JP2018018729A - 積層型二次電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】積層型二次電池パックの多直多並列構造を維持しながら、積層型二次電池パックの短絡を防止する。【解決手段】積層型電池が複数積層された積層型二次電池モジュールを複数有し、積層型電池は正極、電解質層、負極を有し、正極、電解質層、負極が積層されることで、積層型電池内で並列接続が構成され、複数の積層型電池は、バイポーラ電極を介して、積層方向で直列接続され、積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、積層型二次電池モジュールの一方面に集電タブが配置され、積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、集電タブは、ずれて配置され、隣接する積層型二次電池モジュールの集電タブは対向して配置され、隣接する積層型二次電池モジュールの集電タブの一部は電池的に接続され、一部は電気的に絶縁されることで、隣接する積層型二次電池モジュールは直列接続される積層型二次電池パック。【選択図】図１

Description

本発明は、積層型二次電池パックに関する。

積層型二次電池として、正極、セパレータ（固体電解質）、負極が交互に積層された電極体を容器に収納したものが知られている。

特許文献１には、単電池のそれぞれに、単電池ごとの電圧を測定するための分担電圧測定用タブ電極１１〜１７を設け、分担電圧測定用タブ電極１１〜１７が少なくとも隣接するもの同士で同位置とならないように配置したことを特徴とする積層型電池１、が開示されている。特許文献2には、固体電解質の一方の面に正極電極層が形成され他方の面に負極正極電極層が形成されてなるリチウム電池の単位セルと、単位セルと交互に積層される内部電極層とを含むバイポーラ型の積層電池を複数個有し、複数の積層電池は、正極集電箔および負極集電箔を介して積み重ねられ、かつ並列に電気接続され、さらに、モールド樹脂によって封止された技術が開示されている。

特開２００４−８７２３８号公報 特開２０１４−１１６１５６号公報

特許文献１には、分担電圧測定用タブ電極を設けた電池ユニットを、複数個分担電圧測定用タブ電極７１１〜７１７によって並列に接続した構成が記載されている。特許文献２のような並列接続したバイポーラ積層焼結体がバイポーラ電池ユニット７０１内に含まれている場合、複数個分担電圧測定用タブ電極７１１〜７１７によって直列に接続しようとすると、タブ電極によって接続されたバイポーラ電池ユニット７０１同士が短絡する可能性がある。

本発明は、積層型二次電池パックの多直多並列構造を維持しながら、積層型二次電池パックの短絡を防止することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

積層型電池が複数積層された積層型二次電池モジュールを複数有し、積層型電池は正極、電解質層、負極を有し、正極、電解質層、負極が積層されることで、積層型電池内で並列接続が構成され、複数の積層型電池は、バイポーラ電極を介して、積層方向で直列接続され、積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、積層型二次電池モジュールの一方面に集電タブが配置され、積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、集電タブは、ずれて配置され、隣接する積層型二次電池モジュールの集電タブは対向して配置され、隣接する積層型二次電池モジュールの集電タブの一部は電池的に接続され、一部は電気的に絶縁されることで、隣接する積層型二次電池モジュールは直列接続される積層型二次電池パック。

本発明により、積層型二次電池パックの多直多並列構造を維持しながら、積層型二次電池パックの短絡を防止できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池モジュールの模式図。 本発明の一実施形態に係る単電池の模式図。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図。 本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図である。積層型二次電池パック１０００は、複数の積層型二次電池モジュールを有する。複数の積層型二次電池モジュールはそれぞれ、複数の集電タブ２を有している。図１では、複数の積層型二次電池モジュールはそれぞれ、４つの集電タブ２を有している。積層型二次電池モジュール１の積層方向から見た時、積層型二次電池モジュール１の一方面に集電タブ２が配置されている。積層型二次電池モジュールを積層方向および面内方向から見たとき、集電タブ２は重ならないようにずれて形成されている。

