WO2022239528A1 - 電池および電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
電池（１）は、電極層（１１０）、対極層（１２０）、および、電極層（１１０）と対極層（１２０）との間に位置する固体電解質層（１３０）を、それぞれが含む複数の電池セル（１００）を有し、複数の電池セル（１００）が電気的に並列接続されて積層された発電要素（１０）と、発電要素（１０）の側面（１１）において、電極層（１１０）を覆う電極絶縁層（２１）と、側面（１１）および電極絶縁層（２１）を覆い、対極層（１２０）と電気的に接続された対極端子（３１）と、を備える。発電要素（１０）は、複数の電池セル（１００）のうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には対極層（１２０）が位置する並列ユニット（１０Ａ）と、複数の電池セル（１００）のうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には電極層（１１０）が位置し、並列ユニット（１０Ａ）に積層された並列ユニット（１０Ｂ）と、を含む。
Description
本開示は、電池および電池の製造方法に関する。
従来、直列接続された複数の電池セル同士を並列に接続した電池が知られている（例えば、特許文献１および２を参照）。
従来の電池に対して、電池特性のさらなる向上が求められている。
そこで、本開示は、高性能な電池およびその製造方法を提供する。
本開示の一態様に係る電池は、電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層を、それぞれが含む複数の電池セルを有し、前記複数の電池セルが電気的に並列接続されて積層された発電要素と、前記発電要素の第一側面において、前記電極層を覆う第一絶縁部材と、前記第一側面および前記第一絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第一端子電極と、を備える。前記発電要素は、前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、を含む。
本開示の一態様に係る電池の製造方法は、電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層、をそれぞれが含む複数の電池セルを準備する第一ステップと、前記電極層、前記対極層および前記固体電解質層の並び順が交互に入れ替わるように、前記複数の電池セルを順に積層した積層体を形成する第二ステップと、前記積層体の一側面において、前記電極層を絶縁部材で覆う第三ステップと、前記一側面および前記絶縁部材を、前記対極層と電気的に接続された端子電極で覆う第四ステップと、を含む。前記第二ステップでは、前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、をそれぞれ形成する。
本開示によれば、高性能な電池およびその製造方法を提供することができる。
（本開示の概要）
本開示の一態様に係る電池は、電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層を、それぞれが含む複数の電池セルを有し、前記複数の電池セルが電気的に並列接続されて積層された発電要素と、前記発電要素の第一側面において、前記電極層を覆う第一絶縁部材と、前記第一側面および前記第一絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第一端子電極と、を備える。前記発電要素は、前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、を含む。
本開示の一態様に係る電池は、電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層を、それぞれが含む複数の電池セルを有し、前記複数の電池セルが電気的に並列接続されて積層された発電要素と、前記発電要素の第一側面において、前記電極層を覆う第一絶縁部材と、前記第一側面および前記第一絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第一端子電極と、を備える。前記発電要素は、前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、を含む。
これにより、高性能な電池を実現することができる。例えば、第一側面において第一絶縁部材が電極層を覆うので、第一端子電極を介した対極層と電極層との短絡の発生を抑制することができる。また、例えば、全ての電池セルを電気的に並列接続することにより、各電池セルの容量ばらつきに起因して特定の電池セルが過充電または過放電を起こすのを抑制することができる。このように、電池の信頼性を高めることができるので、高性能な電池を実現することができる。
また、第一並列ユニットおよび第二並列ユニットの各々は、積層方向の両端に同じ層が位置しているので、反りが発生しにくい。このため、並列ユニットを安定して多数積層することができ、容量エネルギー密度を高めることができる。
また、例えば、前記第一並列ユニットは、前記発電要素の積層方向における一方端に位置し、前記第二並列ユニットは、前記発電要素の積層方向における他方端に位置してもよい。
これにより、発電要素の最上層および最下層にはそれぞれ、異なる極性の電極層が位置するので、発電要素の最上層および最下層を外部への電極取り出し部分として利用することができる。例えば、大きな外部端子を接続することが可能になり、接触面積を大きくして接続抵抗の低減を図ることができる。このため、電池の大電流特性を向上させることができる。
また、例えば、前記発電要素は、前記第一並列ユニットと前記第二並列ユニットとの間に位置する絶縁層と、を含んでもよい。
これにより、並列ユニット間の短絡を抑制することができる。
また、例えば、前記第一端子電極は、前記第一側面を正面から見た場合、積層方向に直交する方向における前記対極層の少なくとも一方の端部を覆わず、前記第一絶縁部材は、前記少なくとも一方の端部をさらに覆ってもよい。
これにより、電気的に安定しにくく短絡のおそれがある端部を第一絶縁部材が覆うので、短絡の発生を抑制することができる。
また、例えば、前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記固体電解質層の少なくとも一部を覆ってもよい。
これにより、固体電解質層の一部まで覆うように第一絶縁部材を形成することで、第一絶縁部材の大きさのばらつきがあった場合でも、電極層が第一絶縁部材に覆われずに露出することを抑制することができる。また、固体電解質層は一般的に粉体状の材料で形成されているので、その端面には、非常に微細な凹凸が存在する。このため、第一絶縁部材の密着強度が向上し、絶縁信頼性が向上する。このように、電池の信頼性を更に高めることができる。
また、例えば、前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記発電要素の積層方向に沿って前記電極層から前記対極層の一部までを覆ってもよい。
これにより、対極層の一部まで覆うことにより、電極層が第一絶縁部材に覆われずに露出することを充分に抑制することができる。また、例えば、対極活物質層も一般的に粉体状の材料で形成されているので、その端面には、非常に微細な凹凸が存在する。このため、第一絶縁部材の密着強度が更に向上し、絶縁信頼性が向上する。このため、電池の信頼性をより一層高めることができる。
また、例えば、前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記複数の電池セルの各々の前記電極層を覆い、前記第一端子電極は、前記複数の電池セルの各々の前記対極層と電気的に接続されていてもよい。
これにより、複数の電池セルの並列接続に第一端子電極を利用することができる。第一端子電極は、第一側面および第一絶縁部材に密着させることができるので、並列接続に関わる部分の体積を小さくすることができる。このため、電池のエネルギー密度を高めることができる。
また、例えば、前記第一絶縁部材は、前記第一側面の平面視において、ストライプ形状を有してもよい。
これにより、第一側面にストライプ状に露出する電極層の端面をストライプ状の第一絶縁部材によって覆うことができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る電池は、前記発電要素の第二側面において、前記対極層を覆う第二絶縁部材と、前記第二側面および前記第二絶縁部材を覆い、前記電極層と電気的に接続された第二端子電極と、をさらに備えてもよい。
これにより、より高性能な電池を実現することができる。具体的には、第二側面において第二絶縁部材が対極層を覆うので、第二端子電極を介した電極層と対極層との短絡の発生を抑制することができる。このように、電池の信頼性を高めることができるので、高性能な電池を実現することができる。
また、例えば、前記発電要素は、直方体であり、前記第二側面は、前記第一側面の反対側の側面であってもよい。なお、「直方体」とは、実質的に直方体とみなせる形状であればよく、例えば、各面、各辺には凹凸または傾斜が含まれてもよい。例えば、長さ、面積、角度などに数％程度の差があってもよい。
これにより、電極端子と対極端子とを離すことができるので、短絡の発生を更に抑制することができる。
また、例えば、前記発電要素の第三側面において、前記電極層を覆う第三絶縁部材と、前記第三側面および前記第三絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第三端子電極と、をさらに備えてもよい。
