JP2008147010A - 電力供給装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラ電池における電流密度のばらつきを抑えることができる電力供給装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】電力供給装置１００は、バイポーラ電極の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池１０と、バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、バイポーラ電池を積層方向に加圧する加圧力を調整自在な加圧部１１０と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイポーラ電池を備えた電力供給装置、およびその制御方法に関する。

近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる積層型のバイポーラ電池に注目が集まっている（特許文献１参照）。

バイポーラ電池は、バイポーラ電極と電解質層とを交互に積層し、これらを直列に接続した電池要素を含んでいる。バイポーラ電極は、集電体の一方の面に正極活物質層を設けて正極が形成され、他方の面に負極活物質層を設けて負極が形成されている。バイポーラ電池は、電池要素内においてはバイポーラ電極を積層する方向（以下、「積層方向」という）に電流が流れるため、電流のパスが短く、電流ロスが少なく、集電体を超薄膜化することもできる。
特開２００１−２３６９４６号公報（段落００１９、００２１）

バイポーラ電池に作用する環境状況、例えば、バイポーラ電池に作用する振動、バイポーラ電池の内部の温度、またはバイポーラ電池の外部の温度が変化することによって、バイポーラ電池には電流密度のばらつきが生じる。この電流密度のばらつきに起因して、バイポーラ電池の劣化が促進され、その結果、耐久性が低下する虞がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、バイポーラ電池における電流密度のばらつきを抑えることができる電力供給装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の電力供給装置は、バイポーラ電極の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池と、
前記バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、前記バイポーラ電池を前記積層方向に加圧する加圧力を調整自在な加圧部と、を有している。

また、上記目的を達成する本発明の電力供給装置の制御方法は、バイポーラ電極の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池を前記積層方向に加圧する際に、前記バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、加圧力を調整する。

本発明によれば、加圧部が、バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、バイポーラ電池を積層方向に加圧する加圧力を調整することにより、バイポーラ電池における電流密度のばらつきを抑えることができ、電流密度のばらつきに起因したバイポーラ電池の劣化を抑えることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。

図１は、本発明の実施形態に係る電力供給装置１００を示す断面図、図２は、バイポーラ電池１０を示す断面図、図３（Ａ）は、バイポーラ電極２０を示す断面図、図３（Ｂ）は、単電池層３２の説明に供する断面図である。図４は、電力供給装置１００の温度調整部１４０を説明するための断面図、図５は、電力供給装置１００の流体循環部１５０を説明するための断面図、図６は、弾性を有する導電部材１６２を説明するための断面図、図７は、フローティング部材１６０を説明するための断面図である。

図１を参照して、電力供給装置１００は、概説すれば、バイポーラ電極２０の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池１０と、バイポーラ電池１０に作用する環境状況に応じて、バイポーラ電池１０を積層方向に加圧する加圧力を調整自在な加圧部１１０と、を有している。

バイポーラ電池１０に作用する環境状況は、電力供給装置１００を設置する場所や機器によって異なるが、内燃機関を備える自動車を例に挙げて説明する。内燃機関を始動するときには比較的大きな振動が生じ、路面状況や走行速度によっても振動が異なってくる。また、自動車を使用する地域によって気温が異なり、バイポーラ電池１０自体の発熱温度も異なってくる。したがって、環境状況には、バイポーラ電池１０に作用する振動、バイポーラ電池１０の内部の温度、またはバイポーラ電池１０の外部の温度などが含まれている。バイポーラ電池１０に作用する振動は、振動計を設けることによって簡単に測定であるが、内燃機関の始動時にあってはスタータの稼動の有無、走行時にあっては路面状況を検出するセンサや車速センサからの出力に基づいて振動の程度を判定することもできる。バイポーラ電池１０の内部の温度は温度センサによって測定される。バイポーラ電池１０の外部の温度は、自動車用空気調和装置に設けられている外気温度センサなどの各種温度センサによって測定される。電力供給装置１００を自動車に搭載している場合にあっては、「バイポーラ電池に作用する環境状況」と、「自動車の運転状況」とは同視できる。

