疊層型電池及相關方法

專利名稱：疊層型電池及相關方法
技術領域：
本發明涉及疊層型電池及相關方法，更具體地說涉及疊層型電池以及能夠對每個單元電池測量電壓的方法。
背景技術：
最近，對于環境保護來說，迫切需要降低二氧化碳的釋放。在汽車業領域，人們高度期望能夠通過引入電動車輛(EV)和混合型電動車輛(HEV)來降低二氧化碳的釋放。已經開展了大量的科研工作來提供對進入實際用途關鍵的電機驅動二次電池。就二次電池而言，關注的焦點集中在能夠實現高能量密度和大功率單位輸出量的鋰電池(鋰離子電池)上。
特別地，為了確保二次電池的大功率輸出能應用于汽車領域，已經建議提供一種由一組串聯的二次電池(每個電池以下簡稱單元電池)組成的疊層型電池。
日本專利申請特許公開2001-250741號涉及了一種在技術領域不同于電池的電容器，但是該專利公開了由一組疊層電容器組成的疊層型雙電層電容器結構，其中為了測量分配電壓，在每個電容器上形成分配電壓測量焊片電極。

發明內容
基于本發明人所進行的研究，對于疊層型電池優選地是理想地允許各個單元電池都分配電壓，從而提供(充電電壓)/(串聯的單元電池數)的比例。
但是，實際上單元電池的內部電阻和電容會發生變化，因此各個單元電池所分配的電壓會發生波動。結果分配電壓高的單元電池就會惡化，并且可以想象疊層型電池的壽命周期會受到具有高分配電壓的單元電池的限制。
為了解決這種現象，需要裝配使各個單元電池所分配的電壓變得可控，以至于使所有的單元電池均勻地分配電壓。為此，需要制備用于逐個測量單元電池電壓的電極。
在本文中，當研究日本專利申請特許公開2001-250741號所公開的結構時，電極組分的材料、充電和放電機理以及電容器和電池間的容量都存在著很大的差異，因此很難簡單地將電容器技術應用于電池上。
更具體地說，在由一組單元電池裝配的電池情況下，可以想象因為每個單元電池電極間的距離是極短的，并且相鄰的分配電壓測量焊片電極間的距離也是短的，所以可能發生相互接觸或相互傳導。特別地，在二次電池的情況中，可以設想因為電能連續地通過化學反應產生，如果萬一發生這種情況，電池就可能會連續給出不同于電容器短路的功率輸出，這樣不僅短路的部分，而且整個電池都會受到不利地影響。
為了避免這種效應，盡管可以設想分配電壓測量焊片電極的一個表面與防止接觸的絕緣膜層壓，但是分配電壓測量焊片電極部分會變厚，并且在密封特性和空間效率方面可能會降低。
另外，在裝配分配電壓測量焊片電極的情況下，在將電壓測量插槽或單元電池控制器裝配到分配電壓測量焊片電極上時，可以設想接觸電極間的距離太小，這樣在電壓測量插槽或單元電池控制器中可能出現復雜的布線結構。
因此，本發明已經在本發明人上述研究的基礎上完成，其目標是提供一種疊層型電池以及能夠測量每個單元電池電壓的相關方法。
為了實現這個目標，根據本發明的一個方面提供了一種疊層型電池，該電池包括多個在疊層方向上串聯的電池，以及分別在多個單元電池上形成的分配電壓測量焊片電極，從而能夠對多個單元電池測量電壓，分配電壓測量焊片電極在疊層方向的相交方向上以偏離的位置設置在疊層型電池的側面上。
同時，本發明的另一個方面是疊層型電池的生產方法，該方法包括在疊層方向上串聯疊置多個單元電池，以及分別在多個單元電池上提供分配電壓接觸電極，從而能夠對多個單元電池測量電壓，分配電壓測量焊片電極在疊層方向的相交方向上以偏離的位置設置在疊層型電池的側面上。
本發明的其它和進一步特征、優點和好處將從下面與下述附圖相結合的描述中變得更加明顯。


圖1是表示根據本發明第一個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖2是從該實施方案圖1中箭頭A所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
圖3是該實施方案圖1中線X-X所示的疊層型雙極電池的截面視圖。
圖4是舉例說明該實施方案每個集電器結構的截面視圖。
圖5是舉例說明該實施方案圖3中所示的疊層型雙極電池的各個集電器結構的平面視圖。
圖6是表示根據本發明第二個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖7是從該實施方案圖6中箭頭B所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
圖8是舉例說明該實施方案圖6中所示的疊層型雙極電池的各個集電器結構的平面視圖。
圖9是表示根據本發明第三個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖10A是從該實施方案圖9中箭頭C所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
圖10B是從該實施方案圖9中箭頭D所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
圖11是舉例說明該實施方案圖9中所示的疊層型雙極電池的各個集電器結構的平面視圖。
圖12是表示根據本發明第四個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖13是從該實施方案圖12中箭頭E所示方向觀察的單元電池控制器單元的側視圖。
圖14是舉例說明該實施方案圖13中所示單元電池控制器的電流旁路的電路圖。
圖15是合并入該實施方案圖單元電池控制器單元中電流旁路的電路圖。
