JP2020145095A - 双極型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電反応で発生するガスを効率よく吸収し、電池の性能低下を抑制する手段を提供する。【解決手段】正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極と、前記正極活物質層及び前記負極活物質層に挟持されたセパレータと、前記正極集電体、前記負極集電体及び前記セパレータの外周部に配置され、前記正極集電体と前記セパレータとの間に前記正極活物質層を封止し、前記負極集電体と前記セパレータとの間に前記負極活物質層を封止する絶縁部材と、を備える単セルを複数積層した発電要素が外装体の内部に封止された構造を有し、前記正極集電体及び前記負極集電体はガス透過性を有し、前記正極活物質層及び前記負極活物質層が形成されていない非電極部において、一の前記単セルの前記正極集電体と、当該正極集電体と隣り合う他の前記単セルの前記負極集電体との間にガス吸着剤が配置された、双極型二次電池。【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、双極型二次電池に関する。

近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、電池の開発が鋭意行われている。車載電源への適用を指向した電池は、携帯電話やノートパソコン等に使用される電池と比較して極めて高い出力特性を有することが求められている。

例えば、特許文献１には、体積エネルギー密度や電池特性を維持しつつ、充放電反応で発生したガスを効率的に吸着するために、電極群とラミネートフィルム封止部との隙間にガス吸着層を配置したラミネート電池が開示されている。

特開２０１１−２４９２６９号

しかしながら、特許文献１に記載された技術によると、ガス吸着層が電解液に浸されるため、ガス吸着量が減少し、ラミネートフィルム内部にガスが残存しうる。そして当該ガスにより電極群に応力が発生し、集電体が破断したり、電極活物質層が崩壊するなどして、電池性能が低下する場合があるという問題を有していた。

そこで、本発明は、充放電反応で発生するガスを効率よく吸収し、電池の性能低下を抑制する手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の双極型二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、絶縁部材と、を備える単セルを複数積層した発電要素が外装体の内部に封止された構造を有する。正極は正極集電体に正極活物質層が形成されてなり、負極は負極集電体に負極活物質層が形成されてなる。セパレータは、正極活物質層及び負極活物質層に挟持される。絶縁部材は、正極集電体、負極集電体及びセパレータの外周部に配置され、正極集電体とセパレータとの間に正極活物質層を封止し、負極集電体とセパレータとの間に負極活物質層を封止する。そして、正極集電体及び負極集電体はガス透過性を有し、正極活物質層及び負極活物質層が形成されていない非電極部において、一の単セルの正極集電体と、当該正極集電体と隣り合う他の単セルの負極集電体との間にガス吸着剤が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、充放電反応により発生したガスは、正極集電体及び負極集電体を透過し、単セルの外部に配置されたガス吸着剤に吸着される。そのため、充放電反応で発生するガスが効率よく吸着され、電池の性能低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電池を示す斜視図である。 図１の２−２線に沿う断面図であって、電池の全体構造の概略を示す断面図である。 電池の単セルを示す断面図である。 図１の４−４線に沿う断面図であって、電池におけるガス吸着剤を示す断面図である。 変形例１に係るガス吸着剤を示す断面図である。 変形例２に係るガス吸着剤を示す断面図である。 変形例３に係るガス吸着剤を示す断面図である。 変形例４に係るガス吸着剤を示す断面図である。 図４Ａに示す電池において、積層方向におけるガス吸着剤の厚さを示す断面図である。 図４Ａに示す電池において、面方向におけるガス吸着剤の幅を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、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。本明細書において、範囲を示す「Ｘ〜Ｙ」は「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。

＜双極型二次電池＞
本発明の実施形態に係る双極型二次電池の一例として、非水電解質二次電池の１種である双極型リチウムイオン二次電池について説明する。ここで、双極型リチウムイオン二次電池とは、直列接続された双極型電極を含み、正極と負極との間をリチウムイオンが移動することによって充電や放電を行う二次電池である。なお、以下の説明では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「電池」とも称する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電池１０を示す斜視図である。図２は、図１の２−２線に沿う断面図であって、電池１０の全体構造の概略を示す断面図である。図３は、電池１０の単セル２０を示す断面図である。図４Ａは、図１の４−４線に沿う断面図であって、電池におけるガス吸着剤を示す断面図である。