これにより、第一側面および第三側面の２つの側面で対極層との接続を行うので、対極層と端子電極との接触面積を大きくして接続抵抗の低減を図ることができる。このため、電池の大電流特性を向上させることができる。
また、例えば、前記発電要素は、直方体であり、前記第三側面は、前記第一側面に隣接する側面であってもよい。
これにより、隣り合う２つの側面からの電極取り出しが可能になる。対極層だけでなく電極層も同じ構成を取ることができるので、正負のバランスが取りやすくなり、電池の信頼性を高めることができる。
また、例えば、前記電極層または前記対極層は、集電体を有し、前記集電体の厚みは、２０μｍ以下であってもよい。
これにより、エネルギー密度の向上、出力密度の向上、および、材料コストの低減などを実現することができる。
また、例えば、前記第一絶縁部材は、樹脂を含んでもよい。
これにより、電池の耐衝撃性を高めることができる。また、電池の温度変化によって、または、充放電時の膨張収縮によって電池に加わる応力を緩和することができる。
また、例えば、本開示の一態様に係る電池は、前記発電要素の主面の少なくとも一部を露出させ、前記発電要素を封止する封止部材をさらに備えてもよい。
これにより、外気および水などから発電要素を保護することができるので、電池の信頼性を更に高めることができる。
また、本開示の一態様に係る電池の製造方法は、電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層をそれぞれが含む複数の電池セルを準備する第一ステップと、前記電極層、前記対極層および前記固体電解質層の並び順が交互に入れ替わるように、前記複数の電池セルを順に積層した積層体を形成する第二ステップと、前記積層体の一側面において、前記電極層を絶縁部材で覆う第三ステップと、前記一側面および前記絶縁部材を、前記対極層と電気的に接続された端子電極で覆う第四ステップと、を含む。前記第二ステップでは、前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、をそれぞれ形成してもよい。
これにより、上述した高性能な電池を製造することができる。
以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。
また、本明細書において、平行または直交などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形または直方体などの要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。
また、本明細書および図面において、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。ｘ軸およびｙ軸はそれぞれ、電池の発電要素の平面視形状が矩形である場合に、当該矩形の第一辺、および、当該第一辺に直交する第二辺に平行な方向に一致する。ｚ軸は、発電要素に含まれる複数の電池セルの積層方向に一致する。
また、本明細書において、「積層方向」は、集電体および活物質層の主面法線方向に一致する。また、本明細書において、「平面視」とは、単独で使用される場合など特に断りのない限り、発電要素の主面に対して垂直な方向から見たときのことをいう。なお、「第一側面の平面視」などのように、「ある面の平面視」と記載されている場合は、当該「ある面」を正面から見たときのことをいう。
また、本明細書において、「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）および下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。以下の説明では、ｚ軸の負側を「下方」または「下側」とし、ｚ軸の正側を「上方」または「上側」とする。
また、本明細書において、「第一」、「第二」などの序数詞は、特に断りのない限り、構成要素の数または順序を意味するものではなく、同種の構成要素の混同を避け、構成要素を区別する目的で用いられている。
（実施の形態１）
以下では、実施の形態１に係る電池の構成について説明する。
以下では、実施の形態１に係る電池の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る電池１の断面構成を示す断面図である。図１に示されるように、電池１は、発電要素１０と、電極絶縁層２１と、対極絶縁層２２と、対極端子３１と、電極端子３２と、絶縁層４０と、を備える。電池１は、例えば全固体電池である。
［１．発電要素］
まず、発電要素１０の具体的な構成について、図１および図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る電池１の発電要素１０の上面図である。なお、図１は、図２のＩ－Ｉ線における断面を表している。
まず、発電要素１０の具体的な構成について、図１および図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る電池１の発電要素１０の上面図である。なお、図１は、図２のＩ－Ｉ線における断面を表している。
発電要素１０の平面視形状は、例えば、図２に示されるように矩形である。つまり、発電要素１０の形状は、扁平な直方体である。ここで、扁平とは、厚み（すなわち、ｚ軸方向の長さ）が主面の各辺（すなわち、ｘ軸方向およびｙ軸方向の各々の長さ）または最大幅より短いことを意味する。発電要素１０の平面視形状は、正方形、六角形または八角形などの他の多角形であってもよく、円形または楕円形などであってもよい。
なお、図１などの断面図では、発電要素１０の層構造を分かりやすくするため、各層の厚みを誇張して図示している。また、図１には、断面図だけでなく、電池１の概略形状の斜視図を小さく表しており、断面の位置を模式的に表している。後述する他の図面においても同様に、発電要素の斜視図と、各図が表す断面または側面の位置とを模式的に表している場合がある。
発電要素１０は、図１および図２に示されるように、４つの側面１１、１２、１３および１４と、２つの主面１５および１６と、を含む。本実施の形態では、側面１１、１２、１３および１４、ならびに、主面１５および１６はいずれも、平坦面である。
側面１１は、第一側面の一例である。側面１２は、第二側面の一例である。側面１１および１２は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。側面１１および１２はそれぞれ、主面１５の短辺を含む側面である。
側面１３は、第三側面の一例である。側面１４は、第四側面の一例である。側面１３および１４は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。側面１３および１４はそれぞれ、主面１５の長辺を含む側面である。
主面１５および１６は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。主面１５は、発電要素１０の最上面である。主面１６は、発電要素１０の最下面である。
図１に示されるように、発電要素１０は、複数の電池セル１００を有する。電池セル１００は、最小構成の電池であり、単位セルとも称される。複数の電池セル１００は、電気的に並列接続されて積層されている。本実施の形態では、発電要素１０が有する全ての電池セル１００が電気的に並列接続されている。図１に示される例では、発電要素１０が有する電池セル１００の個数が８個であるが、これに限らない。例えば、発電要素１０が有する電池セル１００の個数は、２個または４個などの偶数個であってもよい。
複数の電池セル１００の各々は、電極層１１０と、対極層１２０と、固体電解質層１３０と、を含む。電極層１１０は、電極集電体１１１と、電極活物質層１１２と、を有する。対極層１２０は、対極集電体１２１と、対極活物質層１２２と、を有する。複数の電池セル１００の各々では、電極集電体１１１、電極活物質層１１２、固体電解質層１３０、対極活物質層１２２および対極集電体１２１がこの順でｚ軸に沿って積層されている。
なお、電極層１１０は、電池セル１００の正極層および負極層の一方である。対極層１２０は、電池セル１００の正極層および負極層の他方である。以下では、電極層１１０が負極層であり、対極層１２０が正極層である場合を一例として説明する。
複数の電池セル１００の構成は、互いに実質的に同一である。隣り合う２つの電池セル１００では、電池セル１００を構成する各層の並び順が逆になっている。つまり、電池セル１００を構成する各層の並び順が交互に入れ替わりながら、複数の電池セル１００は、ｚ軸に沿って並んで積層されている。本実施の形態では、電池セル１００の個数が偶数個であるので、発電要素１０の最下層および最上層がそれぞれ、同極性の集電体になる。
複数の電池セル１００は、所定数ずつまとめてユニット化されている。具体的には、偶数個の電池セル１００が互いに並列接続され、１つの並列ユニットを構成している。並列ユニットの積層方向の両端には、同極性の層が位置している。
本実施の形態では、発電要素１０は、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂを含む。並列ユニット１０Ａと並列ユニット１０Ｂとは、絶縁層４０を介して積層されている。
並列ユニット１０Ａは、第一並列ユニットの一例であり、積層方向の両端には対極層１２０が位置している。具体的には、並列ユニット１０Ａの最上層および最下層の各々は、対極層１２０の対極集電体１２１である。
