JP6823398B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池セルを複数積層してなる積層型電池モジュールを有する電池に関する。

リチウムイオン（二次）電池は、高容量で小型軽量な二次電池として、近年様々な用途に多用されている。一般的なリチウムイオン電池は、正極及び負極を構成する略平板状の集電体の一面に正極活物質及び負極活物質をそれぞれ設けた後で熱処理してこれら正極活物質及び負極活物質を乾燥させ、正極活物質と負極活物質との間に必要であればセパレータを挾んでこれら正極活物質と負極活物質を積層することで略平板状のリチウム二次単電池を製造し、このリチウム二次単電池を複数層積層して積層型電池モジュールとして構成されていた。

リチウム二次単電池を複数層積層して積層型電池モジュールのリチウムイオン電池を構成する場合、使用時にリチウム二次単電池相互の位置関係がずれると積層型電池モジュールの特性に変動が生じる可能性があるので、積層型電池モジュールの製造時にこれらリチウム二次単電池の相対的位置関係を固定しておくことが好ましい。このため、リチウム二次単電池の厚さ方向に貫通する貫通孔を形成してこの貫通孔に電極端子を設け、この電極端子により積層されたリチウム二次単電池を一体化する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−２５９８６０号公報

しかしながら、上述した従来のリチウム二次単電池の厚さ方向に貫通孔を形成して積層されたリチウム二次単電池の相対的な位置関係を固定する手法を採用した場合、正極、負極活物質はバインダー樹脂によって固定されているため、ドリル等によりリチウム二次単電池に貫通孔を形成する際に正極、負極活物質層にひびが入る、割れる等の欠陥が生じる可能性があり、また貫通孔を形成しても積層するリチウム二次単電池の相対的位置関係を固定することが困難であるという課題があった。

上述した課題は、リチウムイオン電池に限らず、活物質をバインダーで固定した電池セルを複数積層してなる積層型電池モジュール及びこの積層型電池モジュールを用いた電池一般に当てはまる課題である。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、正極、負極活物質層に欠陥を生じることなく、積層された状態の電池セルの相対的位置決め及び固定を容易にすることの可能な電池の提供を、その目的の一つとしている。

本発明は、電池セルを直列に複数積層してなる積層電池セル構造を含む積層型電池モジュールを有する電池であって、電池セルが、正極集電体の表面に正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物層が形成された平板状正極と、負極集電体の表面に負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物層が形成された平板状負極とがセパレータを介して積層されてなる。正極電極組成物層及び負極電極組成物層は、活物質の表面の少なくとも一部に被覆用樹脂を含む被覆層を有する被覆活物質を含有する。そして、電池セルに、正極集電体と負極集電体とを貫いて前記電池セルの厚さ方向に延在し、内壁が貫通孔とされた筒状のシール部材と、シール部材の端面にそれぞれ形成された第１及び第２の係合部とを設け、すくなくとも２つの電池セルが、それぞれの電池セルの正極集電体と負極集電体とが隣接するように積層された際に、それぞれの電池セルに設けられた貫通孔が一体に連なり、かつ、一方の電池セルの第１の係合部と第２の係合部とが互いに係合され、さらに、積層型電池モジュールを、積層型電池モジュールを貫通する貫通孔に挿入された締結具と電池外装容器に設けられた固定孔とにより電池外装容器に固定することにより、上述の課題の少なくとも一つを解決している。

以上の構成を有する電池は、貫通孔の端部の近傍にそれぞれ形成された第１及び第２の係合部が互いに係合した状態で積層され、かつ、それぞれの電池セルに設けられた貫通孔が一体に連なる。

ここで、第１の係合部が突部であり、前記第２の係合部が凹部であることが好ましい。

さらに、正極電極組成物層及び負極電極組成物層は導電性繊維を含むことが好ましく、さらに、導電性繊維は炭素繊維であることが好ましい。

本発明によれば、積層された状態の電池セルの相対的位置決め及び固定を容易にすることの可能な電池を正極、負極活物質層に欠陥を生じることなく提供することができる。

本発明の一実施形態であるリチウム二次単電池を示す一部破断斜視図である。 一実施形態のリチウム二次単電池の製造工程の概略を示す図である。 一実施形態のリチウム二次単電池が適用された積層型電池モジュールを示す断面図である。 一実施形態のリチウム二次単電池が適用されたリチウムイオン電池を示す断面図である。 一実施形態のリチウムイオン電池が自動車に収納された状態を示す概念図である。 一実施形態のリチウムイオン電池が住宅に設置された状態を示す斜視図である。

