JP7378097B2 - 積層電池 - Google Patents

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Description

本開示は、積層電池に関する。
特許文献１には、積層電池のリード長さが異なる電池が開示されている。
特許文献２には、単位セルと、単位セルと交互に積層される内部電極層とを含むバイポーラ型の積層電池が開示されている。
特許文献３には、大きさの異なる正極体と負極体を、固体電解質層が間に配置されるように交互に積層するバイポーラ型二次電池が開示されている。
特開２０１３－９７９０７号公報 特開２０１４－１１６１５６号公報 特開２０１５－１５３６６３号公報
従来技術においては、積層電池の信頼性および電池容量密度の向上が望まれる。
そこで、本開示では、信頼性および電池容量密度が向上した積層電池を提供する。
本開示の一態様における積層電池は、積層された複数の電池セルと、集電リードと、を備える。前記複数の電池セルそれぞれは、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体がこの順で積層された構造を有する。前記複数の電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含む。前記複数の電池セルのうち少なくとも前記第２電池セルは、前記複数の電池セルの積層方向に対して傾斜する側面を有する。前記第１電池セルは、前記第２電池セルと対向する面を有する。前記第２電池セルと対向する前記面は、前記第２電池セルとは接しない露出面を含む。前記積層方向から見て、前記露出面の少なくとも一部は、前記第２電池セルの前記側面の少なくとも一部と重なる。前記集電リードは、前記露出面上に接続されている。
本開示によれば、積層電池の信頼性および電池容量密度を向上できる。
図１Ａは、実施の形態１における積層電池の概略構成を示す上面視図である。 図１Ｂは、実施の形態１における積層電池の概略構成を示す断面図である。 図２Ａは、実施の形態１の変形例１における積層電池の概略構成を示す上面視図である。 図２Ｂは、実施の形態１の変形例１における積層電池の概略構成を示す断面図である。 図３は、実施の形態１の変形例２における積層電池の概略構成を示す断面図である。 図４Ａは、実施の形態１の変形例３における積層電池の概略構成を示す上面視図である。 図４Ｂは、実施の形態１の変形例３における積層電池の概略構成を示す断面図である。 図５は、実施の形態２における積層電池の概略構成の一例を示す断面図である。 図６は、実施の形態２における積層電池の概略構成の別の例を示す断面図である。 図７は、実施の形態２における積層電池の概略構成の別の例を示す断面図である。 図８は、実施の形態２における積層電池の概略構成の別の例を示す断面図である。 図９は、実施の形態３における積層電池の概略構成を示す断面図である。
（本開示の概要）
本開示の一態様における積層電池は、積層された複数の電池セルと、集電リードと、を備える。前記複数の電池セルそれぞれは、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体がこの順で積層された構造を有する。前記複数の電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含む。前記複数の電池セルのうち少なくとも前記第２電池セルは、前記複数の電池セルの積層方向に対して傾斜する側面を有する。前記第１電池セルは、前記第２電池セルと対向する面を有する。前記第２電池セルと対向する前記面は、前記第２電池セルとは接しない露出面を含む。前記積層方向から見て、前記露出面の少なくとも一部は、前記第２電池セルの前記側面の少なくとも一部と重なる。前記集電リードは、前記露出面上に接続されている。
これにより、隣り合う第２電池セルとは接しない露出面を利用して集電リードが第１電池セルに接続される。第１電池セルが露出面を有することにより、露出面上に電池セルが存在しない空間が形成されるため、積層電池の見かけ体積の中で電池として機能する有効体積が減少する。しかし、集電リードを接続するためのリード層の挿入などによる積層方向への寸法を増加させることなく集電リードが接続される。平板状の電池セルを積層する積層電池の場合、積層方向寸法増加は、積層電池の体積増加への影響が大きい。よって、露出面上に集電リードを接続することで、電池容量に寄与しない層による積層方向への寸法増加を抑制することができるため、積層電池の電池容量密度が向上する。また、第２電池セルの側面が積層方向に対して傾斜することで、正極集電体と負極集電体との積層方向の距離、すなわち、側面が傾斜していない場合の側面における正極集電体と負極集電体との距離よりも、傾斜した側面における正極集電体と負極集電体との距離を大きくできる。よって側面で正極集電体と負極集電体とが接触することによる短絡の可能性を低減でき、積層電池の信頼性が向上する。
なお、複数の電池セルの積層方向から見て、露出面の全部が、第２電池セルの傾斜した側面の一部または全部と重なっていても良い。また、第１電池セルと第２電池セルが積層方向に垂直な方向にずれて配置されていてもよい。この場合、複数の電池セルの積層方向から見て、露出面は、第２電池セルと重ならない部分と、第２電池セルの傾斜した側面の一部または全部と重なる部分とを含みうる。
また、例えば、前記積層方向から見て前記露出面と前記側面が重なる位置における、前記集電リードの前記積層方向の厚みと、前記第２電池セルの前記積層方向の厚みの和は、前記積層方向から見て前記側面と重ならない位置における前記第２電池セルの前記積層方向の厚みよりも薄くてもよい。
これにより、露出面上に接続された集電リードの上側に、当該集電リードと接することなく、第２電池セルを積層することができる。すなわち、積層方向からみて集電リードと第２電池セルの傾斜側面とが重なる場合も、集電リードと第２電池セルの傾斜側面は接触しない。よって、積層電池の積層形状が制限されにくくなり、より体積効率の良い積層形状の積層電池とすることが可能となる。
また、例えば、前記積層方向から見て前記露出面と重なる位置において、前記集電リードの前記積層方向の厚みは、前記第２電池セルが備える前記正極集電体の前記積層方向の厚みまたは前記負極集電体の前記積層方向の厚みよりも厚くてもよい。
これにより、大電流で充放電を行う際にも、集電リードの厚みが、集電体の厚みより厚いため、許容電流が大きくなり、電池特性の低下を小さくすることが出来る。
また、例えば、前記複数の電池セルは、電気的に並列または直列に接続されていてもよい。
