(57)【要約】  各セルが正極（１２）と、負極（１４）と、前記正極（１２）と前記負極（１４）との間に配置された固体電解質（１６）とを含むセルのスタック（２２）を含む固体電池（１０）であって、集電体（１８）は第一のセル（２０Ａ）の負極（１４）と第二のセル（２０Ｂ）の正極（１２）との間に配置されており、前記第二のセル（２０Ｂ）は前記第一のセル（２０Ａ）に隣接しており、固体電池（１０）は２つの形態を有するイオン伝導体（２６）を含み、前記２つの形態はイオン伝導体（２６）が集電体（１８）と接触していない通常形態、及び、イオン伝導体（２６）が集電体（１８）、第一のセル（２０Ａ）の負極（１４）及び第二のセル（２０Ｂ）の正極（１２）と接触している短絡形態であり、イオン伝導体（２６）はイオン導電率が集電体（１８）の電子伝導率よりも小さい、固体電池（１０）。
2019531573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルのスタック（２２）を含む固体電池（１０）であって、前記各セルが、正極（１２）、負極（１４）、及び前記正極（１２）と前記負極（１４）との間に配置された固体電解質（１６）を含み、集電体（１８）が、第一のセル（２０Ａ）の負極（１４）と、第二のセル（２０Ｂ）の正極（１２）との間に配置されており、前記第二のセル（２０Ｂ）が、前記第一のセル（２０Ａ）に隣接しており、前記固体電池（１０）が、２つの形態を有するイオン伝導体（２６）を含み、前記２つの形態は、前記イオン伝導体（２６）が前記集電体（１８）と接触していない通常形態、及び前記イオン伝導体（２６）が前記集電体（１８）、前記第一のセル（２０Ａ）の負極（１４）、及び前記第二のセル（２０Ｂ）の正極（１２）と接触している短絡形態であり、前記イオン伝導体（２６）は、前記集電体（１８）の電子伝導率よりも小さいイオン導電率を有する、固体電池（１０）。
【請求項２】
前記イオン伝導体（２６）のイオン伝導率が１０−５Ｓ／ｃｍ以上である、請求項１に記載の固体電池（１０）。
【請求項３】
前記イオン伝導体（２６）は１００℃以上の温度で前記通常形態から前記短絡形態に移行するように構成されている、請求項１又は２に記載の固体電池（１０）。
【請求項４】
前記イオン伝導体はポリマーイオン伝導体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体電池（１０）。
【請求項５】
前記イオン伝導体（２６）は無機イオン伝導体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体電池（１０）。
【請求項６】
前記イオン伝導体（２６）はバイメタルアクチュエータに取り付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体電池（１０）。
【請求項７】
前記セルのスタック（２６）は、金属製ケーシング（２４）によって包囲されており、かつ前記バイメタルアクチュエータを形成する金属は、前記金属製ケーシング（２４）と同じ金属である、請求項６に記載の固体電池（１０）。
【請求項８】
ｎ個のセル（２０Ａ，  ２０Ｂ）、及び、ｎ／１０以上の数のイオン伝導体（２６）を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体電池（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は固体電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウム系電池は、リチウムイオンが放電中に負極から正極に移動し、充電中に正極から負極に移動する再充電式電池の分類の一部である。
【０００３】
リチウム系電池には様々な種類があり、近年、固体型電池に関心が集まっている。電池の電解質は、以前には液体又はゲルであったが、そのような電池においては、固体材料で置き換えられる。例えば、特開２０１１−０２８８８３号公報は、リチウムイオン伝導性の非水電解質を用いた二次電池を開示している。このような固体電池は、温度が上昇するにつれて性能が向上する傾向がある。さらに、これらの固体電池は、電池内に液体が存在しないので安全である。
【０００４】
それにもかかわらず、温度を発生させる可能性がある固体電池の使用中に異常が発生する場合がある。温度がしきい値温度まで上昇することがあり、それがバッテリの損傷及び／又は追加の結果をもたらすことになりうる。電池の過充電の場合及び／又は温度が高すぎる場合に充電を停止することが意図されるデバイスは知られている。
【発明の概要】
【０００５】
現在のところ、固体電池の安全性を高めることが依然として望まれている。例えば、本願の発明者は、異常な状態のために充電が停止された後に固体電池内に存在するエネルギーを解放することが望ましいことを認識している。
【０００６】
したがって、本開示の実施形態では、固体電池を提供する。ここで、この固体電池は、セルのスタックを含み、各セルは、正極、負極、及び正極と負極との間に配置された固体電解質を含み、集電体が、第一のセルの負極と第二のセルの正極との間に配置されており、第二のセルは第一のセルに隣接しており、固体電池は、２つの形態を有するイオン伝導体を含み、これらの形態は、イオン伝導体が集電体と接触していない通常形態と、イオン伝導体が、集電体、第一のセルの負極、及び第二のセルの正極と接触している短絡形態であり、イオン伝導体は、集電体の電子伝導率よりも小さいイオン伝導率を有する。
【０００７】