圖16是表示根據本發明第五個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖17是從該實施方案圖16中箭頭F所示方向觀察的單元電池控制器單元的側視圖。
圖18是表示根據本發明第六個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖19A是從該實施方案圖18中箭頭G所示方向觀察的一個單元電池控制器單元的側視圖。
圖19B是從該實施方案圖18中箭頭H所示方向觀察的另一個單元電池控制器單元的側視圖。
圖20是表示根據本發明第七個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。
圖21是該實施方案圖20中線Y-Y所示的疊層型雙極電池的截面視圖。
圖22是舉例說明該實施方案圖21中所示的集電器結構的平面視圖。
圖23是舉例說明根據本發明第八個實施方案中車輛示意結構的視圖。
具體實施例方式
在下文中，參照適當的相關附圖描述根據本發明每個實施方案的疊層型電池及相關方法。另外，在圖表中，坐標軸D1、坐標軸D2和坐標軸D3形成直角坐標系。
(第一實施方案)首先，參照圖1到5，詳細地描述根據本發明第一個實施方案的疊層型電池及相關方法。
圖1是表示根據本發明第一個實施方案的片狀疊層型雙極電池(可以簡稱作“疊層型電池”、“雙極電池”等等)外部結構的透視圖，并且圖2是從圖1中箭頭A所示方向觀察的電池側視圖。
如圖1和2所示，疊層型雙極電池1由串聯的一組單元電池組成并且按平行于坐標軸D3的方向疊置，詳細情況在后面描述。
然后，分配電壓測量焊片電極10到18與形成雙極電池1的各個單元電池的集電器連接，從而允許分別測量單元電池的電壓。適當安排分配電壓測量焊片電極10到18，從而至少避免相鄰的接觸電極處于相同的平行位置，更具體地說分配電壓測量焊片電極10到18在雙極電池1的側壁S上沿著其長度方向(平行于坐標軸D1的方向)偏斜(以至于當分配電壓測量焊片電極10到18大小相等時，接觸電極彼此等距地偏離)，從而防止接觸電極在雙極電池1的各個單元電池的疊層方向(平行于坐標軸D3的方向)上彼此重疊。典型地，就分配電壓測量焊片電極11而言，接觸電極11在D1方向上與分配電壓測量焊片電極10偏離約W的寬度。另外，分配電壓測量焊片電極的數量可以根據單元電池疊層的數量來適當確定。
此外，與位于雙極電池兩端的集電器相連的是向外延伸到電池箱45的主電路接觸電極19和20。
圖3是舉例說明雙極電池1在圖1中線X-X表示的截面上的內部結構的示意圖。
如圖3所示，雙極電池1包括由依次層壓的正極活性材料層32、集電器31和負極活性材料層33構成的雙極電極30，以及插在一對雙極電極30，30之一的正極活性材料層32和電極對另一個的負極活性物質層33之間的聚合物固體電解質層(可以僅稱作“固體電解質層”等)。基本上，每個單元電池U由一對雙極電極30，30，它們由集電器31和雙極電極對之一的正極活性材料層32、集電器31和雙極電極對另一個的負極活性材料層33構成，以及插在正極活性材料層32和負極活性材料層33之間的固體電解質層40組成。
也就是說，按n片雙極電極30和(n+1)片固體電解質層40交替疊置層壓的方式裝配雙極電池1，從而使之包括n片雙極電極30和(n+1)片固體電解質層40，雙極電極30包括n片集電器31，每片具有分配電壓測量焊片電極并且由正極活性材料層32和負極活性材料層33形成。另外，集電器31，31被分別層壓到最外面的聚合物電解質層40，40上，并且在位于最外層的集電器31，31上分別形成分配電壓測量焊片電極。然后，最外面的集電器31，31與相關的主電路接觸電極19和20連接，通過這種連接集電器31，31與外電路(沒有顯示)連接。此處，在最外面的與主電路接觸電極19連接的集電器31上只形成負極活性材料層33，并且在最外面的與主電路接觸電極20連接的集電器31上只形成正極活性材料層32。
此外，與形成單元電池U的疊層數相關的雙極電極30的片數n，即疊層數可以根據想要的電壓輸出來調節。如果甚至在制備厚度極薄的片狀雙極電池1的情況下，也能夠提高足夠的輸出，可以降低與形成單元電池U的疊層數相關的雙極電極的疊層數。另外，在圖中，盡管n典型地選擇是7，但是本發明并沒有局限于這個數目。
另外，由于在雙極電池1的使用期間雙極電池1需要防止來自外界和環境降解所遭遇的影響，片狀單元電池U的疊層體需要包裹在片狀電池箱45內。優選地，電池箱45可以由金屬，例如鋁、不銹鋼、鎳和銅制成，并且具有用諸如聚丙烯薄膜的絕緣膜覆蓋的內表面。
此外，雙極電池1用在通過鋰離子傳遞來實現充放電的鋰離子二次電池中。但是，如果可能獲得有利的效果，例如電池特性的改善，雙極電池也可以應用于其它類型的電池。
雙極電池1的結構在下文中描述。
雙極電極圖4是舉例說明圖3中一個雙極電極結構的截面視圖。
在圖4中，雙極電極30具有這樣一種結構其中正極活性材料層32在集電器31的一個表面上形成，集電器的另一個表面由負極活性材料層33形成，也就是說，在這種結構中正極活性材料層32、集電器31和負極活性材料層33依次層壓。
與這種雙極電極30相比，由不是雙極電極的普通電極組成的電池，在串聯聯接單元電池的情況下具有這樣一種結構使正極集電器和負極集電器借助連接部分(例如線路)與另一個電連接。對于這種電池，在連接部分產生連接電阻，它可能引起功率輸出的惡化。另外，從電池組件、比表面積，例如連接部分的微型化角度來看，裝備與電能產生能力不直接相關的組件會導致不方便，并且進而在這種程度上引起整個電池組件能量密度的降低。
