(57)【要約】【課題】単体金属からなる負極活物質層を有しながら、信頼性の高い電池を提供する。【解決手段】  正極集電体１ａの上に、正極活物質層１ｂ、固体電解質層３が順次形成されている。固体電解質層３の上に、リチウムからなる負極活物質層２ｂと、環状膜部材４とが形成されている。負極活物質層２および環状膜部材４の上に、負極集電体２ａが形成されている。環状膜部材４は、電池の製造工程における熱処理温度（半田のリフロー温度など）に耐える材料からなる。リチウムは、融点が半田のリフロー温度よりも低い。リフロー炉を通過する際に、負極活物質層２ｂが融解して流動しても、環状膜部材４によって、流れがせき止められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層−負極活物質層間に介在する固体電解質層と、前記負極活物質層を挟んで前記固体活物質層に対向する負極集電体とを備えた電池であって、
前記負極活物質層は、リチウム，またはリチウムと合金を形成する金属からなり、
前記固体電解質層と負極集電体との間には、製造工程における熱処理に対する耐熱性を有する材料からなる、前記負極活物質層を囲む環状膜部材が設けられている、電池。
【請求項２】
請求項１記載の電池において、
前記熱処理は、半田接合工程における半田リフローである、電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の電池において、
前記負極活物質層は、リチウム，インジウム，錫，およびビスマスから選ばれる１つの金属である、電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単体金属からなる負極活物質層を備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、負極活物質層として、リチウム膜を備えた電池が知られている。
特許文献１の段落［００１０］には、リチウム金属からなる負極を形成することが開示されている。そして、特許文献1では、固体電解質層を正極と負極との間に形成することにより、全固体リチウム電池を形成している。
【特許文献１】特開平１０−０８３８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リチウム二次イオン電池において、負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵および放出するものである。リチウム単体金属は、容量が最も大きく、充放電電位が低いので、負極材料として適している。なお、インジウム，錫，およびビスマスなどの単体金属からなる負極も，高い電池特性を有している。
【０００４】
しかるに、上記特許文献１の構造では、後の半田リフローなどの熱処理を伴う工程で、負極が融解するおそれがあった。半田リフロー炉の温度は、２６０℃程度であり、リチウムの融点は、１７７℃程度だからである。そして、リチウムが融解して流動すると、正極と電気短絡を生じるおそれがあった。インジウム，錫，およびビスマスなどの単体金属も、融点が低いので、同様の不具合を生じるおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、単体金属からなる負極活物質層を有しながら、信頼性の高い電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電池は、リチウム，またはリチウムと合金を形成する金属、つまり単体金属からなる負極活物質層を備えている。そして、固体電解質層と負極集電体との間に、負極活物質層を囲むように、環状膜部材を設けたものである。環状膜部材は、製造工程における熱処理に対する耐熱性を有する材料からなる。
【０００７】
この構造により、本発明の電池は以下のような作用効果を奏することができる。単体金属は、合金よりも一般に融点が低いので、製造工程における熱処理で融解，変形を生じるおそれがある。そのとき、環状膜部材が負極活物質層を囲んでいるので、負極活物質層が周囲にはみ出そうとしても阻止される。したがって、負極活物質層と正極側の部材との接触が妨げられ、電気的短絡を生じることがない。
上述のように、リチウム等の単体金属からなる負極活物質層を備えた電池は、高い電池容量を有している。よって、本発明により、電池特性にすぐれ、信頼性の高い電池が得られる。
【０００８】
上記熱処理としては、実装のために施される半田接合の際の半田リフロー（約２６０℃）がある。ただし、これに限定されるものではない。
【０００９】
負極活物質層としては、リチウム，インジウム，錫，ビスマスなどの金属がある。インジウム，錫，ビスマスは、リチウムと合金を形成する金属であり、高いリチウムイオンの吸蔵，放出機能を有している。リチウムの融点は１７７℃、インジウムの融点は１５６℃、錫の融点は２３２℃、ビスマスの融点は２７１℃である。したがって、半田のリフロー工程で、これらの金属が融解，変形を生じるおそれがあるが、環状膜部材によって、信頼性が維持される。
【００１０】
