JP2017199668A - 電池、および、電池製造方法 - Google Patents

電池、および、電池製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】従来技術においては、正極集電体と負極集電体とが接触する可能性の低減が望まれる。【解決手段】正極層と、負極層と、を備え、正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、正極活物質層は、正極集電体と接して、正極集電体よりも狭い範囲に、配置され、正極側固体電解質層は、正極集電体および正極活物質層と接して、正極集電体と同じ範囲に、配置され、負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、負極活物質層は、負極集電体と接して、負極集電体よりも狭い範囲に、配置され、負極側固体電解質層は、負極集電体および負極活物質層と接して、負極集電体と同じ範囲に、配置され、正極層と負極層とは、互いに積層され、正極活物質層は、正極側固体電解質層と負極側固体電解質層とを介して、負極活物質層と対向し、正極側固体電解質層と負極側固体電解質層とは、互いに接合される、電池。【選択図】図1

Description

本開示は、電池、および、電池製造方法に関する。
特許文献1には、正極層、固体電解質層、負極層からなる全固体ポリマー電池用構造体であって、前記三層の少なくとも1つの層を積層方向に二分割し貼り合わせた積層体を組み合わせることで、正極、固体電解質及び負極を一体化する構造体としたもの、が開示されている。
特許文献2には、固体電解質の端部が第1の集電体の第1の表面上に接触し、第1の活物質層が固体電解質によって覆われている積層型電池、が開示されている。
特許文献3には、電極活物質層を両面に形成した固体電解質膜を集電体で挟持する工程を有する固体電池の製造方法、が開示されている。
特許文献4には、負極電極体作製工程と正極電極体作製工程と積層工程と接合工程とを有する全固体電池の製造方法、が開示されている。
特開2003−109666号公報 特開2007−273349号公報 特許第5413129号公報 特開2015−008073号公報
従来技術においては、正極集電体と負極集電体とが接触する可能性の低減が望まれる。
本開示の一様態における電池は、正極層と、負極層と、を備え、前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、前記正極活物質層は、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、配置され、前記正極側固体電解質層は、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極集電体と同じ範囲に、配置され、前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、前記負極活物質層は、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、配置され、前記負極側固体電解質層は、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極集電体と同じ範囲に、配置され、前記正極層と前記負極層とは、互いに積層され、前記正極活物質層は、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向し、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とは、互いに接合される。
本開示の一様態における電池製造方法は、電池製造装置を用いた電池製造方法であって、前記電池製造装置は、正極層を形成する正極層形成部と、負極層を形成する負極層形成部と、積層部と、を備え、前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、前記正極層形成部により、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、前記正極活物質層を形成する工程(a1)と、前記工程(a1)の後に、前記正極層形成部により、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極集電体と同じ範囲に、前記正極側固体電解質層を形成する工程(a2)と、前記負極層形成部により、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、前記負極活物質層を形成する工程(b1)と、前記工程(b1)の後に、前記負極層形成部により、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極集電体と同じ範囲に、前記負極側固体電解質層を形成する工程(b2)と、前記工程(a2)および前記工程(b2)の後に、前記積層部により、前記正極層と前記負極層とを互いに積層して、前記正極活物質層を、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向させる工程(c)と、を包含する。
本開示の一様態における電池製造方法は、電池製造装置を用いた電池製造方法であって、前記電池製造装置は、正極層を形成する正極層形成部と、負極層を形成する負極層形成部と、積層部と、切断部と、を備え、前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、前記正極層形成部により、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、前記正極活物質層を形成する工程(e1)と、前記工程(e1)の後に、前記正極層形成部により、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極側固体電解質層を形成する工程(e2)と、前記負極層形成部により、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、前記負極活物質層を形成する工程(f1)と、前記工程(f1)の後に、前記負極層形成部により、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極側固体電解質層を形成する工程(f2)と、前記工程(e2)および前記工程(f2)の後に、前記積層部により、前記正極層と前記負極層とを互いに積層して、前記正極活物質層を、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向させる工程(g)と、前記工程(g)の後に、前記切断部により、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とともに前記正極集電体と前記負極集電体とを切断することで、前記正極側固体電解質層の形成範囲を前記正極集電体と同じ範囲とし、かつ、前記負極側固体電解質層の形成範囲を前記負極集電体と同じ範囲とする工程(h)と、を包含する。
本開示によれば、正極集電体と負極集電体とが接触する可能性を低減できる。
図1は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す図である。 図2は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す分解図(斜視図)である。 図3は、実施の形態2における電池製造装置2000の概略構成を示す図である。 図4は、実施の形態2における電池製造方法を示すフローチャートである。 図5は、正極活物質層形成工程S1110と正極側固体電解質層形成工程S1120の一例を示す図である。 図6は、負極活物質層形成工程S1210と負極側固体電解質層形成工程S1220の一例を示す図である。 図7は、積層工程S1310の一例を示す図である。 図8は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。 図9は、実施の形態2における電池製造装置2100の概略構成を示す図である。 図10は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。 図11は、正極側固体電解質層形成工程S1121と正極側切断工程S1122の一例を示す図である。 図12は、負極側固体電解質層形成工程S1221と負極側切断工程S1222の一例を示す図である。 図13は、実施の形態3における電池製造装置3000の概略構成を示す図である。 図14は、実施の形態3における電池製造方法を示すフローチャートである。 図15は、正極活物質層形成工程S2110と正極側固体電解質層形成工程S2120の一例を示す図である。 図16は、負極活物質層形成工程S2210と負極側固体電解質層形成工程S2220の一例を示す図である。 図17は、積層工程S2310の一例を示す図である。 図18は、切断工程S2510の一例を示す図である。 図19は、実施の形態3における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。 図20は、比較例1における電池910の概略構成を示す断面図である。 図21は、比較例2における電池920の概略構成を示す断面図である。 図22は、比較例3における電池930の概略構成を示す断面図である。 図23は、比較例4における電池940の概略構成を示す断面図である。
以下、本開示の実施の形態が、図面を参照しながら、説明される。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す図である。
図1(a)は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示すx−z図(断面図)である。
図1(b)は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示すx−y図(上面透視図)である。
図2は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す分解図(斜視図)である。
実施の形態1における電池1000は、正極層100と、負極層200と、を備える。
正極層100は、正極集電体110と、正極活物質層120と、正極側固体電解質層130と、を備える。
正極活物質層120は、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、配置される。
