JP2004355953A

JP2004355953A - バイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システム

Info

Publication number: JP2004355953A
Application number: JP2003152201A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Fukuzawa; 達弘福沢; Koichi Nemoto; 好一根本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】複数の単電池が直列に接続されてなるバイポーラ二次電池において各単電池の容量を均一にする。
【解決手段】バイポーラ二次電池（３８）がヒーター（４２Ａ，４２Ｂ）で一定の温度以上に加熱されると、単電池を構成する集電体内のＰＴＣ層の抵抗値が絶縁物とみなせるほどに高くなる。したがって、直列に接続されていた単電池は互いに切り離される。一方、温度センサ（４３）によってバイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出されると、容量調整コントローラ（４５）はバイポーラ二次電池に接続されているスイッチ（２６，２７）をオンする。スイッチがオンされると、そのスイッチに接続されている正極層並列化回路（３０）または負極層並列化回路（３１）によって集電体の正極層同士または負極層同士が接続され、各単電池が並列に接続される。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単電池が直列に接続されてなるバイポーラ二次電池において各単電池の容量を均一にすることができるバイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラ二次電池は、他の種類の二次電池に比較して高い電圧を得やすいこと、堅固な構造のものを製作できること、小型化しやすいことなど数々の特徴を備えている。一般的なバイポーラ二次電池の構造は、下記特許文献１または下記特許文献２に記載されている通りである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２０４１３６号公報（段落０００８から段落００１８の記載）
【特許文献２】
特開２０００−１００４７１号公報（段落００１３から段落００２６の記載）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの特許文献にも示されているように、バイポーラ二次電池は複数の単電池が直列に接続されているので、各単電池における充電容量や内部抵抗などの電気的特性のばらつきにより、単電池ごとの充電状態や放電状態にばらつきが生じてしまう。すべての単電池に対して均一な充放電が行われるようにするためには、各単電池の電気的特性を揃えれば良いが、製造技術上の問題などから各単電池の電気的特性を全く同一にすることは困難であり現実的ではない。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて成されたものであり、複数の単電池が直列に接続されてなるバイポーラ二次電池において各単電池の容量を均一にすることができるバイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システムの提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるバイポーラ二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該電解質を介して向き合うように積層されたバイポーラ二次電池であって、前記集電体内には、当該集電体の温度が一定の温度を超えると絶縁物とみなせるほどにその抵抗値が高くなるＰＴＣ層がその全体に渡って形成され、前記集電体の正極層が形成されている一方の面と負極層が形成されている他方の面には、前記集電体の正極層同士または負極層同士を接続するためのスイッチの接続端子が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
２つの集電体に挟まれた正極層−電解質−負極層は２つの集電体間で単電池を形成するが、バイポーラ二次電池の温度が一定の温度を超えると、ＰＴＣ層の抵抗値が高くなることから、このＰＴＣ層を境にバイポーラ二次電池を構成する単電池が互いに切り離される。この状態でバイポーラ二次電池の接続端子に取り付けられるスイッチをオンすると、集電体の正極層同士または負極層同士が接続され、バイポーラ二次電池を構成する単電池が並列に接続される。単電池が並列に接続されることによって、単電池間の容量調整が行われ、充電状態のばらつきがなくなる。
【０００８】
