JPWO2013161926A1 - 二次電池 - Google Patents

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Abstract

蓄電層を正極層と負極層とで挟んだ全固体型の二次電池構造を単層二次電池として適用した、容積面、作業面、位置決め面などの１以上の観点で、従来より良好な二次電池を提供する。本発明の二次電池は、蓄電層が正電極層及び負電極層で挟まれたシート状の単層二次電池を、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ折畳単層二次電池を適用していることを特徴とする。

Description

本発明は二次電池に関し、例えば、金属酸化物の光励起構造変化を利用して、バンドキャップ中に新たなエネルギー準位を形成して電子を捕獲する動作原理に基づく二次電池（以下、量子電池と呼ぶ）に適用し得る。
二次電池としては、ニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）やリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）などが知られている。一方、近年、小型でかつ大容量の電池が求められている。そのため、単独で二次電池として機能する単位（以下、単層電池と呼ぶ）を、複数重ねるようなことが行われている。
非特許文献１の３１９頁〜３２０頁には、図１及び図２に示すような円筒型及び角型のニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）の構造が記載されている。円筒型電池１Ａは、所定形状の薄板状の正極２及び負極３を、セパレータ４を介して渦巻状に巻き取り（渦巻は単層電池を重ねたと見ることができる）、円筒型のケース５に挿入し、電解液を注入後に密閉して電池として完成させている。角型電池１Ｂは、所定形状の薄板状の正極２及び負極３間にセパレータ４を介した構造を積層し、角型のケース５に挿入し、電解液を注入後に密閉して電池として完成させている。
特許文献１には、図３に示すような角型のリチウムイオン二次電池の内部構造（極板群）が記載されている。ジグザグに折り曲げられたセパレータ４の連続体の谷溝内に正極板２と負極板３とを交互に挿入して、ジグザグ方向に押圧して扁平にした極板群１Ｃが記載されている。このような極板群が、角型の外装缶に挿入され、電解液が注入された後に密閉されて角型電池として完成される。
また、近年、固体薄膜化して構成される全固体型の二次電池が研究、開発されており、小型化を実現する二次電池として期待されている。図４には、全固体型の二次電池の構成を示す斜視図及び断面図を示している。図４は、正極端子及び負極端子などの端子部材、外装部材や被覆部材などの実装部材などを省略している。全固体型の二次電池１Ｄは、負極層３と正極層２との間に充放電時に内部変化を起こす固体の層（以下、蓄電層と呼ぶ）６を有するものである。全固体型の二次電池１Ｄとしては、上述した量子電池や、全固体型のリチウムイオン二次電池などがある。量子電池の場合、負極層３と正極層２との間に、充電動作で電子を蓄積（捕獲）し、放電動作で蓄積した電子を放出する層（後述するようにこの層を充電層と呼ぶ）が設けられており、この充電層が蓄電層６に該当する。また、全固体型のリチウムイオン二次電池の場合、負極層３と正極層２との間に、固体電解質層が設けられており、この固体電解質層が蓄電層６に該当する。なお、図４に示す構造を単層電池として積層するような場合には、蓄電層６の周囲などに、負極層３と正極層２とを絶縁したり、蓄電層６の周囲を保護したりするシール７を設けることが好ましい（但し、シール７は必須の構成要素ではない）。
全固体型の二次電池１Ｄも、周知のように、単層電池を直列に積層することで端子電圧を高めることができ、単層電池を並列に積層することで電流容量を大きくすることができる。
図５は、二次電池１Ｄを単層電池とし、複数の単層電池を直列に接続した、容易に考えられる二次電池１Ｅを示す断面図である。二次電池１Ｅにおける中間の単層電池（１Ｄ）はその負極層３の下面が１段下の単層電池の正極層２の上面と接触しており、最下段の単層電池はその負極層３の下面は負極端子板若しくは負極端子層（以下、負極端子板と呼ぶ）８の上面と接触しており、最上段の単層電池はその正極層２の上面は正極端子板若しくは正極端子層（以下、正極端子板と呼ぶ）９の上面と接触している。負極端子板８及び正極端子板９はそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａを有している。二次電池１Ｄの端子電圧がＶｏ、電流容量がＩｏ（＝Ｉ×ｔ（Ａｈ））であり、二次電池１Ｄの積層数（直列接続数）をＮとすると、二次電池１Ｅの端子電圧はＮ×Ｖｏ（例えば、積層数が６であれば６×Ｖｏ）であり、電流容量はＩｏとなる。
図６は、二次電池１Ｄを単層電池とし、複数の単層電池を並列に接続した、容易に考えられる二次電池１Ｆを示す断面図である。二次電池１Ｆにおける各単層電池（１Ｄ）はそれぞれ、負極端子板８及び正極端子板９に挟持されており、ある単層電池に係る正極端子板９と、その上段の単層電池に係る負極端子板８との間には絶縁層１０が設けられている。複数の負極端子板８は負極端子連結部８ｂによって連結されており、複数の正極端子板９は正極端子連結部９ｂによって連結されており、負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂはそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａを有している。二次電池１Ｄの端子電圧がＶｏ、電流容量がＩｏであり、二次電池１Ｄの積層数（並列接続数）をＮとすると、二次電池１Ｆの端子電圧Ｖｏであり、容量はＮ×Ｉｏ（例えば、積層数が６であれば６×Ｉｏ）となる。
