JP2007234453A - ２次電池およびその車両搭載構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電池構成体を構成する各層間のずれを抑制する２次電池およびその車両搭載構造を提供する。
【解決手段】バイポーラ２次電池１０は、電極シートを有し、互いに重ね合わされた複数の電極シートが、中心軸１０１を中心に巻回されることによって形成された電池構成体２０を備える。電極シートは、積層された正極および負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを含む。電池構成体２０には、中心軸１０１に沿って延びる中空部１２が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、２次電池およびその車両搭載構造に関し、より特定的には、バイポーラ型の２次電池およびその車両搭載構造に関する。

従来の２次電池に関して、たとえば、特開２０００−３０７４６号公報には、容量が大きくかつコンパクト化が可能であり、絶縁性を向上させることを目的としたバイポーラ型リチウムイオン２次電池が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、電池構成体が巻回されている。その電池構成体の外側に、絶縁容器を介してさらに同じ電池構成体が所定個数、巻回されている。内側の電池構成体から外側の電池構成体に向かって電気的に直列に接続することによって、バイポーラ型リチウムイオン２次電池が作製されている。

また、特開平２−１１１２０５号公報には、走行性の改善や自動車の軽量化等を図ることを目的とした四輪駆動電気自動車が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された電気自動車は、モータ駆動源へのエネルギ供給源として、シート状のリチウム２次電池を搭載している。
特開２０００−３０７４６号公報 特開平２−１１１２０５号公報

上述の特許文献１では、正極集電箔上に正極活物質を塗布して構成された正極と、負極集電箔上に負極活物質を塗布して構成された負極との間に、リチウムイオン導電性を有するセパレータを挟んで電池構成体が形成されている。しかしながら、このような積層体からなる電池構成体を巻回すると、積層体の内側の層と外側の層との間で収縮差が発生する。この場合、曲率が大きくなる中心部ではその収縮差を十分に吸収することができず、正極と負極とが大きくずれるおそれが生じる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、電池構成体を構成する各層間のずれを抑制する２次電池およびその車両搭載構造を提供することである。

この発明に従った２次電池は、電極シートを有し、互いに重ね合わされた複数の電極シートが、所定の軸を中心に巻回されることによって形成された電池構成体を備える。電極シートは、積層された正極および負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを含む。電池構成体には、所定の軸に沿って延びる中空部が形成されている。

このように構成された２次電池によれば、複数の電極シートを巻回することによって、電池構成体を構成する各層間でずれが発生し易くなる。これに対して、本発明では、曲率が大きくなる電池構成体の中心部で電極シートが巻回されない。このため、電池構成体を構成する各層間でずれが発生することを抑制できる。

また好ましくは、中空部には、電池構成体に電気的に接続される機器が配置されている。このように構成された２次電池によれば、電池構成体によって機器で生じる電磁波の四散を遮断することができる。

また好ましくは、２次電池は、中空部に配置された別の電池構成体をさらに備える。別の電池構成体は、互いに重ね合わされた、電池構成体よりも少ない数の電極シートが巻回されることによって形成されている。このように構成された２次電池によれば、別の電池構成体が、電極シートの曲率が大きくなる中空部に配置される。これに対して、別の電池構成体をより少ない数の電極シートから形成することにより、別の電池構成体を構成する各層間でずれが発生することを抑制できる。

また好ましくは、電池構成体は、バイポーラ２次電池から構成されている。バイポーラ２次電池とは、１つの電極板に正極および負極の双方が設けられた電池を指す。このように構成された２次電池によれば、特に多数の電極シートから形成されるバイポーラ２次電池において、電池構成体を構成する各層間でずれが発生することを効果的に抑制できる。

また好ましくは、電池構成体は、互いに重ね合わされた複数の電極シートの両側にさらに重ね合わされ、複数の電極シートが巻回された場合に内周側に配置される第１の集電体と、外周側に配置される第２の集電体とをさらに有する。第１の集電体は、相対的に小さい線膨張率を有する金属から形成され、第２の集電体は、相対的に大きい線膨張率を有する金属から形成されている。このように構成された２次電池によれば、互いに重ね合わされた複数の電極シートが巻回されることによって、外周側に配置される第２の集電体には引っ張り応力が作用し、内周側に配置される第１の集電体には圧縮応力が作用する。また、２次電池の使用に際して電池構成体が発熱した場合に、相対的に大きい線膨張率を有する金属から形成された第２の集電体は、より大きく伸び、相対的に小さい線膨張率を有する金属から形成された第１の集電体は、より小さく伸びる。このため、電池構成体の発熱時、第２の集電体に作用していた引っ張り応力をより効果的に緩和するとともに、第１の集電体に作用していた圧縮応力の増大をより効果的に抑制することができる。

