JP4100188B2 - Bipolar battery - Google Patents

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JP4100188B2 JP2003039313A JP2003039313A JP4100188B2 JP 4100188 B2 JP4100188 B2 JP 4100188B2 JP 2003039313 A JP2003039313 A JP 2003039313A JP 2003039313 A JP2003039313 A JP 2003039313A JP 4100188 B2 JP4100188 B2 JP 4100188B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質と負極活物質とが集電体の両側に配置されてなるバイポーラ電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。ただし、自動車に適用するためには、大出力を確保するために、複数の二次電池を直列に接続して用いる必要がある。
【０００３】
しかしながら、接続部を介して電池を接続した場合、接続部の電気抵抗によって出力が低下してしまう。また、接続部を有する電池は空間的にも不利益を有する。即ち、接続部によって、電池の出力密度やエネルギー密度の低下がもたらされる。
【０００４】
この問題を解決するものとして、集電体の両側に正極活物質と負極活物質とを配置したバイポーラ電極を用いたバイポーラ電池が開発されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００５】
このうち、電解質として高分子固体電解質を用いてなるバイポーラ電池では、電池内に溶液（電解液）を含まないため、液漏れやガス発生の心配がなく、信頼性が高く、また構造的にも密閉シールが不要なバイポーラ電池を提供できるものとして期待されている。また、電解質として高分子ゲル電解質を用いてなるバイポーラ電池では、イオン伝導度に優れ、電池の出力密度やエネルギー密度も十分に得られるため、実用化段階に最も近いバイポーラ電池として期待されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１００４７１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０４１３６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうしたバイポーラ電池は、電池内で電極が直列に積層されているため、各単電池層間に容量、内部抵抗のばらつきがあると、充放電を繰り返すことにより、単電池層同士の容量（電圧）がばらついてくるという問題がある。
【０００８】
さらに、上記問題点を解決するために、図８（ｃ）に示すように、各電極から電圧検出・容量調整用の端子１７を電池外装材１０の外部に取り出して外部制御回路（充電制御回路）である電圧検出・電流バイパス回路４１に接続することで、各単電池層６の電圧を個別に検出し、容量調整を行うことも考えられる。なお、電圧検出・容量調整用の端子１７は、例えば、図８（ｂ）に示すように、集電体１の一部を延長して外部に露出するまで延長したものなどが考えられる。
【０００９】
しかしながら、ＥＶやＨＥＶモータ駆動用電源として大出力を確保するためには、電池内に直列に接続する電極積層数を多くする必要がある。そのため、バイポーラ電池１１では、各単電池層の電圧を個別に検出し、容量調整するための電圧検出・容量調整用の端子１７の数が多くなる。例えば、電極積層数が３０〜４０層（１０層以上）ともなると、端子のおばけ（端子だらけ）になり、図８（ａ）のように電池の一片からだけでは取り出すのも困難となる。その結果、バイポーラ電池１１の端子部周辺の構造が煩雑になるとともに、電池外装材１０周囲のシール部分１０’のうち端子取り出し部分（図中、丸で囲った部分を参照のこと。）のシールが甘くなる（シール性が低下する）という新たな問題点が生じる。
【００１０】
そこで、本発明が目的とするところは、電池の構造を複雑にすることも、電池のシール性を損なうこともなく、電池内の各単電池層の電圧を検出し、容量調整を行うことのできるバイポーラ電池およびその制御方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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たバイポーラリチウムイオン二次電池において、電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分があることを特徴とするバイポーラ電池により達成できる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ電池では、電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分があるため、この部分に外部から電圧検出・容量調整用のコネクタを接続することができる。そのため、各電極から電圧検出・容量調整用の端子を取り出す必要もなく、電池の構造が複雑にすることがない。また、数多くの電圧検出・容量調整用の端子をシールする必要もなく、電池外装材の外部に取り出される電圧検出・容量調整用のコネクタだけをシールすればよいため電池のシール性を損なうこともない。さらに、当該コネクタを外部制御回路の、に接続することにより電池内の各単電池層の電圧を検出し、各単電池層の容量調整などを行うことができるものである。その結果、ＥＶやＨＥＶなどの駆動用電源をはじめとして、各種産業において有用な電力源となり得る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、説明する。
【００１４】
本発明に係るバイポーラ電池は、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たバイポーラリチウムイオン二次電池において、
電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分があることを特徴とするものである。
【００１５】
まずは、本発明のバイポーラ電池の基本構成の概略を図面を用いて簡単に説明する。このうち、図１には、バイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図２には、バイポーラ電池を構成する単電池層の構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図３には、バイポーラ電池の全体構造を模式的に表わした概略断面図を示し、図４には、バイポーラ電池内に複数積層された単電池層が直列に接続されてなることを（記号化して）概念的に表わした概略図を示す。
【００１６】
図１〜４に示したように、１枚の集電体１の片面に正極層２を設け、もう一方の面に負極層３を設けたバイポーラ電極５（図１参照のこと）と、電解質層４を挟み隣合うバイポーラ電極５の電極層２、３とが対向するようになっている。すなわち、バイポーラ電池１１では、集電体１の片方の面上に正極層２を有し、他方の面上に負極層３を有するバイポーラ電極（電極層）５を、電解質層４を介して複数枚積層した構造の電極積層体（バイポーラ電池本体）７からなるものである。
【００１７】
また、こうしたバイポーラ電極５等を複数枚積層した電極積層体７の最上層と最下層の電極５ａ、５ｂは、バイポーラ電極構造でなくてもよく、集電体１（または端子板）に必要な片面のみの電極層（正極層２または負極層３）を配置した構造としてもよい（図３参照のこと）。また、バイポーラ電池１１では、上下両端の集電体１にそれぞれ正極および負極リード（電流端子）８、９が接合されている。
【００１８】
さらに、集電体１同士が接触したり、電解質層から電解液が漏れ出したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極周辺部には、その一部を除き、絶縁処理によって絶縁部が形成されている。なお、各電極周辺部の一部に絶縁処理がなされていない点に関しては、本発明の特徴部分のところで詳しく説明する。
【００１９】
また、バイポーラ電極の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。シート状電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できるのであれば、バイポーラ電極の積層回数を少なくしてもよい。
【００２０】
また、本発明のバイポーラ電池１１では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電極積層体７部分を電池外装材（外装パッケージ）１０に減圧封入し、電極リード８、９を電池外装材（外装パッケージ）１０の外部に取り出した構造とするのがよい（図３、４参照のこと）。なお、後述する電圧検出・容量調整用コネクタまたは該コネクタに接続された外部制御回路（例えば、充電制御回路）の配線部も電池外装材（外装パッケージ）の外部に取り出された構造となる（本発明の特徴部分のところで説明する。）。電池の軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆したアルミラミネートパックなどの高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電極積層体７を収納し減圧封入（密封）し、電極リード８、９（更には、電圧検出・容量調整用コネクタまたは外部制御回路の配線部）を電池外装材１０の外部に取り出した構成とするのが好ましい。このバイポーラ電池１１の基本構成は、図４に示すように、複数積層した単電池層（単セル）６が直列に接続された構成ともいえるものである。
【００２１】
本発明のバイポーラ電池は、リチウムイオンの移動によって充放電が媒介されるバイポーラリチウムイオン二次電池に好適に用いられる。これは、バイポーラ型でない通常のリチウムイオン二次電池に比べて単電池の電圧が高く、出力特性に優れた電池を構成できるためであり、電気自動車などの大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるためである。ただし、電池特性の向上等の効果が得られるのであれば、他の種類の電池に適用することを妨げるものではない。
【００２２】
次に、本発明の特徴部分につき、図面を用いて説明する。図５は、電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分を設けてなるバイポーラ電池の概略平面図である。図６（ａ）は、該電極周辺部の集電体露出部分に、電池外部から内部に挿入して接続するための電圧検出・容量調整用コネクタの電池内に入る側の概略斜視図であり、図６（ｂ）は該電圧検出・容量調整用コネクタの電池外に出る側の概略図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）のＡ−Ａ線階段断面概略図である。図７は、図６のコネクタを図５の電極周辺部の集電体露出部分に接続した状態を表す電池の概略斜視図である。
【００２３】
本発明では、図１〜４で説明したように、集電体１の一方の面に正極層２が形成され、他方の面に負極層３が形成されたバイポーラ電極５を、電解質層４を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラリチウムイオン二次電池１１において、さらに、図５に示すように、電極周辺部の一部に、絶縁処理による絶縁部２１が形成されておらず集電体１が露出している部分（本明細書中、単に集電体露出部分ともいう。）２３がある。
【００２４】
ここでいう電極とは、バイポーラ電極５のほか、集電体１の必要な片面のみに正極層２を配置したバイポーラ電極５ａや集電体１の必要な片面のみに負極層３を配置した電極５ｂを含む場合もある。
【００２５】
電極周辺部の一部を除き絶縁処理がなされ形成されている絶縁部２１は、従来公知の絶縁処理法を用いて形成されるものであり、例えば、ポリイミドテープなどの絶縁性テープやフィルムを貼り付けて形成されたものや各電極周辺部に絶縁性樹脂等を注入、含浸、浸漬等して形成されたものなどが挙げられるが、これらに制限されものではない。
【００２６】
また、上記集電体露出部分２３は、電圧検出・容量調整用コネクタ３１が簡単に接続できるように、各電極の周辺部の同じ箇所に設けるのが望ましい。
【００２７】
また、上記集電体露出部分２３は、電極周辺部のどこに形成してもよい。図５（ａ）や図７では、正極及び負極リード（電流端子）８、９の取り出し側の辺に対向する辺に設けた例を示したが、これに何ら制限されるものではなく、正極及び負極リード（電流端子）８、９の取り出し側と同じ辺に設けてもよいし、正極及び負極リード（電流端子）８、９取り出し側に隣接する長辺側に設けてもよい。好ましくは、電池外部の配線等が煩雑にならないように、図５（ａ）の位置に設けるのが望ましい。
【００２８】
また、集電体露出部分２３の幅は、単電池層の容量、幅を広くすることによるコネクタ重量の増加やコネクタとの間の抵抗低減効果や差し込み易さなどを考慮して決定すればよい。
【００２９】
本発明のバイポーラ電池では、図７に示すように、電極周辺部の集電体露出部分２３に、電池外部から内部に挿入された電圧検出・容量調整用コネクタ（各電極と接続される端子を持つ電圧検出・容量調整用コネクタ）が接続されているものである。これは、使用目的や使用形態によって、電圧検出・容量調整用コネクタだけが接続された電池を提供（製造，販売）する場合もあれば、さらに電圧検出・容量調整用コネクタに外部制御回路である、電圧検出・電流バイパス回路（充電制御回路）を接続された電池を提供（製造，販売）する場合もあるためである。前者は、例えば、ＥＶやＨＥＶ駆動用モータの電源として、後述する組電池等の形態で用いる場合に、１つの電池のみが不良の場合に、組電池全体を交換するのは不経済であるので、個別に電池交換を行う際に、不良電池を外部制御回路から取り外して新品の電池に交換する場合に、交換電池費用を抑えることができる点で優れている。また、後者は、電圧検出・容量調整用コネクタ３１に外部制御回路を接続した配線部（例えば、フィルム配線）を電池外装材１０から取り出すようにすることで、厚みのあるコネクタ３１をシールするのではなく、フィルム状の配線部をシールすればよいので、よりシール性能に優れた電池を提供できる点で優れている。
【００３０】
上記電圧検出・容量調整用コネクタ３１が接続された電池１１では、当該コネクタ３１のピン穴（またはピン）３５に、外部制御回路である各単電池層の電圧検出・電流バイパス回路側（充電制御回路）の配線端部に設けたコネクタ（図示せず）を接続することで、各単電池層の電圧を検出し、各単電池層の容量調整などを行うことができる。また、上記したように予め電圧検出・電流バイパス回路（充電制御回路）が取り付けられた電圧検出・容量調整用コネクタ３１が接続された電池でも同様である。
【００３１】
なお、電池側の電圧検出・容量調整用コネクタ３１と、電圧検出・電流バイパス回路（充電制御回路）側の配線端部に設けたコネクタ（図示せず）を接続する場合には、電池側の電圧検出・容量調整用コネクタ３１を雌型にするのがよい。これは、通常電力供給側を雌型とするのと同じ理由である。すなわち、雄型ではピン同士が接触するおそれがあり電池のショートにつながるほか、充電状態で電池を取り扱う際に感電する危険性が高くなるためである。
【００３２】
本発明に用いられる電圧検出・容量調整用コネクタとしては、図６に示すように、電池内に入る側に、各電極と接続される端子として、集電体箔（集電体露出部分）を差し込むための切り欠き部３３が形成されており、電池外に出る側に、外部制御回路である、電圧検出・電流バイパス回路（充電制御回路）側のコネクタと接続できるように、ピン穴（またはピン）３５が形成されており、各切り欠き（端子）部３３と各ピン穴３５とが電気的に個別に接続されているものなどが利用できる。切り欠き部３３やピン穴（またはピン）３５やその間の接続部３７には、銅などの高導電性材料を用い、その他のコネクタ本体には、絶縁性樹脂などの絶縁性材料を用いればよい。ただし、本発明での電圧検出・容量調整用コネクタとしての利用目的（電圧検出用端子の簡素化、シール性向上効果等）を達成できるものであれば、上記に例示するものに何ら制限されるべきものではない。
【００３３】
電圧検出・容量調整用コネクタ３１の形状に関しては、特に制限されるものではなく、電池外に出る側は、外部制御回路側のコネクタ（市販品）にあわせた形状とすればよい。また、電池内に入る側も、図６（ａ）のような形状のほか、各電極の集電体露出部分に差し込む際に正しい位置に差し込めたことが確認できるように、各差し込む部をずらして配置し得る形状であってもよいなど、本発明の目的が達成できるものであれば特に制限されるものではない。なお、各電極の集電体露出部分の正しい位置に差し込めたことの確認は、電圧検出・容量調整用コネクタに検査用のコネクタを接続して単電池層の開路電圧をモニタしながら、順次差し込んでいってもよいし、一度に差し込むようにしてもよい。
【００３４】
なお、電圧検出・容量調整用コネクタの各差し込み部の間隔は、対応する電池の電極層間隔にあわせて決定すればよい。
【００３５】
次に、本発明に係るバイポーラ電池の制御方法としては、電圧検出・容量調整用コネクタ３１を介して電池内の各単電池層の電圧を個別に検出し、充電時に各層の電圧が所定の充電終止電圧まで達した場合には、外部制御回路である電流バイパス回路（充電制御回路）に電流を流し、各単電池層の充電状態を揃えることを特徴とするものである。これにより、各単電池層の電圧を検出し、各単電池層の容量調整などを行うことができる。そのため、電池内で電極が直列に積層されているため、各単電池層間に容量、内部抵抗のばらつきがあっても、充放電を繰り返す上で、必ず充電のたびに、全ての単電池層につき充電終止電圧まで充電し得るため、各単電池層の充電電圧（容量）を揃える事ができる。そのため、放電時に各単電池層ごとにばらつきが生じても、次の充電の際にこれをコネクタ３１を介した外部制御回路を用いて常に是正（均質化）できるため、単電池層同士の充電容量のばらつきを常に最小限に制御できるものである。
【００３６】
また、後述するようにバイポーラ電池１１を複数（直列及び／又は並列に）接続した組電池からなる、さらに必要があれば該組電池を複数（直列及び／又は並列に）接続してなるモータ駆動用電源などにおいては、多くの電池が用いられる。よってこの電池内に直列に接続された単電池層は、電源全体では非常に多くなるため、これら単電池層間の容量や内部抵抗のばらつきを抑えることは困難かつ歩留まりも悪くなる。これに対し。本発明の制御方法では、こうした単電池層間の容量や内部抵抗のある程度のばらつきを許容し得るものであり、極めて有用な方法ともいえる。
【００３７】
なお、上記に説明の外部制御回路である電圧検出・電流バイパス回路に関しては、例えば、ツェナーダイオード電圧調整器とＩＣを組み合わせたものなど、従来公知のものを適用できるが、これらに制限されるべきものではない。本発明では、上記のごとく各単電池層の電圧を個別に検出し、充電時に各層の電圧が所定の充電終止電圧（通常、満充電電圧に設定する。）まで達した場合には、電流バイパス回路に電流を流すように設定された外部制御回路である、電圧検出・電流バイパス回路を取り付ければよい。すなわち、所定の充電電圧になれば当該単電池層への充電電流供給を停止し、外部の電流バイパス回路（容量調整回路）に電流を流し、当該単電池層の更なる充電（過充電）を行わないように外部制御回路を設計すればよい。これにより、初期容量、内部抵抗、放電後容量（電圧）等のばらつきが原因で各単電池層の充電時間にばらつきがあっても、各単電池層の充電状態を揃えることができる。そのため、充放電を繰り返すことにより単電池層同士の容量（電圧）のばらつきが徐々に増大するのを抑えることができる。その結果、電池全体としての長寿命化が達成できる。本発明では、外部制御回路である電圧検出・電流バイパス回路に、さらに必要があれば、放電時にも各単電池層の電圧が規定するカットオフ電圧に達した場合には、電流バイパス回路に電流を流して過放電されないようにすることができる制御回路等を取り付けてもよいなど、より電池寿命を長持ちさせることができるように制御してもよいことはいうまでもない。
【００３８】
以上、本発明の特徴部分である集電体露出部分および該集電体露出部分に電圧検出・容量調整用コネクタが接続された電池の構成並びに該コネクタを介して電池の電圧を検出し容量調整を行う制御方法を中心に説明したが、本発明のバイポーラ電池およびその制御方法の他の構成要素等については、特に制限されるべきものではなく、従来公知のバイポーラ電池のものが幅広く適用可能である。
【００３９】
以下、本発明のバイポーラリチウムイオン二次電池の構成要素ごとに簡単に説明するが、本発明がこれらに何ら制限されるべきものでないことは言うまでもない。
【００４０】
［集電体］
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができ、例えば、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、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使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、２つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔を集電体として用いることが好ましい。
【００４１】
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は１〜１００μｍ程度である。
【００４２】
［正極層］
