JP2017135100A - リチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質層の剥離を抑制可能なリチウムイオン電池を提供する。【解決手段】リチウムイオン電池１０は、正極層１２と、負極層１６と、固体電解質層１４とを備える。正極層１２は、第１主面Ｓ１と、第２主面Ｓ２と、第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２に連なる側面Ｓ３とを有する。固体電解質層１４は、正極層１２と負極層１６の間に配置される。固体電解質層１４は、本体部３０と、保持部４０とを有する。本体部３０は、第１主面Ｓ１の略全面を覆う。保持部４０は、本体部３０と一体的に設けられ、側面Ｓ３の少なくとも一部と第２主面Ｓ２の一部とを覆う。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池に関する。

近年、正極層と固体電解質層と負極層とを備えるリチウムイオン電池の開発が進められている。一般的に、固体電解質層は正極層上に形成され、負極層は固体電解質層上に形成される。

特許５０４３２０３号公報

ここで、リチウムイオン電池の充放電に伴って、正極層は膨張収縮するのに対して、固体電解質層はほとんど膨張収縮しない。そのため、正極層と固体電解質層の界面に応力が発生することによって、固体電解質層が正極層から剥離するおそれがある。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、固体電解質層の剥離を抑制可能なリチウムイオン電池を提供することを目的とする。

本発明に係るリチウムイオン電池は、正極層と、負極層と、固体電解質層とを備える。正極層は、第１主面と、第２主面と、第１主面と第２主面に連なる側面とを有する。固体電解質層は、正極層と負極層の間に配置される。固体電解質層は、本体部と、保持部とを有する。本体部は、第１主面の略全面を覆う。保持部は、本体部と一体的に設けられ、側面の少なくとも一部と第２主面の一部とを覆う。

本発明によれば、固体電解質層の剥離を抑制可能なリチウムイオン電池を提供することができる。

実施形態に係るリチウムイオン電池の構成を模式的に示す断面図 実施形態に係る正極層の第２主面側からの平面図 他の実施形態に係る固体電解質層の保持部の構成を示す平面図

（リチウムイオン電池１０の構成）
図１は、本実施形態に係るリチウムイオン電池１０の構成を示す断面図である。リチウムイオン電池１０は、配向正極板１２（正極層の一例）、固体電解質層１４、負極層１６、導電性接着剤層１８、正極外装材２０、負極外装材２２、及び封止部２４を備える。配向正極板１２、固体電解質層１４及び負極層１６は、単電池を構成する。正極外装材２０、負極外装材２２及び封止部２４は、外装材を構成する。

１．配向正極板１２
配向正極板１２は、板状のセラミックス焼結体である。配向正極板１２は、第１主面Ｓ１と、第２主面Ｓ２と、側面Ｓ３とを有する。第１主面Ｓ１は、配向正極板１２の板面である。第１主面Ｓ１は、配向正極板１２、固体電解質層１４及び負極層１６の積層方向に対して略垂直（例えば、±５度以内）である。第１主面Ｓ１は、配向正極板１２のうち負極層１６側の表面である。第２主面Ｓ２は、配向正極板１２の板面である。第２主面Ｓ２は、積層方向に対して略垂直（例えば、±５度以内）である。第２主面Ｓ２は、配向正極板１２のうち負極層１６と反対側の表面である。側面Ｓ３は、第１主面Ｓ１と第２主面Ｓ２に連なる。

配向正極板１２は、セラミックス焼結体であるため、気相法によって形成される膜に比べて厚さを大きくすることによって電池容量及びエネルギー密度を向上させることができる。また、配向正極板１２の組成は原料の秤量によって調整できるため、気相法によって形成される膜に比べて組成を精度よく制御することができる。配向正極板１２の厚さは特に制限されないが、５μｍ以上８０μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

配向正極板１２は、配向された複数のリチウム遷移金属酸化物粒子によって構成される配向多結晶体である。すなわち、配向多結晶体である配向正極板１２を形成する粒子は、リチウム遷移金属酸化物によって構成される。

リチウム遷移金属酸化物は、層状岩塩構造又はスピネル構造を有するのが好ましく、層状岩塩構造を有するのがより好ましい。層状岩塩構造は、リチウムイオンの蓄積によって酸化還元電位が低下し、リチウムイオンの放出によって酸化還元電位が上昇する性質を有する。ここで、層状岩塩構造は、リチウム以外の遷移金属系層とリチウム層とが酸素原子を含む層を介して交互に積層された結晶構造である。すなわち、層状岩塩構造は、リチウム以外の遷移金属などのイオン層とリチウムイオン層とが酸化物イオン層を挟んで交互に積層された結晶構造である。このような結晶構造としては、立方晶岩塩型構造の［１１１］軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列したα−ＮａＦｅＯ_２型構造が挙げられる。

層状岩塩構造を有するリチウム−遷移金属系複合酸化物としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル・マンガン酸リチウム、ニッケル・コバルト酸リチウム、コバルト・ニッケル・マンガン酸リチウム、コバルト・マンガン酸リチウムなどが挙げられる。リチウム−遷移金属系複合酸化物には、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｂａ，Ｂｉなどのうち一種以上の元素が含まれていてもよい。

