JP5741494B2 - 電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電池及びその製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池は、従来の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧で作動させることができる。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車用やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
リチウムイオン二次電池は、正極層及び負極層と、これらの間に配置された電解質層とを有し、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質等が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」ということがある。）の開発が進められている。
このようなリチウムイオン二次電池に関する技術として、例えば特許文献１には、０．０３ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みを有する単数又は複数のシート状のセルにより構成され、通電による発熱手段を備える二次電池が開示されている。
特許文献１に開示されている二次電池には、通電による発熱手段が備えられている。そのため、発熱手段を作動させることによって、低温時における二次電池の起動性を向上させることが可能になると考えられる。しかしながら、例えば特許文献１の明細書の段落００４４に、正極集電体上に、表面が絶縁されたＮｉ合金製のヒーター膜及びＰＴＣサーミスタ素子を組み合わせたヒーター回路を取り付け、これらをアルミラミネートフィルムに封入して、単数のセルからなる電池を作製した旨、記載されているように、特許文献１における発熱手段は、電極体を包む外装体（上記例ではアルミラミネートフィルム）とは別に構成されている。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のように、電極体を包む外装体と該外装体に収容される発熱手段とを別に構成すると、発熱手段と絶縁材とを接触させる工程、及び、絶縁材と集電体とを接触させる工程が必要になるため、製造工程数が増大しやすいという問題があった。
そこで本発明は、低温時の起動性を向上させること及び製造工程数の増加を抑制することが可能な、電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、一対の絶縁材と該一対の絶縁材に挟まれた導電材とを備える多層構造の外装体を用いる電池において、外装体の導電材を通電させる（外装体の一部（導電材）を発熱手段として機能させる）ことによってジュール熱を発生させることが可能になり、その結果、電池を温めることが可能になることを知見した。本発明は、当該知見に基づいて完成させた。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、正極層及び負極層、正極層及び負極層の間に配置された電解質層、正極層に接続された正極集電体、並びに、負極層に接続された負極集電体を有する積層体と、該積層体を収容する外装体と、を備え、外装体は、導電部及び一対の非導電部を有し、導電部及び一対の非導電部は、導電部が一対の非導電部の間に配置されるように積層され、導電部に導電端子が接続され、該導電端子の一端が少なくとも外装体の外表面へと導かれ、接続／非接続を切り換え可能な正極スイッチ部を有する正極通電手段を介して、正極集電体に接続された正極端子と導電端子とが接続され、接続／非接続を切り換え可能な負極スイッチ部を有する負極通電手段を介して、負極集電体に接続された負極端子と導電端子とが接続され、正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作を制御可能な制御手段を有し、積層体の温度が所定値以下の場合に、正極端子と導電端子とを通電させ且つ負極端子と導電端子とを通電させるように、制御手段によって正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作が制御されることにより、導電部を介して正極端子及び負極端子を通電させる、電池である。
本発明の第１の態様は、正極層及び負極層、正極層及び負極層の間に配置された電解質層、正極層に接続された正極集電体、並びに、負極層に接続された負極集電体を有する積層体と、該積層体を収容する外装体と、を備え、外装体は、導電部及び一対の非導電部を有し、導電部及び一対の非導電部は、導電部が一対の非導電部の間に配置されるように積層され、導電部に導電端子が接続され、該導電端子の一端が少なくとも外装体の外表面へと導かれ、接続／非接続を切り換え可能な正極スイッチ部を有する正極通電手段を介して、正極集電体に接続された正極端子と導電端子とが接続され、接続／非接続を切り換え可能な負極スイッチ部を有する負極通電手段を介して、負極集電体に接続された負極端子と導電端子とが接続され、正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作を制御可能な制御手段を有し、積層体の温度が所定値以下の場合に、正極端子と導電端子とを通電させ且つ負極端子と導電端子とを通電させるように、制御手段によって正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作が制御されることにより、導電部を介して正極端子及び負極端子を通電させる、電池である。
