JP2015232976A - 全固体電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池ユニットへの応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図った全固体電池を提供する。【解決手段】各電池ユニットの間には、それぞれ放熱部材２０が介在されており、これらの放熱部材２０は、ヒートパイプ２１と、その両面がそれぞれラミネートフィルムに密着し、かつヒートパイプ２１を覆う弾性体部２２と、ヒートパイプ２１に取り付けられるヒートシンク２１ａと、を備え、ヒートパイプ２１は、その一部が弾性体部２２の外側の位置まで引き出されており、この引き出された部分にヒートシンク２１ａが取り付けられていることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、固体電解質を用いた全固体電池に関する。

近年、リチウム電池において、安全性の面から、有機電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体電池の開発が進められている。また、全固体電池の軽量化を目的として、正極層と負極層とによって固体電解質層が挟み込まれた構造の電池本体をラミネートフィルムによって包装したラミネート型の全固体電池が知られている。更に、最高電圧を高めたり、総充電量を高めたりすることを目的として、複数の電池ユニットを積層した構造の全固体電池も知られている。

全固体電池の場合には、固体電解質が熱劣化（結晶化等）してしまうことを抑制するために、放熱対策が重要な課題の一つとなっている。上記のように複数の電池ユニットを積層する構造を採用する場合において、各電池ユニットの間に、それぞれ板状部材を設けて、これらの板状部材を電池ユニットの外側に突出させることで、放熱効果を発揮させる技術が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、電池ユニットは、その温度によって膨張収縮する。上記従来技術のように、各電池ユニットの間に板状部材を配置させた場合、電池ユニットは板状部材に押さえ込まれるため、熱膨張時の変形が阻害される。そのため、電池ユニットに応力がかかり、歪に変形したり、破損したりしてしまうおそれがある。

特許第４１１４４１５号公報 特開２００６−３５１３２６号公報 特開２００６−１９６２３０号公報 特開２０１１−００３４００号公報

本発明の目的は、電池ユニットへの応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図った全固体電池を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の全固体電池は、
電池ユニットが複数積層される全固体電池において、
前記電池ユニットは、正極層と負極層とによって固体電解質層が挟み込まれた構造の電池本体がラミネートフィルムによって包装されることで構成されると共に、
各電池ユニットの間には、それぞれ放熱部材が介在されており、
これらの放熱部材は、
ヒートパイプと、
その両面がそれぞれ前記ラミネートフィルムに密着し、かつ前記ヒートパイプを覆う弾性体部と、
前記ヒートパイプに取り付けられるヒートシンクと、
を備え、
前記ヒートパイプは、その一部が前記弾性体部の外側の位置まで引き出されており、この引き出された部分に前記ヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする。

本発明によれば、電池ユニットから発生した熱は、放熱部材における弾性体部からヒートパイプへと伝わる。そして、ヒートパイプに伝わった熱は、ヒートシンクにより冷却される。これにより、電池ユニット内部に熱が蓄えられてしまうことが抑制される。また、放熱部材には弾性体部が設けられているので、電池ユニットが熱膨張しても、その変形が無理に抑制されることはない。そのため、電池ユニットへの応力を緩和させることができる。また、弾性体部の両面がそれぞれラミネートフィルムに密着するため、放熱部材のラミネートフィルムへの密着性を高め、熱伝導性を高めることができる。また、弾性体部により、ラミネートフィルム全体に対して均一的に圧力がかかるため、放電性のバラツキを抑制することができる。更に、弾性体部が防振機能を発揮するため、電池ユニットへの振動の伝達を抑制する効果もある。

前記弾性体部は、弾性材料中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、該弾性体部の熱伝導率が０．２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下に設定されるとよい。

これにより、弾性体部の熱伝導性を満足させつつ、ラミネートフィルムとの密着性を満足させることができる。

前記弾性体部における電池ユニットとの接触面側には、複数の凹部が設けられているとよい。

これにより、弾性体部の硬度が比較的高い場合でも、弾性体部とラミネートフィルムとの密着性を高めることができる。

前記弾性体部における電池ユニットとの接触面側には、該弾性体部の側壁面側に連通する複数の溝が設けられているとよい。

これにより、弾性体部の硬度が比較的高い場合でも、弾性体部とラミネートフィルムとの密着性を高めることができ、また、溝から熱を逃がすこともできる。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、電池ユニットへの応力を緩和しつつ、放熱効果の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例１に係る全固体電池の概略構成図である。 図２は本発明の実施例１に係る電池ユニットの模式的断面図である。 図３は本発明の実施例１に係る放熱部材の平面図である。 図４は本発明の実施例１に係る放熱部材の模式的断面図である。 図５は本発明の実施例１に係る放熱部材の模式的断面図である。 図６は本発明の実施例１に係る全固体電池における熱の流れを説明する図である。 図７は本発明の実施例２に係る弾性体部の平面図である。 図８は本発明の実施例３に係る弾性体部の平面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１〜図６を参照して、本発明の実施例１に係る全固体電池について説明する。

