JP2021068713A - 電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来技術においては、高いエネルギー密度の電池が望まれる。【解決手段】第1部分と、第2部分と、を備え、前記第1部分は、第1の正極層と、第1の負極層と、前記第1の正極層と前記第1の負極層との間に位置する第1の固体電解質層と、を含み、前記第2部分は、第2の正極層と、第2の負極層と、前記第2の正極層と前記第2の負極層との間に位置する第2の固体電解質層と、を含み、前記第1部分と前記第2部分とは、互いに、接しており、前記第2部分は、前記第1部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、Cp1<Cp2、かつ、Ce1<Ce2、かつ、Cn1<Cn2、を満たす、電池。【選択図】図1

Description

本開示は、電池に関する。
特許文献1には、正極とセパレーターと負極とからなる積層体の曲折部分について、正極板および負極板に未塗工部を設け、かつ、未塗工部を絶縁テープで覆う構成のリチウム二次電池が、開示されている。
特開2002−093404号公報
従来技術においては、高いエネルギー密度の電池が望まれる。
本開示の一様態における電池は、第1部分と、第2部分と、を備え、前記第1部分は、第1の正極層と、第1の負極層と、前記第1の正極層と前記第1の負極層との間に位置する第1の固体電解質層と、を含み、前記第2部分は、第2の正極層と、第2の負極層と、前記第2の正極層と前記第2の負極層との間に位置する第2の固体電解質層と、を含み、前記第1部分と前記第2部分とは、互いに、接しており、前記第2部分は、前記第1部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、前記第1の正極層における結着剤の濃度をCp1とし、前記第2の正極層における結着剤の濃度をCp2とし、前記第1の固体電解質層における結着剤の濃度をCe1とし、前記第2の固体電解質層における結着剤の濃度をCe2とし、前記第1の負極層における結着剤の濃度をCn1とし、前記第2の負極層における結着剤の濃度をCn2とすると、Cp1<Cp2、かつ、Ce1<Ce2、かつ、Cn1<Cn2、を満たす。
本開示によれば、高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図1は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す断面図である。 図2は、実施の形態1における変形例の電池1100の概略構成を示す断面図である。 図3は、実施の形態1における変形例の電池1200の概略構成を示す断面図である。 図4は、実施の形態1における変形例の電池1300の概略構成を示す断面図である。 図5は、実施の形態1における変形例の電池1400の概略構成を示す断面図である。 図6は、実施の形態2における電池2000の概略構成を示す断面図である。 図7は、実施の形態2における変形例の電池2100の概略構成を示す断面図である。 図8は、実施の形態2における変形例の電池2200の概略構成を示す断面図である。 図9は、実施の形態2における変形例の電池2300の概略構成を示す断面図である。 図10は、実施の形態2における変形例の電池2400の概略構成を示す断面図である。 図11は、実施の形態2における変形例の電池2500の概略構成を示す断面図である。 図12は、実施の形態2における変形例の電池2600の概略構成を示す断面図である。 図13は、負極NEの製造方法を説明するための図である。 図14は、正極PEの製造方法を説明するための図である。 図15は、電池の製造方法を説明するための図である。 図16は、電池の概略構成を示す断面図である。 図17は、実施の形態3における電池3000の概略構成を示す断面図である。 図18は、実施の形態3における変形例の電池3100の概略構成を示す断面図である。 図19は、実施の形態4における電池4000の概略構成を示す断面図である。 図20は、実施の形態4における変形例の電池4100の概略構成を示す断面図である。 図21は、実施の形態4における変形例の電池4200の概略構成を示す断面図である。 図22は、実施の形態5における電池5000の概略構成を示す断面図である。 図23は、実施の形態5における変形例の電池5100の概略構成を示す断面図である。 図24は、実施の形態5における変形例の電池5200の概略構成を示す断面図である。 図25は、実施の形態5における変形例の電池5300の概略構成を示す断面図である。 図26は、実施の形態5における変形例の電池5400の概略構成を示す断面図である。 図27は、実施の形態5における変形例の電池5500の概略構成を示す断面図である。 図28は、バイポーラ電極の正極側部分Ppの製造方法を説明するための図である。 図29は、バイポーラ電極BU1の製造方法を説明するための図である。 図30は、電池の製造方法を説明するための図である。 図31は、工程B8により作製された電池の概略構成を示す断面図である。
以下、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の概略構成を示す断面図である。
実施の形態1における電池1000は、第1部分101と、第2部分102と、を備え
る。
第1部分101は、第1の正極層PA11と、第1の負極層NA11と、第1の固体電解質層SE11と、を含む。
第1の固体電解質層SE11は、第1の正極層PA11と第1の負極層NA11との間に位置する。
第2部分102は、第2の正極層PA12と、第2の負極層NA12と、第2の固体電解質層SE12と、を含む。
第2の固体電解質層SE12は、第2の正極層PA12と第2の負極層NA12との間に位置する。
第1部分101と第2部分102とは、互いに、接している。
第2部分102は、第1部分101よりも鋭く曲げられた状態で、配置されている。
ここで、第1の正極層PA11における結着剤の濃度(wt%)をCp1とする。また、第2の正極層PA12における結着剤の濃度(wt%)をCp2とする。また、第1の固体電解質層SE11における結着剤の濃度(wt%)をCe1とする。また、第2の固体電解質層SE12における結着剤の濃度(wt%)をCe2とする。第1の負極層NA11における結着剤の濃度(wt%)をCn1とする。第2の負極層NA12における結着剤の濃度(wt%)をCn2とする。
このとき、実施の形態1における電池1000においては、Cp1<Cp2、Ce1<Ce2、Cn1<Cn2、のうちの少なくとも1つを満たす。
以上の構成によれば、高いエネルギー密度の電池を実現できる。
例えば、無機固体電解質を用いた電池では、粒子同士の結着性または粒子と集電体との結着性を高める目的で、結着剤が用いられる。
例えば、正極合剤層(正極層)は、正極活物質と、無機固体電解質と、結着剤とを含みうる。また、無機固体電解質層は、無機固体電解質と、結着剤とを含みうる。また、負極合剤層(負極層)は、負極活物質と、無機固体電解質と、結着剤とを含みうる。
このように、結着剤を含むことで、電池の捲回または折り曲げに伴う屈曲部の形成により生じる歪みまたは内部応力などを原因とする、粒子同士の接触点の分断または粒子と集電体との接触点の分断を抑制できる。この結果、電池のエネルギー密度を高めることができる。
一方で、結着剤は、リチウムイオン、および電子を伝導しない絶縁性の物質である。このため、正極合剤層、無機固体電解質層、負極合剤層に含まれる結着剤の濃度が大きくなるほど、電池の充放電特性が低下し、エネルギー密度が低下する。
また、液体電解質を用いた電池では、例えば、正極合剤層に含まれる正極活物質と、結着剤との間に生じる小さな空隙に、液体電解質が容易に含浸する。これにより、良好な活物質/電解質界面が形成される。
一方で、例えば、無機固体電解質を用いた電池では、そのような小さな空隙に無機固体電解質が含浸することが困難である。このため、良好な活物質/電解質界面を形成できず、充放電特性が低下する。
これに対して、実施の形態1の構成であれば、歪または内部応力が加わる電池の第2部分(例えば、屈曲部)においては結着剤の濃度が、大きい。一方で、第1部分(例えば、直線部)においては、結着剤の濃度が、小さい。
このため、実施の形態1の構成であれば、第2部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第1部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。
この結果、直線部と屈曲部の両方の結着剤濃度が一様に大きい構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
また、特許文献1に開示されるような、屈曲部に合剤層を設けない構成では、歪みまたは応力が発生することは無い。一方で、未塗工部(つまり、合剤層が無い屈曲部)では、発電がなされない。このため、電池のエネルギー密度が、低下する。
これに対して、実施の形態1の構成であれば、第2部分(例えば、屈曲部)にも、正極層、負極層、固体電解質層が、設けられる。
したがって、屈曲部に合剤層を設けない構成と比較して、実施の形態1の構成であれば、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
第1部分101は、直線的(平面的)に配置される部分であってもよい。
もしくは、第1部分101は、第2部分102よりも緩やかに曲げられて配置される部分であってもよい。
