JP4449485B2

JP4449485B2 - バイポーラ電池、組電池およびこれらの電池を備えた車両

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Publication number: JP4449485B2
Application number: JP2004039892A
Authority: JP
Inventors: 賢司保坂; 拓哉木下
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP2005235428A

Description

本発明は、電池外部に電圧検出用のリード線を容易に導出することができる構造のバイポーラ電池、組電池およびこれらの電池を備えた車両に関する。

一般的なバイポーラ電池は、その電池内部で単セルが複数個直列に積層されて構成された電池である。下記特許文献１には、バイポーラ型リチウムイオン二次電池として、集電箔上の片面に負極を設け他の片面に正極を設けたものを電解質およびセパレータを介して積層するバイポーラ構造の電池が開示されている。

しかし、この電池においては、単セルの電圧を検出する電圧検出用のタブが設けられていないために、単セルごとに実際に加わる電圧が測定できず、電池全体に電圧を印加した場合の合計電圧が測定できるのみである。

この不具合を解消するために、下記特許文献２に記載されている電池では、各層単位で電池単位が構成されるようにし、この電池単位を積層しており、製造時に電池単位ごとに電圧チェックおよび容量チェックが行える。この結果、バイポーラ型リチウムイオン二次電池の製造時に、不良な電池単位を排除することができ、不良な電池単位に電圧が集中してしまうといった、電池内部における容量分布のアンバランスの発生を防止することができる。
特開平４−５４１４４８号公報特開平１１−２０４１３６号公報

ところがこのような従来の電池では、まさに使用中に、各層単位で構成される電池単位ごとの電池電圧を計測することができないため、電池単位ごとの電圧チェックや容量チェックを行うことができない。

本発明は、上記のような従来の電池の不具合を解消するために成されたものであり、電池単位ごとに電圧を検出でき、容量バランスをとるようにするための電圧検出用タブを設け、しかも、この電圧検出用タブを電池外部に容易に導出することができる構造のバイポーラ電池、組電池およびこれらの電池を備えた車両の提供を目的とする。

上記目的を達成するための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電解質を介して向き合うように積層されてなる発電要素を有している。そして、当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体には、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が接続され、また、前記発電要素の集電体には、当該集電体間の電圧を検出し容量バランスを調整するための複数の電圧検出用タブが、前記集電体を積層したときに当該電圧検出用タブが重なることのないように前記集電体ごとにその取り付ける位置をシフトさせて接続され、さらに、当該電圧検出用タブに接触させる接触端子と当該接触端子に接続されたリード線とが設けられた少なくとも１枚の配線板が前記発電要素とともに積層され、この構造によって、前記電圧検出用タブは当該配線板の接触端子と電気的に接続され前記電圧検出用タブの電位は当該リード線を介して外部に導出される。

以上のような構成を有する本発明に係るバイポーラ電池によれば、発電要素の集電体には、集電体間の電圧を検出し容量バランスを調整するための電圧検出用タブが接続されているので、集電体との間で形成される単電池の容量バランスを容易に調整することができる。また、その電圧検出用タブは、配線板を発電要素とともに積層することによってその配線板に設けられているリード線と接続されるので、電圧検出用タブの電位はリード線を介して容易に外部に導出すことができる。

以下に、本発明に係るバイポーラ電池、組電池およびこれらの電池を備えた車両の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本発明に係るバイポーラ電池１０は、ラミネートフィルム１５で形成された外装ケースで覆われており、その内部には発電要素が収容されている。発電要素には外部装置（たとえば動力用モータや充電器）と電力の授受を行うための正極タブ２０Ａ、負極タブ２０Ｂが接続され、これらのタブ２０Ａ、２０Ｂは図示されているようにラミネートフィルム１５から外部に露出されている。一方、発電要素を構成する各集電体には一対の集電体によって形成される単電池の電圧を外部から測定できるようにし、単電池間の容量調整を行うための電圧検出用タブが形成され、この電圧検出用タブは発電要素とともに積層されている配線板に接続され配線板を介して外部に導出される。配線板には図に示すようなソケット２５が形成され、単電池の電圧の測定はソケット２５に図示しない単電池制御装置のコネクタを取り付けることによって行う。

