JP5194351B2

JP5194351B2 - バイポーラ電池

Info

Publication number: JP5194351B2
Application number: JP2005309084A
Authority: JP
Inventors: 拓哉木下; 英明堀江; 孝明安部; 修嶋村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: JP2006156357A

Description

本発明は、容量バランスを自動的にとることができる放電回路を内蔵したバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両に関する。

バイポーラ電池は、下記特許文献１にも記載されているように、複数のバイポーラ電極を積層して構成した電池であり、薄型、軽量で放熱性が良好であるなど、種々の優れた特性を備えている。

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。バイポーラ電池を構成する複数の単電池（バイポーラ電極間で１つの単電池が形成される）がそれぞれ同一の充電量でない場合には、要求されている出力性能および容量性能を発揮できない。したがって、単電池それぞれの容量は常に均一にしておく必要がある。そのため、単電池ごとに電圧検出線（単電池の電圧を検出するために用いられる）及びバイパス線（単電池をバイパスするために用いられる）を接続し、その電圧接続線から検出される電圧に応じてバイパス線の接続を制御しそれぞれの単電池の充放電を個別に制御できるようにしている。
特開２０００−１９５４９５号公報

ところが、電圧検出線とバイパス線は、バイポーラ電極間に設けられた集電体の各々から引き出さなければならないためその引き出しに工数がかかるのと、外装材のシール部分の密閉性を確保しなければならないという点においてその省略が望まれていた。

本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、電圧検出線やバイパス線を用いることなく、容量バランスを自動的にとることができる放電回路が内蔵されたバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るバイポーラ電池は、集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層してなるバイポーラ電池において、前記正極層または負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極同士を電気的に導通させる放電回路が形成され、前記放電回路は、ツェナーダイオード層と定電流回路とを含み、前記放電回路は発光層を含み、前記定電流回路と前記発光層とは直列に配置されていることを特徴とする。

本発明に係るバイポーラ電池においては、放電回路がバイポーラ電極の正極層または負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に形成されているので、電圧検出線及びバイパス線を外部に引き出すことなく、単電池それぞれの電圧に基づいて最適な容量バランスを自動的にとることができる。

以上のように構成された本発明に係るバイポーラ電池によれば、集電体の正極層または負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接するバイポーラ電極同士を電気的に導通させる放電回路を形成したので、電圧検出線及びバイパス線をバイポーラ電池外に引き出さなくとも、各単電池の容量バランスを自動的にとることができるようになり、製造工数の低減及びバイポーラ電池の信頼性の向上を図ることができる。

以下に、本発明に係るバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で引用する図面では、バイポーラ電池を構成する各層の厚みや形状を誇張して描いているが、これは発明の内容の理解を容易にするために行っているものであり、実際のバイポーラ電池の各層の厚みや形状と整合しているものではない。

図１は本実施の形態に係るバイポーラ電池の外観図である。バイポーラ電池１００は、図に示すように長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ１２０Ａ、負極タブ１２０Ｂが引き出されている。発電要素１６０はバイポーラ電池１００の外装材（たとえばラミネートフィルム）１８０によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素１６０は正極タブ１２０Ａ及び負極タブ１２０Ｂを引き出した状態で密封されている。

図２及び図３はバイポーラ電池１００内部の概略構成図、図４〜図９はバイポーラ電池１００に内蔵される放電回路の説明に供する図である。本実施の形態に係るバイポーラ電池１００は、インクジェットプリンタを用いて画像を印刷するのと同様に、複数のノズルからそれぞれの層の形成に必要な材料を選択的に吐出させ、１層ずつ絵を描くようにして下の層から順番に層を形成していくことによって作成したものである。また、バイポーラ電池１００は放電回路を有しているが、この放電回路もインクジェット方式で描かれる。

図２はバイポーラ電池１００の内部構造を説明するための分解斜視図である。この図では、説明の便宜上各層を分解しているが、本実施の形態では上記のようにインクジェット方式で層を下から上に順番に描いていくので、実際には層を分解することはできない。

