БИПОЛЯРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2014 года по МПК H01M2/34 

Область техники

[0001] Данное изобретение относится к биполярной батарее.

Уровень техники

[0002] JP-2004-319156-A раскрывает биполярную батарею, сформированную путем укладки стопкой множества биполярных электродов, в которых электродные слои сформированы на передней и задней поверхностях токоотвода, через слой электролита.

Сущность изобретения

[0003] Однако в этом типе биполярной батареи температура генерирующего электроэнергию элемента может чрезмерно увеличиваться при возникновении причины отклонения от нормального режима работы, такой как внешнее короткое замыкание. При увеличении температуры генерирующего электроэнергию элемента электролит (раствор электролита) может газифицироваться, что приведет к увеличению внутреннего давления наружного покровного материала.

[0004] Данное изобретение сфокусировано на этой традиционной проблеме, и задачей данного изобретения является предоставление биполярной батареи, в которой протекание слишком большого тока предотвращается путем ограничения величины тока при выделении газа таким образом, что внутреннее давление наружного покровного материала увеличивается.

[0005] В соответствии с одним аспектом данного изобретения биполярная батарея включает в себя генерирующий электроэнергию элемент, сформированный путем укладки стопкой множества биполярных электродов, в которых электродный слой сформирован на передней и задней сторонах токоотвода, через слой электролита. Биполярная батарея также включает в себя: упругую металлическую часть, предусмотренную в контакте с генерирующим электроэнергию элементом так, чтобы она контактировала с генерирующим электроэнергию элементом в точечном или линейном контакте, когда к ней не прилагается внешняя сила, и контактировала с генерирующим электроэнергию элементом в поверхностном контакте, когда к ней прилагается внешняя сила; и наружный покровный материал, предусмотренный для вмещения в себя генерирующего электроэнергию элемента и упругой металлической части, внутреннее давление которого устанавливается меньшим, чем атмосферное давление, так что упругая металлическая часть вынуждена контактировать с генерирующим электроэнергию элементом в поверхностном контакте за счет разницы давлений между внутренним давлением и атмосферным давлением.

[0006] Варианты реализации и преимущества данного изобретения будут подробно описаны ниже вместе с приложенными чертежами.

Краткое описание чертежей

[0007] ФИГ. 1 является видом, изображающим первый вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению.

ФИГ. 2 является видом, иллюстрирующим действия и эффекты первого варианта реализации.

ФИГ. 3 является видом, изображающим второй вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению.

ФИГ. 4 является видом, иллюстрирующим действия и эффекты второго варианта реализации.

ФИГ. 5 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в третьем варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению.

ФИГ. 6 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в четвертом варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению.

ФИГ. 7 является видом, изображающим пятый вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению.

Фиг. 8 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в другом варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению.

ФИГ. 9 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в еще одном варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению.

Описание вариантов реализации

Первый вариант реализации

[0008] ФИГ. 1 является видом, изображающим первый вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению, причем ФИГ. 1(А) является видом в продольном разрезе, показывающим собранное состояние, ФИГ. 1(В) является видом в перспективе упругой металлической части электродного вывода в состоянии, когда к ней не прилагается внешняя сила, а ФИГ. 1(С) является видом в сечении С-С по ФИГ. 1(В).

[0009] Биполярная батарея 1 включает в себя генерирующий электроэнергию элемент 10, электродный вывод 20 и наружный покровный материал 30.

[0010] Генерирующий электроэнергию элемент 10 включает в себя биполярный электрод 11, слой 12 электролита и уплотнение 13.

[0011] Биполярный электрод 11 включает в себя токоотвод 111, положительный электрод 112 и отрицательный электрод 113. Положительный электрод 112 сформирован на одной поверхности (нижней поверхности на ФИГ. 1(А)) токоотвода 111. Отрицательный электрод 113 сформирован на противоположной поверхности (верхней поверхности на ФИГ. 1(А)) токоотвода 111.

[0012] Токоотвод 111 сформирован из проводящего материала, такого как, например, металл, проводящий полимерный материал или непроводящий полимерный материал, содержащий добавленный проводящий наполнитель. Примеры металлов, которые могут быть с выгодой использованы в качестве материала токоотвода 111, включают в себя алюминий, никель, железо, нержавеющую сталь, титан и медь. Кроме того, могут быть использованы плакировочный материал из никеля и алюминия, плакировочный материал из меди и алюминия и материал покрытия, сформированный из сочетания этих металлов, и им подобные. В качестве альтернативы может быть использована фольга, сформированная путем покрытия металлической поверхности алюминием. С точки зрения электронной проводимости и потенциала работы батареи особенно предпочтительны алюминий, нержавеющая сталь и медь.

[0013] Кроме того, примеры проводящих полимерных материалов, которые могут быть с выгодой использованы в качестве материала токоотвода 111, включают в себя полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил и полиоксадиазол. Эти проводящие полимерные материалы имеют достаточную проводимость без необходимости в добавлении проводящего наполнителя, и поэтому преимущественны в плане упрощения процесса производства и уменьшения веса токоотвода 111. Следует отметить, тем не менее, что при необходимости проводящий наполнитель может быть добавлен.

