JP2018186001A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質を備える薄膜型のリチウムイオン二次電池の薄型化を図る。【解決手段】リチウムイオン二次電池１は、金属製の基板１０と、基板１０上に薄膜を積層して構成される電池部２０とを含む電池ユニット１００と、基板１０における電池部２０に形成面側に設けられ、基板１０とともに電池ユニット１００を封止する外装部２００とを備えており、外装部２００は、金属層３３および各種樹脂層を積層してなる積層フィルム３０を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。

正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、リチウムイオン伝導性を有し且つ正極と負極との間に介在する電解質とを含み、充放電が可能な電池部と、電池部を内部に収容することで電池部を外気等から封止する外装部とを備えたリチウムイオン二次電池が知られている。

リチウムイオン二次電池の外装部には、気体、液体および固体に対する高いバリア性が要求される。特許文献１には、金属箔層と熱融着性樹脂層とを積層してなるラミネート外装材を用い、熱融着フィルム同士を熱融着することで外装部を構成することが記載されている。

また、電池部を構成する電解質としては、従来から有機電解液等が用いられてきた。これに対し、特許文献２には、電解質として無機材料からなる固体電解質を用いるとともに、負極、固体電解質および正極をすべて薄膜で構成することが記載されている。

特開２０１６−１２９０９１号公報 特開２０１３−７３８４６号公報

ここで、薄膜型の電池部と、電池部を内部に収容する袋状の外装部とを用いてリチウムイオン二次電池を構成する場合、電池部の表裏面のそれぞれに外装部の構成材料（ラミネート外装材等）が存在することになる。このため、得られるリチウムイオン二次電池の厚さが増大するおそれがあった。
本発明は、固体電解質を備える薄膜型のリチウムイオン二次電池の薄型化を図ることを目的とする。

本発明のリチウムイオンは、二次電池正極活物質を含む正極層と、負極活物質を含む負極層と、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含み且つ当該正極層と当該負極層との間に設けられる固体電解質層とを有する電池部と、一方の面に前記電池部が積載される基板と、金属層と当該金属層に積層される樹脂層とを有し、前記基板の前記一方の面に当該金属層が対向して配置され、当該金属層と前記電池部とを導通させた状態で、当該基板との間で当該電池部を封止する積層フィルムとを含んでいる。
このようなリチウムイオン二次電池において、前記基板は、前記積層フィルムの前記金属層よりも厚いことを特徴とすることができる。
また、前記積層フィルムにおける前記金属層の一部が、前記樹脂層に覆われることなく露出していることを特徴とすることができる。
さらに、前記電池部に設けられた前記正極層と、前記積層フィルムに設けられた前記金属層とが、直接に接触していることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極層と、負極活物質を含む負極層と、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含み且つ当該正極層と当該負極層との間に設けられる固体電解質層とを有する電池部と、一方の面に前記電池部が積載されるとともに当該電池部と一体化する基板と、金属層と樹脂層とを積層してなる積層フィルムとを有し、当該金属層と当該電池部とを導通させた状態で、当該基板との間に当該電池部を挟み込むことで当該基板との間で当該電池部を封止する封止部とを含んでいる。

本発明によれば、固体電解質を備える薄膜型のリチウムイオン二次電池の薄型化を図ることができる。

（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１のリチウムイオン二次電池の全体構成を説明するための図である。 実施の形態１のリチウムイオン二次電池の断面構成を示す図であって、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１の電池ユニットの斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、積層フィルムの斜視図である。 リチウムイオン二次電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の変形例の断面構成を示す図であって、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１の変形例における電池ユニットの斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態２のリチウムイオン二次電池の全体構成を説明するための図である。 実施の形態２のリチウムイオン二次電池の断面構成を示す図であって、図８（ａ）のＩＸ−ＩＸ断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態２の電池ユニットの斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で参照する図面における各部の大きさや厚さ等は、実際の寸法とは異なっている場合がある。

＜実施の形態１＞
［リチウムイオン二次電池の構成］
図１は、実施の形態１が適用されるリチウムイオン二次電池１の全体構成を説明するための図である。ここで、図１（ａ）はリチウムイオン二次電池１を正面（表面）からみた図であり、図１（ｂ）はリチウムイオン二次電池１を背面（裏面）からみた図である。
また、図２は図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図を示している。なお、図１（ａ）は、図２をＩＡ方向からみた図であり、図１（ｂ）は、図２をＩＢ方向からみた図である。

