JP7327496B2 - 固体電池 - Google Patents

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Description

本発明は固体電池に関する。
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。
当該二次電池においてはイオンを移動させるための媒体として有機溶媒等の液体の電解質（電解液）が使用されている。しかしながら、電解液を用いた二次電池においては、電解液の漏液等の問題がある。そのため、液体の電解質に代えて固体電解質を有して成る固体電池の開発が進められている。
国際公開２０１８１２３３１９号公報
固体電池は、電池要素、正極側／負極側の外部端子、および保護層を備える。電池要素は、相互に対向する正極層、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た電池構成単位を積層方向に沿って１つ以上備えたものである。正極側の外部端子は正極層の引出し部と接合され、負極側の外部端子は負極層の引出し部と接合されている。すなわち、外部端子は各電極層の引出し部とそれぞれ接合されている。保護層は、各引出し部と各外部端子とがそれぞれ接合可能に電池要素の表面を覆う層である。
ここで、本願発明者は、従前の固体電池には以下の技術的課題があることを新たに見出した。具体的には、従前の固体電池では、外部端子と電極層の引出し部を含む電池要素端面とを接合させる観点から、外部端子内にガラスまたはガラスセラミックスが含まれる場合がある。しかしながら、この場合、電池要素端面との接合箇所は外部端子内に含まれるガラスまたはガラスセラミックスが電池要素端面側に露出している部分に限られる。そのため、外部端子と電池要素との間の接合強度が十分ではないおそれがある。
又、外部端子に含まれるガラスまたはガラスセラミックスが相対的に多いと、回路基板等への外部端子の接続表面側にガラス又はガラスセラミックスが多く露出することになり得るため、外部端子表面のめっき未着、はんだ濡れ不良等が生じ、回路基板等上に外部端子を好適に実装できず、それによって外部端子を通じて固体電池と回路基板等とを好適に電気的に接続できないおそれがある。
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の主たる目的は、外部端子と電池要素との間の接合強度向上と、外部端子と回路基板等との間の好適な電気的接続との両立を可能とする固体電池を供することである。
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態では、
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る電池構成単位を積層方向に沿って１つ以上備えた電池要素と、
前記正極層および前記負極層の各電極層の引出し部とそれぞれ接合され、外部と前記電池要素とを導通させるために露出させた外部端子と、
各引出し部と各外部端子とがそれぞれ接合可能に前記電池要素の表面を覆う保護層とを備え、
平面視で、前記電池要素が、前記正極層および前記負極層の少なくとも一方の電極層を取り囲むように設けられた緩衝部を有して成り、
前記緩衝部のうち、少なくとも、前記電極層の前記引出し部形成側面と前記外部端子との間の局所部分が、前記保護層と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池が供される。
本発明の一実施形態に係る固体電池によれば、外部端子と電池要素との間の接合強度向上と、外部端子と回路基板等との間の好適な電気的接続との両立が可能である。
本発明の一実施形態に係る、内部構造が一部示された固体電池を模式的に示す斜視図。 電極層を取り囲む緩衝部の全てが樹脂非含有絶縁性材から構成されている態様を模式的に示す平面図。 電極層を取り囲む緩衝部の一部が樹脂非含有絶縁性材から構成されている態様を模式的に示す平面図。 図１の線分Ｉ－Ｉ’間における本発明の一実施形態に係る固体電池を模式的に示す断面図。 図１の線分Ｉ－Ｉ’間における本発明の一実施形態に係る固体電池を模式的に示す断面図（図４を具体的に示した模式断面図）。 図１の線分ＩＩＩ－ＩＩＩ’間における本発明の一実施形態に係る固体電池を模式的に示す断面図。 図１の線分ＩＩ－ＩＩ’間における本発明の一実施形態に係る固体電池を模式的に示す断面図。 本発明の一実施形態に係る固体電池の製造フローを示す模式図。
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。
本発明でいう「固体電池」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、狭義にはその電池構成要素（特に好ましくは全ての電池構成要素）が固体から構成されている全固体電池を指している。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に従うと「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なく、例えば、蓄電デバイスなども包含し得る。
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。又、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。
本明細書で言及する各種の数値範囲は、特段の説明が付されない限り、下限および上限の数値そのものを含むことを意図している。つまり、例えば１～１０といった数値範囲を例にとれば、特段の説明の付記がない限り、下限値の“１”を含むと共に、上限値の“１０”をも含むものとして解釈され得る。
