專利名稱：：電極疊層體和雙極性二次電池的制作方法
技術領域：
：本發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或凝膠電解質的雙極性二次電池。
背景技術：
：關于傳統的電極疊層體，作為示例，日本專利公開No.2004-47161(專利文獻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生時的電池膨脹。根據專利文獻1，由正極、負極和固體電解質構成的電池元件被兩個板構件夾持。通過纏繞在板構件上的條帶將電池元件和板構件整體性保持。可以使用橡皮筋、膠帶、夾子、繩子等來代替條帶。日本專利公開No.2004-31281(專利文獻2)公開了一種用于電極層疊型電池的冷卻結構，其中電池在相對的表面上受壓，其目的在于在不增加部件的同時改善冷卻特性。根據專利文獻2，包括正極板、負極板和分隔件的多個電極層疊型單電池被層疊，其間夾有壓板。設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電極層疊型單電池整體性保持。根據上述專利文獻，使用條帶、橡皮筋、固定螺栓等將設置在電池元件相對側的板構件或壓板彼此緊固，從而夾緊電池元件。然而，這種緊固方法會導致形成電池元件的正極、負極與電解質間界面的移位。
發明內容本發明的一個目的是解決上述問題，并提供可以有效地防止正極、負極與電解質間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。本發明的電極疊層體包括層疊的正極和負極以及設置在正極與負極之間的電解質。正極、負極和電解質具有在正極和負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、負極和電解質的軸構件。在以此方式構造的電極疊層體中，軸構件被設置為穿過正極、負極和電解質，因而可以有效地防止正極、負極與電解質間界面的移位。因此，界面電阻的增加可以得到抑制。優選地，軸構件是螺栓。在以此方式構造的電極疊層體中，正極、負極和電解質通過螺栓來緊固，因此可以更有效地達到上述效果。優選地，軸構件由絕緣材料形成。優選地，在孔內壁與螺栓之間設置有絕緣構件。在以此方式構造的電極疊層體中，可以防止由軸構件引起的電極間的短路。優選地，電解質是固體電解質。在以此方式構造的電極疊層體中，可以防止電解質從電極疊層體泄漏。根據一個方面，本發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極都設置在一個電極板上的電池。在以此方式構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，根據本發明，可以提供能夠有效防止正極、負極與電解質間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。圖1為采用根據本發明的一種實施方式的電極疊層體結構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的俯視圖4為圖1的雙極性二次電池的第二種改進的剖視圖5為圖1的雙極性二次電池的第三種改進的剖視圖6為圖1的雙極性二次電池的第四種改進的剖視圖7為圖1的雙極性二次電池的第五種改進的剖視圖。具體實施例方式將參考附圖描述本發明的實施方式。在下文所參考的附圖中，相同或相應的部分由相同的標號表示。圖1為采用根據本發明的一種實施方式的電極疊層體結構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力車輛中，該車輛使用內燃機(例如汽油發動機或柴油發動機)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包括多個雙極性電極30。每個雙極性電極30由以下構成片型集電箔29，形成在集電箔29的一個表面29a上的正極活性材料層26，以及形成在集電箔29的另一個表面29b上的負極活性材料層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和作為負極的負極活性材料層28均形成在一個雙極性電極30上。所述多個雙極性電極30在與單電池25的層疊方向相同的方向上層疊，其間夾有電解質層27。電解質層27由具有離子傳導性的材料形成。電解質層27可以是固體電解質或凝膠電解質。電解質層27的插入可使離子在正極活性材料層26與負極活性材料層28之間平穩傳導，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和負極活性材料層28彼此相對。定位在相鄰的集電箔29之間的正極活性材料層26、電解質層27和負極活性材料層28構成了單電池25。正極活性材料層26設置在單電池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，設置負極活性材料層28。提供負極集電板23來與負極活性材料層28接觸。具體地，在雙極性二次電池IO沿單電池25的層疊方向的相對兩端，提供正極集電板21和負極集電板23。層疊的多個單電池25被保持在正極集電板21與負極集電板23之間。并非必須提供正極集電板21和負極集電板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，也可以確保集電箔29的機械強度足夠。可以通過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。正極活性材料層26可以包括用于改善離子傳導性的輔助鹽(鋰鹽)、用于改善電子傳導性的導電助劑、作為用于調節漿液粘度的溶劑的NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)、作為聚合引發劑的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合氧化物。正極活性材料的示例可以包括Li/Co基復合氧化物，例如LiCo02;Li/Ni基復合氧化物，例如LiNi02;Li/Mn基復合氧化物，例如尖晶石LiMn204;Li/Fe基復合材料，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。固體聚合物電解質并無具體限制，其可以是任何離子傳導聚合物。例如，可以使用聚環氧乙烷(PEO)、聚環氧丙烷(PPO)或其共聚物。這樣的聚環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和負極活性材料層28中的至少一個包含固體聚合物電解質。更優選地，正極活性材料層26和負極活性材料層28均包含固體聚合物電解質。作為輔助鹽，可以使用Li(C2F5S02)2N、LiBF4、LiPF6、LiN(S02C2F5)2或其混合物。作為導電助劑，可以使用乙炔黑、碳黑、石墨等。負極活性材料層28包括負極活性材料和固體聚合物電解質。負極活性材料層可以包含用于改善離子傳導性的輔助鹽(鋰鹽)、用于改善電子傳導性的導電助劑、作為用于調節漿液粘度的溶劑的NMP(N-甲基-2-吡咯垸酮)、作為聚合引發劑的AIBN(偶氮二異丁腈)等。作為負極活性材料，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，則優選使用碳或鋰和金屬氧化物或金屬的復合氧化物作為負極活性材料。更優選地，負極活性材料由碳或鋰和過渡金屬的復合氧化物形成。更優選地，過渡金屬為鈦。