JP4135469B2 - ポリマー電池、組電池および車両 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質層と負極活物質層とが高分子電解質層を挟んで構成されるポリマー電池、組電池および車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
正極活物質層と負極活物質層とが電解質層を挟んで構成される電池について、高出力化のためには、電解質層の厚さをできるだけ薄くして、イオン伝導の距離を短くし電解質層の内部抵抗を低減することが必要であることが解っている。特に、電解質に高分子電解質を用いたポリマー電池の場合、電解質が半固体または固体でありイオン伝導度が低いため、電解質層をより薄膜化する必要がある。
【０００３】
しかし、電解質層の厚さを薄くする程、機械的強度が低くなり、電池の製作時に高分子電解質が破壊され、正極活物質層と負極活物質層とが接触して、内部短絡が生じる可能性が高くなる。
【０００４】
ここで、短絡を防止すべく、高分子電解質に無機固体電解質を含有して高分子電解質の機械的強度を向上する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、無機固体電解質を含有することによって、高分子電解質の機械的強度を向上することができたものの、これにも限界があり、例えば、車両等の振動が強い装置に適用する場合には、依然短絡する可能性が高いという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１４４３４９号公報（段落「０００９」、「００１０」、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高分子電解質の厚さを薄くしつつ機械的強度も高いポリマー電池、該ポリマー電池を組み合わせてなる組電池、および該ポリマー電池または組電池を搭載してなる車両を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００９】
本発明のポリマー電池は、正極活物質層と負極活物質層とが高分子電解質層を挟んで構成されるポリマー電池において、前記高分子電解質層中に正極活物質層と負極活物質層とを一定の間隔に隔てる骨格材を含み、前記骨格材は、表面を樹脂で被覆した金属線、または、該金属線を加工してできる多孔性シートを用いてなる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明のポリマー電池によれば、高分子電解質層中に骨格材を含み、前記骨格材は、表面を樹脂で被覆した金属線、または、該金属線を加工してできる多孔性シートを用いてなるので、骨格材自体の高い機械的強度のため、高分子電解質層を薄くしても全体的な強度を強く保ち、骨格材が正極活物質層と負極活物質層との間に挟まってこれらの接触を防止し短絡を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面では、説明の明確のために各構成要素を誇張して表現している。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明の第一は、正極活物質層と負極活物質層とが高分子電解質層を挟んで構成されるポリマー電池において、前記高分子電解質層中に正極活物質層と負極活物質層とを一定の間隔に隔てる骨格材が含まれてなるポリマー電池である。なお、本実施形態では、ポリマー電池がバイポーラリチウムイオン二次電池（以下、単にバイポーラ電池という）である場合について説明する。
【００１３】
図１はバイポーラ電池の電極を示す図、図２は電極が電解質層を挟んで積層される様子を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、バイポーラ電池を構成するシート状のバイポーラ電極１０は、一体化されている集電体１の一の面に正極活物質層２を配置し、他の面に負極活物質層３を配置した構造を有する。換言すれば、正極活物質層２、集電体１および負極活物質層３が、この順序で積層した構造を有する。
【００１５】
上記構造を有する電極１０は、図２に示すように、全て積層順序が同一となるように配置され、高分子電解質層４を挟んで積層されている。正極活物質層２および負極活物質層３の間に高分子電解質層４を充填することによって、イオン伝導がスムーズになり、パイポーラ電池全体としての出力向上が図れる。
【００１６】
高分子電解質層４は、固体層であるので、電解質の液漏れがなく、該溶け出しを防止するための構成も必要としないので、バイポーラ電池の構成を簡易にすることができる。
【００１７】
なお、集電体１の間に挟まれる、負極活物質層３、電解質層４および正極活物質層２を合わせた層を単電池層２０という。
【００１８】
本発明のバイポーラ電池では、上記高分子電解質層４に骨格材を含むことを特徴としている。該特徴については、次述の図３に示すバイポーラ電池の全体概略構成の説明の後に詳細に説明する。
【００１９】
本発明のバイポーラ電池の全体構成について説明する。
【００２０】
