KR20220169402A - 전지 - Google Patents
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Abstract
제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)를 포함하는 복수의 직렬체(10)를 가지고, 복수의 직렬체(10)의 각각이, 복수의 전극체(1)를 가지고, 적어도 1개의 중간 집전체(3)를 가지며, 복수의 직렬체(10)가, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고, 복수의 직렬체(10)의 각각에 있어서, 복수의 전극체(1)가, 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되고, 제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)의 중간 집전체(3)가, 서로 전기적으로 직접 접속되어 있는, 전지.
Description
본 발명은 전지에 관한 것이다.
일본공개특허 특개2014-116156에는, 복수의 바이폴라 전지를 서로 전기적으로 병렬로 접속하는 기술이 개시되어 있다. 일본공개특허 특개2014-116156에 개시된 전지는, 복수의 전극체(복수의 단위 전지라고도 할 수 있음)가 서로 전기적으로 직렬로 접속된 직렬체를 복수 구비하고, 당해 복수의 직렬체가 서로 전기적으로 병렬로 접속되어 이루어지는 것이라고도 할 수 있다. 또한, 일본공개특허 특개2018-028978에는, 바이폴라 전지의 내부에 있어서, 적어도 2개의 단위 전지를 서로 전기적으로 병렬로 접속하는 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허 특개2014-116156에 개시된 바와 같은 전지에 있어서는, 복수의 전극체의 일부에 특이한 용량 저하가 발생하면, 그 전극체가 포함되는 직렬체에 있어서의 전압의 불균일이 현저해지고, 이에 따라 전지가 급속하게 열화할 가능성이 있다. 이와 같은 급속한 열화를 일본공개특허 특개2018-028978에 개시된 기술에 의해서도 억제하는 것은 어렵다.
본 발명의 양태는,
제 1 직렬체와 제 2 직렬체를 포함하는 복수의 직렬체를 가지고,
상기 복수의 직렬체의 각각이, 복수의 전극체를 가지고,
상기 복수의 직렬체의 각각이, 적어도 1개의 중간 집전체를 가지며,
상기 복수의 직렬체가, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고,
상기 복수의 직렬체의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체가, 상기 중간 집전체를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되고,
상기 제 1 직렬체의 상기 중간 집전체와, 상기 제 2 직렬체의 상기 중간 집전체가, 서로 전기적으로 직접 접속되어 있는, 전지를 제공한다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 복수의 직렬체 중 적어도 1개가, 바이폴라 구조를 가지고 있어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 중간 집전체가, 수지와 도전 재료를 포함하고 있어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서의 전지는, 상기 제 1 직렬체에 있어서, 상기 중간 집전체를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되는 상기 복수의 전극체의 수가, 2 또는 3이어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서, 상기 복수의 직렬체가, 1개의 외장체의 내부에 수용되어 있어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서,
상기 복수의 직렬체가, 서로 적층되어 있어도 되고,
상기 복수의 직렬체의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체가 서로 적층되어 있어도 되며,
상기 복수의 직렬체의 적층 방향과, 상기 복수의 전극체의 적층 방향이 일치하고 있어도 된다.
본 발명의 양태에 있어서의 전지는, 전고체 전지여도 된다.
본 발명의 양태에 의하면, 복수의 전극체의 일부에 특이한 용량 저하가 발생했다고 해도, 그 전극체가 포함되는 직렬체에 있어서의 전압의 불균일이 억제되기 쉽다.
본 발명의 실시형태의 특징, 장점, 기술적 및 산업적 특성은 아래 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이며, 도면 내에 동일 요소는 동일 참조 번호로 표시된다.
도 1은, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 2는, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 3은, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 4는, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 5는, 실시예에 관련되는 전지에 있어서의 전압의 불균일을 나타내고 있는 도이다.
도 6은, 비교예에 관련되는 전지에 있어서의 전압의 불균일을 나타내고 있는 도이다.
도 1은, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 2는, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 3은, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 4는, 전지의 구성을 개략적으로 나타내고 있는 도이다.
도 5는, 실시예에 관련되는 전지에 있어서의 전압의 불균일을 나타내고 있는 도이다.
도 6은, 비교예에 관련되는 전지에 있어서의 전압의 불균일을 나타내고 있는 도이다.
