JP2015018670A - Bipolar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイポーラ電池に関し、さらに詳しくは特定の構成を有する負極集電体層によって製造工程を簡略化し得るバイポーラ電池に関する。 The present invention relates to a bipolar battery, and more particularly to a bipolar battery that can simplify a manufacturing process by a negative electrode current collector layer having a specific configuration.
近年、高電圧および高エネルギー密度を有する電池としてリチウム電池が実用化されている。リチウム電池の用途が広い分野に拡大していることおよび高性能の要求から、リチウム電池の更なる性能向上のために様々な研究が行われている。
その中で、リチウム電池のエネルギー密度の向上にとって、電極厚みの低減が最も効果的であり、正極層、セパレータおよび負極層が順次積層された単電池が複数積層されたバイポーラ電池が提案されている。
しかし、従来のバイポーラ電池では、正極集電体と負極集電体とを直列に接続するための接続部によってエネルギー密度が低下することが知られている。
In recent years, lithium batteries have been put into practical use as batteries having high voltage and high energy density. Due to the expansion of the use of lithium batteries in a wide range of fields and the demand for high performance, various studies have been conducted to further improve the performance of lithium batteries.
Among them, reduction of the electrode thickness is most effective for improving the energy density of the lithium battery, and a bipolar battery in which a plurality of unit cells in which a positive electrode layer, a separator, and a negative electrode layer are sequentially stacked is proposed. .
However, in the conventional bipolar battery, it is known that the energy density is lowered by the connection portion for connecting the positive electrode current collector and the negative electrode current collector in series.
このため、例えば、特許文献1には、正極活物質層、集電体および負極活物質層がこの順序で積層されたバイポーラ電極と、高分子固体電解質層とを含み、前記正極活物質層又は負極活物質層の少なくとも一方が高分子固体電解質を含み、前記集電体の表面材質がアルミニウムであるバイポーラ電池が記載されており、具体例として表面材質がアルミニウムである金属製集電体の両面に各々負極活物質層および正極活物質層を形成したバイポーラ電極を、高分子固体電解質層を介して複数積層したバイポーラ電池が示されている。 Therefore, for example, Patent Document 1 includes a bipolar electrode in which a positive electrode active material layer, a current collector, and a negative electrode active material layer are laminated in this order, and a polymer solid electrolyte layer, and the positive electrode active material layer or A bipolar battery is described in which at least one of the negative electrode active material layers contains a solid polymer electrolyte, and the surface material of the current collector is aluminum. As a specific example, both surfaces of a metal current collector whose surface material is aluminum are described. 1 shows a bipolar battery in which a plurality of bipolar electrodes each having a negative electrode active material layer and a positive electrode active material layer are stacked via a polymer solid electrolyte layer.
また、特許文献2には、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を、電解質を挟んで複数枚直列に積層してなり、負極材料としてSn、Ge、In、Pb、Ag、Sbの酸化物、硫化物もしくは塩、又はホウ素添加炭素を用いたバイポーラ電池が記載されている。そして、具体例として集電体の片面に正極電極(正極活物質層)を、他の面にホウ素添加グラファイトを含む負極(負極活物質層)を作製し、正極側と負極側にゲル電解質を順次積層したバイポーラ型電池が示されている。
In
しかし、これら公知の技術をそのまま固体電解質系バイポーラ電池に適用したのでは、得られるバイポーラ電池が複雑な製造工程を必要とするものである。 However, if these known techniques are applied as they are to a solid electrolyte bipolar battery, the resulting bipolar battery requires a complicated manufacturing process.
従って、本発明の目的は、製造工程を簡略化し得るバイポーラ電池を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a bipolar battery that can simplify the manufacturing process.
本発明は、集電体および負極活物質のいずれの役割をも果たし得る負極集電体層の片面に正極層を有する構造体が、固体電解質層を介して積層して構成されてなるバイポーラ電池に関する。 The present invention relates to a bipolar battery in which a structure having a positive electrode layer on one side of a negative electrode current collector layer that can serve as both a current collector and a negative electrode active material is laminated via a solid electrolyte layer About.
本発明によれば、製造工程を簡略化し得るバイポーラ電池を得ることができる。 According to the present invention, a bipolar battery that can simplify the manufacturing process can be obtained.
特に、本発明において、以下の実施態様を挙げることができる。
1)前記負極集電体層が、電子伝導性を有し且つLi合金化する材料からなる前記のバイポーラ電池。
2)前記負極集電体層が、Al、InおよびSnからなる群から選択される少なくとも1種を含む材料からなる前記のバイポーラ電池。
3)前記負極集電体層が、実際に使用される容量範囲において、全量がLi合金化されない量の材料からなる前記のバイポーラ電池。
In particular, in the present invention, the following embodiments can be mentioned.
1) The bipolar battery as described above, wherein the negative electrode current collector layer is made of a material having electron conductivity and forming a Li alloy.
2) The bipolar battery, wherein the negative electrode current collector layer is made of a material containing at least one selected from the group consisting of Al, In, and Sn.
