JP5532136B2

JP5532136B2 - 積層型電池

Info

Publication number: JP5532136B2
Application number: JP2012526418A
Authority: JP
Inventors: 泰仁宮崎; 直人鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: KR20130041277A; MY166811A; MX2013001029A; KR101386792B1; CN103038918B; JPWO2012014693A1; BR112013003422A2; US8871380B2; RU2013108854A; RU2529485C1; WO2012014693A1; US20130130082A1; TW201208177A; CN103038918A; EP2600441A1; TWI466357B; EP2600441A4

Description

この発明は双極型電池の集電体に取り付ける電圧検出用端子の配置に関する。

集電体の一方の面に正極活物質層を、他方の面に負極活物質層を形成した双極型電極を、電解質層を介装して複数積層した双極型電池においては、各層を構成する単位セルに、製造時の要因による内部抵抗や容量等のばらつきが存在する。双極型電池はこれらの単位セルを直列に接続した状態で用いられる。しかし、各単位セルが分担する電圧にばらつきが存在すると、電圧が大きい単位セルから劣化が進行し、結果として双極型電池全体の寿命が短くなってしまう。

双極型電池全体の寿命を伸ばすには、したがって、各単位セルの電圧を測定し、測定した電圧に基づき各単位セルの電圧を調整することが好ましい。

日本国特許庁が２００５年に発行した特開２００５−２３５４２８号は、双極型電池の各単位セルの電圧を測定するべく、各単位セルの集電体に電圧検出用端子を取り付け、単位セルごとに電圧を取り出して計測することを教えている。

この従来技術による双極型電池において、集電体は積層方向から見て長方形の平面形状をなしている。電圧検出用端子は、積層方向から見て同一の辺に相当する位置に取り付けられている。

電圧検出用端子のこのような配置は、電圧検出用端子を用いて電圧調整用の放電を行う際に、層状の単位セルの同一面内の電圧分布に不均等を生じさせやすい。その結果、放電完了後の同一の単位セル内で部位による充電状態のばらつきが生じる可能性がある。

この発明の目的は、したがって、単位セル内の同一面における充電状態を均等化することである。

以上の目的を達成するために、この発明による双極型電池は、層状の集電体と、集電体の一面に配置された正極活物質層と、集電体のもう一面に配置された負極活物質層とからなる双極型電極を電解質層を介して複数積層するとともに、集電体の周縁部に取り付けられた電圧検出用端子を備えている。この双極型電池においては、電圧検出用端子と集電体の図心とを結ぶ第１の直線に直交し、集電体の図心を通る第２の直線に関して前記電圧検出用端子の反対側に、隣接する集電体の電圧検出用端子が配置される。また、図心で交わる２本の直線で集電体の平面形状を４個の領域に分割した場合に、隣接しない２つの領域の一方ともう一方に、隣接する集電体の電圧検出用端子がそれぞれ配置される。さらに、隣接しない２つの領域は、２本の直線の交角が鋭角をなす領域で構成される。
この発明による双極型電池はまた、隣接する集電体の電圧検出用端子を１５０度から２１０度の角度間隔で配置している。

この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。なお、添付された図面は説明の都合上の理由から、双極型電池を構成する各層の厚さや形状に関する誇張を含む。

ＦＩＧ．１はこの発明の第１の実施形態による双極型電池の概略縦断面図である。ＦＩＧ．２は双極型電池を上方から眺めた平面図である。ＦＩＧ．３は双極型電池内の電気の流れを説明する双極型電池の概略縦断面図である。ＦＩＧ．４は従来技術による双極型電池の概略縦断面図である。ＦＩＧ．５は従来技術による双極型電池を上方から眺めた平面図である。ＦＩＧ．６は従来技術による双極型電池の単位セル内の電流分布を示す回路図である。ＦＩＧ．７は従来技術による双極型電池の単位セルに設けた電圧検出用端子からの距離と電流密度との関係を説明するダイアグラムである。ＦＩＧ．８は従来技術による双極型電池の電圧検出用端子からの距離と電圧との関係を説明するダイアグラムである。ＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄはこの発明の第１の実施形態による双極型電池を構成する４個の集電体の平面図である。ＦＩＧ．１０はこの発明の第１の実施形態による双極型電池の単位セル内の電流分布を示す回路図である。ＦＩＧ．１１はこの発明の第１の実施形態による双極型電池の電圧検出用端子からの距離と電圧との関係を説明するダイアグラムである。ＦＩＧＳ．１２Ａ−１２Ｄはこの発明の第２の実施形態による双極型電池を構成する４個の集電体の平面図である。ＦＩＧＳ．１３Ａ−１３Ｄはこの発明の第３の実施形態による双極型電池を構成する４個の集電体の平面図である。ＦＩＧ．１４はこの発明の第１の実施形態による双極型電池の単位セルの電圧検出用端子の配置を説明する概略平面図である。ＦＩＧ．１５はＦＩＧ．１４のXV−XV線で切り取った単位セル内の放電終了後の電圧分布を示すダイアグラムである。ＦＩＧ．１６はこの発明の第３の実施形態による双極型電池の単位セル内の電流分布を説明する、双極型電池要部の概略斜視図である。

