JP2014203740A - 全固体電池 - Google Patents

Abstract

【課題】層間の平坦性を向上させた全固体電池を提供する。【解決手段】全固体電池は、固体電解質層６と、固体電解質層６の両面のそれぞれに接触して積層された正極合材層７及び負極合材層５とを少なくとも含む積層体が外装部材２に封入されており、積層体を構成する絶縁フィルム層８は固体電解質層６と共に積層体の全域に亘って存在しており、かつ絶縁フィルム層８の端部が固体電解質層６側に折り曲げられた折り曲げ部８ｂを備えている。絶縁フィルム層８の折り曲げ部８ｂは絶縁性を有しており、この折り曲げ部８ｂが固体電解質層６の端面を覆っている。【選択図】図３

Description

本発明は、全固体電池に関し、特に、正極層と、負極層と、正極層及び負極層の間に形成された固体電解質層とを備える全固体電池に関する。

近年、正極合材層と、負極合材層と、正極合材層及び負極合材層の間に形成された固体電解質層とを備えた全固体電池に関する技術が提案されている。全固体電池は、気化して燃えないため、可燃性の電解液または電気分解で可燃性気体となる電解液を用いた電池に比べて安全性が高い。

特許文献１には、固体電解質層と、集電体と、固定電解質層及び集電体の間に挟まれた活物質層とを備えた電極体に関する構造が開示されている。特許文献１に記載された電極体では、活物質層の端面及び活物質層における固体電解質層と対向する面の周縁部が絶縁性材料により一体的に被覆されており、この絶縁性材料を挟むようにして活物質層と固体電解質層が積層されている。このように絶縁性材料で被覆した状態で活物質層と固体電解質層が積層されているため、活物質の端部の変形や脱落が防止されており、活物質の変形や脱落に伴う短絡の発生を防止する工夫がなされている。

特開２０１２−３８４２５号公報

しかしながら、上述したような構造を備えた全固体電池では、上記周縁部においてのみ絶縁性材料が活物質層と固体電解質層との間に介在しているため、周縁部とそれ以外の部分との間に厚み差が生じる。特に、活物質層と固体電解質層の積層数が増加するほど凹凸が生じやすくなるという問題がある。このように、凹凸が生じると平坦性が失われ、全固体電池としての性能を十分に発揮できなくなる虞がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、平坦性を保持しつつ欠けや破損を防止させた全固体電池を提供することを目的とする。

本発明に係る全固体電池は、固体電解質層と、固体電解質層の両面のそれぞれに接触して積層された正極合材層及び負極合材層とを少なくとも含む積層体が外装部材に封入された全固体電池であって、積層体のうちの固体電解質層とは異なる層であって、固体電解質層と共に積層体の全域に亘って存在しており、かつ端部が固体電解質層側に折り曲げられた折り曲げ層を備え、折り曲げ層の折り曲げられた端部は絶縁性を有しており、端部は固体電解質層の端面の少なくとも一部を覆っている。

この全固体電池においては、固体電解質層と折り曲げ層が積層体の全域に亘って存在しているため、積層数が増加しても凹凸が生じることはなく、層間の平坦性が向上されている。また、積層体を構成する折り曲げ層の端部が折り曲げられており、折り曲げられた絶縁性を有する端部が固体電解質層の端面の少なくとも一部を覆っているため、固体電解質層が折り曲げ層の端部により保護されることととなる。従って、固体電解質層の欠けや破損を防止することができる。

また、積層体は、固体電解質層の一方側に積層された正極合材層と、固体電解質層の他方側に積層された負極合材層と、正極合材層又は負極合材層における固体電解質層の逆側に積層された絶縁フィルム層と、を含み、折り曲げ層は、絶縁フィルム層であり、絶縁フィルム層の積層方向において正極合材層又は負極合材層と対向する面には、集電材料が塗布されていてもよい。よって、固体電解質層の端部には絶縁フィルム層の端部によって覆われて保護される。従って、上記同様、層間の平坦性を向上させると共に固体電解質層の欠けや破損を防止することができる。

