JP7075391B2 - 糸状電池 - Google Patents

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Description

本発明は、糸状電池に関する。
例えば、特許文献1には、線状の負極あるいは正極の外周に固体電解質層が形成され、その外側に他極が形成され、その外側に被覆層が形成された線状形状を有する電池が記載されている。
特許文献1には、特許文献1に記載の線状形状を有する電池が、エレクトロニクス機器内のデッドスペースに沿わせて電池を配置させることができる程度のフレキシビリティを有していると記載されている。
特開平4-169066号公報
特許文献1に記載の線状の電池(以下、「糸状電池」と呼ぶ。)のフレキシビリティを向上したいという要望がある。なお、糸状電池には、ケーブル状やひも状、縄状、綱状、など線状のものも含まれる。
本発明の主な目的は、高いフレキシビリティを有する糸状電池を提供することにある。
本発明に係る糸状電池は、筒状部材と、複数の全固体蓄電エレメントと、可撓性接続部材とを備える。筒状部材は、可撓性を有する。複数の全固体蓄電エレメントは、筒状部材内に筒状部材の延びる方向に沿って相互に間隔をおいて配されている。可撓性接続部材は、複数の全固体蓄電エレメントを電気的に接続している。
本発明に係る糸状電池では、可撓性を有する筒状部材内に複数の全固体蓄電エレメントが筒状部材の延びる方向に沿って相互に間隔をおいて配されており、かつ、複数の全固体蓄電エレメントを接続している接続部材も可撓性を有している。このため、筒状部材のうち、全固体蓄電エレメントが配されていない部分は、可撓性を有する。従って、本発明に係る糸状電池は、高いフレキシビリティを有している。
本発明に係る糸状電池では、可撓性接続部材がシート状であってもよい。
本発明に係る糸状電池では、可撓性接続部材が紐状であってもよい。
本発明に係る糸状電池では、全固体蓄電エレメントの稜線部及び角部の少なくとも一方が面取り状又は丸められた形状を有することが好ましい。
本発明に係る糸状電池では、全固体蓄電エレメントが、最長辺の長さが1mm以下である直方体状であることが好ましい。
本発明に係る糸状電池では、筒状部材の内部に樹脂が充填されていることが好ましい。
本発明に係る糸状電池では、全固体蓄電エレメントは、固体電解質層と、固体電解質層の一の主面の上に設けられた第1の電極と、固体電解質層の他の主面の上に設けられた第2の電極とを有し、可撓性接続部材は、複数の全固体蓄電エレメントの第1の電極を電気的に接続している第1の可撓性接続部材と、複数の全固体蓄電エレメントの第2の電極を電気的に接続している第2の可撓性接続部材とを備える。
本発明によれば、高いフレキシビリティを有する糸状電池を提供することができる。
図1は、第1の実施形態に係る糸状電池の模式的斜視図である。 図2は、図1の線II-IIにおける糸状電池の模式的断面図である。 図3は、図2の矢印IIIから視た際の全固体蓄電エレメントと可撓性接続部材との模式的平面図である。 図4は、第1の実施形態における全固体蓄電エレメントの模式的斜視図である。 図5は、図4の線V-Vにおける全固体蓄電エレメントの模式的断面図である。 図6は、第2の実施形態における全固体蓄電エレメントと可撓性接続部材との模式的平面図である。 図7は、第3の実施形態に係る糸状電池の模式的断面図である。 図8は、第4の実施形態に係る糸状電池の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。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものである。図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る糸状電池の模式的斜視図である。図2は、図1の線II-IIにおける糸状電池の模式的断面図である。
糸状電池1は、筒状部材2と、複数の全固体蓄電エレメント10と、可撓性接続部材20a、20bとを備える。
筒状部材2は、可撓性を有するものであれば特に限定されない。筒状部材2は、例えば、金属、エラストマ、ラバー、紙、樹脂等により構成することができる。また、これらを組合せた材料や、これらの材料と無機材料とを組合せた材料も使用可能である。なかでも、後述のように、筒状部材2内に配されている全固体蓄電エレメント10や可撓性接続部材20a、20bを水分から保護する観点から、筒状部材2は、金属層を樹脂層で挟み込んだ防水性を有するラミネート材料等により構成されていることが好ましい。また、筒状部材2に可撓性接続部材20a、20bや全固体蓄電エレメント10が接触した場合にもショートが生じないようにする観点からは、筒状部材2は、絶縁性を有する熱収縮性樹脂、熱溶融樹脂等により構成されていることが好ましい。
また、筒状部材2の横断面形状も特に限定されず、例えば、円形状、長円形状、楕円形状、矩形状、多角形状、角部が丸められた形状を有する矩形状等であってもよい。
図2に示すように、筒状部材2内には、複数の全固体蓄電エレメント10が配されている。具体的には、複数の全固体蓄電エレメント10は、筒状部材2の延びる方向に沿って、相互に間隔をおいて配されている。
