JP5136030B2

JP5136030B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP5136030B2
Application number: JP2007315441A
Authority: JP
Inventors: 利幸河合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009140727A

Description

本発明は、正極体及び負極体が電解質を介して積層された構成を有する二次電池等の蓄電装置に関するものである。

従来、二次電池等の蓄電装置は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）の駆動源として用いられており、高出力の要求に応じるために、複数の単電池を電気的に直列に接続した組電池を用いている。

このような組電池では、単電池の電圧を計測するために、単電池毎に電圧検出用のタブが設けられている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、集電体の側辺に突形状のタブを一体的に形成したものがある。

ここで、電圧検出用のタブは単電池毎に設けられているため、タブ同士が互いに接触して短絡しないように、これらのタブが、積層方向視において互いに異なる位置となるように配置されている。

しかしながら、単電池毎に、電圧検出用のタブを異なる位置に設ける場合には、タブの位置が異なる集電体等を製造しなければならないため、電池の製造工程が複雑になるとともに、製造コストが上昇してしまう。

そこで、集電体の一部が露出するように、複数のバイポーラ電極をずらして積層し、集電体の露出部分にリードを接続した二次電池がある（例えば、特許文献２参照）。この構成では、集電体の露出部分を電圧検出用のタブとして機能させることができ、バイポーラ電極を同一形状とすることができる。これにより、位置が異なるタブを有する複数の集電体等を形成する必要がなくなる。

特開２００４−３１９３６２号公報（段落番号００２０、図１等）特開２００６−１３９９９４号公報（段落番号００１０、図１等）特開２００６−１５６０００号公報

しかしながら、特許文献２に記載の二次電池のように、複数のバイポーラ電極をずらして積層した場合には、このバイポーラ電極をずらした分だけ、二次電池が大型化するおそれがある。

本発明の蓄電装置は、集電体を含み、電解質を介して積層された正極体及び負極体と、複数の集電体に電気的に接続された複数の電圧検出用の配線を含むフレキシブル基板とを有し、正極体及び負極体は、略同一形状に形成されており、この積層方向視において、略同一領域内に位置している。配線は、集電体のうち、積層方向における一方の面に接続されており、フレキシブル基板は、配線毎に分岐され、各集電体に延びる複数の接続部を有する。

また、接続部の端部は、集電体と、この集電体に対して積層方向で隣り合う電解質とによって狭持されている。ここで、接続部の端部を集電体及び電解質間に配置する場合には、電極層の厚さを配線の厚さと略等しくすることができる。

なお、正極体や負極体は、集電体と、この集電体の表面に形成された電極層（正極層や負極層）とで構成することができる。また、集電体の両面（互いに対向する面）に正極層及び負極層が形成されたバイポーラ電極を用いることもできる。

本発明の蓄電装置によれば、正極体及び負極体を、積層方向視において、略同一領域内に配置しているため、蓄電装置の大型化を抑制できる。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である二次電池（蓄電装置）について、図１及び図２を用いて説明する。ここで、図１は、本実施例の二次電池の側面図であり、図２は、本実施例の二次電池の正面図（上面図）である。

なお、本実施例では、二次電池について説明するが、蓄電装置としての電気二重層キャパシタ（コンデンサ）にも本発明を適用することができる。

集電体１１の一方の面には、正極活物質を含む正極層１２が形成されている。ここで、正極層１２には、必要に応じて、導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるための高分子ゲル電解質、高分子電解質、添加剤などを含めることができる。

また、集電体１１の他方の面には、負極活物質を含む負極層１３が形成されている。ここで、負極層１３には、必要に応じて、導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるための高分子ゲル電解質、高分子電解質、添加剤などを含めることができる。

ここで、不図示ではあるが、二次電池１の積層方向における両端に位置する集電体１１には、一方の面にのみ電極層（正極層１２又は負極層１３）が形成されている。また、これらの集電体１１には、図２に示すように、正極タブ１５及び負極タブ１６がそれぞれ接続されている。正極タブ１５及び負極タブ１６は、不図示の電気機器（例えば、インバータ）に接続されている。

集電体１１としては、例えば、アルミニウム箔や銅箔を用いることができる。また、正極活物質としては、例えば、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を用いることができる。具体的には、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物を用いることができる。

また、負極活物質としては、例えば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、カーボンを用いることができる。

上述したように、本実施例では、集電体１１の両面に正極層１２及び負極層１３が形成されたバイポーラ電極１０を用いている。なお、バイポーラ電極１０に限らず、他の構造の電極を用いることもできる。具体的には、集電体の両面に同一の電極層（正極層又は負極層）が形成された電極を用いたり、集電体の片面のみに電極層が形成された電極を用いたりすることができる。

