專利名稱：：電極疊層體和雙極性二次電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般性地涉及電極疊層體，具體涉及電極疊層體和使用固體電解質(zhì)或凝膠電解質(zhì)的雙極性二次電池。
背景技術(shù)：
：關(guān)于傳統(tǒng)的電極疊層體，作為示例，日本專利公開No.2004-47161(專利文獻(xiàn)1)公開了一種二次電池，目的在于改善電池元件間的粘附性和減小氣體產(chǎn)生時(shí)的電池膨脹。根據(jù)專利文獻(xiàn)1，由正極、負(fù)極和固體電解質(zhì)構(gòu)成的電池元件被兩個(gè)板構(gòu)件夾持。通過纏繞在板構(gòu)件上的條帶將電池元件和板構(gòu)件整體性保持?？梢允褂孟鹌そ睢⒛z帶、夾子、繩子等來代替條帶。日本專利公開No.2004-31281(專利文獻(xiàn)2)公開了一種用于電極層疊型電池的冷卻結(jié)構(gòu)，其中電池在相對(duì)的表面上受壓，其目的在于在不增加部件的同時(shí)改善冷卻特性。根據(jù)專利文獻(xiàn)2，包括正極板、負(fù)極板和分隔件的多個(gè)電極層疊型單電池被層疊，其間夾有壓板。設(shè)置壓板從電極層疊型單電池的周圍邊緣突出。通過在突出位置插入壓板的固定螺栓將多個(gè)電極層疊型單電池整體性保持。根據(jù)上述專利文獻(xiàn)，使用條帶、橡皮筋、固定螺栓等將設(shè)置在電池元件相對(duì)側(cè)的板構(gòu)件或壓板彼此緊固，從而夾緊電池元件。然而，這種緊固方法會(huì)導(dǎo)致形成電池元件的正極、負(fù)極與電解質(zhì)間界面的移位。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的是解決上述問題，并提供可以有效地防止正極、負(fù)極與電解質(zhì)間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。本發(fā)明的電極疊層體包括層疊的正極和負(fù)極以及設(shè)置在正極與負(fù)極之間的電解質(zhì)。正極、負(fù)極和電解質(zhì)具有在正極和負(fù)極的層疊方向上形成的通孔。電極疊層體還包括穿過該孔并整體性保持正極、負(fù)極和電解質(zhì)的軸構(gòu)件。在以此方式構(gòu)造的電極疊層體中，軸構(gòu)件被設(shè)置為穿過正極、負(fù)極和電解質(zhì)，因而可以有效地防止正極、負(fù)極與電解質(zhì)間界面的移位。因此，界面電阻的增加可以得到抑制。優(yōu)選地，軸構(gòu)件是螺栓。在以此方式構(gòu)造的電極疊層體中，正極、負(fù)極和電解質(zhì)通過螺栓來緊固，因此可以更有效地達(dá)到上述效果。優(yōu)選地，軸構(gòu)件由絕緣材料形成。優(yōu)選地，在孔內(nèi)壁與螺栓之間設(shè)置有絕緣構(gòu)件。在以此方式構(gòu)造的電極疊層體中，可以防止由軸構(gòu)件引起的電極間的短路。優(yōu)選地，電解質(zhì)是固體電解質(zhì)。在以此方式構(gòu)造的電極疊層體中，可以防止電解質(zhì)從電極疊層體泄漏。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種使用上述電極疊層體的二次電池。雙極性二次電池是指正極和負(fù)極都設(shè)置在一個(gè)電極板上的電池。在以此方式構(gòu)造的雙極性二次電池中，電極疊層體的界面電阻的增加被抑制，因此可以改善雙極性二次電池的可靠性。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供能夠有效防止正極、負(fù)極與電解質(zhì)間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。