KR20230107298A - 축전 장치 - Google Patents

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KR20230107298A
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유시 곤도
오사무 오모리
도모유키 가와이
다케시 가타야마
유스케 야마시타
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

축전 장치 (10) 는, 정극 (21) 과, 부극 (22) 과, 세퍼레이터 (23) 와, 정극 (21) 과 부극 (22) 의 사이에 형성됨과 함께 액체 전해질을 액밀하게 수용하는 수용실 (S) 을 구비하는 축전 셀 (20) 을 구비한다. 축전 셀 (20) 을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택 (30) 을 구비하고, 셀 스택 (30) 은, 적층 방향에 대한 측면이 수지제의 시일부 (24) 에 의해 덮여 있다. 셀 스택 (30) 의 최외층에 위치하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 는, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 고열전도 재료에 의해 구성되어 있다. 종단 정극 집전체 (21a′) 를 냉각하는 정극 냉각부 (40) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하는 부극 냉각부 (50) 를 구비한다. 액체 전해질은, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질이다.

Description

축전 장치
본 발명은, 축전 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1 에는, 각각 제작된 복수의 축전 셀을 직렬로 적층함으로써 구성되는 편평형의 축전 장치가 개시되어 있다. 상기 축전 셀은, 수지에 의해 구성되는 정극 집전체의 편면의 중앙부에 정극 활물질층이 형성되어 이루어지는 정극과, 수지에 의해 구성되는 부극 집전체의 편면의 중앙부에 부극 활물질층이 형성되어 이루어지고, 부극 활물질층이 정극의 정극 활물질층과 대향하도록 배치된 부극과, 정극과 부극의 사이에 배치된 세퍼레이터를 구비하고 있다.
또한, 상기 축전 셀은, 정극과 부극의 사이 또한 정극 활물질층 및 부극 활물질층보다 외주측에 배치된 열가소성 수지로 이루어지는 시일부를 구비하고 있다. 시일부는, 정극 집전체와 부극 집전체의 간격을 유지하여 집전체간의 단락을 방지함과 함께, 정극 집전체와 부극 집전체의 사이를 액밀 (液密) 하게 봉지하여, 정극 집전체와 부극 집전체의 사이에 액체 전해질을 수용하는 밀폐 공간을 형성한다.
특허문헌 2 ∼ 5 에는, 리튬비스옥살레이트보레이트 (LiBOB) 를 첨가한 비수 전해질을 사용하는 기술이 개시되어 있다. LiBOB 를 포함하는 액체 전해질을 사용한 경우에는, 분해 생성물의 피막이 부극 활물질의 표면에 형성되고, 이 피막은 부극 활물질의 보호막으로서의 역할을 발휘한다.
일본 공개특허공보 2017-16825호 일본 공개특허공보 2002-184460호 일본 공개특허공보 2002-110235호 일본 공개특허공보 2009-245828호 일본 공개특허공보 2014-035952호
특허문헌 2 ∼ 5 에 기초하여 본 발명자들이 액체 전해질에 옥살레이트 화합물을 첨가한 결과, 축전 장치의 수명이 향상되는 것이 확인되었다. 그러나, 더욱 검토를 진행시킨 결과, 축전 장치의 온도가 예를 들어, 180 ℃ 이상의 고온이 되면, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물인 부극 활물질 표면의 피막과 액체 전해질이 발열 반응을 일으켜, 축전 장치의 온도가 더욱 상승한다는 문제를 본 발명자들은 발견하였다.
특히, 각각 제작된 복수의 축전 셀을 직렬로 적층함으로써 구성되는 편평형의 축전 장치인 경우, 각 축전 셀 내의 액체 전해질의 수용실이 좁아지는 점에서, 액체 전해질에 있어서의 부극 활물질 표면과의 접촉 부분이 상대적으로 커진다. 그 때문에, 부극 활물질 표면의 피막과 액체 전해질의 발열 반응에 기초하는 온도 상승이 더욱 현저한 것이 된다.
이 발명은, 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질을 사용한 축전 장치의 온도 상승을 억제하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하는 축전 장치는, 정극 집전체의 제 1 면에 정극 활물질층이 접착된 정극과, 부극 집전체의 제 1 면에 부극 활물질층이 접착되어 이루어지고, 상기 부극 활물질층이 상기 정극의 상기 정극 활물질층과 대향하도록 배치된 부극과, 상기 정극 활물질층과 상기 부극 활물질층의 사이에 배치된 세퍼레이터와, 상기 정극과 상기 부극의 사이에 형성됨과 함께 액체 전해질을 액밀하게 수용하는 수용실을 구비하는 축전 셀을 구비하는 축전 장치로서, 상기 액체 전해질은, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질이며, 상기 축전 셀을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택을 구비하고, 상기 셀 스택은, 적층 방향에 대한 측면이 수지제의 피복부에 의해 덮여 있고, 상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체는 상기 셀 스택의 최외층에 위치하는 종단 집전체를 각각 구비하고, 상기 종단 집전체의 적어도 일방은, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 고열전도 재료에 의해 구성되고, 상기 고열전도 재료에 의해 구성되는 상기 종단 집전체를 냉각하는 냉각부를 구비한다.
상기 구성에 의하면, 축전 셀을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택의 외면 중, 적층 방향에 대한 측면을 수지제의 피복부에 의해 덮고 있다. 이로써, 셀 스택의 측면을 통한, 셀 스택 내의 액체 전해질과 셀 스택의 외부의 사이의 전열을 억제하고, 셀 스택의 외면에 있어서의 외부와의 전열 부분을 적층 방향의 단면에 위치하는 종단 집전체로 한정하고 있다. 더불어, 종단 집전체를 고열전도 재료에 의해 구성함과 함께, 고열전도 재료에 의해 구성된 종단 집전체를 냉각하는 냉각부를 설치하고 있다.
그 때문에, 축전 장치를 고온 환경에서 사용했을 경우에, 외기의 열이 셀 스택 내의 액체 전해질에 전해지는 것을 피복부에 의해 억제할 수 있다. 또, 액체 전해질의 온도가 상승하였다고 해도, 고열전도 재료에 의해 구성되는 종단 집전체 및 냉각부를 통해서, 그 열이 외부로 방출됨으로써, 액체 전해질의 과도한 온도 상승을 억제할 수 있다. 이로써, 액체 전해질에 함유시킨 옥살레이트 화합물에 기초하여 형성되는 부극 활물질층의 표면의 피막과 액체 전해질의 발열 반응을 일으키게 하는 온도에 이를 정도의 축전 장치의 온도 상승을 억제할 수 있음과 함께, 당해 발열 반응에서 기인하는 축전 장치의 추가적인 온도 상승을 억제할 수 있다.
상기 옥살레이트 화합물은, 일반식 (1) A＋[BX4-2n(C2O4)n]- 로 나타내는 옥살레이트 화합물인 것이 바람직하다. 일반식 (1) 중의 A＋ 는 알칼리 금속의 카티온이고, X 는 할로겐 원자이며, n 은 1 또는 2 이다.
상기 구성에 의하면, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물의 피막이 부극 활물질의 표면에 형성되는 것에 기초하여 축전 장치의 수명을 향상시키는 효과가 보다 현저하게 얻어진다.
상기 정극 활물질층의 단위 면적당 중량이 55 mg/㎠ 이상인 것, 및 상기 부극 활물질층의 단위 면적당 중량이 25 mg/㎠ 이상인 것의 적어도 일방을 만족하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 축전 장치의 에너지 밀도를 크게 할 수 있다.
상기 세퍼레이터는, 상기 정극 활물질층 및 상기 부극 활물질층에 접착되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 세퍼레이터를 개재하여 대향하는 정극 활물질층과 부극 활물질층의 사이의 열전도의 효율을 높일 수 있다. 이로써, 셀 스택의 적층 방향으로 열이 전해지기 쉬워져, 셀 스택 내의 열을 효율적으로 종단 집전체 및 냉각부로 이동시켜 외부로 방출할 수 있다.
상기 피복부에는, 상기 수용실 내에 발생한 탄산 가스를 상기 셀 스택의 외부로 투과시키는 투과벽부가 형성되고, 상기 투과벽부는, 밀도 930 ㎏/㎥ 미만의 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
옥살산 이온을 구조에 포함하는 옥살레이트 화합물을 액체 전해질에 첨가한 경우에는, 옥살산 이온에서 유래하는 탄산 가스의 발생에 의해, 액체 전해질이 수용되는 수용실의 내압이 상승하는 경우가 있다. 수용실의 내압의 상승은, 축전 장치의 온도를 상승시키는 원인이 된다.
상기 구성에 의하면, 탄산 가스를 투과시키는 성질을 갖는 저밀도 폴리에틸렌 수지를 사용한 투과벽부를 피복부에 형성하고 있다. 이로써, 옥살레이트 화합물을 구성하는 옥살산 이온에서 유래하는 탄산 가스가 수용실 내에 발생했을 경우에, 투과벽부를 통해서, 수용실 내의 탄산 가스를 셀 스택의 외부로 배출할 수 있다. 그 결과, 수용실의 내압의 상승을 억제할 수 있음과 함께, 수용실의 내압의 상승에 기초하는 축전 장치의 온도 상승을 억제할 수 있다.
