(57)【要約】【課題】性能を向上させることが可能な電池を提供することを主目的とする。【解決手段】正極層、負極層、及び、正極層と負極層との間に配設された電解質層を有する素電池と、該素電池を収容する容器とを備え、素電池の外側且つ容器の内側に、素電池を加圧可能な流体が充填され、正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向を法線方向とする素電池の面が、容器と接触しないように配置されている、電池とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極層、負極層、及び、前記正極層と前記負極層との間に配設された電解質層を有する素電池と、該素電池を収容する容器とを備え、
前記素電池の外側且つ前記容器の内側に、前記素電池を加圧可能な流体が充填され、
前記正極層及び前記負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向を法線方向とする、前記素電池の面が、前記容器と接触しないように配置されていることを特徴とする、電池。
【請求項２】
前記正極層及び前記負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向と平行な、前記素電池の面が、前記容器と接触し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】
本発明は電池に関し、特に、流体を用いて素電池を加圧する電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池（以下において、「リチウム二次電池」ということがある。）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、電気自動車や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層とが備えられ、電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液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、不燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような電池に関する技術として、例えば特許文献１には、素電池を複数個組み合わせて組電池ケースに収容してなる組電池において、素電池ケース外で組電池ケース内の空間に、気体、液体若しくは固体粉末の少なくとも一種類、又はこれらの混合物質を充填することで組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧するリチウム二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２１４６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術によれば、組電池ケース内に生じる静水圧を用いて素電池を加圧するので、素電池を均一に加圧しやすくなり、その結果、電池の性能を向上させやすくなるとも考えられる。しかしながら、素電池を組電池ケースに接触させた状態で配置すると、組電池ケースに接触している素電池の面と組電池ケースとの間には、素電池を加圧すべき物質が存在し難い。それゆえ、特許文献１に開示されている技術において、例えば、正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向（以下において、「積層方向」ということがある。）を法線方向とする素電池ケースの面が、組電池ケースと接触するように、素電池を組電池ケース内に配置すると、積層方向を法線方向とする素電池ケースの面へと付与される加圧力が不十分になりやすい。積層方向を法線方向とする素電池ケースの面へと付与される加圧力が不十分になると、正極層と電解質層との界面や、電解質層と負極層との界面へと付与される圧縮力が不十分になりやすく、これらの界面へと付与される圧縮力が不十分になると、電池の性能が低下しやすい。そのため、特許文献１に開示されている技術では、電池の性能向上効果が不十分になりやすいという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、性能を向上させることが可能な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】
【０００８】
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、正極層、負極層、及び、正極層と負極層との間に配設された電解質層を有する素電池と、該素電池を収容する容器とを備え、素電池の外側且つ容器の内側に、素電池を加圧可能な流体が充填され、正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向を法線方向とする、素電池の面が、容器と接触しないように配置されていることを特徴とする、電池である。
【０００９】
ここに、「正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向を法線方向とする、素電池の面が、容器と接触しないように配置されている」とは、積層方向を法線方向とする素電池の面と容器との間に、素電池を加圧すべき流体が存在できるように、素電池が容器に収容されていることをいう。したがって、「正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向を法線方向とする、素電池の面が、容器と接触しないように配置されている」には、法線方向が積層方向と交差する方向である素電池の面が容器と接触するように、素電池が容器に収容されている形態が含まれる。このほか、流体を通過させることが可能な部材（例えば公知の多孔質部材等）や、容器と対向する素電池の面の一部のみと接触するように配置された部材が、素電池と容器との間に介在していることにより、素電池と容器とが直接接触しないように、素電池が容器に収容されている形態も含まれる。本発明において、容器内に収容された素電池は、位置決め部材を用いて容器内における移動が制限された形態とすることも可能である。
【００１０】
また、上記本発明において、正極層及び負極層の一方の層から他方の層へと向かう方向と平行な、素電池の面が、容器と接触していても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電池では、積層方向を法線方向とする素電池の面と容器とが直接接触しないように、素電池が容器内に収容されている。かかる形態とすることにより、素電池の外側且つ容器の内側に充填された流体を用いて、素電池の積層方向へ加圧力を均一に付与することが可能になる。素電池の積層方向へ加圧力を均一に付与することにより、正極層と電解質層との界面や電解質層と負極層との界面等を物質が移動する際の抵抗を低減しやすくなるので、電池の性能を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、性能を向上させることが可能な、電池を提供することができる。
【００１２】
