JP2015128019A - 双極型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高容量化を達成するとともに、高度な安全性を備える双極型二次電池を提供する。【解決手段】集電体１１の一方の面に正極活物質層１２が形成され他方の面に負極活物質層１３が形成された双極型電極１４がセパレータ１５を挟んで積層された積層体２を、葛折り状に折り畳んで形成された発電要素１０と、集電体のうち、積層体が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部２１を構成する部分に設けられ、集電体の他の部分よりも電流によって溶断されやすい溶断部３０と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、双極型二次電池に関する。

近年、環境や燃費の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車が製造・販売され、新たな開発が続けられている。これらのいわゆる電動車両においては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電ができる二次電池の活用が不可欠である。特に、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度の高さや繰り返し充放電に対する耐久性の高さから、電動車両に好適と考えられ、各種開発が鋭意進められている。

これに関連して、下記の特許文献１には、リチウムイオン二次電池の一種として双極型リチウムイオン二次電池（双極型二次電池）に関する技術が開示されている。双極型二次電池は、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た双極型電極が、セパレータを介して複数積層された構成を有する。このような双極型二次電池によれば、電池内で積層方向に直列に接続されているため、電池を高電圧化することができる。

特開平１１―２０４１３６号公報

以上のような双極型二次電池は、高容量化も望まれている。双極型二次電池を高容量化する方法としては、例えば、双極型電極の面積を増大することが考えられる。

しかしながら、双極型二次電池を高容量化すると、内部短絡が起こった場合、短絡部分に正常な電池から過大な電流が流れ込むことによって過大なジュール熱が発生する虞がある。このため、高度な安全性が要求される。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、高容量化を達成するとともに、高度な安全性を備える双極型二次電池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に係る双極型二次電池は、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た双極型電極がセパレータを挟んで積層された積層体を、葛折り状に折り畳んで形成された発電要素を有する。また、双極型二次電池は、集電体のうち、積層体が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部を構成する部分に設けられ、集電体の他の部分よりも電流によって溶断されやすい溶断部をさらに有する。

上記のように構成した双極型二次電池によれば、積層体を葛折り状に折り畳んで発電要素を形成することによって、高容量化を達成することができる。また、集電体は、電流によって溶断されやすい溶断部を有するため、内部短絡が起こって電池内部に過大な電流が流れた場合、溶断部が優先的に溶断される。この結果、双極型二次電池の回路が開き、回路を保護することができる（ヒューズ機能）。したがって、高容量化を達成するとともに、高度な安全性を備える双極型二次電池を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る双極型二次電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。 第１実施形態に係る双極型二次電池を示す斜視図である。 第１実施形態に係る折り畳む前の積層体を示す上面図である。 図３の４−４線に沿う断面図である。 第２実施形態に係る双極型二次電池の全体構造を模式的に示す概略断面図である。 改変例１に係る双極型二次電池を示す概略断面図である。 改変例２に係る双極型二次電池を示す概略断面図である。 改変例３に係る双極型二次電池を示す概略断面図である。 改変例４に係る双極型二次電池を有する双極型二次電池モジュールを示す概略断面図である。 比較例１に係る双極型二次電池を示す斜視図である。

＜第１実施形態＞
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第１実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、第１実施形態に係る双極型二次電池１の全体構造を模式的に示す概略断面図である。図２は、第１実施形態に係る双極型二次電池１を示す斜視図である。なお、図２においては、説明の簡単のため、外装体２０、電極タブ１６，１７、シール部１８、及び活物質層１２，１３を省略して記載する。

本実施形態に係る双極型二次電池１は、概説すると、図１，図２に示すように、双極型電極１４がセパレータ１５を挟んで積層された積層体２を、葛折り状に折り畳んで形成された複数の発電要素１０を有する。また、双極型二次電池１は、溶断部３０を有する。溶断部３０は、集電体１１のうち、積層体２が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部２１を構成する部分に設けられ、集電体１１の他の部分よりも電流によって溶断されやすく構成されている。

双極型二次電池１は、さらに、複数の発電要素１０を収容する外装体２０と、複数の発電要素１０の同極同士を取り纏め外装体２０から導出される電極タブ１６，１７と、を有する。電極タブ１６，１７は、正極タブ１６及び負極タブ１７から構成される。

