JPWO2012053359A1 - 全固体電池を構成する層構造体の製造方法、製造装置及びその層構造体を備えた全固体電池 - Google Patents

全固体電池を構成する層構造体の製造方法、製造装置及びその層構造体を備えた全固体電池 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層、負極活物質層の構造体であって、界面抵抗を低減し、界面強度を向上させることができ、歩留まりがよく、製造コストを低くすることができる構造体の製造方法、製造装置を提供する【解決手段】グリーンシート成形工程Ｓ１１１により固体電解質グリーンシート１１を成形し、凹凸形状付与工程Ｓ１１２により固体電解質グリーンシート１１と加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材５０とを一体的に形成して固体電解質グリーンシート１１に凹凸形状を付与し、加熱工程Ｓ１１３により一体的に形成された固体電解質グリーンシート１１及びシート部材５０を加熱し、シート部材５０を消失させ、固体電解質グリーンシート１１を焼成して、表面に凹凸形状が付与された層構造体を製造する。【選択図】図２

Description

本発明は、全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層から選択される層構造体の製造方法、製造装置及びその層構造体を備えた全固体電池に関する。
近年、環境にやさしい自動車の実現を求める社会の要請が高まっており、従来のガソリンや軽油を主な燃料として使用する内燃機関を駆動源とした自動車ではなく、内燃機関に電気モータを組み合わせて駆動源とするいわゆるハイブリッド自動車や、電気モータを駆動源とした電気自動車の開発が進められており、一部は実用化して市販車として販売が開始されている。
ハイブリッド自動車や電気自動車には、電気モータを駆動させるため、充放電可能な２次蓄電池が必要不可欠であるが、従来の２次蓄電池はリチウムイオン電池に代表されるように、液体電解質を使用したものが多く、液漏れなどの問題が存在する。
また、リチウムイオン電池はノートブック型コンピュータや携帯電話等のポータブル機器の電源として、これまで多くの採用実績を有しているが、発火や破裂などの事故がたびたび報告されている。とりわけ、自動車に搭載される２次蓄電池は、これらポータブル機器に搭載される２次蓄電池よりも、更に過酷な条件下での運用が求められており、エネルギー容量も大きくなることから、安全性の確保が急務となっている。
このような、社会の要請に応えるものとして、電解質を含めた全ての主たる部材が固体で構成される全固体電池の開発が進められている。全固体電池は、電解質が液体でないため、液漏れや発火、破裂の危険性が従来の２次蓄電池よりも大幅に低減される。とりわけ、全固体リチウム２次電池は、３〜５Ｖという高電圧の充放電が可能でありながら、電解質に不燃性の固体電解質を使用しており、安全性が高い（例えば、特許文献１、２）。
特許文献１、２などに記載の技術は、製造工程において真空蒸着法やレーザーアブレーション法、スパッタ法など用いる高コストな製造方法である。他方で、低コストで大量に生産するため、全固体電池の固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層の製造方法において、原料粉末を圧縮成形する製造方法、またはスクリーン印刷を用いる製造方法、なども提案されている。
しかし、これらの製造方法では、隣接する層間の結合が十分ではなく、界面抵抗が増大するおそれがあった。また、充放電過程において電極活物質内でのイオンの移動に起因して層間に繰り返し応力が発生するが、隣接する層間の結合が十分でないと十分な界面強度が得られず、剥離などの不具合が生じ、電池性能の低下や電池寿命の短縮を引き起こすおそれがあった。
そこで、固体電解質焼成体に、スクリーン印刷等で第１電極層および第２電極層を形成し、ホットプレス法や熱間等方プレス法（ＨＩＰ法）によって、第１電極層および第２電極層を焼成することにより、電極活物質と固体電解質との界面の面積を増大させて、界面反応抵抗を下げるようにした全固体電池が提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２００８−１１２６３５号公報 特開２００９−７０５９１号公報 特開２００９−２２４３１８号公報 特開平５−９４８２９号公報
しかし、ホットプレス法や熱間等方プレス法は、高温・高圧下において加圧プレスを行う方法であり、その装置は大型で高価であるとともに、工程に要する時間が長く、製造コストが大きくなるという問題があった。
低コストで、界面の結合を強固にする方法として、燃料電池の分野において、例えば、特許文献４には、同心円状の波型をした金型を用いてプレス成形することにより、表面に凹凸形状を形成して界面面積の増大を図る固体電解質層の製造方法が開示されている。
しかし、全固体電池では固体電解質層など各層を薄く形成するため、グリーンシートをプレス成形した際に、グリーンシートが金型に噛み込んだり貼り付いたりして離型が困難となり、グリーンシートが破損するなどの不具合が生じて歩留まりが悪くなるおそれがあった。
そこで、本発明は、全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層、負極活物質層の構造体であって、界面抵抗を低減し、界面強度を向上させることができ、歩留まりがよく、製造コストを低くすることができる構造体の製造方法、製造装置を提供することを目的とする。
