JP4111043B2

JP4111043B2 - バイポーラ二次電池

Info

Publication number: JP4111043B2
Application number: JP2003114072A
Authority: JP
Inventors: 恭一渡邉; 好一根本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: JP2004319362A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧検知用タブを備え耐振動性に優れたバイポーラ二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラ二次電池は、下記特許文献１にも記載されているように、複数のバイポーラ電極から構成される電池であり、薄型、軽量で放熱性が良好であるなど、種々の優れた特性を備えている。
【０００３】
バイポーラ二次電池は、外部に露出する充放電のための正極タブと負極タブとを備えている。バイポーラ二次電池を車両の動力源として使用する場合には、多数のバイポーラ二次電池を直並列接続しなければならないことから、多数のバイポーラ二次電池の正極タブと負極タブとが一箇所で束ねられ、絶縁物を介して車両側に取り付けられる。このため、各バイポーラ二次電池は主に正極タブと負極タブによって支えられることになる。
【０００４】
また、バイポーラ二次電池を車両の動力源として使用する場合には、信頼性と安定性が要求されるため、それぞれのバイポーラ二次電池が正常に機能しているか否かを常に監視する必要がある。このため、すべてのバイポーラ二次電池の電圧を常時監視し、劣化したバイポーラ二次電池が検知できるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１９５４９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のバイポーラ二次電池は、主に正極タブと負極タブによって支えられているため、車両走行時の振動周波数（１００Ｈｚ以下）とバイポーラ二次電池の共振周波数とがほぼ一致してしまい、バイポーラ二次電池が大きな振動にさらされることがある。当然のことながら、大きな振動を長時間受けつづけると、正極タブと負極タブに繰り返し応力がかかり、その部分が折れやすくなってバイポーラ二次電池の信頼性は低下する。
【０００７】
また、従来のバイポーラ二次電池の監視は、正極タブと負極タブとの間の電圧を検知することによって行なっていたので、バイポーラ二次電池を構成する複数の単電池の一部が過放電や過充電を生じていても、それが検知される電圧の変化として顕著に現れない限り、バイポーラ電池が正常に機能していると判断されてしまう。単電池の過充電や過放電はバイポーラ二次電池の耐用年数や信頼性に悪影響を与える。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、正極タブと負極タブに加え、電圧を検知するための電圧検知用タブを単電池ごとに設け、その電圧検知用タブによって単電池ごとの電圧の検知が可能であり、その電圧検知用タブによって耐振動性を向上させることができるバイポーラ二次電池の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続したことを特徴とするバイポーラ二次電池であって、前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、前記正極タブを当該長方形の１辺から引き出すとともに、前記負極タブを、前記正極タブを引き出した辺に対向する１辺から引き出し、前記電圧検知用タブを、残りの辺のうちの１辺から引き出している。
また、上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続したことを特徴とするバイポーラ二次電池であって、前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、前記正極タブを当該長方形の１辺から引き出すとともに、前記負極タブを、前記正極タブを引き出した辺に対向する１辺から引き出し、前記電圧検知用タブを、残りの２辺から引き出したことを特徴とする。
【００１０】
電圧検知用タブ間の電圧は、２つのバイポーラ電極で形成される単電池の電圧を示す。電圧検知用タブ間の電圧を常時監視していれば、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握できる。したがって、さらに安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。
【００１１】
また、バイポーラ二次電池からは多数の電圧検知用タブが引き出されている。これらの電圧検知用タブは外部の接続端子に接続され、バイポーラ二次電池が正極タブ、負極タブおよび多数の電圧検知用タブで支えられる。したがって、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、耐振動性が向上する。剛性の向上によりバイポーラ二次電池の共振周波数が高い方に移行することから振動によるタブ断裂の恐れがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ二次電池によれば、バイポーラ電極から電圧検知用タブを引き出したので、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握でき、安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。また、バイポーラ二次電池が多数の電圧検知用タブによっても支えられるようになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるバイポーラ二次電池の好適な実施の形態を、［実施の形態１］と［実施の形態２］に分けて詳細に説明する。
