JP4674434B2 - Bipolar battery - Google Patents

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JP4674434B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極層と負極層とが集電体の両側に配置されてなるバイポーラ電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
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リチウムイオン二次電池が開発されてきた。リチウムイオン二次電池の基本構成は、アルミニウム集電体にコバルト酸リチウムなどの正極活物質とアセチレンブラックなどの導電助材をバインダを用いて塗布した正極と、銅集電体にカーボン微粒子をバインダを用いて塗布した負極を、ポリオレフィン系の多孔質膜セパレータを介して配置し、これにLiPF6等を含む非水電解液を満たしたものとなっている。電気自動車等へ適用する場合には、この構成の単電池(セル)を直列接続して、電池モジュール単位、更にモジュールを直列接続して組電池を構成して用いる。
【0003】
電池のエネルギー密度、出力密度の観点からは、セル間接続、モジュール間接続の接続抵抗的、空間的、重量的改良が望まれる。最近、このセル間接続の抵抗低減が可能でコンパクト化が期待できるバイポーラ電極ユニットを採用した電池の提案がなされた(例えば、特許文献1参照。)。この提案では、集電体に2種類の金属箔を圧延加工したいわばクラッド材を用いて、電解質にゲル電解質を用いているので、各セル単位での密閉シールが不可欠であり、セル間の液絡がおこる可能性がある。このゲル電解質のかわりに、高分子固体電解質を用いれば、密閉シールが不要となり現実的なバイポーラ電池を構成できる(例えば、特許文献2、3参照。)。かかる電解質として高分子電解質を用いて構成された全固体高分子電池であるバイポーラ電池では、電解液を含まないために液漏れやガス発生などがなく、信頼性が極めて高いという利点を有している。(例えば、特許文献2、3参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−204136号公報
【特許文献2】
特開2000−100471号公報
【特許文献3】
特開2002−75455号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のバイポーラ電池は、集電体層に金属箔やその積層体を用いていたため、正極側での耐食性の問題や負極でのリチウムとの合金化のため、使用できる集電体が極限られていた。また、数十μm程度の厚さの集電箔の片面に正極層、他方の面に負極層を配し、これを高分子電解質層を介して積層した構造であり、電極層と電解質層に比べて集電箔の厚さが厚くなり、電池のエネルギー密度、出力密度が低下するものである。
【0006】
したがって、本発明が目的とするところは、正極側での耐食性に優れ、かつ負極でのリチウムとの合金化を生じない新規な集電体であって、電極層と電解質層に比べてその厚さが適正である集電体を用いてなるバイポーラ電池を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性層を介して積層した構造をもつバイポーラ型リチウムイオン二次電池において、電子伝導性層が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含み、電子伝導性層の厚さが0.1〜10μmであり、電子伝導性フィラーの粒子の粒径の平均値が0.5μm未満であることを特徴としたバイポーラ型リチウムイオン二次電池である。
【0008】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ電池では、集電体としての電子伝導性層に金属箔でないもの(絶縁性高分子とカーボンブラックなど)を用いることができ、正極側での耐食性に優れ、かつ負極でのリチウムとの合金化を生じず、さらに電子伝導性層を通常の方法で数十μm(通常35μm程度)の金属箔を用いる場合よりも薄くでき、該電子伝導性層の厚さを電極層と電解質層(膜)に対して適正な範囲(1〜20μm程度)にすることができ、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくできる。そのため、各種産業において有用な電力源となる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき説明する。
【0010】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、
電子伝導性層が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものである。
【0011】
電子伝導性層は、通常集電体(バイポーラ電池ではセル間隔壁兼電子伝導体)といわれ、電子的に伝導度が高い金属箔を使用しているが、バイポーラ電池では、電流は電極面と垂直方向に流れるので、それほど高い電子伝導性は必ずしも必要ない。また、従来は電極の製造法として、金属箔に電極原料スラリーを塗布して、乾燥固化(場合によっては重合)していた。そのため、用いる金属箔はある程度の強度が必要であり、これらのことから、材質にもよるが必然的に15〜20μm程度の厚さが必要であった。そこで、本発明の第一の形態では、バイポーラ電池である特徴を生かして、この電子伝導性層として、新たに絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた薄膜を用いた構造としたものである。
【0012】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態では、電子伝導性層として絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた薄膜は、それほど高い電子伝導性は必ずしも必要でないとの知見から、原料のスラリー化が容易であり、簡単に数μm程度に薄膜化できる原料を選択することができる点で有利である。すなわち、集電体としての電子伝導性層に金属以外の材質を用いることができるようになり、特にカーボンを電子伝導性フィラーとして用いた電子伝導性層は、該電子伝導性層(薄層)の貼り付けのほかに、電子伝導性層用原料スラリーを直接塗布することにより電子伝導性層を形成できて、エネルギー密度、出力密度の高いバイポーラ電池を構成できる。また、金属箔に比して、正極側での耐食性の問題や負極でのリチウムとの合金化の問題のない材料を選択できる点において有利である。また、原料のスラリー化が容易である材料を選択し得ることから、構造的にも、一定の強度を有する集電体の両面に電極原料スラリーを塗布して電極を形成するのではなく、例えば、一定の強度を持つ高分子電解質層の両面に電極原料スラリーを塗布して電極を形成し、該高分子電解質層の両面に形成した電極上に電子伝導性層の原料スラリーを塗布し、乾燥固化するなどして電子伝導性層を形成することができる点で有利である。すなわち、従来とは反対に電極上に電子伝導性層を形成すればよいため、該電子伝導性層は従来の製造過程で必要とされたような強度を全く必要とせず、簡単に薄膜化できる点においても極めて有利である。
【0013】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態において、電子伝導性層の厚さは、薄膜化し、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、1〜20μmが好ましく、より好ましくは5〜10μmの範囲とするのが望ましい。電子伝導性層の厚さが1μm未満の場合にはイオン的短絡の可能性があり、20μmを超える場合にはエネルギー密度的にメリットが小さい。
【0014】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態で用いることができる電子伝導性層は、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常におおきければよい。
【0015】
このうち、上記電子伝導性フィラーとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものから適宜選択して使用できるものであり、カーボンブラック、金属微粒子、導電性セラミックス等を用いることができる。なかでも、上記電子伝導性層の絶縁性高分子内への分散性から、種々の表面修飾ができる点で、カーボンブラックが好ましいといえるものである。電子伝導性層の電子伝導性フィラーにカーボンブラックを用いることにより、より容易に低コストで目的(高エネルギー密度化、高出力密度化)を達成することができる。
【0016】
上記電子伝導性フィラーの大きさは、分散性等の観点から0.5μm未満であるのがよい。0.5μmを超える場合には、薄膜をつくりにくくなる。ここでいう大きさは、電子伝導性フィラーの(基本)粒子の粒径(大きさ)の平均値とする。
【0017】
また、絶縁性高分子としては、特に制限されるものではなく、例えば、下記に示すような従来公知のものから適宜選択して使用できるものである。
【0018】
(1)熱可塑性の絶縁性高分子を利用することができる。かかる熱可塑性の絶縁性高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどが好適に使用できる。
【0019】
該熱可塑性の絶縁性高分子を用いて電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化させた電子伝導性層を形成する方法などが挙げられるが、これらに何ら制限されるべきものではない。
【0020】
(2)上記絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に共に分散可能なものも使用可能である。該溶媒分散性の絶縁性高分子は、電池性能に影響を及ぼさないもので溶媒に分散できればよい。かかる溶媒分散性の絶縁性高分子としては、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0021】
該溶媒分散性の絶縁性高分子を用いて電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、該絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーを溶媒に分散してなる電子伝導性層用原料スラリーを調製し、該電子伝導性層用原料スラリーを、例えば、一定の強度を有する電解質層の両面にそれぞれ形成した電極上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより電子伝導性層の薄膜を製膜できる。
【0022】
また、該電子伝導性層用原料スラリーをガラス板やPETフィルムに塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製した後、該薄膜を電極に貼り付け、その後ガラス板やPETフィルムを剥がすことで、電子伝導性層の薄膜を形成することもできる。
【0023】
ここで、上記(1)、(2)のいずれの製法方法においても、得られる電子伝導性層中のカーボンブラック等の電子伝導性フィラーの含有量が、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%の範囲となるように、原料中の電子伝導性フィラーの配合量を調整するのが望ましい。電子伝導性フィラーの含有量が、5質量%未満の場合には抵抗が大きくなり、50質量%を超える場合には均一な薄膜をつくりにくくなる。
【0024】
以下、本発明に係るバイポーラ電池の第一の代表的な実施形態を、図面を用いて簡単に説明する。ただし、本発明がかかる実施形態に何ら制限されるべきものでないことはいうまでもない。
【0025】
図1は、本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。図1に示すように、本発明のバイポーラ電池1は、一枚の高分子電解質膜(高分子電解質層3)の片方の面上に正極層5を有し、他方の面上に負極層7を有する電極積層体9を、電子伝導性層11を介して複数積層した構造を持つものであって、電子伝導性層11が絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものである。言い換えれば、集電体としての電子伝導性層11の一の面に正極層5を配置し、他の面に負極層7を配置した構造のバイポーラ電極9’を、高分子電解質膜(高分子電解質層3)を介して複数積層した構造を持つものともいえる。すなわち、正極層5、電子伝導性層(集電体)11、および負極層7が、この順序で積層した構造を有する。
【0026】
本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態では、n個の電極積層体9と、n+1個の電子伝導性層11とを交互に積層し、最外層に電子伝導性層11を配置すればよい。
【0027】
電極積層体の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できるのであれば、バイポーラ電極の積層回数を少なくしてもよい。
【0028】
次に、本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態は、一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性の層を介して積層した構造をもつバイポーラ電池において、電子伝導性層が金属層の少なくとも片面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層を有することを特徴とするものである。
【0029】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態では、電子伝導性層の一部に金属層(例えば、金属箔)を使用する場合でも、第一の実施形態で説明したと同様の作用効果を奏するほかに、正極側の耐食性の問題回避などのために、電子伝導性層として、金属層と絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた層の積層体を用いることができる。これにより、通常使用できないような銅箔も、正極層側に絶縁性高分子にカーボンブラックのような電子伝導性フィラーを充填させた層を積層する(配置する)ことにより、金属層の1種として有効に活用することができるものである。したがって、こうした金属層と絶縁性高分子に電子伝導性フィラーを充填させた層の積層体を電子伝導性層として用いた場合であっても、高エネルギー密度、高出力密度の電池を構成することができるものである。
【0030】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態における、金属層の少なくとも片面に設けられる絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層(本明細書中、単に、主要層ともいう)は、先述した本発明の第一の形態において説明した電子伝導性層と同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【0031】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態においても、電子伝導性層の厚さは、薄膜化により電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、本発明の第一の態様にける電子伝導性層の厚さと同程度であるのが望ましい。したがって、主要層の厚さは、金属層の厚さにもよるが、好ましくは0.1〜20μm、より好ましくは0.5〜10μmの範囲であるのが望ましい。主要層の厚さが0.1μm未満の場合にはエネルギ-密度的にメリットが小さくなる。なお、ここでいう主要層の厚さは、金属層の片面に設ける場合にはその厚さを、また金属層の両面に設ける場合には、これらの両面の合計の厚さをいうものとする。
【0032】
電子伝導性層の構成要件の1つである主要層は、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常に大きければよい。
【0033】
このうち、上記電子伝導性フィラーとしては、従来公知のものから適宜選択して使用できるものであるが、好ましくはカーボンブラックである。これは、上記主要層の絶縁性高分子内への分散性から、種々の表面修飾ができる点で、カーボンブラックが好ましいといえるものである。主要層の電子伝導性フィラーにカーボンブラックを用いることにより、より容易に低コストで目的(高エネルギー密度化、高出力密度化)を達成することができる。
【0034】
また、上記絶縁性高分子としては、特に制限されるものではなく、例えば、下記に示すような従来公知のものから適宜選択して使用できるものである。
【0035】
(1)熱可塑性の絶縁性高分子を利用することができる。かかる熱可塑性の絶縁性高分子としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどが好適に使用できる。
【0036】
該熱可塑性の絶縁性高分子を用いて主要層、さらには電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化させた主要層を形成することができる。該主要層の薄膜は、金属層の片面または両面に積層することで電子伝導性層を形成することができる。あるいは主要層の薄膜を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付けるなどして積層し、その後、該主要層の薄膜上に金属層を積層することで、電子伝導性層、更には電極積層体を形成することもできるが、これらの方法に何ら制限されるべきものではない。
【0037】
(2)上記絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に共に分散可能なものも使用可能である。該溶媒分散性の絶縁性高分子は、電池性能に影響を及ぼさないもので溶媒に分散できればよい。かかる溶媒分散性の絶縁性高分子としては、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0038】
