JP4595302B2 - バイポーラ電池 - Google Patents
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Description
ートからなる袋体を用いることで十分なシール性及び防水性を確保することができるため、上記したような一般民生用途では使用可能であるものの、EV、HEV、FCVのモータ駆動電源等や補助電源として搭載して利用しようとする場合には、車両特有の高電圧を付加するための高い絶縁性を確保することが出来ていなかった。すなわち、車両用のバイポーラ電池では、高電圧化が強く求められており、こうした要請に応じて電池内に収納される発電要素を構成する単セルを数十〜百数十セル程度まで積層して400Vを超えるような電圧にして用いることが検討されている。しかしながら、シート型のバイポーラ電池では、防水性シートからなる袋体を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、上記発電要素を収納し密封した構成を有し、該発電要素の両端電極とと導通される金属製のタブ(電極端子リード)が、上記熱融着部(シール部)に挟まれて上記袋体の外部に露出される構造を有する。そのため、タブのうち、袋体熱融着部(シール部)に挟まれている部分では、該タブと防水性フィルム内の金属層(アルミニウム箔)との間に、僅かに防水性フィルムの内層にあたる熱融着性樹脂フィルムが介在するだけなので、車両用の400Vを超えるような電圧に耐える絶縁を保証することが極めて困難であった。
れるべきものではなく、電解液をセパレータ(不織布セパレータを含む)に含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用し得るものである。これらの電解質のうち高分子ゲル電解質および固体高分子電解質(全固体電解質)に関しては、これらを単独で使用することもできるし、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質(全固体電解質)をセパレータ(不織布セパレータを含む)に含浸させて使用することもできるなど、特に制限されるべきものではない。また、一次電池および二次電池のいずれにも適用し得るものであるが、本発明の使用目的が車両特有の高電圧を付加するための高い絶縁性を確保する点にあることから、二次電池に適用するのが望ましい。さらに、バイポーラ電池の電極材料ないし電極間を移動する金属イオンで見た場合には、バイポーラリチウムイオン二次電池、バイポーラナトリウムイオン二次電池、バイポーラカリウムイオン二次電池、バイポーラニッケル水素二次電池、バイポーラニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素電池など特に制限されるべきものではなく、従来公知のいずれの電極材料等にも適用し得るものである。好ましくは、バイポーラリチウムイオン二次電池である。これは、バイポーラリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用や補助電源用として優れているためである。したがって、以下の説明では、バイポーラリチウムイオン二次電池を例にとり説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるべきものではない。
る正極及び負極タブを直接接続しても良いし、最外部の電極の集電体(または電極端子板)の一部を延長して正極及び負極リードとしてもよいなど、特に制限されるべきものではない。該正極及び負極タブ11、13には、図示されていない車両の負荷(モータ、電装品など)が接続され、これら電極タブ11、13には、非常に大きな充放電電流が流れる。そのため、正極タブと負極タブ11、13の幅および厚み(換言すれば断面積)は、主にそれに流れるであろう充放電時の電流値により決定される。また、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電極積層体9を電池外装材19に減圧封入し、正極及び負極タブ11、13を電池外装材19の外部に取り出した構造である。電池外装材19には、軽量化の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)の薄膜乃至箔(金属層19b)をポリプロピレンフィルム等の絶縁性の樹脂フィルム(表皮樹脂層19aと金属層−タブ間樹脂層19c)で被覆した高分子金属複合ラミネートフィルムが用いられている。そして、電池外装材19の周辺部の一部または全部を熱融着等にて接合することにより、電極積層体9を収納し減圧封入(密封)し、正極及び負極タブ11、13を電池外装材19の外部に取り出した構成としている。
分にも高抵抗層を設けることがより好ましい。これは、図1(b)に示すように、電池外装材の端部では、外装材内の金属層が外部に露出しているため、タブが振動したり、取り付け時に折り曲げられたりすることで、タブと外部露出する金属層とが近接乃至接触するおそれがあり、こうした場合でも十分な絶縁を確保することができるためである。なお、電池外縁部で金属層が露出する対策としては、民生用途の電池の場合には、絶縁テープや絶縁塗料により電池外縁部を絶縁処理するだけでもよいが、本発明のように電池が高電圧となる場合には、これだけでは上記したシール部と同様に、絶縁が十分に確保できないため、本発明の高絶縁層により対応する必要があるといえる。
)、4フッ化エチレン・6フッ化プロプレン(FEP)、フッ化ビニリデン(PVdF)などが挙げられる。
あっても(つまり、樹脂コーティングによる皮膜の表面に微細な凹凸形状がなくても)樹脂同士の接着であるため、十分な接着強度を確保することができる(表1のピール平均値参照のこと)場合もあるためである。よって、本発明では、高抵抗層が上記に規定する上記比表面積の範囲から外れるものであっても十分な接着強度を提供することができる場合もある。
