JP4055640B2

JP4055640B2 - バイポーラ電池、バイポーラ電池の製造方法、組電池および車両

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Publication number: JP4055640B2
Application number: JP2003123790A
Authority: JP
Inventors: 賢司保坂; 達弘福沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004327374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ電池に関し、特に電解質に高分子ゲル電解質を用いたバイポーラ電池、該バイポーラ電池の製造方法、組電池、該バイポーラ電池を搭載した車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム二次電池では、その中に封入する電解質として、固体電解質を用いたもの、液体電解質を用いたもの、そして高分子ゲル電解質を用いたものがある。
【０００３】
固体電解質には、たとえばポリエチレンオキシドなどの全固体高分子電解質が用いられ、一方、液体電解質には、１００％電解液を用いる。高分子ゲル電解質は、これらの中間とも言うべきもので、たとえばイオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
電解質に液体電解質または高分子ゲル電解質を用いる場合、集電体間に単電池層を囲むシール部材を設けている（たとえば、特許文献２）。シール部材がないと、各単電池層間において電解質が染み出し、他の単電池層の電解質と接触して液絡と称する単電池層同士の短絡が発生してしまうからである。ここで、単電池層は、正極活物質層、ゲル電解質層、および負極活物質層を含む。
【０００５】
シール部材を設けるには、集電体間の中央部に単電池層、外周部にシール用の熱融着樹脂を挟み込み、熱融着樹脂部分を加熱プレスして、集電体と熱融着樹脂を熱融着する手法がある。熱融着樹脂がシール部材となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２０４１３６号公報
【特許文献２】
特開平０８−００７９２６号公報（段落「００１２」、図２参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように、集電体間の中央部に単電池層を配置し、外周部にシール部材を挟み込むのでは、単電池層およびシール部材間に隙間ができてしまう。このような隙間ができると、たとえば、振動等により、集電体に撓みが生じたときに、該隙間において、集電体同士が接触して、短絡を起こす虞がある。短絡は、電池性能の低下につながる。
【０００８】
また、単電池層およびシール部材間の隙間をなくすべく、単電池層の外周とシール部材の内周とを密着させることが考えられる。しかし、単電池層およびシール部材は、共に、非常に柔らかい。特に、単電池層のゲル電解質層は、一定形状に保つことが困難で、すぐに変形してしまう。これらの非常に柔らかい物質同士を当接させるのは、非常に困難である。これを実行したのでは、作業効率の低下を招く。
【０００９】
仮に、上記単電池層とシール部材とを当接出来たとしても、完成後のバイポーラ電池に加わる振動等により、隙間が生じ、結局短絡を生じる可能性もある。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、単電池層およびシール部材間に隙間が出来ることによる短絡を防止することができるバイポーラ電池、該バイポーラ電池の製造方法、該バイポーラ電池を用いた組電池および車両の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１２】
集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されてなるバイポーラ電極が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、
隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置されるシール部材と、前記ゲル電解質層および前記シール部材間における、前記ゲル電解質層を介して積層されるバイポーラ電極同士の接触を防止する絶縁部材と、を有し、前記絶縁部材は、絶縁性を有する板状体であり、前記単電池層の下端または上端の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるように配置され、前記絶縁部材は、板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなるシールテープであるバイポーラ電池である。
【００１３】
本発明の第２は、集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層と、該単電池層の周囲を取り囲むシール部材を積層する工程と、前記単電池層と前記シール部材との間に、絶縁性を有する粉末を充填する工程と、前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、を有するバイポーラ電池の製造方法である。
【００１４】
本発明の第３は、集電体上に、板状のシールテープを貼り付ける工程と、
前記集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層を積層する工程と、前記単電池層の周囲を取り囲むシール部材を前記集電体上に配置する工程と、前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、を有し、前記シールテープは、板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなり、前記単電池層の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるバイポーラ電池の製造方法である。
【００１５】
【発明の効果】