［固体電池の構成］
固体電池は、正極・負極の電極層と固体電解質とを少なくとも有して成る。具体的には固体電池は、正極層、負極層、およびそれらの間に介在する固体電解質から成る電池構成単位を含んだ電池要素を有して成る。
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、それゆえ電池要素が一体焼結体を成している。
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、更に固体電解質を含んで成っていてよい。例えば、正極層は、正極活物質粒子と固体電解質粒子とを少なくとも含む焼結体から構成されている。好ましい１つの態様では、正極層が、正極活物質粒子および固体電解質粒子のみを実質的に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、更に固体電解質を含んで成っていてよい。例えば、負極層は、負極活物質粒子と固体電解質粒子とを少なくとも含む焼結体から構成されている。好ましい１つの態様では、負極層が、負極活物質粒子および固体電解質粒子のみを実質的に含む焼結体から構成されている。
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、固体電池は、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。
（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、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３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、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４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、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２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、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等が挙げられる。
（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、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、ＬｉＴｉ２（ＰＯ４）３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、ＬｉＣｕＰＯ４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、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等が挙げられる。
なお、ある好適な態様の本発明の固体電池では、正極層と負極層とが同一材料から成っている。
正極層および／または負極層は、導電助剤を含んでいてもよい。正極層および負極層に含まれる導電助剤として、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。
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。
（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、ＬｉｘＭｙ（ＰＯ４）３（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る少なくとも一種）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（ＰＯ４）３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、Ｌａ０．５５Ｌｉ０．３５ＴｉＯ３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、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２等が挙げられる。
固体電解質は、焼結助剤を含んでいてもよい。固体電解質に含まれる焼結助剤は、例えば、正極層・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よい。
（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。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固体電池の側面に設けられている。正極層の端子は、正極層の端部、具体的には正極層端部に形成された引出し部と接合されている。又、負極層の端子は、負極層の端部、具体的には負極層端部に形成された引出し部と接合されている。好ましい１つの態様では、端子は、電極層の引出し部を含む電池要素と接合させる観点から、ガラスまたはガラスセラミックスを含んでなることが好ましい。又、端子は、導電率が大きい材料を含んで成ることが好ましい。端子の具体的な材質としては、特に制限されるわけではないが、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。