相反，對于雙極電極30，因為在相互串聯的電極間不存在連接部分，所以可能使因連接部分電阻而降低的功率輸出最小化。而且因為沒有連接部分，所以可以實現電池組件的微型化。另外，由于沒有連接部分，還可能改善整個電池組件的能量密度。
雙極電池1可以包含位于正極活性材料層32和負極活性材料層33至少之一上的聚合物固體電解質。因此，通過在活性材料層的活性材料間填充聚合物電解質，可以在活性材料層中實現平穩的離子傳遞，這就改善了整個雙極電池的功率輸出。
集電器圖5是舉例說明用于雙極電池1雙極電極30的集電器結構的平面視圖，雙極電池帶有從最外面的集電器依次方便地并列布置的集電器，對集電器31順序給出參照數字110到118。
如圖5所示，集電器31，即集電器110到118具有按前面所述的在不至于彼此重疊的不同位置上形成的分配電壓測量焊片電極10到18。另外，最外面的集電器110和118分別由主電路接觸電極19和20形成，它們在不同于分配電壓測量焊片電極10到18伸展方向的方向上相反地伸展，也就是說典型地在與分配電壓測量焊片電極10到18伸展方向的相交方向上伸展。而且，除了分配電壓測量焊片電極13到16所形成的位置不同外，帶有分配電壓測量焊片電極13到16的集電器113到116結構上與其它剩下的集電器相同，因此集電器113到116在本文中不再討論。
如圖1和2所示，層壓使用這種集電器110到118的雙極電極允許分配電壓測量焊片電極10到18的位置沿著雙極電池1的側面長度方向彼此偏離，而不會彼此重疊。
因此甚至在厚度更薄的單元電池1的情況下，也不可能出現分配電壓測量焊片電極10到18彼此相互接觸而導致短路。此外，由于存在按照上述方式的分配電壓測量焊片電極10到18的自身位置布局，能夠避免這些元件彼此接觸，所以不需要為了不接觸而在分配電壓測量焊片電極10到18的一個表面上粘附絕緣膜。這就具有防止電池變厚的性能。
正極活性材料層除了正極活性材料外正極活性材料層32還可以包括聚合物固體電解質。除了這此組分，為了增加離子電導率添加劑可以包括鋰鹽或導電活性劑。
由過渡金屬和鋰組成的復合氧化物可以用作正極活性材料，并且在溶液型鋰離子電池中使用。具體地說，它們包括Li-Co復合氧化物如LiCoO2，Li-Ni復合氧化物如LiNiO2，Li-Mn復合氧化物如尖晶石型LiMn2O4，以及Li-Fe復合氧化物如LiFeO2。另外，這些化合物可以進一步包括由過渡金屬和鋰組成的磷酸鹽化合物如LiFePO4、硫酸鹽化合物、過渡金屬氧化物如V2O5、MnO2、TiS2、MoS2和MoO3、硫化物、PbO2、AgO和NiOOH。
為了使雙極電池的電極電阻最小，正極活性材料優選地具有小于在溶液型鋰離子電池中使用的材料顆粒直徑的顆粒尺寸，溶液型鋰離子電池中的電解質不是固體。具體地說，正極活性材料的平均顆粒直徑可以在0.1～5μm的范圍內。
所含的聚合物固體電解質并不限制于特定的聚合物材料，只要聚合物具有離子導電性就行。具有離子導電性的聚合物包括聚環氧乙烷(PEO)、聚環氧丙烷(PPO)和這些材料的共聚物。這類聚氧化烯烴聚合物可以溶解鋰鹽，例如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2。而且，橋結構的形成提供了極好的機械強度。盡管這種聚合物固體電解質可以包含在正極活性材料層和負極活性材料層至少一個中，但是為了使雙極電池具有進一步改進的電池特性，正極活性材料層和負極活性材料層優選地都包含聚合物固體電解質。
可以使用諸如化合物LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2或這些化合物的混合物來作為要包含的鋰離子鹽。
要包含的導電活性劑可以包括乙炔黑、碳黑和石墨。但是，本發明并沒有限制于這些化合物。
另外，正極活性材料、聚合物固體電解質、鋰鹽和導電活性劑的比例可以根據應用目的(認真考慮功率輸出和能量)來確定。在活性材料層中要包含的聚合物固體電解質的比例太小會導致電池性能的惡化。相反，在活性材料層中要包含的聚合物固體電解質的比例太大，電池的能量密度會降低。因此，考慮到這些因素，聚合物固體電解質的量被適當地確定，從而滿足目的用途。
此外，為了生產雙極電池，目標是優先考慮電池的反應性質，使用聚合物固體電解質(離子電導率為105～104S/cm)，通過增加導電活性劑的量或者降低活性材料的表觀密度，使活性材料顆粒間的電子傳導電阻優選地維持在低的水平。同時，增加空間使聚合物固體電解質填充在這些空間內，因而增加要包含的聚合物固體電解質的比例是優選的。
此外，正極活性材料層的厚度沒有具體地限制，同前面關于比例的描述一樣，其厚度可以根據應用目的(考慮功率輸出和能量)和離子導電率來確定。典型地，正極活性材料層的厚度可以在約10～500μm的范圍內。
負極活性材料層除了負極活性材料外負極活性材料層3 3還可以包括聚合物固體電解質。除了這些化合物外，為了增加離子電導率添加劑可以包括鋰鹽和導電活性劑。除了這類負極活性材料外，其它的組分基本上與那些在正極活性材料中描述的內容相似。
盡管可以使用在溶液型鋰離子電池中使用的負極活性材料來作為負極活性材料，但是考慮到具體包括的聚合物固體電解質的反應性質時，金屬氧化物或者由金屬和鋰組成的復合氧化物是優選的。更優選地，負極活性材料可以包括過渡金屬氧化物或者由過渡金屬和鋰組成的復合氧化物。更優選地，負極活性材料可以包括二氧化鈦或者由鈦和鋰組成的復合氧化物。
