JP7088300B2 - 可撓性糸電池及びコネクタ付き可撓性糸電池 - Google Patents

可撓性糸電池及びコネクタ付き可撓性糸電池 Download PDF

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Description

本発明は、可撓性糸電池及びコネクタ付き可撓性糸電池に関する。
近年、電子機器の小型化、薄型化に応じ、電源である電池について、収容スペースの形状に追従させやすい形状の電池が求められている。
収容スペースの形状に追従させやすい形状としては、例えば、特許文献1に記載されたような糸型の電池が挙げられる。特許文献1は、内部集電体と該内部集電体の周面に被覆された負極材料とからなる内部電極と、内部電極の外部に設置された電解質と、該電解質の周面に被覆された、正極材料と該正極材料の周面に設けられた外部集電体及び保護被覆部分とからなる、様々な形状に変形しうる糸型の電池を開示している。
特許第4971139号公報
しかしながら、特許文献1には、糸型の電池から外部に電流を引き出す具体的な方法が何ら開示されていない。さらに、特許文献1に開示された糸型の電池は、内部集電体が電池内部に存在しているため、電流を引き出せる位置が固定されてしまっており、外部電極の引き出し位置の自由度が低いという問題があった。加えて、特許文献1は、電池が様々な形状に変形しうることを開示しているが、電解質として硫化物系の固体電解質を用いた場合には可撓性が不足し、変形時に固体電解質が破壊されて電池機能が停止するという問題があった。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、外部電極の引き出し位置の自由度が高く、破損時に電池機能が停止しにくく、可撓性に優れる可撓性糸電池を提供することを目的とする。本発明はまた、上記可撓性糸電池の端部にコネクタが接続されたコネクタ付き可撓性糸電池を提供することを目的とする。
本発明の可撓性糸電池は、長手方向に相対する第1端部及び第2端部を有する可撓性糸電池であって、上記長手方向に延びる絶縁性の芯糸と、上記芯糸の外周面に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付けられる糸状の第1集電体、糸状の第1電極、糸状の固体電解質、糸状の第2電極及び糸状の第2集電体と、からなり、上記第1集電体、上記第1電極、上記固体電解質、上記第2電極及び上記第2集電体は、この順で並んで接続されており、かつ、上記第1集電体と上記第2集電体とは絶縁されていることを特徴とする。
本発明のコネクタ付き可撓性糸電池は、本発明の可撓性糸電池と、上記可撓性糸電池の上記第1端部又は上記第2端部に接続されるコネクタとを備えるコネクタ付き可撓性糸電池であって、上記コネクタは、上記第1集電体と接続される第1接続端子と、上記第2集電体と接続される第2接続端子とを有していることを特徴とする。
本発明によれば、外部電極の引き出し位置の自由度が高く、破損時に電池機能が停止しにくく、可撓性に優れる可撓性糸電池を提供することができる。
図1は、本発明の可撓性糸電池の一例を示す模式図である。 図2は、本発明の可撓性糸電池の別の一例を示す模式図である。 図3は、絶縁膜が設けられた可撓性糸電池の一例を示す模式図である。 図4は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタの一例を模式的に示す斜視図である。 図5は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタの別の一例を示す模式図である。 図6(a)~図6(c)は、巻付対象に対してカバリング糸を巻き付けた状態の一例を示す模式図である。 図7は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタのさらに別の一例を示す模式図である。 図8(a)は、コネクタを構成する接続端子及び外部コネクタを構成する外部端子の一例を模式的に示す斜視図であり、図8(b)は、図8(a)に示す接続端子を備えるコネクタ及び図8(a)に示す外部端子を備える外部コネクタの様子を模式的に示す図である。 図9(a)は、コネクタを構成する接続端子及び外部コネクタを構成する外部端子の別の一例を模式的に示す斜視図であり、図9(b)は、図9(a)に示す接続端子を備えるコネクタ及び図9(a)に示す外部端子を備える外部コネクタの様子を模式的に示す図である。 図10は、図7に示すコネクタ及び外部コネクタを接続した場合の一例を示す斜視図である。
以下、本発明の可撓性糸電池及びコネクタ付き可撓性糸電池について説明する。
しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
本発明の可撓性糸電池は、長手方向に相対する第1端部と第2端部を有している。
本発明の可撓性糸電池は、長手方向に延びる絶縁性の芯糸と、芯糸の外周面に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付けられる糸状の第1集電体、糸状の第1電極、糸状の固体電解質、糸状の第2電極及び糸状の第2集電体とからなる。
第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極、及び第2集電体は、この順で並んで接続されており、かつ、第1集電体と第2集電体とは絶縁されている。
本発明の可撓性糸電池は、第1集電体及び第2集電体がそれぞれ、芯糸の外周面に配置されている。従って、いずれの箇所からでも電流を引き出すことができ、外部電極の引き出し位置の自由度が高い。
さらに、本発明の可撓性糸電池は、それぞれ糸状の第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体が、芯糸の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられているため、第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体に剛性の高い材料を用いた場合であっても、糸電池全体として高い可撓性を有する。