도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 실시형태에 관련되는 전지(100)는, 제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)를 포함하는 복수의 직렬체(10)를 가진다. 또한, 상기 복수의 직렬체(10)의 각각이, 복수의 전극체(1)를 가진다. 또한, 상기 복수의 직렬체(10)의 각각이, 적어도 1개의 중간 집전체(3)를 가진다. 또한, 상기 복수의 직렬체(10)가, 서로 전기적으로 병렬로 접속되어 있다. 또한, 상기 복수의 직렬체(10)의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체(1)가, 상기 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 또한, 상기 제 1 직렬체(10)의 상기 중간 집전체(3)와, 상기 제 2 직렬체(10)의 상기 중간 집전체(3)가, 서로 전기적으로 직접 접속되어 있다.
1. 직렬체
도 1 및 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)는, 제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)를 포함하는 복수의 직렬체(10)를 가진다. 복수의 직렬체(10)는, 각각, 복수의 전극체(1)를 가지고, 또한, 적어도 1개의 중간 집전체(3)를 가진다. 각각의 직렬체(10)에 있어서, 복수의 전극체(1)의 수는 2 이상이면 되고, 2여도, 3이어도, 4 이상이어도 된다. 또한, 각각의 직렬체(10)에 있어서, 중간 집전체(3)의 수는 1 이상이면 되고, 1이어도, 2여도, 3 이상이어도 된다.
2. 전극체
도 1 및 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 각각의 전극체(1)는 단위 전지를 구성할 수 있다. 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 각각의 전극체(1)는, 정극 활물질층(1a), 부극 활물질층(1b) 및 전해질층(1c)을 가지는 것이어도 된다. 정극 활물질층(1a), 부극 활물질층(1b) 및 전해질층(1c)은, 각각, 도공, 전사 또는 프레스 성형 등의 공지의 성형법에 의해 용이하게 얻어진다.
2.1 정극 활물질층
정극 활물질층(1a)은, 적어도 정극 활물질을 포함할 수 있다. 전지(100)가 전고체 전지인 경우, 정극 활물질층(1a)은, 정극 활물질에 더하여, 추가로 임의로 고체 전해질, 바인더 및 도전 조제 등을 포함하고 있어도 된다. 또한, 전지(100)가 전해액계의 전지인 경우, 정극 활물질층(1a)은, 정극 활물질에 더하여, 추가로 임의로 바인더 및 도전 조제 등을 포함하고 있어도 된다.
정극 활물질로서는 공지의 활물질을 이용하면 된다. 공지의 활물질 중, 소정의 이온을 흡장 방출하는 전위(충방전 전위)가 상이한 2개의 물질을 선택하여, 귀한(nobler) 전위를 나타내는 물질을 정극 활물질로 하고, 천한(baser) 전위를 나타내는 물질을 후술의 부극 활물질로 하여, 각각 이용할 수 있다. 예를 들면, 리튬 이온 전지를 구성하는 경우는, 정극 활물질로서 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, 망간산 리튬, 스피넬계 리튬 화합물 등의 각종의 리튬 함유 복합 산화물을 이용할 수 있다. 전지(100)가 전고체 전지인 경우, 정극 활물질과 고체 전해질의 접촉에 의한 반응을 억제하기 위하여, 정극 활물질의 표면에 니오브산 리튬층이나 티탄산 리튬층이나 인산 리튬층 등의 피복층이 마련되어 있어도 된다. 정극 활물질은, 예를 들면, 입자 형상이어도 되고, 그 크기는 특별히 한정되는 것은 아니다.
전지(100)가 전고체 전지인 경우, 고체 전해질은 유기 고체 전해질(폴리머 고체 전해질) 및 무기 고체 전해질 중의 어느 것이어도 된다. 특히, 무기 고체 전해질은, 유기 폴리머 전해질과 비교하여 이온 전도도가 높고, 또한, 유기 폴리머 전해질과 비교하여 내열성이 우수하다. 무기 고체 전해질로서는, 예를 들면, 란탄지르콘산 리튬, LiPON, Li1+XAlXGe2-X(PO4)3, Li-SiO계 유리, Li-Al-S-O계 유리 등의 산화물 고체 전해질; Li2S-P2S5, Li2S-SiS2, LiI-Li2S-SiS2, LiI-Si2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiI-LiBr, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-P2O5, LiI-Li3PO4-P2S5, Li2S-P2S5-GeS2 등의 황화물 고체 전해질을 예시할 수 있다. 그 중에서도, 황화물 고체 전해질, 특히 Li2S-P2S5를 포함하는 황화물 고체 전해질의 성능이 높다. 고체 전해질은, 예를 들면, 입자 형상이어도 되고, 그 크기는 특별히 한정되는 것은 아니다.
바인더로서는, 예를 들면, 부타디엔고무(BR)계 바인더, 부틸렌고무(IIR)계 바인더, 스티렌부타디엔고무(SBR)계 바인더, 아크릴레이트부타디엔고무(ABR)계 바인더, 폴리불화비닐리덴(PVdF)계 바인더, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 바인더 등을 들 수 있다.