これにより、並列接続型の積層電池とした場合には、集電リードを利用して安定な充放電を行うことが出来る。また、直列積層型の積層電池とした場合には、集電リードを利用して、積層した個々の電池セルの電圧を監視しながら安全に充放電を行うことが出来る。
また、例えば、前記複数の電池セルは、積層方向から見て、外周位置が一致するように積層されていてもよい。
これにより、各電池セルの外周位置が一致するため、露出面が形成による積層電池の見かけ体積の増加を抑制できる。よって、さらに積層電池の電池容量密度が向上する。
また、例えば、前記複数の電池セルそれぞれの側面は、前記積層方向に対して同一方向に傾斜していてもよい。
これにより、各電池セルの側面の向きが一致するため、側面に封止部材を塗布する場合などに、同一方向から塗布でき、後加工性が向上する。
また、例えば、前記複数の電池セルは、同じ形状であってもよい。
個々の電池セルにおいて、形状を作り分ける必要がなくなる。また、電池セルの側面が積層方向に対して傾斜しているため、電池セルの向きおよび外周位置を揃えて積層するだけで、露出面が形成される。よって、簡易に積層電池が製造される。
また、例えば、前記第１電池セルの前記露出面と、前記第２電池セルとが、導電性材料からなる接合部により接続されていてもよい。
これにより、積層された電池セル間の機械的接合および電気的接合がより強固になり、電池セル間の接続インピーダンスが小さくなることによって、発熱が抑制され、大電流特性が向上した積層電池となる。
以下、本開示の実施の形態が、図面を参照しながら説明される。
なお、以下で説明される実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。
また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
また、本明細書および図面において、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。各実施の形態では、ｚ軸方向を積層電池の積層方向としている。また、本明細書における「厚み」とは、電池セル、集電リード、集電体および各層の積層方向の長さである。また、本明細書において「上面視」とは、積層電池における電池セルの積層方向に沿って積層電池を見た場合を意味する。また、本明細書における「側面」とは、積層電池における積層方向と垂直な方向に交差する面である。また、「積層方向に対して傾斜する側面」とは、例えば、積層電池の積層方向に実質的に平行な面から積層方向に対して傾斜する側面であってもよい。また、本明細書における「積層面」とは、積層方向に交差する面である。「積層面」は、例えば、積層電池の積層方向に実質的に垂直な面であってもよい。
また、本明細書において、積層電池の構成における「上」および「下」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）および下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
（実施の形態１）
図１Ａおよび図１Ｂは、実施の形態１における積層電池１０００の概略構成を示す図である。具体的には、図１Ａは、積層電池１０００の概略構成を示す上面視図であり、積層電池１０００を積層方向の上方から見た場合における積層電池１０００の各構成要素の平面視形状を実線または破線で表している。図１Ｂは、積層電池１０００の概略構成を示す断面図であり、図１ＡのＩ－Ｉ線で示される位置での断面を表している。
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、実施の形態１における積層電池１０００は、複数の電池セル２０００および２１００を有しており、複数の電池セル２０００および２１００が電気的に並列接続されて、積層電池１０００を構成している。また、積層電池１０００は、集電リード５００を備える。
それぞれの電池セル２０００および２１００は、負極集電体２１０、負極活物質層１１０、固体電解質層１３０、正極集電体２２０および正極活物質層１２０を備える。
負極活物質層１１０と正極集電体２２０とは、固体電解質層１３０を介して対向している。
それぞれの電池セル２０００および２１００は、正極集電体２２０、正極活物質層１２０、固体電解質層１３０、負極活物質層１１０および負極集電体２１０が、電池セル２０００の積層方向（ｚ軸方向）の上下いずれかの方向から見て、この順に積層されている。電池セル２０００と電池セル２１００とは、同じ形状であり、断面視した場合に電極の向きが逆転した積層構造である。負極集電体２１０、負極活物質層１１０、固体電解質層１３０、正極集電体２２０および正極活物質層１２０は、それぞれ上面視で矩形である。積層電池１０００は、隣り合う２つの電池セル２０００および２１００が、正極集電体２２０同士または負極集電体２１０同士が接するように、電池セル２０００と電池セル２１００とが交互になるように積層された構造を有する。これにより、積層電池１０００は、複数の電池セル２０００および２１００が電気的に並列接続された並列積層電池となる。
負極活物質層１１０は、例えば、電極材料として負極活物質を含む。負極活物質層１１０は、正極活物質層１２０に対向して配置されている。
負極活物質層１１０に含有される負極活物質としては、例えば、グラファイト、金属リチウムなどの負極活物質が用いられうる。負極活物質の材料としては、リチウム（Ｌｉ）またはマグネシウム（Ｍｇ）などのイオンを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、負極活物質層１１０の含有材料としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられてもよい。無機系固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）および五硫化二リン（Ｐ２Ｓ５）の混合物が用いられうる。また、負極活物質層１１０の含有材料としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバーなどの導電材、または、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられてもよい。
負極活物質層１１０は、例えば、負極活物質層１１０の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、負極集電体２１０の面上に塗工乾燥することにより、作製されうる。負極活物質層１１０の密度を高めるために、乾燥後に、負極活物質層１１０および負極集電体２１０を含む負極板をプレスしておいてもよい。負極活物質層１１０の厚みは、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下であるが、これに限らない。
