CN117223166A - 电池 - Google Patents
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Abstract
本公开的电池(1000),具备:包含第1电极(100)、固体电解质层(300)和第2电极的电池元件(1);包含第1导电性材料的第1端子(500a);以及包含第2导电性材料的第2端子(600a)。第1端子(500a)与第1电极(100)相接。第2端子(600a)被覆第1端子(500a)的表面的至少一部分,与第1端子(500a)电连接,并且直接被覆电池元件(1)的角部的至少一部分。
Description
技术领域
本公开涉及电池。
背景技术
专利文献1公开了一种表面安装电池,其具备由第1电极、固体电解质层和第2电极构成的层叠结构体,将该层叠结构体的侧面被覆的保护层,以及将由保护层被覆的层叠结构体收纳在内部的外装部件。专利文献2公开了一种在端面电极上安装有金属帽的可表面安装的电子部件。
在先技术文献
专利文献1:国际公开第2018/186449号
专利文献2:日本特开2020-87588号公报
发明内容
发明要解决的课题
本公开的目的在于提高电池的可靠性。
用于解决课题的手段
本公开的电池,具备:
包含第1电极、固体电解质层和第2电极的电池元件;
包含第1导电性材料的第1端子;以及
包含第2导电性材料的第2端子,
所述第1端子与所述第1电极相接,
所述第2端子被覆所述第1端子的表面的至少一部分,与所述第1端子电连接,并且直接被覆所述电池元件的角部的至少一部分。
发明的效果
本公开能够提高电池的可靠性。
附图说明
图1表示第1实施方式的电池1000的大致结构。
图2表示第2实施方式的电池2000的大致结构。
图3表示第3实施方式的电池3000的大致结构。
图4表示第4实施方式的电池4000的大致结构。
图5表示第5实施方式的电池5000的大致结构。
具体实施方式
以下,参照附图对本公开的实施方式进行具体说明。
另外,以下说明的实施方式均表示概括性或具体的例子。在以下的实施方式中所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接方式等只是一个例子,并不限定本公开。
在本说明书中,平行等表示要素间的关系的用语、长方体等表示要素的形状的用语、以及数值范围,不是仅表示严格意义的表达,而是表示实质上同等的范围、例如也包含百分之几左右的差异的表达。
各图未必是严密地进行了图示。在各图中,对实质上相同的结构标注相同的符号,并省略或简化重复的说明。
在本说明书和附图中,x轴、y轴和z轴表示三维直角坐标的三个轴。在各实施方式中,将z轴方向作为电池的厚度方向。另外,在本说明书中,只要没有特别说明,“厚度方向”是指与电池元件中的各层层叠的面垂直的方向。
在本说明书中,只要没有特别记载,“俯视”是指沿着电池元件的层叠方向观察电池的情况。在本说明书中,只要没有特别记载,“厚度”是指电池元件和各层的层叠方向的长度。
在本说明书中,只要没有特别记载,在电池元件中,“侧面”是指沿着层叠方向的面,“主面”是指侧面以外的面。
在本说明书中,“内侧”和“外侧”等中的“内”和“外”是指沿着电池的层叠方向观察电池时的内、外。
在本说明书中,电池结构中的“上”和“下”的用语不是指绝对空间认识中的上方向(垂直上方)和下方向(垂直下方),而是作为以层叠结构中的层叠顺序为基础通过相对位置关系规定的用语使用。此外,术语“上”和“下”不仅适用于两个构成元件彼此密合配置且两个构成元件接触的情况,也适用于两个构成元件彼此空出间隔配置且在两个构成元件之间存在其他构成元件的情况。
(第1实施方式)
第1实施方式的电池,具备:包含第1电极、固体电解质层和第2电极的电池元件;包含第1导电性材料的第1端子;以及包含第2导电性材料的第2端子。第1端子与第1电极相接。第2端子被覆第1端子的表面的至少一部分,与第1端子电连接,并且直接被覆电池元件的端部的至少一部分。在此,第2端子直接被覆电池元件的端部的至少一部分是指,第2端子与电池元件的端部的至少一部分相接并且将其被覆。另外,例如在电池元件具有第1电极、固体电解质层和第2电极依次配置而成的层叠结构的情况下,电池元件的端部表示包含电池元件的侧面的电池元件的外缘部分。
在第1实施方式的电池中,与第1电极电连接的端子(以下记载为“第1电极的端子”),由包含第1端子和第2端子的多层结构构成。第2端子设置在比第1端子靠外侧,并与第1端子和电池元件的端部这两者相接。由此,在第1实施方式的电池中,第1电极的端子具有由第1端子、第2端子和电池元件的端部构成的复合接合结构。通过这样的复合接合结构,能够得到电池元件、第1端子和第2端子的强固定性,其结果,在电池元件的端部,这些构成要素相互牢固地固定。因此,在充放电或冷热循环中产生的体积变化被缓和,电池的变形被抑制,因此电池的可靠性提高。
另外,通过上述的复合接合结构,第1实施方式的电池还能够得到第1电极的端子与电池元件的优异的电接合性。因此,第1实施方式的电池能够充分应对大电流下的充放电、即高速率下的充放电。以下,有时将高速率下的充放电特性称为“高速率特性”。
此外,通过上述的复合接合结构,在电池元件的端部,能够得到电池元件的构成要素之间的强固定性、电池元件与端子之间的强固定性,从而能够保留在以往的结构中通过倒角而被削除的电池元件的端部区域。因此,第1实施方式的电池能够将活性物质装入到电池元件的端部区域,能够提高电池的容量。
如上所述,第1实施方式的电池通过由电池元件、第1端子和第2端子构成的复合的接合结构,具备例如能够抑制在充放电或冷热循环中产生的变形等的可靠性,此外还能够提高容量和改善高速率特性。
如“背景技术”一栏所记载的那样,专利文献1公开了一种在由第1电极、固体电解质层和第2电极构成的层叠结构体的侧面设置保护层,并将这些层叠结构体和保护层收纳在外装部件中的表面安装电池。这些保护层和外装部件抑制水分向电池内部的侵入。另一方面,本公开的目的在于提高电池的可靠性,优选尽可能发挥例如高速率下的充放电和/或高容量化等电池特性,同时抑制由于在充放电或冷热循环中产生的变形应力而导致的可靠性的降低。因此,本公开的电池如上述第1实施方式的电池那样,电池元件的第1电极的端子具备第1端子和第2端子,具有由电池元件、第1端子和第2端子构成的上述复合接合结构。专利文献1公开的电池不具有本公开的电池那样的电池元件与端子的复合接合结构。因此,在专利文献1公开的电池中,在充放电或冷热循环中产生的体积变化导致可靠性降低,因此认为难以长期使用,进而认为其难以达成本公开的电池能够实现的容量的提高以及高速率特性的改善。专利文献2公开了一种在端面电极上安装有金属帽的可表面安装的电子部件。但是,与专利文献1同样,以防止水分的侵入为目的,在端面电极上安装有金属帽。因此,专利文献2公开的电子部件也与专利文献1公开的电池同样,在充放电或冷热循环中产生的体积变化导致可靠性降低,因此认为难以长期使用。而且,专利文献2公开的电子部件被认为难以达成本公开的电池能够实现的容量的提高以及高速率特性的改善。
第1实施方式的电池还可以具备包含第3导电性材料的第3端子和包含第4导电性材料的第4端子。第3端子与第2电极相接。第4端子被覆第3端子的表面的至少一部分,与第3端子电连接,并且直接被覆电池元件的端部的至少一部分。即、第1实施方式的电池具有与第2电极电连接的端子(以下记载为“第2电极的端子”),但也可以具有与第1电极的端子相同的结构。以下,关于第1~第5实施方式的电池,对第2电极的端子具有与第1电极的端子相同的结构的构成例进行说明,即、对两电极的端子具有上述多层结构的构成例进行说明。
图1表示第1实施方式的电池1000的大致结构。图1的(a)表示从y轴方向观察第1实施方式的电池1000的大致结构的剖视图。图1的(b)表示从z轴方向上侧观察电池1000的大致结构的俯视图。图1的(a)示出图1的(b)的I-I线所示位置的截面。