図１〜図４を参照して、本実施形態の電池１０を概説する。電池１０は、単セル２０を複数積層した発電要素１１を有する。単セル２０は、正極３０ａと、負極３０ｂと、セパレータ４０と、絶縁部材５０とを備える。正極３０ａは、正極集電体３１ａに正極活物質層３２ａが形成されてなる。負極３０ｂは、負極集電体３１ｂに負極活物質層３２ｂが形成されてなる。セパレータ４０は、正極活物質層３２ａと負極活物質層３２ｂとによって挟持される。絶縁部材５０は、正極集電体３１ａ、負極集電体３１ｂ及びセパレータ４０の外周部６０に配置され、正極集電体３１ａとセパレータ４０との間に正極活物質層３２ａを封止し、負極集電体３１ｂとセパレータ４０との間に負極活物質層３２ｂを封止する。正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂはガス透過性を有する。正極活物質層３２ａと負極活物質層３２ｂが形成されていない非電極部７０において、一の単セル２０の正極集電体３１ａと、当該正極集電体３１ａと隣り合う他の単セル２０の負極集電体３１ｂとの間にガス吸着剤８０が配置される。以下、電池１０の構成を詳述する。

図２に示すように、電池１０は、外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、単セル２０を複数積層した発電要素１１が外装体１２の内部に封止された構造を有する。発電要素１１は、単セル２０の積層体であり、充放電反応に寄与する部分である。なお、単セル２０の積層回数は、所望する電圧に応じて調節することが好ましい。また、本明細書では、複数の単セル２０が積層される方向を「積層方向」と称し、図中に矢印Ｚで示す。また、積層方向に直交する平面を「面方向」と称し、図中に矢印Ｘ及び矢印Ｙで示す。

図２に示すように、正極３０ａ及び負極３０ｂは、集電体３１の一方の面に電気的に結合した正極活物質層３２ａが形成され、集電体３１の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層３２ｂが形成された双極型電極３５を構成する。集電体３１は、正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂを組み合わせた積層構造（２層構造）を有する。

電池１０は、正極集電体３１ａに隣接するように正極集電板（正極タブ）３４ａが配置され、負極集電体３１ｂに隣接するように負極集電板（負極タブ）３４ｂが配置されている。図１にも示すように、正極集電板（正極タブ）３４ａは延長されて外装体１２から導出している。同様に、負極集電板（負極タブ）３４ｂは延長されて外装体１２から導出している。

［単セル］
図２及び図３に示すように、単セル２０は、正極３０ａと、負極３０ｂと、セパレータ４０と、絶縁部材５０とを備える。セパレータ４０に電解質を保持することによって、電解質層が形成される。本実施形態の単セル２０は、正極活物質層３２ａ及び負極活物質層３２ｂが電解液を含んでいる。

正極３０ａは、正極集電体３１ａの一方の面に正極活物質層３２ａが形成されてなる。負極３０ｂは、負極集電体３１ｂの一方の面に負極活物質層３２ｂが形成されてなる。正極活物質層３２ａ及び負極活物質層３２ｂは、セパレータ４０を介して互いに向かい合うように配置されている。正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂは、単セル２０の最外層に位置する。正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂは、ガス透過性を有し、充放電反応で発生したガスを単セル２０の外部へと排出することができる。

絶縁部材５０は、外周部６０において、正極活物質層３２ａ、負極活物質層３２ｂ及びセパレータ４０の周囲を液密に封止し、電解液の漏れによる液絡を防止している。また、単セル２０内で正極集電体３１ａと負極集電体３１ｂとを電気的に隔てて、正極集電体３１ａと負極集電体３１ｂとが接触することによる短絡を防止している。なお、本明細書中、正極集電体３１ａ、負極集電体３１ｂ及びセパレータ４０の外周部６０とは、絶縁部材５０を介してヒートシールされる領域（図３中の破線で囲んだ領域）と定義する。