この発明に従った２次電池の車両搭載構造は、上述のいずれかに記載の２次電池を車両に搭載する２次電池の車両搭載構造である。車両は、スペアタイヤを収容するスペアタイヤ収容部を有する。２次電池は、スペアタイヤとともにスペアタイヤ収容部に収容されている。スペアタイヤは、中空部に配置されている。

このように構成された２次電池の車両搭載構造によれば、スペアタイヤ収容部のスペースを有効に利用して２次電池を配置することができる。また、車両衝突時に２次電池の内側に配置されたスペアタイヤが緩衝材となり、電池構成体の変形を抑えることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、電池構成体を構成する各層間のずれを抑制する２次電池およびその車両搭載構造を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態におけるバイポーラ２次電池を示す斜視図である。図１を参照して、バイポーラ２次電池１０は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な電源とを動力源とするハイブリッド車両に電源として搭載されている。バイポーラ２次電池１０は、リチウムイオン電池から形成されている。

バイポーラ２次電池１０は、電池構成体２０と、電池構成体２０から延出する正極端子１６および負極端子１７とを備える。電池構成体２０は、中心軸１０１に沿って延びる筒形状を有する。電池構成体２０には、中心軸１０１に沿って延びる中空部１２が形成されている。電池構成体２０は、中空部１２を規定する内周面２０ｂと、内周面２０ｂの反対側に面する外周面２０ａとを有する。電池構成体２０は、中心軸１０１に直交する平面で切断した場合の外周面２０ａおよび内周面２０ｂの断面形状が円形となるように形成されている。なお、電池構成体２０は、その断面形状が長円や楕円形等となるように形成されても良い。

図２は、図１中の電池構成体の製造工程を示す斜視図である。図３は、図２中の２点鎖線ＩＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図２および図３を参照して、電池構成体２０は、積層シート１２０が複数回、巻回されることによって形成されている。積層シート１２０は、略矩形の薄膜形状を有する。積層シート１２０は、積層された複数の電極シート２５を含む。

電極シート２５は、正極をなす正極活物質層２８と、負極をなす負極活物質層２６と、正極活物質層２８と負極活物質層２６との間に介在する電解質層２７とから構成されている。電解質層２７は、イオン伝導性を示す材料から形成される層である。電解質層２７は、固体電解質である。電解質層２７を介在させることによって、正極活物質層２８および負極活物質層２６間のイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ２次電池１０の出力を向上させることができる。

複数の電極シート２５は、積層方向に隣り合う位置で正極活物質層２８と負極活物質層２６とが対向するように積層されている。複数の電極シート２５間には、それぞれシート状の集電箔２９が設けられている。集電箔２９の一方の面２９ｂに正極活物質層２８が形成され、集電箔２９の他方の面２９ａに負極活物質層２６が形成されている。正極活物質層２８および負極活物質層２６は、たとえばスパッタリングにより集電箔２９の表面上に形成されている。

電極シート２５の積層方向に隣り合う電解質層２７間に配置された、正極活物質層２８、集電箔２９および負極活物質層２６の組が、バイポーラ電極３０を構成している。バイポーラ２次電池１０では、１つのバイポーラ電極３０に、正極をなす正極活物質層２８と負極をなす負極活物質層２６との双方が形成されている。

複数の電極シート２５は、積層シート１２０が巻回された場合に、最も内周側に配置される電極シート２５ｍと、最も外周側に配置される電極シート２５ｎとを含む。電極シート２５ｍは、その内周側の端に負極活物質層２６が配置されるように設けられている。電極シート２５ｎは、その外周側の端に正極活物質層２８が配置されるように設けられている。電極シート２５ｍの負極活物質層２６に接触するように負極集電板２１が積層されている。電極シート２５ｎの正極活物質層２８に接触するように正極集電板２３が積層され、さらにその正極集電板２３に接触するように絶縁フィルム２４が積層されている。このような構成により、負極集電板２１は、中心軸１０１を中心に内周側に配置され、正極集電板２３は、外周側に配置されている。絶縁フィルム２４は、積層シート１２０を巻回した際に、正極集電板２３と負極集電板２１とが短絡することを防止するために設けられている。