尚、本実施形態では、同一の形状及び同一の大きさの複数の全固体蓄電エレメント10が配されている例について説明する。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、筒状部材2内に配された複数の全固体蓄電エレメントに、他の全固体蓄電エレメントとは異なる形状を有する全固体蓄電エレメントや、異なる大きさの全固体蓄電エレメントが含まれていてもよい。また、例えば、複数の全固体蓄電エレメントは、互いに異なる形状であったり、異なる大きさであったりしてもよい。
筒状部材2内に配された全固体蓄電エレメント10は、図4及び図5に示すように、直方体状である。具体的には、本実施形態では、全固体蓄電エレメント10は、長さ方向Lにおける寸法が、幅方向Wにおける寸法よりも長い直方体状である。全固体蓄電エレメント10の長さ方向Lにおける寸法は、幅方向Wにおける寸法の1.1倍以上5倍以下であることが好ましく、1.5倍以上3倍以下であることがより好ましい。具体的には、本実施形態では、全固体蓄電エレメント10の長さ方向Lにおける寸法が、幅方向Wにおける寸法の2倍である。
なお、本発明において、「直方体状」には、稜線部及び角部の少なくとも一方が面取り状又は丸められた形状である直方体状、稜線部及び角部の少なくとも一方が面取り状又は丸められた形状である直方体状が含まれるものとする。
本実施形態では、具体的には、全固体蓄電エレメント10の稜線部及び角部が丸められた形状を有している。
全固体蓄電エレメント10の寸法は、特に限定されないが、最長辺の長さが30mm以下であることが好ましく、3.2mm以下であることが好ましく、1mm以下であることがさらに好ましい。この場合、全固体蓄電エレメント10の破損を抑制することができる。
全固体蓄電エレメント10は、全ての構成要素が固体である蓄電エレメントであれば特に限定されない。
図5に示すように、本実施形態では、全固体蓄電エレメント10は、全固体電解質層からなる全固体電解質層11と、第1の電極12と、第2の電極13とを有している。第1の電極12が全固体電解質層11の一方の主面(第1の主面)の上に配されている一方、第2の電極13が全固体電解質層11の他方の主面(第2の主面)の上に配されている。換言すれば、全固体電解質層11は、互いに対向している第1の電極12と第2の電極13とにより挟持されている。
なお、第1及び第2の電極12,13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。以下、本実施形態では、第1の電極12が負極を構成しており、第2の電極13が正極を構成している例について説明する。
第1の電極12は、負極集電体と、負極活物質層とを有する。負極集電体は、電子伝導性があるものであれば、特に限定されない。負極集電体は、例えば、炭素や電子伝導性の高い酸化物や複合酸化物、金属等により構成することができる。負極集電体は、例えば、Pt、Au、Ag、Al、Cu、ステンレス、ITO(酸化インジウムスズ)等により構成することができる。
負極活物質層は、負極集電体の上に設けられている。本実施形態では、負極活物質層は、負極活物質粒子と固体電解質粒子と、導電性粒子とを含む焼結体により構成されている。好ましく用いられる負極活物質の具体例としては、例えば、MO(Mは、Ti,Si,Sn,Cr,Fe,Nb,V及びMoからなる群より選ばれた少なくとも一種である。0.9≦X≦3.0)で表される化合物、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、スピネル型構造を有するリチウム含有酸化物等が挙げられる。MOで表される化合物は、酸素の一部がPやSiで置換されていてもよいし、Liを含んでもよい。すなわち、LiMO(Mは、Ti,Si,Sn,Cr,Fe,Nb,V及びMoからなる群より選ばれた少なくとも一種である。0.9≦X≦3.0、2.0≦Y≦4.0)で表される化合物も好適に用いることができる。好ましく用いられるリチウム合金の具体例としては、Li-Al等が挙げられる。好ましく用い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具体例としては、Li(PO等が挙げられる。好ましく用い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具体例としては、LiFePO等が挙げられる。好ましく用いられるスピネル型構造を有するリチウム含有酸化物の具体例としては、LiCu12等が挙げられる。これらの負極活物質のうちの1種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。
好ましく用いられる固体電解質の具体例としては、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固体電解質、ガーネット型若しくはガーネット型類似構造を有する酸化物固体電解質等が挙げられる。好ましく用い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、Li(PO(0.9≦x≦1.9、1。9≦y≦2.1、Mは、Ti,Ge,Al,Ga及び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。好ましく用い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具体例としては、例えば、Li1.2Al0.2Ti1.8(PO等が挙げられる。好ましく用いられるペロブスカイト構造を有する酸化物固体電解質の具体例としては、La0.55Li0.35TiO等が挙げられる。好ましく用いられるガーネット型若しくはガーネット型類似構造を有する酸化物固体電解質の具体例としては、Li1.4Al0.4Ge1.6(PO、LiLaZr12等が挙げられる。これらの固体電解質のうちの1種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。
