ТОКООТВОД ДЛЯ БИПОЛЯРНОЙ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
CURRENT LEAD FOR BIPOLAR LITHIUM-ION BATTERY

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к токоотводу для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи, электроду для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием такого токоотвода и биполярной литий-ионной аккумуляторной батарее.
Предпосылки изобретения
[0002] В последние годы гибридные транспортные средства (HEV), электрические транспортные средства или, иначе говоря, электромобили (EV) и транспортные средства на топливных элементах изготавливаются и продаются с учетом аспектов воздействия на окружающую среду и расхода топлива, и поэтому проводятся дальнейшие разработки по этим транспортным средствам. В таких транспортных средствах с электроприводом существенно использование заряжаемо-разряжаемых источников питания. В качестве таких источников питания обычно используют аккумуляторные (вторичные) батареи, к примеру, литий-ионные батареи и никель-гидридные батареи и конденсаторы с двойным электрическим слоем. Из них особенно предпочтительными для использования в транспортных средствах с электроприводом являются литий-ионные аккумуляторные батареи вследствие высокой плотности энергии и высокой стойкости к повторному заряду и разряду, и поэтому прилагаются различные усилия по разработке таких аккумуляторных батарей. При этом, когда аккумуляторная батарея используется в качестве источника питания для приведения в действие электромотора для применения в вышеуказанных транспортных средствах с электроприводом, требуются множественные аккумуляторные батареи, подключаемые последовательно, чтобы обеспечивать высокую выходную мощность.
[0003] Тем не менее, если батареи подключаются через разъемы, то выходная мощность снижается вследствие электрического сопротивления разъемов. Помимо этого, батареи с разъемами являются невыгодными с точки зрения занимаемого пространства. Таким образом, разъемы приводят к снижению плотности выходной мощности и плотности энергии батарей.
[0004] В качестве мер по решению вышеуказанных проблем проводится разработка биполярных аккумуляторных батарей, таких как биполярные литий-ионные аккумуляторные батареи. Биполярные аккумуляторные батареи включают в себя вырабатывающий электроэнергию элемент, в котором множественные биполярные электроды, каждый из которых снабжен слоем активного материала положительного электрода на одной поверхности токоотвода и слоем активного материала отрицательного электрода на другой поверхности токоотвода, укладываются поверх друг друга через слои электролита или сепараторы.
[0005] Токоотвод, используемый в такой биполярной аккумуляторной батарее, предпочтительно является легким и изготавливается из материала, имеющего высокую удельную электропроводность, чтобы обеспечивать большую плотность выходной мощности. С учетом этого предложены токоотводы (токоотводы на основе смолы) с использованием полимерных материалов, в которые добавлены электропроводящие материалы. Например, патентный документ 1 раскрывает токоотвод на основе смолы, включающий в себя полимерный материал, в котором частицы металла или углеродные частицы добавляются в качестве электропроводящего материала.
Список библиографических ссылок
Патентная литература
[0006] Патентный документ 1: публикация не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии № 2006-190649.
Сущность изобретения
[0007] Однако токоотвод на основе смолы, раскрытый в патентном документе 1, имеет низкие характеристики изоляции по изолированию ионов лития, содержащихся в растворе электролита. Выявлено, что при использовании такого токоотвода на основе смолы в биполярной литий-ионной аккумуляторной батарее ионы лития проникают внутрь токоотвода на основе смолы, входящего в состав биполярного электрода, и, как результат, ионы лития остаются поглощенными внутри токоотвода. Поглощенные ионы лития практически не высвобождаются за пределы токоотвода, что может приводить к снижению емкости батареи.
[0008] При этом смола, входящая в состав токоотвода на основе смолы, предпочтительно практически не деформируется в ходе термической обработки или обработки давлением при изготовлении батареи и практически не растворяется в растворителе в растворе электролита, а предпочтительно имеет высокие термостойкость, прочность и стойкость к растворителям. В качестве смолы с такими характеристиками предпочтительной является содержащая имидную группу смола, такая как полиимид; тем не менее, было также выявлено, что при использовании содержащей имидную группу смолы ионы лития в значительной степени поглощаются внутри токоотвода на основе смолы.
[0009] Настоящее изобретение было создано с учетом вышеописанных традиционных проблем. Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить предназначенный для использования в биполярной литий-ионной аккумуляторной батарее токоотвод на основе смолы, содержащий содержащую имидную группу смолу и способный уменьшить поглощение (абсорбцию) ионов лития внутри токоотвода.
[0010] Авторы настоящего изобретения посвятили себя постоянным исследованиям по решению вышеописанных проблем. Проведенные авторами изобретения исследования выявили механизм проникновения и абсорбции ионов лития в токоотвод на основе смолы. Авторы изобретения выяснили, что проникновение и абсорбция ионов лития могут быть значительно уменьшены за счет наличия в токоотводе на основе смолы, содержащем содержащую имидную группу смолу, изоляционного слоя на основе смолы, содержащего смолу, не содержащую имидной группы, и слоя на основе металла, тем самым создав настоящее изобретение.
[0011] Токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя: первый электропроводящий слой, в котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей содержащую имидную группу смолу; и второй электропроводящий слой, который выполняет функцию изолирования ионов лития. Второй электропроводящий слой включает в себя: изоляционный слой на основе смолы, в котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей смолу, не содержащую имидной группы; и слой на основе металла. Первый электропроводящий слой расположен таким образом, что слой активного материала положительного электрода ближе к нему, чем второй электропроводящий слой.
Краткое описание чертежей
[0012] Фиг. 1 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 2 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 3 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи, включающего в себя предотвращающий вымывание металла слой, согласно еще одному другому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 4 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим биполярную литий-ионную аккумуляторную батарею согласно варианту воплощения настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов воплощения
[0013] В дальнейшем предпочтительные варианты воплощения согласно настоящему изобретению будут пояснены со ссылкой на чертежи; тем не менее, объем настоящего изобретения должен определяться на основе формулы изобретения и не ограничен описанными ниже вариантами воплощения. Следует отметить, что идентичные элементы в нижеприведенных пояснениях чертежей указаны идентичными ссылочными номерами, а их перекрывающиеся пояснения будут опущены. Помимо этого, соотношения размеров на чертежах увеличены для удобства пояснения и могут отличаться от фактических соотношений. В нижеприведенных пояснениях токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи может называться просто “токоотводом”, электрод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи может называться просто “биполярным электродом”, а биполярная литий-ионная аккумуляторная батарея может называться просто “биполярной аккумуляторной батареей” согласно обстоятельствам.
[0014] Токоотвод, биполярный электрод
Фиг. 1 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения. Биполярный электрод 1, показанный на фиг. 1, имеет пакетную структуру, в которой на одной поверхности токоотвода 3 сформирован слой 5 активного материала положительного электрода, а на другой поверхности токоотвода 3 сформирован слой 7 активного материала отрицательного электрода. Токоотвод 3 имеет структуру, в которой первый электропроводящий слой 3A, расположенный со стороны слоя 5 активного материала положительного электрода, и второй электропроводящий слой 3B, расположенный со стороны слоя 7 активного материала отрицательного электрода, уложены стопкой поверх друг друга.
[0015] Первый электропроводящий слой 3A имеет строение, при котором сажа Ketjen (зарегистрированный товарный знак) диспергирована в качестве электропроводящего заполнителя в основе, содержащей полиимид (PI). Второй электропроводящий слой 3B включает в себя два слоя: изоляционный слой 3a на основе смолы и слой 3b на основе металла. Изоляционный слой 3a на основе смолы имеет строение, при котором сажа Ketjen диспергирована в качестве электропроводящего заполнителя в основе, содержащей смолу, не содержащую имидной группы, такую как полипропилен (PP). Слой 3b на основе металла содержит медь.
2
[0016] Слой 5 активного материала положительного электрода содержит LiNiO (не показан на фигуре) в качестве активного материала положительного электрода. Слой 7 активного материала отрицательного электрода содержит графит (не показан на фигуре) в качестве активного материала отрицательного электрода. В дальнейшем будут пояснены основные элементы токоотвода 3 и биполярного электрода 1 согласно настоящему варианту воплощения.
[0017] Токоотвод
Токоотвод 3 служит в качестве среды для переноса электронов с одной стороны, на которой сформирован слой активного материала положительного электрода, к другой стороне, на которой сформирован слой активного материала отрицательного электрода.
[0018] Первый электропроводящий слой
В настоящем варианте воплощения токоотвод 3 включает в себя два электропроводящих слоя 3A и 3B. Первый электропроводящий слой 3A, расположенный со стороны слоя 5 активного материала положительного электрода биполярного электрода 1, имеет строение, при котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей содержащую имидную группу смолу. Это строение способствует не только функционированию в качестве среды пропускания электронов, но и уменьшению веса токоотвода.
[0019] Основа, входящая в состав первого электропроводящего слоя 3A, содержит содержащую имидную группу смолу в качестве существенного материала. Содержащая имидную группу смола имеет высокие термостойкость, прочность и стойкость к растворителям. Следовательно, использование в токоотводе основы, содержащей содержащую имидную группу смолу, способствует обеспечению сопротивления деформации из-за термической обработки или обработки давлением при изготовлении батареи и сопротивления растворению из-за растворителя в растворе электролита.