この発明は、上記目的を達成するために、第１の発明では、全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層から選択される層構造体の製造方法であって、前記選択される層構造体を構成する材料を含有したスラリーを調合し、グリーンシートを成形するグリーンシート成形工程と、前記グリーンシート成形工程により形成されたグリーンシートと加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する凹凸形状付与工程と、前記凹凸形状付与工程により一体的に形成されたグリーンシート及びシート部材を加熱し、前記シート部材を消失させ、前記グリーンシートを焼成する加熱工程と、を備えた、という技術手段を用いる。
第１の発明によれば、グリーンシート成形工程により、選択される層構造体を構成する材料を含有したスラリーを調合し、グリーンシートを成形し、凹凸形状付与工程によりグリーンシートと加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与し、加熱工程により、一体的に形成されたグリーンシート及びシート部材を加熱し、シート部材を消失させ、グリーンシートを焼成して、層構造体を製造することができる。これにより、全固体電池を構成する際に、選択される層構造体と隣接する層構造体との界面を凹凸形状にすることができるため、界面の面積を増大させることができるとともにアンカー効果を奏することができるので、界面強度を向上させることができ、界面における剥離などを防止することができる層構造体を提供することができる。また、界面の面積を増大させることができるので、界面抵抗を低減することができる層構造体を提供することができる。また、グリーンシート及びシート部材を一体的に形成するため、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する際に金型の離型が必要ないので、離型時にグリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。更に、シート部材がグリーンシートを補強するのでハンドリングし易く、グリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。そして、本製造方法は簡単な工程で構成されているため、製造コストを低減することができる。
第２の発明では、第１の層構造体の製造方法において、前記シート部材は樹脂材料からなる、という技術手段を用いる。
第２の発明のように、シート部材を樹脂材料からなるものとすると、適度な硬さ、強度を有しているため、凹凸形状をグリーンシートに正確に付与することができるとともに、所望の形状に作製しやすく、ハンドリングも容易である。
第３の発明では、第１または第２の発明の層構造体の製造方法において、前記凹凸形状付与工程において、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成する、という技術手段を用いる。
第３の発明によれば、凹凸形状付与工程において、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成するため、グリーンシートへの凹凸形状の付与をロールプレス、ベルトプレスなど簡単な押圧方法により確実に行うことができる。
第４の発明では、第１ないし第２の発明のいずれか１つの層構造体の製造方法において、前記グリーンシート成形工程において、グリーンシートはドクターブレード法により形成される、という技術手段を用いる。
第４の発明のように、グリーンシート成形工程においてドクターブレード法を採用すると、比較的厚い膜を均質に形成することができ、好適である。
第５の発明では、第４の発明の層構造体の製造方法において、前記シート部材は、ドクターブレード法で用いるキャリアシートである、という技術手段を用いる。
第５の発明によれば、シート部材としてドクターブレード法で用いるキャリアシートを用いるため、グリーンシートを成形すると同時に、凹凸形状を付与することができる。グリーンシート成形工程と凹凸形状付与工程とを同時に行うことができるので効率的であり、別途シート部材を用意する必要がないので、製造コストを低減することができる。
第６の発明では、第１ないし第５の発明のいずれか１つの層構造体の製造方法において、前記グリーンシート表面に付与される凹凸形状がアンダーカット形状である、という技術手段を用いる。
第６の発明によれば、グリーンシート表面に付与される凹凸形状がアンダーカット形状であるため、アンカー効果を更に向上させることができ、界面強度を更に向上させることができる。また、このようなアンダーカット形状は、他の製造方法により形成することは困難である。
第７の発明では、全固体電池が、第１ないし第６の発明のいずれか１つの層構造体の製造方法により製造された層構造体を備えた、という技術手段を用いる。
第７の発明のように、本発明の層構造体の製造方法により製造された層構造体を備えた固体電池は、層間の界面強度が向上した、信頼性が高く、界面抵抗を低減した高性能な全固体電池とすることができる。
