JP5310797B2 - エネルギーデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は電池あるいは蓄電装置などに代表されるエネルギーデバイスとその製造方法に関する。
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話等のポータブル機器の発達に伴い、その電源として高エネルギー密度で収納性に優れたエネルギーデバイスが要望されている。上記要望に対して、リチウムあるいはリチウムイオンを用いる二次電池が開発されてきた。一方、上記の小型分野とは別に、電気自動車やエネルギー貯蔵のようなはるかに容量の大きいエネルギー分野でも、エネルギーデバイスの高容量や高エネルギー密度の特徴が着目され、二次電池の新しい利用分野への展開が検討されている。
一般に、上記リチウムイオンを用いるエネルギーデバイスは、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出し、リチウムに近い電位を示す単体や化合物を活物質に用いる負極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出してリチウムよりも高い電位を示す単体や化合物を活物質に用いる正極と、これら負極と正極との間に介在し、リチウムイオンを電荷移動の媒体とする電解質層とを基本的構成要素として備える。
負極活物質材料としては、リチウム金属の他に、各種タイプの黒鉛、スズやケイ素あるいはこれらを含む多くの単体や化合物が知られ、また正極活物質材料としては硫黄あるいはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、あるいはＬｉＭｎ２Ｏ４などの多くの単体や化合物が知られている。
また電解質層については、流動性を有する電解質溶液を用いる溶液タイプや、電解質をポリマーでゲル化し非流動化したポリマーゲルタイプ、さらにリチウムイオン伝導性を有する固体電解質層などが実用化され、あるいは実用化の過程にある。中でも固体電解質を用いるエネルギーデバイスは溶液タイプに比べて漏液の危険性がないことから、安全性の高いエネルギーデバイスとして期待され、ＬｉＰＯ４や通称ＬＩＰＯＮといわれるＬｉｘＰＯｙＮｚのような安定性の高い多くの固体電解質も見出されている。
さらに固体電解質を用いるエネルギーデバイスでは、両極間にセパレータを用いる必要がなく、また基本構成要素の活物質層や固体電解質層の形成にスクリーン印刷や蒸着、スパッタリングなどの薄膜形成方法が適用できる。そのため、ポリマーゲルタイプに比べてはるかに薄型化が期待でき、さらに薄型になるほど高エネルギー密度が期待できる。
しかしながら、固体電解質は、溶液の電解液のように活物質層に浸入しないため、容量を高めようとして活物質層を増加させようとしても容量増加には限界がある。活物質層に固体電解質材料を混合するなど活物質層を立体的に働かせるような工夫をしても容量密度の向上が困難である。
そこでエネルギー容量の課題を解決する手段として、シート状デバイスとして正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層を備えた薄いシート状の単位デバイスを作製し、これを複数枚接合することによって電圧または容量を増加させ、エネルギー容量の大きなデバイスを作製することが好ましいと考えられた。
また薄型の構成要素を接合して、薄型で高容量のデバイスを作製する従来技術がいくつか開示されている。すなわちリチウムイオンを含む有機電解質溶液を用いる電気化学的デ
バイスにおいて、活物質層と高分子多孔膜からなるセパレータとを接合する技術が開示されている（例えば特許文献１または２参照）。
バイスにおいて、活物質層と高分子多孔膜からなるセパレータとを接合する技術が開示されている（例えば特許文献１または２参照）。
特許文献１には、活物質層とセパレータ層との間に高分子樹脂粉体からなる接着剤を配して接合する技術が開示されており、接合面に電子伝導性を有しない層が形成されると同時に、この層には電解質溶液が侵入してイオン伝導性の層が形成されることが示されている。また特許文献２には電解液を含む高分子多孔膜からなるセパレータにあらかじめ正負極用活物質層をそれぞれ接着剤で仮止め接合し、その上で上記高分子多孔膜を挟んで両極を圧着接合する技術が開示されている。
接合面間に接着剤を配してシート状単位デバイスを積層、接合してエネルギーデバイスを構成する場合、接合面間はできるだけ広い範囲で可能な限り均一に電子伝導性が維持されることが重要である。さらに、それぞれのシート状単位デバイスの表面が電子伝導性を有している場合であっても、接合面間に展開して硬化する樹脂などからなる接着剤によって接合面間に空隙が形成されるやすい。その場合、複合デバイスの厚さが増大し、収納性が低下するだけでなく、空隙部における接合面間の接触状態によってデバイスの内部抵抗に差が生じ、特性にばらつきが発生する。このような特性のばらつきや収納性の課題は接着剤がたとえ電導性を有していても生じる。すなわち固体電解質を用いるシート状単位デバイスの接合には、接合に適用する接着剤による不均一な空隙発生の抑制と、可能な限り電子伝導性が維持された面間の密着接合が重要である。
しかしながら、上記特許文献１または２に記載の構成は、いずれも固体の接合表面間において電子伝導性を維持した接合や、面間に付与された接着剤による空隙の抑止を示唆するものではない。