並列ユニット１０Ａは、４個の電池セル１００からなる積層体である。なお、並列ユニット１０Ａが含む電池セル１００は、第一電池セルの一例である。並列ユニット１０Ａが含む電池セル１００の個数が偶数個であるので、電池セル１００を構成する各層の並び順を交互に入れ替えて積層した場合に、簡単に上下の両端に対極層１２０を配置することができる。
並列ユニット１０Ａは、発電要素１０の積層方向における一方端（具体的には、ｚ軸の負側の端部）に位置している。具体的には、並列ユニット１０Ａは、発電要素１０の最下層に位置している。発電要素１０の下面である主面１６は、並列ユニット１０Ａ内の最下層に位置する対極集電体１２１の主面である。
並列ユニット１０Ｂは、第二並列ユニットの一例であり、積層方向の両端には電極層１１０が位置している。具体的には、並列ユニット１０Ｂの最上層および最下層の各々は、電極層１１０の電極集電体１１１である。
並列ユニット１０Ｂは、４個の電池セル１００からなる積層体である。なお、並列ユニット１０Ｂが含む電池セル１００は、第二電池セルの一例である。並列ユニット１０Ｂが含む電池セル１００の個数が偶数個であるので、電池セル１００を構成する各層の並び順を交互に入れ替えて積層した場合に、簡単に上下の両端に電極層１１０を配置することができる。
並列ユニット１０Ｂは、発電要素１０の積層方向における他方端（具体的には、ｚ軸の正側の端部）に位置している。具体的には、並列ユニット１０Ｂは、発電要素１０の最上層に位置している。発電要素１０の上面である主面１５は、並列ユニット１０Ｂ内の最上層に位置する電極集電体１１１の主面である。
一般的に、正極集電体と負極集電体とは異なる材料を用いて形成されることが多いため、集電体の強度差などに起因して電池セル１００は反りが発生しやすい。これに対して、並列ユニット１０Ａは、積層方向の両端に対極集電体、すなわち、同極性の集電体が位置している。このため、並列ユニット１０Ａは反りが発生しにくくなる。並列ユニット１０Ｂについても同様である。これにより、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂを安定して多数積層することができ、容量エネルギー密度を高めることができる。なお、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂの各々に含まれる電池セル１００の個数は、互いに異なっていてもよい。
以下では、図３Ａを用いて、電池セル１００の各層の説明を行う。図３Ａは、本実施の形態に係る発電要素１０に含まれる電池セル１００の断面図である。
電極集電体１１１と対極集電体１２１とはそれぞれ、導電性を有する箔状、板状または網目状の部材である。電極集電体１１１と対極集電体１２１とはそれぞれ、例えば、導電性を有する薄膜であってもよい。電極集電体１１１と対極集電体１２１とを構成する材料としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属が用いられうる。電極集電体１１１と対極集電体１２１とは、異なる材料を用いて形成されていてもよい。
電極集電体１１１および対極集電体１２１の各々の厚みは、例えば５μｍ以上１００μｍ以下であるが、これに限らない。電極集電体１１１および対極集電体１２１の各々の厚みは、２０μｍ以下であってもよい。集電体の厚みが２０μｍ以下になることにより、エネルギー密度の向上、出力密度の向上、および、材料コストの低減などを実現することができる。本実施の形態では、単一の電池セル１００が並列接続されて積層されているので、並列接続数を増やしても発電要素１０の厚さを小さく保つことができ、エネルギー密度の向上に寄与する。並列接続数が増えると、集電体の枚数も増えるので、集電体の厚みを小さくすることは、発電要素１０の厚みの増大の抑制により有用である。
電極集電体１１１の主面には、電極活物質層１１２が接触している。なお、電極集電体１１１は、電極活物質層１１２に接する部分に設けられた、導電性材料を含む層である集電体層を含んでもよい。対極集電体１２１の主面には、対極活物質層１２２が接触している。なお、対極集電体１２１は、対極活物質層１２２に接する部分に設けられた、導電性材料を含む層である集電体層を含んでもよい。
電極活物質層１１２は、電極集電体１１１の、対極層１２０側の主面に配置されている。電極活物質層１１２は、例えば、電極材料として負極活物質を含む。電極活物質層１１２は、対極活物質層１２２に対向して配置されている。
電極活物質層１１２に含有される負極活物質としては、例えば、グラファイト、金属リチウムなどの負極活物質が用いられうる。負極活物質の材料としては、リチウム（Ｌｉ）またはマグネシウム（Ｍｇ）などのイオンを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、電極活物質層１１２の含有材料としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられてもよい。無機系固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）および五硫化二リン（Ｐ２Ｓ５）の混合物が用いられうる。また、電極活物質層１１２の含有材料としては、例えばアセチレンブラックなどの導電材、または、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられてもよい。
電極活物質層１１２の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、電極集電体１１１の主面上に塗工し乾燥させることにより、電極活物質層１１２が作製される。電極活物質層１１２の密度を高めるために、乾燥後に、電極活物質層１１２および電極集電体１１１を含む電極層１１０（電極板とも称される）をプレスしておいてもよい。電極活物質層１１２の厚みは、例えば５μｍ以上３００μｍ以下であるが、これに限らない。
対極活物質層１２２は、対極集電体１２１の、電極層１１０側の主面に配置されている。対極活物質層１２２は、例えば活物質などの正極材料を含む層である。正極材料は、負極材料の対極を構成する材料である。対極活物質層１２２は、例えば、正極活物質を含む。
対極活物質層１２２に含有される正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム複合酸化物（ＬＣＯ）、ニッケル酸リチウム複合酸化物（ＬＮＯ）、マンガン酸リチウム複合酸化物（ＬＭＯ）、リチウム－マンガン－ニッケル複合酸化物（ＬＭＮＯ）、リチウム－マンガン－コバルト複合酸化物（ＬＭＣＯ）、リチウム－ニッケル－コバルト複合酸化物（ＬＮＣＯ）、リチウム－ニッケル－マンガン－コバルト複合酸化物（ＬＮＭＣＯ）などの正極活物質が用いられうる。正極活物質の材料としては、ＬｉまたはＭｇなどのイオンを離脱および挿入することができる各種材料が用いられうる。
また、対極活物質層１２２の含有材料としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられてもよい。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ２ＳおよびＰ２Ｓ５の混合物が用いられうる。正極活物質の表面は、固体電解質でコートされていてもよい。また、対極活物質層１２２の含有材料としては、例えばアセチレンブラックなどの導電材、または、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられてもよい。
対極活物質層１２２の含有材料を溶媒と共に練り込んだペースト状の塗料を、対極集電体１２１の主面上に塗工し乾燥させることにより、対極活物質層１２２が作製される。対極活物質層１２２の密度を高めるために、乾燥後に、対極活物質層１２２および対極集電体１２１を含む対極層１２０（対極板とも称される）をプレスしておいてもよい。対極活物質層１２２の厚みは、例えば５μｍ以上３００μｍ以下であるが、これに限らない。
固体電解質層１３０は、電極活物質層１１２と対極活物質層１２２との間に配置される。固体電解質層１３０は、電極活物質層１１２と対極活物質層１２２との各々に接する。固体電解質層１３０は、電解質材料を含む層である。電解質材料としては、一般に公知の電池用の電解質が用いられうる。固体電解質層１３０の厚みは、５μｍ以上３００μｍ以下であってもよく、または、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
固体電解質層１３０は、固体電解質を含んでいる。固体電解質としては、例えば、無機系固体電解質などの固体電解質が用いられうる。無機系固体電解質としては、硫化物固体電解質または酸化物固体電解質などが用いられうる。硫化物固体電解質としては、例えば、Ｌｉ２ＳおよびＰ２Ｓ５の混合物が用いられうる。なお、固体電解質層１３０は、電解質材料に加えて、例えばポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどを含有してもよい。
本実施の形態では、電極活物質層１１２、対極活物質層１２２、固体電解質層１３０は平行平板状に維持されている。これにより、湾曲による割れまたは崩落の発生を抑制することができる。なお、電極活物質層１１２、対極活物質層１２２、固体電解質層１３０を合わせて滑らかに湾曲させてもよい。
また、本実施の形態では、対極集電体１２１の側面１１側の端面と電極層１１０の側面１１側の端面とは、ｚ軸方向から見た場合に一致している。具体的には、対極集電体１２１の側面１１側の端面と電極集電体１１１の側面１１側の端面とは、ｚ軸方向から見た場合に一致している。対極集電体１２１および電極集電体１１１の各々の側面１２側の端面においても同様である。
