JP2007213930A - バイポーラ電池、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】バイポーラ電池10は、略厚み方向にのみ電流を流すように、厚み方向の導電性が面方向の導電性よりも高い集電体11と、集電体11の一方の面に電気的に接続される正極活物質層12と、集電体の他方の面に電気的に接続される負極活物質層13と、集電体11、正極活物質層12および負極活物質層13からなるバイポーラ電極15と交互に積層される電解質層14と、を有する。
【選択図】図2
Description
図1はバイポーラ電池の斜視図、図2は図1の2−2線に沿った断面図である。
(集電体の材料)
本実施形態では、集電体11に、異方性導電材料を用いている。集電体11は、略厚み方向にのみ電流を流すように、厚み方向の導電性が面方向の導電性よりも高く形成されている。すなわち、集電体11は、面方向に電流を流さない、または、ほとんど流さない。集電体11を構成する材料は次の通りである。
図3は集電体中の電流の流れを示す図である。
次に集電体11の抵抗値は、様々な側面から定義できる。
定義1:厚み方向に電流が流れ、面方向には電流が流れない(ほとんど流れない)異方性を集電体11に実現できるように、導電性粒子の添加量を決定する。面方向の体積抵抗値が厚み方向の体積抵抗値の1000倍以上となるように、導電性粒子を添加することが好ましい。
定義2:全集電体11の厚み方向の抵抗値の合計は、バイポーラ電池10内の全単電池層15の内部抵抗の合計に対して、1/100以下である。
定義3:集電体11の厚み方向の体積抵抗率は、10−4Ω・cm〜103Ω・cmである。
上記本実施形態のバイポーラ電池10の効果について説明する。
次に上記実施形態の変形例について説明する。
第2実施形態では、上記第1実施形態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、組電池を構成する。
第3実施形態では、上記第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70を駆動用電源として搭載して、車両を構成する。バイポーラ電池10または組電池70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がある。
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
1.集電体の準備
導電性粒子としてカーボン微粒子(平均粒径0.8μm;70体積% 既製品のため推定)、高分子材料としてポリプロピレン(30体積% 既製品のため推定)とを含む厚さ20μmの集電体を用意した。厚み方向の体積抵抗率は1×10−2Ω・cm、面方向の体積抵抗率は1×108Ω・cmであった。
正極活物質としてLiMn2O4(85wt%)、導電助剤としてアセチレンブラック(5wt%)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF;10wt%)、スラリー粘度調整溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP;微量)を混合して、正極スラリーを調製した。
負極活物質としてLi4Ti5O12(85wt%)、導電助剤としてアセチレンブラック(5wt%)、イオン伝導性高分子としてPEO(10wt%)、スラリー粘度調整溶媒としてNMP(微量)を混合して、負極スラリーを調製した。
電解液としてプロピレンカーボネート(PC):エチレンカーボネート(EC)=1:1(質量比)の溶媒にリチウム塩として1MのLiPF6を溶解したもの(90wt%)、ポストポリマーとしてHFPコポリマーを10%含むPVdF−HFP(10wt%)、粘度調整溶媒としてジメチルカーボネート(DMC)を混合して、ゲル電解質を作製した。
バイポーラ電極を、ゲル電解質層を挟んで、正極活物質層と負極活物質層とが向かい合うようにして5層分積層して、電池要素を形成した。バイポーラ電極の周囲に形成された未塗布部のうち外周から5mmの範囲を重ねて、上下から圧力0.2MPa、200℃の条件で5秒間だけ加熱プレスし、周囲を溶着して、各層をシールした(図6参照)。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例2のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例2では、実施例1の手順1とは異なる異方性を有する集電体を用いた。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例3のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例3では、実施例1の手順1とは異なる異方性を有する集電体を用いた。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例4のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例4では、実施例1の手順1とは異なる異方性を有する集電体を用いた。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例5のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例5では、実施例1の手順1とは異なる異方性を有する集電体を用いた。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例6のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例6では、実施例1の手順1とは異なる異方性を有する集電体を用いた。
上記実施例1の手順と略同様に、実施例7のバイポーラ電池を作製した。ただし、実施例7では、実施例1の手順1とは異なり、高分子材料としてゴム材料を含む厚さ20μmの集電体を用意した。さらに、実施例1の手順3に加えて、形成したバイポーラ電極を170℃下で、電極活物質層が集電体を突き破らない程度に、厚み方向に加圧ロールプレスした。これにより、集電体が厚み方向にのみ導電性を有する異方性を有するようになった。
1.集電体の準備
導電性粒子としてカーボン微粒子(平均粒径0.8μm;70体積% 既製品のため推定)、高分子材料としてポリプロピレン(30体積% 既製品のため推定)とを含む厚さ20μmの集電体を用意した。厚み方向の体積抵抗率は1×10−2Ω・cm、面方向の体積抵抗率は1×108Ω・cmであった。
