TW202040153A - 鋰離子電池、及鋰離子電池之老化判定方法 - Google Patents

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堀江英明
東啓一郎
川崎洋志
水野雄介
那須浩太郎
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日商Ａｐｂ股份有限公司
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Abstract

本發明之鋰離子電池具有依序積層正極集電體、正極活性物質層、分隔件、負極活性物質層及負極集電體而成之單電池，且特徵在於：具有框構件，其配置於上述正極集電體與上述負極集電體之間，密封上述正極活性物質層、上述分隔件、及上述負極活性物質層，於上述框構件內配置有檢測單電池內之狀態之電子零件。

Description

鋰離子電池、及鋰離子電池之老化判定方法
本發明係關於一種鋰離子電池、及鋰離子電池之老化判定方法。
鋰離子（二次）電池作為高電容且小型輕量之二次電池，近年來多使用於各種各樣之用途。 作為鋰離子電池，專利文獻1中揭示有一種鋰離子電池，其具有單電池，該單電池係依序積層正極集電體、正極活性物質層、分隔件、負極活性物質層及負極集電體而成，且含有電解液。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2018-125213號公報
[發明所欲解決之課題]
鋰離子電池有於其使用過程中局部產生異常而導致其功能急遽下降之情形。 於此種情形時，由於不易調查於鋰離子電池之哪個部分產生異常，因此多為不會再利用產生異常之電池，而更換整個電池。
本發明係為了解決上述課題而成者，其目的在於提供一種具有如下構成之鋰離子電池，即，可調查鋰離子電池內之狀態，適於特定出產生異常之部位。 [解決課題之技術手段]
本發明係一種鋰離子電池，其具有依序積層正極集電體、正極活性物質層、分隔件、負極活性物質層及負極集電體而成之單電池，且特徵在於：具有框構件，其配置於上述正極集電體及上述負極集電體之間，密封上述正極活性物質層、上述分隔件、及上述負極活性物質層，於上述框構件內配置有檢測單電池內之狀態之電子零件；本發明係一種鋰離子電池之老化判定方法，其使用上述鋰離子電池，且特徵在於：配置於上述框構件內之上述電子零件係用以測量充電時之電位推移之感測器，藉由上述感測器監測充電時之電位推移與所需時間，於與通常狀態相比更短時間內發生電位上升之情形時，判定為藉由該感測器測量出之單電池內之部位出現老化；本發明係一種鋰離子電池之老化判定方法，其使用上述鋰離子電池，且特徵在於：於設置在上述單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件，上述電子零件係測定電位之感測器，於檢測單電池內之不同部位之電位偏差且電位偏差超過特定值之情形時，判定為該單電池中出現老化。 [發明之效果]
根據本發明，藉由於單電池所具有之框構件內配置電子零件，可檢測單電池內之狀態，其結果為，可特定出鋰離子電池內產生異常之部位。
以下，對本發明詳細地進行說明。 再者，本說明書中，於記載為鋰離子電池之情形時，係亦包括鋰離子二次電池之概念。
本發明之鋰離子電池具有依序積層正極集電體、正極活性物質層、分隔件、負極活性物質層及負極集電體而成之單電池，且特徵在於：具有框構件，其配置於上述正極集電體及上述負極集電體之間，密封上述正極活性物質層、上述分隔件、及上述負極活性物質層，於上述框構件內配置有檢測單電池內之狀態之電子零件。
圖1係模式性地表示作為單電池之鋰離子電池之構成之例的局部切開立體圖。圖1中，切開框構件中未配置電子零件之部位而表示。
圖1所示之作為鋰離子電池之單電池1係大致矩形平板狀之正極集電體7之表面形成有正極活性物質層5之正極2與同樣為大致矩形平板狀之負極集電體9之表面形成有負極活性物質層6之負極3介隔同樣為大致平板狀之分隔件4積層而構成，且整體形成為大致矩形平板狀。該正極與負極作為鋰離子電池之正極及負極發揮功能。
單電池1具有框構件8，其配置於正極集電體7及負極集電體9之間，密封正極活性物質層5、分隔件4及負極活性物質層6。 圖1所示之單電池1中，框構件8係環狀之框構件，於正極集電體7與負極集電體9之間固定分隔件4之周緣部。 圖1中，穿透單電池之一部分而表示在框構件8內配置有電子零件10之情況。
正極集電體7及負極集電體9以藉由框構件8隔開特定間隔而對向之方式定位，並且分隔件4與正極活性物質層5及負極活性物質層6亦以藉由框構件8隔開特定間隔而對向之方式定位。