本実施の形態のリチウムイオン二次電池１は、リチウムイオンを用いた充電および放電を行う電池部２０を含む電池ユニット１００と、電池部２０を内部に収容することで電池部２０を外気等から封止する外装部２００とを備えている。本実施の形態のリチウムイオン二次電池１は、全体としてみたときに直方体状（実際にはカード状）の形状を呈している。

［電池ユニットの構成］
電池ユニット１００は、リチウムイオン二次電池１における一方の電極（ここでは負の電極）として機能する基板１０と、基板１０の一方の面（表面と称する）に設けられる電池部２０とを備えている。本実施の形態では、後述するように、電池部２０を、基板１０の表面にスパッタ法によって形成しているため、電池ユニット１００は、基板１０と電池部２０とを一体化した構造となっている。

図３は、本実施の形態における電池ユニット１００の構成を説明するための図であり、（ａ）は正面側（図２においては上側）からみた斜視図を、（ｂ）は背面側（図２においては下側）からみた斜視図を、それぞれ示している。以下では、図１および図２に加えて図３も参照しながら、電池ユニット１００の構成を説明する。

［基板］
基板１０としては、特に限定されず、金属、ガラス、セラミックスなど、各種材料で構成されたものを用いることができる。
本実施の形態では、基板１０を、リチウムイオン二次電池１における負極集電体層として機能させる目的で、電子伝導性を有する金属製の板材で構成した。ここで、基板１０がスパッタ法による電池部２０の形成に用いられることを考慮すると、機械的強度が高いステンレス基板を用いることが好ましい。また、ニッケル、錫、銅、クロム等の導電性金属でめっきした金属板を用いてもよい。本実施の形態では、基板１０として、ステンレス基板を用いた。

基板１０の厚さは、５０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。基板１０の厚さが２０μｍ未満であると、スパッタ成膜時の取扱いが困難になり、また、正の電極として用いる場合の電気抵抗値が高くなってしまう。一方、基板１０の厚さが２００μｍを超えると、電池の厚さおよび重量の増加により体積エネルギー密度および重量エネルギー密度が低下する。また、電池の柔軟性が低下する。本実施の形態では、基板１０の厚さを５０μｍとした。

［電池部］
電池部２０は、基板１０の表面（図２においては上側）に積層される負極層２１と、負極層２１上に積層される固体電解質層２２と、固体電解質層２２上に積層される正極層２３と、正極層２３上に積層される正極集電体層２４とを有している。ここで、電池部２０の一方の端部（図２において下側）に位置する負極層２１は、基板１０の表面と接触している。これに対し、電池部２０の他方の端部（図２において上側）に位置する正極集電体層２４は、後述する積層フィルム３０に設けられた金属層３３と接触している。

では、電池部２０の各構成要素について、より詳細な説明を行う。
（負極層）
負極層２１は、固体薄膜であって、負極性にてリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質を含むものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、炭素（Ｃ）やシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。本実施の形態では、負極層２１として、ホウ素（Ｂ）が添加されたシリコン（Ｓｉ）を用いた。

負極層２１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上４０μｍ以下とすることができる。負極層２１の厚さが１０ｎｍ未満であると、得られる電池部２０の容量が小さくなりすぎ、実用的ではなくなる。一方、負極層２１の厚さが４０μｍを超えると、層形成に時間がかかりすぎるようになってしまい、生産性が低下する。本実施の形態では、負極層２１の厚さを１００ｎｍとした。

また、負極層２１は、結晶構造を持つものであっても、結晶構造を持たないアモルファスであってもかまわないが、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴う膨張および収縮がより等方的になるという点で、アモルファスであることが好ましい。

さらに、負極層２１の製造方法としては、各種ＰＶＤ（物理的蒸着）や各種ＣＶＤ（化学的蒸着）など、公知の成膜手法を用いてかまわないが、生産効率の観点からすれば、スパッタ法（スパッタリング）を用いることが望ましい。

（固体電解質層）
固体電解質層２２は、固体薄膜であって、リチウムイオン伝導性を示す無機材料（無機固体電解質）を含むものであれば、特に限定されるものではなく、酸化物、窒化物、硫化物など、各種材料で構成されたものを用いることができる。本実施の形態では、固体電解質層２２として、Ｌｉ_３ＰＯ_４における酸素の一部を窒素に置き換えたＬｉＰＯＮ（Ｌｉ_ｘＰＯ_ｙＮ_ｚ）を用いた。

