JP4720384B2 - Bipolar battery - Google Patents
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Description
本発明は、バイポーラ電池に関する。 The present invention relates to a bipolar battery.
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(特許文献1参照)。 In recent years, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired for environmental protection. In the automobile industry, there are high expectations for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and we are eager to develop secondary batteries for motor drives that hold the key to their practical application. Has been done. As a secondary battery, attention is focused on a stacked bipolar battery that can achieve high energy density and high output density (see Patent Document 1).
一般的なバイポーラ電池は、複数個のバイポーラ電極を電解質層を介在させて直列に接続してなる電池要素を含む。バイポーラ電極は、集電体の一方の面に正極活物質層を設けて正極が形成され、他方の面に負極活物質層を設けて負極が形成されている。正極活物質層、電解質層、および負極活物質層を順に積層したものが単電池層であり、この単電池層が一対の集電体の間に挟み込まれている。バイポーラ電池は、電池要素内においてはバイポーラ電極を積層する方向つまり電池の厚み方向(以下、「積層方向」という)に電流が流れるため、電流のパスが短く、電流ロスが少ないという利点がある。
バイポーラ電池においては、電解質層に含まれる電解液が染み出すと、各層同士が電気的に接続されてしまい、電池として機能しなくなる。これを液絡と称する。液体または半固体のゲル状の電解質から電解質層を構成する場合、電解質の液漏れにより液絡が生じることを防止するために、集電体の間には、シール部材が単電池層の周囲を取り囲むように設けられている。 In the bipolar battery, when the electrolyte contained in the electrolyte layer oozes out, the layers are electrically connected to each other and do not function as a battery. This is called a liquid junction. When the electrolyte layer is composed of a liquid or semi-solid gel electrolyte, a seal member is provided between the current collectors around the unit cell layer in order to prevent a liquid junction from being caused by electrolyte leakage. It is provided so as to surround it.
しかしながら、集電体は薄肉の金属であり、集電体の間にシールを施すためには煩雑な作業が必要である。 However, the current collector is a thin metal, and complicated work is required to seal between the current collectors.
本発明は、液体または半固体のゲル状の電解質から電解質層を構成する場合のシール性の改善を図ったバイポーラ電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a bipolar battery that improves the sealing performance when an electrolyte layer is formed from a liquid or semi-solid gel electrolyte.
上記目的を達成する本発明は、正極活物質層、液体または半固体のゲル状の電解質からなる電解質層、および負極活物質層を順に積層した単電池層を、一対の集電体の間に挟み込んで構成される単電池要素と、
前記単電池要素を封止するためのシール部、および前記集電体のそれぞれに当接する導電性を有する導電部が設けられた可撓性を有する外装材と、を有し、
前記外装材は、前記導電部を除いて電気絶縁性を有し、前記導電部において電流を取り出してなるバイポーラ電池である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a single battery layer in which a positive electrode active material layer, an electrolyte layer made of a liquid or semi-solid gel electrolyte, and a negative electrode active material layer are sequentially laminated between a pair of current collectors. A single cell element composed of sandwiched,
A sealing portion for sealing the single cell element, and a flexible exterior material provided with a conductive portion having conductivity that contacts each of the current collectors ,
The outer packaging material is a bipolar battery that has electrical insulation except for the conductive portion and is configured to extract current from the conductive portion .
1個の単電池要素を外装材によって封止する形態を採用していることから、液体または半固体のゲル状の電解質から電解質層を構成する場合であっても、集電体の間にシール部を設ける必要はない。したがって、集電体の間にシールを施すための煩雑な作業を根本的になくすことを通して、電解質の液漏れに対するシール性の改善を図ったバイポーラ電池を提供することが可能となる。また、外装材におけるシール部は、集電体の間に施すシールに比べて密閉性が高いシールを容易に形成することができ、バイポーラ電池から液漏れが生じることもない。また、導電部において電流を取り出していることから、電流を取り出すリード部を外装材のシール部から外部に導出する必要がないため、単電池要素を外装材によって確実に封止することができる。 Since a single cell element is sealed with an exterior material, even when the electrolyte layer is formed from a liquid or semi-solid gel electrolyte, a seal is provided between the current collectors. There is no need to provide a section. Therefore, it is possible to provide a bipolar battery that improves the sealing performance against electrolyte leakage by eliminating the complicated work for sealing between the current collectors. In addition, the seal portion in the exterior material can easily form a seal having a higher sealing property than the seal applied between the current collectors, and liquid leakage does not occur from the bipolar battery. Further, since the current is taken out from the conductive portion, there is no need to lead out the lead portion from which the current is taken out from the seal portion of the exterior material, and thus the single cell element can be reliably sealed with the exterior material.