[0014] Кроме того, примеры содержащих добавленный проводящий наполнитель непроводящих полимерных материалов, которые могут быть предпочтительно использованы в качестве материала токоотвода 111, включают в себя полиэтилен (ПЭ; полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) или полиэтилен низкой плотности (ПЭНП)), полипропилен (ПП), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэфирнитрил (ПЭН), полиимид (ПИ), полиамид-имид (ПАИ), полиамид (ПА), политетрафторэтилен (ПТФЭ), стирол-бутадиеновый каучук (СБК), полиакрилонитрил (ПАН), полиметилакрилат (ПМА), полиметилметакрилат (ПММА), поливинилхлорид (ПВХ), поливинилидендифторид (ПВдФ) и полистирол (ПС). С этими непроводящими полимерными материалами могут быть получены превосходные сопротивление потенциалу и стойкость к растворителям.

[0015] Нет каких-либо конкретных ограничений на проводящий наполнитель при условии, что он является проводящим веществом. Тем не менее, металл или ему подобные, проводящий углерод и т.п. демонстрируют превосходные проводимость и сопротивление потенциалу и превосходное свойство блокирования ионов лития. Примеры металлов или им подобных, которые могут быть с выгодой использованы в качестве материала проводящего наполнителя, включают в себя по меньшей мере один металл, выбранный из группы, включающей Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb и K, сплав, содержащий эти металлы, и оксид металла, содержащий эти металлы. Выгодный тип проводящего углерода, применяемый в качестве материала проводящего наполнителя, предпочтительно включает в себя по меньшей мере один тип, выбранный из группы, включающей ацетиленовую сажу, сажу «Vulcan», сажу «Black Pearl», углеродное нановолокно, сажу «Ketjen Black», углеродные нанотрубки, углеродные рупорообразные нановыступы (углеродные нанорожки), углеродные наношарики и фуллерен. Нет каких-либо конкретных ограничений на количество добавляемого проводящего наполнителя при условии, что токоотводу 111 может быть придана достаточная проводимость, однако обычно добавляется количество между приблизительно 5% и 35% по весу.

[0016] Размер токоотвода 111 определяется в соответствии с областью применения (назначением) батареи. Например, токоотвод 111, имеющий большую площадь поверхности, используется в больших батареях, требующих высокой плотности энергии. Нет каких-либо конкретных ограничений на толщину токоотвода 111. Толщина токоотвода 111 обычно задается между приблизительно 1 до 100 мкм.

[0017] Как описано выше, положительный электрод 112 сформирован на одной поверхности (нижней поверхности на ФИГ. 1(А)) токоотвода 111. Положительный электрод 112 является слоем, включающим в себя активный материал положительного электрода. Активный материал положительного электрода является составом, который поглощает ионы во время разрядки и отдает ионы во время зарядки. Предпочтительным примером активного материала положительного электрода является сложный оксид лития -переходного металла, который является оксидным соединением переходного металла и лития. Более конкретно, сложный оксид лития-переходного металла образуется путем частичного замещения сложного оксида на основе Li/Co, такого как LiCoO₂, сложного оксида на основе Li/Ni, такого как LiNiO₂, сложного оксида на основе Li/Mn, такого как шпинельный LiMn₂O₄, или сложного оксида на основе Li/Fe, такого как LiFeO₂, и его переходного металла другим элементом или ему подобным. Сложный оксид лития -переходного металла демонстрирует превосходную быстроту реагирования и превосходные циклические характеристики, а стоимость его производства мала. Как альтернатива могут быть использованы фосфатное соединение или сульфатное соединение переходного металла и лития, такое как LiFePO₄; оксид или сульфид переходного металла, такой как V₂O₅, MnO₂, TiS₂, MoS₂ или MoO₃; PbO₂; AgO; NiOOH; и тому подобные. Активный материал положительного электрода может быть использован в отдельности или в смеси из двух или более типов. Нет каких-либо конкретных ограничений на средний размер частиц активного материала положительного электрода, но, исходя из соображений увеличения емкости и улучшения быстроты реагирования и циклических характеристик активного материала положительного электрода, средний размер частиц предпочтительно составляет между 1 и 100 мкм, а более предпочтительно между 1 и 20 мкм. В данном интервале увеличение внутреннего сопротивления вторичной (аккумуляторной) батареи во время зарядки и разрядки при условиях высокой выходной мощности может быть подавлено, и может отводиться достаточный ток. Следует отметить, что когда активный материал положительного электрода образован из вторичных частиц, средний размер частицы у составляющих вторичные частицы первичных частиц предпочтительно задается в интервале от 10 нм до 1 мкм, но не обязательно ограничен этим интервалом. В зависимости от способа производства, однако, может быть необходимо формирование активного материала положительного электрода из вторичных частиц путем коагуляции, агрегации и т.д. Активный материал положительного электрода может принимать различные формы, например сферическую форму (форму порошка), пластинчатую форму, игольчатую форму, столбчатую форму, угловую форму и т.д., в зависимости от типа, способа производства и т.д. Тем не менее, активный материал положительного электрода не ограничен этими формами, и любая форма может быть без проблем использована. Оптимальная форма, при которой могут быть улучшены характеристики батареи, такие как характеристика зарядки/разрядки, предпочтительно выбирается соответственно.

[0018] Слой активного материала может включать в себя другие вещества по мере необходимости. Например, в его состав могут быть включены электролит, соль лития, повышающая проводимость добавка и т.д. для достижения увеличения ионной проводимости.