【００１４】
本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続し、当該電圧検知用タブを前記正極タブおよび負極タブとは異なる方向から引き出したものである。
【００１５】
本実施の形態で例示するバイポーラ二次電池の形状は長方形であり、発電要素に接続される正極タブと負極タブは、その長方形の対向する２辺のそれぞれから別々に引き出される場合と、その長方形の１辺のみから並列的に引き出される場合とがある。
【００１６】
正極タブと負極タブとがそれぞれ異なる辺から引き出されているバイポーラ二次電池を［実施の形態１］で、正極タブと負極タブとが同一の辺から引き出されているバイポーラ二次電池を［実施の形態２］でそれぞれ説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
図１は本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００１８】
図示されているように、バイポーラ二次電池１０は、その内部に発電要素１２を備え、その発電要素１２には正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検出用タブ１８（１８Ａ〜１８Ｋ）が接続されている。発電要素１２は、正面から見ると長方形の形状を有する直方体の三次元立体である。発電要素１２は、たとえばラミネートフィルムのような長方形の２枚の高分子金属複合フィルム２０によって上下方向から挟まれ、その周囲が熱融着されて封止される。正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検出用タブ１８は、高分子金属複合フィルム２０から外部に露出している。なお、負極タブ１６が高分子金属複合フィルム２０から引き出される部分の断面は図１（ｃ）に示すようになっており、その封止部分２２では高分子金属複合フィルム２０が負極タブ１６の周囲に密着し、外部からの水分の浸入を防止している。
【００１９】
正極タブ１４と負極タブ１６は、図示されているように、長方形形状を有するバイポーラ二次電池１０の対向する２辺からそれぞれ引き出されている。すなわち、正極タブ１４は長方形の１辺（上側）から引き出されとともに、負極タブ１６は正極タブ１４を引き出した辺に対向する１辺（下側）から引き出される。
【００２０】
また、電圧検知用タブ１８は、図示されているように、正極タブ１４および負極タブ１６とは異なる方向から引き出している。すなわち、電圧検知用タブ１８は、正極タブ１４と負極タブ１６が引き出されている辺以外の辺から引き出される。
【００２１】
電圧検知用タブ１８の合計断面積は、正極タブ１４と負極タブ１６の合計断面積以下になるように、各電圧検知用タブ１８の厚みを決めている。電圧検知用タブ１８の断面積を正極タブ１４と負極タブ１６との関係において決めているのは、これらのタブが車両側の電極に固定して取り付けられたときに、バイポーラ二次電池１０を主に支えるのが正極タブ１４と負極タブ１６になるようにし、バイポーラ二次電池１０を補助的に支えるのが電圧検知用タブ１８となりようにするためである。このようにすることによって、正極タブ１４と負極タブ１６に比較して剛性の小さい電圧検知用タブ１８に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるからである。
【００２２】
高分子金属複合フィルム２０の各辺から引き出す電圧検知用タブ１８の数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分する。図１に示したバイポーラ電池１０の場合、左右の辺から６本ずつの電圧検知用タブ１８を引き出している。また、各電圧検知用タブ１８の幅と各電圧検知用タブ１８の配置間隔とはａｍｍずつと等しくしてある。
【００２３】
電圧検知用タブ１８を左右均等な本数引き出すとともに、各電圧検知用タブ１８の幅と各電圧検知用タブ１８の配置間隔を等しくすると、バイポーラ二次電池１０をバランス良く支えることができるようになり、また、電圧検知用タブ１８に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるようになる。また、電圧検知用タブ１８の配置間隔が等しいと、タブ相互間の短絡を防止でき、タブを接続するためのソケットが取り付けやすくなる。
【００２４】
図２は図１の発電要素１２の内部構成を示す図である。発電要素１２は、図示されているように、集電体３２（３２Ｂ〜３２Ｊ）の一方の面に正極層３４が形成されその他方の面に負極層３６が形成されたバイポーラ電極３８が９本設けられている。また、発電要素１２の積層方向両端に位置する集電体３２Ａおよび３２Ｋには、正極層３４Ａ、負極層３６Ｋの一方の電極層のみが形成されている。これらのバイポーラ電極３８は、隣り合うバイポーラ電極３８の正極層３４と負極層３６とを向き合わせ、バイポーラ電極３８間に固体電解質４０を介在させて積層する。
【００２５】
本実施の形態では、９本のバイポーラ電極３８、正極層３４Ａまたは負極層３６Ｋのみを有する２つの集電体３２Ａおよび３２Ｋ、１０個の固体電解質４０を図に示すように積層して発電要素１２を形成している。したがって、２つの集電体３２間で単電池丸１〜丸１０が形成される。本実施の形態では、単電池の端子間電圧を４．２Ｖにしているので、発電要素１２の端子間電圧は４２Ｖになる。バイポーラ二次電池は、１つあたりの単電池の端子間電圧がバイポーラ電極を用いないたとえばリチウムイオン二次電池などのような一般的な二次電池の端子間電圧に比較して高いので、容易に高電圧の電池を構成することができる。
