KR20130041277A - 적층형 전지 - Google Patents

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

층상의 집전체(4)와, 집전체(4)의 일면에 배치된 정극 활물질층(5)과, 집전체(4)의 다른 일면에 배치된 부극 활물질층(6)으로 이루어지는 쌍극형 전극(2)을 전해질층(7)을 개재해서 복수 적층함으로써 쌍극형 전지(2)를 구성한다. 집전체(4)의 주연부에 전압 검출용 단자(21a, 21b)를 설치한다. 집전체(4)의 도심(O)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21a)와 도심(O)을 연결하는 제1 직선(Da1)에 직교하는 제2 직선(Da2)의 반대측에, 인접하는 집전체(3)의 전압 검출용 단자(21b)를 배치함으로써, 동일한 단위 셀(15) 내로 충전 상태를 균등하게 한다.

Description

적층형 전지{LAMINATED CELL}
본 발명은 쌍극형 전지의 집전체에 설치하는 전압 검출용 단자의 배치에 관한 것이다.
집전체의 한쪽의 면에 정극 활물질층을, 다른쪽의 면에 부극 활물질층을 형성한 쌍극형 전극을, 전해질층을 개재장착해서 복수 적층한 쌍극형 전지에 있어서는, 각 층을 구성하는 단위 셀에, 제조시의 요인에 의한 내부 저항이나 용량 등의 편차가 존재한다. 쌍극형 전지는 이들 단위 셀을 직렬로 접속한 상태에서 사용된다. 그러나, 각 단위 셀이 분담하는 전압에 편차가 존재하면, 전압이 큰 단위 셀로부터 열화가 진행하고, 결과적으로 쌍극형 전지 전체의 수명이 짧아져 버린다.
따라서, 쌍극형 전지 전체의 수명을 신장하기 위해서는, 각 단위 셀의 전압을 측정하고, 측정한 전압에 의거하여 각 단위 셀의 전압을 조정하는 것이 바람직하다.
일본 특허청이 2005년에 발행한 일본 특허 출원 공개 제2005-235428호는, 쌍극형 전지의 각 단위 셀의 전압을 측정하기 위해, 각 단위 셀의 집전체에 전압 검출용 단자를 설치하고, 단위 셀마다에 전압을 취출해서 계측하는 것을 개시하고 있다.
이 종래 기술에 의한 쌍극형 전지에 있어서, 집전체는 적층 방향으로부터 보아 장방형의 평면 형상을 이루고 있다. 전압 검출용 단자는 적층 방향으로부터 보아 동일한 변에 상당하는 위치에 설치되어 있다.
전압 검출용 단자의 이러한 배치는, 전압 검출용 단자를 사용해서 전압 조정용의 방전을 행할 때에, 층상의 단위 셀의 동일 면내의 전압 분포에 불균등을 발생시키기 쉽다. 그 결과, 방전 완료후의 동일한 단위 셀내에서 부위에 따른 충전 상태의 편차가 발생할 가능성이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 단위 셀내의 동일면에 있어서의 충전 상태를 균등화하는 것이다.
이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 쌍극형 전지는, 층상의 집전체와, 집전체의 일면에 배치된 정극 활물질층과, 집전체의 다른 일면에 배치된 부극 활물질층으로 이루어지는 쌍극형 전극을 전해질층을 개재해서 복수 적층하는 동시에, 집전체의 주연부에 설치된 전압 검출용 단자를 구비하고 있다. 이 쌍극형 전지에 있어서는, 전압 검출용 단자와 집전체의 도심(centroid)을 연결하는 제1 직선에 직교하고, 집전체의 도심을 통과하는 제2 직선의 반대측에 인접하는 집전체의 전압 검출용 단자가 배치된다.
본 발명의 상세 및 다른 특징이나 이점은 명세서의 이하의 기재 중에서 설명되는 동시에, 첨부된 도면에 도시된다. 또한, 첨부된 도면은 설명의 사정상의 이유로부터, 쌍극형 전지를 구성하는 각 층의 두께나 형상에 관한 과장을 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지의 개략 종단면도이다.
도 2는 쌍극형 전지를 상방으로부터 바라 본 평면도이다.
도 3은 쌍극형 전지내의 전기의 흐름을 설명하는 쌍극형 전지의 개략 종단면도이다.
도 4는 종래 기술에 의한 쌍극형 전지의 개략 종단면도이다.
도 5는 종래 기술에 의한 쌍극형 전지를 상방으로부터 바라 본 평면도이다.
도 6은 종래 기술에 의한 쌍극형 전지의 단위 셀내의 전류 분포를 도시하는 회로도이다.
도 7은 종래 기술에 의한 쌍극형 전지의 단위 셀에 설치한 전압 검출용 단자로부터의 거리와 전류 밀도와의 관계를 설명하는 다이어그램이다.
도 8은 종래 기술에 의한 쌍극형 전지의 전압 검출용 단자로부터의 거리와 전압과의 관계를 설명하는 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지를 구성하는 4개의 집전체의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지의 단위 셀내의 전류 분포를 도시하는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지의 전압 검출용 단자로부터의 거리와 전압과의 관계를 설명하는 다이어그램이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 쌍극형 전지를 구성하는 4개의 집전체의 평면도이다.
