JP6122213B1 - 非水電解質電池、電池パック及び自動車 - Google Patents
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Abstract
実施形態は、集電体の一方の板面に正極活物質層、同他方の板面に負極活物質をそれぞれ形成するバイポーラ型電池の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができる非水電解質電池及び電池パックを提供することが課題である。非水電解質電池1は、バイポーラ電極8と、非水電解質層13と、を具備する。バイポーラ電極8は、集電体10と、集電体10の一面側の正極活物質層11と、他面側の負極活物質層12とを有する。バイポーラ電極8は、正極活物質層11の位置が負極活物質層12の位置と集電体10の厚さ方向に重ならない位置に配置している。そして、バイポーラ電極8を非水電解質層13を介して積層させた積層体9を設けている。積層体9を渦巻き状に巻回している第1の形態の電極群、または積層体9を互い違いにそれぞれ折り曲げて折り畳んで重ねてある第2の形態の電極群のいずれか一方を有する。
Description
本発明の実施形態は、非水電解質電池、電池パック及び自動車に関する。
近年、高エネルギー密度電池として、リチウムイオン二次電池のような非水電解質電池の研究開発が盛んに進められている。非水電解質電池は、ハイブリッド自動車や、電気自動車、携帯電話基地局の無停電電源用などの電源として期待されている。しかしながら、リチウムイオン二次電池の単電池を大型化しても単電池から得られる電圧は3.7V程度と低電圧である。そのため、高出力を得るためには、大型化した単電池から大電流を取り出す必要があるので、装置全体が大型化する問題がある。
これらの問題を解決する電池として、バイポーラ型電池が提案されている。バイポーラ型電池は、集電体の一方の板面に正極活物質層を形成するとともに、同他方の板面に負極活物質層を形成するバイポーラ電極と電解質層とを挟んで複数枚直列に積層した構造の電池である。このバイポーラ型電池では、単電池内部で直列に積層するため、単電池においても高電圧を得ることができる。よって、高出力を得る際にも高電圧定電流で出力が得られ、さらには、電池接続部の電気抵抗を大幅に低減できる。
リチウムイオン二次電池では、液状の電解質を用いた構造が用いられている。しかしながら、バイポーラ型電池は単電池中で正極と負極が繰り返されるため、リチウムイオン二次電池の液状の電解質を用いた構造をバイポーラ型電池に適応することはできない。すなわち、バイポーラ型電池の構造上、電極層間に存在する電解液が互いに触れることによりイオン伝導による短絡(液絡)が起きないように、各電極間を独立させた構造をとる必要がある。
これまでに、液状の電解質を含まない高分子固体電解質を用いたバイポーラ型電池が提案されている。この方法を用いると電池内に液状の電解質を含まないことから、電極層間のイオン伝導による短絡(液絡)の可能性が低くなる。しかし、一般的に固体電解質のイオン伝導度は液状の電解質に比べて1/10から1/100程度と非常に低い。このため、電池の出力密度が低くなってしまう問題が生じるため、実用化にはいたっていない。
これらの事情を鑑みて、液状の電解質を半固形化したゲル電解質を用いたバイポーラ型電池が提案されている。ゲル電解質は、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの高分子に電解液を染み込ませたゲル状の電解質である。このゲル電解質は、イオン伝導度が高く、電池の出力密度も十分に得られることが期待される。
バイポーラ型電池を大型化(高エネルギー密度化)するためには課題が残っている。バイポーラ型電池を高エネルギー密度化する方法として、正負極の電極面積を大きくする方法や、小面積のバイポーラ型単電池を並列に接続する方法などが考えられる。
従来の電極構造を持つリチウムイオン二次電池は、正負極の電極とセパレータを隙間なく渦巻き状に巻き付けて、電池外装に高密度で充填することで高エネルギー密度化を図っている。しかし、バイポーラ型電池においては、その構造上、正極及び負極が一体となって形成されていることから、渦巻き状の巻き付けにより対極が互いに接触することになる。このため、バイポーラ電極層間にセパレータやポリマーなどの絶縁層を挟むなどしない限りは短絡してしまうという問題がある。
本実施形態は、集電体の一方の板面に正極活物質層、同他方の板面に負極活物質をそれぞれ形成するバイポーラ型電池の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる非水電解質電池、電池パック及び自動車を提供することを課題とする。
実施形態によれば、非水電解質電池は、バイポーラ電極と、非水電解質層とを具備する。バイポーラ電極は、集電体と、前記集電体の一面側に形成された正極活物質層と、前記集電体の他面側に形成された負極活物質層とを有し、前記正極活物質層の位置が前記負極活物質層の位置と前記集電体の厚さ方向に重ならない位置に配置されるバイポーラ電極の単位要素を複数有し、少なくとも前記バイポーラ電極の単位要素の前記正極活物質層または前記負極活物質層は、異なる前記バイポーラ電極の単位要素の前記正極活物質層または前記負極活物質層と前記正極活物質層と前記負極活物質層とを隔離するための非水電解質層とを介して積層される。前記バイポーラ電極を積層された前記単位要素の配置方向とは異なる方向に渦巻き状に巻回している第1の形態、または前記バイポーラ電極を複数の前記単位要素毎に一方向に所定の長さで複数に区分けされ、各区分け部分間を順次、互い違いにそれぞれ折り曲げている第2の形態のいずれか一方である。
以下に、第1の実施形態に係る非水電解質電池及び電池パックについて図面を参照して説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(第1実施形態)
図1乃至図8は、第1の実施形態を示す。図1は、第1の実施形態に係る一例の非水電解質電池1の概略構成を示す断面斜視図である。図1に示す非水電解質電池1は、ほぼ円筒形状の外装部材(ケース)2と、後述するバイポーラ電極8の積層体9を渦巻き状に巻回している第1の形態の電極群3とを有する。外装部材2は、例えば2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる。この外装部材2内にバイポーラ電極8の積層体9の第1の形態の電極群3が収納されている。