また、積層体は、固体電解質層の一方側に積層された正極合材層と、固体電解質層の他方側に積層された負極合材層と、正極合材層又は負極合材層における固体電解質層の逆側に積層された集電体層と、を含み、折り曲げ層は、集電体層であり、集電体層の端部は、絶縁体で被覆されていてもよい。このように、集電体層の端部が絶縁性材料で被覆されることにより、固体電解質層の端部は集電体層の絶縁体で被覆された部分によって覆われて保護される。従って、上記同様、層間の平坦性を向上させると共に固体電解質層の欠けや破損を防止することができる。

本発明によれば、平坦性を保持しつつ欠けや破損を防止させた全固体電池を提供することができる。

第１実施形態に係る全固体電池を示す側面図である。 図１の全固体電池のII−II断面図である。 図２の断面図における絶縁フィルム層の折り曲げ部近傍を拡大した図である。 図１の全固体電池の正極電極の積層構造を示す側面図である。 図１の全固体電池の負極電極の積層構造を示す側面図である。 第２実施形態に係る全固体電池の正極電極を示す側面図である。 図６の正極電極のVII−VII断面図である。 図６の全固体電池における集電体層の折り曲げ部近傍を拡大した図である。 変形例に係る全固体電池の図３に対応する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。また、同一又は同等な構成部分には、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１及び図２に示されるように、第１実施形態の全固体電池１は、アルミのラミネートフィルム等で構成される外装部材２の内部に電極の積層体が封入されており、この積層体として、正極集電体層３と、負極集電体層４と、負極合材層５と、固体電解質層６と、正極合材層７と、絶縁フィルム層（折り曲げ層）８とを備えている。全固体電池１の積層体の積層順序は、負極集電体層４を有する絶縁フィルム層８、負極合材層５、固体電解質層６、正極合材層７、正極集電体層３を有する絶縁フィルム層８、正極合材層７、固体電解質層６、負極合材層５となっており、この順序で各層が外装部材２内で繰り返し積層されている。

正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６、正極合材層７、及び絶縁フィルム層８は、全固体電池１の各層の積層方向（以下、単に積層方向という）に直交する面の全域に亘って広がっている。また、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端部は積層方向に連続するように揃えられており、全固体電池１の各層を積層方向から見たときに、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の形成領域は同一となっている。

図１に示されるように、正極集電体層３及び負極集電体層４は、外装部材２の外部に突出しており、その突出した部分がそれぞれ正極端子及び負極端子として機能する。図２〜図４に示されるように、正極集電体層３は、絶縁フィルム層８の表裏面に集電材料が塗布されるか、又は絶縁フィルム層８の表裏面に集電材料が蒸着等で付着されることによって、絶縁フィルム層８の両側に形成される。正極集電体層３の集電材料としては、例えばアルミを用いることができる。また、負極集電体層４も、正極集電体層３と同様に絶縁フィルム層８の表裏面に集電材料が塗布されるか、又は絶縁フィルム層８の表裏面に集電材料が蒸着等で付着されることによって、絶縁フィルム層８の両側に形成される。負極集電体層４としては、例えば銅等を用いることができる。

負極合材層５及び正極合材層７は、それぞれ電子を送り出し受け取る酸化／還元反応を行う負極活物質及び正極活物質によって構成されている。

図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、正極合材層７は、絶縁フィルム層８の両側に塗布された正極集電体層３の更に両側に配置されている。なお、図４（ａ）は正極集電体層３のみが塗布された絶縁フィルム層８を積層方向から見た図であり、図４（ｂ）は更に正極合材層７が配置された絶縁フィルム層８を積層方向から見た図であり、図４（ｃ）は正極集電体層３、正極合材層７及び絶縁フィルム層８を積層方向に直交する方向から見た図である。

