JP7192542B2

JP7192542B2 - 積層電池

Info

Publication number: JP7192542B2
Application number: JP2019019116A
Authority: JP
Inventors: 瑞穂松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2039-02-05
Also published as: JP2020126787A

Description

本開示は、積層電池に関する。

近年、携帯機器や自動車等の電源として、様々な積層電池（例えば、全固体電池）が開発されている。

例えば、特許文献１では、少なくとも第１の電極の集電体、第１の電極の活物質層、固体電解質層、第１の電極の対極である第２の電極の活物質層、第２の電極の集電体、第２の電極の活物質層、固体電解質層、及び第１の電極の活物質層がこの順に積層された電池ユニットの２つ以上が積層されて成り、この電池ユニットの第１の電極の集電体と、該集電体に隣接して積層された電池ユニットとを接着するための接着材を有することを特徴とする、全固体電池が開示されている。

また、特許文献２では、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を有している複数の全固体電池セルが、バイポーラ型又はモノポーラ型で積層されている積層型全固体電池の製造方法が開示されている。

特開２０１７－２０４３７７号公報特開２０１６－１３６４９０号公報

上述した特許文献２のような積層電池では、全固体電池セルがモノポーラ型で積層されていると、２枚の同電極（同じ正極又は同じ負極）の集電体層が隣接して積層されている構成となる。このため、用いる集電体層の層数は、相対的に多くなる。

しかしながら、このような構成を有している積層電池から発生した電力を外部に取り出すために、複数の同電極の集電体層の周縁部から突出している突出部を互いに接合させる場合、これらの突出部の間において、接合界面が相対的に多くなってしまう。これによって、これらの突出部を互いに接合することが困難になるという問題がある。

そこで、本開示は、上記事情を鑑みてなされたものであり、２枚の同電極の集電体層が隣接して積層されている構成において、複数の同電極の集電体層の突出部を接合することを容易にできる積層電池を提供することを目的とする。

本開示の本発明者らは、以下の手段により、上記課題を解決できることを見出した。

〈態様１〉
互いに積層されている複数の積層電池ユニットを有している積層電池であって、
前記積層電池ユニットが、第１の集電体層、第１の活物質層、固体電解質層、第２の活物質層、第２の集電体層、第２の活物質層、固体電解質層、第１の活物質層、及び第１の集電体層がこの順に積層されてなる構成を有しており、
互いに隣接している２つの第１の集電体層が、第１の集電体対を構成しており、かつ
前記第１の集電体対を構成する２つの前記第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第１の突出部を有しており、かつ複数の前記第１の突出部が接合されている、
積層電池。
〈態様２〉
前記第１の集電体対を構成する２つの前記第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第２の突出部を有しており、複数の前記第２の突出部が互いに接合されており、かつ前記積層電池の積層方向からみて、前記第１の突出部と前記第２の突出部とは互いに重ならない、
態様１に記載の積層電池。
〈態様３〉
前記第１の突出部及び前記第２の突出部が、前記積層電池の同じ側面において突出しており、かつ
前記側面からみて、前記第１の突出部と前記第２の突出部とは、前記積層電池の積層方向において、交互に存在している、
態様２に記載の積層電池。

本開示の積層電池によれば、２枚の同電極の集電体層が隣接して積層されている構成において、複数の同電極の集電体層の突出部を接合することを容易にできる。

図１は、本開示の積層電池の一形態を示す分解斜視図である。図２は、本開示の積層電池の一形態を示す斜視図及び集電端子と電気的に接続している場合の上面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において、同一又は相当する部分には同一の参照符号を付し、重複説明は省略する。実施の形態の各構成要素は、全てが必須のものであるとは限らず、一部の構成要素を省略可能な場合もある。ただし、以下の図に示される形態は本開示の例示であり、本開示を限定するものではない。

