JP2010086900A - Current collector, bipolar type electrode, bipolar cell, battery pack, and vehicle - Google Patents

Current collector, bipolar type electrode, bipolar cell, battery pack, and vehicle Download PDF

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重夫 井深
Sohei Suga
創平 須賀
Masakazu Kobayashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current collector capable of limiting a flow of a current in a face-direction of the current collector. <P>SOLUTION: The current collector 23 is the plate-like current collector 23 to constitute a battery electrode, and includes a first semiconductor region 23p and a second semiconductor region 23n. The first semiconductor region 23p includes a first conductive type. The second semiconductor region 23n is arranged neighboring the first semiconductor region 23p in the face-direction of the current collector 23, and includes a second conductive type different from the first conductive type. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、集電体、双極型電極、双極型電池、組電池、および車両に関する。   The present invention relates to a current collector, a bipolar electrode, a bipolar battery, an assembled battery, and a vehicle.

電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)のモータ駆動用電源として、リチウム電池およびニッケル水素電池などの二次電池の開発が盛んである。二次電池としては、高出力密度を実現可能な双極型電池が注目されている(たとえば、特許文献1)。   Secondary batteries such as lithium batteries and nickel metal hydride batteries are actively developed as power sources for driving motors of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). As a secondary battery, a bipolar battery capable of realizing a high output density has attracted attention (for example, Patent Document 1).

双極型電池は、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双極型電極が、セパレータを介して複数積層されて構成される。このような双極型電池では、セパレータを介して積層方向に隣接する一対の双極型電極によって単電池層が形成されており、双極型電池は、複数の単電池層が直列に接続された構成を有している。
特開平4−248274号公報
A bipolar battery is formed by laminating a plurality of bipolar electrodes each having a positive electrode active material layer formed on one surface of a current collector and a negative electrode active material layer formed on the other surface via a separator. . In such a bipolar battery, a single battery layer is formed by a pair of bipolar electrodes adjacent to each other in the stacking direction via a separator, and the bipolar battery has a configuration in which a plurality of single battery layers are connected in series. Have.
JP-A-4-248274

しかしながら、上記双極型電池では、隣接する電極間で内部短絡が発生した場合、集電体の面内で短絡部に向かって電流が流れ、電池の温度が上昇するという問題がある。このような電池の温度上昇は、電池機能の停止を引き起こす可能性がある。   However, the bipolar battery has a problem that when an internal short circuit occurs between adjacent electrodes, a current flows toward the short circuit part in the surface of the current collector, and the temperature of the battery rises. Such an increase in battery temperature may cause the battery function to stop.

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、集電体の面方向における電流の流れを制限することができる集電体および双極型電極を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems. Therefore, the objective of this invention is providing the electrical power collector and bipolar electrode which can restrict | limit the flow of the electric current in the surface direction of an electrical power collector.

また、本発明の他の目的は、温度上昇が抑制される双極型電池および組電池を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a bipolar battery and an assembled battery in which temperature rise is suppressed.

また、本発明のさらに他の目的は、上記双極型電池および組電池を用いた車両を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a vehicle using the bipolar battery and the assembled battery.

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。   The above object of the present invention is achieved by the following means.

本発明の集電体は、電池電極を構成する板状の集電体であって、第1の半導体領域と第2の半導体領域とを有する。前記第1の半導体領域は、第1の導電型を有する。前記第2の半導体領域は、前記集電体の面方向において前記第1の半導体領域に隣接して配置され、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する。   The current collector of the present invention is a plate-like current collector that constitutes a battery electrode, and includes a first semiconductor region and a second semiconductor region. The first semiconductor region has a first conductivity type. The second semiconductor region is disposed adjacent to the first semiconductor region in the surface direction of the current collector, and has a second conductivity type different from the first conductivity type.

本発明の双極型電極は、上記集電体と、前記集電体の一方の面に形成される正極活物質層と、前記集電体の他方の面に形成される負極活物質層と、を有する。   The bipolar electrode of the present invention includes the current collector, a positive electrode active material layer formed on one surface of the current collector, a negative electrode active material layer formed on the other surface of the current collector, Have

本発明の双極型電池は、上記双極型電極が、セパレータを介して複数積層されてなる。   The bipolar battery of the present invention is formed by laminating a plurality of the bipolar electrodes with a separator interposed therebetween.

本発明の組電池は、上記双極型電池を、複数直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて接続している。   In the assembled battery of the present invention, a plurality of the bipolar batteries are connected in series, in parallel, or a combination of series and parallel.

本発明の車両は、上記双極型電池または上記組電池を駆動用電源として搭載している。   The vehicle of the present invention is equipped with the bipolar battery or the assembled battery as a driving power source.

本発明の集電体および双極型電極によれば、互いに隣接する第1および第2の半導体領域の整流作用により、集電体の面方向における電流の流れが制限される。   According to the current collector and bipolar electrode of the present invention, the flow of current in the surface direction of the current collector is limited by the rectifying action of the first and second semiconductor regions adjacent to each other.

本発明の双極型電池および組電池によれば、内部短絡時の短絡部への電流集中が抑制されるため、電池の温度上昇が防止される。   According to the bipolar battery and the assembled battery of the present invention, current concentration at the short-circuit portion at the time of an internal short circuit is suppressed, so that the temperature rise of the battery is prevented.

本発明の車両によれば、電池の温度上昇が防止されるため、信頼性が向上する。   According to the vehicle of the present invention, since the temperature rise of the battery is prevented, the reliability is improved.

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図中、同様の部材には同一の符号を用いた。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol was used for the same member in the figure.

図1は、本発明の一実施の形態における双極型電池の概略構成を示す断面図である。本発明の双極型電池は、集電体に整流機能を持たせることにより、集電体の厚さ方向の電流の流れを維持しつつ、集電体の面方向の電流の流れを制限するものである。なお、本実施の形態の双極型電池は、たとえば、リチウム二次電池である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a bipolar battery according to an embodiment of the present invention. In the bipolar battery of the present invention, the current flow in the thickness direction of the current collector is maintained while the current flow in the thickness direction of the current collector is restricted by giving the current collector a rectifying function. It is. Note that the bipolar battery of the present embodiment is, for example, a lithium secondary battery.

