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KR20170032456A - 비수 전해질 전지 및 전지 팩 - Google Patents

비수 전해질 전지 및 전지 팩 Download PDF

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KR20170032456A
KR20170032456A KR1020177004997A KR20177004997A KR20170032456A KR 20170032456 A KR20170032456 A KR 20170032456A KR 1020177004997 A KR1020177004997 A KR 1020177004997A KR 20177004997 A KR20177004997 A KR 20177004997A KR 20170032456 A KR20170032456 A KR 20170032456A
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KR
South Korea
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bipolar
battery
active material
negative electrode
electrode
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Abandoned
Application number
KR1020177004997A
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English (en)
Inventor
가즈오미 요시마
야스히로 하라다
노리오 다카미
Original Assignee
가부시끼가이샤 도시바
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시끼가이샤 도시바 filed Critical 가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

실시 형태는, 집전체의 한쪽 판면에 정극 활물질층, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질을 각각 형성하는 바이폴라형 전지의 고에너지 밀도화와 저저항화를 도모할 수 있는 비수 전해질 전지 및 전지 팩을 제공하는 것이 과제이다. 비수 전해질 전지(60)는, 바이폴라 전극(11)과, 비수 전해질층(7)을 구비한다. 바이폴라 전극(11)은, 집전체(3)와, 집전체(3)의 한 면에 형성된 정극 활물질층(4)과, 집전체(3)의 다른 면에 형성된 부극 활물질층(5)을 갖는다. 바이폴라 전극(11)은, 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분(8) 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 절첩하여 중첩되어 있다.

Description

비수 전해질 전지 및 전지 팩 {NONAQUEOUS ELECTROLYTE BATTERY AND BATTERY PACK}
본 발명의 실시 형태는, 비수 전해질 전지 및 전지 팩에 관한 것이다.
최근 들어, 고에너지 밀도 전지로서, 리튬 이온 2차 전지와 같은 비수 전해질 전지의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 비수 전해질 전지는, 하이브리드 자동차나, 전기 자동차, 휴대 전화 기지국의 무정전 전원용 등의 전원으로서 기대되고 있다. 그러나, 리튬 이온 2차 전지의 단전지를 대형화하더라도 단전지로부터 얻어지는 전압은 3.7V 정도로 저전압이다. 그 때문에, 고출력을 얻기 위해서는, 대형화한 단전지로부터 대전류를 취출할 필요가 있으므로, 장치 전체가 대형화되는 문제가 있다.
이들 문제를 해결하는 전지로서, 바이폴라형 전지가 제안되어 있다. 바이폴라형 전지는, 집전체의 한쪽 판면에 정극 활물질층을 형성함과 함께, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질층을 형성하는 바이폴라 전극과 전해질층을 사이에 두고 복수 매 직렬로 적층한 구조의 전지이다. 이 바이폴라형 전지에서는, 단전지 내부에서 직렬로 적층하기 때문에, 단전지에 있어서도 고전압을 얻을 수 있다. 따라서, 고출력을 얻을 때도 고전압 정전류로 출력이 얻어지고, 나아가, 전지 접속부의 전기 저항을 대폭 저감시킬 수 있다.
리튬 이온 2차 전지에서는, 액상의 전해질을 사용한 구조가 이용되고 있다. 그러나, 바이폴라형 전지는 단전지 내에서 정극과 부극이 반복되기 때문에, 리튬 이온 2차 전지의 액상 전해질을 사용한 구조를 바이폴라형 전지에 적응할 수는 없다. 즉, 바이폴라형 전지의 구조상, 전극층 사이에 존재하는 전해액이 서로 접촉함으로써 이온 전도에 의한 단락(액락)이 일어나지 않도록, 각 전극 사이를 독립시킨 구조를 취할 필요가 있다.
지금까지, 액상의 전해질을 포함하지 않는 고분자 고체 전해질을 사용한 바이폴라형 전지가 제안되어 있다. 이 방법을 이용하면, 전지 내에 액상의 전해질을 포함하지 않는 점에서, 전극층 사이의 이온 전도에 의한 단락(액락)의 가능성이 낮아진다. 그러나, 일반적으로 고체 전해질의 이온 전도도는 액상의 전해질에 비하여 1/10 내지 1/100 정도로 매우 낮다. 이 때문에, 전지의 출력 밀도가 낮아져 버리는 문제가 발생하기 때문에, 실용화에는 이르지 못하고 있다.
이들 사정을 감안하여, 액상의 전해질을 반고형화한 겔 전해질을 사용한 바이폴라형 전지가 제안되어 있다. 겔 전해질은, 폴리에틸렌옥시드(PEO), 폴리불화비닐리덴(PVdF) 등의 고분자에 전해액을 배어들게 한 겔상의 전해질이다. 이 겔 전해질은, 이온 전도도가 높고, 전지의 출력 밀도도 충분히 얻어질 것이 기대된다.
일본 특허 공표 제2012-521624호 공보 일본 특허 공표 제2012-516542호 공보
바이폴라형 전지를 대형화(고에너지 밀도화)하기 위해서는 과제가 남아 있다. 바이폴라형 전지를 고에너지 밀도화하는 방법으로서, 정부극의 전극 면적을 크게 하는 방법이나, 소면적의 바이폴라형 단전지를 병렬로 접속하는 방법 등이 생각된다. 종래의 전극 구조를 갖는 리튬 이온 2차 전지는, 정부극의 전극과 세퍼레이터를 간극 없이 소용돌이형으로 권취하여, 전지 외장에 고밀도로 충전함으로써 고에너지 밀도화를 도모하고 있다. 그러나, 바이폴라형 전지에 있어서는, 그 구조상, 정극 및 부극이 일체로 되어 형성되어 있는 점에서, 소용돌이형 귄취에 의하여 대향 전극이 서로 접촉하게 된다. 이 때문에, 바이폴라 전극층 사이에 세퍼레이터나 중합체 등의 절연층을 두거나 하지 않는 한 단락되어 버린다는 문제가 있다.
