JP2008186595A

JP2008186595A - ２次電池

Info

Publication number: JP2008186595A
Application number: JP2007016434A
Authority: JP
Inventors: Masaru Takagi; 優高木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-14
Also published as: WO2008090704A1

Abstract

【課題】電池内部で発生する熱を外部へ効率的に放散させることが可能となる２次電池を提供する。
【解決手段】２次電池であるバイポーラ電池４は、電解質層９の両側に配置された正極活物質層１０および負極活物質層８を有する単位電池（電池要素）７と、単位電池７の少なくとも一部を被覆する被覆層２とを備える。被覆層２は、樹脂等の絶縁材料をベース材料とする材料で構成され、電池内部で発生する熱を外部に放散可能な放熱材を含む。放熱材は、高い電気抵抗を有し、かつ被覆層２の材質よりも熱伝達性の優れた材質で構成すればよい。たとえば被覆層２のベース材料を樹脂とした場合には、放熱材としてセラミックを使用することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、バイポーラ電池のような２次電池に関し、特に、電池要素の少なくとも一部を被覆する絶縁体の構成に関する。

従来から、放電した後に外部電源を用いて充電すれば繰り返し使用可能となる電池である２次電池は知られている。この２次電池の中には、正極と負極とを組合せた直列構成が少なくとも１つ以上存在するバイポーラ電池と呼ばれるものがある。

バイポーラ電池に関しては様々な発明が提案されているが、たとえば、特開２００５−５１６３号公報には、電池要素の外部を少なくとも１種以上の樹脂群で被覆したバイポーラ電池が記載されている。

また、特許第２８５３２９６号には、平板状の電極本体と、該電極の外周縁部に一体に形成した合成樹脂の絶縁枠体とで形成してなる積層電池のバイポーラ電極板において、絶縁枠体が合成樹脂中にガラスファイバーを含んだ樹脂で形成されていると共に、該絶縁枠体と電極本体の外周縁部との間に該絶縁枠体と同一の合成樹脂でかつガラスファイバーを含まない合成樹脂から成る中間枠を絶縁枠体および電極本体の外周縁部に一体に形成して構成されて成る積層電池のバイポーラ電極板が記載されている。
特開２００５−５１６３号公報特許第２８５３２９６号

上記特開２００５−５１６３号公報に記載のバイポーラ電池では、電池要素の外部を樹脂で被覆しているので、電池内部で発生する熱の外部への伝達性が低下するという問題がある。

また、特許第２８５３２９６号に記載の積層電池においても、電極本体の周囲に合成樹脂製の中間枠を設けているため、特開２００５−５１６３号公報の場合と同様に、電池内部で発生する熱の外部への伝達性が低下するという問題がある。

上記のような問題は、バイポーラ電池のみならず、電池要素を樹脂のような絶縁材料で被覆した２次電池に対しても同様に生じ得る。

そこで、本発明は、電池内部で発生する熱を外部へ効率的に放散させることが可能となる２次電池を提供することを目的とする。

本発明に係る２次電池は、電解質の両側に配置された正極および負極を含む電池要素と、電池要素の少なくとも一部を被覆する絶縁層とを備える。そして、絶縁層は、電池内部で発生する熱を外部に放散可能な放熱材を含む。この放熱材としては、放熱機能を発揮し得るものであれば、任意の形状・材料のものを使用することができ、たとえば材料面では絶縁層よりも熱伝達性に優れた材料を使用することができ、形状面では粉末状、線状、板状、ブロック状（塊状）等の様々な形状のものを使用可能である。

上記２次電池の一例としてバイポーラ電池を挙げることができる。この場合、電池要素は、電解質層と、その両側に配置された正極活物質層および負極活物質層とを含む。複数の電池要素が集電体を介して積層された場合には、電池要素の積層体の側面を覆うように絶縁層を形成すればよい。なお、絶縁層は、電池要素の積層体の側面を完全に被覆するものであってもよいが、部分的に被覆するものであってもよい。

上記絶縁層のベース材料を、たとえば樹脂で構成することができる。この場合、放熱材を、上記樹脂よりも熱伝達性の優れたセラミックで構成することができる。また、上記放熱材の最大径（最大長さ：最大幅）を、１つの電池要素の厚みより小さくしてもよい。

上記絶縁層は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリアミド系樹脂、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂の中の少なくとも１種を含む材質で構成してもよく、放熱材は、ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３の中の少なくとも１種を含む材質で構成してもよい。また、上記電解質層は、ゲル状電解質や固体電解質で構成することができる。

