JP2014146501A - 全固体電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性の低下を抑制することができる全固体電池を提供すること。
【解決手段】全固体電池１は、正極材層２と、負極材層３と、正極材層２と負極材層３との間に積層された固体電解質層４と、正極材層２と固体電解質層４とにより挟まれ、積層方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１を覆う正極側絶縁部材５０と、負極材層３と固体電解質層４とにより挟まれ、積層方向から見た場合に、負極材層３の周縁部３１を覆う負極側絶縁部材６０と、を備えている。正極側絶縁部材５０は、正極材層２と固体電解質層４とを接触させる開口部５２を形成しており、負極側絶縁部材６０は、負極材層３と固体電解質層４とを接触させる開口部６２を形成している。積層方向から見た場合に、正極側絶縁部材５０の開口部５２の面積は、負極側絶縁部材６０の開口部６２の面積よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、全固体電池に関する。

従来、固体電解質を有する全固体電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の全固体電池は、固体電解質層、活物質層（正極材層、負極材層）及び集電体の他に、絶縁性材料を備えている。絶縁性材料は、固体電解質層と活物質層とにより挟まれており、活物質層の周縁部を覆っている。全固体電池の製造時においては、例えばＣＩＰ（Cold Isostatic Press、冷間等方圧加圧）等により、積層された固体電解質及び活物質層等を加圧する。加圧の際、活物質層の周縁部により固体電解質層に応力が負荷され、固体電解質層に割れ等の変形が生じる場合がある。固体電解質層に変形が生じると、全固体電池の使用時に、活物質層同士が短絡するおそれがある。特許文献１の全固体電池では、上述の絶縁性材料により、固体電解質層の変形に起因する活物質層同士の短絡を抑制している。

特開２０１２−３８４２５号公報 特開２００９−２１１９２０号公報

上述のような全固体電池においては、充電及び放電によりイオンが析出し、電気的特性が低下する場合がある。

本発明は、電気的特性の低下を抑制することができる全固体電池を提供することを目的とする。

本発明の全固体電池は、正極材層と、負極材層と、正極材層と負極材層との間に積層され、正極材層及び負極材層のそれぞれと当接する固体電解質層と、正極材層と固体電解質層とにより挟まれ、積層方向から見た場合に、正極材層の周縁部を覆う正極側絶縁部材と、負極材層と固体電解質層とにより挟まれ、積層方向から見た場合に、負極材層の周縁部を覆う負極側絶縁部材と、を備え、正極側絶縁部材は、正極材層と固体電解質層とを接触させる開口部を形成しており、負極側絶縁部材は、負極材層と固体電解質層とを接触させる開口部を形成しており、積層方向から見た場合に、正極側絶縁部材の開口部の面積は、負極側絶縁部材の開口部の面積よりも小さい。

本発明の全固体電池では、正極材層と固体電解質層との間に正極側絶縁部材が挟まれると共に、負極材層と固体電解質層との間に負極側絶縁部材が挟まれる。正極材層と固体電解質層とを当接させる正極側絶縁部材の開口部の面積は、負極材層と固体電解質層とを当接させる負極側絶縁部材の開口部の面積よりも小さい。従って、正極材層から負極材層へと向かうイオンは、負極側絶縁部材に析出し難くなる。よって、電気的特性の低下を抑制することができる。

正極側絶縁部材及び負極側絶縁部材の少なくとも一方は、複数の開口部を画設する補強部を有していてもよい。この場合、正極側絶縁部材及び負極側絶縁部材の少なくとも一方が補強部により補強されることになるため、正極側絶縁部材及び負極側絶縁部材の少なくとも一方の変形を抑制することができる。

本発明によれば、電気的特性の低下を抑制することができる全固体電池を提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る全固体電池を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る絶縁部材を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る絶縁部材を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る絶縁部材を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る絶縁部材を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る全固体電池について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示される全固体電池１は、例えば自動車等に搭載される。全固体電池１は、例えば略直方体状を呈している。全固体電池１は、正極材層（活物質層）２、負極材層（活物質層）３、固体電解質層４、正極側集電体層５、負極側集電体層６、正極側絶縁部材５０及び負極側絶縁部材６０を備えている。

