JP2009016213A - リチウム電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質を使用した従来構造のリチウム電池よりも、リチウム結晶による正・負極間の短絡をより確実に防止するリチウム電池を提供する。
【解決手段】リチウムを吸蔵・放出する正極層13および負極層14と、これらの層の間でのリチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層15とを備えるリチウム電池1である。このリチウム電池1は、固体電解質層15の表面におけるリチウム結晶の成長ルートを遮断する位置に、リチウム結晶の成長を物理的に塞き止める遮断層16を有する。そして、遮断層16は、実質的にリチウムイオン伝導性を有さない絶縁性樹脂からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質層（SE層）を備えたリチウム電池において、充放電に伴って負極層上に生成されるリチウム結晶による正・負極間の短絡をより確実に防止できるリチウム電池に関する。

リチウム電池は、負極集電体上に形成される負極層（負極層が負極集電体を兼ねる場合もある）と、正極集電体上に形成される正極層と、両電極の間に介在される電解質層とを有する。このようなリチウム電池のうち、特に、携帯通信端末や携帯電子機器の主電源として、繰り返し充放電を行なうことができるリチウム二次電池（以下、単にリチウム電池とする）が注目されている。

ところで、リチウム電池では、正極層から負極層に向かってリチウムイオンが移動することで電池の充電操作が行われるが、このとき、負極層表面における正・負極間で電気抵抗の低い箇所にリチウム結晶が生じやすい。この電気抵抗の低い箇所としては、正・負極間の距離が短い箇所が代表的であり、リチウム結晶が生じた箇所は、正・負極間の距離がさらに短くなる。そのため、電池の充放電を繰り返すと、リチウム結晶が正極層に向かって成長し、最終的には、正・負極間でリチウム結晶を介して短絡が生じてしまう。

近年、このリチウム電池の電解質層として、固体電解質を使用した全固体型リチウム電池が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。全固体型リチウム電池は、電池の充放電に伴い、負極層に生成するリチウムの結晶が成長するのを物理的に押さえ込むことで、正・負極間の短絡を防止することができる。

特開２００４−３１８９７２号公報 特開２００４−３１８９７３号公報

しかし、固体電解質層（SE層）を備えるリチウム電池であっても、電池に備わる各層の配置状態によっては、負極層にリチウム結晶が生成して正極層に向かって成長し、正・負極間の短絡をもたらす虞がある。

SE層を備えるにも拘らず短絡事故を生じる虞のあるリチウム電池の構成としては、負極層で生じたリチウム結晶がSE層表面に沿って成長できる余地のある構成が挙げられる。例えば、図４に示す構成のリチウム電池は、上記余地のあるリチウム電池の一例である。図４のリチウム電池9は、電池を薄型化するために、基材90上に設けられる正・負極集電体層91,92、正・負極層93,94、SE層95の形成位置を電池の平面方向にずらして、電池9の厚さ方向の積層数を少なくした電池である。このリチウム電池9において、リチウム結晶の生成が生じやすい箇所は、SE層95と負極層94との境界部であって、SE層95が露出した図中の点Ａの箇所である。生成したリチウム結晶は、この点Ａを起点として、SE層95表面に沿って矢印に示す生成ルートで正極層93に向かって成長していく。そのため、電池の充放電を繰り返すと、リチウム結晶が正極層93に達する虞があり、SE層を備えるリチウム電池であっても、リチウム結晶による正・負極間の短絡事故が生じる可能性がある。

そこで、本発明の目的の一つは、固体電解質を使用したリチウム電池において、リチウム結晶による正・負極間の短絡をより確実に防止するリチウム電池を提供することにある。

本発明リチウム電池は、リチウムを吸蔵・放出する正極層および負極層と、これらの層の間でのリチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層とを備える。このリチウム電池は、固体電解質層の表面におけるリチウム結晶の成長ルートを遮断する位置に、リチウム結晶の成長を物理的に塞き止める遮断層を有する。そして、遮断層は、実質的にリチウムイオン伝導性を有さない絶縁性樹脂からなることを特徴とする。

