(57)【要約】【課題】  電極層を所望の密度に調整し、集電体と電極層との密着性を確保できるバイポーラ電極を提供する。【解決手段】  片面に正極活物質層１３が形成された状態でプレスされ、該正極活物質層１３が所望の厚さに圧縮されてなる正極集電体１１と、片面に負極活物質層１４が形成された状態でプレスされ、該負極活物質層１４が所望の厚さに圧縮されてなる負極集電体１２と、を有し、正極集電体１１の正極活物質層１３が形成されていない面と、負極集電体１２の負極活物質層１４が形成されていない面とが対向されて接続されているバイポーラ電極。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面に正極活物質層が形成された状態でプレスされ、該正極活物質層が所望の厚さに圧縮されてなる正極集電体と、
片面に負極活物質層が形成された状態でプレスされ、該負極活物質層が所望の厚さに圧縮されてなる負極集電体と、
を有し、
前記正極集電体の前記正極活物質層が形成されていない面と、前記負極集電体の前記負極活物質層が形成されていない面とが対向されて接続されているバイポーラ電極。
【請求項２】
前記正極集電体と前記負極集電体との間に配置され、該正極集電体および該負極集電体を接着する接着層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電極。
【請求項３】
前記接着層は、温度が高くなると電気抵抗値が上昇する特性を有する材料を含むことを特徴とする請求項２に記載のバイポーラ電極。
【請求項４】
前記正極集電体はアルミニウム、前記負極集電体は銅からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイポーラ電極。
【請求項５】
正極集電体の片面に正極活物質層を形成する工程と、
前記正極活物質層が形成された前記正極集電体を、該正極活物質層が所望の密度になるまでプレスする工程と、
負極集電体の片面に負極活物質層を形成する工程と、
前記負極活物質層が形成された前記負極集電体を、該負極活物質層が所望の密度になるまでプレスする工程と、
前記正極集電体の前記正極活物質層が形成されていない面と、前記負極集電体の前記負極活物質層が形成されていない面とを向かい合わせて接合する工程と、
を含むことを特徴とするバイポーラ電極の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４に記載のバイポーラ電極、または請求項５に記載の製造方法により製造されたバイポーラ電極が、電解質を挟んで積層されてなる電池要素と、
前記電池要素の最外層に接続され、電流を取り出すための電極タブと、
前記電池要素を密閉する外装と、
を有するバイポーラ電池。
【請求項７】
前記電解質は、ゲルポリマー電解質であることを特徴とする請求項６に記載のバイポーラ電池。
【請求項８】
前記電解質は、真性ポリマー電解質であることを特徴とする請求項６に記載のバイポーラ電池。
【請求項９】
請求項６〜８に記載のバイポーラ電池を複数個接続してなる組電池。
【請求項１０】
請求項６〜８に記載のバイポーラ電池、または請求項９に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイポーラ電極、バイポーラ電極の製造方法、バイポーラ電池、組電池、およびこれらを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラ電池の集電体として、ステンレス箔を使用するものがある（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
しかし、集電体にステンレス箔を用いた場合、繰り返し使用すると劣化し、耐久性に問題がある。
【０００４】
また、高出力かつ長寿命の電池に用いる電極は、通常、集電体上に電極層が形成され、これがプレスされてなる。プレスによって、電極層の密度、換言すると空隙率を調整し、あるいは電極層と集電体との密着性を向上でき、高出力および長寿命の電池を達成できる。
【０００５】
しかし、バイポーラ電池用のバイポーラ電極では、集電体の一方の面に正極層が形成され、他方の面に負極層が形成されている。このようなバイポーラ電極は、正極層と負極層の材質が異なり、柔軟性も異なる。
【０００６】
したがって、バイポーラ電極をプレスすると、正極層または負極層のうち圧縮されやすい方の電極層だけが優先的にプレスされ、電極層の密度や、集電体との密着性が所望の値にならない。これでは、高負荷時の出力の低下を招いたり、耐久性低下の原因となったりする虞がある。
【特許文献１】特開２００１−２３６９４６号公報