正極材層２、負極材層３、固体電解質層４、正極側集電体層５及び負極側集電体層６のそれぞれは、例えば、四角板状（詳細には、正方形板状）を呈している。正極材層２と負極材層３とは、Ｘ方向（全固体電池１における積層方向）から見た場合に、重複するように配置されている。固体電解質層４は、正極材層２と負極材層３との間に積層されており、正極材層２及び負極材層３のそれぞれと当接している。正極側集電体層５は、正極材層２における固体電解質層４との当接面と逆側の面上に積層されている。正極側集電体層５には、端子（不図示）が接続されている。負極側集電体層６は、負極材層３における固体電解質層４との当接面と逆側の面上に積層されている。負極側集電体層６には、端子（不図示）が接続されている。

正極材層２、負極材層３、固体電解質層４、正極側集電体層５及び負極側集電体層６のそれぞれを形成する材料としては、一般的な全固体電池で用いられている材料を使用することが可能である。正極材層２は、例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＦｅＰｏ_４等により形成されている。負極材層３は、例えばカーボン活物質（高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等）、金属活物質（Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ等）等により形成されている。固体電解質層４は、例えば硫化物固体電解質（例えば、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｐ_５−ＬｉＩ等を含む材料）等により形成されている。正極側集電体層５は、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等により形成されている。負極側集電体層６は、例えばＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉ等により形成されている。

図１，２に示されるように、正極側絶縁部材５０は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、四角環状を呈している。正極側絶縁部材５０の内周縁部５１は、開口部５２を形成している。正極側絶縁部材５０は、正極材層２と固体電解質層４とにより挟まれている。正極側絶縁部材５０の開口部５２では、正極材層２と固体電解質層４とが接触している。正極側絶縁部材５０は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１を覆っている。

具体的には、正極側絶縁部材５０の開口部５２は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。より具体的には、正極側絶縁部材５０の開口部５２の一辺の長さｄ１は、正極材層２の周縁部２１の一辺の長さｄ２及び固体電解質層４の周縁部４１の一辺の長さｄ３よりも短い。正極側絶縁部材５０の外周縁部は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１よりも大きく、正極材層２と固体電解質層４との間からはみ出している。

負極側絶縁部材６０は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、四角環状を呈している。負極側絶縁部材６０の内周縁部６１は、開口部６２を形成している。負極側絶縁部材６０は、負極材層３と固体電解質層４とにより挟まれている。負極側絶縁部材６０の開口部６２では、負極材層３と固体電解質層４とが接触している。負極側絶縁部材６０は、Ｘ方向から見た場合に、負極材層３の周縁部３１及び固体電解質層４の周縁部４１を覆っている。

具体的には、負極側絶縁部材６０の開口部６２は、Ｘ方向から見た場合に、負極材層３の周縁部３１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。より具体的には、負極側絶縁部材６０の開口部６２の一辺の長さｄ４は、負極材層３の周縁部３１の一辺の長さｄ５及び固体電解質層４の周縁部４１の一辺の長さｄ３よりも短い。負極側絶縁部材６０の外周縁部は、Ｘ方向から見た場合に、負極材層３の周縁部３１及び固体電解質層４の周縁部４１よりも大きく、負極材層３と固体電解質層４との間からはみ出している。

Ｘ方向から見た場合に、正極側絶縁部材５０の開口部５２の面積は、負極側絶縁部材６０の開口部６２の面積よりも小さい。具体的には、正極側絶縁部材５０の開口部５２の一辺の長さｄ１は、負極側絶縁部材６０の開口部６２の一辺の長さｄ４よりも小さい。すなわち、正極材層２と固体電解質層４との接触面積は、負極材層３と固体電解質層４との接触面積よりも小さい。正極側絶縁部材５０及び負極側絶縁部材６０は、例えばＰＥＴフィルム等により形成されている。正極側絶縁部材５０及び負極側絶縁部材６０は、例えば５〜２０μｍ程度の厚み（Ｘ方向における長さ）を有している。

全固体電池１では、充電の際、イオンが正極材層２から負極材層３に向かって固体電解質層４中を移動し、放電の際、イオンが負極材層３から正極材層２に向かって固体電解質層４中を移動する。

特に、本実施形態に係る全固体電池１では、正極材層２と固体電解質層４との間に正極側絶縁部材５０が挟まれていると共に、負極材層３と固体電解質層４との間に負極側絶縁部材６０が挟まれている。正極材層２と固体電解質層４とを当接させる正極側絶縁部材５０の開口部５２の面積は、負極材層３と固体電解質層４とを当接させる負極側絶縁部材６０の開口部６２の面積よりも小さいため、正極材層２から負極材層３へと向かうイオンは、負極材層３に好適に取り込まれる。従って、イオンは負極側絶縁部材６０に析出し難くなり、好適に充電が行われ、出力電圧の低下が抑制される。よって、全固体電池１では、電気的特性の低下を抑制することができる。