[0020] Примеры содержащей имидную группу смолы включают полиимид (PI), полиамидоимид (PAI) и полиэфиримид (PEI). Из них в качестве содержащей имидную группу смолы предпочтительно используется полиимид. Конкретные примеры полиимида включают предлагаемый на рынке полиимид под такими товарными знаками, как UPILEX (зарегистрированный товарный знак, производится компанией Ube Industries, Ltd.), KAPTON (зарегистрированный товарный знак, производится компанией Du Pont-Toray Co., Ltd.) и APICAL (зарегистрированный товарный знак, производится компанией Kaneka Corporation). Следует отметить, что вместо вышеперечисленных смол могут быть использованы другие примеры полиимида. Эти примеры содержащей имидную группу смолы могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0021] Основа, входящая в состав первого электропроводящего слоя 3A, может содержать общеизвестный неэлектропроводящий полимерный материал или электропроводящий полимерный материал в дополнение к содержащей имидную группу смоле. Примеры неэлектропроводящего полимерного материала включают полиэтилен (PE; полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE)), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), полиэфирнитрил (PEN), полиамид (PA), политетрафторэтилен (PTFE), стиролбутадиеновый каучук (SBR), полиакрилонитрил (PAN), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA), поливинилхлорид (PVC), поливинилиденфторид (PVdF) и полистирол (PS). Примеры электропроводящего полимерного материала включают полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил и полиоксадиазол. Эти примеры неэлектропроводящего полимерного материала или электропроводящего полимерного материала могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0022] Содержание содержащей имидную группу смолы полимерных материалов (смолы), содержащейся в основе первого электропроводящего слоя 3A, определяется с учетом дальнейшего проявления эффектов настоящего варианта воплощения. В частности, содержание содержащей имидную группу смолы (предпочтительно, полиимида (PI)) относительно 100% по массе смолы в основе предпочтительно составляет 50% по массе или выше. Содержание содержащей имидную группу смолы более предпочтительно составляет 70% по массе, еще более предпочтительно - 90% по массе, особенно предпочтительно - 95% по массе, наиболее предпочтительно - 100% по массе.
4
5
12
[0023] Электропроводящий заполнитель, добавленный в основу для составления первого электропроводящего слоя 3A, конкретно не ограничен при условии, что электропроводящий заполнитель обладает электропроводностью. Примеры электропроводящего заполнителя включают электропроводящий углерод, олово (Sn) и титанат лития (LiTiO). Электропроводящий углерод предпочтительно содержит по меньшей мере один вид, выбранный из группы, состоящей из ацетиленовой сажи, сажи Vulcan, сажи Black Pearls, углеродного нановолокна, сажи Ketjen (зарегистрированный товарный знак), углеродной нанотрубки, углеродного нанорупора, углеродного наношарика и фуллерена. Эти типы электропроводящего углерода имеют достаточно широкое окно потенциалов, являются стабильными как относительно потенциала положительного электрода, так и относительно потенциала отрицательного электрода, и обладают высокой удельной электропроводностью. Из них электропроводящий углерод более предпочтительно содержит по меньшей мере один вид, выбранный из группы, состоящей из углеродной нанотрубки, углеродного нанорупора, сажи Ketjen, углеродного наношарика и фуллерена. Поскольку эти типы электропроводящего углерода имеют полую структуру и поэтому обладают большой удельной площадью поверхности на единицу массы, может достигаться дополнительное уменьшение веса токоотвода. Альтернативно, в качестве электропроводящего заполнителя может быть использован по меньшей мере один материал на основе металла, выбранный из группы, состоящей из никеля (Ni), алюминия (Al), меди (Cu), платины (Pt), железа (Fe), хрома (Cr), цинка (Zn), индия (In), сурьмы (Sb) и калия (K), либо сплава или оксида металла, содержащего эти металлы. Эти металлы обладают устойчивостью к потенциалу положительного электрода или отрицательного электрода, сформированному на поверхностях токоотвода. Например, Al обладает устойчивостью к потенциалу положительного электрода, Ni и Cu обладают устойчивостью к потенциалу отрицательного электрода, а Pt обладает устойчивостью к потенциалу обоих электродов. В частности, более предпочтителен сплав, содержащий по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Ni, Al, Cu, Pt, Fe и Cr. Конкретные примеры такого сплава включают нержавеющую сталь (SUS), инконель (зарегистрированный товарный знак), хастеллой (зарегистрированный товарный знак), сплав Fe-Cr и сплав Ni-Cr. Использование этих сплавов может обеспечивать более высокую устойчивость к потенциалу. Эти сплавы могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0024] Форма электропроводящего заполнителя конкретно не ограничена, и соответствующим образом может быть выбрана общеизвестная форма, такая как гранулированная форма, волокнистая форма, пластинчатая форма, кусковая форма, тканевая форма или сетчатая форма. Например, когда желательно, чтобы электропроводность проявлялась по большой площади смолы, предпочтительно используется электропроводящий заполнитель, имеющий гранулированную форму. Когда желательно дополнительное повышение электропроводности в каком-то конкретном направлении смолы, предпочтительно используется электропроводящий заполнитель, имеющий волокнистую форму и постоянную направленность.
[0025] Размер электропроводящего заполнителя конкретно не ограничен, и может быть использован заполнитель с различными размерами в зависимости от размера и толщины электропроводящего слоя или формы электропроводящего заполнителя. В качестве примера, средний диаметр частиц в случае, если электропроводящий заполнитель имеет гранулированную форму, предпочтительно находится приблизительно в диапазоне от 0,1 мкм до 10 мкм с учетом простоты формирования электропроводящего слоя. Следует отметить, что, в описании настоящего изобретения, “диаметр частицы” представляет наибольшую длину L между любыми двумя точками на окружности электропроводящего заполнителя. Помимо этого, “средний диаметр частиц” представляет значение, вычисленное с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) или просвечивающего электронного микроскопа (TEM) как среднее значение диаметров частицы у частиц, наблюдаемых в полях зрения числом от нескольких до нескольких десятков. Диаметры частицы и средние диаметры частиц активных материалов, описанных ниже, могут быть определены таким же образом.
[0026] Содержание электропроводящего заполнителя в первом электропроводящем слое 3A конкретно не ограничено. Тем не менее, содержание электропроводящего заполнителя предпочтительно находится в диапазоне 5-35% по массе, более предпочтительно в диапазоне 5-25% по массе, еще более предпочтительно в диапазоне 5-15% по массе, относительно общей массы основы. Когда электропроводящий заполнитель с таким содержанием добавляется к основе, может быть подавлено увеличение массы первого электропроводящего слоя 3A, и, одновременно, основа может обеспечивать достаточную электропроводность.
[0027] Содержание полимерного материала основы в первом электропроводящем слое 3A предпочтительно находится в диапазоне 65-95% по массе, более предпочтительно в диапазоне 75-95% по массе, еще более предпочтительно в диапазоне 85-95% по массе. Полимерный материал с содержанием в таком диапазоне может способствовать уменьшению веса не только первого электропроводящего слоя 3A, но и всего токоотвода.
[0028] Дисперсное состояние электропроводящего заполнителя в первом электропроводящем слое 3A конкретно не ограничено. Электропроводящий заполнитель может быть диспергирован равномерно в смоле основы или может быть диспергирован локально.
[0029] Второй электропроводящий слой
Второй электропроводящий слой 3B, расположенный со стороны слоя 7 активного материала отрицательного электрода биполярного электрода 1, включает в себя изоляционный слой 3a на основе смолы и слой 3b на основе металла, причем изоляционный слой 3a на основе смолы имеет строение, при котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей смолу, не содержащую имидной группы.
[0030] Основа изоляционного слоя 3a на основе смолы содержит смолу, не содержащую имидной группы. В настоящем варианте воплощения не содержащая имидной группы смола способствует подавлению проникновения и абсорбции ионов лития в токоотвод 3 и повышению устойчивости к потенциалу отрицательного электрода. Чтобы подавлять проникновение и абсорбцию ионов лития внутри токоотвода 3, изоляционный слой 3a на основе смолы предпочтительно укладывается на первом электропроводящем слое 3A таким образом, чтобы покрывать всю поверхность первого электропроводящего слоя 3A на стороне слоя 7 активного материала отрицательного электрода, как показано на фиг. 1. При этом изоляционный слой 3a на основе смолы предпочтительно проложен по меньшей мере между слоем 7 активного материала отрицательного электрода и первым электропроводящим слоем 3A.