正極活物質層１２０は、例えば活物質などの正極材料を含む層である。正極材料は、負極材料の対極を構成する材料である。正極活物質層１２０は、例えば、正極活物質を含む。
正極活物質層１２０に含有される正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム複合酸化物（ＬＣＯ）、ニッケル酸リチウム複合酸化物（ＬＮＯ）、マンガン酸リチウム複合酸化物（ＬＭＯ）、リチウム‐マンガン‐ニッケル複合酸化物（ＬＭＮＯ）、リチウム‐マンガン‐コバルト複合酸化物（ＬＭＣＯ）、リチウム‐ニッケル‐コバルト複合酸化物（ＬＮＣＯ）、リチウム‐ニッケル‐マンガン‐コバルト複合酸化物（ＬＮＭＣＯ）などの正極活物質が用いられうる。
正極活物質の材料としては、ＬｉまたはＭｇなどのイオンを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、正極活物質層１２０の含有材料としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられてもよい。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）および五硫化二リン（Ｐ２Ｓ５）の混合物が用いられうる。正極活物質の表面は、固体電解質でコートされていてもよい。また、正極活物質層１２０の含有材料としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバーなどの導電材、または、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられてもよい。
正極活物質層１２０は、例えば、正極活物質層１２０の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、正極集電体２２０の面上に塗工乾燥することにより、作製されうる。正極活物質層１２０の密度を高めるために、乾燥後に、正極活物質層１２０および正極集電体２２０を含む正極板をプレスしておいてもよい。正極活物質層１２０の厚みは、例えば、５μｍ以上３００μｍ以下であるが、これに限らない。
固体電解質層１３０は、負極活物質層１１０と正極活物質層１２０との間に配置される。固体電解質層１３０は、負極活物質層１１０と正極活物質層１２０との各々に接する。固体電解質層１３０は、電解質材料を含む層である。電解質材料としては、一般に公知の電池用の電解質が用いられうる。固体電解質層１３０の厚みは、５μｍ以上３００μｍ以下であってもよく、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
固体電解質層１３０は固体電解質を含んでいてもよい。電池セル２０００および２１００は、例えば、全固体電池であってもよい。
固体電解質としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられうる。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質またはハロゲン化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）および五硫化二リン（Ｐ２Ｓ５）の混合物が用いられうる。なお、固体電解質層１３０は、電解質材料に加えて、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどを含有してもよい。
固体電解質層１３０は、例えば、固体電解質層１３０の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、負極集電体２１０上に形成された負極活物質層１１０上、および／または、正極集電体２２０上に形成された正極活物質層１２０上に、塗工乾燥することにより、作製されうる。また、固体電解質層１３０は、ＰＥＴフィルムのようなキャリアフィルム上に塗工乾燥して形成したのち、負極集電体２１０上に形成された負極活物質層１１０上、および／または、正極集電体２２０上に形成された正極活物質層１２０上に、移して積層してもよい。
実施の形態１における電池セル２０００および２１００では、負極活物質層１１０、正極活物質層１２０および固体電解質層１３０は平行平板状に維持されている。これにより、湾曲による割れまたは崩落の発生を抑制することができる。なお、負極活物質層１１０、正極活物質層１２０および固体電解質層１３０を合わせて滑らかに湾曲させてもよい。
負極集電体２１０と正極集電体２２０とはそれぞれ、導電性を有する部材である。負極集電体２１０と正極集電体２２０とはそれぞれ、例えば、導電性を有する薄膜であってもよい。負極集電体２１０と正極集電体２２０とを構成する材料としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属が用いられうる。
負極集電体２１０は、負極活物質層１１０に接して配置される。負極集電体２１０としては、例えば、ＳＵＳ箔、Ｃｕ箔などの金属箔が用いられうる。負極集電体２１０の厚みは、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下であるが、これに限らない。なお、負極集電体２１０は、負極活物質層１１０に接する部分に、例えば、導電性材料を含む層である集電体層を備えてもよい。
正極集電体２２０は、正極活物質層１２０に接して配置される。正極集電体２２０としては、例えば、ＳＵＳ箔、Ａｌ箔などの金属箔が用いられうる。正極集電体２２０の厚みは、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下であるが、これに限らない。なお、正極集電体２２０は、正極活物質層１２０に接する部分に、例えば、導電性材料を含む層である集電体層を備えてもよい。
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、実施の形態１における積層電池１０００は、複数の電池セル２０００および２１００が積層された構造を有する。電池セル２０００および２１００の側面３５０は、積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して、積層方向の上側（ｚ軸の正方向）が狭くなるように傾斜している。電池セル２０００および２１００は、積層方向から見て、正極集電体２２０の面積と負極集電体２１０の面積とが異なる。電池セル２０００の側面３５０は、積層方向から見て正極集電体２２０の端部が負極集電体２１０の端部より内側となるように、直線状に傾斜している。また、電池セル２１００の側面３５０は、積層方向から見て負極集電体２１０の端部が正極集電体２２０の端部より内側となるように傾斜している。複数の電池セル２０００および２１００のそれぞれの側面３５０は、積層方向に対して同一方向に傾斜している。図１Ｂに示される複数の電池セル２０００および２１００の形状が同じであり、断面形状が台形である。なお、積層電池１０００は、すべての側面３５０が、積層方向に対して傾斜しているが、すべての側面３５０が傾斜していなくてもよい。