また、図５（ｃ）に示されるように、負極合材層５は、絶縁フィルム層８の両側に塗布された負極集電体層４の両側に配置されており、負極合材層５の更に両側に固体電解質層６が配置されている。固体電解質層６は、正極合材層７から負極合材層５に、または負極合材層５から正極合材層７に、リチウムイオン等の金属イオンを流す機能を有しており、負極合材層５と正極合材層７との間に配置される。なお、図５（ａ）は負極集電体層４のみが塗布された絶縁フィルム層８を積層方向から見た図であり、図５（ｂ）は更に負極合材層５及び固体電解質層６が配置された絶縁フィルム層８を積層方向から見た図であり、図５（ｃ）は固体電解質層６、負極合材層５、負極集電体層４及び絶縁フィルム層８を積層方向に直交する方向から見た図である。

また、図２〜図５に示されるように、絶縁フィルム層８の端部は、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端部よりも更に外側に広がっている。絶縁フィルム層８は、積層方向から見たときに略正方形状となっており、絶縁フィルム層８の一角に端子として機能する正極集電体層３又は負極集電体層４が設けられている。また、図４（ｃ）に示す正極集電体層３の正極合材層７から突出する部分における正極合材層７に隣接する位置と、図５（ｃ）に示す負極集電体層４の負極合材層５から突出する部分における負極合材層５に隣接する位置には、ＰＥＴ等で構成される絶縁フィルム９が貼り付けられている。上記の位置に絶縁フィルム９が貼り付けられることにより正極集電体層３及び負極集電体層４の絶縁性が確保されている。

また、絶縁フィルム層８の正極集電体層３又は負極集電体層４が設けられている角以外の３個の角には、正極集電体層３又は負極集電体層４の角の外側から絶縁フィルム層８の角に向かって延在するスリット８ｆが設けられている。このスリット８ｆを有することにより、絶縁フィルム層８の正極集電体層３又は負極集電体層４が設けられていない２辺は折り曲げ部８ｂとして機能し、図３に示されるように絶縁フィルム層８の端部を折り曲げることが可能となる。

絶縁フィルム層８の折り曲げ部８ｂは、正極合材層７又は負極合材層５の間に積層される積層部８ａから外側に突出すると共に積層方向に向かって折り曲げられている。折り曲げ部８ｂは少なくとも固体電解質層６を超える位置にまで延在しており、折り曲げ部８ｂの先端部８ｄは負極合材層５又は正極合材層７に隣接している。折り曲げ部８ｂの内側面８ｃには正極集電体層３、正極合材層７及び固体電解質層６が位置しており、折り曲げ部８ｂの外側面８ｅには外装部材２が位置している。

以上で説明したように、上述した全固体電池１においては、外装部材２内の正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６、正極合材層７及び絶縁フィルム層８が積層体の全域に亘って存在している。よって、積層数が増加しても凹凸が生じることはなく、層間の平坦性が向上されている。また、絶縁フィルム層８が折り曲げ部８ｂを有しており、絶縁体である折り曲げ部８ｂの内側面８ｃが正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端面を覆っている。従って、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が折り曲げ部８ｂに保護されることとなるので、正極集電体層３、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の欠けや破損を防止することができる。特に、固体電解質層６の欠けや破損を防止できることで、固体電解質層６の両側に存在する正極集電体層３、正極合材層７と負極集電体層４、負極合材層５との短絡を抑制することができる。

また、外装部材２は所謂エア抜きが行われており、外装部材２の内部は真空とされているため、全固体電池１の積層体は、外装部材２の外側から大気圧によって押さえつけられている。上記のように外装部材２内のエア抜きが行われると、外装部材２が大気圧等によって収縮し、これに伴い外装部材２が折り曲げ部８ｂを外側から押圧する。このように、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端部が揃えられた状態で、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が外側から押圧されるので、折り曲げ層として機能する絶縁フィルム層８の折り曲げ部８ｂは崩れ防止絶縁部材としても機能している。そして、絶縁フィルム層８の折り曲げ部８ｂによって、正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が外側から保護されているので、正極と負極との接触を防止可能となっており短絡を防止することができる。