さらに、第1集電体及び第2集電体がそれぞれ、芯糸の外周面に螺旋状に巻き付けられていると、第1電極、第2電極及び固体電解質が破損した場合であっても、第1集電体及び第2集電体が破損していない場合には、破損部位を除く部分については電池として機能するため、破損時に電池機能が停止しにくい。特に、延性の高い材料で集電体が構成されている場合には、集電体に可撓性があり破断しにくいため、上記のように短絡を防止することができる。
また、電極や固体電解質の主材料としてガラスやセラミックを用いた場合は、応力が加わって破断したとしても、各破断片を起点とした連続破壊が起こりにくいため、粉々になりにくく短絡が防止され、電池機能が維持される。
本発明の可撓性糸電池の構成について、図1を参照しながら説明する。
図1は、本発明の可撓性糸電池の一例を示す模式図である。
図1に示すように、可撓性糸電池1は長手方向(図1中、両矢印Lで示す方向)に沿って延びる糸状であり、相対する第1端部1aと第2端部1bとを有する。
可撓性糸電池1は、長手方向に延びる絶縁性の芯糸60と、芯糸60の外周面に配置される第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90からなる。第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90は、芯糸60の外周面に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付けられており、この順で並んで接続されている。第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20、第2集電体90は互いに交差していない。
隣り合う第1集電体70と第2集電体90の間には隙間40が設けられており、第1集電体70と第2集電体90とが絶縁されている。
図1では、左側から順に第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90が並んでいるが、右側から順に第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90が並んでいてもよい。
また、図1では、可撓性糸電池1における第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90の巻き付け方向がS方向である例を示しているが、巻き付け方向は逆向きのZ方向であってもよい。
図1に示す可撓性糸電池1では、隣り合う第1集電体70と第2集電体90の間には隙間40が設けられているが、隣り合う第1集電体70と第2集電体90の間には、隙間40に代わって絶縁性材料からなる絶縁糸が配置されていてもよい。
図2は、本発明の可撓性糸電池の別の一例を示す模式図である。
図2に示す可撓性糸電池2は、長手方向(図2中、両矢印Lで示す方向)に沿って延びる糸状であり、相対する第1端部2aと第2端部2bとを有する。
可撓性糸電池2では、隣り合う第1集電体70と第2集電体90との間に絶縁糸50が配置されており、第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20、第2集電体90及び絶縁糸50が、芯糸60の外周面に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付けられている。すなわち、絶縁糸50も、芯糸60の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられている。第1集電体70、第1電極10、固体電解質30、第2電極20及び第2集電体90は互いに交差していない。
絶縁糸50は絶縁性材料からなるため、隣り合う第1集電体70と第2集電体90とが絶縁糸50により絶縁される。
本発明の可撓性糸電池は、最外周面の少なくとも一部が、絶縁性材料からなる絶縁膜により覆われていることが好ましい。
ここで、最外周面とは、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の外側を意味する。
最外周面が絶縁性材料からなる絶縁膜により覆われていると、外部からの衝撃や振動等によって第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体が破損することや意図せずに短絡することを防止できる。
また、第1集電体と第2集電体とが隙間によって絶縁されている場合、該隙間が絶縁膜により埋められていることが好ましい。これにより、第1集電体と第2集電体を確実に絶縁することができる。
図3は、絶縁膜が設けられた可撓性糸電池の一例を示す模式図である。
図3に示す可撓性糸電池3は、図1に示す可撓性糸電池1の最外周面に絶縁性材料からなる絶縁膜100を設けたものに相当する。
可撓性糸電池3では、第1集電体70と第2集電体90の隙間40が、絶縁性材料からなる絶縁膜100により埋められている。
本発明の可撓性糸電池は、可撓性を有している。
可撓性糸電池は可撓性を有しているため、収容スペースの形状に追従させやすい。
なお、本明細書においては、糸電池を曲率半径が50mmとなるまで変形させても破壊されない場合に、可撓性を有していると判断する。
糸電池を内径100mmの環の内周面に沿って配置した際に、糸電池が破壊されなければ、曲率半径が50mmとなるまで変形させても破壊されない、すなわち可撓性を有していると判断する。
本発明の可撓性糸電池において、芯糸の直径は特に限定されないが、0.001mm以上、5mm以下であることが好ましい。
なお、芯糸の直径は、無作為に選択した10箇所における芯糸の長手方向に垂直な断面の断面形状から直径を測定し、平均値をとることにより求めることができる。ただし、芯糸の断面形状が円形でない場合には、断面の面積から求められる投影面積相当円の直径を断面の直径とする。
本発明の可撓性糸電池において、芯糸の長手方向の長さは特に限定されないが、1mm以上であることが好ましい。
本発明の可撓性糸電池において、芯糸の直径と長さの比は特に限定されないが、[(長さ)/(直径)]が5以上であることが好ましい。