このように、リチウム遷移金属酸化物粒子は、Ｌｉ_ｘＭ１Ｏ_２又はＬｉ_ｘ（Ｍ１，Ｍ２）Ｏ_２（式中、０．５＜ｘ＜１．１０、Ｍ１はＮｉ，Ｍｎ及びＣｏの群から選択される少なくとも一種の遷移金属元素、Ｍ２はＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｂａ及びＢｉの群から選択される少なくとも一種の元素である）で表される組成を有するのが好ましい。リチウム遷移金属酸化物粒子は、Ｌｉ_ｘ（Ｍ１，Ｍ２）Ｏ_２で表される組成を有し、かつ、Ｍ１がＮｉ及びＣｏであって、Ｍ２はＭｇ，Ａｌ及びＺｒの群から選択される少なくとも一種であることがより好ましい。リチウム遷移金属酸化物粒子は、Ｌｉ_ｘ（Ｍ１，Ｍ２）Ｏ_２で表される組成を有し、かつ、Ｍ１がＮｉ及びＣｏであって、Ｍ２がＡｌであることがさらに好ましい。さらに、リチウム遷移金属酸化物粒子は、Ｌｉ_ｘＭ１Ｏ_２で表される組成を有し、かつ、Ｍ１がＮｉ，Ｍｎ及びＣｏであるか、又は、Ｍ１がＣｏであるのも好ましい。

なお、Ｌｉ_ｘ（Ｍ１，Ｍ２）Ｏ_２という組成式は、具体的には、Ｌｉ_ｘ（Ｍ１_ｍ，Ｍ２_ｎ）（式中、０＜ｍ＜１、０＜ｎ＜１、ｍ＋ｎ＝１）と表される。式中、Ｍ１及びＭ２の合計量に占めるＮｉの割合は原子比で０．６以上であることが好ましい。以上の組成は、いずれも層状岩塩構造を採ることができる。

Ｌｉ_ｘ（Ｎｉ，Ｃｏ，Ａｌ）Ｏ_２系組成を有し、かつ、Ｍ１がＮｉ及びＣｏであって、Ｍ２がＡｌであるセラミックスは、ＮＣＡセラミックスと称される。ＮＣＡセラミックスは、一般式Ｌｉ_ｐ（Ｎｉ_ｘ，Ｃｏ_ｙ，Ａｌ_ｚ）Ｏ_２（式中、０．９≦ｐ≦１．３、０．６＜ｘ≦０．９、０．１＜ｙ≦０．３、０≦ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有し、かつ、層状岩塩構造を有するのが好ましい。

上述のとおり、配向正極板１２は、配向された複数のリチウム遷移金属酸化物粒子によって構成される配向多結晶体である。配向正極板１２において、複数のリチウム遷移金属酸化物粒子は、所定の方向に配向されていることが好ましい。所定の方向は、リチウムイオンの伝導方向であることが好ましい。従って、配向正極板１２の構成粒子の特定の結晶面は、配向正極板１２から負極層１６に向かう方向に配向されていることが好ましい。具体的には、配向正極板１２の構成粒子の（００３）面が、配向正極板１２、固体電解質層１４、中間層１５及び負極層１６の積層方向に配向されていることが好ましい。言い換えると、（００３）面が、積層面と交差する方向に配向されていることが好ましい。これによって、配向正極板１２に対するリチウムイオンの蓄積時及び放出時の抵抗を低減できるため、高入力時（すなわち、充電時）に多くのリチウムイオンを放出できるとともに、高出力時（すなわち、放電時）に多くのリチウムイオンを蓄積することができる。

配向多結晶体の配向度は、１０％以上とすることができる。配向多結晶体の配向度の下限値は、２０％以上が好ましく、３０％以上がより好ましく、４０％以上がさらに好ましく、５０％以上が特に好ましい。配向度の上限値は特に制限されないが、９５％以下とすることができる。配向度の上限値は、９０％以下、８５％以下、８０％以下、７５％以下、又は７０％以下とすることができる。配向正極板１２の配向度は、ＸＲＤ装置（例えば、株式会社リガク製、ＴＴＲ−ＩＩＩ）によって得られる接触面１２ＳにおけるＸＲＤプロファイルを用いて、ロットゲーリング法に従って下記式（１）から算出される。ＸＲＤ装置による測定は、２θで１０°から７０°のＸ線回折角の範囲を２°／ｍｉｎかつステップ幅０．０２°の条件で行うものとする。

上記式（１）において、Ｉは、測定試料の回折強度であり、Ｉ_０は無配向の参照試料の回折強度である。（ＨＫＬ）は、配向度を評価したい回折線であり、（００ｌ）（ｌは、例えば３、６及び９）以外の回折線に相当にする。（ｈｋｌ）は、全ての回折線に相当する。

無配向の参照試料とは、無配向であること以外は測位試料と同様の構成を有する試料である。参照試料は、例えば配向正極板１２の試料を乳鉢で粉砕して無配向状態にすることによって得られる。

上記式（１）において、（ＨＫＬ）から（００ｌ）の回折線が除かれているのは、（００ｌ）の回折線に対応する面（例えば、（００３）面など）ではその面内方向にしかリチウムイオンが移動できないため、この面が積層方向に対して垂直な面方向に沿って配向されると、リチウムイオンの移動が妨げられるからである。

このような配向多結晶体である配向正極板１２は、無配向の多結晶体に比べて厚さを大きくすることができる。配向正極板１２の厚さは、単位面積当りの活物質容量を考慮すると、２０μｍ以上が好ましく、２５μｍ以上がより好ましく、３０μｍ以上がさらに好ましく、３５μｍ以上が特に好ましい。配向正極板１２の厚さの上限値は特に制限されないが、充放電の繰り返しに伴う電池特性の劣化（特に、抵抗値の上昇）の抑制を考慮すると、１００μｍ未満が好ましく、９０μｍ以下がより好ましく、８０μｍ以下がさらに好ましく、７０μｍ以下が特に好ましい。

配向正極板１２は、シート状に形成されるのが好ましい。配向正極板１２は、シート状に形成された１枚の正極活物質によって構成されていてもよいし、シート状に形成された正極活物質の小片を層状に配置することによって構成されていてもよい。