[0019] Электролит может быть твердым полимерным электролитом, гелеобразным полимерным электролитом, электролитом, образованным укладкой друг на друга твердого полимерного электролита и гелеобразного полимерного электролита, и т.д. Другими словами, положительный электрод может быть образован многослойной структурой, так что типы электролита и типы и размеры частиц активных материалов, составляющих положительный электрод, как и их соотношения смешивания, различаются между слоями, сформированными на стороне токоотвода и на стороне электролита. Соотношение (массовое соотношение) между полимером и раствором электролита, составляющими гелеобразный полимерный электролит, предпочтительно задается между 20:80 и 98:2, т.е. в пределах того интервала, где доля раствора электролита сравнительно мала.

[0020] В гелеобразном полимерном электролите раствор электролита, используемый в типичной литий-ионной батарее, содержится в твердом полимерном электролите, обладающем ионной проводимостью. Может также быть использован электролит, в котором аналогичный раствор электролита удерживается полимерным каркасом, не обладающим проводимостью по ионам лития.

[0021] Здесь раствор электролита (соль-электролит и пластификатор), содержащийся в гелеобразном полимерном электролите, может быть любым раствором электролита, используемым в типичной литий-ионной батарее. Например, может быть использован раствор электролита, который содержит по меньшей мере один тип соли лития (соли-электролита), выбранный из солей с анионами неорганических кислот, таких как LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiAsF₆, LiTaF₆, LiAlCl₄ и Li₂B₁₀Cl₁₀, и солей с анионами органических кислот, таких как LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N и Li(C₂F₅SO₂)₂N, и использует органический растворитель (пластификатор), такой как апротонный растворитель, перемешенный с по меньшей мере одним веществом, выбранным из: циклического карбоната, такого как пропиленкарбонат или этиленкарбонат; цепочечного карбоната, такого как диметилкарбонат, метилэтилкарбонат и диэтилкарбонат; простого эфира, такого как тетрагидрофуран, 2-метилтетрагидрофуран, 1,4-диоксан, 1,2-диметоксиэтан и 1,2-дибутоксиэтан; лактона, такого как γ-бутиролактон; нитрила, такого как ацетонитрил; сложного эфира, такого как метилпропионат; амида, такого как диметилформамид; метилацетата; и метилформиата, или им подобные. Следует отметить, однако, что раствор электролита этим не ограничен.

[0022] Полимер, не обладающий проводимостью по ионам лития, используемый в гелеобразном полимерном электролите, может быть, например, поливинилидендифторидом (ПВДФ), поливинилхлоридом (ПВХ), полиакрилонитрилом (ПАН) или полиметилметакрилатом (ПММА). Следует отметить, однако, что полимер этим не ограничен. ПАН и ПММА не полностью лишены проводимости по ионам лития, и поэтому может быть использован полимер, обладающий проводимостью по ионам лития. В данном примере, однако, в гелеобразном полимерном электролите использован полимер, не обладающий проводимостью по ионам лития.

[0023] Соль лития является, например, солью с анионом неорганической кислоты, такой как LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄, LiAsF₆, LiTaF₆, LiAlCl₄ и Li₂B₁₀Cl₁₀, солью с анионом органической кислоты, такой как Li(CF₃SO₂)₂N или Li(C₂F₅SO₂)₂N, их смесью, и т.д. Тем не менее, соль лития этим не ограничена.

[0024] Повышающая проводимость добавка является добавкой, примешанной с целью увеличения проводимости слоя активного материала. В качестве повышающей проводимость добавки могут быть использованы, например, ацетиленовая сажа, углеродная сажа и графит. Тем не менее, повышающая проводимость добавка этим не ограничена.

[0025] Смешиваемые количества активного материала положительного электрода, электролита (предпочтительно, твердого полимерного электролита), соли лития и повышающей проводимость добавки в положительном электроде должны определяться с учетом предполагаемого применения (того, следует ли сделать упор на выходную мощность, энергию или что-то другое) и ионной проводимости батареи. Например, когда смешиваемое количество электролита, в частности твердого полимерного электролита, в положительном электроде слишком мало, сопротивление ионной проводимости и сопротивление диффузии ионов в слое активного материала возрастают, приводя к ухудшению рабочих характеристик батареи. С другой стороны, когда смешиваемое количество электролита, в частности твердого полимерного электролита, в положительном электроде слишком велико, плотность энергии батареи уменьшается. Следовательно, количество твердого полимерного электролита, которое подходит для назначения, определяется с учетом этих факторов.

[0026] Нет каких-либо конкретных ограничений на толщину положительного электрода и, как описано выше, в связи со смешиваемыми количествами толщина предпочтительно определяется с учетом предполагаемого применения (того, следует ли сделать упор на выходную мощность, энергию или что-то другое) и ионной проводимости батареи. Толщина типичного слоя активного материала положительного электрода составляет между приблизительно 10 и 500 мкм.