此外，除了上述的化合物外，碳也可以優選地用作負極活性材料。當使用碳作為負極活性材料時，鋰離子的引入使之能夠獲得與包含由鋰組成的負極活性材料相同的高電壓電池。要使用的碳優選地包括硬碳。因為就充電狀態的波動而言，硬碳使雙極電池具有比使用石墨時更大的電壓波動，所以電壓波動使充電狀態要預知。因此，不需要為從電學變量計算充電狀態和單元電池的電荷控制的目的提供努力和裝置，而且同樣的裝置可以在簡化的結構中實現。
聚合物固體電解質層聚合物固體電解質層40由具有離子導電性的聚合物構成的層來制備，并且如果能表現出離子導電性，聚合物固體電解質不必限制于特定的材料。
可以包括諸如聚環氧乙烷(PEO)、聚環氧丙烷(PPO)和這些化合物共聚物的聚合物固體電解質來作為聚合物固體電解質。
此外，為了增加離子電導率可以在聚合物固體電解質層40中包含鋰鹽。鋰鹽包括化合物LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2或這些化合物的混合物。但是，鋰鹽并不局限于這些化合物。聚氧化烯烴聚合物可以溶解鋰鹽，例如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2C2F5)2。而且，橋結構的形成提供了極好的機械強度。
盡管在聚合物固體電解質層、正極活性材料層和負極活性材料層中都可以包含聚合物固體電解質，但是可以使用相同的聚合物固體電解質，并且也可以對于每層使用不同的聚合物固體電解質。
聚合物固體電解質層的厚度沒有特別地限制。但是，為了得到致密的雙極電池1，聚合物固體電解質層40優選地具有極薄但能確保電解質層功能的厚度。典型地，聚合物固體電解質層具有約5～200μm的厚度。
另外，目前優選地用于聚合物固體電解質的聚合物是諸如PEO和PPO的聚合物。因此，靠近正極的聚合物固體電解質在高溫條件下具有低的抗氧化趨勢。所以這類聚合物通常在溶液型鋰離子電池中使用。當使用具有高氧化還原電位的正極試劑時，負極的容量優選地低于經聚合物固體電解質層相對于負極的正極容量。因此，如果負極的容量低于相對的正極容量，在充電后期可以就避免正極電勢的過度增加。此處，“正極借助聚合物固體電解質層相對”意指是形成相同單元電池組件的正極。
當生產基于生產條件的正極和負極時，這種正極和負極的容量可以取作理論容量。當然，它可以是由測量裝置直接測量的最終產品的容量。但是，如果負極的容量低于相對的正極容量，因為負極電位變得過低并且電池趨向于具有惡化的耐用性，所以需要注意充放電電壓。特別地，根據所使用的正極活性材料的氧化還原電位，通過確定一個單元電池的平均充電電壓使之位于適當的值來注意不要引起電池耐用性的惡化。
此外，固體聚合物電解質層40還可以包括聚合物凝膠電解質。聚合物凝膠電解質可以是具有離子導電性并且包含在鋰離子二次電池中使用的電解質溶液的固體聚合物電解質，或者進一步包括沒有離子導電性，但是在聚合物骨架結構中保留有相似的電解質溶液的聚合物。
這類電解質溶液(包括電解質鹽和增塑劑)沒有特別地限制，而且可以適當使用大量的電解質溶液。它們至少包括選自下面物質的一種鋰鹽(作為電解質鹽)無機酸陰離子鹽，例如LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAICl4和Li2B10Cl10，有機酸陰離子鹽，例如LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N和Li(C2F5SO2)2N，以及增塑劑(由有機溶劑組成)，例如由至少一種或兩種以上選自以下物質的化合物混合的質子惰性溶劑環狀碳酸酯，比如丙烯碳酸酯和碳酸次乙酯；鏈碳酸酯，比如二甲基碳酸酯、甲醚碳酸酯和碳酸二乙酯；醚，比如四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、1，4-二氧六環、1，2-二甲氧乙烷(1，2-dimethoxiethane)和1，2-二丁氧乙烷(1，2-dibuthoxiethane)；內酯，比如γ-丁酪內酯(γ-butytyrolactone)；腈，比如乙腈；酯，比如丙酸甲酯；酰胺，比如二甲基甲醛；乙酸甲酯和甲酸甲酯。
另外，具有離子導電性的固體聚合物電解質可以包括聚環氧乙烷(PEO)、聚環氧丙烷(PPO)和這些化合物共聚物。
此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)(polyacrilonitrile)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以用作沒有離子導電性的用于聚合物凝膠電解質的聚合物。而且，盡管PAN和PMMA幾乎屬于沒有離子導電性類并且可以使用上述具有離子導電性的固體聚合物電解質，但是這些鹽可以在聚合物凝膠電解質中使用。
如上所述，對于本發明實施方案的雙極電池1，因為各個單元電池的集電器具有為了防止在層壓條件下相互重疊而在沿著雙極電池側面長度方向偏離的位置上形成的分配電壓測量焊片電極10到18，所以各個單元電池的分配電壓很容易測量。
