JP6996636B2 - 固体電池および固体電池群 - Google Patents

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Description

本発明は固体電池および固体電池群に関する。
近年、携帯電話、携帯用パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器の電源として電池の需要が大幅に拡大している。このような用途に用いられる電池においては、イオンを移動させるための媒体として、有機溶媒等の電解質（電解液）が従来から使用されている。しかし、上記の構成の電池では、電解液が漏出するという危険性がある。また、電解液に用いられる有機溶媒等は可燃性物質である。このため、電池の安全性を高めることが求められている。
そこで、電池の安全性を高めるために、電解質として、電解液に代えて、固体電解質を用いた固体電池の研究が進められている。
例えば、特許文献１～３には、正極および負極ならびにそれらの間の固体電解質を備えた電池要素の最外表面に、高分子化合物を含む保護層を形成して、固体電池を電気的および物理的に保護する技術が開示されている。
特開２００８－１８６５９５号公報 特開２００６－３５１３２６号公報 特開２０１６－００１６０１号公報
しかしながら、本発明の発明者等は、固体電池が電池要素の表面に高分子化合物を含む保護層を有する場合、高分子化合物が水分やガスを吸着することにより、保護層が膨張して割れたり、かつ／または脱落したりするため、保護層としての機能が無くなり、電池性能が低下することを見い出した。
本発明の発明者等はまた、固体電池において電池要素の表面を、高分子化合物を含む保護膜で覆うだけでは、当該電池への強い振動や衝撃などにより、保護層が脱落しやすいため、保護層としての機能が無くなり、電池性能が低下することを見い出した。
本発明の発明者等はさらに、従来の複数の固体電池を、正極層、負極層および固体電解質層の積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍに隣接して配置した場合、隣接する２つの固体電池間において、短絡が生じ得ることを見い出した。詳しくは、例えば図２３に示すように、従来の複数の固体電池（８００，９００）を、積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍに隣接して配置した場合、隣接する２つの固体電池間において、各固体電池８００、９００が方向Ｍについて体積膨張８０１，９０１を起こした。このため、方向Ｍで隣接する２つの固体電池８００、９００は相互に押圧し、短絡が生じ得た。短絡は、各固体電池において、充放電に伴い正極層および負極層が体積膨張することに起因するものと考えられる。
本発明は、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガスを吸着し難く、かつ電池要素との接合強度が高い保護層を有する固体電池を提供することを目的とする。
本発明はまた、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガスを吸着し難く、かつ電池要素との接合強度が高い保護層を有するとともに、正極層、負極層および固体電解質層の積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍに隣接して配置されても体積膨張に起因する短絡を抑制することができる固体電池を提供することを目的とする。
本発明は、
相互に対向する正極層および負極層ならびに前記正極層と前記負極層の間に配置される固体電解質層を含む電池構成単位を１つ以上備えた電池要素と、
該電池要素の上下面を覆っている保護層とを備え、
前記保護層は樹脂以外の絶縁性物質からなることを特徴とする、固体電池に関する。
本発明の固体電池は、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガスを吸着し難く、かつ電池要素との接合強度が高い保護層を有する。その結果として、本発明の固体電池において、保護層は、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガスの吸着による割れおよび脱落が起こり難く、かつ振動および衝撃などによる脱落が起こり難い。このため、本発明の固体電池は電池性能の低下をより一層、抑制できる。
電池要素において単電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。 図１Ａに示す本発明の固体電池の模式的平面図である。 電池要素において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において単電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において単電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第２実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第３実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第４実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第５実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第６実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第７実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第８実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第９実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の第１０実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。 本発明の固体電池の製造方法における未焼成積層体の形成工程の一例を説明するためのフロー図である。 従来の固体電池において問題となる体積膨張に起因する短絡のメカニズムを説明するための固体電池の模式的断面図である。
［固体電池］
本発明は固体電池を提供する。本明細書でいう「固体電池」とは、広義にはその構成要素（特に電解質層）が固体から構成されている電池を指し、狭義にはその構成要素（特に全ての構成要素）が固体から構成されている「全固体電池」を指す。本明細書でいう「固体電池」は、充電および放電の繰り返しが可能な、いわゆる「二次電池」、および放電のみが可能な「一次電池」を包含する。「固体電池」は好ましくは「二次電池」である。「二次電池」は、その名称に過度に拘泥されるものではなく、例えば、「蓄電デバイス」なども包含し得る。
本明細書でいう「平面視」とは、固体電池を構成する後述する層の積層方向Ｌに基づく厚み方向に沿って対象物を上側または下側からみたときの状態（上面図または下面図）のことである。又、本明細書でいう「断面視」とは、固体電池を構成する後述する層の積層方向Ｌに基づく厚み方向に対して略垂直な方向からみたときの断面状態（断面図）のことである。本明細書で直接的または間接的に用いる“上下方向”および“左右方向”は、それぞれ図中における上下方向および左右方向に相当する。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材・部位または同じ意味内容を示すものとする。ある好適な態様では、鉛直方向下向き（すなわち、重力が働く方向）が「下方向」に相当し、その逆向きが「上方向」に相当すると捉えることができる。
本発明の固体電池は、例えば、図１Ａおよび図２～図６それぞれにおいて、符号「２００Ａ」、「２００Ｂ」、「２００Ｃ」、「２００Ｄ」、「２００Ｅ」および「２００Ｆ」（以下、単に「２００Ａ～２００Ｆ」ということがある）で示されるような、層状構造（特に積層構造）を有するものである。本発明の固体電池２００Ａ～２００Ｆは、電池要素１００と、当該電池要素１００の上下面を覆っている保護層５とを備えている。図１Ａは、電池要素１００において単電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。図２は、電池要素１００において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。図３は、電池要素１００において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の一例を示す模式的断面図である。図４は、電池要素１００において単電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図４の固体電池は、正極層１が正極集電層１１を有さず、かつ電気的接続部１ａを有すること、および負極層２が負極集電層２１を有さず、かつ電気的接続部２ａを有すること以外、図１Ａの固体電池と同様の構造を有している。図５は、電池要素１００において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図５の固体電池は、正極層１が正極集電層１１を有さず、かつ電気的接続部１ａを有すること、および負極層２が負極集電層２１を有さず、かつ電気的接続部２ａを有すること以外、図２の固体電池と同様の構造を有している。図６は、電池要素１００において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図６の固体電池は、正極層１が正極集電層１１を有さず、かつ電気的接続部１ａを有すること、および負極層２が負極集電層２１を有さず、かつ電気的接続部２ａを有すること以外、図３の固体電池と同様の構造を有している。
