JP7238757B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
本開示は、全固体電池に関する。
全固体電池は、正極活物質層および負極活物質層の間に固体電解質層を有する電池であり、可燃性の有機溶媒を含む電解液を有する液系電池に比べて、安全装置の簡素化が図りやすいという利点を有する。
また、全固体電池においては、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順に有するセルを厚さ方向に複数有する積層電池が知られている。例えば、特許文献１には、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電池を、電解質を挟んで複数枚直列に積層したバイポーラリチウムイオン二次電池が開示されている。
ここで、電池の高電圧化を図るために、集電体の両面に同一の活物質層を有する複数のモノポーラ型の電池ユニットを、直列接続することが考えられる。ところが、この場合、各モノポーラ型の電池ユニット同士の間に絶縁部を配置する必要があり、電池のエネルギー密度が低くなってしまう。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度が良好な全固体電池を提供することを主目的とする。
上記課題を解決するために、本開示においては、モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを有する積層構造体を備える全固体電池であって、上記モノポーラ型ユニットＡは、第１集電体Ａと、上記第１集電体Ａの第１面側から順に形成された、第１活物質層Ａ１、固体電解質層Ａ１、第２活物質層Ａ１、および第２集電体Ａ１をこの順に有し、上記第１集電体Ａの上記第１面に対向する第２面側から順に形成された、第１活物質層Ａ２、固体電解質層Ａ２、第２活物質層Ａ２、および第２集電体Ａ２をこの順に有し、上記モノポーラ型ユニットＢは、第２集電体Ｂと、上記第２集電体Ｂの第１面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ１、固体電解質層Ｂ１、第１活物質層Ｂ１、および第１集電体Ｂ１をこの順に有し、上記第２集電体Ｂの上記第１面に対向する第２面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ２、固体電解質層Ｂ２、第１活物質層Ｂ２、および第１集電体Ｂ２をこの順に有し、上記モノポーラ型ユニットＡにおける上記第２集電体Ａ２と、上記モノポーラ型ユニットＢにおける上記第１集電体Ｂ１とは、絶縁層を介して対向するように配置され、上記第１集電体Ａおよび上記第２集電体Ｂ、上記第２集電体Ａ１および上記第２集電体Ａ２、ならびに、上記第１集電体Ｂ１および上記第１集電体Ｂ２は、それぞれ電気的に接続され、上記全固体電池は、複数の上記積層構造体を備え、隣り合う上記積層構造体において、一方の上記積層構造体における上記第１集電体Ｂ２と、他方の上記積層構造体における第２集電体Ａ１とが、絶縁層を介さずに対向し、電気的に接続されている、全固体電池を提供する。
本開示によれば、積層構造体が２種類のモノポーラ型ユニットを備えているため、エネルギー密度が良好な全固体電池とすることができる。
本開示においては、エネルギー密度が良好な全固体電池を提供することができるという効果を奏する。
以下、本開示における全固体電池について、図面を用いて詳細に説明する。本願明細書において、一の部材の「面側」に他の部材を配置すると表現する場合、技術的に矛盾のない範囲において、一の部材の面に直接、他の部材を配置する場合、一の部材の面に、別部材を介して他の部材を配置する場合、および、一の部材の面から所定の空間を設けて他部材を配置する場合のいずれも含まれ得る。また、以下に示す各図は、理解を容易にするため、各部の大きさ、形状を適宜誇張している。さらに、各図において、ハッチングまたは符号を適宜省略している。
図１は、本開示における積層構造体の一例を示す概略断面図である。図１に示す積層構造体１００は、モノポーラ型ユニット１０（Ａ）およびモノポーラ型ユニット１１（Ｂ）を有している。モノポーラ型ユニット１０（Ａ）は、第１集電体１（Ａ）の第１面Ｘ側から順に形成された、第１活物質層２（Ａ１）、固体電解質層３（Ａ１）、第２活物質層４（Ａ１）、および第２集電体５（Ａ１）をこの順に有し、第１集電体１（Ａ）の第１面Ｘに対向する第２面Ｙ側から順に形成された、第１活物質層２（Ａ２）、固体電解質層３（Ａ２）、第２活物質層４（Ａ２）、および第２集電体５（Ａ２）をこの順に有している。また、モノポーラ型ユニット１１（Ｂ）は、第２集電体５（Ｂ）と、第２集電体５（Ｂ）の第１面Ｘ側から順に形成された、第２活物質層４（Ｂ１）、固体電解質層３（Ｂ１）、第１活物質層２（Ｂ１）、および第１集電体１（Ｂ１）をこの順に有し、第２集電体５の第１面Ｘに対向する第２面Ｙ側から順に形成された、第２活物質層４（Ｂ２）、固体電解質層３（Ｂ２）、第１活物質層２（Ｂ２）、および第１集電体１（Ｂ２）をこの順に有している。また、モノポーラ型ユニット１０（Ａ）における第２集電体５（Ａ２）と、モノポーラ型ユニット１１（Ｂ）における第１集電体１（Ｂ１）とは、絶縁層１２を介して対向するように配置されている。また、第１集電体１（Ａ）および第２集電体５（Ｂ）、第２集電体５（Ａ１）および第２集電体５（Ａ２）、ならびに、第１集電体１（Ｂ１）および第１集電体１（Ｂ２）は、それぞれ電気的に接続されている。