[0031] Не содержащая имидной группы смола конкретно не ограничена и может использовать несшитый материал или сшитый материал. Конкретные примеры смолы, не содержащей имидной группы, включают полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полибутен-1 (PB), поливинилиденхлорид (PVDC), поливинилиденфторид (PVDF), полиоксиметилен (POM), полиамид-6 (PA-6), полиамид-66 (PA-66), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), полифениленсульфид (PPS), полиэфирэфиркетон (PEEK), сополимер этилена-тетрафторэтилена (ETFE), сополимер перфторэтилена-пропилена (FEP), перфторалкоксиалкан (PFA), жесткий поливинилхлорид (RPVC), полиметилметакрилат (PMMA), полистирол общего назначения (GPPS), ударопрочный полистирол (HIPS), смолу на основе сополимера акрилонитрила-стирола (AS), смолу на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена-стирола (ABS), модифицированный полифениленоксид (m-PPO), поликарбонат (PC), полисульфон (PSF), полиарилат (PAR), полиэфирсульфон (PES) и сшитый сополимерный материал, в котором часть вышеуказанной смолы является сшитой. Другие примеры смолы, не содержащей имидной группы, включают феноловую смолу, карбамидную смолу, меламиновую смолу, эпоксидную смолу, полиуретан, ненасыщенную полиэфирную смолу, отверждаемую ультрафиолетовым излучением силиконовую смолу, уретан-акрилатную смолу, эпоксиакрилатную смолу, ненасыщенную акриловую смолу, смолу на основе сложного полиэфира-акрилата, смолу на основе простого полиэфира-акрилата и смолу на основе полиена-политиола. Из этих типов смолы, не содержащей имидной группы, предпочтительно используется сшитый полимерный материал с учетом дополнительного улучшения изоляции ионов лития. Эти типы смолы, не содержащей имидной группы, могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0032] Основа изоляционного слоя 3a на основе смолы может дополнительно содержать общеизвестный неэлектропроводящий полимерный материал или электропроводящий полимерный материал, описанный при пояснении первого электропроводящего слоя 3A, в дополнение к описанной выше смоле, не содержащей имидной группы. Содержание смолы, не содержащей имидной группы, относительно 100% по массе смолы в основе изоляционного слоя 3a на основе смолы предпочтительно составляет 50% по массе или выше. Содержание смолы, не содержащей имидной группы, более предпочтительно составляет 70% по массе, еще более предпочтительно - 90% по массе, особенно предпочтительно - 95% по массе, наиболее предпочтительно - 100% по массе.
[0033] Изоляционный слой 3a на основе смолы может содержать содержащую имидную группу смолу в такой степени, чтобы не ухудшить эффекты настоящего варианта воплощения. Тем не менее содержание содержащей имидную группу смолы в изоляционном слое 3a на основе смолы регулируют с учетом дополнительного достижения эффектов настоящего варианта воплощения. Другими словами, содержание содержащей имидную группу смолы на 100% по массе смолы в основе предпочтительно составляет 50% по массе или менее, более предпочтительно 30% или менее, еще более предпочтительно 10% по массе, особенно предпочтительно 5% по массе, наиболее предпочтительно 0% по массе. А именно, изоляционный слой 3a на основе смолы наиболее предпочтительно не содержит содержащей имидную группу смолы.
[0034] Изоляционный слой 3a на основе смолы имеет конфигурацию, при которой электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей описанную выше смолу. Конкретный материал и строение электропроводящего заполнителя, используемого для формирования изоляционного слоя 3a на основе смолы, являются идентичными первому электропроводящему слою, и их конкретные пояснения в силу этого здесь опущены.
[0035] Содержание электропроводящего заполнителя в изоляционном слое 3a на основе смолы конкретно не ограничено. Тем не менее, содержание электропроводящего заполнителя предпочтительно находится в диапазоне 5-35% по массе, более предпочтительно в диапазоне 5-25% по массе, еще более предпочтительно в диапазоне 5-15% по массе, относительно общей массы основы. Когда электропроводящий заполнитель с содержанием в таком диапазоне добавляется к основе, может быть подавлено увеличение массы изоляционного слоя 3a на основе смолы, и, одновременно, основа может обеспечивать достаточную электропроводность.
[0036] Содержание полимерного материала основы в изоляционном слое 3a на основе смолы предпочтительно находится в диапазоне 65-95% по массе, более предпочтительно в диапазоне 75-95% по массе, еще более предпочтительно в диапазоне 85-95% по массе. Полимерный материал с содержанием в таком диапазоне может способствовать уменьшению веса не только изоляционного слоя 3a на основе смолы, но и всего токоотвода.
[0037] Второй электропроводящий слой 3B должен включать в себя слой 3b на основе металла. В настоящем варианте воплощения слой 3b на основе металла способствует подавлению проникновения и абсорбции ионов лития в токоотвод 3, как и в случае описанного выше изоляционного слоя 3a на основе смолы. При этом, чтобы подавлять проникновение и абсорбцию ионов лития внутри токоотвода 3, слой 3b на основе металла предпочтительно укладывается на первом электропроводящем слое 3A так, чтобы покрывать всю поверхность первого электропроводящего слоя 3A на стороне слоя 7 активного материала отрицательного электрода, как и в случае изоляционного слоя 3a на основе смолы. При этом слой 3b на основе металла предпочтительно проложен по меньшей мере между слоем 7 активного материала отрицательного электрода и первым электропроводящим слоем 3A.
[0038] Материал на основе металла, используемый в слое 3b на основе металла согласно настоящему варианту воплощения, конкретно не ограничен. Примеры материала на основе металла включают алюминий, медь, железо, хром, никель, титан, ванадий, молибден, ниобий, золото, серебро, платину и сплав, карбид металла, нитрид металла или оксид металла из этих металлов. Из этих материалов на основе металла предпочтительно используется материал на основе металла, имеющий высокую удельную электропроводность. В частности, предпочтителен один элемент, выбранный из группы, состоящей из алюминия, никеля, меди, железа, титана и сплава (например, аустенитной нержавеющей стали, такой как SUS304, SUS316, SUS316L), карбида металла, нитрида металла или оксида металла. Сплав, имеющий высокую удельную электропроводность, может представлять собой аустенитную нержавеющую сталь, к примеру, SUS304, SUS316, SUS316L. Используемый материал на основе металла предпочтительно является материалом на основе металла, не растворяющимся при потенциале отрицательного электрода во время разрядки, или материалом на основе металла, не сплавляющимся (т.е. не образующим сплава) с ионами лития при потенциале отрицательного электрода во время зарядки. Примеры таких материалов включают медь, никель и сплав этих металлов, соединение металла-фосфора (к примеру, никеля-фосфора (NiP)), соединение металла-бора (к примеру, никеля-бора (NiB)), карбид металла, нитрид металла (к примеру, нитрид никеля (NiN)) и оксид металла.
[0039] Слой 3b на основе металла может дополнительно содержать другие материалы в дополнение к описанному выше материалу на основе металла. Тем не менее, чтобы подавлять проникновение и абсорбцию иона лития и дополнительно обеспечивать электропроводность, содержание материала на основе металла в слое 3b на основе металла предпочтительно составляет 80% по массе или больше, более предпочтительно 90% по массе или больше, наиболее предпочтительно 100% по массе или больше.
[0040] Токоотвод 3 должен включать в себя первый электропроводящий слой 3A и второй электропроводящий слой 3B, который включает в себя по меньшей мере изоляционный слой 3a на основе смолы и слой 3b на основе металла. Первый электропроводящий слой 3A находится со стороны слоя активного материала положительного электрода, а второй электропроводящий слой 3B находится со стороны слоя активного материала отрицательного электрода. Это относительное положение позволяет соответствующим слоям иметь любые пакетные конфигурации или включать в себя другие дополнительные слои; тем не менее любой такой случай включается в объем настоящего изобретения. В качестве примера, фиг. 2 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения. Конфигурация по фиг. 2 отличается от конфигурации по фиг. 1 тем, что изоляционный слой 3a на основе смолы во втором электропроводящем слое 3B расположен таким образом, что слой активного материала положительного электрода ближе к нему, чем слой 3b на основе металла. Тем не менее, конфигурация, показанная на фиг. 2, также позволяет достигать того же эффекта, что и конфигурация, показанная на фиг. 1. А именно, токоотвод 3 согласно настоящему варианту воплощения может обеспечивать достаточные характеристики изоляции ионов лития независимо от взаимного расположения изоляционного слоя 3a на основе смолы и слоя 3b на основе металла во втором электропроводящем слое 3B.
[0041] Токоотвод согласно настоящему варианту воплощения также может быть слоистым телом, при необходимости дополнительно включающим в себя другой слой в дополнение к слоям, описанным выше. Примером другого слоя может быть предотвращающий вымывание металла слой или адгезионный слой, но не ограничен этим. Фиг. 3 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию электрода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи с использованием токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи, включающего в себя предотвращающий вымывание металла слой согласно еще одному другому варианту воплощения настоящего изобретения. В конфигурации, показанной на фиг. 3, второй электропроводящий слой 3B включает в себя предотвращающий вымывание металла слой 3c, содержащий, например, хром, предусмотренный на поверхности слоя 3b на основе металла, содержащего, например, медь, так чтобы быть обращенным к первому электропроводящему слою 3A (на поверхности слоя 3b на основе металла на стороне слоя 5 активного материала положительного электрода). Предотвращающий вымывание металла слой 3c выполняет функцию предотвращения вымывания слоя 3b на основе металла вследствие электромиграции или миграции ионов, вызываемой, когда первый электропроводящий слой 3A, содержащий имидную группу, которая является полярной группой, приходит в контакт со слоем 3b на основе металла.
[0042] Материал на основе металла, используемый в предотвращающем вымывание металла слое 3c, конкретно не ограничен. Примеры материала на основе металла включают хром, никель, кобальт, железо, палладий, платину, их сплав (например, хромоникелевый сплав) и карбид металла, нитрид металла или оксид металла из этих металлов. В частности, предотвращающий вымывание металла слой 3c, содержащий вышеупомянутый материал на основе металла, способствует эффективному предотвращению вымывания металла в случае, если слой 3b на основе металла содержит медь или алюминий.