絶縁部材５０を構成する材料としては、絶縁性、シール性（液密性）、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、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、ゴム（エチレン−プロピレン−ジエンゴム：ＥＰＤＭ）、等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いてもよく、ホットメルト接着剤（ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂）などを用いてもよい。なかでも、耐食性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることが好ましい。

［ガス吸着剤］
図４Ａに示すように、ガス吸着剤８０は、２つの単セル２０の間、つまり、一の単セル２０の正極集電体３１ａと、当該正極集電体３１ａと隣り合う他の単セル２０の負極集電体３１ｂとの間の非電極部７０に配置される。本明細書中、非電極部７０とは、正極活物質層３２ａ及び負極活物質層３２ｂが形成されていない領域（図４Ａ中の破線で囲んだ領域）と定義する。正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂの間にガス吸着剤８０が配置されることにより、正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂを透過して単セル２０の外部へと排出されたガスが速やかにガス吸着剤８０に吸着される。これにより、単セル２０が貯留ガスにより圧迫されるのを防ぎ、非電極部７０の歪みによって生じる集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。また、ガス吸着剤８０が単セル２０の外部に配置されることにより、電解質（電解液）と接触することがなくなるため、ガス吸着量の低下を防ぐことができる。

図４Ｂ〜図４Ｅは、それぞれ変形例１〜４に係るガス吸着剤８０を示す断面図である。図４Ｂ〜図４Ｅに示すように、ガス吸着剤８０の形状は特に制限されない。例えば、図４Ｂに示す変形例１は、複数のガス吸着剤８０が面方向に連なった形状を有している。図４Ｃに示す変形例２は、ガス吸着剤８０の断面が楕円形状を有している。図４Ｄに示す変形例３は、複数のガス吸着剤が積層方向に連なった形状を有している。図４Ｅに示す変形例４は、一部のガス吸着剤８０が外周部６０に配置されるような形状を有している。

図５Ａは、図４Ａに示す電池において、積層方向におけるガス吸着剤８０の厚さを示す断面図である。図５Ａに示すように、積層方向（図中の矢印Ｚ）において、ガス吸着剤８０の厚さｔ１は、正極活物質層３２ａの厚さｔ２と負極活物質層３２ｂの厚さｔ３との和以下（ｔ１≦ｔ２＋ｔ３）である。本明細書で、ガス吸着剤８０の厚さｔ１は、ガス吸着剤８０の厚さの最大値と定義する。図４Ｄに示す変形例３のように、複数のガス吸着剤８０が積層方向に連なった形状を有している場合は、複数のガス吸着剤８０の厚さの合計の最大値と定義する。一方、本明細書で、正極活物質層３２ａの厚さｔ２と負極活物質層３２ｂの厚さｔ３との和は、当該和の最小値と定義する。ガス吸着剤８０の厚さｔ１を上記範囲内とすることにより、単セル２０を積層した際に余分な空間が生じにくくなるため、高いエネルギー密度を有する電池とすることができる。また、これにより、他の部材（例えば、正極３０ａ、負極３０ｂ、セパレータ４０等）の歪みが生じにくくなるため、集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。