本発明の可撓性糸電池において、芯糸の長手方向に垂直な断面の断面形状は特に限定されず、円形、楕円形、多角形等であってもよい。
本発明の可撓性糸電池において、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の直径は、それぞれ同じであってもよく、異なっていてもよい。
本発明の可撓性糸電池において、第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体の断面形状は特に限定されず、円形、楕円形、多角形等であってもよい。第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体の断面形状は、それぞれ同じであってもよく、異なっていてもよい。
[芯糸]
芯糸を構成する材料は、絶縁性材料であれば特に限定されないが、ガラス、セラミックス、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、難燃性樹脂等が挙げられる。
芯糸を構成する材料にガラス、セラミックス、難燃性樹脂を用いることで、本発明の可撓性糸電池に難燃性を付与することができる。
ガラスとしては、例えば、石英ガラス(SiO)や、SiO、PbO、B、MgO、ZnO、Bi、NaO及びAlからなる群から選ばれる少なくとも2種以上を組み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、例えば、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。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、熱可塑性ポリウレタン、テフロン(登録商標)等が挙げられる。
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン等が挙げられる。
難燃性樹脂としては、例えば、ナイロン66、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンオキサイド、難燃EPゴム、架橋ポリエチレン、難燃クロロプレンゴム、ポリビニリデンフロライド、シリコーンゴム(RTV)、テトラフルオロエチレン、難燃性ポリイミド樹脂、難燃性アクリル樹脂等が挙げられる。
芯糸の直径は、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の直径より大きくてもよいし、小さくてもよい。また、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の直径と同程度であってもよい。
本発明の可撓性糸電池においては、第1電極及び第2電極のうちの一方が正極となり、他方が負極となる。以下では、第1電極が正極、第2電極が負極である場合の例について説明する。
[第1電極]
第1電極は、正極活物質粒子を含む焼結体により構成されている。
正極活物質粒子を構成する材料としては、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の酸化物が挙げられる。
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粒子のうちの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。
これらのなかでは、Li(POが特に好ましい。
第1電極は、正極活物質粒子の他に、固体電解質粒子及び導電性粒子を含んでいてもよい。
固体電解質粒子を構成する材料としては、例えば、後述する固体電解質を構成する酸化物が挙げられる。
固体電解質粒子は、後述する固体電解質を構成する酸化物と同じものであることが好ましい。
第1電極が固体電解質粒子を含んでおり、該固体電解質粒子が固体電解質を構成する酸化物と同じものであると、第1電極と固体電解質との接合が強固なものとなり、応答速度及び機械的強度が向上する。
導電性粒子は、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される粒子が挙げられる。またこれらの導電性を有した物質が正極活物質粒子の表面に被覆された状態で第1電極に含まれてもよい。
第1電極の直径は特に限定されないが、0.001mm以上、1mm以下であることが好ましい。
[第2電極]
第2電極は、負極活物質粒子を含む焼結体で構成されている。
負極活物質粒子を構成する材料の例としては、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、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、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、MOで表される化合物、LiMOで表される化合物、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の酸化物であることが好ましい。
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。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やLiFe(PO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、LiTi12等が挙げられる。これらの負極活物質粒子のうちの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。
これらのなかでは、Li(POが特に好ましい。
第2電極は、負極活物質粒子の他に、固体電解質粒子及び導電性粒子を含んでいてもよい。
固体電解質粒子を構成する材料としては、例えば、後述する固体電解質を構成する酸化物が挙げられる。
固体電解質粒子としては、後述する固体電解質を構成する酸化物と同じものであることが好ましい。
