JP7018577B2 - 電池、および、電池製造方法、および、電池製造装置 - Google Patents

電池、および、電池製造方法、および、電池製造装置 Download PDF

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Description

本開示は、電池、および、電池製造方法、および、電池製造装置に関する。
特許文献1には、一方の面側に正極集電体層を有し、他方の面側に負極集電体層を有する複合集電体の正極集電体層の上に正極活物質層を有し、負極集電体層の上に負極活物質層を有するバイポーラ電極ユニットを有するシート電池が開示されている。
特開2000-195495号公報
従来技術においては、発電要素間の接続の信頼性を高めることができない。
本開示の一様態における電池は、第1発電要素と、前記第1発電要素と積層される第2発電要素と、を備え、前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、前記第1固体電解質層は、前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に位置し、前記第1電極集電体の前記内面層は、前記第1電極活物質層と接し、前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、前記第2固体電解質層は、前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に位置し、前記第2電極集電体の前記内面層は、前記第2電極活物質層と接し、前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とは、互いに接し、前記第1電極集電体の前記内面層は、第1材料を含み、前記第2電極集電体の前記内面層は、前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含み、前記第2電極集電体の前記外面層は、前記第1材料とは異なる材料である第2材料を含み、前記第1電極集電体の前記外面層は、前記第2材料を含む。
本開示の一様態における電池製造方法は、電池製造装置を用いた電池製造方法であって、前記電池製造装置は、発電要素作製部と、積層部と、を備え、前記発電要素作製部により、第1発電要素を作製する工程(a1)と、前記発電要素作製部により、第2発電要素を作製する工程(a2)と、前記積層部により、前記発電要素作製部により作製された前記第1発電要素と前記第2発電要素とを積層する工程(b)と、を包含し、前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、前記工程(a1)において、前記発電要素作製部により、前記第1固体電解質層は前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に形成され、前記第1電極集電体の前記内面層は前記第1電極活物質層と接して形成され、前記第1電極集電体の前記内面層は第1材料を含む材料で形成され、前記第1電極集電体の前記外面層は前記第1材料とは異なる材料である第2材料を含む材料で形成され、前記工程(a2)において、前記発電要素作製部により、前記第2固体電解質層は前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に形成され、前記第2電極集電体の前記内面層は前記第2電極活物質層と接して形成され、前記第2電極集電体の前記内面層は前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含む材料で形成され、前記第2電極集電体の前記外面層は前記第2材料を含む材料で形成され、前記工程(b)において、前記積層部により、前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とは、互いに接して、配置される。
本開示の一様態における電池製造装置は、第1発電要素と第2発電要素とを作製する発電要素作製部と、 前記発電要素作製部により作製された前記第1発電要素と前記第2発電要素とを積層する積層部と、を備え、前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、前記発電要素作製部は、前記第1固体電解質層を前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に形成し、前記第1電極集電体の前記内面層を前記第1電極活物質層と接して形成し、前記第1電極集電体の前記内面層を第1材料を含む材料で形成し、前記第1電極集電体の前記外面層を前記第1材料とは異なる材料である第2材料を含む材料で形成し、前記発電要素作製部は、前記第2固体電解質層を前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に形成し、前記第2電極集電体の前記内面層を前記第2電極活物質層と接して形成し、前記第2電極集電体の前記内面層を前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含む材料で形成し、前記第2電極集電体の前記外面層を前記第2材料を含む材料で形成し、前記積層部は、前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とを、互いに接して、配置する。
本開示によれば、発電要素間の接続の信頼性を高めることができる。
図1は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す断面図である。 図2は、実施の形態1における電池1100の概略構成を示す断面図である。 図3は、実施の形態2における電池製造装置2000の概略構成を示す図である。 図4は、実施の形態2における電池製造方法を示すフローチャートである。 図5は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。 図6は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。 図7は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。 図8は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。 図9は、第1発電要素100の概略構成を示す断面図である。 図10は、第1発電要素100と第2発電要素200との積層過程を示す断面図である。 図11は、第1発電要素100の概略構成を示す断面図である。 図12は、第1発電要素100と第2発電要素200と第3発電要素300との積層過程を示す断面図である。 図13は、比較例における製造方法の積層過程を示す断面図である。
以下、本開示の実施の形態が、図面を参照しながら、説明される。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1における電池1000の概略構成を示す断面図である。
実施の形態1における電池1000は、第1発電要素100と、第2発電要素200と、を備える。
第1発電要素100と第2発電要素200とは、互いに、積層される。
第1発電要素100は、内面層111と外面層112とを備える第1電極集電体110と、第1電極活物質層120と、第1固体電解質層130と、第1対極活物質層140と、を備える。
第1固体電解質層130は、第1電極活物質層120と第1対極活物質層140との間に位置する。
第1電極集電体110の内面層111は、第1電極活物質層120と接する。
第2発電要素200は、内面層211と外面層212とを備える第2電極集電体210と、第2電極活物質層220と、第2固体電解質層230と、第2対極活物質層240と、を備える。
第2固体電解質層230は、第2電極活物質層220と第2対極活物質層240との間に位置する。
第2電極集電体210の内面層211は、第2電極活物質層220と接する。
第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とは、互いに接する。
第1電極集電体110の内面層111は、第1材料を含む。例えば、第1電極集電体110の内面層111は、第1材料からなるか、または、第1材料を主成分として含む。
第2電極集電体210の外面層212は、第2材料を含む。例えば、第2電極集電体210の外面層212は、第2材料からなるか、または、第2材料を主成分として含む。
ここで、第2材料は、第1材料とは異なる材料である。例えば、第2材料を構成する元素は、第1材料を構成する元素とは異なる。
第1電極集電体110の外面層112は、第2材料を含む。例えば、第1電極集電体110の外面層112は、第2材料からなるか、または、第2材料を主成分として含む。
以上の構成によれば、発電要素間の接続の信頼性を高めることができる。すなわち、第1電極集電体110の外面層112を第2電極集電体210の外面層212と同じ第2材料により構成することで、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間における不具合の発生を、低減できる。より具体的には、例えば、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間の微小な空隙領域に、環境ガス(例えば、第1発電要素100と第2発電要素200との積層体を内包する容器の中に、残存または侵入または発生するガス成分)が入り込んだ場合であっても、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とが同じ第2材料であることで、微小電位差またはイオン化率の違いなどが生じない。このため、例えば、長期使用時であっても、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間に、腐食現象などの不具合は発生しない。
また、以上の構成によれば、第1材料として、例えば、第1電極活物質層120との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1電極集電体110の内面層111と第1電極活物質層120との電気的接続を良好としながら、第1電極集電体110の外面層112を第2電極集電体210の外面層212と同じ第2材料により構成できる。
