JP7120318B2 - solid state battery - Google Patents

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Description

本発明は、固体電池に関する。 The present invention relates to solid state batteries.

従前より充放電が繰り返し可能な二次電池が様々な用途に用いられている。例えば、二次電池は、スマートフォン、ノートパソコン等の電子機器の電源として用いられている。 Secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged have been used for various purposes. For example, secondary batteries are used as power sources for electronic devices such as smartphones and laptop computers.

二次電池においては、充放電に寄与するイオン移動のための媒体として液体の電解質が一般に使用されている。つまり、いわゆる電解液が二次電池に用いられている。しかしながら、そのような二次電池においては、電解液の漏出防止点で安全性が一般に求められる。また、電解液に用いられる有機溶媒等は可燃性物質ゆえ、その点でも安全性が求められる。 In secondary batteries, liquid electrolytes are commonly used as a medium for ion transport that contributes to charging and discharging. That is, a so-called electrolytic solution is used in the secondary battery. However, in such secondary batteries, safety is generally required in terms of preventing electrolyte leakage. In addition, since the organic solvent and the like used in the electrolytic solution are combustible substances, safety is required in this respect as well.

そこで、電解液に代えて、固体電解質を用いた固体電池について研究が進められている。 Therefore, research is being conducted on solid batteries using a solid electrolyte instead of the electrolytic solution.

特開2001-176467号公報JP-A-2001-176467 特開平10-247516号公報JP-A-10-247516 WO2012/063874WO2012/063874

固体電池は、固体の電池構成材(例えば、正負極層、電解質層および集電層など)で電極体が形成されているため、電池構成材間の密着性が担保され得る構造が重要となる。固体電池において各電池構成材間が十分に密着していない場合、内部抵抗が増大し、充放電が困難となるといった虞があるからである。 In a solid battery, the electrode body is formed of solid battery constituent materials (e.g., positive and negative electrode layers, an electrolyte layer, and a current collecting layer), so a structure that can ensure the adhesion between the battery constituent materials is important. . This is because, in a solid-state battery, if the battery components are not sufficiently in close contact with each other, the internal resistance may increase, making charging and discharging difficult.

本願発明者は、従前提案されている固体電池では克服すべき課題が依然あることに気付き、そのための対策を取る必要性を見出した。具体的には以下の課題があることを本願発明者は見出した。 The inventors of the present application have noticed that the previously proposed solid-state batteries still have problems to be overcome, and have found the necessity of taking countermeasures therefor. Specifically, the inventors of the present application have found that there are the following problems.

固体電池の構造として、正極層および負極層の片面に、金属により形成される集電層が設けられたものが提案されている(特許文献1および2参照)。特許文献1では、電池構成材を圧着させることで密着性を高めた固体電池が提案されている。特許文献2では、集電層と電極端子との接点を可動とすることで、充放電時に生じる電極層の体積変化に集電層が追随でき、電池構成材間の積層方向の接触不良を防止し得る固体電池が提案されている。しかしながら、そのような固体電池は、電池構成材間が物理的に接触しているのみであり、十分な密着性が得られる固体電池であるとは言い難い。また、充放電時に生じる電池構成材間の応力による影響については考慮されていない。 As a structure of a solid battery, a structure in which a collector layer made of metal is provided on one side of a positive electrode layer and a negative electrode layer has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). Patent Literature 1 proposes a solid-state battery in which the adhesion is enhanced by crimping the battery components. In Patent Document 2, by making the contact point between the current collecting layer and the electrode terminal movable, the current collecting layer can follow the volume change of the electrode layer that occurs during charging and discharging, thereby preventing poor contact between the battery components in the stacking direction. A possible solid state battery has been proposed. However, in such a solid-state battery, the battery components are only in physical contact with each other, and it is difficult to say that they are solid-state batteries in which sufficient adhesion can be obtained. In addition, no consideration is given to the influence of stress between battery constituent materials that occurs during charging and discharging.

電池構成材間の密着性を高める方法として、電池構成材同士を一体焼結させることで電池構成材間を強固に密着させた固体電池がある(特許文献3参照)。そのような固体電池においては、充放電時に生じる膨脹/収縮により体積変化し得る電極層と、体積変化し得ない、または電極層に対して体積変化量が少なくなり得る集電層との間で生じる応力に起因して、電極層の割れや剥離などが生じる場合がある。 As a method for increasing the adhesion between battery constituent materials, there is a solid battery in which the battery constituent materials are sintered together so that the battery constituent materials are firmly adhered to each other (see Patent Document 3). In such a solid battery, between an electrode layer whose volume can change due to expansion/contraction that occurs during charging and discharging, and a current collecting layer whose volume cannot change or whose volume change can be small with respect to the electrode layer Due to the generated stress, the electrode layer may crack or peel off.

具体的には、図1に示すような正極集電層10A、正極層20、固体電解質層30、負極層40および負極集電層10Bがこの順に積層される固体電池100において、充放電時に正極層20と負極層40との間にて固体電解質層30中をイオンが移動することに伴い、正負極層における活物質が膨張/収縮し得る。一方で、正極層20および負極層40にそれぞれ接する正極集電層10Aおよび負極集電層10Bは膨張/収縮し得ない、または電極層に対して膨張/収縮量が少なくなり得る。このため、固体電池100を充放電する場合、一体焼結されている正極層20と正極集電層10Aとの間、および負極層40と負極集電層10Bとの間において応力が生じ得る。 Specifically, in the solid battery 100 in which the positive electrode current collecting layer 10A, the positive electrode layer 20, the solid electrolyte layer 30, the negative electrode layer 40, and the negative electrode current collecting layer 10B are laminated in this order as shown in FIG. As ions move through the solid electrolyte layer 30 between the layer 20 and the negative electrode layer 40, the active material in the positive and negative electrode layers can expand/contract. On the other hand, the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B, which are in contact with the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 respectively, cannot expand/contract, or the amount of expansion/contraction may be small relative to the electrode layers. Therefore, when the solid battery 100 is charged and discharged, stress may occur between the integrally sintered positive electrode layer 20 and the positive electrode current collecting layer 10A and between the negative electrode layer 40 and the negative electrode current collecting layer 10B.

図2に示す例示態様でいえば、固体電池100は、放電時に膨張し得る活物質を含んで成る正極層20および放電時に収縮し得る活物質を含んで成る負極層40を有している。ここで、正極層20および負極層40は、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bとそれぞれ一体焼結されている。そのような固体電池100を放電させる場合、正極層20は膨張、また負極層40は収縮しようとするが、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bによってそれぞれ変形ができないように拘束されているため、正極層20および負極層40の内部に応力が生じ得る。 In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, a solid-state battery 100 has a positive electrode layer 20 comprising an active material capable of swelling during discharge and a negative electrode layer 40 comprising an active material capable of contracting during discharge. Here, the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 are integrally sintered with the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B, respectively. When such a solid battery 100 is discharged, the positive electrode layer 20 tries to expand and the negative electrode layer 40 tries to contract, but the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B constrain the respective layers so that they cannot be deformed. Therefore, stress may occur inside the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 .

上述のように、充放電時に応力の影響を受ける正負極層において、割れや剥離などが生じることが懸念される。つまり、そのような割れや剥離が生じた場合では、固体電池の充放電を好適に実施できない虞がある。 As described above, there is concern that cracks, peeling, and the like may occur in the positive and negative electrode layers that are affected by stress during charging and discharging. In other words, if such cracking or peeling occurs, there is a possibility that charging and discharging of the solid-state battery cannot be carried out favorably.

本発明は、かかる課題を鑑み、一体焼結により電池構成材間が強固に密着された構造を有しつつも、充放電時における正負極層の割れや剥離などを低減した固体電池を提供することを目的とする。 In view of this problem, the present invention provides a solid battery in which cracking and peeling of the positive and negative electrode layers during charge and discharge are reduced while having a structure in which the battery components are firmly adhered by integral sintering. for the purpose.

本願発明者は、従来技術の延長線上で対応するのではなく、新たな方向で対処することによって上記課題の解決を試みた。その結果、上記主たる目的が達成された固体電池の発明に至った。 The inventors of the present application have tried to solve the above problems by taking a new approach rather than by extending the conventional technology. As a result, the inventors have invented a solid-state battery that achieves the above-described main object.

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、
固体電池であって、
正極層、負極層、および正極層と負極層との間に介在する固体電解質層を備え、
正極層および負極層の少なくとも1つには、少なくとも1つの貫通開口を有する集電層が設けられている、固体電池が提供される。
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention is
a solid state battery,
A positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
A solid state battery is provided wherein at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer is provided with a current collecting layer having at least one through opening.

本発明の固体電池は、一体焼結により電池構成材間が強固に密着された構造を有しつつも、充放電時における正負極層の割れや剥離などを低減することができる。 The solid-state battery of the present invention can reduce cracking and peeling of the positive and negative electrode layers during charging and discharging while having a structure in which the battery components are firmly adhered by integral sintering.

具体的には、集電層が貫通開口を有することにより、集電層の剛性を下げ、充放電時の正負極層の体積変化による変形に集電層が容易に追随することができる。すなわち、正負極層の体積変化に起因して電池構成材間で生じる応力を低減することができる。よって、正負極層の割れや剥離などが生じることを好適に抑制することが可能となる。 Specifically, since the current collecting layer has through openings, the rigidity of the current collecting layer is reduced, and the current collecting layer can easily follow the deformation caused by the volume change of the positive and negative electrode layers during charging and discharging. That is, it is possible to reduce the stress generated between the battery constituent materials due to the volume change of the positive and negative electrode layers. Therefore, it is possible to suitably suppress cracking, peeling, and the like of the positive and negative electrode layers.

