WO2007088778A1

WO2007088778A1 - 電極積層体およびバイポーラ２次電池

Info

Publication number: WO2007088778A1
Application number: PCT/JP2007/051222
Authority: WO
Inventors: Kazutaka Tatematsu; Ryoji Mizutani; Eiji Yamada; Yasuhiro Endo
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2007-08-09
Also published as: EP1988595A1; EP1988595A4; US20090042099A1; CN101379652B; CN101379652A; JP2007207510A; JP4770489B2

Abstract

　電極積層体は、積層された正極活物質層（２６）および負極活物質層（２８）と、正極活物質層（２６）と負極活物質層（２８）との間に配置された電解質層（２７）とを備える。正極活物質層（２６）、負極活物質層（２８）および電解質層（２７）には、正極活物質層（２６）および負極活物質層（２８）の積層方向に貫通する貫通孔（３２）が形成されている。電極積層体は、さらに、貫通孔（３２）に挿通され、正極活物質層（２６）、負極活物質層（２８）および電解質層（２７）を一体に保持するボルト（３５）を備える。このような構成により、正極、負極および電解質間の界面がずれることを効果的に抑制する電極積層体およびバイポーラ２次電池を提供する。

Description

明細書電極積層体およびバイポーラ 2次電池技術分野

この発明は、一般的には、電極積層体およびバイポーラ 2次電池に関し、より特定的には、固体電解質もしくはゲル状電解質が用いられる電極積層体およびバィポーラ 2次電池に関する。背景技術

従来の電極積層体に関して、たとえば、特開 2 0 0 4— 4 7 1 6 1号公報には、電池要素間の密着性を向上させ、ガス発生時の電池の膨張を低減することを目的とした 2次電池が開示されている（特許文献 1 ) 。特許文献 1では、正極、負極および固体電解質からなる電池要素が、 2枚の板材によって挟持されている。電池要素と板材とは、板材に卷回されたテープによって一体に保持されている。テープに替えて、ゴム、バンド、クリップもしくは紐等が用いられても良い。

また、特開 2 0 0 4— 3 1 2 8 1号公報には、部品点数の増加を抑えつつ、電池を両面から押え付け、力冷却性を向上させることを目的とした電極積層型電池の冷却構造が開示されている（特許文献 2 ).。特許文献 2では、正極板、負極板およびセパレータを含む複数の電極積層型電池が、押え板を介在させて積層されている。押え板は、電極積層型電池の周縁から突出するように設けられている。その突出する位置で押え板に挿通された固定用ポルトによって、複数の電池積層型電池が一体に保持されている。

上述の特許文献では、電池要素の両側に配置された板材もしくは押え板を、テープゃゴム、固定用ボルト等を用いて互いに結合することにより、電池要素を挟持している。し力しながら、このような結合方法では、電池要素を構成する正極、負極および電解質間の界面がずれるおそれが生じる。発明の開示この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、正極、負極および電解質間の界面がずれるこ 'とを効果的に抑制する電極積層体およびバイポーラ 2次電池を提供することである。

この発明に従った電極積層体は、積層された正極および負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを備える。正極、負極および電解質には、正極および負極の積層方向に貫通する孔が形成されている。電極積層体は、さらに、孔に揷通され、正極、負極および電解質を一体に保持する軸部材を備える。

このように構成された電極積層体によれば、正極、負極および電解質を貫くように軸部材が配置されるため、正極、負極および電解質間の界面がずれることを効果的に抑制することができる。これにより、界面抵抗の上昇を抑えることがでさる。

また好ましくは、軸部材はボルトである。このように構成された電極積層体によれば、正極、負極および電解質間は、ボルトによって締結されるため、上述の効果をより.効果的に得ることができる。

また好ましくは、軸部枒は、絶縁材料から形成されている。また好ましくは、孔の内壁とボルトとの間に絶縁部材が配設されている。このように構成された電極積層体によれば、軸部材を介して電極間が短絡することを防止できる。

