DE112020001115T5

DE112020001115T5 - Festkörperbatterie

Info

Publication number: DE112020001115T5
Application number: DE112020001115.1T
Authority: DE
Inventors: Kazumasa Tanaka; Tetsuya Ueno
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2021-12-09
Also published as: US20220140402A1; WO2020179934A1; JP7414058B2; JPWO2020179934A1; CN113508487B; CN113508487A

Abstract

Diese Festkörperbatterie (1) umfasst ein Laminat (10), in dem eine positive Elektrodenschicht (11) und eine negative Elektrodenschicht (12) abwechselnd mit einer dazwischen angeordneten Festelektrolytschicht (13) laminiert sind. Die positive Elektrodenschicht (11) umfasst einen ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt (11a), der an einer ersten Seitenfläche (10a) des Laminats (10) freiliegt. Die negative Elektrodenschicht (12) umfasst einen zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt (12b), der nicht an der ersten Seitenfläche (10a) des Laminats (10) freiliegt. Die Festkörperbatterie (1) umfasst einen ersten unebenen Teil (16), der an der ersten Seitenfläche (10a) des Laminats (10) ausgebildet ist.

Description

[Technischer Bereich]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperbatterie (all-solid-state battery), z. B. eine Festkörper-Lithium-Ionen-Sekundärbatterie.
Die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-041862 wird beansprucht, die am 7. März 2019 in Japan eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
[Stand der Technik]
In den letzten Jahren hat es bemerkenswerte Entwicklungen in der Elektroniktechnologie gegeben, und tragbare elektronische Geräte sind kleiner und leichter, dünner und multifunktionaler geworden. Damit einhergehend besteht eine starke Nachfrage nach Batterien, die als Stromquellen für elektronische Geräte dienen und kleiner und leichter, dünner und zuverlässiger sein müssen, und Festkörper-Lithium-Ionen-Sekundärbatterien (im Folgenden „Festkörperbatterien“), die durch einen festen Elektrolyten gebildet werden, haben Aufmerksamkeit erregt.
Üblicherweise ist in einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ein Elektrolyt (Elektrolytlösung), z. B. ein organisches Lösungsmittel, als Medium für die Ionenbewegung verwendet worden. Bei der vorab beschriebenen Batteriekonfiguration besteht jedoch die Gefahr, dass die Elektrolytlösung ausläuft. Da ein organisches Lösungsmittel oder ähnliches, das in der Elektrolytlösung verwendet wird, eine brennbare Substanz ist, muss die Sicherheit von Batterien weiter verbessert werden.
Als eine Maßnahme zur Verbesserung der Sicherheit von Batterien wurde vorgeschlagen, einen Festelektrolyten anstelle einer Elektrolytlösung als Elektrolyt zu verwenden. Darüber hinaus ist die Entwicklung einer Festkörperbatterie im Gange, bei der ein Festelektrolyt als Elektrolyt verwendet wird und andere Komponenten ebenfalls aus Feststoffen gebildet werden.
Damit ein Festelektrolyt eine hohe Leitfähigkeit aufweist, ist es wichtig, den Korngrenzenwiderstand durch Verdichtung des Festelektrolyten in einem Sinterprozess bei hoher Temperatur auf ein geringes Maß zu reduzieren. So wurde beispielsweise eine erfindungsgemäße Festkörper-Sekundärbatterie offenbart, die durch gemeinsames Kalzinieren eines Laminats aus einer positiven Elektrodeneinheitsschicht, einer negativen Elektrodeneinheitsschicht und einer Schicht aus ionenleitendem anorganischem Material gebildet wird (Patentliteratur 1), und es wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Laminats ohne Risse durch Auswahl eines Materials zur Verringerung des Unterschieds im Ausmaß der Kontraktion zwischen jeder Schicht während des Kalzinierens offenbart. Andererseits wurde in Verbindung mit einer Lithiumbatterie, die durch Laminieren und Kalzinieren einer Festelektrolyt-Grünfolie oder einer Festelektrolytschicht und einer Elektroden-Grünfolie gebildet wird, offenbart, dass das Auftreten von Rissen und Delamination in jeder der Schichten unwahrscheinlich gemacht werden kann, indem eine die Kontraktion unterdrückende Schicht, die ein Pulver aus einem anorganischen Material mit einem hohen Schmelzpunkt enthält, auf mindestens einer Oberfläche einer Festelektrolyt-Grünfolie oder einer Festelektrolytschicht bereitgestellt wird (Patentliteratur 2).
[Zitierliste]
[Patentliteratur]

