(57)【要約】【課題】正・負活物質層、その間にある固体電解質層、活物質層の直上、直下にある集電体層の５層からなる薄膜固体リチウムイオン電池を一つの電池セルとして、その電池セルを複数段も重ねて一枚の基板の上に順次積層する構成の多層積層電池であって、フォトレジスト工程を必要とせず、製造プロセスを大幅に簡略した積層構造を提供する。【解決手段】前記電池セルの各層を積層し、さらに、それらの層を複数段積層するに際して、各層の積層膜の周縁部の巾を活物質層、集電体層、固体電解質層の順に広くして、活物質層を集電体層及び固体電解質層で周縁を積層し、さらに集電体層を固体電解質層で周縁を積層して電池セル間を絶縁する構造とした。これによりフォトレジスト工程が必要としない。【選択図】          図１
2004158222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それらの活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数段重ねる多層積層構造の多層積層電池であって、
前記固体電解質層は、さらに隣接セル間の対電子伝導用絶縁膜となる前記機能と、前記集電体層（金属膜）は、上下隣接セルの活物質層間の対イオン伝導用絶縁膜となる機能とを利用して、前記正極及び負極活物質層の周辺を前記固体電解質層及び集電体層によりその周辺外側部位置で被覆絶縁し、さらに、その集電体層の前記外縁部を前記固体電解質層によりその外縁部外側部位置で被覆絶縁した積層構成とし、個々の前記電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく、前記複数段構造を一つの基板上に各層を順次積層して構成したことを特徴とする多層積層電池。
【請求項２】
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルを電気的に直列接続とする場合は、上下の電池セルで挟まれた前記集電体層（金属膜）が前記本来の前記機能に加えて直下層セルの負極（又は正極）活物質層と、直上層セルの正極（又は負極）活物質層とをイオン伝導的に分離絶縁する機能を合わせ持つことにより、前記上下の電池セルの集電体層を一つに兼用する兼用集電体層構造を備え、
一枚の基板上に、第１層セルを正極（又は負極）集電体層、正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、兼用集電体層の５層により順次集積形成層と、
第２層セルを前記兼用集電体層の上に正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、兼用集電体層の４層により順次集積形成層と、
同様に前記集積をｎ段重ねて第ｎ層セルまでフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次非フォトレジスト集積構造とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極及び負極活物質層の外周縁に対して、正・負極及び兼用集電体層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正・負極及び兼用集電体層の外周縁に対して、前記固体電解質層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、個々の電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく多段電池セルの多層構造を構成することを特徴とする多層積層電池。
【請求項３】
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルを電気的に並列接続とする場合は、上下の電池セルで挟まれた正極（又は負極）集電体層（金属膜）が前記本来の前記機能に加えて直下層セルの正極（又は負極）活物質層と、直上層セルの正極（又は負極）活物質層とをイオン伝導的に分離絶縁する機能を合わせ持つことにより、前記上下の電池セルの正極又は負極の集電体層を一つに兼用する正・負極集電体層構造を備え、
一枚の基板上に、第１層セルを正極（又は負極）集電体層、正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、負極（又は正極）集電体層の５層により、順次集積形成層と、
第２層セルを前記負極（又は正極）集電体層の上に負極（正極）活物質層、固体電解質層、正極（又は負極）活物質層、正極（又は負極）集電体層の４層により順次集積形成層と、
同様に、前記第１層セルの第１層を除く４層と、前記第２層セルの４層とを交互にｎ段重ねて第ｎ層までフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次非フォトレジスト集積構造とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極及び負極活物質層の外周縁に対して、正・負極集電体層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正・負極電体層の外周縁に対して、前記固体電解質層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、そのタブに合わせて、上層の正極（又は負極）集電体層の総てのそれぞれ引出しタブとを集積して接続し、
