JP2010003654A - 電池 - Google Patents

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修 水野
Hideaki Awata
英章 粟田
Takeshi Kanno
毅 寒野
Mitsuho Ueda
光保 上田
Rikizo Ikuta
力三 生田
Katsuji Emura
勝治 江村
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Abstract

【課題】電気的短絡を防ぎ、並列接続構造による容量増大を実現しうる電池を提供する。
【解決手段】矩形状の積層要素A〜Dを、領域R1〜R4のうちの2つの領域に積層していく。その結果、正極集電体1aおよび負極集電体2aが、各々螺旋階段状に連結される。正極集電体1aと負極集電体2aとの連結体間に、複数の単位電池部が並列配置されている。単位電池部は、正極活物質層1b,固体電解質層3,および負極活物質層2bからなる。最下部および最上部から各々1本のリード部材を引き出せば、外部端子に接続することができる。よって、多数の集電体が引き出されることに起因する電気的短絡を防ぐことができる。正負1対の電極集電体の間に、多数の単位電池部を並列配置することで、電池容量も拡大する。
【選択図】図2

Description

本発明は、固体電解質層を備えた電池に係り、特に、容量増大対策に関する。
従来より、特許文献1や特許文献2に示す薄型電池が知られている。
特許文献1の図1に示される構造では、平板状の正極集電体,および負極集電体の間に、単位電池部を挟んでいる。単位電池部は、正極活物質層,固体電解質層,および負極活物質層からなる。
特許文献2の図8に示される構造では、各々単位電池部を挟んで、正極集電体,および負極集電体を、多数積層している。特許文献1と同様に、単位電池部は、正極活物質層,固体電解質層,および負極活物質層からなる。
特開2004−179158号公報 特開2005−251417号公報
特許文献1の構造では、単一の単位電池部のみを有する構造であるために、電池容量を増大することは困難である。
特許文献2の構造では、複数の単位電池部を積層しているので、ある程度の容量増大が可能である。ただし、電極端子との接続のためには、複数の正極集電体および負極集電体を取り出して結束する必要がある。ところが、各々複数の正極集電体および負極集電体が存在することで、部分的に電気的短絡が生じるおそれがあった。
本発明の目的は、電気的短絡を防ぎつつ、並列接続構造による容量増大を実現しうる電池を提供することにある。
本発明の電池は、各々螺旋階段状に連結された正極集電体と負極集電体とを有している。そして、正極集電体と負極集電体との間に、複数の単位電池部を並列配置したものである。単位電池部は、固体電解質層と,固体電解質層を挟む正負1対の電極活物質層とからなる。
この構造により、最上部と最下部とから各1本の正負リード部材を引き出すことができる。よって、各々複数の正極集電体と負極集電体が引き出されることによる電気的短絡を防ぐことができる。
また、正極集電体と負極集電体との間に、単位電池部が並列接続されている。よって、多数の単位電池部を狭いスペースに収納することが可能になり、薄型のままで電池容量を増大させることができる。
相隣接する2つの単位電池部の電極活物質層の間に、絶縁層を介在させることが好ましい。絶縁層を介在させる部分は、正極活物質層,負極活物質層のいずれか一方または双方である。
これにより、各単位電池部間における電気的短絡を確実に防ぐことができる。
本発明の電池またはその製造方法によると、電気的短絡を防ぎつつ、並列接続構造による容量増大を実現することができる。
(実施の形態1)
図1(a)〜(d)および図2(a)〜図2(d)は、実施の形態1に係る蓄電部Xを組み立てる手順を示す縦断面図および平面図である。図3は、蓄電部Xを組み立てるために用いる積層要素A〜Dの縦断面図および平面図である。
