JP5157354B2 - バイポーラ電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイポーラ電池およびその製造方法に関する。

近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、その実用化の鍵を握るモータ駆動用電源として、バイポーラ（双極型）電池に注目が集まっている。

バイポーラ電池は、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対して電解質層を設け、これらを積層して積層体を形成することで、製造される（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２０４１３６号公報

積層体を形成する際には、正極と負極を有する集電体に電解質層（電解質が浸透し且つ正極と負極を区分けするセパレータの層、及び正極または負極とセパレータ間の電解質の層）を設け、これらを複数積層するのであるが、従来は電解質が正極と負極に付与される一方、セパレータは単一の層となるよう、正極または負極のいずれか一方に重ね、その後積層されることになる。ここで、セパレータを重ねる際に、正極または負極とセパレータ間の電解質に気泡が混入して残留することがある。

これは、正極または負極に付与された電解質の層にセパレータを配置する際に、セパレータに皺が生じて電解質の層に微少隙間が生じたり、或いは重ね動作によっても電解質の層に気泡を混入させてしまうことがあるからである。このように気泡が残ったまま積層されて積層体が形成されると、セパレータの両面には電解質を介して正極と負極が存在するので、気泡の排出が難しく、そのまま積層体に気泡が残ったままになった場合には、その部位ではイオン透過性および電子の移動ができないデッドスペースが発生し、出力低下の要因にもなるので、出力密度を向上させる際の課題となっていた。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、気泡混入を抑制することにより出力密度を向上させ、電池性能の優れたバイポーラ電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対し、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成したバイポーラ電池である。そして、前記積層体の各電解質層は、単一素材からなるセパレータが２層積層されている。

上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対して、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成するバイポーラ電池の製造方法である。そして、前記製造方法は、前記バイポーラ電極の正極側と負極側の両側に対し、それぞれ電解質を介在して、単一素材からなるセパレータを配置することにより、前記セパレータによって両側が覆われたサブアッシーユニットを形成する工程と、各サブアッシーユニットの両側を覆っているセパレータ同士が重なるように、サブアッシーユニットを複数積層して積層体を形成する積層工程と、を有する。

本発明の一様相によれば、バイポーラ電極の正極側と負極側の両側に対し、それぞれ電解質を介在して、単一素材からなるセパレータが配置されているので、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、セパレータを介して、正極または負極の反対側の面より排出させて、さらに、積層されたセパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のように積層体の電解質層のセパレータが単一であると、セパレータの両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、本発明では、単一素材からなるセパレータの一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、同一素材からなる別のセパレータが存在することになるので、残存気泡は、セパレータの一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、積層されたセパレータ同士の間からも、排出させることが容易となる。したがって、気泡混入を抑制することにより出力密度を向上させ、電池性能の優れたバイポーラ電池を提供することが可能である。

本発明の別の一様相によれば、バイポーラ電極の正極側と負極側の両側に対し、それぞれ電解質を介在して、単一素材からなるセパレータを配置することにより、セパレータによって両側が覆われたサブアッシーユニットを形成する工程と、各サブアッシーユニットの両側を覆っているセパレータ同士が重なるように、サブアッシーユニットを複数積層して積層体を形成する積層工程と、を有するため、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る特性を有する単一素材からなるセパレータを介して、前記正極または負極の反対側の面より排出させて、さらに、積層されたセパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のように積層体の電解質層のセパレータが単一であると、セパレータの両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、本発明では、単一素材からなるセパレータの一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、同一素材からなる別のセパレータが存在することになるので、残存気泡は、セパレータの一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、積層されたセパレータ同士の間からも、排出させることが容易となる。つまり、気泡混入を抑制することにより出力密度を向上させ、電池性能の優れたバイポーラ電池の製造方法を提供することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係るバイポーラ電池を説明するための断面図、図２は、実施の形態１に係るバイポーラ電池を説明するための断面図、図３は、図１に示されるバイポーラ電池を利用する組電池を説明するための斜視図、図４は、図３に示される組電池が搭載されている車両の概略図である。

実施の形態１に係るバイポーラ電池１０は、図２に示すように、バイポーラ電極に電解質層１２０を設け、これらを複数積層して積層体１００が形成されている。バイポーラ電極は、負極１１２、正極１１３および集電体１１１を有する。正極１１３および負極１１２は、集電体１１１の一方および他方の面に配置されている。つまり、集電体１１１は、正極１１３および負極１１２の間に位置している。

電解質層１２０は、複数（この実施形態は２枚）重ね合わされたセパレータ１２１，１２２からなる層と、セパレータ１２１，１２２と正極１１３又は負極１１２との間の電解質の層とを有する。セパレータ１２１，１２２は、正極１１３又は負極１１２を区分けするポーラス状の通気性を有した膜であり、電解質が浸透している。電解質は、高分子ゲル電解質（ゲルポリマー系電解質）である。

つまり、電解質層１２０は、電解質が浸透し得る通気性を有したセパレータ１２１，１２２が複数重ね合わされているので、バイポーラ電極の正極側又は負極側の電解質に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る特性を持ったセパレータ１２１，１２２を介して、正極１１３または負極１１２の反対側の面より排出させて、さらに、セパレータ１２１，１２２同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のようにセパレータが単一であると、積層体の電解質層のセパレータ両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、実施の形態１では、積層体１００の電解質層１２０のセパレータ１２１，１２２の一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、セパレータ１２１，１２２が存在することになるので、残存気泡は、セパレータ１２１，１２２の一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、セパレータ１２１，１２２同士の間からも、排出させることが容易となる。

