JP2023071236A

JP2023071236A - 積層電池

Info

Publication number: JP2023071236A
Application number: JP2021183875A
Authority: JP
Inventors: 聡美山本; Toshimi Yamamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-23

Abstract

【課題】本開示は、絶縁層および電池積層体の接着性が良好な積層電池を提供することを主目的とする。【解決手段】本開示においては、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に配置された固体電解質層と、上記正極活物質層の集電を行う正極集電体と、上記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する電池積層体と、上記電池積層体の側面を被覆する絶縁層と、を備える積層電池であって、上記電池積層体の積層方向の断面視において、上記固体電解質層、上記正極集電体および上記負極集電体は、上記正極活物質層および上記負極活物質層よりも外側に位置する延出部をそれぞれ有し、上記断面視において、上記固体電解質層における上記延出部、上記正極集電体における上記延出部、および、上記負極集電体における上記延出部は、端面の位置が等しい、積層電池を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】図１

Description

本開示は、積層電池に関する。

電池積層体の側面を樹脂層で被覆した積層電池が知られている。例えば、特許文献１には、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体層を、この順で積層してなる単位電池を２以上含む電池積層体と、電池積層体を被覆する樹脂層とを備える全固体電池が開示されている。

特開２０２０－００４５２９号公報

電池の構造安定性の観点から、樹脂層（絶縁層）の接着性が良好であることが求められる。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、絶縁層および電池積層体の接着性が良好な積層電池を提供することを主目的とする。

上記課題を解決するために、本開示においては、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に配置された固体電解質層と、上記正極活物質層の集電を行う正極集電体と、上記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する電池積層体と、上記電池積層体の側面を被覆する絶縁層と、を備える積層電池であって、上記電池積層体の積層方向の断面視において、上記固体電解質層、上記正極集電体および上記負極集電体は、上記正極活物質層および上記負極活物質層よりも外側に位置する延出部をそれぞれ有し、上記断面視において、上記固体電解質層における上記延出部、上記正極集電体における上記延出部、および、上記負極集電体における上記延出部は、端面の位置が等しい、積層電池を提供する。

本開示によれば、固体電解質層、正極集電体および負極集電体が、延出部をそれぞれ有するため、絶縁層の接着性が良好な積層電池となる。さらに、各延出部の端面の位置が等しいため、延出部による体積エネルギー密度低下を抑制できる。

本開示においては、絶縁層および電池積層体の接着性が良好な積層電池を提供することができるという効果を奏する。

本開示における積層電池を例示する概略断面図である。本開示における電池積層体を例示する概略断面図である。本開示における活物質層の端面の断面視形状を例示する概略断面図である。本開示における積層電池の製造方法を例示する概略断面図である。本開示における積層電池の製造方法を例示する概略断面図である。

以下、本開示における積層電池について、図面を用いて詳細に説明する。以下に示す各図は、模式的に示したものであり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。また、各図において、部材の断面を示すハッチングを適宜省略している。

図１は、本開示における積層電池を例示する概略断面図である。また、図２は、本開示における電池積層体を例示する概略断面図であり、図１における電池積層体の一部を拡大した拡大図である。図１に示す積層電池１００は、正極活物質層１ａと、負極活物質層２ａと、正極活物質層１ａおよび負極活物質層２ａの間に配置された固体電解質層３ａと、を有する発電単位１０ａを備える。また、正極活物質層１ａの固体電解質層３ａとは反対側の面に、正極集電体４が配置され、負極活物質層２ａの固体電解質層３ａとは反対側の面に、負極集電体５が配置されている。

図１に示す積層電池１００は、正極活物質層１ｂと、負極活物質層２ｂと、正極活物質層１ｂおよび負極活物質層２ｂの間に配置された固体電解質層３ｂと、を有する発電単位１０ｂを備える。また、正極活物質層１ｂの固体電解質層３ｂとは反対側の面に、正極集電体４が配置され、負極活物質層２ｂの固体電解質層３ｂとは反対側の面に、負極集電体５が配置されている。また、発電単位１０ａおよび発電単位１０ｂは、負極集電体５を共有しており、両者は並列に接続されている。また、積層電池１００は、電池積層体２０の側面を被覆する絶縁層２１を備える。