《積層電池》
本開示の積層電池は、
互いに積層されている複数の積層電池ユニットを有している積層電池であって、
積層電池ユニットが、第１の集電体層、第１の活物質層、固体電解質層、第２の活物質層、第２の集電体層、第２の活物質層、固体電解質層、第１の活物質層、及び第１の集電体層がこの順に積層されてなる構成を有しており、
互いに隣接している２つの第１の集電体層が、第１の集電体対を構成しており、かつ
第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第１の突出部を有しており、かつ複数の第１の突出部が互いに接合されている。

本開示でいう「複数」とは、２つ又は２つ以上のことを意味する。

本開示でいう「第１の集電体層」及び「第１の活物質層」はそれぞれ、「第２の集電体層」及び「第２の活物質層」と対極であることを意味する。

すなわち、「第１の集電体層」及び「第１の活物質層」が、それぞれ「正極集電体層」及び「正極活物質層」であるときには、「第２の集電体層」及び「第２の活物質層」は、それぞれ「負極集電体層」及び「負極活物質層」である。また同様に、「第１の集電体層」及び「第１の活物質層」が、それぞれ「負極集電体層」及び「負極活物質層」であるときには、「第２の集電体層」及び「第２の活物質層」は、それぞれ「正極集電体層」及び「正極活物質層」である。

「突出部」とは、第１の集電体層及び第２の集電体層のそれぞれの周縁部から突出している部分を指し、第１の集電体層及び第２の集電体層のそれぞれと一体化形成されたものであってもよく、第１の集電体層及び第２の集電体層に取り付けられたものであってもよい。

また、「接合」とは、同電極の集電体層の周縁部から突出している突出部が集められて、物理的に接触されている状態を指す。そして、互いに接合されている突出部は、また、後述する集電端子等と電気的に接続することができる。

ここで、接合の手段として、特に限定されず、例えば、超音波溶接、プラズマ溶接、抵抗溶接、圧接、又はカシメ等であってよい。これらの中で、操作上の便宜性の観点から超音波溶接が好ましい。

図１は、本開示の積層電池の一形態を示す分解斜視図である。

図１に示されている積層電池１００は、互いに積層されている３つの積層電池ユニット１０、２０、及び３０を有している積層電池である。

積層電池ユニット１０は、第１の集電体層１、第１の活物質層２、固体電解質層３、第２の活物質層４、第２の集電体層５、第２の活物質層６、固体電解質層７、第１の活物質層８、及び第１の集電体層９がこの順に積層されてなる構成を有している。積層電池ユニット２０は、第１の集電体層１１、第１の活物質層１２、固体電解質層１３、第２の活物質層１４、第２の集電体層１５、第２の活物質層１６、固体電解質層１７、第１の活物質層１８、及び第１の集電体層１９がこの順に積層されてなる構成を有している。また、積層電池ユニット３０は、第１の集電体層２１、第１の活物質層２２、固体電解質層２３、第２の活物質層２４、第２の集電体層２５、第２の活物質層２６、固体電解質層２７、第１の活物質層２８、及び第１の集電体層２９がこの順に積層されてなる構成を有している。

積層電池１００において、互いに隣接している２つの第１の集電体層９及び１１は、第１の集電体対９ｐを構成しており、また互いに隣接している２つの第１の集電体層１９及び２１も第１の集電体対１９ｐを構成している。

ここで、第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第１の突出部を有している。

例えば、図１に示されているように、第１の集電体対９ｐでは、これを構成する２つの第１の集電体層９及び１１のうちの第１の集電体層９のみが、周縁部から突出している第１の突出部９ａを有している。また、第１の集電体対１９ｐでは、これを構成する２つの第１の集電体層１９及び２１のうちの第１の集電体層１９のみが、周縁部から突出している第１の突出部１９ａを有している。なお、図示されていないが、第１の突出部９ａ及び１９ａは、互いに接合されている。

図１に示されている積層電池１００において、両端面に位置している第１の集電体層１及び２９はそれぞれ、周縁部から突出している突出部１ａ及び２９ａを有している。突出部１ａ及び２９ａは、互いに接合されていてもよく、第１の集電体対に由来する第１の突出部９ａ及び１９ａに集められて互いに接合されていてもよい。後者の場合、すなわち突出部１ａ及び２９ａ、並びに第１の突出９ａ及び１９ａを集めて互いに接合されていることが好ましい。

