JP2011103279A

JP2011103279A - 固体電池及びその製造方法

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Publication number: JP2011103279A
Application number: JP2009258754A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Kawaoka; 広和川岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-05-26

Abstract

【課題】性能を向上させること及び製造コストを低減することが可能な固体電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固体電解質層、正極層、及び、負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体とを備え、筐体は位置決め凸部を有し、且つ、正極層が形成されている正極部材及び負極層が形成されている負極部材が位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、位置決め凸部に沿って充放電部の構成要素を積層した後に、積層された充放電部の構成要素を、位置決め凸部を変形させて固定する固体電池の製造方法、並びに、固体電解質層、正極層、及び、負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体とを備え、筐体は位置決め凸部を有し、且つ、正極層が形成されている正極部材及び負極層が形成されている負極部材が、位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、変形した位置決め凸部によって、正極部材及び負極部材が固定されている固体電池とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電池及びその製造方法に関する。

リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。

リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質とが備えられ、電解質は、非水系の液体又は固体によって構成される。電解質に非水系の液体（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層の内部へと浸透する。そのため、正極層を構成する正極活物質と電解質との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体の電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」ということがある。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。

リチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献１には、素電池用パッケージ内に収納してあり、正極及び負極の集電材をシールして素電池用パッケージの外部に取り出してある面状のリチウム素電池と、複数のリチウム素電池を積層して収納する外パッケージと、を備えたリチウム二次電池が開示されている。そして、この特許文献１には、リチウム素電池の正極集電材及び負極集電材に設けた穴に棒状材を通し、棒状材を通された複数のリチウム素電池を固定材及び押圧材で押圧して固定した後、外パッケージへと収納する形態が開示されている。

特開２００６−３３９０５４号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、リチウム素電池に設けられた穴に棒状材を通すことによって複数のリチウム素電池を積層しているため、リチウム素電池の位置ずれを抑制することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、製造コストを低減し難いという問題があった。

そこで本発明は、製造コストを低減することが可能な固体電池及びその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、固体電解質層、並びに、該固体電解質層を狭持する一対の正極層及び負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体と、を備えた固体電池を製造する方法であって、筐体は位置決め凸部を有し、且つ、少なくとも正極層が形成されている正極部材及び負極層が形成されている負極部材は、位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、位置決め凸部に沿って充放電部の構成要素を積層する積層工程と、該積層工程で積層された充放電部の構成要素を固定する固定工程と、を有し、該固定工程が、位置決め凸部を変形させることによって、積層工程で積層された充放電部の構成要素を固定する工程であることを特徴とする、固体電池の製造方法である。

ここに、本発明において、「少なくとも正極層が形成されている正極部材及び負極層が形成されている負極部材は、位置決め凸部を挿入可能な孔を有し」とは、正極部材及び負極部材に固体電解質層が形成されていない場合には、正極部材及び負極部材に加えて、固体電解質層が形成されている部材も、位置決め凸部を挿入可能な孔を有することをいい、正極部材及び／又は負極部材に固体電解質層が形成されている場合には、正極部材及び負極部材が、位置決め凸部を挿入可能な孔を有することをいう。また、「充放電部の構成要素を積層する」とは、正極部材及び負極部材に固体電解質層が形成されていない場合には、正極部材、固体電解質層が形成されている部材、及び、負極部材を順に積層することをいい、正極部材及び／又は負極部材に固体電解質層が形成されている場合には、固体電解質層が正極層及び負極層によって狭持される形態となるように正極部材及び負極部材を順に積層することをいう。また、本発明において、「充放電部の構成要素を固定する」とは、正極部材及び負極部材に固体電解質層が形成されていない場合には、積層された正極部材、固体電解質層が形成されている部材、及び、負極部材を固定することをいい、正極部材及び／又は負極部材に固体電解質層が形成されている場合には、積層された正極部材及び負極部材を固定することをいう。また、「位置決め凸部を変形させる」とは、プレスすることにより変形させる形態や、加熱して溶解させることにより変形させる形態を含む概念である。