上記第１の発明によれば、ゲル電解質層およびシール部材間に隙間があっても、該隙間におけるバイポーラ電極同士の接触を絶縁部材が防止するので、短絡を防止でき、電池性能の低下を防止することができる。
【００１６】
上記第２の発明によれば、単電池層とシール部材との間に、絶縁性を有する粉末を充填するので、単電池層とシール部材との隙間に絶縁部材を容易に供給できる。これにより、集電体同士の接触による短絡を防止できる。
【００１７】
上記第３の発明によれば、単電池層の略外周からシール部材の略内周まで伸びるシールテープを集電体上に貼り付けるので、容易に、単電池層およびシール部材の間に絶縁部材を供給できる。これにより、単電池層およびシール部材の間での集電体同士の接触を防止でき、短絡を防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面では、説明の明確のために各構成要素を誇張して表現している。
【００１９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されてなるバイポーラ電極が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置されるシール部材と、前記ゲル電解質層および前記シール部材間における、前記ゲル電解質層を介して積層されるバイポーラ電極同士の接触を防止する絶縁部材と、を有するバイポーラ電池である。
【００２０】
また、本発明の第２は、集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層と、該単電池層の周囲を取り囲むシール部材を積層する工程と、前記単電池層と前記シール部材との間に、絶縁性を有する粉末を充填する工程と、前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、を有するバイポーラ電池の製造方法である。
【００２１】
ここで、本実施形態のバイポーラ電池では、絶縁部材に複数の具体的な態様が考えられる。したがって、以下では、絶縁部材の態様例を、態様１〜３として順に示す。
【００２２】
（態様１）
図１は本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図、図２はこのバイポーラ電池を構成する単電池の部分拡大断面図である。
【００２３】
バイポーラ電池１は、両端部以外の集電体２の両面中央に正極活物質層３と負極活物質層４が形成されており、この集電体２の正極活物質層３と負極活物質層４との間に電解質層５を挟んで単電池層６を構成し、この単電池層６が複数積層された構造を持つ。両端部にある集電体（端部集電体７と称する）は、このバイポーラ電池全体の電極と接続される。
【００２４】
そして、集電体２を挟んで正極活物質層３と負極活物質層４を設けた構成をバイポーラ電極という。
【００２５】
ここで、電解質層５は、たとえば、ポリマー骨格中に、数重量％〜９８重量％程度電解液を保持させたゲル電解質で、特に本実施の形態においては、７０重量％以上電解液を保持したゲル電解質を使用することができる。
【００２６】
このバイポーラ電池１では、単電池層６からの液漏れを防止するために、一つひとつの単電池層６の周囲を取り囲み、集電体２間、または、集電体２および端部集電体７の間に配置されるシール部材９を設けている。
【００２７】
シール部材９は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのような絶縁性を有する熱融着樹脂により形成されている。シール部材９は、後述するように、上下に積層されている集電体２、端部集電体７に熱融着される。これにより、シール部材９によって、各単電池層６が密閉される。したがって、単電池層６からの液漏れを防止することができる。
【００２８】
さらに、バイポーラ電池１は、単電池層６およびシール部材９間に、絶縁部材が配置されている。図１および図２に示す態様１では、絶縁部材は、絶縁性を有する絶縁粉末１０である。絶縁粉末１０は、高分子、セラミックス、またはこれらの混合物を含んで構成され、前記ゲル電解質層および前記シール部材間に充填されている。
【００２９】
次に、本発明のバイポーラ電池１の製造手順について説明する。
【００３０】
図３〜図７は本発明のバイポーラ電池の製造手順を説明するための図である。
【００３１】
図３はバイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す断面図、図４はバイポーラ電極に、ゲル電解質層およびシール部材を積層する様子を示す平面図、図５は単電池層およびシール部材間に絶縁粉末を配置する様子を示す断面図、図６は単電池層およびシール部材間の隙間を示す平面図、図７はゲル電解質層およびシール部材上にさらにバイポーラ電極を積層する様子を示す断面図である。
【００３２】
本発明のバイポーラ電池１の製造手順としては、図３に示すように、まず、端部集電体７上に電極層（正極活物質層３または負極活物質層４、例えば、正極活物質層３）を積層し、その上にさらにゲル電解質層５を積層する。さらに、正極活物質層３およびゲル電解質層５を囲むように、シール部材９を端部集電体７上に積層する。ここで、シール部材９は、図４に示すように、中央に孔が設けられており、この中に正極活物質層３およびゲル電解質層５を含む単電池層６が通る。
【００３３】
次に、図５に示すように、図３で積層してできた積層物のゲル電解質層５およびシール部材９間に、絶縁粉末１０を充填する。ここで、絶縁粉末１０は、図６に示すゲル電解質層５およびシール部材９間の隙間８をめがけて振りかけられることによって、該隙間に充填される。
【００３４】
隙間を絶縁粉末１０で充填した後、図７に示すように、バイポーラ電極を積層する。ここで、図３では、端部集電体７上に、正極活物質層３を積層しているので、負極活物質層４、集電体２、正極活物質層３の順に積層されるように、バイポーラ電極を積層する。これにより、端部集電体７および集電体２間に、単電池層６が形成される。
【００３５】
そして、所望の積層数になるまで、同様に積層を繰り返し、最後に、負極活物質層４のみが取り付けられた端部集電体７、すなわち、正極活物質層３を含まないバイポーラ電極を積層する。
