JP4438784B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、正極及び負極が電解質を介して積層された蓄電装置に関する。

近年、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二次電池が開発されている。

この種の二次電池として、バイポーラ電極を電極として用いたバイポーラ型電池が知られている。

バイポーラ電極は、一方の面に正電極、他方の面に負電極が形成された集電体からなり、このバイポーラ電極を電解質を介して積層することにより、バイポーラ電池は構成される。ここで、積層体の積層ずれを防止するために、電極などに位置決め用のマーキング処理を施し、このマーキングを目印として、積層する方法がある。

また、別の従来技術として、複数枚の隣り合う正極板と負極板との間に電気絶縁性のセパレータが介在されて成る積層型電池・キャパシタの電極構造が図４に示されている。この積層型電池・キャパシタは、セパレータ１２２ａ、１２２ｂを有しており、これらのセパレータ１２２ａ、１２２ｂには、正極板１００又は負極板１１６の各辺に当接する位置決め部１２４ａ、１２４ｂ又は１２６ａ、１２６ｂが形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１０２０５０号公報（図１、段落００２１等） 特開平１１−２６０３２５号公報

しかしながら、マーキングを目印として積層する方法では、電極の平面方向に外力を受けたときに、二次電池が積層ずれを起こすおそれがあり、寸法精度が得られない。

また、特許文献１の方法では、正極板１００や負極板１１６がそれらの平面方向から外力を受けて位置決め部１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂに当接したときに折れ曲がるおそれがある。特に、特許文献１の構造をバイポーラ型電池に適用した場合、集電体などの各積層構造体は、板厚が極めて薄く、強度も弱いため、上記折れ曲がりなどの不具合が顕著となる。

そこで、本願発明は、位置決め精度が高く、積層ずれの起こりにくい蓄電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明の蓄電装置は、正極及び負極が電解質を介して積
層された積層体を有する蓄電装置であって、前記積層体に形成された積層方向に貫通する
位置決め用の穴部には、位置決め部材が挿入されており、前記位置決め部材の前記挿入方
向の端部は、端子部を有しており、前記位置決め部材のうち少なくとも前記積層体に接触
する接触部を絶縁材料で構成したことを特徴とする。

ここで、前記位置決め部材は、絶縁材料により構成することができる。また、前記積層体の積層方向視において、前記穴部を、前記積層体の略中心に形成するのが好ましい。この穴部は、多角形状に構成することができる。

また、前記端子部には、前記正極及び前記負極のうち一方に接続される導電線を設けたり、前記端子部は、前記端部を覆い、前記正極及び前記負極のうち一方に延在して面接触する導電層により構成することにより、電流の引き出しを行うことができる。

また、前記積層体のうち少なくとも前記電解質には、バインダーを含ませるとよい。

さらに、前記正極、前記負極及び前記電解質を、前記位置決め部材を中心として同心円状に配置するとよい。

本願発明によれば、積層体に位置決め用の穴部を形成し、この穴部に位置決め部材を挿入しているため、積層直交方向に加わる外力によって正極、負極、電解質が位置ずれを起こすのを防止できる。さらに、この位置決め部材の両端部に端子を設けているため、電流の引き出しなどが容易となる。

また、位置決め部材のうち少なくとも前記絶縁体に接触する接触部を絶縁材料で構成することにより、正極、負極及び電解質と位置決め部材との間で短絡などの不具合が発生するのを阻止できる。

また、前記積層体の積層方向視において、前記穴部を、前記積層体の略中心に形成することにより、積層体に加わる積層直交方向の外力をバランスよく受けることができる。

また、前記各端子部をそれぞれ、前記正極、前記負極に接触する導電層により構成することにより、正極及び負極に接触する導電層の接触面積を広げて高出力の蓄電装置を提供することができる。

また、電解質にバインダーを含ませることにより、電解質を強化して積層体の強度を高めることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である蓄電装置としてのバイポーラ型電池（円筒型）について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例のバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。