図１中の正極端子１６は正極集電板２３に接続され、負極端子１７は負極集電板２１に接続されている。図１中では、正極端子１６が電池構成体２０の外周側で正極集電板２３に接続され、負極端子１７が電池構成体２０の内周側で負極集電板２１に接続されている。正極端子１６および負極端子１７が接続される位置は、これに限定されず、中心軸１０１を中心に周回する正極集電板２３および負極集電板２１のいずれの位置であっても良い。

なお、正極集電板２３および負極集電板２１は必ずしも設けられる必要はない。絶縁フィルム２４は、電極シート２５ｍの負極集電板２１に積層されても良い。

好ましくは、正極集電板２３と負極集電板２１とは、互いに異なる線膨張率を有する金属から形成されている。中心軸１０１を中心に内周側に配置される負極集電板２１は、相対的に小さい線膨張率を有する金属から形成され、外周側に配置される正極集電板２３は、相対的に大きい線膨張率を有する金属から形成されている。たとえば、負極集電板２１は銅から形成され、正極集電板２３はアルミニウムから形成されている。正極集電板２３および負極集電板２１は、これら以外の金属から形成されても良い。

積層シート１２０を巻回することによって、積層シート１２０の積層方向の中心を境に内周側では積層シート１２０を構成する各層に圧縮応力が作用し、外周側では各層に引っ張り応力が作用する。すなわち、内周側に配置された負極集電板２１には、圧縮応力が作用し、外周側に配置された正極集電板２３には、引っ張り応力が作用する。

一方、正極集電板２３および負極集電板２１を形成する金属の線膨張率を上記のように設定することによって、電池構成体２０が発熱した場合に、正極集電板２３の伸び量は、相対的に大きくなり、負極集電板２１の伸び量は、相対的に小さくなる。このため、電池構成体２０の発熱時、正極集電板２３に作用していた引っ張り応力をより効果的に緩和するとともに、負極集電板２１に作用していた圧縮応力の増大をより効果的に抑制することができる。

続いて、図１中のバイポーラ２次電池１０を構成する各部材について詳細な説明を行なう。集電箔２９は、たとえばアルミニウムから形成されている。この場合、集電箔２９の表面に設けられる活物質層が固体高分子電解質を含んでも、集電箔２９の機械的強度を十分に確保することができる。集電箔２９は、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）もしくはこれらの合金等、アルミニウム以外の金属の表面にアルミニウムを被膜することによって形成されても良い。

正極活物質層２８は、正極活物質および固体高分子電解質を含む。正極活物質層２８は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでも良い。

正極活物質としては、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる、リチウムと遷移金属との複合酸化物を使用することができる。正極活物質として、たとえば、ＬｉＣｏＯ_２等のＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２等のＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２等のＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。その他、ＬｉＦｅＰＯ_４等の遷移金属とリチウムとのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３等の遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨ等が挙げられる。

固体高分子電解質は、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２等のリチウム塩を容易に溶解する。固体高分子電解質は、正極活物質層２８および負極活物質層２６の少なくとも一方に含まれる。より好ましくは、固体高分子電解質は、正極活物質層２８および負極活物質層２６の双方に含まれる。

支持塩としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等を使用することができる。

負極活物質層２６は、負極活物質および固体高分子電解質を含む。負極活物質層は、イオン伝導性を高めるための支持塩（リチウム塩）、電子伝導性を高めるための導電助剤、スラリー粘度の調整溶媒としてのＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、重合開始剤としてのＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を含んでも良い。

負極活物質としては、リチウムイオン２次電池で一般的に用いられる材料を使用することができる。但し、固体電解質を使用する場合、負極活物質として、カーボンもしくはリチウムと金属酸化物もしくは金属との複合酸化物を用いることが好ましい。より好ましくは、負極活物質は、カーボンもしくはリチウムと遷移金属との複合酸化物である。さらに好ましくは、遷移金属はチタンである。つまり、負極活物質は、チタン酸化物もしくはチタンとリチウムとの複合酸化物であることがさらに好ましい。

