JP2020155288A - 直列型全固体組電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電容量及びサイクル特性を向上させることができる直列型全固体組電池の製造方法の提供。【解決手段】全固体単電池２０ａ，２０ｂが所定の方向に沿って２個以上並列配置された全固体単電池配列基板を用意する工程と、全固体単電池配列基板の平面方向に対して垂直な方向に、全固体単電池の正極延出部と負極延出部の先端に沿って溝部を形成して、隣り合う全固体単電池の正極延出部と負極延出部の先端断面を露出させる工程と、溝部に導電性部材１１を充填して、隣り合う全固体単電池の正極延出部の先端断面と負極延出部の先端断面とを導電性部材を介して接続することによって、隣り合う全固体単電池が電気的に接続した直列型全固体組電池１０を得る工程と、全固体単電池配列基板を直列型全固体組電池に沿って切断して、直列型全固体組電池を回収する工程と、を含む直列型全固体組電池の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、直列型全固体組電池の製造方法に関するものである。

近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれており、電解質として固体電解質を用いた全固体電池が注目されている。そのなかで大気中で化学的に安定である酸化物系の固体電解質では、積層コンデンサの製造方法を応用することができる。

全固体電池では、単電池を直列に組み合わせた組電池とすることにより、部品の削減による低コスト化、高エネルギー密度化、高出力化が可能となる。このため複数個の全固体単電池を直列に組み合わせて直列型全固体組電池とすることが検討されている。しかしながら、複数個の全固体単電池を積層した構造の直列型全固体組電池は、充放電に伴う体積膨張収縮により、電極層、固体電解質層の層間でのクラックが生じて、サイクル特性や抵抗増加を引き起すことがある。

このような課題に対して、特許文献１には、積層された複数の単電池間に導電性を有する弾性体を配置することが記載されている。また、特許文献２には、単電池間を、集電体を介して積層した全固体組電池において、正極層及び負極層と集電体との間に集電体よりも硬度が低い弾性体層を設けることが記載されている。

特開２００８−３１１１７３号公報 国際公開第２０１４／１６２５３２号

特許文献１、２に記載されている全固体単電池を厚み方向に積層させた直列型全固体組電池は、組電池全体としての厚みが大きくなりやすい。このため、多数の全固体単電池を厚み方向に積層させると、厚み方向での体積膨張収縮が大きくなり、層間でのクラックの発生を抑制することは困難であった。そこで、全固体単電池を厚み方向に対して直交する面方向に並列した構成の直列型全固体組電池が考えられる。しかしながら、本発明者の検討によると、全固体単電池を面方向に並列した状態で導電性ペーストを用いて直列に接合して焼き付ける方法によって得られた全固体組電池は、放電容量及びサイクル特性が低くなる傾向があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、全固体単電池を面方向に並列した直列型全固体組電池の放電容量及びサイクル特性を向上させることができる直列型全固体組電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討を重ねた結果、互いに対向しない正極延出部と負極延出部とを有する全固体単電池を２個以上の並列した全固体単電池配列基板を用意し、この全固体単電池配列基板に、隣り合う全固体単電池の正極延出部と負極延出部の先端断面が露出するように溝部を形成し、その溝部に導電性部材を充填して、隣り合う全固体単電池の正極延出部の先端断面と負極延出部の先端断面とを導電性部材を介して接続することによって、放電容量及びサイクル特性が向上した直列型全固体組電池を得ることが可能となることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の第１の態様に係る直列型全固体組電池の製造方法は、固体電解質層を介して積層された正極層と負極層とを含み、前記正極層は、前記負極層に対向する正極対向部と前記正極対向部から一の方向に延出した正極延出部とを有し、前記負極層は、前記正極層に対向する負極対向部と前記負極対向部から前記一の方向とは反対側の方向に延出した負極延出部とを有する全固体単電池が、前記一の方向に沿って２個以上並列配置された全固体単電池配列基板を用意する用意工程と、前記全固体単電池配列基板の平面方向に対して垂直な方向に、前記全固体単電池の前記正極延出部と前記負極延出部の先端に沿って溝部を形成して、隣り合う前記全固体単電池の前記正極延出部と前記負極延出部の先端断面を露出させる溝部形成工程と、前記溝部に導電性部材を充填して、隣り合う前記全固体単電池の前記正極延出部の先端断面と前記負極延出部の先端断面とを導電性部材を介して接続することによって、隣り合う前記全固体単電池が電気的に接続した直列型全固体組電池を得る充填工程と、前記全固体単電池配列基板を前記直列型全固体組電池に沿って切断して、前記直列型全固体組電池を回収する切断工程と、を含む。