第８の発明では、全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層から選択される層構造体を製造する層構造体の製造装置であって、前記選択される層構造体を構成する材料を形成するためのグリーンシートと加熱により消失する材料からなる凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する凹凸形状付与手段を備えた、という技術手段を用いる。
第８の発明によれば、凹凸形状付与手段により、選択される層構造体を構成する材料を形成するためのグリーンシートと加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与することができる。これにより、全固体電池を構成する際に、選択される層構造体と隣接する層構造体との界面を凹凸形状にすることができるので、層間の密着強度を向上させることができ、界面における剥離などを防止することができる層構造体を提供することができる。また、界面の面積を増大させることができるので、界面抵抗を低減することができる層構造体を提供することができる。また、グリーンシート及びシート部材を一体的に形成するため、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する際に金型の離型が必要ないので、離型時にグリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。更に、シート部材がグリーンシートを補強するのでハンドリングし易く、グリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。
第９の発明では、第８の層構造体の製造装置において、前記凹凸形状付与手段は、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成する、という技術手段を用いる。
第９の発明によれば、凹凸形状付与工程において、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成するため、グリーンシートへの凹凸形状の付与をロールプレス装置、ベルトプレス装置など簡単な押圧手段により確実に行うことができるとともに、装置コストを低減することができる。
第１０の発明では、第１０の層構造体の製造装置において、前記グリーンシートをドクターブレード法により成形するグリーンシート成形手段を備え、前記シート部材はドクターブレード法で用いるキャリアシートである、という技術手段を用いる。
第１０の発明によれば、シート部材としてドクターブレード法で用いるキャリアシートを用いるため、グリーンシートを成形すると同時に、凹凸形状を付与することができる。これにより、グリーンシート成形工程と凹凸形状付与工程とを同時に行うことができるので効率的であり、別途シート部材を用意する必要がないので、製造コストを低減することができる。
全固体電池の構造を模式的に示す断面説明図である。 層構造体の製造装置を模式的に示す説明図である。 全固体電池の製造工程を示す説明図である。 固体電解質層構造体の製造工程を示す説明図である。 固体電解質層構造体の製造工程を模式的に示す説明図である。 層構造体に付与される凹凸形状の変更例を示す断面説明図である。 ドクターブレード法によるキャリアシート成形工程の変更例を模式的に示す説明図である。 凹凸形状付与工程で用いられるプレス装置を模式的に示す説明図である。
本発明に係る層構造体の製造方法、製造装置、層構造体を備えた全固体電池について、図を参照して説明する。
図１に模式的に示すように、全固体電池１は、層構造体として固体電解質層１０、正極活物質層２０及び負極活物質層３０を備えており、固体電解質層１０を挟んで正極活物質層２０及び負極活物質層３０が形成され、正極活物質層２０には正極集電層２１が電気的に接続され、負極活物質層３０には負極集電層３１が電気的に接続されて構成されている。
固体電解質層１０を形成する材料としては、シート成形が可能で、電池分野において固体電解質層に用いられているものを使用することができ、高いリチウムイオン電導性を有する硫化物系または酸化物系固体電解質を好適に用いることができる。例えば、Ｌｉ３ＰＯ４、ＬｉＰＯＮ（リン酸リチウムオキシナイトライドガラス）、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、ＬｉＸＬａｙＴｉＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ｌｉ１＋ＸＡｌＸＧｅ２−Ｘ（ＰＯ４）３（０≦ｘ≦１）、３Ｌｉ１＋ＸＡｌＸＴｉ２−Ｘ（ＰＯ４）３（０≦ｘ≦１）などを用いることができる。
固体電解質層１０と正極活物質層２０との界面及び固体電解質層１０と負極活物質層３０との界面は共に、凹凸形状に形成されている。これにより、各界面の面積を増大させることができるとともにアンカー効果を奏することができるので、界面強度を向上させることができ、界面における剥離などを防止することができ、信頼性が高い全固体電池１とすることができる。また、界面の面積を増大させることができるので、界面抵抗を低減させた高性能な全固体電池１とすることができる。
正極活物質層２０を形成する材料としては、電池分野において正極活物質層に用いられているものを使用することができ、例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＸＶ２（ＰＯ４）３（１≦ｘ≦５）等の酸化物系の正極活物質やＬｉ２Ｓ等の硫化物系の正極活物質を好適に用いることができる。
