CN111463437A - 全固体电池 - Google Patents

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CN111463437A CN202010040722.5A CN202010040722A CN111463437A CN 111463437 A CN111463437 A CN 111463437A CN 202010040722 A CN202010040722 A CN 202010040722A CN 111463437 A CN111463437 A CN 111463437A
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Abstract

本发明涉及全固体电池。本发明的目的在于提供能够抑制短路的发生的层叠型全固体电池。所述全固体电池的特征在于,负极层的宽度大于正极层的宽度,负极集电器层在电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,正极集电器层在电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,电池层叠体在与具有负极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含所述负极集电器层突出部的侧面的边缘部、或者与具有正极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含所述正极集电器层突出部的侧面的边缘部中的至少任一者的两侧面的边缘部具有由树脂构成的侧面固定部。

Description

全固体电池
技术领域
本公开涉及全固体电池。
背景技术
随着近年来的个人电脑、摄像机和手机等信息相关设备、通信设备等的快速普及,用作其电源的电池的开发受到重视。另外,在汽车产业界等中,也在进行电动汽车用或混合动力汽车用高输出功率且高容量的电池的开发。
在全固体电池中,全固体锂离子电池在由于利用伴随锂离子迁移的电池反应因此能量密度高这一点,另外,在使用固体电解质代替包含有机溶剂的电解液作为夹设在正极与负极之间的电解质这一点上受到关注。
在专利文献1中记载了用树脂覆盖包含铝箔的正极箔。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2014-238915号公报
发明内容
发明所要解决的问题
层叠多个电池单元而成的层叠型全固体电池存在将一组集电器层突出部集束时在电极层和固体电解质层的内部产生裂纹、全固体电池发生短路的风险。
鉴于上述实际情况,本公开的目的在于提供能够抑制短路发生的层叠型全固体电池。
用于解决问题的手段
本公开中,作为第一实施方式,提供一种全固体电池,具备层叠两个以上电池单元而成的电池层叠体,所述电池单元具备包含正极集电器层和正极层的正极、包含负极集电器层和负极层的负极、以及配置在该正极层和该负极层之间的固体电解质层,其特征在于,
所述负极层的宽度大于所述正极层的宽度,
所述负极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,
所述正极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,
所述电池层叠体在与具有所述负极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含该负极集电器层突出部的侧面的边缘部、或者与具有所述正极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含该正极集电器层突出部的侧面的边缘部中的至少任一者的所述两侧面的该边缘部具有由树脂构成的侧面固定部。
作为本公开的第二实施方式,在全固体电池中,对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,该一组集电器层的一组突出部之中,至少一个突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部。
作为本公开的第三实施方式,在全固体电池中,对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,该一组集电器层的一组突出部之中,在所述电池层叠体的层叠方向对置的至少两个突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部,该至少两个突出部经由该集电器层胶粘部以能够以该区域为起点弯折的方式进行胶粘。
本公开中,作为第四实施方式,提供一种全固体电池,具备层叠两个以上电池单元而成的电池层叠体,所述电池单元具备包含正极集电器层和正极层的正极、包含负极集电器层和负极层的负极、以及配置在该正极层和该负极层之间的固体电解质层,其特征在于,
所述负极层的宽度大于所述正极层的宽度,
所述负极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,
