JP2008176962A

JP2008176962A - 薄型電池

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Publication number: JP2008176962A
Application number: JP2007007516A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Ogawa; 光靖小川; Taku Kamimura; 卓上村; Katsuji Emura; 勝治江村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】小型化が図れながら、電池性能が良好で、かつ、電流分布の均一化が図れて、電池の大容量化が実現できる薄型電池を提供する。
【解決手段】絶縁基板1上に、負極層4と、正極層5と、負極層4及び正極層5の各々又は一方に電気的に接続される集電体2,3と、負極層4と正極層5との間に介在させる固体電解質層6とを有し、負極層4と正極層5とが、絶縁基板1を平面視したときに重なり合わない位置に設けられ、集電体2,3の一部は、電極層4,5と絶縁基板1との間に配置されるとともに、集電体の外面が固体電解質層6と接触しないように電極層4,5で覆われている。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄型電池に関するものである。特に、電池自体の厚みを薄くできながら、電流分布の均一化が図れる薄型電池に関するものである。

電子機器の縮小化に伴い、電子機器において容積の大部分を占める電源部の小型化を実現するための薄型電池の検討がされてきている。

薄型電池の構成としては、例えば、導電性基板上に、正極層、固体電解質層、負極層を順次積層した構造の物が提案されている(例えば、特許文献１に記載)。

各層は、通常は高周波スパッタリング法などの気相堆積法を用いて形成される。正極層は遷移金属酸化物で形成され、固体電解質層は酸化物で形成され、負極層はLi金属やリチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質で形成されている。

さらに、特許文献１に開示されているような積層タイプの薄型電池の厚みをさらに薄くした薄型電池として、特許文献２の図４に記載されたものが提案されている。

特許文献２の図４に開示される薄型電池は、導電性基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に、正極用配線電極と負極用配線電極とを同一平面上に重ならないように並べて形成している。さらに、各配線電極の上に、それぞれ正極層と負極層とを形成し、正極層と、負極層と、配線電極の一部とを固体電解質層で覆っている。このように、特許文献２の図４に開示される薄型電池は、正極層と負極層とが積層されないので、電池自体の厚さをより薄くすることができる。

特開平１０−８３８３８号公報特開平１０−２８４１３０号公報

しかし、特許文献２の図４に開示される薄型電池においては、正極用配線電極および負極用配線電極の積層方向平面視の面積よりも、正極層と負極層の面積が小さいので、正極用配線電極と負極用配線電極との間の距離が、正極層と負極層との間の距離より短くなる。その結果、例えば、薄型電池がリチウム電池の場合には、充放電を繰り返すうちに、負極用配線電極にリチウムが析出しやすく、このリチウムが成長すると正負極配線電極同士が短絡してしまう虞があった。

また、特許文献２の図４に開示される薄型電池は、特許文献１に開示されているような負極層と正極層とを積層する構成とは異なり、負極層と正極層との間には、必ず所定の距離があり、この距離は様々な大きさで形成される。特に、負極層と正極層とを櫛歯状に形成して、これら複数の負極層と複数の正極層とを交互に配置させる場合には、負極層と正極層との間の間隔は様々な大きさで分布する可能性がある。その結果、各電極層で電流分布が生じ、電流分布の幅が大きくなる場合には、電池効率が悪く、容量の低下が生じてしまう。

また、負極層と正極層との間の距離が小さすぎると、例えば、薄型電池がリチウム電池の場合には、充放電を繰り返すうちに、リチウムが析出してきて、負極層と正極層とが短絡してしまう問題もある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、小型化が図れながら、電池性能が良好な薄型電池を提供することを目的とする。さらに、電池性能が良好で小型化が図れながら、電流分布の均一化が図れて、電池の大容量化が実現できる薄型電池を提供することを他の目的とする。

本発明薄型電池は、絶縁基板上に、負極層(電極層)と、正極層(電極層)と、負極層及び正極層の各々又は一方に電気的に接続される集電体と、負極層と正極層との間に介在させる固体電解質層とを有し、負極層と正極層とが絶縁基板を平面視したときに重なり合わない位置に設けられ、集電体の一部が、電極層と絶縁基板との間に配置されるとともに、集電体の外面が固体電解質層と接触しないように電極層で覆われていることを特徴とする。

