JP5145701B2 - 双極型電池 - Google Patents

Description

本発明は、双極型電池に関する。本発明は、特に、電圧バランスを自動的にとることができる放電回路を内蔵した双極型電池に関する。

電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモータ駆動用電源として、リチウムイオン電池およびニッケル水素電池などの二次電池の開発が盛んである。

モータ駆動用電源としては、下記の特許文献１に示すような双極型電池が知られている。特許文献１に開示されている双極型電池は、隣接する電極間に放電回路素子を備えるものである。このような構成にすると、双極型電池を構成する単電池層の電圧バランスが補正され、双極型電池の信頼性および安定性が向上する。

しかしながら、上記双極型電池では、極端に薄い有機半導体層が放電回路素子に含まれるため、外部から振動や圧力が作用する場合に当該素子と接触する集電体などの凹凸によって素子の有機半導体層が損傷され、電池性能が低下するという問題がある。
特開２００６−１５６３５７号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、放電回路素子が損傷されることを防止し、電池性能の低下を抑制することができる双極型電池を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の双極型電池は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極を、イオン伝導層を介して複数積層してなる電池要素と、前記電池要素の少なくとも一対の隣接する集電体間に設けられ、当該集電体に発生されている電荷を放電する有機半導体層を含む放電回路手段と、前記放電回路手段と集電体との間に設けられ、弾性を有して前記放電回路手段を保護する弾性保護手段と、前記放電回路手段と前記集電体とを電気的に接続する配線手段と、を有し、前記弾性保護手段は、前記隣接する集電体の間隔よりも薄く、かつ前記集電体の表面粗さよりも厚く形成されており、前記放電回路手段と前記配線手段とは、前記集電体の面方向における位置が互いにずれるように配置されていることを特徴とする。

本発明の双極型電池は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極を、イオン伝導層を介して複数積層してなる電池要素と、前記電池要素の少なくとも一対の隣接する集電体間に設けられ、当該集電体に発生されている電荷を放電する有機半導体層を含む放電回路手段と、前記放電回路手段と集電体との間に設けられ、弾性を有して前記放電回路手段を保護する弾性保護手段と、前記放電回路手段と前記集電体とを電気的に接続する配線手段と、を有し、前記弾性保護手段は、前記隣接する集電体の間隔よりも薄く、かつ前記集電体の表面粗さよりも厚く形成されており、前記弾性保護手段は、前記集電体と前記放電回路手段との間に設けられており、前記配線手段は、前記弾性保護手段に沿って迂回して形成され、前記集電体と前記放電回路手段とを接続していることを特徴とする。

本発明の双極型電池によれば、有機半導体層が損傷されることが防止され、電池性能の低下を抑制することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の双極型電池、組電池、及びこれらの電池を搭載した車両の実施の形態について詳細に説明する。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。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における双極型電池を示す断面図である。図１に示されるとおり、本実施の形態の双極型電池１００は、電池要素１０、放電回路素子２０、弾性保護膜３０、光センサ４０、および外装ケース５０を有する。

電池要素１０は、物質の化学反応などを利用して電気を発生させるものである。電池要素１０は、一枚の集電体（集電箔）１１の一方の面に正極活物質層１２が形成され他方の面に負極活物質層１３が形成されてなる双極型電極１４がイオン伝導層１５を介して複数直列に接続されて構成される。複数積層された双極型電極１４のうち最上位の双極型電極１４の上部には、集電体１１の一方の面に正極活物質層１２のみが形成されてなる正極末端極１６がイオン伝導層１５を介して積層され、最下位の双極型電極１４の下部には、集電体１１の一方の面に負極活物質層１３のみが形成されてなる負極末端極１７がイオン伝導層１５を介して積層される。ここで、隣接する一対の集電体１１間に配置される正極活物質層１２、イオン伝導層１５、および負極活物質層１３は、発電の最小要素である単電池層１８を構成する。また、本実施の形態の双極型電池１００は、たとえば、リチウムイオン二次電池であって、電池要素自体は、一般的な双極型電池と同様であるため、詳細な説明は省略する。