그러나, 이 경우에는 세퍼레이터나 중합체를 사이에 둠으로써 전극체의 두께가 증가하여 전극의 충전율이 낮아진다. 그 때문에, 이 방법을 이용하여 고에너지 밀도화하는 것은 종래 곤란하였다. 또한, 소용돌이형 권취에 의하여 전극 면적을 확대했을 경우에 있어서도, 전지의 전류 취출 단자부에 접속하기 위한 전극 집전 탭을 복수 부분으로부터 취출하는 것이 곤란하다. 이 점에서, 전극 면적이 커질수록 전지의 내부 저항이 증대되는 것이 바이폴라형 전지에 있어서의 고출력화의 방해가 되고 있다. 따라서, 바이폴라형 전지에 있어서의 이들 문제를 해결하여, 고출입력과 고에너지 밀도를 겸비하기 위한 기술을 필요로 하고 있다.
본 실시 형태는, 집전체의 한쪽 판면에 정극 활물질층, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질을 각각 형성하는 바이폴라형 전지의 고에너지 밀도화와 저저항화를 도모할 수 있는 비수 전해질 전지 및 전지 팩을 제공하는 것을 과제로 한다.
실시 형태에 의하면, 비수 전해질 전지는, 바이폴라 전극과, 비수 전해질을 구비한다. 바이폴라 전극은, 집전체와, 상기 집전체의 한 면에 형성된 정극 활물질층과, 상기 집전체의 다른 면에 형성된 부극 활물질층을 갖는다. 상기 바이폴라 전극은, 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 절첩하여 중첩되어 있다.
본 발명에 의하면, 집전체의 한쪽 판면에 정극 활물질층, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질을 각각 형성하는 바이폴라형 전지의 고에너지 밀도화와 저저항화를 도모할 수 있는 비수 전해질 전지 및 전지 팩이 제공된다.
도 1은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 2는, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 바이폴라 전극의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
도 3은, 바이폴라 전극의 실시예 1의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 4는, 바이폴라 전극의 실시예 2의 전극 적층체의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 5는, 도 1의 A부의 확대 단면도이다.
도 6은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 전지 팩의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
도 7은, 도 6의 전지 팩의 전기 회로를 도시하는 블록도이다.
도 8은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 변형예의 개략 구성을 도시하는 요부의 측면도이다.
도 9는, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 집전 탭의 설치 상태를 도시하는 개략 구성도이다.
도 10은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지의 집전 탭의 설치 상태의 변형예를 도시하는 개략 구성도이다.
도 11은, 도 10의 비수 전해질 전지의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 12는, 도 9 및 도 10의 비수 전해질 전지에 있어서의 집전체의 저항 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 13a는, 비교예 1의 양면 정극의 전극의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 13b는, 비교예 1의 양면 부극의 전극의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 13c는, 비교예 1의 적층형 전지의 개략 구성을 도시하는 종단면도이다.
이하에, 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지 및 전지 팩에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 실시 형태를 통하여 공통된 구성에는 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 각 도면은 실시 형태의 설명과 그 이해를 촉진하기 위한 모식도이며, 그 형상이나 치수, 비 등은 실제의 장치와 상이한 부분이 있는데, 이들은 이하의 설명과 공지된 기술을 참작하여 적절히, 설계 변경할 수 있다.
(제1 실시 형태)
도 1 내지 도 7은, 제1 실시 형태를 도시한다. 도 1은, 제1 실시 형태에 따른 일례의 비수 전해질 전지(60)의 개략 단면도이다. 도 1에 도시하는 비수 전해질 전지(60)는, 대략 상자형의 외장 부재(61)와, 이 외장 부재(61) 내에 수납된 지그재그형 바이폴라 전극(11)을 갖는다. 외장 부재(61)는, 예를 들어 2매의 수지 필름 사이에 금속층을 개재한 라미네이트 필름을 포함한다. 도 2는, 바이폴라 전극(11)의 개략 구성을 도시하는 사시도이다.
[실시예 1]
도 3은, 바이폴라 전극(1)의 전극 본체(2)의 기본 구조를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이 바이폴라 전극(1)의 전극 본체(2)는, 집전체(3)와, 집전체(3)의 한 면에 형성된 정극 활물질층(4)과, 집전체(3)의 다른 면에 형성된 부극 활물질층(5)을 갖는다. 집전체(3)의 소재로는 알루미늄을 사용하여, 1변이, 예를 들어 5㎝인 정사각형으로 성형하였다. 정극 활물질층(4)에는 인산망간리튬(이하, LMP), 부극 활물질층(5)에는 티타늄산리튬(이하, LTO)을 사용하였다. 정극 활물질층(4)은, 리튬을 흡장 및 방출 가능하다. 부극 활물질층(5)은, 1.5V 부근에 반응 전위가 존재한다. LMP 또는 LTO와 도전 보조제, 점결재를, 각각 전극 본체(2)의 총 중량에 대하여 카본을 5wt%, 폴리불화비닐리덴을 10wt% 혼합하였다. 이들 혼합물을 성형함으로써, 실시예 1에 따른 바이폴라 전극(1)을 제작하였다.
[실시예 2]
도 4에 도시한 바와 같이, 실시예 1에 기재된 바이폴라 전극(1)의 전극 본체(2)를 사용하여 3층(전극 본체(2A 내지 2C))으로 적층한 전극 본체(2)의 적층체(2X)를 형성한다. 이 적층체(2X)의 각 전극 본체(2A 내지 2C) 사이에는 각각 전해질층(7)이 있어, 전극 본체(2A 내지 2C)끼리가 접촉하지 않도록 한다. 또한, 도 4 중에서, 최상단의 위치의 전극 본체(2A)의 상측에는 부극 부재(2t1)가 전해질층(7)을 개재하여 적층되어 있다. 도 4 중에서, 최하단의 위치의 전극 본체(2C)의 하측에는 정극 부재(2t2)가 전해질층(7)을 개재하여 적층되어 있다. 여기서, 부극 부재(2t1)는, 집전체(3)의 하면측에 부극 활물질층(5)만이 형성되어 있다. 정극 부재(2t2)는, 집전체(3)의 상면측에 정극 활물질층(4)만이 형성되어 있다. 이들 전극 본체(2)의 적층체(2X)와, 부극 부재(2t1)와, 정극 부재(2t2)가 일체적으로 적층되어 전극 적층체(6)를 형성하여, 바이폴라 전지를 제작하였다. 이것에 의하여, 실시예 2에 따른 바이폴라 전지를 얻었다.