(絶縁基板の材料)
絶縁基板としては、アルミナ(Al₂O₃)、酸化ケイ素(SiO₂)などのセラミックスや、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのプラスチックを用いることができる。

（負極層の構成）
負極層は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。負極層は、リチウムまたはリチウム合金であることが好ましい。リチウム合金は、Li及びLiと合金を形成することのできる金属よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物で形成することができる。また、負極層は、グラファイトで形成することもできる。

なお、Liと合金を形成することのできる金属としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、及びインジウム(In)よりなる群から選ばれる少なくとも一つ（以下、合金化材料という）が好ましい。このような元素を含有した負極層は、負極層自体に集電体としての機能を持たせることができ、かつリチウムイオンの吸蔵・放出能力が高くなる。特に、シリコン(Si)はリチウムを吸蔵・離脱する能力がグラファイト(黒鉛)よりも大きく、エネルギー密度を高くすることができる。

また、負極層材料にリチウム合金を用いることで、Liと合金化した合金化材料とLiイオン伝導性の固体電解質層との界面でのLiイオンの移動抵抗が低減される効果がある。

前記負極層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法、CVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。

（正極層の構成）
正極層も、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。特に、酸化物、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO₂)、ニッケル酸リチウム(LiNiO₂)、マンガン酸リチウム(LiMn₂O₄)、二酸化マンガン(MnO₂)及びオリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO₄)よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物で正極層を形成することが好ましい。その他、正極層は、硫化物、例えばイオウ(S)、硫化リチウム及び硫化チタニウム(TiS₂)よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物で形成しても良い。

正極層の形成方法としては、湿式法や乾式法を利用することができる。湿式法には、ゾルゲル法、コロイド法、キャスティング法等が挙げられる。乾式法には、気相堆積法である蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザアブレーション法等が挙げられる。

（固体電解質層の構成）
固体電解質層は、Liイオン伝導体であり、Liイオン伝導度(20℃)が10^-5S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.999以上である材質で形成することが好ましい。特に、Liイオン伝導度が10^-4S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.9999以上であれば良い。固体電解質層の材質としては具体的には硫化物系が良く、Li、P、Sより構成される固体電解質層が好ましく、さらに酸素を含有していても良い。

固体電解質層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法、CVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。

（集電体）
一方、集電体には金属箔や金属板などが適する。負極集電体材料としては、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される１種が挙げられる。また、正極集電体の具体例としては、アルミニウム(Al),ニッケル(Ni),これらの合金,ステンレスから選択される１種が挙げられる。

これらの集電体は、PVD法やCVD法により形成することができる。特に、所定のパターンに集電体を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、容易に所定のパターンの集電体を形成することができる。

(絶縁基板と各層との積層構造)
本発明電池は、一方の電極層と他方の電極層とを絶縁基板を平面視したときに重ならないように配置し、かつ両極層の間に固体電解質層を介在させる構成としているが、この各電極層の絶縁基板上への積層構造としては、次のような構成が挙げられる。

例えば、絶縁基板の同一平面上で双方の電極層を重なり合わないように形成することができる。また、一方の電極層を絶縁基板上に形成し、この一方の電極層と絶縁基板を覆うように固体電解質層を形成し、この固体電解質層の上に他方の電極層を前記平面視において重なり合わないように形成することもできる。

絶縁基板の同一平面上で双方の電極層を形成する場合には、例えば、絶縁基板上に、まず負極と正極の集電体を形成し、これら集電体の一部の上に負極層と正極層とを形成する。このとき、集電体は固体電解質層に接触しないようにするのであって、特に、各電極層と対向する集電体の部分で、少なくとも負極層と対向する部分においては、固体電解質層に接触しないように、集電体を電極層で覆うように形成する。

また、一方の電極層を絶縁基板上に形成し、この一方の電極層と絶縁基板を覆うように固体電解質層を形成し、この固体電解質層の上に他方の電極層を形成する場合には、次のように集電体を形成する。

