JP3419311B2

JP3419311B2 - バイポーラ型リチウムイオン２次電池

Info

Publication number: JP3419311B2
Application number: JP20060898A
Authority: JP
Inventors: 浩二川本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: JP2000030746A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バイポーラ型リチ
ウムイオン２次電池の構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、リチウムイオン２次電池を複
数直列に接続したものを１個の電池としたバイポーラ型
リチウムイオン２次電池が使用されている。このような
バイポーラ型リチウムイオン２次電池は、正極と負極と
の間に電解質を含みリチウムイオン導電性のあるセパレ
ータを挟んで電池構成体を形成し、これを電極方向に積
層し、各電池構成体を直列接続することにより形成して
いた。このようなバイポーラ型リチウムイオン２次電池
の例が特開昭５９−９０３５９号公報に開示されてい
る。

【０００３】図１５には、本従来例のバイポーラ型リチ
ウムイオン２次電池の断面図が示される。図１５におい
て、電池ケース１００の中には、正極集電箔１０上に正
極活物質１２を塗布して形成された正極と、負極集電箔
１４上に負極活物質１６を塗布して形成された負極との
間に、リチウムイオン導電性を有するセパレータ１８を
挟んで電池構成体とし、この電池構成体が複数電極方向
に積層された構造を有するバイポーラ型リチウムイオン
２次電池が収容されている。このようにして構成された
バイポーラ型リチウムイオン２次電池の両方の積層端面
は、それぞれ正極集電箔１０と負極集電箔１４になって
おり、これらに正極端子リード２０及び負極端子リード
２２が接続されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のバ
イポーラ型リチウムイオン２次電池においては、各電池
構成体を、その積層方向には薄くすることができるが、
これと同時に大きな容量を得るためには、正極及び負極
の面積を大きくする必要がある。このため、正極、負極
の面積方向にコンパクト化するのが困難であるという問
題があった。

【０００５】また、各電池構成体の間隔が、数１０〜１
００μｍと薄いので、電池構成体の周囲の絶縁処理が難
しいという問題もあった。

【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、容量が大きくかつコンパクト
化が可能であり、絶縁性の向上したバイポーラ型リチウ
ムイオン２次電池を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、バイポーラ型リチウムイオン２次電池で
あって、正極と負極との間にセパレータを挟んだ状態で
捲回される電池構成体が、絶縁体を介して複数個同心円
状に捲回され、内側の電池構成体から外側の電池構成体
に向かって、順次電気的に直列に接続され、各接続部で
は、内側の電池構成体の正極または負極の集電箔と外側
の電池構成体の負極または正極の集電箔とが接続され、
内側の電池構成体と外側の電池構成体との接続部を構成
する集電箔が、内側の電池構成体の外周全体を包む構造
となっていることを特徴とする。

【０００８】また、バイポーラ型リチウムイオン２次電
池であって、正極と負極との間にセパレータを挟んだ状
態で捲回される電池構成体が、絶縁体を介して複数個同
心円状に捲回され、内側の電池構成体から外側の電池構
成体に向かって、順次電気的に直列に接続され、各接続
部では、内側の電池構成体の正極または負極の集電箔と
外側の電池構成体の負極または正極の集電箔とが接続さ
れ、内側の電池構成体と外側の電池構成体の電気容量は
同じで、内部抵抗を内側の電池構成体ほど高くしたこと
を特徴とする。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。

【００１３】実施形態１．図１及び図２には、本実施形
態に係るバイポーラ型リチウムイオン２次電池を構成す
る電池構成体の例が示される。図１において、正極集電
箔１０の上に正極活物質１２を塗布して構成された正極
と、負極集電箔１４の上に負極活物質１６を塗布して構
成された負極との間にリチウムイオン導電性を有するセ
パレータ１８を挟んで電池構成体２６を構成する。この
電池構成体２６は、図１に示されるように捲回される。
この場合、負極集電箔１４の外側には、絶縁フィルム２
４が積層されている。これにより、上記電池構成体２６
を捲回したときに、正極集電箔１０と負極集電箔１４と
が短絡することを防止している。このようにして捲回し
た電池構成体２６の断面図が図２に示される。図２に示
されるように、電池構成体２６は、その最内部に正極集
電箔１０が、また最外部に負極集電箔１４が露出してい
る。