該溶媒分散性の絶縁性高分子を用いて主要層、さらには電子伝導性層を製造する方法としては、例えば、該絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーを溶媒に分散してなる主要層用原料スラリーを調製し、該主要層用原料スラリーを、例えば、一定の強度を有する電解質層の両面にそれぞれ形成した電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)または該電極上に積層された金属層上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより主要層の薄膜を製膜できる。なお、電極上に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布するなどにより主要層の薄膜を製膜した場合には、主要層用原料スラリーを塗布後に金属層を積層した後に、乾燥して主要層の薄膜を製膜すればよい。これにより、電子伝導性層、さらには電極積層体を併せて形成することができる。
【0039】
また、該主要層用原料スラリーを金属層の片面又は両面に塗布し、溶媒を乾燥して主要層の薄膜を作製することで、電子伝導性層を形成することができる。この場合、該電子伝導性層の主要層(または金属層)側の面を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付けるなどして積層することで、後述する電極積層体を形成することもできる。
【0040】
さらに、該主要層用原料スラリーをガラス板やPETフィルムに塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製した後、該薄膜を電極(詳しくは電解質層上に形成された電極)に貼り付け、その後ガラス板やPETフィルムを剥がすことで、主要層の薄膜を形成すると同時に電子伝導性層(さらには電極積層体)を形成することもできる。
【0041】
ここで、上記(1)、(2)のいずれの製法方法においても、得られる主要層中のカーボンブラック等の電子伝導性フィラーの含有量が、好ましくは5〜50質量%、より好ましくは10〜30質量%の範囲となるように、原料中の電子伝導性フィラーの配合量を調整するのが望ましい。電子伝導性フィラーの含有量が、5質量%未満の場合には、抵抗が大きくなり、50質量%を超える場合には均一な薄膜をつくりにくくなる。
【0042】
また、電子伝導性フィラーの大きさは、先に説明した第1の実施形態での電子伝導性フィラーの大きさと同じでよい。
【0043】
上記電子伝導性層の構成要件の1つである金属層(の材料)としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができ、例えば、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させたものであってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせたものを用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔を金属層として用いることが好ましい。
【0044】
金属層の厚さも、バイポーラ電池における集電体たる電子伝導性層の厚さを薄くし、電池のエネルギー密度、出力密度を大きくする観点から、1〜20μm、より好ましくは3〜10μmの範囲であるのが望ましいといえる。金属層の厚さが1μm未満の場合には、製造上問題であり、20μmを超える場合には電池のエネルギー密度的にメリットがちいさくなる。
【0045】
上記主要層と金属層の厚さの比は、特に制限されるものではないが、10:1〜1:20程度であれば良い。
【0046】
以下、本発明の第二の形態の代表的な実施例を、図面を用いて簡単に説明する。ただし、本発明がこれらの実施形態に何ら制限されるべきものでないことはいうまでもない。
【0047】
図2は、本発明に係るバイポーラ電池の第二の代表的な一実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。図2に示すように、本発明の第二のバイポーラ電池21は、一枚の高分子電解質膜(高分子電解質層23)の片方の面上に正極層25を有し、他方の面上に負極層27を有する電極積層体29を、電子伝導性層31を介して積層した構造を持つものであって、電子伝導性層31が、金属層31aの少なくとも片面、図中は正極層25と接する面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層(電子伝導性を有する層)31bを有することを特徴とするものである。言い換えれば、集電体としての電子伝導性層31の一の面(図2では、電子伝導性を有する層31b側)に正極層25を配置し、他の面(図2では、金属層31a側)に負極層27を配置した構造のバイポーラ電極29’を、高分子電解質膜(高分子電解質層23)を介して複数積層した構造を持つものともいえる。すなわち、正極層25、電子伝導性層(集電体)31(電子伝導性を有する層31b、金属層31a)、および負極層27が、この順序で積層した構造を有する。
【0048】
本発明に係るバイポーラ電池の第二の実施形態では、n個の電極積層体29と、n+1個の電子伝導性層31とを交互に積層し、最外層に電子伝導性層31を配置すればよい。
【0049】
電極積層体の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できるのであれば、バイポーラ電極の積層回数を少なくしてもよい。
【0050】
本発明に係るバイポーラ電池では、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、シート状に積層されたバイポーラ電池本体(図1、2を参照のこと。)を電池外装材または電池ケース(図示せず)に収容するとよい。バイポーラ電池本体を封止する電池外装材または電池ケースのうち、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの内面(両面)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体でラミネートした金属−高分子複合ラミネートフィルムのような従来公知の電池外装材で被覆したものなどが好適である。
【0051】
本発明に係るバイポーラ電池は、リチウムイオンの移動によって充放電が媒介されるリチウムイオン二次電池に用いられる。ただし、電池特性の向上等の効果が得られるのであれば、他の種類の電池に適用することを妨げるものではない。
【0052】
次に、本発明のバイポーラ電池の構成要素について、個別に説明する。
【0053】
[電子伝導性層]
電子伝導性層は、本発明の特徴とする構成要件であり、先述した第一および第二の実施形態において説明した通りである。
【0054】
すなわち、本発明に用いることができる電子伝導性層は、電子伝導性層が、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含むことを特徴とするものであり、電子伝導性フィラーが絶縁性高分子中に分散された状態で、面方向に対して電子伝導抵抗が大きくなく、イオン伝導抵抗が非常におおきければよい。
【0055】
電子伝導性フィラーとしては、カーボンブラックなどを好適に利用することができるが、これに制限されるものではない。かかる電子伝導性フィラー、特にカーボンブラックの量は5〜50質量%がよく、より好ましくは10〜30質量%である。
【0056】
▲1▼絶縁性高分子にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性高分子を用いることができる。
【0057】
▲2▼絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に分散可能なものを用いることができる。ここで、溶媒に分散可能な絶縁性高分子としては、電池性能に影響をおよびさないもので溶媒に分散できればよく、例えば、ネオプレン/トルエン系や種々のフルオロエラストマー/メチルエチルケトン系を使用できる。
【0058】
[正極層(正極活物質層とも称する)]
正極層は、正極活物質を含む。この他にも、高分子電解質として極性を有する高分子とリチウム塩、電子伝導性を高めるために導電助材、バインダなどが含まれ得る。
【0059】
高分子電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、正極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。正極層における正極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、正極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0060】
一方、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極層に高分子電解質が含まれていなくてもよく、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダが含まれていれば良い。
【0061】
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、遷移金属とリチウム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LiMn24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;V25、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。
【0062】
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用いられる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。
【0063】
高分子固体電解質用高分子としては、特に限定されるものではなく、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(SO2CF32、LiN(SO2252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。
【0064】
リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、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。
【0065】
導電助材としては、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。
【0066】
上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、SBR、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0067】
正極層における、正極活物質、高分子固体電解質、リチウム塩、導電助材、バインダなどの配合量は、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。
【0068】
例えば、高分子固体電解質を用いる場合に、その配合量を決定する場合を例にとれば、正極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、正極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、正極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。従って、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ればよい。なお、他の構成成分の配合量に関しても同様に適宜決定すればよい。
【0069】
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、導電助材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。
【0070】
正極層の厚さは、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10〜500μm程度である。
【0071】
[負極層]
負極層は、負極活物質を含む。この他にも、高分子電解質、イオン伝導性を高めるためにリチウム塩、電子伝導性を高めるために導電助材、バインダなどが含まれ得る。
【0072】
高分子電解質層に高分子固体電解質を用いる場合には、負極層にも高分子固体電解質が含まれていることが望ましい。負極層における負極活物質間の空隙に高分子固体電解質を充填することによって、負極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0073】
一方、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、負極層に高分子電解質が含まれていなくてもよく、負極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダが含まれていれば良い。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極層」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。
【0074】
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。具体的には、カーボン、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物などを用いることができるが、好ましくはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物である。これらを用いることで、容量、出力特性(例えば、電池電圧が高くできるなど)に優れた電池を構成できるからである。なお、リチウム−遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウム−チタン複合酸化物などを用いることができる。また、カーボンとしては、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンなどを用いることができる。
【0075】
[高分子電解質層]
上記高分子電解質層としては、固体高分子電解質に制限されるべきものではなく、高分子ゲル電解質であっても、単電池層の周囲に絶縁層を形成するなどして、液絡を防止することができるものであれば利用することができるほか、これらを併用することもできる。また、電解質層を多層構造とすることもでき、正極側と負極側とで、電解質の種類や成分配合比を変えた層を形成することもできる。高分子ゲル電解質を用いる場合、該高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率(質量比)は、特に制限されるべきものではないが、20:80〜95:5の範囲での使用が一般的である。
【0076】
上記固体高分子電解質層は、イオン伝導性を有する高分子とリチウム塩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。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)、これらの共重合体のような公知の高分子が挙げられる。リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、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(SO2CF32、LiN(SO2252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。
【0077】
また、高分子ゲル電解質は、上記に規定したように、高分子マトリックスに、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものである。
【0078】
これら固体高分子電解質もしくは高分子ゲル電解質は、電池を構成する高分子電解質層のほか、上記したように正極層および/または負極層にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質層、正極層、負極層によって異なる高分子電解質を用いてもよいし、同一の高分子電解質を使用してもよいし、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【0079】
電池を構成する高分子電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトなバイポーラ電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。一般的な高分子電解質層の厚さは10〜100μm程度である。
【0080】
[正極および負極端子板]
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。
【0081】
正極および負極端子板の材質は、通常リチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【0082】
正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【0083】
[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しては、通常リチウムイオン電池で用いられる公知のリードを用いることができる。なお、電池外装材(電池ケース)から取り出された部分は、自動車の熱源との距離がないことから、これらに接触して漏電したりして自動車部品(特に電子機器)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておくのが好ましい。
【0084】
[電池外装材(電池ケース)]
バイポーラ電池は、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、バイポーラ電池本体である電池積層体全体を電池外装材ないし電池ケースに収容するとよい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【0085】
次に、本発明では、上記のバイポーラ電池を複数個接続して構成した組電池とすることができる。すなわち、本発明のバイポーラ電池を少なくとも2個以上を用いて直列および/または並列に接続して構成した組電池とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、比較的安価に対応することが可能になる。
【0086】
