(57)【要約】【課題】双極型二次電池が外力によって変形した際の、電池容量劣化を防止する。【解決手段】集電体１の一方の面に正極活物質層２が形成され他方の面に負極活物質層３が形成されてなる双極型電極５を、電解質層４を挟んで複数枚直列に積層してなる発電要素７と、発電要素７の積層方向両端部に発電要素７を挟むように配置する２枚の集電板９、１０と、集電体１の正極活物質層２又は負極活物質層３を形成した部分の外周部に配置した絶縁部材８ａ〜８ｅが積層してなる絶縁部８と、を備え、絶縁部８が集電板９、１０の外周辺より外側で２枚の集電板９、１０の間隔以上の厚さとなる部位を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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双極型電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層してなる発電要素と、
前記発電要素の積層方向両端部に前記発電要素を挟むように配置する２枚の集電板と、
前記集電体の前記正極活物質層又は前記負極活物質層を形成した部分の外周部に配置した絶縁部材が積層してなる絶縁部と、
を備え、
前記絶縁部が前記集電板の外周辺より外側で前記２枚の集電板の間隔以上の厚さとなる部位を有することを特徴とする双極型二次電池。
【請求項２】
前記絶縁部の厚さが、前記集電板の外周辺から遠ざかるほど増大する請求項１に記載の双極型二次電池。
【請求項３】
前記絶縁部材が、隣接する前記正極活物質、前記電解質層、及び前記負極活物質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するシール部材である請求項１または２に記載の双極型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電体を両側から挟むように正極と負極が配置されてなる双極型二次電池のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車等のモータ駆動に用いる二次電池として、集電体の一方の面に正極を、他方の面に負極を形成した双極型電極を、直列に複数枚積層して発電要素を形成する双極型二次電池が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、発電要素の積層方向両端に正負極の集電板を配置した双極型二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０１６２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の双極型二次電池では、外部から力が加わった場合、特に双極型電極の積層方法と交差する方向から外力が作用した場合には、発電要素が変形して集電板同士が接触するおそれがある。集電板同士が接触すると大電流が流れ、それに伴い発熱するため電池容量劣化を招くこととなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明では、双極型二次電池に外力が加わった場合の電池容量の劣化を防止することを目的とする。
【０００７】
本発明の双極型二次電池は、集電体の両面にそれぞれ正極活物質層と負極活物質層を形成した双極型電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層してなる発電要素と、発電要素の積層方向両端部に発電要素を挟むように配置する２枚の集電板とを備える。そして集電体の正極又は負極を形成した部分の外周部に配置した絶縁部材が積層してなる絶縁部を備える。さらに、絶縁部が集電板の外周辺より外側で２枚の集電板の間隔以上の厚さとなる部位を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、双極型二次電池が外力によって集電板同士が近づくような変形をしても、絶縁部が電池要素の内部へ押し込まれることで集電板間の間隔がひろがり、発電要素と集電板の接触抵抗が増大する。従って、仮に集電板同士が接触したとしても、その際に流れる電流を抑制することができ、これにより電池容量の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。
【図２】双極型電極の構造を模式的に表した概略断面図である。
【図３】単電池層の構造を模式的に表した概略断面図である。
【図４】双極型電池を積層方向から見た図である。
【図５】第２実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。
