JP2024012817A - ラミネート電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、構造効率の向上及び構造信頼性の向上の両立が可能なラミネート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、全固体電池と、ラミネート外装体と、を有するラミネート電池であって、ラミネート外装体は、全固体電池を収容する凹状の収容部と、収容部の周囲に設けられたフランジ部と、を備えるラミネートシートから作製され、全固体電池は、長手方向である第１方向に延びる第１辺、短手方向である第２方向に延びる第２辺、および第３方向に厚さを有する略直方体形状を有し、第１辺および第２辺は曲率半径が０ｍｍであり、ラミネートシートは、収容部の天面および収容部の側面との間、および、収容部の側面とフランジ部との間に曲率半径Ｒが０．５ｍｍ以上である曲面部を有する、ラミネート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、全固体電池と、ラミネート外装体とを有するラミネート電池に関する。

近年、携帯機器や自動車等の電源として使用される電池として、発電要素及び発電要素を封止しているラミネート外装体によって構成されているラミネート電池が提案されている。

例えば、特許文献１には、発電要素に対応するエンボスを備えるラミネートセルを含むラミネート型電池が開示されている。特許文献２には、外装体内に収納された全固体電池積層体を積層方向に加圧し、加圧を維持しながら外装体内に充填材を注入した後、外装体を封止することを含む、ラミネート全固体電池の製造方法が開示されている。

特開２０２０－１７３９００号公報 特開２０１８－１３３１７５号公報

全固体電池と、ラミネート外装体とを有するラミネート電池において、構造効率の向上及び構造信頼性の向上が求められている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされものであり、構造効率の向上及び構造信頼性の向上の両立が可能なラミネート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、全固体電池と、ラミネート外装体と、を有するラミネート電池であって、上記ラミネート外装体は、上記全固体電池を収容する凹状の収容部と、上記収容部の周囲に設けられたフランジ部と、を備えるラミネートシートから作製され、上記全固体電池は、長手方向である第１方向に延びる第１辺、短手方向である第２方向に延びる第２辺、および第３方向に厚さを有する略直方体形状を有し、上記第１辺は、上記第１方向から見た断面視で曲率半径が０ｍｍであり、上記第２辺は、上記第２方向から見た断面視で曲率半径が０ｍｍであり、上記ラミネートシートは、上記第２方向から見た断面視において、上記収容部の天面と上記収容部の側面との間に第１曲面部、および、上記収容部の側面と上記フランジ部との間に第２曲面部を有し、上記第１方向から見た断面視において、上記収容部の天面と上記収容部の側面との間に第３曲面部、および、上記収容部の側面と上記フランジ部との間に第４曲面部を有し、上記第１曲面部、上記第２曲面部、上記第３曲面部および上記第４曲面部は、曲率半径が０．５ｍｍ以上である、ラミネート電池を提供する。

本開示によれば、ラミネートシートの収容部における第１曲面部、第２曲面部、第３曲面部および第４曲面部の曲率半径が、それぞれ所定の範囲であることにより、曲率半径が０ｍｍである所謂ピン角を有する全固体電池を収容する場合であっても、構造効率の向上および構造信頼性の向上が両立可能なラミネート電池となる。

本開示におけるラミネート電池は、優れた構造効率性及び構造信頼性を有するという効果を奏する。

本開示におけるラミネート電池の一例を示す概略平面図、全固体電池およびラミネートシートの概略断面図である。 本開示における全固体電池の一例を示す概略斜視図および概略平面図である。 本開示におけるラミネートシートの一例を示す概略斜視図および概略平面図である。

図１（ａ）は、本開示におけるラミネート電池を例示する概略平面図である。図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のラミネート電池を作製するための全固体電池およびラミネートシートの概略断面図である。図２は、本開示における全固体電池を例示する概略斜視図および概略平面図である。図３は、本開示におけるラミネートシートを例示する概略斜視図および概略平面図である。

図１（ａ）に示すラミネート電池１は、全固体電池３と、ラミネート外装体２と、を有する。全固体電池３には、電流を外部に導出させる電極端子１３が接続されていてもよい。ラミネート外装体２は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、全固体電池３を収容する凹状の収容部２０と、収容部２０の周囲に設けられたフランジ部２１と、を備えるラミネートシート２Ａを用いて作製される。ラミネート外装体２は、例えば、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、ラミネートシート２Ａのフランジ部２１と、他のラミネートシート２Ｂと、を重ね合わせて真空下で熱融着することにより作製される。

図１および図２に示すように、全固体電池３は、長手方向である第１方向Ｄ１に延びる第１辺３ａ、短手方向である第２方向Ｄ２に延びる第２辺３ｂ、および第３方向Ｄ３に厚さを有する略直方体形状を有する。第１辺３ａは、第１方向から見た断面視（図１（ｃ））で、曲率半径が０ｍｍであり、第２辺３ｂは、第２方向から見た断面視（図１（ｂ））で、曲率半径が０ｍｍである。

