KR102033793B1 - 축전 장치 및 전기 기기 - Google Patents

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가즈타카 구리키
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 높은 방전 용량을 갖고 또 투광성을 갖는 축전 장치를 제공한다.
평면 형상이 그물 형상인 제 1 집전체와, 제 1 집전체 위의 제 1 활물질층과, 제 1 활물질층 위의 고체 전해질층과, 고체 전해질층 위의 제 2 활물질층과, 제 2 활물질층 위의 제 2 집전체를 갖는 축전 장치이다.

Description

축전 장치 및 전기 기기{POWER STORAGE DEVICE AND ELECTRIC DEVICE}
본 발명은 물건(프로덕트. 기계(machine), 제품(manufacture), 조성물(composition of matter)을 포함함), 및 방법(프로세스. 단순 방법 및 생산 방법을 포함함)에 관한 것이다. 특히 본 발명의 일 형태는 축전 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근년에 들어 휴대 전화나 스마트폰으로 대표되는 정보 단말, 액정 텔레비전 등의 표시 장치, 게임기 등의 민생용 전기 기기의 전원으로서 리튬 2차 전지 등의 비수계 2차 전지, 리튬 이온 커패시터, 및 공기 전지 등의 축전 장치가 널리 이용되고 있다.
특히 리튬 2차 전지는, 니켈 카드뮴 전지 등의 종래의 전지보다 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 휴대전화기나 스마트폰, 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말, 휴대 음악 플레이어, 및 디지털 카메라 등의 전기 기기 등으로의, 충전 가능한 에너지의 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 필요한 것이다.
예를 들어 종래의 비수계 2차 전지인 리튬 2차 전지는 일반적으로 시트 형상의 알루미늄 등으로 이루어지는 양극(positive electrode) 집전체의 양면에, 리튬 이온을 흡장·방출하는 양극 활물질을 포함한 양극합제를 도포한 양극과, 시트 형상의 구리 등으로 이루어지는 음극(negative electrode) 집전체의 양면에, 리튬 이온을 흡장·방출하는 음극 활물질을 포함한 음극합제를 도포한 음극을 갖는다. 세퍼레이터를 사이에 두고 이 양극과 음극을 복수로 겹쳐 감은 권회체(捲回體；rolled body)를 형성하고, 양극 및 음극의 각 소정부에 각각 양극 터브 및 음극 터브를 접속한 것이 원통형, 각형, 코인형 등의 일정한 형상으로 이루어진 외장체(外裝體)에 유기 전해액과 함께 봉입되어 있다.
또한, 근년에는 특허문헌 1에서 공개된 바와 같은 고체 2차 전지의 연구가 활발히 진행되고 있다. 고체 2차 전지는, 종래의 비수계 전해액을 무기계 고체 전해질이나 유기 고분자계 고체 전해질로 대체한 구조이며 재료로서 액체를 사용하지 않는다. 그러므로 액체가 누설될 우려가 없고 또한 고체 전해질은 불연성이기 때문에 발화의 위험성을 회피할 수 있다. 이와 같이 고체 2차 전지를 사용함으로써 안전성이 향상되거나, 전지의 구조적 강도를 높일 수 있다. 또한 외장체의 간략화나 대면적화가 가능하게 되어 양산성의 점에서 보아도 전해액을 사용한 경우와 비교하여 우위에 있다.
일본국 특개 2007-123081호 공보
그러나 리튬 2차 전지를 비롯한 실용화되어 있는 축전 장치에는 유기 전해액 또는 고체 전해질 중 어느 것을 사용하는 경우에도 양극이나 음극, 외장통 등, 축전 장치를 구성하는 부재로 비투광성을 갖는 재료를 사용하기 때문에, 빛을 투과시키는 축전 장치를 제조하는 것은 어렵다. 그러므로 투명한 축전 장치의 제조는 실시되고 있지 않은 것이 현실이다. 따라서 예를 들어 액정 텔레비전이나 태양 전지 등의 전기 기기와 종래의 축전 장치를 조합한 경우 축전 장치가 빛을 가리기 때문에 전기 기기 내에서의 축전 장치가 배치되는 개소가 제한되고 전기 기기의 설계 자유도가 제약되어 있었다.
여기서, 본 발명의 일 형태는 높은 방전 용량을 갖는 축전 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또한 본 발명의 일 형태는 투명한 축전 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또한 본 발명의 일 형태는 신규의 축전 장치를 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것은 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 모든 과제를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한 이들 이외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재를 보면 저절로 밝혀지는 것이며, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재를 보면 이들 이외의 과제를 추출하는 것이 가능하다.
본 명세서에서 기재하는 본 발명의 일 형태는, 평면 형상이 그물 형상인 제 1 집전체와, 제 1 집전체 위의 제 1 활물질층과, 제 1 활물질층 위의 고체 전해질층과, 고체 전해질층 위의 제 2 활물질층과, 제 2 활물질층 위의 제 2 집전체를 갖는 축전 장치이다.
또한 본 발명의 다른 일 형태는, 평면 형상이 그물 형상인 제 1 집전체와, 제 1 집전체 위의 제 1 활물질층과, 제 1 활물질층 위의 고체 전해질층과, 고체 전해질층 위의 제 2 활물질층과, 제 2 활물질층 위의 제 2 집전체를 갖고, 제 1 집전체의 단면에 있어서 폭 대비 높이의 비율이 1보다 높은 부분을 갖는 축전 장치이다.
본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치는, 양극, 음극, 그 사이에 제공된 고체 전해질을 적어도 갖는다. 양극과 음극은 고체 전해질을 개재(介在)하여 대향되어 있고, 양극과 음극 중 어느 하나가 하방에 위치하고 다른 하나가 상방에 위치한다. 따라서 양극이 하방에 위치하는 경우에는 제 1 집전체는 양극 집전체이고, 제 1 활물질층은 양극 활물질층이다. 제 2 집전체는 음극 집전체이고 제 2 활물질층은 음극 활물질층이다. 또한 음극이 하방에 위치하는 경우에는 제 1 집전체는 음극 집전체이고 제 1 활물질층은 음극 활물질층이다. 제 2 집전체는 양극 집전체이고 제 2 활물질층은 양극 활물질층이다.
제 1 집전체에는 평면 형상이 그물 형상의 도전성 부재를 사용한다. 즉, 제 1 집전체는 시트 형상 또는 박판 형상이고, 상면에서 보았을 때 그물 형상으로 보이는 부재이다. 여기서 "그물 형상"이란, 예를 들어 가늘고 긴 도전성 부재를 평면적으로 종횡으로 배치한 형상을 말하고, 메시(mesh) 또는 그리드(grid)라고도 한다. "그물 형상"은 반드시 독립한 가늘고 긴 복수의 도전성 부재를 사용하여 엮은 것에 한정되지 않으며, 가늘고 긴 부분(이하, 세선부(細線部)라고 함)이 일체가 된 부재도 포함한 용어로서 사용한다. 바꿔 말하면 "그물 형상"이란, 복수의 그물눈을 갖는 형상이며, 그물눈이란, 빛이 통과할 수 있는 도전성 부재의 개구부를 가리킨다. 개구부가 주기적으로 배열되어 있는 점에서 그물 형상의 도전성 부재는 개구 어레이라고 부를 수도 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 그물 형상의 제 1 집전체는, 축전 장치를 투명한 것으로 하기 위한 구성이며, 그물눈의 면적은 넓을수록 투명성이 향상된다. 바꿔 말하면, 제 1 집전체의 세선부의 폭이 작을수록 투명성이 향상된다.