本発明の構成とすることで、リチウム結晶の成長ルートを分断する遮断層により、リチウム結晶の伸長を物理的に塞き止めることができる。また、塞き止められたリチウム結晶がさらに成長する場合、その成長ルートは遮断層の表面に沿うことになるので、リチウム結晶の成長ルートを正極層に向かう方向から逸らすことができる。その結果、リチウム結晶を正極層に到達し難くして、リチウム結晶による正・負極間の短絡を効果的に防止することができる。

本発明の一形態として、リチウム電池に備わる遮断層は、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニレンサルファイドのいずれか１種の樹脂とすることが好ましい。これらの樹脂は、絶縁性に優れると共に、リチウムイオン伝導性を実質的に有さないので、リチウム結晶の成長を物理的に塞き止めることができる。

また、近年では、携帯機器の発達に伴い、リチウム電池の薄型化が求められる一方で、用途に応じた容量を有することも求められている。ここで、リチウム電池の正極層は、用途に応じた容量を確保するためにある程度の厚さを確保する必要があり、この正極層の厚さが、リチウム電池の薄型化の障害となっていた。

上記薄型化の問題を解決する本発明の一形態として、正極層、負極層、及び固体電解質層を基材上に設け、このリチウム電池を平面視したとき、正極層と負極層とは、少なくとも一部が重ならない位置に配置することが挙げられる。

上記構成によれば、後述する実施形態および図面に記載のように、リチウム電池の厚さ方向の積層数を減らすことができる。つまり、積層数を減らすことで、正極層の厚さを変えることなく、リチウム電池を薄型化することができる。

また、正極層と負極層とが、少なくとも一部が重ならない位置に配置する構成の一形態として、正極層、負極層、及び固体電解質層を基材上に設け、このリチウム電池を平面視したとき、正極層と負極層とが、実質的に同一平面上にないように配置することが挙げられる。

この構成の具体例としては、正極層を覆うように固体電解質層を形成し、そして、固体電解質層のうち、正極層と反対側に負極層を形成する。このように固体電解質層の同一平面上に両極層が存在しない構成とすれば、両極層の間に何らかの導電性異物が存在しても、この異物を介した界面伝導による両極層間の短絡を防止することができる。

さらに、近年では、リチウム電池をクレジットカードなどの薄型で曲げの作用するものに搭載することも検討されており、基材を樹脂などの可撓性を有する部材で構成し、リチウム電池に可撓性を付与することが考えられている。ここで、上述したように、正極層は容量維持のために厚くすることが好ましく、正極層の形成に、厚膜の形成に好適な湿式法（代表的には塗布法）を利用することがある。湿式法は、非常に短時間で厚い膜を形成することができるので、膜の生産性が非常に良い。しかし、湿式法による膜形成工程には、150℃超の乾燥工程が含まれるので、基材に可撓性を持たせるために、例えば、基材を一般的な樹脂材料であるポリイミドやポリエチレンテレフタレートなどで形成すると、乾燥工程において基材が熱により変形・破損するという問題がある。

そこで、上記可撓性を有するリチウム電池の製造に塗布法を使用する際の問題を解決する本発明の一形態として、正極層、負極層、及び固体電解質層を搭載する基材を、融点が170℃以上で、リチウムと反応しない絶縁性樹脂から構成することが挙げられる。このような絶縁性樹脂としては、上述した遮断層と同じ材質が好適に利用できる。

上記の耐熱性と可撓性を有する基材を使用する構成とすることで、正極層の形成に湿式法を利用することができるので、リチウム電池の生産性を向上させることができる。

本発明リチウム電池によれば、電池の充放電に伴い負極層から伸びるリチウム結晶を遮断層で物理的に塞き止めることができ、リチウム結晶が正極層に到達しないようにすることができる。その結果、正・負極間の短絡をほぼ確実に防止することができるリチウム電池とすることができる。