正極側固体電解質層130は、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極集電体110と同じ範囲に、配置される。
負極層200は、負極集電体210と、負極活物質層220と、負極側固体電解質層230と、を備える。
負極活物質層220は、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、配置される。
負極側固体電解質層230は、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極集電体210と同じ範囲に、配置される。
正極層100と負極層200とは、互いに積層される。
正極活物質層120は、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向する。
正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とは、互いに接合される。
以上の構成によれば、正極集電体110と負極集電体210とが接触する可能性を低減できる。すなわち、正極集電体110と負極集電体210との対向部分が、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、固定化できる。例えば、正極集電体110と負極集電体210とが薄膜で構成されていても、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、正極集電体110と負極集電体210との間隔を、一定の距離以上(例えば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との厚み以上)に、維持できる。したがって、正極集電体110と負極集電体210とが、互いに近接することを回避できる。これにより、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210の変形を防止できる。したがって、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210との間の短絡を防止できる。また、例えば、正極層100と負極層200との間にセパレータを備えない全固体電池においても、正極集電体110と負極集電体210とが直接接触して短絡するリスクを低減できる。
さらに、以上の構成によれば、正極層100と負極層200とを絶縁するための別部材(例えば、絶縁スペーサー)が不要となる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
さらに、以上の構成によれば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが接合してなる固体電解質層を備えることで、例えば製造時において正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とに生じうるピンホールによる短絡の可能性を、低減することができる。
以上の効果の詳細が、下記の比較例1〜4を用いて、説明される。
図20は、比較例1における電池910の概略構成を示す断面図である。
比較例1における電池910においては、正極側固体電解質層130は、正極集電体110よりも狭い範囲に、配置されている。すなわち、正極側固体電解質層130は、正極集電体110と同じ範囲に、配置されていない。
また、比較例1における電池910においては、負極側固体電解質層230は、負極集電体210よりも狭い範囲に、配置されている。すなわち、負極側固体電解質層230は、負極集電体210と同じ範囲に、配置されていない。
すなわち、比較例1における電池910においては、固体電解質層は、各集電体の端部にまで、形成されていない。すなわち、各集電体の一部が露出している。このため、正極集電体110と負極集電体210との間隔は、各集電体の端部において、不安定となる。したがって、正極集電体110と負極集電体210とが、近接し易い。このため、露出した集電体同士が直接接触するリスクがある。例えば、複数の電池セルを積層した場合に、集電体同士が変形し短絡する可能性がある。
これに対して、実施の形態1によれば、上述したように、正極側固体電解質層130および負極側固体電解質層230を各集電体の端部にまで形成することにより、正極集電体110と負極集電体210とが接触する可能性を低減できる。
図21は、比較例2における電池920の概略構成を示す断面図である。
比較例2における電池920は、上述の比較例1における電池910の構成に加えて、さらに、絶縁スペーサー90(例えば、絶縁樹脂)を備える構成である。すなわち、絶縁スペーサー90が、正極集電体110と負極集電体210との間に、配置されている。
絶縁スペーサー90を設けることによって、正極集電体110と負極集電体210の接触による短絡を防止することはできる。しかし、比較例2における電池920の製造方法においては、絶縁スペーサー90を別途準備する工程が、必要となる。さらに、絶縁スペーサー90を、正極集電体110と負極集電体210との間に、精度良く位置決めする工程、および、固定する工程が、必要となる。このように、比較例2においては、電池の製造工程が、複雑化および高コスト化する。
これに対して、実施の形態1によれば、正極側固体電解質層130および負極側固体電解質層230を各集電体の端部にまで形成する工程を行うことで、絶縁スペーサー90を用いる場合に必要となる複雑な工程を省略できる。正極側固体電解質層130および負極側固体電解質層230を各集電体の端部にまで形成する工程は、正極側固体電解質層130および負極側固体電解質層230を形成する工程の中の一工程として、容易に付加できる。すなわち、比較例2のような絶縁スペーサー90を用いる場合よりも、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
図22は、比較例3における電池930の概略構成を示す断面図である。
比較例3における電池930においては、固体電解質層は、寸法・形状などが異なる複数の固体電解質膜(すなわち、固体電解質層931と固体電解質層932と固体電解質層933)を貼り合せて融着させて成る層である。すなわち、正極活物質層120と負極活物質層220とが対向する領域には、固体電解質層933が設けられる。
すなわち、比較例3における電池930においては、正極活物質層120と負極活物質層220とが対向する領域において、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが互いに接合されてなる接合界面が、存在しない。このため、例えば製造時において固体電解質層933に生じるピンホールによる短絡の可能性が生じる。
これに対して、実施の形態1によれば、上述したように、正極活物質層120と負極活物質層220とが対向する領域に、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが互いに接合されてなる接合界面を設けることができる。このとき、互いに異なる製造工程で形成される正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230においては、正極側固体電解質層130に生じるピンホールの位置と、負極側固体電解質層230に生じるピンホールの位置とは、互いに同一とはならない。このため、正極側固体電解質層130に生じるピンホールは、当該接合界面において、負極側固体電解質層230により塞がれる。また、負極側固体電解質層230に生じるピンホールは、当該接合界面において、正極側固体電解質層130により塞がれる。これにより、固体電解質層に生じうるピンホールによる短絡の可能性を、低減することができる。
図23は、比較例4における電池940の概略構成を示す断面図である。
比較例4における電池940においては、正極活物質層120は、正極集電体110と同じ範囲に、配置されている。すなわち、正極活物質層120は、正極集電体110よりも狭い範囲に、配置されていない。このため、正極側固体電解質層130は、正極活物質層120の主面のみを覆い、正極活物質層120の側面(端部)を覆えていない。
また、比較例4における電池940においては、負極活物質層220は、負極集電体210と同じ範囲に、配置されている。すなわち、負極活物質層220は、負極集電体210よりも狭い範囲に、配置されていない。このため、負極側固体電解質層230は、負極活物質層220の主面のみを覆い、負極活物質層220の側面(端部)を覆えていない。
すなわち、比較例4における電池940においては、正極活物質層120の側面(端部)および負極活物質層220の側面(端部)が露出している。このため、正極活物質層120の側面(端部)から崩落した正極活物質が、負極活物質層220または負極集電体210に接触する可能性が生じる。また、負極活物質層220の側面(端部)から崩落した負極活物質が、正極活物質層120または正極集電体110に接触する可能性が生じる。したがって、正極層と負極層とが短絡する可能性が生じる。また、活物質層が集電体と同じ範囲に形成されていることにより、活物質層の側面(端部)の強度が弱まる。このため、比較例4における電池940では、活物質層の側面(端部)から活物質が崩落し易い。
これに対して、実施の形態1によれば、上述したように、正極活物質層120と負極活物質層220とは、それぞれ、正極集電体110と負極集電体210よりも狭い範囲に、配置される。このため、正極集電体110と負極集電体210とのそれぞれと同じ範囲に形成される正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、正極活物質層120の側面(端部)および負極活物質層220の側面(端部)は覆われる。したがって、正極活物質層120の側面(端部)および負極活物質層220の側面(端部)が露出することを防止できる。このため、活物質層の側面(端部)から活物質が崩落することを防止できる。これにより、正極層と負極層とが短絡する可能性を低減できる。また、活物質層が集電体よりも狭い範囲に形成されていることにより、活物質層の側面(端部)の強度を高めることができる。このため、実施の形態1によれば、活物質層の側面(端部)における活物質の崩落を抑制できる。
なお、実施の形態1における電池1000においては、図1に示されるように、負極活物質層220は、正極活物質層120よりも広い範囲に、配置されてもよい。
このとき、正極活物質層120は、負極活物質層220の形成範囲内に、配置されてもよい。
