バイポーラ電池
【課題】電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池を提供する。
【解決手段】正極及び負極、並びに、正極及び負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、正極に接続された正極集電体と、負極に接続された負極集電体と、積層された２つの電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する正極、及び、他方の電極体を構成する負極に接続された直列集電体と、を備え、正極集電体、負極集電体、及び、直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、該導電性変形材は、集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池とする。
【解決手段】正極及び負極、並びに、正極及び負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、正極に接続された正極集電体と、負極に接続された負極集電体と、積層された２つの電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する正極、及び、他方の電極体を構成する負極に接続された直列集電体と、を備え、正極集電体、負極集電体、及び、直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、該導電性変形材は、集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の面側に正極活物質が他方の面側に負極活物質がそれぞれ配置された集電体を有する、バイポーラ電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車用やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極及び負極と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質等が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極や負極の内部へと浸透しやすい。そのため、正極や負極に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
【０００４】
このようなリチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献１には、集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる正極、セパレータ、及び集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極がこの順で積層されてなる電池要素を有し、少なくとも一の正極活物質層及びセパレータが耐熱性材料を含む、バイポーラ型リチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３３５２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されているようなバイポーラ電池では、正極及び負極、並びに、正極と負極との間に配置された電解質層を有する複数の電極体が、導電材を介して電気的に直列に接続されている。そのため、複数の電極体のうち、例えば１つの電極体が破壊された場合であっても、電流が流れなくなってバイポーラ電池全体が使用できなくなる虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討の結果、集電体を介して電気的に直列に接続された複数の電極体を有するバイポーラ電池の集電体に、温度に応じて変形する導電性変形材を接続しておき、何れかの電極体が異常発熱をした場合に、導電性変形材を変形させて短絡させ、異常発熱した電極体を迂回して電流を流すことにより、何れかの電極体に異常が生じた場合であっても、バイポーラ電池全体の機能不全を防止することが可能になることを知見した。本発明は、当該知見に基づいて完成させた。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、正極及び負極、並びに、正極及び負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、正極に接続された正極集電体と、負極に接続された負極集電体と、積層された２つの電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する正極、及び、他方の電極体を構成する負極に接続された直列集電体と、を備え、正極集電体、負極集電体、及び、直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、導電性変形材は、集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は当該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池である。
【００１０】
ここに、「導電性変形材が集電体の外周方向へ延びるように配置されている」とは、変形した導電性変形材が正極や負極に接触しないように、例えば図２に示したように、正極、電解質層、及び、負極の積層方向から見た時に、正極や負極よりも外側に、導電性変形材５ａ、５ｂが配置されていることをいう。また、「積層方向」とは、正極集電体、電極体、直列集電体、及び、負極集電体を積層する方向をいう。また、「積層方向に隣り合う他の集電体」とは、変形した導電性変形材が接続されている集電体と、積層方向に隣り合う集電体をいう。
【００１１】
温度に応じて変形する導電性変形材が、変形時に、他の集電体や他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように配置されていることにより、バイポーラ電池に備えられている電極体が異常発熱した際に、異常発熱した電極体のみを迂回して電流を流し（異常発熱した電極体を直列回路から外し）、異常発熱していない部位を流れる電流の流通経路は維持することが可能になる。かかる形態とすることにより、異常発熱した電極体が破壊に至る事態、異常のない他の電極体へと熱が伝播する事態、及び、異常のない他の電極体も破壊される事態を回避することが可能になるので、何れかの電極体に異常が生じた場合であってもバイポーラ電池全体の機能不全を防止することが可能になる。
【００１２】
また、上記本発明において、正極集電体には、正極集電体に接続された正極側へ曲がる導電性変形材が接続され、負極集電体には、負極集電体に接続された負極側へ曲がる導電性変形材が接続され、直列集電体には、直列集電体に接続された正極側へ曲がる導電性変形材、及び、直列集電体に接続された負極側へ曲がる導電性変形材が接続されることが好ましい。かかる形態とすることにより、複数の電極体に含まれるどの電極体に異常が生じた場合であっても、異常が生じた電極体のみを迂回して電流を流せるように導電性変形材を変形させることが可能になるので、バイポーラ電池全体の機能不全を防止しやすくなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】バイポーラ電池１０を説明する側面図である。
