(57)【要約】【課題】安定した性能を有する蓄電デバイスを作製するための電極封入体を提供する。【解決手段】電極封入体１は、電極積層体２と、電極積層体２を収容する容器３とを備える。電極積層体２は、正極２１と、負極２２と、固体電解質２３とを含む。容器３は、電極積層体２の積層方向Ｘにおける最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部３１と、電極積層体２の端面と対向する第二壁部３２と、を備える。電極積層体２の周辺部２ｂには電極積層体２の中央部２ａよりも大きな圧縮応力が電極積層体２の積層方向Ｘに印加されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されている、
ことを特徴とする電極封入体。
【請求項２】
前記固体電解質は、高分子を含有する、
請求項１に記載の電極封入体。
【請求項３】
前記電極積層体は複数積層されている、
請求項１又は２に記載の電極封入体。
【請求項４】
前記容器は、角型である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の電極封入体。
【請求項５】
前記第二壁部と前記電極積層体の端面との間にはクリアランスが設けられており、前記クリアランスは前記電極封入体の長さの０．３〜５．０％である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の電極封入体。
【請求項６】
前記積層方向に対向する前記第一壁部の周辺部の内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の前記電極積層体の周辺部の厚みよりも小さい、
請求項１から５のいずれか１項に記載の電極封入体。
【請求項７】
前記第一壁部の周辺部と前記電極積層体の周辺部との間には、前記電極積層体の周辺部を積層方向に押圧する弾性部材が配置されている、
請求項１から６のいずれか１項に記載の電極封入体。
【請求項８】
前記第一壁部の周辺部はその外面側から前記積層方向に押圧されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の電極封入体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の電極封入体から作製された蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極封入体及び蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスは、ハイブリッド自動車や携帯端末の電源として使用されている。また、固体電解質を使用する蓄電デバイスは、電解液を使用しないため液漏れ等のおそれがなく、安全性が高いことが知られている。このような蓄電デバイスは、主として、電極積層体と、電極積層体を収容する外装部材（容器）とを備えている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０６２１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、蓄電デバイスを製造する際には、電極積層体を外装部材内に収容した後、外装部材内を減圧して密閉する方法が用いられることがある。外装部材の壁部は適度な剛性を有しているため、外装部材内を減圧した場合、外装部材は外圧によって均一に撓まず、外装部材の壁部が電極積層体に及ぼす応力に偏りが生じる。特に、壁部の中央部は撓みやすく、一方、壁部の周辺部は撓みにくいため、壁部の中央部から電極積層体の中央部へは応力が伝播されやすいのに対し、壁部の周辺部から電極積層体の周辺部へは応力が伝播されにくい。その結果、電極積層体の中央部に比べて周辺部に掛かる圧縮応力は小さくなり、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一にならず、特に電解液を持たない蓄電デバイスの性能が安定しないという問題がある。
【０００５】
本発明は、安定した性能を有する蓄電デバイスを作製するための電極封入体、及び、当該電極封入体から作製された蓄電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されている、
ことを特徴とする。
【０００７】