도전 조제로서는 아세틸렌블랙이나 케첸블랙 등의 탄소 재료나 니켈, 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 재료를 들 수 있다. 도전 조제는, 예를 들면, 입자 형상 또는 섬유 형상이어도 되고, 그 크기는 특별히 한정되는 것은 아니다.
정극 활물질층(1a)에 있어서의 각 성분의 함유량은 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 정극 활물질층(1a)의 형상도 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 전지(100)를 보다 용이하게 구성할 수 있는 관점에서, 시트 형상의 정극 활물질층(1a)이어도 된다. 정극 활물질층(1a)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 0.1㎛ 이상 2㎜ 이하여도 된다. 하한은 1㎛ 이상이어도 되고, 상한은 1㎜ 이하여도 된다.
2.2 부극 활물질층
부극 활물질층(1b)은, 적어도 부극 활물질을 포함할 수 있다. 전지(100)가 전고체 전지인 경우, 부극 활물질층(1b)은, 부극 활물질에 더하여, 추가로 임의로 고체 전해질, 바인더 및 도전 조제 등을 포함하고 있어도 된다. 또한, 전지(100)가 전해액계의 전지인 경우, 부극 활물질층(1b)은, 부극 활물질에 더하여, 추가로 임의로 바인더 및 도전 조제 등을 포함하고 있어도 된다.
부극 활물질로서는 공지의 활물질을 이용하면 된다. 예를 들면, 리튬 이온 전지를 구성하는 경우는, 부극 활물질로서 Si나 Si 합금이나 산화규소 등의 실리콘계 활물질; 그라파이트나 하드 카본 등의 탄소계 활물질; 티탄산 리튬 등의 각종 산화물계 활물질; 금속 리튬이나 리튬 합금 등을 이용할 수 있다. 부극 활물질은, 예를 들면, 입자 형상이어도 되고, 그 크기는 특별히 한정되는 것은 아니다. 고체 전해질, 바인더 및 도전 조제는 정극 활물질층(1a)에 이용되는 것으로서 예시한 것 중에서 적절히 선택하여 이용할 수 있다.
부극 활물질층(1b)에 있어서의 각 성분의 함유량은 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 부극 활물질층(1b)의 형상도 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 전지(100)를 보다 용이하게 구성할 수 있는 관점에서, 시트 형상의 부극 활물질층(1b)이어도 된다. 부극 활물질층(1b)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 0.1㎛ 이상 2㎜ 이하여도 된다. 하한은 1㎛ 이상이어도 되고, 상한은 1㎜ 이하여도 된다. 부극의 용량이 정극의 용량보다 커지도록, 부극 활물질층(1b)의 두께나 적층 면적(전극 면적)이 조정되어도 된다.
2.3 전해질층
전해질은, 상기한 바와 같이 정극 활물질층(1a) 및 부극 활물질층(1b)에 배치될 수 있는 것 외에, 정극 활물질층(1a)과 부극 활물질층(1b)의 사이에 전해질층(1c)으로서도 배치될 수 있다. 전해질층(1c)은, 전지의 전해질층으로서 일반적인 것을 모두 채용 가능하다. 전해질층(1c)은, 적어도 전해질을 포함한다. 전지(100)가 전고체 전지인 경우, 전해질층(1c)은, 고체 전해질과 임의로 바인더를 포함하고 있어도 된다. 고체 전해질에 관해서는 상술한 대로이며, 특히 무기 고체 전해질, 그 중에서도 황화물 고체 전해질의 성능이 높다. 바인더는 정극 활물질층(1a)에 이용되는 바인더와 마찬가지의 것을 적절히 선택하여 이용할 수 있다.
전해질층(1c)에 있어서의 각 성분의 함유량은 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 전해질층(1c)의 형상도 공지의 전지와 마찬가지로 하면 된다. 전지(100)를 보다 용이하게 구성할 수 있는 관점에서, 시트 형상의 전해질층(1c)이어도 된다. 전해질층(1c)의 두께는, 예를 들면, 0.1㎛ 이상 2㎜ 이하여도 된다. 하한은 1㎛ 이상이어도 되고, 상한은 1㎜ 이하여도 된다.