図1は、一体焼結された固体電池を模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an integrally sintered solid battery. 図2は、放電時において電極層に応力が生じている、図1に示す固体電池を模式的に示した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the solid-state battery shown in FIG. 1, in which stress is generated in the electrode layers during discharge. 図3A~図3Cは、本発明の一実施形態に係る固体電池の模式図である(図3A:固体電池の断面図および集電層の斜視図、図3B:貫通開口が中空である固体電池の断面図、図3C:貫通開口に電極材が埋められている固体電池の断面図)。3A to 3C are schematic diagrams of a solid-state battery according to an embodiment of the present invention (FIG. 3A: cross-sectional view of solid-state battery and perspective view of current collection layer; FIG. 3B: solid-state battery with hollow through opening FIG. 3C: Cross-sectional view of a solid-state battery in which the electrode material is embedded in the through-opening). 図4A~図4Fは、本発明の一実施形態に係る貫通開口を有する集電層の模式的な平面図である。4A-4F are schematic plan views of a current collecting layer having through openings according to one embodiment of the present invention. 図5A~図5Cは、本発明の一実施形態に係る固体電池の模式図である(図5A:固体電池の断面図、図5B:貫通開口が中空である集電層の平面図、図5C:貫通開口に電極材が埋められている集電層の平面図)。5A to 5C are schematic diagrams of a solid-state battery according to an embodiment of the present invention (FIG. 5A: cross-sectional view of solid-state battery, FIG. 5B: plan view of current collection layer with hollow through opening, FIG. 5C : A plan view of a current collecting layer in which an electrode material is embedded in a through opening). 図6は、本発明の一実施形態に係る固体電池を模式的に示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state battery according to one embodiment of the invention.

以下、本発明の「固体電池」を詳細に説明する。必要に応じて図面を参照して説明を行うものの、図示する内容は、本発明の理解のために模式的かつ例示的に示したにすぎず、外観や寸法比などは実物と異なり得る。 The "solid battery" of the present invention will be described in detail below. Although the description will be made with reference to the drawings as necessary, the illustrated contents are only schematically and exemplarily shown for understanding of the present invention, and the external appearance, dimensional ratio, etc. may differ from the actual product.

本明細書でいう「平面視」とは、固体電池を構成する各層の積層方向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捉えた場合の形態に基づいている。また、本明細書でいう「断面視」とは、固体電池を構成する各層の積層方向に基づく厚み方向に対して略垂直な方向から捉えた場合の形態(端的にいえば、厚み方向に平行な面で切り取った場合の形態)に基づいている。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。 The “planar view” referred to in this specification is based on the form when an object is viewed from above or below along the thickness direction based on the stacking direction of each layer constituting the solid-state battery. In addition, the term “cross-sectional view” as used herein refers to a form when viewed from a direction substantially perpendicular to the thickness direction based on the lamination direction of each layer constituting the solid-state battery (in short, parallel to the thickness direction form when cut on a smooth surface). "Up-down direction" and "left-right direction" used directly or indirectly in this specification correspond to the up-down direction and left-right direction in the drawings, respectively. Unless otherwise specified, the same reference numerals or symbols indicate the same members/parts or the same meanings. In a preferred embodiment, the downward vertical direction (that is, the direction in which gravity acts) corresponds to the "downward direction", and the opposite direction corresponds to the "upward direction".

本明細書でいう「固体電池」とは、広義にはその構成要素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(特に好ましくは全ての構成要素)が固体から構成されている全固体電池を指す。ある好適な態様では、本発明における固体電池は、電池構成単位を成す各層が互いに積層するように構成された積層型固体電池であり、好ましくはそのような各層が焼結体から成っている。なお、「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」のみならず、放電のみが可能な「一次電池」をも包含する。本発明のある好適な態様では「固体電池」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。 As used herein, the term “solid battery” broadly refers to a battery whose components are made of solids, and in a narrow sense, its components (particularly preferably all components) are made of solids. refers to all-solid-state batteries that In a preferred embodiment, the solid-state battery in the present invention is a stacked-type solid-state battery configured such that each layer forming a battery structural unit is stacked with each other, and each such layer is preferably made of a sintered body. The term "solid battery" includes not only a so-called "secondary battery" that can be repeatedly charged and discharged, but also a "primary battery" that can only be discharged. In one preferred aspect of the present invention, the "solid battery" is a secondary battery. "Secondary battery" is not limited to its name, and can include, for example, "power storage device".

[固体電池の基本的構成]
固体電池は、正極層、負極層、およびそれらの間に介在する固体電解質層から成る電池構成単位を積層方向に沿って少なくとも1つ備える固体電池積層体を有して成る。
[Basic configuration of solid-state battery]
A solid battery has a solid battery laminate that includes at least one battery structural unit along the stacking direction, which consists of a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed therebetween.

固体電池は、それを構成する各層が焼成によって形成されるところ、正極層、負極層および固体電解質層などが焼結層を成している。好ましくは、正極層、負極層および固体電解質は、それぞれが互いに一体焼成されており、それゆえ電池構成単位が一体焼結体を成している。ここで「一体焼成」とは、各層を積層させた焼成前の積層体を同時に焼成させることを指し、かかる焼成前の積層体における各層は、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などいずれの方法で形成されていてもよい。また、「一体焼結された」とは、「一体焼成」により形成されたことを指し、「一体焼結体」とは、「一体焼成」により形成されたものを指す。 In a solid battery, each layer constituting the battery is formed by firing, and a positive electrode layer, a negative electrode layer, a solid electrolyte layer, and the like form sintered layers. Preferably, the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte are each integrally sintered with each other, so that the battery constituent units form an integrally sintered body. Here, "integral firing" refers to simultaneously firing a laminated body before firing in which each layer is laminated. It may be formed by any method such as a sheet method. Further, "integrally sintered" refers to being formed by "integrally firing", and "integrally sintered body" refers to being formed by "integral firing".

正極層は、少なくとも正極活物質を含んで成る電極層である。正極層は、更に固体電解質および/または正極集電層を含んで成っていてよい。ある好適な態様では、正極層は、正極活物質粒子と固体電解質粒子と正極集電層とを少なくとも含む焼結体から構成されている。一方、負極層は、少なくとも負極活物質を含んで成る電極層である。負極層は、更に固体電解質および/または負極集電層を含んで成っていてよい。ある好適な態様では、負極層は、負極活物質粒子と固体電解質粒子と負極集電層とを少なくとも含む焼結体から構成されている。 The positive electrode layer is an electrode layer containing at least a positive electrode active material. The positive electrode layer may further comprise a solid electrolyte and/or a positive current collecting layer. In a preferred aspect, the positive electrode layer is composed of a sintered body including at least positive electrode active material particles, solid electrolyte particles, and a positive electrode current collecting layer. On the other hand, the negative electrode layer is an electrode layer containing at least a negative electrode active material. The negative electrode layer may further comprise a solid electrolyte and/or a negative electrode collector layer. In a preferred embodiment, the negative electrode layer is composed of a sintered body including at least negative electrode active material particles, solid electrolyte particles, and a negative electrode current collecting layer.

正極活物質および負極活物質は、固体電池において電子の受け渡しに関与する物質である。固体電解質を介してイオンは正極層と負極層との間で移動(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、固体電解質を介してリチウムイオンが正極層と負極層との間で移動して電池の充放電が行われる全固体型二次電池であることが好ましい。 A positive electrode active material and a negative electrode active material are substances involved in electron transfer in a solid-state battery. Ions are transferred (conducted) between the positive electrode layer and the negative electrode layer via the solid electrolyte, and electrons are transferred, whereby charging and discharging are performed. The positive electrode layer and the negative electrode layer are preferably layers capable of intercalating and deintercalating lithium ions. In other words, it is preferable that the battery is an all-solid secondary battery in which lithium ions move between the positive electrode layer and the negative electrode layer via the solid electrolyte to charge and discharge the battery.

(正極活物質)
正極層に含まれる正極活物質としては、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、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、Li(PO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、LiFe(PO、LiMnPO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、LiCoO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3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、LiMn、LiNi0.5Mn1.5等が挙げられる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material contained in the positive electrode layer include a lithium-containing phosphate compound having a Nasicon type structure, a lithium-containing phosphate compound having an olivine type structure, a lithium-containing layered oxide, and a lithium-containing compound having a spinel type structure. At least one selected from the group consisting of oxides and the like can be mentioned. Li3V2 ( PO4) 3 etc. are mentioned as an example of the lithium containing phosphate compound which has a Nasicon type structure. Li3Fe2 ( PO4) 3 , LiMnPO4 etc. are mentioned as an example of the lithium containing phosphate compound which has an olivine structure. Examples of lithium-containing layered oxides include LiCoO 2 and LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 . Examples of lithium-containing oxides having a spinel structure include LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .

(負極活物質)
負極層に含まれる負極活物質としては、例えば、Ti、Si、Sn、Cr、Fe、Nb、およびMoから成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、ならびに、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、Li(PO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、LiFe(PO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、LiTi12等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
Examples of the negative electrode active material contained in the negative electrode layer include oxides containing at least one element selected from the group consisting of Ti, Si, Sn, Cr, Fe, Nb, and Mo, graphite-lithium compounds, lithium alloys, At least one selected from the group consisting of a lithium-containing phosphate compound having a Nasicon-type structure, a lithium-containing phosphate compound having an olivine-type structure, and a lithium-containing oxide having a spinel-type structure. Examples of lithium alloys include Li—Al and the like. Li3V2 ( PO4) 3 etc. are mentioned as an example of the lithium containing phosphate compound which has a Nasicon type structure. Li3Fe2 ( PO4) 3 etc. are mentioned as an example of the lithium containing phosphate compound which has an olivine structure. An example of a lithium-containing oxide having a spinel structure includes Li 4 Ti 5 O 12 and the like.

なお、正極層および/または負極層は、電子伝導性材料を含んでいてもよい。正極層および/または負極層に含まれる電子伝導性材料としては、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅およびニッケル等の金属材料、ならびに炭素などから成る少なくとも1種を挙げることができる。特に限定されるわけではないが、銅は、正極活物質、負極活物質および固体電解質材などと反応し難く、固体電池の内部抵抗の低減に効果を奏するのでその点で好ましい。 In addition, the positive electrode layer and/or the negative electrode layer may contain an electron conductive material. Electron-conductive materials contained in the positive electrode layer and/or the negative electrode layer include at least one metal material such as silver, palladium, gold, platinum, aluminum, copper and nickel, and carbon. Although not particularly limited, copper is less likely to react with the positive electrode active material, the negative electrode active material, the solid electrolyte material, and the like, and is effective in reducing the internal resistance of the solid battery.