正極集電體7與分隔件4之間之間隔、及負極集電體9與分隔件4之間之間隔根據鋰離子電池之電容進行調整，該等正極集電體7、負極集電體9及分隔件4之位置關係以能夠獲得所需之間隔之方式決定。
本發明之鋰離子電池中，於框構件內配置有檢測單電池內之狀態之電子零件。 習知之鋰離子電池中，於框構件內未配置電子零件，配置電子零件之地方僅考慮單電池之外部。 相對於此，本發明之鋰離子電池中，藉由於框構件內配置電子零件，可檢測單電池內之狀態。藉由於框構件內配置電子零件，從而無需於單電池外設置用以配置電子零件之空間，可謀求鋰離子電池整體之省空間化。又，藉由於單電池內配置有電子零件，可檢測靠近單電池之位置之狀態，因此於單電池內出現不良部位之情形時特定出產生不良之地方的精度得以提高。
以下，對配置於框構件內之電子零件進行說明。 圖2係模式性地表示於框構件內配置有電子零件之情況之剖視圖。 圖2亦相當於圖1之A-A線剖視圖。
圖2中表示於框構件8內配置有電子零件10之情況。作為構成框構件8之材料，只要為對於電解液具有耐久性之材料，則無特別限定，較佳為高分子材料，更佳為熱硬化性高分子材料。具體而言，可列舉：環氧系樹脂、聚烯烴系樹脂、聚酯系樹脂、聚胺酯（polyurethane）系樹脂及聚偏二氟乙烯樹脂等，就耐久性高且操作容易而言，較佳為環氧系樹脂。
電子零件10係用以檢測單電池內之狀態之電子零件。 例如，較佳為測定單電池內之特定部位之溫度、電壓、電流或聲發射（acoustic emission）之感測器。 又，較佳為可將表示單電池內之狀態之訊號向單電池之外部無線輸出之電子零件。 若電子零件為感測器，則可檢測單電池內之狀態，若為可進行無線輸出之電子零件，則可無線輸出表示所檢測出之狀態之訊號，並於電池外部接收測定結果，可於不拆卸單電池之情況下瞭解單電池內之狀態。
藉由測定單電池內之溫度、電壓或電流，可檢測於單電池內之一部分發生短路等異常時所引起之局部性溫度上升、電流值上升、電壓下降等。 又，藉由測定聲發射，可檢測電池內是否產生破損或變形。
作為電子零件，可使用被動元件、主動元件。 作為該等元件，可使用電容器、電感器、電阻、電晶體、二極體、IC、LSI等任意元件。 又，於可進行無線輸出之電子零件之情形時，可為天線、濾波器、放大器、振盪器等零件，亦可為該等零件經模組化而成之無線通訊模組，亦可為感測器一體式模組。
又，亦可為，具有切換進行或不進行藉由配置於框構件內之電子零件檢測單電池內之狀態之開關，於被賦予來自外部之訊號之情形時，切換開關，進行單電池內之狀態之檢測。 藉由僅於被賦予來自外部之訊號之情形時進行單電池內之狀態之檢測，可抑制電子零件所產生之電力消耗。 又，於上述構成之情形時，電子零件較佳為具備用以接收來自外部之訊號之天線元件。 作為來自外部之訊號，可列舉：以進行單電池內之狀態之檢測之方式發出指令之訊號、以停止單電池內之狀態之檢測之方式發出指令之訊號等。
電子零件較佳為與負極集電體及正極集電體電性連接，且可接受來自鋰離子電池之電力供給。 若電子零件與負極集電體及正極集電體電性連接，則可接受來自鋰離子電池之電力供給而作動。由於無需設置用以使電子零件作動之電源及配線，故可設為簡便之構成。
又，於電子零件與負極集電體及正極集電體電性連接之情形時，較佳為負極集電體及正極集電體為樹脂集電體，且負極集電體及正極集電體與電子零件直接耦合並電性連接。 於使用樹脂集電體之情形時，藉由使樹脂集電體與電子零件之電極接觸，並對樹脂集電體進行加熱使樹脂軟化，而可使樹脂集電體與電子零件直接耦合。即，藉由使用樹脂集電體，可於集電體與電子零件之間不介存焊料等其他接合材料之情況下將集電體與電子零件電性連接。
圖2中，表示有設置於框構件8內之電子零件10之外部電極與正極集電體7及負極集電體9接觸之情況。即，電子零件10與正極集電體7及負極集電體9電性連接。
又，較佳為於框構件設置有用以配置電子零件之貫通孔，且於貫通孔配置有電子零件，框構件之厚度與電子零件之高度大致相同。 若於貫通孔配置電子零件，則容易於框構件內配置電子零件，藉由使框構件之厚度與電子零件之高度大致相同，可使電子零件與正極集電體及負極集電體接觸，使電子零件與正極集電體及負極集電體電性連接。 圖2中，表示有於框構件8設置有貫通孔18，且於貫通孔18配置有電子零件10之狀態。又，框構件之厚度與電子零件之高度大致相同。
又，配置於框構件內之電子零件亦可係輸出光訊號之發光元件。 於將發光元件配置於框構件內之情形時，為使來自發光元件之光朝向單電池之外，較佳為將發光元件以露出於框構件之側面之形式嵌入至框構件內。 若為此種形態，則能夠將表示單電池內之狀態之訊號以光訊號之形式無線輸出至單電池之外部。
圖3係模式性地表示作為單電池之鋰離子電池之構成之另一例的局部切開立體圖。 圖4係模式性地表示於框構件內嵌入配置有發光元件之情況之剖視圖。亦相當於圖3之B-B線剖視圖。
