JP7056670B2 - 積層型全固体電池 - Google Patents

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Description

本発明は、積層型全固体電池に関する。
従来、電解液を使用しない、固体電解質を用いた全固体電池が知られている。全固体電池は、電解液を使用しないため、電解液の漏洩が生じず、また、高温雰囲気下でも作動する。このため、全固体電池に対する注目が高まってきている。
特開2007-266034号公報
例えば、高容量な全固体電池を実現する観点から、特許文献1に記載されている積層型セラミック電子部品のように、正極、固体電解質層及び負極からなるエレメントを積層し、積層型全固体電池とすることも考えられる。また、特許文献1に記載されている積層型セラミック電子部品のように、積層型全固体電池の稜線部や角部に割れや欠けが発生することを抑制するために、稜線部や角部を丸められた形状にすることも考えられる。
しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、稜線部を丸められた形状にした積層型全固体電池では、容量が定格容量よりも小さくなる場合があることを見出した。
本発明の主な課題は、容量が定格容量よりも小さくなりにくい構造を有する積層型全固体電池を提供することにある。
本発明に係る全固体電池は、電池本体と、複数の第1の内部電極と、複数の第2の内部電極と、第1の外部電極と、第2の外部電極とを備えている。電池本体は、第1及び第2の主面と、第1及び第2の側面と、第1及び第2の端面と、第1の稜線部と、第2の稜線部と、第3の稜線部と、第4の稜線部とを有する。第1及び第2の主面は、長さ方向及び幅方向に沿って延びている。第1及び第2の側面は、長さ方向及び厚み方向に沿って延びている。第1及び第2の端面は、幅方向及び厚み方向に沿って延びている。第1の稜線部は、第1の主面と第1の端面とにより構成されている。第1の稜線部は、丸められた形状を有する。第2の稜線部は、第1の主面と第2の端面とにより構成されている。第2の稜線部は、丸められた形状を有する。第3の稜線部は、第2の主面と第1の端面とにより構成されている。第3の稜線部は、丸められた形状を有する。第4の稜線部は、第2の主面と第2の端面とにより構成されている。第4の稜線部は、丸められた形状を有する。電池本体は、固体電解質を含む。複数の第1の内部電極は、第1の端面側から第2の端面側に向かって延びている。複数の第2の内部電極は、第2の端面側から第1の端面側に向かって延びている。複数の第2の内部電極は、厚み方向において第1の内部電極と対向している。第1の外部電極は、第1の端面、第1の稜線部及び第3の稜線部を覆っている。第1の外部電極は、複数の第1の内部電極に接続されている。第2の外部電極は、第2の端面、第2の稜線部及び第4の稜線部を覆っている。第2の外部電極は、複数の第2の内部電極に接続されている。複数の第1の内部電極は、第1-1の内部電極と、第1-2の内部電極を含む。第1-1の内部電極は、第1の稜線部に露出している。第1-2の内部電極は、第1の端面に露出している。第1-1の内部電極のうち、最も第1の主面側に位置している内部電極の第2の端面側端部が、第1-2の内部電極の第2の端面側端部よりも第1の端面側に位置している。
本発明の一実施形態に係る積層型全固体電池の模式的斜視図である。 図1の線II-IIにおける模式的断面図である。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
図1は、本実施形態に係る積層型全固体電池の模式的斜視図である。図2は、図1の線II-IIにおける模式的断面図である。なお、図2においては、電池本体10のハッチングを省略している。
(電池本体10)
図1及び図2に示す積層型全固体電池1は、電池本体10を備えている。電池本体10は、略直方体状である。電池本体10は、第1の主面10a、第2の主面10b、第1の側面10c、第2の側面10d、第1の端面10e及び第2の端面10fを有している。第1及び第2の主面10a、10bは、それぞれ、長さ方向L及び幅方向Wに沿って延びている。第1及び第2の側面10c、10dは、それぞれ、長さ方向L及び厚み方向Tに沿って延びている。第1及び第2の端面10e、10fは、それぞれ、幅方向W及び厚み方向Tに沿って延びている。