【図２】バイポーラ電池１０を説明する上面図である。
【図３】バイポーラ電池１０’を説明する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下の図面では、外装体等の記載を省略しており、繰り返される符号の一部を省略することがある。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。なお、以下の説明において、「％」は、特に断らない限り、質量％を意味する。
【００１６】
図１は、本発明のバイポーラ電池１０を説明する側面図である。また、図２は、バイポーラ電池１０を説明する上面図である。図１では、バイポーラ電池１０の一部のみを抽出して示している。
【００１７】
図１に示したように、バイポーラ電池１０は、複数の電極体１、１、…を有しており、正極集電体２、負極集電体３、又は、直列集電体４、４、…と、電極体１、１、…とが交互に積層されている。電極体１は、正極１ａ及び負極１ｃと、正極１ａ及び負極１ｃの間に配置された電解質層１ｂを有している。バイポーラ電池１０では、正極１ａが図１の紙面上側に、負極１ｃが図１の紙面下側に位置するように配置されており、積層方向の一番上に配置された電極体１の正極１ａに正極集電体２が、積層方向の一番下に配置された電極体１の負極１ｃに負極集電体３が、それぞれ接続されている。図１及び図２に示したように、正極集電体２の端部には、高温時に、正極集電体２に接続された正極１ａ側へ湾曲する導電性変形材５ａが接続されており、負極集電体３の端部には、高温時に、負極集電体３に接続された負極１ｃ側へ湾曲する導電性変形材５ｂが接続されている。また、直列集電体４、４、…の端部には、高温時に、直列集電体４、４、…にそれぞれ接続された正極１ａ、１ａ、…側へ湾曲する導電性変形材５ａ、５ａ、…、及び、高温時に、直列集電体４、４、…にそれぞれ接続された負極１ｃ、１ｃ、…側へ湾曲する導電性変形材５ｂ、５ｂ、…が、それぞれ接続されている。
【００１８】
図３は、１つの電極体１のみに異常が生じ、異常が生じている電極体１（以下において、「電極体１ｘ」という。）が発熱した状態のバイポーラ電池１０’を説明する側面図である。図３は、図１の紙面左側から、バイポーラ電池１０’を見た図に相当する。
【００１９】
バイポーラ電池１０を構成する電極体１に異常が生じて発熱し、バイポーラ電池１０が、発熱した電極体１ｘを備えたバイポーラ電池１０’の状態になると、電極体１ｘに接続されている直列集電体４、４の温度が上昇する。電極体１ｘの正極１ａに接続されている直列集電体４の温度が上昇すると、この直列集電体４に接続されている導電性変形材５ａが電極体１ｘの正極１ａ側（図３の紙面下側）へと湾曲して、導電性変形材５ａ’になり、電極体１ｘの負極１ｃに接続されている直列集電体４の温度が上昇すると、この直列集電体４に接続されている導電性変形材５ｂが電極体１ｘの負極１ｃ側（図３の紙面上側）へと湾曲して、導電性変形材５ｂ’になる。そして、バイポーラ電池１０’では、導電性変形材５ａ’と導電性変形材５ｂ’とが接触する。湾曲した導電性変形材５ａ’及び湾曲した導電性変形材５ｂ’を接触させると、電極体１ｘを迂回して、接触した導電性変形材５ａ’及び導電性変形材５ｂ’に電流を流すことができる。このようにして電流を流すと、電極体１ｘには電流が流れないため、バイポーラ電池１０’の電圧はバイポーラ電池１０の電圧よりも低下する。しかしながら、直列接続された複数の電極体に含まれる電極体が破壊されると電流を流せなかった従来のバイポーラ電池とは異なり、バイポーラ電池１０は、電極体１ｘが破壊されても電流を継続して流すことができるので、電池全体の機能不全を回避することができる。また、バイポーラ電池１０によれば、電極体１ｘに電流を流さないようにすることが可能になるので、電極体１ｘが破壊に至る事態、及び、他の電極体１、１、…に破壊が伝播する事態を回避することも可能になる。したがって、本発明によれば、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池１０を提供することができる。なお、導電性変形材が備えられていない従来のバイポーラ電池において、セルに異常が生じた場合であっても電池全体が機能不全に至る事態を防止するために、各電極体の状態を監視する監視回路を設けようとすると、すべての集電体に配線が必要になる等、構造が複雑になるのに加えて、エネルギー密度の低下やコスト増加等が懸念される。これに対し、バイポーラ電池１０によれば、集電体（正極集電体２、負極集電体、及び、直列集電体４、４、…）に導電性変形材５ａ、５ｂを接続するのみなので、構造の複雑化、エネルギー密度の低下、及び、コストの増加を抑制することが可能になる。
【００２０】
また、バイポーラ電池１０では、正極集電体２に導電性変形材５ａが、負極集電体３に導電性変形材５ｂが、それぞれ接続されており、すべての直列集電体４、４、…に、それぞれ、２つの導電性変形材（導電性変形材５ａ及び導電性変形材５ｂ）が接続されている。かかる形態とすることにより、複数の電極体１、１、…に含まれるどの電極体１に異常が生じた場合であっても、異常が生じた電極体１のみを迂回して電流を流せるように導電性変形材５ａ、５ｂを変形させることが可能になるので、電池全体の機能不全を防止しやすいバイポーラ電池１０を得ることができる。
【００２１】
バイポーラ電池１０において、正極１ａに含有させる正極活物質は、正極１ａと負極１ｃとの間を移動させる金属イオンに応じた正極活物質を適宜選択すれば良い。例えば、バイポーラ電池１０がリチウムイオン電池である場合、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等の層状活物質のほか、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）等のオリビン型活物質や、スピネル型マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等のスピネル型活物質等、公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、バイポーラ電池１０がナトリウムイオン電池である場合、正極活物質としては、鉄酸ナトリウム（ＮａＦｅＯ２）、フッ素化燐酸鉄ナトリウム（Ｎａ２ＦｅＰＯ４Ｆ）等、公知の正極活物質を適宜用いることができる。このほか、バイポーラ電池１０がカリウムイオン電池やマグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池である場合、正極活物質としては、それぞれの電池に使用可能な正極活物質を適宜用いることができる。
【００２２】
正極活物質の形状は、例えば粒子状や薄膜状等にすることができる。正極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。また、正極１ａにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
【００２３】