より具体的には、電池セル１００では、電極集電体１１１、電極活物質層１１２、固体電解質層１３０、対極活物質層１２２および対極集電体１２１の各々の形状および大きさが同じであり、各々の輪郭が一致している。つまり、電池セル１００の形状は、扁平な直方体状の平板形状である。
図１に示されるように、本実施の形態では、隣り合う２つの電池セル１００において、集電体が共有されている。例えば、最下層の電池セル１００とその１つ上の電池セル１００とは、電極集電体１１１を共有している。
具体的には、図１に示されるように、複数の電池セル１００において、互いに隣り合う２つの電極層１１０は、互いの電極集電体１１１を共有している。共有される電極集電体１１１の主面の両面に電極活物質層１１２が設けられている。また、互いに隣り合う２つの対極層１２０は、互いの対極集電体１２１を共有している。共有される対極集電体１２１の主面の両面に対極活物質層１２２が設けられている。
このような電池１は、図３Ａに示される電池セル１００だけでなく、図３Ｂおよび図３Ｃに示される電池セル１００Ｂおよび１００Ｃを組み合わせて積層することで形成される。なお、ここでは、図３Ａに示される電池セル１００を電池セル１００Ａとして説明する。
図３Ｂに示される電池セル１００Ｂは、図３Ａに示される電池セル１００Ａから電極集電体１１１を除いた構成を有する。つまり、電池セル１００Ｂの電極層１１０Ｂは、電極活物質層１１２のみからなる。
図３Ｃに示される電池セル１００Ｃは、図３Ａに示される電池セル１００Ａから対極集電体１２１を除いた構成を有する。つまり、電池セル１００Ｃの対極層１２０Ｃは、対極活物質層１２２のみからなる。
図４は、本実施の形態に係る発電要素１０を示す断面図である。図４は、図１の発電要素１０のみを抜き出した図である。図４に示されるように、最下層に電池セル１００Ａを配置し、上方に向かって電池セル１００Ｂおよび１００Ｃを交互に積層する。このとき、電池セル１００Ｂは、図３Ｂに図示された向きとは上下反対にして積層する。これにより、並列ユニット１０Ａが形成される。
並列ユニット１０Ｂについても同様である。並列ユニット１０Ｂでは、電池セル１００Ｃと電池セル１００Ｂとを交互に積層した後、最上層に電池セル１００Ａを積層している。なお、各並列ユニットを形成する方法は、これに限定されない。例えば、１枚の集電体に対して両面塗工を行うことにより、集電体を共有する２つの電池セル１００のユニットを形成し、形成したユニットを積層してもよい。
以上のように、本実施の形態に係る発電要素１０では、全ての電池セル１００が並列接続されており、直列接続された電池セルが含まれていない。このため、電池１の充放電時に、電池セル１００の容量ばらつきなどに起因する充放電状態の不均一が発生しにくくなる。このため、複数の電池セル１００の一部が過充電または過放電になるおそれを大幅に小さくすることができ、電池１の信頼性を高めることができる。
［２．絶縁層］
次に、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２について、図５から図１０を用いて説明する。
次に、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２について、図５から図１０を用いて説明する。
図５は、本実施の形態に係る電池１の上面図である。図６は、本実施の形態に係る電池１の下面を上方から透視して見た平面図である。
図７は、図２、図５または図６のＶＩＩａ－ＶＩＩａ線およびＶＩＩｂ－ＶＩＩｂ線における電池１の断面構成を示す断面図である。ＶＩＩａ－ＶＩＩａ線における断面は、ＶＩＩｂ－ＶＩＩｂ線における断面と同じである。図８は、図２、図５または図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における電池の断面構成を示す断面図である。
図９は、本実施の形態に係る発電要素１０の側面１１と側面１１に設けられた電極絶縁層２１および対極端子３１との位置関係を示す側面図である。図１０は、本実施の形態に係る発電要素１０の側面１２と側面１２に設けられた対極絶縁層２２および電極端子３２との位置関係を示す側面図である。なお、図９および図１０では、側面１１または１２に表れる各層の端面に対して、図１の断面に示される各層の網掛けと同じ網掛けを付している。
電極絶縁層２１は、第一絶縁部材の一例であり、図１に示されるように、側面１１において電極層１１０を覆っている。具体的には、電極絶縁層２１は、側面１１において電極集電体１１１および電極活物質層１１２を完全に覆っている。
図９の（ａ）は、発電要素１０の側面図であり、側面１１を正面から見た平面図である。図９の（ｂ）は、図９の（ａ）の側面１１と側面１１に設けられた電極絶縁層２１とを示している。つまり、図９の（ｂ）は、対極端子３１を透視して図１の電池１をｘ軸の負側から見たときの側面図である。なお、図９の（ｃ）は、側面１１側の電池１の側面図である。
図９の（ｂ）に示されるように、電極絶縁層２１は、側面１１において、複数の電池セル１００の各々の電極層１１０を覆っている。電極絶縁層２１は、複数の電池セル１００の各々の対極層１２０の少なくとも一部を覆っていない。このため、電極絶縁層２１は、側面１１の平面視において、ストライプ形状を有する。
このとき、電極絶縁層２１は、隣り合う２つの電池セル１００の電極層１１０を連続的に覆っている。具体的には、電極絶縁層２１は、隣り合う２つの電池セル１００の一方の固体電解質層１３０の少なくとも一部から、隣り合う２つの電池セル１００の他方の固体電解質層１３０の少なくとも一部までを連続的に覆っている。
このように、電極絶縁層２１は、側面１１において、固体電解質層１３０の少なくとも一部を覆っている。具体的には、側面１１を平面視した場合に、電極絶縁層２１の輪郭は、固体電解質層１３０に重なっている。これにより、電極絶縁層２１の製造ばらつきによって幅（ｚ軸方向の長さ）が変動したとしても、電極層１１０を露出させるおそれが低くなる。このため、電極絶縁層２１を覆うように形成される対極端子３１を介して電極層１１０と対極層１２０とが短絡するのを抑制することができる。また、粉体状の材料で形成されている固体電解質層１３０の端面は、非常に微細な凹凸が存在する。このため、電極絶縁層２１が当該凹凸に入り込むことで、電極絶縁層２１の密着強度が向上し、絶縁信頼性が向上する。
本実施の形態では、電極絶縁層２１は、側面１１において、固体電解質層１３０の全てを覆っていてもよい。具体的には、電極絶縁層２１の輪郭は、固体電解質層１３０と対極活物質層１２２との境界に重なっていてもよい。なお、電極絶縁層２１は、固体電解質層１３０の一部を覆うことは必須ではない。例えば、電極絶縁層２１の輪郭は、固体電解質層１３０と電極活物質層１１２との境界に重なっていてもよい。
なお、電極絶縁層２１は、側面１１において絶縁層４０の一部を覆っているが、これに限らない。例えば、電極絶縁層２１は、側面１１において、並列ユニット１０Ａの最上層の対極集電体１２１を露出させていれば、絶縁層４０の全てを覆っていてもよい。また、電極絶縁層２１は、側面１１において、並列ユニット１０Ｂの最下層の電極集電体１１１を完全に覆っていれば、絶縁層４０の全てを露出させていてもよい。
本実施の形態では、電極絶縁層２１は、ストライプ形状の部分に加えて、側面１１のｙ軸方向における端部において、ｚ軸方向に沿って設けられている。つまり、電極絶縁層２１の形状は、側面１１の平面視において、はしご形状であってもよい。このように、電極絶縁層２１は、対極集電体１２１の一部を覆っていてもよい。例えば、図７に示されるように、側面１１のｙ軸方向の端部では、電極絶縁層２１が最下層から最上層までを覆っている。これにより、電気的に安定しにくく短絡のおそれがある端部を電極絶縁層２１が覆うので、短絡の発生を抑制することができる。
また、本実施の形態では、電極絶縁層２１は、図５および図６に示されるように、側面１１だけでなく、側面１３にも設けられている。図８に示されるように、側面１３に設けられた電極絶縁層２１は、電極層１１０だけでなく、固体電解質層１３０および対極層１２０、ならびに、絶縁層４０を覆っている。具体的には、電極絶縁層２１は、側面１３の全体を覆っている。電極絶縁層２１の側面１３に設けられた部分は、第三絶縁部材の一例である。
また、発電要素１０の最上層が電極集電体１１１であるので、図５に示されるように、電極絶縁層２１は、側面１１の上端近傍において、最上層に位置する電極集電体１１１の主面の一部を覆っている。側面１３の上端近傍においても同様である。これにより、電極絶縁層２１は、ｚ軸方向からの外力などに強く、脱離が抑制される。また、対極端子３１が発電要素１０の主面１５に回り込んだ場合も、電極集電体１１１に接触し、短絡を発生させないようにすることができる。このように、電池１の信頼性を高めることができる。
一方で、発電要素１０の最下層は、対極集電体１２１である。このため、図６に示されるように、電極絶縁層２１は、側面１１の下端近傍においては、ｙ軸方向の両端を除いて対極集電体１２１を覆っていない。これにより、対極端子３１と対極集電体１２１の主面との接続を確保することができる。また、電極絶縁層２１は、側面１３の下端近傍において、対極集電体１２１を覆っている。これにより、電極絶縁層２１は、ｚ軸方向からの外力などに強く、脱離が抑制される。
対極絶縁層２２は、第二絶縁部材の一例であり、図１に示されるように、側面１２において対極層１２０を覆っている。具体的には、対極絶縁層２２は、側面１２において対極集電体１２１および対極活物質層１２２を完全に覆っている。