負極活物質層３０を形成する材料としては、電池分野において負極活物質層に用いられているものを使用することができ、例えば、カーボン、グラファイト等の炭素・黒鉛系材料、Ｓｎ系酸化物、Ｉｎ系酸化物、Ｐｂ系酸化物、Ａｇ系酸化物、Ｓｂ系酸化物、Ｓｉ系酸化物、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＬｉＸＶ２（ＰＯ４）３（１≦ｘ≦５）等の酸化物系材料、Ｌｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ等の金属またはこれらを主成分とする合金等の金属系材料、ＬｉＡｌ、ＬｉＺｎ、Ｌｉ３Ｂｉ、Ｌｉ３Ｃｄ、Ｌｉ３Ｓｄ、Ｌｉ４Ｓｉ、Ｌｉ４．４Ｐｂ、Ｌｉ４．４Ｓｎ、Ｌｉ０．１７Ｃ（ＬｉＣ６）、Ｌｉ３ＦｅＮ２、Ｌｉ２．６Ｃｏ０．４Ｎ、Ｌｉ２．６Ｃｕ０．４Ｎ等のリチウム金属化合物系材料を好適に用いることができる。
正極活物質層２０、負極活物質層３０には、各極活物質内での電子の移動度を向上させるために、導電性を有する材料、例えば、カーボンなどを添加することができる。
正極集電層２１及び負極集電層３１を形成する材料としては、電池分野において集電層に用いられているものを使用することができ、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等の金属またはこれらを主成分とする合金等の金属系材料、からなる板状部材、箔、圧粉成形体、薄膜などを好適に用いることができる。
次に、固体電解質層１０の製造工程を中心に全固体電池の製造方法について説明する。全固体電池の製造装置４０を図２に、固体電解質層構造体１０aの製造工程を図４に示す。
全固体電池の製造装置４０は、固体電解質グリーンシートを製造するための固体電解質グリーンシート成形装置４１、固体電解質グリーンシートとシート部材とを一体的に形成し固体電解質グリーンシート表面に凹凸形状を付与する凹凸形状付与装置４２、一体的に形成された固体電解質グリーンシートとシート部材とを加熱する加熱炉４３、正極活物質グリーンシートを製造するための正極活物質グリーンシート成形装置４４、負極活物質グリーンシートを製造するための負極活物質グリーンシート成形装置４５、固体電解質層構造体、正極活物質グリーンシート及び負極活物質グリーンシートを積層して一体的に形成する積層装置４６及び一体的に形成された積層体を加熱する加熱炉４７を備えている。ここで、固体電解質グリーンシート成形装置４１、凹凸形状付与装置４２及び加熱炉４３が、固体電解質層構造体の製造装置に相当する。
全固体電池１の製造工程は、図３及び図４に示すように、まず、固体電解質層構造体製造工程Ｓ１１のグリーンシート成形工程Ｓ１１１では、粉末状の固体電解質に、溶媒、バインダ、分散剤等を添加し、スラリーを調製する。そして、固体電解質グリーンシート成形装置４１により、スラリーをシート状に成形して固体電解質グリーンシート１１を作製する。シート成形方法としては、ドクターブレード法、リバースロールコーター法等の公知のシート成形方法を用いることができるが、比較的厚い膜を均質に形成することができる点において、ドクターブレード法が好ましい。ここで、固体電解質グリーンシート１１の厚さは、プレス圧力や焼成収縮などを含め、全固体電池の特性を考慮して適宜選定することができる。例えば、グリーンシートの状態での厚さが１０〜５００μｍ程度になるようにし、最終的に製造される固体電解質層構造体の厚さが１〜１００μｍとなるように調整する。
次に、凹凸形状付与工程Ｓ１１２では、凹凸形状付与装置４２により、固体電解質グリーンシート１１の表面に凹凸形状を形成する。
凹凸形状付与装置４２には、キャリアシート４１ａにより搬送された固体電解質グリーンシート１１の両面から、図５（Ａ）に示すように表面に凹凸形状が形成されたシート部材５０が供給され、押圧装置により押圧する。これにより、図５（Ｂ）に示すように固体電解質グリーンシート１１とシート部材５０とを一体的に形成され、シート部材５０の凸部５０ａにより固体電解質グリーンシート１１にシート部材５０の凹凸形状に対応した凹凸形状が付与される。このように、固体電解質グリーンシート１１への凹凸形状の付与は、押圧装置でシート部材５０を押圧することにより、簡単かつ確実に行うことができる。本実施形態では、押圧装置としてロールプレス装置を用いている。
ここで、シート部材５０は、加熱により消失する材料、例えば、有機化合物フィルムにより形成されている。有機化合物フィルムはＣ、Ｈ、Ｏを主要な構成元素とする材料が適しており、例えば、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの合成樹脂からなるものを用いることができる。樹脂材料からなるシート部材５０は、適度な硬度や強度を有しているため、凹凸形状を固体電解質グリーンシート１１に正確に付与することができるとともに、所望の形状に作製しやすく、ハンドリングも容易である。その他、紙、木材などからなるシート部材を用いることもできる。
シート部材５０の厚さは、グリーンシートの構成材料や厚さなどに応じて適宜設定することができる。ここで、シート部材５０の最も薄い最薄部が１０μｍ〜５００μｍ程度であることが好ましい。これは、最薄部が薄すぎると、グリーンシートを補強する補強材としての役割を果たさなくなり、最薄部が厚すぎると、シート部材５０が消失するまでに時間がかかったり、燃焼ガスの量が増大したりするためである。