また、上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるバイポーラ二次電池容量調整システムは、請求項２から請求項５のいずれかに記載のバイポーラ二次電池を加熱するヒーターと、当該バイポーラ二次電池の温度を検出する温度センサと、当該温度センサによって前記バイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出されると、前記バイポーラ二次電池に接続されているスイッチをオンする容量調整コントローラと、を有することを特徴とする。
【０００９】
バイポーラ二次電池を構成する単電池間の容量調整を行おうとするときにはヒーターでバイポーラ二次電池を一定の温度以上に加熱する。バイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されると、単電池を構成する集電体内のＰＴＣ層の抵抗値が絶縁物とみなせるほどに高くなる。このため、直列に接続されていた単電池が互いに切り離される。一方、温度センサによってバイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出されると、容量調整コントローラはバイポーラ二次電池に接続されているスイッチをオンする。スイッチがオンされると、そのスイッチに接続されている正極層並列化回路または負極層並列化回路によって集電体の正極層同士または負極層同士が接続される。このため、互いに切り離されていた単電池が並列に接続され、単電池間の電圧の不均一が解消される。
【００１０】
【発明の効果】
本発明のバイポーラ二次電池によれば、バイポーラ二次電池の集電体内にはＰＴＣ層がその全体に渡って形成されているので、バイポーラ二次電池の温度が一定の温度を超えるとＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池を分離することができる。
【００１１】
本発明のバイポーラ二次電池容量調整システムによれば、バイポーラ二次電池をヒーターで一定の温度以上に加熱し、バイポーラ二次電池の接続端子に取り付けられたスイッチをオンすると、ＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池を並列に接続することができるので、単電池間の容量調整を行うことができ、充放電状態のばらつきを解消することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかるバイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかるバイポーラ電極の概略構成図を、図２は、ＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池の構成図を、図３は、本発明にかかる発電要素の全体構成図をそれぞれ示す。
【００１３】
図１に示すように、バイポーラ電極１０は、集電体１２の一方の面に正極層１４が形成されその他方の面に負極層１６が形成されてなるものである。集電体１２内には集電体１２の温度が一定の温度を超えると絶縁物とみなせるほどにその抵抗値が高くなるＰＴＣ層１８がその全体に渡って形成されている。ＰＴＣ層１８は集電体１２の上下層を構成する金属層でサンドイッチ状に挟まれている。したがって、バイポーラ電極１０を製造するには、まず、ＰＴＣ層１８の両面にたとえばアルミ二ウム層を形成して集電体１２を形成し、その集電体１２の一方の面に正極層１４を形成し、他方の面に負極層１６を形成する。
【００１４】
バイポーラ電極１０は、図２に示すように、電解質２０を介して、隣り合うバイポーラ電極１０の正極層１４と負極層１６とを向き合わせて積層する。ＰＴＣ層１８を境とする集電体１２の一方の層１２Ａ−正極層１４−電解質２０−負極層１６−集電体１２の他方の層１２Ｂで単電池２２が形成される。
【００１５】
図３に示すように、４つのバイポーラ電極１０を３枚の電解質２０を介して積層し、最後に、正極層１４または負極層１６のみがその一方の面に形成されている集電体２４を、電解質２０を介して積層方向両端（上下端）に積層することによって、発電要素２５が形成される。発電要素２５は単電池２２が複数直列に接続されたものとなる。なお、積層方向両端に位置される集電体２４はその内部にＰＴＣ層１８を有していない。集電体１２の正極層１４が形成されている一方の面１２Ａには、集電体１２の正極層同士を接続するためのスイッチの接続端子２６が設けられている。集電体１２の負極層１６が形成されている他方の面１２Ｂには、負極層同士を接続するためのスイッチの接続端子２７が設けられている。同じく、集電体２４の正極層１４が形成されている面１２Ａまたは集電体２４の負極層１６が形成されている面１２Ｂにも集電体１２の正極層１４または負極層１６と接続するためのスイッチの接続端子２６、２７が設けられている。なお、図示されていないが、集電体２４のそれぞれには正極電極端子または負極電極端子が接続される。以上が本発明にかかるバイポーラ二次電池の構造である。
【００１６】
本発明にかかるバイポーラ二次電池は、単電池同士を並列接続するための装置として、接続端子２６、２７に、スイッチ２８、２９、正極層並列化回路３０、負極層並列化回路３１を備えた半導体装置が接続される。この半導体装置には、スイッチ２８、２９と正極層並列化回路３０、負極層並列化回路３１が一体的に形成され、図３に示すような電気的な配線も成されている。バイポーラ二次電池にこの半導体装置を取り付けると、次のような配線が成される。