【００１４】なお、図１に示された例では、正極集電箔
１０及び負極集電箔１４には、その片側に正極活物質１
２及び負極活物質１６が塗布されているが、これを図３
に示されるように、それぞれの集電箔１０、１４の両側
に各々正極活物質１２及び負極活物質１６を塗布する構
成としてもよい。この場合には、積層された各層のう
ち、正極集電箔１０と負極集電箔１４との内側に位置す
る正極活物質１２と負極活物質１６との間にセパレータ
１８ａが挟み込まれている。また、負極集電箔１４の外
側の負極活物質１６の更に外側には、やはり同じセパレ
ータ１８ｂが配置されている。これを、矢印Ａの方向に
捲回していくと、上述した内側の正極活物質１２及び負
極活物質１６がセパレータ１８ａを介して対向配置され
るとともに、外側の正極活物質１２及び負極活物質１６
も、負極活物質１６の外側に配置されたセパレータ１８
ｂを介して対向配置されることになる。この場合、負極
集電箔１４の負極活物質１６が塗布されていない部分の
長さを十分に確保しておけば、図３の矢印Ａ方向に捲回
した場合、最内部に正極集電箔１０が露出し、最外部に
負極集電箔１４が露出した構造の電池構成体２６を得る
ことができる。

【００１５】図２に示された電池構成体２６は、絶縁体
で覆い、更にこの外周に、図１に示された電池構成体２
６を同心円状に捲回していく。このように、複数の電池
構成体２６が、絶縁体を介して同心円状に捲回され、内
側の電池構成体から外側の電池構成体に向かって、順次
電気的に直列に接続され、本実施形態に係るバイポーラ
型リチウムイオン２次電池が構成される。このように、
電池構成体２６を捲回することにより、捲回しないで積
層する場合に比べコンパクト化でき、容量が大きくかつ
コンパクト化されたバイポーラ型リチウムイオン２次電
池とすることができる。

【００１６】以上のようなバイポーラ型リチウムイオン
２次電池の断面図が図４に示される。図４において、最
内部の電池構成体２６ａから最外部の電池構成体２６ｄ
までは、絶縁容器２８を介して同心円状に捲回されてい
る。これらが電池ケース１００内に収められ、内側の電
池構成体２６ａから順次電池構成体２６ｂ、２６ｃ、２
６ｄの順番に直列接続用リード線３０によって直列接続
されていく。前述したように、電池構成体２６の最内部
には、正極集電箔１０が露出しているので、これに正極
端子リード２０を接続し、電池構成体２６の最外部に
は、負極集電箔１４が露出しているのでこれに負極端子
リード２２を接続する。

【００１７】図５には、図４に示された本実施形態に係
るバイポーラ型リチウムイオン２次電池のＶ−Ｖ断面図
が示される。ただし、電池ケース１００は省略してあ
る。本実施形態においては、４つの電池構成体２６ａ、
２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが、それぞれ内側の電池構成体
２６ａから順次その外側に同心円状に捲回され、内側の
電池構成体２６ａから外側の電池構成体２６ｄに向かっ
て直列に接続されている。このバイポーラ型リチウムイ
オン２次電池を使用する場合には、正極端子リード２０
と負極端子リード２２とを介して充放電を行わせる。

【００１８】なお、本実施形態では、最内部に正極が、
最外部に負極が形成されているが、電池構成体２６の積
層順または捲回方向を逆にして、正極と負極との配置を
逆にすることもできる。

【００１９】以下に、本実施形態に係るバイポーラ型リ
チウムイオン２次電池の具体例を実施例１として説明す
る。

【００２０】実施例１．正極活物質１２としてＬｉＭｎ
₂Ｏ₄を使用し、これを正極集電箔１０としてのアルミニ
ウム箔上に塗布して正極を構成した。また、負極活物質
１６として黒鉛を使用し、これを負極集電箔１４として
の銅箔上に塗布して負極を構成した。また、セパレータ
１８として不織布を使用した。これらを図１に示される
ように積層し、これを捲回して電池構成体２６とした。
このように構成した電池構成体２６を、絶縁容器２８と
してのポリプロピレン（ＰＰ）製の袋に入れ、さらにそ
の外周に以上に述べたと同様の電池構成体２６を捲回し
て、この全体もポリプロピレン製の袋に入れた。このよ
うに、ポリプロピレン製の袋に入れた電池構成体の外周
にさらに電池構成体を捲回していき、図４に示されるよ
うに絶縁容器２８としてのポリプロピレン製の袋を介し
て４個の電池構成体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを
同心円状に捲回した。