図3に示す積層要素Aは、辺の長さが20mm〜50mm程度の正方形の半分に相当する大きさを有している。積層要素Aは、正極集電体1aと、正極活物質層1bと、固体電解質層3と、負極活物質層2bとの積層体からなる。本明細書においては、「正極活物質層1b,固体電解質層3,および負極活物質層2b」を「単位電池部」とする。この単位電池部は、図3に示す正極集電体1aの上半分の領域の第1面上に形成されている。第1面とは、図3に示す縦断面図の右側の面である。
正極集電体1aは、SUS304,SUS316,Cuなどの金属箔からなる。正極集電体1aの厚みは、10μm〜20μm程度である。
正極活物質層1bは、LiCoO,LiMnO,MnOなどの酸化物系の活物質からなる。正極活物質層1bの厚みは、10μm程度である。正極活物質層1bは、物理的堆積法(PVD法)や化学的堆積法(CVD法)により形成される。PVD法には、スパッタリング,真空蒸着,レーザーアブレーション,イオンプレーティングなどがある。CVD法には、熱CVD法、プラズマCVD法などがある。
固体電解質層3は、リチウムイオン伝導体であればよい。具体的には、リチウムと、硫黄とを必須元素としている。そして、これらに、リン,珪素,ゲルマニウム,およびガリウムから選ばれた少なくとも1つの物質を添加することができる。本実施の形態では、固体電解質層3は、たとえばLi2S−P2S5によって構成されている。固体電解質層3は、上述のPVD法やCVD法により形成される。
負極活物質層2bは、リチウム膜、リチウム合金膜,あるいはLTO膜(チタン酸リチウム膜),カーボン膜などからなる。リチウム合金膜には、リチウム(Li)と、アルミニウム(Al),インジウム(In),シリコン(Si),錫(Sn),ビスマス(Bi)などとの合金膜がある。負極活物質層2bの厚みは、0.2μm〜20μmの範囲にあることが好ましく、5μm未満であることがより好ましい。負極活物質層2bは、PVD法により形成される。
図3に示す積層要素Bは、正極集電体1aの上半分の領域の第1面上に形成された単位電池部を有している。単位電池部とは、上述のように、正極活物質層1b,固体電解質層3,および負極活物質層2bである。積層要素Bは、さらに、正極集電体1aの下半分の領域における第2面上に形成された単位電池部を有している。 第2面とは、図3に示す縦断面図の左側の面である。
図3に示す積層要素Cは、正方形の半分よりもやや狭い面積を有する負極集電体2aを有している。負極集電体2aは、Cu,Ni,Fe,Cr,またはこれらの合金の箔からなる。負極集電体2aの厚みは、10μm〜20μm程度である。また、負極集電体2aの両面の中央部には、電的短絡を防止するための絶縁膜4が形成されている。絶縁膜4は、ポリエステルなどの樹脂から成り、厚みは、5μm〜20μm程度である。絶縁膜4の厚みは、負極活物質層2bよりも薄いことが好ましい。
図3に示す積層要素Dは、正極集電体1aの第1面のほぼ全面上に形成された単位電池部を有している。単位電池部とは、上述のように、正極活物質層1b,固体電解質層3,および負極活物質層2bである。積層要Dは、さらに、正極集電体1aの上半分の領域の第2面上に形成された単位電池部を有している。
次に、図1(a)〜(d)、および図2(a)〜(d)に示す蓄電部Xの形成手順について説明する。図1(a)〜(d)の縦断面図は、いずれも平面図に示すI-I線における断面図である。図2(a)〜(d)の縦断面図は、いずれも平面図に示すII-II線における断面図である。
本実施の形態では、図3に示す各積層要素A〜Dを重ね合わせることにより、蓄電部Xを形成している。平面形状が正方形の蓄電部Xを形成するので、正方形を4分割して、領域R1〜R4とする。
まず、図1(a)に示す工程では、領域R1,R2に最下層の積層要素Aを設置する。領域R1においては、正極集電体1a,正極活物質層1b,固体電解質層3,および負極活物質層2bが存在する。つまり、領域R1においては、正極集電体1aの上に単位電池部が存在する。領域R2においては、正極集電体1aのみが存在する。