図１、図２に示されるように、電池積層体２０の積層方向の断面視において、固体電解質層３（３ａ、３ｂ）、正極集電体４および負極集電体５は、正極活物質層１および負極活物質層２よりも外側（積層方向と直交する方向における外側）に位置する延出部６をそれぞれ有している。具体的に、図２に示す正極集電体４は、隣接する正極活物質層１ａよりも外側に位置する延出部６を有している。図２に示す固体電解質層３ａは、隣接する正極活物質層１ａおよび負極活物質層２ａよりも外側に位置する延出部６を有している。また、図２に示す負極集電体５は、隣接する負極活物質層２ａよりも外側に位置する延出部６を有している。

図２に示されるように、固体電解質層３における延出部６、正極集電体４における延出部６、および、負極集電体５における延出部６は、端面の位置が等しい。なお、図１では、断面視の両側（紙面左右方向における両側）において、各延出部６の端面の位置が等しいが、片側のみにおいて、各延出部６の端面の位置が等しくてもよい。

本開示によれば、固体電解質層、正極集電体および負極集電体が、延出部をそれぞれ有するため、絶縁層および電池積層体の接着性が良好な積層電池となる。具体的に、固体電解質層、正極集電体および負極集電体が、延出部をそれぞれ有するため、絶縁層が、活物質層（正極活物質層、負極活物質層）の端面、延出部の上面、および、延出部の下面と接触できる。その結果、電池積層体と絶縁層との接触面積が向上し、絶縁層および電池積層体の接着性が良好となる。また、絶縁層および電池積層体の接着性が良好であるため、絶縁層の剥がれを抑制でき、その結果、内部短絡の発生も抑制される。

さらに、本開示によれば、各延出部の端面の位置が等しいため、延出部による体積エネルギー密度低下を抑制できる。延出部は電池の充放電に寄与しない部位であるため、例えば、各延出部の端面の位置が等しくないと、積層電池の体積エネルギー密度が低下しやすくなる。さらに、積層電池においては、各層を積層する際に積層ズレが生じたり、各層を形成する際に塗工ズレが生じたりすることで、積層方向において位相差が生じる恐れがある。これに対して、本開示においては、各延出部の端面の位置が等しいため、位相差の発生を抑制できる。

１．電池積層体
本開示における電池積層体は、正極活物質層と、負極活物質層と、正極活物質層および負極活物質層の間に配置された固体電解質層と、正極活物質層の集電を行う正極集電体と、負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する。各部材の詳細については後述する。

電池積層体の積層方向の断面視において、固体電解質層、正極集電体および負極集電体は、正極活物質層および負極活物質層よりも外側に位置する延出部をそれぞれ有する。上記断面視において、固体電解質層における延出部、正極集電体における延出部、および、負極集電体における延出部は、端面の位置が等しい。ここで「端面の位置が等しい」とは、上記断面視において、固体電解質層、正極集電体および負極集電体における各延出部の端面の位置が一致する場合（面一である場合）のみならず、略面一である場合も包含する。各延出部の端面の位置が略面一である場合、各延出部の端面の位置の差の最大値は、５００μｍ以下であることが好ましい。

図２に示すように、正極活物質層１の端面の位置から、延出部６の端面の位置までの距離を、延出部６の幅Ｗ_１とする。Ｗ_１の値は、特に限定されないが、例えば５００μｍより大きく、１ｍｍ以上であってもよく、３ｍｍ以上であってもよい。一方、Ｗ_１の値は、例えば１０ｍｍ以下である。また、図２に示すように、負極活物質層２の端面の位置から、延出部６の端面の位置までの距離を、延出部６の幅Ｗ_２とする。Ｗ_２の好ましい範囲は、上述したＷ_１の好ましい範囲と同様である。