本発明の第２の態様は、固体電解質層、並びに、該固体電解質層を狭持する一対の正極層及び負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体と、を備え、筐体は位置決め凸部を有し、且つ、少なくとも正極層が形成されている正極部材及び負極層が形成されている負極部材は、位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、変形した位置決め凸部によって、少なくとも正極部材及び負極部材が固定されていることを特徴とする、固体電池である。

ここに、「変形した位置決め凸部によって、少なくとも正極部材及び負極部材が固定されている」とは、正極部材及び負極部材に固体電解質層が形成されていない場合には、正極部材、固体電解質層が形成されている部材、及び、負極部材が、変形した位置決め凸部によって固定されていることをいい、正極部材及び／又は負極部材に固体電解質層が形成されている場合には、変形した位置決め凸部によって、正極部材及び負極部材が固定されていることをいう。

本発明の第１の態様は、筐体の位置決め凸部を変形させることによって、位置決め凸部に沿って積層した充放電部の構成要素（正極層、固体電解質層、及び、負極層。以下において同じ。）を固定する、固定工程を有している。筐体の一部を変形させて充放電部の構成要素を固定することにより、部品及び製造工程の削減により製造コストを低減することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、本発明の第１の態様によれば、製造コストを低減することが可能な、固体電池の製造方法を提供することができる。

本発明の第２の態様によれば、筐体が位置決め凸部を有し、少なくとも正極部材及び負極部材が変形した位置決め凸部によって固定されているので、部品及び製造工程の削減により製造コストを低減することが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、製造コストを低減することが可能な、固体電池を提供することができる。

本発明の固体電池の製造方法を説明するフローチャートである。正極部材１１の形態例を示す平面図である。負極部材１２の形態例を示す平面図である。負極部材１２の形態例を示す断面図である。筐体１３の形態例を示す斜視図である。積層工程を説明する図である。従来の固体電池の製造方法を説明する図である。端子接続工程終了時の固体電池１０を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の固体電池の製造方法（以下において、「本発明の製造方法」ということがある。）を説明するフローチャートである。図１に示すように、本発明の製造方法は、正極層作製工程（Ｓ１）と、負極層作製工程（Ｓ２）と、固体電解質層作製工程（Ｓ３）と、積層工程（Ｓ４）と、固定工程（Ｓ５）と、端子接続工程（Ｓ６）とを有している。本発明の製造方法では、工程Ｓ１〜工程Ｓ６を経て、固体電池を製造する。

正極層作製工程Ｓ１（以下において、「工程Ｓ１」という。）は、固体電池の正極層を作製する工程である。本発明の製造方法において、工程Ｓ１は、正極層を作製する工程であればその形態は特に限定されるものではない。工程Ｓ１は、例えば、正極材と固体電解質とを混合した混合材を、集電箔として機能する厚さ１５μｍのＡｌ箔の表面及び裏面にそれぞれ塗布した後、９８ＭＰａの圧力でプレスすることにより、Ａｌ箔の表面及び裏面に正極層が配設された正極部材を作製する工程、とすることができる。工程Ｓ１で用いられる正極材としては、リチウム遷移金属酸化物及びカルコゲン化物を例示することができる。正極材のリチウム遷移金属酸化物としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、鉄オリビン（ＬｉＦｅＰＯ_４）、コバルトオリビン（ＬｉＣｏＰＯ_４）、マンガンオリビン（ＬｉＭｎＰＯ_４）、及び、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）等を例示することができる。また、カルコゲン化物としては、銅シュブレル（Ｃｕ_２Ｍｏ_６Ｓ_８）、硫化鉄（ＦｅＳ）、硫化コバルト（ＣｏＳ）、及び、硫化ニッケル（ＮｉＳ）等を例示することができる。また、工程Ｓ１で用いられる固体電解質としては、Ｌｉ_２Ｓ：Ｐ_２Ｓ_５＝５０：５０〜１００：０（質量比）でＬｉ_２Ｓ及びＰ_２Ｓ_５を混合することにより作製される固体電解質（以下において、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５」という。）等を例示することができる。工程Ｓ１で作製される正極層の厚さ（Ａｌ箔の表面側及び裏面側のそれぞれに形成される正極層の厚さ）は、例えば、３０μｍとすることができる。