正極材層２と固体電解質層４との間に正極側絶縁部材５０が挟まれていると共に、負極材層３と固体電解質層４との間に負極側絶縁部材６０が挟まれているため、固体電解質層４の変形に起因する正極材層２と負極材層２との短絡を抑制することができる。

次に、第２実施形態に係る絶縁部材について説明する。図３に示されるように、本実施形態に係る正極側絶縁部材７０が第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０（図２参照）と異なる点は、補強部材を有している点である。

正極側絶縁部材７０は、枠部７１及び補強部７２を有している。枠部７１は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、四角環状を呈している。枠部７１は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１を覆う。

具体的には、枠部７１の内周縁部７１ａは、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。より具体的には、枠部７１の内周縁部７１ａの一辺の長さｄ６は、正極材層２の周縁部２１の一辺の長さｄ２及び固体電解質層４の周縁部４１の一辺の長さｄ３よりも短い。枠部７１の外周縁部は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１よりも大きく、正極材層２と固体電解質層４との間からはみ出している。

補強部７２は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、十字形状を呈している。補強部７２は、枠部７１の内側に設けられており、その４つの端部は枠部７１の内周面に連結されている。枠部７１及び補強部７２は、４つの開口部７３を画設している。開口部７３は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。Ｘ方向において、枠部７１と補強部７２とは、面一になっている。枠部７１と補強部７２とは、同一の材料によって一体に形成されている。

本実施形態に係る正極側絶縁部材７０を備える全固体電池は、第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０を備える上述の全固体電池１と同様な効果を奏する。

全固体電池では、イオンが移動可能な面積を確保するため、積層方向から見た場合に、絶縁部材が活物質層及び固体電解質層を覆う面積は、小さいことが好ましい。また、絶縁部材において活物質層と固体電解質層との間からはみ出している部分が大きいと、例えば樹脂等により積層部分を覆う場合に、全固体電池の容積が大きくなる。このため、絶縁部材において活物質層と固体電解質層との間からはみ出している部分は、小さいことが好ましい。これらの場合、絶縁部材は比較的細くなるため、絶縁部材が変形しやすくなる。絶縁部材が変形すると、活物質層と固体電解質層との間に絶縁部材を挟む際に、絶縁部材が外れるおそれがある。

これに対し、正極側絶縁部材７０は複数の開口部７３を画設する補強部７２を有しており、正極側絶縁部材７０が補強部７２により補強されるため、正極側絶縁部材７０の変形が抑制される。従って、正極材層２と固体電解質層４との間に正極側絶縁部材７０を挟む際に、正極側絶縁部材７０が外れることを抑制することができる。

次に、第３実施形態に係る絶縁部材について説明する。図４に示されるように、本実施形態に係る正極側絶縁部材８０が第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０（図２参照）と異なる点は、補強部材を有している点である。

正極側絶縁部材８０は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、略四角環状を呈している。正極側絶縁部材８０の内周縁部８１は、開口部８２を形成している。正極側絶縁部材８０は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１を覆う。

具体的には、正極側絶縁部材８０の開口部８２は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。より具体的には、正極側絶縁部材８０の開口部８２の一辺の長さｄ７は、正極材層２の周縁部２１の一辺の長さｄ２及び固体電解質層４の周縁部４１の一辺の長さｄ３よりも短い。

正極側絶縁部材８０において、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１よりも内側の領域には、複数の開口部８３が形成されている。複数の開口部８３は、正極側絶縁部材８０の内周縁部８１に沿って、等間隔に設けられている。開口部８３は、円形状を呈している。正極側絶縁部材８０において、隣り合う開口部８３，８３の間の部分、及び、開口部８３よりも内周縁部８１側の部分は、複数の開口部８３を画設する補強部として機能する。

本実施形態に係る正極側絶縁部材８０を備える全固体電池は、第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０を備える上述の全固体電池１と同様な効果を奏する。

正極側絶縁部材８０は、開口部８２及び複数の開口部８３を画設する補強部を有している。正極側絶縁部材８０が補強部により補強されるため、正極側絶縁部材８０の変形が抑制される。従って、正極材層２と固体電解質層４との間に正極側絶縁部材８０を挟む際に、正極側絶縁部材８０が外れることを抑制することができる。

次に、第４実施形態に係る絶縁部材について説明する。図５に示されるように、本実施形態に係る正極側絶縁部材９０が第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０（図２参照）と異なる点は、補強部材を有している点である。