具体的には、例えば、上記のバイポーラ電池をN個並列に接続し、N個並列にしたバイポーラ電池をさらにM個直列にして金属製ないし樹脂製の組電池ケースに収納し、組電池とする。この際、バイポーラ電池の直列/並列接続数は、使用目的に応じて決定する。例えば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)など大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両の駆動用電源に適用し得るように組み合わせればよい。また、組電池用の正極端子および負極端子と、各バイポーラ電池の電極リードとは、リード線等を用いて電気的に接続すればよい。また、バイポーラ電池同士を直列/並列に接続する際には、スペーサやバスバーのような適当な接続部材を用いて電気的に接続すればよい。ただし、本発明の組電池は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。また、該組電池には、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、電池電圧を監視するために電圧計測用コネクタなどを設けておいてもよいなど、特に制限されるものではない。
【0087】
本発明では、上記のバイポーラ電池および/または組電池を駆動用電源として搭載した車両とすることができる。本発明のバイポーラ電池および/または組電池は、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、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源として好適である。例えば、電気自動車ないしハイブリッド電気自動車の車体中央部の座席下に組電池を駆動用電源として搭載するのが、社内空間およびトランクルームを広く取れるため便利である。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるべきものではなく、後部トランクルームの下部に搭載してもよいし、あるいは電気自動車のようにエンジンを搭載しないのであれば、車体前方のエンジンを搭載していた部分などに搭載することもできる。なお、本発明では、組電池だけではなく、使用用途によっては、バイポーラ電池を搭載するようにしてもよいし、これら組電池とバイポーラ電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明のバイポーラ電池および/または組電池を駆動用電源として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電気自動車が好ましいが、これらに制限されるものではない。
【0088】
本発明のバイポーラ電池の製造方法としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知の各種の方法を適宜利用することができる。以下に、簡単に説明する。
【0089】
(1)電子伝導性層の形成
絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む電子伝導性層は、以下により得られる。
【0090】
▲1▼絶縁性高分子にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの熱可塑性高分子を用いる場合には、電子伝導性フィラーを溶融した絶縁性高分子に混練分散させて、押し出し成形加工で薄膜化することにより得られる。
【0091】
▲2▼絶縁性高分子及び電子伝導性フィラーが溶媒に分散可能なものを用いる場合には、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを溶媒に溶解してなるスラリーを電極に直接スプレー塗布、ドクターブレードにて塗布などにより製膜することにより得られる。あるいは、上記スラリーをガラス板やPETフィルムなどの支持材上に塗布して、溶媒を乾燥して薄膜を作製することにより得られる。▲2▼の場合は、(2)以降で形成する電極を、予め適当な支持材(ガラス板やPETフィルムなど)ないし電解質層上に形成しておき、かかる電極上に電子伝導性層を▲2▼の手順で形成すればよい。すなわち、以下に説明する手順は、上記▲1▼の場合の手順であり、▲2▼の場合には、これらの形成順序や塗布や積層対象物ないし塗布や積層被対象物を入れ替えて行うものである。ただし、既に説明した図1、2に示すように電池を構成する上で、既存の集電体に電極を形成していたのを、集電体に変わる電子伝導性層を電極に形成することを除けば▲1▼と同様にして電池を形成することができる。そのため、▲2▼の製造方法を使った電池の製造手順に関しては、実施例で実施していることから、ここでの説明は省略する。
【0092】
(2)正極用組成物の塗布
正極用組成物は、通常、スラリー(正極用スラリー)として得られ、PET等のファイルム上に塗布される。この他に、上記▲1▼で作製した電子伝導性層を準備して、その一方の面に塗布してもよい。
【0093】
正極用スラリーは、正極活物質を含み、他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、高分子電解質用高分子の原料、リチウム塩、溶媒などが任意で含まれる。高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助材、溶媒などが含まれていればよく、高分子ゲル電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。
【0094】
高分子電解質の高分子原料は、PEO、PPO、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基(炭素−炭素二重結合など)を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子ゲル電解質を架橋することによって、機械的強度が向上する。
【0095】
正極活物質、導電助材、バインダ、リチウム塩に関しては、前述した化合物を用いることができる。
【0096】
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。
【0097】
NMPなどの溶媒は、正極用スラリーの種類に応じて選択する。
【0098】
正極活物質、リチウム塩、導電助材、バインダ、高分子電解質の高分子原料等の添加量は、バイポーラ電池の目的等に応じて調節すればよく、通常用いられる量を添加すればよい。重合開始剤の添加量は、高分子電解質の高分子原料の量応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。
【0099】
(3)正極層の形成
正極用スラリーが塗布された電子伝導性層を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、正極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子固体電解質の機械的強度を高めてもよい。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された正極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は80〜120℃で1〜6時間である。
【0100】
(4)負極用組成物の塗布
負極用組成物は、通常、スラリー(正極用スラリー)として得られ、PET等のファイルム上に塗布される。この他、正極層が塗布された面と反対側の電子伝導性層の面に、負極活物質を含む負極用組成物(負極用スラリー)を塗布してもよい。
【0101】
負極用スラリーは、負極活物質を含み、他成分として、導電助材、バインダ、重合開始剤、高分子電解質用高分子の原料、リチウム塩、溶媒などが任意で含まれる。使用される原料や添加量については、「(1)正極用組成物の塗布」の項での説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0102】
(5)負極層の形成
負極用スラリーが塗布された電子伝導性層を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、負極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子電解質の機械的強度を高めてもよい。この作業により、バイポーラ電極が完成する。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された負極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は80〜120℃で1〜6時間である。
【0103】
(6)バイポーラ電極と高分子電解質層との積層
別途、電極間に積層される高分子電解質層を準備する。
【0104】
高分子固体電解質層を用いる場合には、例えば、高分子固体電解質の原料高分子、リチウム塩等をNMPのような溶媒に溶解させて調製した溶液を硬化させることによって製造される。また、高分子ゲル電解質層を用いる場合には、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。
【0105】
これら高分子電解質層の厚さはスペーサを用いて制御できる。光重合開始剤を用いる場合には、光透過性のギャップに流し込み、紫外線を照射して架橋反応を進行させて製膜するとよい。ただし、この方法に限定されないことは勿論である。重合開始剤の種類に応じて、放射線重合、電子線重合、熱重合などを使いわける。用いる高分子電解質の原料高分子、電解液、リチウム塩、重合開始剤、各配合量などについては、前述した通りであるため、ここでは説明を省略する。
【0106】
以上のように作製した正負電極と高分子固体電解質層を高真空下で十分加熱乾燥してから、正負電極と高分子電解質層をそれぞれを適当なサイズに複数個切りだす。切りだされたバイポーラ電極と高分子電解質層とを所定数貼り合わせて、積層電池を作製する。積層数は、バイポーラ電池に求める電池特性を考慮して決定される。最外層の高分子電解質層上には、それぞれ電極を配置する。正極側の最外層には、電子伝導性層上に正極層のみを形成した電極を配置する。負極側の最外層には、電子伝導性層上に負極層のみを形成した電極を配置する。正負電極と高分子電解質層とを積層させてバイポーラ電池本体(電池積層体)を得る段階は、電池内部に水分等が混入するのを防止する観点から不活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、アルゴン雰囲気下や窒素雰囲気下でバイポーラ電池を作製するとよい。
【0107】
(7)パッキング(電池の完成)
最後にバイポーラ電池本体(電池積層体)の両最外層の電子伝導性層上にそれぞれ、正極端子板、負極端子板を設置し、該正極端子板、負極端子板に、さらに正極リード、負極リードを接合(電気的に接続)して取り出す。正極リードおよび負極リードの接合方法としては特に制限されるべきものではないが、接合温度の低い超音波溶接等が好適に利用し得るものであるが、これに限定されるべきものではなく、従来公知の接合方法を適宜利用することができる。
【0108】
電池積層体全体を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池外装材ないし電池ケースで封止し、バイポーラ電池を完成させる。電池外装材(電池ケース)の材質は、内面がポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆された金属(アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅など)が好適である。
【0109】
【実施例】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。
【0110】
以下、本発明の実施例と比較例を説明する。
【0111】
高分子電解質としては、文献の方法に従って合成したポリエーテル形のネットワーク高分子の原料を用い(J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.)、リチウム塩としては、LiN(SO2252(以後これをBETIと略する)を用いた。
【0112】
(1)高分子電解質膜の作製
まず、高分子電解質膜の作製は、次のように行った。上記の高分子原料を53質量%、リチウム塩としてBETIを26質量%、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタールを高分子原料の0.1質量%加えて、溶媒としてドライアセトニトリル用いて溶液を調製したあとアセトニトリルを真空蒸留で除いた。テフロン(登録商標)スペーサーを用いて厚さを規定し、ガラス基板間にこの粘性の高い溶液を満たし、紫外線を20分間照射して光重合(架橋)した。膜を取り出して、真空容器に入れて90℃にて12時間高真空下で加熱乾燥して残留水分と溶媒を除いた。作製した高分子電解質膜の厚さは、20μmであった。
【0113】
(2)負極層の作製
負極層の作製は次のように行った。負極活物質としてLi4Ti512を用いた。この電極活物質28質量%、アセチレンブラック3質量%、上記の高分子原料を17質量%、BETIを8質量%、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルを高分子原料の0.1質量%加え、これに溶媒としてNMPを44質量%加えて十分に撹拌してスラリーを調製し、PETフィル上にコーターで塗布して、真空乾燥機にて90℃で2時間以上加熱乾燥して負極を作製した。作製した負極活物質層の厚さは、22μmであった。
【0114】
(3)正極層の作製
正極層の作製は次のように行った。正極活物質としてLiMn24正極層を用いた。詳しくは、29質量%の平均粒径2μmのLiMn24、8.7質量%のアセチレンブラック、17質量%の上記高分子原料、BETIを7.3質量%、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルを高分子原料の0.1質量%加え、これに溶媒としてNMPを41質量%加えて十分に撹拌してスラリーを調製し、PETフィル上にコーターで塗布して、真空乾燥機にて90℃で2時間以上加熱乾燥して正極を作製した。作製した正極活物質層の厚さは、20μmであった。
【0115】
以下の実施例及び比較例では、全て以下の条件で作製及び実験を行った。
【0116】
▲1▼電極部のサイズ:30mm×30mm、
▲2▼電極積層セル(単電池層)数:10、
▲3▼充放電条件:0.2C定電流、27V定電圧充電を合計10時間、放電は0.1Cにて10Vカットオフとした。
【0117】
実施例1
▲1▼ポリエチレンにカーボンブラック(ポリエチレン及びカーボンブラックの総量に対し約30質量%)を加えて溶融混練して、熱プレスロールを用いてよく伸ばして、厚さ10μmの電子伝導性フィルム形成して使用した。
【0118】
上記方法により、それぞれ電解質膜、正極層、負極層を作製した。銅箔上に、負極層/高分子電解質層/正極層を形成し、正極層の上に▲1▼の電子伝導性層を配置して、さらにその上に負極層/高分子電解質層/正極層を配置した。これを10回繰り返して最後の正極層上にアルミ箔を配置した。
【0119】
銅箔及びアルミ箔にニッケルのタブ(端子リード)を取り付け、電極部をアルミのラミネートフィルムのパックに真空封入して電池とした。
【0120】
本実施例で示したように、本発明では、電池の最外層の電極の電子伝導性層には、該電子伝導性層に代えて従来の集電体を採用しても良い。特に、金属層を用いない第一の実施形態においては、端子リードを容易に接続することができる点で有用なためである。
【0121】
実施例2
▲1▼トルエン中にネオプレンとカーボンブラックを分散させて(固形分約20質量%、うち40質量%をカーボンブラックとして)、PETフィルム上にスプレー塗布して熱風乾燥して、厚さ5μmの電子伝導性膜を作製して、実施例1の電子伝導性フィルムの代わりに用いて、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0122】
実施例3
実施例2の電子伝導性フィルムを厚さ4μmの銅箔の上に形成し、この電子伝送性膜を実施例1の負極側の面を銅箔にして配置し、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0123】
比較例1
実施例1の電子伝導性フィルムの代わりに、図3に示すように、正極層側に厚さ20μmのアルミ箔(第一集電箔51a)を用いて、負極層側に厚さ15μmの銅箔(第二集電箔51b)を用いて積層して、実施例1と同様なバイポーラ電池を構成した。
【0124】
作製したバイポーラ電池を充放電条件として、0.2C定電流、27V定電圧充電を合計10時間、放電は0.1Cにて10Vカットオフにて、充放電して各電池のエネルギー密度を計算して、比較例1の電池の値に対して比をとって、結果を表1に示した。表1の結果からわかるように、バイポーラ電池のセル間(単電池層間)を隔てる電子伝導性層に、絶縁性高分子中に電子伝導性フィラーを分散充填した層を用いていることにより、集電体として金属箔を用いる場合に比べて、バイポーラ電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【0125】
【表1】

Figure 0004674434

【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るバイポーラ電池の第一の実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【図2】 本発明に係るバイポーラ電池の第二の代表的な一実施形態を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【図3】 従来の集電体を用いたバイポーラ電池であって、比較例1で作製したバイポーラ電池を模式的に表わした部分断面概略図を示す。
【符号の説明】
1、21、41…バイポーラ電池、
3、23、43…高分子電解質膜(高分子電解質層)、
5、25、45…正極層、
7、27、47…負極層、
9、29、49…単電池層、
9’、29’、49’…バイポーラ電極、
11、31…電子伝導性層、
31a…金属層、
31b…電子伝導性を有する層、
51…集電箔、
51a…第一集電箔、