電解質層２７を形成する固体電解質としては、たとえば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体等、固体高分子電解質を使用することができる。固体電解質は、イオン伝導性を確保するための支持塩（リチウム塩）を含む。支持塩としては、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、もしくはこれらの混合物等を使用することができる。

さらに、正極活物質層２８、負極活物質層２６および電解質層２７を形成する材料の具体例を表１および表２に示す。表１は、電解質層２７が有機系固体電解質である場合の具体例であり、表２は、電解質層２７が無機系固体電解質である場合の具体例である。

この発明の実施の形態における２次電池としてのバイポーラ２次電池１０は、電極シート２５を有し、互いに重ね合わされた複数の電極シート２５が、所定の軸としての中心軸１０１を中心に巻回されることによって形成された電池構成体２０を備える。電極シート２５は、積層された正極としての正極活物質層２８および負極としての負極活物質層２６と、正極活物質層２８と負極活物質層２６との間に配置された電解質としての電解質層２７とを含む。電池構成体２０には、中心軸１０１に沿って延びる中空部１２が形成されている。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるバイポーラ２次電池１０によれば、電池構成体２０に中空部１２が形成されているため、曲率が大きくなる中心軸１０１周りの中心付近で積層シート１２０を巻回する必要がない。このため、積層シート１２０を巻回した場合に、電池構成体２０を構成する各層間にずれが発生することを抑制できる。これにより、たとえば、正極活物質層２８および負極活物質層２６が集電箔２９から剥離することを防止し、電池性能の維持を図ることができる。また、積層シート１２０の周縁で電極シート２５間のずれを小さく抑えることで、バイポーラ２次電池１０の電池容量が損なわれることを抑制できる。

なお、本実施の形態では、バイポーラ２次電池１０がリチウムイオン電池から形成されている場合について説明したが、これに限定されず、リチウムイオン電池以外の２次電池から形成されても良い。本発明は、代表的には、多数の電極が積層されるバイポーラ２次電池に適用されるが、モノポーラ２次電池にも適用することができる。

また、バイポーラ２次電池１０を、燃料電池と２次電池とを駆動源とする燃料電池ハイブリッド車両（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド車両では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車両では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド車両で基本的に変わらない。

図４は、図１中のバイポーラ２次電池の第１の変形例を示す斜視図である。図４を参照して、本変形例では、バイポーラ２次電池１０に電気的に接続された周辺機器３１が、中空部１２に配設されている。周辺機器３１は、内周面２０ｂに取り囲まれた位置に配置されている。周辺機器３１は、たとえば、バッテリコンピュータ、２次電池の高電圧回路を制御するリレー、２次電池の総電圧と充放電電流とを検知する各種センサ、２次電池の点検・整備時に高電圧回路を遮断するサービスプラグ等の複数の機器を含む。このような構成により、周辺機器３１で発生する電磁波が周囲も漏洩することを電池構成体２０によって防止できる。また、中空部１２に周辺機器３１を配置することにより、ハイブリッド車両上のスペースを有効に利用することができる。

図５は、図１中のバイポーラ２次電池の第２の変形例を示す斜視図である。図５を参照して、本変形例では、中空部１２に電池構成体２０とは別の電池構成体４０が配置されている。電池構成体４０は、電池構成体２０と同様に、複数の電極シート２５を含む積層シート１２０が巻回されることによって形成されている。

電池構成体４０を構成する電極シート２５の数は、電池構成体２０を構成する電極シート２５の数よりも少ない。すなわち、電池構成体４０を形成する積層シート１２０の厚みは、電池構成体２０を形成する積層シート１２０の厚みよりも小さい。このような構成により、電池構成体４０を形成する積層シート１２０の曲率が大きくなるにもかかわらず、電池構成体４０を構成する各層間にずれが発生することを抑制できる。

電池構成体４０は、電池構成体２０を備えるバイポーラ２次電池１０とは別のバイポーラ２次電池を構成する。たとえば、電池構成体２０を備えるバイポーラ２次電池１０が、高電圧が必要となるハイブリッド車両の動力源として設けられ、電池構成体４０を備えるバイポーラ２次電池が、低電圧の補助用電源として設けられても良い。補助用電源は、ハイブリッド車両のランプ、オーディオなどの補機類や、車両に搭載される各ＥＣＵ（electronic control unit）に電流供給するために用いられる。

