WO2012114497A1 - 固体電池 - Google Patents

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克久 田中
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a solid state battery including a pair of electrode layers and a solid electrolyte layer disposed between the pair of electrode layers.
  • a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as “battery”) has a feature that it has a higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large motive power such as for electric vehicles and hybrid vehicles.
  • a lithium ion secondary battery includes a positive electrode layer and a negative electrode layer (a pair of electrode layers) and an electrolyte layer disposed between them.
  • an electrolyte used for the electrolyte layer for example, a non-aqueous liquid state And solid substances are known.
  • electrolytic solution a liquid electrolyte (hereinafter referred to as “electrolytic solution”)
  • the electrolytic solution easily penetrates into the positive electrode layer and the negative electrode layer. Therefore, an interface between the active material contained in the positive electrode layer or the negative electrode layer and the electrolytic solution is easily formed, and the performance is easily improved.
  • the widely used electrolyte is flammable, it is necessary to mount a system for ensuring safety.
  • solid electrolyte since the solid electrolyte (hereinafter referred to as “solid electrolyte”) is nonflammable, the above system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “solid battery”) in a form provided with a layer containing a solid electrolyte that is nonflammable (hereinafter referred to as “solid electrolyte layer”) has been proposed. Yes.
  • an end surface of a positive electrode active material layer is coated with an insulating material particle assembly layer, and the positive electrode active material layer is formed from a negative electrode active material layer that forms a pair as a battery layer.
  • the separator formed in a size that does not protrude and interposed between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is an insulating material particle assembly layer in which insulating material particles are bonded together with a binder,
  • a non-aqueous secondary battery that is fixed to at least one of the negative electrode, covers at least the entire surface of the positive electrode active material layer facing the negative electrode, and does not protrude from the end face of the current collector. It is disclosed.
  • Patent Document 2 a resin infiltrating portion formed by infiltrating a non-ion permeable resin is formed on the outer periphery of an electrode reaction portion effective for an electrochemical reaction in the surface direction of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer.
  • a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the outer peripheral edge of the electrode reaction part in the positive electrode active material layer is located in alignment with or inward of the outer peripheral edge of the electrode reaction part in the negative electrode active material layer .
  • the form with which the contact bonding layer which consists of non-ion-permeable resin is provided in the outer side of the positive electrode active material layer and / or the negative electrode active material layer is also disclosed.
  • a laminate including a positive electrode layer connected to a positive electrode current collector and a negative electrode layer connected to a negative electrode current collector, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer is air.
  • the laminate is housed in a gas-impermeable outer casing, and when the inner casing is decompressed and sealed, a force is applied from the outer side of the outer casing to the inner side of the outer casing.
  • the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the size so that the positions of the end faces of the surface (hereinafter referred to as “lamination surface”) whose normal direction is the lamination direction of the layers constituting the laminate are aligned, and
  • laminate surface whose normal direction is the lamination direction of the layers constituting the laminate are aligned
  • part of the electrode layer the end of the positive electrode layer or the end of the negative electrode layer (hereinafter referred to as “part of the electrode layer”). ) May slide down, and the positive electrode layer and the negative electrode layer may be connected via a part of the electrode layer that has slipped down, causing a short circuit.
  • the size of the laminated surface of the positive electrode layer and the size of the laminated surface of the negative electrode layer are not the same, and the size of the laminated surface is It can be considered that suppression is possible by disposing both electrode layers such that one electrode layer having a relatively small size is disposed in the center of the other electrode layer having a relatively large laminated surface.
  • the technique disclosed in Patent Document 1 if the adhesion between the separator and the insulating material particle assembly layer is insufficient, one of the positive electrode layers that have moved through the gap between the separator and the insulating material particle assembly layer.
  • the positive electrode layer and the negative electrode layer are connected to each other through a portion, and a short circuit occurs.
  • the positive electrode active material layer and the resin permeation portion disposed on the outer periphery of the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer and the negative electrode active material layer are disposed outside. If the adhesion between the resin infiltrating part and the adhesive layer is insufficient, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be connected via a part of the positive electrode active material layer that has moved through the gap, thereby causing a short circuit. there were. When such a short circuit occurs, the performance of the battery deteriorates. Therefore, a technical development capable of preventing the short circuit has been demanded.
  • an object of the present invention is to provide a solid state battery capable of suppressing a short circuit between electrodes.
  • the present invention is a solid state battery comprising a first electrode layer, a second electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer, and the outer periphery of the first electrode layer.
  • the first insulating layer is disposed, and the size of the laminated surface in which the normal direction is the lamination direction of the first electrode layer, the solid electrolyte layer, and the second electrode layer is such that the first electrode layer is larger than the solid electrolyte layer.
  • the outer edge of the solid electrolyte layer is located on the outer periphery of the first electrode layer, and the outer edge of the first insulating layer is located on the outer periphery of the solid electrolyte layer.
  • the solid state battery is characterized in that the first electrode layer, the first insulating layer, and the solid electrolyte layer are disposed so as to be in contact with the end portion of the solid electrolyte layer.
  • one of the “first electrode layer” and the “second electrode layer” is a positive electrode layer, and the other is a negative electrode layer.
  • the outer edge of the solid electrolyte layer is located on the outer periphery of the first electrode layer, and the outer edge of the first insulating layer is positioned on the outer periphery of the solid electrolyte layer” means from the stacking direction.