[실시예 3]
집전체(3)의 1변(긴 변)을, 예를 들어 45㎝로 하고, 다른 1변(짧은 변)을, 예를 들어 5㎝로 성형하였다. 얻어진 직사각형의 판형 집전체(3)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 바이폴라 전극(1)을 제작하였다. 즉, 직사각형의 판형 집전체(3)의 한쪽 판면에 정극 활물질층(4)을 형성함과 함께, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질층(5)을 형성하고 있다.
[실시예 4]
실시예 3에 기재된 바이폴라 전극(1)의 전극 본체(2)를 3층(전극 본체(2A 내지 2C))으로 적층한 전극 본체(2)의 적층체(2X)와, 부극 부재(2t1)와, 정극 부재(2t2)가 일체적으로 적층된 직사각형의 판형 전극 적층체(6)를 형성한다. 그리고, 실시예 2와 마찬가지로 제작함으로써, 실시예 4의 바이폴라 전지를 얻었다. 또한, 이 직사각형의 판형 전극 적층체(6)를 지그재그형으로 절첩하여 중첩시켜, 실시예 4에 따른 지그재그 바이폴라 전극(11)(도 2 참조)을 얻었다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이 전극 적층체(6)는, 하나의 판체를 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분(8) 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 지그재그형으로 절첩하여 중첩되어 있다. 각 구획 부분(8)은, 예를 들어, 5㎝마다 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 접듯이 지그재그로 함으로써 바이폴라 전극(11)이 형성되어 있다. 또한, 인접하는 구획 부분(8) 사이의 접힘 부분을 접힘부(12)라 칭한다.
[실시예 5](제1 실시 형태의 변형예)
실시예 4에 기재된 지그재그 바이폴라 전극(11)을 제작할 때, 각 구획 부분(8)의 접힘부(12)까지의 길이를, 도 8 중의 아래로부터 5㎝, 6㎝, 5㎝, 4㎝, 5㎝, 6㎝, 5㎝, 5㎝의 순으로 지그재그로 한 것 이외에는, 실시예 4와 마찬가지로 도 8에 도시하는 바이폴라 전극(11)을 제작하였다. 이것에 의하여, 도 8에 도시한 바와 같이 바이폴라 전극(11)은, 지그재그로 할 때, 구획 부분(8)의 좌우의 양 단부에 교대로 접힘부(12)가 형성된다. 그리고, 구획 부분(8)의 일 단부측의 접힘부(12)의 중심점 위치 O는, 접힘부(12)의 중첩 방향에 대하여 인접하는 부분이 중첩 방향과 직교하는 방향으로 교대로 어긋나게 한 상태로 절곡되어 있다. 여기서는, 도 9에 도시한 바와 같이 일 단부측의 접힘부(12)의 하나에, 하나의 정극용의 집전용 탭(13a)이 형성되어 있다. 타 단부측의 접힘부(12)의 하나에, 하나의 부극용의 집전용 탭(13b)이 설치되어 있다.
[실시예 6]
실시예 5에 기재된 지그재그 바이폴라 전극(11)에 있어서, 도 10에 도시한 바와 같이 각 접힘 지점에 집전용 탭을 정부극의 각 5군데, 합계 10군데에 용접하여 설치하였다. 도 10 중에서, 14a는, 정극의 집전용 탭, 14b는, 부극의 집전용 탭이다. 이 이외에는, 실시예 5와 마찬가지로 지그재그 바이폴라 전극(11)을 제작하였다.
도 1에 도시한 바와 같이 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지(60)에서는, 상기 실시예 5의 구조 바이폴라 전극(11)이 외장 부재(케이스)(61) 내에 수납되어 있다. 외장 부재(61)의 내주면에는, 예를 들어 부직포나, 수지 재료 등의 절연 부재(62)가 배치되어 있다.
바이폴라 전극(11)의 외주 단부 근방에 있어서, 정극용의 집전용 탭(13a)은, 정극 부재(2t2)의 집전체(3)에 접속되고, 부극용의 집전용 탭(13b)은, 부극 부재(2t1)의 집전체(3)에 접속되어 있다. 이들 부극용의 집전용 탭(13b) 및 정극용의 집전용 탭(13a)은, 외장 부재(61)가 도시하지 않은 개구부로부터 외부로 연장되어, 부극 단자(63)(도 6 참조) 및 정극 단자(64)(도 6 참조)에 각각 접속되어 있다. 외장 부재(61)의 개구부를, 부극용의 집전용 탭(13b) 및 정극용의 집전용 탭(13a)을 사이에 두고 히트 시일함으로써, 바이폴라 전극(11) 및 비수 전해질을 완전 밀봉하고 있다.
또한, 도 6은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지(60)의 전지 팩(90)의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도이다. 도 7은, 도 6의 전지 팩(90)의 전기 회로를 도시하는 블록도이다. 도 6 및 도 7에 도시하는 전지 팩(90)은, 복수 개의 단전지(91)를 구비한다. 단전지(91)는, 도 1을 참조하면서 설명한 비수 전해질 전지(60)이다.
복수의 단전지(91)는, 외부로 연장된 부극 단자(63) 및 정극 단자(64)가 동일한 방향으로 정렬되도록 적층되고, 점착 테이프(65)로 체결됨으로써 조전지(66)를 구성하고 있다. 이들 단전지(91)는, 도 7에 도시한 바와 같이 서로 전기적으로 직렬로 접속되어 있다.
프린트 배선 기판(67)은, 단전지(91)의 부극 단자(63) 및 정극 단자(64)가 연장되는 측면에 대향하여 배치되어 있다. 프린트 배선 기판(67)에는, 도 7에 도시한 바와 같이 서미스터(68), 보호 회로(69) 및 외부 기기로의 통전용 단자(70)가 탑재되어 있다. 또한, 조전지(66)와 대향하는 프린트 배선 기판(67)의 면에는, 조전지(66)의 배선과 불필요한 접속을 회피하기 위하여 절연판(도시하지 않음)이 설치되어 있다.