제 1 집전체는, 평면 형상에 있어서 예를 들어 세선부의 폭이 1μm 이상 2000μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 1000μm 이하, 개구율이 20% 이상 95% 이하, 바람직하게는 30% 이상 80% 이하로 하면 좋다. 여기서 개구율 η(개공율이라고도 함)란, 개구부가 주기적으로 배열되는 최소 단위 면적에서의, 개구부의 면적 비를 말한다. 구체적으로는 이하의 수학식 1로 나타내어진다.
[수학식 1]
Figure 112013023946631-pat00001
여기서 s는 개구부의 면적, S는 그물 형상의 주기적 배열의 최소 단위 면적이고, 개구율을 백분율로 나타내기 위하여 100을 승산한다.
예를 들어 제 1 집전체의 그물 형상이 도 1(A)에 도시한 격자 형상인 경우, 개구부(102)의 면적 s는 개구부의 종횡 2변의 곱셈이 되고, 그물 형상의 주기적 배열의 최소 단위 면적 S는 종 방향의 세선부(101) 및 이것과 인접하는 종 방향의 세선부(101)의 피치(세선들 간격)와, 횡 방향의 세선부(101) 및 이것과 인접하는 횡 방향의 세선부(101)의 피치의 곱셈이 된다.
한편, 축전 장치의 기본적인 기능인 방전 용량은, 그물 형상의 제 1 집전체의 바로 위에 형성되고 제 1 집전체의 그물눈의 부분(개구부)에서는 용량은 형성되지 않는다. 따라서, 그물눈을 형성한 면적만큼 방전 용량은 손실된다. 그래서, 축전 장치의 방전 용량을 증가시키기 위하여 그물 형상의 제 1 집전체의 단면 형상을 그물 형상의 평면에 대한 종 방향의 단면에 있어서 높이가 높은 것으로 한다. 제 1 집전체의 높이를 높게 함으로써 제 1 집전체의 측면의 면적이 넓어지므로 상기 측면의 부분에 방전 용량을 형성함으로써 방전 용량이 큰 축전 장치를 제작할 수 있다.
제 1 집전체 위에는 제 1 활물질층, 고체 전해질층, 제 2 활물질층, 제 2 집전체를 형성한다. 이들 형성에는 스퍼터링법, 증착법, 도금법, 화학기상성장법 등을 사용한다. 그러므로 제 1 집전체의 종단면 방향에 있어서의 높이는 이들 방법에 의하여 각 층의 형성이 가능한 높이로 설계한다. 제 1 집전체의 세선부의 높이는 예를 들어 1μm 이상 5000μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 2000μm 이하로 하는 것이 좋다. 특히 제 1 집전체의 측면의 면적을 넓혀 축전 장치의 방전 용량을 높이기 위하여 제 1 집전체의 높이를 높게 설계하는 것이 바람직하고, 제 1 집전체의 종 방향의 단면에 있어서 세선부의 폭에 대한 제 1 집전체의 높이의 비(세선부의 아스펙트 비)가 1보다 높은 부분을 가지면 좋다.
본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치는 상술한 제 1 집전체 위에, 제 1 활물질층, 고체 전해질층, 제 2 활물질층, 제 2 집전체가 적층되어 제공되고 소정의 방전 용량을 가질 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치는 제 1 집전체의 평면 형상이 그물 형상이기 때문에 개구부를 통하여 외광을 통과시킬 수 있다. 따라서 축전 장치의 저편에 있는 물체를 축전 장치를 통하여 비쳐 볼 수 있다.
높은 방전 용량을 갖고 또 투광성을 갖는 축전 장치를 제공할 수 있다.
또한 고체 전해질을 사용함으로써 전지의 강도나 안전성이 향상되는 것 외에, 외장체의 개략화나 대면적화가 가능하게 되어 양산성이 더욱 높은 축전 장치를 제공할 수 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 축전 장치를 설명한 도면.
도 2(A) 및 도 2(B)는 축전 장치를 설명한 도면.
도 3(A) 내지 도 3(F)는 집전체의 평면 형상을 설명한 도면.
도 4(A) 및 도 4(B)는 축전 장치를 설명한 도면.
도 5(A) 및 도 5(B)는 축전 장치를 설명한 도면.
도 6은 전지 팩을 설명한 도면.
도 7(A) 및 도 7(B)는 전기 기기를 설명한 도면.
이하, 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시하는 것이 가능하며 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 설명하는 각 도면에 있어서, 각 구성의 크기, 막의 두께 또는 영역은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서, 반드시 그 스케일에 한정되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
본 실시형태에 있어서는 투명한 축전 장치로서 투명한 리튬 2차 전지에 대하여 도 1(A) 내지 도 3(F)를 사용하여 설명한다.
또한 리튬 2차 전지란, 캐리어 이온으로서 리튬 이온을 사용하는 2차 전지를 말한다. 또한 리튬 이온 대신에 사용하는 것이 가능한 캐리어 이온으로서는, 나트륨, 칼륨 등의 알칼리 금속 이온, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등의 알칼리 토금속 이온, 베릴륨 이온, 또는 마그네슘 이온 등이 있다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 본 실시형태에서 제시하는 축전 장치에 대하여 설명한 도면이다. 축전 장치(100)는 적어도 양극, 음극과 그 사이에 개재된 고체 전해질을 갖는 구조체이다. 도 1(A)에 축전 장치(100)의 평면도를 도시하였고, 도 1(B)에는 축전 장치(100)의 조감도(鳥瞰圖)를 도시하였다. 도 1(A)의 평면도에 도시한 바와 같이, 축전 장치는 그물 형상으로 형성된 세선부(그물 형상 구조체)(101)를 갖는 평면 형상이고, 세선부(101)가 형성되어 있지 않은 부분에는 개구부(102)가 제공된다. 도 1(A)에 있어서, 세선부(101)는 복수의 종선과 횡선으로 이루어져 주기적인 격자 형상의 패턴으로 형성되어 있다. 바꿔 말하면 복수의 정방형의 개구부(102)의 배열에 따라 평면의 대부분이 공극으로서 존재하고 세선부(101)가 격자 형상의 패턴으로서 잔존한다.
여기서 "그물 형상"이란, 예를 들어 가늘고 긴 도전성 부재를 평면적으로 종횡으로 배치한 형상을 말하고, 메시 또는 그리드라고도 한다. "그물 형상"은 반드시 독립한 가늘고 긴 복수의 도전성 부재를 사용하여 엮은 것에 한정되지 않으며 세선부가 일체가 된 부재도 포함한 용어로서 사용한다. 바꿔 말하면 "그물 형상"이 복수의 그물눈을 갖는 형상을 말하는 것이고, 그물눈이란 빛이 통과하는 것이 가능한 도전성 부재의 개구부를 말한다.
또한 도 1(B)에 도시한 조감도와 같이, 세선부(101)는 소정의 높이를 가지므로 축전 장치(100)는 입체적인 구조를 형성한다. 즉, 세선부(101)가 높이를 가짐으로써, 개구부(102)는 사방이 네 개의 벽으로 둘러싸인 구조가 된다. 이로써 세선부(101)가 높이를 가짐으로써 세선부(101)의 측면에 소정의 영역을 제공하고 상기 영역에서 방전 용량을 형성한다.