51b…第二集電箔。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipolar battery in which a positive electrode layer and a negative electrode layer are disposed on both sides of a current collector.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium ion secondary batteries that can achieve high energy density and high output density have been developed as large-capacity power supplies for electric vehicles and the like. The basic configuration of the lithium ion secondary battery is that a positive electrode in which a positive electrode active material such as lithium cobaltate and a conductive additive such as acetylene black are applied to an aluminum current collector using a binder, and carbon fine particles are bonded to a copper current collector. A negative electrode coated with a resin is placed through a polyolefin-based porous membrane separator, and LiPF 6 It is what filled the non-aqueous electrolyte containing etc. When applied to an electric vehicle or the like, unit cells (cells) having this configuration are connected in series, and a battery module unit and modules are connected in series to form a battery pack.
[0003]
From the viewpoint of the energy density and output density of the battery, it is desired to improve connection resistance, space, and weight of connection between cells and connection between modules. Recently, a battery that employs a bipolar electrode unit that can reduce the resistance of connection between cells and can be expected to be compact has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this proposal, so-called clad material is used to roll two types of metal foil for the current collector, and gel electrolyte is used for the electrolyte. Therefore, a hermetic seal for each cell unit is indispensable. Tangles can occur. If a polymer solid electrolyte is used instead of the gel electrolyte, a hermetic seal is not required and a realistic bipolar battery can be constructed (for example, see Patent Documents 2 and 3). A bipolar battery, which is an all-solid polymer battery configured using a polymer electrolyte as such an electrolyte, has the advantage of extremely high reliability because it does not contain an electrolyte solution and thus does not leak or generate gas. Yes. (For example, refer to Patent Documents 2 and 3.)
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-204136
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-1000047
[Patent Document 3]
JP 2002-75455 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional bipolar battery uses a metal foil or a laminate thereof for the current collector layer, so that there is a limit to the current collectors that can be used due to the problem of corrosion resistance on the positive electrode side or alloying with lithium on the negative electrode. It was done. In addition, a current collector foil having a thickness of about several tens of μm has a structure in which a positive electrode layer is disposed on one surface and a negative electrode layer is disposed on the other surface, which are laminated via a polymer electrolyte layer. In comparison, the thickness of the current collector foil is increased, and the energy density and output density of the battery are reduced.
[0006]
Therefore, the object of the present invention is a novel current collector that has excellent corrosion resistance on the positive electrode side and does not cause alloying with lithium on the negative electrode, and has a thickness that is greater than that of the electrode layer and the electrolyte layer. It is an object of the present invention to provide a bipolar battery using a current collector having an appropriate length.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a bipolar structure having a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of a single polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface is laminated via an electron conductive layer. Type lithium ion secondary In a battery, the electron conductive layer mainly contains an insulating polymer and an electron conductive filler. The thickness of the electron conductive layer is 0.1 to 10 μm, and the average particle size of the electron conductive filler particles is less than 0.5 μm. Bipolar characterized by Type lithium ion secondary It is a battery.
[0008]
【The invention's effect】
In the bipolar battery of the present invention, a non-metal foil (such as an insulating polymer and carbon black) can be used for the electron conductive layer as a current collector, which has excellent corrosion resistance on the positive electrode side, and lithium on the negative electrode. In addition, the electron conductive layer can be made thinner than the case of using a metal foil of several tens of μm (usually about 35 μm) by an ordinary method, and the thickness of the electron conductive layer can be reduced to the electrode layer and the electrolyte. An appropriate range (about 1 to 20 μm) for the layer (film) can be obtained, and the energy density and output density of the battery can be increased. Therefore, it becomes a useful power source in various industries.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0010]
In a first embodiment of a bipolar battery according to the present invention, an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of a single polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface is provided with an electronic conductivity. In the bipolar battery having a structure laminated through the layers,
The electron conductive layer mainly includes an insulating polymer and an electron conductive filler.
[0011]
The electron conductive layer is usually referred to as a current collector (cell spacing wall / electron conductor in a bipolar battery), and uses a metal foil having high electronic conductivity. Since it flows in the vertical direction, not so high electron conductivity is necessarily required. Conventionally, as an electrode manufacturing method, an electrode material slurry is applied to a metal foil and dried and solidified (in some cases, polymerized). For this reason, the metal foil to be used needs to have a certain degree of strength, and from these reasons, the thickness of the metal foil inevitably needs to be about 15 to 20 μm depending on the material. Therefore, in the first embodiment of the present invention, taking advantage of the characteristics of a bipolar battery, a structure using a thin film in which an insulating polymer is newly filled with an electron conductive filler is used as the electron conductive layer. It is.
[0012]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, from the knowledge that a thin film obtained by filling an insulating polymer as an electron conductive layer with an electron conductive filler does not necessarily require a high electron conductivity. This is advantageous in that it can be easily made into a slurry and can select a raw material that can be easily thinned to about several μm. That is, a material other than metal can be used for the electron conductive layer as a current collector. In particular, an electron conductive layer using carbon as an electron conductive filler is the electron conductive layer (thin layer). In addition to this, the electron conductive layer can be formed by directly applying the raw material slurry for the electron conductive layer, and a bipolar battery having high energy density and high output density can be configured. Further, it is advantageous in that a material that does not have a problem of corrosion resistance on the positive electrode side or a problem of alloying with lithium on the negative electrode can be selected as compared with the metal foil. In addition, since a material that can be easily made into a slurry of the raw material can be selected, the electrode is not formed by applying the electrode raw material slurry on both surfaces of the current collector having a certain strength, for example, The electrode material slurry is applied to both surfaces of the polymer electrolyte layer having a certain strength to form an electrode, and the electron conductive layer material slurry is applied to the electrode formed on both surfaces of the polymer electrolyte layer and dried. This is advantageous in that the electron conductive layer can be formed by solidification. That is, since it is only necessary to form an electron conductive layer on the electrode as opposed to the conventional case, the electron conductive layer does not require any strength as required in the conventional manufacturing process and can be easily thinned. This is also extremely advantageous.