【００２６】
図３は図１の発電要素１２における正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検知用タブ１８の接続状態を示す図である。
【００２７】
発電要素１２の積層方向両端に位置する集電体３２Ａと３２Ｋにはそれぞれ負極タブ１６と正極タブ１４が接続される。正極タブ１４と負極タブ１６には、図示されていない車両の負荷（モータ、電装品など）が接続され、これらのタブ１４、１６には、非常に大きな充放電電流が流れる。また、発電要素１２が備えるすべての集電体（１１本）には、単電池の端子間電圧を検知するための電圧検知用タブ１８（１８Ａ〜１８Ｋ）が接続される。正極タブ１４と負極タブ１６の幅および厚み（換言すれば断面積）は、主にそれに流れるであろう充放電時の電流値により決定される。一方、電圧検知用タブ１８の幅及び厚みは、主にバイポーラ二次電池１０の振動を抑制する観点（換言すれば正極タブ１４と負極タブ１６により不足する剛性を補う観点）から決定される。
【００２８】
本実施の形態では、電圧検知用タブ１８を発電要素１２の２辺に振り分けており、また、すべての単電池の端子間電圧の検知を可能にするため、電池要素１２の真中に位置する集電体３２Ｆには、対向する辺に引き出される２本の電圧検知用タブ１８Ｆを接続してある。したがって、図２の丸１〜丸１０の単電池の端子間電圧を検出することができる。
【００２９】
また、電圧検知用タブ１８は、図３に示すように、発電要素１２の辺の長手方向にバイポーラ電極３８の積層順に整列して引き出している。つまり、発電要素１２の右側の辺に、発電要素１２の一番下に位置する集電体３２Ａに接続される電圧検知用タブ１８Ａからその真中に位置する集電体３２Ｆに接続される電圧検知用タブ１８Ｆを順番に整列して引き出し、発電要素１２の左側の辺に、発電要素１２の真中に位置する集電体３２Ｆに接続される電圧検知用タブ１８Ｆからその一番上に位置する集電体３２Ｋに接続される電圧検知用タブ１８Ｋを順番に整列して引き出している。
【００３０】
このように、電圧検知用タブ１８Ａ〜１８Ｋを整列して引き出すと、各電圧検知用タブ１８の封止部分の密封性が良好になり、バイポーラ二次電池１０の信頼性が向上する。また、バイポーラ二次電池１０をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブ１８に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００３１】
図４は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００３２】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ａは、図１のバイポーラ二次電池１０とは電圧検知用タブ１８の数が少ない点で異なっており、その他の点では図１のバイポーラ二次電池１０と同一である。図４のバイポーラ二次電池１０Ａは、バイポーラ二次電池１０Ａの右側から５本の電圧検知用タブ１８（１８Ｂ〜１８Ｆ）が、その左側から４本の電圧検知用タブ１８（１８Ｇ〜１８Ｊ）が引き出されている。
【００３３】
これらの電圧検知用タブ１８は、図５に示すように、発電要素１２の積層方向両端に位置する集電体３２Ａおよび３２Ｋ以外の集電体３２（３２Ｂ〜３２Ｊ）に接続されている。したがって、このタイプのバイポーラ二次電池１０Ａの場合、図２に示した単電池丸２〜丸５、丸７〜丸９の端子間電圧を検出することができる。
【００３４】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ａの場合、図１に示した構成のバイポーラ二次電池１０と比較すると、電圧検知用タブ１８の本数が少ない分振動に対する剛性が低下するが、その低下は各電圧検知用タブ１８の幅や厚みを調整することによって防止することができる。
【００３５】
図６は本実施の形態にかかるさらに他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００３６】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｂは、図１のバイポーラ二次電池１０とは、電圧検知用タブ１８がその右側のみから引き出されており、電圧検知用タブ１８の配置間隔がその幅よりも狭くなっている点で異なっている。
【００３７】
電圧検知用タブ１８は、図１のバイポーラ二次電池１０と同数設けられているので、図２に示したすべての単電池丸１〜丸１０の端子間電圧を検知することができる。
【００３８】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｂの場合、図１に示した構成のバイポーラ二次電池１０と比較すると、電圧検知用タブ１８が片側のみから引き出されているため、振動に対する剛性の低下は否めない。しかし、その低下は各電圧検知用タブ１８の幅や厚みを調整することによってある程度までは抑えることができる。
【００３９】
［実施の形態２］
図７は本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００４０】