図1乃至図8は、第1の実施形態を示す。図1は、第1の実施形態に係る一例の非水電解質電池1の概略構成を示す断面斜視図である。図1に示す非水電解質電池1は、ほぼ円筒形状の外装部材(ケース)2と、後述するバイポーラ電極8の積層体9を渦巻き状に巻回している第1の形態の電極群3とを有する。外装部材2は、例えば2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる。この外装部材2内にバイポーラ電極8の積層体9の第1の形態の電極群3が収納されている。
本実施形態の外装部材2は、円筒体4の底面4aが閉塞された有底円筒状のケース本体5と、円筒体4の図1中で上端の開口端4bを閉塞する円板状の蓋体6とを有する。蓋体6は、封止部材7を介して密閉状態に封止されている。
図2は、本実施形態の非水電解質電池1の電極群3の全体の概略構成を示す斜視図である。本実施形態の電極群3は次の通り複数のバイポーラ電極8を積層させて構成されている。
図3A、図3Bは、バイポーラ電極8の単位要素の基本構造を示す。バイポーラ電極8は、長方形の平板状の集電体10と、集電体10の一面側(表面側)に形成された正極活物質層11と、集電体10の他面側(裏面側)に形成された負極活物質層12とを有する。ここで、正極活物質層11と負極活物質層12とは、集電体10を挟み、その両側に集電体10の厚さ方向に互いに重ならない位置に横にずらした状態で配置されている。すなわち、図3A、図3B中で、正極活物質層11は、集電体10の表面側で長手方向の中央位置よりも左側に偏った位置に配置されている。負極活物質層12は、同図中で集電体10の裏面側で長手方向の中央位置よりも右側に偏った位置に配置されている。そして、集電体10の長手方向に沿って正極活物質層11と負極活物質層12との間に距離dの間隔が空いている。
集電体10の素材にはアルミニウムを用い、長方形の平板状に成形した。正極活物質層11にはリン酸マンガンリチウム(以下LMP)、負極活物質層12にはチタン酸リチウム(以下LTO)を用いた。正極活物質層11は、リチウムを吸蔵及び放出可能である。負極活物質層12は、1.5V付近に反応電位が存在する。LMPもしくはLTOと導電助剤、粘結材をそれぞれバイポーラ電極8の総重量に対してカーボンを5wt%、ポリフッ化ビニリデンを10wt%混合した。これらの混合物を成形することで、図3A、図3Bに示すバイポーラ電極8の単位要素を作製した。
図4は、図3A、図3Bのバイポーラ電極8の単位要素の集電体10を段状に屈曲させた屈曲状態を示す側面図である。ここでは、集電体10の長手方向の中央位置に図4中で上向きにL字状に屈曲させた第1の屈曲部10aと、この第1の屈曲部10aを横向きにL字状に屈曲させた第2の屈曲部10bとを形成している。これにより、第1の屈曲部10aと第2の屈曲部10bとの間に縦板部10cが形成されている。さらに、縦板部10cの下側に第1の屈曲部10aを介して連結される第1の横板部10d、縦板部10cの上側に第2の屈曲部10bを介して連結される第2の横板部10eがそれぞれ配置されている。そして、第1の横板部10dの上面には、正極活物質層11、第2の横板部10eの下面には、負極活物質層12がそれぞれ配置されている。
図5は、図4のバイポーラ電極8の単位要素を複数、本実施形態では6段に積層させて直列接続したバイポーラ電極8の積層体9の側面図である。本実施形態の積層体9は、1段目のバイポーラ電極8の単位要素を第1単位要素8aと表記し、2段目を同様に第2単位要素8b、3段目を第3単位要素8c、4段目を第4単位要素8d、5段目を第5単位要素8e、6段目を第6単位要素8fとそれぞれ表記する。さらに、各単位要素8a〜8fの同一の構成部分には、同一の添え字を付して表示する。
積層体9は、バイポーラ電極8の単位要素8の正極活物質層11および負極活物質層12のいずれか一方と、バイポーラ電極8の単位要素8と積層方向に隣接する他の単位要素8の正極活物質層11および負極活物質層12のいずれか他方とを対向配置させた状態で順次、積層している。
図5では、1段目の単位要素8aの負極活物質層12aと、積層体9の積層方向に隣接する2段目の単位要素8bの正極活物質層11bとを対向配置させた状態で積層している。さらに、負極活物質層12aと正極活物質層11bとの間には、正極活物質層12bと負極活物質層12aとを隔離するための非水電解質層(セパレータ)13が挿入されている。これにより、第1の電池セル14aが形成されている。
バイポーラ電極8の2段目の単位要素8bと、積層体9の積層方向に隣接する3段目の単位要素8cとの間の積層状態も同様の関係であり、さらに、以降の後段の隣接する2つの単位要素8間の積層状態も同様の関係である。これにより、図6に模式的に示すように6個の単位要素8a〜8fを6段に積層させたバイポーラ電極8の積層体9が形成されている。そして、2段目の単位要素8bの負極活物質層12bと、3段目の単位要素8cの正極活物質層11cとの間に非水電解質層(セパレータ)13が挿入され、第2の電池セル14bが形成されている。
同様に、3段目の単位要素8cの負極活物質層12cと、4段目の単位要素8dの正極活物質層11dとの間に非水電解質層(セパレータ)13が挿入され、第3の電池セル14cが形成されている。さらに、4段目の単位要素8dの負極活物質層12dと、5段目の単位要素8eの正極活物質層11eとの間に非水電解質層(セパレータ)13が挿入され、第4の電池セル14dが形成されている。5段目の単位要素8eの負極活物質層12eと、6段目の単位要素8fの正極活物質層11fとの間に非水電解質層(セパレータ)13が挿入され、第5の電池セル14eが形成されている。
なお、図6では、6個の単位要素8a〜8fは、理解しやすいように上下方向にずらして表示しているが、実際は、6個の単位要素8a〜8fは、図6中の上端位置と下端位置とは同一面に配置されている。さらに、図5中で、上下方向を積層体9の積層方向、左右方向を積層体9の積層方向と直交する電池セル横並び方向と称する。
本実施形態では、上述した積層体9を図7に示すようにこの積層体9の積層方向に渦巻き状に巻回して第1の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成したものである。なお、図7は、バイポーラ電極8の単位要素をn段(ここでは13段)に積層させた積層体9を示している。