正極活物質としてLiMn2O4(22wt%)、導電助剤としてアセチレンブラック(6wt%)、イオン伝導性高分子としてポリエチレンオキシド(PEO;18wt%)、支持塩としてLi(C2F5SO2)2N(9wt%)、スラリー粘度調整溶媒としてN−メチルピロリドン(NMP;45wt%)、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル(AIBN;微量)を混合して、正極スラリーを調製した。
負極活物質としてLi4Ti5O12(14wt%)、導電助剤としてアセチレンブラック(4wt%)、イオン伝導性高分子としてPEO(20wt%)、支持塩としてLi(C2F5SO2)2N(11wt%)、スラリー粘度調整溶媒としてNMP(51wt%)、重合開始剤としてAIBN(微量)を混合して、負極スラリーを調製した。
イオン伝導性高分子としてPEO(64.5wt%)、支持塩としてLi(C2F5SO2)2N(35.5wt%)を準備し、粘度調製溶媒としてアセトニトリルを用い、電解質スラリーを調製した。
バイポーラ電極を、全個体電解質層を挟んで、正極活物質層と負極活物質層とが向かい合うようにして5層分積層して、電池要素を形成した。
上記実施例1の手順と略同様に、比較例1のバイポーラ電池を作製した。ただし、比較例1では、実施例1の手順1とは異なる集電体を用いた。
上記実施例8の手順と略同様に、比較例2のバイポーラ電池を作製した。ただし、比較例2では、実施例8の手順1とは異なる集電体を用いた。
実施例1〜7および比較例1それぞれの電池で充放電試験を行った。実験は0.5mAの電流で12.5Vまで定電流充電(CC)し、その後定電圧で充電(CV)し、あわせて10時間充電した。
比較例1のバイポーラ電池では、充電がされず、電流を流しても電圧は上がらなかった。一方、実施例1〜7については、充電が完了した。この結果から、実施例1〜7では、集電体が端部において相互に接触しているにも関わらず、集電体が異方性を有しているので、短絡が起きず、好適に充電が行われたことがわかる。したがって、集電体間に絶縁部材を配置する必要がないことがわかった。
次に、満充電の電池を1ヶ月放置し、その後の電圧を測定した。測定結果は、図9に示す通りである。図9は、各バイポーラ電池を充電して1ヶ月後の電圧を示す図である。
その後、1mA程度で5秒間放電を行い、そのときの電圧から電池の内部抵抗を計測し、実施例1を100%としたときの実施例3〜7の抵抗値を計測した。計測結果は、図10に示す通りである。図10は、実施例1のバイポーラ電池の内部抵抗を100%として、他の各バイポーラ電池の内部抵抗の割合を示す図である。
実施例8および比較例2それぞれの電池で充放電試験を行った。実験は0.1mAの電流で12.5Vまで定電流充電(CC)し、その後定電圧で充電(CV)し、あわせて10時間充電した。
11…集電体、
12…正極活物質層、
13…負極活物質層、
14…電解質層、
14’…ゲル電解質層、
15…単電池層、
16…バイポーラ電極、
17…端部集電体、
20…電池要素、
30a、30b…電極、
40…外装、
41…ラミネートシート、
70…組電池、
80…自動車。
Claims (15)
- 略厚み方向にのみ電流を流すように、厚み方向の導電性が面方向の導電性よりも高い集電体と、
前記集電体の一方の面に電気的に接続される正極活物質層と、
前記集電体の他方の面に電気的に接続される負極活物質層と、
前記集電体、前記正極活物質層および前記負極活物質層からなるバイポーラ電極と交互に積層される電解質層と、
を有するバイポーラ電池。 - 前記集電体の、面方向の体積抵抗率は、厚み方向の体積抵抗率に対して1000倍以上である請求項1記載のバイポーラ電池。
- 全前記集電体の厚み方向の抵抗値の合計は、全体の内部抵抗に対して、1/100以下である請求項1または請求項2に記載のバイポーラ電池。
- 前記集電体の端部同士が融着されている請求項1〜3のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
- 前記集電体の厚み方向の体積抵抗率は、10−4〜103Ω・cmの範囲内である請求項1〜4のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
- 前記電解質層は、前記正極活物質層または前記負極活物質層との非接触範囲における抵抗値が1×107Ω以上である請求項1〜5のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
- 前記集電体は、高分子材料と導電性粒子とで構成されている請求項1〜6のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
- 前記高分子材料は、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、エポキシ樹脂、合成ゴム材料からなる群から選択される1種または2種以上である請求項7に記載のバイポーラ電池。
- 前記導電性粒子は前記集電体の厚み方向の方が、面方向よりも高密度に分布されている請求項7または請求項8に記載のバイポーラ電池。
- 前記集電体は、前記正極活物質層および前記負極活物質層と共に、加熱プレスされて厚み方向に圧縮され、前記バイポーラ電極を構成する請求項1〜9のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
- 最外層の前記集電体には、前記正極活物質層または前記負極活物質層の一方のみが片面に形成されており、
前記正極活物質層または前記負極活物質層が形成されていない前記集電体の他面には、少なくとも前記正極活物質層または前記負極活物質層の投影面を全て覆う電極タブが取り付けられ、
さらに、外装ケースにより、前記バイポーラ電極と前記電解質層との積層体が密閉されている請求項1〜10のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。 - 前記電解質層は、全固体電解質である請求項1〜11のいずれか一項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ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。 - 請求項1〜13に記載のバイポーラ電池を複数個接続してなる組電池。
- 請求項1〜13に記載のバイポーラ電池、または請求項14に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。
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