도 13는 본 발명의 제3 실시형태에 의한 쌍극형 전지를 구성하는 4개의 집전체의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지의 단위 셀의 전압 검출용 단자의 배치를 설명하는 개략 평면도이다.
도 15는 도 14의 XV-XV 선에서 절취한 단위 셀내의 방전 종료후의 전압 분포를 도시하는 다이어그램이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 의한 쌍극형 전지의 단위 셀내의 전류 분포를 설명하는, 쌍극형 전지 주요부의 개략 사시도이다.
도면 중 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)는 세퍼레이터(12)를 개재해서 적층된 4개의 장방형의 집전체(4)를 구비한다.
집전체(4)는 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에 도전성 필러가 첨가된 수지로 구성된다. 집전체(4)는 수지에 한정되지 않고 금속으로 구성해도 좋다. 도면 중에 수평 유지된 집전체(4)의 연직 하면에는 정극 활물질층(5)이, 연직 상면에는 부극 활물질층(6)이 각각 형성된다. 집전체(4)와 그 양측에 형성된 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)이 쌍극형 전극(3)을 구성한다. 따라서, 쌍극형 전지(2)는 4개의 쌍극형 전극(3)을 구비한다.
부극 활물질층(6)은 정극 활물질층(5)보다 표면적이 넓게 설정된다. 쌍극형 전극(3)은, 전해질층(7)을 개재해서 연직 방향으로 적층되고, 전기적으로 직렬로 접속됨으로써, 1개의 쌍극형 전지(2)를 형성한다.
도면에 있어서 상하 방향으로 인접하는 2개의 쌍극형 전극(3)을, 설명상 여기에서는 상단 쌍극형 전극 및 하단 쌍극형 전극이라고 칭한다. 하단 쌍극형 전극의 상면에 위치하는 부극 활물질층(6)과, 상단 쌍극형 전극의 하면에 위치하는 정극 활물질층(5)이 전해질층(7)을 개재해서 서로 마주 향하도록, 상단 쌍극형 전극과 하단 쌍극형 전극이 배치된다.
정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)의 면적은 집전체(4)의 수평 방향의 면적보다도 작게 설정된다. 즉, 집전체(4)를 적층 방향으로부터 바라본 주연 영역에는 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)은 설치되지 않는다. 적층 방향에 관해서 인접하는 2개의 집전체(4)의 주연 영역의 사이에 소정 폭의 시일 부재(11)가 끼움지지된다. 시일 부재(11)는 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)을 서로 절연하는 동시에, 도면의 상하 방향으로 대치하는 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6) 사이에 소정의 공간(8)을 확보한다. 시일 부재(11)는 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)의 수평 방향의 외주의 더 외측에 배치된다.
전해질층(7)은 공간(8)에 충전된 액체상 또는 겔상의 전해질(9)로 구성된다.
전해질(9)이 충전되어 있는 공간(8)에는, 전해질(9)을 통과시킬 수 있는 다공질막으로 형성된 세퍼레이터(12)가 설치된다. 세퍼레이터(12)는 대향하는 2개의 전극 활물질층(5, 6)의 전기적 접촉을 저지하는 역할을 구비한다.
최상단의 부극 활물질층(6)에 강전 탭(16)이, 최하단의 정극 활물질층(5)에 강전 탭(17)이 각각 접속된다. 충전된 쌍극형 전지(2)에 있어서, 강전 탭(16)은 플러스 단자로서 기능하고, 강전 탭(17)은 마이너스 단자로서 기능한다.
전해질층(7)과, 전해질층(7)의 양측의 정극 활물질층(5) 및 부극 활물질층(6)으로 1개의 단위 셀(15)이 구성된다. 쌍극형 전지(2)는 3개의 단위 셀(15)을 직렬로 접속한 구성으로 되어 있다.
도 3을 참조하면, 이하의 설명에서는 3개의 단위 셀(15)을 연직 하방으로부터 제1 단위 셀(15a), 제2 단위 셀(15b) 및 제3 단위 셀(15c)이라고 칭한다. 도 3은 도 1과 마찬가지로 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)를 도시한다. 단위 셀(15)의 수나 쌍극형 전지(2)를 직렬로 접속하는 수는 원하는 전압에 따라 조절 가능하다.
직렬로 접속되는 3개의 단위 셀(15a, 15b 및 15c)이 분담하는 전압이 동등하지 않으면, 쌍극형 전지(2) 전체적으로 원하는 전지 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 이 쌍극형 전지(2)에서는, 각 단위 셀(15a, 15b 및 15c)의 전압을 측정하기 위해, 전압 검출용 단자(21a)를 제1 집전체(4a)에, 전압 검출용 단자(21b)를 제2 집전체(4b)에, 전압 검출용 단자(21c)를 제3 집전체(4c)에, 전압 검출용 단자(21d)를 제4 집전체(4d)에 각각 설치한다. 이와 같이 하여, 각 단위 셀(15a, 15b 및 15c)의 전압을 각각 외부로 취출한다. 또한, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)에 배선(22a 내지 22d)을 접속한다. 배선(22a 내지 22d)은 제어 회로(25)에 접속된다. 제어 회로(25)는 3개의 단위 셀(15a, 15b 및 15c)의 전압 불균형을 완화하기 위해서 검출한 단위 셀(15a, 15b 및 15c)의 전압에 의거하여, 고전압의 단위 셀에 방전을 행하게 한다. 또한, 방전도 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 사용해서 행해진다.
