JP7129150B2

JP7129150B2 - 電池

Info

Publication number: JP7129150B2
Application number: JP2017135488A
Authority: JP
Inventors: 淳史宝来; 孝宏垣内; 一樹在原; 巌大郎狩野; 裕行田中; 英明堀江; 健一川北; 高寛今石; 仁寿大倉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Sanyo Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Sanyo Chemical Industries Ltd
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: JP2019021384A

Description

本発明は、電池に関する。

近年、環境保護のため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車やハイブリッド電気自動車の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、航続距離延長のため、積層された単セルを有する電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１４／０３５６６５１号明細書

このような電池において、例えば、負極層が膨張することにより、単セルが変形する場合、シール部によって拘束されている単セルの外周部に比較して中央部が積層方向により大きく膨出する。この結果、集電体層に変形や応力集中が生じ、信頼性が損なわれる可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、単セルが積層方向に膨出することを抑制できる電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る電池は、集電体層、電極層、およびセパレーターを含む単セルが積層されている積層体と、前記電極層の外周部分を封止するシール部と、を有する。また、電池は、前記積層体の積層方向において前記電極層に隣り合うように配置されるとともに弾性を備える変位吸収部を有する。また、電池は、剛性を有する材料から形成され、前記積層体が配置されるセルケースと、可撓性を有する材料から形成され、前記セルケースに設けられる開口部を密閉する蓋部材と、を有する。前記開口部は、前記単セルの積層方向に関する前記積層体の一方の面に相対するように位置決めされている。前記蓋部材は、前記開口部を密閉したまま変形可能である。前記セルケースの内部圧力が前記セルケースの外部圧力と同じである場合において前記積層体の前記一方の面から離間しているように位置決めされている。前記セルケースの内部圧力が前記セルケースの外部圧力よりも低い場合に変形し、前記積層体の前記一方の面と当接し、前記セルケースの内部圧力と前記セルケースの外部圧力との差圧に基づく圧力を、当接した面に付与するように構成されている。

上述のように構成された電池によれば、変位吸収部が電極層に隣り合うように配置されているため、例えば負極層が膨張しても、変位吸収部において、積層方向に沿う負極層の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、単セルが積層方向に膨出することを抑制できる。

実施形態に係る電池を説明するための概略図である。電池の用途を説明するための概略図である。本体部を示す概略断面図である。蓋部材の減圧前の形状を説明するための断面図である。正極層または負極層を示す概略図である。積層体を示す概略断面図である。単セルを示す概略断面図である。比較例に係る電池の単セルにおいて、負極層が膨張したときの様子を示す概略断面図である。実施形態に係る電池の単セルにおいて、負極層が膨張したときの様子を示す概略断面図である。変形例１に係る電池の単セルを示す概略断面図である。変形例１に係る電池において、負極層が膨張したときの様子を示す概略断面図である。変形例２に係る電池の単セルを示す概略断面図である。変形例２に係る電池において、第１負極層および第２負極層が膨張したときの様子を示す概略断面図である。変形例３に係る電池の単セルを示す概略断面図である。変形例３に係る電池において、負極層が膨張したときの様子を示す概略断面図である。変形例４に係る電池を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、図面の厚み比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、実施形態に係る電池１００を説明するための概略図、図２は、電池１００の用途を説明するための概略図、図３は、本体部１１０を示す概略断面図、図４は、蓋部材１７１の減圧前の形状を説明するための断面図である。

実施形態に係る電池１００は、例えば、図２に示される車両１９８の電源として適用され、図１に示すように、本体部１１０、減圧装置１９０および制御部１９４を有する。車両１９８は、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車である。電池１００は、高エネルギー密度化することが容易であるため、例えば、１回の充電あたりの走行距離を延長させることが可能である。

本体部１１０は、図３に示すように、剛性を有する材料から形成されたセルケース１２０、可撓性を有する材料から形成された蓋部材１７１、およびカバープレート１７６を有する。

本明細書において、「剛性を有する材料から形成されたセルケース１２０」とは、セルケース１２０に外部から力が作用した場合に、セルケース１２０が容易に変形せず、内部に配置した積層体１４０を十分に保護できる程度に、セルケース１２０が剛体であることを意味する。また、「可撓性を有する材料から形成された蓋部材１７１」とは、セルケース１２０の内部を減圧する（セルケース１２０の内部圧力を外部圧力（少なくとも大気圧）よりも低くする）ことにより、外部圧力とセルケース１２０の内部圧力との差圧によって蓋部材１７１が変形できる程度に、蓋部材１７１が柔軟性を有していることを意味する。

セルケース１２０は、高剛性の材料から形成されており、略矩形の底面１２２と、底面を取り囲む側壁部１２４とを有し、その上面が開口部１２６を構成し、その内部に、積層体１４０が配置されている。積層体１４０は、積層されている単セル１０、強電タブ１５０、１５２およびスペーサー１６０、１６２を有する。開口部１２６は、単セル１０の積層方向Ｓに関する積層体１４０の上面１４２に相対するように位置決めされている。