複数の積層型二次電池モジュールは、それぞれの集電タブ２が対向するように、かつ、積層型二次電池モジュールを積層方向から見たとき、それぞれの集電タブ２が重畳するように配置されている。これにより、集電タブ２による無駄なスペースを少なくできるため、積層型二次電池パック１０００の体積エネルギー密度を向上できる。

また、対向して配置されている複数の積層型二次電池モジュールの集電タブ２の一つは電気的に接続されており、それ以外は電気的に絶縁されている。換言すると、隣接する積層型二次電池モジュール１の集電タブ２の一部は電池的に接続され、一部は電気的に絶縁されている。これにより、電気的に直列と並列が併存する積層型二次電池モジュールを直列に接続することができ、積層型二次電池パックの短絡を抑制できる。

図２は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池モジュールの模式図である。積層型二次電池モジュール１は、複数の積層型二次電池５を有している。複数の積層型二次電池５が積層されて積層型二次電池モジュール１が構成されている。図１では、積層型二次電池モジュール１はそれぞれ、３つの積層型二次電池５を有している。積層型二次電池５はそれぞれ、負極タブ６および正極タブ７を有している。積層方向に隣接する積層型二次電池５は、負極タブ６および正極タブ７で電気的に直列に接続されている。

図３は、本発明の一実施形態に係る単電池の模式図である。積層型二次電池５は、正極１００、負極２００、電解質層３００を有する。正極１００、負極２００、電解質層３００が積層されることで、積層型二次電池５内で電気的な並列接続が構成される。

正極１００は正極合剤層１１０、正極集電体１２０を有する。正極集電体１２０の両面に正極合剤層１１０が形成されることで、正極１００が構成される。正極集電体１２０の正極合剤層１１０が形成されていない部分が正極タブ７となっている。

負極２００は負極合剤層２１０、負極集電体２２０を有する。負極集電体２２０の両面に負極合剤層２１０が形成されることで、負極２００が構成される。負極集電体２２０の負極合剤層２１０が形成されていない部分が負極タブ６となっている。

隣接する積層型二次電池５の間にバイポーラ電極４００が配置されている。バイポーラ電極４００は、正極合剤層１１０、負極合剤層２１０、バイポーラ集電体４２０を有する。バイポーラ集電体４２０の両面に正極合剤層１１０および負極合剤層２１０が形成されている。バイポーラ電極４００によって、隣接する積層型二次電池５は電気的に直列に接続される。

＜正極集電体１２０＞
正極集電体１２０には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体１２０の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜正極合剤層１１０＞
正極合剤層１１０には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物な、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系酸化物などが上げられる。正極合剤層１１０中に、正極合剤層１１０内の電子伝導性を担う導電材や、正極合剤層１１０内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合剤層１１０内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合剤層１１０を作製する方法として、正極合剤層１１０に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体１２０上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の正極合剤層１１０を正極集電体１２０に積層してもよい。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合剤層１１０内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合剤層１１０が形成する。

正極合剤層１１０の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。正極合剤層１１０に含まれる正極活物質等の材料の粒径は、正極合剤層１１０の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に正極合剤層１１０の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、正極合剤層１１０の厚さ以下の粒子を用意する。

＜負極集電体２２０＞
負極集電体２２０には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体２２０の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合剤層２１０＞
負極合剤層２１０には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合剤層２１０中に、負極合剤層２１０内の電子伝導性を担う導電材や、負極合剤層２１０内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合剤層２１０内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合剤層２１０の厚さは全固体電池のエネルギー密度、レート特性、入出力特性に応じて設計するが、一般的には数μｍ〜数百μｍのサイズとなる。負極合剤層２１０に含まれる正極活物質等の材料の粒径は、負極合剤層２１０の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に負極合剤層２１０の厚さ以上の粒径を有する粗粒がある場合、ふるい分級、風流分級などにより粗粒を予め除去し、負極合剤層２１０の厚さ以下の粒子を用意する。

＜電解質層３００＞
電解質層３００には固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ１０Ｇｅ２ＰＳ１２、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、二次電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。電解質層３００は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した電解質層３００の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。電解質層３００の厚さは二次電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズとなる。

