JP2012221773A - 固体電池及び固体電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】付与された外力に起因する破損を抑制することが可能な、固体電池及び固体電池システムを提供する。
【解決手段】正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配設された固体電解質層を含む固体電池セルと、１又は２以上の固体電池セルを収容する容器とを備え、固体電池セルと容器との間に膨張収縮可能な袋を有し、該袋に気体が充填され、気体が充填されて膨張した袋を用いて固体電池セルが加圧されている固体電池とし、該固体電池と、袋に充填された気体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、固体電池セルに対する危険度を判断可能な制御手段とを備え、制御手段で判断された危険度に応じて、圧力調整手段の動作が制御される固体電池システムとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極層と、該一対の電極層の間に配設された固体状の電解質を含む固体電解質層と、を備える固体電池、及び、該固体電池を備える固体電池システムに関する。

リチウムイオン二次電池（以下において、「リチウム電池」ということがある。）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層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が用いられる。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液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、固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）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、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）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。

このような電池に関する技術又は上記電池に応用可能な技術として、例えば特許文献１には、燃料電池用ケースの内部に収容される収容部品として、単セルを積層してなる燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックに付随する部品と、を少なくとも含み、移動体の状態に応じて膨張するエアバッグを内部に更に備え、エアバッグが、膨張時に上記収容部品に接触するように構成された、燃料電池用ケースが開示されている。また、特許文献２には、電気的に接続された複数個の円筒型電池からなる電池群と、この電池群を収納する上下のケースと、電池群と一方のケースとの間の空間に位置して円筒型電池の外径形状に応じた凹部を備え、この凹部で各電池を拘束する電池保持部材とからなる電池パックが開示されている。また、特許文献３には、素電池ケース外で組電池ケース内の空間に気体、液体若しくは固体粉末の少なくとも１種類、又はそれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧するリチウム二次電池が開示されている。

特開２００８−２３０５１９号公報 特開平１０−９２４０１号公報 特開平１０−２１４６３８号公報

特許文献１に開示されている技術によれば、衝突を検出した衝突センサから送られた信号に基づいて、又は、他の方法によりケースに衝撃や大きな慣性力をもたらすような移動体の状態変化を検出して膨張させたエアバッグを用いて、収容部品の損傷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、例えば車両が衝突せずに走行している間（車両走行中）の外力が電池セルへと伝達され難くするための対策が施されていない。それゆえ、特許文献１に開示されている技術を固体電池に適用しても、車両走行中に付与された外力に起因する電池の破損を抑制できない虞があった。更に、特許文献１に開示されている技術では、膨張させたエアバッグを元に戻す技術が開示されておらず、衝突可能性が一時的に高くなる等の変動する状況への対応が困難になる虞があった。また、特許文献２に開示されているように、衝撃を緩衝するスポンジ状の合成樹脂や合成ゴム（以下において、「衝撃緩衝材」という。）を電池セルに常時接触させておくと、時間が経過するにつれて衝撃緩衝材の柔軟性が低下し、衝撃緩衝材と電池セルとの間に隙間が生じやすくなる結果、電池使用時に付与された外力を吸収し難くなる虞があった。また、特許文献３に開示されている技術では、電池使用時に付与された外力を吸収する構成について考慮していない。それゆえ、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術と特許文献３に開示されている技術とを組み合わせても、付与された外力に起因する破損を抑制できない虞があった。

そこで本発明は、付与された外力に起因する破損を抑制することが可能な、固体電池及び固体電池システム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、正極層及び負極層、並びに、正極層及び負極層の間に配設された固体電解質層を含む固体電池セルと、１又は２以上の固体電池セルを収容する容器と、を備え、固体電池セルと容器との間に、膨張収縮可能な袋を有し、該袋に気体が充填され、気体が充填されて膨張した袋を用いて固体電池セルが加圧されていることを特徴とする、固体電池である。