정극측 리드(71)는, 조전지(66)의 최하층에 위치하는 정극 단자(64)에 접속되며, 그 선단부는 프린트 배선 기판(67)의 정극측 커넥터(72)에 삽입되어 전기적으로 접속되어 있다. 부극측 리드(73)는, 조전지(66)의 최상층에 위치하는 부극 단자(63)에 접속되며, 그 선단부는 프린트 배선 기판(67)의 부극측 커넥터(74)에 삽입되어 전기적으로 접속되어 있다. 이들 커넥터(72 및 74)는, 프린트 배선 기판(67)에 형성된 배선(75 및 76)을 통하여 보호 회로(69)에 접속되어 있다.
서미스터(68)는, 단전지(91)의 온도를 검출하며, 그 검출 신호는 보호 회로(69)에 송신된다. 보호 회로(69)는, 소정의 조건에서 보호 회로(69)와 외부 기기로의 통전용 단자(70)와의 사이의 플러스측 배선(77a) 및 마이너스측 배선(77b)을 차단할 수 있다. 소정의 조건의 일례란, 예를 들어, 서미스터(68)의 검출 온도가 소정 온도 이상으로 되었을 때이다. 또한, 소정의 조건의 다른 예란, 예를 들어, 단전지(91)의 과충전, 과방전, 과전류 등을 검출했을 때이다. 이 과충전 등의 검출은, 개개의 단전지(91) 또는 조전지(66) 전체에 대하여 행해진다.
개개의 단전지(91)를 검출하는 경우, 전지 전압을 검출해도 되고, 정극 전위 또는 부극 전위를 검출해도 된다. 후자의 경우, 개개의 단전지(91) 내에, 참조극으로서 사용하는 리튬 전극이 삽입된다. 도 6 및 도 7의 전지 팩(90)의 경우, 단전지(91) 각각에 전압 검출을 위한 배선(78)이 접속되어 있다. 이들 배선(78)을 통하여 검출 신호가 보호 회로(69)에 송신된다.
정극 단자(64) 및 부극 단자(63)가 돌출되는 측면을 제외한 조전지(66)의 3측면에는, 고무 또는 수지를 포함하는 보호 시트(79)가 각각 배치되어 있다.
조전지(66)는, 각 보호 시트(79) 및 프린트 배선 기판(67)과 함께 수납 용기(80) 내에 수납된다. 즉, 수납 용기(80)의 긴 변 방향의 양쪽의 내측면과 짧은 변 방향의 내측면 각각에 보호 시트(79)가 배치되고, 짧은 변 방향의 반대측의 내측면에 프린트 배선 기판(67)이 배치된다. 조전지(66)는, 보호 시트(79) 및 프린트 배선 기판(67)으로 둘러싸인 공간 내에 위치한다. 덮개(81)는, 수납 용기(80)의 상면에 설치되어 있다.
또한, 조전지(66)의 고정에는 점착 테이프(65) 대신, 열수축 테이프를 사용해도 된다. 이 경우, 조전지(66)의 양 측면에 보호 시트(79)을 배치하고, 열수축 튜브를 주회시킨 후, 열수축 튜브를 열수축시켜 조전지(66)를 결속시킨다.
도 6 및 도 7에서는 단전지(91)를 직렬 접속한 형태를 도시했지만, 전지 용량을 증대시키기 위해서는 병렬로 접속해도 된다. 조립한 전지 팩(90)을 직렬 및/또는 병렬로 접속할 수도 있다.
또한, 전지 팩(90)의 형태는 용도에 따라 적절히 변경된다. 전지 팩(90)의 용도로서는, 대전류 특성에서의 사이클 특성이 요망되는 것이 바람직하다. 구체적인 용도로서는, 디지털 카메라의 전원용이나, 2륜 내지 4륜의 하이브리드 전기 자동차, 2륜 내지 4륜의 전기 자동차, 어시스트 자전거 등의 차량 탑재용을 들 수 있다. 전지 팩(90)은, 특히 차량 탑재용이 적합하다.
다음으로, 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지(60)를 보다 상세히 설명한다. 전극 군은, 비수 전해질을 보유 지지할 수 있다. 비수 전해질도, 전극 군과 함께, 외장 부재(61)의 주부에 수납될 수 있다.
제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지(60)는, 리드 협지부에 형성된 개구부를 통한 비수 전해질의 누출, 즉, 전지 내부로부터 전지 외부로의 비수 전해질의 누출을 방지할 수도 있다. 특히 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지(60) 중, 전극 리드가 리드 협지부에 형성된 개구부의 주연에 열 시일되어 있는 것은, 열 시일이 높은 시일성을 나타낸다. 그로 인하여, 전지 내부로부터 전지 외부로의 비수 전해질의 누출을 더욱 방지할 수 있다. 전극 군은 정극 및 부극을 포함할 수 있다. 또한, 전극 군은, 정극과 부극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함할 수도 있다.
정극은, 정극 집전체와 정극 집전체 상에 형성된 정극 재료층을 구비할 수 있다. 정극 재료층은, 정극 집전체의 양면 상에 형성되어 있어도 되고, 또는 편면에만 형성되어 있어도 된다. 또한, 정극 집전체는, 어느 면 상에도 정극 재료층이 형성되어 있지 않은 정극 재료층 무(無)담지부를 포함하고 있어도 된다.
정극 재료층은, 정극 활물질을 포함할 수 있다. 정극 재료층은, 도전제 및 결착제를 더 포함할 수 있다. 도전제는, 집전 성능을 높이고, 또한, 정극 활물질과 정극 집전체 사이의 접촉 저항을 억제하기 위하여 배합할 수 있다. 결착제는, 분산된 정극 활물질의 간극을 메우고, 또한, 정극 활물질과 정극 집전체를 결착시키기 위하여 배합할 수 있다.
정극은, 예를 들어 정극 집전체의 정극 재료층 무담지부를 개재하여, 전극 리드, 즉 정극 리드에 접속할 수 있다. 정극과 정극 리드의 접속은, 예를 들어 용접에 의하여 행할 수 있다.
부극은, 부극 집전체와 부극 집전체 상에 형성된 부극 재료층을 구비할 수 있다. 부극 재료층은, 부극 집전체의 양면 상에 형성되어 있어도 되고, 또는 편면에만 형성되어 있어도 된다. 또한, 부극 집전체는, 어느 면 상에도 부극 재료층이 형성되어 있지 않은 부극 재료층 무담지부를 포함하고 있어도 된다.