配向正極板１２の相対密度は、７５％以上９９．９７％以下が好ましく、８０％以上９９．９５％以下がより好ましく、９０％以上９９．９０％以下がさらに好ましく、９５％以上９９．８８％以下が特に好ましく、９７％以上９９．８５％以下が最も好ましい。配向正極板１２の相対密度は、容量及びエネルギー密度を考慮すれば基本的には高い方が望ましいが、相対密度を上記の範囲内にすることによって、充放電を繰り返したときの抵抗値の上昇を抑制できる。これは、リチウムの蓄積及び放出に伴って配向正極板１２が適度に膨張収縮することによって応力を緩和できるためだと考えられる。

なお、配向正極板１２の構成及び作製方法については、特開２０１２−００９１９３号公報、特開２０１２−００９１９４号公報及び特許第４７４５４６３号公報に詳細に記載されている。本明細書では、これら３つの公報の開示内容を援用する。

２．固体電解質層１４
固体電解質層１４は、配向正極板１２と負極層１６の間に配置される。固体電解質層１４は、本体部３０と、保持部４０とを有する。固体電解質層１４は、本体部３０に連なる保持部４０によって配向正極板１２を挟み込んでいる。これによって、リチウムイオン電池１０の充放電に伴って配向正極板１２が膨張収縮しても、配向正極板１２と固体電解質層１４の界面に発生する応力を低減できるため、固体電解質層１４が配向正極板１２から剥離することを抑制できる。

本体部３０は、配向正極板１２の第１主面Ｓ１の略全面を覆う。本体部３０による第１主面Ｓ１の被覆率は、９０％以上であり、９５％以上が好ましく、９８％以上がより好ましい。本体部３０の厚みは特に制限されないが、０.１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。固体電解質層１４の厚さは、充放電レート特性を考慮すると０.２μｍ以上７５μｍ以下が好ましく、０.３μｍ以上５０μｍ以下がより好ましい。

保持部４０は、本体部３０と一体的に設けられる。本実施形態において、保持部４０は、配向正極板１２の側面Ｓ３の略全周と第２主面Ｓ２のうち外縁の略全周とを覆っている。

ここで、図２は、配向正極板１２を第２主面Ｓ２側から見た平面図である。保持部４０は、側面Ｓ３上に配置される第１部分４１と、第２主面Ｓ２上に配置される第２部分４２とを含む。

第１部分４１は、側面Ｓ３の略全周を覆う。第１部分４１は、本体部３０と一体的に設けられる。第１部分４１による側面Ｓ３の被覆率は、９０％以上であり、９５％以上が好ましく、９８％以上がより好ましい。第１部分４１の厚みは特に制限されないが、０．０５μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。第１部分４１の厚みは、本体部３０の厚み以下であってもよいし、本体部３０の厚みより大きくてもよい。第１部分４１の厚みを、本体部３０の厚みより大きくすることによって保持部４０の剛性を向上させることができるため、配向正極板１２と固体電解質層１４の界面に応力が発生することをより抑制できる。

第２部分４２は、第２主面Ｓ２のうち外縁の全周を覆う。第２部分４２は、第１部分４１と一体的に設けられる。第２部分４２は、配向正極板１２を挟んで本体部３０の反対側に配置される。第２部分４２の厚みは特に制限されないが、０．０５μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。第２部分４２の厚みは、本体部３０の厚み以下であってもよいし、本体部３０の厚みより大きくてもよい。第２部分４２の厚みを、本体部３０の厚みより大きくすることによって保持部４０の剛性を向上させることができるため、配向正極板１２と固体電解質層１４の界面に応力が発生することをより抑制できる。

第２部分４２が第２主面Ｓ２の外縁を被覆する幅（以下、「被覆幅」という。）Ｗ１は特に制限されないが、配向正極板１２の全幅Ｗ２の０．５％以上１５％以下とすることができる。第２部分４２の被覆幅Ｗ１は、全幅Ｗ２の１％以上であることが好ましい。これによって、保持部４０で配向正極板１２を強固に挟み込むことができる。第２部分４２の被覆幅Ｗ１は、全幅Ｗ２の１０％以下であることが好ましい。これによって、導電性接着剤層１８が第２主面Ｓ２と接合する領域を十分確保できるため、配向正極板１２と導電性接着剤層１８の機械的かつ電気的接合を向上させることができる。なお、図２に示すように、第２部分４２は、導電性接着剤層１８から離れているが、導電性接着剤層１８の少なくとも一部と接していてもよい。

固体電解質層１４は、リチウムイオン伝導材料によって構成される。固体電解質層固体電解質層１４を構成するリチウムイオン伝導材料には、酸化物系セラミックス材料と硫化物系セラミックス材料がある。酸化物系セラミックス材料としては、ガーネット系セラミックス材料、窒化物系セラミックス材料、ペロブスカイト系セラミックス材料、リン酸系セラミックス材料及びゼオライト系材料が挙げられる。硫化物材料としては、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｂ_２Ｓ_３２系、若しくはＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２系の固体電解質、チオリシコン及びＬｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２が挙げられる。

ガーネット系セラミックス材料としては、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏ系材料（具体的には、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２など。以下、「ＬＬＺ系セラミックス材料」という。）やＬｉ−Ｌａ−Ｔａ−Ｏ系材料（具体的には、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｔａ_２Ｏ_１２など）が挙げられる。窒化物系セラミックス材料としては、Ｌｉ_３Ｎが挙げられる。ペロブスカイト系セラミックス材料としては、ＬＬＴ系セラミックス材料（具体的には、ＬｉＬａ_１−ｘＴｉ_ｘＯ_３（０．０４≦ｘ≦０．１４）など）が挙げられる。