상기 투과벽부는, 상기 피복부의 전체 둘레에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 피복부의 내주면의 둘레 방향에 있어서의 어느 위치로부터도 탄산 가스를 투과시키는 것이 가능해져, 코너 부분 등의 수용실 내의 일부에 있어서, 발생한 탄산 가스가 배출되지 않고 계속해서 머무르는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질을 사용한 축전 장치의 온도 상승을 억제할 수 있다.
도 1 은 축전 장치의 단면도.
도 2 는 변경예의 셀 스택의 주연부의 부분 단면도.
도 3 은 변경예의 축전 장치의 단면도.
도 4 는 방전시에 있어서의 셀 스택의 온도 변화를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명을 구체화한 일 실시형태를 도면에 따라서 설명한다.
도 1 에 나타내는 축전 장치 (10) 는, 예를 들어, 포크 리프트, 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 각종 차량의 배터리에 사용되는 축전 모듈이다. 축전 장치 (10) 는, 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지 등의 이차 전지이다. 축전 장치 (10) 는, 전기 이중층 커패시터여도 된다. 본 실시형태에서는, 축전 장치 (10) 가 리튬 이온 이차 전지인 경우를 예시한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 축전 장치 (10) 는, 복수의 축전 셀 (20) 이 적층 방향으로 스택 (적층) 된 셀 스택 (30) (적층체) 을 포함하여 구성되어 있다. 이하에서는, 복수의 축전 셀 (20) 의 적층 방향을 간단히 적층 방향이라고 한다. 각 축전 셀 (20) 은, 정극 (21) 과, 부극 (22) 과, 세퍼레이터 (23) 와, 시일부 (24) 를 구비한다.
정극 (21) 은, 정극 집전체 (21a) 와, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 에 형성된 정극 활물질층 (21b) 을 구비한다. 적층 방향에서 본 평면에서 봤을 때 (이하, 간단히 평면에서 봤을 때라고 한다.) 에 있어서, 정극 활물질층 (21b) 은, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 의 중앙부에 형성되어 있다. 평면에서 봤을 때에 있어서의 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 의 주연부는, 정극 활물질층 (21b) 이 형성되어 있지 않은 정극 미도공부 (21c) 로 되어 있다. 정극 미도공부 (21c) 는, 평면에서 봤을 때에 있어서 정극 활물질층 (21b) 의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다.
부극 (22) 은, 부극 집전체 (22a) 와, 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 에 형성된 부극 활물질층 (22b) 을 구비한다. 평면에서 봤을 때에 있어서, 부극 활물질층 (22b) 은, 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 중앙부에 형성되어 있다. 평면에서 봤을 때에 있어서의 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 주연부는, 부극 활물질층 (22b) 이 형성되어 있지 않은 부극 미도공부 (22c) 로 되어 있다. 부극 미도공부 (22c) 는, 평면에서 봤을 때에 있어서 부극 활물질층 (22b) 의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다.
정극 (21) 및 부극 (22) 은, 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 이 적층 방향에 있어서 서로 대향하도록 배치되어 있다. 요컨대, 정극 (21) 및 부극 (22) 의 대향하는 방향은 적층 방향과 일치하고 있다. 부극 활물질층 (22b) 은, 정극 활물질층 (21b) 보다 한 사이즈 크게 형성되어 있고, 평면에서 봤을 때에 있어서, 정극 활물질층 (21b) 의 형성 영역의 전체가 부극 활물질층 (22b) 의 형성 영역 내에 위치하고 있다.
정극 집전체 (21a) 는, 제 1 면 (21a1) 과는 반대측의 면인 제 2 면 (21a2) 을 갖는다. 정극 (21) 은, 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 에 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 이 모두 형성되어 있지 않은 모노폴라 구조의 전극이다. 부극 집전체 (22a) 는, 제 1 면 (22a1) 과는 반대측의 면인 제 2 면 (22a2) 을 갖는다. 부극 (22) 은, 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (21a2) 에 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 이 모두 형성되어 있지 않은 모노폴라 구조의 전극이다.
세퍼레이터 (23) 는, 정극 (21) 과 부극 (22) 의 사이에 배치되어, 정극 (21) 과 부극 (22) 을 격리함으로써 양극의 접촉에 의한 단락을 방지하면서, 리튬 이온 등의 전하 담체를 통과시키는 부재이다.
세퍼레이터 (23) 는, 예를 들어, 액체 전해질을 흡수 유지하는 폴리머를 포함하는 다공성 시트 또는 부직포이다. 세퍼레이터 (23) 를 구성하는 재료로는, 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리올레핀, 폴리에스테르 등을 들 수 있다. 세퍼레이터 (23) 는, 단층 구조 또는 다층 구조를 가져도 된다. 다층 구조는, 예를 들어, 접착층, 내열층으로서의 세라믹층 등을 가져도 된다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 양측의 표면에 접착층 (23a) 이 형성된 시트상의 세퍼레이터 (23) 를 사용하고 있다. 세퍼레이터 (23) 의 일방의 표면 (지면 하측의 표면) 에 형성된 접착층 (23a) 은, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (22a1) 및 정극 활물질층 (21b) 에 접착되어 있다. 세퍼레이터 (23) 의 타방의 표면 (지면 상측의 표면) 에 형성된 접착층 (23a) 은, 부극 활물질층 (22b) 에 접착되어 있다.
시일부 (24) 는, 정극 (21) 의 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (22a1) 과, 부극 (22) 의 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 사이, 또한 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 보다 외주측에 배치되어, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 양방에 접착되어 있다. 시일부 (24) 는, 정극 집전체 (21a) 와 부극 집전체 (22a) 의 사이를 절연함으로써, 집전체간의 단락을 방지한다.
시일부 (24) 는, 평면에서 봤을 때에 있어서, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 주연부를 따라 연장됨과 함께, 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 의 주위를 둘러싸는 프레임상으로 형성되어 있다. 시일부 (24) 는, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 의 정극 미도공부 (21c) 와, 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 부극 미도공부 (22c) 의 사이에 배치되어 있다.
축전 셀 (20) 의 내부에는, 프레임상의 시일부 (24), 정극 (21) 및 부극 (22) 에 의해 구획되는 수용실 (S) 이 형성되어 있다. 수용실 (S) 은, 프레임상의 시일부 (24), 정극 (21) 및 부극 (22) 에 의해 둘러싸인 액밀한 밀폐 공간이다. 수용실 (S) 에는, 정극 활물질층 (21b), 부극 활물질층 (22b), 세퍼레이터 (23) 및 액체 전해질이 수용되어 있다. 또한, 세퍼레이터 (23) 의 주연 부분은, 시일부 (24) 에 메워진 상태로 되어 있다. 시일부 (24) 는, 정극 (21) 및 부극 (22) 의 사이를 봉지함으로써, 수용실 (S) 에 수용된 액체 전해질의 외부로의 투과를 억제할 수 있다.
수용실 (S) 은, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 및 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 면방향으로 확장됨과 함께 적층 방향의 길이가 짧은 편평 형상이다. 예를 들어, 수용실 (S) 의 적층 방향의 길이를 L 로 하고, 수용실 (S) 의 용적을 V 로 했을 때, 상기 길이 L 과 상기 용적 V 의 비율 (V/L) 이 0.025 이상인 것이 바람직하고, 0.035 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 상기 비율 (V/L) 은, 예를 들어, 0.4 이하이다.
수용실 (S) 의 적층 방향의 길이 L 은, 예를 들어, 400 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하이며, 500 ㎛ 이상 750 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 수용실 (S) 의 용적 V 는, 예를 들어, 25 cc 이상 150 cc 이하이며, 40 cc 이상 120 cc 이하인 것이 바람직하고, 50 cc 이상 100 cc 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 길이 L 은, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 사이의 거리이다.
셀 스택 (30) 은, 복수의 축전 셀 (20) 이, 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 이 접촉하도록 중첩된 구조를 갖는다. 이로써, 셀 스택 (30) 을 구성하는 복수의 축전 셀 (20) 이 직렬로 접속되어 있다.
여기서, 셀 스택 (30) 에 있어서는, 적층 방향으로 이웃하는 두 개의 축전 셀 (20) 에 의해, 서로 접하는 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 를 하나의 집전체로 간주한 유사적인 바이폴라 전극 (25) 이 형성된다. 유사적인 바이폴라 전극 (25) 은, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 가 중첩된 구조의 집전체와, 그 집전체의 일방측의 면에 형성된 정극 활물질층 (21b) 과, 타방측의 면에 형성된 부극 활물질층 (22b) 을 포함한다.
각 축전 셀 (20) 의 시일부 (24) 는, 정극 집전체 (21a) 와 부극 집전체 (22a) 의 각 가장자리부보다 외측으로 연장되는 외주 부분 (24a) 을 갖고 있다. 외주 부분 (24a) 은, 적층 방향에서 보아 정극 집전체 (21a) 와 부극 집전체 (22a) 의 각 가장자리부보다 적층 방향에 직교하는 방향으로 돌출되어 있다. 적층 방향으로 이웃하는 축전 셀 (20) 은, 각각의 시일부 (24) 의 외주 부분 (24a) 끼리가 접착됨으로써 일체화되어 있다.
따라서, 셀 스택 (30) 의 둘레면, 즉, 적층 방향에 대한 측면은, 그 전체가 시일부 (24) 에 의해 덮여 있다. 본 실시형태에 있어서는, 시일부 (24) 에 의해, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 대한 측면을 덮는 피복부가 구성되어 있다. 또한, 이웃하는 시일부 (24) 끼리를 접착하는 방법으로는, 예를 들어, 열 용착, 초음파 용착 또는 적외선 용착 등, 공지된 용착 방법을 들 수 있다.