正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗層が形成され難くすることにより、電池抵抗の増加を防止しやすい形態にする観点から、本発明では、正極活物質が、イオン伝導性酸化物で被覆されていることが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式ＬｉｘＡＯｙ（ただし、Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ又はＷであり、ｘ及びｙは正の数である。）で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Ｌｉ３ＢＯ３、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＡｌＯ２、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ２ＴｉＯ３、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ２Ｔｉ２Ｏ５、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ２ＭｏＯ４、Ｌｉ２ＷＯ４等を例示することができる。また、リチウムイオン伝導性酸化物は、複合酸化物であっても良い。正極活物質を被覆する複合酸化物としては、上記リチウムイオン伝導性酸化物の任意の組み合わせを採用することができ、例えば、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＢＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＰＯ４等を挙げることができる。また、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆してれば良く、正極活物質全面を被覆していても良い。また、正極活物質を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等を用いて測定することができる。
【００２４】
正極１ａは、少なくとも正極活物質が含有されていれば良く、このほかに、公知の固体電解質や、正極活物質と他の物質とを結着させるバインダーや、導電性を向上させる導電材等が含有されていても良い。例えば、バイポーラ電池１０がリチウムイオン電池である場合、正極１ａに含有させることが可能な固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製したＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物系固体電解質を例示することができる。正極１ａに固体電解質を含有させる場合、その固体電解質の形態は特に限定されず、結晶質の固体電解質のほか、非晶質の固体電解質やガラスセラミックス、及び、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）やポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）等のポリマー電解質であっても良い。また、正極１ａに含有させることが可能なバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等を例示することができ、正極１ａに含有させることが可能な導電材としては、気相法炭素繊維やカーボンブラック等の炭素材料のほか、電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。正極１ａにおける固体電解質の含有量は特に限定されないが、例えば１０％以上９０％以下とすることが好ましい。また、液体に上記正極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極集電体２や直列集電体４等に塗布する過程を経て正極１ａを作製する場合、正極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。正極１ａの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
また、電解質層１ｂに含有させる電解質としては、バイポーラ電池に使用可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、正極１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、電解質層１ｂには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができる。ただし、高出力化を図りやすくするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する電解質層１ｂを形成可能にする等の観点から、電解質層１ｂに含有させるバインダーは５％以下とすることが好ましい。また、液体に上記固体電解質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極１ａや負極１ｃ等に塗布する過程を経て電解質層１ｂを作製する場合、固体電解質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。電解質層１ｂにおける固体電解質材料の含有量は、例えば６０％以上、中でも７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。電解質層１ｂの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
また、負極１ｃは、負極活物質を含有していれば良く、このほかに、固体電解質や、負極活物質と他の物質とを結着させるバインダーや、導電性を向上させる導電材等が含有されていても良い。負極１ｃに含有させる負極活物質としては、例えば、金属イオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を例示することができる。カーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばＮｂ２Ｏ５、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯ等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎ等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともＬｉを含有する活物質であれば特に限定されず、Ｌｉ金属であっても良く、Ｌｉ合金であっても良い。Ｌｉ合金としては、例えば、Ｌｉと、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。
【００２７】
負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、負極１ｃにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
【００２８】