発電要素３０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電解質とを、隣り合うバイポーラ電極の正極層と負極層とが電解質を介して向き合うように積層されてなるものである。この構造は一般的な構造であるので、ここでは図を用いての説明は省略する。

図２に示すように、発電要素３０の積層方向両端に位置するそれぞれの集電体には、発電要素３０を充放電させるための正極タブ２０Ａと負極タブ２０Ｂとが接続される。また、発電要素３０の集電体には、一対の集電体によって形成される単電池の電圧を検出しその単電池と他の単電池との容量バランスを調整するための電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇが接続される。なお、単電池は、集電体−正極層−電解質−負極層−集電体の組み合わせによって形成されており、単電池の電圧は、単電池を構成する２つの集電体の電圧検出用タブを介して測定することができ、また、単電池相互間の容量バランスは、各電圧検出用タブに流す電流の大きさを最適化することによって調整することができる。

なお、ここで言う電解質とは具体的には通常リチウムイオン電池で用いられる電解液であり、さらに好ましくは高分子ゲル電解質である。高分子ゲル電解質とは、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）などの全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めたものである。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高分子ゲル電解質にあたる。高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液の比率は幅広く、ポリマー１００％を全固体高分子電解質、電解液１００％を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。

発電要素３０には図３に示すような配線板５０が少なくとも１枚積層される。配線板５０はプリント基板であり、その基板の表面上には、図２に示した発電要素３０から露出されている電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇそれぞれの対応位置に、電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇと個々に接触される接触端子６０Ａ〜６０Ｇが備えられている。また、配線板５０の一端にはソケット２５が突出して形成され、ソケット２５には接触端子６０Ａ〜６０Ｇのそれぞれに接続されたリード線７０Ａ〜７０Ｇが一箇所に集められている。リード線７０Ａ〜７０Ｇの幅や厚みは単電池の容量バランスを調整（集電体間の電圧を調整）するために流す電流の大きさに耐えられるように設計する必要がある。配線板５０を発電要素３０に積層させ、配線板５０の接触端子６０Ａ〜６０Ｇのそれぞれを発電要素３０の電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇに半田付けによって電気的に接続すると、各電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇの電位を、リード線７０Ａ〜７０Ｇを介してソケット２５に導出させることができ、また、リード線７０Ａ〜７０Ｇを介して各単電池に外部から電流を供給して単電池相互の容量を均一にすることができる。

なお、発電要素３０から露出されている電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇのそれぞれは発電要素３０の積層方向に位置が異なっており段差がついている（発電要素３０の厚み方向の高さが異なる）が、１つの単電池の厚みはせいぜい０．２ｍｍ程度であるので、電圧検出用タブ４０Ａ〜４０Ｇを配線板５０の接触端子６０Ａ〜６０Ｇに一括して接続する際にこの段差が問題になることはない。

発電要素３０に配線板５０を積層させたものの全体はラミネートフィルム１５で覆われ、正極タブ２０Ａ、負極タブ２０Ｂおよびソケット２５をラミネートフィルム１５から露出させるようにしてその周囲を熱融着させ、発電要素３０および配線板５０は密封される。

ソケット２５には充電電圧および放電電圧を単電池ごとに制御することができる単電池制御装置が図示しないコネクタを介して接続される。単電池制御装置は各単電池の電圧を検出し、単電池制御装置は検出した各単電池の電圧に基づいて充放電電流を単電池ごとに調整する。

配線板５０は発電要素３０の内部に割り込ませて設けることもできるが、上記の実施の形態のように、配線板５０を発電要素３０の積層端に積層して配線板５０が発電要素３０とラミネートフィルム１５との間に位置されるようにすることが望ましい。

なお、単電池制御装置は集積回路によっても構成することができるが、この場合には、単電池制御装置をソケット２５の板面上に一体的に形成し、ソケット２５上で単電池制御装置にリード線７０Ａ〜７０Ｇを接続するようにしても良い。