한편, 전지(100)가 전해액계 전지인 경우, 전해질층(1c)은 전해액과 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전해액이나 세퍼레이터는 공지의 것을 이용하면 된다. 또한, 전해질층(1c)이 액계 전해질층인 경우와 고체 전해질층인 경우를 비교한 경우, 전해질층(1c)이 고체 전해질층인 경우 쪽이, 즉, 전지(100)가 전고체 전지인 경우 쪽이, 전지(100)를 구성하는 것이 보다 용이해지는 것으로 생각할 수 있다. 특히, 전해액계의 전지보다 전고체 전지 쪽이, 직렬체(10)에 있어서 바이폴라 구조를 구성하기 쉽다.
2.4 정극 집전체 및 부극 집전체
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)에 있어서는, 적어도 일부의 전극체(1)가, 정극 집전체(1d)나 부극 집전체(1e)를 가지고 있어도 된다. 정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)는, 전지의 집전체로서 일반적인 것을 모두 채용 가능하다. 정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)는, 금속박 또는 금속 메시여도 된다. 특히, 금속박이 취급성 등이 우수하다. 정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)는, 각각, 복수매의 금속박으로 이루어져 있어도 된다.
정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)를 구성하는 금속으로서는, Cu, Ni, Cr, Au, Pt, Ag, Al, Fe, Ti, Zn, Co, 스테인리스강 등을 들 수 있다. 특히, 산화 내성을 유지하는 관점에서, 정극 집전체(1d)가 Al을 포함하는 것이어도 되고, 또한, 환원 내성을 유지하는 관점에서, 부극 집전체(1e)가 Cu를 포함하는 것이어도 된다.
정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)는, 그 표면에, 저항을 조정하는 것 등을 목적으로, 어떤 코트층을 가지고 있어도 된다. 또한, 정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)가 복수매의 금속박으로 이루어지는 경우, 당해 복수매의 금속박간에 어떤 층을 가지고 있어도 된다. 정극 집전체(1d) 및 부극 집전체(1e)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 0.1㎛ 이상 또는 1㎛ 이상이어도 되고, 1㎜ 이하 또는 100㎛ 이하여도 된다.
3. 중간 집전체
도 1 및 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 1개의 직렬체(10)에 있어서, 중간 집전체(3)를 개재하여, 복수의 전극체(1)가 서로 전기적으로 직렬로 접속된다. 즉, 중간 집전체(3)는, 하나의 전극체(1)의 정극 활물질층(1a)과 다른 전극체(1)의 부극 활물질층(1b)의 사이에 배치될 수 있다. 고전압을 용이하게 유지할 수 있는 관점, 에너지 밀도를 높이는 관점 등에서, 직렬체(10)는 바이폴라 구조를 가지는 것이어도 되고, 이 경우, 중간 집전체(3)는 바이폴라 집전체여도 된다. 즉, 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 중간 집전체(3)의 일방의 표면에 정극 활물질층(1a)이 적층되고, 타방의 표면에 부극 활물질층(1b)이 적층되어도 된다.
중간 집전체(3)는, 금속으로 이루어지는 것이어도 된다. 또는, 후술하는 바와 같이, 수지와 도전 재료를 포함하는 것이어도 된다. 중간 집전체(3)는, 복수의 층(또는 박)으로 이루어져 있어도 된다. 중간 집전체(3)가 금속으로 이루어지는 경우, 당해 중간 집전체(3)를 구성하는 금속으로서는, Cu, Ni, Cr, Au, Pt, Ag, Al, Fe, Ti, Zn, Co, 스테인리스강 등을 들 수 있다. 중간 집전체(3)는, 그 표면에, 저항을 조정하는 것 등을 목적으로, 어떤 코트층을 가지고 있어도 된다. 중간 집전체(3)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 0.1㎛ 이상 또는 1㎛ 이상이어도 되고, 1㎜ 이하 또는 100㎛ 이하여도 된다.
중간 집전체(3)가 수지와 도전 재료를 포함하는 경우, 전지(100)가 경량화되기 쉽고, 또한, 전지(100)의 안전성이 향상되기 쉽다. 수지는, 예를 들면, 비닐 수지여도 된다. 또한, 도전 재료는, 예를 들면, 탄소 재료 또는 금속 재료여도 된다. 금속 재료로서는, 상술의 금속과 마찬가지의 것이 채용될 수 있다. 도전 재료의 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 입자 형상이어도 된다. 중간 집전체(3)는, 예를 들면, 상기의 수지와 도전 재료의 혼합물을 박 형상으로 성형하는 것에 의해 얻어진 것이어도 된다. 중간 집전체(3)에 있어서의 수지와 도전 재료의 비율은 특별히 한정되는 것은 아니고, 집전체로서의 정형성 및 기계 특성과, 전극체(1)끼리를 전기적으로 직렬로 접속할 수 있을 정도의 도전성이 유지되면 된다.