【００１７】
すなわち、接続端子２６のそれぞれにはスイッチ２８の一方の端子が接続され、これらのスイッチ２８の他方の端子には、スイッチ２８がオンされると集電体１２、２４の正極層同士を接続する正極層並列化回路３０が接続される。正極層並列化回路３０は、集電体１２、２４の正極層同士を抵抗器３２を介して接続する。接続端子２７のそれぞれにはスイッチ２９の一方の端子が接続され、これらのスイッチ２９の他方の端子には、スイッチ２９がオンされると集電体１２、２４の負極層同士を接続する負極層並列化回路３１が接続される。負極層並列化回路３１は、集電体１２、２４の負極層同士を抵抗器３３を介して接続する。
【００１８】
図３のような構造の発電要素２５はその周囲がラミネートフィルム３５で覆われ、ラミネートフィルム３５の一方の側からは図４（Ａ）に示すように、正極電極端子３６と負極電極端子３７が引き出される。また、ラミネートフィルム３５の対向する側からは接続端子２６、２７が引き出される。また、同図（Ａ）とは異なり、正極電極端子３６と負極電極端子３７をラミネートフィルム３５の対向する側から引き出すようにすることも可能である。
【００１９】
本発明にかかるバイポーラ二次電池の各構成要素は公知の材料を用いて構成される。本実施の形態では、各構成要素を次のような材料で形成している。
【００２０】
［集電体１２］
集電体には、各種公知の材料を用いることができ、具体的には、正極集電体としてはアルミニウム箔などが、負極集電体としては銅箔などを用いることができる。電池の化学反応によって生じる腐食が原因で電池性能が低下してしまうことを防ぐために、純度の高い材料を使用することが望ましい。たとえば、純アルミニウムや純銅、純ニッケルを用いる場合には、純度が９９％以上のものを用いる。バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができ、溶媒としてはバインダーを溶解させる各種極性溶媒が使用できる。本実施の形態では、１００℃程度で絶縁物と称される物質と同等の抵抗値になるＰＴＣ箔（ＰＴＣ層１８）の両面に純度９９％以上の純アルミニウム、純銅を蒸着して厚さ２０μｍ程度の集電体（ＳＵＳ箔）を形成している。
【００２１】
［正極層１４］
正極層１４の正極材料としては、リチウム金属酸化物、リチウム金属酸化物の一部を他の元素で置換した複合酸化物、マンガン酸化物など各種公知の正極材料を適宜使用することができる。具体的には、リチウム金属酸化物としてはリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リチウム鉄酸化物（Ｌｉ_ＸＦｅＯ_Ｙ）、リチウムバナジウム酸化物（Ｌｉ_ＸＶ_ＹＯ_Ｚ）等が挙げられる。これらの正極材料の中では、リチウムマンガン酸化物が好ましい。本実施の形態では、正極活物質としてＬｉＭｎ_２Ｏ_４（８５ｗｔ％）、導電助剤としてアセチレンブラック（５ｗｔ％）、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０ｗｔ％）、塗布時の粘度調整を行うスラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰをそれぞれ混合し、正極スラリーを作製する。この正極スラリーを集電体１２であるＳＵＳ箔（厚さ２０μｍ）の片面に塗布し乾燥させて厚さ４０μｍの正極層を形成している。
【００２２】
［負極層１６］
負極層１６の負極材料としては、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラファイト、活性炭などの炭素材料、またはＳｎＢ_ＸＰ_ＹＯ_Ｚ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＬｉＴｉ_ＸＯ_Ｙ、ＬｉＦｅ_ＸＯ_Ｙ、ＬｉＭｎ_ＸＯ_Ｙなどの金属酸化物を単独または混合して使用できる。ここで、ハードカーボンとは３０００℃で熱処理しても黒鉛化しない炭素材料をいい、ソフトカーボンとは２８００〜３０００℃で熱処理した際に黒鉛化する炭素材料をいう。なお、ハードカーボンの製造には、フラン樹脂、０．６〜０．８のＨ／Ｃ原子比を有する石油ピッチに酸素架橋した有機材料などを出発原料とする方法など各種公知の技術を用いることができ、ソフトカーボンの製造には、石炭、高分子化合物（ポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラートなど）、ピッチ等を出発原料とする方法など各種公知の技術を用いることができる。負極材料は、ハードカーボンなどの非晶質炭素材料であることが好ましい。本実施の形態では、負極活物質としてハードカーボン（８５ｗｔ％）、導電助剤としてアセチレンブラック（５ｗｔ％）、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０ｗｔ％）、塗布時の粘度調整を行うスラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰをそれぞれ混合し、負極スラリーを作製する。この負極スラリーを集電体であるＳＵＳ箔（厚さ２０μｍ）の片面に塗布し乾燥させて厚さ４０μｍの負極層を形成している。