一方、負極（又は正極）集電体層には最下層から最上層まで、それぞれ前記正極（又は負極）端子線と重ならないような引出しタブを同一位置で集積して接続し、個々の電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく多段電池セルの多層構造を構成することを特徴とする多層積層電池。
【請求項４】
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルをそれぞれ同一の積層順序構成としてｎ段重ね、多層積層電池を構成するに際し、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層を備え、
一枚の基板上に第１層セル、第２層セルからｎ段重ねて第ｎ層セルまで、各層セル５層のｎ段の層に、セル層間の絶縁体層ｎ−１を加えた５×ｎ＋（ｎ−１）層をフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次集積して前記非フォトレジスト集積構造層とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極・負極集電体層及び正極・負極活物質層の外周縁に対して、固体電解質層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記固体電解質層の外周縁に対して、前記絶縁体層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正極及び負極集電体層の外周縁部に設けた引出タブだけを絶縁層の外側に引出して配設し、その配設位置は集電体によりその位置を異ならせて集電体層構造層の周縁の複数箇所に設け、それらの引出タブの接続の組合せにより直列型、並列型、直並列型のいづれかの接続を選択できることを特徴とする多層積層電池。
【請求項５】
前記絶縁体層を挟んで直上層の正極（又は負極）集電体層と直下層の負極（又は正極）集電体層のそれぞれの引出タブを周縁の同一な位置に上下対で設け接続し、また同様な他の引出タブを周縁の他の位置に上下対で設け接続し、最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、直列型とすることを特徴とする請求項４記載の多層積層電池。
【請求項６】
前記絶縁体層の外縁部から外側へ引出した集電体層の引出タブの中で、正極集電体層用引出タブをすべてその集電体周縁部の第１の同一位置に設け接続し、一方、負極集電体層用引出タブをすべて前記位置とは異なる前記周縁部の第２の同一位置に設け接続し、それぞれ電極端子用引出タブを備え並列型とすることを特徴とする請求項４記載の多層積層電池。
【請求項７】
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルをそれぞれ同一の積層順序構造としてｎ段重ね、多層積層電池を構成するに際し、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層と、さらに、最上部に絶縁体層を備え、
一枚の基板上に、第１層セル、第２層セルからｎ段重ねて第ｎ層まで、各層セル５層のｎ段の層に、セル層間の絶縁体層ｎを加えた５×ｎ＋ｎ層をフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次集積して、非フォトレジスト集積構造層とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極・負極集電体層及び正極・負極活物質層の外周縁に対して、固体電解質層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記固体電解質層の外周縁に対して、その引出タブを含めて、前記絶縁体層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正極及び負極集電体の外周縁部に設けた引出タブだけを固体電解質層外側で且つ絶縁層の内側に引出して配設し、その配設位置は集電体によりその位置を異ならせて集電体層の構造層の周縁の複数箇所に設け、それらの引出タブにはそれぞれすべての絶縁層を貫通した接続用ビアホールを設け、ビアホールは金属電極を埋め込み接続可能とし、それらの接続の組合せにより直列型、並列型、直並列型のいづれかの接続を選択できることを特徴とする多層積層電池。
【請求項８】
前記絶縁体層を挟んで直上層の正極（又は負極）集電体層と、直下層の負極（又は正極）集電体層のそれぞれの引出タブを周縁部の同一な位置に上下対で設けすべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、また同様な他の引出タブを周縁の他の位置を上下対で設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、直列型とすることを特徴とする請求項７記載の多層積層電池。
【請求項９】