本実施例のバイポーラ型電池の概略構成は、一枚の集電体１１の一方の面に正極層１３を設け、他方の面に負極層１２を設けたバイポーラ電極５を、固体電解質層１４を介して積層した構造となっている。ただし、積層体６の上端の集電体１１には正極層１３のみが形成され、下端の集電体１１には負極層１２のみが形成されている。

積層体６は、絶縁体樹脂１５により封止されており、上端及び下端の集電体１１のみが絶縁体樹脂１５から露出した構造となっている。

積層体６の中心には、積層方向に貫通する、断面が円形の位置決め穴部６ａが形成されており、この位置決め穴部６ａに対して円柱形状の位置決め部材１６が挿入されている。

位置決め部材１６は、絶縁材料により構成されており、上端部には正極端子１６ａが金属コーティングされ，下端部には負極端子１６ｂが金属コーティングされている。なお、正極端子１６ａは積層体６よりも上側の領域に形成され、負極端子１６ｂは積層体６よりも下側の領域に形成されている。

この正極端子１６ａには、導電線１８の一端部が接続されており、導電線１８の他端部は、積層体６の上端に配置される集電体１１（以下、「上端集電体１１」という）に接続されている。負極端子１６ｂには、導電線１８の一端部が接続されており、導電線１８の他端部は、積層体６の下端に配置される集電体１１（以下、「下端集電体１１」という）に接続されている。

さらに位置決め部材１６には、正極端子１６ａの形成領域内に絶縁リング１７が圧入されており、この絶縁リング１７を介して電池外装１９は装着される。

図１（ａ）に図示するように、バイポーラ電極５、固体電解質層１４、絶縁体樹脂１５及び電池外装１９は、位置決め部材１６を中心として同心円上に配置されており、固体電解質層１４はバイポーラ電極５よりも径が大きく設定され、絶縁体樹脂１５は固体電解質層１４よりも径が大きく設定され、電池外装１９は絶縁体樹脂１５よりも径が大きく設定されている。

上述の構成によれば、積層方向に直交する方向の外力を、積層体６の中心を通る位置決め部材１６で受けることができる。これにより、積層体６の各構成要素（バイポーラ電極５、固体電解質層１４など）の位置決め精度が高まり、積層直交方向の位置ずれ（積層ずれ）を確実に防止できる。

また、集電体１１の中央を貫通する位置決め部材１６の両端部に正極端子１６ａ及び負極端子１６ｂを形成しているため、導電線１８の引き出しが容易となる。

次に、本バイポーラ型電池の製造方法について詳細に説明する。

まず、治具を用いて位置決め部材１６を不図示の金属板上に支持する。位置決め部材１６に挿入される下記の部材には、位置決め穴部６ａが形成されているものとする。

この位置決め穴部６ａは、下記の部材に不図示のプレス金型を用いて穴部を形成し、この穴部の縁に発生したバリをエッチング液（例えば、硝酸、塩化第二鉄、塩化第二銅）によって除去した後に、純粋洗浄することにより形成することができる。また、下記の部材における位置決め穴部６ａを形成する形成予定部以外の領域をマスギングし、該形成予定部をエッチング液よってエッチングした後に、マスキングを剥がし、純粋洗浄することによっても形成することができる。

次に、負極層１２のみを片面に有する集電体１１（下端集電体１１）を、負極層１２を上に向けた状態で、位置決め部材１６に挿入する。次に、固体電解質層１４及びバイポーラ電極５を、位置決め部材１６に対して交互に積層する。そして、正極層１３のみを片面に有する集電体１１（上端集電体１１）を、正極層１３を下に向けた状態で、位置決め部材１６に挿入し、上端の固体電解質層１４上に載置する。

そして、上端集電体１１と位置決め部材１６の正極端子１６ａとを、導電線１８を用いて接続する。同様に、積層体６の下端集電体１１と位置決め部材１６の負極端子１６ｂとを、導電線１８を用いて接続する。

