(57)【要約】【課題】はんだ付け等を行う際の電池積層体への熱の移動を低減させ、電池性能の低下を防止できる固体電池を提供する。【解決手段】正極層３と、負極層２と、これら層間に積層配置された固体電解質層４とを有する電池積層体１ａと、上記電池積層体を収容するとともに、内部空間Ａが真空に保持された密閉ケース１２とを備えて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極層と、負極層と、これら層間に積層配置された固体電解質層と、これら各層が積層形成された支持体とを有する電池積層体と、
上記電池積層体を収容するとともに、内部空間が真空に保持された密閉ケースとを備える、固体電池。
【請求項２】
上記密閉ケース内の圧力を少なくとも２０ＫＰａ以下に設定した請求項１に記載の固体電池。
【請求項３】
上記電池積層体が、上記密閉ケースの内面から離間して保持されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の固体電池。
【請求項４】
上記密閉ケース内面及び／又は上記電池積層体に、上記電池積層体を密閉ケース内面から離間して保持できる保持部を設けた、請求項３に記載の固体電池。
【請求項５】
上記保持部は、上記ケース内面に突出形成されたケース接続電極部である、請求項４に記載の固体電池。
【請求項６】
上記保持部は、上記支持体に突出形成された電池積層体接続電極部である、請求項４に記載の固体電池。
【請求項７】
上記密閉ケースは、上方に開口するケース本体と、上記開口部を封止するように接合された蓋体とを備えるとともに、
上記本体底面と上記蓋体内面との間に補強部材を設けた、請求項１から請求項６のいずれかに一項に記載の固体電池。
【請求項８】
正極層と、負極層と、これら層間に積層配置された固体電解質層とを有する電池積層体と、この電池積層体を収容する密閉ケースとを備える固体電池の製造方法であって、
上記電池積層体を、真空環境において上記密閉ケースに収容して封止することにより、上記密閉ケース内を真空状態に設定するパッケージング工程を含む、固体電池の製造方法。
【請求項９】
上記少なくとも２０ＫＰａ以下の圧力環境において上記パッケージング工程が行われる、請求項８に記載の固体電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、固体電池及びその製造方法に関する。詳しくは、耐熱性が高く、プリント基板にハンダ接合等する際の熱によって性能低下の生じにくい固体電池に関する。
【０００２】
携帯用電子機器に用いる電池には、小型化、軽量化のみならず高エネルギー化が要請されている。たとえば、高エネルギー密度・高出力を実現するとともに小型・軽量化を図るために、正極層と負極層とこれら層間に積層配置された固体電解質層とを備えるリチウム固体電池が提供されている。固体電池は、独立した電池として使用されるばかりでなく、回路基板等に接合されて用いられる場合も多い。
【０００３】
一方、上記機器の小型化によって基板上の電子部品を高密度に実装することが要求されており、これに適したはんだ付け方法としてリフローハンダ付けが採用されることが多い。リフローはんだ付けは、ハンダの塗布されたプリント基板等に部品を載置し、部品を含む基板全体をリフロー炉内で加熱して上記ハンダを溶融させ、上記部品をプリント基板に接合するものである。
【０００４】
上記リフローハンダ付けを用いて上記固体電池をプリント基板に接合する場合、上記固体電池にも上記リフロー炉の熱が作用する。上記各層からなる電池積層体は密閉されたケースに収容されているが、この電池積層体の温度が上昇すると、固体電解質の結晶化によって内部抵抗が増加したり、リチウム等の電池構成部材が溶融して短絡につながる等の問題が生じやすい。
【０００５】
上記問題を解決するため、ケースの接続電極部以外の部分を、溶融はんだが作用するプリント基板から離して保持することにより、電池積層体に伝わる熱を低減させる手法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−５９６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記リフロー炉内では、プリント基板や溶融ハンダに接触している部分から熱伝導によって電池に熱が伝わる他、炉壁からの輻射熱や炉内の対流によってもケース外面に熱が作用する。したがって、プリント基板に対するケースの接触面積を少なくしても、電池のケース外周全体に熱が作用するため充分な断熱効果は期待できない。
【０００８】
また、金属あるいはセラミック密閉ケース内に、電池本体を構成する電池積層体を収容して封止した形態の電池においては、上記ケースと上記電池積層体との間に空間が形成される。この空間が気体で満たされていると、上記気体の対流熱伝達によってケース内面から上記電池積層体に熱が移動して電池積層体の温度が上昇し、上述した電池性能の低下につながる。
【０００９】