（２）上記（１）の態様に係る直列型全固体組電池の製造方法において、前記導電性部材は、金属及びカーボンからなる群より選ばれる少なくとも１種の導電材料を含む構成としてもよい。

（３）上記（１）または（２）の態様に係る直列型全固体組電池の製造方法において、前記切断工程の前に、前記直列型全固体組電池の両側端部の前記正極延出部の前記先端断面と前記負極延出部の前記先端断面に接触している前記導電性部材が充填されている前記溝部の開口に、前記導電性部材と接触する電極パターンを形成する電極パターン形成工程を含む構成としてもよい。

本発明によれば、全固体単電池を面方向に並列した直列型全固体組電池の放電容量及びサイクル特性を向上させることができる直列型全固体組電池の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る直列型全固体組電池の製造方法により得られる直列型全固体組電池の斜視図である。 図１のII−II’線断面図である。 本発明の一実施形態に係る直列型全固体組電池の製造方法で用いることができる全固体単電池配列基板を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIII（ｂ）−III（ｂ）’線断面図である。 図３の全固体単電池配列基板に溝部を形成する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIV（ｂ）−IV（ｂ）’線断面図である。 図４の全固体単電池配列基板の溝部に導電性部材を充填する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶ（ｂ）−Ｖ（ｂ）’線断面図である。 図５の全固体単電池配列基板の溝部の開口に電極パターンを形成する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVI（ｂ）−VI（ｂ）’線断面図である。 図６の全固体単電池配列基板を切断して、直列型全固体組電池を回収する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVII（ｂ）−VII（ｂ）’線断面図である。

以下、本発明について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある。したがって、図面に記載の各構成要素の寸法比率などは、実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［直列型全固体組電池］
まず、本実施形態の製造方法により得られる直列型全固体組電池について説明する。
図１は、本実施形態に係る製造方法により得られる直列型全固体組電池の斜視図である。図２は、図１のII−II’線断面図である。

図１、図２に示すように、直列型全固体組電池１０は、面方向に並列配置された２個の全固体単電池２０ａ、２０ｂを有する。全固体単電池２０ａ、２０ｂは、それぞれ固体電解質層３０を介して積層された正極層４０と負極層５０とを含む。一方の全固体単電池２０ａの負極層５０と、他方の全固体単電池２０ｂの正極層４０とが導電性部材１１を介して接続することによって、全固体単電池２０ａと全固体単電池２０ｂとが電気的に接続した直列型全固体組電池１０を構成している。以下、本明細書において、直列型全固体組電池１０の全固体単電池２０ａ、２０ｂが並列配置されている方向をＸ方向とし、全固体単電池２０ａ、２０ｂの固体電解質層３０、正極層４０、負極層５０が積層されている方向をＺ方向とし、Ｘ方向とＺ方向とに垂直な方向をＹ方向ということがある。

正極層４０は、負極層５０に対向する正極対向部４１と正極対向部４１から一の方向（＋Ｘ方向）に延出した正極延出部４２とを有する。正極層４０は、正極集電体層４３と、正極集電体層４３の両側表面に備えられた正極活物質層４４とからなる。一方、負極層５０は、正極層４０に対向する負極対向部５１と負極対向部５１から一の方向とは反対側（−Ｘ方向）の方向に延出した負極延出部５２とを有する。負極層５０は、負極集電体層５３と、負極集電体層５３の両側表面に備えられた負極活物質層５４とからなる。

直列型全固体組電池１０は、一方の端面に正極取出し電極１２を、他方の端面に負極取出し電極１４を有する。正極取出し電極１２は正極端子１３に接続し、負極取出し電極１４は負極端子１５に接続している。正極端子１３及び負極端子１５は、直列型全固体組電池１０を回路基板に実装する際に、回路基板の配線パターンと接続するための端子として利用される。

正極集電体層４３及び負極集電体層５３の材料は、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。具体的には、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属を用いることができる。また、正極集電体層４３の材料として、上記の金属と正極活物質の混合物を、負極集電体層５３として、上記の金属と負極活物質の混合物を用いてもよい。

正極活物質層４４及び負極活物質層５４は、電子を授受する正極活物質及び負極活物質を含む。この他、導電助剤や結着剤等を含んでもよい。正極活物質及び負極活物質は、リチウムイオンを効率的に挿入、脱離できることが好ましい。