図示されているように、バイポーラ二次電池１０Ｃは、その内部に発電要素１２を備え、その発電要素１２には正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検出用タブ１８（１８Ａ〜１８Ｋ）が接続されている。発電要素１２は、正面から見ると長方形の形状を有する直方体の三次元立体である。発電要素１２は、たとえばラミネートフィルムのような長方形の２枚の高分子金属複合フィルム２０によって上下方向から挟まれ、その周囲が熱融着されて封止される。正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検出用タブ１８は、高分子金属複合フィルム２０から外部に露出している。なお、負極タブ１６が高分子金属複合フィルム２０から引き出される部分の断面は図７（ｃ）に示すようになっており、その封止部分２２では高分子金属複合フィルム２０が正極タブ１４と負極タブ１６の周囲に密着し、外部からの水分の浸入を防止している。
【００４１】
正極タブ１４と負極タブ１６は、図示されているように、長方形形状を有するバイポーラ二次電池１０の同一の１辺からから引き出されている。すなわち、正極タブ１４と負極タブ１６は長方形の１辺（上側）から並列的に引き出されている。
【００４２】
また、電圧検知用タブ１８は、図示されているように、正極タブ１４および負極タブ１６とは異なる方向から引き出している。すなわち、電圧検知用タブ１８は、正極タブ１４と負極タブ１６が引き出されている辺以外の３辺から引き出される。
【００４３】
電圧検知用タブ１８の合計断面積は、実施の形態１と同様、正極タブ１４と負極タブ１６の合計断面積以下になるように、各電圧検知用タブ１８の厚みを決めている。
【００４４】
高分子金属複合フィルム２０の各辺から引き出す電圧検知用タブ１８の数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分する。図７に示したバイポーラ電池１０Ｃの場合、左右の辺から４本ずつの電圧検知用タブ１８を引き出し、下側の辺から３本の電圧検知用タブ１８を引き出している。また、左右の辺から引き出されている電圧検知用タブ１８は、各電圧検知用タブ１８の幅と各電圧検知用タブ１８の配置間隔とはａｍｍずつと等しくしてある。下側の辺から引き出されている電圧検知用タブ１８は、配置間隔を均等にしている。
【００４５】
電圧検知用タブ１８を左右均等な本数引き出すとともに、各電圧検知用タブ１８の幅と各電圧検知用タブ１８の配置間隔を等しくし、さらに下側の辺からも電圧検知用タブ１８を引き出すと、バイポーラ二次電池１０をバランス良く支えることができるようになり、また、電圧検知用タブ１８に過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができるようになる。
【００４６】
なお、発電要素１２の構造と発電要素１２における正極タブ１４、負極タブ１６、電圧検知用タブ１８の接続状態は実施の形態１と同一であるので、これらの説明は省略する。
【００４７】
図８は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００４８】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｄは、図７のバイポーラ二次電池１０Ｃとは電圧検知用タブ１８を引き出す辺の数と各辺から引き出される電圧検知用タブ１８の数が異なる点で相違しており、その他の点では図７のバイポーラ二次電池１０Ｃと同一である。すなわち、図８のバイポーラ二次電池１０Ｄは、バイポーラ二次電池１０Ｄの右側から６本の電圧検知用タブ１８（１８Ａ〜１８Ｆ）が、その左側からも６本の電圧検知用タブ１８（１８Ｆ〜１８Ｋ）が引き出されている。
【００４９】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｄの場合、図７に示した構成のバイポーラ二次電池１０Ｃと比較すると、電圧検知用タブ１８が引き出される辺の数が少ない分振動に対する剛性が低下するが、その低下は各電圧検知用タブ１８の幅や厚みを調整することによって防止することができる。
【００５０】
図９は本実施の形態にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【００５１】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｅは、図７のバイポーラ二次電池１０Ｃとは、電圧検知用タブ１８がその右側のみから引き出されている点で異なっている。
【００５２】
このタイプのバイポーラ二次電池１０Ｅの場合、図７に示した構成のバイポーラ二次電池１０Ｃと比較すると、電圧検知用タブ１８が片側のみから引き出されているため、振動に対する剛性の低下は否めない。しかし、その低下は各電圧検知用タブ１８の幅や厚みを調整することによってある程度までは抑えることができる。
【００５３】
以上、本発明にかかるバイポーラ二次電池を２つの実施の形態に分けて説明したが、本発明のバイポーラ二次電池の各構成要素は次のような材料を用いて構成することができる。
【００５４】
本発明のバイポーラ二次電池では、バイポーラ電極３８の正極層３４をＬｉ−Ｍｎ系の複合酸化物により形成している。正極層３４の正極材料としては、リチウム金属酸化物、リチウム金属酸化物の一部を他の元素で置換した複合酸化物、マンガン酸化物など各種公知の正極材料を適宜使用することができる。具体的には、リチウム金属酸化物としてはリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ₂）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、リチウム鉄酸化物（Ｌｉ_XＦｅＯ_Y）、リチウムバナジウム酸化物（Ｌｉ_XＶ_YＯ_Z）等が挙げられる。上記正極材料の中では、リチウムマンガン酸化物が好ましい。
【００５５】