さらに、正極層および/または負極層は、焼結助剤を含んでいてもよい。焼結助剤としては、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成る群から選択される少なくとも1種を挙げることができる。 Furthermore, the positive electrode layer and/or the negative electrode layer may contain a sintering aid. Sintering aids include at least one selected from the group consisting of lithium oxide, sodium oxide, potassium oxide, boron oxide, silicon oxide, bismuth oxide and phosphorus oxide.

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。 The thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer are not particularly limited, and for example, each may independently be 2 μm or more and 50 μm or less, particularly 5 μm or more and 30 μm or less.

(固体電解質)
固体電解質は、リチウムイオンが伝導可能な材質である。特に固体電池で電池構成単位を成す固体電解質は、正極層と負極層との間においてリチウムイオンが伝導可能な層を成している。なお、固体電解質は、正極層と負極層との間に少なくとも設けられていればよい。つまり、固体電解質は、正極層と負極層との間からはみ出すように当該正極層および/または負極層の周囲においても存在していてもよい。具体的な固体電解質としては、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、Li(PO(1≦x≦2、1≦y≦2、Mは、Ti、Ge、Al、GaおよびZrから成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(PO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、La0.55Li0.35TiO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、LiLaZr12等が挙げられる。
(solid electrolyte)
A solid electrolyte is a material that can conduct lithium ions. In particular, a solid electrolyte, which constitutes a battery structural unit in a solid battery, forms a layer capable of conducting lithium ions between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Note that the solid electrolyte may be provided at least between the positive electrode layer and the negative electrode layer. That is, the solid electrolyte may also exist around the positive electrode layer and/or the negative electrode layer so as to protrude from between the positive electrode layer and the negative electrode layer. Specific solid electrolytes include, for example, a lithium-containing phosphate compound having a nasicon structure, an oxide having a perovskite structure, and an oxide having a garnet-type or garnet-like structure. Lithium-containing phosphate compounds having a Nasicon structure include Li x My (PO 4 ) 3 ( 1≤x≤2 , 1≤y≤2, M is selected from the group consisting of Ti, Ge, Al, Ga and Zr). selected at least one). An example of the lithium-containing phosphate compound having a Nasicon structure includes Li 1.2 Al 0.2 Ti 1.8 (PO 4 ) 3 and the like. An example of an oxide having a perovskite structure is La 0.55 Li 0.35 TiO 3 or the like. An example of the oxide having a garnet - type or garnet - like structure is Li7La3Zr2O12 .

固体電解質層は、焼結助剤を含んでいてもよい。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/または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もよい。 The solid electrolyte layer may contain a sintering aid. The sintering aid contained in the solid electrolyte layer may be selected, for example, from materials similar to those of the sintering aid that can be contained in the positive electrode layer and/or the negative electrode layer.

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。 The thickness of the solid electrolyte layer is not particularly limited, and may be, for example, 1 μm or more and 15 μm or less, particularly 1 μm or more and 5 μm or less.

(正極集電層/負極集電層)
正極集電層を構成する正極集電層および負極集電層を構成する負極集電層としては、導電率が大きい材料を用いるのが好ましく、例えば、銀、パラジウム、金、プラチナ、アルミニウム、銅、ニッケルなどを用いることが好ましい。特に、銅は正極活物質、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。正極集電層および負極集電層はそれぞれ、外部と電気的に接続するための電気的接続部を有し、端子と電気的に接続可能に構成されていてもよい。正極集電層および負極集電層はそれぞれ箔の形態を有していてもよい。一体焼結による電子伝導性向上および製造コスト低減の観点から、正極集電層および負極集電層はそれぞれ一体焼結の形態を有することが好ましい。なお、正極集電層および負極集電層が焼結体の形態を有する場合、例えば、電子伝導性材料および焼結助剤を含む焼結体より構成されてもよい。正極集電層および負極集電層に含まれる電子伝導性材料は、例えば、正極層および/または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もよい。正極集電層および負極集電層に含まれる焼結助剤は、例えば、正極層および/または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もよい。
(Positive collector layer/negative collector layer)
As the positive electrode current collecting layer that constitutes the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer that constitutes the negative electrode current collecting layer, it is preferable to use materials having high electrical conductivity, such as silver, palladium, gold, platinum, aluminum, and copper. , nickel and the like are preferably used. In particular, copper is preferable because it hardly reacts with the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the solid electrolyte material, and is effective in reducing the internal resistance of the solid battery. Each of the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer has an electrical connection portion for electrical connection with the outside, and may be configured to be electrically connectable to a terminal. The positive current collecting layer and the negative current collecting layer may each have the form of a foil. From the viewpoint of improving electronic conductivity and reducing manufacturing costs by integral sintering, it is preferable that each of the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer has a form of integral sintering. In addition, when the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer have the form of a sintered body, they may be composed of, for example, a sintered body containing an electron conductive material and a sintering aid. The electronically conductive material contained in the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer may be selected, for example, from the same electronically conductive materials that can be contained in the positive electrode layer and/or the negative electrode layer. The sintering aid contained in the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer may be selected, for example, from materials similar to those of the sintering aid that can be contained in the positive electrode layer and/or the negative electrode layer.

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。 The thicknesses of the positive electrode current collecting layer and the negative electrode current collecting layer are not particularly limited.

(絶縁層)
絶縁層は、例えば積層方向に沿って相互に隣接する一方の電池構成単位と他方の電池構成単位との間に形成される。それによって、かかる隣接する電池構成単位間のイオンの移動を回避し、過度のイオンの吸蔵放出を防止することができる。絶縁層は、固体電池の平面視において、正極層および/もしくは負極層と隣接するように形成されてもよい。絶縁層は、広義には電気を通さない材質、すなわち非導電性材から構成される層を指し、狭義には絶縁性物質材料から構成されるものを指す。特に限定されるものではないが、当該絶縁層は、例えば、ガラス材、セラミック材等から構成され得る。当該絶縁層として、例えばガラス材が選択されてよい。特に限定されるものではないが、ガラス材は、ソーダ石灰ガラス、カリガラス、ホウ酸塩系ガラス、ホウケイ酸塩系ガラス、ホウケイ酸バリウム系ガラス、ホウ酸亜塩系ガラス、ホウ酸バリウム系ガラス、ホウケイ酸ビスマス塩系ガラス、ホウ酸ビスマス亜鉛系ガラス、ビスマスケイ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、アルミノリン酸塩系ガラス、および、リン酸亜塩系ガラスからなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。
(insulating layer)
The insulating layer is formed, for example, between one battery structural unit and the other battery structural unit that are adjacent to each other along the stacking direction. Thereby, it is possible to avoid migration of ions between such adjacent battery structural units and prevent excessive occlusion and release of ions. The insulating layer may be formed adjacent to the positive electrode layer and/or the negative electrode layer in plan view of the solid battery. An insulating layer broadly refers to a layer composed of a material that does not conduct electricity, that is, a layer composed of a non-conductive material, and in a narrow sense refers to a layer composed of an insulating material. Although not particularly limited, the insulating layer may be made of, for example, a glass material, a ceramic material, or the like. A glass material, for example, may be selected as the insulating layer. Although not particularly limited, glass materials include soda lime glass, potash glass, borate glass, borosilicate glass, borosilicate barium glass, borate glass, barium borate glass, At least one selected from the group consisting of bismuth borosilicate glass, bismuth zinc borate glass, bismuth silicate glass, phosphate glass, aluminophosphate glass, and phosphate glass. can be mentioned.

(保護層)
保護層は、一般に固体電池の最外側に形成され得るもので、電気的、物理的および/または化学的に保護するためのものである。保護層を構成する材料としては絶縁性、耐久性および/または耐湿性に優れ、環境的に安全であることが好ましい。例えば、ガラス、セラミックス、熱硬化性樹脂および/または光硬化性樹脂等を用いることが好ましい。
(protective layer)
A protective layer can generally be formed on the outermost side of a solid-state battery for electrical, physical and/or chemical protection. It is preferable that the material constituting the protective layer is excellent in insulation, durability and/or moisture resistance, and environmentally safe. For example, it is preferable to use glass, ceramics, thermosetting resin and/or photosetting resin.

(端子)
固体電池には、一般に端子(例えば外部端子)が設けられている。特に、固体電池の側面に端子が設けられている。より具体的には、正極層と接続された正極側の端子と、負極層と接続された負極側の端子とが設けられている。そのような端子は、導電率が大きい材料を用いることが好ましい。端子の材質としては、特に制限するわけではないが、銀、金、プラチナ、アルミニウム、銅、スズおよびニッケルから成る群から選択される少なくとも一種を挙げることができる。
(Terminal)
Solid-state batteries are generally provided with terminals (for example, external terminals). In particular, terminals are provided on the sides of the solid-state battery. More specifically, a positive electrode side terminal connected to the positive electrode layer and a negative electrode side terminal connected to the negative electrode layer are provided. Such terminals are preferably made of a material with high electrical conductivity. The material of the terminal is not particularly limited, but at least one selected from the group consisting of silver, gold, platinum, aluminum, copper, tin and nickel can be used.

[本発明の固体電池の特徴]
本発明の固体電池は、集電層を有する少なくとも1つの電極層が一体焼結され、電池構成材間が強固に密着された構造を有する電池であるところ、かかる集電層の形状の点で特徴を有する。
[Features of the solid-state battery of the present invention]
The solid-state battery of the present invention is a battery having a structure in which at least one electrode layer having a current-collecting layer is integrally sintered and the battery components are firmly adhered to each other. It has characteristics.