圖3及圖4所示之單電池31中，發光元件30以露出於框構件8之側面之形式嵌入至框構件8內。 發光元件30將自單電池31獲取之電訊號轉換為光訊號。例如，藉由測定單電池31中之正極集電體7與負極集電體9之間之電壓並以與電壓對應之光訊號模式進行發光，而可檢測單電池之電壓並將其以光訊號之形式無線輸出至單電池之外部。為了測定電壓並以與電壓對應之光訊號模式使發光元件發光，亦可設置有發光基板。 較佳為，於發光基板中，除發光元件30以外還設置有：電壓測定端子，其測定正極集電體與負極集電體之間之電壓；與控制元件，其進行根據藉由電壓測定端子測定出之電壓使發光元件30以特定之光訊號模式發光的控制。
較佳為，對發光基板電性連接負極集電體及正極集電體，發光元件及控制元件可接受來自單電池之電力供給。
此處，於發光基板之控制元件發生短路之情形時，成為發光元件中始終流通有電流之狀態，發光元件持續發光。若存在持續發光之發光元件，則完全無法判斷來自其他發光元件之訊號，故存在問題。 假定此種情形，亦可設置如下元件（保險絲），該元件於控制元件發生短路等故障時，阻斷電流以便抑制異常訊號之發送。
若保險絲之電阻較高，且發光元件之發光電壓較高，則即便於正常時亦無法使發光元件發光。因此，藉由分別調整保險絲與發光元件之規格，可於通常之狀態下使發光元件適當地發光，且於異常狀態下阻斷向發光元件之電流而抑制異常訊號之發送。
作為與電壓對應之光訊號模式之例，可列舉：藉由電壓測定端子測定出之電壓越高則使脈衝間隔越窄，從而切換發光之ON/OFF（接通/斷開）之模式；或每單位時間之發光時間變長之模式等。
又，光訊號模式較佳為以能夠利用軟體進行解碼之方式設計。具體而言，對於下述式（1）所規定之p，p較佳為1以上，更佳為1.5以上，特佳為1.75以上。 p＝log10 {週期/（最長脈衝之開始發送～發送結束為止之脈衝長度×單電池之積層數）}        （1）
又，自發光元件發出之光之顏色可使用2色以上。於該情形時，使用2種以上之發出不同顏色（發出不同波長之光）之發光元件。 於將自發光元件發出之光之顏色設為2色以上之情形時，受光元件亦需要與發光元件之顏色之數量對應而設置2種以上。
藉由將自發光元件發出之光之顏色設為2色以上，可容易地進行特定訊號之分離。所謂特定訊號，意指當電池產生異常（異常高溫、異常高電壓）時所輸出之訊號。 例如，藉由將輸出測定單電池之電壓之通常訊號之光之顏色、與當電池產生異常（異常高溫、異常高電壓）時所輸出之光之顏色設定為不同顏色，訊號不會發生串報，可正確地收發重要資訊（為異常狀態此一資訊）。
所謂將光之顏色設為2色以上，意指進行收發之2種以上之光之波長分離。 例如，於將波長A、波長B之2色用於通訊之情形時，只要用於波長A（B）之發光之發光元件不以固定以上之強度發出波長B（A）之光即可。 具體而言，用於波長A之發光之發光元件之波長B下之強度為波長A之強度之1/n，使用此指標，可確定2種以上之光之波長已分離。上述n之值可根據2種以上之光之波長或發光元件、受光元件之規格而任意決定。
上述中，對測定單電池之電壓並輸出與電壓對應之光訊號模式之例進行了說明，但亦可測定電壓以外之特性作為單電池之特性。例如，亦可測定單電池之溫度並輸出與溫度對應之光訊號模式。
輸出至單電池之外部之光訊號模式藉由設置於單電池之外部且處於與單電池絕緣狀態之受光元件（未圖示）接收。藉由利用受光元件將光訊號反向轉換為電訊號，可獲得表示單電池內之狀態之電訊號（與光電耦合器同樣之機構）。 作為發光元件，可列舉發光二極體等，作為受光元件，可列舉光電晶體等。 發光元件與受光元件為無線狀態且電性絕緣，故就安全性之觀點而言較佳。例如，於單電池內電路或單電池外電路之任一電路中產生異常電壓之情形時（伴隨開關ON/OFF等之脈衝性之高壓等），若該電壓傳遞至另一方，則有對方電路破損之虞。若為電性絕緣狀態，則可避免該等破損，故較佳。
本發明之鋰離子電池中，較佳為於設置在單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件，從而可個別地檢測單電池內之不同部位之狀態。 圖5係自上表面模式性地表示圖1所示之鋰離子電池中排除負極集電體之狀態之俯視圖。 圖5中表示有於框構件8之內部之6處設置有電子零件10之狀況。 對於設置於該6處之電子零件10之各者，當個別地檢測表示單電池內之狀態之指標，且僅自某特定之電子零件獲得之指標發現異常值時，可推測於該電子零件之附近出現不良。 即，可容易地特定出單電池內之不良產生之原因。 設置於單電池之框構件內之電子零件之數量並無特別限定，可考慮單電池之大小或框構件之大小、電子零件之大小等而任意設定。 又，於在框構件內之複數個部位設置電子零件之情形時，電子零件之種類可全部相同，亦可為不同之電子零件之組合。