【特許文献２】特開平１０−５１２７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極層を所望の密度に調整し、集電体と電極層との密着性を確保でき、かつ集電体の耐久性を向上できるバイポーラ電極、該バイポーラ電極の製造方法、該バイポーラ電極を含むバイポーラ電池、該バイポーラ電池を複数接続した組電池、これらを搭載した車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明のバイポーラ電極は、片面に正極活物質層が形成された状態でプレスされ、該正極活物質層が所望の厚さに圧縮されてなる正極集電体と、片面に負極活物質層が形成された状態でプレスされ、該負極活物質層が所望の厚さに圧縮されてなる負極集電体と、を有し、前記正極集電体の前記正極活物質層が形成されていない面と、前記負極集電体の前記負極活物質層が形成されていない面とが対向されて接続されている。
【０００９】
（２）本発明のバイポーラ電極の製造方法は、正極集電体の片面に正極活物質層を形成する工程と、前記正極活物質層が形成された前記正極集電体を、該正極活物質層が所望の密度になるまでプレスする工程と、負極集電体の片面に負極活物質層を形成する工程と、前記負極活物質層が形成された前記負極集電体を、該負極活物質層が所望の密度になるまでプレスする工程と、前記正極集電体の前記正極活物質層が形成されていない面と、前記負極集電体の前記負極活物質層が形成されていない面とを向かい合わせて接合する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
（３）本発明のバイポーラ電池は、上記（１）のバイポーラ電極、または上記（２）の製造方法により製造されたバイポーラ電極が、電解質を挟んで積層されてなる電池要素と、前記電池要素の最外層に接続され、電流を取り出すための電極タブと、前記電池要素を密閉する外装と、を有する。
【００１１】
（４）本発明の組電池は、上記（３）のバイポーラ電池を複数個接続してなる。
【００１２】
（５）本発明の車両は、上記（３）のバイポーラ電池、または上記（４）の組電池を駆動用電源として搭載してなる。
【発明の効果】
【００１３】
上記（１）のバイポーラ電極によれば、正極集電体と負極集電体に分けて形成されている。したがって、製造時には、正極集電体と負極集電体とを別々にプレスできるので、正極活物質層および負極活物質層の柔軟度に合わせて密度を個別に調整でき、さらに、活物質層と集電体との密着性を高めることができる。結果として、高負荷時に出力が低下せず、または耐久性が低下しない。
【００１４】
上記（２）のバイポーラ電極の製造方法によれば、正極集電体をプレスする工程と、負極集電体をプレスする工程とが別々に設けられている。したがって、正極活物質層および負極活物質層の柔軟度に合わせて密度を個別に調整でき、さらに、活物質層と集電体との密着性を高めることができる。結果として、高負荷時に出力が低下せず、または耐久性が低下しないバイポーラ電極を製造できる。
【００１５】
上記（３）のバイポーラ電池によれば、上記（１）のバイポーラ電極の特性を有し、電源として使用できる。
【００１６】
上記（４）の組電池によれば、バイポーラ電池を複数接続することによって、高容量、高出力を得ることができ、しかも一つひとつのバイポーラ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。
【００１７】
上記（５）の車両によれば、上記（３）のバイポーラ電池または上記（４）の組電池のような各種特性を有し、コンパクトな車両用電源を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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実施形態）
図１は、バイポーラ電極を示す断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明のバイポーラ電極１０は、集電体が、正極集電体１１と負極集電体１２とに分割されている。正極集電体１１は、アルミニウムにより形成されており、負極集電体１２は銅により形成されている。
【００２１】
正極集電体１１の片面には、正極活物質層１３が形成されている。負極集電体１２の片面には、負極活物質層１４が形成されている。正極集電体１１および負極集電体１２の間には、接着層１５が配置されている。
【００２２】
接着層１５は、導電性を有し、たとえば、金属フィラーまたはカーボンフィラーとエポキシ樹脂とからなる。接着層１５は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）特性を有する材料を含む。ＰＴＣ特性とは、ある温度よりも高くなると電気抵抗値が増加し、ほとんど電流が流れなくなる特性のことである。その温度は、ＰＴＣ材料の化学組成で決まる。本発明では、特に、電解液が揮発する温度以上になると電気抵抗地が増加するように、ＰＴＣ材料を選択することが好ましい。
【００２３】
ＰＴＣ特性を示す材料としては、たとえば、ペロブスカイト構造をとり、半導体化したチタン酸バリウム系セラミックスや、プラスチックとカーボンビーズを複合したものが挙げられる。
【００２４】
次に、バイポーラ電極を製造する様子を説明する。図２は、バイポーラ電極を製造する様子を示す断面図である。