強電タブ１５０、１５２は、例えば、略板状の銅であり、積層体１４０から電流を取り出すために使用され、最下層に位置する単セル１０および最上層に位置する単セル１０に当接している。

スペーサー１６０、１６２は、積層体１４０に付加される振動を吸収する機能を有する絶縁シートであり、強電タブ１５０、１５２の外側に配置されている。つまり、スペーサー１６０、１６２は、積層体１４０の上面（一方の面）１４２および下面（他方の面）１４４に位置している。スペーサー１６０、１６２は、必要に応じ、適宜省略することも可能である。

蓋部材１７１は、開口部１２６を密閉しており、弾性体膜から形成されている。弾性体膜は、例えば、ウレタンゴムから形成される。

カバープレート１７６は、開口部１７８を有しており、蓋部材１７１を覆うように配置されて、蓋部材１７１をガードしている。カバープレート１７６は、例えば、アルミニウム等の良好な剛性を有する軽量の材料から構成されるバックアッププレートである。カバープレート１７６および蓋部材１７１は、ビス等の締結部材を利用してセルケース１２０に固定されている。締結部材は、電池１００を車両１９８に搭載するために使用される締結部材として兼用することも可能である。

減圧装置１９０は、真空ポンプから構成される圧力付与装置であり、セルケース１２０の内部を減圧してセルケース１２０の内部圧力を大気圧（外部圧力）よりも低くするために使用される。制御部１９４は、減圧装置１９０を制御するために使用される。

開口部１２６を覆っている蓋部材１７１は、セルケース１２０の内部が減圧される前（セルケース１２０の内部圧力が大気圧と同じ場合）においては、図４に示すように、積層体１４０から離間している。そして、減圧装置１９０によってセルケース１２０の内部が減圧されると、蓋部材１７１は、大気圧とセルケース１２０の内部圧力との差圧に基づいて、密閉を維持した状態で変形し、スペーサー１６０と当接して、差圧に基づく圧力を付与する。

つまり、蓋部材１７１は、開口部１２６を密閉したまま変形可能であり、セルケース１２０の内部が減圧された（セルケース１２０の内部圧力が大気圧よりも低い）場合に変形し、積層体１４０の上面１４２と当接して差圧に基づく圧力を、当接した面に付与するように構成されている。積層体１４０の押し付け圧力は、大気圧とセルケース１２０の内部圧力との差圧に基づく圧力から構成されている。したがって、例えば、セルケース１２０の内部を減圧する減圧装置（圧力付与装置）１９０の大型化を伴うことなく、単セル（電極）の面積の増加に応じてトータルの押し付け圧力も増大するため、電極の面積が大きい場合であっても、積層体１４０に適切な押し付け圧力を容易に付与することが可能である。

積層体１４０は、上記のように、大気圧とセルケース１２０の内部圧力との差圧に基づく圧力によって、高剛性のセルケース１２０に強固に固定されているため、電池１００を車両１９８に固定することにより、電池１００全体が安定する。

また、セルケース１２０は、絶縁フィルム層１２８、強電用コネクタ１３０、１３２、排気用コネクタ１３４、圧力解放弁１３６、圧力センサー１３８、および弱電用コネクタ（不図示）を、さらに有する。

絶縁フィルム層１２８は、底面１２２および側壁部１２４の内壁に形成されている。底面１２２の絶縁フィルム層１２８上には、スペーサー１６２が位置決めされている。強電用コネクタ１３０、１３２は、側壁部１２４に気密的に取り付けられており、かつ、強電タブ１５０、１５２と電気的に接続されている。排気用コネクタ１３４は、側壁部１２４に気密的に取り付けられており、かつ、減圧装置１９０からの配管と連結されている。したがって、減圧装置１９０は、セルケース１２０の内部の空気を排気して、セルケース１２０の内部を減圧することが可能である。

圧力解放弁１３６は、側壁部１２４に気密的に取り付けられており、例えば、予期せぬ原因により、セルケース１２０の内部圧力が過度に上昇した際に、セルケース１２０内部の気体を排出し、セルケース１２０の内部圧力を降下させるために使用される。圧力解放弁１３６における気体を排出する機構は、特に限定されず、例えば、所定の圧力で開裂する金属の薄膜を利用することが可能である。

圧力センサー１３８は、セルケース１２０の内部に配置され、セルケース１２０の内部圧力を計測するために使用される。弱電用コネクタ（不図示）は、側壁部１２４に気密的に取り付けられており、積層体１４０に含まれる単セルの電圧を監視（検出）するために使用される。

減圧装置１９０は、圧力センサー１３８によって計測された内部圧力に基づいて、制御部１９４によって制御されている。減圧装置１９０は、圧力センサー１３８によって計測された内部圧力が上限値以上になった場合、稼働されて、セルケース１２０の内部を減圧するように構成されている。

