JPWO2018203474A1 - 固体電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
1.固体電池
1−1.構成
1−2.固体電解質層の物性および詳細な構成
1−3.動作
1−4.製造方法
1−5.作用および効果
1−6.変形例
2.固体電池の用途
2−1.電池パック(単電池)
2−2.電池パック(組電池)
2−3.電動車両
2−4.電力貯蔵システム
2−5.電動工具
3.固体電池の応用例
本技術の一実施形態の固体電池に関して説明する。
まず、固体電池の構成に関して説明する。
図1は、固体電池の断面構成を表している。この固体電池は、例えば、図1に示したように、正極層10、負極層20、固体電解質層30および絶縁層40を含む積層体1と、その積層体1に取り付けられた正極端子50および負極端子60とを備えている。
積層体1は、例えば、正極層10、負極層20、固体電解質層30および絶縁層40が高さ方向に積層された構造体である。
正極層10は、電極反応物質イオンであるリチウムイオンを吸蔵および放出する一方の電極である。
正極集電層11は、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、正極集電層11は、例えば、上記した導電性材料と共に、正極集電結着剤および固体電解質などの添加剤のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
正極活物質層12は、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能である正極活物質を含んでいる。ただし、正極活物質層12は、例えば、上記した正極活物質と共に、正極結着剤、正極導電剤および固体電解質などの添加剤のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
負極層20は、リチウムイオンを吸蔵および放出する他方の電極である。
負極集電層21の構成は、例えば、正極集電層11の構成と同様である。すなわち、負極集電層21は、例えば、導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、その導電性材料と共に負極集電結着剤および固体電解質などの添加剤のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。ただし、負極集電層21の構成は、例えば、正極集電層11の構成と同じでもよいし、正極集電層11の構成と異なってもよい。
負極活物質層22は、例えば、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能である負極活物質を含んでいる。ただし、負極活物質層22は、例えば、上記した負極活物質と共に、負極結着剤、負極導電剤および固体電解質などの添加剤のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
固体電解質層30は、正極層10と負極層20との間においてリチウムイオンを移動させる媒質であり、いわゆる固体状の電解質である。なお、固体電解質層30は、例えば、単層でもよいし、多層でもよい。
絶縁層40は、正極層10および負極層20のそれぞれを周辺から電気的に分離する。具体的には、絶縁層40は、例えば、正極層10と負極端子60との間に介在しているため、その正極層10を負極端子60から電気的に分離している。また、絶縁層40は、例えば、負極層20と正極端子50との間に介在しているため、その負極層20を正極端子50から電気的に分離している。
正極端子50は、積層体1の幅方向における一方の側面(左側面)に取り付けられている。これにより、正極端子50は、正極層10に接触しているため、その正極層10と電気的に接続されている。なお、正極端子50は、例えば、積層体1の左側面から上面の一部まで延設されていると共に、その積層体1の左側面から下面の一部まで延設されていてもよい。
負極端子60は、正極端子50から離間されていると共に、積層体1の幅方向における他方の側面(右側面)に取り付けられている。これにより、負極端子60は、負極層20に接触しているため、その負極層20と電気的に接続されている。なお、負極端子60は、例えば、積層体1の右側面から上面の一部まで延設されていると共に、その積層体1の右側面から下面の一部まで延設されていてもよい。
次に、図1を参照して、固体電解質層30Yの物性と、その物性を得るための固体電解質層30Yの詳細な構成とに関して説明する。
次に、図1を参照して、固体電池の動作に関して説明する。
次に、固体電池の製造方法に関して説明する。
正極グリーンシート100を形成する場合には、最初に、固体電解質と、溶媒と、必要に応じて電解質結着剤などとを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、電解質スラリーを調製する。溶媒の種類は、特に限定されないが、例えば、有機溶剤などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。有機溶剤の具体例は、酢酸ブチル、N−メチル−ピロリドンおよびトルエンなどである。
負極グリーンシート200を形成する場合には、最初に、上記した手順により、電解質スラリーを調製する。続いて、図8および図11に示したように、基体80の上に固体電解質層30を形成する。この場合には、基体80の一面に電解質スラリーを塗布したのち、その電解質スラリーを乾燥させる。基体80に関する詳細は、例えば、基体70に関する詳細と同様である。
積層前駆体1Zを形成する場合には、図14に示したように、基体70が除去された正極グリーンシート100と、基体80が除去された負極グリーンシート20とを互いに積層させる。ここでは、例えば、図1に示した固体電池を製造するために、1個の負極グリーンシート200を介して2個の正極グリーンシート100を積層させる。
正極端子50を形成する場合には、最初に、導電性材料と、溶媒と、イオン伝導度調整材料と、必要に応じて正極端子結着剤および固体電解質などとを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、正極端子スラリーを調製する。正極端子スラリーに関する溶媒の種類は、例えば、正極活物質スラリーに関する溶媒の種類と同様である。