如图1所示,电池1000具备:电池元件1、第1端子500a、第2端子600a、第3端子500b和第4端子600b,电池元件1具备第1电极100、第2电极200和固体电解质层300,第1端子500a与第1电极100相接,第3端子500b与第2电极200相接。第2端子600a被覆第1端子500a的表面的至少一部分,与第1端子500a电连接,并且直接被覆电池元件1的端部的至少一部分。第4端子600b被覆第3端子500b的表面的至少一部分,与第3端子500b电连接,并且直接被覆电池元件1的端部的至少一部分。在电池元件1中例如还在包含该电池元件1的侧面的端部设置有第1绝缘部件400a和第2绝缘部件400b,第1绝缘部件400a在电池元件1的端部将第1电极100绝缘,第2绝缘部件400b在电池元件1的端部将第2电极200绝缘。第2端子600a隔着第2绝缘部件400b与电池元件1的端部相接,并且覆盖该端部。第4端子600b隔着第1绝缘部件400a与电池元件1的端部相接,并且覆盖该端部。电池元件1具有第1电极100、固体电解质层300和第2电极200依次层叠的结构。
电池1000例如是全固体电池。
以下,有时将第1绝缘部件400a和第2绝缘部件400b统称为“绝缘膜”。另外,第3端子500b与第1端子500a的不同之处在于,不与第1电极100接触,而与第2电极200接触,但其功能和作用效果实质上与第1端子500a相同。因此,以下对第1端子500a说明的内容也适用于第3端子500b。另外,第4端子600b与第2端子600a的不同之处在于,不与第1电极100电连接,而与第2电极200电连接,但其功能和作用效果实质上与第2端子600a相同。因此,以下对第2端子600a说明的内容也适用于第4端子600b。
在电池1000中,电池元件1由一个单元构成。
电池元件1的形状的例子有长方体。电池元件1的形状的其他例子有圆柱或多棱柱。
电池元件1的表面具有设置有第1电极100的第1主面2、与第1主面2相对且设置有第2电极200的第2主面3、以及侧面。电池元件1的侧面由两组相对的2个面即4个面构成,包括作为俯视时的电池元件1的短边侧的面的第1侧面4和第2侧面5。
第1主面2和第2主面3是与电池元件1的厚度方向垂直的面。第1主面2在俯视下与后述的第2主面3重叠的位置具有未被第2绝缘部件400b和第1端子500a覆盖的第1电极露出区域6。第2主面3在俯视下与后述的第1主面2重叠的位置具有未被第1绝缘部件400a和第3端子500b覆盖的第2电极露出区域7。
第1侧面4和第2侧面5是从第1主面2的外缘起沿着与第1主面2交叉的方向延伸到第2主面3的外缘,将第1主面2和第2主面3连接的面。第1侧面4和第2侧面5是与电池元件1的厚度方向平行的面。例如,第1侧面4与第2侧面5相对。
电池元件1的表面的至少一部分,例如选自第1主面2、第2主面3、第1侧面4和第2侧面5中的至少一个面的至少一部分,为了提高与第1端子或第2端子的密合性,可以加工成具有凹凸的粗糙面。例如,电池元件1的表面的至少一部分可以通过用#800~#1000的研磨纸进行研磨,加工成具有凹凸的粗糙面后,涂布形成第1端子、第2端子和绝缘膜。
第1端子500a的与第2端子600a接触的面也可以被加工成具有凹凸的粗糙面。该情况下的表面粗糙度,例如最大高度Rz为10μm以上且20μm以下。由此,能够分散电池元件1的表面能量,降低表面张力的影响。其结果,能够提高涂布时的湿润性,提高形状的精度。因此,第1端子500a、第2端子600a和第2绝缘部件400b的位置精度提高,因此电池1000难以短路。另外,如果表面粗糙度变大,则电池元件1的表面积变大,因此能够提高电池元件1的表面与第1端子500a和第2端子600a的固定性。
在图1中,第1集电体110、第1活性物质层120、固体电解质层300、第2集电体210和第2活性物质层220在俯视时的形状、位置和尺寸相同。另外,第1集电体110、第1活性物质层120、固体电解质层300、第2集电体210和第2活性物质层220在俯视时的形状、位置和尺寸也可以不同。例如,在俯视下,第2活性物质层220可以大于第1活性物质层120。固体电解质层300可以大于第1活性物质层120和第2活性物质层220。此外,固体电解质层300可以覆盖第1活性物质层120和第2活性物质层220的侧面,并且可以与第1集电体110和第2集电体210接触。
如上所述,电池元件1包含第1电极100、第2电极200和固体电解质层300。固体电解质层300位于第1电极100与第2电极200之间。
第1电极100包含第1集电体110和第1活性物质层120。第1集电体可以与第1活性物质层120接触。第1电极100也可以在第1集电体110与第1活性物质层120之间包含由导电性材料构成的接合层等其他层。
第1电极100可以不包含第1集电体110。例如,取出用的端子或支撑电池1000的基板等可以与第1活性物质层120电连接,作为集电体发挥作用。第1电极100也可以仅由第1活性物质层120构成。
第2电极200包含第2集电体210和第2活性物质层220。第2集电体210可以与第2活性物质层220接触。第2电极200也可以在第2集电体210与第2活性物质层220之间包含由导电性材料构成的接合层等其他层。
第2电极200可以不包含第2集电体210。例如,取出用的端子或支撑电池1000的基板等可以与第2活性物质层220电连接,作为集电体发挥作用。第2电极200也可以仅由第2活性物质层220构成。
第1电极100可以是正极。该情况下,第1集电体110是正极集电体,第1活性物质层120是正极活性物质层。
该情况下,第2集电体210是负极集电体,第2活性物质层220是负极活性物质层。
以下,有时将第1活性物质层120和第2活性物质层220简称为“活性物质层”。有时将第1集电体110和第2集电体210简称为“集电体”。
集电体由具有导电性的材料形成即可。对于集电体的材料没有特别限定。集电体的材料的例子有不锈钢、镍、铝、铁、钛、铜、钯、金、铂或它们的2种以上的合金。集电体的形状的例子有箔状、板状或网眼状。集电体的材料可以考虑在制造工艺、使用温度和使用压力下不会熔融和分解、以及集电体上的电池工作电位和导电性来适当选择。另外,集电体的材料也可以根据所要求的拉伸强度和耐热性来选择。集电体例如可以是高强度电解铜箔、或者将异种金属箔层叠而成的复合材料。
集电体的厚度例如可以为10μm以上且100μm以下。即使集电体的厚度小于10μm,也可以在满足制造工艺中的处理、电流量等特性方面以及其可靠性的范围内使用。
正极活性物质层含有正极活性物质。正极活性物质是在比负极高的电位下在结晶结构内插入或脱离锂(Li)离子或镁(Mg)离子等金属离子,随之进行氧化或还原的物质。正极活性物质的种类可以根据电池的种类适当选择,可以使用公知的正极活性物质。
正极活性物质可以是含有锂和过渡金属元素的化合物。更具体而言,该化合物的例子有含有锂和过渡金属元素的氧化物或含有锂和过渡金属元素的磷酸化合物。含有锂和过渡金属元素的氧化物的例子有LiNixM1-xO2(其中,M是选自Co、Al、Mn、V、Cr、Mg、Ca、Ti、Zr、Nb、Mo和W中的至少一者,x为0<x≤1)之类的锂镍复合氧化物、钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)和锰酸锂(LiMn2O4)之类的层状氧化物、或者具有尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4、Li2MnO3、LiMnO2)。含有锂和过渡金属元素的磷酸化合物的例子有具备橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)。正极活性物质的其他例子有硫(S)和硫化锂(Li2S)之类的硫化物。在正极活性物质为硫化物的情况下,可以向该正极活性物质粒子涂布或添加铌酸锂(LiNbO3)等。作为正极活性物质,可以仅使用这些材料中的1种,也可以组合使用这些材料中的2种以上。
正极活性物质层不仅可以含有正极活性物质,还可以含有其他添加材料。即、正极活性物质层可以是合剂层。添加材料的例子有无机系固体电解质和硫化物系固体电解质之类的固体电解质、乙炔黑之类的导电助剂、或聚环氧乙烷和聚偏二氟乙烯之类的粘结用粘合剂。正极活性物质层通过以预定的比例混合正极活性物质和添加材料,能够提高正极活性物质层内的锂离子导电性,并且能够提高电子传导性。作为固体电解质,例如可以使用后述的作为构成固体电解质层300的材料而例示的固体电解质。
