JP6844403B2 - 積層電池 - Google Patents

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Description

本発明は積層型の電池に関する。
電池が外部から破壊された場合の安全性を評価する試験として釘刺し試験が知られている。釘刺し試験は、導電性の釘を刺して電池を貫通させ、発電要素内で内部短絡が生じたときの温度上昇等を観察する試験である。
特許文献１には、２つの絶縁層と当該２つの絶縁層の間に配置された導電層とからなる保護要素を発電要素の外部に設けた電池が開示されている。特許文献１においては、釘刺し試験時、保護要素が先行短絡層として機能する。すなわち、釘刺し試験時、発電要素よりも先に保護要素を短絡させ、発電要素が短絡する前に、発電要素の放電を進行させることで、発電要素の内部における温度上昇を抑制するものである。特許文献２〜４にも、電池の内部短絡による熱の発生を抑制するための種々の技術が開示されている。
特許第６０２７２６２号公報 特開平１１−０９７０６６号公報 特開２００９−０８７６００号公報 特開２０１５−１５６３２３号公報
本発明者らは、発電要素を複数積層しつつ電気的に並列に接続した積層電池において、釘刺し試験によって発電要素を短絡させると、一部の発電要素から他の発電要素へと電子が流れ込み（以下、これを「回り込み電流」という場合がある。）、一部の発電要素の温度が局所的に上昇し、電池材料が劣化してしまうという課題に直面した。例えば、複数の発電要素に対して釘刺しを行った場合、短絡抵抗が小さい発電要素と、短絡抵抗が大きい発電要素（短絡していない発電要素を含む）とが混在し、短絡抵抗が小さい発電要素へと回り込み電流が集中してしまう。
本発明者らは、上記の課題を解決するための手段に関して鋭意研究を進めた結果、以下の複数の知見を得た。
（１）積層電池において、発電要素とは別に短絡電流分散体を設け、釘刺し試験において一部の発電要素とともに短絡電流分散体も短絡させ、短絡抵抗が大きい発電要素からの回り込み電流を、短絡抵抗が小さい発電要素だけでなく、短絡抵抗が小さい短絡電流分散体へと分散させることで、一部の発電要素の温度が局所的に上昇することを抑制できる。
（２）釘刺し試験による短絡時、発電要素の抵抗よりも短絡電流分散体の抵抗が小さいほど、発電要素よりも短絡電流分散体により多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素の内部において局所的に温度が上昇することを抑制できる。
（３）釘刺し試験による短絡時、発電要素の抵抗よりも短絡電流分散体の抵抗を小さくするためには、発電要素の集電タブの電気抵抗よりも、短絡電流分散体の集電タブの電気抵抗を小さくすることが有効である。
以上の知見に基づき、本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
少なくとも一つの短絡電流分散体と複数の発電要素との積層体を備える積層電池であって、前記短絡電流分散体において第１の集電体層と第２の集電体層と前記第１の集電体層及び前記第２の集電体層の間に設けられた絶縁層とが積層され、前記第１の集電体層が第１の集電タブを備え、前記第２の集電体層が第２の集電タブを備え、前記発電要素において正極集電体層と正極材層と電解質層と負極材層と負極集電体層とが積層され、前記正極集電体層が正極集電タブを備え、前記負極集電体層が負極集電タブを備え、前記正極集電タブ同士及び前記負極集電タブ同士が電気的に接続されることで、複数の前記発電要素同士が電気的に並列に接続されており、前記第１の集電体層が前記第１の集電タブを介して前記正極集電体層と電気的に接続されており、前記第２の集電体層が前記第２の集電タブを介して前記負極集電体層と電気的に接続されており、前記第１の集電タブにおける電気抵抗と前記第２の集電タブにおける電気抵抗との合計が、前記正極集電タブにおける電気抵抗と前記負極集電タブにおける電気抵抗との合計よりも小さい、積層電池
を開示する。
「集電タブにおける電気抵抗」とは、集電タブの表面に何らかの層（例えば、後述するような、集電体タブよりも比抵抗の大きい材料からなる層や、集電タブと比抵抗が同じ材料からなる層等）が設けられている場合、当該集電タブと当該何らかの層との全体としての電気抵抗を意味する。
本開示の積層電池において、前記第１の集電タブの比抵抗が前記正極集電タブの比抵抗よりも小さく、前記第２の集電タブの比抵抗が前記負極集電タブの比抵抗よりも小さいことが好ましい。
本開示の積層電池において、前記積層体から前記正極集電タブ及び前記負極集電タブが複数突出しており、前記積層体から突出した複数の前記正極集電タブ同士の間に、該正極集電タブよりも比抵抗の大きい材料からなる層が挟み込まれており、前記積層体から突出した複数の前記負極集電タブ同士の間に、該負極集電タブよりも比抵抗の大きい材料からなる層が挟み込まれていることも好ましい。
本開示の積層電池において、短絡電流分散体を複数備え、且つ、前記積層体から前記第１の集電タブ及び前記第２の集電タブが複数突出しており、前記積層体から突出した複数の前記第１の集電タブ同士の間に、該第１の集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記積層体から突出した複数の前記第２の集電タブ同士の間に、該第２の集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記積層体から前記正極集電タブ及び前記負極集電タブが複数突出しており、前記積層体から突出した複数の前記正極集電タブ同士の間に、該正極集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記積層体から突出した複数の前記負極集電タブ同士の間に、該負極集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記第１の集電タブにおける溶接面積が前記正極集電タブにおける溶接面積よりも大きく、前記第２の集電タブにおける溶接面積が前記負極集電タブにおける溶接面積よりも大きいことも好ましい。
「溶接面積」とは、集電タブと当該集電体と同じ材料からなる層との界面において、溶接によってタブと層とが強固に接合された面積をいう。すなわち、溶接面積が大きいほど、タブと層との接合面積が大きい。
本開示の積層電池において、前記第１の集電タブの厚みが前記正極集電タブの厚みよりも大きく、前記第２の集電タブの厚みが前記負極集電タブの厚みよりも大きいことも好ましい。
本開示の積層電池において、前記第１の集電タブの幅が前記正極集電タブの幅よりも広く、前記第２の集電タブの幅が前記負極集電タブの幅よりも広いことも好ましい。
本開示の積層電池においては、短絡電流分散体に設けられた集電タブにおける電気抵抗が、発電要素に設けられた集電タブにおける電気抵抗よりも小さい。これにより、釘刺し試験における短絡電流分散体及び発電要素の短絡時、発電要素よりも短絡電流分散体により大きな回り込み電流を流すことができる。
積層電池１００の層構成を説明するための概略図である。 釘刺し試験における積層電池１００の内部短絡の状態の一例を説明するための概略図である。 釘刺し試験における積層電池１００の等価回路の一例を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０及び発電要素２０に設けられる集電タブの一例（第１実施形態）を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０及び発電要素２０に設けられる集電タブの一例（第２実施形態）を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０及び発電要素２０に設けられる集電タブの一例（第３実施形態）を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０及び発電要素２０に設けられる集電タブの一例（第４実施形態）を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０及び発電要素２０に設けられる集電タブの一例（第５実施形態）を説明するための概略図である。 短絡電流分散体１０の構成材の一例を説明するための概略図である。