図１０の（ａ）は、発電要素１０の側面図であり、側面１２を正面から見た平面図である。図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）の側面１２と側面１２に設けられた対極絶縁層２２とを示している。つまり、図１０の（ｂ）は、電極端子３２を透視して図１の電池１をｘ軸の正側から見たときの側面図である。なお、図１０の（ｃ）は、側面１２側の電池１の側面図である。
図１０の（ｂ）に示されるように、対極絶縁層２２は、側面１２において、複数の電池セル１００の各々の対極層１２０を覆っている。対極絶縁層２２は、複数の電池セル１００の各々の電極層１１０の少なくとも一部を覆っていない。このため、対極絶縁層２２は、側面１２の平面視において、ストライプ形状を有する。
このとき、対極絶縁層２２は、隣り合う２つの電池セル１００の対極層１２０を連続的に覆っている。具体的には、対極絶縁層２２は、隣り合う２つの電池セル１００の一方の固体電解質層１３０の少なくとも一部から、隣り合う２つの電池セル１００の他方の固体電解質層１３０の少なくとも一部までを連続的に覆っている。
このように、対極絶縁層２２は、側面１２において、固体電解質層１３０の少なくとも一部を覆っている。具体的には、側面１２を平面視した場合に、対極絶縁層２２の輪郭は、固体電解質層１３０に重なっている。これにより、対極絶縁層２２の製造ばらつきによって幅（ｚ軸方向の長さ）が変動したとしても、対極層１２０を露出させるおそれが低くなる。このため、対極絶縁層２２を覆うように形成される電極端子３２を介して対極層１２０と電極層１１０とが短絡するのを抑制することができる。また、対極絶縁層２２が固体電解質層１３０の端面の凹凸に入り込むことで、対極絶縁層２２の密着強度が向上し、絶縁信頼性が向上する。
本実施の形態では、対極絶縁層２２は、側面１２において、固体電解質層１３０の全てを覆っていてもよい。具体的には、対極絶縁層２２の輪郭は、固体電解質層１３０と電極活物質層１１２との境界に重なっていてもよい。なお、対極絶縁層２２は、固体電解質層１３０の一部を覆うことは必須ではない。例えば、対極絶縁層２２の輪郭は、固体電解質層１３０と対極活物質層１２２との境界に重なっていてもよい。
なお、対極絶縁層２２は、側面１２において絶縁層４０の一部を覆っているが、これに限らない。例えば、対極絶縁層２２は、側面１２において、並列ユニット１０Ａの最上層の対極集電体１２１を覆っていれば、絶縁層４０の全てを露出させていてもよい。また、対極絶縁層２２は、側面１２において、並列ユニット１０Ｂの最下層の電極集電体１１１を露出させていれば、絶縁層４０の全てを覆っていてもよい。
本実施の形態では、対極絶縁層２２は、ストライプ形状の部分に加えて、側面１２のｙ軸方向における端部において、ｚ軸方向に沿って設けられている。つまり、対極絶縁層２２の形状は、側面１２の平面視において、はしご形状であってもよい。このように、対極絶縁層２２は、電極集電体１１１の一部を覆っていてもよい。具体的には、図７に示されるように、側面１２のｙ軸方向の端部では、対極絶縁層２２が最下層から最上層までを覆っている。これにより、電気的に安定しにくく短絡のおそれがある端部を対極絶縁層２２が覆うので、短絡の発生を抑制することができる。
本実施の形態では、対極絶縁層２２は、図５および図６に示されるように、側面１２だけでなく、側面１４にも設けられている。図８に示されるように、側面１４に設けられた対極絶縁層２２は、対極層１２０だけでなく、固体電解質層１３０および電極層１１０、ならびに、絶縁層４０を覆っている。具体的には、対極絶縁層２２は、側面１４の全体を覆っている。対極絶縁層２２の側面１４に設けられた部分は、第四絶縁部材の一例である。
また、発電要素１０の最下層が対極集電体１２１であるので、図６に示されるように、対極絶縁層２２は、側面１２の下端近傍において、最下層に位置する対極集電体１２１の主面の一部を覆っている。側面１４の下端近傍においても同様である。これにより、対極絶縁層２２は、ｚ軸方向からの外力などに強く、脱離が抑制される。また、電極端子３２が発電要素１０の主面１６に回り込んだ場合も、対極集電体１２１に接触し、短絡を発生させないようにすることができる。このように、電池１の信頼性を高めることができる。
また、発電要素１０の最上層は、電極集電体１１１である。このため、図５に示されるように、対極絶縁層２２は、側面１２の上端近傍において、ｙ軸方向の両端を除いて電極集電体１１１を覆っていない。これにより、電極端子３２と電極集電体１１１の主面との接続を確保することができる。
なお、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２がそれぞれ、発電要素１０の２側面ずつを覆う例を示したが、これに限らない。例えば、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の一方が３つの側面を覆ってもよい。あるいは、側面１３および１４の少なくとも一方は、電極絶縁層２１と対極絶縁層２２との両方で覆われていてもよい。
電極絶縁層２１および対極絶縁層２２はそれぞれ、電気的に絶縁性を有する絶縁材料を用いて形成されている。例えば、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２はそれぞれ、樹脂を含む。樹脂は、例えばエポキシ系の樹脂であるが、これに限定されない。なお、絶縁材料として無機材料が用いられてもよい。使用可能な絶縁材料としては、柔軟性、ガスバリア性、耐衝撃性、耐熱性などの様々な特性を基に選定される。電極絶縁層２１および対極絶縁層２２は、互いに同じ材料を用いて形成されるが、異なる材料を用いて形成されてもよい。
なお、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２は、同じ材料で一体的に形成されていてもよい。つまり、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の境界は明確に区別できなくてもよい。また、電極絶縁層２１は、側面１１のみを覆っており、側面１３には設けられていなくてもよい。また、対極絶縁層２２は、側面１２のみを覆っており、側面１４には設けられていなくてもよい。また、側面１３に設けられる絶縁層は、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２のいずれとも異なる材料を用いて形成されていてもよい。側面１４に設けられる絶縁層についても同様である。
［３．端子］
次に、対極端子３１および電極端子３２について説明する。
次に、対極端子３１および電極端子３２について説明する。
対極端子３１は、第一端子電極の一例であり、図１に示されるように、側面１１および電極絶縁層２１を覆い、対極層１２０と電気的に接続されている。具体的には、対極端子３１は、電極絶縁層２１と、側面１１のうち電極絶縁層２１に覆われていない部分とを覆っている。
側面１１のうち電極絶縁層２１に覆われていない部分には、図９の（ｂ）に示されるように、対極集電体１２１および対極活物質層１２２の各々の端面が露出している。このため、対極端子３１は、対極集電体１２１および対極活物質層１２２の各々の端面に接触し、対極層１２０と電気的に接続される。対極活物質層１２２は、粉体状の材料で形成されているので、固体電解質層１３０と同様に、非常に微細な凹凸が存在する。対極端子３１が対極活物質層１２２の端面の凹凸に入り込むことで、対極端子３１の密着強度が向上し、電気的な接続の信頼性が向上する。
対極端子３１は、複数の電池セル１００の各々の対極層１２０と電気的に接続されている。つまり、対極端子３１は、各電池セル１００を電気的に並列接続する機能の一部を担っている。図１および図９の（ｃ）に示されるように、対極端子３１は、側面１１のほぼ全体を一括して覆っている。本実施の形態では、対極層１２０が正極であるので、対極端子３１は、電池１の正極取り出し電極として機能する。
図１に示されるように、側面１１の下端近傍では、対極端子３１は、最下層に位置する対極集電体１２１の主面の一部を覆っている。これにより、対極端子３１は、ｚ軸方向からの外力などに強く、脱離が抑制される。また、対極端子３１と対極集電体１２１との接触面積が大きくなるので、対極端子３１と対極集電体１２１との接続抵抗が小さくなり、大電流特性を向上させることができる。例えば、電池１の急速充電が可能になる。
電極端子３２は、第二端子電極の一例であり、図１に示されるように、側面１２および対極絶縁層２２を覆い、電極層１１０と電気的に接続されている。具体的には、電極端子３２は、対極絶縁層２２と、側面１２のうち対極絶縁層２２に覆われていない部分とを覆っている。
側面１２のうち対極絶縁層２２に覆われていない部分には、図１０の（ｂ）に示されるように、電極集電体１１１および電極活物質層１１２の各々の端面が露出している。このため、電極端子３２は、電極集電体１１１および電極活物質層１１２の各々の端面に接触し、電極層１１０と電気的に接続される。電極活物質層１１２は、粉体状の材料で形成されているので、固体電解質層１３０と同様に、非常に微細な凹凸が存在する。電極端子３２が電極活物質層１１２の端面の凹凸に入り込むことで、電極端子３２の密着強度が向上し、電気的な接続の信頼性が向上する。
電極端子３２は、複数の電池セル１００の各々の電極層１１０と電気的に接続されている。つまり、電極端子３２は、各電池セル１００を電気的に並列接続する機能の一部を担っている。図１および図１０の（ｃ）に示されるように、電極端子３２は、側面１２のほぼ全体を一括して覆っている。本実施の形態では、電極層１１０が負極であるので、電極端子３２は、電池１の負極取り出し電極として機能する。