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、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. For easy understanding, each component is exaggerated in the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るバイポーラ電池11を示す斜視図、図2は、図1の2−2線に沿う断面図である。図3(A)(B)は、外装材40の導電部41を拡大して示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a
図1および図2を参照して、バイポーラ電池11は、概説すれば、正極活物質層21、液体または半固体のゲル状の電解質からなる電解質層22、および負極活物質層23を順に積層した単電池層20を、一対の集電体31、32の間に挟み込んで構成される単電池要素30と、単電池要素30を封止するためのシール部43、および集電体31、32のそれぞれに当接する導電性を有する導電部41、42が設けられた可撓性を有する外装材40と、を有している。外装材40は、図中上側に示される上側外装材40aと、図中下側に示される下側外装材40bの総称である。
Referring to FIGS. 1 and 2,
正極活物質層21は正極集電体31の一方の面に設けられ、負極活物質層23は負極集電体32の一方の面に設けられている。電解質層22の一方の面に正極活物質層21を向かい合わせ、電解質層22の他方の面に負極活物質層23を向かい合わせて、正極集電体31、電解質層22、および負極集電体32を積層することによって、単電池要素30が組み立てられる。
The positive electrode
複数個の単電池層が集電体を介して積層される電池要素にあっては、集電体の材質や構成として、正極活物質および負極活物質の両者に対して安定な材質や構成を選定する必要がある。これに対して、本実施形態のバイポーラ電池11は1個の単電池要素30のみを含み、正極および負極が独立していることから、正極集電体31および負極集電体32として最適な材質を容易に選定することができる。正極集電体31には例えばアルミニウムが用いられ、負極集電体32には例えば銅が用いられる。集電体31、32の厚さは、特に限定されないが、1μm〜100μm程度である。
In a battery element in which a plurality of single battery layers are stacked via a current collector, the current collector is made of a material and structure that is stable with respect to both the positive electrode active material and the negative electrode active material. It is necessary to select. On the other hand, since the
外装材40は、可撓性を有するシート状素材から形成されている。外装材40によって囲繞される内部空間の内圧は大気圧よりも低い圧力とされている。大気圧を用いた静水圧によって、単電池要素30が厚み方向に沿う両側から加圧され、外装材40の導電部41、42が集電体31、32のそれぞれに密着する。外装材40は、導電部41、42を除いて、電気絶縁性を有している。外装材40は、電解液や気体を透過させず、電解質の材料に対して化学的に安定であることが望ましい。外装材40によって単電池要素30を封止することによって、外部から単電池要素30に加わる衝撃を緩和でき、液漏れなどに伴う環境劣化を防止できる。
The
図2に一部拡大して示すように、外装材40は、金属箔層51と、電気絶縁性の樹脂層52、53とを含むラミネートフィルム50から形成するのが好ましい。熱封止性が良く、電解質が空気に接触する可能性を低減でき、さらには軽量化を図る上で好ましいからである。ラミネートフィルム50は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅等の金属(合金を含む)からなる金属箔層51を、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の合成樹脂からなる電気絶縁性の樹脂層52、53で被覆した三層構造を有する。ラミネートフィルム50はまた、熱伝導性に優れていることが好ましい。自動車に搭載する場合、自動車の熱源からバイポーラ電池11まで熱を効率よく伝え、単電池要素30を電池動作温度まですばやく加熱することができるからでる。
As shown in a partially enlarged view in FIG. 2, the
外装材40のシール部43は、例えば、熱融着層から形成される。シール部43を熱融着によって接合することにより、単電池要素30が封止される。2枚の外装材40によって単電池要素30を封止する場合には、外装材40の周辺縁部の全周にわたってシール部43が設けられ、一部が開口した袋状の外装材40によって単電池要素30を封止する場合には、開口部分にシール部43が設けられる。
The
電流は単電池要素30の厚み方向に流れることから、外装材40の導電部41、42は、電流を取り出すための端子として機能する。電流を取り出すリード部を外装材40のシール部43から外部に導出する必要がないため、単電池要素30を外装材40によって確実に封止することができる。
Since the current flows in the thickness direction of the
導電部41、42は、集電体31、32の投影面よりも内側に配置されていることが望ましい。ラミネートフィルム50は可撓性を有するので、導電部41、42が集電体31、32の投影面よりも大きいと、導電部41、42同士が短絡する虞があるからである。
It is desirable that the