正极活性物质层的厚度例如可以为5μm以上且300μm以下。
负极活性物质层包含负极活性物质。负极活性物质是指在比正极低的电位下在结晶结构内插入或脱离锂(Li)离子或镁(Mg)离子等金属离子,随之进行氧化或还原的物质。负极活性物质的种类可以根据电池的种类适当选择,可以使用公知的负极活性物质。
负极活性物质的例子有天然石墨、人造石墨、石墨碳纤维和树脂烧成碳之类的碳材料,或者与固体电解质合剂化的合金系材料。合金系材料的例子有LiAl、LiZn、Li3Bi、Li3Cd、Li3Sb、Li4Si、Li4.4Pb、Li4.4Sn、Li0.17C和LiC6之类的锂合金、钛酸锂(Li4Ti5O12)之类的锂与过渡金属元素的氧化物、或者氧化锌(ZnO)和氧化硅(SiOx)之类的金属氧化物。作为负极活性物质,可以仅使用这些材料中的1种,也可以组合使用这些材料中的2种以上。
负极活性物质层不仅可以含有负极活性物质,还可以含有其他添加材料。即、负极活性物质层可以是合剂层。添加材料的例子有无机系固体电解质和硫化物系固体电解质之类的固体电解质、乙炔黑之类的导电助剂、或聚环氧乙烷和聚偏二氟乙烯之类的粘结用粘合剂。负极活性物质层通过以预定的比例混合负极活性物质和添加材料,能够提高负极活性物质层内的锂离子导电性,并且能够提高电子传导性。作为固体电解质,例如可以使用后述的作为构成固体电解质层300的材料而例示的固体电解质。
负极活性物质层的厚度例如可以为5μm以上且300μm以下。
固体电解质层300位于第1活性物质层120和第2活性物质层220之间。固体电解质层300可以与第1活性物质层120和第2活性物质层220接触。
固体电解质层300包含固体电解质。固体电解质层300例如含有固体电解质作为主要成分。固体电解质只要是不具有电子传导性而具有离子导电性的公知的电池用固体电解质即可。作为固体电解质,例如可以使用传导锂离子和镁离子之类的金属离子的固体电解质。固体电解质可以根据传导离子种类适当选择。固体电解质的例子有硫化物系固体电解质、氧化物系固体电解质或卤素系固体电解质。
硫化物系固体电解质的例子有Li2S-P2S5系、Li2S-SiS2系、Li2S-B2S3系、Li2S-GeS2系、Li2S-SiS2-LiI系、Li2S-SiS2-Li3PO4系、Li2S-Ge2S2系、Li2S-GeS2-P2S5系、或Li2S-GeS2-ZnS系。
氧化物系固体电解质的例子有Li2O-SiO2和Li2O-SiO2-P2O5之类的含锂的金属氧化物、LixPyO1-zNz之类的含锂的金属氮化物、Li7La3Zr2O12或其元素置换体之类的石榴石型固体电解质、磷酸锂(Li3PO4)、或锂钛氧化物之类的含锂的过渡金属氧化物。
卤素系固体电解质的例子有由LiaMebYcZ6表示的化合物。在此,满足公式a+mb+3c=6和c>0。Me是选自除Li和Y以外的金属元素和半金属元素中的至少一种。Z是选自F、Cl、Br和I中的至少一种。m的值表示Me的价数。
“半金属元素”是B、Si、Ge、As、Sb和Te。“金属元素”是周期表第1族~第12族中所含的所有元素(除氢以外)以及周期表第13族~第16族中所含的所有元素(除了B、Si、Ge、As、Sb、Te、C、N、P、O、S和Se以外)。
为了提高卤素系固体电解质的离子传导率,Me可以是选自Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Sc、Al、Ga、Bi、Zr、Hf、Ti、Sn、Ta和Nb中的至少一种。
卤素系固体电解质的例子有Li3YCl6或Li3YBr6。
作为固体电解质,可以仅使用这些材料中的1种,也可以组合使用这些材料中的2种以上。
固体电解质层300不仅可以包含固体电解质,还可以包含聚环氧乙烷和聚偏二氟乙烯之类的粘结用粘合剂。
固体电解质层300的厚度例如可以为5μm以上且150μm以下。
固体电解质层300可以构成为固体电解质的粒子的凝集体。固体电解质层300也可以由固体电解质的烧结组织构成。
(绝缘膜)
电池1000可以具有绝缘膜。如图1所示,电池元件1的侧面和主面的一部分可以被绝缘膜覆盖。
第1绝缘部件400a具有位于电池元件1的第1侧面4的第1侧面被覆部410a和位于第1主面2的第1主面被覆部420a。在图1中,第1绝缘部件400a不覆盖第2主面3。第1绝缘部件400a只要不妨碍第3端子500b与第2电极200的接触,也可以覆盖第2主面3的一部分。
第1绝缘部件400a例如与第1主面2相接且覆盖第1主面2的端部。第1侧面被覆部410a与第1主面被覆部420a相连。即、第1绝缘部件400a从第1侧面4绕到第1主面2上,连续地覆盖第1侧面4与第1主面2之间的棱线。
第2绝缘部件400b具有位于电池元件1的第2侧面5的第2侧面被覆部410b和位于第2主面3的第2主面被覆部420b。在图1中,第2绝缘部件400b不覆盖第1主面2。第2绝缘部件400b只要不妨碍第1端子500a与第1电极100的接触,也可以覆盖第1主面2的一部分。
第2绝缘部件400b例如与第2主面3相接,并覆盖第2主面3的端部。第2侧面被覆部410b与第2主面被覆部420b相连。即、第2绝缘部件400b从第2侧面5绕到第2主面3上,连续地覆盖第2侧面5与第2主面3之间的棱线。
第1侧面被覆部410a和第2侧面被覆部410b也覆盖俯视时的电池元件1的长边侧的侧面(即电池元件1的xz平面)的一部分。另外,第1侧面被覆部410a和第2侧面被覆部410b可以覆盖俯视时的电池元件1的长边侧的整个侧面,也可以覆盖一部分。第1主表面被覆部420a和第2主表面被覆部420b可以覆盖沿着电池元件1的主面的长边的一部分区域。
绝缘膜的材料只要是电绝缘体即可。绝缘膜例如包含树脂材料。绝缘膜可以包含绝缘性的树脂材料作为主要成分。树脂的例子有环氧系树脂、丙烯酸系树脂、聚酰亚胺系树脂或倍半硅氧烷。绝缘膜的材料例如可以使用液态或粉末状的热固性环氧树脂等可涂布的树脂材料。通过将这样的可涂布的树脂材料以液状或粉体状涂布在电池元件1的侧面和主面上并进行热固化,能够用绝缘膜覆盖电池元件1的侧面和主面,进行接合和固定。另外,绝缘膜可以具有由相同材料或不同材料构成的多个绝缘层层叠而成的结构。
如上所述,绝缘膜可以从位于电池元件1的第1侧面4和第2侧面5各自的端部的角和棱线起,连续地覆盖俯视时的电池元件1的长边侧的侧面的一部分或全部。
(第1端子和第3端子)
包含第1导电性材料的第1端子500a是从外侧覆盖电池元件1的第2绝缘部件400b的一部分,并与第1电极100电连接的膜状导电部件。第2绝缘部件400b在从第2侧面5连接到第1主面2的棱线的一部分上具有未被第1端子500a覆盖的棱线露出部700a。因此,第1端子500a和棱线露出部700a被后述的第2端子600a从外侧覆盖,与第2端子600a相接并固定。如图1所示,棱线露出部700a可以是电池元件1的端部的角部。即、第2端子600a可以直接被覆电池元件1的角部的至少一部分。通过使电池元件1在端部的角部与第2端子600a接触,能够得到电池元件1、第1端子500a和第2端子600a的更强的固定性,因此电池的可靠性进一步提高。在此,电池元件1的端部的角部是指电池元件1的侧面与主面相接的部分。
详细而言,第1端子500a从第2绝缘部件400b的外侧的表面绕到位于第1主面2的第1电极100,连续地覆盖第2绝缘部件400b和第1主面2的第1电极100的至少一部分。但是,由于第2绝缘部件400b的棱线的一部分、例如角部成为棱线露出部700a,因此不会被第1端子500a覆盖。第1端子500a从电池元件1的外侧覆盖电池元件1的端部。第1端子500a还从绝缘膜之上覆盖电池元件1的第2侧面5和第2主面3。这样,第1端子500a只要不与第2电极200接触,也可以与电池元件1的侧面接触。