負極活物質層に含まれる導電性粒子として好ましく用いられるものとしては、例えば、Ag,Au,Pt,Pdなどの金属、炭素、電子伝導性を有する化合物、またはそれらを組み合わせた混合物等により構成することができる。またこれらの導電性を有した物質が正極活物質粒子などの表面に被覆された状態で含まれてもよい。
なお、第1の電極において負極集電体を設ける必要は必ずしもない。例えば、負極活物質層により第1の電極を構成してもよい。例えば、金属リチウムにより第1の電極を構成してもよい。
第2の電極13は、全固体電解質層11を介して、第1の電極12と対向している。第2の電極13は、正極集電体と、正極活物質層とを有する。正極活物質層は、正極集電体の上に設けられている。第2の電極13は、正極活物質層が、負極活物質層と対向するように配されている。正極集電体は、電子伝導性があるものであれば、特に限定されない。正極集電体は、例えば、炭素や電子伝導性の高い酸化物や複合酸化物、金属等により構成することができる。正極集電体は、例えば、Pt、Au、Ag、Al、Cu、ステンレス、ITO(酸化インジウムスズ)等により構成することができる。
正極活物質層は、正極活物質粒子と、固体電解質粒子と、導電性粒子とを含む焼結体により構成されている。好ましく用いられる正極活物質の具体例としては、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、スピネル型構造を有するリチウム含有酸化物等が挙げられる。好ましく用い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具体例としては、Li(PO等が挙げられる。好ましく用い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具体例としては、LiFePO、LiCoPO、LiMnPO等が挙げられる。好ましく用いられるリチウム含有層状酸化物の具体例としては、LiCoO,LiCo1/3Ni1/3Mn1/3等が挙げられる。好ましく用いられるスピネル型構造を有するリチウム含有酸化物の具体例としては、LiMn,LiNi0.5Mn1.5等が挙げられる。これらの正極活物質のうちの1種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。
正極活物質層に含まれる固体電解質として好ましく用いられるものとしては、上述の負極活物質層に含まれる固体電解質として好ましく用いられるものと同様のものを例示することができる。
正極活物質層に含まれる導電性粒子の具体例としては、上述の負極活物質層に含まれる導電性粒子として好ましく用いられるものと同様のものを例示することができる。
なお、第2の電極において正極集電体を設ける必要は必ずしもない。例えば、正極活物質層により第2の電極を構成してもよい。
第1の電極12と第2の電極13との間には、全固体電解質層11が配されている。本実施形態では、第1及び第2の電極12,13のそれぞれは、全固体電解質層11と直接接合されている。詳細には、第1の電極12、全固体電解質層11及び第2の電極13は、一体焼結されたものである。換言すれば、全固体蓄電エレメント10は、第1の電極12と、全固体電解質層11と、第2の電極13との一体焼結体である。
全固体電解質層11は、固体電解質粒子の焼結体により構成されている。好ましく用いられる固体電解質の具体例としては、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固体電解質、ガーネット型若しくはガーネット型類似構造を有する酸化物固体電解質等が挙げられる。好ましく用い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、Li(PO(0.9≦x≦1.9、1.9≦y≦2.1、Mは、Ti,Ge,Al,Ga及び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。好ましく用い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具体例としては、例えば、Li1.4Al0.4Ge1.6(PO、Li1.2Al0.2Ti1.8(PO等が挙げられる。好ましく用いられるペロブスカイト構造を有する酸化物固体電解質の具体例としては、La0.55Li0.35TiO等が挙げられる。好ましく用いられるガーネット型若しくはガーネット型類似構造を有する酸化物固体電解質の具体例としては、LiLaZr12等が挙げられる。これらの固体電解質のうちの1種のみを用いてもよいし、複数種類を混合して用いてもよい。