図面のＦＩＧ．１を参照すると、この発明の第１の実施形態による双極型電池２はセパレータ１２を介して積層された4個の長方形の集電体４を備える。

集電体４は、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂で構成される。集電体４は、樹脂に限らず金属で構成しても良い。図中に水平保持された集電体４の鉛直下面には正極活物質層５が、鉛直上面には負極活物質層６がそれぞれ形成される。集電体４とその両側に形成された正極活物質層５と負極活物質層６とが、双極型電極３を構成する。双極型電池２はしたがって、４個の双極型電極３を備える。

負極活物質層６は正極活物質層５より表面積が広く設定される。双極型電極３は、電解質層７を介して鉛直方向に積層され、電気的に直列に接続されることで、１個の双極型電池２を形成する。

図において上下方向に隣り合う２つの双極型電極３を、説明上ここでは上段双極型電極及び下段双極型電極と称する。下段双極型電極の上面に位置する負極活物質層６と、上段双極型電極の下面に位置する正極活物質層５とが電解質層７を介して互いに向き合うように、上段双極型電極と下段双極型電極とが配置される。

正極活物質層５と負極活物質層６の面積は、集電体４の水平方向の面積よりも小さく設定される。つまり、集電体４を積層方向から眺めた周縁領域には正極活物質層５と負極活物質層６は設けられない。積層方向に関して隣接する2個の集電体４の周縁領域の間に所定幅のシール部材１１が挟持される。シール部材１１は正極活物質層５と負極活物質層６とを相互に絶縁するとともに、図の上下方向に対峙する正極活物質層５と負極活物質層６の間に所定の空間８を確保する。シール部材１１は、正極活物質層５と負極活物質層６の水平方向の外周のさらに外側に配置される。

電解質層７は空間８に充填された液体状またはゲル状の電解質９によって構成される。

電解質９が充填されている空間８には、電解質９を通過させることのできる多孔質膜で形成されたセパレータ１２が設けられる。セパレータ１２は対向する２つの電極活物質層５と６の電気的接触を阻止する役割を備える。

最上段の負極活物質層６に強電タブ１６が、最下段の正極活物質層５に強電タブ１７がそれぞれ接続される。充電された双極型電池２において、強電タブ１６はプラス端子として機能し、強電タブ１７はマイナス端子として機能する。

電解質層７と、電解質層７の両側の正極活物質層５及び負極活物質層６とで、一個の単位セル１５が構成される。双極型電池２は、３個の単位セル１５を直列に接続した構成となっている。

ＦＩＧ．３を参照すると、以下の説明では３個の単位セル１５を鉛直下方より第１単位セル１５ａ、第２単位セル１５ｂ、及び第３単位セル１５ｃと称する。ＦＩＧ．３はＦＩＧ．１と同じくこの発明の第１の実施形態による双極型電池２を示す。単位セル１５の数や双極型電池２を直列に接続する数は所望する電圧に応じて調節可能である。

直列に接続される３個の単位セル１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃが分担する電圧が等しくないと、双極型電池２全体として所望の電池電圧が得られない。そこで、この双極型電池２では、各単位セル１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃの電圧を測定するべく、電圧検出用端子２１ａを第１集電体４ａに、電圧検出用端子２１ｂを第２集電体４ｂに、電圧検出用端子２１ｃを第３集電体４ｃに、電圧検出用端子２１ｄを第４集電体４ｄにそれぞれ取り付ける。このようにして、各単位セル１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃの電圧をそれぞれ外部に取り出す。また、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄに配線２２ａ−２２ｄを接続する。配線２２ａ−２２ｄは制御回路２５に接続される。制御回路２５は、３個の単位セル１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃの電圧不均衡を緩和するために検出した単セル１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃの電圧に基づき、高電圧の単位セルに放電を行わせる。なお、放電も電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを用いて行われる。

すなわち、第１単位セル１５ａの電圧の計測と放電は電圧検出用端子２１ａと２１ｂを用いて行われる。第２単位セル１５ｂの電圧の計測と放電は電圧検出用端子２１ｂと２１ｃを用いて行われる。第３単位セル１５ｃの電圧の計測と放電は電圧検出用端子２１ｃと２１ｄを用いて行われる。

ＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄを参照すると、各集電体４ａ−４ｄの外形は積層方向、すなわちＦＩＧ．１の上下方向から見て長方形をなす。つまり、各集電体４ａ−４ｄは４つの辺３１、３２、３３、及び３４を有する。

４個の集電体４ａ−４ｄへの電圧検出用端子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、及び２１ｄの取り付けは接着等の方法で行われる。なお、Ｎ個の単位セルの電圧を検出するにはＮ＋１個の電圧検出用端子が必要である。

ここでは、４つの集電体４ａ−４ｄを、第１集電体４ａ、第２集電体４ｂ、第３集電体４ｃ、及び第４集電体４ｄと称する。

ＦＩＧＳ．４と５を参照すると、従来技術による双極型電池２は、積層方向から見てそれぞれ辺３１の同じ位置に電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付けている。この場合には、電圧調整のための放電を行うに際して、単位セル１５の面内で電圧分布に不均等が生じ、放電完了後に同一の単位セル１５内で充電状態の不均等を生じさせてしまう。特に、集電体４ａ−４ｄに金属材料より導電性の低い樹脂材料を用いる場合には、単位セル１５の面内の電流密度分布の偏りが顕著に現れる。

ＦＩＧ．６を参照すると、層状の電池である単位セル１５ａは、積層方向から見た場合に長方形の平面形状をなし、一つの面内に並列接続された複数、例えば５つ、の微小電池要素Ｂ１を備える、と見なすことができる。

ここで、５つの微小電池要素Ｂ１には抵抗Ｒ１が直列に接続される。抵抗Ｒ１は電池直流抵抗を意味する。図の上下の抵抗Ｒ２は面内抵抗要素を意味する。第１単位セル１５ａの放電用端子となる一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂはいずれも図の右端に位置している。単位セル１５の放電時には、電圧検出用端子２１ａと２１ｂが放電抵抗Ｒ４を介して接続される。

図において各微小電池要素Ｂ１を通過する５つの放電経路の中で、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂに最も近い位置にある微小電池要素Ｂ１を通過する放電電流Ｉ１の経路が最も短く、かつ経路の抵抗値も最も小さい。一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂから離れた位置にある微小電池要素Ｂ１ほどその微小電池要素Ｂ１を通過する放電電流の経路が長く、かつ経路の抵抗値も大きい。５つの経路の中で一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂから最も離れた位置にある微小電池要素Ｂ１を通過する放電電流Ｉ５の経路が最も長くかつ経路の抵抗値が最も大きい。

ＦＩＧ．７を参照すると、従来技術による双極型電池２においては、単位セル１５ａの同一面内で一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂからの距離が遠くなるにつれて、電流密度が小さくなる。

ＦＩＧ．８を参照すると、従来技術による双極型電池２においては、放電終了後の単位セル１５ａの電圧分布は、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂに近い微小電池要素Ｂ１ほど電圧が低い。つまり、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂに近い微小電池要素Ｂ１ほど放電の進行が早い。

このようにして、従来技術による双極型電池２においては、放電が完了するまでの期間に、単位セル１５ａの面内に電圧の不均等が生じる。本来、均一であるべき単位セル１５の同一面内の充電状態の不均等は、測定された単位セル１５ａの電圧を上回る電圧となる箇所が同一単位セル１５ａ内に存在する可能性を許容することを意味する。こうした部位が存在すると、電池の使い方によっては認識されないまま局所的な電池の過充電を引き起こす可能性がある。単位セル１５ｂと１５ｃについても同様である。

再びＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄを参照すると、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、集電体４ａ−４ｄの周縁部に電圧検出用端子２１ａ−２１ｄが１つずつ取り付けられる。取り付けは例えば接着により行われる。ＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄは電圧検出用端子２１ａ−２１ｄの配置を示すために、集電体４ａ−４ｄの平面形状を個別に示したものである。

ＦＩＧ．９Ｄを参照すると、積層方向に隣接する第１集電体４ａの電圧検出用端子２１ａと第２集電体４ｂの電圧検出用端子２１ｂは次のように配置される。すなわち、第１集電体４ａの図心Ｏａを通り、電圧検出用端子２１ａと第１集電体４ａの図心Ｏａとを結ぶ第１の直線Ｄａ１に直交する第２の直線Ｄａ２の反対側に、隣接する第２集電体４ｂの電圧検出用端子２１ｂを配置する。