[Patentliteratur 1] PCT Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2007/135790
[Patentliteratur 2] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2009-181882

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Für Festkörperbatterien, die nach dem oben beschriebenen konventionellen Verfahren hergestellt werden, kann jedoch nicht gesagt werden, dass die Volumenausdehnung und -kontraktion aufgrund einer Lade-/Entladereaktion ausreichend unterdrückt wird, und es können Risse aufgrund der in der Festkörperbatterie erzeugten inneren Spannung auftreten. Infolgedessen besteht das Problem, dass der Innenwiderstand hoch sein kann und hervorragende Zykluseigenschaften nicht ohne weiteres erreicht werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Festkörperbatterie bereitzustellen, in der Volumenausdehnung und -kontraktion aufgrund einer Lade-/Entladereaktion ausreichend unterdrückt werden können und hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden können.
[Lösung des Problems]
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Mittel zur Verfügung.
[1] Festkörperbatterie, die ein Laminat enthält, in dem eine positive Elektrodenschicht, die eine Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht und eine Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht enthält, und eine negative Elektrodenschicht, die eine Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht und eine Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht enthält, abwechselnd mit einer dazwischen angeordneten Festelektrolytschicht laminiert sind, wobei
die positive Elektrodenschicht einen ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt aufweist, der an einer ersten Seitenfläche des Laminats freiliegt, und einen zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt, der an einer zweiten Seitenfläche auf einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden Seite nicht freiliegt,
die negative Elektrodenschicht einen ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt, der an der zweiten Seitenfläche des Laminats freiliegt, und einen zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt, der nicht an der ersten Seitenfläche des Laminats freiliegt, aufweist, und
das Laminat mindestens einen von einem ersten unebenen Teil, der an der ersten Seitenfläche des Laminats ausgebildet ist, und einem zweiten unebenen Teil, der an der zweiten Seitenfläche des Laminats ausgebildet ist, aufweist.
[2] Die Festkörperbatterie nach dem oben beschriebenen [1], bei der das Laminat weiterhin aufweist:

eine Positive-Elektrode-Randschicht, die zwischen dem zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt und der zweiten Seitenfläche angeordnet ist und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten eingeschoben ist, und
eine Negative-Elektrode-Randschicht, die zwischen dem zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt und der ersten Seitenfläche angeordnet und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten eingeschoben ist.

[3] Die Festkörperbatterie gemäß dem oben beschriebenen [2], bei der eine Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenoberfläche 1,0 µm oder mehr in einer Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[4] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [2] oder [3], bei der ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet wird.
[5] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [2] oder [3], bei der ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet wird, und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
[6] Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [3] bis [5], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[7] Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [2] bis [6], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[8] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [2] bis [7], bei der ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet wird.
[9] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [2] bis [7], bei der ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
[10] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [7] bis [9], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[11] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [1], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenoberfläche 1,0 µm oder mehr in einer Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[12] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [1] oder [11], bei der ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird.
[13] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [1] oder [11], bei der ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
[14] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [11] bis [13], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[15] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [1] und [11] bis [14], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[16] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [1] und [11] bis [15], bei der ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird.
[17] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [1] und [11] bis [15], bei der ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
[18] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [15] bis [17], bei der der Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[19] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [1] bis [18], bei der
das Laminat eine dritte Seitenfläche aufweist, die an einer lateralen Seite der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche angeordnet ist,
die positive Elektrodenschicht einen dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt aufweist, der an einer lateralen Seite des ersten Positive-Elektrode-Endabschnitts und des zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitts positioniert und so konfiguriert ist, dass er an der dritten Seitenfläche freiliegt,
die negative Elektrodenschicht einen dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt aufweist, der an einer lateralen Seite des ersten Negative-Elektrode-Endabschnitts und des zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitts positioniert und so konfiguriert ist, dass er an der dritten Seitenfläche freiliegt, und
ein dritter unebener Teil vorgesehen ist, der an der dritten Seitenfläche des Laminats gebildet ist.
[20] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [19], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[21] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [19] oder [20], bei der ein dritter vorstehender Teil des dritten unebenen Teils durch mindestens einen von dem dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt und dem dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet ist und ein dritter zurückgesetzter Teil des dritten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet ist.
[22] Die Festkörperbatterie gemäß der oben beschriebenen [19] oder [20], in der ein dritter vorstehender Teil des dritten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein dritter zurückgesetzter Teil des dritten unebenen Teils durch mindestens einen von dem dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt und dem dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
[23] Die Festkörperbatterie gemäß einer der oben beschriebenen [20] bis [22], bei der die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Festkörperbatterie bereitzustellen, in der Volumenausdehnung und -kontraktion aufgrund einer Lade-/Entladereaktion ausreichend unterdrückt werden können und hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden können.
Figurenliste