特に、上記特許文献１に記載されている発明においては、電解液を用いているため、熱が作用すると上記電解液が揮発して電池性能が低下するばかりでなく、ケース内の空間が上記電解質から生じた気体で満たされる。このため、ケース内の電池積層体には、上記ケース内面に接する部分からの熱伝導の他、上記ケース内の空間に満たされた気体の対流によって電池積層体に熱が作用することになる。
【００１０】
リチウム電池等の固体電解質を採用した全固体電池は、上記揮発成分がなく比較的熱に強いが、温度が上昇すると、固体電解質の結晶化によるイオン伝導の低下によって内部抵抗が上昇し、さらに、リチウムが溶け出して電極間に短絡が生じる恐れも高くなる。
【００１１】
本願発明は、上記問題を解決するために案出されたものであり、はんだ付け等を行う際の電池積層体への熱の移動を低減させ、電池性能の低下を防止できる固体電池を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の請求項１に記載した発明に係る固体電池は、正極層と、負極層と、これら層間に積層配置された固体電解質層とを有する電池積層体と、上記電池積層体を収容するとともに、内部空間が真空に保持された密閉ケースとを備えて構成される。
【００１３】
本願発明では、上記密閉ケース内の空間を真空に保持しているため、密閉ケースの温度が上昇しても、ケース内の空間において対流熱伝達が生じない。これにより、ケースから電池積層体に作用する熱を低減させることができる。特に、固体電解質を採用した全固体電池においては、揮発成分がないため、上記ケース内を高い負圧に保持することができる。これにより、固体電解質層の結晶化を防止して電池性能の低下を防止し、また、リチウムの溶融に起因する短絡を防止することができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明のように、上記密閉ケース内の圧力を少なくとも２０ＫＰａ以下に保持するように構成するのが好ましい。これにより、密閉ケース内面から電池積層体への対流熱伝達を防止することが可能となる。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、上記電池積層体を、上記密閉ケースの内面から離間して保持するように構成したものである。これにより、密閉ケース内面を介して熱伝導により電池積層体に作用する熱を低減させることが可能となる。
【００１６】
電力を取り出すために上記電池積層体から延出する端子部以外の部分を、上記密閉ケース内面から離間して保持するように構成するのが望ましい。この構成を採用することにより、ケース内面から熱伝導によって電池積層体に伝わる熱を大幅に低減させることが可能となる。したがって、密閉ケースの温度が上昇しても、上記電池積層体の温度を低く抑えることができる。
【００１７】
上記電池積層体をケース内面から離間させて保持する手法は、特に限定されることはない。たとえば、請求項４に記載した発明のように、上記密閉ケース内面及び／又は上記電池積層体に、上記電池積層体を密閉ケース内面から離間して保持できる保持部を設けることができる。
【００１８】
上記保持部を設ける部位は特に限定されることはない。ケース底面に突起状の保持部を設けて、上記電池積層体をケース底面から離間させて保持することができる。また、上方に開口を備える箱状のケース本体と、上記開口を封止する蓋体とを備える密閉ケースにおいては、上記蓋部内面に上記保持部を設けることもできる。
【００１９】
また、電池積層体が形成された支持体に突起を設けて、上記突起を介して上記ケース内面に上記電池積層体を止着するように構成することもできる。上記保持部は、上記密閉ケースや上記電池積層体と一体的に設けることもきるし、別部材を上記ケース内面や上記電池積層体表面に止着して設けることができる。別部材で上記保持部を構成する場合、熱伝導率の低い材料で形成するのが好ましい。
【００２０】
また、上記電池積層体を密閉ケース内面から離間して保持できれば、上記保持部の形態や数も限定されることはない。たとえば、複数の突起状保持部や桁状の保持部を設けることができる。
【００２１】
上記電池積層体から電力を取り出すために、上記電池積層体に電池積層体接続電極部が設けられるとともに、密閉ケースにケース接続電極部が設けられる。そして、密閉ケース内で上記電池積層体接続電極部と上記ケース接続電極部が接続されるとともに、上記密閉ケース外面側のケース接続電極部が回路基板等にはんだ付け等によって接続される。
【００２２】
請求項５に記載した発明は、上記保持部を、上記ケース内面に突出形成されたケース接続電極部として設けたものである。
【００２３】
上記接続電極部を介して電池積層体を上記ケース内面から離間させて保持することにより、上記電池積層体と密閉ケース内面との接触面積を必要最小限に設定することができる。これにより、上記電池積層体に向かって移動する熱を大幅に低減させることができる。
【００２４】
上記保持部の形態は特に限定されることはない。たとえば、上記ケース接続電極部のケース内面部分を突出させて、上記電池積層体の支持体下面に形成した電池積層体側の接続電極部に接続することができる。
【００２５】
一方、請求項６に記載した発明は、上記保持部を、上記支持体に突出形成された上記電池積層体接続電極部として設けたものである。