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、複数の電池セル２０００および２１００に含まれる隣り合う２つの電池セル２０００および２１００のうち、一方の電池セル（以下、第１電池セルと呼ぶ）２０００または２１００は、他方の電池セル（以下、第２電池セルと呼ぶ）２０００または２１００と対向する面において、第２電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有する。具体的には、最下層および最上層の電池セル２０００および２１００以外の各電池セル２０００および２１００の負極集電体２１０は、当該負極集電体２１０と隣り合う電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有している。また、各電池セル２０００および２１００の正極集電体２２０は、当該正極集電体２２０と隣り合う電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有している。
図１Ｂは、積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜した側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００および２１００が、積層方向から見て外周位置が一致するように積層されることによって、積層電池１０００が構成されている部分の一例を示す断面模式図である。
側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００および２１００を、外周位置が一致するように積層することで、露出面３００が形成されている。露出面３００上には、電池セル２０００および２１００が存在しない積層空間４００が形成されている。
積層空間４００を利用して、各電池セル２０００および２１００の負極集電体２１０または正極集電体２２０の露出面３００上に集電リード５００が接続されている。集電リード５００は、充放電、端子間電圧の監視などに利用される導線であり、複数の電池セル２０００および２１００が電気的に並列に接続された積層電池１０００においては、主に充放電に利用される。図１Ａおよび図１Ｂにおいて、集電リード５００の形状は、平板状であるが、集電リード５００の形状に特に制限は無く、円柱状など他の形状であってもよい。集電リード５００の厚みは、集電リード５００が接続された電池セル２０００または２１００の露出面３００側に隣接する電池セル２０００または２１００の厚みよりも薄い。これにより、図１Ｂに示されるように、電池セル２０００および２１００の外周位置が一致するように積層した場合でも、電池セル２０００および２１００に邪魔されることなく露出面３００上に集電リード５００が接続される。また、集電リード５００の厚みは、正極集電体２２０および負極集電体２１０よりも厚い。これにより、集電リード５００の許容電流が大きくなり、電池特性の低下を小さくすることが出来る。なお、集電リード５００の厚みは、集電リード５００の積層方向の長さである。
集電リード５００を構成する材料としては、例えば、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、銅などの金属が用いられうる。集電リード５００の接続方法は特に限定されるものではなく、例えば接着や溶接などの工法を用いることが出来る。集電リード５００は、導電性を有する接着剤または接着テープを介して集電体に接続されてもよい。短絡防止のため、集電リード５００のうち集電体に接続されない部分には、表面が絶縁処理されていてもよい。
露出面３００上の積層空間４００を用いた集電リード５００の接続方法によれば、電池容量には寄与しない、集電リードを接続するためのリード層の挿入などによる積層方向の寸法増加無しに集電リード５００を接続できるメリットがある。積層面内方向には、露出面３００上の積層空間４００相当のスペースが必要になる。つまり、電池セル２０００が、露出面３００を有することにより、電池として機能しない積層空間４００が形成されるため、積層電池１０００の有効体積が減少する。しかし、特に積層電池が大判になれば、電池容量に寄与しない層による積層方向の寸法増加が少ないことが、積層電池の電池容量密度確保に対して重要となり、積層面内方向の小さなスペース確保が電池容量密度に及ぼす影響は、積層方向の寸法増加が電池容量密度に及ぼす影響より小さい。積層方向の厚みが積層面内方向の辺長さと比較して小さいほど、本実施の形態における積層電池１０００は、有効である。積層方向の寸法増加無しに、集電体より厚みの厚い集電リード５００を直接集電体に接続できるので、充放電時の抵抗ロスおよび発熱が小さく、大電流特性にも優れた高容量並列積層電池を得ることが出来る。
また、電池セル２０００および２１００の側面３５０が積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜しているため、積層方向から見た、積層された複数の電池セル２０００および２１００の外周位置を揃えることで、容易に露出面３００が形成される。さらに、電池セル２０００および２１００の側面３５０が積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜することで、正極集電体２２０と負極集電体２１０との積層方向（ｚ軸方向）の距離よりも、側面３５０における正極集電体２２０と負極集電体２１０との距離を大きくできるので、側面３５０での短絡リスクを大幅に低減できる。
図１Ａおよび図１Ｂで示される積層電池１０００の場合、集電リード５００が接続される露出面３００の幅（ｘ軸方向の幅）は、例えば、集電リード５００を接続するための領域を確保する観点からは、０．２ｍｍ以上であるとよい。また、電池容量の確保の観点からは、ｘ軸方向の電池セル２０００の幅に対して、露出面３００の幅が、例えば、５％以下であるとよく、１％以下であってもよい。