另外，因為分配電壓測量焊片電極10到18以在雙極電池側面的縱向方向偏離的方式布置和層壓，從而即使在單元電池的厚度做得更薄時它們也不至于在相同的位置重疊，所以可以避免發生分配電壓測量焊片電極之間的相互接觸而引起短路。而且，這就不需要用絕緣涂層覆蓋分配電壓測量焊片電極的一個表面，因此使單元電池的厚度可以做得更薄。
此外，因為分配電壓測量焊片電極11到17沿著雙極電池1側表面的長度方向等間隔并置，所以簡化了與分配電壓測量焊片電極11到17連接的電壓測量插槽的結構，從而為生產提供了方便。
另外，因為本發明實施方案的雙極電池1使用由聚合物固體電解質組成的電解質，所以不需要提供特殊部件就可以防止相鄰電池間的液體泄漏。而且，活性材料層內部包含聚合物固體電解質，活性材料層具有極好的離子導電性從而使雙極電池具有高的電池特性。
此外，當使用硬碳作為雙極電池1的負極活性材料時，僅通過測量電壓就可以簡單實現單元電池的充電控制，因此可以得到具有簡化結構和高功率輸出的疊層型電池。
(第二實施方案)接下來，參照圖6～8詳細描述根據本發明第二實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖6是表示根據本發明第二實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖，圖7是從圖6中箭頭B所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
如圖6和7所示，本發明第二實施方案的疊層型雙極電池2不同于第一實施方案，因為雙極電池2的集電器在沿著雙極電池2側表面的長度方向等距偏離的位置用兩排分配電壓測量焊片電極210到218和220到228，以在疊層條件下彼此不重疊的關系形成，并且在其它方面具有與第一實施方案相同的結構。因此，本實施方案的描述目標是不同點，而相似方面被適當省略或簡化描述。
圖8是舉例說明圖5所示那些各個集電器結構的平面視圖。
如圖8所示，在本實施方案中基本上與第一實施方案相似，集電器230到238和240到248分別用分配電壓測量焊片電極210到218和220到228在不同的位置形成。而且，集電器230和集電器238分別用主電路接觸電極19和20形成，它們典型地伸展在與分配電壓測量焊片電極的伸展方向垂直的方向上。
更具體地說，位于疊層的單元電池正中間的集電器238，即一端用分配電壓測量焊片電極218形成的集電器238具有由分配電壓測量焊片電極220形成的相對端。因此，當分配電壓測量焊片電極以兩排形成時，分配電壓測量焊片電極間的距離(一對測量電壓的電極間的距離)，即與所有分配電壓測量焊片電極相關的距離，例如分配電壓測量焊片電極217和218與分配電壓測量焊片電極220和221間的距離保持不變。因此，可以簡化與分配電壓測量焊片電極210到218和220到228關聯的電壓測量插槽的結構。
另外，在該圖中因為中間的分配電壓測量焊片電極和集電器僅在分配電壓測量焊片電極的各自位置上不同于上述的另一個關聯組件，而且在結構上也與這些組件相似，所以相同的說明可以省略。
如上所述，就本實施方案的雙極電池2而言，因為兩排分配電壓測量焊片電極沿著電池側面的長度方向等間隔地排列，從而在層壓條件下彼此不重疊，甚至在大量單元電池疊層情況下它們也都被布置在電池的同一側表面，所以可以可靠地避免相鄰單元電池的分配電壓測量焊片電極相互接觸而引起短路。
此外，在兩排布置的分配電壓測量焊片電極之間，由于疊層中分配電壓測量焊片電極在集電器的兩端形成，所以分配電壓測量焊片電極間的距離總是保持不變，因此在結構上可以簡化分配電壓測量插槽。
(第三實施方案)接下來，參照圖9到11詳細描述根據本發明第三實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖9是表示根據本發明第三個實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖。圖10A是從圖9中箭頭C所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。圖10B是從圖9中箭頭D所示方向觀察的疊層型雙極電池的側視圖。
如圖9到10B所示，本實施方案的雙極電池3不同于第一實施方案，因為在沿著雙極電池3每個側表面S，S’的長度方向等距偏離的雙極電池3的相對側表面S，S’上，各個單元電池的集電器分別用分配電壓測量焊片電極310到318和320到328，以在疊層條件下彼此不重疊的關系形成，并且在其它方面具有與第一實施方案相同的結構。因此，本實施方案的描述目標是不同點，而相似方面被適當省略或簡化描述。
特別地，在雙極電池3的兩個相對側表面S，S’上形成的分配電壓測量焊片電極310到318和320到328按照單元電池疊層的次序以向右或者向左交替伸出的方式布置。也就是說，在圖中所示的條件下從上而下，在第一個集電器上形成的分配電壓測量焊片電極310向右伸出，在第二個集電器上形成的分配電壓測量焊片電極320向左伸出，在第三個集電器上形成的分配電壓測量焊片電極311向右伸出，并且依次類推分配電壓測量焊片電極相似且交替地依次向左和向右伸出。
圖11是舉例說明圖5中各個集電器結構的平面視圖。
如圖11所示，在本實施方案中基本上與第一實施方案相似，集電器330到338和340到348用分配電壓測量焊片電極310到318和320到328在不同的位置形成。