固体電解質層２２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。固体電解質層２２の厚さが１０ｎｍ未満であると、得られた電池部２０において、負極層２１と正極層２３との間でのリークが生じやすくなる。一方、固体電解質層２２の厚さが１０μｍを超えると、リチウムイオンの移動距離が長くなり、充放電速度が遅くなる。本実施の形態では、固体電解質層２２の厚さを２００ｎｍとした。

また、固体電解質層２２は、結晶構造を持つものであっても、結晶構造を持たないアモルファスであってもかまわないが、熱による膨張および収縮がより等方的になるという点で、アモルファスであることが好ましい。

さらに、固体電解質層２２の製造方法としては、各種ＰＶＤや各種ＣＶＤなど、公知の成膜手法を用いてかまわないが、生産効率の観点からすれば、スパッタ法を用いることが望ましい。

（正極層）
正極層２３は、固体薄膜であって、正極性にてリチウムイオンを吸蔵および放出する正極活物質を含むものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）から選ばれる一種以上の金属を含む、酸化物、硫化物あるいはリン酸化物など、各種材料で構成されたものを用いることができる。本実施の形態では、正極層２３としてＬｉ_１．５Ｍｎ_２Ｏ_４を用いた。

正極層２３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上４０μｍ以下とすることができる。正極層２３の厚さが１０ｎｍ未満であると、得られる電池部２０の容量が小さくなりすぎ、実用的ではなくなる。一方、正極層２３の厚さが４０μｍを超えると、層形成に時間がかかりすぎるようになってしまい、生産性が低下する。本実施の形態では、正極層２３の厚さを６００ｎｍとした。

また、正極層２３は、結晶構造を持つものであっても、結晶構造を持たないアモルファスであってもかまわないが、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴う膨張および収縮がより等方的になるという点で、アモルファスであることが好ましい。

さらに、正極層２３の製造方法としては、各種ＰＶＤや各種ＣＶＤなど、公知の成膜手法を用いてかまわないが、生産効率の観点からすれば、スパッタ法を用いることが望ましい。

（正極集電体層）
正極集電体層２４は、固体薄膜であって、電子伝導性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの金属や、これらの合金を含む導電性材料を用いることができる。本実施の形態では、正極集電体層２４としてチタン（Ｔｉ）を用いた。

正極集電体層２４の厚さは、例えば５ｎｍ以上５０μｍ以下とすることができる。正極集電体層２４の厚さが５ｎｍ未満であると、集電機能が低下し、実用的ではなくなる。一方、正極集電体層２４の厚さが５０μｍを超えると、層形成に時間がかかりすぎるようになってしまい、生産性が低下する。本実施の形態では、正極集電体層２４の厚さを２００ｎｍとした。

また、正極集電体層２４の製造方法としては、各種ＰＶＤや各種ＣＶＤなど、公知の成膜手法を用いてかまわないが、生産効率の観点からすれば、スパッタ法を用いることが望ましい。

［外装部の構成］
外装部２００は、複数の層を積層してなる積層フィルム３０を有している。外装部２００では、積層フィルム３０の一方の面（以下では内側の面と呼ぶ）が、基板１０における電池部２０の形成面側と対峙している。そして、外装部２００では、積層フィルム３０の内側の面と基板１０における電池部２０の形成面とを、積層フィルム３０に設けられた熱融着性樹脂層３５（詳細は後述する）を介して電池部２０の全周囲にわたって熱融着することで、電池部２０を封止している。このとき、電池ユニット１００における基板１０の表面の一端（図１（ａ）における右側端）は、外装部２００に覆われることなく外部に露出している。これに対し、リチウムイオン二次電池１の裏面には、基板１０が全面にわたって露出するようになっている。ただし、基板１０の裏面の全面には、必要に応じて、絶縁性フィルムを貼り付けるようにしてもかまわない。ここで、本実施の形態では、基板１０および積層フィルム３０が、封止部として機能している。
また、基板１０の表面および側面は、露出させず全面を外装部２００で覆ってもよい。このとき、基板１０の裏面の一部には、必要に応じて、絶縁性フィルムを貼り付けるようにしてもかまわない。