また、本発明において、積層方向と平行な素電池の面を容器と接触させることにより、積層方向を法線方向とする素電池の面と容器とが接触しないようにすることが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、電池の性能を向上させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の電池１０を説明する断面図である。
【図２】従来の電池９０を説明する断面図である。
【図３Ａ】本発明の電池２０を説明する断面図である。
【図３Ｂ】本発明の電池２０を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の電池が、固体電解質層を用いたリチウムイオン二次電池（固体電池）である場合について説明する。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ない。
【００１５】
図１は、本発明の電池１０を説明する断面図である。図１では、正極集電体、正極端子、負極集電体、及び、負極端子の記載、並びに、繰り返しとなる一部符号の記載を省略している。図１の紙面左右方向が、積層方向である。
【００１６】
図１に示したように、電池１０は、電極体１及び該電極体１を収容するフィルム２を備えた素電池３、３、…と、該素電池３、３、…を収容する容器４と、を有し、フィルム２の外側且つ容器４の内側に、素電池３、３、…を加圧すべき流体５が充填されている。電池１０では、積層方向に平行な素電池３、３、…の面が、容器４と接触するように、素電池３、３、…が容器４に収容されている。
【００１７】
図１に示したように、電極体１は、正極層１ａと、負極層１ｂと、正極層１ａ及び負極層１ｂに挟持された固体電解質層１ｃとを有している。正極層１ａは不図示の正極集電体を介して不図示の正極端子に、負極層１ｂは不図示の負極集電体を介して不図示の負極端子に、それぞれ接続されており、正極端子及び負極端子は、その一端が容器４の外側に位置している。
【００１８】
図２は、従来の電池９０を説明する断面図である。図２では、正極集電体、正極端子、負極集電体、及び、負極端子の記載、並びに、繰り返しとなる一部符号の記載を省略している。図２の紙面上下方向が積層方向である。図２において、電池１０と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００１９】
図２に示したように、電池９０は、最下部に配置された素電池３の、積層方向を法線方向とする面が、容器４と接触するように、素電池３、３、…が容器４に収容されているほかは、電池１０と同様に構成されている。電池９０では、最下部に配置された素電池３の、積層方向を法線方向とする面が、容器４と接触しているので、当該素電池３の面と容器４との間には、流体５がほとんど存在できない。これに対し、最上部に配置された素電池３の、積層方向を法線方向とする上面と容器４との間には、多量の流体５を存在させることができる。そのため、素電池３、３、…では、図３の紙面上側から付与される加圧力が紙面下側から付与される加圧力よりも大きく、積層方向に均一な加圧力を付与することができない。性能を向上させるために、固体電池である素電池３、３、…は、積層方向に均一な加圧力を付与することが有効であるため、積層方向に均一な加圧力が付与されない素電池３、３、…を備えた電池９０は、性能を向上させ難い。
【００２０】
これに対し、電池１０では、積層方向に平行な素電池３、３、…の面が、容器４と接触している。素電池３、３、…をこのように配置することにより、素電池３、３、…の、積層方向を法線方向とする面を、容器４に接触させないようにすることが可能になる。かかる形態とすることにより、図１の紙面右側から素電池３、３、…へと付与される加圧力と、図１の紙面左側から素電池３、３、…へと付与される加圧力とを等しくすることが可能になるので、積層方向に均一な加圧力を付与することが可能になる。積層方向に均一な加圧力を付与することにより、電池の性能を向上させることが可能になるので、本発明によれば、性能を向上させることが可能な電池１０を提供することができる。
【００２１】
このように構成される電池１０は、例えば以下の工程を経て製造することができる。電池１０を製造する際には、まず、正極層１ａ及び負極層１ｂの間に固体電解質層１ｃを配置する過程を経て電極体１を作製する。正極層１ａは、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極用組成物を、正極集電体の表面に塗布する過程を経て作製することができ、負極層１ｂは、例えば、負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極用組成物を、負極集電体の表面に塗布する過程を経て作製することができる。また、固体電解質層１ｃは、例えば、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質用組成物を、正極層１ａの表面に塗布する過程を経て作製することができる。こうして、固体電解質層１ｃを作製したら、固体電解質層１ｃが正極層１ａ及び負極層１ｂで挟まれるように、例えば、正極層１ａの表面に形成した固体電解質層１ｃの上に、負極集電体の表面に形成した負極層１ｂを積層し、積層方向の両端側から圧縮力を付与する過程を経て、電極体１を作製することができる。こうして電極体１を作製したら、負極端子に接続される負極集電体の端部、及び、正極端子に接続される正極集電体の端部の全部を収容しないようにしながら、フィルム２で電極体１を包み、フィルム２の外縁を熱溶着等の公知の方法で接合することにより、素電池３を作製する。素電池３を作製したら、続いて、端部が容器４の外側に配置された正極端子と正極集電体とが接続されるとともに、端部が容器４の外側に配置された負極端子と負極集電体とが接続され、且つ、積層方向と平行な素電池３、３、…の面が容器４と接触するようにしながら、素電池３、３、…を、容器４内に収容する。こうして、素電池３、３、…を容器４内に収容したら、容器４に接続されている不図示の流体注入路以外の隙間を塞ぐ。そして、流体注入路を介して、フィルム２の外側且つ容器４の内側へ流体５を充填し、流体注入路の入口を封止材で封止する過程を経て、電池１０を製造することができる。
【００２２】
電池１０において、正極層１ａに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の正極活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等の層状化合物を例示することができる。また、正極層１ａには、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＯ４等の酸化物系固体電解質のほか、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物系固体電解質（例えば、モル比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質）等を例示することができる。このほか、正極層１ａには、正極活物質と固体電解質とを結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。正極層１ａに含有させることが可能なバインダーとしては、ブチレンゴム等を例示することができ、正極層１ａに含有させることが可能な導電材としては、カーボンブラック等を例示することができる。また、正極層１ａの作製時には、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタン等を例示することができる。