[0027] Как описано выше, отрицательный электрод 113 сформирован на одной поверхности (верхней поверхности на ФИГ. 1(А)) токоотвода 111. Отрицательный электрод 113 является слоем, включающим в себя слой активного материала отрицательного электрода. Активный материал отрицательного электрода является составом, способным отдавать ионы во время разрядки и поглощать ионы во время зарядки. Нет каких-либо конкретных ограничений на активный материал отрицательного электрода при условии, что он способен обратимо поглощать и отдавать литий. Тем не менее, предпочтительные примеры активного материала отрицательного электрода включат в себя металл, такой как Si или Sn, оксид металла, такой как TiO, Ti₂O₃, TiO₂, SiO₂, SiO или SnO₂, сложный оксид лития и переходного металла, такой как Li_4/3Ti_5/3O₄, или Li₇MnN, Li-Pb сплав, Li-Al сплав, Li, углеродный материал, такой как природный графит, искусственный графит, углеродная сажа, активированный углерод, углеродное волокно, кокс, мягкий углерод (мягкая сажа) или твердый (гиперплотный) углерод, и т.д. Кроме того, активный материал отрицательного электрода предпочтительно содержит элемент, который образует сплав с литием. Когда вместо традиционного материала на основе углерода используется элемент, образующий сплав с литием, может быть получена батарея, демонстрирующая высокую плотность энергии, большую емкость и превосходные выходные характеристики. Один материал или смесь из двух или более материалов могут быть использованы в качестве активного материала отрицательного электрода.

[0028] Примеры образующих сплав с литием элементов включают в себя Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te и Cl. Из этих элементов предпочтительны углеродный материал и/или по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей Si, Ge, Sn, Pb, Al, In и Zn, для того, чтобы можно было сконструировать батарею, имеющую большую емкость и превосходную плотность энергии. Углеродный материал, Si и Sn особенно предпочтительны. Эти элементы могут быть использованы по отдельности или в сочетаниях двух или более.

[0029] Нет каких-либо конкретных ограничений на размер и форму частиц активного материала отрицательного электрода, и активный материал отрицательного электрода может принимать вид, подобный описанному выше активному материалу положительного электрода. Соответственно, его подробное описание опущено. Кроме того, аналогично активному материалу положительного электрода, в состав может быть при необходимости включено другое вещество, например, электролит, соль лития, повышающая проводимость добавка и т.д., для улучшения ионной проводимости.

[0030] Слой 12 электролита является, например, слоем гелеобразного полимерного электролита. Электролит может быть образован многослойной структурой, так что типы электролита и соотношения смешивания компонентов различаются между слоями, сформированными на стороне положительного электрода и на стороне отрицательного электрода. Когда используется гелеобразный полимерный электролит, соотношение (массовое соотношение) между полимером и раствором электролита, составляющими гелеобразный полимерный электролит, предпочтительно задается между 20:80 и 2:98, т.е. в пределах того интервала, где доля раствора электролита сравнительно велика.

[0031] В этом типе гелеобразного полимерного электролита раствор электролита, применяемый в типичной литий-ионной батарее, содержится в твердом полимерном электролите, обладающем ионной проводимостью. Может быть также использован электролит, в котором аналогичный раствор электролита удерживается полимерным каркасом, не обладающим проводимостью по ионам лития. Это аналогично гелеобразному полимерному электролиту, описанному как один из типов электролита, содержащегося в положительном электроде, и поэтому его описание опущено.

[0032] Твердый полимерный электролит или гелеобразный полимерный электролит могут быть включены в положительный электрод и/или отрицательный электрод, как описано выше, а также служить в качестве полимерного электролита, образующего батарею. Тем не менее, в качестве полимерного электролита, образующего батарею и входящего в состав положительного электрода и отрицательного электрода, могут быть использованы различные или одинаковые полимерные электролиты, и различные полимерные электролиты могут быть использованы на различных слоях.

[0033] Нет каких-либо конкретных ограничений на толщину образующего батарею электролита. Тем не менее, этот электролит предпочтительно является как можно более тонким в том интервале, где электролит может функционировать, с целью получения компактной биполярной батареи. Толщина типичного слоя твердого полимерного электролита задается между приблизительно 10 и 100 мкм. Тем не менее, электролит может быть легко образован с формой, которая закрывает верхнюю поверхность и наружную периферийную часть боковой поверхности электрода (положительного электрода или отрицательного электрода), воспользовавшись преимуществом характеристик способа производства, и поэтому требуемые функции и рабочие характеристики могут быть реализованы без формирования электролита с практически постоянной толщиной во всех местах.

[0034] Уплотнение 13 расположено между верхним и нижним токоотводами 111 вокруг положительного электрода 112, отрицательного электрода 113 и слоя 12 электролита. Уплотнение 13 предотвращает контакт между токоотводами и короткое замыкание на концевых участках слоя единичного аккумулятора. Материал уплотнения 13 выбирается с учетом изоляционных свойств, герметизирующих свойств для предотвращения выпадения твердого электролита, герметизирующих свойств (водонепроницаемости) для предотвращения проникновения влаги снаружи, термической стойкости при рабочей температуре батареи и т.д. Например, могут быть с выгодой использованы акриловая смола, уретановая смола, эпоксидная смола, полиэтиленовая смола, полипропиленовая смола, полиимидная смола, резина, нейлоновая смола и т.п. Из этих материалов особенно предпочтительны полиэтиленовая смола, полипропиленовая смола и акриловая смола с точки зрения сопротивления коррозии, химической стойкости, простоты производства (пленкообразующее свойство) и экономической эффективности.