図2に示すように、第1の主面10aと第1の端面10eとにより構成された第1の稜線部101は、丸められた形状(R面取り形状)を有する。第1の主面10aと第2の端面10fとにより構成された第2の稜線部102は、丸められた形状を有する。第2の主面10bと第1の端面10eとにより構成された第3の稜線部103は、丸められた形状を有する。第2の主面10bと第2の端面10fとにより構成された第4の稜線部104は、丸められた形状を有する。具体的には、本実施形態の電池本体10の全ての稜線部及び全ての角部が、丸められた形状(R面取り形状)を有している。
電池本体10は、固体電解質を含む。電池本体10に含まれる固体電解質は、特に限定されない。好ましく用いられる固体電解質の例としては、例えば、ガーネット型構造を有する固体電解質やLISICON型構造を有する固体電解質が挙げられる。ガーネット型構造を有する固体電解質としては、例えば、組成式(Li[7-ax-(b-4)y])LaZr(2-y)12(Aは、Ga、Al、Mg、Zn及びScからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であり、Bは、Nb、Ta、W、Te、Mo及びBiからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であり、0≦x≦0.5、0≦y≦2.0、aはAの平均価数であり、bはBの平均価数である。)で表される固体電解質等が挙げられる。LISICON型構造を有する固体電解質としては。例えば、組成式(Li[3-ax+(5-b)])MO(Aは、Mg、Al、Ga及びZnからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であり、Mは、Zn、Al、Ga、Si、Ge、Ti、P及びVからなる群から選ばれた少なくとも1種の元素であり、0≦x≦1.0、aはAの平均価数であり、bはMの平均価数である。)で表される固体電解質等が挙げられる。
(内部電極11、12及び外部電極13、14)
電池本体10の内部には、複数の第1の内部電極11と、複数の第2の内部電極12とが設けられている。第1の内部電極11と、第2の内部電極12とのうちの一方が正極を構成しており、他方が負極を構成している。第1の内部電極11と、第2の内部電極12とは、電池本体10により構成された固体電解質層10Aを介して対向している。
複数の第1の内部電極11は、それぞれ、第1の端面10e側(L1側)から第2の端面10f側(L2側)に向かって延びている。複数の第1の内部電極11は、第1の端面10e、第1の稜線部101又は第3の稜線部103に露出している。複数の第1の内部電極11は、第2の端面10f、第2の稜線部102及び第4の稜線部104には露出していない。複数の第1の内部電極11は、第1の稜線部101に露出している第1-1の内部電極11aと、第1の端面10eに露出している第1-2の内部電極11bと、第3の稜線部103に露出している第1-3の内部電極11cとを含んでいる。本実施形態では、第1-1の内部電極11aと、第1-2の内部電極11bと、第1-3の内部電極11cとは、それぞれ、複数設けられている。
複数の第1の内部電極11は、それぞれ、第1の外部電極13に接続されている。第1の外部電極13は、第1の端面10e、第1の稜線部101及び第3の稜線部103を覆うように設けられている。具体的には、本実施形態では、第1の外部電極13は、電池本体10の第1の端面10eと、第1及び第2の主面10a、10b並びに第1及び第2の側面10c、10dの第1の端面10e側(L1側)部分とを覆うように設けられている。