【００２６】
上記支持体に保持部を兼用する接続電極部を設ける手法は特に限定されることはない。支持体裏面側に上記支持体から突出する電極を設けて保持部として機能させることができる。これにより、請求項５に記載した発明と同様に、上記電池積層体と密閉ケース内面との接触面積を必要最小限に設定して、上記電池積層体に向かって移動する熱を大幅に低減させることができる。
【００２７】
請求項７に記載した発明は、上記密閉ケースが、上方に開口するケース本体と、上記開口部を封止するように接合された蓋体とを備えるとともに、上記本体底面と上記蓋体内面との間に補強部材を設けたものである。
【００２８】
上方に開口する箱状の本体と上記開口部を封止するように接合される蓋体とを備えて構成される密閉ケースにおいて、複数の電池積層体を並列配置する場合等にはケース本体の開口面積が大きくなり、真空圧によって上記蓋体と上記本体とが近接するように歪む恐れがある。また、金属薄板を用いて形成された密閉ケースにおいては、外部からの圧力によってケースが歪みやすくなる。
【００２９】
上記補強部を設けることにより、上記密閉ケースの歪みを防止し、内部の真空度を保持するとともに、電池積層体を保護することが可能となる。
【００３０】
請求項８に記載した発明は、正極層と、負極層と、これら層間に積層配置された固体電解質層とを有する電池積層体と、この電池積層体を収容する密閉ケースとを備える固体電池の製造方法であって、上記電池積層体を、真空環境において上記密閉ケースに収容して封止することにより、上記密閉ケース内を真空状態に設定するパッケージング工程を含むものである。
【００３１】
たとえば、アルミナ等のセラミック材料から形成された密閉ケースを採用する場合には、上記電池積層体を収容したケース本体に蓋部材をハンダ付け等によって接合するパッケージング工程を真空環境下において行うことができる。また、金属ケースを備える電池においては、ケース本体に蓋部材をかしめるパッケージング工程を真空環境下において行うことができる。これにより、上記密封ケース内の空間を真空圧に設定して密閉することができる。具体的には、上記パッケージング工程を所定の真空圧力に保持した容器内で行うことができる。
【００３２】
上記パッケージング工程は、請求項８に記載した発明のように、２０ＫＰａ以下の圧力の環境で行うのが好ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本願発明によれば、リフローハンダ付け工程の際に、電池性能の低下を生じることがない固体電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。なお、以下の実施形態は、本願発明をリチウム固体薄膜電池に適用したものである。
【００３５】
図１に、本願発明に係る固体電池の第１の実施形態を示す。
【００３６】
本実施形態に係る固体電池１は、負極層２と、正極層３と、これら層間に配置された固体電解質層４とを絶縁性の支持体５上に積層形成して構成された電池積層体１ａと、この電池積層体１ａを収容する密閉容器１２とを備えて構成される。
【００３７】
上記負極層２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される。負極層２は、Ｌｉ金属及びＬｉ金属と合金を形成することができる金属等を単体または混合物で形成するのが好ましい。たとえば、リチウム単体（Ｌｉ）、リチウム（Ｌｉ）−アルミニウム（Ａｌ）合金、リチウム（Ｌｉ）−マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム（Ａｌ）合金等を採用できる。また、シリコン単体（Ｓｉ）、シリコン（Ｓｉ）−ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）−コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）−鉄（Ｆｅ）等の合金を採用することもできる。上記負極層２は、ゾルゲル法、コロイド等の湿式法や、蒸着法、スパッタリング法等の乾式法を用いて形成することができる。
【００３８】
上記正極層３は、上記負極層と同様に、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される。たとえば、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２・）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣＯ・Ｏ２・）等の活物質を単体又は混合物で用いることができる。また、硫化物、たとえば、硫化鉄（ＦｅＳ，ＦｅＳ２ ）等を単体又は混合物で用いることができる。
【００３９】
上記固体電解質層４として、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏからなるアモルファス膜を正極側電解質として用いる一方、Ｌｉ−Ｐ−Ｏ−Ｎからなるアモルファス膜を負極側電解質として用いることができる。
【００４０】