図1に示すとおり、本実施の形態の双極型電池10は、電力を発生する発電要素20が、外装部材30の内部に収容されて構成されている。外装部材30の端部には、発電要素20で発生される電力を取り出すための電極タブ41,42が設けられている。   As shown in FIG. 1, the bipolar battery 10 of the present embodiment is configured such that a power generating element 20 that generates electric power is housed inside an exterior member 30. Electrode tabs 41 and 42 for taking out the electric power generated by the power generation element 20 are provided at the end of the exterior member 30.

発電要素20は、扁平な矩形状であって、複数の双極型電極21がセパレータ22を介して複数積層されて構成される。双極型電極21は、一枚の板状の集電体23と、集電体23の一方の面に形成される正極活物質層(以下、正極と称する)24と、集電体23の他方の面に形成される負極活物質層(以下、負極と称する)25とを有する。本実施の形態の集電体23は、互いに隣接して配置されるp型の導電型を有する第1の半導体領域とn型の導電型を有する第2の半導体領域とを備える。集電体23についての詳細な説明は後述する。なお、正極活物質および負極活物質は、一般的なリチウム二次電池で用いられる材料と同様であるため、詳細な説明は省略する。   The power generation element 20 has a flat rectangular shape, and a plurality of bipolar electrodes 21 are stacked with separators 22 interposed therebetween. The bipolar electrode 21 includes a single plate-like current collector 23, a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as a positive electrode) 24 formed on one surface of the current collector 23, and the other of the current collectors 23. Negative electrode active material layer (hereinafter referred to as negative electrode) 25 formed on the surface. The current collector 23 of the present embodiment includes a first semiconductor region having a p-type conductivity type and a second semiconductor region having an n-type conductivity type that are arranged adjacent to each other. A detailed description of the current collector 23 will be described later. Note that the positive electrode active material and the negative electrode active material are the same as materials used in a general lithium secondary battery, and thus detailed description thereof is omitted.

複数の双極型電極21は、正極24と負極25とがセパレータ22を介して対向するように積層される。積層方向に隣接する集電体23間に配置される正極24、セパレータ22、および負極25は、発電の最小要素としての単電池層26を構成する。すなわち、本実施の形態の双極型電池10では、集電体23を介して、複数の単電池層26が電気的に直列に接続されている。積層方向に隣接する集電体23間には、電解液の漏出を防止するために集電体23の周縁部に沿ってシール部材27が設けられている。また、発電要素20の最上層には、負極25が形成された第1のエンドプレート28がセパレータ22を介して配置されており、最下層には、正極24が形成された第2のエンドプレート29がセパレータ22を介して配置されている。第1および第2のエンドプレート28,29は、外装部材30の外部に導出されて、負極タブ41および正極タブ42を構成している。   The plurality of bipolar electrodes 21 are stacked such that the positive electrode 24 and the negative electrode 25 face each other with the separator 22 interposed therebetween. The positive electrode 24, the separator 22, and the negative electrode 25 disposed between the current collectors 23 adjacent in the stacking direction constitute a unit cell layer 26 as a minimum element for power generation. That is, in the bipolar battery 10 of the present embodiment, the plurality of single battery layers 26 are electrically connected in series via the current collector 23. A seal member 27 is provided between the current collectors 23 adjacent to each other in the stacking direction along the peripheral edge of the current collector 23 in order to prevent leakage of the electrolytic solution. A first end plate 28 having a negative electrode 25 formed thereon is disposed on the uppermost layer of the power generating element 20 via a separator 22, and a second end plate having a positive electrode 24 formed on the lowermost layer. 29 is arranged via the separator 22. The first and second end plates 28 and 29 are led out of the exterior member 30 and constitute a negative electrode tab 41 and a positive electrode tab 42.

外装部材30は、扁平な矩形状であって、電気絶縁性を有する第1および第2の外装部材30a,30bから形成される。第1の外装部材30aは、発電要素20を収容する凹部を有しており、第2の外装部材30bは、当該凹部の周縁部において、発電要素20を挟み込むように第1の外装部材30aと熱融着によって相互に接合されている。第1および第2の外装部材30a,30bは、3層のシートからなるラミネートフィルムであって、相互に接合される接合面から表面に向かって、熱融着層、金属層、および最表層を有している。   The exterior member 30 has a flat rectangular shape and is formed of first and second exterior members 30a and 30b having electrical insulation. The first exterior member 30a has a recess for accommodating the power generation element 20, and the second exterior member 30b is connected to the first exterior member 30a so as to sandwich the power generation element 20 at the peripheral edge of the recess. They are joined together by thermal fusion. The first and second exterior members 30a and 30b are laminated films composed of three-layer sheets, and are provided with a heat fusion layer, a metal layer, and an outermost layer from a joint surface joined to each other to the surface. Have.

次に、図2を参照して、本実施の形態における集電体23について詳細に説明する。   Next, the current collector 23 in the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.

図2は、図1に示す双極型電池における集電体を説明するための図である。図2(A)は、図1に示す双極型電池における集電体の上面図であり、図2(B)は、図2(A)のB−B線に沿った断面図である。上述したとおり、本実施の形態の集電体23は、厚さ方向における電流の流れを維持しつつ、面方向における電流の流れを制限する整流機能を備えている。   FIG. 2 is a diagram for explaining a current collector in the bipolar battery shown in FIG. 1. 2A is a top view of the current collector in the bipolar battery shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2A. As described above, the current collector 23 of the present embodiment has a rectifying function that limits the current flow in the plane direction while maintaining the current flow in the thickness direction.