以上の構成によれば、負極活物質層220における金属(例えば、リチウム)の析出を、抑制できる。このため、金属の析出に起因する、正極層100と負極層200との間の短絡を防止できる。
例えば、炭素材料や金属リチウムを負極に用いたリチウムイオン電池の場合、充電時には、負極側の電位は、リチウムイオンが金属として析出する電位近くまで、下がる。このため、例えば、低温環境下での充電または急速充電を行った場合には、負極活物質のリチウムイオン吸蔵速度が追いつかなくなる可能性が生じる。この場合、リチウムイオンが、金属リチウムとして、析出する可能性が生じる。この金属リチウムの析出は、特に電流が集中する端部に発生しやすい。このため、電池主面を透視で見た場合に、正極活物質層120の主面が負極活物質層220の主面内に収容される形状とする。これにより、金属リチウムの析出を抑制できる。
正極集電体110として、一般に公知の正極集電体が用いられうる。正極集電体110は、例えば、金属箔などであってもよい。正極集電体110の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、白金、金、またはこれらを含む合金、など、が用いられうる。
正極活物質層120は、正極活物質を含む層である。
正極活物質として、一般に公知の正極活物質が用いられうる。実施の形態1の電池1000がリチウムイオン二次電池(蓄電池)として構成される場合には、正極活物質は、Liを吸蔵および放出する特性を有する化合物であってもよい。例えば、正極活物質は、リチウムを含む化合物であってもよい。例えば、正極活物質として、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiCoPO、LiMnPO、LiFePO、LiNiPO、これらの化合物の遷移金属を1又は2の異種元素で置換することによって得られる化合物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNi0.8Co0.15Al0.05、LiNi0.5Mn1.5、など)、など、が用いられうる。
なお、正極活物質層120は、正極活物質と他の材料とを含む、正極合剤層であってもよい。すなわち、正極活物質層120は、正極活物質と固体電解質との混合物を含む層であってもよい。もしくは、正極活物質層120は、正極活物質と固体電解質とともに、導電助剤または結着剤などを含んでもよい。
また、正極活物質層120は、複数の層から構成されてもよい。例えば、正極活物質層120は、正極集電体110に接する側に第1層を備えてもよい。このとき、正極活物質層120は、正極側固体電解質層130に接する側に第2層を備えてもよい。このとき、当該第1層と当該第2層とは、互いに異なる構成(形状、厚み、含有材料)の層であってもよい。
正極側固体電解質層130は、正極側固体電解質を含む層である。
正極側固体電解質として、一般に公知の固体電解質が用いられうる。実施の形態1の電池1000がリチウムイオン二次電池(蓄電池)として構成される場合には、固体電解質はリチウムを含む化合物であってもよい。例えば、固体電解質として、LiZrSiPO12、LiLaZr12、LiLaTa12、Li1+xAlTi2−x(PO、Li1.5Ti1.7Al0.82.8Si0.212、La2/3−xLi3xTiO、LiS−SiS系ガラスおよびガラスセラミックス、LiS−B系ガラスおよびガラスセラミックス、LiS−P系ガラスおよびガラスセラミックス、Li3.25Ge0.250.75、Li10GeP12、など、が用いられうる。また、固体電解質として、これらに、LiI、LiMO(M:P、Si、Ge、B、Al、Ga又はIn、x、y:自然数)などを添加剤として加えたものが用いられうる。固体電解質として、無機系固体電解質(硫化物系固体電解質、または、酸化物系固体電解質)、または、高分子固体電解質(例えば、ポリエチレンオキシドにリチウム塩を溶解させたもの)が用いられうる。
正極側固体電解質層130には、ポリマー電解質、または、無機固体電解質と結着剤の混合物からなるものが用いられうる。正極側固体電解質層130と正極活物質層120とに用いられる固体電解質の材料および結着剤の材料は、それぞれ同じ材料であってもよい。
負極集電体210として、一般に公知の負極集電体が用いられうる。負極集電体210は、例えば、金属箔などであってもよい。負極集電体210としては、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、白金、金、またはこれらを含む合金、など、が用いられうる。
負極活物質層220は、負極活物質を含む層である。
負極活物質として、一般に公知の負極活物質が用いられうる。実施の形態1の電池1000がリチウムイオン二次電池(蓄電池)として構成される場合には、負極活物質は、Liを吸蔵および放出する特性を有する化合物であってもよい。例えば、負極活物質は、金属化合物、または、炭素材料であってもよい。例えば、負極活物質として、金属インジウム、金属リチウム、炭素材料(例えば、黒鉛、ハードカーボン、など)、LiTi12、Si、SiO、Sn、SnO、など、が用いられうる。
なお、負極活物質層220は、負極活物質と他の材料とを含む、負極合剤層であってもよい。すなわち、負極活物質層220は、負極活物質と固体電解質との混合物を含む層であってもよい。もしくは、負極活物質層220は、負極活物質と固体電解質とともに、導電助剤または結着剤などを含んでもよい。なお、負極活物質層220を、リチウムと合金化する金属を箔状で構成する場合には、固体電解質などは混合されなくてもよい。
負極側固体電解質層230は、負極側固体電解質を含む層である。
また、負極活物質層220は、複数の層から構成されてもよい。例えば、負極活物質層220は、負極集電体210に接する側に第1層を備えてもよい。このとき、負極活物質層220は、負極側固体電解質層230に接する側に第2層を備えてもよい。このとき、当該第1層と当該第2層とは、互いに異なる構成(形状、厚み、含有材料)の層であってもよい。
負極側固体電解質として、一般に公知の固体電解質が用いられうる。負極側固体電解質として、上述の正極側固体電解質として用いられうる材料が、用いられうる。
負極側固体電解質層230には、ポリマー電解質、または、無機固体電解質と結着剤の混合物からなるものが用いられうる。負極側固体電解質層230と負極活物質層220とに用いられる固体電解質の材料および結着剤の材料は、それぞれ同じ材料であってもよい。
導電助剤としては、炭素材料(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、など)、または、金属粉、など、が用いられうる。
結着剤としては、一般に公知の高分子化合物が用いられうる。例えば、結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン(PVDF−HFP)、ゴム系樹脂、エラストマー、など、が用いられうる。
なお、実施の形態1における電池1000においては、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とは、互いに、同じ材料の固体電解質を含んでもよいし、異なる材料の固体電解質を含んでもよい。
また、実施の形態1における電池1000においては、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とは、互いに、同じ含有量(濃度)で固体電解質を含んでもよいし、異なる含有量(濃度)で固体電解質を含んでもよい。
また、実施の形態1における電池1000においては、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との厚みは、互いに、同じであってもよいし、異なってもよい。
また、図1に示されるように、負極集電体210の全体が、正極集電体110と平行に位置してもよい。すなわち、正極集電体110と負極集電体210との距離は、成膜領域の全域で、一定となってもよい。もしくは、負極集電体210の一部が、正極集電体110と平行に位置してもよい。
また、実施の形態1における電池1000においては、図1に示されるように、正極側固体電解質層130の主面の全領域と負極側固体電解質層230の主面の全領域とが、互いに接合されてもよい。もしくは、正極側固体電解質層130の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)と負極側固体電解質層230の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)とが、互いに接合されてもよい。
実施の形態1における電池1000は、例えば、全固体電池(例えば、全固体リチウム二次電池)であってもよい。実施の形態1における電池1000によれば、製造時および充電時の正負極間の短絡を抑止できる全固体電池を実現できる。また、高電圧(例えば、電池セル2個分以上)が要求される場合でも、固体電解質を用いた積層型全固体電池であれば、1つの電池セル内で直接複数の発電素子を直列接続することで、容易に高電圧化を図ることができる。実施の形態1における電池1000によれば、複数セルを積層した場合でも、正負極が短絡しない積層型全固体電池を実現できる。
なお、実施の形態1における電池1000の製造方法は、後述の実施の形態2および実施の形態3として、説明される。
(実施の形態2)
以下、実施の形態2が説明される。上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
図3は、実施の形態2における電池製造装置2000の概略構成を示す図である。
実施の形態2における電池製造装置2000は、正極層形成部310と、負極層形成部410と、積層部510と、を備える。
正極層形成部310は、正極層100を形成する。
正極層形成部310は、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120を形成する。
正極層形成部310は、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極集電体110と同じ範囲に、正極側固体電解質層130を形成する。
負極層形成部410は、負極層200を形成する。
負極層形成部410は、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220を形成する。
負極層形成部410は、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極集電体210と同じ範囲に、負極側固体電解質層230を形成する。