以上のように、本発明に係るバイポーラ電池によれば、単電池ごとの電圧をリアルタイムで測定できるようになるので、バイポーラ電池が充放電を行っている電池使用時であっても、各単電池の電圧を測定することができる。また、各単電池間の容量のアンバランス程度に応じて各単電池に最適な大きさの電流を供給することによって、単電池相互間の容量バランスを取ることもできる。またラミネートフィルム１５から外部に露出するソケット２５の部分を極力薄く形成するようにすれば、電池内部に外気が入り込むことを嫌うバイポーラ型リチウムイオン電池の信頼性と寿命とを向上させることができる。

上記の実施の形態では、発電要素３０の電圧検出用タブ４０の引き出される位置と数が図２に示すようなものと、この発電要素３０に適合する図３に示すような配線板５０の組み合わせを示したが、これ以外の形態としては、たとえば図４から図６に示すような組み合わせも可能である。

図４は、対向する２方向に電圧検出用タブ４１と４２とが引き出されている発電要素３１と、この電圧検出用タブ４１と４２とに対応する位置および数の接触端子６１と６２とが備えられている配線板５１とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３１と配線板５１とが積層され、発電要素３１の電圧検出用タブ４１と４２が配線板５１の接触端子６１と６２に接続される。

図５は、図４に示すものに加え、横方向からも電圧検出用タブ４３が引き出されている発電要素３２と、この電圧検出用タブ４３にも対応する位置および数の接触端子６３が備えられている配線板５２とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３２と配線板５２とが積層され、発電要素３２の電圧検出用タブ４１、４２、４３が配線板５１の接触端子６１、６２、６３に接続される。

図６は、４方向に電圧検出用タブ４１〜４４が引き出されている発電要素３３と、この電圧検出用タブ４１〜４４に対応する位置および数の接触端子６１〜６４が備えられている配線板５３とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３３と配線板５３とが積層され、発電要素３３の電圧検出用タブ４１、４２、４３、４４が配線板５３の接触端子６１、６２、６３、６４に接続される。

発電要素の大きさによっては一方向から多くの電圧検出用タブを取り出すことができない場合があるが、以上のように、電圧検出用タブを発電要素の複数の辺から引き出し、これに適合する配線板を用いることによって、大きさの小さな発電要素にも対応することができる。

なお、上記の実施の形態においては配線板の片方の面に接触端子とリード線とを形成したものを例示したが、配線板としてプリント基板を用いた場合には、配線板の両方の面に接触端子とリード線とを形成し、配線密度を向上させ、これを発電要素の中間に配置させることも可能である。

上記の配線板の場合、発電要素の全体を覆うことができる面積の大きな配線板を用いているが、配線板の軽量化を計るためには、図７〜図９に示すように、集電体から引き出されている電圧検出用タブと接触させるために必要な部分だけに基板が形成されている形態の配線板を用いる。

図７は、１方向にのみ電圧検出用タブ４２が引き出されている発電要素３４と、この電圧検出用タブ４２に対応する位置にのみ、電圧検出用タブ４２に対応する位置および数の接触端子６２が備えられている配線板５４とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３４に配線板５４が重ねられ、発電要素３４の電圧検出用タブ４２が配線板５４の接触端子６２に接続される。配線板５４は、電圧検出用タブ４２に接触させる接触端子６２とこれに接続されるリード線とを配置するのに必要となる最低限の面積としているので、配線板５４の軽量化を図ることができる。

図８は、２方向に電圧検出用タブ４２と４４とが引き出されている発電要素３５と、これらの電圧検出用タブ４２と４４に対応する位置にのみ、電圧検出用タブ４２と４４に対応する位置および数の接触端子６２と６４とが備えられている配線板５５とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３５に配線板５５が重ねられ、発電要素３５の電圧検出用タブ４２と４４とが配線板５５の接触端子６２と６４とに接続される。配線板５５は、電圧検出用タブ４２と４４とに接触させる接触端子６２、６４とこれらに接続されるリード線とを配置するのに必要となる最低限の面積としているので、配線板５５の軽量化を図ることができる。