  • the outer edge of the solid electrolyte layer having a larger lamination surface than the first electrode layer protrudes from the periphery of the first electrode layer, and the outer edge of the first insulating layer protrudes from the periphery of the solid electrolyte layer. It means that an electrode layer, a first insulating layer, and a solid electrolyte layer are laminated.
  • the thickness of the first insulating layer is preferably not more than the thickness of the first electrode layer.
  • a second insulating layer is further disposed on the outer periphery of the second electrode layer.
  • the thickness of the second insulating layer is preferably equal to or less than the thickness of the second electrode layer.
  • the size of the laminated surface of the second electrode layer is larger than the size of the laminated surface of the first electrode layer, and the second electrode is disposed on the outer periphery of the first electrode layer when viewed from the lamination direction.
  • the outer edge of the layer is preferably located.
  • the outer edge of the solid electrolyte layer when viewed from the stacking direction, is located on the outer periphery of the first electrode layer, and the outer edge of the first insulating layer is located on the outer periphery of the solid electrolyte layer.
  • the first electrode layer, the first insulating layer, and the solid electrolyte layer are disposed so that the outer edge of the insulating layer is in contact with the end of the solid electrolyte layer. Therefore, according to the battery of the present invention, even if the end portion of the first electrode layer is chipped and slips, a part of the slipped first electrode layer is separated from the first electrode layer, the first insulating layer, and the solid electrolyte layer.
  • the solid battery which can suppress the short circuit between electrodes can be provided.
  • the thickness of the first insulating layer is equal to or less than the thickness of the first electrode layer, it is possible to suppress a situation where the solid electrolyte layer is bent and damaged.
  • a part of the first electrode layer that has entered the breakage site of the solid electrolyte layer and / or a part of the second electrode layer that has entered the breakage site of the solid electrolyte layer are used.
  • the second insulating layer is further provided on the outer periphery of the second electrode layer, it is easy to suppress a short circuit between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the thickness of the second insulating layer is equal to or less than the thickness of the second electrode layer, it is possible to suppress the situation where the solid electrolyte layer is bent and damaged. Therefore, it becomes easy to suppress the short circuit between electrodes by setting it as this form.
  • the size of the laminated surface of the second electrode layer is larger than the size of the laminated surface of the first electrode layer, and the second electrode layer is disposed on the outer periphery of the first electrode layer when viewed from the lamination direction. By positioning the outer edge, it is easy to suppress a short circuit between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a solid battery 10. It is a figure explaining the positive electrode collector 1 and the 1st insulating layer 2.
  • FIG. It is a figure explaining the 1st insulating layer 2 and the positive electrode layer 3.
  • FIG. It is a figure explaining the 2nd insulating layer 6 and the negative electrode collector 7.
  • FIG. It is a figure explaining the negative electrode layer 5 and the 2nd insulating layer 6.
  • the battery of the present invention is a lithium ion secondary battery
  • the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a solid battery 10 of the present invention
  • FIGS. 2A to 2D are diagrams illustrating a manufacturing process of the solid battery 10.
  • the stacking direction is the vertical direction of the paper surface of FIG. 1 and the back / front direction of the paper surface of FIGS. 2A to 2D.
  • the solid battery 10 includes a positive electrode current collector 1, a positive electrode layer 3 formed on the surface of the positive electrode current collector 1, and a first insulation disposed on the outer periphery of the positive electrode layer 3.
  • a layer 2 a solid electrolyte layer 4, a negative electrode layer 5 disposed on the opposite side of the positive electrode layer 3 with the solid electrolyte layer 4 in the center, and a second insulating layer 6 disposed on the outer periphery of the negative electrode layer 5.
  • a negative electrode current collector 7 in contact with the negative electrode layer 5 and the second insulating layer 6, and a first laminate film 8 and a second laminate film 9 that enclose them.
  • the stacking surfaces of the positive electrode current collector 1 and the negative electrode current collector 7, whose normal direction is the stacking direction of the positive electrode layer 3, the solid electrolyte layer 4, the negative electrode layer 5, and the like, have a size and shape. Are substantially the same.
  • the solid battery 10 is manufactured through the following steps, for example.
  • the first insulating layer 2 is formed on the outer edge of the positive electrode current collector 1 by a known method such as enamel coating or electrostatic coating.
  • a masking material is disposed on the surface of the first insulating layer 2.
  • a positive electrode slurry prepared by dispersing at least a positive electrode active material and a solid electrolyte in a solvent is applied to the entire surface of the positive electrode current collector 1 surrounded by the first insulating layer 2 by a known method such as a doctor blade method.
  • the positive electrode layer 3 is formed as shown in FIG. 2B.
  • the thickness of the positive electrode layer 3 is about several ⁇ m thicker than the thickness of the first insulating layer 2 (thickness in the back / front direction of FIG. 2B). To do.
  • the first insulating layer 2 and the positive electrode layer 3 in this way, the first insulating layer 2 can be disposed on the outer periphery of the positive electrode layer 3.
  • a prototype of the positive electrode current collector 1 having the first insulating layer 2 formed on the outer edge is shown in FIG.
  • the first insulating layer 2 shown in FIG. 3 has a thickness in the back / front direction of FIG. 3 of 25 ⁇ m.
  • the second insulating layer 6 is formed on the outer edge of the negative electrode current collector 7 by a known method such as enamel coating or electrostatic coating.