도 2(A)는 도 1(B)의 일부를 확대하고 단면 형상을 추가한 모식도이다. 외광(103)은 높이를 갖는 세선부(101)의 측면에 의하여 사방이 둘러싸인 개구부(102)를 통과한다. 한편, 세선부(101) 자체에 투광성은 없기 때문에 외광의 일부는 세선부(101)에 의하여 반사 또는 흡수된다.
따라서 그물 형상의 축전 장치(100)에 있어서, 그물눈에 상당하는 개구부(102)의 면적이 넓을수록 투명성이 향상된다. 바꿔 말하면 세선부(101)의 폭이 작을수록 투명성이 향상된다.
이런 점에서 보아, 축전 장치의 평면 형상에 있어서 세선부의 폭을 1μm 이상 2000μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 1000μm 이하, 개구율을 20% 이상 95% 이하, 바람직하게는 30% 이상 80% 이하로 하면 좋다.
도 2(B)는 도 2(A)에서 도시한 세선부(101)의 단면(104)을 나타낸 확대도이다. 복수의 세선부(101)가 주기적으로 배열되고 세선부(101)의 개구부(102)를 외광(103)이 통과한다.
세선부(101)는 제 1 집전체(110) 위에 제 1 활물질층(111), 고체 전해질층(112), 제 2 활물질층(113), 제 2 집전체(114)가 순차적으로 적층된다. 제 1 집전체(110)는 세선부(101)의 적층을 형성하는 기초부로서 기능하고, 위에 제공된 각층보다 폭이 두껍다. 또한 상술한 바와 같이 세선부(101)는 소정의 높이를 갖고 상기 높이는 제 1 집전체(110)의 높이에 의하여 대략 결정된다.
도 2(B)에 도시한 제 1 집전체의 형상은 위 방향으로 볼록한 포물선 형상(또는 아치 형상)이다. 이런 형상으로 함으로써 제 1 집전체(110) 위의 각 층의 적층을 용이하게 할 수 있다. 즉, 제 1 집전체(110) 위에는 제 1 활물질층(111), 고체 전해질층(112), 제 2 활물질층(113), 제 2 집전체(114)를 형성한다. 이들 형성에는 스퍼터링법, 증착법, 도금법, 화학기상성장법 등을 사용한다. 그러므로 제 1 집전체(110)의 높이나 경사각(테이퍼각이라고도 함) 등의 형상은 이들 방법에 의하여 각 층의 형성이 가능한 범위로 설계한다. 제 1 집전체(110)의 세선부의 높이는 예를 들어 1μm 이상 5000μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 2000μm 이하로 하면 좋다. 또한 제 1 집전체의 측면의 경사각은 60˚ 이상 90˚ 이하, 바람직하게는 65˚ 이상 90˚ 이하로 하면 좋다. 또한 상술한 개구부(102)의 크기(면적)도 마찬가지로 적층 형성의 방법이나 조건에 따라 결정하면 좋고 예를 들어 개구부 하나의 면적을 9μm2 이상으로 하면 좋다
또한 세선부(101)의 최표면의 부재가 반사성이 높은 것인 경우, 외광의 세선부(101)에 있어서의 반사에 기인하여 축전 장치(100)의 투명성이 저하될 우려가 있다. 그러므로 제 1 집전체(110)의 경사각을 반사를 저감시키도록 크게 설계하여도 좋다.
도 2(B)에는 제 1 집전체의 단면 형상으로서 포물선 형상을 도시하였지만 단면 형상은 이것에 한정되지 않으며 위로 볼록한, 돔 형상, 반구(半球) 형상, 뿔체 형상 및 판 형상 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한 축전 장치(100)가 용량을 형성하기 위해서는 제 1 집전체(110)의 측면에 적층 구조가 형성되면 좋고 제 1 집전체(110)의 정상부 근방에 있어서 제 1 활물질층(111)보다 위의 각 막이 적층되지 않아도 좋다. 다만 고체 전해질층(112)이 제 1 집전체(110)의 정상부 근방을 덮지 못하고 있는 경우에는 양극과 음극이 단락하여 용량을 형성할 수 없게 된다. 이것은 제 1 집전체(110)의 정상부에 한정되지 않으며 다른 부분에서도 양극과 음극의 단락은 방지할 필요가 있기 때문에 단락을 초래할 우려가 없는 단면 형상을 적절히 설계할 필요가 있다.
제 1 집전체(110) 또는 제 2 집전체(114)(양극 집전체 및 음극 집전체)로서, 양극 집전체인 경우 스테인리스, 금, 백금, 알루미늄, 티타늄, ITO(산화 인듐-산화 주석), 산화 주석, 및 산화 인듐 등의 금속 막이나 금속박, 음극 집전체인 경우 스테인리스, 금, 백금, 구리, 니켈, 코발트, 티타늄, 및 몰리브덴 등의 금속 막이나 금속박을 사용할 수 있다. 또한 이들의 적층 또는 이들의 합금 등의, 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 다종 금속의 적층의 예로서, 구리제의 메시의 표면을 금으로 도금한 것을 사용하여도 좋다. 또한 실리콘, 티타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 및 몰리브덴 등 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.
특히 제 1 집전체(110)는 그물 형상의 평면 형상을 갖는 도체인, 소위 금속 메시이다. 그러므로, 구리 등의 가공성이 뛰어난 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
제 1 활물질층(111) 또는 제 2 활물질층(113) 중 한쪽인 양극 활물질층에는, 리튬 이온의 삽입 및 이탈이 가능한 재료를 사용할 수 있고, 예를 들어 올리빈(olivine)형 결정 구조, 층상 암염(rock-salt)형의 결정 구조, 또는 스피넬(spinel)형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 복합 산화물 등을 들 수 있다.
올리빈형 구조의 리튬 함유 복합 산화물로서는, 예를 들어 일반식 LiMPO4(M은, Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상)로 나타내는 복합 산화물을 들 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표예로서는 LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a+b는 1 이하, 0＜a＜1, 0＜b＜1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c+d+e는 1 이하, 0＜c＜1, 0＜d＜1, 0＜e＜1), LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+i는 1 이하, 0＜f＜1, 0＜g＜1, 0＜h＜1, 0＜i＜1) 등을 들 수 있다.
특히 LiFePO4는 안전성, 안정성, 고용량 밀도, 고전위, 초기 산화(충전)시에 뽑아낼 수 있는 리튬 이온의 존재 등, 양극 활물질에 요구되는 사항을 균형있게 만족시키고 있어 바람직하다.
층상 암염형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 복합 산화물로서는, 예를 들어 코발트산 리튬(LiCoO2), LiNiO2, LiMnO2, Li2MnO3, LiNi0 .8Co0 .2O2 등의 NiCo계(일반식은 LiNixCo1 －xO2(0<x<1)), LiNi0 .5Mn0 .5O2 등의 NiMn계(일반식은 LiNixMn1 －xO2(0<x<1)), LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 등의 NiMnCo계(NMC라고도 함. 일반식은 LiNixMnyCo1 －x－yO2(x>0, y>0, x＋y<1))를 들 수 있다. 또한 Li(Ni0 .8Co0 .15Al0 .05)O2, Li2MnO3-LiMO2(M=Co, Ni, Mn) 등도 들 수 있다.