여기서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 있어서의 최외층에 위치하는 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 를 각각 종단 집전체로서의 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 로 한다. 종단 정극 집전체 (21a′) 의 제 2 면 (21a2′) 에는, 종단 정극 집전체 (21a′) 를 냉각하는 정극 냉각부 (40) 가 장착되어 있다. 또, 종단 부극 집전체 (22a′) 의 제 2 면 (22a2′) 에는, 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하는 부극 냉각부 (50) 가 장착되어 있다.
정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 는, 예를 들어, 60 ℃ 이하가 되도록 종단 정극 집전체 (21a′) 를 냉각한다. 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 의 구체적 구성은 특별히 한정되는 것이 아니고, 축전 장치의 냉각에 사용하는 공지된 냉각부를 사용할 수 있다. 공지된 냉각부로는, 예를 들어, 핀 등의 전열 효율을 높이는 구조를 갖고, 냉각용 매체와의 사이에서 열교환을 실시함으로써 냉각 대상을 냉각하는 냉각부를 들 수 있다.
본 실시형태에 있어서, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 는, 통전판으로도 기능하도록 구성되어 있다. 즉, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 는, 열전도율이 높은 재료, 또한 도전성을 갖는 재료에 의해 구성됨과 함께, 종단 정극 집전체 (21a′) 의 제 2 면 (21a2′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 제 2 면 (22a2′) 에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 의 각각에 형성된 단자를 통해서 축전 장치 (10) 의 충방전이 실시된다. 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 를 구성하는 재료로는, 예를 들어, 후술하는 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 를 구성하는 재료와 동일한 재료를 사용할 수 있다.
축전 장치 (10) 는, 셀 스택 (30) 을 구속하는 구속 부재 (60) 를 구비하고 있다. 구속 부재 (60) 는, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 있어서, 축전 셀 (20) 끼리가 대향하는 영역, 특히, 평면에서 봤을 때에 있어서, 정극 활물질층 (21b) 이 형성되어 있는 범위와 부극 활물질층 (22b) 이 형성되어 있는 범위가 겹치는 영역에 구속 가중을 부여한다.
셀 스택 (30) 에 대해 구속 가중을 부여할 수 있는 구성이면, 구속 부재 (60) 의 구체적 구성은 특별히 한정되지 않는다. 도 1 에 있어서는, 일례로서, 셀 스택 (30) 을 사이에 두도록 셀 스택 (30) 의 적층 방향의 양단에 배치되는 판상의 구속판 (61) 과, 구속판 (61) 끼리를 체결하는 볼트 및 너트로 이루어지는 체결 부재 (62) 를 구비하는 구속 부재 (60) 를 도시하고 있다. 체결 부재 (62) 에 의해, 구속판 (61) 끼리가 서로 접근하는 방향으로 가압됨으로써, 셀 스택 (30) 에 대해 적층 방향의 구속 가중이 부여된다.
다음으로, 정극 집전체 (21a), 부극 집전체 (22a), 정극 활물질층 (21b), 부극 활물질층 (22b), 액체 전해질, 및 시일부 (24) 의 상세한 것에 대하여 설명한다.
＜정극 집전체 및 부극 집전체＞
정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 는, 리튬 이온 이차 전지의 방전 또는 충전 동안, 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 에 전류를 계속 흘리기 위한 화학적으로 불활성인 전기 전도체이다.
종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 를 구성하는 재료는, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 고열전도 재료이다. 상기 고열전도 재료로는, 예를 들어, 은, 구리, 금, 알루미늄 등의 금속 재료를 들 수 있다. 또, 상기 고열전도 재료의 열전도율은, 예를 들어, 500 W/m·K 이하이다.
정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 에 대한 열전도의 관점에서는, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 는 평면에서 봤을 때에 있어서의 면적 (이하, 간단히 면적이라고 한다.) 이 크고, 또한 두께가 얇은 것이 바람직하다.
상기 관점에서, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 면적은, 예를 들어, 1 ㎡ 이상이며, 1.3 ㎡ 이상인 것이 바람직하다. 또, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 면적은, 예를 들어, 2.5 ㎡ 이하이며, 2.2 ㎡ 이하인 것이 바람직하다.
종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 두께는, 예를 들어, 0.003 ㎜ 이상이며, 0.005 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 0.01 ㎜ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 두께는, 예를 들어, 0.06 ㎜ 이하이며, 0.05 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 0.04 ㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.
종단 정극 집전체 (21a′) 이외의 정극 집전체 (21a) (이하, 일반 정극 집전체라고 기재한다.), 및 종단 부극 집전체 (22a′) 이외의 부극 집전체 (22a) (이하, 일반 부극 집전체라고 기재한다.) 를 구성하는 재료로는, 예를 들어, 금속 재료, 도전성 수지 재료, 도전성 무기 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 금속 재료로는, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 니켈, 티탄, 스테인리스강 (예를 들어 JIS G 4305 : 2015 에서 규정되는 SUS304, SUS316, SUS301, SUS304 등) 을 들 수 있다. 상기 도전성 수지 재료로는, 예를 들어, 도전성 고분자 재료 또는 비도전성 고분자 재료에 필요에 따라 도전성 필러가 첨가된 수지 등을 들 수 있다.
일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체를 구성하는 재료의 열전도율은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 100 W/m·K 이상인 것이 바람직하다. 또, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체에 대해서도, 상기 고열전도 재료에 의해 구성하는 것이 바람직하다.
종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 에 대한 열전도의 관점에서는, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체는 면적이 크고, 또한 두께가 얇은 것이 바람직하다.
상기 관점에서, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 면적은, 예를 들어, 1 ㎡ 이상인 것이 바람직하고, 1.3 ㎡ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 면적은, 예를 들어, 2.5 ㎡ 이하인 것이 바람직하고, 2.2 ㎡ 이하인 것이 보다 바람직하다.
일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 두께는, 예를 들어, 0.003 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 0.005 ㎜ 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.01 ㎜ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 두께는, 예를 들어, 0.06 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 0.05 ㎜ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.04 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 면적 및 두께는, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 와 동일하게 구성하는 것이 바람직하다.
정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 일방 또는 양방은, 전술한 금속 재료 또는 도전성 수지 재료를 포함하는 1 이상의 층을 포함하는 복수층을 구비해도 된다. 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 일방 또는 양방의 표면은, 공지된 보호층에 의해 피복되어도 된다. 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 일방 또는 양방의 표면은, 도금 처리 등의 공지된 방법에 의해 표면 처리되어 있어도 된다. 상기 표면 처리로는, 예를 들어, 크로메이트 처리, 인산크로메이트 처리를 들 수 있다.
정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 는 각각 독립적으로, 예를 들어, 박, 시트, 필름, 선, 봉, 메시 또는 클래드재 등의 형태를 가져도 된다. 박, 시트, 필름인 경우의 두께는, 예를 들어, 1 ∼ 100 ㎛ 이다.
본 실시형태의 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 는, 일반 정극 집전체를 알루미늄박에 의해 구성하고, 종단 정극 집전체 (21a′) 를 알루미늄박에 의해 구성하고, 일반 부극 집전체를 동박에 의해 구성하고, 종단 부극 집전체 (22a′) 를 동박에 의해 구성하고 있다.
＜정극 활물질층 및 부극 활물질층＞
정극 활물질층 (21b) 은, 리튬 이온 등의 전하 담체를 흡장 및 방출할 수 있는 정극 활물질을 포함한다. 정극 활물질로는, 층상 암염 구조를 갖는 리튬 복합 금속 산화물, 스피넬 구조의 금속 산화물, 폴리아니온계 화합물 등, 리튬 이온 이차 전지의 정극 활물질로서 사용 가능한 것을 채용하면 된다. 또, 2 종 이상의 정극 활물질을 병용해도 된다. 본 실시형태에 있어서, 정극 활물질층 (21b) 은 폴리아니온계 화합물로서의 올리빈형 인산철리튬 (LiFePO4) 을 포함한다.
부극 활물질층 (22b) 은, 리튬 이온 등의 전하 담체를 흡장 및 방출 가능한 단체, 합금 또는 화합물이면 특별한 한정 없이 사용 가능하다. 예를 들어, 부극 활물질로서 Li, 또는, 탄소, 금속 화합물, 리튬과 합금화 가능한 원소 혹은 그 화합물 등을 들 수 있다. 탄소로는 천연 흑연, 인조 흑연, 혹은 하드 카본 (난 (難) 흑연화성 탄소) 또는 소프트 카본 (이 (易) 흑연화성 탄소) 을 들 수 있다. 인조 흑연으로는, 고배향성 그래파이트, 메소카본 마이크로 비드 등을 들 수 있다. 리튬과 합금화 가능한 원소의 예로는, 실리콘 (규소) 및 주석을 들 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 부극 활물질층 (22b) 은 탄소계 재료로서의 흑연을 포함한다.
정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) (이하, 간단히 활물질층이라고도 한다.) 은 각각, 필요에 따라 전기 전도성을 높이기 위한 도전 보조제, 결착제, 전해질 (폴리머 매트릭스, 이온 전도성 폴리머, 액체 전해질 등), 이온 전도성을 높이기 위한 전해질 지지염 (리튬염) 등을 추가로 포함할 수 있다. 활물질층에 포함되는 성분, 당해 성분의 배합비는 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 이차 전지에 대한 종래 공지된 지견을 적절히 참조할 수 있다.