【００２１】次に、ＥＣ：ＤＥＣ＝１：１の液体にＬｉ
ＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶解させた溶液とＰＶＤＦ−ＨＦ
Ｐとを、その重量比が７：１となるように混合したもの
を電解液として準備した。この電解液を、上述したポリ
プロピレン製の袋に入れられた各電池構成体２６、２６
ｂ、２６ｃ、２６ｄに含浸させ、１２０℃に加熱した後
室温に戻し、電解液を正、負極及びセパレータ１８中で
ゲル化させた。その後ポリプロピレン製の袋の開口部を
熱プレスにより閉じ、各電池構成体２６、２６ｂ、２６
ｃ、２６ｄを完全に封止し分離した。その後、内側の電
池構成体２６ａから外側の電池構成体２６ｄに向かっ
て、直列接続用リード線３０によって順次電気的に直列
に接続した。最後にこれらを電池ケース１００内に封入
し、最内部の正極集電箔１０と最外部の負極集電箔１４
とに、それぞれ正極端子リード２０及び負極端子リード
２２を接続し、本実施例に係るバイポーラ型リチウムイ
オン２次電池を得た。

【００２２】このようにして得たバイポーラ型リチウム
イオン２次電池を評価したところ、平均電圧として１
５．８Ｖを得ることができた。また、充電状態で１０日
間放置した後も、その電圧は１５．６Ｖを保持してい
た。比較例として、図１に示された電池構成体２６を捲
回せずに、積層した状態で、その周囲を絶縁したバイポ
ーラ型リチウムイオン２次電池を同様に評価した。その
結果、当初１５．８Ｖの電圧が得られたが、１０日間放
置した後には、１０．８Ｖまで低下した。これは、各電
池構成体２６の厚さが数１０〜１００μｍ程度と薄いの
で、周囲の絶縁処理が困難であることから、漏れ電流が
大きいためと考えられる。

【００２３】実施形態２．図６には、本実施形態に係る
バイポーラ型リチウムイオン２次電池の構成の断面図が
示される。また、図７には、図６に示されたバイポーラ
型リチウムイオン２次電池を構成する電池構成体２６の
断面図が示される。

【００２４】図７において、正極集電箔１０の両面には
正極活物質１２が塗布され、正極を構成している。ま
た、負極集電箔１４の両面には負極活物質１６が塗布さ
れ、負極を構成している。これらの正極活物質１２と負
極活物質１６のうち、内側に配置されたもの同士がセパ
レータ１８ａを介して対向配置されている。また、正極
活物質１２のうち正極集電箔１０の負極と反対側（外
側）に形成されたものには、さらにセパレータ１８ｂが
形成されている。これにより、電池構成体２６が捲回さ
れたときに、外側に配置された正極活物質１２と負極活
物質１６同士がセパレータ１８ｂを介して対向配置され
ることになる。このような電池構成体２６は、一方の正
極集電箔１０と他方の負極集電箔１４とが接続部３２で
接続され、複数個の電池構成体２６が直列に接続されて
いる。このように、正極集電箔１０と他方の負極集電箔
１４とを直接つなぐことにより、接触抵抗を小さくする
ことができる。

【００２５】以上のようにして構成された電池構成体
を、図７に示された矢印Ａの方向に捲回すると、図６に
示されるような構造のバイポーラ型リチウムイオン２次
電池を得ることができる。図６においては、正極と負極
との間にセパレータ１８ａ、ｂを挟んだ状態で捲回され
た電池構成体２６が複数個同心円状に捲回された構造と
なっている。また、図７に示されるように、電池構成体
２６は接続部３２により直列に接続されているので、図
６においても、内側の電池構成体２６から外側の電池構
成体２６に向かって、順次電気的に直列に接続された構
造となっている。

【００２６】この際に、一方の電池構成体２６と他方の
電池構成体２６とを接続する正極集電箔１０及び負極集
電箔１４の捲回方向の長さは、それぞれ捲回していく場
合に集電箔１０、１４のみで内側の電池構成体２６の外
周を一周以上捲回できる長さとしておく。これにより内
側の電池構成体２６の外周全体が集電箔により包まれる
構造となり、内側の電池構成体２６と外側の電池構成体
２６の正極及び負極が短絡することを防止できる。この
際に、２つの電池構成体を接続する集電箔１０、１４の
接続部３２における捲回方向と垂直方向の幅は、電極が
構成されている部分よりも大きくするのが望ましい。こ
れは、電池構成体２６を捲回した後円筒形状となったバ
イポーラ型リチウムイオン２次電池の上下端から電解質
が隣の電池構成体に移動し電解質短絡が発生することを
防止するためである。