また、以上の構成によれば、第1電極集電体110の内面層111と外面層112とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第1電極集電体110の内面層111と外面層112とは密着される)。このため、第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
なお、実施の形態1における電池1000においては、第1発電要素100は、第1対極集電体150をさらに備えてもよい。
第1対極集電体150は、第1対極活物質層140と接する。
また、実施の形態1における電池1000においては、第2発電要素200は、第2対極集電体250をさらに備えてもよい。
第2対極集電体250は、第2対極活物質層240と接する。
第1電極活物質層120は、第1電極活物質を含む層である。
第1対極活物質層140は、第1対極活物質を含む層である。第1対極活物質層140は、第1電極活物質層120の対極となる層である。
第2電極活物質層220は、第2電極活物質を含む層である。
第2対極活物質層240は、第2対極活物質を含む層である。第2対極活物質層240は、第2電極活物質層220の対極となる層である。
ここで、第1電極活物質層120は正極活物質層であってもよい。このとき、第1電極活物質は正極活物質である。第1電極集電体110は正極集電体である。第1対極活物質層140は負極活物質層である。第1対極活物質は負極活物質である。第1対極集電体150は負極集電体である。第2電極集電体210は負極集電体である。第2電極活物質層220は負極活物質層である。第2電極活物質は負極活物質である。第2対極活物質層240は正極活物質層である。第2対極活物質は正極活物質である。第2対極集電体250は正極集電体である。
もしくは、第1電極活物質層120は負極活物質層であってもよい。このとき、第1電極活物質は負極活物質である。第1電極集電体110は負極集電体である。第1対極活物質層140は正極活物質層である。第1対極活物質は正極活物質である。第1対極集電体150は正極集電体である。第2電極集電体210は正極集電体である。第2電極活物質層220は正極活物質層である。第2電極活物質は正極活物質である。第2対極活物質層240は負極活物質層である。第2対極活物質は負極活物質である。第2対極集電体250は負極集電体である。
第1固体電解質層130と第2固体電解質層230とは、固体電解質を含む層である。
正極集電体としては、金属箔(例えば、SUS箔、Al箔)、など、が用いられうる。例えば、第1電極集電体110が正極集電体である場合には、第1電極集電体110の内面層111を構成する第1材料としては、SUS箔(ステンレス箔)、Al(アルミニウム)、など、が用いられうる。
また、第1電極集電体110が正極集電体である場合には、第1電極集電体110の外面層112を構成する第2材料としては、Cu(銅)、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、および、これらを含む合金、など、が用いられうる。第2材料として、Pt、Ni、および、これらを含む合金を用いれば、耐食性を向上させることができる。もしくは、第2材料としては、発電要素の周囲に微量に存在する可能性のある環境ガス(例えば、HSガス)などに対して、化学的耐性の高い材料であってもよい。例えば、第2材料としては、タンタル、金、インコネル、および、これらを含む合金、など、であってもよい。
以上のように、正極集電体の正極活物質が形成されない側の面には、負極集電体の負極活物質層が形成される側の面に用いられる材料を含む薄膜層(外面層)が形成されうる。
なお、正極集電体の厚みは、例えば、5~100μmであってもよい。また、正極集電体の薄膜層(外面層)の厚みは、例えば、0.5~5μmであってもよい。正極集電体の外面層の厚みは、正極集電体の内面層の厚みよりも小さくてもよい。もしくは、正極集電体の外面層の厚みは、正極集電体の内面層の厚み以上であってもよい。
なお、積み重ね電池の最上端または最下端に位置する正極集電体(例えば、第1対極集電体150、または、第2対極集電体250、または、後述される第3対極集電体350)については、薄膜層(外面層)を形成しなくてもよい。
正極活物質層は、正極活物質を含む層である。正極活物質層に含有される正極活物質としては、公知の正極活物質(例えば、コバルト酸リチウム、LiNO、など)が用いられうる。正極活物質の材料としては、Liを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、正極活物質層の含有材料としては、公知の固体電解質(例えば、無機系固体電解質など)が用いられうる。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS:Pの混合物が用いられうる。正極活物質の表面は、固体電解質でコートされていてもよい。また、正極活物質層の含有材料としては、導電材(例えば、アセチレンブラックなど)、結着用バインダー(例えば、ポリフッ化ビニリデンなど)、など、が用いられうる。
負極集電体としては、金属箔(例えば、SUS箔、Cu箔)、など、が用いられうる。例えば、第1電極集電体110が負極集電体である場合には、第1電極集電体110の内面層111を構成する第1材料としては、SUS箔(ステンレス箔)、Cu(銅)、など、が用いられうる。
また、第1電極集電体110が負極集電体である場合には、第1電極集電体110の外面層112を構成する第2材料としては、Al(アルミニウム)、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、および、これらを含む合金、など、が用いられうる。第2材料として、Pt、Ni、および、これらを含む合金を用いれば、耐食性を向上させることができる。もしくは、第2材料としては、発電要素の周囲に微量に存在する可能性のある環境ガス(例えば、HSガス)などに対して、化学的耐性の高い材料であってもよい。例えば、第2材料としては、タンタル、金、インコネル、および、これらを含む合金、など、であってもよい。
以上のように、負極集電体の負極活物質が形成されない側の面には、正極集電体の正極活物質層が形成される側の面に用いられる材料を含む薄膜層(外面層)が形成されうる。
なお、第2材料が環境ガスなどに対する耐性の高い材料であれば、第1発電要素100および第2発電要素200の製造時または保管時において、第1発電要素100および第2発電要素200の集電体が劣化することを抑制できる。すなわち、電池1000の最も外側の集電体の外面層に腐食に強い第2材料の層を設けることで、電池1000の製造時または保管時において、電池1000の集電体が劣化することを抑制できる。
なお、負極集電体の厚みは、例えば、5~100μmであってもよい。また、負極集電体の薄膜層(外面層)の厚みは、例えば、0.5~5μmであってもよい。負極集電体の外面層の厚みは、負極集電体の内面層の厚みよりも小さくてもよい。もしくは、負極集電体の外面層の厚みは、負極集電体の内面層の厚み以上であってもよい。
なお、積み重ね電池の最上端または最下端に位置する負極集電体(例えば、第1対極集電体150、または、第2対極集電体250、または、後述される第3対極集電体350)については、薄膜層(外面層)を形成しなくてもよい。
負極活物質層は、負極活物質を含む層である。負極活物質層に含有される負極活物質としては、公知の負極活物質(例えば、グラファイト、など)が用いられうる。負極活物質の材料としては、Liを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、負極活物質層の含有材料としては、公知の固体電解質(例えば、無機系固体電解質など)が用いられうる。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS:Pの混合物が用いられうる。また、負極活物質層の含有材料としては、導電材(例えば、アセチレンブラックなど)、結着用バインダー(例えば、ポリフッ化ビニリデンなど)、など、が用いられうる。
また、図1に示されるように、発電要素においては、負極活物質層の形成範囲は、正極活物質層の形成範囲よりも、大きくてもよい。これにより、例えば、リチウム析出による、電池の不具合(例えば、信頼性の低下)を防止できる可能性がある。
もしくは、発電要素においては、正極活物質層と負極活物質層の形成範囲は、同じでもよい。
固体電解質層は、固体電解質を含む層である。固体電解質層に含有される固体電解質としては、公知の固体電解質(例えば、無機系固体電解質など)が用いられうる。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS:Pの混合物が用いられうる。
また、固体電解質層の含有材料としては、結着用バインダー(例えば、ポリフッ化ビニリデンなど)、など、が用いられうる。
また、発電要素においては、固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層のいずれよりも、大面積に形成されてもよい。これにより、正極層と負極層との直接接触による短絡を防止できる。
また、発電要素においては、固体電解質層は、正極集電体または負極集電体と同じ範囲に、形成されてもよい。
もしくは、発電要素においては、固体電解質層は、正極集電体または負極集電体よりも狭い範囲に、形成されてもよい。これにより、例えば、集電体を所定形状に切断する際に、固体電解質層に、クラックが発生したり、その一部が脱落したりすることを低減できる。また、切断時に、切断くずの発生、および、切断粉の発生を、低減することができる。
なお、実施の形態1における電池1000においては、第2電極集電体210の内面層211は、第3材料を含んでもよい。例えば、第2電極集電体210の内面層211は、第3材料からなるか、または、第3材料を主成分として含んでもよい。
このとき、第3材料は、第1材料とは異なる材料であってもよい。
