JP6460158B2 - 電池および電子機器 - Google Patents
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Description
まず、本技術の理解を容易にするため、本技術の概要について説明する。電池分野では、複数の単電池を積層した構成を有する積層型の薄膜全固体電池が提案されている。図1Aは本技術と関連する薄膜全固体電池の構成例を示す概略図である。図1Bは本技術と関連する薄膜全固体電池の構成例を示す概略断面図である。
1.第1の実施の形態(電池の第1の例)
2.第2の実施の形態(電池の第2の例)
3.第3の実施の形態(電池の第3の例)
4.応用例(電池を組み込んだ電子機器など)
5.他の実施の形態(変形例)
なお、以下に説明する実施の形態などは本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施の形態などに限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また例示した効果と異なる効果が存在することを否定するものではない。
本技術の第1の実施の形態による電池について、図面を参照しながら説明する。本技術の第1の実施の形態による電池は、複数の単電池を積層した積層型の電池(組電池)である。図2Aは、単電池の構成を示す概略図である。図2Bは、図2Aの線I−I’に沿った概略断面図である。図3Aは、単電池を複数重ねた積層構造を示す概略図である。図3Bは、本技術の第1の実施の形態による電池の概略断面図である。
単電池は、典型的には、例えば、電極反応における反応物質(以下、電極反応物質と称する)であるリチウムが、充放電に伴い、一対の正極および負極間を移動するリチウム二次電池である。なお、本明細書では、充電時に負極においてリチウム金属が析出するものも含めてリチウム二次電池とする。単電池は、典型的には、例えば、一対の正極および負極、並びに、固体電解質などの電池構成部材層が積層された電池である。単電池は、例えば、一対の正極および負極、並びに、固体電解質などの電池構成部材が薄膜で構成された薄膜型の固体電解質二次電池(全固体電池)である。
電池素子部21aは、基板10、正極側集電体膜11、正極活物質膜12、固体電解質膜13および負極側集電体膜14がこの順で積層された積層体を含み、これらの全体が全体保護膜15で覆われたものである。
接続部21b1は、例えば矩形の平面形状を有し、基板10の一側端部および基板10の一側端部の片面に形成された正極側集電体膜11で構成されている。接続部21b1では、正極側集電体膜11が全体保護膜15に覆われずに露出された状態とされている。接続部21b2は、例えば矩形の平面形状を有し、基板10の他側端部および基板10の他側端部の片面に形成された負極側集電体膜14で構成されている。接続部21b2では、負極側集電体膜14が全体保護膜15に覆われずに露出された状態とされている。接続部21b1に含まれる正極側集電体膜11の露出部および接続部21b2に含まれる負極側集電体膜14の露出部が、外部に電流を取り出すための端子となる。なお、以下では、接続部21b1と接続部21b2とを区別しない場合には、接続部21bと称する。
基板10としては、例えば、ガラス、アルミナ、樹脂などの電気絶縁性材料からなる基板、シリコンなどの半導体材料からなる基板、アルミナ、銅、ステンレスなどの導電性材料などからなる基板などを用いることができる。基板10は、硬いものであっても、可撓性を有するものであってもよく、多様で広範囲のものを使用することができる。樹脂からなる基板(樹脂基板)としては、例えば、ポリカーボネート(PC)樹脂基板、フッ素樹脂基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)基板、ポリブチレンテレフタレート(PBT)基板、ポリイミド(PI)基板、ポリアミド(PA)基板、ポリスルホン(PSF)基板、ポリエーテルスルホン(PES)基板、ポリフェニレンスルフィド(PPS)基板、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)基板、ポリエチレンナフタレート(PEN)、シクロオレフィンポリマー(COP)などを使用することができる。なお、この基板の材質は特に限定されるものではないが、吸湿性が低く耐湿性を有する基板がより好ましい。