図３は本発明のバイポーラ電池の構成を示す断面図である。
【００２１】
バイポーラ電極１０および電解質層４を交互に積層してバイポーラ電池３０に適用する場合、図３に示すように、バイポーラ電極１０が積層の最外層に積層され、最外層のバイポーラ電極１０の中でものちに正極として機能する端子となる集電体１ａおよび負極として機能する端子となる集電体１ｂが最外部に配置される。したがって、正極として機能する集電体１ａは、集電体１ａより外部に負極活物質層３が形成されず、また、負極として機能する集電体１ｂは、集電体１ｂより外部に正極活物質層２が形成されない状態で積層される。
【００２２】
最外層のバイポーラ電極１０に含まれる集電体１ａおよび１ｂは、バイポーラ電池３０外部に引き出されるように伸延し、それぞれ、正極端子および負極端子として機能している。一方で、集電体１ａおよび１ｂ以外のバイポーラ電極１０および電解質層４などの電池要素は、集電体１ａおよび１ｂに結合されるラミネートシート５ａおよび５ｂによって減圧密閉されている。
【００２３】
ラミネートシート５ａおよび５ｂは、一般には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。したがって、ラミネートシート５ａおよび５ｂの金属箔が端子となる集電体１ａまたは１ｂに直接接触すると短絡してしまうので、これらが非接触となるようにシール樹脂により結合されている。シール樹脂としては、エポキシ樹脂を用いることができる。
【００２４】
次に、本発明の特徴とする高分子電解質層４の構成について説明する。本発明の高分子電解質層４には、骨格材が含まれており、該骨格材に様々なバリエーションが考えられるので、以下、図４〜図８を参照して骨格材を例示する。以下では、バリエーションごとに高分子電解質層および骨格材に異なる参照番号を付して説明する。
【００２５】
（第１バリエーション）
図４は、本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の一例を示す図である。図４左側には高分子電解質層４０の断面図を示し、図４右側には高分子電解質層４０の平面図を示す。
【００２６】
図４に示すように、第１バリエーションでは、高分子電解質層４０は、高分子電解質４２中に骨格材４５を含んで構成されている。該骨格材４５は、複数の線状部材が所定間隔を空けてほぼ並行に配置され構成されている。
【００２７】
骨格材４５に用いる材料としては、例えば、樹脂繊維、または表面を樹脂で被覆した金属の細線が挙げられる。そして、樹脂繊維としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド系合成繊維（ナイロン）、ポリイミド、シリコンなどが挙げられる。しかし、骨格材４５の材料は、これらに限定されるものではない。
【００２８】
上記のような骨格材４５が埋設された高分子電解質層４０の作製手順は、例えば以下の通りである。
【００２９】
まず、ＰＥＴフィルム上に線径２０μｍのＰＥＴ繊維を複数配置し、ここにポリマーと支持塩および紫外線重合開始剤（ベンジルジメチルケタール）とを混合したものを塗布する。そして、塗布されたＰＥＴフィルム上にさらに別のＰＥＴフィルムを重ね、紫外線により重合させて、高分子電解質層４０を形成する。このようにして、一部に骨格材４５を含みつつ、他の大部分が高分子電解質４２により構成されて良好にイオン伝導を行うことができる高分子電解質層４０を形成することができる。
【００３０】
（第２バリエーション）
図５は、本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。図５左側には高分子電解質層５０の断面図を示し、図５右側には高分子電解質層５０の平面図を示す。
【００３１】
図５に示すように、第２バリエーションでは、高分子電解質層５０は、高分子電解質５２中に骨格材５５を含んで構成されている。該骨格材５５は、第１バリエーションで説明したような線状部材が格子状に配置された多孔性シートからなる。
【００３２】
骨格材５５に用いる材料は第１バリエーションと同様であり、例えば、樹脂繊維、または表面を樹脂で被覆した金属線などを用いることができる。
【００３３】
骨格材５５が埋設された高分子電解質層５０の作製手順は、例えば以下の通りである。
【００３４】
まず、ＰＥＴフィルム上に、表面をＰＰで被覆した２００メッシュのＳＵＳ網（多孔性シート）を配置し、そこにポリマーと支持塩、紫外線重合開始剤（ベンジルジメチルケタール）とを混合したものを塗布する。そして、塗布されたＰＥＴフィルム上にさらに別のＰＥＴフィルムを重ね、紫外線により重合させて、高分子電解質層５０を形成する。
【００３５】
（第３バリエーション）
図６は、本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。図６左側には高分子電解質層６０の断面図を示し、図６右側には高分子電解質層６０の平面図を示す。
【００３６】
図６に示すように、第３バリエーションでは、高分子電解質層６０は、高分子電解質６２中に骨格材６５を含んで構成されている。該骨格材６５は、単数または複数の線状の部材が織られずに絡ませられた多孔性シート（不織布）からなる。
