CN112771707A - 线电池 - Google Patents

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近藤雅彦
吉冈充
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

本发明的线电池的特征在于,是具有在长边方向相对的第1端部和第2端部的线电池,具备:在上述长边方向延伸的线状的第1电极,配置于上述第1电极的外周面的固体电解质,配置于上述固体电解质的外周面的第2电极,覆盖上述第1端部的第1集电体,以及覆盖上述第2端部的第2集电体;上述第1集电体在上述第1端部与上述第1电极连接,不与上述第2电极连接,上述第2集电体在上述第2端部与上述第2电极连接,不与上述第1电极连接。

Description

线电池
技术领域
本发明涉及线电池。
背景技术
近年来,随着电子设备的小型化、薄型化,对作为电源的电池要求其形状容易追随收容空间的形状的电池。
作为形状容易追随收容空间的形状,例如可举出专利文献1中的记载那样的线型的电池。专利文献1公开了一种可变形为各种形状的线型的电池,该线型的电池由内部电极、电解质、正极材料以及外部集电体和保护被覆部分构成,所述内部电极由内部集电体和被覆于该内部集电体的周面的负极材料构成,所述电解质设置于内部电极的外部,所述正极材料被覆于该电解质的周面,所述外部集电体和保护被覆部分设置于该正极材料的周面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第4971139号公报
发明内容
然而,在专利文献1中,并没有公开任何从线型的电池将电流取出到外部的具体的方法。要求的电压根据电子设备而不同,因此,搭载于电子设备的电池通常组合多个而使用以便达到适当的电压。然而,在专利文献1所记载的线型的电池中,不仅没有记载将电流取出到外部的方法,关于将电池彼此连接的方法也不清楚。因此,存在组合多个电池而使用时的电压设计无法自由地进行这样的问题。
本发明是为了解决上述的问题而作出的,起目的在于提供容易将电流取出到外部,电压设计的自由度高的线电池。
本发明的线电池的特征在于,是具有在长边方向相对的第1端部和第2端部的线电池,具备在上述长边方向延伸的线状的第1电极,配置于上述第1电极的外周面得固体电解质,配置于上述固体电解质的外周面的第2电极,覆盖上述第1端部的第1集电体,以及覆盖上述第2端部的第2集电体;上述第1集电体在上述第1端部与上述第1电极连接,不与上述第2电极连接,上述第2集电体在上述第2端部与上述第2电极连接,不与上述第1电极连接。
根据本发明,能够提供容易将电流取出到外部,电压设计的自由度高的线电池。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的线电池的一个例子的立体图。
图2是图1的A-A线截面图。
图3是图1的B-B线截面图。
图4(a)~图4(f)是表示制造本发明的线电池的方法的一个例子的示意图。
具体实施方式
以下,对本发明的线电池进行说明。
然而,本发明并不限定于以下的实施方式,可以在不变更本发明的主旨的范围内适当变更而应用。应予说明,将以下记载的各个优选的构成组合2个以上而得的方案也是本发明。
本发明的线电池具有在长边方向相对的第1端部和第2端部。本发明的线电池具备在长边方向延伸的线状的第1电极,配置于第1电极的外周面的固体电解质,配置于固体电解质的外周面的第2电极,覆盖第1端部的第1集电体,以及覆盖第2端部的第2集电体。
在本发明的线电池中,第1集电体在第1端部与第1电极连接,不与第2电极连接。另外,第2集电体在第2端部与第2电极连接,不与第1电极连接。
在本发明的线电池中,第1集电体和第2集电体被配置于电池的两端,因此,容易在各自的集电体连接导体而取出电流。而且,通过配置多个本发明的线电池并串联串联连接或并联连接,从而能够自由地进行电压设计。
参照图1、图2和图3对本发明的线电池的构成的例子进行说明。
图1是示意性地表示本发明的线电池的一个例子的立体图,图2是图1的A-A线截面图,图3是图1的B-B线截面图。