（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。
保護層は、各電極層の引出し部と各外部端子とがそれぞれ接合可能に電池要素の表面を覆う層である。具体的には、保護層は、正極層の引出し部と正極側の外部端子とが接合可能に電池要素の表面を覆うと共に、負極層の引出し部と負極側の外部端子とが接合可能に電池要素の表面を覆う。即ち、保護層は、電池要素の全面を隙間なく覆うのではなく、電池要素の電極層の引出し部と外部端子とを接合させるために、電極層の引出し部（電極層の端部）が露出するように電池要素を覆う。
［本発明の特徴部分］
以下、本発明の特徴部分について説明する。なお、本発明の特徴部分は、平面視で、正極層および負極層の各々の輪郭が固体電解質層の輪郭よりも内側に位置している場合を前提とする。
本願発明者は、従前の固体電池の技術的課題（即ち、外部端子と電池要素との間の接合強度の向上と、外部端子と回路基板等との間の好適な電気的接続との両立が困難であること）の解決策について鋭意検討した。その結果、本願発明者は、下記の特徴を有する本発明の一実施形態に係る固体電池を案出するに至った（図１参照）。
下記で詳述するが、従前の固体電池と比べ、本発明の一実施形態に係る固体電池５００は、その構成要素である緩衝部３０が特異な構成を有することを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る固体電池５００では、その構成要素である電池要素１００は、正極層１０Ａおよび負極層１０Ｂの少なくとも一方の電極層１０を取り囲むように設けられた緩衝部３０を有して成る。
平面視で、緩衝部３０の一方の側は電極層１０の側面と接するように構成されている。又、平面視で、緩衝部３０の他方の側は一方の電極側の外部端子２００、保護層３００、および対電極側の外部端子２００に接するように構成されている。当該外部端子２００は、正極層１０Ａおよび負極層１０Ｂの各電極層１０の引出し部とそれぞれ接合されている。具体的には、正極側の外部端子２００Ａは、正極層１０Ａの引出し部と接合可能に構成されている。負極側の外部端子２００Ｂは、負極層１０Ｂの引出し部と接合可能に構成されている。
かかる構成において、本発明の一実施形態では、平面視で、緩衝部３０のうち、少なくとも、電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の局所部分３３が、保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている。かかる構成が本発明の主たる特徴部分である(図３参照)。なお、本明細書でいう「樹脂非含有絶縁性材」とは、樹脂を含まない絶縁性材であって、イオン伝導性および電子伝導性を有さない絶縁性無機材を指す。本明細書でいう「少なくとも局所部分３３が保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている」とは少なくとも局所部分３３と保護層３００の樹脂非含有絶縁性材の組成が完全同一又は実質的に同一であることを指す。
従前の固体電池では、平面視で電極層と外部端子との間の接合ポイントは電極層の引出し部と外部端子との間の局所領域に限定されていた。これに対して、本発明の一実施形態では、少なくとも、電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の緩衝部３０の局所部分３３が、保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている部分３１となっている。
緩衝部３０の局所部分３３は、樹脂非含有絶縁性材から構成されていることに起因して高温で粘性を有する。そのため、かかる局所部分３３の粘性に起因して、平面視で、緩衝部３０の局所部分３３の一方の側が外部端子２００と焼成の際に接合し、他方の側が電極層１０の引出し部形成側面と接合可能となる。すなわち、緩衝部３０の局所部分３３は「電極層１０の引出し部形成側面」と「外部端子２００」とにそれぞれ接合することが可能となる。
一例として、電極層１０がメイン部１０αとこれに連続する引出し部１０βを備える構成を例に採る。なお、電極層１０の引出し部１０βは、電極層１０のメイン部１０αの引出し部形成側面１０γ上に部分的に形成される態様を採ることなく、電極層１０の端部において先細りするテーパー形状となる態様を採ってよい。より具体的には、電極層１０の引出し部１０βは、下記の電極層１０のメイン部１０αの引出し部形成側面１０γを有することなく電極層１０の端部において先細りするテーパー形状となる態様を採ってよい。
この場合、少なくとも、電極層１０のメイン部１０αの引出し部形成側面１０γと、引出し部１０βをはさんで引出し部形成側面１０γと対向するように離隔配置された外部端子２００との間の緩衝部３０の局所部分３３が、保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている部分３１となっている。
上述のように、緩衝部３０の局所部分３３は樹脂非含有絶縁性材から構成されていることに起因して高温で粘性を有し得る。そのため、平面視で、緩衝部３０の局所部分３３の一方の側が外部端子２００と焼成の際に接合し、他方の側が電極層１０のメイン部１０αと接合可能となる。すなわち、緩衝部３０の局所部分３３は「電極層１０のメイン部１０αの引出し部形成側面１０γ」と「外部端子２００」とにそれぞれ接合することが可能となる。