［積層フィルム］
図４は、本実施の形態における積層フィルム３０の構成を説明するための図である。ここで、図４（ａ）は、リチウムイオン二次電池１を構成した際に電池ユニット１００と対向する内側の面の斜視図を、図４（ｂ）はリチウムイオン二次電池１を構成した際に電池ユニット１００と対向しない外側の面の斜視図を、それぞれ示している。以下では、図１〜図３に加えて図４も参照しながら、積層フィルム３０の構成を説明する。

積層フィルム３０は、耐熱性樹脂層３１と、外側接着層３２と、金属層３３と、内側接着層３４と、熱融着性樹脂層３５とを、この順でフィルム状に積層して構成されている。すなわち、積層フィルム３０は、耐熱性樹脂層３１と金属層３３と熱融着性樹脂層３５とを、外側接着層３２および内側接着層３４を介して貼り合わせることで構成されている。

また、積層フィルム３０における熱融着性樹脂層３５の形成面（内側の面）側には、熱融着性樹脂層３５および内側接着層３４が存在しないことで金属層３３の一方の面（内側の面）の一部が露出する、内側露出部３６が設けられている。ここで、内側露出部３６は、電池ユニット１００の電池部２０を収容するための部位となる。

さらに、積層フィルム３０における耐熱性樹脂層３１の形成面（外側の面）側には、外側接着層３２および耐熱性樹脂層３１が存在しないことで金属層３３の他方の面（外側の面）の一部が露出する、外側露出部３７が設けられている。

次に、積層フィルム３０の各構成要素について、より詳細な説明を行う。
（耐熱性樹脂層）
耐熱性樹脂層３１は、外装部２００における最外層であり、外部からの突き刺しや摩耗などに対する耐性が高く、且つ、熱融着性樹脂層３５を熱融着する際の融着温度では溶融しない耐熱性樹脂が用いられる。ここで、耐熱性樹脂層３１としては、熱融着性樹脂層３５を構成する熱融着性樹脂の融点より１０℃以上融点が高い耐熱性樹脂を用いるのが好ましく、この熱融着性樹脂の融点より２０℃以上融点が高い耐熱性樹脂を用いるのが特に好ましい。また、本実施の形態では、後述するように、金属層３３が電池部２０の正の電極を兼ねることから、安全性の観点より、耐熱性樹脂層３１として電気抵抗値の高い絶縁性樹脂が用いられる。

耐熱性樹脂層３１としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアミドフィルム、ポリエステルフィルム等が挙げられ、これらの延伸フィルムが好ましく用いられる。中でも、成形性および強度の点で、二軸延伸ポリアミドフィルムまたは二軸延伸ポリエステルフィルム、あるいはこれらを含む複層フィルムが特に好ましく、さらに二軸延伸ポリアミドフィルムと二軸延伸ポリエステルフィルムとが貼り合わされた複層フィルムを用いることが好ましい。ポリアミドフィルムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、６−ポリアミドフィルム、６，６−ポリアミドフィルム、ＭＸＤポリアミドフィルム等が挙げられる。また、二軸延伸ポリエステルフィルムとしては、二軸延伸ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）フィルム、二軸延伸ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等が挙げられる。本実施の形態では、耐熱性樹脂層３１としてＰＥＴフィルム（融点：２６０℃）を用いた。

耐熱性樹脂層３１の厚さは、９μｍ以上５０μｍとすることができる。耐熱性樹脂層３１の厚さが９μｍ未満であると、電池部２０の外装部２００として十分な強度を確保することが困難となる。一方、耐熱性樹脂層３１の厚さが５０μｍを超えると、電池が厚くなるため好ましくない。また、製造コストが高くなる。本実施の形態では、耐熱性樹脂層３１の厚さを１２μｍとした。

（外側接着層）
外側接着層３２は、耐熱性樹脂層３１と金属層３３とを接着するための層である。外側接着層３２としては、例えば、主剤としてのポリエステル樹脂と硬化剤としての多官能イソシアネート化合物とによる二液硬化型ポリエステル−ウレタン系樹脂、あるいは、ポリエーテル−ウレタン系樹脂を含む接着剤を用いることが好ましい。本実施の形態では、外側接着層３２として二液硬化型ポリエステル−ウレタン系接着剤を用いた。