さらに、図8は、第1の実施形態の非水電解質電池1の電極群3の集電タブ15a、15bの取り付け状態を示す斜視図である。ここでは、図8に示すように電極群3の一端側(図8中で右端側)の電極群3の外周面に1つの正極用の集電用タブ15aが形成されている。さらに、電極群3の他端側(図8中で左端側)に1つの負極用の集電用タブ15bが形成されている。これらの集電タブ15a、15bは、電極群3の渦巻きの中心軸の軸方向と平行に突出させている。なお、集電タブ15a、15bの突出方向は、これに限られるものではなく、例えば、集電タブ15a、15bは、電極群3の外周面の接線方向(電極群3の渦巻きの中心軸の軸方向と直交する方向)に突出させてもよい。
図1に示すように第1の実施形態に係る非水電解質電池1では、上記渦巻き構造の第1の形態のバイポーラ電極8の電極群3が外装部材2内に収納されている。外装部材2の内周面には、例えば不織布や、樹脂材料などの絶縁部材が配設されている。
バイポーラ電極8の電極群3の外周端近傍において、正極用の集電用タブ15aは、正極活物質層11が積層された集電体10に接続され、負極用の集電用タブ15bは、負極活物質層12が積層された集電体10に接続されている。これらの負極用の集電用タブ15b及び正極用の集電用タブ15aは、外装部材2の図示しない開口部から外部に延出され、負極端子及び正極端子にそれぞれ接続されている。外装部材2の開口部を負極用の集電用タブ15b及び正極用の集電用タブ15aを挟んでヒートシールすることによりバイポーラ電極8及び非水電解質を完全密封している。
次に、第1の実施形態に係る非水電解質電池1をより詳細に説明する。電極群は、非水電解質を保持することができる。非水電解質も、電極群と共に、外装部材2の主部に収納され得る。
第1の実施形態に係る非水電解質電池1は、リード挟持部に設けられた開口部を介しての非水電解質の漏出、すなわち、電池内部から電池外部への非水電解質の漏出を防ぐこともできる。特に、第1の実施形態に係る非水電解質電池1のうち、電極リードがリード挟持部に設けられた開口部の周縁に熱シールされているものは、熱シールが高いシール性を示す。そのため、電池1の内部から電池1の外部への非水電解質の漏出を更に防ぐことができる。電極群3は正極及び負極を含み得る。更に、電極群3は、正極と負極との間に介在したセパレータを含むこともできる。
正極は、正極集電体と正極集電体上に形成された正極材料層とを備えることができる。正極材料層は、正極集電体の両面上に形成されていてもよいし、又は片面のみに形成されていてもよい。また、正極集電体は、いずれの面上にも正極材料層が形成されていない正極材料層無担持部を含んでいてもよい。
正極材料層は、正極活物質を含むことができる。正極材料層は、導電剤及び結着剤を更に含むことができる。導電剤は、集電性能を高め、且つ、正極活物質と正極集電体との間の接触抵抗を抑えるために配合することができる。結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、また、正極活物質と正極集電体とを結着させるために配合することができる。
正極は、例えば正極集電体の正極材料層無担持部を介して、電極リード、すなわち正極リードに接続することができる。正極と正極リードとの接続は、例えば溶接によって行うことができる。
負極は、負極集電体と負極集電体上に形成された負極材料層とを備えることができる。負極材料層は、負極集電体の両面上に形成されていてもよいし、又は片面のみに形成されていてもよい。また、負極集電体は、いずれの面上にも負極材料層が形成されていない負極材料層無担持部を含んでいてもよい。
負極材料層は、負極活物質を含むことができる。負極材料層は、導電剤及び結着剤を更に含むことができる。導電剤は、集電性能を高め、且つ、負極活物質と負極集電体との間の接触抵抗を抑えるために配合することができる。結着剤は、分散された負極活物質の間隙を埋め、また、負極活物質と負極集電体とを結着させるために配合することができる。
負極は、例えば負極集電体の負極材料層無担持部を介して、電極リード、すなわち負極リードに接続することができる。負極と負極リードとの接続は、例えば溶接によって行うことができる。
以下、第1の実施形態に係る非水電解質電池において用いることができる部材及び材料について説明する。
[1]負極
負極は、例えば、負極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に分散させて得られる負極剤ペーストを、負極集電体の片側又は両面に塗布し、これを乾燥させることにより作製することができる。乾燥後、負極剤ペーストを、プレスをすることもできる。
負極は、例えば、負極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に分散させて得られる負極剤ペーストを、負極集電体の片側又は両面に塗布し、これを乾燥させることにより作製することができる。乾燥後、負極剤ペーストを、プレスをすることもできる。
負極活物質としては、例えばリチウムイオンを吸蔵及び放出することができる炭素質物、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金、軽金属などを挙げることができる。
リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる炭素質物としては、例えばコークス、炭素繊維、熱分解気相炭素物、黒鉛、樹脂焼成体、メソフェーズピッチ系炭素繊維又はメソフェーズ球状カーボンの焼成体などを挙げることができる。中でも、2500℃以上で黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭素繊維又はメソフェーズ球状カーボンを用いることが、電極容量を高くすることができるため好ましい。
金属酸化物としては、例えば、チタン含有金属複合酸化物、例えばSnB0.4P0.6O3.1やSnSiO3などのスズ系酸化物、例えばSiOなどのケイ素系酸化物、例えばWO3などのタングステン系酸化物などが挙げられる。これら金属酸化物の中で、金属リチウムに対する電位が0.5Vよりも高い負極活物質、例えばチタン酸リチウムのようなチタン含有金属複合酸化物を用いることが、電池を急速に充電した場合でも負極上でのリチウムデンドライトの発生を抑えることができ、ひいては劣化を抑えることができるため、好ましい。