さらに、負極１ｃには、正極１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を含有させることができる。このほか、負極１ｃには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極１ｃに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。負極１ｃに導電材を含有させる場合、導電材の添加量は、電子伝導性を向上させる効果を発揮しやすくする等の観点から、導電材を含む負極の重さの１０％以上とし、容量の低下を抑制しやすくする等の観点から、導電材を含む負極の重さの８０％以下とする。導電材の添加量は、導電材を含む負極の重さの２０％以上６０％以下とすることが好ましい。また、液体に上記負極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を負極集電体３や直列集電体４等に塗布する過程を経て負極１ｃを作製する場合、負極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、負極１ｃの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、本発明において、正極１ａ及び負極１ｃの質量比は特に限定されないが、正極１ａと負極１ｃとの間を移動するイオンを十分に受け入れられる形態にする観点から、負極１ｃの容量は正極１ａの容量も多くすることが好ましい。
【００２９】
また、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４には、バイポーラ電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。体積エネルギー密度を高めやすくする等の観点から、バイポーラ電池１０では、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４の厚さは１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、導電性変形材５ａ、５ｂには、温度変化によって反り量が変化する、線膨張係数の異なる複数の金属が積層された板状の部材を用いることができる。具体的には、線膨張係数の異なる２種類の金属を積層させたバイメタルや、線膨張係数の異なる３種類の金属を積層させたトリメタル等を、導電性変形材５ａ、５ｂとして用いることができる。導電性変形材５ａ、５ｂを、変形させやすい形態にする観点からは、導電性変形材５ａ、５ｂを構成する複数の金属のうち、一の金属に、線膨張係数が小さい金属を用いることが好ましい。線膨張係数が小さい金属としては、アンバー鋼（Ｉｎｖａｒ鋼）等を例示することができる。ここでいう「アンバー鋼」とは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるアンバー鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であるスーパーアンバー鋼、及びＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒ合金であるステンレスアンバー鋼を含む概念であり、いずれを用いても良い。入手性やコストの観点からは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるアンバー鋼を用いることがより好ましい。また、腐食性を有する材料を真空蒸着する場合など、耐食性が要求される場面においては、ステンレスアンバー鋼が好ましいこともある。また、導電性変形材５ａ、５ｂを構成する上記一の金属と積層される第二金属としては、バイポーラ電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、バイメタルの熱膨張率の大きい方の金属として利用可能な公知の金属材料を適宜用いることができる。そのような第二金属としては、ニッケル、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金などを例示することができる。
【００３１】
バイポーラ電池１０において、導電性変形材５ａ、５ｂには、同一の部材を用いることができる。導電性変形材５ａとして用いる場合には、相対的に線膨張係数の小さい金属が図１の紙面下側を向くように配置すれば良く、導電性変形材５ｂとして用いる場合には、相対的に線膨張係数の小さい金属が図１の紙面上側を向くように配置すれば良い。
【００３２】
また、バイポーラ電池１０において、導電性変形材５ａ、５ｂを、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４に接続する方法は特に限定されない。溶接等に代表される公知の方法で接続しても良く、公知の接着剤等を用いて接続しても良い。
【００３３】
本発明に関する上記説明では、湾曲した導電性変形材５ａ’と湾曲した導電性変形材５ｂ’とを接触させる形態を例示したが、本発明のバイポーラ電池は当該形態に限定されない。本発明のバイポーラ電池は、変形させた導電性変形体を、当該変形させた導電性変形体が接続されている集電体と積層方向に隣り合う他の集電体に接触させる形態とすることも可能である。
【００３４】
また、本発明に関する上記説明では、温度に応じて変形する導電性変形材５ａ、５ｂが集電体（正極集電体２、負極集電体３、直列集電体４、４、…）に接続されている形態を例示したが、本発明のバイポーラ電池は当該形態に限定されない。本発明のバイポーラ電池は、集電体に、集電体とは線膨張係数が異なる金属を接合することにより、集電体の一部を導電性変形材として機能させる形態とすることも可能である。このような形態とする場合には、例えば、積層方向を法線方向とする面（積層面）の大きさが正極及び負極よりも大きい集電体を用い、集電体の外縁に、集電体とは線膨張係数が異なる金属を接合すれば良い。そして、例えば、導電性変形材５ａ、５ｂに代えて、集電体よりも線膨張係数が小さい金属を集電体に接合する（正極集電体２の下面側、負極集電体３の上面側、並びに、直列集電体４、４、…の上面側及び下面側に接合する）ことにより、バイポーラ電池１０と同様の効果を奏するバイポーラ電池を得ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ｘ…電極体
１ａ…正極
１ｂ…電解質層
１ｃ…負極
２…正極集電体
３…負極集電体
４…直列集電体
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’…導電性変形材
１０、１０’…バイポーラ電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の面側に正極活物質が他方の面側に負極活物質がそれぞれ配置された集電体を有する、バイポーラ電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車用やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極及び負極と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質等が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極や負極の内部へと浸透しやすい。そのため、正極や負極に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