本發明之鋰離子電池中，單電池之俯視下之面積規定為圖5中框構件8之內側之面積、即負極活性物質層及正極活性物質層之主面之面積。該面積可稱為單電池之有效面積，該面積越大，電池之電池容量越大。 若單電池之俯視下之面積變大，則單電池內部之特性容易產生偏差，故尤其有效的是於設置在單電池之外周之框構件內之複數個部位分別設置電子零件，個別地檢測表示單電池內之狀態之指標。 例如，單電池之俯視下之面積較佳為600 cm2 以上。又，作為單電池之俯視下之面積與配置電子零件之數量之關係，較佳為單電池之俯視下之每面積100 cm2 配置1～2個電子零件。
本發明之鋰離子電池中，較佳為於框構件內設置有配線基板，電子零件安裝於配線基板。 又，配線基板中亦較佳為安裝有用以控制供給至電子零件之電流及/或電壓之其他電子零件。 藉由於框構件設置配線基板並將電子零件安裝於配線基板，可組合多種功能而進行各種各樣之測定或控制。 又，電子零件之各規格較佳之電流及/或電壓不同，但有自鋰離子電池直接供給之電流及或電壓不適合電子零件之規格的情形。於此種情形時，藉由將用以控制供給至電子零件之電流及/或電壓之其他電子零件安裝設置於配線基板，可使用各種各樣之電子零件。
圖6係自上表面模式性地表示於框構件設置有配線基板之鋰離子電池中排除負極集電體之狀態之俯視圖。 圖6所示之單電池11中，於框構件8設置有配線基板21，電子零件20安裝於配線基板21。 圖6中，作為電子零件20，描繪有假定為放大器、IC等之電子零件，作為用以控制電流及/或電壓之其他電子零件22，描繪有假定為晶片電阻之電子零件。 作為實際安裝於配線基板21之電子零件之種類，並不限定於該等。又，於將組合複數個電子零件而成之模組設置於框構件之情形時，模組中包含配線基板之情形亦包含於在框構件設置配線基板之情形時之一態樣。
以下，對構成單電池之各構成要素之較佳之態樣進行說明。 正極活性物質層含有正極活性物質。 作為正極活性物質，可列舉：鋰與過渡金屬之複合氧化物{過渡金屬為1種之複合氧化物（LiCoO2 、LiNiO2 、LiAlMnO4 、LiMnO2 及LiMn2 O4 等）、過渡金屬元素為2種之複合氧化物（例如LiFeMnO4 、LiNi1-x Cox O2 、LiMn1-y Coy O2 、LiNi1/3 Co1/3 Al1/3 O2 及LiNi0.8 CO0.15 Al0.05 O2 ）及金屬元素為3種以上之複合氧化物[例如：LiMa M'b M''c O2 （M、M'及M''為分別不同之過渡金屬元素，滿足a+b+c＝1，例如LiNi1/3 Mn1/3 Co1/3 O2 ）等]等}、含鋰之過渡金屬磷酸鹽（例如LiFePO4 、LiCoPO4 、LiMnPO4 及LiNiPO4 ）、過渡金屬氧化物（例如MnO2 及V2 O5 ）、過渡金屬硫化物（例如MoS2 及TiS2 ）及導電性高分子（例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔及聚對苯及聚乙烯咔唑）等，亦可併用2種以上。 再者，含鋰之過渡金屬磷酸鹽亦可為過渡金屬位置之一部分經其他過渡金屬置換而成者。
正極活性物質較佳為由導電助劑及被覆用樹脂被覆之被覆正極活性物質。 若正極活性物質之周圍由被覆用樹脂被覆，則電極之體積變化得到緩和，可抑制電極之膨脹。
作為導電助劑，可列舉金屬系導電助劑[鋁、不鏽鋼（SUS，Steel Use Stainless）、銀、金、銅及鈦等]、碳系導電助劑[石墨及碳黑（乙炔黑、科琴黑、爐黑、槽黑及熱燈黑等）等]、及其等之混合物等。 該等導電助劑可單獨使用1種，亦可併用2種以上。又，亦能以其等之合金或金屬氧化物的形式來使用。 其中，就電性穩定性之觀點而言，更佳為鋁、不鏽鋼、銀、金、銅、鈦、碳系導電助劑及其等之混合物，進而較佳為銀、金、鋁、不鏽鋼及碳系導電助劑，特佳為碳系導電助劑。 又，作為該等導電助劑，亦可為於粒子系陶瓷材料或樹脂材料之周圍，藉由鍍覆等塗佈導電性材料[較佳為上述導電助劑中之金屬者]者。
導電助劑之形狀（形態）不限定於粒子形態，可為粒子形態以外之形態，亦可為碳奈米纖維、奈米碳管等所謂作為填料系導電助劑實用化之形態。
被覆用樹脂與導電助劑之比率無特別限定，就電池之內部電阻等觀點而言，以重量比率計被覆用樹脂（樹脂固形物成分重量）：導電助劑較佳為1：0.01～1：50，更佳為1：0.2～1：3.0。
作為被覆用樹脂，可較佳地使用日本特開2017-054703號公報中作為非水系二次電池活性物質被覆用樹脂記載者。
又，正極活性物質層亦可包含除被覆正極活性物質中所含之導電助劑以外之導電助劑。 作為導電助劑，可較佳地使用與上述被覆正極活性物質中所含之導電助劑同樣者。