図2(A)に示すとおり、本実施の形態における集電体23は、矩形状の板材より形成され、互いに異なる導電型を有する第1の半導体領域23pと第2の半導体領域23nとを備える。第1の半導体領域23pは、電荷担体として正孔が用いられるp型の導電型を有し、第2の半導体領域23nは、電荷担体として電子が用いられるn型の導電型を有する。第1の半導体領域23pおよび第2の半導体領域23nは、それぞれ矩形状に形成されており、複数の第1および第2の半導体領域23p,23nは、集電体23の面方向において碁盤目状に交互に連続して配置されている。また、図2(B)に示すとおり、第1および第2の半導体領域23p,23nは、集電体23の厚さ方向の全体にわたって形成されている。   As shown in FIG. 2A, the current collector 23 in the present embodiment includes a first semiconductor region 23p and a second semiconductor region 23n which are formed of a rectangular plate material and have different conductivity types. . The first semiconductor region 23p has a p-type conductivity type in which holes are used as charge carriers, and the second semiconductor region 23n has an n-type conductivity type in which electrons are used as charge carriers. The first semiconductor region 23p and the second semiconductor region 23n are each formed in a rectangular shape, and the plurality of first and second semiconductor regions 23p, 23n are grid-like in the surface direction of the current collector 23. Are arranged alternately and continuously. Further, as shown in FIG. 2B, the first and second semiconductor regions 23p and 23n are formed over the entire thickness direction of the current collector 23.

第1および第2の半導体領域23p,23nは、集電体23の面内で互いに隣接しており、境界部においてpn接合を形成している。pn接合を形成する第1および第2の半導体領域23p,23nは、集電体23の面方向の電流の流れを制限するダイオードとして機能する。より具体的には、第1および第2の半導体領域23p,23nでは、第1の半導体領域23pから第2の半導体領域23nへの電流の流れが許容される一方で、第2の半導体領域23nから第1の半導体領域23pへの電流の流れが制限される。   The first and second semiconductor regions 23p and 23n are adjacent to each other in the plane of the current collector 23, and form a pn junction at the boundary. The first and second semiconductor regions 23p and 23n forming the pn junction function as a diode that limits the flow of current in the surface direction of the current collector 23. More specifically, in the first and second semiconductor regions 23p and 23n, a current flow from the first semiconductor region 23p to the second semiconductor region 23n is allowed, while the second semiconductor region 23n. Current flow from the first to the first semiconductor region 23p is limited.

このような整流機能を備える第1および第2の半導体領域23p,23nが碁盤目状に複数配置される本実施の形態の集電体23では、集電体23の面方向における電流の拡散が防止される。より具体的には、複数の第1および第2の半導体領域23p,23nによって、所定のオン電圧よりも高い電圧が印加されない限り集電体23の面方向における電流の流れが許容されず、集電体23の面方向における電流の拡散が防止される。   In the current collector 23 of the present embodiment in which a plurality of first and second semiconductor regions 23p and 23n having such a rectifying function are arranged in a grid pattern, the current diffusion in the surface direction of the current collector 23 is reduced. Is prevented. More specifically, the plurality of first and second semiconductor regions 23p and 23n does not allow current flow in the surface direction of the current collector 23 unless a voltage higher than a predetermined on-voltage is applied. Current diffusion in the surface direction of the electric body 23 is prevented.

一方、第1および第2の半導体領域23p,23nの一方が形成される集電体23の厚さ方向は、電流の流れが許容されている。すなわち、本実施の形態の集電体23では、面方向に互いに隣接して複数形成される第1および第2の半導体領域23p,23nにより、面方向における電流の拡散が防止される一方で、厚さ方向における電流の流れが許容される。言い換えれば、本実施の形態の集電体23は、集電体23の厚さ方向の抵抗率よりも面方向の抵抗率が大きくなるように電気伝導度の異方性が付与されている。   On the other hand, current flow is allowed in the thickness direction of the current collector 23 in which one of the first and second semiconductor regions 23p and 23n is formed. That is, in the current collector 23 of the present embodiment, current diffusion in the plane direction is prevented by the first and second semiconductor regions 23p and 23n formed adjacent to each other in the plane direction. Current flow in the thickness direction is allowed. In other words, the current collector 23 of the present embodiment is provided with anisotropy of electrical conductivity so that the resistivity in the surface direction is larger than the resistivity in the thickness direction of the current collector 23.

次に、本実施の形態のおける集電体23の製造工程を説明する。   Next, the manufacturing process of the current collector 23 in the present embodiment will be described.

本実施の形態の集電体23は、ポリシリコンよりなる板材に2種の不純物を添加して形成される。具体的には、まず、集電体の基材となるポリシリコン基板を準備する。ポリシリコン基板は、1〜100μmの厚さを有し、好ましくは、p型の導電型を有する。次に、第1の半導体領域に対応する開口部を備えたマスクを用いて、ポリシリコン基板にB(ホウ素)イオンを注入することにより、p型の第1の半導体領域23pを形成する。そして、第2の半導体領域に対応する開口部を備えたマスクを用いて、ポリシリコン基板にP(リン)イオンを注入することにより、n型の第2の半導体領域23nを形成する。なお、集電体の厚さ方向の電気抵抗を低減する見地から、集電体の厚さは薄い方が好ましく、集電体に用いられる基板の厚さおよび基板に注入されるイオンの種類などに応じて、イオンのドーズ量は決定される。なお、ポリシリコン基板にドーパントを注入する処理自体は、一般的なイオン注入処理であるため、詳細な説明は省略する。また、本実施の形態とは異なり、たとえば、基板表面に不純物を蒸着したあとに熱拡散させる熱拡散法によって第1および第2の半導体領域を形成してもよい。 The current collector 23 of the present embodiment is formed by adding two kinds of impurities to a plate material made of polysilicon. Specifically, first, a polysilicon substrate that serves as a base material for the current collector is prepared. The polysilicon substrate has a thickness of 1 to 100 μm, and preferably has a p type conductivity. Next, a p-type first semiconductor region 23p is formed by implanting B (boron) ions into the polysilicon substrate using a mask having an opening corresponding to the first semiconductor region. Then, using a mask having an opening corresponding to the second semiconductor region, P (phosphorus) ions are implanted into the polysilicon substrate, thereby forming an n-type second semiconductor region 23n. From the viewpoint of reducing the electrical resistance in the thickness direction of the current collector, it is preferable that the current collector is thin, such as the thickness of the substrate used for the current collector and the type of ions implanted into the substrate. Accordingly, the ion dose is determined. In addition, since the process itself which inject | pours a dopant into a polysilicon substrate is a general ion implantation process, detailed description is abbreviate | omitted. Unlike the present embodiment, for example, the first and second semiconductor regions may be formed by a thermal diffusion method in which an impurity is deposited on the substrate surface and then thermally diffused.