放電回路素子２０は、光を放出することによって電気を放電する放電回路手段である。本実施の形態の放電回路素子２０は、電池要素１０の隣接する集電体１１間にそれぞれ設けられており、集電体１１に発生されている電荷を受けて発光する有機半導体層（有機ＥＬ層）を有する。放電回路素子２０は基準電圧機能を有しており、所定の閾値以上の電圧が印加される場合には積極的に放電し、当該閾値以下の電圧では積極的には放電しない。また、放電回路素子２０は、積極的に放電するときには放電しないときよりも１００倍以上の放電電流が流れる。このように構成される放電回路素子２０によれば、単電池層１８が発生する電圧に応じて放電回路素子２０が光を放出することにより放電が進行され、各単電池層１８の電圧が所定値以下に維持されるため、単電池層１８の電圧バランスが調整される。有機半導体層は、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアニリン、およびこれらの誘導体などの高分子系有機物、または、フタロシアニン類、ベンジジン誘導体（ＴＰＤ，α−ＮＰＤ等）、トリフェニルアミン多量体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナンスロリン誘導体（ＢＣＰ等）、アルミキノリノール錯体、およびスチリルアミンなどの低分子系有機物から形成される。放電回路素子２０についての詳細な説明は後述する。

弾性保護膜３０は、集電体１１と放電回路素子２０との間に設けられ、弾性を有して放電回路素子２０を保護する弾性保護手段である。本実施の形態の弾性保護膜３０は、透明な絶縁部材で構成されており、イオン伝導層１５に含まれる電解質を封止するシール部材としての役割も果たす。弾性保護膜３０は、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、およびエポキシなどの耐熱性エンジニアリングプラスチックより形成される。弾性保護膜３０についての詳細な説明は後述する。

光センサ４０は、放電回路素子２０から放出される光を受光する受光手段である。本実施の形態の光センサ４０は電池要素１０の近傍に配置され、単電池層１８毎に設けられる各放電回路素子２０が放出する光を受光することにより、単電池層１８の電圧異常などを検出することができる。光センサ４０の出力は、フレキシブル配線４１を介して外装ケース５０の外部に導出される。光センサ自体は、フォトダイオードなどの一般的な受光素子であるため、詳細な説明は省略する。

外装ケース５０は、電池要素１０、放電回路素子２０、弾性保護膜３０、および光センサ４０を内部に収容して封止するものである。外装ケース５０は、たとえば、２枚のアルミラミネートフィルム５１，５２が相互に熱融着されてなり、正極末端極１６および負極末端極１７の集電体１１にそれぞれ接続される正極タブ５３および負極タブ５４が導出される。外装ケース自体も、一般的な双極型電池の外装ケースと同様であるため、詳細な説明は省略する。

次に、図２〜図４を参照して、本実施の形態における双極型電池１００の放電回路素子２０および弾性保護膜３０について詳細に説明する。図２〜図４は、本実施の形態における双極型電池の隣接する一対の集電体に挟まれる単電池層を示す図である。図２（Ａ）は隣接する一対の集電体に挟まれる単電池層の平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ線またはＣ’−Ｃ’線に沿った断面図である。図３（Ａ）および図４は、図２（Ｂ）の部分拡大図であり、図３（Ｂ）〜図３（Ｅ）は、各々図３（Ａ）のＢ−Ｂ線〜Ｅ−Ｅ線に沿った断面図である。

本実施の形態における双極型電池１００の単電池層１８は、下側集電体１１ａ上に負極活物質層１３、イオン伝導層１５、および正極活物質層１２が順次に積層されて構成される。正極活物質層１２上には、上側集電体１１ｂが設けられている。

本実施の形態の集電体１１は矩形状に形成されており、矩形状の集電体１１の外縁部に沿って正極活物質層１２および負極活物質層１３を取り囲むように弾性保護膜３０が形成されている。集電体１１は、ミクロンオーダの厚さを有するステンレスなどから形成され、サブミクロンオーダの表面粗さ（表面粗さ：約２００ｎｍ）を有する。集電体１１の端部には、弾性保護膜３０と重畳する位置に矩形状の放電回路素子２０が形成されている（図２（Ａ）参照）。

イオン伝導層１５は、液状またはゲル状の電解質と当該電解質を保持するセパレータとから構成されており、当該セパレータは、集電体１１よりも大きな矩形状に形成されている。すなわち、本実施の形態のイオン伝導層１５は、弾性保護膜３０の外部に延長されて集電体１１同士の接触を防止する延長部１５ａを有している。

弾性保護膜３０は、イオン伝導層１５の延長部１５ａと上側集電体１１ｂとの間に配置される上側弾性保護膜３１と、延長部１５ａと下側集電体１１ａとの間に配置される下側弾性保護膜３２とを有する。本実施の形態の放電回路素子２０は、下側弾性保護膜３２の内部に形成されている。上述したとおり、本実施の形態における弾性保護膜３０はシール部材と一体的に形成されており、電解質の漏洩を防止する。放電回路素子２０と延長部１５ａとの間、および、放電回路素子２０と下側集電体１１ａとの間には、下側弾性保護膜３１を形成する弾性部材がそれぞれ充填されている。なお、本実施の形態において、放電回路素子２０と下側集電体１１ａとの間に介在する弾性部材は、集電体１１の表面粗さよりも厚く形成されている。また、放電回路素子２０から放出された光を透過させる見地から、弾性保護膜３０は、放電回路素子２０の発光スペクトルにおける光吸収が０．５以下であることが好ましい。