正極層は、正極活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助材、バインダ、高分子電解質、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などが含まれ得る。
【００４３】
正極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物（リチウム−遷移金属複合酸化物）を好適に使用できる。具体的には、ＬｉＣｏＯ2などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ2などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ2Ｏ4などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ2などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる点で有利である。この他、ＬｉＦｅＰＯ4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；Ｖ2Ｏ5、ＭｎＯ2、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2、ＭｏＯ3などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ2、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。
【００４４】
正極活物質の粒径は、バイポーラ電池の電極抵抗を低減するために、溶液タイプのリチウムイオン電池で一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、正極活物質微粒子の平均粒径が０．１〜５μｍであるとよい。
【００４５】
上記導電助材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００４６】
上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＳＢＲ、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００４７】
電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、正極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。正極層における正極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、正極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【００４８】
一方、電解質層に高分子ゲル電解質や電解液をセパレータに含浸させて用いる場合には、正極層に電解質が含まれていなくてもよく、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダが含まれていればよい。
【００４９】
高分子固体電解質用高分子としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。本発明において高分子固体電解質は、正極活物質層または負極活物質層の少なくとも一方に含まれる。ただし、バイポーラ電池の電池特性をより向上させるためには、双方に含まれることが好適である。
【００５０】
リチウム塩としては、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００５１】
高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。
【００５２】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液（電解質塩および可塑剤）としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＴａＦ6、ＬｉＡｌＣｌ4、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも１種類のリチウム塩（電解質塩）を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類；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；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；γ−ブチロラクトン等のラクトン類；アセトニトリル等のニトリル類；プロピオン酸メチル等のエステル類；ジメチルホルムアミド等のアミド類；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１種類または２種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒（可塑剤）を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００５３】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、ＰＡＮ、ＰＭＭＡなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【００５４】
上記リチウム塩としては、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＴａＦ6、ＬｉＡｌＣｌ4、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10等の無機酸陰イオン塩、Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００５５】
高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率（質量比）は、使用目的などに応じて決定すればよいが、２：９８〜９０：１０の範囲である。すなわち、電極層の外周部からの電解液の染み出しについても、図８で説明したように、本発明のゲル電解質層の外周部を電極端部よりも適当に長くすることで効果的にシールすることができる。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率（質量比）に関しても、比較的電池特性を優先したものとすることができる。
【００５６】
正極層における、正極活物質、導電助材、バインダ、高分子電解質（ホストポリマー、電解液など）、リチウム塩の配合量は、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。例えば、正極層内における高分子電解質の配合量が少なすぎると、正極層内でのイオン伝導抵抗やイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極層内における高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した高分子ゲル電解質量を決定する。
【００５７】
正極層の厚さは、特に限定するものではなく、配合量について述べたように、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極層の厚さは１０〜５００μｍ程度である。
【００５８】
［負極層］
負極層は、負極活物質活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助材、バインダ、高分子電解質（ホストポリマー、電解液など）、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などが含まれ得る。
【００５９】
高分子電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、負極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。負極層における負極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、負極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【００６０】
一方、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、負極層に高分子電解質が含まれていなくてもよく、負極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダが含まれていれば良い。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極層」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６１】
負極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。具体的には、カーボン、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物などを用いることができるが、好ましくはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物である。これらカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのため、これらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる。なお、リチウム−遷移金属複合酸化物としては、例えば、Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12などのリチウム−チタン複合酸化物などを用いることができる。また、カーボンとしては、例えば、黒鉛、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボンなどを用いることができる。
【００６２】
［電解質層］
したがって、本発明では、その使用目的に応じて、（ａ）高分子ゲル電解質、（ｂ）高分子固体電解質または（ｃ）電解液を染み込ませたセパレーター、のいずれにも適用し得るものである。
【００６３】
（ｂ）高分子ゲル電解質
高分子ゲル電解質としては、特に制限されるべきものではなく、従来のゲル電解質層に用いられているものを適宜利用することができる。ここで、ゲル電解質とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。なお、本発明において、全固体高分子電解質（単に、高分子固体電解質ともいう）と、ゲル電解質との違いは、以下のとおりである。
【００６４】
・ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）などの全固体高分子電解質に、通常のリチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものがゲル電解質である。
【００６５】
・ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものもゲル電解質にあたる。
【００６６】
・ゲル電解質を構成するのポリマー（ホストポリマーないしポリマーマトリックスとも称する。）と電解液の比率は幅広く、ポリマー１００質量％を全固体高分子電解質、電解液１００質量％を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲル電解質にあたる。
【００６７】
上記ゲル電解質の、ホストポリマーとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができるが、好ましくは、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）、ポリふっ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）およびそれらの共重合体が望ましく、溶媒には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびそれらの混合物が望ましい。
【００６８】
上記ゲル電解質の、電解液（電解質塩および可塑剤）としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。具体的には、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＴａＦ6、ＬｉＡｌＣｌ4、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、Ｌｉ（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも１種類のリチウム塩（電解質塩）を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類；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；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；γ−ブチロラクトン等のラクトン類；アセトニトリル等のニトリル類；プロピオン酸メチル等のエステル類；ジメチルホルムアミド等のアミド類；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１種類または２種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒（可塑剤）を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００６９】
本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量％〜９８質量％程度とするのが望ましい。本発明では、電解液の割合が７０質量％以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。
【００７０】
また、本発明では、ゲル電解質に含まれる電解液の量は、ゲル電解質内部で略均一になるようにしてもよいし、中心部から外周部に向けて傾斜的に少なくしていってもよい。前者は、より広範囲で反応性を得ることができるため好ましく、後者は、外周部の全固体高分子電解質部の電解液に対するシール性を高めることができる点で好ましい。中心部から外周部に向けて傾斜的に少なくしていく場合には、上記ホストポリマーには、リチウムイオン伝導性のあるポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）およびそれらの共重合体を用いることが望ましい。
【００７１】
（ｂ）高分子固体電解質
全固体高分子電解質としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。具体的には、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。全固体高分子電解質としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。ＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。
【００７２】
（ｃ）電解液を染み込ませたセパレーター
セパレータに染み込ませることのできる電解液としては、既に説明した正極層の高分子ゲル電解質に含まれる電解液（電解質塩および可塑剤）と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。
【００７３】
上記セパレータとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを用いることができるものであり、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーからなる多孔性シート（例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど）を用いることができる。有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を持つ上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、電解質（電解液）との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有するものである。
【００７４】
該ポリマーの材質としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体、ポリイミドなどが挙げられる。
【００７５】
上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできないが、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で４〜６０μｍであることが望ましい。セパレータの厚さが、かかる範囲にあることでセパレータに微粒が食い込むことによって発生する短絡の防止と、高出力のために電極間を狭くすることが望ましいという理由から、厚さ方向の機械的強度と高出力性の確保という効果がある。また電池を複数接続する場合には、電極面積が増大することから、電池の信頼性を高めるために上記範囲のなかでも厚形のセパレータを用いることが望ましい。
【００７６】
上記セパレータの微細孔の径は、最大で１μｍ以下（通常、数十ｎｍ程度の孔径である）であることが望ましい。セパレータの微細孔の平均径が、上記範囲にあることで熱によってセパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きるという理由から、異常時信頼性が上がり、その結果として耐熱性が向上するという効果がある。すなわち、過充電で電池温度が上昇していったとき（異常時）に、セパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きることで、電池（電極）の正極（＋）から負極（−）側にＬｉイオンが通れなくなり、それ以上は充電できなくなる。そのため過充電できなくなり、過充電が解消する。その結果、電池の耐熱性（安全性）が向上するほか、ガスがでて電池外装材の熱融着部（シール部）が開くのを防止できる。ここでセパレータの微細孔の平均径は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出される。
【００７７】
上記セパレータの空孔率は２０〜５０％であることが望ましい。セパレータの空孔率が、上記範囲にあることで電解質（電解液）の抵抗による出力低下の防止と、微粒がセパレータの空孔（微細孔）を貫くことによる短絡の防止という理由から出力と信頼性の両方を確保するという効果がある。ここでセパレータの空孔率とは、原材料レジンの密度と最終製品のセパレータの密度から体積比として求められる値である。
【００７８】
上記セパレータへの電解液の含浸量は、セパレータの保液能力範囲まで含浸させればよいが、当該保液能力範囲を超えて含浸させてもよい。これは、電解質シール部に樹脂を注入して電解質層からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保液できる範囲であれば含浸可能である。該電解液は、電解質シール部に樹脂を注入する際に各電極間ごとに通液口（各１箇所づつ；コネクタ挿入前の集電体露出部分を利用してもよい）を残しておき、ここから真空注液法などにより注液した後、当該通液口に樹脂を注入して完全にシールすることができるなど、従来公知の方法でセパレータに電解液を含浸させることができる。
【００７９】
なお、上記（１）〜（３）の電解質層は、１つの電池の中で併用してもよい。
【００８０】
また、高分子電解質は、高分子ゲル電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【００８１】
ところで、現在好ましく使用される高分子ゲル電解質用のホストポリマーは、ＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。従って、溶液系のリチウムイオン電池で一般に使用される、酸化還元電位の高い正極剤を使用する場合には、負極の容量が、高分子ゲル電解質層を介して対向する正極の容量より少ないことが好ましい。負極の容量が対向する正極の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極および負極の容量は、正極および負極を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。
【００８２】
ただし、負極の容量を対向する正極の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。例えば、一のセル（単電池層）の平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。
【００８３】
電池を構成する電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトなバイポーラ電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。一般的な電解質層の厚さは５〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍ程度である。