本発明の第１の態様では、固体電池セルと容器との間に配置された袋に気体が充填され、気体を充填されて膨張した袋を用いて固体電池セルが加圧される。固体電池セルと容器との間に配置された膨張した袋を用いて固体電池セルを加圧する形態とすることにより、膨張した袋で固体電池セルを支持しながら、固体電池セルに力を付与することができる。固体電池セルを膨張した袋で支持する形態とすることにより、容器の外側から振動や衝撃等の外力が付与された場合であっても、この外力を膨張した袋で吸収することが可能になるので、容器の外側から付与された力が固体電池セルへと伝わり難くなり、その結果、固体電池セルの破損を抑制することが可能になる。したがって、本発明の第１の態様によれば、付与された外力に起因する破損を抑制することが可能な、固体電池を提供することができる。

また、上記本発明の第１の態様において、袋が複数備えられていることが好ましい。かかる形態とすることにより、気体を充填して膨張させた複数の袋で固体電池セルを支持することができる。膨張させた複数の袋で固体電池セルを支持することにより、容器の外側から付与された力が固体電池セルへより一層伝わり難くなる。したがって、かかる形態とすることにより、付与された外力に起因する破損を抑制することが容易になる。

また、袋が複数備えられている上記本発明の第１の態様において、気体が充填されて膨張した複数の袋は、固体電池セルの異なる表面部位とそれぞれ接触していることが好ましい。

ここに、「気体が充填されて膨張した複数の袋は、固体電池セルの異なる表面部位とそれぞれ接触している」とは、例えば、袋が２つの場合には固体電池セルを挟むように、袋が３つ以上の場合には、固体電池セルを囲むように、膨張した複数の袋が固体電池セルの表面に接触していることをいう。かかる形態とすることにより、容器の外側から付与された力が固体電池セルへ伝わり難くなるので、付与された外力に起因する破損を抑制することが容易になる。

本発明の第２の態様は、上記本発明の第１の態様にかかる固体電池と、袋に充填された気体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、固体電池セルに対する危険度を判断可能な制御手段と、を備え、制御手段で判断された危険度に応じて圧力調整手段の動作が制御されることを特徴とする、固体電池システムである。

ここに、「固体電池セルに対する危険度」とは、例えば、容器へと付与された力、固体電池セルが搭載されている電気自動車やハイブリッド自動車に対する事故、若しくは、容器へ今後付与される力、又は、熱等をいう。本発明の第２の形態では、固体電池セルに対する危険度が所定値以上又は所定値未満である場合に、制御手段で危険と判断することができ、制御手段で危険と判断された場合には、袋に充填された気体の圧力を変更するように、圧力調整手段の動作が制御される。例えば、容器へと付与された力が所定値以上である場合に、袋に充填された気体の圧力を高めるように圧力調整手段の動作を制御する形態とすることにより、容器から固体電池セルへと伝えられる力を低減することが可能になるので、付与された外力に起因する破損を抑制しやすくなる。また、例えば、制御手段における判断を、車両に備えられている衝突被害を軽減するための制御と対応させ、衝突可能性が高くなった時にブレーキ等の出力を上げるために袋に充填された気体の圧力を高めることで一時的にブレーキの出力を上げる事や、車両衝突時に容器へ付与されると予想される力が所定値以上である場合に、袋に充填された気体の圧力を車両衝突前に予め高めておくように圧力調整手段の動作を制御する形態とすることにより、車両衝突時に固体電池セルへと伝えられる力を低減することが可能になるので、固体電池セルの破損をより効率良く抑制することが可能になる。

本発明の第１の態様によれば、付与された外力に起因する破損を抑制することが可能な固体電池を提供することができる。また、本発明の第２の態様によれば、付与された外力に起因する破損を抑制することが可能な固体電池システムを提供することができる。

固体電池１０を説明する断面図である。 固体電池セル１、正極端子２、及び、負極端子３の上面図である。 固体電池セル１の断面図である。 容器５を説明する図である。 固体電池１０を説明する斜視図である。 固体電池システム１００を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の固体電池及び固体電池システムにリチウムイオン二次電池が用いられる場合について主に説明する。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。図面では、圧力計及び自動制御弁を簡略化して示す。また、見やすくするため、図面では、一部符号の記載を省略することがある。