本発明のバイポーラ二次電池では、バイポーラ電極３８の負極層３６を結晶性炭素材または非結晶性炭素材により形成している。負極層３６の負極材料としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト、活性炭などの炭素材料、またはＳｎＢ_XＰ_YＯ_Z、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＬｉＴｉ_XＯ_Y、ＬｉＦｅ_XＯ_Y、ＬｉＭｎ_XＯ_Yなどの金属酸化物を単独または混合して使用できる。
【００５６】
集電体３２は、リチウムイオン二次電池に使用されている各種公知の材料を用いることができ、具体的には、ステンレス鋼(SUS)、正極側にアルミニウム箔、負極側に銅箔を位置させアルミ-銅の積層材などが挙げられる。
【００５７】
バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができ、溶媒としてはバインダーを溶解させる各種極性溶媒が使用できる。具体的には、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）などが挙げられる。なお、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを使用した場合はＮ−メチルピロリドンを用いることが好ましい。
【００５８】
固体電解質４０を構成するために用いられる非水電解液としては、リチウムイオン伝導性のある各種溶液が好ましく、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）等の環状炭酸エステルを単体または適宜組み合わせて使用することができる。また、電気伝導度を高くし、かつ適切な粘度を有する電解液を得るため、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトン、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等を併用してもよい。非水電解液中の電解質としては、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃などが挙げられる。
【００５９】
固体電解質４０を構成するために用いられるセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂の微多孔膜、不織布などを用いうる。
【００６０】
次に、本発明にかかるバイポーラ二次電池が車両に搭載された場合に、車両から受ける振動によってバイポーラ二次電池自体がどのように振動するのかを調査してみた。この調査は次のようにして行った。
【００６１】
まず、本発明にかかる種々のタイプのバイポーラ二次電池を車両側に設けられている端子に接続した。そして、その電池のほぼ中央部に加速度ピックアップを取り付け、インパルスハンマーによってハンマリングした時の加速度ピックアップの振動スペクトルを測定した。測定方法は、ＪＩＳＢ０９０８（振動および衝撃ピックアップの校正方法・基本概念）に準拠した。測定スペクトルは、ＦＦＴ分析器により解析し、周波数と加速度の次元に変換した。この得られた周波数に関して平均化とスムージングを行い、振動伝達率スペクトルを得た。
【００６２】
その調査結果は、下記の表１のようになった。
【００６３】
【表１】

【００６４】
表において、加速度比は、それぞれのタイプのバイポーラ二次電池から得られた１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚの測定値を、比較例に対する加速度値を基準とする比率に換算したものである。したがって、加速度比＝１．０のときには比較例との加速度の絶対値が同じことを意味し、加速度比が０．０から１．０までの値のときには振動が減少していることを意味し、加速度比が１．０以上のときには反共振を起こして逆に振動が増加していることを意味する。
【００６５】
平均減衰量は、加速度比を１０〜３００Ｈｚで測定しその減衰量を平均したものであり、その数値が大きい程振動が低減されていることを意味する。
【００６６】
周波数シフトは、加速度比の測定により得られた振動伝達スペクトルのうち、最も低周波に出る第１次ピークの周波数を測定し、基準のデータからの周波数シフト量を測定したものである。周波数シフトの基準値は、それぞれのタイプのバイポーラ二次電池の電圧検知用タブを接続しない場合に得られた測定結果を用いている。
【００６７】
表１において、実施例１のバイポーラ二次電池の構造は、図１に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の４辺を固定している。またその内部構造は図３に示した構造と同一の構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、１：０．９であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は１：１で等しくしてある。
【００６８】
実施例１の周波数−振動伝達率の特性は図１０に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が１００Ｈｚ以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても（通常１００Ｈｚ以下の振動が多く発生する）、大きく振動しないことがわかる。
【００６９】
また、実施例４のバイポーラ二次電池の構造は、図６に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の３辺を固定している。またその内部構造は図５に示した構造をベースとする構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、１：０．７であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は１：０．５としてある。