正極活物質及び負極活物質には、例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いることが好ましい。具体的には、リチウムマンガン複合酸化物Ｌｉ_２Ｍｎ_ａＭａ_１−ａＯ_３（０．８≦ａ≦１、Ｍａ＝Ｃｏ、Ｎｉ）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、一般式：ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ_２Ｏ_５）、オリビン型ＬｉＭｂＰＯ_４（ただし、Ｍｂは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒより選ばれる１種類以上の元素）、リン酸バナジウムリチウム（Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３又はＬｉＶＯＰＯ_４）、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３−ＬｉＭｃＯ_２（Ｍｃ＝Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）で表されるＬｉ過剰系固溶体、チタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、Ｌｉ_ｓＮｉ_ｔＣｏ_ｕＡｌ_ｖＯ_２（０．９＜ｓ＜１．３、０．９＜ｔ＋ｕ＋ｖ＜１．１）で表される複合金属酸化物等を用いることができる。

正極活物質及び負極活物質は、後述する固体電解質に合わせて、選択してもよい。例えば、固体電解質としてＬｉ_１＋ｎＡｌ_ｎＴｉ_２−ｎ（ＰＯ_４）_３（０≦ｎ≦０．６）を用いる場合は、正極活物質及び負極活物質にＬｉＶＯＰＯ_４及びＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３のうち一方又は両方を用いることが好ましい。この場合、正極活物質層４４及び負極活物質層５４と固体電解質層３０との界面における接合が、強固なものになる。また、正極活物質層４４及び負極活物質層５４と固体電解質層３０との界面における接触面積を広くできる。

固体電解質層３０は固体電解質を含む。固体電解質としては、電子伝導性が低く、リチウムイオンの伝導性が高い材料を用いることが好ましい。具体的には例えば、Ｌａ_０．５１Ｌｉ_０．３４ＴｉＯ_２．９４やＬａ_０．５Ｌｉ_０．５ＴｉＯ_３などのペロブスカイト型化合物や、Ｌｉ_１４Ｚｎ（ＧｅＯ_４）_４などのリシコン型化合物、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２などのガーネット型化合物、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３やＬｉ_１．５Ａｌ_０．５Ｇｅ_１．５（ＰＯ_４）_３などのナシコン型化合物、Ｌｉ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４やＬｉ_３ＰＳ_４などのチオリシコン型化合物、５０Ｌｉ_４ＳｉＯ_４・５０Ｌｉ_３ＢＯ_３やＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５やＬｉ_２Ｏ−Ｌｉ_３Ｏ_５−ＳｉＯ_２などのガラス化合物、Ｌｉ_３ＰＯ_４やＬｉ_３．５Ｓｉ_０．５Ｐ_０．５Ｏ_４やＬｉ_２．９ＰＯ_３．３Ｎ_０．４６などのリン酸化合物、Ｌｉ_２．９ＰＯ_３．３Ｎ_０．４６（ＬＩＰＯＮ）やＬｉ_３．６Ｓｉ_０．６Ｐ_０．４Ｏ_４などのアモルファス、Ｌｉ_１．０７Ａｌ_０．６９Ｔｉ_１．４６（ＰＯ_４）_３やＬｉ_１．５Ａｌ_０．５Ｇｅ_１．５（ＰＯ_４）_３などのガラスセラミックスよりなる群から選択される少なくとも１種であることが望ましい。

導電性部材１１は、電子伝導性が高く、リチウムイオンの伝導性が低い材料を用いることが好ましい。導電性部材１１の材料としては、金属、カーボンなどの導電材料を用いることができる。これらの導電材料は１種を単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

正極取出し電極１２、正極端子１３、負極取出し電極１４及び負極端子１５の材料としては、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。例えば、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズ、ニッケルを用いることができる。

［直列型全固体組電池の製造方法］
次に、本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法について説明する。
本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法は、全固体単電池配列基板を用意する用意工程と、全固体単電池配列基板に溝部を形成する溝部形成工程と、溝部に導電性部材を充填する充填工程と、溝部の開口に電極パターン形成工程と、全固体単電池配列基板を直列型全固体組電池の形状に沿って切断して直列型全固体組電池を回収する切断工程と、得られた直列型全固体組電池を焼成して焼結させる焼成工程とを含む。