また好ましくは、電解質は、固体電解質である。このように構成された電極積層体によれば、電極積層体から電角军質が漏出することを防止できる。

この発明に従ったバイポーラ 2次電池は、上述のいずれかに記載の電極積層体が用いられたバイポーラ 2次電池である。なお、パイポーラ 2次電池とは、 1つの電極板に正極および負極の双方が設けられた電池を指す。このように構成されたバイポーラ 2次電池によれば、電極積層体の界面抵抗の上昇を抑えることにより、バイポーラ 2次電池の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、正極、負極おょぴ電解質間の界面がずれることを効果的に抑制する電極積層体およびバイポーラ 2次電池を提供することができる。図面の簡単な説明図 1は、この発明の実施の形態における電極積層体の構造が適用されたバイポーラ 2次電池を示す斜視図である。

図 2は、図 1中の I I _ I I線上に沿ったバイポーラ 2次電池の断面図である。図 3 Aおよび図 3 Bは、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 1の変形例を示す上面図である。

図 4は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 2の変形例を示す断面図である。図 5は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 3の変形例を示す断面図である。図 6は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 4の変形例を示す断面図である。図 7は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 5の変形例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

この発明の実施の形態について、図面を参照.して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。図 1は、この発明の実施の形態における電極積層体の構造が適用されたバイポーラ 2次電池を示す斜視図である。図 1を参照して、バイポーラ 2次電池 1 0は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な電源とを動力源とするハイプリッド自動車に電源として搭載される。バイポーラ 2次電池 1 0は、リチウムイオン電池から形成されている。

バイポーラ 2次電池 1 0は、複数の電池セル 2 5が矢印 1 0 1に示す方向に積層されて形成されている。バイポーラ 2次電池 1 0は、略直方体形状を有する。バイポーラ 2次電池 1 0は、電池セル 2 5の積層方向の長さが他の辺の長さよりも小さい薄板形状を有しても良い。

図 2は、図 1中の I I一 I I線上に沿ったバイポーラ 2次電池の断面図である。図 1および図 2を参照して、バイポーラ 2次電池 1 0は、複数のバイポーラ電極 3 0を含む。

各バイポーラ電極 3 0は、シート状の集電箔 2 9と、集電箔 2 9の一方の面 2 9 aに形成された正極活物質層 2 6と、集電箔 2 9の他方の面 2 9 bに形成された負極活物質層 2 8とから構成されている。すなわち、バイポーラ 2次電池 1 0 では、 1つのバイポーラ電極 3 0に、正極をなす正極活物質層 2 6と負極をなす負極活物質層 2 8との双方が形成されている。

複数のバイポーラ電極 3 0は、電解質層 2 7を介在させて電池セル 2 5の積層方向と同じ方向に積層されている。電解質層 2 7は、イオン伝導性を示す材料から形成される層である。電解質層 2 7は、固体電解質であっても良いし、ゲル状電解質であっても良い。電解質層 2 7を介在させることによって、正極活物質層 2 6および負極活物質層 2 8間のィォン伝導がスムーズになり、バイポーラ 2次電池 1 0の出力を向上させることができる。

正極活物質層 2 6と負極活物質層 2 8とは、積層方向に隣り合うバイポーラ電極 3 0間で電解質層 2 7を挟んで向い合つている。互いに隣り合う集電箔 2 9間に配置された、正極活物質層 2 6、電解質層 2 7および負極活物質層 2 8の組が、電池ル 2 5を構成している。

電池セル 2 5の積層方向の一方端には、正極活物質層 2 6が配置されている。その正極活物質層 2 6に接触して正極集電扳 2 1が設けられてい.る。 '電池セル 2 5の積層方向の他方端には、負極活物質層 2 8が配置されている。その負極活物質層 2 8に接触して負極集電板 2 3が設けられている。すなわち、電池セル 2 5 の積層方向におけるバイポーラ 2次電池 1 0の両端には、正極集電板 2 1と負極集電板 2 3とが配置されている。積層された複数の電池セル 2 5は、正極集電板 2 1と負極集電板 2 3とによって挟持されている。なお、正極集電板 2 1および負極集電板 2 3は必ずしも設けられる必要はない。

