JP2021144840A - 固体電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁体を介して複数の電極体を積層した固体電池において、絶縁体と電極体との間に異物が噛み込んだ場合に、絶縁体の破損による短絡を防止することが可能な、固体電池の提供。【解決手段】複数の電極体１０と、前記複数の電極体１０の間の各々において前記電極体１０に隣接して配置された絶縁体２０とを備え、前記電極体１０が集電体１、２と電極活物質層３，４と固体電解質層５とを備え、前記電極体１０と前記絶縁体２０との隣接部において前記電極体１０の隣接面が前記集電体１、２で構成され、前記絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の前記電極体１０が互いに直列に接続され、前記絶縁体２０の隣接面のビッカース硬度が、前記電極体１０の隣接面のビッカース硬度よりも高い、固体電池１００。【選択図】図２
Description
本願は固体電池を開示する。
特許文献１には、第一電池と第二電池との間に絶縁体である仕切り部材を備えた組電池が開示されている。特許文献１に開示された組電池においては、第一電池及び第二電池の各々が金属製の容器を備えており、当該容器に発電要素（電極体）が収容されている。
特許文献１に開示された組電池においては、第一電池の容器と第二電池の容器との間に絶縁体である仕切り部材を配置しており、仕切り部材が破損したとしても、容器の存在によって、発電要素（電極体）同士の短絡は生じない。一方で、電池容器の内部において一の電極体と他の電極体との間に絶縁体を配置した構成においては、異物の噛み込みによって当該絶縁体が破損した場合に一の電極体と他の電極体との短絡が生じる虞がある（図９Ａ及びＢ参照）。この点、異物の噛み込みの際に絶縁体の破損を抑制可能な技術が必要である。
本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
複数の電極体と、前記複数の電極体の間の各々において前記電極体に隣接して配置された絶縁体とを備え、
前記電極体が集電体と電極活物質層と固体電解質層とを備え、
前記電極体と前記絶縁体との隣接部において前記電極体の隣接面が前記集電体で構成され、
前記絶縁体を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の前記電極体が互いに直列に接続され、
前記絶縁体の隣接面のビッカース硬度が、前記電極体の隣接面のビッカース硬度よりも高い、
固体電池を開示する。
複数の電極体と、前記複数の電極体の間の各々において前記電極体に隣接して配置された絶縁体とを備え、
前記電極体が集電体と電極活物質層と固体電解質層とを備え、
前記電極体と前記絶縁体との隣接部において前記電極体の隣接面が前記集電体で構成され、
前記絶縁体を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の前記電極体が互いに直列に接続され、
前記絶縁体の隣接面のビッカース硬度が、前記電極体の隣接面のビッカース硬度よりも高い、
固体電池を開示する。
本開示の固体電池においては、電極体の隣接面よりも絶縁体の隣接面のほうが硬いことから、絶縁体と電極体との間に異物が噛み込んだ場合に、当該異物を電極体側に埋没させて、絶縁体の破損を抑制することができる。
複数の電極体同士を並列に接続した場合、一の電極体が単独で短絡すると、短絡していない他の電極体から短絡した一の電極体へと電流が回り込み、短絡した電極体が大きく発熱する虞がある。これに対し、本開示の固体電池においては、複数の電極体同士が直列に接続されていることから、一の電極体に異物が埋没して当該電極体が単独で短絡したとしても、上記した電流の回り込みは起こらず、短絡した電極体の発熱量が大きくなるといった問題が生じ難い。
１．固体電池
図１〜６に一実施形態に係る固体電池１００の構成を概略的に示す。図１〜６に示されるように、固体電池１００は、複数の電極体１０と、複数の電極体１０の間の各々において電極体１０に隣接して配置された絶縁体２０とを備え、電極体１０が集電体１、２と電極活物質層３、４と固体電解質層５とを備える。固体電池１００においては、電極体１０と絶縁体２０との隣接部において電極体１０の隣接面１１が集電体１で構成される。固体電池１００においては、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の電極体１０が互いに直列に接続される。固体電池１００においては、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度よりも高い。
図１〜６に一実施形態に係る固体電池１００の構成を概略的に示す。図１〜６に示されるように、固体電池１００は、複数の電極体１０と、複数の電極体１０の間の各々において電極体１０に隣接して配置された絶縁体２０とを備え、電極体１０が集電体１、２と電極活物質層３、４と固体電解質層５とを備える。固体電池１００においては、電極体１０と絶縁体２０との隣接部において電極体１０の隣接面１１が集電体１で構成される。固体電池１００においては、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の電極体１０が互いに直列に接続される。固体電池１００においては、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度よりも高い。
