JP6745890B2

JP6745890B2 - 全固体電池

Info

Publication number: JP6745890B2
Application number: JP2018541957A
Authority: JP
Inventors: 竜治河野; 鈴木　修一; 修一鈴木; 阿部　誠; 阿部　　誠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: KR20190002611A; JPWO2018061458A1; WO2018061458A1; KR102158246B1; CN109314281B; CN109314281A

Description

本発明は、全固体電池に関する。

全固体電池中で複数の電極体を積層させることで電気的な並列接続を構成し、全固体電池を電気的に直列接続する技術として、特許文献１がある。特許文献１には、第１電極層１２と固体電解質層１３と第２電極層１１とを備えた積層体１９を有する固体電池１０において、第１電極層１２と第２電極層１１は互いに逆方向に引き出され、それぞれ積層体１９の側面の第１内部端子２１及び第２内部端子２３に接続され、さらに第１内部端子２１上に形成され第１内部端子２１の一部を露出するよう接続される第１外部端子２２と、第２内部端子２３上に形成され第２内部端子２３の一部を露出するよう接続される第２外部端子２４とを有し、第２外部端子２４は積層体１９の上面まで延在し、第１外部端子２２は積層体１９の下面まで延在している固体電池１０が開示されている。特許文献２には、素電池が複数積層された第１の積層電池、及び、素電池が複数積層された第２の積層電池、を備えた電池であって、第１の積層電池及び第２の積層電池はそれぞれ複数の集電体を備えており、複数の集電体は、素電池の積層方向に直交した方向に突出した突出部を備えており、突出部において、複数の集電体が導電性を有するペースト又は該ペーストの固化したものからなる導電部によって接続され、導電部と素電池に備えられる発電要素との間には絶縁部が備えられ、第１の積層電池の導電部と第２の積層電池の導電部とが、導電部材によって接続されている、電池とする。

特開2016-1602号公報特開2013-98135号公報

特許文献１では、積層体の上面における第２外部端子と前記固体電池に隣接する別の固体電池の積層体の下面における第１外部端子とが直接接続することで、固体電池同士が互いにかみ合い、ケースに搭載しても固体電池の脱落を防止している。隣接する固体電池を直列に接続するために、第１外部端子および第２外部端子を設ける工程が必要となり、全固体電池の生産性が低下する可能性がある。

特許文献２では、第１の積層電池１０の導電部４１及び第２の積層電池２０の導電部４３は、導電部材４０によって接続されており、第１の積層電池１０と第２の積層電池２０とが直列に接続されている。この場合、第１の積層電池１０と第２の積層電池２０とを直列に接続するために、導電部材４０を設ける工程が必要となり、全固体電池の生産性が低下する可能性がある。

本発明は、全固体電池の生産性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

電池ユニットを複数有し、電池ユニットは、正極集電体および正極集電体の両面に形成された正極合材層を有する両側正極と、負極集電体および負極集電体の両面に形成された負極合材層を有する両側負極と、正極集電体および正極集電体の一方面に形成された正極合材層を有し、正極集電体の他方面は正極集電体が露出している片側正極と、負極集電体および負極集電体の一方面に形成された負極合材層を有し、負極集電体の他方面は負極集電体が露出している片側負極と、前記両側正極と前記両側負極との間、及び、前記両側正極と前記片側負極との間、及び、前記両側負極と前記片側正極との間にそれぞれ位置する電解質層と、を有し、前記両側正極における前記正極集電体及び前記片側正極における前記正極集電体は、それぞれ正極タブを有し、前記両側負極における前記負極集電体及び前記片側負極における前記負極集電体は、それぞれ負極タブを有し、前記正極タブ同士および前記負極タブ同士が接合され、前記両側正極と前記両側負極とが交互に積層されて、前記電池ユニット中で電気的な並列接続が構成され、前記電池ユニットにおける積層方向の端部に、前記片側正極の正極合材層と前記電解質層とが対向し、前記片側負極の負極合材層と前記電解質層とが対向するように位置し、隣接する電池ユニットの一方の電池ユニットの片側正極における正極集電体および他方の電池ユニットの片側負極における負極集電体が積層方向で接続されることで、複数の電池ユニットは電気的な直列接続が構成される全固体電池。