負極端子60を形成する場合には、最初に、導電性材料と、溶媒と、必要に応じて負極端子結着剤および負体電解質などとを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、負極端子スラリーを調製する。負極端子スラリーに関する溶媒の種類は、例えば、正極活物質スラリーに関する溶媒の種類と同様である。この負極端子スラリーは、上記した正極端子スラリーとは異なり、イオン伝導度調整材料を含んでいない。
本技術の固体電池によれば、以下で説明する作用および効果が得られる。
本技術の固体電池では、固体電解質層30は、正極層10と負極層20との間に配置された固体電解質層30Yを含んでいる。この固体電解質層30Yは、負極端子60に近い側に位置する高イオン伝導度部31と、正極端子50に近い側に位置する低イオン伝導度部32とを含んでいる。この低イオン伝導度部32のイオン伝導度C2は、高イオン伝導度部31のイオン伝導度C1よりも低くなっている。よって、以下で説明する理由により、固体電池の安全性を向上させることができる。
この他、本技術の固体電池では、低イオン伝導度部32が電極反応物質イオン(アルカリ金属元素のイオン)とは異なる種類の特定アルカリ金属元素を含んでいるのに対して、高イオン伝導度部31が特定アルカリ金属元素を含んでいなければ、イオン伝導度C2がイオン伝導度C1よりも十分に低くなるため、より高い効果を得ることができる。
本技術の固体電池の構成に関しては、適宜変更可能である。
次に、上記した固体電池の適用例に関して説明する。
図19は、単電池を用いた電池パックの斜視構成を表しており、図20は、図19に示した電池パックのブロック構成を表している。なお、図19では、電池パックが分解された状態を示している。
図21は、組電池を用いた電池パックのブロック構成を表している。
図22は、電動車両の一例であるハイブリッド自動車のブロック構成を表している。
図23は、電力貯蔵システムのブロック構成を表している。
図24は、電動工具のブロック構成を表している。
次に、上記した固体電池の応用例に関して説明する。この固体電池は、例えば、以下で説明する機器などに応用することが可能である。ただし、以下で説明する一連の機器などの構成は、あくまで一例である。
図25は、プリント回路基板のブロック構成を表している。固体電池は、例えば、図25に示したように、プリント回路基板1202(PCB(Print circuit board )の上に充電回路などと一緒に実装されている。固体電池1203および充電回路などの電子回路は、例えば、リフロー工程を用いてPCB1202の上に実装可能である。以下では、固体電池1203および充電回路などの電子回路が実装されたPCB1202を「電池モジュール1201」と呼称する。電池モジュール1201は、例えば、カード型の形状を有しており、携帯可能なカード型モバイルバッテリとして使用される。
A.ウェアラブル機器(スポーツウォッチ、時計および補聴器など)
B.IoT端末(センサネットワーク端末など)
C.アミューズメント機器(ポータブルゲーム端末およびゲームコントローラなど)
D.IC基板埋め込み電池(リアルタイムクロックICなど)
E.環境発電機器(太陽光発電、熱電発電および振動発電などの発電素子用の蓄電素子)
現在、複数枚のクレジットカードを持ち歩いているユーザが多い。しかしながら、クレジットカードの枚数が多くなるほど、紛失および盗難などの危険性が増す問題がある。そこで、複数枚のクレジットカードおよびポイントカードなどの機能を1枚のカードに集約したカード、いわゆるユニバーサルクレジットカードが実用化されている。このユニバーサルクレジットカードには、例えば、様々なクレジットカードおよびポイントカードのカード番号および有効期限などの情報を記録できるため、1枚のユニバーサルクレジットカードを財布等の中に入れておけば、必要に応じて所望のカードを選択することができると共に、選択したカードを使用することができる。
ウェアラブル端末の一例として、リストバンド型電子機器が挙げられる。中でも、リストバンド型活動量計は、スマートバンドと呼ばれており、ユーザは、リストバンド型活動量計を腕に巻き付けておくだけで、歩数、移動距離、消費カロリー、睡眠量および心拍数などの人間の活動に関するデータを取得することができる。この場合には、リストバンド型活動量計から取得されたデータをスマートフォンなどで管理することもできる。なお、リストバンド型活動量計は、メールの送受信機能を備えていてもよい。この場合には、リストバンド型活動量計は、例えば、LED(Light Emitting Diode)ランプおよびバイブレーションなどを利用してメールの着信をユーザに知らせる通知機能を有していてもよい。
スマートウォッチは、既存の腕時計の外観(デザイン)と同様または類似の外観を有しており、その腕時計と同様にユーザの腕に装着されることにより使用される。このスマートウォッチは、ディスプレイに表示される情報に基づいて、電話および電子メールの着信などの各種メッセージをユーザに通知する機能を有している。さらに、電子マネーおよび活動量計などの機能を有するスマートウォッチも提案されている。スマートウォッチでは、ディスプレイに様々な情報が表示される。このスマートウォッチは、例えば、通信端末(スマートフォンなど)とBluetooth(登録商標)などの近距離無線通信を行うことにより、その通信端末などの機能およびコンテンツなどと連携することも可能である。
図31は、バンド型電子機器2000の内部構成の一部を表しており、具体的には、5個のセグメント2170,2180,2190,2200,2210を示している。バンド型電子機器2000では、連続した5個のセグメント2170〜2210の内部にフレキシブル回路基板2400が収納されている。セグメント2170の内部には、種々の電子部品が配置されており、セグメント2190,2210のそれぞれの内部には、固体電池を含むバッテリ2411,2421が収納されている。これらの電子部品などは、フレキシブル回路基板2400を介して電気的に接続されている。セグメント2170とセグメント2190との間に配置されているセグメント2180は、比較的小さなサイズを有しており、そのセグメント2180の内部には、蛇行状態のフレキシブル回路基板2400が配置されている。セグメント2180の内部には、防水部材により挟まれた状態でフレキシブル回路基板2400が収納されている。なお、セグメント2170〜2210のそれぞれは、防水構造を有している。