【００２７】以上のようにして構成した図６に示される
バイポーラ型リチウムイオン２次電池は、その最内部に
正極集電箔１０が、最外部に負極集電箔１４が露出して
いるので、それぞれに正極端子リード２０及び負極端子
リード２２を接続する。なお、本実施形態においても、
最内部と最外部の正極と負極とを逆に構成することも可
能である。また、図６では、電池ケース１００は省略さ
れている。

【００２８】図８（ａ），（ｂ）には、本実施形態に係
る電池構成体２６の変形例が示される。本変形例におい
て特徴的な点は、一方の電池構成体２６の正極集電箔１
０と他方の電池構成体２６の負極集電箔１４とを接続す
るために、ステンレス鋼等の接続用集電箔３４を使用し
たことにある。この接続用集電箔３４は、電池構成体２
６の捲回方向に対して９０°方向の幅が電極部分よりも
大きくなっている。これにより、電池構成体２６を捲回
した場合に、円筒型のバイポーラ型リチウムイオン２次
電池の上下の端から電解質が漏れ出て短絡することを防
止することができる。

【００２９】本実施形態に係るバイポーラ型リチウムイ
オン２次電池においても、実施形態１と同様に正極集電
箔１０としてアルミニウム箔を使用し、負極集電箔１４
として銅箔を使用した。また、正極活物質１２としては
ＬｉＭｎ₂Ｏ₄を使用し、負極活物質１６として黒鉛を使
用した。これらの活物質は結着剤ＰＶＤＦと混合したも
のを上述の集電箔１０、１４上に塗布して形成したもの
である。また、セパレータ１８としては不織布を使用し
た。これらの正極、負極及びセパレータ１８には、実施
形態１と同様の電解液を含浸させ、１２０℃に加熱した
後室温に戻しゲル化させている。

【００３０】実施形態３．図９には、本実施形態に係る
バイポーラ型リチウムイオン２次電池の構成の断面図が
示される。また、図１０（ａ），（ｂ）には、図９に示
されたバイポーラ型リチウムイオン２次電池を構成する
電池構成体２６の断面図及び平面図が示される。

【００３１】図１０（ａ）に示されるように、本実施形
態における電池構成体２６は、正極集電箔１０の片面の
みに正極活物質１２が形成されており、負極集電箔１４
の片面のみに負極活物質１６が形成されている。これら
の正極活物質１２及び負極活物質１６は、セパレータ１
８を介して対向配置されている。また、一方の電池構成
体２６の正極集電箔１０と他方の電池構成体２６の負極
集電箔１４とは、接続部３２で接続されており、電池構
成体２６が直列接続されている。

【００３２】本実施形態において特徴的な点は、各電池
構成体２６が、接続部３２を除いて、ポリプロピレンフ
ィルム等から成る絶縁フィルム３６で覆われていること
である。このような構成により、実施形態２のように、
内側の電池構成体２６の外周に外側の電池構成体２６を
巻き付ける際に、内側の電池構成体２６の外周の一周分
以上にわたって集電箔を捲回しなくても、内側の電池構
成体２６と外側の電池構成体２６とが短絡することがな
くなる。このため、図９に示されるように、本実施形態
に係るバイポーラ型リチウムイオン２次電池において
は、接続部３２において正極集電箔１０と負極集電箔１
４とを接続する際に、使用する集電箔の長さを短くする
ことができ、そのぶん体積当たりの電気容量を増加させ
ることができる。

【００３３】なお、図９には、３つの電池構成体が、ぞ
れぞれ内側のものの外周に外側のものが巻き付けられ、
それぞれ内側から外側に向かって直列に接続された例が
示されている。この電池構成体の数は、３つに限られる
ものではなく、４つあるいはそれ以上のものを順次捲回
していくことができる。

【００３４】以下に、本実施形態に係るバイポーラ型リ
チウムイオン２次電池の具体例を実施例２として説明す
る。

【００３５】実施例２．正極集電箔１０としてアルミニ
ウム箔を使用し、負極集電箔１４として銅箔を使用し
た。また、正極活物質１２としてＬｉＭｎ₂Ｏ₄を、負極
活物質１６として黒鉛を使用した。これらの活物質を結
着剤ＰＶＤＦと混合してペーストとし、各集電箔の片面
のみに塗布した。また、セパレータ１８としては不織布
を使用し、実施形態１及び２と同様に、ＥＣ：ＤＥＣ＝
１：１の液体にＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶かした溶液
とＰＶＤＦ−ＨＦＰとの重量比が７：１となるように混
合した電解液を含浸させた。これを１２０℃に加熱した
後室温に戻し、含浸させた電解液をゲル化させた。なお
この電解液は、セパレータ１８の他、上述した正極及び
負極にも含浸されている。