第2電極が固体電解質粒子を含んでおり、該固体電解質粒子が固体電解質を構成する酸化物と同じものであると、第2電極と固体電解質との接合が強固なものとなり、応答速度及び機械的強度が向上する。
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される粒子が挙げられる。またこれらの導電性を有した物質が負極活物質粒子などの表面に被覆された状態で第2電極に含まれてもよい。
第2電極の直径は特に限定されないが、0.001mm以上、1mm以下であることが好ましい。
なお、本明細書において、酸化物には、硫化酸化物を含めないものとする。
[固体電解質]
固体電解質としては、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等の酸化物が挙げられる。
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。
リチウム含有リン酸化合物としては、Li1.2Al0.2Ti1.8(POが好ましい。
組成の異なる2種以上のナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物を混合して用いてもよい。
固体電解質の好ましい組成としては、例えば、Li1+xAlGe2-x(POで示されるガラス化可能な組成[例えば、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO、Li1.2Al0.2Ge1.8(PO等]、Li1+xAlGe2-x-yTi(POで示されるガラス化可能な組成[例えば、Li1.5Al0.5Ge1.0Ti0.5(PO、Li1.2Al0.2Ge1.3Ti0.5(PO等]、AlPO、SiO及びBとからなる群より選択される少なくとも1種とLi1+xAlGe2-x(PO又はLi1+xAlGe2-x-yTi(POとの混合物、Li1+xAlGe2-x(POとLi1+xAlGe2-x-yTi(POの混合物、Li1+xAlGe2-x(PO又はLi1+xAlGe2-x-yTi(POのLiの一部をNa、Co、Mn又はNiで置き換えたもの[例えば、Liの一部をNaで置き換えたLi1.1Na0.1Al0.2Ge1.3Ti0.5(POやLi1.4Na0.1Al0.5Ge1.0Ti0.5(PO等]、Li1+xAlGe2-x(PO又はLi1+xAlGe2-x-yTi(POのGeの一部をZr、Fe又はVで置き換えたもの[例えば、Geの一部をZrで置き換えたLi1.2Al0.2Ge1.7Zr0.1(PO、Li1.5Al0.5Ge1.0Ti0.4Zr0.1(PO等]等が挙げられ、これら2種以上を混合して用いてもよい。
固体電解質は、ナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物に加えて、さらに、ペロブスカイト型構造を有する酸化物固体電解質や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を含んでいてもよい。ペロブスカイト型構造を有する酸化物固体電解質の具体例としては、例えばLa0.55Li0.35TiOが挙げられ、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、例えばLiLaZr12が挙げられる。
固体電解質の直径は特に限定されないが、0.001mm以上、2mm以下であることが好ましい。
本発明の可撓性糸電池は、第1電極、第2電極及び固体電解質が、いずれも酸化物を含んでいることが好ましい。
第1電極、第2電極及び固体電解質がいずれも酸化物を含んでいると、焼結体を形成しやすくなる。また、酸化物を含む焼結体は応力が加わって破断したとしても、各破断片を起点とした連続破壊が起こりにくいため、粉々になりにくく短絡が防止され、電池機能が維持される。
本発明の可撓性糸電池は、第1電極及び第2電極の少なくとも一方が、固体電解質と同じ酸化物を含んでいることが好ましく、第1電極及び第2電極の両方が、固体電解質と同じ酸化物を含んでいることがより好ましい。特に、第1電極及び第2電極の少なくとも一方が、Li1.2Al0.2Ti1.8(PO等のリチウム含有リン酸化合物を含んでいることが好ましく、第1電極及び第2電極の両方が、上記リチウム含有リン酸化合物を含んでいることがより好ましい。
固体電解質と同じ酸化物を含む電極は、固体電解質との接合が強固となるため、応答速度及び機械的強度が向上する。
本発明の可撓性糸電池において、第1電極、第2電極及び固体電解質は、硫化物及び硫化酸化物を実質的に含まないことが好ましい。
第1電極が固体電解質と同じ酸化物を含んでいる場合、その含有量は30重量%以上、70重量%以下であることが好ましい。
第1電極における上記酸化物の含有量が30重量%未満であると、第1電極と固体電解質との接合強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、上記含有量が70重量%を超えると、第1電極中に占める正極活物質粒子の割合が減少するため、エネルギー密度が低下するおそれがある。
なお、第1電極中に占める酸化物の含有量は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析等の組成分析により測定することができる。また、簡易的には、粉末X線回折(XRD)等のデータ解析を利用することもできる。
第2電極が固体電解質と同じ酸化物を含んでいる場合、その含有量は30重量%以上、70重量%以下であることが好ましい。
第2電極における上記酸化物の含有量が30重量%未満であると、第2電極と固体電解質との接合強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、上記含有量が70重量%を超えると、第2電極中に占める負極活物質粒子の割合が減少するため、エネルギー密度が低下するおそれがある。
なお、第2電極中に占める酸化物の含有量は、第1電極と同様の方法で測定することができる。
[集電体]
第1集電体及び第2集電体について説明する。
第1電極が正極である場合、第1集電体は正極集電体となり、第2電極が負極である場合、第2集電体は負極集電体となる。