第1部分101は、例えば、巻き回し構造の電池、または、つづら折り構造の電池における、屈曲部ではない部分であってもよい。
第2部分102は、例えば、巻き回し構造の電池、または、つづら折り構造の電池における、屈曲部であってもよい。
なお、第1部分101の厚みと第2部分102の厚みとは、互いに同じであってもよい。
もしくは、第1部分101の厚みと第2部分102の厚みとは、互いに異なってもよい。
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリアクリルニトリル、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、など、が用いられうる。
なお、第1の正極層PA11と第2の正極層PA12と第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12と第1の負極層NA11と第2の負極層NA12との全てに、結着剤が含まれてもよい。
もしくは、第1の正極層PA11は、結着剤を含まない構成であってもよい。
もしくは、第1の固体電解質層SE11は、結着剤を含まない構成であってもよい。
もしくは、第1の負極層NA11は、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、実施の形態1における電池1000において、Cp1<Cp2、が満たされる場合には、第2の固体電解質層SE12と第2の負極層NA12とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、実施の形態1における電池1000において、Ce1<Ce2、が満たされる場合には、第2の正極層PA12と第2の負極層NA12とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、実施の形態1における電池1000において、Cn1<Cn2、が満たされる場合には、第2の正極層PA12と第2の固体電解質層SE12とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、第1部分101に含まれる結着剤と第2部分102に含まれる結着剤とは、互いに同じ材料の結着剤であってもよい。
また、第1部分101に含まれる結着剤と第2部分102に含まれる結着剤とは、互いに異なる材料の結着剤であってもよい。
第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12とは、固体電解質を含む層である。
当該固体電解質としては、例えば、無機固体電解質が、用いられうる。
当該無機固体電解質としては、例えば、酸化物固体電解質、または、硫化物固体電解質、など、が用いられうる。
酸化物固体電解質としては、例えば、LiTi2(PO43およびその元素置換体を代
表とするNASICON型固体電解質、(LaLi)TiO3系のペロブスカイト型固体
電解質、Li14ZnGe416、Li4SiO4、Li4GeO4およびその元素置換体を代
表とするLISICON型固体電解質、Li7La3Zr212およびその元素置換体を代
表とするガーネット型固体電解質、Li3NおよびそのH置換体、Li3PO4およびその
N置換体、など、が用いられうる。
硫化物固体電解質としては、例えば、Li2S−P25、Li2S−SiS2、Li2S−B23、Li2S−GeS2、Li3.25Ge0.250.754、Li10GeP212、など、が用いられうる。また、これらに、LiX(X:F、Cl、Br、I)、MOy、LixMOy(M:P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか)(x、y:自然数)などが
、添加されてもよい。Li2S−P25は、イオン導電率が高く、かつ、低電位で還元さ
れにくく、粒子硬度が小さい。このため、Li2S−P25を用いることで、電池化が容
易となり、また高いエネルギー密度の電池を得ることができる。
第1の固体電解質層SE11および第2の固体電解質層SE12の厚みは、1〜100μmであってもよい。なお、固体電解質層の厚みが1μmより薄い場合には、正極層と負極層とが短絡する可能性が高まる。なお、固体電解質層の厚みが100μmより厚い場合
には、高出力での動作が困難となる可能性がある。
なお、第1の固体電解質層SE11に含まれる固体電解質と第2の固体電解質層SE12に含まれる固体電解質とは、互いに同じ材質および構成の固体電解質であってもよい。
もしくは、第1の固体電解質層SE11に含まれる固体電解質と第2の固体電解質層SE12に含まれる固体電解質とは、互いに異なる材質または構成の固体電解質であってもよい。
なお、第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12とは、互いに、接していてもよい。
第1の正極層PA11と第2の正極層PA12とは、正極活物質を含む層である。
第1の正極層PA11と第2の正極層PA12とは、正極活物質と固体電解質とを含む正極合剤層であってもよい。
正極活物質は、例えば、金属イオンを吸蔵および放出する材料であってもよい。正極活物質は、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出する材料であってもよい。正極活物質としては、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属フッ化物、ポリアニオンおよびフッ素化ポリアニオン材料、および、遷移金属硫化物、など、が用いられうる。リチウムイオン含有遷移金属酸化物を用いた場合には、製造コストを安くでき、かつ、平均放電電圧を高めることができる。
正極合剤層の厚みは、10〜500μmであってもよい。なお、正極合剤層の厚みが10μmより薄い場合には、十分な電池のエネルギー密度の確保が困難となる可能性がある。なお、正極合剤層の厚みが500μmより厚い場合には、高出力での動作が困難となる可能性がある。
なお、第1の正極層PA11に含まれる正極活物質と第2の正極層PA12に含まれる正極活物質とは、互いに同じ材質および構成の正極活物質であってもよい。
もしくは、第1の正極層PA11に含まれる正極活物質と第2の正極層PA12に含まれる正極活物質とは、互いに異なる材質および構成の正極活物質であってもよい。
なお、第1の正極層PA11と第2の正極層PA12とは、互いに、接していてもよい。
第1の負極層NA11と第2の負極層NA12とは、負極活物質を含む層である。
第1の負極層NA11と第2の負極層NA12とは、負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤層であってもよい。
負極活物質は、例えば、金属イオンを吸蔵および放出する材料であってもよい。負極活物質は、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出する材料であってもよい。負極活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウムと合金化反応を示す金属もしくは合金、炭素、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、など、が用いられうる。炭素としては、例えば、黒鉛、もしくは、ハードカーボンまたはコークスといった非黒鉛系炭素、が用いられうる。遷移金属酸化物としては、例えば、CuO、NiO、など、が用いられうる。遷移金属硫化物としては、例えば、CuSで表される硫化銅などが用いられうる。リチウムと合金化
反応を示す金属もしくは合金としては、例えば、ケイ素化合物、錫化合物、アルミニウム化合物とリチウムの合金、など、が用いられうる。炭素を用いた場合は、製造コストを安くでき、かつ、平均放電電圧を高めることができる。
負極合剤層の厚みは、10〜500μmであってもよい。なお、負極合剤層の厚みが10μmより薄い場合には、十分な電池のエネルギー密度の確保が困難となる可能性がある。なお、負極合剤層の厚みが500μmより厚い場合には、高出力での動作が困難となる可能性がある。
なお、第1の負極層NA11に含まれる負極活物質と第2の負極層NA12に含まれる負極活物質とは、互いに同じ材質および構成の負極活物質であってもよい。
もしくは、第1の負極層NA11に含まれる負極活物質と第2の負極層NA12に含まれる負極活物質とは、互いに異なる材質および構成の負極活物質であってもよい。
なお、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12とは、互いに、接していてもよい。
図1に示される電池1000は、正極集電体PCを備える。
正極集電体PCは、第1の正極層PA11と第2の正極層PA12とに接して、設けられる。
正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、および、それらの合金などの金属材料で作られた、多孔質または無孔のシートまたはフィルムなどが用いられうる。アルミニウムおよびその合金は、安価で薄膜化し易い。シートまたはフィルムとしては、金属箔、または、メッシュ、など、であってもよい。
正極集電体の厚みは、1〜30μmであってもよい。なお、正極集電体の厚みが1μmより薄い場合には、機械的な強度が十分でなく、集電体の割れまたは破れが生じ易くなる。なお、正極集電体の厚みが30μmより厚い場合には、電池のエネルギー密度が低下する可能性がある。
なお、正極集電体PCには、正極端子が付設されてもよい。
図1に示される電池1000は、負極集電体NCを備える。
