JP2010080214A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現しうる電池を提供する。
【解決手段】蓄電部Ｘにおいて、板状の正極集電体１ａ（電極基材）に、複数の溝４０が形成されている。正極集電体１ａの上に、正極活物質層１ｂ，固体電解質層３，および負極活物質層２ｂが順次積層されている。この積層体に、負極集電体２ａを重ねて、蓄電部Ｘを形成する。正極集電体１ａに溝４０を形成しておくことにより、その上に正極活物質層１ｂなどを積層した積層体の反り量が低減される。負極集電体２ａにも、溝４１を形成することが好ましい。正極集電体１ａに正極活物質層２ｂなどを堆積してから、正極集電体１ａに達する溝を形成してもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄型電池に係り、特に変形防止対策に関する。

従来より、特許文献１に示す薄型電池が知られている。
特許文献１の電池は、平板状の正極集電体，正極活物質層，電解液含有セパレータ，負極活物質膜および負極集電体を順次積層してなる。さらに、この積層体の最下面および最上面上に、バックコート層が設けられている。バックコート層は、たとえば樹脂成分と無機材料からなるフィラーとを含有したものである。

特許文献１では、バックコート層を設けることにより、積層体に変形（反り）が発生するのを防止しようとしている。
特開２００６−１７３１３８号公報

しかるに、上記特許文献１の構造では、上下２層のバックコート層により、厚みが増大するので、薄型構造が損なわれる。バックコート層の厚みは、８０〜５００μmとされている。また、バックコート層は、樹脂成分に多量の無機材料を混入しているので（２０〜９９重量％）、製造コストも増大する。

本発明の目的は、コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現しうる電池構造を提供することにある。

本発明の電池は、板状の電極基材と、電極基材上に形成された電極とを備えた薄型電池を前提としている。そして、電極基材の少なくとも一方の面に溝を形成したものである。電極は、正極であってもよいし、負極であってもよい。電極が正極である場合は、上記電極基材は正極集電体である。電極が負極である場合は、上記電極基材は負極集電体である。また、薄型電池の構造上、正極と負極との間には、固体電解質層が介在しているのが普通である。溝は、電極集電体の片面だけに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。
電池に、正極集電体と負極集電体とが存在する場合、電極などを堆積する基材となる集電体に溝が形成されていればよい。

発明者達の実験によると、この構造により、電極集電体と、電極などの部材との間で生じる変形が緩和されることが判明した。その理由は、各部材の熱膨張率差などによって生じる応力が溝の部分で逃がされるものと考えられる。この構造であれば、特許文献１の電池ようなバックコート層が不要であるので、薄型構造を維持することができる。

溝の形成は、回転砥石加工，レーザ加工などにより、低コストで実施可能である。したがって、特許文献１の電池に比べて、コストを低減することができる。

上記溝は貫通溝であってもよいが、底付き溝であることが好ましい。底付き溝であれば、電極集電体を分離することなく、電極集電体全体に多数の溝を形成することができる。よって、変形を均一に小さくすることができる。

本発明によると、コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電池の正極集電体１ａの縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る電池の正極集電体１ａの上面図である。

図１および図２に示すように、正極集電体１ａ（電極基材）の上面および裏面に、複数の溝４０が形成されている。正極集電体１ａの平面寸法は、５〜１００ｍｍ×５〜１００ｍｍ程度であり、厚みは１０〜２００μｍ程度である。溝４０の寸法は、深さが１μｍ，幅が１μｍ程度で十分であるが、それ以上の深さと幅とを有していてもよい。複数の溝４０同士の間隔（ピッチ）は、１〜２０ｍｍ程度である。

図３は、本実施の形態に係る電池の蓄電部Ｘの断面図である。正極集電体１ａの上に、正極活物質層１ｂ，固体電解質層３，および負極活物質層２ｂを順次形成する。その後、負極活物質層２ｂの上に、負極集電体２ａを重ねる。