도전 보조제는, 정극 (21) 또는 부극 (22) 의 도전성을 높이기 위해서 첨가된다. 도전 보조제는, 예를 들어 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 그래파이트 등이다.
결착제로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 불소 고무 등의 함불소 수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 열가소성 수지, 폴리이미드, 폴리아미드이미드 등의 이미드계 수지, 알콕시실릴기 함유 수지, 폴리아크릴산이나 메타크릴산 등의 아크릴계 수지, 스티렌-부타디엔 고무, 카르복시메틸셀룰로오스, 알긴산나트륨, 알긴산암모늄 등의 알긴산염, 수용성 셀룰로오스에스테르 가교체, 전분-아크릴산 그래프트 중합체를 예시할 수 있다. 이들 결착제는, 단독으로 또는 복수로 사용될 수 있다. 용매 또는 분산매에는, 예를 들어, 물, N-메틸-2-피롤리돈 등이 사용된다.
정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 표면에 활물질층을 형성시키려면, 롤 코트법 등의 종래부터 공지된 방법을 이용해도 된다.
정극 (21) 또는 부극 (22) 의 열안정성을 향상시키기 위해서, 활물질층의 표면에 상기 내열층을 형성해도 된다.
활물질층의 두께 및 단위 면적당 중량은, 특별히 한정되지 않고, 리튬 이온 이차 전지에 대한 종래 공지된 지견을 적절히 참조할 수 있다. 단, 축전 셀 (20) 의 에너지 밀도를 크게 하는 관점에서, 활물질층의 단위 면적당 중량을 크게 하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 정극 활물질층 (21b) 의 두께는, 예를 들어, 250 ㎛ 이상이며, 400 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 정극 활물질층 (21b) 의 두께는, 예를 들어, 600 ㎛ 이하이다. 정극 활물질층 (21b) 의 단위 면적당 중량은, 예를 들어, 55 mg/㎠ 이상이며, 70 mg/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 정극 활물질층 (21b) 의 단위 면적당 중량은, 예를 들어, 90 mg/㎠ 이하이다. 또, 정극 (21) 의 강성을 높게 하는 관점에서, 정극 집전체 (21a) 가 두께 0.015 ∼ 0.05 ㎜ 의 박상인 경우에는, 정극 활물질층 (21b) 의 단위 면적당 중량이 55 ∼ 90 mg/㎠ 이며, 정극 활물질층 (21b) 의 밀도가 1.6 ∼ 2.1 g/㎤ 인 것이 바람직하다.
부극 활물질층 (22b) 의 두께는, 예를 들어, 150 ㎛ 이상이며, 200 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 250 ㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 부극 활물질층 (22b) 의 두께는, 예를 들어, 400 ㎛ 이하이다. 부극 활물질층 (22b) 의 단위 면적당 중량은, 예를 들어, 25 mg/㎠ 이상이며, 30 mg/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 부극 활물질층 (22b) 의 단위 면적당 중량은, 예를 들어, 45 mg/㎠ 이하이다. 또, 부극 (22) 의 강성을 높게 하는 관점에서, 부극 집전체 (22a) 가 두께 0.005 ∼ 0.02 ㎜ 의 박상인 경우에는, 부극 활물질층 (22b) 의 단위 면적당 중량이 25 ∼ 45 mg/㎠ 이며, 부극 활물질층 (22b) 의 밀도가 1.1 ∼ 1.5 g/㎤ 인 것이 바람직하다.
＜시일부 (피복부)＞
시일부 (24) 는, 밀도 930 ㎏/㎥ 미만의 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성된다. 저밀도 폴리에틸렌 수지의 밀도는, 예를 들어, 900 ㎏/㎥ 이상이며, 바람직하게는 910 ㎏/㎥ 이상이다. 상기 밀도는, JIS K 6922 에 준거하는 밀도이다.
폴리에틸렌 수지는, 예를 들어, JIS K 6922 에서 밀도에 의해 분류된다. 당해 분류에 있어서, 밀도가 930 ㎏/㎥ 를 초과하는 폴리에틸렌 수지가 중밀도 폴리에틸렌으로 되어 있다. 시일부 (24) 를 구성하는 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지는, 중밀도 폴리에틸렌보다 밀도가 작은 폴리에틸렌 수지이다. 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지로는, 예를 들어, 고압법 저밀도 폴리에틸렌, 직사슬형 저밀도 폴리에틸렌을 들 수 있다. 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지는, 고압법 저밀도 폴리에틸렌인 것이 바람직하다. 또, 시일부 (24) 의 열전도율은, 예를 들어, 0.28 ∼ 0.38 W/m·K 이다.
＜액체 전해질＞
액체 전해질로는, 예를 들어, 비수 용매와, 비수 용매에 용해한 전해질염을 포함하는 액체 전해질을 들 수 있다. 전해질염으로서, LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2, LiN(CF3SO2)2 등의 공지된 리튬염을 사용할 수 있다. 또, 비수 용매로서, 고리형 카보네이트류, 고리형 에스테르류, 사슬형 카보네이트류, 사슬형 에스테르류, 에테르류 등의 공지된 용매를 사용할 수 있다. 또한, 이들 공지된 용매 재료를 2 종 이상 조합하여 사용해도 된다.
액체 전해질은, 옥살레이트 화합물을 함유하고 있다. 옥살레이트 화합물은, 옥살산 이온을 구조에 포함하는 화합물을 의미한다. 옥살레이트 화합물로는, 예를 들어, 일반식 (1) A＋[BX4-2n(C2O4)n]- 로 나타내는 화합물을 들 수 있다. 일반식 (1) 에 있어서, A＋ 는, 리튬 이온 등의 알칼리 금속의 카티온이고, X 는, 불소 원자 등의 할로겐 원자이며, n 은 1 또는 2 이다.
일반식 (1) 로 나타내는 화합물의 구체예로는, 리튬디플루오로옥살레이트보레이트 (LiDFOB), 리튬비스옥살레이트보레이트 (LiBOB) 를 들 수 있다. 또, 옥살레이트 화합물은, 특허문헌 2 ∼ 5 에 개시되는 옥살레이트 화합물이어도 된다. 이들 옥살레이트 화합물은, 단독으로 또는 복수로 사용될 수 있다.
액체 전해질에 있어서의 옥살레이트 화합물의 배합 비율은, 액체 전해질에 함유되는 옥살레이트 화합물 이외의 성분의 합계 질량을 100 질량부로 했을 때, 예를 들어, 0.1 ∼ 5 질량부인 것이 바람직하고, 0.3 ∼ 4 질량부인 것이 보다 바람직하고, 0.5 ∼ 3 질량부인 것이 더욱 바람직하고, 1 ∼ 2 질량부인 것이 가장 바람직하다.
축전 장치 (10) 는, 전극 형성 공정과, 축전 셀 형성 공정과, 셀 스택 형성 공정을 차례로 거침으로써 제조된다. 여기서는, 일례로서, 종단 정극 집전체 (21a′) 를 포함하는 모든 정극 집전체 (21a) 를 알루미늄박에 의해 구성하고, 종단 부극 집전체 (22a′) 를 포함하는 모든 부극 집전체 (22a) 를 동박에 의해 구성했을 경우에 대해 설명한다.
＜전극 형성 공정＞
전극 형성 공정은, 정극 (21) 을 형성하는 정극 형성 공정과, 부극 (22) 을 형성하는 부극 형성 공정을 갖는다.
정극 형성 공정은 특별히 한정되는 것이 아니고, 정극 집전체 (21a) 및 정극 활물질층 (21b) 을 구비하는 정극 (21) 의 형성에 적용되는 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 정극 집전체 (21a) 로서의 알루미늄박의 제 1 면 (21a1) 에 대해, 고화함으로써 정극 활물질층 (21b) 이 되는 정극 합재를 소정 두께가 되도록 부착시킨 후, 정극 합재에 따른 고화 처리를 실시함으로써 정극 (21) 을 형성할 수 있다.
부극 형성 공정은 특별히 한정되는 것이 아니고, 부극 집전체 (22a) 및 부극 활물질층 (22b) 을 구비하는 부극 (22) 의 형성에 적용되는 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 부극 집전체 (22a) 로서의 동박의 제 1 면 (22a1) 에 대해, 고화함으로써 부극 활물질층 (22b) 이 되는 부극 합재를 소정 두께가 되도록 부착시킨 후, 부극 합재에 따른 고화 처리를 실시함으로써 부극 (22) 을 형성할 수 있다.
＜축전 셀 형성 공정＞
축전 셀 형성 공정에서는, 먼저, 세퍼레이터 (23) 를 사이에 두고 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 이 서로 적층 방향으로 대향하도록 정극 (21) 및 부극 (22) 을 배치함과 함께, 정극 (21) 과 부극 (22) 의 사이, 또한 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 보다 외주측에 시일부 (24) 가 되는 시일재, 예를 들어, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지제의 시트를 배치한다.
그 후, 정극 (21), 부극 (22), 및 세퍼레이터 (23) 와 시일재를 용착에 의해 접착함으로써, 정극 (21), 부극 (22), 세퍼레이터 (23), 및 시일부 (24) 가 일체화된 조립체를 형성한다. 시일재의 용착 방법으로는, 예를 들어, 열 용착, 초음파 용착 또는 적외선 용착 등, 공지된 용착 방법을 들 수 있다.