【００３６】このように構成した電池構成体２６を、ポ
リプロピレンフィルムで正極集電箔１０及び負極集電箔
１４の端部を除いて覆い、熱圧着することにより封止し
た。この状態で電池特性を評価し、短絡、容量のばらつ
き等をチェックした。

【００３７】次に、このように構成した各電池構成体２
６の正極集電箔１０と負極集電箔１４とをスポット溶接
により接続し、図１０（ａ），（ｂ）に示される捲回方
向Ａに捲回し本実施例に係るバイポーラ型リチウムイオ
ン２次電池を得た。この際、最内部に露出した正極集電
箔１０には正極端子リード２０を取り付け、最外部に露
出した負極集電箔１４には、負極端子リード２２を取り
付けた。なおこの負極端子リードは、最外部の負極集電
箔１４を、電池構成体２６を収納する電池ケース１００
（図示せず）に接触させ、この電池ケース１００に負極
端子リード２２を取り付けることとしてもよい。また、
本実施例においても、最内部を負極、最外部を正極とす
ることも可能である。

【００３８】以上の方法により、４つの電池構成体２６
からなるバイポーラ型リチウムイオン２次電池を構成
し、その電気特性を評価した。

【００３９】本実施例に係る電池構成体２６は、それぞ
れ正極集電箔１０と負極集電箔１４の片面のみに正極活
物質１２及び負極活物質１６が形成されているので、こ
れを捲回する前からリチウムイオン２次電池として完成
しているので、個々の電池構成体の容量チェック及び短
絡チェックが可能である。本実施例に使用した電池構成
体２６は、容量のばらつきが最大２０％あるが、上述し
たように、個々の電池構成体２６の容量をあらかじめ測
定することができるので、容量ばらつきの小さい電池構
成体のみでバイポーラ型リチウムイオン２次電池を構成
することが可能となる。これにより、サイクル特性を向
上させることができる。

【００４０】容量ばらつきが５％以内の電池構成体２６
のみを４つ直列接続し、図１０（ａ），（ｂ）に示され
る捲回方向Ａに捲回し、バイポーラ型リチウムイオン２
次電池を構成し、１２Ｖ−１７Ｖの間で、１Ｃの一定電
流で充放電させたところ、１００サイクル後の容量維持
率が８７％と良好な値を得ることができた。

【００４１】実施形態４．図１１には、本実施形態に係
るバイポーラ型リチウムイオン２次電池の構成の断面図
が示される。また、図１２（ａ），（ｂ）には、図１１
に示されたバイポーラ型リチウムイオン２次電池を構成
する電池構成体２６の断面図及び平面図が示される。

【００４２】図１２（ａ）において、正極集電箔１０の
片面のみに、正極活物質１２を形成して正極を構成し
た。また、負極集電箔１４の片面のみに負極活物質１６
を形成し、負極を構成した。これらの正極及び負極は、
セパレータ１８を介してそれぞれの活物質１２、１６が
対向するように配置され、電池構成体２６を構成してい
る。本実施形態に係る電池構成体２６は、正極活物質１
２と負極活物質１６とセパレータ１８の両端部に絶縁部
材３８が設けられており、これにより電池構成体２６の
正極集電箔１０と負極集電箔１４とを密着させている。
これにより正極活物質１２と負極活物質１６とをセパレ
ータ１８とからなる内容物を密閉し、電解質の漏れを防
止できる。従って、電解質の短絡による電圧低下を防止
することができる。

【００４３】図１２（ｂ）には、活物質１２、１６が塗
布された集電箔１０、１４と周囲を絶縁部材３８で囲ま
れたセパレータ１８とが示される。これらにより電池構
成体２６を形成する場合には、絶縁部材３８で囲まれた
部分に活物質１２、１６が収容され、セパレータ１８と
接するようにそれぞれ正極と負極とを絶縁部材３８には
め合わせる。これにより、図１２（ａ）に示されるよう
な電池構成体２６を得ることができる。

【００４４】このような電池構成体２６は、図１２
（ａ）に示されるように、集電箔、活物質、セパレータ
が積層されて構成されており、その積層構造の上下の積
層端面は正極集電箔１０及び負極集電箔１４となってい
る。したがって、これを図１２（ａ）に示される矢印Ａ
の方向に捲回し、最内部に正極集電箔が、最外部に負極
集電箔が来るようにし、さらに、この最外周の負極集電
箔に、次の電池構成体２６の最内周の正極集電箔１０が
電気的に接触するように外側に捲回することができる。
以後同様にして所定個数の電池構成体２６を順次外側に
捲回していく。これにより、図１１に示されるように、
内側から外側に向かって電池構成体２６が直列に接続さ
れたバイポーラ型リチウムイオン２次電池を得ることが
できる。このようにして組み立てたバイポーラ型リチウ
ムイオン２次電池は、その最内部の正極集電箔に正極端
子リード２０を接続し、最外部の負極集電箔に負極端子
リード２２を接続する。本実施形態においても、最内部
を負極、最外部を正極とすることも可能である。

