DE102022111291A1 - Festkörperbatterie - Google Patents

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Takuya MATSUYAMA
Masatsugu KAWAKAMI
Tetsuya WASEDA
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Ein Hauptziel der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer Festkörperbatterie mit geringer Größe und ausgezeichneter struktureller Zuverlässigkeit. Die vorliegende Offenbarung erreicht dieses Ziel durch Bereitstellung einer Festkörperbatterie, die Folgendes beinhaltet: eine Batteriezelle; ein erstes Stromabnehmerelement, das auf einer ersten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist; ein zweites Stromabnehmerelement, das auf einer zweiten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist, welche die Oberfläche ist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt; und ein Außengehäuse, das die Batteriezelle, das erste Stromabnehmerelement und das zweite Stromabnehmerelement schützt; wobei eine Größe der Festkörperbatterie 4 cm2oder weniger beträgt; die Batteriezelle einen Sulfid-Festelektrolyten enthält; das Außengehäuse ein erstes Außengehäuseelement, das auf der ersten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, und ein zweites Außengehäuseelement, das auf der zweiten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, beinhaltet; eine Harzschicht A in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist; eine Harzschicht B in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet ist; und die Harzschicht A und die Harzschicht B jeweils ein Klebstoffharz enthalten.

Description

  • Technischer Bereich
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Festkörperbatterie.
  • Stand der Technik
  • Eine Festkörperbatterie (engl. all solid state battery) ist eine Batterie, die eine Festelektrolytschicht (engl. solid electrolyte layer) zwischen einer Kathodenschicht und einer Anodenschicht enthält, und einer ihrer Vorteile ist, dass die Vereinfachung einer Sicherheitsvorrichtung im Vergleich zu einer Batterie auf Flüssigkeitsbasis mit einem flüssigen Elektrolyten, der ein entflammbares organisches Lösungsmittel enthält, leichter erreicht werden kann. Patentliteratur 1 offenbart zum Beispiel eine Laminatbatterie, die einen Elektrodenkörper, ein Laminataußengehäuse und einen Laschenfilm (engl. tab film) umfasst, wobei eine thermoplastische Harzschicht in einem Randbereich der Laminataußengehäuse angeordnet ist.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung (JP-A) Nr. 2019-194949
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • Technisches Problem
  • Wenn eine Festkörperbatterie verkleinert wird, nimmt die strukturelle Zuverlässigkeit der Festkörperbatterie tendenziell ab. Zum Beispiel kann Feuchtigkeit leicht in eine Batteriezelle eindringen, und ein Riss kann leicht in der Batteriezelle während ihrer Herstellung erzeugt werden. Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht der oben genannten Umstände gemacht, und ein Hauptziel davon ist es, eine Festkörperbatterie in einer geringen Größe mit ausgezeichneter struktureller Zuverlässigkeit bereitzustellen.
  • Lösung des Problems
  • Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Offenbarung eine Festkörperbatterie bereit, die Folgendes umfasst: eine Batteriezelle; ein erstes Stromabnehmerelement, das auf einer ersten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist; ein zweites Stromabnehmerelement, das auf einer zweiten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist, welche die Oberfläche ist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt; und ein Außengehäuse, das die Batteriezelle, das erste Stromabnehmerelement und das zweite Stromabnehmerelement schützt; wobei eine Größe der Festkörperbatterie 4 cm2 oder weniger beträgt; die Batteriezelle einen Sulfid-Feststoffelektrolyten enthält; das Außengehäuse ein erstes Außengehäuseelement, das auf der ersten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, und ein zweites Außengehäuseelement, das auf der zweiten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, beinhaltet; eine Harzschicht A in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist; eine Harzschicht B in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet ist; und die Harzschicht A und die Harzschicht B jeweils ein Klebstoffharz enthalten.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Harzschicht A in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet, und eine Harzschicht B ist in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet; dadurch kann die Festkörperbatterie eine ausgezeichnete strukturelle Zuverlässigkeit aufweisen.
  • In der Offenbarung kann eine Harzschicht A1 als die Harzschicht A in der Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement angeordnet sein, und die Harzschicht A1 kann so angeordnet sein, dass sie die gesamte Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung bedeckt.
  • In der Offenbarung kann eine Harzschicht A2 als die Harzschicht A in der Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet sein, und die Harzschicht A2 kann so angeordnet sein, dass sie die gesamte Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung bedeckt.
  • In der Offenbarung kann das Harz B in einem gesamten Bereich von einem Rand der ersten Oberflächenseite bis zu einem Rand der zweiten Oberflächenseite im seitlichen Oberflächenteil angeordnet sein.
  • In der Offenbarung kann die Harzschicht B so angeordnet sein, dass sie den gesamten äußeren Rand der Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung ummantelt.