【００８４】
［絶縁部（絶縁処理がなされている部分）］
絶縁部は、集電体同士が接触したり、電解液が漏れ出したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲（周辺部）に形成されてなるものである。ただし、本発明では、図５（ａ）に示すように、電極周辺部の一部に絶縁処理がなされていない集電体露出部分を有するものである。この集電体露出部分については、本発明の特徴部分として既に説明したので、ここでの説明は省略する。
【００８５】
絶縁部としては、絶縁性、電解液の漏出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く、例えば、エポキシ樹脂、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドなどが使用できるが、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。また、絶縁部は、こうした材料を注入、浸漬、塗布などした後に乾燥硬化させて形成したものであってもよいし、ポリイミドテープなどの絶縁性テープやフィルムを貼り付けて形成したものであってもよいなど特に制限されるべきものではない。
【００８６】
［正極および負極端子板］
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質層および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常０．１〜２ｍｍ程度が望ましいといえる。
【００８７】
正極および負極端子板の材質は、通常リチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【００８８】
正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【００８９】
正極および負極端子板は、集電体と同じサイズであればよい。
【００９０】
［正極および負極リード（電流端子）］
正極および負極リードに関しては、通常のリチウムイオン電池で用いられる公知のリードを用いることができる。
【００９１】
［電池外装材（電池ケース）］
バイポーラ電池は、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、バイポーラ電池本体である電池積層体全体を電池外装材ないし電池ケース（図示せず）に収容するとよい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【００９２】
次に、本発明では、上記のバイポーラ電池を複数個接続して構成した組電池とすることができる。すなわち、本発明のバイポーラ電池を少なくとも２個以上を用いて直列および／または並列に接続して構成し組電池化することにより、高容量、高出力の電池モジュールを形成することが出来る。そのため、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、比較的安価に対応することが可能になる。
【００９３】
具体的には、例えば、上記のバイポーラ電池をＮ個並列に接続し、Ｎ個並列にしたバイポーラ電池をさらにＭ個直列にして金属製ないし樹脂製の組電池ケースに収納し、組電池とする。この際、バイポーラ電池の直列／並列接続数は、使用目的に応じて決定する。例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）など大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両の駆動用電源に適用し得るように組み合わせればよい。また、組電池用の正極端子および負極端子と、各バイポーラ電池の電極リードとは、リード線等を用いて電気的に接続すればよい。また、バイポーラ電池同士を直列／並列に接続する際には、スペーサやバスバーのような適当な接続部材を用いて電気的に接続すればよい。ただし、本発明の組電池は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。
【００９４】
本発明では、上記のバイポーラ電池および／または組電池を駆動用電源として搭載した車両とすることができる。本発明のバイポーラ電池および／または組電池は、上述のように各種特性を有し、特に、コンパクトな電池である。このため、エネルギー密度および出力密度に関して、とりわけ厳しい要求がなされる車両、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源として好適であり、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。例えば、電気自動車ないしハイブリッド電気自動車の車体中央部の座席下に組電池を駆動用電源として搭載するのが、社内空間およびトランクルームを広く取れるため便利である。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるべきものではなく、組電池ないし電池は、車両の床下、トランクルーム、エンジンルーム、屋根、ボンネットフード内などに設置することができる。なお、本発明では、組電池だけではなく、使用用途によっては、バイポーラ電池を搭載するようにしてもよいし、これら組電池とバイポーラ電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明のバイポーラ電池および／または組電池を駆動用電源として搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッド電気自動車が好ましいが、これらに制限されるものではない。
【００９５】
本発明のバイポーラ電池の製造方法としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知の各種の方法を適宜利用することができる。以下に、簡単に説明する。
【００９６】
（１）正極用組成物の塗布
まず、適当な集電体を準備する。正極用組成物は通常はスラリー（正極用スラリー）として得られ、集電体の一方の面に塗布される。
【００９７】
正極用スラリーは、正極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、電解質の原料（固体電解質用高分子ないしホストポリマー、電解液など）、支持塩（リチウム塩）およびスラリー粘度調整溶媒などが任意で含まれる。すなわち、正極用スラリーは、溶液系のリチウムイオン電池と同様に、負極活物質のほか、導電助材、電解質の原料、支持塩（リチウム塩）、スラリー粘度調整溶媒、重合開始剤等を任意で含む材料を所定の比率で混合して作製することができる。
【００９８】
電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助材、溶媒などが含まれていればよく、高分子ゲル電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電解質層に電解液を含浸させたセパレータを用いる場合も同様である。
【００９９】
電解質の高分子原料（高分子ゲル電解質の原料のホストポリマーないし高分子固体電解質の高分子原料）は、ＰＥＯ、ＰＰＯ、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基（炭素−炭素二重結合など）を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子電解質を架橋することによって、機械的強度が向上する。
【０１００】
正極活物質、導電助材、バインダ、リチウム塩、電解液に関しては、前述した化合物を用いることができる。
【０１０１】
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。
【０１０２】
ＮＭＰなどのスラリー粘度調整溶媒は、正極用スラリーの種類に応じて選択する。
【０１０３】
正極活物質、リチウム塩、導電助材、バインダの添加量は、バイポーラ電池の目的等に応じて調節すればよく、通常用いられる量を添加すればよい。重合開始剤の添加量は、電解質の高分子原料に含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は高分子原料に対して０．０１〜１質量％程度である。
【０１０４】
（２）正極層（電極形成部）の形成
正極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、正極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子固体電解質の機械的強度を高めてもよい。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された正極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は４０〜１５０℃で５分〜２０時間である。かかる乾燥処理により、集電体上に正極層（電極形成部）を形成する。
【０１０５】
（３）負極用組成物の塗布
正極層が塗布された面と反対側の面に、負極活物質を含む負極用組成物（負極用スラリー）を塗布する。
【０１０６】
負極用スラリーは、負極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、（固体電解質用高分子ないしホストポリマー、電解液など）、支持塩（リチウム塩）およびスラリー粘度調整溶媒などが任意で含まれる。使用される原料や添加量については、「（１）正極用組成物の塗布」の項での説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【０１０７】
（４）負極層（電極形成部）の形成
負極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、負極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子ゲル電解質の機械的強度を高めてもよい。この作業により、バイポーラ電極が完成する。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された負極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は４０〜１５０℃で５分〜２０時間である。かかる乾燥処理により、集電体上に負極層（電極形成部）を形成する。
【０１０８】
（５）電解質層の形成
高分子固体電解質層を用いる場合には、例えば、高分子固体電解質の原料高分子、リチウム塩等をＮＭＰのような溶媒に溶解させて調製した溶液を硬化させることによって製造される。また、高分子ゲル電解質層を用いる場合には、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合（架橋反応を促進）させることによって製造される。
【０１０９】
例えば、上記電極（正極および／または負極）上に、調製された上記溶液またはプレゲル溶液を塗布し、所定の厚さの電解質層またはその一部（電解質層厚さの半分程度の電解質膜）を形成する。その後、電解質層（膜）が積層された電極を硬化または加熱乾燥と同時に重合（架橋反応を促進）させることによって、電解質の機械的強度を高め、電解質層（膜）を製膜形成する（完成させる）。
【０１１０】
あるいは、別途、電極間に積層される電解質層またはその一部（電解質層厚さの半分程度の電解質膜）を準備する。電解質層（膜）は、上記溶液またはプレゲル溶液を、ＰＥＴフィルムなど適当なフィルム上に塗布し、硬化または加熱乾燥と同時に重合（架橋反応を促進）させることによって製造される。
【０１１１】
硬化または加熱乾燥は真空乾燥機（真空オーブン）などを用いることができる。加熱乾燥の条件は溶液またはプレゲル溶液に応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は３０〜１１０℃で０．５〜１２時間である。
【０１１２】
電解質層（膜）の厚さは、スペーサなどを用いて制御できる。光重合開始剤を用いる場合には、光透過性のギャップに流し込み、乾燥及び光重合ができるような紫外線照射装置を用いて紫外線を照射して、電解質層内のポリマーを光重合させ架橋反応を進行させて製膜するとよい。ただし、この方法に限定されないことは勿論である。重合開始剤の種類に応じて、放射線重合、電子線重合、熱重合などを使いわける。
【０１１３】
また、上記で用いるフィルムは、製造過程で８０℃程度に加熱されることもありえるため、当該温度程度での十分な耐熱性を有し、さらに溶液またはプレゲル溶液との反応性がなく、製造過程で剥離し除去する必要上、離型性に優れたものを用いるのが望ましく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンフィルムなどを使用することができるが、これらに制限されるべきものではない。
【０１１４】
なお電解質層の幅は、バイポーラ電極の集電体サイズよりも若干小さくすることが多い。
【０１１５】
上記溶液またはプレゲル溶液の組成成分やその配合量などについては、使用目的に応じて適宜決定されるべきものである。
【０１１６】
なお、電解液を染み込ませたセパレーターは、バイポーラ型でない従来の溶液系のバイポーラ電池に用いられる電解質層と同様の構成であり、従来公知の各種製造方法、例えば、電解液を染み込ませたセパレーターをバイポーラ電極に挟み込んで積層する方法や真空注液法などにより製造できるため、以下、詳しい説明は省略する。
【０１１７】
（７）バイポーラ電極と電解質層との積層
▲１▼電解質層（膜）が一面または両面に形成されたバイポーラ電極の場合には、高真空下で十分加熱乾燥してから、電解質層（膜）が形成された電極を適当なサイズに複数個切りだし、切り出された電極を直接貼り合わせて、バイポーラ電池本体（電極積層体）を作製する。
【０１１８】
▲２▼別々にバイポーラ電極と電解質層（膜）を作製した場合には、高真空下で十分加熱乾燥してから、バイポーラ電極と電解質層（膜）をそれぞれを適当なサイズに複数個切りだす。切りだされたバイポーラ電極と電解質層（膜）とを所定数張り合わせて、バイポーラ電池本体（電極積層体）を作製する。
【０１１９】
上記電極積層体の積層数は、バイポーラ電池に求める電池特性を考慮して決定される。また、正極側の最外層には、集電体上に正極層のみを形成した電極を配置する。負極側の最外層には、集電体上に負極層のみを形成した電極を配置する。バイポーラ電極と電解質層（膜）とを積層、あるいは電解質層（膜）が形成された電極を積層させてバイポーラ電池を得る段階は、電池内部に水分等が混入するのを防止する観点から、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、アルゴン雰囲気下や窒素雰囲気下でバイポーラ電池を作製するとよい。
【０１２０】
（８）絶縁部の形成
本発明では、▲１▼上記電極積層体の外周部の四辺を、外辺から所定の幅でエポキシ樹脂（前駆体溶液）中に浸漬させ、その後エポキシ樹脂を硬化させて、絶縁部を形成してもよいし、▲２▼上記（４）で得られたバイポーラ電極の周辺部の四辺を、ポリイミドテープなどの絶縁テープまたはフィルムを貼り付けて絶縁部を形成してもよいなど、絶縁部の方法、さらには形成時期に関しても、特に制限されるべきものではなく、形成方法に適した形成時期に行えばよいといえる。いずれにしても本発明では、電極周辺部の一部に、適当にマスキングしたり、テープを貼り付けない部分を設けるなどして、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分を形成すればよい。なお、本発明では、これらに制限されるものではなく、従来公知の絶縁処理技術を適宜利用することができることは言うまでもない。
【０１２１】
（９）電圧検出・容量調整用コネクタの取り付け
本発明では、電極周辺部の集電体露出部分に、電圧検出・容量調整用コネクタ３１（さらに該コネクタに外部制御回路が接続されている場合を含む）を挿入して取り付ける。
【０１２２】
各電極の集電体露出部分にコネクタを差し込む方法（製造手順）としては、例えば、集電体１箔（集電体露出部分となる部分）にコネクタ３１の切り欠き部３３を差し込みながら電極および電解質を積層した後（さらに必要があれば、コネクタ部分にマスキングを行った後）に、電極周辺部に絶縁処理を行って絶縁部２１を形成してもよいし、電極周辺部の一部を除いて絶縁処理がされた集電体１箔の集電体露出部分にコネクタ３１の切り欠き部３３を差し込んで接続しながら電極および電解質を積層してもよいし、コネクタ３１を電極積層体の集電体露出部分に差し込んでもよいなど、特に制限されるべきものではない。
【０１２３】
（１０）パッキング（電池の完成）
最後にバイポーラ電池本体（電池積層体）の両最外層上にそれぞれ、正極端子板、負極端子板を設置し、該正極端子板、負極端子板に、さらに正極リード、負極リードを接合（電気的に接続）して取り出す。正極リードおよび負極リードの接合方法としては特に制限されるべきものではないが、接合温度の低い超音波溶接等が好適に利用し得るものであるが、これに限定されるべきものではなく、従来公知の接合方法を適宜利用することができる。
【０１２４】
電池積層体全体を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池外装材ないし電池ケースで封止し、バイポーラ電池を完成させる。この際には、正極リード、負極リードおよびコネクタ（またはその配線部）を封止し、その一部を電池外部に取り出す（図７参照のこと。）。電池外装材（電池ケース）の材質は、内面がポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆された金属（アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅など）が好適である。
【０１２５】
【実施例】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。
【０１２６】
実施例１
＜電池の製造＞
１．正極層の形成
正極活物質として平均粒子径２μｍのスピネルＬｉＭｎ2Ｏ4［４１．７質量％］、導電助材としてアセチレンブラック［８．３質量％］、高分子電解質の原料の、ホストポリマーとして、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合体（共重合比が５：１、重量平均分子量が８０００のものを用いた。）［３３．３質量％］、支持塩（リチウム塩）として、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ［１６．７質量％］、スラリー粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）（ＮＭＰは、電極乾燥時にすべて揮発させて除去するので、電極の構成材料ではなく、適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。）および熱重合開始剤としてＡＩＢＮ（ホストポリマー量に対して１０００質量ｐｐｍ）からなる材料を上記比率（スラリー粘度調整溶媒および熱重合開始剤を除く成分で換算した比率を示す。）にて混合して正極スラリーを作製した。
【０１２７】
集電体であるＳＵＳ箔（厚さ２０μｍ）の片面に上記正極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、１２０℃で１０分間乾燥と同時に熱重合により硬化させて乾燥厚さ５０μｍの正極層を形成した。
【０１２８】
２．負極層の形成
負極活物質としてＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12［２１．８質量％］、導電助材としてアセチレンブラック［８．４質量％］、高分子電解質の原料のホストポリマーとして、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合体（共重合比が５：１、重量平均分子量が８０００のものを用いた。）［４２．１質量％］、支持塩（リチウム塩）として、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ［２１．３質量％］、スラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰ（ＮＭＰは、電極乾燥時にすべて揮発させて除去するので、電極の構成材料ではなく、適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。）および熱重合開始剤としてＡＩＢＮ（ホストポリマー量に対して１０００質量ｐｐｍ）からなる材料を上記比率（スラリー粘度調整溶媒および熱重合開始剤を除く成分で換算した比率を示す。）にて混合して負極スラリーを作製した。尚、負極活物質に用いたＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12の二次粒子の平均粒径は１０μｍで、０．２〜０．５μｍの一次粒子がある程度ネッキングした構造になっていた。
【０１２９】
正極層を形成したＳＵＳ箔の反対面に、上記負極スラリーを塗布し、真空オーブンに入れ、１２０℃で１０分間乾燥と同時に熱重合により硬化させて乾燥厚さ５０μｍの負極層を形成した。
【０１３０】
集電体であるＳＵＳ箔の両面に正極層と負極層がそれぞれ形成されることにより、バイポーラ電極が形成された。
【０１３１】
３．絶縁部の形成
バイポーラ電極の周囲にポリイミドテープを貼り、絶縁部を形成した。その一部（電極の一片の中央部；図５（ａ）参照のこと。）に、テープを貼らず集電体を露出させた。
【０１３２】
４．高分子電解質（層）膜の形成
正極、負極をそれぞれ両面に形成したバイポーラ電極の、正極、負極、それぞれの面に厚さ５０μｍの電解質膜を積層した。