本発明の第１の態様では、導電端子を介して、外装体に備えられている導電部に通電することによって、ジュール熱により導電部の温度を高めることが可能になる。そのため、外装体の導電部を加熱して積層体の温度を高めることにより、低温時の起動性を向上させることが可能になる。また、本発明の第１の態様では、外装体に備えられている導電部を発熱手段として機能させるので、製造工程数の増加を抑制することが可能になる。
また、上記本発明の第１の態様によれば、積層体の温度が所定値以下の場合にのみ、外装体の導電部を介して正極端子及び負極端子を短絡させることが可能になり、ジュール熱により加熱された導電部によって積層体の温度を高めることが可能になるので、低温時の起動性を高めやすくなる。
また、上記本発明の第１の態様において、外装体に、積層体及び該積層体の温度を検知可能なセンサが収容され、センサによって検知された積層体の温度に応じて、制御手段によって正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作が制御されることが好ましい。かかる形態とすることにより、低温時の起動性を高めやすくなる。
また、上記本発明の第１の態様において、正極通電手段及び／又は負極通電手段に、抵抗素子が備えられていることが好ましい。かかる形態とすることにより、外装体の導電部を流れる電流量を調整することが可能になり、外装体の導電部を介して電気的に接続された正極端子及び負極端子に大電流が流れないようにすることが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、上記効果に加えて、正極層や負極層の破損・劣化を抑制することが可能になる。
また、上記本発明の第１の態様において、電解質層に、固体電解質が用いられていることが好ましい。固体電解質を用いる電池は、低温時の起動性が低下しやすいので、かかる形態とすることにより、特に、低温時の起動性を向上させるという本発明の効果を奏しやすくなる。
本発明の第２の態様は、正極層及び負極層、正極層及び負極層の間に配置された電解質層、正極層に接続された正極集電体、並びに、負極層に接続された負極集電体を有する積層体を作製する積層体作製工程と、該積層体作製工程で作製された積層体を、導電部が一対の非導電部の間に配置されるように積層された、導電部及び一対の非導電部を有する外装体、に収容する収容工程と、外装体の外面に露出している導電部の部位に導電端子を接続する接続工程と、を有し、さらに、接続／非接続を切り換え可能な正極スイッチ部を有する正極通電手段を介して、正極集電体に接続された正極端子と導電端子とを接続する正極通電工程と、接続／非接続を切り換え可能な負極スイッチ部を有する負極通電手段を介して、負極集電体に接続された負極端子と導電端子とを接続する負極通電工程と、正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作を制御可能な制御手段と、正極スイッチ部及び負極スイッチ部とを接続するスイッチ接続工程と、を有する、電池の製造方法である。
本発明の第２の態様によれば、上記本発明の第１の態様にかかる電池を製造することができる。したがって、本発明の第２の態様によれば、低温時の起動性を向上させ得る電池を、製造工程数の増加を抑制して製造することが可能な、電池の製造方法を提供することができる。
また、上記本発明の第２の態様によれば、外装体の導電部を介して正極端子及び負極端子を短絡させることが可能になり、通電により加熱された外装体の導電部によって積層体の温度を高めることが可能になるので、低温時の起動性を高めやすい電池を製造することが可能になる。
また、上記本発明の第２の態様において、収容工程が、積層体及び該積層体の温度を検知可能なセンサを、外装体に収容する工程であることが好ましい。センサによって検知された積層体の温度に応じて、正極スイッチ部及び負極スイッチ部の動作を制御することにより、低温時の起動性を高めやすくなる。したがって、かかる形態とすることにより、低温時の起動性を高めやすい電池を製造することが可能になる。
また、上記本発明の第２の態様において、正極通電手段及び／又は負極通電手段に、抵抗素子が備えられていることが好ましい。抵抗素子が備えられていることにより、外装体の導電部を流れる電流量を調整することが可能になり、外装体の導電部を介して電気的に接続された正極端子及び負極端子に大電流が流れないようにすることが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、上記効果に加えて、正極層や負極層の破損・劣化を抑制しやすい電池を製造することが可能になる。
また、上記本発明の第２の態様において、電解質層に、固体電解質が用いられていることが好ましい。固体電解質を用いた電池は、低温時の起動性が低下しやすいので、かかる形態とすることにより、特に、低温時の起動性を向上させるという本発明の効果を奏しやすい電池を製造することが可能になる。
本発明によれば、低温時の起動性を向上させること及び製造工程数の増加を抑制することが可能な、電池及びその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