１．１ 電極体
電極体１０は、集電体１、２と電極活物質層３、４と固体電解質層５とを備える。また、電極体１０は絶縁体２０と隣接する隣接面１１を有し、当該隣接面１１は集電体１で構成されている。電極体１０は、図２〜４に示されるように、集電体１、２、電極活物質層３、４及び固体電解質層５を含む電極部１０ａと、電極部１０ａから突出した正負極タブ１０ｂ、１０ｃとを備えていてもよい。この場合、電極部１０ａの表面が上記隣接面１１となり得る。
電極体１０は、集電体１、２と電極活物質層３、４と固体電解質層５とを備える。また、電極体１０は絶縁体２０と隣接する隣接面１１を有し、当該隣接面１１は集電体１で構成されている。電極体１０は、図２〜４に示されるように、集電体１、２、電極活物質層３、４及び固体電解質層５を含む電極部１０ａと、電極部１０ａから突出した正負極タブ１０ｂ、１０ｃとを備えていてもよい。この場合、電極部１０ａの表面が上記隣接面１１となり得る。
１．１．１ 電極部
固体電池１００においては、電極部１０ａにおいて電気化学的な反応を生じさせて発電を行う。電極部１０ａの構成は従来の固体電池における電極部の構成と同様でよい。例えば、図４に示されるように、電極部１０ａは正極タブ１０ｂを有する正極集電体１と、負極タブ１０ｃを有する負極集電体２と、正極活物質層３と、負極活物質層４と、固体電解質層５とを備えてもよい。
固体電池１００においては、電極部１０ａにおいて電気化学的な反応を生じさせて発電を行う。電極部１０ａの構成は従来の固体電池における電極部の構成と同様でよい。例えば、図４に示されるように、電極部１０ａは正極タブ１０ｂを有する正極集電体１と、負極タブ１０ｃを有する負極集電体２と、正極活物質層３と、負極活物質層４と、固体電解質層５とを備えてもよい。
正極集電体１は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。取扱い性等に優れる観点からは、正極集電体１を金属箔としてもよい。正極集電体１は複数枚の金属箔からなっていてもよい。正極集電体１を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｏ、ステンレス鋼等が挙げられる。正極集電体１は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体１が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体１の厚みは特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上であってもよいし、１μｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下であってもよいし、１００μｍ以下であってもよい。
負極集電体２は、金属箔や金属メッシュ等により構成すればよい。取扱い性等に優れる観点からは、負極集電体２を金属箔としてもよい。負極集電体２は複数枚の金属箔からなっていてもよい。負極集電体２を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｏ、ステンレス鋼等が挙げられる。負極集電体２と正極集電体１とは同じ材質からなるものであってもよいし、異なる材質からなるものであってもよい。負極集電体２は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、負極集電体２が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。負極集電体２の厚みは特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上であってもよいし、１μｍ以上であってもよく、１ｍｍ以下であってもよいし、１００μｍ以下であってもよい。
正極活物質層３は、少なくとも正極活物質を含む層である。正極活物質層３は、正極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。正極活物質は公知の活物質を用いればよい。公知の活物質のうち、所定のイオンを吸蔵放出する電位（充放電電位）の異なる２つの物質を選択し、貴な電位を示す物質を正極活物質とし、卑な電位を示す物質を後述の負極活物質として、それぞれ用いることができる。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、正極活物質としてコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物等のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。正極活物質は表面がニオブ酸リチウム層やチタン酸リチウム層やリン酸リチウム層等の酸化物層で被覆されていてもよい。