図32は、上記したバンド型電子機器2000のブロック構成を表している。バンド型電子機器2000の内部に搭載されている回路は、時計本体3000から独立している。時計本体3000は、例えば、文字盤3100に設けられた針を回転させるムーブメント部3200を備えており、そのムーブメント部3200には、バッテリ3300が接続されている。ムーブメント部3200およびバッテリ3300は、時計本体3000のうちの筐体の内部に収納されている。
以下で説明する眼鏡型端末は、目の前の風景にテキスト、シンボルおよび画像などの情報を重畳しながら表示することが可能な表示装置である。すなわち、眼鏡型端末は、透過式メガネ型端末専用である軽量かつ薄型の画像表示装置ディスプレイモジュールを搭載している。眼鏡型端末の代表例は、頭部装着型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ(HMD)などである。
以下で説明するように、正極グリーンシート100の形成工程、負極グリーンシート200の形成工程、積層前駆体1Pの形成工程、正極端子50の形成工程および負極端子60の形成工程をこの順に行うことにより、図1に示した固体電池を作製した。
正極グリーンシート100を形成する場合には、最初に、電解質スラリー、絶縁スラリー、正極活物質スラリーおよび正極集電スラリーを準備した。
負極グリーンシート200を形成する場合には、最初に、電解質スラリー、絶縁スラリー、負極活物質スラリーおよび負極集電スラリーを準備した。ただし、電解質スラリーおよび絶縁スラリーのそれぞれの調製手順は、上記した通りであると共に、負極集電スラリーの調製手順は、上記した正極集電スラリーの調製手順と同様である。
積層前駆体1Zを形成する場合には、最初に、正極グリーンシート100から基体70を剥離除去すると共に、負極グリーンシート200から基体80を剥離除去した。続いて、正極グリーンシート100と、負極グリーンシート20と、正極グリーンシート100とをこの順に積層させることにより、積層物を得た。続いて、積層物体のうちの最上層である正極グリーンシート100の表面に電解質スラリーを塗布したのち、その電解質スラリーを乾燥(乾燥温度=80℃,乾燥時間=10分間)させた。これにより、固体電解質層30が形成されたため、正極層10、負極層20、固体電解質層30および絶縁層40を含む積層前駆体1Zが形成された。最後に、積層前駆体1Zを加熱(加熱温度=100℃,加熱時間=10分間)した。
正極端子50を形成する場合には、最初に、正極端子スラリーを調製した。
負極端子60を形成する場合には、最初に、負極端子スラリーを調製した。負極端子スラリーの調製手順は、上記した正極端子スラリーの調製手順と同様である。
表1に示したように、イオン伝導度調整材料を含んでいない正極端子スラリーを用いて正極端子50を形成したことを除いて、実験例1〜6と同様の手順により、図16に示した固体電池を作製した。この場合には、イオン伝導度部131のイオン伝導度C1とイオン伝導度部132のイオン伝導度C2とが互いに同じになった。
(1)
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、固体電池。
(2)
前記電極反応物質イオンは、アルカリ金属元素のイオンであり、
前記低イオン伝導度部は、前記アルカリ金属元素とは異なる種類である特定アルカリ金属元素のうちの少なくとも1種を含み、
前記高イオン伝導度部は、前記特定アルカリ金属元素を含まない、
上記(1)に記載の固体電池。
(3)
前記電極反応物質イオンは、リチウムイオンであり、
前記特定アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)のうちの少なくとも1種である、
上記(2)に記載の固体電池。
(4)
前記正極層は、前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極活物質を含み、
前記正極活物質は、前記特定アルカリ元素を構成元素として含まない、
上記(2)または(3)に記載の固体電池。
(5)
前記低イオン伝導度部は、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域の一部まで延設されている、
上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の固体電池。
(6)
前記高イオン伝導度部のイオン伝導度は、10-4S/cm以上10-6S/cm以下であり、
前記低イオン伝導度部のイオン伝導度は、10-7S/cm以下である、
上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の固体電池。
(7)
正極端子と、
前記正極端子から離間された負極端子と、
前記正極端子に接続されると共に前記負極端子から離間されるように前記正極端子から前記負極端子に向かう方向に延在し、電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記負極端子に接続されると共に前記正極端子から離間されるように前記負極端子から前記正極端子に向かう方向に延在し、前記正極層と部分的に対向すると共に前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間において前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域および前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域に配置され、前記負極端子に近い側に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部および前記正極端子に近い側に位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部を含む固体電解質層と、
を備えた、固体電池。
(8)