  • the width w2 of the second insulating layer 6 shown in FIG. 2C is narrower than the width w1 of the first insulating layer 2 shown in FIG. 2A.
  • a masking material is disposed on the surface of the second insulating layer 6.
  • a negative electrode slurry prepared by dispersing at least a negative electrode active material and a solid electrolyte in a solvent is applied to the entire surface of the negative electrode current collector 7 surrounded by the second insulating layer 6 by a known method such as a doctor blade method.
  • a known method such as a doctor blade method.
  • the negative electrode layer 5 is formed as shown in FIG. 2D.
  • the thickness of the negative electrode layer 5 is about several ⁇ m thicker than the thickness of the second insulating layer 6 (thickness in the rear side / front side of FIG. 2D).
  • FIG. 4 shows a prototype of the negative electrode current collector 7 in which the second insulating layer 6 is formed on the outer edge.
  • the second insulating layer 6 shown in FIG. 4 has a thickness in the back / front direction of FIG. 4 of 25 ⁇ m.
  • an electrolyte slurry prepared by dispersing at least a solid electrolyte in a solvent while the masking material is disposed on the surface of the second insulating layer 6 is used.
  • the solid electrolyte layer 4 having the same size and shape of the laminated surface as that of the negative electrode layer 5 can be formed by applying to the surface by a known method such as a doctor blade method and volatilizing the solvent.
  • the positive electrode layer 3 formed on the surface of the positive electrode current collector 1 surrounded by the first insulating layer 2 is disposed on the surface of the solid electrolyte layer 4, and the solid electrolyte layer 4 is A laminated body sandwiched between the positive electrode layer 3 and the negative electrode layer 5 is produced, and a predetermined compressive force is applied and pressed in the laminating direction of the laminated body. Thereafter, the pressed laminate is wrapped with the first laminate film 8 and the second laminate film 9. Next, the process of depressurizing (vacuum laminating) the space enclosed by the first laminate film 8 and the second laminate film 9 and thermally welding the outer edge 8a of the first laminate film 8 and the outer edge 9a of the second laminate film 9, for example. Through this, the solid battery 10 can be manufactured.
  • the outer edge of the solid electrolyte layer 4 is located on the outer periphery (periphery) of the positive electrode layer 3 and the outer periphery (periphery) of the solid electrolyte layer 4 when viewed from the stacking direction.
  • the outer edge of the first insulating layer 2 is located.
  • the outer edge of the curved first insulating layer 2 and the end of the solid electrolyte layer 4 are in contact with each other over the entire circumference, and the positive electrode layer 3 and the A site X defined by the insulating layer 2 and the solid electrolyte layer 4 can be provided.
  • the 1st insulating layer 2 which has adhered the site
  • the thickness of the first insulating layer 2 is about several ⁇ m thinner than the thickness of the positive electrode layer 3, and the thickness of the second insulating layer 6 is about several ⁇ m thinner than the thickness of the negative electrode layer 5.
  • the contact between the outer edge of the layer 2 and the outer edge of the second insulating layer 6 can be received, and as a result, the degree of bending of the negative electrode current collector 7 can be reduced.
  • the degree to which the negative electrode current collector 7 is bent it is possible to prevent the solid electrolyte layer 4 from being broken at the boundary between the positive electrode layer 3 and the part X, which is the stress maximum part.
  • the solid electrolyte layer 4 is cracked, when cracked from the positive electrode layer 3 side, it penetrates through a part of the positive electrode layer 3 that has entered the crack, and when cracked from the negative electrode layer 5 side, it enters the crack.
  • the positive electrode layer 3 and the negative electrode layer 5 are connected via a part of the negative electrode layer 5 and short-circuited.
  • the solid battery 10 it is possible to prevent the solid electrolyte layer 4 from being broken, so that a part of the positive electrode layer 3 and a part of the negative electrode layer 5 entering the crack of the solid electrolyte layer 4 are interposed. It becomes possible to prevent the short circuit.
  • the positive electrode current collector 1 and the negative electrode current collector 7 can be made of a known conductive material that can be used as a positive electrode current collector or a negative electrode current collector of a lithium ion secondary battery.
  • a conductive material include one or more elements selected from the group consisting of Cu, Ni, Al, V, Au, Pt, Mg, Fe, Ti, Co, Cr, Zn, Ge, and In. Examples of the metal material to be included can be given.
  • the positive electrode collector 1 and the negative electrode collector 7 can be made into shapes, such as metal foil and a metal mesh, for example.
  • the first insulating layer 2 and the second insulating layer 6 can be made of a known insulating material that can withstand the environment when the solid battery 10 is used.
  • Examples of such an insulating material include polytetrafluoroethylene, polyamideimide, polypropylene (PP), and a mixture of two or more thereof.
  • the well-known active material which can be contained in the positive electrode layer of a lithium ion secondary battery can be used suitably.
  • examples of such a positive electrode active material include lithium cobaltate (LiCoO 2 ).
  • the electrolyte contained in the positive electrode layer 3 a known electrolyte that can be contained in the positive electrode layer of the battery can be appropriately used.
  • organic solid electrolytes such as polyethylene oxide can be exemplified.
  • the positive electrode layer 3 may contain a binder for binding the positive electrode active material and the electrolyte and a conductive material for improving conductivity.