本発明リチウム電池は、一般的なリチウム電池に備わる正極集電体層、正極層、固体電解質層、負極層、負極集電体層に加えて、さらに、固体電解質層の表面におけるリチウム結晶の成長ルートを遮断する遮断層を有する。これらの層を備えるリチウム電池として、各層の配置状態が異なる複数の構成が考えられる。従って、代表される構成を以下に例示すると共に、電池に備わる各構成についても詳細に説明する。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１（Ａ）は、本実施形態のリチウム電池の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のリチウム電池の縦断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の丸で囲った部分の拡大図である。この電池1は、絶縁性樹脂からなる基材10の上に、正極集電体層11、負極集電体層12、正極層13、負極層14、固体電解質層（SE層）15および遮断層16を備える。このリチウム電池1は、遮断層16を除く各層11〜15の配置状態は、図４を参照して既に説明した従来のリチウム電池と同様であり、各層11〜16が、階段状に配されている。以下、図に基づいて、基材10上における具体的な各層の配置状態を説明し、次いで、各層の構成について項目を設けて言及する。

≪各層の配置状態≫
基材10上には、薄膜状の正極集電体層11と負極集電体層12が並列して設けられている。両集電体層11,12の間は、所定の間隔が開けられており、基材10の中央部には、集電体層11,12が存在しない。

正極集電体層11上には、電池反応の主体となる正極層13が設けられている。具体的には、正極層13は、正極集電体層11の一部と、基材10における集電体層11,12が設けられていない部分の一部を覆うように設けられている。この実施形態では、正極層13のうち、集電体層11上の部分が薄く、基材10上の部分が厚くなっており、正極層13の上面（図１（Ｂ）の紙面上方側の面）は面一である。

また、正極層13の上には、正極層13と後述する負極層14とが直接接触しないように離隔するSE層15が設けられている。具体的には、SE層15は、ほぼ均一な厚さで、正極層13の一部と、他の層が設けられていない基材10の部分とを覆うように設けられており、正極層13の側壁部分に沿って階段状に下がるような形状をしている。ここで、正極層13の上面の一部は、SE層15に覆われることなく露出している。

SE層15の上には、電池反応のもう一つの主体である負極層14が設けられている。具体的には、負極層14は、SE層15の一部と負極集電体層12の一部とを覆うように設けられている。負極層14は、均一的な厚さであり、一部がSE層15の上段側部分の上に形成され、他部がSE層15の下段側部分の上及び負極集電体層12上に配されている。この負極層14は、SE層15の段差部分で階段状に下がった形状をしている。このように設けられた負極層14は、電池1を厚さ方向に見たとき、その一部が正極層13に重っている。

なお、集電体層11,12において正極層13、負極層14が設けられずに露出した部分は、外部との間で電力の授受を行うリード部として利用することができる。

上述した各層に加えて、本実施形態では、SE層15の上面のうち、負極層14に覆われていない部分であって、負極層14の側面近傍に遮断層16が設けられている。遮断層16は、非導電性・非リチウム伝導性であり、負極層14の側縁と、正極層13の露出面との間を分断するように配置されている。ここで、遮断層16の幅を負極層14と同幅としている。

≪実施形態１の効果≫
以上説明した構成を備えるリチウム電池1は、遮断層16が、リチウム伝導性を有さないので、負極層14側からリチウム結晶が伸びてきたときに、リチウム結晶を物理的に塞き止めることができる。具体的には、図１（Ｃ）に示すように、負極層14の側面の点Ａで生成したリチウム結晶が、電池の充電に伴い点Ｂまで伸びたときに、遮断層16により物理的に塞き止められる。そして、点Ｂに到達したリチウム結晶が、さらに成長しようとすると、遮断層16の右側面に沿って紙面上方（点Ｃ）に向かって伸長していく。つまり、本実施形態のリチウム電池1におけるリチウム結晶の生成ルートは、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆとなり、非常に距離が長いためリチウム結晶が正極層13に到達し難い。しかも、実際には、リチウム結晶は、点Ｂで塞き止められた時点で図面の負極層14側面と遮断層16右側面とSE層15上面とで囲まれる空間に堆積するような形で成長するため、点Ｃを超えて点Ｄに至ることはほとんどなく、リチウム結晶により正・負極間が短絡する可能性はほとんどない。これに対して、遮断層のない従来のリチウム電池では、リチウム結晶の生成ルートは、Ａ→Ｂ→Ｅ→Ｆとなり、比較的短期間でリチウム結晶が正極層に到達し、両極間が短絡してしまう虞がある。