複数の第2の内部電極12は、それぞれ、第2の端面10f側(L2側)から第1の端面10e側(L1側)に向かって延びている。複数の第2の内部電極12は、第2の端面10f、第2の稜線部102又は第4の稜線部104に露出している。複数の第2の内部電極12は、第1の端面10e、第1の稜線部101及び第3の稜線部103には露出していない。複数の第2の内部電極12は、第2の稜線部102に露出している第2-1の内部電極12aと、第2の端面10fに露出している第2-2の内部電極12bと、第4の稜線部104に露出している第2-3の内部電極12cとを含んでいる。本実施形態では、第2-1の内部電極12aと、第2-2の内部電極12bと、第2-3の内部電極12cとは、それぞれ、複数設けられている。
複数の第2の内部電極12は、それぞれ、第2の外部電極14に接続されている。第2の外部電極14は、第2の端面10f、第2の稜線部102及び第4の稜線部104を覆うように設けられている。具体的には、本実施形態では、第2の外部電極14は、電池本体10の第2の端面10fと、第1及び第2の主面10a、10b並びに第1及び第2の側面10c、10dの第2の端面10f側(L2側)部分とを覆うように設けられている。
(積層型全固体電池1の製造方法)
次に、積層型全固体電池1の製造方法の一例について説明する。
固体電解質、バインダ樹脂、有機溶剤等を混合・粉砕し、固体電解質スラリーを調製する。固体電解質スラリーをベースフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、固体電解質用グリーンシートを作製する。
正極活物質、導電材、固体電解質、有機溶剤等を混合・粉砕し、正極スラリーを調製する。正極スラリーをベースフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、正極用グリーンシートを作製する。
負極活物質、導電材、固体電解質、有機溶剤等を混合・粉砕し、負極スラリーを調製する。負極スラリーをベースフィルム上に塗布し、乾燥させることにより、負極用グリーンシートを作製する。
次に、正極用グリーンシート、負極用グリーンシートの表面に内部電極を所定の形状に印刷する。
次に、固体電解質用グリーンシート、正極用グリーンシート、負極用グリーンシートを適宜積層し、直方体状の積層体を作製する。必要に応じて、積層体を、プレスしてもよい。
次に、積層体をバレル研磨等することにより、角部及び稜線部を丸められた形状に加工する。
次に、角部及び稜線部が丸められた形状を有する積層体を焼成することにより積層型全固体電池1を完成させることができる。なお、バレル研磨等の処理は、例えば、焼成後に行ってもよい。
本発明者は、鋭意研究の結果、上述のようにバレル研磨等をすることにより稜線部が丸められた形状を有する積層型全固体電池では、容量が定格容量よりも小さくなることがあることを見出した。本発明者らは、さらに鋭意研究の結果、その原因が、稜線部が丸められることにより、第1の端面側の稜線部に露出している第1の内部電極が第2の端面側の稜線部にも露出したり、第2の端面側の稜線部に露出している第2の内部電極が第1の端面側の稜線部にも露出することにより、第1の外部電極と第2の外部電極との間で短絡が発生していることにあることを見出した。
本実施形態に係る積層型全固体電池1では、第1-1の内部電極11aのうち、最も第1の主面10a側に位置している内部電極の第2の端面10f側の端部が、第1-2の内部電極11bの第2の端面10f側の端部よりも第1の端面10e側に位置している。第1-3の内部電極11cのうち、最も第2の主面10b側に位置している内部電極の第2の端面10f側の端部が、第1-2の内部電極11bの第2の端面10f側の端部よりも第1の端面10e側に位置している。第2-1の内部電極12aのうち、最も第1の主面10a側に位置している内部電極の第1の端面10e側の端部が、第2-2の内部電極12bの第1の端面10e側の端部よりも第2の端面10f側に位置している。第2-3の内部電極12cのうち、最も第2の主面10b側に位置している内部電極の第1の端面10e側の端部が、第2-2の内部電極12bの第1の端面10e側の端部よりも第2の端面10f側に位置している。このため、第1及び第3の稜線部101、103が丸められた形状である場合であっても第1の稜線部101及び第3の稜線部103の両方に露出する第1-1の内部電極11aや第2-1の内部電極12aが生じ難い。第2及び第4の稜線部102、104が丸められた形状である場合であっても第2の稜線部102及び第4の稜線部104の両方に露出する第1-3の内部電極11cや第2-3の内部電極12cが生じ難い。従って、第1の外部電極13と第2の外部電極14との間で短絡が生じ難い。よって、本実施形態の積層型全固体電池1は、容量が定格容量よりも小さくなりにくい構造を有している。