電池要素１００は、後述する保護層５および側面補強部６により覆われる固体電池の本体部分であり、電池構成単位１０を１つ以上備えている。電池構成単位１０は、電池機能を奏し得る最小の構成単位という意味であり、相互に対向する１つの正極層１および１つの負極層２ならびに正極層１と負極層２との間に配置される１つの固体電解質層３を含む。
電池要素１００は、例えば図１Ａおよび図４に示すように、電池構成単位１０を１つのみ有する単電池構造を有していてもよい。また例えば、電池要素１００は、図２～図３および図５～図６に示すように、２つ以上の電池構成単位１０を、各電池構成単位１０を構成する各層の積層方向Ｌに沿って積層された複電池構造を有していてもよい。電池要素１００は、複電池構造を有する場合、例えば図２および図５に示すように、２つ以上の電池構成単位１０（または当該電池構成単位を構成する各層）が電気的に直列に配置された直列型構造を有していてもよいし、または例えば図３および図６に示すように、２つ以上の電池構成単位１０（または当該電池構成単位を構成する各層）が電気的に並列に配置された並列型構造を有していてもよい。
電池要素１００を構成する全ての層は、より長期的に電池の劣化を抑制する観点から、隣接する２つの層間で、焼結体同士の一体焼結をなしていることが好ましい。全ての層が、隣接する２つの層間で、焼結体同士の一体焼結をなしているとは、隣接する２つの層は焼結により接合されているという意味である。詳しくは、隣接する２つの層はいずれも焼結体でありながら、一体的に焼結されている。なお、隣接する２つの層間において厳密に全部が一体化されていなければならないというわけではなく、一部分が一体化されていなくてもよい。隣接する２つの層は全体として一体化されていればよい。
例えば、図１Ａおよび図２～図３に示すように、電池要素１００が１つ以上の電池構成単位１０を有し、かつ正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有する場合、正極集電層１１、正極層１、固体電解質層３、負極層２および負極集電層２１は所定の積層順序で一体焼結された構成を採っていることが好ましい。
また例えば、図４～図６に示すように、電池要素１００が１つ以上の電池構成単位１０を有し、かつ正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有さない場合、正極層１、固体電解質層３および負極層２は所定の積層順序で一体焼結された構成を採っていることが好ましい。
なお、電池要素１００が、図２および図５に示すように、直列型複電池構造を有し、かつ電池構成単位１０間に接続層７を有する場合、当該接続層７もまた、他の層と同様に、隣接する層と焼結により接合されていることが好ましい。
正極層１および負極層２は、図１Ａおよび図２～図３に示すように、それぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有していてもよいし、または図４～図６に示すように、それぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有さなくてもよい。
正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有する場合、図１Ａおよび図２～図３に示すように、正極集電層１１および負極集電層２１それぞれに、外部と電気的に接続するための電気的接続部１１ａおよび２１ａが設けられる。電気的接続部１１ａおよび２１ａは電子を出し入れするための電子出し入れ部ともいう。
正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有さない場合、図４～図６に示すように、正極層１および負極層２それぞれに、外部と電気的に接続するための電気的接続部１ａおよび２ａが設けられる。電気的接続部１ａおよび２ａは電子を出し入れするための電子出し入れ部ともいう。
図２～図３および図５～図６に示す固体電池は電池要素１００において、２つの電池構成単位１０を含んでいるが、１つの固体電池に含まれる電池構成単位１０の数は特に限定されず、例えば、１個以上１００個以下、特に１個以上５０個以下であってもよい。
本発明の固体電池は平面視においてあらゆる形状を有していてもよく、通常は矩形状を有する。矩形状は正方形および長方形を包含する。
（正極層および負極層）
正極層１はいわゆる正極活物質層のことであり、正極集電層１１を付加的に有してもよい。正極層１が正極集電層１１を有する場合、正極層１は正極集電層１１の一方の側に設けられてもよいし、または両方の側に設けられてもよい。正極層１は、正極活物質粒子を含む焼結体により構成されており、通常は正極活物質粒子、電子伝導性材料粒子および固体電解質層３に含まれる固体電解質粒子を含む焼結体により構成されてもよい。
負極層２はいわゆる負極活物質層のことであり、負極集電層１２を付加的に有してもよい。負極層２が負極集電層２１を有する場合、負極層２は負極集電層２１の一方の側に設けられてもよいし、または両方の側に設けられてもよい。負極層２は、負極活物質粒子を含む焼結体により構成されており、負極活物質粒子、電子伝導性材料粒子および固体電解質層３に含まれる固体電解質粒子含む焼結体により構成されてもよい。
正極層に含まれる正極活物質および負極層に含まれる負極活物質は、固体電池において電子の受け渡しに関与する物質であり、固体電解質層を構成する固体電解質材料に含まれるイオンが正極と負極との間で移動（伝導）して電子の受け渡しが行われることで充放電がなされる。正極層および負極層は特にリチウムイオンを吸蔵放出可能な層であることが好ましい。つまり、本発明の固体電池は、固体電解質層を介してリチウムイオンが正極と負極との間で移動して電池の充放電が行われる固体二次電池であることが好ましい。
正極層に含まれる正極活物質としては、特に限定されず、例えば、ナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、オリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、リチウム含有層状酸化物、およびスピネル型構造を有するリチウム含有酸化物等から成る群から選択される少なくとも一種が挙げられる。ナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の一例としては、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３等が挙げられる。オリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の一例としては、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３、ＬｉＭｎＰＯ４等が挙げられる。リチウム含有層状酸化物の一例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２等が挙げられる。スピネル型構造を有するリチウム含有酸化物の一例としては、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等が挙げられる。
負極層に含まれる負極活物質としては、特に限定されず、例えば、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、および、Ｍｏからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む酸化物、黒鉛－リチウム化合物、リチウム合金、ナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、オリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、およびスピネル型構造を有するリチウム含有酸化物等から成る群から選択される少なくとも一種が挙げられる。リチウム合金の一例としては、Ｌｉ－Ａｌ等が挙げられる。ナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の一例としては、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３等が挙げられる。オリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物の一例としては、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３等が挙げられる。スピネル型構造を有するリチウム含有酸化物の一例としては、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等が挙げられる。
正極層および負極層に含まれる電子伝導性材料としては、特に限定されず、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属材料；および炭素材料が挙げられる。特に、炭素は正極活物質、負極活物質および固体電解質材と反応し難く、固体電池の内部抵抗の低減に効果があるため好ましい。