（用意工程）
図３は、本発明の一実施形態に係る直列型全固体組電池の製造方法で用いることができる全固体単電池配列基板を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIII（ｂ）−III（ｂ）’線断面図である。
図３（ａ）に示すように、用意工程で用意する全固体単電池配列基板６０は、全固体単電池２０が、一の方向（Ｘ方向）に沿って８個、一の方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に８個ずつ並列配置されている。全固体単電池２０は、図３（ｂ）に示すように、それぞれ固体電解質層３０を介して上方に積層された正極層４０と下方に積層された負極層５０とを含む。正極層４０の上方及び負極層５０の下方にも固体電解質層３０が積層されている。正極層４０は、負極層５０に対向する正極対向部４１と、正極対向部４１から一の方向（＋Ｘ方向）に延出した正極延出部４２とを有する。負極層５０は、正極層４０に対向する負極対向部５１と、負極対向部５１から一の方向とは反対側の方向（−Ｘ方向）に延出した負極延出部５２とを有する。

全固体単電池配列基板６０は、例えば、固体電解質シートと、正極層４０を含む正極ユニットと、負極層５０を含む負極ユニットとを作製するユニット作製工程と、そのユニットを積層して、全固体単電池配列基板６０を得る積層工程とを含む方法により製造することができる。正極ユニットは、固体電解質層３０の上に、正極層４０をその表面方向（Ｘ−Ｙ方向）に沿って間隔部をあけて並列した積層シートである。負極ユニットは、固体電解質層３０の上に、負極層５０をその表面方向（Ｘ−Ｙ方向）に沿って間隔部をあけて並列した積層シートである。

ユニット作製工程において、固体電解質シート、正極ユニット及び負極ユニットは、各部材のペーストを作製し、次いで作製した各部材のペーストを基材の上に塗布して乾燥する方法によって製造することができる。

各部材のペーストとしては、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極集電体層、負極活物質層の各部材をペースト化する。ペースト化の方法は、特に限定されないが、例えば、前記各部材の粉末とビヒクルとを混合することでペーストを作製することができる。ペーストを作製する際の混合装置としては、ビーズミル、遊星型ペースト混練機、自動擂潰機、三本ロールミル、ハイシェアミキサー、プラネタリーミキサー等の従来公知の混練装置を用いることができる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称であり、溶媒、バインダー等が含まれる。各部材のペーストに含まれるバインダーは特に限定されないが、ポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、テルピネオール樹脂、エチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂等を用いることができる。これらの樹脂は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、各材料のペーストは可塑剤を含んでいてもよい。可塑剤の種類は特に限定されないが、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル等のフタル酸エステル等を使用してもよい。

固体電解質シートは、例えば、固体電解質層用ペーストを、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなど基材上に所望の厚みで塗布し、乾燥することによって、固体電解質層３０を形成する。固体電解質層用ペーストの塗布方法は、特に限定されず、ドクターブレード法、ダイコーター法、コンマコーター法、グラビアコーター法等の公知の方法を採用することができる。得られた固体電解質層３０を基材から剥離することによって固体電解質シートを得ることができる。

正極ユニットは、例えば、基材上に形成した固体電解質層３０の上に、正極活物質層用ペースト、正極集電体層用ペースト、正極活物質層用ペーストをこの順にスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥することによって、正極層４０を、間隔部をあけて並列するように形成する。次いで、間隔部（余白マージン）に固体電解質層用ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥することによって、正極層４０と同等の高さの固体電解質層を形成する。得られた固体電解質層３０と正極層４０との積層体を基材から剥離することによって、正極ユニットを得ることができる。

負極ユニットは、例えば、基材上に形成した固体電解質層３０の上に、負極活物質層用ペースト、負極集電体層用ペースト、負極活物質層用ペーストをこの順にスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥することによって、間隔部をあけて並列するように負極層５０を形成する。次いで、間隔部（余白マージン）に固体電解質層用ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥することによって、負極層５０と同等の高さの固体電解質層を形成する。得られた固体電解質層３０と負極層５０との積層体を基材から剥離することによって、負極ユニットを得ることができる。

積層工程では、正極ユニットと負極ユニットを交互にそれぞれの一端が一致しないようにオフセットを行い積層する。これによって、正極層４０には、負極層５０に対向する正極対向部４１と正極延出部４２とが形成され、負極層５０には、正極層４０に対向する負極対向部５１と負極延出部５２とが形成される。そして、得られた積層体の上下の面に固体電解質シートを積層することによって、全固体単電池配列基板６０が得られる。

