(57)【要約】【課題】全固体電池素子を覆う樹脂が変性したり欠損したりするのを抑制する。【解決手段】正極集電体層１１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、及び負極集電体層１５を含む１つ以上の単位電池１６を備える全固体電池素子１と、全固体電池素子１の外周部の少なくとも一部を覆う樹脂部２２と、正極集電体層１１、又は負極集電体層１５と電気的に接続され、樹脂部２２の内部を通って当該樹脂部２２の外部に延びる導体３と、を備える全固体電池１００であって、導体３は、電気抵抗値が当該導体３の他部位よりも部分的に高くなるように構成されたヒューズ部１０を備え、ヒューズ部１０は、樹脂部２２の外部に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を含む１つ以上の単位電池を備える全固体電池素子と、
前記全固体電池素子の外周部の少なくとも一部を覆う樹脂部と、
前記正極集電体層、又は前記負極集電体層と電気的に接続され、前記樹脂部の内部を通って当該樹脂部の外部に延びる導体と、
を備える全固体電池であって、
前記導体は、電気抵抗値が当該導体の他部位よりも部分的に高くなるように構成されたヒューズ部を備え、
前記ヒューズ部は、前記樹脂部の外部に設けられる、
全固体電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全固体電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、従来の全固体電池として、全固体電池素子を樹脂で封止すると共に、正極及び負極と電気的に接続された各リード付集電板の一部を、樹脂を貫通させて樹脂の外側まで延ばした全固体電池が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、開口端を有する有底の箱体に電池素子を収容し、その開口端に樹脂蓋体を取り付けた電池が開示されている。特許文献３には、電池間を接続する接続端子の中間部にヒューズ部を設けたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１０６１５４号公報
【特許文献２】特開２０１４−０６０１３８号公報
【特許文献３】特開平６−２３１７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来の全固体電池のように、全固体電池素子の少なくとも一部を樹脂で覆っている場合、電力を取り出すためには、例えばリード線のような導体を、樹脂の内部を通して樹脂の外側まで延ばす必要がある。このとき、何らかの要因で全固体電池が短絡して導体に大きな電流が流れ、そのときに生じる熱によって樹脂の内部で導体が溶断すると、樹脂が変性したり、また変性した結果として樹脂が欠損したりするおそれがある。
【０００６】
本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、全固体電池素子の少なくとも一部を覆う樹脂が変性したり欠損したりするのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様による全固体電池は、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層を含む１つ以上の単位電池を備える全固体電池素子と、全固体電池素子の外周部の少なくとも一部を覆う樹脂部と、正極集電体層、又は負極集電体層と電気的に接続され、樹脂部の内部を通って当該樹脂部の外部に延びる導体と、を備える。そして導体は、電気抵抗値が当該導体の他部位よりも部分的に高くなるように構成されたヒューズ部を備え、ヒューズ部は、樹脂部の外部に設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のこの態様による全固体電池によれば、樹脂部の外部に設けられたヒューズ部で導体を溶断させることができるので、樹脂部の内部で導体が溶断してしまうのを抑制できる。したがって、全固体電池素子の少なくとも一部を覆う樹脂が変性したり欠損したりするのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による全固体電池の概略断面図である。
【図２】図２は、負極用リード線にヒューズ部を設けなかった場合の問題点について説明する図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の変形例による全固体電池の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による全固体電池１００の概略断面図である。
【００１２】
本実施形態による全固体電池１００は、全固体電池素子１と、外装体２と、負極用リード線３と、を備える。
【００１３】
全固体電池素子１は、正極集電体層１１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、及び負極集電体層１５をこの順で配置した１つ以上の単位電池１６を備える。
【００１４】
全固体電池素子１が複数の単位電池１６を有する場合、隣接する単位電池１６は、集電体層を共有する構成であってよい。すなわち全固体電池素子１は、隣接する単位電池１６が正極集電体層１１及び負極集電体層１５の両方として機能する集電体層を共有するバイポーラ型の構成であってよく、具体的には、正極集電体層１１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、負極兼正極集電体層４１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、負極集電体層１５の積層順で、負極兼正極集電体層４１として機能する集電体層を共有する２つの単位電池１６を有する構成であってよい。