3) The bipolar battery as described above, wherein the negative electrode current collector layer is made of a material whose amount is not made into a Li alloy in a capacity range actually used.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳説する。
本発明の実施態様のバイポーラ電池1は、図1に示すように、集電体および負極活物質のいずれの役割をも果たし得る負極集電体層2の片面に正極層3を有する構造体が、固体電解質層4を介して複数枚積層して構成されてなり、負極と集電体とが一体化されていることにより、用いられる部材数が少ないためバイポーラ電池製造プロセスを簡略化し得て、且つ体積エネルギー密度の向上に繋がり得る。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the bipolar battery 1 according to the embodiment of the present invention has a structure having a
これに対して、従来のバイポーラ電池10は、図2に示すように、正極層3、集電体111および負極層12がこの順序で積層されたバイポーラ電極と、固体電解質層4とを複数枚積層したものであり、用いられている部材数が多くバイポーラ電池製造プロセスが複雑となる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, a conventional
本発明の実施態様のバイポーラ電池1において、前記の負極集電体層2は、集電体および負極活物質のいずれの役割をも果たし得るものであることが必要である。
前記の負極集電体層の材料として、電子伝導性を有し且つLi合金化する材料が挙げられ、例えばAl、In、Snなどが挙げられる。前記材料はこれらのうち1種であってもよく複数であってもよい。
In the bipolar battery 1 according to the embodiment of the present invention, the negative electrode
Examples of the material for the negative electrode current collector layer include materials having electron conductivity and forming a Li alloy, and examples thereof include Al, In, and Sn. One of these materials may be used, or a plurality of materials may be used.
前記の負極集電体層における前記材料の量は、実際に使用される充電放電の容量範囲において、Al、In、Snなどの全量がLi合金化されない量であることが望ましい。前記材料の量を前記の範囲内にすることによって、全量がLi合金化しても隣接する正極層との間でイオン短絡が生じないので好適である。 The amount of the material in the negative electrode current collector layer is preferably an amount that does not allow the total amount of Al, In, Sn, etc. to be Li alloyed in the capacity range of charge and discharge actually used. By making the amount of the material within the above range, even if the total amount is Li alloyed, it is preferable because no ion short circuit occurs between the adjacent positive electrode layers.
本発明の実施態様のバイポーラ電池1においては、図3に示すように、正極層3/固体電解質層4を介して隣接する2つの負極集電体層2の間で電子(e−)の移動が行われ、固体電解質層4を介して隣接する負極集電体層2と正極層3との間でLi+の移動が行われる。
In the bipolar battery 1 according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, electrons (e − ) move between two adjacent negative electrode
本発明の実施態様のバイポーラ電池1は、図4に示すように、負極集電体層2/正極層3間にLi+ブロック層5を設けてもよい。
前記ブロック層5としては、Li+と反応しない材料又は負極集電体層2よりも酸化還元電位の低い材料、例えばFeあるいは炭素(C)からなるものであり得る。放置時間が極端に長い場合、Liが負極集電体層2の全体に拡散し、隣接する正極とイオン短絡が生じてしまう恐れがあるが、このLi+ブロック層5によって防止し得る。
In the bipolar battery 1 according to the embodiment of the present invention, a Li + block layer 5 may be provided between the negative electrode
The block layer 5 may be made of a material that does not react with Li + or a material having a lower oxidation-reduction potential than the negative electrode
前記のLi+ブロック層5を設ける場合、このブロック層5の膜厚は負極集電体層2よりも小さいことが望ましい。
前記のLi+ブロック層5はLi+をブロックできていればよく、体積エネルギー密度の低下を考慮すると薄膜である程好適である。
When the Li + block layer 5 is provided, the thickness of the block layer 5 is preferably smaller than that of the negative electrode
The Li + block layer 5 only needs to block Li + , and a thin film is more suitable in consideration of a decrease in volume energy density.
また、本発明の実施態様のバイポーラ電池1は、図4に示すように、積層端の負極集電体層2において、保護集電体層6を設けてもよい。その材料として、Al、SUS、Cuなどが挙げられる。
前記のバイポーラ電池1においては、保護集電体層6によって積層端の負極集電体層2が合金化および脱合金化反応を繰り返し、引っ張りに対して弱くなるのを防止乃至は抑制し得る。
Moreover, as shown in FIG. 4, the bipolar battery 1 of the embodiment of the present invention may be provided with a protective
In the bipolar battery 1, the protective
前記正極層3に含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やニッケル酸リチウム(LiNiO2)等の層状活物質のほか、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)等のオリビン型活物質や、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のスピネル型活物質等を例示することができる。また、正極層3には、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。このほか、正極層3には、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。
As the positive electrode active material contained in the
また、前記固体電解質層4は、リチウム二次電池の固体電解質材料として用いられ得る材料、例えばLi2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3、Li2O−B2O3−ZnOなどの固体酸化物系非晶質電解質粉末、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、liI−li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li3PS4、Li2S−P2S5などの固体硫化物系非晶質電解質粉末を圧縮して形成され得る。
The
本発明のバイポーラ電池1は、前記の負極集電体層2の片面に正極層を積層一体化して構造体(電極)を形成し、この構造体と固体電解質層4とを順次重ねてプレスすることによって作製し得る。
本発明のバイポーラ電極1は、前記の構成を有することによって、製造プロセスが簡潔になり得る。
In the bipolar battery 1 of the present invention, a positive electrode layer is laminated and integrated on one surface of the negative electrode
Since the bipolar electrode 1 of the present invention has the above-described configuration, the manufacturing process can be simplified.
本発明によれば、製造工程を簡略化し得るバイポーラ電池を得ることが可能となる。 According to the present invention, a bipolar battery that can simplify the manufacturing process can be obtained.
1 本発明の実施態様のバイポーラ電池
2 負極集電体層
3 正極層
4 固体電解質層
5 Li+ブロック層
6 保護集電体層
10 従来のバイポーラ電池
11 集電体
12 負極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bipolar battery of embodiment of this
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2013
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