加圧部１１０が、バイポーラ電池１０に作用する環境状況に応じて、バイポーラ電池１０を積層方向に加圧する加圧力を調整する。加圧力を強くすればバイポーラ電池１０の構成要素同士の接触状態が「密」になり、電池抵抗や接触抵抗が小さくなる。これとは逆に、加圧力を弱くすれば接触状態が「粗」になり、電池抵抗や接触抵抗を大きくなる。これにより、バイポーラ電池１０の積層方向に流れる電流の電気抵抗を制御できる。電流密度のばらつきを抑えることができ、電流密度のばらつきに起因したバイポーラ電池１０の劣化が低減する。その結果、バイポーラ電池１０ひいては電力供給装置１００の耐久性が向上する。

電力供給装置１００は、バイポーラ電池１０を収容するケース１２０をさらに有している。加圧部１１０は、バイポーラ電池１０とケース１２０との間に存する流体１３０を有している。流体１３０は、気体または液体のいずれでもよい。ケース１２０は、流体１３０に対するシール部材（図示せず）が設けられている。

バイポーラ電池１０とケース１２０との間に流体１３０が介在し、バイポーラ電池１０がケース１２０に対し、前後・左右・上下のいずれの方向にもある程度（流体の存在する空間分）自由に移動できる構造となっている。流体１３０の層はパスカルの原理により、バイポーラ電池１０の面を均等に加圧する。バネなどの弾性体で電池を保持することも考えられるが、弾性体だと振動を吸収することはできるものの、電池面を均等に加圧する機能はない。流体１３０を用いることにより、振動吸収と均等加圧との機能を兼ね備えることができる。 流体１３０は電池全面を覆う必要はなく、バイポーラ電池１０の一つの面がケース１２０に接している形態もあり得る。

かかる構成によれば、外界からの振動が直接バイポーラ電池１０に伝わらないため、振動による電池劣化を防止することができる。また、均等加圧により、電極と電流取り出し部との間の接触圧（＝接触抵抗）が均一となり、電極面内の電流取出しが均一になる。

なお、図中符号１０１は、ケース１２０の内側に配置された電流取り出し機構、１０２は、ケース１２０の外側に配置された電流取り出し機構をそれぞれ示し、端子板形状を有している。

加圧部１１０は、流体１３０の圧力を調整する圧力調整部１１１を有する。圧力調整部１１１は、ポンプなどから構成され、パイプ１１２介してケース１２０内の収納空間と連通している。圧力制御することにより、電極間距離が広がることを防止でき、抵抗増加を防止する効果がある。圧力調整部１１１は、図示例のように、ケース１２０の外にあって、パイプ１１２などで接続されていてもよい。

本実施形態では、流体１３０は、バイポーラ電池１０を冷却する冷媒としても機能している。このため、電力供給装置１００は、流体１３０の温度を調整する温度調整部１４０をさらに有している（図４参照）。温度調整部１４０は、放熱板１４１や、冷却ファンなどを有している。バイポーラ電池１０自体の温度や気温が低い場合に電力供給装置１００を稼動するときの立ち上がり性能を高めるために、バイポーラ電池１０を加温することもある。このため、冷媒を加熱するためのヒータを温度調整部１４０に設けておくことも好ましい。流体１３０の温度を制御することにより、間接的に電池温度を制御することができる。温度調整部１４０は、図示例のように、ケース１２０の外にあって、パイプなどで接続されていてもよい。流体１３０を温度制御媒体として機能させることにより、対流・拡散機能により電池表面温度を均一にし、内部抵抗のばらつきを低減することができる。この結果、バイポーラ電池１０の寿命を延ばすことができる。

流体１３０をケース１２０の内部とケース１２０の外部との間で循環させる流体循環部１５０をさらに設けてもよい（図５参照）。バイポーラ電池１０を冷却する効果が高く、冷媒としての機能を十分に発揮することができるからである。流体循環部１５０は、循環ポンプ１５１、パイプ１５２などを有する。循環系の途中には、温度調整部１４０として放熱板１４１を配置してある。流体１３０を循環させることにより、上記温度制御の空間的ばらつき・時間的ばらつきを低減できる。

流体１３０は、非圧縮性、かつ、疎水性を有する流体であることが好ましい。非圧縮性流体を用いることにより、圧力制御および温度制御がより簡単なものとなる。また、疎水性流体を用いることにより、バイポーラ電池１０を水分から守ることができる。外界からの水分の浸入を防止することにより、バイポーラ電池１０の劣化を防止することができる。

