JP5050858B2

JP5050858B2 - チップ電池

Info

Publication number: JP5050858B2
Application number: JP2007555869A
Authority: JP
Inventors: 和弘山田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: WO2007086218A1; US8034477B2; JPWO2007086218A1; US20080274412A1

Description

この発明は、固体電解質を用いたチップ電池に関する。

チップ電池として、たとえば固体電解質層と、その両面に形成される正極層および負極層とからなる素体を用いたものがある。この素体の正極層および負極層の上には、端子電極が形成される。このようなチップ電池において、電池容量を大きくするためには、正極層や負極層に含まれる電極活物質の量を多くする必要があり、また出力電流を大きくするためには、端子電極と正極層との対向面積および端子電極と負極層との対向面積を大きくする必要がある。一方、チップ電池は基板上に実装されることが多いが、他の素子が低背化する中で、チップ電池も低背化が求められている。

これらの条件を満たすためには、チップ電池の実装面に直交する向きに、固体電解質層、正極層、負極層、端子電極を積層することが望ましい。ところが、チップ電池の実装面に直交する向きの両側に端子電極を形成すると、上面の端子電極から基板に向かってワイヤボンディングを行ったり、表面実装できるパッケージ内にチップ電池を収納したりする必要があり、チップ電池単体で表面実装化することができない。チップ電池を表面実装化するためには、チップコンデンサなどのように、素体の積層方向と直交する向きの両端側に端子電極を形成することが望ましい。

そこで、図８に示すようなチップ電池の構成が考えられる。チップ電池１は、固体電解質層２を含む。固体電解質層２の一方面には、正極層３が形成され、固体電解質層２の他方面には、負極層４が形成される。正極層３および負極層４の上には、集電体５ａ，５ｂが形成される。正極層３および集電体５ａは、固体電解質層２、正極層３および負極層４の積層方向に直交する向きの一端側から他端側に向かって延びるように、かつ他端側には露出しないように形成される。また、負極層４および集電体５ｂは、電解質層２、正極層３および負極層４の積層方向に直交する向きの他端側から一端側に向かって延びるように、かつ一端側には露出しないように形成される。

さらに、集電体５ａ，５ｂ上には、絶縁体層６が形成される。また、これらの積層体の積層方向と直交する向きの両端面には、端子電極７，８が形成される。一方の端子電極７には、正極層３および集電体５ａの端部が電気的に接続される。また、他方の端子電極８には、負極層４および集電体５ｂの端部が電気的に接続される。さらに、端子電極７，８の間において、積層体の積層面に、樹脂層９が形成される。

このようなチップ電池１において、固体電解質層２、正極層３および負極層４の厚みを最適化することにより、良好な充放電特性を得ることができる。また、集電体５ａ，５ｂと端子電極７，８とが線で接することにより、集電体５ａ，５ｂと端子電極７，８との接続部分が小面積となるため、単電池を積層して多段のチップ電池とした場合においても、実装面積が増加することのない小型のチップ電池を得ることができる（特許文献１参照）。
特開２００２−３５２８５０号公報

図８に示すチップ電池は、実装面に直交する向きに積層された素体を有し、素体の積層方向に直交する向きの両端側に端子電極が形成され、表面実装が可能なものである。しかしながら、集電体と端子電極とが線状に接触する構造であるため、その接触面積が小さく、集電体と端子電極との接続信頼性が低く、内部抵抗も大きいチップ電池になってしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、表面実装化および低背化を図ることができ、集電体と端子電極との接続信頼性が高く、内部抵抗の小さいチップ電池を提供することである。

この発明は、固体電解質層と、固体電解質層の一方面側に形成される正極層と、固体電解質層の他方面側に形成される負極層とからなる素体、素体の正極層および負極層の上に形成される集電体、および集電体上の素体の積層方向に直交する向きの両端側に形成される端子電極を含み、集電体と端子電極とが集電体の積層体の積層方向と直交する面において面接触する、チップ電池である。
集電体と端子電極とが面接触することにより、これらの間の接触面積が大きくなり、接触信頼性の高いチップ電池を得ることができる。さらに、集電体と端子電極との間の接触面積が大きいため、内部抵抗の小さいチップ電池を得ることができる。
また、固体電解質層、正極層、負極層からなる素体の積層方向と直交する向きの両端側に端子電極が形成されるため、チップ電池の実装面と素体の積層方向とが直交した状態で表面実装を行うことができる。

