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 - Google Patents
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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
【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(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMnO2、LiMn2O4)、リチウム鉄酸化物(LiXFeOY)、リチウムバナジウム酸化物(LiXVYOZ)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LiMn2O4(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SnBXPYOZ、Nb2O5、LiTiXOY、LiFeXOY、LiMnXOY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、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3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i1〜i4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。
【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(LiCoO2)、リチウムニッケル酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン酸化物(LiMnO2、LiMn2O4)、リチウム鉄酸化物(LiXFeOY)、リチウムバナジウム酸化物(LiXVYOZ)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LiMn2O4(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SnBXPYOZ、Nb2O5、LiTiXOY、LiFeXOY、LiMnXOY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、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3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i1〜i4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 (10)
- 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。
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Cited By (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008010349A1 (fr) * | 2006-07-19 | 2008-01-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Dispositif de stockage électrique |
JP2008098149A (ja) * | 2006-09-15 | 2008-04-24 | Toshiba Corp | 電源システムおよび電動車 |
KR100999203B1 (ko) | 2006-11-30 | 2010-12-07 | 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 | 바이폴라 전지 및 조전지 |
JP2010287549A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池用の集電体、双極型二次電池、組電池、車両、双極型二次電池の制御装置、および双極型二次電池の制御方法 |
JP2011048932A (ja) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池 |
US20110183166A1 (en) * | 2008-10-20 | 2011-07-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Bipolar secondary battery, battery pack, and vehicle equipped with the same |
US20110200867A1 (en) * | 2010-02-16 | 2011-08-18 | Lightening Energy | Modular battery with battery cell having bimetallic end plates |
CN101501919B (zh) * | 2006-06-13 | 2012-02-29 | 株式会社Lg化学 | 提供两种或更多种工作电压的堆叠型二次电池 |
JP2012054152A (ja) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池 |
WO2012077160A1 (ja) * | 2010-12-08 | 2012-06-14 | 株式会社 日立製作所 | 非水系二次電池及び二次電池システム |
EP2573839A1 (en) * | 2010-05-19 | 2013-03-27 | Nissan Motor Co., Ltd | Bipolar secondary battery |
WO2013140565A1 (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-26 | 株式会社 東芝 | 電気化学セル、電気化学セルの製造方法、電池パック及び車 |
JP2015028957A (ja) * | 2009-04-01 | 2015-02-12 | エルジー・ケム・リミテッド | モジュールの設計構造に柔軟性を有するバッテリーモジュール、並びにそのバッテリーモジュールを含む中型および大型のバッテリーパック |
JP2016164888A (ja) * | 2016-04-26 | 2016-09-08 | 株式会社東芝 | バイポーラ電池、電池パック及び車 |
CN106910897A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-06-30 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 一种集流体及其极片和电池 |
EP3217455A1 (en) * | 2016-03-11 | 2017-09-13 | Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG | Electrode assembly and battery cell |
JP2017182947A (ja) * | 2016-03-29 | 2017-10-05 | 均 桝谷 | 積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システム |
JP2019506830A (ja) * | 2016-01-29 | 2019-03-07 | トヨタ・モーター・ヨーロッパToyota Motor Europe | 蓄電池放電のための制御装置および蓄電池を放電する方法 |
WO2019197603A3 (en) * | 2018-04-12 | 2019-11-21 | Audi Ag | Electric vehicle battery cell with sense tabs |
JP2019212590A (ja) * | 2018-06-08 | 2019-12-12 | トヨタ自動車株式会社 | 積層電池 |
CN113625183A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-11-09 | 河北工业大学 | 一种电池包寿命预测方法及电池包模拟*** |
WO2024057710A1 (ja) * | 2022-09-15 | 2024-03-21 | トヨタ自動車株式会社 | バイポーラ電極、バイポーラ電池、およびバイポーラ電極の製造方法 |