図９は、３方向に電圧検出用タブ４１、４２、４４が引き出されている発電要素３６と、これらの電圧検出用タブ４１、４２、４４に対応する位置にのみ、電圧検出用タブ４１、４２、４４に対応する位置および数の接触端子６１、６２、６４が備えられている配線板５６とを示している。バイポーラ電池を形成する際には、発電要素３６に配線板５６が重ねられ、発電要素３６の電圧検出用タブ４１、４２、４４が配線板５６の接触端子６１、６２、６４に接続される。配線板５６は、電圧検出用タブ４１、４２、４４に接触させる接触端子６１、６２、６４とこれらに接続されるリード線とを配置するのに必要となる最低限の面積としているので、配線板５６の軽量化が図れる。

なお、上記に例示した配線板はプリント基板によって構成されたものであるが、非常に柔軟性のある軽量のフレキシブルサーキット（ＦＰＣ）によって構成することもできる。フレキシブルサーキットは上記のように、電池の外部に配線を取り出す部分に用いると効果的である。したがって、接触端子が形成されている部分および接触端子とソケットとを結ぶリード線の配線部分はプリント基板により構成し、配線を外部に取り出すソケットの部分はフレキシブルサーキットによって構成するようにしても良い。

図４〜図６に示した配線板の場合、配線板としての剛性は高いが小型軽量化には向かない。一方、図７〜図９に示した配線板の場合、小型軽量化には向くが剛性は低い。ある程度の剛性を維持しつつ小型軽量化を図るためには、図１０〜図１５に示す構造の配線板を用いると良い。剛性を問題とするのは、本発明のバイポーラ電池を車両に搭載したときに受ける振動が電池寿命に大きく影響するからである。

図１０は、四角形の枠で形成された中空部を有する形状の配線板５６Ａを示す。このような形状の配線板５６Ａは発電要素３０に積層させた場合に、発電要素３０の剛性を向上させることができるので、バイポーラ電池の対振動性能を向上させることができる。

図１１は、四角形の枠で形成され、この枠を構成する少なくとも１組の対向する枠片間にこれらの枠片同士を接続する強度補償用の支柱８０を設けた形状の配線板５６Ｂを示す。このように支柱８０を設けると、図１０に示した配線板５６Ａよりも剛性を上げることができるので、バイポーラ電池の対振動性能をさらに向上させることができる。なお、支柱８０は枠の中心からずらして設けても良いし、枠と平行に設けなくとも良い。

図１２は、四角形の枠で形成され、この枠を構成する２組の対向する枠片間にこれらの枠片同士を接続する強度補償用の交差支柱８１を設けた形状の配線板５６Ｃを示す。このように交差支柱８１を設けると、図１１に示した配線板５６Ｂよりも剛性を上げることができるので、バイポーラ電池の対振動性能をさらに向上させることができる。

図１３は、四角形の枠で形成され、この枠の対角線上に位置する少なくとも１組の角部間にこれらの角部同士を接続する強度補償用の支柱８２Ａを設けた形状の配線板５６Ｄと、支柱８２Ａとは反対側の角部間にこれらの角部同士を接続する強度補償用の支柱８２Ｂを設けた形状の配線板５６Ｅとを示す。このように支柱８２Ａまたは８２Ｂを設けると、図１０に示した配線板５６Ａよりも剛性を上げることができるので、バイポーラ電池の対振動性能をさらに向上させることができる。

図１４は、四角形の枠で形成され、この枠の対角線上に位置する２組の角部間にこれらの角部同士を接続する強度補償用の交差支柱８３を設けた形状の配線板５６Ｆを示す。このように交差支柱８３を設けると、図１３に示した配線板５６Ｄまたは５６Ｅよりも剛性を上げることができるので、バイポーラ電池の対振動性能をさらに向上させることができる。

図１５は、四角形の枠で形成され、この枠を構成する２組の対向する枠片間およびこの枠の対角線上に位置する２組の角部間のそれぞれにこれらの枠片同士および角部同士を接続する強度補償用の交差支柱８４設けた形状の配線板５６Ｇを示す。このように交差支柱８４を設けると、図１４に示した配線板５６Ｆよりも剛性を上げることができるので、バイポーラ電池の対振動性能をさらに向上させることができる。