图1所示的线电池1具有在长边方向(图1中,双箭头L所示的方向)相对的第1端部1a和第2端部1b。
如图2和图3所示,线电池1具备第1电极10、固体电解质30、第2电极20、第1集电体70以及第2集电体90。
第1电极10是在长边方向(图2中,双箭头L所示的方向)延伸的线状,在第1电极10的外周面配置有固体电解质30,在固体电解质30的外周面配置有第2电极20。
第1集电体70在第1端部1a与第1电极10连接,第2集电体90在第2端部1b与第2电极20连接。
另一方面,在第1电极10的第2端部1b侧的端面配置有绝缘层50,将第1电极10与第2集电体90绝缘。因此,在线电池1的第2端部1b,第1电极10不与第2集电体90连接。另外,在第2电极20的第1端部1a侧的端面配置有绝缘层50,将第2电极20与第1集电体70绝缘。因此,在线电池1的第1端部1a,第2电极20不与第1集电体70连接。
应予说明,在图2中,在固体电解质30的两端面也配置有绝缘层50,但固体电解质30的端面可以与第1电极10或第2电极20接触。
在图2所示的线电池1中,在第1端部1a侧,在绝缘层50与第1集电体70之间配置有第1电极10,但绝缘层50和第1集电体70可以直接接触。即使在第1端部1a侧在绝缘层50与第1集电体70之间未配置有第1电极10的情况下,也是第1电极10与第1集电体70连接,第2电极20通过绝缘层50而与第1集电体70绝缘。
另外,在图2所示的线电池1中,在第2端部1b侧,第2集电体90与绝缘层50直接接触,但在第2集电体90与绝缘层50之间也可以配置第2电极20。即使在第2端部1b侧中在绝缘层50与第2集电体90之间配置了第2电极20的情况下,也是第2电极20与第2集电体90连接,第1电极10通过绝缘层50而与第2集电体90绝缘。
在图2所示的线电池1中,绝缘层50并非必需的构成。例如,也可以通过在第2端部1b侧在第1电极10与第2集电体90时间设置空间而将第1电极10与第2集电体90绝缘。同样地,也可以通过在第1端部1a侧在第2电极20与第1电极10之间设置空间而将第2电极20与第1电极10绝缘。另外,也可以在绝缘层50的部分配置固体电解质30。
第1集电体70和第2集电体90也可以配置为其一部分绕于线电池1的外周面。
但是,第1集电体70为不与第2电极20接触的范围,第2集电体90为不与第1电极10接触的范围。
如果配置为第1集电体70和第2集电体90绕于线电池1的外周面,则第1集电体70与第1电极10的接触面积以及第2集电体90与第2电极20的接触面积变大,内部电阻降低。另外,如果配置为第1集电体70和第2集电体90绕于线电池1的外周面,则集电体的剥离强度提高。
本发明的线电池的最外周面的至少一部分可以被由绝缘性材料构成的绝缘膜覆盖。
这里,最外周面是指由第1电极、第2电极、固体电解质构成的结构体的最外周面[其中,不包括长边方向的两端面(图2中,设置有第1集电体70和第2集电体90的区域)]。
如果最外周面的至少一部分被由绝缘性材料构成的绝缘膜覆盖,则能够防止因来自外部的冲击、振动等而第1电极、第2电极和固体电解质破损、短路。
本发明的线电池优选具有挠性。
如果线电池具有挠性,则容易追随收容空间的形状。
应予说明,在本说明书中,在即使将线电池变形至曲率半径成为50mm也不发生破坏的情况下,判断为具有挠性。
在沿着内径100mm的环的内周面配置线电池时,如果线电池不发生破坏,则判断为即使变形至曲率半径成为50mm也不会被破坏、即具有挠性。
本发明的线电池的直径没有特别限定,优选为0.005mm以上且1mm以下。
如果线电池的直径为0.005mm以上且1mm以下,则线电池具有充分的挠性,容易追随收容空间的形状。
线电池的直径小于0.005mm时,线电池的直径过小,无法得到充分的容量。另外,线电池的内部电阻有可能过大。另一方面,线电池的直径超过1mm时,线电池的挠性有可能降低。
应予说明,线电池的直径可以通过如下操作机求出,即,由随机选择的10处的线电池的与长边方向垂直的截面的截面形状测定直径,取平均值而求出。但是,在线电池的截面形状不为圆形的情况下,可以将由截面的面积求出的投影面积当量圆的直径作为截面的直径。
