JP7433099B2 - ラミネート型固体電池 - Google Patents
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Description
本発明は、ラミネート型固体電池に関する。
近年、高容量、高出力の二次電池の需要の急速な拡大に対し、例えば、リチウムイオン二次電池のような電解質電池が提供されている。リチウムイオン二次電池は、例えば、携帯電話や電動車両の電源として用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを存在させ、液体の電解質が充填された構造を有する。
二次電池から高電圧を得るためには、複数の単電池を直列に接続する必要がある。しかし、リチウムイオン二次電池は液体の電解質を有するため、電解液が接触して短絡することを防止する必要がある。従って、単電池をそれぞれ異なるセルに収容するか、単電池同士の絶縁性を確保する必要がある（例えば、特許文献１参照）。
リチウムイオン二次電池等の液体の電解質を有する電池の直列化には、絶縁部材等が必要となるため、部品数が増加し製造コストが増加すると共に、セルも大型化する問題がある。一方、固体の電解質を有する固体電池は、電解質同士の接触による短絡の恐れがなく、単一セルに複数の電池を収容し、直列化することが可能である。しかし、複数の固体電池の直列化に関する構造は、検討されていないのが現状であった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高電圧が得られると共に設置スペースを縮小できるラミネート型固体電池を提供することを目的とする。
（１） 本発明は、複数の単位固体電池を有し、前記複数の単位固体電池は、それぞれ正極と、負極と、固体電解質と、を有し、前記複数の単位固体電池は、電気的に直列に接続され、単一のラミネートセルに収容される、ラミネート型固体電池に関する。
（１）の発明によれば、高電圧が得られると共に設置スペースを縮小できるラミネート型固体電池を提供できる。
（２） 前記複数の単位固体電池は、前記ラミネートセルの内部で、電気的に直列に接続される、（１）に記載のラミネート型固体電池。
（２）の発明によれば、複数の単位固体電池の接続箇所をラミネートセルの内部に設けたため、固体電池の設置スペースを更に縮小できる。
（３） 前記正極のいずれかと電気的に接続される正極タブと、前記負極のいずれかと電気的に接続される負極タブと、を有し、前記正極タブ及び負極タブは、前記ラミネートセルの同一の側面から外部に向けて延出する、（１）又は（２）に記載のラミネート型固体電池。
（３）の発明によれば、正極タブ及び負極タブがラミネートセルの同一の側面から延出するため、固体電池の設置スペースを更に縮小できる。
（４） 平面視で少なくとも一部が重複した位置に配置されて電気的に接続される、少なくとも１組の前記正極及び負極を有する、（１）から（３）のいずれかに記載のラミネート型固体電池。
（４）の発明によれば、正極と負極を容易に接続できるため、固体電池の製造コストを低減できる。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るラミネート型固体電池を示す模式図である。本実施形態に係るラミネート型固体電池１００は、図１に示すように、２個の単位固体電池１０及び１０ａと、ラミネートセル１０４と、正極タブ１０６と、負極タブ１０７と、を有する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るラミネート型固体電池を示す模式図である。本実施形態に係るラミネート型固体電池１００は、図１に示すように、２個の単位固体電池１０及び１０ａと、ラミネートセル１０４と、正極タブ１０６と、負極タブ１０７と、を有する。
２個の単位固体電池１０及び１０ａは、それぞれ正極１０１及び１０１ａと、負極１０２及び１０２ａと、上記正極及び負極の間に存在する固体電解質１０３と、を有する。２個の単位固体電池１０及び１０ａは、溶着部１０５により電気的に直列に接続され、ラミネートセル１０４に収容される。２個の単位固体電池１０及び１０ａの間には、必要に応じてセパレータが配置されていてもよい。
正極１０１及び１０１ａ、並びに負極１０２及び１０２ａは、特に限定されず、固体電池の正極又は負極として用いられる通常の構成を使用できる。上記正極及び負極は、集電体、活物質、固体電解質等を含み、任意に、導電助剤や結着剤等を含んでいてもよい。上記正極及び負極は、例えば層状に形成される。この場合、上記正極及び負極は、正極層及び負極層の集電を行う集電体が延出され、他の単位固体電池や後述する電極タブと接続される箇所を示すものとする。
上記集電体の材料としては、特に制限されないが、例えば正極集電体としては例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス、ニッケル、鉄、チタン等が挙げられる。負極集電体としては、例えばニッケル、銅、ステンレス等が挙げられる。上記集電体の形状としては、例えば、箔状、板状等が挙げられる。
上記正極に含まれる正極活物質としては、特に制限されず、電荷移動媒体を放出及び吸蔵することができる公知の材料を適宜選択して用いることができる。例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、異種元素置換Ｌｉ－Ｍｎスピネル、リン酸金属リチウム等が挙げられる。
上記負極に含まれる負極活物質としても同様に、特に制限されず、電荷移動媒体を吸蔵及び放出することができる公知の材料を適宜選択して用いることができる。例えば、チタン酸リチウム等のリチウム遷移金属酸化物、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３及びＷＯ３等の遷移金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、並びにグラファイト、ソフトカーボン及びハードカーボン等の炭素材料、並びに金属リチウム、金属インジウム及びリチウム合金等が挙げられる。
本実施形態に係る単位固体電池１０の正極１０１と負極１０２とは、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、平面視でラミネートセル１０４の対向する辺に配置される。同様に、単位固体電池１０ａにおける正極１０１ａと負極１０２ａとは、平面視でラミネートセル１０４の対向する辺に配置される。負極１０２と正極１０１ａとは、平面視でラミネートセル１０４の同一の側面に、少なくとも一部が重複した位置に配置される。正極１０１と負極１０２ａとは、平面視でラミネートセル１０４の同一の側面に、重複しない位置に配置される。