以上の実施の形態では正極タブ２０Ａと負極タブ２０Ｂとがバイポーラ電池の図示右側から露出しているものを例示してきたが、図１６Ａ、図１６Ｂに示すように、バイポーラ電池の図示上下方向から露出するものにも本発明は適用可能である。また、ソケット２５が配置される位置についても、図１６Ａに示すようにバイポーラ電池の図示左下側、図１６Ｂおよび図１６Ｄに示すようにバイポーラ電池の図示左側中心位置、図１６Ｃに示すようにバイポーラ電池の図示右側中心位置のいずれから露出させるものにも本発明は適用可能である。

次に、本発明に係るバイポーラ電池の２つの製造過程を概略的に説明する。

図１７〜図１９は本発明に係るバイポーラ電池の１つの製造過程を説明するための図である。

バイポーラ電極９０は集電体９１の一方の面（図面の表面側）に正極層９２が形成され、集電体９１の他方の面（図面の裏面側）に負極層９３が形成されている。積層した場合に発電要素の積層方向両端に位置することになる集電体９０Ａ、９０Ｂには、発電要素を充放電させるための正極タブ２０Ａと負極タブ２０Ｂがそれぞれ取り付けられる。また、発電要素を構成するすべての集電体には集電体間の電圧を検出し単電池の容量バランスを調整するための電圧検出用タブ４０が取り付けられる。電圧検出用タブ４０をそれぞれの集電体に取り付ける場合、集電体を積層したときに電圧検出用タブ４０が重なることのないように図に示すように集電体ごとにその取り付ける位置をシフトさせる。

このように構成された集電体間にはその内部をイオンが移動する複数の電解質が配置され、隣り合うバイポーラ電極の正極層と負極層とがこの電解質を介して向き合うように積層して図１８に示すような発電要素３０を形成する。なお、正極層は正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用いて形成され、負極層は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て形成され、電解質はポリマー電解質層で形成されている。

次に、この発電要素３０の片方の面に、電圧検出用タブ４０に接触させる接触端子と接触端子に接続されたリード線とが設けられた１枚の配線板５０が積層される。この際に、各電圧検出用タブ４０とそれらに対応する接触端子とが半田付けされる。これによって、電圧検出用タブ４０の電位は配線板５０上に設けられているリード線およびソケット２５を介して電池外部に導出される。

最後に、図１９に示すように、発電要素３０と配線板５０が正極タブ２０Ａ、負極タブ２０Ｂ、ソケット２５の一部を露出させた状態でラミネートフィルム１５によって覆われ、その周囲が熱融着されて密封される。

図２０〜図２２は、本発明に係るバイポーラ電池の他の製造過程を説明するための図である。

このバイポーラ電池は２枚の配線板を用いて単電池の電圧を検出するようにしたものである。バイポーラ電極の製造過程は上記の製造過程（図１７）と同一であるのでその説明は省略する。

集電体を積層させる場合、集電体間にはその内部をイオンが移動する複数の電解質が配置され、隣り合うバイポーラ電極の正極層と負極層とがこの電解質を介して向き合うように積層される。発電要素を構成することになる集電体の半分ずつを積層した時点で、発電要素３０Ａと配線板５０Ａおよび発電要素３０Ｂと配線板５０Ｂが積層される。この際に、各電圧検出用タブ４０Ａ、４０Ｂがそれらに対応する接触端子に半田付けされる。

そして、発電要素３０Ａと３０Ｂとが図２１に示すよう接続されて一体化される。これによって発電要素３０に両面から配線板５０Ａと５０Ｂが積層された状態のものが形成され、電圧検出用タブ４０Ａお呼び４０Ｂの電位は配線板５０Ａおよび５０Ｂ上に設けられているリード線およびソケット２５Ａ、２５Ｂを介して電池外部に導出される。

最後に、図２２に示すように、発電要素３０と配線板５０Ａ、５０Ｂが正極タブ２０Ａ、負極タブ２０Ｂ、ソケット２５Ａ、２５Ｂの一部を露出させた状態でラミネートフィルム１５によって覆われ、その周囲が熱融着されて密封される。