즉, 제1 단위 셀(15a)의 전압의 계측과 방전은 전압 검출용 단자(21a, 21b)를 사용해서 행해진다. 제2 단위 셀(15b)의 전압의 계측과 방전은 전압 검출용 단자(21b, 21c)를 사용해서 행해진다. 제3 단위 셀(15c)의 전압의 계측과 방전은 전압 검출용 단자(21c, 21d)를 사용해서 행해진다.
도 9를 참조하면, 각 집전체(4a 내지 4d)의 외형은 적층 방향, 즉 도 1의 상하 방향으로부터 보아 장방형을 이룬다. 즉, 각 집전체(4a 내지 4d)는 4개의 변(31, 32, 33 및 34)을 갖는다.
4개의 집전체(4a 내지 4d)로의 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c 및 21d)의 설치는 접착 등의 방법으로 행해진다. 또한, N개의 단위 셀의 전압을 검출하기 위해서는 N+1개의 전압 검출용 단자가 필요하다.
여기서는, 4개의 집전체(4a 내지 4d)를 제1 집전체(4a), 제2 집전체(4b), 제3 집전체(4c) 및 제4 집전체(4d)라고 칭한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 종래 기술에 의한 쌍극형 전지(2)는, 적층 방향으로부터 보아 각각 변(31)의 동일 위치에 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하고 있다. 이 경우에는, 전압 조정을 위한 방전을 행할 때에, 단위 셀(15)의 면내에서 전압 분포에 불균등이 발생하고, 방전 완료후에 동일한 단위 셀(15) 내에서 충전 상태의 불균등을 발생시켜 버린다. 특히, 집전체(4a 내지 4d)에 금속 재료보다 도전성이 낮은 수지 재료를 사용할 경우에는, 단위 셀(15)의 면내의 전류 밀도 분포의 치우침이 현저하게 나타난다.
도 6을 참조하면, 층상의 전지인 단위 셀(15a)은, 적층 방향으로부터 보았을 경우에 장방형의 평면 형상을 이루고, 하나의 면내에 병렬 접속된 복수, 예를 들어 5개의 미소 전지 요소(B1)를 구비한다고 간주할 수 있다.
여기서, 5개의 미소 전지 요소(B1)에는 저항(R1)이 직렬로 접속된다. 저항(R1)은 전지 직류 저항을 의미한다. 도면의 상하의 저항(R2)은 면내 저항 요소를 의미한다. 제1 단위 셀(15a)의 방전용 단자가 되는 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)는 모두 도면의 우측 단부에 위치하고 있다. 단위 셀(15)의 방전시에는, 전압 검출용 단자(21a, 21b)가 방전 저항(R4)을 통해서 접속된다.
도면에 있어서 각 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 5개의 방전 경로 중에서, 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)에 가장 가까운 위치에 있는 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 방전 전류(I1)의 경로가 가장 짧고, 또한 경로의 저항값도 가장 작다. 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)로부터 이격된 위치에 있는 미소 전지 요소(B1) 일수록 그 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 방전 전류의 경로가 길고, 또한 경로의 저항값도 크다. 5개의 경로 중에서 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)로부터 가장 이격된 위치에 있는 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 방전 전류(I5)의 경로가 가장 길고 또한 경로의 저항값이 가장 크다.
도 7을 참조하면, 종래 기술에 의한 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 단위 셀(15a)의 동일 면내에서 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)로부터의 거리가 멀어짐에 따라서, 전류 밀도가 작아진다.
도 8을 참조하면, 종래 기술에 의한 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 방전 종료후의 단위 셀(15a)의 전압 분포는 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)에 가까운 미소 전지 요소(B1) 일수록 전압이 낮다. 즉, 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)에 가까운 미소 전지 요소(B1) 일수록 방전의 진행이 빠르다.
이와 같이 하여, 종래 기술에 의한 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 방전이 완료할 때까지의 기간에, 단위 셀(15a)의 면내에 전압의 불균등이 발생한다. 본래, 균일해야 할 단위 셀(15)의 동일 면내의 충전 상태의 불균등은, 측정된 단위 셀(15a)의 전압을 상회하는 전압으로 되는 개소가 동일 단위 셀(15a) 내에 존재할 가능성을 허용하는 것을 의미한다. 이러한 부위가 존재하면, 전지의 사용 방법에 따라서는 인식되지 않은 채 국소적인 전지의 과충전을 야기할 가능성이 있다. 단위 셀(15b, 15c)에 대해서도 마찬가지이다.