＜バイポーラ集電体４２０＞
バイポーラ集電体４２０には、前述の正極集電体１２０や負極集電体２２０に加えて、正極集電体と負極集電体を積層したバイポーラ集電体などが用いられる。バイポーラ集電体４２０の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。二次電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

図４は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図である。図４において、積層型二次電池パック１０００は、タブ接続ユニット８を有している。タブ接続ユニット８には複数のソケット９、電流線１０が設けられている。複数の積層型二次電池モジュールを対向して配置する際、集電タブ２にソケット９が嵌め合わされている。ソケット９の２カ所に、対向する積層型二次電池モジュール１の集電タブ２が挿入される。電流線１０によって、集電タブ２が接続される。タブ接続ユニット８の材質としては、シリコン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の電気絶縁性樹脂が挙げられる。

タブ接続ユニット８を配置することにより、省スペース化が図られ、積層型二次電池モジュールの組立を簡便にできる。

図５は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図である。図５では、複数の積層型二次電池モジュールはそれぞれ、２つの集電タブ２を有している。図５では、集電タブ２が全て同一水平面上に配置されている。実施例1と比べて集電タブ２の上下にまとまった空きスペースを確保できるので、例えばその空きスペースに制御基板を配置できる。これによりパックのエネルギー密度向上が図れる。

図６は、本発明の一実施形態に係る積層型二次電池パックの模式図である。図６では、
隣接する積層型二次電池モジュールの最下部に形成されている集電タブ２それぞれに、プラスとマイナスのモジュール電流端子２０が配置されている。このようにモジュール電流端子２０を近接に配置させることにより、モータとの接続を簡便にできる。

また、図６では、電圧計測線１６を介して、制御基板１７は集電タブに接続されている。制御基板１７がソケット９の側面に配置されている。これにより、制御基板１７の配線を短くでき、積層型二次電池モジュールからの排熱による制御基板１７の劣化を防止できる。

１ 積層型二次電池モジュール
２ 集電タブ
５ 積層型二次電池
６ 負極タブ
７ 正極タブ
８ タブ接続ユニット
９ ソケット
１０ 電流線
１６ 電圧計測線
１７ 制御基板
２０ モジュール電流端子
１００ 正極
１１０ 正極合剤層
１２０ 正極集電体
２００ 負極
２１０ 負極合剤層
２２０ 負極集電体
３００ 電解質層
４００ バイポーラ電極
４２０ バイポーラ集電体
１０００ 積層型二次電池パック

Claims (4)

1. 積層型二次電池が複数積層された積層型二次電池モジュールを複数有し、
   積層型二次電池は正極、電解質層、負極を有し、
   前記正極、前記電解質層、前記負極が積層されることで、前記積層型二次電池内で並列接続が構成され、
   前記複数の積層型二次電池は、バイポーラ電極を介して、積層方向で直列接続され、
   前記積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、前記積層型二次電池モジュールの一方面に集電タブが配置され、
   前記積層型二次電池モジュールの積層方向から見た時、前記集電タブは、ずれて配置され、
   隣接する前記積層型二次電池モジュールの前記集電タブは対向して配置され、
   隣接する前記積層型二次電池モジュールの前記集電タブの一部は電池的に接続され、一部は電気的に絶縁されることで、隣接する前記積層型二次電池モジュールは直列接続される積層型二次電池パック。
2. 請求項１の積層型二次電池パックにおいて、
   隣接する前記積層型二次電池モジュールの間にタブ接続ユニットが配置され、
   前記タブ接続ユニットに複数のソケットが形成され、
   前記複数のソケットに前記集電タブが嵌め合わされる積層型二次電池パック。
3. 請求項１の積層型二次電池パックにおいて、
   前記集電タブが同一水平面上に配置されている積層型二次電池パック。
4. 請求項２の積層型二次電池パックにおいて、
   制御基板が前記ソケットの側面に配置されている積層型二次電池パック。

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