1A ist eine perspektivische Ansicht einer Festkörperbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Querschnittsansicht eines Laminats in L-Richtung entlang der Linie I-I in 1A.
1C ist eine Querschnittsansicht des Laminats in W-Richtung entlang der Linie II-II in 1A.
2A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs A (erste Seitenflächen-Seite) des Laminats in 1B.
2B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs B (zweite Seitenflächen-Seite) des Laminats in 1B.
3A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs C (dritte Seitenflächen-Seite) des Laminats in 1C.
3B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs D (vierte Seitenflächen-Seite) des Laminats in 1C.
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 1A zeigt.
5A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 2A zeigt.
5B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 2B zeigt.
6A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 3A zeigt.
6B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 3B zeigt.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 1B zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die das Ergebnis der Messung einer Seitenfläche der Festkörperbatterie in einem Beispiel mit einem Mikroskop zeigt.
9(a) bis 9(c) sind Ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Messung der Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis einer Seitenfläche in einem Beispiel.
10 ist ein Graph, das die Beziehung zwischen der in den Beispielen gemessenen Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis und der Kapazitätserhaltungsrate zeigt.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen, die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, gibt es Fälle, in denen charakteristische Teile zur besseren Veranschaulichung angemessen vergrößert sind, so dass die Merkmale der vorliegenden Ausführungsform leicht verstanden werden können, und die Größenverhältnisse oder dergleichen der jeweiligen Bestandteile können von den tatsächlichen abweichen.
Materialien, Abmessungen und dergleichen, die in der folgenden Beschreibung dargestellt sind, sind lediglich Beispiele, und die vorliegende Ausführungsform ist nicht darauf beschränkt und kann mit entsprechenden Änderungen innerhalb eines Bereichs, in dem die Wirkungen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, umgesetzt werden.
[Konfiguration der Festkörperbatterie]
1A ist eine perspektivische Ansicht einer Festkörperbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1B ist eine Querschnittsansicht eines Laminats in L-Richtung entlang der Linie I-I in 1A, und 1C ist eine Querschnittsansicht des Laminats in W-Richtung entlang der Linie II-II in 1A.
Wie in den 1A bis 1C dargestellt, umfasst eine Festkörperbatterie 1 ein Laminat 10, in dem eine positive Elektrodenschicht 11, die eine Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und eine Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B umfasst, und eine negative Elektrodenschicht 12, die eine Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A und eine Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B umfasst, abwechselnd mit einer dazwischen angeordneten Festelektrolytschicht 13 laminiert sind. Die Festkörperbatterie 1 ist nicht besonders eingeschränkt, ist aber vorzugsweise eine Festkörper-Sekundärbatterie, und noch bevorzugter eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie.
In der vorliegenden Ausführungsform fungiert die positive Elektrodenschicht 11 als positive Elektrode und die negative Elektrodenschicht 12 als negative Elektrode.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und eine negative Elektrodenschicht kann an einer Position der positiven Elektrodenschicht 11 und eine positive Elektrodenschicht kann an einer Position der negativen Elektrodenschicht 12 angeordnet werden. Ob die Elektrodenschichten positiv oder negativ sind, kann geändert werden, je nachdem, welche Polarität mit einem externen Anschluss verbunden ist, der später beschrieben wird.
Eine Vielzahl von positiven Elektrodenschichten 11 und eine Vielzahl von negativen Elektrodenschichten 12 sind in dem Laminat 10 vorgesehen, und wenn Lithiumionen zwischen der positiven Elektrodenschicht 11 und der negativen Elektrodenschicht 12, die über die Festelektrolytschicht nahe beieinander angeordnet sind, übertragen werden, wird das Laden und Entladen der Festkörperbatterie 1 durchgeführt.
Die positive Elektrodenschicht 11 ist mit einer Außenelektrode 21 verbunden, und die negative Elektrodenschicht 12 ist mit einer Außenelektrode 22 verbunden. Die Außenelektrode 21 ist in Kontakt mit einer ersten Seitenfläche 10a (einer Seitenfläche, an der ein Endabschnitt der positiven Elektrodenschicht 11 freiliegt) des Laminats 10 ausgebildet, und die Außenelektrode 21 ist in Kontakt mit einer zweiten Seitenfläche 10b (einer Seitenfläche, an der ein Endabschnitt der negativen Elektrodenschicht 12 freiliegt) des Laminats 10 ausgebildet (1B). Die Außenelektroden 21 und 22 sind mit externen Anschlüssen (nicht dargestellt) verbunden und sind für den Transfer von Elektronen zum und vom Laminat 10 verantwortlich.