【００２５】
バイポーラ電極を製造する際には、最初に、図２に一点鎖線で示すように、正極集電体１１に正極活物質層１３を塗布する。そして、正極集電体１１および正極活物質層１３を、積層方向に両側からプレスする。プレスの際には、正極活物質層１３が所望の空隙率となり、かつ、正極集電体１１に正極活物質層１３が密着するように、加圧力を調整する。
【００２６】
同様に、負極集電体１２に負極活物質層１４を塗布し、プレスにより所望の空隙率に調整する。
【００２７】
そして、正極集電体１１の正極活物質層１３が形成されていない面と、負極集電体１２の負極活物質層１４が形成されていない面とを向かい合わせにして、間に接着層１５を挟んで重ね合わせる。すると、図１に示すようなバイポーラ電極１０が形成される。
【００２８】
なお、図２では、接着層１５だけで独立して層をなしているように表現している。しかし、通常、接着層１５は、独立して層はなさず、半液状である。したがって、正極集電体１１の正極活物質層１３が形成されていない面、または、負極集電体１２の負極活物質層１４が形成されていない面に、接着剤を塗布して、接着層１５を形成する。
【００２９】
次に、上記バイポーラ電極を用いて作成したバイポーラ電池について説明する。
【００３０】
図３は、バイポーラ電池の断面図である。
【００３１】
バイポーラ電池２０は、電池要素３０と外装４０とからなる。
【００３２】
電池要素３０は、上述のバイポーラ電極１０と電解質層３５とが交互に積層されてなる。これにより、正極活物質層１３と負極活物質層１４との間に、電解質層３５が挟まれて、単電池層３６が構成される。電池要素３０は、複数の単電池層３６が直列接続された構造となる。
【００３３】
電解質層３５は、ゲルポリマー電解質、または真性ポリマー電解質である。ゲルポリマー電解質とは、イオン導電性を有する固体高分子電解質に電解液を含んだものや、リチウムイオン導電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である。
【００３４】
電池要素３０の積層両端には、正極集電体１１’の片面に正極活物質層１３’を形成したもの、および負極集電体１２’の片面に負極活物質層１４’を形成したものが配置される。電池要素３０の積層の両端に配置される正極集電体１１’および負極集電体１２’は、それぞれ、間に積層される正極集電体１１および負極集電体１２よりも大きく形成され、電極タブとして、外装４０の外部に引き出されている。
【００３５】
外装４０は、２枚のラミネートシート４１により形成されている。ラミネートシート４１は、アルミニウム層の両面が樹脂層で被覆された三層構造を有する。少なくとも一方のラミネートシート４１は、電池要素３０を内包する空間を設けるために、中高状に加工されている。ラミネートシート４１の縁は、熱融着等により接着される。これにより、外装４０内部に、電池要素３０が密閉される。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、バイポーラ電極１０の集電体を正極集電体１１と負極集電体１２に分けている。したがって、正極活物質層１３を形成した正極集電体１１と、負極活物質層１４を形成した負極集電体１２とを、別々にプレスできる。この結果、正極活物質層１３と負極活物質層１４とを別々に所望の密度に調整し、また所望の密着性が得られる。これにより、バイポーラ電池２０を構成したときに、所望の出力、および耐久性が得られる。
【００３７】
また、バイポーラ電極１０において、正極集電体１１と負極集電体１２との間に接着層１５が設けられ、正極集電体１１と負極集電体１２とが接着されている。したがって、振動が与えられても、正極集電体１１と負極集電体１２がずれることがなく、耐震性が向上される。ただし、接着層１５を設けなくても、電池要素３０の各部を保持する機構があれば、耐震性は確保される。
【００３８】
接着層１５には、ＰＴＣ材料が含まれている。温度が上昇すると接着層１５の抵抗値が増大する。したがって、短絡等が起こって温度が上昇することがあっても、過剰電流が流れることを防止できる。
【００３９】
また、正極集電体１１にアルミニウムを用い、負極集電体１２に銅を用いている。バイポーラ電池の集電体としては、正極側にアルミニウムを用い、負極側に銅を用いることによって、正極集電体１１および負極集電体１２の劣化を防止し、耐久性を向上できる。
【００４０】
また、上記バイポーラ電池２０において、電解質層３５にゲルポリマー電解質を用いることによって、電解液が漏れることを防止でき、かつ耐熱性を向上できる。電解質層３５に真性ポリマー電解質を設ければ、さらに液漏れ防止効果が得られ、耐熱性を向上できる。
【００４１】
なお、上記バイポーラ電池２０の構成は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている公知の材料を用いればよく、特に限定されるものではない。以下に、このバイポーラ電池２０に使用することのできる集電体、正極活物質層、負極活物質層、電解質等について参考までに説明する。