正極側絶縁部材９０は、枠部９１及び複数の補強部９２を有している。枠部９１は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、四角環状を呈している。枠部９１は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１を覆う。

具体的には、枠部９１の内周縁部９１ａは、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。より具体的には、枠部９１の内周縁部９１ａの一辺の長さｄ８は、正極材層２の周縁部２１の一辺の長さｄ２及び固体電解質層４の周縁部４１の一辺の長さｄ３よりも短い。枠部９１の外周縁部は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１よりも大きく、正極材層２と固体電解質層４との間からはみ出している。

補強部９２は、Ｘ方向から見た場合に、例えば、略長方形の棒状を呈している。複数の補強部９２は、Ｘ方向から見た場合に、複数の三角形状の開口部９３を枠部９１の内側に形成するように連結されている。開口部９３は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。複数の補強部９２のうち一部の補強部９２は、枠部９１に連結されている。複数の補強部９２のうち枠部９１に連結されていない補強部９２により、Ｘ方向から見た場合に四角形状の開口部９４が形成されている。開口部９４は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１及び固体電解質層４の周縁部４１の内側に配置されている。Ｘ方向において、枠部９１と複数の補強部９２とは、面一になっている。枠部９１と複数の補強部９２とは、同一の材料によって一体に形成されている。

本実施形態に係る正極側絶縁部材９０を備える全固体電池は、第１実施形態に係る正極側絶縁部材５０を備える上述の全固体電池１と同様な効果を奏する。

正極側絶縁部材９０は、複数の開口部９３及び開口部９４を画設する複数の補強部９２を有している。正極側絶縁部材９０が補強部９２により補強されるため、正極側絶縁部材９０の変形が抑制される。従って、正極材層２と固体電解質層４との間に正極側絶縁部材９０を挟む際に、正極側絶縁部材９０が外れることを抑制することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、正極側絶縁部材７０〜９０が補強部を有しているが、負極側絶縁部材が上述のような補強部を有していてもよい。要は、正極側絶縁部材及び負極側絶縁部材の少なくとも一方が補強部を有していてもよく、この際、積層方向から見た場合に、正極側絶縁部材の開口部の面積が負極側絶縁部材の開口部の面積よりも小さければよい。

上記実施形態では、正極側絶縁部材５０，７０〜９０は、Ｘ方向から見た場合に、正極材層２の周縁部２１の全周及び固体電解質層４の周縁部４１の全周を覆っているが、正極材層２の周縁部２１の一部及び固体電解質層４の周縁部４１の一部を覆っていなくてもよい。すなわち、正極側絶縁部材は、必ずしも環状の部分を有している必要はなく、閉じた形状でなくてもよい。開口部は、必ずしも閉じている必要はなく、正極材層２と固体電解質層４とが接触できる形状であればよい。負極側絶縁部材についても、同様である。

上記実施形態では、全固体電池１は、正極材層２、負極材層３及び固体電解質層４を一つずつ備える単層の電極体により形成されているが、正極材層２、負極材層３及び固体電解質層４を複数備える複数層の電極体により形成されていてもよい。

１…全固体電池、２…正極材層、３…負極材層、４…固体電解質層、５０，７０，８０，９０…正極材層、６０…負極材層、５２，６２，７３，８２，８３，９３，９４…開口部、７２，９２…補強部。

Claims (2)

1. 正極材層と、
   負極材層と、
   前記正極材層と前記負極材層との間に積層され、前記正極材層及び前記負極材層のそれぞれと当接する固体電解質層と、
   前記正極材層と前記固体電解質層とにより挟まれ、積層方向から見た場合に、前記正極材層の周縁部を覆う正極側絶縁部材と、
   前記負極材層と前記固体電解質層とにより挟まれ、前記積層方向から見た場合に、前記負極材層の周縁部を覆う負極側絶縁部材と、を備え、
   前記正極側絶縁部材は、前記正極材層と前記固体電解質層とを接触させる開口部を形成しており、
   前記負極側絶縁部材は、前記負極材層と前記固体電解質層とを接触させる開口部を形成しており、
   前記積層方向から見た場合に、前記正極側絶縁部材の前記開口部の面積は、前記負極側絶縁部材の前記開口部の面積よりも小さい、
   全固体電池。
2. 前記正極側絶縁部材及び前記負極側絶縁部材の少なくとも一方は、複数の前記開口部を画設する補強部を有する、
   請求項１記載の全固体電池。

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