【００２３】
［電解質２０］
ゲル電解質に用いられる非水電解液としては、リチウムイオン伝導性のある各種溶液が好ましく、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）等の環状炭酸エステルを単体または適宜組み合わせて使用することができる。また、電気伝導度を高くし、かつ適切な粘度を有する電解液を得るため、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトン、酢酸エチル、プロピオン酸メチル等を併用してもよい。非水電解液中の電解質としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３などが挙げられる。セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂の微多孔膜などを用いうる。本実施の形態では、厚さ１００μｍのＰＰ製不織布をセパレータとして用い、このセパレータにポリマー（ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体）（１０ｗｔ％）、ＰＣ＋ＥＣ（１：１）に１．０ＭでＬｉＢＥＴＩを溶解させたもの（９０ｗｔ％）および重合開始剤（ＢＤＫ）からなるプレゲル溶液を浸漬させて、不活性雰囲気化で熱重合させることにより電解質を作製している。
【００２４】
［接続端子２６、２７および正極電極端子３６、負極電極端子３７］
これらの端子には銅、鉄から選択される金属を用いることができるが、アルミニウム、ステンレス鋼といった金属またはこれらを含む合金材料を使用しても良い。本実施の形態では、これらの端子にもっぱら銅を用いている。
【００２５】
［ラミネートフィルム３５］
ラミネートフィルムは電池の外装材として用いられる。一般的には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。熱融着性樹脂フィルムとしては、例えばポリエチレン（ＰＥ）、アイオノマー、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。金属箔としては、例えばＡｌ箔、Ｎｉ箔を用いることができる。剛性を有する樹脂フィルムとしては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン等を用いることができる。具体的には、シール面側から外面に向けて積層したＰＥ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＰＥ／Ａｌ箔／ナイロンの積層フィルム；アイオノマー／Ｎｉ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＥＶＡ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；アイオノマー／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム等を用いることができる。熱融着性樹脂フィルムは、電池要素を内部に収納する際のシール層として作用する。金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を外装材に付与する。ラミネートフィルムは、超音波融着等を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。本実施の形態では、台形のカップ形状に整形したラミネートフィルムを用いて発電要素を封止している。
【００２６】
以上は、本発明にかかるバイポーラ二次電池の具体的な構成である。次に、このバイポーラ二次電池を使用したバイポーラ二次電池容量調整システムについて説明する。
【００２７】
図５は、本発明にかかるバイポーラ二次電池容量調整システムの全体構成図である。
【００２８】
バイポーラ二次電池容量調整システムは、バイポーラ二次電池３８、スイッチ２８、２９、正極層並列化回路３０、負極層並列化回路３１を備えた半導体装置４０、バイポーラ二次電池３８を加熱するヒーター４２Ａ、４２Ｂ、バイポーラ二次電池３８の温度を検出する温度センサ４３、バイポーラ二次電池３８の電圧を検出する電圧センサ４４、温度センサ４３と電圧センサ４４の検出値に基づいてスイッチ２８、２９をオン、オフさせる容量調整コントローラ４５とを備えている。
【００２９】