バイポーラ電池１０の積層方向の両端面のうちの少なくとも一方とケース１２０との間に流体１３０が存することが必要である。バイポーラ電池１０を積層方向に加圧するためである。

但し、バイポーラ電池１０の積層方向の両端面のそれぞれがケース１２０の内面に接触することを防止するフローティング部材１６０を設けてもよい（図７参照）。フローティング部材１６０は、バネなどの弾性体から構成されている。図示例では、フローティング部材１６０によって、バイポーラ電池１０の鉛直下方面とケース１２０内面とを連結してある。フローティング部材１６０により、バイポーラ電池１０が重力によりケース１２０の下面に接触することが防止される。

バイポーラ電池１０とケース１２０との間には、電流を取り出すとともに弾性を有する導電部材１６２が配置されている（図６参照）。弾性を有する導電部材１６２は、フレキシブルケーブルからなり、ケース１２０からバイポーラ電池１０への振動の伝播を減衰させつつ、電流をケース１２０外に取り出すことができる。

図１を再び参照して、電力供給装置１００は、バイポーラ電池１０に作用する環境状況を検出する検出部１７３と、加圧部１１０の作動を制御するコントローラ１７０（制御部に相当する）と、をさらに有している。検出部１７３は、振動計１７１や、温度センサ１７２であり、電力供給装置１００を自動車に搭載している場合にあっては、自動車の運転状況を検出するための各種計器やセンサを用いることができる。コントローラ１７０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、検出部１７３により検出した環境状況に基づいて加圧力を制御する。これにより、バイポーラ電池１０において、積層方向に流れる電流の電気抵抗を制御することが可能となる。

電力供給装置１００の制御に際しては、コントローラ１７０は、バイポーラ電池１０を積層方向に加圧する際に、バイポーラ電池１０に作用する環境状況に応じて、加圧力を調整する。加圧力の調整は、バイポーラ電池１０とケース１２０との間に介在させた流体１３０の圧力によってなされる。

加圧部１１０によりバイポーラ電池１０に付勢される加圧力を基準となる加圧力よりも大きくすることにより、積層方向に流れる電流の電気抵抗が、基準となる加圧力における積層方向に流れる電流の電気抵抗よりも小さくなる。逆に、加圧部１１０によりバイポーラ電池１０に付勢される加圧力を基準となる加圧力よりも小さくすることにより、積層方向に流れる電流の電気抵抗が、基準となる加圧力における積層方向に流れる電流の電気抵抗よりも大きくなる。

環境状況は、バイポーラ電池１０に作用する振動を含んでいる。コントローラ１７０は、検出部１７３により検出した振動が基準となる振動以上であるとき、例えば、内燃機関の始動時には、基準となる振動における加圧力よりも大きい加圧力を生成するように加圧部１１０の作動を制御する。加圧力が大きくなるので、電池要素３０に剥離が生じる虞がなくなり、また、電気抵抗が小さくなって始動時に有利となる。逆に、検出部１７３により検出した振動が基準となる振動よりも小さいときには、基準となる振動における加圧力よりも小さい加圧力を生成するように加圧部１１０の作動を制御する。

環境状況は、バイポーラ電池１０の内部の温度、またはバイポーラ電池１０の外部の温度を含んでいる。コントローラ１７０は、検出部１７３により検出した温度が基準となる温度以下であるときには、基準となる温度における加圧力よりも大きい加圧力を生成するように加圧部１１０の作動を制御する。検出部１７３により検出した温度が基準となる温度よりも大きいときには、基準となる温度における加圧力よりも小さい加圧力を生成するように加圧部１１０の作動を制御する。

検出した温度が基準となる温度よりも低いときには加圧力が大きくなる、という作用は、次のような利点をも生じる。すなわち、始動時に振動を生じる機器（例えば、内燃機関を備える自動車など）にバイポーラ電池１０を搭載している場合において、一般的に、機器を始動する前には、電池要素３０は基準となる作動温度よりも低い温度となっている。このときには、基準となる温度における加圧力よりも大きい加圧力が電池要素３０に付勢されている。したがって、機器の始動に伴う振動がバイポーラ電池１０に加わっても、電池要素３０は振動に十分に抗することができ、加振に伴う不具合が電池要素３０に生じることを防止できる。