まず、絶縁基板上に負極用の集電体を形成し、この負極集電体の一部の上に負極層を形成する。負極層を形成するときは、負極集電体と固体電解質層との接触部が無いように負極層で負極集電体を覆う。そして、露出している負極集電体を除いて、負極層と絶縁基板を覆うように固体電解質層を形成し、この固体電解質層の上に、正極層を、負極層と前記平面視において重なり合わないように形成し、この正極層の上に正極集電体を形成する。

本発明では、負極層と正極層とを絶縁基板を平面視したときに互いに重ならないように形成しているので、電池全体としての厚みを薄くできる。しかも、電極層と絶縁基板との間に配置する集電体を、固体電解質層と接触しないように電極層で覆うようにしているので、集電体上にリチウムが析出せず、リチウム析出による正負極の短絡を阻止できる。

さらに、たとえ固体電解質層に積層方向に連通するピンホールが生じたとしても、負極層と正極層とは、絶縁基板を平面視したときに重ならないように形成しているので、このピンホールによって両電極層同士が短絡されることが実質的になく、電池としての機能を保持することができる。

さらに、集電体は負極集電体と正極集電体とを有し、これら集電体は、直線上のリード部と、リード部から櫛歯状に分岐する複数の分岐部とを有し、負極集電体の各分岐部上に分岐部を覆うように複数の負極層が形成され、正極集電体の各分岐部上に分岐部を覆うように複数の正極層が形成されていることが好ましい。この場合、これら負極層と正極層とを、負極層の幅をＷｎ、正極層の幅をＷｐ、負極層と正極層との間の距離をＧとしたとき、Ｗｎ＜Ｇ，Ｗｐ＜Ｇ，0.005ｍｍ＜Ｇ＜0.5ｍｍとなるように、交互に配置させて形成する。

このように、負極層および正極層の幅と、これら電極層の間の距離を規定することにより、正極と負極との間でリチウムイオンを効率よく移動させることができる。

即ち、正極層および負極層の幅が距離Ｇ以上となると、一方の電極層の幅方向端部から他方の電極層の幅方向端部までの最短距離と、一方の電極層の幅方向中央部から他方の電極層の幅方向中央部までの距離との差が大きくなるため、電極層の幅方向中央部からのリチウムイオンの出入りが起こり難くなる。その結果、電流分布が不均一となり大きな電池容量が得られない。

しかしながら、正極層および負極層の幅が距離Ｇよりも小さいと、電極層の幅方向中央部からも効率良くイオンの出入りが起こる。しかも、距離Ｇも正極層と負極層とが近すぎず遠すぎない距離なので、均一な電池反応が行われ、電流分布の均一化が図れ、電池の大容量化が実現できる。

なお、距離Ｇが0.005ｍｍ以下となると、電極層が接近しすぎて短絡し易くなり、また、距離Ｇが0.5ｍｍ以上となると効率よくイオンの移動ができなくなり、電池容量が小さくなってしまう。

さらに、本発明の薄型電池では、正極層と負極層のリード部側端部から分岐部先端側端部までの長さが全て同じ長さとなるように、電極層を形成することが好ましい。このとき、正極集電体の分岐部および負極集電体の分岐部のリード部側から分岐部先端までの長さも全て同じ長さとなるように集電体を形成することが好ましい。

このように電極層の長さを規定して、各電極層を形成することにより、各電極層の長さ方向の反応分布を大きくならないように抑えることができる。さらに、各分岐部の長さも同じ長さとすることにより、各分岐部の配線抵抗の均一化が図れるので、電極層および分岐部の利用率が向上し、電池容量が低下することを抑制できる。

また、薄型電池を、集電体が櫛歯状に形成され、複数の正極層と複数の負極層とを有する構成とする場合には、各正極層と各負極層のうち、厚みが大きい電極層の厚みをｔとしたとき、ｔ＜４Ｇとなるように電極層を形成することが好ましい。

このように、電極層の厚みを規定することにより、電流分布を積層方向においても均一化することができ、より大容量化が図れる。

本発明薄型電池によれば、正極層と負極層とを絶縁基板を平面視したときに互いに重ならないように配置するとともに、集電体が電極層で覆われて固体電解質層に接触しない構成となっているので、電池自体の厚みをより薄くできながら、集電体にリチウムが析出しないので、リチウム析出による正負極間の短絡を阻止できる。