次に、図1(b)に示す工程では、最下層の積層要素Aの上に、2層目の積層要素Aを重ねる。このとき、2層目の積層要素Aは、領域R2および領域R3に設置される。領域R2において、2層目の積層要素Aの正極集電体1aは、最下層の正極集電体1aの上に重ねられている。領域R2においては、正極集電体1aの上に単位電池部が存在する。領域R3においては、正極集電体1aのみが存在する。また、領域R2においては、2枚の正極集電体1aが積層されている。したがって、2層目の積層要素Aの正極集電体1aは、領域2と領域R3との間で、段差を有している。
次に、図1(c)に示す工程では、領域R3,R4に3層目の積層要素Aを重ね、領域R1,R2に、積層要素Cを重ねる。領域R3においては、2枚の正極集電体1aが積層されている。したがって、3層目の積層要素Aの正極集電体1aは、領域3と領域4との間で段差を有している。また、積層要素Cの負極集電体2aは、領域R1と領域R2との間で段差を有している。このとき、領域R1の単位電池部の負極活物質層2bと、領域R2の負極活物質層2bとの間に、絶縁膜4が介在している。つまり、相隣接する2つの単位電池部の電極活物質層の間に、絶縁膜4が介在している。
次に、図1(d)に示す工程では、領域R4,R1に積層要素Bを重ね、領域R2,R3に、積層要素Cを重ねる。領域R1においては、負極集電体2aの両面上に、単位電池部がそれぞれ配置されている。
このとき、積層要素Bの正極集電体1aは、領域4で、3層目の積層要素Aの正極集電体1aに重なっている。積層要素Bの正極集電体1aは、領域R4から領域R1に向かって、2つの単位電池部の厚みだけ高くなっている。ただし、正極集電体1aと負極集電体2aとの厚みは、ほぼ等しいものとする。
以上の結果、複数の正極集電体1aが、領域R1,R2,R3,R4,R1に亘って、互いにオーバーラップしつつ、環状に連結されている。この正極集電体1aの連結体は、最初の領域1から次層の領域1に達した時点では、2つの単位電池部と負極集電体2aとの厚みだけ上昇している。つまり、正極集電体1aは、各領域間で段差を有しつつ、螺旋階段状に連結されている。ただし、正極集電体1aの連結体における段差は、常に上昇しているとは限らず、部分的に下降することもある。
次に、図2(a)に示す工程では、領域R1,R2に積層要素Bを重ね、領域R3,R4に、積層要素Cを重ねる。領域R1では、積層要素Bの正極集電体1aが、下層側の正極集電体1aに重なっている。領域R2では、積層要素Bの単位電池部が、下層側の負極集電体2aに重なっている。積層要素Bの負極集電体2aは、領域R2では、領域R1から段差をもって高くなっている。
次に、図2(b)に示す工程では、領域R2,R3に積層要素Bを重ね、領域R4,R1に、積層要素Cを重ねる。縦断面図には表示されていないが、積層要素Cの負極集電体2aは、領域R1では、領域R4から2つの単位電池部の高さだけ段差をもって高くなっている。
以上の結果、複数の負極集電体2aが、領域R1,R2,R3,R4,R1に亘って、互いにオーバーラップしつつ、環状に連結されている。この正極集電体2aの連結体は、最初の領域1から次層の領域1に達した時点では、2つの単位電池部と正極集電体1aとの厚みだけ上昇している。つまり、負極集電体2aは、各領域間で段差を有しつつ、螺旋階段状に連結されている。ただし、負極集電体2aの連結体における段差は、常に上昇しているとは限らず、部分的に下降することもある。
次に、図2(c)に示す工程では、領域R3,R4に積層要素Dを重ねる。領域R3では、下層側の正極集電体1aの上に、正極集電体1aおよび単位電池部が重ねられている。領域R4では、下層側の負極集電体2aの上に、正極集電体1aを挟んで2つの単位電池部が重ねられている。