積層部510は、正極層100と負極層200とを互いに積層する。これにより、積層部510は、正極活物質層120を、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向させる。
図4は、実施の形態2における電池製造方法を示すフローチャートである。
実施の形態2における電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2000を用いた電池製造方法である。例えば、実施の形態2における電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2000において実行される電池製造方法である。
実施の形態2における電池製造方法は、正極活物質層形成工程S1110(=工程(a1))と、正極側固体電解質層形成工程S1120(=工程(a2))と、負極活物質層形成工程S1210(=工程(b1))と、負極側固体電解質層形成工程S1220(=工程(b2))と、積層工程S1310(=工程(c))と、を包含する。
正極活物質層形成工程S1110は、正極層形成部310により、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120を形成する工程である。
正極側固体電解質層形成工程S1120は、正極層形成部310により、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極集電体110と同じ範囲に、正極側固体電解質層130を形成する工程である。正極側固体電解質層形成工程S1120は、正極活物質層形成工程S1110の後に、実行される工程である。
負極活物質層形成工程S1210は、負極層形成部410により、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220を形成する工程である。
負極側固体電解質層形成工程S1220は、負極層形成部410により、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極集電体210と同じ範囲に、負極側固体電解質層230を形成する工程である。負極側固体電解質層形成工程S1220は、負極活物質層形成工程S1210の後に、実行される工程である。
積層工程S1310は、積層部510により、正極層100と負極層200とを互いに積層して、正極活物質層120を、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向させる工程である。積層工程S1310は、正極側固体電解質層形成工程S1120および負極側固体電解質層形成工程S1220の後に、実行される工程である。
以上の製造装置または製造方法によれば、実施の形態1における電池1000を製造することができる。
以上の製造装置または製造方法によれば、正極集電体110と同じ範囲に正極側固体電解質層130を形成し、かつ、負極集電体210と同じ範囲に負極側固体電解質層230を形成した後に、正極層100と負極層200とを積層することで、電池製造時においても、正極集電体110と負極集電体210との位置の安定性をより高め、かつ、正極集電体110と負極集電体210との接触の可能性をより低減できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極集電体110と負極集電体210とが接触する可能性を低減できる。すなわち、正極集電体110と負極集電体210との対向部分が、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、固定化できる。例えば、正極集電体110と負極集電体210とが薄膜で構成されていても、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、正極集電体110と負極集電体210との間隔を、一定の距離以上(例えば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との厚み以上)に、維持できる。したがって、正極集電体110と負極集電体210とが、互いに近接することを回避できる。これにより、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210の変形を防止できる。したがって、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210との間の短絡を防止できる。また、例えば、正極層100と負極層200との間にセパレータを備えない全固体電池においても、正極集電体110と負極集電体210とが直接接触して短絡するリスクを低減できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極層100と負極層200とを絶縁するための別部材(例えば、絶縁スペーサー)が不要となる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが接合してなる固体電解質層を備えることで、例えば製造時において正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とに生じうるピンホールによる短絡の可能性を、低減することができる。
なお、実施の形態2における電池製造装置2000においては、負極層形成部410は、負極活物質層220を、正極活物質層120よりも広い範囲に、形成してもよい。このとき、積層部510は、正極活物質層120を、負極活物質層220の形成範囲内に、配置してもよい。
言い換えれば、実施の形態2における電池製造方法においては、負極活物質層形成工程S1210において、負極層形成部410により、負極活物質層220は、正極活物質層120よりも広い範囲に、形成されてもよい。
このとき、積層工程S1310において、積層部510により、正極活物質層120は、負極活物質層220の形成範囲内に、配置されてもよい。
以上の製造装置または製造方法によれば、負極活物質層220における金属(例えば、リチウム)の析出を、抑制できる。このため、金属の析出に起因する、正極層100と負極層200との間の短絡を防止できる。
なお、実施の形態2においては、図4に示されるように、負極活物質層形成工程S1210と負極側固体電解質層形成工程S1220とは、正極活物質層形成工程S1110と正極側固体電解質層形成工程S1120よりも後に、実行されてもよい。
もしくは、負極活物質層形成工程S1210と負極側固体電解質層形成工程S1220とは、正極活物質層形成工程S1110と正極側固体電解質層形成工程S1120よりも前に、実行されてもよい。
もしくは、負極活物質層形成工程S1210と負極側固体電解質層形成工程S1220とは、正極活物質層形成工程S1110と正極側固体電解質層形成工程S1120と同時並行して、実行されてもよい。
以下に、実施の形態2における電池製造方法の具体的な一例が、説明される。
図5は、正極活物質層形成工程S1110と正極側固体電解質層形成工程S1120の一例を示す図である。
予め準備された正極集電体110の上に、正極活物質層120が形成される。例えば、正極活物質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、正極集電体110の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120は形成される(正極活物質層形成工程S1110)。これにより、正極集電体110の上に、正極集電体110が周囲に露出するように、正極活物質層120が形成される。
正極活物質層120が形成された正極集電体110の上に、正極側固体電解質層130が形成される。例えば、正極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、正極活物質層120と正極集電体110の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、正極集電体110と同じ範囲に、正極側固体電解質層130は形成される(正極側固体電解質層形成工程S1120)。これにより、露出した正極集電体110の上に、正極活物質層120を覆いながら、正極側固体電解質層130が形成される。これにより、正極層100(例えば、正極板)が作製される。
図6は、負極活物質層形成工程S1210と負極側固体電解質層形成工程S1220の一例を示す図である。
予め準備された負極集電体210の上に、負極活物質層220が形成される。例えば、負極活物質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、負極集電体210の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220は形成される(負極活物質層形成工程S1210)。これにより、負極集電体210の上に、負極集電体210が周囲に露出するように、負極活物質層220が形成される。なお、図6に示される例では、負極活物質層220は、正極活物質層120よりも広い範囲に(すなわち、正極活物質層120の形成面積よりも大きな面積で)、形成される。
負極活物質層220が形成された負極集電体210の上に、負極側固体電解質層230が形成される。例えば、負極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、負極活物質層220と負極集電体210の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、負極集電体210と同じ範囲に、負極側固体電解質層230は形成される(負極側固体電解質層形成工程S1220)。これにより、露出した負極集電体210の上に、負極活物質層220を覆いながら、負極側固体電解質層230が形成される。これにより、負極層200(例えば、負極板)が作製される。
図7は、積層工程S1310の一例を示す図である。
それぞれ作製された正極層100と負極層200とを、搬送装置などを用いて、互いに、対向させて位置させる。その後、それらを接触させることで、正極層100と負極層200とを積層する。これにより、正極活物質層120は、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向する(積層工程S1310)。
正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との接触部分は、乾燥工程または圧接工程などにより、接合されうる。これにより、実施の形態1の電池1000が作製される。
