JP2009224035A - 電池の電極構造 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質層を有する電池の電極構造を採用しつつ、小スペースで大面積を実現する。
【解決手段】板状電極体Ａは、正極部材１と負極部材２とを固体電解質層３を挟んで積層され、延伸部１１ａと、折り返し部１１ｂとが複数個形成されている。折り返し部１１ａにおいては、間隙Ｓｐが設けられて、相対向する部分同士が離間する一方、折り返し部と延伸部との境界領域Ｒbdでは、相対向する部分同士が接触している。折り返し部１１ｂの曲率半径が大きくなるので、板状電極体Ａに大きなストレスが印加されず、折り返し部１１ｂ−延伸部１１ａ間の境界領域Ｒbdにおいて相対向する部分同士が接触していることで、板状電極体の占有スペースが低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、順次積層された正極集電体，正極，固体の電解質層，負極及び負極集電体を有する電池の電極構造に関する。

リチウム電池のような電解液の導電率が低い電池や、ニッケルカドミウム電池のような大電流を取り出すタイプの電池においては、電池面積を大きくする必要がある。そこで、このような電池においては、セパレータを挟んで重ね合わされた正極及び負極を有する帯状の板状電極体を、折りたたむか渦巻き状に巻回する構造を採用している。

たとえば、特許文献１には、図５に示すように、多孔性のセパレータ３を挟んで、正極1及び負極２が、セパレータ３よりも挟幅で連続して形成されて、電極−セパレータ一体物が形成されている。そして、この一体物を密に折りたたむことで、小さなスペースに大面積の電極構造を実現している。

特開平０６−１４００７７号公報

ところで、液状の電解液ではなく固体電解質層を用い、順次積層された正極集電体，正極，固体電解質層，負極及び負極集電体を有するタイプの電極構造がある。ところが、この構造において、上記特許文献１における図５の折りたたみ構造を採用しようとすると、折りたたみ部に加わる機械的ストレスが大きく、正極，負極を固体電解質層に密着させ、かつ、ずれないように折りたたむのが難しいことが判明している。

特許文献１の技術では、軟バインダーの柔軟性電極を採用し、セパレータとして柔軟性のあるＰＰ（ポリプロピレン）樹脂等の樹脂が用いられるので、上記一体物を密に折りたたんでも、亀裂や破損などのおそれは少なく、電解液を用いているので、電極と電解液の接触状態に不具合を生じるおそれは少ない。しかし、固体電解質層を正極−負極間に介在させたタイプの電極構造においては、正極，負極と固体電解質層が確実に密着していないと、接触抵抗の増大や、電気的短絡を生じるおそれがある。

本発明の目的は、固体の電解質層を有する電池の電極構造を採用しつつ、小スペースで大面積を実現しうる電極構造を提供することにある。

本発明の電池の電極構造は、順次積層された正極集電体，正極，固体の電解質層，負極及び負極集電体を有する板状電極体を備えている。そして、一方向に延びる延伸部と、その端部の折り返し部とを形成しておいて、折り返し部では、相対向する部分同士を離間させる一方、折り返し部−延伸部間の境界領域では、相対向する部分同士を接触させる構造とする。

これにより、折り返し部の曲率半径が大きくなるので、板状電極体に大きなストレスが印加されるのを抑制することができ、電極−電解質層間の密着性を良好に保持することができる。また、折り返し部−延伸部間の境界領域において、相対向する部分同士が接触していることで、全体的に隙間を設けて折り返す構造に比べると、板状電極体の占有スペースはほぼ半減される。よって、小スペースで大面積を有する電池の電極構造が得られる。

上記板状電極体の全体がテープによって包まれていることにより、各電極（正極または負極）と電解質層とがテープによって押圧されて、密着性が向上し、接触抵抗の増大が抑制される。また、各電極と電解質層との相対的な位置関係がほぼ一定に保たれるので、両者が境界で互いにずれるのが抑制され、電気的な短絡の発生が抑制される。

本発明によると、順次積層された正極集電体，正極，固体の電解質層，負極及び負極集電体を有する板状電極体を備えた電池の電極構造として、小スペースで大面積を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電池の電極構造の側面図である。板状電極体Ａは、図１下方の拡大断面図に示すように、正極部材１と負極部材２とを固体電解質層３を挟んで積層した構造となっている。正極部材１は、集電体１ａ（正極集電体）の片面上に正極１ｂが形成された片面成膜タイプの構造を有しており、負極部材２も、集電体２ａ（負極集電体）の片面上に負極２ｂが形成された片面成膜タイプの構造を有している。正極１ｂと負極２ｂの間に固体電解質層３が介在している。そして、正極１ｂに接する集電体１ａと、負極２ｂに接する集電体２ａとから、外部機器に印加する電圧が引き出される構造となっている。

なお、図２に示すように、複数の正極部材１と負極部材２とを固体電解質層３を挟んで交互に積層した構造としてもよい。この構造においては、正極部材１は、リード部材を兼ねる集電体１ａの両面上に正極１ｂが形成された両面成膜タイプの構造を有しており、負極部材２も、リード部材を兼ねる集電体２ａの両面上に負極２ｂが形成された両面成膜タイプの構造を有している。そして、正極１ｂと負極２ｂの間に固体電解質層３が介在している。