특히 LiCoO2는 용량이 크거나, LiNiO2와 비교하여 대기 중에서 안정되거나, LiNiO2와 비교하여 열적으로 안정된 등의 이점이 있어 바람직하다.
스피넬형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 복합 산화물로서는, 예를 들어 LiMn2O4, Li1 + xMn2 －ｘO4, Li(MnAl)2O4, LiMn1 .5Ni0 .5O4 등을 들 수 있다.
LiMn2O4 등의 망간을 포함한 스피넬형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 복합 산화물에 소량의 니켈산 리튬(LiNiO2나 LiNi1 - xMO2(M=Co, Al 등))을 혼합하면 망간의 용출을 억제하는 등의 이점이 있어 바람직하다.
또한 양극 활물질로서는, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2)로 나타내는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 일반식 Li(2－j)MSiO4의 대표예로서는, Li(2－j)FeSiO4, Li(2－j)NiSiO4, Li(2－j)CoSiO4, Li(2－j)MnSiO4, Li(2－j)FekNilSiO4, Li(2－j)FekColSiO4, Li(2－j)FekMnlSiO4, Li(2－j)NikColSiO4, Li(2－j)NikMnlSiO4(k＋l은 1 이하, 0＜k＜1, 0＜l＜1), Li(2－j)FemNinCoqSiO4, Li(2－j)FemNinMnqSiO4, Li(2－j)NimConMnqSiO4(m＋n＋q는 1 이하, 0＜m＜1, 0＜n＜1, 0＜q＜1), Li(2－j)FerNisCotMnuSiO4(r＋s＋t＋u는 1 이하, 0＜r＜1, 0＜s＜1, 0＜t＜1, 0＜u＜1) 등을 들 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, AxM2(XO4)3(A=Li, Na, Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, Al, X=S, P, Mo, W, As, Si)의 일반식으로 나타내는 나시콘(nasicon)형 화합물을 사용할 수 있다. 나시콘형 화합물로서는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, Li3Fe2(PO4)3 등을 들 수 있다. 또한 양극 활물질로서 Li2MPO4F, Li2MP2O7, Li5MO4(M=Fe, Mn)의 일반식으로 나타내는 화합물, NaF3 , FeF3 등의 페로브스카이트(perovskite)형 불화물, TiS2 , MoS2 등의 금속 칼코게나이드(chalcogenide)(황화물, 셀렌화물, 텔루르화물), LiMVO4 등의 역스피넬형의 결정 구조를 갖는 리튬 함유 복합 산화물, 바나듐 산화물계(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망간 산화물계, 유기유황계 등의 재료를 사용할 수 있다.
또한 캐리어 이온이 리튬 이온 이외의 알칼리 금속 이온, 알칼리 토금속 이온, 베릴륨 이온, 또는 마그네슘 이온인 경우, 양극 활물질층으로서는 상기 리튬 화합물 및 리튬 함유 복합 산화물에 있어서 리튬 대신에 알칼리 금속(예를 들어, 나트륨이나 칼륨 등), 알칼리 토금속(예를 들어, 칼슘, 스트론튬, 바륨 등), 베릴륨, 또는 마그네슘을 사용하여도 좋다.
제 1 활물질층(111) 또는 제 2 활물질층(113) 중 한쪽인 음극 활물질층에는, 리튬 금속과의 합금화·탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 수행하는 것이 가능한 합금계 재료도 사용할 수 있다. 예를 들어 Al, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Ag, Zn, Cd, In, Ga 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 들 수 있다. 이런 원소는 탄소에 대하여 용량이 크고 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 비약적으로 높다. 그러므로 음극 활물질에 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이런 원소를 사용한 합금계 재료로서는 예를 들어 SiO, Mg2Si, Mg2Ge, SnO, SnO2, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등을 들 수 있다.
또한 음극 활물질로서는, 이산화 티타늄(TiO2), 리튬 티타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연층간 화합물(LixC6), 5산화 니오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브덴(MoO2) 등의 산화물을 사용할 수 있다.
또한 음극 활물질로서, 리튬과 전이 금속의 질화물인 Li3N형 구조를 갖는 Li3 -xMxN(M=Co, Ni, Cu)을 사용할 수 있다. 예를 들어 Li2 .6Co0 .4N3은 큰 충방전 용량(900mAh/g)을 나타내어 바람직하다.
리튬과 전이 금속의 질화물을 사용하면 음극 활물질 내에 리튬 이온을 포함하기 때문에 양극 활물질로서 리튬 이온을 포함하지 않은 V2O5, Cr3O8 등의 재료와 조합할 수 있어 바람직하다. 또한 양극 활물질에 리튬 이온을 포함한 재료를 사용하는 경우에도 미리 리튬 이온을 이탈시킴으로써 리튬과 전이 금속의 질화물을 사용할 수 있다.
음극 활물질을 실리콘으로 하는 경우에는 비정질(어모퍼스) 실리콘, 미결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 이들을 조합한 것을 사용할 수 있다. 일반적으로 결정성이 높을수록 실리콘의 전기 전도도가 높으므로 도전율이 높은 전극으로서 축전 장치에 이용할 수 있다. 한편, 비정질 실리콘인 경우, 결정질과 비교하여 리튬 등의 캐리어 이온을 흡장할 수 있으므로 방전 용량을 높일 수 있다.
고체 전해질층(112)은 스퍼터링법, 증착법, 화학 기상 성장법(구체적으로는 유기 금속 기상 성장법)으로 형성할 수 있는 무기계 고체 전해질을 사용한다. 무기계 고체 전해질은 황화물계 고체 전해질이나 산화물계 고체 전해질을 사용할 수 있다.
황화물계 고체 전해질로서는, 예를 들어 Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-P2S5, Li2S-SiS2-Ga2S3, LiI-Li2S-P2S5, LiI-Li2S-B2S3, LiI-Li2S-SiS2, Li3PO4-Li2S-SiS2, Li4SiO4-Li2S-SiS2 등의 재료를 들 수 있다.
또한 산화물계 고체 전해질로서는 LiPON, Li2O, Li2CO3, Li2MoO4, Li3PO4, Li3VO4, Li4SiO4, LLT(La2/3-xLi3xTiO3), LLZ(Li7La3Zr2O12) 등의 재료를 들 수 있다.
또한 도포법 등에 의하여 형성하는 PEO(폴리에틸렌 옥사이드) 등의 고분자계 고체 전해질을 사용하여도 좋다. 또한 상술한 무기계 고체 전해질과 고분자계 고체 전해질을 포함하는 복합적 고체 전해질을 사용하여도 좋다.
다음에 도 3(A) 내지 도 3(F)에 있어서, 도 1(A) 내지 도 2(B)에 도시한 평면 형상과 다른 평면 형상을 갖는 축전 장치에 대하여 설명한다.
도 3(A)는 복수의 세선부(121a)가 횡 방향으로만 등간격으로 배치된 축전 장치(120a)의 평면도이다. 세선부(121a)가 제공되어 있지 않은 개구부가 슬릿과 같이 기능하여 거기로부터 외광이 통과한다.
도 3(B)는 도 3(A)의 평면 형상에 종 방향의 세선부가 추가되어, 격자 형상의 세선부(121b)를 형성하는 축전 장치(120b)의 평면도이다. 종 방향의 세선부를 제공함으로써 도 3(A)에 도시한 축전 장치(120a)보다 기계적 강도가 향상됨과 함께， 형성되는 방전 용량이 증가한다.