さらに、本発明薄型電池によれば、正極層と負極層とを絶縁基板を平面視したときに互いに重ならないように配置するので、仮に固体電解質層にピンホールが生じても、このピンホールで両極層間が短絡されることが実質的になく、電池としての機能を保持することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態に係る薄型電池を図１と図２に基づいて説明する。本発明の薄型電池は、薄膜リチウム電池であり、絶縁基板1上に、部分的に金属箔の負極集電体2と正極集電体3とを櫛歯状に形成し、負極集電体2の櫛歯部分の上に負極層4を形成し、正極集電体3の櫛歯部分の上に正極層5を形成している。そして、絶縁基板1の上に負極層4と正極層5とが完全に埋め尽くされるように固体電解質層6を形成している。

絶縁基板1は、本実施形態では、アルミナで形成している。但し、絶縁基板1の材質は、アルミナに限定されず、酸化ケイ素(SiO₂)などの他のセラミックスや、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのプラスチックで形成することもできる。

まず、絶縁基板1上に、負極集電体2を形成する。負極集電体2は、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される１種で形成する。正極集電体3は、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、及びステンレスから選択される１種で形成する。

負極集電体2と正極集電体3の平面視から見たそれぞれの形状は櫛歯状をしており、図１に示すように、負極集電体2と正極集電体3とは、直線上のリード部21,31と、リード部21,31から櫛歯状に分岐する複数の分岐部22,32とを有している。これら負極集電体2と正極集電体3とは、櫛歯部分が噛み合うように、負極集電体2の分岐部22の間に正極集電体3の分岐部32が配置され、負極側のリード部21と正極側のリード部31とが平行するように形成されている。

負極集電体2の各分岐部22上に分岐部22を覆うように負極層4が形成される。このとき、図２に示すように、負極集電体2の各分岐部22が、絶縁基板1と負極層4により囲まれた状態になるように負極層4を形成する。なお、図１に示すように、分岐部22のリード部側根元部分には負極層4を形成しないようにして、リード部21と固体電解質層6とが接触しないようにしている。

負極層4は、リチウムまたはリチウム合金で形成している。リチウム合金は、リチウムと合金を形成することのできる金属よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物で形成する。リチウムと合金を形成する金属として、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、及びインジウム(In)よりなる群から選ばれる少なくとも一つの金属を用いるとよい。

そして、正極集電体3の各分岐部32上に、分岐部32を覆うように正極層5が形成される。このとき、図２に示すように、正極集電体3の各分岐部32が、絶縁基板1と正極層5により囲まれた状態になるように正極層5を形成する。なお、図１に示すように、分岐部32のリード部側根元部分には正極層5を形成しないようにして、リード部31と固体電解質層6とが接触しないようにしている。

正極層5は、コバルト酸リチウム(LiCoO₂)、ニッケル酸リチウム(LiNiO₂)、マンガン酸リチウム(LiMn₂O₄)、二酸化マンガン(MnO₂)及びオリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO₄)よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物、または、イオウ(S)、硫化リチウム及び硫化チタニウム(TiS₂)よりなる群から選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物で形成する。

負極層4と正極層5とは、負極層4の幅をＷｎ、正極層5の幅をＷｐ、負極層4と正極層5との間の距離をＧとしたとき、Ｗｎ＜Ｇ，Ｗｐ＜Ｇ，0.005ｍｍ＜Ｇ＜0.5ｍｍとなるように形成する。

次に、負極層4と正極層5とを覆うように固体電解質層6を形成する。固体電解質層6は、負極層4及び正極層5のリード部側端面と面一に形成して、リード部21,31に接触しないようにしている。固体電解質層6は、Li、P、Sにより形成してもよいし、これらLi、P、Sに酸素を含有するようにしてもよい。

上記した負極集電体2、正極集電体3、負極層4、正極層5、固体電解質層6は、PVD法やCVD法やキャスティング法により形成する。PVD法で負極層4を形成する場合には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法の何れの方法で形成してもよい。また、CVD法で負極層4を形成する場合には、熱CVD法、プラズマCVD法の何れの方法で形成してもよい。