本発明は、シート状単位デバイスを積層、接合して高エネルギーのデバイスを作製するにあたり、接合面間の空隙の発生を抑制し、均一な電子伝導性が維持された面間の接合を実現し、エネルギーデバイスの特性を安定化することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明のエネルギーデバイスは、第１導電層と、第１活物質層と、固体電解質層と、前記第１活物質層とは逆の極性を示す第２活物質層と、第２導電層とを順次積層したシート状の単位デバイスを、直接または集電板を介して、接着剤を用いて、複数接合したエネルギーデバイスであって、前記エネルギーデバイスは、隣接する前記単位デバイスの第１または第２導電層同士を直接または集電板を介して接して構成されており、前記接着剤は隣接する前記単位デバイスの前記第１または第２導電層のうち少なくとも一方の外表面に設けられた凹部に付与されていることを特徴とする。この構成により、接合面間に十分な電子伝導性が維持されながら所定の位置に設けた凹部で強い接合が可能になる
接着剤はシート状の単位デバイスの接合面上の所定の位置に設けられた凹部に付与されるので、たとえ単位デバイスが互いに加圧されても接合平面間に接着剤が大量に展開されることはない。そのため接合面間の電子伝導性が十分維持されながら、所定の位置に設けた凹部で強い接合が可能になる。さらに接合面では接着剤による不均一な接合力の発生を回避できるだけでなく、接合平面間に接着剤が大量に展開し硬化された場合に形成される空隙が原因となる接合面間の電気的接合に対する阻害、および上記空間の形成が原因となるエネルギーデバイス厚さの拡大が抑制される。なお、本発明の効果が維持できる範囲内であれば、接合後に接着剤が凹部に留まっている必要はなく、凹部近傍にまで展開していても良い。
ここで接着剤は電子伝導性を有することが好ましい。接合面間での電子電導性のさらなる確保ができるからである。また各単位デバイスを接続し、あるいは外部に接続する端子とするために少なくとも隣接する単位デバイスの表面あるいは接合面間に配された導体部を配することが好ましい。導体部は、タブ、電導性薄膜、集電体のいずれかからなることが好ましい。また、電解質層はゲル状であっても固体であっても良いが、固体である場合には、単位デバイス全体が硬く形成されるため上記接合効果が顕著になる。
上記構成を実現するために、本発明によるエネルギーデバイスの製造法は、第１導電層と、第１活物質層と、固体電解質層と、第１活物質層とは逆の極性を示す第２活物質層と、第２導電層とを順次積層したシート状の単位デバイスの前記第１または第２導電層の表面に凹部を形成する単位デバイス形成工程と、前記凹部に接着剤を付与する接着剤付与工程と、前記接着剤が付与された前記単位デバイスを隣接する前記単位デバイスの第１または第２導電層同士が直接または集電板を介して接するように積層する積層工程と、積層された前記単位デバイスを接合する接合工程とを有する。
さらに、集電体を連続体とし、所定の間隔を設けて単位デバイスを複数形成し、必要に応じて集電体の、単位デバイスを形成した以外の露出部を切断する工程を含んでいても良い。
本発明によれば、シート状単位デバイスを積層、接合して高エネルギーのデバイスを作製するにあたり、接合面間の空隙の発生が抑制され、均一な電子伝導性が維持された面間の接合が実現され、複合されたエネルギーデバイスの特性の安定化が図れる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお同様の構成をなすものには同じ符号を付して説明する。なお本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下の内容に限定されない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図１において、正極層である第１活物質層１と、負極層であり第１活物質層とは逆の極性を有する第２活物質層３とは、電解質層５を介して対向している。第１活物質層１と第２活物質層３と電解質層５とを積層した単位デバイス２１において、シート状の集電体２は第１活物質層１と接合され、シート状の電導性薄膜６は第２活物質層３と接合されている。また、第１活物質層１と第２活物質層３と電解質層５とを積層した単位デバイス２２において、シート状の集電体４は第２活物質層３と接合され、シート状の電導性薄膜６は第１活物質層１と接合されている。接着剤８は、単位デバイス２１と単位デバイス２２とが対向する表面層に設けられた凹部７に収納されている。接着剤８の量は、単位デバイス２１と単位デバイス２２とを接合する際に、接合力を発揮するのに十分な量以上あれば良く、同時に凹部７からあふれ出ることない量である。タブ９Ａ、９Ｂはそれぞれ集電体２、４に接合され、外部と電気的に接続される。集電板１０は異なる極性を示す層間に設けられている。集電体２、４は、エネルギーデバイスの最外部に設けられている。なお、第１活物質層１が負極層で、第２活物質層が正極層でもよい。
図１は、本発明の実施の形態１によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図１において、正極層である第１活物質層１と、負極層であり第１活物質層とは逆の極性を有する第２活物質層３とは、電解質層５を介して対向している。第１活物質層１と第２活物質層３と電解質層５とを積層した単位デバイス２１において、シート状の集電体２は第１活物質層１と接合され、シート状の電導性薄膜６は第２活物質層３と接合されている。また、第１活物質層１と第２活物質層３と電解質層５とを積層した単位デバイス２２において、シート状の集電体４は第２活物質層３と接合され、シート状の電導性薄膜６は第１活物質層１と接合されている。接着剤８は、単位デバイス２１と単位デバイス２２とが対向する表面層に設けられた凹部７に収納されている。接着剤８の量は、単位デバイス２１と単位デバイス２２とを接合する際に、接合力を発揮するのに十分な量以上あれば良く、同時に凹部７からあふれ出ることない量である。タブ９Ａ、９Ｂはそれぞれ集電体２、４に接合され、外部と電気的に接続される。集電板１０は異なる極性を示す層間に設けられている。集電体２、４は、エネルギーデバイスの最外部に設けられている。なお、第１活物質層１が負極層で、第２活物質層が正極層でもよい。
