JP7169520B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
そして、ここに開示される全固体電池における無機フィルムは、複数の折れ目が形成されるように折り畳まれている。このため、上記膨張収縮による応力が無機フィルムに掛かると、当該折れ目を支点に無機フィルムが撓み、無機フィルム同士が重なった部分が滑る。これによって、積層電極体の膨張収縮による応力を無機フィルムにおいて吸収できるため、当該応力が外装体まで伝わることを防止できる。
なお、本発明者の検討によると、平面視矩形状の全固体電池では、短辺方向における膨張収縮の度合いが大きくなる傾向がある。この短辺方向への膨張収縮に対して上述の応力吸収効果が適切に発揮されるように、ここに開示される全固体電池では、複数の折れ目が長辺方向に沿って形成されていると共に、折り畳んだ後の無機フィルムの短辺方向における長さが正極集電体よりも長くなっている。
以上のとおり、ここに開示される全固体電池によると、積層電極体の膨張収縮による応力が外装体に伝わることを確実に防止できるため、伸縮に伴う疲労によって外装体が破損することを好適に防止できる。
図1は、本実施形態に係る全固体電池の平面図である。図2は、本実施形態に係る全固体電池の正面図である。図3は、本実施形態に係る全固体電池の側面図である。また、図4は、図2中のIV-IV線における矢視断面図である。
正極13は、この種の電池で使用されているものを特に制限なく用いることができる。正極13は、正極集電体11と、当該正極集電体11の表面に形成された正極合材層12とを備えたシート状の電極である。図2に示すように、この正極13の長辺方向Xにおける一方の側縁部には、正極合材層12が形成されておらず、正極集電体11が露出した正極露出部11aが形成されている。この全固体電池1では、複数の正極13の各々の正極露出部11aが束ねられた状態で正極端子42に接続されている。
正極集電体11は、この種の電池の正極集電体として用いられ得るものを特に制限なく使用できる。典型的には、正極集電体11は、良好な導電性を有する金属、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属材から構成される。特にアルミニウム(例えばアルミニウム箔)が好ましい。正極集電体11の厚みは特に限定されないが、電池の容量密度と集電体の強度との兼ね合いから、5μm~50μm程度が適当であり、8μm~30μm程度がより好ましい。
図4に示される正極合材層12は、正極活物質と固体電解質とを含有する。この正極合材層12の厚みは、特に限定されず、典型的には、10μm~500μmであり得る。
正極活物質の平均粒子径は、例えば0.5μm~20μm程度が適当であり、1μm~10μm程度が特に好ましい。なお、本明細書における「平均粒子径」は、レーザ回折・散乱法によって測定した粒度分布に基づいて算出されたものである。
また、固体電解質の平均粒子径は、例えば0.5μm~10μm程度が適当であり、1μm~5μm程度が特に好ましい。また、正極合材層12中の正極活物質と固体電解質との配合比は特に限定されない。典型的には、正極活物質(P)と固体電解質(E)との質量比(P:E)は、50:50~95:5程度であり得る。
図4に示すように、負極17は、負極集電体15と、当該負極集電体15の表面に形成された負極合材層16とを備えたシート状の電極である。そして、上述した正極13と同様に、負極17にも電極端子(負極端子44)を接続するための領域である負極露出部15a(図2参照)が設けられている。具体的には、負極17の長辺方向Xにおける一方の側縁部には、負極合材層16が形成されておらず、負極集電体15が露出した負極露出部15aが形成されている。この全固体電池1では、複数の負極17の各々の負極露出部15aが束ねられた状態で負極端子44に接続されている。
負極集電体15は、安価であり、かつ、良好な導電性を有するという観点から、銅または銅合金を少なくとも含む材料によって構成されている。また、負極集電体15の厚みは特に限定されないが、電池の容量密度と集電体の強度との兼ね合いから、5μm~50μm程度が適当であり、8μm~30μm程度がより好ましい。
図4に示される負極合材層16は、負極活物質と固体電解質とを含有する。かかる負極合材層16の厚みは、特に限定されないが、例えば10μm~500μmであり得る。
Si系負極活物質としては、Si、SiOa(ここで0.05<a<1.95)で表される酸化ケイ素、SiCb(0<b<1)で表される炭化ケイ素、SiNc(0<c<4/3)で表される窒化ケイ素、等を含む負極活物質が挙げられる。また、Si系負極活物質のその他の例として、ケイ素とケイ素以外の元素とからなる合金材料が挙げられる。ケイ素以外の元素としては、例えば、Fe、Co、Sb、Bi、Pb、Ni、Cu、Zn、Ge、In、Sn、Ti等が挙げられる。
