JP7319060B2 - 全固体電池 - Google Patents

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本発明は、全固体電池に関し、特に、全固体電池ケースと電極端子を樹脂モールディング（型を使用した成形）で一体成形してセルのエネルギー密度を向上させる構造を有する全固体電池に関するものである。
近年、自動車の制御及び計装に使用される電力量が増大し、さらに、ハイブリッド自動車及び／または、電気自動車の実用化に伴い、自動車用蓄電池（二次電池）に要求される性能は、高くなっている。とりわけ、ハイブリッド自動車と電気自動車では、ガソリン車に比べて、大きな電池容量が必要になり、自動車全体に占める割合が重量面でも空間容積面でも大きくなっている。従って、蓄電池の小型化、軽量化が重要になっている。また、太陽光発電等の自然エネルギーによる発電設備でも蓄電池が使用されており、自動車用ほどではないにしても、小型化、軽量化の意味は大きい。
上記の背景のもとで、より大きなエネルギー密度の蓄電池として、リチウムイオン電池等の全固体電池が開発されている。全固体電池とは、電解液を使用しない電池であり、一般に固体電解質が使用される。
しかし、従来の全固体電池（例えば特許文献１）ではラミネートセルで開発されているが、セル内部からタップで電極端子を引き出すためにタップが必要になること、また、セルを連結してモジュール化する時も端子間を接続するためのスペースが必要であること、結果的に電池モジュールとしての体積エネルギー密度が低くなり電動での走行距離が減少すること、電解質が固体であるため、電解質と電極の間の界面抵抗が大きく、製造時に加圧工程（約５００ＭＰａ）が必要であることなどの問題が発生する。
特開２００９－２５２５４８号公報
本発明の目的は、上述の事情に鑑みなされたもので、電池ケースと電極端子を樹脂モールディングで一体成形してセルのエネルギー密度を向上させる構造を有する全固体電池を提供することにある。
本発明による全固体電池は、集電体の片面に正極を形成した正極電極と、前記正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する前記複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、前記正極電極に隣接して配置された正極端子板と、前記負極電極に隣接して配置された負極端子板と、前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を金型内にインサートし、加圧状態での高圧樹脂の射出により前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を封止する樹脂ケースを備え、前記正極端子板及び前記負極端子板は前記固体電池積層体よりも長く伸び前記固体電池積層体の方向に屈曲した端子部がそれぞれ形成され、前記樹脂ケースは前記正極端子板の屈曲した端子部及び前記負極端子板の屈曲した端子部を覆う端子台を備え、前記端子台は全固体電池を電気接続する際の目安となるよう前記樹脂ケースのケース面から突出するように形成され、ナットタイプ接続の場合、前記端子部にはナット型端子が取り付けられ、前記端子台は前記ナット型端子への接続を行うための目安となり、ボルトタイプ接続の場合、前記端子部にはボルト型端子が取り付けられ、前記端子台は前記ボルト型端子への接続を行うための目安となることを特徴とする。
また、本発明による全固体電池は、集電体の片面に正極を形成した正極電極と、前記正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する前記複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、前記正極電極に隣接して配置された正極端子板と、前記負極電極に隣接して配置された負極端子板と、前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を金型内にインサートし、加圧状態での高圧樹脂の射出により前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を封止する樹脂ケースを備え、前記樹脂ケースは前記高圧樹脂の射出時に前記固体電池積層体を積層方向に押す押し付け冶具を内部に含むことを特徴とする。
前記正極端子板及び前記負極端子板は、前記固体電池積層体よりも長く伸び前記固体電池積層体の方向に屈曲した端子部がそれぞれ形成され、前記樹脂ケースは前記端子部を覆う端子台が一体に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、モジュール化やパック化でセルを連結する時、ボルトでの締結が可能になるので、振動などの外部からの衝撃に対して信頼性が向上する。また、セルの故障時に簡単に電池モジュールを交換処理できる。また、電極に均一に加圧することで、界面抵抗の低減が可能になる。また、セルの連結が簡素化されるので、連結の信頼性が向上する。また、セルの連結が簡素化されるので、連結のためのスペースを小さくできる。さらに、セルを機械的に連結することで、充放電時のセル膨張の抑制が可能になる。