  • In der Offenbarung kann die Fläche der Batteriezelle 0,1 cm2 oder weniger betragen.
  • Vorteilhafte Effekte der Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung weist den Effekt vor, eine Festkörperbatterie in geringer Größe mit ausgezeichneter struktureller Zuverlässigkeit bereitzustellen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht, die die Festkörperbatterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht von A - A in 1.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht von B - B in 1.
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Harzschicht A in der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 5 ist eine schematische Schnittansicht, die die Harzschicht A in der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Harzschicht B in der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 7 ist eine schematische Schnittansicht, die die Harzschicht B in der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Batteriezelle der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt.
    • 9A bis 9D sind schematische perspektivische Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung einer Bewertungsbatterie in Beispiel 1 erklären.
    • 10 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die in Beispiel 1 hergestellte Bewertungsbatterie beispielhaft zeigt.
    • 11 ist das Ergebnis eines Lade- und Entladetests für die in Beispiel 1 hergestellte Bewertungsbatterie.
    • 12 ist das Ergebnis eines Lade- und Entladetests für eine in Vergleichsbeispiel 1 hergestellte Bewertungsbatterie.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Die Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Jede Zeichnung wie unten beschrieben ist eine schematische Ansicht, und die Größe und die Form der einzelnen Teile sind angemessen übertrieben, um leicht verständlich zu sein.
  • 1 ist eine schematische Draufsicht, die die Festkörperbatterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft zeigt. Die in 1 gezeigte Festkörperbatterie 100 umfasst eine Batteriezelle 10, die eine Kathodenschicht, eine Festelektrolytschicht und eine Anodenschicht beinhaltet, ein Außengehäuse 20, das die Batteriezelle 10 schützt, und ein erstes Stromabnehmerelement 11 und ein zweites Stromabnehmerelement 12 zur Entnahme von in der Batteriezelle 10 erzeugter Elektrizität. Die Batteriezelle 10 enthält einen Sulfid-Festelektrolyten. Außerdem wird die Größe der Festkörperbatterie 100 durch das Produkt aus der Länge X der Festkörperbatterie 100 in einer ersten Richtung, die vom Endteil (Endteil auf der linken Seite des Papiers in 1) des ersten Stromabnehmerelements 11 zum Endteil (Endteil auf der rechten Seite des Papiers in 1) des zweiten Stromabnehmerelements 12 verläuft, und der Länge Y der Festkörperbatterie 100 in einer zweiten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung verläuft, dargestellt, und die Größe beträgt normalerweise 4 cm2 oder weniger.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht von A - A in 1, und 3 ist eine Querschnittsansicht von B - B in 1. Wie in 2 und 3 gezeigt, beinhaltet die Festkörperbatterie 100: eine Batteriezelle 10; ein erstes Stromabnehmerelement 11, das auf der ersten Oberfläche S1 der Batteriezelle 10 angeordnet ist; ein zweites Stromabnehmerelement 12, das auf der zweiten Oberfläche S2 der Batteriezelle 10 angeordnet ist, welche die Oberfläche ist, die der ersten Oberfläche S1 gegenüberliegt; und ein Außengehäuse 20, das die Batteriezelle 10, das erste Stromabnehmerelement 11 und das zweite Stromabnehmerelement 12 schützt. Das Außengehäuse 20 beinhaltet ein erstes Außengehäuseelement 21, das an der ersten Oberfläche S1 der Batteriezelle 10 angeordnet ist, und ein zweites Außengehäuseelement 22, das an der zweiten Oberfläche S2 der Batteriezelle 10 angeordnet ist. Ferner ist die Harzschicht A1 (Harzschicht 31) in einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement 21 und dem ersten Stromabnehmerelement 11 angeordnet, und die Harzschicht A2 (Harzschicht 31) ist in einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement 22 und dem zweiten Stromabnehmerelement 12 angeordnet. Ferner ist die Harzschicht B (Harzschicht 32) in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle 10 angeordnet. Die Harzschicht A1, die Harzschicht A2 und die Harzschicht B enthalten jeweils ein Klebeharz.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Harzschicht A in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet, und eine Harzschicht B ist in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet; dadurch kann die Festkörperbatterie eine ausgezeichnete strukturelle Zuverlässigkeit aufweisen.
  • Wie oben beschrieben, nimmt die strukturelle Zuverlässigkeit einer Festkörperbatterie tendenziell ab, wenn sie verkleinert wird. Zum Beispiel kann Feuchtigkeit leicht in eine Batteriezelle eindringen, und ein Riss kann leicht in der Batteriezelle während ihrer Herstellung erzeugt werden. In der vorliegenden Offenbarung werden die Harzschicht A und die Harzschicht B, die jeweils ein Klebeharz enthalten, an einer bestimmten Stelle angeordnet. Es wird verhindert, dass Feuchtigkeit in die Batteriezelle eindringt, indem die Umgebung der Batteriezelle mit der Harzschicht A und der Harzschicht B geschützt wird. Außerdem wird verhindert, dass ein Riss in der Batteriezelle während der Herstellung entsteht, wenn die Harzschicht A und die Harzschicht B als Polsterung dienen.