本実施の形態においては、発電要素１６０を、インクジェットプリンタ方式で層ごとに所定の付着パターンを重ね塗りすることによって形成する。つまり、本実施の形態では図２に示すように基材２００に第１層目から第５層目に示す付着パターンをインクジェットプリンタでカラー画像を形成するときのように順番に重ね塗りして単電池１５０を形成し、この単電池１５０を繰り返し７回積層させるように形成して図３に示すような発電要素１６０を形成している。

以下それぞれの層の形成に必要な材料を説明する。
１．正極インクの作製：正極活物質２１２の形成に用いる
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％）を準備した。スラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰを用いて、インクの粘度を調節した。

正極層は、活物質と、必要に応じて導電助剤、バインダー、電解質等を混合して構成される層である。活物質は、本実施形態においては特に制限されない。正極活物質としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ−Ｃｏ系複合酸化物、Ｌｉ−ＦｅＰＯ_４などのリン酸鉄系複合酸化物などが挙げられる。なかでも、導電性に優れるという観点から、Ｌｉ−Ｎｉ系複合酸化物が好ましい。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。また、ここではＬｉ電池の材料を挙げたが、炭素を使用してキャパシタとして使用しても良い。また、水電解質の電池材料、例えばニッケル水酸化物や鉛酸化物、硫酸鉛等を用いても良い。

導電助剤は、カーボンブラック、グラファイト粉末等の炭素材料、金、白金等、導電性が高く、電気分解されにくい材料を用いている。バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリオレフィン類、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン等が挙げられる。電解質はイオン伝導性ポリマーと支持電解質の混合物である。イオン伝導性ポリマーは、特に制限されない。例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。なお、活物質層に含まれるイオン伝導性ポリマーは、本発明の電極が採用される電池の電解質層において電解質として用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。支持電解質としては、ＬｉＢＥＴＩ（リチウムビス（パーフルオロエチレンスルホニルイミド）；Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ）、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等が挙げられる。
２．負極インクの作製：負極活物質２０２の形成に用いる
負極活物質としてハードカーボン（９０ｗｔ％）、バインダーとしてＰＶｄＦ（１０ｗｔ％）を準備した。スラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰを用いて、インクの粘度を調節した。

負極層は、活物質と必要に応じて導電助剤、バインダー、電解質を混合して構成される層である。負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶炭素材等の炭素材料が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛系炭素材料、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。なかでも、電池制御の観点から、ハードカーボンが好ましい。キャパシタの場合は炭素材料、水電解質電池では水素吸蔵合金、カドミウム水酸化物、硫酸鉛等を用いても良い。
３．電解質インクの作製：イオン伝導材２０８の形成に用いる
電解液としてＰＣ−ＥＣ１ＭＬｉＢＥＴＩ（９０ｗｔ％）、ホストポリマーとしてＨＦＰコポリマーを１０％含むＰＶｄＦ−ＨＦＰ（１０ｗｔ％）を準備した。スラリー粘度調整溶媒としてジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を用いて、インクの粘度を調節した。

電解質層は、液体、ゲル、固体のいずれの相であってもよい。電池が破損した際の安全性や液絡の防止を考慮すると、電解質層は、ゲルポリマー電解質層、または全固体電解質層であることが好ましい。電解質としてゲルポリマー電解質層を用いることで、電解質の流動性がなくなり、集電体への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる。ゲル電解質のホストポリマーとしては、ＰＥＯ、ＰＰＯ、ＰＶｄＦ、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、ＰＡＮ、ＰＭＡ、ＰＭＭＡなどがあげられる。イオン伝導性を確保するために支持塩が含まれることが好ましい。電池がリチウム二次電池である場合には、支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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、前述の通り、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_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。
４．導電材インクの作製：導電材２００、２０４、２０４Ａ、２１４等の形成に用いる。

導電性粒子としてカーボン粒子であるグラファイト（平均粒径０．８ｍ；９０ｗｔ％）、バインダーとしてＰＶｄＦ（１０ｗｔ％）を準備し、粘度調整溶媒としてＮＭＰを用い、導電性粒子を含む集電体インクを調製した。