正極集電体及び負極集電体は、電子伝導性があるものであれば、特に限定されない。正極集電体及び負極集電体は、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。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。
正極集電体を構成する材料としては、Ni又はAlが好ましい。一方、負極集電体を構成する材料としては、Cuが好ましい。
集電体の直径は特に限定されないが、0.001mm以上、1mm以下であることが好ましい。
[絶縁糸]
絶縁糸を構成する材料は絶縁性材料であればよく、芯糸を構成する材料と同じものを好適に用いることができる。
絶縁糸の直径は特に限定されないが、0.002mm以上、5mm以下であることが好ましい。
[絶縁膜]
絶縁膜を構成する材料は絶縁性材料であればよく、例えば、ガラス、セラミックス、絶縁性樹脂等が挙げられる。
ガラスとしては、例えば、石英ガラス(SiO)や、SiO、PbO、B、MgO、ZnO、Bi、NaO及びAlからなる群から選ばれる少なくとも2種以上を組み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、例えば、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。
絶縁性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、熱可塑性ポリウレタン、テフロン(登録商標)等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド等の熱硬化性樹脂、及び、光硬化性樹脂等が挙げられる。
絶縁膜の厚さは特に限定されないが、0.0001mm以上、0.5mm以下であることが好ましい。
なお、絶縁膜の厚さとは、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の外側に設けられた絶縁膜の厚さを指す。
[コネクタ付き可撓性糸電池]
本発明のコネクタ付き可撓性糸電池は、本発明の可撓性糸電池と、可撓性糸電池の第1端部又は第2端部に接続されるコネクタとを備えるコネクタ付き可撓性糸電池であって、コネクタは、第1集電体と接続される第1接続端子と、第2集電体と接続される第2接続端子を備える。
本発明のコネクタ付き可撓性糸電池においては、コネクタを介して、本発明の可撓性糸電池を他の電子機器と容易に接続することができる。
また、コネクタ径は特に限定されないが、糸電池径の+5%程度に抑えることができる。コネクタ径が糸電池径の+5%程度に抑えられていると、可撓性糸電池を繊維に縫製する場合に縫製工程を妨げることがない。
さらに、コネクタに止めチャックを設けることにより、着脱を容易にすることもできる。
[コネクタ]
コネクタは可撓性糸電池の第1端部のみに接続されていてもよく、第2端部のみに接続されていてもよく、第1端部及び第2端部の両方に接続されていてもよい。ただし、第1端部に接続されるコネクタと第2端部に接続されるコネクタは別のものである。
コネクタは、外部コネクタと接続されてもよい。外部コネクタは、電子機器等と接続されるコネクタであり、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池が備えるコネクタとは異なる。
本発明の可撓性糸電池が備えるコネクタを外部コネクタと接続することにより、本発明の可撓性糸電池を電子機器と接続することができる。
コネクタは、外部コネクタと嵌め合せ可能な凹部又は凸部を有していてもよい。
コネクタが外部コネクタと嵌め合わせ可能な凹部又は凸部を有していると、コネクタの凹部と外部コネクタの凸部、又は、コネクタの凸部と外部コネクタの凹部を嵌め合わせることで電子機器等との接続を容易に行うことができる。
なお、本発明の可撓性糸電池及びコネクタ付き可撓性糸電池は、外部コネクタを介さずに電子機器と直接接続してもよい。
本発明のコネクタ付き可撓性糸電池の一例について、図4を参照しながら説明する。
図4は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタの一例を模式的に示す斜視図である。
図4に示すように、コネクタ付き可撓性糸電池5は、可撓性糸電池3と、可撓性糸電池3の一方の端部に接続されたコネクタ200とを備えている。コネクタ200は、嵌合ハウジング210と、第1接続端子270と、第2接続端子290からなり、第1接続端子270は、第1導体170(図4中、二点破線で示す)を介して可撓性糸電池3の第1集電体70と接続されており、第2接続端子290は、第2導体190(図4中、二点破線で示す)を介して可撓性糸電池3の第2集電体90と接続されている。
嵌合ハウジング210は凹部250を有している。凹部250の形状は、コネクタ200と接続される外部コネクタ300が有する凸部350の形状と対応している。コネクタ200の凹部250と外部コネクタ300の凸部350を嵌め合わせることで、コネクタ200と外部コネクタ300を容易に接続することができる。
外部コネクタ300は、嵌合ハウジング310と、第1外部端子370と、第2外部端子390とを有しており、第1外部端子370と第2外部端子390はそれぞれ、第1外部導体470及び第2外部導体490(いずれも図4中、二点破線で示す)を介して電子機器(図示しない)と接続される。
コネクタ200と外部コネクタ300を接続することによって、コネクタ200の第1接続端子270が外部コネクタ300の第1外部端子370と接続され、コネクタ200の第2接続端子290が外部コネクタ300の第2外部端子390と接続される。
上述したように、外部コネクタ300の第1外部端子370は第1外部導体470を介して電子機器に接続されており、外部コネクタ300の第2外部端子390は第2外部導体490を介して電子機器に接続されている。従って、コネクタ200と外部コネクタ300を接続することによって、可撓性糸電池3を電子機器と容易に接続することができる。