第1端子500a具有将第2绝缘部件400b的第2侧面被覆部410b覆盖的第2侧面被覆部510a、与第1主面2接触的电极接触部520a、以及第2主面被覆部530a。第2侧面被覆部510a、电极接触部520a和第2主面被覆部530a可以设置成除了作为第2绝缘部件400b的露出部的棱线露出部700a以外,整体连续。
第2侧面被覆部510a覆盖第2绝缘部件400b的外侧的表面。第2侧面被覆部510a例如与第2绝缘部件400b的外侧的表面相接,并与电极接触部520a和第2主面被覆部530a接合。第1端子500a的第2侧面被覆部510a覆盖第2侧面被覆部410b。
图1中,在第1端子500a,第2侧面被覆部510a覆盖第2绝缘部件400b的第2侧面被覆部410b,电极接触部520a与位于第1主面2的第1电极100的一部分、在此为第1集电体110的一部分相接,第2主面被覆部530a从外侧覆盖第2主面被覆部420b的一部分。
即、第1端子500a从第2绝缘部件400b的第2侧面被覆部410b的外侧表面绕到第2主面被覆部420b的外侧表面,覆盖第2绝缘部件400b的第2主面被覆部420b的一部分,另外,从第2侧面被覆部410b的外侧表面绕到第1主面2的第1电极100并与第1电极100相接。在俯视下,第2主面被覆部530a的内侧的端部位于比第2主面被覆部420b的内侧的端部靠外侧的位置。另外,第2主面被覆部530a也可以不完全覆盖第2主面被覆部420b。
第1端子500a中的电极接触部520a覆盖第1主面2的至少一部分,并与第1主面2接合。即、电极接触部520a与第1电极100电连接。电极接触部520a例如与第1集电体110电连接。电极接触部520a例如与第1主面2中的第1电极露出区域6接触。由此,电极接触部520a与位于第1主面2的第1端子500a侧的端部附近的第1电极露出区域6接触,因此第1端子500a不需要较大地绕入第1主面2的内侧,能够容易地将第1端子500a与第1电极100电连接。在俯视下,第1端子500a的第2主面被覆部530a的内侧的端部与电极接触部520a的内侧的端部例如位于相同位置。
第3端子500b的结构实质上与上述第1端子500a的结构相同。包含第3导电性材料的第3端子500b是从外侧覆盖电池元件1的第1绝缘部件400a的一部分,并与第2电极200电连接的膜状的导电部件。第1绝缘部件400a在从第1侧面4连接到第2主面3的棱线的一部分上具有未被第3端子500b覆盖的棱线露出部700b。因此,第3端子500b和棱线露出部700b被后述的第4端子600b从外侧覆盖,与第4端子600b相接并固定。如图1所示,棱线露出部700b可以是电池元件1的端部的角部。通过使电池元件1在端部的角部与第4端子600b接触,能够得到电池元件1、第3端子500b和第4端子600b的更强的固定性,因此电池的可靠性进一步提高。
详细而言,第3端子500b从第1绝缘部件400a的外侧的表面绕到位于第2主面3的第2电极200,连续地覆盖第1绝缘部件400a和第2主面3上的第2电极200的至少一部分。但是,第1绝缘部件400a的棱线的一部分、例如角部成为棱线露出部700b,因此不会被第3端子500b覆盖。第3端子500b从电池元件1的外侧覆盖电池元件1的端部。第3端子500b还从绝缘膜上覆盖电池元件1的第1侧面4和第1主面2。这样,第3端子500b只要不与第1电极100接触,也可以与电池元件1的侧面接触。
第3端子500b具有将第1绝缘部件400a的第1侧面被覆部410a覆盖的第1侧面被覆部510b、与第2主面3接触的电极接触部520b、以及第1主面被覆部530b。第1侧面被覆部510b、电极接触部520b和第1主面被覆部530b可以设置成除了作为第1绝缘部件400a的露出部的棱线露出部700b以外,整体连续。
第1侧面被覆部510b覆盖第1绝缘部件400a的外侧的表面。第1侧面被覆部510b例如与第1绝缘部件400a的外侧的表面接触,并与电极接触部520b和第1主面被覆部530b接合。第3端子500b的第1侧面被覆部510b覆盖第1侧面被覆部410a。
在图1中,在第3端子500b中,第1侧面被覆部510b覆盖第1绝缘部件400a的第1侧面被覆部410a,电极接触部520b与位于第2主面3的第2电极200的一部分、在此为第2集电体210的一部分相接,第1主面被覆部530b从外侧覆盖第1主面被覆部420a的一部分。
即、第3端子500b从第1绝缘部件400a的第1侧面被覆部410a的外侧表面绕到第1主面被覆部420a的外侧表面,覆盖第1绝缘部件400a的第1主面被覆部420a的一部分,另外,从第1侧面被覆部410a的外侧表面绕到第2主面3的第2电极200并与第2电极200相接。在俯视下,第1主面被覆部530b的内侧的端部位于比第1主面被覆部420a的内侧的端部靠外侧的位置。另外,第1主面被覆部530b可以不完全覆盖第1主面被覆部420a。
第3端子500b中的电极接触部520b覆盖第2主面3的至少一部分,并与第2主面3接合。即、电极接触部520b与第2电极200电连接。电极接触部520b例如与第2集电体210电连接。电极接触部520b例如与第2主面3中的第2电极露出区域7接触。由此,电极接触部520b与位于第2主面3的第3端子500b侧的端部附近的第2电极露出区域7相接,因此第3端子500b不需要较大地绕入第2主面3的内侧,能够容易地将第2端子600a与第2电极200电连接。在俯视下,第3端子500b的第1主面被覆部530b的内侧的端部与电极接触部520b的内侧的端部例如位于相同的位置。
对于第1端子500a和第3端子500b的厚度没有特别限定。为了提高电池1000的体积能量密度,端子的厚度、特别是电极接触部520a和电极接触部520b中的至少一方的厚度可以比集电体的厚度薄。端子的厚度、特别是电极接触部520a和电极接触部520b的厚度分别例如为1μm以上且50μm以下,也可以为2μm以上且40μm以下。通过使端子的厚度为上述的范围,能够抑制体积能量密度降低,并且容易缓和因温度变化引起的集电体的膨胀或收缩而产生的应力,从而能够稳定地发挥电池1000的特性。
(第1导电性材料和第3导电性材料)
第1导电性材料由具有电子导电性的导电性材料构成。为了高速率的充放电等、流通大电流,第1导电性材料可以包含主要含有低电阻的Ag或铜等的高电导率的金属材料。例如,通过涂布含有金属粒子的电极糊剂并进行热处理(例如烧结),形成第1端子500a。这样,第1导电性材料也可以是含有金属的烧结材料。由此,烧结后的低电阻金属膜例如抑制容易成为高电阻的集电体与第1端子500a的连接部的发热和烧损。因此,根据该结构,第1实施方式的电池更适合于大电流,能够提高电池的高速率特性以及可靠性。进而,也能够得到与基底的高固定性。
第1导电性材料可以包含树脂材料。由此,能够缓和由高速率下的充放电引起的急速的体积变化。而且,还可以得到优异的端面密封性。因此,根据该结构,能够实现高性能和高可靠性的电池。例如,为了降低电阻,第1导电性材料可以包含高密度分散有金属粒子的导电性树脂材料。
通过包含烧结材料和/或导电性树脂材料的第1端子500a,能够实现电池的高速率工作。而且,通过与后述的被覆第1端子500a的第2端子600a的复合接合结构,能够在具备导电性的同时得到缓冲性和强固定性。因此,能够实现可进行高速率工作、对于在充放电或冷热循环中产生的体积变化具有高可靠性的电池。
在由烧结材料形成第1端子500a的情况下,烧结温度例如为金属的熔点的一半左右的温度即可。通过使用几微米的粒子,可得到烧结的导电膜。通过粒径的微细化,粒子间的接触面积增大,因此能够进一步降低烧结温度,可以根据电池元件1的耐热性进行设定。
为了缓和因伴随充放电的电池元件1的各层的膨胀或收缩而产生的电池元件1的应力,第1端子500a例如可以由高密度分散有上述金属粒子的导电性树脂材料构成。通过金属粒子的密度和金属粒子的微细化,使金属粒子之间的接触面积增大,由此能够进一步降低比较柔软的导电性树脂材料的电阻。例如,可以使用包含具有0.1μm~1μm的粒径的含Ag和/或Cu的微细粒子的、金属含量高(例如为70质量%以上)的导电性树脂材料作为第1导电性材料。另外,例如,第1导电性材料可以具有比构成第1集电体110和第2集电体210的金属小的杨氏模量。通过使用柔软的材料作为第1导电性材料,能够缓和与高速率工作和充放电循环相伴的膨胀收缩,因此能够提高容易剥离的连接部(例如与集电体的接合)的可靠性。