【００３７】
骨格材６５に用いる材料は第１バリエーションと同様であり、例えば、樹脂繊維、または表面を樹脂で被覆した金属線などを用いることができる。この樹脂繊維、または表面を樹脂で被覆した金属線を織らずに絡ませることによって、骨格材６５用の多孔性シートが形成される。
【００３８】
骨格材６５が埋設された高分子電解質層６０の作製手順は、例えば以下の通りである。
【００３９】
まず、ＰＥＴフィルム上に、線径２０μｍのＰＰ繊維からなるスパンボンド不織布（多孔性シート）を配置し、そこにポリマーと支持塩、紫外線重合開始剤（ベンジルジメチルケタール）とを混合したものを塗布する。そして、塗布されたＰＥＴフィルム上にさらに別のＰＥＴフィルムを重ね、紫外線により重合させて、高分子電解質層６０を形成する。
【００４０】
（第４バリエーション）
図７は、本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。図７左側には高分子電解質層７０の断面図を示し、図７右側には高分子電解質層７０の平面図を示す。
【００４１】
図７に示すように、第４バリエーションでは、高分子電解質層７０は、高分子電解質７２中に骨格材７５を含んで構成されている。該骨格材７５は、複数の線状の小片がランダムに配置され構成されている。
【００４２】
骨格材７５の小片に用いる材料としては、例えば、セラミックスが挙げられる。そして、セラミックス材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2などが挙げられる。しかし、骨格材７５の材料は、これらに限定されるものではない。
【００４３】
骨格材７５が埋設された高分子電解質層７０の作製手順は、例えば以下の通りである。
【００４４】
まず、ＰＥＴフィルム上に、ポリマーと支持塩、紫外線重合開始剤（ベンジルジメチルケタール）とを混合したものを塗布し、ここに直径２０μｍの針状のアルミナをランダムに配置する。アルミナが配置されたＰＥＴフィルム上にさらに別のＰＥＴフィルムを重ね、紫外線により重合させて、高分子電解質層７０を形成する。
【００４５】
（第５バリエーション）
図８は、本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。図８左側には高分子電解質層８０の断面図を示し、図８右側には高分子電解質層８０の平面図を示す。
【００４６】
図８に示すように、第５バリエーションでは、高分子電解質層８０は、高分子電解質８２中に骨格材８５を含んで構成されている。該骨格材８５は、複数の小球がランダムに配置され構成されている。
【００４７】
骨格材８５の小球に用いる材料としては、例えば、樹脂、表面を樹脂で被覆した金属の小球、セラミックスの小球が挙げられる。そして、樹脂繊維としては、ＰＰ、ＰＥ、ＰＥＴ、ポリアミド系合成繊維、ポリイミド、シリコンなどが挙げられ、セラミックス材料としては、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2などが挙げられる。しかし、骨格材８５の材料は、これらに限定されるものではない。
【００４８】
骨格材８５が埋設された高分子電解質層８０の作製手順は、例えば以下の通りである。
【００４９】
まず、ＰＥＴフィルム上に、ポリマーと支持塩、紫外線重合開始剤（ベンジルジメチルケタール）とを混合したものを塗布し、ここに直径２０μｍのポリマービーズをランダムに配置する。ポリマービーズが配置されたＰＥＴフィルム上にさらに別のＰＥＴフィルムを重ね、紫外線により重合させて、高分子電解質層８０を形成する。
【００５０】
以上説明してきたように、本発明の高分子電解質層４０、５０、６０、７０、８０は、それぞれ、様々なバリエーションの骨格材４５、５５、６５、７５、８５を含んで形成されている。したがって、該高分子電解質層をバイポーラ電池に適用する際には、次のような効果を奏する。
【００５１】
（１）骨格材により高分子電解質層自体の機械的強度も増強されるので、高分子電解質層をさらなる薄膜化を可能とし、これにより高分子電解質層のイオン伝導度を向上し、より効率のいいバイポーラ電池３０を得ることができる。なお、イオン伝導度の向上という観点から、高分子電解質層の厚さは、５０μｍ以下にすることが好ましい。
【００５２】
（２）少なくとも表面が絶縁物質からなる骨格材が正極活物質層２および負極活物質層３を隔てるスペーサとして機能するので、正極活物質層２および負極活物質層３が互いに接触して短絡することを防止できる。
【００５３】
（３）骨格材が十分隙間を空けて設けられているので、イオン伝導を妨げず、良好なイオン伝導が行われ、十分な電池反応を得ることができる。
【００５４】
（４）骨格材が機械的強度の高い固体の高分子電解質層に提供されているので、液体の電解質層に必要的に提供されるセパレータよりも機械的強度が高くなくてもよい。結果として、イオン伝導度が高くなるように骨格材の占有密度を低くしても、高分子電解質層全体として短絡を防止するのに十分な機械的強度を得ることができる。