（一実施形態）
図１、図３及び図４を参照して、本発明の一実施形態である電池セル、積層型電池モジュール及びこの積層型電池モジュールが適用された電池について説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるリチウム二次単電池を示す一部破断斜視図、図３は一実施形態のリチウム二次単電池が適用された積層型電池モジュールを示す断面図、図４は一実施形態のリチウム二次単電池が適用されたリチウムイオン電池を示す断面図である。

これら図において、本発明が適用される電池である、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、本発明が適用される電池セルである外形略平板状のリチウム二次単電池１が複数枚直列に積層されてなる積層型電池モジュール２０が、リチウムイオン電池Ｌの外殻をなす中空の箱状の電池外装容器２１内に収納されて構成されている。

ここで、本発明においてリチウム二次単電池とは、正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物層を負極集電体の表面に形成した負極とがセパレータを介して積層された構造を有し、電池容器、端子配置及び電子制御装置等を備えていない電池である。なお、リチウム二次単電池は単電池と略する場合がある。

リチウム二次単電池１は、図１に詳細を示すように、略矩形平板状の正極集電体７の表面に正極電極活物質と電解液とを含む略平板状の正極電極組成物層５が形成された正極２と、同様に略矩形平板状の負極集電体８の表面に負極電極活物質と電解液とを含む略平板状の負極電極組成物層６が形成された負極３とが、同様に略平板状のセパレータ４を介して積層されて構成され、全体として略矩形平板状に形成されている。これにより、対向する正極集電体７及び負極集電体８を最外層に有するリチウム二次単電池１が構成される。

より詳細には、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６は、リチウム二次単電池１の厚さ方向に延在する外形略矩形枠状のシール部材９内に形成されており、また、セパレータ４の端部もこのシール部材９内に埋め込まれている。そして、正極集電体７及び負極集電体８は、それぞれ図１において正極電極組成物層５の上面及び負極電極組成物層６の下面を覆うように設けられているとともに、シール部材９の上面及び下面も覆うように設けられている。

正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６は、それぞれ活物質の表面の少なくとも一部に被覆用樹脂を含む被覆層を有する被覆活物質を含有する。

正極集電体７及び負極集電体８は、シール部材９により所定間隔をもって対向するように位置決めされているとともに、セパレータ４と正極集電体７及び負極集電体８もシール部材９により所定間隔をもって対向するように位置決めされている。

正極集電体７とセパレータ４との間の間隔、及び、負極集電体８とセパレータ４との間の間隔はリチウムイオン電池の容量に応じて調整され、これら正極集電体７、負極集電体８及びセパレータ４の位置関係は必要な間隔が得られるように定められている。

図１及び図３に示すように、リチウム二次単電池１には、正極２、負極３及びセパレータ４を貫通してリチウム二次単電池１の厚さ方向に延在する円筒形のシール部材１０が、その積層方向に挿入されている。そして、円筒形のシール部材１０の周壁により、正極２、負極３及びセパレータ４を貫通する貫通孔１１が形成されている。図１に最もよく示されるように、正極集電体７には（及び図示されていないが負極集電体８にも）、シール部材１０に対応する部分に孔７ａが形成されており、これにより、シール部材１０の図１及び図３において上下端面は正極及び負極集電体７、８から露出されている。

そして、貫通孔１１の両端部であるシール部材１０の図１及び図３において上下端面のそれぞれには、互いに係合可能な第１の係合部である凸部１２及び第２の係合部である凹部１３が形成されている。より詳細には、シール部材１０の凸部１２は、シール部材１０本体より小径の円筒状に形成されているとともに、シール部材１０の凹部１３は、この凸部１２の直径と略同一またはやや小径の円筒状に形成されている。これにより、図３に示すように、リチウム二次単電池１が上下に積層された状態で、上下に隣り合うリチウム二次単電池１の凸部１２及び凹部１３が互いに係合され、その積層位置が位置決めされる。そして、図３に示すように、シール部材１０に形成された貫通孔１１は上下方向に連なり、略一体化された貫通孔が形成される。