側面３５０の積層方向に対する角度は、積層電池１０００の大きさ、目的とする露出面３００の幅などに応じて設定すればよく、特に制限されないが、側面３５０における正極集電体２２０と負極集電体２１０との距離を大きくする観点からは、３０度以上であるとよい。また、側面３５０の積層方向に対する角度は、電池容量に寄与する正極活物質層１２０または負極活物質層１１０の体積を確保する観点からは、６０度以下であるとよい。
積層方向に対して傾斜した側面３５０を有する電池セル２０００および２１００は、例えば、次の方法により製造される。まず、上述の正極集電体２２０、正極活物質層１２０、固体電解質層１３０、負極活物質層１１０および負極集電体２１０をこの順で、積層方向から見て同じ位置および形状となるように積層する。これにより、側面が積層方向に対して傾斜していない加工前の電池セルが得られる。さらに、加工前の電池セルは、正極集電体２２０および負極集電体２１０の外側から加圧されてもよい。得られた加工前の電池セルを、刃、ドリル、レーザ光などにより、電池セルの側面が積層方向に対して傾斜するように切断することで、積層方向に対して傾斜した側面３５０を有する電池セル２０００および２１００が得られる。
積層電池１０００は、例えば、（１）事前に各電池セル２０００および２１００の露出面３００となる場所に集電リード５００を接続しておき、図１Ａおよび図１Ｂで示される積層構造となるように、集電リード５００が接続された各電池セル２０００および２１００を、積層方向から見た各電池セル２０００および２１００の外周位置が同じになるように積層することによって製造される。また、積層電池１０００は、（２）図１Ａおよび図１Ｂで示される積層構造となるように複数の電池セル２０００および２１００を積層方向から見た各電池セル２０００および２１００の外周位置が同じになるように積層し、すべての電池セル２０００および２１００を積層した後に、形成された露出面３００上に集電リード５００を接続することにより製造されてもよい。また、積層電池１０００は、（３）電池セル２０００および２１００の外周位置が同じになるように積層することと、積層された電池セル２０００および２１００の露出面３００上に集電リード５００を接続することとを繰り返して、図１Ａおよび図１Ｂで示される積層構造を形成することにより製造されてもよい。
上記の（１）～（３）の方法は、目的とする積層構造に応じて適した方法を選択すればよく、上記の（１）～（３）の方法を組み合わせて積層電池１０００を製造してもよい。例えば、電池セル２０００および２１００を積層後に、露出面３００上に集電リード５００を接続しにくい位置となる積層構造の場合には、上記の（１）の方法を用いて製造し、電池セル２０００および２１００を積層後に、露出面３００上に集電リード５００を接続しやすい位置となる積層構造の場合には、上記の（２）または（３）の方法を用いて製造する。
積層電池１０００は、封止ケースに内包させてもよい。封止ケースにはラミネート袋、金属缶、樹脂ケースなどを用いることが出来るがその限りではない。封止によって積層電池１０００が水分によって劣化することを抑制できる。
（変形例）
以下では、実施の形態１の複数の変形例について説明する。なお、以下の複数の変形例の説明において、実施の形態１との相違点または変形例間での相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。
［変形例１］
図２Ａおよび図２Ｂは、実施の形態１の変形例１における積層電池１１００の概略構成を示す断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、実施の形態２における積層電池１１００は、複数の電池セル２０００を有しており、複数の電池セル２０００が電気的に直列接続されて、積層電池１１００を構成している。積層電池１１００は、実施の形態１における積層電池１０００と比較して、複数の電池セル２０００が電気的に直列接続されている点が異なり、直列接続であるため、電極の向きが電池セル２０００と逆転した電池セル２１００を含まない。
それぞれの電池セル２０００は、負極集電体２１０、負極活物質層１１０、固体電解質層１３０、正極集電体２２０および正極活物質層１２０を備える。
電池セル２０００は、正極集電体２２０、正極活物質層１２０、固体電解質層１３０、負極活物質層１１０および負極集電体２１０が、電池セル２０００の積層方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順で積層された構造を有する。積層電池１１００は、隣り合う２つの電池セル２０００が、第１電池セル２０００の正極集電体２２０と第２電池セル２０００の負極集電体２１０とが接するように積層されている。これにより、積層電池１１００は、複数の電池セル２０００が電気的に直列接続された直列積層電池となる。
図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、複数の電池セル２０００に含まれる隣り合う２つの電池セル２０００のうち、第１電池セル２０００は、第２電池セル２０００と対向する面において、第２電池セル２０００とは接しない露出面３００を有する。具体的には、最下層の電池セル２０００以外の各電池セル２０００の負極集電体２１０は、当該電池セル２０００と隣り合う電池セル２０００とは接しない露出面３００を有している。また、最上層の電池セル２０００以外の各電池セル２０００の正極集電体２２０は、当該電池セル２０００と隣り合う電池セル２０００とは接しない露出面３００を有している。
実施の形態１の場合と同様に、図２Ｂは、積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜した側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００が、外周位置が一致するように積層されることによって、積層電池１１００が構成されている部分の一例を示す断面模式図である。
側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００を、外周位置が一致するように積層することで、露出面３００が形成されている。露出面３００上には、電池セル２０００が存在しない積層空間４００が形成されている。
積層空間４００を利用して、各電池セル２０００の負極集電体２１０または正極集電体の露出面３００上に集電リード５００が接続されている。複数の電池セル２０００が電気的に直列に接続された積層電池１１００においては、集電リード５００は、主に端子間電圧の監視に利用される。