【０００４】
このようなリチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献１には、集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる正極、セパレータ、及び集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極がこの順で積層されてなる電池要素を有し、少なくとも一の正極活物質層及びセパレータが耐熱性材料を含む、バイポーラ型リチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３３５２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されているようなバイポーラ電池では、正極及び負極、並びに、正極と負極との間に配置された電解質層を有する複数の電極体が、導電材を介して電気的に直列に接続されている。そのため、複数の電極体のうち、例えば１つの電極体が破壊された場合であっても、電流が流れなくなってバイポーラ電池全体が使用できなくなる虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討の結果、集電体を介して電気的に直列に接続された複数の電極体を有するバイポーラ電池の集電体に、温度に応じて変形する導電性変形材を接続しておき、何れかの電極体が異常発熱をした場合に、導電性変形材を変形させて短絡させ、異常発熱した電極体を迂回して電流を流すことにより、何れかの電極体に異常が生じた場合であっても、バイポーラ電池全体の機能不全を防止することが可能になることを知見した。本発明は、当該知見に基づいて完成させた。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、正極及び負極、並びに、正極及び負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、正極に接続された正極集電体と、負極に接続された負極集電体と、積層された２つの電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する正極、及び、他方の電極体を構成する負極に接続された直列集電体と、を備え、正極集電体、負極集電体、及び、直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、導電性変形材は、集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は当該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池である。
【００１０】
ここに、「導電性変形材が集電体の外周方向へ延びるように配置されている」とは、変形した導電性変形材が正極や負極に接触しないように、例えば図２に示したように、正極、電解質層、及び、負極の積層方向から見た時に、正極や負極よりも外側に、導電性変形材５ａ、５ｂが配置されていることをいう。また、「積層方向」とは、正極集電体、電極体、直列集電体、及び、負極集電体を積層する方向をいう。また、「積層方向に隣り合う他の集電体」とは、変形した導電性変形材が接続されている集電体と、積層方向に隣り合う集電体をいう。
【００１１】
温度に応じて変形する導電性変形材が、変形時に、他の集電体や他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように配置されていることにより、バイポーラ電池に備えられている電極体が異常発熱した際に、異常発熱した電極体のみを迂回して電流を流し（異常発熱した電極体を直列回路から外し）、異常発熱していない部位を流れる電流の流通経路は維持することが可能になる。かかる形態とすることにより、異常発熱した電極体が破壊に至る事態、異常のない他の電極体へと熱が伝播する事態、及び、異常のない他の電極体も破壊される事態を回避することが可能になるので、何れかの電極体に異常が生じた場合であってもバイポーラ電池全体の機能不全を防止することが可能になる。
【００１２】
また、上記本発明において、正極集電体には、正極集電体に接続された正極側へ曲がる導電性変形材が接続され、負極集電体には、負極集電体に接続された負極側へ曲がる導電性変形材が接続され、直列集電体には、直列集電体に接続された正極側へ曲がる導電性変形材、及び、直列集電体に接続された負極側へ曲がる導電性変形材が接続されることが好ましい。かかる形態とすることにより、複数の電極体に含まれるどの電極体に異常が生じた場合であっても、異常が生じた電極体のみを迂回して電流を流せるように導電性変形材を変形させることが可能になるので、バイポーラ電池全体の機能不全を防止しやすくなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】バイポーラ電池１０を説明する側面図である。
【図２】バイポーラ電池１０を説明する上面図である。
【図３】バイポーラ電池１０’を説明する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下の図面では、外装体等の記載を省略しており、繰り返される符号の一部を省略することがある。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。なお、以下の説明において、「％」は、特に断らない限り、質量％を意味する。
【００１６】
図１は、本発明のバイポーラ電池１０を説明する側面図である。また、図２は、バイポーラ電池１０を説明する上面図である。図１では、バイポーラ電池１０の一部のみを抽出して示している。
【００１７】
図１に示したように、バイポーラ電池１０は、複数の電極体１、１、…を有しており、正極集電体２、負極集電体３、又は、直列集電体４、４、…と、電極体１、１、…とが交互に積層されている。電極体１は、正極１ａ及び負極１ｃと、正極１ａ及び負極１ｃの間に配置された電解質層１ｂを有している。バイポーラ電池１０では、正極１ａが図１の紙面上側に、負極１ｃが図１の紙面下側に位置するように配置されており、積層方向の一番上に配置された電極体１の正極１ａに正極集電体２が、積層方向の一番下に配置された電極体１の負極１ｃに負極集電体３が、それぞれ接続されている。図１及び図２に示したように、正極集電体２の端部には、高温時に、正極集電体２に接続された正極１ａ側へ湾曲する導電性変形材５ａが接続されており、負極集電体３の端部には、高温時に、負極集電体３に接続された負極１ｃ側へ湾曲する導電性変形材５ｂが接続されている。また、直列集電体４、４、…の端部には、高温時に、直列集電体４、４、…にそれぞれ接続された正極１ａ、１ａ、…側へ湾曲する導電性変形材５ａ、５ａ、…、及び、高温時に、直列集電体４、４、…にそれぞれ接続された負極１ｃ、１ｃ、…側へ湾曲する導電性変形材５ｂ、５ｂ、…が、それぞれ接続されている。