また、バイポーラ電池１０は、第１および第２シール層１１５，１１７を有する。第１シール層１１５は、集電体１１１の一方の面に配置されかつ正極１１３の周囲を取り囲むように延長しており、良好なシール効果を発揮し、例えば、水分の内部混入を抑制する。電解質層１２０は、正極１１３および第１シール層１１５を覆うように配置されている。第２シール層１１７は、第１シール層１１５と位置合せされて、集電体１１１の他方の面に配置されかつ負極１１２の周囲を取り囲むように延長しており、良好なシール効果を発揮し、例えば、水分の内部混入を抑制する。なお、第１および第２シール層１１５，１１７が配置されている部位は、充填部としても参照される。

なお、集電体１１１は、例えば、ステンレススチール箔である。しかし、これに特に限定されず、アルミニウム箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材を、利用することも可能である。

負極１１２の負極活物質は、例えば、ハードカーボン（難黒鉛化炭素材料）である。しかし、これに特に限定されず、黒鉛系炭素材料や、リチウム−遷移金属複合酸化物を利用することも可能である。特に、カーボンおよびリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質は、容量および出力特性の観点から好ましい。

正極１１３の正極活物質は、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４である。しかし、これに特に限定されない。なお、容量および出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物を適用することが好ましい。

正極１１３および負極１１２の厚さは、特に限定されず、電池の使用目的（例えば、出力重視、エネルギー重視）や、イオン伝導性を考慮して設定される。

第１および第２シール層１１５，１１７を構成する充填材料は、例えば、１液性未硬化エポキシ樹脂である。しかし、これに特に限定されず、その他の熱硬化型樹脂（ポリプロピレンやポリエチレン等）や、熱可塑型樹脂を適用することも可能である。なお、使用環境下において良好なシール効果を発揮するものを、用途に応じて適宜選択することが好ましい。

セパレータ１２１，１２２の素材は、例えば、電解質を浸透し得る通気性を有するポーラス状のＰＥ（ポリエチレン）である。しかし、これに特に限定されず、ＰＰ（ポリプロピレン）などの他のポリオレフィン、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、不織布を、利用することも可能である。不織布は、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステルである。

電解質のホストポリマーは、例えば、ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）コポリマーを１０％含むＰＶＤＦ−ＨＦＰ（ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）である。しかし、これに特に限定されず、その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子や、イオン伝導性を有する高分子（固体高分子電解質）を適用することも可能
である。その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子は、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）である。イオン伝導性を有する高分子は、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）やＰＰＯ（ポリプロピレンオキシド）である。

ホストポリマーに保持される電解液は、例えば、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を含んでいる。有機溶媒は、ＰＣおよびＥＣに特に限定されず、その他の環状カーボネート類、ジメ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等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、ＬｉＰＦ_６に特に限定されず、その他の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。

バイポーラ電池１０は、バイポーラ単電池の積層体１００の形態で、外装ケース１０４に収容されており、外部からの衝撃や環境劣化が防止されている。積層体１００の最外層に位置する集電体１１１には、高導電性部材からなる端子リード１０１，１０２が接続されている。高導電性部材は、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス、これらの合金である。なお、符号１０３は、補強板である。

端子リード１０１，１０２は、外装ケース１０４の外部に延長しており、積層体１００から電流を引き出すための電極タブを兼用している。なお、独立した別体の電極タブを配置し、直接的あるいはリードを利用して、端子リード１０１，１０２と接続することで、積層体１００から電流を引き出すことも可能である。

外装ケース１０４は、軽量化および熱伝導性の観点から、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなどのシート材からなり、その外周部の一部または全部が、熱融着により接合さることで形成される。

バイポーラ電池１０は、単独で使用することが可能であるが、例えば、図３に示すように、組電池１３０の形態で利用することが可能である。組電池１３０は、バイポーラ電池１０を直列化および／又は並列化し、複数接続して構成されており、導電バー１３２，１３４を有する。導電バー１３２，１３４は、バイポーラ電池１０の内部から延長する端子リード１０１，１０２に接続されている。

バイポーラ電池１０を接続して構成する際に、適宜、直列あるいは並列化することで、容量および電圧を自由に調整することができる。接続方法は、例えば、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームである。

組電池１３０自体を、直列化および／又は並列化し、複数接続することで、図４に示すように、組電池モジュール（大型の組電池）１３６として提供することも可能である。

組電池モジュール１３６は、大出力を確保し得るため、例えば、車両１３８のモータ駆動用電源として搭載することが可能である。車両は、例えば、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電車である。

組電池モジュール１３６は、例えば、内蔵するバイポーラ電池１０毎あるいは組電池１３０毎の充電制御を行うなど、非常にきめ細かい制御ができるため、１回の充電あたりの走行距離の延長、車載電池としての寿命の長期化などの性能の向上を図ることが可能である。

図５は、実施の形態１に係るバイポーラ電池の製造方法を説明するための全体工程図である。

実施の形態１に係るバイポーラ電池の製造方法は、バイポーラ電極の両側に電解質およびセパレータが順次配置されたサブアッシーユニットとしての集成体を形成するための集成体形成工程、集成体（サブアッシーユニット）が積層されて一体化された積層体（接合体）を形成するためのアッシー工程としての接合体形成工程、および、一体化された積層体を外装ケースに収容するため組立工程を有する。

