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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-29
(45)【発行日】2024-08-06
(54)【発明の名称】電池
(51)【国際特許分類】
H01M 10/0585 20100101AFI20240730BHJP
H01M 50/528 20210101ALI20240730BHJP
H01M 10/0562 20100101ALI20240730BHJP
【ＦＩ】
H01M10/0585
H01M50/528
H01M10/0562
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021102031
(22)【出願日】2021-06-18
(65)【公開番号】P2023000933
(43)【公開日】2023-01-04
【審査請求日】2023-03-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100133835
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 努
(74)【代理人】
【識別番号】100202441
【弁理士】
【氏名又は名称】岩田 純
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雄志
【審査官】川口 陽己
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１２－５２３６７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１８７８６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２１／１１７９０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０２１－０８２５９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０４７２３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１１６１５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０４８０４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－０１３５１８０（ＫＲ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ １０／０５－１０／０５８７
Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８
Ｈ０１Ｍ ５０／２０－５０／２９８
Ｈ０１Ｍ １０／５２－１０／６６７
Ｈ０１Ｍ １０／４２－１０／４８
Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２；７／３４－７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池であって、複数の直列体を有し、前記複数の直列体の各々が、複数の電極体を有し、
前記複数の直列体の各々が、少なくとも１つの中間集電体を有し、
前記複数の直列体が、互いに電気的に並列に接続され、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続され、
一の前記直列体の前記中間集電体と、他の前記直列体の前記中間集電体とが、互いに電気的に直接接続され、
前記直列体が、バイポーラ構造を有する、
電池。
【請求項2】
前記中間集電体が、樹脂と導電材料とを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項3】
１つの前記直列体において、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続される前記複数の電極体の数が、２又は３である、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項4】
前記複数の直列体が、１つの外装体の内部に収容されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電池。
【請求項5】
前記複数の直列体が、互いに積層され、前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が互いに積層され、
前記複数の直列体の積層方向と、前記複数の電極体の積層方向とが一致する、
請求項１～４のいずれか１項に記載の電池。
【請求項6】
全固体電池である、請求項１～５のいずれか１項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は電池を開示する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、複数のバイポーラ電池を互いに電気的に並列に接続する技術が開示されている。特許文献１に開示された電池は、複数の電極体（複数の単位電池とも言い得る）が互いに電気的に直列に接続された直列体を複数備え、当該複数の直列体が互いに電気的に並列に接続されてなるものともいえる。また、特許文献２には、バイポーラ電池の内部において、少なくとも２つの単位電池を互いに電気的に並列に接続する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－１１６１５６号公報
【文献】特開２０１８－０２８９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明者の新たな知見によると、特許文献１に開示されたような電池においては、複数の電極体の一部に特異な容量低下が発生すると、その電極体が含まれる直列体における電圧のバラつきが顕著になり、これに伴って電池が急速に劣化する虞がある。このような課題は特許文献２に開示された技術によっても解決することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