内部圧力の上限値は、大気圧とセルケース１２０の内部圧力との差圧を考慮して設定されている。したがって、セルケース１２０の内部圧力の予期せぬ上昇が防止される一方、良好な押し付け圧力（差圧に基づく圧力）が確保される。内部圧力の上限値は、例えば、０．２５気圧に設定されており、この場合、十分な押し付け圧力を得ることが可能である。

減圧装置１９０は、圧力センサー１３８によって計測された内部圧力が下限値に到達した場合、セルケース１２０の内部の減圧を停止するように構成されている。内部圧力の下限値は、例えば、０．１５気圧に設定されており、この場合、多目的で利用される真空度と同レベルのため、電池１００が搭載される装置（車両１９８）において別の用途で利用される減圧装置（真空源）を、減圧装置１９０として兼用することが可能である。

次に、積層体１４０を詳述する。

図５は、正極層３０または負極層５０を示す概略図であって、図６は、積層体１４０を示す概略断面図である。図７は、単セル１０を示す概略断面図である。

積層体１４０は、図６に示すように、単セル１０が積層方向Ｓに積層されて構成している。積層体１４０は、電気自動車用の二次電池として用いられる場合には、その大きさは用紙サイズで示せば例えばＡ４以上とすることができる。

積層体１４０において積層されている単セル１０は直列接続されている。単セル１０は、図６、図７に示すように、正極集電体層２０と、正極層３０と、セパレーター４０と、負極層５０と、変位吸収部７０と、負極集電体層６０と、が順に積層されて構成している。また、単セル１０は、正極層３０、ならびに負極層５０および変位吸収部７０の周辺部分を封止するシール部８０を有する。

正極集電体層２０および負極集電体層６０は、導電性フィラーと樹脂とを主に含む樹脂集電体から構成される。これにより、正極集電体層２０および負極集電体層６０の軽量化および内部短絡耐性の向上により、より高容量の活物質を使用することが可能となる。樹脂集電体は、変位吸収部７０よりも硬く構成されている。

導電性フィラーの構成材料は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、グラファイトやカーボンブラックなどのカーボン、銀、金、銅、チタンである。樹脂は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、これらの混合物である。

正極集電体層２０および負極集電体層６０は、樹脂集電体によって構成する形態に限定されず、例えば、金属や導電性高分子材料によって構成することが可能である。金属は、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅である。導電性高分子材料は、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、これらの混合物である。

必要に応じ、正極集電体層２０および負極集電体層６０の一方のみを、樹脂集電体によって構成することも可能である。

正極層３０は、正極集電体層２０とセパレーター４０との間に位置するシート状電極であり、図５に示すように、正極活物質粒子３２および繊維状物質３８を含んでいる。

正極活物質粒子３２は、その表面の少なくとも一部に被覆層３３を有する。被覆層３３は、導電助剤３５と被覆用樹脂３４とから構成されており、正極層３０の体積変化を緩和し、電極の膨脹を抑制することが可能である。

正極活物質粒子３２の構成材料は、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、導電性高分子などである。リチウムと遷移金属との複合酸化物は、例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２およびＬｉＭｎ_２Ｏ_４である。遷移金属酸化物は、例えば、ＭｎＯ_２およびＶ_２Ｏ_５である。遷移金属硫化物は、例えば、ＭｏＳ_２およびＴｉＳ_２である。導電性高分子は、例えば、ポリアニリン、ポリフッ化ビニリデン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ－ｐ－フェニレンおよびポリビニルカルバゾールである。

被覆用樹脂３４は、好ましくは、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂であるが、必要に応じ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリカーボネートなどを適用することも可能である。

導電助剤３５は、例えば、金属、グラファイトやカーボンブラックなどのカーボン、これらの混合物である。金属は、アルミニウム、ステンレス鋼、銀、金、銅、チタン、これらの合金などである。カーボンブラックは、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラックなどである。導電助剤は、必要に応じて、２種以上併用することが可能である。なお、導電助剤３５は、電気的安定性の観点から、好ましくは、銀、金、アルミニウム、ステンレス鋼、カーボンであり、より好ましくは、カーボンである。

繊維状物質３８は、その少なくとも一部が正極層３０の導電通路を形成し、かつ、導電通路の周囲の正極活物質粒子３２と接している。したがって、正極活物質（正極活物質粒子３２）から発生した電子は、導電通路に速やかに到達し、正極集電体層２０までスムーズに導かれる。

繊維状物質３８は、例えば、ＰＡＮ系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維等のカーボン繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、導電性繊維から構成される。
導電性繊維は、合成繊維の中に金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維などである。なお、電気伝導度の観点から、導電性繊維の中では、カーボン繊維が好ましい。

繊維状物質３８の電気伝導度は、５０ｍＳ／ｃｍ以上であることが好ましい。この場合、導電通路の抵抗が小さいため、正極集電体層２０から遠い位置に存在する正極活物質（正極活物質粒子３２）からの電子の移動がよりスムーズに行われる。電気伝導度は、ＪＩＳＲ７６０９（２００７）の「カーボン繊維－体積抵抗率の求め方」に準じて体積抵抗率を測定し、体積抵抗率の逆数を取ることによって求められる。