以上のような制御を行うことにより、バイポーラ電池１０の積層方向に流れる電流の電気抵抗を制御でき、電流密度のばらつきを抑えることができ、電流密度のばらつきに起因したバイポーラ電池１０の劣化が低減する。その結果、バイポーラ電池１０ひいては電力供給装置１００の耐久性が向上する。

図８は、複数のバイポーラ電池１０をケース１２０内に収容した状態を説明するための断面図である。複数のバイポーラ電池１０を収容しても、流体からの圧力を電極面に均一に及ぼすことができる。また、単電池より容量や電圧を大きくできる。バイポーラ電池１０同士は、端子板１０３を介して直列接続されている。

図９は、複数のバイポーラ電池を組電池１１としたものをケース１２０内に収容した状態を説明するための断面図である。バイポーラ電池から組電池１１を構成することにより、電池体積を小さくでき、電流取り出し機構を簡略化できる。

図２および図３を参照して、バイポーラ電池１０は、バイポーラ電極２０と電解質層３１とを交互に積層し、これらを直列に接続した電池要素３０を外装ケース４０に収納して構成されている。バイポーラ電極２０は、集電体２１の一方の面に正極活物質層２２を設けて正極２３が形成され、他方の面に負極活物質層２４を設けて負極２５が形成されている（図３（Ａ）参照）。バイポーラ電極２０が積層された電池要素３０において、隣接する集電体２１、２１の間に挟まれる、正極活物質層２２、電解質層３１、および負極活物質層２４により単電池層３２が構成されている（図３（Ｂ）参照）。電池要素３０の正極末端極３３は、端部集電体２１ｅの一方の面に正極活物質層２２のみが設けられ、図２において最上位のバイポーラ電極２０の上に電解質層３１を介して積層される。電池要素３０の負極末端極３４は、端部集電体２１ｅの一方の面に負極活物質層２４のみが設けられ、図２において最下位のバイポーラ電極２０の下に電解質層３１を介して積層される。

電池要素３０の積層方向末端のそれぞれには、面方向に流れる電流を取り出す正負の端子５１、５２が電気的に接続されている。具体的には、正極末端極３３の端部集電体２１ｅには正極端子５１が電気的に接続され、負極末端極３４の端部集電体２１ｅには負極端子５２が電気的に接続されている。正極端子５１は、正極末端極３３の少なくとも正極活物質層２２の投影面積よりも大きい大きさを有し、正極活物質層２２の投影面を覆うように端部集電体２１ｅ上に重ねて配置されている。同様に、負極端子５２は、負極末端極３４の少なくとも負極活物質層２４の投影面積よりも大きい大きさを有し、負極活物質層２４の投影面を覆うように端部集電体２１ｅ上に重ねて配置されている。端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの間は、活物質層２２、２４の投影面の全体にわたって電気的に均等に接合されている。このため、端子５１、５２は、端部集電体２１ｅのうち電流が実質的に流れる領域の全面から均等に電流を受け、電流密度のばらつきを抑えることができる。

バイポーラ電池４０の構成は、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、バイポーラ電池１０における端子５１、５２、外装ケース４０、集電体２１、正極２３（正極活物質層２２）、負極２５（負極活物質層２４）、電解質層３１についてさらに説明する。

［正極端子５１、負極端子５２］
端部集電体２１ｅ上に重ねて配置した端子５１、５２は、電流を取り出すための端子としての機能を有する。端子５１、５２の材質は、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。例えば、アルミニウム、銅、その他の導電性が高い材質が好ましい。但し、導電性が低い材質であっても、厚さ方向を厚くすれば、許容し得る程度に抵抗を小さくでき、面方向の電気の流れを十分に確保できる。したがって、アルミニウム等に比べて導電性が低いステンレス鋼（ＳＵＳ）等を用いることもできる。耐蝕性、作り易さ、経済性等の観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。正極端子５１および負極端子５２の材質には、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質を用いてもよい。