  • Examples of the binder that can be contained in the positive electrode layer 3 include butylene rubber, and examples of the conductive material that can be contained in the positive electrode layer 3 include carbon black.
  • a solvent used when manufacturing the positive electrode layer 3 the well-known solvent which can be used when adjusting the slurry used at the time of positive electrode layer preparation of a lithium ion secondary battery can be used suitably. As such a solvent, heptane and the like can be exemplified.
  • examples of the electrolyte contained in the solid electrolyte layer 4 include the inorganic solid electrolyte and the organic solid electrolyte that can be contained in the positive electrode layer 3.
  • the said solvent etc. which can be used when producing the positive electrode layer 3 can be illustrated.
  • the negative electrode active material to be contained in the negative electrode layer 5 a known active material that can be contained in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used. Examples of such an active material include graphite.
  • the electrolyte contained in the negative electrode layer 5 a known electrolyte that can be contained in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used. As such an electrolyte, the said inorganic solid electrolyte, organic solid electrolyte, etc. which can be contained in the positive electrode layer 3 can be illustrated.
  • the negative electrode layer 5 may contain a binder for binding the negative electrode active material and the electrolyte, and a conductive material for improving conductivity.
  • binder and conductive material that can be contained in the negative electrode layer 5 examples include the binder and conductive material that can be contained in the positive electrode layer 3. Moreover, as a solvent used when producing the negative electrode layer 5, the said solvent etc. which can be used when producing the positive electrode layer 3 can be illustrated.
  • first laminate film 8 and the second laminate film 9 can withstand the environment when the lithium ion secondary battery is used, have a property of not allowing gas or liquid to permeate, and can be sealed. Can be used without any particular limitation.
  • a film in which polypropylene (PP) is coated on the surface of aluminum can be exemplified.
  • the first insulating layer 2 has a thickness that is about several ⁇ m thinner than the thickness of the positive electrode layer 3, but the solid state battery of the present invention is not limited to this form.
  • the first insulating layer and the first electrode layer may have the same thickness, and the thickness of the first insulating layer is the first. It may be thicker than the thickness of the electrode layer.
  • the thickness of the first insulating layer is from the viewpoint of making it easy to prevent a short circuit through a part of the electrode layer entering the crack of the solid electrolyte layer by making the solid electrolyte layer difficult to break. It is preferable that the thickness is equal to or less than the thickness of the first electrode layer.
  • the first insulating layer 2 is disposed on the outer periphery of the positive electrode layer 3 and the second insulating layer 6 is disposed on the outer periphery of the negative electrode layer 5.
  • the solid battery of the present invention is not limited to this form.
  • the solid battery of the present invention may be configured such that the second insulating layer is not disposed on the outer periphery of the second electrode layer (the negative electrode layer 5 in the solid battery 10; the same applies hereinafter).
  • the second insulating layer is disposed on the outer periphery of the second electrode layer. Is preferred.
  • the solid battery of the present invention is not limited to this form.
  • the second insulating layer and the second electrode layer may have the same thickness.
  • the thickness may be larger than the thickness of the second electrode layer.
  • the thickness of the second insulating layer is from the viewpoint of making it easy to prevent a short circuit through a part of the electrode layer entering the crack of the solid electrolyte layer by making the solid electrolyte layer difficult to break. It is preferable that the thickness is equal to or less than the thickness of the second electrode layer.
  • the width of the second insulating layer 6 is made smaller than the width w1 of the first insulating layer 5 so that the size of the laminated surface of the negative electrode layer 5 is the same as that of the laminated surface of the positive electrode layer 3.
  • the embodiment is illustrated in which the outer edge of the negative electrode layer 5 is located on the outer periphery of the positive electrode layer 3 when viewed from the stacking direction, and the solid state battery of the present invention is not limited to this form.
  • the laminate surface of the positive electrode layer and the laminate surface of the negative electrode layer may be the same size, and the laminate surface of the positive electrode layer may be larger than the laminate surface of the negative electrode layer. is there.
  • the size of the laminated surface of the negative electrode layer is made larger than the size of the laminated surface of the positive electrode layer
  • the positive electrode layer and the negative electrode layer are preferably arranged so that the outer edge of the negative electrode layer is positioned on the outer periphery of the positive electrode layer when viewed from the stacking direction.
  • the solid battery 10 which is a lithium ion secondary battery is illustrated, but the solid battery of the present invention is not limited to this form.
  • the solid state battery of the present invention may be configured such that ions other than lithium ions move between the first electrode layer and the second electrode layer. Examples of such ions include sodium ions and potassium ions.
  • the positive electrode active material, the solid electrolyte, and the negative electrode active material may be appropriately selected according to the moving ions.