正極層および負極層に含まれる固体電解質材料は、例えば、後述の固体電解質層に含まれ得る固体電解質材料と同様の材料から選択されてよい。
正極層および負極層はそれぞれ独立して焼結助剤を含んでよい。焼結助剤は、特に限定されるものではなく、例えば、リチウム酸化物、ナトリウム酸化物、カリウム酸化物、酸化ホウ素、酸化ケイ素、酸化ビスマス、および酸化リンからなる群から選択される少なくとも１種であり得る。
正極層１および負極層２がそれぞれ後述の正極集電層１１および負極集電層２１を有さない場合、図４～図６に示すように、正極層１および負極層２はそれぞれ、外部と電気的に接続するための電気的接続部１ａおよび２ａを有し、端子と電気的に接続可能に構成されている。電気的接続部１ａおよび２ａは、後述する保護層５または側面補強部６による被覆がない露出部分１ｂおよび２ｂを有し、通常、それぞれ正極層１および負極層２の端部に設けられる。
正極層および負極層の厚みは特に限定されず、例えば、それぞれ独立して、２μｍ以上５０μｍ以下、特に５μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。
（正極集電層および負極集電層）
正極層１および負極層２はそれぞれ固体電解質層３とは反対側に正極集電層１１および負極集電層２１を有してもよい。正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有する場合、図１Ａおよび図２～図３に示すように、正極集電層１１および負極集電層２１はそれぞれ、外部と電気的に接続するための電気的接続部１１ａおよび２１ａを有し、端子と電気的に接続可能に構成されている。電気的接続部１１ａおよび２１ａは、後述する保護層５または側面補強部６による被覆がない露出部分１１ｂおよび２１ｂを有し、通常、それぞれ正極集電層１１および負極集電層２１の端部に設けられる。
正極集電層１１および負極集電層２１はそれぞれ箔の形態を有していてもよいが、一体焼成による固体電池の製造コストの低減および固体電池の内部抵抗の低減の観点から、焼結体の形態を有することが好ましい。
正極集電層１１および負極集電層２１が焼結体の形態を有する場合、例えば、電子伝導性材料粒子および焼結助剤を含む焼結体により構成されてもよい。正極集電層１１および負極集電層２１に含まれる電子伝導性材料は、例えば、正極層および負極層に含まれ得る電子伝導性材料と同様の材料から選択されてよい。正極集電層１１および負極集電層２１に含まれる焼結助剤は、例えば、正極層および負極層に含まれ得る焼結助剤と同様の材料から選択されてよい。
正極集電層および負極集電層の厚みは特に限定されず、例えば、それぞれ独立して、１μｍ以上５μｍ以下、特に１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。
（固体電解質層）
固体電解質層３は固体電解質粒子を含む焼結体により構成されている。固体電解質粒子の材料（すなわち固体電解質材料）は、正極層と負極層との間で移動し得るイオンを提供できる限り特に限定されない。固体電解質材料としては、例えば、ナシコン構造を有するリチウム含有リン酸化合物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、ガーネット型またはガーネット型類似構造を有する酸化物等が挙げられる。ナシコン構造を有するリチウム含有リン酸化合物としては、ＬｉｘＭｙ（ＰＯ４）３（１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、Ｍは、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌ、ＧａおよびＺｒからなる群より選ばれた少なくとも一種）が挙げられる。ナシコン構造を有するリチウム含有リン酸化合物の一例としては、例えば、Ｌｉ１．２Ａｌ０．２Ｔｉ１．８（ＰＯ４）３等が挙げられる。ペロブスカイト構造を有する酸化物の一例としては、Ｌａ０．５５Ｌｉ０．３５ＴｉＯ３等が挙げられる。ガーネット型またはガーネット型類似構造を有する酸化物の一例としては、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等が挙げられる。
固体電解質層は焼結助剤を含んでよい。固体電解質層に含まれる焼結助剤は、例えば、正極層および負極層に含まれ得る焼結助剤と同様の材料から選択されてよい。
固体電解質層の厚みは特に限定されず、例えば、１μｍ以上１５μｍ以下、特に１μｍ以上５μｍ以下であってもよい。
（保護層）
保護層５は、固体電池における電池要素１００の上下面に形成されるものであり、電気的、物理的および化学的に電池要素１００を保護するためのものである。本発明において保護層５は樹脂以外の絶縁性物質からなっている。絶縁性物質とは、イオン伝導性および電子伝導性を有さない物質という意味である。従って、樹脂以外の絶縁性物質とは、イオン伝導性および電子伝導性を有さない絶縁性無機物質のことである。イオン伝導性を有さない無機物質とは、イオン伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下である無機物質という意味である。より長期的に電池の劣化を抑制する観点から、イオン伝導性は１×１０－１２Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。イオン伝導性を有さない無機物質のイオン導電性は通常、１×１０－１８Ｓ／ｃｍ以上である。電子伝導性を有さない無機物質とは、電子伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下である無機物質という意味である。より長期的に電池の劣化を抑制する観点から、電子伝導性は１×１０－１２Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。電子伝導性を有さない無機物質の電子導電性は通常、１×１０－１８Ｓ／ｃｍ以上である。
保護層５がこのような樹脂以外の絶縁性物質から構成されるため、保護層５は、より一層、優れた耐湿性、耐環境性および耐久性を有する。詳しくは、保護層５は、樹脂（例えば高分子化合物）を含む保護層と比較して、水分およびガス（二酸化炭素）を吸着、吸収および透過し難く、かつ電池要素との接合強度が高い保護層とすることができる。その結果として、本発明の固体電池において、保護層５は、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着および吸収による膨張に基づく割れおよび脱落が起こり難く、かつ振動および衝撃などによる脱落が起こり難い。また保護層５は、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガス（二酸化炭素）を透過させ難い。これらの結果、本発明の固体電池は電池性能の低下をより一層、抑制できる。電池要素において、正極層、負極層および固体電解質層はイオン伝導性を有し、リチウムまたはナトリウムを伝導するが、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着および吸収により、電池性能が低下しやすい。樹脂（例えば高分子化合物）を含む保護層は、樹脂の存在により、水分およびガス（二酸化炭素）を吸着、吸収および透過しやすい。保護層が、水分およびガス（二酸化炭素）を吸着および吸収しやすいと、保護層の膨張に基づく割れおよび脱落が起こりやすく、また振動および衝撃などによる脱落も起こりやすい。保護層に割れおよび／または脱落が起こると、正極層、負極層および固体電解質層が水分およびガス（二酸化炭素）を吸着および吸収する。また保護層が水分およびガス（二酸化炭素）を透過させやすいと、電池要素の内部に水分およびガス（二酸化炭素）が侵入し、正極層、負極層および固体電解質層が水分およびガス（二酸化炭素）を吸着および吸収する。これらの結果、電池性能が低下する。
保護層５を構成する樹脂以外の絶縁性物質として、例えば、ガラスやセラミックスが挙げられる。ガラスとしては、石英ガラス（ＳｉＯ２）や、ＳｉＯ２とＰｂＯ，Ｂ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｂｉ２Ｏ３，Ｎａ２Ｏ，Ａｌ２Ｏ３の少なくとも１つから選ばれるものとを組合わせた複合酸化物系ガラス等が挙げられる。セラミックスとしては、アルミナ、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等が挙げられる。保護層５はこれらの物質からなる群から選択される１種以上の材料から構成されてもよい。保護層５は、電池要素１００をショートさせない限り、電子伝導性を有する材料（例えば、金属）を含んでもよい。保護層５が電子伝導性を有する材料を含む場合、電子伝導性材料の含有割合は、例えば１体積％以下であってもよい。保護層５が電子伝導性材料（例えば、金属）を含むことにより、電池反応により発生する熱を外部に円滑に逃がすことができる。
保護層５は上記した樹脂以外の絶縁性物質粒子を含む焼結体により構成されている。本発明において保護層５を構成する焼結体は、絶縁性物質粒子間に気孔を有するものの、その厚み方向（例えば、積層方向Ｌ）において、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着、吸収および透過を抑制し得る程度の緻密性を有する。