１．電池
図１は、本発明の電池１０を説明する概念図である。図１では、電池１０を簡略化して示している。図１に示したように、電池１０は、正極層１ａ及び負極層１ｃ、これらの間に配置された電解質層１ｂ、正極層１ａに接続された正極集電体１ｄ、並びに、負極層１ｃに接続された負極集電体１ｅ、を有する積層体１と、積層体１及びセンサ８を収容する外装体２と、を有し、正極集電体１ｄに接続された正極端子３及び負極集電体１ｅに接続された負極端子４が、外装体２の外側へと導かれている。外装体２は、導電部２ｘ、及び、一対の非導電部２ｙ、２ｚを有し、一対の非導電部２ｙ、２ｚの間に導電部２ｘが配置されるように積層されることによって三層構造が形成されている。導電部２ｘには、導電端子５、５が接続されており、導電端子５、５の一端は、外装体２の外側へと導かれている。導電部２ｘに接続されている一方の導電端子５には、接続／非接続を切り換えるスイッチ６ｓを有する正極通電手段６を介して、正極端子３が接続されており、導電部２ｘに接続されている他方の導電端子５には、接続／非接続を切り替えるスイッチ７ｓ及び抵抗素子７ｒを有する負極通電手段７を介して、負極端子４が接続されている。外装体２に収容されたセンサ８は、積層体１の温度を検知する機能を有しており、センサ８によって検知された積層体１の温度に関する情報は制御手段９へと送られ、この制御手段９によって、スイッチ６ｓ、７ｓの動作が制御される。
図１は、本発明の電池１０を説明する概念図である。図１では、電池１０を簡略化して示している。図１に示したように、電池１０は、正極層１ａ及び負極層１ｃ、これらの間に配置された電解質層１ｂ、正極層１ａに接続された正極集電体１ｄ、並びに、負極層１ｃに接続された負極集電体１ｅ、を有する積層体１と、積層体１及びセンサ８を収容する外装体２と、を有し、正極集電体１ｄに接続された正極端子３及び負極集電体１ｅに接続された負極端子４が、外装体２の外側へと導かれている。外装体２は、導電部２ｘ、及び、一対の非導電部２ｙ、２ｚを有し、一対の非導電部２ｙ、２ｚの間に導電部２ｘが配置されるように積層されることによって三層構造が形成されている。導電部２ｘには、導電端子５、５が接続されており、導電端子５、５の一端は、外装体２の外側へと導かれている。導電部２ｘに接続されている一方の導電端子５には、接続／非接続を切り換えるスイッチ６ｓを有する正極通電手段６を介して、正極端子３が接続されており、導電部２ｘに接続されている他方の導電端子５には、接続／非接続を切り替えるスイッチ７ｓ及び抵抗素子７ｒを有する負極通電手段７を介して、負極端子４が接続されている。外装体２に収容されたセンサ８は、積層体１の温度を検知する機能を有しており、センサ８によって検知された積層体１の温度に関する情報は制御手段９へと送られ、この制御手段９によって、スイッチ６ｓ、７ｓの動作が制御される。
電池１０では、導電端子５、５を介して通電させるとジュール熱が発生し、これによって導電部２ｘの温度が上昇する。導電部２ｘの温度が上昇することにより、周囲から積層体１を温めることが可能になるので、電池１０の低温時における起動性を向上させることが可能になる。また、電池１０では、外装体２の一部である導電部２ｘを用いて積層体１を温めるので、製造工程数の増加を抑制することが可能になる。
図２は、電池１０の使用方法（電池１０の温度制御方法）を説明する図である。図２に示したように、電池１０を起動させると、センサ８によって積層体１の温度が計測される（Ｓ１１）。計測された積層体１の温度に関する情報は制御手段９へと送られ、積層体１の温度が第１の閾値以下であるか否かが判断される（Ｓ１２）。この第１の閾値は、電池１０の性能低下が懸念される任意の温度を設定することができ、例えば、−４０℃以上０℃以下の範囲から選択することができる。積層体１の温度が第１の閾値以下であると判断された場合、低温による電池１０の性能低下が懸念される。そこで、積層体１の温度を高めるために、制御手段９によってスイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓの動作を制御する（Ｓ１３）。具体的には、非接続の状態であったスイッチ６ｓを接続の状態へと切り替えることにより、正極通電手段６を介して正極端子３と導電端子５とを接続し、非接続の状態であったスイッチ７ｓを接続の状態へと切り替えることにより、負極通電手段７を介して負極端子４と導電端子５とを接続する。スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓを接続状態へと切り替えることにより、導電部２ｘを介して正極端子３及び負極端子４が接続されて、短絡する。短絡させることにより、ジュール熱によって積層体１の温度を高めることが可能になる。このようにしてスイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓを接続状態へと切り替えた後、電池１０では、再び、センサ８によって積層体１の温度が計測される（Ｓ１４）。計測された積層体１の温度に関する情報は制御手段９へと送られ、積層体１の温度が第２の閾値以上であるか否かが判断される（Ｓ１５）。この第２の閾値は、電池１０の性能低下を懸念する必要が無くなる任意の温度を設定することができ、例えば、１０℃以上３０℃以下の範囲から選択することができる。