１．積層電池
図１に、積層電池１００の層構成を概略的に示す。図１においては、説明の便宜上、電池ケース等を省略して示している。
図１に示すように、積層電池１００は、少なくとも一つの短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層体３０を備える。短絡電流分散体１０において第１の集電体層１１と第２の集電体層１２と第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２の間に設けられた絶縁層１３とが積層され、第１の集電体層１１が第１の集電タブ１１ａを備え、第２の集電体層１２が第２の集電タブ１２ａを備えている。発電要素２０において正極集電体層２１と正極材層２２と電解質層２３と負極材層２４と負極集電体層２５とが積層され、正極集電体層２１が正極集電タブ２１ａを備え、負極集電体層２５が負極集電タブ２５ａを備えている。積層電池１００においては、正極集電タブ２１ａ、２１ａ、…同士及び負極集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士が電気的に接続されることで複数の発電要素２０、２０、…同士が電気的に並列に接続されている。また、第１の集電体層１１は第１の集電タブ１１ａを介して正極集電体層２１と電気的に接続されており、第２の集電体層１２は第２の集電タブ１２ａを介して負極集電体層２５と電気的に接続されている。積層電池１００においては、第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗と第２の集電タブ１２ａにおける電気抵抗との合計が、正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗と負極集電タブ２５ａにおける電気抵抗との合計よりも小さいことに一つの特徴がある。
１．１．短絡電流分散体１０
短絡電流分散体１０は、第１の集電体層１１と、第２の集電体層１２と、第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２の間に設けられる絶縁層１３と、を備える。このような構成を備えた短絡電流分散体１０は、電池の通常使用時において第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とが絶縁層１３によって適切に絶縁される一方で、釘刺しによる短絡時には第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とが接触して電気抵抗が小さくなる。
１．１．１．第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２
第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。特に金属箔が好ましい。集電体層１１、１２を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、ステンレス鋼等が挙げられる。第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２は、その表面に、電気抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよい。例えば、炭素コート等である。
第１の集電体層１１及び第２の集電体層１２の厚みは特に限定されるものではない。例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。集電体層１１、１２の厚みをこのような範囲とした場合、釘刺し試験時、集電体層１１、１２を互いにより適切に接触させることができ、短絡電流分散体１０の短絡抵抗を一層小さなものとすることができる。
第１の集電体層１１は集電タブ１１ａを備えており、第２の集電体層１２は集電タブ１２ａを備えている。後述するように、第１の集電体層１１は集電タブ１１ａを介して発電要素２０の正極集電体層２１に電気的に接続され、第２の集電体層１２は集電タブ１２ａを介して発電要素２０の負極集電体層２５に電気的に接続される。第１の集電タブ１１ａは第１の集電体層１１と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、第２の集電タブ１２ａは第２の集電体層１２と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、第１の集電タブ１１ａは第１の集電体層１１と同じ厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。さらに、第２の集電タブ１２ａは第２の集電体層１２と同じ厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。いずれにしても、本開示の積層電池１００においては、釘刺し試験時、短絡電流分散体１０へとより多くの回り込み電流を流す観点から、第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗と第２の集電タブ１２ａにおける電気抵抗との合計が、正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗と負極集電タブ２５ａにおける電気抵抗との合計よりも小さいことが重要である。各集電タブの構成について、詳しくは後述する。
１．１．２．絶縁層１３
積層電池１００において、絶縁層１３は、電池の通常使用時において、第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とを絶縁するものであればよい。絶縁層１３は、有機材料からなる絶縁層であっても、無機材料からなる絶縁層であっても、有機材料と無機材料とが混在する絶縁層であってもよい。特に、有機材料からなる絶縁層が好ましい。通常使用時に割れによる短絡が発生する確率が低いという観点から有利だからである。
絶縁層１３を構成し得る有機材料としては各種樹脂が挙げられる。例えば、各種熱可塑性樹脂や各種熱硬化性樹脂である。特にポリイミド等の熱硬化性樹脂が好ましい。通常、熱硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂よりも熱安定性が高く、且つ、硬質で脆い。すなわち、熱硬化性樹脂により絶縁層１３を構成した場合、短絡電流分散体１０の釘刺しを行った場合、絶縁層１３が容易に破断し、第１の集電体層１１や第２の集電体層１２の変形に対して絶縁層１３が追従することを抑制でき、第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とをより容易に接触させることができる。また、絶縁層１３の温度が過度に上昇したとしても熱分解を抑制できる。
絶縁層１３を構成し得る無機材料としては各種セラミックが挙げられる。例えば、無機酸化物である。尚、表面に酸化物被膜を有する金属箔によって絶縁層１３を構成してもよい。例えば、アルマイト処理によって、アルミニウム箔の表面に陽極酸化皮膜を形成することで、表面に酸化アルミニウム被膜を有するアルミニウム箔が得られる。この場合、酸化皮膜の厚みは０．０１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。下限がより好ましくは０．１μｍ以上であり、上限がより好ましくは１μｍ以下である。
