JP2021150283A - 固体蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部で発生するガスへの対策が施された固体蓄電装置を提供すること。【解決手段】正極系１０と負極系３０とが交互に積層され、積層方向の投影形状が概略方形を成す固体電池積層体１を有し、正極系及び負極系それぞれは、方形の外周の各辺に沿って延びた４つの密閉部材１３、１４、１５、１６で囲んで内部を密閉す密閉枠１７が設けられ、密閉枠は、外周３辺の密閉部材１３、１４、１５が連なった三方密閉部材１８と開放側を閉止する閉止密閉部材１９とを有し、正極系及び負極系の少なくとも一方における三方密閉部材及び閉止密閉部材の少なくとも一方に外部と連通する通気部２（溝部３、スリット４、溝状部５）が設けられている固体蓄電装置。【選択図】図４

Description

本発明は、固体蓄電装置に関する。

正極系と負極系を接続する界面に固体電解質を配し、充放電時における正極系と負極系のイオンの授受をこの固体電解質を介して行うようにした固体蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、全固体電池積層体の側面を樹脂層で被覆する形態の固体蓄電装置おいて、全固体電池積層体と樹脂層との接着性を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２における提案では、正極集電体層及び負極集電体層のうちの少なくとも一層の少なくとも一方の面に、隣接する他層と重なる部分としての積層部と当該他層よりも延び出た延出部とを設けている。延出部の表面粗さを粗くして全固体電池積層体と樹脂層との接着性を確保している。

特許第６３６３２４４号公報 特開２０１９−１９２６１０号公報

近年、この種の固体蓄電装置では、正極系と負極系の内部の反応で発生するガスが固体蓄電装置内に留まり電極構造の破壊を招来する虞があることが判明した。
特許文献１や特許文献２における固体電池装置では、上述のような内部で発生するガスへの対策に関する技術は提案されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされものであり、内部で発生するガスへの対策が施された固体蓄電装置を提供すること目的とする。

（１）対面する２つの固体電解質層（例えば、後述する固体電解質層２０，２０）間に正極活物質層（例えば、後述する正極活物質層１１）が配され前記正極活物質層に正極集電体層（例えば、後述する正極集電体層１２）が接して配された正極系（例えば、後述する正極１０）と、負極活物質層（例えば、後述する負極活物質層３１）が配され前記負極活物質層に負極集電体層（例えば、後述する負極集電体層３２）が接して配された負極系（例えば、後述する負極３０）とが交互に積層され、積層方向の投影形状が概略方形を成す固体電池積層体（例えば、後述する固体電池積層体１）を有し、
前記正極系及び前記負極系それぞれは、方形の外周の各辺に沿って延びた４つの密閉部材（例えば、後述する４つの密閉部材１３、１４、１５、１６）で囲んで内部を密閉する密閉枠（例えば、後述する密閉枠１７）が設けられ、
前記密閉枠は、前記外周に沿う３辺の密閉部材が連なった三方密閉部材（例えば、後述する三方密閉部材１８）と前記三方密閉部材の開放側を閉止するように配される閉止密閉部材（例えば、後述する閉止密閉部材１９）とを有し、
前記正極系及び前記負極系の少なくとも一方における前記三方密閉部材及び前記閉止密閉部材の少なくとも一方に外部と連通する通気部（例えば、後述する通気部２）が設けられている、
固体蓄電装置。

（２）前記通気部は、前記閉止密閉部材に設けたスリット（例えば、後述するスリット４）により形成されている、（１）に記載の固体蓄電装置。

（３）前記通気部は、前記三方密閉部材と前記閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における前記両者が接触する対向部位に形成されている、（１）に記載の固体蓄電装置。
（４）前記通気部は、前記正極系の、前記三方密閉部材と前記閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における前記両者が接触する対向部位に形成されている、（３）に記載の固体蓄電装置。
（５）前記通気部は、前記閉止密閉部材に前記正極集電体層及び前記負極集電体層の少なくとも一方が外部に延出する方向に延びるように形成されている、（１）から（４）の何れかに記載の固体蓄電装置。
（６）前記正極系と前記負極系の少なくとも一方に、電解液が密閉されている、（１）から（５）の何れかに記載の固体蓄電装置。