積層体１の温度が第２の閾値以上であると判断された場合には、低温による電池１０の性能低下は懸念されなくなっているので、これ以上、導電部２ｘを介して正極端子３及び負極端子４を短絡させる必要はない。そこで、かかる場合には、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓを非接続の状態に切り替えるように、制御手段９によってスイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓの動作が制御される（Ｓ１６）。このようにして、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓが非接続の状態にすることで、積層体１で生じさせた電力を外部へと取り出すことが可能な状態へ切り替えることができる。これに対し、導電部２ｘを介して正極端子３及び負極端子４を短絡させても、積層体１の温度が第２の閾値未満である場合には、積層体１の温度が第２の閾値以上になるまで、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓが接続状態のまま維持される。また、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓを接続状態にする前に計測した積層体１の温度が、第１の閾値を超える場合には、低温による電池１０の性能低下は懸念されない。そこで、かかる場合には、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓを非接続の状態にして、電池１０が作動される。
このように、電池１０では、導電部２ｘを介して正極端子３及び負極端子４を短絡させることにより、導電部２ｘにジュール熱を発生させ、加熱された導電部２ｘを用いて積層体１を温める。ここで、正極端子３及び負極端子４を短絡させると、大電流が流れて正極層１ａや負極層１ｃが破損・劣化する可能性がある。そこで、かかる事態を回避するために、電池１０では、負極通電手段７に抵抗素子７ｒを配置している。抵抗素子７ｒを配置することにより、短絡電流を調整することが可能になるので、通電部２ｘを介して正極端子３及び負極端子４を短絡させても、正極層１ａや負極層１ｃが破損・劣化する事態を回避することが可能になる。
電池１０において、導電端子５、５は、その一端が少なくとも外装体２の外表面へと導かれていれば、配置されるべき部位は特に限定されない。導電端子５、５は、例えば、正極層１ａ、電解質層１ｂ、及び、負極層１ｃ等の積層方向と交差しない部位（電池１０の側面部）に配置しても良く、図１に示したように当該積層方向と交差する部位（電池１０の上面及び下面）に配置しても良い。ただし、複数の電池を電気的に接続して組電池を形成する際に、短絡回路を簡素化しやすい形態にする等の観点からは、積層方向と交差する部位（電池の上面及び下面）に導電端子を配置することが好ましい。なお、組電池を形成する場合には、組電池を構成するすべての単電池に温度を計測するセンサを設ける必要はない。電池の側面部に導電端子が配置されている場合の形態例を図３及び図４に、電池の上面及び下面に導電端子が配置されている場合の形態例を図５及び図６に、それぞれ簡略化して示す。ここで、図４は図３のＩＶ−ＩＶ断面、図６は図５のＶＩ−ＶＩ断面をそれぞれ示しており、外装体の形態を理解しやすくするため、図４及び図６では導電端子の記載を省略している。図４に示した、外装体の外表面に露出している導電部の箇所に導電端子を接続すると図３の形態になり、図６に示した、外装体の外表面に露出している導電部の箇所に導電端子を接続すると図５の形態になる。また、上面及び下面に導電端子を配置した単電池を複数用いて形成した組電池の概念図を、図７に示す。
本発明において、正極層１ａに含有させる正極活物質としては、固体電池で使用可能な正極活物質等を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎ２Ｏ４等を例示することができ、これらの混合物や複合化合物であっても良い。また、正極活物質の表面には導電助剤を被覆したり、表面に疎水化処理を施したりすることも可能である。正極活物質の形状は、例えば粒子状等にすることができる。正極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、正極層１ａにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、質量％で、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
また、電池１０が固体電池である場合、正極層１ａには固体電解質を含有させることができる。正極層１ａに含有させる固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｓｉ２Ｓ、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２等の硫化物固体電解質、ＬｉＰＯ系、ＬｉＡｌＧｅＰ、ＬｉＡｌＴｉＰ等の酸化物固体電解質や、ポリエチレンオキサイド誘導体及び該誘導体を含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体及び該誘導体を含むポリマー等のポリマー固体電解質等を例示することができる。ただし、固体電池の性能を高めやすい形態にする等の観点から、硫化物固体電解質を用いることが好ましい。