負極集電体NCは、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12とに接して、設けられる。
負極集電体としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、および、それらの合金などの金属材料で作られた、多孔質または無孔のシートまたはフィルムなどが用いられうる。銅およびその合金は、安価で薄膜化し易い。シートまたはフィルムとしては、金属箔、または、メッシュ、など、であってもよい。
負極集電体の厚みは、1〜30μmであってもよい。なお、負極集電体の厚みが1μmより薄い場合には、機械的な強度が十分でなく、集電体の割れまたは破れが生じ易くなる。なお、負極集電体の厚みが30μmより厚い場合には、電池のエネルギー密度が低下する可能性がある。
なお、負極集電体NCには、負極端子が付設されてもよい。
正極合剤層と負極合剤層は、電極抵抗を低減する目的で、導電助剤を含んでもよい。
導電助剤としては、例えば、天然黒鉛または人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛またはチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物、など、が用いられうる。炭素導電助剤を用いた場合、低コスト化を図ることができる。
また、実施の形態1における電池1000においては、Cp1<Cp2、かつ、Ce1<Ce2、かつ、Cn1<Cn2、の全てを満たしてもよい。
以上の構成によれば、第1部分(例えば、直線部)における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。より具体的には、正極層と固体電解質層と負極層の全てにおいて、第2部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第1部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。例えば、正極層と固体電解質層と負極層のいずれかにおいて直線部と屈曲部の両方の結着剤濃度が一様に大きい構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Cp1<Cp2のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Ce1<Ce2のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Cn1<Cn2のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、負極層の負極活物質としては、正極層に含まれる正極活物質よりも粒子硬度が小さい活物質が、用いられてもよい。
粒子硬度が小さい活物質を用いる場合には、粒子硬度が大きい活物質を用いる場合と比較して、歪みまたは内部応力の発生が、より低減される。このため、粒子硬度が小さい活物質を用いる場合には、結着剤の濃度を低くしても、粒子同士の接触点の分断または粒子と集電体との接触点の分断を抑制できる。
このとき、実施の形態1における電池1000においては、Cp2>Cn2、を満たしてもよい。
以上の構成によれば、負極層において結着剤の効果を維持しながら、結着剤量をより少なくできる。これにより、結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、第1の正極層PA11の厚みDp1と第2の正極層PA12の厚みDp2とは、互いに、同じであってもよい。
また、第1の固体電解質層SE11の厚みDe1と第2の固体電解質層SE12の厚みDe2とは、互いに、同じであってもよい。
また、第1の負極層NA11の厚みDn1と第2の負極層NA12の厚みDn2とは、互いに、同じであってもよい。
なお、第1部分101に含まれる各層の厚みと第2部分102に含まれる各層の厚みとは、それぞれ、互いに、異なっていてもよい。
図2は、実施の形態1における変形例の電池1100の概略構成を示す断面図である。
図2に示される電池1100においては、Dp1>Dp2、を満たす。
以上の構成によれば、第2部分(例えば、屈曲部)の正極層が第1部分(例えば、直線部)の正極層よりも薄くなることで、第2部分(例えば、屈曲部)に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図3は、実施の形態1における変形例の電池1200の概略構成を示す断面図である。
図3に示される電池1200においては、Dn1>Dn2、を満たす。
以上の構成によれば、第2部分(例えば、屈曲部)の負極層が第1部分(例えば、直線部)の負極層よりも薄くなることで、第2部分(例えば、屈曲部)に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図4は、実施の形態1における変形例の電池1300の概略構成を示す断面図である。
図5は、実施の形態1における変形例の電池1400の概略構成を示す断面図である。
図4に示される電池1300および図5に示される電池1400においては、Dn1>Dn2、かつ、Dp1>Dp2、を満たす。
以上の構成によれば、上述の電池1100および電池1200の構成により奏する上述の効果を、両立させることができる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、正極層の正極活物質として、負極層に含まれる負極活物質よりも粒子硬度が大きい活物質が用いられる場合には、第2部分(例えば、屈曲部)において、歪みまたは内部応力が生じ易い。
そこで、図2に示される電池1100または図5に示される電池1400のように、Dp2<Dn2、を満たしてもよい。
以上の構成によれば、正極層に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、図1〜図5に示されるように、第2部分102は、第1の負極層NA11が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。
もしくは、第2部分102は、第1の正極層PA11が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。この構成であっても、上述した各効果を奏することができる。
(実施の形態2)
以下、実施の形態2が説明される。なお、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6は、実施の形態2における電池2000の概略構成を示す断面図である。
実施の形態2における電池2000は、上述の実施の形態1において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態2における電池2000は、第3部分103を備える。
第3部分103は、第3の正極層PA13と、第3の負極層NA13と、第3の正極層PA13と第3の負極層NA13との間に位置する第3の固体電解質層SE13と、を含む。
第1部分101と第3部分103とは、互いに、接している。
第3部分103は、第1部分101よりも鋭く曲げられた状態で、配置されている。
ここで、第3の正極層における結着剤の濃度をCp3(wt%)とする。また、第3の固体電解質層における結着剤の濃度をCe3(wt%)とする。また、第3の負極層における結着剤の濃度をCn3(wt%)とする。
このとき、Cp1<Cp3、Ce1<Ce3、Cn1<Cn3、のうちの少なくとも1つを満たす。
以上の構成によれば、第3部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第1部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、第3部分103は、例えば、巻き回し構造の電池、または、つづら折り構造の電池における、屈曲部であってもよい。
また、第3部分103は、第2部分102よりも緩やかに曲げられて配置される部分であってもよい。
もしくは、第3部分103は、第2部分102よりも鋭く曲げられて配置される部分であってもよい。
もしくは、第3部分103は、第2部分102と同程度に曲げられて配置される部分であってもよい。
なお、第3部分103の厚みと第1部分101の厚みとは、互いに同じであってもよい。
もしくは、第3部分103の厚みと第1部分101の厚みとは、互いに異なってもよい。
なお、第3部分103の厚みと第2部分102の厚みとは、互いに同じであってもよい。
もしくは、第3部分103の厚みと第2部分102の厚みとは、互いに異なってもよい。
第3部分103に含まれる結着剤としては、上述の実施の形態1で示された結着剤が、用いられうる。
なお、第3の正極層PA13と第3の固体電解質層SE13と第3の負極層NA13との全てに、結着剤が含まれてもよい。
また、実施の形態2における電池2000において、Cp1<Cp3、が満たされる場合には、第3の固体電解質層SE13と第3の負極層NA13とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、実施の形態2における電池2000において、Ce1<Ce3、が満たされる場合には、第3の正極層PA13と第3の負極層NA13とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、実施の形態2における電池2000において、Cn1<Cn3、が満たされる場合には、第3の正極層PA13と第3の固体電解質層SE13とのうちの一方もしくは両方が、結着剤を含まない構成であってもよい。