【００３６】
積層が終わったら、集電体２、７およびシール部材９を積層の上下から加熱プレスする。
【００３７】
以上の手順によって、図１に示すバイポーラ電池１が製造される。
【００３８】
態様１の絶縁部材を有するバイポーラ電池１の奏する効果は、以下の通りである。
【００３９】
ゲル電解質層およびシール部材間に隙間があっても、該隙間におけるバイポーラ電極同士の接触を絶縁部材が防止するので、短絡を防止でき、電池性能の低下を防止することができる。
【００４０】
具体的には、絶縁部材として絶縁粉末１０が供給される。絶縁粉末１０は、細かい粉末なので、バイポーラ電池１の積層段階において、上方からまぶすことによって、容易に、ゲル電解質層５およびシール部材９間を充填することができる。絶縁粉末１０が隙間に充填されるので、集電体２、７間に絶縁部材が配置されることとなり、バイポーラ電池１に力が加えられても、短絡を防止できる。
【００４１】
さらに、絶縁粉末１０は、高分子、セラミックス、またはこれらの混合物を含んで構成されるので、これらの物質がバイポーラ電池の電池特性を低下させることがない。
【００４２】
（態様２）
次に、絶縁部材の他の態様について説明する。
【００４３】
態様２の絶縁部材は、絶縁性を有する板状体であり、前記単電池層の下端または上端の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるように配置されているものである。
【００４４】
ここで、本発明の第３は、集電体上に、板状のシールテープを貼り付ける工程と、前記集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層を積層する工程と、前記単電池層の周囲を取り囲むシール部材を前記集電体上に配置する工程と、前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、を有し、前記シールテープは、板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなり、前記単電池層の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるバイポーラ電池の製造方法である。
【００４５】
図８は、態様２の絶縁部材を示すための単電池の部分拡大断面図である。
【００４６】
図８に示すように、態様２の絶縁部材１１は、絶縁性を有する薄板状体であり、単電池層６の略外周からシール部材９の略内周まで延びるように配置されているものである。より具体的には、絶縁部材は、薄板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなるシールテープ１１である
シールテープ１１は、基材に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド系合成繊維からなる群から選択された樹脂が用いられ、粘着剤に、合成ゴム、ブチルゴム、合成樹脂、アクリルからなる群から選択された耐溶融性を有する材料が用いられる。シールテープ１１は、粘着剤により集電体２または集電体７に固定される。
【００４７】
次に、バイポーラ電池１の製造手法について説明する。
【００４８】
図９〜図１１は、図８に示す絶縁部材を含むバイポーラ電池１の製造手順を説明するための図である。図９はバイポーラ電極および絶縁部材を積層する様子を示す断面図、図１０はさらにゲル電解質層およびシール部材を積層する様子を示す断面図、図１１はさらにバイポーラ電極を積層する様子を示す断面図である。
【００４９】
最初に、図９に示すように、端部集電体７上に電極層（正極活物質層３または負極活物質層４、例えば、正極活物質層３）を積層する。続けて、端部集電体７の外周と当接するように、シールテープ１１を端部充電体７上に貼る。ここで、先にシールテープ１１を貼って、その後に、正極活物質層３を積層してもよい。この場合、正極活物質層３とシールテープ１１との間に隙間ができないように、若干シールテープ１１上に被せて、正極活物質層３を積層することが好ましい。
【００５０】
次に、図１０に示すように、正極活物質層３上に、ゲル電解質層５を積層し、シールテープ１１の外周で端部集電体７上にシール部材９を積層する。ここでも、シールテープ１１とシール部材９との間に隙間ができないように、若干、シール部材９がシールテープ１１に被せられることが好ましい。このように、正極活物質層３およびシール部材９が若干シールテープ１１に被せられることによって、正極活物質層３およびシール部材９間の隙間をなくすことができる。
【００５１】
そして、所望の積層数になるまで、同様に積層を繰り返し、最後に、負極活物質層４のみが取り付けられた端部集電体７、すなわち、正極活物質層３を含まないバイポーラ電極を積層する。
【００５２】
積層が終わったら、集電体２、７およびシール部材９を積層の上下から加熱プレスする。
【００５３】
なお、シールテープ１１は、単電池層６とシール部材９との間の隙間を全てなくすために集電体２、７に貼り付けられる。したがって、例えば、集電体２が長方形で、単電池層６の各層も長方形であれば、該長方形の４辺に出来る隙間をなくすべく、辺の数だけシールテープ１１が貼られることになる。
【００５４】
また、上記手順では、最初にシールテープ１１を貼り付けしていたが、先に単電池層６を形成してから、その周りにシールテープ１１を貼り付けてもよい。
【００５５】
以上の手順によって、図８に示す態様２の絶縁部材を有するバイポーラ電池１が製造される。
【００５６】
態様２の絶縁部材を有するバイポーラ電池１の奏する効果は、以下の通りである。
【００５７】
バイポーラ電池１の各層を積層する際に、シールテープ１１を貼るだけなので、製造が容易であり、かつ、確実にバイポーラ電極同士の接触を防止できる。
【００５８】
シールテープ１１の基材に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド系合成繊維からなる群から選択された樹脂が用いられる。したがって、上記樹脂は、絶縁体なので、両側から集電体２、７が接触したとしても、電気的に集電体２，７同士が接続されることがなく、短絡を防止できる。
