JP2008140635A - 電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の電池は、正極層20と、負極層50と、両電極層間でイオンの伝導を行う電解質層40とを有する。この電池において、正極層20と負極層50は積層され、正極層20と負極層50との間に絶縁層30が介在されている。この絶縁層30は、正極層20および負極層50の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成されている。正極層20と負極層50とが電解質層40のみを介在して対面する箇所がないようにしている。正極層20と負極層50との間に絶縁層30を介在することで、仮に電解質層40にピンホールがあったとしても、正負極層間の短絡を抑制することができる。
【選択図】図1
Description
本発明の電池は、正極層、負極層、電解質層および絶縁層が積層された構造である。この構造が採用可能であれば、電池の種類は問わない。充電ができない一次電池はもちろん、充電が可能な二次電池であってもよい。一次電池には、マンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム電池などがある。また、二次電池には、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などがある。特に、固体電解質を用いる電池に本発明電池の構造を好適に利用できる。とりわけ、リチウムイオン二次電池に本発明構造が最適である。
フッ化黒鉛リチウム電池:正極-フッ化黒鉛 負極-リチウム
二酸化マンガンリチウム電池:正極-二酸化マンガン 負極-リチウム
硫化鉄リチウム電池:正極-硫化鉄 負極-リチウム
酸化銅リチウム電池:正極-酸化銅 負極-リチウム
リチウムイオン電池:正極-リチウム複合酸化物 負極-炭素
<材質>
正極層は、イオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。リチウムイオン電池の場合、正極層は、酸化物、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)及びオリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO4)よりなる群より選ばれる1つ、若しくはこれらの混合物を好適に使用することができる。また、正極層は、硫化物、例えばイオウ(S)、硫化リチウム及び硫化チタニウム(TiS2)よりなる群より選ばれる1つ、若しくはこれらの混合物であっても良い。その他、正極層の材料としては、銅−リチウム酸化物(Li2CuO2)、あるいはLiV3O3、V2O、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物が挙げられる。上述した酸化物は、いずれも半田リフロー時の加熱温度(200〜250℃程度)に対して耐熱性を備えている。正極層の厚みは、10〜300μm程度が好適である。より好ましい正極層の厚みは100μm以下、さらに好ましい正極層の厚みは30μm以下である。
正極層の形成方法としは、湿式法や乾式法を利用することができる。湿式法には、ゾルゲル法、コロイド法、キャスティング法等が挙げられる。乾式法には、気相堆積法である蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザアブレーション法等が挙げられる。
<材質>
負極層も、イオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。リチウムイオン電池の場合、負極層として、Li金属及びLi金属と合金を形成することのできる金属よりなる群より選ばれる1つ、若しくはこれらの混合物又は合金が好適に使用できる。Liと合金を形成することのできる金属としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、亜鉛(Zn)及びインジウム(In)よりなる群より選ばれる少なくとも一つ(以下、合金化材料という)が良い。その他、グラファイト等の炭素材料、Li4Ti5O12、Li4Fe0.5Ti5O12、Li4Zn0.5Ti5O12などのスピネル構造を有するリチウムチタン酸化物、TiS2等の硫化物、LiCo2.6O0.4N等の窒素化合物、およびこれらの混合物などが負極層の材質として挙げられる。これらのうち、炭素材料や酸化物などは、半田リフロー時の加熱温度(200〜250℃程度)に対して耐熱性を備えている。負極層の厚みは、0.5〜80μm程度が好適である。より好ましい負極層の厚みは1〜40μmである。
負極層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法やCVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
固体電解質にはイオン導電性があり、電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いる。リチウムイオン電池用の電解質層の場合、Liイオン伝導体であり、電解質層のLiイオン伝導度(20℃)が10-5S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.999以上である固体電解質層が好ましい。特に、Liイオン伝導度が10-4S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.9999以上であれば良い。固体電解質層の材質としては硫化物系が良く、Li、P、Sより構成される固体電解質層が好ましく、さらに酸素を含有していても良い。例えば、Li3PO4や、Li3PO4に窒素を混ぜたLiPON、Li2S−SiS2、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3等のリチウムイオン伝導性硫化物ガラス状固体電解質や、これらのガラスにLiIなどのハロゲン化リチウム、Li3PO4などのリチウム酸素酸塩をドープしたリチウムイオン伝導性固体電解質などが固体電解質層の材料として好適に利用できる。これらの複合酸化物などからなる固体電解質層は、半田リフロー時の加熱温度(200〜250℃程度)に対して耐熱性を備えている。固体電解質層の厚みは、3〜80μm程度が好適である。より好ましい固体電解質層の厚みは