前記絶縁体層の外縁部の内側において、前記正極集電体層用引出タブをすべてその集電体周縁部の第１の同一位置に設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、一方、負極集電体層用引出タブをすべて前記位置とは異なる前記周縁部の第２の同一位置に設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、それぞれ電極端子用引出タブを備え、並列型とすることを特徴とする請求項７記載の多層積層電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜固体リチウムイオン二次電池を一つのセルとして、その電池セルを複数段重ねる方形状多層積層構造の多層積層電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、リチウムイオン二次電池の正極材料としては、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能なＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２、Ｏ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭ１ｘＭ２ｙＯｚ（Ｍ１、Ｍ２は還移金属であり、ｘ、ｙ、ｚは任意の実数）などであらわされるリチウム還移金属化合物が使用されていた。
【０００３】
また、負極材料としては、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛、コークス、高分子焼成体などの炭素材料、金属リチウム、リチウムと他の金属との合金、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの金属酸化物、金属硫化物などが使用されていた。
【０００４】
また、固体電解質としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリエチレンオキシド誘導体などの高分子材料中にＬｉＰＥ６、ＬｉＣｌＯ４などのリチウム塩からなる溶質を含有させたものや、この溶質を有機溶媒に溶解させた非水電解液を含浸させたゲル状のものや、Ｌｉ２Ｓ、Ｌｉ３、ＰＯ４、−Ｎなどの無機固体電解質が知られていた。
【０００５】
最近、固体リチウム二次電池やリチウム金属を用いない二次電池の研究に大きな関心が持たれ、報告されている。このようなロッキングチェアタイプの二次電池を半導体基板を支持基板とした薄膜電極と固体電解液のみで構成すること（特許文献１）が知られていた。
【０００６】
本発明者は、先に、負極にアルカリ金属またはアルカリ金属合金を用い、電解質に固体電解質を用いた二次電池において、金属基板またはシリコン基板上に正極活物質として５酸化ニオブ膜の高配向性薄膜または５酸化ニオブ膜を予めリチウム化した高配向性薄膜を用いることにより電池を薄型化および小型化でき、しかも、充放電容量が増大し、優れた充放電特性を示すことを見出した（特許文献２）。また、予め、リチウムを含ませたＶ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ３、ＷＯ３、またはＭｏＯ３を負極活物質とすることによって、電池の薄型化、軽量化が可能になるとともに、充放電特性に優れることを見出した。（特許文献３）。
【０００７】
また、正極および負極の両方にＶ２Ｏ３を用いた全固体リチウムイオン二次電池を開発し、報告した（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔｅｓ、２（７）３２０−３２２、１９９９）。この二次電池は、開放端子電圧３．５〜３．６Ｖ、１０μＡｈ／ｃｍ２で１．０Ｖまで放電したとき、約６μＡｈ／ｃｍ２放電容量を有する。また、３５０サイクル以上および０．０７９Ｖ／月の比較的良好なサイクル特性と自己放電性能を示した。
【０００８】
さらに、本発明者は薄膜固体リチウムイオン二次電池セルを２個以上積層したことを特徴とする積層型薄膜固体リチウムイオン二次電池について公開した（特許文献４）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２８４１３９号公報（第２、３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平７−１４２０５４号公報（第２、３頁、第１図）
【特許文献３】
特開平８−２４１７０７号公報（第２、３頁、第１図）
【特許文献４】
特開２００２−４２８６３号公報（第２、３頁、第１図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述の積層型薄膜固体リチウムイオン二次電池は、コンパクトで高い信頼性を有し、それゆえに、種々の形態の携帯電子機器に広範に使用されるであろう。すなわち、軽量化された薄膜固体リチウムイオン二次電池を一つの電池セルとして多段積層した多層積層電池に対する利用者は決して少なくはない。
【００１１】
それら多くの利用者の使用する電池は、いづれにしても電池セルを多段に積層した多層積層電池となり、またそのような電池が期待されている。
【００１２】
しかしながら、正極及び負極活物質層、その間にある固体電解質層、活物質層の直上及び直下にある集電体層の５層からなる薄膜固体リチウムイオン二次電池を一つの電池セルとして、その電池セルを何段も重ねて一枚の基板の上に順次積層して、一つの多層積層電池とすることは容易ではない。