保護層５は、高分子化合物等の樹脂を含むことを厳密に許容されないわけではなく、製造時に使用される高分子化合物および／またはその熱分解物が残留していてもよい。保護層における高分子化合物およびその熱分解物等の残留物の含有量は通常、保護層全量に対して、０．１重量％以下、特に０．０１重量％以下である。なお、正極層、正極集電層、負極層、負極集電層、固体電解質層および後述の側面補強部においても、保護層においてと同様に、残留物が残留していてもよい。例えば、正極層、正極集電層、負極層、負極集電層、固体電解質層および側面補強部の各層または各部における残留物の含有量は、当該各層全量に対する値として、保護層における残留物の含有量範囲と同様の範囲内であってもよい。
保護層５の気孔率は例えば、０．１体積％以上２０体積％以下、特に１体積％以上１０体積％以下であってよい。気孔率は重量気孔率法、ＣＴスキャンを用いた計算トモグラフィー法、液浸法などによって測定された値を用いている。
保護層５の厚み方向の酸素透過性は例えば、１０－１ｃｃ／ｍ２／ｄａｙ／気圧 以下、特に１０－３ｃｃ／ｍ２／ｄａｙ／気圧 以下であってよい。
保護層５の厚み方向のＨ２Ｏ透過性は例えば、１０－２ｇ／ｍ２／ｄａｙ 以下、特に１０－４ｇ／ｍ２／ｄａｙ 以下であってよい。Ｈ２Ｏ透過性はキャリアガス法、着圧法、Ｃａ腐食法によって２５℃で測定された値を用いている。
保護層５は、電池性能の低下をより一層、抑制する観点から、最も厚い部分の厚みが５００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下、最も好ましくは２０μｍ以下である。保護層５は、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着、吸収および透過等による電池性能の低下をより一層、抑制する観点から、平均厚みが１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以上である。
保護層５の最も厚い部分の厚みおよび平均厚みはそれぞれ、任意の１００箇所における厚みについての最大厚みおよび平均厚みを用いている。
保護層５は電池要素１００の上下面を覆っている。保護層５は、当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面と図１Ａおよび図２～図６に示すように直接的に接していてもよいし、または他の層（例えば、無機物層または金属層）を介して間接的に接していてもよい。保護層５が電池要素の上下面と直接的に接しているとは、保護層５が、上記他の層も、樹脂層も、液体電解質も、電池要素との間に介在することなく、電池要素の上下面と直接的に接しているという意味である。本発明においては、保護層５は、以下の理由（１）および（２）から、当該保護層５により覆われている電池要素１００の表面と直接的に接していることが好ましい：
理由（１）：固体電池に強い振動および／または衝撃が加わった際も保護層５はより一層、脱落し難く、保護層の脱落に伴う電池性能の低下がより一層、生じ難い；および
理由（２）：電池機能を奏さない他の層が存在しないことで、固体電池の体積が低減されるため、電池のエネルギー密度が向上する。
保護層５は当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面と焼結体同士の一体焼結をなしていることが好ましい。保護層５が当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面と焼結体同士の一体焼結をなしているとは、保護層５が当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面と焼結により接合されているという意味である。詳しくは、保護層５と、当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面とは、いずれも焼結体でありながら、一体的に焼結されている。例えば、保護層５および電池要素１００は一体焼結された構成を採っていることが好ましい。なお、保護層５と当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面との間において厳密に全部が一体化されていなければならないというわけではなく、一部分が一体化されていなくてもよい。保護層５と当該保護層５により覆われている電池要素１００の上下面とは全体として一体化されていればよい。
保護層５により覆われている電池要素１００の上下面は通常、電池要素１００の最外層の表面である。電池要素１００の最外層とは、電池要素を構成する層１００のうち、最上に配置される最上層と最下に配置される最下層のことである。最外層の表面は最上層の上面および最下層の下面のことである。
図１Ａおよび図２～図３に示すように、正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有する場合、保護層５によって覆われる最外層は通常、正極集電層１１および負極集電層２１から選択される。図１Ａおよび図２において、保護層５によって覆われる最外層は最上層としての正極集電層１１および最下層としての負極集電層２１である。図３において、保護層５によって覆われる最外層は最上層としての正極集電層１１および最下層としての正極集電層１１である。
図４～図６に示すように、正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層および負極集電層を有さない場合、保護層５によって覆われる最外層は通常、正極層１および負極層２から選択される。図４および図５において、保護層５によって覆われる最外層は最上層としての正極層１および最下層としての負極層２である。図６において、保護層５によって覆われる最外層は最上層としての正極層１および最下層としての正極層１である。
保護層５は、断面視において、電池要素１００よりもせり出していることが好ましい。保護層５が、断面視において、電池要素１００よりもせり出しているとは、保護層５（特にその端部）が、図１Ａおよび図２～図６に示すように、断面視において積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍで外側ｍ２に、電池要素１００（特にその端部）よりも突出しているという意味である。このような保護層５のせり出しは通常、図１Ｂに示すように、平面視において、保護層５の全周端部において形成される。保護層５において、特に電池要素１００からせり出している部分を「せり出し部５１」と称している。詳しくは、保護層５は、上下面ともに、せり出し部５１を有しており、すなわち電池要素１００の上面を覆っている保護層５は上面せり出し部を有し、電池要素１００の下面を覆っている保護層５は下面せり出し部を有している。図１Ｂは、図１Ａに示す本発明の固体電池を示す模式的平面図である。図１Ｂにおいて、電池要素１００は平面視において当該電池要素１００を構成する各層の重なり部が示されており、従って、例えば、正極集電層１１および負極集電層２１それぞれの電気的接続部１１ａおよび２１ａは省略されている。積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍとは、積層方向Ｌに対する垂直な面内において当該固体電池を基準としたあらゆる方向を意味する。そのような面内方向Ｍの外側ｍ２とは、当該面内方向Ｍにおいて、当該固体電池からみたときの外側ｍ２であり、当該外側方向ｍ２の反対方向が内側方向ｍ１である。保護層５が、断面視において、電池要素１００よりもせり出していることにより、電池要素１００が、電池構成単位１００を構成する各層の積層方向Ｌに対して垂直な面内方向Ｍについて外側に体積膨張を起こしても、当該体積膨張を、電池要素１００の上下面にある保護層５のせり出し部５１間に収めることができる。このため、当該方向Ｍで隣接する固体電池との接触および短絡を十分に防止することができる。
保護層５のせり出し長（すなわち、せり出し部５１のせり出し長）ｎ（ｎ１およびｎ２を包含する）（ｍｍ）は、体積膨張を収めることができる限り特に限定されず、例えば、当該せり出し方向の全長Ｎ（Ｎ１およびＮ２を包含する）（ｍｍ）に対して、０．００００１×Ｎ以上、０．１×Ｎ以下、特に０．０００１×Ｎ以上、０．０１×Ｎ以下であってもよい。
（側面補強部）
本発明の固体電池は、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着、吸収および透過等による電池性能の低下をより一層、抑制する観点から、図１Ａおよび図２～図６に示すように、電池要素１００の側面、すなわち電池要素１００を構成する層からなる積層体の側面に、側面補強部６を有することが好ましい。例えば、上記したように保護層５が断面視において電池要素１００よりもせり出している場合、本発明の固体電池２００Ａ～２００Ｆは、図１Ａおよび図２～図６に示すように、電池要素１００の上面を覆っている保護層５のせり出し部５１（上面せり出し部）と、電池要素１００の下面を覆っている保護層５のせり出し部５１（下面せり出し部）との間において、電池要素１００の側面を覆って補強する側面補強部６を有することが好ましい。側面補強部６は電池要素１００の側面を、電池要素の上面（すなわち当該上面の高さ）から下面（すなわち当該下面の高さ）まで覆っている。なお、電池要素１００の側面は、固体電池の模式的断面図（例えば、図１Ａおよび図２～図６）の紙面において、電池要素の右側側面および左側側面だけでなく、当該紙面に対して手前側面および奥手側面も包含する。