図3に示すように、複数の全固体蓄電エレメント10のそれぞれは、第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bにより、電気的に接続されている。具体的には、複数の全固体蓄電エレメント10は、第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bによって並列に接続されている。
第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bは、隣り合う全固体蓄電エレメント10同士を電気的に接続するものであれば、特に限定されない。第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bは、例えば、シート状、紐状等であってもよい。本実施形態では、第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bがシート状の接続部材である例について説明する。
シート状である第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bは、例えば、1枚の導電膜(例えば、金属膜)により構成されていてもよいし、樹脂等からなる絶縁膜と、絶縁膜の上に形成された導電膜との積層体により構成されていてもよい。
第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bの間には、複数の全固体蓄電エレメント10が筒状部材2の延びる方向に沿って相互に間隔をおいて配されている。具体的には、複数の全固体蓄電エレメント10が、第1の電極12が一方側を向き、第2の電極13が他方側を向くように配されている。複数の全固体蓄電エレメント10の第1の電極12は、第1の可撓性接続部材20aにより電気的に接続されている。複数の全固体蓄電エレメント10の第2の電極13は、第2の可撓性接続部材20bにより電気的に接続されている。
もっとも、本発明において、複数の全固体蓄電エレメントの第1の電極がひとつの第1の可撓性接続部材により接続されている必要は必ずしもない。例えば、隣り合う全固体蓄電エレメントの第1の電極同士を接続する複数の第1の可撓性接続部材を設けてもよい。同様に、複数の全固体蓄電エレメントの第2の電極がひとつの第2の可撓性接続部材により接続されている必要は必ずしもない。例えば、隣り合う全固体蓄電エレメントの第2の電極同士を接続する複数の第2の可撓性接続部材を設けてもよい。
筒状部材2の内部には、樹脂30が充填されている。筒状部材2内に樹脂30が充填されていることにより、筒状部材2内に配された全固体蓄電エレメント10同士が衝突したり、第1の電極12と第2の電極13とが短絡したりすることを抑制することができる。また、電極12,13から可撓性接続部材20a、20bが剥離することを抑制することができる。
筒状部材2内に充填された樹脂30は、可撓性及び絶縁性を有するものである限り、特に限定されない。樹脂30の代わりに、例えば紙、エラストマ、無機物等を含む絶縁物により構成することができる。
なお、本発明において、筒状部材の内部に樹脂が充填されている必要は必ずしもない。本発明において、筒状部材の内部に空隙が設けられていてもよい。
以上説明したように、糸状電池1では、可撓性を有する筒状部材2内に、複数の全固体蓄電エレメント10が相互に間隔をおいて配されており、複数の全固体蓄電エレメント10のそれぞれが可撓性接続部材20a、20bにより接続されている。このため、糸状電池1のうち、全固体蓄電エレメント10が設けられていない部分は可撓性を有する。従って、糸状電池1は、高いフレキシビリティを有する。
より高いフレキシビリティを有する糸状電池1を得る観点から、全固体蓄電エレメント10の、筒状部材2の延びる方向に沿った長さをL1とし、隣り合う全固体蓄電エレメント10同士の間隔をL0とした際に、L0/L1が、0.1以上であることが好ましく、0.5以上であることがさらに好ましい。但し、L0/L1が大きすぎると、糸状電池1の単位長さに占める全固体蓄電エレメント10の面積割合が小さくなりすぎるため、糸状電池1の単位長さ当たりのエネルギー密度が低くなりすぎる場合がある。従って、L0/L1が、3以下であることが好ましく、2以下であることがより好ましく、1以下であることがさらに好ましい。
同様の観点から、糸状電池1の横断面積をS1とし、全固体蓄電エレメント10の横断面積をS0としたときに、S0/S1が0.9以下であることが好ましく、0.5以下であることがより好ましく、0.3以下であることがさらに好ましい。但し、S0/S1が小さすぎると単位面積当たりに占める全固体蓄電エレメント10の面積割合が小さくなりすぎるため、単位面積当たりのエネルギー密度が低くなりすぎる場合がある。従って、S0/S1が0.2以上であることが好ましく、0.3以上であることがさらに好ましい。
本実施形態では、全固体蓄電エレメント10の稜線部及び角部が丸められた形状を有している。この場合、糸状電池1をより曲げやすくすることができる。
糸状電池1では、並列に接続する全固体蓄電エレメント10の個数を異ならせたり、全固体蓄電エレメント10の容量を変化させることにより、糸状電池1の容量を自由に変化させることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第1の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