[0013]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, the thickness of the electron conductive layer is preferably 1 to 20 μm, more preferably 5 to 5 μm from the viewpoint of reducing the thickness and increasing the energy density and output density of the battery. A range of 10 μm is desirable. When the thickness of the electron conductive layer is less than 1 μm, there is a possibility of ionic short-circuiting, and when it exceeds 20 μm, the merit of energy density is small.
[0014]
The electron conductive layer that can be used in the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention does not have a large electron conduction resistance with respect to the plane direction in a state where the electron conductive filler is dispersed in the insulating polymer. The ion conduction resistance only needs to be very large.
[0015]
Among these, the electron conductive filler is not particularly limited and can be appropriately selected from conventionally known ones, and carbon black, metal fine particles, conductive ceramics, and the like can be used. . Among these, carbon black is preferable in that it can be variously modified due to the dispersibility of the electron conductive layer in the insulating polymer. By using carbon black as the electron conductive filler of the electron conductive layer, the object (high energy density, high power density) can be achieved more easily and at low cost.
[0016]
The size of the electron conductive filler is preferably less than 0.5 μm from the viewpoint of dispersibility and the like. When it exceeds 0.5 μm, it is difficult to form a thin film. The size here is the average value of the particle size (size) of the (basic) particles of the electron conductive filler.
[0017]
Further, the insulating polymer is not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones as shown below, for example.
[0018]
(1) A thermoplastic insulating polymer can be used. As such thermoplastic insulating polymer, for example, polyethylene, polypropylene, polystyrene and the like can be suitably used.
[0019]
Examples of a method for producing an electron conductive layer using the thermoplastic insulating polymer include, for example, electrons obtained by kneading and dispersing an electron conductive filler in a molten insulating polymer and forming a thin film by extrusion molding. Although the method of forming a conductive layer, etc. are mentioned, it should not be limited to these at all.
[0020]
(2) The insulating polymer and the electron conductive filler can be dispersed in a solvent. The solvent-dispersible insulating polymer does not affect the battery performance and may be dispersed in a solvent. As such a solvent-dispersible insulating polymer, for example, neoprene / toluene or various fluoroelastomer / methyl ethyl ketone can be used.
[0021]
As a method for producing an electron conductive layer using the solvent-dispersible insulating polymer, for example, a raw material slurry for an electron conductive layer obtained by dispersing the insulating polymer and an electron conductive filler in a solvent is used. Prepare a thin film of the electron conductive layer by, for example, applying the raw material slurry for the electron conductive layer directly on the electrodes respectively formed on both surfaces of the electrolyte layer having a certain strength by spray coating or doctor blade. Film can be formed.
[0022]
Also, by applying the raw material slurry for the electron conductive layer to a glass plate or PET film, drying the solvent to produce a thin film, attaching the thin film to the electrode, and then peeling the glass plate or PET film A thin film of an electron conductive layer can also be formed.
[0023]
Here, in any of the above production methods (1) and (2), the content of the electron conductive filler such as carbon black in the obtained electron conductive layer is preferably 5 to 50% by mass, more preferably. It is desirable to adjust the blending amount of the electron conductive filler in the raw material so as to be in the range of 10-30% by mass. When the content of the electron conductive filler is less than 5% by mass, the resistance increases, and when it exceeds 50% by mass, it is difficult to form a uniform thin film.
[0024]
Hereinafter, a first representative embodiment of a bipolar battery according to the present invention will be briefly described with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention should not be limited to such embodiments.
[0025]
FIG. 1 is a partial cross-sectional schematic view schematically showing a first embodiment of a bipolar battery according to the present invention. As shown in FIG. 1, a bipolar battery 1 of the present invention has a positive electrode layer 5 on one surface of a single polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 3) and a negative electrode layer 7 on the other surface. A structure in which a plurality of electrode laminates 9 having a plurality of layers are stacked via an electron conductive layer 11, wherein the electron conductive layer 11 mainly includes an insulating polymer and an electron conductive filler. To do. In other words, a bipolar electrode 9 ′ having a structure in which the positive electrode layer 5 is disposed on one surface of the electron conductive layer 11 as a current collector and the negative electrode layer 7 is disposed on the other surface is replaced with a polymer electrolyte membrane (polymer It can also be said that a plurality of layers are stacked via the electrolyte layer 3). That is, the positive electrode layer 5, the electron conductive layer (current collector) 11, and the negative electrode layer 7 are stacked in this order.
[0026]
In the first embodiment of the bipolar battery according to the present invention, n electrode stacks 9 and n + 1 electron conductive layers 11 are alternately stacked, and the electron conductive layer 11 is disposed as the outermost layer. Good.
[0027]
The number of electrode stacks is adjusted according to the desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the battery is made as thin as possible, the number of stacked bipolar electrodes may be reduced.
[0028]
Next, in a second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, an electrode laminate having a positive electrode layer on one surface of a single polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other surface, A bipolar battery having a structure laminated through an electron conductive layer, wherein the electron conductive layer has a layer mainly containing an insulating polymer and an electron conductive filler on at least one side of the metal layer It is.
[0029]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, even when a metal layer (for example, metal foil) is used as a part of the electron conductive layer, the same effect as described in the first embodiment can be obtained. In addition to the above, in order to avoid the problem of corrosion resistance on the positive electrode side, a laminate of a metal layer and a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler can be used as the electron conductive layer. As a result, a copper foil that cannot normally be used is also a kind of metal layer by laminating (arranging) a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler such as carbon black on the positive electrode layer side. It can be used effectively. Therefore, a battery having a high energy density and a high output density can be formed even when a laminate of such a metal layer and a layer in which an insulating polymer is filled with an electron conductive filler is used as an electron conductive layer. It is something that can be done.
[0030]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, a layer mainly including an insulating polymer and an electron conductive filler provided on at least one surface of the metal layer (hereinafter, also simply referred to as a main layer) Since the structure is the same as that of the electron conductive layer described in the first embodiment of the present invention, the description thereof is omitted here.
[0031]
Also in the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, the thickness of the electron conductive layer is the electron in the first aspect of the present invention from the viewpoint of increasing the energy density and output density of the battery by thinning. Desirably, it is about the same as the thickness of the conductive layer. Therefore, although the thickness of the main layer depends on the thickness of the metal layer, it is preferably 0.1 to 20 μm, and more preferably 0.5 to 10 μm. When the thickness of the main layer is less than 0.1 μm, the merit is reduced in terms of energy density. The thickness of the main layer here means the thickness when it is provided on one side of the metal layer, and the total thickness of both sides when it is provided on both sides of the metal layer. .
[0032]
The main layer, which is one of the constituent elements of the electron conductive layer, has a large ion conduction resistance in the plane direction in a state where the electron conductive filler is dispersed in the insulating polymer, and the ion conduction resistance is very high. It only needs to be large.
[0033]
Among these, the electron conductive filler can be appropriately selected from conventionally known ones, and is preferably carbon black. This is because carbon black is preferable in terms of dispersibility of the main layer in the insulating polymer and various surface modifications. By using carbon black as the electron conductive filler of the main layer, the purpose (high energy density, high output density) can be achieved more easily and at low cost.
[0034]
Further, the insulating polymer is not particularly limited, and can be appropriately selected from conventionally known ones as shown below, for example.
[0035]
(1) A thermoplastic insulating polymer can be used. As such thermoplastic insulating polymer, for example, polyethylene, polypropylene, polystyrene and the like can be suitably used.
[0036]
As a method for producing a main layer and further an electron conductive layer using the thermoplastic insulating polymer, for example, an electron conductive filler is kneaded and dispersed in a molten insulating polymer, and then extruded. A thinned main layer can be formed. The thin film of the main layer can form an electron conductive layer by being laminated on one side or both sides of a metal layer. Alternatively, the main layer thin film is laminated to an electrode (specifically, an electrode formed on an electrolyte layer) and then laminated, and then a metal layer is laminated on the main layer thin film to form an electron conductive layer, Furthermore, although an electrode laminated body can also be formed, it should not be limited to these methods.
[0037]
(2) The insulating polymer and the electron conductive filler can be dispersed in a solvent. The solvent-dispersible insulating polymer does not affect the battery performance and may be dispersed in a solvent. As such a solvent-dispersible insulating polymer, for example, neoprene / toluene or various fluoroelastomer / methyl ethyl ketone can be used.
[0038]
As a method for producing the main layer, and further the electron conductive layer, using the solvent-dispersible insulating polymer, for example, for the main layer formed by dispersing the insulating polymer and the electron conductive filler in a solvent A raw material slurry was prepared, and the main layer raw material slurry was laminated on the electrodes (specifically, electrodes formed on the electrolyte layer) formed on both surfaces of the electrolyte layer having a certain strength, for example. The thin film of the main layer can be formed by spray coating directly on the metal layer or coating with a doctor blade. In addition, when the main layer thin film is formed on the electrode by direct spray coating, coating with a doctor blade, etc., after coating the main layer raw material slurry and laminating the metal layer, it is dried to form the main layer. A thin film may be formed. Thereby, an electron conductive layer and also an electrode laminated body can be formed together.
[0039]
Moreover, the electron conductive layer can be formed by applying the raw material slurry for the main layer to one or both sides of the metal layer and drying the solvent to form a main layer thin film. In this case, by laminating the surface of the electron conductive layer on the main layer (or metal layer) side with an electrode (specifically, an electrode formed on the electrolyte layer) and laminating it, an electrode laminate described later is formed. It can also be formed.
[0040]
Furthermore, after applying the raw material slurry for the main layer to a glass plate or a PET film and drying the solvent to produce a thin film, the thin film is attached to an electrode (specifically, an electrode formed on the electrolyte layer), Thereafter, the glass plate and the PET film are peeled off, so that the thin film of the main layer can be formed simultaneously with the formation of the electron conductive layer (and electrode laminate).
[0041]
Here, in any of the above production methods (1) and (2), the content of the electron conductive filler such as carbon black in the main layer to be obtained is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10%. It is desirable to adjust the blending amount of the electron conductive filler in the raw material so as to be in the range of ˜30 mass%. When the content of the electron conductive filler is less than 5% by mass, the resistance increases, and when it exceeds 50% by mass, it is difficult to form a uniform thin film.