【００５５】
上記（１）、（３）の効果を得られるかどうかを、導入していない高分子電解質層と、骨格材を導入している高分子電解質層との抵抗を測ることにより実験した。
【００５６】
ここで、骨格材を導入していない高分子電解質層は、機械的強度の要請から薄膜化できないので、厚さを１００μｍのものを用意し、骨格材を導入している高分子電解質層は厚さ２０μｍのものを用意した。骨格材は、上記バリエーション１〜５に対応する全てのものをそれぞれ用意した。
【００５７】
そして、各電解質層について、１ｃｍ2のサンプルをそれぞれ切り出し、２５℃で交流インピーダンス法により抵抗値を測定した。
【００５８】
この結果、骨格材が導入されていない高分子電解質層の抵抗が６４２Ωだった。これに対し、各バリエーションの骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、次の通りだった。
【００５９】
第１バリエーションにしたがって、複数の線状の樹脂が所定間隔を空けてほぼ並行に配置され構成される骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、１３５Ωだった。
【００６０】
第２バリエーションにしたがって、表面を樹脂で被覆した金属線が格子状に配置された骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、１６１Ωだった。
【００６１】
第３バリエーションにしたがって、単数または複数の線状の部材が織られずに絡ませられた骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、１５６Ωだった。
【００６２】
第４バリエーションにしたがって、複数の線状の小片がランダムに配置され構成された骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、１３０Ωだった。
【００６３】
第５バリエーションにしたがって、複数の小球がランダムに配置され構成された骨格材が導入された高分子電解質層の抵抗は、１２９Ωだった。
【００６４】
以上の結果から、骨格材を導入しない場合と導入した場合とを比較すると、どのバリエーションの骨格材を導入した場合でも抵抗値が減少し、イオン伝導度が高くなることがわかる。これにより、骨格材を導入することによる抵抗値の増幅よりも、電解質層の厚さを薄膜化することによる抵抗値の減少の方が大きいことが立証され、本発明の骨格材を導入した高分子電解質層がイオン伝導度および機械的強度の両者について優れていることがわかる。
【００６５】
次に上記（２）の効果を得られるかどうかを、骨格材が導入された高分子電解質層と導入されていない高分子電解質層とを適用したバイポーラ電池を実際に製造することにより実験した。
【００６６】
ここで、バイポーラ電池は、骨格材の導入の有無に関わらず高分子電解質層の厚さを２０μｍにし、単電池層を１０層積層して５個ずつ作製した。そして、完成後にバイポーラ電池に充電を行い、各単電池層の電圧を測定した。
【００６７】
この結果、骨格材が導入されていないバイポーラ電池では、５個のバイポーラ電池の高分子電解質層のうち合計６つの単電池層で内部短絡による電圧降下が観測された。これに対し、骨格材が導入されたバイポーラ電池では、内部短絡による電圧降下が観測されなかった。
【００６８】
以上のように、本発明では、高分子電解質層に骨格材を含ませることによって、薄膜化した高分子電解質層の機械的強度を増強し、破損による短絡を防止できていることがわかる。
【００６９】
また、上記（４）の効果が得られるかどうかを、液体の電解質層を有するバイポーラ電池と、高分子電解質層を有するバイポーラ電池とを比較することによって実験した。
【００７０】
液体の電解質層にセパレータとして不織布を導入した場合、該不織布の目付量は３０〜８０ｇ／ｍ2程度ないと、セパレータとして十分に機能せずに不織布の隙間から正極電解質層と負極電解質層とが接触して短絡した。これに対し、上記第３バリエーションのように不織布を骨格材として高分子電解質層に含ませた場合、不織布の目付量を１０ｇ／ｍ2程度と低くしても、短絡しなかった。これは、固体または半固体である高分子電解質自体に機械的強度があるため、不織布の目付量が低くても、不織布が圧縮されて隙間から正極電解質層と負極電解質層とが接触することがないからである。
【００７１】
この結果から、本発明の高分子電解質層では、イオン伝導度をより高くすべく、不織布の目付量を小さく、すなわち、骨格材の占有密度を低くしても、高分子電解質層全体として短絡を防止するのに十分な機械的強度を得ることができることがわかる。
【００７２】
目付量と同様に、上記第２バリエーションおよび第３バリエーションにおいて、骨格材となる格子の目の大きさや、不織布の隙間の大きさ、すなわち、多孔性シートの開口部の大きさが大きくても、高分子電解質層自体の強度により短絡することがない。実験的に、開口部の大きさに１ｍｍ2以上のものを含んでいても短絡しないことがわかっている。１ｍｍ2以上の開口部が許容されるので、これによってもイオン伝達度を高くすることができる。