図２は、本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。図２に示す全固体電池２００は、複数の積層構造体１００（１００Ｘおよび１００Ｙ）を備え、隣り合う積層構造体において、一方の積層構造体１００Ｘにおける第１集電体１（Ｂ２）と、他方の積層構造体１００Ｙにおける第２集電体５（Ａ１）とが、絶縁層を介さずに対向し、電気的に接続されている。
本開示によれば、積層構造体が２種類のモノポーラ型ユニットを備えているため、エネルギー密度が良好な全固体電池とすることができる。通常、複数のモノポーラ型ユニットを積層する場合、短絡を避けるため、各ユニット間に絶縁層を配置する必要がある。一方で、本開示における全固体電池では、２つのモノポーラ型ユニットが絶縁層を介して対向するように配置された積層構造体を、１つの構成単位として有している。このような積層構造体を複数積層する場合、各積層構造体の間には絶縁層を配置する必要がない。そのため、絶縁層の数を削減することができ、電池のエネルギー密度が良好となる。さらに、複数の積層構造体を積層する場合、接触する集電体は全固体電池に加える拘束力により導通させることができるため、溶接等の接続工程を削減することができる。
１．全固体電池
本開示における全固体電池は、複数の積層構造体を備え、隣り合う積層構造体において、一方の積層構造体における第１集電体Ｂ２と、他方の積層構造体における第２集電体Ａ１とが、絶縁層を介さずに対向し、電気的に接続されている。積層構造体、第１集電体Ｂ２、および第２集電体Ａ１については後述する。
本開示における全固体電池は、複数の積層構造体を備え、隣り合う積層構造体において、一方の積層構造体における第１集電体Ｂ２と、他方の積層構造体における第２集電体Ａ１とが、絶縁層を介さずに対向し、電気的に接続されている。積層構造体、第１集電体Ｂ２、および第２集電体Ａ１については後述する。
第１集電体Ｂ２と第２集電体Ａ１との電気的接続は、溶接等の処理によって接続してもよいし、電池の拘束圧によって接続してもよい。
全固体電池が有する積層構造体の数は、少なくとも２以上であり、３以上であってもよく、１０以上であってもよく、２０以上であってよい。一方で、積層構造体の数は、例えば１０００以下であり、５００以下であってもよい。また、図２に示すように、全固体電池２００は、通常、複数の積層構造体を収納する外装体１０１と、集電タブ１０２を備える。外装体は特に限定に限定されず、例えばＡｌラミネートが挙げられる。集電タブは、積層構造体における端部の集電体に積層され、外装体内部から外装体外部へ延出する構成とすることができる。集電タブの材料は、特に限定されず、従来公知の材料とすることができる。全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、後者が好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。
２．積層構造体
（１）積層構造体の構成
本開示における積層構造体は、モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを有する。モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢの種類は特に限定されないが、リチウムイオン電池であることが好ましい。なお、本開示において「第１」と付された部材同士、「第２」と付された部材同士は、それぞれ同じ極性を有する。例えば、第１活物質層Ａ１、第１活物質層Ａ２、第１活物質層Ｂ１、および第１活物質層Ｂ２は、共に正極活物質層であるか、共に負極活物質層である。
（１）積層構造体の構成
本開示における積層構造体は、モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを有する。モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢの種類は特に限定されないが、リチウムイオン電池であることが好ましい。なお、本開示において「第１」と付された部材同士、「第２」と付された部材同士は、それぞれ同じ極性を有する。例えば、第１活物質層Ａ１、第１活物質層Ａ２、第１活物質層Ｂ１、および第１活物質層Ｂ２は、共に正極活物質層であるか、共に負極活物質層である。
（ｉ）モノポーラ型ユニットＡ
モノポーラ型ユニットＡは、第１集電体Ａと、第１集電体Ａの第１面側から順に形成された、第１活物質層Ａ１、固体電解質層Ａ１、第２活物質層Ａ１、および第２集電体Ａ１をこの順に有し、第１集電体Ａの第１面に対向する第２面側から順に形成された、第１活物質層Ａ２、固体電解質層Ａ２、第２活物質層Ａ２、および第２集電体Ａ２をこの順に有している。