【００４２】
［集電体］
集電体は、集電体は表面材質がアルミニウムであれば、その構成については特に限定されない。集電体がアルミニウムそのものであってもよい。また、集電体の表面がアルミニウムで被覆されている形態であってもよい。つまり、アルミニウム以外の物質（銅、チタン、ニッケル、ＳＵＳ、これらの合金など）の表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。場合によっては、２以上の板を張り合わせた集電体を用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔単体を集電体として用いることが好ましい。集電体の厚さは特に限定されないが、通常は１０〜１００μｍ程度である。
【００４３】
［正極活物質層］
正極活物質層は、正極活物質、バインダー、固体高分子電解質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために支持塩（リチウム塩）、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。
【００４４】
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、リチウムと遷移金属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。正極活物質層活物質としてリチウム一遷移金属複合酸化物を用いることにより、積層型電池の反応性、サイクル耐久性を向上させ、低コストにすることができる。
【００４５】
正極活物質の粒径は、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０．１〜５μｍであるとよい。
【００４６】
固体高分子電解質は、イオン伝導性を有する高分子であれば、特に限定されるものではない。イオン伝導性を有する高分子としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。か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。本発明において固体高分子電解質は、正極活物質層または負極活物質層の少なくとも一方に含まれる。ただし、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。
【００４７】
支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、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。
【００４８】
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。
【００４９】
正極活物質層における、正極活物質、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。例えば、活物質層内における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、活物質層内における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。したがって、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。
【００５０】
ここで現状レベルの固体高分子電解質（イオン伝導度：１０−５〜１０−４Ｓ／ｃｍ）を用いて電池反応性を優先するバイポーラ電池を製造する場合について、具体的に考えてみる。かような特徴を有するバイポーラ電池を得るには、導電助剤を多めにしたり活物質のかさ密度を下げたりして、活物質粒子間の電子伝導抵抗を低めに保つ。同時に空隙部を増やし、該空隙部に固体高分子電解質を充填する。かような処理によって固体高分子電解質の割合を高めるとよい。
【００５１】
正極活物質層の厚さは、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５〜５００μｍ程度である。
【００５２】
［負極活物質層］
負極活物質層は、負極活物質、バインダー、固体高分子電解質を含む。この他にも、イオン伝導性を高めるために支持塩（リチウム塩）、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。負極活物質の種類以外は、基本的に「正極活物質」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。
【００５３】
