(57)【要約】【課題】正負極の両電極層を積層構造とした電池でありながら、電解質層のピンホールの発生に伴う諸問題を解消することができる電池を提供する。【解決手段】本発明の電池は、正極層20と、負極層50と、両電極層間でイオンの伝導を行う電解質層40とを有する。この電池において、正極層20と負極層50は積層され、正極層20と負極層50との間に絶縁層30が介在されている。この絶縁層30は、正極層20および負極層50の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成されている。正極層20と負極層50とが電解質層40のみを介在して対面する箇所がないようにしている。正極層20と負極層50との間に絶縁層30を介在することで、仮に電解質層40にピンホールがあったとしても、正負極層間の短絡を抑制することができる。【選択図】図１
2008140635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極層と、負極層と、両電極層間でイオンの伝導を行う電解質層とを有する電池であって、
前記正極層と負極層は積層され、
これら正極層と負極層との間に絶縁層が介在され、
この絶縁層は、正極層および負極層の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成され、
前記正極層と負極層とが電解質層のみを介在して対面する箇所がないことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記電池が一次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記電池が二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記正極層および負極層の一方が単純パターン形状であり、他方が単純パターン形状よりも輪郭長が長い複雑パターン形状であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項５】
正極層、負極層、電解質層および絶縁層が、電池を半田リフローする際の温度に対して耐熱性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項６】
正極層および負極層の間に電解質層と絶縁層とが介在されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池に関するものである。特に、薄膜Li二次電池に好適な電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
薄膜電池は、全固体型電池のうち、主に数〜数10μAhの極小容量の電池として、研究開発が進められている。その構成は、例えば集電体となる金属箔、あるいはアルミナ等のセラミックス基材に形成した金属薄膜上に、正極層、固体電解質層、負極層を順次重ねた積層構造となっている。これら各層の製造方法は、例えばスパッタリング法等の気相堆積法がとられ、固体電解質層には酸化物、負極層にはLi金属が使用されている（例えば、特許文献1及び2参照）。
【０００３】
一方、正極層と負極層とを積層するのではなく、同一平面上に両電極層を並列した構成の電池もある（例えば、特許文献3参照）。この電池は、基板上に、正極集電体を介して正電極層が、負極集電体を介して負電極層がそれぞれ設けられている。各集電体および電極層は各々櫛歯状に形成されている。この正極層の櫛歯と負極層の櫛歯は、交互に間隔をあけて並列されるように、対向して配置されている。そして、これら正極層の櫛歯と負極層の櫛歯の間には固体電解質が介在されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2005-251417号公報
【特許文献２】特開平10-83838号公報
【特許文献３】特開2006-147210号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の薄膜電池においては、次のような問題があった。
【０００６】
積層構造の薄膜電池では、正極層と負極層が重なるように配置されているため、特に固体電解質層形成時に下地に異物が付着したりすると、固体電解質層にピンホールが形成されやすく、正負極層間で短絡する問題がある。その結果、薄膜電池の歩留りが低くなっている。また、電解質層にピンホールが発生しているかどうかの検査も煩雑である。さらに、この種の薄膜電池において、電極層や固体電解質層の形成面積を大きくすることにより大容量化を図る場合にも、固体電解質層でピンホールの生成が一箇所でもあれば、正負極層間で短絡を起こし、電池として駆動しない。その上、ピンホールの生成を防ぐためには、クリーン度の高い無埃のクリーンルームが必要となり、その設置に多大な設備費を要する。
【０００７】