＜全固体電池の全体構成＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例に係る全固体電池の全体構成について説明する。図１は本発明の実施例に係る全固体電池の概略構成図である。本実施例に係る全固体電池１００は、電池ユニット１０が複数積層されており、各電池ユニット１０の間には、それぞれ放熱部材２０が介在されるように構成されている。これら複数の電池ユニット１０及び放熱部材２０は、ケース４０内に収納されている。また、各電池ユニット１０に接続された配線３０は、ケース４０の外部に引き出されるように構成されている。なお、電池ユニット１０や放熱部材２０は、上面側から見た形状は四角形であり、図１においては、積層方向に切断した断面的な図によって、全固体電池１００の概略構成を示している。

＜電池ユニット＞
特に、図２を参照して、電池ユニット１０について、より詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係る電池ユニットの模式的断面図である。本実施例に係る電池ユニット１０は、電池本体がラミネートフィルムによって包装されたラミネート型の全固体電池である。ここでは、電池ユニット１０として、ラミネート型の全固体リチウム電池を用いた場合を例にして説明する。

電池ユニット１０は、正極層１２と負極層１３とによって固体電解質層１１が挟み込まれた構造の電池本体がラミネートフィルム１４によって包装されることで構成される。固体電解質層１１は、リチウムイオン伝導性を備えており、当該伝導性が高いほどよい。なお、正極層１２，負極層１３及び固体電解質層１１は、平面形状（上面側から見た形状）が、いずれも４角形で、その大きさも同一である。図２においては、これらの層の積層方向に電池ユニット１０を切断した断面を示している。

ラミネートフィルム１４は、金属層と樹脂層が積層されたものを好適に用いることができる。特に、アルミニウムと熱溶着樹脂を重ね合わせてフィルム状にしたアルミラミネートフィルムを好適に用いることができる。そして、本実施例においては、一対のラミネートフィルム１４の周縁を互いに密着することで、ラミネートフィルム１４の内部に電池本体が包装されている。また、正極層１２における固体電解質層１１とは反対側の全面、及び負極層１３における固体電解質層１１とは反対側の全面は、ラミネートフィルム１４に対してそれぞれ密着している。

正極層１２と負極層１３にそれぞれ接続されている配線３０はラミネートフィルム１４の外部に引き出されている。一対のラミネートフィルム１４の周縁のうち、配線３０が引き出されている部分を除く全体が互いに密着するように構成されている。そのため、ラミネートフィルム１４の内部は密封された状態となっている。これにより、ラミネートフィルム１４の内部への水分の浸入が抑制される。

＜放熱部材＞
特に、図３〜図６を参照して、放熱部材２０について、より詳細に説明する。図３は本
発明の実施例１に係る放熱部材の平面図である。図４は本発明の実施例１に係る放熱部材の模式的断面図であり、図３中のＡＡ断面図である。図５は本発明の実施例１に係る放熱部材の模式的断面図であり、図３中のＢＢ断面図である。

本実施例に係る放熱部材２０は、ヒートパイプ２１と、ヒートパイプ２１を覆う弾性体部２２と、ヒートパイプ２１に取り付けられるヒートシンク２１ａとから構成される。ヒートパイプ２１は、その一部が弾性体部２２の外側の位置まで引き出されており、この引き出された部分にヒートシンク２１ａが取り付けられている。弾性体部２２は、その両面がそれぞれラミネートフィルム１４に密着するように構成されている。この弾性体部２２は、ラミネートフィルム１４に密着するように、全体的な形状は、薄い平板形状（シート形状）となっている。なお、本実施例においては、ヒートパイプ２１が三個設けられる場合を示したが、本発明においては、ヒートパイプの個数が限定されることはなく、１，２個でもよいし、４個以上でもよい。

ヒートパイプ２１自体の構成、及びヒートシンク２１ａ自体の構成については、各種公知技術を適用可能であるので、その詳細な説明は省略する。なお、ヒートパイプ２１は、薄型のものを採用するのが好ましい。例えば、厚さが１ｍｍ以下のヒートパイプ２１を好適に用いることができる。また、ヒートパイプ２１の材料としては、熱伝導性に優れた銅を採用するのが好適である。

