JP4892893B2 - バイポーラ電池 - Google Patents
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Description
前記電池要素の正極末端極の集電体に電気的に接続される正極タブと、
前記電池要素の負極末端極の集電体に電気的に接続される負極タブと、を備え、
前記正極タブは、前記正極末端極の少なくとも正極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記正極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記負極タブは、前記負極末端極の少なくとも負極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記負極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記正極タブおよび/または前記負極タブは、前記バイポーラ電極を積層する方向に沿う厚みが、周辺部に比べて中央部が厚いことを特徴とするバイポーラ電池である。
前記電池要素の正極末端極の集電体に電気的に接続される正極タブと、
前記電池要素の負極末端極の集電体に電気的に接続される負極タブと、を備え、
前記正極タブは、前記正極末端極の少なくとも正極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記正極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記負極タブは、前記負極末端極の少なくとも負極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記負極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は、前記末端極の前記集電体に接する面とは反対側の面に配置される磁性体を有していることを特徴とするバイポーラ電池である。
図1(A)は、本発明の第1の実施形態に係るバイポーラ電池10を示す断面図、図1(B)は、電池要素30の末端極の集電体21に電気的に接続されるタブ50(正極タブ51および負極タブ52の総称)を示す平面図である。図2(A)は、バイポーラ電極20を示す断面図、図2(B)は、単電池層32の説明に供する断面図である。
端部集電体21e上に重ねて配置したタブ50は、電流を取り出すための端子としての機能を有する。電池要素30を構成する電極23、25、電解質層31および集電体21はいずれも薄膜であり、機械的強度が弱い。このため、電池要素30を両側から挟持し得る強度を、タブ50に持たせることが望ましい。タブ50の厚さは、内部抵抗を抑える観点から、0.1mm〜2mm程度が望ましい。タブ50の形状は、上述したように、活物質層26の塗布面積よりも大きい形状としてある。
バイポーラ電池10は、使用する際の外部からの衝撃を緩和し、環境劣化を防止するために、電池要素30やタブ50が外装ケース40内に収容されている。外装ケース40は、可撓性を有するシート状素材から形成され、電池要素30、正極タブ51、および負極タブ52を密封している。さらに、外装ケース40の内圧は、大気圧Paよりも低い圧力である。タブ50は端部集電体21eに載せているだけで、両者の間に機械的な締結は施していない。外装ケース40により密封したときに作用する圧力による金属接触によって、タブ50と端部集電体21eとの導電性を確保している。タブ50と端部集電体21eとの間に、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。両者の金属接触が密になり、導電性がより確実なものとなるからである。
本実施形態の集電体21は、ステンレス鋼(SUS)が用いられている。ステンレス鋼は、正極活物質および負極活物質の両者に対して安定であるため、ステンレス単一層の表裏両面のそれぞれに活物質層26を形成できる。
正極23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23および負極25内に十分に浸透させている。
負極25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23」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。
電解質層31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。
第1の実施形態では、タブ50の端部をリード状に形成した場合を図示したが、本発明のバイポーラ電池にあっては、タブ50自体が外装ケース40から外方に伸びている必要はない。バイポーラ電池は、例えば、端部集電体21eに平面接触し外装ケース40内に収納される矩形形状のタブと、当該タブに溶接により取り付けられて外装ケース40から外方に伸びるリードとを備えてもよい。このリードには、リチウムイオン電池等で用いられる公知のリードを用いることができる。
