JP4617704B2 - バイポーラ電池、組電池、および、これらを搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、バイポーラ電池、該バイポーラ電池を複数接続した組電池、および、バイポーラ電池または組電池を搭載した車両に関する。

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積層型のバイポーラ電池に注目が集まっている。

バイポーラ電池は、集電体の一方の面に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と、電解質とが交互に積層されてなる（たとえば、特許文献１参照）。

バイポーラ電池は、隣接する正極活物質層、電解質、および負極活物質層からなる単電池層の周囲を囲むように、集電体間に樹脂等のシール部材が設けられている。これにより、各層の電解質が遮断され、各層の電解質同士の接触による短絡が防止される。

また、バイポーラ電池は、アルミラミネートなどからなる外装を有し、内部の電池積層体の最上層および最下層にそれぞれ取り付けられた電流取り出し用の電極タブが、外装から引き出されている。
特開平１１−２０４１３６号公報

上記のような構成を有するバイポーラ電池であっても、電解質が気化すると、シール部材をすり抜けて、電池積層体の外部であって、外装内部に、電解液が溜まってしまう。

この場合、電解液は、各層の電解液からはシール部材により分離されているため、各層の電解液同士が接触するということにはならない。

しかし、電池積層体の外部の電解液は、外装内において電極タブと接触する。この結果、電極タブ同士が電解液を介して接続されてしまう。これでは、電解質に高電圧がかかって分解反応が起こり、電池性能が低下してしまうという問題が生じる。

また、各単電池層の電圧を検出するために、モニター用タブを単電池層ごとに接続し、外装から引き出しておく場合においても、電池積層体と外装との間に電解液が溜まることにより、モニター用タブ同士が電気的に接続されてしまう。この場合も、各階層の電解液同士が接触することによる短絡と同様に、電池性能が低下してしまうという問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、気化した電解液が電池外装内で電池積層体外に溜まることによる電池性能の低下を防止できるバイポーラ電池、該バイポーラ電池を複数接続した組電池、および、バイポーラ電池または組電池を搭載した車両を提供することを目的とする。

（１）本発明のバイポーラ電池は、集電体の一方の面に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が、電解液をポリマー骨格中に保持させたゲル電解質からなる電解質層を挟んで積層されてなる電池要素とを有する。そして、隣接する前記正極活物質層と、前記電解質層と、前記負極活物質層とで形成される単電池層の周囲を取り囲んで配置されるシール部材と、前記電池要素の両端に電気的に接続され、電流を取り出すための電極タブと、前記電池要素を密閉する外装とを有する。さらに、前記外装内において、前記電解液が気化して、前記シール部材を通過して、前記外装内の空間に溜った場合、前記電極タブの露出する部分が、前記前記電解液と接触し前記電極タブ同士が電気的に接続しない様に前記電極タブの露出する部分を覆う絶縁部材と、を有する。

上記（１）のバイポーラ電池によれば、外装内において、集電体および電極タブが露出する部分を絶縁する絶縁部を有する。したがって、外装内であって電池要素の外部に電解液が溜まっても、該電解液と接触する部分は絶縁されており、電気的に接続されない。結果として、短絡が起こらず、電池性能を低下させない。

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。

（第１実施形態）
本発明のバイポーラ電池は、集電体の一方の面に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が、電解質を挟んで積層されてなる電池要素と、前記電池要素の最外層に電気的に接続され、電流を取り出すための電極タブと、前記電池要素を密閉する外装と、前記外装内において、前記電池要素の前記集電体および前記電極タブが露出する部分を絶縁する絶縁部と、を有する
図１は本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。

本発明のバイポーラ電池１０は、両端部以外の集電体１１の両面中央に正極活物質層１２と負極活物質層１３が形成されており、この集電体１１の正極活物質層１２と負極活物質層１３との間に電解質層１４を挟んで単電池層１５を構成し、この単電池層１５が複数積層された構造を持つ。なお、両端部にある集電体（端部集電体１６と称する）は、このバイポーラ電池全体の電極と接続される。

