JP5205713B2 - 双極型二次電池 - Google Patents
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Description
第1実施形態は、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た双極型電極が電解質層を介して複数個積層されてなる積層体と、前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層が積層されてなる単電池層のそれぞれの周囲に配置され前記単電池層と外気との接触を遮断するシール部と、を含む電池要素を有する双極型二次電池であって、最外層集電体の、活物質層と対向する面に、導電性層を配する双極型二次電池である。
多孔質導電性材料の含有量は、特に制限されるものではないが、含有される場合は、20〜100質量%であることが好ましい。
本実施形態で用いることのできる集電体は、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る。例えば、アルミニウム箔、SUS箔、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、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用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。なお、活物質の種類にもよるが、各電極の電位に耐えることができ、一枚箔による薄膜化が可能であるなどといった観点からは、SUS箔を集電体として用いることが好ましい。集電体の厚さは、特に限定されないが、1μm〜100μm程度である。
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、電解質(例えば、液体電解質、固体電解質、高分子ゲル電解質)等が含まれうる。
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、電解質等が含まれうる。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。
電解質層は、上記正極の欄で述べた電解質を用いることができる。
PO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩(リチウム塩)が含まれる。支持塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、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。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(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2等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。
セパレータには、微多孔膜セパレータおよび不織布セパレータのいずれも利用することができる。
シール部31は、セパレータを貫通またはセパレータの側面全周を覆っていることが好ましい。これは、セパレータの内部を介して単電池層19と外気とが接触することを確実に遮断できるためである。
図4は、本実施形態の双極型二次電池を示す断面図である。
電極端子(正極端子および負極端子)の材質は、特に制限されず、双極型二次電池用の電極端子として従来用いられている公知の材質が用いられうる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等が例示される。
外装材としては特に制限されず、従来公知の外装材が用いられうる。自動車の熱源による熱、あるいは高負荷による電池の自己発熱による熱を容易に冷却可能な点、および低温始動時に自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。また、ラミネート内部を大気圧よりも減圧下におくことで、前記電池要素間あるいは電池要素−電極端子間の接触を大気圧により行うことが可能になり、さらに接触抵抗を下げることが可能になる。
図5は、第3実施形態の電池モジュールを示す断面図である。
図6は、第4実施形態の電池モジュールを示す断面図である。なお、第1〜第3実施形態における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。
第5実施形態では、組電池を構成する(図示は省略する)。
第6実施形態では、上記の第5実施形態の組電池をモータ駆動用電源として搭載して、車両を構成する。組電池をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。
(1)電極の形成
正極活物質にLiMn2O4、導電助剤にアセチレンブラック、バインダーにポリフッ化ビニリデン(PVdF)を使用し、正極活物質、導電助剤、バインダーをそれぞれ85質量%、5質量%、10質量%配合し、該配合剤40質量部に対して60質量部のNMPをスラリー粘度調整溶媒として添加し、混合して正極スラリーを調製した。125mm×75mmであるSUS316Lの20μm箔の集電体の片面に、該箔の全周の幅5mmがのりしろ部となるように、該のりしろ部以外の部分に該正極スラリーを塗布し、乾燥させて正極を形成した。
PVDF2.5質量%、電解液である1.0M LiBF4を含んだプロピレンカーボネート(PC)+エチレンカーボネート(EC)(1:1)22.5質量%、およびジメチルカーボネート(DMC)50質量%を混合してプレゲル溶液を調製した。該プレゲル溶液を電極上および、30μmポリプロピレンセパレータ上に塗布し、真空乾燥によりDMCを除去してゲル電解質ポリマーを得た。