上記のように構成されているバイポーラ電池を複数直並列に接続して組電池を作製する場合には、図２３に示すように構成することができる。具体的には、図２３に示すように、バイポーラ電池１００を２枚ずつ直列に接続した５組の電池を並列に接続し（図２３Ａ参照）、さらにこれを４層設けて各層の電池を並列に接続し（図２３Ｂ、Ｃ参照）、金属製の組電池ケース１０５に収納して組電池１１０を構成することができる。各バイポーラ電池１００にはソケット２５が設けられているので、このソケット２５に単電池制御装を接続すれば、バイポーラ電池１００を構成する各単電池の電圧が容易に検出でき、単電池の容量を単電池ごとに調整することができる。バイポーラ電池１００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１１０を提供することができる。

組電池１００を、電気自動車に搭載するには、図２４に示したように、電気自動車１２０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よいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池を用いた電気自動車は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、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。

なお、本発明では、組電池１００だけではなく、使用用途によっては、さらに容量の大きな組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、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、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。

本発明にかかるバイポーラ電池、組電池およびこれらの電池を備えた車両は、請求項ごとに次のような効果を生じる。

請求項１に係る発明によれば、バイポーラ電池を使用している最中でも各単電池の電圧を計測することが可能になる。また各単電池の容量バランスを整えることも可能になる。

請求項２に係る発明によれば、配線板にプリント基板を用いることによって、電気配線を印刷するプリント基板技術を用いることができ、配線の自由度が増し、また配線板の薄膜化が可能になる。

請求項３に係る発明によれば、配線基板にフレキシブルサーキットを用いることによって、配線板をより薄く軽量化することができ、また、非常に柔軟性に富んでいるので形状自由度が向上する。

請求項４〜８に係る発明によれば、配線板に空間を持たせることにより軽量化を図り、また配線板自体が補強部材となり、電池の剛性がまして耐振動性が向上する。

請求項９に係る発明によれば、電解質としてポリマーを用いることにより漏液を防止することが可能となり、液絡を防ぎ信頼性の高いバイポーラ電池を提供することができる。

請求項１０に係る発明によれば、容量密度が大きく、出力特性に優れたバイポーラ電池を提供することができる。

請求項１１に係る発明によれば、電圧検出用タブを介して各単電池の電圧を検出することができ、また、各単電池の容量バランスを制御することができ、バイポーラ電池の過充電、過放電を防止し電池寿命を向上させることができる。

請求項１２に係る発明によれば、単電池制御装置とソケットを一体化することでコンパクトなバイポーラ電池を提供することができる。

請求項１３に係る発明によれば、複数のバイポーラ電池を直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することができ、要求に応じた容量および電圧の組電池を構成することができる。

請求項１４に係る発明によれば、本発明に係るバイポーラ電池または組電池をハイブリット車、電気自動車などの車両に搭載することによって高寿命で信頼性の高い車両を提供することができる。

次に、本発明に係るバイポーラ電池の実施例を説明する。

本実施例で作成したバイポーラ電池の各構成要素は次のような材料を用いて形成した。

＜電極の形成＞
正極は、正極活物質としてＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８５ｗｔ％、導電助剤としてアセチレンブラックを５ｗｔ％、バインダーとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％、スラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰを混合した正極スラリーを、集電体であるＳＵＳ箔（厚さ２０μｍ）の片面に塗布し乾燥させて形成した。

負極は、負極活物質としてハードカーボンを９０ｗｔ％、バインダーとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％、スラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰを混合した負極スラリーを、正極を塗布したＳＵＳ箔の反対面に塗布し乾燥させて形成した。

集電体であるＳＵＳ箔の両面に正極と負極がそれぞれ形成されることによりバイポーラ電極を形成する。完成したバイポーラ電極を１２０ｍｍ×７０ｍｍに切り取った。なお、各集電体に形成される電圧検出用端子は、長辺（１２０ｍｍ側）の部分で各層の電圧検出用端子と接触することのないように幅５ｍｍで電極の投影面から外部へ延長した。そして、正極タブと負極タブは電圧検出用端子とは反対側の長辺の部分からそれぞれ幅２０ｍｍで集電体自体を外部に取り出すことによって形成した。