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。ただし、本発明のバイポーラ電池は固体高分子電解質が用いられるため、固体高分子電解質での反応性を考慮すると、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物が好ましい。より好ましくは、負極活物質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である。さらに好ましくは、遷移金属はチタンである。つまり、負極活物質は、チタン酸化物またはチタンとリチウムとの複合酸化物であることがさらに好ましい。
【００５４】
負極活物質層活物質としてカーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物を用いることにより、積層型電池の反応性、サイクル耐久性を向上させ、低コストにすることができる。
【００５５】
［電解質層］
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。液漏れの防止のために固体電解質を用いることが好ましい。固体電解質としては、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。固体高分子電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩（リチウム塩）が含まれる。支持塩としては、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。
【００５６】
また、高分子ゲル電解質とは、一般的に、イオン伝導性を有する全固体高分子電解質に、電解液を保持させたものをいう。電解液（電解質塩および可塑剤）としては、特に制限されるべきものではなく、従来既知の各種電解液を適宜使用することができるものである。例えば、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可塑剤（有機溶媒）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。
【００５７】
なお、本願では、リチウムイオン伝導性を有し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、前記高分子ゲル電解質に含まれるものとする。用いられる電解液（電解質塩および可塑剤）の種類等は特に制限されない。
【００５８】
イオン導伝性を有する固体高分子電解質としては、例えば、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。
【００５９】
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、例えば、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。
【００６０】
また、電解質層が高分子ゲル電解質からなる場合、前記電解質層は、高分子ゲル原料溶液を不織布などのセパレータに含浸させた後、上記の種々の方法を用いて重合することにより形成されたものであってもよい。セパレータを用いることにより、電解液の充填量を高めることができるとともに、電池内部の熱伝導性が確保される。
【００６１】
［ラミネートシート］
ラミネートシートは電池の外装材として用いられる。一般には、熱融着性樹脂フィルム、金属箔、剛性を有する樹脂フィルムがこの順序で積層された高分子金属複合フィルムが用いられる。
【００６２】
熱融着性樹脂としては、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、アイオノマー、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）等を用いることができる。金属箔としては、たとえばＡｌ箔、Ｎｉ箔を用いることができる。剛性を有する樹脂としては、たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのポリエステルやポリアミド（ナイロン（登録商標））など、ポリアミド系合成繊維等を用いることができる。具体的には、シール面側から外面に向けて積層したＰＥ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＰＥ／Ａｌ箔／ナイロン（登録商標）の積層フィルム；アイオノマー／Ｎｉ箔／ＰＥＴの積層フィルム；ＥＶＡ／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム；アイオノマー／Ａｌ箔／ＰＥＴの積層フィルム等を用いることができる。熱融着性樹脂フィルムは、電池要素を内部に収納する際のシール層として作用する。金属箔や剛性を有する樹脂フィルムは、湿性、耐通気性、耐薬品性を外装材に付与する。ラミネートシートは、ヒートシール、インパルスシール、超音波融着、高周波融着等の熱融着を用いて、容易かつ確実に接合させることができる。
【００６３】
（実施例）
次に、実際に上記バイポーラ電池を製作して評価を行った実施例について説明する。
【００６４】
＜サンプル作製＞
実施例として、上記実施形態に対応するバイポーラ電池２０を複数作成した。作成したバイポーラ電池の共通する構成は、次の通りである。