側面補強部６は、固体電解質粒子を含む焼結体により構成されていてもよいし、樹脂以外の絶縁性物質粒子を含む焼結体により構成されていてもよいし、またはそれらの混合粒子を含む焼結体により構成されていてもよい。側面補強部６がこのような焼結体により構成されるため、側面補強部６は、より一層、優れた耐湿性、耐環境性および耐久性を有する。詳しくは、側面補強部６は、水分およびガス（二酸化炭素）を相対的に吸着、吸収および透過し難く、かつ電池要素との接合強度が高い側面補強部６とすることができる。その結果として、本発明の固体電池において、側面補強部６は相対的に、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着および吸収による膨張に基づく割れおよび脱落が起こり難く、かつ振動および衝撃などによる脱落が起こり難い。また側面補強部６は相対的に、水分およびガス（二酸化炭素）を透過させ難い。これらの結果、本発明の固体電池は電池性能の低下をより一層、抑制できる。このような固体電池の電池性能に関する低下のより一層の抑制の観点からは、側面補強部６は、樹脂以外の絶縁性物質粒子を含む焼結体により構成されていることが好ましい。
側面補強部６を構成し得る樹脂以外の絶縁性物質は独立して、保護層に含まれ得る樹脂以外の絶縁性物質と同様の材料から選択されてよい。
側面補強部６の厚みは特に限定されず、保護層５がせり出し部５１を有する場合、当該せり出し部５１のせり出し長以下である。側面補強部６の厚みは、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着、吸収および透過等による電池性能の低下をより一層、抑制する観点から、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下、特に５μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。なお、側面補強部６の厚みは、積層方向Ｌに対する垂直な面内方向Ｍでの厚みのことである。
側面補強部６は電池要素１００の側面と焼結体同士の一体焼結をなしていることが好ましい。側面補強部６が電池要素１００の側面と焼結体同士の一体焼結をなしているとは、側面補強部６が電池要素１００の側面と焼結により接合されているという意味である。詳しくは、側面補強部６と、電池要素１００の側面とは、いずれも焼結体でありながら、一体的に焼結されている。例えば、側面補強部６および電池要素１００は一体焼結された構成を採っていることが好ましい。なお、側面補強部６と当該側面補強部６により覆われている電池要素１００の側面との間において厳密に全部が一体化されていなければならないというわけではなく、一部分が一体化されていなくてもよい。側面補強部６と当該側面補強部６により覆われている電池要素１００の側面とは全体として一体化されていればよい。
側面補強部６の外周面６１は、断面視において、積層方向Ｌに垂直な面内方向Ｍで内側ｍ１に、湾曲していることが好ましい。湾曲とは、連続的に曲がっていること、または漸次的に窪んでいることである。側面補強部６の外周面６１が、断面視において、積層方向Ｌに垂直な面内方向Ｍで内側ｍ１に、湾曲しているとは、図７～図１１に示すように、当該断面視において側面補強部６の外周面６１は、積層方向Ｌについて上方に進むに従って、漸次的に電池要素１００の側面に接近した後、漸次的に当該側面から遠ざかることである。換言すると、湾曲の深さは、積層方向Ｌについて上方に進むに従って、漸次的に減少した後、漸次的に増加する。図７は、電池要素において単電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図７の固体電池は、側面補強部６が外周面６１に湾曲を有すること以外、図１Ａの固体電池と同様である。図８は、電池要素において直列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図８の固体電池は、側面補強部６が外周面６１に湾曲を有すること以外、図２の固体電池と同様である。図９および図１０は、電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。図９および図１０の固体電池は、側面補強部６が外周面６１に湾曲を有すること以外、図３の固体電池と同様である。図１１は、電池要素において並列型複電池構造を有する本発明の固体電池の別の一例を示す模式的断面図である。なお、図１１の固体電池は、４つの電池構成単位１０を含む並列型複電池構造を有する。
側面補強部６の外周面６１における湾曲は、平面視において、側面補強部６の全周にわたって形成されていてもよい。
湾曲の深さは、固体電池の形状が保持できる限り特に限定されない。湾曲の最大深さｄは通常、せり出し部５１のせり出し長ｎ（ｍｍ）について、０．０１×ｎ以上、０．８×ｎ以下、特に０．１×ｎ以上、０．５×ｎ以下である。湾曲の最大深さｄは、例えば、５０μｍ以下、特に１μｍ以上５０μｍ以上であってもよい。
断面視における積層方向Ｌに対する垂直な面内方向Ｍにおける片側あたりの湾曲の数は、電池要素１００を構成する各層の体積変化（例えば、焼結による体積変化）に応じて、１つまたはそれ以上（例えば、１つ以上３つ以下）であってもよい。片側とは、断面視における左右方向の片側という意味である。例えば、図７、図８、図１０および図１１に示す固体電池のように、断面視における左右方向の片側あたりの湾曲の数は１つであってもよい。また例えば、図９に示す固体電池のように、断面視における左側の湾曲の数は１つであって、右側の湾曲の数は２つであってもよい。図９に示す固体電池における右側の湾曲の数が２つになるのは、例えば、焼結時において負極集電層２１の体積収縮の程度が他の層よりも小さいことに起因する。
側面補強部６は、保護層５の気孔率と同様の範囲内の気孔率を有することが好ましい。
側面補強部６は、保護層５の厚み方向の透気度と同様の範囲内の厚み方向の透気度を有することが好ましい。
本発明においては、電気的接続部１１ａ、２１ａ、１ａおよび２ａの少なくとも一部は保護層５によっても側面補強部６によっても覆わず、電気的接続部に露出部を設ける。
例えば、図１Ａ、図２～図３および図７～図１１に示すように、正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層１１および負極集電層２１を有する場合、正極集電層１１および負極集電層２１の電気的接続部１１ａおよび２１ａの少なくとも一部は保護層５によっても側面補強部６によっても覆わず、当該電気的接続部に露出部１１ｂおよび２１ｂを設ける。露出部１１ｂおよび２１ｂとは、それぞれ正極集電層１１および負極集電層２１が露出している部分という意味である。このとき、電池性能の低下をより長期的に抑制する観点から、電池要素１００を構成する正極層１、正極集電層１１、負極層２、負極集電層２１および固体電解質層３は、露出部１１ｂおよび２１ｂ以外、保護層５または側面補強部６の外側に露出していないことが好ましい。換言すると、電池要素１００の外側表面のうち、露出部１１ｂおよび２１ｂ以外の全面は、保護層５または側面補強部６により覆われていることが好ましい。図１Ａ、図２～図３および図７～図１１において、全ての露出部１１ｂおよび２１ｂは、電池要素１００（または固体電池）の側面に形成されているが、これに限定されない。例えば、最外層としての正極集電層１１および負極集電層２１における電気的接続部１１ａおよび２１ａの露出部１１ｂおよび２１ｂは電池要素１００（または固体電池）の上面または下面に設けてもよい。
また例えば、図４～図６に示すように、正極層１および負極層２がそれぞれ正極集電層および負極集電層を有さない場合、正極層１および負極層２の電気的接続部１ａおよび２ａの少なくとも一部は保護層５によっても側面補強部６によっても覆わず、当該電気的接続部に露出部１ｂおよび２ｂを設ける。露出部１ｂおよび２ｂとは、それぞれ正極層１および負極層２が露出している部分という意味である。このとき、電池性能の低下をより長期的に抑制する観点から、電池要素１００を構成する正極層１、負極層２および固体電解質層３は、露出部１ｂおよび２ｂ以外、保護層５または側面補強部６の外側に露出していないことが好ましい。換言すると、電池要素１００の外側表面のうち、露出部１ｂおよび２ｂ以外の全面は保護層５または側面補強部６により覆われていることが好ましい。図４～図６において、全ての露出部１ｂおよび２ｂは、電池要素１００（または固体電池）の側面に形成されているが、これに限定されない。例えば、最外層としての正極層１および負極層２における電気的接続部１ａおよび２ａの露出部１ｂおよび２ｂは電池要素１００（または固体電池）の上面または下面に設けてもよい。
（接続層）
本発明の固体電池が、図２および図５に示すように、電池要素１００において直列型複電池構造を有する場合、当該固体電池２００Ｂ、２００Ｅは電池構成単位１０間において接続層７を有していてもよい。接続層７は、正極層１と負極層２との接続を達成するとともに、これらの電気的短絡を防止する。
接続層７は、樹脂以外の絶縁性物質粒子を含む焼結体により構成されていてもよい。
接続層７を構成し得る樹脂以外の絶縁性物質は独立して、保護層に含まれ得る樹脂以外の絶縁性物質と同様の材料から選択されてよい。
接続層７の厚みは特に限定されず、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下、特に１μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