[0035] Электродный вывод 20 включает в себя упругую металлическую часть 21, которая контактирует с генерирующим электроэнергию элементом 10. Один конец электродного вывода 20 выведен наружу из наружного покровного материала 30. Электродный вывод 20 выполнен, например, из алюминия, меди, титана, никеля, нержавеющей стали (SUS), их сплава или им подобного. С учетом сопротивления коррозии, простоты производства, экономической эффективности и т.п., алюминий особенно предпочтителен. Электродный вывод 20 положительного электрода и электродный вывод 20 отрицательного электрода могут быть выполнены из одинаковых или различных материалов. Кроме того, электродный вывод 20 может быть сформирован укладкой друг на друга различных материалов в большом числе слоев.

[0036] Как изображено на ФИГ. 1(В) и 1(С), упругая металлическая часть 21 электродного вывода 20 сформирована таким образом, что, когда к ней не прилагается внешняя сила, окрестность ее центра отделяется от генерирующего электроэнергию элемента 10, выпирая (вверх на ФИГ. 1(В) и 1(С)).

[0037] Кроме того, в собранном состоянии, изображенном на ФИГ. 1(А), наружный покровный материал герметизирован таким образом, что его внутреннее давление ниже, чем атмосферное давление, например, по существу в состоянии вакуума. В таком состоянии атмосферное давление действует на упругую металлическую часть 21, так что вся поверхность упругой металлической части 21 приходит в контакт (поверхностный контакт) с генерирующим электроэнергию элементом 10.

[0038] Упругая металлическая часть 21 является упругой деталью, которая может деформироваться при приложении к ней внешней силы.

[0039] Наружный покровный материал 30 заключает в себе генерирующий электроэнергию элемент 10. Наружный покровный материал 30 является гибким. Различные материалы могут быть использованы для наружного покровного материала 30, например листовой материал, сделанный из составной многослойной пленки полимер-металл, которая сформирована путем покрытия металла (включая сплав), такого как алюминий, нержавеющая сталь, никель или медь, полипропиленовой пленкой. Периферия наружного покровного материала 30 герметизирована термосваркой (термосклеена) после того, как в него был заключен генерирующий электроэнергию элемент 10. В собранном состоянии, изображенном на ФИГ. 1(А), внутреннее пространство наружного покровного материала 30 находится по существу в вакууме, т.е. при давлении, меньшем, чем атмосферное давление.

[0040] ФИГ. 2 является видом, иллюстрирующим действия и эффекты этого варианта реализации, причем ФИГ. 2(А) изображает нормальное состояние, а ФИГ. 2(В) изображает ненормальное состояние.

[0041] В состоянии, когда вся поверхность упругой металлической части 21 находится в контакте (поверхностном контакте) с генерирующим электроэнергию элементом 10, ток протекает равномерно по всем поверхностям. Однако, когда происходит что-то наподобие внешнего короткого замыкания, температура генерирующего электроэнергию элемента 10 может увеличиться. Когда температура генерирующего электроэнергию элемента 10 увеличивается, электролит (раствор электролита) газифицируется, что приводит к увеличению внутреннего давления наружного покровного материала. В таком случае, как изображено на ФИГ. 2(В), упругая металлическая часть 21 деформируется так, что окрестность ее центра выпирает, в результате чего упругая металлическая часть 21 отделяется от генерирующего электроэнергию элемента 10. Соответственно, ток может протекать только вблизи периферии, и поэтому величина (сила) тока ограничена. В результате предотвращается протекание избыточного тока.

[0042] Периферия наружного покровного материала 30 термосклеена, но путем частичного уменьшения ширины термосклеивания, в соответствующем местоположении можно сформировать гибкий клапан. Следовательно, когда электролит (раствор электролита) газифицируется, что приводит к увеличению внутреннего давления наружного покровного материала, внутреннее давление стравливается через этот гибкий клапан, так что внутреннее давление наружного покровного материала поддерживается на уровне атмосферного давления. В результате может быть предотвращено чрезмерное увеличение внутреннего давления наружного покровного материала.

Второй вариант реализации

[0043] ФИГ. 3 является видом, изображающим второй вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению, причем ФИГ. 3(А) является видом в продольном разрезе, показывающим собранное состояние, ФИГ. 3(В) является видом в перспективе упругой металлической части электродного вывода в состоянии, когда к ней не прилагается внешняя сила, а ФИГ. 3(С) является видом в сечении С-С по ФИГ. 3(В).

[0044] Следует отметить, что в последующем описании тем частям, которые проявляют аналогичные описанным выше функции, были присвоены идентичные ссылочные позиции, и, где это допустимо, их повторное описание было опущено.

[0045] Как изображено на ФИГ. 3(В) и 3(С), упругая металлическая часть 21 электродного вывода 20 согласно данному варианту реализации выпирает в направлении генерирующего электроэнергию элемента 10 (вниз на ФИГ. 3(В) и 3(С)) в окрестности ее центра, когда к ней не прилагается внешняя сила.

[0046] Кроме того, в собранном состоянии, изображенном на ФИГ. 3(А), наружный покровный материал герметизирован таким образом, что его внутреннее давление меньше атмосферного давления, например, по существу в состоянии вакуума. В данном состоянии атмосферное давление действует на упругую металлическую часть 21 таким образом, что вся поверхность упругой металлической части приходит в контакт (поверхностный контакт) с генерирующим электроэнергию элементом 10. Следовательно, упругая металлическая часть 21 постоянно прижимает генерирующий электроэнергию элемент 10 более сильно к его центру.