双極型二次電池１は、さらに積層方向に隣り合う集電体１１の間の電解液を封止する矩形状のシール部１８を有する。

以下、本実施形態に係る双極型二次電池１の各部の構成について詳述する。

図３は、第１実施形態に係る折り畳む前の積層体２を示す上面図である。図４は、図３の４−４線に沿う断面図である。

［積層体２］
積層体２は、図１，２に示すように、葛折り状に折り畳まれて外装体２０内に収納される。積層体２は、折り畳まれる前は、図３，４に示すように、集電体１１が一方向に伸延した長尺状に構成される。

集電体１１は、図３に示すように、断続的に、溶断部３０を有する。溶断部３０は、集電体１１において他の部分よりも幅が狭く形成されたくびれ部から構成される。なお、溶断部３０は、くびれ部に限定されず、集電体１１を周縁から切り欠いて形成された切欠き部であってもよい。また、溶断部３０は、積層体２の積層方向における集電体１１の厚みが薄い構造であってもよい。さらに、これらが組み合わされて構成されてもよい。

また、発電要素１０において内部短絡が生じる場合に、溶断部３０を短絡させて、溶断部３０において発電要素１０の電圧が０［Ｖ］になるまでに放出されるエネルギーは、「（溶断部３０の融点−平常の温度）×熱容量」より大きい。ここで、「溶断部３０の融点」とは、溶断部３０が固体から液体へ溶ける温度を指す。また、「平常の温度」とは、双極型二次電池１が使用される地域の年間平均気温（例えば、２０℃＝−２５３Ｋ）を指す。「熱容量」とは、溶断部３０を１℃上昇させるのに必要なエネルギーを指す。

正極活物質層１２及び負極活物質層１３は、集電体１１上において、断続的に複数形成される。正極活物質層１２及び負極活物質層１３が長手方向に並ぶ数は、本実施形態ではそれぞれ５つずつである。本実施形態では、積層体２を葛折り状に４回折り畳むために、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が断続的に５つ平面方向に並んでいる。しかし、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が並ぶ数は、葛折り状に折り畳む回数によって適宜変更してもよい。正極活物質層１２及び負極活物質層１３が断続的に並ぶ数は、２つ以上であれば、特に限定されない。

折り畳まれる前の積層体２において、セパレータ１５は、積層方向から視て、集電体１１の形状に沿って形成されることが好ましい。

本実施形態に係る積層体２では、図４に示すように、断続的に表裏に正極活物質層１２及び負極活物質層１３が形成された２つの集電体１１が、１つのセパレータ１５を挟んで積層されている。これにより、セパレータ１５を介して、正極活物質層１２及び負極活物質層１３は対向して配置される。セパレータ１５は、正極活物質層１２及び負極活物質層１３を物理的に隔離しつつ、電解液を保持できる。電解液は、非水（系）電解液である。電解液を介して正極活物質層１２と負極活物質層１３との間をイオンが移動することで、発電要素１０に蓄電された電気が充放電される。

図４に示すように、積層方向には、セパレータ１５を介して対向する正極活物質層１２及び負極活物質層１３の組が１組できる。すなわち、図４に示す例では、発電要素１０には、１つの単電池層１９が含まれる。

上述のように、長手方向には５つの正極活物質層１２及び負極活物質層１３が断続的に形成されている。したがって、積層体２には、断続的に５つの発電要素１０が形成されることになる。これらの５つの発電要素１０は、集電体１１を介して、電気的に並列接続される。

また、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が形成されない位置に、葛折り状に折り畳むために積層体２が屈曲される屈曲部２１が設けられる。上述した溶断部３０は、集電体１１のうち屈曲部２１を構成する部分に設けられる。

図４において、左上に位置する正極活物質層１２ａが最上層に、右下に位置する負極活物質層１３ａが最下層となるように、屈曲部２１において積層体２を折り畳むことによって、図１，２に示すように、折り畳まれた積層体２が形成される。屈曲部２１における曲率半径は、例えば、０．３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であるが、これに限られない。積層体２を折り畳むことによって、複数の発電要素１０が並列接続されていることには変わりはないが、５つの発電要素１０は、積層方向に相互に重なる。したがって、省スペース化を図ることが可能である。