【図６】第３実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
まず、双極型二次電池（以下、単に双極型電池という）の構造について説明する。
【００１１】
図１は第１実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。図２は、双極型電池を構成する双極型電極の構造を模式的に表した概略断面図である。図３は双極型電池を構成する単電池層の構造を模式的に表した概略断面図である。図４は双極型電池を積層方向上方から見た図である。
【００１２】
図１に示すように、双極型電池は双極型電極５を、電解質層４を挟んで複数枚直列に積層した発電要素（電池要素）７と、電解質層４からの電解質の漏れを防止するために電池要素７の周囲に配置したシール部８からなる。シール部８は、後述するように複数のシール材８ａ〜８ｅで構成する部分である。電池要素７の積層方向の両端には、それぞれに電気的に接続され、面方向に流れる電流を取り出す正及び負の集電板９、１０を配置する。なお、双極型電極５、電解質層４、及びシール部８の詳細については後述する。
【００１３】
双極型電極５は、図２に示すように集電体１の一方の面に正極２を、他方の面に負極３を設けたものである。
【００１４】
電池要素７は、図３に示すように、隣り合う双極型電極５の正極２と負極３が電解質層４を挟んで対向するように、双極型電極５と電解質層４を交互に複数枚直列に積層したものである。そして、電池要素７の積層方向両端には集電板９、１０を配置する。なお、集電板９、１０は、集電体１に必要な片面のみの電極（正極２または負極３）を形成した構造としてもよい。すなわち、双極型電池の基本構成は、複数の単電池層６が直列に接続された構成ともいえる。
【００１５】
集電板９、１０は集電体１よりも面積が小さく、図４に示すように、積層方向上方から見た場合に集電板９、１０の外周が枠型のフィルムであるシール部８に囲まれる構成となっている。
【００１６】
ここで、各構成部品の構成及び双極型電池の作製方法について説明する。
【００１７】
[集電体]
導電性を有するポリエチレン（ＰＥ）樹脂にカーボン材料を分散させた導電性高分子材料を延伸により厚さ１００[μｍ]程度のフィルム状に成形する。これを適当な大きさ（例えば１４０×９０ｍｍ）に切断し、集電体１とする。
【００１８】
[正極]
以下の材料を所定の比率で混合して正極スラリーを作製する。
【００１９】
まず、正極活物質として、ＬｉＭｎ2Ｏ4[８５質量％]、導電助剤としてアセチレンブラック[５質量％]、バインダとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）[１０質量％]、及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）からなる材料を上記比率にて混合して正極スラリーを作製する。
【００２０】
上記正極スラリーを、集電体１の片面に塗布し、真空オーブンにて乾燥させる。そして、厚さ６０[μｍ]になるようプレスを行い、正極電極を形成する。
【００２１】
なお、集電体１の外周側の所定範囲（例えば外周から１０ｍｍ程度）には正極スラリーを塗布しない。シール部８は、この正極スラリーを塗布しない範囲に合わせた枠型に形成する。
【００２２】
[負極]
以下の材料を所定の比率で混合して負極スラリーを作製する。
【００２３】
まず、負極活性物質として、ハードカーボン[９０質量％]、バインダとしてＰＶＤＦ[１０質量％]、及びスラリー粘度調整溶媒としてＮＭＰからなる材料を上記比率にて混合して負極スラリーを作製する。この負極スラリーを集電体１の正極スラリーを塗布した面と反対側の面に塗布し、真空オーブンにて乾燥させる。そして、厚さ５０[μｍ]になるようプレスを行い、負極電極を形成する。負極スラリーの塗布範囲については、上述した正極と同様である。
【００２４】
なお、上述した正極及び負極の作製において、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る。また、上記比率は、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。
【００２５】
上述の方法により、集電体１である導電性高分子膜の一方の面に正極、これと反対側の面に負極を有する双極型電極５が完成する。
【００２６】
[電解質層]
ＰＥ製のセパレータ（厚さ３５μｍ）に電解液を含浸させることで電解質層４を形成する。電解液は、ジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）が体積比１対１の混合溶媒に、電解質としてＬｉＰＦ6を１Ｍ溶媒したものである。
【００２７】
なお、電解液は後述する積層工程にて注液する。