図１（Ｂ）における矢印ｙ１及びｙ２は、それぞれ単位固体電池１０及び１０ａにおいて、電流の流れる方向を模式的に示したものである。矢印ｙ１で示すように、単位固体電池１０において、負極１０２から正極１０１に向けて電流が流れる。矢印ｙ２で示すように、単位固体電池１０ａにおいて、負極１０２ａから正極１０１ａに向けて電流が流れる。上記正極と負極との配置により、固体電解質１０３内で均一に電荷移動媒体が伝達される。
固体電解質１０３は、上記正極及び負極の間に配置される。固体電解質１０３は、上記正極に含まれる正極活物質及び上記負極に含まれる負極活物質の間の電荷移動媒体を伝導させる。このような固体電解質１０３としては、特に制限されず、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、窒化物固体電解質材料、ハロゲン化物固体電解質材料等を用いることができる。固体電解質１０３は、上記正極及び負極が層状に形成される場合、同様に層状に形成できる。
ラミネートセル１０４は、内部に単位固体電池１０及び１０ａを収容する。ラミネートセル１０４は、例えば、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）等からなる金属層に対し、外側にポリオレフィン等の熱融着性樹脂層が積層された多層構造を有する。ラミネートセル１０４は、上記以外に、ナイロン等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル等からなる層、任意のラミネート接着剤等からなる接着層等を有していてもよい。
ラミネートセル１０４は、例えば１枚の矩形のラミネートシートを、単位固体電池１０及び１０ａを挟むように折り曲げて、単位固体電池１０及び１０ａの外側でヒートシール法等によりシールされることで、単位固体電池１０及び１０ａを内部に収容する。
溶着部１０５は、単位固体電池１０と単位固体電池１０ａとを電気的に直列に接続する。本実施形態では、溶着部１０５は、単位固体電池１０の負極１０２と、単位固体電池１０ａの正極１０１ａとを電気的に接続する。溶着部１０５は、例えば、負極１０２と正極１０１ａとを振動溶着、超音波溶着等により溶着することで形成される。図１（Ａ）及び（Ｄ）に示すように、負極１０２と正極１０１ａとは、平面視で少なくとも一部が重複する位置に配置される。これにより、負極１０２と正極１０１ａとを、別途部材を要さずに直接溶着することができる。負極１０２と正極１０１ａとの溶着は、別途クラッド材等の導電性部材を介して行ってもよい。
溶着部１０５は、ラミネートセル１０４の内部に形成される。これにより、ラミネート型固体電池１００をコンパクトに構成でき、設置スペースを低減できる。また、溶着部１０５は別途部材を要さずに形成できるため、ラミネート型固体電池１００の製造コストを低減できる。
正極タブ１０６及び負極タブ１０７は、正極及び負極における正極集電体又は負極集電体と電気的に接続される。本実施形態において、正極タブ１０６は正極１０１における正極集電体と電気的に接続され、負極タブ１０７は負極１０２ａにおける負極集電体と電気的に接続される。図１（Ａ）～（Ｃ）に示すように、正極タブ１０６及び負極タブ１０７は、ラミネートセル１０４の同一の側面から、ラミネートセル１０４の外部に向けて延出する。なお、図１（Ａ）上、正極タブ１０６及び負極タブ１０７は、ラミネートセル１０４の厚さ方向中央部に配置され、それぞれ正極１０１及び１０１ａから水平方向に延出しているが、正極タブ１０６及び負極タブ１０７は用途に応じて任意に変形させて用いることができる。例えば、正極タブ１０６及び負極タブ１０７を、折り曲げて用いることができる。
以下、本発明の他の実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型固体電池１００ａを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ａは、第１実施形態と同様に、２個の単位固体電池１０及び１０ａを有する。
図２は、本発明の第２実施形態に係るラミネート型固体電池１００ａを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ａは、第１実施形態と同様に、２個の単位固体電池１０及び１０ａを有する。
本実施形態に係る単位固体電池１０の負極１０２と、単位固体電池１０ａの正極１０１ａとは、溶着部１０５により電気的に接続される。負極１０２と、正極１０１ａとは、図２（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように、平面視で重複しない位置、かつ、上下方向が異なる位置に配置される。負極１０２と、正極１０１ａとは、導電部材を用いて溶着部１０５により溶着されて接続される。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、単位固体電池１０の正極１０１と負極１０２、及び単位固体電池１０ａの正極１０１ａと負極１０２ａは、いずれも平面視でラミネートセル１０４の対向する側面に配置される。正極１０１と負極１０２ａ、及び負極１０２と正極１０１ａは、いずれも平面視でラミネートセル１０４の同一の側面に、平面視で重複しない位置に配置される。
図２（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の負極１０２から正極１０１に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａから正極１０１ａに電流が流れる。上記正極と負極との配置により、固体電解質１０３内で均一に電荷移動媒体が伝達される。
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｂを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｂは、第１、第２実施形態と同様に、２個の単位固体電池１０及び１０ａを有する。
図３は、本発明の第３実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｂを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｂは、第１、第２実施形態と同様に、２個の単位固体電池１０及び１０ａを有する。