以上の構成によれば、第1材料および第3材料として、各活物質層との電気的な接続に適した材料を用いることができる。すなわち、第1材料として、例えば、第1電極活物質層120との電気的な接続に適した材料を用いることができる。さらに、第3材料として、例えば、第2電極活物質層220との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1電極集電体110の内面層111と第1電極活物質層120との電気的接続を良好とし、かつ、第2電極集電体210の内面層211と第2電極活物質層220との電気的接続を良好としながら、第2電極集電体210の外面層212を第1電極集電体110の外面層112と同じ第2材料により構成できる。
なお、第1電極集電体110が正極集電体である場合(すなわち、第2電極集電体210が負極集電体である場合)には、例えば、第1材料としては、Al(アルミニウム)、など、が用いられうる。このとき、第3材料としては、Cu(銅)、など、が用いられうる。なお、第1材料と第3材料のいずれか一方として、SUS(ステンレス鋼)が用いられてもよい。
もしくは、第1電極集電体110が負極集電体である場合(すなわち、第2電極集電体210が正極集電体である場合)には、例えば、第1材料としては、Cu(銅)、など、が用いられうる。このとき、第3材料としては、Al(アルミニウム)、など、が用いられうる。なお、第1材料と第3材料のいずれか一方として、SUS(ステンレス鋼)が用いられてもよい。
なお、実施の形態1における電池1000においては、第2電極集電体210の内面層211は、第2材料を含んでもよい。例えば、第2電極集電体210の内面層211は、第2材料からなるか、または、第2材料を主成分として含んでもよい。
すなわち、第2電極集電体210の内面層211と第2電極集電体210の外面層212とは、同じ材料(第2材料)により、構成されてもよい。言い換えれば、上述の第3材料は、第2材料と同じ材料であってもよい。例えば、第3材料を構成する元素は、第2材料を構成する元素と同じであってもよい。
以上の構成によれば、第2電極集電体210において、異なる材料から構成される2つの層を形成する工程を省略できる。したがって、第2電極集電体210を作製するプロセスを簡便化できる。
もしくは、実施の形態1における電池1000においては、上述の第3材料は、第2材料とは異なる材料であってもよい。例えば、第3材料を構成する元素は、第2材料を構成する元素とは異なってもよい。
以上の構成によれば、第3材料として、例えば、第2電極活物質層220との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第2電極集電体210の内面層211と第2電極活物質層220との電気的接続を良好としながら、第2電極集電体210の外面層212を第1電極集電体110の外面層112と同じ第2材料により構成できる。
また、以上の構成によれば、第2電極集電体210の内面層211と外面層212とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第2電極集電体210の内面層211と外面層212とは密着される)。このため、第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
図2は、実施の形態1における電池1100の概略構成を示す断面図である。
実施の形態1における電池1100は、上述の実施の形態1における電池1000の構成に加えて、下記の構成をさらに備える。
すなわち、実施の形態1における電池1100は、第3発電要素300をさらに備える。
第1発電要素100と第3発電要素300とは、互いに、積層される。
第3発電要素300は、内面層311と外面層312とを備える第3電極集電体310と、第3電極活物質層320と、第3固体電解質層330と、第3対極活物質層340と、を備える。
第3固体電解質層330は、第3電極活物質層320と第3対極活物質層340との間に位置する。
第3電極集電体310の内面層311は、第3電極活物質層320と接する。
第1発電要素100は、第1対極集電体150をさらに備える。
第1対極集電体150の内面層151は、第1対極活物質層140と接する。
第1対極集電体150の外面層152と第3電極集電体310の外面層312とは、互いに接する。
第3電極集電体310の内面層311は、第4材料を含む。例えば、第3電極集電体310の内面層311は、第4材料からなるか、または、第4材料を主成分として含む。
第1対極集電体150の外面層152は、第5材料を含む。例えば、第1対極集電体150の外面層152は、第5材料からなるか、または、第5材料を主成分として含む。
ここで、第5材料は、第4材料とは異なる材料である。例えば、第5材料を構成する元素は、第4材料を構成する元素とは異なる。
第3電極集電体310の外面層312は、第5材料を含む。例えば、第3電極集電体310の外面層312は、第5材料からなるか、または、第5材料を主成分として含む。
以上の構成によれば、発電要素間の接続の信頼性をより高めることができる。すなわち、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成することで、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間における不具合の発生を、低減できる。より具体的には、例えば、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間の微小な空隙領域に、環境ガス(例えば、第1発電要素100と第2発電要素200と第3発電要素300との積層体を内包する容器の中に、残存または侵入または発生するガス成分)が入り込んだ場合であっても、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152とが同じ第5材料であることで、微小電位差またはイオン化率の違いなどが生じない。このため、例えば、長期使用時であっても、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間に、腐食現象などの不具合は発生しない。
また、以上の構成によれば、第4材料として、例えば、第3電極活物質層320との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第3電極集電体310の内面層311と第3電極活物質層320との電気的接続を良好としながら、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成できる。
また、以上の構成によれば、第3電極集電体310の内面層311と外面層312とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第3電極集電体310の内面層311と外面層312とは密着される)。このため、第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
なお、実施の形態1における電池1100においては、第3発電要素300は、第3対極集電体350をさらに備えてもよい。
第3対極集電体350は、第3対極活物質層340と接する。
第3電極活物質層320は、第3電極活物質を含む層である。
第3対極活物質層340は、第3対極活物質を含む層である。第3対極活物質層340は、第3電極活物質層320の対極となる層である。
第3固体電解質層330は、固体電解質を含む層である。
ここで、第1電極活物質層120が正極活物質層である場合には、第1対極活物質層140は負極活物質層であり、かつ、第1対極集電体150は負極集電体である。このとき、第3電極集電体310は正極集電体である。第3電極活物質層320は正極活物質層である。第3電極活物質は正極活物質である。第3対極活物質層340は負極活物質層である。第3対極活物質は負極活物質である。第3対極集電体350は負極集電体である。
第3電極集電体310が正極集電体である場合には、第3電極集電体310の内面層311を構成する第4材料としては、SUS箔、Al、など、が用いられうる。
また、第3電極集電体310が正極集電体である場合には、第3電極集電体310の外面層312を構成する第5材料としては、Cu、Pt、Ni、および、これらを含む合金、など、が用いられうる。第5材料として、Pt、Ni、および、これらを含む合金を用いれば、耐食性を向上させることができる。もしくは、第5材料としては、発電要素の周囲に微量に存在する可能性のある環境ガス(例えば、HSガス)などに対して、化学的耐性の高い材料であってもよい。例えば、第5材料としては、タンタル、金、インコネル、および、これらを含む合金、など、であってもよい。
もしくは、第1電極活物質層120が負極活物質層である場合には、第1対極活物質層140は正極活物質層であり、かつ、第1対極集電体150は正極集電体である。このとき、第3電極集電体310は負極集電体である。第3電極活物質層320は負極活物質層である。第3電極活物質は負極活物質である。第3対極活物質層340は正極活物質層である。第3対極活物質は正極活物質である。第3対極集電体350は正極集電体である。
第3電極集電体310が負極集電体である場合には、第3電極集電体310の内面層311を構成する第4材料としては、SUS箔、Cu、など、が用いられうる。
また、第3電極集電体310が負極集電体である場合には、第3電極集電体310の外面層312を構成する第5材料としては、Al、Pt、Ni、および、これらを含む合金、など、が用いられうる。第5材料として、Pt、Ni、および、これらを含む合金を用いれば、耐食性を向上させることができる。もしくは、第5材料としては、発電要素の周囲に微量に存在する可能性のある環境ガス(例えば、HSガス)などに対して、化学的耐性の高い材料であってもよい。例えば、第5材料としては、タンタル、金、インコネル、および、これらを含む合金、など、であってもよい。
なお、第5材料が環境ガスなどに対する耐性の高い材料であれば、第1発電要素100および第3発電要素300の製造時または保管時において、第1発電要素100および第3発電要素300の集電体が劣化することを抑制できる。すなわち、電池1100の最も外側の集電体の外面層に腐食に強い第5材料の層を設けることで、電池1100の製造時または保管時において、電池1100の集電体が劣化することを抑制できる。
なお、実施の形態1における電池1100においては、第1対極集電体150の内面層151は、第6材料を含んでもよい。例えば、第1対極集電体150の内面層151は、第6材料からなるか、または、第6材料を主成分として含んでもよい。