集電箔 2 9は、たとえばアルミニウムから形成されている。この場合、集電箔

2 9の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔 2 9の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔 2 9は、銅、チタン、エッケル、ステンレス鋼（S U S ) もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成されても良い。

正極活物質層 2 6は、正極活物質および固体高分子電解質を含む。正極活物質層 2 6は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としての NM P (N—メチルー 2 一ピロリドン）、重合開始剤としての A I B N (ァゾビスィソブチロニトリル）等を含んでも良い。正極活物質としては、リチウムイオン 2次電池で一般的に用いられる、リチウ .ムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。正極活物質として、たとえば、 L i C o O ₂等の L i ■ C o系複合酸化物、 L i N i O ₂等の L i · N i 系複合酸化物、スピネル L i Mn ₂0₄等の L i · Μη系複合酸化物、 L i F e 0₂等の L i · F e系複合酸化物などが挙げられる。その他、 L i F e P0₄等の遷移金属とリチウムとのリン酸化合物や硫酸ィヒ合物； V₂0₅、 Mn0₂、 T i S₂、 Mo S₂、 Mo 0₃等の遷移金属酸化物や硫化物； P b〇₂、 AgO, N i O OH等が挙げられる。

固体高分子電解質は、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンォキシド（PEO) 、ポリプロピレンォキシド（P P o) 、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンォキシド系高分子は、 L i BF₄、 L i P F₆、' L i N (S0₂CF₃) ₂、 L i N (S0₂ C₂F₅) '₂等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、正極活物質層 26および負極活物質層 28の少なくとも一方に含まれる。より好ましくは、固体高分子電解質は、正極活物質層 26および負極活物質層 28の双方に含まれる。

支持塩としては、 L i (C₂F₅S0₂) ₂N、 L i BF₄、 L i PFい L i N (S0₂C₂F₅) ₂、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラフアイト等を使用することができる。

負極活物質層 28は、負極活物質および固体高分子電解質を含む。負極活物質層は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としての NMP (N—メチルー 2—ピ口リドン）、重合開始剤としての A I BN (ァゾビスィソプチロニトリル）等を含んでも良い。

負極活物質としては、リチウムイオン 2次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。伹し、固体電解質を使用する場合、負極活物質として、力一ボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用レ、ることが好ましい。より好ましくは、負極活物質は、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物である。さらに好ましくは、遷移金属はチタンである。つまり、負極活物質は、チタン酸化物もしくはチタンとリチウムとの複合酸化物であることがさらに好ましい。

電解質層 2.7を形成する固体電解質としては、たとえば、ポリエチレンォキシド（PEO) 、ポリプロピレンォキシド（PPO) 、これらの共重合体等、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩（リチウム塩）を含む。支持塩としては、 L i BF₄、 L i PF₆、 L i N (SO_aCF₃) ₂、 L i N (S 0₂C ₂F₅) ₂、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。

さらに、正極活物質層 26、負極活物質層 28および電解質層 27を形成する材料の具体例を表 1から表 3に示す。表 1は、電解質層 27が有機系固体電解質である場合の具体例であり、表 2は、電解質層 27が無機系固体電解質である場合の具体例であり、表 3は、'電解質層 27がゲル状電解質である場合の具体例である。

