JPWO2019189007A1 - 固体電池 - Google Patents
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Abstract
固体電池を構成する各層の厚みにばらつきがあったとしても、それらの層に割れが発生することを抑制することができる固体電池を提供する。正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層の間に挟持された固体電解質層と、を備える固体電池セルを複数備える固体電池であって、固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層を備え、前記応力緩和層と接する他の層における前記応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上であるか、及び／又は前記応力緩和層と接する他の層における前記応力緩和層側の表面の平行度公差が１００μｍ以上である固体電池である。
Description
本発明は、固体電池に関する。
近年、自動車、パソコン、携帯電話等の大小さまざまな電気・電子機器の普及により、高電圧化又は高容量化の電池の需要が急速に拡大している。例えば、固体電解質を備える固体電池は、従来の電解質として有機電解液を備える電池と比較して、電解質が不燃性であるために安全性が向上する点や、より高いエネルギー密度を有する点において優れており、現在注目を集めている（例えば、特許文献１）。
一方で、固体電解質層を備える固体電池は、全固体の積層体で構成されるため外部衝撃に弱い。又、固体電池の充放電に伴い電極活物質が膨張収縮するため、固体電池を構成する各層に負荷がかかりやすい。
そこで、固体電池の耐久性を改善する技術が開示されている。例えば、特許文献２には、極性化ジエン系重合体スラリーを用いて製造される固体電解質層を備えるリチウム電池に関する技術が開示されている。特許文献２には、このリチウム電池は、固体電解質層に衝撃等に対する機械強度を向上させることができる旨記載されている。
さて、固体電池を構成する各層の厚みは一定ではなくばらつきが生じることがある。例えば、電極層を構成する電極シートは、面方向の中央ほど厚みが大きくなったり小さくなったりする場合がある。
そのため、そのような層の厚さにばらつきがあった場合には、外部衝撃や固体電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮が生じると層の厚みが大きい部分に応力が集中し固体電池を構成する各層に歪が蓄積され割れが生じることがある。層の厚さにばらつきがあった場合に、固体電池を廃棄することもできるが、固体電池を廃棄することは歩留りの低下を招くため生産性の観点からは好ましくない。
特に、電池を高電圧化又は高容量化にする目的で多層積層化した場合には、このような歪が固体電池を構成する各層に特に蓄積しやすく割れが発生しやすいという問題がより顕在化する。
本発明は、固体電池を構成する各層の厚みにばらつきがあった場合あったとしても、それらの層に割れが発生することを抑制することのできる固体電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討をした結果、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和する応力緩和層を備えた固体電池であれば上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層の間に挟持された固体電解質層と、を備える固体電池セルを複数備える固体電池であって、前記固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層を備え、前記応力緩和層と接する他の層における前記応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上であるか及び／又は前記応力緩和層と接する層における前記応力緩和層側の表面の平行度公差が１００μｍ以上である固体電池を提供する。
これにより、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
前記応力緩和層は、樹脂を含んでいてもよい。
前記応力緩和層は、正極層、固体電解質層及び負極層のうちの少なくともいずれか１層により構成されていてもよい。
前記応力緩和層は、複数の前記固体電池セルの間に配置されていてもよい。
前記固体電池の外部の少なくとも一部を覆う外装体を更に備え、前記固体電池セルと前記外装体との間に前記固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層が更に配置されていてもよい。
前記応力緩和層は、前記正極層と前記固体電解質層の間、又は前記負極層と前記固体電解質層の間の少なくとも１つに配置されていてもよい。
本発明によれば、固体電池を構成する各層の厚みにばらつきがあったとしても、それらの層に割れが発生することを効果的に抑制することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
＜第１実施形態の固体電池＞
図１は、本実施の形態に係る固体電池１の断面図である。本実施の形態に係る固体電池１は、正極層１２、２２と、負極層１４、２４と、正極層と負極層の間に挟持された固体電解質層１３、２３と、を備える固体電池セル１０、２０を複数備える固体電池１である。
図１は、本実施の形態に係る固体電池１の断面図である。本実施の形態に係る固体電池１は、正極層１２、２２と、負極層１４、２４と、正極層と負極層の間に挟持された固体電解質層１３、２３と、を備える固体電池セル１０、２０を複数備える固体電池１である。
より具体的には、本実施の形態に係る固体電池１は、正極集電体層１１、２１と、正極層１２、２２と、固体電解質層１３、２３と、負極層１４、２４と、負極集電体層１５、２５と、を備えた固体電池セル１０、２０と、固体電池１の外部を覆う支持体１７、２７と、を備える。