正極側集電体膜11を構成する材料としては、Cu、Mg、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Ge、In、Au、Pt、Ag、Pdなど、又は、これらの何れかを含む合金を使用することができる。
正極活物質膜12を構成する正極活物質材料は、リチウムイオンを離脱および吸蔵させ易く、正極活物質膜12に多くのリチウムイオンを離脱および吸蔵させることが可能な材料であればよい。また、電位が高く、電気化学当量の小さい材料がよい。例えば、Mn、Co、Fe、P、Ni、Si、Crの少なくとも一つとLiとを含む酸化物若しくはリン酸化合物、または硫黄化合物が挙げられる。具体的には、例えば、LiMnO2(マンガン酸リチウム)、LiMn2O4、Li2Mn2O4などのリチウム−マンガン酸化物、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiCo2O4などのリチウム−コバルト酸化物、LiNiO2(ニッケル酸リチウム)、LiNi2O4などのリチウム−ニッケル酸化物、LiMnCoO4、Li2MnCoO4などのリチウム−マンガン−コバルト酸化物、Li4Ti5O12、LiTi2O4などのリチウム−チタン酸化物、その他、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、硫化鉄(FeS、FeS2)、硫化銅(CuS)および硫化ニッケル(Ni3S2)、酸化ビスマス(Bi2O3)、鉛酸ビスマス(Bi2Pb2O5)、酸化銅(CuO)、酸化バナジウム(V6O13)、セレン化ニオブ(NbSe3)などが挙げられる。また、これらを混合して用いることも可能である。成膜性、電池のサイクル安定性や電位を考慮すると、LiCoO2やLiMnO2などのCoまたはMnとLiとを有するリチウム複合酸化物が好ましい。
LixNiyPOz
(式中、xはリチウムの組成比を示す。yはニッケルの組成比を示す。zは酸素の組成比を示す。xは0<x<8.0である。yは2.0≦y≦10である。zは酸素の組成比を示す。zはNi、Pの組成比に応じて酸素が安定に含まれる比となる。)
リチウムの組成比xの上限は、特に限定されないが、電位が保たれる限界がリチウムの組成比xの上限値となる。確認できた範囲では、リチウムの組成比xは、8未満であることが好ましい。また、リチウムの組成比xの範囲は、1.0≦x<8であることがより好ましい。リチウムの組成比xが、1.0未満であると、インピーダンスが大きく充放電できなくなるからである。
LixCuyPO4
(式中、xはリチウムの組成比を示す。yは銅の組成比を示す。)
固体電解質膜13を構成する材料として、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウム(Li3PO4)に窒素を添加したLi3PO4-xNx(一般に、LiPONと呼ばれている。)、LixB2O3-yNy、Li4SiO4−Li3PO4、Li4SiO4−Li3VO4などを使用することができる。なお、化合物中に使用する添え字のx(x>0)、y(y>0))は、式中の元素の組成比を示す。
この固体電解質二次電池では、負極活物質層を形成することなく、負極活物質は充電と共に負極側に生じる。負極側に生じるのは、負極側集電体膜14と固体電解質膜13との間に生じるLi金属および/またはLiが過剰に含まれる層(Li過剰層)である。この過剰に堆積されるLi(Li過剰層)を負極活物質として利用しながら、充放電特性を損なわずに充放電の繰返しに対して高い耐久性を有する。
負極側集電体膜14を構成する材料としては、Cu、Mg、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Ge、In、Au、Pt、Ag、Pdなど、又は、これらの何れかを含む合金を使用することができる。
上述した固体電解質二次電池は例えば以下のようにして製造する。まず、基板10上に正極側集電体膜11、正極活物質膜12、固体電解質膜13、負極側集電体膜14を順次形成し、これにより、積層体が形成される。次に、この積層体の全体を覆うように、例えば、紫外線硬化樹脂からなる全体保護膜15が形成される。以上の一連の工程によって、固体電解質二次電池を製造することができる。
正極側集電体膜11、正極活物質膜12、固体電解質膜13、負極側集電体膜14などの各薄膜の形成方法について説明する。
次に、上述の単電池を複数積層した積層型の薄膜全固体電池の構成例について説明する。この薄膜全固体電池は、図3Aおよび図3Bに示すように複数(図3Aおよび図3Bに示す例では4つ)の積層された単電池C1〜C4を有する。積層された単電池C1〜C4は、直列および/または並列に接続されて一つの組電池を構成する。なお、図3Bに示す例では、単電池C1〜C4が並列接続されている。