【０１３３】
高分子電解質膜の作製は、次のように行った。下記の高分子原料を５３質量％、リチウム塩としてＬｉＮ（ＳＯ2Ｃ2Ｆ5）2を２６質量％、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタールを高分子原料の０．１質量％加えて、溶媒としてドライアセトニトリル用いて溶液を調製したあとアセトニトリルを真空蒸留で除いた。テフロン（登録商標）スペーサーを用いて厚さを規定し、正極層、負極層をそれぞれ両面に形成したバイポーラ電極の正極層上にこの粘性の高い溶液を満たし、紫外線を２０分間照射して光重合（架橋）した。膜を取り出して、真空容器に入れて９０℃にて１２時間高真空下で加熱乾燥して残留水分と溶媒を除き、厚さ５０μｍの電解質膜を形成した。同様に、バイポーラ電極の、負極層上にも上記粘性の高い溶液を満たし、紫外線を２０分間照射して光重合（架橋）した。膜を取り出して、真空容器に入れて９０℃にて１２時間高真空下で加熱乾燥して残留水分と溶媒を除き、厚さ５０μｍの電解質膜を形成した。
【０１３４】
高分子原料には、文献（J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.）の方法に従って合成したポリエーテル形のネットワーク高分子原料を用いた。
【０１３５】
５．バイポーラ電池の形成
電解質膜を形成したバイポーラ電極を、正極と負極が電解質を挟んで対向するように積層して、単電池層を形成した。
【０１３６】
単電池層が５層（単電池層５セル分）形成されるように電極を積層して電池積層体とした。
【０１３７】
電極積層後に、この電池積層体の集電体露出部に電圧検知用コネクタを接続した（図７参照のこと。）。電圧検知用コネクタの端子が電池外に露出するように全体をラミネートパックで封止し、バイポーラ電池を構成した。なお電極リード（電流端子）は、図７に示すように、電圧検知用コネクタの取り出し側と対向する辺の電池外装材から外部に取り出した。
【０１３８】
比較例１
バイポーラ電極の周囲全体にポリイミドテープを貼り、絶縁部を形成して集電体露出部を設けず、かつ電圧検知用コネクタを取り付けなかった以外は実施例１と同様にして５層（単電池層５セル分）積層した電池積層体をラミネートパック（アルミニウムをポリプロピレンフィルムでラミネートしたもの；電池外装材）で封止してバイポーラ電池を形成した。電極リード（電流端子）を電池外装材から外部に取り出した。
【０１３９】
＜評価＞
実施例１のバイポーラ電池の電圧検知用コネクタに、電池が満充電電圧に達したら電流をバイパスする容量調整回路（充電制御回路）を接続した電池と、比較例１の電圧検知用コネクタおよび、容量調整回路をもたないバイポーラ電池について、充放電サイクル試験を行った。比較例１のバイポーラ電池は、２０サイクル後の各単電池層の容量が、最も大きいものと最も小さいもので、１８％の差が生じていた。それに対し、実施例１のバイポーラ電池の各単電池層の容量バラツキは、３％以内に収まっていた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のバイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図２】 本発明のバイポーラ電池を構成する単電池層（単セル）の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図３】 本発明のバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図４】 本発明のバイポーラ電池の基本構成を模式的に表わしてなる概略図である。
【図５】 電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分を設けてなるバイポーラ電池の概略平面図である。
【図６】 図６（ａ）は、該電極周辺部の集電体露出部分に、電池外部から内部に挿入して接続するための電圧検出・容量調整用コネクタの電池内に入る側の概略斜視図であり、図６（ｂ）は該電圧検出・容量調整用コネクタの電池外に出る側の概略図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）のＡ−Ａ線階段断面概略図である。
【図７】 図７は、図６のコネクタを図５の電極周辺部の集電体露出部分に接続した状態を表す電池の概略斜視図である。
【図８】 図８（ａ）は、各電極から電圧検出・容量調整用の端子を電池外装材の外部に取り出した場合の電池の概略平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の電圧検出・容量調整用の端子として、集電体１の一部を延長して外部に露出するまで延長した例を表す概略平面図である。図８（ｃ）は、各電極から電圧検出・容量調整用の端子を電池外装材の外部に取り出して外部制御回路（充電制御回路）である電圧検出・電流バイパス回路に接続した状態を表す電池を表す概略説明図である
【符号の説明】
１…集電体（金属箔）、
２…正極層、
３…負極層、
４…電解質層（電解質膜）、
５…バイポーラ電極、
５ａ…集電体の必要な片面のみに正極層を配置した電極、
５ｂ…集電体の必要な片面のみに負極層を配置した電極、
６…単電池層（単セル）、
７…電極積層体、
８…正極リード（電流端子）、
９…負極リード（電流端子）、
１０…電池外装材、
１０’…電池外装材周囲のシール部分、
１１…バイポーラ電池、
１７…電圧検出・容量調整用の端子、
２１…絶縁部、
２３…絶縁部のない集電体露出部分、
３１…電圧検出・容量調整用コネクタ、
３３…切り欠き部、
３５…ピン穴、
３７…コネクタ内の接続部、
４１…電圧検出・電流バイパス回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipolar battery in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed on both sides of a current collector.
[0002]
[Prior art]
In recent years, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired for environmental protection. In the automobile industry, there are high expectations for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and we are eager to develop secondary batteries for motor drives that hold the key to their practical application. Has been done. As a secondary battery, attention is focused on a lithium ion secondary battery that can achieve a high energy density and a high output density. However, in order to apply to an automobile, it is necessary to use a plurality of secondary batteries connected in series in order to ensure a large output.
[0003]
However, when a battery is connected via the connection portion, the output is reduced due to the electrical resistance of the connection portion. Further, the battery having the connection portion has a disadvantage in terms of space. That is, the connection portion causes a reduction in the output density and energy density of the battery.
[0004]
In order to solve this problem, a bipolar battery using a bipolar electrode in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are arranged on both sides of a current collector has been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0005]
Among these, bipolar batteries using a polymer solid electrolyte as the electrolyte do not contain a solution (electrolyte) in the battery, so there is no risk of liquid leakage or gas generation, high reliability, and structurally. It is expected to provide a bipolar battery that does not require a hermetic seal. In addition, a bipolar battery using a polymer gel electrolyte as an electrolyte is expected to be a bipolar battery closest to the practical stage because it has excellent ionic conductivity and sufficient battery output density and energy density.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-1000047
[Patent Document 2]
JP-A-11-204136
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a bipolar battery, since the electrodes are stacked in series within the battery, if there are variations in capacity and internal resistance between the single battery layers, the capacity (voltage) between the single battery layers can be reduced by repeating charging and discharging. ) Will vary.
[0008]
Further, in order to solve the above problem, as shown in FIG. 8 (c), a terminal 17 for voltage detection / capacitance adjustment is taken out from each electrode to the outside of the battery outer packaging material 10, and an external control circuit (charging control circuit) is obtained. It is also conceivable that the voltage of each cell layer 6 is individually detected and the capacity is adjusted by connecting to the voltage detection / current bypass circuit 41. As the voltage detection / capacitance adjustment terminal 17, for example, as shown in FIG. 8B, a part of the current collector 1 may be extended to be exposed to the outside.
[0009]
However, in order to ensure a large output as a power source for driving an EV or HEV motor, it is necessary to increase the number of electrode layers connected in series in the battery. Therefore, in the bipolar battery 11, the number of voltage detection / capacitance adjustment terminals 17 for individually detecting the voltage of each cell layer and adjusting the capacity is increased. For example, when the number of stacked electrodes is 30 to 40 layers (10 layers or more), it becomes a ghost of terminals (a lot of terminals), and it is difficult to take out from only one piece of battery as shown in FIG. As a result, the structure around the terminal portion of the bipolar battery 11 becomes complicated, and the seal of the terminal take-out portion (see the circled portion in the figure) of the seal portion 10 ′ around the battery exterior material 10. A new problem arises in that it becomes sweet (sealability is reduced).
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to detect the voltage of each single cell layer in the battery and adjust the capacity without complicating the structure of the battery or impairing the sealing performance of the battery. A bipolar battery and a control method thereof are provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a bipolar lithium ion secondary battery in which a plurality of bipolar electrodes each having a positive electrode formed on one surface of a current collector and a negative electrode formed on the other surface are stacked in series with an electrolyte interposed therebetween. This can be achieved by a bipolar battery characterized in that a part of the part has a part where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment.
[0012]
【The invention's effect】
In the bipolar battery of the present invention, since there is a portion where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment in a part of the peripheral portion of the electrode, a connector for voltage detection / capacitance adjustment is connected to this portion from the outside. can do. Therefore, there is no need to take out a voltage detection / capacitance adjustment terminal from each electrode, and the battery structure is not complicated. In addition, it is not necessary to seal a large number of voltage detection / capacity adjustment terminals, and only the voltage detection / capacity adjustment connector taken out of the battery exterior material needs to be sealed. Absent. Further, by connecting the connector to an external control circuit, the voltage of each single cell layer in the battery can be detected, and the capacity of each single cell layer can be adjusted. As a result, it can be a power source useful in various industries including a driving power source such as EV and HEV.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
The bipolar battery according to the present invention is a bipolar lithium ion secondary battery in which a plurality of bipolar electrodes each having a positive electrode formed on one surface of a current collector and a negative electrode formed on the other surface are stacked in series with an electrolyte interposed therebetween. In
A part of the peripheral portion of the electrode is characterized in that there is a portion where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment.
[0015]
First, the outline of the basic configuration of the bipolar battery of the present invention will be briefly described with reference to the drawings. Among these, FIG. 1 shows a schematic sectional view schematically showing the structure of the bipolar electrode constituting the bipolar battery, and FIG. 2 schematically showing the structure of the single cell layer constituting the bipolar battery. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the overall structure of the bipolar battery. FIG. 4 shows a plurality of unit cell layers stacked in the bipolar battery connected in series. A schematic diagram conceptually representing this (symbolized) is shown.