＜ゲル電解質の形成＞
ポリプロピレン製のセパレータ５０μｍに、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量７５００〜９０００のモノマー溶液（ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体）１０重量％、電解液としてＰＣ＋ＥＣ（１：１）９０重量％、１．０ＭＬｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、重合開始剤（ＢＤＫ）からなるプレゲル溶液を浸漬させて、石英ガラス基板に挟み込み紫外線を１５分照射して前駆体を架橋させて、ポリマー電解質層を得た。

＜バイポーラ電池の構成＞
上記のバイポーラ電極を、正極と負極がゲル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、単電池層の周辺部（箔と箔の間）にシーラントを挟む。これを繰り返し、単電池層が６層形成されるように電極を積層し、発電要素を形成した。そして、シール部を熱融着し各層をシールして各層の電解質を封じた。

＜配線板と集電体の電気的接触＞
以上のようにして完成された発電要素の負極側の外側に１２０ｍｍ×８０ｍｍ×０．５ｍｍのプリント基板を配置した。プリント基板には各層の電圧検出端子として集電体の延長された部分に対応した接触端子が配置されており、各層の電圧検出端子と接触端子のそれぞれを半田付けにより電気的に接続させた。電極端子の配線はコネクタ部において１ｍｍピッチで集められる。これらの配線はプリント基板ごと外部に取り出しても良いが、本実施例では、この配線にさらにフレキシブルサーキット（ＦＰＣ）を結線し、フレキシブルサーキットにより電池の外装から配線を外部に取り出した。これらの配線を外部計測装置およびガルバノスタットに接続した。また、今回の実施例では記載はしないが電池内部の回路に関してもすべてがフレキシブルサーキット（ＦＰＣ）で構成されていても良い。

そして、発電要素を正極タブ、負極タブ、フレキシブルサーキットを外部に露出させるようにアルミラミネート外装でシールしてバイポーラ電池とした。

実施例１
上記のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

実施例２
配線板として図１１に示した形状のものを用い、実施例のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

実施例３
配線板として図１２に示した形状のものを用い、実施例のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

実施例４
配線板として図１３に示した形状のものを用い、実施例のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

実施例５
配線板として図１４に示した形状のものを用い、実施例のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

実施例６
配線板として図１５に示した形状のものを用い、実施例のようにして製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、電圧検出用端子を介して得られた各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

比較例１
配線板を用いずに、実施例のようにして発電要素を製作したバイポーラ電池を充電器に接続して満充電状態とし、正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。

評価１
比較例１および実施例１〜６のバイポーラ電池を０．１Ｃに相当する電流で１０時間２５．２Ｖまで定電流定電圧（ＣＣＣＶ）充電を行って満充電状態としガス抜きを行った。その状態で各層(単電池)ごとの電圧と正極タブおよび負極タブ間で得られたバイポーラ電池全体としての電圧を測定した。その結果を表１に示す。

表に示されているように、バイポーラ電池内に配線板を導入した実施例１〜６においては各層の電圧を検出することが可能であるが、配線板を入れていない比較例１のバイポーラ電池では各層の電圧を測ることができない。

評価２
実施例１のバイポーラ電池には満充電時の電圧に１０ｍＶ程度の差が生じている。これは各単電池の容量がまちまちだからである。比較例１のバイポーラ電池についてはこのことを確認することもできない。各単電池の電圧をそろえるために外部からガルバノスタットを用いて配線板を介して電流を流し電圧をそろえた。各単電池の電圧調整後の実施例１〜６の各単電池の電圧とバイポーラ電池の総電圧を表２に示す。

表を見れば明らかなように、すべての単電池の電圧が４．２Ｖに揃えられている。配線板に設けられている電圧調整端子を介して各単電池の容量のばらつきが調整できることがわかった。