一方、櫛歯状の電極層を同一平面上に配置した構造の薄膜電池では、双方の電極層に重複する箇所がないため、上述した電極層間の短絡の問題は解消できる。しかし、正極層と負極層を同一平面上に並列する必要があるため、電池全体としての面積は積層構造の電池に比べて大きくならざるを得ない。その結果、同じ出力を得るための電池として、櫛歯状の電極層を用いた薄膜電池の方が積層構造の薄膜電池よりも電池面積が広くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、正負極の両電極層を積層構造とした電池でありながら、電解質層のピンホールの発生に伴う諸問題を解消することができる電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電池は、正極層と、負極層と、両電極層間でイオンの伝導を行う電解質層とを有する。この電池において、正極層と負極層は積層され、正極層と負極層との間に絶縁層が介在されている。この絶縁層は、正極層および負極層の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成されている。そして、前記正極層と負極層とが電解質層のみを介在して対面する箇所がないようにしている。
【００１０】
正極層と負極層との間に絶縁層を介在することで、仮に電解質層にピンホールがあったとしても、正負極層間の短絡を抑制することができる。
【００１１】
また、正極層と負極層とが積層されているため、櫛歯状の正極層と負極層を同一平面上に配置した電池に比べて電池の面積を小さくすることができる。
【００１２】
さらに、絶縁層は、正極層および負極層の一方よりも面積が小さく、他方よりも面積が大きく構成されており、正極層と負極層とが電解質層のみを介在して対面する箇所がない。そのため、正極層と負極層との間のイオン伝導は、絶縁層の厚さ方向ではなく、絶縁層の沿面方向に沿った電解質層を介して行うことができる。
【００１３】
本発明電池の一形態としては、前記電池が一次電池であることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、正負極の両電極層を積層構造とした電池でありながら、電解質層のピンホールの発生に伴う諸問題を解消することができる一次電池を構成することができる。
【００１５】
本発明電池の一形態としては、前記電池が二次電池であることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、正負極の両電極層を積層構造とした電池でありながら、電解質層のピンホールの発生に伴う諸問題を解消することができる二次電池を構成することができる。
【００１７】
本発明電池の一形態としては、前記正極層および負極層の一方が単純パターン形状であり、他方が単純パターン形状よりも輪郭長が長い複雑パターン形状であることが好ましい。
【００１８】
本発明の電池は、絶縁層の沿面方向に沿った電解質層を介して正極層と負極層との間のイオン伝導を行う。つまり、電極層の輪郭を大きく採ることができれば、イオン伝導を行うための経路をより広範に確保することができる。そのため、正極層と負極層の一方が複雑パターン形状であれば、イオンの伝導ルートをより多く確保でき、一層高出力の電池とすることができる。
【００１９】
本発明電池の一形態としては、正極層、負極層、電解質層および絶縁層が、電池を半田リフローする際の温度に対して耐熱性を有する材料で構成されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、半田を介して基板に電池を搭載する半田リフロー工程に対応する電池を構築することができる。
【００２１】
本発明電池の一形態としては、正極層および負極層の間に電解質層と絶縁層とが介在されていることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、正極層および負極層の間に電解質層と絶縁層の両方が介在されているため、もし電解質層と絶縁層の少なくとも一方にピンホールがあっても、通常、両層のピンホールが連続することは考えにくく、正極層と負極層との短絡をより確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明薄膜リチウム電池によれば、正極層と負極層との間に絶縁層を介在することで、仮に固体電解質層にピンホールが生じても、このピンホールで両極層間が短絡されることが実質的になく、電池としての機能を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の各部の構成をより詳しく説明する。
【００２５】
（電池の基本構成）
本発明の電池は、正極層、負極層、電解質層および絶縁層が積層された構造である。この構造が採用可能であれば、電池の種類は問わない。充電ができない一次電池はもちろん、充電が可能な二次電池であってもよい。一次電池には、マンガン乾電池、アルカリ乾電池、リチウム電池などがある。また、二次電池には、ニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などがある。特に、固体電解質を用いる電池に本発明電池の構造を好適に利用できる。とりわけ、リチウムイオン二次電池に本発明構造が最適である。