このとき、第6材料は、第4材料とは異なる材料であってもよい。
以上の構成によれば、第4材料および第6材料として、各活物質層との電気的な接続に適した材料を用いることができる。すなわち、第4材料として、例えば、第3電極活物質層320との電気的な接続に適した材料を用いることができる。さらに、第6材料として、例えば、第1対極活物質層140との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第3電極集電体310の内面層311と第3電極活物質層320との電気的接続を良好とし、かつ、第1対極集電体150の内面層151と第1対極活物質層140との電気的接続を良好としながら、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成できる。
なお、第3電極集電体310が正極集電体である場合(すなわち、第1対極集電体150が負極集電体である場合)には、例えば、第4材料としては、Al(アルミニウム)、など、が用いられうる。このとき、第6材料としては、Cu(銅)、など、が用いられうる。なお、第4材料と第6材料のいずれか一方として、SUS(ステンレス鋼)が用いられてもよい。
もしくは、第3電極集電体310が負極集電体である場合(すなわち、第1対極集電体150が正極集電体である場合)には、例えば、第4材料としては、Cu(銅)、など、が用いられうる。このとき、第6材料としては、Al(アルミニウム)、など、が用いられうる。なお、第4材料と第6材料のいずれか一方として、SUS(ステンレス鋼)が用いられてもよい。
なお、実施の形態1における電池1100においては、第1対極集電体150の内面層151は、第5材料を含んでもよい。例えば、第1対極集電体150の内面層151は、第5材料からなるか、または、第5材料を主成分として含んでもよい。
すなわち、第1対極集電体150の内面層151と第1対極集電体150の外面層152とは、同じ材料(第5材料)により、構成されてもよい。言い換えれば、上述の第6材料は、第5材料と同じ材料であってもよい。例えば、第6材料を構成する元素は、第5材料を構成する元素と同じであってもよい。
以上の構成によれば、第1対極集電体150において、異なる材料から構成される2つの層を形成する工程を省略できる。したがって、第1対極集電体150を作製するプロセスを簡便化できる。
もしくは、実施の形態1における電池1100においては、上述の第6材料は、第5材料とは異なる材料であってもよい。例えば、第6材料を構成する元素は、第5材料を構成する元素とは異なってもよい。
以上の構成によれば、第6材料として、例えば、第1対極活物質層140との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1対極集電体150の内面層151と第1対極活物質層140との電気的接続を良好としながら、第1対極集電体150の外面層152を第3電極集電体310の外面層312と同じ第5材料により構成できる。
また、第1対極集電体150の内面層151と外面層152とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第1対極集電体150の内面層151と外面層152とは密着される)。このため、第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
なお、第1固体電解質層130と第2固体電解質層230と第3固体電解質層330とは、互いに、同じ構成(例えば、厚み、または、形成面積)および同じ材料である層であってもよい。
また、第1電極活物質層120と第2対極活物質層240と第3電極活物質層320とは、互いに、同じ構成(例えば、厚み、または、形成面積)および同じ材料である層であってもよい。
また、第1対極活物質層140と第2電極活物質層220と第3対極活物質層340とは、互いに、同じ構成(例えば、厚み、または、形成面積)および同じ材料である層であってもよい。
また、第1電極集電体110と第3電極集電体310とは、互いに、同じ構成(例えば、厚み、または、形成面積)および同じ材料からなる集電体であってもよい。
より具体的には、例えば、第1電極集電体110の内面層111を構成する第1材料と、第3電極集電体310の内面層311を構成する第4材料とは、互いに同じ材料であってもよい。
また、第1対極集電体150と第2電極集電体210とは、互いに、同じ構成(例えば、厚み、または、形成面積)および同じ材料からなる集電体であってもよい。
より具体的には、例えば、第2電極集電体210の内面層211を構成する第3材料と、第1対極集電体150の内面層151を構成する第6材料とは、互いに同じ材料であってもよい。
また、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とを構成する第2材料と、第1対極集電体150の外面層152と第3電極集電体310の外面層312とを構成する第5材料とは、互いに同じ材料であってもよい。
以上のように、実施の形態1においては、互いに対向する、単電池要素(発電要素)の正極集電体の表面の材料の主成分と、別の単電池要素の負極集電体の表面の材料の主成分とが、互いに同じである。例えば、単電池要素の積み重ねにおいて、対向する集電体の表面の材料が、同じである。より具体的には、第2電極集電体210の外面層212を構成する第2材料は、第1電極集電体110の外面層112を構成する第2材料と同じ材料である。例えば、対向する集電体の表面には、共通の元素(共通界面層材料)を主成分として含む層(共通層)が設けられうる。
また、実施の形態1の構成であれば、電池を軽量化することができる。すなわち、密度が小さい材料(例えば、Al)を集電体の芯材(内面層)として用いて、かつ、密度が大きい材料は、芯材の表面に、薄膜(外面層)として、形成することができる。これにより、集電体の全体(内面層と外面層の両方)が、密度が大きい材料のみにより形成される場合と比較して、集電体を軽量化できる。このため、複数の単電池要素(複数の集電体)が積層されて構成される電池を、軽量化することができる。
また、実施の形態1における電池の製造方法は、後述の実施の形態2として、説明される。
(実施の形態2)
以下、実施の形態2が説明される。上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
図3は、実施の形態2における電池製造装置2000の概略構成を示す図である。
実施の形態2における電池製造装置2000は、発電要素作製部400と、積層部500と、を備える。
発電要素作製部400は、第1発電要素100と第2発電要素200とを作製する。
発電要素作製部400は、第1固体電解質層130を第1電極活物質層120と第1対極活物質層140との間に形成する。
発電要素作製部400は、第1電極集電体110の内面層111を第1電極活物質層120と接して形成する。
発電要素作製部400は、第1電極集電体110の内面層111を、第1材料を含む材料(例えば、第1材料そのもの、または、第1材料を主成分として含む材料)で形成する。
発電要素作製部400は、第1電極集電体110の外面層112を、第2材料を含む材料(例えば、第2材料そのもの、または、第2材料を主成分として含む材料)で形成する。
ここで、第2材料は、第1材料とは異なる材料である。例えば、第2材料を構成する元素は、第1材料を構成する元素とは異なる。
発電要素作製部400は、第2固体電解質層230を第2電極活物質層220と第2対極活物質層240との間に形成する。
発電要素作製部400は、第2電極集電体210の内面層211を第2電極活物質層220と接して形成する。
発電要素作製部400は、第2電極集電体210の外面層212を、第2材料を含む材料(例えば、第2材料そのもの、または、第2材料を主成分として含む材料)で形成する。
積層部500は、発電要素作製部400により作製された第1発電要素100と第2発電要素200とを積層する。
積層部500は、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とを、互いに接して、配置する。
図4は、実施の形態2における電池製造方法を示すフローチャートである。
実施の形態2における電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2000を用いた電池製造方法である。例えば、実施の形態2における電池製造方法は、実施の形態2における電池製造装置2000において実行される電池製造方法である。
実施の形態2における電池製造方法は、第1発電要素作製工程S1101(=工程(a1))と、第2発電要素作製工程S1102(=工程(a2))と、第1および第2発電要素積層工程S1201(=工程(b))と、を包含する。
第1発電要素作製工程S1101は、発電要素作製部400により、第1発電要素100を作製する工程である。
第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1固体電解質層130は第1電極活物質層120と第1対極活物質層140との間に形成される。
また、第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1電極集電体110の内面層111は第1電極活物質層120と接して形成される。
また、第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1電極集電体110の内面層111は第1材料を含む材料(例えば、第1材料そのもの、または、第1材料を主成分として含む材料)で形成される。
また、第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1電極集電体110の外面層112は第2材料を含む材料(例えば、第2材料そのもの、または、第2材料を主成分として含む材料)で形成される。
ここで、第2材料は、第1材料とは異なる材料である。例えば、第2材料を構成する元素は、第1材料を構成する元素とは異なる。
第2発電要素作製工程S1102は、発電要素作製部400により、第2発電要素200を作製する工程である。
第2発電要素作製工程S1102において、発電要素作製部400により、第2固体電解質層230は第2電極活物質層220と第2対極活物質層240との間に形成される。