評価３
次に比較例１および実施例１〜６のバイポーラ電池を室温で１Ｃの電流で１サイクル充放電を行い、放電容量を確認した後さらに１Ｃで充電し充電状態にした。その後、振動を長時間加えて放電を行いバイポーラ電池の容量を確認した。加振前の容量を１００％とし、加振後の放電容量を表３に示す（充放電は定電流（ＣＣ）充放電により行い満充電を２５．２Ｖ、放電末を１５Ｖとした）。振動試験はしっかり固定したバイポーラ電池に対して垂直の方向に振幅が３ｍｍで５０Ｈｚの単調な振動を２００時間加えることにより行った。比較例１と実施例１〜６を比較すると明らかに配線板を導入した電池のほうが加振後の容量維持率が高い。これにより配線板が外からの振動に対し性能劣化を抑えることが可能になることがわかった。

本発明は、車両に搭載されるモータ駆動用の電池、その他動力用の電池の分野で応用可能である。

本発明に係るバイポーラ電池の外観図である。図１に示したバイポーラ電池において特に発電要素の部分を示す図である。図１に示したバイポーラ電池の配線板を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。発電要素と配線板との組み合わせの他の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。他の形状の配線板の例を示す図である。正極タブ、負極タブおよびソケットの配置位置のバリエーションを示す図である。本発明に係るバイポーラ電池の１つの製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池の１つの製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池の１つの製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池の他の製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池の他の製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池の他の製造過程を説明するための図である。本発明に係るバイポーラ電池から構成された組電池の一例を示す図である。本発明に係る組電池を搭載した車両を示す図である。

符号の説明

１０バイポーラ電池、
１５ラミネートフィルム、
２０Ａ正極タブ、
２０Ｂ負極タブ、
２５ソケット、
３０〜３６発電要素、
４０〜４４電圧検出用タブ、
５０〜５６配線板、
６０〜６４接触端子、
７０リード線、
８０、８２支柱、
８１、８３、８４交差支柱、
１００バイポーラ電池、
１０５組電池ケース、
１１０組電池。

１２０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電解質を介して向き合うように積層されてなる発電要素を有し、
当該発電要素の積層方向両端に位置する集電体には、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が接続され、
前記発電要素の集電体には、当該集電体間の電圧を検出し容量バランスを調整するための複数の電圧検出用タブが、前記集電体を積層したときに当該電圧検出用タブが重なることのないように前記集電体ごとにその取り付ける位置をシフトさせて接続され、
前記電圧検出用タブに接触させる接触端子と当該接触端子に接続されたリード線とが設けられた少なくとも１枚の配線板が前記発電要素とともに積層され、
前記電圧検出用タブは当該配線板の接触端子と電気的に接続され前記電圧検出用タブの電位は当該リード線を介して外部に導出されることを特徴とするバイポーラ電池。
前記配線板は、前記接触端子と前記リード線とが表面にプリントされたプリント基板であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、前記接触端子と前記リード線とが形成されたフレキシブルサーキット（ＦＰＣ）であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、四角形の枠で形成され、当該枠を構成する少なくとも１組の対向する枠片間にはこれらの枠片同士を接続する強度補償用の支柱が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、四角形の枠で形成され、当該枠を構成する２組の対向する枠片間にはこれらの枠片同士を接続する強度補償用の交差支柱が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、四角形の枠で形成され、当該枠の対角線上に位置する少なくとも１組の角部間にはこれらの角部同士を接続する強度補償用の支柱が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、四角形の枠で形成され、当該枠の対角線上に位置する２組の角部間にはこれらの角部同士を接続する強度補償用の交差支柱が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板は、四角形の枠で形成され、当該枠を構成する２組の対向する枠片間および前記枠の対角線上に位置する２組の角部間のそれぞれにはこれらの枠片同士および角部同士を接続する強度補償用の交差支柱が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記電解質は固体電解質であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記正極層は正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用いて形成され、前記負極層は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て形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記配線板には、充電電圧および放電電圧制御用の単電池制御装置を接続するための、前記リード線が一箇所に集められたソケットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記単電池制御装置は、前記ソケットと一体化されて形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。