【００１８】
図３は、１つの電極体１のみに異常が生じ、異常が生じている電極体１（以下において、「電極体１ｘ」という。）が発熱した状態のバイポーラ電池１０’を説明する側面図である。図３は、図１の紙面左側から、バイポーラ電池１０’を見た図に相当する。
【００１９】
バイポーラ電池１０を構成する電極体１に異常が生じて発熱し、バイポーラ電池１０が、発熱した電極体１ｘを備えたバイポーラ電池１０’の状態になると、電極体１ｘに接続されている直列集電体４、４の温度が上昇する。電極体１ｘの正極１ａに接続されている直列集電体４の温度が上昇すると、この直列集電体４に接続されている導電性変形材５ａが電極体１ｘの正極１ａ側（図３の紙面下側）へと湾曲して、導電性変形材５ａ’になり、電極体１ｘの負極１ｃに接続されている直列集電体４の温度が上昇すると、この直列集電体４に接続されている導電性変形材５ｂが電極体１ｘの負極１ｃ側（図３の紙面上側）へと湾曲して、導電性変形材５ｂ’になる。そして、バイポーラ電池１０’では、導電性変形材５ａ’と導電性変形材５ｂ’とが接触する。湾曲した導電性変形材５ａ’及び湾曲した導電性変形材５ｂ’を接触させると、電極体１ｘを迂回して、接触した導電性変形材５ａ’及び導電性変形材５ｂ’に電流を流すことができる。このようにして電流を流すと、電極体１ｘには電流が流れないため、バイポーラ電池１０’の電圧はバイポーラ電池１０の電圧よりも低下する。しかしながら、直列接続された複数の電極体に含まれる電極体が破壊されると電流を流せなかった従来のバイポーラ電池とは異なり、バイポーラ電池１０は、電極体１ｘが破壊されても電流を継続して流すことができるので、電池全体の機能不全を回避することができる。また、バイポーラ電池１０によれば、電極体１ｘに電流を流さないようにすることが可能になるので、電極体１ｘが破壊に至る事態、及び、他の電極体１、１、…に破壊が伝播する事態を回避することも可能になる。したがって、本発明によれば、電池全体の機能不全を抑制することが可能な、バイポーラ電池１０を提供することができる。なお、導電性変形材が備えられていない従来のバイポーラ電池において、セルに異常が生じた場合であっても電池全体が機能不全に至る事態を防止するために、各電極体の状態を監視する監視回路を設けようとすると、すべての集電体に配線が必要になる等、構造が複雑になるのに加えて、エネルギー密度の低下やコスト増加等が懸念される。これに対し、バイポーラ電池１０によれば、集電体（正極集電体２、負極集電体、及び、直列集電体４、４、…）に導電性変形材５ａ、５ｂを接続するのみなので、構造の複雑化、エネルギー密度の低下、及び、コストの増加を抑制することが可能になる。
【００２０】
また、バイポーラ電池１０では、正極集電体２に導電性変形材５ａが、負極集電体３に導電性変形材５ｂが、それぞれ接続されており、すべての直列集電体４、４、…に、それぞれ、２つの導電性変形材（導電性変形材５ａ及び導電性変形材５ｂ）が接続されている。かかる形態とすることにより、複数の電極体１、１、…に含まれるどの電極体１に異常が生じた場合であっても、異常が生じた電極体１のみを迂回して電流を流せるように導電性変形材５ａ、５ｂを変形させることが可能になるので、電池全体の機能不全を防止しやすいバイポーラ電池１０を得ることができる。
【００２１】
バイポーラ電池１０において、正極１ａに含有させる正極活物質は、正極１ａと負極１ｃとの間を移動させる金属イオンに応じた正極活物質を適宜選択すれば良い。例えば、バイポーラ電池１０がリチウムイオン電池である場合、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）等の層状活物質のほか、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）等のオリビン型活物質や、スピネル型マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等のスピネル型活物質等、公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、バイポーラ電池１０がナトリウムイオン電池である場合、正極活物質としては、鉄酸ナトリウム（ＮａＦｅＯ２）、フッ素化燐酸鉄ナトリウム（Ｎａ２ＦｅＰＯ４Ｆ）等、公知の正極活物質を適宜用いることができる。このほか、バイポーラ電池１０がカリウムイオン電池やマグネシウムイオン電池やカルシウムイオン電池である場合、正極活物質としては、それぞれの電池に使用可能な正極活物質を適宜用いることができる。
【００２２】
正極活物質の形状は、例えば粒子状や薄膜状等にすることができる。正極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。また、正極１ａにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
【００２３】
正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗層が形成され難くすることにより、電池抵抗の増加を防止しやすい形態にする観点から、本発明では、正極活物質が、イオン伝導性酸化物で被覆されていることが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式ＬｉｘＡＯｙ（ただし、Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ又はＷであり、ｘ及びｙは正の数である。）で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Ｌｉ３ＢＯ３、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＡｌＯ２、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ２ＴｉＯ３、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ２Ｔｉ２Ｏ５、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ２ＭｏＯ４、Ｌｉ２ＷＯ４等を例示することができる。また、リチウムイオン伝導性酸化物は、複合酸化物であっても良い。正極活物質を被覆する複合酸化物としては、上記リチウムイオン伝導性酸化物の任意の組み合わせを採用することができ、例えば、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＢＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＰＯ４等を挙げることができる。また、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆してれば良く、正極活物質全面を被覆していても良い。また、正極活物質を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等を用いて測定することができる。
【００２４】