図3(A)(B)を参照して、外装材40の導電部41、42は、導電性樹脂材料61を含んでいる。この図では導電部41の部分のみを例示してあるが、導電部42も同様に構成されている。図3(A)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51を残し、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を導電性樹脂材料61に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、導電性樹脂材料61−金属箔層51−導電性樹脂材料61の三層構造を有する。図3(B)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51をなくし、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を導電性樹脂材料61に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、一層の導電性樹脂材料61からなる。導電性樹脂材料61は、例えば、ポリプロピレン等の電気絶縁性の樹脂材料に導電性フィラーを添加して製造される。
With reference to FIGS. 3A and 3B, the
ここで、導電性樹脂材料61は、単電池要素30の厚み方向に対しては導通性を備え、単電池要素30の面方向に対しては絶縁性を備える電気的異方性を有していることが望ましい。電流が単電池要素30の厚み方向に流れるというバイポーラ電池11の特徴を損なわないためである。
Here, the
第1の実施形態のバイポーラ電池11は、1個の単電池要素30を外装材40によって封止する形態を採用していることから、液体または半固体のゲル状の電解質から電解質層22を構成する場合であっても、集電体31、32の間にシール部43を設ける必要はない。したがって、集電体31、32の間にシールを施すための煩雑な作業を根本的になくすことを通して、電解質の液漏れに対するシール性の改善を図ったバイポーラ電池11を提供することが可能となる。また、外装材40におけるシール部43は、集電体31、32の間に施すシールに比べて密閉性が高いシールを容易に形成することができ、バイポーラ電池11から液漏れが生じることもない。
Since the
本発明のバイポーラ電池11の構成は、特に説明したものを除き、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11に使用することのできる正極活物質層、負極活物質層、電解質等について参考までに説明する。
The configuration of the
(正極活物質層)
正極は、正極活物質を含む。このほかにも、導電助剤、バインダー等が含まれ得る。化学架橋または物理架橋によりゲル電解質として正極および負極内に十分に浸透させている。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode includes a positive electrode active material. In addition to this, a conductive aid, a binder, and the like may be included. The gel electrolyte is sufficiently infiltrated into the positive electrode and the negative electrode by chemical crosslinking or physical crosslinking.
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等のLi・Co系複合酸化物、LiNiO2等のLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4等のLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2等のLi・Fe系複合酸化物等が挙げられる。この他、LiFePO4等の遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3等の遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOH等が挙げられる。 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, Li · Co-based composite oxide such as LiCoO 2, Li · Ni-based composite oxide such as LiNiO 2, Li · Mn-based composite oxide such as spinel LiMn 2 O 4, Li · such LiFeO 2 Examples thereof include Fe-based composite oxides. In addition, transition metal and lithium phosphate compounds and sulfuric acid compounds such as LiFePO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH etc. are mentioned.
正極活物質の粒径は、製法上、正極材料をペースト化してスプレーコート等により製膜し得るものであればよいが、さらに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0.1μm〜10μmであるとよい。 The particle size of the positive electrode active material is not limited as long as it can be formed into a paste by spraying the positive electrode material and spray coating or the like, but in order to further reduce the electrode resistance of the bipolar battery, the electrolyte is not a solid solution type What is smaller than the generally used particle size used in the lithium ion battery of the present invention may be used. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 0.1 μm to 10 μm.