所述正极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,
对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,该一组集电器层的一组突出部之中,在所述电池层叠体的层叠方向对置的至少两个突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部,该至少两个突出部经由该集电器层胶粘部以能够以该区域为起点弯折的方式进行胶粘。
发明效果
本公开能够提供能够抑制短路的发生的层叠型全固体电池。
附图说明
图1为表示本公开的电池单元的一例的截面示意图。
图2为表示本公开的全固体电池的第一实施方式的一例的截面示意图。
图3为表示从层叠方向俯视全固体电池100时的一例的俯视示意图。
图4为表示本公开的全固体电池的第二实施方式的一例的截面示意图。
图5为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的一例的俯视示意图。
图6为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的另一例的俯视示意图。
图7为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的另一例的俯视示意图。
图8为表示本公开的全固体电池的第四实施方式的一例的截面示意图。
图9为表示从层叠方向俯视全固体电池300时的一例的俯视示意图。
图10为表示从层叠方向俯视全固体电池300时的另一例的俯视示意图。
附图标记
10正极集电器层
11正极层
12正极
13负极集电器层
14负极层
15负极
16固体电解质层
17负极集电器层突出部
18正极集电器层突出部
19侧面固定部
21集束部
22集电器层增强部
23集电器层胶粘部
30边缘部
50电池单元
60电池层叠体
100全固体电池
200全固体电池
300全固体电池
L面方向
W集电器层突出部的弯折起点
具体实施方式
本公开中,作为第一实施方式,提供一种全固体电池,具备层叠两个以上电池单元而成的电池层叠体,所述电池单元具备包含正极集电器层和正极层的正极、包含负极集电器层和负极层的负极、以及配置在该正极层和该负极层之间的固体电解质层,其特征在于,
所述负极层的宽度大于所述正极层的宽度,
所述负极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,
所述正极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,
所述电池层叠体在与具有所述负极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含该负极集电器层突出部的侧面的边缘部、或者与具有所述正极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含该正极集电器层突出部的侧面的边缘部中的至少任一者的该两侧面的该边缘部具有由树脂构成的侧面固定部。
在层叠型全固体电池中,为了将集电端子安装于正极集电器层和负极集电器层,在将集电器层集束的状态下将端子接合于集电器层,但是由于该集束时施加于集电器层的张力,存在在集电器层附近的电极层、固体电解质层产生裂纹、全固体电池发生短路的风险。
另外,也可以设想,即使在电池制造时不形成短路,由于在车辆中的使用时的振动等经由端子向集电器层附近的部分传递负载,全固体电池也发生短路。
本研究者发现,通过在包含集电器层突出部的电池层叠体的侧面的预定位置形成侧面固定部、和/或在该集电器层突出部的成为弯折部的位置形成集电器层胶粘部,从而以对电极层和固体电解质层不施加负载的方式形成集电器层突出部的弯曲状态,由此能够抑制全固体电池的短路的发生、投入市场后的全固体电池的不良情况的发生。
以下,在参照附图的同时,对用于实施本公开的方式详细说明。
需要说明的是,为了便于说明,在各图中对相同或者相应的部分附上相同的参照标记,省略重复说明。实施方式的各构成要素不限于全部为必须要素的情况,有时也可能省略一部分构成要素。但是,在以下图中所示的方式为本公开的例示,并不限定本公开。
图1为表示本公开的全固体电池所具备的电池单元的一例的截面示意图。
如图1所示,电池单元50具备:包含正极集电器层10和正极层11的正极12、包含负极集电器层13和负极层14的负极15、以及配置在正极层11与负极层14之间的固体电解质层16。
如图1所示,电池单元50的正极层11的面方向L的宽度小于负极层14的面方向L的宽度。由此,能够抑制成为电荷载流子的锂离子等金属离子的枝晶的产生。
[集电器层突出部]
如图1所示,负极集电器层13在电池单元50的侧面具有沿面方向L突出的负极集电器层突出部17,正极集电器层10在电池单元50的与负极集电器层突出部17突出的侧面相反侧的侧面具有沿面方向L突出的正极集电器层突出部18。需要说明的是,正极集电器层突出部18突出的侧面可以为任意的侧面,可以与负极集电器层突出部17突出的侧面相同,但是在该情况下,优选在俯视下彼此不重叠的位置突出,使得容易将各自的集电器层突出部集束。