チタン含有金属複合酸化物としては、例えば、酸化物合成時はリチウムを含まないチタン系酸化物、リチウムチタン酸化物、リチウムチタン酸化物の構成元素の一部を例えばNb、Mo,W,P、V、Sn、Cu、Ni及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の異種元素で置換したリチウムチタン複合酸化物などを挙げることができる。リチウムチタン酸化物としては、例えば、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えばLi4+xTi5O12(xは、充放電により0≦x≦3の範囲内で変化し得るものである))、ブロンズ構造(B)又はアナターゼ構造のチタン酸化物(例えばLixTiO2(0≦x≦1)、充電前の組成はTiO2)、ラムステライド型のチタン酸リチウム(例えばLi2+yTi3O7(yは、充放電により0≦y≦3の範囲内で変化し得るものである)、で表されるニオブチタン酸化物(例えばLixNbaTiO7(0≦x、より好ましい範囲は0≦x≦1、1≦a≦4))などを挙げることができる。
チタン系酸化物としては、TiO2、TiとP、V、Sn、Cu、Ni、Co及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素とを含有する金属複合酸化物などが挙げられる。TiO2はアナターゼ型で熱処理温度が300〜500℃の低結晶性のものが好ましい。TiとP、V、Sn、Cu、Ni、Co及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素とを含有する金属複合酸化物としては、例えば、TiO2−P2O5、TiO2−V2O5、TiO2−P2O5−SnO2、TiO2−P2O5−MeO(MeはCu、Ni、Co及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素)などを挙げることができる。この金属複合酸化物は、結晶相とアモルファス相とが共存もしくは、アモルファス相単独で存在したミクロ構造であることが好ましい。このようなミクロ構造であることによりサイクル性能が大幅に向上することができる。中でも、リチウムチタン酸化物、TiとP、V、Sn、Cu、Ni、Co及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有する金属複合酸化物が好ましい。
金属硫化物として硫化リチウム(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2、LixFeS2(ここで、0<x≦1である)などが挙げられる。金属窒化物としては、リチウムコバルト窒化物(LixCoyN(ここで、0<x<4、0<y<0.5である))などが挙げられる。
負極活物質としては、スピネル構造を有するチタン酸リチウムを使用することが望ましい。
導電剤としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛等を挙げることができる。
結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。
負極集電体としては、負極電位に応じて種々の金属箔等を用いることができるが、例えばアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、ステンレス箔、チタン箔、銅箔、ニッケル箔などが挙げられる。このときの箔の厚さは、8μm以上25μm以下であることが好ましい。また、負極電位が金属リチウムに対して0.3Vよりも貴となり得る場合、例えば負極活物質としてリチウムチタン酸化物を使用する場合、アルミニウム箔やアルミニウム合金箔を用いることが、電池重量を抑えることができるため好ましい。
アルミニウム箔及びアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は、50μm以下であることが好ましい。これにより、負極集電体の強度を飛躍的に増大させることができるため、負極を高いプレス圧で高密度化することが可能となり、電池容量を増大させることができる。また、高温環境下(40℃以上)における過放電サイクルでの負極集電体の溶解及び腐食劣化を防ぐことができるため、負極インピーダンスの上昇を抑制することができる。更に、出力特性、急速充電、充放電サイクル特性も向上させることができる。平均結晶粒径のより好ましい範囲は30μm以下であり、更に好ましい範囲は5μm以下である。
平均結晶粒径は次のようにして求められる。集電体表面の組織を光学顕微鏡で組織観察し、1mm×1mm内に存在する結晶粒の数nを求める。このnを用いてS=1x106/n(μm2)から平均結晶粒子面積Sを求める。得られたSの値から下記(A)式により平均結晶粒子径d(μm)を算出することができる。
d=2(S/π)1/2 (A)
平均結晶粒子径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など多くの因子に複雑に影響され、前記結晶粒子径(直径)は、製造工程の中で、前記諸因子を組み合わせて調整される。
d=2(S/π)1/2 (A)
平均結晶粒子径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔は、材料組成、不純物、加工条件、熱処理履歴ならび焼なましの加熱条件など多くの因子に複雑に影響され、前記結晶粒子径(直径)は、製造工程の中で、前記諸因子を組み合わせて調整される。
アルミニウム箔及びアルミニウム合金箔の厚さは、20μm以下であることが好ましく、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの少なくとも1種の元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は1%以下にすることが好ましい。なお、車載用の場合、アルミニウム合金箔を用いることが特に好ましい。
前記負極の活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、負極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤1.5〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