さらに得られた全固体単電池配列基板６０を一括して金型プレス、温水等方圧プレス（ＷＩＰ）、冷水等方圧プレス（ＣＩＰ）、静水圧プレス等で加圧して圧着させ、正極ユニットと負極ユニットの密着性を高めることができる。加圧は加熱しながら行う方が好ましく、例えば４０〜９５℃で実施することができる。

（溝部形成工程）
図４は、上記の全固体単電池配列基板に溝部を形成する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIV（ｂ）−IV（ｂ）’線断面図である。
図４に示すように、溝部形成工程では、全固体単電池配列基板６０の平面方向に対して垂直な方向（Ｚ方向）に、隣り合う全固体単電池２０の正極延出部４２と負極延出部５２の先端に沿って溝部６１を形成して、正極延出部４２と負極延出部５２の先端断面を露出させる。溝部６１を形成するための装置としては、ダイシングブレード、微細レーザー加工機等を用いることができる。

（充填工程）
図５は、上記の全固体単電池配列基板の溝部に導電性部材を充填する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶ（ｂ）−Ｖ（ｂ）’線断面図である。
図５に示すように、充填工程では、溝部６１に導電性部材６２を充填する。これによって、正極延出部４２の先端断面と負極延出部５２の先端断面とを導電性部材６２を介して接続することによって、２個以上の互いに隣り合う全固体単電池２０が電気的に接続した直列型全固体組電池が得られる。導電性部材６２は、例えば、導電性部材のペーストを作製し、次いで作製した導電性部材ペーストを溝部６１に充填した後、乾燥することによって溝部に充填することができる。

（電極パターン形成工程）
図６は、上記の全固体単電池配列基板の溝部の開口に電極パターンを形成する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVI（ｂ）−VI（ｂ）’線断面図である。図６は、２個の全固体単電池２０で１個の直列型全固体組電池１０を構成する場合の電極パターン形成工程を示している。
図６に示すように、電極パターン形成工程では、直列型全固体組電池１０の両側端部の正極延出部４２の先端断面と負極延出部５２の先端断面に接触している導電性部材６２が充填されている溝部６１の開口に、導電性部材６２と接触する電極パターン６３を形成する。電極パターン６３は、導電材のペーストを作製し、次いで作製した導電材ペーストをスクリーン印刷法で溝部６１の開口に印刷した後、乾燥することによって形成することができる。

（切断工程）
図７は、上記の全固体単電池配列基板を切断して、直列型全固体組電池を回収する工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVII（ｂ）−VII（ｂ）’線断面図である。
図７に示すように、切断工程では、全固体単電池配列基板６０を、直列型全固体組電池１０に沿った方向（矢印ａ方向、矢印ｂ方向）に切断して、一方の表面（図７（ｂ）において上面）に、正極端子１３と負極端子１５が形成された直列型全固体組電池１０を回収する。切断装置としては、ダイシングブレード、微細レーザー加工機等を用いることができる。

（焼成工程）
焼成工程では、直列型全固体組電池１０を焼成して、固体電解質層３０、正極層４０、負極層５０を焼結させる。焼成条件は、例えば、窒素雰囲気下で６００℃以上１０００℃以下の温度である。焼成時間は、例えば、０．１時間以上３時間以下の範囲内である。還元雰囲気であれば、窒素雰囲気の代わりに、例えば、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気で焼成を行ってもよい。

焼成工程の前に、焼成工程とは別の工程として脱バインダー処理を行うことができる。焼成前に固体電解質層３０、正極層４０、負極層５０に含まれるバインダー成分を加熱分解することで、焼成工程におけるバインダー成分の急激な分解を抑制することができる。脱バインダー処理は、例えば、窒素雰囲気下で３００℃〜８００℃の範囲の温度で、０．１〜１０時間にわたって行われる。還元雰囲気であれば、窒素雰囲気の代わりに、例えば、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気で脱バインダー処理を行ってもよい。

焼成工程及び脱バインダー処理は、切断工程の前に行ってもよい。例えば、焼成工程及び脱バインダー処理は、用意工程の後で、溝部形成工程の前あるいは電極パターン形成工程の後で切断工程前に行ってもよい。