本実施形態に係る単位固体電池１０の負極１０２と、単位固体電池１０ａの正極１０１ａとは、溶着部１０５により電気的に接続される。負極１０２と、正極１０１ａとは、図３（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように、平面視で重複しない位置、かつ、上下方向が異なる位置に配置される。負極１０２と、正極１０１ａとは、導電部材を用いて溶着部１０５により溶着されて接続される。溶着部１０５は、第１、第２実施形態と同様、ラミネートセル１０４の内部に形成される。
単位固体電池１０の正極１０１及び負極１０２、並びに単位固体電池１０ａの正極１０１ａ及び負極１０２ａは、いずれも平面視で重複しない位置に配置される。また、単位固体電池１０の正極１０１と負極１０２、及び単位固体電池１０ａの正極１０１ａと負極１０２ａは、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ平面視で対向する位置に設けられる。従って、図３（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の正極１０１から負極１０２に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａから正極１０１ａに電流が流れる。
（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｄを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｄは、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
図４は、本発明の第４実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｄを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｄは、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
単位固体電池１０の負極１０２及び、単位固体電池１０ａの正極１０１ａは、それぞれ溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で電気的に接続される。同様に、単位固体電池１０ａの負極１０２ａ及び、単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂは、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で電気的に接続される。
図４（Ａ）～（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る正極１０１、１０１ａ、１０１ｂ及び負極１０２、１０２ａ、１０２ｂは、平面視でラミネートセル１０４の同一の側面に配置されている。正極１０１、負極１０２ａ、及び正極１０１ｂは、平面視で少なくとも一部が重複する位置に配置され、負極１０２、正極１０１ａ、及び負極１０２ｂは、平面視で少なくとも一部が重複する位置に配置される。従って、図４（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の負極１０２から正極１０１に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａから正極１０１ａに電流が流れる。同様に、矢印ｙ３に示すように、単位固体電池１０ｂの負極１０２ｂから正極１０１ｂに電流が流れる。
（第５実施形態）
図５は、本発明の第５実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｅを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｅは、第４実施形態と同様に、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
図５は、本発明の第５実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｅを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｅは、第４実施形態と同様に、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
単位固体電池１０の負極１０２及び、単位固体電池１０ａの正極１０１ａは、図５（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。同様に、単位固体電池１０ａの負極１０２ａ及び、単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂは、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。
正極タブ１０６及び負極タブ１０７は、平面視で重複しない位置に配置される。従って、図５（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の負極１０２から正極１０１に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａから正極１０１ａに電流が流れる。同様に、矢印ｙ３に示すように、単位固体電池１０ｂの負極１０２ｂから正極１０１ｂに電流が流れる。
（第６実施形態）
図６は、本発明の第６実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｆを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｆは、第４、第５実施形態と同様に、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
図６は、本発明の第６実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｆを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｆは、第４、第５実施形態と同様に、３個の単位固体電池１０、１０ａ及び１０ｂを有する。
単位固体電池１０の負極１０２及び、単位固体電池１０ａの正極１０１ａは、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。同様に、図６（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａ及び、単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂは、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。