なお、第1接続端子270と第1集電体70は、第1導体170を介さずに直接接続されていてもよい。また、第2接続端子290と第2集電体90は、第2導体190を介さずに直接接続されていてもよい。
図4に示すコネクタ200において、第1接続端子270及び第2接続端子290はいずれも、嵌合ハウジング210から可撓性糸電池3側に突出しているが、第1接続端子270及び第2接続端子290は、嵌合ハウジング210から可撓性糸電池3側に突出しないように配置されていてもよい。
また、外部コネクタ300において、第1外部端子370及び第2外部端子390はいずれも、嵌合ハウジング310から電子機器側に突出しているが、第1外部端子370及び第2外部端子390は、嵌合ハウジング310から電子機器側に突出しないように配置されていてもよい。
コネクタ及び外部コネクタの嵌合ハウジングを構成する材料は特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の汎用樹脂、フッ素樹脂(FR)やポリアミド(PA)等のエンジニアリング樹脂、フェノール樹脂(PF)やエポキシ樹脂(EP)等の熱硬化性樹脂、スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、オレフィン系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーンゴム等の樹脂が挙げられる。
コネクタ及び外部コネクタはロック機構を備えていてもよい。
ロック機構としては、例えば、コネクタ及び外部コネクタの表面に螺旋状の溝を設けて、コネクタ及び外部コネクタを螺合させる機構や、スライドロック機構、サイドロック機構、センターロック機構、プッシュロック機構等が挙げられる。
コネクタ及び外部コネクタの一部は、カバリング糸で覆われていてもよい。
図5は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタの別の一例を示す模式図である。
図5において、コネクタ付き可撓性糸電池5が備えるコネクタ200は、カバリング糸220によりその一部が覆われている。具体的には、嵌合ハウジング210の一部、第1接続端子270のうち嵌合ハウジング210から可撓性糸電池3側に突出している部分、第2接続端子290のうち嵌合ハウジング210から可撓性糸電池3側に突出している部分、第1接続端子270と第1導体170との結線部、第2接続端子290と第2導体190との結線部、第1導体170の一部及び第2導体190の一部が、カバリング糸220により覆われている。
カバリング糸220が設けられていると、結線部を物理的に保護し、抜けを防止することができる。
カバリング糸220は、例えば、第1導体170及び第2導体190の全部を覆っていてもよく、第1導体170及び第2導体190と接続される可撓性糸電池3の一部又は全部を覆っていてもよい。
また、第1導体170と第2導体190は互いに絶縁されていれば1つのカバリング糸で覆われていてもよいが、それぞれ異なるカバリング糸で覆われていてもよい。
第1導体170及び第2導体190がそれぞれ異なるカバリング糸で覆われている場合、カバリング糸で覆われた第1導体170とカバリング糸で覆われた第2導体190とが、さらに別のカバリング糸で覆われることにより束ねられていてもよい。
外部コネクタ300は、カバリング糸320によりその一部が覆われている。具体的には、嵌合ハウジング310の一部、第1外部端子370のうち嵌合ハウジング310から電子機器側に突出している部分、第2外部端子390のうち嵌合ハウジング310から電子機器側に突出している部分、第1外部端子370と第1外部導体470との結線部、第2外部端子390と第2外部導体490との結線部、第1外部導体470の一部及び第2外部導体490の一部が、カバリング糸320により覆われている。外部コネクタ300は第1外部導体470及び第2外部導体490を介して電子機器(図示しない)と接続される。
カバリング糸は、単糸であってもよく、撚糸であってもよい。
カバリング糸の巻き付け方について、図6(a)~図6(c)を参照しながら説明する。
図6(a)~図6(c)は、巻付対象に対してカバリング糸を巻き付けた状態の一例を示す模式図である。
図6(a)では、巻付対象500に対してカバリング糸510が一方向に巻き付けられている。図6(a)に示す状態をシングルカバードヤーンという。図6(a)では、カバリング糸510をS方向に巻き付けているが、Z方向に巻き付けてもよい。
図6(b)では、巻付対象500に対してカバリング糸510を巻き付けた後、その外周面にさらにカバリング糸520が逆向きに巻き付けられている。図6(b)に示す状態をダブルカバードヤーンという。カバリング糸510及びカバリング糸520を巻き付ける方向は、それぞれ異なる方向であることが好ましい。例えば、図6(b)では、カバリング糸510がS方向に巻き付けられており、カバリング糸520がZ方向に巻き付けられている。
図6(c)では、巻付対象500の表面が、編み込まれたカバリング糸530により覆われている。図6(c)に示す状態をニットカバリングヤーンといい、巻付対象500の表面をカバリング糸530で覆う方法をニットカバリングという。
巻付対象が上下方向に向くように正面視した際に、巻付対象より手前に配置されているカバリング糸の巻き付け方向が、左下から右上に向かっている、又は、右上から左下に向かっているものがZ方向であり、これと逆方向、すなわち、巻付対象より手前に配置されているカバリング糸の巻き付け方向が、左上から右下に向かっている、又は、右下から左上に向かっているものがS方向である。
巻付対象は、上述したコネクタ、外部コネクタ及び結線部であってもよく、本発明の可撓性糸電池であってもよい。
カバリング糸を構成する材料は特に限定されないが、天然繊維、合成化学繊維等が挙げられる。
合成化学繊維の材料としては、熱溶融樹脂及び熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。
カバリング糸が熱溶融樹脂で構成されている場合には、カバリング糸をコネクタに巻き付けた後に熱圧着することにより、カバリング糸が加熱により溶けてカバリング糸をコネクタに固定することができる。さらに、カバリング糸が溶けることによって編目が塞がり、耐水性、防塵性、耐熱性、耐薬品性及び耐光性等の特性を付与することができる。