【００１５】
また全固体電池素子１は、隣接する単位電池１６が正極集電体層１１又は負極集電体層１５を共有するモノポーラ型の構成であってもよく、具体的には例えば、正極集電体層１１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、負極集電体層１５、負極活物質層１４、固体電解質層１３、正極活物質層１２、及び正極集電体層１１の積層順で、負極集電体層１５を共有する２つの単位電池１６を有する構成であってもよい。
【００１６】
正極集電体層１１は、例えばステンレス（ＳＵＳ）、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎなどによって構成された金属箔である。
【００１７】
正極活物質層１２は、電子伝導性を有する正極活物質を含む。正極活物質としては、例えばコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどの公知の正極活物質を適宜用いることができる。
【００１８】
固体電解質層１３は、イオン導電性を示す固体物質である固体電解質を含む。固体電解質としては、例えばＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５やＬｉ７Ｐ３Ｓ１１などの硫化物系固体電解質や、ＬｉＩやＬｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５などの酸化物系固体電解質などの公知の固体電解質を適宜用いることができる。
【００１９】
負極活物質層１４は、電子伝導性を有する負極活物質を含む。負極活物質としては、例えばグラファイトなどの公知の負極活物質を適宜用いることができる。
【００２０】
負極集電体層１５は、例えばＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎなどによって構成された金属箔である。
【００２１】
なお正極活物質層１２、及び負極活物質層１４には、必要に応じて固体電解質や導電助剤、バインダ（結着剤）を含ませることができる。
【００２２】
正極活物質層１２、及び負極活物質層１４に用いる固体電解質としては、前述した固体電解質層１３に使用できるものとして挙げた材料を適宜用いることができる。
【００２３】
導電助剤は、炭素材などの導電性を高める物質である。正極活物質層１２、及び負極活物質層１４に用いる導電助剤としては、例えばＶＧＣＦ（Vapor Grown Carbon Fiber；気相成長法炭素繊維）やアセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどの公知の導電助剤を適宜用いることができる。
【００２４】
バインダは、ポリマー樹脂などの活物質粒子同士を結び付ける物質である。正極活物質層１２、及び負極活物質層１４に用いるバインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などの公知のバインダを適宜用いることができる。
【００２５】
以下、本実施形態による全固体電池素子１の詳細な構成について説明する。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態による全固体電池素子１は、複数個の単位電池１６を備える２つのバイポーラ型電池４ａ，４ｂを電気的に並列に接続したものである。
【００２７】
各バイポーラ型電池４ａ，４ｂは、複数個の単位電池１６を備え、隣接する単位電池１６が集電体層を共有した構成となっている。すなわち各バイポーラ型電池４ａ，４ｂは、隣接する一方の単位電池１６の負極集電体層１５として機能すると共に、他方の単位電池１６の正極集電体層１１としても機能する負極兼正極集電体層４１を有している。
【００２８】
各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層一端側（バイポーラ型電池４ａにおいては図１の左側、バイポーラ型電池４ｂにおいては図１の右側）に位置する正極集電体層１１は、正極集電体層１１としての機能のみを有している。本実施形態ではこの各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層一端側の正極集電体層１１が、全固体電池素子１から外部に電力を取り出す際に、導体を介して図示しない外部の電気負荷等のマイナス端子に電気的に接続される。以下では、この各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層一端側の正極集電体層１１、すなわち全固体電池素子１から外部に電力を取り出すために、導体を介して図示しない外部の電気負荷等のマイナス端子に電気的に接続される正極集電体層１１のことを、必要に応じて「外部正極集電体層４２」という。
【００２９】