そして、集電体１１を挟んで正極活物質層１２と負極活物質層１３を設けた構成をバイポーラ電極という。

ここで、電解質層１４は、たとえば、ポリマー骨格中に、数重量％〜９８重量％程度電解液を保持させたゲル電解質または液体電解質である。

このバイポーラ電池１０では、単電池層１５からの液漏れを防止するために、一つひとつの単電池層１５の周囲を取り囲み、集電体１１間、または、集電体１１および端部集電体１６の間に配置されるシール部材１７を設けている。

シール部材１７は、たとえば、基材の両面に粘着材が塗布されている両面テープである。基材は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド系合成繊維などの絶縁性樹脂により形成されている。粘着剤は、合成ゴム、ブチルゴム、合成樹脂、アクリルなどの耐溶剤性のある材料により形成されている。このような材料をシール部材１７に用いることによって、単電池層１５からの液漏れを防止することができ、また集電体同士の接触による短絡を防止することができる。

以上のように、電解質層１４と単電池層１５とが交互に積層され、単電池層１５の周囲にシール部材１７が配置されて、電池要素２０が形成されている。

電池要素２０には、電流を引き出すための電極タブ３０が接続されている。電極タブ３０は、電池要素２０の正極側に接続されるものと、負極側に接続されるものとの２本がある。

また、電池要素２０は、外装４０により密閉されている。外装４０は、２枚のラミネートシート４１により形成されている。少なくとも一方のラミネートシート４１は、電池要素２０を内包する空間を設けるために、中高状に加工されている。外装４０内から、電極タブ３０が引き出されている。

電極タブ３０の外周には、一部に絶縁性を有する絶縁部材５０が設けられている。該絶縁部材５０が、本発明の特徴をなす。

絶縁部材５０は、電極タブ３０が外装４０内で電池要素２０外部（空間４２）に露出される部分に設けられている。絶縁部材５０は、電極タブ３０と共にラミネートシート４１の端部に挟み込まれ、熱融着等により、ラミネートシート４１と接着される。これにより、ラミネートシート４１内が密閉される。

次に、電極タブ３０に絶縁部材５０を取り付ける様子を、図２および図３を参照して説明する。

図２は電極タブに絶縁部材を取り付ける様子を示す平面図、図３は電極タブに絶縁部材が取り付けられた様子を示す平面図である。なお、図２では、次にシール部材１７が配置される位置を一点鎖線で示している。

図２に示すように、予め電極タブ３０は、端部集電体１６に取り付けられている。電極タブ３０と端部集電体１６とは、たとえば、超音波溶接により溶接されている。絶縁部材５０は、外装４０内で電極タブ３０が露出する幅に合わせて予めフィルム状に形成されている。

ここで、絶縁部材５０は、絶縁性の基材の片面に溶融層が設けられた熱融着フィルムである。絶縁部材５０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン（商標登録：ポリアミド系合成繊維）、ポリスチレン、ポリアミド、またはポリイミドを用いて形成されることが好ましい。絶縁部材５０は、電極タブ３０の該当部分に配置され、図３に示すように、溶融層が電極タブ３０に接触するように巻きつけられる。その後、加熱により、熱融着フィルムの溶融層が溶融され、電極タブ３０に接着される。

このようにして、電極タブ３０が外装４０内で露出される部分が絶縁される。

さらに、本実施形態では、図１には示していないが、各単電池層１５の電圧を検出するためのモニター用タブについて、電極タブ３０と同様に、露出する部分を絶縁部材５０により保護している。

モニター用タブが電池要素２０にどのように取り付けられているかを説明する。

図４はバイポーラ電極にモニター用タブを取り付ける様子を示す斜視図、図５はモニター用タブに絶縁部材を取り付ける様子を示す平面図、図６はモニター用タブに絶縁部材を取り付けた様子を示す平面図、図７は異なる位置にモニター用タブを取り付けたバイポーラ電極を示す図である。