本発明により、全固体電池の生産性を向上できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。全固体電池２０００は、複数の電池ユニット１０００を有する。複数の電池ユニット１０００において隣接する電池ユニット１０００同士は、積層方向で電気的に直列に接続されている。複数の電池ユニット１０００は、それぞれ負極タブ１５４および正極タブ２５４を有している。

図２は、本発明の一実施形態に係る電池ユニットの模式図である。電池ユニット１０００は、片側負極１００、両側正極２５０、電解質層３００、両側負極１５０、片側正極２００を有する。以下では、片側負極１００または片側正極２００を片側電極と称する場合がある。また、両側正極２５０または両側負極１５０を両側電極と称する場合がある。

両側正極２５０は、二つの正極合材層２５１、正極集電体２５２を有する。両側正極２５０において、正極集電体２５２の両面に正極合材層２５１が形成されている。片側正極２００は、正極合材層２５１、正極集電体２５２を有する。片側正極２００において、正極集電体２５２の片面に正極合材層２５１が形成されており、もう一方の面は正極集電体２５２が露出している。

両側負極１５０は、二つの負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。両側負極１５０において、負極集電体１５２の両面に負極合材層１５１が形成されている。片側負極１００は、負極合材層１５１、負極集電体１５２を有する。片側負極１００において、負極集電体１５２の片面に負極合材層１５１が形成されており、もう一方の面は負極集電体１５２が露出している。

両側正極２５０、電解質層３００、両側負極１５０が積層されて電極体４００が構成される。複数の電極体４００が積層され、電極体４００中の正極集電体２５２（正極タブ２５４）同士および負極集電体１５２（負極タブ１５４）が接続されることで、電池ユニット１０００中で電気的な並列接続が構成される。片側負極１００、電解質層３００、複数の電極体４００、電解質層３００、片側正極２００が積層されて電池ユニット１０００が構成される。

積層方向における電池ユニット１０００の端部には片側負極１００および片側正極２００が形成されており、負極集電体１５２および正極集電体２５２が露出している。これにより、ある電池ユニット１０００に別の電池ユニット１０００を積層させるだけで、隣接する電池ユニット１０００同士を直列に接続でき、全固体電池２０００中で電気的な多直多並列を構成できる。

＜正極合材層２５１＞
正極合材層２５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。正極活物質としては、ＬｉＣｏ系酸化物、ＬｉＮｉ系複合酸化物、ＬｉＭｎ系複合酸化物な、Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｍｎ複合酸化物、ＬｉＦｅＰ系酸化物などが上げられる。正極合材層２５１中に、正極合材層２５１内の電子伝導性を担う導電材や、正極合材層２５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには正極合材層２５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

正極合材層２５１を作製する方法として、正極合材層２５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを正極集電体２５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、正極合材層２５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、正極合材層２５１が形成する。

＜正極集電体２５２＞
正極集電体２５２は、正極塗工部２５３および正極タブ２５４を有する。正極塗工部２５３上に正極合材層２５１が形成されている。正極タブ２５４上の一部または全部には正極合材層２５１が形成されていない。正極タブ２５４は、発電した電気を外部に取り出すために配置されており、両側正極２５０または片側正極２００の一辺から突出している。図２では、正極タブ２５４は後述する負極タブ１５４と同じ方向に突出しているが、異なる方向から突出していてもよい。正極タブ２５４および負極タブ１５４が同方向に突出していることにより、電池ユニット１０００中の正極タブ２５４および負極タブ１５４の占有面積を小さくすることができ、電池ユニット１０００のエネルギー密度を向上できる。以下では、正極タブ２５４または負極タブ１５４を電極タブと称する場合がある。

電池ユニット１０００中のそれぞれの正極タブ２５４は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳している。電池ユニット１０００中の複数の正極タブ２５４同士は、例えば超音波接合で接合される。電池ユニット１０００を個別に作製する場合、超音波接合時に他の電池ユニット１０００が干渉しない。また、同じ部材同士が超音波接合で接合され、異材を含まずに超音波接合で接合されるため、接続信頼性が高い。