また、本実施形態のように遮断層16を除く各層11〜15を部分的に重複させて形成することで、各層11〜15は、図1に示すように階段状に配され、層が最も多く重なり合っている箇所(正極層13、SE層15、負極層14が積層されている箇所)の層数が、全ての層11〜15を重複させた場合の層数（合計5層）よりも少ない。この例では、層11〜15に対して、最多層数が正極層13、SE層15、負極層14の合計3層である。

さらに、この電池1では、正極層13と負極層14とがSE層15の同一平面上に存在しないので、界面伝導による電池の短絡も生じない。

≪各構成部材≫
［基材］
本実施形態のリチウム電池は、正極層、SE層、および正・負極集電体層が基材の同一平面に直接接触している。基材に接するこれらの層のうち、後述するSE層以外は、導電性を有しているので、基材における層形成側は絶縁性を有することが望まれる。また、リチウム電池は、正・負極間のリチウムのやりとりにより充放電を行うことから、基材の層形成側はリチウムと化合物を作らないことが望まれる。さらに、後述するように正極層を塗布法により形成するのであれば、基材は、150℃程度の高温に曝されても溶融や伸縮、変形が生じないような耐熱性を有することが好ましい。加えて、作製するリチウム電池をフレキシブルな電池とするのであれば、所定の厚さに形成したときに所望の可撓性を有することが望まれる。

基材の材質としては、最低限、絶縁性とリチウムに対する非反応性を有している材質であれば良く、種々の樹脂材料を使用することができる。このような樹脂材料のうち、さらに耐熱性および可撓性の要素を有する材質としては、例えば、ポリサルフォン(PSF：融点190℃以上)、ポリエーテルサルフォン(PES：融点210℃以上)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK：融点340℃程度)、及びポリフェニレンサルファイド(PPS：融点280℃程度)のいずれか一種の樹脂が挙げられる。特に、PPSは、有機溶媒に対する耐久性に優れており、塗布法で正極層を形成するに当たり、多様な溶媒を使用できる点で好ましい。

また、基材は、上述した樹脂の単独層としても良いし、組成の異なる複数層の積層構造としても良いし、樹脂層と金属層との積層構造としても良い。積層構造、特に、金属層を含む積層構造とすると、外部の水分が基材を経て電極層に進入し、リチウムと反応することを防止することができる。

［正極集電体層］
正極の集電体としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、及びステンレスから選択される1種が好適に利用できる。金属膜からなる集電体は、PVD（物理的気相合成）法やCVD（化学的気相合成）法により形成することができる。特に、所定のパターンに金属膜（集電体）を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、容易に所定のパターンの集電体を形成することができる。

［正極層］
正極層は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う正極活物質を含む。正極活物質としては、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。その他、正極活物質は、硫化物、例えばイオウ(S)、硫化リチウム（Li₂S）及び硫化チタニウム(TiS₂)よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物であっても良い。

正極層は、さらに導電助剤を含んでいても良い。導電助剤は、正極活物質よりも電子伝導性の高い粒子であり、例えば、カーボンブラックやグラファイト（黒鉛）などを使用することができる。また、湿式法で正極層を形成するのであれば、正極層は、正極活物質粒子同士、あるいは、活物質粒子と導電助剤とを結着する結着剤を含んでいても良い。この結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）や、ポリフッ化ビニリデン（PVdF）などを使用することができる。

上述した正極層の形成方法としては、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、スクリーン印刷法、塗布法等が挙げられる。乾式法には、PVD法である真空蒸着法、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。

［負極集電体層］
負極集電体としては、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種が好適に利用できる。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、負極集電体が構造破壊を起こし集電性が低下したり、負極活物質層との接合性が低下して負極層が負極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。なお、負極の集電体（金属膜）も、正極の場合と同様に、PVD法やCVD法で形成することができる。

［負極層］
負極層は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む。例えば、負極活物質として、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)、及びインジウム(In)よりなる群から選ばれる少なくとも一つ（以下、合金化材料という）が良い。なお、負極層は、正極層と同様の導電助剤を含んでいても良いし、負極層を湿式法で形成するのであれば結着剤を含んでいても良い。