導電材は導電性を具えておればよく、本実施形態に限定されない。例えばカーボン粒子ではなく、アルミニウム粒子、ＳＵＳ粒子、銀粒子、金粒子、銅粒子、チタン粒子などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。合金粒子が用いられてもよい。バインダーとしても、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの混合物である。さらに導電材は電子導電性の高い高分子材料（導電性ポリマー）を用いて、必ずしも導電性粒子を含む必要はない。導電性ポリマーとしてはポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、またはこれらの混合物が挙げられる。
５．絶縁材インクの作製：絶縁材２０６の形成に用いる
ホストポリマーとしてＨＦＰコポリマーを１０％含むＰＶｄＦ−ＨＦＰ（１００ｗｔ％）を準備した。スラリー粘度調整溶媒としてジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を用いて、インクの粘度を調節した。

絶縁材は導電性を具えていなければよく、本実施形態に限定されない。例えば電解質層の形成に用いた高分子材料が好適に利用できる。ＰＥＯ、ＰＰＯ、ＰＶｄＦ、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、ＰＡＮ、ＰＭＡ、ＰＭＭＡなどがあげられる。
６．放電回路インクの作製：放電回路２１０の形成に用いる
これについては後述する。
７．正極タブ１２０Ａ、負極タブ１２０Ｂ
ＡＬ板を用いる。電流を取り出すためには低抵抗であることが望ましく、１００μｍ程度の厚さを具えることが好ましい。
８．製造装置
インクジェット方式によるインクの塗布は、以下の手順により行った。なお、インクの溶媒により、インクジェットプリンタのインク導入部分にあるプラスチック部品が溶解する問題を防止するため、インク導入部分にある部品を金属製の部品と交換し、インク溜から直接金属部品にインクを供給させた。また、インク中の活物質が沈殿することを防止するため、インク溜りを常に回転翼を用いて攪拌した。インクジェットプリンタは、市販のコンピューターおよびソフトウェアによって制御された。インクの塗布は、コンピューター上で作成したパターンを、インクジェットプリンタを用いて印刷することによって作製された。

図２に示す基材としての導電材２００上には、図示してあるとおり、その中央部分に負極活物質２０２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。導電材２００のどの部分に負極活物質２０２、導電材２０４Ａ、絶縁材２０６などの材料を印刷するのかといった付着パターンは層ごとにあらかじめ設定しておき、材料の噴射を制御するプリンタはこの付着パターンに応じて導電材や絶縁材をそれぞれの領域において選択的に噴射する。

第１層目の印刷が終了すると、第２層目の印刷が開始される。第１層の上には、その中央部分にリチウムイオンの交換を行う電解質層としてのイオン伝導材２０８を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ｂ、２０４Ｃ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。本実施の形態では、第２層の同一平面内に導電材２０４Ｂ及び２０４Ｃに挟まれるように放電回路２１０を形成している。放電回路２１０は単電池１５０の電圧に応じてオン、オフするものである。放電回路２１０の構造などは図４以降の図面に基づいて後で説明する。

第２層目の印刷が終了すると、第３層目の印刷が開始される。第２層の上には、その中央部分にバイポーラ電極の正極層を形成する正極活物質２１２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ｄ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。

第３層目の印刷が終了すると第４層目の印刷が開始される。第３層の上にはその全面に集電体となる導電材２１４を印刷する。

第４層目の印刷が終了すると第５層目の印刷が開始される。第４層の上には第５層目の印刷が行われるが、第５層目の印刷は上記の第１層目の印刷と同一である。つまり、第４層の上には、その中央部分にバイポーラ電極の負極層を形成する負極活物質２０２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ａ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。

なお、導電材２００と第４層の導電材２１４およびその間の層が単電池１５０となり、第３層から第５層がバイポーラ電極２２０となる。

上記のような印刷を合計７回繰り返し行って、図２に示すような発電要素１６０が形成される。発電要素１６０の最下層の基材である導電材２００は負極タブ１２０Ｂに接続され、その最上層の基材である導電材２００は正極タブ１２０Ａに接続される。発電要素１６０は単電池１５０が７個直列に接続されたものとなるので、正極タブ１２０Ａと負極タブ１２０Ｂとの間には単電池１５０の７倍の電圧が現れる。