(1)第一实施方式
图2为表示本公开的全固体电池的第一实施方式的一例的截面示意图。
如图2所示,全固体电池100具有将多个由被点划线包围的区域表示的电池单元50层叠而成的电池层叠体60。相邻的电池单元50的正极集电器层10或者负极集电器层13为各自的电池单元50所共有。需要说明的是,在图2中,省略了正极集电器层突出部18的记载。另外,图2中的由“…”表示的部分省略电池单元50的记载而示出。后述的图4、图8中所示的“…”也相同。
如图2所示,负极集电器层突出部17的前端在集束部21处集束。
需要说明的是,全固体电池100所具有的电池单元50的个数可以至少为2个,例如可以设定为2个以上且50个以下。后述的其它实施方式的全固体电池所具有的电池单元50的个数也与全固体电池100同样。
[侧面固定部]
图3为从层叠方向俯视图2的全固体电池100而得到的俯视示意图。
如图3所示,在全固体电池100的与具有负极集电器层突出部17的侧面相邻的两侧面的包含该负极集电器层突出部17的侧面的边缘部30具有由树脂构成的侧面固定部19。点划线W表示集束时的负极集电器层突出部17的弯曲方式(弯折起点)。图3所示的侧面固定部19配置在作为边缘部30的、负极层14的侧面的配置有负极集电器层突出部17一侧的边缘的位置、固体电解质层16的侧面的配置有负极集电器层突出部17一侧的边缘的位置、以及负极集电器层突出部17的侧面的突出起点附近的位置,在本公开中,从抑制全固体电池的短路的发生的观点考虑,优选还在正极集电器层10和正极层11的侧面的配置有负极集电器层突出部17一侧的边缘的位置也配置有侧面固定部19。对于后述的图5~图7中所示的侧面固定部19也是同样。
如图3所示,从抑制成为电荷载流子的锂离子等金属离子的枝晶的产生的观点考虑,全固体电池100优选在从层叠方向俯视该全固体电池100时,正极层11层叠在负极层14的内侧。
通过具有侧面固定部19,能够降低施加于正极层11、负极层14以及固体电解质层16的应力,抑制它们的裂纹的产生,能够抑制全固体电池100的短路的发生。
需要说明的是,可以在全固体电池100的与具有负极集电器层突出部17的侧面相邻的两侧面的包含该负极集电器层突出部17的侧面的边缘部30、或者与具有正极集电器层突出部18的侧面相邻的两侧面的包含该正极集电器层突出部18的侧面的边缘部中的至少任一者的该两侧面的该边缘部具有侧面固定部19。
另外,从进一步抑制全固体电池100的短路的发生的观点考虑,优选在该全固体电池100的与具有负极集电器层突出部17的侧面相邻的两侧面的包含该负极集电器层突出部17的侧面的边缘部30、以及与具有正极集电器层突出部18的侧面相邻的两侧面的包含该正极集电器层突出部18的侧面的边缘部这两者处具有侧面固定部19。
用于侧面固定部19的树脂可以列举以往公知的热熔剂、热固性树脂、热塑性树脂以及紫外线固化性树脂等。树脂的硬度没有特别限制,优选为5MPa以上。
侧面固定部19可以为由该树脂构成的薄板、在该树脂的表面配置粘合剂而成的硬带等。
侧面固定部19的配置方法没有特别限制,可以列举在形成电池层叠体60之后在该侧面涂布树脂并使该树脂固化等的方法。树脂的涂布方法没有特别限制,可以列举喷涂法、刮刀法等各种涂布方法。
需要说明的是,作为配置侧面固定部19的电池层叠体60的边缘部所包含的具体位置可以包括:电池层叠体60的层叠侧面中的与具有集电器层突出部的侧面相邻的侧面之中,负极层14的侧面的配置有集电器层突出部一侧的边缘的位置、固体电解质层16的侧面的配置有集电器层突出部一侧的边缘的位置、以及正极集电器层突出部18或者负极集电器层突出部17中的至少任一者的集电器层突出部的侧面的突出起点附近的位置,优选根据需要包括正极集电器层10和正极层11的侧面的配置有集电器层突出部一侧的边缘的位置。
另外,侧面固定部19可以配置在至少上述边缘部,也可以配置在与电池层叠体60具有集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的正极集电器层10、正极层11、负极集电器层13、负极层14以及固体电解质层16的整体,从提高全固体电池的能量密度的观点考虑,优选仅在上述边缘部配置侧面固定部19。
通过侧面固定部19固定电池层叠体60的侧面的边缘部,以使得在集电器层突出部集束时集电器层突出部被弯折的位置成为集电器层突出部的预定位置的方式进行控制,并且以不使集电器层突出部移动的方式进行约束,由此成为不向电极层、固体电解质层的内部施加弯曲应力的结构,能够抑制全固体电池的短路的发生。
(2)第二实施方式
[集电器层增强部]
图4为表示本公开的全固体电池的第二实施方式的一例的截面示意图。
图4所示的全固体电池200除了具有图2所示的全固体电池100的构成以外,一组负极集电器层突出部17还在该突出部的预定区域的至少一部分配置有由增强材料增强的集电器层增强部22。
作为增强材料,可以使用与用于侧面固定部的材料相同的材料。