このような元素を含有した負極層は、負極層自体に集電体としての機能を持たせることができ、かつリチウムイオンの吸蔵・放出能力が高く好ましい。特に、シリコン(Si)はリチウムを吸蔵・放出する能力がグラファイト(黒鉛)よりも大きく、電池のエネルギー密度を高くすることができる。

また、負極層としてLi金属との合金相を用いることで、Li金属と合金化した合金化材料とLiイオン伝導性のSE層との界面でのLiイオンの移動抵抗が低減される効果があり、第１サイクル目の充電初期における合金化材料の高抵抗化が緩和される。

さらに、合金化材料の金属単体を負極層とした場合には、第１サイクル目の充放電サイクルにおいて、充電容量に対して放電容量が大幅に小さくなる問題があるが、予めLi金属と合金化材料とを合金化した負極層材料を用いることにより、この不可逆容量は殆どなくなる。このことにより、正極活物質量を不可逆容量分だけ余分に充填する必要がなくなり、リチウム電池の容量密度を向上させることができる。

負極層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。その他、負極層は、金属薄膜をプレスあるいは電気化学的手法により他の層に重ね合わせることで形成しても良い。

［ＳＥ層］
SE層は、リチウムイオン伝導体であり、リチウムイオン伝導度(20℃)が10^-5S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.999以上であることが好ましい。特に、リチウムイオン伝導度が10^-4S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.9999以上が好ましい。また、SE層は、正・負極間を絶縁するために電子伝導率が10^-8S/cm以下であることが好ましい。

SE層は、正極層側と負極層側とで組成の異なる2層構造としても良い。例えば、正極層側のSE層の材質としては、リチウム（Li）、リン（P）、硫黄（S）、酸素（O）より構成することが好ましく、さらに窒素（N）を含有していても良い。特に、Li-P-O-Nから構成したSE層とすると、このSE層と正極層との間の界面抵抗値を低くすることができ、その結果、電池の性能を向上させることができる。また、負極層側のSE層の材質としては、硫化物系が良く、Li、P、Sより構成することが好ましく、さらに酸素を含有していても良い。特に、Li₂SとP₂S₅とからなるLi-P-Sで構成したSE層とすると、このSE層と負極層との間の界面抵抗値を低下させることができる。

SE層の形成方法としては、固相法や気相堆積法を使用することができる。固相法としては、例えば、メカニカルミリング法を使用して原料粉末を作製し、この原料粉末を焼結して形成することが挙げられる。一方、気相堆積法としては、例えば、PVD法、CVD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。気相堆積法によりSE層を形成した場合、固相法によりSE層を形成した場合よりも、SE層の厚さを薄くすることができる。

SE層には、さらにリチウムイオン伝導性のイオン液体を含浸させていても良い。このイオン液体に要求される特性は、SE層と同様に、リチウムイオン伝導性が高く、電子伝導性が低いことである。具体的な数値としては、リチウムイオン伝導性が、10^-4S/cm以上、電子伝導性が10^-8S/cm以下であることが好ましい。

上述のリチウムイオン伝導性を有するイオン液体とは、有機カチオンとアニオンとの組み合わせからなるイオンのみからなるイオン液体に、リチウム含有塩を溶解したものである。

イオン液体の有機カチオンとしては、ジアルキルイミダゾリウムカチオン『DI⁺』、トリアルキルイミダゾリウムカチオン『TI⁺』等のイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、アルキルピリジニウムイオン、ジアルキルピロリジニウムイオン、ジアルキルピペリジニウムイオンの少なくとも一種が挙げられる。

特に、ジアルキルイミダゾリウムイオンの中でも、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン『EMI⁺』が好ましい。また、トリアルキルイミダゾリウムイオンの中では、1，2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン『DMPI⁺』が好ましい。また、テトラアルキルアンモニウムイオンとしては、ジメチルエチルメトキシアンモニウムイオン『DMEMA⁺』が望ましい。さらに、アルキルピリジニウムイオンとしては、１−ブチルピリジニウムイオン『BP⁺』、ジアルキルピロリジニウムイオンとしては、メチルプロピルピロリジニウムイオン『Py₁₃ ⁺』、ジアルキルピペリジニウムイオンとしては、メチルプロピルピペリジニウムイオン『PP₁₃ ⁺』が好ましい。