端子５１、５２の端部をリード状に加工することによって、正極リード部５１ａおよび負極リード部５２ａが端子５１、５２と一体的に形成されている。外装ケース４０から取り出された正極リード部５１ａおよび負極リード部５２ａに、耐熱絶縁性の熱収縮チューブ等を被覆しておくことが好ましい。これらリード部５１ａ、５２ａと熱源との間の距離が小さい場合に、リード部５１ａ、５２ａが熱源に接触し、漏電によって部品（特に電子機器）に悪影響を与えないようにするためである。

第１の実施形態では、端子５１、５２の端部をリード状に形成した場合を図示したが、本発明のバイポーラ電池にあっては、端子５１、５２自体が外装ケース４０から外方に伸びている必要はない。バイポーラ電池は、例えば、端部集電体２１ｅに平面接触し外装ケース４０内に収納される矩形形状の端子と、当該端子に溶接により取り付けられて外装ケース４０から外方に伸びるリードとを備えてもよい。このリードには、リチウムイオン電池等で用いられる公知のリードを用いることができる。

［外装ケース４０］
バイポーラ電池１０は、使用する際の外部からの衝撃を緩和し、環境劣化を防止するために、電池要素３０や端子５１、５２が外装ケース４０内に収容されている。外装ケース４０は、可撓性を有するシート状素材から形成され、電池要素３０、正極端子５１、および負極端子５２を密封している。さらに、外装ケース４０の内圧は、大気圧Ｐａよりも低い圧力である。端子５１、５２は端部集電体２１ｅに載せているだけで、両者の間に機械的な締結は施していない。外装ケース４０により密封したときに作用する圧力による金属接触によって、端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの導電性を確保している。端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの間に、導電性に優れた接着性または非接着性の塗布剤を介在させてもよい。両者の金属接触が密になり、導電性がより確実なものとなるからである。

シート状素材は、外装ケース４０の内部と外部との圧力差により破壊することなく容易に変形し得るフレキシブルな材料を用いればよい。大気圧Ｐａを用いた静水圧によって、電池要素３０は、端子５１、５２を介して、図中上下方向から加圧される。

端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの接合がそれら全面にわたって電気的に不均一であると、電流密度にばらつきが生じ、これに起因して劣化が促進される虞がある。本実施形態にあっては、大気圧Ｐａを用いた静水圧により、外装ケース４０内部の圧力＜外装ケース４０外部の圧力（＝大気圧Ｐａ）の関係が満たされているため、端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの接合は、全面が電気的に均等になる。したがって、電流密度分布のばらつきが抑えられ、電流密度のばらつきに起因した劣化の促進が抑えられる。また、端子５１、５２の低抵抗化による電池の高出力化も確実なものとなる。

シート状素材はさらに、電解液や気体を透過させないで電気絶縁性を示し、電解液等の材料に対して化学的に安定であることが望ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の合成樹脂が例示される。

シート状素材として、金属箔と、合成樹脂膜とを含むラミネートフィルム４１も好適に適用できる。外装ケース４０の熱封止性や電解質の空気接触可能性の低減を図り、さらに軽量化を図る上で好ましいからである。ラミネートフィルム４１は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅等の金属（合金を含む）からなる金属箔４２を、ポリプロピレンフィルム等の絶縁性の合成樹脂膜４３、４４で被覆した三層構造を有する。高分子−金属複合ラミネートフィルム４１のほか、アルミラミネートパックも同様に用い得る。

高分子−金属複合ラミネートフィルム４１やアルミラミネートパック等は、熱伝導性に優れていることが好ましい。自動車に搭載する場合、自動車の熱源からバイポーラ電池１０まで熱を効率よく伝え、電池要素３０を電池動作温度まですばやく加熱することができるからでる。

ラミネートフィルム４１を外装ケース４０に用いる場合には、ラミネートフィルム４１の周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池要素３０や端子５１、５２を収納し密封した構成とする。リード部５１ａ、５２ａは、熱融着部に挟まれてラミネートフィルム４１の外部に露出される。

本実施形態のように、ラミネートフィルム４１を外装ケース４０適用すれば、外装ケース４０が容易に変形し、大気圧Ｐａを用いた静水圧を電池要素３０に掛けることが可能になる。さらに、金属箔４２の層が存在するため気体透過性が低下し、内部と外部との圧力差を長期にわたって維持することができ、その結果、端子５１、５２と端部集電体２１ｅとの安定した電気的な接触を長期にわたって維持することができる。