本発明にかかるバイポーラ二次電池３８は、図４（Ａ）に示すように、対向する２辺から接続端子２６、接続端子２７が引き出されている。スイッチおよび並列化回路が形成されている半導体装置４０はこれらの接続端子２６および接続端子２７に取り付けられる。ヒーター４２Ａ、４２Ｂは、バイポーラ二次電池３８を上下から挟み込むように設けられている。温度センサ４３は、バイポーラ二次電池３８の温度を検出するためバイポーラ二次電池３８の表面に接触させて取り付ける。バイポーラ二次電池３８は、図４（Ａ）に示すように、その片面から正極電極端子３６および負極電極端子３７が引き出されているが、これらの電極端子３６、３７間には電圧センサ４４が接続され、バイポーラ二次電池３８の端子間電圧が検出される。半導体装置４０が有するすべてのスイッチ２６、２７、ヒーター４２Ａ、４２Ｂ、温度センサ４３および電圧センサ４４は容量調整コントローラ４５に接続される。
【００３０】
図６は、図５に示したバイポーラ二次電池容量調整システムの動作フローチャートである。以下に、この動作を図７を参照しながら詳細に説明する。バイポーラ二次電池容量調整システムは、バイポーラ二次電池３８を構成する単電池２２（図２参照）間の容量を調整するときに使用する。具体的には、バイポーラ二次電池の充電が終わった後、バイポーラ二次電池を長時間使用したときなど、各単電池の容量にばらつきが生じたときそのばらつきを解消するために使用する。
【００３１】
図５に示したように、バイポーラ電池３８をヒーター４２Ａ、４２Ｂの間に設置し、バイポーラ二次電池３８に接触させて温度センサ４３を取り付け、バイポーラ電池３８から引き出されている接続端子２６、２７にスイッチおよび並列化回路が形成されている半導体装置４０を取り付け、バイポーラ電池３８から引き出されている正極電極端子３６および負極電極端子３７に電圧センサ４４を取り付ける。そして、半導体装置４０、ヒーター４２Ａ、４２Ｂ、温度センサ４３、電圧センサ４４を容量調整コントローラ４５に接続する。
【００３２】
バイポーラ二次電池容量調整システムの制御が開始されると、容量調整コントローラ４５によってヒーター４２Ａ、４２ＢがＯＮされる（Ｓ１）。ヒーター４２Ａ、４２ＢがＯＮされるとバイポーラ二次電池３８が加熱される。容量調整コントローラ４５は、温度センサ４３からの信号を入力し、バイポーラ二次電池３８の温度を計測する（Ｓ２）。容量調整コントローラ４５は、バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度（ＰＴＣ層１８の抵抗値が絶縁物とみなせるほどに急激に高くなる温度：本実施の形態では１００℃を想定している）以上になったか否かを判断する（Ｓ３）。バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度以上になっていなければ（Ｓ３：ＮＯ）、容量調整コントローラ４５はバイポーラ二次電池３８の温度を計測し続ける。一方、バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度以上になったら（Ｓ３：ＹＥＳ）、容量調整コントローラ４５は、電圧センサ４４からの信号を入力し、バイポーラ二次電池３８の電圧を計測する（Ｓ４）。この状態では、バイポーラ二次電池３８を構成する単電池２２が図７（Ａ）に示すように直列に接続されているので、この図によれば、計測される電圧は単電池２２の電圧の５個分の電圧である。容量調整コントローラ４５は、バイポーラ二次電池３８の電圧が開放電圧になったか否かを判断する。具体的には、計測される電圧が０Ｖになったか否かを判断する（Ｓ５）。バイポーラ二次電池３８の電圧が開放電圧になっていなければ（Ｓ５：ＮＯ）、容量調整コントローラ４５はバイポーラ二次電池３８の電圧を計測し続ける。一方、バイポーラ二次電池３８の電圧が開放電圧になったら（Ｓ５：ＹＥＳ）、容量調整コントローラ４５は、半導体装置４０に単電池２２を並列接続させるための信号を出力する。半導体装置４０はこの信号を受けてスイッチ２６、２７（図３参照）をＯＮする（Ｓ６）。
【００３３】
バイポーラ二次電池３８の全体がＰＴＣ温度以上になると、当然のことながらＰＴＣ層１８の温度もＰＴＣ温度以上になる。ＰＴＣ層１８がＰＴＣ温度以上になると、ＰＴＣ層１８は等価的に絶縁層となるので、各単電池２２間の接続が断たれる。したがって、電圧センサ４４で計測される電圧は０Ｖになる。計測される電圧が０Ｖになると、半導体装置４０内のスイッチ２６、２７が一斉にＯＮされる。スイッチ２６、２７のＯＮによって、図７（Ｂ）に示すように、すべての単電池２２が抵抗器２３、３３を介して並列に接続される。この状態が容量調整を行っている状態である。各単電池２２の容量にばらつきが生じていると単電池の電圧が相違する。この電圧の相違によって、たとえば図７（Ｂ）に示すように単電池２２間に抵抗器３２、３３を介して循環電流ｉ_１〜ｉ_４が流れる。これらの循環電流で単電池２０の容量が調整され、単電池２０の電圧が同一電圧に調整される。この容量調整は約１０分間程度行われる（Ｓ７）。
【００３４】