更具體地說，為了使分配電壓測量焊片電極310到318和320到328按照單元電池疊層的次序向右或者向左交替伸出，分配電壓測量焊片電極310從圖中第一個集電器330向右伸出，分配電壓測量焊片電極320從圖中第二個集電器341向左伸出，分配電壓測量焊片電極311從圖中第三個集電器331向右伸出，依次類推分配電壓測量焊片電極依次相似且交替地向左和向右伸出，并且最后的集電器348由圖中向左伸出的分配電壓測量焊片電極328形成。而且，在不同于分配電壓測量焊片電極伸展方向的方向上，分別在第一個集電器330和最后一個集電器348上相應形成主電路接觸電極19和20。
另外，在該圖中因為中間的分配電壓測量焊片電極和集電器僅在分配電壓測量焊片電極的各自位置上不同于上述的另一個關聯組件，而且在結構上也與這些組件相似，所以相同的說明可以省略。
如上所述，就本實施方案的雙極電池3而言，因為分配電壓測量焊片電極以層壓條件下非重疊的關系沿著電池側面的長度方向等間隔地偏離，甚至在大量單元電池疊層情況下它們也都被布置在電池的兩個側表面，所以可以可靠地避免相鄰單元電池的分配電壓測量焊片電極相互接觸而引起短路。尤其是因為裝配從相鄰集電器伸展的分配電壓測量焊片電極，使之在電池彼此相對的兩面伸出，所以可以可靠地避免相鄰集電器的分配電壓測量焊片電極形成短路。
(第四實施方案)接下來，參照圖12～15詳細描述根據本發明第四實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖12是表示本實施方案疊層型雙極電池外部結構的透視圖。圖13是從圖12中箭頭E所示方向觀察的單元電池控制器單元的側視圖。
如圖12和13所示，在本實施方案中，第一實施方案的雙極電池1裝配有控制單元電池的單元電池控制器單元CU1。
如圖13所示，根據雙極電池1中布置的分配電壓測量焊片電極10到18，單元電池控制器CU1具有用分配電壓測量焊片連接電極400到408提供的插槽形成的單元結構。分配電壓焊片連接電極400到408相應地與分配電壓測量焊片電極10到18連接。
單元電池控制器CU1典型地位于一組單元電池的各個正極和各個負極之間，并且具有電流旁路，當單元電池的電壓超過給定值時，正極和負極連接到正極和負極間的旁路電解質上。
圖14是舉例說明電流旁路結構的電路圖。
如圖14所示，電流旁路50包括一個電路，其中齊納二極管52和電阻54串聯在單元電池55的正極(+)和負極(-)間。如果超過齊納二極管52的反向擊穿電壓，充電期間電流通過電流旁路50而不通過電解質。
圖15是舉例說明這種電流旁路50與單元電池控制器CU1連接的電路圖。
如圖15所示，每個都由一組齊納二極管52和電阻54組成的電流旁路分別連接在分配電壓連接接觸電極400和401、401和402等等之間。而且，因為分配電壓焊片連接電極的數量僅是例釋性的，并且分配電壓焊片連接電極403和407間的電路結構與上述的那些結構相似，所以這些電路結構的描述被省略。
對于這種結構，由于單元電池控制器CU1與雙極電池1連接，電流旁路50與雙極電池1的各個單元電池并聯連接。
首先，在雙極電池1充電期間，在相對于單元電池55電流施加方向的齊納二極管阻滯傳導的方向上，齊納二極管與單元電池55連接，在充電開始初期，因為形成雙極電池1的單元電池55的充電電壓沒有達到反向擊穿電壓(在此電壓下電流旁路50的齊納二極管52導通)，所以幾乎沒有電流流過電流旁路50。
當充電進行時，通過單元電池10終端的電壓增加，并且如果該電壓超過反向擊穿電壓，電流旁路50的齊納二極管52導通，旁路電流流過單元電池55。當使用齊納電壓為4.0V的齊納二極管時，單元電池55的充電在穿過終端的電壓達到4.0V時終止。穿過終端的電壓達到充電電壓的單元電池55自動終止其充電模式，并且在所有電流旁路50通過單元電池55時，雙極電池1的充電終止。
而且，在所有單元電池55都被旁路的條件下，電流流過與電池充電器串聯的電流旁路50，同時電流受與齊納二極管52串聯的電阻54限制。因此，電阻54具有抑制電流增加的功能，從而當電流繞經電流旁路50，過量的電流不會流過電流旁路50。選擇電阻54的電阻值，從而阻止過大的電流流過電流旁路50。
如上所述，對于本實施方案的雙極電池1，由于存在在整體結構中由插槽形成的單元電池控制器CU1，插槽由分配電壓接觸連接終端400到408結合在雙極電池1中裝配的分配電壓測量焊片電極10到18來提供，并且CU1與雙極電池1連接，所以很容易控制雙極電池1各個單元電池的充電電壓。
此外，因為在單元電池控制器CU1中提供電流旁路能夠在單元電池的充電電壓超過給定值時激活電流旁路，從而終止充電狀態，所以甚至在電池特性，例如電池容量和內阻不均勻的情況下，也可以準備均勻且優化的可充電環境。因此，在每個單元電池中不會偏差負荷情況，并且可以實現均勻地充電，這就使電池帶有改善的壽命周期和改善的可靠性。因此，安裝電流旁路的目的在于保護單元電池的過充電，從而使各個單元電池的充電狀態在整個充電期間是均勻的，由此使某些單元電池不會遭受由于充電狀態中的不平衡而導致的過充電狀態。
另外，就本實施方案而言，盡管電流旁路50由齊納二極管52和電阻54串聯的電路組成，但電流旁路50可以只包括齊納二極管。但是，當電流旁路50通過電流時，雙極鋰離子二次電池的充電電流增加，優選地電流旁路50帶有電阻54，從而在一定程度上抑制電流的增加，防止過量的電流通過電流旁路50。