これらの有機カチオンのカウンターとなるアニオンとしては、PF₆ ^-、PF₃(C₂F₅)₃ ^-、PF₃(CF₃)₃ ^-、BF₄ ^-、BF₂(CF₃)₂ ^-、BF₃(CF₃)^-、C(CF₃SO₂)₃ ^-、ビスオキサラトホウ酸アニオン『BOB^-』、Tf^-、Nf^-、ビス（フルオロスルフォニル）イミドアニオン『FSI^-』、ビス（トリフルオロメタンスルフォニル）イミドアニオン『TFSI^-』、ビス（ペンタフルオロエタンスルフォニル）イミドアニオン『BETI^-』、ジシアノアミドアニオン『DCA^-』などを用いることができる。

具体的なイオン液体としては、例えば、『DI・BF₄』、『DI・C(CF₃SO₂)₃』、『DI・PF₆』、『TI・C(CF₃SO₂)₃』等の有機物カチオンを有する有機塩を挙げることができる。その他、『EMI・BF₄』、『EMI・C(CF₃SO₂)₃』、『DMPI・C(CF₃SO₂)₃』、『EMI・FSI』、『PP₁₃・TFSI』などでも良い。

なお、これらのイオン液体は、単独で用いてもよく、２種類以上混合して用いてもよい。

また、イオン液体に溶解させるリチウム含有塩（電解質）は、カチオンがリチウムイオンを為すリチウム塩を用いる。リチウムイオンのカウンターとなるアニオンとしては、塩化物アニオン『Cl^-、ClO₄ ^-』、臭化物アニオン『Br^-』、ヨウ化物アニオン『I^-』、フッ化物アニオン『BF₄ ^-、PF₆ ^-、CF₃SO₃ ^-、BETI^-、TFSI^-、C(CF₃SO₂)₃ ^-』、『BOB^-』、『DCA^-』よりなる群から選択される少なくとも1種類もしくは2種類以上からなる塩が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

［遮断層］
遮断層は、リチウムイオン伝導性が実質的になく、絶縁性に優れる材料で構成する。具体的な遮断層のリチウムイオン伝導度は10^-9S/cm以下、電子伝導率は10^-8S/cm以下であることが好ましい。

遮断層の材質としては、基材の項目において説明した樹脂材料であるPSF、PES、PEEK、PPSなどを使用できる。これらの材質は、絶縁性、非リチウム伝導性に優れ、リチウム結晶を物理的に塞き止めることができる。

また、図1では、遮断層の断面形状を矩形としたが、矩形に限定されるわけではない。例えば、遮断層は、断面形状の中央部が突出した形状でも良いし、凹んだ形状であっても良く、リチウム結晶を物理的に塞き止めて、リチウム結晶の成長ルートを長くすることができれば良い。

このような遮断層の形成方法としては、既に説明した乾式法や湿式法を利用することができる。

［その他の構成］
実施形態1のリチウム電池は、さらに、基材において両極層とSE層を備える側に、両極層及びSE層を覆うカバー層を備えていても良い。このカバー層は、樹脂フィルムや、樹脂層と金属層からなる積層フィルムで構成すると良い。カバー層の樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミドなどを使用できる。また、カバー層の金属層としては、例えば、Alなどを使用できる。

リチウム電池にカバー層を形成するには、基材上に形成された両極層とSE層を覆うように樹脂フィルムまたは積層フィルムを配置し、このフィルムの周縁部と基材の周縁部同士を加熱圧着すると良い。その他、基材上の両極層とSE層を覆うように一対のフィルムで基材を上下から挟み込み、基材の周縁部とフィルムの周縁部同士、または、一対のフィルムの周縁部同士を加熱圧着しても良い。