なお、積層工程S1310においては、正極側固体電解質層130の主面の全領域と負極側固体電解質層230の主面の全領域とが、互いに接触されてもよい(その後、接合されてもよい)。もしくは、正極側固体電解質層130の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)と負極側固体電解質層230の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)とが、互いに接触されてもよい(その後、接合されてもよい)。
図8は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。
実施の形態2においては、図3に示されるように、電池製造装置2000は、プレス部610を、さらに備えてもよい。
プレス部610は、互いに積層された正極層100と負極層200とをプレスすることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを接合する。
言い換えれば、実施の形態2における電池製造方法は、図8に示されるように、プレス工程S1410(=工程(d))を、さらに包含してもよい。なお、プレス工程S1410は、積層工程S1310の後に、実行されてもよい。
プレス工程S1410は、プレス部610により、互いに積層された正極層100と負極層200とをプレスすることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを接合する(圧接する)工程である。
以上の製造装置または製造方法によれば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが圧接されることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との間の接合を、より強固とすることができる。また、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とに生じうるピンホールによる短絡の可能性を、より低減することができる。
図9は、実施の形態2における電池製造装置2100の概略構成を示す図である。
実施の形態2における電池製造装置2100においては、正極層形成部310は、正極側固体電解質層形成部311と、正極側切断部312と、を備える。
正極側固体電解質層形成部311は、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極側固体電解質層130を形成する。
正極側切断部312は、正極側固体電解質層130とともに正極集電体110を切断することで、正極側固体電解質層130の形成範囲を、正極集電体110と同じ範囲とする。
また、実施の形態2における電池製造装置2100においては、負極層形成部410は、負極側固体電解質層形成部411と、負極側切断部412と、を備える。
負極側固体電解質層形成部411は、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極側固体電解質層230を形成する。
負極側切断部412は、負極側固体電解質層230とともに負極集電体210を切断することで、負極側固体電解質層230の形成範囲を、負極集電体210と同じ範囲とする。
図10は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。
図10に示される電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2100を用いた電池製造方法である。例えば、図10に示される電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2100において実行される電池製造方法である。
図10に示される電池製造方法においては、正極側固体電解質層形成工程S1120(=工程(a2))は、正極側固体電解質層形成工程S1121(=工程(a21))と、正極側切断工程S1122(=工程(a22))と、を包含する。
正極側固体電解質層形成工程S1121は、正極側固体電解質層形成部311により、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極側固体電解質層130を形成する工程である。
正極側切断工程S1122は、正極側切断部312により、正極側固体電解質層130とともに正極集電体110を切断することで、正極側固体電解質層130の形成範囲を、正極集電体110と同じ範囲とする工程である。正極側切断工程S1122は、正極側固体電解質層形成工程S1121の後に、実行される工程である。
以上の製造装置または製造方法によれば、切断による簡易な工程により、正極側固体電解質層130と正極集電体110とを同じ形成範囲とすることができる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
なお、実施の形態2における電池製造装置2100においては、正極層形成部310は、正極活物質層形成部313を備えてもよい。正極活物質層形成部313は、正極活物質層120を形成する。すなわち、正極活物質層形成工程S1110においては、正極活物質層形成部313により、正極活物質層120が形成されてもよい。
また、実施の形態2における電池製造装置2100においては、負極層形成部410は、負極活物質層形成部413を備えてもよい。負極活物質層形成部413は、負極活物質層220を形成する。すなわち、負極活物質層形成工程S1210においては、負極活物質層形成部413により、負極活物質層220が形成されてもよい。
図11は、正極側固体電解質層形成工程S1121と正極側切断工程S1122の一例を示す図である。
正極活物質層120が形成された正極集電体110の上に、正極側固体電解質層130が形成される。例えば、正極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、正極活物質層120と正極集電体110の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極側固体電解質層130は形成される(正極側固体電解質層形成工程S1121)。
正極側固体電解質層130が形成された正極集電体110が、切断装置などを用いて、切断される。正極側固体電解質層130とともに正極集電体110が切断される(例えば、図11に示されるC11およびC12の位置が切断される)。これにより、正極側固体電解質層130の形成範囲は、正極集電体110と同じ範囲となる(正極側切断工程S1122)。これにより、正極層100(例えば、正極板)が作製される。
なお、正極側切断工程S1122においては、正極集電体110と正極側固体電解質層130とを同時に打ち抜くことで、切断が行われてもよい。このとき、正極集電体110と正極側固体電解質層130の四方の端が、同時に切断されてもよい。
なお、正極側切断工程S1122においては、正極層100の主面の面積および形状が、負極層200の主面の面積および形状と同じとなるように、切断が行われてもよい。
また、図10に示される電池製造方法においては、負極側固体電解質層形成工程S1220(=工程(b2))は、負極側固体電解質層形成工程S1221(=工程(b21))と、負極側切断工程S1222(=工程(b22))と、を包含する。
負極側固体電解質層形成工程S1221は、負極側固体電解質層形成部411により、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極側固体電解質層230を形成する工程である。
負極側切断工程S1222は、負極側切断部412により、負極側固体電解質層230とともに負極集電体210を切断することで、負極側固体電解質層230の形成範囲を、負極集電体210と同じ範囲とする工程である。負極側切断工程S1222は、負極側固体電解質層形成工程S1221の後に、実行される工程である。
以上の構成によれば、切断による簡易な工程により、負極側固体電解質層230と負極集電体210とを同じ形成範囲とすることができる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
図12は、負極側固体電解質層形成工程S1221と負極側切断工程S1222の一例を示す図である。
負極活物質層220が形成された負極集電体210の上に、負極側固体電解質層230が形成される。例えば、負極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、負極活物質層220と負極集電体210の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極側固体電解質層230は形成される(負極側固体電解質層形成工程S1221)。
負極側固体電解質層230が形成された負極集電体210が、切断装置などを用いて、切断される。負極側固体電解質層230とともに負極集電体210が切断される(例えば、図12に示されるC21およびC22の位置が切断される)。これにより、負極側固体電解質層230の形成範囲は、負極集電体210と同じ範囲となる(負極側切断工程S1222)。これにより、負極層200(例えば、負極板)が作製される。
なお、負極側切断工程S1222においては、負極集電体210と負極側固体電解質層230とを同時に打ち抜くことで、切断が行われてもよい。このとき、負極集電体210と負極側固体電解質層230の四方の端が、同時に切断されてもよい。
なお、負極側切断工程S1222においては、負極層200の主面の面積および形状が、正極層100の主面の面積および形状と同じとなるように、切断が行われてもよい。