本実施の形態において、弾性保護膜３０と重畳する延長部１５ａには開口部１９が形成されており、上側集電体１１ｂから下方に延長されて開口部１９を挿通する配線部材（配線手段）６０と当該配線部材６０から水平方向に延長されて放電回路素子２０の上部と連結される櫛状の上部電極６１とによって、放電回路素子２０と上側集電体１１ｂとは電気的に接続される。なお、本実施の形態の開口部１９は、多孔質のセパレータが備えるサブミクロンオーダの微細孔とは異なり、配線部材６０を挿通させるために形成されたものであり、たとえば、セパレータの厚さ（ミクロンオーダ）の２乗よりも大きな面積を有する。

また、下側集電体１１ａから上方に延長される第１電極部６２と当該第１電極部６２から水平方向に延長されて放電回路素子２０の下部と連結される第２電極部６３とによって構成される断面逆Ｌ字状の下部電極６４によって、放電回路素子２０と下側集電体１１ａとは電気的に接続される。第２電極部６３は、上部電極６１と同様に、櫛状に形成される。本実施の形態において、上部電極６１および下部電極６４は、ナノオーダの粒子サイズを有する銀（Ａｇ）などからなる金属微粒子（以下、金属ナノ粒子と称する）により形成される。一方、配線部材６０は、金属ナノ粒子よりも粒子サイズが大きく、低コストで形成可能な金属マイクロ粒子（たとえば、銀ペースト）、または導電性接着シール材により形成されることができる。また、上部電極６１および第２電極部６３の形状は櫛状に限定されず、板状であってもよい。電極が櫛状に形成される場合、板状に形成される場合と比較して、発光型素子からの光を遮断する領域が減少し、より多くの光を素子の外部に放出できる。

本実施の形態において、放電回路素子２０は、外的負荷により配線部材６０が変位する領域以外に設けられている。具体的には、配線部材６０と放電回路素子２０とは上部電極６１によって水平方向に相互に離隔されている。また、第１電極部６２と放電回路素子２０とは第２電極部６３によって水平方向に相互に離隔されている。このような構成にすると、外的負荷により硬い配線部材６０が変位した場合であっても、配線部材６０によって放電回路素子２０が損傷されない。

放電回路素子２０は、下部電極６４上に順次に積層される電子輸送層２１と、ホール（正孔）輸送層および発光層の役割を果たす有機半導体層２２と、ホール注入層２３と、ホール注入電極層２４とを有する。本実施の形態の電子輸送層２１は、２，９−ジメチル−４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン（ＢＣＰ）より形成される。有機半導体層２２は、発光層としての（ジエチルアミノ）フェニルジヒドロフェニルピラゾール−イル−エテニル−Ｎ，Ｎ’−ジエチルアニリン（ＰＰＲ）と、ホール輸送層としてのＮ，Ｎ’−ジ−［（１−ナフタレニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル］−１，１’−ビフェニル−４，４’−ジアミン（ＮＰＤ）とが混合されて形成される。また、ホール注入層２３はポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）より形成され、ホール注入電極層２４はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）より形成される。このように構成される放電回路素子２０は、サブミクロンオーダの厚さ（厚さ：約１００ｎｍ）を有しており、集電体１１で発生されている電荷を受けて発光することができる。

なお、放電回路素子２０は上記の形態に限定されず、電荷を放電することができる構成であれば、種々の形態を用いることができる。また、本実施の形態と異なり、放電回路素子２０は、ダイオード、抵抗器としての機能を有し、発光することなく電気を放電する放電回路素子であってもよい。

また、ホール注入層２３は、フタロシアニン類、スターバーストポリアミン類、ポリアニリン、オリゴチオフェン、およびポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子層に、５酸化バナジウム、テトラフルオロテトラシアノキノヂメタン（Ｆ４−ＴＣＮＱ）、およびポリエチレンスルホン酸（ＰＳＳ）などのドーパントが注入されて形成されてもよい。