繊維状物質３８の平均繊維径は、好ましくは、０．１～２０μｍ、より好ましくは、０．５～２．０μｍである。平均繊維径は、例えば、３０μｍ角視野中に存在する任意の繊維１０本についてそれぞれ中央付近の直径を測定し、この測定を三視野について行い、合計３０本の繊維の径の平均値として得られる。

電極の単位体積あたりに含まれる繊維状物質３８の繊維長の合計は、好ましくは、１００００～５０００００００ｃｍ／ｃｍ^３、より好ましくは、２０００００００～５０００００００ｃｍ／ｃｍ^３、さらに好ましくは、１００００００～１０００００００ｃｍ／ｃｍ^３である。

繊維長の合計は、（活物質層の単位体積あたりに含まれる繊維状物質の繊維長合計）＝（（繊維状物質の平均繊維長）×（活物質層の単位面積あたりに使用した繊維状物質の重量）／（繊維状物質の比重））／（（活物質層の単位面積）×（活物質層厚さ））で表わされる式によって算出される。

負極層５０は、負極集電体層６０とセパレーター４０との間に位置するシート状電極であり、図５に示すように、負極活物質粒子５２および繊維状物質５８を含んでいる。また、負極層５０と負極集電体層６０との間には、変位吸収部７０が配置されている。

負極活物質粒子５２は、その表面の少なくとも一部に被覆層５３を有する。被覆層５３は、導電助剤５５と被覆用樹脂５４とから構成されており、負極層５０の体積変化を緩和し、電極の膨脹を抑制することが可能である。

負極活物質粒子５２の構成材料は、黒鉛、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体、コークス類、カーボン繊維、導電性高分子、スズ、シリコン、金属合金、リチウムと遷移金属との複合酸化物などである。高分子化合物焼成体は、例えば、フェノール樹脂およびフラン樹脂を焼成し炭素化したものである。コークス類は、例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスである。導電性高分子は、例えば、ポリアセチレン、ポリピロールである。金属合金は、例えば、リチウム－スズ合金、リチウム－シリコン合金、リチウム－アルミニウム合金、リチウム－アルミニウム－マンガン合金である。リチウムと遷移金属との複合酸化物は、例えば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２である。

被覆層５３、被覆用樹脂５４、導電助剤５５および繊維状物質５８は、正極層３０の被覆層３３、被覆用樹脂３４、導電助剤３５および繊維状物質３８と略同一の構成を有するため、その説明は省略される。なお、繊維状物質５８は、その少なくとも一部が負極層５０の導電通路を形成し、かつ、導電通路の周囲の負極活物質粒子５２と接している。

正極層３０および負極層５０は、上記構造により、１５０～１５００μｍの厚さを有することが可能となっている。これにより、多くの活物質を含ませることが可能となり、高容量化およびエネルギー密度向上が図られる。なお、正極層３０の厚さおよび負極層５０の厚さは、好ましくは、２００～９５０μｍ、さらに好ましくは２５０～９００μｍである。

セパレーター４０は、正極層３０と負極層５０との間に位置する多孔性（ポーラス）の絶縁体である。セパレーター４０は、電解質が浸透することによって、イオンの透過性を呈する。電解質は、例えば、ゲルポリマー系であり、電解液およびホストポリマーを有する。

電解液は、プロピレンカーボネートおよびエチレンカーボネートからなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を含んでいる。有機溶媒は、その他の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、その他の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。

ホストポリマーは、ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）コポリマーを１０％含むＰＶＤＦ－ＨＦＰ（ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）である。
ホストポリマーは、その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子や、イオン伝導性を有する高分子（固体高分子電解質）を適用することも可能である。その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子は、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートである。イオン伝導性を有する高分子は、例えば、ポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシドである。

変位吸収部７０は、図６、図７に示すように、積層方向Ｓにおいて、負極層５０に隣り合うように配置されており、負極層５０および負極集電体層６０の間に配置されている。このように変位吸収部７０は、負極層５０および負極集電体層６０の間に配置されているため、導電性を備える必要がある。また、変位吸収部７０は、弾性を備える。

変位吸収部７０は、複数の空隙を備えることが好ましい。例えば、変位吸収部７０が複数の空隙を備えない中実形状の場合、変位吸収部７０は積層方向Ｓに収縮されると面方向Ｐに広がる。よって、図６に示すように、面方向Ｐに広がる変位吸収部７０が配置される領域を確保するために、変位吸収部７０の外方にはスペースＳＰが必要となる。

これに対して、変位吸収部７０が複数の空隙を備える場合、変位吸収部７０は積層方向Ｓに収縮されても面方向Ｐに広がらないため、変位吸収部７０の外方にはスペースＳＰは不要となる。よって、面方向Ｐにおいて単セル１０の大きさを小さくすることができる。なお、変位吸収部７０が複数の空隙を備えない構成も、本発明に含まれるものとする。

