(57)【要約】【課題】発電要素の熱を効率的に外部に放出させて発電要素の温度上昇を抑え、発電要素の劣化を抑制することができる固体二次電池を提供する。【解決手段】正極層２１及び負極層２２と、正極層２１と負極層２２との間に設けられる固体電解質層２３と、を備えた電池要素２０と、電池要素の昇温を抑制する抑制剤を含有する絶縁材料からなり電池要素２０の周囲を覆って設けられる被覆部材５０と、被覆部材５０よりも抑制剤の含有率が高い機能部材と、を有し、機能部材５１が、少なくとも電池要素２０の固体電解質層２３が露出する面に対向する部分に配置された構成とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極層及び負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる固体電解質層と、を備えた電池要素と、
前記電池要素の昇温を抑制する抑制剤を含有する絶縁材料からなり前記電池要素の周囲を覆って設けられる被覆部材と、
前記被覆部材よりも前記抑制剤の含有率が高い機能部材と、を有し、
前記機能部材は、少なくとも前記電池要素の前記固体電解質層が露出する面に対向する部分に配置されていることを特徴とする固体二次電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体二次電池において、
前記機能部材は、前記電池要素の中央部に対応する部分の厚さが最も厚くなっていることを特徴とする固体二次電池。
【請求項３】
請求項２に記載の固体二次電池において、
前記機能部材は、前記電池要素の中央部に近づくにつれて、その厚さが厚くなっていることを特徴とする固体二次電池。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の固体二次電池において、
前記機能部材は、前記電池要素側を頂点とする錐形に形成されていることを特徴とする固体二次電池。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の固体二次電池において、
前記正極層及び負極層が、バイポーラ電極で構成されていることを特徴とする固体二次電池。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の固体二次電池において、
前記抑制剤が、前記被覆部材を構成する絶縁材料よりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導フィラーを含むことを特徴とする固体二次電池。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の固体二次電池において、
前記抑制剤が、消火剤で形成された消火フィラーを含むことを特徴とする固体二次電池。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一項に記載の固体二次電池において、
前記電池要素と前記被覆部材と前記機能部材とが収容される容器を有し、
当該電池要素は、前記被覆部材によって前記容器内に固定されていることを特徴とする固体二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極層及び負極層と、これら正極層と負極層との間に設けられる固体電解質層とで構成される発電要素を備える固体二次電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される二次電池（バッテリー）としては、電解液を用いたリチウムイオン二次電池が一般的に採用されているが、それ以外の構造の二次電池もある。例えば、車載用の二次電池として、電解液を固体電解質層に変えて電池を固体化した固体二次電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、固体二次電池としては、安全性や耐久性等を向上するために、正極及び負極と、固体電解質層とを有する発電要素を、被覆材で被覆するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このような固体二次電池においては、充放電等を行う際に熱が発生し、この熱に起因して活物質や電解質等が劣化する虞がある。そこで、特許文献２に係る発明では、被覆材に対して、所定の熱伝導率を有するフィラーを含有させることで、発電要素の発熱（昇温）を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０３３６３８号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載のように、被覆材（被覆部材）の全体にフィラーを含有させることで、発電要素の温度上昇をある程度抑制することはできる。