形成有上述绝缘膜时,绝缘膜的厚度也包含于线电池的直径。
本发明的线电池的长边方向的长度没有特别限定,优选为1mm以上。
在本发明的线电池中,直径与长度的比没有特别限定,[(长度)/(直径)]优选为5以上。
在本发明的线电池中,与长边方向垂直的截面的截面形状并不限定于圆形,也可以为楕圆形状、多边形形状。
在本发明的线电池中,第1电极和第2电极中的一者为正极,另一者为负极。以下,对第1电极为正极、第2电极为负极的情况的例子进行说明。
[第1电极]
第1电极由包含正极活物质粒子的烧结体构成。
作为构成正极活物质粒子的材料,例如可举出具有钠超离子导体(NASICON)型结构的含锂磷酸化合物、具有橄榄石型结构的含锂磷酸化合物、含锂层状氧化物、具有尖晶石型结构的含锂氧化物等氧化物。
作为优选使用的具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物的具体例,可举出Li3V2(PO4)3等。作为优选使用的具有橄榄石型结构的含锂磷酸化合物的具体例,可举出LiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4等。作为优选使用的含锂层状氧化物的具体例,可举出LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等。作为优选使用的具有尖晶石型结构的含锂氧化物的具体例,可举出LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等。
可以仅使用这些正极活物质粒子中的1种,也可以混合使用多种。
这些中,特别优选Li3V2(PO4)3
第1电极除正极活物质粒子以外,还可以包含固体电解质粒子和导电性粒子。
作为构成固体电解质粒子的材料,例如可举出构成后述的固体电解质的氧化物。
固体电解质粒子优选与构成后述的固体电解质的氧化物相同。
如果第1电极包含固体电解质粒子且该固体电解质粒子与构成固体电解质的氧化物相同,则第1电极与固体电解质的接合牢固,响应速度和机械强度提高。
导电性粒子例如可举出由Ag、Au、Pt、Pd等金属、碳、具有电子电导性的化合物或将它们组合而成的混合物等构成的粒子。另外,这些具有导电性的物质也可以以被覆于正极活物质粒子的表面的状态包含于第1电极。
[第2电极]
第2电极由包含负极活物质粒子的烧结体构成。
作为构成负极活物质粒子的材料的例子,例如可举出MOX(M为选自Ti、Si、Sn、Cr、Fe、Nb、V和Mo中的至少一种。0.9≤X≤3.0)所示的化合物、LiYMOX(M为选自Ti、Si、Sn、Cr、Fe、Nb、V和Mo中的至少一种。0.9≤X≤3.0、2.0≤Y≤4.0)所示的化合物、石墨-锂化合物、锂合金、具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物、具有橄榄石型结构的含锂磷酸化合物、具有尖晶石型结构的含锂氧化物等,优选为MOX所示的化合物、LiYMOX所示的化合物、具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物、具有橄榄石型结构的含锂磷酸化合物、具有尖晶石型结构的含锂氧化物等氧化物。
MOX所示的化合物的氧的一部分可以被P、Si置换,也可以包含Li。作为优选使用的锂合金的具体例,可举出Li-Al等。作为优选使用的具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物的具体例,可举出Li3V2(PO4)3、Li3Fe2(PO4)3等。作为优选使用的具有尖晶石型结构的含锂氧化物的具体例,可举出Li4Ti5O12等。可以仅使用这些负极活物质粒子中的1种,也可以混合使用多种。
这些之中,特别优选Li3V2(PO4)3
第2电极除负极活物质粒子以外,还可以包含固体电解质粒子和导电性粒子。
作为构成固体电解质粒子的材料,例如可举出构成后述的固体电解质的氧化物。