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Abstract

本発明は、電極間の短絡を抑制することが可能な、固体電池を提供することを主目的とする。 本発明は、第１電極層及び第２電極層、並びに、第１電極層及び第２電極層の間に配設された固体電解質層を備え、第１電極層の外周に第１絶縁層が配設され、第１電極層、固体電解質層、及び、第２電極層の積層方向を法線方向とする積層面の大きさは、第１電極層が固体電解質層よりも小さく、積層方向から見た時に、第１電極層の外周に固体電解質層の外縁が位置し、且つ、固体電解質層の外周に第１絶縁層の外縁が位置し、第１絶縁層の外縁と固体電解質層の端部とが接触するように、第１電極層、第１絶縁層、及び、固体電解質層が配設されている、固体電池とする。

Description

固体電池
　本発明は、一対の電極層と、該一対の電極層の間に配設された固体電解質層と、を備える固体電池に関する。
　リチウムイオン二次電池（以下において、単に「電池」ということがある。）は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
　リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層（一対の電極層）と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
　このような電池に関する技術として、例えば特許文献１には、正極活物質層の端面が絶縁性物質粒子集合体層でコーティングされ、正極活物質層は、電池層として対をなす負極活物質層からはみ出さない大きさに形成され、正極活物質層及び負極活物質層間に介装されているセパレータは、絶縁性物質粒子同士がバインダーで結合された絶縁性物質粒子集合体層であって、正極及び負極の少なくともいずれか一方に固定され、少なくとも負極と対向する正極活物質層の表面全体を覆うように、且つ集電体の端面からはみ出さないように配置されている非水系二次電池が開示されている。また、特許文献２には、非イオン透過性樹脂を浸透させて形成した樹脂浸透部が、正極活物質層又は負極活物質層の面方向において、電気化学反応に有効な電極反応部の外周に配置され、正極活物質層における電極反応部の外周縁辺が、負極活物質層における電極反応部の外周縁辺に対して一致又は内方に位置している非水電解質二次電池が開示されている。そして、特許文献２では、非イオン透過性樹脂からなる接着層が正極活物質層及び／又は負極活物質層の外方に備えられている形態も開示されている。
国際公開第１９９８／３８６８８号パンフレット 特開２０１０－９２６９６号公報
　電池において、例えば、正極集電体に接続された正極層及び負極集電体に接続された負極層と、正極層及び負極層の間に配置された固体電解質層とを具備する積層体が空気と接触する事態等を防ぐために、気体不透過性の外装材内に積層体を収容し、外装材内を減圧して封入する場合、外装材の外側から、外装材の内側へ力が付与される。ここで、例えば、積層体を構成する各層の積層方向を法線方向とする面（以下において、「積層面」という。）の端面の位置が揃う大きさに正極層、固体電解質層、及び、負極層を形成し、これらの層を積層した場合、積層体の周囲から力が付与されると、正極層の端部や負極層の端部（以下において、「電極層の一部」という。）が滑落する虞があり、滑落した電極層の一部を介して正極層と負極層とが接続され、短絡する虞があった。この形態の短絡は、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているように、正極層の積層面の大きさと、負極層の積層面の大きさとを非同一とし、積層面の大きさが相対的に小さい一方の電極層が、積層面の大きさが相対的に大きい他方の電極層の中央に配置されるように、両電極層を配置することにより、抑制可能とも考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術において、セパレータと絶縁性物質粒子集合体層との密着が不十分であると、セパレータと絶縁性物質粒子集合層との隙間を移動した正極層の一部を介して、正極層と負極層とが接続され、短絡する虞があった。また、特許文献２に開示されている技術においても、正極活物質層や該正極活物質層の外周に配置された樹脂浸透部と、負極活物質層や該負極活物質層の外方に配置された樹脂浸透部及び接着層との密着が不十分であると、隙間を移動した正極活物質層の一部を介して正極活物質層と負極活物質層とが接続され、短絡する虞があった。このような短絡が生じると電池の性能が低下するため、短絡を防止し得る技術開発が求められていた。
　そこで本発明は、電極間の短絡を抑制することが可能な固体電池を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
  本発明は、第１電極層及び第２電極層、並びに、第１電極層及び第２電極層の間に配設された固体電解質層を備える固体電池であって、第１電極層の外周に第１絶縁層が配設され、第１電極層、固体電解質層、及び、第２電極層の積層方向を法線方向とする積層面の大きさは、第１電極層が固体電解質層よりも小さく、積層方向から見た時に、第１電極層の外周に固体電解質層の外縁が位置し、且つ、固体電解質層の外周に第１絶縁層の外縁が位置し、第１絶縁層の外縁と固体電解質層の端部とが接触するように、第１電極層、第１絶縁層、及び、固体電解質層が配設されていることを特徴とする、固体電池である。
　ここに、本発明において、「第１電極層」及び「第２電極層」は、一方が正極層であり、他方が負極層である。また、「積層方向から見た時に、第１電極層の外周に固体電解質層の外縁が位置し、且つ、固体電解質層の外周に第１絶縁層の外縁が位置し」とは、積層方向から見た時に、第１電極層よりも積層面が大きい固体電解質層の外縁が第１電極層の周りからはみ出し、且つ、第１絶縁層の外縁が固体電解質層の周りからはみ出すように、第１電極層、第１絶縁層、及び、固体電解質層が積層されていることをいう。
　また、上記本発明において、第１絶縁層の厚さは、第１電極層の厚さ以下であることが好ましい。
　また、上記本発明において、第２電極層の外周に、さらに第２絶縁層が配設されていることが好ましい。
　また、第２電極層の外周に、さらに第２絶縁層が配設されている上記本発明において、第２絶縁層の厚さは、第２電極層の厚さ以下であることが好ましい。