このようなチップ電池において、２つの端子電極の間において素体の表面および集電体の表面に保護膜が形成されるとともに、それぞれの端子電極側において異なる集電体が露出し、露出した集電体と端子電極とが面接触するようにしてもよい。
素体の積層方向に直交する向きの両端側に端子電極が形成されるチップ電池において、それぞれの端子電極側で異なる集電体が露出するように保護膜を形成することにより、その露出部において集電体と端子電極を面接触させることができる。
また、端子電極の回り込み部によって、集電体の露出部と保護膜の両方を覆うように端子電極が形成されるため、保護膜による密閉性（封止性）を確保しつつ、保護膜を含む全体の密着性を向上させることができる。

この発明によれば、素体に形成された集電体と端子電極とを面接触させることにより、集電体と端子電極との接続信頼性が高く、かつ内部抵抗の小さいチップ電池を得ることができる。そのため、良好な電池特性を有するチップ電池とすることができる。しかも、素体の積層方向と直交する向きの両端側に端子電極が形成されているため、チップ電池の実装面と素体の積層方向とが直交した状態で表面実装を行うことができる。したがって、チップ電池を大容量化・大電流化しても、低背で表面実装可能なチップ電池とすることができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

この発明のチップ電池の一例を示す斜視図である。図１に示すチップ電池に用いられる素体と、素体に形成された集電体とを示す斜視図である。図１に示すチップ電池に用いられる素体を作製するときの様子を示す図解図である。図２に示す素体上に形成された集電体の表面に保護膜を形成した状態を示す斜視図である。図４に示す素体および集電体の端面に保護膜を形成した状態を示す斜視図である。図５に示す素体および集電体の側面に保護膜を形成して得られた基体を示す斜視図である。図１に示すチップ電池をパッケージに収納して使用する例を示す図解図である。（Ａ）および（Ｂ）は、従来のチップ電池の一例を示す断面図解図および平面図である。

符号の説明

１０チップ電池
１２基体
１４素体
１６固体電解質層
１８正極層
２０負極層
２４，２６集電体
２８保護膜
３０，３２端子電極

図１は、この発明のチップ電池の一例を示す斜視図である。チップ電池１０は、基体１２を含む。基体１２は、図２に示すように、積層構造を有する素体１４を含む。素体１４は、たとえば長方形板状の固体電解質層１６を含む。なお、固体電解質層１６の形状としては、正方形板状であってもよい。固体電解質層１６としては、たとえばＬｉ−Ｐ−Ｓ系固体電解質などの硫化物系固体電解質が用いられる。この固体電解質層１６の一方面側には、正極層１８が形成される。正極層１８を形成するために、たとえばＬｉＣｏＯ₂などの正極活物質が用いられる。さらに、固体電解質層１６の他方面側には、負極層２０が形成される。負極層２０を形成するために、たとえばグラファイトなどの負極活物質が用いられる。正極層１８および負極層２０には、正極活物質および負極活物質のほかに、固体電解質層１６を構成する固体電解質が混合されてもよい。正極層１８や負極層２０に固体電解質を混合する目的は、固体電解質層１６との間でＬｉイオンのやり取りをしやすくするためである。

この素体１４の作製は、図３に示すように、それぞれ粉末状の正極層用材料、固体電解質材料、負極層用材料を型２２に入れ、加圧成形することにより行なわれる。なお、正極層用材料、固体電解質材料、負極層用材料を加圧成形することにより、大きい板状体とし、この板状体を切断することにより素体１４を形成してもよい。

得られた素体１４の正極層１８および負極層２０の上には、集電体２４，２６が形成される。集電体２４，２６は、たとえばＰｔなどの金属材料を用いて形成される。このとき、集電体２４，２６は、スパッタリングや真空蒸着法などの気相法により薄膜電極状に形成される。集電体２４，２６は、正極層１８および負極層２０の全面に形成されるが、正極層１８および負極層２０の周縁部分を残して、正極層１８や負極層２０より小さめに形成してもよい。

さらに、図４に示すように、長方形板状の素体１４の両面に形成された集電体２４，２６の一部が露出するようにして、集電体２４，２６上に保護膜２８が形成される。保護膜２８は、たとえばエポキシ樹脂などの絶縁材料で形成される。保護膜２８は、素体１４および集電体２４，２６の積層方向に直交する長手方向において、互いに異なる端面側で集電体２４，２６の異なるものが露出するように形成される。