  • Wenn die Größe einer Festkörperbatterie groß ist, ist es beispielsweise auch möglich, die Fläche eines Versiegelungsteils, in dem Außengehäuse verschweißt sind, ausreichend zu vergrößern, so dass die strukturelle Zuverlässigkeit des Außengehäuses vergleichsweise einfach zu verbessern ist. Wird hingegen eine Festkörperbatterie miniaturisiert (z. B. auf eine Größe von 2 cm Länge und 2 cm Breite oder weniger), nimmt die strukturelle Zuverlässigkeit tendenziell ab, da die Einschränkungen aufgrund der zunehmenden Größe zunehmen. Außerdem verschlechtert sich die Leistung eines in der Batteriezelle enthaltenen Sulfid-Feststoffelektrolyten deutlich, wenn er mit Feuchtigkeit reagiert, und daher ist es notwendig, die Feuchtigkeit streng zu kontrollieren, wenn eine Batteriezelle mit einem Sulfid-Feststoffelektrolyten verwendet wird. Auf diese Weise erreicht die vorliegende Offenbarung durch die Verwendung der Harzschicht A und der Harzschicht B das Ziel, das für eine Festkörperbatterie besonders ist, die miniaturisiert ist und einen Sulfid-Feststoffelektrolyten verwendet.
  • 1. Aufbau von Festkörperbatterie
  • Die Größe der Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung beträgt normalerweise 4 cm2 oder weniger. Die Größe der Festkörperbatterie wird, wie in 1 gezeigt, durch das Produkt aus der Länge X der Festkörperbatterie 100 in einer ersten Richtung, die vom Endteil des ersten Stromabnehmerelements 11 zum Endteil des zweiten Stromabnehmerelements 12 verläuft, und der Länge Y der Festkörperbatterie 100 in einer zweiten Richtung, die orthogonal zur ersten Richtung verläuft, dargestellt. Zum Beispiel entspricht die erste Richtung der längeren Richtung des ersten Stromabnehmerelements 11 und des zweiten Stromabnehmerelements 12, und die zweite Richtung entspricht der kürzeren Richtung des ersten Stromabnehmerelements 11 und des zweiten Stromabnehmerelements 12.
  • Die Größe der Festkörperbatterie kann 2 cm2 oder weniger betragen, und kann 1 cm2 oder weniger betragen. Unterdessen beträgt die Größe der Festkörperbatterie beispielsweise 0,04 cm2 oder mehr und kann 0,1 cm2 oder mehr betragen. X und Y betragen zum Beispiel jeweils 2 cm oder weniger und können 1 cm oder weniger betragen. Unterdessen betragen X und Y zum Beispiel jeweils 0,2 cm oder mehr. Auch die Fläche der Batteriezelle (die Fläche in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung) ist nicht besonders begrenzt und beträgt zum Beispiel 0,5 cm2 oder weniger und kann 0,3 cm2 oder weniger betragen. Unterdessen beträgt die Fläche der Batteriezelle zum Beispiel 0,01 cm2 oder mehr.
  • In der vorliegenden Offenbarung wird die Harzschicht A in der Regel in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet. Durch die Anordnung der Harzschicht A wird das Haftvermögen des Außengehäuseelements und des Stromabnehmerelements verbessert und die strukturelle Zuverlässigkeit der Festkörperbatterie erhöht. Insbesondere, wenn das Außengehäuseelement eine wärmeverschweißbare Harzschicht als innere Schicht (eine Schicht, die der Batteriezelle am nächsten ist) enthält und wenn das Stromabnehmerelement ein Metall ist, wird durch die Anordnung der Harzschicht A zwischen den beiden das Haftvermögen des Außengehäuseelements und des Stromabnehmerelements deutlich verbessert. Das Haftvermögen des Außengehäuseelements und des Stromabnehmerelements wird deutlich verbessert, wenn ein in der Harzschicht A enthaltenes Harz an einem in der wärmeverschweißbaren Harzschicht enthaltenen Harz auf einer Oberflächenseite haftet und wenn das in der Harzschicht A enthaltene Harz starr an dem aus Metall hergestellten Stromabnehmerelement auf der anderen Oberflächenseite haftet.