また、固体電解質として硫化物固体電解質を用いる場合、正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗層が形成され難くすることにより、電池抵抗の増加を防止しやすい形態にする観点から、正極活物質は、イオン伝導性酸化物で被覆されていることが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式ＬｉｘＡＯｙ（Ａは、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ又はＷであり、ｘ及びｙは正の数である。）で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Ｌｉ３ＢＯ３、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＡｌＯ２、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ２ＴｉＯ３、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ２Ｔｉ２Ｏ５、Ｌｉ２ＺｒＯ３、ＬｉＮｂＯ３、Ｌｉ２ＭｏＯ４、Ｌｉ２ＷＯ４等を例示することができる。また、リチウムイオン伝導性酸化物は、複合酸化物であっても良い。正極活物質を被覆する複合酸化物としては、上記リチウムイオン伝導性酸化物の任意の組み合わせを採用することができ、例えば、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＢＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４−Ｌｉ３ＰＯ４等を挙げることができる。また、正極活物質の表面をイオン伝導性酸化物で被覆する場合、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆してれば良く、正極活物質の全面を被覆していても良い。また、正極活物質を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等を用いて測定することができる。
また、正極層１ａは、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知のバインダーを用いて作製することができる。バインダーを含有させることにより、柔軟性向上が期待できる。正極層１ａに使用可能なバインダーとしては、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−エチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム等を例示することができる。
また、正極層１ａには、導電性を向上させる導電助剤が含有されていてもよい。正極層に含有させることが可能な導電助剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類や、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の炭素材料のほか、固体電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。
正極層１ａの製造方法は特に限定されず、例えば、静電塗装法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ドクターブレード法、ダイコート法等の公知の方法によって製造することができる。正極層１ａの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
また、電解質層１ｂに含有させる電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質のほか、電解液を例示することができる。電解質層１ｂに電解液を用いる場合、電解液は、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド樹脂等を用いて形成された不織布や微多孔質膜等のセパレータに、含浸させた形態で用いることが好ましい。電解質層１ｂに電解液を用いる場合、溶質としては、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６等を用いることができ、溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジエチルカーボネート等を用いることができる。また、電解質層１ｂが固体電解質層である場合、電解質層１ｂには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、正極層１ａに含有させることが可能な上記バインダー等を例示することができる。ただし、高出力化を図りやすくするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する固体電解質層１ｂを形成可能にする等の観点から、固体電解質層１ｂに含有させるバインダーは５質量％以下とすることが好ましい。固体電解質層１ｂにおける固体電解質材料の含有量は、質量％で、例えば６０％以上、中でも７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。固体電解質層１ｂの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