4. 전기적인 접속
도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)는, 직렬체(10)끼리의 병렬 접속과, 직렬체(10)에 있어서의 전극체(1)끼리의 직렬 접속과, 제 1 직렬체(10)의 중간 집전체(3)와 제 2 직렬체(10)의 중간 집전체(3)의 직접적인 접속의 적어도 3종류의 전기적인 접속을 가진다.
4.1 직렬체끼리의 병렬 접속
도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)에 있어서는, 복수의 직렬체(10)가, 서로 전기적으로 병렬로 접속된다. 직렬체(10)끼리의 전기적인 접속은, 예를 들면, 정극 집전체(1d)로부터 정극 집전 탭(20)을 돌출시키고, 부극 집전체(1e)로부터 부극 집전 탭(30)을 돌출시켜, 정극 집전 탭(20)끼리를 묶어서 일체화함과 함께, 부극 집전 탭(30)끼리를 묶어서 일체화하는 것에 의해 이루어져도 되고, 정극 집전체(1d)나 부극 집전체(1e)에 단자 등을 고정 또는 일체화시켜, 당해 단자끼리를 전기적으로 접속하는 것에 의해 이루어져도 되며, 그 밖의 방법에 의해 이루어져도 된다.
또한, 후술하는 바와 같이, 전극체(1)끼리를 직렬로 접속하여 직렬체(10)로 함으로써, 고전압을 유지할 수 있지만, 전극체(1)끼리를 직렬로 접속한 것만으로는, 전지 전체로서 충분한 용량을 유지하는 것은 어렵다. 이에 비하여, 전지(100)에 있어서는, 복수의 직렬체(10)가 전기적으로 병렬로 접속됨으로써, 전지(100) 전체로서의 용량이 높아진다. 전기적으로 병렬로 접속되는 직렬체(10)의 수는, 목적으로 하는 전지의 용량에 따라 적절히 결정될 수 있다. 전지(100)에 있어서, 직렬체(10)는 복수 있으면 되고, 2 이상이어도, 3 이상이어도, 4 이상이어도, 5 이상이어도 된다.
4.2 전극체끼리의 직렬 접속
도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 1개의 직렬체(10)에 있어서는, 복수의 전극체(1)가, 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속된다. 전지(100)에 있어서는, 공지의 방법에 의해 전극체(1)끼리가 전기적으로 직렬로 접속되면 된다. 예를 들면, 중간 집전체(3)의 일방의 면에 하나의 전극체(1)의 정극을 배치하고, 타방의 면에 다른 전극체(1)의 부극을 배치함으로써, 당해 하나의 전극체(1)와 다른 전극체(1)를 전기적으로 직렬로 접속할 수 있다. 상술대로, 직렬체(10)는 바이폴라 구조를 가지는 것이어도 되고, 즉, 중간 집전체(3)가 바이폴라 집전체여도 된다.
1개의 직렬체(10)에 포함되는 전극체(1)의 수는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 당해 수가 적은 편이, 각각의 전극체(1)의 전압의 감시나 추정이 용이해지기고, 또한, 안전성도 향상되기 쉽다. 이 점, 1개의 직렬체(10)에 있어서, 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 전극체(1)의 수는, 2 또는 3이어도 된다. 또한, 1개의 전극체가 3.5V∼4.5V 정도의 전압을 가지는 것인 경우, 당해 전극체를 3개 직렬로 접속함으로써, 12V 정도의 전압을 가지는 직렬체 및 전지가 얻어진다. 12V 정도의 전압을 가지는 전지는 사용하기 편하고, 수요도 많다.
4.3 중간 집전체끼리의 직접적인 접속
도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)에 있어서는, 제 1 직렬체(10)의 중간 집전체(3)와, 제 2 직렬체(10)의 중간 집전체(3)가, 서로 전기적으로 직접 접속되어 있다. 「전기적으로 직접 접속된다」란, 제 1 직렬체(10)의 중간 집전체(3)와, 제 2 직렬체(10)의 중간 집전체(3)의 사이에, 전극체(1)를 개재하지 않는 직접적인 도전 패스를 가지는 것을 의미한다. 즉, 전지(100)는, 직렬체(10)끼리의 병렬 접속이나, 전극체(1)끼리의 직렬 접속과는 별도로, 중간 집전체(3)끼리의 직접적인 도전 패스를 가진다.