絶縁層１３の厚みは特に限定されるものではない。例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。絶縁層１３の厚みをこのような範囲とした場合、電池の通常使用時、第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とをより適切に絶縁することができるとともに、釘刺し等の外部応力による変形によって第１の集電体層１１と第２の集電体層１２とをより適切に導通させて、内部短絡させることができる。
１．２．発電要素２０
発電要素２０は、正極集電体層２１と正極材層２２と電解質層２３と負極材層２４と負極集電体層２５とが積層されてなる。すなわち、発電要素２０は単電池として機能し得る。
１．２．１．正極集電体層２１
正極集電体層２１は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。特に金属箔が好ましい。正極集電体層２１を構成する金属としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、ステンレス鋼等が挙げられる。正極集電体層２１は、その表面に、電気抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよい。例えば、炭素コート等である。正極集電体層２１の厚みは特に限定されるものではない。例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
正極集電体層２１は正極集電タブ２１ａを備える。正極集電タブ２１ａにより、正極集電体層２１同士を容易に電気的に並列に接続することができる。正極集電タブ２１ａは正極集電体層２１と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、正極集電タブ２１ａは正極集電体層２１と同じ厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。正極集電タブ２１ａの構成について、詳しくは後述する。
１．２．２．正極材層２２
正極材層２２は、少なくとも活物質を含む層である。積層電池１００を全固体電池とする場合は、活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含ませることができる。また、積層電池１００を電解液系の電池とする場合は、活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含ませることができる。活物質は公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位（充放電電位）の異なる２つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を正極活物質とし、卑な電位を示す物質を後述の負極活物質として、それぞれ用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物等の各種のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。積層電池１００を全固体電池とする場合は、正極活物質は表面がニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の酸化物層で被覆されていてもよい。また、積層電池１００を全固体電池とする場合、固体電解質は無機固体電解質が好ましい。有機ポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高いためである。また、有機ポリマー電解質と比較して、耐熱性に優れるためである。さらに、有機ポリマー電解質と比較して、釘刺し時に発電要素２０に加わる圧力が高圧となり、本開示の積層電池１００による効果が顕著となるためである。例えば、ランタンジルコン酸リチウム等の酸化物固体電解質やＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物固体電解質が挙げられる。特に、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５を含む硫化物固体電解質が好ましく、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５を５０モル％以上含む硫化物固体電解質がより好ましい。バインダーはブタジエンゴム（ＢＲ）、アクリレートブタジエンゴム（ＡＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の種々のバインダーを用いることができる。導電助剤としてはアセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。正極材層２２における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極材層２２の形状も従来と同様とすればよい。特に、積層電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の正極材層２２が好ましい。この場合、正極材層２２の厚みは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１５０μｍ以下であることがより好ましい。
１．２．３．電解質層２３
電解質層２３は、少なくとも電解質を含む層である。積層電池１００を全固体電池とする場合、電解質層２３は、固体電解質と任意にバインダーとを含ませることができる。固体電解質は上述した無機固体電解質が好ましい。バインダーは正極材層２２に用いられるバインダーと同様のものを適宜選択して用いることができる。固体電解質層２３における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層２３の形状も従来と同様とすればよい。特に、積層電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の固体電解質層２３が好ましい。この場合、固体電解質層２３の厚みは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。一方で、積層電池１００を電解液系電池とする場合、電解質層２３は電解液とセパレータとを含む。これら電解液やセパレータについては当業者にとって自明であることから、ここでは詳細な説明を省略する。
１．２．４．負極材層２４
負極材層２４は、少なくとも活物質を含む層である。積層電池１００を全固体電池とする場合は、活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含ませることができる。また、積層電池１００を電解液系の電池とする場合は、活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含ませることができる。活物質は公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位（充放電電位）の異なる２つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を上述の正極活物質とし、卑な電位を示す物質を負極活物質として、それぞれ用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてグラファイトやハードカーボン等の炭素材料や、チタン酸リチウム等の各種酸化物、ＳｉやＳｉ合金、或いは、金属リチウムやリチウム合金を用いることができる。固体電解質、バインダー及び導電助剤は正極材層２２に用いられる固体電解質と同様のものを適宜選択して用いることができる。負極材層２４における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極材層２４の形状も従来と同様とすればよい。特に、積層電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の負極材層２４が好ましい。この場合、負極材層２４の厚みは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。ただし、負極の容量が正極の容量よりも大きくなるように、負極材層２４の厚みを決定することが好ましい。