後述するように、接合体形成工程（アッシー工程）は、電解質層を介在させて、バイポーラ電極を複数積層するための積層工程を有している。当該積層工程において、電解質層は、電解質を浸透し得るセパレータが複数重ね合わされるので、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る特性を持ったセパレータを介して、前記正極または負極の反対側の面より排出させて、さらに、セパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のように積層体の電解質層のセパレータが単一であると、セパレータの両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、実施の形態１では、セパレータの一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、セパレータが存在することになるので、残存気泡は、セパレータの一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、セパレータ同士の間からも、排出させることが容易となる。

図６は、図５に示される集成体形成工程を説明するための工程図、図７は、図６に示される電極形成工程を説明するための平面図、図８は、図６に示される電極形成工程を説明するための断面図、図９は、図６に示される電解質配置工程を説明するための断面図、図１０は、図６に示されるシール材配置工程を説明するための平面図、図１１は、図６に示されるシール材配置工程を説明するための断面図、図１２Ａは、図６に示されるセパレータ配置工程及びサブアッシーとしての集成体１０８を説明するための断面図である。

集成体形成工程は、電極形成工程、電解質配置工程、シール材配置工程およびセパレータ配置工程を有する。

電極形成工程においては、まず，正極スラリーが、調整される。正極スラリーは、例えば、正極活物質［８５重量％］、導電助剤［５重量％］およびバインダ［１０重量％］を有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。正極活物質は、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４である。導電助剤は、アセチレンブラックである。バインダは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）である。粘度調整溶媒は、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）である。正極スラリーは、ステンレススチール箔からなる集電体１１１の一方の面に塗布される。

導電助剤は、例えば、カーボンブラックやグラファイトを利用することも可能である。バインダおよび粘度調整溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰに限定されない。

次に、負極スラリーが、調整される。負極スラリーは、例えば、負極活物質［９０重量％］およびバインダ［１０重量％］を有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。負極スラリーは、集電体１１１の他方の面に、塗布される。負極活物質は、ハードカーボンである。バインダおよび粘度調整溶媒は、ＰＶＤＦおよびＮＭＰである。負極スラリーは、集電体１１１の他方の面に、塗布される。

正極スラリーの塗膜および負極スラリーの塗膜は、例えば、真空オーブンを利用して、
乾燥させられ、正極活物質層からなる正極１１３および負極活物質層からなる負極１１２を形成する（図７および図８参照）。この際、ＮＭＰは、揮発することで除去される。

正極１１３および負極１１２の厚さは、特に限定されず、電池の使用目的（例えば、出力重視、エネルギー重視）や、イオン伝導性を考慮して設定される。

電解質配置工程においては、電解質１２４，１２５が、正極１１３および負極１１２の電極部にそれぞれ塗布される（図９参照）。

電解質１２４，１２５は、例えば、電解液［９０重量％］およびホストポリマー［１０重量％］を有し、粘度調整溶媒を添加することで、塗布に適した粘度にされている。

電解液は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）を含んでいる。リチウム塩濃度は、例えば、１Ｍである。

ホストポリマーは、例えば、ＨＦＰ（ヘキサフルオロプロピレン）コポリマーを１０％含むＰＶＤＦ−ＨＦＰ（ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）である。粘度調製溶媒は、ＤＭＣ（ジメチルカーボネート）である。粘度調製溶媒は、ＤＭＣに限定されない。

シール材配置工程においては、まず、集電体１１１が露出している正極側外周部かつ正極１１３の周囲を延長するように、第１シール材１１４が、配置される（図１０参照）。第１シール材１１４の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される。

次に、集電体１１１が露出している負極側外周部かつ負極１１２の周囲を延長するように、第２シール材１１６が、配置される。この際、第２シール材１１６は、第１シール材１１４の配置部位と相対するように（重なるように）位置決めされる。第２シール材１１６の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される（図１１参照）。なお、第１および第２シール材は、１液性未硬化エポキシ樹脂からなる充填材料である。

図１２Ａに示すように、セパレータ配置工程においては、セパレータ１２１およびセパレータ１２２が、集電体１１１の正極側面および負極側面の両側を覆うように配置される。これにより、バイポーラ電極の両側に電解質１２４，１２５およびセパレータ１２１，１２２が順次配置された集成体１０８が形成される。なお、セパレータ１２１，１２２は、ポーラス状のＰＥである。

以上のように、集成体１０８は、集電体１１１の正極側面および負極側面の両側を覆うように配置されるので、電極及び電解質が露出せずにＰＥ等のセパレータで包装されたサブアッシー部品となるので、電極及び電解質を変性させたり、劣化させることなく、搬送も容易となり、後工程でこのサブアッシー部品を複数積層するので、積層作業も極めて容易となる。

なお、集成体１０８（サブアッシー）を真空容器に収容したり、或いは両側のセパレータ周囲からバキュームカップ等を用いて吸引するのが好ましく、その際にはバイポーラ電極の両側の電解質１２４，１２５から通気性を有するセパレータ１２１，１２２を通して気泡を排出できるので、後述する積層体１００を形成した後に気泡を排出するのに相まって、より気泡の残存を抑制することができる。

ここで、シール材配置工程においては、集電体１１１と電解質層１２０との間の空間に、正極１１３の周囲および負極１１２の周囲を取り囲むように、充填材料を配置した充填部が形成される。