本発明に係る２次電池では、電池要素の少なくとも一部を被覆する絶縁層が、電池内部で発生する熱を外部に放散可能な放熱材を含むので、電池内部で発生する熱を外部へ効率的に放散することができる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。なお、下記の各図において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。また、実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。

図１に、本発明の１つの実施の形態における２次電池を含む電池パック１を示す。図１に示すように、電池パック１は、被覆層（絶縁層）２と、該被覆層２から突出する複数の端子部３ａ１，３ｂ１とを備える。

図１の例では、端子部３ａ１が負極の端子部であり、端子部３ｂ１が正極の端子部である。各端子部３ａ１，３ｂ１は、それぞれ反対方向に突出しており、端子部３ａ１同士および端子部３ｂ１同士はそれぞれ上下に重なるように配置されている。それにより、正極の端子部同士を配線等の導電部材で電気的に接続し、また負極の端子部同士を配線等の導電部材で電気的に接続することができる。この導電部材を介して、バイポーラ電池から放電される電流を外部に供給することができ、また充電する際には外部からバイポーラ電池に電流を供給することができる。なお、図１の例では、端子部３ａ１，３ｂ１に、上記の導電部材を接続するための接続孔を設けているが、この接続孔は省略可能である。

図２に、図１に示す電池パック１の断面構造例を示す。図２に示すように、電池パック１は、複数のバイポーラ電池４を含む組電池を備える。図２の例では、３つのバイポーラ電池４が上下に積層されているが、バイポーラ電池４の数は、任意に選択可能であり、単数であってもよく複数であってもよい。

各バイポーラ電池４は、集電体（集電電極）３ａ，３ｂをそれぞれ備えており、図１および図２の例では、この集電体３ａ，３ｂの先端部がそれぞれ端子部３ａ１，３ｂ１となる。集電体３ａ，３ｂは、典型的には板状の導電部材で構成可能であるが、板状以外の形態の集電体も採用可能である。なお、図１および図２の例では、集電体３ａは負極集電電極として機能し、集電体３ｂは正極集電電極として機能する。

図２に示すように、被覆層２は、ケーシング（筐体）として機能し、バイポーラ電池４の積層体の側面、上面および底面を覆うように設けられている。該被覆層２は、典型的には絶縁材料（絶縁層）で構成される。具体的には、樹脂のような絶縁材料で被覆層２を作製可能である。しかし、樹脂以外の絶縁材料で被覆層２を構成してもよい。また、単数または複数の被覆層２でバイポーラ電池４を被覆するようにしてもよい。図２の例では、各端子部３ａ１，３ｂ１が被覆層２から露出しているが、端子部３ａ１，３ｂ１以外のバイポーラ電池４の各要素の少なくとも一部を被覆層２から露出させることも考えられる。

本実施の形態では、図３に示すように、被覆層２に、電池内部で発生する熱を外部に放熱可能な放熱材６を添加する。それにより、被覆層２のベース材料として熱伝導性の低い樹脂のような材料を使用した場合でも、放熱材６を介して電池内部で発生する熱を外部へ放散することができ、電池内部で発生する熱を外部へ効率的に放散することができる。また、本実施の形態の被覆層２を設けることにより、電極間の短絡をも効果的に抑制することができる。さらに、被覆層２のベース材料として樹脂を採用することで、電池要素を有効に保護する一方で、電池要素から被覆層２が剥離することをも効果的に抑制することができる。

被覆層２のベース材料は、たとえばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリアミド系樹脂、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂の中の少なくとも１種を含む高分子材料で構成することができる。１種類の樹脂で被覆層２を作製してもよいが、複数の種類の樹脂を組合せて複数層の被覆層２を作製してもよく、樹脂と樹脂以外の材料とを組合せて単層または複数層の被覆層２を作製してもよい。

放熱材６としては、高い電気抵抗を有し、かつ２次電池の被覆層２の材質よりも熱伝達性の優れた材質のものを使用することが好ましい。具体的には、セラミックフィラーで放熱材６を構成することが考えられる。より詳しくは、ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３の中の少なくとも１種を含む材料で放熱材６を構成することが考えられる。

上記放熱材６の最大径（最大長さ：最大幅）を、バイポーラ電池４の１つの電池要素（単位電池）ｔ（図４参照）の厚みより小さくすることが好ましい。たとえば、１つの電池要素の厚みｔが数十μｍ〜１００μｍ程度の場合には、放熱材６の最大径（最大長さ：最大幅）を、数十μｍ〜１００μｍより小さくすることが考えられる。それにより、電池要素を構成する各要素の近傍に放熱材６を配置することができ、電池内部からの熱を外部へ効率的に放散することができる。なお、「電池要素」とは、本願明細書では、電解質と、その両側に配置された正極および負極とを含む構成をいう。