接続層７は隣接する層（例えば、正極層１および／または負極層２）と焼結体同士の一体焼結をなしていることが好ましい。接続層７が隣接する層と焼結体同士の一体焼結をなしているとは、接続層７が隣接する層と焼結により接合されているという意味である。詳しくは、接続層７と、隣接する層とは、いずれも焼結体でありながら、一体的に焼結されている。例えば、接続層７は電池要素１００を構成する他の全ての層とともに一体焼結された構成を採っていることが好ましい。なお、接続層７と隣接する層との間において厳密に全部が一体化されていなければならないというわけではなく、一部分が一体化されていなくてもよい。接続層７と隣接する層とは全体として一体化されていればよい。
［固体電池群］
本発明の固体電池群は２つ以上の固体電池を含む。本発明の固体電池群は、１つ以上の上記した本発明の固体電池を含み、電池性能の低下をより一層、長期的に抑制する観点から、２つ以上の本発明の固体電池のみを含むことが好ましい。すなわち、本発明の固体電池群は２つ以上の本発明の固体電池のみから構成されることが好ましい。
本発明の固体電池群が２つ以上の本発明の固体電池のみから構成される場合、当該２つ以上の本発明の固体電池は、それぞれ独立して、上記した本発明の固体電池からなる群から選択されればよい。詳しくは、当該２つ以上の本発明の固体電池は、例えば、以下の群から選択される少なくとも１つの因子が相互に異なっていてもよいし、またはこれらの因子が全て同じであってもよい：
・固体電池の電池要素１００に含まれる電池構成単位１０の数、ならびに正極層１（および正極集電層１１）、負極層２（および負極集電層２１）、固体電解質層３、保護層５および側面補強部６（ならびに接続層７）における構成材料の種類および寸法からなる群。
なお、本発明の固体電池群を構成する全ての固体電池は、電池反応の均一化に基づいて電池性能の低下をより一層、長期的に抑制する観点から、同じ（または共通の）電池構成単位１０を有することが好ましい。全ての固体電池が同じ（または共通の）電池構成単位１０を有するとは、全ての固体電池において、正極層１（および正極集電層１１）、負極層２（および負極集電層２１）および固体電解質層の構成材料の種類および寸法が同じであることを意味する。
本発明の固体電池群は、ユーザーが要求する固体電池群のスペック（例えば電池容量）に容易に応え、かつ／または電池性能の低下をより一層、長期的に抑制する観点から、上記した全ての因子が同じ２つ以上の本発明の固体電池のみから構成されるか、または以下の群から選択される少なくとも１つの因子が相互に異なる２つ以上の本発明の固体電池のみから構成されることが好ましい。
・固体電池の電池要素１００に含まれる電池構成単位１０の数、および保護層における構成材料の種類からなる群。
電池要素１００に含まれる電池構成単位１０の数が異なる２つ以上の固体電池を選択することにより、ユーザーが要求する固体電池群の電池容量により一層、容易に応えることができる。
保護層の構成材料として比重が異なる構成材料を用いた２つ以上の固体電池を選択することにより電池の重心を制御し、基板などからの脱落を抑制することができ、電池性能の低下がより一層、長期的に抑制される。
このような好ましい本発明の固体電池群の実施態様を以下に例示する。
例えば、図１２の固体電池群５００Ａは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部の固体電池は図７の固体電池２００Ｇに相当し、下部の固体電池は、上部の固体電池２００Ｇの保護層５と構成材料が異なる２つの保護層５'を有する固体電池２００Ｇ'に相当する。図１２は、本発明の第１実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。なお、保護層５'は、実際に使用された構成材料が保護層５と異なることを示しており、上記した保護層５に包含されるものである。なお、保護層５'は、実際に使用された構成材料が保護層５と異なることを示しており、上記した保護層５に包含されるものである。図１２において、２つの固体電池は、単電池構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ａは、当該単電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
本発明の固体電池群に含まれる固体電池の数は特に限定されず、例えば、２個以上、特に２個以上１００個以下であってもよく、好ましくは２個以上５０個以下である。固体電池群を構成する２個以上の固体電池の接続は、図１２において並列接続に基づいているが、直列接続に基づいていてもよい。
本発明の固体電池群においては、当該固体電池群を構成する２つ以上（好ましくは全て）の固体電池のうち、隣接する２つの固体電池は保護層を介して焼結体同士の一体焼結をなしていることが好ましく、全ての隣接する２つの固体電池は保護層を介して焼結体同士の一体焼結をなしていることがより好ましい。これにより、固体電池群に強い振動や衝撃が加わった際も、固体電池同士の分離がし難く、分離に伴う電池性能の低下が生じ難い。また、隣接する２つの固体電池間に保護層が介在しないものに比べて、電池性能の低下がより一層、抑制できる。このメカニズムの詳細は不明であるが、以下のメカニズムに基づくものと考えられる。隣接する２つの固体電池間に保護層が介在しない場合、電池反応（充放電反応）に伴う正極層および負極層の体積膨張により生じる応力は、たとえ局所的であっても、隣接する２つの固体電池間で伝達され易い。このような応力は、保護層の介在により、分散され、隣接する２つの固体電池間で伝達され難くなるため、電池性能の低下がより一層、抑制できる。
隣接する２つの固体電池が保護層を介して焼結体同士の一体焼結をなしているとは、隣接する２つの固体電池は保護層を介して焼結によって接合されているという意味である。詳しくは、隣接する２つの固体電池はいずれも焼結体でありながら、一体的に焼結されている。より詳しくは、各固体電池内において保護層と電池要素とが焼結体同士の一体焼結（接合）をなしながらも、一方の固体電池の保護層と、他方の固体電池の保護層とが焼結体同士の一体焼結（接合）をなしている。なお、各固体電池内における保護層と電池要素との間、および一方の固体電池の保護層と他方の固体電池の保護層との間において厳密に全部が一体化されていなければならないというわけではなく、一部分が一体化されていなくてもよい。各固体電池内における保護層と電池要素とは全体として一体化されていればよい。一方の固体電池の保護層と他方の固体電池の保護層とは全体として一体化されていればよい。
本発明の固体電池群においては、当該固体電池群を構成する全ての固体電池は、図１２に示すように各電池構成単位を構成する各層の積層方向Ｌに沿って積層されていてもよい。本発明の固体電池群を構成する少なくとも一部の固体電池は、積層方向Ｌに対する垂直方向Ｍに配置されてもよい。積層方向Ｌで隣接する２つの固体電池間でも、積層方向Ｌに対する垂直方向Ｍで隣接する２つの固体電池間でも、保護層を介した焼結体同士の接合を達成することができる。
図１２に示す本発明の固体電池群では、隣接する２つの固体電池間に２層の保護層（すなわち一方の固体電池の保護層と他方の固体電池の保護層）が介在しているが、当該２層の保護層を単一化し、当該２つの固体電池にとって１つの保護層を共有することもできる。例えば図１３～図２１に示すように、隣接する２つの固体電池間において、１層のみの保護層が介在していてもよい。本発明の固体電池群ではまた、特定の隣接する２つの固体電池間に２層の保護層が介在しつつ、また別の隣接する２つの固体電池間では１層のみの保護層が介在していてもよい。本発明の固体電池群においては、図１３～図２１に示すように、隣接する２つの固体電池間における２層の保護層の単一化を図ることにより、固体電池群のエネルギー密度をより一層、向上させることができる。しかも、上記したように、隣接する２つの固体電池間において、固体電池同士の分離が抑制されるだけでなく、正極層および負極層の体積膨張により生じる応力の分散による伝達が抑制されるため、電池性能の低下がより一層、抑制できる。本発明の固体電池群において隣接する２つの固体電池間に２層の保護層が介在している場合、介在する保護層の形態を「２層形態」と称する。他方、本発明の固体電池群において隣接する２つの固体電池間に１層のみの保護層が介在している場合、介在する保護層の形態を「単一形態」と称する。
以下、本発明の固体電池群の好ましい実施態様について説明する。