好ましくは、弾性保護膜３０は、放電回路素子２０を形成する各材料の弾性率のうち最も低い弾性率よりも低い弾性率を有する。本実施の形態では、有機半導体層が低分子系の材料から形成されているため、高分子系の材料から形成される弾性保護膜３０は有機半導体層よりも弾性率が低い。より具体的には、本実施の形態の放電回路素子２０を構成する各材料のうち最も低い弾性率を有する材料は、ホール注入層（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）であり、その弾性率はおよそ２〜４ＧＰａである。これに対して、弾性保護膜３０の弾性率は０．０５〜２ＧＰａである。このような構成にすると、放電回路素子２０を構成する各層および弾性保護膜３０を積層した後の成型、熱プレス工程などにおいて弾性保護膜３０が主に変形するため、より良い歩留まり、信頼性を確保することができる。

好ましくは、弾性保護膜３０は、放電回路素子２０を形成する各材料のガラス転移温度のうち最も低いガラス転移温度よりも低いガラス転移温度を有する。より具体的には、本実施の形態の放電回路素子２０を構成する各材料のうち最も低いガラス転移温度を有する材料は、ホール輸送層、発光層であり、そのガラス転移温度はおよそ９５℃である。これに対して、弾性保護膜３０のガラス転移温度は８０℃（ＰＥＴ）である。このような構成にすると、熱プレス工程などにおいて弾性保護膜３０が主に変形するため、より良い歩留まり、信頼性を確保することができる。なお、熱プレス工程との関係から、耐熱性エンジニアリングプラスチックよりなる弾性保護膜３０は、約５０〜８０℃の温度範囲で耐熱性を有し、８０〜１００℃程度のガラス転移温度を有することが好ましい。

以上のとおり構成される本実施の形態の双極型電池１００では、単電池層１８の電圧を調整するために設けられた放電回路素子２０が弾性保護膜３０によって覆われている。したがって、弾性保護膜３０が集電体１１の表面の凹凸を吸収することにより、放電回路素子２０の損傷が防止される。また、上部および下部電極６１，６４は、微細な金属ナノ粒子から形成されるとともに、外部から力が作用する場合には弾性保護膜３０とともに変形するため、電極６１，６４による放電回路素子２０の損傷も防止される。

なお、上述した本実施の形態では、イオン伝導層の延長部に形成された開口部を挿通する配線部材によって、放電回路素子と上側集電体とが電気的に接続された。しかしながら、イオン伝導層の延長部に開口部を形成することなく、放電回路素子と上側集電体とを電気的に接続することもできる。具体的には、イオン伝導層１５を構成するセパレータの微細孔に当該微細孔よりも小さい金属ナノ粒子を充填することによってイオン伝導層１５の延長部１５ａの所定領域に導電性を付与することができる（図５参照）。このような構成にすると、イオン伝導層の延長部に開口部を形成する工程が省略される。

また、本実施の形態では、放電回路素子と配線部材とが水平方向に相互に離隔しており、櫛状の上部電極によって電気的に接続された。しかしながら、配線部材６０は放電回路素子２０の上方に形成されることもできる（図６参照）。この場合、断面コの字状の電極６９によって配線部材６０と放電回路素子２０とが電気的に接続される。このような構成では、断面コの字状の電極６９の凹部に充填されている弾性部材によって放電回路素子２０の上部は保護される。

以上のとおり構成される双極型電池１００は、隣接する双極型電極１４の正極活物質層１２と負極活物質層１３とが対向するように、イオン伝導層１５を介して双極型電極１４が複数積層されることにより製造される。その際、放電回路素子２０に弾性保護膜３０を容易に固定させる見地から、好ましくは、弾性保護膜３０は、ゴム、アクリル樹脂、およびシリコーン樹脂などの粘着材料を含む。より好ましくは、弾性保護膜が粘着性のあるテープ形態であれば、製造時に放電回路素子２０に貼り付けるだけで必要な構造を形成することができる。また、電池要素１０、放電回路素子２０、および弾性保護膜３０は、インクジェットプリンタ方式により、層ごとに所定の付着パターンを塗布することによって形成されることができる。インクジェットプリンタ方式では、放電回路素子２０を構成する有機物は、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、およびペンタデカンなどの脂肪族炭化水素、クロロホルムおよびジクロルメタンなどの塩化脂肪族炭化水素、エチルエーテル、ジオキサン、およびテトラヒドロフランなどのエーテル、水、プロピレンカーボネート、ならびにニトロメタンなどの溶媒に溶解されて塗布される。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。

（ａ）本実施の形態の双極型電池は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極を、イオン伝導層を介して複数積層してなる電池要素と、電池要素の少なくとも一対の隣接する集電体間に設けられ、当該集電体に発生されている電荷を放電する有機半導体層を含む放電回路素子と、放電回路素子と集電体との間に設けられ、弾性を有して放電回路素子を保護する弾性保護膜と、を有する。したがって、車両搭載時の振動や電池構成部材の積層時、プレス時に放電回路素子の上下に形成された電極が放電回路素子の有機層を貫通して短絡することを防止することができる。その結果、有機半導体層が損傷されることが防止され、電池性能の低下を抑制することができる。