다시 도 9를 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 집전체(4a 내지 4d)의 주연부에 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)가 1개씩 설치된다. 설치는 예를 들어 접착에 의해 행해진다. 도 9는 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)의 배치를 나타내기 위해, 집전체(4a 내지 4d)의 평면 형상을 개별적으로 도시한 것이다.
도 9의 (d)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 제1 집전체(4a)의 전압 검출용 단자(21a)와 제2 집전체(4b)의 전압 검출용 단자(21b)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제1 집전체(4a)의 도심(Oa)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21a)와 제1 집전체(4a)의 도심(Oa)을 연결하는 제1 직선(Da1)에 직교하는 제2 직선(Da2)의 반대측에, 인접하는 제2 집전체(4b)의 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다.
도 9의 (c)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 제2 집전체(4b)의 전압 검출용 단자(21b)와 제3 집전체(4c)의 전압 검출용 단자(21c)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제2 집전체(4b)의 도심(Ob)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21b)와 제2 집전체(4b)의 도심(Ob)을 연결하는 제1 직선(Db1)에 직교하는 제2 직선(Db2)의 반대측에, 인접하는 제3 집전체(4c)의 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다.
도 9의 (b)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 제3 집전체(4c)의 전압 검출용 단자(21c)와 제4 집전체(4d)의 전압 검출용 단자(21d)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제3 집전체(4c)의 도심(Oc)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21c)와 제3 집전체(4c)의 도심(Oc)을 연결하는 제1 직선(Dc1)에 직교하는 제2 직선(Dc2)의 반대측에, 인접하는 제4 집전체(4d)의 전압 검출용 단자(21d)를 배치한다.
도 9의 (a)를 참조하면, 이상의 배치에 의해, 제4 집전체(4d)의 도심(Od)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21d)와 제4 집전체(4d)의 도심(Od)을 연결하는 제1 직선(Dd1)에 직교하는 제2 직선(Dd2)의 반대측에, 인접하는 제3 집전체(4c)의 전압 검출용 단자(21c)가 위치하게 된다.
이상을 요약하면, 어떤 집전체(4)와 그것에 설치된 전압 검출용 단자(21)에 관해서, 집전체(4)의 도심(O)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21)와 집전체(4)의 도심(O)을 연결하는 제1 직선(D1)에 직교하는 제2 직선(D2)의 반대측에, 인접하는 집전체(4)의 전압 검출용 단자(21)를 배치하고 있다. 환언하면, 인접하는 집전체(4)에 설치된 2개의 전압 검출용 단자(21)는 90도 이상의 각도 간격을 두고서 배치된다.
이상의 조건을 만족한 후에, 더욱 바람직하게는 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)는 다음과 같이 배치된다.
집전체(4)의 도심(O)을 통과하는 2개의 직선으로 집전체(4)의 평면 형상을 4개의 영역으로 나누고, 인접하지 않는 2개의 영역의 한쪽에 위치하는 변에 전압 검출용 단자(21)를 설치한다. 적층 방향으로 인접하는 집전체(4)의 전압 검출용 단자(21)를 인접하지 않는 2개의 영역의 다른 한쪽에 위치하는 변에 설치한다. 바람직하게는, 2개의 직선은 장방형의 평면 형상의 집전체(4)의 정점을 통과하는 2개의 대각선으로 구성한다.
즉, 도 9의 (d)를 참조하면, 제1 집전체(4a)의 도심(Oa)과 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선(L1a, L2a)에 의해 제1 집전체(4a)를 4개의 영역(RG1a, RG2a, RG3a 및 RG4a)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1a, RG3a)중 한쪽 영역(RG3a)에 전압 검출용 단자(21a)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1a, RG3a)의 다른 한쪽 영역(RG1a)에 상당하는 위치에 인접하는 제2 집전체(4b)의 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다.
도 9의 (c)를 참조하면, 제2 집전체(4b)의 도심(Ob)과 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선(L1b, L2b)에 의해 제2 집전체(4b)를 4개의 영역(RG1b, RG2b, RG3b 및 RG4b)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1b, RG3b)의 한쪽 영역(RG1b)에 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1b, RG3b)의 다른 한쪽 영역(RG3b)에 상당하는 위치에 인접하는 제3 집전체(4c)의 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다.
도 9의 (b)를 참조하면, 제3 집전체(4c)의 도심(Oc)과 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선(L1c, L1c)에 의해 제3 집전체(4c)를 4개의 영역(RG1c, RG2c, RG3c 및 RG4c)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1c, RG3c)의 한쪽 영역(RG3c)에 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1c, RG3c)의 다른 한쪽 영역(RG1c)에 상당하는 위치에 인접하는 제4 집전체(4d)의 전압 검출용 단자(21d)를 배치한다.
발명자들의 연구에 따르면, 인접하는 집전체(4a 내지 4d)의 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)는 150 내지 210도의 각도 간격하에서 배치하는 것이 바람직하다. 또는, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 인접하지 않는 2개의 영역은, 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선[L1a(L1b, L1c, L1d), L2a(L2b, L2c, L2d)]의 교각이 예각을 이루는 영역으로 하는 것이 바람직하다.