圖1為采用根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的電極疊層體結(jié)構(gòu)的雙極性二次電池的透視圖2為圖1的雙極性二次電池沿直線II-II的剖視圖3A和3B為圖1的雙極性二次電池的第一種改進(jìn)的俯視圖4為圖1的雙極性二次電池的第二種改進(jìn)的剖視圖5為圖1的雙極性二次電池的第三種改進(jìn)的剖視圖6為圖1的雙極性二次電池的第四種改進(jìn)的剖視圖7為圖1的雙極性二次電池的第五種改進(jìn)的剖視圖。具體實(shí)施例方式將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。在下文所參考的附圖中，相同或相應(yīng)的部分由相同的標(biāo)號(hào)表示。圖1為采用根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的電極疊層體結(jié)構(gòu)的雙極性二次電池的透視圖。參見圖1，雙極性二次電池io作為電源被安裝在混合動(dòng)力車輛中，該車輛使用內(nèi)燃機(jī)(例如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī))和可充電電源作為功率源。雙極性二次電池10由鋰離子電池形成。雙極性二次電池10由在箭頭101所示的方向上層疊的多個(gè)單電池25形成。雙極性二次電池IO的形狀近似為長方體。雙極性二次電池10可以具有扁平形狀，即單電池25的疊層方向上的長度小于其它方向的長度。圖2為圖1的雙極性二次電池沿直線II-II的剖視圖。參見圖1和2，雙極性二次電池IO包括多個(gè)雙極性電極30。每個(gè)雙極性電極30由以下構(gòu)成片型集電箔29，形成在集電箔29的一個(gè)表面29a上的正極活性材料層26，以及形成在集電箔29的另一個(gè)表面29b上的負(fù)極活性材料層28。特別地，在雙極性二次電池10中，作為正極的正極活性材料層26和作為負(fù)極的負(fù)極活性材料層28均形成在一個(gè)雙極性電極30上。所述多個(gè)雙極性電極30在與單電池25的層疊方向相同的方向上層疊，其間夾有電解質(zhì)層27。電解質(zhì)層27由具有離子傳導(dǎo)性的材料形成。電解質(zhì)層27可以是固體電解質(zhì)或凝膠電解質(zhì)。電解質(zhì)層27的插入可使離子在正極活性材料層26與負(fù)極活性材料層28之間平穩(wěn)傳導(dǎo)，改善雙極性二次電池IO的輸出。在層疊方向上彼此相鄰定位的雙極性電極30之間，正極活性材料層26和負(fù)極活性材料層28彼此相對(duì)。定位在相鄰的集電箔29之間的正極活性材料層26、電解質(zhì)層27和負(fù)極活性材料層28構(gòu)成了單電池25。正極活性材料層26設(shè)置在單電池25的層疊方向的一端。提供正極集電板21來與正極活性材料層26接觸。在單電池25的層疊方向的另一端，設(shè)置負(fù)極活性材料層28。提供負(fù)極集電板23來與負(fù)極活性材料層28接觸。具體地，在雙極性二次電池IO沿單電池25的層疊方向的相對(duì)兩端，提供正極集電板21和負(fù)極集電板23。層疊的多個(gè)單電池25被保持在正極集電板21與負(fù)極集電板23之間。并非必須提供正極集電板21和負(fù)極集電板23。集電箔29例如由鋁形成。這里，即使集電箔29表面上提供的活性材料層包含固體聚合物電解質(zhì)，也可以確保集電箔29的機(jī)械強(qiáng)度足夠?？梢酝ㄟ^在除鋁以外的金屬上提供鋁涂層來形成集電箔29，所述金屬例如是銅、鈦、鎳、不銹鋼(SUS)或這些金屬的合金。正極活性材料層26包括正極活性材料和固體聚合物電解質(zhì)。正極活性材料層26可以包括用于改善離子傳導(dǎo)性的輔助鹽(鋰鹽)、用于改善電子傳導(dǎo)性的導(dǎo)電助劑、作為用于調(diào)節(jié)漿液粘度的溶劑的NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)、作為聚合引發(fā)劑的AIBN(偶氮二異丁腈)等。作為正極活性材料，可以使用鋰離子二次電池中常用的鋰和過渡金屬的復(fù)合氧化物。正極活性材料的示例可以包括Li/Co基復(fù)合氧化物，例如LiCo02;Li/Ni基復(fù)合氧化物，例如LiNi02;Li/Mn基復(fù)合氧化物，例如尖晶石LiMn204;Li/Fe基復(fù)合材料，例如LiFe02。