Die Außenelektroden 21 und 22 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit. Beispielsweise können Silber, Gold, Platin, Aluminium, Kupfer, Zinn, Nickel, Gallium, Indium, eine Legierung dieser Materialien oder Ähnliches verwendet werden. Die Außenelektroden 21 und 22 können auch in einer Mehrschichtstruktur ausgebildet sein und eine laminierte Struktur aufweisen, bei der beispielsweise eine Metallschicht und eine Beschichtungsschicht laminiert sind.
2A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs A (Seite der ersten Seitenfläche 10a) des Laminats 10 in 1B, und 2B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs B (Seite der zweiten Seitenfläche 10b) des Laminats 10 in 1B.
Die positive Elektrodenschicht 11 umfasst einen ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 freiliegt, und einen zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11b, der an der zweiten Seitenfläche 10b auf einer der ersten Seitenfläche 10a gegenüberliegenden Seite nicht freiliegt. Auch die negative Elektrodenschicht 12 umfasst einen ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a, der an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 freiliegt, und einen zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12b, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 nicht freiliegt.
Das Laminat 10 kann eine Positive-Elektrode-Randschicht 14, die zwischen dem zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11b und der zweiten Seitenfläche 10b angeordnet und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten 13 und 13 eingefügt ist, und eine Negative-Elektrode-Randschicht 15, die zwischen dem zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12b und der ersten Seitenfläche 10a angeordnet und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten 13 und 13 eingefügt ist, umfassen.
Die Festkörperbatterie 1 umfasst einen ersten unebenen Teil 16, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 ausgebildet ist, und einen zweiten unebenen Teil 17, der an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 ausgebildet ist. Der „erste unebene Teil 16 (zweite unebene Teil 17)“ ist beispielsweise ein erster unebener Streifenteil (zweiter unebener Streifenteil), der sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Laminierungsrichtung des Laminats 10 in einer Seitenansicht des Laminats 10 erstreckt. Der erste unebene Teil 16 (zweite unebene Teil 17) kann in einem Streifenmuster an der ersten Seitenfläche 10a (zweiten Seitenfläche 10b) des Laminats 10 ausgebildet sein.
Der erste unebene Teil 16 ist aus einem ersten vorstehenden Teil 16a und einem ersten zurückgesetzten Teil 16b gebildet, die abwechselnd und kontinuierlich in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 angeordnet sind. Auch der zweite unebene Teil 17 ist aus einem zweiten vorstehenden Teil 17a und einem zweiten zurückgesetzten Teil 17b gebildet, die abwechselnd und kontinuierlich in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 angeordnet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform wird an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 der erste vorstehende Teil 16a des ersten unebenen Teils 16 durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a gebildet, und der erste zurückgesetzte Teil 16b des ersten unebenen Teils 16 wird durch die Festelektrolytschicht 13 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 gebildet. Auch an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 wird der zweite vorstehende Teil 17a des zweiten unebenen Teils 17 durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a gebildet, und der zweite zurückgesetzte Teil 17b des zweiten unebenen Teils 17 wird durch die Festelektrolytschicht 13 und die Positive-Elektrode-Randschicht 14 gebildet.
In der Laminierungsrichtung des Laminats 10 beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a vorzugsweise 1,0 µm oder mehr. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a 1,0 µm oder mehr beträgt, kann eine ausreichende Pufferwirkung für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Ladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a weniger als 1,0 µm beträgt, kann der Puffereffekt für die Volumenausdehnung und -kontraktion nicht erzielt werden und die Zykluseigenschaften tendieren dazu, sich zu verschlechtern.