【００２６】
また、各電池の正極・負極の具体的材質の組み合わせとしては、次のものが挙げられる。
フッ化黒鉛リチウム電池：正極-フッ化黒鉛  負極-リチウム
二酸化マンガンリチウム電池：正極-二酸化マンガン  負極-リチウム
硫化鉄リチウム電池：正極-硫化鉄  負極-リチウム
酸化銅リチウム電池：正極-酸化銅  負極-リチウム
リチウムイオン電池：正極-リチウム複合酸化物  負極-炭素
【００２７】
その他、本発明電池の構造は、円筒形電池、ボタン電池、コイン電池、薄膜電池など種々の形態の電池に利用することができる。
【００２８】
（正極層）
＜材質＞
正極層は、イオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。リチウムイオン電池の場合、正極層は、酸化物、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)及びオリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO4)よりなる群より選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物を好適に使用することができる。また、正極層は、硫化物、例えばイオウ(S)、硫化リチウム及び硫化チタニウム(TiS2)よりなる群より選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物であっても良い。その他、正極層の材料としては、銅−リチウム酸化物(Li2CuO2)、あるいはLiV3O3、V2O、Cu2V2O7などのバナジウム酸化物が挙げられる。上述した酸化物は、いずれも半田リフロー時の加熱温度（200〜250℃程度）に対して耐熱性を備えている。正極層の厚みは、10〜300μm程度が好適である。より好ましい正極層の厚みは100μm以下、さらに好ましい正極層の厚みは30μm以下である。
【００２９】
＜正極層の形成方法＞
正極層の形成方法としは、湿式法や乾式法を利用することができる。湿式法には、ゾルゲル法、コロイド法、キャスティング法等が挙げられる。乾式法には、気相堆積法である蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザアブレーション法等が挙げられる。
【００３０】
（負極層）
＜材質＞
負極層も、イオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。リチウムイオン電池の場合、負極層として、Li金属及びLi金属と合金を形成することのできる金属よりなる群より選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物又は合金が好適に使用できる。Liと合金を形成することのできる金属としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、亜鉛（Zn）及びインジウム(In)よりなる群より選ばれる少なくとも一つ（以下、合金化材料という）が良い。その他、グラファイト等の炭素材料、Li4Ti5O12、Li4Fe0.5Ti5O12、Li4Zn0.5Ti5O12などのスピネル構造を有するリチウムチタン酸化物、TiS2等の硫化物、LiCo2.6O0.4N等の窒素化合物、およびこれらの混合物などが負極層の材質として挙げられる。これらのうち、炭素材料や酸化物などは、半田リフロー時の加熱温度（200〜250℃程度）に対して耐熱性を備えている。負極層の厚みは、0.5〜80μm程度が好適である。より好ましい負極層の厚みは1〜40μmである。
【００３１】
上述した合金からなる負極層は、負極層自体に集電体としての機能を持たせることができ、かつリチウムイオンの吸蔵・放出能力が高く好ましい。特に、シリコン(Si)はリチウムを吸蔵・離脱する能力がグラファイト(黒鉛)よりも大きくエネルギー密度を高くすることができる。
【００３２】
また、負極層材料にLi金属との合金相を用いることで、Li金属と合金化した合金化材料とLiイオン伝導性の固体電解質層との界面でのLiイオンの移動抵抗が低減される効果があり、第１サイクル目の充電初期における合金化材料の高抵抗化が緩和される。
【００３３】
さらに、合金化材料の金属単体を負極層とした場合には、第１サイクル目の充放電サイクルにおいて、充電容量に対して放電容量が大幅に小さくなる問題があるが、予めLi金属と合金化材料とを合金化した負極層材料を用いることにより、この不可逆容量は殆どなくなる。このことにより、正極活物質量を不可逆容量分だけ余分に充填する必要がなくなり、薄膜電池の容量密度を向上させることができる。
【００３４】
＜負極層の形成方法＞
負極層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法やCVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