工程Ｓ１で作製した正極部材の形態例（平面図）を、図２に示す。図２には、寸法［ｍｍ］も併せて示している。図２に示す正極部材１１では、端部に直径１．２ｍｍの孔１１ａ、１１ａが形成されているＡｌ箔１１ｂの表面及び裏面に正極層１、１がそれぞれ形成されている。

負極層作製工程Ｓ２（以下において、「工程Ｓ２」という。）は、固体電池の負極層を作製する工程である。本発明の製造方法において、工程Ｓ２は、負極層を作製する工程であればその形態は特に限定されるものではない。工程Ｓ２は、例えば、負極材と固体電解質とを混合した混合材を、集電箔として機能する厚さ１５μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）箔の表面及び裏面にそれぞれ塗布した後、３９２ＭＰａの圧力でプレスすることにより、ステンレス鋼（ＳＵＳ）箔の表面及び裏面に負極層が配設された負極部材を作製する工程、とすることができる。工程Ｓ２で用いられる負極材としては、カーボン、リチウム遷移金属酸化物、及び、合金を例示することができる。負極材のリチウム遷移金属酸化物としては、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）を例示することができる。また、負極材の合金としては、Ｌａ_３Ｎｉ_２Ｓｎ_７を例示することができる。また、工程Ｓ２で用いられる固体電解質としては、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５等を例示することができる。工程Ｓ２で作製される負極層の厚さ（ＳＵＳ箔の表面側及び裏面側のそれぞれに形成される負極層の厚さ）は、例えば、４０μｍとすることができる。

固体電解質層作製工程Ｓ３（以下において、「工程Ｓ３」という。）は、固体電池の固体電解質層を作製する工程である。本発明の製造方法において、工程Ｓ３は、固体電解質層を作製する工程であればその形態は特に限定されるものではないが、本発明の製造方法を、充放電部の構成要素を容易に積層可能な形態にする等の観点からは、上記工程Ｓ１で作製した正極層、及び／又は、上記工程Ｓ２で作製した負極層の表面に、固体電解質層を作製する工程、とすることが好ましい。工程Ｓ３は、例えば、上記工程Ｓ２で作製した負極層の表面（ＳＵＳ箔の表面及び裏面にそれぞれ形成した負極層の表面）にＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５をそれぞれ塗布し、９８ＭＰａの圧力でプレスして負極層の表面に固体電解質層を形成することにより、ＳＵＳ箔に負極層及び固体電解質層を形成して構成される負極部材を作製する工程、とすることができる。工程Ｓ３で作製される固体電解質層の厚さ（ＳＵＳ箔の表面側及び裏面側のそれぞれに形成される固体電解質層の厚さ）は、例えば、５０μｍとすることができる。

工程Ｓ２及び工程Ｓ３で作製した負極部材１２の形態例を、図３及び図４に示す。図３は負極部材１２の平面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図３には、寸法［ｍｍ］も併せて示している。図３及び図４に示す負極部材１２では、端部に直径１．２ｍｍの孔１２ａ、１２ａが形成されているＳＵＳ箔１２ｂの表面及び裏面に形成された負極層２、２の表面に、固体電解質層３、３がそれぞれ形成されている。