正極活性物質層較佳為含有正極活性物質且係不含使正極活性物質彼此黏結之黏結材的非黏結體。 此處，所謂非黏結體，意指正極活性物質彼此不會黏合，所謂黏合，意指正極活性物質彼此不可逆地被固定。
正極活性物質層亦可含有黏著性樹脂。 作為黏著性樹脂，例如，可較佳地使用：於日本特開2017-054703號公報所記載之非水系二次電池活性物質被覆用樹脂中混合少量有機溶劑並使其玻璃轉移溫度調整為室溫以下者；及日本特開平10-255805公報中作為黏著劑記載者。 再者，黏著性樹脂意指即便使溶劑成分揮發而乾燥亦不會固體化而具有黏著性（藉由不使用水、溶劑、熱等而施加些許壓力而進行接著之性質）之樹脂。另一方面，用作黏結材料之溶液乾燥型電極黏合劑意指藉由使溶劑成分揮發而乾燥、固體化，從而將活性物質彼此牢固地接著固定者。 因此，溶液乾燥型電極黏合劑（黏結材料）與黏著性樹脂係不同之材料。
正極活性物質層之厚度無特別限定，但就電池性能之觀點而言，較佳為150～600 μm，更佳為200～450 μm。
負極活性物質層含有負極活性物質。 作為負極活性物質，可使用公知之鋰離子電池用負極活性物質，可列舉：碳系材料[石墨、難石墨化碳、非晶形碳、樹脂燒成體（例如對酚系樹脂及呋喃樹脂等進行燒成而碳化者等）、焦炭類（例如瀝青焦、針狀焦及石油焦等）及碳纖維等]、矽系材料[矽、氧化矽（SiOx）、矽-碳複合體（碳粒子之表面由矽及/或碳化矽被覆者、矽粒子或氧化矽粒子之表面由碳及/或碳化矽被覆者以及碳化矽等）及矽合金（矽-鋁合金、矽-鋰合金、矽-鎳合金、矽-鐵合金、矽-鈦合金、矽-錳合金、矽-銅合金及矽-錫合金等）等]、導電性高分子（例如聚乙炔及聚吡咯等）、金屬（錫、鋁、鋯及鈦等）、金屬氧化物（鈦氧化物及鋰-鈦氧化物等）及金屬合金（例如鋰-錫合金、鋰-鋁合金及鋰-鋁-錳合金等）等及其等與碳系材料之混合物等。
又，負極活性物質亦可為由與上述被覆正極活性物質同樣之導電助劑及被覆用樹脂被覆之被覆負極活性物質。 作為導電助劑及被覆用樹脂，可較佳地使用與上述被覆正極活性物質同樣之導電助劑及被覆用樹脂。
又，負極活性物質層亦可包含除被覆負極活性物質中所含之導電助劑以外之導電助劑。作為導電助劑，可較佳使用與上述被覆正極活性物質中所含之導電助劑同樣者。
負極活性物質層與正極活性物質層同樣地較佳為不含有使負極活性物質彼此黏結之黏結材的非黏結體。又，亦可與正極活性物質層同樣地含有黏著性樹脂。
負極活性物質層之厚度並無特別限定，但就電池性能之觀點而言，較佳為150～600 μm，更佳為200～450 μm。
作為構成正極集電體及負極集電體（以下亦可統一簡稱為集電體）之材料，可列舉銅、鋁、鈦、不鏽鋼、鎳及其等之合金等金屬材料、以及燒成碳、導電性高分子材料、導電性玻璃等。 該等材料之中，就輕量化、耐蝕性、高導電性之觀點而言，作為正極集電體，較佳為鋁，作為負極集電體，較佳為銅。
又，集電體較佳為由導電性高分子材料所構成之樹脂集電體。 集電體之形狀並無特別限定，亦可為由上述材料所構成之片狀集電體、及以由上述材料構成之微粒子所構成之堆積層。 集電體之厚度並無特別限定，較佳為50～500 μm。
作為構成樹脂集電體之導電性高分子材料，例如可使用導電性高分子、或樹脂中視需要添加有導電劑者。 作為構成導電性高分子材料之導電劑，可較佳地使用與上述被覆正極活性物質中所含之導電助劑同樣者。
作為構成導電性高分子材料之樹脂，可列舉聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚甲基戊烯（PMP）、聚環烯烴（PCO）、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚醚腈（PEN）、聚四氟乙烯（PTFE）、苯乙烯丁二烯橡膠（SBR）、聚丙烯腈（PAN）、聚丙烯酸甲酯（PMA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚偏二氟乙烯（PVdF）、環氧樹脂、聚矽氧樹脂或其等之混合物等。 就電性穩定性之觀點而言，較佳為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚甲基戊烯（PMP）及聚環烯烴（PCO），進而較佳為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及聚甲基戊烯（PMP）。
作為分隔件，可列舉公知之鋰離子電池用之分隔件，如：聚乙烯或聚丙烯製之多孔性膜、多孔性聚乙烯膜與多孔性聚丙烯之積層膜、由合成纖維（聚酯纖維及芳綸纖維等）或玻璃纖維等所構成之不織布、及於其等表面附著有二氧化矽（silica）、氧化鋁（alumina）、氧化鈦（titania）等陶瓷微粒子而成者等。