本実施形態では、シート部材５０の表面形状は、シート部材の移動方向に沿った垂直方向断面が矩形からなる縞模様形状とした。シート部材５０の凸部５０ａの高さは、固体電解質グリーンシート１１の材質や厚さに応じて適宜設定することができ、１〜２００μｍ程度が望ましい。凸部５０ａが低すぎると、固体電解質グリーンシート１１への凹凸形状の付与が困難となり、凸部５０ａが高すぎると、固体電解質グリーンシート１１を突き破り破損させてしまうなどの問題が生じるためである。
凹凸形状付与装置４２により固体電解質グリーンシート１１及びシート部材５０に負荷する加圧力は、１００〜８０００ｋｇｆ／ｃｍ２が適している。この加圧力は、最終的に製造される固体電解質層構造体の密度を十分なものとし、押圧装置を過大な装置としない大きさの加圧力である。また、加圧時間は１〜３００ｓ程度が望ましい。加圧時間が短すぎると、凹凸形状の付与を十分に行えず、固体電解質グリーンシート１１の密度が向上しない。また、加圧時間が長すぎると、サイクルタイムが長くなり製造コストが上がってしまう。
凹凸形状付与工程Ｓ１１２が終了すると、一体化された固体電解質グリーンシート１１及びシート部材５０は、凹凸形状付与装置４２から加熱炉４３に送られる。ここで、固体電解質グリーンシート１１表面に凹凸形状を付与する際に金型の離型が必要ないので、離型時に固体電解質グリーンシート１１が割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。更に、シート部材５０が固体電解質グリーンシート１１を補強するのでハンドリングし易く、固体電解質グリーンシート１１が割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。
続く加熱工程Ｓ１１３では、凹凸形状付与工程により一体的に形成された固体電解質グリーンシート１１及びシート部材５０を加熱炉４３により加熱し、シート部材５０を消失させ、固体電解質グリーンシート１１を焼成する。これにより、図５（Ｃ）に示すように、表面に凹凸形状が付与された固体電解質層構造体１０ａを製造することができる。
焼成条件は固体電解質グリーンシート１１の構成材料や厚さなどによって適宜選定することができる。例えば、焼成温度は６００℃〜２０００℃程度、焼成時間は昇温冷却過程を含めて１５ｈ〜８０ｈとすることができる。
まず、シート部材５０を消失させてから、後の工程において固体電解質グリーンシート１１の焼成を行うこともできる。シート部材５０として、有機化合物フィルムを用いた場合には、シート部材５０を消失させるための加熱温度は、例えば、６００℃程度とすることができる。加熱雰囲気は、シート部材５０の材質に応じて適宜選定することができる。
加熱工程Ｓ１１３ではシート部材５０の消失のみを行い、固体電解質層構造体１０ａの焼成は後述する焼成工程Ｓ１４において正極活物質グリーンシート２２及び負極活物質グリーンシート３２の焼成とともに行うこともできる。但し、焼成前の固体電解質層構造体１０ａの構造強度が高くない場合には、加熱工程Ｓ１１３において焼成まで行っておくことが好ましい。
続く正極・負極活物質グリーンシート成形工程Ｓ１２では、正極活物質グリーンシート成形装置４４により正極活物質グリーンシート２２を製造し、負極活物質グリーンシート成形装置４５により負極活物質グリーンシート３２を製造する。
続く積層工程Ｓ１３では、固体電解質層構造体１０ａの各表面に正極活物質グリーンシート２２と負極活物質グリーンシート３２とをそれぞれ供給し、積層装置４６により各層を積層して一体的に形成する。これにより、固体電解質層構造体１０ａ表面の凹凸形状に沿って正極活物質グリーンシート２２、負極活物質グリーンシート３２が入り込んで、凹凸形状の界面が形成される。積層装置４６により各層に負荷する加圧力は、１００〜８０００ｋｇｆ／ｃｍ２が適している。この加圧力は、最終的に製造される正極活物質層および負極活物質層の密度を十分なものとすると同時に、各層間の密着力を十分なものとし、押圧装置を過大な装置としない大きさの加圧力である。また、加圧時間は１〜３００ｓ程度が望ましい。加圧時間が短かすぎると、各層間の密着力が十分なものとならない。また、加圧時間が長すぎると、サイクルタイムが長くなり製造コストが上がってしまう。
続く焼成工程Ｓ１４では、積層工程Ｓ１３により得られた積層体を、加熱炉４７により所定の焼成条件により加熱、焼成して、固体電解質層１０、正極活物質層２０及び負極活物質層３０の積層体を作製する。
続く集電層形成工程Ｓ１５では、焼成工程Ｓ１４で形成した積層体を所定の形状に加工した後に、正極活物質層２０の表面に正極集電層２１、負極活物質層３０の表面に負極集電層３１をそれぞれ形成する。各集電層は、板状部材、箔など接着、蒸着法、スパッタリング法、溶射法などの公知の方法で製造することができる。なお、焼成工程Ｓ１４と集電層形成工程Ｓ１５とは、実施順を入れ替えることもできる。
上述した工程を経て、全固体電池１を製造することができる。本発明の全固体電池は、特に限定されるものではないが、全固体リチウム電池、ポータブル機器用電池、ＩＣカード内蔵用電池、インプラント医療器具用電池、基板表面実装用電池、太陽電池、燃料電池をはじめとする他の電池と組み合わせて用いられる電池（ハイブリッド電源用電池）等が好適である。
（変更例）
上述した実施形態では、固体電解質グリーンシート１１の両面に凹凸形状を付与したが、どちらか一方の面にだけ凹凸形状を付与する構成を採用することもできる。