具體而言，更優選負極活性材料由氧化鈦或鈦和鋰的復合氧化物形成。作為形成電解質層27的固體電解質，例如可以使用固體聚合物電解質，如聚環氧乙垸(PEO)、聚環氧丙垸(PPO)或其共聚物。固體電解質包含用于確保離子傳導性的輔助鹽(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、負極活性材料層28和電解質層27所用材料的具體示例列于表1-3。表1示出了電解質層27為有機固體電解質時的具體示例，表2示出了電解質層27為無機固體電解質時的具體示例，表3示出了電解質層27為凝膠電解質時的具體示例。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端表面上開口。存在多個通孔32。通孔32開在具有近似長方形的正極集電板21和負極集電板23端面的四角和中部。通孔32形成在正極集電板21和負極集電板23、構成雙極性電極30的正極活性材料層26、集電板29和負極活性材料層28以及夾在雙極性電極30之間的電解質層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所產生的軸向力來整體性保持構成雙極性二次電池10的各層。通過這種結構，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，通過在緊固時調節螺栓35的扭矩或者改變螺栓35的數量，可以容易地調節疊層單電池25的結合力。另外，當進行充放電時，電子/離子運動，導致電極尺寸變化。因此，重復充放電可導致電極間形成間隙并且內阻發生變化，從而可能使電池性能劣化。關于此，根據本發明，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電極均勻地施加壓力。因此，可以減小電極中產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中提供環形密封件37。密封件37設置于在單電池25的層疊方向上相鄰的集電箔29之間。密封件37在提供電解質層27的空間與插入螺栓35的空間之間進行密封。通過這種結構，可以防止電解質層27通過通孔32泄漏。如果電解質層27由固體電解質形成，則可以不提供密封件37。在具有上述結構的雙極性二次電池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。因為雙極性二次電池IO可設置在座椅或地板下，所以它的安裝靈活性得到改善。根據本發明的實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和作為負極的負極活性材料層28、以及設置在正極活性材料層26與負極活性材料層28之間的作為電解質的電解質層27。在正極活性材料層26、負極活性材料層28和電解質層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的軸構件的螺栓35，用于整體性保持正極活性材料層26、負極活性材料層28和電解質層27。在根據本發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，使得長時間維持雙極性二次電池10的電池性能成為可能。在此實施方式中，盡管所述的雙極性二次電池10實現為鋰離子電池，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，本發明的電極疊層體適用于具有多個依次層疊的電極的雙極性二次電池。但本發明也可應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。圖3A和3B為圖1的雙極性二次電池的第一種改進的俯視圖。參見圖3A，在這種改進中，螺栓35以點陣形式設置在形狀近似為長方形的正極集電板21和負極集電板23的端面上。參見圖3B，在這種改進中，螺栓35以交錯方式設置在形狀近似為長方形的正極集電板21和負極集電板23的端面上。在這些改進中，螺栓35等間距設置。這種設置方式更易于在與單電池25的層疊方向垂直的平面上對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的剖視圖。參見圖4，在這種改進中，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設置在通孔32的內壁與螺栓35之間。由于存在這種結構，即使螺栓35由導電金屬形成，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的剖視圖。參見圖5，在這種改進中，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。采用這種結構，也可以通過雙頭螺栓46產生的軸向力來整體性保持構成雙極性二次電池10的各層。圖6為圖1的雙極性二次電池的第四種改進的剖視圖。參見圖6，在這種改進中，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。采用這種結構，可以更有效地防止構成雙極性二次電池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的剖視圖。參見圖7，在這種改進中，提供銷構件61來代替圖1的螺栓35。銷構件61的相對端鉚接在正極集電板21和負極集電板23的端面上，從而將構成雙極性二次電池10的各層保持在一起。上述實施方式僅為示例而不應當作限制解釋。本發明的范圍由各權利要求確定，同時應適當考慮實施方式的描述，并包括屬于權利要求字面含義的改進或與其等同的改進。工業實用性本發明主要適用于使用內燃機和可充電電源作為主功率源的混合動力車輛的電源。權利要求1.一種電極疊層體，包括層疊的正極(26)和負極(28)；和設置在所述正極(26)與所述負極(28)之間的電解質(27)；其中，所述正極(26)、所述負極(28)和所述電解質(27)中形成有在所述正極(26)和所述負極(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)、所述負極(28)和所述電解質(27)的軸構件(35)。2.根據權利要求1所述的電極疊層體，其中，所述軸構件(35)是螺栓。3.根據權利要求1所述的電極疊層體，其中，所述軸構件(35)由絕緣材料形成。4.根據權利要求1所述的電極疊層體，其中，在所述孔(32)的內壁與所述螺栓(35)之間設置有絕緣構件(41)。5.根據權利要求1所述的電極疊層體，其中，所述電解質(27)是固體電解質。6.使用根據權利要求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)和負極活性材料層(28)；設置在正極活性材料層(26)和負極活性材料層(28)之間的電解質層(27)。在正極活性材料層(26)、負極活性材料層(28)和電解質層(27)中形成有在正極活性材料層(26)和負極活性材料層(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)、負極活性材料層(28)和電解質層(27)的螺栓(35)。通過這種結構，可以提供能夠有效地防止正極、負極與電解質間界面移位的電極疊層體和雙極性二次電池。文檔編號H01M10/36GK101379652SQ20078000417公開日2009年3月4日申請日期2007年1月19日優先權日2006年1月31日發明者山田英治,水谷良治,立松和高,遠藤康浩申請人:豐田自動車株式會社