図１では、隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士は、電池ユニット１０００を積層方向から見たとき重畳しているが、重畳していなくてもよい。また、図１では、隣接する電池ユニット１０００において、一方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、他方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、を重畳させているが、一方の電池ユニット１０００における接合された複数の正極タブ２５４と、他方の電池ユニット１０００における接合された複数の負極タブ１５４と、を重畳させてもよい。隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士（または複数の正極タブ２５４と複数の負極タブ１５４）を、電池ユニット１０００を積層方向から見たときに重畳させることにより、電池ユニット１０００を樹脂成型体で収納する場合、同一の樹脂成型体でそれぞれの電池ユニット１０００を収納できる。図１では、隣接する電池ユニット１０００が直列接続されているので、隣接する電池ユニット１０００中の接合された複数の正極タブ２５４同士は絶縁されていることが望ましい。

正極集電体２５２には、アルミニウム箔や孔径０．１〜１０ｍｍのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡アルミニウム板などが用いられる。材質は、アルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用できる。正極集電体２５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜負極合材層１５１＞
負極合材層１５１には、少なくともＬｉの吸蔵・放出が可能な正極活物質が含まれている。負極活物質としては、天然黒鉛、ソフトカーボン、非晶質炭素などの炭素系材料、Ｓｉ（シリコン）金属やＳｉ合金、チタン酸リチウム、リチウム金属などが上げられる。負極合材層１５１中に、負極合材層１５１内の電子伝導性を担う導電材や、負極合材層１５１内の材料間の密着性を確保するバインダ、さらには負極合材層１５１内のイオン伝導性を確保するための固体電解質を含めてもよい。

負極合材層１５１を作製する方法として、負極合材層１５１に含まれる材料を溶媒に溶かしてスラリー化し、それを負極集電体１５２上に塗工する。塗工方法に特段の限定はなく、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などの従前の方法を利用できる。その後、溶媒を除去するための乾燥、負極合材層１５１内の電子伝導性、イオン伝導性を確保するためのプレス工程を経て、負極合材層１５１が形成する。

＜負極集電体１５２＞
負極集電体１５２は、負極塗工部１５３および負極タブ１５４を有する。負極塗工部１５３および負極タブ１５４の構成は、概ね正極塗工部２５３および正極タブ２５４の構成と同様である。

負極集電体１５２には、銅箔や孔径０．１〜１０ｍｍの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡銅板などが用いられ、材質は、銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用できる。負極集電体１５２の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍである。全固体電池のエネルギー密度と電極の機械強度両立の観点から１〜１００μｍ程度が望ましい。

＜電解質層３００＞
電解質層３００には固体電解質が含まれる。固体電解質として、Ｌｉ_１０Ｇｅ_２ＰＳ_１２、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏなどの酸化物系、イオン液体や常温溶融塩などを有機高分子や無機粒子などに担持させたポリマー型、半固体電解質等、全固体電池の動作温度範囲内で流動性を示さない材料が挙げられる。電解質層３００は、粉体の圧縮、結着材との混合、スラリー化した固体電解質層の離型材への塗布や担持体への含浸などにより形成する。電解質層３００の厚さは全固体電池のエネルギー密度、電子絶縁性の確保等の観点から数ｎｍ〜数ｍｍのサイズであることが望ましい。

図３は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。図３では、積層方向において、複数の電池ユニット１０００の間に放熱板５００が形成されている。複数の電池ユニット１０００の間に放熱板５００が形成されていることにより、電池ユニット１０００内で温度分布が発生することに伴う電池特性のばらつきを低減できる。放熱板５００の材料としてはアルミ、銅、ステンレス鋼等が挙げられる。

図３では、放熱板５００は放熱板突出部５１０を有している。放熱板突出部５１０は、電池ユニット１０００外で積層方向に延伸している。放熱板突出部５１０は、隣接する電池ユニット１０００の直列接続の端子として、電圧を検出できる。放熱板５００として放熱板突出部５１０がない構成でも、放熱板突出部５１０が面内方向に延伸していても構わない。放熱板突出部５１０が電池ユニット１０００外で積層方向に延伸していることにより、放熱板突出部５１０が面内方向に延伸する場合に比べて、全固体電池２０００中の放熱板突出部５１０の占有面積を小さくすることができ、全固体電池２０００のエネルギー密度を向上できる。