도 3(C)는 세선부(121c)를 비스듬하게 배치하여 교차시킨 평면 형상의 축전 장치(120c)이다. 도 1(A) 내지 도 2(B)에 도시한 축전 장치를 45˚ 회전시킨 것에 상당한다.
도 3(D)는 도 3(C)의 평면 형상에 횡 방향으로 연장되는 세선부를 부가한 세선부(121d)를 갖는 평면 형상의 축전 장치(120d)를 도시한 평면도이다. 도 3(C)에 도시한 축전 장치(120c)보다 기계적 강도가 높임과 함께, 형성되는 방전 용량이 증가한다.
도 3(E)는 개구부의 형상이 정육각형이 되도록 세선부(121e)를 제공한, 허니컴(honey-comb) 구조의 평면 형상을 갖는 축전 장치(120e)를 도시한 평면도이다. 상기 구조는 개구부를 넓게 확보할 수 있으므로 축전 장치(120e)의 투명성을 확보할 수 있는 것과 함께 기계적 강도가 높은 축전 장치로 할 수 있다.
도 3(F)는 개구부의 형상이 원 형상이 되도록 세선부(121f)를 제공한 평면 형상을 갖는 축전 장치(120f)를 도시한 평면도이다. 상기 축전 장치는 상술한 형상과는 달리 세선부(121f)의 폭이 부분에 따라 상이하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 축전 장치의 평면 형상은 상술한 평면 형상에 한정되지 않아 외광을 투과하는 복수의 개구부를 갖는 것을 전제로 하여 다양한 형상을 채용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 실시형태 1에서 제시한 축전 장치에 기판을 사용한 예에 대하여 도 4(A) 및 도 4(B)를 사용하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 축전 장치(200)는, 축전 장치(200)의 사시도인 도 4(A)에 도시한 바와 같이, 실시형태 1에서 제시한 축전 장치(100)의 하부에 기판(205)이 배치된다. 바꿔 말하면 기판(205) 위에 세선부(201)가 형성된다. 기판(205)은 투광성을 갖는 부재로 형성된다. 그러므로 세선부(201) 위로부터 입사되는 외광(203)은 개구부(202)를 통과하고 그리고 기판(205)을 투과하여 축전 장치(200)의 외부로 방출된다. 한편, 축전 장치(200)의 하부로부터 입사되는 외광(도시하지 않았음)은 기판(205)을 투과하여 개구부(202)를 통과하여 축전 장치(200)의 상부로 방출된다.
기판(205)은 투광성을 갖는 부재이면 좋고, 예를 들어 유리, 석영을 재료로서 사용할 수 있다. 또한 필름 형상의 플라스틱, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 나일론, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리설폰(PSF), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등을 사용하여도 좋고 축전 장치에 경량성이나 가요성을 부여하는 것이 가능하게 된다.
기판(205)을 축전 장치(200)에 사용함으로써 축전 장치(200)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
기판(205)은 세선부(201)를 제조할 때부터 사용하여도 좋고, 세선부(201)를 제조한 후에 접합시켜도 좋다. 또한 세선부(201)를 제조할 때 사용하고 그 후에 제거하여도 좋다.
도 4(B)에 세선부(201)의 단면(204)을 포함하는 축전 장치(200)의 종단면을 도시하였다. 기판(205) 위에는 제 1 집전체(210), 제 1 활물질층(211), 고체 전해질층(212), 제 2 활물질층(213), 제 2 집전체(214)를 순차적으로 적층하여 구성되는, 평면 형상이 그물 형상인 세선부(201)를 갖는다.
여기서 본 실시형태에 있어서는 세선부(201) 위에 밀봉층(215)을 갖는다. 밀봉층(215)은 캐핑(capping)층이라고도 한다. 밀봉층(215)은 노출되는 세선부(201)의 표면을 완전히 덮도록 제공된다. 이에 따라 전지 구조를 대기에서 차단할 수 있다. 밀봉층(215)으로서는 예를 들어 수지, 유리, 비정질 화합물, 및 세라믹스 등의 절연 재료를 사용할 수 있다. 밀봉층(215)은 이들 절연성 재료의 단층 또는 적층 구조로 한다.
또한 도 4(A) 및 도 4(B)에 있어서, 밀봉층(215)은 세선부(201) 위에만 제공하였지만 세선부(201) 위에 한정되지 않으며 개구부(202)에 위치하는 기판(205) 위에도 제공한 하나의 연속된 층으로 하여도 좋다. 이 경우 밀봉층(215)은 투광성을 갖는 재료로 이루어져야 한다.
또한 밀봉층(215)에 흑색의 안료나 염료를 분산시켜도 좋고 밀봉층(215)과는 다른 막으로서 밀봉층(215) 위에 흑색의 안료나 염료를 분산시킨 층(도시하지 않았음)을 형성하여도 좋다. 흑색 안료 등을 더한 층을 세선부(201) 위에 형성함으로써 제 2 집전체(214)에 알루미늄 등의 반사성이 높은 부재를 사용한 경우에도 반사를 억제할 수 있으므로 투명성이 높은 축전 장치(200)를 제작할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, 세선부(201)의 하부에 기판(205)을 제공하고 세선부(201)를 덮도록 밀봉층(215)을 제공하지만, 이들 중 한쪽만의 구성을 제공한 축전 장치로 하여도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 실시형태 2에서 제시한 축전 장치의 개구부를 충전시키도록 절연층을 제공한 예에 대하여 도 5(A) 및 도 5(B)를 사용하여 설명한다.
도 5(A)는 본 실시형태에 관한 축전 장치(300)를 도시한 사시도이다. 실시형태 2에서 제시한 축전 장치와 마찬가지로 기판(305) 위에 세선부(301)와 개구부(302)를 갖는다. 상기 구성에 추가적으로 절연층(316)은, 개구부(302)를 충전시키도록 세선부(301) 및 개구부(302) 위에 제공된다. 절연층(316)은 투광성을 갖는 재료로 이루어진다. 따라서 외광(303)은 절연층(316)을 통과하고 개구부(302)로부터 기판(305)을 통과하여 축전 장치(300)의 하방 쪽으로 방출된다.
도 5(B)에 세선부(301)의 단면(304)을 포함한 축전 장치(300)의 종단면 구조를 도시하였다. 순차적으로 제 1 집전체(310), 제 1 활물질층(311), 고체 전해질층(312), 제 2 활물질층(313), 제 2 집전체(314)가 적층된 세선부(301)가 기판(305) 위에 제공되고, 세선부(301) 위에 밀봉층(315)이 제공된다. 또한 밀봉층(315)은 실시형태 1에서 제시한 축전 장치(100)와 같이 생략할 수 있다. 세선부(301) 또는 밀봉층(315) 위와 개구부(302) 위에 절연층(316)이 제공된다. 도 5(B)에서는 절연층(316)의 표면이 평탄화된 것을 기재하였지만, 특별히 이 형상에 한정되지 않으며 예를 들어 세선부(301)의 표면 형상을 반영시키도록 요철 형상으로 하여도 좋다.
개구부(302)를 충전시키도록 절연층(316)을 제공함으로써 축전 장치(300)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 절연층(316)을 밀봉층(315)과 같은 재료로 함으로써 세선부(301)의 전지 구조를 대기에서 차단할 수 있다. 또한 기판(305)에는 가요성을 갖는 재료를 선택하고 절연층(316)에는 고무와 같이 탄성을 갖는 재료를 사용함으로써 만곡 또는 굴곡이 가능한 플렉시블 축전 장치를 실현할 수도 있다.