（１）の固体蓄電装置では、正極系及び負極系の少なくとも一方における三方密閉部材及び閉止密閉部材の少なくとも一方に外部と連通する通気部が設けられている。この通気部を通って内部で発生するガスが固体蓄電装置の外部に逃げるため、電極構造の破壊等の不具合が未然に防止される。

（２）の固体蓄電装置では、閉止密閉部材に設けたスリットで通気部を形成するという簡単な構成で、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。

（３）の固体蓄電装置では、三方密閉部材と閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における前記両者が接触する対向部位に通気部が形成されているため、三方密閉部材及び閉止密閉部材の強度を維持しつつ、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。
（４）の固体蓄電装置では、通気部は、正極系の、三方密閉部材と閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における両者が接触する対向部位に形成されているため、ガスの発生量が相対的に多い正極系側において、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。
（５）の固体蓄電装置では、通気部は、閉止密閉部材に正極集電体層及び負極集電体層の少なくとも一方が外部に延出する方向に延びるように形成されているため、通気部の全長が比較的短い構成を採ることが可能になり、体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。
（６）正極または負極の一方に電解質を密閉して一体化することで、重ね合わせだけで固体蓄電池を製造することが可能となるため、製造が容易になる。

本発明の実施形態としての固体蓄電装置における固体電池積層体の概念的構成を示す斜視図である。 図１Ａの固体蓄電装置を図示のＹ方向視した側面図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置を構成する正極系の一例を示す平面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置を構成する正極系の構成要素の一例を示す斜視図である。 図４の正極系の構成要素の平面図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置を構成する正極系の構成要素の他の例を示す斜視図である。 図６の構成要素の部分拡大破断斜視図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置を構成する正極系の製造過程の一つの段階を示す概念図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置を構成する固体電池積層体の製造過程の一つの段階を示す概念図である。 本発明の実施形態に対する比較例としての固体蓄電装置を構成する正極系の一例を示す平面図である。 図１０の部分拡大図である。 本発明の実施形態としての固体蓄電装置の密閉枠を構成する三方密閉部材に係る変形例を示す斜視図である。 図１２の三方密閉部材におけるシート状部材を固体電解質層の側面に熱溶着する様子を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１Ａは、本発明の一実施形態としての固体蓄電装置における固体電池積層体の概念的構成を示す斜視図である。図１Ａでは、後述する何れも概略平盤状の正極系及び負極系の主面方向をＸ―Ｙ平面方向とし、積層方向をＺ方向と想定している。
図１Ｂは、図１Ａの固体蓄電装置を図示のＹ方向視した側面図である。
図１Ａ及び図１Ｂの固体電池積層体１について、図８及び図９を併せ参照して説明する。
図８は、固体電池積層体１の構成要素である正極系１０の製造過程の一つの段階を示す概念図である。
図９は、固体蓄電装置を構成する固体電池積層体１の製造過程の一つの段階を示す概念図である。
正極系１０は、対面する２つの固体電解質層２０，２０間に正極活物質層１１および電解質（電解液）が挿入されて構成される。正極活物質層１１に正極集電体層１２が沿うように接して配される。同様に、負極系３０は、対面する２つの固体電解質層２０，２０間に負極活物質層３１および電解質（電解液）が挿入されて構成される。負極活物質層３１に負極集電体層３２が沿うように接して配される。図９に示されるように、正極系１０と負極系３０とが交互に複数積層されて、図１Ａの固体電池積層体１が構成される。固体電池積層体１は、正極系１０と負極系３０との積層における積層方向（図１ＡにおけるＺ方向）での投影形状が概略方形を成す。

図２は、上述の固体電池積層体１の正極系１０の一例を示す平面図である。正極系１０は、方形の外周の各辺に沿って延びた４つの密閉部材１３、１４、１５、１６で囲んで内部を密閉する密閉枠１７が設けられる。密閉枠１７は、外周に沿う３辺の密閉部材１３、１４、１５が連なった三方密閉部材１８と、三方密閉部材１８の開放側を閉止するように配される閉止密閉部材１９とを有して構成される。密閉部材１３、１４、１５、１６は、ＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥ（ポリエチレン）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などの耐薬品性に優れ、接着性、密閉性に優れた材料により構成される。

閉止密閉部材１９は、密閉枠１７における一つの密閉部材１６である。図２の平面視では、正極活物質層１１が密閉枠１７によって囲まれた形を呈している。また、密閉部材１６（閉止密閉部材１９）から外部に向けて正極集電体層１２が延び出た形を呈している。