電池本体部31aは、積層された単電池C1〜C4の複数の電池素子部21aから構成されている。
端子部31b1は、保護箔18と、複数の電池素子部21aのそれぞれから同一方向に延出された複数の接続部21b1と、各接続部21b1の間および接続部21b1と保護箔18との間に充填された導電剤17とから構成されている。端子部31b2は、保護箔18と、複数の電池素子部21aのそれぞれから同一方向に延出された複数の接続部21b2と、各接続部21b2の間および接続部21b2と保護箔18との間に充填された導電剤17とから構成されている。
本技術の積層型の薄膜全固体電池では、端子部31b1および端子部31b2のそれぞれに含まれる複数の接続部21b1および21b2が所定の構造となされている。すなわち、導電剤17を介して積層方向に互いに隣接する接続部からなる接続部組のそれぞれは、一方の接続部の一部分と他方の接続部分の一部分とが積層方向に重なる第1の構造、または、一方の接続部の全部分と他方の接続部分の全部分とが積層方向に重ならない第2の構造となされている。
図3Aに示す接続部21bは、矩形の平面形状を有するものであるが、接続部21bの形状はこれに限定されるものではなく、種々の形状を採ることが可能である。例えば、矩形以外の多角形の平面形状、曲線を含む形の平面形状およびこれらの形状の一部に孔を形成した孔を有する形状などであってもよい。図4A〜図4Dにこれらの形状の一例を示す。図4Aに示す接続部21bは、曲線を含む形状を有するものである。図4Bに示す接続部21bは、多角形状の一例の台形状を有するものである。図4Cに示す接続部21bは、多角形の一例の五角形の平面形状を有するものである。図4Dに示す接続部21bは、孔22を有する五角形の平面形状を有するものである。
上述した薄膜全固体電池は、例えば、以下のように製造することができる。まず、図2Aおよび図2Bに示す単電池C1〜C4を用意し、図3Aに示すように順次積層する。その後、例えば、複数の接続部21b1に、ペースト状の導電剤17を付着させた後、これを硬化させる。その後、接続部21b1および導電剤17を保護箔で被包して一つにまとめることで端子部31b1を形成する。同様に、例えば、複数の接続部21b2にペースト状の導電剤17を付着させた後、これを硬化させる。その後、接続部21b2および導電剤17を保護箔で被包して一つにまとめることで端子部31b2を形成する。以上により、上述した薄膜全固体電解質電池を得ることができる。
第2の実施の形態による電池について説明する。第2の実施の形態は、接続部の構造が異なること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、以下では、第1の実施の形態と異なる接続部の構造について詳細に説明し、その他の点は第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を適宜省略する。
図5は、本技術の第2の実施の形態による薄膜全固体電池の構成例を示す概略図である。第2の実施の形態では、電池素子部21aから同一方向に延出され、導電剤17を介して、積層方向に互いに隣接する接続部21bからなる接続部組の全てが、一方の接続部21bの全部分と他方の接続部21bの全部分とが積層方向に重ならない第2の構造となされている。
第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、接続部の構造が異なること以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、以下では、第1の実施の形態と異なる接続部の構造について詳細に説明し、その他の点は第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を適宜省略する。
図6は、本技術の第3の実施の形態による薄膜全固体電池の構成例を示す概略図である。第3の実施の形態では、電池素子部21aから同一方向に延出され、導電剤17を介して、積層方向に互いに隣接する接続部21bからなる接続部組のそれぞれが、第1の構造または第2の構造とされ、且つ、第1の構造および第2の構造の両方を備えた構造となされている。
上述した電池の応用例について説明する。上述した薄膜全固体電池は、例えば薄形、軽量およびフレキブルという特長を活かして、RFID(Radio Frequency IDentification)タグ、カード型電池マネーなどの小型電子機器などの電子機器に搭載または電力を供給するために使用することができる。なお、上述した電池の応用例は、これらの応用例に限られることはない。