図１は、本発明の固体電池１０を説明する断面図である。図１では、固体電池セル１を簡略化して示している。図１に示すように、固体電池１０は、固体電池セル１と、該固体電池セル１に接続された端子２（正極端子２）と、固体電池セル１の表面に接触するように配置された袋４、４（以下において、図１の紙面上側に配置された袋４を「袋４ｕ」、図１の紙面下側に配置された袋４を「袋４ｌ」ということがある。）と、固体電池セル１、袋４ｕ、及び、袋４ｌを収容する容器５と、を有している。袋４ｕ及び袋４ｌは、気体導入管６、６を介して不図示の気体供給手段に接続されている。袋４ｕに接続された気体導入管６（以下において、「気体導入管６ｕ」という。）には、圧力計７及び自動制御弁８（以下において、それぞれ、「圧力計７ｕ」及び「自動制御弁８ｕ」という。）が接続されており、袋４ｌに接続された気体導入管６（以下において、「気体導入管６ｌ」という。）には、圧力計７及び自動制御弁８（以下において、それぞれ、「圧力計７ｌ」及び「自動制御弁８ｌ」という。）が接続されている。

図２Ａは固体電池セル１、正極端子２、及び、負極端子３の上面図であり、図２Ｂは図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、固体電池セル１は、積層体１ｘと、該積層体１ｘを包むラミネートフィルム１ｙとを有し、ラミネートフィルム１ｙには、袋４ｕに接触する複数の圧電素子９、９、…（以下において、「圧電素子９ｕ」ということがある。）と、袋４ｌに接触する複数の圧電素子９、９、…（以下において、「圧電素子９ｌ」ということがある。）と、が設けられている。また、図２Ｂに示すように、積層体１ｘは、正極集電体１ａと、該正極集電体１ａに接続された正極層１ｂと、該正極層１ｂと接触するように配設された固体電解質層１ｃと、固体電解質層１ｃを中心にして正極層１ｂの反対側に固体電解質層１ｃと接触するように配設された負極層１ｄと、該負極層１ｄに接続された負極集電体１ｅと、を有している。正極集電体１ａには正極端子２が接続されており、負極集電体１ｅには負極端子３が接続されている。

固体電池１０では、気体導入管６ｕを介して気体を充填されることにより膨張した袋４ｕと、気体導入管６ｌを介して気体を充填されることにより膨張した袋４ｌとによって固体電池セル１が挟まれており、袋４ｕ、固体電池セル１、及び、袋４ｌが容器５に収容されている。このように構成される固体電池１０によれば、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌを介して固体電池セル１０が加圧されるので、固体電池セル１全体をムラなく定圧拘束することができる。固体電池セル１全体をムラなく定圧拘束することにより、固体電池セル１の内部における性能のばらつきを抑制することができるので、固体電池セル１の長寿命化を図ることが可能になる。

加えて、固体電池１０において、固体電池セル１は、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌを介して容器５と接触している。固体電池セル１と容器５との間に、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌを介在させることにより、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌで固体電池セル１を支持することができる。かかる形態とすることにより、容器５の外側から外力が付与された場合であっても、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌでこの外力を吸収することが可能になるので、固体電池セル１の破損を抑制することが可能になる。また、大きな外力が付与された時にのみエアバッグが作動して電池の破損を抑制する従来技術とは異なり、膨張している袋４ｕ及び袋４ｌを固体電池セル１と容器５との間に常時配置することにより、固体電池１０を備える車両が衝突せずに走行している間に固体電池セル１へと伝えられる振動や衝撃等も抑制することができるので、車両走行中に付与された外力に起因する電池の破損も抑制することができる。ここで、樹脂やゴム等の緩衝材を容器と固体電池セルとの間に介在させる形態では、長期間に亘って固体電池セル及び容器と緩衝材とを接触させることによって、緩衝材の柔軟性が低下し、緩衝材による衝撃吸収能の低下が懸念される。ところが、固体電池１０では、袋４ｕ及び袋４ｌに充填する気体の圧力を調整することで、外力を吸収する袋４ｕ及び袋４ｌの機能を調整することが可能になるので、長期間に亘って外力を吸収することが可能になる。具体的には、圧力計７ｕ及び圧力計７ｌを用いて検出された気体の圧力を調整して、袋４ｕ及び袋４ｌから固体電池セル１へと付与される圧力を調整することにより、外力を吸収する袋４ｕ及び袋４ｌの機能を調整することが可能になる。したがって、固体電池１０によれば、付与された外力に起因する破損を抑制することができる。なお、袋４ｕ及び袋４ｌから固体電池セル１へと付与される圧力は、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌを用いて測定することができる。