最後に、絶縁体樹脂１５を用いて積層体６を封止するとともに、電池外装１９を装着する。

ここで、位置決め部材１６は、絶縁材料により構成されている。これにより、位置決め部材１６が積層体６に接触した際に短絡などの不具合が発生するのを阻止できる。したがって、少なくとも積層体６が接触する位置決め部材１６の接触部に絶縁処理が施されていればよい。例えば、位置決め部材１６を非絶縁材料で構成するとともに、位置決め部材１６の外周面（積層体６との接触部分）に、絶縁処理を施したり、絶縁シートを巻き回した構成とすることもできる。この場合、位置決め部材１６を構成する材料の選択枝が広がるため、コスト化及び軽量化を図ることができる。

集電体１１としては、アルミニウム箔、ステンレス箔、銅箔を例示できる。

また、集電体１１の一方の面に形成される正極層１３を構成する正極活物質としては、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４、溶液系のリチウムイオン電池で使用される遷移金属とリチイウムの複合酸化物を例示できる。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系複合酸化物を例示できる。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などを使用することもできる。

集電体１１の他方の面に形成される負極層１２を構成する負極活物質としては、遷移金属酸化物、遷移金属とリチウムの複合酸化物、チタンの酸化物、チタンとリチウムとの複合酸化物を例示できる。

正極活物質及び負極活物質は、インクジェット方式、スプレー印刷、静電噴霧、スパッタリングなどの方法により集電体１１上に形成される。なお、負極層１２及び正極層１３中にバインダー（例えば、リチウム塩と極性基を含む高分子からなる高分子固体電解質）を含ませてもよい。

固体電解質層１４のイオン導電性物質としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンを例示できる。粉末状のイオン導電性物質には粘性バインダーが混合されている。この粘性バインダーとしては、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）、メチルセルロース、ニトロセルロース、エセチルセルロース、ポリビニルブチラール、酢酸ビニル、ポリスチレン及び共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリレート、小麦デンプン、アルギン酸ソーダ、ワックスエマルジョン、アクリル酸エステルエマルジョン、ポリエチレングリコールを例示できる。

粘性バインダーを混合したイオン導電性物質を攪拌した後、この攪拌物を不図示のプレス装置でプレス成形することにより、位置決め穴部６ａを有するシート状の固体電解質層１４を製造することができる。

このように、イオン導電性物質に粘性バインダーを混合することにより、固体電解質層１４の強度が高まり、位置決め部材１６への挿入時や挿入後に型崩れするのを防止できる。なお、真空蒸着法により固体電解質層１４を形成する場合には、粘性バインダーを不要とすることができる。

導電線１８を接続する方法としては、ワイヤボンディング、溶接などの方法を例示できる。本実施例では、電流の引き出し方法として導電線１８を使用しているが、図２に図示する方法で電流の引き出しを行ってもよい。

図２は、図１とは異なるバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´の断面図である。ただし、図２（ｂ）では位置決め部材の近傍のみを図示している。

同図において、位置決め部材１６は絶縁材料により構成されており、位置決め部材１６及び上端集電体１１のハッチングした領域には、正極端子としての導電層２０が形成されている。

すなわち、この導電層２０は、位置決め部材１６の上端部を覆うとともに、上端集電体１１に延在しており、位置決め部材１６の上端部外周面及び上端集電体１１に金属メッキ処理を施したり、ハット形状の金属箔を載置することにより形成することができる。なお、位置決め部材１６の下端部外周面及び下端集電体１１にも負極端子としての導電層２０が形成されている。

このように、導電層２０を用いて電流の引き出しを行うことにより、導電線１８を用いた場合よりも、集電体１１との接触面積を大きくできるため、高出力のバイポーラ型電池を提供することができる。

また、導電層２０としてハット形状の金属箔を用いた場合には、位置決め部材１６の表面に端子用のメッキ処理を施す必要がなくなるため、製造工程が簡素化される。

さらに、導電層２０を形成した後に、積層体６及び導電層２０の一部を絶縁体樹脂１５で封止することにより、電池外装１９を省略することもできる。これにより、製造工程を簡素化したり、バイポーラ型電池のコストを削減したりすることができる。