また、積層電池１００において、第２の集電体層５、１５、及び２５はそれぞれ、周縁部から突出している突出部５ａ、１５ａ及び２５ａを有している。突出部５ａ、１５ａ及び２５ａは、互いに接合されていることが好ましい。

なお、第１の集電体層の周縁部から突出している突出部と第２の集電体層の周縁部から突出している突出部とは、積層電池の同じ側面に存在していてもよく、異なる側面に存在していてもよい。

例えば、図１では、第１の集電体層の周縁部から突出している突出部１ａ、９ａ、１９ａ及び２９ａと、第２の集電体層の周縁部から突出している突出部５ａ、１５ａ及び２５ａとは、互いに積層電池１００の異なる側面に存在している。

なお、第２の集電体層に関して、１枚のみの第２の集電体層の形態であってもよく、互いに隣接している２つの第２の集電体層、すなわち、第２の集電体対が構成されている形態であってもよい。本開示の積層電池ユニットにおいて、第２の集電体対が含まれている場合、この第２の集電体対に由来する突出部の特徴は、第１の集電体対の特徴と同じであることが好ましい。

本開示の積層電池において、第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第２の突出部を有していることが好ましい。

この場合、複数の第２の突出部が互いに接合されており、かつ積層電池の積層方向からみて、第１の突出部と第２の突出部とは互いに重ならない。

このように、第１の集電体対において、複数の第１の突出部及び複数の第２の突出部を有しており、第１の突出部同士及び第２の突出部同士を、それぞれ集めて、互いに接合させる場合、例えば集められた第１の突出部同士又は第２の突出部同士のいずれか一方が、予期せぬ外部からの負荷入力によって、切断されていても、積層電池から発生した電力を外部に取り出すことができる。

また、第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している第１の突出部を有しており、かつ第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちのもう１つのみが、周縁部から突出している第２の突出部を有していてもよく、又は第１の集電体対を構成する２つの第１の集電体層のうちの１つのみが周縁部から突出している第１の突出部及び第２の突出部の両方を有していてもよい。

また、第１の突出部及び第２の突出部はそれぞれ、積層電池の同じ側面において突出していてもよく、異なる側面において突出していてもよい。第１の突出部及び第２の突出部を同時に集電端子と接合できる観点から、第１の突出部及び第２の突出部は、積層電池の同じ側面において突出していることが好ましい。

更に、第１の突出部及び第２の突出部は、積層電池の同じ側面において突出しており、かつ積層電池の側面からみて、第１の突出部と第２の突出部とは、積層電池の積層方向において、交互に存在していることが好ましい。

ここで、「第１の突出部と第２の突出部とは、積層電池の積層方向において、交互に存在していることこと」とは、例えば第１の突出部及び第２の突出部が突出している積層電池の側面側からみて、第１の集電体対を構成している２つの第１の集電体層のうちの上層に位置している第１の集電体層の突出部は、その側面における周縁部の左側に存在しており、他方で、上記の２つの第１の集電体層のうちの下層に位置している第１の集電体層の突出部は、その側面における周縁部の右側に存在しており、他の第１の集電体対についても繰り返されている状態を意味する。

例えば、図２（ａ）は、本開示の積層電池の一形態を示す斜視図である。

図２（ａ）に示されている積層電池２００は、互いに積層されている複数の積層電池ユニット４０～７０を有している。

ここで、互いに隣接している２つの第１の集電体層：３９と４１、４９と５１、及び５９と６１はそれぞれ、第１の集電体対３９ｐ、４９ｐ、及び５９ｐを構成している。第１の集電体対３９ｐを構成する２つの第１の集電体層３９及び４１はそれぞれ周縁部から突出している第１の突出部３９ａ及び第２の突出部４１ａを有している。同様に、第１の集電体対４９ｐを構成する２つの第１の集電体層４９及び５１はそれぞれ周縁部から突出している第１の突出部４９ａ及び第２の突出部５１ａを有している。第１の集電体対５９ｐを構成する２つの第１の集電体層５９及び６１はそれぞれ周縁部から突出している第１の突出部５９ａ及び第２の突出部６１ａを有している。