（ｂ）弾性保護膜は、隣接する集電体の間隔よりも薄く、かつ集電体の表面粗さよりも厚く形成されている。したがって、放電回路素子の損傷をより確実に防止することができる。

（ｃ）弾性保護膜は、放電回路素子を形成する各材料の弾性率のうち最も低い弾性率よりも低い弾性率を有する。したがって、放電回路素子の損傷をより確実に防止することができる。

（ｄ）弾性保護膜は、放電回路素子を形成する各材料のガラス転移温度のうち最も低いガラス転移温度よりも低いガラス転移温度を有する。したがって、熱プレス時に弾性保護膜が先に柔らかくなり、放電回路素子の損傷をより確実に防止することができる。

（ｅ）放電回路素子は、光を放出することにより集電体に発生されている電荷を放電する発光型素子であり、双極型電池は、放電回路素子から放出される光を受光する光センサをさらに有する。したがって、電池の電圧異常時に放電回路素子が発光し、光が電池外部に放出されることにより、電池の電圧異常を電池外部で検知することができる。

（ｆ）放電回路素子は、複数積層されるすべての双極型電極に設けられている。したがって、放電回路素子を集電体上の同一箇所に形成することにより、電池構成部材の部品種類を削減することができるため、製造コストを下げることができる。また、光が近接した場所から放出されるので、電池の電圧異常を電池外部の一箇所で検知することができる。その結果、複数の放電回路素子に対して１個の光センサが設けられ、複数の放電回路素子に対応するように複数の光センサを設ける場合と比較して、光センサのコストを削減することができる。

（ｇ）放電回路素子は、導電性を有して有機半導体層と集電体とを電気的に接続する導電性高分子層をさらに含む。したがって、導電性高分子層を導入して放電回路素子を厚くすることにより、放電回路素子の損傷をより確実に防止することができる。

（ｈ）放電回路素子は、ホール注入電極層をさらに含み、導電性高分子層は、５酸化バナジウム、テトラフルオロテトラシアノキノジメタン（Ｆ４−ＴＣＮＱ）、およびポリエチレンスルホン酸（ＰＳＳ）からなる群から選択される少なくとも１種がドーピングされており、有機半導体層とホール注入電極層との間に配置されている。したがって、低電圧側で放電回路素子を動作させることができ、放電回路素子の動作電圧を電池の特性に合わせる自由度を向上することができる。

（ｉ）有機半導体層は、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピロール、ポリアセチレン、およびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、集電体で発生されている電荷を放電することができる。

（ｊ）有機半導体層は、フタロシアニン類、ベンジジン誘導体（ＴＰＤ，α−ＮＰＤ等）、トリフェニルアミン多量体、オキサジアゾール誘導体、トリアゾール誘導体、フェナンスロリン誘導体（ＢＣＰ等）、アルミキノリノール錯体、およびスチリルアミンからなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、集電体で発生されている電荷を放電することができる。

（ｋ）弾性保護膜は、耐熱性エンジニアリングプラスチックよりなる。したがって、弾性保護膜の強度および高温時における信頼性を保つことができる。

（ｌ）耐熱性エンジニアリングプラスチックは、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、およびエポキシからなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、強度および高温時における信頼性を保つことができる弾性保護膜を形成することができる。

（ｍ）弾性保護膜は、粘着材料を含む。したがって、弾性保護膜を簡単に固定することができるため、製造工程を簡略化することができる。

（ｎ）粘着材料は、ゴム、アクリル樹脂、およびシリコーン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、粘着性を有する弾性保護膜を提供することができる。

（ｏ）弾性保護膜は、テープ形状を有する。したがって、製造時に放電回路素子に貼り付けるだけで必要な構造を形成することができるため、製造工程を簡略化することができる。

（ｐ）本実施の形態の双極型電池は、放電回路素子と集電体とを電気的に接続する配線部材をさらに有する。したがって、集電体と離隔されて配置される放電回路素子を当該集電体と電気的に接続する低抵抗な導電パスを形成することができる。

（ｑ）放電回路素子は、外的負荷により配線部材が変位する領域以外に設けられている。したがって、セパレータの上部に形成された硬い導電パスによって放電回路素子が損傷されることが抑制され、より確実に放電回路素子の損傷を防止することができる。