[2]正極
正極は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に分散させて得られる正極剤ペーストを、正極集電体の片側又は両面に塗布し、これを乾燥させることにより作製することができる。乾燥後、正極剤ペーストは、プレスを行うこともできる。
正極は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に分散させて得られる正極剤ペーストを、正極集電体の片側又は両面に塗布し、これを乾燥させることにより作製することができる。乾燥後、正極剤ペーストは、プレスを行うこともできる。
正極活物質としては、種々の酸化物、硫化物などが挙げられる。例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4又はLixMnO2(ここで、0≦x≦1.2である))、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2(ここで、0≦x≦1.2である))、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2(ここで、0≦x≦1.2である))、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCoyO2(ここで、0<y≦1である))、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnyCo1−yO2(ここで、0<y≦1である))、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2−yNiyO4(ここで、0≦x≦1.2であり、0<y≦1である))、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(LixFePO4、LixFe1−yMnyPO4、LixMnPO4、LixMn1−yFeyPO4、LixCoPO4など(ここで、0≦x≦1.2であり、0<y≦1である))、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)などが挙げられる。
また、正極活物質としては、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料、イオウ(S)、フッ化カーボンなどの有機材料及び無機材料も挙げることができる。
より好ましい正極活物質は、熱安定性の高いスピネル型マンガンリチウム(LixMn2O4(ここで、0≦x≦1.1である))、オリビン型リン酸鉄リチウム(LixFePO4(ここで、0≦x≦1である))、オリビン型リン酸マンガンリチウム(LixMnPO4(ここで、0≦x≦1である))、オリビン型リン酸マンガン鉄リチウム(LixMn1−yFeyPO4(ここで、0≦x≦1であり、0<y≦0.5である))などが挙げられる。
或いは、これらを二種以上混合したものも用いることができる。
導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、人工黒鉛、天然黒鉛、導電性ポリマー等を用いることができる。
結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、PVdFの水素もしくはフッ素のうち、少なくとも1つを他の置換基で置換した変性PVdF、フッ化ビニリデン−6フッ化プロピレンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−6フッ化プロピレンの3元共重合体等を用いることができる。
結着剤を分散させるための有機溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)等が使用される。
正極集電体としては、例えば厚さ8〜25μmのアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、ステンレス箔、チタン箔等を挙げることができる。
正極集電体は、アルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましく、負極集電体と同様にアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は50μm以下であることが好ましい。より好ましくは、アルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は30μm以下であり、更に好ましくは5μm以下である。前記平均結晶粒径が50μm以下であることにより、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔の強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。
平均結晶粒径の範囲が50μm以下の範囲にあるアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔は、材料組織、不純物、加工条件、熱処理履歴、ならびに焼鈍条件など複数の因子に複雑に影響され、前記結晶粒径は製造工程の中で、前記諸因子を組合せて調整される。
アルミニウム箔及びアルミニウム合金箔の厚さは、20μm以下であることが好ましく、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は1%以下にすることが好ましい。
前記正極の活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤1.5〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
[3]セパレータ
セパレータとしては、例えば、多孔質セパレータを用いることができる。多孔質セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、又はポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、又は両者からなる多孔質フィルムは、電池温度が上昇した場合に細孔を閉塞して充放電電流を大幅に減衰させるシャットダウン機能を付加しやすく、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。低コスト化の観点からは、セルロース系のセパレータを用いることが好ましい。