本発明による全固体電池の電池モジュールを部分的に切断して、内部構造を見えるようにした斜視図である。 図１に示す全固体電池の内部構造を垂直断面により概略的に示す図である。 本発明による電池モジュールを示す図（電極端子がナットタイプの例）である。（内部を示すために一部を切断面にしてある。） 本発明による電池モジュールを示す図（電極端子がボルトタイプの例）である。内部を示すために一部を切断面にしてある。 本発明による電池モジュールを直列に接続した例を示す図である。 本発明による電池モジュールを並列に接続した例を示す図である。 電池モジュールの樹脂ケースをモールド（型による成形）で成形する場合の詳細を示す模式図である。
次に、本発明による全固体電池のモジュール構造及びこれを用いた電池モジュールを実施するための具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による全固体電池のモジュール構造を部分的に切断して、内部構造が見えるようにした斜視図である。
図１を参照すると、全固体電池のモジュール構造は、充放電を行う固体電池積層体２０と、固体電池積層体２０を挟み込むように位置する正極端子板３０及び負極端子板４０と、固体電池積層体２０並びに正極端子板３０及び負極端子板４０の外周部を覆って全体を一体化する樹脂ケース５０と、を含む。
図２は、図１に示す全固体電池の内部構造を垂直断面により概略的に示す図である。図２を参照すると、固体電池積層体２０は集電体２１の片面に正極２２を形成した正極電極２３、正極電極２３の反対側に位置し、集電体２１の正極２２と対向する面に負極２４を形成した負極電極２５、正極電極２３と負極電極２５との間に位置する複数の固体電解質２６、及び隣接する複数の固体電解質２６の間にそれぞれ位置して集電体２１の片面に正極２２を形成し正極２２と反対側の面に負極２４を形成した複数のバイポーラ電極２７とを備える。
このように固体電池積層体２０は複数の層が積層されて構成されるが、部分的にみると正極２２、固体電解質２６、負極２４がこの順に組み合わされた固体電池としての最小単位構造（単電池）が直列に複数配列された構造となっている。ここで固体電池積層体２０に使用する材料は固体電池として機能する材料であればその種類や組合せに制限はない。固体電池積層体２０のそれぞれの層には以下のような公知の材料が使用される。
集電体２１は、一般には金属箔が使用され、金属箔の材料としてはＡｌ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉなどの材料が使用される。固体電池積層体２０には正極電極２３、負極電極２５、バイポーラ電極２７の３種類の電極にそれぞれ集電体２１を含むが、３種類の電極の材料は同じでもよいし、異なる材料でもよい。
正極２２は、正極活性物質を含み、正極活性物質としてはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４等が挙げられる。正極は正極電極２３とバイポーラ電極２７とに含まれるが、正極電極２３とバイポーラ電極２７とで同一の正極活性物質を使用するのが好ましい。
負極２４は、負極活性物質を含み、負極活性物質としてはグラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料や、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等の無機酸化物が使用される。負極は負極電極２５とバイポーラ電極２７とに含まれるが、負極電極２５とバイポーラ電極２７とで同一の負極活性物質を使用するのが好ましい。
固体電解質２６の材料としては、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質が使用され、酸化物系固体電解質としては、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｔｉ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３等が挙げられ、硫化物系固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＧｅ０．２５Ｐ０．７５Ｓ４等が挙げられる。
図３は、本発明を実施して製造した電池モジュール１である。バイポーラ電極２７によって電気的に直列に接続された６個の単電池１が、樹脂ケース４に収められている。単電池は、それぞれリチウムイオン電池である。他の全固体電池でも本発明は実施できる。