제 1 직렬체(10)의 중간 집전체(3)와 제 2 직렬체(10)의 중간 집전체(3)의 직접적인 접속은, 예를 들면, 도 1∼도 3에 나타내어지는 바와 같이, 중간 집전체(3)로부터 중간 집전 탭(40)을 돌출시켜, 당해 중간 집전 탭(40)끼리를 묶어서 일체화하는 것에 의해 이루어져도 되고, 중간 집전체(3)에 단자 등을 고정 또는 일체화시켜, 당해 단자끼리를 전기적으로 접속하는 것에 의해 이루어져도 되며, 그 밖의 방법에 의해 이루어져도 된다.
전지(100)에 있어서, 1개의 직렬체(10)에 복수의 중간 집전체(3)가 포함되는 경우(즉, 직렬 접속되는 전극체가 3개 이상인 경우), 제 1 직렬체(10)에 포함되는 복수의 중간 집전체(3) 중 적어도 1개와, 제 2 직렬체(10)에 포함되는 복수의 중간 집전체(3) 중 적어도 1개가 전기적으로 직접 접속되어도 된다. 또한, 제 1 직렬체(10)의 1개의 중간 집전체(3)에 대하여, 제 2 직렬체(10)의 복수의 중간 집전체(3)가 전기적으로 직접 접속되어도 된다.
이와 같이, 직렬체(10)끼리의 병렬 접속이나, 전극체(1)끼리의 직렬 접속과는 별도로, 중간 집전체(3)끼리가 전기적으로 직접적으로 접속됨으로써, 특정한 전극체(1)에 있어서 특이한 용량 저하가 생겼다고 해도, 당해 전극체(1)가 포함되는 직렬체(10)와 다른 직렬체(10)의 사이에서 전류가 분산되어 전압이 밸런싱되고, 용량 저하가 생긴 전극체(1)가 포함되는 직렬체(10)에 있어서, 전압의 불균일이 억제되기 쉽다.
5. 적층 구조
전지(100)는, 소정의 적층 구조를 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 도 1 및 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)에 있어서는, 복수의 직렬체(10)가 서로 적층되어 있어도 되고, 복수의 직렬체(10)의 각각에 있어서, 복수의 전극체(1)가 서로 적층되어 있어도 되며, 복수의 직렬체(10)의 적층 방향과 복수의 전극체(1)의 적층 방향이 일치하고 있어도 된다. 보다 구체적으로는, 중간 집전체(3)의 일방의 면에 하나의 전극체(1)의 정극 활물질층(1a)이 적층되고, 타방의 면에 다른 전극체(1)의 부극 활물질층(1b)이 적층되어도 되고, 정극 집전체(1d)의 일방의 면에 하나의 전극체(1)의 정극 활물질층(1a)이 적층되고, 타방의 면에 다른 전극체(1)의 정극 활물질층(1a)이 적층되어도 되며, 부극 집전체(1e)의 일방의 면에 하나의 전극체(1)의 부극 활물질층(1b)이 적층되고, 타방의 면에 다른 전극체(1)의 부극 활물질층(1b)이 적층되어도 된다. 이에 의해, 하나의 전극체(1)와 다른 전극체(1)가 전기적으로 직렬로 접속되고, 또한, 제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)가 전기적으로 병렬로 접속될 수 있다. 환언하면, 복수의 전극체(1)와 중간 집전체(3)의 적층체로서, 직렬 접속 구조(바이폴라 구조여도 됨)와, 병렬 접속 구조의 쌍방을 가지는 적층체가 얻어진다. 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 이와 같이 하여 얻어진 적층체의 측면에 있어서, 상술한 탭 등을 개재하여, 정극 집전체(1d)끼리, 부극 집전체(1e)끼리, 중간 집전체(3)끼리가 전기적으로 접속됨으로써, 전지(100)가 구성되어도 된다.
6. 그 밖의 부재
전지(100)는, 상기 이외의 그 밖의 부재를 가지고 있어도 된다. 이하에 설명되는 부재는, 전지(100)가 가질 수 있는 그 밖의 부재의 일례이다.
6.1 외장체
도 4에 나타내어지는 바와 같이, 전지(100)에 있어서는, 복수의 직렬체(10)가, 1개의 외장체(50)의 내부에 수용되어 있어도 된다. 보다 구체적으로는, 전지(100)로부터 외부로 전력을 취출하기 위한 탭(20, 30)(또는 단자 등)을 제외한 부분이, 1개의 외장체(50)의 내부에 수용되어 있어도 된다. 또한, 전지(100)에 있어서, 중간 집전체(3)나 탭(40)은, 그 적어도 일부가 외장체(50)의 외부에 있어도 되고, 탭(40) 및 중간 집전체(3)의 전체가 외장체(50)의 내부에 수용되어 있어도 된다. 특히, 탭(40) 및 중간 집전체(3)의 전체가 외장체(50)의 내부에 수용되어 있는 경우(환언하면, 중간 집전체(3)가 외장체(50)의 외부로 인출되어 있지 않은 경우)에, 중간 집전체(3)와 정극 집전 탭(20)이나 부극 집전 탭(30)과의 간섭이 회피되기 쉽고, 또한, 외장체(50)의 밀봉도 용이하다.