高い端子電圧で大きな電流容量の二次電池を実現するには、単層電池の直列積層と並列積層とを組み合わせれば良い。例えば、図６の負極端子板８及び正極端子板９に挟持されている単層電池（１Ｄ）の部分を、複数の単層電池を直列的に積層したものと置き換えることにより、高い端子電圧で大きな電流容量の二次電池を構成することができる。
特開２００９−１４０７０７
電気化学会 電池技術委員会編、「電池ハンドブック」、株式会社オーム社、平成２２年２月発行
図１〜図３に示す従来の二次電池では、隣接する単層電池の正極と負極とを絶縁させるためにセパレータを配置させることが必要であり、また、電解液の収容空間を確保するため、電池の全容積を小さくすることが困難であった。また、図１〜図３に示す二次電池では、化学反応を利用しているために、充放電性能が劣化したり、寿命が低下したりする。また、電解液を使用しているので液漏れのリスクを伴っている。さらに、リチウムイオン型の二次電池では、過充電、充放電により信頼性が低下したり、電解液を使用しているため電極間が短絡する恐れがあったりする。
電解液を利用することに伴う不都合は、全固体型の二次電池によりかなりの部分が解決される。
上述したように、複数の単層電池を並列接続させることにより、二次電池の電流容量を大きくすることができる。しかし、このような二次電池１Ｆは、図６に示すように、隣接する単層電池の負極端子板８及び正極端子板９との間に絶縁層１０を設けなければならず、また、単層電池の負極層３の数だけ負極端子板８を設けると共に、単層電池の正極層２の数だけ正極端子板９を設けなければならず、二次電池１Ｆの容積が大きくなる。
一般的に、電池の容積効率は、電池の全容積に対する電池の実効容積の割合で求められる。二次電池の充電周期を考慮すると、二次電池の電流容量を大きくすることが求められるが、電流容量を大きくしても電池の全容積が小さいことが好ましい。また、電池の全容積が小さくなれば、二次電池の小型化にもつながる。負極端子板８及び正極端子板９は電池の構成上必要なものであるが、絶縁層１０は仕方なく設けているものであり、容積効率を低下させる大きな原因となっている。
所望する電流容量が大きくなればなるほど、並列接続する単層電池の積層数を増大させれば良い。しかし、積層数の増大に伴い、絶縁層１０の数も増えてしまい（負極端子板８や正極端子板９の数も増える）、全容積を一段と大きくする。
並列接続でも直列接続でも、複数の単層電池を積層する二次電池では、各単層電池の位置合わせの要求が高い。図６に示す二次電池１Ｆの場合、負極端子連結部８ｂや正極端子連結部９ｂが単層電池１Ｄに近い方（図６の隙間Ｌが短い方）が全容積の軽減面から好ましい。例えば、いずれかの単層電池が図６の右にずれて積層され、その単層電池の負極層３が正極端子連結部９ｂに接した場合には短絡経路が形成されてしまう。そのため、各単層電池の位置合わせの要求が高く、製造効率の低下を招く可能性もある。
また、積層工程では、積層数だけの単層電池を積層処理しなければならず、製造工数が多いものとなっていた。
そのため、蓄電層を正極層と負極層とで挟んだ全固体型の二次電池構造を単層二次電池として適用した二次電池であって、容積面、製造面、位置決め面などの一つ以上の観点で、従来の二次電池より良好な二次電池が望まれている。
かかる課題を解決するため、本発明の二次電池は、蓄電層が正電極層及び負電極層で挟まれたシート状の単層二次電池を、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ折畳単層二次電池を適用していることを特徴とする。
本発明によれば、シート状の単層二次電池を、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ折畳単層二次電池を適用しているので、絶縁層を皆無若しくは少なくできて容積を抑えることができる、部品数を抑えることができて製造を効率化できる、正極端子部材若しくは負極端子部材を折り畳んだ内部間隙に挿入して位置決め精度を高めることができる、などの効果のいくつかを達成することができる。
従来の円筒型のニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）の内部構造を一部破断して示す斜視図である。 従来の角型のニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ）の内部構造を一部破断して示す斜視図である。 特許文献１に記載の角型のリチウムイオン二次電池の内部構造（極板群）を示す斜視図である。 全固体型の二次電池の構成を示す斜視図及び断面図を示している。 全固体型の二次電池を単層電池とし、複数の単層電池を直列に接続した、考えられる二次電池の構成を示す断面図である。 全固体型の二次電池を単層電池とし、複数の単層電池を並列に接続した、考えられる二次電池の構成を示す断面図である。 第１の実施形態の二次電池（その１）の構成を示す断面図である。 第１の実施形態の二次電池（その２）の構成を示す断面図である。 第２の実施形態の二次電池の構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る多段折畳単層量子電池を得るための折畳み前の、単層量子電池を多段に重ねた状態を示す断面図である。 第２の実施形態に係る多段折畳単層量子電池の各段毎の折畳構造を示す断面図である。 第３の実施形態の二次電池の構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る２段折畳単層量子電池を得るための折畳み前の、単層量子電池を２段に重ねた状態を示す断面図である。 第４の実施形態の二次電池の構成を示す断面図である。 舌片付折畳単層量子電池の第１例を適用した、第５の実施形態の二次電池の構成を示す説明図である。 舌片付折畳単層量子電池の第２例の構成を示す説明図である。 舌片付折畳単層量子電池の第３例の構成を示す説明図である。 舌片付折畳単層量子電池の第４例の構成を示す説明図である。 舌片付折畳単層量子電池の第５例の構成を示す説明図である。 変形実施形態（その１）の二次電池の説明図である。 変形実施形態（その２）の二次電池の構成を示す断面図である。 変形実施形態（その３）の二次電池の構成を示す断面図である。
