9. 請求項１〜７のいずれかのバイポーラ電池と、該バイポーラ電池の一つの単電池層と同等の電圧を有する電池を前記単電池層の数だけ積層した電池群とを並列に接続してなる組電池。
10. 請求項８または請求項９に記載の組電池を複数個、並列および／または直列に接続してなる複合組電池。
11. 請求項１〜７のいずれかのバイポーラ電池、請求項８または請求項９に記載の組電池、または、請求項１０に記載の複合組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。

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