高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持た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含まれる。 The polymer gel electrolyte is a solid polymer electrolyte having ion conductivity containing an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery. Further, in the polymer skeleton having no lithium ion conductivity, In addition, those holding the same electrolytic solution are also included.
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1、4−ジオキサン、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたもの等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any electrolyte solution that is normally used in lithium ion batteries. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF. 6 , inorganic acid anion salts such as LiAlCl 4 and Li 2 B 10 Cl 10 , organic acid anions such as LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N Including at least one lithium salt (electrolyte salt) selected from ionic salts, cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate; tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane Ethers such as 1,2-dimethoxyethane and 1,2-dibutoxyethane; Lactones such as γ-butyrolactone; Nitriles such as acetonitrile; Esters such as methyl propionate; Amides such as dimethylformamide; Methyl acetate Further, those using an organic solvent (plasticizer) such as an aprotic solvent in which at least one selected from methyl formate or a mixture of two or more thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.
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)、これらの共重合体等が挙げられる。 Examples of the polymer having ion conductivity include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMA等は、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。 For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. are used as the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte. it can. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity. Therefore, the PAN, PMMA, and the like can be used as a polymer having the ionic conductivity described above, but are used here as a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
上記リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物等が使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 As the lithium salt, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 and the like inorganic acid anion salts, Li (CF 3 SO 2) 2 N, An organic acid anion salt such as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.
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。 Examples of the conductive assistant include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not necessarily limited to these.
本実施形態では、これら電解液、リチウム塩、および高分子(ポリマー)を混合してプレゲル溶液を作成し、正極および負極に含浸させている。 In this embodiment, these electrolyte solution, lithium salt, and polymer (polymer) are mixed to prepare a pregel solution, and the positive electrode and the negative electrode are impregnated.
正極における、正極活物質、導電助剤、バインダーの配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視等)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。例えば、正極内における電解質、特に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、正極内における電解質、特に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。 The blending amount of the positive electrode active material, the conductive additive, and the binder in the positive electrode should be determined in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity. For example, if the amount of the electrolyte in the positive electrode, particularly the solid polymer electrolyte, is too small, the ionic conduction resistance and the ionic diffusion resistance in the active material layer will increase and the battery performance will deteriorate. On the other hand, when the amount of the electrolyte in the positive electrode, particularly the solid polymer electrolyte, is too large, the energy density of the battery decreases. Therefore, in consideration of these factors, the solid polymer electrolytic mass meeting the purpose is determined.
正極の厚さは、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、エネルギー重視等)、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。 The thickness of the positive electrode 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.
(負極活物質層)
負極は、負極活物質を含む。このほかにも、導電助剤、バインダー等が含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極」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。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode includes a negative electrode active material. In addition to this, a conductive aid, a binder, and the like may be included. Since the contents other than the type of the negative electrode active material are basically the same as the contents described in the section “Positive electrode”, the description is omitted here.
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。例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、カーボン等が好ましい。より好ましくは、カーボン、遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属複合酸化物である。さらに好ましくは、チタン酸化物、リチウム−チタン複合酸化物、カーボンである。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 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. For example, metal oxide, lithium-metal composite oxide metal, carbon and the like are preferable. More preferred are carbon, transition metal oxide, and lithium-transition metal composite oxide. More preferred are titanium oxide, lithium-titanium composite oxide, and carbon. These may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態にあっては、正極活物質層は、正極活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物が用いられ、負極活物質層は、負極活物質として、カーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物が用いられている。容量、出力特性に優れた電池を構成できるからである。 In this embodiment, the positive electrode active material layer uses lithium-transition metal composite oxide as the positive electrode active material, and the negative electrode active material layer uses carbon or lithium-transition metal composite oxide as the negative electrode active material. Is used. This is because a battery having excellent capacity and output characteristics can be configured.
(電解質層)
電解質層は、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ものであれば材料は限定されない。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer is a layer composed of a polymer having ion conductivity, and the material is not limited as long as it exhibits ion conductivity.
本実施形態の電解質は、高分子ゲル電解質であり、既に説明したように、基材としてセパレータにプレゲル溶液を含浸させた後、化学架橋または物理架橋により高分子ゲル電解質として用いている。 The electrolyte of this embodiment is a polymer gel electrolyte. As described above, after impregnating a pregel solution into a separator as a substrate, the electrolyte is used as a polymer gel electrolyte by chemical crosslinking or physical crosslinking.