上記放熱材６の形状についても、任意に選択可能であるが、典型的には球状に近い形状とすることが考えられる。また、通常は、粉末状の放熱材６を使用することが考えられるが、線状やブロック状等の様々な形態の放熱材６を採用することも可能である。

さらに、被覆層２の表面（電池要素から離れた側である外側表面と、電池要素側に位置する内側表面との少なくとも一方の表面）に放熱材６を露出させることも考えられる。それにより、放熱材６を介して電池内部で発生する熱を効率的に外部に向けて伝達・放散することができ、電池の放熱特性を向上することができる。また、被覆層２をその厚み方向（図２の例では集電体３ａ，３ｂの延在方向）に貫通するように放熱材６を設けることも考えられる。この場合も、電池内部で発生する熱を外部に効率的に伝達・放散することができ、電池の放熱特性を向上することができる。

被覆層２を形成する材料への放熱材６の添加量は、被覆層２に要求される特性を考慮して選択することが必要となる。被覆層２への要求特性としては、放熱性、絶縁性、放熱材等との結着力等が挙げられるが、放熱性については、放熱材６を少量でも添加することで向上することができる。しかし、放熱性を効果的に向上させるには、放熱材６の添加量を多くすることが好ましいといえる。他方、電気的な絶縁性については、ベース樹脂と放熱材６とで電気的絶縁性に優れた方の割合を増やすことで、被覆層２全体の絶縁性を高めることができる。結着力については、ベース樹脂の割合に主として依存するが、必要な結着力を確保するには１０体積％程度以上のベース樹脂量を確保することが望ましい。

以上に鑑み、被覆層２を形成する樹脂材料への放熱材６の添加量を、たとえば１体積％〜９０体積％程度とすることが考えられる。ただし、放熱性を重点的に向上させるためには、放熱材６の添加量を、数十体積％以上、より好ましくは、ベース樹脂よりも多くすることが効果的であると考えられる。たとえば、被覆層２のベース材料としてエポキシ樹脂を使用し、放熱材としてＭｇＯを使用する場合、エポキシ樹脂の割合を１０体積％、放熱材の割合を９０体積％とすることが考えられる。

本実施の形態の被覆層２の形成手法としては様々なものが考えられる。たとえば所定の溶剤を加えてエポキシ樹脂等のベース樹脂と所定量のＭｇＯ等の放熱材６とを混練し、その後に射出成形を行なうことで、被覆層２を形成することができる。また、射出成形以外の手法で被覆層２を形成することも可能である。たとえば上記混練材料を何らかの手法で電池側面に塗布する等して被覆層２を形成することも可能である。

次に、図４を用いて、バイポーラ電池４の構造例について説明する。図４の例では、バイポーラ電池４は、複数の単位電池７と、各単位電池７間に設けられた集電箔（集電体）１１とを積層して形成されている。バイポーラ電池４の上下端には、集電箔１１よりも厚みが大きく、板状に形成された集電体３ａ，３ｂが配置される。

単位電池７は、板状に形成された電解質層９と、電解質層９の一方の主表面上に形成された負極活物質層８と、電解質層９の他方の主表面上に形成された正極活物質層１０とを備える。１つの単位電池７の厚みｔは、たとえば数十μｍ程度である。各単位電池７は、集電箔１１を介して直列に接続される。

図４の例では、全ての単位電池７の側面を覆うように被覆層２を形成しているが、たとえば集電箔１１を、負極活物質層８、電解質層９、正極活物質層１０よりも側方に突出させ、集電箔１１の側端部を被覆層２から露出させることも考えられる。この場合、被覆層２は、集電箔１１間の凹部に充填されたような状態となる。このように被覆層２は、電池要素の少なくとも一部を被覆すればよい。

次に、バイポーラ電池４の各要素の材質例について説明する。上記集電箔１１は、たとえばアルミニウムで形成することができる。この場合、集電箔１１の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔１１の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔１１は、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成されてもよい。

正極活物質層１０は固体高分子電解質を含む。正極活物質層１０は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

正極活物質層１０としては、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。また、正極活物質層１０として、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系複合酸化物なども使用可能である。その他、ＬｉＦｅＰＯ_４等の遷移金属とリチウムと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等も使用可能である。

固体高分子電解質としては、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。こ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等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、正極活物質層１０と負極活物質層８の少なくとも一方に含まれればよいが、好ましくは、正極活物質層１０と負極活物質層８の双方に含まれる。

支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。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、グラファイト等を使用することができる。