リン酸系セラミックス材料は、酸化物系セラミックス材料の１つである。リン酸系セラミックス材料としては、リン酸リチウム、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）、Ｌｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｐ−Ｏ，Ｌｉ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｐ−Ｏ、及びＬｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｐ−Ｏ（具体的には、Ｌｉ_{１＋ｘ＋ｙ}Ａｌ_ｘＴｉ_２−ｘＳｉ_ｙＰ_３−ｙＯ_１２（０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）など）が挙げられる。

固体電解質層１４は、ＬｉＰＯＮ系セラミックス材料及び／又はＬＬＺ系セラミックス材料によって構成されるのが特に好ましい。

ＬｉＰＯＮ系セラミックス材料は、Ｌｉ_２．９ＰＯ_３．３Ｎ_０．４６の組成によって代表されるような化合物群であり、例えばＬｉ_ａＰＯ_ｂＮ_ｃ（式中、ａは２〜４、ｂは３〜５、ｃは０．１〜０．９である。）で表される化合物群である。

ＬＬＺ系セラミックス材料は、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ及びＯを含むガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物焼結体である。ＬＬＺ系セラミックス材料としては、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２などのガーネット系セラミックス材料が挙げられる。ガーネット系セラミックス材料は、負極層１６と直接接触しても反応が起きないリチウムイオン伝導材料である。ＬＬＺ系セラミックス材料は、焼結性に優れるため緻密化しやすく、かつ、イオン伝導率も高い。ＬＬＺ系セラミックス材料の結晶構造は、ＬＬＺ結晶構造と呼ばれており、ＬＬＺ系セラミックス材料のＸＲＤパターンはＣＳＤ（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄａｔａｂａｓｅ）のＸ線回折ファイルＮｏ．４２２２５９（Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２）に類似している。なお、ＬＬＺ系セラミックス材料とＮｏ．４２２２５９とでは構成元素が異なり、またセラミックス中のＬｉ濃度などが異なる可能性もある。そのため、ＬＬＺ系セラミックス材料とＮｏ．４２２２５９とでは回折角度や回折強度比が異なる場合がある。

なお、ＬＬＺ系セラミックス材料におけるＬａに対するＬｉのモル数の比Ｌｉ／Ｌａは、２．０以上２．５以下が好ましい。ＬＬＺ系セラミックス材料におけるＬａに対するＺｒのモル比Ｚｒ／Ｌａは、０．５以上０．６７以下が好ましい。

ＬＬＺ系セラミックス材料は、Ｎｂ及び／又はＴａをさらに含んでいてもよい。ＬＬＺ系セラミックス材料中のＺｒの一部をＮｂ及びＴａのいずれか一方又は双方で置換することによって、置換前よりも伝導率を向上させることができる。ＺｒのＮｂ及び／又はＴａによる置換量（モル比）は、（Ｎｂ＋Ｔａ）／Ｌａのモル比が０．０３以上０．２０以下となる量にすることが好ましい。また、ＬＬＺ系セラミックス材料は、Ａｌをさらに含んでいるのが好ましい。焼結体におけるＡｌの添加量は、０．０１〜１質量％が好ましい。Ｌａに対するＡｌのモル比Ａｌ／Ｌａは、０．００８〜０．１２が好ましい。Ｎｂ、Ｔａ及びＡｌの元素は、結晶格子に存在してもよいし、結晶格子外に存在していてもよい。ＬＬＺ系セラミックス材料は、公知の手法に従って、又は、公知の手法を適宜修正することによって製造することができる。

このような固体電解質層１４の形成方法としては、各種パーティクルジェットコーティング法、固相法、溶液法、気相法、圧粉成形法などを用いることができる。

パーティクルジェットコーティング法の例としては、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法、ガスデポジション（ＧＤ）法、パウダージェットデポジション（ＰＪＤ）法、コールドスプレー（ＣＳ）法、溶射法等が挙げられる。特に、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法は、常温成膜が可能であり、プロセス中の組成ズレや、配向正極板との反応による高抵抗層が形成されにくいため好ましい。

パーティクルジェットコーティング法によれば、固体電解質層１４の厚みを容易に調整することができる。特に、パーティクルジェットコーティング法によれば、固体電解質層１４のうち本体部３０と保持部４０の厚みを独立して調整できるため好ましい。例えば、配向正極板１２と負極層１６との間におけるリチウムイオン伝導性を向上させるために本体部３０を薄くしつつ、保持部４０の剛性を向上させるために保持部４０を厚くすることができる。また、パーティクルジェットコーティング法によれば、保持部４０のうち第１部分４１と第２部分４２の厚みを独立して調整することもできる。

なお、固体電解質として硫化物系セラミックス材料を用いる場合には、パーティクルジェットコーティング法によって形成した成形体を焼き付ける必要がない。そのため、パーティクルジェットコーティング法は、固体電解質層１４を構成するリチウムイオン伝導材料のうち硫化物系セラミックス材料に好適である。

固相法の例としては、テープ積層法、印刷法、塗布法等が挙げられる。特に、テープ積層法は固体電解質層１４を薄く形成することが可能であり、厚さの制御が容易であるため好ましい。テープ積層法によって形成した成形体には、加圧処理を施してもよい。加圧方法としては、水などを圧力媒体とする圧媒加圧法が好適である。これによって、成形体を全体的に均一に加圧することができる。圧媒加圧法としては、例えば、変形可能な防水容器に成形体を密閉収納して静水圧で加圧するＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）法などを用いることができる。

なお、固体電解質として硫化物系セラミックス材料を用いる場合には、固相法によって形成した成形体を焼き付ける必要がない。そのため、固相法は、層固体電解質層１４を構成するリチウムイオン伝導材料のうち硫化物系セラミックス材料に好適である。