また、第2発電要素作製工程S1102において、発電要素作製部400により、第2電極集電体210の内面層211は第2電極活物質層220と接して形成される。
また、第2発電要素作製工程S1102において、発電要素作製部400により、第2電極集電体210の外面層212は第2材料を含む材料(例えば、第2材料そのもの、または、第2材料を主成分として含む材料)で形成される。
第1および第2発電要素積層工程S1201は、積層部500により、発電要素作製部400により作製された第1発電要素100と第2発電要素200とを積層する工程である。
第1および第2発電要素積層工程S1201は、第1発電要素作製工程S1101および第2発電要素作製工程S1102よりも後に、実行される工程である。
第1および第2発電要素積層工程S1201において、積層部500により、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とは、互いに接して、配置される。
以上の製造装置または製造方法によれば、実施の形態1における電池1000を製造することができる。
以上の製造装置または製造方法によれば、製造歩留まりの低下を防止しながら、発電要素間の接続の信頼性を高めた電池を製造することができる。すなわち、第1発電要素100と第2発電要素200とをそれぞれ作製した後に、それらの第1発電要素100と第2発電要素200とを互いに積層する(例えば、直列配置する)ことで、製造工程を単純化・簡便化できる。これにより、製造工程の煩雑化に伴う製造歩留まりの低下を防止できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、発電要素間の接続の信頼性を高めることができる。すなわち、第1電極集電体110の外面層112を第2電極集電体210の外面層212と同じ第2材料により構成することで、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間における不具合の発生を、低減できる。より具体的には、例えば、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間の微小な空隙領域に、環境ガス(例えば、第1発電要素100と第2発電要素200との積層体を内包する容器の中に、残存または侵入または発生するガス成分)が入り込んだ場合であっても、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とが同じ第2材料であることで、微小電位差またはイオン化率の違いなどが生じない。このため、例えば、長期使用時であっても、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212との間に、腐食現象などの不具合は発生しない。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第1材料として、例えば、第1電極活物質層120との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1電極集電体110の内面層111と第1電極活物質層120との電気的接続を良好としながら、第1電極集電体110の外面層112を第2電極集電体210の外面層212と同じ第2材料により構成できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第1電極集電体110の内面層111と外面層112とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第1電極集電体110の内面層111と外面層112とは密着される)。このため、第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第1電極集電体110の内面層111と外面層112との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
また、実施の形態2における電池製造装置2000おいては、発電要素作製部400は、第2電極集電体210の内面層211を、第3材料を含む材料(例えば、第3材料そのもの、または、第3材料を主成分として含む材料)で形成してもよい。
言い換えれば、実施の形態2における電池製造方法においては、第2発電要素作製工程S1102において、発電要素作製部400により、第2電極集電体210の内面層211は第3材料を含む材料(例えば、第3材料そのもの、または、第3材料を主成分として含む材料)で形成されてもよい。
このとき、第3材料は、第1材料とは異なる材料であってもよい。
以上の構成によれば、第1材料および第3材料として、各活物質層との電気的な接続に適した材料を用いることができる。すなわち、第1材料として、例えば、第1電極活物質層120との電気的な接続に適した材料を用いることができる。さらに、第3材料として、例えば、第2電極活物質層220との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1電極集電体110の内面層111と第1電極活物質層120との電気的接続を良好とし、かつ、第2電極集電体210の内面層211と第2電極活物質層220との電気的接続を良好としながら、第2電極集電体210の外面層212を第1電極集電体110の外面層112と同じ第2材料により構成できる。
なお、実施の形態2においては、第3材料は、第2材料と同じ材料であってもよい。例えば、第3材料を構成する元素は、第2材料を構成する元素と同じであってもよい。
以上の構成によれば、第2電極集電体210において、異なる材料から構成される2つの層を形成する工程を省略できる。したがって、第2電極集電体210を作製するプロセスを簡便化できる。
また、実施の形態2においては、第3材料は、第2材料とは異なる材料であってもよい。例えば、第3材料を構成する元素は、第2材料を構成する元素とは異なってもよい。
以上の製造装置または製造方法によれば、第3材料として、例えば、第2電極活物質層220との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第2電極集電体210の内面層211と第2電極活物質層220との電気的接続を良好としながら、第2電極集電体210の外面層212を第1電極集電体110の外面層112と同じ第2材料により構成できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第2電極集電体210の内面層211と外面層212とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第2電極集電体210の内面層211と外面層212とは密着される)。このため、第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第2電極集電体210の内面層211と外面層212との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
図5は、実施の形態2における電池製造方法の変形例を示すフローチャートである。
実施の形態2における電池製造装置2000おいては、発電要素作製部400は、第3発電要素300を作製してもよい。
このとき、発電要素作製部400は、第3固体電解質層330を第3電極活物質層320と第3対極活物質層340との間に形成する。
発電要素作製部400は、第3電極集電体310の内面層311を第3電極活物質層320と接して形成する。
発電要素作製部400は、第3電極集電体310の内面層311を、第4材料を含む材料(例えば、第4材料そのもの、または、第4材料を主成分として含む材料)で形成する。
発電要素作製部400は、第3電極集電体310の外面層312を、第5材料を含む材料(例えば、第5材料そのもの、または、第5材料を主成分として含む材料)で形成する。
ここで、第5材料は、第4材料とは異なる材料である。例えば、第5材料を構成する元素は、第4材料を構成する元素とは異なる。
発電要素作製部400は、第1対極集電体150の内面層151を第1対極活物質層140と接して形成する。
発電要素作製部400は、第1対極集電体150の外面層152を、第5材料を含む材料(例えば、第5材料そのもの、または、第5材料を主成分として含む材料)で形成する。
また、実施の形態2における電池製造装置2000おいては、積層部500は、発電要素作製部400により作製された第1発電要素100と第3発電要素300とを積層してもよい。
このとき、積層部500は、第1対極集電体150の外面層152と第3電極集電体310の外面層312とを、互いに接して、配置する。
言い換えれば、実施の形態2における電池製造方法は、第3発電要素作製工程S1103(=工程(a3))と、第1および第3発電要素積層工程S1202(=工程(c))と、をさらに包含する。
第3発電要素作製工程S1103は、発電要素作製部400により、第3発電要素300を作製する工程である。
第3発電要素作製工程S1103において、発電要素作製部400により、第3固体電解質層330は第3電極活物質層320と第3対極活物質層340との間に形成される。
また、第3発電要素作製工程S1103において、発電要素作製部400により、第3電極集電体310の内面層311は第3電極活物質層320と接して形成される。
また、第3発電要素作製工程S1103において、発電要素作製部400により、第3電極集電体310の内面層311は第4材料を含む材料(例えば、第4材料そのもの、または、第4材料を主成分として含む材料)で形成される。
また、第3発電要素作製工程S1103において、発電要素作製部400により、第3電極集電体310の外面層312は第5材料を含む材料(例えば、第5材料そのもの、または、第5材料を主成分として含む材料)で形成される。
ここで、第5材料は、第4材料とは異なる材料である。例えば、第5材料を構成する元素は、第4材料を構成する元素とは異なる。
第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1対極集電体150の内面層151は第1対極活物質層140と接して形成される。
また、第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1対極集電体150の外面層152は第5材料を含む材料(例えば、第5材料そのもの、または、第5材料を主成分として含む材料)で形成される。