In der Laminierungsrichtung des Laminats 10 beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a vorzugsweise 12 µm oder weniger. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a 12 µm oder weniger beträgt, kann eine ausreichende Pufferwirkung für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Ladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a 12 µm übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund der Volumenausdehnung und -kontraktion des Laminats 10 Risse auftreten, und die Zykluseigenschaften können sich verschlechtern.
Unter dem oben beschriebenen Gesichtspunkt ist die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a vorzugsweise 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger.
In ähnlicher Weise beträgt in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b vorzugsweise 1,0 µm oder mehr. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b 1,0 µm oder mehr beträgt, kann eine ausreichende Pufferwirkung für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Ladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b weniger als 1,0 µm beträgt, kann der Puffereffekt für die Volumenausdehnung und -kontraktion nicht erzielt werden, und die Zykluseigenschaften verschlechtern sich tendenziell.
In der Laminierungsrichtung des Laminats 10 beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b vorzugsweise 12 µm oder weniger. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b 12 µm oder weniger beträgt, kann eine ausreichende Pufferwirkung für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Ladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b 12 µm übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund der Volumenausdehnung und -kontraktion des Laminats 10 Risse auftreten, und die Zykluseigenschaften können sich verschlechtern.
Unter den oben beschriebenen Gesichtspunkten ist die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b bevorzugt 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger.
3A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs C (Seite der dritten Seitenfläche 10c) des Laminats 10 in 1C, und 3B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht eines Bereichs D (Seite der vierten Seitenfläche 10d) des Laminats 10 in 1C.
Das Laminat 10 umfasst die dritte Seitenfläche 10c und die vierte Seitenfläche 10d, die an den lateralen Seiten der ersten Seitenfläche 10a und der zweiten Seitenfläche 10b angeordnet sind. Das Laminat 10 ist beispielsweise ein rechtwinkliges Parallelepiped, bei dem die erste Seitenfläche 10a und die zweite Seitenfläche 10b Endflächen in L-Richtung (Längsrichtung) bilden und die dritte Seitenfläche 10c und die vierte Seitenfläche 10d Endflächen in W-Richtung (Breitenrichtung) bilden.
Die positive Elektrodenschicht 11 umfasst einen dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c, der an einer lateralen Seite des ersten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11a und des zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11b angeordnet ist und an der dritten Seitenfläche 10c freiliegt. Auch die negative Elektrodenschicht 12 umfasst einen dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c, der an einer lateralen Seite des ersten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12a und des zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12b angeordnet ist und an der dritten Seitenfläche 10c freiliegt.
Die positive Elektrodenschicht 11 umfasst einen vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d, der an einer lateralen Seite des ersten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11a und des zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11b angeordnet ist und an der vierten Seitenfläche 10d freiliegt. Auch die negative Elektrodenschicht 12 umfasst einen vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d, der an einer lateralen Seite des ersten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12a und des zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12b angeordnet ist und an der vierten Seitenfläche 10d freiliegt.
Die Festkörperbatterie 1 kann einen dritten unebenen Teil 18, der an der dritten Seitenfläche 10c des Laminats 10 ausgebildet ist, und einen vierten unebenen Teil 19, der an der vierten Seitenfläche 10d des Laminats 10 ausgebildet ist, aufwiesen.
Der „dritte unebene Teil 18 (vierte unebene Teil 19)“ ist beispielsweise ein dritter unebener Streifenteil (vierter unebener Streifenteil 19), der sich in einer Seitenansicht des Laminats 10 in einer Richtung erstreckt, die im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung des Laminats 10 ist. Der dritte unebene Teil 18 (vierte unebene Teil 19) kann in einem Streifenmuster an der dritten Seitenfläche 10c (vierten Seitenfläche 10d) des Laminats 10 ausgebildet sein.