溶液法の例としては、ソルボサーマル法、水熱合成法、ゾルゲル法、沈殿法、マイクロエマルション法、溶媒蒸発法等が挙げられる。固体電解質として酸化物系セラミックス材料（例えば、ＬｉＰＯＮ系セラミックス材料など）を使う場合、特に、水熱合成法は、低温で結晶性の高い結晶粒を得やすいため好ましい。また、溶液法で微結晶を合成する場合には、微結晶を正極上に堆積させてもよいし、微結晶を正極上に直接析出させてもよい。また、固体電解質として硫化物系セラミックス材料を使う場合、特に、溶媒蒸発法は、固体電解質層１４の厚みを容易に調整できるため好ましい。

気相法の例としては、スパッタリング法、レーザー堆積（ＰＬＤ）法、蒸発凝縮（ＰＶＤ）法、気相反応法（ＣＶＤ）法、真空蒸着法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等が挙げられる。酸化物系セラミックス材料を用いる場合には、電池性能に不具合が生じることを抑制できるためスパッタリング法を用いることが好ましい。

例えば、スパッタリング法によってＬｉＰＯＮ系セラミックス材料によって固体電解質層１４を形成する場合には、公知の条件に従って行うことができ、Ｌｉ源、Ｐ源及びＯ源としてリン酸リチウム焼結体ターゲットを用いて、Ｎ源としてのガス種としてＮ_２を導入すればよい。

スパッタリング法による固体電解質層１４の形成は、配向正極板１２を導電性接着剤層１８によって正極外装材２０に固定した状態で行われてもよいし、配向正極板１２を載置板に仮留めした状態で行われてもよい。配向正極板１２の第１主面Ｓ１をターゲットに対向させてスパッタリングすることによって、本体部３０と保持部４０を含む固体電解質層１４の全体を一回的に形成することができる。ただし、第１主面Ｓ１をターゲットに対向させてスパッタリングする工程と、外縁部だけを露出させた第２主面Ｓ２をターゲットに対向させてスパッタリングする工程とに分けて、本体部３０と保持部４０を形成することもできる。この場合には、固体電解質層１４のうち本体部３０と保持部４０の厚みを独立して調整できる点で好ましい。例えば、配向正極板１２と負極層１６との間におけるリチウムイオン伝導性を向上させるために本体部３０を薄くしつつ、保持部４０の剛性を向上させるために保持部４０を厚くすることができる。スパッタリング法によって固体電解質層１４を形成する場合には、スパッタリング法での成膜条件（例えば、成膜時間など）を制御することによって厚さを調整することができる。

圧粉成形法は、金型を用いて粉体を圧縮することによって成形体を形成する手法である。圧粉成形法によれば、固体電解質層１４の厚みを容易に調整することができる。特に、圧粉成形法によれば、固体電解質層１４のうち本体部３０と保持部４０の厚みを独立して調整できるため好ましい。例えば、配向正極板１２と負極層１６との間におけるリチウムイオン伝導性を向上させるために本体部３０を薄くしつつ、保持部４０の剛性を向上させるために保持部４０を厚くすることができる。また、圧粉成形法によれば、保持部４０のうち第１部分４１と第２部分４２の厚みを独立して調整することもできる。圧粉成形法によって形成した成形体には、加圧処理を施してもよい。加圧方法としては、ＣＩＰ法などの圧媒加圧法が好適である。

なお、硫化物系セラミックス材料を用いる場合には、圧粉成形法によって形成した成形体を焼き付ける必要がない。そのため、圧粉成形法は、層固体電解質層１４を構成するリチウムイオン伝導材料のうち硫化物系セラミックス材料に好適である。

また、パーティクルジェットコーティング法、固相法及び液相法のいずれかにより硫化物系セラミックス材料を用いて固体電解質層１４の成形体を形成した場合には、加圧工程、加熱工程、又はこれらの組み合わせによって、成形体に緻密化処理を施すことが好ましい。同様に、パーティクルジェットコーティング法、固相法及び液相法のいずれかにより酸化物系セラミックス材料を用いて固体電解質層１４の成形体を形成した場合には、加熱工程、又は、加熱工程と加圧工程の組み合わせによって、成形体に緻密化処理を施すことが好ましい。このような緻密化処理によって、固体電解質層１４のリチウムイオン伝導性をより向上させることができる。なお、緻密化処理が加圧工程を含む場合、その加圧方法としては、ＣＩＰ法などの圧媒加圧法が好適である。

また、配向正極板１２と固体電解質層１４の界面には界面抵抗を下げるための処理が施されていてもよい。例えば、そのような処理は、ニオブ酸化物、チタン酸化物、タングステン酸化物、タンタル酸化物、リチウム・ニッケル複合酸化物、リチウム・チタン複合酸化物、リチウム・ニオブ化合物、リチウム・タンタル化合物、リチウム・タングステン化合物、リチウム・チタン化合物、及びこれらの任意の組み合わせ若しくは複合酸化物で配向正極板１２の表面及び／又は固体電解質層１４の表面を被覆することにより行うことができる。このような処理によって配向正極板１２と固体電解質層１４の間の界面には被膜が存在しうることになるが、その被膜の厚さは例えば２０ｎｍ以下の極めて薄いものである。

３．負極層１６
負極層１６は、固体電解質層１４上に配置される。負極層１６は、リチウム金属を主成分として含有する。負極層１６は、固体電解質層１４上に形成されるリチウム含有金属膜であってもよいし、中間層１５上に載置されるリチウム含有金属箔であってもよい。リチウム含有金属膜は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などによって形成することができる。