また、第3部分103に含まれる結着剤と第1部分101に含まれる結着剤とは、互いに同じ材料の結着剤であってもよい。
また、第3部分103に含まれる結着剤と第1部分101に含まれる結着剤とは、互いに異なる材料の結着剤であってもよい。
第3の固体電解質層SE13は、固体電解質を含む層である。
当該固体電解質としては、上述の実施の形態1で示された固体電解質が、用いられうる。
なお、第3の固体電解質層SE13に含まれる固体電解質と第1の固体電解質層SE11または第2の固体電解質層SE12に含まれる固体電解質とは、互いに同じ材質および構成の固体電解質であってもよい。
もしくは、第3の固体電解質層SE13に含まれる固体電解質と第1の固体電解質層SE11または第2の固体電解質層SE12に含まれる固体電解質とは、互いに異なる材質または構成の固体電解質であってもよい。
なお、第3の固体電解質層SE13と第1の固体電解質層SE11とは、互いに、接していてもよい。
第3の正極層PA13は、正極活物質を含む層である。
当該正極活物質としては、上述の実施の形態1で示された正極活物質が、用いられうる。
第3の正極層PA13は、正極活物質と固体電解質とを含む正極合剤層であってもよい
なお、第3の正極層PA13に含まれる正極活物質と第1の正極層PA11または第2の正極層PA12に含まれる正極活物質とは、互いに同じ材質および構成の正極活物質であってもよい。
もしくは、第3の正極層PA13に含まれる正極活物質と第1の正極層PA11または第2の正極層PA12に含まれる正極活物質とは、互いに異なる材質および構成の正極活物質であってもよい。
なお、第3の正極層PA13と第1の正極層PA11とは、互いに、接していてもよい。
第3の負極層NA13は、負極活物質を含む層である。
当該負極活物質としては、上述の実施の形態1で示された負極活物質が、用いられうる。
第3の負極層NA13は、負極活物質と固体電解質とを含む負極合剤層であってもよい。
なお、第3の負極層NA13に含まれる負極活物質と第1の負極層NA11または第2の負極層NA12に含まれる負極活物質とは、互いに同じ材質および構成の負極活物質であってもよい。
もしくは、第3の負極層NA13に含まれる負極活物質と第1の負極層NA11または第2の負極層NA12に含まれる負極活物質とは、互いに異なる材質および構成の負極活物質であってもよい。
なお、第3の負極層NA13と第1の負極層NA11とは、互いに、接していてもよい。
第3の正極層PA13は、正極集電体PCに接して、設けられる。
第3の負極層NA13は、負極集電体NCに接して、設けられる。
また、実施の形態2における電池2000においては、Cp1<Cp3、かつ、Ce1<Ce3、かつ、Cn1<Cn3、の全てを満たしてもよい。
以上の構成によれば、第1部分(例えば、直線部)における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。より具体的には、正極層と固体電解質層と負極層の全てにおいて、第3部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第1部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。例えば、正極層と固体電解質層と負極層のいずれかにおいて直線部と屈曲部の両方の結着剤濃度が一様に大きい構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Cp1<Cp3のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Ce1<Ce3のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。また、例えば、Cn1<Cn3のみを満たす構成と比較して、より高いエネルギー密度の電
池を実現できる。
なお、第3の負極層NA13の負極活物質としては、第3の正極層PA13に含まれる正極活物質よりも粒子硬度が小さい活物質が、用いられてもよい。
このとき、実施の形態2における電池2000においては、Cp3>Cn3、を満たしてもよい。
以上の構成によれば、負極層において結着剤の効果を維持しながら、結着剤量をより少なくできる。この結果、結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、第3の正極層PA13の厚みDp3と第1の正極層PA11の厚みDp1または第2の正極層PA12の厚みDp2とは、互いに、同じであってもよい。
また、第3の固体電解質層SE13の厚みDe3と第1の固体電解質層SE11の厚みDe1または第2の固体電解質層SE12の厚みDe2とは、互いに、同じであってもよい。
また、第3の負極層NA13の厚みDn3と第1の負極層NA11の厚みDn1または第2の負極層NA12の厚みDn2とは、互いに、同じであってもよい。
なお、第3部分103に含まれる各層の厚みと第1部分101または第2部分102に含まれる各層の厚みとは、それぞれ、互いに、異なっていてもよい。
図7は、実施の形態2における変形例の電池2100の概略構成を示す断面図である。
図7に示される電池2100においては、Dp1>Dp3、を満たす。
以上の構成によれば、第3部分(例えば、屈曲部)の正極層が第1部分(例えば、直線部)の正極層よりも薄くなることで、第3部分(例えば、屈曲部)に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図8は、実施の形態2における変形例の電池2200の概略構成を示す断面図である。
図8に示される電池2200においては、Dn1>Dn3、を満たす。
以上の構成によれば、第3部分(例えば、屈曲部)の負極層が第1部分(例えば、直線部)の負極層よりも薄くなることで、第3部分(例えば、屈曲部)に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図9は、実施の形態2における変形例の電池2300の概略構成を示す断面図である。
図10は、実施の形態2における変形例の電池2400の概略構成を示す断面図である。
図9に示される電池2300および図10に示される電池2400においては、Dn1>Dn3、かつ、Dp1>Dp3、を満たす。
以上の構成によれば、上述の電池2100および電池2200の構成により奏する上述の効果を、両立させることができる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、第3の正極層PA13の正極活物質として、第3の負極層NA13に含まれる負極活物質よりも粒子硬度が大きい活物質が用いられる場合には、第3部分(例えば、屈曲部)において、歪みまたは内部応力が生じ易い。
そこで、図7に示される電池2100または図10に示される電池2400のように、Dp3<Dn3、を満たしてもよい。
以上の構成によれば、正極層に生じる歪みまたは内部応力が、より小さくなる。これにより、歪みまたは内部応力に起因する充放電特性の低下が、より抑制される。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、図6〜図10に示されるように、第3部分103は、第1の正極層PA11が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。
もしくは、第3部分103は、第1の負極層NA11が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。この構成であっても、上述した各効果を奏することができる。
図11は、実施の形態2における変形例の電池2500の概略構成を示す断面図である。
図11に示される電池2500は、つづら折り構造の電池の一例である。
図11に示される電池2500は、4つの直線部と3つの屈曲部とからなる。
すなわち、図11に示される電池2500は、第2部分102の第1部分101と接していない側に、直線部を備える。
また、図11に示される電池2500は、第3部分103の第1部分101と接していない側に、直線部と屈曲部の繰り返し構造を備える。
なお、実施の形態2におけるつづら折り構造の電池においては、直線部が2つ以上、かつ、屈曲部が2つ以上であれば、それぞれの数は特に限定されるものではない。
すなわち、実施の形態2におけるつづら折り構造の電池は、図11に示される構成例よりも、直線部と屈曲部とが、より多く繰り返される、つづら折り構造であってもよい。
図11に示される電池2500においては、つづら折りの状態で互いに対向する正極集電体PC同士は、互いに離れた状態で、配置されている。
また、図11に示される電池2500においては、つづら折りの状態で互いに対向する負極集電体NC同士は、互いに離れた状態で、配置されている。
なお、実施の形態2においては、つづら折りの状態で互いに対向する正極集電体PC同士は、互いに接触した状態で、配置されてもよい。この構成によれば、電子抵抗が下がり、充放電特性を向上させることができる。
また、実施の形態2においては、つづら折りの状態で互いに対向する負極集電体NC同士は、互いに接触した状態で、配置されてもよい。この構成によれば、電子抵抗が下がり、充放電特性を向上させることができる。
屈曲部の幅(x方向における厚み)は、1〜50000μmであってもよい。
ここで、屈曲部の幅が1μmより小さい場合には、つづら折り構造の折り目の幅が屈曲部の幅よりも広くなり、歪や割れが生じる可能性がある。