正極活物質層３に含まれ得る固体電解質としては、例えば、無機固体電解質が挙げられる。無機固体電解質は有機ポリマー電解質と比較してイオン伝導度が高い。また、有機ポリマー電解質と比較して、耐熱性に優れる。さらに、有機ポリマー電解質と比較して、硬質で剛性に優れ、固体電池１００をより容易に構成できる。無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、ＬｉＰＯＮ、Ｌｉ１＋ＸＡｌＸＧｅ２−Ｘ（ＰＯ４）３、Ｌｉ−ＳｉＯ系ガラス、Ｌｉ−Ａｌ−Ｓ−Ｏ系ガラス等の酸化物固体電解質；Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｓｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−ＬｉＩ−ＬｉＢｒ、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｏ５、ＬｉＩ−Ｌｉ３ＰＯ４−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−ＧｅＳ２等の硫化物固体電解質を例示することができる。特に、硫化物固体電解質が好ましく、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５を含む硫化物固体電解質がより好ましい。正極活物質層３に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム（ＢＲ）系バインダー、ブチレンゴム（ＩＩＲ）系バインダー、アクリレートブタジエンゴム（ＡＢＲ）系バインダー、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系バインダーが挙げられる。正極活物質層３に含まれ得る導電助剤としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料やニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。正極活物質層３における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。正極活物質層３の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の正極活物質層３が好ましい。正極活物質層３の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下としてもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。
負極活物質層４は、少なくとも負極活物質を含む層である。負極活物質層４は、負極活物質に加えて、さらに任意に固体電解質、バインダー及び導電助剤等を含んでいてもよい。負極活物質は公知の活物質を用いればよい。例えば、リチウムイオン電池を構成する場合は、負極活物質としてＳｉやＳｉ合金や酸化ケイ素等のシリコン系活物質；グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質；チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質；金属リチウムやリチウム合金等を用いることができる。固体電解質、バインダー及び導電助剤は正極活物質層３に用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。負極活物質層４における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。負極活物質層４の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の負極活物質層４が好ましい。負極活物質層４の厚みは、特に限定されるものではない。例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下としてもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。
固体電解質層５は、少なくとも固体電解質を含む層である。固体電解質層５は、固体電解質に加えて、任意にバインダー等を含んでいてもよい。固体電解質は上述した無機固体電解質、特に硫化物固体電解質が好ましい。バインダーは正極活物質層３に用いられるものとして例示したものの中から適宜選択して用いることができる。固体電解質層５における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。固体電解質層５の形状も従来と同様とすればよい。特に、電池１００を容易に構成できる観点から、シート状の固体電解質層５が好ましい。この場合、固体電解質層５の厚みは、例えば、０．１μｍ以上２ｍｍ以下としてもよい。下限は１μｍ以上であってもよく、上限は１ｍｍ以下であってもよい。
１．１．２ 正極タブ