다음으로, 시일부 (24) 의 일부에 형성된 주입구를 통해서 조립체의 내부의 수용실 (S) 에 액체 전해질을 주입한 후, 주입구를 봉지한다. 이로써, 축전 셀 (20) 이 형성된다.
＜셀 스택 형성 공정＞
셀 스택 형성 공정에서는, 먼저, 복수의 축전 셀 (20) 을, 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 을 마주 향하도록 겹쳐 적층한다. 그 후, 적층 방향으로 이웃하는 축전 셀 (20) 에 있어서의 시일부 (24) 의 외주 부분 (24a) 끼리를 접착함으로써 복수의 축전 셀 (20) 을 일체화한다.
다음으로, 적층 방향의 일단에 있어서 가장 외측에 배치된 정극 (21) 의 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 에 대해, 정극 냉각부 (40) 를 겹쳐 전기적으로 접속한 상태에서 고정시킨다. 마찬가지로, 적층 방향의 타단에 있어서 가장 외측에 배치된 부극 (22) 의 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 에 대해, 부극 냉각부 (50) 를 겹쳐 전기적으로 접속한 상태에서 고정시킨다. 이로써, 셀 스택 (30) 이 형성된다. 그 후, 셀 스택 (30) 에 대해 구속 부재 (60) 를 장착한다. 예를 들어, 셀 스택 (30) 의 적층 방향의 양단에 구속판 (61) 을 배치한 후, 체결 부재 (62) 로 구속판 (61) 끼리를 체결한다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 대해 설명한다.
본 실시형태의 축전 장치 (10) 에서는, 액체 전해질로서, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질을 사용하고 있다. 이로써, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물의 피막이 부극 활물질층 (22b) 의 표면에 형성된다. 이 피막이 부극 활물질층 (22b) 의 보호막으로서 기능함으로써, 축전 장치 (10) 의 수명이 향상된다.
또, 축전 셀 (20) 을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택 (30) 의 외면 중, 적층 방향에 대한 측면을 수지제의 시일부 (24) (피복부) 에 의해 덮고 있다. 이로써, 셀 스택 (30) 의 측면을 통한, 셀 스택 (30) 내의 액체 전해질과 셀 스택 (30) 의 외부의 사이의 전열을 억제하고, 셀 스택 (30) 의 외면에 있어서의 외부와의 전열 부분을 적층 방향의 단면에 위치하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 로 한정하고 있다. 더불어, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 를 고열전도 재료에 의해 구성함과 함께, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하는 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 를 설치하고 있다.
고온 환경에서 축전 장치 (10) 를 사용한 경우에는, 외기의 열이 셀 스택 (30) 내의 액체 전해질에 전해지는 것을 수지제의 시일부 (24) (피복부) 에 의해 억제할 수 있다. 또, 액체 전해질의 온도가 상승하였다고 해도, 고열전도 재료에 의해 구성되는 종단 정극 집전체 (21a′), 및 종단 부극 집전체 (22a′), 그리고 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 를 통해서, 그 열이 외부로 방출된다. 이로써, 액체 전해질의 과도한 온도 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 액체 전해질에 함유시킨 옥살레이트 화합물에 기초하여 형성되는 부극 활물질층 (22b) 의 표면의 피막과 액체 전해질의 발열 반응을 일으키게 하는 온도에 이를 정도의 축전 장치 (10) 의 온도 상승을 억제할 수 있음과 함께, 당해 발열 반응에 기인하는 축전 장치 (10) 의 추가적인 온도 상승을 억제할 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 이하에 기재하는 효과를 얻을 수 있다.
(1) 축전 장치 (10) 는, 정극 집전체 (21a) 및 정극 활물질층 (21b) 을 갖는 정극 (21) 과, 부극 집전체 (22a) 및 부극 활물질층 (22b) 을 갖는 부극 (22) 과, 정극 활물질층 (21b) 과 부극 활물질층 (22b) 의 사이에 배치된 세퍼레이터 (23) 와, 정극 (21) 과 부극 (22) 의 사이에 형성됨과 함께 액체 전해질을 액밀하게 수용하는 수용실 (S) 을 구비하는 축전 셀 (20) 을 구비한다. 액체 전해질은, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질이다.
축전 셀 (20) 을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택 (30) 을 구비하고, 셀 스택 (30) 은, 적층 방향에 대한 측면이 수지제의 시일부 (24) 에 의해 덮여 있고, 셀 스택 (30) 의 최외층에 위치하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 는, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 고열전도 재료에 의해 구성되어 있다. 종단 정극 집전체 (21a′) 를 냉각하는 정극 냉각부 (40) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하는 부극 냉각부 (50) 를 구비한다.
상기 구성에 의하면, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물의 피막이 부극 활물질층 (22b) 의 표면에 형성됨으로써 축전 장치 (10) 의 수명이 향상된다. 또, 액체 전해질에 함유시킨 옥살레이트 화합물에 기초하여 형성되는 부극 활물질층 (22b) 의 표면의 피막과 액체 전해질의 발열 반응을 일으키게 하는 온도에 이를 정도의 축전 장치 (10) 의 온도 상승을 억제할 수 있음과 함께, 당해 발열 반응에 기인하는 축전 장치 (10) 의 추가적인 온도 상승을 억제할 수 있다.
(2) 옥살레이트 화합물은, 일반식 (1) A＋[BX4-2n(C2O4)n]- 로 나타내는 옥살레이트 화합물이다.
상기 구성에 의하면, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물의 피막이 부극 활물질의 표면에 형성된다. 이 피막은 부극 활물질의 보호막으로서의 역할을 발휘한다. 그 결과, 축전 장치 (10) 의 전지 성능이 향상된다.
상기 구성에 의하면, 옥살레이트 화합물의 분해 생성물의 피막이 부극 활물질층 (22b) 의 표면에 형성되는 것에 기초하여 축전 장치 (10) 의 수명을 향상시키는 효과가 보다 현저하게 얻어진다.
(3) 정극 활물질층 (21b) 의 단위 면적당 중량이 55 mg/㎠ 이상이다. 부극 활물질층 (22b) 의 단위 면적당 중량이 25 mg/㎠ 이상이다.
상기 구성에 의하면, 축전 장치 (10) 의 에너지 밀도를 크게 할 수 있다.
(4) 세퍼레이터 (23) 는, 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 에 접착되어 있다.
상기 구성에 의하면, 세퍼레이터 (23) 를 개재하여 대향하는 정극 활물질층 (21b) 과 부극 활물질층 (22b) 의 사이의 열전도의 효율을 높일 수 있다. 이로써, 셀 스택 (30) 의 적층 방향으로 열이 전해지기 쉬워져, 셀 스택 (30) 내의 열을 효율적으로 종단 정극 집전체 (21a′), 종단 부극 집전체 (22a′), 정극 냉각부 (40), 및 부극 냉각부 (50) 로 이동시켜 외부로 방출할 수 있다. 또한, 세퍼레이터 (23) 가 정극 활물질층 (21b) 및 부극 활물질층 (22b) 에 접착되어 있음으로써, 충방전시에 있어서의 정극 활물질층 (21b) 과 부극 활물질층 (22b) 의 적층 방향의 거리가 커지는 것을 억제할 수 있고, 축전 셀 (20) 의 저항 상승을 억제할 수 있다.
(5) 피복부인 시일부 (24) 의 전체는, 수용실 (S) 내에 발생한 탄산 가스를 셀 스택 (30) 의 외부로 투과시키는 투과벽부이며, 밀도 930 ㎏/㎥ 미만의 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되어 있다.
옥살산 이온을 구조에 포함하는 옥살레이트 화합물을 액체 전해질에 첨가한 경우에는, 옥살산 이온에서 유래하는 탄산 가스의 발생에 의해, 액체 전해질이 수용되는 수용실 (S) 의 내압이 상승하는 경우가 있다. 수용실 (S) 의 내압의 상승은, 축전 장치 (10) 의 온도를 상승시키는 원인이 된다.
상기 구성에 의하면, 피복부를, 탄산 가스를 투과시키는 성질을 갖는 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성함으로써, 수용실 (S) 내에 발생한 탄산 가스를 셀 스택 (30) 의 외부로 투과시키는 투과벽부로 하고 있다. 이로써, 옥살레이트 화합물을 구성하는 옥살산 이온에서 유래하는 탄산 가스가 수용실 (S) 내에 발생했을 경우에, 투과벽부로서의 피복부를 통해서, 수용실 (S) 내의 탄산 가스를 셀 스택 (30) 의 외부로 배출할 수 있다. 그 결과, 수용실 (S) 의 내압의 상승을 억제할 수 있음과 함께, 수용실 (S) 의 내압의 상승에 기초하는 축전 장치 (10) 의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지는, 탄산 가스를 투과시키는 성질에 더해, 수증기의 투과도가 낮은 성질을 갖고 있다. 그 때문에, 투과벽부로서의 피복부를 통해서, 외부로부터 수용실 (S) 내로 수분이 침입하는 것을 억제할 수 있다.
(6) 피복부인 시일부 (24) 의 전체를, 탄산 가스를 투과시키는 투과벽부로 하고 있다. 따라서, 피복부의 전체 둘레에 투과벽부가 위치하고 있다.
상기 구성에 의하면, 피복부의 둘레 방향에 있어서의 어느 위치로부터도 탄산 가스를 투과시키는 것이 가능해져, 수용실 (S) 의 코너 부분 등에 있어서, 발생한 탄산 가스가 배출되지 않고 계속하여 머무르는 것을 억제할 수 있다.