-
2003
- 2003-05-29 JP JP2003152201A patent/JP2004355953A/ja not_active Withdrawn
Cited By (31)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101501919B (zh) * | 2006-06-13 | 2012-02-29 | 株式会社Lg化学 | 提供两种或更多种工作电压的堆叠型二次电池 |
US8124266B2 (en) | 2006-07-19 | 2012-02-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Electric storage device |
WO2008010349A1 (fr) * | 2006-07-19 | 2008-01-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Dispositif de stockage électrique |
JP2008098149A (ja) * | 2006-09-15 | 2008-04-24 | Toshiba Corp | 電源システムおよび電動車 |
KR100999203B1 (ko) | 2006-11-30 | 2010-12-07 | 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 | 바이폴라 전지 및 조전지 |
US8715861B2 (en) * | 2008-10-20 | 2014-05-06 | Nissan Motor Co., Ltd. | Bipolar second battery with terminal plate including current suppressing device, battery pack and vehicle equipped with the same |
CN102187504A (zh) * | 2008-10-20 | 2011-09-14 | 日产自动车株式会社 | 双极蓄电池、电池组和装配其的车辆 |
US20110183166A1 (en) * | 2008-10-20 | 2011-07-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Bipolar secondary battery, battery pack, and vehicle equipped with the same |
JP2015028957A (ja) * | 2009-04-01 | 2015-02-12 | エルジー・ケム・リミテッド | モジュールの設計構造に柔軟性を有するバッテリーモジュール、並びにそのバッテリーモジュールを含む中型および大型のバッテリーパック |
JP2010287549A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池用の集電体、双極型二次電池、組電池、車両、双極型二次電池の制御装置、および双極型二次電池の制御方法 |
JP2011048932A (ja) * | 2009-08-25 | 2011-03-10 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池 |
US20110200867A1 (en) * | 2010-02-16 | 2011-08-18 | Lightening Energy | Modular battery with battery cell having bimetallic end plates |
EP2573839A1 (en) * | 2010-05-19 | 2013-03-27 | Nissan Motor Co., Ltd | Bipolar secondary battery |
EP2573839A4 (en) * | 2010-05-19 | 2017-01-11 | Nissan Motor Co., Ltd | Bipolar secondary battery |
JP2012054152A (ja) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Nissan Motor Co Ltd | 双極型二次電池 |
WO2012077160A1 (ja) * | 2010-12-08 | 2012-06-14 | 株式会社 日立製作所 | 非水系二次電池及び二次電池システム |
WO2013140565A1 (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-26 | 株式会社 東芝 | 電気化学セル、電気化学セルの製造方法、電池パック及び車 |
US20140193689A1 (en) * | 2012-03-22 | 2014-07-10 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Electrochemical cell, method of producing electrochemical cell, battery pack, and car |
JPWO2013140565A1 (ja) * | 2012-03-22 | 2015-08-03 | 株式会社東芝 | 電気化学セル、電気化学セルの製造方法、電池パック及び車 |
JP2019506830A (ja) * | 2016-01-29 | 2019-03-07 | トヨタ・モーター・ヨーロッパToyota Motor Europe | 蓄電池放電のための制御装置および蓄電池を放電する方法 |
US11322967B2 (en) | 2016-01-29 | 2022-05-03 | Toyota Motor Europe | Control device and method for discharging a rechargeable battery |
EP3217455A1 (en) * | 2016-03-11 | 2017-09-13 | Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG | Electrode assembly and battery cell |
WO2017153490A1 (en) * | 2016-03-11 | 2017-09-14 | Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG | Electrode assembly and battery cell |
JP2017182947A (ja) * | 2016-03-29 | 2017-10-05 | 均 桝谷 | 積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システム |
JP2016164888A (ja) * | 2016-04-26 | 2016-09-08 | 株式会社東芝 | バイポーラ電池、電池パック及び車 |
CN106910897A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-06-30 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 一种集流体及其极片和电池 |
WO2019197603A3 (en) * | 2018-04-12 | 2019-11-21 | Audi Ag | Electric vehicle battery cell with sense tabs |
JP2019212590A (ja) * | 2018-06-08 | 2019-12-12 | トヨタ自動車株式会社 | 積層電池 |
CN113625183A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-11-09 | 河北工业大学 | 一种电池包寿命预测方法及电池包模拟*** |
CN113625183B (zh) * | 2021-08-06 | 2023-07-04 | 河北工业大学 | 一种电池包寿命预测方法及电池包模拟*** |
WO2024057710A1 (ja) * | 2022-09-15 | 2024-03-21 | トヨタ自動車株式会社 | バイポーラ電極、バイポーラ電池、およびバイポーラ電極の製造方法 |
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