しかしながら、発電要素は場所によって発熱の程度が異なるため、被覆部材全体に均一にフィラーを含有させた場合、発電要素の熱を効率的に放熱させることができない虞がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発電要素の熱を効率的に外部に放出させて発電要素の温度上昇を抑え、発電要素の劣化を抑制することができる固体二次電池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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、正極層及び負極層と、前記正極層と前記負極層との間に設けられる固体電解質層と、を備えた電池要素と、前記電池要素の昇温を抑制する抑制剤を含有する絶縁材料からなり前記電池要素の周囲を覆って設けられる被覆部材と、前記被覆部材よりも前記抑制剤の含有率が高い機能部材と、を有し、前記機能部材は、少なくとも前記電池要素の前記固体電解質層が露出する面に対向する部分に配置されていることを特徴とする固体二次電池にある。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様の固体二次電池において、前記機能部材は、前記電池要素の中央部に対応する部分の厚さが最も厚くなっていることを特徴とする固体二次電池にある。
【００１０】
本発明の第３の態様は、第２の態様の固体二次電池において、前記機能部材は、前記電池要素の中央部に近づくにつれて、その厚さが厚くなっていることを特徴とする固体二次電池にある。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１から３の何れか一つの態様の固体二次電池において、前記機能部材は、前記電池要素側を頂点とする錐形に形成されていることを特徴とする固体二次電池にある。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１から４の何れか一つの態様の固体二次電池において、前記正極層及び負極層が、バイポーラ電極で構成されていることを特徴とする固体二次電池にある。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第１から５の何れか一つの態様の固体二次電池において、前記抑制剤が、前記被覆部材を構成する絶縁材料よりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導フィラーを含むことを特徴とする固体二次電池にある。
【００１４】
本発明の第７の態様は、第１から６の何れか一つの態様の固体二次電池において、前記抑制剤が、消火剤で形成された消火フィラーを含むことを特徴とする固体二次電池にある。
【００１５】
本発明の第８の態様は、第１から７の何れか一つの態様の固体二次電池において、前記電池要素と前記被覆部材と前記機能部材とが収容される容器を有し、当該電池要素は、前記被覆部材によって前記容器内に固定されていることを特徴とする固体二次電池にある。
【発明の効果】
【００１６】
かかる本発明では、発電要素が発熱した際に、熱伝導フィラーを含有する機能部を介してその熱が効率的に放出される。したがって発電要素の温度上昇を抑制することができ、発熱による発電要素の劣化を抑制することができる。また発電要素の温度が低くなり過ぎている場合には、機能部を介して発電要素を早期に温めることもできる。さらに被覆部材の機能部が消火フィラーを含有している場合には、発電要素の燃焼を未然に防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体二次電池の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る発電要素の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る固体二次電池の電池ケース内の概略構造を示す正面図及び側面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る固体二次電池の電池ケース内の概略構造の他の例を示す正面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る機能部材の一つの概略形状を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る機能部材の変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る機能部材の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る固体二次電池の電池ケース内の概略構造の他の例を示す正面図及び側面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る被覆部材の製造方法の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、本発明に係る固体二次電池１０は、電池要素２０と、電池要素２０を収容する容器である電池ケース３０と、蓋部材４０と、を具備する。