前記の通り、容器に対して容器外から応力が印加されたとき、電極積層体の中央部は容器から応力が伝播されやすいのに対し、電極積層体の周辺部は容器から応力が伝播されにくい。そこで、容器に応力が印加される前に、あらかじめ電極積層体の周辺部に電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加しておくことで、容器に応力が印加されたときに、電極積層体の中央部に掛かる圧縮応力と周辺部に掛かる圧縮応力とを均一にすることができる。その結果、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一になり、蓄電デバイスの性能を安定化することができる。
【０００８】
本発明の電極封入体において、前記固体電解質は高分子を含有することが好ましい。
【０００９】
高分子は弾性を有しているため、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一になりやすい。
【００１０】
本発明の電極封入体において、前記電極積層体は複数積層されていることが好ましい。
【００１１】
電極積層体が複数積層されていることにより、高電圧が得られ大きな電力を取り出すことできる。
【００１２】
本発明の電極封入体において、前記容器は角型であることが好ましい。
【００１３】
容器が角型の場合には、第一壁部の中央部に比べて第一壁部の周辺部は特に撓みにくくなり、電極積層体の周辺部には応力が伝播されにくい。そのため、あらかじめ電極積層体の周辺部に中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加しておく方法は容器が角型の場合に特に有効である。
【００１４】
本発明の電極封入体において、前記第二壁部と前記電極積層体の端面との間にはクリアランスが設けられており、前記クリアランスは前記電極封入体の長さの０．３〜５．０％であることが好ましい。
【００１５】
上記特徴により、電極積層体の端面はクリアランス分だけ中心寄りに位置することになる。これにより、応力が伝播されにくい電極積層体の周辺部の領域を小さくすることができる。よって、容器に応力が印加されたときに、電極積層体の中央部と周辺部との圧縮応力が均一になりやすい。
【００１６】
本発明の電極封入体において、前記積層方向に対向する前記第一壁部の周辺部の内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の前記電極積層体の周辺部の厚みよりも小さいことが好ましい。
【００１７】
本発明の電極封入体において、前記第一壁部の周辺部と前記電極積層体の周辺部との間には、前記電極積層体の周辺部を積層方向に押圧する弾性部材が配置されていることが好ましい。
【００１８】
本発明の電極封入体において、前記第一壁部の周辺部はその外面側から前記積層方向に押圧されていることが好ましい。
【００１９】
これらの特徴により、電極積層体の周辺部に中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加することができる。
【００２０】
本発明は、上記いずれかの電極封入体から作製された蓄電デバイスにも関する。
【００２１】
上記電極封入体を使用して蓄電デバイスを作製すれば、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一である蓄電デバイスを得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、安定した性能を有する蓄電デバイスを作製するための電極封入体を提供できる。また、安定した性能を有する蓄電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）電極封入体の斜視図、（ｂ）（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は電極封入体の変形例を示す断面図である。
【図３】電極封入体の変形例を示す断面図である。
【図４】電極封入体の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の電極封入体及び蓄電デバイスについて図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施形態は、本発明の好ましい一具体例を示すものである。本発明は、以下の実施形態に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。なお、図面の明確化のため、断面図におけるハッチングを省略することがある。
【００２５】
＜１  電極封入体＞