上述したように、折り畳まれる前の積層体２において、セパレータ１５は、積層方向から視て集電体１１の形状に沿って形成される。このため、折り畳まれた後の積層体２において、セパレータ１５は、図２に示すように、集電体１１の間に挟まれる構成となる。

集電体１１ａ，１１ｂを、以下では、特に、正極側最外層集電体１１ａ及び負極側最外層集電体１１ｂと称する。

正極側最外層集電体１１ａは、図１に示すように、最外層の正極活物質層１２ａを介して、正極タブ１６に接合している。また、負極側最外層集電体１１ｂは、最外層の負極活物質層１３ａを介して、負極タブ１７に接合している。なお、この構成に限定されず、正極タブ１６及び負極タブ１７が設けられず、最外層集電体１１ａ，１１ｂが延長されて、外装体２０の外部に導出される構造であってもよい。

積層体２を葛折りする回数は、所望の電圧・容量に応じて適宜調節することができる。なお、両側の最外層における集電体１１が互いに異なる極性となるように、偶数回折り曲げることが好ましい。このように構成された双極型二次電池１であれば、最外層に互いに異なる極性の活物質層が配置されるため、正極タブ１６及び負極タブ１７を最外層に取り付ければよく、双極型二次電池１の製造が容易となる。

［シール部１８］
シール部１８は、折り畳む前の積層体２においては、積層方向に隣り合う集電体１１の間において集電体１１の外周に沿って設けられ、集電体１１間に電解液を封止可能とする。具体的には、シール部１８は、図３において点線によって示すように、集電体１１の４辺に沿って枠形状に形成される。電解液は、積層方向に隣り合う集電体１１の間において枠形状の内側に封止される。

本実施形態において、折り畳まれた１つの積層体２の全ての層に、共通の１つの閉じたシール部１８が形成される。換言すると、折り畳まれた積層体２の各層にそれぞれ閉じたシール部１８を形成する必要がない。したがって、各層にそれぞれ閉じたシール部１８を形成する場合と比較してシール部１８の配置面積を低減させて、エネルギー密度を向上させることができる。

［各構成の材料］
次に、本実施形態に係る双極型二次電池１の各構成部品の材料等について説明する。

集電体１１は、金属材料または高分子材料の少なくとも一方を含む集電箔と、導電性を有する導電材と、によって構成されている。集電体１１は、例えば、導電材が集電箔上に配置される構造としてもよいし、２枚の集電箔の間に導電材を挟む構造としてもよい。

ここで、集電箔を構成する材料が金属材料の場合、集電箔として従来用いられている公知の金属材料から選ぶことができる。具体的には、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。また、集電体を構成する材料が高分子材料の場合、必ずしも導電性を有する必要はないが、集電箔全体では、集電箔としての機能を果たすために、導電性を有していなければならない。したがって、高分子材料が導電性を持たない場合、集電箔には、高分子材料の他に、導電性を有する導電性フィラー（導電性粒子）が当然に含まれる。また、高分子材料上に金属層を有してもよい。

高分子材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、またはこれらの混合物である。

導電性フィラーは、導電性を有し、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料から選択される。また、導電性フィラーは、印加される正極電位及び負極電位に耐えうる材料から選択される。具体的には、例えば、アルミニウム粒子、ＳＵＳ粒子、カーボン粒子、銀粒子、金粒子、銅粒子、チタン粒子などが挙げられるが、これらに限定されず、合金粒子が用いられてもよい。また、導電性フィラーは、金属に限られず、カーボン粒子、カーボンナノチューブなどが用いられてもよい。また、フィラー系導電性樹脂組成物として実用化されているものを用いることができる。このうち、特に電池において通常導電助剤として用いられる材料であるカーボン粒子が好ましい。カーボンブラックやグラファイトなどのカーボン粒子は電位窓が非常に広く、正極電位及び負極電位の双方に対して幅広い範囲で安定であり、さらに導電性に優れているためである。また、カーボン粒子は非常に軽量なため、質量の増加が最小限になる。