上記したように、第一実施形態の薄膜リチウム電池では、正極層5と負極層4とを平面視において互いに重ならないように配置して形成している。さらに、絶縁基板1上に形成された負極集電体2の分岐部22を、固体電解質層6と接触しないように負極層4で覆い、正極集電体3の分岐部32を、固体電解質層6と接触しないように正極層5で覆い、各集電体のリード部が固体電解質層6に接触しないように形成している。

その結果、電池自体の厚みをより薄くできながら、集電体にリチウムが析出しないので、リチウム析出による正負極間の短絡を阻止できる。

しかも、負極層4および正極層5の幅と、これら電極層の間の距離を上記したように規定することにより、正負極間の短絡を阻止しながら、正極と負極との間でリチウムイオンを効率よく移動させることができる。

〔第二実施形態〕
第二実施形態は、第一実施形態の変形例であり、正極層50の縦断面形状が図３に示すように異なる。第二実施形態では、正極層50の構成以外は、第一実施形態と同じ構成なので、同じ構成部分については説明を省略する。また、同じ構成部分は、同じ符号で示している。さらに、負極集電体2、正極集電体3、負極層4、正極層50、固体電解質層6の形成方法は、第一実施形態と同じ方法で形成している。

第二実施形態では、正極層50の幅と、正極集電体3の分岐部32の幅が同一幅となるように正極層50を形成している。従って、第二実施形態では、正極集電体3の分岐部32が固体電解質層6と接触した状態になり、負極集電体2の分岐部22のみが固体電解質層6と接触しない状態となっている。

充放電によるリチウムの析出は、負極側で起こるため、負極集電体2の分岐部22が固体電解質層6と接触しないようにすれば、正極集電体3の分岐部32が固体電解質層6と接触した状態となっても、リチウムの析出を阻止することができる。

〔第三実施形態〕
本発明の第三実施形態に係る薄膜リチウム電池を図４に基づいて説明する。第三実施形態では、絶縁基板1上に金属箔の負極集電体2をパターン形成し、その負極集電体2を覆うように、絶縁基板1上に負極層4を形成している。負極層4の形成により、負極集電体2は固体電解質層60と接触しない状態になる。そして、負極集電体2の一部を露出させ、絶縁基板1及び負極層4を覆うように固体電解質層60を形成している。

そして、この固体電解質層60上における負極層4と平面視において重ならない位置に正極層51を形成している。さらに本実施形態では、正極層51の上面に正極集電体30を形成している。この正極集電体30は、正極層51の上面のみに形成され、他の箇所には形成されていない。

この構成においても、負極層4と正極層51とが、平面視において重なることなく離れて配置され、負極集電体2が負極層4で覆われて、固体電解質層60と接触しないようにしているので、厚みを薄くできながら、リチウムが負極集電体2から析出しないので、両極層が短絡することを阻止できる。

〔試作例〕
図１および図２に記載の構成で、絶縁基板：アルミナ、負極集電体：Cu箔、正極集電体：Al箔、正極層：MnO₂膜、固体電解質層：Li-P-S-O、負極層：Li金属膜からなる薄膜リチウム電池を、正極層、負極層の幅(0.2mm)および長さ(30mm)と、負極層の厚みの大きさ(25μm)とを一定の大きさにして、集電体の分岐部の幅の大きさ(Ｗｃ)、両電極層間の間隔(Ｇ)、正極層の厚みの大きさ(ｔ)を表１の試作例１から試作例７に示す数値にそれぞれ変えて作製した。

まず、絶縁基板となる厚さ0.5mm、5cm角のアルミナ板を複数枚用意し、それぞれステンレス製基材ホルダーに固定し、各絶縁基板にステンレス製の負極集電体用マスクを絶縁基板の上に固定した。負極集電体用マスクには、図１に示す負極集電体2のリード部21と分岐部22とに対応する櫛歯状の孔が形成されている。

なお、負極集電体用マスクとして、各分岐部に相当する部分の長さが、全て同じ長さに形成され、分岐部と分岐部との間の間隔が異なる複数種類のマスクを用意し、これらマスクを用いて絶縁基板上に複数種類の負極集電体を作製した。具体的には、負極集電体用マスクが固定された絶縁基板をホルダーで保持した状態で、絶縁基板上に蒸着法により1μm厚のCu薄膜（負極集電体）を形成した。