【００５９】
また、粘着剤に、合成ゴム、ブチルゴム、合成樹脂、アクリルからなる群から選択された耐溶融性を有する材料が用いられる。したがって、バイポーラ電池１の製造の最終工程で行う加熱プレスの際にも溶融することなく、シールテープ１１の位置を固定することができる。
【００６０】
（態様３）
次に、絶縁部材のさらに他の態様について説明する。
【００６１】
態様３の絶縁部材は、前記単電池層と略同じ厚さを有し、前記ゲル電解質層および前記シール部材間に配置されるものである。
【００６２】
図１２は、態様３の絶縁部材を示すための単電池の部分拡大断面図である。
【００６３】
図１２に示すように、態様３の絶縁部材１２は、絶縁性を有し、単電池層と略同じ厚さを有する部材である。絶縁部材１２は、バイポーラ電池１の積層段階において、単電池層６とシール部材９との間に挿入される。絶縁部材１２は、例えば、棒状であって単電池層６の四辺に沿わせて４つが挿入されるものであってもよく、また、単電池層６と略同じ形状の孔が中央に設けられたものであってもよい。
【００６４】
態様３の絶縁部材を用いる効果は、バイポーラ電池１の積層段階において、絶縁部材１２を挿入するので、容易に、単電池層６およびシール部材９間の隙間を埋めることができることである。
【００６５】
上記第１実施形態のバイポーラ電池１では、単電池層６、集電体２、シール部材９の積層数を増減することによって、出力を異ならせることができる。
【００６６】
上記バイポーラ電池１および電池２０について、絶縁部材以外の電池を構成する部材は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられているものと同じでよい。
【００６７】
以下に、このバイポーラ電池１に使用することのできる集電体、正極、負極、ゲル電解質等について説明する。
【００６８】
［集電体］
集電体は、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、いかような形状を有するものにも製膜積層して形成し得る必要上、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金などの金属粉末を主成分として、これにバインダー（樹脂）、溶剤を含む集電体金属ペーストを加熱して成形してなるものであり、上記金属粉末およびバインダーにより形成されてなるものである。また、これら金属粉末を１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよいし、さらに、製法上の特徴を生かして金属粉末の種類の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【００６９】
上記バインダーとしては、特に制限されるべきものではなく、たとえば、エポキシ樹脂など、従来公知の樹脂バインダー材料を用いることができるほか、導電性高分子材料を用いても良い。
【００７０】
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は１〜１００μｍ程度である。
【００７１】
［正極活物質層］
正極は、正極活物質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩などが含まれ得る。また、電子伝導性を高めるために導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始材としてＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）などが含まれ得る。特に、正極または負極の少なくとも一方に電解質、好ましくは固体高分子電解質が含まれていることが望ましいが、バイポーラ電池の電池特性をより向上させるためには、双方に含まれることが好適である。
【００７２】
上記正極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を使用できる。具体的には、ＬｉＣｏＯ₂などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ₂などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ₂Ｏ₄などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ₂などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。この他、ＬｉＦｅＰＯ₄などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ₂Ｏ₅、ＭｎＯ₂、ＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＭｏＯ₃などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ₂、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。
【００７３】
正極活物質の粒径は、製法上、正極材料をペースト化してスプレーコートなどにより製膜し得るものであればよい。さらにバイポーラ電池の電極抵抗を低減するために、電解質が固体でない溶液タイプのリチウムイオン電池で用いられ一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、正極活物質の平均粒径が１０〜０．１μｍであるとよい。
【００７４】
上記正極に含まれる電解質としては、固体高分子電解質、高分子ゲル電解質、およびこれらを積層したものなどが利用できる。すなわち、正極を多層構造とすることもでき、集電体側と電解質側とで、正極を構成する電解質の種類や活物質の種類や粒径、さらにはこれらの配合比を変えた層を形成することもできる。
【００７５】
高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる。