図５Ｂは、図４Ａに示す電池において、面方向におけるガス吸着剤８０の幅を示す断面図である。図５Ｂに示すように、面方向（図中の矢印Ｘ）において、ガス吸着剤８０の幅ｗ１は、負極活物質層３２ｂの端部から絶縁部材５０の端部までの距離ｗ２以下である。本明細書で、ガス吸着剤８０の幅ｗ１は、ガス吸着剤８０の幅の最大値と定義する。図４Ｂに示す変形例１のように、複数のガス吸着剤８０が面方向に連なった形状を有している場合は、複数のガス吸着剤８０の幅の合計の最大値と定義する。一方、本明細書で、負極活物質層３２ｂの端部から絶縁部材５０の端部までの距離ｗ２は、当該距離の最小値と定義する。ガス吸着剤８０の幅ｗ１を上記範囲内とすることにより、電極３０が積層される領域や、絶縁部材５０が積層される領域にガス吸着剤８０が配置されることを防ぐことができる。これにより、余分な空間が生じにくくなることから、高いエネルギー密度を有する電池とすることができる。また、これにより、他の部材（例えば、正極３０ａ、負極３０ｂ、セパレータ４０等）の歪みが生じにくくなるため、集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。

ガス吸着剤８０を構成する材料としては、充放電反応で発生したガス（例えば、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２等）を吸着できるものであればよく、例えば、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、塩化銅、ステアリン酸金属塩、ハイドロタルサイト、水素吸蔵合金、活性アルミナ、遷移金属酸化物、ソーダ石灰、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、アスカライト等が挙げられる。これらの材料は、１種のみを単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

［電圧検出端子］
図４Ａに示すように、本発明の一実施形態に係る電池１０は、外周部６０に電圧検出端子９０を有する。電圧検出端子９０は、正極集電体３１ａの絶縁部材５０に接しない側の表面と、負極集電体３１ｂの絶縁部材５０に接しない側の表面との間に配置される。電圧検出端子９０は、リード線９１が接続されている。リード線９１は図示しないコントローラに接続され、検出信号がコントローラに入力される。

電圧検出端子９０を構成する材料としては、導電性を有するものであればよく、導電性材料から構成される。導電性材料としては、例えば、金属材料が挙げられる。金属材料としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。

［集電体］
集電体３１（正極集電体３１ａ、負極集電体３１ｂ）は、正極活物質層３２ａと接する一方の面から、負極活物質層３２ｂと接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。また、集電体３１は、充放電反応で発生したガスを単セル２０の外部へと排出することができる。集電体３１は、ガス透過性を有する樹脂集電体から構成される。樹脂集電体は、高分子材料に導電性フィラーが分散されてなる。

具体的には、樹脂集電体の構成材料である高分子材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びアラミド（芳香族ポリアミド）からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。これらの高分子材料は、十分なガス透過性を有し、充放電反応で発生したガスを単セル２０の外部へと排出することができる。

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、又はリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属及び導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、白金、鉄、クロム、スズ、亜鉛、インジウム、アンチモン、及びカリウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属もしくはこれらの金属を含む合金又は金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）、ブラックパール（登録商標）、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、及びフラーレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

導電性フィラーの添加量は、集電体３１に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、好ましくは、５〜３５体積％程度である。

［電極活物質層］
電極活物質層３２（正極活物質層３２ａ、負極活物質層３２ｂ）は、電極活物質（正極活物質又は負極活物質）及び電解液を含む。また、電極活物質層３２は、必要に応じて、被覆剤（被覆用樹脂、導電助剤）、導電部材等を含んでもよい。さらに、電極活物質層３２は、必要に応じてイオン伝導性ポリマー等を含んでもよい。

電極活物質層３２に含まれる電解液は、スラリー調製工程において、電極活物質の分散媒として機能しうる。電極３０を形成した後の工程で電解液を注入する工程を省いて工数を削減する観点から、電極活物質層３２の電解液は、電池１０のセパレータ４０に含まれる電解液と同じ組成を有することが好ましい。

電池１０は、正極活物質層３２ａ及び負極活物質層３２ｂが電解液を含んでいる。この構成においては、電極活物質スラリーを塗工して塗膜を得た後に、得られた塗膜に対して加熱による乾燥処理を施す必要がない。これにより、電極活物質層３２のひび割れを抑制できるとともに、乾燥処理に必要な製造コストを削減することができる。