（ｒ）イオン伝導層は、電解質を封止するシール部材の外部に延長される延長部を有し、配線部材は、延長部に設けられた開口部を挿通して、延長部を挟んで対向する集電体と放電回路素子とを電気的に接続する。したがって、隣接する集電体間の短絡を防止しつつ、単電池層の電圧バランスをとることができる。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態における双極型電池を説明するための断面図である。本実施の形態の双極型電池１００は、放電回路素子２０、弾性保護膜３０、および配線部材６０の構成を除いては、第１の実施の形態と同様であるため、双極型電池についての詳細な説明は省略する。

図７に示されるとおり、本実施の形態における双極型電池１００は、電解質を封止するシール部材７０と弾性保護膜３０とが異なる部材に形成されており、シール部材７０の外側にイオン伝導層１５のセパレータが延長されて延長部１５ａをなしている。延長部１５ａは、放電回路素子２０上に開口部１９が位置するように放電回路素子２０の上部に隣接して配置されている。

弾性保護膜３０は、延長部１５ａと上側集電体１１ｂとの間に配置される上側弾性保護膜３１と、延長部１５ａと下側集電体１１ａとの間に配置される下側弾性保護膜３２と、を有する。上側弾性保護膜３１は開口部１９の上部に設けられており、配線部材６０は上側弾性保護膜３１に沿って当該保護膜を迂回するように形成されている。下側弾性保護膜３２は、断面逆Ｌ字状の下部電極６４が設けられている放電回路素子２０の下部に設けられている。

配線部材６０は、開口部１９によって露出された放電回路素子２０の表面から延長部１５ａの表面に沿って延長される第１配線部材６５と、当該第１配線部材６５の端部から延長されて上側弾性保護膜３１に沿って当該上側弾性保護膜３１を迂回しつつ、上側集電体１１ｂに結合される第２配線部材６６とを有する。本実施の形態の第１配線部材６５は、金（Ａｕ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびパラジウム（Ｐｄ）などの高仕事関数の金属または金属酸化物から形成される。好ましくは、有機半導体層へ効果的に電荷を注入することができるように、第１配線部材６５は、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有する。すなわち、本実施の形態の第１配線部材６５は、放電回路素子２０のホール注入電極層２４の役割を果たすことができる。なお、本実施の形態の第１および第２配線部材６５，６６の表面粗さは、約１０〜２０ｎｍであり、外部から力が作用する場合には上側弾性保護膜３１とともに変形する。また、第２配線部材６６も高仕事関数を有する金属または金属酸化物から形成されることができる。

本実施の形態では、延長部１５ａと第１配線部材６５との間に表面保護膜（表面保護手段）７５が設けられている。表面保護膜７５は、延長部１５ａに対応するセパレータの表面を平滑化するものであり、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、およびポリアセタールなどの耐熱性エンジニアリングプラスチックから形成される。なお、セパレータの微細孔はシートの厚さ方向にのみ空いており、セパレータに直接的に金属ナノ粒子が塗布される場合、厚さ方向および平面方向ともに高抵抗になる。表面保護膜７５が塗布されることにより、セパレータ上に第１配線部材６５が良好に形成される。

好ましくは、表面保護膜７５は、放電回路素子２０を形成する材料のうち最も低いガラス転移温度を有する材料よりも高いガラス転移温度を有する。具体的には、本実施の形態の放電回路素子２０を構成する各材料のうち最も低いガラス転移温度を有する材料は、ホール注入層、発光層であり、そのガラス転移温度はおよそ９５℃である。これに対して、表面保護膜６０のガラス転移温度は１５０℃（ポリカーボネート）である。このような構成にすると、放電回路素子の劣化が最終段階になり、表面保護膜の劣化特性が放電回路素子の劣化に影響を与えることが防止される。

好ましくは、弾性保護膜３０は導電性を有する。具体的には、弾性保護膜３０がシール部材７０と別に形成される本実施形態において、カーボン、金属、導電性酸化物、および導電性有機物などの導電性物質が弾性保護膜３０の基材に含まれることにより、弾性保護膜３０が導電性を有することができる。このような構成にすると、配線部材などの電流経路を弾性保護膜３０と別に形成する場合と比較して、電気的な抵抗を低減することができるとともに、接触不良などの発生を抑制することができる。さらに、製造工程を簡略化することができる。

以上のとおり構成される本実施の形態の双極型電池１００では、単電池層１８の電圧を調整するために設けられた放電回路素子２０が弾性保護膜３０によって覆われている。したがって、弾性保護膜３０が集電体１１の表面の凹凸を吸収することにより、放電回路素子２０の損傷が防止される。また、第１配線部材６５および下部電極６４は、金属ナノ粒子から形成されるとともに、外部から力が作用する場合には弾性保護膜３０とともに変形するため、電極などによる放電回路素子２０の損傷も防止される。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