  • In 4 ist beispielsweise die Harzschicht A1 in einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement 21 und dem ersten Stromabnehmerelement 11 angeordnet, und die Harzschicht A2 ist in einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement 22 und dem zweiten Stromabnehmerelement 12 angeordnet. Übrigens, obwohl nicht besonders dargestellt, kann entweder die Harzschicht A1 oder die Harzschicht A2 nicht angeordnet sein. Wie in 4 gezeigt, wird die Dicke der Harzschicht A (Harzschicht 31) als T1 bezeichnet. T1 ist nicht besonders begrenzt; sie kann zum Beispiel 50 µm oder mehr, 70 µm oder mehr und 90 µm oder mehr betragen. Wenn T1 zu klein ist, besteht die Möglichkeit, dass keine ausgezeichnete strukturelle Zuverlässigkeit erreicht wird. Unterdessen beträgt T1 beispielsweise 300 µm oder weniger und kann 200 µm oder weniger betragen. Wenn T1 zu groß ist, wäre der Anteil der Batteriezelle relativ klein, und es besteht die Möglichkeit, dass keine ausgezeichnete Volumenenergiedichte erhalten wird.
  • Auch in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung ist die Harzschicht A normalerweise so angeordnet, dass sie mit der Batteriezelle zumindest teilweise überlappt. Insbesondere ist, wie in 5 gezeigt, die Harzschicht A (Harzschicht 31) bevorzugt so angeordnet, dass sie die gesamte Batteriezelle 10 bedeckt. Der Grund dafür ist die Verbesserung der strukturellen Zuverlässigkeit. In der vorliegenden Offenbarung sind in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung die Harzschicht A1 und die Harzschicht A2 jeweils bevorzugt so angeordnet, dass sie die gesamte Batteriezelle 10 bedecken.
  • In der vorliegenden Offenbarung ist eine Harzschicht B normalerweise in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet. In 6 ist beispielsweise die Harzschicht B (Harzschicht 32) im seitlichen Oberflächenteil 10s der Batteriezelle 10 angeordnet. Die Harzschicht B ist zumindest in einem Teil des Bereichs im Seitenteil 10s der Batteriezelle 10 angeordnet. Vor allem, wie in 6 gezeigt, ist die Harzschicht B (Harzschicht 32) bevorzugt in dem gesamten Bereich vom Rand t1 der ersten Oberflächen-S1-Seite bis zum Rand t2 der zweiten Oberflächen-S2-Seite in dem seitlichen Oberflächenteil 10s angeordnet. Wie in 6 gezeigt, wird die Breite der Harzschicht B (Harzschicht 32) als W1 bezeichnet. W1 ist nicht besonders begrenzt und beträgt beispielsweise 100 µm oder mehr und kann 1000 µm oder mehr betragen. Wenn W1 zu klein ist, besteht die Möglichkeit, dass keine ausgezeichnete strukturelle Zuverlässigkeit erreicht wird. Unterdessen beträgt W1 beispielsweise 3000 µm oder weniger und kann 2000 µm oder weniger betragen. Wenn W1 zu groß ist, wäre der Anteil der Batteriezelle relativ klein, und es besteht die Möglichkeit, dass keine ausgezeichnete Volumenenergiedichte erhalten wird.
  • Außerdem ist die Harzschicht B normalerweise zumindest in einem Teil des äußeren Randes der Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung angeordnet. Insbesondere, wie in 7 gezeigt, ist die Harzschicht B (Harzschicht 32) bevorzugt in der gesamten Umgebung der Batteriezelle 10 angeordnet. Der Grund hierfür ist die Verbesserung der strukturellen Zuverlässigkeit. Insbesondere bedeckt die Harzschicht B bevorzugt vollständig den seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle. Mit anderen Worten, die Harzschicht B ist bevorzugt so angeordnet, dass keine Bereiche in der Seitenfläche der Batteriezelle freiliegen.
  • Übrigens kann, wie in 2 und 3 gezeigt, eine Grenzfläche zwischen der Harzschicht A (Harzschicht 31) und der Harzschicht B (Harzschicht 32) vorhanden sein, und die Grenzfläche kann nicht vorhanden sein, aber die beiden können integriert sein.
  • 2. Elemente von Festkörperbatterie
  • Die Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Harzschicht, eine Batteriezelle, ein erstes Stromabnehmerelement, ein zweites Stromabnehmerelement und ein Außengehäuse.
  • (1) Harzschicht
  • Die Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung umfasst die oben beschriebene Harzschicht A und die Harzschicht B als Harzschicht, die ein Klebeharz enthält. Das Klebeharz ist nicht besonders beschränkt, wenn es ein Harz ist, das in der Lage ist, an dem Stromabnehmer (typischerweise ein Stromabnehmer aus Metall) zu haften, und Beispiele dafür können ein modifiziertes Polyolefin wie ein modifiziertes Polypropylen umfassen, dem durch die Einführung einer funktionellen Gruppe (wie ADMER™ von Mitsui Chemicals, Inc.) Klebefähigkeit verliehen wird. Das in der Harzschicht A und der Harzschicht B zu verwendende Klebeharz kann dasselbe sein, muss es aber nicht.