为了进一步提高电池1000的可靠性,第1导电性材料可以具有比固体电解质层300、第1活性物质层120和第2活性物质层220小的杨氏模量。由此,能够吸收作为与充放电相伴的膨胀收缩的主体的第1活性物质层120和第2活性物质层220的变形应力,抑制结构缺陷,提高电池1000的可靠性。为了减小第1导电性材料的杨氏模量,第1导电性材料可以包含树脂材料。
杨氏模量的相对关系例如可以根据相对于压入探针时的压力的位移特性、或凹陷的大小关系等进行比较。
第1导电性材料例如可以包含银、铜、镍、锌、铝、钯、金、铂或将这些金属组合的合金。另外,第1导电性材料可以是在固体电解质中含有导电性粒子或半导体材料的粒子的材料。由此,能够调整与电池元件1的线膨胀系数和硬度,所以能够抑制因充放电或冷热循环等产生的体积变化引起的应力导致结构缺陷。因此,对于损失小、能够应对高速率的电池,能够进一步提高可靠性。
第1导电性材料可以含有氧化物。由此,在与第2端子600a的接合界面,第1端子500a的氧化物陷入第2端子600a,得到锚固作用,其结果,第1端子500a与第2端子600a的接合强度提高。作为氧化物,优选比与第1端子500a接合的材料(例如,集电体、绝缘膜和固体电解质层的材料)硬的材料。这样的机械强度高的氧化物的例子有氧化铝(Al2O3)或氧化锆(ZrO2)。氧化物可以为粒子状。氧化物粒子的尺寸可以在第1端子500a的厚度范围内设定。关于第1导电性材料中的氧化物的含量,在所希望的电导率的范围内含有,没有特别限定。
第1导电性材料可以是包含玻璃的烧结材料。由此,玻璃成分填充于烧结组织中的气孔,所以提高了第1端子500a的密封性。其结果,抑制了水分向电池元件1内的侵入。
第1导电性材料可以是含有2种以上玻璃的烧结材料。即、第1导电性材料也可以含有玻璃料。通过烧结,玻璃料成分熔融而与基底(例如集电体的表面的凹凸)密合,提高了第1端子500a的接合性。另外,例如通过使玻璃料成分向集电体的表面扩散,在集电体的表面形成扩散层或合金层等反应层,也能够得到更强的接合性。例如,在集电体含有Cu的情况下,通过以0.1~10质量%的比例对第1导电性材料添加Zn、Al、Sn、Sb、Bi等的粉末,可以在烧结时形成反应层。只要是在烧结温度以下形成合金的组合物就可以使用。玻璃料是使例如粉末化至几微米的材料包含在金属粉末中,通过例如在其软化点以上的热处理,能够使玻璃成分熔融。另外,熔融的玻璃成分通过润湿金属粒子表面,作为金属粒子的烧结助剂发挥作用,还能够得到进一步降低烧结温度和反应温度的作用效果。
第1导电性材料中所含的玻璃可以包含压粉体组织和熔融组织。由此,能够通过压粉体组织吸收应力,通过熔融组织提高防止水分等侵入的密封性以及与基底的固着性。包含这样的压粉体组织和熔融组织的玻璃,例如可以通过包含软化点不同的2种以上玻璃组成的玻璃来实现。例如在软化点比热处理温度高的玻璃组成区域中,在热处理中没有完全烧结,成为玻璃粉彼此接触的压粉体组织。另一方面,在软化点比热处理温度低的玻璃组成区域中,成为通过热处理而熔融了的组织、即熔融组织。
第1导电性材料中的玻璃料的含量可以在不损害第1端子500a的导电性的范围内选择。例如,可以含有0.1~10质量%。
玻璃料的软化点主要由玻璃组成来控制,例如可以选择各种玻璃组成以使软化点成为400~900℃等的范围。另外,也可以含有软化点不同的多种玻璃成分。由此,烧结后的玻璃组织可以形成为包含粒子状的组织(即未软化的玻璃成分)和熔融的玻璃组织(软化后)混合存在的组织结构。根据具有包含这样多个组织的结构的玻璃,由冷热循环或充放电产生的应力被粒子状的玻璃粉组织的变形性吸收,另一方面,固定性由于熔融的玻璃组织而提高,因此能够形成应力吸收性和固定可靠性优异的第1端子500a。通过这样的结构,能够进行高速率的充放电,并且能够得到与电池元件1的连接可靠性优异的第1端子500a。第1端子500a的微细组织可以使用SEM(扫描型电子显微镜)、光学显微镜(例如1k~5k倍)或激光显微镜对采用机械研磨或离子抛光机得到的研磨截面进行观察。第1端子500a的微细组织的组成可以通过EPMA(电子束显微分析仪)或EDX(能量分散型X射线分析)来定量并且分析元素分布。
为了抑制导电膜的剥离,从能够较宽地调整其柔软度(例如杨氏模量)的观点出发,第1端子500a也可以使用导电性的树脂糊,进而例如由含有固体电解质等电池元件的构成成分的材料构成。由此,进行使线膨胀系数与电池元件近似的调整,能够提高对于热冲击的耐性。
第1导电性材料中包含的树脂可以是热塑性树脂,也可以是热固性树脂。为了容易地形成端子,第1导电性材料可以包含热固性树脂。
热塑性树脂的例子有聚乙烯系树脂、聚丙烯系树脂、丙烯酸系树脂、聚苯乙烯系树脂、氯乙烯系树脂、有机硅系树脂、聚酰胺系树脂、聚酰亚胺系树脂、氟化烃系树脂、聚醚系树脂、丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SEBS)、乙烯-丙烯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、或者丙烯腈-丁二烯橡胶。
热固性树脂的例子有:(i)尿素系树脂、三聚氰胺系树脂和胍胺系树脂之类的氨基树脂,(ii)双酚A型、双酚F型、苯酚酚醛清漆型和脂环式之类的环氧树脂,(iii)氧杂环丁烷树脂,(iv)甲阶酚醛型或酚醛清漆型的酚醛树脂,或(v)有机硅环氧树脂和有机硅聚酯之类的硅改性有机树脂。
第1端子500a可以包含具有含空气等的气孔或气泡等的材料。通过这样的结构,能够在更大的范围控制柔软性(例如杨氏模量)。其结果,提高了对于电池元件1的膨胀或收缩的追随性,进一步抑制了剥离等问题。
第1导电性材料可以包含氧化物、陶瓷和固体电解质之类的不可燃性和阻燃性的材料。由此,除了提高第1端子500a的耐热性之外,还能够得到作为抑制电池异常发热时的延烧的层壁的作用效果。
在与第2电极200接触的第3端子500b所含的第3导电性材料中,作为能够用作第1导电性材料的材料,可以使用与上述说明的材料相同的材料。
第1端子500a和第3端子500b可以由相同的材料构成,也可以由互不相同的材料构成。在第1端子500a和第3端子500b由互不相同的材料构成的情况下,可以设为至少第1端子500a满足上述的材料和物性。
(第2端子和第4端子)
第2端子600a被覆第1端子500a的表面的至少一部分,与第1端子500a电连接,并且直接被覆电池元件1的端部的至少一部分。即、第2端子600a与电池元件1的端部的至少一部分接触并被其被覆。第2端子600a可以将第1端子500a内包。
第4端子600b被覆第3端子500b的表面的至少一部分,与第3端子500b电连接,并且直接被覆电池元件1的端部的至少一部分。即、第4端子600b与电池元件1的端部的至少一部分接触并被其被覆。第4端子600b可以将第3端子500b内包。
第2端子600a和第4端子600b与电池元件1的端部的至少一部分接触。根据以上的结构,由第2端子600a、电池元件1的端部和第1端子500a形成复合的接合结构,由此能够得到相互的强固定性。另外,由第4端子600b、电池元件1的端部和第3端子500b形成复合的接合结构,由此能够得到相互的强固定性。其结果,在电池元件1的角部可以不进行倒角,所以能够将活性物质装入到电池元件1的端部,能够提高电池的容量。
(第2导电性材料和第4导电性材料)
包含第2导电性材料的第2端子600a由具有电子导电性的导电性材料构成。
第2导电性材料可以包含树脂材料。由此,能够进一步抑制水分从电池元件1的端部侵入,提高密封性。另外,通过第2导电性材料的弹性,提高了对于与安装基板的应力的吸收性。另外,与安装基板的应力例如是由于因充放电引起的电池的体积变化、安装基板的弯曲、以及安装时的冲击而产生的。