次に、負極集電体用マスクを外し、各絶縁基板にステンレス製の正極集電体用マスクを絶縁基板の上に固定した。正極集電体用マスクも、図１に示す正極集電体3のリード部31と分岐部32とに対応する櫛歯状の孔が形成されている。

なお、正極集電体用マスクも、各分岐部に相当する部分の長さが、全て同じ長さに形成され、分岐部と分岐部との間の間隔が異なる複数種類のマスクを用意し、これらマスクを用いて負極集電体が形成された複数の絶縁基板上に正極集電体を作製した。具体的には、正極集電体用マスクが固定された絶縁基板をホルダーで保持した状態で、絶縁基板上に蒸着法により1μm厚のAl薄膜（正極集電体）を形成した。

次に、集電体用マスクを外し、図１に示す正極層5の形状と同じ形状の長方形の孔が３つ平行して形成された正極層形成用マスクを各絶縁基板上に固定した。正極層形成用マスクも、集電体の種類に応じて複数種類用意し、集電体の大きさに合わせて、絶縁基板に各正極層形成用マスクを固定した。そして、正極層形成用マスクが固定された絶縁基板をホルダーで保持した状態で、絶縁基板上で正極集電体の分岐部の上に、正極層を塗布法により形成した。具体的には、結着剤(バインダー)を溶媒に溶解又は分散させた液体に上記正極活物質からなる粒子を加えて撹拌・混合してスラリーを作製し、このスラリーを正極層形成用マスク上から塗布した後、溶媒を乾燥することで膜厚が、0.1mm,0.3mm,0.4mmの正極層を形成した。

次に、正極層形成用マスクを外し、図１に示す負極層4の形状と同じ形状の長方形の孔が３つ平行して形成された負極層形成用マスクを絶縁基板上に固定した。負極層形成用マスクも、集電体の種類に応じて複数種類用意し、集電体の大きさに合わせて、絶縁基板に各負極層形成用マスクを固定した。そして、負極層形成用マスクが固定された絶縁基板をホルダーで保持した状態で、絶縁基板上で負極集電体の分岐部の上に、蒸着法により、真空度；2×10^-4Paの条件下、蒸着時間15分で行って、膜厚25μmのLi膜（負極層）を形成した。

そして、負極層形成用マスクをはずし、図１に示すように、１つの長方形の孔が形成された固体電解質層形成用マスクを絶縁基板上に固定した。そして、下記に示す手順で、エキシマレーザアブレーション法により、３つの負極層と３つの正極層を覆い、かつ、各集電体のリード部には接触しないように絶縁基板上にリチウム(Li)-リン(P)-イオウ(S)-酸素(O)組成の固体電解質層を形成した。

固体電解質層の形成に当たっては、まず、露点が-85℃のアルゴンガスが充填されているグローブボックス内で、硫化リチウム(Li₂S)、五硫化リン(P₂S₅)、五酸化リン(P₂O₅)を混合し、さらに混合粉末を金型に入れて加圧してペレット状のターゲットを作製した。

大気に暴露しない様にして、ターゲットをグローブボックス内より成膜装置内に移して設置し、レーザ光をターゲット上に集光して原料を気化させて絶縁基板上に固体電解質層を成膜した。

固体電解質層を成膜後、ファイ社製ESCA5400MCでその膜組成の分析を行った結果、リチウム(Li)-リン(P)-イオウ(S)-酸素(O)組成は、各々19原子％、17原子％、48原子％、16原子％であった。

なお、以上の実施例では、前記したように、集電体の分岐部の幅(Ｗｃ)や正極層と負極層との間の距離(Ｇ)の大きさを変える必要があることから、集電体形成用マスク、正極層形成用マスク、負極層形成用マスク、固体電解質層形成用マスクは、それぞれ複数種類用いている。

次に、作製した薄型電池の電池評価を行った。露点が-85℃のドライルーム内で、正極集電体のリード部の端部に導電性ペーストを利用してアルミニウム製リードを取り付けた。また、負極集電体のリード部の端部にも導電性ペーストによりCu箔のリードを取り付けた。

この電池を用いて、放電電流密度：5μA/cm²の条件で、3V〜2Vの電圧の範囲で定電流放電試験を実施して、短絡の有無と、放電容量と、3Vから放置した場合の自己放電による電圧低下を測定した。その結果を表１に示す。