장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선[L1a(L1b, L1c, L1d), L2a(L2b, L2c, L2d)]의 교각이 예각을 이루는 영역에 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하면, 2개의 직선[L1a(L1b, L1c, L1d), L2a(L2b, L2c, L2d)]의 교각이 둔각을 이루는 영역에 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 것보다도, 인접하는 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 이격해서 배치 할 수 있기 때문이다.
도 10을 참조하여, 이상과 같이 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 배치한 쌍극형 전지(2)에 있어서, 단위 셀(15a 내지 15c)의 내부에서 방전 전류가 어떻게 흐를지를 다음에 설명한다.
도 6에 대해서 설명한 바와 같이, 층상의 전지인 제1 단위 셀(15a)은 적층 방향으로부터 보았을 경우에 장방형을 이루고, 하나의 면내에 병렬 접속된 복수, 예를 들어 5개의 미소 전지 요소(B1)를 구비한다고 간주할 수 있다. 제2 단위 셀(15b)과 제3 단위 셀(15c)에 대해서도 동일하다.
제1 단위 셀(15a)의 전압은 도 3에 도시한 바와 같이 제1 단위 셀(15a)의 양측의 집전판(4a, 4b)에 설치된 전압 검출용 단자(21a, 21b)에 의해 검출된다.
전압 검출용 단자(21a)는 도면의 좌단부에, 전압 검출용 단자(21b)는 도면의 우단부에 위치하고 있다. 그로 인해, 5개의 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 방전 전류의 경로의 길이는 거의 동등해진다. 도시된 전압 검출용 단자(21a, 21b) 사이의 5개의 방전 경로의 저항은 모두 1개의 저항(R1)과 6개의 저항(R2)으로 구성된다. 즉, 5개의 방전 경로의 저항값은 거의 동등해진다.
그 결과, 5개의 각 미소 전지 요소(B1)를 통과하는 방전 전류(I1 내지 I5)의 크기도 거의 동등하다. 이와 같이, 제1 단위 셀(15a)의 면내에 있어서, 5개의 미소 전지 요소(B1)는 그 존재 위치에 관계없이 균등하게 방전을 행한다.
도 11을 참조하면, 균등한 방전의 결과, 방전 종료후의 제1 단위 셀(15a) 내의 전압 분포는 전압 검출용 단자(21a)로부터의 거리와는 관계없이 일정하다. 즉, 종래 기술에 의한 전압 검출용 단자의 배치가 초래하는 도 8에 도시하는 것과 같은 전압의 불균등을 발생하지 않는다. 이 쌍극형 전지(2)에 따르면, 단위 셀[(15a(15b, 15c)]의 면내에서의 전압 분포의 평탄화를 기대할 수 있는 것이다.
이상과 같이, 이 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 단위 셀[15a(15b, 15c)]의 한쪽의 전압 검출용 단자[21a(21b, 21c)]로부터 다른 한쪽의 전압 검출용 단자[21b(21c, 21d)]로의 방전 경로의 저항이 경로에 의하지 않고 균일화된다. 그로 인해, 단위 셀[15a(15b, 15c)]의 평면내의 어떠한 장소에 있어서도 전류 밀도가 균등해지고, 단위 셀[15a(15b, 15c)]내의 충전 상태를 동일 레벨로 평행하게 추이시킬 수 있다. 또한, 한쌍의 전압 검출용 단자[21a, 21b(21b, 21c 또는 21c, 21d)]가 검출하는 방전 완료후의 전압은, 단위 셀[15a(15b, 15c)]의 어느 부분인지에 의존하지 않으므로, 정밀도가 좋은 전압 검출을 행할 수 있다.
이 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)는 장방형의 평면 형상을 갖는 집전체(4a 내지 4d)를 사용하고 있지만, 본 발명은 장방형 이외의 다각형의 집전체를 사용한 쌍극형 전지에도 적용 가능하다.
또한, 정점을 갖는 다각형에 한정되지 않고, 집전체의 평면 형상이 원형이나 타원형 등 어떠한 형태라도 적용 가능하다.
도 12를 참조하여, 이러한 형상의 집전체(4aa, 4ba, 4ca 및 4da)를 갖는 쌍극형 전지(2)에 적용되는, 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태와 마찬가지로 쌍극형 전지(2)를 4개의 집전체(4aa, 4ba, 4ca 및 4da)로 구성한다. 단, 제1 실시형태와 달리 집전체(4aa 내지 4dd)는 대칭성이나 정점을 갖지 않는 평면 형상을 갖는다.
제1 집전체(4aa)에는 전압 검출용 단자(21a)가, 제2 집전체(4ba)에는 전압 검출용 단자(21b)가, 제3 집전체(4ca)에는 전압 검출용 단자(21c)가, 제4 집전체(4da)에는 전압 검출용 단자(21d)가 각각 설치된다.
도 12는 도 9와 마찬가지로, 집전체(4aa 내지 4da)에 있어서의 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)의 배치를 도시한다.