電解液は、溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。電解液を構成する溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類が挙げられる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６ＬｉＣｌＯ_４、Ｌｉ［（ＦＳＯ_２）_２Ｎ］（ＬｉＦＳＩ）等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、及びＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。

（正極活物質）
正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２及びこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。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。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられる。さらに好ましくはＬｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２及びこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの（以下、単に「ＮＭＣ複合酸化物」とも称する）、又はリチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム複合酸化物（以下単に、「ＮＣＡ複合酸化物」とも称する）などが用いられる。ＮＭＣ複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属（Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｏが秩序正しく配置）原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有する。そして、遷移金属１原子あたり１個のＬｉ原子が含まれ、取り出せるＬｉ量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の２倍、つまり供給能力が２倍になり、高い容量を持つことができる。

（負極活物質）
負極活物質としては、例えば、グラファイト（黒鉛）、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物（例えば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、金属材料（スズ、シリコン）、リチウム合金系負極材料（例えばリチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−アルミニウム−マンガン合金等）などが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として好ましく用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。また、（メタ）アクリレート系共重合体等の被覆用樹脂は特に炭素材料に対して付着しやすいという性質を有している。したがって、構造的に安定した電極材料を提供するという観点からは、負極活物質として炭素材料を用いることが好ましい。

（導電助剤）
導電助剤は、被覆用樹脂とともに電極活物質の表面を被覆する被覆剤として用いられる。導電助剤は、被覆剤中で電子伝導パスを形成し、電極活物質層３２の電子移動抵抗を低減することで、電池の高レートでの出力特性向上に寄与し得る。

導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金又は金属酸化物；グラファイト、炭素繊維（具体的には、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）等）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンブラック（具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等）等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、及びカーボンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、及びカーボンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも１種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、１種のみを単独で使用してもよいし、２種以上を併用しても構わない。

導電助剤の形状は、粒子状又は繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径（一次粒子径）は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、導電助剤の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等の観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。

（導電部材）
導電部材は、電極活物質層３２中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層３２の２つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成していることが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層３２中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減されるため、電池の高レートでの出力特性をより一層向上しうる。なお、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層３２の２つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成しているか否かは、ＳＥＭや光学顕微鏡を用いて電極活物質層３２の断面を観察することにより確認することができる。

導電部材は、繊維状の形態を有する導電性繊維であることが好ましい。具体的には、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレスのような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を、導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。なかでも、導電性に優れ、軽量であることから炭素繊維が好ましい。

本実施形態の電池１０において、電極活物質層３２の厚さは、正極活物質層３２ａについては、好ましくは１５０〜１５００μｍであり、より好ましくは１８０〜９５０μｍであり、さらに好ましくは２００〜８００μｍである。また、負極活物質層３２ｂの厚さは、好ましくは１５０〜１５００μｍであり、より好ましくは１８０〜１２００μｍであり、さらに好ましくは２００〜１０００μｍである。電極活物質層３２の厚さが上述した下限値以上の値であれば、電池のエネルギー密度を十分に高めることができる。一方、電極活物質層３２の厚さが上述した上限値以下の値であれば、電極活物質層３２の構造を十分に維持することができる。

なお、本実施形態の電池１０においては、電極活物質層３２の構成部材として、上記の電極活物質や、必要に応じて用いられる導電部材、イオン伝導性ポリマー、リチウム塩、被覆剤（被覆用樹脂、導電助剤）以外の部材を適宜使用しても構わない。しかしながら、電池のエネルギー密度を向上させる観点から、充放電反応の進行にあまり寄与しない部材は、含有させないほうが好ましい。例えば、電極活物質とその他の部材とを結着させ、電極活物質層３２の構造を維持するために添加されるバインダは、極力使用しないことが好ましい。上記の機能を有するバインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の溶剤系バインダや、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の水系バインダ等が挙げられる。具体的には、バインダの含有量は、電極活物質層３２に含まれる全固形分量１００質量％に対して、好ましくは１０質量％以下であり、より好ましくは５質量％以下であり、さらに好ましくは２質量％以下であり、特に好ましくは１質量％以下であり、最も好ましくは０質量％である。