上記支持体５として、種々の基板材料を採用することができる。たとえば、フレキシブル配線板に用いられる電気絶縁性の樹脂フィルム、たとえば、ポリイミドやポリフェニレンサルファイドを支持体として用いることができる。また、リジッド配線板に用いられている樹脂プレートを支持体として用いることもできる。また、アルミナ基板、ガラスセラミックス基板を支持体として用いることができる。
【００４１】
本実施形態では、正極側集電部６を上記支持体５の広い範囲にわたって薄膜状に形成するとともに、上記正極層３のほぼ全域が上記集電部６に接続するように積層形成されている。また、上記固体電解質層４も、上記正極側集電部６と同様に、上記正極層３のほぼ全域に積層形成されている。この構成を採用することにより、正極層３の導電性が低い場合であっても、上記正極層３と、上記正極側集電部６及び上記固体電解質層４との接続面積を増加させ、正極側電池容量を確保することができる。
【００４２】
一方、負極側集電部７は、上記正極側集電部を設けた側と反対側（紙面右側）において上記支持体５上に積層形成されているとともに、上記支持体５の表面に延出させた負極層２の縁部に接続されている。
【００４３】
上記正極側集電部６と上記負極側集電部７とは、上記各電極層及び上記固体電解質層３を積層した領域から側方に延出するように形成されており、各集電部に電池積層体から電力を取り出す積層体接続電極部６ａ、７ａが設けられている。
【００４４】
上記密閉ケース１２は、上方に開口する矩形箱状の本体１０と、上記開口を覆うように封止する蓋体１１とを備えて構成されている。本実施形態では、上記密閉ケース１２は、セラミック材料等の種々の材料を用いて形成することができる。たとえば、鉄・ニッケル・コバルト合金（商標名コバール）等を、圧粉成形等を用いて形成することができる。また、ステンレス等の金属薄板を塑性加工等することにより形成してもよい。
【００４５】
上記ケース本体１０の底部には、上記ケース本体１０の内面側と外面側とを導通させる正極側ケース接続電極部１４と、負極側ケース接続電極部１５とが設けられている。上記ケース接続電極部１４，１５は、各々、ケース本体１０の底部を貫通して設けられる貫通部１４ａ，１５ａと、上記ケース本体１０の底面に沿って薄膜状に形成された外部端子部１４ｂ，１５ｂとを備える。そして、上記外部端子部１４ｂ，１５ｂが、リフローはんだ付け等によって、フレキシブル基板等に接続される。
【００４６】
上記積層体接続電極部６ａ、７ａと各ケース接続電極部１４，１５とは、密閉ケース内において、リード線８，９をワイヤボンディングすることによって各々接続されており、上記外部端子部１４ｂ，１５ｂを介して電池積層体１ａで生じた電力を密閉ケース１２の外部へ取り出せるように構成されている。
【００４７】
本実施形態では、上記ケース本体１０と上記蓋体１１の縁部を、密閉シール層１３，１３を介して接合することにより、上記密閉ケース１２の内部空間Ａを気密性を持って封止している。上記密閉シール層１３は、鉄合金やハンダ等の接合材を上記本体１０の縁部と蓋体１１の縁部との間に挟み、シーム溶接等することにより構成することができる。
【００４８】
また、本実施形態に係る上記密閉ケース１２の内部空間Ａは、２０ＫＰａ以下の真空圧に保持されている。上記真空圧を保持することにより、上記密閉ケース１２内で気体が対流することはない。また、上記電池積層体１ａは、不揮発性の材料から構成されているため、温度が上昇しても密閉ケース１２の内部空間に構成材料から気体成分が生じることはない。したがって、密閉ケース１２の内面と電池積層体１ａとの間で、対流熱伝達による熱移動が生じることはない。
【００４９】
さらに、本実施形態では、上記密閉ケース本体１０の底面に、内部空間に向けて突出する突起１６，１７を設け、この突起１６，１７上に上記電池積層体１ａを止着している。これにより、電池積層体１ａが、ケース底面から離間した状態で保持される。この構成を採用することにより、密閉ケース１２の内面から上記電池積層体１ａに熱伝導によって伝わる熱を大幅に低減させることができる。
【００５０】
上記構成を採用することにより、外部端子部１４ｂ，１５ｂがリフローはんだ付けされる際に、上記密閉ケース１２の温度が上がっても、上記電池積層体１ａへの熱の移動を大幅に削減することが可能となる。この結果、上記電池積層体１ａの温度上昇を防止して、電池性能の低下を防止することが可能となる。
【００５１】
図２に示すように、上記密閉ケース１２の内部空間Ａを真空状態にするため、上記ケース本体１０と蓋体１１とを接合するパッケージング工程を、真空容器４２０内で行うことができる。図に示すように、上記真空容器４２０は、真空ポンプ４２１によって、容器内の空気を排除して、所定の真空圧に設定される。上記ケース本体１０内に電池積層体１ａを装着した後に、上記真空容器内４２０内で、上記ケース本体１０に上記蓋体１１をシーム溶接装置４２２等を用いて接合することにより、上記密閉ケース１２の内部空間を真空状態で封止することができる。
【００５２】
