JP2007149400A - 電池構造体、組電池、およびこれらを搭載した車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
集電体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と、前記バイポーラ電極と交互に積層されてなるセパレータ14とを有し、隣接する前記正極活物質層12、前記セパレータ14、および前記負極活物質層13を含んで構成される単電池層15において、前記セパレータ14の厚みは、前記正極活物質層12の厚みに対して0.68倍以上1.0倍未満であり、前記負極活物質層13の厚みに対して0.68倍以上1.0倍未満であることを特徴とするバイポーラ電池(A)。
【選択図】図3
Description
非水電解液二次電池と呼ばれる電池内部が液状の電解質(以下、電解液と記載する)で満たされたバイポーラ電池の場合、セパレータは正極活物質層と負極活物質層との接触を防ぐ役割を果たす。また、一般的にポリマー電解質二次電池と呼ばれる電池内部が電解液で満たされていないバイポーラ電池の場合、セパレータは上述の接触を防ぐ役割に加えて、自身が電解質の役割を果たす。以下、自身が電解質の役割を果たさないセパレータを「狭義のセパレータ」、自身が電解質の役割を果たすセパレータを「ポリマー電解質」とも記載する。本願発明のバイポーラ電池の構造は非水電解液二次電池にもポリマー電解質二次電池にも好適である。
狭義のセパレータとしては、ポリプロピレン、またはポリオレフィンが好ましく、これらは不織布または微多孔膜などの形状で用いられうる。これらは、絶縁性、熱安定性、化学安定性、冷熱サイクル性、または機械的強度に優れることに加え、多孔質構造を形成することができる。狭義のセパレータが多孔質構造であるとセパレータのバネ−ダンピング効果が向上したり電解液の含浸率が向上したりするため好ましい。
正極活物質層と負極活物質層との接触を防ぎ、更に電解質の役割も果たすセパレータであるポリマー電解質は、真性ポリマー電解質とゲル電解質とに分類されるが、本願発明にはどちらも好適である。
正極活物質層は正極活物質を含み、正極活物質としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、PbO2、AgOまたはNiOOHなどを用いることができる。遷移金属とリチウムとの化合物としては、スピネルLiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物;LiCoO2などのLi−Co系複合酸化物;LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物;LiFeO2などのLi−Fe系複合酸化物;LiFePO4などの遷移金属とリチウムとのリン酸化合物;または遷移金属とリチウムとの硫酸化合物などが好ましく挙げられる。遷移金属酸化物の例としては、V2O5、MnO2、MoO3などが挙げられる。遷移金属硫化物の例としてTiS2、MoS2などが好ましく挙げられる。
負極活物質層は負極活物質を含み、負極活物質としては結晶性炭素材;非結晶性炭素材;TiO、Ti2O3およびTiO2などの金属酸化物;ならびにLi4/3Ti5/3O4などのリチウムと遷移金属との複合酸化物からなる群より選択される少なくとも1種などが好ましく挙げられる。
集電体の材質は特に限定されず従来公知のものを用いることができる。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、銅、ニッケル、銀、およびステンレスからなる群より選択される少なくとも1種などを好ましく用いることができる。これらは単層で用いてもよいし、複層で用いてもよいし、これらで被覆されたクラッド材を用いてもよい。上述の材質は耐食性、導電性、または加工性などに優れる。
バイポーラ電池の単電池層は隣接する正極活物質層、セパレータ、および負極活物質層を含んで構成される。本願発明において単電池層の厚みは10〜85μmが好ましく、より好ましくは20〜50μmである。単電池層の厚みが85μm以下であると放熱性および防振性に非常に優れる。従来のバイポーラ電池に含まれる単電池要素は、最も薄い部類でも厚みが135μm程度あった。対比のため図3のAに前記構造の単電池層を例示し、図3のBに従来のバイポーラ電池の単電池層を例示するが、本願発明の単電池層は非常に薄いことがわかる。
上述の集電体、正極活物質層、セパレータ、および負極活物質層からなる積層体を含むバイポーラ電池の平面概略図および断面概略図(S−S、S’−S’)を図4に示す。
図6において、各組電池モジュール60は連結板71と固定ネジ72により一体化し、各組電池モジュール60の間に弾性体を設置して防振構造を形成している。また、各組電池モジュール60のタブ30はバスバー73により連結されている。図5および図6は組電池モジュールおよび組電池の一例であり、本発明はこれらに限定されない。
厚み15μmのSUS箔2枚を端部集電体として用意した。正極活物質としてLiMnO2(平均粒径5μm)を用意し、これにスラリー粘度調製溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)を添加してスラリー状にしたものを1枚のSUS箔の片面に塗布および乾燥し、厚み20μmの正極活物質層を形成した。
正極活物質層の厚みを28μmにしたこと、負極活物質層の厚みを30μmにしたこと、セパレータの厚みを27μmにしたこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を8μmにしたこと、負極活物質としてグラファイト(結晶性炭素材)を用いたこと、負極活物質の平均粒子径を9μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてポリオレフィン(ショアA80)を用いたこと、集電体としてCu−Alクラッドを用いたこと、正極活物質層の厚みを35μmにしたこと、負極活物質層の厚みを37μmにしたこと、セパレータの厚みを33μmにしたこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を2μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を2μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA85)を用いたこと、正極活物質層の厚みを12μmにしたこと、負極活物質層の厚みを