また、負極層１ｃに含有させる負極活物質としては、公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、例えば、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばＮｂ２Ｏ５、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯ等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎのほか、これらを含有する合金等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともＬｉを含有する活物質であれば特に限定されず、Ｌｉ金属であっても良く、Ｌｉ合金であっても良い。Ｌｉ合金としては、例えば、Ｌｉと、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。負極活物質の形状は、例えば粒子状等にすることができる。負極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、負極層１ｃにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、質量％で、例えば４０％以上９９％以下とすることが好ましい。
また、負極層１ｃには、固体電解質を含有させることができる。負極層１ｃには、固体電池に使用可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。
また、負極層１ｃには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電助剤が含有されていても良い。負極層１ｃに含有させることが可能なバインダーや導電助剤としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電助剤等を例示することができる。また、負極層１ｃの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。負極層１ｃは、正極層１ａと同様の方法によって製造することができる。
また、正極集電体１ｄ及び正極端子３には、電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等を例示することができる。正極集電体１ｄは、カーボン等によって表面処理が施されていても良い。
また、負極集電体１ｅ及び負極端子４には、電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。負極集電体１ｅには、例えば、ニッケル、銅、ステンレス鋼、チタン等を用いることができ、カーボン、ニッケル、チタン等で表面処理が施されていても良い。また、負極端子４には、例えば、ニッケル、銅、ステンレス鋼等を用いることができる。
また、外装体２としては、電池で使用可能な公知のラミネートフィルムを用いることが好ましい。そのようなラミネートフィルムとしては、樹脂製のラミネートフィルムに金属を蒸着させたフィルム等を例示することができる。導電部２ｘには、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銅等を用いることができ、導電部２ｘの厚さは、例えば１０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、非導電部２ｙ、２ｚには、例えば、ポリプロピレンやナイロン等を用いることができ、非導電部２ｙ、２ｚの厚さは、例えば１０μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。外装体２は、例えば、これらの材料によって構成される導電部２ｘ、及び、非導電部２ｙ、２ｚを、それぞれ接着剤を用いて接着する過程を経て、作製することができる。
また、正極端子３と外装体２とのシール部、及び、負極端子４と外装体２とのシール部の形態は、特に限定されず、ポリプロピレン等の専用のシール材を用いることができる。このほか、タブとシールとを一体化したタブリード（例えば、住友電気工業株式会社製等）を用いても良い。
また、導電端子５には、正極端子３や負極端子４を構成し得る上記材料と同様の材料を用いることができる。
また、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓには、公知のスイッチを適宜用いることができる。また、スイッチ６ｓと正極端子３及び導電端子５とを繋ぐ導体や、スイッチ７ｓと負極端子４及び導電端子５とを繋ぐ導体としては、公知の導電性材料を適宜用いることができる。
また、センサ８は、電池１０の使用時の環境において積層体１の温度を検知可能な公知のセンサを適宜用いることができる。また、制御手段９としては、電池１０を搭載した機器で用いられる各種制御機器（例えば、電池１０が車両に用いられる場合には、ＥＣＵ等）を例示することができる。
本発明において、積層体１は、複数の層を積層して形成した積層型の形態であっても良く、この積層型の形態を巻回した巻回型の形態であっても良い。
また、本発明において、１つの外装体２は、１つの単電池のみを収容していても良く、２以上の単電池を収容していても良い。また、本発明の電池は、いわゆるバイポーラ型であっても良く、モノポーラ型であっても良い。