（ｓ）本実施の形態の双極型電池では、開口部は放電回路素子を露出させる位置に設けられ、上側弾性保護膜は開口部が設けられている延長部を挟んで対向する集電体と放電回路手段との間に設けられており、配線部材は、弾性保護膜に沿って迂回して形成され、集電体と放電回路素子とを接続している。したがって、車両搭載時の振動や電池構成部材の積層時、プレス時に放電回路素子の上方に形成された電極が放電回路素子の有機層を貫通して短絡することを防止することができる。その結果、有機半導体層が損傷されることが防止され、電池性能の低下を抑制することができる。

（ｔ）第１配線部材は、４．５ｅＶ以上の仕事関数を有する金属または金属酸化物を含む。したがって、ダイオード特性に反映されるホール注入効果がより高められ、放電回路素子の性能が向上する。

（ｕ）第１配線部材は、金、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、ニッケル、およびパラジウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、有機半導体層へ効果的にホールを注入することができる。

（ｖ）本実施の形態の双極型電池は、延長部と第１配線部材との間に設けられ、延長部に対応するセパレータの表面を覆う表面保護膜をさらに含む。したがって、セパレータの表面を平滑にし、その上に低抵抗で均一な膜を積層することができる。

（ｗ）表面保護膜は、放電回路素子を形成する各材料のガラス転移温度うち最も低いガラス転移温度よりも高いガラス転移温度を有する。したがって、表面保護膜の劣化特性が放電回路素子の劣化に影響を与えることが防止される。

（ｘ）表面保護膜は、耐熱性エンジニアリングプラスチックよりなる。したがって、弾性保護膜の強度および高温時における信頼性を保つことができる。

（ｙ）弾性保護膜は、導電性を有する。したがって、電流経路を弾性保護膜とは別に形成する場合と比較して、電気的な抵抗を低減することができるとともに、接触不良などの発生を抑制することができる。

（ｚ）弾性保護膜は、カーボン、金属、導電性酸化物、および導電性有機物からなる群から選択される少なくとも１種を含む。したがって、弾性保護膜に導電性を付与することができる。

（第３の実施の形態）
以上説明してきた双極型電池１００は、直列または並列に複数接続されて電池モジュール２００（図８参照）を形成し、この電池モジュール２００がさらに直列または並列に複数接続されて組電池３００を形成することができる。図示する電池モジュール２００は、上記双極型電池１００を複数個積層してモジュールケース内に収納し、各双極型電池１００を並列に接続したものである。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、各々本発明の第３の実施の形態における組電池の平面図、正面図、および側面図である。作成された電池モジュール２００は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続され、電池モジュール２００は接続治具３１０を用いて複数段積層される。何個の双極型電池１００を接続して電池モジュール２００を作成するか、また、何段の電池モジュール２００を積層して組電池３００を作成するかは、搭載される車両（電気自動車）の電池容量や出力に応じて決定される。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１および第２の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

（ｚａ）本実施の形態の組電池は、双極型電池が、直列、並列、または直並列に電気的に接続されてなる。したがって、電池モジュールが複数直並列に接続されてなる組電池は、高容量、高出力を得ることができ、一つ一つの電池モジュールの信頼性が高いことから、組電池としての長期的な信頼性の維持が可能である。また、一部の組電池モジュールが故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能になる。

（第４の実施の形態）
図９は、本発明の第４の実施の形態における車両として自動車を示す概略構成図である。上述した双極型電池１００、電池モジュール２００、および／または組電池３００を自動車および電車などの車両に搭載し、モータなどの電気機器の駆動用電源に使用することができる。

組電池３００を、電気自動車４００に搭載するには、図９に示すとおり、電気自動車４００の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池３００を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池３００を用いた電気自動車４００は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。

なお、本発明では、組電池３００だけではなく、使用用途によっては、電池モジュール２００のみを搭載するようにしてもよいし、これら組電池３００と電池モジュール２００とを組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または電池モジュールを搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車およびハイブリッド自動車などが好ましいが、これらに制限されるものではない。

以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。

（ｚｂ）本実施の形態の車両は、双極型電池または組電池を駆動用電源として搭載する。したがって、長期に渡り安定した性能を発揮する車両を得ることができる。

以上のとおり、第１〜第４の実施の形態において、本発明の双極型電池、組電池、および車両を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、省略することができることはいうまでもない。