（金属層）
金属層３３は、積層フィルム３０を用いて外装部２００を構成した場合に、外装部２００の外部から、その内部に配置された電池部２０に、酸素や水分等の侵入を阻止（バリア）する役割を担う層である。また、金属層３３は、後述するように、電池部２０の正の内部電極としての役割と、外部に設けられた負荷（図示せず）と電気的に接続される正の外部電極としての役割とをさらに担う。

金属層３３としては、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔、あるいはこれらのクラッド箔、これらの焼鈍箔または未焼鈍箔等が好ましく用いられる。また、ニッケル、錫、銅、クロム等の導電性金属でめっきした金属箔を用いてもよい。本実施の形態では、金属層３３として、ＪＩＳ Ｈ４１６０で規定されたＡ８０２１Ｈ−Ｏ材からなるアルミニウム箔を用いた。

金属層３３の厚さは、５μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。金属層３３の厚さが５μｍ未満であると、電極として用いる場合の電気抵抗値が高くなってしまう。一方、金属層３３の厚さが２００μｍを超えると、熱融着の際に熱が分散して熱融着が不完全になる可能性がある。ここで、リチウムイオン二次電池１の機械的な強度を高めるという観点からすれば、上記基板１０は、金属層３３よりも厚いことが好ましい。本実施の形態では、金属層３３の厚さを２０μｍとした。

（内側接着層）
内側接着層３４は、金属層３３と熱融着性樹脂層３５とを接着するための層である。内側接着層３４としては、例えば、ポリウレタン系接着剤、アクリル系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリオレフィン系接着剤、エラストマー系接着剤、フッ素系接着剤等により形成された接着剤を用いることが好ましい。中でも、アクリル系接着剤、ポリオレフィン系接着剤を用いるのが好ましく、この場合には、水蒸気に対する積層フィルム３０のバリア性を向上させることができる。また、酸変成したポリプロピレンやポリエチレン等の接着剤を使用することが好ましい。本実施の形態では、内側接着層３４として、ポリウレタン系接着剤を用いた。

（熱融着性樹脂層）
熱融着性樹脂層３５は、外装部２００における最内層であり、電池部２０の各層を構成する材料に対する耐性が高く、且つ、上記融着温度で溶融し、基板１０と融着する樹脂が用いられる。また、本実施の形態では、上述したように、金属層３３が電池部２０の正の電極を兼ねることから、安全性の観点より、熱融着性樹脂層３５として電気抵抗値の高い絶縁性樹脂が用いられる。

熱融着性樹脂層３５としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン系共重合体、これらの酸変性物およびアイオノマー等が好ましく用いられる。ここで、オレフィン系共重合体としては、ＥＶＡ（エチレン・酢酸ビニル共重合体）、ＥＡＡ（エチレン・アクリル酸共重合体）、ＥＭＡＡ（エチレン・メタアクリル酸共重合体）を例示できる。本実施の形態では、熱融着性樹脂層３５として低温シール性があり、金属とのシール性が良いアイオノマーフィルム（融点：９０℃）を用いた。

熱融着性樹脂層３５の厚さは、２０μｍ以上８０μｍ以下とすることができる。熱融着性樹脂層３５の厚さが２０μｍ未満であると、ピンホールが生じやすくなる。一方、熱融着性樹脂層３５の厚さが８０μｍを超えると、電池が厚くなるため好ましくない。また、断熱性が高まるため熱融着が不完全になる可能性がある。本実施の形態では、熱融着性樹脂層３５の厚さを３０μｍとした。

［リチウムイオン二次電池における電気的な接続構造］
ここで、本実施の形態のリチウムイオン二次電池１における電気的な接続構造について説明しておく。
まず、電池部２０では、負極層２１、固体電解質層２２、正極層２３および正極集電体層２４が、この順番で電気的に接続される。また、電池ユニット１００では、基板１０と電池部２０の負極層２１とが、電気的に接続される。ここで、基板１０の表面の一端側および裏面は、外装部２００に覆われることなく外部に露出しており、この部位は、負極として、外部に設けられた負荷（図示せず）と電気的に接続することが可能である。

電池部２０の正極集電体層２４は、積層フィルム３０に設けられた金属層３３の一方の面（内側の面）のうち、内側露出部３６に露出する部位と電気的に接続される。そして、積層フィルム３０に設けられた金属層３３の他方の面（外側の面）の一部は、外側露出部３７において外部に露出しており、この部位は、正極として、外部に設けられた負荷（図示せず）と電気的に接続することが可能である。