【００３５】
（電解質層）
固体電解質にはイオン導電性があり、電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いる。リチウムイオン電池用の電解質層の場合、Liイオン伝導体であり、電解質層のLiイオン伝導度(20℃)が10-5S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.999以上である固体電解質層が好ましい。特に、Liイオン伝導度が10-4S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.9999以上であれば良い。固体電解質層の材質としては硫化物系が良く、Li、P、Sより構成される固体電解質層が好ましく、さらに酸素を含有していても良い。例えば、Li3PO4や、Li3PO4に窒素を混ぜたLiPON、Li2S−SiS2、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3等のリチウムイオン伝導性硫化物ガラス状固体電解質や、これらのガラスにLiIなどのハロゲン化リチウム、Li3PO4などのリチウム酸素酸塩をドープしたリチウムイオン伝導性固体電解質などが固体電解質層の材料として好適に利用できる。これらの複合酸化物などからなる固体電解質層は、半田リフロー時の加熱温度（200〜250℃程度）に対して耐熱性を備えている。固体電解質層の厚みは、3〜80μm程度が好適である。より好ましい固体電解質層の厚みは
5〜20μmである。
【００３６】
（固体電解質層の形成方法）
固体電解質層の形成方法は、気相堆積法が好ましい。気相堆積法としては、例えば、PVD(物理的気相合成)法、CVD(化学的気相合成)法が挙げられる。具体的には、PVD法としては、真空蒸着法,スパッタリング法、イオンプレーティング法,レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
【００３７】
（絶縁層）
絶縁層は正極層と負極層との短絡を抑制するための層である。そのため、絶縁層は電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いることが好ましい。絶縁層には、無機材料、有機材料のいずれも利用することができる。無機材料には、LiF、アルミナ、ガラスなどが挙げられる。有機材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドフィルム等が挙げられる。特に、樹脂の中ではポリイミドフィルムが半田リフロー時の加熱温度（200〜250℃程度）に対して耐熱性を備えている。その他、各種レジスト材料を絶縁層に利用することができる。その場合、フォトリソグラフ技術を利用して、絶縁層を所定形状に微細加工することができる。レジスト材料には、環化ゴム−ビスジアド系レジスト、ジアゾナフトキノン−ノボラック樹脂、アジド化合物系フォトレジスト、KrFエキシマレーザ用化学増幅系レジスト、ArFエキシマレーザ用化学増幅系レジストなどが挙げられる。絶縁層の厚みは、0.5〜20μm程度が好適である。より好ましい絶縁層の厚みは2〜10μmである。特に、厚さが3μm以上であれば、ピンホールができにくく好ましい。樹脂製の絶縁層を用いた場合、得られる電池に可とう性を持たせやすい。
【００３８】
＜絶縁層の形成方法＞
絶縁層は、樹脂材料を溶剤で溶解して所定の形成箇所に塗布したり、フォトリソグラフ技術や、気相合成法により所定の形状に絶縁層を成膜することで得られる。その他、既存のプラスチックフィルムをレーザカットなどで所定の形状に成形した絶縁層を所定の形成箇所に接着してもよい。特に、塗布により形成した絶縁層は、ピンホールが生成しにくい。
【００３９】
（基材）
通常、導電性の基板上に正極層、負極層、電解質層および絶縁層を積層するか、絶縁性の基板上に集電体層を形成してから正極層、負極層、電解質層および絶縁層を積層する。基材の材料には、アルミナ、ガラスおよびポリイミドフィルム等の絶縁性基板、シリコン等の半導体基板、プラチナ、金、鉄、ニッケル、アルミニウムや銅、ステンレス等の導電性基板などを用いることができる。これらの材料は、いずれも半田リフロー時の加熱温度（200〜250℃程度）に対して耐熱性を備えている。基材の厚みは、3〜80μm程度が好適である。より好ましい基材の厚みは5〜25μmである。樹脂製の基材を用いた場合、得られる電池に可とう性を持たせやすい。
【００４０】
（集電体）
正極層、負極層の各々には、通常、集電体が接合されている。集電体には金属箔などが適する。負極集電体材料としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が挙げられる。これらの金属は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しないため、リチウムとの金属間化合物による不具合、具体的には、充放電による膨張・収縮によって、負極層が構造破壊を起こし集電性が低下したり、負極層の接合性が低下して負極層が集電体から脱落し易くなるといった不具合を防止できる。正極集電体の具体例としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が挙げられる。