全固体電池２０００がケース３０００に収納される場合、放熱板突出部５１０は、絶縁性を備えた厚さ１ｍｍ程度の熱伝導シート（図示せず）を介してケース３０００に接触している。これにより、電池ユニット１０００で発生した熱は、放熱板５００、放熱板突出部５１０、熱伝導シートを介してケース３０００に移動し、ケース３０００表面からケース３０００外部へ放散される。ケース３０００の材料としては、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル／ステンレス鋼のクラッド材等が挙げられる。また、これらは予め全固体電池２０００と接する部分に絶縁被覆が施されていてもよい。

図４は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。全固体電池２０００として、複数の電池ユニット１０００それぞれに樹脂成型体６００を有している。複数の電池ユニット１０００それぞれは樹脂成型体６００に収納されている。樹脂成型体６００には、複数の電池ユニット１０００を収納する際に、接合された複数の負極タブ１５４および接合された複数の正極タブ２５４を通すための電極タブ用間隙６１０が形成されている。樹脂成型体６００を有することにより、複数の電池ユニット１０００を積層させる際の位置決めが可能となる。また、複数の電池ユニット１０００同士の位置決めも可能となる。

樹脂成型体６００の材料としては、ＰＢＴ樹脂、ＰＰ樹脂等の絶縁樹脂材が挙げられる。図４では、樹脂成型体６００の底面に放熱板５００が形成されているが、樹脂成型体６００の底面に放熱板５００がない構成でも構わない。樹脂成型体６００の底面に放熱板５００がない場合、隣接する複数の電池ユニット１０００同士の電気的な直列接続を確保するために、樹脂成型体６００の底面は空洞になっていることが望ましい。

図４では、樹脂成型体６００は、複数の電池ユニット１０００それぞれに形成されているが、樹脂成型体６００を一つにして、一つの樹脂成型体６００の中に複数の電池ユニット１０００それぞれを形成してもよい。

図４では、放熱板突出部５１０を電池ユニット１０００外に出すために樹脂成型体６００の側面に放熱板突出部５１０を貫通させるための空間が形成されているが、放熱板突出部５１０を樹脂成型体６００に接触させることで、電池ユニット１０００内で発生した熱を、放熱板突出部５１０および樹脂成型体６００を介して、全固体電池２０００外に放出できる。

図５は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。図５では、片側電極中の電極集電体の厚さを両面電極中の電極集電体の厚さよりも大きくしている。片側負極１００の上部に片側負極集電体１６０が形成され、片側正極２００の下部に片側正極集電体２６０が形成されている。片側負極集電体１６０または片側正極集電体２６０を、片側電極集電体と称する場合がある。片側電極中の電極集電体の厚さを両面電極中の電極集電体の厚さよりも大きくすることにより、片側電極集電体内の電極タブ内の電流密度が緩和され、局所的な温度上昇を低減できる。

図５では、片側負極１００中の片側負極集電体１６０の厚さを両側負極１５０中の負極集電体１５２の厚さよりも大きくし、片側正極２００中の片側正極集電体２６０の厚さを両側正極２５０中の正極集電体２５２の厚さよりも大きくしているが、一方の電極のみの厚さの大小を変えてもよい。また、片側電極中の電極集電体の電極タブだけを両面電極中の電極集電体の電極タブ部の厚さより大きくして、片側電極中の電極塗工部の厚さと両面電極中の電極塗工部の厚さとを同じにしてもよい。

図６は、本発明の一実施形態に係る全固体電池の模式図である。図６において、片側電極は電極集電体を複数枚有しており、電極集電体が積層されて構成されている。電極集電体を複数枚とし、電極集電体を積層させることにより、複数の電極タブに電流が分散され、電極タブ内の電流密度が緩和され、局所的な温度上昇を低減できる。図６では、片側負極１００は負極集電体１５２を複数枚有しており、負極集電体１５２が積層されることで片側負極積層集電体１７０が構成されている。また、片側正極２００は正極集電体２５２を複数枚有しており、正極集電体２５２は積層されることで片側正極積層集電体２７０が構成されている。