電池であって、複数の直列体を有し、
前記複数の直列体の各々が、複数の電極体を有し、
前記複数の直列体の各々が、少なくとも１つの中間集電体を有し、
前記複数の直列体が、互いに電気的に並列に接続され、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続され、
一の前記直列体の前記中間集電体と、他の前記直列体の前記中間集電体とが、互いに電気的に直接接続されている、
電池
を開示する。
電池であって、複数の直列体を有し、
前記複数の直列体の各々が、複数の電極体を有し、
前記複数の直列体の各々が、少なくとも１つの中間集電体を有し、
前記複数の直列体が、互いに電気的に並列に接続され、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続され、
一の前記直列体の前記中間集電体と、他の前記直列体の前記中間集電体とが、互いに電気的に直接接続されている、
電池
を開示する。
【0006】
本開示の電池においては、前記直列体が、バイポーラ構造を有していてもよい。
【0007】
本開示の電池においては、前記中間集電体が、樹脂と導電材料とを含んでいてもよい。
【0008】
本開示の電池においては、１つの前記直列体において、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続される前記複数の電極体の数が、２又は３であってもよい。
【0009】
本開示の電池においては、前記複数の直列体が、１つの外装体の内部に収容されていてもよい。
【0010】
本開示の電池においては、
前記複数の直列体が、互いに積層されていてもよく、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が互いに積層されていてもよく、
前記複数の直列体の積層方向と、前記複数の電極体の積層方向とが一致していてもよい。
前記複数の直列体が、互いに積層されていてもよく、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が互いに積層されていてもよく、
前記複数の直列体の積層方向と、前記複数の電極体の積層方向とが一致していてもよい。
【0011】
本開示の電池は、全固体電池であってもよい。
【発明の効果】
【0012】
本開示の電池によれば、複数の電極体の一部に特異な容量低下が発生したとしても、その電極体が含まれる直列体における電圧のバラつきが抑制され易い。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】電池１００の構成を概略的に示している。
【図2】電池１００の構成を概略的に示している。
【図3】電池１００の構成を概略的に示している。
【図4】電池１００の構成を概略的に示している。
【図5】実施例に係る電池における電圧のバラつきを示している。
【図6】比較例に係る電池における電圧のバラつきを示している。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図１～３に示されるように、実施形態に係る電池１００は、複数の直列体１０を有する。また、前記複数の直列体１０の各々が、複数の電極体１を有する。また、前記複数の直列体１０の各々が、少なくとも１つの中間集電体３を有する。また、前記複数の直列体１０が、互いに電気的に並列に接続されている。また、前記複数の直列体１０の各々において、前記複数の電極体１が、前記中間集電体３を介して、互いに電気的に直列に接続されている。さらに、一の前記直列体１０の前記中間集電体３と、他の前記直列体１０の前記中間集電体３とが、互いに電気的に直接接続されている。
【0015】
１．直列体
図１及び２に示されるように、電池１００は、複数の直列体１０を有する。複数の直列体１０は、各々、複数の電極体１を有し、また、少なくとも１つの中間集電体３を有する。各々の直列体１０において、複数の電極体１の数は２以上であればよく、２であっても、３であっても、４以上であってもよい。また、各々の直列体１０において、中間集電体３の数は１以上であればよく、１であっても、２であっても、３以上であってもよい。
図１及び２に示されるように、電池１００は、複数の直列体１０を有する。複数の直列体１０は、各々、複数の電極体１を有し、また、少なくとも１つの中間集電体３を有する。各々の直列体１０において、複数の電極体１の数は２以上であればよく、２であっても、３であっても、４以上であってもよい。また、各々の直列体１０において、中間集電体３の数は１以上であればよく、１であっても、２であっても、３以上であってもよい。
【0016】
２．電極体
図１及び２に示されるように、各々の電極体１は単位電池を構成し得る。図１に示されるように、各々の電極体１は、正極活物質層１ａ、負極活物質層１ｂ及び電解質層１ｃを有するものであってよい。正極活物質層１ａ、負極活物質層１ｂ及び電解質層１ｃは、各々、塗工、転写又はプレス成形等の公知の成形法によって容易に得られる。
図１及び２に示されるように、各々の電極体１は単位電池を構成し得る。図１に示されるように、各々の電極体１は、正極活物質層１ａ、負極活物質層１ｂ及び電解質層１ｃを有するものであってよい。正極活物質層１ａ、負極活物質層１ｂ及び電解質層１ｃは、各々、塗工、転写又はプレス成形等の公知の成形法によって容易に得られる。
【0017】
２．１ 正極活物質層
正極活物質層１ａは、少なくとも正極活物質を含み得る。電池１００が全固体電池である場合、正極活物質層１ａは、正極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。また、電池１００が電解液系の電池である場合、正極活物質層１ａは、正極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。