さらにまた、固体電池１０は、圧力計７ｕ及び圧力計７ｌによって検出された気体の圧力や、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌによって検出された圧力を監視することにより、気温変化、高度変化、及び、経時変化等によって固体電池セル１を拘束する圧力が変動しても、当該変動を抑制するように袋４ｕ及び袋４ｌへ気体を供給することにより、固体電池セル１へと付与すべき力を一定に保つことが容易になる。

さらに、固体電池１０は、気体を充填して膨張させた袋４ｕ及び袋４ｌを用いて固体電池セル１を拘束するので、固体電池セル１を拘束するために必要とされる治具の数を低減することができる。したがって、固体電池１０によれば、軽量化及び省スペース化を図ることが容易になり、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度を高めることが容易になる。

これらの特徴を有する固体電池１０は、固体電池セル１を作製する工程と、作製した固体電池セル１を袋４ｕ及び袋４ｌで挟む工程と、袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を容器５に収容する工程と、容器５に収容された袋４ｕ及び袋４ｌに気体を供給して袋４ｕ及び袋４ｌを膨張させる工程と、を経て製造することができる。

固体電池セル１を作製する工程は、積層体１ｘを作製するステップと、作製した積層体１ｘをラミネートフィルム１ｙで包んで密封するステップと、に大別することができる。

積層体１ｘを作製するには、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極スラリーを、正極端子２が接続された正極集電体１ａの表面に塗布する過程を経て、正極集電体１ａの表面に正極層１ｂを形成する。また、少なくとも負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極スラリーを、負極端子３が接続された負極集電体１ｅの表面に塗布する過程を経て、負極集電体１ｅの表面に負極層１ｄを形成する。そして、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質スラリーを、例えば負極層１ｄの表面に塗布する過程を経て固体電解質層１ｃを形成した後、固体電解質層１ｃが正極層１ｂ及び負極層１ｄで挟まれるように、負極層１ｄの表面に形成された固体電解質層１ｃの上に、正極集電体１ａの表面に形成された正極層１ｂを配置する。その後、正極集電体１ａ、正極層１ｂ、固体電解質層１ｃ、負極層１ｄ、及び、負極集電体１ｅの積層方向の両端側から圧縮力を付与することにより、積層体１ｘを作製することができる。

ラミネートフィルム１ｙは、正極層１ｂ側に位置すべき表面に圧電素子９ｕを、負極層１ｄ側に位置すべき表面に圧電素子９ｌを、それぞれ設けた後、正極端子２及び負極端子３の全部を収容しないようにしながら、積層体１ｘを包む。そして、積層体１ｘが収容されているラミネートフィルム１ｙの内側を減圧しながら、積層体１ｘの周りに位置しているラミネートフィルム１ｙを加熱し熱溶着することにより、積層体１ｘと該積層体１ｘを包むラミネートフィルム１ｙとを有する固体電池セル１を作製することができる。

固体電池セル１を作製したら、作製した固体電池セル１を袋４ｕ及び袋４ｌで挟む。このとき、袋４ｕには気体導入管６ｕを接続しておき、袋４ｌには気体導入管６ｌを接続しておく。