【００１３】
本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは以下の通りである。
【００１４】
各層の積層工程にはフォトレジスト工程が必要としない以下のような積層構造とする。すなわち、各層の積層膜は方形状、円形状、楕円形状、多角形状などを含む２次元形状であるが、その周縁部では所定の膜間がイオン伝導的に或いは電子伝導的に絶縁される必要がある。
【００１５】
そこで、前記固体電解質層が隣接セル間の対電子伝導用絶縁膜となる機能と、それに加え、前記集電体層が隣接セルの活物質層間の対イオン伝導用絶縁膜となる機能とを利用して、活物質層の周辺部を固定電解質層及び集電体層で絶縁し、さらに、その集電体層の外縁部を固定電解質層によりさらにその外側で絶縁する積層構成とする。
【００１６】
以上のようにして、フォトレジスト工程を使わずに、形状及び寸法の異なる複数枚のシャドーマスクを用いて、多段の電池セルを積重ねる積層電池セルは製造プロセスの大幅な簡略化とそれに伴う製造コストの低減に大きな効果を与える多層積層電池を提供することが目的である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多層積層電池は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それらの活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数段重ねる多層積層構造の多層積層電池であって、
前記固体電解質層は、さらに隣接セル間の対電子伝導用絶縁膜となる前記機能と、前記集電体層（金属膜）は、上下隣接セルの活物質層間の対イオン伝導用絶縁膜となる機能とを利用して、前記正極及び負極活物質層の周辺を前記固体電解質層及び集電体層によりその周辺外側部位置で被覆絶縁し、さらに、その集電体層の前記外縁部を前記固体電解質層によりその外縁部外側部位置で被覆絶縁した積層構成とし、個々の前記電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく、前記複数段構造を一つの基板上に各層を順次積層して構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルを電気的に直列接続とする場合は、上下の電池セルで挟まれた前記集電体層（金属膜）が前記本来の前記機能に加えて直下層セルの負極（又は正極）活物質層と、直上層セルの正極（又は負極）活物質層とをイオン伝導的に分離絶縁する機能を合わせ持つことにより、前記上下の電池セルの集電体層を一つに兼用する兼用集電体層構造を備え、
一枚の基板上に、第１層セルを正極（又は負極）集電体層、正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、兼用集電体層の５層により順次集積形成層と、
第２層セルを前記兼用集電体層の上に正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、兼用集電体層の４層により順次集積形成層と、
同様に前記集積をｎ段重ねて第ｎ層セルまでフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次非フォトレジスト集積構造とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極及び負極活物質層の外周縁に対して、正・負極及び兼用集電体層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正・負極及び兼用集電体層の外周縁に対して、前記固体電解質層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、個々の電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく多段電池セルの多層構造を構成することを特徴とする。
【００１９】
また、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルを電気的に並列接続とする場合は、上下の電池セルで挟まれた正極（又は負極）集電体層（金属膜）が前記本来の前記機能に加えて直下層セルの正極（又は負極）活物質層と、直上層セルの正極（又は負極）活物質層とをイオン伝導的に分離絶縁する機能を合わせ持つことにより、前記上下の電池セルの正極又は負極の集電体層を一つに兼用する正・負極集電体層構造を備え、
一枚の基板上に、第１層セルを正極（又は負極）集電体層、正極（又は負極）活物質層、固体電解質層、負極（又は正極）活物質層、負極（又は正極）集電体層の５層により、順次集積形成層と、
第２層セルを前記負極（又は正極）集電体層の上に負極（正極）活物質層、固体電解質層、正極（又は負極）活物質層、正極（又は負極）集電体層の４層により順次集積形成層と、