(第2の実施形態)
図6は、第2の実施形態における全固体蓄電エレメントと可撓性接続部材との模式的平面図である。
第1の実施形態では、第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bがシート状であ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。
第2の実施形態に係る糸状電池では、第1及び第2の可撓性接続部材20a、20bが紐状である。
例えば、可撓性接続部材20a、20bがシート状である場合は、可撓性接続部材20a、20bと全固体蓄電エレメント10の電極12,13との接触面積を大きくできるため、電池内抵抗を低くすることができる。また、シート状の可撓性接続部材20a、20bの場合、その終端あるいは全固体蓄電エレメント10間に金属等の電極板を取り付けることが容易であり、例えば、この電極板を外部引出端子とすることができる。但し、シート状の可撓性接続部材20a、20bを用いた場合は、可撓性接続部材20a、20bの厚み方向には高いフレキシビリティが得られるものの、可撓性接続部材20a、20bの幅方向には高いフレキシビリティが得難い。それに対して、紐状の可撓性接続部材20a、20bを用いた場合は、糸状電池の径方向のいずれの方向に対しても高いフレキシビリティを実現することができる。但し、紐状の可撓性接続部材20a、20bを用いた場合は、紐状の可撓性接続部材20a、20bと全固体蓄電エレメント10の電極12,13との接触面積が小さくなるため、電池内抵抗が高くなりやすい。従って、紐状の可撓性接続部材20a、20bは、金属などの電気抵抗の低い材料により構成されていることが好ましい。また、紐状の可撓性接続部材20a、20bを複数本使用することも可能である。紐状の可撓性接続部材20a、20bを複数本使用することにより、断線リスクを低減することができる。さらに、複数の紐状の可撓性接続部材20a、20bを個別に異なる負荷に接続することで複数の負荷を利用することができる。
(第3及び第4の実施形態)
図7は、第3の実施形態に係る糸状電池の模式的断面図である。図8は、第4の実施形態に係る糸状電池の模式的断面図である。
第1及び第2の実施形態では、複数の全固体蓄電エレメント10が並列に接続されている例について説明した。但し、本発明において、複数の全固体蓄電エレメント10が並列に接続されている必要は必ずしもない。
例えば、図7に示す糸状電池1aのように、可撓性接続部材20により隣接する全固体蓄電エレメント10の第1の電極12と第2の電極13とを接続することにより、複数の全固体蓄電エレメント10が直列に接続されていてもよい。
例えば、図8に示す糸状電池1bのように、第1の可撓性接続部材20aにより隣接する全固体蓄電エレメント10の第1の電極12と第2の電極13とを接続すると共に、第2の可撓性接続部材20bにより隣接する全固体蓄電エレメント10の第1の電極12と第2の電極13とを接続することにより、複数の全固体蓄電エレメント10が直列に接続されていてもよい。
複数の全固体蓄電エレメント10を並列に接続した場合は、大容量の糸状電池を実現することができる。複数の全固体蓄電エレメント10を直列に接続した場合は、高電圧の糸状電池を実現することができる。
1、1a、1b :糸状電池
2 :筒状部材
10 :全固体蓄電エレメント
11 :全固体電解質層
12 :第1の電極
13 :第2の電極
20 :可撓性接続部材
20a :第1の可撓性接続部材
20b :第2の可撓性接続部材

Claims (6)

  1. 可撓性を有する筒状部材と、
    前記筒状部材内に前記筒状部材の延びる方向に沿って相互に間隔をおいて配された複数の全固体蓄電エレメントと、
    前記複数の全固体蓄電エレメントを電気的に接続し、かつ、前記全固体蓄電エレメント上に配された可撓性接続部材と、
    を備え、
    前記全固体蓄電エレメントは、
    固体電解質層と、
    前記固体電解質層の一の主面の上に設けられた第1の電極と、
    前記固体電解質層の他の主面の上に設けられた第2の電極と、
    を有し、
    前記第1および第2の電極は、前記全固体蓄電エレメントの表面に位置し
    前記可撓性接続部材は、
    記複数の全固体蓄電エレメントの前記第1の電極を電気的に接続している第1の可撓性接続部材と、
    前記複数の全固体蓄電エレメントの前記第2の電極を電気的に接続している第2の可撓性接続部材と、
    を備える、糸状電池。
  2. 前記可撓性接続部材がシート状である、請求項1に記載の糸状電池。
  3. 前記可撓性接続部材が紐状である、請求項1に記載の糸状電池。
  4. 前記全固体蓄電エレメントの稜線部及び角部の少なくとも一方が面取り状又は丸められた形状を有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の糸状電池。
  5. 前記全固体蓄電エレメントが、最長辺の長さが1mm以下である直方体状である、請求項1~4のいずれか一項に記載の糸状電池。
  6. 前記筒状部材の内部に樹脂が充填されている、請求項1~5のいずれか一項に記載の糸状電池。
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