焼成工程で得られた直列型全固体組電池１０の正極端子１３と負極端子１５が形成されている側と反対側の固体電解質層３０を研磨することによって、図１に示すような直列型全固体組電池１０が得られる。ただし、直列型全固体組電池１０の正極端子１３と負極端子１５が形成されている側と反対側の固体電解質層３０の厚さは特に制限はなく、直列型全固体組電池１０の研磨は必ずしも行う必要はない。

以上に述べた本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法によれば、互いに対向しない正極延出部４２と負極延出部５２とを有する２個以上の全固体単電池２０を並列した全固体単電池配列基板６０を用意し、この全固体単電池配列基板６０に、隣り合う全固体単電池２０の正極延出部４２と負極延出部５２の先端断面が露出するように溝部６１を形成し、その溝部６１に導電性部材６２を充填して、隣り合う全固体単電池２０の正極延出部４２の先端断面と負極延出部５２の先端断面とを導電性部材６２を介して接続するため、全固体単電池２０と全固体単電池２０との間の導電性が向上する。一方、全固体単電池を面方向に並列した状態で導電性ペーストを用いて直列に接合して焼き付ける従来の方法によって得られた全固体組電池では、焼き付けの際に全固体単電池の正極層及び負極層が収縮して、全固体単電池同士の導電性が低下することがある。このため、本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法によって得られた直列型全固体組電池１０は、従来の方法によって得られた直列型全固体組電池と比較して放電容量及びサイクル特性に優れたものとなる。

本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法において、導電性部材１１の材料として金属、カーボンからなる群より選ばれる少なくとも１種の導電材料を含む場合は、導電性部材１１がイオン絶縁層として機能するため、全固体単電池２０と全固体単電池２０との間でのイオンの移動が起こりにくくなる。このため、直列型全固体組電池１０の放電容量及びサイクル特性により優れたものとなる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

例えば、本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法では、２個の全固体単電池２０で一個の直列型全固体組電池１０を構成する場合を説明したが、直列型全固体組電池１０を構成する全固体単電池２０の個数はこれに限定されるものではない。直列型全固体組電池１０を構成する全固体単電池２０の個数は３個以上であってもよい。また、本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法では、全固体単電池２０を構成する正極層４０及び負極層５０の層数がそれぞれ１層であるが、正極層４０及び負極層５０の層数はこれに限定されるものではない。正極層４０及び負極層５０の層数はそれぞれ２層以上であってもよい。

また、本実施形態の直列型全固体組電池の製造方法では、全固体単電池配列基板６０に、全固体単電池２０がＸ方向とＸ方向に対して直交するＺ方向とに並列配置されているが、全固体単電池２０が配列されている方向は、これに限定されるものではない。ただし、全固体単電池配列基板６０は、直列型全固体組電池１０を構成する全固体単電池２０が、正極延出部４２と負極延出部５２とが延出している一の方向（Ｘ方向）に沿って２個以上並列配置されている必要がある。

以下、前記の実施形態に基づいて、さらに実施例および比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、ペーストの作製における材料の仕込み量の「部」表示は、断りのない限り、「質量部」を意味する。

［実施例１］
＜用意工程＞
下記のようにして、図３に示す全固体単電池配列基板６０を作製した。

（固体電解質層用ペーストの作製）
固体電解質粉末として、Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３粉末を用いた。
Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３粉末は、以下の方法で作製した。
まず、Ｌｉ_２ＣＯ_３粉末Ａｌ_２Ｏ_３粉末ＴｉＯ_２粉末とＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４粉末とを出発材料として、ボールミルで１６時間湿式混合を行った後、脱水乾燥して粉末混合物を得た。次いで、得られた粉末混合物を８００℃で２時間、大気中で仮焼して仮焼粉末を得た。得られた仮焼粉末を、ボールミルで１６時間湿式粉砕を行った後、脱水乾燥してＬｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３粉末を得た。得られた粉末の組成がＬｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３であることは、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を使用して確認した。

上記Ｌｉ_１．３Ａｌ_０．３Ｔｉ_１．７（ＰＯ_４）_３粉末１００部に対して、溶媒としてエタノール１００部、トルエン２００部を加えてボールミルで混合した。その後、ポリビニルブチラール系バインダー１６部とフタル酸ベンジルブチル４．８部をさらに投入し、混合して固体電解質層用ペーストを作製した。