負極活物質層を構成する金属としては、融点が低く、大きな電池容量を確保しうるリチウム、またはインジウムが特に好ましい。リチウムやインジウムが、半田のリフロー工程で流動しても、環状膜部材によって曲がれがせき止められる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電池によると、単体金属からなる負極活物質層を有しながら、製造工程における熱処理に対する信頼性の高い電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るリチウム二次電池の蓄電部Ａを形成する手順を示す縦断面図である。本実施の形態の電池は、特に、携帯電話等の電子機器のバックアップ電源用として有用なものである。
【００１３】
まず、図１（ａ）に示す工程で、以下の処理を行う。内径１０ｍｍ程度の金型５１と、金型５１の内径に一致する外径を有するポンチ５２とを準備する。そして、金型５１の内径に一致する外径を有する正極集電体１ａを形成しておく。正極集電体１ａは、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，Ｃｕなどの金属箔からなる。正極集電体１ａの厚みは、５００μｍ程度である。
【００１４】
そして、正極集電体１ａの上に、正極用の活物質粒子と電解質粒子との混合物を配置する。正極用の活物質としては、ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＭｎＯ２，ＭｎＯ２，これらの混合物，などがある。ここでは、上記活物質粒子として、平均粒径１０μｍ程度の粉末を用いる。また、導電補助剤として、カーボンブラック，天然黒鉛，熱膨張黒鉛，炭素黒鉛，酸化ルテニウム，酸化チタンを添加することができる。補助部材としては、アルミニウム，ニッケルなどの金属繊維もある。
【００１５】
電解質粒子としては、硫化物粒子の表面にリチウムイオン伝導性を有する酸化膜を被覆したものを用いる。硫化物粒子としては、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏや、Ｌｉ２ＳとＰ２Ｓ６とからなるＬｉ−Ｐ−Ｓがある。これらの物質粒子には、アモルファス粒子あるいは多結晶粒子がある。リチウムイオン伝導性を有する酸化膜としては、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３などを用いることができる。
【００１６】
上記正極用の活物質と電解質粒子とを、たとえば７０：３０の割合で混合したもの正極集電体１ａの上に配置する。そして、ポンチ５２を用いて、圧力５００ＭＰａ程度でプレスすることにより、正極活物質層１ｂを形成する。正極活物質層１ｂの厚みは、１００μｍ程度である。
【００１７】
さらに、正極活物質層１ｂの上に、固体電解質層用の硫化物粒子を配置する。この硫化物粒子は、正極活物質層１ｂに添加した電解質粒子と同じものでもよいし、異なるものでもよい。すなわち、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏや、Ｌｉ２ＳおよびＰ２Ｓ６からなるＬｉ−Ｐ−Ｓを用いることができる。そして、上記と同じ条件で、プレスすることにより、固体電解質層３を形成する。固体電解質層３の厚みは、２００μｍ〜５００μｍ程度である。
また、未プレス状態の正極用の活物質と電解質粒子の混合物の上に、固体電解質層用の硫化物粒子を配置してプレスしてもよい。これにより正極活物質層１ｂと固体電解質層３とを同時に形成することができる。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示す工程で、固体電解質層３の上にリチウム箔を貼り付けて、単体リチウムからなる負極活物質層２ｂを形成する。負極活物質層２ｂの厚みは、２０μｍ〜５００μｍまで可能である。負極活物質層２ｂの厚みが大きいほど電池容量も増大するが、電池全体は厚くなる。
なお、リチウム箔を固体電解質層用の硫化物粒子の上に配置して、リチウム箔の上からプレスを行なってもよい。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示す工程で、固体電解質層３の上に、負極活物質層２ｂを囲む環状膜部材４を形成する。このとき、後述する材料からなるフィルムを環状に切り抜いて、固体電解質層３の上に貼り付ける。ただし、環状膜部材４の形成方法は、これに限定されるものではない。たとえば、固体電解質層３および負極活物質層２ｂの上に貼り付けられたフィルムを、エッチングによりパターニングしてもよい。
【００２０】
図２は、負極活物質層２ｂおよび環状膜部材４の平面形状を示す平面図である。環状膜部材４は、負極活物質層２ｂの周囲を閉環状に取り囲んでいる。
環状膜部材４は、負極活物質層２ｂと同程度の厚みを有していればよい。環状膜部材４は、銅（Ｃｕ），ステンレス合金（ＳＵＳ），Ａｌ等の金属や、ポリプロピレン（ＰＰ），ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ），ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの耐熱性の高い樹脂からなる。