（Ａ）量子電池について
以下に説明する各実施形態の二次電池は、量子電池の技術を適用したものである。そこで、各実施形態の説明に先立ち、量子電池について簡単に説明する。
上述したように、量子電池は、金属酸化物の光励起構造変化を利用して、バンドギャップ中に新たなエネルギー準位を形成して電子を捕獲する動作原理に基づく二次電池をいう。
量子電池は、全固体型の二次電池であり、単独で二次電池として機能する構成は上述した図４で表すことができる。すなわち、量子電池（１Ｄ）は、負極層３と正極層２との間に充電層６を有するものである。
充電層６は、充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充放電がなされていない状態で電子を保持（蓄電）している層であり、光励起構造変化技術が適用されて形成されている。
ここで、光励起構造変化は、例えば、国際公開ＷＯ／２００８／０５３５６１に記載されており、その出願の発明者（本願の発明者でもある）である中澤明氏が見出した現象（技術）である。すなわち、中澤明氏は、所定値以上のバンドギャップを持つ半導体であって透光性をもつ金属酸化物が、絶縁被覆された状態で有効な励起エネルギーを与えられると、バンドギャップ内に電子不在のエネルギー準位が多数発生することを見出した。量子電池は、これらのエネルギー準位に電子を捕獲させることで充電し、捕獲した電子を放出させることで放電するものである。
充電層６は、絶縁被膜で覆われたｎ型金属酸化物半導体の微粒子が、負極層３に対して薄膜状に付着され、ｎ型金属酸化物半導体が紫外線照射によって光励起構造変化を起こし、電子を蓄えることができるように変化したものである。
量子電池の場合、正極層２は、電極本体層と、充電層６に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層とを有する。ｐ型金属酸化物半導体層は、電極本体層から充電層６への電子の注入を防止するために設けられている。負極層３と正極層２の電極本体層とは、導電層として形成されたものであれば良い。
以下に説明する各実施形態の二次電池は、図４に示す単独で量子電池として機能する単位（以下、単層量子電池と呼ぶ）を１又は複数利用したものである。各実施形態に共通する技術思想は、単層量子電池を、折畳方向を交互に変えて２回以上折り畳んで利用するという点にある。そのため、単層量子電池は、折り畳み方向の長さが、折り畳み方向に必要な長さの折畳回数倍程度の長さを有する形状に形成されている。形状としては、矩形が好ましいが、矩形に限定されるものではなく、円形、楕円形、六角形などを単位に単位形状を折畳方向に繋げた形状であっても良い。ここで、単層量子電池の形状は、折り畳んだ後の各折畳部分の図形が完全に重なる形状であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
例えば、単層量子電池における正極層２及び負極層３の膜厚は１０ｎｍ〜１μｍ程度にでき、充電層６の膜厚は５０ｎｍ〜１０μｍ程度にできる。すなわち、単層量子電池はシート状の電池であって２回以上折り畳むことが可能なものである。また、充電層６が、完全固体の層ではあるが粒子を押し固めた層ではないので、折り曲げ部分で損傷したり亀裂が生じたりするようなことはない。
なお、図４についての上述した説明でも言及したように、単層量子電池においても、シール７は必須の構成要素ではない。折り畳んだ後において、負極層３と正極層２との間の短絡などの不要な短絡を空隙などで防止できるのであれば、シール７を省略することができる。
（Ｂ）第１の実施形態
次に、本発明による二次電池の第１の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図７は、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａの構成を示す断面図であり、上述した図４（Ｂ）と同様な方向から見た断面図である。図７は、面方向の寸法より厚み方向の寸法を強調して示している。
第１の実施形態に係る二次電池２０Ａは、２回以上折り畳まれた（図７では２回の例）の単層量子電池（以下、適宜、折畳単層量子電池と呼ぶ）２１を有する。折畳単層量子電池２１において、下側から数えて、奇数番目の折曲部は正極層２を内側にして折り畳まれた部分であり、偶数番目の折曲部は負極層３を内側にして折り畳まれた部分であり、上述のように、交互に折り畳む方向を変えることにより、折畳単層量子電池２１は蛇腹構造を有している。所望する電流容量に応じて折畳む前の単層量子電池の形状を定め、実装形状などを考慮して、単層量子電池の折畳回数を選定するようにしても良い。
単層量子電池の折り畳みにより対向するようになった正極層２の上下の部分間には、正極端子板９が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。また、折畳単層量子電池２１の外部に露出している正極層２（後述する図８の場合にはこの正極層２は存在しない）には、正極端子板９が接触されている。全ての正極端子板９は、正極端子連結部９ｂによって連結されている。単層量子電池の折り畳みにより対向するようになった負極層３の上下の部分間には、負極端子板８が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。また、折畳単層量子電池２１の外部に露出している負極層３には、負極端子板８が接触されている。全ての負極端子板８は負極端子連結部８ｂによって連結されている。なお、図７に示した一部の負極端子板８や一部の正極端子板９を省略することも可能である。例えば、図７上、最も上に位置している正極端子板９及び最も下に位置している負極端子板８は省略することもできる。逆に、これら正極端子板９及び負極端子板８を残して、他の正極端子板９及び負極端子板８を省略することもできる。