また、活物質層の端面の断面視形状は、特に限定されない。例えば図２に示すように、正極活物質層１の端面の断面視形状は、直線状であってもよい。図２では、負極活物質層２の端面の断面視形状も、直線状である。また、例えば図３（ａ）に示すように、正極活物質層１の端面の断面視形状は、円弧状等の曲線状であってもよい。図３（ａ）では、負極活物質層２の端面の断面視形状も、円弧状である。また、例えば図３（ｂ）に示すように、正極活物質層１の端面の断面視形状は、ジグザグ状であってもよい。図３（ｂ）では、負極活物質層２の端面の断面視形状も、ジグザグ状である。

また、本開示における電池積層体は、正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層のセットを発電単位とした場合、発電単位を１つのみ有していてもよく、２つ以上有していてもよい。電池積層体が２つ以上の発電単位を有する場合、それらの発電単位は、直列接続されていてもよく、並列接続されていてもよい。また、図１に示す電池積層体２０は、負極集電体５の両面に、発電要素１０ａおよび発電要素１０ｂが、それぞれ配置されている。一方、特に図示しないが、正極集電体の両面に、２つの発電要素がそれぞれ配置されていてもよい。この場合、図１における正極活物質層、正極集電体、負極活物質層および負極集電体を、それぞれ、負極活物質層、負極集電体、正極活物質層および正極集電体に読み替えた構成となる。

（１）正極活物質層
本開示における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーのうち少なくとも一つを含有していてもよい。

正極活物質は、特に限定されないが、例えば、酸化物活物質、硫黄系活物質が挙げられる。酸化物活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＶＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２等の岩塩層状型活物質、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．５Ｍｎ_１．５）Ｏ_４等のスピネル型活物質、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４等のオリビン型活物質が挙げられる。また、酸化物活物質として、Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_{２－ｘ－ｙ}ＭｙＯ_４（Ｍは、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎの少なくとも一種、０＜ｘ＋ｙ＜２）で表されるＬｉＭｎスピネル活物質、チタン酸リチウムを用いてもよい。

また、酸化物活物質の表面には、Ｌｉイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成されていてもよい。酸化物活物質と、固体電解質との反応を抑制できるからである。Ｌｉイオン伝導性酸化物としては、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、Ｌｉ_３ＰＯ_４が挙げられる。

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。無機固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質およびハロゲン化物固体電解質が挙げられる。導電材としては、例えば、炭素材料、金属材料が挙げられる。炭素材料としては、例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）等のカーボンブラック、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）等の繊維状炭素材料が挙げられる。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、アクリレートブタジエンゴム（ＡＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム系樹脂が挙げられる。正極活物質層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である。

（２）負極活物質層
本開示における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、必要に応じて、固体電解質、導電材およびバインダーのうち少なくとも一つを含有していてもよい。固体電解質、導電材およびバインダーについては「（１）正極活物質層」に記載した内容と同様である。

負極活物質としては、例えば、金属活物質およびカーボン活物質が挙げられる。金属活物質としては、例えば、Ｉｎ、Ａｌ、ＳｉおよびＳｎが挙げられる。一方、カーボン活物質としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボンが挙げられる。負極活物質層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である。

（３）固体電解質層
本開示における固体電解質層は、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に配置される層であり、少なくとも固体電解質を含有する。また、固体電解質層は、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。バインダーについては「（１）正極活物質層」に記載した内容と同様である。固体電解質層の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１０００μｍ以下である。

（４）正極集電体および負極集電体
本開示における電池積層体は、上記正極活物質層の集電を行う正極集電体および上記負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体としては、例えば、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｎｉが挙げられる。負極集電体としては、例えば、Ｃｕ、ＳＵＳ、Ｎｉが挙げられる。正極集電体および負極集電体の形状としては、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状が挙げられる。