(7) 정극 (21) 과, 부극 (22) 과, 세퍼레이터 (23) 가 반복하여 적층된 구조를 갖고, 정극 집전체 (21a) 에 있어서의 제 1 면 (21a1) 의 반대측의 제 2 면 (21a2) 과, 부극 집전체 (22a) 에 있어서의 제 1 면 (22a1) 의 반대측의 제 2 면 (22a2) 이 접촉하고 있다.
이 경우, 수용실 (S) 의 내압이 과도하게 상승하여 수용실 (S) 이 팽창하면, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 가 변형되고, 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 의 접촉 면적이 저하되어 저항이 증가할 우려가 있다. 요컨대, 수용실 (S) 의 내압의 상승이 전지 성능을 저하시키는 요인이 된다. 그 때문에, 이러한 구성에 상기 (5) ∼ (6) 의 기술을 적용한 경우에는, 수용실 (S) 의 내압의 상승을 억제하는 효과에 더해, 전지 성능의 저하를 억제하는 효과도 얻어진다.
(8) 정극 집전체 (21a) 의 두께가 0.015 ∼ 0.05 ㎜ 의 박상이며, 정극 활물질층 (21b) 의 단위 면적당 중량이 55 ∼ 90 mg/㎠ 이며, 정극 활물질층 (21b) 의 밀도가 1.6 ∼ 2.1 g/㎤ 이다.
상기 구성에 의하면, 정극 활물질층 (21b) 이 형성됨으로써, 박상의 정극 집전체 (21a) 의 강성이 높아진다. 그 때문에, 수용실 (S) 의 내압이 상승했을 때에, 정극 (21) 이 휘어지듯이 변형하여, 인접하는 축전 셀 (20) 의 부극 집전체 (22a) 와의 접촉 면적이 작아지는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 상기 접촉 면적이 작아지는 것에 의한 축전 셀 (20) 간의 열전도 효율의 저하를 억제할 수 있다.
(9) 부극 집전체 (22a) 의 두께가 0.005 ∼ 0.02 ㎜ 의 박상이며, 부극 활물질층 (22b) 의 단위 면적당 중량이 25 ∼ 45 mg/㎠ 이며, 부극 활물질층 (22b) 의 밀도가 1.1 ∼ 1.5 g/㎤ 이다.
상기 구성에 의하면, 부극 (22) 에 관해서, 상기 (4) 와 동일한 효과가 얻어진다.
(10) 셀 스택 (30) 의 최외층에 위치하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 면적은, 1 ㎡ 이상 2.5 ㎡ 이하이며, 두께는 0.005 ㎜ 이상 0.05 ㎜ 이하이다. 요컨대, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 는 면적에 대해 두께가 현저하게 작은 집전체이다. 그 때문에, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 로부터의 열전도량을 크게 할 수 있어, 셀 스택 (30) 내를 효율적으로 냉각할 수 있다.
(11) 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체의 면적은, 1 ㎡ 이상 2.5 ㎡ 이하이며, 두께는 0.005 ㎜ 이상 0.05 ㎜ 이하이다. 요컨대, 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체는 면적에 대해 두께가 현저하게 작은 집전체이다. 그 때문에, 셀 스택 (30) 내의 열을 보다 효율적으로 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 에 전할 수 있다.
또한, 본 실시형태는, 이하와 같이 변경하여 실시할 수 있다. 본 실시형태 및 이하의 변경예는, 기술적으로 모순되지 않는 범위에서 서로 조합하여 실시할 수 있다.
○ 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되어 이루어지고, 수용실 (S) 내에 발생한 탄산 가스를 셀 스택 (30) 의 외부로 투과시키는 투과벽부는, 시일부 (24) 의 일부로서 부분적으로 형성되는 구성이어도 된다. 투과벽부가 형성되는 시일부 (24) 의 일부로는, 예를 들어, 적층 방향에 있어서의 시일부 (24) 의 일부, 둘레 방향에 있어서의 시일부 (24) 의 일부를 들 수 있다.
예를 들어, 적층 방향에 있어서, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되는 제 1 수지층과, 그 밖의 수지에 의해 구성되는 제 2 수지층이 적층된 다층 구조의 시일부 (24) 로 하고, 제 1 수지층의 부분을 투과벽부로 한다. 또, 평면에서 봤을 때의 형상이 다각형상인 축전 셀 (20) 을 적층하여 이루어지는 셀 스택 (30) 의 경우, 적층 방향에 대한 측면으로서 3 이상의 복수의 측면을 갖는다. 이 복수의 측면 중 어느 하나의 측면을 구성하는 시일부 (24) 를 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성하여 투과벽부로 하고, 그 밖의 측면을 구성하는 시일부 (24) 를 그 밖의 수지에 의해 구성한다.
또한, 상기 그 밖의 수지로는, 예를 들어, 폴리올레핀계 수지를 들 수 있다. 폴리올레핀계 수지로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 변성 폴리에틸렌 (변성 PE), 변성 폴리프로필렌 (변성 PP), 이소프렌, 변성 이소프렌, 폴리부텐, 변성 폴리부텐, 폴리부타디엔을 들 수 있다. 변성 폴리에틸렌으로는, 예를 들어, 산변성 폴리에틸렌, 에폭시 변성 폴리에틸렌을 들 수 있다. 변성 폴리프로필렌으로는, 예를 들어, 산변성 폴리프로필렌, 에폭시 변성 폴리프로필렌을 들 수 있다. 또한, 이들 공지된 폴리올레핀계 수지를 2 종 이상 조합하여 사용해도 된다. 또, 폴리올레핀계 수지는, 열가소성 수지여도 되고, 열경화성 수지여도 된다. 이 경우에도, 시일부 (24) 의 열전도율은, 예를 들어, 0.17 ∼ 0.19 W/m·K 이다.
○ 투과벽부를 생략해도 된다. 예를 들어, 시일부 (24) 의 전체를, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지 이외의 수지에 의해 구성해도 된다.
○ 상기 실시형태에서는, 시일부 (24) 에 의해, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 대한 측면을 덮는 피복부가 구성되어 있었지만, 시일부 (24) 와는 별도로 피복부를 형성해도 된다. 예를 들어, 시일부 (24) 의 외주 부분 (24a) 을 생략하고, 피복부로서, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 대한 측면을 덮는 수지층을 형성한다. 당해 수지층을 구성하는 수지는, 시일부 (24) 와 동일하다. 또, 시일부 (24) 와는 별도로 피복부를 형성하는 경우, 피복부를 구성하는 수지는, 시일부 (24) 를 구성하는 수지와 동일해도 되고, 상이해도 된다.
또한, 시일부 (24) 와는 별도로 피복부를 형성하는 구성에 있어서도 투과벽부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 시일부 (24) 에 대해, 시일부 (24) 의 내면으로부터 외면에 이르도록, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되는 제 1 투과벽부를 형성한다. 그리고, 피복부에 대해, 피복부의 내면에 있어서의 제 1 투과벽부를 투과한 기체가 접촉 가능한 부분으로부터 피복부의 외면에 이르도록, 상기 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되는 제 2 투과벽부를 형성한다. 이 경우, 수용실 (S) 내에 발생한 탄산 가스는, 제 1 투과벽부를 통해서 시일부 (24) 의 외부로 투과한 후, 제 2 투과벽부를 통해서 피복부의 외부로 투과한다.
○ 상기 실시형태에서는 프레임상의 시일부 (24), 정극 (21) 및 부극 (22) 에 의해 구획되는 수용실 (S) 이 형성되어 있었지만, 수용실 (S) 을 형성하는 구성은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 예를 들어, 정극 (21) 과, 부극 (22) 과, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 대한 측면을 덮는 피복부로서의 수지층에 의해 구획되는 수용실 (S) 이 형성되어 있어도 된다.
이 경우, 피복부인 수지층은, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 각 측면에 접착된다. 정극 집전체 (21a) 의 상기 측면은, 정극 집전체 (21a) 의 측연 (側緣) 이며, 예를 들어, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 및 제 2 면 (21a2) 과 직교하는 면이며, 부극 집전체 (22a) 의 상기 측면은, 부극 집전체 (22a) 의 측연이며, 예를 들어, 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 및 제 2 면 (22a2) 과 직교하는 면이다.
또, 이 경우, 시일부 (24) 를 형성해도 되고, 시일부 (24) 를 형성하지 않아도 된다. 시일부 (24) 를 형성하는 경우로는, 예를 들어, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 의 어느 쪽에도 접착되지 않고, 수지층에 접착되는 시일부, 정극 집전체 (21a) 및 수지층에 접착되고, 부극 집전체 (22a) 에 접착되지 않는 시일부, 부극 집전체 (22a) 및 수지층에 접착되고, 정극 집전체 (21a) 에 접착되지 않는 시일부를 들 수 있다. 이들 시일부를 2 종 이상 조합하여 사용해도 된다.
○ 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 일방만을 고열전도 재료에 의해 구성하고, 타방을 일반 정극 집전체 및 일반 부극 집전체와 동일한 재료에 의해 구성해도 된다.
○ 상기 실시형태에서는, 냉각부로서, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 를 설치하고 있었지만, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 의 일방을 생략해도 된다. 단, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 일방만을 고열전도 재료에 의해 구성한 경우에는, 고열전도 재료에 의해 구성된 종단 정극 집전체 (21a′) 또는 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하도록 냉각부를 형성한다.