[0047] Для облегчения понимания данного варианта реализации теперь будут описаны химические реакции в батарее.

[0048] В интервале нормального рабочего напряжения протекает химическая реакция, показанная в следующем Уравнении (1).

[0049] [Химическая формула 1]

R^*+1/2H₂→ Алкил↑ … (1)

[0050] Кроме того, в области напряжения чрезмерной зарядки протекают реакции, показанные в следующих Уравнениях с (2-1) по (2-4).

[0051] [Химическая формула 2]

3CoO₂→Co₃O₄+O₂↑ … (2-1)

ROCO₂R+3O₂→3CO₂↑+3H₂O … (2-2)

ROCO₂R+H₂O→2ROH+CO₂↑ … (2-3)

LiPF₆+H₂O→LiF+2HF↑+POF₃ … (2-4)

[0052] Более того, в области напряжения чрезмерной разрядки протекают реакции, показанные в следующих Уравнениях с (3-1) или (3-2).

[0053] [Химическая формула 3]

ROCO₂R+e^-+Li⁺+1/2H₂→ROCO₂Li↓+Алкил↑ … (3-1)

ROCO₂R+2e^-+2Li⁺+H₂→LiCO₃↓+R-R↑ … (3-2)

[0054] Следовательно, газ выделяется в нормальном режиме работы, во время чрезмерной зарядки и во время чрезмерной разрядки. Вся поверхность упругой металлической части 21 находится в контакте (поверхностном контакте) с генерирующим электроэнергию элементом 10, и поэтому, когда газ не удерживается в слое электролита, равномерный ток протекает по всем поверхностям. Однако, когда выделяемый таким образом газ удерживается в слое электролита, прохождение тока ухудшается, и ток на периферии возрастает. В результате локально образуются области с высокой плотностью тока. Когда плотность тока локально увеличивается, могут осаждаться ионы лития путем электролитического осаждения. В результате происходит локальное повреждение. Кроме того, батарея может попасть в порочный круг, при котором повреждение распространяется на периферию.

[0055] Кроме того, при повторном осуществлении зарядки и разрядки может выделяться газ, особенно на начальной стадии, вследствие образования пленки на поверхности отрицательного электрода, разложения раствора электролита и т.п. Когда выделившийся газ удерживается в слое электролита, прохождение тока ухудшается. Более того, батарея может попасть в порочный круг, при котором вызывается дальнейшее выделение газа из-за вызванной выделившийся газом неравномерности в слое электролита.

[0056] Кроме того, как изображено на ФИГ. 3(В) и 3(С), упругая металлическая часть 21 электродного вывода 20 согласно данному варианту реализации сформирована выпирающей в направлении генерирующего электроэнергию элемента 10 (вниз на ФИГ. 3(В) и 3(С)) в окрестности ее центра, когда к ней не прилагается внешняя сила. Соответственно, в собранном состоянии, изображенном на ФИГ. 3(А), генерирующий электроэнергию элемент 10 находится под действием постоянно большей прижимающей силы от упругой металлической части 21 в направлении его центра. В результате газ, выделившийся в слое электролита, легко перемещается к окрестности уплотнения на периферии, где прижимающая сила меньше. Таким образом, предотвращается ухудшение газом прохождения тока. Изначально ток не протекает в окрестности уплотнения, и поэтому не возникает никаких проблем при скоплении там газа.

[0057] ФИГ. 4 является видом, иллюстрирующим действия и эффекты данного варианта реализации, причем ФИГ. 4(А) изображает нормальное состояние, а ФИГ. 4(В) изображает ненормальное состояние.

[0058] В состоянии, когда вся поверхность упругой металлической части 21 находится в контакте (поверхностном контакте) с генерирующим электроэнергию элементом 10, ток протекает равномерно по всем поверхностям. Тем не менее, когда возникает причина нарушения нормального режима работы, такая как внешнее короткое замыкание, температура генерирующего электроэнергию элемента 10 может чрезмерно возрасти. Когда температура генерирующего электроэнергию элемента 10 увеличивается, электролит (раствор электролита) газифицируется, что приводит к увеличению внутреннего давления наружного покровного материала. В таком случае, как изображено на ФИГ. 4(В), упругая металлическая часть 21 деформируется так, чтобы отделиться от генерирующего электроэнергию элемента 10 в областях, отличных от области вблизи ее центра, так что область вблизи ее центра выпирает в направлении генерирующего электроэнергию элемента. Соответственно, ток может протекать только вблизи центра, и поэтому величина тока ограничена. В результате предотвращается протекание избыточного тока.

Третий вариант реализации

[0059] ФИГ. 5 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в третьем варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению, причем ФИГ. 5(А) является видом в перспективе упругой металлической части электродного вывода, а ФИГ. 5(В) является видом в сечении В-В по ФИГ. 5(А).

[0060] Упругая металлическая часть 21 электродного вывода согласно данному варианту реализации выполнена такой формы, что окрестность ее центра выпирает вниз, когда к ней не прилагается внешняя сила, и что поверхность 21а периферийного края расположена в одной плоскости.

[0061] Как описано выше, наружный покровный материал герметизирован в состоянии, когда его внутреннее давление меньше атмосферного давления. При этом атмосферное давление действует на упругую металлическую часть 21 электродного вывода через наружный покровный материал так, что упругая металлическая часть 21 электродного вывода становится плоской. При этом периферийный край упругой металлической части 21 может врезаться в слой полимерной пленки наружного покровного материала или ему подобный, тем самым повреждая слой полимерной пленки.