正極活物質層１ａは、少なくとも正極活物質を含み得る。電池１００が全固体電池である場合、正極活物質層１ａは、正極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。また、電池１００が電解液系の電池である場合、正極活物質層１ａは、正極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。
【0018】
正極活物質としては公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位（充放電電位）の異なる２つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を正極活物質とし、卑な電位を示す物質を後述の負極活物質として、それぞれ用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物等の各種のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。電池１００が全固体電池である場合、正極活物質と固体電解質との接触による反応を抑制するために、正極活物質の表面にニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の被覆層が設けられていてもよい。正極活物質は、例えば、粒子状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。
【0019】
電池１００が全固体電池である場合、固体電解質は有機固体電解質（ポリマー固体電解質）及び無機固体電解質のいずれであってもよい。特に、無機固体電解質は、有機ポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高く、また、有機ポリマー電解質と比較して耐熱性に優れる。無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ１＋ＸＡｌＸＧｅ２－Ｘ（ＰＯ４）３、Ｌｉ－ＳｉＯ系ガラス、Ｌｉ－Ａｌ－Ｓ－Ｏ系ガラス等の酸化物固体電解質；Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＩ－Ｓｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５－ＬｉＩ－ＬｉＢｒ、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｏ５、ＬｉＩ－Ｌｉ３ＰＯ４－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５－ＧｅＳ２等の硫化物固体電解質を例示することができる。中でも、硫化物固体電解質、特にＬｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５を含む硫化物固体電解質の性能が高い。固体電解質は、例えば、粒子状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。
【0020】
バインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム（ＢＲ）系バインダー、ブチレンゴム（ＩＩＲ）系バインダー、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）系バインダー、アクリレートブタジエンゴム（ＡＢＲ）系バインダー、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系バインダー等が挙げられる。
【0021】
導電助剤としてはアセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。導電助剤は、例えば、粒子状又は繊維状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。
【0022】
正極活物質層１ａにおける各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極活物質層１ａの形状も従来と同様とすればよい。電池１００をより容易に構成できる観点から、シート状の正極活物質層１ａであってもよい。正極活物質層１ａの厚みは、特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。
【0023】
２．２ 負極活物質層
負極活物質層１ｂは、少なくとも負極活物質を含み得る。電池１００が全固体電池である場合、負極活物質層１ｂは、負極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。また、電池１００が電解液系の電池である場合、負極活物質層１ｂは、負極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。
負極活物質層１ｂは、少なくとも負極活物質を含み得る。電池１００が全固体電池である場合、負極活物質層１ｂは、負極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。また、電池１００が電解液系の電池である場合、負極活物質層１ｂは、負極活物質に加えて、さらに任意にバインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。
【0024】
負極活物質としては公知の活物質を用いればよい。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてＳｉやＳｉ合金や酸化ケイ素等のシリコン系活物質；グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質；チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質；金属リチウムやリチウム合金等を用いることができる。負極活物質は、例えば、粒子状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。固体電解質、バインダー及び導電助剤は正極活物質層１ａに用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。