本技術は、上述した本技術の実施の形態に限定されるものでは無く、本技術の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
[1]
積層された複数の電池素子部を含む本体部と、
前記複数の電池素子部のそれぞれから同一方向に延出された複数の接続部が、各接続部間に配される導電剤を介して導通される端子部と
を備え、
積層方向に互いに隣接する前記接続部からなる接続部組のそれぞれは、
一方の接続部の一部分と他方の接続部の一部分とが積層方向に重なる第1の構造
または、
一方の接続部の全部分と他方の接続部の全部分とが積層方向に重ならない第2の構造
となされている電池。
[2]
前記端子部は、前記複数の接続部および前記導電剤を被包して一つに束ねる保護箔をさらに含む[1]に記載の電池。
[3]
前記接続部組の全てが、前記第1の構造となされている[1]〜[2]の何れかに記載の電池。
[4]
前記接続部組の全てが、前記第2の構造となされている[1]〜[2]の何れかに記載の電池。
[5]
前記接続部の平面形状は、多角形状、曲線を含む形状、角および曲線を含む形状、並びに、孔を有する形状の中から選ばれた少なくとも何れか一の形状である[1]〜[4]の何れかに記載の電池。
[6]
前記電池素子部は、一対の正極および負極、並びに固体電解質を含む単電池である[1]〜[5]の何れかに記載の電池。
[7]
前記単電池は、
前記正極を含む正極側層、前記負極を含む負極側層、前記固体電解質を含む固体電解質層が積層された積層構造を有する[6]に記載の電池。
[8]
前記正極側層を構成する各層および前記負極側層を構成する各層、並びに、前記固体電解質層が、薄膜で形成された[7]に記載の電池。
[9]
前記単電池は、基板をさらに備え、
前記接続部は、前記基板の側端部および前記基板の側端部上に形成された前記正極側層または前記負極側層に含まれる集電体層からなる[8]に記載の電池。
[10]
前記基板は、樹脂基板である[9]に記載の電池。
[11]
積層された複数の電極部を含む本体部と、
前記複数の電極部のそれぞれから同一方向に延出された複数の接続部が、各接続部間に配される導電剤を介して導通される端子部と
を備え、
積層方向に互いに隣接する前記接続部からなる接続部組のそれぞれは、
一方の接続部の一部分と他方の接続部の一部分とが積層方向に重なる第1の構造
または、
一方の接続部の全部分と他方の接続部の全部分とが積層方向に重ならない第2の構造
となされている積層電極体
を有する電池。
[12]
[1]または[11]に記載の電池を用いた電子機器。
Claims (8)
- 積層された複数の電池素子部と、
前記複数の電池素子部のそれぞれから同一方向に延出された複数の接続部が、各接続部間に配される導電剤を介して導通される端子部と
を備え、
積層方向に互いに隣接する前記接続部からなる接続部組のそれぞれは、一方の接続部の一部分と他方の接続部の一部分とが積層方向に重なり、かつ、前記延出の方向に直交する方向にずらして設けられた構造を有し、
前記電池素子部は、基板、正極側層、固体電解質層、負極側層が積層された積層構造を有する単電池であり、
前記接続部は、前記基板の側端部および前記基板の側端部上に形成された前記正極側層または前記負極側層に含まれる集電体層からなる電池。 - 前記端子部は、前記複数の接続部および前記導電剤を被包して一つに束ねる保護箔をさらに含む請求項1に記載の電池。
- 前記接続部の平面形状は、多角形状、曲線を含む形状、角および曲線を含む形状、並びに、孔を有する形状の中から選ばれた少なくとも何れか一の形状である請求項1または2に記載の電池。
- 前記基板は、樹脂基板である請求項1乃至3のいずれか一に記載の電池。
- 前記正極側層を構成する各層および前記負極側層を構成する各層、並びに、前記固体電解質層が、厚さ100nm以上20μm以下の薄膜で形成された請求項1乃至4のいずれか一に記載の電池。
- 前記正極側層は、正極側集電体層と正極活物質膜を含み、前記負極側層は、負極側集電体層を含む請求項1乃至5のいずれか一に記載の電池。
- 前記電池素子部は、保護膜でおおわれている請求項1乃至6のいずれか一に記載の電池。
- 請求項1乃至7のいずれか一に記載の電池を用いた電子機器。
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