부극 재료층은, 부극 활물질을 포함할 수 있다. 부극 재료층은, 도전제 및 결착제를 더 포함할 수 있다. 도전제는, 집전 성능을 높이고, 또한, 부극 활물질과 부극 집전체 사이의 접촉 저항을 억제하기 위하여 배합할 수 있다. 결착제는, 분산된 부극 활물질의 간극을 메우고, 또한, 부극 활물질과 부극 집전체를 결착시키기 위하여 배합할 수 있다.
부극은, 예를 들어, 부극 집전체의 부극 재료층 무담지부를 개재하여, 전극 리드, 즉, 부극 리드에 접속할 수 있다. 부극과 부극 리드의 접속은, 예를 들어 용접에 의하여 행할 수 있다.
이하, 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지에 있어서 사용할 수 있는 부재 및 재료에 대하여 설명한다.
[1] 부극
부극은, 예를 들어, 부극 활물질, 도전제 및 결착제를 적당한 용매에 분산시켜 얻어지는 부극제 페이스트를, 부극 집전체의 편측 또는 양면에 도포하고, 이를 건조시킴으로써 제작할 수 있다. 건조 후, 부극제 페이스트는, 프레스를 할 수도 있다.
부극 활물질로서는, 예를 들어 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소 질물, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 합금, 경금속 등을 들 수 있다.
리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 탄소 질물로서는, 예를 들어 코크스, 탄소 섬유, 열분해 기상 탄소물, 흑연, 수지 소성체, 메소페이즈 피치계 탄소 섬유 또는 메소페이즈 구상 카본의 소성체 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 2500℃ 이상에서 흑연화한 메소페이즈 피치계 탄소 섬유 또는 메소페이즈 구상 카본을 사용하는 것이, 전극 용량을 높게 할 수 있기 때문에 바람직하다.
금속 산화물로서는, 예를 들어, 티타늄 함유 금속 복합 산화물, 예를 들어 SnB0.4P0.6O3.1이나 SnSiO3 등의 주석계 산화물, 예를 들어 SiO 등의 규소계 산화물, 예를 들어 WO3 등의 텅스텐계 산화물 등을 들 수 있다. 이들 금속 산화물 중에서, 금속 리튬에 대한 전위가 0.5V보다도 높은 부극 활물질, 예를 들어 티타늄산리튬과 같은 티타늄 함유 금속 복합 산화물을 사용하는 것이, 전지를 급속히 충전했을 경우에도 부극 상에서의 리튬 덴드라이트의 발생을 억제할 수 있고, 나아가 열화를 억제할 수 있기 때문에, 바람직하다.
티타늄 함유 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어, 산화물 합성 시에는 리튬을 포함하지 않는 티타늄계 산화물, 리튬티타늄 산화물, 리튬티타늄 산화물의 구성 원소의 일부를, 예를 들어 Nb, Mo, W, P, V, Sn, Cu, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 이종 원소로 치환한 리튬티타늄 복합 산화물 등을 들 수 있다. 리튬티타늄 산화물로서는, 예를 들어, 스피넬 구조를 갖는 티타늄산리튬(예를 들어 Li4 + xTi5O12(x는, 충방전에 의하여 0≤x≤3의 범위 내에서 변화될 수 있는 것임)), 브론즈 구조 (B) 또는 아나타제 구조의 티타늄 산화물(예를 들어 LixTiO2(0≤x≤1), 충전 전의 조성은 TiO2), 람스델라이트형 티타늄산리튬(예를 들어 Li2+yTi3O7(y는, 충방전에 의하여 0≤y≤3의 범위 내에서 변화될 수 있는 것임)로 표시되는 니오븀티타늄 산화물(예를 들어 LixNbaTiO7(0≤x, 보다 바람직한 범위는 0≤x≤1, 1≤a≤4)) 등을 들 수 있다.
티타늄계 산화물로서는, TiO2, Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물 등을 들 수 있다. TiO2는 아나타제형이며 열 처리 온도가 300 내지 500℃인 저결정성의 것이 바람직하다. Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물로서는, 예를 들어, TiO2-P2O5, TiO2-V2O5, TiO2-P2O5-SnO2, TiO2-P2O5-MeO(Me는 Cu, Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소) 등을 들 수 있다. 이 금속 복합 산화물은, 결정상과 아몰퍼스상이 공존, 또는 아몰퍼스상 단독으로 존재한 마이크로 구조인 것이 바람직하다. 이러한 마이크로 구조임으로써 사이클 성능이 대폭 향상될 수 있다. 그 중에서도, 리튬티타늄 산화물, Ti와 P, V, Sn, Cu, Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 금속 복합 산화물이 바람직하다.
금속 황화물로서 황화리튬(TiS2), 황화몰리브덴(MoS2), 황화철(FeS, FeS2, LixFeS2(여기서, 0 <x≤1임)) 등을 들 수 있다. 금속 질화물로서는, 리튬코발트 질화물(LixCoyN(여기서, 0 <x <4, 0 <y <0.5임)) 등을 들 수 있다.
부극 활물질로서는, 스피넬 구조를 갖는 티타늄산리튬을 사용하는 것이 바람직하다.
도전제로서는, 탄소 재료를 사용할 수 있다. 탄소 재료로서는, 예를 들어, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 코크스, 탄소 섬유, 흑연 등을 들 수 있다.
결착제로서는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVdF), 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 등을 사용할 수 있다.
부극 집전체로서는, 부극 전위에 따라 다양한 금속박 등을 사용할 수 있는데, 예를 들어 알루미늄박, 알루미늄 합금박, 스테인레스박, 티타늄박, 구리박, 니켈박 등을 들 수 있다. 이때의 박의 두께는, 8㎛ 이상 25㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 부극 전위가 금속 리튬에 대하여 0.3V보다도 귀하게 될 수 있는 경우, 예를 들어 부극 활물질로서 리튬티타늄 산화물을 사용하는 경우, 알루미늄박이나 알루미늄 합금박을 사용하는 것이, 전지 중량을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 평균 결정립 직경은, 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의하여, 부극 집전체의 강도를 비약적으로 증대시킬 수 있기 때문에, 부극을 높은 프레스압으로 고밀도화하는 것이 가능해져, 전지 용량을 증대시킬 수 있다. 또한, 고온 환경 하(40℃ 이상)에 있어서의 과방전 사이클에서의 부극 집전체의 용해 및 부식 열화를 방지할 수 있기 때문에, 부극 임피던스의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 출력 특성, 급속 충전, 충방전 사이클 특성도 향상시킬 수 있다. 평균 결정립 직경의 보다 바람직한 범위는 30㎛ 이하이고, 더욱 바람직한 범위는 5㎛ 이하이다.