セパレータとしては、例えば、多孔質セパレータを用いることができる。多孔質セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、又はポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、又は両者からなる多孔質フィルムは、電池温度が上昇した場合に細孔を閉塞して充放電電流を大幅に減衰させるシャットダウン機能を付加しやすく、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。低コスト化の観点からは、セルロース系のセパレータを用いることが好ましい。
[4]非水電解質
非水電解質としては、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、Li(CF3SO2)3C、LiB[(OCO)2]2などから選ばれる一種以上のリチウム塩を0.5〜2mol/Lの範囲内にある濃度で有機溶媒に溶解した有機電解液が挙げられる。
非水電解質としては、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、Li(CF3SO2)3C、LiB[(OCO)2]2などから選ばれる一種以上のリチウム塩を0.5〜2mol/Lの範囲内にある濃度で有機溶媒に溶解した有機電解液が挙げられる。
有機溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)などの環状カーボネートや、ジエチレルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)などの鎖状カーボネートや、ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)などの鎖状エーテルや、テトラヒドロフラン(THF)、ジオキソラン(DOX)などの環状エーテルや、γ-ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)などの単独もしくは混合溶媒を用いることが好ましい。
また、非水電解質としては、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)を用いることもできる。リチウムイオンと有機物カチオンとアニオンから構成されるイオン性融体であり、100℃以下、好ましくは室温以下でも液状であるものを選択すると、広い動作温度の二次電池を得ることができる。
[5]ケース
ケースとして使用され得るステンレス部材の厚さは、0.2mm以下にすることが望ましい。例えば、ステンレス部材は、最内層に位置する熱融着性樹脂フィルム(熱可塑性樹脂フィルム)の上にステンレスからなる金属箔及び剛性を有する有機樹脂フィルムをこの順序で積層した複合フィルム材から構成することが可能である。
ケースとして使用され得るステンレス部材の厚さは、0.2mm以下にすることが望ましい。例えば、ステンレス部材は、最内層に位置する熱融着性樹脂フィルム(熱可塑性樹脂フィルム)の上にステンレスからなる金属箔及び剛性を有する有機樹脂フィルムをこの順序で積層した複合フィルム材から構成することが可能である。
熱融着性樹脂フィルムとしては、例えばポリエチレン(PE)フィルム、ポリプロピレン(PP)フィルム、ポリプロピレン−ポリエチレン共重合体フィルム、アイオノマーフィルム、エチレンビニルアセテート(EVA)フィルム等を用いることができる。また、前記剛性を有する有機樹脂フィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ナイロンフィルム等を用いることができる。
ケースは、電極群を収納する主部となり得る凹部及びこの凹部の外側の外郭部を有するケース本体と、蓋体とから構成されていてもよい。この場合、ケース本体と蓋体とは、シームレスで連続している一体部材であってもよい。
[6]電極リード
正極に電気的に接続され得る電極リード、すなわち正極リードとしては、例えばアルミニウム、チタン及びそれらをもとにした合金、ステンレスなどを用いることができる。
正極に電気的に接続され得る電極リード、すなわち正極リードとしては、例えばアルミニウム、チタン及びそれらをもとにした合金、ステンレスなどを用いることができる。
負極に電気的に接続され得る電極リード、すなわち負極リードとしては、例えばニッケル、銅及びそれらをもとにした合金などを用いることができる。負極電位が金属リチウムに対し1Vよりも貴な場合、例えば負極活物質としてチタン酸リチウムを使用した場合などは、負極リードの材料としてアルミニウムあるいはアルミニウム合金を用いることができる。この場合、正極リード及び負極リード共に、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが、軽量かつ電気抵抗を小さく抑えることができるため好ましい。
正極リード及び負極リードは、機械的特性の観点では、それに接続される正極集電体又は負極集電体の強度を大きく超えて高強度でない方が、接続部分の応力集中が緩和されるため好ましい。集電体との接続手段として、好ましい方法の一つである超音波溶接を適用した場合、正極リードあるいは負極リードのヤング率が小さい方が、強固な溶接を容易に行うことが可能となる。
例えば焼鈍処理した純アルミ(JIS1000番台)は、正極リード又は負極リードの材料として好ましい。
正極リードの厚さは、0.1〜1mmにすることが望ましく、より好ましい範囲は、0.2〜0.5mmである。
負極リードの厚さは、0.1〜1mmにすることが望ましく、より好ましい範囲は、0.2〜0.5mmである。