図４に示すように、バイポーラ電極の片面、たとえば、正極活物質層１２が形成されている方の集電体１１面上に、モニター用タブ３５が配置される。ここで、モニター用タブ３５は、電極タブ３０と同様に超音波溶接により、集電体１１に接続される。

そして、集電体１１の四辺を覆うように、シール部材１７が配置される。ここで、シール部材１７は、図４に示すように、４つの分解された片であってよく、または、中央に穴を開けた１枚のシートであってもよい。シール部材１７は、表面の粘着材により、集電体１１に接着される。

そして、図４および図５に示すように、絶縁部材５０がモニター用タブ３５に取り付けられる。ここで、予め、絶縁部材５０は、予め所定の幅に形成されている。所定の幅とは、電池要素２０を組み立てて、外装４０内に密閉したときに、モニター用タブ３５が、外装４０内で露出する幅である。バイポーラ電池１０の完成時には、モニター用タブ３５は、外装４０外部に引き出される。

絶縁部材５０は、上述の通り、基材の片面に溶融層を有する熱融着フィルムである。絶縁部材５０は、図６に示すように、溶融層がモニター用タブ３５に接触するように、モニター用タブ３５に巻き回される。絶縁部材５０は、加熱されて、モニター用タブ３５と接着される。

このようにバイポーラ電極にモニター用タブ３５を接続したものを、図７に示すように複数作成する。これらを、電解質層１４と交互に積層すれば、電池要素２０が形成される。なお、積層するバイポーラ電極には、図７に示すように、階層ごとで異なる位置にモニター用タブ３５が接続されている。これは、バイポーラ電極を積層したときに、異なる階層のモニター用タブ３５同士が接触するのを防止し、また、モニター用タブ３５を外装４０の異なる箇所から引き出すためである。

図８は電池要素を組み立てる様子を示す斜視図、図９はバイポーラ電池の斜視図である。

図７に示すようにモニター用タブ３５を取り付けた複数のバイポーラ電極を、電解質層１４を挟んで積層すると、図８に示すように、集合体２１ができる。この集合体２１の上下に電解質層１４を積層し、さらにその上下に、端部集電体１６を積層すると、電池要素２０が形成される。端部集電体１６には、それぞれ、上述のように、電極タブ３０が取り付けられている。電極タブ３０には、一部に絶縁部材５０が巻き回されている。

できた電池要素２０を、ラミネートシート４１で挟んで、電極タブ３０およびモニター用タブ３５を引き出してから、ラミネートシート４１の隅を熱融着等により接合し密閉する。すると、図９に示すように、バイポーラ電池１０の側方から、モニター用タブ３５が所定間隔に並んで引き出された状態となる。電極タブ３０およびモニター用タブ３５は、バイポーラ電池１０から引き出されている部分においては、絶縁部材５０が取り付けられていない。

以上のように、本実施形態では、電極タブ３０およびモニター用タブ３５に絶縁部材５０を取り付けることによって、電極タブ３０を外装４０内で絶縁している。したがって、電解質層１４に含まれる電解液が気化して、シール部材１７を通過して、外装４０内の空間４２に溜まっても、電池要素２０が短絡しない。

たとえば、図１に示すように、外装４０内の空間４２に電解液が溜まっても、図中右側に引き出される電極タブ３０と、最下層の端部集電体１６との間に、絶縁部材５０が配置されるので、これらが電解液により電気的に接続されない。この結果、電池要素の短絡を防止でき、電池特性の低下を防止できる。

また、絶縁部材５０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド系合成繊維、ポリスチレン、ポリアミド、またはポリイミドを用いて形成されている。これらの材料は、耐溶剤性が高いため、電解質を遮断できるだけでなく、有機溶媒による腐食がない。したがって、絶縁部材５０の耐久性が高く、絶縁性能を非常に高められる。

なお、上記実施形態では、絶縁部材５０として、基材の片面に溶融層を設けた熱融着フィルムを用いる場合を説明している。しかし、絶縁部材５０は、これに限定されない。たとえば、基材の片面に粘着材が塗布された粘着テープを用いてもよい。この場合、粘着テープは、粘着材側が電極タブ３０またはモニター用タブ３５に接触するように、巻きつけられる。