このような形態を備えることにより、固体電池が異常状態にあり、固体電池の充電が停止されたときに、イオン伝導体は、イオン伝導体が集電体、第一セルの負極及び第二のセルの正極と接触する短絡形態をとる。イオン伝導体のイオン伝導率が集電体の電子伝導率よりも小さいために、イオン短絡が形成され、固体電池内に存在するエネルギーのゆっくりとした安全なエネルギー放出が、固体電池の電極を介して起こり得る。電子は負極から正極へと集電体を通して通過し、Ｌｉ＋イオンは負極から正極へとイオン伝導体を通して通過する。この固体電池は、したがって、固体電池が異常形態にあり、固体電池の温度が上昇するようなときでも、そのようなイオン伝導体を有しない固体電池と比較して安全である。
【０００８】
イオン伝導体のイオン伝導率は、１０−５Ｓ／ｃｍ（シーメン／センチメートル）以上であることができる。
【０００９】
伝導率は室温で示されている。
【００１０】
イオン伝導体は、１００℃以上の温度で通常形態から短絡形態に移行するように構成されることができる。
【００１１】
したがって、固体電池内で温度が上昇するときに、ゆっくりと安全にエネルギーを放出する。それで、固体電池はより安全である。
【００１２】
イオン伝導体はポリマーイオン伝導体であることができる。
【００１３】
ポリマーイオン伝導体の例は以下のとおりである：ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリ［エチレンオキシド−コ−２−（２−メトキシエトキシ）エチルグリシジルエーテル］（Ｐ（ＥＯ）／ＭＥＥＧＥ））／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリシロキサン／ＬｉＣｌＯ４。
【００１４】
イオン伝導体は無機イオン伝導体であることができる。
【００１５】
無機イオン伝導体の例は以下のとおりである：Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３（ＬＬＴＯ）、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−Ｐ２Ｓ５。
【００１６】
イオン伝導体はバイメタルアクチュエータに取り付けることができる。
【００１７】
異なる線熱膨張係数を有するバイメタルアクチュエータを形成する２つの金属では、温度が上昇すると、バイメタルアクチュエータは次第に形状を変化させ、イオン伝導体を通常形態から短絡形態に切り替わらせることを可能にし得る。
【００１８】
セルのスタックは金属ケーシングによって包囲されていてよく、かつバイメタルアクチュエータを形成する金属は金属ケーシングと同じ金属であってよい。
【００１９】
固体電池は、ｎ個のセル、及び、ｎ／１０以上の数のイオン伝導体を含むことができる。
【００２０】
異常状態において、固体電池の安全で緩やかな放電は、固体電池に存在するセルの数より少ない数のイオン伝導体を用いて得ることができる。
【００２１】
特に矛盾する場合を除き、上記の要素と本明細書内の要素との組み合わせがなされ得ることが意図される。
【００２２】
上述の一般記載及び下記の詳細な説明の両方は、例示かつ説明にすぎず、特許請求の範囲に記載されているとおりの本開示を限定するものではないことを理解されたい。
【００２３】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本開示の実施形態を例示し、その説明と共に、その原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は通常形態における本開示の実施形態による例示的な固体電池の概略断面図を示す。
【図２】図２は短絡形態における図１の例示的な固体電池の概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本開示の例示的な実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、同じ又は類似の部分を指すために、図面全体を通して同じ参照番号を使用することとする。
【００２６】
図１は、本開示の実施形態による例示的な固体電池１０の概略断面図を示す。図１において、固体電池１０は、第一のセル２０Ａと、第一のセル２０Ａに隣接する第二のセル２０Ｂとを含む。第一のセル２０Ａと第二のセル２０Ｂはセルのスタック２２を形成する。各セル２０Ａ、２０Ｂは正極１２及び負極１４を含む。セル１０は、また、正極１２と負極１４との間に配置された固体電解質１６を含み、正極１２、固体電解質１６及び負極１４は、２つの集電体１８の間に配置されている。
【００２７】
正極１２は、ＬｉＣｏＣ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏｗＮｉｘＭｎｙＡｌｚＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、又は、固体電池１０の正極１２を形成するためのいずれかの適切な材料を含むことができる。負極１４は、Ｃ、Ｓｉ、金属Ｌｉ、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＴｉＯ２、Ｓｎ、Ａｌ、又は、固体電池１０の負極１４を形成するためのいずれかの適切な材料を含むことができる。固体電解質１６は、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリ［エチレンオキシド−コ−２−（２−メトキシエトキシ）エチルグリシジルエーテル］（Ｐ（ＥＯ／ＭＥＥＧＥ））／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリシロキサン／ＬｉＣｌＯ４などのポリマーイオン伝導体、又は、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３（ＬＬＴＯ）、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−Ｐ２Ｓ５などの無機イオン伝導体、又は、固体電池１０の固体電解質１６を形成するためのいずれかの適切な材料を含むことができる。集電体１８は、ステンレス鋼、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）もしくは銅（Ｃｕ）又はこれらの材料を含む合金から作られることができる。このリストは限定的なものではない。２つの集電体１８は同じ材料から作られても、又は、２つの集電体は異なる材料から作られてもよい。例えば、正極側の集電体はＡｌから作られ、負極側の集電体はＣｕから作られてもよい。