【００７６】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液（電解質塩および可塑剤）としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、たとえば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＴａＦ₆、ＬｉＡｌＣｌ₄、Ｌｉ₂Ｂ₁₀Ｃｌ₁₀等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、Ｌｉ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎ、Ｌｉ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂Ｎ等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも１種類のリチウム塩（電解質塩）を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類；ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類；テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類；γ−ブチロラクトン等のラクトン類；アセトニトリル等のニトリル類；プロピオン酸メチル等のエステル類；ジメチルホルムアミド等のアミド類；酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから１種類または２種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒（可塑剤）を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００７７】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）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。なお、ＰＡＮ、ＰＭＭＡなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【００７８】
上記リチウム塩としては、たとえば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＴａＦ₆、ＬｉＡｌＣｌ₄、Ｌｉ₂Ｂ₁₀Ｃｌ₁₀等の無機酸陰イオン塩、Ｌｉ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎ、Ｌｉ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂Ｎ等の有機酸陰イオン塩、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。
【００７９】
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００８０】
正極における、正極活物質、電解質（好ましくは固体高分子電解質）、リチウム塩、導電助剤の配合量は、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。たとえば、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が少なすぎると、活物質層内でのイオン伝導抵抗やイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した固体高分子電解質量を決定する。
【００８１】
正極の厚さは、特に限定するものではなく、配合量について述べたように、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極活物質層の厚さは１０〜５００μｍ程度である。
【００８２】
［負極活物質層］
負極は、負極活物質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩や導電助剤などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極活物質層」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。
【００８３】
負極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。たとえば、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、ハードカーボンなどが好ましい。より好ましくは、カーボン、遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属複合酸化物である。さらに好ましくは、チタン酸化物、リチウム−チタン複合酸化物、カーボンである。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００８４】
［電解質］
電解質としては、高分子ゲル電解質である。この電解質は多層構造とすることもでき、正極側と負極側とで、電解質の種類や成分配合比を変えた層を形成することもできる。高分子ゲル電解質を用いる場合、該高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率（質量比）が、２０：８０〜２：９８と比較的電解液の比率が大きい範囲である。
【００８５】
このような高分子ゲル電解質としては、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものも含まれる。これらについては、［正極］に含まれる電解質の１種として説明した高分子ゲル電解質と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００８６】
これら固体高分子電解質もしくは高分子ゲル電解質は、電池を構成する高分子電解質のほか、上記したように正極および／または負極にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質、正極、負極によって異なる高分子電解質を用いてもよいし、同一の高分子電解質を使用してもよいし、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【００８７】