したがって、この例では、基板１０が、リチウムイオン二次電池１の負極となり、積層フィルム３０に設けられた金属層３３が、リチウムイオン二次電池１の正極となる。ここで、負極側となる基板１０と、正極側となる金属層３３とは、積層フィルム３０に設けられた熱融着性樹脂層３５によって、電気的に絶縁されている。

［リチウムイオン二次電池の動作］
本実施の形態のリチウムイオン二次電池１を充電する場合、負極集電体層として機能する基板１０には直流電源の負極が、正極集電体層２４には直流電源の正極が、それぞれ接続される。そして、正極層２３で正極活物質を構成するリチウムイオンが、固体電解質層２２を介して負極層２１へと移動し、負極層２１で負極活物質に収容される。

また、充電したリチウムイオン二次電池１を使用（放電）する場合、負極集電体層として機能する基板１０には直流負荷の負極が、正極集電体層２４には直流負荷の正極が、それぞれ接続される。そして、負極層２１で負極活物質に収容されるリチウムイオンが、固体電解質層２２を介して正極層２３へと移動し、正極層２３で正極活物質を構成する。

［リチウムイオン二次電池の製造方法］
図５は、図１等に示すリチウムイオン二次電池１の製造方法を説明するためのフローチャートである。

（電池ユニット作製工程）
まず、基板１０の表面に電池部２０を形成する（ステップ１０）。すなわち、基板１０の表面に、負極層２１、固体電解質層２２、正極層２３および正極集電体層２４をこの順で形成することで、基板１０と電池部２０とを含む電池ユニット１００を得る。なお、ここでは、負極層２１、固体電解質層２２、正極層２３および正極集電体層２４のそれぞれを、スパッタ法を用いて作製した。

（積層フィルム露出部形成工程）
続いて、耐熱性樹脂層３１と金属層３３と熱融着性樹脂層３５とを、外側接着層３２および内側接着層３４を介して貼り合わせてなる積層フィルム３０から、耐熱性樹脂層３１、外側接着層３２、内側接着層３４および熱融着性樹脂層３５の一部を除去する。これにより、積層フィルム３０に、内側露出部３６および外側露出部３７を形成する（ステップ２０）。

（融着工程）
次いで、例えばＮ_２ガス等の不活性ガスが充填された作業ボックス内に、電池ユニット１００と、積層フィルム３０とを導入する。そして、作業ボックス内で、電池ユニット１００の電池部２０に設けられた正極集電体層２４と、積層フィルム３０に設けられた内側露出部３６とを対峙させる。

その後、作業ボックス内を負圧に設定した状態で、積層フィルム３０における熱融着性樹脂層３５と電池ユニット１００の基板１０とを、電池部２０の周縁の外側全周にわたって、加圧および加熱しながら融着する（ステップ３０）。そして、熱融着性樹脂層３５と基板１０とが熱融着されることにより、基板１０および電池部２０を含む電池ユニット１００と、積層フィルム３０を含む外装部２００とを備えた、リチウムイオン二次電池１が得られる。

このとき、電池ユニット１００では、基板１０と電池部２０とが、スパッタ法による成膜により接合（一体化）した状態となっている。また、電池部２０の正極集電体層２４と、積層フィルム３０の金属層３３とは、積層フィルム３０の熱融着性樹脂層３５と基板１０とを負圧で熱融着することにより、密着した状態となっている。

［実施の形態１のまとめ］
以上説明したように、本実施の形態によれば、金属製の基板１０の表面に電池部２０を形成してなる電池ユニット１００に対し、電池部２０側を外装部２００の積層フィルム３０で覆うようにした。すなわち、本実施の形態では、外装部２００を構成する積層フィルム３０とともに、電池ユニット１００を構成する基板１０を、電池部２０の封止に用いるようにした。これにより、電池ユニット１００における基板１０の両面を積層フィルム３０で覆って、電池部２０を封止する場合と比較して、リチウムイオン二次電池１の構成の簡易化を図ることができる。また、その結果、リチウムイオン二次電池１の薄型化を図ることができる。

