JP2009224237A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】平板状の電池を有する電池として、簡素な構成で電極−電解質層間に押圧力を印加することが可能で性能低下を抑制しうる電池を提供する。
【解決手段】蓄電部Ｂは、正極部材１と負極部材２とを固体電解質層３を挟んで交互に積層した構造となっている。正極部材１，負極部材２は、集電体１ａ，２ａの両面上に正極１ｂ，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。正極１ｂと負極２ｂの間に固体電解質層３が介在する。キャップ１５の天井部１５ａは、予め下方に凸状に変形されており、基板１３と天井部１５ａとによって、正極部材１と負極部材２と固体電解質層３とを押圧し、正極１ｂおよび負極２ｂと固体電解質層３との接触を確実にしており、電力損失の増大や電池容量の低下が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板状の電極を備えた電池に係り、特に組立工程の簡素化対策に関する。

従来より、正極と負極とを固体の電解質層を挟んで巻回することにより積層した電池は、一般的な電池構造として知られている。
かかる固体の電解質層を有する，いわゆるドライセルの電池においては、液状の電解質を用いた場合のような液漏れのおそれがないという、優れた特性を発揮することができる。

ところで、ゲル状または固体の電解質層は、正極または負極との導通を得るための接触が必ずしも確実ではなく、部分的あるいは全体的な遊離が生じる場合がある。その結果、電極−電解質層間の接触抵抗の増大による電力損失や、イオン移動度の不足に起因する電池容量の低下を招くことがある。

そこで、特許文献１では、製造工程でまたは使用中に外部から押圧力を印加することを前提として、その押圧力による電極間の短絡を防止するための絶縁性および力学的強度を有する被覆層を設けることが開示されている（同文献の段落［０００６］，［００１６］参照）。
特開２００１−２６６９４６号公報

しかるに、製造工程中の押圧力印加だけでは、使用中に環境（特に温度）の変化などによって電極−電解質層間の接触状態が悪化しすることで、上述の不具合を生じるおそれがある。一方、電池を収納するが外部ケースなどにより、外部から押圧力を加える場合、外部ケースの寸法誤差や温度変化などによって、押圧力が大幅に変動するなど、電池自体の構造との整合性が十分図れないおそれがある。

本発明の目的は、電池自体の構造として、簡素な構成で電極−電解質層間に押圧力を印加する手段を講ずることにより、電力損失や電池容量の低下を抑制しうる電池を提供することにある。

本発明の電池は、ケース本体と蓋部材とによって囲まれる内部空間に、固体の電解質層を挟んで正極および負極を配置した電池であって、蓋部材を、予め下方に向かって凸状に変形しておいて、正極，電解質層および負極に押圧力を加えるように、構成されている。

これにより、下方に凸状に変形された蓋部材がバネ部材として機能して、正極，電解質層および負極に押圧力を加える。
別途バネ部材をキャップ−電極間に介在させるのでは、部品数が増大してコストアップを招くとともに電池の厚みが増大して薄型電池としての価値を低下させるが、この構造では，かかる不具合を回避できる。
よって、簡素な構造でありながら、製造中だけでなく、使用中においても、確実に正極，電解質層および負極に押圧力を加えることができ、電力損失や電池容量の低下を抑制することができる。

正極部材，電解質層および負極部材の複数組が積層されていてもよく、その場合には、ケースの内部空間を少し広くするだけで、電池の蓄電量を増大させることができ、ひいては、より小型化された電池を得ることができる。

本発明によると、電池の蓋部材を、予め下方に向かって凸状に変形しておいて、正極，電解質層および負極に押圧力を加えることにより、簡素な構成で、電力損失や電池容量の低下を抑制することができる。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る電池Ａの縦断面図である。図２は、実施の形態に係る電池Ａの平面図である。
図１および図２に示すように、電池Ａは、ケース本体であるセラミック製の基板１３と、ケースの蓋部材である金属製のキャップ１５とを備えており、キャップ１５と基板１３とは、接合部２１において、外周に沿って接合され、内部空間Ｒｍが封止されている。そして、基板１３およびキャップ１５によって囲まれる内部空間Ｒｍ内には、所定の電圧を発生させるための蓄電部Ｂが配置されている。

基板１３およびキャップ１５は、平面形状が矩形であり、蓄電部Ｂも、両端を除き、平面形状がほぼ矩形である。そして、電池Ａの全体の寸法は、厚さが０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度で、幅が４ｍｍ〜２０ｍｍ程度で、長さが４ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。
基板１３は、アルミナ等のセラミックからなり、厚みは、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。キャップ１５は、セラミックとの熱膨張率係数の小さい、つまり、低熱膨張係数の鉄合金（たとえば、３６Ｎｉ−Ｆｅ合金，３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ，２９Ｎｉ−１７Ｃｏ−Ｆｅなど）が用いられ、厚みは、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。
なお、セラミック膜に代えて、樹脂膜などの有機絶縁膜を用いることもできる。

基板１３の両端部には、外部端子である正極端子１１および負極端子１２が設けられている。正極端子１１および負極端子１２は、各々、基板１３の側端部から下面に沿って延びる外部接続部１１ｂ，１２ｂと、基板１３を貫通して内部空間まで延びるスルーホール部１１ｃ，１２ｃと、スルーホール部１１ｃ，１２ｃの上方に設けられた溶接部１１ａ，１２ａとを有している。