本発明における少なくとも1つの電極層は、一体焼結されている。一体焼結では、複数の電池構成材を焼成することで、電池構成材間に緻密な構造を形成することができる。すなわち、一体焼結された電極層は、電池構成材間が強固に密着された構造を有する。よって、固体電池において、強固に密着された電池構成材間では電子および/またはイオンの移動が容易となり、高い電子伝導性およびイオン伝導性を有することができる。 At least one electrode layer in the present invention is integrally sintered. In integral sintering, a dense structure can be formed between battery constituent materials by firing a plurality of battery constituent materials. That is, the integrally sintered electrode layer has a structure in which the battery components are firmly adhered to each other. Therefore, in the solid-state battery, the movement of electrons and/or ions is facilitated between the strongly adhered battery components, and high electronic conductivity and ionic conductivity can be obtained.

本発明における集電層は、少なくとも1つの貫通開口を有する。貫通開口は複数設けられていてもよく、かかる複数の貫通開口が互いに略同一形状を有していてもよい。また、複数の貫通開口が略均一に分布していてもよい。図4に示す例示態様でいえば、複数の貫通開口が互いに略同一形状であってもよく(図4A~図4F参照)、複数の貫通開口が略均一に分布していてもよい(図4C~図4F参照)。上述した構造により、集電層の剛性を均一に低くすることができ、集電層に良好な可撓性をもたせることができる。そのような集電層を用いることで、充放電時に生じる正負極層の体積変化に起因する変形に集電層が追随することで、電池構成材間で生じる応力を低減することができる。よって、正負極層の割れや剥離などが生じることを好適に抑制することが可能となる。 The current collection layer in the present invention has at least one through opening. A plurality of through openings may be provided, and the plurality of through openings may have substantially the same shape. Also, the plurality of through openings may be distributed substantially uniformly. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the plurality of through openings may have substantially the same shape as each other (see FIGS. 4A-4F), or the plurality of through openings may be substantially uniformly distributed (FIG. 4C). (see FIG. 4F). With the structure described above, the rigidity of the current collecting layer can be uniformly lowered, and the current collecting layer can have good flexibility. By using such a current collecting layer, the current collecting layer can follow the deformation caused by the volume change of the positive and negative electrode layers during charging and discharging, thereby reducing the stress generated between the battery constituent materials. Therefore, it is possible to suitably suppress cracking, peeling, and the like of the positive and negative electrode layers.

本明細書でいう「貫通開口」とは、平面視において、集電層の表裏にわたって集電層を成す材料が存在しない点で中空となっている部分を指す。また、「貫通開口」には、焼成によってもたらされ得る孔や、あるいは偶発的または非所望にもたらされ得る微小孔は含まれない。その点でいえば、多孔質焼結金属などの多孔質材料における微小孔は含まれない。 As used herein, the term "through opening" refers to a hollow portion in which the material forming the current collecting layer does not exist on the front and back of the current collecting layer in plan view. Also, "through apertures" do not include holes that may be caused by firing or micropores that may be accidentally or undesirably created. For that matter, micropores in porous materials such as porous sintered metals are not included.

本発明における少なくとも1つの貫通開口を有する集電層は、電極層の片面に設けられていてもよく、両面に設けられていてもよい。あるいは電極層内に設けられていてもよい。上述した構造は、応力低減および電子伝導性向上の観点から好ましい。すなわち、電極層と剛性の低い集電層との一体焼結により、高い電子伝導性有する固体電池において、充放電時に正負極層に発生する割れや剥離などが好適に抑制されることになる。 The current collecting layer having at least one through opening in the present invention may be provided on one side or both sides of the electrode layer. Alternatively, it may be provided within the electrode layer. The structure described above is preferable from the viewpoint of reducing stress and improving electronic conductivity. That is, by integrally sintering the electrode layer and the low-rigidity collector layer, in a solid battery having high electronic conductivity, cracking and peeling occurring in the positive and negative electrode layers during charging and discharging can be suppressed appropriately.

本明細書でいう「略同一」および「略均一」とは、対象の形状および/または寸法が完全に一致している場合のみならず、製造上の誤差程度に形状および/または寸法が異なる場合も包含する概念である。 The terms "substantially identical" and "substantially uniform" as used herein refer not only to cases in which the target shape and/or dimensions are completely the same, but also cases in which the shape and/or dimensions differ to the extent of manufacturing error. It is a concept that also includes

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い。基板実装の際の取り違え防止の観点から、固体電池は平面視において矩形状となっていてもよい。 The solid-state battery of the present invention may have any shape in plan view. From the viewpoint of preventing mix-up when mounting on a substrate, the solid-state battery may be rectangular in plan view.

図3Aに示す例示態様でいえば、電池構成単位100’において、正極層20、固体電解質層30、負極層40がこの順に設けられ、正極層20および負極層40の各々の片面に、貫通開口を有する正極集電層10Aおよび負極集電層10Bが設けられている。これらの層は一体焼結により層間に緻密な構造を形成している。すなわち、一体焼結された正極層20および正極集電層10A、ならびに/または負極層40および負極集電層10Bは、それらの層間が強固に密着された構造を有する。 In the exemplary embodiment shown in FIG. 3A, in the battery structural unit 100′, the positive electrode layer 20, the solid electrolyte layer 30, and the negative electrode layer 40 are provided in this order. A positive electrode current collecting layer 10A and a negative electrode current collecting layer 10B are provided. These layers are integrally sintered to form a dense structure between them. That is, the positive electrode layer 20 and the positive electrode current collecting layer 10A and/or the negative electrode layer 40 and the negative electrode current collecting layer 10B that are sintered together have a structure in which the layers are firmly adhered to each other.

電池構成単位を複数備える固体電池の場合、かかる固体電池における正極層または負極層の少なくとも1つの片面に貫通開口を有する集電層が設けられていればよい。その他の正極層および負極層は、貫通開口を有する集電層が設けられていてもよく、貫通開口を有さない集電層が設けられていてもよく、集電層が設けられていなくてもよく、またはそれらの組合せでもよい。応力低減および電子伝導性向上の観点から、全ての正極層および負極層に貫通開口を有する集電層が設けられていることが好ましい。 In the case of a solid battery comprising a plurality of battery structural units, it is sufficient that a collector layer having a through opening is provided on at least one side of the positive electrode layer or the negative electrode layer in such a solid battery. Other positive electrode layers and negative electrode layers may be provided with current collecting layers having through openings, may be provided with current collecting layers without through openings, or may be provided with no current collecting layers. , or a combination thereof. From the viewpoint of reducing stress and improving electron conductivity, it is preferable that all of the positive electrode layers and the negative electrode layers are provided with current collecting layers having through openings.

このように、集電層が貫通開口を有することにより、その剛性を下げ、充放電時における正負極層の膨張/収縮に伴う体積変化により生じる正負極層と集電層との間で生じる応力を低減することが可能となる。換言すれば、一体焼結により高い電子伝導性およびイオン伝導性を有する固体電池において、充放電時に正負極層に発生する割れや剥離などが好適に抑制されることになる。つまり、固体電池の充放電容量の低下を抑制し、長期信頼性が向上した固体電池がもたらされ得る。 In this way, since the current collecting layer has through openings, the rigidity of the current collecting layer is reduced, and the stress generated between the positive and negative electrode layers and the current collecting layer due to the volume change accompanying the expansion/contraction of the positive and negative electrode layers during charging and discharging. can be reduced. In other words, in a solid battery having high electronic conductivity and ionic conductivity due to integral sintering, cracking and peeling occurring in the positive and negative electrode layers during charging and discharging are preferably suppressed. In other words, a solid-state battery with improved long-term reliability can be provided by suppressing a decrease in charge-discharge capacity of the solid-state battery.

ある好適な態様では、集電層の平面視において、集電層が幾何学的形状を成すように貫通開口が配置されている。ここで「幾何学的形状」とは、規則的な形状を指し、例えば集電層の平面視において格子状、ハニカム状等となるように貫通開口が配置されている形状を指す。集電層をそのような幾何学的形状にすることによって、電極層のあらゆる点において集電層との距離が近くなり、抵抗を低くすることができる。また、いずれの方向からの力に対しても応力が略均一に生じる構造となることで、等方的に強度をもたせることができる。 In a preferred embodiment, the through openings are arranged such that the current collecting layer forms a geometric shape in plan view of the current collecting layer. Here, the term “geometric shape” refers to a regular shape, for example, a shape in which the through openings are arranged in a lattice shape, a honeycomb shape, or the like in plan view of the current collecting layer. Such a geometrical shape of the current collecting layer allows all points of the electrode layer to be closer to the current collecting layer and have a lower resistance. In addition, by forming a structure in which stress is generated substantially uniformly with respect to force from any direction, strength can be imparted isotropically.

本明細書でいう「格子状」とは、複数の縦の線と横の線とが交差した形状を指し、狭義には、複数の縦の線と横の線とが略直交に交差し、それらの線で仕切られた中空領域が矩形状または正方形状となっているものを指す。また、「ハニカム状」とは、広義には、あらゆる形状の中空領域を成す構造をしきつめて並べたものを指し、狭義には、六角形状の中空領域を成す構造をしきつめて並べたものを指す。「中空領域」とは、集電層の表裏にわたって集電層を成す材料が存在しない点で中空となっている領域を指し、後述する通り、かかる領域に電極材が埋められていてもよい。 As used herein, the term "lattice" refers to a shape in which a plurality of vertical lines and horizontal lines intersect. Hollow regions partitioned by these lines are rectangular or square. In a broad sense, the term "honeycomb" refers to a structure in which hollow regions of any shape are closely arranged, and in a narrow sense, it refers to a structure in which hexagonal hollow regions are tightly arranged. . The term “hollow region” refers to a hollow region where no material forming the current collecting layer exists over the front and back of the current collecting layer, and as described later, such a region may be filled with an electrode material.