約１０分間の容量調整が行われると、容量調整コントローラ４５は、半導体装置４０に単電池２２を並列接続から直列接続に切り替えるための信号を出力する。半導体装置４０はこの信号を受けてスイッチ２６、２７をＯＦＦする（Ｓ８）。容量調整コントローラ４５は、スイッチ２６、２７のＯＦＦとほぼ同時にヒーター４２Ａ、４２ＢもＯＦＦし、バイポーラ二次電池３８の加熱を終了する（Ｓ９）。容量調整コントローラ４５は、温度センサ４３からの信号を入力し、バイポーラ二次電池３８の温度を計測する（Ｓ１０）。容量調整コントローラ４５は、バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度未満になったか否かを判断する（Ｓ１１）。バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度未満になっていなければ（Ｓ１１：ＮＯ）、容量調整コントローラ４５はバイポーラ二次電池３８の温度を計測し続ける。一方、バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度未満になったら（Ｓ３：ＹＥＳ）、容量調整コントローラ４５は、電圧センサ４４からの信号を入力し、バイポーラ二次電池３８の電圧を計測する（Ｓ１２）。バイポーラ二次電池３８の温度がＰＴＣ温度未満になると、バイポーラ二次電池３８を構成する単電池２２が再び図７（Ａ）に示すように直列に接続されることになる。容量調整コントローラ４５は、バイポーラ二次電池３８の電圧が接続電圧になったか否かを判断する。具体的には、計測される電圧が単電池２２の電圧の５個分の電圧になったか否かを判断する（Ｓ１３）。バイポーラ二次電池３８の電圧が接続電圧になっていなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、容量調整コントローラ４５はバイポーラ二次電池３８の電圧を計測し続ける。一方、バイポーラ二次電池３８の電圧が接続電圧になったら（Ｓ１３：ＹＥＳ）、容量調整コントローラ４５は以上の処理を終了する。
【００３５】
本発明では、上記のバイポーラ二次電池３８を、少なくとも２以上直列または並列に接続して組電池モジュール５０とすることができる。具体的には、図８に示すように、バイポーラ二次電池３８を４枚並列に接続し（図８（Ｂ）参照のこと）、４枚並列にしたバイポーラ二次電池３８をさらに６枚直列にして金属製の組電池ケース５５に収納し（図８（Ａ）、（Ｃ）参照）組電池モジュール５０とすることができる。このように、バイポーラ二次電池３８を任意の個数直並列に接続することによって、所望の電流、電圧、容量に対応できる組電池モジュール５０を提供することができる。
【００３６】
なお、組電池ケース５５上部の蓋体に設けられた組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４と、各バイポーラ二次電池３８の正極電極端子３６、および負極電極端子３７とは、組電池モジュール５０の正極および負極端子用リード線４６、４８を用いて電気的に接続されている。また、バイポーラ二次電池３８を４枚並列に接続する際には、スペーサ４９のような適当な接続部材を用いて各バイポーラ二次電池３８の各電極端子３６、３７を電気的に接続すればよい（図８（Ｂ）参照）。同様に、４枚並列にした各バイポーラ二次電池３８をさらに６枚直列に接続する際には、バスバー５１のような適当な接続部材を用いて各ラミネート二次電池１０の各電極端子１４、１５を順次電気的に接続すればよい（図８（Ｃ）参照）。ただし、本発明の組電池モジュール５０は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。また、この組電池モジュール５０には、使用用途に応じて、各種計測機器や制御機器類を設けてもよく、例えば、組電池ケース５５上部の蓋体には電池電圧を監視するために電圧計測用コネクタ５６などを設けておいてもよいなど、特に制限されるものではない。さらにバイポーラ二次電池３８同士を連結するためには、超音波溶接、熱溶接、レーザ溶接または電子ビーム溶接により、または、リベットを用いて、またはカシメの手法を用いて、連結するようにしてもよい。
【００３７】
次に、上記の組電池モジュール５０を、少なくとも２以上直列、並列または直並列に接続し、組電池６０とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに専用の組電池モジュールを作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。例えば、図９に示したように、組電池モジュール５０を６組並列に接続して組電池６０とするには、各組電池ケース５５上部の蓋体に設けられた組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４を、外部正極端子部、外部負極端子部を有する組電池正極端子連結板６２、組電池負極端子連結板６４を用いてそれぞれ電気的に接続する。また、各組電池ケース５５の両側面に設けられた各ネジ孔部（図示せず）に、該固定ネジ孔部に対応する開口部を有する連結板６６を固定ネジ６７で固定し、各組電池モジュール５０同士を連結する。また、各組電池モジュール５０の正極端子５２および負極端子５４は、それぞれ正極および負極絶縁カバー６８、６９により保護され、適当な色、例えば、赤色と青色に色分けすることで識別されている。
【００３８】
このように、組電池モジュールを複数直並列接続されてなる組電池は、一部の電池、組電池モジュールが故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能である。