変位吸収部７０が複数の空隙を備える場合、変位吸収部７０は、電解液が浸透されていることが好ましい。また、負極層５０の膨張による負極層５０の空隙の増加量は、変位吸収部７０の圧縮による変位吸収部７０の空隙の減少量と同等であることが好ましい。さらに、負極層５０の収縮による負極層５０の空隙の減少量は、変位吸収部７０の膨張による変位吸収部７０の空隙の増加量と同等であることが好ましい。このとき、図９に示すように、負極層５０が膨張したとき、変位吸収部７０に浸透している電解液は、負極層５０に移動する（図９の矢印参照）。このため、負極層５０が膨張した際に、負極層５０において電解液が不足して電池性能が低下することを好適に防止することができる。

変位吸収部７０を構成する材料は、特に限定されないが、例えば以下のものを用いることができる。

変位吸収部７０は、金属または金属繊維からなる弾性体を用いることができる。このような金属としては、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、およびＫからなる群から選択される少なくとも１種の金属またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。このように変位吸収部７０として金属を用いることによって、高い電気伝導性を得ることができる。

また、変位吸収部７０は、植物繊維、または／かつ、金属以外の繊維（ガラス繊維、炭素繊維等）を膠着させたものに対して、炭素材料を混ぜた弾性体を用いることができる。このような繊維としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料を用いることができる。また、このような炭素材料としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、リグニンブラック、グラファイト、グラフェンからなる少なくとも１つ以上を選択することができる。このような材料を用いることによって、変位吸収部７０を金属よりも低コストにすることができる。

また、変位吸収部７０は、高分子材料に対して、上述の炭素材料を混ぜた弾性体を用いることができる。このような高分子材料としては、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴム、エピクロロヒドリンゴム、アクリルゴム、エチレンアクリルゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、クロロプレーンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン－プロピレン－ジエンゴム）、エチレンゴム、プロピレンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、天然ゴム、ポリイソブチレン、塩化ポリエチレン、イソプレンゴム、発泡ポリプロピレン、発泡ポリエチレン、発泡ポリウレタンを用いることができる。このように高分子材料を用いることによって、変位吸収部７０の腐食を防止することができる。

変位吸収部７０の弾性率としては、例えば、２５℃で０．０１～５０ＭＰａ／ｍｍとすることができるがこれに限定されない。このような材料としては、例えば、燃料電池のガス拡散層に使用されるカーボンペーパを用いることができる。変位吸収部７０の弾性率は、例えば０．０１ＭＰａ／ｍｍより小さくてもよいが、小さすぎると変位吸収部７０が容易に変形してしまい、積層体１４０に対して所定の電池性能が発揮されるような加圧力を付与することが困難になる。また、変位吸収部７０の弾性率は、例えば５０ＭＰａ／ｍｍよりも大きくてもよいが、大きすぎると変位吸収部７０が変形しにくくなり、積層体１４０の体積変位に対する追従性が低下する。変位吸収部７０の弾性率は、従来公知の弾性率測定方法によって求めることができ、例えば、荷重試験器（ＪＩＳＫ６２７２の４．（試験機の等級分類）に規定する力計測系１級以上の精度を持つ試験装置を使用。例えば、株式会社今田製作所の引張圧縮試験機ＳＤＷＳ）で変位吸収部７０に所定の荷重をかけた時の変位量から算出する方法によって求めることができる。変位吸収部７０がゴムの場合、ＪＩＳＫ６２５４：２０１０に記載のＡ法によって求めることができる。また、変位吸収部７０の許容ひずみとしては、例えば３０～９９％とすることができる。

シール部８０は、図６、図７に示すように、正極層３０、ならびに負極層５０および変位吸収部７０の周囲をそれぞれ取り囲むように配置されている。シール部８０の形成材料は、絶縁性、シール性、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよい。シール部８０は、例えば、熱可塑性樹脂からなる。具体的には、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂などが用いられ得る。

次に、図８、図９を参照して、本実施形態に係る電池１００の効果について説明する。ここで積層体１４０は、蓋部材１７１およびセルケース１２０の底面１２２によって積層方向を拘束されている。また、積層体１４０は、積層方向に隣り合う積層体１４０によって積層方向を拘束されている。図８は、比較例に係る電池の単セル９１０において、負極層５０が膨張したときの様子を示す図である。図９は、本実施形態に係る電池１００の単セル１０において、負極層５０が膨張したときの様子を示す図である。

比較例に係る電池の単セル９１０は、実施形態に係る電池１００の単セル１０に対して、変位吸収部７０が設けられていない点において相違する。比較例に係る電池の単セル９１０において、図８に示すように、負極層５０が膨張することによって、シール部８０によって拘束されている単セル９１０の外周部に比較して中央部がより大きく膨出する。このため、負極集電体層６０に変形や応力集中が生じ、信頼性が損なわれる可能性がある。

これに対して、本実施形態に係る電池１００によれば、負極層５０に隣り合うように変位吸収部７０が配置されているため、負極層５０が膨張しても、変位吸収部７０において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、図９に示すように、単セル１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。したがって、負極集電体層６０に変形や応力集中が生じて、信頼性が損なわれることを防止できる。