１．２．５．負極集電体層２５
負極集電体層２５は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。特に金属箔が好ましい。負極集電体層２５を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、ステンレス鋼等が挙げられる。負極集電体層２５は、その表面に、接触抵抗を調整するための何らかのコート層を有していてもよい。例えば、炭素コート等である。負極集電体層２５の厚みは特に限定されるものではない。負極集電体２５の厚みは特に限定されるものではない。例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
負極集電体層２５は負極集電タブ２５ａを備える。負極集電タブ２５ａにより、負極集電体層２５同士を容易に電気的に並列に接続することができる。負極集電タブ２５ａは負極集電体層２５と同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、負極集電タブ２５ａは負極集電体層２５と同じ厚みであってもよいし、異なる厚みであってもよい。負極集電タブ２５ａの構成について、詳しくは後述する。
１．３．短絡電流分散体及び発電要素の配置や接続形態
１．３．１．発電要素の数や配置
積層電池１００において、発電要素２０の積層数は特に限定されるものではなく、目的とする電池の出力に応じて、適宜決定すればよい。この場合、複数の発電要素２０が互いに直接接触するように積層されていてもよいし、複数の発電要素２０が何らかの層（例えば絶縁層）や間隔（空気層）を介して積層されていてもよい。図１では、説明の便宜上、発電要素２０ｂと発電要素２０ｃとの間、発電要素２０ｄと発電要素２０ｅとの間、及び、発電要素２０ｆと発電要素２０ｇとの間に、それぞれ間隔をあけるものとしたが、複数の発電要素２０の間に間隔は必要ない。電池の出力密度を向上させる観点からは、複数の発電要素２０が互いに直接接触するように積層されていることが好ましい。また、図１に示すように、２つの発電要素２０ａ、２０ｂが、負極集電体２５を共用していることが好ましい。このようにすることで、電池の出力密度が一層向上する。さらに、図１に示すように、積層電池１００においては、複数の発電要素２０の積層方向と、発電要素２０における各層２１〜２５の積層方向とを一致させることが好ましい。このようにすることで、積層電池１００の拘束が容易となり、電池の出力密度が一層向上する。
１．３．２．発電要素同士の電気的接続
積層電池１００において、正極集電タブ２１ａ、２１ａ…同士及び負極集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士が電気的に接続されることで、複数の発電要素２０、２０、…同士が電気的に並列に接続されている。このように並列に接続された発電要素においては、一の発電要素が短絡した場合に、他の発電要素から当該一の発電要素へと集中して電子が流れ込む。すなわち、電池短絡時にジュール発熱が大きくなり易い。言い換えれば、このように並列接続された複数の発電要素２０、２０、…を備える積層電池１００において、上記した課題が生じ得る。
１．３．３．短絡電流分散体と発電要素との電気的接続
積層電池１００において、短絡電流分散体１０の第１の集電体層１１が第１の集電タブ１１ａを介して発電要素２０の正極集電体層２１と電気的に接続されており、短絡電流分散体１０の第２の集電体層１２が第２の集電タブ１２ａを介して発電要素２０の負極集電体層２５と電気的に接続されている。このように、短絡電流分散体１０と発電要素２０とを電気的に接続することで、短絡電流分散体１０及び一部の発電要素（例えば、発電要素２０ａ）の短絡時に、他の発電要素（例えば発電要素２０ｂ）から短絡電流分散体１０へと大きな回り込み電流を発生させることができる。
１．３．４．タブの集箔
図１においては、説明の便宜上、集電タブ同士が紙面上下方向に伸びる導電部材によって間接的に接続される形態について示したが、このような導電部材を用いずとも、集電タブ同士の集泊（タブを集めて束ねること）を行うことで、集電タブ同士を直接的に接続することも可能である。すなわち、集電タブ１１ａ、２１ａは、一箇所に集められ束ねられていてもよい。同様に、集電タブ１２ａ、２５ａについても、一箇所に集められ束ねられていてもよい。タブの集箔の仕方については、当業者にとって自明な事項であることからここでは詳細な説明を省略する。
１．３．５．短絡電流分散体と発電要素との位置関係
少なくとも一つの短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…とは、互いに積層されていればよい。この場合、短絡電流分散体１０と発電要素とを直接積層してもよいし、他の層（絶縁層や断熱層等）を介して間接的に積層してもよい。短絡電流分散体１０は、複数の発電要素２０、２０、…の外側に積層されていてもよいし、複数の発電要素２０、２０、…の間に積層されていてもよいし、複数の発電要素２０、２０、…の外側と複数の発電要素２０、２０、…の間との双方に積層されていてもよい。特に、図１に示すように、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…とを積層した場合において、短絡電流分散体１０が複数の発電要素２０、２０、…よりも外側に少なくとも設けられていることが好ましい。これにより、釘刺し試験時、短絡電流分散体１０が発電要素２０、２０、…よりも先に短絡し、発電要素２０から短絡電流分散体１０へと回り込み電流を発生させることができ、発電要素２０の内部における発熱を抑制できる。
釘刺しによる電池の短絡が発生し易いのは、釘が発電要素２０の正極集電体層２１から負極集電体層２５に向かって（或いは、負極集電体層２５から正極集電体層２１に向かって）刺された場合である。すなわち、積層電池１００においては、釘刺し方向と、各層の積層方向とを一致させることが好ましい。より具体的には、積層電池１００において、発電要素２０における正極集電体層２１と正極材層２２と電解質層２３と負極材層２４と負極集電体層２５との積層方向、複数の発電要素２０の積層方向、短絡電流分散体１０における第１の集電体層１１と絶縁層１３と第２の集電体層１２との積層方向、及び、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層方向、が同じ方向であることが好ましい。このような構成とした場合において、より顕著な効果が奏される。
１．３．６．短絡電流分散体と発電要素との大きさの関係
積層電池１００においては、短絡電流分散体１０が、発電要素２０のできるだけ多くの部分を覆っていることで、釘刺し時に、発電要素２０よりも先に短絡電流分散体１０を短絡させ易くなる。この観点からは、例えば、積層電池１００においては、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層方向から見た時に、短絡電流分散体１０の外縁が発電要素２０、２０、…の外縁よりも外側に存在していることが好ましい。或いは、図１に示すように、複数の発電要素２０、２０、…の積層方向と発電要素２０における各層２１〜２５の積層方向とが同じである場合において、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層方向から見た時に、短絡電流分散体１０の外縁が正極材層２２、電解質層２３及び負極材層２４の外縁よりも外側に存在することが好ましい。ただし、この場合、短絡電流分散体１０の第１の集電体層１１と発電要素２０の負極集電体層２５とが短絡しないようにする。すなわち、短絡電流分散体１０と発電要素２０との間に絶縁体等を設け、短絡電流分散体１０を大きくしても、短絡電流分散体１０と発電要素２０との短絡を防止可能とする。