露出面上の積層空間４００を用いた集電リード５００の接続方法によれば、実施の形態１と同様に、電池容量には寄与しない、集電リードを接続するためのリード層の挿入などによる積層方向の寸法増加無しに集電リード５００を接続できるメリットがある。積層面内方向には露出面３００上の積層空間４００相当のスペースが必要になる。つまり、電池セル２０００が、露出面３００を有することにより、電池として機能しない積層空間４００が形成されるため、積層電池１０００の有効体積が減少する。しかし、特に積層電池が大判になれば、電池容量に寄与しない層による積層方向の寸法増加が少ないことが、積層電池の電池容量密度確保に対して重要となり、積層面内方向の小さなスペース確保が電池容量密度に及ぼす影響は、積層方向の寸法増加が電池容量密度に及ぼす影響より小さい。積層方向の厚みが積層面内方向の辺長さと比較して小さいほど、本変形例における積層電池１１００は、有効である。積層方向の寸法増加無しに電池セル２０００の端子間電圧が監視可能となるため、安全性に優れた高容量直列積層電池を得ることが出来る。
［変形例２］
図３は、実施の形態１の変形例２における積層電池１２００の概略構成を示す断面図である。
図３に示されるように、実施の形態１の変形例２における積層電池１２００は、複数の電池セル２０００および２１００を有しており、複数の電池セル２０００および２１００が電気的に接続されて、積層電池１２００を構成している。積層電池１２００は、実施の形態１における積層電池１０００と比較して、複数の電池セル２０００および２１００が並列接続と直列接続とを組み合わせて電気的に接続されている点が異なる。そのため、積層電池１０００と積層電池１２００とでは、複数の電池セル２０００および２１００の積層順が異なっている。
それぞれの電池セル２０００および２１００は、負極集電体２１０、負極活物質層１１０、固体電解質層１３０、正極集電体２２０および正極活物質層１２０を備える。
図３においては、複数の電池セル２０００および２１００が並列接続と直列接続とを組み合わせて電気的に接続されている。２つの電池セル２０００が隣り合う部分、および、２つの電池セル２１００が隣り合う部分は、正極集電体２２０と負極集電体２１０とが接するように積層されていることにより直列接続となる。電池セル２０００と電池セル２１００とが隣り合う部分は、負極集電体２１０同士または正極集電体２２０同士が接するように積層されていることにより並列接続となる。
図３に示されるように、複数の電池セル２０００および２１００に含まれる隣り合う２つの電池セル２０００および／または２１００のうち、第１電池セル２０００または２１００は、第２電池セル２０００または２１００と対向する面において、第２電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有する。具体的には、最下層の電池セル２０００および最上層の電池セル２１００以外の各電池セル２０００および２１００の負極集電体２１０は、当該負極集電体２１０と隣り合う電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有している。また、各電池セル２０００および２１００の正極集電体２２０は、当該正極集電体２２０と隣り合う電池セル２０００または２１００とは接しない露出面３００を有している。
実施の形態１の場合と同様に、図３は、積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜した側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００および２１００が、外周位置が一致するように積層されることによって、積層電池１０００が構成されている部分の一例を示す断面模式図である。
側面３５０を有し、同じ形状の複数の電池セル２０００および２１００を、外周位置が一致するように積層することで、露出面３００が形成されている。露出面３００上には、電池セル２０００および２１００が存在しない積層空間４００が形成されている。
積層空間４００を利用して、各電池セル２０００および２１００の負極集電体２１０または正極集電体２２０の露出面３００上に集電リード５００が接続されている。
露出面３００上の積層空間４００を用いた集電リード５００の接続方法によれば、電池容量には寄与しない、集電リードを接続するためのリード層の挿入などによる積層方向の寸法増加無しに集電リード５００を接続できるメリットがある。積層面内方向には、露出面３００上の積層空間４００相当のスペースが必要になる。つまり、電池セル２０００および２１００が、露出面３００を有することにより、電池として機能しない積層空間４００が形成されるため、積層電池１０００の有効体積が減少する。しかし、特に積層電池が大判になれば、電池容量に寄与しない層による積層方向の寸法増加が少ないことが、積層電池の電池容量密度確保に対して重要となり、積層面内方向の小さなスペース確保が電池容量密度に及ぼす影響は、積層方向の寸法増加が電池容量密度に及ぼす影響より小さい。積層方向の厚みが積層面内方向の辺長さと比較して小さいほど、本変形例における積層電池１２００は、有効である。集電体より厚みの大きな集電リード５００を直接集電体に接続できるので、大電流特性に優れ、電池セルの端子間電圧も監視可能な、並列接続と直列接続とを組み合わせた優れた高容量積層電池を得ることが出来る。
［変形例３］
図４Ａおよび図４Ｂは、実施の形態１の変形例３における積層電池１３００の概略構成を示す図である。具体的には、図４Ａは、積層電池１３００の概略構成を示す上面視図であり、積層電池１３００を積層方向の上方から見た場合における積層電池１３００の各構成要素の平面視形状を実線または破線で表している。図４Ｂは、積層電池１３００の概略構成を示す断面図であり、図４ＡのＩＶ－ＩＶ線で示される位置での断面を表している。
図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、実施の形態１の変形例３における積層電池１３００は、複数の電池セル２２００を有しており、複数の電池セル２２００が電気的に並列接続されて、積層電池１３００を構成している。積層電池１３００は、実施の形態１の変形例１における積層電池１１００と比較して、積層される電池セルの形状が異なる。
電池セル２２００は、実施の形態１における電池セル２０００と同様に、正極集電体２２０、正極活物質層１２０、固体電解質層１３０、負極活物質層１１０および負極集電体２１０が、電池セルの積層方向（ｚ軸方向）に沿ってこの順に積層された構造を有する。
図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、積層電池１３００は、複数の電池セル２２００が積層されており、電池セル２２００のｘ軸方向から見て正面となる２つの側面３６０が、積層主面の法線（積層方向、ｚ軸方向）に対して傾斜している。複数の電池セル２２００は同じ形状である。電池セル２２００は、２つの側面３６０の傾斜する角度が同じであり、ｘ軸方向の幅が一定となる形状である。複数の電池セル２２００は、積層方向から見て、複数の電池セル２２００の外周位置が同じとなるように積層されている。図４Ｂに示される電池セル２２００の断面形状は、平行四辺形である。