片側電極中の複数の電極タブを予め曲げ成型としてもよい。片側電極中の複数の電極タブを予め曲げ成型とすることにより、両側電極中の電極集電体の電極タブを超音波接合するときのベースにすることができる。

図６では、片側負極１００は負極集電体１５２を複数枚有しており、複数枚の負極集電体１５２を積層した片側負極積層集電体１７０とされ、片側正極２００は正極集電体２５２を複数枚有しており、複数枚の正極集電体２５２を積層した片側正極積層集電体２７０とされているが、一方の片側電極のみの電極集電体を複数枚としてもよい。図６では、片側負極１００中の負極集電体１５２の枚数と片側正極２００中の正極集電体２５２の枚数とを同じにしているが、異なる枚数にしてもよい。熱伝導率および電気伝導率の観点から、主にアルミで形成される片側正極２００中の正極集電体２５２の枚数を多くする、具体的には、片側負極１００中の負極集電体１５２の枚数より片側正極２００中の正極集電体２５２の枚数を多くすることが望ましい。

１００片側負極
１５０両側負極
１５１負極合材層
１５２負極集電体
１５３負極塗工部
１５４負極タブ
１６０片側負極集電体
１７０片側負極積層集電体
２００片側正極
２５０両側正極
２５１正極合材層
２５２正極集電体
２５３正極塗工部
２５４正極タブ
２６０片側正極集電体
２７０片側正極積層集電体
３００電解質層
４００電極体
５００放熱板
５１０放熱板突出部
６００樹脂成型体
６１０電極タブ用間隙
１０００電池ユニット
２０００全固体電池
３０００ケース

Claims

電池ユニットを複数有し、
前記電池ユニットは、
正極集電体および前記正極集電体の両面に形成された正極合材層を有する両側正極と、
負極集電体および前記負極集電体の両面に形成された負極合材層を有する両側負極と、
前記正極集電体および前記正極集電体の一方面に形成された前記正極合材層を有し、前記正極集電体の他方面は前記正極集電体が露出している片側正極と、
前記負極集電体および前記負極集電体の一方面に形成された前記負極合材層を有し、前記負極集電体の他方面は前記負極集電体が露出している片側負極と、
前記両側正極と前記両側負極との間、及び、前記両側正極と前記片側負極との間、及び、前記両側負極と前記片側正極との間にそれぞれ位置する電解質層と、を有し、
前記両側正極における前記正極集電体及び前記片側正極における前記正極集電体は、それぞれ正極タブを有し、
前記両側負極における前記負極集電体及び前記片側負極における前記負極集電体は、それぞれ負極タブを有し、
前記正極タブ同士および前記負極タブ同士が接合され、前記両側正極と前記両側負極とが交互に積層されて、前記電池ユニット中で電気的な並列接続が構成され、
前記電池ユニットにおける積層方向の端部に、前記片側正極の正極合材層と前記電解質層とが対向し、前記片側負極の負極合材層と前記電解質層とが対向するように位置し、
隣接する前記電池ユニットの一方の前記電池ユニットの片側正極における前記正極集電体および他方の前記電池ユニットの前記片側負極における前記負極集電体が積層方向で接続されることで、複数の前記電池ユニットは電気的な直列接続が構成される全固体電池。
請求項１の全固体電池において、
積層方向において、隣接する前記電池ユニットの間に放熱板が形成される全固体電池。
請求項１の全固体電池において、
複数の前記電池ユニットは樹脂成型体に収納される全固体電池。
請求項１の全固体電池において、
前記片側正極における前記正極集電体の厚さは前記両側正極における前記正極集電体の厚さより大きい、または、前記片側負極における前記負極集電体の厚さは前記両側負極における前記負極集電体の厚さより大きい、全固体電池。
請求項４の全固体電池において、
前記片側正極は、前記正極集電体を複数枚積層することで構成された片側正極積層集電体を有しており、または、前記片側負極は、前記負極集電体を複数枚積層することで構成された片側負極積層集電体を有している全固体電池。