正極タブ１０ｂの材質は、正極集電体１の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ１０ｂの厚みは、正極集電体１の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ１０ｂは正極集電体１から突出した形状であればよい。正極タブ１０ｂの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。正極集電体１に正極タブ１０ｂを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、正極集電体１の一部を切り欠くことで正極タブ１０ｂを形成してもよいし、正極集電体１に正極タブ１０ｂを溶接等によって接合してもよい。
正極タブ１０ｂの材質は、正極集電体１の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ１０ｂの厚みは、正極集電体１の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。正極タブ１０ｂは正極集電体１から突出した形状であればよい。正極タブ１０ｂの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。正極集電体１に正極タブ１０ｂを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、正極集電体１の一部を切り欠くことで正極タブ１０ｂを形成してもよいし、正極集電体１に正極タブ１０ｂを溶接等によって接合してもよい。
１．１．３ 負極タブ
負極タブ１０ｃの材質は、負極集電体２の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ１０ｃの厚みは、負極集電体１の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ１０ｃは負極集電体２から突出した形状であればよい。負極タブ１０ｃの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。負極集電体２に負極タブ１０ｃを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、負極集電体２の一部を切り欠くことで負極タブ１０ｃを形成してもよいし、負極集電体２に負極タブ１０ｃを溶接等によって接合してもよい。
負極タブ１０ｃの材質は、負極集電体２の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ１０ｃの厚みは、負極集電体１の厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。負極タブ１０ｃは負極集電体２から突出した形状であればよい。負極タブ１０ｃの突出形状は、多角形状、半円形状、線状等、種々の形状を採用し得る。負極集電体２に負極タブ１０ｃを設ける方法は特に限定されるものではない。例えば、負極集電体２の一部を切り欠くことで負極タブ１０ｃを形成してもよいし、負極集電体２に負極タブ１０ｃを溶接等によって接合してもよい。
１．１．４ 補足
電極体１０は公知の方法により作製可能である。例えば、集電体の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Ａを積層し、当該活物質層Ａの一面側に乾式又は湿式法で固体電解質層を積層し、当該固体電解質層の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Ｂを積層し、さらに活物質層Ｂの一面側に集電体を積層することで、電極体１０が得られる。各層の積層順はこれに限定されるものではない。
電極体１０は公知の方法により作製可能である。例えば、集電体の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Ａを積層し、当該活物質層Ａの一面側に乾式又は湿式法で固体電解質層を積層し、当該固体電解質層の一面側に乾式又は湿式法で活物質層Ｂを積層し、さらに活物質層Ｂの一面側に集電体を積層することで、電極体１０が得られる。各層の積層順はこれに限定されるものではない。
尚、図１〜４においては、１つの負極集電体２の両面に負極活物質層４、４が設けられ、各々の負極活物質層４、４に固体電解質層５、５が設けられ、各々の固体電解質層５、５に正極活物質層３、３が設けられ、各々の正極活物質層３、３に正極集電体１、１が設けられる形態を例示したが、電極体１０の形態はこれに限定されるものではない。１つの正極集電体１の両面に正極活物質層３、３、固体電解質層５、５、負極活物質層４、４及び負極集電体２、２を各々設けて電極体を構成してもよいし、１つの正極集電体１と１つの負極集電体２との間に正極活物質層３、固体電解質層５及び負極活物質層４を設けて電極体を構成してもよい（図７Ａ、Ｂ参照）。或いは、正極集電体１と負極集電体２との間にバイポーラ集電体を設けてバイポーラ電極体を構成してもよい。
１．２．絶縁体