本実施の形態の集電体に用いられる基板としては、ポリシリコン、アモルファスシリコン、金属酸化物、および導電性高分子体などが挙げられる。金属酸化物としては、ITO、ZnO、SnO、CdO、CdGaなどが挙げられ、導電性高分子体としては、有機半導体、ペンタセンなどが挙げられる。基板に添加されるドーパントとしては、たとえば、ポリシリコンおよびアモルファスシリコンに対しては、B、Al、Gaなどのp型のドーパントが挙げられ、N、P、As、Sbなどのn型のドーパントが挙げられる。また、ZnOに対しては、P、Nなどのp型のドーパントが挙げられ、Ga、Al、In、、Fなどのn型のドーパントが挙げられる。しかしながら、ZnOは、n型の導電型を有するため、図3に示すとおり、ZnO基板にp型のドーパントのみを添加することによって、第1および第2の半導体領域を形成することができる。同様に、CdOは、n型の導電型を有するため、CdO基板にZnといったp型のドーパントのみを添加することによって、第1および第2の半導体領域を形成することができる。 Examples of the substrate used for the current collector of this embodiment include polysilicon, amorphous silicon, metal oxide, and conductive polymer. Examples of the metal oxide include ITO, ZnO, SnO, CdO, and CdGa 2 O 4, and examples of the conductive polymer include an organic semiconductor and pentacene. Examples of the dopant added to the substrate include p-type dopants such as B, Al, and Ga for polysilicon and amorphous silicon, and n-type dopants such as N, P, As, and Sb. Can be mentioned. For ZnO, p-type dopants such as P and N are exemplified, and n-type dopants such as Ga, Al, In, and F are exemplified. However, since ZnO has n-type conductivity, the first and second semiconductor regions can be formed by adding only the p-type dopant to the ZnO substrate as shown in FIG. Similarly, since CdO has n-type conductivity, the first and second semiconductor regions can be formed by adding only a p-type dopant such as Zn to the CdO substrate.

次に、図4を参照しつつ、本実施の形態のおける集電体23の作用効果について説明する。図4は、図1に示す双極型電池における集電体の面方向の電流−電圧特性を示す図である。なお、図4では、参考のために、一般的な集電体を用いた場合を比較例として示している。図4中の実線は、本実施の形態における集電体の電流−電圧特性を表しており、破線は、一般的な金属製の集電体の電流−電圧特性を表している。また、図4中の一点鎖線は、導電性の樹脂から形成される集電体の電流−電圧特性を表している。   Next, the effect of the current collector 23 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics in the surface direction of the current collector in the bipolar battery shown in FIG. In FIG. 4, for reference, a case where a general current collector is used is shown as a comparative example. The solid line in FIG. 4 represents the current-voltage characteristic of the current collector in the present embodiment, and the broken line represents the current-voltage characteristic of a general metal current collector. Also, the alternate long and short dash line in FIG. 4 represents the current-voltage characteristics of the current collector formed from a conductive resin.

図4の破線および一点鎖線で示すとおり、金属製および導電樹脂製の集電体では、集電体の面方向における電流の流れが制限されないため、集電体に印加される電圧に比例して、集電体の面方向に電流が流れる。なお、導電樹脂製の集電体は、金属製の集電体よりも電気抵抗率が高いため、薄膜化により面方向に流れる電流をより小さくすることができる。しかしながら、導電樹脂製の集電体であっても、集電体の面方向の電流拡散を防止できない。したがって、金属製および導電樹脂製の集電体では、電極間で内部短絡が発生した場合、短絡部に電流が集中して双極型電池の温度上昇が引き起こされる。   As indicated by the dashed line and the alternate long and short dash line in FIG. 4, in the current collector made of metal and conductive resin, the current flow in the surface direction of the current collector is not limited, and thus is proportional to the voltage applied to the current collector. A current flows in the surface direction of the current collector. Note that a current collector made of a conductive resin has a higher electrical resistivity than a metal current collector, and thus the current flowing in the surface direction can be reduced by making the film thinner. However, current spreading in the surface direction of the current collector cannot be prevented even with a current collector made of conductive resin. Therefore, in the current collector made of metal and conductive resin, when an internal short circuit occurs between the electrodes, the current concentrates on the short circuit part and the temperature of the bipolar battery is increased.

一方、図4の実線で示すとおり、本実施の形態の集電体23では、交互に複数配置される第1の半導体領域23pと第2の半導体領域23nとによって複数のpn接合が形成されるため、面方向における電流の流れが制限される。より具体的には、複数の第1および第2の半導体領域23p,23nは、リチウム単電池層の電圧(4V程度)よりも高いオン電圧(たとえば、20V)を有するスイッチング素子を構成する。そして、複数の第1および第2の半導体領域23p,23nにより、オン電圧よりも低い印加電圧領域において、集電体23の面方向に電流が流れることが防止される。なお、このようなオン電圧は、第1および第2の半導体領域23p,23nの数が多いほど高くなる。   On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 4, in the current collector 23 of the present embodiment, a plurality of pn junctions are formed by the first semiconductor regions 23p and the second semiconductor regions 23n that are alternately arranged. Therefore, the current flow in the surface direction is limited. More specifically, the plurality of first and second semiconductor regions 23p and 23n constitute a switching element having an on-voltage (for example, 20V) higher than the voltage (about 4V) of the lithium cell layer. The plurality of first and second semiconductor regions 23p and 23n prevent current from flowing in the surface direction of the current collector 23 in the applied voltage region lower than the on-voltage. Note that such an on-voltage increases as the number of the first and second semiconductor regions 23p and 23n increases.