(第五實施方案)接下來，參照圖16和17詳細描述根據本發明第五實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖16是表示本實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖，圖17是從圖16中箭頭F所示方向觀察的單元電池控制器單元的側視圖。
如圖16所示，在本實施方案中，第二實施方案的雙極電池2裝配有用于控制二次電池的單元電池控制器單元CU2。
更具體地說，如圖17所示，像第四實施方案的單元電池控制器單元一樣，其中插槽在單元結構中形成，依據雙極電池2的分配電壓測量焊片電極210到218和220到228，單元電池控制器單元CU2具有兩排分配電壓焊片連接電極500到508和510到518。分配電壓焊片連接電極500到508和510到518相應地與分配電壓測量焊片電極210到218和220到218連接。而且，盡管省略了詳細說明，但是像在上述的第四實施方案中一樣，由齊納二極管和電阻組成的電流旁路被合并入單元電池控制器單元CU2內。
另外，對于上述本實施方案的雙極電池2而言，像已經結合雙極電池1描述的第四實施方案中一樣，各個單元電池的充電電壓能夠簡單且可靠地控制。
(第六實施方案)接下來，參照圖18到19B詳細描述根據本發明第六實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖18是表示本實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖；圖19A是從圖18中箭頭G所示方向觀察的一個單元電池控制器單元的側視圖；圖19B是從圖18中箭頭H所示方向觀察的另一個單元電池控制器單元的側視圖。
如圖18所示，本實施方案具有這樣的結構其中與相應的用于控制單元電池的單元電池控制器連接的分配電壓接觸連接插槽SK1和SK2與第三實施方案的雙極電池3連接。此處，從位于雙極電池3兩個側表面的分配電壓焊片連接電極的角度來看，分配電壓接觸連接插槽沒有在單元結構中形成關聯的單元電池控制器(沒有顯示)。當然，如果從尺寸的角度來看生產能力，在第四和第五實施方案中使用單元結構是可接受的。
更具體地說，如圖19A和19B所示，分配電壓接觸連接插槽SK1和SK2分別帶有分配電壓焊片連接電極600到608和610到618，它們由雙極電池3的相關分配電壓測量焊片電極310到320和320到328形成。然后，為了使分配電壓測量焊片電極形成一組，對于每個單元電池例如一組分配電壓測量焊片電極310到320，一組分配電壓測量焊片電極311到321等等，集中線分別指向單元電池控制器。也就是說，連接分配電壓焊片連接電極600和610，從而使分配電壓測量焊片電極310和320能夠測量一個單元電池的電壓；連接分配電壓焊片連接電極601和611，從而使分配電壓測量焊片電極311和321能夠測量另一個單元電池的電壓，而且以相似的方式連接剩下單元電池的分配電壓焊片連接電極允許集中線指向單元電池控制器。從分配電壓焊片連接電極聚集的線與未顯示的單元電池控制器連接，并且測量每個單元電池的電壓，從而實現控制來使各個單元電池在相同的充電狀態下充電。
甚至就本實施方案的雙極電池3而言，像已經結合雙極電池1描述的第四實施方案中一樣，各個單元電池的充電電壓能夠簡單且可靠地控制。
(第七實施方案)接下來，參照圖20到22詳細描述根據本發明第七實施方案的疊層型電池及其相關方法。
圖20是表示本實施方案的疊層型雙極電池外部結構的透視圖；圖21是圖20中線Y-Y所示的疊層型雙極電池的截面視圖，并且圖22是舉例說明各個集電器結構的平面視圖。
如圖20所示，本實施方案的雙極電池7具有這樣的結構其中裝配有分配電壓測量焊片電極的一組單元電池通過分配電壓測量焊片電極并聯連接。
更具體地說，雙極電池7由多片雙極電池單元701組成，每個都具有與第五實施方案中雙極電池1相同的結構，雙極電池單元701通過每個單元電池的各個分配電壓測量焊片電極710到718并聯連接。因此，雙極電池7具有如下內部結構典型地以兩個雙極電池單元701，圖21中的701，該結構采取一個雙極電池單元701的雙極電極30與另一個雙極電池單元701的關聯雙極電極30連接的形式。雙極電池單元701具有與上面參照圖3描述的第一實施方案的單元相似的內部結構，其中n片雙極電極30，每片包括用正極活性材料層32和負極活性材料層33層壓的集電器31，(n+1)片聚合物固體電解質層40被交替層壓，其中最外面的聚合物固體電解質層包括集電器31、分別層壓相關活性材料層32，33的31。
此外，位于雙極電池7一端的雙極電池單元701具有分配電壓測量焊片電極710到718，它們并沒有與相鄰的雙極電池單元701連接，并且單元電池控制器CU1單元與之相連。而且，單元電池控制器單元CU1在結構上與上述第四實施方案中相似。
另外，每個雙極電池單元701中使用的集電器如此裝配，典型地如圖22中的一個雙極電池單元701所示，集電器在它們的兩側形成，并且沿著疊層排列的集電器730到738的兩邊，在彼此偏離的位置上帶有反方向向外伸展的分配電壓測量焊片電極710到718。因此，像第一實施方案的雙極電池1(參見圖2)一樣，分配電壓測量焊片電極710到718沿著雙極電池單元701側表面的長度方向彼此偏離，并且以疊層條件下非重疊的關系等距安排。而且，省略了圖20中在最左端另一側表面上的分配電壓測量焊片電極的描述。