弾性体部２２は、熱伝導性を有している。より具体的には、弾性体部２２は、ゴムやエラストマーなどの弾性材料を母材として、母材中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、弾性と熱伝導性の両者を有するように構成されている。更に具体的には、弾性体部２２は、ＪＩＳ Ｋ６２５３で規定されるデュロメータ硬さ（タイプＡ）が１０度以上９０度以下、かつ熱伝導率が０．２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下に設定されるとよい。

弾性体部２２の熱伝導率が０．２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１未満だと放熱機能が不十分になってしまう。また、弾性体部２２の熱伝導率が４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１を超えると、弾性体部２２自体の熱伝導性は優れるものの、フィラーの充填率を高めなければならないことから、ヒートパイプ２１との接着性が低下してしまい、ラミネートフィルム１４との密着性も低下してしまう。そのため、結果的に、電池ユニット１０からヒートパイプ２１への熱伝導性が低下してしまう。

また、弾性体部２２のデュロメータ硬さ（タイプＡ）が９０度を超えるとラミネートフィルム１４との密着性が低下してしまう。そして、弾性体部２２のデュロメータ硬さ（タイプＡ）が１０度よりも小さいと、ラミネートフィルム１４との密着性は優れるものの、フィラーの充填率を低くしなければならないことから、弾性体部２２自体の熱伝導性が不十分になってしまう。

更に、弾性体部２２の厚みは、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下にすると好適である。この厚みが０．２ｍｍ未満の場合には、電池ユニット１０が熱膨張した際に、応力を緩和する機能が十分に発揮されなくなってしまう。また、厚みを５ｍｍよりも大きくすると、全固体電池１００が大きくなり、重量も重くなってしまう。

弾性体部２２の母材の具体例としては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴムを挙げることができる。特に、成形性に優れ、かつラミネートフィルム１４との密着性に優れるシリコーンゴムを好適に用いることができる。また、フィラーの材料の具体例としては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、
窒化アルミニウム、アルミナ、銀、銅、シリカ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、カーボンナノチューブを挙げることができる。

＜放熱メカニズム＞
特に、図６を参照して、本実施例に係る全固体電池１００における放熱メカニズムについて説明する。図６は本発明の実施例に係る全固体電池における熱の流れを説明する図である。

電池ユニット１０は、充電時及び放電時に発熱する。電池ユニット１０により発生した熱は、電池ユニット１０に密着して配置された放熱部材２０へと伝わる。放熱部材２０においては、弾性体部２２からヒートパイプ２１へと熱が伝わる。そして、ヒートパイプ２１に伝わった熱は、ヒートシンク２１ａにより冷却される。なお、ヒートパイプ２１内においては、加熱されて高温になった流体がヒートシンク２１ａに向かって移動し、ヒートシンク２１ａにより冷却された流体がヒートシンク２１ａから離れる方向に移動する。このように、ヒートパイプ２１内で流体が循環することで、熱をヒートシンク２１ａから外部に逃がすことができる。なお、図６中の矢印は、電池ユニット１０により発生した熱が逃げていく方向を示している。

＜本実施例に係る全固体電池の優れた点＞
以上説明したように、本実施例に係る全固体電池１００によれば、電池ユニット１０から発生した熱は、放熱部材２０における弾性体部２２からヒートパイプ２１へと伝わる。そして、ヒートパイプ２１に伝わった熱は、ヒートシンク２１ａにより冷却される。これにより、電池ユニット１０の内部に熱が蓄えられてしまうことが抑制される。なお、ファン等を設置して、ヒートシンク２１ａを積極的に冷却することで、より効果的に熱を逃がすことが可能となる。

また、放熱部材２０には弾性体部２２が設けられているので、電池ユニット１０が熱膨張しても、その変形が無理に抑制されることはない。そのため、電池ユニット１０への応力を緩和させることができる。また、弾性体部２２の両面がそれぞれラミネートフィルム１４に密着するため、放熱部材２０のラミネートフィルム１４への密着性を高め、熱伝導性を高めることができる。また、弾性体部２２により、ラミネートフィルム１４全体に対して均一的に圧力がかかるため、放電性のバラツキを抑制することができる。すなわち、電池本体に対する面圧が不均一な場合、位置に応じて放電性が異なるため、劣化が促進されてしまう。これに対して、本実施例においては、上記のように、ラミネートフィルム１４全体に対して均一的に圧力が加わり、電池本体に対する面圧が均一的となる。従って、各位置での放電性のバラツキを抑制することができる。更に、放熱部材２０に設けられた弾性体部２２によって防振機能が発揮される。従って、外部から電池ユニット１０への振動の伝達を抑制する効果もある。