一方で、電池のエネルギー密度をより高める観点及び上記した短絡電流分散体１０と発電要素２０との短絡を容易に防止できる観点からは、短絡電流分散体１０をできるだけ小さくするとよい。すなわち、この観点からは、積層電池１００においては、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層方向から見た時に、短絡電流分散体１０の外縁が発電要素２０、２０、…の外縁よりも内側に存在することが好ましい。或いは、複数の発電要素２０、２０、…の積層方向と発電要素２０における各層２１〜２５の積層方向とが同じである場合において、短絡電流分散体１０と複数の発電要素２０、２０、…との積層方向から見た時に、短絡電流分散体１０の外縁が正極材層２２、電解質層２３及び負極材層２４の外縁よりも内側に存在することが好ましい。
１．４．積層電池１００の作用・効果
図２、３を参照しつつ、積層電池１００による作用・効果についてより詳細に説明する。図２、３においては、積層電池１００に対して釘刺し試験を行った場合に、短絡電流分散体１０と発電要素２０ａ、２０ｂとが短絡し、発電要素２０ｃ及び２０ｄは短絡しないものとする。また、図３に示す等価回路において、短絡電流分散体１０の短絡抵抗Ｒ５と、発電要素２０ａ及び２０ｂの短絡抵抗Ｒ６とが同等（Ｒ５＝Ｒ６）と仮定する。また、未短絡である発電要素２０ｃ、２０ｄは抵抗Ｒ６として大きな値を維持するとともに引き続きタブを介して外部へと電力を供給するものとする。このような場合、短絡電流分散体１０の第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗Ｒ１と第２の集電タブ１２ａにおける電気抵抗Ｒ２との合計Ｒ１＋Ｒ２が、正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗Ｒ３と負極集電タブ２５ａにおける電気抵抗Ｒ４との合計Ｒ３＋Ｒ４よりも小さければ、発電要素２０ｃ、２０ｄから短絡電流分散体１０の方へと多くの回り込み電流が流れ込むこととなる。すなわち、積層電池１００によれば、釘刺し試験時、発電要素２０に流れ込む電流が抑制され、発電要素２０の温度上昇を抑制することができる。
２．集電タブの具体例
以下、上記の作用・効果を奏する集電タブの好ましい具体例を示す。
２．１．第１実施形態
図４に第１実施形態に係る集電体層及び集電タブの形態例を示す。図４においては、集電体層及び集電タブについて、図１の紙面上下方向から見た形状を示している。図４（Ａ）、（Ｂ）に、短絡電流分散体１０を構成する第１の集電体層１１の形状及び第２の集電体層１２の形状の一例を示す。図４（Ｃ）、（Ｄ）に発電要素２０を構成する正極集電体層２１の形状及び負極集電体層２５の形状の一例を示す。
図４に示すように、各集電体層１１、１２、２１、２５は、各々、外縁の一部に集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａを備えている。ここで、第１の集電タブ１１ａの比抵抗が正極集電タブ２１ａの比抵抗よりも小さく、第２の集電タブ１２ａの比抵抗が負極集電タブ２５ａの比抵抗よりも小さい。これにより、第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗を正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗よりも小さなものとし、第２の集電タブ１２ａにおける電気抵抗を負極集電タブ２５ａにおける電気抵抗よりも小さなものとしている。下記表１に、集電タブを構成し得る材料の一例とともに、その材料が有する比抵抗を示す。
表１から、例えば、第１の集電タブ１１ａとしてアルミニウム（Ａｌ）からなるタブを用い、正極集電タブ２１ａとしてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなるタブを用いることで、第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗を、正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗よりも小さなものとすることが容易となる。第２の集電タブ１２ａと負極集電タブ２５ａとの組み合わせにおいても、比抵抗の小さな材料を第２の集電タブ１２ａに用い、比抵抗の大きな材料を負極集電タブ２５ａに用いるとよい。これにより、釘刺し試験による短絡時、発電要素２０よりも短絡電流分散体１０へと多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素２０におけるジュール発熱を低減し、温度上昇を抑制することができる。
第１実施形態においては、各集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａが同等の厚み及び形状を有していても良いことから、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａの成形加工手段を統一化でき、また、積層時の各層の位置決めも容易となるものと考えられる。
２．２．第２実施形態
図５に第２実施形態に係る集電タブの形態例を示す。図５に示すように、積層電池２００においては、積層体３０から正極集電タブ２１ａ及び負極集電タブ２５ａが複数突出しており、積層体３０から突出した複数の正極集電タブ２１ａ、２１ａ、…同士の間に、正極集電タブ２１ａよりも比抵抗の大きい材料からなる層４１が挟み込まれており、積層体３０から突出した複数の負極集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士の間に、負極集電タブ２５ａよりも比抵抗の大きい材料からなる層４２が挟み込まれている。
第２実施形態においては、発電要素２０の集電タブ２１ａ、２１ａ…同士の間及び集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士の間に、比抵抗の大きな材料からなる層４１、４２を挟み込むことで、集電タブ２１ａ、２５ａにおける電気抵抗を増大させるものとしている。すなわち、仮に集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａそのものの材質（比抵抗）が同じであっても、層４１、４２の存在により、集電タブ１１ａ、１２ａにおける電気抵抗を集電タブ２１ａ、２５ａにおける電気抵抗よりも小さなものとすることができる。これにより、釘刺し試験による短絡時、発電要素２０よりも短絡電流分散体１０へと多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素２０におけるジュール発熱を低減し、温度上昇を抑制することができる。このように、積層電池２００においては、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａについて材料を統一することができる点で優位である。
尚、発電要素２０の集電タブ２１ａ、２１ａ…同士の間及び集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士の間に挟み込まれた層４１、４２は、溶接等によって集電タブに接合されていてもよい。この場合、後述するように、接合面積を増減させることで、集電タブにおける電気抵抗を変化させることもできる。
積層電池２００においては、集電タブ２１ａ、２５ａの集箔が不要である。すなわち、集電タブ２１ａ、２１ａ、…同士及び集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士を折り曲げる必要がないことから、集箔に伴う活物質材料の滑落を抑制できるとともに、集箔によって生じるデッドスペースを削減することもできる。