モノポーラ型ユニットＡは、第１集電体Ａと、第１集電体Ａの第１面側から順に形成された、第１活物質層Ａ１、固体電解質層Ａ１、第２活物質層Ａ１、および第２集電体Ａ１をこの順に有し、第１集電体Ａの第１面に対向する第２面側から順に形成された、第１活物質層Ａ２、固体電解質層Ａ２、第２活物質層Ａ２、および第２集電体Ａ２をこの順に有している。
モノポーラ型ユニットＡでは、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２は電気的に接続されている。接続構造は特に限定されず、例えば、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２を別部材（接続部材）によって電気的に接続してもよいし、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２を同一の部材として一体化することにより電気的に接続してもよい。前者の場合、別部材を用いた接続には、例えば、溶接等の処理が必要となる。一方で、後者の場合、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２が同一の部材であるため、接続には溶接のような処理の必要がない。そのため、接続の信頼性を向上させることができ、かつ、電池の生産性を向上させることができる。
モノポーラ型ユニットＡにおいて、第１集電体Ａは正極集電体または負極集電体である。第１集電体Ａが正極集電体である場合、第１活物質層Ａ１および第１活物質層Ａ２は共に正極活物質層であり、第２活物質層Ａ１および第２活物質層Ａ２は共に負極活物質層であり、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２は共に負極集電体である。
（ｉｉ）モノポーラ型ユニットＢ
モノポーラ型ユニットＢは、第２集電体Ｂと、第２集電体Ｂの第１面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ１、固体電解質層Ｂ１、第１活物質層Ｂ１、および第１集電体Ｂ１をこの順に有し、第２集電体Ｂの第１面に対向する第２面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ２、固体電解質層Ｂ２、第１活物質層Ｂ２、および第１集電体Ｂ２をこの順に有している。
モノポーラ型ユニットＢは、第２集電体Ｂと、第２集電体Ｂの第１面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ１、固体電解質層Ｂ１、第１活物質層Ｂ１、および第１集電体Ｂ１をこの順に有し、第２集電体Ｂの第１面に対向する第２面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ２、固体電解質層Ｂ２、第１活物質層Ｂ２、および第１集電体Ｂ２をこの順に有している。
モノポーラ型ユニットＢでは、第１集電体Ｂ１および第１集電体Ｂ２は電気的に接続されている。接続構造は、上記「（ｉ）モノポーラ型ユニットＡ」で説明した接続構造と同様とすることができる。
第２集電体Ｂは、上記モノポーラ型ユニットＡの第１集電体Ａと極性が異なる。つまり、第１集電体Ａが正極集電体である場合、第２集電体Ｂは負極集電体である。
（ｉｉｉ）絶縁層
本開示における絶縁層は、上述したモノポーラ型ユニットＡにおける第２集電体Ａ２とモノポーラ型ユニットＢにおける第１集電体Ｂ１との間に配置される層である。絶縁層は、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂を含有することが好ましい。
本開示における絶縁層は、上述したモノポーラ型ユニットＡにおける第２集電体Ａ２とモノポーラ型ユニットＢにおける第１集電体Ｂ１との間に配置される層である。絶縁層は、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂を含有することが好ましい。
厚さ方向からみた絶縁層の面積は、厚さ方向からみた上記モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢの面積よりも大きいことが好ましい。
（ｉｖ）積層構造体
積層構造体では、上記モノポーラ型ユニットＡにおける第２集電体Ａ２と、モノポーラ型ユニットＢにおける第１集電体Ｂ１とは、上記絶縁層を介して対向するように配置されている。
積層構造体では、上記モノポーラ型ユニットＡにおける第２集電体Ａ２と、モノポーラ型ユニットＢにおける第１集電体Ｂ１とは、上記絶縁層を介して対向するように配置されている。
また、モノポーラ型ユニットＡにおける上記第１集電体Ａおよびモノポーラ型ユニットＢにおける上記第２集電体Ｂは、電気的に接続されている。接続構造は、「（ｉ）モノポーラ型ユニットＡ」で説明したように、第１集電体Ａおよび第２集電体Ｂを接続部材によって電気的に接続してもよいし、第１集電体Ａおよび第２集電体Ｂを同一の部材として一体化することにより接続してもよい。なお、後者の場合、第１集電体Ａおよび第２集電体Ｂとして用いる材料としては、正極集電体および負極集電体の両方に使用できる材料を選択することが好ましい。