さらに好適な態様では、集電層の平面視において、貫通開口が、対称的な形状を有している。つまり、集電層の平面視において、貫通開口が、線対称形状および/または点対称形状を有している。ここで「線対称」とは、平面視において対称軸を軸に図形を反転させると互いに重なり合う形状のものを指し、「点対称」とは、平面視において180度回転させても略同一の形状であるものを指す。例えば、貫通開口における対称的な形状とは、三角形状、矩形状、正方形状、菱形状、六角形状、八角形状、円状、楕円状などであってもよい。そのような貫通開口の形状とすることで、特定の箇所への応力集中を防止できる。 In a further preferred aspect, the through opening has a symmetrical shape in plan view of the current collecting layer. That is, in plan view of the current collecting layer, the through opening has a line-symmetrical shape and/or a point-symmetrical shape. Here, "line symmetry" refers to a shape that overlaps with each other when the figure is inverted around the axis of symmetry in plan view, and "point symmetry" means a shape that is substantially the same even if it is rotated 180 degrees in plan view. refers to what is For example, the symmetrical shape of the through opening may be triangular, rectangular, square, diamond, hexagonal, octagonal, circular, elliptical, and the like. Such a shape of the through opening can prevent stress from concentrating on a specific portion.

さらにより好適な態様では、集電層の平面視形状が、対称的な形状を有している。つまり、集電層の平面視形状が、線対称形状および/または点対称形状を有している。より具体的には、貫通開口によってもたらされる集電層全体における平面視形状が、線対称形状および/または点対称形状となっている。より好ましくは、かかる集電層全体における平面視形状が、線対称形状および点対称形状となっている。図示する例示態様でいえば、集電層の平面視形状は、図4C~図4Fに示すような形状であることが好ましい。そのような集電層の平面視形状とすることで、特定の箇所への応力集中を防止でき、また正負極間の充放電反応をより均一とすることができる。 In an even more preferred aspect, the current collecting layer has a symmetrical shape in plan view. That is, the planar view shape of the current collecting layer has a line-symmetrical shape and/or a point-symmetrical shape. More specifically, the planar view of the entire current collecting layer provided by the through openings is a line-symmetrical shape and/or a point-symmetrical shape. More preferably, the planar view shape of the current collecting layer as a whole is line-symmetrical and point-symmetrical. In the illustrated exemplary embodiment, the plan view shape of the current collecting layer is preferably a shape as shown in FIGS. 4C to 4F. Such a plan view shape of the current collecting layer can prevent stress from concentrating on a specific portion, and can make the charging/discharging reaction between the positive and negative electrodes more uniform.

ある好適な態様では、集電層の平面視において、集電層の長手方向に沿った貫通開口の寸法が、集電層の短手方向に沿った貫通開口の寸法よりも大きくなっている。そのような貫通開口の形状とすることによって、充放電時に生じる正負極層の体積変化により歪みがかかりやすい長手方向に対する集電層の剛性を下げ、より好適に応力を低減することができる。 In a preferred embodiment, when viewed from the top of the current collecting layer, the dimension of the through opening along the longitudinal direction of the current collecting layer is larger than the dimension of the through opening along the width direction of the current collecting layer. By forming the through opening in such a shape, it is possible to reduce the rigidity of the current collecting layer in the longitudinal direction, which is likely to be distorted due to the change in volume of the positive and negative electrode layers that occurs during charging and discharging, and to reduce the stress more appropriately.

本明細書でいう固体電池の「長手方向」とは、集電層の平面視における長手寸法に沿った方向を指し、「短手方向」とは、集電層の平面視における短手寸法に沿った方向を指す。図3Aに示す例示態様でいえば、集電層の斜視図において、長手方向は図面横方向を指し、短手方向は図面奥行方向を指す。また、図3Aにおける態様では、長手方向と短手方向とは互いに略直交している。集電層の長手方向に沿った貫通開口の寸法とは図3A中の「L」を指し、集電層の短手方向に沿った貫通開口の寸法とは図3A中の「W」を指す。 As used herein, the “longitudinal direction” of the solid-state battery refers to the direction along the longitudinal dimension of the current collecting layer in plan view, and the “lateral direction” refers to the lateral dimension of the current collecting layer in plan view. pointing in the direction along In the exemplary embodiment shown in FIG. 3A, in the perspective view of the current collecting layer, the longitudinal direction indicates the horizontal direction of the drawing, and the lateral direction indicates the depth direction of the drawing. Moreover, in the embodiment in FIG. 3A, the longitudinal direction and the lateral direction are substantially perpendicular to each other. The dimension of the through opening along the longitudinal direction of the current collecting layer refers to "L" in FIG. 3A, and the dimension of the through opening along the lateral direction of the current collecting layer refers to "W" in FIG. 3A. .

ある好適な態様では、集電層の平面視において貫通開口を形成する中実部分の幅寸法が、対を成す外部端子の対向方向にわたって略同一である。そのような幅寸法を有することで、正負極間の充放電反応をより均一とすることができる。また、特定の箇所への応力集中を防止できる。 In a preferred aspect, the width dimension of the solid portion forming the through opening in a plan view of the current collecting layer is substantially the same across the facing direction of the pair of external terminals. By having such a width dimension, the charging/discharging reaction between the positive and negative electrodes can be made more uniform. Also, it is possible to prevent stress from concentrating on a specific portion.

本明細書でいう「対を成す外部端子の対向方向」とは、電池構成材に対を成す外部端子を設ける場合、電池構成材が外部端子と接する方向を指す。図5Aに示す例示態様でいえば、電池構成単位100’の各々が、対向して対を成す外部端子(すなわち、正極端子50Aおよび負極端子50B)と接している方向を指す。つまり、図5Aにおいて、「対を成す外部端子の対向方向」は図面横方向を指し、本態様において、かかる方向は固体電池の「長手方向」と一致している。また、「貫通開口を形成している中実部分の幅寸法」とは、「対を成す外部端子の対向方向」に略直交する方向における貫通開口間の中実部分の寸法を指す。図示する例示態様でいえば、貫通開口を形成している中実部分の幅寸法は、図5Bにおける「W10」を指す。As used herein, the term "opposing direction of a pair of external terminals" refers to a direction in which the battery component is in contact with the external terminal when the battery component is provided with the pair of external terminals. In the exemplary embodiment shown in FIG. 5A, it refers to the direction in which each of the battery building blocks 100′ is in contact with its opposing pair of external terminals (ie, positive terminal 50A and negative terminal 50B). That is, in FIG. 5A, the "facing direction of the pair of external terminals" refers to the horizontal direction of the drawing, and in this embodiment, this direction coincides with the "longitudinal direction" of the solid-state battery. Further, "the width dimension of the solid portion forming the through opening" refers to the dimension of the solid portion between the through openings in the direction substantially perpendicular to the "opposing direction of the pair of external terminals". In the exemplary embodiment shown, the width dimension of the solid portion forming the through opening refers to " W10 " in FIG. 5B.

ある好適な態様では、集電層はメッシュ構造である。ここで「メッシュ構造」とは、広義には、複数の網目状構造を有し、複数の網目状構造で仕切られた中空領域が矩形、三角形、その他多角形や、円、楕円等の曲線を持つあらゆる形状を含む構造であることを指し、狭義には、その複数の網目状構造で仕切られた中空領域の形状が全て略同一の形状であり、かつそれらの領域が略均一に分布している構造を指す。集電層をメッシュ構造とすることによって、かかる集電層の剛性をより下げることができる。よって、充放電時における正負極層の膨張/収縮に伴う体積変化により生じる正負極層と集電層との間で生じる応力をより効果的に低減することができる。また、特定の箇所への応力集中を防止でき、正負極間の充放電反応をより均一とすることができる。 In one preferred aspect, the current collecting layer has a mesh structure. Here, in a broad sense, the term "mesh structure" refers to having a plurality of mesh-like structures, and the hollow areas partitioned by the plurality of mesh-like structures are rectangles, triangles, other polygons, and curves such as circles and ellipses. In a narrow sense, the shape of the hollow regions partitioned by the multiple network structures are all approximately the same shape, and the regions are distributed approximately uniformly. refers to a structure in which By forming the current collecting layer into a mesh structure, the rigidity of the current collecting layer can be further reduced. Therefore, it is possible to more effectively reduce the stress generated between the positive and negative electrode layers and the current collecting layer due to the volume change associated with the expansion/contraction of the positive and negative electrode layers during charging and discharging. In addition, it is possible to prevent stress from concentrating on a specific portion, and to make the charging/discharging reaction between the positive and negative electrodes more uniform.

かかるメッシュ構造における網目状構造で仕切られた中空領域は、矩形状、円状、または六角形状などであってもよい。かかる中空領域は略同一の形状であり、かつ略均一に分布していてもよい。また、より効果的に応力集中を防止し、正負極間の充放電反応をより均一にするために、中空領域はより細かい網目状構造で仕切られていることが好ましい。図示する例示態様でいえば、集電層におけるメッシュ構造は、図4Fに示される格子状のメッシュ構造である。 Hollow regions partitioned by a mesh structure in such a mesh structure may be rectangular, circular, hexagonal, or the like. Such hollow regions may be substantially identical in shape and substantially uniformly distributed. Moreover, in order to more effectively prevent stress concentration and to make the charging/discharging reaction between the positive and negative electrodes more uniform, the hollow region is preferably partitioned by a finer network structure. In the illustrated exemplary embodiment, the mesh structure in the current collection layer is a grid-like mesh structure shown in FIG. 4F.

上述したような貫通開口を有する集電層は、例えば、未焼成積層体の集電層前駆体について、スクリーン印刷などを利用してパターン印刷して形成されたものでもよく、グリーンシート法により形成されたものでもよい。 The current collecting layer having through openings as described above may be formed, for example, by pattern printing a current collecting layer precursor of an unfired laminate using screen printing or the like, or may be formed by a green sheet method. It may have been

ある好適な態様では、集電層の貫通開口には、正極層または負極層の電極材が埋められている。正極層または負極層の電極材は、貫通開口の少なくとも一部に埋められていてもよい。例えば、集電層の貫通開口に少なくとも中空部分があってもよい。換言すれば、集電層の貫通開口に隙間があってもよい。より好適な態様では、貫通開口の全部に電極材が埋められている。より好適な態様では、正極集電層における貫通開口の全部に正極電極材が埋められ、また負極集電層における貫通開口の全部に負極電極材が埋められている。図3Cに示す例示態様でいえば、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bの貫通開口の全部に、正極層20および負極層40の電極材がそれぞれ埋められている。ここで「貫通開口の全部」とは、貫通開口の中空領域の90%以上を指していてよく、例えば95%以上である。 In a preferred embodiment, the through opening of the current collecting layer is filled with the electrode material of the positive electrode layer or the negative electrode layer. At least part of the through opening may be filled with the electrode material of the positive electrode layer or the negative electrode layer. For example, there may be at least a hollow portion in the through opening of the current collecting layer. In other words, there may be gaps in the through openings of the current collecting layer. In a more preferred embodiment, the entire through opening is filled with the electrode material. In a more preferred embodiment, all through openings in the positive current collecting layer are filled with the positive electrode material, and all through openings in the negative current collecting layer are filled with the negative electrode material. In the exemplary embodiment shown in FIG. 3C, the electrode materials of the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 are buried in all of the through openings of the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B, respectively. Here, "the whole through opening" may refer to 90% or more of the hollow area of the through opening, for example, 95% or more.