そして、本実施の形態に係る固体電池１は、正極層１２、２２と、負極層１４、２４と、面方向の中央ほど厚みが大きく形成されており、それらの層の厚みにばらつきが生じている。より具体的には、正極層１２、２２と、負極層１４、２４は、応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上の層である。そのため、外部からの衝撃や固体電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮によって、固体電池を構成する各層に歪が蓄積され割れが発生しやすくなっている。
そこで、本実施の形態に係る固体電池１は、固体電解質層１３、２３が固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層としての機能を有するように形成されている。具体的には、固体電解質層１３、２３は、面方向の中央ほど厚みが小さく形成されていることを特徴とする。これにより、正極層１２、２２と、負極層１４、２４の厚みが大きい部分に応力が集中することを解消することができることから、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
又、支持体１７と固体電池セル１０との間、支持体２７と固体電池セル２０の間、及び固体電池セル１０と固体電池セル２０との間には、固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層１６、２６、３６が更に配置される。この実施形態では、応力緩和層１６、２６、３６は、固体電解質層１３、２３と同様に、面方向の中央ほど厚みが小さく形成されている。これにより固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することをより効果的に抑制することができる。
このように、応力緩和層は、隣接する他の層と接する面が密着するように厚みが変化する層であれば、正極層、固体電解質層及び負極層等の固体電池セルを構成する層により構成されていてもよく（固体電解質層１３、２３）、固体電池セルを構成する層以外の層により構成されていてもよい（応力緩和層１６、２６、３６）。尚、この実施形態では、応力緩和層２６は、固体電池セル１０、２０の電極反応を制御する絶縁層としての役目も有する。
尚、本実施の形態に係る固体電池１は応力緩和層が固体電解質層により構成される固体電池であるが、本発明の固体電池は、応力緩和層が固体電解質層により構成される態様に限定されず、例えば、正極層又は負極層であってもよいし、他の層であってもよい。
以下、本実施の形態に係る固体電池１の係る各構成部品について説明する。
［正極層］
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極活物質としては、イオン（例えば、リチウムイオン）を放出及び吸蔵することができる材料を適宜選択して用いればよい。イオン伝導性（例えば、リチウムイオン伝導性）を向上させる観点から、任意に固体電解質を含んでいてもよい。又、導電性を向上させるために任意に導電助剤を含んでいてもよい。更に、可撓性を発現させる等の観点から、任意にバインダーを含んでいてもよい。固体電解質、導電助剤及びバインダーについては、一般に固体電池に使用されるものを用いることができる。
正極層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。正極活物質としては、イオン（例えば、リチウムイオン）を放出及び吸蔵することができる材料を適宜選択して用いればよい。イオン伝導性（例えば、リチウムイオン伝導性）を向上させる観点から、任意に固体電解質を含んでいてもよい。又、導電性を向上させるために任意に導電助剤を含んでいてもよい。更に、可撓性を発現させる等の観点から、任意にバインダーを含んでいてもよい。固体電解質、導電助剤及びバインダーについては、一般に固体電池に使用されるものを用いることができる。
正極活物質は、一般的な固体電池の正極活物質に用いられるものと同様とすることができ、特に限定されない。例えば、リチウムを含有する層状活物質、スピネル型活物質、オリビン型活物質等を挙げることができる。正極活物質の具体例としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、ＬｉＮｉｐＭｎｑＣｏｒＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）、ＬｉＮｉｐＡｌｑＣｏｒＯ２（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）、マンガンサンリチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘ−ｙＭｙＯ４（ｘ＋ｙ＝２、Ｍ＝Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＺｎから選ばれる少なくとも１種）で表される異種元素置換Ｌｉ−Ｍｎスピネル、リン酸金属リチウム（ＬｉＭＰＯ４、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、及びＮｉから選ばれる少なくとも１種）等が挙げられる。
［正極集電体層］
正極集電体層は、正極層の集電を行う機能を有するものであれば、特に限定されず、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、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム、アルミニウム合金及びステンレスが好ましい。又、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。
正極集電体層は、正極層の集電を行う機能を有するものであれば、特に限定されず、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、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム、アルミニウム合金及びステンレスが好ましい。又、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。