バイポーラ電極は、板状の電極で、隣接する単電池において一方の単電池の正極でかつ他方の単電池の負極である電極である。バイポーラ構造、すなわちバイポーラ電極を用いた構造にすることにより、複数の単電池が電気的に直列に接続される。バイポーラ電極を用いた構造にすることにより、単電池間の電気抵抗を低くすることができ、また、電池モジュール及び電池全体をコンパクトにすることができる。上記のように正極電極、バイポーラ電極、負極電極を別個に製作して積層することもできるし、１枚のバイポーラ板として正極と負極を兼ねることもできる。その場合、バイポーラ電極の材質としては、電池の充放電の化学反応に伴って反応しないことと、電気抵抗が小さいことが必要であるので、炭素板、チタン板などが用いられる。
この電池モジュール１は、単セル１を６個積層した状態で射出成形装置の中に置き、加圧しておき、その状態で樹脂の材料ペレット（パウダー）を加熱して融解した樹脂を金型内に、圧力１００ＭＰａで射出し、硬化したその樹脂により単セル６個を包み込む形で樹脂のケース４としてある。
この樹脂ケース４には、図３乃至図６に示してあるように、単電池の側方の位置になる電池モジュールの端面の上部に、正極側端子３２用の電極端子台と負極側端子３１用の端子台が設けられており、それぞれに、正極側端子３２と負極側端子３１が設けられている。
正極側端子３２は正極電極２３に隣接して配置された正極端子板を備え、負極側端子３１は負極電極２５に隣接して配置された負極端子板３１ａを備えている。（正極端子板は図示省略）。これらの正極端子板及び負極端子板３１ａは固体電池積層体２０よりも長く伸びており、その延設端部に固体電池積層体２０の方向に屈曲した端子部３１ｂ（正極端子板側の端子部は図示省略）が形成されている。
樹脂ケース４は固体電池積層体２０、正極端子板及び負極端子板３１ａを積層した状態で金型内にインサートして１００ＭＰａの高圧で溶融樹脂を射出し硬化させることにより形成される。これにより樹脂ケース４は固体電池積層体２０、正極端子板及び負極端子板３１ａを封止する。このような高圧加圧による射出成形を行うことにより、全固体電池の界面抵抗を減少させることができる。
樹脂ケース４は図３、図４に示すように、正極端子板の屈曲した端子部及び負極端子板３１ａの屈曲した端子部３１ｂを覆う端子台４ａを備えている。端子台４ａは樹脂ケース４のケース面から突出するように形成されている。このような端子台４ａは全固体電池を電気接続する際の目安とすることができる。図３はナットタイプ接続の端子台４ａを示し、端子部３１ｂにナット型端子３１ｃが取り付けられている。端子台４ａはこのナット型端子３１ｃへの接続を行うための目安となる。図４はボルトタイプ接続の端子台４ａを示し、ボルト型端子３１ｄが端子部３１ｂに取り付けられている。端子台４ａはこのボルト型端子３１ｄへの接続のための目安となる。
図５に、上記の電池モジュールを６個集めて電池を構成した状態を示す。この例では、６個の電池モジュールを電気的に直列に接続している。また、図６は６個の電池モジュールを並列に接続して電池全体を構成した場合を示す。いずれの場合も、電池モジュール上部に電極端子が、隣接する電池モジュールの電極端子に近く位置するようになっているので、接続のためのスペースが小さく、作業性もよく、電気的な抵抗も小さくできる。
また、図５及び図６のように電池モジュールを複数集めて電池全体とする場合に、電池モジュール間に伝熱性の良い物質を挟んで構成することで放熱を良くすることができる。
図７に電池モジュールの筐体をモールド（型による成形）で成形する場合の詳細を示す。左右二つの金型１０２、１０３の間にバイポーラ構造で積層したセルスタック１０１を置く。セルスタック１０１と金型（右側）１０２の間と、セルスタック１０１と金型（左側）１０３の間のそれぞれに、押し付け冶具１０４を置く。押し付け冶具１０４はそれぞれ、押しボルト１０５と当て板（セルスタック側）１０６と当て板（金型側）１０７で構成されている。押しボルト１０５にはネジが切ってあり、当て板１０６、１０７には押しボルト１０５が挿入される貫通孔が明けてあり、その孔の内側には押しボルト１０５のネジと対応するめネジが切ってあり、両者がネジで係合される。
押しボルト１０５を回転させることにより、当て板（セルスタック側）１０６と当て板（金型側）１０７の距離、すなわち押し付け冶具１０４の長さが調整される。射出成形工程が始まるまでは、すなわち金型１０２、１０３が閉じられるまでは、押し付け冶具１０４はフリーの状態すなわち押し付け力が働いていない状態である。射出成形工程が始まると、すなわち左右の金型１０２、１０３が閉じられると、押し付け冶具１０４はセルスタック１０１と金型の凹部１０９の両方と接触し、圧縮される。これにより、射出成形中、押し付け冶具１０４の当て板（セルスタック側）１０６が両側からセルスタック１０１を押し、成形のための樹脂がセルスタック１０１内に入ることを防ぐ。
押しボルト１０５と当て板１０６、１０７の材質は、いずれも、射出されてセルスタックを収容するケースになる樹脂と近い性質の樹脂であるが、射出成形されてケースになる材料よりも、少し熱可塑性が大きいか少し融点が高いものを使用する。射出成型後、この押し付け冶具１０４は、ケースの中にその一部として残される。