上記構成の第1の実施形態に係る非水電解質電池1では、バイポーラ電極8と、非水電解質層13とを具備する。バイポーラ電極8は、集電体10と、集電体10の一面側の正極活物質層11と、集電体10の他面側の負極活物質層12とを有する。バイポーラ電極8は、正極活物質層11の位置が負極活物質層12の位置と集電体10の厚さ方向に重ならない位置に配置している。そして、バイポーラ電極8を非水電解質層13を介して複数積層させた積層体9を設けている。積層体9は、バイポーラ電極8の正極活物質層11および負極活物質層12のいずれか一方と、バイポーラ電極8と積層方向に隣接する他のバイポーラ電極8の正極活物質層11および負極活物質層12のいずれか他方とを対向配置させた状態で順次、積層している。さらに、バイポーラ電極8の積層体9を渦巻き状に巻回している第1の形態の積層体9を形成し、この第1の形態の積層体9を外装部材2内に収納した。そのため、上記構成により、小体積ながらバイポーラ型電池である非水電解質電池1の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる。
図9および図10は、非水電解質電池の第2の実施形態を示す。本実施形態は、バイポーラ電極8の積層体9を渦巻き状に巻回する巻回方向を第1の実施形態の巻回方向とは異なる方向に巻回したものである。すなわち、本実施形態では、図10に示すように積層体9の電池セル横並び方向(第1の実施形態の積層体9の巻回方向と直交する方向)に積層体9を渦巻き状に巻回する構成にした。
本実施形態のバイポーラ電極8の積層体9は、電極群3の一端側(図9中で上端側)の電極群3の外周面に1つの正極用の集電用タブ15aが形成されている。さらに、電極群3の図9中で上端側中央位置に1つの負極用の集電用タブ15bが形成されている。これらの集電タブ15a、15bは、電極群3の渦巻きの中心軸の軸方向と平行に突出させている。
なお、電極群3の電池セルの並設個数や、各電池セルの面積などは使用条件や、用途に応じて適宜、設定可能である。
本実施形態の非水電解質電池であっても第1の実施形態の非水電解質電池1と同様に小体積ながらバイポーラ型電池である非水電解質電池1の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる。
図11は、第3の実施形態の非水電解質電池のバイポーラ電極8の積層体9の概略構成を示す斜視図である。本実施形態は、図5に示すバイポーラ電極8の積層体9を一方向に所定の長さで複数に区分けし、各区分け部分21間を順次、互い違いにそれぞれ折り曲げてつづら折り状に折り畳んで重ねてある第2の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成したものである。
ここでは、図11に示すように電極群3の一端側(図12中で上端側)の端部に1つの正極用の集電用タブ15aが形成されている。電極群3の他端側(図12中で下端側)の端部に1つの負極用の集電用タブ15bが設けられている。
本実施形態のバイポーラ電極8の電極群3は、ほぼ矩形状の外装部材(ケース)内に収納されている。
本実施形態では、図5に示すバイポーラ電極8の積層体9をつづら折り状に折り畳んで重ねてある第2の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成したことで、小体積ながらバイポーラ型電池である非水電解質電池1の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる。
図12は、第4の実施形態の非水電解質電池のバイポーラ電極8の積層体9の概略構成を示す斜視図である。本実施形態は、図12に示すように積層体9の電池セル横並び方向(第3の実施形態の積層体9のつづら折り状に折り畳み方向と直交する方向)に積層体9をつづら折り状に折り畳む構成にした。
そして、図12に示すようにバイポーラ電極8の電極群3の一端側(図12中で上端側)の端部に1つの正極用の集電用タブ15aが形成されている。バイポーラ電極8の電極群3の他端側(図12中で下端側)の端部に1つの負極用の集電用タブ15bが設けられている。
本実施形態でも第3の実施形態のバイポーラ電極8の電極群3と同様に、図5に示すバイポーラ電極8の積層体9をつづら折り状に折り畳んで重ねてある第2の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成している。これにより、第3の実施形態と同様に、小体積ながらバイポーラ型電池である非水電解質電池1の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる。
図13は、第5の実施形態の非水電解質電池のバイポーラ電極の電極群の概略構成を示す斜視図である。本実施形態は、集電体10の一面側に正極活物質層11が形成され、集電体10の他面側に負極活物質層12が形成された単一構造のバイポーラ電極8を一方向に所定の長さで複数に区分けし、各区分け部分31間を順次、互い違いにそれぞれ折り曲げてつづら折り状に折り畳んで重ねてある第2の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成したものである。
本実施形態でも第3、第4の実施形態のバイポーラ電極8の電極群3と同様に、小体積ながらバイポーラ型電池である非水電解質電池1の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができ、液絡を防止し、作製を簡易にすることができる。
なお、バイポーラ電極8の負極活物質層12と正極活物質層11との間に、非水電解質層(セパレータ)13を介してバイポーラ電極8を厚さ方向に複数段積層させた積層体を設け、この積層体を一方向に所定の長さで複数に区分けし、各区分け部分31間を順次、互い違いにそれぞれ折り曲げてつづら折り状に折り畳んで重ねてある第2の形態のバイポーラ電極8の電極群3を構成してもよい。
また、図14は、上記第1〜5の実施形態のいずれかの非水電解質電池1を組み込んだ電池パック90の概略構成を示す分解斜視図である。図15は、図14の電池パック90の電気回路を示すブロック図である。図14及び図15に示す電池パック90は、複数個の単電池91を備える。単電池91は、上記第1〜5の実施形態で説明した非水電解質電池1である。
複数の単電池91は、外部に延出した負極端子63及び正極端子64が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ65で締結することにより組電池66を構成している。これらの単電池91は、図15に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板67は、単電池91の負極端子63及び正極端子64が延出する側面に対向して配置されている。プリント配線基板67には、図15に示すようにサーミスタ68、保護回路69及び外部機器への通電用端子70が搭載されている。なお、組電池66と対向するプリント配線基板67の面には組電池66の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