集電層は充放電反応しない層であるため、集電層を設けることで固体電池のエネルギー密度が低下するが、上述したような集電層の貫通開口に電極材が設けられることで正負極層の体積比率を上げることができる。それによって、集電層を設けつつもエネルギー密度の低下を抑えることができる。また、充放電時に正負極層と集電層との間で生じる応力に対して、集電層に存在する電極材の膨張/収縮により生じる力が反力として作用し、かかる応力をより効果的に低減することができる。 Since the current collecting layer is a layer that does not undergo charging/discharging reactions, the provision of the current collecting layer reduces the energy density of the solid battery. The volume ratio of layers can be increased. Thereby, a decrease in energy density can be suppressed while providing the current collecting layer. In addition, the force generated by the expansion/contraction of the electrode material present in the current collecting layer acts as a reaction force against the stress generated between the positive and negative electrode layers and the current collecting layer during charging and discharging, and the stress is more effectively reduced. can be reduced to

ある好適な態様では、集電層の平面視において、貫通開口に起因する集電層の開口率が、10%以上45%以下である。開口率が10%以上であると、正負極層と集電層との間で生じる応力をより効果的に低減することができ、また所望のエネルギー密度をより効果的に得ることが可能となる。開口率が45%以下であると、成形時や充放電時に断線することを特に防止でき、また所望の電子伝導性をより効果的に得ることが可能となる。好ましくは、開口率は10%以上35%以下であり、さらに好ましくは10%以上25%以下である。 In a preferred embodiment, the current collecting layer has an aperture ratio of 10% or more and 45% or less due to the through openings in a plan view of the current collecting layer. When the aperture ratio is 10% or more, the stress generated between the positive and negative electrode layers and the current collecting layer can be more effectively reduced, and the desired energy density can be obtained more effectively. . When the open area ratio is 45% or less, disconnection during molding or charging/discharging can be particularly prevented, and desired electronic conductivity can be obtained more effectively. Preferably, the aperture ratio is 10% or more and 35% or less, more preferably 10% or more and 25% or less.

本明細書でいう「開口率」とは、平面視における正極集電層の貫通開口のみの面積(S10A’)を、貫通開口を含めた正極集電層の全面積(S10A)で除算した値(S10A’/S10A)、または平面視における負極集電層の貫通開口のみの面積(S10B’)を、貫通開口を含めた負極集電層の全面積(S10B)で除算した値(S10B’/S
10B)を意味する。
The term “aperture ratio” as used herein refers to the area (S 10A ′) of only the through openings of the positive electrode current collecting layer in plan view divided by the total area (S 10A ) of the positive electrode current collecting layer including the through openings. The value obtained (S 10A '/S 10A ), or the area of only the through openings of the negative electrode current collecting layer in plan view (S 10B ') is divided by the total area of the negative electrode current collecting layer including the through openings (S 10B ). The value (S 10B '/S
10B ).

ある好適な態様では、正極層または負極層に対する集電層の厚み比が、0.02以上2.5以下である。厚み比が0.02以上であると、成形時や充放電時に断線することを特に防止でき、また所望の電子伝導性をより効果的に得ることが可能となる。2.5以下であると、正負極層と集電層との間で生じる応力をより効果的に低減することができ、また所望のエネルギー密度をより効果的に得ることが可能となる。好ましくは、厚み比は0.03以上1.0以下であり、さらに好ましくは0.03以上0.6以下である。 In a preferred embodiment, the thickness ratio of the collector layer to the positive electrode layer or the negative electrode layer is 0.02 or more and 2.5 or less. When the thickness ratio is 0.02 or more, disconnection during molding or charging/discharging can be particularly prevented, and desired electronic conductivity can be obtained more effectively. When it is 2.5 or less, the stress generated between the positive and negative electrode layers and the current collecting layer can be more effectively reduced, and the desired energy density can be obtained more effectively. Preferably, the thickness ratio is 0.03 or more and 1.0 or less, more preferably 0.03 or more and 0.6 or less.

本明細書でいう「厚み比」とは、正極集電層の厚み(T10A)を正極層の厚み(T20)で除算した値(T10A/T20)、または負極集電層の厚み(T10B)を負極層の厚み(T40)で除算した値(T10B/T40)を意味する。ここで各層の厚みは、電池構成単位を断面視した場合に、正極層および負極層においては各層のみが存在する部分の厚みを指し、集電層においてはそれが有する貫通開口に正極層または負極層の電極材が埋められているか否かに関わらず、集電層が存在する部分の厚みを指す。The “thickness ratio” as used herein refers to the value (T 10A /T 20 ) obtained by dividing the thickness (T 10A ) of the positive electrode current collecting layer by the thickness (T 20 ) of the positive electrode layer, or the thickness of the negative electrode current collecting layer. It means a value (T 10B /T 40 ) obtained by dividing (T 10B ) by the thickness (T 40 ) of the negative electrode layer. Here, the thickness of each layer refers to the thickness of the portion where only each layer exists in the positive electrode layer and the negative electrode layer when the battery structural unit is viewed in cross section. It refers to the thickness of the part where the current collecting layer exists, regardless of whether the electrode material of the layer is buried or not.

ある好適な態様では、集電層の平面視において貫通開口を形成している中実部分の幅寸法が、50μm以上200μm以下である。貫通開口を形成している中実部分の幅寸法が50μm以上であると、成形時や充放電時に断線することを特に防止でき、200μm以下であると、正負極層と集電層との間で生じる応力をより効果的に低減することができる。好ましくは、貫通開口を形成している中実部分の幅寸法は50μm以上150μm以下であり、さらに好ましくは50μm以上100μm以下である。 In a preferred embodiment, the width dimension of the solid portion forming the through opening is 50 μm or more and 200 μm or less in plan view of the current collecting layer. When the width of the solid portion forming the through opening is 50 μm or more, disconnection during molding or charging/discharging can be particularly prevented. can be more effectively reduced. Preferably, the width dimension of the solid portion forming the through opening is 50 μm or more and 150 μm or less, more preferably 50 μm or more and 100 μm or less.

上記する集電層および電極層の形状に関連するパラメータは、イオンミリング装置(日立ハイテク社製 型番IM4000PLUS)によって断面視方向断面および平面視方向断面をそれぞれ切り出し、走査電子顕微鏡(SEM)(日立ハイテク社製 型番SU-8040)を用いて観察した画像から測定した寸法、またはその寸法から算出した値を指す。 The parameters related to the shape of the current collecting layer and the electrode layer described above are obtained by cutting out cross-sections in the cross-sectional view direction and plane view direction by an ion milling device (model number IM4000PLUS manufactured by Hitachi High-Tech Co., Ltd.), scanning electron microscope (SEM) (Hitachi High-Tech Co., Ltd.) It refers to the dimension measured from the image observed using the model number SU-8040 manufactured by Co., Ltd., or the value calculated from the dimension.

ある好適な態様では、集電層のヤング率が、70GPa以上100GPa以下である。かかるヤング率が70GPa以上であると、成形時や充放電時に断線することを特に防止でき、100GPa以下であると、正負極層と集電層との間で生じる応力をより効果的に低減することができる。好ましくは、ヤング率は70GPa以上90GPa以下であり、さらに好ましくは70GPa以上80GPa以下である。 In a preferred embodiment, the current collecting layer has a Young's modulus of 70 GPa or more and 100 GPa or less. When the Young's modulus is 70 GPa or more, disconnection during molding or charging/discharging can be particularly prevented. be able to. Preferably, Young's modulus is 70 GPa or more and 90 GPa or less, more preferably 70 GPa or more and 80 GPa or less.

上記する集電層のヤング率は、JIS規格(JIS R 1602)に則った手法により測定した値を指す。ヤング率の測定には卓上形精密万能試験機(島津製作所製 型番AGS-5kNX)を使用した。 The Young's modulus of the current collecting layer mentioned above refers to a value measured by a method according to the JIS standard (JIS R 1602). A desktop precision universal testing machine (manufactured by Shimadzu Corporation, Model No. AGS-5kNX) was used to measure the Young's modulus.

本発明に係る固体電池は、電池構成単位を構成する各層が積層して成る積層型固体電池であり、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。それゆえ、電池構成単位を構成する各層は焼結層から成っており、正極層、負極層、固体電解質、ならびに正極層および/または負極層に設けられた集電層のそれぞれが互いに一体焼結されている。つまり、電池構成単位は、一体焼結体を成しているといえる。そのような一体焼結体において、集電層が貫通開口を有している。 The solid-state battery according to the present invention is a stacked-type solid-state battery in which each layer constituting the battery structural unit is laminated, and is manufactured by a printing method such as a screen printing method, a green sheet method using a green sheet, or a combination thereof. can do. Therefore, each layer constituting the battery structural unit is composed of a sintered layer, and the positive electrode layer, the negative electrode layer, the solid electrolyte, and the current collecting layer provided on the positive electrode layer and/or the negative electrode layer are integrally sintered with each other. It is In other words, it can be said that the battery structural unit constitutes an integrally sintered body. In such an integrally sintered body, the current collecting layer has through openings.

