(57)【要約】【課題】体積エネルギー密度の高い全固体電池を提供する。【解決手段】正極と、負極と、固体電解質層とを備える電池要素が外装体に収容されてなる全固体電池において、  前記正極は、ポーラス状の正極集電体の内部に正極活物質を備え、  前記負極は、ポーラス状の負極集電体の内部に負極活物質を備え、  前記正極又は前記負極の一方は球状電極であり、  前記固体電解質層は、前記球状電極の表面を固体電解質で被覆してなる層であり、  前記正極又は前記負極の他方は、前記固体電解質層の表面を被覆する電極層であり、  前記外装体内に複数の前記電池要素を有することを特徴とする全固体電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、固体電解質層とを備える電池要素が外装体に収容されてなる全固体電池において、
前記正極は、ポーラス状の正極集電体の内部に正極活物質を備え、
前記負極は、ポーラス状の負極集電体の内部に負極活物質を備え、
前記正極又は前記負極の一方は球状電極であり、
前記固体電解質層は、前記球状電極の表面を固体電解質で被覆してなる層であり、
前記正極又は前記負極の他方は、前記固体電解質層の表面を被覆する電極層であり、
前記外装体内に複数の前記電池要素を有することを特徴とする全固体電池。
【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】
全固体電池の分野において、従来から、電池の外装体への収納に着目し、全固体電池の性能向上を図る試みがある。
例えば、特許文献１には、正極層と固体電解質層と負極層とを積層した積層体を外装体に収容してなる固体電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１７９５６６号公報
【特許文献２】特開２００３−０４６０７７号公報
【特許文献３】特開２００６−２９４３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されているような従来の全固体電池では、外装体の形状が複雑になる場合、積層体と外装体との間のデッドスペースが増加してしまい、体積エネルギー密度が低下してしまうという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、体積エネルギー密度の高い全固体電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の全固体電池は、正極と、負極と、固体電解質層とを備える電池要素が外装体に収容されてなる全固体電池において、
前記正極は、ポーラス状の正極集電体の内部に正極活物質を備え、
前記負極は、ポーラス状の負極集電体の内部に負極活物質を備え、
前記正極又は前記負極の一方は球状電極であり、
前記固体電解質層は、前記球状電極の表面を固体電解質で被覆してなる層であり、
前記正極又は前記負極の他方は、前記固体電解質層の表面を被覆する電極層であり、
前記外装体内に複数の前記電池要素を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、体積エネルギー密度の高い全固体電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】全固体電池の一例を示す模式図である。
【図２】電池要素の一例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の全固体電池は、正極と、負極と、固体電解質層とを備える電池要素が外装体に収容されてなる全固体電池において、
前記正極は、ポーラス状の正極集電体の内部に正極活物質を備え、
前記負極は、ポーラス状の負極集電体の内部に負極活物質を備え、
前記正極又は前記負極の一方は球状電極であり、
前記固体電解質層は、前記球状電極の表面を固体電解質で被覆してなる層であり、
前記正極又は前記負極の他方は、前記固体電解質層の表面を被覆する電極層であり、
前記外装体内に複数の前記電池要素を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、外装体内の電池要素を球状にし、外装体内に複数の電池要素を収容すること、及び、集電体をポーラス状にして活物質を充填させることを見出した。
外装体内の電池要素を球状にすることで、外装体の形状が複雑になった場合に、積層体形状と比較して、デッドスペースを減少させることができ、これにより、全固体電池の体積エネルギー密度を向上させることができる。
また、単純に電池要素を球状にした場合、最中心の集電体と活物質層との接触面積が小さくなり、電子伝導性が低下するが、正極及び負極がポーラス状の集電体内部に活物質を備えた構成とすることで、電子伝導性を向上させることができる。
さらに、電池要素を球状にすることで、全固体電池の形状を自由に選択することができる。
また、外装体内の空隙（最密充填なら最小で２６％）は、充放電に伴う活物質の膨張収縮を緩和させる効果があり、充放電の繰り返しによる容量低下を抑制することができる。
さらに、電極集電体をポーラス状にし、当該集電体内部に活物質を充填させることで、活物質と集電体の距離が短くなるため、球状の電池要素を厚径化しても、電子供給不足による出力低下を抑制することができる。
【００１０】
図１は、本発明の全固体電池の一例を示す模式図である。
図１に示すように、全固体電池１００は、外装体１内に複数の電池要素２を有する。外装体１内には適度な空隙３が確保されている。
【００１１】
図２は、本発明の電池要素の一例を示す断面模式図である。
電池要素２は、正極４と、負極５と、固体電解質層６とを備える。
負極５は、ポーラス状の負極集電体７の内部に負極活物質８を備える球状電極である。