正極活物質グリーンシート２２の、少なくとも固体電解質グリーンシート１１との接合面側と、表面に凹凸形状が付与されたシート部材５０とを一体的に形成し、加熱を行い、前記シート部材５０を消失させることで、凹凸形状が付与された正極活物質層２０を構成する構造体と固体電解質グリーンシート１１とを積層してもよい。同様に、負極活物質グリーンシート３２の、少なくとも固体電解質グリーンシート１１との接合面側と、表面に凹凸形状が付与されたシート部材とを一体的に形成し、加熱を行い、前記シート部材５０を消失させることで、凹凸形状が付与された負極活物質層を構成する構造体と固体電解質グリーンシート１１とを積層してもよい。なお、前記正極活物質グリーンシート２２および前記負極活物質グリーンシート３２とシート部材５０とを一体的に形成する際、前述の固体電解質層構造体１０ａの製造方法と同様、正極活物質グリーンシート２２および負極活物質グリーンシート３２と前記シート部材５０を押圧装置（例えばロールプレス）によって押圧することで形成してもよい。
上述した固体電解質層構造体１０ａの製造方法は、正極活物質層２０を構成する層構造体や負極活物質層３０を構成する層構造体の製造に適用することができる。すなわち、正極活物質層２０と正極集電層２１および／又は負極活物質層３０と負極集電層３１との接合界面に凹凸を付与するために、凹凸形状が付与された正極活物質層２０を構成する構造体および／又は負極活物質層３０を構成する層構造体を製造する工程に適用することができる。固体電解質層１０と正極活物質層２０および負極活物質層３０との接合面側に凹凸形状を付与すると、固体電解質層１０との界面が凹凸形状となるため、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。また、正極活物質層２０と正極集電層２１の接合面側、および負極活物質層３０と負極集電層３１の接合面側に凹凸形状を付与すると、各集電層と各活物質層との界面が凹凸形状となるため、当該界面における界面強度を向上させることができ、界面抵抗を低減することができる。ここで、正極活物質グリーンシート、負極活物質グリーンシートの厚さは、グリーンシートの状態での厚さが１０〜２０００μｍ程度になるようにし、最終的に製造される層構造体の厚さが１〜１０００μｍとなるように調整する。また、固体電解質グリーンシート１１の場合と同様の理由から、シート部材５０は、最薄部が１０μｍ〜５００μｍ程度、凸部５０ａの高さが１〜２００μｍ程度であることが望ましい。なお、固体電解質層１０と正極活物質層２０および負極活物質層３０との接合面側に凹凸形状を付与する工程は実施形態の様に固体電解質層１０に凹凸形状を付与しても、[００６２]段落に記載のように正極活物質層２０および負極活物質層３０に凹凸を付与しても、どちらでもよい。
層構造体に付与する凹凸形状は、上記実施形態の矩形以外にもドット、波形、など、要求特性に応じて各種形状を採用することができる。例えば、図６（Ａ）に示すようなシート部材５０を用いて、図６（Ｂ）に示すようなアンダーカット形状を付与することもできる。これによれば、アンカー効果を更に向上させることができ、界面強度を更に向上させることができる。また、このようなアンダーカット形状は、他の製造方法により形成することは困難である。
図３には、正極・負極活物質グリーンシート成形工程Ｓ１２、積層工程Ｓ１３、焼成工程Ｓ１４を連続的に実施する装置構成を示したが、各工程をバッチ式に行う装置構成を採用することもできる。
固体電解質層１０と、正極活物質層２０及び負極活物質層３０との間に、界面抵抗の低下や応力緩和を目的とした中間層を設けることもできる。このような中間層として、例えば、固体電解質と、正極活物質もしくは負極活物質による傾斜機能材料層が挙げられる。あるいは、固体電解質や正極活物質および負極活物質材料にＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃなどの導電性元素を加えて分散させた材料層が挙げられる。
[実施例]
以下に、層構造体の製造方法の実施例を示す。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例では、固体電解質層構造体を製造した。
固体電解質材料として、あらかじめガラス化されたＬｉ１.5Ａｌ0.5Ｇｅ1.5（ＰＯ４）３粉末を原料粉末として用意し、有機溶剤などと混合調製し、スラリーを作製した。
次に、このスラリーをドクターブレード法によってキャスティングし、厚み５００μｍの固体電解質グリーンシートを作製した。この固体電解質グリーンシートを直径１１．２８ｍｍの円形に成形した。
続いて、凹凸形状が形成された有機化合物フィルムを固体電解質グリーンシートと同形状に成形した。この有機化合物フィルムはポリビニルアルコールを湯に溶解させて溶液とした後、凹凸金型に塗布し加熱乾燥させて作製した。ここで、溶液作製段階でクエン酸を少量加え架橋反応によりポリビニルアルコールの強度を向上させた。有機化合物フィルムの厚さは最薄部が５００μｍであり、凸部高さが１００μｍとなるように作製した。凹凸形状は矩形断面からなる縞模様形状であり、凸部の幅は２００μｍとし、凹部の幅は１５０μｍｍとした。
続いて、サーボモータを駆動源とするプレス装置のワーク加工スペースに、２枚の有機化合物フィルムの間に固体電解質グリーンシートを挟むようにしてセットし加圧プレスした。このとき、ワーク加工スペースは、円柱形の上下型と、該上下型をガイドするための円筒形のダイによって形成されるようにした。なお、有機化合物フィルムの平面側が前記上下型と接触し、凹凸面側が固体電解質グリーンシートと接触するようにセットした。円筒形ダイの内径は１１．３０ｍｍであり、加圧力は５００ｋｇｆ／ｃｍ２、圧力保持時間は６０ｓとした。