[0062] Следовательно, в данном варианте реализации упругая металлическая часть 21 электродного вывода выполнена такой формы, что, когда к ней не прилагается внешняя сила, поверхность 21а периферийного края располагается в одной плоскости. При такой структуре по меньшей мере поверхность 21а периферийного края упругой металлической части 21 электродного вывода всегда контактирует с наружным покровным материалом 30. Следовательно, в процессе производства биполярной батареи по данному изобретению может быть предотвращено повреждение периферийным краем упругой металлической части 21 слоя полимерной пленки наружного покровного материала.

Четвертый вариант реализации

[0063] ФИГ. 6 является видом, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в четвертом варианте реализации биполярной батареи по данному изобретению, причем ФИГ. 6(А) является видом в перспективе упругой металлической части электродного вывода, а ФИГ. 6(В) является видом в сечении В-В по ФИГ. 6(А).

[0064] На периферийном крае упругой металлической части 21 электродного вывода по данному изобретению предусмотрен покрытый изолирующей смолой участок 21b.

[0065] При такой структуре по меньшей мере этот покрытый изолирующей смолой участок 21b упругой металлической части 21 электродного вывода всегда контактирует с наружным покровным материалом 30. Следовательно, в процессе производства биполярной батареи по данному изобретению можно предотвратить повреждение периферийным краем упругой металлической части 21 слоя полимерной пленки наружного покровного материала. Кроме того, даже если слой полимерной пленки наружного покровного материала поврежден, покрытый изолирующей смолой участок 21b предотвращает короткое замыкание между слоем металла наружного покровного материала и упругой металлической частью 21 электродного вывода.

Пятый вариант реализации

[0066] ФИГ. 7 является видом, изображающим пятый вариант реализации биполярной батареи по данному изобретению, причем ФИГ. 7(А) является видом в продольном разрезе, показывающим собранное состояние, ФИГ. 7(В) является видом сверху, показывающим биполярный электрод и уплотнение на его периферии, и ФИГ. 7(С) является видом в сечении, изображающим упругую металлическую часть электродного вывода в состоянии, при котором к ней не прилагается внешняя сила.

[0067] В биполярной батарее 1 согласно данному варианту реализации область генерации электроэнергии генерирующего электроэнергию элемента 10 разделена на множество областей. Более конкретно, как изображено на ФИГ. 7(А) и 7(В), положительный электрод 112 и отрицательный электрод 113 разделены надвое, так что область генерации электроэнергии сформирована в двух местах.

[0068] Как изображено на ФИГ. 7(С), упругая металлическая часть 21 электродного вывода сформирована выпирающей ближе к окрестности соответствующих центров областей генерации электроэнергии генерирующего электроэнергию элемента 10, когда к ней не прилагается внешняя сила. Кроме того, упругая металлическая часть 21 выполнена такой формы, что поверхность 21а периферийного края и центральная поверхность 21с расположены в одной плоскости.

[0069] В собранном состоянии, как изображено на ФИГ. 7(А), соответствующие области генерации электроэнергии генерирующего электроэнергию элемента 10 находятся под действием постоянно большей сжимающей силы от упругой металлической части 21 в направлении центра. Другими словами, упругая металлическая часть 21 постоянно прижимает генерирующий электроэнергию элемент 10 более сильно в направлении соответствующих центров областей генерации электроэнергии. Соответственно, газ, выделившийся в слое электролита, легко перемещается к периферийной области (области, в которой электроды не сформированы), где сжимающая сила мала. В этой области изначально не протекает ток, и поэтому газ не накапливается, вызывая проблемы.

[0070] Это изобретение не ограничено описанными выше вариантами реализации и может быть подвергнуто различным изменениям и модификациям в рамках его технической идеи, причем такие изменения и модификации, конечно же, включены в технический объем данного изобретения.

[0071] Как изображено на ФИГ. 8, например, концевой участок упругой металлической части 21 может быть закручен. Аналогично, в данном случае можно предотвратить повреждение периферийным концом упругой металлической части 21 слоя полимерной пленки наружного покровного материала в процессе производства биполярной батареи.

[0072] Кроме того, в пятом варианте реализации положительный электрод 112 и отрицательный электрод 113 разделены надвое, так что область генерации электроэнергии сформирована в двух местах. Упругая металлическая часть 21 электродного вывода тогда сформирована выпирающей в направлении окрестности соответствующих центров областей генерации электроэнергии генерирующего электроэнергию элемента 10, когда к ней не прилагается внешняя сила. Однако, как изображено на ФИГ. 9, область генерации электроэнергии может быть сформирована в одном месте, в то время как упругая металлическая часть 21 электродного вывода сформирована выпирающей в двух местах. Аналогично, при такой конфигурации, когда возникает причина нарушения нормального режима работы, такая как внешнее короткое замыкание, приводящее к чрезмерному росту температуры генерирующего электроэнергию элемента 10, так что электролит (раствор электролита) газифицируется, упругая металлическая часть 21 деформируется, как изображено на ФИГ. 9(В). В результате ток протекает только вблизи выпирающей формы, и поэтому величина тока ограничена, так что протекание избыточного тока предотвращается.