球状電極の表面にはセパレータとして固体電解質が全面被覆され、固体電解質層６が形成されている。
そして、固体電解質層６の表面には、ポーラス状の正極集電体９の内部に正極活物質１０を備える正極４が全面被覆され、電極層として形成されている。
さらに、外部から負極５へ導通を確保するために、絶縁体１１で被覆された導線１２が負極５中に挿入されている。
【００１２】
外装体は、当該外装体内に複数の電池要素を有する。外装体内に収容される電池要素の数は、特に限定されない。
外装体の形状としては、特に限定されないが、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。
外装体の材質は、電解質に安定なものであれば特に限定されないが、Ａｌ、ＳＵＳ等の金属体、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、アクリル樹脂等の樹脂が挙げられる。外装体が金属体の場合は、外装体の表面のみが金属体で構成されるものであっても、外装体全体が金属体で構成されるものであってもよい。
【００１３】
電池要素は、少なくとも正極と、負極と、固体電解質層を備える。
電池要素の形状は、球状であることが好ましい。
球状の電池要素の直径は、特に限定されず、数ｍｍ〜数ｃｍ程度とすることができる。
【００１４】
本発明においては、正極と負極のいずれか一方が球状電極であり、他方が、当該球状電極の表面を被覆する固体電解質層の表面を被覆する電極層である。
そして、固体電解質層は、球状電極の表面に固体電解質を被覆してなるものである。
固体電解質層は、球状電極の表面の全部を被覆していなければならない。
【００１５】
また、電極層は、固体電解質層の表面に正極又は負極のいずれか一方の電極を被覆してなるものである。
電極層における電極は、固体電解質層の表面の少なくとも一部を被覆していればよく、固体電解質層の表面全体を被覆することが好ましい。
電極層における、固体電解質層の表面を被覆する電極の被覆率は、４０％以上、特に７０％以上、さらに９０％以上であることが好ましい。
なお、固体電解質層の表面を被覆する電極の被覆率は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）等を用いて定性的に確認することができる。
【００１６】
球状電極の直径は、目的とする電池の用途等により異なるものであるが、例えば、下限としては数ｍｍ以上であることが好ましく、上限としては数ｃｍ以下であることが好ましい。
電極層の厚さは、目的とする電池の用途等により異なるものであるが、例えば、下限としては数ｍｍ以上であることが好ましく、上限としては数ｃｍ以下であることが好ましい。
固体電解質層の厚さは、目的とする電池の用途等により異なるものであるが、例えば下限としては１ｎｍ以上であることが好ましく、上限としては数μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
正極は、少なくともポーラス状の正極集電体と、当該正極集電体の内部に正極活物質を備え、必要に応じて、正極集電体の内部に導電材、結着剤、及び、後述する固体電解質の少なくとも一つを備えていても良い。
負極は、少なくともポーラス状の負極集電体と、当該負極集電体の内部に負極活物質を備え、必要に応じて、負極集電体の内部に導電材、結着剤、及び、後述する固体電解質の少なくとも一つを備えていても良い。
固体電解質層は、少なくとも固体電解質を含有し、必要に応じて結着剤等を含有していても良い。
固体電解質としては、イオン伝導性を有するものであれば、特に限定されず、従来公知の酸化物系固体電解質及び硫化物系固体電解質を用いることができる。
正極集電体及び負極集電体は、所望の導電性を有し、ポーラス状であればよく、集電体の材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、銅、金、銀、パラジウム等の金属材料等が挙げられる。
正極活物質、負極活物質、導電材及び結着剤としては、特に限定されず、従来公知の材料を用いることができる。
【００１８】
本発明の全固体電池の製造方法の一例を以下に示す。なお、下記に示すのは負極が球状電極である場合の全固体電池の製造方法であるが、正極が球状電極である場合も、負極が球状電極である場合と同様に製造することができる。
負極集電体（例えばＣｕ）をポーラス且つ球状にし、当該集電体内部に、ペースト化した負極活物質（必要に応じて固体電解質を添加）を真空含浸させて球状の負極を形成する。
球状の負極の表面には、セパレータとして固体電解質をスパッタリングにより全面被覆し、固体電解質層を形成する。
さらに、固体電解質層の外側をポーラス状の正極集電体で覆い、当該正極集電体の内部にペースト化した正極活物質（必要に応じて固体電解質を添加）を真空含浸させて正極を形成し、電池要素を作製する。
その後、外部から負極へ導通を確保するために、絶縁被覆された導線を負極中に挿入する。
そして、外装体（例えばＡｌ製）に上記電池要素を挿入することにより全固体電池が得られる。
【００１９】
本発明の全固体電池としては、リチウム電池、ナトリウム電池、マグネシウム電池及びカルシウム電池等を挙げることができ、中でも、リチウム電池が好ましい。さらに、本発明の全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。
【符号の説明】
【００２０】
１  外装体
２  電池要素
３  空隙
４  正極
５  負極
６  固体電解質層
７  負極集電体
８  負極活物質
９  正極集電体
１０  正極活物質
１１  絶縁体
１２  導線
１００  全固体電池
【図１】
2017111924.tif 000003
【図２】
2017111924.tif 000004