このような高分子ゲル電解質は、ポリエチレンオキシド(PEO)等のイオン導伝性を有する全固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のリチウムイオン導伝性を持た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高分子ゲル電解質に含まれる。これらについては、正極に含まれる電解質の一種として説明した高分子ゲル電解質と同様であるため、ここでの説明は省略する。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は幅広く、ポリマー100%を全固体高分子電解質とし、電解液100%を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。なお、ポリマー電解質と言う場合には、高分子ゲル電解質および全固体高分子電解質の両方が含まれる。 Such a polymer gel electrolyte is an all-solid polymer electrolyte having ion conductivity such as polyethylene oxide (PEO) containing an electrolytic solution usually used in a lithium ion battery. A polymer gel electrolyte that contains a similar electrolyte solution in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity such as vinylidene (PVDF) is also included. Since these are the same as the polymer gel electrolyte described as a kind of electrolyte contained in the positive electrode, description thereof is omitted here. The ratio of the polymer and the electrolyte constituting the polymer gel electrolyte is wide. When 100% of the polymer is an all-solid polymer electrolyte and 100% of the electrolyte is a liquid electrolyte, all of the intermediates correspond to the polymer gel electrolyte. The term “polymer electrolyte” includes both a polymer gel electrolyte and an all solid polymer electrolyte.
高分子ゲル電解質は、電池を構成する高分子電解質のほか、上記したように正極および/または負極にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質、正極、負極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。 The polymer gel electrolyte can be contained in the positive electrode and / or the negative electrode as described above in addition to the polymer electrolyte constituting the battery, but uses a polymer electrolyte that differs depending on the polymer electrolyte constituting the battery, the positive electrode, and the negative electrode. Alternatively, the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer.
電池を構成する電解質の厚さは、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。一般的な固体高分子電解質層の厚さは10〜100μm程度である。ただし、電解質の形状は、製法上の特徴を生かして、電極(正極または負極)の上面ならびに側面外周部も被覆するように形成することも容易であり、機能、性能面からも部位によらず常にほぼ一定の厚さにする必要はない。 The thickness of the electrolyte 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. The thickness of a general solid polymer electrolyte layer is about 10 to 100 μm. However, the shape of the electrolyte can be easily formed so as to cover the upper surface of the electrode (positive electrode or negative electrode) as well as the outer periphery of the side surface, taking advantage of the characteristics of the manufacturing method. It is not always necessary to have a substantially constant thickness.
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係るバイポーラ電池12を示す断面図である。なお、図1〜図3に示した部材と共通する部材には同一の符号を付してその説明は一部省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a
第2の実施形態は、複数個の単電池要素30を有する積層タイプのバイポーラ電池12とした点で、1つの単電池要素30を有するバイポーラ電池11とした第1の実施形態と相違している。
The second embodiment is different from the first embodiment in that it is a
積層タイプのバイポーラ電池12においては、複数個(図示例では2個)の単電池要素30は、個々の単電池要素30が外装材70によって封止され、かつ、外装材70の導電部74を介して電気的に直列に接続されている。外装材70は、図中上側に示される上側外装材70aと、図中下側に示される下側外装材70bと、図中中央に示される中央外装材70cの総称である。また、符号「73」は、単電池要素30を封止するためのシール部を示している。