本実施の形態では、溝４０が正極集電体１ａの両面に形成されているが、溝４０は、一方の面だけに形成されていてもよい。溝が形成される面は、正極集電体１ａの正極活物質層１ｂが形成される側の面、その裏側の面のいずれでもよい。また、溝４０を両面に形成する場合でも、表裏の溝４０の位置が一致していてもよいし、一致していなくてもよい。
ただし、溝４０を電極基材の両面に形成した方が、本発明の効果がより大きくなる。また、図３に示す点線で示すように、負極集電体２ａにも溝４１を形成しておくことが好ましい。

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、１０〜２００μｍ程度である。正極集電体１ａとして、金属箔を用いることにより、薄膜化が容易である。
正極活物質層１ｂは、ＬｉＣｏＯ_２，ＬｉＭｎＯ_２，ＭｎＯ_２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、１〜５０μｍ程度である。

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。

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。薄型電池構造を維持するためには、負極活物質層２ｂの厚みが、０．２〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。負極活物質層２ｂの厚みは、５μｍ未満であることがより好ましい。

固体電解質層３は、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏ，Ｌｉ−Ｐ−Ｏ−Ｎ，Ｌｉ_２Ｓ，硫化物ＳＥ，Ｐ_２Ｓ_２などからなる。固体電解質層３の厚みは、５μ〜１０μｍ程度である。

図４は、実施の形態の変形例に係る蓄電部Ｘの断面図である。本変形例では、正極集電体１ａの上に正極活物質層１ｂを堆積した後、溝４０を形成する。溝４０は、正極活物質層１ｂを貫通して、正極集電体１ａに達している。

図５は、実施の形態または変形例の蓄電部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、セラミック製の基板１３と、金属製のキャップ１５とを備えている。キャップ１５と基板１３とは、外周に沿って接合され、内部空間が密封されている。基板１３およびキャップ１５によって囲まれる内部空間内に、上記蓄電部Ｘが配置されている。

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、基板１３の下面から基板１３のスルーホールを通って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において、基板１３およびキャップ１５は、平面形状が矩形である。基板１３は、アルミナ等のセラミックからなる。基板１３の厚みは、０．２５ｍｍ程度である。キャップ１５としては、セラミックとの熱膨張率係数の小さい材料を用いることが好ましい。特に、、３６Ｎｉ−Ｆｅ合金，３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ，２９Ｎｉ−１７Ｃｏ−Ｆｅなどの低熱膨張係数鉄合金が好ましい。キャップ１５の厚みは、０．２５ｍｍ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。

電池Ｙの厚さは、０．５ｍｍ〜６ｍｍ程度で、平面寸法は、５ｍｍ〜１００ｍｍ×５ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。
電池の構造としては、図４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。

（実験例）
図６（ａ），（ｂ）は、溝の有無による変形の相違を示す写真図である。図６（ａ）は、溝が形成されていない正極集電体に正極活物質層を形成してなる比較例サンプルの写真である。図６（ｂ）は、溝が形成された正極集電体に正極活物質層を形成してなる実施例サンプルの写真である。

比較例サンプルおよび実施例サンプルにおいて、正極集電体の厚みは１００μｍであり、平面寸法は３３ｍｍ×５２ｍｍである。両サンプルにおいて、正極集電体の上には、厚み１μｍの正極活物質層が堆積されている。図６（ｂ）に示す実施例サンプルの正極集電体の両面には、５ｍｍ間隔で碁盤目状に溝が形成されている。溝の深さは１μｍで、幅は１μｍである。正極活物質層の成膜温度は２００℃程度であり、結晶化のためのアニール温度は５００℃程度である。

図６（ａ）に示す比較例サンプルでは、反り量が０．７４ｍｍであった。この反りは、主として熱応力によって生じるものと考えられる。熱応力は、正極集電体と正極活物質層との熱収縮率差や、正極活物質層のアニールによる相変化などに起因する。一方、図６（ｂ）に示す実施例サンプルでは、反り量が０．０３ｍｍであった。図６（ａ），（ｂ）を比較しても、比較例サンプルと実施例サンプルとの反り量の差は明確である。

本実施の形態によると、正極集電体１ａに溝４０を形成しているので、蓄電部Ｘの変形（反り）を低減することができる。その理由は、溝４０の部分で熱応力などが緩和されることによるものと考えられる。