例えば、図3Aに示す態様を例にとると、電池構成単位100’において、正極層20、固体電解質層30、負極層40がこの順に設けられ、正極層20および負極層40の片面に貫通開口を有する正極集電層10Aおよび負極集電層10Bがそれぞれ設けられ、これらの層は一体焼結により強固に密着している。本態様では、電子伝導性向上の観点から、正極層20および負極層40の両方の片面に、貫通開口を有する正極集電層10Aおよび負極集電層10Bが設けられている。また、特定の箇所への応力集中の防止、および正負極間の充放電反応の均一化の観点から、集電層が格子状のメッシュ構造となっている態様である。図3Bに示すように、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bの貫通開口はそれぞれ中空となっていてもよい、エネルギー密度向上および応力低減の観点から、図3Cに示すように、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bの貫通開口に、正極層20および負極層40の電極材がそれぞれ埋められていてもよい。 For example, taking the embodiment shown in FIG. 3A as an example, in the battery structural unit 100′, the positive electrode layer 20, the solid electrolyte layer 30, and the negative electrode layer 40 are provided in this order, and the through openings are provided on one side of the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40. A positive electrode current collecting layer 10A and a negative electrode current collecting layer 10B are provided, respectively, and these layers are firmly adhered by integral sintering. In this embodiment, from the viewpoint of improving electron conductivity, a positive electrode current collecting layer 10A and a negative electrode current collecting layer 10B having through openings are provided on one side of both the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 . In addition, from the viewpoint of preventing stress from concentrating on a specific portion and uniformizing the charging and discharging reaction between the positive and negative electrodes, the current collecting layer has a grid-like mesh structure. As shown in FIG. 3B, the through openings of the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B may each be hollow. Electrode materials of the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 may be embedded in the through openings of the current layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B, respectively.

固体電池のより現実的な態様を説明しておく。あくまでも1つの例示であるが、図5Aに示す態様を例にとると、並列積層型全固体電池100は、正極層20、固体電解質層30、負極層40がこの順に設けられた複数の電池構成単位100’を備えていてよく、積層方向に沿って相互に隣接する一方の電池構成単位100’と他方の電池構成単位100’とが固体電解質層30を介して連続して一体焼結された構成としてもよい。本態様では、電子伝導性向上の観点から、全ての正極層20および負極層40の片面に、貫通開口を有する正極集電層10Aおよび負極集電層10Bが設けられている。また、図6に示すように、積層方向に沿って相互に隣接する一方の電池構成単位100’と他方の電池構成単位100’とが絶縁層70により分断されて一体焼結された構成としてもよい。隣接する電池構成単位間の過度のイオンの吸蔵放出を防止し、充放電時における正負極層の体積変化を低減できるという観点から、積層方向に沿って相互に隣接する一方の電池構成単位100’と他方の電池構成単位100’とが絶縁層70により分断されて一体焼結された構成となっていてもよい。 A more realistic aspect of the solid-state battery will now be described. Although it is just one example, taking the aspect shown in FIG. 5A as an example, the parallel stacked all-solid-state battery 100 has a plurality of battery configurations in which the positive electrode layer 20, the solid electrolyte layer 30, and the negative electrode layer 40 are provided in this order. The unit 100' may be provided, and one battery structural unit 100' and the other battery structural unit 100' adjacent to each other along the stacking direction are continuously and integrally sintered via the solid electrolyte layer 30. may be configured. In this embodiment, from the viewpoint of improving electron conductivity, the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B having through openings are provided on one side of all the positive electrode layers 20 and the negative electrode layers 40 . Alternatively, as shown in FIG. 6, one battery structural unit 100′ and the other battery structural unit 100′ adjacent to each other along the stacking direction are separated by an insulating layer 70 and integrally sintered. good. From the viewpoint of preventing excessive occlusion and release of ions between adjacent battery structural units and reducing the volume change of the positive and negative electrode layers during charging and discharging, one battery structural unit 100' adjacent to each other along the stacking direction is used. and the other battery structural unit 100' may be separated by the insulating layer 70 and integrally sintered.

固体電池は端子(外部端子)を更に備えるものであってもよい。つまり、並列積層型全固体電池100は、電池構成単位100’の一方の端部にて正極集電層10Aと電気的接続された正極端子50Aと、電池構成単位の他方の端部に負極集電層10Bと電気的接続された負極端子50Bとを備えていてよい。より具体的には、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bは、その一方の端部にそれぞれ外部と電気的に接続するための電気的接続部を有し、かかる電気的接続部は、正極端子50Aおよび負極端子50Bとそれぞれ電気的に接続されている。 The solid-state battery may further include terminals (external terminals). That is, the parallel-stacked all-solid-state battery 100 has a positive electrode terminal 50A electrically connected to the positive electrode current collecting layer 10A at one end of the battery structural unit 100′ and a negative electrode collector at the other end of the battery structural unit. A negative electrode terminal 50B electrically connected to the electrode layer 10B may be provided. More specifically, the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B each have an electrical connection at one end thereof for electrical connection with the outside. They are electrically connected to the positive terminal 50A and the negative terminal 50B, respectively.

図5Bに示すように、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bの貫通開口はそれぞれ中空となっていてもよい。エネルギー密度向上および応力低減の観点から、図5Cに示すように、正極集電層10Aおよび負極集電層10Bの貫通開口に、正極層20および負極層40の電極材がそれぞれ埋められていてもよい。 As shown in FIG. 5B, the through openings of the positive electrode current collecting layer 10A and the negative electrode current collecting layer 10B may each be hollow. From the viewpoint of improving energy density and reducing stress, as shown in FIG. good.

固体電池は保護層を更に備えるものであってもよい。つまり、固体電池積層体、正極端子50Aおよび負極端子50Bの外側には、固体電池積層体と一体積層化するように保護層60などが設けられていてもよい。 The solid state battery may further comprise a protective layer. That is, a protective layer 60 or the like may be provided outside the solid battery laminate, the positive electrode terminal 50A, and the negative electrode terminal 50B so as to be integrally laminated with the solid battery laminate.

[固体電池の製造方法]
本発明の固体電池は、上述したように、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、本発明の理解のために印刷法を採用する場合について詳述するが、本発明は当該方法に限定されない。
[Manufacturing method of solid-state battery]
As described above, the solid-state battery of the present invention can be manufactured by a printing method such as a screen printing method, a green sheet method using a green sheet, or a combination thereof. In the following, for the sake of understanding of the present invention, a case where a printing method is employed will be described in detail, but the present invention is not limited to this method.

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少なくとも含む。 The method for producing a solid-state battery of the present invention includes at least a step of forming an unfired laminate by a printing method and a step of firing the unfired laminate.

(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、固体電解質用ペースト、集電層用ペーストおよび保護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る。つまり、ペーストを印刷法で塗布することを通じて支持基材上に所定構造の未焼成積層体を形成する。
(Step of forming unfired laminate)
In this step, several kinds of pastes such as a positive electrode layer paste, a negative electrode layer paste, a solid electrolyte paste, a collector layer paste, and a protective layer paste are used as inks. In other words, a non-fired laminate having a predetermined structure is formed on the supporting substrate by applying the paste by a printing method.

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、集電層材料、絶縁性物質材料、および焼結助剤から成る群から適宜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。正極層用ペーストは、例えば、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。負極層用ペーストは、例えば、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。固体電解質層用ペーストは、例えば、固体電解質材料、焼結助剤、有機材料および溶剤を含む。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。保護層用ペーストは、例えば、絶縁性物質材料、有機材料および溶剤を含む。絶縁層用ペーストは、例えば絶縁性物質材料、有機材料および溶剤を含む。 The paste is a predetermined constituent material of each layer selected appropriately from the group consisting of a positive electrode active material, a negative electrode active material, an electron conductive material, a solid electrolyte material, a current collecting layer material, an insulating material, and a sintering aid. , can be prepared by wet-mixing an organic material dissolved in a solvent with an organic vehicle. The positive electrode layer paste contains, for example, a positive electrode active material, an electron conductive material, a solid electrolyte material, an organic material and a solvent. The negative electrode layer paste contains, for example, a negative electrode active material, an electron conductive material, a solid electrolyte material, an organic material and a solvent. The solid electrolyte layer paste contains, for example, a solid electrolyte material, a sintering aid, an organic material and a solvent. The positive electrode current collecting layer paste and the negative electrode current collecting layer paste contain an electronic conductive material, a sintering aid, an organic material and a solvent. The protective layer paste contains, for example, an insulating material, an organic material and a solvent. The insulating layer paste contains, for example, an insulating material, an organic material and a solvent.

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およびポリビニルアルコール樹脂などから成る群から選択される少なくとも1種の高分子材料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、トルエンおよび/またはエタノールなどを用いることができる。 Although the organic material contained in the paste is not particularly limited, at least one polymer material selected from the group consisting of polyvinyl acetal resin, cellulose resin, polyacrylic resin, polyurethane resin, polyvinyl acetate resin, polyvinyl alcohol resin, etc. can be used. The solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the organic material, and for example, toluene and/or ethanol can be used.

湿式混合ではメディアを用いることができ、具体的には、ボールミル法または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またはニーダー分散法等を用いることができる。 Media can be used for wet mixing, and specifically, a ball mill method, a Visco mill method, or the like can be used. On the other hand, a wet mixing method that does not use media may be used, such as a sand mill method, a high-pressure homogenizer method, or a kneader dispersion method.

支持基材は、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料から成る基材を用いることができる。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して耐熱性を呈するものを使用してよい。 The support substrate is not particularly limited as long as it can support the green laminate, and for example, a substrate made of a polymer material such as polyethylene terephthalate can be used. When the unfired laminate is held on the substrate and subjected to the firing step, the substrate may be one that exhibits heat resistance to the firing temperature.

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、積層することによって、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ことができる。各印刷層の形成に際しては、乾燥処理が行われる。乾燥処理では、未焼成積層体から溶剤が蒸発することになる。未焼成積層体を形成した後、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、あるいは、未焼成積層体を支持基材上に保持したまま焼成工程に供してもよい。 In printing, by sequentially laminating printed layers with a predetermined thickness and pattern shape, an unfired laminate corresponding to a predetermined solid battery structure can be formed on the substrate. A drying process is performed when forming each print layer. The drying process causes the solvent to evaporate from the green laminate. After forming the unfired laminate, the unfired laminate may be peeled off from the substrate and subjected to the firing step, or the unfired laminate may be subjected to the firing step while being held on the support substrate. good too.