预定区域是集电器层突出部的集束时的成为弯折起点的区域,可以根据集电器层突出部的面方向的长度,适当调节成在负极层14、固体电解质层16等中不易产生裂纹的位置。
作为本公开的第二实施方式,在全固体电池200中,对于一组负极集电器层13或者一组正极集电器层10中的至少任一者的一组集电器层,该一组集电器层的一组突出部之中,至少一个突出部可以在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22。
另外,一组集电器层的一组突出部之中,至少一个突出部可以在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22,但是从进一步抑制全固体电池200的短路的观点考虑,优选所有突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22。
此外,从进一步抑制全固体电池200的短路的观点考虑,优选一组负极集电器层突出部17的各突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22,并且一组正极集电器层突出部18的各突出部在该突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22。
图5为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的一例的俯视示意图。
全固体电池200可以在突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部22,但是如图5所示,从进一步抑制全固体电池200的短路的发生的观点考虑,优选沿着集电器层的集束时的弯折起点W,至少在成为弯折起点W的区域的两端和中央部配置集电器层增强部22,使得其成为自面方向的中心线的对称结构。
图6为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的另一例的俯视示意图。
如图6所示,从进一步抑制全固体电池200的短路的观点考虑,特别优选沿着集电器层的集束时的弯折起点W,在突出部的成为弯折起点W的所有区域配置集电器层增强部22。
与其它层相比,集电器层通常厚度较薄、弹性较低,因此以集电器层突出部的中央附近向内侧稍微弯曲的形状进行集束。
在第一实施方式的情况下,虽然满足作为电池的功能,但是需要考虑集电器层突出部的弯曲而在集电器层突出部侧较长地设置侧面固定部19,降低了电池的能量密度。
另一方面,在第二实施方式的情况下,通过在第一实施方式的侧面固定部19的基础上、还在集电器层突出部的预定位置设置集电器层增强部22,能够减少集束时的集电器层突出部的弯曲量,能够进一步抑制全固体电池的短路的发生。另外,能够减少侧面固定部19的使用量,能够提高全固体电池的能量密度。
(3)第三实施方式
[集电器层胶粘部]
使用图7来说明本公开的全固体电池的第三实施方式。
图7为表示从层叠方向俯视全固体电池200时的另一例的俯视示意图。图7为表示设置集电器层胶粘部23来代替集电器层增强部22的情况的一例的图。将在下文中对集电器层胶粘部23进行说明。
通过集电器层胶粘部23以使得在集束时集电器层弯曲的位置成为集电器层突出部的方式进行控制,并且通过侧面固定部19以不使集电器层突出部移动的方式进行约束,由此形成不易向正极层11、负极层14、固体电解质层16的内部施加弯曲应力的结构,能够确保全固体电池的绝缘保证的可靠性。图7所示的全固体电池200为通过在集电器层突出部的预定区域设置的集电器层胶粘部23而将集电器层彼此固定从而将此处作为弯折起点W进行集束的结构。
在第三实施方式中,通过在第一实施方式的侧面固定部19的基础上、还在集电器层突出部的预定位置设置集电器层胶粘部23,能够减少集束时的集电器层突出部的弯曲量,能够进一步抑制全固体电池的短路的发生。另外,能够减少侧面固定部19的使用量,能够提高全固体电池的能量密度。
(4)第四实施方式
图8为表示本公开的全固体电池的第四实施方式的一例的截面示意图。
图8所示的全固体电池300除了不具有侧面固定部19而替代性地具有集电器层胶粘部23以外,与图2所示的全固体电池100相同。需要说明的是,在图8中示出了负极集电器层突出部17集束前的状态的电池。另外,在图8中,由实线包围的部分表示成为集电器层突出部的弯折起点的区域。
作为本公开的第四实施方式,在全固体电池300中,对于一组所述负极集电器层13或者一组所述正极集电器层10中的至少任一者的一组集电器层,该一组集电器层的一组突出部之中,在所述电池层叠体60的层叠方向对置的至少两个突出部可以在该突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部,并且该至少两个突出部经由该集电器层胶粘部以能够以该区域为起点弯折的方式进行胶粘。