上記のように形成された発電要素１６０の各単電池１５０には放電回路２１０が設けられることになる。放電回路２１０は積層方向に隣接するバイポーラ電極２２０同士を電気的に導通させる機能を有している。このように、放電回路２１０を発電要素１６０に内蔵させることによって、単電池１５０の電圧を検出するための電圧検出線および単電池１５０をバイパスさせるためのバイパス線をバイポーラ電池１００の内部から外部に引き出す必要がなくなり、外装材１８０のシール性が向上して信頼性が向上する。もちろん、電圧検出線およびバイパス線を設けなくて済む分部品点数が削減されて、組立工数の低減と製造コストの低減を図ることができる。さらに、各電圧検出線および各バイパス線をバイポーラ電池１００の内外において絶縁する処理も不要となるので、内部短絡などの故障の恐れがなくなり、絶縁性の確保の面でも信頼性が向上する。さらには、バイポーラ電池１００の外部に放電回路群（容量バランス調整回路）を別体で設ける必要もなくなるので、バイポーラ電池１００の設置面積の縮小化を図ることもできる。

なお、本実施の形態では放電回路２１０をイオン伝導材２０８が印刷される層と同一の平面に設けたが、負極活物質２０２又は正極活物質２１２が印刷される層と同一の平面に設けても良い。もしくは複数の層にまたがって形成されてもよい。

放電回路２１０は、放電電圧の閾値を形成する機能を有し、単電池１５０の電圧がその閾値以上の電圧に達していれば単電池１５０の＋側と−側とを導通状態にして積極的に放電させ、一方単電池１５０の電圧がその閾値に達していなければ積極的な放電は行わないというように機能する。なお単電池１５０の電圧は相互に導通する導電材２０４Ａ〜２０４Ｄを介して検出される。したがって、放電回路２１０には、図４に示すように、放電電圧の閾値を形成するためのツェナーダイオード２３１および２３２が設けられている。具体的には、放電電圧の閾値は３．６Ｖから４．１Ｖの間に設定される。放電回路２１０には、導通状態になっているときには導通状態になっていないときの１００倍以上の電流が流れる。放電電圧の閾値をこのような範囲に設定するのは、充電状態の高い単電池を電圧で判断し、動作電圧範囲を３．０〜４．２Ｖとすると、フルに充放電を行う電気自動車の場合は４．１Ｖ以上の電圧を有する単電池を放電させて電圧を揃えることができるし。中間の充電状態しか使わないハイブリッド自動車の場合、３．６Ｖ以上の電池を放電させて電圧を揃えることができるからである。

また、放電回路２１０は、単電池１５０を放電させる時に流れる電流で発光する発光素子２３３および２３４を備え、この発光素子２３３および２３４の近傍にはその発光に感応する光センサ５０３が設けられている。発光素子２３３および２３４は流れる電流が大きすぎると壊れてしまうので、放電回路２１０には定電流回路２３５および２３６が設けてある。本実施の形態では定電流回路を形成する素子としてＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＭＳＳＦＥＴなどの素子を使用している。

バイポーラ電極２２０、イオン導電材２０８、放電回路２１０及び光センサは外装材としてのラミネートフィルム（光反射性の）１８０で覆われて密封され、図１に示したように、正極タブ１２０Ａ、負極タブ１２０Ｂ及電圧検出線１４０を引き出した状態でラミネートフィルム１８０の外周部分が熱融着される。放電回路２１０に設けられている発光素子２３３および２３４が発光すれば、すなわち、単電池がツェナーダイオードの降伏電圧以上の場合と、逆充電されてツェナーダイオードの順方向電圧以下の負の電圧になった場合に、その光はラミネートフィルム内で反射して光センサで検出され、外部で異常を検知し、たとえば電池の充放電を停止することができる。したがって、光センサ５０３の設置場所はラミネートフィルム内で発光素子２３３および２３４の発光が検知可能な場所であればよい。なお、光センサからの信号で発電要素１６０を構成する単電池１５０のいずれかが過電圧状態であることがわかる。

なお、本実施の形態では、光センサが設けられ、発光素子２３３および２３４を備えた放電回路２１０を例示して説明するが、光センサを設けずまた発光素子を備えていない放電回路とすることも可能である。