【００６５】
［正極の製造］
正極集電体１１には、厚さ２０μｍのアルミニウムまたはステンレス（ＳＵＳ）箔を使用した。正極集電体１１の片面に、マンガン酸リチウム（平均粒径５μｍ）９０重量％とポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）５重量％とアセチレンブラック５重量％とを含有する塗料を塗布・乾燥して、正極活物質層１３が形成された正極シートを得た。正極シートを所定の空隙率となるように、プレスした。
【００６６】
［負極の製造］
負極集電体１２には、厚さ２０μｍの銅またはステンレス（ＳＵＳ）箔を使用した。負極集電体１２の片面に、ハードカーボン粒子（平均粒径６μｍ）９５重量％とＰＶｄＦ５重量％を含有する塗料を塗布・乾燥して、負極活物質層１４が形成された負極シートを得た。負極シートを所定の空隙率となるようにプレスした。
【００６７】
［箔の接着］
導電性フィラーとＰＴＣ特性を有する粒子とエポキシを所定の混合比で混合したものを、負極シートの負極活物質層１４が形成されていない方の面に塗布し、正極シートを張り合わせて、バイポーラ電極１０とした。
【００６８】
［リチウム二次電池の製造］
ＬｉＢＥＴＩを１ｍｏｌ／Ｌの割合で含有するプロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒（混合体積比１：１）電解液９５重量％に、ＰＥＯ系ポリマー前駆体５重量％を加え、さらに重合開始剤をポリマー重量に対して１０００ｐｐｍ加えて、ゲルポリマー前駆体溶液とした。
【００６９】
膜厚４０μｍの不織布フィルム１枚にゲルポリマー前駆体を塗布・含浸させて、電解質層３５を形成した。バイポーラ電極１０にも、ゲルポリマー前駆体を塗布・含浸させた状態で、最初に、正極シートを配置し、その上に、電解質層３５、バイポーラ電極１０、電解質層３５を順番に積層し、最後に、負極シートを積層した。これを、８０℃で１時間加熱することによって、電解質層３５及び正負極の空隙中の電解質が非流動性電解質からなる電池要素３０を得た。
【００７０】
得られた電池要素３０を、アルミニウム層の両面を樹脂層で被覆した２枚のラミネートフィルム４１で挟み、正極集電体１１’および負極集電体１３’を引き出しつつ、真空封止して単電池層が２層のバイポーラ電池を形成した。
【００７１】
（実施例１）
実施例１では、正極集電体１１および負極集電体１３にステンレス板を使用した。また、導電性フィラーとＰＴＣ特性を有する材料とエポキシを所定の混合比で混合した接着剤を、負極シートの負極活物質層１４が形成されていない方の面に塗布した。塗布した面に、正極シートの正極活物質層１３が形成されていない方の面を張り合わせて、バイポーラ電極１０を形成した。
【００７２】
（実施例２）
実施例２では、正極集電体１１にアルミニウム板を使用し、負極集電体１３に銅板を使用した。実施例２においても、実施例１と同様に、正極シートと負極シートの間に接着剤を塗布して、接着層１５を形成した。
【００７３】
（実施例３）
実施例３では、正極集電体１１にアルミニウム板を使用し、負極集電体１３に銅板を使用した。実施例３においては、正極シートと負極シートとの間に接着剤を塗布しなかった。正極シートの正極活物質層１３が形成されていない面と、負極シートの負極活物質層１４が形成されていない面とを重ね合わせて、バイポーラ電極とした。
【００７４】
（比較例）
また、この評価の比較例として、従来と同様に１枚の集電体からなるバイポーラ電極を用いて、バイポーラ電池を作成した。集電体にはステンレス板を使用し、その一方の面に正極活物質層を形成し、他方の面に負極活物質層を形成して、バイポーラ電極とした。バイポーラ電極と電解質層とを交互に積層して、単電池層が３層のバイポーラ電池を形成した。
【００７５】
＜評価＞
（放電効率試験）
実施例１〜３、および比較例１のバイポーラ電池について、０．５Ｃに相当する電流で、４．２Ｖとなるまで、１０時間の定電流充電を行った。１０分間放置した後、満充電状態の各バイポーラ電池について、電圧が２．５Ｖとなるまで、１０Ｃに相当する電流を流した。そして、１０分間放置した。
【００７６】
そして、放電電力と充電電力の比率、いわゆる放電効率を求めた。
【００７７】
（耐久試験）
実施例１〜３、および比較例１のバイポーラ電池について、１Ｃに相当する電流で、４．２Ｖとなるまで、定電流定電圧充電を行った。１０分間放置した後、電圧が２．５Ｖとなるまで、１Ｃに相当する電流を流した。再度、１０分間放置した。これを５００サイクル繰り返し、５００サイクル後の容量を調べた。
【００７８】
（異常時信頼性試験）
実施例１〜３、および比較例１のバイポーラ電池について、各電池の表面に熱電対を取り付け、単電池層を強制的に短絡させて、温度が１００℃以上になるかどうか調べた。１００℃以上になった場合を「ＮＧ」とし、１００℃未満なら「ＯＫ」と評価した。
【００７９】
上記各試験を行った結果は、図４に示される。
【００８０】