負極層１６の厚さは特に限定されないが、２００μｍ以下とすることができる。リチウムイオン電池１０におけるリチウム総量を多く確保することと電池のエネルギー密度を高くすることを考慮すると、負極層１６の厚さは１０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上１０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以上１０μｍ以下がさらに好ましくは、２０μｍ以上１０μｍ以下が特に好ましい。

４．導電性接着剤層１８
導電性接着剤層１８は、配向正極板１２の第２主面Ｓ２上に配置される。導電性接着剤層１８は、配向正極板１２と正極外装材２０の間に配置される。導電性接着剤層１８は、配向正極板１２を正極外装材２０に機械的に接合するとともに、配向正極板１２を正極外装材２０に電気的に接合する。

導電性接着剤層１８は、導電性材料と接着剤を含む。導電性材料としては、導電性カーボンなどを用いることができる。接着剤としては、エポキシ系などの樹脂材料を用いることができる。導電性接着剤層１８の厚さは特に制限されないが、５μｍ以上１００μｍ以下とすることができ、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

導電性接着剤層１８は、図２に示すように、固体電解質層１４の保持部４０のうち第２部分４２から離れているが、第２部分４２の少なくとも一部と接していてもよい。導電性接着剤層１８が、配向正極板１２の第２主面Ｓ２を被覆する面積を大きくするほど、配向正極板１２と導電性接着剤層１８の機械的かつ電気的接合を向上させることができる。

５．外装材
外装部は、正極外装材２０、負極外装材２４及び封止部２６によって構成される。

正極外装材２０は、配向正極板１２の外側に配置される。正極外装材２０は、導電性接着剤層１８を介して配向正極板１２と電気的に接続される。正極外装材２０は、正極集電体として機能する。正極外装材２０は、金属によって構成することができる。正極外装材２０を構成する金属としては、ステンレス、アルミニウム、銅、白金、ニッケルなどが挙げられ、特にステンレスが好適である。正極外装材２０は、板状又は箔状に形成することができ、特に箔状が好ましい。従って、正極外装材２０としてステンレス箔を用いることが特に好ましい。正極外装材２０が箔状に形成される場合、正極外装材２０の厚さは１〜３０μｍとすることができ、５μｍ以上２５μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。

負極外装材２４は、負極層１６の外側に配置される。負極外装材２４は、負極層１６と電気的に接続される。負極外装材２４は、負極集電体として機能する。負極外装材２４は、金属によって構成することができる。負極外装材２４は、正極外装材２０と同様の材料によって構成することができる。従って、負極外装材２４としてステンレス箔を用いることが好ましい。負極外装材２４が箔状に形成される場合、負極外装材２４の厚さは１〜３０μｍとすることができ、５μｍ以上２５μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。

封止部２６は、正極外装材２０と負極外装材２４の隙間を封止する。封止部２６は、環状に形成される。封止部２６は、配向正極板１２、固体電解質層１４及び負極層１６によって構成される単電池の側方を取り囲む。封止部２６は、リチウムイオン電池１０内への水分の侵入を抑制する。封着材の抵抗率は、正極外装材２０と負極外装材２４の間の電気的絶縁性を確保するために１×１０^６Ωｃｍ以上が好ましく、１×１０^７Ωｃｍ以上がより好ましく、１×１０^８Ωｃｍ以上がさらに好ましい。このような封止部２６は、電気絶縁性の封着材によって構成することができる。封着材としては、樹脂を含む樹脂系封着材を用いることができる。樹脂系封着材を用いることによって、封止部２６の形成を比較的低温（例えば４００℃以下）で行うことができるため、加熱による電池の破壊や変質を抑制できる。

封止部２６は、樹脂フィルムの積層や液状樹脂のディスペンスなどによって形成することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

上記実施形態において、固体電解質層１４の保持部４０は、配向正極板１２の側面Ｓ３の略全周と第２主面Ｓ２のうち外縁の略全周とを覆うこととしたが、これに限られるものではない。固体電解質層１４の保持部４０は、側面Ｓ３の一部と第２主面Ｓ２の外縁の一部とを覆っていればよい。この場合であっても、固体電解質層１４のうち保持部４０によって配向正極板１２を挟み込んだ部分では、配向正極板１２からの剥離を抑制することができる。このように、保持部４０が側面Ｓ３の一部と第２主面Ｓ２の外縁の一部とを覆っている場合、保持部４０は、図３に示すように、第１保持部４０ａ及び第２保持部４０ｂを含んでいることが好ましい。第１保持部４０ａ及び第２保持部４０ｂそれぞれは、側面Ｓ３の一部を覆う第１部分４１と、第２主面Ｓ２の外縁の一部を覆う第２部分４２を有する。第１保持部４０ａと第２保持部４０ｂは、図３に示すように、第２主面Ｓ２の中央ＣＴで直交する２本の直線によって第１乃至第４象限ＱＤ１〜ＱＤ４を規定した場合、第１保持部４０ａの少なくとも一部は第１象限ＱＤ１に位置し、第２保持部４０ｂの少なくとも一部は第３象限ＱＤ３に位置することが特に好ましい。このように、第２主面Ｓ２の平面視において第１保持部４０ａと第２保持部４０ｂを対角線上に配置することによって配向正極板１２を強固に保持することができる。

上記実施形態において、リチウムイオン電池１０は、導電性接着剤層１８を備えることとしたが、導電性接着剤層１８を備えていなくてもよい。この場合には、外装材の内部を減圧状態にすることによって配向正極板１２を正極外装材２０に直接接合させることができる。配向正極板１２を正極外装材２０に直接接合させる場合、固体電解質層１４の保持部４０のうち第２部分４２は、配向正極板１２と正極外装材２０の間に挟まれることになる。そこで、保持部４０の剛性を確保できる範囲で、第２部分４２の厚さを薄くすることが好ましい。特に、第２部分４２を先端（すなわち、内側）に向かってテーパ状にすることによって、配向正極板１２を正極外装材２０に接合しやすくできる。