積層工程Ｓ４（以下において、「工程Ｓ４」という。）は、上記工程Ｓ１〜工程Ｓ３で作製した充放電部の構成要素を、筐体の位置決め部に沿って積層する工程である。図５は、正極部材１１及び負極部材１２が順に積層される筐体１３の形態例を示す斜視図である。図５に示すように、筐体１３は、孔１１ａ、１１ａに挿入される棒状の凸部１３ａ、１３ａ、…、及び、孔１２ａ、１２ａに挿入される棒状の凸部１３ｂ、１３ｂ、…を有している。

図６は、工程Ｓ４の形態例を説明する図であり、筐体１３に正極部材１１及び負極部材１２が順に積層される様子を示している。図６に示す工程Ｓ４では、正極部材１１及び負極部材１２が交互に積層される。正極部材１１を積層する際には、孔１１ａ、１１ａに凸部１３ａ、１３ａを挿入し、これによって、積層された正極部材１１の位置ずれを防止する。同様に、負極部材１２を積層する際には、孔１２ａ、１２ａに凸部１３ｂ、１３ｂを挿入し、これによって、積層された負極部材１２の位置ずれを防止する。

図７は、従来の固体電池の製造方法を説明する図である。図７（ａ）に示すように、従来は、位置決め部として機能するピン等を有する治具（以下において、「積層用の治具」という。）に、充放電部の構成要素を積層した後、積層された充放電部の構成要素を固定し、次いで、図７（ｂ）に示すように、固定された充放電部の構成要素が配設されている治具を筐体へと収容した後、図７（ｃ）に示すように、抵抗溶接等を施して端子を接続することにより、所定の出力性能を備えた固体電池を製造していた。しかしながら、積層用の治具を用いる従来の方法では、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、筐体の内側の一部が当該積層用の治具によって占められるため、エネルギー密度を向上させ難かった。また、従来の方法では、充放電部の構成要素及び筐体の他に積層用の治具を別途用意する必要があるため、製造コストが増大しやすかった。加えて、従来の方法では、積層用の治具に充放電部の構成要素を積層する工程と、固定された充放電部の構成要素が配設されている治具を筐体へと収容する工程とを経る必要があるため、製造工程数が増大しやすかった。

これに対し、本発明の製造方法の工程Ｓ４では、位置決め凸部を有する筐体が用いられる。そのため、従来の方法では必要とされていた、積層用の治具が不要になる。積層用の治具を用いずに充放電部の構成要素を積層することにより、筐体へと収容される充放電部の数を増大することが可能になるため、エネルギー密度を増大させることが可能になる。さらに、積層用の治具を用いず、充放電部の構成要素を筐体へ直接積層することにより、部品数及び製造工程を低減することが可能になる。したがって、本発明の製造方法によれば、製造コストを低減することが可能になる。

固定工程Ｓ５（以下において、「工程Ｓ５」という。）は、位置決め凸部を変形させることによって、上記工程Ｓ４で積層された充放電部の構成要素を固定する工程である。本発明の製造方法において、工程Ｓ５は、位置決め凸部を変形させることによって、積層されている充放電部の構成要素を固定することができれば、その形態は特に限定されるものではない。工程Ｓ５は、例えば、加熱し加圧して変形させた位置決め凸部１３ａ、１３ａ、…、及び、１３ｂ、１３ｂ、…によって、交互に積層されている正極部材１１、１１、…、及び、負極部材１２、１２、…を固定する形態とすることができる。