【0025】
負極活物質層１ｂにおける各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極活物質層１ｂの形状も従来と同様とすればよい。電池１００をより容易に構成できる観点から、シート状の負極活物質層１ｂであってもよい。負極活物質層１ｂの厚みは、特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。負極の容量が正極の容量よりも大きくなるように、負極活物質層１ｂの厚みや積層面積（電極面積）が調整されてもよい。
【0026】
２．３ 電解質層
電解質は、上記したように正極活物質層１ａ及び負極活物質層１ｂに配置され得るほか、正極活物質層１ａと負極活物質層１ｂとの間に電解質層１ｃとしても配置され得る。電解質層１ｃは、電池の電解質層として一般的なものをいずれも採用可能である。電解質層１ｃは、少なくとも電解質を含む。電池１００が全固体電池である場合、電解質層１ｃは、固体電解質と任意にバインダーとを含んでいてもよい。固体電解質については上述した通りであり、特に無機固体電解質、中でも硫化物固体電解質の性能が高い。バインダーは正極活物質層１ａに用いられるバインダーと同様のものを適宜選択して用いることができる。
電解質は、上記したように正極活物質層１ａ及び負極活物質層１ｂに配置され得るほか、正極活物質層１ａと負極活物質層１ｂとの間に電解質層１ｃとしても配置され得る。電解質層１ｃは、電池の電解質層として一般的なものをいずれも採用可能である。電解質層１ｃは、少なくとも電解質を含む。電池１００が全固体電池である場合、電解質層１ｃは、固体電解質と任意にバインダーとを含んでいてもよい。固体電解質については上述した通りであり、特に無機固体電解質、中でも硫化物固体電解質の性能が高い。バインダーは正極活物質層１ａに用いられるバインダーと同様のものを適宜選択して用いることができる。
【0027】
電解質層１ｃにおける各成分の含有量は従来と同様とすればよい。電解質層１ｃの形状も従来と同様とすればよい。電池１００をより容易に構成できる観点から、シート状の電解質層１ｃであってもよい。電解質層１ｃの厚みは、例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。
【0028】
一方で、電池１００が電解液系電池である場合、電解質層１ｃは電解液とセパレータとを含み得る。電解液やセパレータは公知のものを用いればよい。尚、電解質層１ｃが液系電解質層である場合と固体電解質層である場合とを比較した場合、電解質層１ｃが固体電解質層である場合のほうが、すなわち、電池１００が全固体電池である場合のほうが、電池１００を構成することがより容易となるものと考えられる。特に、電解液系の電池よりも全固体電池のほうが、直列体１０においてバイポーラ構造を構成し易い。
【0029】
２．４ 正極集電体及び負極集電体
図１に示されるように、電池１００においては、少なくとも一部の電極体１が、正極集電体１ｄや負極集電体１ｅを有していてもよい。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、電池の集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、金属箔又は金属メッシュであってもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、各々、複数枚の金属箔からなっていてもよい。
図１に示されるように、電池１００においては、少なくとも一部の電極体１が、正極集電体１ｄや負極集電体１ｅを有していてもよい。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、電池の集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、金属箔又は金属メッシュであってもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、各々、複数枚の金属箔からなっていてもよい。
【0030】
正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅを構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｏ、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、酸化耐性を確保する観点から、正極集電体１ｄがＡｌを含むものであってもよく、また、還元耐性を確保する観点から、負極集電体１ｅがＣｕを含むものであってもよい。
【0031】
正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅは、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅが複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体１ｄ及び負極集電体１ｅの厚みは特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上又は１μｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下又は１００μｍ以下であってもよい。
【0032】
３．中間集電体