熱溶融樹脂としては、例えば、エチレン-酢酸ビニル(EVA)樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン(ポリアミド)樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。
カバリング糸の表面はさらに、図7に示すようにカバー部材により覆われていてもよい。
図7は、本発明のコネクタ付き可撓性糸電池及び外部コネクタのさらに別の一例を示す模式図である。
図7は、図5に示したコネクタ200のカバリング糸220及び外部コネクタ300のカバリング糸320の表面の一部が、それぞれカバー部材230及びカバー部材330により覆われた状態を示している。第1導体170及び第2導体190と接続される可撓性糸電池3については記載を省略している。
コネクタ及び結線部がカバー部材により覆われていると、コネクタに耐水性、防塵性、耐熱性、耐薬品性及び耐光性等の特性を付与することができる。
カバー部材を構成する材料は特に限定されないが、熱収縮性樹脂等を用いることができる。
カバリング糸の周囲を上記材料によって覆った後、加熱することによって、カバー部材をカバリング糸上に形成することができる。
なお、コネクタの表面をカバリング糸で覆わずに、カバー部材を設けてもよい。この場合、カバー部材により覆われる領域は、カバリング糸が設けられる領域と同じであることが好ましい。
熱収縮性樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル系樹脂やポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。
コネクタは内部に電子部品を備えていてもよい。
内部に電子部品を備えるコネクタの一例について、図8(a)及び図8(b)を参照しながら説明する。
図8(a)は、コネクタを構成する接続端子及び外部コネクタを構成する外部端子の一例を模式的に示す斜視図であり、図8(b)は、図8(a)に示す接続端子を備えるコネクタ及び図8(a)に示す外部端子を備える外部コネクタの様子を模式的に示す図である。
なお、図8(b)に示すコネクタ及び外部コネクタの位置関係が、図8(a)左側に対応している。
図8(a)及び図8(b)に示すように、コネクタ201を構成する第1接続端子270と第2接続端子290は所定の間隔をあけて配置されており、第1接続端子270と第2接続端子290の間を跨ぐように電子部品400が配置されている。コネクタ201は凸部260を有しており、凸部260の形状は、外部コネクタ301の有する凹部360と対応している。従って、コネクタ201と外部コネクタ301は互いに嵌合可能である。このとき、電子部品400は嵌合ハウジング211内に配置されているため、コネクタ201と外部コネクタ301との嵌合に干渉しない。
内部に電子部品を備えるコネクタの別の一例について、図9(a)及び図9(b)を参照しながら説明する。
図9(a)は、コネクタを構成する接続端子及び外部コネクタを構成する外部端子の別の一例を模式的に示す斜視図であり、図9(b)は、図9(a)に示す接続端子を備えるコネクタ及び図9(a)に示す外部端子を備える外部コネクタの様子を模式的に示す図である。
なお、図9(b)に示すコネクタ及び外部コネクタの位置関係が、図9(a)左側に対応している。
図9(a)及び図9(b)に示すように、コネクタ202では第1接続端子270と第2接続端子290が対向するように配置されており、電子部品400は第1接続端子270と第2接続端子290に挟まれるように配置されている。コネクタ202は凸部260を有しており、凸部260の形状は、外部コネクタ302の有する凹部360と対応している。従って、コネクタ202と外部コネクタ302は互いに嵌合可能である。このとき、電子部品400は嵌合ハウジング212内に配置されているため、コネクタ202と外部コネクタ302との嵌合に干渉しない。
コネクタ内に配置される電子部品としては、例えば、ヒューズ、EMIフィルタ、センサ、ヒータ、LED、無線チップ、チップ電池、振動子、メモリ素子、半導体素子、アンテナ、小型電子回路等が挙げられる。
コネクタ内に配置される電子部品の数は1個であってもよく、2個以上であってもよい。
コネクタを外部コネクタと接続することによって、本発明の可撓性糸電池を電子機器等と容易に接続することができる。
可撓性糸電池に外部コネクタを接続した様子の一例を図10に示す。
図10は、図7に示すコネクタ及び外部コネクタを接続した場合の一例を示す斜視図である。
図10には、図7に示したコネクタ200及び外部コネクタ300を接続した様子を模式的に示している。コネクタ200の外側にはカバリング糸220及びカバー部材230が設けられており、外部コネクタ300の外側にはカバリング糸320及びカバー部材330が設けられている。
コネクタ200と外部コネクタ300を接続することによって、コネクタ200の第1接続端子270が外部コネクタ300の第1外部端子370と接続され、コネクタ200の第2接続端子290が外部コネクタ300の第2外部端子390と接続される。
コネクタ200の第1接続端子270及び第2接続端子290は、第1導体170及び第2導体190を介して、それぞれ可撓性糸電池の第1集電体及び第2集電体と接続されている。さらに、外部コネクタ300の第1外部端子370及び第2外部端子390は、それぞれ第1外部導体470及び第2外部導体490を介して電子機器と接続されている。従って、コネクタ200及び外部コネクタ300を接続することによって、可撓性糸電池を電子機器と容易に接続することができる。
[可撓性糸電池の製造方法]
本発明の可撓性糸電池を製造する方法は特に限定されない。