외장체(50)는, 전지의 외장체로서 공지의 것을 모두 채용 가능하다. 예를 들면, 외장체(50)로서 라미네이트 필름을 이용해도 된다. 또한, 복수의 전지(100)가, 전기적으로 접속되고, 또한, 임의로 포개져, 세트 전지로 되어 있어도 된다. 이 경우, 공지의 전지 케이스의 내부에 당해 세트 전지가 수용되어도 된다.
6.2 밀봉 수지
전지(100)에 있어서는, 직렬체(10)가 수지에 의해 밀봉되어 있어도 된다. 예를 들면, 도 1에 나타내어지는 바와 같이 복수의 직렬체(10)가 적층되어 적층체가 구성된 다음, 당해 적층체의 적어도 측면(적층 방향을 따른 면)이 수지에 의해 밀봉되어도 된다. 이에 의해, 전극체(1)의 내부로의 수분의 혼입 등이 억제되기 쉬워진다. 밀봉 수지로서는, 공지의 열경화성 수지나 열가소성 수지가 채용될 수 있다. 전지(100)에 있어서는, 복수의 직렬체(10)가 수지에 의해 밀봉된 상태에서, 상술의 외장체(50)의 내부에 수용되어도 된다.
6.3 전압 감시 장치
전지(100)는, 복수의 전극체(1)의 각각의 전압을 감시하기 위한 장치를 가지고 있어도 된다. 전극체(1)의 전압을 감시하는 장치에 관해서는 공지의 것을 모두 채용 가능하다.
6.4 구속 부재
전지(100)는, 전극체(1)를 구속하기 위한 구속 부재를 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 상술과 같이 복수의 직렬체(10)가 적층되어 적층체가 구성된 경우, 구속 부재에 의해 당해 적층체에 대하여 적층 방향으로 구속압이 부여되어도 된다. 특히 전지(100)가 전고체 전지인 경우, 구속 부재에 의한 구속압의 부여에 의해, 전극체(1)의 내부 저항이 저감되기 쉽다.
이하, 실시예를 나타내면서, 본 개시의 전지에 의한 효과에 관하여 더 상세하게 설명하지만, 본 개시의 전지는 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예에 있어서는, 전해질로서 고체 전해질을 이용한 전고체 전지에 관하여 예시하지만, 본 개시의 기술의 적용처는 전고체 전지에 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 기술을 액계 전지에 적용한 경우에 있어서도 마찬가지의 효과를 가지는 것으로 생각할 수 있다. 단, 액계 전지보다 전고체 전지 쪽이, 바이폴라 구조를 용이하게 구성하기 쉽다.
1. 실시예
1.1 정극 합제의 제작
정극 활물질(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)과, 고체 전해질(LiI-LiBr-Li2S-P2S5)과, 도전 조제(VGCF)와, 바인더(ABR)를 소정의 비율로 혼합하여 정극 합제를 얻었다.
1.2 부극 합제의 제작
부극 활물질(그라파이트)과, 고체 전해질(LiI-LiBr-Li2S-P2S5)과, 바인더(ABR)를 소정의 비율로 혼합하여 부극 합제를 얻었다.
1.3 전해질 합제의 제작
고체 전해질(LiI-LiBr-Li2S-P2S5)과, 바인더(ABR)를 소정의 비율로 혼합하여 전해질 합제를 얻었다.
1.4 전지의 제작
상기의 정극 합제에 의해 얻어지는 정극 활물질층과, 부극 합제에 의해 얻어지는 부극 활물질층과, 전해질 합제에 의해 얻어지는 전해질층과, 정극 집전체(알루미늄박)와, 부극 집전체(구리박)와, 중간 집전체(비닐 수지와 도전 입자의 혼합물을 박 형상으로 성형한 수지박)를 이용하여, 도 1에 나타내어지는 구성을 가지는 적층체를 제작했다. 여기서, 1개의 직렬체에 있어서, 중간 집전체를 개재하여 전기적으로 직렬로 접속되는 전극체의 수를 2개로 했다. 또한, 3개의 직렬체를 전기적으로 병렬로 접속하는 것으로 했다. 또한, 도 1 및 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 적층체의 측면에 있어서, 각 집전체로부터 탭을 돌출시킨 다음, 당해 탭을 이용하여, 정극 집전체끼리, 부극 집전체끼리, 및, 중간 집전체끼리를 전기적으로 직접 접속했다. 이들 집전체의 접속 후, 외장체로서의 라미네이트 필름 내에 적층체를 밀봉하여, 평가용의 전지를 얻었다. 여기서, 도 4에 나타내어지는 바와 같이, 정극 집전 탭 및 부극 집전 탭의 일부는, 시일재를 개재하여, 라미네이트 필름의 외부에 인출되도록 했다.