絶縁体２０は電極体１０の隣接面同士の絶縁が可能であればよく、その形状は特に限定されるものではない。例えば、図１、２、５及び６に示されるように、絶縁体２０は電極部絶縁部２０ａと、電極部絶縁部２０ａから突出した絶縁タブ２０ｂとを備えていてもよい。絶縁体２０は電極体１０と隣接する隣接面２１を有し、絶縁体２０の当該隣接面２１は上記の電極体１０の隣接面１１よりもビッカース硬度が高い。絶縁体２０が電極部絶縁部２０ａと絶縁タブ２０ｂとを備える場合、電極体１０と絶縁体２０との隣接部において、電極部絶縁部２０ａが隣接面２１となり得る。
絶縁体２０は電極体１０の隣接面同士の絶縁が可能であればよく、その形状は特に限定されるものではない。例えば、図１、２、５及び６に示されるように、絶縁体２０は電極部絶縁部２０ａと、電極部絶縁部２０ａから突出した絶縁タブ２０ｂとを備えていてもよい。絶縁体２０は電極体１０と隣接する隣接面２１を有し、絶縁体２０の当該隣接面２１は上記の電極体１０の隣接面１１よりもビッカース硬度が高い。絶縁体２０が電極部絶縁部２０ａと絶縁タブ２０ｂとを備える場合、電極体１０と絶縁体２０との隣接部において、電極部絶縁部２０ａが隣接面２１となり得る。
１．２．１ 電極部絶縁部
電極部絶縁部２０ａは、電極体１０の電極部１０ａ間に配置され、電極部１０ａ同士の導通を防ぐ。電極部１０ａには拘束圧力がかかる場合があり、この場合、電極部絶縁部２０ａは、高い荷重がかかった中でも破損しないことが求められる。また、固体電池１００においては、異物が噛み込んだ場合に絶縁体２０の破損を防止するために、絶縁体２０の隣接面のビッカース硬度を高める。さらに、電極体１０同士の伝熱を抑制することを考慮して、電極部絶縁部２０ａを大きな熱抵抗を有する材料によって構成してもよい。絶縁体として一般的な材料としては、ポリエチレンテレフタラートやポリイミドやシリコーン樹脂等の樹脂が挙げられるが、電極部絶縁部２０ａを樹脂で構成した場合、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が低くなる虞がある。ビッカース硬度を高める観点から、電極部絶縁部２０ａはアルミナ等のセラミックによって構成してもよい。
電極部絶縁部２０ａは、電極体１０の電極部１０ａ間に配置され、電極部１０ａ同士の導通を防ぐ。電極部１０ａには拘束圧力がかかる場合があり、この場合、電極部絶縁部２０ａは、高い荷重がかかった中でも破損しないことが求められる。また、固体電池１００においては、異物が噛み込んだ場合に絶縁体２０の破損を防止するために、絶縁体２０の隣接面のビッカース硬度を高める。さらに、電極体１０同士の伝熱を抑制することを考慮して、電極部絶縁部２０ａを大きな熱抵抗を有する材料によって構成してもよい。絶縁体として一般的な材料としては、ポリエチレンテレフタラートやポリイミドやシリコーン樹脂等の樹脂が挙げられるが、電極部絶縁部２０ａを樹脂で構成した場合、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が低くなる虞がある。ビッカース硬度を高める観点から、電極部絶縁部２０ａはアルミナ等のセラミックによって構成してもよい。
電極部絶縁部２０ａの形状は、例えば、シート状とすることができる。電極部絶縁部２０ａの厚みは、電極部１０ａ同士の接触及び導通を防ぐことが可能である限り、特に限定されるものではない。例えば、電極部絶縁部２０ａの厚みを０．１μｍ以上２ｍｍ以下としてもよい。
１．２．２ 絶縁タブ
絶縁タブ２０ｂは、電極体１０のタブ間に配置され、タブ１０ｂ、１０ｃ同士の導通を防ぐ。絶縁タブ２０ｂは上記した樹脂やセラミック等によって構成し得る。絶縁タブ２０ｂは電極部絶縁部２０ａに対して突出していればよく、その突出形状は、多角形状、半円形状等、種々の形状を採用し得る。絶縁タブ２０ｂの形状は、タブ１０ｂ、１０ｃ同士の導通を防ぐことが可能なように、タブ１０ｂ、１０ｃと対応する形状を有していてもよい。また、絶縁タブ２０ｂはタブ１０ｂ、１０ｃよりも大きな面積を有していてもよい。絶縁タブ２０ｂの厚みは、電極部絶縁部２０ａの厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。絶縁タブ２０ｂの厚みは、電極部絶縁部２０ａの厚み以下であってもよい。
絶縁タブ２０ｂは、電極体１０のタブ間に配置され、タブ１０ｂ、１０ｃ同士の導通を防ぐ。絶縁タブ２０ｂは上記した樹脂やセラミック等によって構成し得る。絶縁タブ２０ｂは電極部絶縁部２０ａに対して突出していればよく、その突出形状は、多角形状、半円形状等、種々の形状を採用し得る。絶縁タブ２０ｂの形状は、タブ１０ｂ、１０ｃ同士の導通を防ぐことが可能なように、タブ１０ｂ、１０ｃと対応する形状を有していてもよい。また、絶縁タブ２０ｂはタブ１０ｂ、１０ｃよりも大きな面積を有していてもよい。絶縁タブ２０ｂの厚みは、電極部絶縁部２０ａの厚みと同じであってもよいし、異なっていてもよい。絶縁タブ２０ｂの厚みは、電極部絶縁部２０ａの厚み以下であってもよい。
１．２．３ 補足
絶縁体２０は公知の手段・方法により作製可能である。例えば、樹脂やセラミックをフィルム状に成形して絶縁体２０を得ることができる。或いは、電極部絶縁部２０ａを成形したうえで、ここに絶縁タブ２０ｂを接着或いは溶着させることで絶縁体２０を作製してもよい。
絶縁体２０は公知の手段・方法により作製可能である。例えば、樹脂やセラミックをフィルム状に成形して絶縁体２０を得ることができる。或いは、電極部絶縁部２０ａを成形したうえで、ここに絶縁タブ２０ｂを接着或いは溶着させることで絶縁体２０を作製してもよい。