図１は単位デバイス２１と単位デバイス２２とからなる２つの単位デバイスが直列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。この構成において、単位デバイス２１、２２間の接合面には電導性薄膜６、集電板１０の少なくとも１つが配されていればよい。これらは単位デバイス間の導体部である。
単位デバイス２１、２２の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２１、２２間は接着剤８で接着される。接着剤８は単位デバイス２１、２２の接合面上に設けられた凹部７に付与されるので、たとえ単位デバイス２１、２２が互いに加圧されても接合平面間に接着剤８が大量に展開されることはない。そのため接合面間に十分な電子伝導性が維持されながら凹部７ので強い接合が可能になる。さらに接合面では接着剤８による不均一な接合力の発生を回避できるだけでなく、接着剤８が面間で展開され硬化した場合に形成されるような空隙が原因となって接合面間の電気的接合が阻害されること、および上記空間の形成が原因となってエネルギーデバイスの厚さが拡大することが抑制される。
なお、単位デバイスの接合面に形成された電導性薄膜６が薄い場合、凹部７は図１や後述する図２〜図７に示されるように内部の活物質層１あるいは３に及んで形成されることが好ましい。（接着剤の量の説明は、別の場所に追加済みです）さらに、図１に示すように、単位デバイス２１に設けられた凹部７と単位デバイス２２に設けられた凹部７との位置が対応していることがさらに好ましい。すなわち、接合する面の両方に凹部７を設ける場合には凹部７同士が対応する位置にあることが好ましい。凹部７同士が対応する位置にあると、単位デバイス２１と単位デバイス２２とを接合する際に、単位デバイス２１の凹部７にある接着剤８と単位デバイス２２の凹部７にある接着剤８とで接合することになるため、そうでない場合に比べて凹部の対向により凹部の体積が２倍に使えるので、外力による変位が発生したときに接着剤の弾性効果がより大きく発現し、接着点での乖離が発生しにくい。
単位デバイス２１、２２の接合は図１に示された構成にしたがって、凹部７に接着剤８が付与された単位デバイス２１、２２を積層するだけでも可能である。単位デバイス２１、２２に凹部７を設けた構成では、凹部７の内部に接着剤８が保持され、接合面間に不均一に接着剤８が展開され硬化する現象が抑制され、接合面間の空隙の形成が抑制される。接合力の強化と電子伝導性を許容する面間の密着性の向上を図るには、単位デバイスの積層体を平板金型あるいはローラなどによって加圧する接合工程を加えることが好ましい。
凹部７の設置場所や形状は任意であるが、接合強度と接合面間の電子伝導性状態が原因となるエネルギーデバイスのばらつき状況を考慮して選択されるのが好ましい。凹部７の断面形状は接合面上の所定の位置に独立した円形、楕円形、三角形、多角形、あるいは直線、曲線、波線状、ジグザグ状の溝あるいはこれらを任意に組み合せた任意の形状が選択できる。接合力の観点から凹部７の内部の断面形状はＵ字形が好ましく、中でも半球形の凹部７を対向して接合される両面の対応位置に設けることが好ましい。この構成では球状に硬化した接着剤で面間が接合されるので、少ない接着剤の付与量で大きな接合力を形成できる。
上記のように本実施の形態では、電子伝導性が保証された密着性の高い接合が形成されるので、凹部７に付与される接着材８はエネルギーデバイスの機能に影響を与えない限り、メタクリル樹脂などの樹脂を溶解した溶剤系接着剤あるいはエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂などの接着剤が適用できる。単位デバイス２１、２２を接合後には溶剤の蒸発経路が制限されるので、特に熱硬化性樹脂が好ましい。なお接着剤８には、銀ペーストやカーボンペーストなどの電子伝導性を有する接着剤を用いることが、電子伝導性の観点からさらに好ましい。
つぎに各単位デバイスの接合面近傍の導体構造について述べる。単位デバイス２１、２２の表面には電導性薄膜６、接合面間には集電板１０が設けられている。単位デバイスの接合面側にある活物質層が電導性に乏しい場合には、電導性薄膜６や集電板１０を設けることが好ましいが、必須ではない。またどちらか一方を設けるだけでもよい。集電体２、
４にはタブ９Ａ、９Ｂを設けているが、集電体２、４を設けず、直接活物質層１、３にタブ９Ａ、９Ｂを設けてもよい。
４にはタブ９Ａ、９Ｂを設けているが、集電体２、４を設けず、直接活物質層１、３にタブ９Ａ、９Ｂを設けてもよい。
すなわち少なくとも隣接する単位デバイス２１、２２の表面層あるいは接合面間にはタブ９Ａ、９Ｂ、電導性薄膜６、集電体２、４のいずれかからなる導体部を設けることが好ましい。なお最終的に形成されるエネルギーデバイスが電導性の容器に収納される場合には、両端の集電体２、４を容器が兼ねる構成が好ましい。
なお、図１では２つの単位デバイスを含むエネルギーデバイスの構成を示しているが、３つ以上の単位デバイスを含むエネルギーデバイスの場合においても、隣接する２つの単位デバイスは図１に示す構成とすることで、上記効果を得ることができる。その場合、第１活物質層１が負極層で、第２活物質層が正極層であってもよい。