なお、負極端子板８及び正極端子板９は「板」とネーミングしているが、薄板だけでなく、薄膜状のものであっても良い。また、全面が電気的接触に機能する必要はなく、メッシュ状や櫛歯状などの導電性部材が一部欠落したものであっても良い。
負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂはそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａを有している。図７では、負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂが左右に設けられたものを示したが、負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂの位置は任意であっても良い。例えば、紙面の法線方向の手前及び奥側に負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂを設けるようにしても良く、負極端子連結部８ｂを左に、正極端子連結部９ｂを紙面の法線方向の手前に設けるようにしても良い。また、負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂはそれぞれ、板状のものであっても棒状のものであっても良く、また、１つの部材に限定されず、複数の部材が紙面の法線方向に配列されたものであっても良い。
また、図７では、負極端子板８、延長部８ａ及び負極端子連結部８ｂが一体的に構成され、正極端子板９、延長部９ａ及び正極端子連結部９ｂが一体的に構成されているように示したが、当初より一体的な構成である必要はない。例えば、負極端子板８、延長部８ａ及び負極端子連結部８ｂが別部材として構成され、製造の過程で、連結されるものであっても良い。
負極端子板８、延長部８ａ及び負極端子連結部８ｂは、電気的に充分に低い抵抗値で、負極層３と図示しない外部への負極端子とを接続できるならば、形状や材質は限定されるものではない。同様に、正極端子板９、延長部９ａ及び正極端子連結部９ｂは、電気的に充分に低い抵抗値で、正極層２と図示しない外部への正極端子とを接続できるならば、形状や材質は限定されるものではない。
第１の実施形態に係る二次電池２０Ａは、折畳単層量子電池２１を適用しているので、単層量子電池と同じ平面方向から見た面積を有する場合、電流容量を格段的に大きくすることができる。
また、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａは、折畳構造を適用していても、交互に折り畳む方向を変えることにより、正極及び負極間の絶縁を確保する絶縁層が不要であり、全容積を小さくすることが可能である。
さらに、単層量子電池を折り畳んで利用しているので、二次電池２０Ａが占有する面積を小さいものとすることができる。例えば、図６に示す二次電池１Ｆの単層電池と同様な面積の単層量子電池を適用したとした場合、二次電池２０Ａが占有する面積を、二次電池２０Ａの３分の１程度とすることができる。
さらにまた、単層量子電池は折り畳んで利用しているので、積層対象の部品数などを少なくでき、積層工程の工数を軽減することができる。例えば、図６に示す二次電池１Ｆの厚みと同程度の厚みの二次電池２０Ａを形成する場合でも、必要な折畳単層量子電池２１の数は１である。
また、一部の負極端子板８及び正極端子板９が、その先端が折畳単層量子電池２１の折曲部の内面に接するまで挿入されるようにしているので、折畳単層量子電池２１の位置のばらつきをなくすことができ、短絡などを未然に防止することができる。
図７は、下側から数えて、奇数番目の折曲部は正極層２を内側にして折り畳まれ、偶数番目の折曲部は負極層３を内側にして折り畳まれた折畳単層量子電池２１を適用したものを示したが、第１の実施形態の二次電池２０Ａの変形例として、下側から数えて、奇数番目の折曲部が負極層３を内側にして折り畳まれ、偶数番目の折曲部は正極層２を内側にして折り畳まれた折畳単層量子電池を適用したものを挙げることができる。この変形例は、図７における正極要素が負極要素に置き換わり、図７における負極要素が正極要素に置き換わったものとなる。
図７は、１つの折畳単層量子電池２１を適用した二次電池２０Ａを示したが、複数の折畳単層量子電池２１を適用して１つの二次電池を構成するようにしても良い。例えば、２つの折畳単層量子電池２１を左右方向に並べて電流容量を稼ぐようにしても良い。この場合、例えば、負極端子板８は奥行方向の奥側から手前側に延長させると共に、正極端子板９は奥行方向の手前側から奥側に延長させる（延長方向は折り曲げ線と平行）。この変形実施形態の折畳単層量子電池より折り畳み回数を倍にした１つの折畳単層量子電池２１を適用して形成された第１の実施形態の二次電池２０Ａも同様な電流容量を実現できるが、この変形実施形態の二次電池は、二次電池２０Ａに比較し、左右方向の長さは長いが、厚み（上下方向の長さ）を薄くできる。従って、用途などに応じて、どちらを適用するかを決定すれば良い。
図７に示す複数の二次電池２０Ａを、１つの実装部材の中に実装するようにしても良く、この場合に、複数の二次電池２０Ａの延長部８ａ及び９ａを直列接続しても良く、また、並列接続しても良く、さらに、直並列接続しても良く、さらにまた、個別に外部に露出させるようにしても良い。例えば、折畳単層量子電池２１の面形状が半円形状とし、２つの二次電池２０Ａを、平面形状が概略円となるように実装部材の中に実装するようにしても良い。