ここで、図３を用いて、集電体を同一部材として一体化することで、第１集電体Ａおよび第２集電体Ｂ、第２集電体Ａ１および第２集電体Ａ２、ならびに、第１集電体Ｂ１および第１集電体Ｂ２を、それぞれ電気的に接続する方法を説明する。まず、第２集電体５の片面２ヶ所に、第２活物質層４（Ａ１およびＡ２）を積層し、この第２物質層４のそれぞれの上に固体電解質層３（Ａ１およびＡ２）を積層する。このようにして、図３（ａ）のような部材Ｐを準備する。また、同様にして、図３（ｂ）のような、第１集電体Ｂ１およびＢ２が一体化した第１集電体１上に、第１活物質層２（Ｂ１およびＢ２）および固体電解質層３（Ｂ１およびＢ２）が積層された部材Ｑを準備する。そして、第１集電体Ａおよび第２集電体Ｂの両方を兼ねる集電体６の両面に、第１活物質層２（Ａ１およびＡ２）および第２活物質層４（Ｂ１およびＢ２）を、集電体６を介して対向する位置にそれぞれ積層する。このようにして、図３（ｃ）のような部材Ｒを準備する。その後、これらの部材をそれぞれ屈曲させ、図３（ｄ）のように絶縁層１２とともに配置して積層する。このような方法であれば、溶接等の処理を行うことなく、積層構造体において集電体を電気的に接続することができる。その結果、接続の信頼性および全固体電池の生産性を向上させることができる。
（２）積層構造体の材料
積層構造体の集電体に用いられる材量は特に限定されず、全固体電池の正極集電体または負極集電体に用いられる従来公知の材料とすることができる。例えば、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣが挙げられる。正極集電体として用いる場合、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣが望ましく、負極集電体として用いる場合、ＣｕおよびＮｉが望ましい。
積層構造体の集電体に用いられる材量は特に限定されず、全固体電池の正極集電体または負極集電体に用いられる従来公知の材料とすることができる。例えば、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣが挙げられる。正極集電体として用いる場合、Ａｌ、Ｎｉ、およびＣが望ましく、負極集電体として用いる場合、ＣｕおよびＮｉが望ましい。
接続部材を用いて集電体を接続する場合、接続部材の材料としては、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＣ等の導電性を有する材料を挙げることができる。
積層構造体の活物質層に用いられる材量は特に限定されず、全固体電池の活物質層に用いられる従来公知の材料とすることができる。
活物質層は、正極活物質または負極活物質を含有し、必要に応じて固体電解質、導電助剤およびバインダーの少なくとも一つを含んでもよい。
正極活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、およびＮＣＡ系活物質等の層状型材料、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ３／２Ｏ４等のスピネル型材料、Ｌｉ過剰型材料、硫黄や硫化物等が挙げられる。
負極活物質としては、例えば、カーボン材料、Ｓｉ系、Ｓｎ系、Ａｌ系等の合金材料、Ｌｉ金属、およびＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を挙げることができる。
正極活物質層に用いる固体電解質は、正極電位で分解しない固体電解質が好ましく、負極活物質層に用いる固体電解質は、負極電位で分解しない固体電解質が好ましい。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、ハロゲン化物固体電解質、水素化物固体電解質等の無機材料、ポリマー電解質、プラスチッククリスタル等の有機材料が挙げられる。硫化物固体電解質としては、例えば、非晶質固体電解質、ガラスセラミックス固体電解質、結晶質固体電解質が挙げられる。具体的に、非晶質固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５系、ＬｉＳ－ＳｉＳ２系、ＬｉＳ－ＧｅＳ２系、ＬｉＳ－Ａｌ２Ｓ３系、Ｌｉ２Ｓ－Ｂ２Ｓ３系が挙げられ、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ等を含んでいてもよく、一部Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物を含んでいてもよい。ガラスセラミックス固体電解質としては、７０Ｌｉ２Ｓ・３０Ｐ２Ｓ５（Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１）、７５Ｌｉ２Ｓ・２５Ｐ２Ｓ５、８０Ｌｉ２Ｓ・２０Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５系、ＬｉＩ－ＬｉＢｒ－Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５系が挙げられ、一部Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物を含んでいてもよい。結晶質固体電解質としては、ＬＧＰＳ型固体電解質、Ｔｈｉｏ－ＬＩＳＩＣＯＮ型固体電解質、アルジロダイト型固体電解質等が挙げられる。