［その他］
なお、本実施の形態では、基板１０上に、負極層２１、固体電解質層２２および正極層２３を、この順番で積層した構成を採用しているが、これに限られるものではない。例えば基板１０上に、正極層２３、固体電解質層２２および負極層２１の順に積層した構成を採用してもよい。また、この場合には、負極層２１の上に、電子伝導性を有する固体薄膜からなる負極集電体層を設けるとよい。

＜実施の形態１の変形例＞
実施の形態１のリチウムイオン二次電池１では、電池部２０が正極集電体層２４を有していたが、正極集電体層２４は必須ではない。
図６は、実施の形態１の変形例を説明するための図であって、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。また、図７（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１の変形例における電池ユニット１００の斜視図である。

実施の形態１の変形例において、電池ユニット１００を構成する電池部２０は、基板１０の一方の面に積層される負極層２１と、負極層２１に積層される固体電解質層２２と、固体電解質層２２に積層される正極層２３とを備えている。そして、電池部２０の他方の端部（図６においては上側）に位置する正極層２３は、積層フィルム３０の内側露出部３６に露出する金属層３３と、直接に接触している。

このような構成を採用することにより、実施の形態１で説明した構成と比較して、リチウムイオン二次電池１の構造を簡易にすることができる。

ただし、本変形例のように、電池部２０に正極集電体層２４を設けない構成を採用する場合は、正極層２３として、Ｌｉ_１．５Ｍｎ_２Ｏ_４よりも金属との接触抵抗が小さいＬｉＮｉＯ_２を用いることが好ましい。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、導電性を有する金属性の基板１０を用いることで、基板１０を電池部２０の負極集電体層として機能させていた。これに対し、本実施の形態は、絶縁性の基板１０を用いるとともに、別に負極集電体層を設けるようにしたものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様のものについては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

［リチウムイオン二次電池の構成］
図８は、実施の形態２が適用されるリチウムイオン二次電池１の全体構成を説明するための図である。ここで、図８（ａ）はリチウムイオン二次電池１を正面（表面）からみた図であり、図８（ｂ）はリチウムイオン二次電池１を背面（裏面）からみた図である。
また、図９は図８（ａ）のＩＸ−ＩＸ断面図を示している。なお、図８（ａ）は、図９をＶＩＩＩＡ方向からみた図であり、図８（ｂ）は、図９をＶＩＩＩＢ方向からみた図である。

本実施の形態のリチウムイオン二次電池１も、リチウムイオンを用いた充電および放電を行う電池部２０を含む電池ユニット１００と、電池部２０を内部に収容することで電池部２０を外気等から封止する外装部２００とを備えている。

［電池ユニットの構成］
電池ユニット１００は、基板１０と、基板１０の一方の面（表面と称する）に設けられる電池部２０とを備えている。本実施の形態の電池ユニット１００も、基板１０と電池部２０とを一体化した構造となっている。

図１０は、本実施の形態における電池ユニット１００の構成を説明するための図であり、（ａ）は正面側（図９においては上側）からみた斜視図を、（ｂ）は背面側（図９においては下側）からみた斜視図を、それぞれ示している。以下では、図８および図９に加えて図１０も参照しながら、電池ユニット１００の構成を説明する。

［基板］
本実施の形態では、基板１０として、絶縁性を有する無機材料製の板材で構成した。ここで、本実施の形態の基板１０としては、例えばアルミナやジルコニア等の多結晶材料、シリカガラス等のアモルファス材料、サファイア等の単結晶材料等を用いることができる。

基板１０の厚さは、５０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。基板１０の厚さが５０μｍ未満であると、スパッタ成膜時の取り扱いが困難となる。一方、基板１０の厚さが５００μｍを超えると、電池の厚さおよび重量の増加により体積エネルギー密度および重量エネルギー密度が低下する。本実施の形態では、基板１０の厚さを３００μｍとした。

［電池部］
電池部２０は、基板１０の表面（図９においては上側）に積層される負極集電体層２５と、負極集電体層２５の上に積層される負極層２１と、負極層２１上に積層される固体電解質層２２と、固体電解質層２２上に積層される正極層２３と、正極層２３上に積層される正極集電体層２４とを有している。ここで、電池部２０の一方の端部（図９において下側）に位置する負極集電体層２５は、基板１０の表面と接触している。これに対し、電池部２０の他方の端部（図９において上側）に位置する正極集電体層２４は、後述する積層フィルム３０に設けられた金属層３３と接触している。なお、電池部２０を構成する負極層２１、固体電解質層２２、正極層２３および正極集電体層２４については、実施の形態１のところで説明したものと同じものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