ＦＩＧ．９Ｃを参照すると、積層方向に隣接する第２集電体４ｂの電圧検出用端子２１ｂと第３集電体４ｃの電圧検出用端子２１ｃは次のように配置される。すなわち、第２集電体４ｂの図心Ｏｂを通り、電圧検出用端子２１ｂと第２集電体４ｂの図心Ｏｂとを結ぶ第１の直線Ｄｂ１に直交する第２の直線Ｄｂ２の反対側に、隣接する第３集電体４ｃの電圧検出用端子２１ｃを配置する。

ＦＩＧ．９Ｂを参照すると、積層方向に隣接する第３集電体４ｃの電圧検出用端子２１ｃと第４集電体４ｄの電圧検出用端子２１ｄは次のように配置される。すなわち、第３集電体４ｃの図心Ｏｃを通り、電圧検出用端子２１ｃと第３集電体４ｃの図心Ｏｃとを結ぶ第１の直線Ｄｃ１に直交する第２の直線Ｄｃ２の反対側に、隣接する第４集電体４ｄの電圧検出用端子２１ｄを配置する。

ＦＩＧ．９Ａを参照すると、以上の配置により、第４集電体４ｄの図心Ｏｄを通り、電圧検出用端子２１ｄと第４集電体４ｄの図心Ｏｄとを結ぶ第１の直線Ｄｄ１に直交する第２の直線Ｄｄ２の反対側に、隣接する第３集電体４ｃの電圧検出用端子２１ｃが位置することになる。

以上を要約すれば、ある集電体４とそれに取り付けられた電圧検出用端子２１に関して、集電体４の図心Ｏを通り、電圧検出用端子２１と集電体４の図心Ｏとを結ぶ第１の直線Ｄ１に直交する第２の直線Ｄ２の反対側に、隣接する集電体４の電圧検出用端子２１を配置している。言い換えれば、隣接する集電体４に取り付けられた２個の電圧検出用端子２１は９０度以上の角度間隔のもとで配置される。

以上の条件を満たした上で、さらに好ましくは、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄは次のように配置される。

集電体４の図心Ｏを通る２本の直線で集電体４の平面形状を４個の領域に分け、隣接しない２つの領域の一方に位置する辺に電圧検出用端子２１を取り付ける。積層方向に隣接する集電体４の電圧検出用端子２１を隣接しない２つの領域のもう一方に位置する辺に取り付ける。好ましくは、２本の直線は長方形の平面形状の集電体４の頂点を通る２本の対角線で構成する。

すなわち、ＦＩＧ．９Ｄを参照すると、第１集電体４ａの図心Ｏａと長方形の対角線をなす２本の直線Ｌ１ａとＬ２ａによって第１集電体４aを４個の領域ＲＧ１ａ、ＲＧ２ａ、ＲＧ３ａ，及びＲＧ４ａに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ａとＲＧ３ａの一方ＲＧ３ａに電圧検出用端子２１ａを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ａとＲＧ３ａのもう一方ＲＧ１ａに相当する位置に隣接する第２集電体４ｂの電圧検出用端子２１ｂを配置する。

ＦＩＧ．９Ｃを参照すると、第２集電体４ｂの図心Ｏｂと長方形の対角線をなす２本の直線Ｌ１ｂとＬ２ｂによって第２集電体４ｂを４個の領域ＲＧ１ｂ、ＲＧ２ｂ、ＲＧ３ｂ，及びＲＧ４ｂに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ｂとＲＧ３ｂの一方ＲＧ１ｂに電圧検出用端子２１ｂを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ｂとＲＧ３ｂのもう一方ＲＧ３ｂに相当する位置に隣接する第３集電体４ｃの電圧検出用端子２１ｃを配置する。

ＦＩＧ．９Ｂを参照すると、第３集電体４ｃの図心Ｏｃと長方形の対角線をなす２本の直線Ｌ１ｃとＬ１ｃによって第３集電体４ｃを４個の領域ＲＧ１ｃ、ＲＧ２ｃ、ＲＧ３ｃ，及びＲＧ４ｃに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ｃとＲＧ３ｃの一方ＲＧ３ｃに電圧検出用端子２１ｃを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ｃとＲＧ３ｃのもう一方ＲＧ１ｃに相当する位置に隣接する第４集電体４ｄの電圧検出用端子２１ｄを配置する。

発明者らの研究によれば、隣接する集電体４ａ−４ｄの電圧検出用端子２１ａ−２１ｄは１５０−２１０度の角度間隔のもとで配置することが望ましい。あるいは、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを設ける隣接しない２つの領域は、長方形の対角線をなす２本の直線Ｌ１ａ（Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ）とＬ２ａ（Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）の交角が鋭角をなす領域とすることが望ましい。