作为固体电解质粒子,优选与构成后述的固体电解质的氧化物相同。
如果第2电极包含固体电解质粒子且该固体电解质粒子与构成固体电解质的氧化物相同,则第2电极与固体电解质的接合牢固,响应速度和机械强度提高。
作为优选用作导电性粒子的粒子,例如可举出由Ag、Au、Pt、Pd等金属、碳、具有电子电导性的化合物或将它们组合而成的混合物等构成的粒子。另外,这些具有导电性的物质也可以以被覆于负极活物质粒子等的表面的状态含有于第2电极。
应予说明,在本说明书中,氧化物不含硫氧化物。
[固体电解质]
作为固体电解质,例如可举出具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物等氧化物。
作为优选使用的具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物,可举出LixMy(PO4)3(0.9≤x≤1.9,1.9≤y≤2.1,M为选自Ti、Ge、Al、Ga和Zr中的至少一种)。
作为含锂磷酸化合物,优选Li1.2Al0.2Ti1.8(PO4)3
也可以将组成不同的2种以上的具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物混合而使用。
作为固体电解质的优选的组成,例如可举出Li1+xAlxGe2-x(PO4)3所示的能够玻璃化的组成[例如,Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li1.2Al0.2Ge1.8(PO4)3等]、Li1+xAlxGe2-x-yTiy(PO4)3所示的能够玻璃化的组成[例如,Li1.5Al0.5Ge1.0Ti0.5(PO4)3、Li1.2Al0.2Ge1.3Ti0.5(PO4)3等]、选自AlPO4、SiO2和B2O3中的至少1种与Li1+xAlxGe2-x(PO4)3或Li1+xAlxGe2-x-yTiy(PO4)3的混合物、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3与Li1+xAlxGe2-x-yTiy(PO4)3的混合物、将Li1+xAlxGe2-x(PO4)3或Li1+ xAlxGe2-x-yTiy(PO4)3的Li的一部分用Na、Co、Mn或Ni置换而得的物质[例如,将Li的一部分用Na置换而得的Li1.1Na0.1Al0.2Ge1.3Ti0.5(PO4)3、Li1.4Na0.1Al0.5Ge1.0Ti0.5(PO4)3等]、将Li1+ xAlxGe2-x(PO4)3或Li1+xAlxGe2-x-yTiy(PO4)3的Ge的一部分用Zr、Fe或V置换而得的物质[例如,将Ge的一部分用Zr置换而得的Li1.2Al0.2Ge1.7Zr0.1(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.0Ti0.4Zr0.1(PO4)3等]等,也可以将它们中的2种以上混合而使用。
固体电解质除具有钠超离子导体型结构的含锂磷酸化合物以外,还可以进一步包含具有钙钛矿型结构的氧化物固体电解质、具有石榴石型或石榴石型类似结构的氧化物固体电解质。作为具有钙钛矿型结构的氧化物固体电解质的具体例,例如可举出La0.55Li0.35TiO3,作为石榴石型或石榴石型类似结构的氧化物固体电解质的具体例,例如可举出Li7La3Zr2O12
本发明的线电池优选第1电极、第2电极和固体电解质均包含氧化物。
如果第1电极、第2电极和固体电解质均包含氧化物,则容易形成烧结体。另外,包含氧化物的烧结体即使施加应力而断裂,也不易发生以各断裂片为起点的连续破坏,因此,不易破碎,可防止短路,维持电池功能。
本发明的线电池优选第1电极和第2电极中的至少一者包含与固体电解质相同的氧化物,更优选第1电极和第2电极这两者包含与固体电解质相同的氧化物。特别是优选第1电极和第2电极中的至少一者包含Li1.2Al0.2Ti1.8(PO4)3等含锂磷酸化合物,更优选第1电极和第2电极这两者包含上述含锂磷酸化合物。
