JP2010287549A - 双極型二次電池用の集電体、双極型二次電池、組電池、車両、双極型二次電池の制御装置、および双極型二次電池の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1面に第1電極13、第1面に対向する第2面に第1電極13と極性の異なる第2電極15が設けられた双極型二次電池10用の集電体11であって、集電体11は、温度が上昇して所定温度に達した時に電気抵抗が増加する第1導電樹脂部71と、所定温度まで温度が上昇しても電気抵抗の増加量が第1導電樹脂部71と比べて少ない第2導電樹脂部72と、を含む。
【選択図】図2
Description
図1は、双極型二次電池10の全体構造を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、双極型二次電池10は実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。双極型二次電池10の発電要素21は、集電体11の一方の面(第1面)に電気的に結合した第1電極が形成され、集電体11の反対側の面(第2面)に電気的に結合した第2電極が形成された複数の双極型電極23を有する。第1電極は、たとえば正極であり正極活物質層13を含み、第2電極は、たとえば負極であり負極活物質層15を含む。
集電体は導電性を有する樹脂層を含む。樹脂層が導電性を有するには、具体的な形態として、樹脂層が樹脂および導電材(導電性フィラー)を含む形態と、樹脂を構成する高分子材料が導電性高分子である形態が挙げられる。樹脂と導電材を選択できるという観点から樹脂層が樹脂および導電材を含む形態がより好ましい。
[正極(正極活物質層)および負極(負極活物質層)]
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
電解質層13を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
最外層集電体の材質としては、例えば、金属や導電性高分子が採用されうる。電気の取り出しやすさの観点からは、好適には金属材料が用いられる。具体的には、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属材料が挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。他にも、所定温度を越えると急激に抵抗が増加するPTC素子(Positive Temperature Coefficient素子)であってもよい。これらのなかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、アルミニウム、銅が好ましい。
電池外部に電流を取り出す目的で、タブを用いてもよい。タブは最外層集電体や集電板に電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素(電池要素)を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
絶縁部31は、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止する。また、絶縁部31は、電池内で隣り合う集電体どうしが接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。
図7は、双極型二次電池の代表的な実施形態である積層型の扁平な双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。図7に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素(電池要素)57は、双極型リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素(電池要素)57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素(電池要素)57は、先に説明した図1に示す双極型のリチウムイオン二次電池10の発電要素(電池要素)21に相当するものであり、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
組電池は、上記双極型二次電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本実施形態の車両は、上記双極型二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を搭載したことを特徴とするものである。長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、双極型二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、車両の駆動用電源として用いられうる。双極型二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
図16は、第2実施形態の集電体を模式的に表した概略図である。双極型二次電池全体の構成は第1実施形態と同じであるので、以下第1実施形態と異なる集電体についてのみ説明する。図16に示すように、第2実施形態の集電体11においては、双極型二次電池の電極が積層されている方向(厚み方向)に、正極と負極の間に連続して第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部が形成される。図16Aは第2導電樹脂部72が円柱形状をしており、図16Bは四角柱形状をしている。図16Aでは第1導電樹脂部71が円柱形状に連続して形成されていても良い。このように、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72が電極間において連続的に形成されることによって、電池における発熱を抑制することができる。