以上説明したように、本実施形態に係る電池１００は、集電体層２０、６０、電極層３０、５０、およびセパレーター４０を含む単セル１０が積層されている積層体１４０と、電極層３０、５０の外周部分を封止するシール部８０と、を有する。また、電池１００は、積層体１４０の積層方向Ｓにおいて負極層５０に隣り合うように配置されるとともに弾性を備える変位吸収部７０を有する。このように構成された電池１００によれば、変位吸収部７０が負極層５０に隣り合うように配置されているため、負極層５０が膨張しても、変位吸収部７０において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、単セル１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

また、変位吸収部７０は、負極層５０および負極集電体層６０の間に配置されるとともに導電性を備える。このように構成された電池１００によれば、変位吸収部７０が複数の空隙を備える必要がないため、変位吸収部７０の汎用性が向上する。

また、変位吸収部７０は、負極層５０に隣り合うように配置される。このように構成された電池１００によれば、負極層５０が膨張しても、変位吸収部７０において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、単セル１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

また、剛性を有する材料から形成され、積層体１４０が配置されるセルケース１２０と、可撓性を有する材料から形成され、セルケース１２０に設けられる開口部１２６を密閉する蓋部材１７１と、をさらに有する。開口部１２６は、単セル１０の積層方向Ｓに関する積層体１４０の一方の面１４２に相対するように位置決めされている。蓋部材１７１は、開口部１２６を密閉したまま変形可能であり、セルケース１２０の内部圧力がセルケース１２０の外部圧力と同じである場合において積層体１４０の一方の面１４２から離間しているように位置決めされている。また、セルケース１２０の内部圧力がセルケース１２０の外部圧力よりも低い場合に変形し、積層体１４０の一方の面１４２と当接し、セルケース１２０の内部圧力とセルケース１２０の外部圧力との差圧に基づく圧力を、当接した面１４２に付与するように構成されている。このように構成された電池１００によれば、セルケース１２０の内部を減圧する（セルケースの内部圧力を外部圧力（大気圧）よりも低くする）ことにより、外部圧力とセルケースの内部圧力との差圧に基づく圧力が、密閉を維持した状態で変形した蓋部材１７１によって、単セル１０が積層されている積層体１４０の一方の面１４２に付与される。つまり、単セル１０が積層されている積層体１４０の押し付け圧力は、差圧に基づく圧力から構成されており、例えば、セルケース１２０の内部を減圧する減圧装置（圧力付与装置）１９０の大型化を伴うことなく、単セル１０の面積の増加に応じてトータルの押し付け圧力も増大する。したがって、電極の面積が大きい場合であっても、単セル１０が積層されている積層体１４０に適切な押し付け圧力を容易に付与することが可能である。

また、集電体層２０、６０は、変位吸収部７０よりも硬い樹脂集電体から構成される。このように構成された電池１００によれば、正極集電体層２０および負極集電体層６０の軽量化および内部短絡耐性の向上により、より高容量の活物質を使用することが可能となる。

また、変位吸収部７０は、金属または金属繊維からなる弾性体、植物繊維または／かつ金属以外の繊維を膠着させたものに対して炭素材料を混ぜた弾性体、および高分子材料に対して炭素材料を混ぜた弾性体からなる群から選択される少なくとも１種を用いることができる。変位吸収部７０が金属または金属繊維からなるシート状ばねであるとき、高い電気伝導性を得ることができる。また、変位吸収部７０が植物繊維を含むとき、変位吸収部７０が金属からなる構成と比較して低コストにすることができる。また、変位吸収部７０が高分子材料を含むとき、変位吸収部７０の腐食を防止することができる。また、変位吸収部７０が布を含むとき、変位吸収部７０の腐食を防止することができる。

また、変位吸収部７０の許容ひずみは、３０～９９％である。このように構成された電池１００によれば、変位吸収部７０において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を好適に吸収することができる。したがって、単セル１０が積層方向Ｓに膨出することを好適に抑制できる。

＜変形例１＞
次に、図１０、図１１を参照して、変形例１に係る電池の構成を説明する。

図１０は、変形例１に係る電池の単セル２１０を示す概略断面図であって、図７に対応する図である。図１１は、変形例１に係る電池において、負極層５０が膨張したときの様子を示す概略断面図であって、図９に対応する図である。

変形例１に係る電池は、上述した実施形態に係る電池１００に対して、単セル２１０の構成が相違する。その他の構成は、実施形態に係る電池１００と同様であるため、説明は省略する。以下、変形例１に係る電池の単セル２１０の構成について説明する。

単セル２１０は、図１０に示すように、正極集電体層２０と、正極層３０と、セパレーター４０と、変位吸収部１７０と、負極層５０と、負極集電体層６０と、が順に積層されて構成している。また、単セル２１０は、正極層３０、ならびに変位吸収部１７０および負極層５０の周辺部分を封止するシール部８０を有する。