包含与固体电解质相同的氧化物的电极由于与固体电解质的接合牢固,因此,响应速度和机械强度提高。
在本发明的线电池中,第1电极、第2电极和固体电解质优选实质上不含硫化物和硫化氧化物。
第1电极包含与固体电解质相同的氧化物时,其含量优选为30重量%以上且70重量%以下。
如果第1电极中的上述氧化物的含量小于30重量%,则有可能无法充分地提高第1电极与固体电解质的接合强度。另一方面,如果上述含量超过70重量%,则在第1电极中所占的正极活物质粒子的比例减少,因此,能量密度有可能降低。
应予说明,在第1电极中所占的氧化物的含量可以通过感应耦合等离子体(ICP)发光分光分析等组成分析来测定。另外,也可以简单地利用粉末X射线衍射(XRD)等的数据解析。
第2电极包含与固体电解质相同的氧化物时,其含量优选为30重量%以上且70重量%以下。
如果第2电极中的上述氧化物的含量小于30重量%,则有可能无法充分地提高第2电极与固体电解质的接合强度。另一方面,如果上述含量超过70重量%,则在第2电极中所占的负极活物质粒子的比例减少,因此,能量密度有可能降低。
应予说明,在第2电极中所占的氧化物的含量可以通过与第1电极同样的方法进行测定。
[集电体]
对第1集电体和第2集电体进行说明。
第1电极为正极时,第1集电体为正极集电体,第2电极为负极时,第2集电体为负极集电体。
正极集电体和负极集电体只要具有电子电导性就没有特别限定。正极集电体和负极集电体例如可以由碳、电子电导性高的氧化物、复合氧化物、金属等构成。例如可以由Pt、Au、Ag、Al、Cu、不锈钢、ITO(氧化铟锡)等构成。
作为构成正极集电体的材料,优选Ni或Al。另一方面,作为构成负极集电体的材料,优选Cu。
[绝缘层]
构成绝缘层的材料只要是绝缘性材料即可,例如可举出玻璃、陶瓷、绝缘性树脂等。
作为玻璃,例如可举出石英玻璃(SiO2)、将选自SiO2、PbO、B2O3、MgO、ZnO、Bi2O3、Na2O和Al2O3中的至少2种以上组合而得的复合氧化物系玻璃等。
作为陶瓷,例如可举出氧化铝、堇青石、莫来石、块滑石、镁橄榄石等。
作为绝缘性树脂,例如可举出聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、热塑性聚氨酯、特氟龙(注册商标)等热塑性树脂、酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、不饱和聚酯树脂、醇酸树脂、聚氨酯、热固化性聚酰亚胺等热固化性树脂和光固化性树脂等。
绝缘层的厚度(线电池的长边方向的长度)没有特别限定,优选为0.005mm以上且1mm以下。
[绝缘膜]
构成绝缘膜的材料只要是绝缘性材料即可,例如可适当地使用与构成绝缘层的绝缘性材料同样的材料。
绝缘膜的厚度没有特别限定,优选为0.005mm以上且1mm以下。
[制造方法]
参照图4(a)~图4(f)对制造本发明的线电池的方法的例子进行说明。
图4(a)~图4(f)是表示制造本发明的线电池的方法的一个例子的示意图。
如图4(a)所示,首先,将作为第1电极10的第1电极前体110成型为线状。
作为将第1电极前体110成型为线状的方法,例如可举出将含有构成第1电极的材料、有机粘合剂和分散介质的混合液进行纺丝的方法。
作为将上述混合液进行纺丝的方法,可以使用一般的纺丝法。
应予说明,也可以制作第1电极10本身代替图4(a)所示的工序
作为制作第1电极10本身的方法,可举出使构成第1电极10的材料熔融而进行纺丝的方法。
接下来,如图4(b)所示,在第1电极前体110的外周面形成作为固体电解质30的固体电解质前体130。
作为在第1电极前体110的外周面形成固体电解质前体130的方法,例如可举出将混合了构成固体电解质30的材料和分散介质的浆料涂布于第1电极前体110的外周面并使其干燥的方法。
在上述浆料中可以根据需要添加有机粘合剂。
接下来,如图4(c)所示,在固体电解质前体130的外周面形成作为第2电极20的第2电极前体120。
作为在固体电解质前体130的外周面形成第2电极前体120的方法,例如可举出将混合了构成第2电极20的材料和分散介质的浆料涂布于固体电解质前体130的外周面的方法。