[0016]
1-4, a bipolar electrode 5 (see FIG. 1) having a positive electrode layer 2 on one side of a current collector 1 and a negative electrode layer 3 on the other side, and an electrolyte The electrode layers 2 and 3 of the bipolar electrode 5 adjacent to each other with the layer 4 interposed therebetween are opposed to each other. That is, in the bipolar battery 11, a plurality of bipolar electrodes (electrode layers) 5 having the positive electrode layer 2 on one surface of the current collector 1 and the negative electrode layer 3 on the other surface are disposed via the electrolyte layer 4. The electrode laminate (bipolar battery main body) 7 having a laminated structure is formed.
[0017]
In addition, the uppermost layer and the lowermost layer electrodes 5a and 5b of the electrode laminate 7 in which a plurality of such bipolar electrodes 5 and the like are laminated may not have a bipolar electrode structure, and are necessary for the current collector 1 (or terminal plate). It is good also as a structure which has arrange | positioned the electrode layer (the positive electrode layer 2 or the negative electrode layer 3) of only one side (refer FIG. 3). In the bipolar battery 11, positive and negative electrode leads (current terminals) 8 and 9 are joined to the current collectors 1 at the upper and lower ends, respectively.
[0018]
Furthermore, in order to prevent the current collectors 1 from contacting each other, the electrolyte solution from leaking out from the electrolyte layer, or short-circuiting due to slight unevenness of the end of the laminated electrode, Except for a part of them, an insulating part is formed by an insulating process. In addition, the point that the insulating process is not performed on a part of each electrode peripheral part will be described in detail in the characteristic part of the present invention.
[0019]
The number of stacked bipolar electrodes is adjusted according to the desired voltage. If sufficient output can be ensured even if the thickness of the sheet-like battery is made as thin as possible, the number of laminated bipolar electrodes may be reduced.
[0020]
Further, in the bipolar battery 11 of the present invention, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the electrode laminate 7 portion is sealed under reduced pressure in a battery exterior material (exterior package) 10, and electrode leads 8, It is preferable that 9 be taken out of the battery exterior material (exterior package) 10 (see FIGS. 3 and 4). A voltage detection / capacitance adjustment connector, which will be described later, or a wiring portion of an external control circuit (for example, a charge control circuit) connected to the connector is also taken out of the battery exterior material (exterior package) (this book) This will be described in the characterizing portion of the invention.) From the viewpoint of reducing the weight of the battery, a conventionally known polymer-metal composite laminate film such as an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is covered with an insulator such as a polypropylene film. And the electrode laminate 7 is housed and sealed under reduced pressure (sealing) by joining a part or all of the peripheral part thereof by heat fusion, and the electrode leads 8 and 9 (moreover, It is preferable that the voltage detection / capacitance adjustment connector or the wiring portion of the external control circuit be taken out of the battery outer packaging material 10. As shown in FIG. 4, the basic configuration of the bipolar battery 11 can be said to be a configuration in which a plurality of stacked single battery layers (single cells) 6 are connected in series.
[0021]
The bipolar battery of the present invention is suitably used for a bipolar lithium ion secondary battery in which charging / discharging is mediated by movement of lithium ions. This is because the cell voltage is higher than that of a normal non-bipolar lithium-ion secondary battery, and a battery with excellent output characteristics can be configured. This is because the power density can be achieved. However, as long as effects such as improvement of battery characteristics can be obtained, application to other types of batteries is not prevented.
[0022]
Next, characteristic portions of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a schematic plan view of a bipolar battery in which a portion where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment is provided in part of the periphery of the electrode. FIG. 6 (a) is a schematic perspective view of a voltage detection / capacity adjustment connector for entering a battery into an exposed portion of the current collector at the periphery of the electrode and connecting it from the outside to the inside of the battery. 6 (b) is a schematic view of the voltage detection / capacitance adjustment connector on the side of the battery going out of the battery, and FIG. 6 (c) is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 6 (b). . 7 is a schematic perspective view of the battery showing a state in which the connector of FIG. 6 is connected to the current collector exposed portion in the electrode peripheral portion of FIG.
[0023]
In the present invention, as described in FIGS. 1 to 4, the bipolar electrode 5 in which the positive electrode layer 2 is formed on one surface of the current collector 1 and the negative electrode layer 3 is formed on the other surface is used as the electrolyte layer 4. In the bipolar lithium ion secondary battery 11 stacked in series with a plurality of sandwiches, as shown in FIG. 5, the current collector 1 does not have an insulating portion 21 formed by an insulating process at a part of the periphery of the electrode. Is exposed (also referred to as a current collector exposed portion in this specification) 23.
[0024]
The electrode here refers to the bipolar electrode 5a, the bipolar electrode 5a in which the positive electrode layer 2 is arranged only on one side of the current collector 1, or the electrode in which the negative electrode layer 3 is arranged only on the one side of the current collector 1 5b may be included.
[0025]
The insulating part 21 formed by performing an insulating process except for a part of the peripheral part of the electrode is formed by using a conventionally known insulating process method. For example, an insulating tape or a film such as a polyimide tape is pasted. However, the present invention is not limited to these, and those formed by injecting, impregnating, or immersing an insulating resin or the like around each electrode.
[0026]
Further, it is desirable that the current collector exposed portion 23 be provided at the same location in the periphery of each electrode so that the voltage detection / capacitance adjustment connector 31 can be easily connected.
[0027]
The current collector exposed portion 23 may be formed anywhere on the periphery of the electrode. 5A and 7 show examples in which the positive electrode and the negative electrode lead (current terminal) 8 and 9 are provided on the side facing the extraction side, but the present invention is not limited to this. The negative electrode leads (current terminals) 8 and 9 may be provided on the same side as the extraction side, or the positive and negative electrode leads (current terminals) 8 and 9 may be provided on the long side adjacent to the extraction side. Preferably, it is desirable to provide it at the position shown in FIG. 5A so that wiring outside the battery is not complicated.
[0028]
Further, the width of the current collector exposed portion 23 may be determined in consideration of the capacity of the single cell layer, the increase in the connector weight by increasing the width, the effect of reducing the resistance between the connectors and the ease of insertion. .
[0029]
In the bipolar battery of the present invention, as shown in FIG. 7, a voltage detection / capacitance adjustment connector (terminal connected to each electrode is inserted into the current collector exposed portion 23 around the electrode from the outside of the battery. (Connector for voltage detection / capacitance adjustment). Depending on the purpose of use and usage, there may be provided (manufactured or sold) a battery connected only to the voltage detection / capacity adjustment connector, and the voltage detection / capacity adjustment connector is an external control circuit. This is because a battery connected with a voltage detection / current bypass circuit (charge control circuit) may be provided (manufactured and sold) in some cases. For example, when the former is used in the form of an assembled battery, which will be described later, as a power source for an EV or HEV drive motor, it is uneconomical to replace the entire assembled battery when only one battery is defective. When exchanging batteries individually, it is excellent in that the replacement battery cost can be reduced when a defective battery is removed from the external control circuit and replaced with a new battery. In the latter case, the thick connector 31 is sealed by removing the wiring portion (for example, film wiring) in which the external control circuit is connected to the voltage detection / capacitance adjustment connector 31 from the battery exterior material 10. Instead, it is only necessary to seal the film-like wiring portion, which is excellent in that a battery with better sealing performance can be provided.
[0030]
In the battery 11 to which the voltage detection / capacity adjustment connector 31 is connected, the voltage detection / current bypass circuit side (charge control) of each cell layer as an external control circuit is inserted into the pin hole (or pin) 35 of the connector 31. By connecting a connector (not shown) provided at the wiring end of the circuit), it is possible to detect the voltage of each cell layer and adjust the capacity of each cell layer. The same applies to a battery connected to the voltage detection / capacity adjustment connector 31 to which a voltage detection / current bypass circuit (charge control circuit) is previously attached as described above.
[0031]
When connecting the voltage detection / capacity adjustment connector 31 on the battery side to the connector (not shown) provided at the wiring end on the voltage detection / current bypass circuit (charge control circuit) side, The voltage detection / capacitance adjustment connector 31 is preferably a female type. This is the same reason that the normal power supply side is a female type. That is, in the male model, pins may come into contact with each other, leading to a short circuit of the battery, and an increased risk of electric shock when handling the battery in a charged state.
[0032]
As shown in FIG. 6, the voltage detection / capacity adjustment connector used in the present invention has a current collector foil (current collector exposed portion) as a terminal connected to each electrode on the side entering the battery. A notch 33 for insertion is formed, and a pin hole (or a voltage detection / current bypass circuit (charging control circuit) side connector, which is an external control circuit, can be connected to the outside of the battery. Pins 35 are formed, and each notch (terminal) portion 33 and each pin hole 35 are electrically connected individually. A highly conductive material such as copper may be used for the notch 33, the pin hole (or pin) 35, and the connecting portion 37 between them, and an insulating material such as an insulating resin may be used for the other connector bodies. . However, as long as the purpose of use as a voltage detection / capacitance adjustment connector in the present invention (simplification of the voltage detection terminal, improvement in sealing properties, etc.) can be achieved, there is no limitation to those exemplified above. It shouldn't be.
[0033]
The shape of the voltage detection / capacitance adjustment connector 31 is not particularly limited, and the side that goes out of the battery may be shaped according to the connector (commercially available) on the external control circuit side. In addition to the shape shown in Fig. 6 (a), the side to be inserted into the battery is also shifted so that it can be confirmed that it has been inserted into the correct position when it is inserted into the current collector exposed portion of each electrode. The shape is not particularly limited as long as the object of the present invention can be achieved. To confirm that each electrode was inserted into the correct position of the current collector exposed portion, connect the test connector to the voltage detection / capacitance adjustment connector and monitor the open circuit voltage of the single cell layer in turn. You may be able to insert it at once or insert it all at once.
[0034]
Note that the interval between the insertion portions of the voltage detection / capacity adjustment connector may be determined according to the electrode layer interval of the corresponding battery.
[0035]
Next, as a bipolar battery control method according to the present invention, the voltage of each single cell layer in the battery is individually detected via the voltage detection / capacity adjustment connector 31, and the voltage of each layer is set to a predetermined charge during charging. When the voltage reaches the end voltage, a current is passed through a current bypass circuit (charge control circuit) which is an external control circuit, so that the state of charge of each cell layer is made uniform. Thereby, the voltage of each cell layer can be detected, and the capacity of each cell layer can be adjusted. For this reason, since the electrodes are stacked in series in the battery, even if there are variations in capacity and internal resistance between the single cell layers, it is necessary to repeat charging and discharging. Since the battery can be charged up to the end-of-charge voltage, the charging voltage (capacity) of each cell layer can be made uniform. Therefore, even if a variation occurs in each cell layer during discharging, this can always be corrected (homogenized) by using an external control circuit via the connector 31 at the time of next charging. Capacitance variation can always be controlled to a minimum.
[0036]
Further, as will be described later, a motor drive comprising an assembled battery in which a plurality of bipolar batteries 11 are connected (in series and / or in parallel), and if necessary, a plurality of the assembled batteries are connected in series (and / or in parallel). A lot of batteries are used in power supplies. Therefore, the number of unit cell layers connected in series in the battery is very large in the whole power supply, and therefore it is difficult to suppress variations in capacity and internal resistance between these unit cell layers, and the yield is also deteriorated. On the other hand. The control method of the present invention can tolerate some variation in the capacity and internal resistance between the single cell layers, and can be said to be an extremely useful method.
[0037]
As for the voltage detection / current bypass circuit which is the external control circuit described above, for example, a conventionally known one such as a combination of a Zener diode voltage regulator and an IC can be applied, but should be limited to these. It is not a thing. In the present invention, as described above, the voltage of each single cell layer is individually detected, and when the voltage of each layer reaches a predetermined end-of-charge voltage (usually set to a full charge voltage) during charging, current bypass is performed. A voltage detection / current bypass circuit, which is an external control circuit set to allow current to flow through the circuit, may be attached. That is, when a predetermined charging voltage is reached, supply of charging current to the cell layer is stopped, current is supplied to an external current bypass circuit (capacity adjustment circuit), and further charging (overcharge) of the cell layer is performed. What is necessary is just to design an external control circuit so that it may not be performed. Thereby, even if there is a variation in the charging time of each cell layer due to variations in initial capacity, internal resistance, post-discharge capacity (voltage), etc., the state of charge of each cell layer can be made uniform. Therefore, it can suppress that the dispersion | variation in the capacity | capacitance (voltage) of single cell layers increases gradually by repeating charging / discharging. As a result, the lifetime of the entire battery can be increased. In the present invention, the voltage detection / current bypass circuit, which is an external control circuit, further has a current in the current bypass circuit when necessary when the voltage of each single cell layer reaches the specified cutoff voltage even during discharge. Needless to say, it may be controlled so that the battery life can be further extended, such as by attaching a control circuit that can prevent over-discharge by flowing the battery.
[0038]
As described above, the current collector exposed portion, which is a characteristic part of the present invention, the configuration of the battery in which the voltage detection / capacitance adjustment connector is connected to the current collector exposed portion, and the capacity adjustment by detecting the voltage of the battery via the connector However, the bipolar battery of the present invention and other components of the control method are not particularly limited, and those of conventionally known bipolar batteries can be widely applied. is there.
[0039]
Hereinafter, although it demonstrates easily for every component of the bipolar lithium ion secondary battery of this invention, it cannot be overemphasized that this invention should not be restrict | limited to these at all.