２．３．第３実施形態
図６に第３実施形態に係る集電タブの形態例を示す。図６（Ａ）に積層電池３００の層構成を示し、図６（Ｂ）に、積層電池３００における第１の集電タブ１１ａ及び正極集電タブ２１ａ側の構成を拡大して示し、図６（Ｃ）に、積層電池３００における第２の集電タブ１２ａ及び負極集電タブ２５ａ側の構成を拡大して示す。
図６に示すように、積層電池３００は、短絡電流分散体１０を複数備え、且つ、積層体３０から第１の集電タブ１１ａ及び第２の集電タブ１２ａが複数突出している。積層電池３００においては、積層体３０から突出した複数の第１の集電タブ１１ａ、１１ａ、…同士の間に、第１の集電タブ１１ａと同じ材料からなる層５１が挟み込まれるとともに溶接によって接合されている。また、積層体３０から突出した複数の第２の集電タブ１２ａ、１２ａ同士の間に、第２の集電タブ１２ａと同じ材料からなる層６１が挟み込まれるとともに溶接によって接合されている。また、積層電池３００においては、積層電池２００と同様に、積層体３０から正極集電タブ２１ａ及び負極集電タブ２５ａが複数突出している。積層体３０から突出した複数の正極集電タブ２１ａ、２１ａ、…同士の間に、正極集電タブ２１ａと同じ材料からなる層５２が挟み込まれるとともに溶接によって接合されている。また、積層体３０から突出した複数の負極集電タブ２５ａ、２５ａ、…同士の間に、負極集電タブ２５ａと同じ材料からなる層６２が挟み込まれるとともに溶接によって接合されている。このような積層電池３００においては、第１の集電タブ１１ａにおける溶接面積が正極集電タブ２１ａにおける溶接面積よりも大きく、第２の集電タブ１２ａにおける溶接面積が負極集電タブ２５ａにおける溶接面積よりも大きいことに一つの特徴がある。すなわち、第１の集電タブ１１ａと層５１との接合面積が、正極集電タブ２１ａと層５２との接合面積よりも大きく、第２の集電タブ１２ａと層６１との接合面積が、負極集電タブ２５ａと層６２との接合面積よりも大きい。
例えば、積層電池３００においては、図６に示すように、第１の集電タブ１１ａと層５１との間の溶接数が正極集電タブ２１ａと層６１との間の溶接数よりも多く、これにより、第１の集電タブ１１ａにおける溶接面積（タブ１１ａと層５１との接合面積）が正極集電タブ２１ａにおける溶接面積（タブ２１ａと層６１との接合面積）よりも大きなものとされている。また、第２の集電タブ１２ａと層５２との間の溶接数が負極集電タブ２５ａと層６２との間の溶接数よりも多く、これにより、第２の集電タブ１２ａにおける溶接面積（タブ１２ａと層５２との接合面積）が負極集電タブ２５ａにおける溶接面積（タブ２５ａと層６２との接合面積）よりも大きなものとされている。このように、第１の集電タブ１１ａ及び第２の集電タブ１２ａにおける溶接面積を、正極集電タブ２１ａ及び負極集電タブ２５ａにおける溶接面積よりも大きなものとすることで、集電タブ１１ａ、１２ａにおける電気抵抗が集電タブ２１ａ、２５ａにおける電気抵抗よりも小さなものとなる。これにより、釘刺し試験による短絡時、発電要素２０よりも短絡電流分散体１０へと多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素２０におけるジュール発熱を低減し、温度上昇を抑制することができる。
積層電池３００においては、図６（Ｃ）に示すように、第２の集電タブ１２ａと負極集電タブ２５ａとの間に、何らかの層６３が挟み込まれて溶接によって接合されていてもよい。層６３の材質は特に限定されるものではない。例えば、第２集電タブ１２ａと同じ材料からなる層とすることもできるし、負極集電タブ２５ａと同じ材料からなる層とすることもできる。第１の集電タブ１１ａと正極集電タブ２１ａとの間も同様に、何らかの層（不図示）が挟み込まれて溶接によって接合されていてもよい。
積層電池３００においては、層５１、５２、６１、６２が、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａと同じ材料からなる。そのため、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａと層５１、５２、６１、６２との接合強度が高く、さらには、異種材料の接合による腐食等の懸念もない点で優位である。
積層電池３００においても、積層電池２００と同様に、集電タブ２１ａ、２５ａの集箔（集電タブを集めて束ねること）が不要である。また、集電タブ１１ａ、１２ａの集箔も不要である。すなわち、集電タブ同士を折り曲げる必要がないことから、集箔に伴う活物質材料の滑落を抑制できるとともに、集箔によって生じるデッドスペースを削減することもできる。
２．４．第４実施形態
図７に第４実施形態に係る集電タブの形態例を示す。図７に示すように、積層電池４００においては、第１の集電タブ１１ａの厚みが正極集電タブ２１ａの厚みよりも大きく、第２の集電タブ１２ａの厚みが負極集電タブ２５ａの厚みよりも大きい。これにより、集電タブ１１ａ、１２ａにおける電気抵抗が集電タブ２１ａ、２５ａにおける電気抵抗よりも小さなものとされている。よって、釘刺し試験による短絡時、発電要素２０よりも短絡電流分散体１０へと多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素２０におけるジュール発熱を低減し、温度上昇を抑制することができる。第４実施形態においても、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａについて材料を統一することができる点が優位である。
尚、図７においては、集電体層の厚さと集電タブの厚さとが同じであるものとしたが、集電タブの厚さのみを大きくすることも可能である。ただし、集電タブの成形加工を容易とする観点から、集電体層の厚さをそのまま集電タブの厚さとすることが好ましい。ただし、この場合は、積層電池全体としての厚みが増加し、体積エネルギー密度が低下する。
２．５．第５実施形態
図８に第５実施形態に係る集電体層及び集電タブの形態例を示す。図８においては、集電体層及び集電タブについて、図１の紙面上下方向から見た形状を示している。図８（Ａ）、（Ｂ）に、短絡電流分散体１０を構成する第１の集電体層１１及び第１の集電タブ１１ａの形状、並びに、第２の集電体層１２及び第２の集電タブ１２ａの形状の一例を示す。図４（Ｃ）、（Ｄ）に発電要素２０を構成する正極集電体層２１及び正極集電タブ２１ａの形状、並びに、負極集電体層２５及び負極集電タブ２５ａの形状の一例を示す。図８に示すように、第５実施形態に係る集電体操及び集電タブは、第１の集電タブ１１ａの幅が正極集電タブ２１ａの幅よりも広く、第２の集電タブ１２ａの幅が負極集電タブ２５ａの幅よりも狭い。これにより、集電タブ１１ａ、１２ａにおける電気抵抗が集電タブ２１ａ、２５ａにおける電気抵抗よりも小さなものされている。よって、釘刺し試験による短絡時、発電要素２０よりも短絡電流分散体１０へと多くの回り込み電流を流すことができ、発電要素２０におけるジュール発熱を低減し、温度上昇を抑制することができる。第５実施形態においても、集電タブ１１ａ、１２ａ、２１ａ、２５ａについて材料を統一することができる点が優位である。また、第４実施形態とは異なり、積層電池全体としての厚みの増加も回避できることから、体積エネルギー密度を高め易い。
以上の通り、本開示の積層電池によれば、第１の集電タブにおける電気抵抗と第２の集電タブにおける電気抵抗との合計が、正極集電タブにおける電気抵抗と負極集電タブにおける電気抵抗との合計よりも小さいことで、釘刺し試験における短絡電流分散体及び発電要素の短絡時、発電要素よりも短絡電流分散体により大きな回り込み電流を流すことができる。
３．積層電池の製造方法
