バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)とは?メリットとデメリット

バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)とは?

 

こちらのページでは電池の基礎的な用語である

 

・バイポーラ電池、バイポーラ電極とは?

 

・バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)のメリットは?

 

という言葉について解説しています。

 

 

バイポーラ電池、バイポーラ電極とは?

 

電池の分野におけるバイポーラ電極とは、bi:二つの、polar:極のという直訳から転じて、一つの集電箔の表と裏に正極用の合剤スラリーと負極用の合剤スラリーを塗工、乾燥した電極のことを指します。

 

通常の電池(特にリチウムイオン電池)の電極を作る場合、正極には集電箔としてアルミニウムを使用し、その両面に正極活物質(コバルト酸リチウムリン酸鉄リチウムなど)、導電助剤やバインダーなどを含んだ合剤を塗工、乾燥します。

 

同様に、負極には集電箔として銅を使用し、その両面に負極活物質(黒鉛チタン酸リチウムなど)やバインダーなどを含んだ合剤を塗工、乾燥します。

 

つまり一般的なリチウムイオン電池の電極は、一つの集電箔に一種類の極用のスラリーを塗工、乾燥させたものであるのに対して、バイポーラ電池の電極は一つの集電箔に正・負極両方の合剤スラリーを塗工、乾燥した電極であると言えます

 

 

 

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バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)のメリットは?

 

バイポーラ電池の大きなメリットは内部抵抗を非常に小さくすることができ、作動電圧、出力を大きくできることです。

 

この理由は電極の構造に由来します。

 

まず、通常の電極使用の電池の構造を考えていきましょう。

 

わかりやすく、ラミネート型電池などで多く採用される積層式にてエレメントを作製しているとします

 

そして、電流の通過イメージを下記に示します。

 

正極と負極が1枚-1枚で対向する部分において、合剤が塗工されている面積分で反応が起こり電流が流れた後、1枚-1枚ごとに基材の厚み方向とは垂直な方向に電流が流れるため、この部分の断面積が基材の厚み×奥行き程度となり、非常に小さくなります。

 

電気抵抗は断面積に反比例しますので、結果として内部抵抗が大きくなるという具合です。

 

 

 

これに対してバイポーラ電池では正・負極が交互に並ぶため、上図のように塗工部の面積分の方向も電流の通過経路となります。

 

そのため、通常の電池と比べて電流の通過経路の面積が非常に大きくなるため、内部抵抗を小さくできることが、バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)のメリットです。

 

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バイポーラ電池(バイポーラ電極使用電池)のデメリットは?

 

バイポーラ電池では、正極1枚-負極1枚のミニ電池が直列でつながったものとも考えられため、一つのエレメント内でも電圧に大きな分布が出来ます。

 

すると、充電時、電位が高い位置にある正極から対向する負極へリチウムイオンが移動するはずが、より低い電位に位置する離れた負極に移動し電析が発生する場合が多々あり、電池として機能しなくなることがあることがデメリットの一つです

 

電析が発生しないようにするためには、固体電解質やゲル状の電解質を使用することや、液体の電解質を使用する場合は電極周りに電気絶縁性がある液体を添加し、Liの電析を防ぐ方法などがあります。

 

ただし、固体電解質やゲル状電解質では液体電解質よりLiイオンの移動抵抗が大きくなります。

 

また、電気絶縁性のある液体の添加ではこの液体自体が移動してしまうことにより、Liの電析が防げない場合があります。

 

 

 

また、一般的な電池の正極にアルミニウムの集電箔、負極に銅の集電箔を使用することが一般的ですが、これは電気的な特性により採用されています。

 

バイポーラ電池では正・負極両方の電位に耐えうるSUS箔等を使用する必要があり、コストが上がることなどもデメリットの一つと言えるでしょう。

 

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