도 12의 (d)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 2개의 제1 집전체(4aa)와 제2 집전체(4ba)의 전압 검출용 단자(21a, 21b)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제1 집전(4aa)의 도심(Oa)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21a)와 제1 집전체(4aa)의 도심(Oa)을 연결하는 제1 직선(Da1)에 직교하는 제2 직선(Da2)의 반대측에, 인접하는 제2 집전체(4ba)의 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다.
도 12의 (c)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 제2 집전체(4ba)와 제3 집전체(4ca)의 전압 검출용 단자(21b, 21c)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제2 집전체(4ba)의 도심(Ob)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21b)와 제2 집전체(4ba)의 도심(Ob)을 연결하는 제1 직선(Db1)에 직교하는 제2 직선(Db2)의 반대측에, 인접하는 제3 집전체(4ca)의 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다.
도 12의 (b)를 참조하면, 적층 방향으로 인접하는 제3 집전체(4ca)와 제4 집전체(4da)의 전압 검출용 단자(21c, 21d)는 다음과 같이 배치된다. 즉, 제3 집전체(4ca)의 도심(Oc)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21c)와 제3 집전체(4ca)의 도심(Oc)을 연결하는 제1 직선(Dc1)에 직교하는 제2 직선(Dc2)의 반대측에, 인접하는 제4 집전체(4da)의 전압 검출용 단자(21d)를 배치한다.
도 12의 (a)를 참조하면, 이상의 배치에 의해, 제4 집전체(4da)의 도심(Od)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21d)와 제4 집전체(4da)의 도심(Od)을 연결하는 제1 직선(Dd1)에 직교하는 제2 직선(Dd2)의 반대측에, 인접하는 제3 집전체(4ca)의 전압 검출용 단자(21c)가 위치하게 된다.
이 실시형태에 있어서도, 인접하는 2개의 집전체(4)에 각각 설치된 전압 검출용 단자(21)는 90도 이상의 각도 간격하에서 배치된다.
이상의 조건을 만족한 후에, 더욱 바람직하게는 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)는 다음과 같이 배치된다.
집전체(4)의 도심(O)을 통과하는 2개의 직선으로 집전체(4)의 평면 형상을 4개의 영역으로 나누고, 인접하지 않는 2개의 영역의 한쪽에 위치하는 변에 전압 검출용 단자(21)를 배치한다.
즉, 도 12의 (d)를 참조하면, 제1 집전체(4aa)의 도심(Oaa)을 통과하는 2개의 직선(L1a, L2a)에 의해 제1 집전체(4aa)를 4개의 영역(RG1a, RG2a, RG3a 및 RG4a)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1a, RG3a)중 한쪽 영역(RG3a)에 전압 검출용 단자(21a)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1a, RG3a)중 다른 한쪽영역(RG1a)에 상당하는 위치에 인접하는 제2 집전체(4ba)의 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다.
도 9의 (c)를 참조하면, 제2 집전체(4ba)의 도심(Ob)과 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선(L1b, L2b)에 의해 제2 집전체(4ba)를 4개의 영역(RG1b, RG2b, RG3b 및 RG4b)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1b, RG3b)중 한쪽 영역(RG1b)에 전압 검출용 단자(21b)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1b, RG3b)중 다른 한쪽 영역(RG3b)에 상당하는 위치에 인접하는 제3 집전체(4ca)의 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다.
도 12의 (b)를 참조하면, 제3 집전체(4ca)의 도심(Oc)과 장방형의 대각선을 이루는 2개의 직선(L1c, L1c)에 의해 제3 집전체(4ca)를 4개의 영역(RG1c, RG2c, RG3c 및 RG4c)으로 분할하고, 인접하지 않는 2개의 영역(RG1c, RG3c)의 한쪽 영역(RG3c)에 전압 검출용 단자(21c)를 배치한다. 인접하지 않는 2개의 영역(RG1c, RG3c)중 다른 한쪽 영역(RG1c)에 상당하는 위치에 인접하는 제4 집전체(4da)의 전압 검출용 단자(21d)를 배치한다.
바람직하게는, 제1 집전체(4aa)의 2개의 직선(L1a, L2a)과의 교각이 예각을 이루는 영역에 전압 검출용 단자(21a)를 설치한다. 전압 검출용 단자(21b 내지 21d)에 대해서도 동일하다. 더욱 바람직하게는, 인접하는 2개의 집전체(4)의 전압 검출용 단자(21)를 150 내지 210도의 각도 간격하에서 배치한다.
이상과 같이, 이 실시형태에 따르면, 대칭성이나 정점을 갖지 않는 평면 형상을 갖지 않는 집전체(4aa 내지 4da)에 대해서도, 본 발명을 적용하는 것이 가능해서, 단위 셀내의 동일면에 있어서의 충전 상태의 불균형을 해소하는 것이다.
도 13를 참조해서 본 발명의 제3 실시형태를 설명한다.
이 실시형태에 있어서도, 제1 실시형태와 마찬가지로 쌍극형 전지(2)를 4개의 집전체(4a, 4b, 4c 및 4d)로 구성한다. 도 13는 도 9와 마찬가지로, 집전체(4a 내지 4d)에 있어서의 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)의 배치를 도시한다. 집전체(4a 내지 4d)는 제1 실시형태와 동일한 장방형의 평면 형상을 갖는다.