第3実施形態の集電体11は、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72の構成に特徴を有しており、構造についてはたとえば図2に示したような第1実施例と同様の形態をとることができる。第3実施形態の集電体11においては、第1導電樹脂部71を構成する導電材71bの混合量が第2導電樹脂部72を構成する導電材72bの混合量よりも少ない。導電材の混合量が少ない第1導電樹脂部71は、所定温度まで電池内部の温度が上昇すると電流が流れることを防止することができる。反対に、導電材の混合量が多い第2導電樹脂部72は、パーコレーションパスが切れにくく、大きな抵抗の変化はないので、電流を流すことができる。
第4実施形態の集電体11は、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72の構成に特徴を有しており、構造についてはたとえば図2に示したような第1実施例と同様の形態をとることができる。第4実施形態の集電体11においては、第1導電樹脂部71を構成する導電材71bの混合量が第2導電樹脂部72を構成する導電材72bの混合量よりも少なく、さらに、導電材71bの線膨張係数が導電材72bの線膨張係数よりも小さい。混合量が少なく、線膨張係数が小さい導電材から構成される第1導電樹脂部71は、所定温度まで電池内部の温度が上昇すると電流が流れることを防止することができる。反対に、混合量が多く、線膨張係数が大きい導電材から構成される第2導電樹脂部72は、パーコレーションパスがきれにくく、大きな抵抗の変化ははいので、電流を流すことができる。
第5実施形態の集電体11は、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72の構成に特徴を有しており、構造についてはたとえば図2に示したような第1実施例と同様の形態をとることができる。第5実施形態の集電体11においては、第1導電樹脂部71を構成する樹脂71aの線膨張係数が第2導電樹脂部72を構成する樹脂72aの線膨張係数よりも大きい。樹脂の線膨張係数が大きい第1導電樹脂部71は、所定温度まで電池内部の温度が上昇すると電流が流れることを防止することができる。反対に、導電材の線膨張係数が小さい第2導電樹脂部72は、パーコレーションパスが切れにくく、大きな抵抗の変化はないので、電流を流すことができる。
第6実施形態の集電体11は、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72の構成に特徴を有しており、構造についてはたとえば図2に示したような第1実施例と同様の形態をとることができる。第6実施形態の集電体11においては、第1導電樹脂部71を構成する樹脂71aの線膨張係数が第2導電樹脂部72を構成する樹脂72bの線膨張係数よりも大きく、さらに、導電材71bの混合量が導電材72bの混合量よりも少ない。線膨張係数が大きい樹脂と混合量が少ない導電材とから構成される第1導電樹脂部71は、所定温度まで電池内部の温度が上昇すると電流が流れることを防止することができる。反対に、線膨張係数が小さい樹脂と混合量が多い導電材とから構成される第2導電樹脂部72は、パーコレーションパスがきれにくく、大きな抵抗の変化ははいので、電流を流すことができる。
図18は、第7実施形態の集電体を模式的に現した概略図である。図18に示すように、第7実施形態の集電体11においては、双極型二次電池の電極(不図示)が積層されている方向に貫通し、さらに、第2導電樹脂部72が第1導電樹脂部71の外側に設置されている。図18Aは円筒形をした第1導電樹脂部の外側に第2導電樹脂部72が供えられ、図18Bは四角柱形をした第2導電樹脂部の外側に第2導電樹脂部72が備えられる。このように、第1導電樹脂部71はどのような形状をしていてもよく、第2導電樹脂部72が第1導電樹脂部71の外側、つまり集電体11の外周部に設置されていればよい。電池内部の温度が所定温度まで上昇し第1導電樹脂部71で電流が流れなくなり、第2導電樹脂部72に電流が流れるので、電流は集電体11の外周部を流れることになる。
図19は、第8実施形態の集電体を模式的に現した概略図である。隣接する導電性樹脂の溶解性パラメータが2以内の場合、集電体11が有する第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72は安定して接続する。しかしながら、図19に示すように、2以上の場合、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72は相分離し、クリアランスcが形成される。
第9実施形態の集電体11は、第1導電樹脂部71と第2導電樹脂部72の構成に特徴を有しており、構造についてはたとえば図2に示したような第1実施例と同様の形態をとることができる。第9実施形態の集電体11においては、第1導電樹脂部71を構成する樹脂71aの線膨張係数が導電材71bの線膨張係数よりも大きい。このような第1導電樹脂部71は、所定温度まで電池内部の温度が上昇すると、樹脂の方が導電材より大きく膨張し、パーコレーションパスが切れやすくなり、電流が流れることを防止することができる。
11 集電体、
13 正極型活物質層、
15 負極型活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板、
27、57 負極集電板、
29 ラミネートフィルム、