図１及び２に示されるように、１つの直列体１０において、中間集電体３を介して、複数の電極体１が互いに電気的に直列に接続される。すなわち、中間集電体３は、一の電極体１の正極活物質層１ａと他の電極体１の負極活物質層１ｂとの間に配置され得る。高電圧を容易に確保できる観点、エネルギー密度を高める観点等から、直列体１０はバイポーラ構造を有するものであってもよく、この場合、中間集電体３はバイポーラ集電体であってもよい。すなわち、図１に示されるように、中間集電体３の一方の表面に正極活物質層１ａが積層され、他方の表面に負極活物質層１ｂが積層されてもよい。
図１及び２に示されるように、１つの直列体１０において、中間集電体３を介して、複数の電極体１が互いに電気的に直列に接続される。すなわち、中間集電体３は、一の電極体１の正極活物質層１ａと他の電極体１の負極活物質層１ｂとの間に配置され得る。高電圧を容易に確保できる観点、エネルギー密度を高める観点等から、直列体１０はバイポーラ構造を有するものであってもよく、この場合、中間集電体３はバイポーラ集電体であってもよい。すなわち、図１に示されるように、中間集電体３の一方の表面に正極活物質層１ａが積層され、他方の表面に負極活物質層１ｂが積層されてもよい。
【0033】
中間集電体３は、金属からなるものであってもよい。或いは、後述するように、樹脂と導電材料とを含むものであってもよい。中間集電体３は、複数の層（又は箔）からなっていてもよい。中間集電体３が金属からなる場合、当該中間集電体３を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｏ、ステンレス鋼等が挙げられる。中間集電体３は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。中間集電体３の厚みは特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上又は１μｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下又は１００μｍ以下であってもよい。
【0034】
中間集電体３が樹脂と導電材料とを含む場合、電池１００が軽量化され易く、また、電池１００の安全性が向上し易い。樹脂は、例えば、ビニル樹脂であってもよい。また、導電材料は、例えば、炭素材料又は金属材料であってもよい。金属材料としては、上述の金属と同様のものが採用され得る。導電材料の形状は特に限定されず、例えば、粒子状であってもよい。中間集電体３は、例えば、上記の樹脂と導電材料との混合物を箔状に成形することによって得られたものであってよい。中間集電体３における樹脂と導電材料との割合は特に限定されるものではなく、集電体としての定型性及び機械特性と、電極体１同士を電気的に直列に接続できる程度の導電性とが確保されればよい。
【0035】
４．電気的な接続
図１～３に示されるように、電池１００は、直列体１０同士の並列接続と、直列体１０における電極体１同士の直列接続と、一の直列体１０の中間集電体３と他の直列体１０の中間集電体３との直接的な接続との少なくとも３種類の電気的な接続を有する。
図１～３に示されるように、電池１００は、直列体１０同士の並列接続と、直列体１０における電極体１同士の直列接続と、一の直列体１０の中間集電体３と他の直列体１０の中間集電体３との直接的な接続との少なくとも３種類の電気的な接続を有する。
【0036】
４．１ 直列体同士の並列接続
図１～３に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が、互いに電気的に並列に接続される。直列体１０同士の電気的な接続は、例えば、正極集電体１ｄから正極集電タブ２０を突出させ、負極集電体１ｅから負極集電タブ３０を突出させて、正極集電タブ２０同士を束ねて一体化するとともに、負極集電タブ３０同士を束ねて一体化することによってなされてもよいし、正極集電体１ｄや負極集電体１ｅに端子等を固定又は一体化させて、当該端子同士を電気的に接続することによってなされてもよいし、その他の方法によってなされてもよい。
図１～３に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が、互いに電気的に並列に接続される。直列体１０同士の電気的な接続は、例えば、正極集電体１ｄから正極集電タブ２０を突出させ、負極集電体１ｅから負極集電タブ３０を突出させて、正極集電タブ２０同士を束ねて一体化するとともに、負極集電タブ３０同士を束ねて一体化することによってなされてもよいし、正極集電体１ｄや負極集電体１ｅに端子等を固定又は一体化させて、当該端子同士を電気的に接続することによってなされてもよいし、その他の方法によってなされてもよい。
【0037】
尚、後述するように、電極体１同士を直列に接続して直列体１０とすることで、高電圧を確保できるものの、電極体１同士を直列に接続しただけでは、電池全体として十分な容量を確保することは難しい。これに対し、電池１００においては、複数の直列体１０が電気的に並列に接続されることで、電池１００全体としての容量が高まる。電気的に並列に接続される直列体１０の数は、目的とする電池の容量によって適宜決定され得る。電池１００において、直列体１０は複数あればよく、２以上であっても、３以上であっても、４以上であっても、５以上であってもよい。
【0038】
４．２ 電極体同士の直列接続
図１～３に示されるように、１つの直列体１０においては、複数の電極体１が、中間集電体３を介して、互いに電気的に直列に接続される。電池１００においては、公知の方法によって電極体１同士が電気的に直列に接続されればよい。例えば、中間集電体３の一方の面に一の電極体１の正極を配置し、他方の面に他の電極体１の負極を配置することで、当該一の電極体１と他の電極体１とを電気的に直列に接続することができる。上述の通り、直列体１０はバイポーラ構造を有するものであってもよく、すなわち、中間集電体３がバイポーラ集電体であってもよい。
図１～３に示されるように、１つの直列体１０においては、複数の電極体１が、中間集電体３を介して、互いに電気的に直列に接続される。電池１００においては、公知の方法によって電極体１同士が電気的に直列に接続されればよい。例えば、中間集電体３の一方の面に一の電極体１の正極を配置し、他方の面に他の電極体１の負極を配置することで、当該一の電極体１と他の電極体１とを電気的に直列に接続することができる。上述の通り、直列体１０はバイポーラ構造を有するものであってもよく、すなわち、中間集電体３がバイポーラ集電体であってもよい。
