JP2017216205A - 電気化学セル - Google Patents
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Abstract
Description
具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
前記第一開口部における前記長手方向が、略円柱又は略楕円柱の中心軸の方向に対して45°〜135°の角度をなす(4)に記載の電気化学セル。
[二次電池]
本実施形態の二次電池1Aは、例えば図2Aに示すように、ラミネート部材43等の外装体によって保持されるものであり、タブ線41、42によって外部と電気的に接続するものである。そして、外装体の内部には、図2B、図2Cに示すような電極体2を備えており、電極体2に用いられる電解質としてポリマー電解質を用いたものである。
電極体2は、図2B、図2Cに示すように、複数の第一電極層11及び第二電極層12が両側に電解質層13を挟んで交互に積層された構造を有する。本実施形態では、第一電極層11を正極層(正極層11)とし、第二電極層12を負極層(負極層12)として説明するが、第一電極層11が負極層、第二電極層12が正極層であってもよい。なお、正極層11及び負極層12は、同じ積層数積層されている。
ここで、正極層(第一電極層)11を貫通するように第一開口部16が設けられ、負極層(第二電極層)12を貫通するように第二開口部26が設けられる。
特に、一方の端面から他方の端面まで、第一開口部16、第二開口部26を1本の線状に連続して形成することにより、特に短絡の起こり易い端面においても、短絡をより確実に防ぐことができる。
他方で、同じ直線又は曲線上に、第一開口部16、第二開口部26を複数形成することにより、電極体2の内部においても、中心線に沿う方向について、第一開口部16、第二開口部26が形成されている正極層11、負極層12がその面内で繋がるため、電極体2の内部抵抗の上昇を抑えられる。
電極体2を構成する正極層11は、正極活物質、導電助剤、電解質等を含有する。また、負極層12は、負極活物質、導電助剤、電解質等を含有する。また、電解質層13や短絡防止層17、27は、電解質を含有する。また、導電部材31を設ける場合、導電部材31は、導電助剤と、正極活物質または負極活物質、電解質やバインダ等を含有する。
電極体2を、外気との接触や電池外部との意図しない導通から保護するための外装体の態様としては、種々の態様を用いることができる。
例えば、図2B,図2Cに示すように、アルミラミネート等のラミネート部材43、44によって電極体2が真空パックされた態様が好ましい。これにより、電極体2と外気との接触が低減されるため、長期間の使用に耐えうる二次電池1Aを得られる。また、電極体2が形状にフレキシブル性を有する場合に、二次電池1Aの全体の形状にフレキシブル性を持たせることができる。
次に、上述した二次電池1Aの作製方法について説明する。
本実施形態の二次電池1Aの作製方法は、第一開口部16の基となる開口部を形成した金属板に、正極層11及び電解質層13の原料組成物を塗布する正極シート作製工程と、第二開口部26の基となる開口部を形成した金属板に、負極層12及び電解質層13の原料組成物を塗布する負極シート作製工程と、これら正極シート作製工程及び負極シート作製工程で作製された正極シート及び負極シートを積層する積層工程と、正極シート及び負極シートの積層体をプレスしながら加熱する熱プレス工程と、を有する。
二次電池の作製に用いられる原料組成物は、ポリマー電解質をはじめとした電解質と、電極活物質や導電助剤を含有し、スラリーやペーストの態様をなす。これにより、原料組成物が所望の粘性や硬さを有するため、このような原料組成物を用いて正極層11や負極層12、電解質層13を作製することで、第一開口部16や第二開口部26によって隔てられた電極層同士を導通させ易くできる。
正極シート作製工程では、正極層11の原料組成物を、第一開口部16の基となる開口を形成した金属基材(アルミニウム箔)に塗布して、正極シートを形成する。
負極シート作製工程では、負極層12の原料組成物を、第二開口部26の基となる開口部を形成した金属基材(銅箔)上に塗布して、負極シートを形成する。負極シート作製工程では、正極シート作製工程と同様の手段で、負極シートを作製することができる。
積層工程では、正極層11の第一開口部16に対応する部分同士が積層方向で重なり、且つ負極層12の第二開口部26に対応する部分同士が積層方向で重なるように、正極シート及び負極シートを交互に積層して、シート積層体を作製する。これにより、正極シートの開口部と負極シートのうち電解質層13の原料組成物が塗布されていない領域とが連続し、且つ、負極シートの開口部と正極シートのうち電解質層13の原料組成物が塗布されていない領域とが連続するため、特に導電部材31を用いない場合には、電極層と、その電極層に隣接する電解質層13とを貫通させることができる。
次いで、シート積層体に含まれる溶剤を加熱し、溶剤を蒸発させて除去する。この工程により、加熱プレス後の積層体に含まれる溶剤が低減するため、積層体からの気泡の除去を行い易くできる。