また各バイポーラ型電池４ａ，４ｂは、その最外層他端側（バイポーラ型電池４ａにおいては図１の右側、バイポーラ型電池４ｂにおいては図１の左側）に位置する負極集電体層１５を共有しており、これにより、各バイポーラ型電池４ａ，４ｂを電気的に並列に接続している。この最外層他端側の負極集電体層１５は、負極集電体層１５としての機能のみを有しており、本実施形態ではこの各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層他端側の負極集電体層１５が、全固体電池素子１から外部に電力を取り出す際に、導体を介して図示しない外部の電気負荷等のプラス端子に電気的に接続される。以下では、この各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層他端側の負極集電体層１５、すなわち全固体電池素子１から外部に電力を取り出すために、導体を介して図示しない外部の電気負荷等のプラス端子に電気的に接続される負極集電体層１５のことを、必要に応じて「外部負極集電体層４３」という。
【００３０】
外装体２は、全固体電池素子１を封止する。本実施形態による全固体電池１００の外装体２は、金属部２１と、樹脂部２２と、を備える。
【００３１】
金属部２１は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、鋼、ステンレス鋼等の金属材料によって構成されたケースである。金属部２１は、少なくとも一端側（図１の上側）に開口を有し、その内部に全固体電池素子１を収容する。本実施形態では、全固体電池素子１の外部正極集電体層４２が、金属部２１に対して接地されるように、金属部２１の内部に全固体電池素子１を収容している。具体的には図１に示すように、全固体電池素子１の両端に配置された各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの正極集電体層１１が、金属部２１の内周面２１ａと接するように、金属部２１の内部に全固体電池素子１を収容している。
【００３２】
このように本実施形態では、金属部２１が、全固体電池素子１を内部に収容するケースとしての機能に加え、全固体電池素子１の外部正極集電体層４２と、外部の電気負荷等のマイナス端子と、を電気的に接続して全固体電池素子１の電力を外部に取り出す際に、それらの間に介在する導体としての機能を有する。
【００３３】
樹脂部２２は、金属部２１の開口を隙間無く塞ぐためのものであり、外部負極集電体層４３と負極用リード線３とを例えば超音波接合によって接続した後、金属部２１の開口にエポキシ樹脂やアクリル樹脂などの熱硬化性樹脂を注入することによって形成される。
【００３４】
負極用リード線３は、その一端部が外部負極集電体層４３に物理的、電気的に接続されると共に、その他端部が図示しない外部の電気負荷等のプラス端子に電気的に接続される導体である。負極用リード線３の他端部を外部の電気負荷等と電気的に接続するには、図１に示すように、負極用リード線３を樹脂部２２の内部を通して樹脂部２２の外部まで延ばし、負極用リード線３の一部を樹脂部２２の外部に露出させる必要がある。
【００３５】
このとき、何らかの要因で全固体電池１００が短絡して負極用リード線３に大きな電流が流れ、そのときに生じる熱によって樹脂部２２の内部で負極用リード線３が溶断すると、樹脂部２２が変性するおそれがある。また変性した結果として樹脂部２２が欠損すると、以下のような問題が生じる。
【００３６】
図２は、樹脂部２２の内部で負極用リード線３が溶断し、樹脂部２２が欠損した場合の問題点について説明する図であり、本実施形態とは異なり負極用リード線３に後述するヒューズ部１０を設けていない比較例による全固体電池の概略断面図である。
【００３７】
図２に示すように、樹脂部２２の内部で負極用リード線３が溶断した結果として樹脂部２２が欠損し、樹脂部２２に貫通孔２２ａが生じて全固体電池素子１の封止が解かれると、例えば固体電解質層１３に含まれる固体電解質として硫化物系固体電解質を用いている場合には、硫化物と水分との反応によって硫化水素ガスが生じ、その硫化水素ガスが貫通孔２２ａを介して外部に流出するおそれがある。
【００３８】
したがって、仮に全固体電池１００が短絡したとしても、樹脂部２２の内部で負極用リード線３が溶断しないように、何らかの措置を取ることが望ましい。そこで本実施形態では、図１に示すように、負極用リード線３に、その負極用リード線３の他部位よりも電気抵抗値が高いヒューズ部１０を設けることとした。そしてこのヒューズ部１０を、樹脂部２２の外部に露出した部分に設けることとした。
【００３９】
負極用リード線３の材質としては、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を用いることができるが、本実施形態のように負極用リード線３にヒューズ部１０を設ける場合は、電気伝導性が高く、また融点が低いアルミニウムを用いることが好ましい。
【００４０】
なおヒューズ部１０の電気抵抗値は、全固体電池１００が短絡しておらず、通常想定される大きさの電流がヒューズ部１０に流れているときは溶断しない値に設定される。またヒューズ部１０の電気抵抗値は、ヒューズ部１０が溶断するまでに生じる熱量が樹脂部２２に加えられても、樹脂部２２が変性しないような電気抵抗値に調整することが望ましい。すなわちヒューズ部１０が溶断したときのヒューズ部１０近傍の温度が、樹脂部２２の変性温度よりも低くなるように、ヒューズ部１０の電気抵抗値を調整することが望ましい。
【００４１】
本実施形態では、図１に示すように、負極用リード線３のヒューズ部１０の直径（断面積）を、負極用リード線３のヒューズ部１０以外の部分の直径（断面積）よりも小さくすることで、負極用リード線３のヒューズ部１０の電気抵抗値が、負極用リード線３のヒューズ部１０以外の部分の電気抵抗値よりも高くなるようにしている。
【００４２】
しかしながら、負極用リード線３に他部位よりも部分的に電気抵抗値が高いヒューズ部１０を設ける方法は、このような方法に限られるものではない。例えば、負極用リード線３のヒューズ部１０の金属を、他部位の金属よりも電気抵抗値の高い金属にすることで、ヒューズ部１０の電気抵抗値が、他部位の電気抵抗値よりも高くなるようにしてもよい。