正極活物質層１２は、正極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩（リチウム塩）などを含む。

正極活物質は、電極反応において正極活物質層１２と負極活物質層１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積及び放出できる正極材料である。正極活物質としては、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましい。具体的には、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ_４など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などの遷移金属酸化物や硫化物、ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。また、場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。

正極活物質層１２に含まれる導電助剤は、正極活物質の導電性を改善する機能を有し、例えば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。

正極活物質層１２に含まれるバインダーは、集電体１１と正極活物質層１２との結着材としての機能を有する。例えば、バインダーとしては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの混合物が挙げられる。

正極活物質層１２に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。例えば、支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎなどが挙げられる。

負極活物質層１３は、負極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩などを含む。

負極活物質は、電極反応において正極活物質層１２と負極活物質層１３との間を往来する物質（イオン）を蓄積及び放出できる負極材料である。負極活物質としては、例えば、炭素材料が好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料（黒鉛）、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。より好ましくは、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛である。天然黒鉛は、例えば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛などが使用できる。人造黒鉛としては塊状黒鉛、気相成長黒鉛、鱗片状黒鉛、繊維状黒鉛が使用できる。これらの中で、特に好ましい材料としては、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛である。鱗片状黒鉛、塊状黒鉛を用いた場合、充填密度が高くなるため、特に有利である。また、場合によっては、二種以上の負極活物質が併用されてもよい。

負極活物質層１３に含まれる導電助剤は、負極活物質の導電性を改善する機能を有し、例えば、黒鉛などのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などの種々の炭素繊維により構成される。

負極活物質層１３に含まれるバインダーは、集電体１１と負極活物質層１３との結着材としての機能を有し、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）によって構成されている。また、ポリフッ化ビニリデンのような溶剤系バインダー以外に、ポリマー微粒子、ゴム材料を水に分散させた水系バインダー（たとえば、スチレン−ブタジエンゴム）を用いてもよい。

負極活物質層１３に含まれる支持塩は、支持電解質としての機能を有する。例えば、負極活物質層１３の支持塩には、正極活物質層１２に含まれる支持塩と同一の物質が用いられる。

セパレータ１５は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン製の多孔質膜、セラミック製の多孔質膜などが用いられる。また、耐熱性を有するアラミドなどが用いられてもよい。

電解液は、例えば、有機溶媒に支持塩であるリチウム塩等が溶解した形態である。有機溶媒としては、支持塩を十分に溶解させ得るものであればよく、たとえば、（１）プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート類、（２）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、（３）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、（４）γ−ブチロラクトン等のラクトン類、（５）アセトニトリル等のニトリル類、（６）プロピオン酸メチル等のエステル類、（７）ジメチルホルムアミド等のアミド類、（８）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一種類または二種以上を混合した非プロトン性溶媒等の可塑剤などが挙げられる。これら有機溶媒は、単独で用いても二種類以上を組み合わせて用いてもよい。支持塩としては、従来公知のものが用いられる。たとえば、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ（ＬｉＢＥＴＩ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ等が用いられる。

シール部１８は、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性（密封性）、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよい。シール部１８は例えば、熱可塑性樹脂からなる。具体的には、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂などが用いられ得る。特に、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂を使用することが好ましい。

外装体２０は、例えば、内部に金属板を備えたラミネートシートから構成される。

正極タブ１６及び負極タブ１７の材質は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、これらの合金などを用いることができる。これらは特に制限されず、タブとして従来用いられている公知の材質が用いられ得る。

［製造方法］
次に、本実施形態に係る双極型二次電池１の製造方法について説明する。

まず、所望の正極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩などを、溶媒中で混合して、正極活物質スラリーを調製する。同様に、所望の負極活物質、導電助剤、バインダー、支持塩などを、溶媒中で混合して、負極活物質スラリーを調製する。

続いて、溶断部３０を有する集電体１１を準備し、上述の正極活物質スラリーを集電体１１の一方の表面に塗布して正極活物質層１２を形成する。正極活物質スラリーを塗布するための塗布手段は特に限定されないが、例えば、自走型コータなどの一般的に用いられている手段が採用され得る。