【００４５】なお、本実施形態に係る電池構成体２６
は、捲回せずに従来同様積層してもバイポーラ型リチウ
ムイオン２次電池を得ることができる。

【００４６】以下に、本実施形態に係るバイポーラ型リ
チウムイオン２次電池の具体例を実施例３として説明す
る。

【００４７】実施例３．正極集電箔１０としてアルミニ
ウム箔を使用し、この片面のみに、その周囲に余白を作
って活物質を印刷乾燥し正極とした。正極活物質１２と
しては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄を使用し、これに導電剤として天
然黒鉛を混合した。また、ゲル電解質としてＥＣ：ＤＥ
Ｃ＝１：１の液体にＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶解した
溶液とＰＶＤＦ−ＨＦＰとを３：１としたものを使用し
た。また、ペースト化するための有機溶媒としてテトラ
ヒドロフラン（ＴＨＦ）を使用した。これらを、その混
合比として、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄：天然黒鉛：ゲル電界質：有
機溶媒＝１０：１：１０：３０で混合し、正極ペースト
とし、上記正極集電箔１０に塗布した。

【００４８】また、負極集電箔１４として銅箔を使用
し、この片面のみに、その周囲に余白を作って活物質を
印刷乾燥し負極とした。負極活物質としては天然黒鉛を
使用し、ゲル電解質及び有機溶媒として上記正極と同じ
ものを使用した。これらを、その混合比として天然黒
鉛：ゲル電解質：有機溶媒＝１：１：４で混合し、負極
ペーストとし、これを上記負極集電箔１４に塗布した。

【００４９】また、セパレータ１８としては、不織布に
ゲル電解質と有機溶媒とを含浸させ乾燥させたものを使
用した。ゲル電解質としてはＥＣ：ＤＥＣ＝１：１の液
体にＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌ溶解させた溶液とＰＶＤ
Ｆ−ＨＦＰとを５：１の割合で混合したものを使用し、
有機溶媒としてＴＨＦを使用した。ゲル電解質と有機溶
媒との混合比は１：２とした。このようにして形成した
セパレータ１８は、ゲル電解質が漏れないようにポリプ
ロピレンフィルムから成る絶縁部材３８により周囲を囲
んだ。さらに、このセパレータ１８を介して上述した正
極及び負極の活物質１２、１４が対向するように配置
し、熱プレスすることにより正極集電箔１０−絶縁部材
３８−セパレータ１８−絶縁部材３８−負極集電箔１４
が熱圧着され、内容物を密封した。この熱プレスにより
正極活物質１２、セパレータ１８、負極活物質１６の中
にあるゲル電解質も熱溶融後再ゲル化され、ゲル間での
空隙がなくなり、イオン伝導性が向上される。

【００５０】以上のようにして構成した電池構成体２６
を、その容量及び短絡の有無をチェックした後、図示し
ない電池ケース内で四重に捲回し、内側の電池構成体２
６から外側の電池構成体２６に向かって電気的に直列に
接続し、バイポーラ型リチウムイオン２次電池を得た。

【００５１】このようにして本実施例に係るバイポーラ
型リチウムイオン２次電池は、初期に１６．４Ｖまで充
電した状態で１０日間放置しても、電圧が１５．６Ｖま
での低下に留まった。これに対して、セパレータ１８の
周囲をあらかじめ絶縁部材３８で覆わずに電池構成体２
６を捲回し、その後に電解質が露出した部分をエポキシ
樹脂等で絶縁したものは、１０日間放置した後、１６．
４Ｖの電圧が３．８Ｖまで低下していた。これにより、
本実施例に係るバイポーラ型リチウムイオン２次電池の
絶縁性が極めて良好であることがわかる。