図3(A)は、本発明の第2の実施形態に係るバイポーラ電池11を示す断面図、図3(B)は、電池要素30の端部集電体21eに電気的に接続されるタブ55(正極タブ53および負極タブ54の総称)を示す平面図である。なお、図1および図2に示した部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図3(A)において、タブ55のお椀形は誇張して示される。
図4は、本発明の第3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および図2に示した部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図8は、第4の実施形態に係る組電池60を示す斜視図、図9は、組電池60の内部構成を上方から見た図面である。
図10は、第5の実施形態に係る組電池モジュール70を示す斜視図である。
図11は、第6の実施形態に係る車両として自動車100を示す概略構成図である。
以下、バイポーラ電池の実施例を説明する。作製したバイポーラ電池は、下記のとおりである。
集電体21は、ステンレス(SUS)箔(厚さ20μm)を使用した。集電体21に、下記の正極23および負極25を形成し、バイポーラ電極20を作製した。端部集電体21eには、正極23または負極25のいずれか一方を形成した。
正極23:
正極活物質としてLiMn2O4(85重量%)に、導電助剤としてアセチレンブラック(5重量%)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(10重量%)、スラリー粘度調整溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(適量)を入れて、これらを混合して正極スラリーを作製した。集電休であるステンレス箔(厚さ20μm)の片面に正極スラリーを塗布し、乾燥させて正極23を形成した。
負極活物質としてハードカーボン(90重量%)に、バインダーとしてPVDF(10重量%)、スラリー粘度調整溶媒としてNMP(適量)を入れて、これらを混合して負極25スラリーを作製した。正極23を塗布したステンレス箔の反対面に負極スラリーを塗布し、乾燥させて負極25を形成した。
ポリエチレン製のセパレータ(厚さ50μm)に、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量7500〜9000のモノマー溶液(ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体)3重量%、電解液としてPC+EC(1:1)97重量%、1.5M LiBF4、重合開始剤(BDK)からなるプレゲル溶液を浸漬させて、石英ガラス基板に挟み込み紫外線を15分照射して前駆体を架橋させて、ポリマー電解質層を得た。
正極23と負極25とがゲル電解質を挟んで対向するようにバイポーラ電極20を積層し、単電池層32を形成した。単電池層32の周辺部で、集電体21と集電体21との間に、3層フィルムによるシーラントを挟み込んで配置した。これは、電解液漏れ出しを抑えるためのシール部材36として機能する。
図12に示すように、端部集電体21eの端の部分に、電流を取り出すために使用する端子37を、超音波溶接機を用いて取り付けた。その後、この電池要素30をアルミラミネート外装内に真空密封し、バイポーラ電池を完成させた。
図1に示した第1の実施形態におけるタブ50のように、バイポーラ型電池要素30の投影面全体を覆うことのできる130mm×80mmのアルミニウム(Al)板であって、厚さが100μmである平板形状のアルミニウム(Al)板の一部が電池投影面外部まで伸びてリード部51a、52aをなしている正極タブ51および負極タブ52を作成した。これらのタブ50によってバイポーラ型電池要素30を挟み込み、これらを覆うようにアルミラミネート外装により真空密封した。バイポーラ型電池要素30の全体を大気圧Paで両面から押すことにより、タブ50−電池要素30間の接触を加圧によって高めた、実施例1に係るバイポーラ電池10を完成させた。
図3に示した第2の実施形態におけるタブ55のように、バイポーラ型電池要素30の投影面全体を覆うことのできる130mm×80mmのアルミニウム(Al)板であって、中心部の厚さ500μm、外周部の厚さが50μmであり、中心に向かうほど厚みが厚くなるお椀形状のアルミニウム(Al)板の一部が電池投影面外部まで伸びてリード部53a、54aをなしている正極タブ53および負極タブ54を作成した。これらのタブ55によってバイポーラ型電池要素30を挟み込み、これらを覆うようにアルミラミネート外装により真空密封した。バイポーラ型電池要素30の全体を大気圧Paで両面から押すことにより、タブ55−電池要素30間の接触を加圧によって高めた、実施例2に係るバイポーラ電池11を完成させた。
図4に示した第3の実施形態におけるタブ50のように、バイポーラ型電池要素30の投影面全体を覆うことのできる130mm×80mmのアルミニウム(Al)板であって、厚さが100μmである平板形状のアルミニウム(Al)板の一部が電池投影面外部まで伸びてリード部51a、52aをなしている正極タブ51および負極タブ52を作成した。これらのタブ50によってバイポーラ型電池要素30を挟み込み、その外側を覆うように、厚さが5mmである平板形状の磁性体板を配置し、これらを覆うようにアルミラミネート外装により真空密封した。バイポーラ型電池要素30の全体を大気圧Paで両面から押し、さらに磁性体板の磁力Pmにより両面から押すことにより、タブ50−電池要素30間の接触を加圧(大気圧+磁力)によって高めた、実施例3に係るバイポーラ電池12を完成させた。