【００７０】
実施例４の周波数−振動伝達率の特性は図１１に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が１００Ｈｚ以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても（通常１００Ｈｚ以下の振動が多く発生する）、大きく振動しないことがわかる。
【００７１】
さらに、実施例５のバイポーラ二次電池の構造は、図８に示したものと同一の構造であり、バイポーラ二次電池の３辺を固定している。またその内部構造は図３に示した構造をベースとする構造である。さらに、正負タブ断面積と検知タブ断面積の比は、１：０．９５であり、その検知タブ幅と検知タブ間隔は１：１としてある。
【００７２】
実施例５の周波数−振動伝達率の特性は図１２に示すとおりであり、バイポーラ二次電池の振動周波数が１００Ｈｚ以上の領域にシフトされているのがわかる。したがって、本発明のバイポーラ二次電池を車両に搭載しても（通常１００Ｈｚ以下の振動が多く発生する）、大きく振動しないことがわかる。
【００７３】
以上のように、本発明にかかるバイポーラ二次電池によれば、電圧検知用タブが設けられていない従来のものに比較して、各周波数の加速度比、平均減衰量ともに大きく低減させることができる。また、車両に多く発生する１００Ｈｚ以下の周波数では共振しなくなり、車両に搭載する電池としては剛性の高い堅固なものとすることができる。
【００７４】
本発明では、上記のバイポーラ二次電池を、少なくとも２以上直列または並列に接続（直並列接続）して組電池モジュールとすることができる。なお、組電池モジュールを形成する二次電池は、本発明のバイポーラ二次電池と従来のリチウム二次電池とを混在させても良い。それぞれの二次電池をどの程度の割合で混在させるかは、組電池モジュールとして要求される安全性能、出力性能に応じて決める。また、上記のバイポーラ二次電池を直並列接続して第１組電池ユニットを形成するとともに、この第１組電池ユニットの端子間電圧と電圧を同一にするバイポーラ電池以外の二次電池が直並列接続されてなる第２組電池ユニットを形成し、この第１組電池ユニットと第２組電池ユニットを並列接続することによって組電池モジュールとしても良い。
【００７５】
組電池モジュール５０を形成するには、例えば、図１３に示すように、バイポーラ二次電池１０を５枚並列に接続し、５枚並列にしたバイポーラ二次電池１０をさらに２枚直列にして金属製の組電池ケース５５に収納する。このように、バイポーラ二次電池１０を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール５０を提供することができる。
【００７６】
また、この組電池モジュール５０には、使用用途に応じて、各種計測機器や制御機器類を設けてもよく、例えば、組電池ケース５５の蓋体に電池電圧（各単電池およびバイポーラ二次電池の端子間電圧）を監視するために電圧計測用コネクタなどを設けもよい。さらにバイポーラ二次電池１０同士を連結するためには、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接または電子ビーム溶接により、または、リベットを用いて、またはカシメの手法を用いて、連結するようにしてもよい。
【００７７】
次に、上記の組電池モジュール５０を、少なくとも２以上直列、並列または直並列に接続し、組電池６０とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに組電池モジュールを作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。組電池６０としては、例えば、図１４に示したように、上記の組電池モジュール５０を６組並列に接続して組電池６０とするには、各組電池ケース５５の蓋体に設けられた組電池モジュール５０の正極端子４２および負極端子４４を、外部正極端子部、外部負極端子部を有する組電池正極端子連結板６２、組電池負極端子連結板６４を用いてそれぞれ電気的に接続する。また、各組電池ケース５５の両側面に設けられた各ネジ孔部（図示せず）に、該固定ネジ孔部に対応する開口部を有する連結板６６を固定ネジ６７で固定し、各組電池モジュール５００同士を連結する。また、各組電池モジュール５０の正極端子４２および負極端子４４は、それぞれ正極および負極絶縁カバーにより保護され、適当な色、例えば、赤色と青色に色分けすることで識別されている。
【００７８】
このように、組電池モジュールを複数直並列接続されてなる組電池は、一部の電池、組電池が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能である。
【００７９】
組電池６０を、電気自動車に搭載するには、図１５に示したように、電気自動車７０の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【００８０】
なお、本発明では、組電池６０だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、これら組電池と組電池モジュールを組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または組電池モジュールを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カーが好ましいが、これらに制限されるものではない。
【００８１】