大気圧Ｐａを用いた静水圧によって端子５１、５２を端部集電体２１ｅに密着させる場合を例示したが、本発明のバイポーラ電池にあっては、外装ケース４０内部の圧力＜外装ケース４０外部の圧力の関係が満たされる限りにおいて、静水圧を生じる媒体は限定されない。例えば、気体、液体、または固体粉末の少なくとも１種類の媒体、あるいはそれらを混合した媒体を用いた静水圧によって、端子５１、５２を端部集電体２１ｅに密着させてもよい。

［集電体２１］
本実施形態の集電体２１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が用いられている。ステンレス鋼は、正極活物質および負極活物質の両者に対して安定であるため、ステンレス単一層の表裏両面のそれぞれに活物質層２２、２４を形成できる。

末端極３３、３４では、端部集電体２１ｅの片面のみに正極活物質層２２または負極活物質層２４が形成される。

集電体２１の厚さは、特に限定されないが、１μｍ〜１００μｍ程度である。

［正極２３（正極活物質層２２）］
正極２３は、正極活物質を含む。このほかにも、導電助剤、バインダー等が含まれ得る。化学架橋または物理架橋によりゲル電解質として正極２３および負極２５内に十分に浸透させている。

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等のＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２等のＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２等のＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物等が挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ_４等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等の遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨ等が挙げられる。

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等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１０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る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０．１μｍ〜１０μｍであるとよい。

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、例えば、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）を用いたもの等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。

イオン伝導性を有する高分子としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体等が挙げられる。

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、例えば、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）等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、ＰＡＮ、ＰＭＭＡ等は、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、例えば、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等が使用できる。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。

本実施形態では、これら電解液、リチウム塩、および高分子（ポリマー）を混合してプレゲル溶液を作成し、正極２３および負極２５に含浸させている。

正極２３における、正極活物質、導電助剤、バインダーの配合量は、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視等）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。例えば、正極２３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２３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。したがって、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２３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、エネルギー重視等）、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２２の厚さは１０〜５００μｍ程度である。

［負極２５（負極活物質層２４）］
負極２５は、負極活物質を含む。このほかにも、導電助剤、バインダー等が含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極２３」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負極活物質を用いることができる。例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、カーボン等が好ましい。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。

本実施形態にあっては、正極活物質層２２は、正極活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物が用いられ、負極活物質層２４は、負極活物質として、カーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物が用いられている。容量、出力特性に優れた電池を構成できるからである。

［電解質層３１］
電解質層３１は、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すものであれば材料は限定されない。

本実施形態の電解質は、高分子ゲル電解質であり、既に説明したように、基材としてセパレータにプレゲル溶液を含浸させた後、化学架橋または物理架橋により高分子ゲル電解質として用いている。

このような高分子ゲル電解質は、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等のイオン導伝性を有する全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、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の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高分子ゲル電解質に含まれる。これらについては、正極２３に含まれる電解質の一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。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は幅広く、ポリマー１００％を全固体高分子電解質とし、電解液１００％を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。なお、ポリマー電解質と言う場合には、高分子ゲル電解質および全固体高分子電解質の両方が含まれる。

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２３および／または負極２５にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質、正極２３、負極２５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１０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３１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２３または負極２５）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ほぼ一定の厚さにする必要はない。

バイポーラ電池１０においては、電解質層３１に含まれる電解液が染み出すと、各層同士が電気的に接続されてしまい、電池として機能しなくなる。これを液絡と称する。

電解質層３１に液体または半固体のゲル状物質を用いる場合には、電解質が液漏れしないように、集電体２１間にシールを施す必要がある。そこで、図１に示すように、集電体２１の間には、シール部材３６が単電池層３２の周囲を取り囲むように設けられている。シール部材３６は、例えば、基材の両面に粘着材が塗布されている両面テープである。基材は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド系合成繊維等の絶縁性樹脂により形成されている。粘着剤は、合成ゴム、ブチルゴム、合成樹脂、アクリル等の耐溶剤性のある材料により形成されている。シール部材３６によって、単電池層３２からの液漏れが防止され、集電体２１同士の接触による短絡が防止される。

電解質層３１は、固体電解質を用いることもできる。電解質として固体を用いることにより漏液を防止することが可能となり、バイポーラ電池特有の問題である液絡を防ぎ、信頼性の高いバイポーラ電池を提供できるからである。また、漏液を防止するための構成も必要とならないので、バイポーラ電池の構成を簡易にすることができるからである。