【００２０】
電池要素２０は、図２に示すように、正極層２１及び負極層２２と、これら正極層２１と負極層２２との間に設けられる固体電解質層２３と、を有する。また固体電解質層２３に挟まれる正極層２１Ａ及び負極層２２Ａは、バイポーラ電極２５で構成されている。バイポーラ電極２５は、集電体の一方面に正極層２１が形成され、集電体の他端面に負極層２２が形成されたものである。すなわち本実施形態に係る固体二次電池１０は、いわゆるバイポーラ電池であり、電池要素２０は、バイポーラ電極２５が固体電解質層２３を介して複数枚積層されることによって形成されている。なお電池要素２０の最外層を構成する正極層２１には、正極タブ２６の一端側が接続され、正極タブ２６の他端側は、電池ケース３０の外部まで延設されている。同様に、電池要素２０の最外層を構成する負極層２２には、負極タブ２７の一端側が接続されている。
【００２１】
またこのような電池要素２０の周囲は、図３に示すように、絶縁性を有する絶縁材料、例えば、エポキシ系、或いはエステル系の樹脂材料等からなる被覆部材５０（図１では省略）によって覆われている。これにより電池要素２０における正極層２１と負極層２２との短絡を防止している。電池要素２０は、この被覆部材５０に覆われた状態で、電池ケース３０内に固定されている。すなわち被覆部材５０は、電池要素２０を電池ケース３０に固定する固定部材としても機能し、電池要素２０が収容された電池ケース３０内の隙間は、この被覆部材５０によって塞がれている。
【００２２】
このように被覆部材５０によって電池要素２０が電池ケース３０内に固定されていることで、電池要素２０を構成する正極層２１及び負極層２２や固体電解質層２３等のずれを防止することができる。その結果、短絡等の発生をより確実に防止することができる。
【００２３】
ここで、本発明に係る被覆部材５０は、電池要素２０の昇温（温度上昇）を抑制する機能を有する抑制剤を含有している。本実施形態では、被覆部材５０を構成する樹脂材料（絶縁材料）よりも熱伝導率の高い材料からなる熱伝導フィラーが、抑制剤として被覆部材５０の全体に含有されている。この抑制剤である熱伝導フィラーとしては、熱伝導性の比較的高い無機材料からなる無機フィラーが好適に用いられる。具体的には、例えば、チッ化アルミニウム（ＡｌＮ）やチッ化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる無機フィラーが好適に用いられる。勿論、熱伝導フィラーの材料は、特に限定されるものではなく、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の他の材料を用いることもできる。
【００２４】
また電池要素２０の各面（６面）に対向する位置には、機能部材５１が設けられている。本実施形態では、被覆部材５０には、電池要素２０の各面に対向する位置に凹部がそれぞれ形成されており、機能部材５１は各凹部内に設けられている。機能部材５１は、機能性フィラーの含有率が被覆部材５０よりも高く、被覆部材５０よりも熱伝導性が高くなっている。したがって、電池要素２０が発熱した場合、その熱は、被覆部材５０からも外部に放出されるが、特に、各機能部材５１を介して効率的に外部に放出される。
【００２５】
各機能部材５１は、電池要素２０の各面内において、発熱量が最も多い電池要素２０の中央部に対応する部分が最も厚くなっている。本実施形態では、機能部材５１は、電池要素２０の中央部に近づくにつれて、その厚さが厚くなるように形成されている。具体的には、図３に示すように、各機能部材５１は、電池要素２０の中央部が最も厚い略球面状に形成されている。
【００２６】
このような形状の複数の機能部材５１が、電池要素２０の各面に対向して設けられていることで、電池要素２０が発熱した際に、機能部材５１を介してその熱を効果的に放出することができる。これにより、電池要素２０の温度上昇を抑制することができ、熱による電池要素２０の劣化を抑制することができる。
【００２７】
また各機能部材５１は、上述のように電池要素２０の中央部が最も厚い形状に形成されているため、電池要素２０の熱をより効率的に外部に放出させることができる。特に、本実施形態では、機能部材５１が、電池要素２０の中央部に近づくにつれて、その厚さが厚くなるように形成されているため、電池要素２０の熱をさらに効率的に外部に放出させることができる。また、固体二次電池１０の全体温度の均一化を図ることができ、固体二次電池１０の部分的な劣化を抑制することもできる。
【００２８】
一方で、電池要素２０の温度が低くなり過ぎている場合には、電池要素２０と被覆部材５０と機能部材５１とが収容されている電池ケース３０を温めることで、機能部材５１を介して電池要素２０を効率的に温めることができる。電池要素２０は、例えば、０℃よりも低い低温になると、十分な発電性能を発揮できなくなる虞がある。このような場合には、外部から電池ケース３０を温めることで、機能部材５１を介して電池要素２０を早期に温められる。したがって、電池要素２０の十分な発電性能を早期に発揮させることができる。