これにより、従前の固体電池と比べて、電極層１０と外部端子２００とは緩衝部３０の局所部分３３」を介して相互に強固に接合され得る。その結果、従前の固体電池と比べて、端子/電池界面部において接合に寄与する材料が増大されるため、全体として緩衝部３０および電極層１０を含む電池要素１００と外部端子２００との間の接合強度を向上させることができる。これにより、電極層１０と外部端子２００との間にて電気的な接続も好適に行うことができる。
又、従前の固体電池では、外部端子と電極層の引出し部を含む電池要素とを接合させる観点から、外部端子にのみガラスまたはガラスセラミックス等の樹脂非含有絶縁性材が含まれていた。しかしながら、この場合、回路基板等への外部端子の接続表面側にガラス又はガラスセラミックスが多く露出することになり得るため、回路基板等上に外部端子を好適に実装できず、それによって固体電池と回路基板等とを好適に電気的に接続できないおそれがある。
この点につき、本発明の一実施形態では、外部端子にのみにガラスまたはガラスセラミックス等の樹脂非含有絶縁性材を含有させるのではなく、少なくとも電池要素の構成要素の１つである緩衝部３０の少なくとも所定箇所（具体的には電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の緩衝部３０の局所部分３３）を樹脂非含有絶縁性材から構成している。
そのため、外部端子２００中におけるガラスまたはガラスセラミックス等の樹脂非含有絶縁性材の含有割合を減らすことが可能となる。かかる外部端子２００中における樹脂非含有絶縁性材の含有割合の低減により、回路基板等への外部端子２００の接続表面側に樹脂非含有絶縁性材が露出することを抑制することが可能となる。これにより、外部端子２００へのめっき未着、はんだ濡れ不良等の発生を抑制することができ、その結果として回路基板等上に外部端子２００を好適に実装でき、それによって外部端子２００と回路基板等とを好適に電気的に接続させることが可能となる。それ故、本発明の一実施形態に係る固体電池５００と回路基板等とを好適に電気的に接続することが可能となる。
以上の事からも、本発明の一実施形態に従えば、外部端子２００と、緩衝部３０および電極層１０を含む電池要素１００との間の接合強度向上と、外部端子２００と回路基板等との間の好適な電気的接続との両立が可能となる。その結果として、本発明の一実施形態に係る固体電池５００を電子機器の電源として好適に用いることができる。
本発明の一実施形態に係る固体電池５００は、下記態様を採ることが好ましい。
一態様では、平面視で、外部端子２００と電極層１０との間のみならず、保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０も、樹脂非含有絶縁性材から構成されている部分であることが好ましい(図２および図７参照)。
かかる構成によれば、平面視で、保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０と、当該緩衝部に接する保護層３００の双方が樹脂非含有絶縁性材から構成されることとなる。つまり、「保護層３００」および「保護層３００と電極層１０との間に位置し保護層３００に接する緩衝部３０」の双方が樹脂非含有絶縁性材から構成される。
樹脂非含有絶縁性材は、上記のとおりイオン伝導性および電子伝導性を有さない絶縁性無機材を指すところ、イオン伝導性を有さない無機材とは、イオン伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下であるものを指す。より長期的に電池の劣化を抑制する観点から、イオン伝導性は１×１０－１２Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。なお、イオン伝導性を有さない無機材のイオン導電性は通常１×１０－１８Ｓ／ｃｍ以上である。又、電子伝導性を有さない無機材とは、電子伝導性が１×１０－７Ｓ／ｃｍ以下であるものを指す。より長期的に電池の劣化を抑制する観点から、電子伝導性は１×１０－１２Ｓ／ｃｍ以下であることが好ましい。なお、電子伝導性を有さない無機材の電子導電性は通常１×１０－１８Ｓ／ｃｍ以上である。
樹脂以外の絶縁性材として、例えば、ガラスおよびセラミックスを含んで成るものが挙げられる。ガラスとしては、石英ガラス（ＳｉＯ２）や、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、およびＡｌ２Ｏ３から構成される群から選択される少なくとも１つとを組み合わせた複合酸化物系ガラスが挙げられる。セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＺｎＡｌ２Ｏ４（ガーナイト）、およびＭｇ２ＳｉＯ４（フォルステライト）から成る群から選択される少なくとも１つ等が挙げられる。保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０は、電池要素１００をショートさせない限り、電子伝導性を有する材料（例えば、金属）を含んでもよい。保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０が電子伝導性を有する材料を含む場合、電子伝導性材料の含有割合は、例えば１体積％以下であってもよい。保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０が電子伝導性材料（例えば、金属）を含むことにより、電池反応により発生する熱を外部に円滑に逃がすことができる。