２．電池の製造方法
図８は、本発明の電池の製造方法（以下において、「本発明の製造方法」ということがある。）を説明する図である。図１乃至図８を参照しつつ、本発明の電池１０を製造する方法について説明する。図８に示した本発明の製造方法は、積層体作製工程（Ｓ２１）と、収容工程（Ｓ２２）と、接続工程（Ｓ２３）と、正極通電工程（Ｓ２４）と、負極通電工程（Ｓ２５）と、スイッチ接続工程（Ｓ２６）と、を有している。
図８は、本発明の電池の製造方法（以下において、「本発明の製造方法」ということがある。）を説明する図である。図１乃至図８を参照しつつ、本発明の電池１０を製造する方法について説明する。図８に示した本発明の製造方法は、積層体作製工程（Ｓ２１）と、収容工程（Ｓ２２）と、接続工程（Ｓ２３）と、正極通電工程（Ｓ２４）と、負極通電工程（Ｓ２５）と、スイッチ接続工程（Ｓ２６）と、を有している。
積層体作製工程（以下において、「Ｓ２１」という。）は、正極層１ａ及び負極層１ｃ、正極層１ａ及び負極層１ｃの間に配置された電解質層１ｂ、正極層１ａに接続された正極集電体１ｄ、並びに、負極層１ｃに接続された負極集電体１ｅを有する積層体１を作製する工程である。Ｓ２１は、公知の方法によって積層体１を作製する工程、とすることができる。
収容工程（以下において、「Ｓ２２」という。）は、Ｓ２１で作製した積層体１を、外装体２に収容する工程である。Ｓ２２は、正極集電体１ｄに接続した正極端子３、及び、負極集電体１ｅに接続した負極端子４が外装体２の外側へと導かれるように、積層体１及び該積層体１の温度を検知するセンサ８を外装体２に収容する工程、とすることができる。
接続工程（以下において、「Ｓ２３」という。）は、外装体２の外表面に露出している導電部２ｘの部位に、導電端子５、５を接続する工程である。ここで、外装体２の外表面に導電部２ｘの一部を露出させる方法は特に限定されない。例えば、Ｓ２２で積層体及びセンサ８を外装体２に収容した後、導電端子５、５を接続したい部位のみ非導電部２ｚを除去することによって、外装体２の外面に導電部２ｘの一部を露出させることができる。非導電部２ｚの一部を除去する方法は、化学的な方法であっても良く、物理的な方法であっても良い。化学的な方法としては、酸エッチング等を例示することができ、物理的な方法としては、レーザーを照射して非導電部２ｚの一部を除去する形態や、サンディングによって除去する形態等を例示することができる。なお、導電部２ｘ及び導電端子５、５は、例えば溶接等によって接続することができる。
正極通電工程（以下において、「Ｓ２４」という。）は、スイッチ６ｓを有する正極通電手段６を介して、正極集電体１ｄに接続された正極端子３と、導電部２ｘに接続された導電端子５とを接続する工程である。Ｓ２４は、例えば、溶接等の公知の方法によって、正極通電手段６と正極端子３とを接続し、且つ、正極通電手段６と導電端子５とを接続することにより、正極通電手段６を介して正極端子３と導電端子５とを接続する工程、とすることができる。
負極通電工程（以下において、「Ｓ２５」という。）は、スイッチ７ｓを有する負極通電手段７を介して、負極集電体１ｅに接続された負極端子４と、通電部２ｘに接続された通電端子５とを接続する工程である。Ｓ２５は、Ｓ２４と同様の方法によって、負極通電手段７を介して負極端子４と導電端子５とを接続する工程、とすることができる。
スイッチ接続工程（以下において、「Ｓ２６」という。）は、制御手段９と、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓとを接続する工程である。Ｓ２６は、公知の導体を介して、又は、無線で通信可能な形態で、制御手段９と、スイッチ６ｓ及びスイッチ７ｓとを接続する工程、とすることができる。
Ｓ２１乃至Ｓ２６を経ることにより、電池１０を製造することができる。したがって、かかる形態とすることにより、低温時の起動性を向上させることが可能であり、且つ、製造工程数の増加を抑制し得る電池を製造することが可能な、電池の製造方法を提供することができる。
本発明の製造方法に関する上記説明では、Ｓ２４の後にＳ２５が行われ、Ｓ２５の後にＳ２６が行われる形態を例示したが、本発明の製造方法は当該形態に限定されない。例えば、負極通電工程の後に正極通電工程を行っても良く、スイッチ接続工程の後に正極通電工程や負極通電工程を行っても良い。
上記説明では、正極通電手段６及び負極通電手段７を有する電池１０及びその製造方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、外部電源と導電端子とを接続することにより、外装体の導電部に電流を流す形態とすることも可能である。ただし、構成を簡略化した電池及びその製造方法を提供可能にする等の観点からは、正極通電手段及び負極通電手段を有する形態とすることが好ましい。
また、上記説明では、センサ８を有する電池１０及びその製造方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、温度を検知するセンサが備えられない形態とすることも可能である。ただし、積層体の温度を正確に把握することによって、電池の低温起動性を向上させやすい形態にする等の観点からは、積層体の温度を検知可能なセンサが備えられる形態とすることが好ましい。