【００５２】実施形態５．以上に述べた各実施形態に係
るバイポーラ型リチウムイオン２次電池においては、充
放電電流が大きくなった場合、内側にある電池構成体２
６ほど温度が高くなる。このため、内側の電池構成体２
６ほどリチウムイオン伝導性が良好となり、外側の電池
構成体２６よりも内部抵抗が低下する。各電池構成体２
６は直列に接続されており、同じ大きさの電流が流れる
ので、内部抵抗が高い外側の電池構成体２６の方が電圧
が高くなる。このため、高電圧が印加されると、特に外
側の電池構成体２６の電界液の劣化や集電箔の溶出等に
より電池の劣化が起こる可能性がある。従って、個々の
電池構成体２６の内部抵抗が、使用時に等しくなるよう
に調整するのが好適である。

【００５３】図１３には、このような各電池構成体２６
の内部抵抗が使用時に等しくなるバイポーラ型リチウム
イオン２次電池の構成の断面図が示される。また、図１
４には、図１３に示されたバイポーラ型リチウムイオン
２次電池を構成するための電池構成体２６の断面図が示
される。図１４において、図１３に示されたバイポーラ
型リチウムイオン２次電池を構成する場合には、図の矢
印Ａの方向に電池構成体２６を捲回していくので、図の
左側の電池構成体２６の方が図の右側の電池構成体２６
よりも内側になる。このため、図の左側の電池構成体２
６の内部抵抗をあらかじめ高くしておけば、使用中に内
側の電池構成体２６の温度が高くなり、内部抵抗が低く
なった場合にも、外側に来る図の右側の電池構成体２６
の内部抵抗と等しくすることができる。以降同様にして
外側に配置される電池構成体２６ほどその内部抵抗があ
らかじめ低くなるように構成しておく。

【００５４】内部抵抗を調整する方法としては、各電極
の活物質の総量と空隙率とを一定にしておき、活物質の
厚さを調整し、結果として有効面積すなわちセパレータ
１８と対向している活物質層の面積を制御する方法があ
る。すなわち、厚さを厚くすれば、その分有効面積が小
さくなり抵抗が高くなる。

【００５５】他方、目付量すなわち単位面積当たりの活
物質の重量と有効面積とを一定にし、活物質の厚さを調
整し、その空隙率を変化させることによっても内部抵抗
を調整することができる。すなわち、プレスにより活物
質の厚さを変化させ、空隙率を小さくするほど、活物質
間に存在する電解質が減少し、イオン伝導性が低くなっ
て抵抗が増加する。

【００５６】このように、活物質の総量及び空隙率を一
定とした状態で厚さを変えて有効面積で抵抗を調整する
か、あるいは目付量及び有効面積を一定にし、活物質の
空隙率を調整し内部抵抗を調整する方法が好適と考えら
れる。

【００５７】以上のような内部抵抗の調整方法の具体例
を、実施例４、実施例５として説明する。

【００５８】実施例４．本実施例においては、４つの電
池構成体２６を使用し、それぞれの内部抵抗を変化させ
る。４つの電池構成体２６は、最も内側に捲回されるも
のから外側に捲回されるものの順にＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、
ＩＶとし、それぞれの正極及び負極の有効面積の値を表
１に示す。なお、本実施例においては、各電極の総活物
質量と空隙率を一定に保ち、目付量を変化させることに
より有効面積を変化させた。

【００５９】

【表１】なお、各活物質の空隙率は、正極、負極共に４５％とし
た。

【００６０】実施例５．４つの電池構成体２６Ｉ，Ｉ
Ｉ，ＩＩＩ，ＩＶの正極及び負極の目付量はそれぞれ２
０．４ｍｇ／ｃｍ²、１０．２ｍｇ／ｃｍ²の一定とし、
有効面積も１００ｃｍ²の一定とした。このような正極
及び負極の活物質を、プレスにより以下に示す厚さと
し、その空隙率を調整した。

【００６１】

【表２】電池構成体ＩＶの場合には、空隙率が５０％であり、こ
れ以上空隙率を上げると活物質間の接触抵抗が増大し膜
厚増加と共に抵抗が増加するので、この厚みが限界と考
えられる。この電池構成体ＩＶの膜厚以下では、膜厚の
減少と共に空隙率が減少し、活物質間の電解質量が減少
してイオン伝導度が低くなり、抵抗が高くなる。すなわ
ち、活物質のプレス圧を高くするほど抵抗が高くなる。

【００６２】以上の２つの実施例に対して、４つの電池
構成体Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶとも全て正極目付量を２
０．４ｍｇ／ｃｍ²、負極目付量を１０．２ｍｇ／ｃ
ｍ²、空隙率４５％としたものを作成して、上記２つの
実施例と共に評価した。