図７は、適用している折畳単層量子電池２１の折畳回数が２回である二次電池２０Ａを示したが、図８は、適用している折畳単層量子電池２１の折畳回数が３回である、第１の実施形態の技術思想が適用された二次電池を示している。上述したように、折畳回数は２回以上であれば良い。図８に示す二次電池についての詳細説明は省略する。
（Ｃ）第２の実施形態
次に、本発明による二次電池の第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図９は、第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂの構成を示す断面図であり、上述した図４（Ｂ）と同様な方向から見た断面図である。図９は、面方向の寸法より厚み方向の寸法を強調して示している。
第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂは、図１０に示すように、単層量子電池を、天地（上下方向の向き）を同じにして２段（この段数は直列接続数となっており、３段以上でも良い）に重ね、その２段重ねの状態で、折畳方向を交互に変えて、２回以上（図９は３回の例）折り畳まれた電池構造（以下、適宜、多段折畳単層量子電池と呼ぶ）２２を有する。多段折畳単層量子電池２２において、下側から数えて、奇数番目の折曲部は上段の単層量子電池の正極層２を内側にして折り畳まれた部分であり、偶数番目の折曲部は下段の単層量子電池の負極層３を内側にして折り畳まれた部分であり、上述のように、交互に折り畳む方向を変えることにより、多段折畳単層量子電池２２は蛇腹構造を有している。所望する電流容量に応じて折畳む前の単層量子電池の形状を定め、実装形状などを考慮して、単層量子電池の折畳回数を選定するようにしても良い。また、折り畳む前の単層量子電池を重ねる段数は、所望する端子電圧に応じて選定すれば良い。
折り畳みにより対向するようになった正極層２の上下の部分間には、正極端子板９が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。なお、図９では存在しないが、折畳回数が偶数回の場合には、多段折畳単層量子電池２２も、外部に露出している正極層２を有し（図７参照）、この外部露出の正極層２にも正極端子板９が接触されている。全ての正極端子板９は、正極端子連結部９ｂによって連結されている。単層量子電池の折り畳みにより対向するようになった負極層３の上下の部分間には、負極端子板８が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。また、多段折畳単層量子電池２２の外部に露出している負極層３には、負極端子板８が接触されている。全ての負極端子板８は負極端子連結部８ｂによって連結されている。なお、図９に示した一部の負極端子板８や一部の正極端子板９を省略することも可能である。負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂはそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａを有している。
第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂは、多段折畳単層量子電池２２が単層量子電池の直列接続となっていて端子電圧を高くすることができ、多段折畳単層量子電池２２は展開すれば明らかなように、大面積の単層量子電池を利用したものとなっているので電流容量を大きくすることができる。
また、第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂも、第１の実施形態と同様に、絶縁層が不要であって全容積を小さくできる、２回以上折畳んでいるので占有面積を小さくできる、積層対象の部品数などを少なくできて積層工程の工数を軽減できる、多段折畳単層量子電池２２の位置のばらつきを抑えることができる、などの効果を奏することができる。
上記では、単層量子電池を多段に重ね、その多段に重ねた状態で、折畳方向を交互に変えて２回以上折り畳んで多段折畳単層量子電池２２を得るように説明したが、図１１に示すように、多段折畳単層量子電池２２における折畳んだ各段用の単層量子電池を得た後、各段用の折畳単層量子電池を嵌め合わせて多段折畳単層量子電池２２を得るようにしても良い。
また、詳述は避けるが、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａの説明で適宜言及した変形実施形態のうち、第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂに適用可能なものは、第２の実施形態に係る二次電池２０Ｂの変形実施形態となる。
（Ｄ）第３の実施形態
次に、本発明による二次電池の第３の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１２は、第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃの構成を示す断面図であり、上述した図４（Ｂ）と同様な方向から見た断面図である。図１２は、面方向の寸法より厚み方向の寸法を強調して示している。
第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃは、図１３に示すように、２つの単層量子電池を、天地を逆にして重ね（図１３の例では正極層２同士が接触するように重ね）、その２段重ねの状態で、折畳方向を交互に変えて、２回以上（図１２は３回の例）折り畳まれた電池構造（以下、適宜、逆２段折畳単層量子電池と呼ぶ）２３を有する。逆２段折畳単層量子電池２３において、下側から数えて、奇数番目の折曲部は上段の単層量子電池の負極層３を内側にして折り畳まれた部分であり、偶数番目の折曲部は下段の単層量子電池の負極層３を内側にして折り畳まれた部分であり、上述のように、交互に折り畳む方向を変えることにより、逆２段折畳単層量子電池２３は蛇腹構造を有している。所望する電流容量に応じて折畳む前の単層量子電池の形状を定め、実装形状などを考慮して、単層量子電池の折畳回数を選定するようにしても良い。