図４は、各試験結果を示す図である。
【００８１】
放電効率試験では、図４に示すように、実施例１〜３のバイポーラ電池については、大電流を流した場合でも、８５％以上の放電効率が得られた。一方で、比較例１のバイポーラ電池では、放電効率が７７％と、実施例１〜３のバイポーラ電池よりも劣った。
【００８２】
この放電効率試験により、集電体を正極集電体と負極集電体の２枚に分割した方が、放電効率が向上することがわかった。これは、集電体を分割することにより、正極活物質層および負極活物質層を別々にプレスでき、それらの空隙率を別個に調整できたからであると考えられる。
【００８３】
耐久試験では、図４に示すように、実施例２、３のバイポーラ電池については、５００サイクル後でも容量がほとんど低下せず、９０％以上残った。一方、実施例１および比較例のバイポーラ電池については、容量が６０％程度まで低下した。
【００８４】
この耐久試験により、集電体を一様にステンレス板とするのではなく、正極集電体にはアルミニウム板、負極集電体には銅板を用いると耐久性が向上することがわかった。これは、ステンレス板だと、繰り返し使用することで、成分が一部溶け出してくるからである。
【００８５】
異常時信頼性試験では、図４に示すように、実施例１、２のバイポーラ電池については、ＯＫの評価が得られ、実施例３および比較例のバイポーラ電池については、ＮＧの評価が得られた。
【００８６】
この異常時信頼性試験により、ＰＴＣ材料を含む接着層を設けることによって、所定の温度以上に温度が上昇することを防止できることがわかった。ＰＴＣ材料を含むので、１００℃近くなると、電気抵抗値が増加するので、電流がほとんど流れず、発熱が防止されるからである。
【００８７】
（第２実施形態）
第２実施形態では、上記第１実施形態で示したバイポーラ電池２０を複数個、並列および／または直列に接続して、組電池を構成する。
【００８８】
図５は第２実施形態に係る組電池の斜視図であり、図６は組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【００８９】
図５および図６に示すように組電池５０は、上述した第１実施形態によるバイポーラ電池２０を複数個接続したものである。バイポーラ電池２０同士は、導電バー５３により各電池の電極タブ１１’、１２’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、電極として一側面に設けられている。
【００９０】
この組電池５０においては、バイポーラ電池２０を複数個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５０を製造することができる。
【００９１】
組電池５０によれば、前述した第１実施形態に係るバイポーラ電池２０を用いて組電池化することで、高容量、高出力を得ることができ、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。
【００９２】
なお、組電池としてのバイポーラ電池２０の接続は、複数個全て並列に接続してもよいし、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせても良い。
【００９３】
（第３実施形態）
第３実施形態では、上記第１実施形態のバイポーラ電池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、車両を構成する。バイポーラ電池２０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がある。
【００９４】
参考までに、図７に、組電池５０を搭載する自動車６０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】
【００９５】
【図１】バイポーラ電極を示す断面図である。
【図２】バイポーラ電極を製造する様子を示す断面図である。
【図３】バイポーラ電池の断面図である。
【図４】各試験結果を示す図である。
【図５】組電池の斜視図である。
【図６】組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【図７】組電池を搭載する自動車の概略図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０…バイポーラ電極、
１１…正極集電体、
１２…負極集電体、
１３…正極活物質層、
１３…負極集電体、
１５…接着層、
２０…バイポーラ電池、
３０…電池要素、
３５…電解質層、
３６…単電池層、
４０…外装、
５０…組電池、
６０…自動車。
【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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【図７】
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