[0043] Предотвращающий вымывание металла слой 3c может дополнительно содержать другие материалы в дополнение к описанному выше материалу на основе металла. Тем не менее, чтобы предотвращать вымывание слоя 3b на основе металла, содержание описанного выше материала на основе металла в предотвращающем вымывание металла слое 3c предпочтительно составляет 80% по массе или больше, более предпочтительно 90% по массе или больше, наиболее предпочтительно 100% по массе или больше. Кроме того, чтобы предотвращать вымывание слоя 3b на основе металла вследствие электромиграции и т.п., предотвращающий вымывание металла слой 3c предпочтительно укладывается на первом электропроводящем слое 3A таким образом, чтобы покрывать всю поверхность первого электропроводящего слоя 3A на стороне слоя 7 активного материала отрицательного электрода.
[0044] Токоотвод 3 согласно настоящему варианту воплощения может быть изготовлен таким образом, что соответствующие слои последовательно укладывают друг на друга на одном слое, или таким образом, что два слоя приготавливают отдельно и затем присоединяют друг к другу. Способ присоединения соответствующих слоев конкретно не ограничен. Например, когда присоединяют друг к другу два слоя, каждый из которых содержит смолу, эти слои могут присоединяться посредством термосплавления (термосварки). Когда содержащий смолу слой присоединяют к слою 3b на основе металла или предотвращающему вымывание металла слою 3c, способ присоединения может представлять собой осаждение металла из паровой фазы (металлизацией, распылением) на содержащем смолу слое или наплавку смолы на лист металла. Кроме того, чтобы снизить контактное сопротивление на поверхности раздела между смежными слоями и предотвратить разделение присоединяемых поверхностей, два слоя могут быть присоединены друг к другу через адгезионный слой. Предпочтительные примеры материала, используемого для такого адгезионного слоя, включают электропроводящую пасту на основе оксида металла, содержащую оксид цинка, оксид индия, оксид титана и т.п.; и электропроводящую пасту на основе углерода, содержащую углеродную сажу, углеродную нанотрубку, графит и т.п.
[0045] Толщина токоотвода предпочтительно уменьшается в максимально возможной степени с тем, чтобы увеличивать плотность выходной мощности батареи посредством снижения веса. В биполярной аккумуляторной батарее возможно уменьшение толщины, поскольку токоотвод, присутствующий между слоем активного материала положительного электрода и слоем активного материала отрицательного электрода в биполярной батарее, не должен обязательно иметь низкое электрическое сопротивление в направлении, перпендикулярном направлению укладки. В частности, нижний предел толщины токоотвода 3 предпочтительно составляет 10 мкм или больше, более предпочтительно 20 мкм или больше, еще более предпочтительно 25 мкм или больше. Верхний предел толщины токоотвода 3 предпочтительно составляет 200 мкм или меньше, более предпочтительно 100 мкм или меньше, еще более предпочтительно 50 мкм или меньше. Токоотвод с такой толщиной позволяет достигать уменьшения веса и обеспечивать достаточную механическую прочность.
[0046] Толщина каждого из первого электропроводящего слоя 3A и второго электропроводящего слоя 3B конкретно не ограничена. В частности, тем не менее нижний предел толщины каждого из первого электропроводящего слоя 3A и второго электропроводящего слоя 3B предпочтительно составляет 5 мкм или больше, более предпочтительно 7 мкм или больше, еще более предпочтительно 10 мкм или больше. Верхний предел толщины каждого из первого электропроводящего слоя 3A и второго электропроводящего слоя 3B предпочтительно составляет 100 мкм или меньше, более предпочтительно 50 мкм или меньше, еще более предпочтительно 25 мкм или меньше.
[0047] Соотношение толщин первого электропроводящего слоя 3A к второму электропроводящему слою 3B конкретно не ограничено, но соотношение (первый электропроводящий слой 3A/второй электропроводящий слой 3B) предпочтительно находится в диапазоне 1000/1-1/1000, более предпочтительно в диапазоне 100/1-1/100, еще более предпочтительно в диапазоне 5/1-1/15, особенно предпочтительно в диапазоне 2/1-1/5, наиболее предпочтительно в диапазоне 1/1-1/4. Это соотношение в таком диапазоне может способствовать обеспечению достаточных характеристик изоляции для изолирования ионов лития или электролита и повышению емкости батареи. В частности, когда второй электропроводящий слой 3B толще первого электропроводящего слоя 3A, характеристики изоляции для изолирования ионов лития достигаются в более значительной степени, чтобы эффективно предотвращать уменьшение емкости батареи.
[0048] Толщина слоя 3b на основе металла или предотвращающего вымывание металла слоя 3c, предусмотренного при необходимости во втором электропроводящем слое 3B, конкретно не ограничена. Тем не менее, с учетом уменьшения веса токоотвода или уменьшения сопротивления в направлении плоскости токоотвода, чтобы предотвратить концентрирование тока на участке, на котором вызывается короткое замыкание, толщина предпочтительно уменьшается в максимально возможной степени. В частности, слой 3b на основе металла или предотвращающий вымывание металла слой 3c предпочтительно тоньше первого электропроводящего слоя 3A. Соотношение толщин первого электропроводящего слоя 3A к слою 3b на основе металла (первый электропроводящий слой 3A/слой 3b на основе металла) предпочтительно составляет 10/1 или меньше. В частности, толщина слоя 3b на основе металла или предотвращающего вымывание металла слоя 3c предпочтительно находится в диапазоне от 0,001 мкм до 1 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 0,01 мкм до 0,1 мкм, еще более предпочтительно в диапазоне от 0,05 мкм до 0,1 мкм.
2
-5
-2
-1
[0049] Верхний предел объемного сопротивления токоотвода 3 предпочтительно составляет 10 Ом·см или меньше, более предпочтительно 10 Ом·см или меньше, с учетом рабочих характеристик батареи. Нижний предел объемного сопротивления токоотвода 3 предпочтительно составляет 10Ом·см или больше, более предпочтительно 5×10 Ом·см или больше, еще более предпочтительно 10Ом·см или больше, с учетом предотвращения концентрирования тока на участке, на котором вызывается короткое замыкание. Чтобы задать объемное сопротивление в таком диапазоне, могут надлежащим образом регулироваться тип, количество и дисперсное состояние электропроводящего заполнителя, добавляемого к основе (смоле) во время приготовления электропроводящего слоя, и материала на основе металла, используемого в слое на основе металла или предотвращающем вымывание металла слое.
[0050] В дальнейшем будут пояснены эффекты, достигаемые посредством токоотвода 3 согласно настоящему варианту воплощения. В общем, энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) электропроводящего слоя, расположенного со стороны слоя активного материала отрицательного электрода биполярной батареи, повышается вследствие поступления электронов на основании потенциала отрицательного электрода. Авторы настоящего изобретения выяснили, что электроны движутся, когда повышенный уровень превышает окислительно-восстановительный потенциал ионов лития в растворе электролита, и ионы лития проникают вовнутрь токоотвода на основе смолы в связи с движением электронов.
[0051] В токоотводе 3 согласно настоящему изобретению, даже когда энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали изоляционного слоя 3a на основе смолы, входящего в состав второго электропроводящего слоя 3B, повышается вследствие потенциала отрицательного электрода, предотвращается превышение этим повышенным уровнем окислительно-восстановительного потенциала ионов лития в растворе электролита. Как результат, предотвращаются проникновение и абсорбция ионов лития в токоотвод на основе смолы. Помимо этого, слой 3b на основе металла, входящий в состав второго электропроводящего слоя 3B, выполняет функцию улучшения характеристик изоляции для изолирования ионов лития. Соответственно, токоотвод на основе смолы, содержащий содержащую имидную группу смолу, может обеспечить достаточные характеристики изоляции для изолирования ионов лития вследствие использования как изоляционного слоя 3a на основе смолы, так и слоя 3b на основе металла во втором электропроводящем слое 3B.
[0052] Помимо этого, токоотвод 3 согласно настоящему варианту воплощения может подавлять сопротивление в направлении плоскости вследствие слоя 3b на основе металла в дополнение к изоляционному слою 3a на основе смолы, предусмотренному во втором электропроводящем слое 3B с тем, чтобы выполнять функцию изолирования ионов лития. Соответственно, даже когда батарея испытывает короткое замыкание внутри себя, ток к участку короткого замыкания практически не протекает, предотвращая тепловыделение в батарее. Кроме того, токоотвод 3 согласно настоящему варианту воплощения имеет высокую устойчивость к потенциалу отрицательного электрода за счет наличия как слоя 3b на основе металла, так и изоляционного слоя 3a на основе смолы.