負極系３０についても、方形の外周の各辺に沿って延びた４つの密閉部材で囲んで内部を密閉する密閉枠が設けられる点は、正極系１０と同様である。また、密閉枠は、外周に沿う３辺の密閉部材が連なった三方密閉部材と、三方密閉部材の開放側を閉止するように配される閉止密閉部材とを有して構成される点も、正極系１０と同様である。このため、負極系３０における密閉枠を有する構成を表す図については、図２及び、本実施形態との比較例である図１０及び図１１を適宜援用する。なお、図９の通り、負極系３０では負極集電層３２の導出方向が正極系１０における正極集電体層１２の導出方向とは逆方向になる。

本発明の固体蓄電装置では、正極系１０と負極系３０は、少なくとも一方が密閉されていればよいが、双方が密閉されていると、より好ましい。

上述の密閉枠１７は、図１Ａにて想定したＸ―Ｙ平面への投影形状、即ち、上述の積層方向への投影形状で見ると、三方密閉部材１８は概略Ｕ字状或いはＣ字状を呈し、この形状の開放側が閉止密閉部材１９で閉止される。また、三方密閉部材１８を構成する各密閉部材１３，１４，１５、及び閉止密閉部材１９のＸ―Ｙ平面への投影形状、即ち、上述の積層方向への投影形状は、何れも、概ね方形である。
なお、三方密閉部材１８の一つの密閉部材（１３又は１５）と閉止密閉部材１９とは、それらが熱溶着により接合される接合構造を有する。このため、振動等に対する耐力が高く、この接合構造を有する固体電池積層体１でなる固体蓄電装置は、電気自動車等の移動体における電気エネルギー源として用いるに良く適合する。

本実施形態では、三方密閉部材１８の開放側を閉止密閉部材１９で閉止しつつも、密閉枠１７内で発生したガスを逃がすための通気部２が設けられている。通気部２は、三方密閉部材１８を構成する３つの密閉部材１３，１４，１５のうち並行に配置される密閉部材１３及び１５の各左端部１３１及び１５１の近傍と、閉止密閉部材１９の他端部１９２及び一端部１９１のうち、少なくともいずれか一つの部位に形成した溝部３として形成されている。この通気部２（溝部３）は、図２及びその部分拡大図である図３に一つの具体例が示されている。

図２及び図３の例では、三方密閉部材１８のうち並行する密閉部材１３及び１５の各端部（図では左端部）における閉止密閉部材１９の端面への対向面に溝部３が形成されている。なお、図示のように正極集電体層１２が閉止密閉部材１９から外部に延出している。

換言すれば、通気部２（溝部３）は、三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９との両者の一方である三方密閉部材１８（その密閉部材１３，１５）における両者が接触する対向部位に形成されている。

図３には、密閉部材１５の左端部１５１近傍が部分拡大図として示されている。密閉部材１５の左端部１５１近傍における閉止密閉部材１９の端部（図では下端部）との対向面に、密閉部材１５の厚み方向に一定の深さで溝部３が形成されている。即ち、密閉部材１５には、溝部３によって密閉枠１７の外部と連通する通気部２が形成されている。この通気部２は、閉止密閉部材１９から正極集電体層１２が外部に延出する方向に沿って延びている。

三方密閉部材１８の密閉部材１３についても、密閉部材１５におけると同様に、密閉部材１３の端部（図では左端部１３１）における閉止密閉部材１９の端面への対向面に密閉部材１３の厚み方向に一定の深さで溝部３が形成されている。即ち、密閉部材１３には、溝部３によって密閉枠１７の外部と連通する通気部２が形成されている。

図４及び図５には、密閉枠１７の外部と連通する通気部２の他の例が示されている。
図４は、正極系の構成要素の一例を示す斜視図である。図５は、図４の構成要素の平面図である。図４及び図５では、密閉枠１７（図２）を構成する三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９のうち、閉止密閉部材１９が図示されている。閉止密閉部材１９から正極集電体層１２が外部に導出されている。図４及び図５の例では、閉止密閉部材１９の長手方向の略中央位置に、閉止密閉部材１９を幅方向に横断するようにスリット４が形成されている。即ち、このスリット４によって密閉枠１７の外部と連通する通気部２が形成されている。この通気部２は、閉止密閉部材１９から正極集電体層１２が外部に延出する方向に沿って延びている。