また、複数の金属泊を貼り合わせた、いわゆる複合集電体を用いることもできる。この複合集電体を用いる場合において、正極用集電体の材料としてアルミニウム等を用い、負極用集電体の材料としてニッケルや銅等を用いることができる。複合集電体としては、正極用集電体及び負極用集電体を直接接触させたものを用いたり、正極用集電体及び負極用集電体の間に導電性を有する層を設けたものを用いたりすることができる。

一方、正極層１２及び負極層１３の間には、固体電解質１４が配置されている。固体電解質１４としては、高分子固体電解質や無機固体電解質を用いることができる。

本実施例の二次電池１では、積層されるバイポーラ電極１０が、すべて略等しい構造（製造誤差を含む）となっている。また、図２に示すように、二次電池１を積層方向から見たときに、すべてのバイポーラ電極１０が略同一領域内に位置するように配置されている。言い換えると、二次電池１を積層方向から見たときに、各バイポーラ電極１０が、他のバイポーラ電極１０と略重なる（略一致する）ように配置されている。なお、製造誤差等によって、複数のバイポーラ電極１０が互いにずれてしまうこともある。

各バイポーラ電極１０の集電体１１には、複数の配線２０ａを含むフレキシブル基板２０が接続されている。なお、上述したように、二次電池１の積層方向における両端に位置する集電体１１には、二次電池１の出力を取り出すための正極タブ１５及び負極タブ１６も接続されている。

以下、フレキシブル基板２０の構成について、具体的に説明する。

フレキシブル基板２０は、各集電体１１に電気的及び機械的に接続される複数の配線２０ａを有している。これらの配線２０ａは、二次電池１に含まれる集電体１１の数だけ設けられている。各配線２０ａの表面は、絶縁層によって覆われている。また、各配線２０ａの一端に設けられた端子部（不図示）は、絶縁層から露出した状態となっている。

また、フレキシブル基板２０は、この一端側（二次電池１に接続される側）において、複数に分岐された接続部２０ｂを有している。なお、フレキシブル基板２０の他端側は、単電池の電圧を検出するための電圧検出回路（不図示）に接続されている。ここで、単電池は、積層方向において隣り合う２つのバイポーラ電極１０と、これらのバイポーラ電極１０によって挟まれた固体電解質１４とによって構成される発電要素である。

各接続部２０ｂには、各配線２０ａが配置されている。各接続部２０ｂは、図１に示すように、曲げ形成されることによって、対応する集電体１１の位置まで延びており、各配線２０ａ（端子部）を集電体１１と電気的及び機械的に接続させる。ここで、配線２０ａの端子部に導電性を有する接着剤を塗布し、配線２０ａ（端子部）及び集電体１１を電気的及び機械的に接続することができる。

ここで、接続部２０ｂ及び集電体１１の接触面積は、適宜設定することができる。具体的には、配線２０ａ及び集電体１１の接続時に、導電性接着剤が接続部２０ｂ及び集電体１１の接触領域外に漏れないように、上記接触面積を設定することができる。すなわち、導電性接着剤が接触領域外に漏れてしまう場合には、この漏れた導電性接着剤と他の集電体１１とが接触して短絡してしまうおそれがあるため、接続部２０ｂ及び集電体１１の接触領域内に導電性接着剤が収まるようにする必要がある。

なお、配線２０ａ（端子部）及び集電体１１の接続方法は、導電性接着剤を用いた方法に限るものではなく、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いたり、異方性導電フィルムを介して接続したりすることもできる。

各接続部２０ｂの先端は、二次電池１の積層方向において隣り合う集電体１１の間に位置している。すなわち、各接続部２０ｂの先端は、集電体１１の一方の面（正極層１２が形成された面）に接続されている。

なお、各接続部２０ｂの先端を、集電体１１の他方の面、言い換えれば、負極層１３が形成された面に接続するようにしてもよい。

また、各接続部２０ｂの先端を、集電体１１と固体電解質１４との間に配置することもできる。すなわち、各接続部２０ｂの先端を、集電体１１及び固体電解質１４によって狭持させることもできる。このように構成すれば、接続部２０ｂの先端が、集電体１１から外れてしまうのを抑制することができる。

このように構成する場合には、集電体１１及び固体電解質１４の幅（積層方向と直交する方向の長さ）を、固体電解質１４の幅よりも広くなるように設定する必要がある。

ここで、正極層１２（又は負極層１３）の厚さ（積層方向の長さ）と、接続部２０ｂの厚さとを略等しい値に設定すれば、接続部２０ｂの先端を、集電体１１及び固体電解質１４によって狭持することができ、接続部２０ｂの位置決めを行うことができる。

本実施例の二次電池１は、ラミネートフィルムなどの外装部材内に収容することができる。ラミネートフィルムとして、一般的には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。ここで、熱融着性樹脂フィルムは、二次電池１を収容する際のシールとして用いられ、金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を持たせるために用いられる。