同様に、前記第１層セルの第１層を除く４層と、前記第２層セルの４層とを交互にｎ段重ねて第ｎ層までフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次非フォトレジスト集積構造とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極及び負極活物質層の外周縁に対して、正・負極集電体層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正・負極電体層の外周縁に対して、前記固体電解質層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、そのタブに合わせて、上層の正極（又は負極）集電体層の総てのそれぞれ引出しタブとを集積して接続し、
一方、負極（又は正極）集電体層には最下層から最上層まで、それぞれ前記正極（又は負極）端子線と重ならないような引出しタブを同一位置で集積して接続し、個々の電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく多段電池セルの多層構造を構成することを特徴とする。
【００２０】
また、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルをそれぞれ同一の積層順序構成としてｎ段重ね、多層積層電池を構成するに際し、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層を備え、
一枚の基板上に第１層セル、第２層セルからｎ段重ねて第ｎ層セルまで、各層セル５層のｎ段の層に、セル層間の絶縁体層ｎ−１を加えた５×ｎ＋（ｎ−１）層をフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次集積して前記非フォトレジスト集積構造層とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極・負極集電体層及び正極・負極活物質層の外周縁に対して、固体電解質層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記固体電解質層の外周縁に対して、前記絶縁体層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正極及び負極集電体層の外周縁部に設けた引出タブだけを絶縁層の外側に引出して配設し、その配設位置は集電体によりその位置を異ならせて集電体層構造層の周縁の複数箇所に設け、それらの引出タブの接続の組合せにより直列型、並列型、直並列型のいづれかの接続を選択できることを特徴とする。
【００２１】
また、前記絶縁体層を挟んで直上層の正極（又は負極）集電体層と直下層の負極（又は正極）集電体層のそれぞれの引出タブを周縁の同一な位置に上下対で設け接続し、また同様な他の引出タブを周縁の他の位置に上下対で設け接続し、最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、直列型とすることを特徴とする。
【００２２】
また、前記絶縁体層の外縁部から外側へ引出した集電体層の引出タブの中で、正極集電体層用引出タブをすべてその集電体周縁部の第１の同一位置に設け接続し、一方、負極集電体層用引出タブをすべて前記位置とは異なる前記周縁部の第２の同一位置に設け接続し、それぞれ電極端子用引出タブを備え並列型とすることを特徴とする。
【００２３】
また、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質層及び負極活物質層と、それらの間にある電子伝導的に分離絶縁する機能を持つ固体電解質層と、それら活物質層の直上及び直下で電流を集める機能を有する金属膜からなる正極側及び負極側集電体層とから構成される薄膜固体リチウムイオン二次電池を１つの電池セルとし、その電池セルを複数ｎ段重ねるｎ層セル構造の多層積層電池であって、
前記各電池セルをそれぞれ同一の積層順序構造としてｎ段重ね、多層積層電池を構成するに際し、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層と、さらに、最上部に絶縁体層を備え、
一枚の基板上に、第１層セル、第２層セルからｎ段重ねて第ｎ層まで、各層セル５層のｎ段の層に、セル層間の絶縁体層ｎを加えた５×ｎ＋ｎ層をフォトレジスト工程を使用しないで全工程を集積形成層とする非フォトレジスト集積構造層を備え、
前記各層を順次集積して、非フォトレジスト集積構造層とするに際し、前記基板上に各電池セルの必要とする所定面積の正極・負極集電体層及び正極・負極活物質層の外周縁に対して、固体電解質層の外周縁はそれぞれ第１の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記固体電解質層の外周縁に対して、その引出タブを含めて、前記絶縁体層の外周縁はそれぞれ第２の所定巾だけ外側に張り出した構造層を備え、
前記正極及び負極集電体の外周縁部に設けた引出タブだけを固体電解質層外側で且つ絶縁層の内側に引出して配設し、その配設位置は集電体によりその位置を異ならせて集電体層の構造層の周縁の複数箇所に設け、それらの引出タブにはそれぞれすべての絶縁層を貫通した接続用ビアホールを設け、ビアホールは金属電極を埋め込み接続可能とし、それらの接続の組合せにより直列型、並列型、直並列型のいづれかの接続を選択できることを特徴とする。
【００２４】