【００２８】
[シール部]
シール部８は、図１に示すように複数のシール材８ａ〜８ｅで構成される。シール材８ａ〜８ｅは、例えばポリオレフィン、ポリエステル、ポリイミド、またはポリアミドのように絶縁性を有する樹脂材料からなる枠型のフィルムであり、上述した正極スラリーを塗布しない範囲に配置する。これらの材料は、電池の動作電位のなかでも電気的に安定なので、電池に悪影響を与えることなく確実に絶縁することができる。なお、同様の性質を有するものであれば、上記以外のものであってもよい。
【００２９】
シール材８ａ〜８ｅは電池要素７よりも剛性が高いことを特徴とする。具体的には、ヤング率が０．１〜１２０ＧＰａとなるように形成する。
【００３０】
また、後述する融着による接着強度は引っ張り強度で規定し、例えば０．２[Ｎ／ｍｍ]以上に設定する。ただし、これに限られるわけではない。
【００３１】
[積層方法]
上述した双極型電極５と電解質層４を交互に積層し、シール材８ａ〜８ｅの３辺に積層方向両側から熱と圧力をかけて、シール材８ａ〜８ｅを集電体１に融着させる。融着のための条件は、１４０℃の熱と０．２ＭＰａの圧力を５秒間かけるものとする。融着させていない１辺は、電解液を注入するための注液部となる。
【００３２】
上記融着の後で注液部から電解液を注液し、アルミ板で形成した集電板９、１０（１３０×８０ｍｍ、厚さ１００μｍ）で電池要素７を積層方向両端から挟みこみ、これらを覆うようにアルミラミネートで真空密封する。これにより、大気圧によって電池要素７と集電板９、１０の接触が高められた双極型電池が完成する。
【００３３】
なお、電池要素７と集電板９、１０とを接着する接着剤としては、例えばゴム系、シリコン系、オレフィン系、アクリル系等が挙げられるが、これらに限られるわけではない。
【００３４】
また、電池要素７と集電板９、１０との間の接着力は、隣り合う双極型電極５間の接着力及び隣り合うシール材８ａ〜８ｅ間の接着力より弱くする。
【００３５】
図１の説明に戻る。
【００３６】
前述したように集電板９、１０はシール部８より面積が小さく、図１でいうとシール部８が集電板９、１０よりも左右方向に張り出した状態となっている。
【００３７】
双極型電池に、積層方向に交差する方向（図１でいうと横方向）から外力が加わると、外力が加わった部分（入力部）は電池要素７の内側方向へ押し込まれ、双極型電池の入力部側の側面は、入力部を頂点とし電池要素７の中心方向に凸な形状となる。つまり、集電板９と集電板１０の入力部側の部分が互いに近づくように双極型全体が変形する。
【００３８】
この変形の度合いが大きい場合に、仮にシール部８が集電板９、１０と同等の面積、またはシール材８ａ〜８ｅの方が集電板９、１０より面積が小さいと（例えば特開２００９−１６２３５号公報の図３）、集電板９と集電板１０の入力部側の端部同士が接触するおそれがある。集電板９と集電板１０が接触すると、大電流が流れることで発熱し、電池容量の劣化が促進される。
【００３９】
しかし、図１の構成によれば、集電板９と集電板１０が互いに近づくように変形すると、集電板９及び集電板１０の入力部側の端部はそれぞれ隣接するシール材８ａ及びシール材８ｅにめり込むことになる。これにより、集電板９と集電板１０の入力部側の端部が接触しにくくなる。また、仮に接触したとしても、シール材８ａ〜８ｅが電池要素の内部へ押し込まれることで集電板９、１０の間隔がひろがり、電池要素７と集電板９、１０の接触抵抗が増大するので、接触した際に流れる電流を抑制することができる。
【００４０】
なお、集電板９、１０の外周各部を面取り加工することで、さらに集電板９、１０がシール部８を貫通し難くなる。
【００４１】
また、上述したようにシール材８ａ〜８ｅの剛性が電池要素７の剛性よりも高いので、外力が作用した際の、双極型電池全体の変形量を抑制することができる。その結果、集電板９と集電板１０の接触を防止することができる。
【００４２】
さらに、電池要素７と集電板９、１０との間の接着力が、積層された双極型電極５間及びシール材８ａ〜８ｅ間の接着力より弱いので、外力が作用して変形した際に、まず集電板９、１０が電池要素７から剥がれ、電流が流れなくなる。これにより、双極型電極５間の接着が剥がれること等による発熱を防止することができる。
【００４３】
これらの効果は、加振試験実施後の容量維持率及び抵抗変化率にも表れている。加振試験は、所定の入力加速度及び周波数の振動を常に印加して双極型電池を振動させる試験であり、加振試験後の容量維持率及び抵抗変化率は、加振前の容量を１００％、抵抗変化率を１として表したものである。
【００４４】
試験の結果、本実施形態の構成では加振試験後の容量維持率は約７０％、抵抗変化率は約０．９であった。
【００４５】