図６及び図７には、密閉枠１７（図２）の外部と連通する通気部２の更に他の例が示されている。
図６は、正極系の構成要素の他の一例を示す斜視図である。図７は、図６の構成要素の部分拡大破断斜視図である。図６及び図７では、密閉枠１７（図２）を構成する三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９のうち、閉止密閉部材１９が図示されている。閉止密閉部材１９から正極集電体層１２が外部に導出されている。図６及び図７の例では、閉止密閉部材１９の長手方向の一端部１９１及び他端部１９２に、閉止密閉部材１９を幅方向に横断するように溝状部５が形成されている。即ち、この溝状部５によって密閉枠１７（図２）の外部と連通する通気部２が形成されている。この通気部２は、閉止密閉部材１９から正極集電体層１２が外部に延出する方向に沿って延びている。

換言すれば、通気部２（溝状部５）は、三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９との両者の一方である閉止密閉部材１９（その端部１９１，１９２）における両者が接触する対向部位に形成されている。

なお、上述の密閉枠１７（図２）を構成する三方密閉部材１８、および閉止密閉部材１９は、部材の上面および下面で固体電解質層２０と熱溶着により接着される。ここで、上面とは、固体電池積層体１の積層方向で上方の面であり、下面とは、固体電池積層体１の積層方向で下方の面である。

図８及び図９については、図１Ａにこれらの図を併せ参照して固体電池積層体１について説明した。既述の説明では、便宜上、正極系１０の下に負極系３０が積層されて、このように、正極系１０と負極系３０とが交互に複数積層される趣旨にて説明した。しかしながら、上述の説明は、正極と負極との積層順を規定する趣旨ではない。負極系３０の下に正極系１０が積層されて、この形態での交互の積層体が複数積層され得る。また、正極を固体電解質で挟んで封止したものを負極と積層してもよい。また、負極と固体電解質と、固体電解質と負極を、上述の順に重ねて封止したものを積層することもできる。なお、積層体の最下面と最上面の構造は中間で積層される周期構造とは異なるプロセスが適用される。

次に、本発明の実施形態の固体蓄電装置の作用効果について比較例の固体蓄電装置との対比において説明する。
図１０は、本発明の実施形態に対する比較例としての固体蓄電装置を構成する正極系の一例を示す平面図である。また、図１１は、図１０の部分拡大図である。図１０及び図１１において、図２及び図３との対応部には同一の符号を附している。

図１０及び図１１において、閉止密閉部材１９の一端部１９１及び他端部１９２はそれぞれフラットな面をなしている。閉止密閉部材１９の下端部１９１のフラットな面が、密閉部材１５の左端部１５１近傍側面のフラットな面に当接する。同様に、閉止密閉部材１９の他端部１９２のフラットな面が、密閉部材１３の左端部１３１近傍側面のフラットな面に当接する。これら当接した箇所で、閉止密閉部材１９と密閉部材１５とが接合され、閉止密閉部材１９と密閉部材１３とが接合される。接合面はフラットなものであるため、密閉枠１７の内部で発生したガスを外部に逃がす通気部がない。換言すれば、本発明の実施形態では、適所に通気部２が設けられているため、密閉枠１７の内部で発生したガスをこの通気部２を通して外部に逃がすことができる。このため、電極構造の破壊等の不具合が未然に防止される。

図１２は、本発明の実施形態としての固体蓄電装置の密閉枠を構成する三方密閉部材に係る変形例を示す斜視図である。
図１３は、図１２の三方密閉部材におけるシート状部材を固体電解質層の側面に熱溶着する様子を示す図である。

図１２及び図１３の三方密閉部材１８における密閉部材１５は、密閉枠１７をなす構成要素である密閉部材本体部１５０の上端外縁側から上方に延び出たシート状部材１５０ａと密閉部材本体部１５０の下端外縁側から下方に延び出たシート状部材１５０ｂを有する。ここに、上方とは、固体電池積層体１の積層方向で上方の意であり、下方とは、固体電池積層体１の積層方向で下方の意である。密閉部材１５における密閉部材本体部１５０とシート状部材１５０ａと１５０ｂとはＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥ（ポリエチレン）により構成され、一体的につながっている。シート状部材１５０ａと１５０ｂは自重で密閉枠１７の内方に撓う程度の薄さである。