上記実施形態において、リチウムイオン電池１０は、正極外装材２０、負極外装材２２及び封止部２４によって構成される外装材を備えることとしたが、これに限られるものではない。例えば、外装材として２本の電極取り出し用タブを接着したＡｌラミネートフィルムを用いてもよい。２本の電極取り出し用タブそれぞれは、配向正極板１２と負極層１６に接続される。ラミネートフィルムを外装材とする場合、導電性接着剤層１８を用いる必要はない。また、外装材として、金属ケース、ガスケット（すなわち、パッキン）、金属キャップによって構成される容器を用いてもよい。このような容器は、いわゆるボタン型電池に広く用いられている。

上記実施形態において、リチウムイオン電池１０は、正極層の一例として配向正極板１２を備えることとしたが、配向正極板１２に代えて周知の正極活物質を含む正極層を備えていてもよい。このような正極層は、例えば特開２０１２−１４６５１２号公報や特開２０１３−１０５７０８号公報に開示されている。

上記実施形態において、リチウムイオン電池１０は、配向正極板１２、固体電解質層１４及び負極層１６によって構成される単位電池を一つだけ備えることとしたが、二つ以上の単位電池を備えていてもよい。リチウムイオン電池１０が二つ以上の単位電池を備える場合、単位電池同士は並列接続されてもよいし、直列接続されてもよい。

上記実施形態において、負極層１６は、固体電解質層１４に直接接合されることとしたが、負極層１６と固体電解質層１４の間に中間層が介挿されていてもよい。このような中間層は、リチウムと合金化可能な金属を含むことが好ましい。リチウムと合金化可能な金属としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｐｂ（鉛）、及びＢｉ（ビスマス）の群から選択される少なくとも一種を用いることができる。リチウムと合金化可能な金属としては、Ａｕ（金）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｓｎ（スズ）、Ｚｎ（亜鉛）、及びＡｌ（アルミニウム）の群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。リチウムと合金化可能な金属は、Ｍｇ_２ＳｉやＭｇ_２Ｓｎなどの二種以上の元素を含む合金であってもよい。中間層の厚さは特に制限されないが、５ｎｍ以上とすることができる。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

（サンプルＮｏ．１の作製）
１．配向正極板の作製
まず、Ｃｏ_３Ｏ_４原料粉末（体積基準Ｄ５０粒径０．３μｍ、正同化学工業株式会社製）に１０ｗｔ％の割合でＢｉ_２Ｏ_３（体積基準Ｄ５０粒径０．３μｍ、太陽鉱工株式会社製）を添加した混合粉末を得た。

次に、この混合粉末１００重量部と、分散媒（トルエン：イソプロパノール＝１：１）１００重量部と、バインダー（ポリビニルブチラール：品番ＢＭ−２、積水化学工業株式会社製）１０重量部と、可塑剤（ＤＯＰ：ジ（２−エチルヘキシル）フタレート、黒金化成株式会社製）４重量部と、分散剤（製品名レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王株式会社製）２重量部とを混合した混合物を得た。この混合物を減圧下での撹拌によって脱泡するとともに、４０００ｃＰの粘度に調製した。なお、調製時の粘度をブルックフィールド社製のＬＶＴ型粘度計で測定した。

次に、上記の調製で得られたスラリーをドクターブレード法によってＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの上に供給して乾燥し、乾燥後の厚さが２４μｍとなるようにシート状に成形することによって、未焼成のグリーンシートを作製した。

次に、上記ＰＥＴフィルムから剥がしたグリーンシートを切り出し、突起の大きさが３００μｍのエンボス加工が施されたジルコニア製セッター（寸法９０ｍｍ角、高さ１ｍｍ）の中央に載置し、１３００℃で５時間焼成後、降温速度５０℃／ｈにて降温し、セッターに溶着していない部分をＣｏ_３Ｏ_４配向焼成板として取り出した。

次に、ＬｉＯＨ・Ｈ_２Ｏ粉末（和光純薬工業株式会社製）をジェットミルで１μｍ以下に粉砕し、エタノールに分散したスラリーを作製した。このスラリーを上記Ｃｏ_３Ｏ_４配向焼成板にＬｉ／Ｃｏ＝１．３になるように塗布し、乾燥した。その後、この乾燥体を大気中にて８４０℃で１０時間加熱処理してＣｏ_３Ｏ_４配向焼成板にリチウムを導入することによって、ＬｉＣｏＯ_２からなる厚さ２４μｍのコバルト酸リチウム配向焼結板（寸法１０．５ｍｍ角、厚さ４５μｍ）を配向正極板として得た。

２．リチウムイオン電池の作製
導電性カーボンを分散させたエポキシ系の導電性接着剤を用いて、上記コバルト酸リチウム配向焼結板の第２主面側を正極外装材としてのステンレス集電板に固定した。

サンプルＮｏ．１では、コバルト酸リチウム配向焼結板の第２主面のうち外縁を除く中央部のみに導電性接着剤（寸法９ｍｍ角、厚さ３０μｍ）を配置した。

次に、直径４インチ（約１０ｃｍ）のリン酸リチウム焼結体ターゲットを準備した。このターゲットに対して、スパッタリング装置（キャノンアネルバ製、ＳＰＦ−４３０Ｈ）を用いてＲＦマグネトロン方式にてガス種Ｎ_２を０．２Ｐａ、出力０．２ｋＷの条件にて衝突させた。これによって、配向正極板上に、膜厚３．５μｍのＬｉＰＯＮ系固体電解質スパッタ膜を固体電解質層として形成した。そして、固体電解質スパッタ膜が、配向正極板の第１主面の全面と側面の全周と第２主面の外縁の全周とを覆っていることを確認した。