（正極活物質層用ペースト及び負極活物質層用ペーストの作製）
正極活物質粉末及び負極活物質粉末として、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３粉末を用いた。
Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３粉末は、以下の方法で作製した。
まず、Ｌｉ_２ＣＯ_３粉末Ｖ_２Ｏ_５粉末とＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４とを出発材料とし、ボールミルで１６時間湿式混合を行った後、脱水乾燥して粉末混合物を得た。次いで、得られた粉末混合物を８５０℃で２時間、窒素水素混合ガス中で仮焼して仮焼粉末を得た。得られた仮焼粉末をボールミルで湿式粉砕を行った後、脱水乾燥してＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３粉末を得た。得られた粉末の組成がＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３であることは、Ｘ線回折装置を使用して確認した。

上記Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３粉末１００部に対して、バインダーとしてエチルセルロース１５部と、溶媒としてジヒドロテルピネオール６５部とを加えて、混合・分散して正極活物質層用ペースト及び負極活物質層用ペーストを作製した。

（正極集電体層用ペースト及び負極集電体層用ペーストの作製）
正極集電体層及び負極集電体層の材料として、Ｃｕ粉末とＬｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３粉末とを体積比率で８０／２０の割合で含む混合物を用いた。この混合物１００部に対して、バインダーとしてエチルセルロース１０部と、溶媒としてジヒドロテルピネオール５０部とを加えて混合・分散し、正極集電体層用ペースト及び負極集電体層用ペーストを作製した。

（導電材ペーストの作製）
Ｃｕ粉末とガラス粉末とを重量比率で９０／１０となるように混合した後、この粉末１００部に対し、溶媒としてジヒドロテルピネオール２０部を加えて混合・分散し、外部電極用導電材ペーストを作製した。

（固体電解質シートの作製）
ＰＥＴフィルム（基材）の上に、固体電解質層用ペーストをドクターブレード法により塗布し、８０℃で１０分間乾燥して、固体電解質層を形成した。そして、得られた固体電解質層をＰＥＴフィルムから剥離して、固体電解質シートを作製した。

（正極ユニットの作製）
ＰＥＴフィルム（基材）の上に、固体電解質層用ペーストをドクターブレード法により塗布し、８０℃で１０分間乾燥することにより、固体電解質層を形成した。次いで、固体電解質層の上に、正極活物質層用ペースト、正極集電体層用ペースト、正極活物質層用ペーストをこの順にスクリーン印刷法によって印刷し、８０℃で１０分間乾燥することによって、一の方向（Ｘ方向）に３．８ｍｍで、一の方向に対して直交する方向（Ｙ方向）に２．６ｍｍの長方形状の正極層４０正極層を複数個、１．２ｍｍの間隔部をあけて並列するように形成した。次いで、間隔部（余白マージン）に固体電解質層用ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、８０℃で１０分間乾燥することによって、正極層４０と同等の高さの固体電解質層を形成した。そして、得られた固体電解質層３０と正極層４０との積層体をＰＥＴフィルムから剥離して、正極ユニットを作製した。

（負極ユニットの作製）
正極集電体層用ペーストと正極活物質層用ペーストの代わりに、負極活物質層用ペーストと負極集電体層用ペーストを用いたこと以外は、上記の正極ユニットの作製法と同様にして負極ユニットを作製した。

（全固体単電池配列基板の作製）
正極ユニットと負極ユニットを交互にそれぞれの正極層４０と負極層５０の一端が一致しないようにオフセットしながら積層した。次いで、得られた積層体の両主面に、固体電解質シートを複数積層して、ユニット積層体を得た。得られたユニット積層体を、金型プレスにより熱圧着して、図３に示すように全固体単電池２０が、一の方向（Ｘ方向）に沿って８個、一の方向（Ｘ方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に８個ずつ並列配置されている全固体単電池配列基板６０を得た。

＜溝部形成工程＞
次に、図４に示すように、得られた全固体単電池配列基板６０の正極層４０側から溝部６１を、微細レーザー加工機を用いて形成した。

＜充填工程＞
次に、図５に示すように、全固体単電池配列基板６０の溝部６１に、導電材ペーストをスクリーン印刷法によって充填し、次いで乾燥した。こうして、溝部６１に導電性部材６２を充填した。なお、１回のスクリーン印刷によって溝に導電材ペーストを十分に充填できなかった場合は、複数回のスクリーン印刷を行った。

＜電極パターン形成工程＞
次に、図６に示すように、２個の全固体単電池２０で１個の直列型全固体組電池１０を構成したときに両側端部の正極延出部４２の先端断面と負極延出部５２の先端断面に接触している導電性部材６２が充填されている溝部６１の開口に、導電材のペーストを塗布し、乾燥した。こうして電極パターン６３を形成した。