2つの双極型電極を、正極と負極がゲル電解質を挟んで対向するように積層して単電池層を形成した。この操作を繰り返して単電池層が12個形成されるように電極を積層し、長手方向の一方に負極電極を、他方に正極電極を有する電極積層体を構成した。
図8に示すように、該電極積層体の各単電池層に電圧モニタ用タブを配設した。各タブは幅5mmのものを使用し、各タブが上下に接触しないように、間隔を空けてカーボン系導電性接着剤で接着した。なお、タブの厚みはすべて20μmでアルミ製とした。
隣接する集電箔を超えてゲル電解質が移動しないように、電極集電体の周辺部(のりしろ部)の集電箔間にシーラントを挟み熱融着をして12直構造の積層双極型二次電池とした。
125mm×75mm×0.2mmであるSn−Bi(42:58質量%)合金の板を導電性層として積層電池の上下に被せた。
さらに150mm×75mm×0.05mmであるSUS316Lの箔をさらにその上下に被せて、長手方向にずらし、電流取り出し用のリードとした。これをナイロン/アルミ/ポリプロピレン=20/30/20μmからなるラミネート外装を用い真空密封し、積層型電池を製造した(図9)。
実施例1において、125mm×75mm×0.2mmであるSn単体の板を導電性層として積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、125mm×75mm×0.2mmである89質量%Sn−8質量%Zn−3質量%Bi合金の板を導電性層として積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、125mm×75mm×0.2mmであるIn単体の板を導電性層として積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、125mm×75mm×0.2mmであるSb単体の板を導電性層として積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、125mm×75mm×0.2mmである96.5質量%Sn−3.0質量%Ag−0.5質量%Cuの板を導電性層として積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、96.5質量%Sn−3.0質量%Ag−0.5質量%Cuのクリームハンダを125mm×75mm×0.2mmで、空隙率を35%で積層電池の上下に塗布して、導電性層とした以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、導電性材料である125mm×75mm×0.2mmであるSUS316Lの板を積層電池の上下に被せた以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例1において、導電性層を用いなかった以外は、実施例1と同じ方法で双極型二次電池を作製した。
実施例、比較例の双極型二次電池を各20個作成した。作成直後に1kHz交流インピーダンスを測定し、記録した。0.2C−50V充電と0.2−30V放電を行った後、1Cで10回充放電を行ない、最終的に50V満充電状態(平均電圧4.17V)にした。その後、JIS D1601に基づき24時間振動試験を行なった。この試験においては、定期的に電圧モニタ用タブを介して、各電池の各層の電圧を監視し、各層の平均電圧から0.05V以上電圧降下した層があった電池は異常電池としてその数を記録し、平均値の集計から除外した。
11 集電体、
11a 正極側最外層集電体、
11b 負極側最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
20 双極型電極、
21 電池要素、
23 積層体、
25 正極端子、
27 負極端子、
29 ラミネートシート、
31 シール部、
33a、33b 導電性層、
40、41 電池モジュール、
50、60 保持板、
51、61 導電板、
51a、61a ボルト穴、
70 締結部材、
71 通しボルト、
72 ナット、
81 正極端子、
82 負極端子、
90 充填材、
100 組電池、
200 自動車(車両)。
Claims (5)
- 集電体と、前記集電体に形成されてなる活物質層と、電解質層とが複数個積層されてなる積層構造を有する双極型二次電池において、
前記集電体がSUS箔であり、
積層構造の最外層の少なくとも一方に、ヤング率が0.1〜120GPaであり、Sn、Bi、In、Zn、Sbおよびこれらの金属を30〜100質量%含む合金からなる群から選択される1種以上を含む導電性材料を有する導電性層を配し、前記導電性層は、最外層集電体上に積層されてなることを特徴とする、双極型二次電池。 - 前記導電性層が、空隙を有する請求項1に記載の双極型二次電池。
- 前記ヤング率が11〜55GPaである、請求項1または2に記載の双極型二次電池。
- 集電体と、前記集電体に形成されてなる活物質層と、電解質層とが複数個積層されてなる積層構造を有する双極型二次電池において、
前記集電体がアルミニウム箔、ニッケルおよびアルミニウムのクラッド材、ニッケルめっきアルミニウム、アルミニウムめっきニッケル、銅およびアルミニウムのクラッド材、アルミニウムめっき銅、または銅めっきアルミニウムのいずれか一であり、
積層構造の最外層の少なくとも一方に、ヤング率が0.1〜55GPaであり、Sn、Bi、In、Zn、Sbおよびこれらの金属を30〜100質量%含む合金からなる群から選択される1種以上を含む導電性材料を有する導電性層を配し、前記導電性層は、最外層集電体上に積層されてなることを特徴とする、双極型二次電池。 - 前記導電性層が、空隙を有する請求項4に記載の双極型二次電池。
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