また、前記絶縁体層を挟んで直上層の正極（又は負極）集電体層と、直下層の負極（又は正極）集電体層のそれぞれの引出タブを周縁部の同一な位置に上下対で設けすべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、また同様な他の引出タブを周縁の他の位置を上下対で設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、最下層の正極（又は負極）集電体層には電極端子用引出タブと、最上層の負極（又は正極）集電体層には電極端子用引出タブをそれぞれ備え、直列型とすることを特徴とする。
【００２５】
また、前記絶縁体層の外縁部の内側において、前記正極集電体層用引出タブをすべてその集電体周縁部の第１の同一位置に設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、一方、負極集電体層用引出タブをすべて前記位置とは異なる前記周縁部の第２の同一位置に設け、すべての絶縁層を貫通したビアホールを介して金属電極で接続し、それぞれ電極端子用引出タブを備え、並列型とすることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下図に基づいて説明する。尚、前述したように、本実施例では、一般的な二次元形状を方形状として説明する。
【００２７】
図１は本発明の多層積層電池の直列接続ｎ層セルの第１実施例２０を示す。（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図を示す。ここで、９は基板であり、その上に第１層の電池セルとして先ずタブ２０ａのある正極集電体層４を積層する。次に、順次、正極活物質層１、固体電解質３、負極活物質層２、集電体層６を積層して第１層セルとする。次に、その集電体層６を正極・負極兼用集電体層６として、その上へ第１層セルと同様に順次層１、３、２、６を積層して第２層セルとする。以上の積層をセルｎ段繰り返し第ｎ層セルではタブ２０ｂのある負極集電体層５を最上層とした積層構造となる。
【００２８】
以上の積層する各層（１〜６）はそれぞれ（ｂ）平面図に示すように方形状であり、それぞれ方形状積層膜の横巾及び縦巾が図に示すように異なる。横巾及び縦巾がそれぞれ一番短い膜は正極及び負極活物質層１、２である。この最小面積は各電池セルが必要とする機能から定める。これらの活物質層１、２の膜周縁をそれぞれ絶縁するため、それぞれ上下層の集電体層４、５、６及び固体電解質層３はそれぞれその横巾及び縦巾を長くなるように積層する。さらに、その集電体層４、５、６の外縁部を絶縁するため、固体電解質層３は、さらにその横巾及び縦巾を長くなるように積層する。
【００２９】
結局、図１（ｂ）に示すように、正・負極集電体層４、５、６は正・負極活物質層１、２より横巾及び縦巾が第１の所定長ｄ１長く、固体電解質層３はその集電体層４、５、６よりさらに横巾及び縦巾が第２の所定長ｄ２長い。
【００３０】
すなわち、集電体層は、上下隣接セルの活物質層間の対イオン伝導用絶縁膜となる第１の機能と、固体電解質層は、正・負極活物質層の間にあり電子伝導的に絶縁する機能に加えて隣接セル間（直上層セルと直下層セル間）を電子伝導的に絶縁する第２の機能とにより、それらの２つの機能を利用して正極及び負極活物質層の方形状周辺を前記電解質層及び集電体層により絶縁し、さらに集電体層の外縁部を固体電解質層により絶縁することとなる。よって電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく、しかもフォトレジスト工程の必要も無く、極めて単純な工程で、複数段セルの多層積層膜の形成が行える構造である。図３（ａ）にはその周縁部の状態を拡大して示してある。
【００３１】
図３（ａ）には直列接続第１実施例２０（図１）の場合の積層電池の周縁部の第１の所定長ｄ１、第２の所定長ｄ２の付近の多層積層断面拡大図を示す。
【００３２】
図１の断面図（ａ）の各層の厚さ（縦軸方向）は実際には約１ミクロン程度であり、一方横軸は１ｍｍ単位で表せる長さであり、従って断面図（ａ）は縦軸は約１０００倍に拡大された状態を示している。
【００３３】
従って、図１の（ａ）における各層間は空間的に離れて見える上下の集電体層は積層することにより、即、結線する。他の層も同様である。
【００３４】
図２は本発明の多層積層電池の並列隣接ｎ層セルの第１実施例３０を示す。（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図を示す。ここで９は基板であり、その上に第１層の電池セルとして、先ず、タブ３０ａのある正極集電体層４を積層する。次に、順次、正極活物質層１、固体電解質層３、負極活物質層２、負極集電体層５を積層して第１層セルとする。次に、その負極集電体層５を兼用して、その上へ第１層セルと逆の順序で順次層２、３、１、４を積層して第２層セルとする。以上の積層をセルｎ段繰返し、第ｎ層セルではタブ３０ｂのある正極集電体層４を最上層とした積層構造となる。
【００３５】
以上の積層する各層（１〜５）はそれぞれ（ｂ）平面図に示すように方形状であり、それぞれ方形状積層膜の横巾及び縦巾が図に示すように異なる。横巾及び縦巾がそれぞれ一番短い膜は正極及び負極活物質層１、２である。この最小面積は各電池セルが必要とする機能から定める。これらの膜周縁をそれぞれ絶縁するため、それぞれ上下層の集電体層４、５、６及び固体電解質層３は、それぞれその横巾及び縦巾を長くなるように積層する。さらに、その集電体層４、５、６の外縁部を絶縁するため、固体電解質層３は、さらに、その横巾及び縦巾を長くなるように積層する。