In the stacked type
図中上位側の単電池要素30は外装材70aと70cによって封止され、下位側の単電池要素30は外装材70cと70bによって封止されている。つまり、単電池要素30間に介装された外装材70cは、2個の単電池要素30のそれぞれを封止するために共用されている。上位側の単電池要素30の負極集電体32と、下位側の単電池要素30の正極集電体31とは、外装材70cの導電部74を介して電気的導通が形成されている。これにより、上位側の単電池要素30と下位側の単電池要素30とが電気的に直列に接続されている。導電部71、72、74は、第1の実施形態と同様に形成される。
In the figure, the upper
第2の実施形態のバイポーラ電池12は、複数個の単電池要素30を備えてはいるが、個々の単電池要素30に着目すれば、第1の実施形態と同様に、1個の単電池要素30を外装材70によって封止する形態を採用している。このため、液体または半固体のゲル状の電解質から電解質層22を構成する場合であっても、集電体31、32の間にシール部43を設ける必要はない。したがって、集電体31、32の間にシールを施すための煩雑な作業を根本的になくすことを通して、電解質の液漏れに対するシール性の改善を図ったバイポーラ電池12を提供することが可能となる。また、外装材70におけるシール部73は、集電体31、32の間に施すシールに比べて密閉性が高いシールを容易に形成することができ、バイポーラ電池12から液漏れが生じることもない。
The
(導電部41、42、71、72、74の改変例)
以下、導電部41を例に挙げて、導電部41の改変例を、図5〜図7を参照しつつ説明する。
(Modified example of
Hereinafter, taking the
図5(A)(B)を参照して、外装材40の導電部41は、金属片62を埋設した樹脂材料63を含んでいてもよい。図5(A)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51を残し、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を金属片62を埋設した樹脂材料63に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、金属片62を埋設した樹脂材料63−金属箔層51−金属片62を埋設した樹脂材料63の三層構造を有する。図5(B)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51をなくし、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を金属片62を埋設した樹脂材料63に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、金属片62を埋設した一層の樹脂材料63からなる。金属片62を埋設した樹脂材料63は、例えば、ポリプロピレン等の電気絶縁性の樹脂材料に銅線を埋め込んで製造される。
5A and 5B, the
図6(A)(B)を参照して、外装材40の導電部41は、微小な孔64を含んでいてもよい。図6(A)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51を残し、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分に金属箔層51に達する孔64を形成することにより構成されている。この場合の導電部41は、外装材40を単電池要素30に押し付け、孔64の存在によって集電体31と金属箔層51とが直接接触することによって、導電性を確保する。図6(B)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50を貫通する孔64を形成することにより構成されている。この場合の導電部41は、外装材40を単電池要素30に押し付け、孔64の存在によって集電体31が外部に直接臨むことによって、導電性を確保する。貫通する孔64は、電解質の液漏れを防止する機能を妨げない程度の大きさに設定される。孔64の中に、導電性に優れた接着性または非接着性の塗布剤を介在させてもよい。導電性がより確実なものとなり、貫通する孔64の場合には電解質の液漏れを防止できるからである。
With reference to FIGS. 6A and 6B, the
図7(A)(B)を参照して、外装材40の導電部41は、導電性高分子膜65を含んでいてもよい。図7(A)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51を残し、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を導電性高分子膜65に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、導電性高分子膜65−金属箔層51−導電性高分子膜65の三層構造を有する。図7(B)に示される導電部41は、ラミネートフィルム50の金属箔層51をなくし、電気絶縁性の樹脂層52、53の一部分を導電性高分子膜65に置換することにより構成されている。この場合の導電部41は、一層の導電性高分子膜65からなる。
With reference to FIGS. 7A and 7B, the
(第3および第4の実施形態)
図8は、第3の実施形態に係る組電池81を示す断面図、図9は、第4の実施形態に係る組電池82を示す断面図である。
(Third and fourth embodiments)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an assembled
組電池81、82は、上述したバイポーラ電池11、12を複数個並列および/または直列に電気的に接続して構成したものである。並列化および/または直列化することにより、容量および電圧を自由に調節することが可能になる。バイポーラ電池11、12を並列に接続する場合には、同じ極性の導電部同士41と41、42と42、71と71、72と72がバスバーなどの適切な接続部材を介して接続される。
The assembled
図8に示される組電池81は、第1の実施形態のバイポーラ電池11を複数個(図示例では、4個)直列に接続したものである。組電池81は、電気的極性が異なる導電部41と導電部42とを重ね合わせて複数個のバイポーラ電池11が積層され、導電部41、42を介して複数個の単電池要素30が電気的に直列に接続されている。組電池81は、正極出力端子83が最上位のバイポーラ電池11の正極側導電部41に接触して取り付けられ、負極出力端子84が最下位のバイポーラ電池11の負極側導電部42に接触して取り付けられている。導電部41、42同士の接触を確実にするため、組電池81は、バイポーラ電池11の積層方向に沿う両側から加圧されている。