次に、本実施の形態１における構成を有するエネルギーデバイスの製造法について述べる。まず、集電体２の一方の面に、第１活物質層１、電解質層５、第２活物質層３、導電性薄膜６を順次形成する（単位デバイス形成工程）。その際、接合面となる導電性薄膜６や第２活物質層３に凹部７を形成する。このようにして単位デバイス２１を形成する。一方、集電体４の一方の面に、上記と逆に、第２活物質層３、電解質層５、第１活物質層１、導電性薄膜６の順に各層を形成し、単位デバイス２２を形成する。なお、図示していないが、凹部７を設けた集電体１０に第２活物質層３、電解質層５、第１活物質層１、集電体２の順に各層を形成して単位デバイス２１を作製してもよい。
第１活物質層１が正極の場合、活物質材料には硫黄（Ｓ）、ＴｉＳ２、ＬｉＣＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４などの一般にリチウムイオンを吸蔵・放出してリチウムよりも高い可逆電位を示すことが知られている単体や複合酸化物が適用可能である。また、第２活物質層３が負極の場合、活物質層材料にはリチウム金属の他に各種黒鉛やシリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）のような単体およびこれらを含む合金などリチウムイオンを吸蔵放出してリチウム金属に近い可逆電位を示すことが知られている多くの単体や化合物が適用可能である。
電解質層５には、ＬｉＰＯ４や酸素の一部が窒素に置換されたＬｉｘＰＯｙＮｚなどイオン伝導性を示すことが知られている多くの固体電解質が適用可能である。また、ポリオレフィン等の多孔膜樹脂にモノマーや高分子を含むリチウム塩の電解質液を含浸させ、不動化する方法などにより、電解質溶液をゲル化させ薄膜化するなどしたゲル状の電解質であってもよい。またポリアクリロニトリル系、ポリフッ化ビニリデン系、ポリメチルメタクリレート系、その他の高分子ゲル電解質を用いることが出来る。フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フルオロオレフィン、ビニレンカーボネート、ヘキサフルオロアセトン系その他の重合単位を組み合わせた共重合体マトリックスを用いることも出来る。また、ポリアミン化合物にエチレンオキサイドやプロピレンオキサイドを付加して得られるポリエーテル化合物と、イオン交換性の層状化合物とイオン性物質を含むもの、あるいは他の構成からなる真性ポリマー電解質であっても良い。本発明の効果は上記材料に限定されるものではなく、従って本発明に用いることの出来るゲルポリマーヤ真性ポリマーは上記のものに限定されない。なお電解質層５に固体電解質を用いる場合、単位デバイス２１、２３全体が硬いため本構成の接合による効果が顕著になる。
活物質層１、３を集電体２、４上に形成する方法としては、上記活物質単体や化合物と、必要に応じて添加されたカーボンブラックなどの導電剤と、フッ化ビニリデンやＰＴＥＦなどの結着剤、さらには固体電解質を含む混合材料とｎメチルピロリドンのような溶剤
を用いて調製されたスラリーを用いて、スクリーン印刷、オフセット印刷など塗布技術を用いて薄膜に形成できる。また活物質層１、３は、上記活物質材料をターゲットに用い、蒸着、スパッタリング等の乾式薄膜形成技術によって集電体２、４上に形成してもよい。
を用いて調製されたスラリーを用いて、スクリーン印刷、オフセット印刷など塗布技術を用いて薄膜に形成できる。また活物質層１、３は、上記活物質材料をターゲットに用い、蒸着、スパッタリング等の乾式薄膜形成技術によって集電体２、４上に形成してもよい。
固体電解質を含む電解質層５を形成する場合も活物質層を形成する場合と同様に、結着剤と溶剤を用いて調製されたスラリーをスクリーン印刷、オフセット印刷などの塗布技術を用いて、薄膜に形成できる。また電解質層５も、固体電解質の原料をターゲットに用い、蒸着やスパッタリングなどの乾式薄膜形成法を適用して製膜することができる。中でも乾式製膜法は緻密で薄い層形成が可能であって本実施の形態における単位デバイスの形成には好ましい。各層を形成する手法は、材料と必要な層の厚さによって任意に選択され、また組み合される。
正極である第１活物質層１に接触する集電体２にはアルミニウムの箔、板、シートが適用可能である。また負極である第２活物質層３に接触する集電体４には銅の箔、板、シートが適する。
つぎに凹部７を形成する方法について述べる。凹部７を形成するためには、上述のようにして形成された積層体の所定の位置に凸部を有する平板状あるいはローラ状の金型で加圧する方法が適用できる。あるいは、レーザー照射によって凹部７を形成する方法が適用できる。
また凹部７を形成する方法として、接合面となる単位デバイスの表面層（導電性薄膜６や活物質層１、３）の形成時に部分的にマスキングする方法がある。この形成法の一例を、図８を用いて説明する。図８（ａ）はマスクを示す平面図、図８（ｂ）、（ｃ）は凹部７の形成を説明する斜視図である。まず集電体２に第１活物質層１、電解質層５、第２活物質層３を順次積層して積層体を形成する。この積層体をマスク３１でマスキングしながら蒸着により導電性薄膜６の一部を形成する（図８（ｂ））。次に、マスク３２でマスキングしながら蒸着により導電性薄膜６の一部を形成する（図８（ｃ））。このようにすることで、マスク３１、３２の凸部３３によりマスキングされた箇所には凹部７が形成される。
加圧法により凹部７を形成する場合、操作がシンプルであるが、条件によっては、薄い単位デバイスを物理的に破壊するおそれがある。またレーザー法より凹部７を形成する場合、所望の深さの凹部７を形成するのに適するが、条件によっては、レーザーが照射された部分の近傍が熱によち変質するおそれがある。よってマスキングにより凹部７を形成する方法がこれらの中ではより好ましい。