本実施例は、バイポーラ型電池を例にして説明したが、バイポーラ型ではない積層型の二次電池（蓄電装置）についても本発明を適用することができる。ここで、バイポーラ型ではない積層型の二次電池では、集電体を二つの異なる金属で構成し、集電体の一方の面に正極層、他方の面に負極層を施した電極が用いられたりする。例えば、アルミニウム金属に正電極層が形成され、銅に負電極層が形成された電極を用いたリチウムイオン電池についても適用することができる。

また、積層型の蓄電装置としての電気二重層キャパシタにも本発明は適用することができる。この電気二重層キャパシタは、複数の正極及び負極を、セパレータを介在させて交互に重ね合わせたものである。そして、この電気二重層キャパシタにおいては、例えば、集電体としてアルミ箔、正極活物質及び負極活物質として活性炭、セパレータとしてポリエチレンからなる多孔質膜を用いることができる。

図３は、本実施例のバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。

本実施例のバイポーラ型電池は、角型の電池である。

位置決め部材１６は、角型形状に構成され、四隅の角部は面取りされてＲ形状になっている。このように位置決め部材１６の角部を面取りすることにより、角部が積層体６に当接して、損傷を与えるのを防止することができる。

集電体１１及び固体電解質層１４は、矩形状に構成されており、矢印Ｘ方向の寸法は同じに設定され、矢印Ｙ方向の寸法は固体電解質層１４のほうが長く設定されている。

積層体６は、絶縁体樹脂１５によって封止されており、上端及び下端の集電体１１のみが絶縁体樹脂１５から露出した状態となっている。

積層体６の中心には、積層方向に貫通する、断面が矩形の位置決め穴部６ａが形成されている。位置決め部材１６を位置決め穴部６ａに挿入した状態において、位置決め穴部６ａと位置決め部材１６のＲ形状部との間には、隙間２４が形成されている。なお、位置決め穴部６ａの断面形状を矩形としたが、矩形以外の多角形状とすることもできる。位置決め穴部６ａの断面形状を多角形状とすることにより、積層体６が回転して、位置ずれを起こすのを抑制できる。

その他の構成は、実施例１と略同様であるため、説明を省略する。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、実施例１で説明した様々な変形例は、本実施例にも適用することができる。

なお、上述した実施例１、２で説明した二次電池やキャパシタは、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の蓄電装置として用いることができる。

実施例１のバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 電流の引き出し方法が図１と異なるバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 実施例２のバイポーラ型電池の断面図であり、（ａ）が集電体の平面方向の断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 従来の積層型電池・キャパシタの斜視図

符号の説明

５ バイポーラ電極
６ 積層体
６ａ 位置決め穴部
１１ 集電体
１２ 負極層
１３ 正極層
１４ 固体電解質層
１５ 絶縁体樹脂
１６ 位置決め部材
１６ａ 正極 端子
１６ｂ 負極端子
１７ 絶縁リング
１８ 導電線
１９ 電池外装
２０ 導電層
２４ 隙間

Claims (8)

1. 正極及び負極が電解質を介して積層された積層体を有する蓄電装置であって、
   前記積層体に形成された積層方向に貫通する位置決め用の穴部には、位置決め部材が挿入
   されており、前記位置決め部材の前記挿入方向の端部は、端子部を有しており、前記位置
   決め部材のうち少なくとも前記積層体に接触する接触部を絶縁材料で構成したことを特徴
   とする蓄電装置。
2. 前記位置決め部材は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記積層体の積層方向視において、
   前記穴部は、前記積層体の略中心に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の蓄電装置。
4. 前記穴部は、多角形状であることを特徴とする請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記端子部には、前記正極及び前記負極のうち一方に接続される導電線が設けられてい
   ることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
6. 前記端子部は、前記端部を覆い、前記正極及び前記負極のうち一方に延在して面接触す
   る導電層であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
7. 前記積層体のうち少なくとも前記電解質には、バインダーが含まれていることを特徴と
   する請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。
8. 前記積層体の積層方向視において、前記正極、前記負極及び前記電解質は、前記位置決め部材を中心として同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一つに記載の蓄電装置。