図１に示されるように、側面１２の上端近傍では、電極端子３２は、最上層に位置する電極集電体１１１の主面の一部を覆っている。これにより、電極端子３２は、ｚ軸方向からの外力などに強く、脱離が抑制される。また、電極端子３２と電極集電体１１１との接触面積が大きくなるので、電極端子３２と電極集電体１１１との接続抵抗が小さくなり、大電流特性を向上させることができる。
対極端子３１および電極端子３２は、導電性を有する樹脂材料などを用いて形成されている。あるいは、対極端子３１および電極端子３２は、半田などの金属材料を用いて形成されていてもよい。使用可能な導電性の材料としては、柔軟性、ガスバリア性、耐衝撃性、耐熱性、半田濡れ性などの様々な特性を基に選定される。対極端子３１および電極端子３２は、互いに同じ材料を用いて形成されるが、異なる材料を用いて形成されてもよい。
以上のように、対極端子３１および電極端子３２はそれぞれ、電池１の正極取り出し電極または負極取り出し電極としても機能するだけでなく、複数の電池セル１００の並列接続の機能を担う。図１に示されるように、対極端子３１および電極端子３２はそれぞれ、発電要素１０の側面１１および１２を密着して覆うように形成されるので、これらの体積を小さくすることができる。つまり、従来用いられていた集電用のタブ電極に比べて、端子電極の体積が小さくなるので、電池１の体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。
［４．絶縁層］
次に、絶縁層４０について説明する。
次に、絶縁層４０について説明する。
絶縁層４０は、並列ユニット１０Ａと並列ユニット１０Ｂとの間に位置している。絶縁層４０は、並列ユニット１０Ａと並列ユニット１０Ｂとが電気的に直列接続されるのを抑制するために設けられている。具体的には、絶縁層４０は、並列ユニット１０Ａの最上層に位置する対極集電体１２１と、並列ユニット１０Ｂの最下層に位置する電極集電体１１１とが接触するのを抑制し、電気的に接続されるのを抑制する。
絶縁層４０の平面視における大きさおよび形状はそれぞれ、絶縁層４０が接触する集電体と同じである。これにより、側面１１、１２、１３および１４の各々において、絶縁層４０の端面と並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂの各々の端面とは面一である。言い換えると、側面１１、１２、１３および１４の各々は平坦面である。
なお、絶縁層４０の端面は、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂの端面より後退していてもよい。この場合、並列ユニット１０Ａと並列ユニット１０Ｂとの間には隙間が形成される。当該隙間には、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２が入り込む。これにより、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の各々をより強固に固定することができる。
絶縁層４０は、例えば、絶縁性の樹脂材料を用いて形成されている。例えば、絶縁層４０、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２はいずれも、互いに同じ材料を用いて形成されていてもよい。なお、絶縁層４０は、絶縁性を有する金属酸化膜など無機材料を用いて形成されてもよい。絶縁層４０は、その上下面が絶縁されていればよいので、例えば、片面または両面に絶縁膜が形成された金属板であってもよい。
絶縁層４０が配置されることによって、上下面に異なる極性の層が露出した２つの並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂを、直列接続させることなく積層することができる。この結果、発電要素１０の最上層と最下層とでは、極性が異なる層が位置することになる。つまり、発電要素１０の最上層および最下層をそれぞれ、電極取り出しに利用することもできる。例えば、大きな外部端子を接続することが可能になり、接触面積を大きくして接続抵抗の低減を図ることができる。このため、電池１の大電流特性を向上させることができる。外部端子の例については、図１４を用いて後で説明する。
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２について説明する。
続いて、実施の形態２について説明する。
実施の形態２に係る電池では、実施の形態１に係る電池と比較して、電極端子および対極端子の各々が発電要素１０の２つの側面に設けられている点が相違する。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明を行い、共通点の説明を省略または簡略化する。
図１１は、本実施の形態に係る電池２０１の上面図である。図１２は、本実施の形態に係る電池２０１の下面を上方から透視して見た平面図である。図１３は、本実施の形態に係る電池２０１の断面構成を示す断面図である。図１３は、図１１または図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線における断面を表している。
本実施の形態に係る電池２０１は、図５および図６に示される電池１と比較して、対極端子３１および電極端子３２に加えて、対極端子２３１および電極端子２３２を備える。
対極端子２３１は、第三端子電極の一例であり、側面１３および電極絶縁層２１を覆い、対極層１２０に接続されている。対極端子２３１は、側面１１ではなく側面１３に設けられている点を除いて、図１３に示されるように、対極端子３１と同等の構成を有する。なお、対極端子２３１と対極端子３１とは繋がっており、一体化されていてもよい。
電極端子２３２は、第四端子電極の一例であり、側面１４および対極絶縁層２２を覆い、電極層１１０に接続されている。電極端子２３２は、側面１２ではなく側面１４に設けられている点を除いて、図１３に示されるように、電極端子３２と同等の構成を有する。なお、電極端子２３２と電極端子３２とは繋がっており、一体化されていてもよい。
これにより、隣り合う２つの側面からの電極取り出しが可能になる。各層と端子との接触面積が大きくなるので、接続抵抗が小さくなるので、電池２０１の大電流特性を高めることができる。また、対極層１２０だけでなく電極層１１０も同じ構成を取ることができるので、正負のバランスが取りやすくなり、電池の信頼性を高めることができる。
なお、隣り合う２つの側面ではなく、対向する２つの側面に同極性の端子が設けられてもよい。例えば、側面１１および１２に対極端子３１および２３１がそれぞれ設けられてもよく、側面１３および１４に電極端子３２および２３２がそれぞれ設けられてもよい。
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３について説明する。
続いて、実施の形態３について説明する。
実施の形態３に係る電池では、実施の形態１に係る電池と比較して、封止部材およびコンタクト部をさらに備える点が相違する。以下では、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。
図１４は、本実施の形態に係る電池３０１の断面構成を示す断面図である。図１４に示されるように、電池３０１は、実施の形態１に係る電池１の構成に加えて、封止部材３５０と、電極コンタクト３６１と、対極コンタクト３６２と、を備える。
封止部材３５０は、発電要素１０の主面の少なくとも一部を露出させ、かつ、発電要素１０を封止する。具体的には、封止部材３５０は、並列ユニット１０Ａの最下面の一部と、並列ユニット１０Ｂの最上面の一部とをそれぞれ露出させており、その他の部分を覆っている。
封止部材３５０は、例えば、電気的に絶縁性を有する絶縁材料を用いて形成されている。絶縁材料としては、例えば封止剤などの一般に公知の電池の封止部材の材料が用いられうる。絶縁材料としては、例えば、樹脂材料が用いられうる。なお、絶縁材料は、絶縁性であり、かつ、イオン伝導性を有さない材料であってもよい。例えば、絶縁材料は、エポキシ樹脂とアクリル樹脂とポリイミド樹脂とシルセスキオキサンとのうちの少なくとも１種であってもよい。
なお、封止部材３５０は、複数の異なる絶縁材料を含んでもよい。例えば、封止部材３５０は、多層構造を有してもよい。多層構造の各層は、異なる材料を用いて形成され、異なる性質を有してもよい。
封止部材３５０は、粒子状の金属酸化物材料を含んでもよい。金属酸化物材料としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化鉄、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、ゼオライト、ガラスなどが用いられうる。例えば、封止部材３５０は、金属酸化物材料からなる複数の粒子が分散された樹脂材料を用いて形成されていてもよい。
金属酸化物材料の粒子サイズは、電極集電体１１１と対極集電体１２１との間隔以下であればよい。金属酸化物材料の粒子形状は、例えば球状、楕円球状または棒状などであるが、これに限定されない。
封止部材３５０が設けられることで、電池３０１の信頼性を、機械的強度、短絡防止、防湿など様々な点で向上することができる。
発電要素１０の主面１５の封止部材３５０に覆われていない部分に電極コンタクト３６１が接続されている。発電要素１０の主面１６の封止部材３５０に覆われていない部分に対極コンタクト３６２が接続されている。
電極コンタクト３６１は、並列ユニット１０Ｂの最上層に位置する電極集電体１１１に接触することで、電気的に接続されている。電極コンタクト３６１は、発電要素１０の一方の極性の取出し電極の一例である。