図１（ａ）は電極封入体１の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。電極封入体１は、電極積層体２と、容器３と、正極端子４と、負極端子５とを備えている。容器３（すなわち、電極封入体１）は、外観視で角型であり、具体的には薄型の直方体形状である。電極封入体１は後述する減圧工程を経て、蓄電デバイスに成形される。蓄電デバイスは、例えば全固体電池である。
【００２６】
＜１−１  電極積層体＞
図１（ｂ）を参照して電極積層体２について説明する。電極積層体２は、正極２１と、負極２２と、固体電解質２３と、絶縁部材２４とを含み、これらが積層された積層体から成る。電極積層体２は矩形状であり、全体にわたって略均一な厚みを有する。
【００２７】
正極２１は、正極集電体２１１と、正極活物質層２１２と、から構成されている。正極活物質層２１２は、正極集電体２１１の負極２２側に配置されている。正極集電体２１１には、正極端子４が接続されている。正極集電体２１１は、例えばアルミニウム又はニッケルから作製することができる。正極活物質層２１２を構成する正極活物質には、例えばコバルト酸リチウムを使用することができる。
【００２８】
負極２２は、負極集電体２２１と、負極活物質層２２２と、から構成されている。負極活物質層２２２は、負極集電体２２１の正極２１側に配置されている。負極集電体２２１には、負極端子５が接続されている。負極集電体２２１は、例えば銅又はニッケルから作製することができる。負極活物質層２２２を構成する負極活物質には、例えば黒鉛などの炭素材料を使用することができる。
【００２９】
固体電解質２３は正極２１と負極２２との間に配置され、イオン伝導性を有すると共に、電気的な絶縁性を有している。固体電解質２３は、高分子系固体電解質又は無機系固体電解質のいずれであってもよい。例えば、高分子系固体電解質であれば、ポリエチレンオキシドなどのポリアルキレンオキシド、無機系固体電解質であれば、イットリア安定化ジルコニアなどの酸化物系固体電解質やＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５などの硫化物系固体電解質などを使用することができる。
【００３０】
絶縁部材２４は、正極集電体２１１と容器３との間、及び、負極集電体２２１と容器３との間に配置され、正極集電体２１１及び負極集電体２２１が容器３と直接接触することを防止している。絶縁部材２４には、例えば高分子フィルムなどを使用することができる。２つの絶縁部材２４は、電極積層体２の積層方向Ｘにおける最外面をそれぞれ構成している。なお、絶縁部材２４は、絶縁部材２４を除いた電極積層体２の積層方向Ｘにおける最外面が容器３と接触しても短絡が生じなければ、不要である。
【００３１】
以下では、積層方向Ｘと直交する方向（すなわち、面方向）における電極積層体２の最外面を「端面」と表記する。また、電極積層体２のうち、面方向における中央部分を「中央部２ａ」と表記し、面方向において中央部２ａよりも外側で且つ端面に近接する部分を「周辺部２ｂ」と表記する。
【００３２】
＜１−２  容器＞
主に図１（ｂ）を参照して容器３について説明する。容器３は、２つの第一壁部３１と、４つの第二壁部３２と、を備える。容器３は例えばアルミニウムやステンレス鋼などの金属製の薄板から成り、電極積層体２を保護するのに適した弾性及び剛性を有する。２つの第一壁部３１は積層方向Ｘに間隔をあけて互いに対向しており、各第一壁部３１はそれぞれ電極積層体２の絶縁部材２４と対向している。４つの第二壁部３２は、電極積層体２の端面とクリアランスをあけて対向している。第二壁部３２と電極積層体２の端面との間のクリアランスは、電極封入体１の長さに対して０．３〜５．０％であることが好ましい。第二壁部３２には、容器３内の気体を吸引装置によって吸引するための開口部（不図示）が形成されている。
【００３３】
各第一壁部３１は、中央部３１ａと、周辺部３１ｂとから構成されている。中央部３１ａは、面方向における第一壁部３１の中央部分である。周辺部３１ｂは、第一壁部３１のうち、面方向において中央部３１ａの外側に存在し、且つ、第二壁部３２に近接する部分である。第一壁部３１の中央部３１ａは電極積層体２の中央部２ａと対向し、第一壁部３１の周辺部３１ｂは電極積層体２の周辺部２ｂと対向している。
【００３４】