２つの単層量子電池の接触している正極層２の間であって、逆２段折畳単層量子電池２３の端部から直線で到達し得る折曲部までには、正極端子板９が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。全ての正極端子板９は、正極端子連結部９ｂによって連結されている。単層量子電池の折り畳みにより対向するようになった負極層３の上下の部分間には、負極端子板８が、その先端が折曲部の内面に接するまで挿入されている。また、逆２段折畳単層量子電池２３の外部に露出している負極層３には、負極端子板８が接触されている。全ての負極端子板８は負極端子連結部８ｂによって連結されている。なお、図１２に示した一部の負極端子板８や一部の正極端子板９を省略することも可能である。負極端子連結部８ｂ及び正極端子連結部９ｂはそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａを有している。
第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃは、２つの単層量子電池の並列接続になっていると共に、逆２段折畳単層量子電池２３は展開すれば明らかなように、大面積の単層量子電池を利用したものとなっているので電流容量を大きくすることができる。
また、第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃも、第１の実施形態と同様に、絶縁層が不要であって全容積を小さくできる、２回以上折畳んでいるので占有面積を小さくできる、積層対象の部品数などを少なくできて積層工程の工数を軽減できる、逆２段折畳単層量子電池２３の位置のばらつきを抑えることができる、などの効果を奏することができる。
図１２に示した二次電池２０Ｃは、図１３に示すように、正極層２を上にした単層量子電池を下側に、正極層２を下にした単層量子電池を上側にして重ねたものを折畳んだものであったが、正極層２を上にした単層量子電池と正極層２を下にした単層量子電池の数をそれぞれ複数にするようにしても良い。例えば、正極層２を上にした単層量子電池を２段に重ねてそれを下側に配置し、正極層２を下にした単層量子電池を２段に重ねてそれを上側に配置し、計４段に単層量子電池を重ねた状態で、２回以上折り畳んだ構造を利用して二次電池を構成するようにしても良い。
また、詳述は避けるが、既述した実施形態に係る二次電池２０Ａ、２０Ｂの説明で適宜言及した変形実施形態のうち、第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃに適用可能なものは、第３の実施形態に係る二次電池２０Ｃの変形実施形態となる。
（Ｅ）第４の実施形態
次に、本発明による二次電池の第４の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１４は、第４の実施形態に係る二次電池２０Ｄの構成を示す断面図であり、上述した図４（Ｂ）と同様な方向から見た断面図である。図１４は、面方向の寸法より厚み方向の寸法を強調して示している。
上述した第１〜第３の実施形態は、負極層３、充電層６及び正極層２を有する単層量子電池（図４参照）を折り畳んだ折畳単層量子電池を利用するものであった（シール７は必須要件ではない）。負極層３、充電層６及び正極層２を有する単層量子電池は、基板上に対する薄膜形成処理を通じて形成され、基板から離脱されて形成されたものである。若しくは、離脱された後に、所定の形状に切り出されて形成されたものである。量子電池の場合、上述した基板として、絶縁性基板が適用できるだけでなく、銅やステンレスなどの導電性材料でなる薄い導電性基板を適用することができる。
この第４の実施形態に係る二次電池２０Ｄは、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａ（図７参照）の一部を変更したものである。導電性基板１２の上に負極層３、充電層６及び正極層２を積層し、短絡防止のシール７（但し、シール７は必須の構成要件ではない）を有する構成を単位構成（以下、適宜、基板付単層量子電池と呼ぶ）とし、この基板付単層量子電池を、折畳方向を交互に変えて２回以上折り畳んだ折畳基板付単層量子電池２４を、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａの折畳単層量子電池２１に代えて適用したものである。その他の構成は、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａと同様である。
第４の実施形態の二次電池２０Ｄによれば、折り畳む前の単位構成が基板付単層量子電池であるため、基板から、電池構成部分を剥離するような製造工程を不要とすることができる。その他の効果は、第１の実施形態と同様である。
折畳基板付単層量子電池２４が有する基板が導電性基板１２であるので、導電性基板１２に負極層３の機能を担当させ、負極層３を省略することも可能である。
詳述は避けるが、既述した各実施形態に係る二次電池２０Ａ〜２０Ｃの説明で適宜言及した変形実施形態のうち、第４の実施形態に係る二次電池２０Ｄの技術思想を適用可能なものは、第４の実施形態に係る二次電池２０Ｄの変形実施形態となる。
第４の実施形態に係る二次電池２０Ｄは、第１の実施形態に係る二次電池２０Ａの折畳単層量子電池２１の部分を、折畳基板付単層量子電池２４に置き換えたものであった。図示は省略するが、第２、第３の実施形態に係る二次電池２０Ｂ、２０Ｃの折畳単層量子電池２２、２３に係る単層量子電池を、基板付単層量子電池に置き換えた二次電池を実現しても良い。
図１４に示す二次電池で２０Ｄは、導電性基板１２が負極層３側に設けられたものであったが、導電性基板１２が正極層２側に設けられた場合にも同様に、導電性基板１２が残ったまま二次電池を構成するようにしても良い。