正極活性物質層及負極活性物質層含有電解液。 作為電解液，可使用用於製造公知之鋰離子電池之含有電解質及非水溶劑之公知之電解液。
作為電解質，可使用用於公知之電解液者等，例如可列舉：LiN(FSO2 )2 、LiPF6 、LiBF4 、LiSbF6 、LiAsF6 及LiClO4 等無機酸之鋰鹽；LiN(CF3 SO2 )2 、LiN(C2 F5 SO2 )2 及LiC(CF3 SO2 )3 等有機酸之鋰鹽等。該等之中，就電池輸出及充放電循環特性之觀點而言，較佳為醯亞胺系電解質[LiN(FSO2 )2 、LiN(CF3 SO2 )2 及LiN(C2 F5 SO2 )2 等]及LiPF6 。
作為非水溶劑，可使用用於公知之電解液者等，例如可使用內酯化合物、環狀或鏈狀碳酸酯、鏈狀羧酸酯、環狀或鏈狀醚、磷酸酯、腈化合物、醯胺化合物、碸、環丁碸等及其等之混合物。
電解液之電解質濃度較佳為1～5 mol/L，更佳為1.5～4 mol/L，進而較佳為2～3 mol/L。 若電解液之電解質濃度未達1 mol/L，則有無法獲得電池之充分之輸入輸出特性之情形，若超過5 mol/L，則有電解質析出之情形。 再者，電解液之電解質濃度可如下述般確認：對構成鋰離子電池用電極或鋰離子電池之電解液，於不使用溶劑等之情況下進行萃取，測定其濃度。
本發明之鋰離子電池亦可為積層有複數個單電池的積層電池，且藉由配置於框構件內之上述電子零件，而個別地檢測構成積層電池之每個單電池之狀態。
圖7係模式性地表示積層電池之一例之剖視圖。 圖7中表示有圖1所示之單電池1積層有4個而成之積層電池101。 積層電池101中，以相鄰之單電池1之負極集電體9之上表面與正極集電體7之下表面鄰接之方式串聯地積層。該積層電池101收納於容器120。
於容器120之下表面設置有正極引出部107，於容器120之上表面設置有負極引出部109。 正極引出部107與最下部之單電池1之正極集電體7電性連接，負極引出部109與最上部之單電池1之負極集電體9電性連接。
於單電池1之框構件8分別配置有電子零件10。 圖7中，剖視圖中表示電子零件10左右交替地排列之形態，各單電池中之電子零件之配置位置與構成積層電池之其他單電池可為相同位置，亦可為不同位置。
由於各單電池之框構件內配置有電子零件，故可個別地檢測出各單電池內之狀態。因此，於使用積層電池時出現不良之情形時，可特定出哪個單電池出現異常。並且，只要僅更換出現異常之單電池，則可繼續有效利用積層電池之大部分而再利用出現不良之積層電池。
於積層電池中，配置於單電池之框構件內之電子零件亦可為輸出光訊號之發光元件。 配置於單電池之框構件之電子零件為發光元件之情形時之例可如參照圖3及圖4所述。
又，於構成積層電池之各單電池之框構件內配置有發光元件之情形時，較佳為於積層電池之側面設置導入來自發光元件之光訊號之光波導。 並且，亦可設置收容積層電池及光波導之容器，使光波導之一端伸出至容器之外，由受光部接收自伸出至容器之外之光波導之一端導出之光訊號。
圖8係模式性地表示於構成積層電池之單電池之框構件內嵌入配置有發光元件之情況之一例的剖視圖。 圖8所示之構成積層電池102之單電池31中，發光元件30以露出於框構件8之側面之形式嵌入至框構件8內。 於積層電池102之側面設置有導入來自發光元件30之光訊號之光波導130。光波導130中導入有來自各單電池31之各發光元件30之光訊號。 積層電池102與光波導130收容於容器120。其中，光波導130之一端伸出至容器120之外，由受光元件141接收自其一端導出之光訊號。
藉由在受光元件141中將光訊號反向轉換為電訊號，可獲得表示積層電池中所含之單電池內之狀態之電訊號。
圖9係模式性地表示於構成積層電池之單電池之框構件內嵌入配置有發光元件之情況之另一例的剖視圖。 圖9所示之構成積層電池103之單電池31中，發光元件30亦以露出於框構件8之側面之形式嵌入至框構件8內。 於積層電池103之側面，於每個發光元件30設置有受光元件142。 藉由在各受光元件142中將訊號反向轉換為電訊號，可獲得表示積層電池中所含之單電池內之狀態之電訊號。 積層電池103與受光元件142收容於容器120。其中，與受光元件142連接之配線143之一端伸出至容器120之外，藉由配線143將電訊號輸出至容器120之外。
即便於參照圖8及圖9進行說明之該等積層電池之情形時，若配置於單電池之框構件內之電子零件為輸出光訊號之發光元件，則發光元件與受光元件成為無線狀態。由於發光元件與受光元件電性絕緣，故就安全性之觀點而言較佳。
本發明之鋰離子電池亦可為組合有複數個積層電池的電池模組，該積層電池積層有複數個單電池，藉由配置於框構件內之電子零件，而個別地檢測構成電池模組之每個積層電池之狀態。