積層方向Ｘに対向する２つの周辺部３１ｂは、第二壁部３２に近づくにしたがい、周辺部３１ｂの内面間の間隔が次第に小さくなるよう直線的に傾斜している。そして、第一壁部３１の周辺部３１ｂは電極積層体２の周辺部２ｂを積層方向Ｘに圧縮している。つまり、積層方向Ｘに対向する周辺部３１ｂの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体２の周辺部２ｂの厚みよりも小さくなっている。この傾斜した周辺部３１ｂは、電極積層体２を容器３内に収容した後、周辺部３１ｂをその外面側から積層方向Ｘに押圧して塑性変形させることによって形成することができる。
【００３５】
２つの中央部３１ａの内面はそれぞれ電極積層体２の中央部２ａと接触している。２つの中央部３１ａの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体２の中央部２ａの厚みと略同じであり、且つ、周辺部３１ｂの内面間の間隔よりも大きくなっている。
【００３６】
したがって、電極積層体２の周辺部２ｂが第一壁部３１の周辺部３１ｂから積層方向Ｘに受ける圧縮応力は、電極積層体２の中央部２ａが第一壁部３１の中央部３１ａから積層方向Ｘに受ける圧縮応力よりも大きくなっている。このように、電極封入体１において、電極積層体２の周辺部２ｂには、中央部２ａよりも大きな圧縮応力が積層方向Ｘに印加されている。
【００３７】
＜２  蓄電デバイス及びその製造方法＞
蓄電デバイスは、電極封入体１の容器３内を減圧した後、容器３を密閉することで製造できる。容器３内の圧力はポンプなどの吸引装置によって容器３外の圧力よりも低い圧力に減圧される。減圧工程が大気圧下で行われる場合には、容器３内の圧力は大気圧よりも低くなるよう減圧される。容器３内が減圧されると、容器３外に存在する気体によって容器３が加圧されるため、電極積層体２は第一壁部３１によって積層方向Ｘに押圧される。
【００３８】
＜３  特徴＞
本発明の電極封入体１では、容器３内を減圧する前の状態において、電極積層体２の周辺部２ｂには、電極積層体２の中央部２ａよりも大きな圧縮応力が積層方向Ｘに印加されている。通常、容器３が容器３外から加圧された場合、第一壁部３１の中央部３１ａは周辺部３１ｂに比べて撓みやすい。そのため、第一壁部３１の中央部３１ａから電極積層体２の中央部２ａへは応力が伝播されやすいのに対し、第一壁部３１の周辺部３１ｂから電極積層体２の周辺部２ｂへは応力が伝播されにくい。これにより、作製された蓄電デバイスにおいて、電極積層体２の中央部２ａに掛かる圧縮応力に比べ周辺部２ｂに掛かる圧縮応力は小さくなり、中央部２ａと周辺部２ｂとの間に応力差が生じてしまうことになる。そこで、本発明のように、電極封入体１の段階であらかじめ電極積層体２の周辺部２ｂに掛かる圧縮応力を中央部２ａに掛かる圧縮応力よりも大きくしておくことで、電極封入体１の容器３が容器３外から加圧されたときに、電極積層体２の積層方向Ｘに掛かる圧縮応力を、中央部２ａと周辺部２ｂとに亘ってより均一にすることができる。その結果、電極積層体２の中央部２ａと周辺部２ｂとの界面抵抗がより均一で、性能が安定した蓄電デバイスを得ることができる。
【００３９】
容器３が角型の場合、第一壁部３１の周辺部３１ｂは特に撓みにくくなるため、電極積層体２の周辺部２ｂには一層応力が伝播しにくい。そのため、本発明の電極封入体１のように、あらかじめ電極積層体２の周辺部２ｂに中央部２ａよりも大きな圧縮応力を印加しておく方法は、角型の容器３を使用して蓄電デバイスを作製する場合に特に有効である。
【００４０】
容器３の第二壁部３２と電極積層体２の端面との間にクリアランスを設けることで、電極積層体２の端面が第一壁部３１の中央部３１ａ寄りに位置するようになる。これにより、応力が伝播されにくい電極積層体２の周辺部２ｂの領域は小さくなる。その結果、作製された蓄電デバイスでは、電極積層体２の中央部２ａと周辺部２ｂとで界面抵抗が均一となって活物質の利用効率が高くなり、性能が安定する。
【００４１】
＜４  変形例＞
以下では、電極封入体１及び蓄電デバイスの変形例について説明する。上記実施形態との相違点を中心に説明し、上記で既に説明した構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、以下で説明する変形例は本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わせ可能である。
【００４２】
（１）容器３の形状は角型に限定されず、円形又はその他の形状であってもよい。
【００４３】
（２）上記の実施形態では、電極積層体２が１つのみの場合について説明したが、電極積層体２は複数積層されていてもよい。これにより、高電圧が得られより大きな電力を出力することができる。