【００３６】
結局、図２（ｂ）に示すように正・負集電体層４、５は正・負極活物質層１、２より横巾及び縦巾が第１の所定長ｄ１長く、固体電解質層３はその集電体層４、５、６よりさらに横巾及び縦巾が第２の所定長ｄ２長い。
【００３７】
すなわち、前述した第１の機能と第２の機能を利用して、正極及び負極活物質層の方形状周辺を電解質層及び集電体層により絶縁し、さらに集電体層の外縁部を固体電解質層により絶縁することとなる。
【００３８】
よって、電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなくしかもフォトレジスト工程の必要もなく、極めて単純な工程で複数段セルの多層積層膜の形成が行える構造である。図３（ｂ）にはその周縁部の状態を拡大して示してある。
【００３９】
尚、タブ３０ａ群は積層することにより総て接続される。タブ３０ｂも同様である。
【００４０】
図４は本発明の多層積層電池の直列接続第２実施例５０を示す。第１層セルから第ｎ層セルまでの各電池セルはそれぞれ同一の積層順序構造として、ｎ段重ね多層積層電池を構成するに際して、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層７を備えているのが特徴である。但し図４の場合は最上部には絶縁体層７はない。
【００４１】
一枚の基板９上に第１層セル、絶縁体層７、第２層セル、絶縁体層７と、ｎ段重ねて５×ｎ＋（ｎ−１）層をフォトレジスト工程を使用しないで形成できる非フォトレジスト積層構造層の断面図を図４（ａ）に示す。
【００４２】
図４（ｂ）はこの平面図であり、正・負極集電体層４、５及び正・負極活物質層１、２を電池セルが必要とする性能を得るための面積に定めて、個体電解質層３はその方形状の横巾及び縦巾をそれぞれ第１の所定長ｄ１長くし、前記絶縁層７はその固体電解質層３の横巾及び縦巾をそれぞれ第２の所定長ｄ２長くする。これによって、周縁の絶縁をフォトレジスト工程なしの積層により自動的に行うことができる。
【００４３】
さらに、正極・負極集電体層４、５にはそれぞれ複数のタブを方形状の周縁に備える。電源出力端子５０ａ、５０ｂのタブ位置を除いて、絶縁体層７の直上、直下の集電体層４、５をタブ対としてそれら対を異なる位置の周縁に設ける。
【００４４】
図４（ｂ）の５０ａ´、５０ａ´´、５０ａ´´´、５０ｂ´、５０ｂ´´、５０ｂ´´´などが、そのタブ対を示す。以上のように集電体層４、５へタブを配設しておけば、積層するときその対は自動的に接続される。
【００４５】
電池セルを何段にするかによりそのタブ対の数と位置を定める。
【００４６】
尚、前記引出タブを対としないで、それぞれの集電体層から一個又は複数個引出タブを設けておき、さらにそれらの引出タブ位置を総て異なる周辺位置に配設した多層積層電池として、使用者が必要に応じてその電池セル間の電線による配線を行い、直列接続、並列接続、直並列接続、不良電池セルを除く接続、電圧調整接続などを行うことができる。
【００４７】
図５は本発明の多層積層電池の並列接続第２実施例６０を示す。第１層セルから第ｎ層セルまで各電池セルはそれぞれ同一の積層順序構造としてｎ段重ね多層積層電池を構成するに際して、個々の電池セル間にそれぞれ電気的に絶縁する絶縁体層７を備えているのが特徴である。但し、図５の場合は最上部には絶縁体層７はない。
【００４８】
一枚の基板９上に第１層セル、絶縁体層７、第２層セル絶縁体層７、とｎ段重ねて５×ｎ＋（ｎ−１）層をフォトレジスト工程を使用しないで形成できる非フォトレジスト積層構造層の断面図を図５（ａ）に示す。
【００４９】
図５（ｂ）はその平面図であり、正・負極集電体層４、５及び正・負極活物質層１、２を電池セルが必要とする性能を得るための面積に定めて、前記固体電解質層３はその方形状の横巾及び縦巾をそれぞれ第１の所定長ｄ１長くし、前記絶縁層７はその固体電解質層３の横巾及び縦巾をそれぞれ第２の所定長ｄ２長くする。これにより周縁絶縁をフォトレジスト工程なしの積層により自動的に行うことができる。
【００５０】
さらに、正極・負極集電体層４、５には電源出力端子６０ａ、６０ｂのタブ位置を備える。さらに、正極集電体層４のタブ位置を総て６０ａのタブ位置に合わせる。一方、負極集電体層５のタブ位置を総て６０ｂのタブ位置に合わせる。６０ａのタブは積層によってその都度接続され、一方６０ｂのタブも積層によって総て接続され、並列接続となる。
【００５１】
図６は本発明の多層積層電池直列接続第３実施例８０を示す。図６の実施例８０は図４の実施例５０と類似しているが、図６（ａ）断面図に示してあるように最上層に絶縁体層７が加えられている。
【００５２】
さらにその絶縁体層７の横巾及び縦巾は、正・負極集電体層から引出されるタブの先端より長い。従って、第２の所定長ｄ２は図１〜図５までの第２の所定長ｄ２より引出タブの長さだけ長くなる。つまり絶縁体層７は総てその分面積が大きくなる。
【００５３】
電池セル間の接続、すなわち、正・負極集電体層の接続は上下対の引出タブ８０ａ´、８０ａ´´・・・８０ｂ´、８０ｂ´´・・・貫通孔であるビアホールを介して金属線で配線接続する。