  • (2) Batteriezelle, erstes Stromabnehmerelement, zweites Stromabnehmerelement
  • Die Batteriezelle in der vorliegenden Offenbarung umfasst normalerweise eine Kathodenschicht, eine Festelektrolytschicht und eine Anodenschicht.
  • In der Batteriezelle kann ein Kathodenstromabnehmer auf der dem Festelektrolyten gegenüberliegenden Seite der Kathodenschicht angeordnet sein. In ähnlicher Weise kann ein Anodenstromabnehmer auf der dem Festelektrolyten gegenüberliegenden Seite der Anodenschicht angeordnet sein. Die in 8 gezeigte Batteriezelle 10 umfasst eine Kathodenschicht 1, eine Anodenschicht 2, eine zwischen der Kathodenschicht 1 und der Anodenschicht 2 angeordnete Festelektrolytschicht 3, einen Kathodenstromabnehmer 4 zum Sammeln von Strömen der Kathodenschicht 1 und einen Anodenstromabnehmer 5 zum Sammeln von Strom der Anodenschicht 2. Die Batteriezelle kann eine stromerzeugende Einheit mit einer Kathodenschicht, einer Festelektrolytschicht und einer Anodenschicht oder zwei oder mehr stromerzeugende Einheiten enthalten.
  • Die Oberfläche der Batteriezelle ist bevorzugt vollständig mit der Harzschicht A und der Harzschicht B bedeckt. Insbesondere sind die Punkte (i) bis (iii) bevorzugt erfüllt:
    1. (i) die Harzschicht A1 und die Harzschicht A2 sind jeweils so angeordnet, dass sie die gesamte Batteriezelle in einer Draufsicht entlang der Dickenrichtung bedecken;
    2. (ii) das Harz B in einem gesamten Bereich von einem Rand der ersten Oberflächenseite zu einem Rand der zweiten Oberflächenseite in dem seitlichen Oberflächenteil angeordnet ist; und
    3. (iii) die Harzschicht B ist so angeordnet, dass sie den gesamten äußeren Rand der Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung ummantelt.
  • Die Batteriezelle beinhaltet eine Kathodenschicht, eine Festelektrolytschicht und eine Anodenschicht. Ferner enthält mindestens eine aus der Kathodenschicht, der Festelektrolytschicht und der Anodenschicht einen Sulfid-Festelektrolyten. Die Dicke der Batteriezelle ist nicht besonders begrenzt und beträgt zum Beispiel 20 µm oder mehr und 200 µm oder weniger.
  • Die Kathodenschicht enthält mindestens ein Kathodenaktivmaterial und kann darüber hinaus mindestens eines aus einem Sulfid-Festelektrolyten, eine leitfähigen Material und einem Bindemittel enthalten. Beispiele für das Kathodenaktivmaterial können ein Oxidaktivmaterial umfassen. Beispiele für das Oxidaktivmaterial können ein Steinsalzbett-Typ Aktivmaterial (engl. rock salt bed-type) wie LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 und LiNiO2 umfassen.
  • Bevorzugt enthält der Sulfid-Festelektrolyt zum Beispiel ein Li-Element, ein X-Element (X ist mindestens eine Art von P, As, Sb, Si, Ge, Sn, B, AI, Ga und In) und ein S-Element. Außerdem kann der Sulfid-Feststoffelektrolyt mindestens ein Cl-Element, ein Br-Element und ein I-Element als Halogenelement enthalten. Außerdem kann der Sulfid-Feststoffelektrolyt ein O-Element enthalten. Der Sulfid-Festelektrolyt kann ein Sulfid-Festelektrolyt auf Glasbasis, ein Sulfid-Festelektrolyt auf Glaskeramikbasis und ein Sulfid-Festelektrolyt auf Kristallbasis sein. Wenn der Sulfid-Festelektrolyt eine Kristallphase enthält, können Beispiele für die Kristallphase eine Kristallphase vom Thio-LISICON-Typ, eine Kristallphase vom LGPS-Typ und eine Kristallphase vom Argyrodit-Typ sein.
  • Beispiele für das leitfähige Material können Acetylenschwarz, Ketjenschwarz, VGCF und Graphit sein. Beispiele für das Bindemittel können ein Bindemittel auf Fluoridbasis sein.
  • Die Anodenschicht enthält mindestens ein Anodenaktivmaterial und kann außerdem mindestens eines aus einem Sulfid-Festelektrolyten, einem leitfähigen Material und einem Bindemittel enthalten. Beispiele können ein Aktivmaterial auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, ein Aktivmaterial auf Metallbasis wie Si und ein Aktivmaterial auf Oxidbasis wie Lithiumtitanat sein. Der Sulfid-Festelektrolyt, das leitfähige Material und das Bindemittel sind wie oben beschrieben.