また、図１（ｂ）および図３に示すように、ラミネートシート２Ａは、第２方向Ｄ２から見た断面視において、収容部２０の天面２０ａと収容部２０の側面２０ｂとの間に第１曲面部Ｘ１、および収容部２０の側面２０ｂとフランジ部２１との間に第２曲面部Ｘ２を有する。図１（ｃ）および図３に示すように、ラミネートシート２Ａは、第１方向Ｄ１から見た断面視において、収容部２０の天面２０ａと収容部２０の側面２０ｂとの間に第３曲面部Ｘ３、および収容部２０の側面２０ｂとフランジ部２１との間に第４曲面部Ｘ４を有する。本開示においては、第１曲面部Ｘ１の曲率半径Ｒ_１、第２曲面部Ｘ２の曲率半径Ｒ_２、第３曲面部Ｘ３の曲率半径Ｒ_３、および第４曲面部Ｘ４の曲率半径Ｒ_４が、０．５ｍｍ以上である。

従来、ラミネート電池の製造方法としては、エンボス加工により凹状の収容部を設けたラミネートシートの収容部に電極体を挿入し、真空状態で収容部の周囲を熱融着し、封止する方法が知られている。電極体の寸法およびラミネートシートの収容部の寸法にはバラつきがあるため、一般的に、電極体の寸法よりも、ラミネートシートの収容部の寸法を大きくする必要がある。この場合に、電極体の寸法と収容部の寸法との差（隙間）が大きくなると、真空封止時にラミネートシートに皺が生じる場合がある。このような皺は、冷熱衝撃試験の温度変化や充放電等に伴う膨張収縮による負荷が集中しやすく、ラミネート外装体の破壊の原因となる。また、電池の構造効率向上のためには、ラミネート外装体および電極体の隙間を小さくすることが好ましい。

一方、ラミネート外装体および電極体の隙間の低減を試みると、ラミネート封止時の真空引き時や全固体電池の膨張収縮等により、ラミネート外装体と直方体状の電極体とが接触し、ラミネート外装体に破れが生じる場合があり、構造信頼性が低下する。
また、ラミネート電池の構造信頼性向上のためには、ラミネート外装体および電極体の隙間を大きくすると共に真空封止時の圧力を上げてラミネート外装体の皺の発生を抑制する方法が考えられる。しかしながら、ラミネート外装体と電極体との間の隙間が大きくなり、構造効率が悪化する。

本願の発明者は、ラミネートシートの第１曲面部、第２曲面部、第３曲面部および第４曲面部の曲率半径が、それぞれ０．５ｍｍ以上であることにより、意外にも、曲率半径が０ｍｍである所謂ピン角を有する全固体電池を収容し、ラミネートシートの収容部と全固体電池との隙間を低減した場合であっても、耐久性に優れるラミネート電池が得られることを知見した。すなわち、本開示によれば、ラミネートシートの収容部と全固体電池との隙間を低減することによる構造効率向上、および耐久性に優れることによる構造信頼性向上の両立が可能となる。

１．全固体電池
図１および図２に示すように、本開示における全固体電池３は、長手方向である第１方向Ｄ１に延びる第１辺３ａ、短手方向である第２方向Ｄ２に延びる第２辺３ｂ、および第３方向Ｄ３に厚さを有する略直方体形状を有する。第１辺３ａは、第１方向Ｄ１から見た断面視で、曲率半径が０ｍｍであり、第２辺３ｂは、第２方向Ｄ２から見た断面視で、曲率半径が０ｍｍである。

また、本開示における全固体電池は、図２（ｂ）に示すように、平面視形状が略長方形であってもよく、４つの角部Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３およびＹ４を有していてもよい。４つの角部の曲率半径Ｒ_５は２．０ｍｍ以上であることが好ましい。ラミネート封止時の真空引き時や全固体電池の膨張収縮等により、ラミネート外装体と干渉した場合にも、耐久性向上が図れるためである。曲率半径Ｒ_５は、全固体電池の最外面の曲率半径を意味する。

本開示における全固体電池の大きさは、例えば、第１方向Ｄ１の長さＬ３が３００ｍｍ以下であり、第２方向Ｄ２の長さＷ３が９０ｍｍ以下であり、第３方向Ｄ３の長さＨ３が１０ｍｍ以下である。

本開示における全固体電池は、正極層と、固体電解質層と、負極層と、を有する全固体電池セルを１個以上含む電極体を有する。全固体電池３は、図２（ｂ）に示すように、電極体３０のみから構成されていてもよいし、図２（ｃ）に示すように、電極体３０と、電極体３０を固縛する樹脂構造体３１との複合体であってもよい。この場合、樹脂構造体の形状を適宜調整することにより、全固体電池の形状を上記形状に調整することができる。

全固体電池の引張弾性率（すなわち、上記電極体または上記複合体の引張弾性率）は、７２ＧＰａ以下であることが好ましい。

２．ラミネート外装体
本開示におけるラミネート外装体は、全固体電池を収容する凹状の収容部と、収容部の周囲に設けられたフランジ部と、を備えるラミネートシートを用いて作製される。ラミネート外装体は、全固体電池を収容する収容部を有し、さらに、収容部の周囲に配置されたシール部を有していてもよい。シール部では、ラミネート外装体の内層同士が熱融着されており、これにより、全固体電池をラミネート外装体の外部から隔離している。