対極コンタクト３６２は、並列ユニット１０Ａの最下層に位置する対極集電体１２１に接触することで、電気的に接続されている。対極コンタクト３６２は、発電要素１０の他方の極性の取出し電極の一例である。
各断面図において、発電要素１０が厚み方向に長尺になっている態様で図示されているが、実際には、発電要素１０の形状は扁平である。つまり、発電要素１０の主面１５および１６の面積は、発電要素１０の各側面の面積よりも大きい。このため、主面１５および１６にコンタクトを接続することによって、強固に安定した接続、および、接続抵抗の低抵抗化が実現される。
（変形例）
続いて、上述した各実施の形態の変形例について説明する。
続いて、上述した各実施の形態の変形例について説明する。
各変形例では、各実施の形態と比較して、側面を覆う絶縁層の範囲が相違している。以下では、各実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。
図１５は、変形例に係る電池４０１の断面構成を示す断面図である。図１５に示されるように、電池４０１は、実施の形態１に係る電池１と比較して、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の代わりに電極絶縁層４２１および対極絶縁層４２２を備える。
電極絶縁層４２１は、図１５に示されるように、側面１１において、電極層１１０だけでなく、固体電解質層１３０および対極層１２０の一部を覆っている。つまり、電極絶縁層４２１は、電極層１１０から対極層１２０の一部までを覆っている。具体的には、電極絶縁層４２１は、対極活物質層１２２の一部を覆っている。本変形例では、電極絶縁層４２１は、隣り合う２つの電池セル１００の一方の対極活物質層１２２の少なくとも一部から、隣り合う２つの電池セル１００の他方の対極活物質層１２２の少なくとも一部までを連続的に覆っている。例えば、電極絶縁層４２１は、１つの電極集電体１１１、１つの電極集電体１１１の両側に位置する電極活物質層１１２および２つの固体電解質層１３０を完全に覆っている。例えば、側面１１を平面視した場合に、電極絶縁層４２１の輪郭は、対極活物質層１２２に重なっている。
これにより、電極絶縁層４２１の製造ばらつきによって幅（ｚ軸方向の長さ）が変動したとしても、電極層１１０を露出させるおそれが極めて低くなる。このため、対極端子３１を介して電極層１１０と対極層１２０とが短絡するのを抑制することができる。また、電極絶縁層４２１が対極活物質層１２２の端面の凹凸に入り込むことで、電極絶縁層４２１の密着強度が向上し、絶縁信頼性が向上する。
なお、電極絶縁層４２１は、側面１１において、対極活物質層１２２の全てを覆っていてもよい。具体的には、電極絶縁層４２１の輪郭は、対極活物質層１２２と対極集電体１２１との境界に重なっていてもよい。
本変形例では、側面１２において、対極絶縁層４２２も同様の構成を有する。具体的には、側面１２において、対極絶縁層４２２は、対極層１２０だけでなく、固体電解質層１３０および電極層１１０の一部を覆っている。つまり、対極絶縁層４２２は、対極層１２０から電極層１１０の一部までを覆っている。具体的には、対極絶縁層４２２は、電極活物質層１１２の一部を覆っている。本変形例では、対極絶縁層４２２は、隣り合う２つの電池セル１００の一方の電極活物質層１１２の少なくとも一部から、隣り合う２つの電池セル１００の他方の電極活物質層１１２の少なくとも一部までを連続的に覆っている。例えば、対極絶縁層４２２は、１つの対極集電体１２１、１つの対極集電体１２１の両側に位置する対極活物質層１２２および２つの固体電解質層１３０を完全に覆っている。
例えば、側面１２を平面視した場合に、対極絶縁層４２２の輪郭は、電極活物質層１１２に重なっている。これにより、対極絶縁層４２２の製造ばらつきによって幅（ｚ軸方向の長さ）が変動したとしても、対極層１２０を露出させるおそれが極めて低くなる。このため、電極端子３２を介して対極層１２０と電極層１１０とが短絡するのを抑制することができる。また、対極絶縁層４２２が電極活物質層１１２の端面の凹凸に入り込むことで、対極絶縁層４２２の密着強度が向上し、絶縁信頼性が向上する。
なお、対極絶縁層４２２は、側面１２において、電極活物質層１１２の全てを覆っていてもよい。具体的には、対極絶縁層４２２の輪郭は、電極活物質層１１２と電極集電体１１１との境界に重なっていてもよい。
図１５は、実施の形態１に係る電池１の変形例を示したが、上述した各実施の形態に係る電池に対して、電極絶縁層４２１および対極絶縁層４２２が適用されてもよい。いずれの場合においても、電池４０１と同様に、電極層１１０と対極層１２０との短絡の可能性を充分に低くすることができるので、電池の信頼性を高めることができる。
（製造方法）
続いて、上述した各実施の形態および各変形例に係る電池の製造方法について説明する。
続いて、上述した各実施の形態および各変形例に係る電池の製造方法について説明する。
図１６は、各実施の形態または各変形例に係る電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。以下では、電池１の例を説明する。
図１６に示されるように、まず、複数の電池セルを準備する（Ｓ１０、第一ステップ）。準備される電池セルは、例えば、図３Ａから図３Ｃに示した電池セル１００Ａ、１００Ｂおよび１００Ｃである。
次に、複数の電池セル１００を積層することで、２種類の並列ユニットを形成する（Ｓ２０）。具体的には、電極層１１０、対極層１２０および固体電解質層１３０の並び順が交互に入れ替わるように複数の電池セル１００を順に積層する。このとき、積層方向の両端には対極層１２０が位置するように偶数個の電池セル１００を積層することで、並列ユニット１０Ａを形成する。また、積層方向の両端には電極層１１０が位置するように偶数個の電池セル１００を積層することで、並列ユニット１０Ｂを形成する。並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂはそれぞれ、電池セル１００Ａ、１００Ｂおよび１００Ｃを適宜組み合わせて積層することにより形成される。
次に、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂの少なくとも一方の主面に絶縁層４０を配置する（Ｓ３０）。例えば、並列ユニット１０Ａの対極集電体１２１の主面に絶縁層４０を配置する。配置される絶縁層４０は、例えば、硬化前の絶縁性接着材である。絶縁層４０の配置は、インクジェット法、スプレー法、スクリーン印刷法またはグラビア印刷法などによって行われる。
次に、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂを、絶縁層４０を挟んで積層する（Ｓ４０）。積層後、必要に応じて、絶縁層４０を硬化させる。以上のステップＳ２０からＳ４０が第二ステップの一例である。これにより、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂの積層体である発電要素１０が形成される。
なお、複数の電池セル１００を積層した後、発電要素１０の側面を平坦化してもよい。例えば、複数の電池セル１００の積層体を一括して切断することにより、各側面が平坦な発電要素１０を形成することができる。側面の平坦化は、並列ユニット毎に行われてもよい。切断処理は、例えば、刃物、レーザーまたはジェットなどによって行われる。
次に、発電要素１０の側面に絶縁層を形成する（Ｓ５０、第三ステップ）。具体的には、側面１１において、電極層１１０を覆う電極絶縁層２１を形成する。また、側面１２において、対極層１２０を覆う対極絶縁層２２を形成する。
電極絶縁層２１および対極絶縁層２２は、例えば、流動性を有する樹脂材料を塗工して硬化させることによって形成される。塗工は、インクジェット法、スプレー法、スクリーン印刷法またはグラビア印刷法などによって行われる。硬化は、用いる樹脂材料によって、乾燥、加熱、光照射などによって行われる。
なお、電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の形成を行う際に、対極集電体１２１の端面および電極集電体１１１の端面が絶縁されないように、絶縁層を形成すべきでない領域にテープなどによるマスキングまたはレジスト処理によって保護部材を形成する処理を行ってもよい。電極絶縁層２１および対極絶縁層２２の形成後に、保護部材を除去することで、各集電体の導電性を確保することができる。
次に、発電要素１０の側面に取り出し端子を形成する（Ｓ６０、第四ステップ）。具体的には、側面１１において、複数の対極層１２０を電気的に接続する対極端子３１を形成する。側面１２において、複数の電極層１１０を電気的に接続する電極端子３２を形成する。
例えば、電極絶縁層２１と、側面１１の電極絶縁層２１に覆われていない部分とを覆うように導電性樹脂を塗工して硬化させることで、対極端子３１を形成する。また、対極絶縁層２２と、側面１２の対極絶縁層２２に覆われていない部分とを覆うように導電性樹脂を塗工して硬化させることで、電極端子３２を配置する。なお、対極端子３１および電極端子３２は、例えば印刷、めっき、蒸着、スパッタ、溶接、はんだ付け、接合その他の方法によって形成されてもよい。
以上の工程を経て、図１に示される電池１を製造することができる。
なお、ステップＳ１０において準備した複数の電池セル１００を個別に、または、複数の電池セルの積層後に、積層方向に対してプレスする工程が行われてもよい。