そして、このように構成される本実施の形態の集電体23および双極型電極10によれば、厚さ方向における電流の流れが維持される一方で、面方向における電流の拡散が防止される。したがって、外部衝撃などにより内部短絡が発生した場合であっても、集電体の面方向に電流が流れて短絡部に電流が集中することが防止される。その結果、内部短絡が発生した場合であっても、短絡部への電流集中に起因する双極型電池の温度上昇が防止される。   According to the current collector 23 and the bipolar electrode 10 of the present embodiment configured as described above, the current flow in the thickness direction is maintained, while the current diffusion in the plane direction is prevented. . Therefore, even when an internal short circuit occurs due to an external impact or the like, it is possible to prevent current from flowing in the surface direction of the current collector and current from concentrating on the short circuit portion. As a result, even if an internal short circuit occurs, a temperature increase of the bipolar battery due to current concentration at the short circuit part is prevented.

次に、図5および図6を参照して、本実施の形態における組電池および車両について説明する。   Next, the assembled battery and the vehicle in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

以上説明してきた双極型電池10は、直列または並列に複数接続されて電池モジュール50を形成し、電池モジュール50がさらに直列または並列に複数接続されて組電池60を形成することができる。電池モジュール50は、双極型電池10を複数個積層してモジュールケース内に収納し、各双極型電池10を並列に接続したものである。図5は、本実施の形態における組電池の斜視図である。作成された電池モジュール50は、バスバーのような電気的な接続部材を用いて相互に接続され、複数段積層される。組電池60に用いる双極型電池10の個数および電池モジュール50の積層数は、搭載される車両の電池容量および出力に応じて決定される。   The bipolar battery 10 described above can be connected in series or in parallel to form a battery module 50, and the battery modules 50 can be further connected in series or in parallel to form an assembled battery 60. The battery module 50 is formed by stacking a plurality of bipolar batteries 10 and storing them in a module case, and connecting the bipolar batteries 10 in parallel. FIG. 5 is a perspective view of the assembled battery in the present embodiment. The produced battery modules 50 are connected to each other using an electrical connection member such as a bus bar, and are stacked in a plurality of stages. The number of bipolar batteries 10 used in the assembled battery 60 and the number of stacked battery modules 50 are determined according to the battery capacity and output of the vehicle on which the battery is mounted.

図6は、本実施の形態における車両として電気自動車を示す概略構成図である。上述した双極型電池10、電池モジュール50、および/または組電池60を自動車および電車などの車両に搭載し、モータなどの電気機器の駆動用電源に使用することができる。図6に示すとおり、本実施の形態の電気自動車70は、車体中央部の座席下に組電池60を搭載する。組電池60から電力が供給されるモータによって駆動輪が回転し、電気自動車70が走行する。   FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an electric vehicle as a vehicle in the present embodiment. The bipolar battery 10, the battery module 50, and / or the assembled battery 60 described above can be mounted on a vehicle such as an automobile and a train and used as a power source for driving an electric device such as a motor. As shown in FIG. 6, the electric vehicle 70 according to the present embodiment has the assembled battery 60 mounted under the seat at the center of the vehicle body. The drive wheels are rotated by the motor supplied with electric power from the assembled battery 60, and the electric vehicle 70 travels.

そして、このような構成の電気自動車70では、内部短絡が発生した場合であっても、双極型電池10および組電池60の温度上昇が防止されるため、電池機能は停止せず、電気自動車70の信頼性が向上する。   In the electric vehicle 70 having such a configuration, even when an internal short circuit occurs, the temperature increase of the bipolar battery 10 and the assembled battery 60 is prevented, so the battery function does not stop, and the electric vehicle 70 Reliability is improved.

(変形例)
次に、図7〜図9を参照して、本実施の形態における集電体の変形例を説明する。図7〜図9は、図1に示す双極型電池における集電体の変形例を示す図である。
(Modification)
Next, a modification of the current collector in the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7-9 is a figure which shows the modification of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG.

図7に示すとおり、本変形例の集電体23では、第1および第2の半導体領域23p,23nは、帯状に形成され、一の方向に沿って複数の第1および第2の半導体領域23p,23nが交互に連続して配置される。図7(A)は、矩形状の集電体23の長手方向に沿って第1および第2の半導体領域23p,23nが交互に配置される実施の形態であり、図7(B)は、集電体23の幅方向に沿って第1および第2の半導体領域23p,23nが配置される実施の形態である。また、図7(C)は、集電体23の長手方向に対して傾斜した方向に沿って、第1および第2の半導体領域23p,23nが交互に連続して配置される実施の形態である。   As shown in FIG. 7, in the current collector 23 of this modification, the first and second semiconductor regions 23p and 23n are formed in a strip shape, and a plurality of first and second semiconductor regions are formed along one direction. 23p and 23n are alternately arranged continuously. FIG. 7A shows an embodiment in which the first and second semiconductor regions 23p and 23n are alternately arranged along the longitudinal direction of the rectangular current collector 23. FIG. In this embodiment, the first and second semiconductor regions 23p and 23n are arranged along the width direction of the current collector 23. FIG. 7C shows an embodiment in which the first and second semiconductor regions 23p and 23n are alternately and continuously arranged along the direction inclined with respect to the longitudinal direction of the current collector 23. is there.