尚、図１、２、５及び６においては、絶縁体２０が絶縁タブ２０ｂを有するものを例示したが、絶縁体２０は絶縁タブ２０ｂを有していなくてもよい。ただし、絶縁体２０が電極体１０のタブ１０ｂ、１０ｃと対応する位置に絶縁タブ２０ｂを有することで、電極体１０のタブ同士の絶縁がより容易となる。
１．３．電極体と絶縁体との配置構造及び接合構造
固体電池１００においては、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の電極体１０同士が互いに直列に接続される。例えば、図１及び２に示されるように、固体電池１００においては、一の絶縁体２０を挟んで隣接する一方の電極体１０を第１電極体（例えば、図２の１０ｘ）とし、他方の電極体１０を第２電極体（例えば、図２の１０ｙ）とした場合に、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが互いに直列に接続される。より具体的には、図１及び２にて両矢印で示されるように、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとが接続されることで、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが直列に接続されることとなる。或いは、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとが接続されることで、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが直列に接続されることとなる。互いに接続されるタブ同士は絶縁体２０を介して隣接してはおらず、すなわち、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続される。タブ１０ｂ、１０ｃの接続方法は、特に限定されるものではなく、例えば、はんだ等の溶融金属によって接続してもよいし、カーボンテープ等の導電性テープによって接続してもよいし、機械的に挟み込んで接続してもよい。一方、固体電池１００においては、図１及び２に示されるように、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとの間に絶縁タブ２０ｂが配置され、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとが絶縁されてもよい。或いは、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとの間に絶縁タブ２０ｂが配置され、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとが絶縁されてもよい。
固体電池１００においては、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の電極体１０同士が互いに直列に接続される。例えば、図１及び２に示されるように、固体電池１００においては、一の絶縁体２０を挟んで隣接する一方の電極体１０を第１電極体（例えば、図２の１０ｘ）とし、他方の電極体１０を第２電極体（例えば、図２の１０ｙ）とした場合に、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが互いに直列に接続される。より具体的には、図１及び２にて両矢印で示されるように、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとが接続されることで、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが直列に接続されることとなる。或いは、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとが接続されることで、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとが直列に接続されることとなる。互いに接続されるタブ同士は絶縁体２０を介して隣接してはおらず、すなわち、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続される。タブ１０ｂ、１０ｃの接続方法は、特に限定されるものではなく、例えば、はんだ等の溶融金属によって接続してもよいし、カーボンテープ等の導電性テープによって接続してもよいし、機械的に挟み込んで接続してもよい。一方、固体電池１００においては、図１及び２に示されるように、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとの間に絶縁タブ２０ｂが配置され、第１電極体１０ｘの負極タブ１０ｃと第２電極体１０ｙの正極タブ１０ｂとが絶縁されてもよい。或いは、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとの間に絶縁タブ２０ｂが配置され、第１電極体１０ｘの正極タブ１０ｂと第２電極体１０ｙの負極タブ１０ｃとが絶縁されてもよい。