図６は、図１中のバイポーラ２次電池の第３の変形例を示す斜視図である。図６を参照して、本変形例では、バイポーラ２次電池が、正極端子１６と、負極端子１７ｐおよび１７ｑとを備える。負極端子１７ｐは、図３中の負極集電板２１に接続されている。負極端子１７ｑは、図３中の電極シート２５ｍと電極シート２５ｎとの間に配置されたいずれかの電極シート２５の負極活物質層２６に接続されている。このような構成により、１つのバイポーラ２次電池から、複数種類の電圧を取り出すことが可能となる。図５中に示す変形例と同様に、取り出された電圧のうち高い方の電圧をハイブリッド車両の動力源用として用い、低い方の電圧を補助用電源として用いても良い。

図７は、図１中のバイポーラ２次電池を搭載するハイブリッド車両の断面図である。図中には、ハイブリッド車両の車両後方に設けられたラゲージルームが示されている。

図７を参照して、ラゲージルーム５１の床面５１ｃ下には、スペアタイヤ収容部５２が形成されている。スペアタイヤ収容部５２は、床面５１ｃに開口している。その開口を塞ぐようにデッキボード５３が載置されている。スペアタイヤ収容部５２には、スペアタイヤ６１とともにバイポーラ２次電池１０が収容されている。スペアタイヤ６１は、電池構成体２０の中空部１２に配置されている。

このような構成により、スペアタイヤ収容部５２内の空間を有効に利用できるため、バイポーラ２次電池１０の搭載性を向上させることができる。また、スペアタイヤ６１の取り出し時と同程度の作業性で、バイポーラ２次電池１０の交換が可能となる。これにより、バイポーラ２次電池１０のメンテナンス性を向上させることができる。また、車両衝突時等において、スペアタイヤ６１がクッションの役割を果たすことでバイポーラ２次電池１０の変形を抑制できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態におけるバイポーラ２次電池を示す斜視図である。 図１中の電池構成体の製造工程を示す斜視図である。 図２中の２点鎖線ＩＩＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図１中のバイポーラ２次電池の第１の変形例を示す斜視図である。 図１中のバイポーラ２次電池の第２の変形例を示す斜視図である。 図１中のバイポーラ２次電池の第３の変形例を示す斜視図である。 図１中のバイポーラ２次電池を搭載するハイブリッド車両の断面図である。

符号の説明

１０ バイポーラ２次電池、１２ 中空部、２０，４０ 電池構成体、２１ 負極集電板、２３ 正極集電板、２５ 電極シート、２６ 負極活物質層、２７ 電解質層、２８ 正極活物質層、３１ 周辺機器、５２ スペアタイヤ収容部、６１ スペアタイヤ、１０１ 中心軸。

Claims (6)

1. 積層された正極および負極と、前記正極と前記負極との間に配置された電解質とを含む電極シートを有し、互いに重ね合わされた複数の前記電極シートが、所定の軸を中心に巻回されることによって形成された電池構成体を備え、
   前記電池構成体には、前記所定の軸に沿って延びる中空部が形成されている、２次電池。
2. 前記中空部には、前記電池構成体に電気的に接続される機器が配置されている、請求項１に記載の２次電池。
3. 前記中空部に配置された別の電池構成体をさらに備え、
   前記別の電池構成体は、互いに重ね合わされた、前記電池構成体よりも少ない数の前記電極シートが巻回されることによって形成されている、請求項１または２に記載の２次電池。
4. 前記電池構成体は、バイポーラ２次電池から構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の２次電池。
5. 前記電池構成体は、互いに重ね合わされた複数の前記電極シートの両側にさらに重ね合わされ、複数の前記電極シートが巻回された場合に内周側に配置される第１の集電体と、外周側に配置される第２の集電体とをさらに有し、
   前記第１の集電体は、相対的に小さい線膨張率を有する金属から形成され、前記第２の集電体は、相対的に大きい線膨張率を有する金属から形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の２次電池。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の２次電池を車両に搭載する２次電池の車両搭載構造であって、
   前記車両は、スペアタイヤを収容するスペアタイヤ収容部を有し、
   前記２次電池は、前記スペアタイヤとともに前記スペアタイヤ収容部に収容され、
   前記スペアタイヤは、前記中空部に配置されている、２次電池の車両搭載構造。

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