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができる。例えば、アルミニウム箔、ステンレス(SUS)箔、チタン箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、SUSとアルミニウムのクラッド材あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。複合集電体を用いる場合、正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS、チタンなどの導電性金属を用いることができるが、アルミニウムが特に好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、SUSなどの導電性金属を用いることができるが、SUS及びニッケル等が特に好ましい。また、複合集電体においては、正極集電体と負極集電体とは、互いに直接あるいは第三の材料からなる導電性を有する中間層を介して電気的に接続していれば良い。
ここで、正極層の構成材料としては、正極活物質を含むものであれば良く、さらに必要に応じて、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子電解質、添加剤などが含まれ得るが、電解質層に高分子ゲル電解質や液体電解質を用いる場合には、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電解質層に液体電解質を用いる場合にも、正極層には高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。
態を検知し、対処することが出来るようになるため、電池の信頼性を向上させることが可能となる。また、Li−Mn系複合酸化物は過充電、過放電で電池が故障するときにも反応が穏やかであり、異常時の信頼性が高いといえる。その結果、各単電池層及びバイポーラ全体の電圧の検知が容易になる。
を持たない高分子として例示したものである。
負極層は、負極活物質活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、高分子電解質(ホストポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、添加剤などが含まれ得るが、高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、負極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電解質層に溶液電解質を用いる場合にも、負極層には高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくてもよい。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極層」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
、Ag2O、AgO、Ag2O3、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、SiO、ZnO、CoO、NiO、FeO等が挙げられる。Li金属化合物としては、Li3FeN2、Li2.6Co0.4N、Li2.6Cu0.4N等が挙げられる。Li金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)としては、Li4Ti5O12などLixTiyOzで表されるリチウム−チタン複合酸化物等が挙げられる。上記ホウ素添加炭素としては、ホウ素添加カーボン、ホウ素添加グラファイト等が挙げられる。ただし、本発明では、これらに制限されるべきものではなく従来公知のものを適宜利用することができる。上記ホウ素添加炭素中のホウ素の含有量は0.1〜10質量%の範囲が望ましいが、これに制限されるべきものではない。
本発明では、その使用目的に応じて、(a)高分子ゲル電解質、(b)高分子固体電解質または(c)これらポリマー電解質ないし電解液を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)、のいずれにも適用し得るものである。
高分子ゲル電解質としては、特に制限されるべきものではなく、従来のゲル電解質層に用いられているものを適宜利用することができる。ここで、ゲル電解質とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。なお、本発明において、全固体高分子電解質(単に、高分子固体電解質ともいう)と、ゲル電解質との違いは、以下のとおりである。
全固体高分子電解質としては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用することができる。具体的には、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。全固体高分子電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。PEO、PPOのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)および(b)または上記(a)で説明した電解(電解質塩および可塑剤)液と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。