［セパレータ］
セパレータ４０は、電解質を保持し、正極活物質層３２ａと負極活物質層３２ｂとの間にあって両者が直接に接触することを防止する。本実施形態のセパレータ４０に使用される電解質は、特に制限はなく、例えば、電解液又はゲルポリマー電解質などが挙げられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保されうる。

セパレータ４０の形態としては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。

電解液は、上述の電極活物質層３２に使用される電解液と同様のものが用いられうる。なお、電解液におけるリチウム塩の濃度は、０．１〜３．０Ｍであることが好ましく、０．８〜２．２Ｍであることがより好ましい。また、添加剤を使用する場合の使用量は、添加剤を添加する前の電解液１００質量％に対して、好ましくは０．５〜１０質量％、より好ましくは０．５〜５質量％である。

添加剤としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、１，２−ジビニルエチレンカーボネート、１−メチル−１−ビニルエチレンカーボネート、１−メチル−２−ビニルエチレンカーボネート、１−エチル−１−ビニルエチレンカーボネート、１−エチル−２−ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、１，１−ジメチル−２−メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。なかでも、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートがより好ましい。これらの環式炭酸エステルは、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が併用されてもよい。

ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマー（ホストポリマー）に、上記の電解液が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することで容易になる点で優れている。マトリックスポリマー（ホストポリマー）として用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶｄＦ−ＨＥＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）及びこれらの共重合体等が挙げられる。

ゲルポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー（例えば、ＰＥＯやＰＰＯ）に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。

［外装体］
図１及び図２に示す本実施形態では、外装体１２は、可撓性を備えるラミネートフィルムによって袋状に構成されているが、これに限定されず、例えば、剛性を有する材料から形成されたセルケースなどを用いてもよい。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は、外装体１２は、ラミネートフィルムによって構成することが好ましく、アルミニウムを含むラミネートフィルムが特に好ましい。アルミニウムを含むラミネートフィルムには、例えば、ポリプロピレン（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。

以上説明したように、本実施形態に係る電池１０は、単セル２０を複数積層した発電要素１１を有する。単セル２０は、正極３０ａと、負極３０ｂと、セパレータ４０と、絶縁部材５０とを備える。正極３０ａは、正極集電体３１ａに正極活物質層３２ａが形成されてなる。負極３０ｂは、負極集電体３１ｂに負極活物質層３２ｂが形成されてなる。セパレータ４０は、正極活物質層３２ａと負極活物質層３２ｂとによって挟持される。絶縁部材５０は、正極集電体３１ａ、負極集電体３１ｂ及びセパレータ４０の外周部６０に配置され、正極集電体３１ａとセパレータ４０との間に正極活物質層３２ａを封止し、負極集電体３１ｂとセパレータ４０との間に負極活物質層３２ｂを封止する。正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂは、ガス透過性を有する。正極活物質層３２ａと負極活物質層３２ｂが形成されていない非電極部７０において、一の単セル２０の正極集電体３１ａと、当該正極集電体３１ａと隣り合う他の単セル２０の負極集電体３１ｂとの間にガス吸着剤８０が配置される。このように構成することによって、正極集電体３１ａ及び負極集電体３１ｂを透過して単セル２０の外部へと排出されたガスが速やかにガス吸着剤８０に吸着される。これにより、単セル２０が貯留ガスにより圧迫されるのを防ぎ、非電極部７０の歪みによって生じる集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。また、ガス吸着剤８０が単セル２０の外部に配置されることにより、電解質（電解液）と接触することがなくなるため、ガス吸着量の低下を防ぐことができる。