[0040]
[Current collector]
The current collector that can be used in the present invention is not particularly limited, and conventionally known ones can be used. For example, aluminum foil, stainless steel foil, clad material of nickel and aluminum, copper and aluminum A clad material or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a current collector in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded 2 or more metal foil depending on the case. From the viewpoint of corrosion resistance, ease of production, economy, etc., it is preferable to use an aluminum foil as a current collector.
[0041]
Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.
[0042]
[Positive electrode layer]
The positive electrode layer includes a positive electrode active material. In addition to this, a conductive additive for enhancing electron conductivity, a binder, a polymer electrolyte, a lithium salt for enhancing ion conductivity, and the like may be included.
[0043]
As the positive electrode active material, a composite oxide of lithium and transition metal (lithium-transition metal composite oxide) can be suitably used. Specifically, LiCoO 2 Li / Co complex oxides such as LiNiO 2 Li / Ni based complex oxide such as spinel LiMn 2 O Four Li · Mn based complex oxide such as LiFeO 2 Li / Fe composite oxides such as those obtained by substituting some of these transition metals with other elements can be used. These lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability and are low-cost materials. Therefore, using these materials for the electrodes is advantageous in that a battery having excellent output characteristics can be formed. In addition, LiFePO Four Transition metal and lithium phosphate compounds and sulfuric acid compounds; V 2 O Five , MnO 2 TiS 2 , MoS 2 , MoO Three Transition metal oxides and sulfides such as PbO 2 , AgO, NiOOH and the like.
[0044]
In order to reduce the electrode resistance of the bipolar battery, the positive electrode active material may have a particle diameter smaller than that generally used in a solution type lithium ion battery. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material fine particles is preferably 0.1 to 5 μm.
[0045]
Examples of the conductive aid include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not necessarily limited to these.
[0046]
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide, or the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.
[0047]
When a polymer solid electrolyte is used for the electrolyte layer, it is desirable that the polymer layer electrolyte is also contained in the positive electrode layer. This is because, by filling the space between the positive electrode active materials in the positive electrode layer with the polymer solid electrolyte, the ion conduction in the positive electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0048]
On the other hand, when the separator is impregnated with a polymer gel electrolyte or electrolyte solution in the electrolyte layer, the positive electrode layer may not contain an electrolyte, and a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles to each other is included. It only has to be.
[0049]
The polymer for the polymer solid electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. Such polyalkylene oxide polymer is LiBF. Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Lithium salt such as can be dissolved well. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure. In the present invention, the polymer solid electrolyte is contained in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. However, in order to further improve the battery characteristics of the bipolar battery, it is preferable to be included in both.
[0050]
As the lithium salt, LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Or a mixture thereof. However, it is not necessarily limited to these.
[0051]
The polymer gel electrolyte is a solid polymer electrolyte having ion conductivity containing an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery. Further, in the polymer skeleton having no lithium ion conductivity, In addition, a liquid holding a similar electrolytic solution is also included.
[0052]
Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any one that is usually used in a lithium ion battery. For example, LiPF 6 , LiBF Four LiClO Four , LiAsF 6 , LiTaF 6 LiAlCl Four , Li 2 B Ten Cl Ten Inorganic acid anion salt such as LiCF Three SO Three , Li (CF Three SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 Including at least one lithium salt (electrolyte salt) selected from organic acid anion salts such as N; cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chains such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate Carbonates; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; Esters such as methyl propionate; Amides such as dimethylformamide; Organic solvents (plasticizers) such as aprotic solvents mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate We can use what we used However, it is not necessarily limited to these.
[0053]
For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. are used as the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte. it can. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity, and thus can be a polymer having the above ionic conductivity, but here, they are used for a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
[0054]
Examples of the lithium salt include LiPF. 6 , LiBF Four LiClO Four , LiAsF 6 , LiTaF 6 LiAlCl Four , Li 2 B Ten Cl Ten Inorganic acid anion salts such as Li (CF Three SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 An organic acid anion salt such as N or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.
[0055]
The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use, but is in the range of 2:98 to 90:10. In other words, the leakage of the electrolyte from the outer peripheral portion of the electrode layer can be effectively sealed by making the outer peripheral portion of the gel electrolyte layer of the present invention appropriately longer than the end portion of the electrode as described in FIG. can do. Therefore, it is possible to give priority to battery characteristics relatively with respect to the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte.
[0056]
The amount of positive electrode active material, conductive additive, binder, polymer electrolyte (host polymer, electrolyte, etc.) and lithium salt in the positive electrode layer depends on the intended use of the battery (output priority, energy priority, etc.) and ion conductivity. It should be decided in consideration. For example, when the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too small, the ion conduction resistance and the ion diffusion resistance in the positive electrode layer are increased, and the battery performance is deteriorated. On the other hand, when the amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery is lowered. Therefore, in consideration of these factors, the polymer gel electrolysis mass suitable for the purpose is determined.
[0057]
The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.) and ion conductivity as described for the blending amount. A typical positive electrode layer has a thickness of about 10 to 500 μm.
[0058]
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer includes a negative electrode active material active material. In addition to this, a conductive additive for enhancing electron conductivity, a binder, a polymer electrolyte (host polymer, electrolyte, etc.), a lithium salt for enhancing ion conductivity, and the like may be included.
[0059]
When a polymer solid electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is desirable that the negative electrode layer also contains the polymer solid electrolyte. This is because, by filling the gap between the negative electrode active materials in the negative electrode layer with the polymer solid electrolyte, the ionic conduction in the negative electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0060]
On the other hand, when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, the negative electrode layer may not contain the polymer electrolyte, and may contain a conventionally known binder that binds the negative electrode active material fine particles to each other. . Except for the type of the negative electrode active material, the contents are basically the same as those described in the section “Positive electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here.
[0061]
As the negative electrode active material, a negative electrode active material that is also used in a solution-type lithium ion battery can be used. Specifically, carbon, metal oxide, lithium-metal composite oxide, and the like can be used, and carbon or lithium-transition metal composite oxide is preferable. These carbon or lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability and are low-cost materials. Therefore, a battery having excellent output characteristics can be formed by using these materials for electrodes. As the lithium-transition metal composite oxide, for example, Li Four Ti Five O 12 Lithium-titanium composite oxide such as can be used. Moreover, as carbon, for example, graphite, graphite, hard carbon, soft carbon and the like can be used.
[0062]
[Electrolyte layer]
Therefore, the present invention can be applied to any of (a) a polymer gel electrolyte, (b) a polymer solid electrolyte, or (c) a separator impregnated with an electrolyte, depending on the purpose of use. .
[0063]
(B) Polymer gel electrolyte
The polymer gel electrolyte is not particularly limited, and those used in conventional gel electrolyte layers can be appropriately used. Here, the gel electrolyte refers to one in which an electrolytic solution is held in a polymer matrix. In the present invention, the difference between an all solid polymer electrolyte (also simply referred to as a polymer solid electrolyte) and a gel electrolyte is as follows.
[0064]
A gel electrolyte is an all-solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide (PEO) containing an electrolytic solution used in a normal lithium ion battery.
[0065]
A gel electrolyte is also one in which an electrolytic solution is held in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity, such as polyvinylidene fluoride (PVDF).
[0066]
-The ratio of the polymer constituting the gel electrolyte (also referred to as host polymer or polymer matrix) to the electrolytic solution is wide. When 100% by mass of the polymer is the total solid polymer electrolyte and 100% by mass of the electrolytic solution is the liquid electrolyte, the intermediate All bodies are gel electrolytes.
[0067]
A host polymer of the gel electrolyte is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. Preferably, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene glycol (PEG ), Polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) (PMMA), and copolymers thereof are preferred, and the solvents include ethylene carbonate (EC), propylene Carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and mixtures thereof are desirable.
[0068]
The electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) of the gel electrolyte is not particularly limited, and conventionally known ones can be used. Specifically, any material that is normally used in lithium ion batteries may be used. For example, LiPF 6 , LiBF Four LiClO Four , LiAsF 6 , LiTaF 6 LiAlCl Four , Li 2 B Ten Cl Ten Inorganic acid anion salt such as LiCF Three SO Three , Li (CF Three SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 Including at least one lithium salt (electrolyte salt) selected from organic acid anion salts such as N; cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chains such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate Carbonates; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; Esters such as methyl propionate; Amides such as dimethylformamide; Organic solvents (plasticizers) such as aprotic solvents mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate We can use what we used However, it is not necessarily limited to these.
[0069]
The ratio of the electrolytic solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. The present invention is particularly effective for a gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.
[0070]
In the present invention, the amount of the electrolyte contained in the gel electrolyte may be substantially uniform inside the gel electrolyte, or may be decreased in an inclined manner from the central portion toward the outer peripheral portion. . The former is preferable because reactivity can be obtained in a wider range, and the latter is preferable in that the sealing property of the all solid polymer electrolyte portion in the outer peripheral portion with respect to the electrolytic solution can be improved. When decreasing gradually from the central part toward the outer peripheral part, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO) and copolymers thereof having lithium ion conductivity are used as the host polymer. It is desirable.
[0071]
(B) Polymer solid electrolyte
The all solid polymer electrolyte is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. Specifically, it is a layer composed of a polymer having ion conductivity, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity. Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to ensure ionic conductivity. As the lithium salt, LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Or a mixture thereof. However, it is not necessarily limited to these. Polyalkylene oxide polymers such as PEO and PPO are LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Lithium salt such as can be dissolved well. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure.
[0072]
(C) Separator soaked with electrolyte
As the electrolytic solution that can be infiltrated into the separator, the same electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte of the positive electrode layer described above can be used. Omitted.
[0073]
The separator is not particularly limited, and a conventionally known separator can be used. For example, a porous sheet made of a polymer that absorbs and holds the electrolytic solution (for example, a polyolefin microporous material). Separator etc.) can be used. The polyolefin microporous separator having the property of being chemically stable to an organic solvent has an excellent effect that the reactivity with the electrolyte (electrolytic solution) can be kept low.
[0074]
Examples of the polymer material include polyethylene (PE), polypropylene (PP), a laminate having a three-layer structure of PP / PE / PP, and polyimide.
[0075]
The thickness of the separator cannot be unambiguously defined because it varies depending on the intended use. However, in the case of a secondary battery for driving a motor such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV), a single layer is used. Or it is desirable that it is 4-60 micrometers in a multilayer. The mechanical strength in the thickness direction is desirable because the thickness of the separator is within such a range, and it is desirable to narrow the gap between the electrodes for high output and prevention of short-circuiting caused by fine particles entering the separator. And there is an effect of ensuring high output performance. In addition, when a plurality of batteries are connected, the electrode area increases, so that it is desirable to use a thick separator in the above range in order to increase the reliability of the battery.
[0076]
The fine pore diameter of the separator is desirably 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm). Due to the fact that the average diameter of the micropores in the separator is within the above range, the “shutdown phenomenon” that the separator melts due to heat and the micropores close quickly occurs, resulting in higher reliability during abnormalities, resulting in heat resistance. Has the effect of improving. In other words, when the battery temperature rises due to overcharging (in an abnormal state), the “shutdown phenomenon” that the separator melts and closes the micropores occurs quickly, so that the positive electrode (+) of the battery (electrode) Li ions cannot pass through to the negative electrode (−) side, and no further charge is possible. As a result, overcharging cannot be performed and overcharging is eliminated. As a result, the heat resistance (safety) of the battery is improved, and it is possible to prevent gas from being released and the heat fusion part (seal part) of the battery exterior material from being opened. Here, the average diameter of the micropores of the separator is calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.
[0077]
The separator preferably has a porosity of 20 to 50%. The separator's porosity is within the above range, preventing output from being reduced due to the resistance of the electrolyte (electrolyte), and preventing the short circuit caused by fine particles penetrating the separator's pores (micropores). It has the effect of securing both sexes. Here, the porosity of the separator is a value obtained as a volume ratio from the density of the raw material resin and the density of the separator of the final product.
[0078]
The amount of the electrolytic solution impregnated in the separator may be impregnated to the range of the liquid retention capacity of the separator, but may be impregnated beyond the liquid retention capacity range. This can prevent impregnation of the electrolyte from the electrolyte layer by injecting a resin into the electrolyte seal portion, and therefore can be impregnated as long as the electrolyte layer can be retained. When the electrolyte is injected into the electrolyte seal portion, the electrolyte port is left between the electrodes (one for each location; the exposed portion of the current collector before insertion of the connector may be used). From here, after pouring by a vacuum pouring method or the like, a separator can be impregnated with an electrolytic solution by a conventionally known method.
[0079]
In addition, you may use together the electrolyte layer of said (1)-(3) in one battery.
[0080]
In addition, the polymer electrolyte may be included in the polymer gel electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer, but the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer. Good.
[0081]
By the way, a host polymer for a polymer gel electrolyte that is preferably used at present is a polyether polymer such as PEO and PPO. For this reason, the oxidation resistance on the positive electrode side under high temperature conditions is weak. Therefore, when using a positive electrode agent having a high oxidation-reduction potential that is generally used in a solution-based lithium ion battery, the capacity of the negative electrode may be less than the capacity of the positive electrode facing through the polymer gel electrolyte layer. preferable. If the capacity of the negative electrode is less than the capacity of the opposing positive electrode, it is possible to prevent the positive electrode potential from rising excessively at the end of charging. In addition, the capacity | capacitance of a positive electrode and a negative electrode can be calculated | required from manufacturing conditions as theoretical capacity | capacitance at the time of manufacturing a positive electrode and a negative electrode. You may measure the capacity | capacitance of a finished product directly with a measuring device.
