(57)【要約】  出力を向上させることが可能な全固体電池を提供する。捲回された固体電解質・電極接合体と、該固体電解質・電極接合体を収容する筐体とを備え、筐体の内周面と固体電解質・電極接合体との間に、加圧された流体が充填されている、全固体電池とする。
2010095230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
捲回された電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を収容する筐体と、を備え、
前記筐体の内周面と前記電解質・電極接合体との間に、加圧された流体が充填されていることを特徴とする、全固体電池。
【請求項２】
前記流体が絶縁性の液体であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の全固体電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を備えた全固体電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、ハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質とが備えられ、電解質は、非水系の液体又は固体によって構成される。電解質に非水系の液体（以下において「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層の内部へと浸透する。そのため、正極層を構成する正極活物質と電解質との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体の電解質（以下において「固体電解質層」ということがある。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池が提案されている。【０００４】
固体電解質層が正極層と負極層との間に配設されるリチウムイオン二次電池（以下において「全固体電池」ということがある。）では、電解質と正極活物質及び負極活物質との界面が、固体と固体との界面（固固界面）になる。固固界面は、固液界面と比較して、イオン伝導抵抗が増大しやすい。そのため、全固体電池では、固固界面へ圧力を付与することにより、固固界面におけるイオン伝導抵抗（以下において、「界面抵抗」という。）を低減することが必要とされる。【０００５】
このような全固体電池に関する技術として、例えば特許文献１には、帯状の正極と負極とが固体電解質及びセパレータを介して巻回された巻回電極体を備える全固体電池が開示されている。【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８００７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている技術のように、巻回された巻回電極体が備えられる構成とすれば、高いエネルギー密度を得ることも可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されている技術のように、電極体を単に巻回しても、固固界面へ所定の締結圧力を付与しなければ、界面抵抗を低減することが困難であり、出力を向上させ難い、という問題があった。【０００８】
そこで本発明は、出力を向上させることが可能な全固体電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、捲回された固体電解質・電極接合体と、固体電解質・電極接合体を収容する筐体と、を備え、筐体の内周面と固体電解質・電極接合体との間に、加圧された流体が充填されていることを特徴とする、全固体電池である。【００１０】
ここに、「捲回された固体電解質・電極接合体」とは、正極層と負極層とが、固体電解質層及びセパレータを介して捲回された構造体をいい、例えば、固体電解質層及び正極層が接合した帯状の接合体と、セパレーターと、固体電解質層及び負極層が接合した帯状の接合体と、セパレータとを順に積層して構成される積層体を、捲回することにより作製される構造体をいう。【００１１】
また、上記本発明において、流体が絶縁性の液体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の全固体電池は、固体電解質・電極接合体と筐体の内周面との間に、加圧された流体が充填されている。そのため、流体から固体電解質・電極接合体へ圧力を付与することができる。このようにして圧力が付与されると、固体電解質と正極活物質との接触界面、及び、固体電解質と負極活物質との接触界面へ、圧力を満遍なく付与することができるので、界面抵抗を低減することが可能になる。界面抵抗を低減することにより出力を向上させることが可能になるので、本発明によれば、出力を向上させることが可能な、全固体電池を提供することができる。【００１３】
また、本発明において、固体電解質・電極接合体と筐体の内周面との間に充填される流体が絶縁性の液体であることにより、出力を向上させることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】全固体電池１０の形態例を示す断面図である。
【図２】固体電解質・電極接合体の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】全固体電池１０を分解して示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１…固体電解質・電極接合体
１ａ…正極層
１ｂ…負極層
１ｃ…固体電解質層
１ｄ…セパレータ
１ｅ…正極合剤層
１ｆ…正極集電体
１ｇ…負極合剤層
１ｈ…負極集電体
１ｘ…接合体
１ｙ…接合体
２…筒状体
３…筐体
４…液体
５…蓋
１０…全固体電池
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。【００１７】
図１は、本発明の全固体電池１０の形態例を簡略化して示す断面図である。図１では、全固体電池１０の特徴的な構成を中心に記載し、公知の構成の記載は適宜省略している。図２は、全固体電池１０に備えられる固体電解質・電極接合体電極体の一部を拡大して示す断面図である。図３は、全固体電池１０を分解して示す図である。図３では、全固体電池１０の形態を簡略化して示している。【００１８】