正極集電体層２０、正極層３０、セパレーター４０、負極層５０、負極集電体層６０、およびシール部８０の構成は、上述した実施形態と同様であるため、説明を省略する。

変位吸収部１７０は、セパレーター４０および負極層５０の間に位置する。このため、変位吸収部１７０は、導電性でなくてもよい。また、変位吸収部１７０は、セパレーター４０および負極層５０の間に位置するため、イオンの透過性を呈する必要があることから、多孔性（ポーラス）であることが好ましい。

変位吸収部１７０は、電解液が浸透されている。このとき、図１１に示すように、負極層５０が膨張したとき、変位吸収部１７０に浸透している電解液は、負極層５０に移動する（図１１の矢印参照）。このため、負極層５０が膨張した際に、負極層５０において電解液が不足して電池性能が低下することを好適に防止することができる。

このように変形例１において、変位吸収部１７０は負極層５０およびセパレーター４０の間に配置されるとともに複数の空隙を備える。このため、負極層５０が膨張しても、変位吸収部１７０において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、図１１に示すように、単セル２１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

＜変形例２＞
次に、図１２、図１３を参照して、変形例２に係る電池の構成を説明する。

図１２は、変形例２に係る電池の単セル３１０を示す概略断面図であって、図７に対応する図である。図１３は、変形例２に係る電池において、第１負極層５１および第２負極層５６が膨張したときの様子を示す概略断面図であって、図９に対応する図である。

変形例２に係る電池は、上述した実施形態に係る電池１００に対して、単セル３１０の構成が相違する。その他の構成は、実施形態に係る電池１００と同様であるため、説明は省略する。以下、変形例２に係る電池の単セル３１０の構成について説明する。

単セル３１０は、図１２に示すように、正極集電体層２０と、正極層３０と、セパレーター４０と、第１負極層５１と、変位吸収部２７０と、第２負極層５６と、負極集電体層６０と、が順に積層されて構成している。また、単セル３１０は、正極層３０、ならびに第１負極層５１、変位吸収部２７０、および第２負極層５６の周辺部分を封止するシール部８０を有する。

正極集電体層２０、正極層３０、セパレーター４０、負極集電体層６０、およびシール部８０の構成は、上述した実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、第１負極層５１、第２負極層５６は、上述した実施形態に係る負極層５０と同様の構成であるため、説明を省略する。

変位吸収部２７０は、一対の負極層（第１負極層５１および第２負極層５６）の間に配置されている。このため、変位吸収部２７０は、導電性を備える必要がある。また、変位吸収部２７０は、上述した実施形態に係る電池１００の変位吸収部７０と同様に、複数の空隙を備えることが好ましい。

変位吸収部２７０が複数の空隙を備える場合、変位吸収部２７０は、電解液が浸透されていることが好ましい。このとき、図１３に示すように、第１負極層５１および第２負極層５６が膨張したとき、変位吸収部２７０に浸透している電解液は、第１負極層５１および第２負極層５６に移動する（図１３の矢印参照）。このため、第１負極層５１および第２負極層５６が膨張した際に、第１負極層５１および第２負極層５６において電解液が不足して電池性能が低下することを好適に防止することができる。

このように変形例２において、変位吸収部２７０は、一対の負極層（第１負極層５１および第２負極層５６）の間に配置されるとともに導電性を備える。このため、第１負極層５１および第２負極層５６が膨張しても、変位吸収部２７０において、積層方向Ｓに沿う第１負極層５１および第２負極層５６の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、図１３に示すように、単セル３１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

＜変形例３＞
次に、図１４、図１５を参照して、変形例３に係る電池の構成を説明する。

図１４は、変形例３に係る電池の単セル４１０を示す概略断面図であって、図７に対応する図である。図１５は、変形例３に係る電池において、負極層５０が膨張したときの様子を示す概略断面図であって、図９に対応する図である。

変形例３に係る電池は、上述した実施形態に係る電池１００に対して、単セル４１０の構成が相違する。その他の構成は、実施形態に係る電池１００と同様であるため、説明は省略する。以下、変形例３に係る電池の単セル４１０の構成について説明する。

単セル４１０は、図１４に示すように、正極集電体層２０と、正極層３０と、セパレーター４０と、第１変位吸収部３７１と、負極層５０と、第２変位吸収部３７２と、負極集電体層６０と、が順に積層されて構成している。また、単セル４１０は、正極層３０、ならびに第１変位吸収部３７１、負極層５０、および第２変位吸収部３７２の周辺部分を封止するシール部８０を有する。

正極集電体層２０、正極層３０、セパレーター４０、負極層５０、負極集電体層６０、およびシール部８０の構成は、上述した実施形態と同様であるため、説明は省略する。

第１変位吸収部３７１は、セパレーター４０および負極層５０の間に配置されている。第１変位吸収部３７１は、変形例１に係る変位吸収部１７０と同様の構成を備える。第２変位吸収部３７２は、負極層５０および負極集電体層６０の間に配置されている。第２変位吸収部３７２は、実施形態に係る変位吸収部７０と同様の構成を備える。