なお、実施の形態2においては、正極層形成部310(例えば、正極側固体電解質層形成部311および正極活物質層形成部313)および負極層形成部410(例えば、負極側固体電解質層形成部411および負極活物質層形成部413)は、それぞれ、例えば、塗工剤(例えば、活物質材料または固体電解質材料など)を吐出する吐出機構(例えば、吐出口)、吐出機構に塗工剤を供給する供給機構(例えば、タンクおよび供給管)、塗工対象などを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、加圧圧迫するプレス機構(例えば、プレス台およびシリンダ)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態2においては、正極側切断部312および負極側切断部412は、それぞれ、例えば、切断対象を切断する切断機構(例えば、ダイパンチ装置など)、切断対象などを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態2においては、積層部510は、積層対象である正極層100と負極層200とを搬送する搬送機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態2においては、プレス部610は、正極層100と負極層200との積層体を加圧圧迫するプレス機構(例えば、プレス台およびシリンダ)、プレス対象である正極層100と負極層200とを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態2における電池製造装置は、制御部710を、さらに備えてもよい。制御部710は、正極層形成部310(例えば、正極側固体電解質層形成部311と、正極側切断部312)と、負極層形成部410(例えば、負極側固体電解質層形成部411と、負極側切断部412)と、積層部510と、プレス部610との動作を制御する。制御部710は、例えば、プロセッサとメモリとにより、構成されてもよい。当該プロセッサは、例えば、CPU(Central Processing Unit)またはMPU(Micro−Processing Unit)などであってもよい。このとき、当該プロセッサは、メモリに記憶されているプログラムを読み出して実行することで、本開示で示される制御方法(電池製造方法)を実行してもよい。
(実施の形態3)
以下、実施の形態3が説明される。上述の実施の形態1または実施の形態2と重複する説明は、適宜、省略される。
図13は、実施の形態3における電池製造装置3000の概略構成を示す図である。
実施の形態3における電池製造装置3000は、正極層形成部320と、負極層形成部420と、積層部520と、切断部820と、を備える。
正極層形成部320は、正極層100を形成する。
正極層形成部320は、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120を形成する。
正極層形成部320は、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極側固体電解質層130を形成する。
負極層形成部420は、負極層200を形成する。
負極層形成部420は、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220を形成する。
負極層形成部420は、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極側固体電解質層230を形成する。
積層部520は、正極層100と負極層200とを互いに積層する。これにより、積層部520は、正極活物質層120を、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向させる。
切断部820は、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とともに正極集電体110と負極集電体210とを切断する。これにより、切断部820は、正極側固体電解質層130の形成範囲を正極集電体110と同じ範囲とし、かつ、負極側固体電解質層230の形成範囲を前記負極集電体210と同じ範囲とする。
図14は、実施の形態3における電池製造方法を示すフローチャートである。
実施の形態3における電池製造方法は、実施の形態3における電池製造装置3000を用いた電池製造方法である。例えば、実施の形態3における電池製造方法は、実施の形態3における電池製造装置3000において実行される電池製造方法である。
実施の形態3における電池製造方法は、正極活物質層形成工程S2110(=工程(e1))と、正極側固体電解質層形成工程S2120(=工程(e2))と、負極活物質層形成工程S2210(=工程(f1))と、負極側固体電解質層形成工程S2220(=工程(f2))と、積層工程S2310(=工程(g))と、切断工程S2510(=工程(h))と、を包含する。
正極活物質層形成工程S2110は、正極層形成部320により、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120を形成する工程である。
正極側固体電解質層形成工程S2120は、正極層形成部320により、正極集電体110および正極活物質層120と接して、正極側固体電解質層130を形成する工程である。正極側固体電解質層形成工程S2120は、正極活物質層形成工程S2110の後に、実行される工程である。
負極活物質層形成工程S2210は、負極層形成部420により、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220を形成する工程である。
負極側固体電解質層形成工程S2220は、負極層形成部420により、負極集電体210および負極活物質層220と接して、負極側固体電解質層230を形成する工程である。負極側固体電解質層形成工程S2220は、負極活物質層形成工程S2210の後に、実行される工程である。
積層工程S2310は、積層部520により、正極層100と負極層200とを互いに積層して、正極活物質層120を、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向させる工程である。積層工程S2310は、正極側固体電解質層形成工程S2120および負極側固体電解質層形成工程S2220の後に、実行される工程である。
切断工程S2510は、切断部820により、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とともに正極集電体110と負極集電体210とを切断することで、正極側固体電解質層130の形成範囲を正極集電体110と同じ範囲とし、かつ、負極側固体電解質層230の形成範囲を負極集電体210と同じ範囲とする工程である。切断工程S2510は、積層工程S2310の後に、実行される工程である。
以上の製造装置または製造方法によれば、実施の形態1における電池1000を製造することができる。
以上の製造装置または製造方法によれば、正極層100と負極層200とを積層した後に、切断を実行することで、正極層100と負極層200との位置合わせが、より容易となる。また、例えば、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230とを、同時に切断することができる。このため、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230とを、互いに同じ形成範囲とすることができる。これにより、正極集電体110と負極集電体210との位置の安定性をより高め、かつ、正極集電体110と負極集電体210との接触の可能性をより低減できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極集電体110と負極集電体210とが接触する可能性を低減できる。すなわち、正極集電体110と負極集電体210との対向部分が、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、固定化できる。例えば、正極集電体110と負極集電体210とが薄膜で構成されていても、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とにより、正極集電体110と負極集電体210との間隔を、一定の距離以上(例えば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との厚み以上)に、維持できる。したがって、正極集電体110と負極集電体210とが、互いに近接することを回避できる。これにより、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210の変形を防止できる。したがって、例えば、電池セルを複数積層する場合であっても、正極集電体110と負極集電体210との間の短絡を防止できる。また、例えば、正極層100と負極層200との間にセパレータを備えない全固体電池においても、正極集電体110と負極集電体210とが直接接触して短絡するリスクを低減できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極層100と負極層200とを絶縁するための別部材(例えば、絶縁スペーサー)が不要となる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが接合してなる固体電解質層を備えることで、例えば製造時において正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とに生じうるピンホールによる短絡の可能性を、低減することができる。
さらに、以上の製造装置または製造方法によれば、切断による簡易な工程により、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230とを、互いに同じ形成範囲とすることができる。これにより、電池の製造工程を、より簡便化かつ低コスト化できる。
なお、実施の形態3における電池製造装置3000においては、負極層形成部420は、負極活物質層220を、正極活物質層120よりも広い範囲に、形成してもよい。このとき、積層部520は、正極活物質層120を、負極活物質層220の形成範囲内に、配置してもよい。
言い換えれば、実施の形態3における電池製造方法においては、負極活物質層形成工程S2210において、負極層形成部420により、負極活物質層220は、正極活物質層120よりも広い範囲に、形成されてもよい。
このとき、積層工程S2310において、積層部520により、正極活物質層120は、負極活物質層220の形成範囲内に、配置されてもよい。
以上の構成によれば、負極活物質層220における金属(例えば、リチウム)の析出を、抑制できる。このため、金属の析出に起因する、正極層100と負極層200との間の短絡を防止できる。
なお、実施の形態3においては、図14に示されるように、負極活物質層形成工程S2210と負極側固体電解質層形成工程S2220とは、正極活物質層形成工程S2110と正極側固体電解質層形成工程S2120よりも後に、実行されてもよい。
もしくは、負極活物質層形成工程S2210と負極側固体電解質層形成工程S2220とは、正極活物質層形成工程S2110と正極側固体電解質層形成工程S2120よりも前に、実行されてもよい。