次に、図2(d)に示す工程では、領域R1〜R4に亘る正方形の負極集電体2aを重ねる。これにより、蓄電部Xが形成される。
その結果、各々複数の正極集電体1aおよび負極集電体2bが、それぞれ、螺旋階段状に連結されて、個別に連結体を構成している。これらの連結体は、各領域R1〜R4においてそれぞれ2回転している。そして、各領域R1〜R4において、それぞれ3個の単位電池部が配置されている。すなわち、正極集電体1aの連結体と、負極集電体2aの連結体との間に、合計12個の単位電池部が並列接続されている。
(実施の形態2)
図4(a)〜(d)および図5(a)〜図5(d)は、実施の形態2に係るリチウム二次電池の蓄電部Xを組み立てる手順を示す縦断面図および平面図である。図6は、蓄電部Xを組み立てるために用いる要素E〜Hの縦断面図および平面図である。
図6に示す積層要素Eは、正方形の半分に相当する大きさの正極集電体1aを有している。積層要素Eにおいて、正極集電体1aの半分の領域の第1面上に、正極活物質層2bと、固体活物質層3とが順に形成されている。第1面とは、図6における縦断面図の右側の面である。正極集電体1a,正極活物質層1b,および固体活物質層3の材質,製法,および厚みは、実施の形態1で説明した通りである。
図6に示す積層要素Fは、正極集電体1aの上半分の領域の第1面上に形成された正極活物質層1b,および固体電解質層3を有している。積層要素Fは、さらに、正極集電体1aの下半分の領域における第2面上に形成された正極活物質層1b,および固体電解質層3を有している。 第2面とは、図6における縦断面図の左側の面である。
図6に示す積層要素Gは、正方形の半分よりもやや狭い大きさの負極集電体2aを有している。積層要素Fは、負極集電体2aの上半分の領域における両面上に形成された負極活物質層2bおよび絶縁膜4を有している。積層要素Gは、さらに、正極集電体1aの下半分の領域における第2面上に形成された負極活物質層2b,および絶縁膜4を有している。負極活物質層2bおよび絶縁膜4の材質,製法,厚みは、実施の形態1で説明した通りである。
図6に示す積層要素Hは、正極集電体1aの第1面のほぼ全面上に形成された正極活物質層1b,および固体電解質層3を有している。積層要Hは、さらに、正極集電体1aの下半分の領域の第2面上に形成された正極活物質層1b,および固体電解質層3を有している。
次に、図4(a)〜(d)、および図5(a)〜(d)に示す蓄電部Xの形成手順について説明する。図4(a)〜(d)の縦断面図は、いずれも平面図に示すIV-IV線における断面図である。図5(a)〜(d)の縦断面図は、いずれも平面図に示すV-V線における断面図である。
本実施の形態では、図6に示す各積層要素E〜Hを重ね合わせることにより、蓄電部Xを形成している。平面形状が正方形の蓄電部Xを形成するので、正方形を4分割して、領域R1〜R4とする。
まず、図4(a)に示す工程では、領域R1,R2に最下層の積層要素Eを設置する。領域R1においては、正極集電体1a,正極活物質層1b,および固体電解質層3が存在する。領域R2においては、正極集電体1aのみが存在する。
次に、図4(b)に示す工程では、最下層の積層要素Eの上に、2層目の積層要素Eを重ねる。このとき、2層目の積層要素Eは、領域R2および領域R3に設置される。領域R2において、2層目の積層要素Eの正極集電体1aは、最下層の正極集電体1aの上に重ねられている。領域R3においては、正極集電体1aのみが存在する。また、領域R2においては、2枚の正極集電体1aが積層されている。したがって、2層目の積層要素Eの正極集電体1aは、領域2と領域R3との間で、段差を有している。
次に、図4(c)に示す工程では、領域R3,R4に3層目の積層要素Eを重ね、領域R1,R2に、積層要素Gを重ねる。その結果、領域R2,R3には、いずれも単位電池部が配置される。