[0042]
Further, the size of the electron conductive filler may be the same as the size of the electron conductive filler in the first embodiment described above.
[0043]
The metal layer (material) which is one of the constituent requirements of the electron conductive layer is not particularly limited, and conventionally known ones can be used, for example, aluminum foil, stainless steel foil, nickel An aluminum clad material, a copper clad aluminum clad material, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, what coated aluminum on the metal surface may be used. In some cases, a laminate of two or more metal foils may be used. From the viewpoint of corrosion resistance, ease of production, economy, etc., it is preferable to use an aluminum foil as the metal layer.
[0044]
The thickness of the metal layer is also in the range of 1 to 20 μm, more preferably 3 to 10 μm from the viewpoint of reducing the thickness of the electron conductive layer as a current collector in the bipolar battery and increasing the energy density and output density of the battery. It can be said that it is desirable. When the thickness of the metal layer is less than 1 μm, it is a manufacturing problem, and when it exceeds 20 μm, the merit of the battery becomes small.
[0045]
The ratio of the thickness of the main layer to the metal layer is not particularly limited, but may be about 10: 1 to 1:20.
[0046]
Hereinafter, typical examples of the second aspect of the present invention will be briefly described with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention should not be limited to these embodiments.
[0047]
FIG. 2 is a partial cross-sectional schematic view schematically showing a second representative embodiment of the bipolar battery according to the present invention. As shown in FIG. 2, the second bipolar battery 21 of the present invention has a positive electrode layer 25 on one surface of one polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 23), and on the other surface. An electrode laminate 29 having a negative electrode layer 27 is laminated via an electron conductive layer 31, and the electron conductive layer 31 is at least one side of the metal layer 31a, and in the figure, the positive electrode layer 25 and The contact surface has a layer 31b (layer having electron conductivity) mainly including an insulating polymer and an electron conductive filler (layer having electron conductivity). In other words, the positive electrode layer 25 is disposed on one surface of the electron conductive layer 31 as a current collector (on the side of the layer 31b having electron conductivity in FIG. 2), and the other surface (in FIG. 2, the metal layer 31a). It can be said that a bipolar electrode 29 'having a structure in which the negative electrode layer 27 is disposed on the side) is laminated by way of a polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer 23). That is, the positive electrode layer 25, the electron conductive layer (current collector) 31 (the electron conductive layer 31b, the metal layer 31a), and the negative electrode layer 27 are stacked in this order.
[0048]
In the second embodiment of the bipolar battery according to the present invention, n electrode stacks 29 and n + 1 electron conductive layers 31 are alternately stacked, and the electron conductive layer 31 is disposed as the outermost layer. Good.
[0049]
The number of electrode stacks is adjusted according to the desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the battery is made as thin as possible, the number of stacked bipolar electrodes may be reduced.
[0050]
In the bipolar battery according to the present invention, in order to prevent external impact and environmental degradation, the bipolar battery main body (see FIGS. 1 and 2) laminated in a sheet shape is used as a battery exterior material or battery case (see FIG. (Not shown). Conventionally, such as a metal-polymer composite laminate film in which the inner surfaces (both sides) of aluminum, stainless steel, nickel, copper, etc. are laminated with an insulator such as a polypropylene film, among battery exterior materials or battery cases that seal the bipolar battery body What was coat | covered with the well-known battery exterior material etc. are suitable.
[0051]
The bipolar battery according to the present invention is used for a lithium ion secondary battery in which charging / discharging is mediated by movement of lithium ions. However, as long as effects such as improvement of battery characteristics can be obtained, application to other types of batteries is not prevented.
[0052]
Next, the components of the bipolar battery of the present invention will be described individually.
[0053]
[Electron conductive layer]
The electron conductive layer is a constituent feature that characterizes the present invention, as described in the first and second embodiments.
[0054]
That is, the electron conductive layer that can be used in the present invention is characterized in that the electron conductive layer mainly contains an insulating polymer and an electron conductive filler, and the electron conductive filler is an insulating material. It is only necessary that the electron conduction resistance is not so large with respect to the plane direction and the ionic conduction resistance is very large when dispersed in the polymer.
[0055]
Carbon black or the like can be suitably used as the electron conductive filler, but is not limited thereto. The amount of the electron conductive filler, particularly carbon black, is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10 to 30% by mass.
[0056]
(1) A thermoplastic polymer such as polyethylene, polypropylene, or polystyrene can be used as the insulating polymer.
[0057]
(2) An insulating polymer and an electron conductive filler that can be dispersed in a solvent can be used. Here, as the insulating polymer dispersible in the solvent, it does not affect the battery performance as long as it can be dispersed in the solvent. For example, neoprene / toluene or various fluoroelastomers / methyl ethyl ketone can be used.
[0058]
[Positive electrode layer (also referred to as positive electrode active material layer)]
The positive electrode layer includes a positive electrode active material. In addition, the polymer electrolyte may include a polar polymer and a lithium salt, a conductive aid, a binder, and the like to increase electronic conductivity.
[0059]
When a polymer solid electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is desirable that the positive electrode layer also contains the polymer solid electrolyte. This is because, by filling the space between the positive electrode active materials in the positive electrode layer with the polymer solid electrolyte, the ion conduction in the positive electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0060]
On the other hand, when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, the positive electrode layer may not contain a polymer electrolyte, and may contain a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles to each other. .
[0061]
As the positive electrode active material, a composite oxide of transition metal and lithium, which is also used in a solution-type lithium ion battery, can be used. Specifically, LiCoO 2 Li / Co complex oxides such as LiNiO 2 Li / Ni composite oxides such as spinel LiMn 2 O Four Li · Mn based complex oxide such as LiFeO 2 And Li / Fe-based composite oxides. In addition, LiFePO Four Transition metal and lithium phosphate compounds and sulfuric acid compounds; V 2 O Five , MnO 2 TiS 2 , MoS 2 , MoO Three Transition metal oxides and sulfides such as PbO 2 , AgO, NiOOH and the like.
[0062]
In order to reduce the electrode resistance of the bipolar battery, the positive electrode active material may have a particle size smaller than that generally used in a solution type lithium ion battery in which the electrolyte is not solid. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 0.1 to 5 μm.
[0063]
The polymer for the polymer solid electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. Such polyalkylene oxide polymer is LiBF. Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Lithium salt such as can be dissolved well. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure. In the present invention, the polymer solid electrolyte is contained in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. However, in order to further improve the battery characteristics of the bipolar battery, it is preferable to be included in both.
[0064]
As the lithium salt, LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Or a mixture thereof. However, it is not necessarily limited to these.
[0065]
Examples of the conductive aid include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not necessarily limited to these.
[0066]
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide, or the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.
[0067]
The amount of positive electrode active material, solid polymer electrolyte, lithium salt, conductive additive, binder, etc. in the positive electrode layer should be determined in consideration of the intended use of the battery (output priority, energy priority, etc.) and ion conductivity. It is.
[0068]
For example, in the case of using a solid polymer electrolyte, taking the case where the blending amount is determined as an example, if the blending amount of the solid polymer electrolyte in the positive electrode layer is too small, the ion conduction resistance and ion The diffusion resistance increases and the battery performance decreases. On the other hand, if the amount of the solid polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery will be reduced. Therefore, in consideration of these factors, a polymer solid electrolytic mass that matches the purpose may be determined. In addition, what is necessary is just to determine suitably similarly about the compounding quantity of another structural component.
[0069]
Here, solid polymer electrolyte of the present level (ionic conductivity: 10 -Five -10 -Four Let us specifically consider the case of manufacturing a bipolar battery that prioritizes battery reactivity using (S / cm). In order to obtain a bipolar battery having such characteristics, the conductive conductivity is increased or the bulk density of the active material is decreased to keep the electron conduction resistance between the active material particles low. At the same time, the gap is increased and the polymer solid electrolyte is filled in the gap. The ratio of the solid polymer electrolyte may be increased by such treatment.
[0070]
The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.) and ion conductivity as described for the blending amount. A typical positive electrode active material layer has a thickness of about 10 to 500 μm.
[0071]
[Negative electrode layer]
The negative electrode layer includes a negative electrode active material. In addition to this, a polymer electrolyte, a lithium salt for increasing ionic conductivity, a conductive additive, a binder, etc. for increasing electronic conductivity may be included.
[0072]
When a polymer solid electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, it is desirable that the negative electrode layer also contains the polymer solid electrolyte. This is because, by filling the gap between the negative electrode active materials in the negative electrode layer with the polymer solid electrolyte, the ionic conduction in the negative electrode layer becomes smooth, and the output of the entire bipolar battery can be improved.
[0073]
On the other hand, when a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, the negative electrode layer may not contain a polymer electrolyte, and may contain a conventionally known binder that binds negative electrode active material fine particles to each other. . Except for the type of the negative electrode active material, the contents are basically the same as those described in the section “Positive electrode layer”, and thus the description thereof is omitted here.
[0074]
As the negative electrode active material, a negative electrode active material that is also used in a solution-type lithium ion battery can be used. Specifically, carbon, metal oxide, lithium-metal composite oxide, and the like can be used, and carbon or lithium-transition metal composite oxide is preferable. This is because a battery excellent in capacity and output characteristics (for example, the battery voltage can be increased) can be configured by using these. As the lithium-transition metal composite oxide, for example, a lithium-titanium composite oxide can be used. Moreover, as carbon, graphite, hard carbon, soft carbon etc. can be used, for example.
[0075]
[Polymer electrolyte layer]
The polymer electrolyte layer should not be limited to a solid polymer electrolyte, and even a polymer gel electrolyte prevents liquid junction by forming an insulating layer around the cell layer. These can be used as long as they can be used, and these can be used in combination. In addition, the electrolyte layer can have a multilayer structure, and a layer in which the type of electrolyte and the composition ratio of the electrolyte are changed can be formed on the positive electrode side and the negative electrode side. When a polymer gel electrolyte is used, the ratio (mass ratio) between the polymer constituting the polymer gel electrolyte and the electrolytic solution is not particularly limited, but is in the range of 20:80 to 95: 5. Use is common.
[0076]
The solid polymer electrolyte layer is a layer composed of a polymer having ion conductivity and a lithium salt, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity. Examples of the polymer having ion conductivity include known polymers such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. As the lithium salt, LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Or a mixture thereof. However, it is not necessarily limited to these. Polyalkylene oxide polymers such as PEO and PPO are LiBF Four , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF Three ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 Lithium salt such as can be dissolved well. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure.