  • Die Festelektrolytschicht enthält mindestens einen Festelektrolyten und kann außerdem ein Bindemittel enthalten. Die Festelektrolytschicht enthält bevorzugt einen Sulfid-Festelektrolyten als den Festelektrolyten. Der Sulfid-Festelektrolyt und das Bindemittel sind wie oben beschrieben.
  • Beispiele für das Material des Kathodenstromabnehmers können AI, SUS und Ni sein. Beispiele für das Material des Anodenstromabnehmers können Cu, SUS und Ni sein. Beispiele für die Form der Stromabnehmer können eine Folienform, eine Netzform und eine poröse Form sein. Die Dicke der Stromabnehmer (Kathodenstromabnehmer und Anodenstromabnehmer) ist nicht besonders begrenzt und beträgt beispielsweise 10 µm oder mehr und 50 µm oder weniger. Auch sind das Material, die Form und die Dicke der Stromabnehmerelemente (erstes Stromabnehmerelement und zweites Stromabnehmerelement) die gleichen wie die der Stromabnehmer. Bei den Stromabnehmern fungiert ein Teil, der aus der Außengehäuse herausragt, normalerweise als Anschluss. Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Polarität des ersten Stromabnehmers und die Polarität des zweiten Stromabnehmers unterschiedlich sind.
  • (3) Außengehäuse
  • Das Außengehäuse ist ein Element, das die Batteriezelle, das erste Stromabnehmerelement und das zweite Stromabnehmerelement schützt. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet das Außengehäuse 20 ein erstes Außengehäuseelement 21, das an der ersten Oberflächen-S1-Seite der Batteriezelle 10 angeordnet ist, und ein zweites Außengehäuseelement 22, das an der zweiten Oberflächen-S2-Seite der Batteriezelle 10 angeordnet ist.
  • Das Außengehäuse hat bevorzugt eine Filmform (Blattform; engl. sheet form). Außerdem beinhaltet das Außengehäuse beispielsweise eine wärmebeständige Harzschicht als eine Außenschicht, eine Metallfolienschicht als eine Zwischenschicht und eine wärmeverschweißbare Harzschicht als eine Innenschicht. Ein Siegelteil kann durch Wärmeschweißen der wärmeverschweißbaren Harzschichten gebildet werden.
  • Im Außengehäuse fungiert die wärmebeständige Harzschicht als eine Substratschicht, die Metallfolienschicht als eine Sperrschicht und die wärmeverschweißbare Harzschicht als eine Versiegelungsschicht. Beispiele für das Harz, das für die wärmebeständige Harzschicht verwendet wird, beinhalten Polyamid wie Nylon, Polyethylenterephthalat, Methylpolymethacrylat, Polypropylen, Polycarbonat und Polyalkylenterephthalat. Beispiele für Metallmaterialien, die für die Metallfolienschicht verwendet werden, beinhalten Aluminium, Edelstahl, Titan, Nickel und Kupfer. Beispiele für das Harz, das in der wärmeverschweißbaren Harzschicht verwendet wird, beinhalten ein säuremodifiziertes Polyolefin, Polyethylen und Polypropylen. Die Dicke des Außengehäuses ist nicht besonders begrenzt, sie kann beispielsweise 100 µm oder mehr und 300 µm oder weniger betragen.
  • (4) Festkörperbatterie
  • Die Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung ist typischerweise eine Lithium-Festkörpersekundärbatterie. Auch ist die Festkörperbatterie in der vorliegenden Offenbarung von geringer Größe, und kann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Beispiele für die Anwendungen der Festkörperbatterie können eine Stromquelle für Drucksubstrate sein.
  • Im Übrigen ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Die Ausführungsformen sind beispielhaft, und alle anderen Variationen sollen in den technischen Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung einbezogen werden, wenn sie im Wesentlichen die gleiche Beschaffenheit wie die in den Ansprüchen der vorliegenden Offenbarung beschriebene technische Idee aufweisen und eine ähnliche Funktionsweise und Wirkung haben wie diese.
  • Beispiele
  • [Beispiel 1]
  • <Herstellung der Kathodenschicht>
  • Ein Bindemittel auf PVDF-Basis (von KUREHA CORPORATION), ein Kathodenaktivmaterial (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), das mit LiNbO3 beschichtet ist, ein Sulfid-Festelektrolyt (Glaskeramik auf Li2S-P2S5-Basis), ein leitfähiges Material (VGCF von SHOWA DENKO K.K.) und Butylbutyrat wurden in einen Behälter aus Polypropylen gegeben und 30 Sekunden lang mit einem Ultraschalldispersionsgerät (UH-50 von SMT Corporation) agitiert. Anschließend wurde der Behälter 3 Minuten lang mit einem Schüttelgerät (TTM-1 von SIBATA SCIENTIFIC TECHNOLOGY LTD.) geschüttelt und 30 Sekunden lang mit dem Ultraschalldispersionsgerät weiter agitiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde durch ein Rakelverfahren mit Hilfe eines Applikators auf eine AI-Folie angeklebt (engl. pasted on). Die beschichtete Schicht wurde natürlich getrocknet und anschließend 30 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 100°C weiter getrocknet, um eine Kathodenschicht auf der AI-Folie zu bilden.