加えて、リチウム二次単電池１の四隅にあたるシール部材９の４つの隅部９ａは、それぞれ図１に示すように内方に（つまり正極２、負極３に向かって）膨出され、膨出された隅部９ａにも、貫通孔１１と同様な貫通孔１４が形成されている。本実施形態では、シール部材９の隅部９ａは円柱の一部をなすような形状に形成されている。また、図１に最もよく示されるように、正極集電体７には（及び図示されていないが負極集電体８にも）、シール部材９の隅部９ａに対応する部分に切欠７ｂが形成されており、これにより、シール部材９の隅部９ａの図１及び図３において上下端面は正極及び負極集電体７、８から露出されている。

そして、このシール部材９の隅部９ａの図１において上下端面のそれぞれには、互いに係合可能な第１の係合部である凸部１５及び第２の係合部である凹部１６が形成されている。より詳細には、シール部材９の隅部９ａの凸部１５及び凹部１６は、上述のシール部材１０の凸部１２及び凹部１３と略同一形状に形成されており、これにより、リチウム二次単電池１が上下に積層された状態で、上下に隣り合うリチウム二次単電池１の凸部１５及び凹部１６、さらには凸部１２及び凹部１３が互いに係合され、その積層位置が位置決めされる。そして、図示は省略するが、シール部材９の隅部９ａに形成された貫通孔１４も上下方向に連なり、略一体化された貫通孔が形成される。

本実施形態では、１つのリチウム二次単電池１に設けられた凸部１２、１５及び凹部１３、１６は、図１に示すように計６個であるが、その個数及び形成位置に限定はなく、図３のように上下に重畳されたリチウム二次単電池１の積層位置が位置決めされることを条件に、任意の個数及び形成位置が選択可能である。好ましくは、後述するように積層型電池モジュール２０及びリチウムイオン電池Ｌの一体化及び熱拡散の観点からは、正極２、負極３及びセパレータ４を貫通する位置に少なくとも一つのシール部材１０及び凸部１２、凹部１３が形成されることが好ましい。

正極電極活物質を構成する正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂及びＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ₂及びＶ₂Ｏ₅）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ₂及びＴｉＳ₂）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ−ｐ−フェニレン及びポリカルバゾール）等が挙げられる。

また、負極電極活物質を構成する負極活物質粒子としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）、炭素繊維、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリキノリン等）、スズ、シリコン、及び金属合金（例えばリチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金及びリチウム−アルミニウム−マンガン合金等）、リチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂等）等が挙げられる。

本実施形態のリチウム二次単電池１において、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６は、それぞれ正極、負極活物質粒子の表面の少なくとも一部に被覆用樹脂を含む被覆層を有する被覆活物質を含む。活物質の表面にある被覆層は、貫通孔を空ける時に生じる応力を緩和することができるため、正極及び負極活物質層である正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６に、欠陥を生じることなく、固定用の貫通孔を設けることが可能となる。

活物質粒子の表面が被覆用樹脂で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨脹を抑制することができる。
被覆用樹脂としては、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリカーボネート等が挙げられる。電解液の吸液性と貫通孔の加工性等の観点から、これらの中ではビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂又はポリアミド樹脂が好ましく、電解液に浸漬した際の吸液率が１０％以上であるものが更に好ましい。

電解液に浸漬した際の吸液率は、電解液に浸漬する前、浸漬した後の被覆用樹脂の重量を測定して、以下の式で求められる。
吸液率（％）＝［（電解液浸漬後の被覆用樹脂の重量−電解液浸漬前の被覆用樹脂の重量）／電解液浸漬前の被覆用樹脂の重量］×１００
吸液率を求めるための電解液としては、好ましくはエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を体積割合でＥＣ：ＤＥＣ＝３：７で混合した混合溶媒に、電解質としてＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌの濃度になるように溶解した電解液を用いる。
吸液率を求める際の電解液への浸漬は、５０℃、３日間行う。５０℃、３日間の浸漬を行うことにより高分子化合物が飽和吸液状態となる。なお、飽和吸液状態とは、それ以上電解液に浸漬しても被覆用樹脂の重量が増えない状態をいう。
なお、リチウムイオン電池を製造する際に使用する電解液は、上記電解液に限定されるものではなく、他の電解液を使用してもよい。