長方形の対角線をなす２本の直線Ｌ１ａ（Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ）とＬ２ａ（Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）の交角が鋭角をなす領域に電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付けると、２本の直線Ｌ１ａ（Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ）とＬ２ａ（Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）の交角が鈍角をなす領域に電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付けるよりも、隣接する電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを離して配置できるからである。

ＦＩＧ．１０を参照して、以上のように電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを配置した双極型電池２において、単位セル１５ａ−１５ｃの内部で放電電流がどのように流れるかを次に説明する。

ＦＩＧ．６について説明したように、層状の電池である第１単位セル１５ａは、積層方向から見た場合に長方形をなし、一つの面内に並列接続された複数、例えば５つの微小電池要素Ｂ１を備える、と見なすことができる。第２単位セル１５ｂと第３単位セル１５ｃについても同様である。

第１単位セル１５ａの電圧はＦＩＧ．３に示すように第１単位セル１５ａの両側の集電板４ａと４ｂに取り付けた電圧検出用端子２１ａと２１ｂにより検出される。

電圧検出用端子２１ａは図の左端に、電圧検出用端子２１ｂは図の右端に位置している。そのため、５つの微小電池要素Ｂ１を通過する放電電流の経路の長さはほぼ等しくなる。図示された電圧検出用端子２１ａと２１ｂの間の５個の放電経路の抵抗は、いずれも１個の抵抗Ｒ１と６個の抵抗Ｒ２で構成される。つまり、５個の放電経路の抵抗値はほぼ等しくなる。

その結果、５つの各微小電池要素Ｂ１を通過する放電電流Ｉ１−Ｉ５の大きさもほぼ等しい。このように、第１単位セル１５ａの面内において、５つの微小電池要素Ｂ１はその存在位置に関係なく均等に放電を行う。

ＦＩＧ．１１を参照すると、均等な放電の結果、放電終了後の第１単位セル１５ａ内の電圧分布は、電圧検出用端子２１ａからの距離とは関係なく一定である。つまり、従来技術による電圧検出用端子の配置がもたらすＦＩＧ．８に示すような電圧の不均等を生じない。この双極型電池２によれば、単位セル１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）の面内での電圧分布の平坦化が期待できるのである。

以上のように、この双極型電池２においては、単位セル１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）の一方の電圧検出用端子２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）からもう一方の電圧検出用端子２１ｂ（２１ｃ，２１ｄ）への放電経路の抵抗が経路によらず均一化される。そのため、単位セル１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）の平面内のいかなる場所においても電流密度が等しくなり、単位セル１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）内の充電状態を同レベルで平行に推移させることができる。また、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂ（２１ｂと２１ｃまたは２１ｃと２１ｄ）が検出する放電完了後の電圧は、単位セル１５ａ（１５ｂ，１５ｃ）のどの部分であるかに依存しないので、精度の良い電圧検出を行うことができる。

この実施形態による双極型電池２は長方形の平面形状を有する集電体４ａ−４ｄを用いているが、この発明は長方形以外の多角形の集電体を用いた双極型電池にも適用可能である。

さらに、頂点を有する多角形に限らず、集電体の平面形状が円形や楕円形などいかなる形であっても適用可能である。

ＦＩＧＳ．１２Ａ−１２Ｄを参照して、このような形状の集電体４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，及び４ｄａを有する双極型電池２に適用される、この発明の第２の実施形態を説明する。

この実施形態においても、第１の実施形態と同様に双極型電池２を４個の集電体４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，及び４ｄａで構成する。ただし、第１の実施形態と異なり集電体４ａａ−４ｄａは対称性や頂点を持たない平面形状を有する。

第１集電体４ａａには電圧検出用端子２１ａが、第２集電体４ｂａには電圧検出用端子２１ｂが、第３集電体４ｃａには電圧検出用端子２１ｃが、第４集電体４ｄａには電圧検出用端子２１ｄがそれぞれ取り付けられる。

ＦＩＧＳ．１２Ａ−１２ＤはＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄと同様に、集電体４ａａ−４ｄａにおける電圧検出用端子２１ａ−２１ｄの配置を示す。

ＦＩＧ．１２Ｄを参照すると、積層方向に隣接する２つの第１集電体４ａａと第２集電体４ｂａの電圧検出用端子２１ａと２１ｂは次のように配置される。すなわち、第１集電４ａａの図心Ｏａを通り、電圧検出用端子２１ａと第１集電体４ａａの図心Ｏａとを結ぶ第１の直線Ｄａ１に直交する第２の直線Ｄａ２の反対側に、隣接する第２集電体４ｂａの電圧検出用端子２１ｂを配置する。