なお、シール材配置工程において、第１シール材１１４の厚みは、正極１１３および電解質１２４の合計厚み未満であり、かつ、第２シール材１１６の厚みは、負極１１２および電解質１２５の合計厚み未満であるように、設定されることが好ましい。この場合、セパレータ１２１，１２２が、外周部に位置する第１および第２シール材１１４，１１６に接触する前に、電解質１２４，１２５が配置される中央部位と接触するため、第１および第２シール材１１４，１１６により囲まれた内部に、気泡が残留することが抑制されるためである。

図１２Ｂは、図５に示す接合体形成工程（アッシー工程）において、図１２Ａに示す集成体１０８が一部積層された状態を説明する断面図、図１３は、図５に示される接合体形成工程（アッシー工程）を説明するための工程図、図１４は、図１３に示される集成体セット工程を説明するための断面図、図１５は、図１３に示される積層工程およびプレス工程を説明するための概略図、図１６は、図１３に示されるシール層形成工程を説明するための概略図、図１７は、図１３に示される界面形成工程を説明するための概略図、図１８は、図１３に示される初充電工程を説明するための概略図である。

図１３に示すように、接合体形成工程は、集成体セット工程、積層工程、プレス工程、シール層形成工程、界面形成工程、初充電工程および気泡排出工程を有する。

集成体セット工程においては、図１４に示すように、マガジン１５０に、複数のサブアッシーとしての集成体１０８が順次セットされる。この際、図１２Ａに示されるように、集成体１０８に含まれるバイポーラ電極の両側に配置される電解質１２４，１２５と、第１および第２シール材１１４，１１６の外側には、セパレータ１２１，１２２が配置されており、電解質１２４，１２５と第１および第２シール材１１４，１１６は、外部に露出していない。そのため、集成体１０８の取扱いが容易であり、良好な作業性を有する。

図１４に戻り、マガジン１５０は、集成体１０８のセットの際の干渉を避けるため、フレーム形状であり、集成体１０８の外周部の把持自在であるクランプ機構１５２を有する。

クランプ機構１５２は、集成体１０８が互いに接触しないように、積層方向に間隔をあけて配置される。積層方向は、集成体１０８の面方向に対して垂直な方向である。

クランプ機構１５２は、例えば、バネからなる弾性部材を有しており、弾性力に基づいて、皺などが生じないように、集成体１０８に張力を付与した状態で保持自在に構成されているが、クランプ機能を有するだけであるので、詳細説明は省略する。

積層工程においては、図１５に示すように、マガジン１５０が真空処理装置１６０の内部に配置され、真空下で、集成体１０８の積層体１００が形成される。真空度は、例えば、０．２〜０．５×１０^５Ｐａである。

集成体（サブアッシー）１０８に含まれる電解質１２４，１２５および第１および第２シール材１１４，１１６は、セパレータ１２１，１２２によって覆われており、外部に露出していないため、集成体１０８の取扱いが容易であり、良好な作業性を有する。また、セパレータ１２１，１２２同士が重ね合されるのみであるため、気泡の残留を抑制しつつ積層作業を行うことが容易である。また、セパレータは、重ね合わされているため、皺が発生し難く、これに起因する気泡の残留が抑制される。さらに、真空下であるため、電極および電解質層の積層界面に混入した気泡は、セパレータを通った後、セパレータ同士の間から外部に効率的に排出され、気泡の残存がさらに抑制される。

なお、図１２Ｂは、接合体形成工程で集成体１０８を一部積層した際の断面図を示し、実際にはセパレータ１２１とセパレータ１２２同士は重ね合わせられているが、気泡Ｎが排出される原理を説明しやすくするため、ここでは便宜的に隙間を開けて図示している。ここで、図１２Ｂに示すように、電解質１２４，１２５を浸透し得るセパレータ１２１，１２２が複数（この実施形態では２枚）重ね合わされるので、バイポーラ電極の正極１１３側又は負極１１２側に気泡Ｎが残存したとしても、この気泡Ｎは、電解質１２４，１２５を浸透し得る通気性を持ったセパレータ１２１，１２２を通して、正極１１３または負極１１２の反対側の面より排出させて、さらに、セパレータ１２１，１２２同士の間より気泡Ｎが排出させることが容易となる。

なお、前述したように、この気泡Ｎは集成体１０８の状態でもセパレータ１２１，１２２を通して排出可能であるが、集成体１０８を積層した後に、後述するプレス工程や界面形成工程など、どの工程であってもセパレータ１２１，１２２及びセパレータ１２１，１２２同士の間から排出可能であり、更にはケーシングされた後であっても排出可能である。

したがって、イオン透過および電子の移動ができないデッドスペースが抑制されるため、使用時のイオン及び電子の移動は害されず、高出力密度を達成することができる。

積層体１００の形成方法は、特に限定されず、例えば、マガジン１５０の下方に配置した図外の受け台に積層するように、集成体１０８を把持するクランプ機構１５２を下側から順次解放することで、積層体１００を形成することが可能である。

なお、クランプ機構を下側から上側に向かって順次解放するのに伴って、集成体１０８を大きく落下させずに直近で積層出来るように、受け台をマガジン１５０の下側から上側に移動させても良いし、或いは受け台を固定して、マガジンを上側から下側に移動させてもよい。

図１５に示す真空処理装置１６０は、真空手段１６２、プレス手段１７０および制御部１７８を有する。

真空手段１６２は、真空チャンバ１６３、真空ポンプ１６４および配管系１６５を有する。真空チャンバ１６３は、着脱自在（開放自在）の蓋部と、マガジン１５０およびプレス手段１７０が配置される固定式の基部を有する。真空ポンプ１６４は、例えば、遠心式であり、真空チャンバ１６３の内部を真空状態にするために使用される。配管系１６５は、真空ポンプ１６４と真空チャンバ１６３と連結するために使用され、リークバルブ（不図示）が配置されている。