吸液率が１０％以上であると、リチウムイオンが被覆用樹脂を容易に透過することができるため、電極組成物層内でのイオン抵抗を低く保つことができる。吸液率が１０％未満であると、リチウムイオンの伝導性が低くなり、リチウムイオン電池としての性能が充分に発揮されないことがある。
吸液率は２０％以上であることが好ましく、３０％以上であることがより好ましい。
また、吸液率の好ましい上限値としては、４００％であり、より好ましい上限値としては３００％である。

正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６はそれぞれ、互いに結着されていない正極活物質及び、互いに結着されていない負極活物質を含んでなることが好ましい。活物質が互いに結着されていないと、電極組成物層の厚さを厚くした場合であっても、貫通孔を設けることによる結着状態の破壊がなく、活物質層の剥離やクラックが起こらず好ましい。
本発明の正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６が含む被覆活物質は、活物質の表面の一部又は全部が、被覆用樹脂を含んでなる極被覆層によって被覆されたものであるため、被覆活物質同士が接触すると可逆的に接着して固定化されるため、バインダーを用いることなく電極組成物中に活物質を固定することが可能である。この場合、被覆活物質同士が接触したとしても、接触面において被覆層同士が不可逆的に接着されることはなく、接着は一時的なもので、容易に手でほぐすことができるものであるから、被覆活物質を含んでなる電極組成物層は、活物質が互いに結着されているものではない。

被覆活物質が有する被覆層は、更に導電助剤を含んでもよく、導電助剤としては、導電性を有する材料から選択される。

具体的には、金属［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等］、カーボン［グラファイト及びカーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブ等）等］、及びこれらの混合物等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物が用いられてもよい。電気的安定性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、金、銅、チタン及びこれらの混合物であり、より好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、さらに好ましくはカーボンである。またこれらの導電助剤とは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料（上記した導電助剤の材料のうち金属のもの）をメッキ等でコーティングしたものでもよい。

導電助剤として導電性繊維を用いることも可能である。導電性繊維としては、炭素繊維（ＰＡＮ系炭素繊維、及びピッチ系炭素繊維等の炭素繊維等）、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。これらの導電性繊維の中では炭素繊維が好ましい。

被覆層が含有する被覆用樹脂と導電助剤との合計重量の割合は、活物質の重量に対して０．１〜２５重量％であることが好ましく、活物質の重量に対する被覆用樹脂の重量の割合は、０．１〜２０重量％であることが好ましく、導電助剤を用いる場合に活物質の重量に対する導電助剤の重量の割合は、１〜１０重量％であることが好ましい。

被覆活物質は、例えば、活物質粒子を万能混合機に入れて３０〜５００ｒｐｍで撹拌した状態で、被覆用樹脂を含む樹脂溶液を１〜９０分かけて滴下混合し、さらに導電助剤を混合し、撹拌したまま５０〜２００℃に昇温し、０．００７〜０．０４ＭＰａまで減圧した後に１０〜１５０分保持することにより得ることができる。

正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６はそれぞれ、被覆活物質が含む活物質と、後述する電解液又は後述する非水溶媒との混合物を正極集電体７及び負極集電体８それぞれの表面に塗布することで得ることができる。前記混合物は、さらにバインダー（ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース及びＳＢＲラテックス等）を含んでもよいが、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６が互いに結着されていない正極活物質及び、互いに結着されていない負極活物質を含んでなることが好ましいことから、バインダーを含まないことが好ましい。なお、混合物に非水溶媒を用いた場合には、正極集電体７及び負極集電体８それぞれの表面に混合物を塗布した後、必要に応じて非水溶媒を乾燥除去した後、電解液を含浸することで正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６を得ることができる。
正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６の厚さは、１００〜１００００μｍであることが好ましい。

正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６はそれぞれ、被覆層が有してよい導電助剤とは異なる導電性繊維をさらに含むことが好ましい。被覆層が有してよい導電助剤とは異なる導電性繊維は、被覆活物質の表面に存在し、活物質の固定を補助すること同時に電極組成物中での伝導度を下げることができるため好ましい。導電性繊維としては、前記の導電助剤で例示したものと同じ導電性繊維があげられ、好ましいものも同じである。