第1および第3発電要素積層工程S1202は、積層部500により、発電要素作製部400により作製された第1発電要素100と第3発電要素300とを積層する工程である。
第1および第3発電要素積層工程S1202は、第1発電要素作製工程S1101および第3発電要素作製工程S1103よりも後に、実行される工程である。
第1および第3発電要素積層工程S1202において、積層部500により、第1対極集電体150の外面層152と第3電極集電体310の外面層312とは、互いに接して、配置される。
以上の製造装置または製造方法によれば、実施の形態1における電池1100を製造することができる。
以上の製造装置または製造方法によれば、製造歩留まりの低下をより防止しながら、発電要素間の接続の信頼性をより高めた電池を製造することができる。すなわち、第1発電要素と第2発電要素と第3発電要素とをそれぞれ作製した後に、それらの第1発電要素と第2発電要素と第3発電要素とを互いに積層する(例えば、直列配置する)ことで、製造工程を単純化・簡便化できる。これにより、製造工程の煩雑化に伴う製造歩留まりの低下をより防止できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、発電要素間の接続の信頼性をより高めることができる。すなわち、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成することで、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間における不具合の発生を、低減できる。より具体的には、例えば、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間の微小な空隙領域に、環境ガス(例えば、第1発電要素100と第2発電要素200と第3発電要素300との積層体を内包する容器の中に、残存または侵入または発生するガス成分)が入り込んだ場合であっても、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152とが同じ第5材料であることで、微小電位差またはイオン化率の違いなどが生じない。このため、例えば、長期使用時であっても、第3電極集電体310の外面層312と第1対極集電体150の外面層152との間に、腐食現象などの不具合は発生しない。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第4材料として、例えば、第3電極活物質層320との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第3電極集電体310の内面層311と第3電極活物質層320との電気的接続を良好としながら、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第3電極集電体310の内面層311と外面層312とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第3電極集電体310の内面層311と外面層312とは密着される)。このため、第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第3電極集電体310の内面層311と外面層312との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
また、実施の形態2における電池製造装置2000おいては、発電要素作製部400は、第1対極集電体150の内面層151を、第6材料を含む材料(例えば、第6材料そのもの、または、第6材料を主成分として含む材料)で形成してもよい。
言い換えれば、実施の形態2における電池製造方法においては、第1発電要素作製工程S1101において、発電要素作製部400により、第1対極集電体150の内面層151は第6材料を含む材料(例えば、第6材料そのもの、または、第6材料を主成分として含む材料)で形成されてもよい。
このとき、第6材料は、第4材料とは異なる材料であってもよい。
以上の構成によれば、第4材料および第6材料として、各活物質層との電気的な接続に適した材料を用いることができる。すなわち、第4材料として、例えば、第3電極活物質層320との電気的な接続に適した材料を用いることができる。さらに、第6材料として、例えば、第1対極活物質層140との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第3電極集電体310の内面層311と第3電極活物質層320との電気的接続を良好とし、かつ、第1対極集電体150の内面層151と第1対極活物質層140との電気的接続を良好としながら、第3電極集電体310の外面層312を第1対極集電体150の外面層152と同じ第5材料により構成できる。
なお、実施の形態2においては、第6材料は、第5材料と同じ材料であってもよい。例えば、第6材料を構成する元素は、第5材料を構成する元素と同じであってもよい。
以上の構成によれば、第1対極集電体150において、異なる材料から構成される2つの層を形成する工程を省略できる。したがって、第1対極集電体150を作製するプロセスを簡便化できる。
また、実施の形態2においては、第6材料は、第5材料とは異なる材料であってもよい。例えば、第6材料を構成する元素は、第5材料を構成する元素とは異なってもよい。
以上の製造装置または製造方法によれば、第6材料として、例えば、第1対極活物質層140との電気的な接続に適した材料を用いることができる。これにより、第1対極集電体150の内面層151と第1対極活物質層140との電気的接続を良好としながら、第1対極集電体150の外面層152を第3電極集電体310の外面層312と同じ第5材料により構成できる。
また、以上の製造装置または製造方法によれば、第1対極集電体150の内面層151と外面層152とが1つの部材として一体化(一体形成)されることで、第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間には、微小な空隙領域が生じない(例えば、第1対極集電体150の内面層151と外面層152とは密着される)。このため、第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間への環境ガスの侵入を防止できる。これにより、互いに構成する材料が異なる層間である第1対極集電体150の内面層151と外面層152との間においても、腐食現象などの不具合の発生を防止できる。
なお、実施の形態2においては、発電要素作製部400は、例えば、塗工剤である活物質または固体電解質を塗工する塗工機構を備えてもよい。発電要素作製部400は、例えば、塗工剤を吐出する吐出機構(例えば、吐出口)、吐出機構に塗工剤を供給する供給機構(例えば、タンクおよび供給管)、塗工対象である集電体などを移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。
また、実施の形態2においては、発電要素作製部400は、集電体に薄膜層(外面層)を形成する外面層形成機構を備えてもよい。外面層形成機構は、湿式プロセス(例えば、メッキ)を実行する機構を備えてもよい。もしくは、外面層形成機構は、ドライプロセス(例えば、蒸着、スパッタ)を実行する機構を備えてもよい。もしくは、外面層形成機構は、接合プロセス(例えば、クラッド箔成型)を実行する機構を備えてもよい。もしくは、外面層形成機構は、溶射または塗工を実行する機構を備えてもよい。例えば、外面層形成機構は、集電体基板に薄膜層材料(外面層材料)を付与する付与機構(例えば、吐出口)、付与機構に薄膜層材料を供給する供給機構(例えば、タンクおよび供給管)、付与対象である集電体基板を移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。
また、実施の形態2においては、積層部500は、例えば、積層対象である各発電要素を移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。
また、実施の形態2における電池製造装置2000は、各発電要素(または、発電要素の積層体)をプレスするプレス部を備えてもよい。プレス部は、各発電要素(または、発電要素の積層体)を加圧圧迫するプレス機構(例えば、プレス台およびシリンダ)、プレス対象である各発電要素(または、発電要素の積層体)を移動させる移動機構(例えば、ローラー)、など、を備えてもよい。
以上の発電要素作製部400と積層部500とプレス部とに含まれうる各機構については、一般に公知の装置および部材が、適宜、用いられうる。
また、実施の形態2における電池製造装置2000は、図3に示されるように、制御部600をさらに備えてもよい。
制御部600は、発電要素作製部400と積層部500とプレス部との動作を制御する。
制御部600は、例えば、プロセッサとメモリとにより、構成されてもよい。当該プロセッサは、例えば、CPU(Central Processing Unit)またはMPU(Micro-Processing Unit)などであってもよい。このとき、当該プロセッサは、メモリに記憶されているプログラムを読み出して実行することで、本開示で示される制御方法(電池製造方法)を実行してもよい。
なお、実施の形態2においては、第1発電要素100と第2発電要素200と第3発電要素300とが作製される順序は、特に限定されない。例えば、第1発電要素作製工程S1101と第2発電要素作製工程S1102と第3発電要素作製工程S1103とは、同時に実行されてもよい。
また、実施の形態2においては、第1および第3発電要素積層工程S1202の後に、第1および第2発電要素積層工程S1201が実行されてもよい。
以下に、実施の形態2における電池製造方法の具体的な一例が、説明される。
図6は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。
まず、第1電極集電体110が、作製される。すなわち、発電要素作製部400により、第1電極集電体110の第1材料を含む基板の一方の表面に、第2材料を含む薄膜層が、形成される。これにより、図6に示されるように、当該薄膜層が、第1電極集電体110の外面層112として、形成される。また、図6に示されるように、当該薄膜層が形成されていない側の基板の表面が、第1電極集電体110の内面層111となる。