図４に示したような放電回路２１０は、図２に示したようにイオン導電材２０８が印刷されたイオン導電層と同一平面内に形成されているが、この放電回路２１０もやはり印刷技術を用いて形成する。放電回路２１０の具体的な層構造を図５に示す。なお、印刷技術には様々なものが存在するが、本実施の形態ではインクジェット方式を用いて形成している。

放電回路は、アセン系、チオフェン系、フェニレン系、ビニレン系、金属置換フタロシアニン、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＮＱ、ＰＴＣＤＡ、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＩ、ＮＴＣＤＩ、Ｃ６０およびＣ７０、Ａｌｑ３、Ｉｒ（ｐｐｙ）３、ＢＣＰ、ＴＰＤ、ＮＰＤ等の有機半導体層と、ＩＴＯ等の酸化物、アルミ、マグネシウム、金、銀等の金属を含むダイオードやトランジスタにより構成され、有機半導体層を用いて放電回路を形成することにより、薄く、小さい放電回路の形成を実現することができる。また、この放電回路４１１は、有機半導体と金属とを積層して成るショットキダイオードと有機発光ダイオード層を含んで構成することが好ましく、ショットキダイオード層で放電回路４１１を構成することにより、より単純な構成となり、低コスト化を実現することができる。

ショットキダイオードは、例えば、金の上に半導体層としてアセン系材料であるペンタセンを形成し、さらにその上に銀またはアルミを形成して積層した。ここで半導体層とアルミ、銀の接合がショットキー接合になっていれば材料はこれに限るものではない。

有機発光ダイオードは、例えば、金の上にＴＰＤ、ＮＰＤ等の正孔輸送材料、次にＡｌｑ３、Ｉｒ（ｐｐｙ）３等の発光材料、次にＢＣＰ等の電子伝導材料、アルミ、銀などの金属の順で積層した。金と正孔輸送材料の間で正孔注入が出来、アルミとＢＣＰの間で電子注入が行われている。発光材料層まで電子と正孔が注入されれば発光材料で光が生成するので、材料の組み合わせはこれらに限らない。

トランジスタは、ソース電極である金の上に半導体層としてアセン系材料であるペンタセン、ゲート電極として網状のアルミ、銀などの金属、ペンタセン、ドレイン電極の金の順で積層した。トランジスタは、ショットキー接合のゲート電極、ペンタセンの接合にかかる電圧で、ペンタセン中の空亡層の領域を変化させて二つの金電極間の抵抗を変化させる、ＳＩＴ構造を例示した。ソース、ドレイン電極でオーミック接合、ゲート電極でショットキー接合が出来るＳＩＴ構造であれば、材料は特にこれらに限らない。また、ＭＯＳＦＥＴ構造、ＪＦＥＴ構造、バイポーラトランジスタ構造などを構成しても良い。

図５に示すように、導電材２６０の上に負極材料２６１、絶縁材料２６２、正孔伝導材料２６３、電子伝導材料２６４を所定のパターンにしたがって噴射し、正孔伝導材料２６３、電子伝導材料２６４の厚みが確保できたら、正孔伝導材料２６３、電子伝導材料２６４の上にＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料２６５を噴射する。ＥＬ材料２６５の厚みが確保できたら、今度は電解質２６６、絶縁材料２６２、電子伝導材料２６４、正孔伝導材料２６３を所定のパターンにしたがって噴射する。電子伝導材料２６４、正孔伝導材料２６３の厚みが確保できたら、電子伝導材料２６４、正孔伝導材料２６３の上に導電材料２６７を噴射する。導電材料２６７の厚みが確保できたら、導電材料２６７の上にＰ型半導体２６８を噴射する。Ｐ型半導体２６８が所定の厚みになる前に、電解質２６６の厚みが確保できたら電解質２６６に代えて正極材料２６９を噴射する。Ｐ型半導体２６８が所定の厚みになったら、Ｐ型半導体２６８の上にＮ型半導体２７０と金属（図中四角で囲まれている部分）を所定のパターンに従って噴射する。そして最後に導電材２６０を噴射して放電回路を形成する。