なお、カバー層をリチウム伝導性のない絶縁樹脂で構成し、且つ、図1のSE層15の露出面（遮断層16が設けられている面）に隙間なく密着させることができれば、カバー層がリチウム結晶の成長を抑制するので遮断層は必要ない。しかし、実際には、リチウム電池の凹凸形状のため、カバー層をSE層の露出面に密着させることが難しく、また、密着させたとしても剥がれ易い。そのため、カバー層では、リチウム結晶の成長抑制効果の確実性に欠けるので、本発明リチウム電池の遮断層の代わりにカバー層を利用することは現実的ではない。

＜実施形態２＞
≪全体構成≫
図２は、実施形態１と異なる層配置である本発明電池の一実施形態の縦断面図を示す。このリチウム電池2は、絶縁性樹脂からなる基材20の上に、正極集電体層21、正極層23、負極集電体層22、負極層24、SE層25および遮断層26を具えるリチウム電池である。電池2は、電池2を厚さ方向から見たとき、正極層23及び負極層24の全体が重ならない位置に配されている。なお、本実施形態のリチウム電池2は、各層の配置状態以外は、実施形態１と同様の構成を使用できるので、各層の配置状態についてのみ説明する。

≪各層の配置状態≫
基材20直上には、正極集電体層21が設けられている。正極集電体層21は、平面視したときに、直線状のリード部（図示せず）と複数の分岐部（図示せず）とを有する櫛歯状に形成されており、各分岐部上にそれぞれ正極層23が設けられている。この正極層23は、正極集電体層21の分岐部外周面を覆うように設けられている。

上記正極層23の外周面と、正極層23が設けられていない基材20とを覆うようにSE層25が設けられている。このSE層25は、基材20上に設けられる正極層23の形状を反映して表面に凹凸が形成されている。つまり、正極層23を覆う部分が凸状に、正極層23が存在しない基材20を覆う部分が凹状になっている。

SE層25の凹部直上には、負極層24が設けられ、さらに負極層24上に負極集電体層22が設けられている。ここで、負極集電体層22は、正極集電体層21と同様に、平面視したときに直線状のリード部（図示せず）と複数の分岐部とを有する櫛歯状に形成されており、分岐部の位置に負極層24が設けられている。そして、負極層24と、負極層24が接する負極集電体層22の分岐部は、正極集電体層21の隣接する分岐部の間に配置されている。即ち、正極層23と負極層24とが図の左右方向に交互に並ぶように配置され、電池2を平面視したときに両集電体21,22の櫛歯が噛み合うようになっている。

また、SE層25の凹部の直上であって、負極層24の側面とSE層25の凸部の側面との間に遮断層26が設けられている。

≪実施形態２の効果≫
以上の構成を備えるリチウム電池2では、負極層24の側面から正極層23に向かってリチウム結晶が成長する。具体的には、リチウム結晶は、SE層25の凹部表面に沿って負極層24の側面からSE層25の凸部の側面に向かって成長する。しかし、本実施形態のリチウム電池2では、このリチウム結晶の生成ルートを分断するように遮断層26が設けられているため、負極層24から伸びるリチウム結晶の成長を遮断層26の側面で物理的に塞き止めることができる。その結果、本実施形態のリチウム電池は、充放電を繰り返しても、正・負極間で短絡事故が起きることがほとんどない。

実施形態２の構成に対して、遮断層がなかった場合、負極層側縁部から正極層に伸びるリチウム結晶がSE層凸部側面に到達し易い。このとき、SE層にピンホールなどの欠陥があると、リチウム結晶により短絡が生じてしまう。

＜実施形態３＞
≪全体構成≫
図３は、本実施の形態におけるリチウム電池の縦断面図である。この電池3は、絶縁性樹脂からなる基材30の上に、正極集電体層31、負極集電体層32、正極層33、負極層34、SE層35および遮断層36を備える。この電池3と、既に述べた実施形態2のリチウム電池との相違点は、正極集電体層31と正極層33が基材30に埋め込まれていることのみである。従って、各層の配置状態についてのみ説明する。