12μmにしたこと、セパレータの厚みを11μmにしたこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質としてLiNiO2を用いたこと、正極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、負極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA100)を用いたこと、正極活物質層の厚みを6μmにしたこと、負極活物質層の厚みを6μmにしたこと、セパレータの厚みを5μmにしたこと、集電体の厚みを10μmにしたこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質としてLiNiO2を用いたこと、正極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、負極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA90)を用いたこと、セパレータの厚みを14μmにしたこと、集電体の厚みを10μmにしたこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒径を8μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を9μmにしたこと、正極活物質層の厚みを40μmにしたこと、負極活物質層の厚みを45μmにしたこと、セパレータの厚みを50μmにしたこと、以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒径を8μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を9μmにしたこと、正極活物質層の厚みを50μmにしたこと、負極活物質層の厚みを55μmにしたこと、セパレータの厚みを50μmにしたこと、以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
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。測定のための各種設定は、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)に準拠する。得られ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。
平均低減量の測定で得られた振動伝達率スペクトルの最も低周波側に現れた最大ピーク周波数を求めた。以下、前記最大ピークを第1共振ピークという。
タブに熱電対を取り付けて、10Cのサイクル試験を60分行い、試験中の電池要素の最高到達温度を、熱上昇として測定した。また、60分のサイクル試験の後、電流を止め、室温で放置した場合の温度変化を調べ、室温に戻るまでの時間を測定した。測定は、最大60分まで行い、60分で室温まで戻らない場合は、60分以上と測定結果に記した。
厚み15μmのSUS箔を集電体として用意した。正極活物質としてLiMnO2(平均粒径5μm)を用意し、これにスラリー粘度調製溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)を添加してスラリー状にしたものをSUS箔の一方の面に塗布および乾燥し、厚み20μmの正極活物質層を形成した。次に負極活物質としてハードカーボン(平均粒径6μm、非結晶性炭素材)を用意し、これにNMPを添加してスラリー状にしたものをSUS箔の他の面に塗布および乾燥し、厚み20μmの負極活物質層を形成した。
正極活物質層の厚みを28μmにしたこと、負極活物質層の厚みを30μmにしたこと、セパレータの厚みを27μmにしたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を8μmにしたこと、負極活物質としてグラファイト(結晶性炭素材)を用いたこと、負極活物質の平均粒子径を9μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてポリオレフィン(ショアA80)を用いたこと、集電体としてCu−Alクラッドを用いたこと、正極活物質層の厚みを35μmにしたこと、負極活物質層の厚みを37μmにしたこと、セパレータの厚みを33μmにしたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を2μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を2μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA85)を用いたこと、正極活物質層の厚みを12μmにしたこと、負極活物質層の厚みを12μmにしたこと、セパレータの厚みを11μmにしたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質としてLiNiO2を用いたこと、正極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、負極活物質の平均粒子径を0.8μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA85)を用いたこと、正極活物質層の厚みを6μmにしたこと、負極活物質層の厚みを6μmにしたこと、セパレータの厚みを5μmにしたこと、集電体の厚みを10μmにしたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質層の厚みを40μmにしたこと、負極活物質層の厚みを45μmにしたこと、セパレータの厚みを50μmにしたこと、以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
実施例9で作製した、端部集電体−正極活物質層と、端部集電体−負極活物質層とを用いて、実施例2で作製した単電池層を挟持したこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