【表 1】

【表 2】

【表 3】

バイポーラ 2次電池 1 0には、正極集電板 2 1から負極集電板 2 3にまで達する貫通孔 3 2が形成されている。貫通孔 3 2は、電池セル 2 5の積層方向に延び、その積層方向に配置されるバイポーラ 2次電池 1 0の両端面に開口している。貫通孔 3 2は複数、形成されている。貫通孔 3 2は、略矩形形状を有する正極集電板 2 1および負極集電板 2 3の端面の四隅と中央部とに開口している。貫通孔 3 2は、正極集電板 2 1および負極集電板 2 3と、バイポーラ電極 3 0を構成する正極活物質層 2 6、集電箔 2 9および負極活物質層 2 8と、バイポーラ電極 3 0 間に介在する電解質層 2 7とに形成されている。

貫通孔 3 2には、ボルト 3 5が揷通されている。電極間の短絡を防ぐため、ボルト 3 5は、高絶縁性金属やセラミック等の絶縁材料から形成されている。バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層が、ボルト 3 5と、ボルト 3 5に螺合されたナット 3 6とによって一体に保持されている。バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層は、ボルト 3 5で発生する軸力により一体に保持されている。

このような構成により、特殊な部品を用いることなく、バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層を一体化する組み立て作業を容易に行なうことができる。また、ボノレト 3 5を締め付ける際のトルク管理やボルト 3 5の本数を通じて、積層された電池セル 2 5の拘束力を容易に調整することができる。

また、充放電を行なうと電子 ·ィオンの移動が行なわれ、電極の寸法変化が生じる。このため、充放電を繰り返し行なっていると、電極間に隙間が生じ、内部抵抗が変化することによって、電池性能が劣化するおそれがある。これに対して、本実施の形態では、ポルト 3 5を狭いピツチで配設することにより、電池セル 2 5の積層方向に直交する平面内で電極を均一に加圧することが可能となる。これにより、電極に生じる寸法変化のばらつきを小さく抑え、電池性能の劣化を抑制できる。

貫通孔 3 2には、リング形状を有するシール部材 3 7が設けられている。シール部材 3 7は、電池セル 2 5の積層方向に隣り合う集電箔 2 9間に配置されている。シール部材 3 7は、電解質層 2 7が設けられた空間とポルト 3 5が揷通された空間との間を封止している。このような構成により、貫通孔 3 2を通じて電解質層 2 7が漏出することを防止できる。なお、電解質層 2 7が固体電解質から形成されている場合には、シール部材 3 7が設けられなくても良い。

以上に説明したような構成を備えるバイポーラ 2次電池 1 0では、電池セル 2 5の積層方向に直交する平面内の面積を大きく設定することにより電池容量を増大させることができるため、容易に薄型化することができる。このため、車両の座席下や床下等に配設する等、バイポーラ 2次電池 1 0の搭載性を向上させることができる。

この発明の実施の形態における電極積層体は、積層された正極としての正極活物質層 2 6および負極としての負極活物質層 2 8と、正極活物質層 2 6と負極活物質層 2 8との間に配置された電解質としての電解質層 2 7とを備える。正極活物質層 2 6、負極活物質層 2 8および電解質層 2 7には、正極活物質層 2 6および負極活物質層 2 8の積層方向に貫通する孔としての貫通孔 3 2が形成されている。電極積層体は、さらに、貫通孔 3 2に揷通され、正極活物質層 2 6、負極活物質層 2 8および電解質層 2 7を一体に保持する軸部材としてのボルト 3 5を備える。

このように構成された、この発明の実施の形態における電極積層体によれば、ポルト 3 5は、電池セル 2 5の積層方向に貫通する貫通孔 3 2に挿通されるため、バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層間で界面がずれることを抑制できる。これにより、長期間に渡ってバイポーラ 2次電池 1 0の電池性能を維持することができる。

なお、本実施の形態では、バイポーラ 2次電池 1 0がリチウムイオン電池から形成されている場合について説明したが、これに限定されず、リチウムイオン電池以外の 2次電池から形成されても良い。本発明による電極積層体は、代表的には、多数の電極が積層されるバイポーラ 2次電池に適用されるが、モノポーラ 2 次電池にも適用することができる。