絶縁部材５０としては、樹脂膜を用いてもよい。上述の電極タブ３０およびモニター用タブ３５の箇所に、樹脂膜を被せることによって、外装４０内において、電極タブ３０およびモニター用タブ３５を絶縁できる。

さらに、絶縁部材５０として、電極タブ３０およびモニター用タブ３５の表面にアルマイト被膜（酸化被膜）を形成してもよい。この場合、電極タブ３０およびモニター用タブ３５は、アルミニウムにより形成されている。電極タブ３０にアルマイト被膜を形成する場合について説明する。図１０は、電極タブにアルマイト被膜を形成する様子を示す図である。

図１０（Ａ）に示すように、まず、電極タブ３０にマスキングテープ５５を取り付ける。マスキングテープ５５は、電極タブ３０上でアルマイト被膜を形成しない箇所に取り付ける。

続けて、図１０（Ｂ）に示すように、マスキングした電極タブ３０を、硫酸やしゅう酸、クロム酸などの電解液を溜めた水槽５６に漬ける。そして、電極タブ３０を陽極とし、予め水槽５６に配置されている銅コイル５７を陰極として、電流を流し電解する。

すると、図１０（Ｃ）に示すように、マスキングをせずに、電解液に漬けた部分だけ、アルマイト被膜が形成される。アルマイト被膜は、電気絶縁体であり、表面硬度が高く、耐摩耗性に優れている。このアルマイト被膜が絶縁部材５０となる。

アルマイト被膜が形成された電極タブ３０は、図２および図３の場合と同様に、端部集電体１６に超音波溶接等によって接合される。

上記実施形態では、端部集電体１６に電極タブ３０を接合し、該電極タブ３０を外装４０外部に引き出す場合について説明した。しかし、これに限定されず、いかなる電極タブであっても、本発明は適用できる。たとえば、図１１に示すように、端部集電体１６を大きく形成し、電極タブとして外装４０外部に引き出す場合にも、本発明は適用できる。

図１１は、電極タブの役割を果たす端部集電体を有するバイポーラ電池の断面図である。

図１１に示すバイポーラ電池１０’は、端部集電体１６’がそのまま外装４０外部まで延長されている。この場合、端部集電体１６’には、シール部材１７で囲まれる範囲以外の全体に絶縁部材５１が取り付けられる。絶縁部材５１は、上述の絶縁部材５０と同様の材料で、同様の方法により取り付けられる。このように絶縁部材５１が設けられることにより、端部集電体１６’同士が、外装４０内に溜まった電解液により電気的に接続されない。

このように、電極タブの形態が変わったとしても、外装４０内で露出する電極タブに絶縁部材を設けることによることにより、バイポーラ電池１０’内部で短絡が起こるのを防止できる。

なお、上記バイポーラ電池１０の構成は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている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。以下に、このバイポーラ電池１０に使用することのできる集電体、正極活物質層、負極活物質層、ゲル電解質等について参考までに説明する。

［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固体高分子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。

［正極活物質層］
正極活物質層は、正極活物質、固体高分子電解質を含む。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。

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、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ_４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；Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ_２、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、積層型電池の反応性、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。

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。

固体高分子電解質は、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、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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。本発明において固体高分子電解質は、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。

支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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。

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。

正極活物質層における、正極活物質、固体高分子電解質、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固体高分子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固体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。したがって、これらの要因を考慮して、目的に合致した固体高分子電解質量を決定する。

ここで現状レベルの固体高分子電解質（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、該空隙部に固体高分子電解質を充填する。かような処理によって固体高分子電解質の割合を高めるとよい。

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。

［負極活物質層］
負極活物質層は、負極活物質、固体高分子電解質を含む。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。

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固体高分子電解質が用いられるため、固体高分子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。

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、積層型電池の反応性、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。

［電解質層］
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。液漏れの防止のために固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、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、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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。