≪各層の配置状態≫
本実施形態のリチウム電池3は、基材30に凹部が形成されており、この凹部に正極集電体層31と正極層33とが埋め込まれている。埋め込まれた正極層33の上面は、基材30の上面と面一である。また、平坦に形成された基材30と正極層33の上にSE層35が形成され、さらに、SE層35上に負極層34が形成されている。負極層34は、電池3を平面視したときに、隣接する正極層33の間に配置される。そして、遮断層36は、SE層35上における負極層34から正極層33に向かう線（生成ルート）を分断するように設けられている。

≪実施形態３の効果≫
本実施形態の構成によれば、リチウムの生成ルートを分断する様に遮断層36が設けられているので、電池3の短絡事故を効果的に防止できる。ここで、遮断層がなかった場合、負極層から成長したリチウム結晶が、SE層における正極層の真上の位置に到達する。このとき、SE層にピンホールなどの欠陥が生じていたり、あるいはSE層が薄く形成されていたりすると、リチウム結晶を介して短絡事故が生じる虞がある。これに対して、本実施形態の構成では、そもそも、リチウム結晶がSE層35における正極層33の真上にくることがほとんどないので、短絡が生じることはほとんどない。

また、実施形態３の電池3では、SE層を形成する面が平坦なために、SE層35を平坦にすることができるため、SE層35上に遮断層36を形成することが容易であり、しかも遮断層36を剥がれ難くすることができる。

＜実施形態４＞
実施形態４では、実施形態２の構成に類似する構成であって、相違点として正極層と負極層の両方が基材上に設けられるリチウム電池について説明する。なお、本実施形態の具体的構成を図示せず、図２を参考にして説明する。

実施形態４のリチウム電池は、図２においてSE層25上に形成される負極層24を、電池を平面視したときの位置はそのままで、SE層25の下、基材20の上に配置した電池である。つまり、正・負極層の両方が基材上にあり、正・負極間にSE層が存在するので、SE層によりリチウム結晶の成長を押さえ込むことができる。しかし、リチウム結晶がSE層と基材との隙間に沿って成長する虞があり、そのため実施形態４では、基材上で隣接する正・負極層の間であって、基材の上に遮断層を設ける。基材上に遮断層を設けることによって負極層から正極層に向かうリチウム結晶の成長ルートを分断できるので、効果的に電池の短絡事故を防止できる。

なお、本発明は、上述した実施形態１〜４の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、図1を参照して説明した実施形態１では、集電体層11,12が二つとも基材10に接する構成としたが、負極集電体層12を、負極層14上面のうち、階段状に下がった位置（下段側部分）に設けてもかまわない。

本発明リチウム電池は、携帯機器の電源に好適に利用可能である。

実施形態１に係るリチウム電池を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の丸で囲った部分の拡大図である。 実施形態２に係るリチウム電池の縦断面図である。 実施形態３に係るリチウム電池の縦断面図である。 従来のリチウム電池の縦断面図である。

符号の説明

1,2,3,9 リチウム電池 10,20,30,90 基材
11,21,31,91 正極集電体層 12,22,32,92 負極集電体層
13,23,33,93 正極層 14,24,34,94 負極層
15,25,35,95 固体電解質層（SE層） 16,26,36 遮断層

Claims (5)

1. リチウムを吸蔵・放出する正極層および負極層と、これらの層の間でのリチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層とを備えるリチウム電池であって、
   前記固体電解質層の表面におけるリチウム結晶の成長ルートを遮断する位置に、リチウム結晶の成長を物理的に塞き止める遮断層を有し、
   前記遮断層は、実質的にリチウムイオン伝導性を有さない絶縁性樹脂からなることを特徴とするリチウム電池。
2. 前記遮断層は、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリフェニレンサルファイドのいずれか１種の樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池。
3. 正極層、負極層、及び固体電解質層は、基材上に設けられており、
   このリチウム電池を平面視したとき、正極層と負極層とは、少なくとも一部が重ならない位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム電池。
4. このリチウム電池を平面視したとき、正極層と負極層とは、実質的に同一平面上にないことを特徴とする請求項３に記載のリチウム電池。
5. 前記基材は、融点が170℃以上で、リチウムと反応しない絶縁性樹脂からなることを特徴とする請求項３または４に記載のリチウム電池。

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