於鋰離子電池為積層電池複數個組合而成之電池模組之情形時，由於在單電池之框構件內配置有電子零件，故亦可分別地檢測各單電池內之狀態。因此，於使用電池模組時出現不良之情形時，可特定出哪個積層電池之哪個單電池出現異常。並且，只要僅更換出現異常之單電池，則可繼續有效利用電池模組之大部分而再利用出現不良之電池模組。
發送至圖8所示之積層電池102中之受光元件141之位置、及圖9所示之積層電池103中之配線143之位置之訊號藉由位於積層電池之外側之硬體裝置而處理。該硬體裝置係作為電池管理系統（BMS）之一部分發揮功能者，且硬體裝置與積層電池能夠分離。 一般而言，硬體裝置其耐久年數設定為10年左右，但積層電池根據使用方法之不同可進而長時間地使用。因此，若積層電池與硬體裝置能夠分離，則於硬體裝置之耐久年數已過時，可於不拆卸積層電池之情況下僅更換硬體裝置而繼續使用積層電池。如此可實現電池管理系統整體之長壽命化。
其次，對作為本發明之鋰離子電池之使用方法之一例的本發明之鋰離子電池之老化判定方法進行說明。 使用本發明之鋰離子電池之本發明之鋰離子電池之老化判定方法中，配置於框構件內之電子零件係用以測量充電時之電位推移之感測器，藉由感測器監測充電時之電位推移與所需時間，於與通常狀態相比更短時間內發生電位上升之情形時，判定為藉由該感測器測量出之單電池內之部位出現老化。
若本發明之鋰離子電池中配置於框構件內之電子零件係用以測量充電時之電位推移之感測器，則可監測單電池內之特定部位之充電時之電位推移與所需時間。 充電時，由於將電流設為固定，故意味著電位上升之速度越快，則單電池之容量越小，即單電池越容易老化。
尤其於本發明之鋰離子電池為積層電池之情形時，藉由配置於框構件內之電子零件監測每個單電池之充電時之電位推移，於特定出電位上升之速度較快之單電池之情形時，可特定出該單電池為老化進展尤其快之狀態。 又，於本發明之鋰離子電池為電池模組之情形時，亦藉由配置於框構件內之電子零件監測每個單電池或每個積層電池之充電時之電位推移，於特定出電位上升之速度較快之單電池或積層電池之情形時，可特定出該單電池或積層電池為老化進展尤其快之狀態。
例如，於將通常狀態下產生電位上升之時間設為100%時，當產生電位上升之時間達到70%時，可判斷為單電池出現老化。
其次，對作為本發明之鋰離子電池之使用方法之另一例的本發明之鋰離子電池之老化判定方法進行說明。 使用本發明之鋰離子電池之本發明之鋰離子電池之老化判定方法中，於設置於單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件，電子零件係測定電位之感測器，於檢測單電池內之不同部位之電位偏差且電位偏差超過特定值之情形時，判斷為該單電池出現老化。
本發明之鋰離子電池中，於設置於單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件，電子零件係測定電位之感測器，如此可檢測出單電池內之不同部位之電位偏差。 未出現老化之電池中，於單電池之任一處測定出之1個單電池內之電位均相同，若由單電池內之各感測器檢測出之電位有所偏差時，認為該單電池出現老化。 因此，預先於1個單電池之框構件內在複數個部位設置測定電位之感測器，個別地檢測單電池內之電位，藉此可特定出已老化之單電池。
例如，對於1個單電池內的複數個部位所測定出之電位之偏差，於出現與電壓測定值之平均值相差±0.2 V以上之測定點時，判斷為單電池出現老化。
又，於本發明之鋰離子電池為積層電池之情形時，藉由配置於框構件內之電子零件監測每個單電池之電位，檢測每個單電池之電位之偏差，於單電池間出現電位偏差之情形時，可特定出與其他單電池相比電位不同之單電池為老化進展尤其快之狀態。 又，於本發明之鋰離子電池為電池模組之情形時，亦藉由配置於框構件內之電子零件檢測每個單電池或每個積層電池之充電時之電位推移，於單電池間或積層電池間出現電位偏差之情形時，可特定出與其他單電池或積層電池相比電位不同之單電池或積層電池為老化進展尤其快之狀態。
再者，本發明中，於框構件內配置電子零件之構成並不限定於如上述所示般之於框構件內嵌入配置有電子零件之構成。例如，亦可為於形成於框構件之外周面之切口部（凹部）收容電子零件之構成，只要於配置有框構件之區域（正極集電體與負極集電體之間之周緣部之區域）內配置有電子零件，則能夠變更為其他各種各樣之構成。 [產業上之可利用性]
本發明之鋰離子電池藉由於單電池所具有之框構件內配置電子零件，可檢測單電池內之狀態，其結果為，可特定出鋰離子電池內產生異常之部位。 又，於將本發明之鋰離子電池用於積層電池或電池模組之情形時，只要僅更換出現異常之單電池，則可繼續有效利用積層電池或電池模組之大部分而再利用出現不良之積層電池或電池模組。