プレス手段１７０は、基部プレート１７１および基部プレート１７１に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート１７３を有する。制御部１７８は、プレスプレート１７３の移動や押圧力を制御するために使用される。基部プレート１７１およびプレスプレート１７３に、シート状の弾性体を配置することも可能である。

プレス工程においては、積層体１００は、真空状態を保持した状態で、プレスプレートおよび基部プレート１７１によって加圧される（図１５参照）。これにより、第１および第２シール材１１４，１１６は、所定の厚みを有することなる。加圧条件は、例えば、１〜２×１０^６Ｐａである。

シール層形成工程においては、積層体１００がオーブン１９０に配置され、加熱されることで、積層体１００に含まれる第１および第２シール材１１４，１１６が熱硬化して、第１および第２シール層１１５，１１７を形成する（図１６参照）。加熱条件は、例えば、８０℃である。積層体１００の加熱方法は、オーブンを使用する形態に、特に限定されない。

リチウム二次電池は、水分を嫌うが、第１および第２シール層１１５，１１７が樹脂から構成されるため、水分の混入は、避けられない。そのため、プレス工程における第１および第２シール材１１４，１１６の前記所定の厚みは、第１および第２シール層１１５，１１７の外気に触れる厚さの寸法を極小にして、侵入する水分を減らす見地から設定されている。

第１および第２シール材１１４，１１６は、熱可塑性樹脂を適用することも可能である。この場合、第１および第２シール材１１４，１１６は、加熱することによって塑性変形し、第１および第２シール層１１５，１１７を形成することとなる。

界面形成工程においては、積層体１００が、プレス手段１８０に配置され、加熱下で加圧されることで、積層体１００に含まれるセパレータ１２１，１２２に、電解質１２４，１２５が浸透し、ゲル界面が形成される（図１７参照）。加熱温度および加圧条件は、例えば、８０℃および１〜２×１０^６Ｐａである。これにより、集成体１０８が積層されて一体化された積層体（接合体）１００が得られる。

ここで、積層体１００に含まれるセパレータ１２１，１２２に、電解質１２４，１２５が浸透する際に、電解質１２４，１２５及びセパレータ１２１，１２２内に気泡Ｎが残存していても、電解質１２４からセパレータ１２１を通して排出される一方、電解質１２５からセパレータ１２２を通してそれぞれ気泡Ｎが排出され、更に両セパレータ１２１，１２２間から外部に排出される。

プレス手段１８０は、基部プレート１８１、基部プレート１８１に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート１８３、下部加熱手段１８５、上部加熱手段１８７および制御部１８８を有する。下部加熱手段１８５および上部加熱手段１８７は、例えば、抵抗発熱体を有しており、基部プレート１８１およびプレスプレート１８３の内部に配置され、基部プレート１８１およびプレスプレート１８３の温度を上昇させるために使用される。制御部１８８は、プレスプレート１８３の移動や押圧力、下部加熱手段１８５および上部加熱手段１８７の温度を制御するために使用される。

下部加熱手段１８５および上部加熱手段１８７の一方を省略したり、下部加熱手段１８５および上部加熱手段１８７を、基部プレート１８１およびプレスプレート１８３の外部に配置したりすることも可能である。基部プレート１８１およびプレスプレート１８３に
、シート状の弾性体を配置することも可能である。

初充電工程においては、積層体１００と電気的に接続された充放電装置１９２によって、初回充電が行われ、気泡が発生させさられる（図１８参照）。初充電条件は、例えば、正極の塗布重量から概算された容量ベースで、２１Ｖ−０．５Ｃで４時間である。

気泡排出工程においては、例えば、ローラを積層体１００の表面に押圧することにより、積層体１００の中央部に位置する気泡が、外周部に移動させられて取り除かれる。なお、界面形成工程で、既に気泡が十分排出されるので、気泡排出工程は必ずしも必要ではないが、この工程によって、より気泡を抑制して電池の出力密度を向上させることが可能となる。

ケーシング工程においては、一体化された積層体（接合体）１００が、外装ケース１０４（図２参照）に収容され、バイポーラ電池１０が製造される（図１および図２参照）。外装ケース１０４は、積層体１００を２枚のシート状の外装材の間に配置し、外装材の外周部を、接合することで形成される。外装材は、ポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムであり、その接合は、熱融着が適用される。

なお、一体化された積層体１００を、さらに複数積層した後に、外装ケース１０４に収容することで、バイポーラ電池のさらなる大容量および／又は高出力を、図ることも可能である。積層工程およびプレス工程を、大気下で実施したり、シール層形成工程および界面形成工程を真空下で実施したりすることも可能である。

電解質１２４，１２５、第１および第２シール材１１４，１１６を適宜選択することにより、シール層形成工程および界面形成工程を一体化し、第１および第２シール材１１４，１１６の硬化および電解質層の完成を同時に実施することで、製造工程の短縮を図ることも可能である。シール層形成工程と界面形成工程の間に、積層体１００の各層（バイポーラ単電池）の電位をモニタするためのタブ（リード線）を、取り付けるための工程を追加することも可能である。