  • <Herstellung der Anodenschicht>
  • Ein Bindemittel auf PVDF-Basis (von KUREHA CORPORATION), ein Anodenaktivmaterial (Lithiumtitanat; LTO), ein Sulfid-Festelektrolyt (Glaskeramik auf Li2S-P2S5-Basis) und Butylbutyrat wurden in einen Behälter aus Polypropylen gegeben und 30 Sekunden lang mit einem Ultraschalldispersionsgerät (UH-50 von SMT Corporation) agitiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde durch ein Rakelverfahren mit Hilfe eines Applikators auf eine Cu-Folie angeklebt. Die beschichtete Schicht wurde natürlich getrocknet und anschließend 30 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 100°C weiter getrocknet, um eine Anodenschicht auf der Cu-Folie zu bilden.
  • <Herstellung einer Festelektrolytschicht>
  • Ein Sulfid-Feststoffelektrolyt (Glaskeramik auf Li2S-P2S5-Basis) und Butylbutyrat wurden in einen Behälter aus Polypropylen gegeben und 30 Sekunden lang mit einem Ultraschalldispersionsgerät (UH-50 von SMT Corporation) agitiert. Anschließend wurde der PP-Behälter 30 Minuten lang mit einem Schüttelgerät (TTM-1 von SIBATA SCIENTIFIC TECHNOLOGY LTD.) geschüttelt und 30 Sekunden lang mit dem Ultraschalldispersionsgerät weiter agitiert, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde durch ein Rakelverfahren mit Hilfe eines Applikators auf eine AI-Folie angeklebt. Die beschichtete Schicht wurde natürlich getrocknet und anschließend 30 Minuten lang auf einer Heizplatte bei 100°C weiter getrocknet, um eine Festelektrolytschicht auf der AI-Folie zu bilden.
  • <Herstellung von Batteriezelle>
  • Die Kathodenschicht und die Festelektrolytschicht wurden so übereinandergelegt, dass die Kathodenschicht die Festelektrolytschicht berührte, gepresst und dann wurde die AI-Folie der Festelektrolytschicht abgezogen. Danach wurde die freigelegte Festelektrolytschicht so auf die Anodenschicht geschichtet, dass sie sich gegenseitig berühren, und gepresst. Anschließend wurde das Produkt mit einer Handpressmaschine ausgestanzt, um eine Batteriezelle mit einer Größe von 2 mm × 5 mm herzustellen.
  • <Herstellung von Bewertungsbatterie>
  • Ein kathodenseitiger Laminatschichtkörper wurde durch die in 9A bis 9D dargestellten Verfahren hergestellt. Wie in 9A gezeigt, wurde ein Laminatfilm in einer Größe von 4 mm Breite zugeschnitten. Als nächstes wurde, wie in 9B gezeigt, die Harzschicht A auf den Laminatfilm aufgebracht und durch eine Laminatversiegelung verklebt. Als nächstes wurde, wie in 9C gezeigt, ein Kathodenstromabnehmerelement (erstes Stromabnehmerelement; AI-Folie), das in einer Größe von 4 mm Breite zugeschnitten war, so angeordnet, dass es den Laminatfilm und die Harzschicht A kreuzt, und durch eine Laminatversiegelung angeklebt. Als nächstes wurde, wie in 9D gezeigt, die Harzschicht B in Form eines Rahmens auf die AI-Folie gelegt und durch eine Laminatversiegelung verklebt. Dadurch wurde der kathodenseitige Laminatschichtkörper erhalten, der Schichten in der Reihenfolge des Laminatfilms, der Harzschicht A, der AI-Folie und der Harzschicht B beinhaltet. Ein Klebepolyolefin von Mitsui Chemicals, Inc. (ADMER™) wurde in der Harzschicht A und in der Harzschicht B verwendet.