なお、比較対象として、シール部８が集電板９、１０の外周辺から張り出していない形態について同様の試験を行ったところ、容量維持率は約５０％、抵抗変化率は約０．７であった。
【００４６】
なお、本実施形態では、集電体１上に設けたシール材８ａ〜８ｅが積層した状態でシール部８となってシール機能を果たす他に、集電板９と集電板１０の接触を防止する絶縁部としても機能している。しかし、シール材８ａ〜８ｅはシール機能だけを果たし、これとは別に絶縁機能を果たす絶縁部を設けてもよい。
【００４７】
以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。
【００４８】
（１）シール部８が集電板９、１０の外周辺より外側で集電板９、１０の間隔以上の厚さとなる部位を有するので、外力が作用して集電板９、１０が近づくように変形した場合でも、集電板９と集電板１０が接触することを防止できる。また、仮に接触したとしても、シール材８ａ〜８ｅが電池要素の内部へ押し込まれることで集電板９、１０の間隔がひろがり、電池要素７と集電板９、１０の接触抵抗が増大するので、その際に流れる電流を抑制することができる。したがって、電池容量の劣化を防止できる。
【００４９】
（２）シール材８ａ〜８ｅを積層してなるシール部８が、集電板９、１０の接触を防止する絶縁部としても機能するので、シール材８ａ〜８ｅの他に絶縁部を設ける必要がなく、コスト及び製作工数を低減できる。
【００５０】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。
【００５１】
第１実施形態と比較すると、双極型電極５の構造、電解質層４、積層方法等は同様であるが、集電板９、１０の面積及びシール部８の構造が異なる。
【００５２】
本実施形態では、集電板９、１０の面積は電解質層４、正極２、及び負極３と同等である。シール部８は、積層方向両端部のシール部８ａ、８ｅが、集電板９、１０の積層方向端部より積層方向に突出する程度に厚い。つまり、シール部８の方が電池要素７よりも積層方向に厚い。
【００５３】
図５のような構成において、第１実施形態で説明したのと同様に積層方向に交差する方向から外力が加わることで集電板９と集電板１０が近づくように双極型電池全体が変形すると、これに伴ってシール部８も入力部を中心として屈曲するように変形する。このため、集電板９と集電板１０の間には確実にシール材８ａ、８ｅが存在することとなる。つまり、第１実施形態と同様に、集電板９と集電板１０が接触することを防止できる。
【００５４】
加振試験後の電池容量維持率及び抵抗変化率は、それぞれ約８０％、約１．０であった。
【００５５】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の双極型電池の全体構造を模式的に表した概略断面図である。
【００５７】
第１実施形態と比較すると、双極型電極５の構造、電解質層４、積層方法等は同じであるが、シール部８の構造が異なる。
【００５８】
本実施形態では、シール材８ａ、８ｅは、電池要素７から離れるにしたがって徐々に積層方向の厚さを増す「くさび形」になっている。このため、シール部８を電池要素７の内部方向に押し込む方向の外力が作用すると、シール部８は集電板９と集電板１０の間隔が広がるようにして押し込まれ、集電板９及び集電板１０が電池要素７から剥離する。
【００５９】
その結果、集電板９と集電板１０が接触することによる発熱を防ぐだけでなく、集電板９、１０が電池要素７及びシール部８から電気的に乖離し、電流集中及び発熱を防止することができる。
【００６０】
加振試験後の電池容量維持率及び抵抗変化率は、それぞれ約９０％、約１０倍であった。
【００６１】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果も得られる。
【００６２】
シール部８が、集電板９、１０の外周辺から遠ざかるほど厚さが増大する、いわゆるくさび形になっているので、外力が作用すると、くさび部分が電池要素７と集電板９、１０との間に入り込み易く、電池要素７から集電板９、１０が剥がれ易い。これにより電流集中及び発熱を防止できる。
【００６３】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６４】
１    集電体
２    正極
３    負極
４    電解質層
５    双極型電極
６    単電池層
７    電池要素
８    シール部
９    集電板
１０  集電板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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