【００７３】
以上、本発明のバイポーラ電池について説明した。続けて、本発明のバイポーラ電池における、集電体１、正極活物質層２、負極活物質層３、高分子電解質層４、およびラミネートシート５ａ、５ｂの材料等についても参考までに説明するが、これらには、公知の材料を用いればよく特に限定されるものではない。
【００７４】
［集電体］
集電体は、その表面材質がアルミニウムである。表面材質がアルミニウムであると、形成される活物質層が高分子固体電解質を含む場合であっても、高い機械的強度を有する活物質層となる。集電体は表面材質がアルミニウムであれば、その構成については特に限定されない。集電体がアルミニウムそのものであってもよい。また、集電体の表面がアルミニウムで被覆されている形態であってもよい。つまり、アルミニウム以外の物質（銅、チタン、ニッケル、ＳＵＳ、これらの合金など）の表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。場合によっては、２以上の板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、アルミニウム箔単体を集電体として用いることが好ましい。集電体の厚さは特に限定されないが、通常は１０〜１００μｍ程度である。
【００７５】
端子として機能する集電体１ａ、１ｂについても、他の集電体と異なることはなく、上記材料により構成されている。
【００７６】
［正極活物質層］
正極活物質層は、正極活物質、高分子固体電解質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるために導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始材としてＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）などが含まれ得る。
【００７７】
正極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用できる。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系複合酸化物などが挙げられる。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。正極活物質層活物質としてリチウム一遷移金属複合酸化物を用いることにより、ポリマー電池の反応性、サイクル耐久性を向上させ、低コストにすることができる。
【００７８】
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、電解質が固体でない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、正極活物質の平均粒径が０．１〜５μｍであるとよい。
【００７９】
高分子固体電解質は、イオン伝導性を有する高分子であれば、特に限定されるものではない。イオン伝導性を有する高分子としては、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。
【００８０】
支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、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。
【００８１】
導電助剤としては、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。
【００８２】
正極活物質層における、正極活物質、高分子固体電解質、リチウム塩、導電助剤の配合量は、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、活物質層内における高分子固体電解質の配合量が少なすぎると、活物質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、活物質層内における高分子固体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。したがって、これらの要因を考慮して、目的に合致した高分子固体電解質量を決定する。
【００８３】
ここで現状レベルの高分子固体電解質（イオン伝導度：１０-5〜１０-4Ｓ／ｃｍ）を用いて電池反応性を優先するバイポーラ電池を製造する場合について、具体的に考えてみる。かような特徴を有するバイポーラ電池を得るには、導電助剤を多めにしたり活物質のかさ密度を下げたりして、活物質粒子間の電子伝導抵抗を低めに保つ。同時に空隙部を増やし、該空隙部に高分子固体電解質を充填する。かような処理によって高分子固体電解質の割合を高めるとよい。
【００８４】
正極活物質層の厚さは、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。一般的な正極活物質層の厚さは５〜５００μｍ程度である。
【００８５】
［負極活物質層］