短絡電流分散体１０は、第１の集電体層１１（例えば、金属箔）と第２の集電体層１２（例えば、金属箔）との間に絶縁層１３（例えば、絶縁フィルム）を配置することで、容易に作製できる。図９に示すように、第２の集電体層１２の両面に絶縁層１３、１３を配置し、さらに絶縁層１３、１３の第２の集電体層１２とは反対側の面に第１の集電体層１１、１１を配置してもよい。ここで、短絡電流分散体１０の形状を保持するために、接着剤や樹脂などを用いて各層を互いに貼り合わせてもよい。この場合、接着剤等は、各層の全面に塗布する必要はなく、各層の表面の一部に塗布すればよい。
発電要素２０については、公知の方法により作製できる。例えば、全固体電池を製造する場合は、正極集電体層２１の表面に正極材を湿式にて塗工して乾燥させることで正極材層２２を形成し、負極集電体層２５の表面に負極材を湿式にて塗工して乾燥させることで負極材層２４を形成し、正極材層２１と負極材層２４との間に固体電解質等を含む固体電解質層２３を転写し、プレス成形して一体化することで発電要素２０を作製できる。この時のプレス圧は特に限定されるものではないが、例えば２ｔｏｎ／ｃｍ２以上とすることが好ましい。尚、これらの作製手順はあくまでも一例であり、これ以外の手順によっても発電要素２０を作製可能である。例えば、湿式法に替えて乾式法によって正極材層等を形成することも可能である。
このようにして作製した短絡電流分散体１０を複数の発電要素２０に対して積層するとともに、第１の集電体層１１に設けられたタブ１１ａを正極集電体層２１と電気的に接続し、第２の集電体層１２に設けられたタブ１２ａを負極集電体層２５と電気的に接続し、正極集電体層２１のタブ２１ａ同士を電気的に接続し、負極集電体層２５のタブ２５ａ同士を電気的に接続することで、短絡電流分散体１０と発電要素２０とを電気的に接続するとともに、複数の発電要素２０同士を電気的に並列に接続することができる。このとき、上述したようにタブの形状や接続の形態等によって、第１の集電タブ１１ａにおける電気抵抗と第２の集電タブ１２ａにおける電気抵抗との合計を、正極集電タブ２１ａにおける電気抵抗と負極集電タブ２５ａにおける電気抵抗との合計よりも小さなものとすることができる。このようにして電気的に接続された積層体３０をラミネートフィルムやステンレス鋼缶等の電池ケース内に真空封入することによって、積層電池を作製できる。尚、これらの作製手順はあくまでも一例であり、これ以外の手順によっても積層電池を作製可能である。
或いは、上記の固体電解質層に替えてセパレータを配置し、上記と同様にして電気的に接続された積層体を作製したうえで、当該積層体を電解液が充填された電池ケース内に封入すること等によって、積層電池として電解液系電池を製造することもできる。電解液系電池の製造の際は、各層のプレス成形は省略してもよい。
４．補足事項
上記説明においては、１つの第１の集電体層と２つの絶縁層と１つの第２の集電体層とによって短絡電流分散体が構成される形態について示したが、本開示の積層電池はこの形態に限定されるものではない。短絡電流分散体は、第１の集電体層と第２の集電体層との間に絶縁層を有するものであればよく、各層の数は特に限定されない。
上記説明においては、２つの発電要素が、１つの負極集電体層を共用する形態について示したが、本開示の積層電池はこの形態に限定されるものではない。発電要素は単電池として機能するものであればよく、正極集電体層と正極材層と電解質層と負極材層と負極集電体層とが積層されていればよい。
上記説明においては、短絡電流分散体１０が１つ又は２つ備えられる形態について説明したが、短絡電流分散体１０の数はこれに限定されない。積層電池において、３つ以上の短絡電流分散体１０が備えられていてもよい。
上記説明においては、最も好ましい形態として各層の積層方向がすべて一致する形態について示したが、本開示の積層電池はこの形態に限定されるものではない。発電要素における正極集電体層等の積層方向と、複数の発電要素の積層方向と、短絡電流分散体における第１の集電体層等の積層方向と、短絡電流分散体と発電要素との積層方向と、のいずれか１以上が異なる方向であってもよい。
上記説明においては、複数の発電要素が積層された形態について示したが、積層電池において発電要素が複数積層されていない形態（単電池のみからなる形態）においても、ある程度の効果が奏されるものと考えられる。しかしながら、上述のジュール発熱は、一つの発電要素よりも、複数の発電要素が積層された形態において大きくなりやすい。すなわち、複数の発電要素が積層された形態において、より顕著な効果が奏される。この点において、積層電池において複数の発電要素を積層することの優位性がある。
上記説明においては、電解液系電池及び全固体電池のいずれをも含む積層電池について示した。ただし、本開示の技術は、全固体電池とした場合に、より大きな効果を発揮するものと考えられる。全固体電池は電解液系電池に比べて発電要素内の隙間が少なく、釘刺し時に釘が発電要素を貫通する際、発電要素にかかる圧力が高い。よって、発電要素の短絡抵抗が小さくなり、短絡部に多くの回り込み電流が流れ込み易くなると考えられる。さらに、全固体電池においては、発電要素内の内部抵抗を低減すべく、発電要素に対して拘束圧力を付与する場合がある。この場合、発電要素の積層方向（正極集電体層が負極集電体層に向かう方向）に拘束圧力が付与されることとなり、釘刺し時、釘による圧力と拘束圧力とが加算されて発電要素に印加されることから、正極集電体層と負極集電体層とが接触して短絡し易く、また、発電要素の短絡抵抗が小さくなり易いものと考えられる。そのため、短絡電流分散層を設けて回りこみ電流を分散させることによる効果が顕著となるものと考えられる。一方、電解液系電池は、通常、電池ケース内が電解液で満たされ、各層が電解液に浸漬されて、各層の隙間に電解液が供給されるものであり、釘刺し時に釘によって印加される圧力が小さいことから、発電要素の短絡抵抗が大きくなるものと考えられる。よって、一部の発電要素へと流れ込む回り込み電流の量は、全固体電池におけるそれよりも小さなものとなる可能性がある。そのため、短絡電流分散体を設ける効果が、全固体電池の場合と比べて、相対的に小さくなるものと考えられる。さらに、電解液系の電池においては、集電タブ等について電解液との反応を起こさない材料に制約されるという問題がある。一方で、全固体電池においてはそのような問題がない。以上のことから、本開示の積層電池は全固体電池であることが好ましい。
バイポーラ電極を介して発電要素同士を電気的に直列に接続した場合は、一部の発電要素に釘を刺すと、他の発電要素から当該一部の発電要素へと釘を介して回り込み電流が流れるものと考えられる。すなわち、接触抵抗の高い釘を介して回り込むこととなり、その電流量は小さい。また、バイポーラ電極を介して発電要素同士を電気的に直列に接続した場合、発電要素のすべてに釘が刺さった場合に回り込み電流が最も大きくなると考えられるが、このような場合、発電要素の放電が既に十分に進行しているものと考えられ、一部の発電要素の温度が局所的に上昇するといったことは生じ難い。一方で、発電要素同士を電気的に並列に接続した場合、釘刺し試験時、一部の発電要素が短絡しただけで、タブ等を介して当該一部の発電要素に回り込み電流が集中することから、一部の発電要素の温度が局所的に上昇するという課題が生じ易い。以上の通り、本開示の技術は、発電要素同士を電気的に並列に接続した電池において特有に生じる課題を解決するもので、発電要素同士を電気的に並列に接続した電池に対して特に顕著な効果を発揮するものである。
尚、上記説明においては、釘刺し試験時の短絡電流分散体の短絡抵抗（図３のＲ５）と発電要素の短絡抵抗（図３のＲ６）とが同等であるものと仮定したが、短絡電流分散体の短絡抵抗と発電要素の短絡抵抗との大小関係については本開示の技術の本質ではなく、特に限定されるものではない。例えば、釘刺し試験時、短絡電流分散体の短絡抵抗が発電要素の短絡抵抗よりも小さければ、短絡電流分散体の方へとより多くの回り込み電流を流すことができるものと考えられる。しかしながら、短絡電流分散体の短絡抵抗や発電要素の短絡抵抗は、釘刺しの条件等によって変化する可能性があり、その大小関係を維持するためには何らかの工夫が必要となる。これに対し、上述したように、集電タブにおける電気抵抗は、集電タブの材質（比抵抗）や形状等を工夫することで容易に調整することができ、釘刺し試験時及び通常使用時を問わず、集電タブにおける電気抵抗の大小関係を維持することが容易である。この点、本開示の技術は、上記の課題を解決すべく、短絡電流分散体の短絡抵抗や発電要素の短絡抵抗とは別の観点から完成されたものといえる。