2. 비교예
중간 집전체끼리를 전기적으로 직접 접속하지 않은 것 이외는, 실시예와 마찬가지로 하여 전지를 얻었다.
3. 평가 결과
도 5에, 실시예에 관련되는 전지의 구성 및 일부의 전극체의 용량이 특이적으로 저하한 경우에 있어서의 전압의 불균일의 일례를 나타낸다. 도 5에 나타내어지는 바와 같이, 실시예에 관련되는 전지에 있어서는, 중간 집전체끼리가 전기적으로 직접 접속됨으로써, 특정한 전극체에 있어서 특이한 용량 저하가 생겼다고 해도, 당해 전극체가 포함되는 직렬체와 다른 직렬체에서 전압이 밸런싱되어, 당해 전극체가 포함되는 직렬체에 있어서 전압의 불균일이 억제되기 쉬웠다.
도 6에, 비교예에 관련되는 전지의 구성 및 일부의 전극체의 용량이 특이적으로 저하한 경우에 있어서의 전압의 불균일의 일례를 나타낸다. 도 6에 나타내어지는 바와 같이, 비교예에 관련되는 전지에 있어서는, 특정한 전극체에 있어서 특이한 용량 저하가 생기면, 당해 전극체가 포함되는 직렬체에 있어서 전압의 불균일이 현저해져, 전지의 급속한 열화의 가능성이 있었다.
이상과 같이, 복수의 전극체가 서로 직렬로 접속된 직렬체를 복수 구비하고, 또한, 복수의 직렬체가 서로 병렬로 접속된 전지에 있어서, 복수의 전극체의 전압의 불균일을 억제하기 위해서는, 중간 집전체끼리를 전기적으로 접속하는 것이 유효하다고 할 수 있다. 구체적으로는, 전지가 이하의 구성을 구비하면 된다.
전지가 제 1 직렬체와 제 2 직렬체를 포함하는 복수의 직렬체를 가지고,
상기 복수의 직렬체의 각각이, 복수의 전극체를 가지고,
상기 복수의 직렬체의 각각이, 적어도 1개의 중간 집전체를 가지며,
상기 복수의 직렬체가, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고,
상기 복수의 직렬체의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체가, 상기 중간 집전체를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되고,
상기 제 1 직렬체의 상기 중간 집전체와, 상기 제 2 직렬체의 상기 중간 집전체가, 서로 전기적으로 직접 접속된다.
Claims (7)
- 전지(100)에 있어서,
제 1 직렬체(10)와 제 2 직렬체(10)를 포함하는 복수의 직렬체(10)를 가지고,
상기 복수의 직렬체(10)의 각각이, 복수의 전극체(1)를 가지고,
상기 복수의 직렬체(10)의 각각이, 적어도 1개의 중간 집전체(3)를 가지며,
상기 복수의 직렬체(10)가, 서로 전기적으로 병렬로 접속되고,
상기 복수의 직렬체(10)의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체(1)가, 상기 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되고,
상기 제 1 직렬체(10)의 상기 중간 집전체(3)와, 상기 제 2 직렬체(10)의 상기 중간 집전체(3)가, 서로 전기적으로 직접 접속되어 있는, 전지(100). - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 직렬체(10) 중 적어도 1개가, 바이폴라 구조를 가지는, 전지(100). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중간 집전체(3)가, 수지와 도전 재료를 포함하는, 전지(100). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 직렬체(10)에 있어서, 상기 중간 집전체(3)를 개재하여, 서로 전기적으로 직렬로 접속되는 상기 복수의 전극체(1)의 수가, 2 또는 3인, 전지(100). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 직렬체(10)가, 1개의 외장체(50)의 내부에 수용되어 있는, 전지(100). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 직렬체(10)가, 서로 적층되고,
상기 복수의 직렬체(10)의 각각에 있어서, 상기 복수의 전극체(1)가 서로 적층되며,
상기 복수의 직렬체(10)의 적층 방향과, 상기 복수의 전극체(1)의 적층 방향이 일치하는, 전지(100). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
전고체 전지인, 전지(100).
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