また、基板１３の上面には、外周に沿ったリング状のハンダもしくは銀−銅ろう層からなる接合下地層２０が形成されている。
正極端子１１，負極端子１２および接合下地層２０は、アルミナ等のセラミックからなる基板１３の表面および貫通孔にタングステンペーストを塗布した後、メタライズ処理をすることにより形成されている。

接合部２１は、上記低熱膨張率の鉄合金などのリングを、キャップ１５と基板１３の接合下地層２０との間に挟み、キャップ１５−リング−各端子１１，１２間に電流を流すシーム溶接などにより形成され、厚みは、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。この接合部２１によって、基板１３とキャップ１５とによって囲まれる内部空間Ｒｍが、真空状態，Ａｒ等の不活性雰囲気，あるいはドライ雰囲気に密封されている。

蓄電部Ｂは、図１下方の２つの拡大図に示すように、各々３つの正極部材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なっている。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、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。
また、最上方の正極１ｂは、ＰＰＳ樹脂，ポリイミド樹脂などの樹脂絶縁膜５によって覆われている。

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（チタン酸リチウム膜），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。

キャップ１５の天井部１５ａは、下方に向かって凸状に変形されており、天井部１５ａは、上記樹脂絶縁膜５に強く接触している。一方、最下方の負極２ｂは、基板１３にほぼ全面で接触している。つまり、負極部材２，正極部材１および固体電解層３が、キャップ１５の天井部１５ａと基板１３との間で、キャップ１５の凸状に変形した天井部１５ａのバネ構造によって押圧されている。そのために、上述の接合部２１の形成時に、キャップ１５の外周部全体を下方に押圧しながら、シームレス溶接する。

一方、蓄電部Ｂから引き出された各３枚の集電体１ａ，２ａは、各々、各端子１１，１２の溶接部１１ａ，１２ａの上に重ねられている。そして、３枚の集電体１ａと正極端子１１の溶接部１１ａとが接合部２５において溶接によって接合され、３枚の集電体２ａと負極端子１２の溶接部１２ａとが、接合部２６において溶接によって接合されている。

本実施の形態によると、キャップ１５の天井部１５ａを予め下方に凸状に変形させておいて、キャップ１５をバネとして機能させて、基板１３と天井部１５ａとの間で、正極部材１，負極部材２および固体電解層３を押圧しているので、正極１ｂ，負極２ｂと固体電解層３とを、ほぼ全面で確実に接触させることができる。したがって、接触抵抗の抑制により、電力損失の増大を抑制することができる。また、広い接触面積によってイオン移動度を高く確保することができるので、電池容量の低下を抑制することができる。

（変形例）
図３は、上記実施の形態の変形例に係る電池Ａの平面図である。同図に示すように、本変形例では、基板１３，キャップ１５，および蓄電部Ｂは、円の両側を平坦にした平面形状を有し、いわゆるコイン型電池の一種である。この変形例においても，断面構造は図１に示すとおりである。
本変形例においても、キャップ１５には下方に凸状の天井部１５ａが設けられており、キャップ１５をバネとして機能させて、基板１３と天井部１５ａとの間で、正極部材１，負極部材２および固体電解層３を押圧しているので、正極１ｂ，負極２ｂと固体電解層３とを、ほぼ全面で確実に接触させることができる。よって、実施の形態と同じ効果を発揮することができる。

（他の実施の形態）
上記実施の形態においては、正極部材１および負極部材２を両面成膜タイプ、つまり集電体１ａ，２ａの両面上に正極１ｂ，負極２ｂをそれぞれ塗布，蒸着等によって形成した構造としたが、本発明は、片面成膜タイプ、つまり集電体の片面側のみに正極又は負極を形成した正極部材および負極部材を備えた電池にも適用することができる。その場合にも、正極と負極との間に固体電解質層が介在することになる。

上記実施の形態では、活物質が固体である固体電解質層３を設けたが、本発明は、ゲル状の活物質を含む電解質層を備えた電池にも適用することができる。

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。

発明の実施の形態に係る電池の縦断面図である。 実施の形態に係る電池の平面図である。 実施の形態の変形例に係る電池の平面図である。

符号の説明

Ａ 電池
Ｂ 蓄電部
Ｒｍ 内部空間
１ 正極部材
１ａ 集電体
１ｂ 正極
２ 負極部材
２ａ 集電体
２ｂ 負極
３ 固体電解質層
１１ 正極端子
１１ａ 溶接部
１１ｂ 外部接続部
１１ｃ スルーホール部
１２ 負極端子
１２ａ 溶接部
１２ｂ 外部接続部
１２ｃ スルーホール部
１３ 基板（ケース本体）
１５ キャップ（蓋部材）
１７ 絶縁シート
１５ａ 天井部
２０ 接合下地層
２１ 接合部

Claims (2)

1. ケース本体と蓋部材とによって囲まれる内部空間に、固体の電解質層を挟んで正極および負極を配置した電池であって、
   前記蓋部材は、下方に向かって凸状に変形されて、前記正極，電解質層および負極に押圧力を加えている、電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記正極部材，固体の電解質層および負極部材の複数組が積層されている、電池

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