이 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)에 있어서는, 집전체(4a 내지 4d)의 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 변에 고전기 전도율의 소정 폭의 양도체(41 내지 44)를 미리 부착시킨다.
도 13의 (d)를 참조하면, 제1 집전체(4a)에 대해서 전압 검출용 단자(21a)를 설치하는 변(33a)에 전체 길이에 걸쳐 얇은 필름 형상의 제1 양도체(41)를 미리 부착한다.
도 13의 (c)를 참조하면, 제2 집전체(4b)에 대해서 전압 검출용 단자(21b)를 설치하는 변(31b)에 전체 길이에 걸쳐 얇은 필름 형상의 제2 양도체(42)를 미리 부착시킨다.
도 13의 (b)를 참조하면, 제3 집전체(4c)에 대해서 전압 검출용 단자(21c)를 설치하는 변(33c)에 전체 길이에 걸쳐 얇은 필름 형상의 제3 양도체(43)를 미리 부착시킨다.
도 13의 (a)를 참조하면, 제4 집전체(4d)에 대해서 전압 검출용 단자(21d)를 설치하는 변(31d)에 전체 길이에 걸쳐 얇은 필름 형상의 제4 양도체(44)를 미리 부착시킨다. 각 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)는 양도체(41 내지 44)의 위에 접착 등의 방법으로 설치한다.
도 14를 참조하여, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 변(33a, 31b, 33c 및 31d)에 양도체(41 내지 44)를 부착시키는 이유를 설명한다.
도 14는 제1 실시형태의 쌍극형 전지(2)의 제1 단위 셀(15a)의 개략 평면도이다. 제1 실시형태의 쌍극형 전지(2)에서는, 도 9의 (c) 및 도 9의 (d)에 도시한 바와 같이, 전압 검출용 단자(21a)가 제1 집전체(4a)의 변(33a)의 하부에 설치되어 있다. 또한, 전압 검출용 단자(21b)가 제2 집전체(4b)의 변(31b)의 대략 중앙부에 설치되어 있다.
도 14에서 "정극 단자 위치"라고 하는 것이 전압 검출용 단자(21a)의 설치 위치, "부극 단자 위치"라고 하는 것이 전압 검출용 단자(21b)의 설치 위치에 상당한다.
그런데, 제1 단위 셀(15a)의 방전시에 등전압선은 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)를 연결하는 직선과 평행을 이룬다. 방전 종료후에 등전압선에 직교하는 선, 즉 예를 들어 도 14의 XV-XV 선으로 절취한, 제1 단위 셀(15a) 내의 전압 분포가 도 15에 도시된다.
도 15를 참조하면, 소정 위치(B)에서 전압은 극소가 되고, 위치(B)의 양측에 있어서는 위치(B)로부터 이격될 수록 전압이 높아진다. 이와 같이 소정 위치(B)에 극소값을 갖는 전압 분포의 경향은 수지제의 집전체 등 전기 저항이 높은 집전체에 있어서 현저하게 나타난다.
도 15에 도시하는 소정 위치(B)는, 도 14에 있어서 XV-XV 선과 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)를 연결하는 직선이 교차하는 위치이다. 이 위치에서 방전 종료후의 전압이 극소로 되는 것은, 수지성의 집전체 등 전기 저항이 높은 집전체를 갖는 쌍극형 전지에 있어서는, 한쌍의 전압 검출용 단자(21a, 21b)를 최단 거리에서 연결하는 직선 상에서 방전이 가장 활발하게 행해지기 때문이다.
그러나, 소정 위치(B)에서 전압이 극소가 되도록 전압 분포를 갖는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 제3 실시형태에 의한 쌍극형 전지(2)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 변(33a, 31b, 33c 및 31d)에 양도체(41 내지 44)를 부착시키고 있다.
그 결과, 예를 들어 제1 단위 셀(15a)에서는, 제1 집전체(4a)를 설치하는 변(33a)에 배치된 제1 양도체(41)의 전체가 전압 검출용 단자로서 기능한다. 또한, 제2 집전체(4b)의 변(31b)에 배치된 제2 양도체(42)의 전체가 전압 검출용 단자로서 기능한다.
도 16을 참조하면, 제1 단위 셀(15a)에 있어서는, 제1 양도체(41)로부터 제2 양도체(42)를 향해서 방전 전류가 흐른다. 즉, 정부 한쌍의 전극이 양도체(41, 42)에 의해 점이 아닌 선으로서 형성된다. 그 결과, 방전 전류의 흐름은 집전체(4a, 4b)의 길이 방향, 즉 도 1과 도 3의 좌우의 방향으로 연장되는 변(32a, 32b) 및 변(34a, 34b)과 평행을 이루고, 또한 균일하게 된다. 따라서, 제1 단위 셀(15a) 내에서의 전압 분포에 극소를 갖는 것이 해소된다. 제2 단위 셀(15b) 및 제3 단위 셀(15c)에 대해서도 동일하다.