第2端子600a可以由比第1端子500a柔软的导电性材料构成。第2端子600a将第1端子500a和未被第1端子500a覆盖的部位(例如电池元件1的棱线露出部700a)被覆并固定。由此,与充放电相伴的电池的应力以及在与安装基板之间产生的应力通过第2端子600a的缓冲性而被缓和。其结果,能够实现具有优异的速率特性的高可靠性的表面安装电池。另外,在电池与安装基板之间产生的应力,例如是由于安装基板的热膨胀和弯曲、以及因充放电引起的电池的变形而产生的。
第2导电性材料与第1导电性材料同样,优选含有导电性高的金属。第2导电性材料例如包含银、铜、镍、锌、铝、钯、金、铂和将这些金属组合的合金中的至少一种。在第1导电性材料和第2导电性材料包含导电性树脂材料的情况下,可以使第2导电性材料的金属含量比第1导电性材料低。由此,能够形成比第1导电性材料柔软的端子。进而,能够将第1导电性材料的导电性设定得比第2导电性材料高。这样,抑制作为与电池元件1的连接部位的引出电池特性的端子即第1端子500a的电阻,并且将作为用于与安装基板连接的安装端子的第2端子600a设为柔软的结构,由此能够进行高速率的充放电,并且能够得到可靠性优异的电池。第2导电性材料可以是除了金属成分以外,在固体电解质中含有导电性粒子或半导体材料的粒子的材料。由此,能够在更大的范围调整线膨胀系数和硬度,能够抑制因冷热循环或热冲击等应力而产生的第1端子500a以及与电池元件1之间的结构缺陷。
从能够广泛地调整热膨胀系数和柔软性(例如杨氏模量)的观点出发,第2导电性材料可以由在导电性的树脂糊中特别含有固体电解质等电池元件1的构成成分的材料构成。由此,能够抑制由冷热循环或热冲击引起的剥离和裂纹的产生。
第2导电性材料中所含的树脂可以是热塑性树脂,也可以是热固性树脂。为了容易地形成端子,第2导电性材料可以包含热固性树脂。
作为热塑性树脂和热固性树脂,例如可以使用与上述第1导电性材料相同的材料。
第2导电性材料也可以是硬度与第1导电性材料不同的材料。由此,能够选择材料,使得能够通过第1端子500a以低损失引出电池特性,并且由第2端子600a通过第2导电性材料提供可靠性(例如包括密封和安装时的应力吸收性)。因此,能够实现具有高性能和高可靠性的表面安装电池。
第2导电材料可以比第1导电材料柔软。由此,电池的使用时的应力主要由包含第2导电性材料的第2端子600a变形而吸收,由第1导电性材料构成的第1端子负责引出电池元件1的特性。由此,能够在提高应力吸收性以及与基板安装的可靠性的同时,提高电池特性。
第2导电性材料可以具有比第1导电性材料高的电阻。由此,能够以低损失引出电池元件1的特性,实现高可靠性的电池。
第2端子600a与第1端子500a同样,可以使用具有含空气等的气孔或气泡等的材料。通过这样的结构,能够进一步实现柔软性(例如杨氏模量)的大范围的控制,提高电池1000的安装状态下的可靠性。这样,第2端子600a可以包含气孔。该气孔可以包含与外部连通的开气孔。由此,能够抑制例如因焊料镀敷而侵入气孔内的镀敷液通过焊料安装时的热而破裂并向周围飞散造成短路。开气孔例如可以通过预先含有热固性树脂的固化温度以下的沸点成分(溶剂)而在固化时形成。第2端子600a不仅可以包含金属,还可以包含例如陶瓷和固体电解质这样的不燃性材料。在端子中含有不燃性、阻燃性的材料的情况下,在电池异常发热时,还具有端子的耐热性和作为抑制延烧的层壁的作用效果。
在图1所示的结构中,在第1端子500a、第2端子600a和第2绝缘部件400b都包含树脂材料的情况下,所包含的树脂的加工温度可以按照绝缘膜、第1导电性材料、第2导电性材料的顺序降低。在采用热固性树脂的情况下,加工温度例如是用于促进树脂的热固化的固化温度。在采用热塑性树脂的情况下,加工温度例如是用于使树脂流动的相变温度(例如玻璃化转变温度或熔点)。在绝缘膜包含第1热固性树脂、第1导电性材料包含第2热固性树脂、第2导电性材料包含第3热固性树脂的情况下,例如第1热固性树脂的固化温度为第2热固性树脂的固化温度以上,第2热固性树脂的固化温度为第3热固性树脂的固化温度以上。由此,能够使第1导电性材料的固化温度为绝缘膜所含的第1热固性树脂的固化温度以下,另外,能够使第2导电性材料的固化温度为第1导电性材料所含的第2热固性树脂的固化温度以下。因此,能够抑制绝缘膜和第1导电性材料的特性的降低,抑制剥离和裂纹的产生,形成端子。在第1端子500a通过烧结而形成,第2端子和绝缘膜包含树脂材料的情况下,该树脂的加工温度可以按照绝缘膜、第2导电性材料的顺序降低。因此,关于热固性树脂的固化温度,绝缘膜的热固性树脂的固化温度为第2导电性材料的热固性树脂的固化温度以上。
第4端子600b所含的第4导电性材料可以使用与上述作为能够用作第2导电性材料的材料而说明的材料同样的材料。
(第2实施方式)
以下,对第2实施方式的电池2000进行说明。在上述实施方式中已说明的事项可被省略。
图2表示第2实施方式的电池2000的大致结构。图2的(a)表示从y轴方向观察第2实施方式的电池2000的大致结构的剖视图。图2的(b)表示从z轴方向观察第2实施方式的电池2000的大致结构的俯视图。图2的(a)表示图2的(b)的II-II线所示位置的截面。
如图2的(a)和图2的(b)所示,第2实施方式的电池2000具备电池元件21,该电池元件21具有第1电极100和第2电极200整体配置在固体电解质层310内的结构。固体电解质层310例如是氧化物固体电解质。这样,第2实施方式的电池2000在电池元件21的结构不同这一点上,与第1实施方式的电池1000不同。
作为构成固体电解质层310的氧化物系固体电解质,例如可以使用大气稳定性高的LAGP系结晶化玻璃(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)以及石榴石型结构的LLZ(Li7La3Zr2O12)等公知的材料。
与第1实施方式的电池1000同样地,第2实施方式的电池2000具备第1端子500a和第2端子600a,第1端子500a与第1电极100接触,第2端子600a被覆第1端子500a的表面的至少一部分,与第1端子500a电连接,并且直接被覆电池元件21的端部的至少一部分。在图2所示的电池2000中,第1端子500a与第1集电体110接触。另外,第2端子600a在未被第1端子500a覆盖的电池元件21的端部的角部与电池元件21接触并将其覆盖。
另外,与第1实施方式的电池1000同样地,第2实施方式的电池2000具备第3端子500b和第4端子600b,第3端子500b与第2电极200接触,第4端子600b被覆第3端子500b的表面的至少一部分,与第3端子500b电连接,并且直接被覆电池元件21的端部的至少一部分。在图2所示的电池2000中,第3端子500b与第2集电体210接触。另外,第4端子600b在未被第3端子500b覆盖的电池元件21的端部的角部与电池元件21接触并将其覆盖。
在第2实施方式的电池2000中,第1端子500a、第2端子600a、第3端子500b和第4端子600b,可以使用分别与第1实施方式中说明的第1端子500a、第2端子600a、第3端子500b和第4端子600b相同的材料。
例如,在第2实施方式的电池2000中,作为第1端子500a的一个例子,可以举出通过端面涂布将在高导电性金属材料的Cu粉末粒子(例如粒径为0.3~1μm的Cu粒子)中含有玻璃料粉末(例如SiO2-Bi2O3-B2O3-ZnO系(软化点例如为500~550℃)等公知材料)的电极糊进行涂布,接着在Cu不氧化的氮气气氛中,在玻璃料的软化点以上的550~600℃下烧结而形成的物质。玻璃成分通过烧结,向基底的氧化物固体电解质扩散而形成反应了的扩散层,除了锚固效果以外,第1导电性材料与氧化物固体电解质也牢固地接合。例如,第1端子500a的厚度为1~10μm。通过将厚度设为1μm以上,烧结的金属膜不易因烧结而收缩成为岛状,容易得到连续的导电膜。另外,通过将厚度设为10μm以下,金属膜的厚度不会变得过厚,因此即使因充放电或冷热循环的膨胀收缩也难以从电池元件21剥离。另外,对于第3端子500b,也可以适用与第1端子500a同样的结构。