図１９は、実施の形態１に係る変形例を説明するための断面図である。

第１および第２シール材１１４，１１６は、集電体１１１とセパレータ１２１，１２２の間に配置され、正極１１３および負極１１２の周囲を延長しているが、シール構造は、この形態に限定されない。例えば、正極１１３、集電体１１１および負極１１２の周囲を延長するようにシール材１１８を配置することも可能である。

以上のように、実施の形態１に係るバイポーラ電池は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対し、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成しており、積層体の各電解質層は、セパレータを複数重ねた層を有している。

そのため、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る通気性を有した特性を持ったセパレータを介して、正極または負極の反対側の面より排出させて、さらに、セパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のように積層体の電解質層のセパレータが単一であると、セパレータの両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、実施の形態１では、セパレータの一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、セパレータが存在することになるので、残存気泡は、セパレータの一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、セパレータ同士の間からも、排出させることが容易となる。したがって、気泡混入を抑制することにより出力密度を向上させ、電池性能の優れたバイポーラ電池を提供することが可能である。

また、実施の形態１に係るバイポーラ電池の製造方法は、集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対して、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成しており、特に、電解質層が、セパレータを複数重ねた層を有するように、積層体を形成している。

そのため、バイポーラ電極を電解質層を介在させて複数積層させる積層工程において、電解質層は、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータが複数重ね合わされるので、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る特性を持ったセパレータを介して、正極または負極の反対側の面より排出させて、さらに、セパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

すなわち、従来のように積層体の電解質層のセパレータが単一であると、セパレータの両面には、正極側、負極側が存在して、気泡の排出は容易ではないが、本発明では、セパレータの一方の面は、正極側又は負極側が存在し、他方の面には、セパレータが存在することになるので、残存気泡は、セパレータの一方の面から、他方の面に排出させ、さらに、セパレータ同士の間からも、排出させることが容易となる。つまり、気泡混入を抑制することにより出力密度を向上させ、電池性能の優れたバイポーラ電池の製造方法を提供することが可能である。

なお、高分子ゲル電解質は、ポリマー骨格に電解液を保持した熱可塑型であるため、漏液が防止され、液絡を防ぎ信頼性の高いバイポーラ電池を構成することが可能である。また、高分子ゲル電解質は、熱可塑型に限定されず、熱硬化型を適用することも可能である。この場合も、加熱下での加圧により、電解質層を硬化させることで漏液が防止され、液絡を防ぐことが可能である。

プレス工程および界面形成工程における面圧は、１〜２×１０^６Ｐａに限定されず、積層体１００の構成材料の強度等の物性を考慮し、適宜設定することが可能である。シール層形成工程における加熱温度は、８０℃に限定されず、電解液の耐熱性や、第１シール材１１４（第１シール層１１５）および第２シール材１１６（第２シール層１１７）の硬化温度などの物性を考慮し、例えば、６０℃〜１５０℃であることが好ましい。

電解質１２４，１２５は、ゲルポリマー系に限定されず、電解液系を適用することも可能である。この場合、電解質配置工程において、例えば、マイクロピペットを用いて、電解液が、正極１１３および負極１１２の電極部にそれぞれ塗布され、滲み込まされる（図９参照）。

電解液は、ＰＣ（プロピレンカーボネート）およびＥＣ（エチレンカーボネート）からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩（ＬｉＰＦ_６）および少量の界面活性剤を含んでいる。リチウム塩濃度は、例えば、１Ｍである。

有機溶媒は、ＰＣおよびＥＣに特に限定されず、その他の環状カーボネート類、ジメ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等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、ＬｉＰＦ_６に特に限定されず、その他の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。

次に、実施の形態２を説明する。

図２０は、実施の形態２に係る接合体形成工程を説明するための工程図、図２１は、図２０に示されるシール材浸透工程を説明するための概略図である。

実施の形態２は、プレス工程とシール層形成工程との間に配置されるシール材浸透工程を有する点で、実施の形態１と概して異なる。

第１および第２シール材により囲まれた内部に、気泡が残留することを抑制するために、第１シール材の厚みおよび第２シール材の厚みを、正極と電解質の合計厚みおよび負極と電解質の合計厚みより、それぞれ小さくする場合、積層体２００を平面的に加圧しても、第１および第２シール材が配置されている部位（充填部）に、加圧力が十分伝達されず、シール不足が発生する虞がある。

そのため、プレス手段２８０を使用し、積層体２００における充填部のみを加圧するためのシール材浸透工程を追加することで、セパレータに、第１および第２シール材を十分浸透させている。

第１および第２シール材が浸透させられた部位は、シール層形成工程において、加熱されることで、熱硬化するため、第１および第２シール層の密着性は、実施の形態１に比較し、向上することとなる。また、製造されたバイポーラ電池のセパレータにおける第１および第２シール層に相対する部位には、第１および第２シール材が浸透していることとなる。

プレス手段２８０は、積層体２００が配置される基部プレート２８１、基部プレート２８１に対して近接離間自在に配置されるプレスプレート２８３、および制御部（不図示）を有する。プレスプレート２８３は、分割されており、中央プレスプレート２８４および外周プレスプレート２８５を有する。

中央プレスプレート２８４は、積層体２００の電極部（正極および負極が配置されている部位）が位置する部位を支持するために使用される。外周プレスプレート２８５は、積層体２００における充填部を加圧するために使用される。制御部は、中央プレスプレート２８４および外周プレスプレート２８５の移動や押圧力を制御するために使用される。