평균 결정립 직경은 다음과 같이 하여 구해진다. 집전체 표면의 조직을 광학 현미경으로 조직 관찰하여, 1㎜×1㎜ 내에 존재하는 결정립의 수 n을 구한다. 이 n을 이용하여 S=1x106/n(㎛2)으로부터 평균 결정 입자 면적 S를 구한다. 얻어진 S의 값으로부터 하기 (A)식에 의하여 평균 결정 입자 직경 d(㎛)를 산출할 수 있다.
d=2(S/π)1/ 2 (A)
평균 결정 입자 직경의 범위가 50㎛ 이하의 범위에 있는 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박은, 재료 조성, 불순물, 가공 조건, 열처리 이력 및 어닐링의 가열 조건 등 많은 인자에 복잡하게 영향받으며, 상기 결정 입자 직경(직경)은 제조 공정 중에서, 상기 여러 인자를 조합하여 조정된다.
알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 두께는, 20㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15㎛ 이하이다. 알루미늄박의 순도는 99% 이상이 바람직하다. 알루미늄 합금으로서는, 마그네슘, 아연, 규소 등 중 적어도 1종의 원소를 포함하는 합금이 바람직하다. 한편, 철, 구리, 니켈, 크롬 등의 전이 금속의 함유량은 1% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 차량 탑재용의 경우, 알루미늄 합금박을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
상기 부극의 활물질, 도전제 및 결착제의 배합비는, 부극 활물질 80 내지 95중량%, 도전제3 내지 20중량%, 결착제 1.5 내지 7중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
[2] 정극
정극은, 예를 들어, 정극 활물질, 도전제 및 결착제를 적당한 용매에 분산시켜 얻어지는 정극제 페이스트를, 정극 집전체의 편측 또는 양면에 도포하고, 이를 건조시킴으로써 제작할 수 있다. 건조 후, 정극제 페이스트는, 프레스를 행할 수도 있다.
정극 활물질로서는, 다양한 산화물, 황화물 등을 들 수 있다. 예를 들어, 이산화망간(MnO2), 산화철, 산화구리, 산화니켈, 리튬망간 복합 산화물(예를 들어 LixMn2O4 또는 LixMnO2(여기서, 0≤x≤1.2임)), 리튬니켈 복합 산화물(예를 들어 LixNiO2(여기서, 0≤x≤1.2임)), 리튬코발트 복합 산화물(LixCoO2(여기서, 0≤x≤1.2임)), 리튬니켈코발트 복합 산화물(예를 들어 LiNi1 - yCoyO2(여기서, 0 <y≤1임)), 리튬망간코발트 복합 산화물(예를 들어 LiMnyCo1 - yO2(여기서, 0 <y≤1임)), 스피넬형 리튬망간니켈 복합 산화물(LixMn2 - yNiyO4(여기서, 0≤x≤1.2이고, 0 <y≤1임)), 올리빈 구조를 갖는 리튬 인산화물(LixFePO4, LixFe1 - yMnyPO4, LixMnPO4, LixMn1 - yFeyPO4, LixCoPO4 등(여기서, 0≤x≤1.2이고, 0 <y≤1임)), 황산철(Fe2(SO4)3), 바나듐 산화물(예를 들어 V2O5) 등을 들 수 있다.
또한, 정극 활물질로서는, 폴리아닐린이나 폴리피롤 등의 도전성 중합체 재료, 디술피드계 중합체 재료, 황(S), 불화카본 등의 유기 재료 및 무기 재료도 들 수 있다.
보다 바람직한 정극 활물질은, 열 안정성이 높은 스피넬형 망간리튬(LixMn2O4(여기서, 0≤x≤1.1임)), 올리빈형 인산철리튬(LixFePO4(여기서, 0≤x≤1임)), 올리빈형 인산망간리튬(LixMnPO4(여기서, 0≤x≤1임)), 올리빈형 인산망간철리튬(LixMn1-yFeyPO4(여기서, 0≤x≤1이고, 0 <y≤0.5임)) 등을 들 수 있다.
또는, 이들을 2종 이상 혼합한 것도 사용할 수 있다.
도전제로서는, 예를 들어 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 인공 흑연, 천연 흑연, 도전성 중합체 등을 사용할 수 있다.
결착제로서는, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리불화비닐리덴(PVdF), PVdF의 수소 또는 불소 중, 적어도 하나를 다른 치환기로 치환한 변성 PVdF, 불화비닐리덴-6불화프로필렌의 공중합체, 폴리불화비닐리덴-테트라플루오로에틸렌-6불화 프로필렌의 3원 공중합체 등을 사용할 수 있다.
결착제를 분산시키기 위한 유기 용매로서는, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 등이 사용된다.
정극 집전체로서는, 예를 들어 두께 8 내지 25㎛의 알루미늄박, 알루미늄 합금박, 스테인레스박, 티타늄박 등을 들 수 있다.
정극 집전체는, 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박이 바람직하고, 부극 집전체와 마찬가지로 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박의 평균 결정립 직경은 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박의 평균 결정립 직경은 30㎛ 이하이고, 더욱 바람직하게는 5㎛ 이하이다. 상기 평균 결정립 직경이 50㎛ 이하임으로써, 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박의 강도를 비약적으로 증대시킬 수 있고, 정극을 높은 프레스압으로 고밀도화하는 것이 가능해져, 전지 용량을 증대시킬 수 있다.
평균 결정립 직경의 범위가 50㎛ 이하의 범위에 있는 알루미늄박 또는 알루미늄 합금박은, 재료 조직, 불순물, 가공 조건, 열처리 이력, 및 어닐링 조건 등 복수의 인자에 복잡하게 영향받으며, 상기 결정립 직경은 제조 공정 중에서, 상기 여러 인자를 조합하여 조정된다.