正極１ａは、少なくとも正極活物質が含有されていれば良く、このほかに、公知の固体電解質や、正極活物質と他の物質とを結着させるバインダーや、導電性を向上させる導電材等が含有されていても良い。例えば、バイポーラ電池１０がリチウムイオン電池である場合、正極１ａに含有させることが可能な固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製したＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物系固体電解質を例示することができる。正極１ａに固体電解質を含有させる場合、その固体電解質の形態は特に限定されず、結晶質の固体電解質のほか、非晶質の固体電解質やガラスセラミックス、及び、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）やポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）等のポリマー電解質であっても良い。また、正極１ａに含有させることが可能なバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等を例示することができ、正極１ａに含有させることが可能な導電材としては、気相法炭素繊維やカーボンブラック等の炭素材料のほか、電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。正極１ａにおける固体電解質の含有量は特に限定されないが、例えば１０％以上９０％以下とすることが好ましい。また、液体に上記正極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極集電体２や直列集電体４等に塗布する過程を経て正極１ａを作製する場合、正極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。正極１ａの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
また、電解質層１ｂに含有させる電解質としては、バイポーラ電池に使用可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、正極１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、電解質層１ｂには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができる。ただし、高出力化を図りやすくするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する電解質層１ｂを形成可能にする等の観点から、電解質層１ｂに含有させるバインダーは５％以下とすることが好ましい。また、液体に上記固体電解質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極１ａや負極１ｃ等に塗布する過程を経て電解質層１ｂを作製する場合、固体電解質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。電解質層１ｂにおける固体電解質材料の含有量は、例えば６０％以上、中でも７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。電解質層１ｂの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
また、負極１ｃは、負極活物質を含有していれば良く、このほかに、固体電解質や、負極活物質と他の物質とを結着させるバインダーや、導電性を向上させる導電材等が含有されていても良い。負極１ｃに含有させる負極活物質としては、例えば、金属イオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を例示することができる。カーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばＮｂ２Ｏ５、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯ等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎ等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともＬｉを含有する活物質であれば特に限定されず、Ｌｉ金属であっても良く、Ｌｉ合金であっても良い。Ｌｉ合金としては、例えば、Ｌｉと、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。
【００２７】
負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、負極１ｃにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
【００２８】
さらに、負極１ｃには、正極１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を含有させることができる。このほか、負極１ｃには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極１ｃに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。負極１ｃに導電材を含有させる場合、導電材の添加量は、電子伝導性を向上させる効果を発揮しやすくする等の観点から、導電材を含む負極の重さの１０％以上とし、容量の低下を抑制しやすくする等の観点から、導電材を含む負極の重さの８０％以下とする。導電材の添加量は、導電材を含む負極の重さの２０％以上６０％以下とすることが好ましい。また、液体に上記負極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を負極集電体３や直列集電体４等に塗布する過程を経て負極１ｃを作製する場合、負極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、負極１ｃの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、本発明において、正極１ａ及び負極１ｃの質量比は特に限定されないが、正極１ａと負極１ｃとの間を移動するイオンを十分に受け入れられる形態にする観点から、負極１ｃの容量は正極１ａの容量も多くすることが好ましい。
【００２９】