【００２３】
また、負極層１ｂに含有させる負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層１ｂには固体電解質を含有させることができ、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、負極層１ｂには、負極活物質と固体電解質とを結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極層１ｂに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、負極層１ｂの作製時には、正極層１ａの作製時に使用可能な上記溶媒等を適宜用いることができる。
【００２４】
また、固体電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。また、固体電解質層１ｃの作製時には、正極層１ａの作製時に使用可能な上記溶媒等を適宜用いることができる。
【００２５】
また、正極集電体及び負極集電体、並びに、正極端子及び負極端子は、リチウムイオン二次電池の正極集電体及び負極集電体、並びに、正極端子及び負極端子として使用可能な公知の導電性材料によって構成することができる。そのような導電性材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。
【００２６】
また、フィルム２は、リチウムイオン二次電池の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるフィルムを、特に限定されることなく用いることができる。そのようなフィルムの構成材料としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等の樹脂フィルムのほか、これらの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルム等を例示することができる。
【００２７】
また、容器４は、電池１０の作動時の環境、及び、流体５の圧力に耐え得る材料によって構成されていれば、その構成材料は特に限定されない。容器４は、例えば、アルミニウムやステンレス鋼等の金属製とすることができる。
【００２８】
また、流体５は、二酸化炭素等に代表される不燃性の気体のほか、ヘリウム、窒素、アルゴン等に代表される不活性の気体等を用いることができる。このほか、流体５としては、乾燥空気を用いることも可能である。ただし、電池の安全性を高めやすい形態にする等の観点からは、上記不燃性の気体や不活性の気体を用いることが好ましい。電池１０において、素電池３を加圧する流体５の圧力は、例えば、１気圧以上２００気圧以下程度とすることができる。
【００２９】
電池１０に関する上記説明では、流体５として気体を例示したが、本発明における流体５は気体に限定されない。流体５は公知の液体であっても良く、気体や液体と共に固体を用いることも可能である。
【００３０】
また、電池１０に関する上記説明では、１つの電極体１を有する素電池３を例示したが、本発明の電池に備えられる素電池は、複数の電極体を有していても良い。複数の電極体を有する素電池が備えられる形態とする場合、素電池ケースに収容された隣接する２つの電極体は、電気的に直列又は並列に接続すれば良い。
【００３１】
本発明に関する上記説明では、巻回されていない電極体１を有する素電池３、３、…を備えた電池１０を例示したが、本発明の電池は当該形態に限定されない。本発明の電池には、正極層と負極層との間に固体電解質層が配設されるように、正極層と固体電解質層と負極層とを積層した後、これを巻回する過程を経て作製した電極体、を有する素電池が備えられていても良い。
【００３２】
図３Ａ及び図３Ｂは、他の形態にかかる本発明の電池２０を説明する断面図である。図３Ａ及び図３Ｂでは、電池２０を簡略化して示している。図３Ａの紙面奥／手前方向、及び、図３Ｂの紙面上下方向が、巻回された電極体２１の軸方向である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、電池１０と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂに示したように、電池２０は、巻回された電極体２１及び該電極体２１を収容するフィルム２を備えた素電池２３と、該素電池２３を収容する容器４と、を有し、フィルム２の外側且つ容器４の内側に、素電池２３を加圧すべき流体５が充填されている。電池２０では、図３Ａの紙面に平行な方向が積層方向であり、図３Ｂに示したように、該積層方向と平行な素電池２３の面が容器４と接触するように、素電池２３が容器４に収容されている。
【００３４】
素電池２３をこのように配置することにより、流体５を用いて、積層方向へ均一な加圧力を付与することが可能になる。したがって、巻回する過程を経て作製した電極体２１が備えられていても、例えば、積層方向と平行な素電池２３の面が容器４と接触するように、素電池２３を配置することにより、性能を向上させることが可能な電池２０を提供することが可能になる。
【００３５】
本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、固体電解質、及び、負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。
【００３６】
また、本発明に関する上記説明では、固体電解質層を有する固体電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、電解液を用いた電解質層を有する電池であっても良い。ただし、電解液を用いた電解質層を有する電池よりも、固体電池の方が、性能を高めるために、素電池を均一に加圧する必要性が高い。それゆえ、性能を高めた電池を提供しやすい形態にする等の観点からは、本発明の電池を固体電池とすることが好ましい。
【００３７】
また、本発明に関する上記説明では、充放電可能な二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、いわゆる一次電池であっても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１、２１…電極体
１ａ…正極層
１ｂ…負極層
１ｃ…固体電解質層（電解質層）
２…フィルム
３、２３…素電池
４…容器
５…流体
１０、２０、９０…電池
【図１】
2012248294.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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