端子接続工程Ｓ６（以下において、「工程Ｓ６」という。）は、抵抗溶接等により、筐体へと収容した隣り合う積層ブロック間に端子を接続して隣り合う積層ブロック同士を電気的に直列・並列に接続するとともに、筐体の端部に収容されている積層ブロックに外部出力端子を接続することにより、所望の出力性能を発現し得る固体電池とする工程である。本発明において、工程Ｓ６は、所望の出力性能を発現可能なように端子を接続する工程であれば、その形態は特に限定されるものではない。工程Ｓ６によって端子が接続された固体電池１０の断面図を図８に示す。図８では、固体電池１０の形態を簡略化して示し、一部符号（符号１１、１２）の記載を省略している。図８に示す固体電池１０では、筐体１３に、複数の積層ブロック１５、１５、１５が収容されており、各積層ブロック１５、１５、…は、正極部材１１及び負極部材１２が交互に積層されることによって構成されている。筐体１３の端部に収容されている積層ブロック１５、１５には、それぞれ、電気を筐体１３の外部へと取り出し可能なように端子１６、１７が接続されており、筐体１３に収容されているそれぞれの積層ブロック１５、１５、１５も、端子１８、１８を介して接続されている。本発明の製造方法では、工程Ｓ６でこのように端子１６、１７、１８、１８を接続する過程を経て、所望の出力性能を発現し得る形態の固体電池１０を製造する。

本発明の製造方法において、筐体１３は、ステンレス鋼等の金属やポリプロピレン等の樹脂等、固体電池の筐体として使用可能な公知の材料によって構成することができる。筐体が金属製である場合には、鋳造やプレス等によって、位置決め部を有する筐体を作製することができる。これに対し、筐体が樹脂製である場合には、射出成形等によって、位置決め部を有する筐体を作製することができる。

本発明の製造方法に関する上記説明では、負極層の表面にのみ固体電解質層を形成する形態（負極部材に固体電解質層が備えられる形態）を例示したが、本発明の製造方法は当該形態に限定されるものではない。本発明の製造方法は、正極層の表面にのみ固体電解質層が形成される形態（正極部材に固体電解質層が備えられる形態）とすることも可能であり、正極層の表面及び負極層の表面に固体電解質層が形成される形態（正極部材及び負極部材に固体電解質層が備えられる形態）とすることも可能である。このほか、正極部材及び負極部材に固体電解質層が備えられず、正極部材及び負極部材の間に固体電解質層が形成された部材が積層される形態とすることも可能である。ただし、性能を向上させやすい固体電池を製造する等の観点からは、正極部材及び／又は負極部材に固体電解質層が備えられる形態とすることが好ましい。

また、本発明の製造方法に関する上記説明では、正極層作製工程の後に負極層作製工程が配置される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、負極層作製工程の後に正極層作製工程が配置される形態とすることも可能である。

本発明の固体電池の製造方法は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用される固体電池を製造する際に利用することができ、本発明の固体電池は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用することができる。

１…正極層
２…負極層
３…固体電解質層
１０…固体電池
１１…正極部材
１１ａ…孔
１１ｂ…Ａｌ箔（集電箔）
１２…負極部材
１２ａ…孔
１２ｂ…ＳＵＳ箔（集電箔）
１３…筐体
１３ａ、１３ｂ…凸部（位置決め凸部）
１４…治具
１４ａ…軸部
１５…積層ブロック
１６、１７、１８…端子

Claims

固体電解質層、並びに、該固体電解質層を狭持する一対の正極層及び負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体と、を備えた固体電池を製造する方法であって、
前記筐体は位置決め凸部を有し、且つ、少なくとも前記正極層が形成されている正極部材及び前記負極層が形成されている負極部材は、前記位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、
前記位置決め凸部に沿って、前記充放電部の構成要素を積層する積層工程と、
前記積層工程で積層された前記充放電部の構成要素を固定する固定工程と、
を有し、
前記固定工程が、前記位置決め凸部を変形させることによって、前記積層工程で積層された前記充放電部の構成要素を固定する工程であることを特徴とする、固体電池の製造方法。
固体電解質層、並びに、該固体電解質層を狭持する一対の正極層及び負極層を具備する充放電部と、該充放電部を収容する筐体と、を備え、
前記筐体は位置決め凸部を有し、且つ、少なくとも前記正極層が形成されている正極部材及び前記負極層が形成されている負極部材は、前記位置決め凸部を挿入可能な孔を有し、
変形した前記位置決め凸部によって、少なくとも前記正極部材及び前記負極部材が固定されていることを特徴とする、固体電池。