電解液としては、リチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する電解液を使用することができる。

電解質としては、リチウムイオン電池用電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆及びＬｉＣｌＯ₄等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂及びＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはＬｉＰＦ₆である。

非水溶媒としては、リチウムイオン電池用電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。

非水溶媒は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

非水溶媒の内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは、ラクトン化合物、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル及びリン酸エステルであり、より好ましいのはラクトン化合物、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルであり、さらに好ましいのは環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルの混合液である。特に好ましいのはプロピレンカーボネート(ＰＣ)、またはエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合液である。

セパレータ４としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等、ポリオレフィン製の微多孔膜フィルム、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンとの多層フィルム、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等が挙げられる。

正極、負極集電体７、８としては、金属集電体や樹脂集電体を用いることができる。金属集電体としては、公知の金属集電体を用いることができる。たとえば、金属集電体は、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、およびこれらの一種以上を含む合金、ならびにステンレス合金からなる群から選択される一種以上からなる集電体が好ましい。金属集電体は薄板または金属箔から形成されてもよいし、基材の表面にスパッタリング、電着、塗布等の手法により金属層を形成してもよい。

樹脂集電体を構成する高分子材料は、導電性高分子であってもよいし、導電性を有さない高分子であってもよい。

高分子材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。

電気的安定性の観点から、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。

また、樹脂集電体は、導電性の高分子材料を含む樹脂集電体の導電性を向上させる目的、あるいは、導電性を有さない高分子材料を含む樹脂集電体に導電性を付与する目的から、導電性フィラーを含んでいると好ましい。導電性フィラーは、導電性を有する材料から選択される。好ましくは、集電体内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが好ましい。具体的には、カーボン材料、アルミニウム、金、銀、銅、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム、アンチモン、チタン、ニッケルなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの導電性フィラーは１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、ステンレス（ＳＵＳ）等のこれらの合金材が用いられてもよい。耐食性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン材料、ニッケル、より好ましくはカーボン材料である。また、これらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに、上記で示される金属をメッキ等でコーティングしたものであってもよい。

樹脂集電体の具体例としては、ポリプロピレンに導電性フィラーとしてアセチレンブラックを５〜２０部分散させた後、熱プレス機で圧延したものが挙げられる。また、その厚みも特に制限されず、公知のものと同様、あるいは適宜変更して適用することができる。

シール部材９、１０を構成する材料としては、正極、負極集電体７、８との接着性を有し、電解液に対して耐久性のある材料であれば特に限定されないが、高分子材料、特に熱硬化性樹脂が好ましい。具体的には、エポキシ系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリフッ化ビニデン樹脂等が挙げられ、耐久性が高く取り扱いが容易であることからエポキシ系樹脂が好ましい。

以上の構成のリチウム二次単電池１は、図３に示すように、上下に隣り合うリチウム二次単電池１の正極集電体７及び負極集電体８が互いに接し、さらに、凸部１２、１５及び凹部１３、１６が互いに係合することでその積層位置が位置決めされた状態で上下に積層されて、積層型電池モジュール２０が形成される。そして、図４に示すように、この積層型電池モジュール２０が電池外装容器２１内に収納されて、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌが構成される。本実施形態では、電池外装容器２１は中空の箱状に形成され、その側部において上下に分割されて上容器２１ａ及び下容器２１ｂが構成されている。積層型電池モジュール２０をこの電池外装容器２１内に収納する際には、上容器２１ａと下容器２１ｂとを分離して積層型電池モジュール２０を内部に収納し、上容器２１ａと下容器２１ｂとを再度組み立てればよい。

電池外装容器２１（上容器２１ａ）の上面には、シール部材１０の貫通孔１１に対応する位置に凹部２２が形成されているとともに、この凹部２２の底部には固定孔２３が形成されている。同様に、容器２１（下容器２１ｂ）の下面にも、シール部材１０の貫通孔１１に対応する位置に固定孔２４が形成されている。そして、ボルト、ねじ等の締結具２５がシール部材１０の貫通孔１１及び固定孔２３、２４に挿入され、この締結具２５の頭部２５ａが凹部２２に収納されるとともに、端部２５ｂがリチウムイオン電池Ｌを取り付けるべき本体Ｈに締結されることで、電池外装容器２１が本体Ｈに固着されるとともに、電池外装容器２１内に収納された積層型電池モジュール２０も電池外装容器２１と一体となって本体Ｈに固着される。