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の固体電池と、
前記固体電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記固体電池の動作を切り換えるスイッチ部と、
を備えた、電池パック。
(9)
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の固体電池と、
前記固体電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記固体電池の動作を制御する制御部と、
を備えた、電動車両。
(10)
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の固体電池と、
前記固体電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記固体電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と、
を備えた、電力貯蔵システム。
(11)
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の固体電池と、
前記固体電池から電力を供給される可動部と、
を備えた、電動工具。
(12)
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の固体電池を電力供給源として備えた、電子機器。
Claims (12)
- 電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、固体電池。 - 前記電極反応物質イオンは、アルカリ金属元素のイオンであり、
前記低イオン伝導度部は、前記アルカリ金属元素とは異なる種類である特定アルカリ金属元素のうちの少なくとも1種を含み、
前記高イオン伝導度部は、前記特定アルカリ金属元素を含まない、
請求項1記載の固体電池。 - 前記電極反応物質イオンは、リチウムイオンであり、
前記特定アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)のうちの少なくとも1種である、
請求項2記載の固体電池。 - 前記正極層は、前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極活物質を含み、
前記正極活物質は、前記特定アルカリ元素を構成元素として含まない、
請求項2記載の固体電池。 - 前記低イオン伝導度部は、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域の一部まで延設されている、
請求項1記載の固体電池。 - 前記高イオン伝導度部のイオン伝導度は、10-4S/cm以上10-6S/cm以下であり、
前記低イオン伝導度部のイオン伝導度は、10-7S/cm以下である、
請求項1記載の固体電池。 - 正極端子と、
前記正極端子から離間された負極端子と、
前記正極端子に接続されると共に前記負極端子から離間されるように前記正極端子から前記負極端子に向かう方向に延在し、電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記負極端子に接続されると共に前記正極端子から離間されるように前記負極端子から前記正極端子に向かう方向に延在し、前記正極層と部分的に対向すると共に前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間において前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域および前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域に配置され、前記負極端子に近い側に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部および前記正極端子に近い側に位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部を含む固体電解質層と、
を備えた、固体電池。 - 固体電池と、
前記固体電池の動作を制御する制御部と、
前記制御部の指示に応じて前記固体電池の動作を切り換えるスイッチ部と
を備え、
前記固体電池は、
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、電池パック。 - 固体電池と、
前記固体電池から供給された電力を駆動力に変換する変換部と、
前記駆動力に応じて駆動する駆動部と、
前記固体電池の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記固体電池は、
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、電動車両。 - 固体電池と、
前記固体電池から電力を供給される1または2以上の電気機器と、
前記固体電池からの前記電気機器に対する電力供給を制御する制御部と、
を備え、
前記固体電池は、
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、電力貯蔵システム。 - 固体電池と、
前記固体電池から電力を供給される可動部と、
を備え、
前記固体電池は、
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、電動工具。 - 固体電池を電力供給源として備え、
前記固体電池は、
電極反応物質イオンを吸蔵および放出する正極層と、
前記電極反応物質イオンを吸蔵および放出すると共に、前記正極層と部分的に対向する負極層と、
前記正極層と前記負極層との間に配置され、前記正極層と前記負極層とが互いに対向する領域に位置すると共に相対的に高いイオン伝導度を有する高イオン伝導度部と、前記正極層と前記負極層とが互いに対向しない領域において前記正極層に対向するように位置すると共に相対的に低いイオン伝導度を有する低イオン伝導度部と、を含む固体電解質層と、
を備えた、電子機器。
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