シート状部材１５０ａは、閉止密閉部材１９（図２）の上端外縁側や備わっていてもよいし、シート状部材１５０ｂは、閉止密閉部材１９の下端外縁側に備わっていてもよい。

上記シート状部材１５０ａおよび１５０ｂの上方方向および下方方向の長さは、固体電解質層２０の厚みと密閉部材１５の短手方向の幅を足し合せた長さより短いと好ましく、固体電解質層２０の厚みより短いとより好ましい。

本実施形態の固体蓄電装置によれば、以下の効果を奏する。
（１）の固体蓄電装置では、正極系１０及び負極系３０の少なくとも一方における三方密閉部材１８及び閉止密閉部材１９の少なくとも一方に外部と連通する通気部２が設けられている。この通気部２を通って密閉枠１７の内部で発生するガスが固体蓄電装置の外部に逃げるため、電極構造の破壊等の不具合が未然に防止される。

（２）の固体蓄電装置では、閉止密閉部材１９に設けたスリット４で通気部２を形成するという簡単な構成で、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。

（３）の固体蓄電装置では、三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９との両者の少なくとも一方における両者が接触する対向部位に通気部２が形成されているため、三方密閉部材１８及び閉止密閉部材１９の強度を維持しつつ、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。

（４）の固体蓄電装置では、通気部２は、正極系１０の、三方密閉部材１８と閉止密閉部材１９との両者の少なくとも一方における両者が接触する対向部位に形成されているため、ガスの発生量が相対的に多い正極系１０側において、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。

（５）の固体蓄電装置では、通気部２は、閉止密閉部材１９に正極集電体層１２及び負極集電体層３２の少なくとも一方が外部に延出する方向に延びるように形成されているため、通気部２の全長が比較的短い構成を採ることが可能になり、固体蓄電装置の内部で発生するガスを効果的に外部に逃がすことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。例えば、上述の例では、通気部を構成する溝部、スリット、溝状部は、一箇所に一条設けたが、比較的細い（浅い）ものを各該当箇所に複数条並行に設けてもよい。

１…固体電池積層体
２…通気部
３…溝部
４…スリット
５…溝状部
１０…正極（正極系）
１１…正極活物質層
１２…正極集電体層
１３、１４、１５、１６…密閉部材
１７…密閉枠
１８…三方密閉部材
１９…閉止密閉部材
２０…固体電解質層
３０…負極（負極系）
３１…負極活物質層
３２…負極集電体層

Claims (6)

1. 対面する２つの固体電解質層間に正極活物質層が配され前記正極活物質層に正極集電体層が接して配された正極系と、負極活物質層が配され前記負極活物質層に負極集電体層が接して配された負極系とが交互に積層され、積層方向の投影形状が概略方形を成す固体電池積層体を有し、
   前記正極系及び前記負極系それぞれは、方形の外周の各辺に沿って延びた４つの密閉部材で囲んで内部を密閉する密閉枠が設けられ、
   前記密閉枠は、前記外周に沿う３辺の密閉部材が連なった三方密閉部材と前記三方密閉部材の開放側を閉止するように配される閉止密閉部材とを有し、
   前記正極系及び前記負極系の少なくとも一方における前記三方密閉部材及び前記閉止密閉部材の少なくとも一方に外部と連通する通気部が設けられている、
   固体蓄電装置。
2. 前記通気部は、前記閉止密閉部材に設けたスリットにより形成されている、請求項１に記載の固体蓄電装置。
3. 前記通気部は、前記三方密閉部材と前記閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における前記両者が接触する対向部位に形成されている、請求項１に記載の固体蓄電装置。
4. 前記通気部は、前記正極系の、前記三方密閉部材と前記閉止密閉部材との両者の少なくとも一方における前記両者が接触する対向部位に形成されている、請求項３に記載の固体蓄電装置。
5. 前記通気部は、前記閉止密閉部材に前記正極集電体層及び前記負極集電体層の少なくとも一方が外部に延出する方向に延びるように形成されている、請求項１から４の何れか一項に記載の固体蓄電装置。
6. 前記正極系と前記負極系の少なくとも一方に、電解液が密閉されている、請求項１から５の何れか一項に記載の固体蓄電装置。
   

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