塗膜を乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、電極製造について従来公知の知見
が適宜参照され得る。例えば、加熱処理が例示される。乾燥条件（乾燥時間、乾燥温度な
ど）は、正極活物質スラリーの塗布量やスラリーの溶媒の揮発速度に応じて適宜設定され
得る。

塗膜を乾燥させた後、上述の負極活物質スラリーを集電体１１の他方の表面に塗布して塗膜して負極活物質層１３を形成する。これを乾燥させて双極型電極１４を完成させる。

次に、双極型電極１４を、真空（減圧）密封しつつ、セパレータ１５を挟んで、積層して積層体２を形成する。

次に、積層方向に隣り合う集電体１１の間に、集電体１１の４辺に沿ってシール材を配置する（図３参照）。シール材を配置する手段も特に限定されない。配置されるシール材の幅は、集電体１１との密着性や集電体１１同士の接触防止効果などの目的に応じて１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で適宜決定すればよい。なお、シール材の配置は、積層体２の形成時に同時に行われてもよい。

次に、集電体１１の４辺のうち３辺に沿ってシール材を集電体１１に固定して、積層方向に隣り合う集電体１１の３辺を封止する（第１封止工程）。当該３辺は、任意の辺であり得る。具体的には、熱プレス機により熱プレスすることによって、未硬化のシール材を硬化させる。

次に、積層体２を、葛折り状に折り畳む。積層体２の折り畳みは、自動または手動のどちらによって行われてもよい。本実施形態では、図１に示すように、積層体２を屈曲部２１において４回折り曲げて、葛折り状に折り畳むことによって、５つの発電要素１０が形成される。

次に、第１封止工程において封止された集電体１１間に、電解液を注液する。具体的には、第１封止工程において封止されていない集電体１１の残りの１辺から電解液を注液する。

次に、集電体１１の残りの１辺に沿ってシール材を集電体１１に固定して、積層方向に隣り合う集電体１１の残りの１辺を封止する。具体的な封止方法は、第１封止工程と同様である。なお、電解液を注液して残りの１辺を封止した後に、積層体２を折り畳んでもよい。

以上のように葛折り状に折り畳まれた積層体２を、外装体２０に内包して双極型二次電池１が製造される。

［効果］
以上説明したように、本実施形態に係る双極型二次電池１は、双極型電極１４がセパレータ１５を挟んで積層された積層体２を、葛折り状に折り畳んで形成された複数の発電要素１０を有する。双極型二次電池１は、集電体１１のうち、積層体２が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部２１を構成する部分に設けられ、集電体１１の他の部分よりも電流によって溶断されやすい溶断部３０を、さらに有する。

積層体２を葛折り状に折り畳んで複数の発電要素１０を構成することによって、高容量化を達成できる。

また、集電体１１は、電流によって溶断されやすい溶断部３０を有するため、内部短絡が起こって電池内部に過大な電流が流れた場合、溶断部３０が優先的に溶断される。この結果、双極型二次電池１の回路が開き、回路を保護することができる。したがって、高容量化を達成するとともに、高度な安全性を備える双極型二次電池１を提供することができる。

また、溶断部３０は、集電体１１において他の部分よりも幅が狭く形成されたくびれ部、及び、集電体１１を周縁から切り欠いて形成された切欠き部の少なくとも一方を有する。この構成によれば、電池内部に過大な電流が流れた場合に、集電体１１のうち溶断部３０を優先的に確実に溶断させることができる。

また、正極活物質層１２及び負極活物質層１３は、断続的に複数設けられ、セパレータ１５を挟んで対向して配置され、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が形成されない位置に、葛折り状に折り畳むために積層体２が屈曲される屈曲部２１が設けられる。したがって、短絡が発生した場合、活物質層１２，１３が形成されない集電体１１だけの部分、すなわち、屈曲部２１に電流が流れ、屈曲部２１は、より確実にヒューズの役割を果たすことができる。また、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が形成されない屈曲部２１が、葛折りの際に折り曲げられるので、積層体２の折り曲げが容易になる。