容量が定格容量よりも小さくなることをより効果的に抑制する観点からは、全ての第1-1の内部電極11aのそれぞれの第2の端面10f側の端部が第1-2の内部電極11bの第2の端面10f側の端部よりも第1の端面10e側に位置していることが好ましい。全ての第1-3の内部電極11cのそれぞれの第2の端面10f側の端部が、第1-2の内部電極11bの第2の端面10f側の端部よりも第1の端面10e側に位置していることが好ましい。全ての第2-1の内部電極12aのそれぞれの第1の端面10e側の端部が、第2-2の内部電極12bの第1の端面10e側の端部よりも第2の端面10f側に位置していることが好ましい。全ての第2-3の内部電極12cのそれぞれの第1の端面10e側の端部が、第2-2の内部電極12bの第1の端面10e側の端部よりも第2の端面10f側に位置していることが好ましい。
第1-1の内部電極11aの長さは、第1-2の内部電極11bより短いことが好ましい。第1-1の内部電極11aは、第1-1の内部電極11aと第1の稜線部101との間の距離と、第1-2の内部電極11bと第1の端面10eとの間の距離とが実質的に等しくなるように設けられていることが好ましい。もっとも、本発明においては、複数の第1-1の内部電極11aは、実質的に同じ長さに設けられていてもよい。
第1-3の内部電極11cの長さは、第1-2の内部電極11bより短いことが好ましい。第1-3の内部電極11cは、第1-3の内部電極11cと第3の稜線部103との間の距離と、第1-2の内部電極11bと第1の端面10eとの間の距離とが実質的に等しくなるように設けられていることが好ましい。もっとも、本発明においては、複数の第1-3の内部電極11cは、実質的に同じ長さに設けられていてもよい。
第2-1の内部電極12aの長さは、第2-2の内部電極12bより短いことが好ましい。第2-1の内部電極12aは、第2-1の内部電極12aと第2の稜線部102との間の距離と、第2-2の内部電極12bと第2の端面10fとの間の距離とが実質的に等しくなるように設けられていることが好ましい。もっとも、本発明においては、複数の第2-1の内部電極12aは、実質的に同じ長さに設けられていてもよい。
第2-3の内部電極12cの長さは、第2-2の内部電極12bより短いことが好ましい。第2-3の内部電極12cは、第2-3の内部電極12cと第4の稜線部104との間の距離と、第2-2の内部電極12bと第2の端面10fとの間の距離とが実質的に等しくなるように設けられていることが好ましい。もっとも、本発明においては、複数の第2-3の内部電極12cは、実質的に同じ長さに設けられていてもよい。
また、積層型全固体電池1の容量を大きくする観点からは、厚み方向Tから視た際に、第1-2の内部電極11bの第2の端面10f側の端部が第2の稜線部102及び第4の稜線部104と重なるように第1-2の内部電極11bが設けられていることが好ましい。厚み方向Tから視た際に、第2-2の内部電極12bの第1の端面10e側の端部が第1の稜線部101及び第3の稜線部103と重なるように、第2-2の内部電極12bが設けられていることが好ましい。
なお、本実施形態では、第1の内部電極11と第2の内部電極12とが厚み方向Tにおいて交互に設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明において、第1の内部電極と第2の内部電極との積層態様は、積層型全固体電池1の定格電圧や定格電流等に応じて適宜決定することができる。
