JP6524386B1

JP6524386B1 - 螺旋型二次電池

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Publication number: JP6524386B1
Application number: JP2018097432A
Authority: JP
Inventors: 裕憲松井
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Current assignee: Individual
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2038-04-30
Also published as: WO2019212064A1; JP2019194965A

Abstract

【課題】電池容量を高めること、ニ次電池材料の剥離、損壊、などを起こりにくくすること、を目的としている。【解決手段】課題を解決するためのニ次電池は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有するニ次電池であって、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、が積み重なる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となるように構成されていることを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、主に、二次電池に関する物である。

液体の電解質を用いず、固体の電解質を用いた二次電池がある。

特開２０１５−２２０１０４号公報

特許文献１のような螺旋形状の二次電池があり、均一な焼結を可能とすることにより品質を高めたものがある。しかし、長手方向に圧縮し螺旋の層と層の間隔を縮めていった場合、正極活物質と、負極活物質と、が短絡（接触）してしまう恐れがある。そのため、適度な層と層との間隔が必要となり、その分同じ容積の容器に入れた場合の電池容量を損なうこととなる。

また、従来の二次電池のように、二次電池材料を積層した後（付加後）、筒形状、円筒形状、螺旋形状、など、に成形する場合、変形量が大きく、二次電池材料の剥離、損壊、などが起こることがあった。

課題を解決するための請求項１記載の二次電池は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となり、固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、螺旋形状の正極活物質に、負極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴としている。

課題を解決するための請求項２記載の二次電池は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となり、固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、螺旋形状の負極活物質に、正極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴としている。

課題を解決するための請求項３記載の二次電池は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となり、固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、螺旋形状の固体電解質に、正極活物質の材料と、負極活物質の材料と、を付加し、正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴としている。

課題を解決するための請求項４記載の二次電池は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となり、固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、螺旋形状の集電体に、正極活物質の材料と、負極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴としている。

課題を解決するための請求項５記載の二次電池の製造方法は、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、が積み重なる方向を縦方向としたときに、縦方向に螺旋形状となるように構成されていることを特徴とする二次電池の製造方法であって、螺旋形状に構成した後、縦方向に縮める行程と、縦方向に縮める行程の後、縦方向に切断する行程と、を有する、ことを特徴としている。

課題を解決するための請求項６記載の二次電池の製造方法は、螺旋形状の正極活物質に、負極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、螺旋形状の正極活物質に、負極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、を有する、ことを特徴としている。

課題を解決するための請求項７記載の二次電池の製造方法は、螺旋形状の負極活物質に、正極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、螺旋形状の負極活物質に、正極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程を、を有する、ことを特徴としている。

課題を解決するための請求項８記載の二次電池の製造方法は、螺旋形状の固体電解質に、正極活物質と、負極活物質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、螺旋形状の固体電解質に、正極活物質と、負極活物質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、を有する、ことを特徴としている。

課題を解決するための請求項９記載の二次電池の製造方法は、螺旋形状の集電体に、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、螺旋形状の集電体に、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める工程と、螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、を有する、ことを特徴としている。

本発明によれば、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、が積み重なる方向に螺旋形状にすることにより、螺旋の層と層との距離を縮めて密度を高めることができ、同じ容積の容器に二次電池を入れた場合の、電池容量を高めることができる。

本発明によれば、螺旋形状の二次電池の材料に二次電池の材料を付加することにより、従来の二次電池のように、二次電池の材料を積層した後（付加後）、筒形状、円筒形状、螺旋形状、などに成形する場合に比べて、変形量を小さくすることができ、二次電池材料の剥離、損壊、などを起こりにくくすることができる。

本発明によれば、切断行程により、電気的に切断することにより、切断面を境界とした層を持つ積層構造の二次電池を得ることができる。

螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒと螺旋体１ｒのＡＡ断面図の一例である。螺旋体１ｒの上面図と切断後の螺旋体１ｒの上面図の一例である。螺旋体１ｒの上面図と切断後の螺旋体１ｒの上面図の一例である。

二次電池を、正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、正極活物質と負極活物質が積み重なる方向を縦方向１ｔとしたときに、縦方向１ｔに螺旋形状となるように構成する。螺旋形状に構成した二次電池を説明の便宜上以下、螺旋体１ｒ、とする。

正極活物質と、負極活物質と、は短絡（接触）しないように構成することが望ましく、螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮めた際にも短絡（接触）しないように構成することがより望ましい。

螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮めた際に短絡（接触）しないように構成する場合、例えば、最も外側の層を、正極活物質、負極活物質、固体電解質のいずれか一つからなる層としたり、最も外側の層の一方を正極活物質、負極活物質のいずれからなる層とし、もう一方の外側の層を固体電解質からなる層となるように構成したりする。図１から図６は螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮めた際にも短絡しないように構成した場合の層の一例の断面図であり、この限りではない。

螺旋形状は円形、四角形、螺旋の直径が変化する円錐形、紡錘形、その他の多角形など形を限定するものではなく、最適な形に構成すればよい。

固体電解質、正極活物質、負極活物質、集電体、は二次電池としての機能を損なわない材料を用い組合せることが望ましい。

固体電解質は、正極と負極との間でイオンのやり取りが可能なものであればよく、固体電解質の材料は周知の物が多くあり、詳細な説明は省略するが、例えば、有機物系の材料、無機物系の材料、金属系の材料、セラミック系の材料、などがあり、この限りではなく最適な物を用いればよい。

正極活物質、負極活物質、は、二次電池の正極及び負極に用いられ、イオンのやり取りが可能なものであればよく、正極活物質、負極活物質の材料は周知の物が多くあり、詳細な説明は省略するが、例えば、有機物系の材料、無機物系の材料、金属系の材料、セラミック系の材料、酸化物系の材料などがあり、この限りではなく最適な物を用いればよい。

集電体は、電子伝導性を有するものであればよく、集電体の材料は周知の物が多くあり詳細な説明を省略するが、例えば、有機物系の材料、無機物系の材料、金属系の材料、セラミック系の材料、酸化物系の材料などがあり、この限りではなく最適な物を用いればよい。

正極の集電体は、負極と短絡しないように正極活物質と接触させ構成すればよく、本願発明の特徴とする部分ではなく詳細な説明は省略するが、例えば、正極活物質そのものを集電体としたり、正極活物質と一体となるように構成したり、螺旋の端点の一方に正極の集電体を具備したり、することが望ましく、この限りでは無い。

負極の集電体は、正極と短絡しないように負極活物質と接触させ構成すればよく、本願発明の特徴とする部分ではなく詳細な説明は省略するが、例えば、負極活物質そのものを集電体としたり、負極活物質と一体となるように構成したり、螺旋の端点の一方に負極の集電体を具備したり、することが望ましく、この限りでは無い。

図１から図６は、螺旋体１ｒの層の断面図であり、複数の層を重ね一つの層としている。以下、説明の便宜上、層一つ一つを単層、複数の層を重ね一つの層としたものを積層として説明する。

図１から図６は、積層を、正極活物質と、負極活物質と、が短絡（接触）しないように構成した場合の一例であり、この限りでは無い。

図１、図２において第１層１ｓ（単層）を正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用いる場合、第２層２ｓ（単層）は固体電解質を用い、第３層３ｓ（単層）は第１層１ｓに用いなかった正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用いる。

図３、図４において第１層１ｓ（単層）を固体電解質とする場合、第２層２ｓ（単層）は正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用い、第３層３ｓ（単層）は第２層２ｓ（単層）に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用い、第４層４ｓは固体電解質を用いる。

図５、図６において第１層１ｓ（単層）を集電体とする場合、第２層２ｓ（単層）は正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用い、第３層３ｓ（単層）は固体電解質を用い、第４層４ｓ（単層）は第２層２ｓに用いなかった正極活物質もしくは負極活物質のいずれか一方を用いる。

螺旋形状の二次電池の材料としての、正極活物質、負極活物質、固体電解質、集電体、のいずれか一つを用いて二次電池を構成する。

螺旋形状の正極活物質を用いる場合は、螺旋形状の正極活物質に、正極活物質、負極活物質、固体電解質、集電体、を付加して二次電池を構成する。

螺旋形状の負極活物質を用いる場合は、螺旋形状の負極活物質に、正極活物質、固体電解質、集電体、を付加して二次電池を構成する。

螺旋形状の固体電解質を用いる場合は、螺旋形状の固体電解質に、正極活物質、負極活物質、集電体、を付加して二次電池を構成する。

螺旋形状の集電体を用いる場合は、螺旋形状の集電体に、正極活物質、負極活物質、固体電解質、を付加して二次電池を構成する。

正極活物質、負極活物質、固体電解質、集電体、を付加する方法は、周知の物が多くあり詳細な説明は省略するが、塗布、焼結、接着、など、二次電池としての能力を損なうことがない方法であればよく、この限りでは無い。

螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮める行程を製造工程に加える。

螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮める方法としては、例えば、螺旋形状の二次電池の材料に弾性を持たせ、螺旋形状の二次電池の材料を縦方向１ｔに引っ張ることにより層と層の間隔を広げ、広げた状態で二次電池の材料を付加した後、引っ張りを解除することで縮めたり、例えば、螺旋形状の二次電池の材料に弾性を持たせ、縦方向１ｔに層と層の間隔を押し広げ、押し広げた状態で二次電池の材料を付加した後、押し広げを解除することで縮めたり、例えば、螺旋形状の二次電池の材料に弾性を持たせず、二次電池材料を付加した後、螺旋体１ｒを縦方向１ｔに圧縮することで縮めたり、する。縦方向１ｔに螺旋体１ｒを縮めることができればよくこの限りではない。

螺旋体１ｒを縦方向１ｔに縮めた後に縦方向１ｔに切断を行う行程を製造工程に加える。

切断は目的に応じて切断位置を決めればよく、例えば、図７のように中心から外周まで切断したり、図８のように、外周から外周までを切断したり、すればよく、この限りではない。

図７は、螺旋体１ｒの上面図１ｊ、上面図２ｊの破線は切断位置、螺旋体１ｒの切断後の上面図３ｊ、の一例である。

図８は、螺旋体１ｒの上面図１ｊ、上面図４ｊの破線は切断位置、螺旋体１ｒの切断後の上面図５ｊ、の一例である。

切断方法は、周知の方法が多くあり詳細な説明を省略するが、刃物による切断、液体による切断、熱による切断、など、切断に最適な方法を用いればよくこの限りではない。

１ｒ螺旋体
１ｔ縦方向
１ｓ第１層
２ｓ第２層
３ｓ第３層
４ｓ第４層
１ｊ上面図
２ｊ上面図（切断位置）
３ｊ上面図（切断後）
４ｊ上面図（切断位置）
５ｊ上面図（切断後）

Claims

正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、
正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、
縦方向に螺旋形状となり、
固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、
固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、
螺旋形状の正極活物質に、
負極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、
正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴とする、二次電池。
正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、
正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、
縦方向に螺旋形状となり、
固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、
固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、
螺旋形状の負極活物質に、
正極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、
正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴とする、二次電池。
正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、
正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、
縦方向に螺旋形状となり、
固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、
固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、
螺旋形状の固体電解質に、
正極活物質の材料と、負極活物質の材料と、を付加し、
正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴とする、二次電池。
正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、セパレータを介さずに固体電解質を介して、正極活物質と、負極活物質と、を積層した、二次電池であって、
正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を積み重ねる方向を縦方向としたときに、
縦方向に螺旋形状となり、
固体電解質の縦方向の上面に、正極活物質もしくは負極活物質の一方、
固体電解質の縦方向の下面に、上面に用いなかった正極活物質もしくは負極活物質の一方となるように、
螺旋形状の集電体に、
正極活物質の材料と、負極活物質の材料と、固体電解質の材料と、を付加し、
正極活物質と、固体電解質と、負極活物質と、が一体となった層の螺旋体となるように構成されていることを特徴とする、二次電池。
正極活物質と、負極活物質と、の間に固体電解質を有し、
正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、が積み重なる方向を縦方向としたときに、
縦方向に螺旋形状となるように構成されていることを特徴とする二次電池の製造方法であって、
螺旋形状に構成した後、縦方向に縮める行程と、
縦方向に縮める行程の後、縦方向に切断する行程と、
を有する、ことを特徴とする、二次電池の製造方法。
螺旋形状の正極活物質に、負極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、
螺旋形状の正極活物質に、負極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、
螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、
を有する、ことを特徴とする、二次電池の製造方法。
螺旋形状の負極活物質に、正極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、
螺旋形状の負極活物質に、正極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、
螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、
を有する、ことを特徴とする、二次電池の製造方法。
螺旋形状の固体電解質に、正極活物質と、負極活物質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、
螺旋形状の固体電解質に、正極活物質と、負極活物質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める行程と、
螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、
を有する、ことを特徴とする、二次電池の製造方法。
螺旋形状の集電体に、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を付加して構成されていることを特徴とする、二次電池の製造方法であって、
螺旋形状の集電体に、正極活物質と、負極活物質と、固体電解質と、を付加した後、螺旋が積み重なる方向に縮める工程と、
螺旋が重なる方向に縮める行程の後、螺旋が重なる方向に切断する行程と、
を有する、ことを特徴とする、二次電池の製造方法。