【0039】
１つの直列体１０に含まれる電極体１の数は、特に限定されるものではないが、当該数が少ない方が、各々の電極体１の電圧の監視や推定が容易となり、また、安全性も向上し易い。この点、１つの直列体１０において、中間集電体３を介して、互いに電気的に直列に接続される複数の電極体１の数は、２又は３であってよい。尚、１つの電極体が３．５Ｖ～４．５Ｖ程度の電圧を有するものである場合、当該電極体を３つ直列に接続することで、１２Ｖ程度の電圧を有する直列体及び電池が得られる。１２Ｖ程度の電圧を有する電池は使い勝手がよく、需要も多い。
【0040】
４．３ 中間集電体同士の直接的な接続
図１～３に示されるように、電池１００においては、一の直列体１０の中間集電体３と、他の直列体１０の中間集電体３とが、互いに電気的に直接接続されている。「電気的に直接接続される」とは、一の直列体１０の中間集電体３と、他の直列体１０の中間集電体３との間に、電極体１を介さない直接的な導電パスを有することを意味する。すなわち、電池１００は、直列体１０同士の並列接続や、電極体１同士の直列接続とは別に、中間集電体３同士の直接的な導電パスを有する。
図１～３に示されるように、電池１００においては、一の直列体１０の中間集電体３と、他の直列体１０の中間集電体３とが、互いに電気的に直接接続されている。「電気的に直接接続される」とは、一の直列体１０の中間集電体３と、他の直列体１０の中間集電体３との間に、電極体１を介さない直接的な導電パスを有することを意味する。すなわち、電池１００は、直列体１０同士の並列接続や、電極体１同士の直列接続とは別に、中間集電体３同士の直接的な導電パスを有する。
【0041】
一の直列体１０の中間集電体３と他の直列体１０の中間集電体３とは、例えば、図１～３に示されるように、中間集電体３から中間集電タブ４０を突出させて、当該中間集電タブ４０同士を束ねて一体化することによってなされてもよいし、中間集電体３に端子等を固定又は一体化させて、当該端子同士を電気的に接続することによってなされてもよいし、その他の方法によってなされてもよい。
【0042】
電池１００において、１つの直列体１０に複数の中間集電体３が含まれる場合（すなわち、直列接続される電極体が３つ以上である場合）、一の直列体１０に含まれる複数の中間集電体３のうちの少なくとも１つと、他の直列体１０に含まれる複数の中間集電体３のうちの少なくとも１つとが電気的に直接接続されればよい。また、一の直列体１０の１つの中間集電体３に対して、他の直列体１０の複数の中間集電体３が電気的に直接接続されてもよい。
【0043】
このように、直列体１０同士の並列接続や、電極体１同士の直列接続とは別に、中間集電体３同士が電気的に直接的に接続されることで、特定の電極体１において特異な容量低下が生じたとしても、当該電極体１が含まれる直列体１０と他の直列体１０との間で電流が分散して電圧がバランスし、容量低下が生じた電極体１が含まれる直列体１０において、電圧のバラつきが抑制され易い。
【0044】
５．積層構造
電池１００は、所定の積層構造を有していてもよい。例えば、図１及び３に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が互いに積層されていてもよく、複数の直列体１０の各々において、複数の電極体１が互いに積層されていてもよく、複数の直列体１０の積層方向と複数の電極体１の積層方向とが一致していてもよい。より具体的には、中間集電体３の一方の面に一の電極体１の正極活物質層１ａが積層され、他方の面に他の電極体１の負極活物質層１ｂが積層されてもよく、正極集電体１ｄの一方の面に一の電極体１の正極活物質層１ａが積層され、他方の面に他の電極体１の正極活物質層１ａが積層されてもよく、負極集電体１ｅの一方の面に一の電極体１の負極活物質層１ｂが積層され、他方の面に他の電極体１の負極活物質層１ｂが積層されてもよい。これにより、一の電極体１と他の電極体１とが電気的に直列に接続され、また、一の直列体１０と他の直列体１０とが電気的に並列に接続され得る。言い換えれば、複数の電極体１と中間集電体３との積層体であって、直列接続構造（バイポーラ構造であってもよい）と、並列接続構造との双方を有する積層体が得られる。図１に示されるように、このようにして得られた積層体の側面において、上述したタブ等を介して、正極集電体１ｄ同士、負極集電体１ｅ同士、中間集電体３同士が電気的に接続されることで、電池１００が構成されてもよい。
電池１００は、所定の積層構造を有していてもよい。例えば、図１及び３に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が互いに積層されていてもよく、複数の直列体１０の各々において、複数の電極体１が互いに積層されていてもよく、複数の直列体１０の積層方向と複数の電極体１の積層方向とが一致していてもよい。より具体的には、中間集電体３の一方の面に一の電極体１の正極活物質層１ａが積層され、他方の面に他の電極体１の負極活物質層１ｂが積層されてもよく、正極集電体１ｄの一方の面に一の電極体１の正極活物質層１ａが積層され、他方の面に他の電極体１の正極活物質層１ａが積層されてもよく、負極集電体１ｅの一方の面に一の電極体１の負極活物質層１ｂが積層され、他方の面に他の電極体１の負極活物質層１ｂが積層されてもよい。これにより、一の電極体１と他の電極体１とが電気的に直列に接続され、また、一の直列体１０と他の直列体１０とが電気的に並列に接続され得る。言い換えれば、複数の電極体１と中間集電体３との積層体であって、直列接続構造（バイポーラ構造であってもよい）と、並列接続構造との双方を有する積層体が得られる。図１に示されるように、このようにして得られた積層体の側面において、上述したタブ等を介して、正極集電体１ｄ同士、負極集電体１ｅ同士、中間集電体３同士が電気的に接続されることで、電池１００が構成されてもよい。