また、領域R3においては、2枚の正極集電体1aが積層されている。したがって、3層目の積層要素Eの正極集電体1aは、領域3と領域4との間で段差を有している。また、積層要素Gの負極集電体2aは、領域R1と領域R2との間で段差を有している。このとき、領域R1の単位電池部の負極活物質層2bと、領域R2の負極活物質層2bとの間に、絶縁膜4が介在している。つまり、相隣接する2つの単位電池部の電極活物質層の間に、絶縁膜4が介在している。
次に、図4(d)に示す工程では、領域R4,R1に積層要素Fを重ね、領域R2,R3に、積層要素Gを重ねる。領域R1においては、負極集電体2aの両面上に、単位電池部がそれぞれ配置されている。
このとき、積層要素Fの正極集電体1aは、領域4では、3層目の積層要素Eの正極集電体1aに重なっている。一方、領域1では、積層要素Fの正極集電体1aが、領域R4から2つの単位電池部の厚みだけ上昇している。ただし、正極集電体1aと負極集電体2aとの厚みは、ほぼ等しいものとする。
以上の結果、複数の正極集電体1aが、領域R1,R2,R3,R4,R1に亘って、互いにオーバーラップしつつ、環状に連結されている。つまり、実施の形態1と同様に、正極集電体1aは、各領域間で段差を有しつつ、螺旋階段状に連結されている。
次に、図5(a)に示す工程では、領域R1,R2に積層要素Fを重ね、領域R3,R4に、積層要素Gを重ねる。領域R1では、積層要素Fの正極集電体1aが、下層側の正極集電体1aに重なっている。領域R2では、積層要素Fの単位電池部が、下層側の負極集電体2aの上に重なっている。積層要素Fの負極集電体2aは、領域R2では、領域R1から段差をもって上昇している。
次に、図5(b)に示す工程では、領域R2,R3に積層要素Fを重ね、領域R4,R1に、積層要素Gを重ねる。縦断面図には表示されていないが、積層要素Gの負極集電体2aは、領域R1では、領域R4から2つの単位電池部の高さだけ段差をもって高くなっている。
以上の結果、複数の負極集電体2aが、領域R1,R2,R3,R4,R1に亘って、互いにオーバーラップしつつ、環状に連結されている。つまり、実施の形態1と同様に、負極集電体2aは、各領域間で段差を有しつつ、螺旋階段状に連結されている。
次に、図5(c)に示す工程では、領域R3,R4に積層要素Hを重ねる。領域R3では、下層側の正極集電体1aの上に、正極集電体1a,負極活物質層2b,および固体電解質層3が重ねられている。領域R4では、下層側の負極集電体2aの上に、正極集電体1aを挟んで各2層の負極活物質層2bおよび固体電解質層3が重ねられている。
次に、図5(d)に示す工程では、領域R1〜R4に亘る正方形の負極活物質層2bおよび負極集電体2aを重ねる。ただし、領域R1においては、負極活物質層2bが存在しない。これにより、蓄電部Xが形成される。
以上の結果、各々複数の正極集電体1aおよび負極集電体2bが、それぞれ、螺旋階段状に連結されて、個別に連結体を構成している。これらの連結体は、各領域R1〜R4においてそれぞれ2回転している。そして、各領域R1〜R4において、それぞれ3個の単位電池部が配置されている。すなわち、正極集電体1aの連結体と、負極集電体2aの連結体との間に、合計12個の単位電池部が並列接続されている。
図7は、実施の形態1または2の蓄電部Xを収納した電池Yの構造例を示す縦断面図である。電池Yは、蓄電部Xをアルミラミネートフィルム13によって封止することにより、形成される。アルミラミネートフィルム13の厚みは、たとえば0.1mm〜0.2mm程度である。
電池Y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、アルミラミネートフィルム13で封着されつつ、内部空間まで延びている。
蓄電部Xの最下部の正極集電体1aには、正極延長リード8が取り付けられている。蓄電部Xの最上部の負極集電体2aには、負極延長リード9が取り付けられている。正極延長リード8,負極延長リード9は、互いに反対側に延びて、それぞれ正極端子11,負極端子12に接続されている。