其它示例是過渡金屬和鋰的磷酸鹽化合物或硫酸鹽化合物，例如LiFeP04;過渡金屬的氧化物或硫化物，例如V205、Mn02、TiS2、MoS2和Mo03;Pb02、AgO、NiOOH等。固體聚合物電解質(zhì)并無具體限制，其可以是任何離子傳導(dǎo)聚合物。例如，可以使用聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚環(huán)氧丙烷(PPO)或其共聚物。這樣的聚環(huán)氧垸基聚合物易于溶解諸如LiBF4、LiPF6、LiN(S02CF3)2或LiN(S02C2Fs)2之類的鋰鹽。正極活性材料層26和負(fù)極活性材料層28中的至少一個(gè)包含固體聚合物電解質(zhì)。更優(yōu)選地，正極活性材料層26和負(fù)極活性材料層28均包含固體聚合物電解質(zhì)。作為輔助鹽，可以使用Li(C2F5S02)2N、LiBF4、LiPF6、LiN(S02C2F5)2或其混合物。作為導(dǎo)電助劑，可以使用乙炔黑、碳黑、石墨等。負(fù)極活性材料層28包括負(fù)極活性材料和固體聚合物電解質(zhì)。負(fù)極活性材料層可以包含用于改善離子傳導(dǎo)性的輔助鹽(鋰鹽)、用于改善電子傳導(dǎo)性的導(dǎo)電助劑、作為用于調(diào)節(jié)漿液粘度的溶劑的NMP(N-甲基-2-吡咯垸酮)、作為聚合引發(fā)劑的AIBN(偶氮二異丁腈)等。作為負(fù)極活性材料，可以使用鋰離子二次電池中常用的材料。然而，如果使用固體電解質(zhì)，則優(yōu)選使用碳或鋰和金屬氧化物或金屬的復(fù)合氧化物作為負(fù)極活性材料。更優(yōu)選地，負(fù)極活性材料由碳或鋰和過渡金屬的復(fù)合氧化物形成。更優(yōu)選地，過渡金屬為鈦。具體而言，更優(yōu)選負(fù)極活性材料由氧化鈦或鈦和鋰的復(fù)合氧化物形成。作為形成電解質(zhì)層27的固體電解質(zhì)，例如可以使用固體聚合物電解質(zhì)，如聚環(huán)氧乙垸(PEO)、聚環(huán)氧丙垸(PPO)或其共聚物。固體電解質(zhì)包含用于確保離子傳導(dǎo)性的輔助鹽(鋰鹽)。作為輔助鹽，可以使用LiBF4、LiPF6、LiN(S02CF3)2、LiN(S02C2F5)2或其混合物。正極活性材料層26、負(fù)極活性材料層28和電解質(zhì)層27所用材料的具體示例列于表1-3。表1示出了電解質(zhì)層27為有機(jī)固體電解質(zhì)時(shí)的具體示例，表2示出了電解質(zhì)層27為無機(jī)固體電解質(zhì)時(shí)的具體示例，表3示出了電解質(zhì)層27為凝膠電解質(zhì)時(shí)的具體示例。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>雙極性二次電池10具有從正極集電板21延伸到負(fù)極集電板23形成的通孔32。通孔32在單電池25的層疊方向上延伸，并且在雙極性二次電池IO在層疊方向上的相對(duì)端表面上開口。存在多個(gè)通孔32。通孔32開在具有近似長方形的正極集電板21和負(fù)極集電板23端面的四角和中部。通孔32形成在正極集電板21和負(fù)極集電板23、構(gòu)成雙極性電極30的正極活性材料層26、集電板29和負(fù)極活性材料層28以及夾在雙極性電極30之間的電解質(zhì)層27中。螺栓35插入通孔32。為了防止電極間的短路，螺栓35由諸如高度絕緣金屬、陶瓷之類的絕緣材料形成。通過螺栓35和擰在螺栓35上的螺母，將構(gòu)成雙極性二次電池10的各層整體性地保持在一起。通過螺栓35所產(chǎn)生的軸向力來整體性保持構(gòu)成雙極性二次電池10的各層。通過這種結(jié)構(gòu)，可以以不使用任何特殊工具的簡單方式來裝配形成雙極性二次電池IO的各層。此外，通過在緊固時(shí)調(diào)節(jié)螺栓35的扭矩或者改變螺栓35的數(shù)量，可以容易地調(diào)節(jié)疊層單電池25的結(jié)合力。