図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、複数の電池セル２２００に含まれる隣り合う２つの電池セル２２００のうち、第１電池セル２２００は、第２電池セル２２００と対向する面において、第２電池セル２２００とは接しない露出面３００を有する。具体的には、最下層の電池セル２２００以外の各電池セル２２００の負極集電体２１０は、当該負極集電体２１０と隣り合う電池セル２２００とは接しない露出面３００を有している。また、最上層の電池セル２２００以外の各電池セル２２００の正極集電体２２０は、当該正極集電体２２０と隣り合う電池セル２２００とは接しない露出面３００を有している。
側面３６０を有し、同じ形状の、複数の電池セル２２００を、外周位置が一致するように積層することで、露出面３００が形成されている。露出面３００上には、電池セル２２００が存在しない積層空間４００が形成されている。
積層空間４００を利用して、各電池セル２２００の負極集電体２１０または正極集電体の露出面３００上に集電リード５００が接続されている。
（実施の形態２）
以下では、実施の形態２について説明する。なお、以下の説明において、上述の実施の形態１および各変形例との相違点を中心に説明し、共通点の説明を適宜、省略または簡略化する。
上述の実施の形態１および各変形例において示した各々の積層電池は、更に封止部材７００を配置することが出来る。図５、図６、図７および図８には、封止部材７００を配置した積層電池の例が示されている。図５、図６、図７および図８は、それぞれ、実施の形態２における積層電池１４００～１７００の概略構成を示す断面図である。具体的には、図５には、実施の形態１における積層電池１０００の外周に封止部材７００が配置された積層電池１４００が示されている。図６には、実施の形態１の変形例１における積層電池１１００の外周に封止部材７００が配置された積層電池１５００が示されている。図７には、実施の形態１の変形例２における積層電池１２００の外周に封止部材７００が配置された積層電池１６００が示されている。図８には、実施の形態１の変形例１における積層電池１１００を構成するそれぞれの電池セル２０００の外周に封止部材７００が配置された積層電池１７００が示されている。
封止部材７００は、例えば、電気絶縁材料を用いて形成されている。封止部材７００は、積層空間４００を維持するスペーサとしても機能する。
例えば、封止部材７００は、第１材料を含む部材である。封止部材７００は、例えば、第１材料を主成分として含む部材であってもよい。封止部材７００は、例えば、第１材料のみからなる部材であってもよい。
第１材料としては、例えば封止剤などの一般に公知の電池の封止部材の材料が用いられうる。第１材料としては、例えば、樹脂材料が用いられうる。なお、第１材料は、絶縁性であり、かつ、イオン伝導性を有さない材料であってもよい。例えば、第１材料は、エポキシ樹脂とアクリル樹脂とポリイミド樹脂とシルセスキオキサンとのうちの少なくとも１種であってもよい。
封止部材７００は、粒子状の金属酸化物材料を含んでもよい。金属酸化物材料としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化鉄、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、ゼオライト、ガラスなどが用いられうる。例えば、封止部材７００は、金属酸化物材料からなる複数の粒子が分散された樹脂材料を用いて形成されていてもよい。
金属酸化物材料の粒子サイズは、負極集電体２１０と正極集電体２２０との間隔以下であればよい。金属酸化物材料の粒子形状は、正円状（球状）、楕円球状、棒状などであってもよい。
封止部材７００を配置することで、機械的強度向上、短絡防止、防湿などの点で、積層電池の信頼性を向上させることが出来る。また、封止部材７００が積層空間４００に入り込む構造となるため、積層空間４００が無い場合に比べて、封止部材７００が剥離しにくく、強固に封止された積層電池となる。
図５、図６および図７に示される積層電池１４００～１６００は、例えば、積層電池１０００～１２００に封止部材７００を塗布することにより製造されうる。積層電池１０００～１２００を構成する電池セル２０００および２１００は、積層方向に対して傾斜した側面３５０を有するため、塗布時に封止部材７００が側面３５０上から流れ落ちにくく、固定されやすい。そのため、電池セル２０００および２１００の上方または斜め上方からディスペンサーまたはインクジェットを用いて封止部材７００を塗布することができ、封止部材７００を容易に精度よく配置することができる。
また、図８に示される積層電池１７００は、例えば、電池セル２０００に封止部材７００を塗布して、封止部材７００が塗布された電池セル２３００とし、電池セル２３００を積層することにより製造されうる。電池セル２０００が積層方向に対して傾斜した側面３５０を有するため、個別の電池セル２０００の上方または斜め上方からディスペンサーまたはインクジェットを用いて個別に封止部材７００を塗布することができる。
（実施の形態３）
以下では、実施の形態３について説明する。なお、以下の説明において、上述の実施の形態１、実施の形態２および各変形例との相違点を中心に説明し、共通点の説明を適宜、省略または簡略化する。
図９は、実施の形態３における積層電池１８００の概略構成を示す断面図である。具体的には、図９には、実施の形態１における積層電池１０００と同じ構造を有する積層電池に接合部８００が形成された積層電池１８００が示されている。
図９に示されるように、隣り合う２つの電池セル２０００および２１００は、第１電池セル２０００または２１００の露出面３００と、第２電池セル２０００または２１００とが、導電性材料からなる接合部８００により接続されている。具体的には、隣り合う２つの電池セル２０００および２１００のうち、第１電池セル２０００または２１００の露出面３００と、第２電池セル２０００または２１００の負極集電体２１０または正極集電体２２０とが、接合部８００により接続されている。