電池Yの厚さは、3mm〜5mm程度で、平面寸法は、30mm〜60mm×30mm〜60mm程度である。
電池の構造としては、図7に示す構造に限定されるものではなく、種々の形態を採用することができる。平面形状も矩形に限らず、丸型(コイン型)、トラック形状など、各種形状を採ることができる。
本実施の形態の電池Yにより、以下の効果が得られる。
図7に示すように、最上部と最下部から、各々1本の集電体を引き出すだけでよい。つまり、正極延長リード8および負極延長リード9を引き出して、電池の電極端子11,12に接続することができる。よって、各々複数の正負の集電体を引き出すことに起因する,電気的短絡を防ぐことができる。
本発明の電池において、電気的には、正極集電体1aと負極集電体2aとの間に、単位電池部が並列接続された構造となる。よって、多数の単位電池部を狭いスペースに収納することが可能になり、薄型のままで電池容量を増大させることができる。
(その他の実施の形態)
積層要素の選び方は、上記実施の形態1,2に限定されるものではない。たとえば、負極集電体2aに負極活物質層2b,固体電解質層3,正極活物質層1bなどを堆積したものを積層要素としてもよい。
実施の形態1,2においては、矩形の積層要素を積層したが、本発明の電池の構造は、これに限定されるものではない。図8は、他の実施の形態に係る蓄電部の積層方法を説明するための平面図である。図8に示すように、たとえば、6角形を6つの領域R1〜R6に分割する。そして、2つの領域R1,R2に亘る積層要素から始めて、順次オーバーラップする積層要素を積層する構造としてもよい。ただし、製造上は、実施の形態1、2のような矩形状の積層要素が好ましいといえる。
上記実施の形態の構造は、例示にすぎず、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と、そ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。
(a)〜(d)は、実施の形態1に係るリチウム二次電池の蓄電部を組み立てる前半の手順を示す縦断面図および平面図である。 (a)〜(d)は、実施の形態1に係るリチウム二次電池の蓄電部を組み立てる後半の手順を示す縦断面図および平面図である。 実施の形態1における蓄電部を組み立てるために用いる積層要素A〜Dの縦断面図および平面図である。 (a)〜(d)は、実施の形態2に係るリチウム二次電池の蓄電部を組み立てる前半の手順を示す縦断面図および平面図である。 (a)〜(d)は、実施の形態2に係るリチウム二次電池の蓄電部を組み立てる後半の手順を示す縦断面図および平面図である。 実施の形態2における蓄電部を組み立てるために用いる積層要素E〜Hの縦断面図および平面図である。 実施の形態1または2の蓄電部を収納した電池Yの構造例を示す縦断面図である。 他の実施の形態に係る蓄電部の積層方法を説明するための平面図である。
符号の説明
A〜H 積層要素
X 蓄電部
Y 電池
1a 正極集電体
1b 正極活物質層
2a 負極集電体
2b 負極活物質層
3 固体電解質層
4 絶縁膜
8 正極延長リード
9 負極延長リード
11 正極端子
12 負極端子
13 アルミラミネートフィルム

Claims (2)

  1. 螺旋階段状に連結された複数の正極集電体と、
    螺旋階段状に連結された複数の負極集電体と、
    前記複数の正極集電体と負極集電体との間に並列配置され、固体電解質層,および該固体電解質層を挟む正負1対の電極活物質層を有する複数の単位電池部と、
    を備えている電池。
  2. 請求項1記載の電池において、
    相隣接する2つの単位電池部の電極活物質層の間に、絶縁層が介在している、電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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