　また、上記本発明において、第２電極層の積層面の大きさは第１電極層の積層面の大きさよりも大きく、且つ、積層方向から見た時に、第１電極層の外周に第２電極層の外縁が位置していることが好ましい。
　本発明の固体電池では、積層方向から見た時に、第１電極層の外周に固体電解質層の外縁が位置し、且つ、固体電解質層の外周に第１絶縁層の外縁が位置し、第１絶縁層の外縁と固体電解質層の端部とが接触するように、第１電極層、第１絶縁層、及び、固体電解質層が配設されている。それゆえ、本発明の電池によれば、第１電極層の端部が欠けて滑落したとしても、滑落した第１電極層の一部を、第１電極層と第１絶縁層と固体電解質層とで画定される空間に留めることができる。滑落した第１電極層の一部をこの空間に留めることにより、滑落した第１電極層の一部を介して第１電極層と第２電極層とが接続されて短絡する事態を抑制することができる。したがって、本発明によれば、電極間の短絡を抑制することが可能な固体電池を提供することができる。
　また、本発明において、第１絶縁層の厚さが第１電極層の厚さ以下であることにより、固体電解質層が湾曲して破損する事態を抑制することが可能になる。固体電解質層の破損を抑制することにより、固体電解質層の破損部位へと進入した第１電極層の一部及び／又は固体電解質層の破損部位へと進入した第２電極層の一部を介して第１電極層と第２電極層とが接続されて短絡する事態を抑制することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、電極間の短絡を抑制することが容易になる。
　また、本発明において、第２電極層の外周に、さらに第２絶縁層が配設されていることにより、第１電極層と第２電極層との短絡を抑制することが容易になる。
　また、本発明において、第２絶縁層の厚さが第２電極層の厚さ以下であることにより、固体電解質層が湾曲して破損する事態を抑制することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、電極間の短絡を抑制することが容易になる。
　また、本発明において、第２電極層の積層面の大きさが第１電極層の積層面の大きさよりも大きく、且つ、積層方向から見た時に、第１電極層の外周に第２電極層の外縁が位置していることにより、第１電極層と第２電極層との短絡を抑制することが容易になる。
固体電池１０を説明する断面図である。 正極集電体１及び第１絶縁層２を説明する図である。 第１絶縁層２及び正極層３を説明する図である。 第２絶縁層６及び負極集電体７を説明する図である。 負極層５及び第２絶縁層６を説明する図である。 外縁に第１絶縁層２を形成した正極集電体１の試作品を示す写真である。 外縁に第２絶縁層６を形成した負極集電体７の試作品を示す写真である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の電池をリチウムイオン二次電池とした場合について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
　図１は本発明の固体電池１０を説明する断面図であり、図２Ａ乃至図２Ｄは固体電池１０の製造工程を説明する図である。図１の紙面上下方向、及び、図２Ａ乃至図２Ｄの紙面奥／手前方向が、積層方向である。
　図１に示すように、固体電池１０は、正極集電体１と、該正極集電体１の表面に形成された正極層３と、該正極層３の外周に配設された第１絶縁層２と、固体電解質層４と、該固体電解質層４を中央にして正極層３の反対側に配置された負極層５と、該負極層５の外周に配設された第２絶縁層６と、負極層５及び第２絶縁層６と接触している負極集電体７と、これらを包む第１ラミネートフィルム８及び第２ラミネートフィルム９と、を有している。固体電池１０において、正極層３、固体電解質層４、及び、負極層５等の積層方向を法線方向とする、正極集電体１及び負極集電体７の積層面は、大きさ及び形状が略同一である。
　固体電池１０は、例えば以下の工程を経て製造される。図２Ａに示すように、第１絶縁層２は、例えばエナメル塗装や静電塗装等の公知の方法によって、正極集電体１の外縁に形成する。こうして第１絶縁層２を形成したら、第１絶縁層２の表面にマスキング材を配置する。そして、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極スラリーを、第１絶縁層２によって囲まれた正極集電体１の表面全体へドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶媒を揮発させる過程を経て、図２Ｂに示すように正極層３を形成する。ここで、正極層３の厚さ（図２Ｂの紙面奥／手前方向の厚さ）は第１絶縁層２の厚さ（図２Ｂの紙面奥／手前方向の厚さ）よりも数μｍ程度厚くする。このようにして第１絶縁層２及び正極層３を形成することにより、正極層３の外周に第１絶縁層２を配設することができる。外縁に第１絶縁層２を形成した正極集電体１の試作品を図３に示す。図３に示す第１絶縁層２は、図３の紙面奥／手前方向の厚さを２５μｍとした。
　一方、第２絶縁層６は、図２Ｃに示すように、例えばエナメル塗装や静電塗装等の公知の方法によって、負極集電体７の外縁に形成する。ここで、図２Ｃに示す第２絶縁層６の幅ｗ２は、図２Ａに示す第１絶縁層２の幅ｗ１よりも狭くする。こうして第２絶縁層６を形成したら、第２絶縁層６の表面にマスキング材を配置する。そして、少なくとも負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極スラリーを、第２絶縁層６によって囲まれた負極集電体７の表面全体へドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶媒を揮発させる過程を経て、図２Ｄに示すように負極層５を形成する。ここで、負極層５の厚さ（図２Ｄの紙面奥／手前方向の厚さ）は第２絶縁層６の厚さ（図２Ｄの紙面奥／手前方向の厚さ）よりも数μｍ程度厚くする。このようにして負極層５及び第２絶縁層６を形成することにより、負極層５の外周に第２絶縁層６を配設することができる。外縁に第２絶縁層６を形成した負極集電体７の試作品を図４に示す。図４に示す第２絶縁層６は、図４の紙面奥／手前方向の厚さを２５μｍとした。