本発明の実施の形態は以上のとおりであるが、次に請求項ごとの発明の効果を説明する。
【００８２】
請求項１に記載の発明にあっては、バイポーラ電極から電圧検知用タブを引き出したので、バイポーラ二次電池の充放電状態が単電池単位で把握でき、安定したバイポーラ二次電池の使用が可能となる。また、バイポーラ二次電池が多数の電圧検知用タブによっても支えられるようになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、耐振動性が向上し、車両に搭載しても十分な信頼性を維持できる。
【００８３】
請求項２に記載の発明にあっては、バイポーラ二次電池が少なくとも３方向から引き出されているタブによって支えられることになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、その共振周波数が高くなって耐振動性が向上し、振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８４】
請求項３に記載の発明にあっては、バイポーラ二次電池が複数の方向から引き出されているタブによって支えられることになるので、バイポーラ二次電池を支持する系の剛性が向上し、その共振周波数が高くなって耐振動性が向上し、振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８５】
請求項４に記載の発明にあっては、電圧検知用タブの合計断面積を正極タブと負極タブの合計断面積以下としているので、バイポーラ二次電池を主に支えるのが正極タブと負極タブであり、バイポーラ二次電池を補助的に支えるのが電圧検知用タブであるという関係となり、正極タブと負極タブに比較して剛性の小さい電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８６】
請求項５に記載の発明にあっては、各辺に引き出す電圧検知用タブの数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分するので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８７】
請求項６に記載の発明にあっては、電圧検知用タブは、辺の長手方向にバイポーラ電極の積層順に整列して引き出すので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８８】
請求項７に記載の発明にあっては、電圧検知用タブの幅と電圧検知用タブの配置間隔とが等しいので、バイポーラ二次電池をバランス良く支えることができるようになり、電圧検知用タブに過度な負担がかからなくなって振動によるタブの断裂を生じることがなくなり、車両に搭載しても十分な信頼性を保つことができる。
【００８９】
請求項８に記載の発明にあっては、発電要素は、高分子金属複合フィルムによって封止されており、正極タブ、負極タブ、電圧検知タブは、高分子金属複合フィルムから引き出されているので、電池の必要部品点数が少なく、小型で、車両の搭載に適したバイポーラ二次電池となる。
【００９０】
請求項９に記載の発明にあっては、正極層にＬｉ−Ｍｎ系の複合酸化物を用いているので、高出力のバイポーラ二次電池を構成することができ、異常時の信頼性が向上する。
【００９１】
請求項１０に記載の発明にあっては、負極層に結晶性炭素材または非結晶性炭素材を用いているので、高出力のバイポーラ二次電池を構成することができ、異常時の信頼性が向上する。
【００９２】
請求項１１に記載の発明にあっては、請求項１〜１０のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続することによって組電池モジュールを構成すると、その組電池モジュールは、基本となるバイポーラ二次電池の数や接続方法を変えるだけで種々の容量や電圧を得ることができ、それらのチューニングが容易となる。
【００９３】
請求項１２に記載の発明にあっては、請求項１〜１０のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続して第１組電池ユニットを構成し、バイポーラ電池以外の二次電池を直並列接続して第２組電池ユニットを構成し、これらのユニットを並列に接続することによって組電池モジュールを構成すると、その組電池モジュールは、出力電圧重視のバイポーラ電池と出力容量重視の一般二次電池（たとえばリチウムイオン二次電池）が組み合わされたものとなり、相互の弱点を補い合うことができる。
【００９４】
請求項１３に記載の発明にあっては、請求項１１または請求項１２に記載の組電池ユニットを直並列接続することによって組電池を構成すると、その組電池は、基本となる組電池ユニットの数や接続方法を変えるだけで種々の容量や電圧を得ることができ、それらのチューニングが容易となる。
【００９５】
請求項１４に記載の発明にあっては、請求項１１または請求項１２に記載の組電池ユニット、または、請求項１３に記載の組電池を搭載することによって、車両の重量を極度に増加させることがなくなり、また、車両の有効スペースを極端に狭めることがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。
【図２】図１の発電要素の内部構成を示す図である。
【図３】図１の発電要素における正極タブ、負極タブ、電圧検知用タブの接続状態を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【図５】図４の発電要素における正極タブ、負極タブ、電圧検知用タブの接続状態を示す図である。