単位デバイス２２の形成方法は、単位デバイス２１と各層の形成順が異なるだけであるので詳細な説明を省略する。
次に、上記のようにして形成された単位デバイス２１、２２の凹部７に接着剤８を付与する（接着剤付与工程）。このとき、所定の場所に形成された凹部７に所定量の接着剤８を付与する必要がある。例えば凹部７の位置と同様にパターン化された突起部を有する治具を、所定の厚さに調節された接着剤８の層に接触させ、治具を介して各凹部７に接着剤８を貼付しても良い。
次に、接着剤８が付与された単位デバイス２１と単位デバイス２２とを積層する（積層工程）。接合面の双方の対応位置に凹部７が設けられている場合には、それぞれの凹部７がずれないように位置を合わせることが必要である。そのために公知の位置決めメカニズムを適用することが好ましい。
最後に、単位デバイス２１と単位デバイス２２とを接着させる（接合工程）。基本的には接着剤８が付与された単位デバイス２１、２２を積層することによって接合が完了する。ただし積層体を平板あるいは平滑ローラで加圧すれば一層接合力が高まり接合面間における電子伝導性を有する接合の信頼性が高まる。
なお、単位デバイス２１、２２を形成する工程において、ベースとなる集電体２、４を連続体として、複数の単位デバイス２１、２２を所定の間隔を介して形成し、その後、単位デバイス２１、２２が形成されていない集電体２、４を切断してもよい。このように連続する集電体を用いることにより生産性が向上する。なお、凹部７を形成する工程、接着剤付与工程、積層工程は、単位デバイスごとに分離された単位の板面に対して行なう方法と連続する複数の単位デバイスに対して行なう方法が適用可能である。これらには一長一短があるので、装置の複雑性と連続性を考慮して選択されるのが好ましい。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図２は単位デバイス２２と単位デバイス２２とが並列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。
図２は本発明の実施の形態２によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図２は単位デバイス２２と単位デバイス２２とが並列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。
図２に示す構成が図１を用いて説明した構成と異なる点は単位デバイス２１の代わりに単位デバイス２２を用いて第１活物質層１同士を接合面にて接合している点である。また、接合面間に配置された集電体１１にはタブ９Ａが接合されている。タブ９Ｂ同士を接続することで、２つの単位デバイス２２が並列接続される。これ以外は図１の構成と同様である。
単位デバイス２２同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２２間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、図２では相対する接合面において凹部７同士の位置は対応していないが、図１と同様に、対応する位置に凹部７を形成することが好ましい。
この構成では、単位デバイス２２が並列接続されている。図１のように単位デバイスが直列接続される場合には接合面にタブを設ける必要はない。一方、図２のように単位デバイス２２が並列接続される場合には、接合面間に電導性薄膜６と集電体１１との少なくとも一方を配するとともに、接合面の電子伝導性を有する部位にタブ９Ａを接合し所定の回路を形成することが好ましい。すなわち、同種構成の単位デバイス２２を接合して並列接続構成を形成する場合には、少なくとも接合面間にタブ９Ａが配備されることが必要である。集電体２にはタブ９Ｂを設けているが、集電体２を設けず、直接活物質層３にタブ９Ｂを設けてもよい。これらの構成により、第１活物質層１同士、第２活物質層３同士が接続され、単位デバイスが並列接続された容量の大きいエネルギーデバイスが得られる。
すなわち少なくとも隣接する単位デバイス２２の表面層あるいは接合面間にはタブ９Ａ、９Ｂ、電導性薄膜６、集電体２のいずれかからなる導体部を設けることが好ましい。なお最終的に形成されるエネルギーデバイスが電導性の容器に収納される場合には、両端の集電体２を容器が兼ねる構成が好ましい。
なお、単位デバイス２２を形成する工程において、ベースとなる集電体４を連続体として、複数の単位デバイス２２を所定の間隔を介して形成し、その後、単位デバイス２２が形成されていない集電体４を切断してもよい。このように連続する集電体を用いることにより生産性が向上する。
本実施の形態２におけるエネルギーデバイスの製造方法は実施の形態１で説明した方法と同様であるので説明を省略する。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図３は単位デバイス２３と単位デバイス２３とが直列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。
図３は、本発明の実施の形態３によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図３は単位デバイス２３と単位デバイス２３とが直列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。