電池を構成する電解質の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトなバイポーラ電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。一般的な固体高分子電解質層の厚さは１０〜１００μｍ程度である。ただし、電解質の形状は、製法上の特徴を生かして、電極（正極または負極）の上面ならびに側面外周部も被覆するように形成することも容易であり、機能、性能面からも部位によらず常に略一定の厚さにする必要はない。
【００８８】
［外装体（電池ケース）］
外装体には、軽量化の観点からは、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）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の材料を用いて、バイポーラ電池を収納し密封した構成とする。
【００８９】
この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装体の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【００９０】
［正極および負極端子板］
正極および負極端子板は、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、製膜により積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常０．１〜２ｍｍ程度が望ましいといえる。
【００９１】
正極および負極端子板の材質は、通常リチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。たとえば、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。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【００９２】
正極端子板と負極端子板との材質は、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端子板は、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。
【００９３】
正極および負極端子板の形状は、型板と兼用する場合には、自動車の熱源外面等をトレースした形状に、また、型板と対極する位置に設けられる端子板では、該端子板を設置する集電体外面をトレースした形状であればよく、プレス成形等によりトレースして形成すればよい。なお、型板と対極する位置に設けられる端子板では、集電体と同様にスプレーコートにより形成してもよい。
【００９４】
［正極および負極リード］
正極および負極リードに関しては、通常リチウムイオン電池で用いられる公知のリードを用いることができる。なお、電池外装材（電池ケース）から取り出された部分は、自動車の熱源との距離がないことから、これらに接触して漏電したりして自動車部品（特に電子機器）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くのが好ましい。
【００９５】
図１３は、バイポーラ電池１にアルミラミネートパックを用いてなる電池２０の外観を示す斜視図である。この電池２０は、内包するバイポーラ電池１の端部集電体７に上記の正極および負極端子板を設け、さらにリードを取り付けて、電極２３および２４としている。
【００９６】
次に、実際上記バイポーラ電池１を製作して評価を行った実験例について説明する。
【００９７】
実験例
＜耐振動評価１＞
上述した実施形態（態様１）と同様にして電池２０を製作し、電圧の評価を行った。
【００９８】
（サンプル作製）
実施例１として実際に作製した電池２０は、下記の通りである。
【００９９】
集電体２、７は、厚さ２０μｍのステンレス（ＳＵＳ）箔を使用し、端部集電体７には正極活物質層３または負極活物質層４を形成し、集電体２には正極活物質層３および負極活物質層４を形成した。
【０１００】
正極活物質層３は、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄（８５重量％）に、導電助剤としてアセチレンブラック（５重量％）、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（１０重量％）、粘度調整溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量混合して正極スラリーを作製し、これを正極活物質として、集電体であるステンレス箔（厚さ２０μｍ）の片面に塗布し、乾燥させて膜厚４０μｍの正極活物質層３としている。
【０１０１】
負極活物質層４は、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂（８５重量％）に、導電助剤としてアセチレンブラック（５重量％）、バインダーとしてＰＶＤＦ（１０重量％）、粘度調整溶媒としてＮＭＰ（適量）を、混合して負極スラリーを作製し、この負極スラリーを正極活物質層３を塗布したステンレス箔の反対面に塗布し、乾燥させて膜厚４０μｍの負極活物質層４としている。
【０１０２】
高分子ゲル電解質層５は、厚さ５０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）不識布に、イオン伝導性高分子マトリックスの前駆体である平均分子量７５００〜９０００のモノマー溶液（ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体）５重量％、電解液として混合比１：３のエチレンカーボネート（ＥＣ）＋ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）に１．０ｍｏｌ／ｌのＬｉＢＥＴＩを溶解させたもの９５重量％、および重合開始剤からなるプレゲル溶液を浸透させて、石英ガラス基板に挟み込み紫外線を１５分照射して前駆体を架橋させて、ゲルポリマー電解質層を得た。