図１及び２に示されるように、固体電池１００においては、このような第１電極体１０ｘと、第２電極体１０ｙと、第１電極体１０ｘ及び第２電極体１０ｙの間に配置された絶縁体２０とからなる組み合わせが複数設けられてもよい。図１及び２に示されるように、第１電極体１０ｘと第２電極体１０ｙとは、表裏の向きが互いに逆向きであってもよい。すなわち、第１電極体１０ｘの面の向きを表向きとした場合、第２電極体１０ｙの面の向きは裏向きであってよい。このように、同一形状を有する電極体１０ｘ、１０ｙを、絶縁体２０を介して表裏が逆となるように積層することで、固体電池１００をより容易に構成することができる。
尚、固体電池１００において、電極体１０の数は特に限定されるものではない。目的とする電池性能に応じて、電極体１０の数を適宜決定すればよい。
電極体同士の接続形態は上記した形態に限定されるものではない。本開示の固体電池においては、絶縁体２０を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されていればよく、例えば、図７Ａや図７Ｂに示すような形態にて電極体同士が互いに直列に接続されてもよい。
１．４ 隣接面のビッカース硬度Ｈｖ
上述したように、固体電池１００においては、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度よりも高い。例えば、絶縁体２０をセラミックで構成した場合、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度を１０００以上とすることができる。絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度は１２００以上であってもよいし、１４００以上であってもよい。絶縁体２０をアルミナで構成した場合は隣接面２１のビッカース硬度を１４００〜１８００程度に高めることができる。一方、電極体１０の隣接面１１は集電体１によって構成される。例えば、集電体１を金属で構成した場合、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度を１０００未満とすることができる。電極体１０の隣接面のビッカース硬度は５００以下であってもよいし、３００以下であってもよい。集電体１をアルミニウムで構成した場合は隣接面１１のビッカース硬度を４５〜５０程度とすることができ、鉄で構成した場合は１００〜２５０程度とすることができ、ニッケルで構成した場合は８０〜２１０程度とすることができる。尚、絶縁体２０や集電体１、２のビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して実測してもよいし、カタログ値を採用してもよい。
上述したように、固体電池１００においては、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度が、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度よりも高い。例えば、絶縁体２０をセラミックで構成した場合、絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度を１０００以上とすることができる。絶縁体２０の隣接面２１のビッカース硬度は１２００以上であってもよいし、１４００以上であってもよい。絶縁体２０をアルミナで構成した場合は隣接面２１のビッカース硬度を１４００〜１８００程度に高めることができる。一方、電極体１０の隣接面１１は集電体１によって構成される。例えば、集電体１を金属で構成した場合、電極体１０の隣接面１１のビッカース硬度を１０００未満とすることができる。電極体１０の隣接面のビッカース硬度は５００以下であってもよいし、３００以下であってもよい。集電体１をアルミニウムで構成した場合は隣接面１１のビッカース硬度を４５〜５０程度とすることができ、鉄で構成した場合は１００〜２５０程度とすることができ、ニッケルで構成した場合は８０〜２１０程度とすることができる。尚、絶縁体２０や集電体１、２のビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して実測してもよいし、カタログ値を採用してもよい。
２．固体電池の製造方法
上述の通り、本開示の固体電池１００においては、例えば、複数の電極体１０の一部のタブ同士を接合する一方、一部のタブ間に絶縁体２０を配置して絶縁してよい。このような固体電池１００は、例えば、図８に示されるような方法を経て製造することができる。
上述の通り、本開示の固体電池１００においては、例えば、複数の電極体１０の一部のタブ同士を接合する一方、一部のタブ間に絶縁体２０を配置して絶縁してよい。このような固体電池１００は、例えば、図８に示されるような方法を経て製造することができる。
まず、上述した電極体１０を複数用意し、且つ、上述した絶縁体２０を複数用意し、電極体１０と絶縁体２０とを交互に積層して積層体３０を得る。積層体３０においては、一の絶縁体２０を挟んで隣接する一方の電極体１０（第１電極体１０ｘ）と他方の電極体１０（第２電極体１０ｙ）との表裏の向きを互いに逆向きとする。すなわち、電極体１０ｘ、１０ｙを、絶縁体２０を介して表裏が逆となるように積層する。言うまでもないが、積層体３０において、電極体１０ｘと電極体１０ｙとは同じ方向にタブを突出させる。このようにして得られた積層体に対してタブ同士をはんだ付け等によって加熱接合する。