図1に示す可撓性糸電池1は、例えば、糸状の第1電極と、糸状の第2電極と、糸状の固体電解質と、糸状の第1集電体と、糸状の第2集電体とを準備し、第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体をこの順番となるよう束ねた後、絶縁性の芯糸の外周面に螺旋状に巻き付けることにより得ることができる。さらに、絶縁性材料からなる絶縁膜で最外周面を被覆することにより、図3に示す可撓性糸電池3を得ることができる。
なお、第1集電体、第1電極、固体電解質、第2電極及び第2集電体を束ねた後、絶縁性樹脂により覆ってから芯糸に螺旋状に巻き付けてもよい。
糸状の第1電極を得る方法としては、例えば、第1電極を構成する材料と有機バインダと分散媒とを含有する混合液を紡糸し、焼成する方法が挙げられる。
また、第1電極を構成する材料を溶融させた状態で糸状に加工してもよい。
糸状の第2電極を得る方法としては、例えば、第2電極を構成する材料と有機バインダと分散媒とを含有する混合液を紡糸し、焼成する方法が挙げられる。
また、第2電極を構成する材料を溶融させた状態で糸状に加工してもよい。
糸状の固体電解質を得る方法としては、例えば、固体電解質を構成する材料と有機バインダと分散媒とを含有する混合液を紡糸し、焼成する方法が挙げられる。
また、固体電解質を構成する材料を溶融させた状態で糸状に加工してもよい。
糸状の第1集電体を得る方法としては、例えば、第1集電体を構成する材料を延伸加工等により糸状に加工する方法が挙げられる。
また、第1集電体を構成する材料と有機バインダと分散媒とを含有する混合液を紡糸し、焼成する方法であってもよい。
糸状の第2集電体を得る方法としては、例えば、第2集電体を構成する材料を延伸加工等により糸状に加工する方法が挙げられる。
また、第2集電体を構成する材料と有機バインダと分散媒とを含有する混合液を紡糸し、焼成する方法であってもよい。
絶縁性材料からなる絶縁膜で最外周面を被覆する方法としては、例えば、絶縁性材料と分散媒とを混合した混合液を準備し、第1電極、第2電極、固体電解質、第1集電体及び第2集電体の外側にディッピング法やコーティング法等の方法により塗布した後、乾燥させる方法等が挙げられる。
[コネクタ付き可撓性糸電池の製造方法]
本発明のコネクタ付き可撓性糸電池は、例えば、上記手順により作製した可撓性糸電池の第1電極とコネクタの第1接続端子とを第1導体を介して接続し、可撓性糸電池の第2電極とコネクタの第2接続端子とを第2導体を介して接続することで得ることができる。
さらに、コネクタを構成する嵌合ハウジング、第1導体、第2導体、第1接続端子と第1導体との結線部及び第2接続端子と第2導体との結線部をカバリング糸により覆ってもよく、カバリング糸の外側をカバー部材により覆ってもよい。
コネクタを製造する方法は特に限定されないが、所定形状に成型した嵌合ハウジングを第1接続端子及び第2接続端子と組み合わせ、必要に応じて第1接続端子及び第2接続端子の間に電子部品を配置することにより得ることができる。
第1接続端子と第1電極は、第1導体を介さずに直接接続してもよく、第2接続端子と第2電極は、第2導体を介さずに直接接続してもよい。
例えば、上述した製造方法において糸状の第1集電体及び糸状の第2集電体の長さが、糸状の第1電極、糸状の第2電極及び糸状の固体電解質の長さよりも長くなるように準備し、糸状の第1集電体及び糸状の第2集電体が同じ端部にはみ出るように糸状の第1電極、糸状の第2電極、糸状の固体電解質、糸状の第1集電体及び糸状の第2集電体を組み合わせて、はみ出た糸状の第1集電体及び糸状の第2集電体を、コネクタを構成する第1接続端子及び第2接続端子にそれぞれ直接接続してもよい。
1、2、3 可撓性糸電池
1a、2a 第1端部
1b、2b 第2端部
5 コネクタ付き可撓性糸電池
10 第1電極
20 第2電極
30 固体電解質
40 隙間
50 絶縁糸
60 芯糸
70 第1集電体
90 第2集電体
100 絶縁膜
170 第1導体
190 第2導体
200、201、202 コネクタ
210、211、212、310、311、312 嵌合ハウジング
220、320、510、520、530 カバリング糸
230、330 カバー部材
250、360 凹部
260、350 凸部
270 第1接続端子
290 第2接続端子
300、301、302 外部コネクタ
370 第1外部端子
390 第2外部端子
400 電子部品
470 第1外部導体
490 第2外部導体
500 巻付対象

Claims (6)

  1. 長手方向に相対する第1端部及び第2端部を有する可撓性糸電池であって、
    前記長手方向に延びる絶縁性の芯糸と、前記芯糸の外周面に沿ってそれぞれ螺旋状に巻き付けられる糸状の第1集電体、糸状の第1電極、糸状の固体電解質、糸状の第2電極及び糸状の第2集電体と、からなり、
    前記芯糸の直径が5mm以下であり、
    前記芯糸の直径と長さの比(長さ/直径)が5以上であり、
    前記第1集電体、前記第1電極、前記固体電解質、前記第2電極及び前記第2集電体は、この順で並んで接続されており、かつ、前記第1集電体と前記第2集電体とは絶縁されていることを特徴とする可撓性糸電池。
  2. 前記第1電極、前記第2電極及び前記固体電解質が、いずれも酸化物を含んでいる請求項1に記載の可撓性糸電池。
  3. 前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方が、前記固体電解質と同じ酸化物を含んでいる請求項2に記載の可撓性糸電池。
  4. 隣り合う前記第1集電体と前記第2集電体の間には、前記芯糸の外周面に沿って螺旋状に巻き付けられた絶縁糸が設けられている請求項1~3のいずれかに記載の可撓性糸電池。
  5. 最外周面の少なくとも一部が、絶縁性材料からなる絶縁膜により覆われている請求項1~4のいずれかに記載の可撓性糸電池。
  6. 請求項1~5のいずれかに記載の可撓性糸電池と、前記可撓性糸電池の前記第1端部又は前記第2端部に接続されるコネクタとを備えるコネクタ付き可撓性糸電池であって、
    前記コネクタは、前記第1集電体と接続される第1接続端子と、前記第2集電体と接続される第2接続端子とを有していることを特徴とするコネクタ付き可撓性糸電池。
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