本実施例の二次電池１によれば、フレキシブル基板２０に形成された複数の接続部２０ｂを各集電体１１に接続するようにしているため、従来のように集電体１１に電圧検出用のタブを形成する必要がなくなる。

これにより、バイポーラ電極１０として、同一形状の電極を用いることができる。このように同一形状のバイポーラ電極１０を用いることで、二次電池１の製造工程、具体的には、バイポーラ電極１０の製造工程を簡素化することができる。

ここで、位置が異なるタブ（電圧検出用のタブ）を有する複数の集電体を形成する場合には、形状が異なる複数の集電体を製造しなければならず、製造工程が複雑化し、製造コストが上昇してしまう。しかし、本実施例では、同一形状（同一構成）のバイポーラ電極１０を用いることができるため、バイポーラ電極１０を容易に製造することができる。そして、バイポーラ電極１０の積層工程を容易に行うことができる。これにより、二次電池１の製造コストが上昇してしまうのを抑制することができる。

また、本実施例では、複数のバイポーラ電極１０を、積層方向視において、互いに略重なるように、言い換えれば、互いに略一致するように積層しているため、二次電池１０の外形が異形となるのを防止することができる。

しかも、バイポーラ電極をずらして配置する場合（特許文献２）に比べて、二次電池を小型化することができる。すなわち、バイポーラ電極をずらして積層した場合には、このずらした分だけ、二次電池が大型化してしまうが、本実施例のようにバイポーラ電極１０をずらさずに積層すれば、二次電池の大型化を抑制することができる。

また、複数のバイポーラ電極をずらして積層した場合には、二次電池の両側面が凹凸形状となり、この凹凸部分において、エネルギロスが生じてしまうことになるが、本実施例では、複数のバイポーラ電極１０を、積層方向視において、互いに略重なるように積層しているため、エネルギロスの発生を抑制することができる。

一方、積層構造の二次電池では、一般的に、積層方向の両端側から狭持機構によって加圧する構成となっているが、バイポーラ電極が積層方向に対してずれている場合には、このずれた部分に対して狭持機構による加圧力が作用しないことになる。しかも、バイポーラ電極の位置をずらすことで、バイポーラ電極の積層工程において、各バイポーラ電極を位置決めするための構成が複雑となってしまう。

ここで、本実施例の二次電池１を、積層方向における両端側から狭持機構によって狭持（加圧）した場合には、すべてのバイポーラ電極１０に対して狭持機構による加圧力を作用させることができる。これにより、充放電に伴う二次電池１の体積膨張を効率良く抑制することができる。

さらに、バイポーラ電極をずらして積層した構成の二次電池に比べて、二次電池内での電流ロスを抑制でき、二次電池のエネルギ効率が低下してしまうのを抑制することができる。

なお、本実施例では、固体電解質１４を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。具体的には、固体電解質１４の代わりに、ゲル状又は液状の電解質を用いることもできる。

この場合には、図３に示すように、積層方向において隣り合う集電体１１の間に、絶縁材料で形成されたシール部材３０を配置すればよい。このシール部材３０によって、電解質が漏れてしまうのを防止することができる。なお、図３において、図１、２で説明した部材と同一の部材については、同一符号を用いている。

また、本実施例では、配線２０ａを含むフレキシブル基板２０を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。すなわち、集電体１１に電気的に接続され、単電池の出力を取り出すことができるものであれば、いかなる構成であってもよい。具体的には、絶縁層で覆われた独立の配線を設け、この配線を各集電体１１に接続することができる。

なお、フレキシブル基板２０のように、接続部２０ｂ以外の領域において、複数の配線２０ａを互いに絶縁状態としつつ、一体的に構成することで、配線２０ａのレイアウトを容易に行うことができる。

本実施例の二次電池１は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）におけるモータ駆動用の蓄電装置として用いることができる。

本発明の実施例１である二次電池の側面図である。実施例１である二次電池の正面図（上面図）である。実施例１の変形例である二次電池の部分拡大図である。

符号の説明

１：二次電池
１０：バイポーラ電極
１１：集電体
１２：正極層
１３：負極層
１４：固体電解質
２０：フレキシブル基板
２０ａ：配線
２０ｂ：接続部

Claims

電解質を介して積層されており、集電体を含み、略同一形状に形成された正極体及び負極体と、
前記各集電体のうち、前記正極体および前記負極体の積層方向における一方の面に電気的に接続された複数の電圧検出用の配線を含んでおり、前記配線毎に分岐され、前記各集電体に延びる複数の接続部を備えたフレキシブル基板とを有し、
前記正極体及び前記負極体は、この積層方向視において、略同一領域内に位置しており、前記接続部の端部が、前記集電体と、この集電体に対して前記積層方向で隣り合う前記電解質とによって狭持されていることを特徴とする蓄電装置。