左右の金型１０２、１０３の内部にセルスタック１０１と押し付け冶具１０４を設置し終わると両方の金型１０２、１０３を合わせる、すなわち閉じる。そして、射出する樹脂のペレットを加熱機（図示せず）で加熱して融解したものを、樹脂射出管１０８から金型内に射出する。図５の例では、樹脂射出管１０８が左右の金型１０２、１０３のそれぞれの四隅に、計８か所設けられているが、樹脂射出管１０８の数と位置は、セルスタック１０１の大きさと形状、射出する樹脂の材料に合わせ、湯流れ等を考慮して決められる。
左右の金型１０２、１０３は、嵌合が精密加工されているので、射出された樹脂が漏れることはないが、射出成形中は、射出された樹脂の圧力に負けないように両方の金型１０２、１０３にＦ１とＦ２の力を加える。もちろん、一方の金型が固定されている装置であれば、他方の金型だけを可動にし、その金型の方からのみ力を加えればよい。樹脂が硬化したら金型を開放して、樹脂でケースが形成された電池モジュールを取り出す。
射出成形に用いる、電池モジュールのケースとなる樹脂は、十分な強度と耐熱性と耐食性があれば、どの樹脂でもよいが、例えばポリカーボネートが好適な材料の一つである。
図５に示す例では、射出成形する時に、セルスタックに締結部材を取り付けてから射出成形している。締結部材は帯状のもので、セルスタックを巻くようにして締結し、ケース内に残される。この締結部材により、電池使用中のセルスタックの膨張を抑制できる。
樹脂モールディングで一体成形した全固体電池として好適である。
１ 電池モジュール
２０、１０１ 固体電池積層体（セルスタック）
２１ 集電体
２２ 正極
２３ 正極電極
２４ 負極
２５ 負極電極
２６ 固体電解質
２７ バイポーラ電極
３０ 正極端子板
４０ 負極端子板
４、５０ 樹脂ケース
６０ 導電性材料
７０ 締結体
７１ 締結ボルト
３ 端子
３１ 負極側端子
３２ 正極側端子
１０２ 金型（右側）
１０３ 金型（左側）
１０４ 押し付け冶具
１０５ 押しボルト
１０６ 当て板（セルスタック側）
１０７ 当て板（金型側）
１０８ 樹脂射出管
１０９ 金型の凹部
１１０ 締結部材
Ｆ１ 金型（右側）への押し付け力
Ｆ２ 金型（左側）への押し付け力

Claims (3)

  1. 集電体の片面に正極を形成した正極電極と、前記正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する前記複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、
    前記正極電極に隣接して配置された正極端子板と、
    前記負極電極に隣接して配置された負極端子板と、
    前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を金型内にインサートし、加圧状態での高圧樹脂の射出により前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を封止する樹脂ケースと、
    を備え、
    前記正極端子板及び前記負極端子板は前記固体電池積層体よりも長く伸び前記固体電池積層体の方向に屈曲した端子部がそれぞれ形成され、
    前記樹脂ケースは前記正極端子板の屈曲した端子部及び前記負極端子板の屈曲した端子部を覆う端子台を備え、
    前記端子台は全固体電池を電気接続する際の目安となるよう前記樹脂ケースのケース面から突出するように形成され、
    ナットタイプ接続の場合、前記端子部にはナット型端子が取り付けられ、前記端子台は前記ナット型端子への接続を行うための目安となり、ボルトタイプ接続の場合、前記端子部にはボルト型端子が取り付けられ、前記端子台は前記ボルト型端子への接続を行うための目安となることを特徴とする全固体電池。
  2. 前記樹脂ケースは前記端子部を覆う端子台が一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の全固体電池。
  3. 集電体の片面に正極を形成した正極電極と、前記正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する前記複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、
    前記正極電極に隣接して配置された正極端子板と、
    前記負極電極に隣接して配置された負極端子板と、
    前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を金型内にインサートし、加圧状態での高圧樹脂の射出により前記固体電池積層体、前記正極端子板及び前記負極端子板を封止する樹脂ケースと、
    を備え、
    前記樹脂ケースは前記高圧樹脂の射出時に前記固体電池積層体を積層方向に押す押し付け冶具を内部に含むことを特徴とする全固体電池。
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