また、外装体２０と、電極タブ１６，１７と、をさらに有する。また、発電要素１０において内部短絡が生じる場合に、溶断部３０を短絡させて、溶断部３０において発電要素１０の電圧が０[Ｖ]になるまでに放出されるエネルギーは、「（溶断部３０の融点−平常の温度）×熱容量」より大きい。この構成によれば、内部短絡が生じた場合、溶断部３０を確実に溶融させることができ、より確実にヒューズの役割を果たすことができる。

また、折り畳まれる前の積層体２において、セパレータ１５は、積層方向から視て集電体１１の形状に沿って形成される。このため、折り畳まれた後の積層体２において、セパレータ１５は、図２に示すように、集電体１１の間に挟まれる構成となる。この構成によれば、シール部１８をセパレータ１５の外周に沿って配置できるため、シール部１８の形成が容易となる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第１実施形態と共通する部分は説明を省略し、第２実施形態のみに特徴のある箇所について説明する。第２実施形態に係る双極型二次電池４は、溶断部１３０の構成の点において、第１実施形態に係る双極型二次電池１と異なる。

図５は、本発明の第２実施形態に係る双極型二次電池４の全体構造を模式的に示す概略断面図である。

双極型二次電池４は、集電体１１１の一方の面に正極活物質層１２が形成され他方の面に負極活物質層１３が形成された双極型電極１１４がセパレータ１５を挟んで積層された積層体９を、葛折り状に折り畳んで形成された複数の発電要素１１０を有する。双極型二次電池４は、集電体１１１のうち、積層体９が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部１２１を構成する部分に設けられ、集電体１１１の他の部分よりも電流によって溶断されやすい溶断部１３０をさらに有する。

溶断部１３０は、集電体１１１の他の部分よりも融点が低い材料によって構成される。具体的には、溶断部１３０は、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、ステンレス鋼、及びこれらの合金から適宜選択されるが、集電体１１１の他の部分よりも融点が低い材料が選択される。

以上説明したように、本発明の第２実施形態に係る双極型二次電池４の溶断部１３０は、他の部分よりも融点が低い材料によって構成される。この構成によれば、電池内部に過大な電流が流れた場合に優先的に溶融されて溶断されるという溶断部１３０の機能を確実に持たせることができる。

以下、上述した実施形態の改変例を例示する。

（改変例１）
図６は、改変例１に係る双極型二次電池５を示す概略断面図である。上述した実施形態では、積層体２は、２つの双極型電極１４が、セパレータ１５を挟んで直列接続となるように積層された。しかしながら、双極型電極１４を積層する数は、所望の電圧・容量に応じて適宜調節できる。例えば、図６に示すように、発電要素２１０は、３つの双極型電極１４から構成されてもよい。このとき、発電要素２１０は、２つの単電池層１９を含む。

（改変例２）
図７は、改変例２に係る双極型二次電池６を示す概略断面図である。上述した実施形態では、図４に示すように、折り畳む前の積層体２において、最外層における集電体１１の両面に正極活物質層１２及び負極活物質装置１３が形成された。しかしながら、折り畳む前の積層体の最外層における集電体１１の外側の表面に正極活物質層１２または負極活物質層１３が形成されなくてもよい。このように構成された積層体を葛折り状に折り畳むことによって、図７に示す双極型二次電池６が形成される。改変例２に係る双極型二次電池６では、最外層集電体１１ａ，１１ｂが、それぞれ正極タブ１６、負極タブ１７に直接接続される。この構成によれば、正極活物質層１２及び負極活物質層１３の配置面積を低減でき、低コスト化を達成できる。

（改変例３）
図８は、改変例３に係る双極型二次電池７を示す概略断面図である。上述した実施形態では、図４に示すように、正極活物質層１２及び負極活物質層１３は、集電体１１上に断続的に複数設けられ、正極活物質層１２及び負極活物質層１３が形成されない位置に、屈曲部２１が設けられた。しかしながら、正極活物質層１１２及び負極活物質層１１３が、集電体１１上に一様に設けられてもよい。このように構成された積層体を葛折り状に折り畳むことによって、図８に示す双極型二次電池７が形成される。改変例３に係る双極型二次電池７は、１つのみの発電要素３１０から構成される。