参考例1〜5として、アルミラミネート外装を真空密封せずに、磁力によってのみタブ−電池要素間の接触を高めたバイポーラ電池を完成させた。
タブによってバイポーラ型電池要素を挟み込み、その外側の一方には厚さが5mmである平板形状の磁性体板を配置し、他方には厚さが5mmである平板形状のニッケル板を配置し、参考例2に係るバイポーラ電池を完成させた。
磁性体板として、図5(A)に示した形状のものを使用し、その他は参考例1と同じにして、参考例3に係るバイポーラ電池を完成させた。
磁性体板として、図6(A)(B)に示した形状のものを使用し、その他は参考例1と同じにして、参考例4に係るバイポーラ電池を完成させた。
磁性体板として、図7(A)(B)に示した形状のものを使用し、その他は参考例1と同じにして、参考例5に係るバイポーラ電池を完成させた。
比較例、実施例1、2のそれぞれのバイポーラ電池を、0.1Cに相当する電流で15時間、21Vまで定電流定電圧(CCCV)充電を行った。
各電流で測定したバイポーラ電池の抵抗値を表1に示す。
20 バイポーラ電極、
21 集電体、
21e 端部集電体(末端極の集電体)、
22 正極活物質層、
23 正極、
24 負極活物質層、
25 負極、
26 活物質層(正極活物質層および負極活物質層の総称)、
30 電池要素、
31 電解質層、
32 単電池層、
33 正極末端極、
34 負極末端極、
35 末端極(正極末端極および負極末端極の総称)、
36 シール部材、
40 外装ケース、
41 ラミネートフィルム、
42 金属箔、
43、44 合成樹脂膜、
50、55 タブ(正極タブおよび負極タブの総称)、
51、53 正極タブ、
51a、53a 正極リード部、
52、54 負極タブ、
52a、54a 負極リード部、
60 組電池、
70 組電池モジュール(組電池)、
80 磁性体、
81 貫通穴、
82 凹部、
100 自動車(車両)、
Pa 大気圧、
Pm 磁力。
Claims (6)
- 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を電解質層を介在させて複数直列に接続してなる電池要素を、外装ケースに収納してなるバイポーラ電池において、
前記電池要素の正極末端極の集電体に電気的に接続される正極タブと、
前記電池要素の負極末端極の集電体に電気的に接続される負極タブと、を備え、
前記正極タブは、前記正極末端極の少なくとも正極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記正極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記負極タブは、前記負極末端極の少なくとも負極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記負極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記正極タブおよび/または前記負極タブは、前記バイポーラ電極を積層する方向に沿う厚みが、周辺部に比べて中央部が厚いことを特徴とするバイポーラ電池。 - 前記正極タブは、前記正極末端極の外形面積より大きく、かつ、電池要素を構成する集電体よりも強度が高く、
前記負極タブは、前記負極末端極の外形面積より大きく、かつ、電池要素を構成する集電体よりも強度が高いことを特徴とする請求項1に記載のバイポーラ電池。 - 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極を電解質層を介在させて複数直列に接続してなる電池要素を、外装ケースに収納してなるバイポーラ電池において、
前記電池要素の正極末端極の集電体に電気的に接続される正極タブと、
前記電池要素の負極末端極の集電体に電気的に接続される負極タブと、を備え、
前記正極タブは、前記正極末端極の少なくとも正極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記正極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記負極タブは、前記負極末端極の少なくとも負極活物質層の投影面積よりも大きい大きさを有し、前記負極活物質層の投影面を覆うように集電体上に重ねて配置され、
前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は、前記末端極の前記集電体に接する面とは反対側の面に配置される磁性体を有していることを特徴とするバイポーラ電池。 - 前記磁性体は、重心位置から外周部に向けて放射状に拡がる形状を有していることを特徴とする請求項3に記載のバイポーラ電池。
- 前記磁性体は、円形形状または矩形形状の貫通穴を有していることを特徴とする請求項3に記載のバイポーラ電池。
- 前記磁性体は、その表面に形成されるとともに底面の断面形状が円弧型または角型である凹部を有していることを特徴とする請求項3に記載のバイポーラ電池。
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