【００４３】
これにより、全固体電池１００が短絡した場合には、樹脂部２２の外部に露出した部分に設けられたヒューズ部１０で負極用リード線３を積極的に溶断させることができる。そのため、負極用リード線３が樹脂部２２の内部で溶断するのを抑制することができ、樹脂部２２が変性したり、欠損したりするのを抑制することができる。
【００４４】
なお本実施形態では、金属部２１と樹脂部２２とによって外装体２を構成していたが、例えば図３に示す本実施形態の変形例による全固体電池１００のように、外装体２を樹脂部２２のみで構成すると共に、各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの最外層一端側に位置する正極集電体層１１同士を樹脂部２２の内部で接続することで外部正極集電体層４２を形成し、一端部がその外部正極集電体層４２と接続される正極用リード線５を別途に設けるようにしても良い。
【００４５】
このように、全固体電池１００が負極用リード線３に加えて正極用リード線５を備える場合は、正極用リード線５も、負極用リード線３と同様に正極用リード線５を樹脂部２２の内部を通して樹脂部２２の外部まで延ばし、正極用リード線５の一部を樹脂部２２の外部に露出させる必要がある。したがって全固体電池１００が負極用リード線３に加えて正極用リード線５を備える場合は、正極用リード線５にも、負極用リード線３と同様のヒューズ部１０を、樹脂部２２の外部に露出した部分に設けることが望ましい。
【００４６】
以上説明した本実施形態、及び本実施形態の変形例による全固体電池１００は、正極集電体層１１、正極活物質層１２、固体電解質層１３、負極活物質層１４、及び負極集電体層１５を含む１つ以上の単位電池１６を備える全固体電池素子１と、全固体電池素子１の外周部の少なくとも一部を覆う樹脂部２２と、外部正極集電体層４２としての正極集電体層１１、又は外部負極集電体層４３としての負極集電体層１５と電気的に接続され、樹脂部２２の内部を通って樹脂部２２の外部に延びる導体（正極用リード線５、又は負極用リード線３）と、を備える。
【００４７】
そして導体は、電気抵抗値が導体の他部位よりも部分的に高くなるように構成されたヒューズ部１０を備え、ヒューズ部１０は、樹脂部２２の外部に設けられる。
【００４８】
これにより、全固体電池１００が短絡した場合には、樹脂部２２の外部に露出した部分に設けられたヒューズ部１０で導体（正極用リード線５、又は負極用リード線３）を積極的に溶断させることができる。そのため、導体（正極用リード線５、又は負極用リード線３）が樹脂部２２の内部で溶断するのを抑制することができ、樹脂部２２が変性したり、欠損したりするのを抑制することができる。
【００４９】
また、例えば導体と接続される外部正極集電体層４２、又は外部負極集電体層４３等の厚さなどが製造時のバラつきによって部分的に変化し、これら集電体層４２，４３の電気抵抗値が部分的に高くなる場合がある。このような場合において、導体にヒューズ部１０を設けていないと、全固体電池１００が短絡したときに、集電体層４２，４３、ひいては全固体電池素子１が外装体２によって封止されたまま損傷してしまうおそれがある。これに対して、本実施形態のように樹脂部２２の外部に露出した部分に設けられたヒューズ部１０で導体（正極用リード線５、又は負極用リード線３）を積極的に溶断させることで、製造時のバラつき等によって外部正極集電体層４２、又は外部負極集電体層４３の厚さ等に多少の製造誤差があったとしても、これら集電体層４２，４３を損傷させてしまうのを抑制することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００５１】
例えば上記の実施形態では、全固体電池素子１の外部正極集電体層４２を金属部２１に接地させることで、全固体電池素子１の外部正極集電体層４２と、外部の電気負荷等のマイナス端子と、を電気的に接続して全固体電池素子１の電力を外部に取り出す際に、それらの間に介在する導体としての機能を金属部２１に持たせていた。
【００５２】
しかしながら、全固体電池素子１の外部正極集電体層４２と、金属部２１の内周面と、が接触しないようにして金属部２１に導体としての機能を持たせず、正極用リード線５を別途に備えるようにしても良い。
【００５３】
また上記の実施形態では、各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの負極集電体４３を共用としていたが、各バイポーラ型電池４ａ，４ｂの正極集電体４２を共用し、負極集電体４３を金属部２１に接地させるようにしても良い。またバイポーラ型電池４ａ，４ｂのうちの１つだけを使用しても良いし、３つ以上使用しても良い。
【００５４】
また上記の実施形態では、全固体電池素子１としてバイポーラ型電池４ａ，４ｂを用いていたが、全固体電池素子１としてモノポーラ型電池を用いても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１    全固体電池素子
３    負極用リード線（導体）
５    正極用リード線（導体）
１０    ヒューズ部
１１    正極集電体層
１２    正極活物質層
１３    固体電解質層
１４    負極活物質層
１５    負極集電体層
１６    単位電池
２２    樹脂部
１００    全固体電池
【図１】
2019003804.tif 000003
【図２】
2019003804.tif 000004
【図３】
2019003804.tif 000005