【0045】
６．その他の部材
電池１００は、上記以外のその他の部材を有していてもよい。以下に説明される部材は、電池１００が有し得るその他の部材の一例である。
電池１００は、上記以外のその他の部材を有していてもよい。以下に説明される部材は、電池１００が有し得るその他の部材の一例である。
【0046】
６．１ 外装体
図４に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が、１つの外装体５０の内部に収容されていてもよい。より具体的には、電池１００から外部へと電力を取り出すためのタブ２０、３０（又は端子等）を除いた部分が、１つの外装体５０の内部に収容されていてもよい。また、電池１００において、中間集電体３やタブ４０は、その少なくとも一部が外装体５０の外部にあってもよいし、タブ４０及び中間集電体３の全体が外装体５０の内部に収容されていてもよい。特に、タブ４０及び中間集電体３の全体が外装体５０の内部に収容されている場合（言い換えれば、中間集電体３が外装体５０の外部へと引き出されていない場合）に、中間集電体３と正極集電タブ２０や負極集電タブ３０との干渉が回避され易く、また、外装体５０の封止も容易である。
図４に示されるように、電池１００においては、複数の直列体１０が、１つの外装体５０の内部に収容されていてもよい。より具体的には、電池１００から外部へと電力を取り出すためのタブ２０、３０（又は端子等）を除いた部分が、１つの外装体５０の内部に収容されていてもよい。また、電池１００において、中間集電体３やタブ４０は、その少なくとも一部が外装体５０の外部にあってもよいし、タブ４０及び中間集電体３の全体が外装体５０の内部に収容されていてもよい。特に、タブ４０及び中間集電体３の全体が外装体５０の内部に収容されている場合（言い換えれば、中間集電体３が外装体５０の外部へと引き出されていない場合）に、中間集電体３と正極集電タブ２０や負極集電タブ３０との干渉が回避され易く、また、外装体５０の封止も容易である。
【0047】
外装体５０は、電池の外装体として公知のものをいずれも採用可能である。例えば、外装体５０としてラミネートフィルムを用いてもよい。また、複数の電池１００が、電気的に接続され、また、任意に重ね合わされて、組電池とされていてもよい。この場合、公知の電池ケースの内部に当該組電池が収容されてもよい。
【0048】
６．２ 封止樹脂
電池１００においては、直列体１０が樹脂によって封止されていてもよい。例えば、図１に示されるように複数の直列体１０が積層されて積層体が構成されたうえで、当該積層体の少なくとも側面（積層方向に沿った面）が樹脂によって封止されてもよい。これにより、電極体１の内部への水分の混入等が抑制され易くなる。封止樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が採用され得る。電池１００においては、複数の直列体１０が樹脂によって封止された状態で、上述の外装体５０の内部に収容されてもよい。
電池１００においては、直列体１０が樹脂によって封止されていてもよい。例えば、図１に示されるように複数の直列体１０が積層されて積層体が構成されたうえで、当該積層体の少なくとも側面（積層方向に沿った面）が樹脂によって封止されてもよい。これにより、電極体１の内部への水分の混入等が抑制され易くなる。封止樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が採用され得る。電池１００においては、複数の直列体１０が樹脂によって封止された状態で、上述の外装体５０の内部に収容されてもよい。
【0049】
６．３ 電圧監視装置
電池１００は、複数の電極体１の各々の電圧を監視するための装置を有していてもよい。電極体１の電圧を監視する装置については公知のものをいずれも採用可能である。
電池１００は、複数の電極体１の各々の電圧を監視するための装置を有していてもよい。電極体１の電圧を監視する装置については公知のものをいずれも採用可能である。
【0050】
６．４ 拘束部材
電池１００は、電極体１を拘束するための拘束部材を有していてもよい。例えば、上述のように複数の直列体１０が積層されて積層体が構成された場合、拘束部材によって当該積層体に対して積層方向に拘束圧が付与されてもよい。特に電池１００が全固体電池である場合、拘束部材による拘束圧の付与によって、電極体１の内部抵抗が低減され易い。
電池１００は、電極体１を拘束するための拘束部材を有していてもよい。例えば、上述のように複数の直列体１０が積層されて積層体が構成された場合、拘束部材によって当該積層体に対して積層方向に拘束圧が付与されてもよい。特に電池１００が全固体電池である場合、拘束部材による拘束圧の付与によって、電極体１の内部抵抗が低減され易い。
【実施例】
【0051】
以下、実施例を示しつつ、本開示の電池による効果についてさらに詳細に説明するが、本開示の電池は以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例においては、電解質として固体電解質を用いた全固体電池について例示するが、本開示の技術の適用先は全固体電池に限定されるものではない。本開示の技術を液系電池に適用した場合においても同様の効果が奏されるものと考えられる。ただし、液系電池よりも全固体電池のほうが、バイポーラ構造を容易に構成し易い。
【0052】
１．実施例
１．１ 正極合剤の作製
正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、導電助剤（ＶＧＣＦ）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して正極合剤を得た。
１．１ 正極合剤の作製
正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、導電助剤（ＶＧＣＦ）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して正極合剤を得た。
【0053】
１．２ 負極合剤の作製