図３に示す構成が図１を用いて説明した構成と異なる点は単位デバイス２１、２２の代わりに単位デバイス２３を用いている点である。単位デバイス２３は集電体１３の第１面に、第２活物質層３、電解質層５、第２活物質層３、導電性薄膜６がこの順に設けられ、第１面に対向する第２面には第１活物質層１、電解質層５、第２活物質層３、導電性薄膜６がこの順に設けられている。すなわち、単位デバイス２３はそれ自体、電池単位セルが２セル直列接続された構造を有する。そして、単位デバイス２３同士が接合する面には凹部７が設けられている。端子板（集電体）１２は、エネルギーデバイスの最外部に設けられている。なお、図３では相対する接合面において凹部７同士の位置は対応していないが、図１と同様に、対応する位置に凹部７を形成することが好ましい。
集電体１３は第１活物質層１と第２活物質層３とに各面が接触して設けられている。そのため集電体１３の表面に接触される活物質層の種類にあわせて銅やアルミニウム、金やカーボンなどで予め表面処理するのが好ましい。それによって集電体１３の表面が腐食したり不活性化したりすることが防止される。
単位デバイス２３同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２３間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。
この構成においても、単位デバイス２３間の接合面には電導性薄膜６、集電板１０の少なくとも１つが配されている。これらは単位デバイス間の導体部である。単位デバイス２３の端部表面層あるいは単位デバイス２３間の導体部を利用して所定の電気的接続が形成される。
また積層される複数の単位デバイスの両端（最外面となる表面層）には電導性薄膜６、集電体１２の少なくとも１つが付与されることが好ましい。なお、複数の単位デバイスの両端となる電導性薄膜６や活物質層に直接、タブ９Ａ、９Ｂを配してもよい。すなわち少なくとも隣接する複数の単位デバイス２３の表面層あるいは接合面間にはタブ９Ａ、９Ｂ、電導性薄膜６、集電体１０、１２のいずれかからなる導体部を設けることが好ましい。なお最終的に形成されるエネルギーデバイスが電導性の容器に収納される場合には、両端の集電体１２を容器が兼ねる構成が好ましい。
以下、本実施の形態３における構成の製造法について述べる。まず、シート状の集電体１３の一方の面（第１面）に、第１活物質層１、電解質層５、第２活物質層３、導電性薄膜６を順次形成する。そして第１面と対向する第２面に第２活物質層３、電解質層５、第１活物質層１、導電性薄膜６を順次形成する（単位デバイス形成工程）。そして、接合面となる導電性薄膜６や活物質層１、３に凹部７を形成する。このようにして単位デバイス２３を形成する。以下、活物質層１側に凹部７を形成した単位デバイス２３と活物質層３側に凹部７を形成した単位デバイス２３とを組み合わせて実施の形態１で説明したのと同様の工程によりエネルギーデバイスを形成する。
なお、単位デバイス２３を形成する工程において、ベースとなる集電体１３を連続体として、複数の単位デバイス２３を所定の間隔を介して形成し、その後、単位デバイス２３が形成されていない集電体１３を切断してもよい。このように連続する集電体を用いることにより生産性が向上する。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図４は単位デバイス２４と単位デバイス２４同士が並列に接合されてデバイスが構成される直前の様子を示している。
図４は、本発明の実施の形態４によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図４は単位デバイス２４と単位デバイス２４同士が並列に接合されてデバイスが構成される直前の様子を示している。
図４に示す構成が図２を用いて説明した構成と異なる点は単位デバイス２２の代わりに単位デバイス２４を用いている点である。単位デバイス２４は集電体１４のいずれの面にも第２活物質層２、電解質層５、第１活物質層１、電導性薄膜６がこの順に各層が設けられた構成を有する。集電体１４は同極の活物質層３に両面が接触して設けられている。タブ９Ａは集電体１１、１２に、タブ９Ｂは集電体１４に接合され、外部と電気的に接続される。またタブ９Ａ同士、タブ９Ｂ同士が接続されることで、４つの単位電池セルが並列接続される。
単位デバイス２４同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２４間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、図４では相対する接合面において凹部７同士の位置は対応していないが、図１と同様に、対応する位置に凹部７を形成することが好ましい。
単位デバイス２４の表面には電導性薄膜６、接合面間には集電板１１が設けられている。すなわち、単位デバイス２４間の接合面には電導性薄膜６、集電板１１、またはタブ９Ａの少なくとも１つが配されている。これらは単位デバイス２４間の導体部である。単位デバイス２４の端部表面層あるいは単位デバイス２４間の導体部を利用して所定の電気的接続が形成される。
実施の形態２と同様に、図４のように単位デバイス２４が並列接続される場合には、接合面間に電導性薄膜６あるいは集電体１１の少なくとも一方を配するとともに、接合面の電子伝導性を有する部位にタブ９Ａを接合し所定の回路を形成することが好ましい。すなわち、同種構成の単位デバイス２４を接合して並列接続構成を形成する場合には、少なくとも接合面間にタブ９Ａが配備されことが必要である。そして同極の活物質層３に両面が接触している集電体１４にもタブ９Ａが配されことが必要である。また積層される複数の単位デバイス２４の両端（最外面となる表面層）には電導性薄膜６、集電体１２の少なくとも１つが付与されることが好ましい。なお、複数の単位デバイス２４の両端、接合面間あるいは単位デバイスの基礎となる集電体１４、あるいは接合面間の電導性部位に直接、タブ９Ａ、９Ｂを配してもよい。これらの構成により、第１活物質層１同士、第２活物質層３同士が接続され、単位デバイスが並列接続された容量の大きいエネルギーデバイスが得られる。