（正極層の製造方法）
正極活物質を含んだ正極合剤を正極集電体の表面に配置することで、正極を製造することができる。正極の製造方法は、従来と同様の方法を用いることができ、湿式法、乾式法のいずれによっても正極を製造可能である。以下、湿式法で正極を製造する場合について説明する。
正極活物質を含んだ正極合剤を正極集電体の表面に配置することで、正極を製造することができる。正極の製造方法は、従来と同様の方法を用いることができ、湿式法、乾式法のいずれによっても正極を製造可能である。以下、湿式法で正極を製造する場合について説明する。
正極層は、正極合剤と溶媒とを含む正極合剤ペーストを得る工程と、正極合剤ペーストを正極集電体層の表面に塗工して乾燥させて正極集電体層の表面に正極層を形成する工程により製造される。例えば、正極合剤を溶媒中に混合して分散させることで、正極合剤ペーストが得られる。この場合に用いられる溶媒としては特に限定されるものではなく、正極活物質や固体電解質等の性状に応じて適宜選択すればよい。例えば、ヘプタン等の無極性溶媒が好ましい。正極合剤と溶媒との混合及び分散には、超音波分散装置、振とう機、フィルミックス（登録商標）等の各種混合・分散装置を使用できる。正極合剤ペーストにおける固形分量は特に限定されるものではない。
そうして得られた正極合剤ペーストを、正極集電体層の表面に塗工して乾燥させ、正極集電体層の表面に正極合剤層を形成することで、正極層を製造することができる。正極ペーストを正極集電体層の表面に塗工する手段としては、ドクターブレード等の公知の塗工手段を用いればよい。
乾燥後の正極層と正極集電体層との合計の厚さ（正極の厚さ）は、特に限定されるものではないが、例えばエネルギー密度や積層性の観点から、０．１μｍ以上あることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。乾燥後の正極合剤層と正極集電体との合計の厚さ（正極の厚さ）は、例えばエネルギー密度や積層性の観点から、１ｍｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。正極層と正極集電体層は任意にプレスする過程を経て製造してもよい。正極層と正極集電体層をプレスする際の圧力は１００ＭＰａ程度とすることができる。
［負極層］
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。イオン伝導性を向上させる観点から、任意に固体電解質を含んでいてもよい。又、導電性を向上させるために任意に導電助剤を含んでいてもよい。更に、可撓性を発現させる等の観点から、任意にバインダーを含んでいてもよい。固体電解質、導電助剤及びバインダーについては、一般に固体電池に使用されるものを用いることができる。
負極層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。イオン伝導性を向上させる観点から、任意に固体電解質を含んでいてもよい。又、導電性を向上させるために任意に導電助剤を含んでいてもよい。更に、可撓性を発現させる等の観点から、任意にバインダーを含んでいてもよい。固体電解質、導電助剤及びバインダーについては、一般に固体電池に使用されるものを用いることができる。
負極活物質としては、イオン（例えば、リチウムイオン）を吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）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を挙げることができる。又、負極活物質は、粉末状であってもよく、薄膜状であってもよい。
［負極集電体層］
負極集電体層は、負極層の集電を行う機能を有するものであれば特に限定されない。負極集電体の材料としては、例えばニッケル、銅、及びステンレス等を挙げることができる。又、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。
負極集電体層は、負極層の集電を行う機能を有するものであれば特に限定されない。負極集電体の材料としては、例えばニッケル、銅、及びステンレス等を挙げることができる。又、負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができる。
（負極の製造方法）
負極は、正極と同様に、例えば負極活物質等を溶媒に投入した後、これを超音波分散装置等にて分散させることにより製造した負極合材ペーストを、負極集電体層の表面に塗工し、その後、乾燥する過程を経て、製造することができる。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、負極活物質等の性状に応じて適宜選択すればよい。
負極は、正極と同様に、例えば負極活物質等を溶媒に投入した後、これを超音波分散装置等にて分散させることにより製造した負極合材ペーストを、負極集電体層の表面に塗工し、その後、乾燥する過程を経て、製造することができる。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、負極活物質等の性状に応じて適宜選択すればよい。
乾燥後の負極層と負極集電体層との合計の厚さ（負極の厚さ）は、例えば０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。負極の厚さは、例えば１ｍｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。又、負極はプレスする過程を経て製造することができる。負極をプレスする際の圧力は２００ＭＰａ以上とすることが好ましく、４００ＭＰａ程度とすることがより好ましい。
［固体電解質層］
固体電解質層は、正極層及び負極層の間に積層される層であり、少なくとも固体電解質材料を含有する層である。固体電解質層に含まれる固体電解質材料を介して、正極活物質及び負極活物質の間のリチウムイオン伝導を行うことができる。
固体電解質層は、正極層及び負極層の間に積層される層であり、少なくとも固体電解質材料を含有する層である。固体電解質層に含まれる固体電解質材料を介して、正極活物質及び負極活物質の間のリチウムイオン伝導を行うことができる。