[0053] Слой активного материала положительного электрода
2
2
2
4
2
4
2
5
2
2
2
3
2
Слой 5 активного материала положительного электрода содержит активный материал положительного электрода. Активный материал положительного электрода имеет такое строение, чтобы поглощать ионы при разрядке и высвобождать ионы при зарядке. В качестве предпочтительного примера может быть использован сложный оксид лития-переходного металла, который является сложным оксидом переходного металла и лития. Конкретные примеры используемого материала включают сложный оксид Li/Co, такой как LiCoO, сложный оксид Li/Ni, такой как LiNiO, сложный оксид Li/Mn, такой как LiMnO, сложный оксид Li/Fe, такой как LiFeO, и оксид, в котором часть каждого из этих переходных металлов замещена другими элементами. Такой сложный оксид лития-переходного металла является недорогим материалом, имеющим высокие характеристики реакционной способности и циклируемости. Вследствие электрода с использованием такого материала батарея может быть снабжена высокими характеристиками мощности. Другие примеры активного материала положительного электрода включают фосфатное соединение, включающее переходный металл и литий, такое как LiFePO, и сульфатное соединение; оксид и сульфид переходного металла, такие как VO, MnO, TiS, MoS и MoO; и PbO, AgO и NiOOH. Вышеуказанные активные материалы положительного электрода могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0054] Средний диаметр частиц активного материала положительного электрода конкретно не ограничен, но предпочтительно находится в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 1 мкм до 20 мкм, с учетом большей емкости, реакционной способности и циклической долговечности активного материала положительного электрода. Когда средний диаметр частиц находится в таком диапазоне, аккумуляторная батарея может предотвращать увеличение внутреннего сопротивления при зарядке и разрядке в условиях высокой мощности с тем, чтобы отводить достаточный ток. Когда активный материал положительного электрода включает в себя вторичные частицы, средний диаметр первичных частиц, входящих во вторичные частицы, предпочтительно находится в диапазоне от 10 нм до 1 мкм; тем не менее, средний диаметр частиц в настоящем изобретении не обязательно ограничен этим диапазоном. Активный материал положительного электрода не должен быть обязательно в состоянии вторичных частиц, полученных посредством агрегирования или кластеризации, хотя это зависит от способа его получения. Диаметром частиц каждого из слоя активного материала положительного электрода и первичных частиц может служить медианный диаметр, полученный посредством использования лазерной дифракции.
[0055] Форма активного материала положительного электрода варьируется в зависимости от его типа или способа получения, и ее примеры включают сферическую форму (порошковое состояние), пластинчатую форму, игольчатую форму, столбчатую форму и прямоугольную форму. Тем не менее форма не ограничена вышеозначенными формами, и может беспрепятственно использоваться любая форма. Предпочтительно, соответствующим образом выбирается форма, позволяющая надлежащим образом улучшить рабочие характеристики батареи, такие как характеристики заряда и разряда.
[0056] Слой активного материала отрицательного электрода
2
3
2
2
2
4/3
5/3
4
7
Слой 7 активного материала отрицательного электрода содержит активный материал отрицательного электрода. Активный материал отрицательного электрода имеет такое строение, чтобы высвобождать ионы при разрядке и поглощать ионы при зарядке. Активный материал отрицательного электрода конкретно не ограничен при условии, что он может обратимо поглощать и высвобождать литий. Предпочтительные примеры активного материала отрицательного электрода включают металл, такой как Si и Sn, оксид металла, такой как TiO, TiO и TiO или SiO, SiO и SnO, сложный оксид лития и переходного металла, такой как LiTiO или LiMnN, сплав Li-Pb, сплав Li-Al, Li и углеродный материал, такой как графит (натуральный графит, искусственный графит), углеродная сажа, активированный уголь, углеродное волокно, кокс, мягкая сажа или гиперплотный углерод. Вышеуказанные активные материалы отрицательного электрода могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
[0057] Активный материал отрицательного электрода предпочтительно содержит элемент, сплавляющийся (т.е. образующий сплав) с литием. За счет использования сплавляющегося с литием элемента может быть получена батарея, имеющая высокую плотность энергии, высокие характеристики емкости и мощности по сравнению со случаем использования традиционных углеродных материалов. Конкретные примеры сплавляющегося с литием элемента включают Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te и Cl, но не ограничены ими.
[0058] Из этих элементов активный материал отрицательного электрода предпочтительно содержит углеродный материал и/или по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из Si, Ge, Sn, Pb, Al, In и Zn, чтобы получать батарею, имеющую высокие емкость и плотность энергии. В частности, слой активного материала отрицательного электрода предпочтительно содержит углеродный материал, либо элемент Si или Sn.
[0059] Средний диаметр частиц активного материала отрицательного электрода конкретно не ограничен, но предпочтительно находится в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 1 мкм до 20 мкм, с учетом большей емкости, реакционной способности и циклической долговечности активного материала отрицательного электрода. Когда средний диаметр частиц находится в таком диапазоне, аккумуляторная батарея может предотвращать увеличение внутреннего сопротивления при зарядке и разрядке в условиях высокой мощности с тем, чтобы отводить достаточный ток. Когда активный материал отрицательного электрода включает в себя вторичные частицы, средний диаметр первичных частиц, входящих во вторичные частицы, предпочтительно находится в диапазоне от 10 нм до 1 мкм; тем не менее, средний диаметр частиц в настоящем изобретении не обязательно ограничен этим диапазоном. Активный материал отрицательного электрода не должен быть обязательно в состоянии вторичных частиц, полученных посредством агрегирования или кластеризации, хотя это зависит от способа его получения. Диаметром частиц каждого из слоя активного материала отрицательного электрода и первичных частиц может служить медианный диаметр, полученный посредством использования лазерной дифракции.
[0060] Форма активного материала отрицательного электрода варьируется в зависимости от его типа или способа получения, и ее примеры включают сферическую форму (порошковое состояние), пластинчатую форму, игольчатую форму, столбчатую форму и прямоугольную форму. Тем не менее, форма не ограничена вышеозначенными формами, и может беспрепятственно использоваться любая форма. Предпочтительно, соответствующим образом выбирается форма, позволяющая надлежащим образом улучшить рабочие характеристики батареи, таких как характеристики заряда и разряда.
[0061] Слой 5 активного материала положительного электрода и слой 7 активного материала отрицательного электрода могут содержать другие вещества при необходимости. Например, может содержаться электропроводящая добавка, связующее и т.п. Когда содержится ионопроводящий полимер, может содержаться инициатор полимеризации для того, чтобы заполимеризовать этот полимер.
[0062] Электропроводящая добавка является добавкой, добавляемой для того, чтобы повысить электропроводность в слоях активного материала. Примеры электропроводящей добавки включают углеродный порошок, такой как ацетиленовая сажа, углеродная сажа, сажа Ketjen и графит, различные типы углеродного волокна, такие как выращенное из паровой фазы углеродное волокно (VGCF) и вспученный графит. Тем не менее, электропроводящая добавка не ограничена этими примерами.
[0063] Примеры связующего включают поливинилиденфторид (PVDF), PI, PTFE, SBR и синтетический каучук; тем не менее, связующее не ограничено этими примерами. Когда связующее идентично матричному полимеру, используемому в качестве гелеобразного электролита, связующее использовать не обязательно.
[0064] Соотношение смешения компонентов, содержащихся в соответствующих слоях активного материала, конкретно не ограничено. Соотношение смешения может регулироваться посредством надлежащего обращения к известным сведениям по литий-ионным аккумуляторным батареям. Толщина соответствующих слоев активного материала конкретно не ограничена, и можно надлежащим образом обращаться к известным сведениям по литий-ионным аккумуляторным батареям. В качестве примера, толщина соответствующих слоев активного материала предпочтительно находится приблизительно в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 20 мкм до 50 мкм. Соответствующие слои активного материала, имеющие толщину приблизительно 10 мкм или больше, могут обеспечивать достаточную емкость батареи. Соответствующие слои активного материала, имеющие толщину приблизительно 100 мкм или меньше, могут предотвращать увеличение внутреннего сопротивления, вызываемое в связи с состоянием, при котором ионы лития практически не рассеиваются глубоко внутри электрода (на стороне токоотвода).
[0065] Способ формирования слоя активного материала положительного электрода (или слоя активного материала отрицательного электрода) на поверхности токоотвода конкретно не ограничен, и можно использовать общеизвестные способы. Например, как описано выше, активный материал положительного электрода и при необходимости, соли-электролиты для повышения ионной проводимости, электропроводящую добавку для повышения электронной проводимости и связующее диспергируют и растворяют в надлежащем растворителе так, чтобы приготовить суспензию активного материала положительного электрода. Аналогично, активный материал отрицательного электрода и, при необходимости, соли-электролиты, электропроводящую добавку и связующее диспергируют и растворяют в надлежащем растворителе так, чтобы приготовить суспензию активного материала отрицательного электрода. Затем, суспензию активного материала положительного электрода наносят на токоотвод, сушат для удаления растворителя и подпрессовывают так, чтобы сформировать слой активного материала положительного электрода на токоотводе. Аналогично, суспензию активного материала отрицательного электрода наносят на токоотвод, сушат для удаления растворителя и подпрессовывают так, чтобы сформировать слой активного материала отрицательного электрода на токоотводе.
[0066] Используемый растворитель конкретно не ограничен, но может быть н-метил-2-пирролидоном (NMP), диметилформамидом, диметилацетамидом, метилформамидом, циклогексаном, гексаном или водой. Когда в качестве связующего используется поливинилиденфторид (PVdF), в качестве растворителя может быть предпочтительно использован NMP.
[0067] В описанном выше способе суспензию активного материала положительного электрода (или суспензию активного материала отрицательного электрода) наносят на токоотвод, сушат и подпрессовывают. В этом случае, регулировка по условиям подпрессовывания позволяет управлять пористостью слоя активного материала положительного электрода и слоя активного материала отрицательного электрода.