また、図8に示すとおり、帯状の第1および第2の半導体領域23p,23nが閉空間を形成するようにそれぞれ形成され、交互に配置されてもよい。図8に示す変形例では、たとえば、第1の半導体領域23pよりも抵抗率が大きい第2の半導体領域23nの方が、より大きな幅を有するように形成される。また、集電体23の厚さ方向に流れる電流のバラツキを防止する見地から、本変形例における第1および第2の半導体領域23p,23nは、所定の間隔で周期的に形成されることが好ましい。   Further, as shown in FIG. 8, the strip-like first and second semiconductor regions 23p and 23n may be formed so as to form a closed space, and may be alternately arranged. In the modification shown in FIG. 8, for example, the second semiconductor region 23n having a higher resistivity than the first semiconductor region 23p is formed to have a larger width. Further, from the viewpoint of preventing variation in the current flowing in the thickness direction of the current collector 23, the first and second semiconductor regions 23p and 23n in the present modification may be periodically formed at a predetermined interval. preferable.

そして、このように構成される集電体23によれば、一の方向に沿って交互に配置される複数の第1および第2の半導体領域23p,23nにより、当該一の方向に沿った電流の流れが制限される。そして、第1および第2の半導体領域23p,23nが碁盤目状に配置される上記実施の形態に比べて、比較的簡単に第1および第2の半導体領域23p,23nを形成することができる。   According to the current collector 23 configured in this manner, the current along the one direction is caused by the plurality of first and second semiconductor regions 23p and 23n arranged alternately along the one direction. Flow is limited. Then, the first and second semiconductor regions 23p and 23n can be formed relatively easily as compared with the above embodiment in which the first and second semiconductor regions 23p and 23n are arranged in a grid pattern. .

なお、さらに他の変形例として、図9に示すとおり、第1の半導体領域23pが格子状に形成されて、格子状の第1の半導体領域23pに囲まれるように、第2の半導体領域23nが複数形成されてもよい。   As yet another modification, as shown in FIG. 9, the second semiconductor region 23n is formed so that the first semiconductor region 23p is formed in a lattice shape and surrounded by the lattice-shaped first semiconductor region 23p. A plurality of may be formed.

以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。   As described above, the described embodiment has the following effects.

(a)本実施の形態の集電体は、p型の導電型を有する第1の半導体領域と、集電体の面方向において第1の半導体領域に隣接して配置されるn型の導電型を有する第2の半導体領域と、を有する。したがって、互いに隣接する第1および第2の半導体領域の整流作用により、集電体の面方向における電流の流れを制限することができる。   (A) The current collector of this embodiment includes a first semiconductor region having a p-type conductivity type and an n-type conductivity disposed adjacent to the first semiconductor region in the surface direction of the current collector. A second semiconductor region having a mold. Therefore, the current flow in the surface direction of the current collector can be limited by the rectifying action of the first and second semiconductor regions adjacent to each other.

(b)第1および第2の半導体領域は、集電体の厚さ方向の全体にわたって形成されている。したがって、集電体の面方向における電流の流れをより厳密に制限することができる。   (B) The first and second semiconductor regions are formed over the entire thickness direction of the current collector. Therefore, the current flow in the surface direction of the current collector can be more strictly limited.

(c)第1および第2の半導体領域は、それぞれ矩形状に形成されており、複数の第1および第2の半導体領域が、碁盤目状に交互に連続して配置されている。したがって、集電体の面内において、異なる2つの方向の電流の流れを制限することができる。また、矩形状の第1および第2の半導体領域の大きさを小さくすることにより、電流の拡散パスを小さくすることができる。   (C) The first and second semiconductor regions are each formed in a rectangular shape, and a plurality of first and second semiconductor regions are alternately arranged in a grid pattern. Therefore, the flow of current in two different directions can be restricted in the plane of the current collector. Further, the current diffusion path can be reduced by reducing the size of the rectangular first and second semiconductor regions.

(d)第1および第2の半導体領域は、それぞれ帯状に形成されており、複数の第1の半導体領域と第2の半導体領域とが、交互に連続して配置されている。したがって、集電体の面内において、帯状の第1および第2の半導体領域に対して直角な方向の電流の流れを制限することができる。また、第1および第2の半導体領域を比較的簡単に形成することができる。   (D) The first and second semiconductor regions are each formed in a strip shape, and a plurality of first semiconductor regions and second semiconductor regions are alternately and continuously arranged. Therefore, the flow of current in the direction perpendicular to the belt-like first and second semiconductor regions can be restricted in the plane of the current collector. In addition, the first and second semiconductor regions can be formed relatively easily.

(e)第1の半導体領域は、格子状に形成されており、第2の半導体領域は、格子状の第1の半導体領域に囲まれるように複数形成されている。したがって、集電体の面方向における電流の流れを制限することができる。   (E) The first semiconductor region is formed in a lattice shape, and a plurality of second semiconductor regions are formed so as to be surrounded by the lattice-shaped first semiconductor region. Therefore, the current flow in the surface direction of the current collector can be limited.

(f)第1および第2の半導体領域は、所定間隔で周期的に配置されている。したがって、集電体の厚さ方向に流れる電流のバラツキを防止することができる。その結果、集電体の面内における温度分布のバラツキを抑制することができる。   (F) The first and second semiconductor regions are periodically arranged at a predetermined interval. Therefore, variation in current flowing in the thickness direction of the current collector can be prevented. As a result, variations in temperature distribution in the surface of the current collector can be suppressed.

(g)第1および第2の半導体領域は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、金属酸化物、または導電性高分子体からなる板材に、少なくとも1種の不純物が添加されて形成される。したがって、第1および第2の半導体領域を有する集電体を形成することができる。また、不純物の添加量を制御することにより、第1および第2の半導体領域の抵抗率を調整することができる。   (G) The first and second semiconductor regions are formed by adding at least one impurity to a plate made of polysilicon, amorphous silicon, metal oxide, or a conductive polymer. Therefore, a current collector having the first and second semiconductor regions can be formed. Further, the resistivity of the first and second semiconductor regions can be adjusted by controlling the amount of impurities added.