이상을 정리하면, 금속 집전체보다도 현저하게 전기 저항이 높은 수지제 등의 집전체를 사용했을 경우에는, 단위 셀의 한쌍의 전압 검출용 단자를 연결해서 얻어지는 직선과 직교하는 방향을 따른 전압 분포는 한쌍의 전압 검출용 단자를 연결하는 직선 상에서 극소값을 취한다. 이에 의해, 단위 셀의 면내의 전압 분포는 평탄하게 되지 않는다. 이 실시형태의 쌍극형 전지(2)는, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 변(33a, 31b, 33c 및 31d)에 양도체(41 내지 44)를 부착시키고 있다. 양도체(41 내지 44)가, 한쌍의 전압 검출용 단자[21a와 21b(21b와 21c, 21c와 21d)]를 연결해서 얻어지는 직선에 직교하는 방향의 전압 분포를 등전위로 한다. 따라서, 금속 집전체보다도 현저하게 저항이 높은 수지제 등의 집전체(4a 내지 4d)를 사용해서 쌍극형 전지(2)를 구성할 경우라도, 단위 셀(15a 내지 15c)내의 전류 밀도를 각각 균일화할 수 있다.
이상의 설명에 관해서 2010년 7월 30일을 출원일로 하는 일본에 있어서의 일본 특허 출원 제2010-172270호의 내용을 여기에 인용에 의해 포함한다.
이상, 본 발명을 몇개의 특정한 실시예를 통해서 설명해 왔지만, 본 발명은 상기의 각 실시예에 한정되는 것이 아니다. 당업자에 있어서는, 클레임의 기술범위에서 이들의 실시예에 다양한 수정 혹은 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 제3 실시형태에 있어서, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 설치하는 변(33a, 31b, 33c 및 31d)의 전체 길이에 걸쳐 양도체(41 내지 44)를 배치하는 것이 반드시 필요한 것은 아니고, 전압 검출용 단자(21a 내지 21d)를 중심으로 하는 변(33a, 31b, 33c 및 31d)의 일부에만 양도체(41 내지 44)를 부착시켜도 좋다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 쌍극형 전지는 전압 조정용의 방전을 행할 때에, 층상의 단위 셀내의 전압 분포를 균등화한다. 따라서, 예를 들어 전동 차량에 전원으로서 탑재되는 쌍극형 전지의 수명을 신장하는데 있어서 바람직한 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 실시예가 포함하는 배타적 성질 혹은 특징은 이하와 같이 클레임에 기재된다.

Claims (6)

  1. 쌍극형 전지(2)에 있어서,
    층상의 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)와, 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 일면에 배치된 정극 활물질층(5)과, 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 다른 일면에 배치된 부극 활물질층(6)으로 이루어지는 쌍극형 전극(3)을 전해질층(7)을 개재해서 복수 적층하는 동시에, 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 주연부에 설치된 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)를 구비하고,
    집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 도심(Oa, Ob, Oc, Od)을 통과하고, 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)와 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 도심(Oa, Ob, Oc, Od)을 연결하는 제1 직선(Da1, Db1, Dc1, Dd1)에 직교하는 제2 직선(Da2, Db2, Dc2, Dd2)의 반대측에, 인접하는 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)를 배치한, 쌍극형 전지.
  2. 제1항에 있어서, 도심(Oa, Ob, Oc, Od)에서 교차하는 2개의 직선(L1a, L1b, L1c, L1d, L2a, L2b, L2c, L2d)으로 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 평면 형상을 4개의 영역(RG1a, RG2a, RG3a, RG4a, RG1b, RG2b, RG3b, RG4b, RG1c, RG2c, RG3c, RG4c, RG1d, RG2d, RG3d, RG4d)으로 분할했을 경우에, 인접하지 않는 2개의 영역의 한쪽과 다른 한쪽에, 인접하는 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)를 각각 배치한, 쌍극형 전지.
  3. 제1항에 있어서, 인접하지 않는 2개의 영역은, 2개의 직선(L1a, L1b, L1c, L1d, L2a, L2b, L2c, L2d)의 교각이 예각을 이루는 영역(RG1a, RG3a, RG1b, RG3b, RG1c, RG3c, RG1d, RG3d)인, 쌍극형 전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 평면 형상은 장방형이며, 도심(Oa, Ob, Oc, Od)에서 교차하는 2개의 직선(L1a, L1b, L1c, L1d, L2a, L2b, L2c, L2d)은 장방형의 대각선인, 쌍극형 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 인접하는 집전체(4, 4a, 4b, 4c, 4d, 4aa, 4ba, 4ca, 4da)의 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)가 150도 내지 210도의 각도 간격으로 배치되는, 쌍극형 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전해질층(7)과, 전해질층(7)의 양측에 위치하는 정극 활물질층(5)과 부극 활물질층(6)으로 1개의 단위 셀(15, 15a, 15b, 15c)이 구성되고, 전압 검출용 단자(21a, 21b, 21c, 21d)는 각 단위 셀(15, 15a, 15b, 15c)의 용량 조정용 단자를 겸용하는, 쌍극형 전지.
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