負極活物質層８は固体高分子電解質を含む。この負極活物質層８も、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでもよい。

負極活物質層８としても、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。固体電解質を使用する場合には、負極活物質層８として、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用いることが好ましい。より好ましくは、負極活物質層８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を用いる。遷移金属としてはチタンを挙げることができる。

電解質層９を形成可能な固体電解質としては、たとえば、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、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩（リチウム塩）を含む。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。

下記の表１から表３に、正極活物質層１０を形成可能な材料（正極材料）、負極活物質層８を形成可能な材料（負極材料）および電解質層９を形成可能な材料（固体電解質または高分子基材）の具体例を示す。

なお、表１には電解質層９が有機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表２には電解質層９が無機系固体電解質である場合の各要素の具体例を示し、表３には、電解質層９がゲル状電解質である場合の各要素の具体例を示す。

次に、本実施の形態の２次電池の使用例について説明する。図５に示すように、本実施の形態の電池パック（２次電池）１は、自動車１２のような車両に搭載可能である。自動車１２としては、たとえば充放電可能な電源を動力源とする電気自動車や、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な電源とを動力源とするハイブリッド車両等を挙げることができる。

図５に示すように、自動車１２の搭乗空間（車室）１６内には、フロントシート１３とリアシート１４とが配置される。このフロントシート１３下に、電池パック１を配置することができる。

図５の例では、電池パック１は、フロントシート１３下に配置されたカバー１５と床面１７とで囲まれた状態となっている。フロントシート１３の下の領域は、自動車１２の他の領域と比較して電池パック１を収納する空間を確保しやすい。また、フロントシート１３の下に電池パック１を配置することにより、車体が強い衝撃を受けた場合でも電池パック１を衝撃から保護することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記以外の２次電池にも本願発明を適用可能である。たとえばバイポーラ電池であれば、上述の積層型（扁平型）電池のみならず、巻回型（円筒型）等の様々な構造のバイポーラ電池に本願発明を適用可能である。また、バイポーラ電池を電解質の種類で区別した場合には、電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池、固体高分子電解質（全固体電解質）型電池のいずれにも本願発明を適用可能である。さらに、高分子ゲル電解質や固体高分子電解質については、これらを単独で使用することもできるし、これらをセパレータに含浸させて使用することもできる。また、バイポーラ電池の電極材料や電極間を移動する金属イオンに着目すると、本願発明を適用可能な電池として、バイポーラリチウムイオン２次電池、バイポーラナトリウムイオン２次電池、バイポーラカリウムイオン２次電池、バイポーラニッケル水素２次電池、バイポーラニッケルカドミウム２次電池、ニッケル水素電池等の様々なバイポーラ電池を挙げることができる。

また、今回開示した実施の形態はすべての点での例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の１つの実施の形態における電池パック（２次電池）を示す斜視図である。図１に示す電池パックの断面図である。図２における領域５の拡大図である。パイポーラ電池の１つの構造例を示す断面図である。本発明の１つの実施の形態における電池パックを車両に搭載した状態を示す模式図である。

符号の説明

１電池パック、２被覆層、３ａ，３ｂ集電体、３ａ１，３ｂ１端子部、４バイポーラ電池、５領域、６放熱材、７単位電池、８負極活物質層、９電解質層、１０正極活物質層、１１集電箔、１２自動車、１３フロントシート、１４リアシート、１５カバー、１６搭乗空間、１７床面。

Claims

電解質の両側に配置された正極および負極を含む電池要素と、
前記電池要素の少なくとも一部を被覆する絶縁層とを備え、
前記絶縁層は、電池内部で発生する熱を外部に放散可能な放熱材を含む、２次電池。
前記２次電池はバイポーラ電池であり、
前記電池要素は、電解質層と、その両側に配置された正極活物質層および負極活物質層とを含み、
複数の前記電池要素が集電体を介して積層され、
前記電池要素の積層体の側面を覆うように前記絶縁層を形成した、請求項１に記載の２次電池。
前記絶縁層のベース材料は樹脂であり、
前記放熱材は、前記樹脂よりも熱伝達性の優れたセラミックで構成される、請求項１または請求項２に記載の２次電池。
前記放熱材の最大径を、１つの前記電池要素の厚みよりも小さくした、請求項１から請求項３のいずれかに記載の２次電池。
前記絶縁層は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリアミド系樹脂、フェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂の中の少なくとも１種を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の２次電池。
前記放熱材は、ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３の中の少なくとも１種を含む、請求項１から請求項５のいずれかに記載の２次電池。
前記電解質層は、ゲル状電解質または固体電解質で構成される、請求項２から請求項６のいずれかに記載の２次電池。