乾燥工程は、各シートの塗布と同時に行ってもよく、塗布された各シートに対して行ってもよく、積層工程後のシート積層体に行ってもよい。
乾燥工程における加熱温度は、溶剤を蒸発させ易くする観点から、好ましくは20℃、より好ましくは30℃、さらに好ましくは40℃を下限とする。他方で、特にポリマー電解質を用いた場合においては、熱分解を低減させる観点から、好ましくは300℃、より好ましくは200℃、さらに好ましくは150℃を上限としてもよい。
熱プレス工程では、治具にシート積層体を挟み、これらを積層方向に加圧しながら加熱する。特に、少なくとも一部が湾曲した形状をなす板状の電極体2を作製する場合は、湾曲面を有する治具にシート積層体を挟み、これらを積層方向に加圧しながら加熱する。これにより、積層体のうち、負極シートを挟んで隣り合う正極シート同士が、負極層12の第二開口部26を通して積層方向に導通する。他方で、積層体のうち、正極シートを挟んで隣り合う各負極シート同士が、正極層11の第一開口部16を通して積層方向に導通する。
なお、シート積層体の破損をより低減させる観点から、シート積層体への加圧を複数回に分けて行ってもよい。
得られた電極体2を、ラミネート部材43、44からなる外装体にセットする。より具体的には、電極体2の負極側にタブ線41を、正極側にタブ線42をそれぞれ配置し、必要に応じて電極体2の表面のうちタブ線41、42の形成されていない部分を覆うようにポリマー電解質等からなる短絡防止用の被覆を形成し、これをラミネート部材43、44で上下を挟んで真空パックすることで、二次電池1Aが作製される。
本実施形態の二次電池は、いわゆる全固体型の電極体であり、電解質層に含まれる電解質として、固体電解質を含有するものである。ここで、電解質層に含まれる電解質として、固体電解質のみを含有してもよく、固体電解質とポリマー電解質を含有させて複合電解質としてもよい。
次に、本発明のその他の実施形態の二次電池の作製方法について説明する。
本実施形態の二次電池の作製方法は、正極層11の原料組成物を塗布して正極グリーンシートを形成した後、第一開口部16を形成する部分に開口部を形成し、電解質層13の原料組成物を塗布する正極シート作製工程と、負極層12の原料組成物を塗布して負極グリーンシートを形成した後、第二開口部26を形成する部分に開口部を形成し、電解質層13の原料組成物を塗布する負極シート作製工程と、これら正極シート作製工程及び負極シート作製工程で作製された正極シート及び負極シートを積層する積層工程と、正極シート及び負極シートの積層体を、湾曲面を有する治具を用いてプレスしながら加熱する熱プレス工程と、を有する。
二次電池の作製に用いられる原料組成物は、固体電解質と、電極活物質や導電助剤を含有し、スラリーやペーストの態様をなす。
正極シート作製工程では、正極層11の原料組成物を塗布して正極グリーンシートを形成した後、第一開口部16を形成する部分に開口部を形成し、電解質層13の原料組成物を塗布する。ここで、正極層11の原料組成物の塗布は、離型処理が施されたPET等の基材に行うことが好ましいが、第一実施形態と同様に、第一開口部16の基となる開口部を形成した金属板に塗布してもよい。
負極シート作製工程では、負極層12の原料組成物を塗布して負極グリーンシートを形成した後、第二開口部26を形成する部分に開口部を形成し、電解質層13の原料組成物を塗布する。負極シート作製工程では、正極シート作製工程と同様の手段で、負極シートを作製することができる。
積層工程では、正極シートの第一開口部16に対応する部分同士が積層方向で重なり、且つ負極シートの第二開口部26に対応する部分同士が積層方向で重なるように、正極シート及び負極シートを交互に積層して、シート積層体を作製する。
次いで、シート積層体に含まれる溶剤や有機バインダ成分を加熱し、溶剤や有機バインダ成分を蒸発させて除去する。特に有機バインダ成分を含む場合には、350℃〜550℃で乾燥工程を行うことで、加熱プレス後の固体電解質層12に残留する炭素を低減できるため、電解質層13における電子導通を防止できる。
熱プレス工程では、湾曲面を有する治具にシート積層体を挟み、これらを積層方向に加圧しながら加熱することで、少なくとも一部が湾曲した形状をなす板状の電極体2を作製する。これにより、特に電解質層13や電極層に含まれる成分が軟化する等により、正極シートの第一開口部16の内部に負極シートが入り込むため、正極シートを挟んで隣り合う負極シート同士が第一開口部16を通して導通する。また、負極シートの第二開口部26の内部に正極シートが入り込むため、負極シートを挟んで隣り合う正極シート同士が第二開口部26を通して導通する。
得られた電極体2については、第一実施形態と同様に、ラミネート部材43、44をはじめとした公知の外装体にセットすることができる。
本実施形態の二次電池1Bは、未使用時及び使用時のいずれにおいても湾曲した形状を有しており、外装体として、金属製ケース51と、金属製封口板52と、絶縁体53と、を備えたものを用いる。このような外装体を用いることで、全固体電池の電池要素のように、形状にフレキシブル性のない電池要素を電極体2として用いたとしても、電極体2に物理的なダメージを及び難くできる。