もしくは、負極活物質層形成工程S2210と負極側固体電解質層形成工程S2220とは、正極活物質層形成工程S2110と正極側固体電解質層形成工程S2120と同時並行して、実行されてもよい。
以下に、実施の形態3における電池製造方法の具体的な一例が、説明される。
図15は、正極活物質層形成工程S2110と正極側固体電解質層形成工程S2120の一例を示す図である。
予め準備された正極集電体110の上に、正極活物質層120が形成される。例えば、正極活物質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、正極集電体110の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、正極集電体110と接して、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極活物質層120は形成される(正極活物質層形成工程S2110)。これにより、正極集電体110の上に、正極集電体110が周囲に露出するように、正極活物質層120が形成される。
正極活物質層120が形成された正極集電体110の上に、正極側固体電解質層130が形成される。例えば、正極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、正極活物質層120と正極集電体110の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、正極集電体110よりも狭い範囲に、正極側固体電解質層130は形成される(正極側固体電解質層形成工程S2120)。これにより、露出した正極集電体110の上に、正極活物質層120を覆いながら、正極側固体電解質層130が形成される。これにより、正極層100(例えば、正極板)が作製される。
図16は、負極活物質層形成工程S2210と負極側固体電解質層形成工程S2220の一例を示す図である。
予め準備された負極集電体210の上に、負極活物質層220が形成される。例えば、負極活物質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、負極集電体210の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、負極集電体210と接して、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極活物質層220は形成される(負極活物質層形成工程S2210)。これにより、負極集電体210の上に、負極集電体210が周囲に露出するように、負極活物質層220が形成される。なお、図16に示される例では、負極活物質層220は、正極活物質層120よりも広い範囲に(すなわち、正極活物質層120の形成面積よりも大きな面積で)、形成される。
負極活物質層220が形成された負極集電体210の上に、負極側固体電解質層230が形成される。例えば、負極側固体電解質(および、他の材料)を所定の溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、塗工装置などにより、負極活物質層220と負極集電体210の上に塗工する(さらに、乾燥させてもよい)。このとき、負極集電体210よりも狭い範囲に、負極側固体電解質層230は形成される(負極側固体電解質層形成工程S2220)。これにより、露出した負極集電体210の上に、負極活物質層220を覆いながら、負極側固体電解質層230が形成される。これにより、負極層200(例えば、負極板)が作製される。
図17は、積層工程S2310の一例を示す図である。
それぞれ作製された正極層100と負極層200とを、搬送装置などを用いて、互いに、対向させて位置させる。その後、それらを接触させることで、正極層100と負極層200とを積層する。これにより、正極活物質層120は、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを介して、負極活物質層220と対向する(積層工程S2310)。
図18は、切断工程S2510の一例を示す図である。
正極層100と負極層200との積層体が、切断装置などを用いて、切断される。正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とともに正極集電体110と負極集電体210とが切断される(例えば、図18に示されるC31およびC32の位置が切断される)。これにより、正極側固体電解質層130の形成範囲は正極集電体110と同じ範囲となり、かつ、負極側固体電解質層230の形成範囲は負極集電体210と同じ範囲となる(切断工程S2510)。
正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との接触部分は、乾燥工程または圧接工程などにより、接合されうる。これにより、実施の形態1の電池1000が作製される。
なお、切断工程S2510においては、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230とを同時に打ち抜くことで、切断が行われてもよい。このとき、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230の四方の端が、同時に切断されてもよい。
なお、積層工程S2310においては、正極側固体電解質層130の主面の全領域と負極側固体電解質層230の主面の全領域とが、互いに接触されてもよい(その後、接合されてもよい)。もしくは、正極側固体電解質層130の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)と負極側固体電解質層230の主面の一部の領域(例えば、主面の半分以上の領域)とが、互いに接触されてもよい(その後、接合されてもよい)。
図19は、実施の形態3における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。
実施の形態3においては、図13に示されるように、電池製造装置3000は、プレス部620を、さらに備えてもよい。
プレス部620は、互いに積層された正極層100と負極層200とをプレスすることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを接合する。
言い換えれば、実施の形態3における電池製造方法は、図19に示されるように、プレス工程S2410(=工程(p))を、さらに包含してもよい。
プレス工程S2410は、プレス部620により、互いに積層された正極層100と負極層200とをプレスすることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とを接合する(圧接する)工程である。
以上の製造装置または製造方法によれば、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが圧接されることで、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との間の接合を、より強固とすることができる。また、正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とに生じうるピンホールによる短絡の可能性を、より低減することができる。
なお、実施の形態3における電池製造方法においては、図19に示されるように、切断工程S2510は、プレス工程S2410の後に、実行されてもよい。
以上の構成によれば、プレス工程により正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230とが広がる場合でも、その後に実行される切断工程により正極側固体電解質層130と負極側固体電解質層230との広がり(余剰部分)を除去できる。このため、正極集電体110と正極側固体電解質層130と負極集電体210と負極側固体電解質層230とを、互いに同じ形成範囲とすることができる。これにより、正極集電体110と負極集電体210との位置の安定性をより高め、かつ、正極集電体110と負極集電体210との接触の可能性をより低減できる。
なお、実施の形態3においては、正極層形成部320および負極層形成部420は、それぞれ、例えば、塗工剤(例えば、活物質材料または固体電解質材料など)を吐出する吐出機構(例えば、吐出口)、吐出機構に塗工剤を供給する供給機構(例えば、タンクおよび供給管)、塗工対象などを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、加圧圧迫するプレス機構(例えば、プレス台およびシリンダ)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態3においては、積層部520は、積層対象である正極層100と負極層200とを搬送する搬送機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態3においては、プレス部620は、正極層100と負極層200との積層体を加圧圧迫するプレス機構(例えば、プレス台およびシリンダ)、プレス対象である正極層100と負極層200とを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態3においては、切断部820は、例えば、切断対象を切断する切断機構(例えば、ダイパンチ装置など)、切断対象などを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。これらの機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態3における電池製造装置3000は、制御部720を、さらに備えてもよい。
制御部720は、正極層形成部320と、負極層形成部420と、積層部520と、プレス部620と、切断部820との動作を制御する。
制御部720は、例えば、プロセッサとメモリとにより、構成されてもよい。当該プロセッサは、例えば、CPU(Central Processing Unit)またはMPU(Micro−Processing Unit)などであってもよい。このとき、当該プロセッサは、メモリに記憶されているプログラムを読み出して実行することで、本開示で示される制御方法(電池製造方法)を実行してもよい。
なお、実施の形態2および3においては、正極層または負極層を形成する工程においては、活物質を溶剤に溶解(または、分散させた結着剤を混合)して、スラリーを作製する工程を包含してもよい。なお、スラリー中には、固体電解質または導電助剤が混合されてもよい。このとき、正極層または負極層を形成する工程は、ドクターブレード法、ロールコーター法、バーコーター法、カレンダー印刷法、スクリーン印刷法、など、の公知の塗工方法が用いられうる。