【００４４】
（３）図２（ａ）に示すように、第一壁部３１の周辺部３１ｂは、第二壁部３２に近づくにしたがい、電極積層体２に向けて内側に凹みながら曲線状に変形するよう構成されていてもよい。この実施形態でも、積層方向Ｘに対向する２つの周辺部３１ｂの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体２の周辺部２ｂの厚みよりも小さくなっている。そして、第一壁部３１の周辺部３１ｂは電極積層体２の周辺部２ｂを積層方向Ｘに押圧している。これにより、電極積層体２の周辺部２ｂには中央部２ａよりも大きな圧縮応力が積層方向Ｘに印加されている。
【００４５】
（４）図２（ｂ）に示すように、第一壁部３１の周辺部３１ｂを溝状に電極積層体２に向けて凹ませ、周辺部３１ｂが電極積層体２に向けて突出するようにしてもよい。この実施形態でも、積層方向Ｘに対向する２つの周辺部３１ｂの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体２の周辺部２ｂの厚みよりも小さくなっている。そして、第一壁部３１の周辺部３１ｂは電極積層体２の周辺部２ｂを積層方向Ｘに押圧している。これにより、電極積層体２の周辺部２ｂには中央部２ａよりも大きな圧縮応力が積層方向Ｘに印加されている。
【００４６】
（５）図３に示すように、第一壁部３１の周辺部３１ｂと電極積層体２の周辺部２ｂとの間には弾性部材６が配置されていてもよい。弾性部材６は、第一壁部３１の周辺部３１ｂ及び電極積層体２の周辺部２ｂに密着すると共に、第一壁部３１の周辺部３１ｂと電極積層体２の周辺部２ｂとによって積層方向Ｘに圧縮された状態となっている。したがって、電極積層体２の周辺部２ｂは弾性部材６によって積層方向Ｘに押圧されており、電極積層体２の周辺部２ｂには中央部２ａよりも大きな圧縮応力が積層方向Ｘに印加されている。弾性部材６を介して電極積層体２の周辺部２ｂを押圧することで、電極積層体２の周辺部２ｂを均一かつ高応力で押圧することができる。なお、この実施形態において、第一壁部３１の周辺部３１ｂは、図１（ｂ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す実施形態のように、あらかじめ電極積層体２側に向けて傾斜するか又は凹むよう塑性変形されていなくてもよい。
【００４７】
（６）図４に示すように、第一壁部３１の周辺部３１ｂはその外面側から押圧されて電極積層体２に向けて変形され、電極積層体２の周辺部２ｂを積層方向Ｘに押圧していてもよい。これにより、電極積層体２の周辺部２ｂに中央部２ａよりも大きな圧縮応力を積層方向Ｘに印加した状態で容器３内を減圧することができる。なお、この実施形態でも、第一壁部３１の周辺部３１ｂは、図１（ｂ）、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す実施形態のように、あらかじめ電極積層体２側に向けて傾斜するか又は凹むよう塑性変形されていなくてもよい。
【００４８】
第一壁部３１の周辺部３１ｂを押圧する方法としては、例えば、押圧具７によって積層方向Ｘに対向する２つの周辺部３１ｂをその外面側から挟み込む方法が挙げられる。押圧具７は、例えば、一対の挟持部７１と、接続部７２と、弾性部材７３と、を備える。弾性部材７３は周辺部３１ｂの外面上を覆っている。一対の挟持部７１は弾性部材７３を介して、周辺部３１ｂの外面上に配置されている。接続部７２は、一対の挟持部７１を接続している。一対の挟持部７１によって弾性部材７３を介して第一壁部３１の周辺部３１ｂを積層方向Ｘに押圧することで、第一壁部３１の周辺部３１ｂを電極積層体２に向けて変形させ、電極積層体２の周辺部２ｂに積層方向Ｘに圧縮応力を印加することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１        電極封入体
２        電極積層体
２ａ      中央部
２ｂ      周辺部
２１      正極
２２      負極
２３      固体電解質
２４      絶縁部材
３        容器
３１      第一壁部
３１ａ    中央部
３１ｂ    周辺部
３２      第二壁部
６        弾性部材
７        押圧具
Ｘ        積層方向
【図１】
2020098669.tif 000003
【図２】
2020098669.tif 000004
【図３】
2020098669.tif 000005
【図４】
2020098669.tif 000006