さらに、図５に示すように、素体１４の積層方向に直交する長手方向において、互いに対向する端面に保護膜２８が形成される。次に、図６に示すように、素体１４の幅方向において、互いに対向する側面に保護膜２８が形成される。なお、素体１４の上下面、端面、側面に形成される保護膜２８の形成順序は任意であり、同時に形成してもよい。したがって、素体１４の長手方向に対向する端面の近傍において、集電体２４，２６の異なるものが反対側の面に露出した基体１２が得られる。なお、保護膜２８は、素体１４および集電体２４，２６を保護するためのものであるが、絶縁層としても働くものである。そして、集電体２４，２６が露出した部分に回り込むようにして、基体１２の対向する端部に、Ａｇなどによって端子電極３０，３２が形成される。それにより、図１に示すようなチップ電池１０が形成される。

端子電極３０，３２は、たとえばＡｇペーストなどを基体１２の端面に塗布し、焼き付けることによって形成される。このとき、Ａｇペーストが保護膜２８まで回り込むため、できるだけ低温で焼き付けることが好ましい。また、端子電極３０，３２は、蒸着、スパッタリングなどの薄膜形成法やめっき法などによって形成されてもよい。さらに、導電性接着剤などを塗布した後、それを硬化させることによって端子電極３０，３２を形成してもよい。

このチップ電池１０においては、集電体２４，２６の露出部分において、端子電極３０，３２と集電体２４，２６とが面接触することにより、端子電極３０，３２と集電体２４，２６との間の接触信頼性が高いチップ電池とすることができる。また、集電体２４，２６と端子電極３０，３２とが面接触することにより、集電体２４，２６と端子電極３０，３２との間の抵抗も小さくすることができ、内部抵抗の小さいチップ電池１０を得ることができる。さらに、端子電極３０，３２は、集電体２４，２６と保護膜２８とにまたがって形成されるため、チップ電池１０全体の密着性および密封性（封止性）を高めることができる。

また、このチップ電池１０では、素体１４の積層方向に直交する向きの両端側に端子電極３０，３２が形成された構造となっているため、素体１４の積層方向を基板などに向けて実装することができる。したがって、チップ電池１０の実装時に、低背化を図ることができる。特に、大容量化のために正極層１８や負極層２０に含まれる電極活物質の量を多くしたり、大電流化のために正極層１８や負極層２０と集電体２４，２６との対向面積を大きくした場合でも、低背な状態でチップ電池１０を表面実装することができる。

このようなチップ電池１０において、集電体２４，２６と端子電極３０，３２との面接触とは、長方形の素体１４の短辺を概ね一辺とし、素体１４の長辺の約５〜４０％の長さ（集電体２４，２６の厚み以上）を他の一辺とする矩形の面積を指している。このような接触面積とすることにより、図８に示すような従来のチップ電池のように、集電体と端子電極とが線接触する場合に比べて、大きい接触面積を確保することができる。

このチップ電池１０では、電解質として固体電解質層１６を使用しているため、液体の電解質を用いた電池に比べて、小型で安全性の高い電池とすることができる。また、このチップ電池１０では、素体１４が正極層用材料、固体電解質材料、負極層用材料を加圧成形することによって形成されているため、焼結体（酸化物）で形成した場合のように、各層間において相互拡散が発生しにくい。そのため、正極層１８、負極層２０と固体電解質層１６との間で、イオン伝導性に優れた良好な界面を形成することができる。なお、焼結体（酸化物）により素体１４を形成した場合であっても、集電体２４，２６と端子電極３０，３２とを面接触させることにより、集電体２４，２６と端子電極３０，３２との接続信頼性が高く、内部抵抗の小さいチップ電池１０を得ることができる。

さらに、このチップ電池１０では、集電体２４，２６が気相法によって形成されるため、集電体２４，２６にバインダなどが含まれない。そのため、比較的抵抗率の高いバインダによって固体電池１０の内部抵抗が大きくなることを防止することができる。また、気相法による薄膜電極により集電体２４，２６が形成されるため、集電体２４，２６が剥がれ落ちる心配がなく、チップ電池１０の作製時における取り扱いも容易である。このような集電体２４，２６上に端子電極３０，３２を形成することにより、集電体２４，２６と端子電極３０，３２とが面接触し、集電体２４，２６と端子電極３０，３２との間の抵抗も小さくすることができる。