（Ｆ）第５の実施形態
次に、本発明による二次電池の第５の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１５（Ｃ）は、第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅの構成を示す正面図であり、上述した図４（Ｂ）の断面図と同様な方向から見た正面図である（本来見える手前側のシール７については除外して示した正面図である）。図１５（Ｃ）は、面方向の寸法より厚み方向の寸法を強調して示している。
第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅは、例えば、以下のように形成される。最初に、図１５（Ａ）の平面図に示すように、単層量子電池に対して、１回目の折り畳みが実行される折り曲げ線近傍まで延びる１本又は複数本（図１５（Ａ）は４本の例）のスリット２５を設ける。スリット２５は、完成された単層量子電池に対するカッティングにより設けるようにしても良く、薄膜の順次形成による単層量子電池の形成過程においてスリット２５となる部分の膜形成を阻害するようにして設けるようにしても良い。次に、図１５（Ｂ）の正面図に示すように、スリット２５で切り分けられた部分の中から予め定まっている部分を、所定回数以上（図１５は３回の例を示している）折り畳む。図１５は、一番奥側の部分と、奥側から２番目及び３番目のスリット２５間の部分と、一番手前側の部分とが折り畳まれた例である。折り畳まれない部分は、折り畳み後の全体として見た場合、折り畳まれた蛇腹本体から引き出した舌片２６を構成しており、蛇腹本体における、舌片２６の延長部分は溝２７となっている。以下、図１５（Ｂ）に示すような舌片２６を有する蛇腹状に折り畳まれた単層量子電池２８を、以下、適宜、舌片付折畳単層量子電池と呼ぶ。
なお、以下の説明において、説明に用いている図面で舌片及び溝が見えない場合にも、文章では符号「２６」や「２７」を付して説明していることもある。
図１６（Ｂ）は、唯一の舌片２６及びその延長の溝２７が手前側に設けられている舌片付折畳単層量子電池を示し、図１６（Ａ）は、その舌片付折畳単層量子電池の蛇腹状に折り畳む前の状態を示している。図１７（Ｂ）は、唯一の舌片２６及びその延長の溝２７が奥行方向の中央に設けられている舌片付折畳単層量子電池を示し、図１７（Ａ）は、その舌片付折畳単層量子電池の蛇腹状に折り畳む前の状態を示している。
図１５〜図１７に示すように、舌片付折畳単層量子電池２８は、舌片２６の数や舌片２６の位置は限定されない。また、舌片２６の幅も限定されるものではない。舌片２６の長さは、スリット２５の長さに応じて定まるが、蛇腹状に折り畳んだ後、舌片２６の長手方向に直交する方向に沿ってカットすることにより、スリット２５の長さより短くするようにしても良い。
第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅにおいて、正極端子板９は、少なくとも舌片２６における正極層２と接触している。さらに、正極端子板９が溝２７の表面に露出している正極層２と接触するように延びているものであっても良く、図１５（Ｃ）はこのような場合を示している。負極端子板８は、例えば、蛇腹本体における最も下側の折畳部分の下側の負極層３（この延長上の舌片２６における負極層３を含んでも良い）や、蛇腹本体における最も上側の折畳部分の上側の負極層３（折畳回数が偶数回の場合にはこのような負極層が存在しない）に接触する。負極端子板８及び正極端子板９はそれぞれ、図示しない実装部材の外部に負極端子、正極端子を露出させるための延長部８ａ、９ａに接続されている。
図１５では、舌片２６が蛇腹本体における下折畳部分と同一平面上に延びているものを示したが、舌片２６が蛇腹本体における下折畳部分に対して１８０度以外の角度を持つように折り曲げられたものであっても良く、それに応じて、正極端子板９の延長方向を選定しても良い。また、舌片２６がその途中で折り曲げられ、折り曲げられた先端側で正極端子板９と接触するものであっても良い。
また、図１５では、スリット２５と折り曲げ線とが直交する場合を示したが、これに限定されず、例えば、図１８に示すように、スリット２５と折り曲げ線とが９０度以外の角度で交わるものであっても良い。
さらに、図１５では、スリット２５を設けて折り畳むことにより舌片付折畳単層量子電池２８を形成する場合を示したが、他の方法によって、舌片付折畳単層量子電池２８を形成するようにしても良い。例えば、図１９に示すように、蛇腹状に折り畳む前の単層量子電池として、既に舌片２６が形成されている形状のものを用い、舌片２６の長手方向と平行な折り曲げ線に沿って、舌片２６以外の部分を折り畳むことにより、舌片付折畳単層量子電池２８を形成するようにしても良い。この場合において、上述した溝２７に相当する部分ができるように蛇腹状に折り畳んでも良く、溝２７に相当する部分ができないように蛇腹状に折り畳んでも良い。
第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅによれば、舌片２６を設けたので、正極層２そのものを引出電極の構成要素として利用でき、電極分の容積や体積などを削減することができる。
単層量子電池を蛇腹状に折り畳んで利用することの効果は、既述した実施形態で説明した通りである。
詳述は避けるが、既述した各実施形態に係る二次電池２０Ａ〜２０Ｄの説明で適宜言及した変形実施形態のうち、第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅに適用可能なものは、第５の実施形態に係る二次電池２０Ｅの変形実施形態となる。
（Ｇ）他の実施形態
上記各実施形態の説明においても、種々変形実施形態に言及したが、さらに、以下に例示するような変形実施形態を挙げることができる。