２．絶縁層
本開示における絶縁層は、上述した電池積層体の側面を被覆する層である。絶縁層の材料としては、例えば樹脂が挙げられる。樹脂としては、例えば、ウレタンアクリレート樹脂、エポキシ樹脂およびオレフィン樹脂が挙げられる。また、樹脂は、熱可塑性樹脂であってもよく、硬化性樹脂（硬化物）であってもよい。硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂であってもよく、紫外線硬化性樹脂であってもよい。また、絶縁層は、電池積層体と対向する面にテープ等の接着部を有していてもよい。

絶縁層は、絶縁の観点から、正極（正極集電体および正極活物質層）および負極（負極集電体および負極活物質層）のいずれかの側面を被覆していてもよい。一方、絶縁層は、図１に示されるように、電池積層体の構成部材全ての側面を被覆していてもよい。この場合、部材の滑落を防止することができる。

３．積層電池
本開示における積層電池は、典型的には、リチウム二次電池である。積層電池の用途は、特に限定されないが、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＢＥＶ）、ガソリン自動車、ディーゼル自動車等の車両の電源が挙げられる。特に、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車または電気自動車の駆動用電源に用いられることが好ましい。また、本開示における積層電池は、車両以外の移動体（例えば、鉄道、船舶、航空機）の電源として用いられてもよく、情報処理装置等の電気製品の電源として用いられてもよい。

本開示における積層電池を製造する方法は特に限定されない。図４は、本開示における積層電池の製造方法を例示する概略断面図である。まず、図４（ａ）に示されるように、負極集電体５の一方の面側に、発電単位１０ａおよび正極集電体４を有し、負極集電体５の他方の面側に、発電単位１０ｂおよび正極集電体４を有する前駆部材Ｘを準備する。次に、図４（ｂ）に示されるように、前駆部材Ｘの両端をカットする。前駆部材Ｘの両端をカットする方法としては、例えば、刃物を用いる方法、レーザーを用いる方法が挙げられる。次に、図４（ｃ）に示されるように、正極活物質層１（１ａ、１ｂ）および負極活物質層２（２ａ、２ｂ）の端面を削り、延出部６を形成することで、電池積層体２０が得られる。端面を削る方法としては、例えば、フェムト秒レーザー等のレーザーの照射、やすり等の機械加工が挙げられる。次に、図４（ｄ）に示されるように、電池積層体２０の側面に絶縁層２１を形成する。これにより、積層電池１００が得られる。

図５は、本開示における積層電池の製造方法を例示する概略断面図である。図５（ａ）に示されるように、各層を積層する段階で、延出部６を有する電池積層体２０を作製してもよい。次に、図５（ｂ）に示されるように、正極活物質層１（１ａ、１ｂ）および負極活物質層２（２ａ、２ｂ）の端面を削る。なお、図５に示す製造方法おいて、端面を削る工程は必須ではなく、省略することも可能である。次に、図５（ｃ）に示されるように、電池積層体２０の側面に絶縁層２１を形成する。これにより、積層電池１００が得られる。

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

１ …正極活物質層
２ …負極活物質層
３ …固体電解質層
４ …正極集電体
５ …負極集電体
６ …延出部
１０ …発電単位
２０ …電池積層体
２１ …絶縁層
１００ …積層電池

Claims

正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に配置された固体電解質層と、前記正極活物質層の集電を行う正極集電体と、前記負極活物質層の集電を行う負極集電体とを有する電池積層体と、
前記電池積層体の側面を被覆する絶縁層と、を備える積層電池であって、
前記電池積層体の積層方向の断面視において、前記固体電解質層、前記正極集電体および前記負極集電体は、前記正極活物質層および前記負極活物質層よりも外側に位置する延出部をそれぞれ有し、
前記断面視において、前記固体電解質層における前記延出部、前記正極集電体における前記延出部、および、前記負極集電体における前記延出部は、端面の位置が等しい、積層電池。