固体電解質材料としては、イオン伝導性（例えばリチウムイオン伝導性）を有するものであれば特に限定されるものではないが、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挙げることができ、中でも、硫化物固体電解質材料が好ましい。酸化物固体電解質材料に比べて、リチウムイオン伝導性が高いからである。
硫化物固体電解質材料としては、例えば、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５−ＬｉＩ等が挙げられる。なお、上記「Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５」の記載は、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質材料を意味し、他の記載についても同様である。
一方、酸化物固体電解質材料としては、例えば、ＮＡＳＩＣＯＮ型酸化物、ガーネット型酸化物、ペロブスカイト型酸化物等を挙げることができる。ＮＡＳＩＣＯＮ型酸化物としては、例えば、Ｌｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ及びＯを含有する酸化物（例えばＬｉ１．５Ａｌ０．５Ｔｉ１．５（ＰＯ４）３）を挙げることができる。ガーネット型酸化物としては、例えば、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ及びＯを含有する酸化物（例えばＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２）を挙げることができる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、Ｌｉ、Ｌａ、Ｔｉ及びＯを含有する酸化物（例えばＬｉＬａＴｉＯ３）を挙げることができる。
（固体電解質層の製造方法）
固体電解質層は、例えば、固体電解質をプレスする等の過程を経て製造することができる。或いは、溶媒に固体電解質等を分散して調整した固体電解質ペーストを基材或いは電極の表面に塗布する過程を経て固体電解質層を製造することもできる。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、バインダーや固体電解質の性状に応じて適宜選択すればよい。
固体電解質層は、例えば、固体電解質をプレスする等の過程を経て製造することができる。或いは、溶媒に固体電解質等を分散して調整した固体電解質ペーストを基材或いは電極の表面に塗布する過程を経て固体電解質層を製造することもできる。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、バインダーや固体電解質の性状に応じて適宜選択すればよい。
固体電解質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。固体電解質層の厚さは、例えば、１ｍｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。
［応力緩和層］
応力緩和層は、外部衝撃や固体電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮による応力を緩和し、固体電池を構成する各層に割れが発生することを抑制するための層である。
応力緩和層は、外部衝撃や固体電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮による応力を緩和し、固体電池を構成する各層に割れが発生することを抑制するための層である。
応力緩和層は、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを抑制することができる層であれば特に制限はされない。
応力緩和層は樹脂を含むことが好ましい。樹脂を含むことにより、応力緩和層に柔軟性を付与し、応力をより効果的に緩和することができる。応力緩和層に含む樹脂としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、アクリル系樹脂又はポリイミド系樹脂等の樹脂を挙げることができる。
応力緩和層の厚さは、特に制限はないが、例えば１μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることがより好ましい。応力緩和層の厚さが１μｍ以上であることにより、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れの発生をより効果的に抑制することができる。応力緩和層の厚さは、上限は特に制限はないが、例えば１０００μｍ以下であることが好ましい。
尚、応力緩和層は、固体電池セルを構成する層とは別の層であってもよく、固体電池セルを構成する層（例えば、正極層、固体電解質層又は負極層）であってもよい。又、例えば、応力緩和層は、固体電池セルの電極反応を制御する絶縁層としての役目も有していてもよい（例えば図１の応力緩和層２６等）。更に、応力緩和層が、正極層と固体電解質層の間、又は負極層と前記固体電解質層の間に配置される場合には、導電性を有するように、固体電解質材料を含んでいてもよい。
又、本実施の形態に係る固体電池は、応力緩和層を備えることにより各層に蓄積される応力を緩和するものであるが、応力緩和層と厚みのばらつきが大きい層と隣接して配置される。その厚みのばらつきが大きい層とは、具体的には、応力緩和層と隣接する層における応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上の層であるか、及び／又は応力緩和層と接する層における応力緩和層側の表面の平行度公差が１００μｍ以上であることにより、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することをより効果的に抑制することができる。