（Ｇ−１）第１の実施形態に係る二次電池２０Ａの変形例として、複数の二次電池２０Ａを、１つの実装部材の中に実装することを上述したが、１つの実装部材の中に実装する複数の二次電池が、上述した異なる実施形態の二次電池であっても良い。この場合において、複数の二次電池の延長部８ａ及び９ａを直列接続しても良く、また、並列接続しても良く、さらに、直並列接続しても良く、さらにまた、個別に外部に露出させるようにしても良い。所望する端子電圧や電流容量に応じて、直列接続、並列接続又は直並列接続する二次電池を選定すれば良い。
（Ｇ−２）上記各実施形態では、単層量子電池（図４参照）が折り畳みを考慮した特別な工夫を備えないものであったが、折り畳みを考慮した特別な工夫がなされた単層量子電池を折り畳むようにしても良い。図２０は、このような変形実施形態に係る単層量子電池の断面図（図４（Ｂ）参照）である。折曲部となる紙面の法線方向に延びる帯状の領域３０Ｐ、３０Ｎはそれぞれ、正極層２若しくは負極層３（導電性基板１２の上に設けられている負極層であっても良い）だけが設けられ、充電層６や他極層が設けられていない、折り畳みに対する力学的な抵抗が弱くされたものであっても良い。この変形例の場合には、充電層６や他極層が設けられていないために窪みになっている帯状領域に、円状の絶縁棒体を位置させて折り畳むようにしても良い。また、図示は省略するが、折り曲げ線上に、負極層３、充電層６及び正極層２が設けられた場合であっても、折り曲げ線に沿って、ミシン目を入れて、折り畳みに対する力学的な抵抗が弱くするようにしても良い。
（Ｇ−３）上記各実施形態では、単層量子電池を２回以上折り畳んだ折畳単層量子電池だけを適用するものであったが、これに加えて、他の構成の単層量子電池を利用するものであっても良い。図２１及び図２２はそれぞれ、このような変形実施形態に係る二次電池２０Ｆ、２０Ｇの構成を示す断面図である。
図２１に示す二次電池２０Ｆは、図８に示した二次電池に対する変形実施形態となっており、最上部側に２つの単層量子電池３１が、正極層２側が対向するように積層されている。対向する正極層２に挟まれるように正極端子板９が設けられている。また、２つの単層量子電池３１の負極層３はそれぞれ、異なる負極端子板８に接触している。折り畳まない小面積の単層量子電池３１を積層対象とした場合、元の大きなシートから、２回以上の折り畳み用の単層量子電池を切り出して検査したときにそれが不良品であっても、その一部の領域が正常であれば小面積の単層量子電池３１として、二次電池２０Ｆで利用することができる。
図２２に示す二次電池２０Ｇは、図８に示した二次電池に対する変形実施形態となっており、最上部側に、単層量子電池を正極層２側が対向するように２つ折りに折り畳まれた折曲単層量子電池３２が積層されている。対向する正極層２に挟まれるように正極端子板９が設けられている。また、折曲単層量子電池３２の上下の負極層３はそれぞれ、異なる負極端子板８に接触している。２つ折りの折曲単層量子電池３２を積層対象とした場合、元の大きなシートから、２回以上の折り畳み用の単層量子電池を切り出して検査したときにそれが不良品であっても、その一部の領域が正常であれば、折曲単層量子電池３２として、二次電池２０Ｇで利用することができる。
（Ｇ−４）上記各実施形態では、折畳単層量子電池の面の法線方向が上下方向のものを示したが、折畳単層量子電池の面の法線方向が左右方向のもの（例えば、図７の状態を反時計回り若しくは時計回りに９０度だけ回転させたような二次電池）であっても良い。
（Ｇ−５）上記各実施形態では、単層量子電池を、各折畳部分が均等の幅になるように折畳むものを示したが、全ての折畳部分の幅が同じである必要はない。
（Ｇ−６）上記各実施形態では、単層二次電池が量子電池であるものを示したが、量子電池に限定されるものではなく、シート状（平行平板状）の二次電池であれば良い。例えば、固体リチウムイオン二次電池も、折り畳むことができるものであれば、上記各実施形態の積層対象とすることができる。

Claims (5)

  1. 蓄電層が正電極層及び負電極層で挟まれたシート状の単層二次電池を、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ折畳単層二次電池を適用していることを特徴とする二次電池。
  2. 複数の上記単層二次電池を、天地を同じにして多段に重ねた状態で、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ多段折畳単層二次電池を適用していることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  3. １又は複数の上記単層二次電池を、天地を第１方向にして多段に重ね、さらに、その上側に、１又は複数の上記単層二次電池を、天地を、上記第１方向とは逆の第２方向にして多段に重ねた状態で、折畳方向を交互に逆方向に変えて２回以上折り畳んだ多段折畳単層二次電池を適用していることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  4. 上記折畳単層二次電池若しくは上記多段折畳単層二次電池は、折り畳まれていない非折畳部分を含み、この非折畳部分における正電極層及び負電極層の少なくとも一方が、正極端子部材若しくは負極端子部材と接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
  5. 上記単層二次電池が、上記負電極層若しくは上記正電極層の一方の部分が、導電性基板とその上に設けられた上記負電極層との組、若しくは、導電性基板とその上に設けられた上記正電極層との組に置き換えられたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
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