環状膜部材４は、短絡防止の観点からすれば、上記材料のうち絶縁性部材である樹脂材料が好ましい。ただし、導体材料であっても、正極活物質層１ｂに接触しなければ、電気的短絡は生じない。
【００２１】
次に、図１（ｄ）に示す工程で、負極活物質層２ｂおよび環状膜部材４の上に、負極集電体２ａを積層する。負極集電体２ａは、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，またはこれらの合金の箔を圧着して形成することができる。これにより、リチウム二次電池の蓄電部Ａが形成される。
【００２２】
蓄電部Ａは、正極部材１の両側に、固体電解質層３を挟んで、負極部材２を積層した構造となっている。正極部材１は、正極リード部材である板状の正極集電体１ａと正極活物質層１ｂとを有している。負極部材２は、負極集電体２ａと負極活物質層２ｂとを有している。
【００２３】
蓄電部Ａは、その後の実装工程を経て、容器に収容され、リチウム二次電池となる。本実施の形態の電池は、バックアップ用電源に適しており、コイン型構造を採るのが一般的である。
【００２４】
本実施の形態によると、以下の効果が得られる。
図１（ｄ）に示す蓄電部Ａは、その後の実装工程を経て、容器に収容される。その際、正極集電体１ａや負極集電体２ａを電池の端子と接合する際に、半田リフロー工程を経る。リチウム単体の融点は、１７７℃程度である。半田リフロー工程では、リフロー炉内で２６０℃程度の高温に保持されるので、負極活物質層２ｂは融解して流動するおそれがある。しかし、負極活物質層２ｂが流動しても、環状膜部材４によって、流れがせき止められる。したがって、負極活物質層２ｂが正極活物質層１ｂや正極集電体１ａと接触することはない。よって、電気的短絡を防止することができ、電池の信頼性を維持することができる。
【００２５】
（他の実施の形態）
実施の形態においては、負極活物質層２ｂをリチウム膜としたが、これに限定されるものではない。
負極活物質は、リチウムと合金を形成する元素であれば、リチウムイオンを吸蔵，放出する機能を有する。リチウムと合金を形成する元素としては、アルミニウム（Ａｌ），インジウム（Ｉｎ），シリコン（Ｓｉ），錫（Ｓｎ），ビスマス（Ｂｉ）などがある。そのうち、インジウム，錫，ビスマスなどの金属は、比較的融点が低い。インジウムの融点は１５６℃、錫の融点は２３２℃、ビスマスの融点は２７１℃である。
【００２６】
負極活物質層３を構成するリチウム以外の金属としては、融点が低く、大きな電池容量を確保しうるインジウムが特に好ましい。インジウムは、融点が１５６℃と低いので、半田のリフロー工程で流動するおそれがある。しかし、本発明では、環状膜部材４によって曲がれがせき止められるので、電気的短絡を有効に防止することができる。
【００２７】
負極活物質層２ｂを、錫やビスマスにより構成した場合にも、半田のリフロー工程で、負極活物質層２ｂが融解，変形を生じるおそれがある。しかし、本発明の環状膜部材４によって、負極活物質層２ｂと正極活物質１ｂ等との接触が妨げられる。よって、このような実施の形態を採用した場合にも、電池の信頼性を維持することができる。
【００２８】
上記実施の形態では、負極活物質層２ｂとして、リチウム箔を用いたが、リチウム等をＰＶＤ法を用いて堆積してもよい。
【００２９】
上記実施の形態では、正極活物質層１ｂおよび固体電解質層３を、粉末プレス成形により形成した。しかし、本発明の正極活物質層１ｂおよび固体電解質層３の形成方法は、これに限定されるものではない。たとえば、正極活物質層１ｂや固体電解質層３をＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法によって形成してもよい。
【００３０】
上記実施の形態の構造は、例示にすぎず、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載と、その記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の成膜方法により形成された固体電解質膜を有する電池は、時計，電卓などの電子機器用の電源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、発明の実施の形態における蓄電部を形成する手順を示す縦断面図である。
【図２】実施の形態に係る蓄電部の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
Ａ      蓄電部
１      正極部材
１ａ    集電体
１ｂ    正極
２      負極部材
２ａ    集電体
２ｂ    負極
２b1   リチウム膜
２b2   アルミニウム膜  
３      固体電解質層
４      環状膜部材
【図１】
2010080211.tif 000003
【図２】
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