本発明において、溝を形成する電極基材は、電極活物質層や固体電解質層が堆積される基材であればよい。たとえば、図３に示す蓄電部Ｘにおいて、負極集電体２ａには負極活物質層２ｂを堆積していない。したがって、負極集電体２ａには、必ずし溝を形成する必要はない。ただし、図３の点線で示すように、負極集電体２ａの両面または片面に溝４１を形成してもよい。負極集電体２ａにも溝４１を形成することにより、蓄電部Ｘ全体の反り量を低減することが期待できる。

図３に示す構造において、負極集電体２ａに負極活物質層２ｂを堆積する場合には、負極集電体２ａにも溝４１を形成する。溝４１は、両面でも片面でもよいものとする。

変形例の図４に示すように、正極活物質層１ｂを形成した後、溝４０を形成しても、本発明の効果が得られる。また、溝４０により、正極活物質層１ｂが細分割されるので、正極活物質層１ｂと負極活物質層２ｂ等との電気的短絡が抑制される。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る電池の蓄電部の構造を示す縦断面図である。この構造においては、正極集電体１ａ，正極活物質層１ｂ，固体電解質層３，負極活物質層２ｂ，および負極集電体２ａの組が多数積層されている。見やすくするために、図７には、３組の正極活物質層２ｂ，固体電解質層３，および負極活物質層２ｂのみを示した。
図７に示す構造では、正極集電体１ａ，負極集電体２ａのいずれにおいても、その両面に、溝４０，４１が形成されている。この構造においては、以下の構造を選択することができる。

（１）正極集電体１ａ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を堆積する。中間の正極集電体１ａには、両面に、正極活物質層１ｂ，固体電解質層３，および負極活物質層２ｂを堆積する。そして、この積層体と負極集電体２ａとを重ね合わせて、蓄電部Ｘを形成する。

（２）正極集電体１ａに、正極活物質層１ｂ，および固体電解質層３を堆積する。負極集電体２ａに、負極活物質層２ｂを堆積する。中間の正極集電体１ａには、両面に、正極活物質層１ｂ，および固体電解質層３を堆積する。中間の負極集電体２ａには、その両面に、負極活物質層２ｂを堆積する。そして、これらの積層体同士を重ね合わせて、蓄電部Ｘを形成する。

なお、負極集電体２ａに、負極活物質層２ｂ，固体電解質層３を堆積してもよい。また、負極集電体２ａに、負極活物質層２ｂ，固体電解質層３，および正極活物質層１ｂを堆積してもよい。

図７に示す各正極集電体１ａは、それぞれ左方に引き出されて、図５に示す正極端子１１に接続されている。各負極集電体２ａは、それぞれ右方に引き出されて、図５に示す負極端子１２に接続されている。

この構造においても、正極集電体１ａに、溝４０を形成しているので、蓄電部Ｘの反り量を低減することができる。負極集電体２ａにも溝４１を形成しているが、溝４１は必ずしもなくてもよい。

（その他の実施の形態）
上記実施の形態や変形例においては、電気基材に底付き溝を形成したが、溝は貫通溝であってもよい。貫通溝とは、スリット状のものをいう。その場合にも、電極基材が部分的につながった部分で変形応力が緩和されるので、反りを抑制することができる。ただし、底付き溝の場合には、電極基材の端から端に亘る溝を形成することができるので、電極基材の応力をより均一に緩和することができる。

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。

本発明の実施の形態１に係る電池の正極集電体の縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る電池の正極集電体の上面図である。 実施の形態１に係る電池の蓄電部の断面図である。 実施の形態１の変形例に係る蓄電部の断面図である。 実施の形態または変形例の蓄電部を収納した電池の構造例を示す縦断面図である。 （ａ），（ｂ）は、溝の有無による変形の相違を示す写真図である。 本発明の実施の形態２に係る電池の蓄電部の断面図である。

符号の説明

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
８ 正極外部リード
９ 負極外部リード
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ 基板
１５ キャップ
４０ 溝
４１ 溝

Claims (2)

1. 板状の電極基材と、該電極基材上に形成された電極とを、少なくとも備えた電池であって、
   前記電極集電体の少なくとも一方の面には、溝が形成されている、電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記溝は、底付き溝である、電池。