(h)本実施の形態の双極型電極は、上記集電体と、集電体の一方の面に形成される正極活物質層と、集電体の他方の面に形成される負極活物質層と、を有する。したがって、集電体の面方向における電流の流れを制限することができる。   (H) The bipolar electrode according to the present embodiment includes the current collector, a positive electrode active material layer formed on one surface of the current collector, and a negative electrode active material formed on the other surface of the current collector. And a layer. Therefore, the current flow in the surface direction of the current collector can be limited.

(i)本実施の形態の双極型電池は、上記双極型電極が、セパレータを介して複数積層されてなる。したがって、内部短絡時の短絡部への電流集中が抑制されるため、双極型電池の温度上昇が防止される。   (I) The bipolar battery of the present embodiment is formed by laminating a plurality of the bipolar electrodes with a separator interposed therebetween. Therefore, current concentration at the short-circuit portion at the time of internal short-circuit is suppressed, so that the temperature increase of the bipolar battery is prevented.

(j)本実施の形態の組電池は、上記双極型電池を、複数直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて接続してなる。したがって、内部短絡時の短絡部への電流集中が抑制されるため、組電池の温度上昇が防止される。   (J) The assembled battery of the present embodiment is formed by connecting the bipolar batteries in series, in parallel, or a combination of series and parallel. Therefore, current concentration at the short-circuit portion at the time of an internal short circuit is suppressed, so that the temperature rise of the assembled battery is prevented.

(k)本実施の形態の電気自動車は、上記双極型電池または組電池を駆動用電源として搭載している。したがって、電池の温度上昇が防止されるため、信頼性が向上する。   (K) The electric vehicle of this embodiment is equipped with the bipolar battery or the assembled battery as a driving power source. Therefore, the temperature rise of the battery is prevented, and the reliability is improved.

以上のとおり、上述した実施の形態において、本発明の集電体、双極型電極、双極型電池、組電池、および車両を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、省略することができることはいうまでもない。   As described above, the current collector, bipolar electrode, bipolar battery, assembled battery, and vehicle of the present invention have been described in the above-described embodiment. However, it goes without saying that the present invention can be appropriately added, modified, and omitted by those skilled in the art within the scope of the technical idea.

たとえば、上述した実施の形態では、第1および第2の半導体領域は、集電体の厚さ方向の全体にわたって形成された。しかしながら、第1および第2の半導体領域は、必ずしも集電体の厚さ方向の全体にわたって形成される必要はなく、所定の深さまで不純物が添加されて形成されてもよい。この場合、不純物が添加されていない第1および第2の半導体領域の下部領域は、第1および第2の半導体領域によって厚さが低減されて抵抗率が増加するため、集電体の面方向に流れる電流を抑制することができる。   For example, in the above-described embodiment, the first and second semiconductor regions are formed over the entire thickness direction of the current collector. However, the first and second semiconductor regions are not necessarily formed over the entire thickness direction of the current collector, and may be formed by adding impurities to a predetermined depth. In this case, the lower regions of the first and second semiconductor regions to which no impurity is added are reduced in thickness and increased in resistivity by the first and second semiconductor regions. The current flowing through can be suppressed.

また、上述した実施の形態では、第1および第2の半導体領域は、基板上に所定間隔で周期的に形成された。しかしながら、第1および第2の半導体領域は、集電体の面内での位置に応じて種々の大きさおよび濃度に形成されることができる。この場合、たとえば、集電体の中心部において第1および第2の半導体領域の大きさ(幅)が小さく、集電体の周縁部において第1および第2の半導体領域の大きさ(幅)が大きくなるように形成されることができる。あるいは、たとえば、集電体の中心部の方が周縁部よりもドーパントの濃度が高くなるように、第1および第2の半導体領域が形成されてもよい。   In the above-described embodiment, the first and second semiconductor regions are periodically formed at predetermined intervals on the substrate. However, the first and second semiconductor regions can be formed in various sizes and concentrations depending on the position in the plane of the current collector. In this case, for example, the size (width) of the first and second semiconductor regions is small at the center of the current collector, and the size (width) of the first and second semiconductor regions at the peripheral portion of the current collector. Can be formed to be large. Alternatively, for example, the first and second semiconductor regions may be formed so that the concentration of the dopant is higher in the central portion of the current collector than in the peripheral portion.

また、第1および第2の半導体領域の形状も上記実施の形態に限定されず、たとえば、n型の導電型を有する基板に、p型のドーパントが円形状または楕円形状に注入されて、半導体領域が島状に形成されてもよい。   In addition, the shape of the first and second semiconductor regions is not limited to the above embodiment, and for example, a p-type dopant is implanted into a circular shape or an elliptical shape into a substrate having an n-type conductivity, and the semiconductor The region may be formed in an island shape.

また、上述した実施の形態では、発電要素の最上層および最下層のエンドプレート上に負極および正極がそれぞれ直接的に形成された。しかしながら、エンドプレートと負極および正極との間には、集電体が設けられてもよい。   In the above-described embodiment, the negative electrode and the positive electrode are directly formed on the uppermost and lowermost end plates of the power generation element, respectively. However, a current collector may be provided between the end plate, the negative electrode, and the positive electrode.

以下、実施例を用いて本発明の実施の形態をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、本実施例によって何ら限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail using examples. However, the present invention is not limited at all by this example.

厚さ3μmのポリシリコン基板に対して、4つの第1の半導体領域と3つの第2の半導体領域とが交互に連続して配置されるP/N/P/N/P/N/Pの繰り返し構造を形成した。p型の導電型を有する第1の半導体領域は、50keVのイオン注入エネルギー、かつ、1×1015個/cmのドーズ量でポリシリコン基板にBイオンを注入して形成した。n型の導電型を有する第2の半導体領域は、50keVのイオン注入エネルギー、かつ、3.8×1014個/cmのドーズ量でPイオンを注入して形成した。 P / N / P / N / P / N / P in which four first semiconductor regions and three second semiconductor regions are alternately and continuously arranged on a polysilicon substrate having a thickness of 3 μm. A repeating structure was formed. The first semiconductor region having the p-type conductivity was formed by implanting B ions into the polysilicon substrate with an ion implantation energy of 50 keV and a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 . The second semiconductor region having the n-type conductivity was formed by implanting P ions with an ion implantation energy of 50 keV and a dose amount of 3.8 × 10 14 ions / cm 2 .