【００２８】
固体電池１０は、セルのスタック２２を包囲する容器２４を含む。図１において、セルのスタック２２は、第一のセル２０Ａと第二のセル２０Ｂとを含み、２つの隣接するセル１０は集電体１８を共有する。セルのスタック２２はより多数のセル１０を含むことができる。本開示の理解のために要求されない固体電池１０の要素は省略されており、本開示では説明されない。
【００２９】
固体電池１０はまた、２つの形態を有するイオン伝導体２６を含む。図１において、イオン伝導体２６は通常形態であり、イオン伝導体２６は集電体１８と接触していない。
【００３０】
図２において、イオン伝導体２６は短絡形態であり、イオン伝導体２６は集電体１８、第一のセル２０Ａの負極１４及び第二のセル２０Ｂの正極１２と接触している。
【００３１】
一般に、イオン伝導体２６は１０−１Ｓ／ｃｍ以下のイオン伝導率を有することができ、一方、集電体１８は１０５Ｓ／ｃｍ以上の電子伝導率を有することができる。イオン伝導体２６のイオン伝導率は集電体１８の電子伝導率よりも小さい。
【００３２】
イオン伝導体２６は、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリ［エチレンオキシド−コ−２−（２−メトキシエトキシ）エチルグリシジルエーテル］（Ｐ（ＥＯ／ＭＥＥＧＥ））／ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ポリシロキサン／ＬｉＣｌＯ４などのポリマーイオン伝導体、又は、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ０．３５Ｌａ０．５５ＴｉＯ３（ＬＬＴＯ）、Ｌｉ２Ｓ−  ＧｅＳ２−Ｐ２Ｓ５などの無機イオン伝導体、又は、固体電池１０のイオン伝導体２６を形成するためのいずれかの適切な材料を含むことができる。
【００３３】
イオン伝導体２６は固体電解質１６とは異なる材料から製造されうる。
【００３４】
好ましくは、イオン伝導体２６のイオン伝導率は１０−５Ｓ／ｃｍ以上である。
【００３５】
図１及び図２に示すように、イオン伝導体２６は容器２４に取り付けられた金属板２８上にあり、金属板２８は容器２４とは異なる金属から作られている。金属板２８及び金属板２８が取り付けられている容器２４の部分３０はバイメタルアクチュエータを形成している。したがって、イオン伝導体２６はバイメタルアクチュエータに取り付けられている。
【００３６】
バイメタルアクチュエータは、固体電池１０の内部の温度上昇の影響下に変形し、１００℃以上の温度でイオン伝導体２６に短絡形態を取らせることができる。したがって、エネルギーの緩やかな放出が起こることができ、固体電池１０の温度上昇を制御する。
【００３７】
バイメタルアクチュエータは、例えば温度センサを含むコントローラによってトリガーされる電子制御アクチュエータによって置き換えられてもよい。
【００３８】
図１及び図２の固体電池１０は概略図である。固体電池１０は、多数の隣接するセル２０Ａ、２０Ｂを含みうることが理解される。固体電池が異常な状況にあるときに固体電池内のエネルギーをゆっくり放出するために、イオン伝導体２６の数は集電体１８の数に等しい必要はない。実際、１０個の集電体１８又はセル２０Ａ、２０Ｂあたりに１個のイオン伝導体２６で十分であり得る。しかしながら、より少数のイオン伝導体２６もまた、固体電池１０のエネルギーの安全で緩やかな放出を実行するのに十分であると考えることができる。
【００３９】
特許請求の範囲を含む本明細書全体を通して、用語「含む」は、別段の記載がない限り「少なくとも１つを含む」と同義であると理解されるべきである。さらに、特許請求の範囲を含む本明細書に記載されるあらゆる範囲は、別段の記載がない限り、その末端値を含むと理解されるべきである。記載された要素の具体的な値は、当業者に知られている許容された製造又は工業公差内であると理解されるべきであり、そして用語「実質的に」及び／又は「およそ」及び／又は「一般的に」のいずれの使用も、そのような許容範囲内に入ることを意味すると理解されるべきである。
【００４０】
国内、国際又は他の規格団体のいずれの規格が参照される場合でも（例えば、ＩＳＯなど）、そのような参照は、本明細書の優先日時点の国内又は国際規格団体によって定義されるとおりの規格を指すことが意図される。そのような規格に対するその後のいかなる実質的な変更も、本開示及び／又は特許請求の範囲の範囲及び／又は定義を修正することが意図されない。
【００４１】
本明細書における本開示は特定の実施形態を参照して説明されてきたが、これらの実施形態は本開示の原理及び用途の単なる例示であることを理解されたい。
【００４２】
明細書及び実施例は例示としてのみ考慮されることが意図され、開示の真の範囲は下記の特許請求の範囲によって示される。
【図１】
2019531573.tif 000003
【図２】
2019531573.tif 000004
【国際調査報告】
2019531573.tif 000005
2019531573.tif 000006