在上述浆料中可以根据需要添加有机粘合剂。
根据图4(a)~图4(c),准备作为线电池1的部分中第1端部1a和第2端部1b以外的部分即主体结构105。
接下来,如图4(d)所示,在主体结构105的一个端部配置由第1集电体前体170、第1电极前体110和绝缘层前体150构成的第1端部结构107,在另一个端部配置由第2集电体前体190、第2电极前体120和绝缘层前体150构成的第2端部结构109。
此时,在第1端部结构107的与主体结构105接合的面中,优选分别在主体结构105的与第1电极前体110接触的部分配置第1电极前体110,在主体结构105的与固体电解质前体130接触的部分配置绝缘层前体150,在主体结构105的与第2电极前体120接触的部分配置绝缘层前体150。但是,在主体结构105的与固体电解质前体130接触的部分也可以配置第1电极前体110。
另外,在第2端部结构109的与主体结构105接合的面中,优选分别在主体结构105的与第1电极前体110接触的部分配置绝缘层前体150,在主体结构105的与固体电解质前体130接触的部分配置绝缘层前体150,在主体结构105的与第2电极前体120接触的部分配置第2电极前体120。但是,在主体结构105的与固体电解质前体130接触的部分也可以配置第2电极前体120。
作为制作第1端部结构107的方法,例如可举出在第1集电体前体170的表面形成第1电极前体110和绝缘层前体150的方法。
作为在第1集电体前体170的表面形成第1电极前体110和绝缘层前体150的方法,例如可举出将含有构成第1集电体的材料、有机粘合剂和分散介质的混合液涂布在基材上进行干燥,由此得到片状的第1集电体前体后,将含有构成第1电极的材料、有机粘合剂和分散介质的混合液以及混合了构成绝缘层的绝缘性材料和分散介质的浆料分别通过喷墨法、丝网印刷等方法赋予到片状的第1集电体前体的表面并使其干燥的方法等。
作为制作第2端部结构109的方法,例如可举出在第2集电体前体190的表面形成绝缘层前体150和第2电极前体120的方法。作为在第2集电体前体190的表面形成第2电极前体120和绝缘层前体150的方法,可以使用与制作第1端部结构107的方法同样的方法。
如图4(e)所示,将主体结构105、第1端部结构107和第2端部结构109接合而制作线电池前体101后,进行烧成,由此可得到图4(f)所示的线电池1。
烧成条件没有特别限定,优选为500℃以上且1000℃以下。
烧成气氛只要是各材料可稳定地合成并烧结的条件就没有特别限定。
通过以上的步骤,能够制造本发明的线电池。
也可以在得到的线电池的表面根据需要涂布混合了绝缘性材料和溶剂的混合液并使其干燥,由此形成由绝缘性材料构成的绝缘膜。
符号说明
1 线电池
1a 第1端部
1b 第2端部
10 第1电极
20 第2电极
30 固体电解质
50 绝缘层
70 第1集电体
90 第2集电体
101 线电池前体
105 主体结构
107 第1端部结构
109 第2端部结构
110 第1电极前体
120 第2电极前体
130 固体电解质前体
150 绝缘层前体
170 第1集电体前体
190 第2集电体前体

Claims (3)

1.一种线电池,其特征在于,是具有在长边方向相对的第1端部和第2端部的线电池,具备:
在所述长边方向延伸的线状的第1电极,配置于所述第1电极的外周面的固体电解质,配置于所述固体电解质的外周面的第2电极,覆盖所述第1端部的第1集电体,以及覆盖所述第2端部的第2集电体;
所述第1集电体在所述第1端部与所述第1电极连接,不与所述第2电极连接,
所述第2集电体在所述第2端部与所述第2电极连接,不与所述第1电极连接。
2.根据权利要求1所述的线电池,其中,所述第1电极、所述第2电极和所述固体电解质均包含氧化物。
3.根据权利要求2所述的线电池,其中,所述第1电极和所述第2电极中的至少一者包含与所述固体电解质相同的氧化物。
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