また、上記説明では、抵抗素子７ｒを有する電池１０及びその製造方法を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。抵抗素子は、負極通電手段に加えて正極通電手段に備えられていても良く、負極通電手段に代えて正極通電手段に備えられていても良く、抵抗素子が備えられない形態とすることも可能である。ただし、正極層や負極層が破損・劣化し難い形態にする等の観点からは、正極通電手段及び負極通電手段の一方又は両方に、抵抗素子が備えられる形態とすることが好ましい。
また、上述のように、本発明の電池は、電解質層に固体電解質を用いることができるほか、電解質層に電解液を用いることも可能である。ただし、低温時の起動性を向上させやすく、また、安全性を高めやすい形態にする等の観点からは、電解質層に固体電解質を用いる形態とすることが好ましく、特に、無機固体電解質を用いる形態とすることが好ましい。
上記説明では、本発明の電池が、リチウムイオン二次電池である形態を主に例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態であっても良い。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。
１…積層体
１ａ…正極層
１ｂ…電解質層
１ｃ…負極層
１ｄ…正極集電体
１ｅ…負極集電体
２…外装体
２ｘ…導電部
２ｙ、２ｚ…非導電部
３…正極端子
４…負極端子
５…導電端子
６…正極通電手段
６ｓ…スイッチ（正極スイッチ部）
７…負極通電手段
７ｒ…抵抗素子
７ｓ…スイッチ（負極スイッチ部）
８…センサ
９…制御手段
１０…電池
１ａ…正極層
１ｂ…電解質層
１ｃ…負極層
１ｄ…正極集電体
１ｅ…負極集電体
２…外装体
２ｘ…導電部
２ｙ、２ｚ…非導電部
３…正極端子
４…負極端子
５…導電端子
６…正極通電手段
６ｓ…スイッチ（正極スイッチ部）
７…負極通電手段
７ｒ…抵抗素子
７ｓ…スイッチ（負極スイッチ部）
８…センサ
９…制御手段
１０…電池
Claims (8)
- 正極層及び負極層、前記正極層及び前記負極層の間に配置された電解質層、前記正極層に接続された正極集電体、並びに、前記負極層に接続された負極集電体を有する積層体と、該積層体を収容する外装体と、を備え、
前記外装体は、導電部及び一対の非導電部を有し、
前記導電部及び前記一対の非導電部は、前記導電部が前記一対の非導電部の間に配置されるように積層され、
前記導電部に導電端子が接続され、該導電端子の一端が少なくとも前記外装体の外表面へと導かれ、
接続／非接続を切り換え可能な正極スイッチ部を有する正極通電手段を介して、前記正極集電体に接続された正極端子と前記導電端子とが接続され、
接続／非接続を切り換え可能な負極スイッチ部を有する負極通電手段を介して、前記負極集電体に接続された負極端子と前記導電端子とが接続され、
前記正極スイッチ部及び前記負極スイッチ部の動作を制御可能な制御手段を有し、
前記積層体の温度が所定値以下の場合に、前記正極端子と前記導電端子とを通電させ且つ前記負極端子と前記導電端子とを通電させるように、前記制御手段によって前記正極スイッチ部及び前記負極スイッチ部の動作が制御されることにより、前記導電部を介して前記正極端子及び前記負極端子を通電させる、電池。 - 前記外装体に、前記積層体及び該積層体の温度を検知可能なセンサが収容され、
前記センサによって検知された前記積層体の温度に応じて、前記制御手段によって前記正極スイッチ部及び前記負極スイッチ部の動作が制御される、請求項１に記載の電池。 - 前記正極通電手段及び／又は前記負極通電手段に、抵抗素子が備えられている、請求項１又は２に記載の電池。
- 前記電解質層に、固体電解質が用いられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池。
- 正極層及び負極層、前記正極層及び前記負極層の間に配置された電解質層、前記正極層に接続された正極集電体、並びに、前記負極層に接続された負極集電体を有する積層体を作製する、積層体作製工程と、
前記積層体作製工程で作製された前記積層体を、導電部が一対の非導電部の間に配置されるように積層された、前記導電部及び前記一対の非導電部を有する外装体、に収容する、収容工程と、
前記外装体の外表面に露出している前記導電部の部位に、導電端子を接続する、接続工程と、
を有し、さらに、
接続／非接続を切り換え可能な正極スイッチ部を有する正極通電手段を介して、前記正極集電体に接続された正極端子と前記導電端子とを接続する、正極通電工程と、
接続／非接続を切り換え可能な負極スイッチ部を有する負極通電手段を介して、前記負極集電体に接続された負極端子と前記導電端子とを接続する、負極通電工程と、
前記正極スイッチ部及び前記負極スイッチ部の動作を制御可能な制御手段と、前記正極スイッチ部及び前記負極スイッチ部とを接続する、スイッチ接続工程と、
を有する、電池の製造方法。 - 前記収容工程が、前記積層体及び該積層体の温度を検知可能なセンサを、前記外装体に収容する工程である、請求項５に記載の電池の製造方法。
- 前記正極通電手段及び／又は前記負極通電手段に、抵抗素子が備えられている、請求項５又は６に記載の電池の製造方法。
- 前記電解質層に、固体電解質が用いられている、請求項５〜７のいずれか１項に記載の電池の製造方法。
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