なお、当該薄膜層は、湿式プロセス(例えば、メッキ、など)、ドライプロセス(例えば、蒸着、スパッタ、など)、接合プロセス(例えば、クラッド箔成型、など)、その他の方法(例えば、溶射、塗工)、など、によって形成されうる。
次に、図6に示されるように、第1電極集電体110の上に、第1電極活物質層120を形成する。すなわち、発電要素作製部400により、第1電極活物質層120の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、第1電極集電体110上に塗工乾燥して、第1電極活物質層120を作製する。第1電極活物質層120の密度を高めるために、図6に示される部材を、乾燥後にプレス(加圧圧迫)しておいてもよい。このようにして作製される第1電極活物質層120の厚みは、例えば、5~300μmである。
図7は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。
図7に示されるように、第1電極活物質層120の上に、第1固体電解質層130を形成する。すなわち、発電要素作製部400により、第1固体電解質層130の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、第1電極活物質層120上に塗工乾燥して、第1固体電解質層130を作製する。
図8は、製造過程における第1発電要素100の構成部材の概略構成を示す断面図である。
図8に示されるように、第2材料を含む第1対極集電体150の上に、第1対極活物質層140を形成する。すなわち、発電要素作製部400により、第1対極活物質層140の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、第1対極集電体150上に塗工乾燥して、第1対極活物質層140を作製する。第1対極活物質層140の密度を高めるために、図8に示される部材をプレス(加圧圧迫)しておいてもよい。このようにして作製される第1対極活物質層140の厚みは、例えば、5~300μmである。
図9は、第1発電要素100の概略構成を示す断面図である。
図9に示されるように、第1電極活物質層120の上に第1固体電解質層130が形成された図7に示される電極板と、図8に示される対極板とを、発電要素作製部400により、第1固体電解質層130を介して第1電極活物質層120と第1対極活物質層140が対向するように重ねて、第1発電要素100とする。
なお、図8に示される第1対極活物質層140の上に第1固体電解質層130が形成された対極板と、図6に示される電極板とを、発電要素作製部400により、第1固体電解質層130を介して第1電極活物質層120と第1対極活物質層140が対向するように重ねて、第1発電要素100としてもよい。
なお、図9に示される第1発電要素100は、さらにプレス(加圧圧迫)されてもよい。加圧圧迫により、各層が緻密となり、かつ、互いに良好な接合状態となる。なお、接合の際には、正極活物質層の形成面内位置が、対向する負極活物質層の形成面内位置内から、はみ出さないように、接合してもよい。
また、以上の製造工程における、第1発電要素100の各層の形成順は、特に限定されない。また、第1発電要素100の各層の形成には、例えば、順次積層、貼り合わせ、転写、ならびに、これらの組合せ工法が、適用されうる。
以上の第1発電要素100の作製方法と同様の方法にて、第2発電要素200と第3発電要素300とが、作製されうる。
図10は、第1発電要素100と第2発電要素200との積層過程を示す断面図である。
図10に示されるように、積層部500により、図9に示される構成の第1発電要素100と、図9に示される構成と同様に作製された第2発電要素200とが、積層される。例えば、第2発電要素200の上に、第1発電要素100が乗せられる形で、積層が行われる。このとき、積層部500により、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とは、互いに接して、配置される。
以上の製造方法により、例えば、上述の図1に示される電池1000が、作製されうる。
図11は、第1発電要素100の概略構成を示す断面図である。
図11に示されるように、第1発電要素100は、図9に示される構成における第1対極集電体150に薄膜層(外面層)が形成された構成であってもよい。
例えば、図8に示される製造過程において、下記の作製方法により作製される第1対極集電体150を用いることで、この構成が作製されうる。すなわち、発電要素作製部400により、第1対極集電体150の第6材料を含む基板の一方の表面に、第5材料を含む薄膜層が、形成される。これにより、図11に示されるように、当該薄膜層が、第1対極集電体150の外面層152として、形成される。また、図11に示されるように、当該薄膜層が形成されていない側の基板の表面が、第1対極集電体150の内面層151となる。
なお、当該薄膜層は、湿式プロセス(例えば、メッキ、など)、ドライプロセス(例えば、蒸着、スパッタ、など)、接合プロセス(例えば、クラッド箔成型、など)、その他の方法(例えば、溶射、塗工)、など、によって形成されうる。
図12は、第1発電要素100と第2発電要素200と第3発電要素300との積層過程を示す断面図である。
図12に示されるように、積層部500により、図11に示される構成の第1発電要素100と、図9に示される構成と同様に作製された第2発電要素200と第3発電要素300とが、積層される。例えば、第2発電要素200の上に、第1発電要素100が乗せられる形で、積層が行われる。このとき、積層部500により、第1電極集電体110の外面層112と第2電極集電体210の外面層212とは、互いに接して、配置される。その後、第1発電要素100の上に、第3発電要素300が乗せられる形で、積層が行われる。このとき、積層部500により、第1対極集電体150の外面層152と第3電極集電体310の外面層312とは、互いに接して、配置される。
以上の製造方法により、例えば、上述の図2に示される電池1100が、作製されうる。
以上のように、実施の形態2においては、複数の単電池要素群を直列に配置してもよい。すなわち、単電池要素の正極集電体と別の単電池要素の負極集電体とを積み重ねて接触させることで、直列配置が得られる。
また、実施の形態2においては、複数の発電要素が積層されてなる積層体は、さらにプレス(加圧圧迫)されてもよい。これにより、複数の単電池要素の直列配置を安定にできる。例えば、加圧圧迫により、各層が緻密となり、かつ、互いに良好な接合状態となる。
また、実施の形態2においては、単電池要素の正極集電体と別の単電池要素の負極集電体との間の一部に、接着剤が付与されてもよい。これにより、複数の単電池要素の直列配置を安定にできる。接着剤の付与方法としては、スクリーン印刷、ダイ塗工、インクジェット、ディスペンサー、その他の方法が用いられうる。接着剤は圧迫加圧によって接着層とすることもできる。このため、接着剤の付与形状は、平面状、線状、点状のいずれであってもよい。
図13は、比較例における製造方法の積層過程を示す断面図である。
比較例における製造方法は、バイポーラ電極ユニット900を固体電解質層930を介して繰り返し積層するバイポーラ全固体電池の製造方法である。
バイポーラ電極ユニット900は、複合集電体910と、正極活物質層920と、固体電解質層930と、負極活物質層940と、を備える。複合集電体910の一方の表面911は、正極活物質層920と、接する。複合集電体910の一方の表面911は、例えば、アルミニウムからなる層である。複合集電体910のもう一方の表面912は、負極活物質層940と、接する。複合集電体910のもう一方の表面912は、例えば、銅からなる層である。
正極板91は、正極集電体913と、正極活物質層920と、固体電解質層930と、を備える。
負極板92は、負極集電体914と、負極活物質層940と、を備える。
比較例における製造方法においては、正極板91の上に、1つ目のバイポーラ電極ユニット900が、積層される。次に、1つ目のバイポーラ電極ユニット900の上に、2つ目のバイポーラ電極ユニット900が、積層される。次に、2つ目のバイポーラ電極ユニット900の上に、負極板92が、積層される。このとき、それぞれの固体電解質層930は、それぞれの正極活物質層920と負極活物質層940とに接する。これにより、複数のバイポーラ電極ユニット900を直列接続した構造のバイポーラ全固体電池が作製される。
以上の比較例における製造方法においては、製造工程が煩雑となり、かつ、製造歩留まりの低下が生じる。例えば、バイポーラ電極ユニット900における複合集電体910の両面に活物質層を形成する工程は煩雑であり、製造歩留まりの低下が生じうる。また、例えば、バイポーラ電極ユニット900は、側面に集電体が位置しておらず、活物質層または固体電解質層が露出している。このため、複数のバイポーラ電極ユニット900を積層する際に、活物質層または固体電解質層に欠陥が生じる可能性が高まる。
これに対して、実施の形態2における製造装置または製造方法によれば、側面に集電体を備える発電要素(単電池)を複数個準備して、これらを積層することができる。したがって、複数個の発電要素(単電池)を積層する際にも、活物質層または固体電解質層に欠陥が生じ難い。また、発電要素を作製する工程を簡便化できる。したがって、上述したように、製造歩留まりの低下を防止しながら、発電要素間の接続の信頼性を高めた電池を製造することができる。
なお、実施の形態1および2においては、各発電要素(単電池セル)が、複数個、直列に接続された構造であってもよい。例えば、実施の形態1における電池は、バイポーラ型の全固体電池であってもよい。バイポーラ型の全固体電池は、正極集電体と負極集電体に挟まれた内側に正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とを密着して有する積層体からなる単電池要素を、複数個積み重ねて直列接続する構造の電池である。
また、実施の形態1および2においては、4つ以上の発電要素を備えてもよい。すなわち、例えば、2~200個の単電池要素が積層されてなる積層型の電池が構成されてもよい。