これらの第１の突出部（３９ａ、４９ａ、及び５９ａ）及び第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）は、積層電池２００の同じ側面において突出しており、かつこの側面からみて、第１の突出部（３９ａ、４９ａ、及び５９ａ）と第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）とは、積層電池２００の積層方向において、交互に存在している。

なお、積層電池２００の両端面に位置している第１の集電体層３１及び６９はそれぞれ、突出部３１ａ及び６９ａを有することができる。突出部３１ａ及び６９ａは、第１の突出部（３９ａ、４９ａ、及び５９ａ）及び／又は第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）と接合されてよい。

図２（ａ）では、突出部３１ａは、第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）と接合できるように設けられており、突出部６９ａは、第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）と接合できるように設けられている。

図２（ｂ）は、積層電池２００の各集電体層の突出部をそれぞれ集めて、集電端子と電気的に接続している場合の、第１の集電体層３１の端面からみる上面図である。

図２（ｂ）に示されているように、突出部３１ａ及び第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）、並びに突出部６９ａ及び第２の突出部（４１ａ、５１ａ、及び６１ａ）はそれぞれ、集電端子２０１と電気的に接続されている。

また、第２の集電体層３５、４５、５５、及び６５はそれぞれ、周縁部から突出している突出部３５ａ、４５ａ、５５ａ及び６５ａを有しており、これらの突出部３５ａ、４５ａ、５５ａ及び６５ａは、集電端子２０２と電気的に接続されている。

《各部材》
以下では、本開示にかかる積層電池ユニットを構成しうる各部材について詳細に説明する。

なお、本開示を容易に理解するために、全固体リチウムイオン二次電池積層電池ユニットにかかる各部材を例として説明するが、本開示の積層電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、幅広く適用できる。

（正極集電体層）
正極集電体層に用いられる導電性材料は、特に限定されず、例えば、ＳＵＳ、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、又はカーボン等であってよい。

正極集電体層の形状としては、特に限定されず、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。

（正極活物質層）
正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、好ましくは後述する固体電解質を更に含む。そのほか、使用用途や使用目的等に合わせて、例えば、導電助剤又はバインダー等の全固体電池の正極活物質層に用いられる添加剤を含むことができる。

正極活物質の材料として、特に限定されない。例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、Ｌｉ_１．５Ｃｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_{２－ｘ－ｙ}Ｍ_ｙＯ_４（Ｍは、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＺｎから選ばれる１種以上の金属元素）で表される組成の異種元素置換Ｌｉ－Ｍｎスピネル等であってよい。

導電助剤としては、特に限定されない。例えば、導電助剤は、ＶＧＣＦ（気相成長法炭素繊維、ＶａｐｏｒＧｒｏｗｎＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ）及びカーボンナノ繊維等の炭素材並びに金属材等であってよい。

バインダーとしては、特に限定されない。例えば、バインダーは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）又はスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の材料、又はこれらの組合せであってよい。

（固体電解質層）
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含む。固体電解質として、特に限定されず、全固体電池の固体電解質として利用可能な材料を用いることができる。

より具体的には、固体電解質として、例えば、Ｌｉ_２Ｓ、Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２、若しくはＬｉＩ－Ｌｉ_２Ｓ－ＳｉＳ_２等の硫化物系非晶質固体電解質粒子、酸化物系非晶質固体電解質粒子、又は結晶質酸化物等を用いることができる。硫化物系非晶質固体電解質粒子が、優れたリチウムイオン伝導性を有する点で好ましく用いられる。

固体電解質は、ガラスであっても、結晶化ガラス(ガラスセラミック)であってもよい。また、固体電解質層は、上述した固体電解質以外に、必要に応じてバインダー等を含んでもよい。具体例として、上述の「正極活物質層」で列挙された「バインダー」と同様であり、ここでは説明を省略する。