【００４１】
これらの集電体は、PVD法やCVD法により形成することができる。特に、所定のパターンに集電体を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、容易に所定のパターンの集電体を形成することができる。
【００４２】
（その他の構成）
本発明電池では、正極層、負極層の少なくとも一方を複雑パターン形状にすることが好ましい。複雑パターン形状は、極力輪郭の長さを大きく採れるような形状であればよい。例えば、櫛歯状や渦巻き状などが挙げられる。櫛歯状の電極層であれば、矩形の薄膜電池を形成しやすい。また、渦巻き状の電極層であれば、円形の薄膜電池を形成しやすい。一方の電極層を複雑パターン形状とした場合、他方の電極層を単純パターン形状とすることが好ましい。これにより、双方の電極層を複雑パターン形状として、相互の電極層の位置合わせを高精度に行う必要がない。単純パターン形状としては、複雑パターン形状よりも輪郭の長さを短くできる形状、例えば円形や矩形、多角形が挙げられる。特に、単純パターン形状の電極層を複雑パターン形状の電極層よりも大きくすれば、単純パターン形状の電極層の上側に複雑パターン形状の電極層を容易に積層することができる。
【００４３】
電池を平面視した場合、絶縁層の輪郭と絶縁層上の電極層の輪郭との間隔Lは、5μm〜200μmとすることが好ましい。このLが短すぎると、絶縁層上に電極層を成膜する際、絶縁層に対して電極層を正確に位置合わせすることが難しい。逆に、このLが長すぎると、電極層間の抵抗が大きくなって好ましくない。より好ましい間隔Lは100μm以下である。
【００４４】
また、電池全体（正極層、負極層、電解質層及び絶縁層の合計）の厚みは、15〜500μm程度が好ましい。このような厚みとすることで、非常に薄い電池を構成できる。特に、300μm以下の厚みの電池とすることが好ましい。
【００４５】
さらに、電池では、正極層と負極層の電池容量（mAh/cm2）が一致しない場合が多々ある。その場合、電池容量の大きい側を面積の小さな複雑パターン形状の電極層とし、電池容量の小さい側を面積の大きな単純パターン形状の電極層とすることが好ましい。例えば、負極層の電池容量が正極層の電池容量に比べて圧倒的に大きい場合、電池容量の大きな負極層のみを櫛歯状電極層とし、正極層を矩形状電極層とすることで、電池全体として、小型・高容量のニーズに合致した電池とすることができる。
【実施例１】
【００４６】
図１に本発明電池の縦断面図を示す。この電池は、基材10上に正極層20、絶縁層30、電解質層40、負極層50を順次形成した薄膜Liイオン電池である。
【００４７】
まず、金属製の基材10の上に、エキシマレーザアブレーション法により、LiCoO2からなる矩形の正極層20が形成される。次に、この正極層20上の一部に蒸着法によりLiFからなる矩形の絶縁層30を形成する。ここでは、正極層20のほぼ中央部のみに絶縁層30を形成している。さらに、絶縁層30と正極層20の全体を覆うように電解質層40を形成する。ここでは、エキシマレーザアブレーション法により、リチウム(Li)-リン(P)-イオウ(S)-酸素(O)組成の電解質層40を形成した。そして、最後に絶縁層30よりも小さな面積の矩形の負極層50を、絶縁層30と電解質層40の上に重なるように形成する。ここでは、蒸着法により、Li金属膜を負極層50として形成した。その結果、正極層20、負極層50、絶縁層30の面積の関係は、正極層20＞絶縁層30＞負極層50となる。また、各層の厚みは、基材10μm、正極層100μm、絶縁層5μm、電解質層5μm、負極層3μmである。この電池で充放電を行う場合、Liイオンは、絶縁層30上に形成された電解質層40のほぼ沿面方向に移動することで正負極層間を伝導される。
【００４８】
この構成の電池によれば、正極層20と負極層50との間には、絶縁層30が介在されている。また、正極層20と負極層50は、電解質層40のみを介在して対面する箇所がない。そのため、仮に電解質層40にピンホールがあっても、絶縁層30の存在により正負極間が短絡することを抑制できる。特に、本例の構成では、正極層20と負極層50との間に絶縁層30と電解質層40の2層が介在されているため、上記短絡をより確実に防止することができる。さらに、この電池によれば、正極層20と負極層50は互いに積層構造を採っているため、両電極層を同一平面上に並列する構成の電池に比べて、電池面積を小さくすることができる。なお、別途、ガラス板上の電解質層にAuの櫛形電極を形成して、複素インピーダンス測定を行ったところ、電解質層のイオン伝導度は2×10-4S/cmであった。
【００４９】