はなく、繊維を絡めてシート化することにより製造することができる。また、加熱によって繊維同士を融着することにより得られるスパンボンド等も用いることができる。すなわち、繊維を適当な方法でウェブ(薄綿)状またはマット状に配列させ、適当な接着剤あるいは繊維自身の融着力により接合して作ったシート状のものであればよい。上記接着剤としては、製造及び使用時の温度下で十分な耐熱性を有し、ゲル電解質に対しても反応性や溶解性等がなく安定したものであれば、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用できる。また、使用繊維としては、特に制限されるものではなく、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを用いることができ、使用目的(電解質層に要求される機械強度など)に応じて、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性を得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。すなわち、あまり不織布のかさ密度が大きすぎると、電解質層中の非電解質材料が占める割合が大きくなりすぎ、電解質層におけるイオン伝導度などを損なうおそれがあるためである。
絶縁層は、電解液による液絡、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものである。本発明では、必要に応じて、電極の周囲に絶縁層を設けてもよい。これは、車両駆動用ないし補助用電源として利用するような場合には、たとえ固体電解
質を用いて電解液による短絡(液落)を完全に防止したとしても、電池への振動や衝撃が長期にわたり負荷される。そのため、電池寿命の長期化の観点からは、絶縁層を設置することがより長期間の信頼性、安全性を確保する上で望ましく、高品質の大容量電源を提供できる点で望ましいためである。
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。すなわち、バイポーラ電池の積層(ないし巻回)構造によっては、最外部の集電体から正極及び負極タブ(電極端子)を直接または電極リードを介して取り出しても良く、この場合には正極および負極端子板は用いなくとも良い(図1(b)参照のこと)。
正極および負極リードは、必要に応じて使用すればよい。正極および負極リードは、既存のバイポーラ型ではない通常のリチウムイオン二次電池で用いられる公知の電極リードを用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。正極リードと負極リードとの材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極リードは、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。また、これら正極および負極リードでも、電池外装材と近接ないし密着することもあることから、必要があれば、本発明の電極タブと同様の高抵抗層を電極リード表面上の必要とされる部分に適宜に設けても良いことはいうまでもない。
図1(b)に示すように、本発明に用いられる正極および負極タブ11、13は、最外層の電極の集電体(ないしこれに接続された電極端子板)に接続された正・負極リード15、17との間で接続されていてもよし、最外層の電極の集電体に接続された正・負極端子板ないし正・負極リードに接続してよいし(図示せず)、最外層の電極の集電体の一部を延長して形成しても良い(図示せず)など、特に制限されるべきものではない。なお、
電池外装材19から電池外部に取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておいてもよい。
タブ表面に設けられる高抵抗層に関しては、上述したとおりであるので、ここでの説明は省略する。
本発明では、電池内のセル(単電池層)ごとの電圧を検知し、過充電や過放電状態になったセルをバイパスして充放電が行えるような電圧検知タブを各セルに設けておくのが望ましい。この電圧検知タブの一端はセルの集電体に接続し、もう一方の端を電池外部にまで取り出し、これらタブを電圧検知・バイパス制御回路等に接続するのが望ましい。これにより数十〜百数十セル(単電池層)ある電池内部の各単電池層の容量バラツキによる電池性能の低下を抑制することができ、電池寿命を高めることができる。特に、バイポーラ電池を車両の動力源として使用する場合には、信頼性と安定性が要求されるため、それぞれのバイポーラ電池及び該電池内の各単電池層(セル)が正常に機能しているか否かを常に監視する必要がある。このため、すべてのバイポーラ電池(通常、複数のバイポーラ電池を接続した組電池を、更に複数接続した複合組電池として車両に搭載されている)及び電池内のセルの電圧を常時監視し、劣化したバイポーラ電池及び電池内のセルが検知できるようにするのが望ましいためである。