[0077]
Further, the polymer gel electrolyte is one in which an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery is contained in a polymer matrix as defined above.
[0078]
These solid polymer electrolytes or polymer gel electrolytes can be included in the positive electrode layer and / or the negative electrode layer as described above, in addition to the polymer electrolyte layer constituting the battery, but the polymer electrolyte layer constituting the battery, Different polymer electrolytes may be used depending on the positive electrode layer and the negative electrode layer, the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer.
[0079]
The thickness of the polymer electrolyte layer constituting the battery is not particularly limited. However, in order to obtain a compact bipolar battery, it is preferable to make it as thin as possible as long as the function as an electrolyte can be secured. A typical polymer electrolyte layer has a thickness of about 10 to 100 μm.
[0080]
[Positive electrode and negative electrode terminal plate]
The positive electrode and the negative electrode terminal plate may be used as necessary. When used, it has a function as a terminal, and it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning. However, the laminated electrode, electrolyte and current collector all have weak mechanical strength. It is desirable to have sufficient strength to pinch and support from above. Furthermore, it can be said that the thickness of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is usually preferably about 0.1 to 2 mm from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion.
[0081]
As the material of the positive electrode and the negative electrode terminal plate, materials usually used in lithium ion batteries can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof can be used. Aluminum is preferably used from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0082]
The material of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same material or different materials. Furthermore, the positive electrode and the negative electrode terminal plate may be a laminate of different materials.
[0083]
[Positive electrode and negative electrode lead]
As for the positive electrode and the negative electrode lead, known leads usually used in lithium ion batteries can be used. In addition, since the part taken out from the battery exterior material (battery case) does not have a distance from the heat source of the automobile, it does not affect the automobile parts (particularly electronic equipment) by contacting with them and causing electric leakage. In addition, it is preferable to coat with a heat-resistant insulating heat-shrinkable tube or the like.
[0084]
[Battery exterior material (battery case)]
In order to prevent external impact and environmental degradation when using a bipolar battery, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the entire battery stack, which is the body of the bipolar battery, is used as a battery exterior material or battery case. It is good to accommodate in. From the viewpoint of weight reduction, a conventionally known battery exterior material such as a polymer-metal composite laminate film in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is coated with an insulator such as a polypropylene film is used. The battery stack is preferably housed and sealed by joining part or all of the peripheral part thereof by thermal fusion. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may be structured to be sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, it is preferable to use a polymer-metal composite laminate film having excellent thermal conductivity because heat can be efficiently transferred from the heat source of the automobile and the inside of the battery can be quickly heated to the battery operating temperature.
[0085]
Next, in the present invention, an assembled battery in which a plurality of the above bipolar batteries are connected can be obtained. In other words, by using an assembled battery in which at least two or more bipolar batteries of the present invention are connected in series and / or in parallel, the battery capacity and output requirements for each purpose of use can be handled relatively inexpensively. It becomes possible to do.
[0086]
Specifically, for example, N bipolar batteries are connected in parallel, and N parallel bipolar batteries are further connected in series in a metal or resin battery case to form a battery pack. . At this time, the number of series / parallel connections of the bipolar battery is determined according to the purpose of use. For example, a large-capacity power source such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) may be combined so as to be applicable to a driving power source for a vehicle that requires high energy density and high output density. Moreover, what is necessary is just to electrically connect the positive electrode terminal and negative electrode terminal for assembled batteries, and the electrode lead of each bipolar battery using a lead wire. Further, when the bipolar batteries are connected in series / parallel, they may be electrically connected using an appropriate connecting member such as a spacer or a bus bar. However, the assembled battery of the present invention should not be limited to those described here, and conventionally known ones can be appropriately employed. In addition, the assembled battery may be provided with various measuring devices and control devices according to usage, for example, a voltage measuring connector may be provided to monitor the battery voltage, etc. There is no particular limitation.
[0087]
In the present invention, a vehicle equipped with the bipolar battery and / or the assembled battery as a driving power source can be provided. The bipolar battery and / or the assembled battery of the present invention has various characteristics as described above, and is particularly a compact battery. For this reason, it is suitable as a power source for driving a vehicle, for example, an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, which has particularly strict requirements regarding energy density and output density. For example, it is convenient to install an assembled battery as a driving power source under the seat in the center of the body of an electric vehicle or hybrid electric vehicle because it allows a large in-house space and trunk room. However, the present invention should not be limited to these, and may be mounted in the lower part of the rear trunk room, or if the engine is not mounted like an electric vehicle, the engine in front of the vehicle body is mounted. It can also be mounted on parts that have been damaged. In the present invention, not only the assembled battery but also a bipolar battery may be mounted depending on the intended use, or a combination of these assembled battery and bipolar battery may be mounted. Further, as the vehicle on which the bipolar battery and / or the assembled battery of the present invention can be mounted as a driving power source, the above-described electric vehicle and hybrid electric vehicle are preferable, but are not limited thereto.
[0088]
The method for producing the bipolar battery of the present invention is not particularly limited, and various conventionally known methods can be appropriately used. This will be briefly described below.
[0089]
(1) Formation of electron conductive layer
The electron conductive layer mainly containing the insulating polymer and the electron conductive filler is obtained as follows.
[0090]
(1) When using a thermoplastic polymer such as polyethylene, polypropylene, or polystyrene as the insulating polymer, knead and disperse the electronically conductive filler in the molten insulating polymer and make it into a thin film by extrusion molding. Is obtained.
[0091]
(2) In the case where an insulating polymer and an electron conductive filler that can be dispersed in a solvent are used, a slurry obtained by dissolving the insulating polymer and the electron conductive filler in the solvent is directly spray-coated on the electrode. It is obtained by forming a film by coating with a blade. Alternatively, the slurry is obtained by applying the slurry on a support material such as a glass plate or a PET film and drying the solvent to produce a thin film. In the case of (2), an electrode to be formed in (2) and thereafter is previously formed on an appropriate support material (such as a glass plate or PET film) or an electrolyte layer, and an electron conductive layer is formed on the electrode. What is necessary is just to form in the procedure of 2 ▼. That is, the procedure described below is the procedure in the case of (1) above, and in the case of (2), the order of formation, application and lamination object or application and lamination object is exchanged. It is. However, as shown in FIGS. 1 and 2 already described, when the battery is configured, the electrode is formed on the existing current collector, but an electron conductive layer is formed on the electrode instead of the current collector. Except for, a battery can be formed in the same manner as (1). Therefore, since the battery manufacturing procedure using the manufacturing method (2) is performed in the embodiment, the description thereof is omitted here.
[0092]
(2) Application of positive electrode composition
The positive electrode composition is usually obtained as a slurry (positive electrode slurry) and applied onto a film such as PET. In addition, the electron conductive layer prepared in the above (1) may be prepared and applied to one surface thereof.
[0093]
The positive electrode slurry includes a positive electrode active material, and optionally includes a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, a polymer raw material for a polymer electrolyte, a lithium salt, a solvent, and the like as other components. In the case of using a polymer gel electrolyte for the polymer electrolyte layer, it is sufficient that a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles, a conductive aid for enhancing electronic conductivity, a solvent, and the like be included. The host polymer, the electrolyte solution, the lithium salt, and the like, which are raw materials for the gel electrolyte, may not be included.
[0094]
Examples of the polymer raw material for the polymer electrolyte include PEO, PPO, and copolymers thereof, and preferably have a crosslinkable functional group (such as a carbon-carbon double bond) in the molecule. By cross-linking the polymer gel electrolyte using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
[0095]
Regarding the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the lithium salt, the above-described compounds can be used.
[0096]
The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal is used as the photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as the thermal polymerization initiator.
[0097]
A solvent such as NMP is selected according to the type of the positive electrode slurry.
[0098]
The addition amount of the positive electrode active material, lithium salt, conductive additive, binder, polymer electrolyte polymer raw material and the like may be adjusted according to the purpose of the bipolar battery, and may be an amount usually used. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the amount of the polymer raw material of the polymer electrolyte. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to a polymeric raw material.
[0099]
(3) Formation of positive electrode layer
The electron conductive layer coated with the positive electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the positive electrode slurry, the cross-linking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer solid electrolyte. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied positive electrode slurry and cannot be uniquely defined, but are usually 1 to 6 hours at 80 to 120 ° C.
[0100]
(4) Application of negative electrode composition
The negative electrode composition is usually obtained as a slurry (positive electrode slurry) and applied onto a film such as PET. In addition, you may apply | coat the composition for negative electrodes (slurry for negative electrodes) containing a negative electrode active material to the surface of the electron conductive layer on the opposite side to the surface where the positive electrode layer was apply | coated.
[0101]
The negative electrode slurry contains a negative electrode active material, and optionally includes a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, a polymer raw material for a polymer electrolyte, a lithium salt, a solvent, and the like as other components. Since the raw materials used and the amounts added are the same as those described in the section “(1) Application of positive electrode composition”, the description thereof is omitted here.
[0102]
(5) Formation of negative electrode layer
The electron conductive layer coated with the negative electrode slurry is dried to remove the contained solvent. At the same time, depending on the slurry for the negative electrode, the cross-linking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer electrolyte. This work completes the bipolar electrode. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied slurry for negative electrode and cannot be uniquely defined, but are usually 1 to 6 hours at 80 to 120 ° C.
[0103]
(6) Lamination of bipolar electrode and polymer electrolyte layer
Separately, a polymer electrolyte layer laminated between the electrodes is prepared.
[0104]
When the polymer solid electrolyte layer is used, for example, the polymer solid electrolyte is manufactured by curing a solution prepared by dissolving a polymer solid electrolyte raw material polymer, lithium salt, and the like in a solvent such as NMP. In the case of using a polymer gel electrolyte layer, for example, as a raw material for the polymer gel electrolyte, a pregel solution composed of a host polymer and an electrolytic solution, a lithium salt, a polymerization initiator and the like is simultaneously heated and dried in an inert atmosphere. It is produced by polymerizing (accelerating the crosslinking reaction).
[0105]
The thickness of these polymer electrolyte layers can be controlled using a spacer. In the case of using a photopolymerization initiator, the film may be formed by pouring into a light-transmitting gap and irradiating with ultraviolet rays to advance the crosslinking reaction. However, it is needless to say that the method is not limited to this. Depending on the type of polymerization initiator, radiation polymerization, electron beam polymerization, thermal polymerization, etc. are used properly. Since the raw material polymer, electrolytic solution, lithium salt, polymerization initiator, blending amount, etc. of the polymer electrolyte to be used are as described above, description thereof is omitted here.