電池１０は、積層方向（図中の矢印Ｚ）におけるガス吸着剤８０の厚さｔ１が、正極活物質層３２ａの厚さｔ２と負極活物質層３２ｂの厚さｔ３との和以下（ｔ１≦ｔ２＋ｔ３）となっている。このように構成することによって、単セル２０を積層した際に余分な空間が生じにくくなるため、高いエネルギー密度を有する電池とすることができる。また、これにより、他の部材（例えば、正極３０ａ、負極３０ｂ、セパレータ４０等）の歪みが生じにくくなるため、集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。

電池１０は、面方向（図中の矢印Ｘ）におけるガス吸着剤８０の幅ｗ１が、負極活物質層３２ｂの端部から絶縁部材５０の端部までの距離ｗ２以下となっている。このように構成することによって、電極３０が積層される領域や、絶縁部材５０が積層される領域にガス吸着剤８０が配置されることを防ぐことができる。これにより、余分な空間が生じにくくなることから、高いエネルギー密度を有する電池とすることができる。また、これにより、他の部材（例えば、正極３０ａ、負極３０ｂ、セパレータ４０等）の歪みが生じにくくなるため、集電体３１の破断や、電極活物質層３２の崩壊等による電池性能の低下が抑制される。

以下、実施例を示す。

＜実施例１＞
正極集電体及び負極集電体として、ポリプロピレン（ＰＰ）にアセチレンブラックが分散されたガス透過性を有する樹脂集電体を用い、ガス吸着剤として活性炭を用いて、双極型二次電池を製造した。

＜実施例２＞
ガス吸着剤として塩化銅（ＣｕＣｌ_２）を用いたこと以外は、実施例１と同様に、双極型二次電池を製造した。

＜比較例１＞
ガス吸着剤を配置しないこと以外は、実施例１と同様に、双極型二次電池を製造した。

＜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充放電試験を行った後のセル破損の有無に関する結果を示す。表１に示すように、実施例１及び実施例２のようにガス透過性を有する樹脂集電体を用い、ガス吸着剤を特定の位置に配置することにより、充放電反応によるセル破損が抑制されること示された。一方、比較例１のように、ガス透過性を有する樹脂集電体を用いた場合であっても、ガス吸着剤を配置しない場合は、充放電反応後によってセル破損が生じ、電池性能を維持することができなかった。

１０ 電池、
１１ 発電要素、
１２ 外装体、
２０ 単セル、
３０ 電極、
３０ａ 正極、
３０ｂ 負極、
３１ 集電体、
３１ａ 正極集電体、
３１ｂ 負極集電体、
３２ 電極活物質層、
３２ａ 正極活物質層、
３２ｂ 負極活物質層、
３４ａ 正極集電板（正極タブ）、
３４ｂ 負極集電板（負極タブ）
３５ 双極型電極、
４０ セパレータ、
５０ 絶縁部材、
６０ 外周部、
７０ 非電極部、
８０ ガス吸着剤、
９０ 電圧検出端子、
９１ リード線。

Claims (3)

1. 正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、
   負極集電体に負極活物質層が形成された負極と、
   前記正極活物質層及び前記負極活物質層に挟持されたセパレータと、
   前記正極集電体、前記負極集電体及び前記セパレータの外周部に配置され、前記正極集電体と前記セパレータとの間に前記正極活物質層を封止し、前記負極集電体と前記セパレータとの間に前記負極活物質層を封止する絶縁部材と、
   を備える単セルを複数積層した発電要素が外装体の内部に封止された構造を有し、
   前記正極集電体及び前記負極集電体はガス透過性を有し、
   前記正極活物質層及び前記負極活物質層が形成されていない非電極部において、一の前記単セルの前記正極集電体と、当該正極集電体と隣り合う他の前記単セルの前記負極集電体との間にガス吸着剤が配置された、双極型二次電池。
2. 積層方向において、前記ガス吸着剤の厚さは、前記正極活物質層の厚さと、前記負極活物質層の厚さとの和以下である、請求項１に記載の双極型二次電池。
3. 面方向において、前記ガス吸着剤の幅は、前記負極活物質層の端部から前記絶縁部材の端部まで距離以下である、請求項１又は２に記載の双極型二次電池。