また、屈曲部の幅が50000μmより大きい場合には、電池のエネルギー密度が低下する可能性がある。
上述の図6〜図11に示される構成例では、第2部分102と第3部分103とは、互いに異なる方向に、曲げられている。
なお、第2部分102と第3部分103とは、互いに同じ方向に、曲げられてもよい。
図12は、実施の形態2における変形例の電池2600の概略構成を示す断面図である。
図12に示される電池2600は、扁平状の巻き回し構造の電池の一例である。
図12には、3つの直線部と2つの屈曲部とが、図示されている。
すなわち、図12に示される電池2600は、第2部分102の第1部分101と接していない側に、直線部を備える。
また、図12に示される電池2600は、第3部分103の第1部分101と接していない側に、直線部を備える。
なお、実施の形態2における、巻き回し構造の電池においては、直線部が1つ以上、屈曲部が2つ以上あれば、それぞれの数は特に限定されるものではない。
すなわち、実施の形態2における巻き回し構造の電池は、図12に示される構成例よりも、直線部と屈曲部とが、より多く繰り返される、巻き回し構造であってもよい。
図12に示される電池2600においては、巻き回しの状態で互いに対向する正極集電体PCと負極集電体NCとは、互いに離れた状態で、配置されている。
なお、実施の形態2における巻き回し構造の電池においては、巻き回しの状態で互いに対向する正極集電体PCと負極集電体NCとの間に、絶縁体が配置されてもよい。
なお、実施の形態2におけるつづら折り構造の電池および扁平状の巻き回し構造の電池は、全固体リチウム二次電池として、構成されてもよい。
このとき、例えば、スマートフォンやデジタルカメラなどの携帯電子機器用の全固体リチウム二次電池としては、電池の主面の面積は、1〜100cm2であってもよい。
もしくは、電気自動車などの大型移動機器の電源用の全固体リチウム二次電池としては、電池の主面の面積は、100〜1000cm2であってもよい。
[電池の製造方法]
以下、実施の形態1および2における電池の製造方法の一例が、説明される。
図13は、負極NEの製造方法を説明するための図である。
負極NEの製造方法は、工程A1と工程A2とを含む。
工程A1は、負極集電体NCの上に、溶剤を加えペースト状にした第1の負極層NA11と第2の負極層NA12と第3の負極層NA13とを、スリットダイを用いて塗工する工程である。
工程A2は、それぞれ溶剤を加えペースト状にした、第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12と第3の固体電解質層SE13とを、それぞれ、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12と第3の負極層NA13の上に、スリットダイを用いて塗工する工程である。
なお、上記の各塗工の方向は、図13の矢印Aが示す方向であってもよい。
同様の方法により、他の直線部と他の屈曲部との負極部分も、負極集電体NCの上に、形成されうる。
図14は、正極PEの製造方法を説明するための図である。
正極PEの製造方法は、工程A3と工程A4とを含む。
工程A3は、正極集電体PCの上に、溶剤を加えペースト状にした第1の正極層PA11と第2の正極層PA12と第3の正極層PA13とを、スリットダイを用いて塗工する工程である。
工程A4は、それぞれ溶剤を加えペースト状にした、第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12と第3の固体電解質層SE13とを、それぞれ、第1の正極層PA11と第2の正極層PA12と第3の正極層PA13の上に、スリットダイを用いて塗工する工程である。
なお、上記の各塗工の方向は、図14の矢印Bが示す方向であってもよい。
同様の方法により、他の直線部と他の屈曲部との正極部分も、正極集電体PCの上に、形成されうる。
図15は、電池の製造方法を説明するための図である。
電池は、負極NEと正極PEとが、圧接されることで製造される(工程A5)。
このとき、負極NEに含まれる各固体電解質層の位置と、正極PEに含まれる各固体電解質層の位置とが、互いに一致するように、圧接する。
なお、上記の圧接の方向は、図15の矢印CC’が示す方向であってもよい。
工程A5により作製された電池の第2部分102および第3部分103を折り曲げる(
工程A6)。
このとき、折り曲げ方に応じて、電池の構造(巻き回し構造、つづら折り構造、など)を決定することができる。
また、正極集電体PCに正極端子を付設してもよい(工程A7)。
また、負極集電体NCに負極端子を付設してもよい(工程A8)。
例えば、上述の工程A1〜A4において用いられる各ペーストの結着剤の含有量を調整することで、正極層または固体電解質層または負極層の結着剤の濃度を、それぞれ、調整することができる。
図16は、電池の概略構成を示す断面図である。
例えば、塗工する各層の幅(x方向の厚み)とz方向の厚みとを適切に調整することで、実施の形態1または2における各変形例の電池が、製造されうる。
すなわち、図16における正極層PAaまたは固体電解質層SEaまたは負極層NAaの構成であれば、上述した電池1000および電池2000が得られる。
すなわち、図16における正極層PAbまたは固体電解質層SEbまたは負極層NAbの構成であれば、上述した電池1100および電池2100が得られる。
すなわち、図16における正極層PAcまたは固体電解質層SEcまたは負極層NAcの構成であれば、上述した電池1200および電池2200が得られる。
すなわち、図16における正極層PAdまたは固体電解質層SEdまたは負極層NAdの構成であれば、上述した電池1300および電池2300が得られる。
すなわち、図16における正極層PAeまたは固体電解質層SEeまたは負極層NAeの構成であれば、上述した電池1400および電池2400が得られる。
(実施の形態3)
以下、実施の形態3が説明される。なお、上述の実施の形態1または2と重複する説明は、適宜、省略される。
図17は、実施の形態3における電池3000の概略構成を示す断面図である。
実施の形態3における電池3000は、上述の実施の形態1において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態3における電池3000は、第1層と、第2層と、集電体層C1と、を備える。
第1層は、第1部分101と、第2部分102と、を含む。
第1部分101と第2部分102とは、上述の実施の形態1において示された構成を有する。
第2層は、第4部分201と、第5部分202と、を含む。
第4部分201は、第4の正極層PA21と、第4の負極層NA21と、第4の固体電解質層SE21と、を含む。
第4の固体電解質層SE21は、第4の正極層PA21と第4の負極層NA21との間に位置する。
第5部分202は、第5の正極層PA22と、第5の負極層NA22と、第5の固体電解質層SE22と、を含む。
第5の固体電解質層SE22は、第5の正極層PA22と第5の負極層NA22との間に位置する。
第4部分201と第5部分202とは、互いに、接している。第5部分202は、第4部分201よりも鋭く曲げられた状態で、配置される。
ここで、第4の正極層PA21における結着剤の濃度をCp4(wt%)とする。また、第5の正極層PA22における結着剤の濃度をCp5(wt%)とする。また、第4の固体電解質層SE21における結着剤の濃度をCe4(wt%)とする。また、第5の固体電解質層SE22における結着剤の濃度をCe5(wt%)とする。また、第4の負極層NA21における結着剤の濃度をCn4(wt%)とする。また、第5の負極層NA22における結着剤の濃度をCn5(wt%)とする。
このとき、Cp4<Cp5、Ce4<Ce5、Cn4<Cn5、のうちの少なくとも1つを満たす(例えば、Cp4<Cp5、Ce4<Ce5、Cn4<Cn5、の全てを満たしてもよい)。
第1層と第2層と集電体層C1とは、積層されている。
集電体層C1の一方の側は、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12とに、接している。
集電体層C1のもう一方の側は、第4の正極層PA21と第5の正極層PA22とに、接している。
第2部分102と集電体層C1と第5部分202とは、互いに同じ方向に曲げられた状態で、配置されている。
以上の構成によれば、第5部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第4部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
第4部分201の材料または構成は、上述の実施の形態1において示された第1部分101と同様であってもよい。
第5部分202の材料または構成は、上述の実施の形態1において示された第2部分102と同様であってもよい。
実施の形態3における電池3000は、バイポーラ電池の一例である。
すなわち、実施の形態3における電池3000の積層構造は、バイポーラ積層構造の一例である。
バイポーラ積層は、バイポーラ電極を構成要素に含み、かつ、正極層と固体電解質層と負極層を含む発電要素が少なくとも2層以上、集電体(集電体層)を介して直列に接続された構造である。
バイポーラ電極とは、集電体の一方の面に正極活物質層が担持され、かつ、集電体のもう一方の面に負極活物質層が担持されている電極である。
集電体層C1は、正極に隣接する集電体層C1の一方の側に配置される集電体と負極に隣接する集電体層C1の一方の側に配置される集電体とで別々の集電体から構成されてもよい。すなわち、集電体層C1は、上述の実施の形態1において示された正極集電体PCと負極集電体NCとを貼り合わせた構成であってもよい。