另外，當(dāng)進(jìn)行充放電時(shí)，電子/離子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電極尺寸變化。因此，重復(fù)充放電可導(dǎo)致電極間形成間隙并且內(nèi)阻發(fā)生變化，從而可能使電池性能劣化。關(guān)于此，根據(jù)本發(fā)明，螺栓35具有小螺距，因此可以在與單電池25的層疊方向垂直的平面上對(duì)電極均勻地施加壓力。因此，可以減小電極中產(chǎn)生的尺寸變化的差異，并可以防止電池性能的劣化。在通孔32中提供環(huán)形密封件37。密封件37設(shè)置于在單電池25的層疊方向上相鄰的集電箔29之間。密封件37在提供電解質(zhì)層27的空間與插入螺栓35的空間之間進(jìn)行密封。通過這種結(jié)構(gòu)，可以防止電解質(zhì)層27通過通孔32泄漏。如果電解質(zhì)層27由固體電解質(zhì)形成，則可以不提供密封件37。在具有上述結(jié)構(gòu)的雙極性二次電池10中，可以通過增大與單電池25的層疊方向垂直的平面的面積來提高電池容量，因而可容易地將該雙極性二次電池IO制得較薄。因?yàn)殡p極性二次電池IO可設(shè)置在座椅或地板下，所以它的安裝靈活性得到改善。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電極疊層體包括層疊的作為正極的正極活性材料層26和作為負(fù)極的負(fù)極活性材料層28、以及設(shè)置在正極活性材料層26與負(fù)極活性材料層28之間的作為電解質(zhì)的電解質(zhì)層27。在正極活性材料層26、負(fù)極活性材料層28和電解質(zhì)層27中，形成有作為在層疊方向上貫穿正極活性材料層26和負(fù)極活性材料層28的孔的通孔32。電極疊層體還包括作為插入通孔32的軸構(gòu)件的螺栓35，用于整體性保持正極活性材料層26、負(fù)極活性材料層28和電解質(zhì)層27。在根據(jù)本發(fā)明以此方式形成的電極疊層體中，螺栓35插入在單電池25的層疊方向上延伸的通孔32中，因而可以防止形成雙極性二次電池10的各層之間界面的移位。因此，使得長時(shí)間維持雙極性二次電池10的電池性能成為可能。在此實(shí)施方式中，盡管所述的雙極性二次電池10實(shí)現(xiàn)為鋰離子電池，但它不限于此，并可由除鋰離子電池以外的二次電池形成。通常，本發(fā)明的電極疊層體適用于具有多個(gè)依次層疊的電極的雙極性二次電池。但本發(fā)明也可應(yīng)用于單極性二次電池。下面將描述圖1所示的雙極性二次電池10的改進(jìn)。圖3A和3B為圖1的雙極性二次電池的第一種改進(jìn)的俯視圖。參見圖3A，在這種改進(jìn)中，螺栓35以點(diǎn)陣形式設(shè)置在形狀近似為長方形的正極集電板21和負(fù)極集電板23的端面上。參見圖3B，在這種改進(jìn)中，螺栓35以交錯(cuò)方式設(shè)置在形狀近似為長方形的正極集電板21和負(fù)極集電板23的端面上。在這些改進(jìn)中，螺栓35等間距設(shè)置。這種設(shè)置方式更易于在與單電池25的層疊方向垂直的平面上對(duì)電極均勻地施加壓力。圖4為圖1的雙極性二次電池的第二種改進(jìn)的剖視圖。參見圖4，在這種改進(jìn)中，具有圓柱形狀的絕緣套41被定位在通孔32中。絕緣套41由例如樹脂的絕緣材料形成。絕緣套41設(shè)置在通孔32的內(nèi)壁與螺栓35之間。由于存在這種結(jié)構(gòu)，即使螺栓35由導(dǎo)電金屬形成，也可以通過絕緣套41防止電極間的短路。圖5為圖1的雙極性二次電池的第三種改進(jìn)的剖視圖。參見圖5，在這種改進(jìn)中，提供雙頭螺栓46和擰在雙頭螺栓46上的螺母47來代替圖1的螺栓35和螺母36。采用這種結(jié)構(gòu)，也可以通過雙頭螺栓46產(chǎn)生的軸向力來整體性保持構(gòu)成雙極性二次電池10的各層。圖6為圖1的雙極性二次電池的第四種改進(jìn)的剖視圖。參見圖6，在這種改進(jìn)中，在雙極性二次電池10中形成錐形孔56來代替圖1的通孔32。