固体電解質としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩（リチウム塩）が含まれる。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、またはこれらの混合物等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。ＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２等のリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。

本発明の実施形態に係る電力供給装置を示す断面図である。 バイポーラ電池を示す断面図である。 図３（Ａ）は、バイポーラ電極を示す断面図、図３（Ｂ）は、単電池層の説明に供する断面図である。 電力供給装置の温度調整部を説明するための断面図である。 電力供給装置の流体循環部を説明するための断面図である。 弾性を有する導電部材を説明するための断面図である。 フローティング部材を説明するための断面図である。 複数のバイポーラ電池をケース内に収容した状態を説明するための断面図である。 複数のバイポーラ電池を組電池としたものをケース内に収容した状態を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ バイポーラ電池、
１１ 組電池
２０ バイポーラ電極、
２１ 集電体、
２３ 正極、
２５ 負極、
３０ 電池要素、
３０ａ 積層体、
３１ 電解質層、
３２ 単電池層、
３６ シール部材、
４０ 外装ケース、
１００ 電力供給装置、
１１０ 加圧部、
１１１ 圧力調整部、
１２０ ケース、
１３０ 流体、
１４０ 温度調整部、
１４１ 放熱板、
１５０ 流体循環部、
１５１ ポンプ、
１６０ フローティング部材、
１６２ 導電部材、
１７０ コントローラ（制御部）、
１７１ 振動計、
１７２ 温度センサ、
１７３ 検出部。

Claims (15)

1. バイポーラ電極の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池と、
   前記バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、前記バイポーラ電池を前記積層方向に加圧する加圧力を調整自在な加圧部と、を有する電力供給装置。
2. 前記バイポーラ電池を収容するケースをさらに有し、
   前記加圧部は、前記バイポーラ電池と前記ケースとの間に存する流体を有する請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記加圧部は、前記流体の圧力を調整する圧力調整部を有する請求項２に記載の電力供給装置。
4. 前記流体は、前記バイポーラ電池を冷却する冷媒としても機能する請求項２に記載の電力供給装置。
5. 前記流体の温度を調整する温度調整部をさらに有する請求項２に記載の電力供給装置。
6. 前記流体を前記ケースの内部と前記ケースの外部との間で循環させる流体循環部をさらに有する請求項２に記載の電力供給装置。
7. 前記流体は、非圧縮性、かつ、疎水性を有する流体である請求項２に記載の電力供給装置。
8. 前記バイポーラ電池の前記積層方向の両端面のうちの少なくとも一方と前記ケースとの間に前記流体が存する請求項２に記載の電力供給装置。
9. 前記バイポーラ電池の前記積層方向の両端面のそれぞれが前記ケースの内面に接触することを防止するフローティング部材を有する請求項２に記載の電力供給装置。
10. 前記バイポーラ電池と前記ケースとの間に配置され、電流を取り出すとともに弾性を有する導電部材をさらに有する請求項２に記載の電力供給装置。
11. 前記バイポーラ電池に作用する環境状況を検出する検出部と、
    前記加圧部の作動を制御する制御部と、をさらに有し、
    前記制御部は、前記検出部により検出した前記環境状況に基づいて前記加圧力を制御することにより、前記積層方向に流れる電流の電気抵抗を制御する請求項１に記載の電力供給装置。
12. 前記環境状況には、前記バイポーラ電池に作用する振動、前記バイポーラ電池の内部の温度、または前記バイポーラ電池の外部の温度のうちの少なくとも１つが含まれている請求項１に記載の電力供給装置。
    
13. バイポーラ電極の積層方向に電流が流れる少なくとも一つのバイポーラ電池を前記積層方向に加圧する際に、前記バイポーラ電池に作用する環境状況に応じて、加圧力を調整する電力供給装置の制御方法。
14. 前記バイポーラ電池と、前記バイポーラ電池を収容するケースとの間に介在させた流体の圧力によって、前記加圧力を調整する請求項１３に記載の電力供給装置の制御方法。
15. 前記流体によって前記バイポーラ電池を冷却する請求項１４に記載の電力供給装置の制御方法。

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