図５において、正孔伝導材料２６３、ＥＬ材料２６５、電子伝導材料２６４の積層体で構成されるものが発光層すなわち発光素子（発光ダイオード）２３３または２３４であり、Ｐ型半導体２６８とＮ型半導体２７０とでツェナーダイオード層、すなわちツェナーダイオード２３１または２３２が形成される。Ｎ型半導体２７０内にＰ型半導体２６８が形成されている部分は定電流回路２３５又は２３６である。なお、ツェナーダイオード２３１又は２３２のＮ型半導体層にＰ型半導体層、又は金属層が縞状に形成されるが、金属層は外部でＰ型半導体層と接続される。

放電回路２１０とバイポーラ電極１５０との接触面積は、バイポーラ電極１５０の電池容量１Ａｈに対して０．０６ｍｍ^２以上とするのが好ましい。このように、電池容量に対して接触面積が決まるのは次のような理由からである。たとえば、１ヶ月で自己放電により５０％放電してしまう電池は１Ａｈ当り０．７ｍＡが自然に放電されていることになる。この場合には、１ヶ月の放置に耐えられないので電池の交換が必要となる。自己放電の３倍の速度で電圧バランスを回復しようとすると、放電回路２１０での電圧バランス機能の下限放電電流を自己放電電流の３倍の２ｍＡとする必要がある。半導体のＰＮ接合の許容発熱量は１ｍｍ^２当り約１２０ｍｗである。電池電圧を３．５Ｖとすると、電池１Ａｈ当り約０．０６平方ミリメートルの放電回路面積が必要となる。

このように、実使用条件で十分な放電電流を確保し、放電回路部分の発熱量を最適なものとすれば、放電回路２１０の面積を小さくできる。

放電回路２１０を構成する異常電圧検出回路及び電圧バランス回路並びにそれらの放電特性が図６及び図７に示されている。異常電圧検出回路の特性は、単電池１５０の電圧があらかじめ設定されている放電電圧の閾値以上の電圧であれば（電池の異常電圧）その電圧値に応じて電流が増加する特性を持っている。一方、放電電圧の閾値未満の電圧であれば、ほとんど電流は流れない（許容暗電流）という特性を持っている。閾値以上の電圧であると発光素子２３３、２３４に大きな電流が流れるので発光する。発光素子２３３、２３４に流れる電流は抵抗器２４０の抵抗値で規制されるが、その電流が発光素子２３３、２３４の許容電流を超えないように定電流回路２３６が設けられている（図４参照）。なお発光素子の近傍には光センサが設置され、この光センサで放電電圧の閾値の範囲を逸脱したことを電位変換により外部に伝達する為の光絶縁通信の最小の手段が構成される。

電圧バランス回路の特性は、単電池１５０の電圧があらかじめ設定されている放電電圧の閾値以上の電圧であれば（電池の異常電圧）閾値を越えないようにツェナーダイオード２３１に電流が流れるという特性を持っている。ツェナーダイオード２３１及び２３２におけるＰＮ接合の降伏電圧を放電電圧の閾値の設定と同一にすべく、ドーピング濃度は１０^１７〜１０^１８ｃｍ ^−３の範囲に、また空亡層の厚みは０．１μｍ〜１．０μｍの範囲としている。図８に示してあるように、半導体のＰＮ接合の降伏電圧は、ドーピング濃度と空亡層厚みで決定される。したがって、図から必要なドーピング濃度と厚みを決定することができる。ツェナーダイオード２３１及び２３２の特性を最適なものとすれば、放電回路２１０の暗電流を抑え、長期放置時における電池の過放電を回避でき、信頼性の高い電池の供給が可能となる。

本実施の形態では、ツェナーダイオード２３１及び２３２を、導電材料２６７の上にＰ型半導体２６８、さらにその上にＮ型半導体２７０層を積層してＰＮ接合を形成し、ドーピング濃度の低いパンチスルー領域をＰＮ接合部に０．５μｍ以下で設けることにより、降伏電圧をパンチスルー領域の厚みで制御するようにした。これにより、ダイオードの降伏電圧まで電池がゆっくりと放電され、降伏電圧が高精度で揃う為、直列電池の電圧が揃い、電池の本来もっている容量をより多く使用することができることになる。ドーピング濃度の低い領域を作成せずにＰ型、Ｎ型層のドーピング濃度を調整することで降伏電圧を制御することもできるようになる。