[0068] Конкретные средства подпрессовывания и условия подпрессовывания конкретно не ограничены и могут быть определены надлежащим образом так, чтобы достигать желаемой пористости слоя активного материала положительного электрода и слоя активного материала отрицательного электрода после обработки прессованием. Например, конкретными средствами подпрессовывания могут быть машина для горячего прессования или каландровая прессовочная машина. Условия подпрессовывания (такие как температура и давление) конкретно не ограничены, и можно надлежащим образом обращаться к известным сведениям.
[0069] Согласно биполярному электроду 1 по настоящему варианту воплощения, даже когда энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) изоляционного слоя 3a на основе смолы, входящего в состав второго электропроводящего слоя 3B, повышается вследствие потенциала отрицательного электрода, предотвращается превышение этим повышенным уровнем окислительно-восстановительного потенциала ионов лития в растворе электролита. Как результат, предотвращаются проникновение и абсорбция ионов лития в токоотвод на основе смолы. Помимо этого, слой 3b на основе металла, входящий в состав второго электропроводящего слоя 3B, выполняет функцию улучшения характеристик изоляции для изолирования ионов лития. Соответственно, токоотвод на основе смолы, содержащий содержащую имидную группу смолу, может обеспечивать достаточные характеристики изоляции для изолирования ионов лития вследствие использования как изоляционного слоя 3a на основе смолы, так и слоя 3b на основе металла во втором электропроводящем слое 3B.
[0070] Биполярная аккумуляторная батарея
Биполярная литий-ионная аккумуляторная батарея согласно настоящему изобретению включает в себя вырабатывающий электроэнергию элемент, в котором описанный выше биполярный электрод 1 и слой электролита уложены стопкой поверх друг друга. Фиг. 4 является видом в поперечном сечении, схематично показывающим общую конструкцию биполярной аккумуляторной батареи согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения. Биполярная аккумуляторная батарея 10, показанная на фиг. 4, имеет конструкцию, в которой практически прямоугольный вырабатывающий электроэнергию элемент 21, в котором фактически протекает реакция заряда-разряда, герметизирован внутри многослойной пленки 29, служащей в качестве внешнего элемента батареи.
[0071] Как показано на фиг. 4, вырабатывающий электроэнергию элемент 21 биполярной аккумуляторной батареи 10 согласно настоящему варианту воплощения включает в себя множественные биполярные электроды 23 (биполярный электрод 1, показанный на фиг. 1-3). Каждый из биполярных электродов 23 включает в себя слой 13 активного материала положительного электрода, электрически соединенный с одной поверхностью токоотвода 11 (токоотвода 3, показанного на фиг. 1-3), и слой 15 активного материала отрицательного электрода, электрически соединенный с другой поверхностью токоотвода 11. Соответствующие биполярные электроды 23 уложены стопкой поверх друг друга через слои 17 электролита, образуя вырабатывающий электроэнергию элемент 21. Каждый из слоев 17 электролита имеет конфигурацию, в которой электролит удерживается в средней части в направлении плоскости сепаратора, служащего в качестве основы. Биполярные электроды 23 и слои 17 электролита поочередно уложены стопкой таким образом, что слой 13 активного материала положительного электрода одного биполярного электрода 23 обращен к слою 15 активного материала отрицательного электрода другого биполярного электрода 23, смежного с упомянутым одним биполярным электродом 23 через слой 17 электролита. А именно, слой 17 электролита проложен между слоем 13 активного материала положительного электрода одного биполярного электрода 23 и слоем 15 активного материала отрицательного электрода другого биполярного электрода 23, смежного с упомянутым одним биполярным электродом 23.
[0072] Смежные друг с другом слой 13 активного материала положительного электрода, слой 17 электролита и слой 15 активного материала отрицательного электрода составляют слой 19 единичного аккумулятора. Таким образом, биполярная аккумуляторная батарея 10 имеет конфигурацию, в которой множественные слои 19 единичного аккумулятора уложены стопкой поверх друг друга. Чтобы предотвратить возникновение жидкостного перехода (солевого мостика), вызываемого утечкой раствора электролита из слоя 17 электролита, на периферии каждого из слоев 19 единичного аккумулятора предусмотрен уплотнительный элемент (слой изоляции) 31. При этом лишь одна поверхность самого внешнего токоотвода 11a на стороне положительного электрода, расположенного на самом внешнем слое вырабатывающего электроэнергию элемента 21, снабжена слоем 13 активного материала положительного электрода. Аналогично, лишь одна поверхность самого внешнего токоотвода 11b на стороне отрицательного электрода, расположенного на самом внешнем слое вырабатывающего электроэнергию элемента 21, снабжена слоем 15 активного материала отрицательного электрода.
[0073] Биполярная аккумуляторная батарея 10, показанная на фиг. 4, включает в себя токоотводящую пластину 25 положительного электрода, помещенную прилегающей к самому внешнему токоотводу 11a на стороне положительного электрода и простирающуюся до выхода наружу из многослойной пленки 29. Биполярная аккумуляторная батарея 10 дополнительно включает в себя токоотводящую пластину 27 отрицательного электрода, помещенную прилегающей к самому внешнему токоотводу 11b на стороне отрицательного электрода и простирающуюся до выхода наружу из многослойной пленки 29.
[0074] В биполярной аккумуляторной батарее 10, показанной на фиг. 4, уплотнительный элемент 31 обычно предусмотрен на периферии каждого из слоев 19 единичного аккумулятора. Уплотнительный элемент 31 предназначен для того, чтобы предотвращать контакт между смежными друг с другом токоотводами 11 внутри батареи и предотвращать короткое замыкание, вызываемое небольшой неровностью на краевых участках слоев 19 единичного аккумулятора в вырабатывающем электроэнергию элементе 21. Наличие уплотнительного элемента 31 обеспечивает надежность и безопасность в течение длительного периода времени, что придает биполярной аккумуляторной батарее 10 высокое качество.
[0075] Число уложенных стопкой слоев 19 единичного аккумулятора определяется в зависимости от желаемого напряжения. Число слоев 19 единичного аккумулятора, уложенных стопкой в биполярной аккумуляторной батарее 10, может быть минимизировано, чтобы снизить толщину батареи до такой степени, при которой может обеспечиваться достаточная выходная мощность. Чтобы предотвращать внешнее повреждение в ходе работы и не допускать загрязнения окружающей среды, биполярная аккумуляторная батарея 10 предпочтительно имеет конструкцию, в которой вырабатывающий электроэнергию элемент 21 герметизирован в многослойной пленке 29 при пониженном давлении, и токоотводящая пластина 25 положительного электрода и токоотводящая пластина 27 отрицательного электрода выведены наружу из многослойной пленки 29. В дальнейшем будут пояснены основные элементы биполярной аккумуляторной батареи согласно настоящему варианту воплощения.
[0076] Слой электролита
Электролит, содержащийся в слое электролита, конкретно не ограничен, и надлежащим образом может использоваться жидкий электролит или полимерный электролит, такой гелеобразный полимерный электролит и полимерный твердый электролит.
[0077] Жидкий электролит имеет строение, при котором соли лития, которые являются вспомогательными солями, растворены в органическом растворителе. Примеры используемого растворителя включают диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), дипропилкарбонат (DPC), этилметилкарбонат (EMC), метилпропионат (MP), метилацетат (MA), метилформиат (MF), 4-метил-диоксолан (4MeDOL), диоксолан (DOL), 2-метилтетрагидрофуран (2MeTHF), тетрагидрофуран (THF), диметоксиэтан (DME), этиленкарбонат (EC), пропиленкарбонат (PC), бутиленкарбонат (BC) и γ-бутиролактон (GBL). Эти растворители могут быть использованы отдельно, или же два или более из них могут быть смешаны вместе.
6
4
4
6
6
6
4
2
10
10
2
3
3
3
2
2
2
5
2
2
[0078] Примеры вспомогательных солей (солей лития) включают соли с анионами неорганической кислоты, такие как LiPF, LiBF, LiClO, LiAsF, LiTaF, LiSbF, LiAlCl, LiBCl, LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl, LiHF и LiSCN, и соли с анионами органической кислоты, такие как LiCFSO, Li(CFSO)N, LiBOB (бис(оксалат)борат лития), LiBETI (бис(перфторэтансульфонил)имид лития); и Li(CFSO)N. Эти соли электролита могут быть использованы отдельно, или же две или более из них могут быть смешаны вместе.
[0079] Полимерный электролит подразделяется на гелевый электролит, содержащий раствор электролита, и твердый полимерный электролит, не содержащий раствора электролита. Гелеобразный электролит имеет строение, при котором жидкий электролит заливается в матричный полимер, обладающий проводимостью по ионам лития. Примеры матричного полимера, обладающего проводимостью по ионам лития, включают полимер, содержащий полиэтиленоксид в своей основной цепи или боковой цепи (PEO), полимер, содержащий полипропиленоксид в своей основной цепи или боковой цепи (PPO), полиэтиленгликоль (PEG), полиакрилонитрил (PAN), сложный эфир полиметакриловой кислоты, поливинилиденфторид (PVdF), сополимер поливинилиденфторида-гексафторпропилена (PVdF-HFP), полиметилакрилат (PMA) и полиметилметакрилат (PMMA). Альтернативно, также может использоваться форма смеси, модифицированная форма, форма производного, статистический сополимер, альтернативный сополимер, привитой сополимер и блок-сополимер этих упомянутых выше полимеров. Из них предпочтительно используется PEO, PPO, сополимер этих полимеров, PVdF или PVDF-HFP. Соли-электролиты, такие как соли лития, легко растворяются в этих типах матричных полимеров.