このように形成したポリシリコン基板の両端に電圧を印加して、電流が流れ始める電圧値(すなわち、オン電圧)を測定したところ、順方向および逆方向とも20Vであった。リチウム二次電池の単電池層で発生される電力の電圧は4V程度であるため、複数の第1および第2の半導体領域が交互に形成されたポリシリコン基板よりなる集電体では、集電体の面方向には電流が流れないことが確認された。   When a voltage was applied to both ends of the polysilicon substrate thus formed to measure a voltage value at which a current began to flow (that is, an ON voltage), it was 20 V in both the forward direction and the reverse direction. Since the voltage of the electric power generated in the single battery layer of the lithium secondary battery is about 4 V, the current collector made of the polysilicon substrate in which the plurality of first and second semiconductor regions are alternately formed It was confirmed that no current flows in the direction of the body.

本発明の一実施の形態における双極型電池の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the bipolar battery in one embodiment of this invention. 図1に示す双極型電池における集電体を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池における集電体の変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池における集電体の面方向の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-voltage characteristic of the surface direction of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池を用いた組電池の斜視図である。It is a perspective view of the assembled battery using the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池を用いた電気自動車を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the electric vehicle using the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池における集電体の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池における集電体の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG. 図1に示す双極型電池における集電体の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the electrical power collector in the bipolar battery shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 双極型電池、
20 発電要素、
21 双極型電極、
22 セパレータ、
23 集電体、
23p 第1の半導体領域、
23n 第2の半導体領域、
24 正極活物質、
25 負極活物質、
26 単電池層、
30 外装部材、
41,42 電極タブ、
50 電池モジュール、
60 組電池、
70 電気自動車(車両)。
10 Bipolar battery,
20 power generation elements,
21 Bipolar electrode,
22 separator,
23 current collector,
23p first semiconductor region,
23n second semiconductor region,
24 cathode active material,
25 negative electrode active material,
26 cell layer,
30 exterior member,
41, 42 electrode tabs,
50 battery module,
60 battery packs,
70 Electric car (vehicle).

Claims (11)

電池電極を構成する板状の集電体であって、
第1の導電型を有する第1の半導体領域と、前記集電体の面方向において前記第1の半導体領域に隣接して配置され、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型を有する第2の半導体領域と、を有することを特徴とする集電体。
A plate-like current collector constituting a battery electrode,
A first semiconductor region having a first conductivity type, and a second conductivity type that is disposed adjacent to the first semiconductor region in a plane direction of the current collector and is different from the first conductivity type. And a second semiconductor region having the current collector.
前記第1および第2の半導体領域は、前記集電体の厚さ方向の全体にわたって形成されていることを特徴とする請求項1に記載の集電体。   The current collector according to claim 1, wherein the first and second semiconductor regions are formed over the entire thickness direction of the current collector. 前記第1および第2の半導体領域は、それぞれ矩形状に形成されており、
複数の前記第1および第2の半導体領域が、碁盤目状に交互に連続して配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の集電体。
The first and second semiconductor regions are each formed in a rectangular shape,
The current collector according to claim 1, wherein the plurality of first and second semiconductor regions are alternately arranged in a grid pattern.
前記第1および第2の半導体領域は、それぞれ帯状に形成されており、
複数の前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域とが、交互に連続して配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の集電体。
The first and second semiconductor regions are each formed in a band shape,
The current collector according to claim 1, wherein a plurality of the first semiconductor regions and the second semiconductor regions are alternately and continuously arranged.
前記第1および第2の半導体領域の一方は、格子状に形成されており、他方は、前記格子状の半導体領域に囲まれるように複数形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の集電体。   3. One of the first and second semiconductor regions is formed in a lattice shape, and the other is formed in plural so as to be surrounded by the lattice-shaped semiconductor region. The current collector described in 1. 前記第1および第2の半導体領域は、所定間隔で周期的に配置されていることを特徴とする請求項3〜5のいずかれ1項に記載の集電体。   The current collector according to any one of claims 3 to 5, wherein the first and second semiconductor regions are periodically arranged at a predetermined interval. 前記第1および第2の半導体領域は、ポリシリコン、アモルファスシリコン、金属酸化物、または導電性高分子体からなる板材に、少なくとも1種の不純物が添加されて形成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の集電体。   The first and second semiconductor regions are formed by adding at least one impurity to a plate made of polysilicon, amorphous silicon, metal oxide, or a conductive polymer. Item 7. The current collector according to any one of Items 1 to 6. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の集電体と、
前記集電体の一方の面に形成される正極活物質層と、
前記集電体の他方の面に形成される負極活物質層と、を有することを特徴とする双極型電極。
The current collector according to any one of claims 1 to 7,
A positive electrode active material layer formed on one surface of the current collector;
And a negative electrode active material layer formed on the other surface of the current collector.
請求項8に記載の双極型電極が、セパレータを介して複数積層されてなることを特徴とする双極型電池。   A bipolar battery according to claim 8, wherein a plurality of the bipolar electrodes according to claim 8 are laminated via a separator. 請求項9に記載の双極型電池を、複数直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて接続したことを特徴とする組電池。   An assembled battery comprising a plurality of bipolar batteries according to claim 9 connected in series, parallel, or a combination of series and parallel. 請求項9に記載の双極型電池または請求項10に記載の組電池を駆動用電源として搭載したことを特徴とする車両。   A vehicle comprising the bipolar battery according to claim 9 or the assembled battery according to claim 10 as a driving power source.
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