（負極活物質層）
負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、好ましくは上述した固体電解質を更に含む。そのほか、使用用途や使用目的等に合わせて、例えば、導電助剤又はバインダー等の全固体電池の負極活物質層に用いられる添加剤を含むことができる。

負極活物質の材料として、特に限定されず、リチウムイオン等の金属イオンを吸蔵及び放出可能であることが好ましい。例えば、負極活物質は、酸化系負極活物質、合金系負極活物質又は炭素材料等であってよいが、これらに限定されない。

酸化系負極活物質としては、特に限定されず、例えばチタン酸リチウム（ＬＴＯ）粒子等が挙げられる。

合金系負極活物質として、特に限定されず、例えば、Ｓｉ合金系負極活物質、又はＳｎ合金系負極活物質等が挙げられる。Ｓｉ合金系負極活物質には、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素炭化物、ケイ素窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Ｓｉ合金系負極活物質には、ケイ素以外の元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｉ等を含むことができる。Ｓｎ合金系負極活物質には、スズ、スズ酸化物、スズ窒化物、又はこれらの固溶体等がある。また、Ｓｎ合金系負極活物質には、スズ以外の元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｉ等を含むことができる。これらの中で、Ｓｉ合金系負極活物質が好ましい。

炭素材料として、特に限定されず、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、又はグラファイト等が挙げられる。

負極活物質層に用いられる固体電解質、導電助剤、バインダー等その他の添加剤については、上述した「正極活物質層」及び「固体電解質層」の項目で説明したものを適宜採用することができる。

（負極集電体層）
負極集電体層に用いられる導電性材料は、特に限定されず、例えば、負極集電体層に用いられる導電性材料は、ＳＵＳ、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、又はカーボン等であってよいが、これらに限定されない。

負極集電体層の形状としては、特に限定されず、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。

（突出部）
突出部が第１の集電体層及び第２の集電体層に取り付けられている場合の突出部は、正極集電体層及び負極集電体層と集電端子とを電気的に接続できるものであればよい。より具体的には、例えば上述した正極集電体層又は負極集電体層の用いられる導電性材料を、取り付ける突出部の材料とすることができる。

突出部の形状としては、特に限定されず、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。これらの中で、箔状が好ましい。

１、９、１１、１９、２１、２９第１の集電体層
３１、３９、４１、４９、５１、５９、６１、６９第１の集電体層
２、８、１２、１８、２２、２８第１の活物質層
３２、３８、４２、４８、５２、５８、６２、６８第１の活物質層
３、７、１３、１７、２３、２７固体電解質層
３３、３７、４３、４７、５３、５７、６３、６７固体電解質層
４、６、１４、１６、２４、２６第２の活物質層
３４、３６、４４、４６、５４、５６、６４、６６第２の活物質層
５、１５、２５、３５、４５、５５、６５第２の集電体層
９ｐ、１９ｐ、３９ｐ、４９ｐ、５９ｐ第１の集電体対
９ａ、１９ａ、３９ａ、４９ａ、５９ａ第１の突出部
４１ａ、５１ａ、６１ａ第２の突出部
５ａ、１５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａ、５５ａ、６５ａ突出部
１ａ、２９ａ、３１ａ、６９ａ突出部
１００、２００積層電池
２０１、２０２集電端子

Claims

互いに積層されている複数の積層電池ユニットを有している積層電池であって、
前記積層電池ユニットが、第１の集電体層、第１の活物質層、固体電解質層、第２の活物質層、第２の集電体層、第２の活物質層、固体電解質層、第１の活物質層、及び第１の集電体層がこの順に積層されてなる構成を有しており、
互いに隣接している２つの第１の集電体層が、第１の集電体対を構成しており、かつ
前記第１の集電体対を構成する２つの前記第１の集電体層のうちの１つのみが、周縁部から突出している突出部を有しており、前記第１の集電体対を構成する２つの前記第１の集電体層のうちの他方が、周縁部から突出している突出部を有しておらず、かつ複数の前記突出部が互いに接合されている、
積層電池。