【０１０３】
端部集電体７上に、正極活物質層３およびゲル電解質層５を積層し、ゲル電解質層５の周囲を取り囲むシール部材９を積層した。この後、ゲル電解質層５とシール部材９との間に、絶縁部材としてシリコーン粉末を微量充填し、ゲル電解質層５上に負極活物質層４および集電体２を積層した。単電池層６が５層形成されるまで、同じ工程を繰り返し、シール部材９を上下から加熱プレスして融着し、各層をシールした。最後に、積層体をラミネートパックで封止して、電池２０を形成した。
【０１０４】
また、この評価の比較例１として、上記実施例１と略同一の構成で、シリコーン粉末を充填していないものを用意した。
【０１０５】
上記実施例１の電池２０、比較例１の電池は、それぞれ５個ずつ用意した。
【０１０６】
液絡の評価は、電池に振動を与える前後の電圧を比較して、電圧維持率を算出することにより評価した。電池は、０．５Ｃの電流で１３．５Ｖまで定電流充電（ＣＣ）し、その後、定電圧で充電（ＣＶ）することを併せて５時間行って充電した。充電した電池に、しっかり固定した状態で、垂直方向に振幅が３ｍｍで５０Ｈｚの単調な振動を２００時間加えた。この振動試験を実施例１および比較例１の５個ずつの電池にそれぞれ行い、電圧の平均値を求めた。振動試験の結果は、次の表１に示す通りである。
【０１０７】
【表１】

【０１０８】
実施例１の電池２０では、振動試験前の電圧が平均１３．４７Ｖであり、試験後の電圧が平均１３．３３Ｖであった。したがって、平均電圧維持率は、９８．９６％であった。
【０１０９】
一方、比較例１の電池では、振動試験前の電圧が平均１３．４６Ｖであり、試験後の電圧が平均１２．２３Ｖであった。したがって、平均電圧維持率は、９０．８６％であった。
【０１１０】
この結果から、実施例１のように、単電池層６とシール部材９との間に、絶縁部材としてシリコーン粉末を充填した方が、衝撃に強く、非常に剛性の高い電池であることが分かる。すなわち、振動しても、シリコーン粉末により、集電体２、７同士が接触せず、短絡が起こらないことが分かる。
【０１１１】
＜耐振動評価２＞
上述した実施形態（態様２）と同様にして電池２０を製作し、電圧の評価を行った。
【０１１２】
（サンプル作製）
実施例２として実際に作製した電池２０は、下記の通りである。
【０１１３】
集電体２、７、正極活物質層３、負極活物質層４、および高分子ゲル電解質層５は、実施例１と同様なので説明を省略する。
【０１１４】
端部集電体７上に、正極活物質層３を積層し、その周囲に、基材にポリプロピレン、粘着剤に合成ゴムを用いたシールテープ１１を貼り付けた。この後、正極活物質層３上に、ゲル電解質層５および負極活物質層４を積層し、シールテープ１１の周りにシール部材９を積層した。さらに、負極活物質層４上に集電体２を積層した。単電池層６が５層形成されるまで、同じ工程を繰り返し、シール部材９を上下から加熱プレスして融着し、各層をシールした。最後に、積層体をラミネートパックで封止して、電池２０を形成した。
【０１１５】
また、この評価の比較例２として、上記実施例１と略同一の構成で、シールテープ１１が貼られていないものを用意した。
【０１１６】
上記実施例２の電池２０、比較例２の電池は、それぞれ５個ずつ用意した。
【０１１７】
液絡の評価は、電池に振動を与える前後の電圧を比較して、電圧維持率を算出することにより評価した。電池は、０．５Ｃの電流で１３．５Ｖまで定電流充電（ＣＣ）し、その後、定電圧で充電（ＣＶ）することを併せて５時間行って充電した。充電した電池に、しっかり固定した状態で、垂直方向に振幅が３ｍｍで５０Ｈｚの単調な振動を２００時間加えた。この振動試験を実施例１および比較例１の５個ずつの電池にそれぞれ行い、電圧の平均値を求めた。振動試験の結果は、次の表１に示す通りである。
【０１１８】
【表２】

【０１１９】
実施例２の電池２０では、振動試験前の電圧が平均１３．４７Ｖであり、試験後の電圧が平均１３．３５Ｖであった。したがって、平均電圧維持率は、９９．１０％であった。
【０１２０】
一方、比較例２の電池では、振動試験前の電圧が平均１３．４６Ｖであり、試験後の電圧が平均１２．２３Ｖであった。したがって、平均電圧維持率は、９０．８６％であった。
【０１２１】
この結果から、実施例２のように、正極活物質層３とシール部材９との間に、絶縁部材としてシールテープ１１を貼り付けた方が、衝撃に強く、非常に剛性の高い電池であることが分かる。すなわち、振動しても、シールテープ１１により、集電体２、７同士が接触せず、短絡が起こらないことが分かる。
【０１２２】
（第２の実施の形態）
本発明の第４は、上記第１の実施の形態のバイポーラ電池１または電池２０を複数個、並列および／または直列に接続してなる組電池である。
【０１２３】
図１４は、第２の実施の形態による組電池の斜視図であり、図１５は、内部構成を上方から見た図面である。
【０１２４】
図１４および図１５に示すように組電池５０は、上述した第１の実施の形態によるバイポーラ電池１をラミネートパックによりパッケージした電池２０（図１３参照）複数個直接に接続したものをさらに並列に接続したものである。電池２０同士は、導電バー５３により各電池の電極２３および２４が接続されている。この組電池５０には電極ターミナル５１および５２が、この組電池５０の電極として組電池５０の一側面に設けられている。
【０１２５】
この組電池５０においては、電池２０を直接に接続しさらに並列に接続する際の接続方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池を製造することができる。
【０１２６】
本第２の実施の形態による組電池５０によれば、前述した第１の実施の形態による電池を用いて組電池化することで、高容量、高出力と得ることができ、しかも一つひとつの電池の信頼性が高いため、組電池としての長期的信頼性を向上させることができる。
【０１２７】
なお、組電池としての電池２０の接続は、電池２０を複数個全て並列に接続してもよいし、また、電池２０を複数個全て直列に接続してもよい。