【００３９】
組電池６０を、電気自動車に搭載するには、図１０に示したように、電気自動車７０の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。
【００４０】
なお、本発明では、組電池６０だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュールを搭載するようにしてもよいし、これら組電池と組電池モジュールを組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または組電池モジュールを搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッドカーが好ましいが、これらに制限されるものではない。
【００４１】
本発明にかかるバイポーラ二次電池およびバイポーラ二次電池容量調整システムは、各請求項に記載の発明ごとに次のような効果を奏する。
【００４２】
請求項１に記載の発明にあっては、バイポーラ二次電池の集電体内にはＰＴＣ層がその全体に渡って形成されているので、バイポーラ二次電池の温度が一定の温度を超えるとＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池を分離することができる。
【００４３】
請求項２に記載の発明にあっては、接続端子に接続されているスイッチ、そのスイッチに接続されている正極層並列化回路または負極層並列化回路によって、集電体の正極層同士または負極層同士が接続できるので、バイポーラ二次電池の温度が一定の温度を超えた状態でスイッチをオンすることによって単電池同士が並列に接続され、単電池間の容量調整を行うことができ、単電池間の充放電のばらつきを解消することができる。
【００４４】
請求項３に記載の発明にあっては、集電体の正極層同士または負極層同士は抵抗器を介して接続されるので、単電池間の容量が著しく不均衡な状態で単電池同士が並列に接続されたとしても、単電池間に大きな循環電流を生じることがなく、単電池同士を安全に接続することができる。
【００４５】
請求項４に記載の発明によれば、正極層を形成する材料としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、その負極層を形成する材料としてカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いており、これらの材料は反応性、サイクル耐久性に優れた材料であるので、出力特性に優れたバイポーラ二次電池を構成することができる。
【００４６】
請求項５に記載の発明によれば、電解質を形成する材料として固体高分子を用いると、液漏れの心配がないため液絡の問題がなくなり、簡易な構成であるのもかかわらず信頼性が高く、出力特性に優れたバイポーラ二次電池を構成することができる。
【００４７】
請求項６に記載の発明によれば、バイポーラ二次電池をヒーターで一定の温度以上に加熱し、バイポーラ二次電池の接続端子に取り付けられたスイッチをオンすると、ＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池を並列に接続することができるので、単電池間の容量調整を行うことができ、充放電状態のばらつきを解消することができる。
【００４８】
請求項７に記載の発明によれば、バイポーラ二次電池の電圧を検出する電圧検出手段を設け、温度センサによってバイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出され、さらに電圧検出手段によって検出された電圧がほぼゼロになったときにスイッチを一定時間オンするようにしているので、単電池同士が並列に接続できる状態であることを確実に検出できる。
【００４９】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１から請求項５のいずれかに記載のバイポーラ二次電池を直並列接続することによって組電池モジュールを構成すると、高容量、高出力の組電池モジュールを形成することができる。
【００５０】
請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載の組電池モジュールを直並列接続することによって組電池を形成すると、その組電池は、基本となる組電池モジュールの数や接続方法を変えるだけで、種々の容量や電圧の組電池を得ることができる。
【００５１】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項８に記載の組電池モジュールまたは請求項９に記載の組電池を搭載することによって、車両の重量を極度に増加させることがなくなり、また、車両の有効スペースを極端に狭めることがなくなり、燃費、走行性能に優れた車両が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるバイポーラ電極の概略構成図である。