なお、保護膜２８としては、エポキシ樹脂に限らず、セラミックやガラスなどの絶縁体で封止してもよい。また、エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂を用いてもよいし、複数種の樹脂を混合して用いてもよく、複数種の樹脂を層状に形成してもよい。

このチップ電池１０は、図７に示すように、パッケージ４０内に収納して使用することもできる。パッケージ４０は、絶縁基材４２と、絶縁基材４２を覆うキャップ状の収容部材４４とで構成される。絶縁基材４２は、たとえばアルミナなどのセラミックや、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料で形成される。さらに、図７の例では、絶縁基材４２上にチップ電池１０とバックアップ素子４６とが搭載されているが、チップ電池１０だけが搭載されていてもよい。これらのチップ電池１０およびバックアップ素子４６を覆うようにして、収容部材４４が配置される。

チップ電池１０とバックアップ素子４６とは、絶縁基材４２に形成された配線電極４８によって接続される。図７においては、模式的に配線電極４８が示されているが、実際には、たとえば絶縁基材４２上に形成されたパターン電極や、絶縁基材４２に形成されたスルーホールなどによって配線電極４８が構成される。絶縁基材４２の外面には、外部電極５０が形成され、配線電極４８によって、パッケージ４０内部の回路と外部電極５０とが接続される。また、図７の例では、収容部材４４が回路の一部として用いられているため、たとえばアルミニウムやステンレスなどの金属材料によって、収容部材４４が形成されている。しかしながら、収容部材４４が回路の一部として用いられない場合には、絶縁材料で収容部材４４を形成することができる。

このように、チップ電池１０は、パッケージ４０に収納された状態で使用することもできる。このような場合においても、チップ電池１０を上述のような構成とすることにより、集電体２４，２６と端子電極３０，３２との接続信頼性が高く、かつ内部抵抗の小さいチップ電池とすることができ、良好な電池特性を得ることができる。

固体電解質として、Ｌｉ₂Ｓ−Ｐ₂Ｓ₅系固体電解質を用いて、図１に示すチップ電池を作製した。固体電解質は、Ｌｉ₂ＳとＰ₂Ｓ₅をモル比７：３で混合した材料を用いて作製した。また、正極層用材料として、正極活物質であるコバルト酸リチウムと固体電解質を質量比１：１で混合したものを用いた。さらに、負極層用材料として、負極活物質であるグラファイト粉末と固体電解質を質量比１：１で混合したものを用いた。このような正極層用材料および負極層用材料を用いて、正極層用材料／固体電解質／負極層用材料の順に３層構造となるようにして、３ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力でプレス成形を行なって、固体電解質層の両面に正極層および負極層が形成されたペレットを得た。

得られたペレットの正極層および負極層の上に、集電体となるＰｔをスパッタリングによって成膜した後、２×２×１ｍｍのサイズに切断して素体を得た。このとき、研磨により、正極層と負極層の間の絶縁を図った。なお、図２において、素体１４、正極層２４および負極層２６の積層方向の１辺が１ｍｍとなるように形成した。この後、図６に示すように、対向する集電体の一部が露出するようにエポキシ樹脂をコーティングし、集電体の露出面を覆うようにしてＡｇ電極を形成することにより、端子電極を形成した。このようにして、図１に示すチップ電池を作製した。

得られたチップ電池について、５０μＡ／ｃｍ²の電流密度で充放電測定を実施した結果、２×２×１ｍｍという従来にない小型サイズで、放電電圧１〜４Ｖにおいて１０μＡｈの放電容量を有するチップ電池が得られることがわかった。

Claims

固体電解質層と、前記固体電解質層の一方面側に形成される正極層と、前記固体電解質層の他方面側に形成される負極層とからなる素体、
前記素体の前記正極層および前記負極層の上に形成される集電体、および
前記集電体上の前記素体の積層方向に直交する向きの両端側に形成される端子電極を含み、
前記集電体と前記端子電極とが前記集電体の前記積層体の積層方向と直交する面において面接触する、チップ電池。
２つの前記端子電極の間において前記素体の表面および前記集電体の表面に保護膜が形成されるとともに、それぞれの前記端子電極側において異なる前記集電体が露出し、露出した前記集電体と前記端子電極とが面接触する、請求項１に記載のチップ電池。