【図６】実施の形態１にかかるさらに他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【図７】実施の形態２にかかるバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【図８】実施の形態２にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【図９】実施の形態２にかかる他のタイプのバイポーラ二次電池の外観図であり、（ａ）がその正面図を、（ｂ）がその側面図を、（ｃ）がそのＡ−Ａ断面図を示している。
【図１０】実施例１にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図１１】実施例４にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図１２】実施例５にかかる周波数−振動伝達率の特性を示す線図である。
【図１３】組電池モジュールの一例を示す図である。
【図１４】組電池の一例を示す図である。
【図１５】組電池を搭載した状態の電気自動車を示す図である。
【符号の説明】
１０…バイポーラ二次電池、
１２…発電要素、
１４…正極タブ、
１６…負極タブ、
１８（１８Ａ〜１８Ｋ）…電圧検出用タブ、
２０…高分子金属複合フィルム、
２２…封止部分、
３２…集電体、
３４…正極層、
３６…負極層、
３８…バイポーラ電極、
４０…固体電解質、
５０…組電池モジュール、
５５…組電池ケース、
６０…組電池、
７０…電気自動車。

Claims

集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、
当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、
前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続したことを特徴とするバイポーラ二次電池であって、
前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、
前記正極タブを当該長方形の１辺から引き出すとともに、前記負極タブを、前記正極タブを引き出した辺に対向する１辺から引き出し、
前記電圧検知用タブを、残りの辺のうちの１辺から引き出したことを特徴とするバイポーラ二次電池。
集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の固体電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該固体電解質を介して向き合うように積層して発電要素を形成し、
当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体に前記発電要素を充放電させるための正極タブと負極タブとを接続し、
前記発電要素の積層方向両端に位置する集電体以外の集電体に電圧検知用タブを接続したことを特徴とするバイポーラ二次電池であって、
前記バイポーラ電極の積層方向から見た前記発電要素の形状は長方形であり、
前記正極タブを当該長方形の１辺から引き出すとともに、前記負極タブを、前記正極タブを引き出した辺に対向する１辺から引き出し、
前記電圧検知用タブを、残りの２辺から引き出したことを特徴とするバイポーラ二次電池。
前記電圧検知用タブの幅と当該電圧検知用タブの配置間隔とが等しい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二次電池。
前記電圧検知用タブの合計断面積は、前記正極タブと前記負極タブの合計断面積以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
各辺に引き出す前記電圧検知用タブの数は、それを引き出す辺の数とその辺の長さに応じて配分する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二次電池。
前記電圧検知用タブは、前記辺の長手方向に前記バイポーラ電極の積層順に整列して引き出すことを特徴とする請求項１または２記載のバイポーラ二次電池。
前記発電要素は、高分子金属複合フィルムによって封止されており、
前記正極タブ、前記負極タブ、前記電圧検知タブは、前記高分子金属複合フィルムから引き出されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
前記正極層は、Ｌｉ−Ｍｎ系の複合酸化物により形成されている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二次電池。
前記負極層は、結晶性炭素材または非結晶性炭素材により形成されている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二次電池。
請求項１〜９のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池モジュール。
請求項１〜９のいずれかのバイポーラ二次電池を直並列接続して第１組電池ユニットを形成するとともに、当該第１組電池ユニットの端子間電圧と電圧を同一にするバイポーラ電池以外の二次電池が直並列接続されてなる第２組電池ユニットを形成し、当該第１組電池ユニットと当該第２組電池ユニットを並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池モジュール。
請求項１０または請求項１１に記載の組電池モジュールを直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池。
請求項１０または請求項１１に記載の組電池モジュール、または、請求項１２に記載の組電池を搭載したことを特徴とする車両。