本公开的全固体电池300中,可以是至少两个突出部经由集电器层胶粘部以能够以预定区域为起点弯折的方式进行胶粘,例如,在负极集电器层突出部17为五个的情况下,可以是至少两个负极集电器层突出部17经由集电器层胶粘部23胶粘,可以是仅层叠方向的正中间的一个负极集电器层突出部不胶粘、而剩余的四个负极集电器层突出部17中对置的两个负极集电器层突出部17彼此互相被胶粘,也可以是五个负极集电器层突出部17全部被胶粘。
在第四实施方式中,通过在集电器层突出部的预定位置设置集电器层胶粘部23从而减少集束时的集电器层突出部的弯曲量,由此能够抑制集束时的正极层11、负极层14以及固体电解质层16等的裂纹,能够抑制全固体电池的短路的发生,在不具有侧面固定部这方面,与第一实施方式~第三实施方式相比,能够提高全固体电池的能量密度。
图9为表示从层叠方向俯视全固体电池300时的一例的俯视示意图。
全固体电池300可以在集电器层突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部23。
集电器层胶粘部23配置在集电器层突出部的集束时成为弯折起点的区域的至少一部分即可,也可以在集电器层突出部的侧面具有集电器层胶粘部23。
如图9所示,从进一步抑制全固体电池的短路的发生的观点考虑,优选沿着集电器层的集束时的弯折起点W,至少在集电器层突出部的单侧表面的成为弯折起点W的区域的两端和中央部配置集电器层胶粘部23,使得其成为自面方向的中心线的对称结构。
图10为表示从层叠方向俯视全固体电池300时的另一例的俯视示意图。
如图10所示,从进一步抑制全固体电池300的短路的观点考虑,特别优选沿着集电器层的集束时的弯折起点W,在集电器层突出部的至少单侧表面的成为弯折起点W的所有区域配置有集电器层胶粘部23。
作为用于集电器层胶粘部23的胶粘剂,可以使用以往公知的胶粘剂、粘合剂,也可以使用用于侧面固定部的树脂等。
集电器层胶粘部23的配置方法没有特别限制,从提高作业效率的观点考虑,可以在集电器层突出部的集束前,使用分配器等将胶粘剂一片一片地涂布在集电器层突出部。另外,也可以将表面涂布有胶粘剂的带等粘贴在集电器层突出部的预定区域。集电器层胶粘部23可以在电池层叠体60的制作后配置,也可以在电池层叠体60的制作前预先配置在集电器层突出部的预定区域。
[正极]
正极具有正极层和正极集电器层。
[正极层]
正极层包含正极活性材料,也可以包含作为可选成分的固体电解质、导电材料和粘合剂等。
作为正极活性材料,例如可以列举由通式LixMyOz(M为过渡金属元素,x=0.02~2.2,y=1~2,z=1.4~4)表示的正极活性材料。在上述通式中,M可以列举选自由Co、Mn、Ni、V、Fe以及Si构成的组中的至少一种,也可以为选自由Co、Ni以及Mn构成的组中的至少一种。作为这样的正极活性材料,具体而言,可以列举LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/ 3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等。
另外,作为除了上述通式LixMyOz以外的正极活性材料,可以列举:钛酸锂(例如Li4Ti5O12)、锂金属磷酸盐(LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4)、过渡金属氧化物(V2O5、MoO3)、TiS2、LiCoN、Si、SiO2、Li2SiO3、Li4SiO4以及锂存储性金属间化合物(例如Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Sb、Cu3Sb)等。
正极活性材料的形状没有特别限制,可以为粒子状。
在正极活性材料的表面也可以形成含有Li离子传导性氧化物的涂层。这是因为能够抑制正极活性材料与固体电解质的反应。
作为Li离子传导性氧化物,例如可以列举LiNbO3、Li4Ti5O12以及Li3PO4等。
正极层中的正极活性材料的含量没有特别限制,例如可以在10质量%~100质量%的范围内。
在正极层中使用的固体电解质可以列举与在后述的固体电解质层中使用的固体电解质相同的物质。正极层中的固体电解质的含有比例没有特别限制。
作为导电材料,可以使用公知的导电材料,例如可以列举碳材料和金属粒子等。作为碳材料,例如可以列举选自由乙炔黑、炉黑等炭黑、碳纳米管以及碳纳米纤维构成的组中的至少一种,其中,从电子传导性的观点出发,优选选自由碳纳米管和碳纳米纤维构成的组中的至少一种。该碳纳米管和碳纳米纤维可以为VGCF(气相生长碳纤维)。作为金属粒子,可以列举Al、Ni、Cu、Fe以及SUS等的粒子。
正极层中的导电材料的含量没有特别限制。
作为粘合剂,例如可以列举:丁二烯橡胶、氢化丁二烯橡胶、丁苯橡胶(SBR)、氢化丁苯橡胶、丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶以及乙丙橡胶等橡胶类粘合剂;聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚偏二氟乙烯-聚六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯以及含氟橡胶等氟化物类粘合剂;聚乙烯、聚丙烯以及聚苯乙烯等聚烯烃类热塑性树脂;聚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺等酰亚胺类树脂;聚酰胺等酰胺类树脂;聚丙烯酸甲酯和聚丙烯酸乙酯等丙烯酸类树脂;聚甲基丙烯酸甲酯以及聚甲基丙烯酸乙酯等甲基丙烯酸类树脂等。正极层中的粘合剂的含量没有特别限制。