31 シール部(絶縁部)、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
71 第1導電樹脂部、
71a 第1樹脂、
71b 第1導電材、
72 第2導電樹脂部、
72a 第2樹脂、
72b 第2導電材、
250 小型の組電池、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車、
500 制御装置、
501 電池内部温度検出手段、
502 温度判定手段、
503 電流検出手段、
504 電流判定手段、
505 電池内部状態制御手段、
506 車両制御手段。
Claims (17)
- 第1面に第1電極、前記第1面に対向する第2面に前記第1電極と極性の異なる第2電極が設けられた双極型二次電池用の集電体であって、
前記集電体は、温度が上昇して所定温度に達した時に電気抵抗が増加する第1導電樹脂部と、前記所定温度まで温度が上昇しても電気抵抗の増加量が前記第1導電樹脂部と比べて少ない第2導電樹脂部と、を含むことを特徴とする双極型二次電池用の集電体。 - 前記第1および第2導電樹脂部は共に、前記第1および第2電極の間に連続的に形成されることを特徴とする請求項1に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 前記第1導電樹脂部は、第1樹脂に第1導電材を混合して構成され、
前記第2導電樹脂部は、第2樹脂に第2導電材を混合して構成され、
前記第2導電材の混合量は、前記第1導電材の混合量よりも多いことを特徴とする請求項1または2に記載の双極型二次電池用の集電体。 - 前記第2導電材の線膨張係数は、前記第1導電材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 前記第1導電樹脂部は、第1樹脂に第1導電材を混合して構成され、
前記第2導電樹脂部は、第2樹脂に第2導電材を混合して構成され、
前記第2樹脂の線膨張係数は、前記第1樹脂の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の双極型二次電池用の集電体。 - 前記第2導電材の混合量は、前記第1導電材の混合量よりも多いことを特徴とする請求項5に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 前記第2導電樹脂部は、前記第1導電樹脂部の外側に配置されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 前記第1導電樹脂部の溶解性パラメータと前記第2導電樹脂部の溶解性パラメータは、2以上離れていないことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 前記第1樹脂の線膨張係数は、前記第1導電材の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の双極型二次電池用の集電体。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の双極型二次電池用の集電体と、前記第1電極と、前記第2電極と、電解質層を含んだセパレータと、を複数積層して構成される双極型二次電池であって、
前記セパレータは、前記第1電極と前記第2電極の間に介在されることを特徴とする双極型二次電池。 - 請求項10に記載の双極型二次電池を複数個直列および/または並列に接続することを特徴とする組電池。
- 請求項10に記載の双極型二次電池、または請求項11に記載の組電池をモータの電源として搭載することを特徴とする車両。
- 請求項10に記載の双極型二次電池を制御する双極型二次電池の制御装置であって、
前記双極型二次電池内部の温度を測定する電池内部温度測定手段と、
前記双極型二次電池内部の温度が前記所定温度以上であるか否かを判定する温度判定手段と、
前記双極型二次電池内部の温度が前記所定温度以上と判定された場合に、前記双極型二次電池から取り出す電流を制限する電池内部状態制御手段と、を含むことを特徴とする双極型二次電池の制御装置。 - 請求項10に記載の双極型二次電池を制御する双極型二次電池の制御装置であって、
前記双極型二次電池内部から取り出した実電流値を測定する電池内部電流測定手段と、
前記実電流値が所定電流値以上であるか否かを判定する電流値判定手段と、
前記実電流値が所定電流値以上と判定された場合に、前記双極型二次電池から取り出す電流を制限する電池内部状態制御手段と、を含むことを特徴とする双極型二次電池の制御装置。 - 請求項10に記載の双極型二次電池を制御する双極型二次電池の制御方法であって、
前記双極型二次電池内部の温度を測定する電池内部温度測定段階と、
前記双極型二次電池内部の温度が前記所定温度以上であるか否かを判定する温度判定段階と、
前記双極型二次電池内部の温度が前記所定温度以上と判定された場合に、前記双極型二次電池から取り出す電流を制限する電池内部状態制御段階と、を含むことを特徴とする双極型二次電池の制御方法。 - 請求項10に記載の双極型二次電池を制御する双極型二次電池の制御方法であって、
前記双極型二次電池内部から取り出した実電流値を測定する電池内部電流測定段階と、
前記実電流値が所定電流値以上であるか否かを判定する電流値判定段階と、
前記実電流値が所定電流値以上と判定された場合に、前記双極型二次電池から取り出す電流を制限する電池内部状態制御段階と、を含むことを特徴とする双極型二次電池の制御方法。 - 前記車両は、請求項13または14に記載の双極型二次電池用の制御装置をさらに搭載することを特徴とする請求項12に記載の車両。
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