【０１２８】
（第３の実施の形態）
本発明の第５は、上記第１実施形態のバイポーラ電池１、電池２０、または第２実施形態の組電池５０を駆動用電源として搭載してなる車両である。バイポーラ電池１または組電池５０をモータ用電源として用いる車両としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車である。
【０１２９】
参考までに、図１６に、組電池５０を搭載する自動車１００の概略図を示す。自動車に搭載される組電池５０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池５０を搭載してなる自動車は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したバイポーラ電池の構造を説明するための断面図である。
【図２】このバイポーラ電池を構成する単電池の部分拡大断面図である。
【図３】バイポーラ電極、ゲル電解質層、およびシール部材を積層する様子を示す断面図である。
【図４】バイポーラ電極に、ゲル電解質層およびシール部材を積層する様子を示す平面図である。
【図５】単電池層およびシール部材間に絶縁粉末を配置する様子を示す断面図である。
【図６】単電池層およびシール部材間の隙間を示す平面図である。
【図７】ゲル電解質層およびシール部材上にさらにバイポーラ電極を積層する様子を示す断面図である。
【図８】態様２の絶縁部材を示すための単電池の部分拡大断面図である。
【図９】バイポーラ電極および絶縁部材を積層する様子を示す断面図である。
【図１０】さらにゲル電解質層およびシール部材を積層する様子を示す断面図である。
【図１１】さらにバイポーラ電極を積層する様子を示す断面図である。
【図１２】態様３の絶縁部材を示すための単電池の部分拡大断面図である。
【図１３】外装体にアルミラミネートパックを用いてなる電池の外観を示す斜視図である。
【図１４】組電池の斜視図である。
【図１５】組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【図１６】組電池を搭載する自動車の概略図である。
【符号の説明】
１…バイポーラ電池、
２（７）…集電体（端部集電体）、
３…正極活物質層、
４…負極活物質層、
５…ゲル電解質層、
６…単電池層、
９…シール部材、
１０…絶縁粉末（絶縁部材）、
１１…シールテープ（絶縁部材）、
１２…絶縁部材、
２０…電池、
５０…組電池、
１００…自動車。

Claims

集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されてなるバイポーラ電極が、ゲル電解質層を挟んで積層されてなるバイポーラ電池であって、
隣接する前記正極活物質層、前記ゲル電解質層、および前記負極活物質層を含んで構成される単電池層の周囲を取り囲むように、前記集電体間に配置されるシール部材と、
前記ゲル電解質層および前記シール部材間における、前記ゲル電解質層を介して積層されるバイポーラ電極同士の接触を防止する絶縁部材と、
を有し、
前記絶縁部材は、絶縁性を有する板状体であり、前記単電池層の下端または上端の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるように配置され、
前記絶縁部材は、板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなるシールテープであるバイポーラ電池。
前記基材は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド系合成繊維からなる群から選択された樹脂が用いられ、
前記粘着剤は、合成ゴム、ブチルゴム、合成樹脂、アクリルからなる群から選択された耐溶剤性を有する材料が用いられている請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記絶縁部材は、前記単電池層と略同じ厚さを有し、前記ゲル電解質層および前記シール部材間に配置される請求項１に記載のバイポーラ電池。
前記正極活物質層には、リチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれ、
前記負極活物質層には、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物が含まれる請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のバイポーラ電池。
集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層と、該単電池層の周囲を取り囲むシール部材を積層する工程と、
前記単電池層と前記シール部材との間に、絶縁性を有する粉末を充填する工程と、
前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、
前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、
を有するバイポーラ電池の製造方法。
集電体上に、板状のシールテープを貼り付ける工程と、
前記集電体上に、ゲル電解質層、正極活物質層および負極活物質層からなる単電池層を積層する工程と、
前記単電池層の周囲を取り囲むシール部材を前記集電体上に配置する工程と、
前記単電池層および前記シール部材上に、さらに集電体を積層する工程と、
前記シール部材をその上下に積層される集電体と熱融着する工程と、
を有し、
前記シールテープは、板状の基材と、粘着性を有する粘着剤とからなり、前記単電池層の略外周から前記シール部材の略内周まで延びるバイポーラ電池の製造方法。
請求項１〜４のいずれか一つに記載のバイポーラ電池、または、請求項５または請求項６に記載の製造方法により製造されたバイポーラ電池を複数個、並列および／または直列に接続してなる組電池。
請求項１〜４のいずれか一つに記載のバイポーラ電池、請求項５または請求項６に記載の製造方法により製造されたバイポーラ電池、または、請求項７に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。