正极层例如可以通过如下方式得到:通过将正极活性材料以及根据需要的导电材料、粘合剂等投入溶剂中并进行搅拌,由此制作正极层用浆料,将该浆料涂布在支撑体的一面上并使其干燥。
溶剂例如可以列举乙酸丁酯、丁酸丁酯、庚烷以及N-甲基-2-吡咯烷酮等。
在支撑体的一面上涂布正极层用浆料的方法没有特别限制,可以列举:刮刀法、金属掩模印刷法、静电涂布法、浸涂法、喷涂法、辊涂法、凹版涂布法以及丝网印刷法等。
另外,作为正极层的形成方法的其它方法,也可以通过对包含正极活性材料和根据需要包含的其它成分的正极混合物的粉末进行加压成形而形成正极层。
[正极集电器层]
正极集电器层具有沿面方向突出的正极集电器层突出部。另外,也可以在该正极集电器层突出部上电连接有正极集电极耳。
正极集电器层具有进行正极层的集电的功能,可以适当选择使用可以作为全固体电池的正极集电器使用的公知的正极集电器,没有特别限制。
作为正极集电器层的材料,例如可以列举:SUS、Ni、Cr、Au、Pt、Al、Fe、Ti、Zn等金属材料。
正极集电器层的形态没有特别限制,可以设定为箔状、网眼状等各种形态。另外,正极集电器层的突出部与除其以外的部分的厚度、宽度可以相同也可以不同,可以根据全固体电池的大小等适当设定。另外,正极集电器层突出部的长度没有特别限制,可以适当调节为容易集束的长度。
[涂层]
正极集电器层可以在含有金属的金属箔的表面的至少一部分具有含有Ni、Cr、C(碳)等导电材料的涂层。通过具有涂层,能够抑制在正极集电器层的表面形成钝态覆膜而导致内部电阻增大。
涂层至少含有导电材料,根据需要可以还含有粘合剂等其它成分。作为涂层可以含有的粘合剂,例如可以列举与正极层可以含有的粘合剂相同的粘合剂。另外,涂层也可以为包含导电材料的镀层或者蒸镀层。
作为涂层的具体例,例如可以列举含有15质量%的作为导电材料的C(碳)、还含有85质量%的作为粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVDF)、体积电阻率为10×103Ωcm的碳涂层。
涂层的厚度没有特别限制,从抑制内部电阻的增大的方面考虑,优选为1μm以上且50μm以下,例如可以设定为约10μm。
从容易抑制全固体电池的内部电阻的增大的方面考虑,优选涂层配置在正极集电器层表面上的彼此胶粘的正极集电器层与正极层相互重叠的区域内。
[负极]
负极具有负极层和负极集电器层。
[负极层]
负极层包含负极活性材料,也可以包含作为可选成分的固体电解质、导电材料以及粘合剂等。
作为负极活性材料,可以使用以往公知的材料,例如可以列举:Li单质、锂合金、碳、Si单质、Si合金以及Li4Ti5O12(LTO)等。
作为锂合金,可以列举LiSn、LiSi、LiAl、LiGe、LiSb、LiP以及LiIn等。
作为Si合金,可以列举与Li等金属的合金等,此外,也可以为与选自由Sn、Ge以及Al构成的组中的至少一种金属的合金。
对负极活性材料的形状没有特别限制,例如可以设定为粒子状、薄膜状。
负极活性材料为粒子时的该粒子的平均粒径(D50)例如优选为1nm以上且100μm以下,更优选为10nm以上且30μm以下。
负极层中包含的导电材料、粘合剂、固体电解质可以列举与上述的正极层中包含的导电材料、粘合剂、固体电解质相同的物质。
作为形成负极层的方法没有特别限制,可以列举对包含负极活性材料和根据需要包含的导电材料、粘合剂等其它成分的负极混合物的粉末进行加压成形的方法。另外,作为形成负极层的方法的其它例子,可以列举如下方法等:准备包含负极活性材料、溶剂和根据需要包含的导电材料、粘合剂等其它成分的负极层用浆料,将该负极层用浆料涂布在支撑体的一面上,使该负极层用浆料干燥。用于负极层用浆料的溶剂可以列举与用于正极层用浆料的溶剂相同的溶剂。在支撑体的一面上涂布负极用浆料的方法可以列举与涂布正极用浆料的方法相同的方法。
[负极集电器层]
负极集电器层具有沿面方向突出的负极集电器层突出部。另外,也可以在该负极集电器层突出部上电连接有负极集电极耳。
负极集电器层具有进行负极层的集电的功能,可以适当选择使用可以作为全固体电池的负极集电器使用的公知的负极集电器层,没有特别限制。
作为负极集电器层的材料,例如可以列举SUS、Cu、Ni、Fe、Ti、Co、Zn等金属材料。
负极集电器层的形态没有特别限制,可以设定为与上述正极集电器层相同的形态。另外,负极集电器层的突出部与除其以外的部分的厚度、宽度可以相同也可以不同,可以根据全固体电池的大小等适当设定。另外,负极集电器层突出部的长度没有特别限制,可以适当调节为容易集束的长度。
[固体电解质层]
固体电解质层至少包含固体电解质。
固体电解质可以列举硫化物类固体电解质和氧化物类固体电解质等。