尚、平面度公差とは、ＪＩＳ Ｂ００２１：１９９８に規定される方法により求めることができる。平行度交差とは、応力緩和層と接する１つの層（例えば、図３中の負極集電体層５５）における応力緩和層側の表面を基準面として、応力緩和層と接する他の層（例えば、図３中の正極集電体層６１）の面内における最大高さと最小高さの差を意味する。平面度公差及び平行度公差は例えば、三次元（形状）計測機により測定することができる。
（応力緩和層の製造方法）
応力緩和層を製造する方法は、例えば、上記に例示した樹脂の層を形成する接着材を着剤を介して積層されていてもよく、押し出しコート法等によって積層されていてもよい。
応力緩和層を製造する方法は、例えば、上記に例示した樹脂の層を形成する接着材を着剤を介して積層されていてもよく、押し出しコート法等によって積層されていてもよい。
又、上記の方法により、固体電池を構成する各層の表面の平面度公差を測定し、平面度公差が１００μｍ以上となった表面に上記の方法で応力緩和層を積層するような態様であってもよい。これにより、応力緩和層と隣接する他の層における応力緩和層側の表面の平面度公差は１００μｍ以上となるため、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
［支持体］
支持体１７ａ、１７ｂとは、固体電池１の外部の少なくとも一部を覆うことにより、固体電池１を外部からの衝撃から保護する機能を有する。
支持体１７ａ、１７ｂとは、固体電池１の外部の少なくとも一部を覆うことにより、固体電池１を外部からの衝撃から保護する機能を有する。
支持体の材質は特に制限されるものではないが、剛性を有する材質であることが好ましく、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ナイロン、ポリプロピレン等からなる樹脂、天然ゴムやシリコーンゴム等のゴム、ステンレスやアルミニウム等の金属（合金を含む）、セラミック等を挙げることができる。尚、支持体がゴムであれは外部衝撃を緩衝する効果があり、又、摩擦係数が高いため、電極の保持性も高い。
＜第２実施形態の固体電池＞
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図２を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図２を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
図２は、本実施の形態に係る固体電池２の断面図である。固体電池２は、正極集電体層と、正極層と、固体電解質層と、負極層と、負極集電体層、を備えた２つの固体電池セル３０、４０を備える。そして、正極層３２、４２と、負極層３４、４４と、面方向の中央ほど厚みが小さく形成されており、応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上となっている。そのため、外部からの衝撃や固体電池の充放電に伴う電極活物質の膨張収縮によって、固体電池を構成する各層に歪が蓄積され割れが発生しやすくなっている。
そこで、本実施の形態に係る固体電池２は、固体電解質層３３、４３が面方向の中央ほど厚みが大きく形成されていることを特徴とする。更に、支持体３７と固体電池セル３０との間、支持体４７と固体電池セル４０の間、及び固体電池セル３０と固体電池セル４０との間には、固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層４６、５６、６６が更に配置される。応力緩和層４６、５６、６６は、固体電解質層３３、４３と同様に面方向の中央ほど厚みが大きく形成される。これにより、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することをより効果的に抑制することができる。尚、この実施形態では、応力緩和層５６は、固体電池セル３０、４０の電極反応を制御する絶縁層としての役目も有する。
＜第３実施形態の固体電池＞
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図３を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図３を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
図３は、本実施の形態に係る固体電池３の断面図である。本実施の形態に係る固体電池３は、固体電池セル６０を構成する層が傾斜することにより、固体電池セル５０との関係において、表面の平行度公差が１００μｍ以上となっている固体電池である。そこで、本実施の形態に係る固体電池３は、固体電池セル６０の傾斜に沿うように、応力緩和層８６も合わせて傾斜させて固体電池３全体の厚さを均一になっていることを特徴とする。これにより、層の厚みが大きい部分に応力が集中することを解消することができることから、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。尚、この実施形態では、応力緩和層８６は、固体電池セル５０、６０の電極反応を制御する絶縁層としての役目も有する。
尚、応力緩和層を隣接する他の層とそれぞれ接する両面同士が互いに傾斜しているような構成とするためには、例えば、固体電池セルを作成後に固体電池セル全体の中心及び端部等の厚さを数点測定し、その厚さに対応させて応力緩和層の厚さを調整して形成させればよい。
＜第４実施形態の固体電池＞
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図４を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図４を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