本発明では、従来と同様に電池の防水性、シール性を確保し、更に電池の軽量化を図り、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止する観点から、電池本体である電池積層体(ないし電池巻回体)全体を収納するための電池外装材として、高分子金属複合フィルムを用いてなるものである。かかる高分子金属複合フィルムとしては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜適用することができるものであり、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)の層19bの両面をポリプロピレンフィルム等の絶縁体(好ましく耐熱性の絶縁体)の樹脂層(表皮樹脂層19a、金属層−タブ間樹脂層19c)で被覆した高分子金属複合フィルムなどを用いることができる。上記絶縁体(好ましく耐熱性の絶縁体)の樹脂層としては、例えば、ポリエチレンテトラフタレートフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ナイロンフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ポリエチレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)、ポリプロピレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)等が挙げられ、これらを目的に応じて、表皮樹脂層19a側と金属層−タブ間樹脂層19c側とに適用すればよい。
高分子金属複合フィルムを熱融着させて用いる場合、これら2枚の高分子金属複合フィルム内の各層の材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。
まず、適当な集電体を準備する。正極用組成物は通常はスラリー(正極用スラリー)として得られ、集電体の一方の面に塗布される。
とができる。
正極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、正極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子固体電解質の機械的強度を高めてもよい。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された正極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。
正極層が塗布された面と反対側の面に、負極活物質を含む負極用組成物(負極用スラリー)を塗布する。
負極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去する。それと同時に、負極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子ゲル電解質の機械的強度を高めてもよい。この作業により、バイポーラ電極が完成する。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された負極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。かかる乾燥処理により、集電体上に負極層を形成する。
高分子固体電解質層を用いる場合には、例えば、高分子固体電解質の原料高分子、リチウム塩等をNMPのような溶媒に溶解させて調製した溶液を硬化させることによって製造される。また、高分子ゲル電解質層を用いる場合には、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。また、不織布セパレータに高分子ゲル電解質を保持させてなる高分子ゲル電解質層を用いる場合には、セパレータに、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を含浸させて、不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。不織布セパレータに固体高分子電解質を保持させてなる高分子固体電解質層を用いる場合には、セ
パレータに、例えば、高分子固体電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等を粘度調整剤に溶解してなる溶液を含浸させて、不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。また、セパレータに電解液を保持させてなる液体電解質層を用いる場合には、セパレータに電解液を含浸させればよく、例えば、電解液含浸前のセパレータとバイポーラ電極を積層した後に、電解液を各セパレータに含浸させてもよい。
(i)電解質層(膜)が一面または両面に形成されたバイポーラ電極の場合には、高真空下で十分加熱乾燥してから、電解質層(膜)が形成された電極を適当なサイズに複数個切りだし、切り出された電極を直接貼り合わせて、バイポーラ電池本体(電極積層体)を作製する。
本発明では、例えば、電極積層体の電極形成部の周囲を、所定の幅でエポキシ樹脂(前駆体溶液)等に浸漬または樹脂を注入ないし含浸する。いずれの場合にも、事前に電圧検知タブや電極端子板や電極リードや電極タブ、あるいはこれらを接続する必要のある集電体部分等を離型性マスキング材等を用いてマスキング処理しておく。その後エポキシ樹脂を硬化させて、絶縁部を形成し、その後、マスキング材を剥がせばよい。
バイポーラ電池本体(電池積層体)の両最外層の集電体上にそれぞれ、正極端子板、負極端子板を設置して接続し、該正極端子板、負極端子板に正極リード、負極リードに接合(電気的に接続)し、さらに正極リード、負極リードに正極タブ、負極タブを接合(電気的に接続)する(図1(b)参照のこと。)。これら端子板、リードおよびタブの接合方法としては、接合温度の低い超音波溶接等が好適に利用し得るものであるが、これに限定されるべきものではなく、従来公知の接合方法を適宜利用することができる。また、本発明では、単電池層の電圧を検知し、過充電や過放電状態になれば、バイパスすることができるような電圧検知タブを各集電体に接続し、これらを電池外部にまで取り出し、これらタブを電圧検知・バイパス制御回路に接続するのが望ましい。これにより数十〜百数十セル(単電池層)ある電池内部の各単電池層の容量バラツキによる電池性能の低下を抑制することができ、電池寿命を高めることができる。