もしくは、集電体層C1は、正極に隣接する集電体層C1の一方の側と負極に隣接する集電体層C1の一方の側とで共通の集電体から構成されてもよい。すなわち、集電体層C1は、上述の実施の形態1において示された正極集電体PCまたは負極集電体NCのいずれかの構成であってもよい。
なお、図17に示されるように、第2部分102と集電体層C1と第5部分202とは、第4部分201が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。
図18は、実施の形態3における変形例の電池3100の概略構成を示す断面図である。
図18に示されるように、第2部分102と集電体層C1と第5部分202とは、第1部分101が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。この構成であっても、上述した効果を奏することができる。
(実施の形態4)
以下、実施の形態4が説明される。なお、上述の実施の形態1から3のいずれかと重複する説明は、適宜、省略される。
図19は、実施の形態4における電池4000の概略構成を示す断面図である。
実施の形態4における電池4000は、上述の実施の形態3において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態4における電池4000は、第1層は、第3部分103を含む。
第3部分103は、上述の実施の形態2において示された構成を有する。
第2層は、第6部分203を含む。
第6部分203は、第6の正極層PA23と、第6の負極層NA23と、第6の固体電解質層SE23と、を含む。
第6の固体電解質層SE23は、第6の正極層PA23と第6の負極層NA23との間
に位置する。
第4部分201と第6部分203とは、互いに、接している。第6部分203は、第4部分201よりも鋭く曲げられた状態で、配置される。
ここで、第6の正極層PA23における結着剤の濃度をCp6(wt%)とする。また、第6の固体電解質層SE23における結着剤の濃度をCe6(wt%)とする。また、第6の負極層NA23における結着剤の濃度をCn6(wt%)とする。
このとき、Cp4<Cp6、Ce4<Ce6、Cn4<Cn6、のうちの少なくとも1つを満たす(例えば、Cp4<Cp6、Ce4<Ce6、Cn4<Cn6、の全てを満たしてもよい)。
集電体層C1の一方の側は、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12と第3の負極層NA13とに、接している。
集電体層C1のもう一方の側は、第4の正極層PA21と第5の正極層PA22と第6の正極層PA23とに、接している。
第3部分103と集電体層C1と第6部分203とは、互いに同じ方向に曲げられた状態で、配置されている。
以上の構成によれば、第6部分(例えば、屈曲部)においては歪みまたは内部応力に起因するエネルギー密度低下を抑制しながら、第4部分(例えば、直線部)においては結着剤に起因するエネルギー密度低下を抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
第6部分203の材料または構成は、上述の実施の形態2において示された第3部分103と同様であってもよい。
なお、図19に示されるように、第3部分103と集電体層C1と第6部分203とは、第1部分101が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。
もしくは、第3部分103と集電体層C1と第6部分203とは、第4部分201が位置する側に曲げられた状態で、配置されていてもよい。この構成であっても、上述した各効果を奏することができる。
なお、発電素子の積層数は、例えば、電池の用途に応じて、任意に設定されうる。例えば、発電素子の積層数は、3以上であってもよい。
図20は、実施の形態4における変形例の電池4100の概略構成を示す断面図である。
なお、図20においては、簡略化の目的で、正極層と負極層と固体電解質層とを一体化させて、図示している。
図20に示される電池4100は、つづら折り構造のバイポーラ電池の一例である。
図20に示される電池4100は、3積層体である。
すなわち、図20に示される電池4100は、第1層と第2層と集電体層C1に加えて
、さらに、第3層と第2の集電体層C2とを備える。
第3層は、第7部分301と、第8部分302と、第9部分303と、を含む。
図20に示される電池4100においては、第1層と第2層と第3層とは、それぞれ、集電体層C1と第2の集電体層C2とを介して、直列に接続されている(積層されている)。
なお、第3層の材料または構成は、第1層または第2層と同様であってもよい。
また、第2の集電体層C2の材料または構成は、集電体層C1と同様であってもよい。
また、第1層と第2層とのそれぞれにおいては、上述の実施の形態2における電池2500の構成が、適宜、採用されうる。
また、正極集電体PCと負極集電体NCなどについても、上述の実施の形態2における電池2500の構成が、適宜、採用されうる。
上述の図19および図20に示される構成例では、第2部分102および第5部分202と、第3部分103および第6部分203とは、互いに異なる方向に、曲げられている。
なお、第2部分102および第5部分202と、第3部分103および第6部分203とは、互いに同じ方向に、曲げられてもよい。
図21は、実施の形態4における変形例の電池4200の概略構成を示す断面図である。
なお、図21においては、簡略化の目的で、正極層と負極層と固体電解質層とを一体化させて、図示している。
図21に示される電池4200は、扁平状の巻き回し構造のバイポーラ電池の一例である。
図21に示される電池4200における、第1層と第2層とのそれぞれにおいては、上述の実施の形態2における電池2600の構成が、適宜、採用されうる。
また、正極集電体PCと負極集電体NCなどについても、上述の実施の形態2における電池2600の構成が、適宜、採用されうる。
(実施の形態5)
以下、実施の形態5が説明される。なお、上述の実施の形態1から4のいずれかと重複する説明は、適宜、省略される。
図22は、実施の形態5における電池5000の概略構成を示す断面図である。
実施の形態5における電池5000は、上述の実施の形態3において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5000においては、第2部分102と集電体層
C1と第5部分202とは、第4部分201が位置する側に曲げられた状態で、配置されている。
このとき、第5部分202の幅(W22)は、第2部分102の幅(W12)よりも、小さい。
以上の構成によれば、第5部分(例えば、屈曲部)の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第4部分(例えば、直線部)の幅を、より広くとることができる。このため、第2層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、第2部分102においては、第2の正極層PA12の幅(W12p)と、第2の負極層NA12の幅(W12n)と、第2の固体電解質層SE12の幅(W12s)とは、互いに異なってもよい。
このとき、第2部分102の幅(W12)は、W12pとW12nとW12sとのうちの最大値であってもよい。
これと同様に、第5部分202の幅(W22)および第3部分103の幅(W13)および第6部分203の幅(W23)などは、それぞれが含む正極層と負極層と固体電解質層との幅のうちの最大値であってもよい。
図23は、実施の形態5における変形例の電池5100の概略構成を示す断面図である。
実施の形態5における電池5100は、上述の実施の形態3において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5100においては、第2部分102と集電体層C1と第5部分202とは、第1部分101が位置する側に曲げられた状態で、配置されている。
このとき、第2部分102の幅(W12)は、第5部分202の幅(W22)よりも、小さい。
以上の構成によれば、第2部分(例えば、屈曲部)の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第1部分(例えば、直線部)の幅を、より広くとることができる。このため、第1層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図24は、実施の形態5における変形例の電池5200の概略構成を示す断面図である。
実施の形態5における電池5200は、上述の実施の形態4において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5200においては、第3部分103と集電体層C1と第6部分203とは、第1部分101が位置する側に曲げられた状態で、配置されている。
このとき、第3部分103の幅(W13)は、第6部分203の幅(W23)よりも、小さい。
以上の構成によれば、第3部分(例えば、屈曲部)の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第1部分(例えば、直線部)の幅を、より広くとることができる。このため、第1層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、図24に示される電池5200は、上述の図22に示される電池5000の構成も備えている。