したがって、プレス手段２８０は、基部プレート２８１に配置された積層体２００に対し、外周プレスプレート２８５を使用し、充填部のみを加圧することが可能である。

中央プレスプレート２８４によって積層体２００の電極部を押さえた後で、外周プレスプレート２８５による加圧を実施することが好ましい。この場合、電極部に位置する気泡を、外周部に移動させることが可能であるため、電極部に気泡が残留することが、更に抑制される。

以上のように、実施の形態２は、プレス工程とシール層形成工程との間に配置されるシール材浸透工程を有するため、セパレータに、第１および第２シール材が十分浸透している。第１および第２シール材が浸透させられた部位は、シール層形成工程において、加熱されることで、熱硬化するため、第１および第２シール層の密着性は、実施の形態１に比較し、向上することとなる。また、製造されたバイポーラ電池のセパレータにおける第１および第２シール層に相対する部位には、第１および第２シール材が浸透していることとなる。したがって、実施の形態２は、実施の形態１に比較し、シール性を向上させることが可能である。なお、プレス工程およびシール材浸透工程を、必要に応じ、適宜一体化することも可能である。

次に、実施の形態３を説明する。

図２２は、実施の形態３に係るシール材配置工程を説明するための平面図、図２３は、実施の形態３に係るプレス工程を説明するための概念図である。

実施の形態３は、シール材配置工程、積層工程およびプレス工程に関し、実施の形態１と概して異なる。

シール材配置工程においては、第１および第２シール材３１４，３１６は、正極および負極の周囲を不連続に延長しており、第１および第２シール材３１４，３１６が配置されていない切欠き状の隙間部３１５，３１７が形成される（図２２参照）。つまり、充填部に隙間部が形成される。なお、符号３１１は、集電体である。

積層工程は、気泡排出工程を有し、積層体を形成する際に、集電体、電解質層および第１および第２シール材３１４，３１６によって囲まれる内部空間に残留していた気泡が、隙間部３１５，３１７を介し、排出される。

プレス工程は、気泡排出工程および隙間閉塞工程を有し、積層体が、プレスプレートおよび基部プレートによって、バイポーラ電極を積層した方向に加圧される。この際、積層体における第１および第２シール材３１４，３１６が配置されている部位（充填部）が加圧される。

これにより、加圧初期においては、集電体、電解質層および第１および第２シール材３１４，３１６によって囲まれる内部空間に残留していた気泡が、隙間部３１５，３１７を介し、排出される。そして、加圧が進行することにより、隙間部３１５，３１７の近傍に位置する第１および第２シール材３１４，３１６が、隙間部３１５，３１７に向かって流動し、隙間部３１５，３１７を被覆することにより、隙間部３１５，３１７を閉塞させるため、排気機能が停止する（図２３参照）。

この場合、隙間部３１５，３１７が閉塞するまで、積層体に含まれる電極部に位置する気泡を、隙間部３１５，３１７を介して、外周部に移動させることが可能であるため、電極部に気泡が残留することが、さらに抑制される。また、隙間部３１５，３１７が、容易かつ効率的に閉塞される。

図２４は、実施の形態３に係る変形例を説明するための平面図である。

本変形例においては、隙間部３１５，３１７の近傍に位置する第１および第２シール材３１４，３１６の端面は、略円形状であり、隙間部３１５，３１７の幅が一定ではない。つまり、第１および第２シール材３１４，３１６の配置量が増加することで、第１および第２シール材の流動性が向上し、かつ、隙間部３１５，３１７の幅が狭くなった部位が存在するため、隙間部３１５，３１７を容易に閉塞させることが可能である。

以上のように、実施の形態３は、充填部に形成される隙間部を介し、内部空間に残留していた気泡を排出するための気泡排出工程、および、隙間部を閉塞し、排気機能を停止するための気泡排出工程を有するため、電極部に気泡が残留することが、さらに抑制される。つまり、実施の形態３は、実施の形態１に比べ、気泡混入をさらに抑制することが可能である。

なお、実施の形態１〜３においては、電解質を浸透するポーラス状のセパレータが複数重ね合わされるので、バイポーラ電極の正極側又は負極側に気泡が残存したとしても、この気泡は、電解質を浸透し得る特性を持った（ポーラス状の膜である）セパレータを介して、正極または負極の反対側の面より排出させ、さらに、セパレータ同士の間より排出させることが容易となる。

また、バイポーラ電極の両側には、正極と負極が存在するが、その両側にセパレータが配置されることになるので、正極および負極の両側にセパレータを配置してユニット化することで、正極、負極、電解質を露出させることなく、セパレータで覆って保持した状態で積層することができるので、セパレータに皺が生じにくく、積層作業も容易となり、量産化を容易に実現することができる。

さらに、電解質を浸透し得るセパレータが複数重ね合せて配置されるので、セパレータの一部に、過剰な浸透部位、すなわち、微小クラックなどが万一発生したとしても、重ね合わせたセパレータが存在するので、正極と負極は確実に区分されてセパレータの機能が確保され、検査工程での良品率も高まる。

なお、実施の形態１〜３においては、２枚の重ねられたセパレータを一例として示しているが、これに限定されず、３枚のセパレータを重ね合せる等、適宜実施可能であり、その際には、可及的にセパレータを薄く形成すると、出力密度面で好ましい。