続いて、図 1中のバイポーラ 2次電池 1 0の変形例について説明を行なう。図

3 Aおよぴ図 3 Bは、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 1の変形例を示す上面図である。

図 3 Aを参照して、本変形例では、ボルト 3 5が、略矩形形状を有する正極集電板 2 1および負極集電板 2 3の端面に格子状に配設されている。図 3 Bを参照して、本変形例では、ボルト 3 5力略矩形形状を有する正極集電板 2 1および負極集電板 2 3の端面に千鳥状に配設されている。これらの変形例では、ボルト 3 5が等ピッチで酉己設されている。このような構成により、電池セル 2 5の積層方向に直交する平面内で電極を均一に加圧することを、より容易に行なうことができる。

図 4は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 2の変形例を示す断面図である。図 4を参照して、本変形例では、貫通孔 3 2に、筒形状を有する絶縁スリープ 4 1 が配設されている。絶縁スリーブ 4 1は、樹脂等の絶縁材料から形成されている。絶縁スリーブ 4 1は、貫通孔 3 2の内壁とポルト 3 5との間に配置されている。このような構成により、ボルト 3 5が導電性金属から形成されている場合であっ- ても、絶縁スリーブ 4 1によって電極間の短絡を防止できる。

図 5は、図 1中のパイポーラ 2次電池の第 3の変形例を示す断面図である。図 5を参照して、本変形例では、図 1中のボノレト 3 5およびナツト 3 6に替えて、スタツドボルト 4 6と、スタツドボルト 4 6に螺合されるナツト 4 7とが設けられている。このような構成によっても、バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層をスタツドボルト 4 6で発生する軸力により一体に保持することができる。

図 6は、図 1中のバイポーラ 2次電池の第 4の変形例を示す断面図である。図 6を参照して、本変形例では、図 1中の貫通孔 3 2に替えて、バイポーラ 2次電池 1 0にテーパ孔 5 6が形成されている。テーパ孔 5 6は、正極集電板 2 1から負極集電板 2 3に向かうに従って、開口面積が徐々に増大するように形成されている。テーパ孔 5 6には、テーパ付きボルト 5 1が揷通されている。テーパ付きボルト 5 1は、テーパ孔 5 6に嵌め合わされるテーパ部 5 1 mと、ナット 5 2が螺合されるねじ部 5 1 nとを有する。このような構成により、バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層間で界面がずれることをさらに効果的に抑制できる。

図 7は、図 1中のバイポラ 2次電池の第 5の変形例を示す断面図である。図 7を参照して、本変形例では、図 1中のボノレト 3 5に替えて、ピン部材 6 1が設けられている。ピン部材 6 1の両端が正極集電板 2 1および負極集電板 2 3の端面上で潰されることによって、バイポーラ 2次電池 1 0を構成する各層が一体に保持されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。産業上の利用可能性

この発明は、主に、内燃機関と充放電可能な電源とを動力源とするハイブリツド自動車の電源に適用される。

Claims

請求の範囲

1. 積層された正極（26) および負極（28) と、

前記正極（26) と前記負極（28) との間に配置された電解質（27) とを備、

前記正極（26) 、前記負極（28) および前記電解質（27) には、前記正極（26) および前記負極（28) の積層方向に貫通する孔（32) が形成されており、さらに、

前記孔（32) に揷通され、前記正極（26) 、前記負極（28) および前記電解質（27) を一体に保持する軸部材（35) を備える、電極積層体。

2. 前記軸部材（35) はボノレトである、請求の範囲 1に記載の電極積層体。

3. 前記軸部材（35) は、絶縁材料から形成されている、請求の範囲 1に記載の電極積層体。

4. 前記孔（32) の内壁と前記ボルト（35) との間に絶縁部材（41) が配設されている、請求の範囲 1に記載の電極積層体。

5. 前記電解質（27) は、固体電解質である、請求の範囲 1に記載の電極積層体。

6. 請求の範囲 1に記載の電極積層体が用いられた、パイポーラ 2次電池。