  • Unterdessen wurde ein anodenseitiger Laminatschichtkörper in der gleichen Weise wie der kathodenseitige Laminatschichtkörper hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein Anodenstromabnehmerelement (zweites Stromabnehmerelement; Ni-Folie) anstelle des Kathodenstromabnehmerelements (erstes Stromabnehmerelement; AI-Folie) verwendet wurde. Die Batteriezelle wurde zwischen dem kathodenseitigen Laminatschichtkörper und dem anodenseitigen Laminatschichtkörper angeordnet, und die Batteriezelle wurde durch eine Laminatversiegelung versiegelt. Dadurch wurde, wie in 10 gezeigt, eine Bewertungsbatterie mit der folgenden Schichtstruktur erhalten: das erste Außengehäuseelement 21/ die Harzschicht A1/ das erste Stromabnehmerelement 11/ die Batteriezelle 10, die Harzschicht B/ das zweite Stromabnehmerelement 12/ die Harzschicht A2/ das zweite Außengehäuseelement 22. Die Dicke der einzelnen Elemente war wie in 10 dargestellt. Die Batteriegröße betrug 0,7 cm2 (X = 10 mm, Y = 7 mm), und die Fläche der Batteriezelle betrug 0,1 cm2.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Eine Bewertungsbatterie wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Harzschicht B nicht verwendet wurde.
  • [Vergleichsbeispiel 2]
  • Eine Bewertungsbatterie wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Harzschicht A1, die Harzschicht A2 und die Harzschicht B nicht verwendet wurden.
  • [Bewertung]
  • <Lade- und Entladetest>
  • Die in Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Bewertungsbatterien wurden in einem Bad mit konstanter Temperatur, wobei die Wassertemperatur auf 25°C eingestellt war, im Spannungsbereich von 3,0 V bis 1,5 V CC-CV (Constant Current, Constant Voltage) geladen und entladen. Die Stromdichte betrug 1/3 C (0,055 mA). Das Ergebnis von Beispiel 1 ist in 11 gezeigt, und das Ergebnis von Vergleichsbeispiel 1 ist in 12 gezeigt.
  • Wie in 11 und 12 gezeigt, wurde bestätigt, dass die in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Bewertungsbatterien wie eine Batterie funktionierten, aber die Entladekapazität von Beispiel 1 war größer als die von Vergleichsbeispiel 1. Dies liegt vermutlich daran, dass die strukturelle Zuverlässigkeit der Bewertungsbatterie in Beispiel 1 höher war als die der Bewertungsbatterie in Vergleichsbeispiel 1. Andererseits funktionierte die Bewertungsbatterie in Vergleichsbeispiel 2 nicht als Batterie, da aufgrund der mangelnden Versiegelung des Außengehäuses Feuchtigkeit in die Batteriezelle gelangte.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kathodenschicht
    2
    Anodenschicht
    3
    Festelektrolytschicht
    4
    Kathodenstromabnehmer
    5
    Anodenstromabnehmer
    10
    Batteriezelle
    11
    erstes Stromabnehmerelement
    12
    zweites Stromabnehmerelement
    20
    Außengehäuse
    21
    erstes Außengehäuseelement
    22
    zweites Außengehäuseelement
    31
    Harzschicht A
    32
    Harzschicht B
    100
    Festkörperbatterie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019194949 [0003]

Claims (6)

  1. Festkörperbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: eine Batteriezelle; ein erstes Stromabnehmerelement, das auf einer ersten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist; ein zweites Stromabnehmerelement, das auf einer zweiten Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist, welche die Oberfläche ist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt; und ein Außengehäuse, das die Batteriezelle, das erste Stromabnehmerelement und das zweite Stromabnehmerelement schützt; wobei, die Größe der Festkörperbatterie 4 cm2 oder weniger beträgt; die Batteriezelle einen Sulfid-Festelektrolyten enthält; das Außengehäuse ein erstes Außengehäuseelement, das auf der ersten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, und ein zweites Außengehäuseelement, das auf der zweiten Oberflächenseite der Batteriezelle angeordnet ist, beinhalten; eine Harzschicht A in mindestens einer Position von einer Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement und einer Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist; eine Harzschicht B in einem seitlichen Oberflächenteil der Batteriezelle angeordnet ist; und die Harzschicht A und die Harzschicht B jeweils ein Klebstoffharz enthalten.
  2. Festkörperbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Harzschicht A1 als die Harzschicht A in der Position zwischen dem ersten Außengehäuseelement und dem ersten Stromabnehmerelement angeordnet ist, und die Harzschicht A1 so angeordnet ist, dass sie die gesamte Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung bedeckt.
  3. Festkörperbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Harzschicht A2 als die Harzschicht A in der Position zwischen dem zweiten Außengehäuseelement und dem zweiten Stromabnehmerelement angeordnet ist, und die Harzschicht A2 so angeordnet ist, dass sie die gesamte Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung bedeckt.
  4. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz B in einem gesamten Bereich von einem Rand der ersten Oberflächenseite bis zu einem Rand der zweiten Oberflächenseite in dem seitlichen Oberflächenteil angeordnet ist.
  5. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzschicht B so angeordnet ist, dass sie den gesamten äußeren Rand der Batteriezelle in einer Draufsicht entlang einer Dickenrichtung ummantelt.
  6. Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche der Batteriezelle 0,1 cm2 oder weniger beträgt.
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