また、高分子ゲル電解質とは、一般的に、イオン伝導性を有する全固体高分子電解質に、電解液を保持させたものをいう。なお、本願では、リチウムイオン伝導性を有し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、前記高分子ゲル電解質に含まれるものとする。用いられる電解液（電解質塩および可塑剤）の種類等は特に制限されない。

また、電解質層が高分子ゲル電解質からなる場合、前記電解質層は、高分子ゲル原料溶液を不織布などのセパレータに含浸させた後、上記の種々の方法を用いて重合することにより形成されたものであってもよい。セパレータを用いることにより、電解液の充填量を高めることができるとともに、電池内部の熱伝導性が確保される。

［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。

熱融着性樹脂としては、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、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）などのポリエステルやポリアミド（ナイロン（登録商標））など、ポリアミド系合成繊維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（登録商標）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、ヒートシール、インパルスシール、超音波融着、高周波融着等の熱融着を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。

（実施例）
次に、実際に上記バイポーラ電池を製作して評価を行った実施例について説明する。

＜サンプル作製＞
実施例として、上記実施形態に対応するバイポーラ電池１０を複数作成した。作成したバイポーラ電池の共通する構成は、次の通りである。

集電体１１は、厚さ２０μｍのステンレス（ＳＵＳ）箔を使用し、端部集電体１６には正極活物質層１２または負極活物質層１３の一方を形成し、他の集電体１１には正極活物質層１２および負極活物質層１３を形成した。

正極活物質層１２は、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４（８５重量％）に、導電助剤としてアセチレンブラック（５重量％）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（１０重量％）、粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量混合して正極スラリーを作製し、これを正極活物質として、集電体であるステンレス箔（厚さ２０μｍ）の片面に塗布し、乾燥させて膜厚４０μｍの正極活物質層１２としている。

負極活物質層１３は、ハードカーボン（９０重量％）に、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０重量％）、粘度調整溶媒としてＮＭＰ（適量）を、混合して負極スラリーを作製し、この負極スラリーを正極活物質層１２を塗布したステンレス箔の反対面に塗布し、乾燥させて膜厚４０μｍの負極活物質層１３としている。

集電体１１の両面に正極活物質層１２および負極活物質層１３を形成してできたバイポーラ電極を１３０ｍｍ×８０ｍｍに切り取った。外周の１０ｍｍの部分は、シール層を形成するために電極部分は削り取った。削り取った部分にはモニター用タブ３５を取り付けた。

電極タブ３０は、アルミニウム製で幅２０ｍｍ、厚み２００μｍのものを用いた。

電解質層１４は、厚さ５０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）セパレータに、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）３重量％、電解液として混合比１：１のエチレンカーボネート（ＥＣ）＋ポリカーボネート（ＰＣ）に１．０ｍｏｌ／ｌのＬｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎを溶解させたもの９７重量％、および重合開始剤（ＢＤＫ）からなるプレゲル溶液を浸透させて、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、ゲルポリマー電解質層を得た。

上記バイポーラ電極を、正極活物質層１２と負極活物質層１３とが挟んで対向するように積層して、単電池層１５を形成した。これを単電池層１５が７層形成されるまで繰り返した。各単電池層１５を囲むシール部材１７を集電体１１間に配置し、熱融着させて各層をシールし、各層の電解質を封じた。最後に、電池要素をアルミラミネート外装４０により真空密閉して、２９．４Ｖのバイポーラ電池を完成させた。

なお、上記バイポーラ電池において、電極タブ３０およびモニター用タブ３５の、外装４０内で露出する部分に、絶縁部材５０を取り付け、絶縁処理を施した。取り付けた絶縁部材５０は、以下の通りである。

（実施例１）
実施例１では、絶縁部材５０として、絶縁基材であるナイロン（登録商標）層を溶融層であるポリプロピレンフィルムで挟みこんだ３層フィルムを用いた。該３層フィルムにより、各層のモニター用タブ３５の外装４０内で露出する部分を覆い、熱融着させて絶縁処理した。電極タブ３０も同様に、外装４０内で露出する部分に３層フィルムを巻きつけて、熱融着させて絶縁処理した。