負極活物質層は、負極活物質、高分子固体電解質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるために導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始材としてＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極活物質」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。
【００８６】
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。ただし、本発明のバイポーラ電池は高分子固体電解質が用いられるため、高分子固体電解質での反応性を考慮すると、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物が好ましい。より好ましくは、負極活物質はカーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物である。さらに好ましくは、遷移金属はチタンである。つまり、負極活物質は、チタン酸化物またはチタンとリチウムとの複合酸化物であることがさらに好ましい。
【００８７】
負極活物質層活物質としてカーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることにより、ポリマー電池の反応性、サイクル耐久性を向上させ、低コストにすることができる。
【００８８】
［高分子電解質層］
イオン伝導性を有する高分子から構成される固体または半固体の層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。固体電解質なので、液漏れ防止のための特別な構成を設ける必要がなく、電池の構造を簡易なものとすることができる。
【００８９】
固体電解質には、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高分子固体電解質が挙げられる。高分子固体電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩（リチウム塩）が含まれる。支持塩としては、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。
【００９０】
高分子固体電解質は、高分子固体電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子固体電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子固体電解質を用いてもよい。
【００９１】
［ラミネートシート］
ラミネートシートは電池の外装材として用いられる。一般には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。
【００９２】
熱融着性樹脂としては、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、アイオノマー、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。金属箔としては、たとえばＡｌ箔、Ｎｉ箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン等を用いることができる。具体的には、シール面側から外面に向けて積層したＰＥ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＰＥ／Ａｌ箔／ナイロンの積層フィルム；アイオノマー／Ｎｉ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＥＶＡ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；アイオノマー／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム等を用いることができる。熱融着性樹脂フィルムは、電池要素を内部に収納する際のシール層として作用する。金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を外装材に付与する。ラミネートシートは、超音波融着等を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。
【００９３】
以上、本発明の第１実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記第１実施形態では、本発明をバイポーラ電池に適用する場合について例示的に説明したが、これに限定されず、バイポーラ以外のポリマー電池にも適用することができる。
【００９４】
（第２の実施の形態）
本発明の第二は、第１の実施の形態のバイポーラ電池を複数個接続してなる組電池である。
【００９５】
図９は本発明の組電池９０を示す図である。
【００９６】