図９には、放電回路２１０の他の形態を示したが、図５と異なるのは、定電流回路を構成することになる部分の層構造だけである。すなわち、導電材料２６７の上に、Ｐ型半導体層にＮ型半導体層、又は金属層を縞状に形成する層を積層し、さらにその層の上にＰ⁻型半導体２７１を積層し、さらにその上にＮ型半導体を積層している点のみが異なる。

放電回路２１０をこのような層構造としても上述したような異常電圧検出回路及び電圧バランス回路としての機能を持たせることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、各単電池間に放電回路が挟み込まれるようにして形成されているので、電圧検出線及びバイパス線をバイポーラ電池外に引き出さなくとも、各単電池の容量バランスを自動的にとることができるようになり、製造工数の低減及びバイポーラ電池の信頼性の向上を図ることができることになる。

次に発光素子２３３、２３４を用いる場合の好適な実施形態を説明する。特に本実施形態では電極の形成を、インクジェット工法を特に用いておらず、通常の方法で作製された集電箔２６０の両面に正極層２６９、負極層２６１が塗布済みの電極の外周部に前述のインクジェット工法により電極の両面に各々定電流回路（ツェナーダイオード２３１及び２３２を含む）２３５、２３６、発光素子２３３、２３４を形成している。隣接する定電流回路と発光素子との電気的接続は後述するように導電性の接着材を用いて行う。

図１０に示すように発光素子は電極２６０の側面に細長く形成することが好ましい。発光素子は電池の面と垂直な方向に光を多く放出するが、光の取出し口は電池の側面端部である。よって、側面より遠い位置からの光は途中で吸収されてしまうため、発光素子を電池の側面から遠くにおいては光を取出しにくい。発光素子は電池側面に細長く作成することが望ましい。本実施形態では長さは１０ｍｍ以下で、電池全体の面積の１％以下とすることが望ましい。

次に図１１に発光素子２３３、２３４周辺部の詳細を説明する。ここで、導電性接着シール剤５０１としては、導電性粒子を含んだ高分子材料であって、本実施形態では反射層を形成するために金属の導電性粒子を含んだものが好ましい。シール剤５０２は導電性のない高分子材料で構成されており透明である。

図１２は図１１のＡ面の断面図である。

図１１、図１２の実施形態によれば、発光素子２３３、２３４に対して導電性接着シール剤５０１、シール剤５０２の両者が接合しているので、シール剤５０２を介して発光素子２３３、２３４の光を電池側面に導くことができる。さらに導電性シール剤５０１を電解質層近傍で広げることで、導電性シール剤５０１が反射板の役割を果たし、より好適に光を電池側面に導くことができる。また発光素子２３３、２３４を接続する導電性接着剤の層の抵抗値を、発光素子２３３、２３４の抵抗として活用する。電池は１０Ｖ程度まで電圧が上昇することがあり、発光素子２３３、２３４は１Ａ／ｃｍ^２まで耐えるため、抵抗値は１０Ω／ｃｍ^２以上が望ましい。

以上説明してきたバイポーラ電池は、複数、直列に又は並列に接続して組電池モジュール２５０（図１３参照）を形成し、この組電池モジュール２５０をさらに複数、直列に又は並列に接続して組電池３００を形成することもできる。図１３は、組電池３００の平面図（図Ａ）、正面図（図Ｂ）、側面図（図Ｃ）を示しているが、作成した組電池モジュール２５０は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、組電池モジュール２５０は接続治具３１０を用いて複数段積層される。何個のバイポーラ電池１１０を接続して組電池モジュール２５０を作成するか、また、何段の組電池モジュール２５０を積層して組電池３００を作成するかは、搭載される車両（電気自動車）の電池容量や出力に応じて決めればよい。

このように、組電池モジュール２５０を複数直並列接続されてなる組電池３００は、高容量、高出力を得ることができ、一つ一つの組電池モジュール２５０の信頼性が高いことから、組電池３００としての長期的な信頼性の維持が可能である。また一部の組電池モジュール２５０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になる。