（実施例２）
実施例２では、絶縁部材５０として、厚み４０μｍで片面に粘着材が塗布された粘着フィルムを用いた。粘着フィルムを、各層のモニター用タブ３５の外装４０内で露出する部分に巻きつけて絶縁処理した。電極タブ３０にも同様に、粘着フィルムを巻きつけて絶縁処理した。

（実施例３）
実施例３では、モニター用タブ３５を覆う絶縁部材５０として、厚み４０μｍの絶縁基材であるナイロン（商標登録）層を溶融層であるポリプロピレンフィルムで挟み込んだ３層フィルムを用いた。３層フィルムを、各層のモニター用タブ３５の外装４０内で露出する部分に巻きつけて絶縁処理した。

また、電極タブ３０を覆う絶縁部材５０として、アルマイト被膜を用いた。電極タブ３０の一部をマスクして、電解液の中に漬け、電解させて、電極タブ３０上の所望の箇所にアルマイト被膜を形成した。

＜比較例＞
また、この評価の比較例として、絶縁部材５０を設けない以外、第１実施例と同様の構造を有するバイポーラ電池を形成した。

＜評価＞
まず、実施例１〜３、および比較例１のバイポーラ電池について、０．１Ｃに相当する電流で、２９．４Ｖとなるまで、１０時間の定電流低電圧（ＣＣＣＶ）充電を行った。そして、満充電状態の各バイポーラ電池について、モニター用タブにより各単電池層１５の電圧を検出し、また全単電池層１５の総電圧を検出した。

図１２は、満充電時のバイポーラ電池の各層の電圧および総電圧を示す図である。

図１２に示すように、実施例１〜３、および比較例１のいずれも、各単電池層１５の電圧が４．２Ｖと変わらず、総電圧も２９．４前後であった。

このような実施例１〜３、および比較例１のバイポーラ電池を、６０℃の環境で、３ヶ月維持してから、再度、各単電池層１５の電圧、および全単電池層１５の総電圧を検出した。

図１３は、３ヶ月経過後のバイポーラ電池の各層の電圧および総電圧を示す図である。

図１３に示すように、比較例１のバイポーラ電池について、各単電池層の電圧が極端に低下し、当然、総電圧も極端に低下した。

これは、製造工程中に電池要素の外部で外装の内部に残った電解質、または、電池要素内の電解質層１４から電解質が気化して、シール部材１７を通過し、外装の内側に溜まった電解質による。すなわち、電池要素外部で外装内部の電解質が、電極タブ同士を接続し、電気分解を起こして、電池性能の低下を招いたものと考察される。

比較例１のバイポーラ電池を分解し、内部を観察したところ、電極タブに黒い物体が付着していた。これは電極タブで反応を起こした電解質の分解生成物であると考えられる。

これに対し、実施例１〜３のバイポーラ電池は、各単電池層１５の電圧が変わらず、層電圧も低下していないことがわかった。電極タブ３０およびモニター用タブ３５が、絶縁部材５０により保護されていたからである。

したがって、外装４０内部のタブに絶縁処理を施すことにより、電極タブ３０およびモニター用タブ３５における電解質の電気分解を抑えることができ、バイポーラ電池の寿命が向上することがわかった。

（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態のバイポーラ電池１０を複数個、並列および／または直列に接続して、組電池を構成する。

図１４は第２実施形態に係る組電池の斜視図であり、図１５は内部構成を上方から見た図面である。

図１４および図１５に示すように組電池６０は、上述した第１実施形態によるバイポーラ電池１０を複数個接続したものである。バイポーラ電池１０同士は、導電バー６３により各電池の電極タブ３０が接続されている。この組電池６０には電極ターミナル６１および６２が、電極として一側面に設けられている。

この組電池６０においては、バイポーラ電池１０を複数個接続する際の接続方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池６０を製造することができる。