正極側リード71は、組電池66の最下層に位置する正極端子64に接続され、その先端はプリント配線基板67の正極側コネクタ72に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード73は、組電池66の最上層に位置する負極端子63に接続され、その先端はプリント配線基板67の負極側コネクタ74に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ72及び74は、プリント配線基板67に形成された配線75及び76を通して保護回路69に接続されている。
サーミスタ68は、単電池91の温度を検出し、その検出信号は保護回路69に送信される。保護回路69は、所定の条件で保護回路69と外部機器への通電用端子70との間のプラス側配線77a及びマイナス側配線77bを遮断できる。所定の条件の一例とは、例えば、サーミスタ68の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件の他の例とは、例えば、単電池91の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池91もしくは組電池66全体について行われる。
個々の単電池91を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池91中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図14及び図15の電池パック90の場合、単電池91それぞれに電圧検出のための配線78が接続されている。これら配線78を通して検出信号が保護回路69に送信される。
正極端子64及び負極端子63が突出する側面を除く組電池66の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート79がそれぞれ配置されている。
組電池66は、各保護シート79及びプリント配線基板67と共に収納容器80内に収納される。すなわち、収納容器80の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート79が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板67が配置される。組電池66は、保護シート79及びプリント配線基板67で囲まれた空間内に位置する。蓋81は、収納容器80の上面に取り付けられている。
なお、組電池66の固定には粘着テープ65に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池66の両側面に保護シート79を配置し、熱収縮チューブを周回させた後、熱収縮チューブを熱収縮させて組電池66を結束させる。
図14及び図15では単電池91を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パック90を直列及び/又は並列に接続することもできる。
また、電池パック90の態様は用途により適宜変更される。電池パック90の用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的な用途としては、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。電池パック90は、特に、車載用が好適である。
これらの実施形態によれば、集電体の一方の板面に正極活物質層、同他方の板面に負極活物質をそれぞれ形成するバイポーラ型電池の高エネルギー密度化と低抵抗化を図ることができるバイポーラ型電池とその製造方法及び電池パックを提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1…非水電解質電池、2…外装部材、3…電極群、8…バイポーラ電極、8a〜8f…単位要素、9…積層体、10…集電体、11…正極活物質層、12…負極活物質層、13…非水電解質層、14…電池セル、15…集電タブ、90…電池パック、91…単電池。
Claims (7)
- 集電体と、
前記集電体の一面側に形成された正極活物質層と、
前記集電体の他面側に形成された負極活物質層とを有し、前記正極活物質層の位置が前記負極活物質層の位置と前記集電体の厚さ方向に重ならない位置に配置されるバイポーラ電極の単位要素を複数有し、
少なくとも前記バイポーラ電極の単位要素の前記正極活物質層または前記負極活物質層は、異なる前記バイポーラ電極の単位要素の前記正極活物質層または前記負極活物質層と前記正極活物質層と前記負極活物質層とを隔離するための非水電解質層とを介して積層されたバイポーラ電極を具備し、
前記バイポーラ電極を積層された前記単位要素の配置方向とは異なる方向に渦巻き状に巻回している第1の形態、または前記バイポーラ電極を複数の前記単位要素毎に一方向に所定の長さで複数に区分けされ、各区分け部分間を順次、互い違いにそれぞれ折り曲げている第2の形態のいずれか一方である非水電解質電池。 - 前記集電体は、アルミニウムを用いている請求項1に記載の非水電解質電池。
- 前記正極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出可能である請求項1に記載の非水電解質電池。
- 前記集電体は、長尺の板状であり、前記集電体の長手方向の中央位置を段状に屈曲させた屈曲段部を有し、前記集電体の前記屈曲段部の片方側に形成された正極活物質層と、前記集電体の前記屈曲段部の他方側に形成された負極活物質層とを有する請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質電池。
- 請求項1に記載の非水電解質電池を含む電池パック。
- 通電用の外部端子と、保護回路とをさらに含む請求項5に記載の電池パック。
- 請求項5または6の何れか1項に記載の電池パックを搭載した自動車。
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