本例の変形例としては、正極層と負極層とを置換することが挙げられる。つまり、基板上にまず負極層が形成され、その負極層上の一部に絶縁層が形成され、さらに負極層と絶縁層の全体を覆うように電解質層が形成される。そして、この絶縁層と電解質層とに重なるように、正極層が電解質層の上に形成される。この構成でも、正極層と負極層との短絡を効果的に防止できる。
【００５０】
（試作例）
実施例１にかかる本発明電池と、実施例１の電池から絶縁層をなくした比較電池とを100個ずつ作製して、正負極間の短絡による歩留まりを調べてみた。その結果、本発明電池では短絡による不良品がゼロであったのに対し、比較電池では38％の不良品が発生した。このことから、絶縁層を設けた本発明電池の歩留まりの高さが確認できた。
【実施例２】
【００５１】
次に、図１とは異なる構成の本発明電池を図２に基づいて説明する。この電池も実施例１と同様に薄膜Liイオン電池で、基材10、正極層20、絶縁層30、電解質層40、負極層50を備えている。各層の材質および形成方法は、実施例１と同様である。
【００５２】
この電池は、まず基材10の上に平板状の電解質層40が形成されている。この電解質層40上の一部には、正極層20が形成されている。さらに、この正極層20を覆うように絶縁層30が形成されている。この絶縁層30は、実質的に正極層20の外側に形成されており、電解質層40のうち、正極層20で覆われていない箇所には形成されていない。つまり、絶縁層30の断面はコの字状（スクウェアブラケット状）に形成されている。そして、この絶縁層30と、電解質層40のうち露出している部分とを負極層50で覆っている。その結果、正極層20、負極層50、絶縁層30の面積の関係は、正極層20＜絶縁層30＜負極層50となる。この電池で充放電を行う場合、Liイオンは、正極層20および負極層50の下面から電解質層40を介して正負極層間を伝導される。
【００５３】
この構成の電池によれば、正極層20と負極層50との間には、絶縁層30が介在されている。また、正極層20と負極層50は、電解質層40のみを介在して対面する箇所がない。そのため、仮に電解質層40にピンホールがあっても、絶縁層30の存在により正負極間が短絡することを抑制できる。さらに、この電池によれば、正極層20と負極層50は互いに積層構造を採っているため、両電極層を同一平面上に並列する構成の電池に比べて、電池面積を小さくすることができる。
【００５４】
本例の変形例としては、正極層と負極層とを置換することが挙げられる。つまり、基板上に電解質層が形成されているところまでは、図２と同様であるが、その電解質層上の一部に負極層を形成する。次に、この負極層を覆うように絶縁層を形成する。そして、この絶縁層と、露出した電解質層とを一括して覆う正極層を形成する。この構成でも、正極層と負極層との短絡を効果的に防止できる。
【実施例３】
【００５５】
さらに上述の実施例とは構成の異なる電池を図３に基づいて説明する。この電池も実施例１と同様に薄膜Liイオン電池で、基材10、正極層20、絶縁層30、電解質層40、負極層50を備えている。各層の材質および形成方法は、実施例１と同様である。
【００５６】
この電池では、まず基材10上の一部に正極層20が形成されている。次に、この正極層20と基材10の露出箇所を覆うように電解質層40が形成される。さらに、電解質層40上の一部に絶縁層30が形成される。ただし、この絶縁層30は、正極層20よりも広い面積を持ち、正極層20の上にかぶさるように設けられている。そして、この絶縁層30と、電解質層40の露出箇所を覆うように負極層50を形成する。その結果、正極層20、負極層50、絶縁層30の面積の関係は、正極層20＜絶縁層30＜負極層50となる。この電池で充放電を行う場合、Liイオンは、絶縁層30下に形成された電解質層40のほぼ沿面方向に移動することで正負極層間を伝導される。
【００５７】
この構成の電池によれば、正極層20と負極層50との間には、絶縁層30が介在されている。また、正極層20と負極層50は、電解質層40のみを介在して対面する箇所がない。そのため、仮に電解質層40にピンホールがあっても、絶縁層30の存在により正負極間が短絡することを抑制できる。特に、本例の構成では、正極層20と負極層50との間に絶縁層30と電解質層40の2層が介在されているため、上記短絡をより確実に防止することができる。さらに、この電池によれば、正極層20と負極層50は互いに積層構造を採っているため、両電極層を同一平面上に並列する構成の電池に比べて、電池面積を小さくすることができる。
【００５８】
本例の変形例としては、正極層と負極層とを置換することが挙げられる。つまり、まず基材上の一部に負極層が形成されている。次に、この負極層と基材の露出箇所を覆うように電解質層が形成される。さらに、電解質層上の一部に絶縁層が形成される。ただし、この絶縁層は、負極層よりも広い面積を持ち、負極層の上にかぶさるように設けられている。そして、この絶縁層と、電解質層の露出箇所を覆うように正極層を形成する。この構成でも、正極層と負極層との短絡を効果的に防止できる。