固体電池セル１を袋４ｕ及び袋４ｌで挟んだら、袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を容器５に収容する。容器５は、例えば図３に示すように、固体電池セル１や袋４ｕ及び袋４ｌを挿入可能な開口部５ｘａを有する四角柱形状の筐体５ｘ、及び、開口部５ｘａを塞ぐ筐体蓋５ｙを有する形態とする。筐体蓋５ｙには、正極端子２が通される孔５ｙａと、負極端子３が通される孔５ｙｂと、気体導入管６ｕが通される孔５ｙｃと、気体導入管６ｌが通される孔５ｙｄと、が設けられている。袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を容器５に収容する際には、まず、袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を筐体５ｘに収容する。次いで、孔５ｙａに正極端子２を通し、孔５ｙｂに負極端子３を通し、孔５ｙｃに気体導入管６ｕを通し、孔５ｙｄに気体導入管６ｌを通した後、筐体５ｘと筐体蓋５ｙとを接触させ、ネジを用いて筐体５ｘと筐体蓋５ｙとを固定する。その後、気体導入管６ｕに圧力計７ｕ及び自動制御弁８ｕを接続し、気体導入管６ｌに圧力計７ｌ及び自動制御弁８ｌを接続する。かかる手順を経ることにより、袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を容器５に収容して図４に示す形態とすることができる。

袋４ｕ及び袋４ｌに挟まれた固体電池セル１を容器５に収容したら、不図示の気体供給手段（コンプレッサ）から、気体導入管６ｕを介して袋４ｕに気体を供給し、気体導入管６ｌを介して袋４ｌに気体を供給する。そして、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌを用いて特定した圧力値、並びに、圧力計７ｕで検出した袋４ｕ内の圧力及び圧力計７ｌで検出した袋４ｌ内の圧力を確認して、膨張した袋４ｕ及び袋４ｌによって固体電池セル１を均一の目標圧力で拘束・保持できていることを確認した後に、気体の供給を停止する。例えば以上の工程を経ることにより、固体電池１０を製造することができる。固体電池１０の使用時には、圧力計８ｕ及び圧力計８ｌの値を確認し、圧力計８ｕ及び圧力計８ｌの値が同一になるように、気体の圧力を調整する。

固体電池１０において、正極集電体１ａや負極集電体１ｅは、リチウムイオン二次電池の正極集電体や負極集電体として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。また、正極集電体１ａ及び負極集電体１ｅは、例えば、金属箔や金属メッシュ等の形状にすることができる。

また、正極層１ｂに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等を例示することができる。また、正極層１ｂに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ_３ＰＯ_４等の酸化物系固体電解質のほか、Ｌｉ_３ＰＳ_４や、Ｌｉ_２Ｓ：Ｐ_２Ｓ_５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ_２Ｓ及びＰ_２Ｓ_５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ_２Ｓ：Ｐ_２Ｓ_５＝７５：２５となるようにＬｉ_２Ｓ及びＰ_２Ｓ_５を混合して作製した硫化物固体電解質）等を例示することができる。このほか、正極層１ｂには、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。正極層１ｂに含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層１ｂに含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層１ｂを作製する際に用いる溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。

また、固体電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。また、固体電解質層１ｃを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。

また、負極層１ｄに含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層１ｄに含有させる固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層１ｄには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。負極層１ｄに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ｂに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層１ｄを作製する際に用いる溶媒としては、正極層１ｂを作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。

また、ラミネートフィルム１ｙは、リチウムイオン二次電池の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるフィルムを、特に限定されることなく用いることができる。そのようなフィルムの構成材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等の樹脂フィルムのほか、これらの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルム等を例示することができる。

また、正極端子２及び負極端子３は、固体電池１０の使用時の環境に耐え得る良好な電子伝導性を有する材料によって構成することができ、固体電池１０の使用時に付与される力にも対応可能な強度及び柔軟性を有する材料によって構成することが好ましい。そのような材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等に代表される炭素繊維等を例示することができる。