○ 세퍼레이터 (23) 는, 정극 (21) 및 부극 (22) 의 어느 일방에만 접착되는 구성이어도 되고, 정극 (21) 및 부극 (22) 의 어느 쪽에도 접착되지 않는 구성이어도 된다.
○ 정극 집전체 (21a) 및 정극 활물질층 (21b) 의 평면에서 봤을 때의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다. 직사각형상 등의 다각형상이어도 되고, 원형이나 타원형이어도 된다. 부극 집전체 (22a) 및 부극 활물질층 (22b) 에 대해서도 동일하다.
○ 시일부 (24) 의 평면에서 봤을 때의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 직사각형상 등의 다각형상이어도 되고, 원형이나 타원형이어도 된다.
○ 시일부 (24) 는 복수의 부재로 구성되어 있어도 된다. 예를 들어, 시일부 (24) 는 외주 부분 (24a) 과 외주 부분 이외의 부분의 2 개의 부재로 구성되고, 2 개의 부재를 용착함으로써 시일부 (24) 를 구성해도 된다. 또는, 복수의 부재를 적층 방향으로 적층하여 시일부 (24) 를 구성해도 된다. 또한, 시일부 (24) 는 외주 부분 (24a) 과 외주 부분 이외의 부분의 2 개의 부재로 구성되고, 또한, 외주 부분 이외의 부분이 복수의 부재를 적층 방향으로 복수 적층하여 구성되어도 된다.
○ 상기 실시형태에서는, 셀 스택 (30) 에 대해 구속 부재 (60) 를 설치하고 있었지만, 구속 부재 (60) 는 생략해도 된다.
○ 도 2 에 나타내는 바와 같이, 축전 셀 (20) 에 있어서의 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 사이의 거리를 부위마다 다르게 한 구성으로 해도 된다. 적층 방향에 있어서, 정극 활물질층 (21b) 과 부극 활물질층 (22b) 이 대향하고 있는 부분에 있어서의 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 사이의 거리를 제 1 거리 (D1) 로 한다. 제 1 거리 (D1) 는, 정극 활물질층 (21b) 의 두께, 부극 활물질층 (22b) 의 두께, 및 세퍼레이터 (23) 의 두께의 합계에 상당한다. 또, 적층 방향에 있어서, 시일부 (24) 가 접착되어 있는 부분에 있어서의 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 사이의 거리를 제 2 거리 (D2) 로 한다. 제 2 거리 (D2) 는, 정극 집전체 (21a) 의 제 1 면 (21a1) 의 주연부와 부극 집전체 (22a) 의 제 1 면 (22a1) 의 주연부의 사이에서의 시일부 (24) 의 두께에 상당한다.
제 2 거리 (D2) 를 제 1 거리 (D1) 보다 작게 하는 것, 즉, 상기 시일부 (24) 의 두께보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 셀 스택 (30) 의 대향 영역에 있어서의, 정극 활물질층 (21b) 이 형성되어 있는 범위와 부극 활물질층 (22b) 이 형성되어 있는 범위가 겹치는 영역에 대해, 구속 부재 (60) 에 의한 구속 가중을 보다 효율적으로 부여시킬 수 있다. 한편, 제 1 거리 (D1) 에 대해 제 2 거리 (D2) 를 과도하게 작게 하면, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 와 시일부 (24) 의 계면에 가해지는 응력이 커져, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 로부터 시일부 (24) 가 박리되기 쉬워질 우려가 있다.
상기 관점에서, 제 1 거리 (D1) 및 제 2 거리 (D2) 는, 0.6D1≤D2＜D1 의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.7D1≤D2≤0.95D1 의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 0.8D1≤D2≤0.9D1 의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기와 같이 제 2 거리 (D2) 를 제 1 거리 (D1) 보다 작게 한 경우에는, 시일부 (24) 에 더해, 셀 스택 (30) 의 적층 방향에 대한 측면을 덮는 피복부로서의 수지층 (70) 을 형성한다.
○ 정극 냉각부 (40) 와 정극 집전체 (21a) 의 사이에, 양 부재간의 도전 접촉을 양호하게 하기 위해서, 정극 집전체 (21a) 에 밀착하는 도전층을 배치해도 된다. 도전층으로는, 예를 들어, 아세틸렌 블랙 또는 그래파이트 등의 카본을 포함하는 층, Au 등을 포함하는 도금층 등의 정극 집전체 (21a) 보다 낮은 경도를 갖는 층을 들 수 있다. 또, 부극 냉각부 (50) 와 부극 집전체 (22a) 의 사이에 동일한 도전층을 배치해도 된다.
○ 축전 장치 (10) 를 구성하는 축전 셀 (20) 의 수는 특별히 한정되지 않는다. 축전 장치 (10) 를 구성하는 축전 셀 (20) 의 수는, 1 이어도 된다.
○ 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 에, 정극 활물질층 (21b) 또는 부극 활물질층 (22b) 이 형성되어 있어도 된다. 또, 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 에, 정극 활물질층 (21b) 또는 부극 활물질층 (22b) 이 형성되어 있어도 된다.
○ 전극은, 정극 집전체 (21a) 및 부극 집전체 (22a) 를 하나의 집전체로 한 바이폴라 전극이어도 된다. 바이폴라 전극의 집전체로는, 예를 들어, 스테인리스강박 (예를 들어 JIS G 4305 : 2015 에서 규정되는 SUS304, SUS316, SUS301, SUS304 등), 동박, 알루미늄박, 니켈박을 들 수 있다. 또, 구리와 알루미늄 등의 2 종류 이상의 금속의 클래드재, 구리와 알루미늄 등의 2 종류 이상의 금속의 도금재, 2 종류 이상의 금속박을 첩합한 집전체를 사용해도 된다. 예를 들어, 구리층과 알루미늄층을 갖는 구리-알루미늄 도금재를 바이폴라 전극의 집전체로서 사용한 경우에는, 알루미늄층이 정극 집전체 (21a), 구리층이 부극 집전체 (22a) 로서 기능할 수 있다.
○ 셀 스택 (30) 에 있어서, 적층 방향으로 인접하는 축전 셀 (20) 끼리의 접촉 부분인 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 을 접착한 구성으로 해도 된다. 정극 집전체 (21a) 의 제 2 면 (21a2) 과 부극 집전체 (22a) 의 제 2 면 (22a2) 을 접착하는 방법으로는, 예를 들어, 도전성을 갖는 접착제를 사용하는 방법을 들 수 있다.
○ 도 3 에 나타내는 바와 같이, 축전 장치 (10) 는, 복수의 셀 스택 (30) 을 적층하여 이루어지는 셀 스택 적층체 (31) 를 구비하는 구성으로 해도 된다. 셀 스택 적층체 (31) 에 있어서, 복수의 셀 스택 (30) 은, 종단 정극 집전체 (21a′) 와 종단 부극 집전체 (22a′) 가 대향하도록 적층되어 있다. 셀 스택 적층체 (31) 는, 예를 들어, 셀 스택 (30) 이 1 ∼ 8 개 적층되어 있다. 셀 스택 적층체 (31) 를 구비하는 축전 장치 (10) 로 하는 경우, 구속 부재 (60) 는, 셀 스택 적층체 (31) 에 대해 구속 가중을 부여하도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 3 에 나타내는 축전 장치 (10) 에서는, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 를 생략하고 있다. 그리고, 셀 스택 (30) 끼리의 모든 층간, 및 셀 스택 (30) 과 구속 부재 (60) 의 구속판 (61) 의 사이에, 냉각부 (80) 를 설치하고 있다. 셀 스택 (30) 끼리의 층간에 설치된 냉각부 (80) 는, 냉각부 (80) 를 사이에 두고 대향하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 양방을 냉각한다. 냉각부 (80) 의 구체적 구성은, 냉각부 (80) 를 사이에 두고 대향하는 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 의 양방에 접하도록 형성되는 점을 제외하고, 정극 냉각부 (40) 및 부극 냉각부 (50) 와 동일하다. 또한, 도 3 에 나타내는 예에서는, 셀 스택 (30) 끼리의 모든 층간에 냉각부 (80) 를 설치하고 있었지만, 셀 스택 (30) 끼리의 일부의 층간에만 냉각부 (80) 를 설치해도 된다.
○ 정극 냉각부 (40) 를 부극 냉각부 (50) 로도 기능시키도록 셀 스택 적층체 (31) 를 구성해도 된다. 예를 들어, 부극 냉각부 (50) 가 생략된 셀 스택 (30) 을 적층하여 이루어지는 셀 스택 적층체 (31) 로 한다. 그리고, 셀 스택 (30) 끼리의 층간에 있어서, 일방의 셀 스택 (30) 의 정극 냉각부 (40) 를 타방의 셀 스택 (30) 의 종단 부극 집전체 (22a′) 에 접촉시키도록 적층한다. 이 경우, 정극 냉각부 (40) 는, 인접하는 셀 스택 (30) 의 종단 부극 집전체 (22a′) 를 냉각하는 부극 냉각부 (50) 로도 기능한다. 마찬가지로, 부극 냉각부 (50) 를 정극 냉각부 (40) 로도 기능시키도록 셀 스택 적층체 (31) 를 구성해도 된다.
○ 셀 스택 적층체 (31) 는, 종단 정극 집전체 (21a′) 및 종단 부극 집전체 (22a′) 가 함께 상기 고열전도 재료 이외의 재료에 의해 구성되는 셀 스택 (30) 을 포함하는 것이어도 된다.