なお、本実施形態では、シール部材１０の貫通孔１１内に、積層型電池モジュール２０と略同じ高さの円筒状のスペーサ２６が挿入されているので、締結具２５により作用する締結力は、上容器２１ａからスペーサ２６を介して下容器２１ｂを経由して本体Ｈに作用し、積層型電池モジュール２０に直接作用しない。このため、積層型電池モジュール２０に過度の力が作用しないという利点がある。

電池外装容器２１を構成する材料は、電池外装容器２１内に積層型電池モジュール２０を収納しうる材料であれば、任意の材料が好適に適用可能である。但し、積層型電池モジュール２０からの発熱を速やかに拡散して放熱することを考慮すると、金属等の熱伝導率が高い材料であることが好ましい。但し、積層型電池モジュール２０と電池外装容器２１とが直接接触することにより短絡が生じる可能性があるため、電池外装容器２１の内面に絶縁物層等を形成することが好ましい。

次に、以上の構成を有するリチウム二次単電池１の製造方法について、図２を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、負極集電体８の孔８ａに、下部３０ａが凹部１３に対応する円柱状に形成されたピン３０を、下部３０ａがこの孔８ａに嵌まるように挿入し、この状態で、負極集電体８の図中上面にシール部材９、１０を形成する。負極集電体８の上面にシール部材９、１０を形成する手法は任意であるが、一例として、インクジェット機や３Ｄプリンタ等、ノズルを所定箇所に移動制御して所定量の部材を吐出できる機構によりシール部材９、１０を形成する部材を吐出する手法が好適に挙げられる。

次に、図２（ｂ）に示すように、負極電極組成物層６を形成すべき高さまでシール部材９、１０を形成したら、負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物６を負極集電体８の上面に形成して負極３を形成する。負極３を形成する手法は任意であり、負極集電体８のそれぞれの表面に負極電極組成物６を塗布する、負極集電体８のそれぞれの表面に、ノズル等を介して負極電極組成物６を載置した後に所定厚になるようにヘラ等で均す、など、種々の手法が挙げられる。

次に、図２（ｃ）に示すように、負極３を形成する負極電極組成物６の図中上面を覆い、端部がシール部材９の端部に載置するように、セパレータ４を載置する。ここで、セパレータ４には孔４ａが形成されており、ピン３０の上端部３０ｂがこの孔４ａを貫通するようにセパレータ４が負極電極組成物６の上面に載置される。セパレータ４を負極電極組成物６の上面に載置する手法は任意であり、一例として、真空チャック３１によりセパレータ４の上面を保持し、この真空チャック３１を用いてセパレータ４を負極電極組成物６の上面に載置した後、チャック３１をセパレータ４から外すような手法が好適に挙げられる。

次に、図２（ｄ）に示すように、セパレータ４の図中上面にシール部材９、１０を形成し、正極電極組成物層５を形成すべき高さまでシール部材９、１０を形成したら、図２（ｅ）に示すように、正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物５をセパレータ４の上面に形成して正極２を形成する。正極２を形成する手法は、負極３を形成する手法と略同一であるので、ここではその説明を省略する。

次に、図２（ｆ）に示すように、正極２を形成する正極電極組成物５の図中上面を覆い、端部がシール部材９の端部に載置するように、正極集電体７を載置する。上述のように正極集電体７には孔７ａが形成されているので、ピン３０の上端部３０ｂがこの孔７ａを貫通するように正極集電体７が正極電極組成物５の上面に載置される。正極集電体７を正極電極組成物５の上面に載置する手法は、セパレータ４を負極電極組成物６の上面に載置する手法と略同一であるので、ここではその説明を省略する。

次に、図２（ｇ）に示すように、下面に凸部１２に対応する形状の凹部３２ａが形成され、中心部にピン３０の上端部３０ｂが挿入可能な貫通孔３２ｂが形成された型押し部材３２を、シール部材１０の上面に押圧してシール部材１０の上面に凸部１２を形成し、その後、図２（ｈ）に示すように、ピン３０及び型押し部材３２をそれぞれ外すことにより、図１に示すリチウム二次単電池１を製造することができる。