如上所述，就本實施方案而言，由于存在每個裝配有分配電壓測量焊片電極并且通過多片分配電壓測量焊片電極并聯連接的電池單元，即使雙極電池單元701中的任何單元電池發生惡化并且產生無窮大的內阻時，也允許電流流過通過分配電壓接觸測量電極與損壞單元電池并聯連接的另一個雙極電池單元701的單元電池。因此，甚至在雙極電池單元701中存在任何惡化的單元電池的情況下，電池7可以連續使用而不會引起任何性能上的快速降低。
(第八實施方案)接下來，參照圖23詳細描述根據本發明第八實施方案的疊層型電池及其相關方法。
如圖23所示，本實施方案的車輛包括第一到第七實施方案的雙極電池，并且更優選地雙極電池裝配有根據第四到第七實施方案的單元電池控制器單元，作為安裝在車輛下部區域的電池組件800。
這種電池組件800由一組通過主電路接觸電極19和20而串聯或并聯，或者由這些連接的組合來連接的雙極電池構成。該電池組件800可以用作車輛801，例如電池驅動的電動車輛或者混合電動車輛原始驅動力的供應。電池組件800的安裝區域并沒有限制于在車輛的下部區域，并且電池組件800可以位于發動機室或吊頂內部。
就上述的本實施方案而言，因為可以提供安全并具有良好燃料消耗的混合型車輛和電動車輛，并且在電池的每個單元電池內惡化發生很少，從而使電池具有長時間的壽命周期，所以可以延長車輛的電池更新周期。
根據上述各個實施方案的疊層型電池，在分配電壓測量焊片電極間不可能發生相互接觸而引起短路，并且可以簡化并可靠地測量各個單元電池的分配電壓。
于2002年8月26日提交的日本專利申請TOKUGAN 2002-245144號的全部內容引入本文作參考。
盡管參照本發明的特定實施方案上面已經描述了本發明，但是本發明并沒有限制于上述的實施方案。根據本發明的教導，對于本領域的技術人員可能出現上述實施方案的修改和變化。本發明的范圍參照權利要求書定義。
權利要求
1.一種疊層型電池，包括多個在疊層方向上疊置的待串聯的單元電池；和分別在多個單元電池上形成的分配電壓測量焊片電極，從而能夠對多個單元電池測量電壓，分配電壓測量焊片電極在疊層方向的相交方向上以偏離的位置設置在疊層型電池的側面上。
2.根據權利要求1的疊層型電池，其中在疊層方向相交方向上，分配電壓測量焊片電極相鄰者之一與相鄰者的另一個偏離大于另一個的寬度。
3.根據權利要求2的疊層型電池，其中分配電壓測量焊片電極以等距偏離的位置排列。
4.根據權利要求1的疊層型電池，其中分配電壓測量焊片電極在疊層型電池的側表面上按多排形成。
5.根據權利要求1的疊層型電池，其中在疊層方向相交方向上，分配電壓測量焊片電極進一步以偏離的位置設置在相對于疊層型電池側表面的另一個側表面上。
6.根據權利要求1的疊層型電池，其中多個疊層型電池的分配電壓測量焊片電極的相鄰者相互連接，從而允許多個疊層型電池的多個單元電池的相鄰者相應地并聯連接。
7.根據權利要求1的疊層型電池，其中疊層型電池包括由依次層壓的正極活性材料層、集電器和負極活性材料層構成的雙極電極，以及鄰接雙極電極形成的電解質層。
8.根據權利要求7的疊層型電池，其中電解質層包括聚合物固體電解質層，并且正極活性材料層和負極活性材料層至少之一包含含在聚合物固體電解質層中的聚合物固體電解質。
9.根據權利要求7的疊層型電池，其中疊層型電池包括鋰離子二次電池。
10.根據權利要求7的疊層型電池，其中包含在負極活性材料層中的負極活性材料至少包括金屬氧化物和由金屬與鋰構成的復合氧化物之一。
11.根據權利要求7的疊層型電池，其中包含在負極活性材料層中的負極活性材料包括碳。
12.根據權利要求11的疊層型電池，其中碳是硬碳。
13.根據權利要求1的疊層型電池，其中單元電池控制器與多個單元電池連接，從而控制多個單元電池充電電壓。
14.根據權利要求13的疊層型電池，其中帶有分配電壓焊片連接電極的插槽與分配電壓測量焊片電極連接，從而允許單元電池控制器與之連接。
15.根據權利要求14的疊層型電池，其中單元電池控制器按整體結構形成插槽。
16.根據權利要求14的疊層型電池，其中在疊層方向的相交方向上，分配電壓測量焊片電極進一步以偏離的位置設置在疊層型電池側表面相對的另一個側表面上；并且插槽與設置在疊層型電池側表面上的一排分配電壓測量焊片電極以及設置在疊層型電池側表面相對的另一側表面上的一排分配電壓測量焊片電極中的每一個連接。
17.根據權利要求13的疊層型電池，其中單元電池控制器包括電流旁路，當單元電池電壓超過給定值時，電流旁路電連接單元電池的正極和負極。
18.根據權利要求17的疊層型電池，其中電流旁路包括取決于電壓傳導的電元件。
19.根據權利要求18的疊層型電池，其中電流旁路進一步包括與電元件串聯的電阻元件。
20.一種生產疊層型電池的方法，包括在疊層方向上疊置待串聯的多個單元電池；以及分別在多個單元電池上提供分配電壓測量焊片電極，從而能夠對多個單元電池測量電壓，分配電壓測量焊片電極在疊層方向的相交方向上以偏離的位置設置在疊層型電池的側面上。
全文摘要
疊層型電池提供有在疊層方向上疊置的待串聯的多個單元電池，以及分別在多個單元電池上形成的分配電壓測量焊片電極，從而能夠對多個單元電池測量電壓，分配電壓測量焊片電極在疊層方向的相交方向上以偏離的位置設置在疊層型電池的側面上。
文檔編號H01M10/00GK1487612SQ0315530
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月26日 優先權日2002年8月26日
發明者久光泰成, 福沢達弘, 根本好一, 大澤康彥, 一, 弘, 彥 申請人:日產自動車株式會社