（改変例４）
図９は、改変例４に係る双極型二次電池８を有する双極型二次電池モジュール３を示す概略断面図である。上述した実施形態では、外装体２０に、積層体２及びシール部１８が内包されて、双極型二次電池１を形成した。しかしながら、図９に示すように、外装体２０に、積層体２及びシール部１８から構成される双極型二次電池８が２つ直列接続された状態で内包されて、双極型二次電池モジュール３を形成してもよい。この際、積層体２の葛折りの回数を偶数回にすることで、互いに異なる極性の活物質層同士が接続するように積層でき、双極型二次電池モジュール３の製造が容易となる。この構成によれば、高容量化を達成するとともにエネルギー密度が向上する双極型二次電池モジュール３を提供することができる。

以下、実施例を示す。

＜実施例１＞
溶断部として、集電体の他の部分よりも幅が狭く形成されたくびれ部を有する双極型二次電池を製造した。

＜実施例２＞
集電体にＣｕ層を有する樹脂集電体を使用し、溶断部のＣｕ層を、溶断部以外のＣｕ層の８０％以下の薄さにして、双極型二次電池を製造した。

＜比較例１＞
図１０は、比較例１に係る双極型二次電池１００の斜視図を示す。比較例１として、屈曲部の集電体に形状・材質に特徴を持たせず、一般的な帯状の集電体を有する双極型電極を、絶縁体を介して複数層積層した葛折り状の双極型二次電池１００を製造した。

＜結果＞
表１に、実施例１、実施例２、及び比較例１の双極型二次電池に釘刺し試験を行った結果を示す。釘刺し試験とは、積層方向に導電性の釘を刺して電池を貫通させ、発電要素内で内部短絡が生じたときの温度上昇、発煙、発火などの現象を観察する試験である。通常、釘刺しによって発電要素内で内部短絡が生じると、発電要素に大電流が流れる。表１に示すように、実施例１及び実施例２のように溶断部を集電体に設けることで、大電流によって溶断部が優先的に溶断され、回路が開き、回路を保護することができた。また、比較例１のように溶断部を設けない場合は、回路を保護することができなかった。

１，４，５，６，７，８ 双極型二次電池、
２，９ 積層体、
３ 双極型二次電池モジュール、
１０，１１０，２１０，３１０ 発電要素、
１１，１１１ 集電体、
１２，１１２ 正極活物質層、
１３，１１３ 負極活物質層、
１４，１１４ 双極型電極、
１５ セパレータ、
１６，１７ 電極タブ、
１８ シール部、
２０ 外装体、
２１，１２１ 屈曲部、
３０，１３０ 溶断部。

Claims (5)

1. 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た双極型電極がセパレータを挟んで積層された積層体を、葛折り状に折り畳んで形成された発電要素と、
   前記集電体のうち、前記積層体が葛折り状に折り畳まれてできる屈曲部を構成する部分に設けられ、前記集電体の他の部分よりも電流によって溶断されやすい溶断部と、
   を有する双極型二次電池。
2. 前記溶断部は、前記集電体において前記他の部分よりも幅が狭く形成されたくびれ部、及び、前記集電体を周縁から切り欠いて形成された切欠き部の少なくとも一方を有する請求項１に記載の双極型二次電池。
3. 前記溶断部は、前記他の部分よりも融点が低い材料によって構成される請求項１または２に記載の双極型二次電池。
4. 前記正極活物質層及び前記負極活物質層は、断続的に複数設けられ、前記セパレータを挟んで対向して配置され、
   前記正極活物質層及び前記負極活物質層が形成されない位置に、葛折り状に折り畳むために前記積層体が屈曲される屈曲部が設けられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の双極型二次電池。
5. 前記発電要素を収容する外装体と、
   前記発電要素の同極同士を取り纏め前記外装体から導出される電極タブと、をさらに有し、
   前記発電要素において内部短絡が生じる場合に、前記溶断部を短絡させて、前記溶断部において前記発電要素の電圧が０[Ｖ]になるまでに放出されるエネルギーは、「（前記溶断部の融点−平常の温度）×熱容量」より大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の双極型二次電池。