図４は、本実施の形態に係る固体電池４の断面図である。本実施の形態に係る固体電池４は、固体電池セル７０、８０を構成する層の厚みが変化することにより、表面の平面度公差が１００μｍ以上となっている固体電池である。そして、本実施の形態に係る固体電池４は、正極集電体層と、正極層と、固体電解質層と、負極層と、負極集電体層、を備えた２つの固体電池セル７０、８０を備えており、応力緩和層１０６は、隣接する他の層である負極集電体層７５と正極集電体層８１の厚みに応じて厚みが変化させて固体電池４全体の厚さが均一になっていることを特徴とする。尚、この実施形態では、応力緩和層１１６は、固体電池セル７０、８０の電極反応を制御する絶縁層としての役目も有する。層の厚みが大きい部分に応力が集中することを解消することができることから、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
＜第５実施形態の固体電池＞
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図５を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
次に、上記の実施の形態に係る固体電池１とは異なる他の実施の形態に係る固体電池について図５を用いて説明をする。尚、上記の実施の形態に係る固体電池１と共通する部分は適宜省略する。
図５は、本実施の形態に係る固体電池５の断面図である。固体電池５は、いわゆる絶縁層を設けておらず、正極層と固体電解質層と負極層とが交互に複数積層されている。そして、固体電解層９３、１０３、１１３と正極層９２、１０２又は負極層９４、１０４の間に応力緩和層１３６、１４６、１５６、１６６、１７６、１８６が配置されていることを特徴とする。
応力緩和層１３６、１４６、１５６、１６６、１７６、１８６層の厚みが大きい部分に応力が集中することを解消することができることから、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
尚、正極層と固体電解質層又は負極層と固体電解質層との間で導電性を有するように応力緩和層には固体電解質材料を含むことが好ましい。
尚、応力緩和層は、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを抑制することができるように、厚みが変化していればよい。例えば、隣接する他の層の全面に配置される必要はなく、隣接する他の層の表面の少なくとも一部に配置される態様であってもよい。
以上より、本発明の固体電池は、固体電池を構成する層に加わる応力を緩和して割れが発生することを効果的に抑制することができる。
１、２、３、４、５ 固体電池
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 固体電池セル
１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１ 正極集電体層
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２ 正極層
１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３、１１３ 固体電解質層
１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４ 負極層
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５ 負極集電体層
１６、２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６、９６、１０６、１１６、１２６ 応力緩和層
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７、１０７ 支持体
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 固体電池セル
１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１ 正極集電体層
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２ 正極層
１３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３、９３、１０３、１１３ 固体電解質層
１４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４ 負極層
１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５ 負極集電体層
１６、２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６、９６、１０６、１１６、１２６ 応力緩和層
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７、１０７ 支持体
Claims (6)
- 正極層と、負極層と、前記正極層と前記負極層の間に挟持された固体電解質層と、を備える固体電池セルを複数備える固体電池であって、
前記固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層を備え、
前記応力緩和層と接する層における前記応力緩和層側の表面の平面度公差が１００μｍ以上であるか、及び／又は前記応力緩和層と接する層における前記応力緩和層側の表面の平行度公差が１００μｍ以上である固体電池。 - 前記応力緩和層は、樹脂を含む、請求項１に記載の固体電池。
- 前記応力緩和層は、正極層、固体電解質層及び負極層のうちの少なくともいずれか１層により構成される、請求項１又は２に記載の固体電池。
- 前記応力緩和層は、複数の前記固体電池セルの間に配置される、請求項１から３のいずれかに記載の固体電池。
- 前記固体電池の外部の少なくとも一部を覆う外装体を更に備え、
前記固体電池セルと前記外装体との間に前記固体電池に加わる応力を緩和する応力緩和層が更に配置される請求項１から４のいずれかに記載の固体電池。 - 前記応力緩和層は、前記正極層と前記固体電解質層の間、又は前記負極層と前記固体電解質層の間の少なくとも１つに配置される請求項１から５のいずれかに記載の固体電池。
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