図１〜図３に示すように、全固体電池１０は、捲回された固体電解質・電極接合体１と、固体電解質・電極接合体１を収容する筒状体２と、筒状体２を収容する筐体３と、を有している。さらに、筒状体２の外周面と筐体３の内周面との間には、加圧された液体４が充填され、蓋材５が被せられた筐体３の内側の空間は、密閉されている。このような形態とすることにより、筒状体２は、その外側に充填された液体４から圧力を付与される。そのため、液体４から付与された圧力を固体電解質・電極接合体１へと伝達可能な形態の筒状体２を用いることにより、固体電解質・電極接合体１へ、その外側から圧力を付与することができる。このようにして圧力が付与されると、固体電解質と正極活物質との固固界面、及び、固体電解質と負極活物質との固固界面へ圧力を付与することができるので、これらの固固界面における界面抵抗を低減することが可能になる。界面抵抗を低減することにより、出力を向上することが可能になるので、本発明によれば、出力を向上させることが可能な、全固体電池１０を提供することができる。以下、全固体電池１０について、構成ごとに説明する。【００１９】
＜固体電解質・電極接合体１＞
固体電解質・電極接合体１は、正極層１ａと負極層１ｂとが、固体電解質層１ｃ及びセパレータ１ｄを介して捲回された構造体であり、いわゆるジェリーロール型の構造を有している。固体電解質・電極接合体１は、固体電解質層１ｃ及び正極層１ａが接合した帯状の接合体１ｘと、セパレータ１ｄと、固体電解質層１ｃ及び負極層１ｂが接合した帯状の接合体１ｙと、セパレータ１ｄとを積層した積層体を、捲回することにより作製される。【００２０】
正極層１ａは、正極合剤層１ｅに正極集電体１ｆが接触した構造を有している。正極合剤層１ｅは、リチウムイオンが出入りする正極活物質、固体電解質、及び、導電材を含有し、結着材を介してこれらが均一に混合されている。正極合剤層１ｅに含有される正極活物質は、全固体電池に使用可能な公知の正極活物質を用いることができ、その具体例としては、コバルト酸リチウム等を挙げることができる。また、正極合剤層１ｅに含有される固体電解質は、全固体電池に使用可能な公知の固体電解質を用いることができ、その具体例としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１等を挙げることができる。また、正極合剤層１ｅに含有される導電材は、全固体電池に使用可能な公知の導電材を用いることができ、その具体例としては、カーボンブラックに代表される炭素材料等を挙げることができる。また、正極合剤層１ｅに含有される結着材は、全固体電池の正極層に使用可能な公知の結着材を用いることができ、その具体例としては、フッ素系ゴム等の合成ゴムや、ポリビニリデンフルオロライド等の高分子材料等を挙げることができる。また、正極集電体１ｆは、全固体電池の正極集電体に使用可能な公知の材料を用いることができ、例えば、アルミニウム箔やニッケル箔を正極集電体１ｆとすることができる。【００２１】
負極層１ｂは、負極合剤層１ｇに負極集電体１ｈが接触した構造を有している。負極合剤層１ｇは、リチウムイオンが出入りする負極活物質、固体電解質、及び、導電材を含有し、結着材を介してこれらが均一に混合されている。負極合剤層１ｇに含有される負極活物質は、全固体電池に使用可能な公知の負極活物質を用いることができ、その具体例としては、黒鉛等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極合剤層１ｇに含有される固体電解質、導電材、及び、結着材は、正極合剤層１ｅに使用可能な固体電解質、導電材、及び、結着材と同様のものを用いることができる。また、負極集電体１ｈは、全固体電池の負極集電体に使用可能な公知の材料を用いることができ、例えば、銅箔やニッケル箔を負極集電体１ｈとすることができる。【００２２】
固体電解質層１ｃは、リチウムイオン伝導性を有し、且つ、導電性を有しない固体電解質を含有している。固体電解質層１ｃに含有される固体電解質は、全固体電池に使用可能な公知の固体電解質を用いることができ、その具体例としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１等を挙げることができる。【００２３】
セパレータ１ｄは、正極層１ａと負極層１ｂとを隔てる部材であり、正極活物質と負極活物質との接触に伴う短絡等を防止する目的で配置されている。セパレータ１ｄは、全固体電池に使用可能な公知の材料によって構成することができる。セパレータ１ｄの形態例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂製の多孔質膜や、セラミック製の多孔質膜等を挙げることができる。【００２４】
＜筒状体２＞
筒状体２は、液体４が電解質／電極界面に浸透することで、外部から拘束圧をかけた際に圧力が電解質／電極界面の固固界面にきちんとかからなくなることを防ぐために用いられる構造体である。全固体電池１０における筒状体２は、液体４から付与される圧力を固体電解質・電極接合体１へと伝達可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。筒状体２の構成材料の具体例としては、ポリマー（ＰＰ、ＰＥ等）、ポリマーコートされたアルミニウム箔等の絶縁物を挙げることができる。また、筒状体２の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。【００２５】
＜筐体３＞
筐体３は、固体電解質・電極接合体１と、筒状体２と、加圧された液体４を収容する部材であり、蓋５が被せられることにより、内側の空間が密閉される。筐体３は、加圧された状態で密閉される液体４の圧力に耐えることができ、液体４と反応せず、且つ、全固体電池１０の使用時の環境に耐え得る材料によって構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。筐体３の構成材料の具体例としては、Ｎｉ鋼等を挙げることができる。【００２６】
＜液体４＞