[0082]
However, if the capacity of the negative electrode is smaller than the capacity of the opposing positive electrode, the negative electrode potential will be too low and the durability of the battery may be impaired, so it is necessary to pay attention to the charge / discharge voltage. For example, care should be taken not to lower the durability by setting the average charge voltage of one cell (single cell layer) to an appropriate value for the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material.
[0083]
The thickness of the electrolyte layer constituting the battery is not particularly limited. However, in order to obtain a compact bipolar battery, it is preferable to make it as thin as possible as long as the function as an electrolyte can be secured. The thickness of a general electrolyte layer is 5 to 200 μm, preferably about 10 to 100 μm.
[0084]
[Insulating part (insulated part)]
Insulation parts around each electrode (peripheral part) for the purpose of preventing current collectors from contacting each other, electrolyte leaking out, and short-circuiting due to slight irregularities at the end of the laminated electrode. It is formed. However, in this invention, as shown to Fig.5 (a), it has a collector exposed part by which the insulation process is not made in a part of electrode peripheral part. Since this current collector exposed portion has already been described as a characteristic portion of the present invention, a description thereof is omitted here.
[0085]
As an insulating part, what is necessary is just to have insulation, sealing performance with respect to leakage of electrolyte solution and moisture permeation from the outside (sealing performance), heat resistance under battery operating temperature, for example, epoxy resin, Although rubber, polyethylene, polypropylene, polyimide, and the like can be used, an epoxy resin is preferable from the viewpoint of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film forming property), economy, and the like. Further, the insulating portion may be formed by injecting, dipping, or applying such a material, followed by drying and curing, or may be formed by attaching an insulating tape or film such as a polyimide tape. There is no particular restriction.
[0086]
[Positive electrode and negative electrode terminal plate]
The positive electrode and the negative electrode terminal plate may be used as necessary. When used, in addition to having a function as a terminal, it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning, but the laminated electrode, electrolyte layer and current collector are all weak in mechanical strength. It is desirable to have sufficient strength to sandwich and support from both sides. Furthermore, it can be said that the thickness of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is usually preferably about 0.1 to 2 mm from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion.
[0087]
As the material of the positive electrode and the negative electrode terminal plate, materials usually used in lithium ion batteries can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof can be used. Aluminum is preferably used from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0088]
The material of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same material or different materials. Furthermore, the positive electrode and the negative electrode terminal plate may be a laminate of different materials.
[0089]
The positive electrode and the negative electrode terminal plate may be the same size as the current collector.
[0090]
[Positive electrode and negative electrode lead (current terminal)]
Regarding the positive electrode and the negative electrode lead, a known lead used in a normal lithium ion battery can be used.
[0091]
[Battery exterior material (battery case)]
In order to prevent external impact and environmental degradation when using a bipolar battery, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the entire battery stack, which is the body of the bipolar battery, is used as a battery exterior material or battery case. (Not shown). From the viewpoint of weight reduction, conventionally known battery exteriors such as polymer-metal composite laminate films and aluminum laminate packs in which metals (including alloys) such as aluminum, stainless steel, nickel, and copper are coated with an insulator such as polypropylene film It is preferable that the battery stack is housed and sealed by joining a part or the whole of the peripheral part by heat fusion using a material. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may be structured to be sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, the use of polymer-metal composite laminate films and aluminum laminate packs with excellent thermal conductivity allows heat to be efficiently transferred from the heat source of the automobile and the inside of the battery to be quickly heated to the battery operating temperature. preferable.
[0092]
Next, in the present invention, an assembled battery in which a plurality of the above bipolar batteries are connected can be obtained. That is, a battery module with a high capacity and a high output can be formed by forming a battery pack by connecting and connecting two or more bipolar batteries of the present invention in series and / or in parallel. Therefore, it becomes possible to respond to the demand for battery capacity and output for each purpose of use at a relatively low cost.
[0093]
Specifically, for example, N bipolar batteries are connected in parallel, and N parallel bipolar batteries are further connected in series in a metal or resin battery case to form a battery pack. . At this time, the number of series / parallel connections of the bipolar battery is determined according to the purpose of use. For example, a large-capacity power source such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) may be combined so as to be applicable to a driving power source for a vehicle that requires high energy density and high output density. Moreover, what is necessary is just to electrically connect the positive electrode terminal and negative electrode terminal for assembled batteries, and the electrode lead of each bipolar battery using a lead wire. Further, when the bipolar batteries are connected in series / parallel, they may be electrically connected using an appropriate connecting member such as a spacer or a bus bar. However, the assembled battery of the present invention should not be limited to those described here, and conventionally known ones can be appropriately employed.
[0094]
In the present invention, a vehicle equipped with the bipolar battery and / or the assembled battery as a driving power source can be provided. The bipolar battery and / or the assembled battery of the present invention has various characteristics as described above, and is particularly a compact battery. For this reason, it is suitable as a driving power source for vehicles that are particularly demanding in terms of energy density and output density, such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, and provides electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and running performance. it can. For example, it is convenient to install an assembled battery as a driving power source under the seat in the center of the body of an electric vehicle or hybrid electric vehicle because it allows a large in-house space and trunk room. However, the present invention is not limited to these, and the assembled battery or battery can be installed under the floor of the vehicle, in a trunk room, an engine room, a roof, a hood, or the like. In the present invention, not only the assembled battery but also a bipolar battery may be mounted depending on the intended use, or a combination of these assembled battery and bipolar battery may be mounted. Further, as the vehicle on which the bipolar battery and / or the assembled battery of the present invention can be mounted as a driving power source, the above-described electric vehicle and hybrid electric vehicle are preferable, but are not limited thereto.
[0095]
The method for producing the bipolar battery of the present invention is not particularly limited, and various conventionally known methods can be appropriately used. This will be briefly described below.
[0096]
(1) Application of positive electrode composition
First, an appropriate current collector is prepared. The positive electrode composition is usually obtained as a slurry (positive electrode slurry) and applied to one surface of the current collector.
[0097]
The positive electrode slurry is a solution containing a positive electrode active material. As other components, a conductive aid, a binder, a polymerization initiator, an electrolyte raw material (polymer or host polymer for solid electrolyte, electrolyte, etc.), a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, and the like are optionally included. In other words, the positive electrode slurry can include, in addition to the negative electrode active material, a conductive additive, an electrolyte raw material, a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, a polymerization initiator, etc. It can be produced by mixing the materials to be contained at a predetermined ratio.
[0098]
When a polymer gel electrolyte is used for the electrolyte layer, a polymer gel electrolyte may be used as long as it contains a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles, a conductive aid for increasing electronic conductivity, a solvent, and the like. The raw material host polymer, electrolyte, lithium salt, etc. may not be contained. The same applies when a separator having an electrolyte layer impregnated with an electrolyte is used.
[0099]
Examples of the electrolyte polymer raw material (the host polymer of the polymer gel electrolyte raw material or the polymer raw material of the polymer solid electrolyte) include PEO, PPO, and copolymers thereof, and a crosslinkable functional group ( It preferably has a carbon-carbon double bond). By cross-linking the polymer electrolyte using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
[0100]
With respect to the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, the lithium salt, and the electrolytic solution, the aforementioned compounds can be used.
[0101]
The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal is used as the photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as the thermal polymerization initiator.
[0102]
The slurry viscosity adjusting solvent such as NMP is selected according to the type of slurry for positive electrode.
[0103]
The addition amount of the positive electrode active material, the lithium salt, the conductive additive, and the binder may be adjusted according to the purpose of the bipolar battery, etc., and the amount that is usually used may be added. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the polymer material of the electrolyte. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to a polymeric raw material.
[0104]
(2) Formation of positive electrode layer (electrode forming part)
The current collector coated with the positive electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the positive electrode slurry, the cross-linking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer solid electrolyte. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied positive electrode slurry and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C. and 5 minutes to 20 hours. By such a drying treatment, a positive electrode layer (electrode forming portion) is formed on the current collector.
[0105]
(3) Application of negative electrode composition
A negative electrode composition (negative electrode slurry) containing a negative electrode active material is applied to the surface opposite to the surface on which the positive electrode layer is applied.
[0106]
The negative electrode slurry is a solution containing a negative electrode active material. As other components, a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, a polymer for a solid electrolyte or a host polymer, an electrolytic solution, a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, and the like are optionally included. Since the raw materials used and the amounts added are the same as those described in the section “(1) Application of positive electrode composition”, the description thereof is omitted here.
[0107]
(4) Formation of negative electrode layer (electrode forming part)
The current collector coated with the negative electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the slurry for the negative electrode, the crosslinking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer gel electrolyte. This work completes the bipolar electrode. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied slurry for negative electrode and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C. and 5 minutes to 20 hours. By this drying treatment, a negative electrode layer (electrode forming portion) is formed on the current collector.
[0108]
(5) Formation of electrolyte layer
When the polymer solid electrolyte layer is used, for example, the polymer solid electrolyte is manufactured by curing a solution prepared by dissolving a polymer solid electrolyte raw material polymer, lithium salt, and the like in a solvent such as NMP. In the case of using a polymer gel electrolyte layer, for example, as a raw material for the polymer gel electrolyte, a pregel solution composed of a host polymer and an electrolytic solution, a lithium salt, a polymerization initiator and the like is simultaneously heated and dried in an inert atmosphere. It is produced by polymerizing (accelerating the crosslinking reaction).
[0109]
For example, the prepared solution or pregel solution is applied onto the electrode (positive electrode and / or negative electrode), and an electrolyte layer having a predetermined thickness or a part thereof (an electrolyte film having about half the electrolyte layer thickness) is applied. Form. Thereafter, the electrode on which the electrolyte layer (film) is laminated is cured or heat-dried and polymerized simultaneously (accelerating the crosslinking reaction) to increase the mechanical strength of the electrolyte and form the electrolyte layer (film) (completed) )
[0110]
Alternatively, an electrolyte layer laminated between the electrodes or a part thereof (an electrolyte membrane having about half the electrolyte layer thickness) is prepared. The electrolyte layer (membrane) is produced by applying the above solution or pregel solution on a suitable film such as a PET film and polymerizing (accelerating the crosslinking reaction) simultaneously with curing or heat drying.
[0111]
For curing or heat drying, a vacuum dryer (vacuum oven) or the like can be used. The conditions for heat drying are determined according to the solution or the pregel solution and cannot be uniquely defined, but are usually 30 to 110 ° C. and 0.5 to 12 hours.
[0112]
The thickness of the electrolyte layer (film) can be controlled using a spacer or the like. In the case of using a photopolymerization initiator, it is poured into a light transmissive gap, irradiated with ultraviolet rays using an ultraviolet irradiation device capable of drying and photopolymerization, and the polymer in the electrolyte layer is photopolymerized to carry out a crosslinking reaction. It is good to advance and form a film. However, it is needless to say that the method is not limited to this. Depending on the type of polymerization initiator, radiation polymerization, electron beam polymerization, thermal polymerization, etc. are used properly.
[0113]
In addition, since the film used above may be heated to about 80 ° C. in the production process, it has sufficient heat resistance at the temperature and has no reactivity with the solution or the pregel solution, and the production process. For example, polyethylene terephthalate (PET) or polypropylene film can be used, but it should not be limited to these.
[0114]
The width of the electrolyte layer is often slightly smaller than the current collector size of the bipolar electrode.
[0115]
About the composition component of the said solution or pregel solution, its compounding quantity, etc., it should be suitably determined according to the intended purpose.
[0116]
The separator impregnated with the electrolytic solution has the same structure as the electrolyte layer used in the conventional non-bipolar solution-based bipolar battery, and various known manufacturing methods such as separators impregnated with the electrolytic solution are used. Since it can be manufactured by a method of sandwiching and sandwiching between bipolar electrodes, a vacuum injection method, or the like, detailed description will be omitted below.
[0117]
(7) Lamination of bipolar electrode and electrolyte layer
(1) In the case of a bipolar electrode having an electrolyte layer (film) formed on one or both sides, a plurality of electrodes having an electrolyte layer (film) formed in an appropriate size are prepared by sufficiently heating and drying under high vacuum. Individually cut out, and the cut out electrodes are directly bonded together to produce a bipolar battery body (electrode laminate).
[0118]
(2) When bipolar electrodes and electrolyte layers (membranes) are prepared separately, after sufficiently heating and drying under high vacuum, a plurality of bipolar electrodes and electrolyte layers (membranes) are cut into appropriate sizes. . A predetermined number of the cut bipolar electrodes and electrolyte layers (membranes) are bonded together to produce a bipolar battery body (electrode laminate).
[0119]
The number of stacked electrode laminates is determined in consideration of battery characteristics required for the bipolar battery. Moreover, the electrode which formed only the positive electrode layer on the electrical power collector is arrange | positioned at the outermost layer by the side of a positive electrode. In the outermost layer on the negative electrode side, an electrode in which only the negative electrode layer is formed on the current collector is disposed. The step of obtaining a bipolar battery by laminating a bipolar electrode and an electrolyte layer (film) or by laminating an electrode having an electrolyte layer (film) is not effective from the viewpoint of preventing moisture from entering the battery. It is preferable to carry out in an active atmosphere. For example, the bipolar battery may be manufactured in an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
[0120]
(8) Formation of insulation
In the present invention, (1) four sides of the outer periphery of the electrode laminate are immersed in an epoxy resin (precursor solution) with a predetermined width from the outer side, and then the epoxy resin is cured to form an insulating portion. (2) The insulating part may be formed by attaching an insulating tape or film such as a polyimide tape to the four sides of the peripheral part of the bipolar electrode obtained in (4) above. The method and the formation time are not particularly limited, and it can be said that the formation time is suitable for the formation method. In any case, in the present invention, a part where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment, such as by appropriately masking or providing a part where the tape is not attached, in a part of the peripheral part of the electrode May be formed. In the present invention, it is needless to say that the present invention is not limited to these, and conventionally known insulation processing techniques can be used as appropriate.