[0073] Кроме того, в вышеприведенных вариантах реализации упругая металлическая часть 21 сформирована выпирающей вниз в точке вблизи ее центра, когда к ней не прилагается внешняя сила. Тем не менее, упругая металлическая часть 21 может быть сформирована выпирающей в виде линии.

[0074] Более того, в вышеприведенных вариантах реализации упругая металлическая часть 21 описана как часть электродного вывода 20. Выполняя упругую металлическую часть 21 заодно таким образом, предотвращают увеличение числа конструктивных элементов, что является преимущественным с точки зрения массового производства. Тем не менее, электродный вывод 20 может быть предусмотрен как отдельный конструктивный элемент.

[0075] Кроме того, батарея не ограничена заряжаемой вторичной батареей и может быть первичной батареей, которую нельзя заряжать.

[0076] Более того, описанные выше варианты реализации могут быть соответствующим образом скомбинированы.

[0077] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке на японский патент № 2010-166858, поданной в патентное ведомство Японии 26 июля 2010 г. Содержание этой заявки включено сюда по ссылке во всей своей полноте.

Изобретение относится к биполярным батареям. Технический результат - ограничение величины тока при выделении газа. Биполярная батарея включает в себя: генерирующий электроэнергию элемент, сформированный путем укладки стопкой множества биполярных электродов, в которых электродный слой сформирован на передней и задней сторонах токоотвода, через слой электролита; упругую металлическую часть, предусмотренную в контакте с генерирующим электроэнергию элементом так, чтобы она контактировала с генерирующим электроэнергию элементом в точечном или линейном контакте, когда к ней не прилагается внешняя сила, и контактировала с генерирующим электроэнергию элементом в поверхностном контакте, когда к ней прилагается внешняя сила; и наружный покровный материал, предусмотренный для вмещения в себя генерирующего электроэнергию элемента и упругой металлической части, внутреннее давление которого устанавливается меньшим, чем атмосферное давление, так что упругая металлическая часть вынуждена контактировать с генерирующим электроэнергию элементом в поверхностном контакте за счет разницы давлений между внутренним давлением и атмосферным давлением.2 н.п. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Биполярная батарея, содержащая:
генерирующий электроэнергию элемент (10), сформированный путем укладки стопкой множества биполярных электродов (11), в которых электродный слой (112, 113) сформирован на передней и задней сторонах токоотвода (111), через слой (12) электролита;
упругую металлическую часть (21), предусмотренную в контакте с генерирующим электроэнергию элементом (10) так, чтобы она контактировала с генерирующим электроэнергию элементом (10) в точечном или линейном контакте, когда к ней не прилагается внешняя сила, и контактировала с генерирующим электроэнергию элементом (10) в поверхностном контакте, когда к ней прилагается внешняя сила; и
наружный покровный материал (30), предусмотренный для вмещения в себя генерирующего электроэнергию элемента (10) и упругой металлической части (21), внутреннее давление которого устанавливается меньшим, чем атмосферное давление, так что упругая металлическая часть (21) вынуждена контактировать с генерирующим электроэнергию элементом (10) в поверхностном контакте за счет разницы давлений между внутренним давлением и атмосферным давлением.

2. Биполярная батарея по п.1,
при этом упругая металлическая часть (21) выпирает в направлении генерирующего электроэнергию элемента (10), когда к ней не прилагается внешняя сила, и контактирует с генерирующим электроэнергию элементом (10) в поверхностном контакте, когда к ней прилагается внешняя сила.

3. Биполярная батарея по п.1 или 2,
при этом генерирующий электроэнергию элемент (10) включает в себя область генерации электроэнергии, разделенную на множество областей, и
упругая металлическая часть (21) выпирает в направлении соответствующих областей генерации электроэнергии генерирующего электроэнергию элемента (10), когда к ней не прилагается внешняя сила, и контактирует с генерирующим электроэнергию элементом (10) в поверхностном контакте, когда к ней прилагается внешняя сила.

4. Биполярная батарея по п.1 или 2,
при этом упругая металлическая часть (21) является частью электродного вывода (20) для отвода электроэнергии, генерируемой генерирующим электроэнергию элементом (10), к внешней стороне наружного покровного материала (30).

5. Биполярная батарея по п.1 или 2,
при этом упругая металлическая часть (21) выполнена такой формы, что, когда к ней не прилагается внешняя сила, поверхность ее периферийного края расположена в одной плоскости.

6. Биполярная батарея по п. 1 или 2,
при этом периферийный край упругой металлической части (21) закручен так, чтобы отделяться от наружного покровного материала (30).

7. Биполярная батарея по п.1 или 2,
при этом упругая металлическая часть (21) дополнительно содержит покрытый изолирующей смолой участок, предусмотренный на периферийном краю.

8. Биполярная батарея, содержащая:
генерирующий электроэнергию элемент (10), сформированный путем укладки стопкой множества биполярных электродов, в которых электродный слой сформирован на передней и задней сторонах токоотвода, через слой электролита;
упругую металлическую часть (21), предусмотренную для контакта с генерирующим электроэнергию элементом (10) так, чтобы постоянно прижимать генерирующий электроэнергию элемент (10) более сильно в направлении окрестности центра генерирующего электроэнергию элемента (10); и
наружный покровный материал (30), предусмотренный для вмещения в себя генерирующего электроэнергию элемента (10) и упругой металлической части (21).