5〜20μmである。
固体電解質層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法、CVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法,スパッタリング法、イオンプレーティング法,レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
絶縁層は正極層と負極層との短絡を抑制するための層である。そのため、絶縁層は電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いることが好ましい。絶縁層には、無機材料、有機材料のいずれも利用することができる。無機材料には、LiF、アルミナ、ガラスなどが挙げられる。有機材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドフィルム等が挙げられる。特に、樹脂の中ではポリイミドフィルムが半田リフロー時の加熱温度(200〜250℃程度)に対して耐熱性を備えている。その他、各種レジスト材料を絶縁層に利用することができる。その場合、フォトリソグラフ技術を利用して、絶縁層を所定形状に微細加工することができる。レジスト材料には、環化ゴム−ビスジアド系レジスト、ジアゾナフトキノン−ノボラック樹脂、アジド化合物系フォトレジスト、KrFエキシマレーザ用化学増幅系レジスト、ArFエキシマレーザ用化学増幅系レジストなどが挙げられる。絶縁層の厚みは、0.5〜20μm程度が好適である。より好ましい絶縁層の厚みは2〜10μmである。特に、厚さが3μm以上であれば、ピンホールができにくく好ましい。樹脂製の絶縁層を用いた場合、得られる電池に可とう性を持たせやすい。
絶縁層は、樹脂材料を溶剤で溶解して所定の形成箇所に塗布したり、フォトリソグラフ技術や、気相合成法により所定の形状に絶縁層を成膜することで得られる。その他、既存のプラスチックフィルムをレーザカットなどで所定の形状に成形した絶縁層を所定の形成箇所に接着してもよい。特に、塗布により形成した絶縁層は、ピンホールが生成しにくい。
通常、導電性の基板上に正極層、負極層、電解質層および絶縁層を積層するか、絶縁性の基板上に集電体層を形成してから正極層、負極層、電解質層および絶縁層を積層する。基材の材料には、アルミナ、ガラスおよびポリイミドフィルム等の絶縁性基板、シリコン等の半導体基板、プラチナ、金、鉄、ニッケル、アルミニウムや銅、ステンレス等の導電性基板などを用いることができる。これらの材料は、いずれも半田リフロー時の加熱温度(200〜250℃程度)に対して耐熱性を備えている。基材の厚みは、3〜80μm程度が好適である。より好ましい基材の厚みは5〜25μmである。樹脂製の基材を用いた場合、得られる電池に可とう性を持たせやすい。
正極層、負極層の各々には、通常、集電体が接合されている。集電体には金属箔などが適する。負極集電体材料としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が挙げられる。これらの金属は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しないため、リチウムとの金属間化合物による不具合、具体的には、充放電による膨張・収縮によって、負極層が構造破壊を起こし集電性が低下したり、負極層の接合性が低下して負極層が集電体から脱落し易くなるといった不具合を防止できる。正極集電体の具体例としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が挙げられる。
本発明電池では、正極層、負極層の少なくとも一方を複雑パターン形状にすることが好ましい。複雑パターン形状は、極力輪郭の長さを大きく採れるような形状であればよい。例えば、櫛歯状や渦巻き状などが挙げられる。櫛歯状の電極層であれば、矩形の薄膜電池を形成しやすい。また、渦巻き状の電極層であれば、円形の薄膜電池を形成しやすい。一方の電極層を複雑パターン形状とした場合、他方の電極層を単純パターン形状とすることが好ましい。これにより、双方の電極層を複雑パターン形状として、相互の電極層の位置合わせを高精度に行う必要がない。単純パターン形状としては、複雑パターン形状よりも輪郭の長さを短くできる形状、例えば円形や矩形、多角形が挙げられる。特に、単純パターン形状の電極層を複雑パターン形状の電極層よりも大きくすれば、単純パターン形状の電極層の上側に複雑パターン形状の電極層を容易に積層することができる。
実施例1にかかる本発明電池と、実施例1の電池から絶縁層をなくした比較電池とを100個ずつ作製して、正負極間の短絡による歩留まりを調べてみた。その結果、本発明電池では短絡による不良品がゼロであったのに対し、比較電池では38%の不良品が発生した。このことから、絶縁層を設けた本発明電池の歩留まりの高さが確認できた。
Claims (6)
- 正極層と、負極層と、両電極層間でイオンの伝導を行う電解質層とを有する電池であって、
前記正極層と負極層は積層され、
これら正極層と負極層との間に絶縁層が介在され、
この絶縁層は、正極層および負極層の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成され、
前記正極層と負極層とが電解質層のみを介在して対面する箇所がないことを特徴とする電池。 - 前記電池が一次電池であることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記電池が二次電池であることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記正極層および負極層の一方が単純パターン形状であり、他方が単純パターン形状よりも輪郭長が長い複雑パターン形状であることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 正極層、負極層、電解質層および絶縁層が、電池を半田リフローする際の温度に対して耐熱性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 正極層および負極層の間に電解質層と絶縁層とが介在されていることを特徴とする請求項1に記載の電池。
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