作为硫化物类固体电解质,例如可以列举:Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiX-Li2S-SiS2、LiX-Li2S-P2S5、LiX-Li2O-Li2S-P2S5、LiX-Li2S-P2O5、LiX-Li3PO4-P2S5和Li3PS4等。需要说明的是,上述“Li2S-P2S5”的记载是指使用包含Li2S和P2S5的原料组合物形成的材料,对其它的记载也是同样。另外,上述LiX的“X”表示卤族元素。在包含上述LiX的原料组合物中可以包含一种或者两种以上的LiX。在包含两种以上的LiX的情况下,两种以上的混合比率没有特别限制。
作为硫化物类固体电解质,例如可以列举混合Li2S和P2S5使得Li2S与P2S5的质量比(Li2S/P2S5)为0.5以上而制作的硫化物类固体电解质。另外,从使离子传导性良好的方面出发,可以优选使用混合Li2S和P2S5使得以质量比计Li2S:P2S5为70:30而制作的硫化物类固体电解质。
硫化物类固体电解质中的各元素的摩尔比可以通过调节原料中的各元素的含量来进行控制。另外,硫化物类固体电解质中的各元素的摩尔比、组成例如可以通过ICP发射光谱分析法进行测定。
硫化物类固体电解质可以为玻璃,可以为晶体,也可以为具有结晶性的玻璃陶瓷。
硫化物类固体电解质的晶体状态例如可以通过对硫化物类固体电解质进行使用了CuKα射线的粉末X射线衍射测定来确认。
玻璃可以通过对原料组合物(例如Li2S和P2S5的混合物)进行非晶质处理而得到。作为非晶质处理,例如可以列举机械研磨。机械研磨可以为干式机械研磨,也可以为湿式机械研磨,优选后者。这是因为能够防止原料组合物固着于容器等的壁面。
机械研磨只要为在对原料组合物赋予机械能的同时混合原料组合物的方法就没有特别限制,例如可以列举球磨、振动磨、涡轮磨、机械融合、盘磨等,其中优选球磨,特别优选行星式球磨。这是因为能够高效得到所期望的玻璃。
玻璃陶瓷例如可以通过对玻璃进行热处理而得到。
另外,晶体例如可以通过对玻璃进行热处理或者对原料组合物进行固相反应处理等而得到。
热处理温度可以为比通过玻璃的热分析测定观测到的结晶温度(Tc)高的温度,通常为195℃以上。另一方面,热处理温度的上限没有特别限制。
玻璃的结晶温度(Tc)可以通过差示热分析(DTA)进行测定。
热处理时间只要为能够得到所期望的结晶化度的时间就没有特别限制,例如在1分钟~24小时的范围内,其中,可以列举1分钟~10小时的范围内。
热处理的方法没有特别限制,例如可以列举使用烧成炉的方法。
作为氧化物类固体电解质,例如可以列举Li6.25La3Zr2Al0.25O12、Li3PO4以及Li3+ xPO4-xNx(LiPON)等。
从操作性良好的观点出发,优选固体电解质的形状为粒子状。
另外,固体电解质的粒子的平均粒径(D50)没有特别限制,下限优选为0.5μm以上,上限优选为2μm以下。
固体电解质可以单独使用一种或者使用两种以上。另外,在使用两种以上的固体电解质的情况下,可以将两种以上的固体电解质混合。
在本公开中,如果没有特别记载,则粒子的平均粒径为通过激光衍射散射式粒径分布测定而测得的体积基准的中值粒径(D50)的值。另外,在本公开中,中值粒径(D50)为在从粒径小的粒子开始依次排列的情况下,粒子的累积体积达到整体体积的一半(50%)时的直径(体积平均直径)。
固体电解质层中的固体电解质的含有比例没有特别限制。
从表现出可塑性等观点考虑,也可以在固体电解质层中含有使固体电解质彼此粘结的粘合剂。作为这样的粘合剂,可以例示在上述的正极层中可以含有的粘合剂等。但是,为了容易实现电池的高输出功率化,从防止固体电解质的过度聚集并且能够形成具有均匀地分散的固体电解质的固体电解质层等观点考虑,优选将固体电解质层中含有的粘合剂设定为5.0质量%以下。
固体电解质层的厚度可以根据电池的构成适当调节,没有特别限制,通常为0.1μm以上且1mm以下。
对于固体电解质层的形成方法而言,例如可以通过对包含固体电解质和根据需要包含的其它成分的固体电解质层的材料的粉末进行加压成形来形成固体电解质层。
全固体电池根据需要具备容纳正极、负极以及固体电解质层的外包装体。
作为外包装体的形状没有特别限制,可以列举层压形等。
外包装体的材质只要为对电解质稳定的材质就没有特别限制,可以列举:聚丙烯、聚乙烯以及丙烯酸类树脂等树脂以及进行了压花加工的铝层压体等。
作为全固体电池,可以列举:利用了金属锂的析出-溶解反应作为负极反应的全固体锂电池、利用了锂对负极活性材料的嵌入作为负极反应的全固体锂离子电池、全固体钠电池、全固体镁电池以及全固体钙电池等,可以为全固体锂离子电池。另外,全固体电池可以为一次电池,也可以为二次电池。
作为全固体电池的形状,例如可以列举硬币形、层压形、圆筒形以及方形等。
[全固体电池的制造方法]
本公开的全固体电池的制造方法只要为能够得到前述的本公开全固体电池的方法就没有特别限制,例如可以通过以下方法进行制造。
首先,在片状的正极和片状的负极之间配置片状的固体电解质层,制成电池单元。然后,层叠多个电池单元,制成电池层叠体。