最後に、電池積層体全体を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池外装材で封止し、バイポーラ電池を完成させる。封止の際には、正極タブ、負極タブ、更には電圧検知タブの一端を電池外部に取り出す。
般電池B間を直列接続する部分はタブ11、13同士を振動溶着して接続した。一般電池Bとバイポーラ電池Aを並列接続している部分の端部を端子42、44に接続して、正負の端子を構成している。バイポーラ電池Aの両側には、バイポーラ電池1の各層の電圧を検知する検知タブ12を取り出し、それらの検知線(図示せず)を組電池50の前部に取り出している以外は、図3の組電池50と同様であるので、同じ部材には同じ符号を付した。詳しくは、図4に示す組電池50'を形成するには、一般電池B10枚を端から順番にバスバー56および振動溶着して直列に接続した。さらに、バイポーラ電池Aと直列接続された両端の一般電池Bとをそれぞれバスバー56で並列に接続して金属製の組電池ケース55に収納する。このように、バイポーラ電池A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50'を提供することができる。該組電池50'にも、正極端子42、負極端子44が金属製の組電池ケース55の側面前部に形成されており、電池A、Bを直並列に接続後、例えば、各バスバー56と各正極端子42、負極端子44とが端子リード59で接続されている。また、該組電池50'には、電池電圧(バイポーラ電池Bの各単電池層、更にはバイポーラ電池B及び一般電池Aの端子間電圧)を監視するために検知タブ端子54が金属製の組電池ケース55の正極端子42及び負極端子44が設けられている側面前部に設置されている。そして、各バイポーラ電池A(更には一般電池B)の検知タブ12が全て検知線(図示せず)を介して検知タブ端子54に接続されている。また、組電池ケース55の低部には、外部弾性体52が取り付けられており、組電池50'を複数積層して複合組電池を形成するような場合に、組電池50'間距離を保ち、防振性、耐衝撃性、絶縁性、放熱性などを向上することができる。
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50同士を連結する。また、各組電池50の極端子42および負極端子44は、それぞれ正極および負極絶縁カバーにより保護され、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。また、組電池50の間、詳しくは組電池ケース55の底部に外部弾性体52を設置して防振構造を形成している。
<電極の形成>
1.正極
正極活物質としてLi−Mn系複合酸化物である平均粒子径2μmのスピネルLiMn2O4[85質量%]、導電助剤としてアセチレンブラック[5質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)(NMPは、電極乾燥時にすべて揮発させて除去するので、電極の構成材料ではなく、適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して正極スラリーを作製した。
20μmの正極を形成した。
負極活物質として非結晶性炭素材である平均粒子径4μmのハードカーボン[90質量%]、バインダとしてPVDF[10質量%]およびスラリー粘度調整溶媒としてNMP(適当なスラリー粘度になるように適量を加えた。)からなる材料を上記比率(スラリー粘度調整溶媒を除く成分で換算した比率を示す。)にて混合して負極スラリーを作製した。
厚さ約50μmのPP製不織布(空孔率;約50%)をセパレータとして用いた。
上記バイポーラ電極及び最外部の電極と、ゲル電解質層を、正極と負極がゲル電解質層を挟むような構成で、図1に示すように正極と負極の組み合わせ10層(単電池層10セル分;42Vバイポーラ電池)の積層構造となるように積層して電極積層体(電池要素)を作製した。この電極積層体の電極形成部の周囲を、所定の幅でエポキシ樹脂(前駆体溶液)に浸漬し、その後エポキシ樹脂を硬化させて、絶縁部を形成した。
正負極タブとして厚さ200μmのアルミニウム板を用いた。この電極タブの金属表面に、陽極酸化皮膜形成法により厚さ約0.5μmのアルミニウム酸化皮膜(高抵抗皮膜)を形成した。詳しくは、1Mの硫酸水溶液に高純度のアルミニウム板を浸して陽極にし、負極としてサイズの大きいアルミニウム板を用い、直流電源を用い、出力電圧を20V以上に設定した。この状態で電気分解を30分以上行ってアルミニウム酸化皮膜を得た。得られた陽極酸化皮膜を接着部(シール部)のみ残し、その他の部分は酸化皮膜を削って接触抵抗を低減した。
より得られた高抵抗皮膜を有する正極タブ及び負極タブを接合(電気的に接続)した(図1(b)参照のこと。)。
最後に、電池積層体全体を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、図1に示すように、厚さ120μmの高分子金属複合ラミネートフィルム(表皮樹脂層:ナイロンとポリエステルの積層フィルム、金属層:アルミニウム、金属層−タブ間樹脂層:ポリプロピレン(PP)の3層ラミネートフィルム)からなる袋体(電池外装材)内に収納し、電池外装材の外縁部分を熱融着により封止することで、図1に示すように正極および負極タブが電池外部に取り出されたバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのタンタル酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのニオブ酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのハフニウム酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのジルコニウム酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