알루미늄박 및 알루미늄 합금박의 두께는, 20㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15㎛ 이하이다. 알루미늄박의 순도는 99% 이상이 바람직하다. 알루미늄 합금으로서는, 마그네슘, 아연, 규소 등의 원소를 포함하는 합금이 바람직하다. 한편, 철, 구리, 니켈, 크롬 등의 전이 금속의 함유량은 1% 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 정극의 활물질, 도전제 및 결착제의 배합비는, 정극 활물질 80 내지 95중량%, 도전제 3 내지 20중량%, 결착제 1.5 내지 7중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
[3] 세퍼레이터
세퍼레이터로서는, 예를 들어, 다공질 세퍼레이터를 사용할 수 있다. 다공질 세퍼레이터로서는, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 셀룰로오스, 또는 폴리불화비닐리덴(PVdF)을 포함하는 다공질 필름, 합성 수지제 부직포 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 폴리에틸렌이나 혹은 폴리프로필렌, 또는 양자를 포함하는 다공질 필름은, 전지 온도가 상승했을 경우에 세공을 폐색하여 충방전 전류를 대폭 감쇠시키는 셧다운 기능을 부가하기 쉬워, 2차 전지의 안전성을 향상시킬 수 있기 때문에, 바람직하다. 저비용화의 관점에서는, 셀룰로오스계의 세퍼레이터를 사용하는 것이 바람직하다.
[4] 비수 전해질
비수 전해질로서는, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, Li(CF3SO2)3C, LiB[(OCO)2]2 등으로부터 선택되는 1종 이상의 리튬염을 0.5 내지 2㏖/L의 범위 내에 있는 농도로 유기 용매에 용해시킨 유기 전해액을 들 수 있다.
유기 용매로서는, 프로필렌카르보네이트(PC), 에틸렌카르보네이트(EC) 등의 환상 카르보네이트나, 디에틸카르보네이트(DEC), 디메틸카르보네이트(DMC), 메틸에틸카르보네이트(MEC) 등의 쇄상 카르보네이트나, 디메톡시에탄(DME), 디에톡시에탄(DEE) 등의 쇄상 에테르나, 테트라히드로푸란(THF), 디옥솔란(DOX) 등의 환상 에테르나, γ-부티로락톤(GBL), 아세토니트릴(AN), 술포란(SL) 등의 단독 또는 혼합 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 비수 전해질로서는, 리튬 이온을 함유한 상온 용융염(이온성 융체)을 사용할 수도 있다. 리튬 이온과 유기물 양이온과 음이온으로 구성되는 이온성 융체이며, 100℃ 이하, 바람직하게는 실온 이하에서도 액상인 것을 선택하면, 넓은 동작 온도의 2차 전지를 얻을 수 있다.
[5] 케이스
케이스로서 사용될 수 있는 스테인레스 부재의 두께는, 0.2㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 스테인레스 부재는, 최내층에 위치하는 열융착성 수지 필름(열가소성 수지 필름) 상에, 스테인레스를 포함하는 금속박 및 강성을 갖는 유기 수지 필름을 이 순서대로 적층한 복합 필름재로 구성하는 것이 가능하다.
열융착성 수지 필름으로서는, 예를 들어 폴리에틸렌(PE) 필름, 폴리프로필렌(PP) 필름, 폴리프로필렌-폴리에틸렌 공중합체 필름, 아이오노머 필름, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 강성을 갖는 유기 수지 필름으로서는, 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름, 나일론 필름 등을 사용할 수 있다.
케이스는, 전극 군을 수납하는 주부로 될 수 있는 오목부 및 이 오목부의 외측의 외곽부를 갖는 케이스 본체와, 덮개로 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 케이스 본체와 덮개는, 이음매 없이 연속되어 있는 일체 부재여도 된다.
[6] 전극 리드
정극에 전기적으로 접속될 수 있는 전극 리드, 즉, 정극 리드로서는, 예를 들어 알루미늄, 티타늄, 및 그들을 바탕으로 한 합금, 스테인레스 등을 사용할 수 있다.
부극에 전기적으로 접속될 수 있는 전극 리드, 즉, 부극 리드로서는, 예를 들어 니켈, 구리, 및 그들을 바탕으로 한 합금 등을 사용할 수 있다. 부극 전위가 금속 리튬에 대하여 1V보다도 귀인 경우, 예를 들어 부극 활물질로서 티타늄산리튬을 사용했을 경우 등에는, 부극 리드의 재료로서 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 이 경우, 정극 리드 및 부극 리드 모두, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하는 것이, 경량인 데다 전기 저항을 작게 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
정극 리드 및 부극 리드는, 기계적 특성의 관점에서는, 그에 접속되는 정극 집전체 또는 부극 집전체의 강도를 크게 넘어 고강도가 아닌 편이, 접속 부분의 응력 집중이 완화되기 때문에 바람직하다. 집전체와의 접속 수단으로서, 바람직한 방법의 하나인 초음파 용접을 적용했을 경우, 정극 리드 또는 부극 리드의 영률이 작은 편이, 견고한 용접을 용이하게 행하는 것이 가능해진다.
예를 들어 어닐링 처리한 순 알루미늄(JIS1000번대)은, 정극 리드 또는 부극 리드의 재료로서 바람직하다.
정극 리드의 두께는, 0.1 내지 1㎜로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위는, 0.2 내지 0.5㎜이다.
부극 리드의 두께는, 0.1 내지 1㎜로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위는, 0.2 내지 0.5㎜이다.