本実施形態では、第1-1の内部電極11a、第1-2の内部電極11b、第1-3の内部電極11c、第2-1の内部電極12a、第2-2の内部電極12b及び第2-3の内部電極12cがそれぞれ複数設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明においては、例えば、第1-1の内部電極11a、第1-2の内部電極11b及び少なくとも一つの第2の内部電極12が内部電極として設けられていてもよい。第1-1の内部電極11a、第1-2の内部電極11b、第1-3の内部電極11c、第2-1の内部電極12a、第2-2の内部電極12b及び第2-3の内部電極12cのそれぞれは、一つずつ設けられていてもよい。
本実施形態に係る全固体電池は、電池本体と、複数の第1の内部電極と、複数の第2の内部電極と、第1の外部電極と、第2の外部電極とを備えている。電池本体は、第1及び第2の主面と、第1及び第2の側面と、第1及び第2の端面と、第1の稜線部と、第2の稜線部と、第3の稜線部と、第4の稜線部とを有する。第1及び第2の主面は、長さ方向及び幅方向に沿って延びている。第1及び第2の側面は、長さ方向及び厚み方向に沿って延びている。第1及び第2の端面は、幅方向及び厚み方向に沿って延びている。第1の稜線部は、第1の主面と第1の端面とにより構成されている。第1の稜線部は、丸められた形状を有する。第2の稜線部は、第1の主面と第2の端面とにより構成されている。第2の稜線部は、丸められた形状を有する。第3の稜線部は、第2の主面と第1の端面とにより構成されている。第3の稜線部は、丸められた形状を有する。第4の稜線部は、第2の主面と第2の端面とにより構成されている。第4の稜線部は、丸められた形状を有する。電池本体は、固体電解質を含む。複数の第1の内部電極は、第1の端面側から第2の端面側に向かって延びている。複数の第2の内部電極は、第2の端面側から第1の端面側に向かって延びている。複数の第2の内部電極は、厚み方向において第1の内部電極と対向している。第1の外部電極は、第1の端面、第1の稜線部及び第3の稜線部を覆っている。第1の外部電極は、複数の第1の内部電極に接続されている。第2の外部電極は、第2の端面、第2の稜線部及び第4の稜線部を覆っている。第2の外部電極は、複数の第2の内部電極に接続されている。複数の第1の内部電極は、第1-1の内部電極と、第1-2の内部電極を含む。第1-1の内部電極は、第1の稜線部に露出している。第1-2の内部電極は、第1の端面に露出している。第1-1の内部電極のうち、最も第1の主面側に位置している内部電極の第2の端面側端部が、第1-2の内部電極の第2の端面側端部よりも第1の端面側に位置している。
本実施形態によれば、容量が定格容量よりも小さくなりにくい構造を有する積層型全固体電池を提供することができる。
本実施形態に係る全固体電池では、複数の第1-1の内部電極のそれぞれの第2の端面側端部が、第1-2の内部電極の第2の端面側端部よりも第1の端面側に位置していることが好ましい。
本実施形態に係る全固体電池では、複数の第1の内部電極が、第3の稜線部に露出している第1-3の内部電極をさらに含んでいてもよい。その場合、第1-3の内部電極のうち、最も第2の主面側に位置している内部電極の第2の端面側端部が、第1-2の内部電極の第2の端面側端部よりも第1の端面側に位置していることが好ましい。複数の第1-3の内部電極のそれぞれの第2の端面側端部が、第1-2の内部電極の第2の端面側端部よりも第1の端面側に位置していることがより好ましい。
本実施形態に係る全固体電池では、複数の第2の内部電極が、第2の稜線部に露出している第2-1の内部電極と、第2の端面に露出している第2-2の内部電極とを含んでいてもよい。その場合、第2-1の内部電極のうち、最も第1の主面側に位置している内部電極の第1の端面側端部が、第2-2の内部電極の第1の端面側端部よりも第2の端面側に位置していることが好ましい。
本実施形態に係る全固体電池では、複数の第2-1の内部電極のそれぞれの第1の端面側端部が、第2-2の内部電極の第1の端面側端部よりも第2の端面側に位置していることが好ましい。