本開示の積層電池は、例えば、車搭載用の大型電源として好適に利用できる。
１０ 短絡電流分散体
１１ 第１の集電体層
１１ａ 第１の集電タブ
１２ 第２の集電体層
１２ａ 第２の集電タブ
１３ 絶縁層
２０ 発電要素
２１ 正極集電体層
２１ａ 正極集電タブ
２２ 正極材層
２３ 電解質層
２４ 負極材層
２５ 負極集電体層
２５ａ 負極集電タブ
３０ 積層体
４１ 正極集電タブよりも比抵抗の大きな材料からなる層
４２ 負極集電タブよりも比抵抗の大きな材料からなる層
５１ 第１の集電タブと同じ材料からなる層
５２ 第２の集電タブと同じ材料からなる層
６１ 正極集電タブと同じ材料からなる層
６２ 負極集電タブと同じ材料からなる層
１００ 積層電池

Claims (5)

  1. 少なくとも一つの短絡電流分散体と複数の発電要素との積層体を備える全固体電池であって、
    前記短絡電流分散体において第１の集電体層と第２の集電体層と前記第１の集電体層及び前記第２の集電体層の間に設けられた絶縁層とが積層され、前記第１の集電体層が第１の集電タブを備え、前記第２の集電体層が第２の集電タブを備え、
    前記発電要素において正極集電体層と正極材層と電解質層と負極材層と負極集電体層とが積層され、前記正極集電体層が正極集電タブを備え、前記負極集電体層が負極集電タブを備え、
    前記正極集電タブ同士及び前記負極集電タブ同士が電気的に接続されることで、複数の前記発電要素同士が電気的に並列に接続されており、
    前記第１の集電体層が前記第１の集電タブを介して前記正極集電体層と電気的に接続されており、前記第２の集電体層が前記第２の集電タブを介して前記負極集電体層と電気的に接続されており、
    前記第１の集電タブにおける電気抵抗と前記第２の集電タブにおける電気抵抗との合計が、前記正極集電タブにおける電気抵抗と前記負極集電タブにおける電気抵抗との合計よりも小さい、
    全固体電池。
  2. 前記第１の集電タブの比抵抗が前記正極集電タブの比抵抗よりも小さく、
    前記第２の集電タブの比抵抗が前記負極集電タブの比抵抗よりも小さい、
    請求項１に記載の全固体電池。
  3. 短絡電流分散体を複数備え、且つ、前記積層体から前記第１の集電タブ及び前記第２の集電タブが複数突出しており、前記積層体から突出した複数の前記第１の集電タブ同士の間に、該第１の集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記積層体から突出した複数の前記第２の集電タブ同士の間に、該第２の集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、
    前記積層体から前記正極集電タブ及び前記負極集電タブが複数突出しており、前記積層体から突出した複数の前記正極集電タブ同士の間に、該正極集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、前記積層体から突出した複数の前記負極集電タブ同士の間に、該負極集電タブと同じ材料からなる層が挟み込まれるとともに溶接によって接合されており、
    前記第１の集電タブにおける溶接面積が前記正極集電タブにおける溶接面積よりも大きく、前記第２の集電タブにおける溶接面積が前記負極集電タブにおける溶接面積よりも大きい、
    請求項１又は２に記載の全固体電池。
  4. 前記第１の集電タブの厚みが前記正極集電タブの厚みよりも大きく、
    前記第２の集電タブの厚みが前記負極集電タブの厚みよりも大きい、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の全固体電池。
  5. 前記第１の集電タブの幅が前記正極集電タブの幅よりも広く、
    前記第２の集電タブの幅が前記負極集電タブの幅よりも広い、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の全固体電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6027262B2 (ja) 1977-09-28 1985-06-28 三洋電機株式会社 扁平型電機子の製造方法
JP3419272B2 (ja) 1997-09-18 2003-06-23 株式会社デンソー 電 池
JP3524744B2 (ja) * 1997-12-26 2004-05-10 三洋電機株式会社 密閉型アルカリ蓄電池
JP2001297795A (ja) * 2000-04-11 2001-10-26 Mitsubishi Chemicals Corp 電 池
JP2003045410A (ja) * 2001-08-02 2003-02-14 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 二次電池
JP2003142068A (ja) * 2001-08-24 2003-05-16 Japan Storage Battery Co Ltd 非水電解質二次電池
JP5061698B2 (ja) * 2006-07-19 2012-10-31 トヨタ自動車株式会社 蓄電装置
JP5114788B2 (ja) 2007-09-28 2013-01-09 三菱重工業株式会社 リチウム二次電池
JP5541514B2 (ja) * 2010-09-16 2014-07-09 Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社 積層型二次電池
JP2014107144A (ja) * 2012-11-28 2014-06-09 Toyota Industries Corp 蓄電装置
EP2939306B1 (en) 2012-12-25 2020-11-11 Byd Company Limited Battery
JP6070437B2 (ja) * 2012-12-25 2017-02-01 株式会社豊田自動織機 蓄電装置
JP2014143007A (ja) * 2013-01-22 2014-08-07 Toyota Industries Corp リチウムイオン蓄電装置
JP2014146497A (ja) * 2013-01-29 2014-08-14 Toyota Industries Corp 蓄電装置
JP2015072828A (ja) * 2013-10-03 2015-04-16 株式会社豊田自動織機 蓄電装置
JP2015072836A (ja) * 2013-10-03 2015-04-16 日産自動車株式会社 組電池
JP2015090852A (ja) * 2013-11-07 2015-05-11 日産自動車株式会社 双極型二次電池
JP6312175B2 (ja) * 2014-01-10 2018-04-18 エルジー・ケム・リミテッド 高延伸特性の分離膜を有する電極組立体及びこれを含む二次電池
JP6260335B2 (ja) 2014-02-20 2018-01-17 日産自動車株式会社 双極型二次電池
JP2015176701A (ja) * 2014-03-14 2015-10-05 株式会社豊田自動織機 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法

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