在第一实施方式的情况下,其后,从电池层叠体的层叠方向的上下用2片平板夹持电池层叠体,在施加了面压力(优选0.05MPa~2MPa)的状态下,向电池层叠体的侧面的预定位置填充树脂,使树脂固化,从而在电池层叠体的侧面的预定位置配置侧面固定部。
在第二实施方式或者第三实施方式的情况下,在制作电池层叠体之后,在配置侧面固定部之前,使用分配器、带粘贴装置等在集电器层突出部的预定区域形成集电器层增强部或者集电器层胶粘部。
在第四实施方式的情况下,在制作电池层叠体之后,不配置侧面固定部,而是使用分配器、带粘贴装置等在集电器层突出部的预定区域形成集电器层胶粘部。
在形成侧面固定部之后或者在形成集电器层胶粘部之后,分别集束正极集电器层突出部和负极集电器层突出部。也可以使用集电用引线等将正极集电器层突出部和正极端子(至通往外部的正极端子的空间)连接,并且使用集电用引线等将负极集电器层突出部和负极端子(至负极端子的空间)连接,制成全固体电池。
也可以在全固体电池的层叠方向的上下准备能够封入全固体电池的经过压花加工的铝层压体,将全固体电池插入作为外包装体的铝层压体内部中,然后通过热封对外周的四边进行密封。是否对外包装体的内部进行减压可以是任意的,也可以在设计时适当调节。
在使用本公开的全固体电池时,施加于该全固体电池的压力例如可以设定为1MPa以上且45MPa以下,在不使用该全固体电池时,施加于该全固体电池的压力例如可以设定为0MPa以上且1MPa以下。
作为全固体电池的加压的方法,例如可以列举机械加压和气体加压等。
作为机械加压,例如可以列举驱动马达并经由滚珠丝杠向全固体电池的层叠方向加压的方法,和驱动马达并经由油压向全固体电池的层叠方向加压的方法等。在机械加压中,通过将全固体电池加压或者降压至预定压力,然后用机械式塞棒固定机械的运转部,由此能够将伴随马达驱动的能量消耗抑制到所需最低限度。
作为气体加压,例如可以列举从预先搭载的储气瓶经由加压气体对全固体电池加压的方法等。
本公开的全固体电池例如可以用作车辆所搭载的电源或者便携用电子设备等的驱动用电源等,但是不限于这些用途。
应用本公开的全固体电池的车辆不限于搭载电池且不搭载发动机的电动汽车,还包括搭载电池和发动机这两者的混合动力汽车等。

Claims (4)

1.一种全固体电池,具备层叠两个以上电池单元而成的电池层叠体,所述电池单元具备包含正极集电器层和正极层的正极、包含负极集电器层和负极层的负极、以及配置在所述正极层和所述负极层之间的固体电解质层,其特征在于,
所述负极层的宽度大于所述正极层的宽度,
所述负极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,
所述正极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,
所述电池层叠体在与具有所述负极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含所述负极集电器层突出部的侧面的边缘部、或者与具有所述正极集电器层突出部的侧面相邻的两侧面的包含所述正极集电器层突出部的侧面的边缘部中的至少任一者的所述两侧面的所述边缘部具有由树脂构成的侧面固定部。
2.如权利要求1所述的全固体电池,其中,
对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,所述一组集电器层的一组突出部之中,至少一个突出部在所述突出部的预定区域的至少一部分具有由增强材料增强的集电器层增强部。
3.如权利要求1所述的全固体电池,其中,
对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,所述一组集电器层的一组突出部之中,在所述电池层叠体的层叠方向对置的至少两个突出部在所述突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部,所述至少两个突出部经由所述集电器层胶粘部以能够以所述区域为起点弯折的方式进行胶粘。
4.一种全固体电池,具备层叠两个以上电池单元而成的电池层叠体,所述电池单元具备包含正极集电器层和正极层的正极、包含负极集电器层和负极层的负极、以及配置在所述正极层和所述负极层之间的固体电解质层,其特征在于,
所述负极层的宽度大于所述正极层的宽度,
所述负极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的负极集电器层突出部,
所述正极集电器层在所述电池层叠体的任一侧面具有沿面方向突出的正极集电器层突出部,
对于一组所述负极集电器层或者一组所述正极集电器层中的至少任一者的一组集电器层,所述一组集电器层的一组突出部之中,在所述电池层叠体的层叠方向对置的至少两个突出部在所述突出部的预定区域的至少一部分具有包含树脂的集电器层胶粘部,所述至少两个突出部经由所述集电器层胶粘部以能够以所述区域为起点弯折的方式进行胶粘。
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