【図２】ＰＴＣ層を境とする集電体−正極層−電解質−負極層−集電体からなる単電池の構成図である。
【図３】本発明にかかる発電要素の全体構成図である。
【図４】本発明にかかるバイポーラ二次電池の一例を示す外観図である。
【図５】本発明にかかるバイポーラ二次電池容量調整システムの全体構成図である。
【図６】本発明にかかるバイポーラ二次電池容量調整システムの動作フローチャートである。
【図７】本発明にかかるバイポーラ二次電池容量調整システムの動作説明に供する図である。
【図８】本発明に係る組電池モジュールの代表的な一実施形態を模式的に表した図であり、（Ａ）は平面図を、（Ｂ）は側面図を、（Ｃ）は正面図をそれぞれ示す。
【図９】本発明に係る組電池構造の代表的な一実施形態を模式的に表した図である。
【図１０】本発明に係る組電池が搭載された車両を模式的に表した図である。
【符号の説明】
１０…バイポーラ電極、
１２、２４…集電体、
１２Ａ…集電体の一方の層、
１２Ｂ…集電体の他方の層、
１４…正極層、
１６…負極層、
１８…ＰＴＣ層、
２０…電解質、
２２…単電池、
２５…発電要素、
２６、２７…スイッチの接続端子、
２８、２９…スイッチ、
３０…正極層並列化回路、
３１…負極層並列化回路、
３２、３３…抵抗器、
３５…ラミネートフィルム、
３６…正極電極端子、
３７…負極電極端子、
３８…バイポーラ二次電池、
４０…半導体装置、
４２Ａ、４２Ｂ…加熱ヒータ−、
４３…温度センサ、
４４…電圧センサ、
４５…容量調整コントローラ、
４６…正極端子用リード線、
４８…負極端子用リード線、
４９…スペーサ、
５０…組電池モジュール、
５１…バスバー、
５２…正極端子、
５４…負極端子、
５５…組電池ケース、
５６…電圧計測用コネクタ、
６０…組電池、
６２…組電池正極端子連結板、
６４…組電池負極端子連結板、
６６…連結板、
６７…固定ねじ、
６８…正極絶縁カバー、
６９…負極絶縁カバー、
７０…電気自動車。

Claims

集電体の一方の面に正極層が形成されその他方の面に負極層が形成された複数のバイポーラ電極とその内部をイオンが移動する複数の電解質とを、隣り合う当該バイポーラ電極の正極層と負極層とが当該電解質を介して向き合うように積層されたバイポーラ二次電池であって、
前記集電体内には、当該集電体の温度が一定の温度を超えると絶縁物とみなせるほどにその抵抗値が高くなるＰＴＣ層がその全体に渡って形成され、
前記集電体の正極層が形成されている一方の面と負極層が形成されている他方の面には、前記集電体の正極層同士または負極層同士を接続するためのスイッチの接続端子が設けられていることを特徴とするバイポーラ二次電池。
前記接続端子には前記スイッチの一方の端子が接続され、
前記スイッチの他方の端子には、当該スイッチがオンされると前記集電体の正極層同士または前記負極層同士を接続する正極層並列化回路または負極層並列化回路が接続されていることを特徴とする請求項１記載のバイポーラ二次電池。
前記正極層並列化回路または前記負極層並列化回路は、前記集電体の正極層同士または負極層同士を、抵抗器を介して接続することを特徴とする請求項２記載のバイポーラ二次電池。
前記集電体の正極層を形成する材料としてはリチウム−遷移金属複合酸化物が用いられ、その負極層を形成する材料としてはカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物が用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
前記集電体の電解質を形成する材料としては固体高分子が用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラ二次電池。
請求項２から請求項５のいずれかに記載のバイポーラ二次電池を加熱するヒーターと、
当該バイポーラ二次電池の温度を検出する温度センサと、
当該温度センサによって前記バイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出されると、前記バイポーラ二次電池に接続されているスイッチをオンする容量調整コントローラと、
を有することを特徴とするバイポーラ二次電池容量調整システム。
前記バイポーラ二次電池の電圧を検出する電圧検出手段をさらに有し、
前記容量調整コントローラは、前記温度センサによって前記バイポーラ二次電池が一定の温度以上に加熱されたことが検出され、さらに前記電圧検出手段によって検出された電圧がほぼゼロになったときに前記スイッチを一定時間オンすることを特徴とする請求項６記載のバイポーラ二次電池容量調整システム。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のバイポーラ二次電池を直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池モジュール。
請求項８に記載の組電池モジュールを直並列接続することによって形成されることを特徴とする組電池。
請求項８に記載の組電池モジュールまたは請求項９に記載の組電池を搭載したことを特徴とする車両。