[0080] Когда слой электролита содержит жидкий электролит или гелевый электролит, в слое электролита может использоваться сепаратор. Конкретным примером сепаратора может быть микропористая пленка, содержащая углеводород, такой как полиолефин (к примеру, полиэтилен и полипропилен) и поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), или стекловолокна.
[0081] Твердый полимерный электролит имеет строение, при котором вспомогательные соли (соли лития) растворены в описанном выше матричном полимере, но при этом вообще не содержится органический растворитель, служащий пластификатором. Следовательно, предотвращается утечка жидкости из батареи, когда слой электролита содержит твердый полимерный электролит, и, соответственно, повышается надежность батареи.
[0082] Матричный полимер гелеобразного полимерного электролита и твердого полимерного электролита может демонстрировать высокую механическую прочность, когда образуется сшитая структура. Сшитая структура может образовываться таким образом, что полимеризующийся полимер, используемый для формирования полимерного электролита (например, PEO и PPO), подвергается обработке полимеризацией посредством использования надлежащего инициатора полимеризации. Примеры обработки полимеризацией включают в себя термическую полимеризацию, ультрафиолетовую полимеризацию, радиационную полимеризацию и электронно-лучевую полимеризацию. Электролит может содержаться в слоях активного материала электрода.
[0083] Уплотнительный элемент
Уплотнительный элемент (слой изоляции) выполняет функцию предотвращения контакта между смежными друг с другом токоотводами и предотвращения короткого замыкания, вызываемого на краевых участках слоев единичного аккумулятора. Материал, содержащийся в уплотнительном элементе, может быть любым материалом при условии, что этот материал имеет изолирующую способность, герметизирующую способность, чтобы не допускать выход электролита и предотвращать проникновение внешней влаги, термостойкость при температуре эксплуатации батареи и т.п. Примеры такого материала включают акриловую смолу, уретановую смолу, эпоксидную смолу, полиэтиленовую смолу, полипропиленовую смолу, полиимидную смолу и резину (каучук на основе сополимера этилена-пропилена-диена; EPDM). Альтернативно, также может использоваться изоцианатный клей, клей на основе акриловой смолы, цианакрилатный клей или термоплавкий клей (уретановая смола, полиамидная смола, полиолефиновая смола). Из них в качестве составляющего слой изоляции материала предпочтительно используется полиэтиленовая смола или полипропиленовая смола с учетом коррозионной стойкости, химической стойкости, простоты изготовления (характеристик пленкообразования) и экономической эффективности. Помимо этого, в качестве составляющего слой изоляции материала предпочтительно используется смола, содержащая аморфную полипропиленовую смолу в качестве основного компонента и полученная сополимеризацией этилена, пропилена и бутена.
[0084] Внешний элемент батареи
Внешним элементом батареи может служить общеизвестный кожух в виде металлической коробки. Внешний элемент батареи является мешковидным кожухом с использованием многослойной пленки, содержащей алюминий и способной покрывать вырабатывающий электроэнергию элемент. Многослойная пленка может представлять собой, но не ограничена ими, многослойную (ламинированную) пленку, имеющую трехслойную структуру, полученную посредством укладки полипропилена, алюминия и нейлона в этом порядке. В настоящем варианте воплощения предпочтительной является многослойная пленка, имеющая высокие характеристики выхода и характеристики охлаждения, подходящая для применения в батареях для крупных устройств, таких как EV и HEV.
[0085] Согласно биполярной аккумуляторной батарее 10 по настоящему варианту воплощения, даже когда энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали изоляционного слоя 3a на основе смолы, входящего в состав второго электропроводящего слоя 3B, повышается вследствие потенциала отрицательного электрода, предотвращается превышение этим повышенным уровнем окислительно-восстановительного потенциала ионов лития в растворе электролита. Как результат, предотвращаются проникновение и абсорбция ионов лития в токоотвод на основе смолы. Помимо этого, слой 3b на основе металла, входящий в состав второго электропроводящего слоя 3B, выполняет функцию улучшения характеристик изоляции для изолирования ионы лития. Соответственно, проникновение и абсорбция ионов лития в токоотвод на основе смолы могут предотвращаться в достаточной степени с тем, чтобы подавлять снижение емкости батареи.
Примеры
[0086] В дальнейшем эффекты настоящего изобретения будут пояснены с обращением к следующим примерам и сравнительным примерам; тем не менее объем настоящего изобретения не ограничен только этими примерами.
[0087] Пример 1
Приготовление токоотвода
В качестве первого электропроводящего слоя приготовили электропроводящую пленку на основе смолы (толщина пленки: 50 мкм), в которой 10 массовых частей сажи Ketjen смешаны в 100 массовых частях полиимида (PI). На одной поверхности первого электропроводящего слоя осадили медь посредством распыления таким образом, что толщина меди была задана равной 20 нм, тем самым сформировав слоистое тело из первого электропроводящего слоя и слоя на основе металла.
[0088] Затем приготовили электропроводящую пленку на основе смолы (толщина пленки: 100 мкм), в которой 10 массовых частей сажи Ketjen смешаны в 100 массовых частях полипропилена (PP), тем самым сформировав изоляционный слой на основе смолы.
[0089] Затем, изоляционный слой на основе смолы уложили на поверхности на стороне слоя на основе металла слоистого тела из первого электропроводящего слоя и слоя на основе металла, и подвергли их термосварке между собой при 160°C в течение 10 минут. Соответственно, приготовили токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи, имеющий трехслойную структуру, как показано на фиг. 1.
[0090] Приготовление биполярного электрода
2
Сначала 90 массовых частей графита в качестве активного материала отрицательного электрода, 10 массовых частей PVDF в качестве связующего и надлежащее количество NMP в качестве регулирующего вязкость суспензии растворителя смешали так, чтобы приготовить суспензию активного материала отрицательного электрода. Затем 85 массовых частей LiNiO в качестве активного материала положительного электрода, 5 массовых частей ацетиленовой сажи в качестве электропроводящей добавки, 10 массовых частей поливинилиденфторида в качестве связующего и надлежащее количество н-метил-2-пирролидона в качестве регулирующего вязкость суспензии растворителя смешали так, чтобы приготовить суспензию активного материала положительного электрода.
[0091] Суспензию активного материала отрицательного электрода нанесли на поверхность токоотвода на стороне второго электропроводящего слоя, а именно, на поверхность изоляционного слоя на основе смолы, а затем высушили, сформировав слой активного материала отрицательного электрода. Толщина слоя активного материала отрицательного электрода задана равной 30 мкм. Аналогично, суспензию активного материала положительного электрода нанесли на поверхность токоотвода на стороне первого электропроводящего слоя и затем высушили, сформировав слой активного материала положительного электрода. Толщина слоя активного материала положительного электрода задана равной 30 мкм. В этом случае каждый из слоя активного материала отрицательного электрода и слоя активного материала положительного электрода приготовлен таким образом, что слой активного материала отрицательного электрода имел площадь, идентичную площади слоя активного материала положительного электрода, и проекция каждого из слоя активного материала отрицательного электрода и слоя активного материала положительного электрода при проецировании на токоотвод отрегулирована соответствующей друг другу. После этого, 20 мм каждого из слоя активного материала отрицательного электрода и слоя активного материала положительного электрода отслоили с периферии токоотвода, чтобы обнажить поверхность токоотвода, тем самым закончив изготавливать биполярный электрод.
[0092] Приготовление биполярной аккумуляторной батареи
6
Сначала LiPF в качестве солей лития растворили с концентрацией 1 моль/л в растворителе, в котором смешаны пропиленкарбонат и этиленкарбонат с одинаковым объемом, тем самым приготовив раствор электролита.
[0093] Уплотнительный элемент, имеющий ширину 12 мм, поместили на обнаженной части (на периферии) поверхности токоотвода на стороне первого электропроводящего слоя. Эту операцию повторяли, приготовив слоистое тело, в котором шесть биполярных электродов уложены стопкой поверх друг друга через слои электролита. Затем, полученное таким образом слоистое тело подвергали обработке горячим прессованием в направлении укладки, чтобы сплавить уплотнительные элементы так, что смежные друг с другом биполярные электроды герметизировались, тем самым закончив изготавливать вырабатывающий электроэнергию элемент. В качестве обработки горячим прессованием всю поверхность слоистого тела прижимали при 0,2 МПа, при 80°C на 5 секунд.