図１５に示すように、負極層５０が膨張したとき、第１変位吸収部３７１および第２変位吸収部３７２に浸透している電解液は、負極層５０に移動する（図１５の矢印参照）。このため、負極層５０が膨張した際に、負極層５０において電解液が不足して電池性能が低下することを好適に防止することができる。

このように変形例３において、負極層５０の積層方向Ｓの両側には、第１変位吸収部３７１および第２変位吸収部３７２が設けられる。このため、負極層５０が膨張しても、第１変位吸収部３７１および第２変位吸収部３７２において、積層方向Ｓに沿う負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。また、変位吸収部が２か所設けられるため、より好適に負極層５０の膨張の変位分を吸収することができる。したがって、図１５に示すように、単セル４１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

＜変形例４＞
次に、変形例４に係る電池５００の構成を説明する。

図１６は、変形例４に係る電池５００を説明するための概略図である。変形例４に係る電池５００は、上述した実施形態に係る電池１００に対して、蓋部材１７１、カバープレート１７６等が設けられない点において相違する。

変形例１に係る電池５００は、本体部５１０を有する。本体部５１０は、図１６に示すように、剛性を有する材料から形成されたセルケース５２０を有する。

セルケース５２０は、高剛性の材料から形成されており、略矩形の底面５２２と、底面５２２を取り囲む側壁部５２４と、略矩形の上面５２６と、を有する。側壁部５２４は、不図示の締結部材によって、底面５２２および上面５２６に取り付け可能に構成されている。側壁部５２４が底面５２２および上面５２６に取り付けられた状態で、セルケース５２０は閉じた形状を構成する。セルケース５２０の内部には、積層体１４０が配置されている。積層体１４０の構成は、上述した実施形態に係る電池１００の積層体１４０と同様の構成であるため、説明は省略する。

以上のように構成した変形例４に係る電池５００によれば、簡易な構成で、単セル１０が積層方向Ｓに膨出することを抑制できる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。

上述した実施形態では、変位吸収部７０は、負極層５０に隣り合うように配置されていた。しかしながら、変位吸収部は、正極層３０に隣り合うように配置されていてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、変位吸収部は、負極層またはセパレーターと別体として構成されていた。しかしながら、変位吸収部は、負極層またはセパレーターと一体として構成されていてもよい。

また、実施形態および変形例１～４を適宜組み合わせた実施の形態とすることも可能である。

１０、２１０、３１０、４１０単セル、
２０正極集電体層、
３０正極層、
４０セパレーター、
５０負極層、
５１第１負極層、
５６第２負極層、
６０負極集電体層、
７０、１７０、２７０変位吸収部、
８０シール部、
１００、５００電池、
１１０、５１０本体部、
１２０、５２０セルケース、
１２６開口部、
１４０積層体、
１４２上面（一方の面）、
１７１蓋部材、
１７６カバープレート、
１７８開口部、
１９８車両、
Ｓ積層方向、
Ｐ面方向。

Claims

集電体層、電極層、およびセパレーターを含む単セルが積層されている積層体と、
前記電極層の外周部分を封止するシール部と、
前記積層体の積層方向において前記電極層に隣り合うように配置されるとともに弾性を備える変位吸収部と、
剛性を有する材料から形成され、前記積層体が配置されるセルケースと、
可撓性を有する材料から形成され、前記セルケースに設けられる開口部を密閉する蓋部材と、を有し、
前記開口部は、前記単セルの積層方向に関する前記積層体の一方の面に相対するように位置決めされており、
前記蓋部材は、
前記開口部を密閉したまま変形可能であり、
前記セルケースの内部圧力が前記セルケースの外部圧力と同じである場合において前記積層体の前記一方の面から離間しているように位置決めされており、
前記セルケースの内部圧力が前記セルケースの外部圧力よりも低い場合に変形し、前記積層体の前記一方の面と当接し、前記セルケースの内部圧力と前記セルケースの外部圧力との差圧に基づく圧力を、当接した面に付与するように構成されている電池。
前記変位吸収部は、前記電極層および前記集電体層の間に配置されるとともに導電性を備える請求項１に記載の電池。
前記集電体層は、前記変位吸収部よりも硬い樹脂集電体から構成される請求項１または２に記載の電池。
前記変位吸収部は、同じ極性の一対の前記電極層の間に配置されるとともに導電性を備える請求項１～３のいずれか１項に記載の電池。
前記変位吸収部は、負極層に隣り合うように配置される請求項１～４のいずれか１項に記載の電池。
前記変位吸収部は、前記電極層および前記セパレーターの間に配置されるとともに複数の空隙を備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の電池。
前記変位吸収部は、金属または金属繊維からなる弾性体、植物繊維または／かつ金属以外の繊維を膠着させたものに対して炭素材料を混ぜた弾性体、および高分子材料に対して前記炭素材料を混ぜた弾性体からなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１～６のいずれか１項に記載の電池。