たとえば、第１〜第４の実施の形態では、積層されるすべての双極型電極（または、単電池層）に対して放電回路素子が設けられた。しかしながら、複数積層される双極型電極のうち少なくとも一つの双極型電極に対して放電回路素子が設けられ、当該放電回路素子が設けられる単電池層のみ電圧バランスが調整されてもよい。

本発明の第１の実施の形態における双極型電池を示す断面図である。 図１に示す双極型電池の隣接する一対の集電体に挟まれる単電池層を示す図である。 図１に示す双極型電池の隣接する一対の集電体に挟まれる単電池層を示す図である。 図１に示す双極型電池の隣接する一対の集電体に挟まれる単電池層を示す図である。 図１に示す双極型電池の変形例を示す図である。 図１に示す双極型電池の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における双極型電池を説明するための断面図である。 本発明の第３の実施の形態における組電池を示す図である。 本発明の第４の実施の形態における車両として自動車を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 電池要素、
２０ 放電回路素子、
３０ 弾性保護膜、
４０ 光センサ、
５０ 外装ケース、
１００ 双極型電池、
２００ 電池モジュール、
３００ 組電池、
４００ 自動車。

Claims (12)

1. 集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極を、イオン伝導層を介して複数積層してなる電池要素と、
   前記電池要素の少なくとも一対の隣接する集電体間に設けられ、当該集電体に発生されている電荷を放電する有機半導体層を含む放電回路手段と、
   前記放電回路手段と集電体との間に設けられ、弾性を有して前記放電回路手段を保護する弾性保護手段と、
   前記放電回路手段と前記集電体とを電気的に接続する配線手段と、を有し、
   前記弾性保護手段は、前記隣接する集電体の間隔よりも薄く、かつ前記集電体の表面粗さよりも厚く形成されており、
   前記放電回路手段と前記配線手段とは、前記集電体の面方向における位置が互いにずれるように配置されていることを特徴とする双極型電池。
2. 前記弾性保護手段は、前記放電回路手段を形成する各材料の弾性率のうち最も低い弾性率よりも低い弾性率を有することを特徴とする請求項１に記載の双極型電池。
3. 前記弾性保護手段は、前記放電回路手段を形成する各材料のガラス転移温度のうち最も低いガラス転移温度よりも低いガラス転移温度を有することを特徴とする請求項１または２に記載の双極型電池。
4. 前記弾性保護手段は、粘着材料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の双極型電池。
5. 前記弾性保護手段は、テープ形状を有することを特徴とする請求項４に記載の双極型電池。
6. 前記イオン伝導層は、電解質を封止するシール部材の外部に延長される延長部を有し、
   前記配線手段は、前記延長部に設けられた開口部を挿通し、前記延長部を挟んで対向する前記集電体と前記放電回路手段とを電気的に接続することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の双極型電池。
7. 集電体の一方の面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成されてなる双極型電極を、イオン伝導層を介して複数積層してなる電池要素と、
   前記電池要素の少なくとも一対の隣接する集電体間に設けられ、当該集電体に発生されている電荷を放電する有機半導体層を含む放電回路手段と、
   前記放電回路手段と集電体との間に設けられ、弾性を有して前記放電回路手段を保護する弾性保護手段と、
   前記放電回路手段と前記集電体とを電気的に接続する配線手段と、を有し、
   前記弾性保護手段は、前記隣接する集電体の間隔よりも薄く、かつ前記集電体の表面粗さよりも厚く形成されており、
   前記弾性保護手段は、前記集電体と前記放電回路手段との間に設けられており、
   前記配線手段は、前記弾性保護手段に沿って迂回して形成され、前記集電体と前記放電回路手段とを接続していることを特徴とする双極型電池。
8. 前記弾性保護手段は、前記放電回路手段を形成する各材料の弾性率のうち最も低い弾性率よりも低い弾性率を有することを特徴とする請求項７に記載の双極型電池。
9. 前記弾性保護手段は、前記放電回路手段を形成する各材料のガラス転移温度のうち最も低いガラス転移温度よりも低いガラス転移温度を有することを特徴とする請求項７または８に記載の双極型電池。
10. 前記弾性保護手段は、粘着材料を含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の双極型電池。
11. 前記弾性保護手段は、テープ形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の双極型電池。
12. 前記イオン伝導層は、電解質を封止するシール部材の外部に延長される延長部を有し、
    前記配線手段は、前記延長部に設けられた開口部を挿通し、前記延長部を挟んで対向する前記集電体と前記放電回路手段とを電気的に接続し、
    前記開口部は前記放電回路手段を露出させる位置に設けられ、前記弾性保護手段は前記開口部が設けられている延長部を挟んで対向する前記集電体と前記放電回路手段との間に設けられていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の双極型電池。

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