組電池３００の場合、多数のバイポーラ電池１００が直列接続されているので、一つのバイポーラ電池１００の微小短絡などによる自己放電が加速すると充電状態のバランスが崩れてしまう。最悪の場合、充電状態０％のバイポーラ電池と１００％のバイポーラ電池とが直列に接続されている状態であれば、片方のバイポーラ電池が過充電、放電すれば片方のバイポーラ電池が過放電になる為、電流を流せなくなる。本発明に係るバイポーラ電池はその内部に放電回路を備えているので、バイポーラ電池ごとに充放電容量のバランスが自動的にとられており、組電池としての信頼性と耐久性を向上させることができる。また、外部に容量を調整するための装置が不要になるので、組電池の小型化を図ることもできる。

組電池３００を、電気自動車４００に搭載するには、図１４に示したように、電気自動車４００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、組電池３００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。以上のような組電池３００を用いた電気自動車４００は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。さらに、組電池コントローラ４０１により、光センサ５０３の受光中は容量調整中であると判断して、出力を制限することで組電池の寿命を延ばすことができる。

なお、本発明では、組電池３００だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュール２５０のみを搭載するようにしてもよいし、これら組電池３００と組電池モジュール２５０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。

本発明によれば、電圧検出線及びバイパス線を外部に引き出すことなく、単電池それぞれの電圧に基づいて最適な容量バランスを自動的に確保することができるので、バイポーラ電池の量産化と信頼性向上に大いに役立つ。

本実施形態に係るバイポーラ電池の外観図である。バイポーラ電池内部の概略構成図である。バイポーラ電池内部の概略構成図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される放電回路の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される発光素子の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される発光素子の説明に供する図である。バイポーラ電池に内蔵される発光素子の説明に供する図である。組電池の概略構成図である。組電池が車両に搭載された状態を示す図である。

符号の説明

１００バイポーラ電池、
１２０Ａ正極タブ、
１２０Ｂ負極タブ、
１５０単電池、
１６０発電要素、
１８０ラミネートフィルム、
２００導電材、
２０２負極活物質、
２０４Ａ〜２０４Ｄ導電材、
２０６絶縁材、
２０８イオン伝導材、
２１０放電回路、
２１２正極活物質、
２１４導電材、
２２０バイポーラ電極、
２３１、２３２ツェナーダイオード、
２３３、２３４発光素子、
２３５、２３６定電流回路、
２５０組電池モジュール、
２６１負極材料、
２６２絶縁材料、
２６３正孔伝導材料、
２６４電子伝導材料、
２６５ＥＬ材料、
２６６電解質、
２６７導電材料、
２６８Ｐ型半導体、
２６９正極材料、
２７０Ｎ型半導体、
２７１Ｐ⁻型半導体、
３００組電池、
３１０接続治具、
４００電気自動車、
４０１組電池コントローラ、
５０１導電性シール剤、
５０２シール剤、
５０３光センサ。

Claims

集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層してなるバイポーラ電池において、
前記正極層または負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極同士を電気的に導通させる放電回路が形成され、
前記放電回路は、ツェナーダイオード層と定電流回路とを含み、
前記放電回路は発光層を含み、前記定電流回路と前記発光層とは直列に配置されていることを特徴とするバイポーラ電池。
前記放電回路の近傍には前記発光層からの光に感応する光センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記発光層と前記電池の端部との間に導光層を配置した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。
前記放電回路の前記バイポーラ電極との接触面積は、当該バイポーラ電池の電池容量１Ａｈに対して０．０６ｍｍ ^２以上とされてい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電池。
前記放電回路における放電電圧の閾値は３．６Ｖから４．１Ｖの間に設定され、前記放電回路が有するＰＮ接合の降伏電圧を当該閾値の設定と同一にすべく、ドーピング濃度は１０ ^１７〜１０ ^１８ｃｍ ^−３の範囲に、また空乏層の厚みは０．１μｍ〜１．０μｍの範囲としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバイポーラ電池。
前記バイポーラ電極、前記電解質層及び前記放電回路は、外装材によって覆われ密封されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバイポーラ電池。
前記バイポーラ電極、前記電解質層及び前記放電回路並びに光センサは、外装材によって覆われ密封されていることを特徴とする請求項３に記載のバイポーラ電池。