2
[0094] После этого полученный таким образом вырабатывающий электроэнергию элемент удерживали между двумя токоотводящими пластинами, содержащими алюминий и способными покрывать весь вырабатывающий электроэнергию элемент. Токоотводящие пластины и вырабатывающий электроэнергию элемент покрывали многослойной пленкой, содержащей алюминий, и их три стороны запаяли, чтобы образовалась форма мешка. В него залили раствор электролита с другой, оставшейся стороны, и затем эту сторону запаяли под вакуумом. Этот ламинированный вырабатывающий электроэнергию элемент и токоотводящие пластины подвергли обработке горячим прессованием в направлении укладки, и неотвержденные уплотнительные элементы отверждали, тем самым полностью изготовив биполярную аккумуляторную батарею. В качестве обработки горячим прессованием всю многослойную пленку прижимали при контактном давлении 1 кг/см, при 150°C на один час.
[0095] Пример 2
При приготовлении токоотвода осаждали медь на одной поверхности первого электропроводящего слоя посредством распыления таким образом, что толщина меди была задана равной 20 нм. Осажденную медь интенсивно нагревали при 150°C, чтобы получить оксид меди, тем самым сформировав слоистое тело из первого электропроводящего слоя и слоя на основе металла. А именно, приготовили токоотвод, в котором слой на основе металла содержал оксид меди. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготавливать биполярную аккумуляторную батарею.
[0096] Пример 3
На одной поверхности первого электропроводящего слоя осаждали хром посредством распыления таким образом, что толщина хрома была задана равной 50 нм, тем самым сформировав предотвращающий вымывание металла слой. Затем, на нем аналогичным образом дополнительно осаждали медь таким образом, что толщина меди была задана равной 20 нм, тем самым сформировав слоистое тело из первого электропроводящего слоя, предотвращающего вымывание металла слоя и слоя на основе металла. Затем изоляционный слой на основе смолы уложили на поверхности на стороне слоя на основе металла слоистого тела из первого электропроводящего слоя и слоя на основе металла, и подвергли их термосварке между собой при 160°C в течение 10 минут, тем самым приготовив токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи. А именно, приготовили токоотвод, имеющий предотвращающий вымывание металла слой на противоположной первому электропроводящему слою поверхности слоя на основе металла. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготовить биполярную аккумуляторную батарею.
[0097] Сравнительный пример 1
На одной поверхности первого электропроводящего слоя осаждали медь посредством распыления таким образом, что толщина меди была задана равной 20 нм, и полученное таким образом слоистое тело из первого электропроводящего слоя и слоя на основе металла использовали в качестве токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи. А именно, приготовили токоотвод, не включающий в себя изоляционный слой на основе смолы. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготовить биполярную аккумуляторную батарею.
[0098] Сравнительный пример 2
Первый электропроводящий слой уложили на изоляционном слое на основе смолы и подвергли их термосварке между собой при 160°C в течение 10 минут, тем самым приготовив токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи. А именно, приготовили токоотвод, не включающий в себя слой на основе металла. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготовить биполярную аккумуляторную батарею.
[0099] Сравнительный пример 3
В качестве токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи использовали электропроводящую пленку на основе смолы, в которой 10 массовых частей сажи Ketjen смешаны в 100 массовых частях полиимида (PI). А именно, использовали токоотвод, включающий в себя только первый электропроводящий слой. Толщина электропроводящей пленки на основе смолы была задана равной 50 мкм. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготовить биполярную аккумуляторную батарею.
[0100] Сравнительный пример 4
В качестве токоотвода для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи использовали электропроводящую пленку на основе смолы, в которой 10 массовых частей сажи Ketjen смешаны в 100 массовых частях полипропилена (PP). А именно, использовали токоотвод, включающий в себя только изоляционный слой на основе смолы. Толщина электропроводящей пленки на основе смолы была задана равной 100 мкм. Операции, аналогичные примеру 1, кроме приготовления токоотвода, повторяли, чтобы изготовить биполярную аккумуляторную батарею.
[0101] Испытание циклированием
Биполярную аккумуляторную батарею, приготовленную в каждом из примера 1 и сравнительного примера 1, заряжали при постоянной силе тока (CC) в 80 мА при атмосфере 45°C до тех пор, пока батарея не зарядилась полностью, и далее заряжали при постоянном значении напряжения (CV) в течение всего 10 часов. После этого заряженную биполярную аккумуляторную батарею разряжали при постоянной силе тока. Эта процедура заряда-разряда может рассматриваться в качестве одного цикла заряда-разряда. Испытание циклированием осуществляли посредством повторения этого цикла заряда-разряда 20 раз. В итоге, вычислили коэффициент сохранности разрядной емкости после 20 циклов ((разрядная емкость после 20 циклов)/(разрядная емкость в начальном цикле)×100 [%]). Таблица 1 показывает полученные таким образом результаты.
[0102] Испытание на стойкость к потенциалу
Испытание на стойкость к потенциалу отрицательного электрода осуществляли на соответствующих биполярных аккумуляторных батареях, изготовленных в примерах 1-3 и сравнительных примерах 1-4. В частности, измеряли плотность тока каждой батареи, выдержанной при постоянном значении напряжения 5 мВ в течение 150 часов. Относительное значение плотности тока в каждом примере вычислили, приняв плотность тока в примере 1 равной 1. Когда значение плотности тока меньше, батарея имеет более высокую стойкость к потенциалу. Таблица 1 показывает полученные таким образом результаты.
[0103]
Таблица 1
Первый электропроводящий слой (сторона слоя активного материала положительного электрода)
Второй электропроводящий слой (сторона слоя активного материала отрицательного электрода)
Коэффициент сохранности емкости (%)
Плотность тока (относительное значение)
Слой на основе металла
Предотвращающий вымывание металла слой
Изоляционный слой на основе смолы
Пример 1
PI
Cu
-
PP
66
1,0
Пример 2
PI
CuO
-
PP
-
1,0
Пример 3
PI
Cu
Cr
PP
-
1,0
Сравнительный пример 1
PI
Cu
-
-
53
8,1
Сравнительный пример 2
PI
-
-
PP
-
1,3
Сравнительный пример 3
PI
-
-
-
-
13,8
Сравнительный пример 4
-
-
-
PP
-
1,1
[0104] Результаты испытания на коэффициенты сохранности емкости выявили, как показано в таблице 1, что батарея по примеру 1, включающая в себя слой на основе металла и изоляционный слой на основе смолы в слое PI в качестве первого электропроводящего слоя на стороне слоя активного материала отрицательного электрода, имеет значительно более высокий коэффициент сохранности емкости, чем батарея по сравнительному примеру 1, включающая в себя только слой на основе металла в слое PI на стороне слоя активного материала отрицательного электрода. Механизм этого эффекта предположительно заключается в следующем. Даже когда энергетический уровень высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) слоя PP повышается вследствие потенциала отрицательного электрода, наличие слоя PP, служащего в качестве изоляционного слоя на основе смолы, в слое PI на стороне слоя активного материала отрицательного электрода не допускает превышения этим повышенным энергетическим уровнем окислительно-восстановительного потенциала ионов лития в растворе электролита. Как результат, проникновение и абсорбция ионов лития в токоотвод могут предотвращаться, подавляя снижение емкости батареи.
[0105] Помимо этого, показанные в таблице 1 результаты по плотностям тока в ходе испытания на стойкость к потенциалу выявили, что слой на основе металла и изоляционный слой на основе смолы, предусмотренный в слое PI на стороне слоя активного материала отрицательного электрода, способствуют обеспечению высоких характеристик устойчивости к потенциалу.
[0106] Все содержимое заявки на патент Японии № P2011-163258 (поданной 26 июля 2011 года) включено сюда по ссылке.
[0107] Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на примеры, настоящее изобретение не ограничено их описаниями, и специалистам в данной области техники будет очевидно, что могут быть проделаны различные модификации и усовершенствования.
Промышленная применимость
[0108] Токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи согласно настоящему изобретению включает в себя по меньшей мере два электропроводящих слоя. Один из входящих в состав токоотвода электропроводящих слоев (первый электропроводящий слой) имеет строение, при котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей содержащую имидную группу смолу. Другой электропроводящий слой (второй электропроводящий слой) выполняет функцию изолирования ионов лития и включает в себя слой на основе металла и изоляционный слой на основе смолы, в котором электропроводящий заполнитель добавлен к основе, содержащей смолу, не содержащую имидной группы. Биполярный электрод характеризуется тем, что он сформирован таким образом, что первый электропроводящий слой находится на стороне слоя активного материала положительного электрода по отношению ко второму электропроводящему слою.
[0109] Согласно настоящему изобретению второй электропроводящий слой, включающий в себя изоляционный слой на основе смолы и слой на основе металла, предусмотрен таким образом, что слой активного материала отрицательного электрода ближе ко второму электропроводящему слою, чем первый электропроводящий слой, содержащий содержащую имидную группу смолу. Как результат, перемещение ионов лития предотвращается даже при подвергании действию потенциала отрицательного электрода. Соответственно, может предотвращаться абсорбция ионов лития в токоотвод на основе смолы.
Список ссылочных обозначений
[0110] 1 - биполярный электрод (электрод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи)
3 - токоотвод (токоотвод для биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи)
3A - первый электропроводящий слой
3B - второй электропроводящий слой
3a - изоляционный слой на основе смолы
3b - слой на основе металла
3c - предотвращающий вымывание металла слой
5 - слой активного материала положительного электрода
7 - слой активного материала отрицательного электрода
10 - биполярная аккумуляторная батарея (биполярная литий-ионная аккумуляторная батарея)
17 - слой электролита
21 - вырабатывающий электроэнергию элемент.