また、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４には、バイポーラ電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。体積エネルギー密度を高めやすくする等の観点から、バイポーラ電池１０では、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４の厚さは１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、導電性変形材５ａ、５ｂには、温度変化によって反り量が変化する、線膨張係数の異なる複数の金属が積層された板状の部材を用いることができる。具体的には、線膨張係数の異なる２種類の金属を積層させたバイメタルや、線膨張係数の異なる３種類の金属を積層させたトリメタル等を、導電性変形材５ａ、５ｂとして用いることができる。導電性変形材５ａ、５ｂを、変形させやすい形態にする観点からは、導電性変形材５ａ、５ｂを構成する複数の金属のうち、一の金属に、線膨張係数が小さい金属を用いることが好ましい。線膨張係数が小さい金属としては、アンバー鋼（Ｉｎｖａｒ鋼）等を例示することができる。ここでいう「アンバー鋼」とは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるアンバー鋼、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金であるスーパーアンバー鋼、及びＦｅ−Ｃｏ−Ｃｒ合金であるステンレスアンバー鋼を含む概念であり、いずれを用いても良い。入手性やコストの観点からは、Ｆｅ−Ｎｉ合金であるアンバー鋼を用いることがより好ましい。また、腐食性を有する材料を真空蒸着する場合など、耐食性が要求される場面においては、ステンレスアンバー鋼が好ましいこともある。また、導電性変形材５ａ、５ｂを構成する上記一の金属と積層される第二金属としては、バイポーラ電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、バイメタルの熱膨張率の大きい方の金属として利用可能な公知の金属材料を適宜用いることができる。そのような第二金属としては、ニッケル、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金などを例示することができる。
【００３１】
バイポーラ電池１０において、導電性変形材５ａ、５ｂには、同一の部材を用いることができる。導電性変形材５ａとして用いる場合には、相対的に線膨張係数の小さい金属が図１の紙面下側を向くように配置すれば良く、導電性変形材５ｂとして用いる場合には、相対的に線膨張係数の小さい金属が図１の紙面上側を向くように配置すれば良い。
【００３２】
また、バイポーラ電池１０において、導電性変形材５ａ、５ｂを、正極集電体２、負極集電体３、及び、直列集電体４に接続する方法は特に限定されない。溶接等に代表される公知の方法で接続しても良く、公知の接着剤等を用いて接続しても良い。
【００３３】
本発明に関する上記説明では、湾曲した導電性変形材５ａ’と湾曲した導電性変形材５ｂ’とを接触させる形態を例示したが、本発明のバイポーラ電池は当該形態に限定されない。本発明のバイポーラ電池は、変形させた導電性変形体を、当該変形させた導電性変形体が接続されている集電体と積層方向に隣り合う他の集電体に接触させる形態とすることも可能である。
【００３４】
また、本発明に関する上記説明では、温度に応じて変形する導電性変形材５ａ、５ｂが集電体（正極集電体２、負極集電体３、直列集電体４、４、…）に接続されている形態を例示したが、本発明のバイポーラ電池は当該形態に限定されない。本発明のバイポーラ電池は、集電体に、集電体とは線膨張係数が異なる金属を接合することにより、集電体の一部を導電性変形材として機能させる形態とすることも可能である。このような形態とする場合には、例えば、積層方向を法線方向とする面（積層面）の大きさが正極及び負極よりも大きい集電体を用い、集電体の外縁に、集電体とは線膨張係数が異なる金属を接合すれば良い。そして、例えば、導電性変形材５ａ、５ｂに代えて、集電体よりも線膨張係数が小さい金属を集電体に接合する（正極集電体２の下面側、負極集電体３の上面側、並びに、直列集電体４、４、…の上面側及び下面側に接合する）ことにより、バイポーラ電池１０と同様の効果を奏するバイポーラ電池を得ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１ｘ…電極体
１ａ…正極
１ｂ…電解質層
１ｃ…負極
２…正極集電体
３…負極集電体
４…直列集電体
５ａ、５ｂ、５ａ’、５ｂ’…導電性変形材
１０、１０’…バイポーラ電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極及び負極、並びに、前記正極及び前記負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、
前記正極に接続された正極集電体と、
前記負極に接続された負極集電体と、
積層された２つの前記電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する前記正極、及び、他方の電極体を構成する前記負極に接続された直列集電体と、を備え、
前記正極集電体、前記負極集電体、及び、前記直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、
前記導電性変形材は、前記集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した前記導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池。
【請求項２】
前記正極集電体には、前記正極集電体に接続された前記正極側へ曲がる前記導電性変形材が接続され、
前記負極集電体には、前記負極集電体に接続された前記負極側へ曲がる前記導電性変形材が接続され、
前記直列集電体には、前記直列集電体に接続された前記正極側へ曲がる前記導電性変形材、及び、前記直列集電体に接続された前記負極側へ曲がる前記導電性変形材が接続される、請求項１に記載のバイポーラ電池。
【請求項１】
正極及び負極、並びに、前記正極及び前記負極の間に配置された電解質層を有する複数の電極体と、
前記正極に接続された正極集電体と、
前記負極に接続された負極集電体と、
積層された２つの前記電極体の間に配置され、一方の電極体を構成する前記正極、及び、他方の電極体を構成する前記負極に接続された直列集電体と、を備え、
前記正極集電体、前記負極集電体、及び、前記直列集電体からなる群より選択された少なくとも１以上の集電体の端部に、温度に応じて変形する導電性変形材が接続され、
前記導電性変形材は、前記集電体の外周方向へ延びるように、且つ、変形した前記導電性変形材が積層方向に隣り合う他の集電体又は該他の集電体に接続された導電性変形材と接触するように、配置されている、バイポーラ電池。
【請求項２】
前記正極集電体には、前記正極集電体に接続された前記正極側へ曲がる前記導電性変形材が接続され、
前記負極集電体には、前記負極集電体に接続された前記負極側へ曲がる前記導電性変形材が接続され、
前記直列集電体には、前記直列集電体に接続された前記正極側へ曲がる前記導電性変形材、及び、前記直列集電体に接続された前記負極側へ曲がる前記導電性変形材が接続される、請求項１に記載のバイポーラ電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１１４７９６（Ｐ２０１３−１１４７９６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７６７３（Ｐ２０１１−２５７６７３）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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