例如,在第2实施方式的电池2000中,作为第2端子600a所含的第2导电性材料的一个例子,可以举出包含Ag粒子(例如粒径为0.3~1μm的Ag粒子)的热固性环氧系的导电性树脂材料。例如,也可以通过涂布该导电性树脂材料,并在氮气中在约200℃下使其固化,来形成第2端子600a。这样的第2端子600a比如上所述使用包含Cu粉末粒子和玻璃料粉末的电极糊形成的第1端子500a柔软。由此,能够在引出电池的特性的同时,缓和与充放电相伴的膨胀收缩以及与安装基板的应力。例如,第2端子600a的厚度为1~10μm。从应力缓和性的观点出发,可以适当设定第2端子600a的厚度。在过厚的情况下,会导致体积能量密度的降低,因此以适当的厚度形成即可。另外,第2端子600a也可以通过涂布热固性导电性树脂并在氮气中进行热处理而固化形成。这样,通过在非氧化气氛中的热处理,能够抑制第2导电性材料中所含的金属粒子的表面氧化,能够抑制安装时的连接电阻的降低以及焊料湿润性的恶化。另外,关于第4端子600b,也可以适用与第2端子600a同样的结构。
在第2实施方式的电池2000中,在通常的芯片部件中进行倒角而削除的长方体的端部区域也能够形成活性物质层,能够实现大容量化。再者,电池2000的端部例如由比较柔软的第2端子600a被覆,所以也减轻了容易崩裂的问题。另外,第2端子600a接合在第1端子500a和电池元件21的固体电解质层310这两个不同材料表面,因此与第1实施方式的电池1000同样地能够得到复合接合结构,能够得到强固定性。
如上所述,在第2实施方式的电池2000中,也能够得到与第1实施方式的电池1000相同的效果。
(第3实施方式)
以下,对第3实施方式的电池3000进行说明。在上述实施方式中已说明的事项可被省略。
图3表示第3实施方式的电池3000的大致结构。图3的(a)表示从y轴方向观察第3实施方式的电池3000的大致结构的剖视图。图3的(b)表示从z轴方向观察第3实施方式的电池3000的大致结构的俯视图。图3的(a)表示图3的(b)的III-III线所示位置的截面。
如图3的(a)和图3的(b)所示,第3实施方式的电池3000在第2端子600a的表面形成有焊料镀膜800。即、第3实施方式的电池3000具有相对于电池2000还具备焊料材料的结构。在第3实施方式的电池3000中,在第4端子600b的表面也形成有焊料镀膜800。除了设有焊料镀膜800这一点以外,第3实施方式的电池3000具有与第2实施方式的电池2000相同的结构。作为焊料镀敷,例如可以举出Ni基底的Sn镀敷。
这样,电池3000具备与第2端子600a和第4端子600b相接的焊料材料。由此,在安装基板上,作为通常的表面安装部件,例如可以通过通用的回流等工艺进行焊料安装。通过这样的结构,能够容易地对应具有高性能和高可靠性的电池的表面安装,能够与其他一般的层叠陶瓷电容器(MLCC)所代表的表面安装部件同样地进行基板安装,因此工业利用价值大。
焊料镀敷例如可以通过在一般的芯片部件中进行的滚镀等电解镀敷来形成。例如,基底的Ni厚度为0.5~5μm,Sn厚度为0.5~5μm。Ni膜只要没有缺陷(例如裂纹或空隙)地形成即可,如果过厚则有时成膜时的膜应力强烈地发挥作用而在坯体上产生裂纹。另外,对Sn厚度没有特别限定,但如果过厚则在冷热循环中Ni膜容易产生裂纹,会对焊料润湿性带来不良影响,或者导致体积能量密度降低。根据这样的理由,适当设定镀敷厚度。再者,焊料镀膜的组成不限定于Sn,可以任意设定非铅系、铅系等基板安装用途和焊料润湿性良好的材料,可以使用公知的焊料材料。
(第4实施方式)
以下,对第4实施方式的电池4000进行说明。在上述实施方式中已说明的事项可被省略。
图4表示第4实施方式的电池4000的大致结构。图4的(a)表示从y轴方向观察第4实施方式的电池4000的大致结构的剖视图。图4的(b)表示从z轴方向下侧观察第4实施方式的电池4000的大致结构的俯视图。图4的(a)表示图4的(b)的IV-IV线所示位置的截面。
如图4的(a)和图4的(b)所示,第4实施方式的电池4000在具备第2绝缘部件900、引线端子910a和引线端子910b这一点上与电池1000不同。引线端子910a和910b分别焊接于第2端子600a和第4端子600b。第2绝缘部件900将电池元件1、第1端子500a、第2端子600a、第3端子500b和第4端子600b内包。引线端子910a和910b的至少一部分作为安装用的端子,位于第2绝缘部件900的外部。
根据以上的结构,能够实现小型且可靠性优异的表面安装电池。
第2绝缘部件900例如可以使用热固性的环氧树脂等与上述绝缘部件同样的绝缘树脂,可以使用一般在器件等能够隔断空气、水分的模制用途中使用的材料。在引线端子的外部端子部分(即、从第2绝缘部件900露出的部分),例如也可以在厚度为0.3mm的SUS板上实施局部的焊料镀敷(例如为Sn系,厚度1μm的焊料镀敷)。将引线端子910a和910b与第2端子600a和第4端子600b分别焊接后,放到注入模具中的热固性环氧树脂液中,例如以200~240℃进行热固化,得到电池4000。通过这样的结构,也能够实现与回流等的表面安装对应的形态。
引线端子910a和910b例如可以为SUS制。
这样,通过用第2绝缘部件900将电池4000收纳在模制树脂内,能够利用引线端子910a和910b吸收基板的挠曲、在与安装基板之间产生的由充放电或冷热循环导致的体积变化引起的应力,进而使应力吸收性提高,耐冲击及耐固着性提高。另外,模制的绝缘树脂作为电池4000的保护层发挥作用,耐环境性(例如耐湿性)也提高。另外,如果对引线端子的安装部分进行例如焊料镀敷处理,则能够进行回流等的焊料安装。
(第5实施方式)
以下,对第5实施方式的电池5000进行说明。在上述实施方式中已说明的事项可被省略。
图5表示第5实施方式的电池5000的大致结构。图5的(a)表示从y轴方向观察第5实施方式的电池5000的大致结构的剖视图。图5的(b)表示从z轴方向下侧观察第5实施方式的电池5000的大致结构的俯视图。图5的(a)表示图5的(b)的V-V线所示位置的截面。
如图5的(a)和图5的(b)所示,第5实施方式的电池5000具有两个电池3000层叠的结构。即、电池5000在包含多个单电池这一点上与第3实施方式的电池3000不同。在电池3000中,如第3实施方式中说明的那样,如图3所示,在第2端子600a和第4端子600b的表面上形成有焊料镀膜800,在该焊料镀膜800上接合有引线端子920。
引线端子920例如由板状的导电性部件形成,例如可以使用厚度为0.3mm的SUS制的板状部件。
作为电池5000中所含的多个单电池的电池3000可以相互串联连接。
如上所述,引线端子920例如是板状部件,分别通过例如Sn系焊料与电池3000的第2端子和第4端子的表面的焊料镀膜800接合。引线端子920的下部例如成为通过使构成引线端子920的板状部件向与电池3000的主面大致平行的方向弯曲而形成的、与安装基板连接的安装端子921。因此,在安装时,能够通过构成引线端子920的板状部件来实施与安装基板的接合。另外,引线端子920与电池3000的接合所使用的焊料,可以使用熔点比安装时的焊料高的焊料。由此,在安装时电池3000的第2端子和引线端子920不会脱落,能够进行可靠性高的安装。
电池5000的下部也可以在与安装基板之间设置空隙。由此,即使在安装基板上产生大的弯曲,电池5000也不会直接与安装基板接触,能够通过引线端子920的变形来吸收安装基板的弯曲。通过这样的结构,电池5000也能够进一步提高耐弯曲性,进一步提高高性能电池的可靠性。
[电池的制造方法]
以下,对本公开的电池的制造方法的一个例子进行说明。作为一个例子,对第1实施方式的电池1000的制造方法进行说明。
在以下的说明中,第1电极100是正极,第2电极200是负极。