　こうして負極層５及び第２絶縁層６を形成したら、例えば、第２絶縁層６の表面にマスキング材を配置したまま、少なくとも固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質スラリーを、負極層５の表面へドクターブレード法等の公知の方法で塗布し、溶媒を揮発させる過程を経ることにより、積層面の大きさ及び形状が負極層５と同一である固体電解質層４を形成することができる。そして、マスキング材を除去した後、第１絶縁層２によって囲まれた正極集電体１の表面に形成した正極層３を、固体電解質層４の表面へと配置して、固体電解質層４が正極層３及び負極層５によって挟まれた積層体を作製し、この積層体の積層方向へ所定の圧縮力を付与して押圧する。その後、押圧された積層体を第１ラミネートフィルム８及び第２ラミネートフィルム９で包む。次いで、第１ラミネートフィルム８及び第２ラミネートフィルム９によって包まれた空間を減圧（真空ラミネート）し、第１ラミネートフィルム８の外縁８ａと第２ラミネートフィルム９の外縁９ａとを例えば熱溶着する過程を経て、固体電池１０を製造することができる。
　このようにして製造される固体電池１０は、積層方向から見た時に、正極層３の外周（周囲）に固体電解質層４の外縁が位置し、且つ、固体電解質層４の外周（周囲）に第１絶縁層２の外縁が位置している。このように構成される積層体を真空ラミネートすると、ラミネートフィルムの外側から内側へ向けて力が付与され、特に積層体の外縁が湾曲する。その結果、図１に示したように、湾曲した第１絶縁層２の外縁と固体電解質層４の端部とが全周に亘って接触し、正極層３の周囲に、正極層３と第１絶縁層２と固体電解質層４とで画定される部位Ｘを設けることができる。そして、負極層５及び固体電解質層４、第１絶縁層２、並びに、第２絶縁層６で画定される部位Ｙと部位Ｘとを、全周に亘って密着している第１絶縁層２及び固体電解質層４によって分断することができる。
　このように構成される固体電池１０は、ラミネートフィルム８、９の外側等から力が付与されて正極層３の外縁の一部が欠け、欠けた正極層３の一部が滑落しても、滑落した正極層３の一部を部位Ｘに留めることができる。それゆえ、滑落した正極層３の一部を介して正極層３と負極層５とが接続されて短絡する事態を防止することが可能になる。また、ラミネートフィルム８、９の外側等から力が付与されて負極層５の外縁の一部が欠け、欠けた負極層５の一部が滑落しても、滑落した負極層５の一部を部位Ｙに留めることができる。それゆえ、滑落した負極層５の一部を介して正極層３と負極層５とが接続されて短絡する事態を防止することも可能になる。
　また、固体電池１０では、第１絶縁層２の厚さが正極層３の厚さよりも数μｍ程度薄く、第２絶縁層６の厚さが負極層５の厚さよりも数μｍ程度薄い。第１絶縁層２及び第２絶縁層６をこのような厚さとすることにより、第１絶縁層２の外縁と第２絶縁層６の外縁とを接触させることが容易になる。第１絶縁層２の外縁と第２絶縁層６の外縁とを接触させることにより、ラミネートフィルム８、９の外側から力が付与された場合であっても、この力の一部を第１絶縁層２の外縁と第２絶縁層６の外縁との接触部で受けとめることが可能になり、その結果、負極集電体７が湾曲する度合いを低減することが可能になる。負極集電体７が湾曲する度合いを低減することにより、固体電解質層４が、応力最大部位となる正極層３と部位Ｘとの境界で割れる事態を防止することが可能になる。ここで、固体電解質層４が割れると、正極層３側から割れた場合には亀裂に入り込んだ正極層３の一部を介して、また、負極層５側から割れた場合には亀裂に入り込んだ負極層５の一部を介して、正極層３と負極層５とが接続されて短絡する虞がある。これに対し、固体電池１０では、固体電解質層４が割れる事態を防止することが可能になるので、固体電解質層４の亀裂に入り込んだ正極層３の一部や負極層５の一部を介した短絡を、防止することが可能になる。
　固体電池１０において、正極集電体１や負極集電体７は、リチウムイオン二次電池の正極集電体や負極集電体として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。また、正極集電体１及び負極集電体７は、例えば、金属箔や金属メッシュ等の形状にすることができる。
　また、第１絶縁層２及び第２絶縁層６は、固体電池１０の使用時の環境に耐え得る公知の絶縁性材料によって構成することができる。そのような絶縁性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミドイミド、ポリプロピレン（ＰＰ）のほか、これらの２以上を混合した混合物等を例示することができる。
　また、正極層３に含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等を例示することができる。また、正極層３に含有させる電解質としては、電池の正極層に含有させることが可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物系固体電解質、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０～１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質）等の無機固体電解質のほか、ポリエチレンオキサイド等の有機固体電解質を例示することができる。このほか、正極層３には、正極活物質や電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。正極層３に含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層３に含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層３を作製する際に用いる溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。
　また、固体電解質層４に含有させる電解質としては、正極層３に含有させることが可能な上記無機固体電解質や有機固体電解質等を例示することができる。また、固体電解質層４を作製する際に用いる溶媒としては、正極層３を作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