導電助剤としては、例えば、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）およびカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等のカーボン材料、およびＬｉ合金化しない金属材等を挙げることができる。
バインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のフッ化物系バインダー、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等のセルロース系バインダー、およびブチレンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム系バインダーを挙げることができる。
積層構造体の固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含有する層であり、必要に応じてバインダーを含有していてもよい。固体電解質、バインダーについては、上述したとおりである。
絶縁層の材料としては、例えば絶縁性ポリマーシートを挙げることができる。絶縁性ポリマーシートとしては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等を挙げることができる。
本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。
［実施例１］
正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、および正極集電体をこの順に積層し、正極集電体同士を超音波溶接により電気的に接続することで、モノポーラ型ユニットＡを作製した。次いで、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体をこの順に積層し、負極集電体同士を音波溶接により電気的に接続することで、モノポーラ型ユニットＢを作製した。そして、これらモノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを、絶縁性ポリマーフィルムを介して積層し、モノポーラ型電気ユニットＡの負極集電体とモノポーラ型電気ユニットＢの正極集電体とを超音波溶接により電気的に接続した。これにより、図１に示すような積層構造体を作製した。このようにして得られた積層構造体２つを積層し、集電タブを接続し、外装体に封入することで、図２に示すような全固体電池を作製した。
正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、および正極集電体をこの順に積層し、正極集電体同士を超音波溶接により電気的に接続することで、モノポーラ型ユニットＡを作製した。次いで、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体をこの順に積層し、負極集電体同士を音波溶接により電気的に接続することで、モノポーラ型ユニットＢを作製した。そして、これらモノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを、絶縁性ポリマーフィルムを介して積層し、モノポーラ型電気ユニットＡの負極集電体とモノポーラ型電気ユニットＢの正極集電体とを超音波溶接により電気的に接続した。これにより、図１に示すような積層構造体を作製した。このようにして得られた積層構造体２つを積層し、集電タブを接続し、外装体に封入することで、図２に示すような全固体電池を作製した。
［実施例２］
正極集電体の片面２ヵ所に正極活物質層を積層し、これら２ヶ所の正極活物質層それぞれの上に、固体電解質層を積層し、図３（ａ）に示すような部材Ｐを作製した。次いで、負極集電体の片面２ヵ所に負極活物質層を積層し、これら２ヶ所の負極活物質層それぞれの上に、固体電解質層を積層し、図３（ｂ）に示すような部材Ｑを作製した。さらに、正極集電体および負極集電体の両方の機能を有する集電体の一方の面２ヶ所に、正極活物質層および負極活物質層を積層した。その後、集電体を介して対向する箇所に、正極活物質層および負極活物質層をそれぞれ積層し、図３（ｃ）に示すような部材Ｒを作製した。図３（ｄ）に示すように、これらの部材を屈曲させ、絶縁性ポリマーフィルムを介して積層することで、積層構造体を得た。この積層構造体を２つ積層し、最外層の集電体に集電タブを積層し、アルミラミネートフィルムで封止した。これにより、溶接処理を行うことなく、図４に示すような全固体電池を作製した。