ここで、集電体１ａ，２ａは、ＳＵＳ，Ａｌ，Ｎｉなどの箔により構成され、厚みは１０μｍ程度である。正極１ｂは、ＬｉＭｎＯ_２，ＬｉＣｏＯ_２，ＭｎＯ_２，ＦｅＳ，ＦｅＳ_２などの活物質からなる厚み１０μｍ程度の膜、あるいは、ＬｉＭｎＯ_２，ＬｉＣｏＯ_２，ＭｎＯ_２，ＦｅＳ，ＦｅＳ_２などの活物質を含む塗布膜からなる厚み１００μｍ程度の膜である。負極２ｂは、Ｌｉ金属膜，あるいは、Ｌｉ−Ａｌ，Ｌｉ−Ｍｎ−Ａｌ，Ｓｉ，Ｓｉ−Ｎ，Ｓｉ−Ｃｏ，Ｓｉ−Ｆｅなどの合金膜や、ＬＴＯ膜（低温酸化シリコン膜），カーボン膜などからなり、厚みは５μｍ未満である。固体電解質層３は、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏからなるアモルファス膜もしくは多結晶膜、あるいは、Ｌｉ−Ｐ−Ｏ−Ｎや、Ｌｉ_２ＳおよびＰ_２Ｓ_２からなるアモルファス膜もしくは多結晶膜からなり、厚みは５μ〜１０μｍ程度である。

板状電極体Ａには、一方向に延びる延伸部１１ａと、延伸部１１ａの端部において折り返される折り返し部１１ｂとが複数個形成されている。本実施の形態においては、７つの延伸部１１ａと、６つの折り返し部１１ｂとを有しているが、本発明の構造は、これに限定されるものではない。

そして、折り返し部１１ａにおいては、間隙Ｓｐが設けられて、相対向する部分同士が離間している。一方、折り返し部１１ａと延伸部１１ｂとの境界領域Ｒbdにおいては、相対向する部分同士が接触している。折り返し部１１ａにおける板状電極体Ａの曲率半径は、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。
「境界領域Ｒbdにおいて相対向する部分同士が接触している」とは、接触している部分が延伸部１１ａに属していてもよいし、折り返し部１１ｂに属していてもよい、という意味である。

本実施の形態によると、折り返し部１１ｂの曲率半径が大きくなるので、板状電極体Ａに大きなストレスが印加されるのを抑制することができる。したがって、固体電解質層３の割れに起因する正極１ｂ−負極２ｂ間の電気的短絡を抑制することができる。また、正極１ｂ−固体電解質層３及び負極２ｂ−固体電解質層３の密着性を良好に保持することができる。

また、折り返し部１１ｂ−延伸部１１ａの境界領域Ｒbdと、これに対向する延伸部１１ａとが互いに接触していることで、全体的に隙間を設けて折り返す構造に比べると、以下に示すように、板状電極体の占有スペースはほぼ半減される。よって、小スペースで大面積を有する電池の電極構造が得られる。

図３（ａ），（ｂ）は、順に、本発明の板状電極体Ａと、比較例に係る板状電極体Ｂの側面パターンを示す図である。
図３（ｂ）に示す板状電極体Ｂは、一定の間隙Ｓｐを隔ててすべての延伸部１１ａが平行に延び、折り返し部１１ｂにおいて間隙Ｓｐを確保しながら折り返されている構造を有している。この構造により、折り返し部Ｓｐの曲率半径が大きくなるので、図５に示す従来構造の不具合は解消される。

しかしながら、図３（ｂ）に示す比較例では、折り返し部１１ｂだけでなく、全体に間隙Ｓｐが存在しているので、全体のスペースが拡大し、薄型化，小型化の要請に反する。
それに対し、図３（ａ）に示す本実施の形態の構造では、折り返し部１１ｂに間隙Ｓｐを設ける一方、延伸部１１ａと折り返し部１１ｂの境界領域Ｒbdにおいて相対向する部分同士を接触させることにより、比較例に比べると、同じ電極面積で、スペースが半分近くまで低減されることがわかる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る電池の電極構造を形成する前の状態を示す断面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、実施の形態と同じ断面構造を有する板状電極体Ａの全体がラミネートされてテープ２０により包まれている。テープ２０の両端には、開口Ｒapが設けられており、図中破線に示すように、集電体１ａ，２ａが開口Ｒapから引き出される。

そして、板状電極体Ａとテープ２０とは、一体として、図１に示すように、延伸部１１ａと折り返し部１１ｂを有する電極構造に形成される。

本実施の形態によると、実施の形態１の効果に加えて、テープ２０によって板状電極体Ａ全体が強く固定されるので、電極（正極１ｂまたは負極２ｂ）と、固体電解質層３との密着性がさらに向上し、両者間の接触抵抗が低減されるとともに、ずれが生じにくいことで、電気的短絡の発生も抑制される。

（他の実施の形態）
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の電池は、時計，電卓などの電子機器用の電源として利用することができる。

実施の形態１に係る電池の電極構造の側面図である。 複数の電極および固体電解質層を積層した板状電極体の断面構造を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態１の板状電極体と、比較例に係る板状電極体の側面パターンを示す図である。 実施の形態２に係る電池の電極構造を形成する前の状態を示す断面図である。 従来の電池の電極構造を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 板状電極体
Ｒbd 間隙
Ｒap 開口
１ 正極部材
１ａ 集電体（正極集電体）
１ｂ 正極
２ 負極部材
２ａ 集電体（負極集電体）
２ｂ 負極
３ 固体電解質層
１１ａ 延伸部
１１ｂ 折り返し部
２０ テープ

Claims (2)

1. 順次積層された正極集電体，正極，固体の電解質層，負極及び負極集電体を有する板状電極体を備えた電池の電極構造であって、
   前記板状電極体には、
   一方向に延びる延伸部と、
   前記延伸部の端部において折り返される折り返し部と、
   が各々複数個形成されており、
   前記折り返し部では、前記板状電極体の相対向する部分同士が離間しており、
   前記折り返し部−延伸部の境界領域では、前記板状電極体の相対向する部分同士が接触している、電池の電極構造。
2. 請求項１記載の電池の電極構造において、
   前記板状電極体は、全体がテープによって包まれている、電池の電極構造。

Images