短絡の有無の判定は、初期電圧が２V以下または自己放電による電圧低下率が5%/24H以上あるものを短絡とみなした。放電容量の評価は、最も放電容量が良かった電池を100%として、他の電池を評価した。また、活物質の量が電極層厚みで変動するため、試作例１から試作例５では、厚みを一定にして、放電容量の評価を行った。

試作例１は、放電容量が最も大きく、充電状態で24時間放置しても全く電圧降下は見られず、正極層、負極層間での短絡がないことが確認できた。試作例２は、短絡は無かったが、距離Ｇよりも正負極の分岐部の幅（Ｗｐ，Ｗｎ）が大きかったので、放電容量の低下が見られた。試作例３は、電極層の幅と集電体分岐部の幅が等しかったため、負極集電体が固体電解質層に接触してしまい、短絡が起こってしまった。さらに、放電容量も低下し、電圧も低下した。

試作例４は、放電容量が試作例１に比べてやや低下したが、正極層、負極層間での短絡がないことが確認できた。試作例５は、短絡は無かったが、距離Ｇが0.5ｍｍであったため、効率よくイオンの移動ができなくなり、放電容量の低下が見られた。試作例６では、距離Ｇよりも正負極の分岐部の幅（Ｗｐ，Ｗｎ）が大きいが、電極層の厚みｔが３Ｇで試作例２の場合よりも大きく、４Ｇ(0.1mm×4)より小さかったため、試作例２に比べて放電容量が大きかった。試作例７では、短絡は無かったが、距離Ｇよりも正負極の分岐部の幅（Ｗｐ，Ｗｎ）が大きく、しかも、電極層の厚みｔが４Ｇ(0.1mm×4)であったため、放電容量の大きな低下が見られた。

なお、本発明の絶縁基板、正極層、負極層、集電体、固体電解質層を形成する材質は、前記した材質に限定されない。

本発明電池は、充放電が可能な二次電池、特に電解液を用いず、安全性、耐熱性及び低温特性に優れた薄型の全固体型リチウム二次電池として好適に利用することができる。

本発明の第一実施形態にかかる薄型電池の絶縁基板の平面視から見た部分横断面図である。本発明の第一実施形態にかかる薄型電池の部分縦断面図である。本発明の第二実施形態にかかる薄型電池の部分縦断面図である。本発明の第三実施形態にかかる薄型電池の部分縦断面図である。

符号の説明

1 絶縁基板
2 負極集電体 21 リード部 22 分岐部
3,30 正極集電体 31 リード部 32 分岐部
4 負極層 5,50,51 正極層
6,60 固体電解質層

Claims

絶縁基板上に、負極層(電極層)と、正極層(電極層)と、負極層及び正極層の各々又は一方に電気的に接続される集電体と、負極層と正極層との間に介在させる固体電解質層とを有し、負極層と正極層とが、絶縁基板を平面視したときに重なり合わない位置に設けられ、集電体の一部は、電極層と絶縁基板との間に配置されるとともに、集電体の外面が固体電解質層と接触しないように電極層で覆われていることを特徴とする薄型電池。
集電体は負極集電体と正極集電体とを有し、これら集電体は、直線上のリード部と、リード部から櫛歯状に分岐する複数の分岐部とを有し、負極集電体の各分岐部上に分岐部を覆うように複数の負極層が形成され、正極集電体の各分岐部上に分岐部を覆うように複数の正極層が形成され、
これら負極層と正極層とを、
負極層の幅をＷｎ、正極層の幅をＷｐ、負極層と正極層との間の距離をＧとしたとき、Ｗｎ＜Ｇ，Ｗｐ＜Ｇ，0.005ｍｍ＜Ｇ＜0.5ｍｍとなるように、交互に配置させて形成することを特徴とする請求項１に記載の薄型電池。
負極層と正極層のリード部側端部から分岐部先端側端部までの長さが全て同じ長さとなるように、電極層を形成していることを特徴とする請求項２に記載の薄型電池。
負極層と正極層のうち、厚みが大きい電極層の厚みをｔとしたとき、ｔ＜４Ｇとなるように電極層を形成していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の薄型電池。
前記負極層がリチウムまたはリチウム合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄型電池。