負極活物質（グラファイト）と、固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して負極合剤を得た。
負極活物質（グラファイト）と、固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して負極合剤を得た。
【0054】
１．３ 電解質合剤の作製
固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して電解質合剤を得た。
固体電解質（ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５）と、バインダー（ＡＢＲ）とを所定の比率で混合して電解質合剤を得た。
【0055】
１．４ 電池の作製
上記の正極合剤により得られる正極活物質層と、負極合剤により得られる負極活物質層と、電解質合剤により得られる電解質層と、正極集電体（アルミニウム箔）と、負極集電体（銅箔）と、中間集電体（ビニル樹脂と導電粒子とを混合物を箔状に成形した樹脂箔）とを用いて、図１に示される構成を有する積層体を作製した。ここで、１つの直列体において、中間集電体を介して電気的に直列に接続される電極体の数を２つとした。また、３つの直列体を電気的に並列に接続するものとした。また、図１及び３に示されるように、積層体の側面において、各集電体からタブを突出させたうえで、当該タブを利用して、正極集電体同士、負極集電体同士、及び、中間集電体同士を電気的に直接接続した。これら集電体の接続後、外装体としてのラミネートフィルム内に積層体を封止し、評価用の電池を得た。ここで、図４に示されるように、正極集電タブ及び負極集電タブの一部は、シール材を介して、ラミネートフィルムの外部に引き出されるようにした。
上記の正極合剤により得られる正極活物質層と、負極合剤により得られる負極活物質層と、電解質合剤により得られる電解質層と、正極集電体（アルミニウム箔）と、負極集電体（銅箔）と、中間集電体（ビニル樹脂と導電粒子とを混合物を箔状に成形した樹脂箔）とを用いて、図１に示される構成を有する積層体を作製した。ここで、１つの直列体において、中間集電体を介して電気的に直列に接続される電極体の数を２つとした。また、３つの直列体を電気的に並列に接続するものとした。また、図１及び３に示されるように、積層体の側面において、各集電体からタブを突出させたうえで、当該タブを利用して、正極集電体同士、負極集電体同士、及び、中間集電体同士を電気的に直接接続した。これら集電体の接続後、外装体としてのラミネートフィルム内に積層体を封止し、評価用の電池を得た。ここで、図４に示されるように、正極集電タブ及び負極集電タブの一部は、シール材を介して、ラミネートフィルムの外部に引き出されるようにした。
【0056】
２．比較例
中間集電体同士を電気的に直接接続しなかったこと以外は、実施例と同様にして電池を得た。
中間集電体同士を電気的に直接接続しなかったこと以外は、実施例と同様にして電池を得た。
【0057】
３．評価結果
図５に、実施例に係る電池の構成及び一部の電極体の容量が特異的に低下した場合における電圧のバラつきの一例を示す。図５に示されるように、実施例に係る電池においては、中間集電体同士が電気的に直接接続されたことで、特定の電極体において特異な容量低下が生じたとしても、当該電極体が含まれる直列体と他の直列体とで電圧がバランスして、当該電極体が含まれる直列体において電圧のバラつきが抑制され易かった。
図５に、実施例に係る電池の構成及び一部の電極体の容量が特異的に低下した場合における電圧のバラつきの一例を示す。図５に示されるように、実施例に係る電池においては、中間集電体同士が電気的に直接接続されたことで、特定の電極体において特異な容量低下が生じたとしても、当該電極体が含まれる直列体と他の直列体とで電圧がバランスして、当該電極体が含まれる直列体において電圧のバラつきが抑制され易かった。
【0058】
図６に、比較例に係る電池の構成及び一部の電極体の容量が特異的に低下した場合における電圧のバラつきの一例を示す。図６に示されるように、比較例に係る電池においては、特定の電極体において特異な容量低下が生じると、当該電極体が含まれる直列体において電圧のバラつきが顕著となり、電池の急速な劣化が懸念された。
【0059】
以上の通り、複数の電極体が互いに直列に接続された直列体を複数備え、且つ、複数の直列体が互いに並列に接続された電池において、複数の電極体の電圧のバラつきを抑えるためには、中間集電体同士を電気的に接続することが有効といえる。具体的には、電池が以下の構成を備えるとよい。
【0060】
電池が複数の直列体を有し、
前記複数の直列体の各々が、複数の電極体を有し、
前記複数の直列体の各々が、少なくとも１つの中間集電体を有し、
前記複数の直列体が、互いに電気的に並列に接続され、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続され、
一の前記直列体の前記中間集電体と、他の前記直列体の前記中間集電体とが、互いに電気的に直接接続される。
前記複数の直列体の各々が、複数の電極体を有し、
前記複数の直列体の各々が、少なくとも１つの中間集電体を有し、
前記複数の直列体が、互いに電気的に並列に接続され、
前記複数の直列体の各々において、前記複数の電極体が、前記中間集電体を介して、互いに電気的に直列に接続され、
一の前記直列体の前記中間集電体と、他の前記直列体の前記中間集電体とが、互いに電気的に直接接続される。
【符号の説明】
【0061】
１ 電極体
１ａ 正極活物質層
１ｂ 負極活物質層
１ｃ 電解質層
１ｄ 正極集電体
１ｅ 負極集電体
３ 中間集電体
１０ 直列体
２０、３０、４０ タブ
５０ 外装体
１００ 電池
１ａ 正極活物質層
１ｂ 負極活物質層
１ｃ 電解質層
１ｄ 正極集電体
１ｅ 負極集電体
３ 中間集電体
１０ 直列体
２０、３０、４０ タブ
５０ 外装体
１００ 電池
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】