절연층(316)으로서는, 무기 재료(산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘 등), 감광성 또는 비감광성을 갖는 유기 재료(유기 수지 재료)(폴리이미드, 아크릴, 폴리아미드, 레지스트, 벤조사이클로부텐 등)의 일종 또는 복수 종류로 이루어진 막, 또는 이들 막의 적층 등을 사용할 수 있다. 또한 실록산 수지를 사용하여도 좋다.
또한 절연층(316) 내에 안료 또는 염료를 분산시켜도 좋다. 이 경우, 개구부(302)를 통과하는 외광(303)의 소정의 파장을 흡수함으로써, 착색된 반투명의 축전 장치를 제조할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
(실시형태 4)
다음에 실시형태 1에서 설명한 축전 장치의 대표적인 제조 방법에 대하여 본 실시형태에서는 도 2(B)를 사용하여 설명한다. 또한 본 실시형태에 있어서는 제 1 집전체(110)를 양극 집전체, 제 2 집전체(114)를 음극 집전체, 제 1 활물질층(111)을 양극 활물질층, 제 2 활물질층(113)을 음극 활물질층으로 한 경우에 대하여 설명한다.
(제 1 집전체의 형성)
우선 제 1 집전체(110)인 양극 집전체가 되는 금속 메시를 형성한다. 금속 메시는, 원하는 면적을 갖는 시트 형상 또는 판 형상의 도전성 부재에 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정을 수행하여 그물 형상을 갖는 평면 형상으로 가공한다.
시트 형상 또는 판 형상의 도전성 부재에는 스테인리스, 금, 백금, 구리, 철, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 코발트, ITO(산화 인듐-산화 주석), 산화 주석, 산화 인듐 등의 금속 또는 이들 적층 또는 이들 합금 등, 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 도전성 부재의 두께는 제 1 집전체(110)의 세선부(101)의 높이가 되기 때문에 원하는 방전 용량이나 이후에 적층되는 각종 박막의 생산성을 고려하여 적절히 설정하면 좋다. 예를 들어 도전성 부재에 두께가 1μm 이상 5000μm 이하의 시트, 막 또는 판을 사용할 수 있다.
도전성 부재의 가공은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행할 수 있다. 즉, 도전성 부재 위에 포지티브형 또는 네거티브형의 포토레지스트를 도포하여 형성하고, 석영 기판 위에 미리 원하는 패턴으로 형성한 크롬 막을 갖는 포토마스크를 사용하여 상기 포토레지스트를 노광한다. 포토레지스트의 현상(現像) 및 소성 후, 패턴화된 포토레지스트를 마스크로 하여 도전성 부재를 습식 에칭하고, 도전성 부재에 복수의 개구부를 제공한다. 이로써, 평면 형상에 있어서 그물 형상을 갖는 금속 박막인 제 1 집전체(110)가 형성된다. 개구부를 형성한 후, 애싱 처리 등에 의하여 포토레지스트 마스크를 제거한다.
이런 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정은, 도전성 부재의 양면에 대하여 동시에 수행하면 좋다. 양면에 동일한 포토레지스트 패턴을 형성하여도 좋지만 상이한 패턴을 형성함으로써 도 2(B)에 도시한 바와 같은 포물선 형상의 종단면 형상을 형성할 수도 있다.
본 공정에 의하여, 평면 형상에 있어서 예를 들어 세선부의 폭이 1μm 이상 2000μm 이하, 바람직하게는 10μm 이상 1000μm 이하, 개구율이 20% 이상 95% 이하, 바람직하게는 30% 이상 80% 이하의 제 1 집전체를 형성할 수 있다.
또한 본 포토리소그래피 공정이나 에칭 공정 등에 있어서 도전성 부재를 지지하기 위하여 도전성 부재의 이면에 지지 기판을 제공하고 공정 종료후에 제거하여도 좋다.
또한 형성한 그물 형상의 도전성 부재의 표면을 도금 처리 등에 의하여 다른 금속 박막으로 코팅하여도 좋다.
또한 도전성 부재를 가공하기 전 또는 가공한 후에 도전성 부재를 박형화 또는 평탄화하기 위하여 연마 처리를 수행하여도 좋다.
상술한 바와 같이 도전성 부재에 포토리소그래피 공정 및 에칭 공정을 수행하여 그물 형상의 평면 형상을 갖는 제 1 집전체를 제작하였지만 제 1 집전체의 제작 방법은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어 나노 임프린트법에 의하여 형성한 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 도전성 부재를 습식 에칭하여 그물 형상의 금속 메시를 형성하여도 좋다. 또한 포토리소그래피 공정이나 에칭 공정을 사용하지 않고 나노 임프린트법이나 인쇄법, 잉크젯법 등을 사용하여 직접 그물 형상의 도전성 부재를 형성하여도 좋다. 또한 날(edge)을 사용하여 도전성 부재의 어느 부분을 자르고 이 잘라진 부분을 누르고 펴서 그물 형상의 금속 메시를 형성하여도 좋다. 이 외에, 레이저 조사, 프레스에 의한 펀칭(punching) 또는 다이커팅(diecutting)에 의하여 개구부를 형성할 수도 있다.
(세선부의 형상)
다음에 상술한 바와 같이 형성한 그물 형상의 양극 집전체(제 1 집전체(110)) 위에 양극 활물질층(제 1 활물질층(111)), 고체 전해질층(112), 음극 활물질층(제 2 활물질층(113)), 음극 집전체(제 2 집전체(114))를 순차적으로 적층하여 세선부(101)를 형성한다.
세선부(101)를 구성하는 양극 활물질층, 음극 활물질층, 음극 집전체는 스퍼터링법, CVD법, 증착법, 이온 플레이팅법, 레이저 어블레이션(laser ablation)법 등 각종 기상성장법이나, 도금법, 졸겔 용액을 사용한 졸겔법, 미립자 분산 용액을 도포한 후에 소성하는 방법 등의 박막 형성 방법에 의하여 형성할 수 있다. 특히 본 발명에 관한 축전 장치는 소정의 높이를 갖는 그물 형상의 집전체 위에 각종 박막을 퇴적시키는 것이기 때문에 형성된 박막의 막 두께의 균일성이나 상기 집전체의 심부(근원(根元) 부분)로의 피복성이 높은 방법을 적절히 선택하면 좋다. 예를 들어 이들 층의 형성에 스퍼터링법의 일종인 RF마그네트론 스퍼터링법을 사용한다.
고체 전해질층(112)은 양극 활물질층 위에 스퍼터링법, 스핀코팅법, 잉크젯법 등의 박막 형성 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 고체 전해질층(112)의 막 두께는 500nm 이상 5000nm 이하인 것이 바람직하다. 고체 전해질은 일반적으로 이온 전도성이 낮기 때문에 박막화하여 저항을 저감시킬 필요가 있지만 지나치게 얇은 경우 핀홀이 발생하여 양극 음극이 단락될 우려가 있기 때문이다. 고체 전해질층(112)을 스퍼터링법 등의 기상성장법에 의하여 형성하는 경우에는, 양극 활물질층이나 음극 활물질층과 마찬가지로 박막의 막 두께의 균일성이나 그물 형상의 집전체의 심부(근원 부분)로의 피복성이 높은 방법을 적절히 선택하면 좋다.