錐形孔56以開口面積從正極集電板21到負(fù)極集電板23逐漸增大的方式形成。在錐形孔56中，插入錐形螺栓51。錐形螺栓51具有與錐形孔56匹配的錐形部分51和擰有螺母52的螺紋部分51n。采用這種結(jié)構(gòu)，可以更有效地防止構(gòu)成雙極性二次電池10的各層間界面的移位。圖7為圖1的雙極性二次電池的第五種改進(jìn)的剖視圖。參見圖7，在這種改進(jìn)中，提供銷構(gòu)件61來代替圖1的螺栓35。銷構(gòu)件61的相對(duì)端鉚接在正極集電板21和負(fù)極集電板23的端面上，從而將構(gòu)成雙極性二次電池10的各層保持在一起。上述實(shí)施方式僅為示例而不應(yīng)當(dāng)作限制解釋。本發(fā)明的范圍由各權(quán)利要求確定，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮實(shí)施方式的描述，并包括屬于權(quán)利要求字面含義的改進(jìn)或與其等同的改進(jìn)。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明主要適用于使用內(nèi)燃機(jī)和可充電電源作為主功率源的混合動(dòng)力車輛的電源。權(quán)利要求1.一種電極疊層體，包括層疊的正極(26)和負(fù)極(28)；和設(shè)置在所述正極(26)與所述負(fù)極(28)之間的電解質(zhì)(27)；其中，所述正極(26)、所述負(fù)極(28)和所述電解質(zhì)(27)中形成有在所述正極(26)和所述負(fù)極(28)的層疊方向上貫穿的孔(32)；所述電極疊層體還包括插入所述孔(32)中的用于整體性保持所述正極(26)、所述負(fù)極(28)和所述電解質(zhì)(27)的軸構(gòu)件(35)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極疊層體，其中，所述軸構(gòu)件(35)是螺栓。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極疊層體，其中，所述軸構(gòu)件(35)由絕緣材料形成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極疊層體，其中，在所述孔(32)的內(nèi)壁與所述螺栓(35)之間設(shè)置有絕緣構(gòu)件(41)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極疊層體，其中，所述電解質(zhì)(27)是固體電解質(zhì)。6.使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極疊層體的雙極性二次電池。全文摘要一種電極疊層體，包括層疊的正極活性材料層(26)和負(fù)極活性材料層(28)；設(shè)置在正極活性材料層(26)和負(fù)極活性材料層(28)之間的電解質(zhì)層(27)。在正極活性材料層(26)、負(fù)極活性材料層(28)和電解質(zhì)層(27)中形成有在正極活性材料層(26)和負(fù)極活性材料層(28)的層疊方向上貫穿的通孔(32)。該電極疊層體還包括插入孔(32)中的用于整體性保持正極活性材料層(26)、負(fù)極活性材料層(28)和電解質(zhì)層(27)的螺栓(35)。通過這種結(jié)構(gòu)，可以提供能夠有效地防止正極、負(fù)極與電解質(zhì)間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。文檔編號(hào)H01M10/36GK101379652SQ20078000417公開日2009年3月4日申請(qǐng)日期2007年1月19日優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日發(fā)明者山田英治,水谷良治,立松和高,遠(yuǎn)藤康浩申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社