このため、図24に示される電池5200は、上述の電池5000が奏する効果も得ることができる。
図25は、実施の形態5における変形例の電池5300の概略構成を示す断面図である。
実施の形態5における電池5300は、上述の実施の形態4において示された構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5300においては、第3部分103と集電体層C1と第6部分203とは、第4部分201が位置する側に曲げられた状態で、配置されている。
このとき、第6部分203の幅(W23)は、第3部分103の幅(W13)よりも、小さい。
以上の構成によれば、第6部分(例えば、屈曲部)の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第4部分(例えば、直線部)の幅を、より広くとることができる。このため、第2層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
なお、図25に示される電池5300は、上述の図23に示される電池5100の構成も備えている。
このため、図25に示される電池5300は、上述の電池5100が奏する効果も得ることができる。
なお、実施の形態5においては、発電素子の積層数は、例えば、3以上であってもよい。
図26は、実施の形態5における変形例の電池5400の概略構成を示す断面図である。
図26に示される電池5400は、つづら折り構造のバイポーラ電池の一例である。
実施の形態5における電池5400は、上述の実施の形態4の図20に示される電池4100の構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5400においては、W12>W22>W32、
かつ、W33>W23>W13、の関係を満たしている。
ここで、W32は、第8部分302の幅である。また、W33は、第9部分303の幅である。
以上の構成によれば、第8部分(例えば、屈曲部)の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第7部分(例えば、直線部)の幅を、より広くとることができる。このため、第3層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
図27は、実施の形態5における変形例の電池5500の概略構成を示す断面図である。
図27に示される電池5500は、扁平状の巻き回し構造のバイポーラ電池の一例である。
実施の形態5における電池5500は、上述の実施の形態4の図21に示される電池4200の構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態5における電池5500においては、W22>W12、かつ、W23>W13、の関係を満たしている。
以上の構成によれば、第2部分および第3部分の幅が、過剰に広くなることを抑制できる。これにより、結着剤の含有量が比較的少ない第1部分の幅を、より広くとることができる。このため、第1層における結着剤に起因するエネルギー密度低下を、より抑制できる。この結果、より高いエネルギー密度の電池を実現できる。
以上のように、実施の形態5においては、折り目の外側に位置する発電要素の屈曲部の幅は、折り目の内側に位置する発電要素の屈曲部の幅よりも、広い。
バイポーラ電池においては、複数の発電要素が積層されることにより、z方向の電池厚みが厚くなる。このため、折り目の内側から外側にかけて、屈曲部の幅が、より広くなる。
折り目の内側から外側にかけて屈曲部の幅を広くすることで、折り目における歪みまたは応力の発生をよく抑制できる。また、屈曲部の幅を過剰に広くしないことにより、高いエネルギー密度のバイポーラ電池を実現できる。
[電池の製造方法]
以下、実施の形態3および4および5における電池の製造方法の一例が、説明される。
図28は、バイポーラ電極の正極側部分Ppの製造方法を説明するための図である。
バイポーラ電極の正極側部分Ppの製造方法は、工程B1と工程B2とを含む。
工程B1は、集電体層C1の上に、溶剤を加えペースト状にした第1の正極層PA11と第2の正極層PA12と第3の正極層PA13とを、スリットダイを用いて塗工する工程である。
工程B2は、それぞれ溶剤を加えペースト状にした、第1の固体電解質層SE11と第
2の固体電解質層SE12と第3の固体電解質層SE13とを、それぞれ、第1の正極層PA11と第2の正極層PA12と第3の正極層PA13の上に、スリットダイを用いて塗工する工程である。
なお、上記の各塗工の方向は、図28の矢印Aが示す方向であってもよい。
同様の方法により、他の直線部と他の屈曲部との正極部分も、集電体層C1の上に、形成されうる。
図29は、バイポーラ電極BU1の製造方法を説明するための図である。
バイポーラ電極BU1の製造方法は、工程B3と工程B4とを含む。
工程B3は、上述の正極側部分Ppの集電体層C1の主面のうち、正極層が形成されていない側の主面に、溶剤を加えペースト状にした第1の負極層NA11と第2の負極層NA12と第3の負極層NA13とを、スリットダイを用いて塗工する工程である。
工程B4は、それぞれ溶剤を加えペースト状にした、第1の固体電解質層SE11と第2の固体電解質層SE12と第3の固体電解質層SE13とを、それぞれ、第1の負極層NA11と第2の負極層NA12と第3の負極層NA13の上に、スリットダイを用いて塗工する工程である。
なお、上記の各塗工の方向は、図29の矢印Bが示す方向であってもよい。
同様の方法により、他の直線部と他の屈曲部との負極部分も、集電体層C1の上に、形成されうる。
また、以上の工程B1〜B4により、他のバイポーラ電極BU2が作製される(工程B5)。
また、負極NEが作製される(工程B6)。負極NEは、例えば、上述の図13に示される工程A1と工程A2とにより、作製されうる。
また、正極PEが作製される(工程B7)。正極PEは、例えば、上述の図14に示される工程A3と工程A4とにより、作製されうる。
図30は、電池の製造方法を説明するための図である。
電池は、正極PEとバイポーラ電極BU1とバイポーラ電極BU2と負極NEとが、圧接されることで製造される(工程B8)。
このとき、正極PEに含まれる各固体電解質層の位置と、バイポーラ電極BU1に含まれる各固体電解質層の位置とが、互いに一致するように、圧接する。
なお、上記の圧接の方向は、図30の矢印CC’が示す方向であってもよい。
また、バイポーラ電極BU1に含まれる各固体電解質層の位置と、バイポーラ電極BU2に含まれる各固体電解質層の位置とが、互いに一致するように、圧接する。
なお、上記の圧接の方向は、図30の矢印DD’が示す方向であってもよい。
また、バイポーラ電極BU2に含まれる各固体電解質層の位置と、負極NEに含まれる各固体電解質層の位置とが、互いに一致するように、圧接する。
なお、上記の圧接の方向は、図30の矢印EE’が示す方向であってもよい。
工程B8により作製された電池の第2部分102および第3部分103を折り曲げる(工程B9)。
このとき、折り曲げ方および各層の幅に応じて、電池の構造(巻き回し構造、つづら折り構造、など)を決定することができる。
また、負極集電体NCに負極端子を付設してもよい(工程B10)。
また、正極集電体PCに正極端子を付設してもよい(工程B11)。
また、集電体層C1または第2の集電体層C2に電圧検出用の端子を付設してもよい(工程B12)。
例えば、上述の工程B1〜B7において用いられる各ペーストの結着剤の含有量を調整することで、正極層または固体電解質層または負極層の結着剤の濃度を、それぞれ、調整することができる。
図31は、工程B8により作製された電池の概略構成を示す断面図である。
例えば、塗工する各層の幅(x方向の厚み)とz方向の厚みとを適切に調整することで、実施の形態3または4または5において示された各電池が、製造されうる。
すなわち、図31に示されるように、例えば、L32<L22<L12、かつ、L13<L23<L33とすれば、上述した電池5400が得られる。
ここで、バイポーラ電極BU2を用いなければ、折り曲げ方の調整により、上述した電池5000または電池5100または電池5200または電池5300が得られる。
また、折り曲げ方および各層の幅の調整により、上述した電池5500が得られる。すなわち、各屈曲部はいずれも同じ向きに折り曲げて、かつ、L12<L22、かつ、L13<L23とすれば、上述した電池5500が得られる。ただし、電池5500の構成であれば、積層数は2層とする。
また、例えば、L32=L22=L12、かつ、L33=L23=L13とすれば、上述した電池4100が得られる。
ここで、バイポーラ電極BU2を用いなければ、折り曲げ方の調整により、上述した電池3000または電池3100または電池4000が得られる。
また、折り曲げ方および各層の幅の調整により、上述した電池4200が得られる。すなわち、各屈曲部はいずれも同じ向きに折り曲げて、かつ、L22=L12、かつ、L13=L23とすれば、上述した電池4200が得られる。ただし、電池4200の構成であれば、積層数は2層とする。
ここで、L12は、折り曲げ前の第2部分102の幅である。また、L22は、折り曲げ前の第5部分202の幅である。また、L32は、折り曲げ前の第8部分302の幅である。また、L13は、折り曲げ前の第3部分103の幅である。また、L23は、折り曲げ前の第6部分203の幅である。また、L33は、折り曲げ前の第9部分303の幅である。