本開示におけるラミネートシート２Ａは、全固体電池を収容する凹状の収容部２０と、収容部２０の周囲に設けられたフランジ部２１と、を有する。

図１（ｂ）に示すように、ラミネートシート２Ａは、第２方向Ｄ２から見た断面視において、収容部２０の天面２０ａと収容部２０の側面２０ｂとの間に第１曲面部Ｘ１、および収容部２０の側面２０ｂとフランジ部２１との間に第２曲面部Ｘ２を有する。図１（ｃ）に示すように、ラミネートシート２Ａは、第１方向Ｄ１から見た断面視において、収容部２０の天面２０ａと収容部２０の側面２０ｂとの間に第３曲面部Ｘ３、および収容部２０の側面２０ｂとフランジ部２１との間に第４曲面部Ｘ４を有する。本開示においては、第１曲面部Ｘ１の曲率半径Ｒ_１、第２曲面部Ｘ２の曲率半径Ｒ_２、第３曲面部Ｘ３の曲率半径Ｒ_３、および第４曲面部Ｘ４の曲率半径Ｒ_４が、０．５ｍｍ以上である。

第１曲面部Ｘ１の曲率半径Ｒ_１および第３曲面部Ｘ３の曲率半径Ｒ_３は、収容部内側面の曲率半径を意味し、第２曲面部Ｘ２の曲率半径Ｒ_２および第４曲面部Ｘ４の曲率半径Ｒ_４は、収容部外側面の曲率半径を意味する。

ラミネートシート２Ａの収容部２０は、全固体電池の形状に対応する略直方体形状を有する。図３（ｂ）に示すように、収容部２０は、平面視形状が略長方形であってもよく、４つの角部Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３およびＺ４を有していてもよい。４つの角部の曲率半径Ｒ_６は２．０ｍｍ以上であることが好ましい。曲率半径Ｒ_６は、収容部内側面の曲率半径を意味する。

ラミネートシートの収容部の寸法は、全固体電池の寸法よりも大きいことが好ましい。具体的には、ラミネートシートの収容部の寸法（第１方向の寸法Ｌ２、第２方向の寸法Ｗ２、第３方向の寸法Ｈ２）は、全固体電池の寸法（第１辺の長さＬ３、第２辺の長さＷ３、および第３辺の長さＨ３）よりも、それぞれ０ｍｍ以上、１ｍｍ以下大きいことが好ましい。

ラミネートシートは、例えば、外層である耐熱性樹脂層と、中間層であるアルミニウム層と、内層である熱融着樹脂層とを有する。耐熱性樹脂層は基材層として機能し、アルミニウム層はバリア層として機能し、熱融着樹脂層はシーラント層として機能する。アルミニウム層の厚さとしては、８０μｍ以上が好ましい。ラミネートシートの剛性が向上し、真空封止の際の変形を抑制することができるためである。

ラミネートシートは、２つに折り畳み可能であってもよい。この場合、折曲予定部を介して、一方向側には、上述した収容部およびフランジ部が形成されていることが好ましい。

３．ラミネート電池
本開示におけるラミネート電池は、上述した理由により耐久性に優れる。具体的には、－４０℃および９５℃での冷熱衝撃試験を２０００サイクル行った場合においても、破れが生じないことが好ましい。

本開示においては、上述したラミネートシートの収容部に、全固体電池を配置し、その後、ラミネートシートのフランジ部を、他のラミネートシート（第２のラミネートシート）と重ね合わせ、真空状態で熱融着することにより、ラミネート電池を得ることができる。この場合において、収容部と全固体電池との隙間（クリアランス）は、０ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすることが好ましい。

本開示における電池の種類は特に限定されないが、典型的には、リチウムイオン二次電池である。

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 …ラミネート電池
２ …ラミネート外装体
２Ａ…ラミネートシート
３ …全固体電池
２０…収容部
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４…曲面部

Claims (1)

1. 全固体電池と、ラミネート外装体と、を有するラミネート電池であって、
   前記ラミネート外装体は、前記全固体電池を収容する凹状の収容部と、前記収容部の周囲に設けられたフランジ部と、を備えるラミネートシートから作製され、
   前記全固体電池は、長手方向である第１方向に延びる第１辺、短手方向である第２方向に延びる第２辺、および第３方向に厚さを有する略直方体形状を有し、前記第１辺は、前記第１方向から見た断面視で曲率半径が０ｍｍであり、前記第２辺は、前記第２方向から見た断面視で曲率半径が０ｍｍであり、
   前記ラミネートシートは、
   前記第２方向から見た断面視において、前記収容部の天面と前記収容部の側面との間に第１曲面部、および、前記収容部の側面と前記フランジ部との間に第２曲面部を有し、
   前記第１方向から見た断面視において、前記収容部の天面と前記収容部の側面との間に第３曲面部、および、前記収容部の側面と前記フランジ部との間に第４曲面部を有し、
   前記第１曲面部、前記第２曲面部、前記第３曲面部および前記第４曲面部は、曲率半径が０．５ｍｍ以上である、ラミネート電池。