(焼成工程)
焼成工程では、未焼成積層体を焼成に付す。あくまでも例示にすぎないが、焼成は、酸素ガスを含む窒素ガス雰囲気中または大気中で、例えば500℃にて有機材料を除去した後、窒素ガス雰囲気中または大気中で例えば550℃以上1000℃以下で加熱することで実施する。焼成は、積層方向(場合によっては積層方向および当該積層方向に対する垂直方向)で未焼成積層体を加圧しながら行ってよい。
(Baking process)
In the firing step, the unfired laminate is subjected to firing. Although it is only an example, firing is performed in a nitrogen gas atmosphere containing oxygen gas or in the air, for example, at 500 ° C., after removing the organic material, in a nitrogen gas atmosphere or in the air, for example, 550 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. It is carried out by heating at The firing may be performed while pressing the unfired laminate in the stacking direction (in some cases, the stacking direction and the direction perpendicular to the stacking direction).

そのような焼成を経ることによって、未焼成積層体から電池構成単位が形成され、最終的には所望の固体電池が得られることになる。 Through such firing, a battery structural unit is formed from the unfired laminate, and finally a desired solid battery is obtained.

(本発明における特徴部分の作製について)
貫通開口を有する集電層は、例えば、スクリーン印刷などを利用して未焼成積層体の集電層前駆体を、少なくとも1つの貫通開口が設けられるようにパターン印刷しておけばよい。そのような集電層前駆体を焼成すると、貫通開口を有する集電層を有して成る所望の電池構成単位を有する固体電池を得ることができる。なお、貫通開口を有する集電層は、スクリーン印刷を通じて得ることができるが、少なくとも1つの貫通開口を形成するように焼成後に消失するような樹脂原料ペーストを用いても得ることができる。例えば、有機ビヒクルから成るペーストを貫通開口の形成に用いてよい。かかる場合、そのようなペーストが塗布された部分が焼成時に消失し得るので、集電層に貫通開口を有する所望の電池構成単位を得ることができる。同様にして、少なくとも1つの貫通開口を形成するように焼成時に消失し得る樹脂フィラーを含有する原料ペーストを用いることによって、貫通開口を有する集電層を得ることができる。上記方法によって、複数の貫通開口を有する集電層、複数の貫通開口が互いに略同一形状を有する集電層、または平面視において集電層が幾何学的形状を成すように貫通開口が配置されている集電層などを得ることができる。
(Regarding the preparation of characteristic portions in the present invention)
For the current collecting layer having through openings, for example, a current collecting layer precursor of an unfired laminate may be pattern-printed using screen printing or the like so that at least one through opening is provided. By firing such a current-collecting layer precursor, it is possible to obtain a solid-state battery having desired battery structural units comprising a current-collecting layer having through openings. The current collecting layer having through openings can be obtained by screen printing, but can also be obtained by using a resin raw material paste that disappears after baking so as to form at least one through opening. For example, a paste comprising an organic vehicle may be used to form the through openings. In such a case, the portion coated with such a paste can disappear during firing, so that a desired battery structural unit having through openings in the current collecting layer can be obtained. Similarly, a current collecting layer having through openings can be obtained by using a raw material paste containing a resin filler that can disappear during firing so as to form at least one through opening. According to the above method, a current collecting layer having a plurality of through openings, a current collecting layer having a plurality of through openings having substantially the same shape as each other, or a current collecting layer having a geometric shape in plan view are arranged. It is possible to obtain a current collecting layer, etc.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲において種々の態様が考えられることを当業者は容易に理解されよう。 Although the embodiments of the present invention have been described above, they are merely examples of typical examples. Accordingly, those skilled in the art will easily understand that the present invention is not limited to this, and that various embodiments are conceivable without changing the gist of the present invention.

例えば、上記説明においては、例えば図3Aなどで例示される電池構成単位を中心にして説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されない。本発明では正極層、負極層、固体電解質層を有し、正極層および負極層の少なくとも1つに対して、少なくとも1つの貫通開口を有する集電層が設けられている電池構成単位であれば、どのようなものであっても同様に適用することができる。また、集電層が複数の貫通開口を有する場合、集電層の平面視において、かかる複数の貫通開口の形状は必ずしも互いに略同一でなくてもよく、異なる形状が含まれていてもよい。 For example, in the above description, the battery structural unit illustrated in FIG. 3A, for example, has been mainly described, but the present invention is not necessarily limited to this. In the present invention, a battery structural unit having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer, and provided with a current collecting layer having at least one through opening for at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer. , can be similarly applied. Moreover, when the current collecting layer has a plurality of through openings, the shapes of the plurality of through openings do not necessarily have to be substantially the same as each other in plan view of the current collecting layer, and may include different shapes.

本発明の固体電池は、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、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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The solid-state battery of the present invention can be used in various fields where power storage is assumed. Although it is only an example, the solid battery of the present invention is used in the electric, information, and communication fields where mobile devices and the like are used (for example, mobile phones, smartphones, laptop computers and digital cameras, activity meters, arm computers, electronic paper mobile devices such as mobile devices), home and small industrial applications (e.g. electric tools, golf carts, household, nursing care and industrial robots), large industrial applications (e.g. forklifts, elevators, harbor cranes) , transportation systems (for example, hybrid vehicles, electric vehicles, buses, trains, electrically assisted bicycles, electric motorcycles, etc.), power system applications (for example, various power generation, road conditioners, smart grids, general household installation type storage systems, etc.) field), medical use (medical device field such as earphone hearing aid), medical use (field of medication management system, etc.), IoT field, space / deep sea use (e.g., space probe, underwater research ship, etc.) ), etc., can be used.

10 集電層
10A 正極集電層
10B 負極集電層
20 正極層
30 固体電解質層
40 負極層
50 端子
50A 正極端子
50B 負極端子
60 保護層
70 絶縁層
100’ 電池構成単位
100 固体電池
10 collector layer 10A positive collector layer 10B negative collector layer 20 positive electrode layer 30 solid electrolyte layer 40 negative electrode layer 50 terminal 50A positive electrode terminal 50B negative electrode terminal 60 protective layer 70 insulating layer 100' battery structural unit 100 solid battery

Claims (11)

固体電池であって、
正極層、負極層、および該正極層と該負極層との間に介在する固体電解質層を備え、
前記正極層および前記負極層の少なくとも1つには、少なくとも1つの貫通開口を有する集電層が設けられており、
前記集電層が焼結層から成る、固体電池。
a solid state battery,
A positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
At least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer is provided with a current collecting layer having at least one through opening ,
A solid-state battery , wherein the current collecting layer comprises a sintered layer .
固体電池であって、
正極層、負極層、および該正極層と該負極層との間に介在する固体電解質層を備え、
前記正極層および前記負極層の少なくとも1つには、少なくとも1つの貫通開口を有する集電層が設けられており、
前記正極層、前記負極層および前記固体電解質層が、一体焼結体から成る、固体電池。
a solid state battery,
A positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
At least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer is provided with a current collecting layer having at least one through opening ,
A solid battery , wherein the positive electrode layer, the negative electrode layer and the solid electrolyte layer are integrally sintered .
前記集電層において、前記貫通開口が複数設けられ、該複数の貫通開口が略同一形状を有する、請求項1または2に記載の固体電池。 3. The solid-state battery according to claim 1, wherein the current collecting layer is provided with a plurality of through-openings, and the plurality of through-openings have substantially the same shape. 前記集電層の平面視において、該集電層が幾何学的形状を成すように前記貫通開口が配置されている、請求項1~3のいずれかに記載の固体電池。 4. The solid-state battery according to any one of claims 1 to 3 , wherein said through openings are arranged such that said current collecting layer forms a geometric shape in plan view of said current collecting layer. 前記集電層の平面視において、該集電層の長手方向に沿った前記貫通開口の寸法が、該集電層の短手方向に沿った該貫通開口の寸法よりも大きい、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 Claims 1 to 1, wherein, in a plan view of the current collecting layer, the dimension of the through opening along the longitudinal direction of the current collecting layer is larger than the dimension of the through opening along the lateral direction of the current collecting layer. 5. The solid battery according to any one of 4 . 前記集電層の平面視において、前記貫通開口を形成している中実部分の幅寸法が、対を成す外部端子の対向方向にわたって略同一である、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 6. The device according to any one of claims 1 to 5 , wherein, in a plan view of the current collecting layer, the width dimension of the solid portion forming the through opening is substantially the same along the facing direction of the pair of external terminals. solid state battery. 前記集電層の平面視において、前記貫通開口に起因する該集電層の開口率が、10%以上45%以下である、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 The solid-state battery according to any one of claims 1 to 6 , wherein the current collecting layer has an aperture ratio of 10% or more and 45% or less due to the through openings in a plan view of the current collecting layer. 前記正極層または前記負極層に対する前記集電層の厚み比が、0.02以上2.5以下である、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 The solid-state battery according to any one of claims 1 to 7 , wherein a thickness ratio of said collector layer to said positive electrode layer or said negative electrode layer is 0.02 or more and 2.5 or less. 前記貫通開口の少なくとも一部には、前記正極層または前記負極層の電極材が埋められている、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 9. The solid-state battery according to claim 1 , wherein at least part of said through-hole is filled with the electrode material of said positive electrode layer or said negative electrode layer. 前記集電層が、メッシュ構造を有する、請求項1~のいずれかに記載の固体電池。 The solid-state battery according to any one of claims 1 to 9 , wherein said current collecting layer has a mesh structure. 前記正極層および前記負極層がリチウムイオンを吸蔵放出可能な層となっている、請求項1~10のいずれかに記載の固体電池。 11. The solid state battery according to claim 1 , wherein said positive electrode layer and said negative electrode layer are layers capable of intercalating and deintercalating lithium ions.
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