なお、上述の実施の形態1から5のそれぞれに記載の構成は、適宜、互いに、組み合わされてもよい。
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。
PC 正極集電体
NC 負極集電体
101 第1部分
PA11 第1の正極層
NA11 第1の負極層
SE11 第1の固体電解質層
102 第2部分
PA12 第2の正極層
NA12 第2の負極層
SE12 第2の固体電解質層
103 第3部分
PA13 第3の正極層
NA13 第3の負極層
SE13 第3の固体電解質層
C1 集電体層
C2 第2の集電体層
201 第4部分
PA21 第4の正極層
NA21 第4の負極層
SE21 第4の固体電解質層
202 第5部分
PA22 第5の正極層
NA22 第5の負極層
SE22 第5の固体電解質層
203 第6部分
PA23 第6の正極層
NA23 第6の負極層
SE23 第6の固体電解質層

Claims (18)

  1. 第1部分と、第2部分と、を含む第1層と、
    第4部分と、第5部分と、を含む第2層と、
    集電体層と、
    を備え、
    前記第1部分は、第1の正極層と、第1の負極層と、前記第1の正極層と前記第1の負極層との間に位置する第1の固体電解質層と、を含み、
    前記第2部分は、第2の正極層と、第2の負極層と、前記第2の正極層と前記第2の負極層との間に位置する第2の固体電解質層と、を含み、
    前記第1部分と前記第2部分とは、互いに、接しており、
    前記第2部分は、前記第1部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、
    前記第1の正極層における結着剤の濃度をCp1とし、前記第2の正極層における結着剤の濃度をCp2とし、前記第1の固体電解質層における結着剤の濃度をCe1とし、前記第2の固体電解質層における結着剤の濃度をCe2とし、前記第1の負極層における結着剤の濃度をCn1とし、前記第2の負極層における結着剤の濃度をCn2とすると、
    p1<Cp2、Ce1<Ce2、Cn1<Cn2、のうちの少なくとも1つを満たし、
    前記第4部分は、第4の正極層と、第4の負極層と、前記第4の正極層と前記第4の負極層との間に位置する第4の固体電解質層と、を含み、
    前記第5部分は、第5の正極層と、第5の負極層と、前記第5の正極層と前記第5の負極層との間に位置する第5の固体電解質層と、を含み、
    前記第4部分と前記第5部分とは、互いに、接しており、
    前記第5部分は、前記第4部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、
    前記第4の正極層における結着剤の濃度をCp4とし、前記第5の正極層における結着剤の濃度をCp5とし、前記第4の固体電解質層における結着剤の濃度をCe4とし、前記第5の固体電解質層における結着剤の濃度をCe5とし、前記第4の負極層における結着剤の濃度をCn4とし、前記第5の負極層における結着剤の濃度をCn5とすると、
    p4<Cp5、Ce4<Ce5、Cn4<Cn5、のうちの少なくとも1つを満たし、
    前記第1層と前記第2層と前記集電体層とは、積層され、
    前記集電体層の一方の側は、前記第1の負極層と前記第2の負極層とに、接しており、
    前記集電体層のもう一方の側は、前記第4の正極層と前記第5の正極層とに、接しており、
    前記第2部分と前記集電体層と前記第5部分とは、互いに同じ方向に曲げられた状態で、配置されている、
    電池。
  2. p1<Cp2、かつ、Ce1<Ce2、かつ、Cn1<Cn2、を満たす、
    請求項1に記載の電池。
  3. p4<Cp5、かつ、Ce4<Ce5、かつ、Cn4<Cn5、を満たす、
    請求項2に記載の電池。
  4. 前記第2部分と前記集電体層と前記第5部分とは、前記第4部分が位置する側に曲げられた状態で、配置されており、
    前記積層の長手方向における前記第5部分の幅は、前記第2部分の幅よりも、小さい、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の電池。
  5. 前記第2部分と前記集電体層と前記第5部分とは、前記第1部分が位置する側に曲げられた状態で、配置されており、
    前記積層の長手方向における前記第2部分の幅は、前記第5部分の幅よりも、小さい、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の電池。
  6. 前記第1層は、第3部分を含み、
    前記第3部分は、第3の正極層と、第3の負極層と、前記第3の正極層と前記第3の負極層との間に位置する第3の固体電解質層と、を含み、
    前記第1部分と前記第3部分とは、互いに、接しており、
    前記第3部分は、前記第1部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、
    前記第3の正極層における結着剤の濃度をCp3とし、前記第3の固体電解質層における結着剤の濃度をCe3とし、前記第3の負極層における結着剤の濃度をCn3とすると、
    p1<Cp3、Ce1<Ce3、Cn1<Cn3、のうちの少なくとも1つを満たし、
    前記第2層は、第6部分を含み、
    前記第6部分は、第6の正極層と、第6の負極層と、前記第6の正極層と前記第6の負極層との間に位置する第6の固体電解質層と、を含み、
    前記第4部分と前記第6部分とは、互いに、接しており、
    前記第6部分は、前記第4部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、
    前記第6の正極層における結着剤の濃度をCp6とし、前記第6の固体電解質層における結着剤の濃度をCe6とし、前記第6の負極層における結着剤の濃度をCn6とすると、
    p4<Cp6、Ce4<Ce6、Cn4<Cn6、のうちの少なくとも1つを満たし、
    前記集電体層の一方の側は、前記第1の負極層と前記第2の負極層と前記第3の負極層とに、接しており、
    前記集電体層のもう一方の側は、前記第4の正極層と前記第5の正極層と前記第6の正極層とに、接しており、
    前記第3部分と前記集電体層と前記第6部分とは、互いに同じ方向に曲げられた状態で、配置されている、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の電池。
  7. 前記第3部分と前記集電体層と前記第6部分とは、前記第1部分が位置する側に曲げられた状態で、配置されており、
    前記積層の長手方向における前記第3部分の幅は、前記第6部分の幅よりも、小さい、
    請求項6に記載の電池。
  8. 前記第3部分と前記集電体層と前記第6部分とは、前記第4部分が位置する側に曲げられた状態で、配置されており、
    前記積層の長手方向における前記第6部分の幅は、前記第3部分の幅よりも、小さい、
    請求項6に記載の電池。
  9. p2>Cn2、を満たす、
    請求項1から8のいずれか1項に記載の電池。
  10. 前記第1の正極層の厚みをDp1とし、
    前記第2の正極層の厚みをDp2とすると、
    p1>Dp2、を満たす、
    請求項1から9のいずれか1項に記載の電池。
  11. 前記第1の負極層の厚みをDn1とし、
    前記第2の負極層の厚みをDn2とすると、
    n1>Dn2、を満たす、
    請求項1から10のいずれか1項に記載の電池。
  12. 前記第2の正極層の厚みをDp2とし、
    前記第2の負極層の厚みをDn2とすると、
    p2<Dn2、を満たす、
    請求項1から11のいずれか1項に記載の電池。
  13. 第3部分を備え、
    前記第3部分は、第3の正極層と、第3の負極層と、前記第3の正極層と前記第3の負極層との間に位置する第3の固体電解質層と、を含み、
    前記第1部分と前記第3部分とは、互いに、接しており、
    前記第3部分は、前記第1部分よりも鋭く曲げられた状態で、配置されており、
    前記第3の正極層における結着剤の濃度をCp3とし、前記第3の固体電解質層における結着剤の濃度をCe3とし、前記第3の負極層における結着剤の濃度をCn3とすると、
    p1<Cp3、Ce1<Ce3、Cn1<Cn3、のうちの少なくとも1つを満たす、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の電池。
  14. p1<Cp3、かつ、Ce1<Ce3、かつ、Cn1<Cn3、を満たす、
    請求項13に記載の電池。
  15. p3>Cn3、を満たす、
    請求項13または14に記載の電池。
  16. 前記第1の正極層の厚みをDp1とし、
    前記第3の正極層の厚みをDp3とすると、
    p1>Dp3、を満たす、
    請求項13から15のいずれか1項に記載の電池。
  17. 前記第1の負極層の厚みをDn1とし、
    前記第3の負極層の厚みをDn3とすると、
    n1>Dn3、を満たす、
    請求項13から16のいずれか1項に記載の電池。
  18. 前記第3の正極層の厚みをDp3とし、
    前記第3の負極層の厚みをDn3とすると、
    p3<Dn3、を満たす、
    請求項13から17のいずれか1項に記載の電池。
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