組電池６０によれば、前述した第１実施形態に係るバイポーラ電池１０を用いて組電池化することで、高容量、高出力を得ることができ、しかも一つひとつの電池の信頼性が高いため、組電池としての長期的信頼性を向上させることができる。

なお、組電池としてのバイポーラ電池１０の接続は、複数個全て並列に接続してもよいし、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせても良い。

（第３実施形態）
第３実施形態では、上記第１実施形態のバイポーラ電池１０または第２実施形態の組電池６０を駆動用電源として搭載して、車両を構成する。バイポーラ電池１０または組電池６０をモータ用電源として用いる車両としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車がある。

参考までに、図１６に、組電池６０を搭載する自動車７０の概略図を示す。自動車に搭載される組電池６０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池６０を搭載してなる自動車は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。

本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。 電極タブに絶縁部材を取り付ける様子を示す平面図である。 電極タブに絶縁部材が取り付けられた様子を示す平面図である。 バイポーラ電極にモニター用タブを取り付ける様子を示す斜視図である。 モニター用タブに絶縁部材を取り付ける様子を示す平面図である。 モニター用タブに絶縁部材を取り付けた様子を示す平面図である。 異なる位置にモニター用タブを取り付けたバイポーラ電極を示す図である。 電池要素を組み立てる様子を示す斜視図である。 バイポーラ電池の斜視図である。 電極タブにアルマイト被膜を形成する様子を示す図である。 電極タブの役割を果たす端部集電体を有するバイポーラ電池の断面図である。 満充電時のバイポーラ電池の各層の電圧および総電圧を示す図である。 ３ヶ月経過後のバイポーラ電池の各層の電圧および総電圧を示す図である。 第２実施形態に係る組電池の斜視図である。 内部構成を上方から見た図面である。 組電池を搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０…バイポーラ電池、
１１…集電体、
１２…正極活物質層、
１３…負極活物質層、
１４…電解質層、
１５…単電池層、
１６…端部集電体、
１７…シール部材、
２０…電池要素、
２１…集合体、
３０…電極タブ、
３５…モニター用タブ、
４０…外装、
４１…ラミネートシート、
４２…空間、
５０、５１…絶縁部材、
５５…マスキングテープ、
５６…水槽、
５７…銅コイル、
６０…組電池、
７０…自動車。

Claims (7)

1. 集電体の一方の面に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が、電解液をポリマー骨格中に保持させたゲル電解質からなる電解質層を挟んで積層されてなる電池要素と、
   隣接する前記正極活物質層と、前記電解質層と、前記負極活物質層とで形成される単電池層の周囲を取り囲んで配置されるシール部材と、
   前記電池要素の両端に電気的に接続され、電流を取り出すための電極タブと、
   前記電池要素を密閉する外装と、
   前記外装内において、前記電解液が気化して、前記シール部材を通過して、前記外装内の空間に溜った場合、前記電極タブの露出する部分が、前記電解液と接触し前記電極タブ同士が電気的に接続しない様に前記電極タブの露出する部分を覆う絶縁部材と、
   を有するバイポーラ電池。
2. 前記単電池層の電圧を検出するために、前記集電体に電気的に接続されるモニター用タブをさらに有し、
   前記絶縁部材は、前記外装内において、前記モニター用タブの露出する部分が、前記電解液と接触し前記モニター用タブ同士が電気的に接続しない様に前記モニター用タブの露出する部分を覆うことを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
3. 前記絶縁部材は、樹脂膜からな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電池。
4. 前記絶縁部材は、絶縁性を有しフィルム状の基材と、該基材の片面に設けられ熱により溶融する溶融層と、を有する熱融着フィルムからな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電池。
5. 前記絶縁部材は、絶縁性を有しフィルム状の基材と、該基材の片面に設けられる粘着層と、を有する粘着フィルムからな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電池。
6. 前記絶縁部材は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド系合成繊維、ポリスチレン、ポリアミド、またはポリイミドから形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
7. 前記絶縁部材は、アルミニウム製のタブを酸化させて表面に形成された酸化被膜からな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電池。
   

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