プレス装置にて加圧後に一体の接合体として形成された有機化合物フィルム及び固体電解質グリーンシート成形体をプレス装置から取り出し、加熱焼成炉により焼成した。焼成条件は、アルゴン雰囲気下において、７００℃で５０時間焼成とした。この加熱工程において、ポリビニルアルコール製の有機化合物フィルムは分解消失し、固体電解質グリーンシートのみが焼成された。
以上の工程により、凹凸形状が付与された全固体電池用の固体電解質層構造体を製造することができた。
（実施例２）
本実施例では、正極活物質層及び負極活物質層を製造した。
正極活物質層及び負極活物質層材料として、あらかじめ調整されたＬｉ3Ｖ２（ＰＯ4）3結晶粉末を使用した。この原料粉末を有機溶剤などと混合調製し、スラリーを作製した。
次に、前記スラリーをドクターブレード法によってキャスティングし、厚み１０００μｍの正極活物質グリーンシート及び負極活物質グリーンシートを作製し、前記正極活物質グリーンシート及び負極活物質グリーンシートを直径１１．２８ｍｍの円形に裁断した。
以下、実施例１と同様の工程を経て、凹凸形状が付与された全固体電池用の正極活物質層及び負極活物質層構造体を製造することができた。
［実施形態の効果］
（１）本発明の全固体電池用の層構造体の製造方法によれば、グリーンシート成形工程により選択される層構造体を構成する材料を含有したスラリーを調合し、グリーンシートを成形し、凹凸形状付与工程によりグリーンシートと加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与し、加熱工程により一体的に形成されたグリーンシート及びシート部材を加熱し、シート部材を消失させ、グリーンシートを焼成して、層構造体を製造することができる。これにより、全固体電池を構成する際に、選択される層構造体と隣接する層構造体との界面を凹凸形状にすることができるため、界面の面積を増大させることができるとともにアンカー効果を奏することができるので、界面強度を向上させることができ、界面における剥離などを防止することができる層構造体を提供することができる。また、界面の面積を増大させることができるので、界面抵抗を低減することができる層構造体を提供することができる。また、グリーンシート及びシート部材を一体的に形成するため、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する際に金型の離型が必要ないので、離型時にグリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。更に、シート部材がグリーンシートを補強するのでハンドリングし易く、グリーンシートが割れてしまうなどにより、歩留まりが低下するおそれがない。そして、本製造方法は簡単な工程で構成されているため、製造コストを低くすることができる。
（２）本発明の全固体電池用の層構造体の製造装置によれば、上記（１）と同様な効果を奏することができ、装置コストも低減することができる。
（３）本発明の層構造体の製造方法により製造された層構造体を備えた固体電池は、層間の界面強度が向上し信頼性が高く、界面抵抗を低減した高性能な全固体電池とすることができる。
［その他の実施形態］
上述した実施形態では、グリーンシート成形工程Ｓ１１１において固体電解質グリーンシート成形装置４１によりドクターブレード法で固体電解質グリーンシート１１を作製した後に、キャリアシート４１ａから固体電解質グリーンシート１１を剥離して、押圧装置４２に供給し、凹凸形状付与工程Ｓ１１２においてシート部材５０を押圧して一体化させたが、図７に示すように、キャリアシート４１ａとしてシート部材５０を用いることができる。これによれば、固体電解質グリーンシート１１を成形すると同時に、凹凸形状を付与することができる。グリーンシート成形工程Ｓ１１１と凹凸形状付与工程Ｓ１１２とを同時に行うことができるので効率的であり、別途シート部材５０を用意する必要がないので、製造コストを低減することができる。
上述した実施形態では、押圧装置４２として大量高速生産に向いており、全固体電池の製造コストを引き下げることができるロールプレスやベルトプレスなどの連続式プレスを用いたが、バッチ式のプレス装置を用いることもできる。バッチ式のプレス装置は装置が安価で、少量の試作用途などに好適に用いることができる。また、プレス圧力精度やプレス位置精度の制御やその履歴管理などが容易である。
バッチ式のプレス装置の一例を図８に示す。プレス装置６０は、上型６１と下型６２、上型６１及び下型６２をガイドするダイ６３、上型６１を保持する加圧板６４と、加圧板６４を加圧軸方向に移動させるロッド６５と、ロッド６５を加圧軸方向に移動させる電動シリンダ６６と、ロッド６５に連結され上型６１に負荷される荷重を検出する荷重検出器６７と、電動シリンダ６６を駆動させるサーボモータ６８と、サーボモータ６８に設けられたエンコーダに代表される位置検出器６９と、下型６２を保持する加圧板７０と、加圧板７０を加圧軸方向に移動させるロッド７１と、ロッド７１を加圧軸方向に移動させる電動シリンダ７２と、ロッド７１に連結され下型６２に負荷される荷重を検出する荷重検出器７３と、電動シリンダ７２を駆動させるサーボモータ７４と、サーボモータ７４に設けられたエンコーダに代表される位置検出器７５と、を備えており、上型６１と下型６２とダイ６３とによりワーク加工スペースＡが形成されている。