一方、Sn系負極活物質としては、例えば、スズ、スズ酸化物、スズ窒化物、スズ含有合金等、及びこれらの固溶体等を含む負極活物質が挙げられる。また、これらに含有されるスズ原子の一部が1種又は2種以上の元素で置換されていてもよい。スズ酸化物としては、SnOd(0<d<2)で表される酸化スズ、二酸化スズ(SnO2)等が挙げられる。スズ含有合金としては、Ni-Sn合金、Mg-Sn合金、Fe-Sn合金、Cu-Sn合金、Ti-Sn合金等が挙げられる。スズ化合物としては、SnSiO3、Ni2Sn4、Mg2Sn等が挙げられる。
固体電解質層14には固体電解質が含まれている。固体電解質層14に含まれる固体電解質には、正極合材層12や負極合材層16に含まれる固体電解質と同様のもの(例えば、硫化物固体電解質)を使用することができるため、重複した説明は省略する。なお、従来のこの種の電池の固体電解質層と同様に、固体電解質層14には、固体電解質以外の種々の任意成分を含ませることができる。例えば、固体電解質層14は、負極合材層16と同種のバインダ等を含んでいてもよい。
上述したように、本実施形態に係る全固体電池1は、積層電極体10を収容するラミネートフィルム製の外装体30を備えている。かかる外装体30には、例えば、金属箔34の表面に樹脂層32が形成された樹脂ラミネート金属箔が用いられる。樹脂層32は、電池内部に配置される層であり、積層電極体10の厚み方向Zにおける最外側の層(正極集電体11および負極集電体15)と対向する。樹脂層32には、所定の機械的強度を有する樹脂材料が使用される。例えば、樹脂層32は、ポリエステル、ナイロン、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン等から構成されていると好ましい。一方、金属箔34は、電池外部に配置される層であり、樹脂層32の保護の観点から、所定の強度を有する金属材料が使用される。例えば、金属箔34は、アルミニウム、アルミニウム合金等から構成されていると好ましい。
上述したように、本実施形態に係る全固体電池1は、無機フィルム20を備えている。図4に示すように、無機フィルム20は、厚み方向Zにおける最外側に配置された正極13の正極集電体11と、外装体30の樹脂層32との間に配置されている。
第1に、本実施形態では、正極集電体11と樹脂層32との間に介在させる部材として、無機材料からなる無機フィルム20を用いているため、無機フィルム20と正極集電体11とが密着しにくくなっている。このため、膨張収縮した積層電極体10に対して、無機フィルム20の凹部24の底面が滑るため、膨張収縮による応力が無機フィルム20に伝わりにくい。
第2に、本実施形態では、無機フィルム20に複数の折り目m1~m4、v1~v4が形成されている。このため、上記膨張収縮による応力が無機フィルム20に伝わった場合、折り目m1~m4、v1~v4を支点にして無機フィルム20が撓み、折り畳まれた無機フィルム20同士が滑るため、上記応力が無機フィルム20において吸収される。このため、本実施形態では、無機フィルム20に応力が伝わったとしても、当該応力が外装体30に伝達されにくくなっている。
第3に、本実施形態では、上記折り目m1~m4、v1~v4が長辺方向Xに沿って形成されていると共に、折り畳まれた後の無機フィルム20の短辺方向Yにおける長さが正極集電体11よりも長くなっている。これによって、積層電極体10の膨張収縮の度合いが大きい短辺方向Yにおいて、折り目を形成することによる応力吸収効果を発揮させることができる。
10 積層電極体
11 正極集電体
11a 正極露出部
12 正極合材層
13 正極
14 固体電解質層
15 負極集電体
15a 負極露出部
16 負極合材層
17 負極
20 無機フィルム
22 凸部
24 凹部
30 外装体
32 樹脂層
34 金属箔
42 正極端子
44 負極端子
Claims (1)
- 平面視矩形状の全固体電池であって、
正極と負極との間に固体電解質層が配置された積層電極体と、
前記積層電極体を収容するラミネートフィルム製の外装体と
を備え、
前記正極は、箔状の正極集電体と、該正極集電体の表面に形成された正極合材層とを有し、
厚み方向における最外側に配置された前記正極の前記正極集電体と前記外装体との間に無機フィルムが配置されており、
前記無機フィルムは、折り畳まれた後の短辺方向における長さが前記正極集電体よりも長くなるように、長辺方向に沿った複数の折れ目が形成された状態で折り畳まれている、全固体電池。
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