【実施例４】
【００５９】
さらに上述の実施例とは構成の異なる電池を図４に基づいて説明する。この電池も実施例１と同様に薄膜Liイオン電池で、基材10、正極層20、絶縁層30、電解質層40、負極層50を備えている。各層の材質・形状および形成方法は、実施例１と同様である。
【００６０】
この電池では、まず基材10上に正極層20が形成されている。この正極層20上の一部に絶縁層30が形成される。さらにその絶縁層30上の一部に負極層50が形成される。そして、負極層50、絶縁層30の露出箇所および正極層20の露出箇所を覆うように電解質層40が形成される。その結果、正極層20、負極層50、絶縁層30の面積の関係は、正極層20＞絶縁層30＞負極層50となる。この電池で充放電を行う場合、Liイオンは、絶縁層30上に形成された電解質層40のほぼ沿面方向に移動することで正負極層間を伝導される。
【００６１】
この構成の電池によれば、正極層20と負極層50との間には、絶縁層30が介在されている。また、正極層20と負極層50は、電解質層40のみを介在して対面する箇所がない。そのため、仮に電解質層40にピンホールがあっても、絶縁層30の存在により正負極間が短絡することを抑制できる。さらに、この電池によれば、正極層20と負極層50は互いに積層構造を採っているため、両電極層を同一平面上に並列する構成の電池に比べて、電池面積を小さくすることができる。
【００６２】
本例の変形例としては、正極層と負極層とを置換することが挙げられる。つまり、まず基材上に負極層を形成する。この負極層上の一部に絶縁層が形成される。さらにその絶縁層上の一部に正極層が形成される。そして、正極層、絶縁層の露出箇所および負極層の露出箇所を覆うように電解質層を形成する。この構成でも、正極層と負極層との短絡を効果的に防止できる。
【実施例５】
【００６３】
さらに上述の実施例とは構成の異なる電池を図５に基づいて説明する。この電池も実施例１と同様に薄膜Liイオン電池で、基材10、正極層20、絶縁層30、電解質層40、負極層50を備えている。各層の材質および形成方法ならびに各層の積層順は、実施例１と同様である。
【００６４】
ただし、本例では、絶縁層30および負極層50の形状が実施例１の電池とは異なっている。まず、本例の電池では、基材10上に矩形の正極層20を形成する。この正極層20上の一部に櫛歯状の絶縁層30を形成する。さらに正極層20の大半と絶縁層30の全面を覆うように電解質層40を形成する。そして、電解質層40のうち、絶縁層30が設けられている箇所の上に櫛歯状の負極層50を形成する。この負極層50は、絶縁層30よりも小さな面積である。その結果、正極層20、負極層50、絶縁層30の面積の関係は、正極層20＞絶縁層30＞負極層50となる。この電池で充放電を行う場合、Liイオンは、絶縁層30上に形成された電解質層40のほぼ沿面方向に移動することで正負極層間を伝導される。
【００６５】
この構成の電池によっても、絶縁層30の存在により正極層20と負極層50との短絡が抑制できることは実施例１と同様である。さらに、本例の構成では、負極層50の輪郭長が単に矩形の負極層を形成した場合に比べてはるかに長い。この電池では、負極層50の輪郭部から電解質層40を介して正極層20とイオンの伝導が行われるため、負極層50の輪郭長が長いことは、イオンの伝導ルートがより多く確保できていることになる。そのため、櫛歯状の電極層を用いた本例の電池によれば、より高出力の電池を構成することができる。なお、電池を平面視した場合、絶縁層30の輪郭と負極層50の輪郭との間隔Lは100μmであった。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明電池は、種々の一次電池および二次電池に利用することができる。特に、電解液を用いず、安全性、耐熱性及び低温特性に優れた全固体型リチウム二次電池として好適に利用することができる。例えば、この電池は、移動型、携帯型などの種々の電気・電子機器の電源として利用することが期待される。その他、本発明電池は、加熱炉に入れて配線のロウ付けを一括して行うリフロー工程に投入される電子基板用電池、自動車等の電子回路に使用されるバックアップ用電源、及び耐熱性が必要となる主電源等にも好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例１の本発明電池の縦断面図である。
【図２】実施例２の本発明電池の縦断面図である。
【図３】実施例３の本発明電池の縦断面図である。
【図４】実施例４の本発明電池の縦断面図である。
【図５】実施例５の本発明電池の平面図である。
【符号の説明】
【００６８】
10  基材  20  正極層  30  絶縁層  40  電解質層  50  負極層
【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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