＜切断工程＞
次に、図７に示すように、全固体単電池配列基板６０を、２個の全固体単電池２０で１個の直列型全固体組電池１０を構成するように矢印方向に切断して、直列型全固体組電池１０（未焼成の直列型全固体組電池）を回収した。

＜焼成工程＞
得られた直列型全固体組電池１０を、窒素雰囲気下、昇温速度２００℃／時間で７５０℃まで昇温し、その温度で２時間焼成した後、室温まで放冷した。

［比較例１］
用意工程で得られた直列型全固体組電池１０を切断して、２個の全固体単電池２０に分割した。２個の全固体単電池を面方向に並列した状態でＣｕペーストを用いて直列に接合して焼き付けて、直列型全固体組電池を作製した。

［評価］
実施例１及び比較例１で作製した直列型全固体組電池について、下記の方法により、初期放電容量と充放電サイクル特性を測定した。その結果を、下記の表１に示す。

（初期放電容量）
２５℃の環境下において、０．２Ｃ（２０μＡ）の定電流で１．６Ｖの電池電圧になるまで定電流充電（ＣＣ充電）を行った。その後、０．２Ｃ（２０μＡ）の定電流で０Ｖの電池電圧になるまで定電流放電（ＣＣ放電）させ、そのときの放電容量を測定した。

（充放電サイクル特性）
上記の初期放電容量の測定を１サイクルとし、これを１０００サイクルまで繰り返した後の放電容量維持率を充放電サイクル特性として評価した。なお、本実施形態における充放電サイクル特性は、以下の計算式によって算出した。
１０００サイクル後の放電容量維持率［％］＝（１０００サイクル後の放電容量÷初期放電容量）×１００

表１の結果から明らかなように、本発明の製造方法に従って製造した実施例１の直列型全固体組電池は、全固体単電池を面方向に並列した状態で導電性ペーストを用いて直列に接合して焼き付ける従来の方法によって得られた比較例１の全固体組電池と比較して放電容量及びサイクル特性に優れる。

１０…直列型全固体組電池、１１…導電性部材、１２…正極取出し電極、１３…正極端子、１４…負極取出し電極、１５…負極端子、２０ａ、２０ｂ…全固体単電池、３０…固体電解質層、４０…正極層、４１…正極対向部、４２…正極延出部、４３…正極集電体層、４４…正極活物質層、５０…負極層、５１…負極対向部、５２…負極延出部、５３…負極集電体層、５４…負極活物質層、６０…全固体単電池配列基板、６１…溝部、６２…導電性部材、６３…電極パターン

Claims (3)

1. 固体電解質層を介して積層された正極層と負極層とを含み、前記正極層は、前記負極層に対向する正極対向部と前記正極対向部から一の方向に延出した正極延出部とを有し、前記負極層は、前記正極層に対向する負極対向部と前記負極対向部から前記一の方向とは反対側の方向に延出した負極延出部とを有する全固体単電池が、前記一の方向に沿って２個以上並列配置された全固体単電池配列基板を用意する用意工程と、
   前記全固体単電池配列基板の平面方向に対して垂直な方向に、前記全固体単電池の前記正極延出部と前記負極延出部の先端に沿って溝部を形成して、隣り合う前記全固体単電池の前記正極延出部と前記負極延出部の先端断面を露出させる溝部形成工程と、
   前記溝部に導電性部材を充填して、隣り合う前記全固体単電池の前記正極延出部の先端断面と前記負極延出部の先端断面とを導電性部材を介して接続することによって、隣り合う前記全固体単電池が電気的に接続した直列型全固体組電池を得る充填工程と、
   前記全固体単電池配列基板を前記直列型全固体組電池に沿って切断して、前記直列型全固体組電池を回収する切断工程と、
   を含む直列型全固体組電池の製造方法。
2. 前記導電性部材は、金属及びカーボンからなる群より選ばれる少なくとも１種の導電材料を含む請求項１に記載の直列型全固体組電池の製造方法。
3. 前記切断工程の前に、
   前記直列型全固体組電池の両側端部の前記正極延出部の前記先端断面と前記負極延出部の前記先端断面に接触している前記導電性部材が充填されている前記溝部の開口に、前記導電性部材と接触する電極パターンを形成する電極パターン形成工程を含む請求項１または２に記載の直列型全固体組電池の製造方法。

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