本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、一例として図５に示すように、自動車４０のシート４１の下部に収納され、あるいは、図６に示すように、家屋４２の壁面４３を構成する構造体パネルとして、締結具４４により家屋４２を構成する構造体の一部として取り付けられる。図５に示す例であると、リチウムイオン電池Ｌからの発熱は、自動車４０の構造体（フレーム等）に速やかに伝達されて放熱がされる。また、図６に示す例であると、家屋４２の構造体を兼ねてリチウムイオン電池Ｌを設置することができ、家屋４２に大容量の電源を確保することができるとともに、設置スペースの削減を図ることができる。

従って、本実施形態のリチウム二次単電池１によれば、凸部１２、１５及び凹部１３、１６を互いに係合させることで、上下に隣り合うリチウム二次単電池１の積層位置の位置決めを容易に行うことができる。これにより、積層された状態のリチウム二次単電池１の相対的位置決め及び固定を容易にすることの可能なリチウム二次単電池１及びリチウムイオン電池Ｌを実現することができる。

更に、本実施形態のリチウム二次単電池１によれば、凸部１２、１５及び凹部１３、１６を互いに係合させる構造であることにより、経時での位置ズレを防止することもできる。これにより、電気自動車等、長期間にわたって振動を受ける用途においても、安定した性能を長期間維持することの可能なリチウム二次単電池１及びリチウムイオン電池Ｌを実現することができる。

なお、本発明の電池セル、積層型電池モジュール及び電池は、その細部が上述の一実施形態に限定されず、種々の変形例が可能である。一例として、上述の一実施形態ではリチウム二次単電池１を複数積層して積層型電池モジュール２０を構成し、この積層型電池モジュール２０を電池外装容器２１内に収納してリチウムイオン電池Ｌを構成していたが、リチウム二次単電池１以外の電池セル、さらにこの電池セルを用いた電池についても本発明は好適に適用可能である。

Ｌ リチウムイオン電池
１ リチウム二次単電池（電池セル）
２ 正極
３ 負極
４ セパレータ
５ 正極電極組成物
６ 負極電極組成物
７ 正極集電体
８ 負極集電体
９、１０ シール部材
１１、１４ 貫通孔
１２、１５ 凸部
１３、１６ 凹部
２０ 積層型電池モジュール
２１ 電池外装容器

Claims (4)

1. 電池セルを直列に複数積層してなる積層電池セル構造を含む積層型電池モジュールを有する電池であって、
   前記電池セルは、
   正極集電体の表面に正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物層が形成された平板状正極と、負極集電体の表面に負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物層が形成された平板状負極とがセパレータを介して積層されてなり、
   前記正極電極組成物層及び前記負極電極組成物層が、活物質の表面の少なくとも一部に被覆用樹脂を含む被覆層を有する被覆活物質を含有し、
   さらに、前記電池セルは、
   前記正極集電体と前記負極集電体とを貫いて前記電池セルの厚さ方向に延在し、内壁が貫通孔とされた筒状のシール部材と、
   前記シール部材の端面にそれぞれ形成された第１及び第２の係合部とを備え、
   すくなくとも２つの前記電池セルが、それぞれの前記電池セルの前記正極集電体と前記負極集電体とが隣接するように積層された際に、それぞれの前記電池セルに設けられた前記貫通孔が一体に連なり、かつ、一方の前記電池セルの前記第１の係合部と他方の前記電池セルの前記第２の係合部とが互いに係合され、さらに、
   前記積層型電池モジュールが前記積層型電池モジュールを貫通する前記貫通孔に挿入された締結具と電池外装容器に設けられた固定孔とにより電池外装容器に固定されていることを特徴とする電池。
2. 請求項１に記載の電池において、
   前記第１の係合部が突部であり、前記第２の係合部が凹部であることを特徴とする電池。
3. 請求項１または２に記載の電池において、
   前記正極電極組成物層及び前記負極電極組成物層はさらに導電性繊維を含むことを特徴とする電池。
4. 請求項３記載の電池において、
   前記導電性繊維は炭素繊維であることを特徴とする電池。

Images