図３に本願発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、ケース接続電極部２１４，２１５を介して、電池積層体２０１ａを、密閉ケース２１２の内面から離間して保持するように構成したものである。なお、電池積層体２０１ａの構成は、上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５３】
上記正極側ケース接続電極部２１４及び負極側ケース接続電極部２１５は、ケース本体２１０の底部を貫通して設けられる貫通部２１４ａ，２１５ａと、上記ケース本体２１０の底面に沿って薄膜状に形成された外部端子部２１４ｂ，２１５ｂと、上記貫通部２１４ａ，２１５ａから密閉ケース２１２の内部空間Ａに突出して形成された保持部２１４ｃ，２１５ｃとをそれぞれ備えて構成されている。
【００５４】
一方、上記電池積層体２０１ａを積層形成した支持体２０５の縁部には、支持体上面に積層形成された集電部２０６ａ，２０７ａと、この集電部２０６ａ，２０７ａに導通するとともに上記支持体２０５を貫通して延びる貫通部２０６ｂ，２０７ｂと、上記支持体２０５の下面に沿って形成された積層体端子部２０６ｃ，２０７ｃを備える積層体電極部２０６，２０７が形成されている。
【００５５】
上記積層体端子部２０６ｃ，２０７ｃは、上記正極側ケース接続電極部２１４及び負極側ケース接続電極部２１５を設けた位置に対応するように形成されている。上記積層体端子部２０６ｃ，２０７ｃは、シーム溶接やはんだ付けにより上記保持部２１４ｃ，２１５ｃの先端に接続されるとともに、上記電池積層体２０１ａが、上記ケース本体２１０の底面から離間した状態で保持される。
【００５６】
これにより、上記第１の実施形態と同様に、密閉ケース２１２の内面から上記電池積層体１０１ａに熱伝導によって伝達される熱を大幅に低減させることが可能となる。また、上記第１の実施形態と同様に、上記密閉ケース２１２の内部空間Ａは真空に保持されているため、対流熱伝達により上記ケース本体２１２から上記電池積層体２０１ａに熱が移動するのを防止することができる。したがって、第１の実施形態と同様に、電池２０１を回路基板等に接続する際に、上記電池積層体２０１ａの温度上昇を防止することができる。
【００５７】
図４に、本願発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、電池積層体３０１ａに設けた積層体接続電極部３０６，３０７を介して、上記電池積層体３０１ａを、密封ケース３１２の内面から離間して保持するように構成したものである。なお、電池積層体３０１ａの構成は、上記第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５８】
上記電池積層体３０１ａの積層体電極部３０６，３０７は、支持体３０５の上面に形成された集電部３０６ａ．３０７ａと、上記支持体３０５を貫通して延びる貫通部３０６ｂ，３０７ｂと、上記支持体３０５の下面に形成された積層体端子部３０６ｃ，３０７ｃとを備えて構成されている。
【００５９】
上記積層体端子部３０６ｃ，３０７ｃは、上記ケース本体３１０の底部に設けたケース端子部３１４，３１５に対応する位置に形成されているとともに、上記支持体３０５の下面から所定の高さ突出するように形成されている。
【００６０】
上記ケース接続電極部３１４．３１５は、上記ケース本体３１２の底部を貫通して設けられる貫通部３１４ａ，３１５ａと、上記ケース本体３１０の底面に沿って薄膜状に形成された外部端子部３１４ｂ，３１５ｂとを備えて形成されている。
【００６１】
上記電池積層体３０１ａを上記ケース本体３１０内に収容して、上記積層体端子部３０６ｃ，３０７ｃと、上記貫通部３１４ａ，３１５ａのケース内面側露出部とが、半田付け、導電性接着材、溶接等によって接合される。これにより、上記電池積層体３０１ａが上記密閉ケース３１２の内面から離間して保持され、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、実施形態で説明した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本願発明によって、耐熱性が高く、リフローはんだ付け等の際に性能の低下をきたすことのない固体電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本願発明に係る固体電池の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す固定電池の製造工程を説明する図である。
【図３】本願発明に係る固体電池の第２の実施形態を示す断面図である。
【図４】本願発明に係る固体電池の第３の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  固体電池
２  負極層
３  正極層
４  固体電解質層
１２  密閉ケース
Ａ  内部空間
【図１】
2010118159.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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