The assembled
図9に示される組電池82は、第2の実施形態のバイポーラ電池12を複数個(図示例では、2個)直列に接続したものである。組電池82は、電気的極性が異なる導電部71と導電部72とを重ね合わせて複数個のバイポーラ電池12が積層され、導電部71、72、74を介して複数個の単電池要素30が電気的に直列に接続されている。この組電池82も、正負の出力端子83、84が導電部71、72に接触して取り付けられ、バイポーラ電池12の積層方向に沿う両側から加圧されている。
The assembled
第3および第4の実施形態によれば、バイポーラ電池11、12を直列に接続して組電池81、82化したことにより、高容量、高出力の電池を得ることができる。しかも、個々のバイポーラ電池11、12は液絡が生じない構造であるので信頼性が高く、組電池81、82としての長期的信頼性を向上させることができ、電気自動車やハイブリッド自動車等の車載用として最適な組電池81、82となる。さらに、バイポーラ電池11、12のいずれかに不具合が生じた場合には、そのバイポーラ電池11、12を簡単に交換することもできる。
According to the third and fourth embodiments, the
なお、要求される容量や電圧に応じて、複数個のバイポーラ電池11、12のすべてを並列に接続した組電池としたり、直列接続および並列接続を組み合わせた組電池としたりすることができる。
Depending on the required capacity and voltage, it is possible to make an assembled battery in which all of the plurality of
11、12 バイポーラ電池、
20 単電池層、
21 正極活物質層、
22 電解質層、
23 負極活物質層、
30 単電池要素、
31、32 集電体、
40(40a、40b) 外装材、
41、42 導電部、
43 シール部、
50 ラミネートフィルム、
51 金属箔層、
52、53 電気絶縁性の樹脂層、
61 導電性樹脂材料、
62 金属片、
63 金属片を埋設した樹脂材料、
64 孔、
65 導電性高分子膜、
70(70a、70b、70c) 外装材、
71、72、74 導電部、
73 シール部、
81、82 組電池。
11, 12 Bipolar battery,
20 cell layers,
21 positive electrode active material layer,
22 electrolyte layer,
23 negative electrode active material layer,
30 cell element,
31, 32 current collector,
40 (40a, 40b) exterior material,
41, 42 conductive part,
43 Seal part,
50 Laminated film,
51 metal foil layer,
52, 53 electrically insulating resin layer,
61 conductive resin material,
62 metal pieces,
63 Resin material with embedded metal pieces,
64 holes,
65 conductive polymer film,
70 (70a, 70b, 70c) exterior material,
71, 72, 74 conductive parts,
73 seal part,
81, 82 battery pack.
Claims (9)
前記単電池要素を封止するためのシール部、および前記集電体のそれぞれに当接する導電性を有する導電部が設けられた可撓性を有する外装材と、を有し、
前記外装材は、前記導電部を除いて電気絶縁性を有し、前記導電部において電流を取り出してなるバイポーラ電池。 A single battery element configured by sandwiching a single battery layer in which a positive electrode active material layer, an electrolyte layer made of a liquid or semi-solid gel electrolyte, and a negative electrode active material layer are sequentially stacked between a pair of current collectors; ,
A sealing portion for sealing the single cell element, and a flexible exterior material provided with a conductive portion having conductivity that contacts each of the current collectors ,
The said exterior material is a bipolar battery which has electrical insulation except the said electroconductive part, and takes out an electric current in the said electroconductive part .
前記微小な孔は、前記外装材を貫通する孔、または、金属箔層と電気絶縁性の樹脂層とを含むラミネートフィルムから形成した前記外装材における前記金属箔層を残し前記樹脂層の一部分に前記金属箔層に達するように形成した孔から構成されていることを特徴とする請求項1に記載のバイポーラ電池。 The conductive portion is seen containing a small hole,
The minute hole is formed in a part of the resin layer leaving the metal foil layer in the exterior material formed from a laminated film including a hole penetrating the exterior material or a metal foil layer and an electrically insulating resin layer. The bipolar battery according to claim 1, wherein the bipolar battery is formed of holes formed so as to reach the metal foil layer .
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