また、袋４ｕ及び袋４ｌは、固体電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、固体電池セル１に所定の圧力を付与する高圧気体を充填することが可能な公知の材料を用いて作製することができる。そのような材料としては、エアバッグやパラシュート等に使用される材料のほか、気密性向上させるために、これらの材料にシリコーンゴム等を含浸・コーティングしたものや、ラミネートフィルム１ｙを構成し得る上記材料等を例示することができる。

また、袋４ｕ及び袋４ｌに充填される気体は、特に限定されるものではなく、例えば空気や不活性ガス等を例示することができる。さらに、袋４ｕ及び袋４ｌに充填される気体の圧力は、固体電池セル１へと付与すべき拘束圧力に応じて適宜決定することができ、例えば、０．１ＭＰａ（ａｂｓ．）以上１．１ＭＰａ（ａｂｓ．）以下程度（ａｂｓ：絶対圧基準であることを示す用語）とすることができる。

また、容器５は、固体電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、袋４ｕ及び袋４ｌを介して付与される力に耐える強度を有する公知の材料によって構成することができる。そのような材料としては、アルミニウムやステンレス鋼等の金属のほか、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等に代表される熱硬化性樹脂等を例示することができる。

また、気体導入管６の構成材料は、固体電池１０の使用時の環境に耐え得る材料であれば特に限定されず、例えば金属製とすることができる。さらに、気体導入管６の径や長さも特に限定されず、固体電池１０の大きさに応じて適宜設定することができる。

また、圧力計７は、固体電池１０の使用時の環境に耐えることができ、且つ、袋４ｕ及び袋４ｌに充填される気体の圧力を検出可能な公知の圧力計を適宜用いることができる。さらに、自動制御弁８及び圧電素子９は、固体電池１０の使用時の環境に耐え得る公知の自動制御弁及び圧電素子を適宜用いることができる。

図５は、本発明の固体電池システム１００を説明する図である。図５では、固体電池１０を簡略化して示しており、容器５に収容された各構成要素の記載を省略している。以下、固体電池システム１００が車両に搭載されている場合について、説明する。

図５に示すように、固体電池システム１００は、固体電池１０と、圧力調整手段として機能する自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌと、固体電池セル１に対する危険度を判断可能な制御手段２０と、を有している。圧力計７ｕ及び圧力計７ｌ、並びに、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌによって検出された圧力に関する情報や、車両の衝突に関連する情報等に代表される固体電池セル１に対する危険度を判断する基になる情報は、制御手段２０へと送られ、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作は制御手段２０によって制御される。

制御手段２０は、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作制御を実行可能なＣＰＵ２１と、該ＣＰＵ２１に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ２１は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ２１に対する記憶装置は、例えば、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ２２と、ＣＰＵ２１の作業領域として機能するＲＡＭ２３等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ２１が、ＲＯＭ２２に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、固体電池システム１００における制御手段２０が機能する。

圧力計７ｕ及び圧力計７ｌ、並びに、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌによって検出された圧力に関する情報（出力信号）や、車両の衝突に関連する情報等に代表される固体電池セル１に対する危険度を判断する基になる情報（出力信号）は、制御手段２０の入力ポート２４を介して、入力信号としてＣＰＵ２１へと到達する。ＣＰＵ２１は、入力信号及びＲＯＭ２２に記憶されたプログラムに基づいて、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌに対する動作指令を決定し、決定された動作指令は、出力ポート２５を介して自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌへと出力され、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作が制御される。

固体電池システム１００では、例えば、圧力計７ｕ及び圧力計７ｌ、並びに、圧電素子９ｕ及び圧電素子９ｌによって検出された圧力が閾値未満であるとＣＰＵ２１によって判断された場合に、袋４ｕ及び袋４ｌに充填されている気体の圧力を高めるように、自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作が制御手段２０によって制御される。自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作をこのように制御することにより、高地で使用されたり寒冷地で使用されたりして気圧や外気温等が変動し、その結果、袋４ｕや袋４ｌに充填された気体の圧力が変動しても、自動制御弁８ｕや自動制御弁８ｌを用いて袋４ｕや袋４ｌ内の気体の圧力を最適値に制御することができる。袋４ｕや袋４ｌ内の気体の圧力を最適値に制御することにより、固体電池セル１の破損を抑制しやすくなり、固体電池セル１の性能を高めることも可能になる。