（第２実施形態）
また、折り曲げ層として上述の絶縁フィルム層８を用いる代わりに、正極集電体層３や負極集電体層４を折り曲げ層として用いることもできる。以下、第２実施形態として、正極集電体層１３を折り曲げ層として用いる態様について、図６〜図８を参照して説明する。第２実施形態において、負極集電体層は、正極集電体層１３と集電材料の種類のみが異なっており、その他の構成については正極集電体層１３と同一である。よって、以下では、正極集電体層１３及び絶縁部材１８について重点的に説明し、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する構成については説明を適宜省略する。

第２実施形態の正極集電体層１３は、積層方向に直交する面の全域に亘って広がっており、正極集電体層１３の端部は負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端部よりも更に外側に広がっている。また、図４（ａ）及び図６から理解される通り、積層方向から見たときに、正極集電体層１３の形成領域は、第１実施形態の絶縁フィルム層８の形成領域と略同一となっている。

正極集電体層１３は、積層方向から見たときに略正方形状となっており、正極集電体層１３の四辺に絶縁部材１８が塗布されている。絶縁部材１８としては、例えばＰＥＴ等を用いることができる。正極集電体層１３は、第１実施形態のスリット８ｆと同様のスリット１３ｆを角に有することにより、第１実施形態同様の図８に示されるような折り曲げ部（端部）１３ｂで折り曲げ可能となっている。

図８に示されるように、正極集電体層１３の折り曲げ部１３ｂは、正極合材層７に積層される積層部１３ａから外側に突出すると共に、積層方向に向かって折り曲げられている。折り曲げ部１３ｂは少なくとも固体電解質層６を超える位置にまで延在しており、折り曲げ部１３ｂの先端部１３ｄは負極合材層５に隣接している。また、絶縁部材１８は、折り曲げ部１３ｂの先端部１３ｄ、内側面１３ｃ及び外側面１３ｅに塗布されている。折り曲げ部１３ｂの内側面１３ｃに塗布された絶縁部材１８ｂには正極合材層７及び固体電解質層６が接触しており、折り曲げ部１３ｂの外側面１３ｅに塗布された絶縁部材１８ａには外装部材２が接触している。

以上で説明したように、第２実施形態の全固体電池では、外装部材２内の正極集電体層１３、負極集電体層、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が積層体の全域に亘って存在している。よって、第１実施形態と同様、層間の平坦性が向上されている。また、積層体の一層である正極集電体層１３の端部が折り曲げられることで折り曲げ部１３ｂを有しており、折り曲げ部１３ｂの内側面１３ｃに塗布された絶縁部材１８ｂが負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７を覆っている。従って、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が絶縁部材１８ｂに保護されることとなるので、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の欠けや破損を防止することができる。

また、外装部材２内のエア抜きが行われると、第１実施形態と同様に、正極集電体層１３、負極集電体層、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が折り曲げ部１３ｂに塗布された絶縁部材１８ｂによって内側に押圧される。従って、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端部が揃えられた状態で、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が外側から押圧されるので、折り曲げ層として機能する正極集電体層１３の内側面１３ｃに塗布された絶縁部材１８ｂが崩れ防止絶縁部材として機能している。そして、折り曲げ部１３ｂの絶縁部材１８ｂによって、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７が外側から保護されているので、第１実施形態と同様、短絡を防止できる構造となっている。