本実施形態に係る全固体電池では、複数の第2の内部電極が、第4の稜線部に露出している第2-3の内部電極をさらに含んでいてもよい。その場合、第2-3の内部電極のうち、最も第2の主面側に位置している内部電極の第1の端面側端部が、第2-2の内部電極の第1の端面側端部よりも第2の端面側に位置していることが好ましい。複数の第2-3の内部電極のそれぞれの第1の端面側端部が、第2-2の内部電極の第1の端面側端部よりも第2の端面側に位置していることがより好ましい。

Claims (8)

  1. 長さ方向及び幅方向に沿って延びる第1及び第2の主面と、長さ方向及び厚み方向に沿って延びる第1及び第2の側面と、幅方向及び厚み方向に沿って延びる第1及び第2の端面と、前記第1の主面と前記第1の端面とにより構成されて丸められた形状を有する第1の稜線部と、前記第1の主面と前記第2の端面とにより構成されて丸められた形状を有する第2の稜線部と、前記第2の主面と前記第1の端面とにより構成されて丸められた形状を有する第3の稜線部と、前記第2の主面と前記第2の端面とにより構成されて丸められた形状を有する第4の稜線部とを有し、固体電解質を含む電池本体と、
    前記第1の端面側から前記第2の端面側に向かって延びる複数の第1の内部電極と、
    前記第2の端面側から前記第1の端面側に向かって延び、厚み方向において前記第1の内部電極と対向する複数の第2の内部電極と、
    前記第1の端面、前記第1の稜線部及び前記第3の稜線部を覆い、前記複数の第1の内部電極に接続された第1の外部電極と、
    前記第2の端面、前記第2の稜線部及び前記第4の稜線部を覆い、前記複数の第2の内部電極に接続された第2の外部電極と、
    を備え、
    前記複数の第1の内部電極は、
    前記第1の稜線部に露出している第1-1の内部電極と、
    前記第1の端面に露出している第1-2の内部電極と、
    を含み、
    前記第1-1の内部電極のうち、最も前記第1の主面側に位置している内部電極の前記第2の端面側端部が、前記第1-2の内部電極の前記第2の端面側端部よりも前記第1の端面側に位置している、積層型全固体電池。
  2. 複数の前記第1-1の内部電極のそれぞれの前記第2の端面側端部が、前記第1-2の内部電極の前記第2の端面側端部よりも前記第1の端面側に位置している、請求項1に記載の積層型全固体電池。
  3. 前記複数の第1の内部電極は、前記第3の稜線部に露出している第1-3の内部電極をさらに含み、
    前記第1-3の内部電極のうち、最も前記第2の主面側に位置している内部電極の前記第2の端面側端部が、前記第1-2の内部電極の前記第2の端面側端部よりも前記第1の端面側に位置している、請求項1又は2に記載の積層型全固体電池。
  4. 複数の前記第1-3の内部電極のそれぞれの前記第2の端面側端部が、前記第1-2の内部電極の前記第2の端面側端部よりも前記第1の端面側に位置している、請求項3に記載の積層型全固体電池。
  5. 前記複数の第2の内部電極は、
    前記第2の稜線部に露出している第2-1の内部電極と、
    前記第2の端面に露出している第2-2の内部電極と、
    を含み、
    前記第2-1の内部電極のうち、最も前記第1の主面側に位置している内部電極の前記第1の端面側端部が、前記第2-2の内部電極の前記第1の端面側端部よりも前記第2の端面側に位置している、請求項1~4のいずれか一項に記載の積層型全固体電池。
  6. 複数の前記第2-1の内部電極のそれぞれの前記第1の端面側端部が、前記第2-2の内部電極の前記第1の端面側端部よりも前記第2の端面側に位置している、請求項5に記載の積層型全固体電池。
  7. 前記複数の第2の内部電極は、前記第4の稜線部に露出している第2-3の内部電極をさらに含み、
    前記第2-3の内部電極のうち、最も前記第2の主面側に位置している内部電極の前記第1の端面側端部が、前記第2-2の内部電極の前記第1の端面側端部よりも前記第2の端面側に位置している、請求項5又は6に記載の積層型全固体電池。
  8. 複数の前記第2-3の内部電極のそれぞれの前記第1の端面側端部が、前記第2-2の内部電極の前記第1の端面側端部よりも前記第2の端面側に位置している、請求項7に記載の積層型全固体電池。
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