次に、リチウム金属を載せたタングステンボートを準備した。そして、真空蒸着装置（サンユー電子製、カーボンコーターＳＶＣ−７００）を用いて抵抗加熱によりＬｉを蒸発させることで固体電解質スパッタ膜の表面に薄膜を蒸着した。こうして、固体電解質スパッタ膜上に膜厚１０μｍのＬｉ蒸着膜を負極層として形成した。

次に、ステンレス集電板上に変性ポリプロピレン樹脂フィルムを積層することによって、単位電池を取り囲む封止部を形成した。

そして、単電池の負極層上に負極外装材としてのステンレス集電板を積層し、２００℃のホットプレートを使用して加熱圧着した。以上によって、リチウムイオン電池が完成した。

（サンプルＮｏ．２の作製）
硫化物系セラミックス材料の一つであるＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５を用いた溶媒蒸発法によって、配向正極板上に膜厚５０μｍのＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系固体電解質コーティング膜を固体電解質層として形成した以外は、サンプルＮｏ．１と同じ工程にてリチウムイオン電池を作製した。

（サンプルＮｏ．３の作製）
コバルト酸リチウム配向焼結板の第２主面のうち外縁を含む全面に導電性接着剤（寸法１０．５ｍｍ角、厚さ３０μｍ）を配置した以外は、サンプルＮｏ．１と同じ工程にてリチウムイオン電池を作製した。サンプルＮｏ．３では、固体電解質スパッタ膜が、配向正極板の第１主面の全面と側面の全周とを覆っており、第２主面の外縁を覆っていないことを確認した。

（３）電池評価
サンプルＮｏ．１〜３のリチウムイオン電池について、以下の充放電サイクルａ〜ｆを２５℃で５０サイクル繰り返した。
ａ．０．２Ｃレートの電流値で電池電圧が４．２Ｖとなるまで定電流充電する。
ｂ．電池電圧を４．２Ｖに維持する電流条件で、その電流値が１／２０に低下するまで定電圧充電した後１０分間休止する。
ｃ．０．２Ｃレートの電流値で電池電圧が３．０Ｖになるまで定電流放電した後１０分間休止する。
ｄ．０．２Ｃレートの電流値で電池電圧が４．２Ｖとなるまで定電流充電する。
ｅ．電池電圧を４．２Ｖに維持する電流条件で、その電流値が１／２０に低下するまで定電圧充電した後１０分間休止する。
ｆ．０．２Ｃレートの電流値で電池電圧が３．０Ｖになるまで定電流放電した後１０分間休止する。

そして、５０サイクル繰り返した後、５０サイクル目の放電容量と１サイクル目の放電容量の比をサイクル容量維持率として算出した。各サンプルのサイクル容量維持率を表１に示す。

表１に示すように、固体電解質層を第２主面側まで回り込ませることによって保持部を形成したサンプルＮｏ．１，２では、固体電解質層を第２主面側まで回り込ませなかったサンプルＮｏ．３に比べてサイクル特性を向上させることができた。これは、固体電解質層の保持部で配向正極板を挟み込むことによって、充放電に伴って膨張収縮する配向正極板と固体電解質層の界面に発生する応力を低減できた結果、固体電解質層が配向正極板から剥離することを抑制できたためである。

１０ リチウムイオン電池
１２ 配向正極板（正極層の一例）
Ｓ１ 第１主面
Ｓ２ 第２主面
Ｓ３ 第３主面
１４ 固体電解質層
３０ 本体部
４０ 保持部
４１ 第１部分
４２ 第２部分
１６ 負極層
１８ 導電性接着剤層
２０ 正極外装材
２２ 負極外装材
２４ 封止部
４０ａ 第１保持部
４０ｂ 第２保持部

Claims (9)

1. 第１主面と、第２主面と、前記第１主面と前記第２主面に連なる側面とを有する正極層と、
   負極層と、
   前記正極層と前記負極層の間に配置される固体電解質層と、
   を備え、
   前記固体電解質層は、
   前記第１主面の略全面を覆う本体部と、
   前記本体部と一体的に設けられ、前記側面の少なくとも一部と前記第２主面の一部とを覆う保持部と、
   を有する、
   リチウムイオン電池。
2. 前記保持部は、前記側面の略全周と前記第２主面のうち外縁の略全周とを覆う、
   請求項１に記載のリチウムイオン電池。
3. 前記保持部は、前記側面の一部と前記第２主面のうち外縁の一部とをそれぞれ覆う第１保持部及び第２保持部を含む、
   請求項１に記載のリチウムイオン電池。
4. 前記第２主面の平面視において、前記第２主面の中央で直交する２本の直線によって第１乃至第４象限を規定した場合、前記第１保持部の少なくとも一部は第１象限に位置し、前記第２保持部の少なくとも一部は第３象限に位置する、
   請求項３に記載のリチウムイオン電池。
5. 前記保持部は、前記側面上に配置される第１部分と、前記第２主面上に配置される第２部分とを含み、
   前記第２部分の厚みは、前記本体部の厚みよりも厚い、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
6. 前記保持部は、前記側面上に配置される第１部分と、前記第２主面上に配置される第２部分とを含み、
   前記第２部分の厚みは、前記本体部の厚みよりも薄い、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
7. 前記正極層は、焼結体である、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
8. 前記正極層は、配向された複数のリチウム遷移金属酸化物粒子によって構成される、
   請求項１乃至７のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
9. 前記固体電解質層は、酸化物系セラミックス材料または硫化物系セラミックス材料によって構成される、
   請求項１乃至８のいずれかに記載のリチウムイオン電池。

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