保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０は上記した樹脂以外の絶縁性物質粒子を含む焼結体により構成されている。保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０を構成する焼結体は、絶縁性物質粒子間に気孔を有するものの、その厚み方向（例えば、積層方向）において、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着、吸収および透過を抑制し得る程度の緻密性を有する。
保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０の気孔率は例えば、０．１体積％以上２０体積％以下、特に１体積％以上１０％体積以下であってよい。気孔率は重量気孔率法、ＣＴスキャンを用いた計算トモグラフィー法、液浸法などによって測定された値を用いている。
保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０の厚み方向の酸素透過性は例えば、１０－１ｃｃ／ｍ２／ｄａｙ／気圧 以下、特に１０－３ｃｃ／ｍ２／ｄａｙ／気圧 以下であってよい。
保護層３００および保護層３００と電極層１０との間に位置する緩衝部３０の厚み方向のＨ２Ｏ透過性は例えば、１０－２ｇ／ｍ２／ｄａｙ 以下、特に１０－４ｇ／ｍ２／ｄａｙ 以下であってよい。Ｈ２Ｏ透過性はキャリアガス法、着圧法、Ｃａ腐食法によって２５℃で測定された値を用いている。
ここで、従前の態様において、保護層３００が樹脂非含有絶縁性材から構成される場合がある。この場合、樹脂（例えば高分子化合物）を含む保護層と比較して、樹脂非含有絶縁性材から構成される保護層３００は水分およびガス（二酸化炭素）を吸着、吸収および透過し難い。その結果として、保護層３００では、高分子化合物を含む保護層と比較して、水分およびガス（二酸化炭素）の吸着および吸収による膨張に基づく割れおよび脱落が起こり難く、かつ振動および衝撃などによる脱落が起こり難い。つまり、保護層３００は、固体電池内部の電池要素の電極を損傷させないための「水蒸気透過防止層」として機能することができる。
この点につき、本態様では、「保護層３００」のみならず「保護層３００と電極層１０との間に位置し保護層３００に接する緩衝部３０」もこのような樹脂非含有絶縁性材から構成される。そのため、「保護層３００」のみが樹脂非含有絶縁性材から構成される場合と比べて、非含有絶縁性材から構成される部分の厚さをより増大させることができる。その結果、固体電池内部の電池要素の電極１０の損傷をより好適に抑制することが可能となる。
一態様では、平面視で、電極層１０と、電極層１０の引出し部１０βと接する外部端子２００とは対極側の外部端子２００との間に位置する緩衝部３０が、樹脂非含有絶縁性材から構成されていることが好ましい(図２および図４～図６参照)。
本発明の特徴部分は、電池要素１００と外部端子２００との間の接合強度を向上させる観点から、少なくとも、電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の緩衝部３０の局所部分が、保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されていることである。この点につき、例えば図２（平面図）に示すように、電極層１０と、電極層１０の引出し部１０βと接する外部端子２００（例えば負極側の外部端子２００Ｂ）とは対極側の外部端子２００（例えば正極側の外部端子２００Ａ）との間に位置する緩衝部３０も樹脂非含有絶縁性材から構成されていることが好ましい。
かかる構成によれば、樹脂非含有絶縁性材は高温時に粘性を有し得ることに起因して、電極層１０の引出し部１０βと接する外部端子２００とは対極側の外部端子２００との間に位置する緩衝部３０は、一方の側が電極層１０の側面と接合すると共に他方の側が外部端子２００と接合するように構成される。これにより、図３に示す態様（本発明の基本的態様）と比べて接合領域がより増大されるため、全体として電極層１０と相互に対向する２つの外部端子２００（正極側の外部端子２００Ａ、負極側の外部端子２００Ｂ）との間の接合強度をより向上させることができる。
より好ましくは、上記の本発明の好ましい態様１および好ましい態様２を組み合わせることがよい。即ち、平面視で、単一の電極層１０を取り囲む緩衝部３０の全体が樹脂非含有絶縁性材から構成されていることがより好ましい(図２および図４～図７参照)。
かかる組合せ態様によれば、「保護層３００」のみならず「保護層３００と電極層１０との間に位置し保護層３００に接する緩衝部３０」も樹脂非含有絶縁性材から構成される。そのため、「保護層３００」のみが樹脂非含有絶縁性材から構成される場合と比べて、水蒸気透過防止機能を有する非含有絶縁性材から構成される部分の厚さをより増大させることができる。その結果として、固体電池内部の電池要素の電極１０の損傷をより好適に抑制することが可能となる。
これに加えて、単一の電極層１０を取り囲む緩衝部３０の全体が樹脂非含有絶縁性材から構成されているため、当該緩衝部３０の一方の側は電極層１０の各側面と接合し、他方の側は相互に対向する保護層３００と相互に対向する外部端子２００（２００Ａ、２００Ｂ）と接合することが可能となる。その結果、従前の固体電池と比べて、接合領域がより一層増大されるため、全体として電極層１０と外部端子２００との間の接合強度をより一層向上させることができる。これにより、電極層１０と外部端子２００との間にて電気的な接続をより好適に行うことができ、その結果として、本発明の一実施形態に係る固体電池５００を電子機器の電源としてより好適に用いることができる。