すなわち少なくとも隣接する複数の単位デバイス２４の表面層あるいは接合面間にはタブ９Ａ、電導性薄膜６、集電体１１、１４のいずれかからなる導体部を設けることが好ましい。なお最終的に形成されるエネルギーデバイスが電導性の容器に収納される場合には、両端の集電体１２を容器が兼ねる構成が好ましい。
本実施の形態４における構成の製造法は、集電体１４の両面に、同じ順で第２活物質層３、電解質層５、第１活物質層１、導電性薄膜６を順次形成する以外、実施の形態３と同
様であるので、説明を省略する。
様であるので、説明を省略する。
なお、単位デバイス２４を形成する工程において、ベースとなる集電体１４を連続体として、複数の単位デバイス２４を所定の間隔を介して形成し、その後、単位デバイス２４が形成されていない集電体１４を切断してもよい。このように連続する集電体を用いることにより生産性が向上する。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図５は単位デバイス２４が３シート並列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。それ以外の構成は実施の形態４と同様である。
図５は、本発明の実施の形態５によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図５は単位デバイス２４が３シート並列に接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。それ以外の構成は実施の形態４と同様である。
単位デバイス２４同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２４間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、図５では相対する接合面において凹部７同士の位置は対応していないが、図１と同様に、対応する位置に凹部７を形成することが好ましい。
なお、単位デバイス２４を形成する工程において、ベースとなる集電体１４を連続体として、複数の単位デバイス２４を所定の間隔を介して形成し、その後、単位デバイス２４が形成されていない集電体１４を切断してもよい。このように連続する集電体を用いることにより生産性が向上する。
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図６は連続する集電体１４に形成された複数の単位デバイス２４が個々の単位デバイス２４に分離されることなくジグザグに折りたたまれて積層され、隣接する単位デバイス２４同士が接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。タブ９Ａは集電体１１、１２に、タブ９Ｂは集電体１４に接合され、外部と電気的に接続される。またタブ９Ａ同士が接続されることで、３つの単位電池セルが並列接続される。すなわち、３つの単位デバイス２４の電気的接続形態は実施の形態５と同様である。
図６は、本発明の実施の形態６によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図６は連続する集電体１４に形成された複数の単位デバイス２４が個々の単位デバイス２４に分離されることなくジグザグに折りたたまれて積層され、隣接する単位デバイス２４同士が接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。タブ９Ａは集電体１１、１２に、タブ９Ｂは集電体１４に接合され、外部と電気的に接続される。またタブ９Ａ同士が接続されることで、３つの単位電池セルが並列接続される。すなわち、３つの単位デバイス２４の電気的接続形態は実施の形態５と同様である。
単位デバイス２４同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２４間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、図６では相対する接合面において凹部７同士の位置は対応していないが、図１と同様に、対応する位置に凹部７を形成することが好ましい。
以下、本実施の形態５における構成の製造法について述べる。まず、連続するシート状の集電体１４の両面に、所定の間隔を設けて第２活物質層３、電解質層５、第１活物質層１、導電性薄膜６を順次形成する（単位デバイス形成工程）。その際、接合面となる導電性薄膜６や第１活物質層１に凹部７を形成する。このようにして連続する集電体１４に所定の間隔を設けて単位デバイス２４を形成し、集電体１４の露出部を形成する。すなわち露出部は単位デバイス２４を形成した以外の部分である。本実施の形態６では、必要な数の単位デバイス２４を含むように集電体１４を切断する。集電体１４の切断は後述する積層工程の前に行う。
次に実施の形態１と同様に、接着剤付与工程を実施する。そして接着剤８が付与された単位デバイス２４を積層する（積層工程）。上述のように複数の単位デバイス２４間には露出部が設けられているので、集電体１４を分離することなく折り曲げ加工することがで
きる。またこのように連続する集電体１４を用いて単位デバイス２４をジグザグに折りたたむことにより各単位デバイス２４を接続する工程が少なくて済む。
きる。またこのように連続する集電体１４を用いて単位デバイス２４をジグザグに折りたたむことにより各単位デバイス２４を接続する工程が少なくて済む。