【００２９】
なお機能部材５１の形状は特に限定されず、例えば、対向する電池要素２０の発熱量や電池要素２０の形状等に応じて適宜決定されればよい。本実施形態では、電池要素２０の中央部に近づくにつれて、その厚さが厚くなるように構成された機能部材５１の一例として、各機能部材５１の電池要素２０に対向する表面が略球面形状に形成されたものを例示したが、各機能部材５１は、例えば、錐形に形成されていてもよい。例えば、図４及び図５に示すように、機能部材５１は、円錐形状に形成されていてもよいし、図６に示すように、四角錐形状に形成されていてもよい。勿論、機能部材５１は、三角錐形状や六角錐形状等の他の多角錐形状に形成されていてもよい。
【００３０】
さらに、各機能部材５１は、例えば、図７に示すように、電池要素２０に対向する面が階段状に形成されていてもよい。すなわち、機能部材５１が電池要素２０の中央部に近づくにつれてその厚さが厚くなっている構成には、このような階段状に形成されたものが含まれることとする。
【００３１】
また複数の各機能部材５１は、全てが同じ形状である必要はなく、例えば、図８に示すように、電池要素２０の固体電解質層２３が露出された面に対向する機能部材５１Ａを四角錐形状とし、固体電解質層２３が露出されていない面に対向する機能部材５１Ｂを円錐形状としてもよい。
【００３２】
さらに本実施形態では、電池要素２０の各面に対向して機能部材５１を設けるようにしたが、機能部材５１は必ずしも電池要素２０の全ての面に対向して設けられていなくてもよい。例えば、固体電解質層２３を挟んで複数枚のバイポーラ電極２５が積層された本実施形態の電池要素２０の構成では、固体電解質層２３が露出されている面において、特に発熱量が高くなる。このため、機能部材５１は、固体電解質層２３が露出されている面（４面）のみに対向して設けられていてもよい。
【００３３】
なお、被覆部材５０及び機能部材５１の製造方法は、特に限定されないが、例えば、次のように形成することができる。図９に示すように、まず、所定量の抑制剤を含有する材料で、被覆部材５０を電池要素２０の周囲に形成する。その際、被覆部材５０には、電池要素２０の各面に対向する位置に凹部５０ａを形成しておく。一方で、被覆部材５０とは抑制剤の含有率が高い材料で、機能部材５１を、被覆部材５０とは独立して形成する。その後、被覆部材５０の各凹部５０ａに機能部材５１を組み込む。その後、電池要素２０と被覆部材５０と機能部材５１とを電池ケース３０内に収容し、この電池ケース３０を蓋部材４０で塞ぐことで、本実施形態に係る固体二次電池１０が形成される（図１等参照）。
【００３４】
また本実施形態では、被覆部材５０及び機能部材５１が抑制剤として熱伝導フィラーを含有する構成を例示したが、被覆部材５０及び機能部材５１が含有する抑制剤は熱伝導フィラーに限定されず、例えば、消火剤で形成された消火フィラーであってもよい。すなわち本発明において抑制剤とは、電池要素の昇温を抑制する機能を果たすものであればよく、熱伝導フィラーは勿論、消火フィラーも含むこととする。被覆部材５０には、熱伝導フィラーの替わりに消火フィラーが含有されていてもよいが、熱伝導フィラーと共に消火フィラーが含有されていてもよい。なお消火フィラーを形成する消火剤の材料は、特に限定されないが、例えば、リン系化合物、フッ素系化合物等が挙げられる。そして被覆部材５０及び機能部材５１が消火フィラーを含有する場合にも、機能部材５１は、この消火フィラーの含有率が、被覆部材５０の含有率よりも高くなっている。
【００３５】
このように被覆部材５０及び機能部材５１が消火フィラーを含有していることで、電池要素２０の燃焼を未然に防止することができる。特に、機能部材５１の消火フィラーの含有率が被覆部材５０よりも高くなっていることで、電池要素２０の燃焼をより確実に未然に防止することができる。すなわち、電池要素２０の発熱量が多くなり、仮に、電池要素２０の発火が生じた場合でも、被覆部材５０が含有している消火フィラーによって短時間で消火することができる。
【００３６】
また上述の実施形態では、機能部材５１と共に、被覆部材５０にも抑制剤としての機能性フィラー（熱伝導フィラー、消火フィラー）が含有された構成を例示したが、抑制剤（機能性フィラー）は機能部材５１のみに含有されていてもよい。この場合でも、電池要素２０の熱を効率的に外部に放出させることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  固体二次電池
２０  電池要素
２１  正極層
２２  負極層
２３  固体電解質層
２５  バイポーラ電極
２６  正極タブ
２７  負極タブ
３０  電池ケース
４０  蓋部材
５０  被覆部材
５１  機能部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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