【００６３】以上のようにして得たバイポーラ型リチウ
ムイオン２次電池を、１２−１７Ｖの電圧で１Ｃの定電
流充放電をさせたところ、１００サイクル後の容量維持
率は、実施例４が９０％、実施例５が９１％、比較例が
８７％であった。このため、実施例４及び実施例５のよ
うに、内側の電池構成体ほど内部抵抗を高くすることに
より、サイクル特性を向上させることができた。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電池構成体を捲回してバイポーラ型リチウムイオン２次
電池としているので、コンパクトで容量の大きな電池を
得ることができる。

【００６５】また、内側の電池構成体と外側の電池構成
体との電気的接続を集電体同士を直接つなぐことにより
行うので、接触抵抗を小さくすることができる。

【００６６】また、内側の電池構成体の外周を一周以上
集電箔を捲回するので、電解質短絡を防止でき、絶縁性
を向上できるとともに、集電箔のみで短絡を防止するの
で、セパレータあるいは絶縁フィルムを使用する必要が
なく、その分コンパクト化を図ることができる。

【００６７】また、内側の電池構成体の最外周の集電箔
と外側の電池構成体の最内周の集電箔とを直接接触させ
て電気的に接続するので、接触面積が大きくなり、内部
抵抗を低下させることができる。

【００６８】また、内側に位置する電池構成体ほど内部
抵抗を高くするので、使用時にはすべての電池構成体の
内部抵抗がほぼ等しくなり、各電池構成体にかかる電圧
をほぼ等しくできるので、電池の劣化を抑制することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバイポーラ型リチウムイオン２
次電池の実施形態１に使用される電池構成体の断面図で
ある。

【図２】図１に示された電池構成体を捲回した場合の
説明図である。

【図３】実施形態１に使用される電池構成体の変形例
を示す断面図である。

【図４】実施形態１に係るバイポーラ型リチウムイオ
ン２次電池の構成の断面図である。

【図５】図４に示されたバイポーラ型リチウムイオン
２次電池のＶ−Ｖ断面図である。

【図６】本発明に係るバイポーラ型リチウムイオン２
次電池の実施形態２の断面図である。

【図７】図６に示されたバイポーラ型リチウムイオン
２次電池を構成する電池構成体の断面図である。

【図８】図６に示されたバイポーラ型リチウムイオン
２次電池を構成する電池構成体の変形例を示す図であ
る。

【図９】本発明に係るバイポーラ型リチウムイオン２
次電池の実施形態３の断面図である。

【図１０】図９に示されたバイポーラ型リチウムイオ
ン２次電池を構成する電池構成体の断面図及び平面図で
ある。

【図１１】本発明に係るバイポーラ型リチウムイオン
２次電池の実施形態４の断面図である。

【図１２】図１１に示されたバイポーラ型リチウムイ
オン２次電池を構成する電池構成体の断面図及び平面図
である。

【図１３】本発明に係るバイポーラ型リチウムイオン
２次電池の実施形態４の断面図である。

【図１４】図１３に示されたバイポーラ型リチウムイ
オン２次電池を構成する電池構成体の断面図である。

【図１５】従来におけるバイポーラ型リチウムイオン
２次電池の断面図である。

【符号の説明】

１０正極集電箔、１２正極活物質、１４負極集電
箔、１６負極活物質、１８セパレータ、２０正極
端子リード、２２負極端子リード、２４絶縁フィル
ム、２６電池構成体、２８絶縁容器、３０直列接
続用リード線、３２接続部、３４接続用集電箔、３
６絶縁フィルム、３８絶縁部材、１００電池ケー
ス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 10/40 H01M 2/20 - 2/34 H01M 10/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】正極と負極との間にセパレータを挟んだ
状態で捲回される電池構成体が、絶縁体を介して複数個
同心円状に捲回され、内側の電池構成体から外側の電池
構成体に向かって、順次電気的に直列に接続され、各接
続部では、内側の電池構成体の正極または負極の集電箔
と外側の電池構成体の負極または正極の集電箔とが接続
され、前記内側の電池構成体と外側の電池構成体との接
続部を構成する集電箔が、内側の電池構成体の外周全体
を包む構造となっていることを特徴とするバイポーラ型
リチウムイオン２次電池。
【請求項２】正極と負極との間にセパレータを挟んだ
状態で捲回される電池構成体が、絶縁体を介して複数個
同心円状に捲回され、内側の電池構成体から外側の電池
構成体に向かって、順次電気的に直列に接続され、前記
内側の電池構成体と外側の電池構成体の電気容量は同じ
で、内部抵抗を内側の電池構成体ほど高くしたことを特
徴とするバイポーラ型リチウムイオン２次電池。