更に、上記の通り、弾性体部２２は、弾性材料中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、弾性体部２２の熱伝導率が０．２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下に設定されるとよい。これにより、弾性体部２２の熱伝導性を満足させつつ、ラミネートフィルム１４との密着性を満足させることができる。

（実施例２）
図７には、本発明の実施例２が示されている。本実施例においては、弾性体部の変形例について説明する。図７は本発明の実施例２に係る弾性体部を示す平面図である。

本実施例に係る弾性体部２２ａには、電池ユニットとの接触面側に、複数の凹部（ディンプル）２２ａ１が設けられている。これにより、弾性体部２２ａの硬度が比較的高い場
合でも、弾性体部２２ａにおける凹部２２ａ１の付近は変形し易くなる。そのため、弾性体部２２ａと、上記実施例１で説明した電池ユニット１０におけるラミネートフィルム１４との密着性を高めることができる。一般的に、ゴム材料の熱伝導性を高くすると、ゴムの硬度は高くなる。従って、ゴムの硬度が高い場合に、本実施例に係る弾性体部２２ａを適用すると好適である。

なお、本実施例に係る弾性体部２２ａは、上記実施例１における放熱部材２０における弾性体部２２の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る弾性体部２２ａの場合においても、上記実施例１の場合と同様に、ヒートパイプ２１と、ヒートパイプ２１を覆う本実施例に係る弾性体部２２ａと、ヒートパイプ２１に取り付けられるヒートシンク２１ａとから放熱部材が構成される。

（実施例３）
図８には、本発明の実施例３が示されている。本実施例においては、弾性体部の変形例について説明する。図８は本発明の実施例３に係る弾性体部を示す平面図である。

本実施例に係る弾性体部２２ｂには、電池ユニットとの接触面側に、弾性体部２２ｂの側壁面側に連通する複数の溝２２ｂ１が設けられている。これにより、弾性体部２２ｂの硬度が比較的高い場合でも、弾性体部２２ｂにおける溝２２ｂ１の付近は変形し易くなる。そのため、弾性体部２２ｂと、上記実施例１で説明した電池ユニット１０におけるラミネートフィルム１４との密着性を高めることができる。一般的に、ゴム材料の熱伝導性を高くすると、ゴムの硬度は高くなる。従って、ゴムの硬度が高い場合に、本実施例に係る弾性体部２２ｂを適用すると好適である。また、本実施例の場合には、溝２２ｂ１が空気の通り道となるため、溝２２ｂ１から熱を逃がす効果もある。

なお、本実施例に係る弾性体部２２ｂは、上記実施例１における放熱部材２０における弾性体部２２の代わりに用いることができる。従って、本実施例に係る弾性体部２２ｂの場合においても、上記実施例１の場合と同様に、ヒートパイプ２１と、ヒートパイプ２１を覆う本実施例に係る弾性体部２２ｂと、ヒートパイプ２１に取り付けられるヒートシンク２１ａとから放熱部材が構成される。

１０ 電池ユニット
１１ 固体電解質層
１２ 正極層
１３ 負極層
１４ ラミネートフィルム
２０ 放熱部材
２１ ヒートパイプ
２１ａ ヒートシンク
２２，２２ａ，２２ｂ 弾性体部
２２ａ１ 凹部
２２ｂ１ 溝
３０ 配線
４０ ケース
１００ 全固体電池

Claims (4)

1. 電池ユニットが複数積層される全固体電池において、
   前記電池ユニットは、正極層と負極層とによって固体電解質層が挟み込まれた構造の電池本体がラミネートフィルムによって包装されることで構成されると共に、
   各電池ユニットの間には、それぞれ放熱部材が介在されており、
   これらの放熱部材は、
   ヒートパイプと、
   その両面がそれぞれ前記ラミネートフィルムに密着し、かつ前記ヒートパイプを覆う弾性体部と、
   前記ヒートパイプに取り付けられるヒートシンクと、
   を備え、
   前記ヒートパイプは、その一部が前記弾性体部の外側の位置まで引き出されており、この引き出された部分に前記ヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする全固体電池。
2. 前記弾性体部は、弾性材料中に熱伝導性の高いフィラーが充填されることによって、該弾性体部の熱伝導率が０．２Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上４Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の全固体電池。
3. 前記弾性体部における電池ユニットとの接触面側には、複数の凹部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の全固体電池。
4. 前記弾性体部における電池ユニットとの接触面側には、該弾性体部の側壁面側に連通する複数の溝が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の全固体電池。

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