このうち、金属製ケース51は、電極体2を積層方向の他端側から覆い、電極体2の負極層(第二電極層)12と導通し、且つ負極の端子を兼ねる負極側の容器である。また、金属製封口板52は、電極体2を積層方向の一端側から覆い、電極体の正極層(第一電極層)11と導通し、且つ正極の端子を兼ねる正極側の容器である。また、絶縁体53は、金属製ケース51と金属製封口板52とを絶縁し且つこれらを固定するように設けられる。
2 電極体
3 電極体アレイ
11 正極層(第一電極層)
12 負極層(第二電極層)
13 電解質層
14 正極集電層
15 正極接続層
16 第一開口部
26 第二開口部
17、27 短絡防止層
22 負極集電層
23 負極接続層
31、32 導電部材
41、42 タブ線
43、44 ラミネート部材
51 金属製ケース
511 溝部
52 金属製封口板
521 周壁部
53 絶縁体
C1,C2 切断線
Claims (16)
- 少なくとも使用時において、少なくとも一部が湾曲した形状をなす板状の電気化学セルであって、
第一電極層と、
前記第一電極層の両側に第一電解質層を挟んで積層された第二電極層と、
を含む電極体を有し、
前記第一電極層を貫通する第一開口部が少なくとも1つ設けられ、
前記第一開口部の内部で、前記第一電極層の両側にある前記第二電極層が導通する電気化学セルであって、
前記第一開口部は、長手方向についての長さが幅方向についての幅の1.2倍以上となるように構成され、
少なくとも使用時において少なくとも一部が湾曲するように前記第一開口部が形成されている電気化学セル。 - 前記第一電極層の第一開口部を覆うように第二電解質層が設けられる請求項1記載の電気化学セル。
- 少なくとも使用時において、前記第一電極層は、少なくとも一部において湾曲した板状を有する請求項1又は2記載の電気化学セル。
- 少なくとも使用時において、前記第一開口部は、前記長手方向が湾曲するように形成される請求項1から3のいずれかに記載の電気化学セル。
- 少なくとも使用時において、前記第一電極層の前記第一電解質層に隣接する少なくとも一部の面が略部分円柱面又は略部分楕円柱面を形成し、
前記第一開口部における前記長手方向が、略円柱又は略楕円柱の中心軸の方向に対して45°〜135°の角度をなす請求項4に記載の電気化学セル。 - 前記第一開口部が、直線になるように形成されている請求項1から5のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第一開口部が、同じ直線上に複数形成されている請求項6に記載の電気化学セル。
- 前記第一開口部は、前記長さが2.4mm以上であり、前記幅が2.0mm以下となる部分を含むように構成される請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第一電極層が、固体電解質、ポリマー電解質、又は固体電解質とポリマー電解質との複合電解質を含有する請求項1から8のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第一開口部の内壁が、固体電解質、ポリマー電解質、固体電解質とポリマー電解質との複合電解質、又は絶縁材によって覆われている、請求項1から9のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第一開口部の両側にある前記第二電極層が、導電部材を介して接触する請求項1から10のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第二電極層の両側に前記第一電解質層を挟んで積層された第一電極層を有し、
前記第二電極層を貫通する第二開口部が少なくとも1つ設けられ、
前記第二開口部の内部で、前記第二電極層の両側にある前記第一電極層が導通する電気化学セルであって、
前記第二開口部は、長手方向についての長さが幅方向についての幅の1.2倍以上となる部分を含むように構成され、
少なくとも使用時において少なくとも一部が湾曲するように前記第二開口部が形成されている請求項1から11のいずれかに記載の電気化学セル。 - 複数の前記第一電極層と複数の前記第二電極層とが、前記第一電解質層を挟んで交互に積層され、
積層方向の一端部に前記第一電極層が、他端部に前記第二電極層が設けられ、
前記第一開口部が、前記一端部以外に設けられた前記第一電極層の各々を貫通するように設けられ、
前記第二開口部が、前記他端部以外に設けられた前記第二電極層の各々を貫通するように設けられる、請求項12に記載の電気化学セル。 - 前記電極体を収納する外装体をさらに備える請求項1から13のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記外装体は、前記電極体を積層方向の一端側から覆う第一電極側容器と、前記電極体を積層方向の他端側から覆う第二電極側容器と、を備え、
前記第一電極層が前記第一電極側容器に電気的に接続され、且つ
前記第二電極層が前記第二電極側容器に電気的に接続されている請求項14に記載の電気化学セル。 - 前記第一電極層及び前記第二電極層の一方が正極層であり、他方が負極層である、請求項1から15のいずれかに記載の電気化学セル。
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