首先,制作用于印刷形成第1活性物质层120(以下称为正极活性物质层)和第2活性物质层220(以下称为负极活性物质层)的各糊剂。作为正极活性物质层和负极活性物质层各自的合剂中使用的固体电解质原料,例如准备平均粒径约为10μm、以三斜晶系结晶为主要成分的Li2S-P2S5系硫化物的玻璃粉末。该玻璃粉末例如具有2×10-3~3×10-3S/cm左右的高离子传导性。作为正极活性物质,例如使用平均粒径约为5μm、层状结构的Li·Ni·Co·Al复合氧化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)的粉末。通过将含有上述正极活性物质和上述玻璃粉末的合剂分散在有机溶剂等中,制作正极活性物质层用糊剂。作为负极活性物质,例如使用平均粒径约为10μm的天然石墨的粉末。通过使含有上述负极活性物质和上述玻璃粉末的合剂分散在有机溶剂等中,制作负极活性物质层用糊剂。
接着,作为用作第1集电体110(以下称为正极集电体)和第2集电体210(以下称为负极集电体)的材质,例如准备约15μm厚的铜箔。例如,通过丝网印刷法,将正极活性物质层用糊剂和负极活性物质层用糊剂分别以预定形状和约50μm以上且100μm以下的厚度印刷在各个铜箔的一个表面上。正极活性物质层用糊剂和负极活性物质层用糊剂在80℃以上且130℃以下干燥,形成30μm以上且60μm以下的厚度。这样,在正极集电体上形成正极活性物质层,在负极集电体上形成负极活性物质层。
接着,制作使含有上述玻璃粉末的合剂分散在有机溶剂等中而成的固体电解质层用糊剂。在正极和负极上,使用金属掩模,例如以约100μm的厚度印刷上述固体电解质层用糊剂。然后,将印刷有固体电解质层用糊剂的正极和负极在80℃以上且130℃以下进行干燥。
接着,印刷在正极上的固体电解质和印刷在负极上的固体电解质以相互接触对置的方式层叠。
接着,用加压模具对层叠后的层叠体进行加压。具体而言,在层叠体与加压模具板之间,即在层叠体的集电体上表面,插入例如厚度为70μm、弹性模量为5×106Pa左右的弹性体片。根据该结构,经由弹性体片对层叠体施加压力。然后,将加压模具在压力300MPa下加热至50℃,对层叠体加压90秒。由此,得到电池元件1。
接着,在如上制作的电池的端面(两短边侧面)上,通过丝网印刷以约20~40μm的厚度涂布热固性的环氧树脂。向长边侧的一部分绕入的部分也同时形成。然后,在约120~150℃下固化1~3小时。重复该操作两次,层叠形成约30~60μm的绝缘膜(即、绝缘部件的第1侧面被覆部410a和第2侧面被覆部410b)。
然后,将向主面的绕入部(第1主面被覆部420a和第2主面被覆部420b)通过丝网印刷以约10μm的厚度进行涂布,在约120~150℃下固化1~3小时而形成。接着,在如上制作的电池元件1的第1主面2和第2主面3上,将含有平均粒径为0.5μm的Ag粒子的热固性导电性糊剂以约30μm的厚度进行丝网印刷,形成图案从而形成第1端子500a的电极接触部520a和第3端子500b的电极接触部520b。进而,在电池元件1的第1侧面4的第1绝缘部件400a和第2侧面5的第2绝缘部件400b上,除了棱线露出部700a和700b以外,将含有Ag粒子的热固性导电性糊剂以约30μm的厚度进行丝网印刷。在绝缘部件的固化温度以下的温度下,例如在120~130℃下进行0.5~3小时固化而形成第1端子500a和第3端子500b。此时,也可以以第1端子500a和第3端子500b成为所希望的厚度的方式,根据需要层叠形成第1端子500a和第3端子500b。接着,将与第1端子500a和第3端子500b的形成中所使用的材料相比Ag含有率低的含有Ag粒子的热固性导电性糊剂作为第2导电性材料,以被覆第1端子500a和第3端子500b的外侧的方式进行涂布,例如在100~120℃下进行0.5~3小时固化而形成第2端子600a和第4端子600b。
这样,得到电池1000。然后,可以对除了第2端子600a和第4端子600b以外的部位进行抗蚀剂处理,通过电镀实施Ni基底(例如厚度1~2μm的Ni基底)的Sn系的焊料镀敷(例如厚度3~7μm的焊料镀敷)。
电池1000的形成方法和顺序不限于上述示例。
在上述的制造方法中,示出了将正极活性物质层用糊剂、负极活性物质层用糊剂、固体电解质层用糊剂和导体糊剂通过印刷进行涂布的例子,但不限于此。作为印刷方法,例如可以采用刮刀法、压延法、旋涂法、浸涂法、喷墨法、胶印法、模涂法、喷涂法等。
在上述的制造方法中,作为导体糊剂例示了含有Ag的金属粒子的热固性导电性糊剂,但不限于此。另外,热固性的导电性糊剂中使用的树脂只要是作为粘结用粘合剂发挥作用的树脂即可,进而根据印刷性和涂布性等所采用的制造工艺来选择适当的树脂。热固性的导体糊剂中使用的树脂例如包括热固性树脂。作为热固性树脂,例如可以举出:(i)尿素树脂、三聚氰胺树脂、胍胺树脂等氨基树脂,(ii)双酚A型、双酚F型、苯酚酚醛清漆型、脂环式等环氧树脂,(iii)氧杂环丁烷树脂,(iv)甲阶酚醛树脂型、酚醛清漆型等酚醛树脂,以及(v)有机硅环氧树脂、有机硅聚酯等有机硅改性有机树脂等。树脂可以仅使用这些材料中的1种,也可以组合使用这些材料中的2种以上。
产业可利用性
本公开涉及的电池例如可用作各种电子设备或汽车等所使用的表面安装用全固体电池等二次电池。
附图标记说明
100第1电极
110第1集电体
120第1活性物质层
200第2电极
210第2集电体
220第2活性物质层
300、310固体电解质层
400a第1绝缘部件
400b第2绝缘部件
500a第1端子
500b第3端子
600a第2端子
600b第4端子
800焊料镀膜
900第2绝缘部件
910a、910b引线端子
1000、2000、300、4000、5000电池。
Claims (17)
1.一种电池,具备:
包含第1电极、固体电解质层和第2电极的电池元件;
包含第1导电性材料的第1端子;以及
包含第2导电性材料的第2端子,
所述第1端子与所述第1电极相接,
所述第2端子被覆所述第1端子的表面的至少一部分,与所述第1端子电连接,并且直接被覆所述电池元件的角部的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的电池,
所述第2端子将所述第1端子内包。
3.根据权利要求1或2所述的电池,
所述第1导电性材料是包含金属的烧结材料。
4.根据权利要求1或2所述的电池,
所述第1导电性材料是包含玻璃的烧结材料。
5.根据权利要求4所述的电池,
所述第1导电性材料是包含两种以上玻璃的烧结材料。
6.根据权利要求4或5所述的电池,
所述玻璃包含压粉体组织和熔融组织。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的电池,
所述第1导电性材料包含树脂材料。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的电池,
所述第1导电性材料包含氧化物。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的电池,
所述第2导电性材料包含树脂材料。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的电池,
所述第2导电性材料是硬度与所述第1导电性材料不同的材料。
11.根据权利要求1~10中任一项所述的电池,
所述第2导电性材料比所述第1导电性材料柔软。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的电池,
所述第2导电性材料具有比所述第1导电性材料高的电阻。
13.根据权利要求1~12中任一项所述的电池,
所述第2导电性材料包含气孔。
14.根据权利要求13所述的电池,
所述气孔包含开气孔。
15.根据权利要求1~14中任一项所述的电池,
还具备焊料材料,
所述焊料材料与所述第2端子相接。
16.根据权利要求1~15中任一项所述的电池,
还具备绝缘部件,
所述绝缘部件将所述电池元件、所述第1端子和所述第2端子内包。
17.根据权利要求1~16中任一项所述的电池,还具备:
包含第3导电性材料的第3端子;和
包含第4导电性材料的第4端子,
所述第3端子与所述第2电极相接,
所述第4端子被覆所述第3端子的表面的至少一部分,与所述第3端子电连接,并且直接被覆所述电池元件的端部的至少一部分。
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