ＦＩＧ．１２Ｃを参照すると、積層方向に隣接する第２集電体４ｂａと第３集電体４ｃａの電圧検出用端子２１ｂと２１ｃは次のように配置される。すなわち、第２集電体４ｂａの図心Ｏｂを通り、電圧検出用端子２１ｂと第２集電体４ｂａの図心Ｏｂとを結ぶ第１の直線Ｄｂ１に直交する第２の直線Ｄｂ２の反対側に、隣接する第３集電体４ｃａの電圧検出用端子２１ｃを配置する。

ＦＩＧ．１２Ｂを参照すると、積層方向に隣接する第３集電体４ｃａと第４集電体４ｄａの電圧検出用端子２１ｃと２１ｄは次のように配置される。すなわち、第３集電体４ｃａの図心Ｏｃを通り、電圧検出用端子２１ｃと第３集電体４ｃａの図心Ｏｃとを結ぶ第１の直線Ｄｃ１に直交する第２の直線Ｄｃ２の反対側に、隣接する第４集電体４ｄａの電圧検出用端子２１ｄを配置する。

ＦＩＧ．１２Ａを参照すると、以上の配置により、第４集電体４ｄａの図心Ｏｄを通り、電圧検出用端子２１ｄと第４集電体４ｄａの図心Ｏｄとを結ぶ第１の直線Ｄｄ１に直交する第２の直線Ｄｄ２の反対側に、隣接する第３集電体４ｃａの電圧検出用端子２１ｃが位置することになる。

この実施形態においても、隣接する２個の集電体４にそれぞれ取り付けられた電圧検出用端子２１は９０度以上の角度間隔のもとで配置される。

集電体４の図心Ｏを通る２本の直線で集電体４の平面形状を４個の領域に分け、隣接しない２つの領域の一方に位置する辺に電圧検出用端子２１を配置する。

すなわち、ＦＩＧ．１２Ｄを参照すると、第１集電体４ａａの図心Ｏａを通る２本の直線Ｌ１ａとＬ２ａによって第１集電体４aａを４個の領域ＲＧ１ａ、ＲＧ２ａ、ＲＧ３ａ，及びＲＧ４ａに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ａとＲＧ３ａの一方ＲＧ３ａに電圧検出用端子２１ａを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ａとＲＧ３ａのもう一方ＲＧ１ａに相当する位置に隣接する第２集電体４ｂａの電圧検出用端子２１ｂを配置する。

ＦＩＧ．１２Ｃを参照すると、第２集電体４ｂａの図心Ｏｂを通る２本の直線Ｌ１ｂとＬ２ｂによって第２集電体４ｂａを４個の領域ＲＧ１ｂ、ＲＧ２ｂ、ＲＧ３ｂ，及びＲＧ４ｂに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ｂとＲＧ３ｂの一方ＲＧ１ｂに電圧検出用端子２１ｂを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ｂとＲＧ３ｂのもう一方ＲＧ３ｂに相当する位置に隣接する第３集電体４ｃａの電圧検出用端子２１ｃを配置する。

ＦＩＧ．１２Ｂを参照すると、第３集電体４ｃａの図心Ｏｃを通る２本の直線Ｌ１ｃとＬ１ｃによって第３集電体４ｃａを４個の領域ＲＧ１ｃ、ＲＧ２ｃ、ＲＧ３ｃ，及びＲＧ４ｃに分割し、隣接しない２つの領域ＲＧ１ｃとＲＧ３ｃの一方ＲＧ３ｃに電圧検出用端子２１ｃを配置する。隣接しない２つの領域ＲＧ１ｃとＲＧ３ｃのもう一方ＲＧ１ｃに相当する位置に隣接する第４集電体４ｄａの電圧検出用端子２１ｄを配置する。

好ましくは、第１集電体４ａａの２本の直線Ｌ１ａとＬ２ａとの交角が鋭角をなす領域に電圧検出用端子２１ａを取り付ける。電圧検出用端子２１ｂ−２１ｄについても同様である。さらに好ましくは、隣接する２個の集電体４の電圧検出用端子２１を１５０−２１０度の角度間隔をもって配置する。

以上のように、この実施形態によれば、対称性や頂点を持たない平面形状を持たない集電体４ａａ−４ｄａについても、この発明を適用することが可能であり、単位セル内の同一面における充電状態の不均衡を解消することである。

ＦＩＧＳ．１３Ａ−１３Ｄを参照してこの発明の第３の実施形態を説明する。

この実施形態においても、第１の実施形態と同様に双極型電池２を４個の集電体４ａ，４ｂ，４ｃ，及び４ｄで構成する。ＦＩＧＳ．１３Ａ−１３ＤはＦＩＧＳ．９Ａ−９Ｄと同様に、集電体４ａ−４ｄにおける電圧検出用端子２１ａ−２１ｄの配置を示す。集電体４ａ−４ｄは第１の実施形態と同様の長方形の平面形状を有する。