　また、負極層５に含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層５に含有させる電解質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、正極層３に含有させることが可能な上記無機固体電解質や有機固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層５には、負極活物質や電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていてもよい。負極層５に含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層３に含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層５を作製する際に用いる溶媒としては、正極層３を作製する際に使用可能な上記溶媒等を例示することができる。
　また、第１ラミネートフィルム８及び第２ラミネートフィルム９は、リチウムイオン二次電池の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるフィルムを、特に限定されることなく用いることができる。そのようなフィルムの構成材料としては、アルミニウムの表面にポリプロピレン（ＰＰ）をコーティングしたフィルム等を例示することができる。
　本発明に関する上記説明では、第１絶縁層２の厚さが正極層３の厚さよりも数μｍ程度薄い形態を例示したが、本発明の固体電池は当該形態に限定されない。本発明の固体電池において、第１絶縁層及び第１電極層（固体電池１０では正極層３。以下において同じ。）は同じ厚さであっても良く、第１絶縁層の厚さが第１電極層の厚さよりも厚くても良い。ただし、固体電解質層が破損し難い形態とすることによって、固体電解質層の亀裂に入り込んだ電極層の一部を介する短絡を防止しやすい形態にする等の観点からは、第１絶縁層の厚さを第１電極層の厚さ以下とすることが好ましい。
　また、本発明に関する上記説明では、正極層３の外周に第１絶縁層２が配設され、且つ、負極層５の外周に第２絶縁層６が配設されている形態を例示したが、本発明の固体電池は当該形態に限定されない。本発明の固体電池は、第２電極層（固体電池１０では負極層５。以下において同じ。）の外周に第２絶縁層が配設されていない形態とすることも可能である。ただし、第１電極層と第２電極層との間の短絡を抑制しやすい形態にする等の観点からは、第２電極層の外周に第２絶縁層が配設されている形態とすることが好ましい。
　また、本発明に関する上記説明では、第２絶縁層６の厚さが負極層５の厚さよりも数μｍ程度薄い形態を例示したが、本発明の固体電池は当該形態に限定されない。本発明の固体電池において、第２電極層の外周に第２絶縁層が配設されている場合、第２絶縁層及び第２電極層は同じ厚さであっても良く、第２絶縁層の厚さが第２電極層の厚さよりも厚くても良い。ただし、固体電解質層が破損し難い形態とすることによって、固体電解質層の亀裂に入り込んだ電極層の一部を介する短絡を防止しやすい形態にする等の観点からは、第２絶縁層の厚さを第２電極層の厚さ以下とすることが好ましい。
　また、本発明に関する上記説明では、第２絶縁層６の幅ｗ２を第１絶縁層５の幅ｗ１よりも狭くすることによって、負極層５の積層面の大きさが正極層３の積層面の大きさよりも大きく、且つ、積層方向から見た時に、正極層３の外周に負極層５の外縁が位置している形態を例示したが、本発明の固体電池は当該形態に限定されない。本発明の固体電池は、正極層の積層面と負極層の積層面とが同じ大きさであっても良く、正極層の積層面が負極層の積層面よりも大きい形態とすることも可能である。ただし、電極層間の短絡を抑制しやすく、また、性能を向上させやすい固体電池を提供する等の観点からは、負極層の積層面の大きさを正極層の積層面の大きさよりも大きくし、且つ、積層方向から見た時に、正極層の外周に負極層の外縁が位置するように正極層及び負極層を配置することが好ましい。
　また、本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池である固体電池１０を例示したが、本発明の固体電池は当該形態に限定されない。本発明の固体電池は、第１電極層と第２電極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。
　以上、現時点において実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う固体電池も本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
　１…正極集電体
　２…第１絶縁層
　３…正極層（第１電極層）
　４…固体電解質層（電解質層）
　５…負極層（第２電極層）
　６…第２絶縁層
　７…負極集電体
　８…第１ラミネートフィルム
　９…第２ラミネートフィルム
　１０…固体電池

Claims (5)

  1. 第１電極層及び第２電極層、並びに、前記第１電極層及び前記第２電極層の間に配設された固体電解質層を備える固体電池であって、
    　前記第１電極層の外周に第１絶縁層が配設され、
    　前記第１電極層、前記固体電解質層、及び、前記第２電極層の積層方向を法線方向とする積層面の大きさは、前記第１電極層が前記固体電解質層よりも小さく、
    　前記積層方向から見た時に、前記第１電極層の外周に前記固体電解質層の外縁が位置し、且つ、前記固体電解質層の外周に前記第１絶縁層の外縁が位置し、
    　前記第１絶縁層の外縁と前記固体電解質層の端部とが接触するように、前記第１電極層、前記第１絶縁層、及び、前記固体電解質層が配設されていることを特徴とする、固体電池。
  2. 前記第１絶縁層の厚さは、前記第１電極層の厚さ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の固体電池。
  3. 前記第２電極層の外周に、さらに第２絶縁層が配設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の固体電池。
  4. 前記第２絶縁層の厚さは、前記第２電極層の厚さ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の固体電池。
  5. 前記第２電極層の前記積層面の大きさは前記第１電極層の前記積層面の大きさよりも大きく、且つ、前記積層方向から見た時に、前記第１電極層の外周に前記第２電極層の外縁が位置していることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の固体電池。
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