このほか、固体電池システム１００では、例えば、不図示の検知手段から情報を送られたＣＰＵ２１によって車両が衝突する可能性が高くなったと判断された場合、衝突前に袋４ｕ及び袋４ｌに充填されている気体の圧力を高めるように、制御手段２０によって自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作を制御することができる。一方で、ＣＰＵ２１が、車両が衝突する可能性が低くなったと判断した場合は、袋４ｕ及び袋４ｌに充填されている気体の圧力を元に戻すように制御手段２０は自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作を制御することもできる。自動制御弁８ｕ及び自動制御弁８ｌの動作をこのように制御することにより、車両衝突時に固体電池セル１へと伝えられる力を低減することや、気体の圧力を高めて電池の出力を上げることで衝突回避操作の支援を行ない、衝突回避操作終了後は気体の圧力を元に戻すことが可能になるので、固体電池セル１の破損をより効率良く抑制することが可能になる。

本発明に関する上記説明では、容器５に収容された固体電池セル１の周りに２つの袋４ｕ、４ｌが備えられている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの袋を用いる形態とすることも可能であり、３つ以上の袋を用いる形態とすることも可能である。ただし、固体電池セルの破損を抑制しやすい形態にする観点から、固体電池セルを挟むように、又は、固体電池セルを囲むように、気体が充填される袋を配置することが好ましい。固体電池セルを挟むように複数の袋を配置する場合には、例えば、固体電池セルの上側及び下側に袋を配置する形態とすることができ、固体電池セルを囲むように袋を配置する場合には、固体電池セルの上下左右に袋をそれぞれ配置する形態とすることができる。

また、本発明に関する上記説明では、容器５に１つの固体電池セル１が収容されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明では、１つの容器に２以上の固体電池セルが収容されていても良い。１つの容器に２以上の固体電池セルを収容する場合には、すべての固体電池セルの破損を抑制しやすくする観点から、複数の固体電池セルの両端に配置される固体電池セルと容器との間、及び、隣接する固体電池セルの間に、気体が充填される袋を配置することが好ましい。

また、本発明に関する上記説明では、略直方体形状の固体電池セル１を例示したが、本発明に備えられる固体電池セルは当該形状に限定されない。固体電池セルは円柱形状や六角柱形状等、他の形状とすることも可能である。

また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池である固体電池セル１が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明に備えられる固体電池セルは、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。

１…固体電池セル
１ａ…正極集電体
１ｂ…正極層
１ｃ…固体電解質層
１ｄ…負極層
１ｅ…負極集電体
１ｘ…積層体
１ｙ…ラミネートフィルム
２…正極端子
３…負極端子
４…袋
５…容器
６…気体導入管
７…圧力計
８…自動制御弁（圧力調整手段）
９…圧電素子
１０…固体電池
２０…制御手段
１００…固体電池システム

Claims (4)

1. 正極層及び負極層、並びに、前記正極層及び前記負極層の間に配設された固体電解質層を含む固体電池セルと、１又は２以上の前記固体電池セルを収容する容器と、を備え、
   前記固体電池セルと前記容器との間に、膨張収縮可能な袋を有し、
   前記袋に気体が充填され、
   前記気体が充填されて膨張した前記袋を用いて前記固体電池セルが加圧されていることを特徴とする、固体電池。
2. 前記袋が複数備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の固体電池。
3. 気体が充填されて膨張した複数の前記袋は、前記固体電池セルの異なる表面部位とそれぞれ接触していることを特徴とする、請求項２に記載の固体電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電池と、前記袋に充填された前記気体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、前記固体電池セルに対する危険度を判断可能な制御手段と、を備え、
   前記制御手段で判断された危険度に応じて、前記圧力調整手段の動作が制御されることを特徴とする、固体電池システム。

Images