最後に、実施の形態１と同様に接合工程を実施する。なお、接合工程は複数の単位デバイスについて一括して行なうことができる。また複数の単位デバイスを組み合せた接合体と単数の単位デバイスとを組み合せ一括して接合することもできる。
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図７は単位デバイス２４が３シート並列に接合され扁平な捲回状に積層され、隣接する単位デバイス２４同士が接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。タブ９Ａは集電体１１、１２に、タブ９Ｂは集電体１４に接合され、外部と電気的に接続される。またタブ９Ａ同士が接続されることで、４つの単位電池セルが並列接続される。すなわち、３つの単位デバイス２４の電気的接続形態は実施の形態５、６と同様である。
図７は、本発明の実施の形態７によるエネルギーデバイスの構成を説明するための概略断面図である。図７は単位デバイス２４が３シート並列に接合され扁平な捲回状に積層され、隣接する単位デバイス２４同士が接合されてエネルギーデバイスが構成される直前の様子を示している。タブ９Ａは集電体１１、１２に、タブ９Ｂは集電体１４に接合され、外部と電気的に接続される。またタブ９Ａ同士が接続されることで、４つの単位電池セルが並列接続される。すなわち、３つの単位デバイス２４の電気的接続形態は実施の形態５、６と同様である。
単位デバイス２４同士の少なくとも一方の接合面には、凹部７が形成されており、凹部７の内部には、接着剤８が付与され、単位デバイス２４間は接着剤８で接着される。よってこの構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。
以下、本実施の形態における構成の製造法について述べる。まず実施の形態６と同様に、連続体である集電体１４に複数の単位デバイス２４を、所定の間隔（集電体１４の露出部）を設けて形成し、凹部７に接着剤８を付与する。
そして接着剤８が付与された単位デバイス２４を積層する（積層工程）。上述したように複数の単位デバイス２４間には露出部が設けられているので、集電体１４を分離することなく折り曲げ加工することができる。またこのように連続する集電体１４を用いて単位デバイス２４を扁平な捲回状にしたりすることにより各単位デバイス２４を接続する工程が少なくて済む。
最後に、実施の形態１と同様に接合工程を実施する。なお、接合工程は複数の単位デバイスについて一括して行なうことができる。また複数の単位デバイスを組み合せた接合体と単数の単位デバイスとを組み合せ一括して接合することもできる。
以上のように、本発明のエネルギーデバイスでは、第１活物質層と電解質層と第１活物質層とは逆の極性を示す第２活物質層とを備えるシート状の単位デバイスが複数枚積層され、単位デバイスの隣接面の少なくとも一方の表面には接着剤が付与された凹部が設けられ、その接着剤によって複数の単位デバイスが接合されている。この構成により、接合時の信頼性が大幅に高められ信頼性の高いエネルギーデバイスが実現される。
本発明は、シート状単位デバイスを構成し、これを複数積層して積層体を構成し、電圧や容量が高められるタイプのエネルギーデバイスに係るものであり、積層体の接合の信頼性が改善される。
１ 第１活物質層
２，４，１０，１１，１３，１４ 集電体
３ 第２活物質層
５ 電解質層
６ 電導性薄膜
７ 凹部
８ 接着剤
９Ａ，９Ｂ タブ
１２ 端子板（集電体）
２１，２２，２３，２４ 単位デバイス
３１，３２ マスク
３３ 凸部
２，４，１０，１１，１３，１４ 集電体
３ 第２活物質層
５ 電解質層
６ 電導性薄膜
７ 凹部
８ 接着剤
９Ａ，９Ｂ タブ
１２ 端子板（集電体）
２１，２２，２３，２４ 単位デバイス
３１，３２ マスク
３３ 凸部
Claims (5)
- 第１導電層と、第１活物質層と、固体電解質層と、前記第１活物質層とは逆の極性を示す第２活物質層と、第２導電層とを順次積層したシート状の単位デバイスを、直接または集電板を介して、接着剤を用いて、複数接合したエネルギーデバイスであって、
前記エネルギーデバイスは、隣接する前記単位デバイスの第１または第２導電層同士を直接または集電板を介して接して構成されており、前記接着剤は隣接する前記単位デバイスの前記第１または第２導電層のうち少なくとも一方の外表面に設けられた凹部に付与されているエネルギーデバイス。 - 前記接着剤は電子伝導性を有する接着剤である請求項１に記載のエネルギーデバイス。
- 前記隣接する単位デバイスの表面と接合面間との少なくともいずれかに配された導体部をさらに備えた請求項１または２に記載のエネルギーデバイス。
- 第１導電層と、第１活物質層と、固体電解質層と、第１活物質層とは逆の極性を示す第２活物質層と、第２導電層とを順次積層したシート状の単位デバイスの前記第１または第２導電層の表面に凹部を形成する単位デバイス形成工程と、前記凹部に接着剤を付与する接着剤付与工程と、前記接着剤が付与された前記単位デバイスを隣接する前記単位デバイスの第１または第２導電層同士が直接または集電板を介して接するように積層する積層工程と、積層された前記単位デバイスを接合する接合工程とを備えたエネルギーデバイスの製造法。
- 前記単位デバイス形成工程は、表面に前記凹部を有する複数の前記単位デバイスをシート状集電体に形成する工程を含み、
前記積層工程に先駆け、前記シート状集電体の、前記単位デバイスを形成した以外の部分を切断する工程をさらに備えた請求項４に記載のエネルギーデバイスの製造法。
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