また、実施の形態1および2において、「所定層が、所定材料を、主成分として、含む」とは、例えば、「所定層が、所定材料を、当該所定層の全体に対して50重量%以上、含む」ことを意味する。また、「所定材料を主成分として含む材料」とは、例えば、「所定材料が含まれる材料の全体に対して、所定材料が50重量%以上、含まれる」ことを意味する。
本開示は、取り扱い容易性、信頼性、大電流特性などが要求される各種電子機器、電気器具装置、電気車輌などの電池として、好適に利用されうる。
100 第1発電要素
110 第1電極集電体
111 内面層
112 外面層
120 第1電極活物質層
130 第1固体電解質層
140 第1対極活物質層
150 第1対極集電体
151 内面層
152 外面層
200 第2発電要素
210 第2電極集電体
211 内面層
212 外面層
220 第2電極活物質層
230 第2固体電解質層
240 第2対極活物質層
250 第2対極集電体
300 第3発電要素
310 第3電極集電体
311 内面層
312 外面層
320 第3電極活物質層
330 第3固体電解質層
340 第3対極活物質層
350 第3対極集電体
400 発電要素作製部
500 積層部
600 制御部
1000 電池
1100 電池
2000 電池製造装置

Claims (15)

  1. 第1発電要素と、
    前記第1発電要素と積層される第2発電要素と、
    を備え、
    前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、
    前記第1固体電解質層は、前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に位置し、
    前記第1電極集電体の前記内面層は、前記第1電極活物質層と接し、
    前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、
    前記第2固体電解質層は、前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に位置し、
    前記第2電極集電体の前記内面層は、前記第2電極活物質層と接し、
    前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とは、互いに接し、
    前記第1電極集電体の前記内面層は、第1材料を含む金属箔であり、
    前記第2電極集電体の前記内面層は、前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含む金属箔であり、
    前記第2電極集電体の前記外面層は、主成分として、前記第1材料とは異なる材料である第2材料を含み、
    前記第1電極集電体の前記外面層は、主成分として、前記第2材料を含む、
    電池。
  2. 前記第3材料は、前記第2材料とは異なる材料である、
    請求項1に記載の電池。
  3. 前記第3材料は、前記第2材料と同じ材料である、
    請求項1に記載の電池。
  4. 前記第1発電要素と積層される第3発電要素をさらに備え、
    前記第3発電要素は、内面層と外面層とを備える第3電極集電体と、第3電極活物質層と、第3固体電解質層と、第3対極活物質層と、を備え、
    前記第3固体電解質層は、前記第3電極活物質層と前記第3対極活物質層との間に位置し、
    前記第3電極集電体の前記内面層は、前記第3電極活物質層と接し、
    前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1対極集電体をさらに備え、
    前記第1対極集電体の前記内面層は、前記第1対極活物質層と接し、
    前記第1対極集電体の前記外面層と前記第3電極集電体の前記外面層とは、互いに接し、
    前記第3電極集電体の前記内面層は、第4材料を含み、
    前記第1対極集電体の前記内面層は、前記第4材料とは異なる材料である第6材料を含み、
    前記第1対極集電体の前記外面層は、前記第4材料とは異なる材料である第5材料を含み、
    前記第3電極集電体の前記外面層は、前記第5材料を含む、
    請求項1から3のいずれかに記載の電池。
  5. 前記第6材料は、前記第5材料とは異なる材料である、
    請求項4に記載の電池。
  6. 前記第6材料は、前記第5材料と同じ材料である、
    請求項4に記載の電池。
  7. 電池製造装置を用いた電池製造方法であって、
    前記電池製造装置は、発電要素作製部と、積層部と、を備え、
    前記発電要素作製部により、第1発電要素を作製する工程(a1)と、
    前記発電要素作製部により、第2発電要素を作製する工程(a2)と、
    前記積層部により、前記発電要素作製部により作製された前記第1発電要素と前記第2発電要素とを積層する工程(b)と、
    を包含し、
    前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、
    前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、
    前記工程(a1)において、前記発電要素作製部により、前記第1固体電解質層は前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に形成され、前記第1電極集電体の前記内面層は前記第1電極活物質層と接して形成され、前記第1電極集電体の前記内面層は第1材料を含む材料で形成された金属箔であり、前記第1電極集電体の前記外面層は前記第1材料とは異なる材料である第2材料を主成分として含む材料で形成され、
    前記工程(a2)において、前記発電要素作製部により、前記第2固体電解質層は前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に形成され、前記第2電極集電体の前記内面層は前記第2電極活物質層と接して形成され、前記第2電極集電体の前記内面層は前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含む材料で形成された金属箔であり、前記第2電極集電体の前記外面層は前記第2材料を主成分として含む材料で形成され、
    前記工程(b)において、前記積層部により、前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とは、互いに接して、配置される、
    電池製造方法。
  8. 前記第3材料は、前記第2材料とは異なる材料である、
    請求項7に記載の電池製造方法。
  9. 前記第3材料は、前記第2材料と同じ材料である、
    請求項7に記載の電池製造方法。
  10. 前記発電要素作製部により、第3発電要素を作製する工程(a3)と、
    前記積層部により、前記発電要素作製部により作製された前記第1発電要素と前記第3発電要素とを積層する工程(c)と、
    をさらに包含し、
    前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1対極集電体をさらに備え、
    前記第3発電要素は、内面層と外面層とを備える第3電極集電体と、第3電極活物質層と、第3固体電解質層と、第3対極活物質層と、を備え、
    前記工程(a3)において、前記発電要素作製部により、前記第3固体電解質層は前記第3電極活物質層と前記第3対極活物質層との間に形成され、前記第3電極集電体の前記内面層は前記第3電極活物質層と接して形成され、前記第3電極集電体の前記内面層は第4材料を含む材料で形成され、前記第3電極集電体の前記外面層は前記第4材料とは異なる材料を含む材料である第5材料で形成され、
    前記工程(a1)において、前記発電要素作製部により、前記第1対極集電体の前記内面層は前記第1対極活物質層と接して形成され、前記第1対極集電体の前記内面層は、前記第4材料とは異なる材料である第6材料を含む材料で形成され、前記第1対極集電体の前記外面層は前記第5材料を含む材料で形成され、
    前記工程(c)において、前記積層部により、前記第1対極集電体の前記外面層と前記第3電極集電体の前記外面層とは、互いに接して、配置される、
    請求項7から9のいずれかに記載の電池製造方法。
  11. 前記第6材料は、前記第5材料とは異なる材料である、
    請求項10に記載の電池製造方法。
  12. 前記第6材料は、前記第5材料と同じ材料である、
    請求項10に記載の電池製造方法。
  13. 第1発電要素と第2発電要素とを作製する発電要素作製部と、
    前記発電要素作製部により作製された前記第1発電要素と前記第2発電要素とを積層する積層部と、
    を備え、
    前記第1発電要素は、内面層と外面層とを備える第1電極集電体と、第1電極活物質層と、第1固体電解質層と、第1対極活物質層と、を備え、
    前記第2発電要素は、内面層と外面層とを備える第2電極集電体と、第2電極活物質層と、第2固体電解質層と、第2対極活物質層と、を備え、
    前記発電要素作製部は、前記第1固体電解質層を前記第1電極活物質層と前記第1対極活物質層との間に形成し、前記第1電極集電体の前記内面層として金属箔を前記第1電極活物質層と接して形成し、前記第1電極集電体の前記内面層を第1材料を含む材料で形成し、前記第1電極集電体の前記外面層を前記第1材料とは異なる材料である第2材料を主成分として含む材料で形成し、
    前記発電要素作製部は、前記第2固体電解質層を前記第2電極活物質層と前記第2対極活物質層との間に形成し、前記第2電極集電体の前記内面層として金属箔を前記第2電極活物質層と接して形成し、前記第2電極集電体の前記内面層を前記第1材料とは異なる材料である第3材料を含む材料で形成し、前記第2電極集電体の前記外面層を前記第2材料を主成分として含む材料で形成し、
    前記積層部は、前記第1電極集電体の前記外面層と前記第2電極集電体の前記外面層とを、互いに接して、配置する、
    電池製造装置。
  14. 記第2材料は、アルミニウムである、
    請求項1から6のいずれかに記載の電池。
  15. 記第2電極集電体の前記内面層は、前記第3材料を主成分とし、
    前記第2材料および前記第3材料は、アルミニウムである、
    請求項3に記載の電池。
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