正極集電体の片面２ヵ所に正極活物質層を積層し、これら２ヶ所の正極活物質層それぞれの上に、固体電解質層を積層し、図３（ａ）に示すような部材Ｐを作製した。次いで、負極集電体の片面２ヵ所に負極活物質層を積層し、これら２ヶ所の負極活物質層それぞれの上に、固体電解質層を積層し、図３（ｂ）に示すような部材Ｑを作製した。さらに、正極集電体および負極集電体の両方の機能を有する集電体の一方の面２ヶ所に、正極活物質層および負極活物質層を積層した。その後、集電体を介して対向する箇所に、正極活物質層および負極活物質層をそれぞれ積層し、図３（ｃ）に示すような部材Ｒを作製した。図３（ｄ）に示すように、これらの部材を屈曲させ、絶縁性ポリマーフィルムを介して積層することで、積層構造体を得た。この積層構造体を２つ積層し、最外層の集電体に集電タブを積層し、アルミラミネートフィルムで封止した。これにより、溶接処理を行うことなく、図４に示すような全固体電池を作製した。
［比較例１］
正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、および正極集電体をこの順に積層し、正極集電体同士を超音波溶接により電気的に接続することで、実施例１と同様なモノポーラ型ユニットＡを４つ作製した。これらモノポーラ型ユニットＡを、間に絶縁性ポリマーフィルムを挟んで互いに積層した。積層した各モノポーラ型電池ユニットＡの正極集電体および負極集電体を接続して、図５に示すような全固体電池を作製した。
正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、および正極集電体をこの順に積層し、正極集電体同士を超音波溶接により電気的に接続することで、実施例１と同様なモノポーラ型ユニットＡを４つ作製した。これらモノポーラ型ユニットＡを、間に絶縁性ポリマーフィルムを挟んで互いに積層した。積層した各モノポーラ型電池ユニットＡの正極集電体および負極集電体を接続して、図５に示すような全固体電池を作製した。
［比較例２］
実施例１と同様にしてモノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを２つずつ作製した。モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを、絶縁層を介して交互に積層し、その後、集電体を図６のように接続した。このようにして、図６のような、全固体電池を作製した。
実施例１と同様にしてモノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを２つずつ作製した。モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを、絶縁層を介して交互に積層し、その後、集電体を図６のように接続した。このようにして、図６のような、全固体電池を作製した。
実施例１および実施例２では、比較例１および比較例２の電池に比べて絶縁層の数を少なくすることができた。そのため、本開示における全固体電池では、重量および体積の観点で高エネルギー密度化が可能となる。また、一部正負極間の直列接続が面接触となるため、抵抗低減が可能となる。
１ …第１集電体
２ …第１活物質層
３ …固体電解質層
４ …第２活物質層
５ …第２集電体
１０ …モノポーラ型ユニットＡ
１１ …モノポーラ型ユニットＢ
１２ …絶縁層
１００ …積層構造体
２００ …全固体電池
２ …第１活物質層
３ …固体電解質層
４ …第２活物質層
５ …第２集電体
１０ …モノポーラ型ユニットＡ
１１ …モノポーラ型ユニットＢ
１２ …絶縁層
１００ …積層構造体
２００ …全固体電池
Claims (1)
- モノポーラ型ユニットＡおよびモノポーラ型ユニットＢを有する積層構造体を備える全固体電池であって、
前記モノポーラ型ユニットＡは、
第１集電体Ａと、
前記第１集電体Ａの第１面側から順に形成された、第１活物質層Ａ１、固体電解質層Ａ１、第２活物質層Ａ１、および第２集電体Ａ１をこの順に有し、
前記第１集電体Ａの前記第１面に対向する第２面側から順に形成された、第１活物質層Ａ２、固体電解質層Ａ２、第２活物質層Ａ２、および第２集電体Ａ２をこの順に有し、
前記モノポーラ型ユニットＢは、
第２集電体Ｂと、
前記第２集電体Ｂの第１面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ１、固体電解質層Ｂ１、第１活物質層Ｂ１、および第１集電体Ｂ１をこの順に有し、
前記第２集電体Ｂの前記第１面に対向する第２面側から順に形成された、第２活物質層Ｂ２、固体電解質層Ｂ２、第１活物質層Ｂ２、および第１集電体Ｂ２をこの順に有し、
前記モノポーラ型ユニットＡにおける前記第２集電体Ａ２と、前記モノポーラ型ユニットＢにおける前記第１集電体Ｂ１とは、絶縁層を介して対向するように配置され、
前記第１集電体Ａおよび前記第２集電体Ｂ、前記第２集電体Ａ１および前記第２集電体Ａ２、ならびに、前記第１集電体Ｂ１および前記第１集電体Ｂ２は、それぞれ電気的に接続され、
前記全固体電池は、複数の前記積層構造体を備え、
隣り合う前記積層構造体において、一方の前記積層構造体における前記第１集電体Ｂ２と、他方の前記積層構造体における前記第２集電体Ａ１とが、絶縁層を介さずに対向し、電気的に接続されている、全固体電池。
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