また、取り出し端子の形成（Ｓ６０）の後、図１０に示される封止部材３５０を形成してもよい。封止部材３５０は、例えば、流動性を有する樹脂材料を塗工して硬化させることによって形成される。塗工は、インクジェット法、スプレー法、スクリーン印刷法またはグラビア印刷法などによって行われる。硬化は、用いる樹脂材料によって、乾燥、加熱、光照射などによって行われる。
（他の実施の形態）
以上、１つまたは複数の態様に係る電池および電池の製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
以上、１つまたは複数の態様に係る電池および電池の製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
例えば、上記の実施の形態では、側面１１および１２の各々に端子電極が設けられている例を説明したが、側面１３および１４の各々に端子電極が設けられていてもよい。つまり、側面１３が第一側面の一例であり、かつ、側面１４が第二側面の一例であってもよい。また、側面１１および１２の一方と側面１３および１４の一方との各々に端子電極が設けられていてもよい。つまり、端子電極は、主面１５の隣り合う２辺に沿って設けられていてもよい。
また、例えば、発電要素１０は、３個以上の並列ユニットを備えてもよい。このとき、発電要素１０の最上層と最下層とには、同極性の集電体が位置していてもよい。
なお、並列ユニット１０Ａおよび１０Ｂに含まれる電池セル１００の個数は、互いに異なっていてもよい。また、発電要素１０は、３つ以上の並列ユニットを含んでもよい。
また、例えば、並列ユニット１０Ａと並列ユニット１０Ｂとの間には、絶縁層４０の代わりに電池セル１００が配置されていてもよい。
また、例えば、電極絶縁層２１は、側面１１の辺に沿って積層方向に最下層から最上層まで覆う部分を有するが、これに限定されない。電極絶縁層２１は、側面１１を平面視した場合に、ストライプ形状の部分のみを有してもよい。具体的には、電極絶縁層２１は、側面１１においては、対極層１２０または対極集電体１２１を全く覆っていなくてもよい。対極絶縁層２２についても同様である。
また、例えば、電極端子および対極端子の各々の最表面に対して、めっき、印刷、はんだ付けなどの方法によって、外部電極が形成されてもよい。電池が外部電極を備えることにより、電池の実装性を更に高めることができる。
また、上記の実施の形態では、各電池が対極端子３１および電極端子３２の両方を備える例を示したが、一方のみを備えてもよい。つまり、電池の正極および負極の一方の電極取り出しは、タブ電極によって行われてもよい。
また、上記の各実施の形態は、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、例えば、電子機器、電気器具装置および電気車両などの電池として利用することができる。
１、２０１、３０１、４０１ 電池
１０ 発電要素
１０Ａ、１０Ｂ 並列ユニット
１１、１２、１３、１４ 側面
１５、１６ 主面
２１、４２１ 電極絶縁層
２２、４２２ 対極絶縁層
３１、２３１ 対極端子
３２、２３２ 電極端子
４０ 絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 電池セル
１１０、１１０Ｂ 電極層
１１１ 電極集電体
１１２ 電極活物質層
１２０、１２０Ｃ 対極層
１２１ 対極集電体
１２２ 対極活物質層
１３０ 固体電解質層
３５０ 封止部材
３６１ 電極コンタクト
３６２ 対極コンタクト
１０ 発電要素
１０Ａ、１０Ｂ 並列ユニット
１１、１２、１３、１４ 側面
１５、１６ 主面
２１、４２１ 電極絶縁層
２２、４２２ 対極絶縁層
３１、２３１ 対極端子
３２、２３２ 電極端子
４０ 絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 電池セル
１１０、１１０Ｂ 電極層
１１１ 電極集電体
１１２ 電極活物質層
１２０、１２０Ｃ 対極層
１２１ 対極集電体
１２２ 対極活物質層
１３０ 固体電解質層
３５０ 封止部材
３６１ 電極コンタクト
３６２ 対極コンタクト
Claims (16)
- 電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層を、それぞれが含む複数の電池セルを有し、前記複数の電池セルが電気的に並列接続されて積層された発電要素と、
前記発電要素の第一側面において、前記電極層を覆う第一絶縁部材と、
前記第一側面および前記第一絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第一端子電極と、
を備え、
前記発電要素は、
前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、
前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、を含む、
電池。 - 前記第一並列ユニットは、前記発電要素の積層方向における一方端に位置し、
前記第二並列ユニットは、前記発電要素の積層方向における他方端に位置する、
請求項１に記載の電池。 - 前記発電要素は、前記第一並列ユニットと前記第二並列ユニットとの間に位置する絶縁層と、を含む、
請求項１または２に記載の電池。 - 前記第一端子電極は、前記第一側面を正面から見た場合、積層方向に直交する方向における前記対極層の少なくとも一方の端部を覆わず、
前記第一絶縁部材は、前記少なくとも一方の端部をさらに覆う、
請求項１から３のいずれか一項に記載の電池。 - 前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記固体電解質層の少なくとも一部を覆う、
請求項１から４のいずれか一項に記載の電池。 - 前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記発電要素の積層方向に沿って前記電極層から前記対極層の一部までを覆う、
請求項５に記載の電池。 - 前記第一絶縁部材は、前記第一側面において、前記複数の電池セルの各々の前記電極層を覆い、
前記第一端子電極は、前記複数の電池セルの各々の前記対極層と電気的に接続されている、
請求項１から６のいずれか一項に記載の電池。 - 前記第一絶縁部材は、前記第一側面の平面視において、ストライプ形状を有する、
請求項７に記載の電池。 - 前記発電要素の第二側面において、前記対極層を覆う第二絶縁部材と、
前記第二側面および前記第二絶縁部材を覆い、前記電極層と電気的に接続された第二端子電極と、をさらに備える、
請求項１から８のいずれか一項に記載の電池。 - 前記発電要素は、直方体であり、
前記第二側面は、前記第一側面の反対側の側面である、
請求項９に記載の電池。 - 前記発電要素の第三側面において、前記電極層を覆う第三絶縁部材と、
前記第三側面および前記第三絶縁部材を覆い、前記対極層と電気的に接続された第三端子電極と、をさらに備える、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の電池。 - 前記発電要素は、直方体であり、
前記第三側面は、前記第一側面に隣接する側面である、
請求項１１に記載の電池。 - 前記電極層または前記対極層は、集電体を有し、
前記集電体の厚みは、２０μｍ以下である、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の電池。 - 前記第一絶縁部材は、樹脂を含む、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の電池。 - 前記発電要素の主面の少なくとも一部を露出させ、前記発電要素を封止する封止部材をさらに備える、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の電池。 - 電極層、対極層、および、前記電極層と前記対極層との間に位置する固体電解質層をそれぞれが含む複数の電池セルを準備する第一ステップと、
前記電極層、前記対極層および前記固体電解質層の並び順が交互に入れ替わるように、前記複数の電池セルを順に積層した積層体を形成する第二ステップと、
前記積層体の一側面において、前記電極層を絶縁部材で覆う第三ステップと、
前記一側面および前記絶縁部材を、前記対極層と電気的に接続された端子電極で覆う第四ステップと、を含み、
前記第二ステップでは、
前記複数の電池セルのうち複数の第一電池セルを含み、積層方向の両端には前記対極層が位置する第一並列ユニットと、前記複数の電池セルのうち複数の第二電池セルを含み、積層方向の両端には前記電極層が位置し、前記第一並列ユニットに積層された第二並列ユニットと、をそれぞれ形成する、
電池の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
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| JP2008198492A (ja) | 2007-02-13 | 2008-08-28 | Namics Corp | 全固体二次電池 |
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| WO2019139070A1 (ja) * | 2018-01-10 | 2019-07-18 | Tdk株式会社 | 全固体リチウムイオン二次電池 |
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-
2023
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