実施の形態１に係るバイポーラ電池を説明するための断面図である。 実施の形態１に係るバイポーラ電池を説明するための断面図である。 図１に示されるバイポーラ電池を利用する組電池を説明するための斜視図である。 図３に示される組電池が搭載されている車両の概略図である。 実施の形態１に係るバイポーラ電池の製造方法を説明するための全体工程図である。 図５に示される集成体形成工程を説明するための工程図である。 図６に示される電極形成工程を説明するための平面図である。 図６に示される電極形成工程を説明するための断面図である。 図６に示される電解質配置工程を説明するための断面図である。 図６に示されるシール材配置工程を説明するための平面図である。 図６に示されるシール材配置工程を説明するための断面図である。 図６に示されるセパレータ配置工程及び集成体を説明するための断面図である。 図５に示される接合体形成工程において、図１２Ａに示される集成体が一部積層された状態を説明するための断面図である。 図５に示される接合体形成工程を説明するための工程図である。 図１３に示される集成体セット工程を説明するための断面図である。 図１３に示される積層工程およびプレス工程を説明するための概略図である。 図１３に示されるシール層形成工程を説明するための概略図である。 図１３に示される界面形成工程を説明するための概略図である。 図１３に示される初充電工程を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変形例を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る接合体形成工程を説明するための工程図である。 図２０に示されるシール材浸透工程を説明するための概略図である 実施の形態３に係るシール材配置工程を説明するための平面図である。 実施の形態３に係るプレス工程を説明するための概念図である。 実施の形態３に係る変形例を説明するための平面図である。

符号の説明

１０ バイポーラ電池、
１００ 積層体、
１０１，１０２ 端子リード、
１０３ 補強板、
１０４ 外装ケース、
１０８ 集成体（サブアッシーユニット）、
１１１ 集電体、
１１２ 負極、
１１３ 正極、
１１４ 第１シール材、
１１５ 第１シール層、
１１６ 第２シール材、
１１７ 第２シール層、
１１８ シール材、
１２０ 電解質層、
１２１，１２２ セパレータ、
１２４，１２５ 電解質、
１３０ 組電池、
１３２，１３４ 導電バー、
１３６ 組電池モジュール、
１３８ 車両、
１５０ マガジン、
１５２ クランプ機構、
１６０ 真空処理装置、
１６２ 真空手段、
１６３ 真空チャンバ、
１６４ 真空ポンプ、
１６５ 配管系、
１７０ プレス手段、
１７１ 基部プレート、
１７３ プレスプレート、
１７８ 制御部、
１８０ プレス手段、
１８１ 基部プレート、
１８３ プレスプレート、
１８５ 下部加熱手段、
１８７ 上部加熱手段、
１８８ 制御部、
１９０ オーブン、
１９２ 充放電装置、
２００ 積層体、
２８０ プレス手段、
２８１ 基部プレート、
２８３ プレスプレート、
２８４ 中央プレスプレート、
２８５ 外周プレスプレート、
３１１ 集電体、
３１４ 第１シール材、
３１６ 第２シール材、
３１５，３１７ 隙間部。

Claims (8)

1. 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対し、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成したバイポーラ電池であって、
   前記積層体の各電解質層は、単一素材からなるセパレータが２層積層されている
   ことを特徴とするバイポーラ電池。
2. 前記セパレータは、前記正極又は前記負極を区分けするポーラス状の膜であり、前記積層体の各電解質層は、前記複数重ねたセパレータの層と、前記セパレータの層と前記正極又は前記負極との間の電解質を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池。
3. 集電体の一方の面に正極が形成され他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極に対して、電解質が浸透し得るよう通気性を有したセパレータを含む電解質層を設け、これらを複数積層して積層体を形成するバイポーラ電池の製造方法であって、
   前記バイポーラ電極の正極側と負極側の両側に対し、それぞれ電解質を介在して、単一素材からなるセパレータを配置することにより、前記セパレータによって両側が覆われたサブアッシーユニットを形成する工程と、
   各サブアッシーユニットの両側を覆っているセパレータ同士が重なるように、サブアッシーユニットを複数積層して積層体を形成する積層工程と、
   を有することを特徴とするバイポーラ電池の製造方法。
4. 前記セパレータは、前記正極又は前記負極を区分けするポーラス状の膜であり、前記電解質層は、前記複数重ねたセパレータの層と、前記セパレータの層と前記正極又は前記負極との間の電解質を有しており、更に前記セパレータに前記電解質を浸透させる界面形成工程を有することを特徴とする請求項３に記載のバイポーラ電池の製造方法。
5. 前記電解質は、高分子ゲル電解質であり、
   前記積層工程の前において、前記集電体と前記セパレータとの間の空間に、前記正極の周囲および前記負極の周囲を取り囲むように、充填材料を配置した充填部を形成するためのシール材配置工程を有することを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ電池の製造方法。
6. 前記シール材配置工程において、前記充填部に隙間部が形成されており、
   前記集電体、前記セパレータおよび前記充填材料によって囲まれる内部空間に残留していた気泡を、前記隙間部を介し、排出するための気泡排出工程を有することを特徴とする請求項５に記載のバイポーラ電池の製造方法。
7. 前記気泡排出工程の後において、前記積層体の積層方向に前記充填部を押圧することにより、前記隙間部を閉塞し、排気機能を停止するための隙間閉塞工程を有することを特徴とする請求項６に記載のバイポーラ電池の製造方法。
8. 前記電解質は、高分子ゲル電解質であり、前記充填部の厚さは、前記正極又は前記負極と、前記高分子ゲル電解質との合計の厚さより、小さいことを特徴とする請求項５に記載のバイポーラ電池の製造方法。

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