상기 구성의 제1 실시 형태에 따른 비수 전해질 전지(60)에서는, 외장 부재(61) 내에 지그재그형 바이폴라 전극(11)을 수납하였다. 본 실시 형태에서는, 바이폴라 전극(1)의 전극 본체(2)를 사용하여 3층(전극 본체(2A 내지 2C))으로 적층한 전극 본체(2)의 적층체(2X)를 형성하고, 이 전극 본체(2)의 적층체(2X)와, 부극 부재(2t1)와, 정극 부재(2t2)를 일체적으로 적층시켜 전극 적층체(6)를 형성하였다. 그리고, 이 전극 적층체(6)는, 하나의 판체를 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분(8) 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 지그재그형으로 절첩하여 중첩시킴으로써, 도 1, 도 2에 도시하는 지그재그 바이폴라 전극(11)을 형성하고 있다. 그로 인하여, 바이폴라 전극(11)을 지그재그로 함으로써, 소체적이면서 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
(제1 실시 형태의 제1 변형예)
도 8은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지(60)의 제1 변형예를 도시한다. 본 변형예는, 실시예 5에서 나타낸 바와 같이 바이폴라 전극(11)을, 지그재그로 할 때, 편측의 접힘부(12)의 중심점 위치 O가, 접힘부(12)의 중첩 방향에 대하여 인접하는 접힘부(12)의 부분이 중첩 방향과 직교하는 방향으로 교대로 어긋나게 한 상태로 절곡한 것이다.
본 변형예에서는, 전극 적층체(6)를 지그재그에 절곡하는 작업 시에, 굽힘의 내측의 전극 본체(2)의 벽면과, 굽힘의 외측의 전극 본체(2)의 벽면에서 발생하는 길이 방향의 어긋남을 좌우의 양 단부의 접힘부(12) 사이에서 서로 상쇄하는 상태로, 흡수시킬 수 있다. 그로 인하여, 복수 단에 접힘부(12)를 형성했을 경우에도, 전극 적층체(6)의 각 단의 전극 본체(2) 사이의 내부 응력을 저감시킬 수 있다.
(제1 실시 형태의 제2 변형예)
도 10 및 도 11은, 제1 실시 형태의 비수 전해질 전지(60)의 제2 변형예를 도시한다. 본 변형예는, 도 10에 도시한 바와 같이 바이폴라 전극(11)을, 지그재그로 할 때, 접힘부(12)마다 집전 탭(정극의 집전용 탭(14a) 및 부극의 집전용 탭(14b))을 설치하는 구성으로 한 것이다.
본 변형예에서는, 또한, 집전 효율을 높여, 고출력화를 기대할 수 있다. 실시예 5(도 9 참조) 및 실시예 6(도 10 참조)에 따른 바이폴라형 전지의 집전 효율을 측정하였다. 측정은, 전류를 50㎃, 100㎃, 500㎃ 흐르게 하였을 때의 저항값을 판독하였다. 그 결과를, 도 12에 나타낸다. 도 12 중에서, 측정값 A가 집전 탭이 1군데, 측정값 B가 집전 탭이 5군데인 경우의 측정 결과이다. 이 도 12로부터도 밝혀진 바와 같이, 집전 탭이 1군데만일 때에 비하여, 집전 탭을 5군데로 증가시킴으로써 저항이 대략 반감되었다.
[비교예 1]
도 13a에 도시한 바와 같이 집전체(21)의 양면에 정극 활물질층(22)을 형성하였다. 또한, 도 13b에 도시한 바와 같이 집전체(21)의 양면에 부극 활물질층(23)을 형성하였다. 이것에 의하여, 비교예 1에 따른 제1 전극(24)과 제2 전극(25)을 얻었다.
[비교예 2]
도 13c는, 비교예 1에 기재된 제1 전극(24)과 제2 전극(25)을 사용하여 교대로 5층으로 적층하여, 적층형 전지(26)를 제작하였다. 전극 사이에는 전해질층(27)이 있어, 전극끼리가 접촉하지 않도록 한다. 이것에 의하여, 비교예 2에 따른 적층형 전지(26)를 얻었다.
다음으로, 상기 실시예 2 및 비교예 2에 있어서의 정전류 충방전 시험을 행하였다. 그 시험 결과로부터 평균 작동 전압을 산출하여, 얻어진 값을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
이 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 2와 같이 바이폴라 전극의 전극 적층체(6)를 사용함으로써, 적층한 바이폴라형 전지에 있어서의 작동 전압이 비교예 2의 적층형 전지(26)보다도 높아지는 것을 알 수 있다.
이들 실시 형태에 의하면, 집전체의 한쪽 판면에 정극 활물질층, 동 집전체의 다른 쪽 판면에 부극 활물질을 각각 형성하는 바이폴라형 전지의 고에너지 밀도화와 저저항화를 도모할 수 있는 바이폴라형 전지와 그 제조 방법 및 전지 팩을 제공할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
1: 바이폴라 전극
2, 2A 내지 2C: 전극 본체
2X: 적층체
2t1: 부극 부재
2t2: 정극 부재
3: 집전체
4: 정극 활물질층
5: 부극 활물질층
6: 전극 적층체
7: 전해질층
8: 구획 부분
11: 바이폴라 전극
12: 접힘부

Claims (8)

  1. 집전체와, 상기 집전체의 한 면에 형성된 정극 활물질층과, 상기 집전체의 다른 면에 형성된 부극 활물질층을 갖는 바이폴라 전극과,
    비수 전해질을 구비하고,
    상기 바이폴라 전극은, 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 절첩하여 중첩되어 있는 비수 전해질 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부극 활물질층은, 1.5V 부근에 반응 전위가 존재하는 비수 전해질 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는, 알루미늄을 사용하고 있는 비수 전해질 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 정극 활물질층은, 리튬을 흡장 및 방출 가능하고,
    상기 부극 활물질과,
    상기 정극 활물질층과,
    비수 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 비수 전해질 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바이폴라 전극을 복수 적층시킨 적층체를 설치하고,
    상기 적층체는, 상기 바이폴라 전극을 일 방향으로 소정의 길이로 복수로 구획하고, 각 구획 부분 사이를 순차, 번갈아 반대 방향으로 각각 절곡하고 절첩하여 중첩되어 있는 비수 전해질 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바이폴라 전극은, 편측의 접힘부의 중심점 위치가, 상기 접힘부의 중첩 방향에 대하여 인접하는 부분이 상기 중첩 방향과 직교하는 방향으로 교대로 어긋나게 한 상태로 절곡되어 있는 비수 전해질 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 바이폴라 전극은, 상기 접힘부마다 집전 탭이 설치되어 있는 비수 전해질 전지.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 비수 전해질 전지와,
    상기 비수 전해질 전지를 수용하는 외장 부재
    를 갖는 비수 전해질 전지의 전지 팩.
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