실시예
축전 장치 (10) 를 실제로 제작하고, 제작한 축전 장치 (10) 의 방전 중의 온도 변화를 측정하였다.
＜축전 셀의 구성＞
이하에 나타내는 구성의 축전 셀 (20) 을 제작하였다.
(정극의 재료)
정극 집전체 : 두께 0.050 ㎜ 의 알루미늄박.
정극 활물질층 : 올리빈형 인산철리튬 (LiFePO4), 아세틸렌 블랙 (AB), 및 폴리불화비닐리덴 (PVdF) 의 혼합물.
정극 활물질층의 질량비 : 90 : 5 : 5 (LiFePO4 : AB : PVdF)
정극 활물질층의 단위 면적당 중량 : 55.5 mg/㎠
정극 활물질층의 밀도 : 2 g/㎤
(부극의 재료)
부극 집전체 : 두께 0.015 ㎜ 의 동박.
부극 활물질층 : 인조 흑연 (C), 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC), 및 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 의 혼합물.
부극 활물질층의 질량비 : 94.8 : 0.8 : 4.4 (C : CMC : SBR)
부극 활물질층의 단위 면적당 중량 : 26.5 mg/㎠
부극 활물질층의 밀도 : 1.3 mg/㎠
(그 밖의 재료)
세퍼레이터 : 세라믹층을 갖는 두께 18 ㎛ 의 다공성 시트.
시일부 : 산 변성 폴리에틸렌
액체 전해질 : 에틸렌카보네이트 및 프로피온산메틸을 체적비 15 : 85 로 혼합한 혼합 용매에, LiN(FSO2)2 를 1.2 M 이 되도록 용해시킴과 함께, 비닐렌카보네이트를 5.7 질량％, 리튬디플루오로옥살레이트보레이트 (LiDFOB) 를 1 질량％ 가 되도록 첨가한 액체 전해질.
(축전 셀의 사이즈)
정극 활물질층의 평면에서 봤을 때의 면적 : 세로 780 ㎜ × 가로 1024 ㎜
정극 활물질층의 두께 : 277.5 ㎛
부극 활물질층의 평면에서 봤을 때의 면적 : 세로 822 ㎜ × 가로 1055 ㎜
부극 활물질층의 두께 : 203.8 ㎛
수용실의 용적 : 29.3 ㎤
＜셀 스택 및 축전 장치＞
제작한 축전 셀 (20) 을 24 개, 직렬로 적층함으로써 1 개의 셀 스택 (30) 을 제작하였다. 제작한 셀 스택 (30) 을 사용하여 축전 장치 (10) 를 제작하였다.
축전 장치 (10) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 4 개의 셀 스택 (30) 이 적층된 구조이다. 축전 장치 (10) 에 있어서의 셀 스택 (30) 끼리의 모든 층간, 및 적층 방향의 양단에 위치하는 셀 스택 (30) 과 구속 부재 (60) 의 사이에는, 냉각부 (80) 가 배치되어 있다. 냉각부 (80) 에는, 알루미늄제의 판재를 사용하였다. 또한, 이하에서는, 셀 스택 (30) 끼리의 층간에 위치하는 냉각부 (80) 를 내측 냉각부라고 기재하고, 셀 스택 (30) 과 구속 부재 (60) 의 사이에 위치하는 냉각부 (80) 를 외측 냉각부라고 기재한다.
또, 제작한 축전 장치 (10) 에는, 셀 스택 (30) 의 온도를 측정하기 위한 복수의 제 1 온도 센서 및 복수의 제 2 온도 센서가 장착되어 있다. 제 1 온도 센서는, 각 셀 스택 (30) 에 있어서의 내측 냉각부에 대향하는 각 표면의 온도를 측정하는 서미스터 센서이다. 제 2 온도 센서는, 적층 방향의 양단에 위치하는 각 셀 스택 (30) 에 있어서의 외측 냉각부에 대향하는 각 표면의 온도를 측정하는 서미스터 센서이다.
＜축전 장치의 온도 측정＞
제작한 축전 장치 (10) 를, 3.78 A 의 충전 전류로 어느 축전 셀 (20) 이 3.75 V 에 도달할 때까지 충전하였다. 그 후, 충전한 축전 장치 (10) 를 25 ℃ 의 온도하에서 방치함으로써, 각 제 1 온도 센서 및 각 제 2 온도 센서에 의한 측정 온도가 25 ℃ 가 되도록 축전 장치 (10) 의 온도를 조정하였다. 다음으로, 25 ℃ 의 온도하에 있어서, 충전한 축전 장치 (10) 를, 개시 SOC 를 100 ％ 로 하여, 40 A 의 방전 전류로 방전 용량이 50 Ah 에 도달할 때까지 방전하였다. 방전 중에 있어서의 축전 장치 (10) 의 셀 스택 (30) 의 각 부위의 온도를 제 1 온도 센서 및 제 2 온도 센서에 의해 측정하였다. 그 결과를 도 4 에 나타낸다.
또한, 도 4 의 그래프에는, 복수의 제 1 온도 센서에 의한 측정 결과 중 하나만을 나타내고 있지만, 제 1 온도 센서에 의한 측정 결과는 모두 그래프에 나타내는 제 1 온도 센서의 측정 결과와 동일했다. 또, 도 4 의 그래프에는, 복수의 제 2 온도 센서에 의한 측정 결과 중 하나만을 나타내고 있지만, 제 2 온도 센서에 의한 측정 결과는 모두 그래프에 나타내는 제 2 온도 센서의 측정 결과와 동일했다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 방전의 진행에 수반하여 축전 장치 (10) 의 각 셀 스택 (30) 의 온도가 서서히 상승하였다. 방전시의 축전 장치 (10) 의 온도는, 제 2 온도 센서에 의해 측정되는 축전 장치 (10) 의 외측의 온도보다, 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 축전 장치 (10) 의 내측의 온도쪽이 높아져 있다.
상기와 같이, 방전에 수반하여 축전 장치 (10) 의 온도가 상승하기는 하지만, 제 1 온도 센서에 의해 측정되는 축전 장치 (10) 의 내측의 온도, 및 제 2 온도 센서에 의해 측정되는 축전 장치 (10) 의 외측의 온도는 모두 40 ℃ 를 초과하지 않았다. 이 결과로부터, 냉각부 (80) 를 설치함으로써 셀 스택 (30) 의 온도 상승을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 액체 전해질에 옥살레이트 화합물을 함유시킨 경우에는, 옥살레이트 화합물에 기초하여 형성되는 부극 활물질층 (22b) 의 표면의 피막과 액체 전해질의 발열 반응을 일으키게 하는 온도에 이를 정도의 축전 장치 (10) 의 온도 상승을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
S : 수용실
10 : 축전 장치
20 : 축전 셀
21 : 정극
21a : 정극 집전체
21a′ : 종단 정극 집전체
21b : 정극 활물질층
22 : 부극
22a : 부극 집전체
22a′ : 종단 부극 집전체
22b : 부극 활물질층
23 : 세퍼레이터
24 : 시일부
30 : 셀 스택
40 : 정극 냉각부
50 : 부극 냉각부

Claims (6)

  1. 정극 집전체의 제 1 면에 정극 활물질층이 접착된 정극과,
    부극 집전체의 제 1 면에 부극 활물질층이 접착되어 이루어지고, 상기 부극 활물질층이 상기 정극의 상기 정극 활물질층과 대향하도록 배치된 부극과,
    상기 정극 활물질층과 상기 부극 활물질층의 사이에 배치된 세퍼레이터와,
    상기 정극과 상기 부극의 사이에 형성됨과 함께 액체 전해질을 액밀하게 수용하는 수용실을 구비하는 축전 셀을 구비하는 축전 장치로서,
    상기 액체 전해질은, 옥살레이트 화합물을 함유하는 액체 전해질이며,
    상기 축전 셀을 복수, 직렬로 적층하여 이루어지는 셀 스택을 구비하고,
    상기 셀 스택은, 적층 방향에 대한 측면이 수지제의 피복부에 의해 덮여 있고,
    상기 정극 집전체 및 상기 부극 집전체는 상기 셀 스택의 최외층에 위치하는 종단 집전체를 각각 구비하고,
    상기 종단 집전체의 적어도 일방은, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 고열전도 재료에 의해 구성되고,
    상기 고열전도 재료에 의해 구성되는 상기 종단 집전체를 냉각하는 냉각부를 구비하는 것을 특징으로 하는 축전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 옥살레이트 화합물은, 일반식 (1) A＋[BX4-2n(C2O4)n]- (식 중의 A＋ 는 알칼리 금속의 카티온이고, X 는 할로겐 원자이며, n 은 1 또는 2 이다.) 로 나타내는 옥살레이트 화합물인 축전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정극 활물질층의 단위 면적당 중량이 55 mg/㎠ 이상인 것, 및 상기 부극 활물질층의 단위 면적당 중량이 25 mg/㎠ 이상인 것의 적어도 일방을 만족하는 축전 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는, 상기 정극 활물질층 및 상기 부극 활물질층에 접착되어 있는 축전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피복부에는, 상기 수용실 내에 발생한 탄산 가스를 상기 셀 스택의 외부로 투과시키는 투과벽부가 형성되고,
    상기 투과벽부는, 밀도 930 ㎏/㎥ 미만의 저밀도 폴리에틸렌 수지에 의해 구성되어 있는 축전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투과벽부는, 상기 피복부의 전체 둘레에 형성되어 있는 축전 장치.
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