実施例11で作製した、端部集電体−正極活物質層と、端部集電体−負極活物質層とを用いて、下記に記す単電池層を挟持したこと以外は実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を2μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を2μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA85)を用いたこと、正極活物質層の厚みを12μmにしたこと、負極活物質層の厚みを12μmにしたこと、セパレータの厚みを11μmにしたこと、8つの単電池層と、一対の端部集電体−活物質層とを組み合わせて、単電池層を10層積層してなる構造としたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質層の厚みを40μmにしたこと、負極活物質層の厚みを45μmにしたこと、セパレータの厚みを50μmにしたこと、8つの単電池層と、一対の端部集電体−活物質層とを組み合わせて、単電池層を10層積層してなる構造としたこと以外は実施例10と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質の平均粒子径を2μmにしたこと、負極活物質の平均粒径を2μmにしたこと、ゲル電解質の骨格としてアラミド(ショアA85)を用いたこと、正極活物質層の厚みを12μmにしたこと、負極活物質層の厚みを12μmにしたこと、セパレータの厚みを11μmにしたこと、98枚の単電池層と、一対の端部集電体−活物質層とを組み合わせて、単電池層を100層積層してなる構造としたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
正極活物質層の厚みを40μmにしたこと、負極活物質層の厚みを45μmにしたこと、セパレータの厚みを50μmにしたこと、98枚の単電池層と、一対の端部集電体−活物質層とを組み合わせて、単電池層を100層積層してなる構造としたこと以外は実施例7と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
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、
30 タブ、
40 外装、
60 組電池モジュール
61 正極ターミナル、負極ターミナル、
70 組電池、
71 連結版、
72 固定ネジ、
73 バスバー、
74 弾性体、
80 車両、
C1〜3 ダンパモデル、
K1〜3 バネモデル、
M マス。
Claims (19)
- 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てなるセパレータとを有し、
隣接する前記正極活物質層、前記セパレータ、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層において、
前記セパレータの厚みは、前記正極活物質層の厚みに対して0.68倍以上1.0倍未満であり、前記負極活物質層の厚みに対して0.68倍以上1.0倍未満であることを特徴とするバイポーラ電池。 - 前記単電池層において、前記セパレータの厚みは、前記正極活物質層の厚みに対して0.75〜0.95倍であり、前記負極活物質層の厚みに対して0.75〜0.95倍であることを特徴とするバイポーラ電池。
- 前記単電池層の厚みは、10〜85μmであることを特徴とする請求項1または2に記載のバイポーラ電池。
- 前記単電池層の厚みは、20〜50μmであることを特徴とする請求項3に記載のバイポーラ電池。
- 前記正極活物質層、前記セパレータ、および前記負極活物質層からなる群より選択される少なくとも1種の厚みは、35μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のバイポーラ電池。
- 前記セパレータの厚みは、20μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のバイポーラ電池。
- 前記セパレータは、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より選択される少なくとも1種を含む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電池。
- 前記セパレータの透気度は、10〜400sec/10ccであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記セパレータの曲路率は、0.5〜2.0であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記セパレータは、ゲル電解質を含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記セパレータの硬度ショアAは、20〜110であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記単電池層が複数積層され、
少なくとも1層のセパレータの硬度ショアAは、他のセパレータの硬度ショアAと異なることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のバイポーラ電池。 - 前記単電池層が3層以上積層され、
バイポーラ電池の中心に配置された単電池層に含まれるセパレータの硬度ショアAは、他の単電池層に含まれるセパレータの硬度ショアAと比較して最も小さいことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のバイポーラ電池。 - 前記正極活物質層に含まれる正極活物質の平均粒径は、2μm以下であることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記正極活物質層に含まれる正極活物質は、Li−Mn系複合酸化物であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記負極活物質層に含まれる負極活物質の平均粒径は、2μm以下であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 前記負極活物質層に含まれる負極活物質は結晶性炭素材または非結晶性炭素材からなることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載のバイポーラ電池。
- 請求項1〜17のいずれかに記載のバイポーラ電池を、直列または並列に接続してなる組電池。
- 請求項1〜17のいずれかに記載のバイポーラ電池または請求項18に記載の組電池を、搭載してなる車両。
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