接合部８００は、導電性材料により露出面３００と集電体とを接合していればよい。接合部８００を構成する導電性材料としては、導電性が高い材料であれば特に制限は無いが、銀、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、銅などの金属が用いられうる。また、導電性材料としては、導電性の接着剤が用いられてもよい。接合部８００は、例えば、接合部８００が接続する露出面３００および集電体を、導電性材料を介して溶接されることにより形成されてもよく、接合部８００が接続する露出面３００および集電体の一部を融かすことにより形成されてもよい。
積層電池１８００は、接合部８００が形成されていることにより、電池セル２０００および２１００間の機械的接合および電気的接合がより強固になり、電池セル２０００および２１００間の接続インピーダンスが小さくなることによって、発熱の抑制や、大電流特性の向上などの効果を得ることが出来る。
（他の実施の形態）
以上、本開示に係る積層電池について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
例えば、上記実施の形態では、複数の電池セルは、積層方向から見て、外周位置が一致するように積層されていたが、これに限らない。複数の電池セルは、露出面の位置および形状を調整するために、積層方向に対して垂直な方向にずれて積層されてもよい。
また、上記実施の形態では、すべての複数の電池セルは、電池セルの側面が積層方向に傾斜し、露出面を有していたが、これに限らない。目的とする集電リードの接続箇所に応じて、側面が傾斜していない電池セルが積層されていてもよく、露出面を有しない電池セルが積層されていてもよい。
また、上記実施の形態では、電池セルの上面視の形状は矩形であったが、これに限らない。電池セルの上面視の形状は、円形、楕円形または多角形であってもよい。
また、上記実施の形態では、電池セルの側面は直線状に傾斜していたが、これに限らない。電池セルの側面は、曲線状の傾斜を有していてもよく、側面の一部の傾斜角度が変化していてもよい。また、電池セルの側面は、正極集電体または負極集電体の側面を含んでいれば、側面の一部のみが傾斜している形状であってもよい。
また、上記実施の形態では、すべての電池セルが、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が積層された構造を有していたが、これに限らない。隣り合う２つの電池セルは、１つの集電体の両面に他の層を積層した構造とすることで、同一の集電体が用いられてもよい。隣り合う２つの電池セルにおいて同一の集電体を用いる場合には、隣り合う２つの電池セルが対向する面において、面積が大きくなる電池セルの集電体が、同一の集電体として用いられる。
また、上記実施の形態では、集電リードの厚みは一定であったが、これに限らない。集電リードは、露出面上以外の部分においては、目的によって集電リードの厚みを厚くするなど、集電リードの厚みを変化させてもよい。
また、上記実施の形態では、積層電池を構成する各電池セルの露出面に集電リードが接続されていたが、これに限らない。積層電池には、露出面に集電リードが接続されない電池セルが含まれていてもよい。例えば、集電リードが接続されない露出面は、外部から端子等を接触させるための面、識別等のマークの表示面等として活用してもよい。
本開示に係る積層電池は、電子機器、電気器具装置、電気車両などの電池として、利用されうる。
１１０ 負極活物質層
１２０ 正極活物質層
１３０ 固体電解質層
２１０ 負極集電体
２２０ 正極集電体
３００ 露出面
３５０、３６０ 側面
４００ 積層空間
５００ 集電リード
７００ 封止部材
８００ 接合部
１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００ 積層電池
２０００、２１００、２２００、２３００ 電池セル

Claims (9)

  1. 積層された複数の電池セルと、
    集電リードと、を備え、
    前記複数の電池セルそれぞれは、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、および負極集電体がこの順で積層された構造を有し、
    前記複数の電池セルは、互いに隣り合う第１電池セルおよび第２電池セルを含み、
    前記複数の電池セルのうち少なくとも前記第２電池セルは、前記複数の電池セルの積層方向に対して傾斜する側面を有し、
    前記第１電池セルは、前記第２電池セルと対向する面を有し、
    前記第２電池セルと対向する前記面は、前記第２電池セルとは接しない露出面を含み、
    前記積層方向から見て、前記露出面の少なくとも一部は、前記第２電池セルの前記側面の少なくとも一部と重なり、
    前記集電リードは、前記露出面上に接続されている、
    積層電池。
  2. 前記積層方向から見て前記露出面と前記側面が重なる位置における、前記集電リードの前記積層方向の厚みと、前記第２電池セルの前記積層方向の厚みの和は、前記積層方向から見て前記側面と重ならない位置における前記第２電池セルの前記積層方向の厚みよりも薄い、
    請求項１に記載の積層電池。
  3. 前記積層方向から見て前記露出面と重なる位置において、前記集電リードの前記積層方向の厚みは、前記第２電池セルが備える前記正極集電体の前記積層方向の厚みまたは前記負極集電体の前記積層方向の厚みよりも厚い、
    請求項１または２に記載の積層電池。
  4. 前記複数の電池セルは、電気的に並列または直列に接続されている、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の積層電池。
  5. 前記複数の電池セルは、積層方向から見て、外周位置が一致するように積層されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の積層電池。
  6. 前記複数の電池セルそれぞれの側面は、前記積層方向に対して同一方向に傾斜している、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の積層電池。
  7. 前記複数の電池セルは、同じ形状である、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の積層電池。
  8. 前記第１電池セルの前記露出面と、前記第２電池セルとが、導電性材料からなる接合部により接続されている、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の積層電池。
  9. 前記露出面は、前記第１電池セルが備える前記正極集電体の面または前記負極集電体の面である、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の積層電池。
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