1,11,31:單電池 2:正極 3:負極 4:分隔件 5:正極活性物質層 6:負極活性物質層 7:正極集電體 8:框構件 9:負極集電體 10,20:電子零件 18:貫通孔 21:配線基板 22:其他電子零件 30:發光元件 101,102,103:積層電池 107:正極引出部 109:負極引出部 120:容器 130:光波導 141,142:受光元件 143:配線
[圖1]係模式性地表示作為單電池之鋰離子電池之構成之例的局部切開立體圖。 [圖2]係模式性地表示於框構件內配置有電子零件之情況的剖視圖。 [圖3]係模式性地表示作為單電池之鋰離子電池之構成之另一例的局部切開立體圖。 [圖4]係模式性地表示於框構件內嵌入配置有發光元件之情況的剖視圖。 [圖5]係自上表面模式性表示圖1所示之鋰離子電池中排除負極集電體之狀態的俯視圖。 [圖6]係自上表面模式性表示於框構件設置有配線基板而成之鋰離子電池中排除負極集電體之狀態的俯視圖。 [圖7]係模式性地表示積層電池之一例之剖視圖。 [圖8]係模式性地表示於構成積層電池之單電池之框構件內嵌入配置有發光元件之情況之一例的剖視圖。 [圖9]係模式性地表示於構成積層電池之單電池之框構件內嵌入配置有發光元件之情況之另一例的剖視圖。
1:單電池
2:正極
3:負極
4:分隔件
5:正極活性物質層
6:負極活性物質層
7:正極集電體
8:框構件
9:負極集電體
10:電子零件

Claims (14)

  1. 一種鋰離子電池，其具有依序積層正極集電體、正極活性物質層、分隔件、負極活性物質層及負極集電體而成之單電池，且特徵在於： 具有框構件，其配置於上述正極集電體及上述負極集電體之間，密封上述正極活性物質層、上述分隔件、及上述負極活性物質層， 於上述框構件內配置有檢測單電池內之狀態之電子零件。
  2. 如請求項1之鋰離子電池，其中，上述電子零件係測定單電池內之特定部位之溫度、電壓、電流或聲發射之感測器。
  3. 如請求項1或2之鋰離子電池，其中，於設置在上述單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件，且 個別地檢測單電池內之不同部位之狀態。
  4. 如請求項1至3中任一項之鋰離子電池，其中，上述電子零件與上述負極集電體及上述正極集電體電性連接，接受來自鋰離子電池之電力供給。
  5. 如請求項4之鋰離子電池，其中，上述負極集電體及上述正極集電體係樹脂集電體，上述負極集電體及上述正極集電體與上述電子零件直接耦合並電性連接。
  6. 如請求項1至5中任一項之鋰離子電池，其中，於上述框構件設置有用以配置電子零件之貫通孔，於上述貫通孔配置有上述電子零件，上述框構件之厚度與上述電子零件之高度大致相同。
  7. 如請求項1至5中任一項之鋰離子電池，其中，於上述框構件內設置有配線基板，上述電子零件安裝於上述配線基板。
  8. 如請求項7之鋰離子電池，其中，於上述配線基板安裝有用以控制供給至上述電子零件之電流及/或電壓之其他電子零件。
  9. 如請求項1至8中任一項之鋰離子電池，其中，上述電子零件將表示單電池內之狀態之訊號向單電池之外部無線輸出。
  10. 如請求項1至9中任一項之鋰離子電池，其係積層有複數個上述單電池的積層電池， 藉由配置於上述框構件內之上述電子零件，而個別檢測構成上述積層電池之各上述單電池之狀態。
  11. 如請求項1至9中任一項之鋰離子電池，其係組合有複數個積層電池的電池模組，該積層電池積層有複數個上述單電池， 藉由配置於上述框構件內之上述電子零件，而個別地檢測構成上述電池模組之各上述積層電池之狀態。
  12. 如請求項1至11中任一項之鋰離子電池，其具有開關，該開關切換進行或不進行藉由配置於上述框構件內之上述電子零件檢測單電池內之狀態， 於被賦予來自外部之訊號之情形時，切換上述開關，進行單電池內之狀態之檢測。
  13. 一種鋰離子電池之老化判定方法，其使用請求項1至12中任一項之鋰離子電池，且， 配置於上述框構件內之上述電子零件係用以測量充電時之電位推移之感測器， 藉由上述感測器監測充電時之電位推移與所需時間，於與通常狀態相比更短時間內發生電位上升之情形時，判定為藉由該感測器測量出之單電池內之部位出現老化。
  14. 一種鋰離子電池之老化判定方法，其使用請求項1至12中任一項之鋰離子電池，且， 於設置在上述單電池之外周之框構件內之複數個部位分別配置有電子零件， 上述電子零件係測定電位之感測器， 於檢測單電池內之不同部位之電位偏差且電位偏差超過特定值之情形時，判定為該單電池中出現老化。
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