例えば、図１３の固体電池群５００Ｂは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部および下部の固体電池はともに図７の固体電池２００Ｇに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図１３は本発明の第２実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１３において、２つの固体電池は、単電池構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｂは、当該単電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１４の固体電池群５００Ｃは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部および下部の固体電池はともに図７の固体電池２００Ｇに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されており、かつ当該２つの固体電池間の保護層が上部および下部の固体電池２００Ｇの保護層５と構成材料が異なる保護層５'である。図１４は本発明の第３実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１４において、２つの固体電池は、単電池構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｃは、当該単電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１５の固体電池群５００Ｄは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部の固体電池は図７の固体電池２００Ｇに相当し、下部の固体電池は図９の固体電池２００Ｉに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図１５は、本発明の第４実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１５において、２つの固体電池は、単電池構造の固体電池と並列型複電池構造の固体電池であって、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｄは、上記の固体電池のうちの一方の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１６の固体電池群５００Ｅは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部および下部の固体電池はともに図９の固体電池２００Ｉに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図１６は、本発明の第５実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１６において、２つの固体電池は、並列型複電池構造の固体電池であって、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｅは、当該並列型複電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１７の固体電池群５００Ｆは３つの本発明の固体電池のみを含み、当該３つの固体電池はともに図９の固体電池２００Ｉに相当しながらも、全ての隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図１７は、本発明の第６実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１７において、３つの固体電池は、並列型複電池構造の固体電池であって、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｆは、当該並列型複電池構造の固体電池１つ、または図１６の固体電池群５００Ｅ１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１８の固体電池群５００Ｇは４つの本発明の固体電池のみを含み、当該４つの固体電池はともに後述の固体電池２００Ｉ'に相当しながらも、全ての隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。固体電池２００Ｉ'は、負極層２が負極集電層２１を有さないこと、および負極層２が電気的接続部２ａおよび露出部２ｂを有すること以外、図９の固体電池２００Ｉと同様である。図１８は、本発明の第７実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。なお、図１８の各固体電池２００Ｉ'において、負極層２は便宜上、１層として示されている。図１８において、４つの固体電池は、並列型複電池構造の固体電池であって、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｇは、当該並列型複電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図１９の固体電池群５００Ｈは２つの本発明の固体電池のみを含み、当該２つの固体電池はともに図１１の固体電池２００Ｋに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図１９は、本発明の第８実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図１９において、２つの固体電池は、並列型複電池構造の固体電池であって、かつ並列接続になるように接続されている。これにより、固体電池群５００Ｈは、当該並列型複電池構造の固体電池１つと比較して、電池電圧を変えずに、容量を大きくすることができる。
また例えば、図２０の固体電池群５００Ｉは２つの本発明の固体電池のみを含み、上部および下部の固体電池はともに図８の固体電池２００Ｈに相当しながらも、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図２０は、本発明の第９実施態様に係る固体電池群の模式的断面図を示す。図２０において、隣接する２つの固体電池は、直列型構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている。このような隣接する２つの固体電池は、図２０に示すように、正極層、負極層および固体電解質層等の積層順序が相互に揃うように配置され得る。積層順序が相互に揃うとは、隣接する２つの固体電池において、積層順序が同じという意味である。これにより、当該固体電池間にある保護層５の上下の両側の電極を異なる電極（図２０中では保護層５の上側が負極（２，２１）、下側が正極（１，１１））に設定することができる。このため、固体電池群５００Ｉは、保護層５の両側において充放電時の体積膨張および収縮を相互に吸収することができ、電池の劣化をより一層、抑制することができる。
また例えば、図２１の固体電池群５００Ｊは２つの本発明の固体電池のみを含み、当該２つの固体電池はともに固体電池２００Ｈに相当しながらも、下部の固体電池２００Ｈ'は積層方向Ｌで上下が、上部の固体電池２００Ｈとは逆に設置されており、隣接する２つの固体電池間において保護層が単一化されている。図２１において、隣接する２つの固体電池は、直列型構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている。このような隣接する２つの固体電池は、図２１に示すように、正極層、負極層および固体電解質層等の積層順序が相互に逆になるように配置され得る。積層順序が相互に逆になるとは、隣接する２つの固体電池において、積層順序が逆の順序という意味である。これにより、当該固体電池間にある保護層５の上下の両側の電極を同一の電極（図２１中では負極（２，２１））に設定することができる。このため、固体電池群５００Ｊにおいて、電気的接続部（２１ａ）の位置が集中し、電気的接続部から電池要素１００内への水分等の侵入を抑制することができ、電池の劣化をより一層、抑制することができる。実用上において外部端子と接続するとき、接続不良のリスクを減らすことができる。
［固体電池の製造方法］
本発明の固体電池は、スクリーン印刷法等の印刷法、グリーンシートを用いるグリーンシート法、またはそれらの複合法により製造することができる。以下、印刷法を採用する場合について詳しく説明するが、当該方法に限定されないことは明らかである。
本発明の固体電池の製造方法は、
未焼成積層体を印刷法により形成する工程；および
未焼成積層体を焼成する工程
を含む。
（未焼成積層体の形成工程）
本工程では、正極層用ペースト、負極層用ペースト、正極集電層用ペースト、負極集電層用ペースト、固体電解質層用ペースト、保護層用ペースト、側面補強部用ペースト、湾曲部用ペーストおよび接続層用ペースト等の数種類のペーストをインクとして用いて、基材上に、所定構造の未焼成積層体を印刷法により形成する。なお、湾曲部用ペーストは、焼結により焼失する層を形成するためのペーストであり、湾曲部における窪みを形成する。
ペーストは、正極活物質、負極活物質、電子伝導性材料、固体電解質材料、絶縁性物質、および焼結助剤からなる群から選択される各層の所定の構成材料と、有機材料を溶剤に溶解した有機ビヒクルとを湿式混合することによって作製することができる。
例えば、正極層用ペーストは正極活物質、電子伝導性材料、固体電解質材料、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、負極層用ペーストは、負極活物質、電子伝導性材料、固体電解質材料、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、正極集電層用ペーストおよび負極集電層用ペーストは電子伝導性材料、焼結助剤、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、固体電解質層用ペーストは固体電解質材料、焼結助剤、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、保護層用ペーストは絶縁性物質、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、側面補強部用ペーストは固体電解質材料（および／または絶縁性物質）、焼結助剤、有機材料および溶剤を含む。
また例えば、湾曲部用ペーストは有機材料および溶剤を含む。
また例えば、接続層用ペーストは固体電解質材料（および／または絶縁性物質）、焼結助剤、有機材料および溶剤を含む。
ペーストに含まれる有機材料は特に限定されないが、ポリビニルアセタール樹脂、セルロース樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂などの高分子化合物を用いることができる。