液体４は、加圧された状態で筐体３に充填され、固体電解質・電極接合体１へ圧力を付与することにより、固体電解質と正極活物質との固固界面、及び、固体電解質と負極活物質との固固界面における界面抵抗を低減する機能を担う。このような機能を発揮可能な液体であれば、液体４は特に限定されるものではないが、筒状体２に隙間があり、液体４が電極内に浸入しても短絡、漏電等の問題が生じないようにするという観点から、絶縁性の液体４であることが好ましい。また、全固体電池１０の使用時における安全性を担保する等の観点から、不燃性の液体４であることが好ましい。また、長期間に亘って、固体電解質・電極接合体１へ圧力を付与可能にする等の観点から、不揮発性の液体４であることが好ましい。このような液体４の具体例としては、鉱油、アルキルベンゼン、ポリブテン、アルキルナフタレン、アルキルジフェニルアルカン、シリコーン油等を主成分とする絶縁油等を挙げることができる。また、全固体電池１０において、加圧された液体４を筐体３へ充填する方法は特に限定されるものではなく、公知の方法で充填することができる。例えば、液体４として上記絶縁油を用いる場合、固体電解質・電極接合体１を収容した筒状体２を筐体３へ収容した後、窒素ガス等の不活性ガスを充填することにより加圧された上記絶縁油を筐体３へと充填し、その後、蓋５を用いて筐体３を密閉する等の過程を経ることにより、全固体電池１０を製造することができる。【００２７】
全固体電池１０において、密閉された筐体３に収容されている液体４の圧力は、界面抵抗を低減可能な圧力を固体電解質・電極接合体１へと付与可能な圧力であれば特に限定されるものではない。液体４の圧力は、例えば、０．２ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下とすることができる。【００２８】
＜蓋５＞
蓋５は、筐体３の開口部を塞ぐことにより、固体電解質・電極接合体１、筒状体２、及び、液体４が収容された筐体３の内側を密閉する。蓋５は、加圧された状態で密閉される液体４の圧力に耐えることができ、液体４と反応せず、且つ、全固体電池１０の使用時の環境に耐え得る材料によって構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。蓋５の構成材料の具体例としては、Ｎｉ鋼等を挙げることができる。【００２９】
本発明の全固体電池１０に関する上記説明では、筒状体２が備えられる形態を例示したが、本発明の全固体電池は当該形態に限定されるものではない。絶縁性の液体４が用いられる場合には、筒状体２が備えられない形態とすることも可能である。
【００３０】
また、本発明の全固体電池１０に関する上記説明では、固体電解質・電極接合体１と筐体３の内周面との間に加圧された液体が充填される形態を例示したが、本発明の全固体電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の全固体電池では、固体電解質・電極接合体と筐体の内周面との間に、加圧されたゼリー状の流体や、加圧された気体等が充填されていても良い。ただし、固体電解質・電極接合体の外側から、容易に、圧力を満遍なく付与可能な形態にする等の観点からは、固体電解質・電極接合体と筐体の内周面との間に、加圧された液体が充填されることがこのましい。【００３１】
また、本発明の全固体電池１０に関する上記説明では、正極合剤層１ｅを有する正極層１ａ、及び、負極合剤層１ｇを有する負極層１ｂが備えられる形態を例示したが、本発明の全固体電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の全固体電池は、例えば、Ｉｎ箔によって構成される負極層が備えられる形態とすることも可能である。【００３２】
また、本発明の全固体電池１０に関する上記説明では、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極活物質及び負極活物質が備えられる形態を例示したが、本発明の全固体電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の全固体電池は、例えば、ナトリウムイオンが移動する形態の全固体電池にも適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の全固体電池は、電気自動車や情報機器等の動力源として利用することができる。
【図１】
2010095230.tif 000003
【図２】
2010095230.tif 000004
【図３】
2010095230.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月4日(2010.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
捲回された電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を収容する筒状体と、前記筒状体を収容する筺体と、前記筺体の内側の空間を密閉する蓋材と、を備え、
前記筒状体の外周面と前記筺体の内周面との間に、加圧された流体が充填されていることを特徴とする、全固体電池。
【請求項２】
前記流体が絶縁性の液体であることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の全固体電池。
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月5日(2011.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
捲回された電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を収容する筒状体と、前記筒状体を収容する筐体と、前記筐体の内側の空間を密閉する蓋材と、を備え、
前記筒状体の外周面と前記筐体の内周面との間に、加圧された流体が充填されていることを特徴とする、全固体電池。
【請求項２】
前記流体が絶縁性の液体であることを特徴とする、請求項１に記載の全固体電池。
【国際調査報告】
2010095230.tif 000006
2010095230.tif 000007
2010095230.tif 000008
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