[0106]
The positive and negative electrodes and polymer solid electrolyte layer produced as described above are sufficiently heated and dried under high vacuum, and then a plurality of positive and negative electrodes and polymer electrolyte layers are cut into appropriate sizes. A predetermined number of the cut bipolar electrodes and polymer electrolyte layers are bonded together to produce a laminated battery. The number of stacked layers is determined in consideration of battery characteristics required for the bipolar battery. An electrode is disposed on each outermost polymer electrolyte layer. In the outermost layer on the positive electrode side, an electrode in which only the positive electrode layer is formed on the electron conductive layer is disposed. In the outermost layer on the negative electrode side, an electrode in which only the negative electrode layer is formed on the electron conductive layer is disposed. The step of obtaining the bipolar battery body (battery laminate) by laminating the positive and negative electrodes and the polymer electrolyte layer is preferably performed in an inert atmosphere from the viewpoint of preventing moisture and the like from being mixed into the battery. For example, the bipolar battery may be manufactured in an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
[0107]
(7) Packing (Battery completion)
Finally, a positive electrode terminal plate and a negative electrode terminal plate are installed on both outermost electron conductive layers of the bipolar battery main body (battery laminate), and further, a positive electrode lead and a negative electrode lead are added to the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate. Are joined (electrically connected) and taken out. The method for joining the positive electrode lead and the negative electrode lead is not particularly limited, but ultrasonic welding having a low bonding temperature can be suitably used. A known bonding method can be used as appropriate.
[0108]
In order to prevent external impact and environmental degradation, the entire battery stack is sealed with a battery exterior material or battery case to complete a bipolar battery. The material of the battery exterior material (battery case) is preferably a metal (aluminum, stainless steel, nickel, copper, etc.) whose inner surface is covered with an insulator such as a polypropylene film.
[0109]
【Example】
The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
[0110]
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
[0111]
As the polymer electrolyte, a polyether-type network polymer raw material synthesized according to literature methods is used (J. Electrochem. Soc., 145 (1998) 1521.), and lithium salt is LiN (SO 2 C 2 F Five ) 2 (Hereinafter, this is abbreviated as BETI).
[0112]
(1) Preparation of polymer electrolyte membrane
First, the polymer electrolyte membrane was produced as follows. A solution was prepared using 53% by mass of the above polymer material, 26% by mass of BETI as a lithium salt, 0.1% by mass of benzyldimethyl ketal as a photopolymerization initiator, and dry acetonitrile as a solvent. Acetonitrile was then removed by vacuum distillation. The thickness was defined using a Teflon (registered trademark) spacer, and the glass substrate was filled with this highly viscous solution, and irradiated with ultraviolet rays for 20 minutes for photopolymerization (crosslinking). The film was taken out and placed in a vacuum vessel and heat-dried at 90 ° C. for 12 hours under high vacuum to remove residual moisture and solvent. The thickness of the produced polymer electrolyte membrane was 20 μm.
[0113]
(2) Production of negative electrode layer
The negative electrode layer was produced as follows. Li as negative electrode active material Four Ti Five O 12 Was used. 28% by mass of this electrode active material, 3% by mass of acetylene black, 17% by mass of the above polymer raw material, 8% by mass of BETI, 0.1% by mass of azobisisobutyronitrile as the thermal polymerization initiator And 44% by mass of NMP as a solvent was added and sufficiently stirred to prepare a slurry. The slurry was coated on a PET fill with a coater and dried by heating at 90 ° C. for 2 hours or more in a vacuum dryer. Was made. The thickness of the produced negative electrode active material layer was 22 μm.
[0114]
(3) Preparation of positive electrode layer
The positive electrode layer was produced as follows. LiMn as positive electrode active material 2 O Four A positive electrode layer was used. Specifically, 29% by mass of LiMn with an average particle diameter of 2 μm 2 O Four 8.7% by mass of acetylene black, 17% by mass of the above polymer raw material, 7.3% by mass of BETI, and 0.1% by mass of azobisisobutyronitrile as a thermal polymerization initiator, A slurry was prepared by adding 41% by mass of NMP as a solvent and stirring sufficiently, and coated on a PET film with a coater, and heated and dried at 90 ° C. for 2 hours or more in a vacuum dryer to produce a positive electrode. . The thickness of the prepared positive electrode active material layer was 20 μm.
[0115]
In the following examples and comparative examples, production and experiments were all performed under the following conditions.
[0116]
(1) Size of electrode part: 30 mm × 30 mm,
(2) Number of electrode laminated cells (single battery layers): 10,
(3) Charging / discharging conditions: 0.2 C constant current, 27 V constant voltage charging was performed for a total of 10 hours, and the discharge was 10 V cut off at 0.1 C.
[0117]
Example 1
(1) Carbon black (about 30% by mass with respect to the total amount of polyethylene and carbon black) is added to polyethylene, melt-kneaded, and stretched well using a hot press roll to form an electron conductive film having a thickness of 10 μm. used.
[0118]
By the above method, an electrolyte membrane, a positive electrode layer, and a negative electrode layer were produced. A negative electrode layer / polymer electrolyte layer / positive electrode layer is formed on a copper foil, and the electron conductive layer (1) is disposed on the positive electrode layer, and further, the negative electrode layer / polymer electrolyte layer / positive electrode is further formed thereon. Layers were placed. This was repeated 10 times to place an aluminum foil on the last positive electrode layer.
[0119]
A nickel tab (terminal lead) was attached to the copper foil and the aluminum foil, and the electrode part was vacuum sealed in an aluminum laminate film pack to obtain a battery.
[0120]
As shown in this embodiment, in the present invention, a conventional current collector may be employed instead of the electron conductive layer for the electron conductive layer of the outermost electrode of the battery. In particular, the first embodiment that does not use a metal layer is useful in that the terminal leads can be easily connected.
[0121]
Example 2
(1) Disperse neoprene and carbon black in toluene (solid content of about 20% by mass, of which 40% by mass is carbon black), spray coat on PET film and dry with hot air to give a 5μm thick electron A conductive film was produced and used in place of the electron conductive film of Example 1 to construct a bipolar battery similar to that of Example 1.
[0122]
Example 3
The electron conductive film of Example 2 is formed on a copper foil having a thickness of 4 μm, and this electron-transmitting film is disposed with the negative electrode side surface of Example 1 made of copper foil. A battery was constructed.
[0123]
Comparative Example 1
Instead of the electron conductive film of Example 1, as shown in FIG. 3, a 20 μm thick aluminum foil (first current collector foil 51a) was used on the positive electrode layer side, and a 15 μm thick copper film on the negative electrode layer side. A bipolar battery similar to that of Example 1 was configured by laminating using the foil (second current collecting foil 51b).
[0124]
Using the fabricated bipolar battery as charging / discharging conditions, 0.2C constant current and 27V constant voltage charging were performed for a total of 10 hours, and discharging was performed at 10V cutoff at 0.1C. The results are shown in Table 1 with the ratio of the battery value of Comparative Example 1 taken. As can be seen from the results in Table 1, the use of a layer in which an electron conductive filler is dispersed and filled in an insulating polymer is used as an electron conductive layer that separates cells (unit cell layers) of a bipolar battery. The energy density of the bipolar battery can be improved as compared with the case of using a metal foil as the electric body.
[0125]
[Table 1]
Figure 0004674434

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional schematic view schematically showing a first embodiment of a bipolar battery according to the present invention.
FIG. 2 is a partial sectional schematic view schematically showing a second representative embodiment of a bipolar battery according to the present invention.
FIG. 3 is a partial cross-sectional schematic view schematically showing a bipolar battery using a conventional current collector and produced in Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
1, 21, 41 ... bipolar battery,
3, 23, 43 ... polymer electrolyte membrane (polymer electrolyte layer),
5, 25, 45 ... positive electrode layer,
7, 27, 47 ... negative electrode layer,
9, 29, 49 ... single cell layer,
9 ', 29', 49 '... bipolar electrode,
11, 31 ... electron conductive layer,
31a ... metal layer,
31b ... layer having electron conductivity,
51 ... current collector foil,
51a ... First current collector foil,
51b ... Second current collector foil.

Claims (5)

一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性層を介して積層した構造をもつバイポーラ型リチウムイオン二次電池において、
電子伝導性層が、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含み、電子伝導性層の厚さが0.1〜10μmであり、電子伝導性フィラーの粒子の粒径の平均値が0.5μm未満であることを特徴とするバイポーラ型リチウムイオン二次電池。
Bipolar lithium ion secondary battery having a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one side of a polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other side is laminated via an electron conductive layer. In the next battery,
Electron conductivity layer is mainly seen contains an insulating polymer and an electron-conductive filler, has a thickness of 0.1~10μm electronically conductive layer, the average value of the particle size of the electronically conductive filler particles A bipolar lithium ion secondary battery having a thickness of less than 0.5 μm .
一枚の高分子電解質膜の片方の面上に正極層を有し、他方の面上に負極層を有する電極積層体を、電子伝導性層を介して積層した構造をもつバイポーラ型リチウムイオン二次電池において、
電子伝導性層が、金属層の少なくとも片面に絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層を有し、電子伝導性層の厚さが0.1〜10μmであり、電子伝導性フィラーの粒子の粒径の平均値が0.5μm未満であることを特徴とするバイポーラ型リチウムイオン二次電池。
Bipolar lithium ion secondary battery having a structure in which an electrode laminate having a positive electrode layer on one side of a polymer electrolyte membrane and a negative electrode layer on the other side is laminated via an electron conductive layer. In the next battery,
Electron conductivity layer have a layer mainly comprising at least one surface an insulating polymer and an electron conductive filler metal layer, the thickness of the electron-conducting layer is 0.1 to 10 [mu] m, an electron-conductive filler A bipolar lithium ion secondary battery having an average particle size of less than 0.5 μm .
電子伝導性層の金属層側に負極、絶縁性高分子と電子伝導性フィラーを主に含む層側に正極を形成してなることを特徴とする請求項2記載のバイポーラ型リチウムイオン二次電池。3. The bipolar lithium ion secondary battery according to claim 2, wherein a negative electrode is formed on the metal layer side of the electron conductive layer, and a positive electrode is formed on the layer side mainly containing the insulating polymer and the electron conductive filler. . 電子伝導性フィラーが、カーボンブラックであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のバイポーラ型リチウムイオン二次電池。Electronic conductive filler, bipolar type lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon black. 請求項1〜のいずれか1項に記載のバイポーラ型リチウムイオン二次電池を複数接続してなることを特徴とする組電池。An assembled battery comprising a plurality of bipolar lithium ion secondary batteries according to any one of claims 1 to 4 .
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