図９に示すように、第１実施形態において示したバイポーラ電池３０を複数個用意し、正極端子同士および負極端子同士を接続して並列接続することによって、長寿命の組電池９０を得ることができる。
【００９７】
このように、本発明の組電池９０では、簡易な構成によりバイポーラ電池３０同士を並列接続して組電池化することができる。
【００９８】
また、複数のバイポーラ電池３０により組電池９０を形成するので、バイポーラ電池３０の一つに不良品があった場合にも、不良品を取り換えるだけで、後の良品をそのまま使用でき、経済性に優れている。
【００９９】
なお、図面ではバイポーラ電池３０を並列接続する場合のみ示しているが、体ポーラ電池の負極端子と他のバイポーラ電池の正極端子とを連続して接続し、バイポーラ電池３０同士を直列接続して組電池化することができる。直列接続することにより、高出力の、組電池を得ることができる。
【０１００】
（第３の実施の形態）
本発明の第三は、第１実施形態のバイポーラ電池、または第２実施形態の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両である。
【０１０１】
図１０は、本発明のバイポーラ電池または組電池を搭載した車両１００を示す図である。
【０１０２】
本発明のバイポーラ電池３０および組電池９０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用電源として好適である。また、電解質４に高分子固体電解質を用いた場合にはイオン伝導度がゲル電解質よりも低いという欠点があるが、車両１００に用いる場合にはバイポーラ電池の周囲環境をある程度の高温下に保持することができる。この観点からも、本発明のバイポーラ電池は車両１００に用いることが好適であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイポーラ電池の電極を示す図である。
【図２】 電極が電解質層を挟んで積層される様子を示す図である。
【図３】 本発明のバイポーラ電池の構成を示す断面図である。
【図４】 本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の一例を示す図である。
【図５】 本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。
【図６】 本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。
【図７】 本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。
【図８】 本発明の高分子電解質層に含まれる骨格材の他の一例を示す図である。
【図９】 本発明の組電池を示す図である。
【図１０】 本発明のバイポーラ電池または組電池を搭載した車両を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ…集電体、
２…正極活物質層、
３…負極活物質層、
４、４０、５０、６０、７０、８０…高分子電解質層、
５ａ、５ｂ…ラミネートシート、
１０…バイポーラ電極、
２０…単電池層、
３０…バイポーラ電池、
４２、５２、６２、７２、８２…高分子電解質、
４５、５５、６５、７５、８５…該骨格材、
９０…組電池、
１００…車両。

Claims (7)

  1. 正極活物質層と負極活物質層とが高分子電解質層を挟んで構成されるポリマー電池において、
    前記高分子電解質層中に正極活物質層と負極活物質層とを一定の間隔に隔てる骨格材を含み、
    前記骨格材は、表面を樹脂で被覆した金属線、または、該金属線を加工してできる多孔性シートを用いてなるポリマー電池。
  2. 前記多孔性シートには、１ｍｍ２以上の大きさの開口部が設けられている請求項１に記載のポリマー電池。
  3. 集電体の一方の面に前記正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなるバイポーラ電極を含み、
    前記バイポーラ電極が前記高分子電解質層を挟んで複数直列に積層してなる請求項１または請求項２に記載のポリマー電池。
  4. 前記正極活物質層には、リチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれ、
    前記負極活物質層には、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のポリマー電池。
  5. 前記高分子電解質層は、全固体高分子を用いてなる請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のポリマー電池。
  6. 請求項１〜請求項５に記載のポリマー電池を複数個接続してなる組電池。
  7. 請求項１〜５に記載のポリマー電池、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車両。
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