一態様では、断面視で、保護層３００のコーナー部分３０３が湾曲状となっていることが好ましい（図１および図７参照）。
後述する固体電池の製造工程において、得られる固体電池同士が互いにこすれ合ったり、ぶつかり合う場合があり、その結果として、断面視で固体電池の保護層のコーナー部分に欠けおよび／または割れが生じる可能性がある。かかる事項を解決するために、保護層３００のコーナー部分３０３を湾曲状（即ちＲ状）にすることが考えられる。これにより、保護層３００のコーナー部分３０３に欠けおよび／または割れが生じることを好適に回避することが可能となる。
［固体電池の製造方法］
以下、本発明の一実施形態に係る固体電池の製造方法について説明する(図８参照)。かかる製造方法では、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、またはそれらの複合法により製造することができる。
（未焼成体の形成工程）
まず、上記の固体電解質材料、焼結助剤、有機材料および溶剤等を混合して固体電解質層用ペーストを形成する。又、上記の樹脂非含有絶縁性材、有機材料および溶剤等を混合して保護層用ペーストを形成する。
固体電解質層用ペーストおよび保護層用ペーストからシート成形によって、それぞれ固体電解質層用シート２０’および保護層用シート３０１’を形成する。
又、上記の正極活物質、固体電解質、導電助剤、有機バインダー、溶剤および任意の添加剤を混合して正極用ペーストを形成する。同様に、上記の負極活物質、固体電解質、導電、有機バインダー、溶剤および任意の添加剤を混合して負極用ペーストを形成する。
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、ポリビニルアルコール樹脂などの高分子化合物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、エタノールなどを用いることができる。
例えば固体電解質層用シート２０’上にて正極用ペースト１０Ａ’を印刷し、また、必要に応じて集電層を印刷する。同様にして、例えば固体電解質層用シート２０’上に負極用ペースト１０Ｂ’を印刷し、また、必要に応じて集電層を印刷する。
なお、固体電解質層用シート２０’上にて各電極用ペースト１０’を取り囲むように緩衝部用ペースト３０’を印刷する(図８(ｉ)参照)。
特に、本発明の一実施形態では、当該緩衝部用ペースト３０’として、少なくとも電極用ペースト１０’のうち、電極層の引出し部形成側面となる部分と外部端子との間の局所部分となる部分に、上記の樹脂非含有絶縁性材、有機材料および溶剤等を混合して得られるペースト３１’を印刷する。
好ましくは、各電極用ペースト１０’の輪郭の全体を取り囲むように、上記の樹脂非含有絶縁性材、有機材料および溶剤等を混合して得られるペースト３１’を印刷することが好ましい。
次いで、積層方向に沿って下から順に、保護層用シート３０１’、固体電解質用シート２０’上に印刷した負極用ペースト１０Ｂ’および緩衝部用ペースト３０’、固体電解質用シート２０’ 上に印刷した正極用ペースト１０Ａ’および緩衝部用ペースト３０’、固体電解質用シート２０’ 上に印刷した負極用ペースト１０Ｂ’および緩衝部用ペースト３０’、固体電解質層用シート２０’、ならびに保護層用シート３０１’を積層する。
以上により、未焼成積層体を形成する(図８(ｉｉ)参照)。未焼成積層体を形成した後は、外部端子と接合する電極層となる部分の端部が露出するように、未焼成積層体の側面に保護層用シート３０２’を設ける(図８(ｉｉｉ)参照)。
（焼成工程）
次いで、得られた未焼成体を焼成に付す。焼成は、酸素ガスを含む窒素ガス雰囲気中で、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。焼成は通常、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）で未焼成体を加圧しながら行う。加圧力は特に限定されず、例えば、１ｋｇ／ｃｍ２以上１０００ｋｇ／ｃｍ２以下、特に５ｋｇ／ｃｍ２以上５００ｋｇ／ｃｍ２以下であってよい。
最後に、焼成後に露出した電極層の端部と接合するように外部端子３００を焼付処理する。正極側および負極側の外部端子は、積層体の焼結後に形成することに限らず、焼成前に形成し、同時焼結に付してもよい(図８(ｉｖ)参照)。
正極側の外部端子は、焼結積層体における正極層露出側面に対して導電性ペーストを塗布することを通じて形成できる。同様にして、負極側の外部端子は、焼結積層体における負極露出側面に対して導電性ペーストを塗布することを通じて形成できる。正極側および負極側の外部端子は、焼結積層体の主面にまで及ぶように設けると、次工程において実装ランドに小面積で接続できるので好ましい。外部端子の成分としては、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から選択され得る。
以上により、本発明の一実施形態に係る固体電池５００を得ることができる。得られた固体電池５００は、緩衝部３０のうち、少なくとも、電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の局所部分３３が、保護層３００と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている（図３参照）。