고체 전해질층(112)의 재료로서는, Li2S－SiS2－Li3PO4 , Li2S－P2S5, Li2S－SiS2－Ga2S3, LiI－Li2S－P2S5, LiI－Li2S－B2S3, LiI－Li2S－SiS2, Li3PO4－Li2S－SiS2, Li４SiO４－Li2S－SiS2 등의 황화물계 고체 전해질 재료나, LiPON, Li2O, Li2CO3, Li2MoO4, Li3PO4, Li3VO4, Li4SiO4, LLT(La2/3-xLi3xTiO3), LLZ(Li7La3Zr2O12) 등의 산화물계 고체 전해질 재료를 들 수 있다.
PEO(폴리에틸렌 옥사이드) 등의 고분자계 고체 전해질을 사용하는 경우에는 도포법 등에 의하여 형성한다.
상술한 제작 방법에 의하여 금속 메시 위에 양극 활물질층, 고체 전해질층, 음극 활물질층, 음극 집전체를 순차적으로 적층할 수 있다.
금속 메시 위의 이들 적층 구조는 매엽식의 스퍼터링 장치를 사용함으로써 대기에 노출시키지 않고 연속적으로 형성할 수 있다. 이렇게 연속적으로 형성함으로써 축전 장치의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 관한 축전 장치의 구조는 금속 메시 등의 그물 형상의 제 1 집전체를 기재로 하여 제 1 집전체보다 위의 박막을 순차적으로 적층함으로써 제조가 가능하기 때문에, 각종 박막의 패터닝 공정은 필요 없다. 그러므로 투명한 축전 장치를 합리적으로 제조할 수 있어 양산성이 매우 우수하다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
(실시형태 5)
다음에 실시형태 1 내지 실시형태 4에서 설명한 축전 장치를 탑재한 전지 팩에 대하여 도 6을 사용하여 설명한다.
도 6은 판 형상의 전지 팩(900)의 일례를 도시한 모식도이다. 본 발명에 관한 전지 팩(900)은 전지부(901)와 회로부(902)로 대별된다. 전지부(901)는 투명 영역(904)과, 상기 투명 영역(904)을 둘러싸는 외부 프레임(frame)(903) 등으로 구성된다. 투명 영역(904)에 실시형태 1 내지 실시형태 4에서 설명한 축전 장치를 사용한다. 본 발명에 관한 축전 장치는 빛을 투과시키기 때문에 전지 팩(900)의 대부분이 투명하다. 외부 프레임(903)은 박형 축전 장치를 지지·고정하는 기능 외에, 축전 장치가 투명하기 때문에 취급(handling)하기 위하여 그 외각을 나타내는 기능을 갖는다. 또한 축전 장치의 단부를 보호하는 역할도 같이 갖는다.
투명 영역(904)에 제공된 축전 장치는 하나이어도 좋고, 복수의 소형 축전 장치를 배열시켜도 좋다.
축전 장치는 얇고 또 강도가 높지 않기 때문에 외부 응력에 대하여 강하지는 않다. 따라서 축전 장치의 양면을 유리 기판이나 투명 수지 등의 부재로 덮음으로써 축전 장치의 보호와 강화를 도모하면 좋다.
축전 장치의 제 1 집전체 및 제 2 집전체는 회로부(902)와 접속된다. 회로부(902)는 축전 장치의 셀 전압이나 셀 온도 데이터의 수집, 과충전 및 과방전의 감시, 과전류의 감시, 전지 열화 상태의 관리, SOC(State Of Charge: 충전 상태)의 산출, 고장 검출의 제어 등을 수행하는 배터리 매니지먼트 유닛(BMU)을 실현하는 회로 등을 제공할 수 있다. 또한 회로부(902)에는, 축전 장치의 온도가 상승된 경우에 저항이 증대하는 열감 저항 소자인 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient)를 제공하고, 저항의 증대에 의하여 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것도 효과적이다. PTC 소자에는 티타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 회로부(902)는, 양극 단자(905a) 및 음극 단자(905b)와 접속된다.
도 6에 도시한 판 형상의 전지 팩(900)은 직사각형이지만 전지 팩의 형상은 이것에 한정되지 않고, 삼각 형상, 정방형 및 육각형 등의 다각 형상, 원 형상, 타원 형상 등 일정한 면적을 갖는 임의의 평면 형상으로 할 수 있다. 이렇게 하기 위해서는, 전지부(901)에 제공되는 축전 장치의 기초가 되는 제 1 집전체를 상기 형상으로 하면 좋다.
본 실시형태는, 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 6)
본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치는 전력으로 구동되는 다양한 전기 기기의 전원으로서 사용할 수 있다. 특히 축전 장치가 투명한 이점을 활용하여 디자인성을 향상시킬 수 있는 전기 기기에 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 사용한 전기 기기의 구체적인 예로서, 텔레비전이나 모니터 등의 표시 장치, 조명 장치, 데스크탑형 또는 노트북형의 퍼스널 컴퓨터, 워드 프로세서, DVD(Digital Versatile Disc) 등의 기록 매체에 기억된 정지 화상 또는 동영상을 재생하는 화상 재생장치, 포터블 CD 플레이어, 라디오, 테이프 레코더, 헤드폰 스테레오, 스테레오, 탁상 시계, 벽걸이 시계, 무선 전화기, 트랜시버, 휴대 무선기, 휴대전화기, 자동차 전화, 휴대형 게임기, 장난감, 계산기, 휴대 정보 단말, 전자 수첩, 전자 서적, 전자 번역기, 음성 입력 기기, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 전기 면도기, 전자 레인지 등의 고주파 가열 장치, 전기 밥솥, 전기 세탁기, 전기 청소기, 온수기, 선풍기, 모발 건조기, 에어 컨디셔너, 가습기, 제습기 등의 공기 조절 설비, 식기 세척기, 식기 건조기, 의류 건조기, 이불 건조기, 전기 냉장고, 전기 냉동고, 전기 냉동 냉장고, DNA 보존용 냉동고, 손전등, 전기 공구, 연기 감지기, 투석 장치 등의 의료 기기 등을 들 수 있다. 또한, 유도등, 신호기, 벨트 컨베이어, 엘리베이터, 에스컬레이터, 산업용 로봇, 전력 저장 시스템, 및 전력의 평준화나 스마트 그리드를 위한 축전 장치 등의 산업 기기를 들 수 있다. 또한, 축전 장치로부터의 전력을 사용하여 전동기에 의하여 추진되는 이동체 등도 전기 기기의 범주에 포함되는 것으로 한다. 상기 이동체로서 예를 들어, 전기 자동차(EV), 내연 기관과 전동기를 겸비한 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 이들의 타이어 차륜이 무한 궤도로 대체된 궤도 차량(tracked vehicle), 전동 어시스트 자전거를 포함한 원동기 부착 자전거, 자동 이륜차, 전동 휠체어, 골프용 카트, 소형 또는 대형 선박, 잠수함, 헬리콥터, 항공기, 로켓, 인공 위성, 우주 탐사기나 혹성 탐사기, 우주선 등을 들 수 있다.