全固体電池の層構造体は、厚さ２０００μｍ以下で作製されることが多く、高い精度の厚さ制御が要求されるが、サーボモータによって駆動されるプレス装置は、荷重や位置の制御を高精度に行うことができ、好適である。
また、油圧によって駆動されるプレス装置を使用することも可能である。油圧プレスを用いると、大きな加圧力を負荷することができるとともに、装置コストを低減することができる。本発明において層構造体を大きな加圧力により形成すると、層構造体の密度を向上させることができ、全固体電池の電池性能も向上させることができる。
この出願は、日本国で２０１０年１０月２０日に出願された特願２０１０−２３５６９１号に基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。
また、本発明は本明細書の詳細な説明により更に完全に理解できるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、当業者にとって明らかだからである。
出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、開示された改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。
本明細書あるいは請求の範囲の記載において、名詞及び同様な指示語の使用は、特に指示されない限り、または文脈によって明瞭に否定されない限り、単数および複数の両方を含むものと解釈すべきである。本明細書中で提供されたいずれの例示または例示的な用語（例えば、「等」）の使用も、単に本発明を説明し易くするという意図であるに過ぎず、特に請求の範囲に記載しない限り本発明の範囲に制限を加えるものではない。
１…全固体電池
１０…固体電解質層
１０ａ…固体電解質層構造体
１１…固体電解質グリーンシート
２０…正極活物質層、
２１…正極集電層、
２２…正極活物質グリーンシート
３０…負極活物質層
３１…負極集電層
３２…負極活物質グリーンシート
４０…全固体電池の製造装置
４１…固体電解質グリーンシート成形装置
４１ａ…キャリアシート
４２…押圧装置
４３…加熱炉
４４…正極活物質グリーンシート成形装置
４５…負極活物質グリーンシート成形装置
４６…積層装置
４７…加熱炉
５０…シート部材
５０ａ…凸部
Ｓ１１１…グリーンシート成形工程
Ｓ１１２…凹凸形状付与工程
Ｓ１１３…加熱工程

Claims (10)

  1. 全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層から選択される層構造体の製造方法であって、
    前記選択される層構造体を構成する材料を含有したスラリーを調合し、グリーンシートを成形するグリーンシート成形工程と、
    前記グリーンシート成形工程により形成されたグリーンシートと加熱により消失する材料からなり凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する凹凸形状付与工程と、
    前記凹凸形状付与工程により一体的に形成されたグリーンシート及びシート部材を加熱し、前記シート部材を消失させ、前記グリーンシートを焼成する加熱工程と、を備えたことを特徴とする層構造体の製造方法。
  2. 前記シート部材は樹脂材料からなることを特徴とする請求項１に記載の層構造体の製造方法。
  3. 前記凹凸形状付与工程において、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の層構造体の製造方法。
  4. 前記グリーンシート成形工程において、グリーンシートはドクターブレード法により形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の層構造体の製造方法。
  5. 前記シート部材は、ドクターブレード法で用いるキャリアシートであることを特徴とする請求項４に記載の層構造体の製造方法。
  6. 前記グリーンシート表面に付与される凹凸形状がアンダーカット形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の層構造体の製造方法。
  7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の層構造体の製造方法により製造された層構造体を備えたことを特徴とする全固体電池。
  8. 全固体電池を構成する固体電解質層、正極活物質層及び負極活物質層から選択される層構造体を製造する層構造体の製造装置であって、
    前記選択される層構造体を構成する材料を形成するためのグリーンシートと加熱により消失する材料からなる凹凸形状を有したシート部材とを一体的に形成し、グリーンシート表面に凹凸形状を付与する凹凸形状付与手段を備えたことを特徴とする層構造体の製造装置。
  9. 前記凹凸形状付与手段は、グリーンシートにシート部材を押圧することにより一体的に形成することを特徴とする請求項８に記載の層構造体の製造装置。
  10. 前記グリーンシートをドクターブレード法により成形するグリーンシート成形手段を備え、前記シート部材はドクターブレード法で用いるキャリアシートであることを特徴とする請求項８に記載の層構造体の製造装置。
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