加熱接合の際は、積層体３０の少なくともタブが存在する部分を、積層方向両側から加熱して、積層体の側面から突出するタブ同士の複数を一度に加熱接合するとよい。例えば、図８に示されるように、積層体の積層方向一端側及び他端側の各々にヒートバーを配置し、積層方向両端から中心に向かってタブ部を加熱することで、積層体３０のタブ同士の複数を一度に加熱接合することができる。
３．作用効果
図９Ａに示されるように、電極体と絶縁体との積層時に、電極体と絶縁体との間に異物が噛み込む場合がある。固体電池においては、通常、電極体及び絶縁体の積層方向に沿って拘束圧が付与されることから、電極体と絶縁体との間に異物が噛み込んだ場合、当該異物が電極体又は絶縁体に埋没し易い。仮に異物が絶縁体側に埋没した場合、図９Ｂに示されるように、絶縁体が破損して一の電極体と他の電極体とが短絡する虞がある。これを防ぐためには、絶縁体として比較的厚い仕切り部材を用いることがあり得るが、絶縁体が厚いと電池の体積エネルギー密度が小さくなってしまう。
図９Ａに示されるように、電極体と絶縁体との積層時に、電極体と絶縁体との間に異物が噛み込む場合がある。固体電池においては、通常、電極体及び絶縁体の積層方向に沿って拘束圧が付与されることから、電極体と絶縁体との間に異物が噛み込んだ場合、当該異物が電極体又は絶縁体に埋没し易い。仮に異物が絶縁体側に埋没した場合、図９Ｂに示されるように、絶縁体が破損して一の電極体と他の電極体とが短絡する虞がある。これを防ぐためには、絶縁体として比較的厚い仕切り部材を用いることがあり得るが、絶縁体が厚いと電池の体積エネルギー密度が小さくなってしまう。
絶縁体の破損による短絡の問題は電極体同士を直列に接続した場合に生じ易い。複数の電極体同士を並列に接続した場合においては、上記のような絶縁体の破損が生じて一の電極体と他の電極体とが異物を介して接触したとしても、それが直ちに電極体同士の短絡に繋がるとは限らない。複数の電極体同士を並列に接続した場合は、上記したように、一の電極体と他の電極体との接触による短絡ではなく、一の電極体単独での短絡による回り込み電流の発生が問題となる。
以上に鑑み、本開示の固体電池１００においては、絶縁体２０の隣接面のビッカース硬度を電極体１０の隣接面のビッカース硬度よりも高くする。これにより、図９Ｃに示されるように、電極体１０と絶縁体２０との間の異物が噛み込んだとしても、当該異物を電極体１０側に埋没させ易い。すなわち、異物の噛み込みによる絶縁体２０の破損を抑制することができる。また、絶縁体２０の隣接面のビッカース硬度を高めることで、絶縁体２０を薄くしたとしても、異物の噛み込みによる絶縁体２０の破損は生じ難い。絶縁体２０を薄くした場合、電池の体積エネルギー密度を高めることも可能である。
また、本開示の固体電池１００においては、複数の電極体１０同士を直列に接続する。これにより、一の電極体に異物が埋没して当該電極体が単独で短絡したとしても、上記した電流の回り込みは起こらず、短絡した電極体の発熱量が大きくなるといった問題が生じ難い。
本開示の固体電池は、携帯機器用等の小型電源から車搭載用等の大型電源まで、広く利用できる。特に、車搭載用等の大型電源として好適である。
１０ 電極体
１０ａ 電極部
１ 正極集電体
２ 負極集電体
３ 正極活物質層
４ 負極活物質層
５ 電解質層
１０ｂ 正極タブ
１０ｃ 負極タブ
１１ 隣接面
２０ 絶縁体
２０ａ 電極部絶縁部
２０ｂ 絶縁タブ
２１ 隣接面
１００ 固体電池
１０ａ 電極部
１ 正極集電体
２ 負極集電体
３ 正極活物質層
４ 負極活物質層
５ 電解質層
１０ｂ 正極タブ
１０ｃ 負極タブ
１１ 隣接面
２０ 絶縁体
２０ａ 電極部絶縁部
２０ｂ 絶縁タブ
２１ 隣接面
１００ 固体電池
Claims (1)
- 複数の電極体と、前記複数の電極体の間の各々において前記電極体に隣接して配置された絶縁体とを備え、
前記電極体が集電体と電極活物質層と固体電解質層とを備え、
前記電極体と前記絶縁体との隣接部において前記電極体の隣接面が前記集電体で構成され、
前記絶縁体を介して隣接する集電体同士とは異なる集電体同士が接続されることで、複数の前記電極体が互いに直列に接続され、
前記絶縁体の隣接面のビッカース硬度が、前記電極体の隣接面のビッカース硬度よりも高い、
固体電池。
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|---|---|---|---|---|
| CN115332642A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 苏州清陶新能源科技有限公司 | 一种二次电池 |
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-
2020
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