この実施形態による双極型電池２においては、集電体４ａ−４ｄの電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付ける辺に高電気伝導率の所定幅の良導体４１−４４をあらかじめ付着させる。

ＦＩＧ．１３Ｄを参照すると、第１集電体４ａについて電圧検出用端子２１ａを取り付ける辺３３ａに全長に渡って薄いフィルム状の第１良導体４１をあらかじめ付着させる。

ＦＩＧ．１３Ｃを参照すると、第２集電体４ｂについて電圧検出用端子２１ｂを取り付ける辺３１ｂに全長に渡って薄いフィルム状の第２良導体４２をあらかじめ付着させる。

ＦＩＧ．１３Ｂを参照すると、第３集電体４ｃについて電圧検出用端子２１ｃを取り付ける辺３３ｃに全長に渡って薄いフィルム状の第３良導体４３をあらかじめ付着させる。

ＦＩＧ．１３Ａを参照すると、第４集電体４ｄについて電圧検出用端子２１ｄを取り付ける辺３１ｄに全長に渡って薄いフィルム状の第４良導体４４をあらかじめ付着させる。各電圧検出用端子２１ａ−２１ｄは、良導体４１−４４の上に接着等の方法で取り付ける。

ＦＩＧ．１４を参照して、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付ける辺３３ａ、３１ｂ，３３ｃ，及び３１ｄに良導体４１−４４を付着させる理由を説明する。

ＦＩＧ．１４は第１の実施形態の双極型電池２の第１単位セル１５ａの概略平面図である。第１の実施形態の双極型電池２では、ＦＩＧＳ．９Ｃ−９Ｄに示すように、電圧検出用端子２１ａが第１集電体４ａの辺３３ａの下部に取り付けられている。また、電圧検出用端子２１ｂが第２集電体４ｂの辺３１ｂのほぼ中央部に取り付けられている。

ＦＩＧ．１４で「正極端子位置」とあるのが電圧検出用端子２１ａの取り付け位置、「負極端子位置」とあるのが電圧検出用端子２１ｂの取り付け位置に相当する。

さて、第１単位セル１５ａの放電時に等電圧線は一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂを結ぶ直線と平行をなす。放電終了後に等電圧線に直交する線、すなわち例えばＦＩＧ．１４のＸＶ−ＸＶ線で切り取った、第１単位セル１５ａ内の電圧分布がＦＩＧ．１５に示される。

ＦＩＧ．１５を参照すると、所定位置Ｂで電圧は極小となり、位置Ｂの両側においては位置Ｂから離れるほど電圧が高くなる。このように所定位置Ｂに極小値を有する電圧分布の傾向は、樹脂製の集電体など電気抵抗の高い集電体において顕著に現れる。

ＦＩＧ．１５に示す所定位置Ｂは、ＦＩＧ．１４においてＸＶ−ＸＶ線と一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂを結ぶ直線とが交わる位置である。この位置で放電終了後の電圧が極小となるのは、樹脂性の集電体など電気抵抗の高い集電体を有する双極型電池においては、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂを最短距離で結ぶ直線上で放電が最も活発に行われるからである。

しかしながら、所定位置Ｂで電圧が極小となるような電圧分布を持つことは好ましくない。そこで、この発明の第３の実施形態による双極型電池２は、ＦＩＧＳ．１３Ａ−１３Ｄに示すように、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付ける辺３３ａ，３１ｂ，３３ｃ，及び３１ｄに良導体４１−４４を付着させている。

その結果、例えば第１単位セル１５ａでは、第１集電体４ａを取り付ける辺３３ａに配置した第１良導体４１の全体が電圧検出用端子として機能する。また、第２集電体４ｂの辺３１ｂに配置した第２良導体４２の全体が電圧検出用端子として機能する。

ＦＩＧ．１６を参照すると、第１単位セル１５ａにおいては、第１良導体４１より第２良導体４２に向けて放電電流が流れる。つまり、正負一対の電極が、良導体４１と４２により点ではなく線として形成される。その結果、放電電流の流れは集電体４ａと４ｂの長手方向、すなわちＦＩＧ．１とＦＩＧ．３の左右の方向に延びる辺３２ａ，３２ｂ及び辺３４ａ，３４ｂと平行をなし、かつ均一となる。したがって、第１単位セル１５ａ内での電圧分布に極小を持つことが解消される。第２単位セル１５ｂ及び第３単位セル１５ｃについても同様である。