また、実施の形態2および3においては、固体電解質層を形成する工程においては、固体電解質を溶剤に溶解(または、分散させた結着剤を混合)して、スラリーを作製する工程を包含してもよい。このとき、固体電解質層を形成する工程は、ドクターブレード法、ロールコーター法、バーコーター法、カレンダー印刷法、スクリーン印刷法、など、の公知の塗工方法が用いられうる。
また、実施の形態2および3においては、切断工程としては、打ち抜く方法(例えば、ダイパンチ)、など、の公知の切断方法が用いられうる。
また、実施の形態2および3においては、プレス工程(例えば、圧接工程)は、一軸プレス、ロールプレス、冷間等方圧プレス(CIP)、熱間等方圧プレス、など、の公知のプレス方法が用いられうる。なお、一軸プレスまたはロールプレスを用いる場合においては、加温工程が実行されてもよい。
なお、実施の形態1〜3において、「固体電解質層は、集電体と、同じ範囲に、配置される」とは、「固体電解質層は、集電体と、製造する上で不可避的に生じる誤差を除いて実質的に同じ範囲に、配置される」ことを意味する。
また、実施の形態1〜3において、「固体電解質層の形成範囲を、集電体と、同じ範囲とする」とは、「固体電解質層の形成範囲を、集電体と、製造する上で不可避的に生じる誤差を除いて実質的に同じ範囲とする」ことを意味する。
本開示の電池は、例えば、全固体リチウム二次電池などとして、利用されうる。
100 正極層
110 正極集電体
120 正極活物質層
130 正極側固体電解質層
200 負極層
210 負極集電体
220 負極活物質層
230 負極側固体電解質層
1000 電池
310 正極層形成部
311 正極側固体電解質層形成部
312 正極側切断部
313 正極活物質層形成部
410 負極層形成部
411 負極側固体電解質層形成部
412 負極側切断部
413 負極活物質層形成部
510 積層部
610 プレス部
710 制御部
2000 電池製造装置
2100 電池製造装置
320 正極層形成部
420 負極層形成部
520 積層部
620 プレス部
720 制御部
820 切断部
3000 電池製造装置

Claims (11)

  1. 正極層と、
    負極層と、
    を備え、
    前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、
    前記正極活物質層は、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、配置され、
    前記正極側固体電解質層は、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極集電体と同じ範囲に、配置され、
    前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、
    前記負極活物質層は、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、配置され、
    前記負極側固体電解質層は、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極集電体と同じ範囲に、配置され、
    前記正極層と前記負極層とは、互いに積層され、
    前記正極活物質層は、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向し、
    前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とは、互いに接合される、
    電池。
  2. 前記負極活物質層は、前記正極活物質層よりも広い範囲に、配置され、
    前記正極活物質層は、前記負極活物質層の形成範囲内に、配置される、
    請求項1に記載の電池。
  3. 電池製造装置を用いた電池製造方法であって、
    前記電池製造装置は、正極層を形成する正極層形成部と、負極層を形成する負極層形成部と、積層部と、を備え、
    前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、
    前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、
    前記正極層形成部により、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、前記正極活物質層を形成する工程(a1)と、
    前記工程(a1)の後に、前記正極層形成部により、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極集電体と同じ範囲に、前記正極側固体電解質層を形成する工程(a2)と、
    前記負極層形成部により、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、前記負極活物質層を形成する工程(b1)と、
    前記工程(b1)の後に、前記負極層形成部により、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極集電体と同じ範囲に、前記負極側固体電解質層を形成する工程(b2)と、
    前記工程(a2)および前記工程(b2)の後に、前記積層部により、前記正極層と前記負極層とを互いに積層して、前記正極活物質層を、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向させる工程(c)と、
    を包含する、
    電池製造方法。
  4. 前記工程(b1)において、前記負極層形成部により、前記負極活物質層は、前記正極活物質層よりも広い範囲に、形成され、
    前記工程(c)において、前記積層部により、前記正極活物質層は、前記負極活物質層の形成範囲内に、配置される、
    請求項3に記載の電池製造方法。
  5. 前記電池製造装置は、プレス部をさらに備え、
    前記プレス部により、互いに積層された前記正極層と前記負極層とをプレスすることで、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを接合する工程(d)を、
    さらに包含する、
    請求項3または4に記載の電池製造方法。
  6. 前記正極層形成部は、正極側固体電解質層形成部と、正極側切断部と、を備え、
    前記工程(a2)は、
    前記正極側固体電解質層形成部により、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極側固体電解質層を形成する工程(a21)と、
    前記工程(a21)の後に、前記正極側切断部により、前記正極側固体電解質層とともに前記正極集電体を切断することで、前記正極側固体電解質層の形成範囲を、前記正極集電体と同じ範囲とする工程(a22)と、
    を包含する、
    請求項3から5のいずれかに記載の電池製造方法。
  7. 前記負極層形成部は、負極側固体電解質層形成部と、負極側切断部と、を備え、
    前記工程(b2)は、
    前記負極側固体電解質層形成部により、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極側固体電解質層を形成する工程(b21)と、
    前記工程(b21)の後に、前記負極側切断部により、前記負極側固体電解質層とともに前記負極集電体を切断することで、前記負極側固体電解質層の形成範囲を、前記負極集電体と同じ範囲とする工程(b22)と、
    を包含する、
    請求項3から6のいずれかに記載の電池製造方法。
  8. 電池製造装置を用いた電池製造方法であって、
    前記電池製造装置は、正極層を形成する正極層形成部と、負極層を形成する負極層形成部と、積層部と、切断部と、を備え、
    前記正極層は、正極集電体と、正極活物質層と、正極側固体電解質層と、を備え、
    前記負極層は、負極集電体と、負極活物質層と、負極側固体電解質層と、を備え、
    前記正極層形成部により、前記正極集電体と接して、前記正極集電体よりも狭い範囲に、前記正極活物質層を形成する工程(e1)と、
    前記工程(e1)の後に、前記正極層形成部により、前記正極集電体および前記正極活物質層と接して、前記正極側固体電解質層を形成する工程(e2)と、
    前記負極層形成部により、前記負極集電体と接して、前記負極集電体よりも狭い範囲に、前記負極活物質層を形成する工程(f1)と、
    前記工程(f1)の後に、前記負極層形成部により、前記負極集電体および前記負極活物質層と接して、前記負極側固体電解質層を形成する工程(f2)と、
    前記工程(e2)および前記工程(f2)の後に、前記積層部により、前記正極層と前記負極層とを互いに積層して、前記正極活物質層を、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを介して、前記負極活物質層と対向させる工程(g)と、
    前記工程(g)の後に、前記切断部により、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とともに前記正極集電体と前記負極集電体とを切断することで、前記正極側固体電解質層の形成範囲を前記正極集電体と同じ範囲とし、かつ、前記負極側固体電解質層の形成範囲を前記負極集電体と同じ範囲とする工程(h)と、
    を包含する、
    電池製造方法。
  9. 前記工程(f1)において、前記負極層形成部により、前記負極活物質層は、前記正極活物質層よりも広い範囲に、形成され、
    前記工程(g)において、前記積層部により、前記正極活物質層は、前記負極活物質層の形成範囲内に、配置される、
    請求項8に記載の電池製造方法。
  10. 前記電池製造装置は、プレス部をさらに備え、
    前記プレス部により、互いに積層された前記正極層と前記負極層とをプレスすることで、前記正極側固体電解質層と前記負極側固体電解質層とを接合する工程(p)を、
    さらに包含する、
    請求項8または9に記載の電池製造方法。
  11. 前記工程(h)は、前記工程(p)の後に、実行される、
    請求項10に記載の電池製造方法。
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