또한, 상기 전기 기기는 소비 전력의 거의 모든 전력을 제공하기 위한 주전원으로서, 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 사용할 수 있다. 또는, 상기 전기 기기는 상기 주전원이나 상용 전원으로부터의 전력의 공급이 정지된 경우에 전기 기기로 전력을 공급할 수 있는 무정전 전원으로서, 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 사용할 수 있다. 또는, 상기 전기 기기는 상기 주전원이나 상용 전원으로부터 전기 기기로의 전력의 공급과 병행하여 전기 기기로 전력을 공급하기 위한 보조 전원으로서 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 사용할 수 있다.
도 7(A) 및 도 7(B)에는 상기 전기 기기의 구체적인 구성을 도시하였다. 도 7(A)에 있어서, 표시 장치(1000)는 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 사용한 전기 기기의 일례이다. 구체적으로는 표시 장치(1000)는 TV방송 수신용의 표시 장치에 상당하고 표시부(1001), 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b), 튜너를 포함한 회로부(1003) 등을 갖는다.
표시부(1001)에는, 액정 표시 장치, 유기 EL 소자 등의 발광 소자를 각 화소에 구비한 발광 장치, 전기 영동 표시 장치, DMD(Digital Micromirror Device), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display) 등의 반도체 표시 장치를 사용할 수 있다.
표시 장치(1000)는 상용 전원으로부터 전력의 공급을 받을 수도 있고, 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b)에 축적된 전력을 사용할 수도 있다. 따라서, 정전 등에 의하여 상용 전원으로부터 전력의 공급을 받을 수 없을 때도 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치를 무정전 전원으로서 사용함으로써 표시 장치(1000)의 이용이 가능하게 된다.
본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b)는 표시부(1001)의 바로 아래에 배치되어 있다. 회로부(1003)는 하우징으로 덮여 있지만 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b)는 하우징으로 덮이지 않고 노출된다. 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b)는 투명하기 때문에 축전 장치(1002a), 축전 장치(1002b)를 통하여 표시 장치(1000)의 후방이 비쳐보이고, 표시 장치(1000)는 전체로서 슬림화된 인상을 주는 디자인으로 할 수 있다.
또한 표시 장치(1000)에는 TV방송 수신용 이외에 퍼스널 컴퓨터용, 광고 표시용 등, 모든 정보 표시용 표시 장치가 포함된다. 특히 본 발명의 일 형태에 관한 축전 장치가 투광성을 갖는 것을 이용하여 투명한 정보 표시용 표시 장치를 실현할 수 있다.
도 7(B)에는 축전 장치가 투명한 것을 이용한 시계의 예에 대하여 도시하였다. 도 7(B)에 도시한 시계(1100)는 탁상 시계이며, 빛을 투과시키지 않는 외주부(1102)와, 외주부(1102)로 둘러싸인 투명부(1101)로 구성된다.
투명부(1101)는 시각을 표시하는 표시판과, 본 발명에 관한 투명한 축전 장치가 겹쳐있다. 표시판은 예를 들어 세그먼트 방식의 액정 표시 장치 등을 사용할 수 있다. 표시판 및 축전 장치 양쪽 모두는 투명하기 때문에 시계(1100)는 시각이 표시되는 부분이 공중에 뜬 것 같이 보이는 디자인으로 할 수 있다. 표시판의 구동 회로 등 투광성을 갖지 않는 구성 부재는 외주부(1102)에 배치하면 좋다.
또한 본 발명의 일 형태의 축전 장치를 구비하면, 물론 상기에서 제시한 전기 기기에 특별히 한정되지는 않는다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
100: 축전 장치
101: 세선부
102: 개구부
103: 외광
104: 단면
110: 제 1 집전체
111: 제 1 활물질층
112: 고체 전해질층
113: 제 2 활물질층
114: 제 2 집전체
120a: 축전 장치
120b: 축전 장치
120c: 축전 장치
120d: 축전 장치
120e: 축전 장치
120f: 축전 장치
121a: 세선부
121b: 세선부
121c: 세선부
121d: 세선부
121e: 세선부
121f: 세선부
200: 축전 장치
201: 세선부
202: 개구부
203: 외광
204: 단면
205: 기판
210: 제 1 집전체
211: 제 1 활물질층
212: 고체 전해질층
213: 제 2 활물질층
214: 제 2 집전체
215: 밀봉층
300: 축전 장치
301: 세선부
302: 개구부
303: 외광부
304: 단면
305: 기판
310: 제 1 집전체
311: 제1 활물질층
312: 고체 전해질층
313: 제 2 활물질층
314: 제 2 집전체
315: 밀봉층
316: 절연층
900: 전지 팩
901: 전지부
902: 회로부
903: 외부 프레임
904: 투명 영역
905a: 양극 단자
905b: 음극 단자
1000: 표시 장치
1001: 표시부
1002a: 축전 장치
1002b: 축전 장치
1003: 회로부
1100: 시계
1101: 투명부
1102: 외주부

Claims (20)

  1. 축전 장치에 있어서,
    그물 형상을 갖는 제 1 집전체(current collector)와;
    상기 제 1 집전체를 덮는 제 1 활물질층과;
    상기 제 1 활물질층을 덮는 고체 전해질층과;
    상기 고체 전해질층을 덮는 제 2 활물질층과;
    상기 제 2 활물질층을 덮는 제 2 집전체를 포함하고,
    상기 제 1 집전체는 빛이 통과할 수 있는 개구부를 포함하는, 축전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 집전체의 단면의 일부에 있어서, 폭에 대한 높이의 비율이 1보다 높은, 축전 장치.
  5. 삭제
  6. 축전 장치에 있어서,
    기판과;
    상기 기판 위의, 그물 형상을 갖는 제 1 집전체와;
    상기 제 1 집전체를 덮는 제 1 활물질층과;
    상기 제 1 활물질층을 덮는 고체 전해질층과;
    상기 고체 전해질층을 덮는 제 2 활물질층과;
    상기 제 2 활물질층을 덮는 제 2 집전체를 포함하고,
    상기 제 1 집전체는 빛이 통과할 수 있는 개구부를 포함하는, 축전 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제 2 집전체 및 상기 기판을 덮는 절연막을 더 포함하는, 축전 장치.
  12. 삭제
  13. 축전 장치에 있어서,
    개구부들을 갖는 그물 형상 구조체를 포함하고,
    상기 그물 형상 구조체는,
    그물 형상을 갖는 제 1 집전체와;
    상기 제 1 집전체를 덮는 제 1 활물질층과;
    상기 제 1 활물질층을 덮는 고체 전해질층과;
    상기 고체 전해질층을 덮는 제 2 활물질층과;
    상기 제 2 활물질층을 덮는 제 2 집전체를 포함하고,
    상기 개구부들은 빛이 통과할 수 있는, 축전 장치.
  14. 제1항, 제6항, 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 집전체는 금속 메시(mesh)인, 축전 장치.
  15. 삭제
  16. 제13항에 있어서,
    상기 그물 형상 구조체 아래의 기판을 더 포함하는, 축전 장치.
  17. 제6항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제 1 활물질층, 상기 고체 전해질층, 상기 제 2 활물질층, 및 상기 제 2 집전체의 단부는 상기 기판과 접하는, 축전 장치.
  18. 제6항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제 2 집전체를 덮는 밀봉층을 더 포함하는, 축전 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 그물 형상 구조체 및 상기 개구부들을 덮는 절연막을 더 포함하는, 축전 장치.
  20. 전기 기기에 있어서,
    제1항, 제6항, 및 제13항 중 어느 한 항에 따른 축전 장치를 포함하는 전기 기기.
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