（負極集電体層）
負極集電体層２５は、固体薄膜であって、電子伝導性を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの金属や、これらの合金を含む導電性材料を用いることができる。本実施の形態では、負極集電体層２５としてチタン（Ｔｉ）を用いた。

負極集電体層２５の厚さは、例えば５ｎｍ以上５０μｍ以下とすることができる。負極集電体層２５の厚さが５ｎｍ未満であると、集電機能が低下し、実用的ではなくなる。一方、負極集電体層２５の厚さが５０μｍを超えると、層形成に時間がかかりすぎるようになってしまい、生産性が低下する。本実施の形態では、負極集電体層２５の厚さを２００ｎｍとした。

また、負極集電体層２５の製造方法としては、各種ＰＶＤや各種ＣＶＤなど、公知の成膜手法を用いてかまわないが、生産効率の観点からすれば、スパッタ法を用いることが望ましい。

ここで、負極集電体層２５は、基板１０の表面の全領域にわたって形成（積層）されている。これに対し、負極集電体層２５とともに電池部２０を構成する負極層２１〜正極集電体層２４は、負極集電体層２５の表面の一部領域に形成（積層）されている。

そして、本実施の形態では、電池ユニット１００と、積層フィルム３０からなる外装部２００とを、基板１０の表面に設けられた負極集電体層２５の一部が外部に露出するように貼り合わせることで、リチウムイオン二次電池１を構成している。その結果、負極集電体層２５の一部は、外部に露出することで外部との電気的な接続に用いられる露出部２５ａとなる。

［実施の形態２のまとめ］
以上説明したように、本実施の形態によれば、基板１０を、金属ではなく無機絶縁材料で構成しているので、実施の形態１で説明した効果に加えて、リチウムイオン二次電池１の硬度をより高くしやすく、重量をより軽くしやすくすることができる。また、リチウムイオン二次電池１を収めるケース側への漏電が問題視される場合は、本実施の形態の構成を採用することにより、電池側で絶縁を取ることが可能となる。

［その他］
なお、上述した実施の形態１の変形例と同じく、本実施の形態においても、正極集電体層２４は必須ではなく、電池部２０の正極層２３と、積層フィルム３０の金属層３３とを、直接に接触させるようにしてもかまわない。

１…リチウムイオン二次電池、１０…基板、２０…電池部、２１…負極層、２２…固体電解質層、２３…正極層、２４…正極集電体層、３０…積層フィルム、３１…耐熱性樹脂層、３２…外側接着層、３３…金属層、３４…内側接着層、３５…熱融着性樹脂層、３６…内側露出部、３７…外側露出部、１００…電池ユニット、２００…外装部

Claims (5)

1. 正極活物質を含む正極層と、負極活物質を含む負極層と、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含み且つ当該正極層と当該負極層との間に設けられる固体電解質層とを有する電池部と、
   一方の面に前記電池部が積載される基板と、
   金属層と当該金属層に積層される樹脂層とを有し、前記基板の前記一方の面に当該金属層が対向して配置され、当該金属層と前記電池部とを導通させた状態で、当該基板との間で当該電池部を封止する積層フィルムと
   を含むリチウムイオン二次電池。
2. 前記基板は、前記積層フィルムの前記金属層よりも厚いことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記積層フィルムにおける前記金属層の一部が、前記樹脂層に覆われることなく露出していることを特徴とする請求項１または２記載のリチウムイオン二次電池。
4. 前記電池部に設けられた前記正極層と、前記積層フィルムに設けられた前記金属層とが、直接に接触していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のリチウムイオン二次電池。
5. 正極活物質を含む正極層と、負極活物質を含む負極層と、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含み且つ当該正極層と当該負極層との間に設けられる固体電解質層とを有する電池部と、
   一方の面に前記電池部が積載されるとともに当該電池部と一体化する基板と、金属層と樹脂層とを積層してなる積層フィルムとを有し、当該金属層と当該電池部とを導通させた状態で、当該基板との間に当該電池部を挟み込むことで当該基板との間で当該電池部を封止する封止部と
   を含むリチウムイオン二次電池。

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