【００５４】
電池セルを何段にするかによりそのタブ対の数と位置を定める。
【００５５】
尚、前記引出タブを対としないで、それぞれの集電体層から一個又は複数個引出タブを設けておき、さらにそれらの引出タブ位置は総て異なる周辺位置に配設した多層積層電池として、利用者が必要に応じて電池セル間の電線による配線を行い直列接続、並列接続、直並列接続、不良電池セルを除く接続、電圧調整接続などを行うことができる。
【００５６】
図７は本発明の多層積層電池の並列接続第３実施例９０を示す。図７の実施例９０は図５の実施例６０と類似しているが、図７（ａ）断面図に示してあるように最上層に絶縁体層７が加えられている。
【００５７】
さらに図６の絶縁体層７と同様にその横巾及び縦巾は正・負極集電体層から引出されるタブの先端より長い。従って第２の所定長ｄ２は引出タブの長さだけ長く、絶縁体層７は総てその分面積が大きくなる。
【００５８】
並列接続のため、最下層の正極集電体層４の引出タブ９０ａの位置に、他の総ての正極集電体層４のビアホールのある引出タブ９０ａをそれぞれ合わせ、そのビアホールを介して一本の金属線により総てを接続して正極端子とする。
【００５９】
一方、最上層の負極集電体層５の引出タブ９０ｂの位置に、他の総ての負極集電体層５のビアホールのある引出タブ９０ｂをそれぞれ合わせ、そのビアホールを介して一本の金属線により総てを接続して負極端子とする。尚、実施例として、各層の積層膜は法形状の場合としたが、他の二次元形状、例えば、円形、楕円形、上下が平行線で左右が半円状の類似だ円形、多角形などの形状においても同様に適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の多層積層電池は以下に示す効果を奏する。すなわち、正・負極活物質層・固体電解層・集電体層からなる薄膜・固体リチウムイオン二次電池を一つの電池セルとして、多段に重ねた構成を一つの基板上に前記各層をそれぞれその方形状の膜の周縁の絶縁を維持するように積層して形成する多層積層電池の構造は、各電池セル間に新たな絶縁膜を用いることなく、また、フォトレジスト工程を必要とせず、その製造プロセスの大幅な簡略化とそれに伴う製造コストの低減に大きく寄与する。
【００６１】
また、各電池セル間に絶縁体層を備える構造とすれば、利用者が、直列接続、並列接続、直並列接続、不良電池セルを除く接続を選択接続できる構造とすることができる。
【００６２】
以上の多層積層電池は、積層の数を最小にするのでコンパクトとなり、またフォトレジスト工程を必要としないシンプルな製造プロセスなので高い信頼性を有し、それ故に種々の形態の携帯電子機器に広範に使用される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層積層電池（直列接続第１実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の多層積層電池（並列接続第１実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明の多層積層電池の周縁部の断面図で、（ａ）は直列接続の場合、（ｂ）は並列接続の場合を示す断面図である。
【図４】本発明の多層積層電池（直列接続第２実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の多層積層電池（並列接続第２実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明の多層積層電池（直列接続第３実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】本発明の多層積層電池（並列接続第３実施例）を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１    正極活物質層
２    負極活物質層
３    固体電解質層
４    正極集電体層
５    負極集電体層
６    （兼用）集電体層（正極及び負極兼用）
７    絶縁体層
９    基板
２０    直列接続ｎ層セル（第１実施例）
２０ａ  正極タブ
２０ｂ  負極タブ
３０    並列接続ｎ層セル（第１実施例）
３０ａ  正極タブ
３０ｂ  負極タブ
５０    直列接続ｎ層セル（第２実施例）
５０ａ  正極タブ
５０ｂ  負極タブ
５０ａ´、５０ａ´´  正極タブ
５０ｂ´、５０ｂ´´  負極タブ
６０    並列接続ｎ層セル（第２実施例）
６０ａ  正極タブ
６０ｂ  負極タブ
８０    直列接続ｎ層セル（第３実施例）
８０ａ  正極タブ
８０ｂ  負極タブ
８０ａ´、８０ａ´´  正極タブ
８０ｂ´、８０ｂ´´  負極タブ
９０    並列接続ｎ層セル（第３実施例）
９０ａ  正極タブ
９０ｂ  負極タブ
【図１】
2004158222.tif 000003
【図２】
2004158222.tif 000004
【図３】
2004158222.tif 000005
【図４】
2004158222.tif 000006
【図５】
2004158222.tif 000007
【図６】
2004158222.tif 000008
【図７】
2004158222.tif 000009