緩衝部３０の局所部分３３は、樹脂非含有絶縁性材から構成されていることに起因して高温で粘性を有する。そのため、外部端子を焼付処理する際に、緩衝部３０の局所部分３３が高温時に粘性を有することに起因して、平面視で、緩衝部３０の局所部分３３の一方の側が外部端子２００と接合し、他方の側が電極層１０の引出し部形成側面と接合可能となる。すなわち、緩衝部３０の局所部分３３は「電極層１０の引出し部形成側面」と「外部端子２００」とにそれぞれ接合することが可能となる。
これにより、従前の固体電池と比べて、電極層１０と外部端子２００とは緩衝部３０の局所部分３３」を介して相互に強固に接合され得る。その結果、従前の固体電池と比べて、端子/電池界面部において接合に寄与する材料が増大されるため、全体として電池要素１００と外部端子２００との間の接合強度を向上させることができる。
又、得られた一実施形態に係る固体電池５００では、外部端子にのみにガラスまたはガラスセラミックス等の樹脂非含有絶縁性材を含有させるのではなく、少なくとも電池要素の構成要素の１つである緩衝部３０の少なくとも所定箇所（具体的には電極層１０の引出し部形成側面と外部端子２００との間の緩衝部３０の局所部分３３）が樹脂非含有絶縁性材から構成されている。
そのため、外部端子２００中におけるガラスまたはガラスセラミックス等の樹脂非含有絶縁性材の含有割合を減らすことが可能となる。かかる外部端子２００中における樹脂非含有絶縁性材の含有割合の低減により、回路基板等への外部端子２００の接続表面側に樹脂非含有絶縁性材が露出することを抑制することが可能となる。これにより、外部端子２００へのめっき未着、はんだ濡れ不良等の発生を抑制することができ、その結果として回路基板等上に外部端子２００を好適に実装できる。これにより、外部端子２００と回路基板等とを好適に電気的に接続させることが可能となる。それ故、得られた一実施形態に係る固体電池５００と回路基板等とを好適に電気的に接続することが可能となる。
以上の事からも、得られた一実施形態に係る固体電池５００によれば、外部端子２００と、緩衝部３０および電極層１０を含む電池要素１００との間の接合強度向上と、外部端子２００と回路基板等との間の好適な電気的接続との両立が可能となる。その結果として、得られた固体電池５００を電子機器の電源として好適に用いることができる。
以上、本発明の一実施形態に係る固体電池について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が当業者によってなされると理解されよう。
なお、上述のような本発明の一実施形態は、次の好適な態様を包含している。
第１態様：
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る電池構成単位を積層方向に沿って１つ以上備えた電池要素と、
前記正極層および前記負極層の各電極層の引出し部とそれぞれ接合され、外部と前記電池要素とを導通させるために露出させた外部端子と、
各引出し部と各外部端子とがそれぞれ接合可能に前記電池要素の表面を覆う保護層とを備え、
平面視で、前記電池要素が、前記正極層および前記負極層の少なくとも一方の電極層を取り囲むように設けられた緩衝部を有して成り、
前記緩衝部のうち、少なくとも、前記電極層の引出し部形成側面と前記外部端子との間の局所部分が、前記保護層と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第２態様：
上記第１態様において、平面視で、前記樹脂非含有絶縁性材から構成される前記緩衝部の前記局所部分の一方の側が前記外部端子と接合し、他方の側が前記電極層の前記引出し部形成側面と接合可能となっている、固体電池。
第３態様：
上記第１態様又は第２態様において、平面視で、前記電極層がメイン部と該メイン部に連続する前記引出し部を有して成り、前記電極層の前記メイン部の引出し部形成側面と、前記引出し部をはさんで該引出し部形成側面と対向するように離隔配置された前記外部端子との間の前記局所部分が、前記保護層と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第４態様：
上記第１態様～第３態様のいずれかにおいて、平面視で、前記保護層と前記電極層との間に位置する前記緩衝部が、前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第５態様：
上記第４態様において、平面視で、前記緩衝部および該緩衝部に接する前記保護層の双方が前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第６態様：
上記第１態様～第５態様のいずれかにおいて、平面視で、前記電極層と、該電極層の引出し部と接する前記外部端子とは対極側の外部端子との間に位置する前記緩衝部が、前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第７態様：
上記第１態様～第６態様のいずれかにおいて、平面視で、単一の前記電極層を取り囲む前記緩衝部の全体が前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
第８態様：
上記第１態様～第７態様のいずれかにおいて、前記保護層および前記緩衝部の前記樹脂非含有絶縁性材から構成される領域の双方が水蒸気透過防止可能となっている、固体電池。
第９態様：
上記第１態様～第８態様のいずれかにおいて、前記樹脂非含有絶縁性材が、ガラスおよびセラミックスを含んで成る、固体電池。
第１０態様：
上記第１態様～第９態様のいずれかにおいて、平面視で、前記正極層および前記負極層の各々の輪郭が前記固体電解質層の輪郭よりも内側に位置している、固体電池。
第１１態様：
上記第１態様～第１０態様のいずれかにおいて、断面視で、前記保護層のコーナー部分が湾曲状となっている、固体電池。