0V以上に設定した。この状態で電気分解を30分以上行って、ジルコニウム酸化皮膜を形成した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmの亜鉛酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのタングステン酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのビスマス酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ約0.5μmのアンチモン酸化皮膜を形成した点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、負極活物質として、非結晶性炭素材である平均粒子径4μmのハードカーボンに変えて結晶性炭素材である平均粒子径1μmのグラファイトを用いた点、
電極タブ上への高抵抗皮膜として、アルミニウム酸化皮膜に変えて厚さ10μmのテフ
ロンコーティング皮膜を形成した点、および
正負構成(単電池)の積層数が10層の42Vバイポーラ電池に変えて正負構成(単電池)の積層数が100層の420Vバイポーラ電池とした点を除いては、実施例1と同様にしてバイポーラ電池を作製した。
下記表1に示すように、電極タブ上への高抵抗皮膜を形成していない点を除いては、実施例1と同様にして、バイポーラ電池を作製した。
上記実施例1〜10及び比較例1で得られたバイポーラ電池を用いて、本発明にかかるバイポーラ電池が車両に搭載された場合に、車両から受ける振動等に対するバイポーラ電池性能を評価すべく、下記試験を行った。
各実施例および比較例1の製造方法によって得られた電池のタブ部のタブと電池外装材フィルムをJIS K6253に準拠する引っ張り試験で、タブとフィルムを180°の引っ張り試験を行い、そのときのピール強さと長さを測定した。実施例1と比較例1の結果を図2に示す。
絶縁抵抗計を用い、各実施例および比較例1の製造方法によって得られた電池のタブと電池外装材内の金属層の間の抵抗値を測定した。結果を表1に示す。表1では、500V印荷した時に100MΩ以上の絶縁抵抗を有したものを○とし、それに満たない場合を×とした。
比表面積は、JIS Z8830に準拠するガス吸着方式で、各実施例および比較例1の製造方法によって得られた高抵抗皮膜を有するタブおよび高抵抗皮膜の無いタブの吸着量(m2/g)を計測した。結果を表1に示す。表1では、高抵抗皮膜形成前の吸着量に対する形成後の吸着量の比率(比表面積比)を示した(図7参照のこと)。
皮膜抵抗値は、各実施例の製造方法によって得られた高抵抗皮膜を有するタブの絶縁破壊強さをJIS K6911に準拠する測定方法で計測した。結果を表1に示す。
3 バイポーラ電極、
3a 最上層の電極、
3b 最下層の電極、
5 電解質層、
7 絶縁層、
9 電極積層体、
11 正極タブ、
13 負極タブ、
12 検知タブ、
15 正極リード、
17 負極リード、
19 電池外装材、
19a 表皮樹脂層、
19b 金属層、
19c 金属層−タブ間樹脂層、
20 シール部、
21 高抵抗層(高抵抗皮膜)、
42 正極端子、
44 負極端子、
50、50' 組電池、
52 外部弾性体、
53 検知線、
54 検知タブ端子、
55 組電池ケース、
56、58 バスバー、
59 端子リード、
60 複合組電池、
62 複合組電池正極端子連結板、
64 複合組電池負極端子連結板、
66 連結板、
67 固定ネジ、
70 電気自動車、
A バイポーラ電池、
B 一般リチウムイオン二次電池。
Claims (7)
- 正極層と負極層の組み合わせの構成が複数存在し、電池外装材として高分子金属複合フィルムを有するバイポーラ構造を有し、400V以上の電圧を出力可能な高電圧電池において、
タブ表面に少なくともタブ金属の金属抵抗よりも高い高抵抗層を有しており、
前記高抵抗層が、膜厚0.5μm〜5μmの金属酸化皮膜であることを特徴とするバイポーラ電池。 - 正極層と負極層の組み合わせの構成が複数存在し、電池外装材として高分子金属複合フィルムを有するバイポーラ構造を有し、400V以上の電圧を出力可能な高電圧電池において、
タブと前記高分子金属複合フィルム内の金属層間に少なくとも1層以上の、タブ金属の金属抵抗よりも高い高抵抗層を有しており、
前記高抵抗層が、膜厚0.5μm〜5μmの金属酸化皮膜であることを特徴とするバイポーラ電池。 - 前記高抵抗層が、タブ表面の少なくとも樹脂のシール部分に存在することを特徴とする請求項1または2に記載のバイポーラ電池。
- 前記高抵抗層が、金属の酸化皮膜であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のバイポーラ電池。
- 前記高抵抗層の抵抗値が、106V/m以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のバイポーラ電池。
- 前記高抵抗層の比表面積の範囲が、1.1〜5であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のバイポーラ電池。
- 前記高抵抗層が、アルミニウムの酸化皮膜であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のバイポーラ電池。
Priority Applications (1)
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