溶剤は上記有機材料を溶解可能な限り特に限定されず、例えば、トルエン、エタノールなどを用いることができる。
湿式混合ではメディアを用いることができ、具体的には、ボールミル法、ビスコミル法等を用いることができる。一方、メディアを用いない湿式混合方法を用いてもよく、サンドミル法、高圧ホモジナイザー法、ニーダー分散法等を用いることができる。
基材は、未焼成積層体を支持可能な限り特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の高分子材を用いることができる。なお、未焼成積層体を基材上に保持したまま焼成工程に供する場合には、基材は焼成温度に対する耐熱性を有するものを使用する。
印刷に際しては、所定の厚みおよびパターン形状で印刷層を順次、積層し、所定の固体電池の構造に対応する未焼成積層体を基材上に形成する。詳しくは、図１Ａの固体電池２００Ａを製造する場合、例えば図２２に示すような厚みおよびパターン形状で複数の印刷層を順次、積層する。各印刷層の形成に際しては、乾燥処理（すなわち、溶剤の蒸発処理）が行われる。図２２は、本発明の固体電池の製造方法の一例を説明するための未焼成積層体の形成工程のフロー図である。図２２において基材は省略されている。なお、側面補強部が湾曲部を有する場合、湾曲部における窪みに対応する部分に湾曲部用ペーストによる印刷層を形成すればよい。この場合、各印刷層の厚みを低減して積層を行うことにより、湾曲深さの漸次的な増減を形成することができる。
未焼成積層体を形成した後は、未焼成積層体を基材から剥離して、焼成工程に供してもよいし、または未焼成積層体を基材上に保持したまま焼成工程に供してもよい。
（焼成工程）
未焼成積層体を焼成に付す。焼成は、酸素ガスを含む窒素ガス雰囲気中で、例えば５００℃にて有機材料を除去した後、窒素ガス雰囲気中で例えば５５０℃～１０００℃で加熱することで実施する。焼成は通常、積層方向Ｌ（場合によっては積層方向Ｌおよび当該積層方向Ｌに対する垂直方向Ｍ）で未焼成積層体を加圧しながら行ってもよい。加圧力は特に限定されず、例えば、１ｋｇ／ｃｍ２以上１０００ｋｇ／ｃｍ２以下、特に５ｋｇ／ｃｍ２以上５００ｋｇ／ｃｍ２以下であってよい。
［固体電池群の製造方法］
本発明の固体電池群は、未焼成積層体の形成工程において、所定の固体電池群の構造に対応する未焼成積層体を形成すること以外、上記した本発明の固体電池の製造方法と同様の方法により製造することができる。
本発明の固体電池群は、別法として、所定の固体電池群の構造に対応する未焼成積層体を２つ以上に分割して形成し、それらを組み合わせて用いることにより、製造することもできる。例えば、図１２の固体電池群５００Ａを製造する場合、上記した未焼成積層体の形成工程において、固体電池２００Ｇの構造に対応する未焼成積層体と、固体電池２００Ｇ'の構造に対応する未焼成積層体との２つの未焼成積層体を個別に形成する。次いで、焼成工程に付す前に、２つの未焼成積層体を組み合わせて用いる。詳しくは、２つの未焼成積層体を、所定の固体電池群の構造に対応するように、積層または配置して、組み立てる。得られた積層体集合物を、上記した焼成工程に付す。
このように、所定の固体電池群の構造に対応する未焼成積層体を２つ以上に分割して形成し、それらを組み合わせて用いることにより、ユーザーが要求する固体電池群のスペック（例えば電池容量）に容易に応えることができるだけでなく、固体電池群を容易に製造（または加工）することができる。
本発明の一実施形態に係る固体電池は、蓄電が想定される様々な分野に利用することができる。あくまでも例示にすぎないが、本発明の一実施形態に係る固体電池は、モバイル機器などが使用される電気・情報・通信分野（例えば、携帯電話、スマートフォン、スマートウォッチ、ノートパソコンおよびデジタルカメラ、活動量計、アームコンピューター、電子ペーパーなどのモバイル機器分野）、家庭・小型産業用途（例えば、電動工具、ゴルフカート、家庭用・介護用・産業用ロボットの分野）、大型産業用途（例えば、フォークリフト、エレベーター、湾港クレーンの分野）、交通システム分野（例えば、ハイブリッド車、電気自動車、バス、電車、電動アシスト自転車、電動二輪車などの分野）、電力系統用途（例えば、各種発電、ロードコンディショナー、スマートグリッド、一般家庭設置型蓄電システムなどの分野）、医療用途（イヤホン補聴器などの医療用機器分野）、医薬用途（服用管理システムなどの分野）、ならびに、ＩｏＴ分野、宇宙・深海用途（例えば、宇宙探査機、潜水調査船などの分野）などに利用することができる。
１：正極層
１ａ：正極層の電気的接続部
１ｂ：正極層の露出部
２：負極層
２ａ：負極層の電気的接続部
２ｂ：負極層の露出部
３：固体電解質層
５：保護層
６：側面補強部
７：接続層
１０：電池構成単位
１１：正極集電層
１１ａ：正極集電層の電気的接続部
１１ｂ：正極集電層の露出部
２１：負極集電層
２１ａ：負極集電層の電気的接続部
２１ｂ：負極集電層の露出部
１００：電池要素
２００（２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ、２００Ｆ、２００Ｇ、２００Ｈ、２００Ｉ、２００Ｊ、２００Ｋ、２００Ｇ'、２００Ｈ'、２００Ｉ'）：固体電池
５００（５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｄ、５００Ｅ、５００Ｆ、５００Ｇ、５００Ｈ、５００Ｉ、５００Ｊ）：固体電池群

Claims (17)

  1. 相互に対向する正極層および負極層ならびに前記正極層と前記負極層の間に配置される固体電解質層を含む電池構成単位を１つ以上備えた電池要素と、
    該電池要素の上下面を覆っている保護層とを備え、
    前記保護層は樹脂以外の絶縁性物質からなることを特徴とする、固体電池。
  2. 前記保護層は、断面視において、前記電池要素よりもせり出しているせり出し部を有する、請求項１に記載の固体電池。
  3. 前記保護層は、前記上下面ともに、前記せり出し部を有し、
    前記固体電池は、前記上面せり出し部と前記下面せり出し部との間において、前記電池要素の側面を補強する側面補強部を有し、
    前記側面補強部は外周面が、断面視において、前記電池構成単位を構成する各層の積層方向Ｌに垂直な面内方向Ｍで内側ｍ１に、湾曲している、請求項２に記載の固体電池。
  4. 前記側面補強部は、該側面補強部により覆われている前記電池要素の側面と焼結体同士の一体焼結をなしている、請求項３に記載の固体電池。
  5. 前記保護層は、該保護層により覆われている前記電池要素の上下面と焼結体同士の一体焼結をなしている、請求項１～４のいずれかに記載の固体電池。
  6. 前記保護層は、該保護層により覆われている前記電池要素の上下面と接している、請求項１～５のいずれかに記載の固体電池。
  7. 前記電池要素を構成する全ての層は、隣接する２つの層間で、焼結体同士の接合をなしている、請求項１～６のいずれかに記載の固体電池。
  8. 前記樹脂以外の絶縁性物質は絶縁性無機物質である、請求項１～７のいずれかに記載の固体電池。
  9. 前記絶縁性無機物質は、石英ガラス、ＳｉＯ２とＰｂＯ，Ｂ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＺｎＯ，Ｂｉ２Ｏ３，Ｎａ２Ｏ，Ａｌ２Ｏ３の少なくとも１つから選ばれるものとを組合わせた複合酸化物系ガラス、アルミナ、コージライト、ムライト、ステアタイト、およびフォルステライトからなる群から選択される１種以上の材料から構成されている、請求項８に記載の固体電池。
  10. 前記保護層はイオン伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下である絶縁性物質から構成されている、請求項１～９のいずれかに記載の固体電池。
  11. 前記保護層は電子伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下である絶縁性物質から構成されている、請求項１～１０のいずれかに記載の固体電池。
  12. 前記保護層の最も厚い部分の厚みが５００μｍ以下である、請求項１～１１のいずれかに記載の固体電池。
  13. 請求項１～１２のいずれかに記載の固体電池を２つ以上含む固体電池群であって、
    前記２つ以上の固体電池のうち、前記電池構成単位を構成する各層の積層方向Ｌにおいて隣接する２つの固体電池は前記保護層を介して焼結体同士の接合をなしている、固体電池群。
  14. 前記隣接する２つの固体電池は、それぞれ並列型構造を有し、かつ並列接続になるように接続されている、請求項１３に記載の固体電池群。
  15. 前記隣接する２つの固体電池は、それぞれ直列型構造を有し、かつ並列接続になるように接続されており、
    前記隣接する２つの固体電池は、正極層、負極層および固体電解質層の積層順序が相互に揃うように配置されている、請求項１３に記載の固体電池群。
  16. 前記隣接する２つの固体電池は、それぞれ直列型構造を有し、かつ並列接続になるように接続されており、
    前記隣接する２つの固体電池は、正極層、負極層および固体電解質層の積層順序が相互に逆になるように配置されている、請求項１３に記載の固体電池群。
  17. 前記隣接する２つの固体電池間に介在する前記保護層は単一層形態または２層形態を有する、請求項１３～１６のいずれかに記載の固体電池群。
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