第１２態様：
上記第１態様～第１１態様のいずれかにおいて、前記正極層および前記負極層は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な層となっている、固体電池。
本発明の一実施形態に係る固体電池は、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、本発明の一実施形態に係る固体電池は、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、スマートウォッチ、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。
 関連出願の相互参照
本出願は、日本国特許出願第２０１９－１８７６０６号（出願日：２０１９年１０月１１日、発明の名称：「固体電池」）に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により、本明細書に含まれるものとする。
５００ 固体電池
３００ 保護層
３００’、３０１’、３０２’ 保護層用シート
３０３ 保護層のコーナー部分
２００ 外部端子
２００Ａ 正極側の外部端子
２００Ｂ 負極側の外部端子
１００ 電池要素
３０、３０Ａ 緩衝部
３０’ 緩衝部用ペースト
３１ 樹脂非含有絶縁性材から構成されている部分
３１’ 樹脂非含有絶縁性材を含む緩衝部用ペースト
３２ 固体電解質から構成されている部分
３３ 緩衝部の局所部分
２０ 固体電解質層
２０’ 固体電解質用シート
１０ 電極層
１０’ 電極層用ペースト
１０Ａ 正極層
１０Ａ’ 正極層用ペースト
１０Ｂ 負極層
１０Ｂ’ 負極層用ペースト
１０α 電極層のメイン部
１０β 電極層の引出し部
１０γ 電極層のメイン部の引出し部形成側面
１１Ａ 正極材層
１１Ｂ 正極集電体層
１２Ａ 負極材層
１２Ｂ 負極集電体層

Claims (12)

  1. 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る電池構成単位を積層方向に沿って１つ以上備えた電池要素と、
    前記正極層の引出し部と接合され、外部と前記電池要素とを導通させるために露出し、および前記電池要素の一方の側面に設けられた正極側の外部端子と、前記負極層の引出し部と接合され、外部と前記電池要素とを導通させるために露出し、および前記電池要素の前記一方の側面と対向する他方の側面に設けられた負極側の外部端子と、
    各引出し部と各外部端子とがそれぞれ接合可能に前記電池要素の表面を覆う保護層とを備え、
    平面視で、前記電池要素が、前記正極層および前記負極層の少なくとも一方の電極層を取り囲むように設けられた緩衝部を有して成り、前記緩衝部のうち、少なくとも、前記電極層の引出し部形成側面と前記外部端子との間の局所部分が、前記保護層と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている、固体電池。
  2. 平面視で、前記樹脂非含有絶縁性材から構成される前記緩衝部の前記局所部分の一方の側が前記外部端子と接合し、他方の側が前記電極層の前記引出し部形成側面と接合可能となっている、請求項１に記載の固体電池。
  3. 平面視で、前記電極層がメイン部と該メイン部に連続する前記引出し部を有して成り、
    前記電極層の前記メイン部の引出し部形成側面と、前記引出し部をはさんで該引出し部形成側面と対向するように離隔配置された前記外部端子との間の前記局所部分が、前記保護層と略同一の樹脂非含有絶縁性材から構成されている、請求項１又は２に記載の固体電池。
  4. 平面視で、前記保護層と前記電極層との間に位置する前記緩衝部が、前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、請求項１～３のいずれかに記載の固体電池。
  5. 平面視で、前記緩衝部および該緩衝部に接する前記保護層の双方が前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、請求項４に記載の固体電池。
  6. 平面視で、前記電極層と、該電極層の引出し部と接する前記外部端子とは対極側の外部端子との間に位置する前記緩衝部が、前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、請求項１～５のいずれかに記載の固体電池。
  7. 平面視で、単一の前記電極層を取り囲む前記緩衝部の全体が前記樹脂非含有絶縁性材から構成されている、請求項１～６のいずれかに記載の固体電池。
  8. 前記保護層および前記緩衝部の前記樹脂非含有絶縁性材から構成される領域の双方が水蒸気透過防止可能となっている、請求項１～７のいずれかに記載の固体電池。
  9. 前記樹脂非含有絶縁性材が、ガラスおよびセラミックスを含んで成る、請求項１～８のいずれかに記載の固体電池。
  10. 平面視で、前記正極層および前記負極層の各々の輪郭が前記固体電解質層の輪郭よりも内側に位置している、請求項１～９のいずれかに記載の固体電池。
  11. 断面視で、前記保護層のコーナー部分が湾曲状となっている、請求項１～１０のいずれかに記載の固体電池。
  12. 前記正極層および前記負極層は、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１～１１のいずれかに記載の固体電池。
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