以上、本発明に係る全固体電池の実施形態を説明したが、本発明に係る全固体電池は上記実施形態に記載されたものに限定されない。本発明に係る全固体電池は、各請求項に記載した要旨を変更しないように上記実施形態に係る全固体電池を変形したものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、図２に示されるように、全固体電池１の積層体の積層順序が、負極集電体層４を有する絶縁フィルム層８、負極合材層５、固体電解質層６、正極合材層７、正極集電体層３を有する絶縁フィルム層８、正極合材層７、固体電解質層６、負極合材層５となっていたが、積層順序は上記に限定されず、例えば正極と負極を全て入れ替えるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、図８に示されるように、第２実施形態の正極集電体層１３の折り曲げ部１３ｂの内側面１３ｃ、先端部１３ｄ及び外側面１３ｅに、絶縁部材１８ａ，１８ｂ及び１８ｃが塗布されている例について説明した。しかし、折り曲げ部１３ｂにおける絶縁部材１８の態様は上記に限定されず、例えば、少なくとも内側面１３ｃに塗布すれば、折り曲げ部１３ｂの先端部１３ｄ及び外側面１３ｅには絶縁部材１８を塗布しなくてもよい。また、絶縁部材１８として塗布するタイプのものを使用せず、絶縁部材１８に代えて例えばテープ状の絶縁部材を折り曲げ部１３ｂに貼り付けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、図２等に示されるように、折り曲げ部が負極合材層５又は正極合材層７にまで延在していたが、折り曲げ部の先端部の位置は固体電解質層６を越えていればいずれの位置であってもよい。例えば、図９に示されるように正極側の絶縁フィルム層（折り曲げ層）２８が隣接する負極側の絶縁フィルム層（折り曲げ層）２８の上に覆いかぶさっても良く、また、図２に示されるように隣接する折り曲げ部同士の間にクリアランスＣを設けてもよい。このようにクリアランスＣを設けることにより、全固体電池の各層や折り曲げ部の寸法誤差を吸収することができる。

また、上記実施形態では、絶縁フィルム層８が折り曲げ部８ｂを有しており、絶縁体である折り曲げ部８ｂの内側面８ｃが正極集電体層３、負極集電体層４、負極合材層５、固体電解質層６及び正極合材層７の端面を覆っている例について説明した。しかし、この例に限られず、固体電解質層６の端面の少なくとも一部を覆っていればよい。

また、上記実施形態では、折り曲げ層が絶縁フィルム層８又は正極集電体層１３である例について説明したが、固体電解質層６以外であれば、どの層を折り曲げ層としてもよい。

１…全固体電池、２…外装部材、３，１３…正極集電体層（積層体）、４…負極集電体層（積層体）、５…負極合材層（積層体）、６…固体電解質層（積層体）、７…正極合材層（積層体）、８，２８…絶縁フィルム層（積層体、折り曲げ層）、８ｂ…折り曲げ部（折り曲げられた端部）、１３…正極集電体層（折り曲げ層）、１３ｂ…折り曲げ部（折り曲げられた端部）、１８…絶縁部材。

Claims (3)

1. 固体電解質層と、前記固体電解質層の両面のそれぞれに接触して積層された正極合材層及び負極合材層とを少なくとも含む積層体が外装部材に封入された全固体電池であって、
   前記積層体のうちの前記固体電解質層とは異なる層であって、前記固体電解質層と共に前記積層体の全域に亘って存在しており、かつ端部が前記固体電解質層側に折り曲げられた折り曲げ層を備え、
   前記折り曲げ層の折り曲げられた端部は絶縁性を有しており、前記端部は前記固体電解質層の端面の少なくとも一部を覆っている、
   全固体電池。
2. 前記積層体は、前記固体電解質層の一方側に積層された正極合材層と、前記固体電解質層の他方側に積層された負極合材層と、前記正極合材層又は前記負極合材層における前記固体電解質層の逆側に積層された絶縁フィルム層と、を含み、
   前記折り曲げ層は、前記絶縁フィルム層であり、
   前記絶縁フィルム層の積層方向において前記正極合材層又は前記負極合材層と対向する面には、集電材料が塗布されている、
   請求項１に記載の全固体電池。
3. 前記積層体は、前記固体電解質層の一方側に積層された正極合材層と、前記固体電解質層の他方側に積層された負極合材層と、前記正極合材層又は前記負極合材層における前記固体電解質層の逆側に積層された集電体層と、を含み、
   前記折り曲げ層は、前記集電体層であり、
   前記集電体層の前記端部は、絶縁体で被覆されている、
   請求項１に記載の全固体電池。

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