単位固体電池１０の正極１０１及び負極１０２は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視でラミネートセル１０４の隣接する側面に配置される。同様に、単位固体電池１０ａの正極１０１ａ及び負極１０２ａは、平面視でラミネートセル１０４の対向する側面に配置される。同様に、単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂ及び負極１０２ｂは、平面視でラミネートセル１０４の隣接する側面に配置される。従って、図６（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の負極１０２から正極１０１に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの正極１０１ａから負極１０２ａに電流が流れる。同様に、矢印ｙ３に示すように、単位固体電池１０ｂの負極１０２ｂから正極１０１ｂに電流が流れる。
（第７実施形態）
図７は、本発明の第７実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｇを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｇは、５個の単位固体電池１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄを有する。
図７は、本発明の第７実施形態に係るラミネート型固体電池１００ｇを示す模式図である。ラミネート型固体電池１００ｇは、５個の単位固体電池１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄを有する。
単位固体電池１０の負極１０２及び、単位固体電池１０ａの正極１０１ａは、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。同様に、単位固体電池１０ａの負極１０２ａ及び単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂ、単位固体電池１０ｂの負極１０２ｂ及び単位固体電池１０ｃの正極１０１ｃ、並びに単位固体電池１０ｃの負極１０２ｃ及び単位固体電池１０ｄの正極１０１ｄについても、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、平面視で少なくとも一部が重複するように配置され、溶着部１０５によりラミネートセル１０４の内部で溶着されて電気的に接続される。
単位固体電池１０の正極１０１及び負極１０２は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視でラミネートセル１０４の隣接する側面に配置される。同様に、単位固体電池１０ａの正極１０１ａ及び負極１０２ａは、平面視でラミネートセル１０４の対向する側面に配置される。同様に、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、単位固体電池１０ｂの正極１０１ｂ及び負極１０２ｂ、並びに単位固体電池１０ｃの正極１０１ｃ及び負極１０２ｃは、平面視でラミネートセル１０４の対向する側面に配置される。単位固体電池１０ｄの正極１０１ｄ及び負極１０２ｄは、平面視でラミネートセル１０４の隣接する側面に配置される。
図７（Ｂ）の矢印ｙ１に示すように、単位固体電池１０の負極１０２から正極１０１に電流が流れる。同様に、矢印ｙ２に示すように、単位固体電池１０ａの負極１０２ａから正極１０１ａに電流が流れる。同様に、矢印ｙ３に示すように、単位固体電池１０ｂの負極１０２ｂから正極１０１ｂに電流が流れる。同様に、矢印ｙ４に示すように、単位固体電池１０ｃの負極１０２ｃから正極１０１ｃに電流が流れる。同様に、矢印ｙ５に示すように、単位固体電池１０ｄの負極１０２ｄから正極１０１ｄに電流が流れる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、適宜変更を加えたものも本発明の範囲に含まれる。
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ
ラミネート型固体電池
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 単位固体電池
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ 正極
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ 負極
１０３ 固体電解質
１０４ ラミネートセル
１０６ 正極タブ
１０７ 負極タブ
ラミネート型固体電池
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 単位固体電池
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ 正極
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ 負極
１０３ 固体電解質
１０４ ラミネートセル
１０６ 正極タブ
１０７ 負極タブ
Claims (4)
- 複数の単位固体電池を有し、
前記複数の単位固体電池は、それぞれ正極と、負極と、固体電解質と、を有し、
前記複数の単位固体電池は、電気的に直列に接続され、単一のラミネートセルに収容され、
前記正極及び前記負極は、集電体が延出されて、前記単位固体電池の側面に形成され、
電気的に接続される少なくとも１組の前記正極及び前記負極を有する、ラミネート型固体電池。 - 前記複数の単位固体電池は、前記ラミネートセルの内部で、電気的に直列に接続される、請求項１に記載のラミネート型固体電池。
- 前記正極のいずれかと電気的に接続される正極タブと、
前記負極のいずれかと電気的に接続される負極タブと、を有し、
前記正極タブ及び負極タブは、前記ラミネートセルの同一の側面から外部に向けて延出する、請求項１又は２に記載のラミネート型固体電池。 - 平面視で少なくとも一部が重複した位置に配置されて電気的に接続される、少なくとも１組の前記正極及び前記負極を有する、請求項１から３のいずれかに記載のラミネート型固体電池。
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