以上をまとめると、金属集電体よりも著しく電気抵抗の高い樹脂製などの集電体を用いた場合には、単位セルの一対の電圧検出用端子を結んで得られる直線と直交する向きに沿った電圧分布は、一対の電圧検出用端子を結ぶ直線上で極小値を取る。これにより、単位セルの面内の電圧分布は平坦とならない。この実施形態の双極型電池２は、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを設ける辺３３ａ、３１ｂ，３３ｃ，及び３１ｄに良導体４１−４４を付着させている。良導体４１−４４が、一対の電圧検出用端子２１ａと２１ｂ（２１ｂｆ２１ｃ，２１ｃと２１ｄ）を結んで得られる直線に直交する方向の電圧分布を等電位とする。したがって、金属集電体よりも著しく抵抗の高い樹脂製などの集電体４ａ−４ｄを用いて双極型電池２を構成する場合でも、単位セル１５ａ−１５ｃ内の電流密度をそれぞれ均一化することができる。

以上の説明に関して２０１０年７月３０日を出願日とする日本国における特願２０１０−１７２２７０号、の内容をここに引用により合体する。

以上、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、第３の実施形態において、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを取り付ける辺３３ａ、３１ｂ，３３ｃ，及び３１ｄの全長に渡って良導体４１−４４を配置することは必ずしも必要なく、電圧検出用端子２１ａ−２１ｄを中心とする辺３３ａ、３１ｂ，３３ｃ，及び３１ｄの一部にのみ良導体４１−４４を付着させても良い。

以上のように、この発明による双極型電池は、電圧調整用の放電を行う際に、層状の単位セル内の電圧分布を均等化する。したがって、例えば電動車両に電源にとして搭載される双極型電池の寿命を伸ばすうえで好ましい効果を期待できる。

この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims

層状の集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）と、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の一面に配置された正極活物質層（５）と、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）のもう一面に配置された負極活物質層（６）とからなる双極型電極（３）を電解質層（７）を介して複数積層するとともに、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の周縁部に取り付けられた電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）を備え、
電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）と集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）とを結ぶ第１の直線（Ｄａ１，Ｄｂ１，Ｄｃ１，Ｄｄ１）に直交し、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）を通る第２の直線（Ｄａ２，Ｄｂ２，Ｄｃ２，Ｄｄ２）に関して前記電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）の反対側に、隣接する集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）を配置し、
図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）で交わる２本の直線（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）で集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の平面形状を４個の領域（ＲＧ１ａ，ＲＧ２ａ，ＲＧ３ａ，ＲＧ４ａ，ＲＧ１ｂ，ＲＧ２ｂ，ＲＧ３ｂ，ＲＧ４ｂ，ＲＧ１ｃ，ＲＧ２ｃ，ＲＧ３ｃ，ＲＧ４ｃ，ＲＧ１ｄ，ＲＧ２ｄ，ＲＧ３ｄ，ＲＧ４ｄ）に分割した場合に、隣接しない２つの領域の一方ともう一方に、隣接する集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）をそれぞれ配置するとともに、
前記隣接しない２つの領域は、２本の直線（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）の交角が鋭角をなす領域（ＲＧ１ａ，ＲＧ３ａ，ＲＧ１ｂ，ＲＧ３ｂ，ＲＧ１ｃ，ＲＧ３ｃ，ＲＧ１ｄ，ＲＧ３ｄ）である、双極型電池。
集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の平面形状は長方形であり、図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）で交わる２本の直線（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄ）は長方形の対角線である請求項１の双極型電池。
層状の集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）と、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の一面に配置された正極活物質層（５）と、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）のもう一面に配置された負極活物質層（６）とからなる双極型電極（３）を電解質層（７）を介して複数積層するとともに、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の周縁部に取り付けられた電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）を備え、
電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）と集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）とを結ぶ第１の直線（Ｄａ１，Ｄｂ１，Ｄｃ１，Ｄｄ１）に直交し、集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の図心（Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ）を通る第２の直線（Ｄａ２，Ｄｂ２，Ｄｃ２，Ｄｄ２）に関して前記電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）の反対側に、隣接する集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）を配置するとともに、
前記隣接する集電体（４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ａａ，４ｂａ，４ｃａ，４ｄａ）の電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）が１５０度から２１０度の角度間隔で配置される、双極型電池（２）。
電解質層（７）と、電解質層（７）の両側に位置する正極活物質層（５）と負極活物質層（６）とで一個の単位セル（１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）が構成され、電圧検出用端子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ）は各単位セル（１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）の容量調整用端子を兼用する請求項１から３のいずれかの双極型電池（２）。