[0121]
(9) Attaching the voltage detection / capacitance adjustment connector
In the present invention, the voltage detection / capacitance adjustment connector 31 (including the case where an external control circuit is connected to the connector) is inserted and attached to the current collector exposed portion around the electrode.
[0122]
As a method (manufacturing procedure) of inserting the connector into the current collector exposed portion of each electrode, for example, while inserting the notch 33 of the connector 31 into the current collector 1 foil (the portion to be the current collector exposed portion) After laminating the electrolyte (after further masking the connector part, if necessary), the insulating part 21 may be formed by insulating the peripheral part of the electrode, or a part of the peripheral part of the electrode may be formed. The electrode 31 and the electrolyte may be stacked while the cutout portion 33 of the connector 31 is inserted and connected to the exposed portion of the current collector of the current collector 1 foil that has been subjected to insulation treatment. There is no particular limitation such as insertion into the exposed portion of the current collector.
[0123]
(10) Packing (battery completion)
Finally, a positive electrode terminal plate and a negative electrode terminal plate are installed on both outermost layers of the bipolar battery body (battery laminate), and a positive electrode lead and a negative electrode lead are further joined to the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate (electrical Connect to and remove. The method for joining the positive electrode lead and the negative electrode lead is not particularly limited, but ultrasonic welding having a low bonding temperature can be suitably used. A known bonding method can be used as appropriate.
[0124]
In order to prevent external impact and environmental degradation, the entire battery stack is sealed with a battery exterior material or battery case to complete a bipolar battery. At this time, the positive electrode lead, the negative electrode lead, and the connector (or the wiring portion thereof) are sealed, and a part thereof is taken out of the battery (see FIG. 7). The material of the battery exterior material (battery case) is preferably a metal (aluminum, stainless steel, nickel, copper, etc.) whose inner surface is covered with an insulator such as a polypropylene film.
[0125]
【Example】
The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
[0126]
Example 1
<Manufacture of batteries>
1. Formation of positive electrode layer
Spinel LiMn with an average particle size of 2 μm as positive electrode active material 2 O Four [41.7% by mass], acetylene black [8.3% by mass] as a conductive aid, and a copolymer of polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO) as a host polymer of a raw material for polymer electrolyte (copolymer) A polymer having a polymerization ratio of 5: 1 and a weight average molecular weight of 8000 was used.) [33.3% by mass] As a supporting salt (lithium salt), Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 N [16.7% by mass], N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent (NMP is volatilized and removed when the electrode is dried. And a material composed of AIBN (1000 ppm by mass with respect to the amount of host polymer) as a thermal polymerization initiator was converted to the above ratio (excluding the slurry viscosity adjusting solvent and the thermal polymerization initiator). The positive electrode slurry was prepared by mixing at a ratio.
[0127]
The positive electrode slurry is applied to one side of a SUS foil (thickness 20 μm) as a current collector, placed in a vacuum oven, dried at 120 ° C. for 10 minutes, and cured by thermal polymerization to form a positive electrode layer having a dry thickness of 50 μm. did.
[0128]
2. Formation of negative electrode layer
Li as negative electrode active material Four Ti Five O 12 [21.8% by mass], acetylene black [8.4% by mass] as a conductive additive, and a copolymer of polyethylene oxide (PEO) and polypropylene oxide (PPO) as a host polymer of a polymer electrolyte (copolymerization) The ratio was 5: 1 and the weight average molecular weight was 8000.) [42.1% by mass], as the supporting salt (lithium salt), Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 N [21.3% by mass], NMP as a slurry viscosity adjusting solvent (NMP is volatilized and removed when the electrode is dried, so an appropriate amount was added so as to obtain an appropriate slurry viscosity, not an electrode constituent material. ) And a material composed of AIBN (1000 ppm by mass with respect to the amount of the host polymer) as a thermal polymerization initiator at the above ratios (showing ratios converted with components excluding the slurry viscosity adjusting solvent and thermal polymerization initiator). Thus, a negative electrode slurry was prepared. In addition, Li used for the negative electrode active material Four Ti Five O 12 The average particle diameter of the secondary particles was 10 μm, and the primary particles of 0.2 to 0.5 μm were necked to some extent.
[0129]
The negative electrode slurry was applied to the opposite surface of the SUS foil on which the positive electrode layer was formed, placed in a vacuum oven, dried at 120 ° C. for 10 minutes and simultaneously cured by thermal polymerization to form a negative electrode layer having a dry thickness of 50 μm.
[0130]
A bipolar electrode was formed by forming a positive electrode layer and a negative electrode layer on both sides of a SUS foil as a current collector.
[0131]
3. Formation of insulation
A polyimide tape was pasted around the bipolar electrode to form an insulating part. The current collector was exposed without attaching a tape to a part (the central part of one piece of the electrode; see FIG. 5A).
[0132]
4). Formation of polymer electrolyte (layer) film
An electrolyte membrane having a thickness of 50 μm was laminated on each surface of the positive electrode and the negative electrode of the bipolar electrode in which the positive electrode and the negative electrode were formed on both surfaces.
[0133]
The polymer electrolyte membrane was produced as follows. The following polymer raw material is 53% by mass, LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 26 mass%, benzyl dimethyl ketal as a photopolymerization initiator was added by 0.1 mass% of the polymer raw material, a solution was prepared using dry acetonitrile as a solvent, and then acetonitrile was removed by vacuum distillation. The thickness is defined using a Teflon (registered trademark) spacer, and the high-viscosity solution is filled on the positive electrode layer of the bipolar electrode in which the positive electrode layer and the negative electrode layer are formed on both sides, and ultraviolet light is irradiated for 20 minutes for photopolymerization. (Crosslinked). The membrane was taken out, placed in a vacuum vessel, and heated and dried under high vacuum at 90 ° C. for 12 hours to remove residual moisture and solvent, thereby forming an electrolyte membrane having a thickness of 50 μm. Similarly, the above-mentioned highly viscous solution was filled also on the negative electrode layer of the bipolar electrode, and was irradiated with ultraviolet rays for 20 minutes for photopolymerization (crosslinking). The membrane was taken out, placed in a vacuum vessel, and heated and dried under high vacuum at 90 ° C. for 12 hours to remove residual moisture and solvent, thereby forming an electrolyte membrane having a thickness of 50 μm.
[0134]
As the polymer raw material, a polyether type network polymer raw material synthesized according to the method of the literature (J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.) was used.
[0135]
5. Bipolar battery formation
The bipolar electrode on which the electrolyte membrane was formed was laminated so that the positive electrode and the negative electrode face each other with the electrolyte interposed therebetween, thereby forming a single cell layer.
[0136]
The electrode was laminated so that five cell layers were formed (for 5 cell cells) to form a cell stack.
[0137]
After electrode lamination, a voltage detection connector was connected to the current collector exposed portion of the battery laminate (see FIG. 7). The whole was sealed with a laminate pack so that the terminals of the voltage detection connector were exposed to the outside of the battery, thereby constituting a bipolar battery. As shown in FIG. 7, the electrode lead (current terminal) was taken out from the battery exterior material on the side facing the take-out side of the voltage detection connector.
[0138]
Comparative Example 1
5 layers (single cell layer) in the same manner as in Example 1 except that polyimide tape was applied to the entire periphery of the bipolar electrode, an insulating portion was formed, no current collector exposed portion was provided, and no voltage detection connector was attached. The laminated battery laminate (for 5 cells) was sealed with a laminate pack (aluminum laminated with a polypropylene film; battery exterior material) to form a bipolar battery. The electrode lead (current terminal) was taken out from the battery outer packaging material.
[0139]
<Evaluation>
A battery in which a capacity adjustment circuit (charge control circuit) that bypasses the current when the battery reaches the full charge voltage is connected to the voltage detection connector of the bipolar battery of Example 1, the voltage detection connector of Comparative Example 1, and the capacity A charge / discharge cycle test was conducted on a bipolar battery without an adjustment circuit. In the bipolar battery of Comparative Example 1, the capacity of each single battery layer after 20 cycles was the largest and the smallest, with a difference of 18%. On the other hand, the capacity variation of each single cell layer of the bipolar battery of Example 1 was within 3%.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the basic structure of a bipolar electrode constituting a bipolar battery of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic structure of a single battery layer (single cell) constituting the bipolar battery of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the basic structure of the bipolar battery of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view schematically showing a basic configuration of a bipolar battery of the present invention.
FIG. 5 is a schematic plan view of a bipolar battery in which a portion where the current collector is exposed without being subjected to insulation treatment is provided in part of the periphery of the electrode.
FIG. 6 (a) is a schematic view of a voltage detection / capacity adjustment connector for entering a battery into an exposed portion of the current collector at the periphery of the electrode. FIG. 6B is a schematic view of the voltage detection / capacity adjustment connector on the side of the battery going out of the battery, and FIG. 6C is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 6B. FIG.
7 is a schematic perspective view of a battery showing a state in which the connector of FIG. 6 is connected to the current collector exposed portion in the electrode peripheral portion of FIG.
FIG. 8 (a) is a schematic plan view of a battery when a voltage detection / capacitance adjustment terminal is taken out of each battery exterior material from each electrode. FIG. 8B is a schematic plan view illustrating an example in which a part of the current collector 1 is extended to be exposed to the outside as the voltage detection / capacitance adjustment terminal of FIG. FIG. 8 (c) shows a state in which a voltage detection / capacitance adjustment terminal is taken out of the battery exterior material from each electrode and connected to a voltage detection / current bypass circuit which is an external control circuit (charge control circuit). It is a schematic explanatory drawing showing
[Explanation of symbols]
1 ... current collector (metal foil),
2 ... positive electrode layer,
3 ... negative electrode layer,
4 ... electrolyte layer (electrolyte membrane),
5 ... Bipolar electrode,
5a: an electrode in which a positive electrode layer is disposed only on one side of the current collector,
5b ... an electrode in which a negative electrode layer is disposed only on one side of the current collector,
6 ... Single cell layer (single cell),
7 ... electrode laminate,
8 ... Positive electrode lead (current terminal),
9 ... Negative electrode lead (current terminal),
10 ... Battery exterior material,
10 '... seal part around the battery exterior material,
11 ... Bipolar battery,
17 ... Voltage detection / capacitance adjustment terminal,
21. Insulating part,
23 ... Exposed portion of current collector without insulation,
31 ... Connector for voltage detection / capacitance adjustment,
33 ... Notch,
35 ... pin hole,
37 ... Connection part in the connector,
41: Voltage detection / current bypass circuit.

Claims (7)

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たバイポーラリチウムイオン二次電池において、
電極周辺部の一部に、絶縁処理がされておらず集電体が露出している部分があり、
前記電極周辺部の一部を除く電極周辺部に、絶縁部が形成されていることを特徴とするバイポーラ電池。In a bipolar lithium ion secondary battery in which a plurality of bipolar electrodes in which a positive electrode is formed on one surface of a current collector and a negative electrode is formed on the other surface are stacked in series with an electrolyte interposed therebetween,
Some of the electrode periphery, Ri moiety there to collector not isolated treatment is exposed,
A bipolar battery , wherein an insulating portion is formed in an electrode peripheral portion excluding a part of the electrode peripheral portion . 正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質としてカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いたことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。The bipolar battery according to claim 1, wherein a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material, and carbon or a lithium-transition metal composite oxide is used as the negative electrode active material. 前記電解質に、高分子固体電解質を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のバイポーラ電池。Wherein the electrolyte battery as claimed in claim 1 or 2, characterized by using a solid polymer electrolyte. 前記電極周辺部の集電体露出部分に、電池外部から内部に挿入された電圧検出・容量調整用コネクタが接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイポーラ電池。The collector-exposed portion of the electrode periphery, according to any one of claims 1-3, characterized in that the connector voltage detection and capacity adjustment that is inserted from the outside of the battery therein is connected Bipolar battery. 前記電圧検出・容量調整用コネクタを介して各単電池層の電圧を個別に検出し、充電時に各単電池層の電圧が所定の充電終止電圧まで達した場合には、電流バイパス回路に電流を流し、各単電池層の充電状態をそろえることを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ電池の制御方法。The voltage of each single cell layer is individually detected via the voltage detection / capacitance adjustment connector, and when the voltage of each single cell layer reaches a predetermined end-of-charge voltage during charging, current is supplied to the current bypass circuit. The method for controlling a bipolar battery according to claim 4 , wherein the state of charge of each cell layer is made uniform. 請求項１〜４に記載のバイポーラ電池を複数個接続して構成した組電池。  An assembled battery comprising a plurality of the bipolar batteries according to claim 1 connected to each other. 請請求項１〜４に記載のバイポーラ電池および／または請求項６に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなることを特徴とする車両。  A vehicle comprising the bipolar battery according to any one of claims 1 to 4 and / or the assembled battery according to claim 6 as a driving power source.
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