Der dritte unebene Teil 18 wird aus einem dritten vorstehenden Teil 18a und einem dritten zurückgesetzten Teil 18b gebildet, die abwechselnd und kontinuierlich in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 angeordnet sind. Auch der vierte unebene Teil 19 wird aus einem vierten vorstehenden Teil 19a und einem vierten zurückgesetzten Teil 19b gebildet, die abwechselnd und kontinuierlich in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 angeordnet sind.
In diesem Fall kann zum Beispiel an der dritten Seitenfläche 10c des Laminats 10 der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 durch den dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c und den dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c gebildet werden, und der dritte zurückgesetzte Teil 18b des dritten unebenen Teils 18 kann durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden. Der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 kann jedoch entweder durch den dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c oder durch den dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c gebildet werden.
In ähnlicher Weise kann an der vierten Seitenfläche 10d des Laminats 10 der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 durch den vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d und den vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d gebildet werden, und der vierte zurückgesetzte Teil 19b des vierten unebenen Teils 19 kann durch die feste Elektrolytschicht 13 gebildet werden. Der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 kann jedoch entweder durch den vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d oder durch den vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d gebildet werden.
In der Laminierungsrichtung des Laminats 10 beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d vorzugsweise 1,0 µm oder mehr. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d 1,0 µm oder mehr beträgt, kann ein ausreichender Puffereffekt für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Aufladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d weniger als 1,0 µm beträgt, kann die Pufferwirkung für die Volumenausdehnung und -kontraktion nicht erzielt werden, und die Zykluseigenschaften verschlechtern sich tendenziell.
In der Laminierungsrichtung des Laminats 10 beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d vorzugsweise 12 µm oder weniger. Wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d 12 µm oder weniger beträgt, kann ein ausreichender Puffereffekt für die Volumenexpansion und -kontraktion aufgrund des Aufladens und Entladens des Laminats 10 erzielt werden. Andererseits, wenn die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d 12 µm übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund der Volumenausdehnung und -kontraktion des Laminats 10 Risse auftreten, und die Zykluseigenschaften können sich verschlechtern.
Unter den oben beschriebenen Gesichtspunkten ist die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c und der vierten Seitenfläche 10d vorzugsweise 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger.
Nachfolgend werden die einzelnen Bestandteilselemente, die das Laminat 10 bilden, im Detail beschrieben.
(Positive Elektrodenschicht und negative Elektrodenschicht)
Die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A sind aus mindestens einem Material mit hoher Leitfähigkeit gebildet. Als Material mit hoher Leitfähigkeit kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung verwendet werden, die mindestens ein Metallelement enthält, z. B. Silber (Ag), Palladium (Pd), Gold (Au), Platin (Pt), Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und Nickel (Ni), und ein Nichtmetall wie Kohlenstoff (C) kann beispielhaft genannt werden. Von diesen Metallelementen sind Kupfer oder Nickel vorzuziehen, wenn man neben der hohen Leitfähigkeit auch die Herstellungskosten berücksichtigt. Außerdem reagiert Kupfer nicht leicht mit einem Positive-Elektrode-Aktivmaterial, einem Negative-Elektrode-Aktivmaterial und einem Festelektrolyten. Wenn Kupfer für die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A verwendet wird, kann daher der Innenwiderstand der Festkörperbatterie 1 reduziert werden. Das Material, das die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A bildet, kann gleich oder unterschiedlich sein. Die Dicken der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A sind nicht besonders eingeschränkt, können aber beispielsweise 0,5 µm oder mehr und 30 µm oder weniger betragen.
Die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B wird auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A ausgebildet. Beispielsweise hat die positive Elektrodenschicht 11, die als oberste Schicht des Laminats 10 in der Laminierungsrichtung positioniert ist, keine negative Elektrodenschicht 12 von der Seite darüber in Laminierungsrichtung. Daher muss in der positiven Elektrodenschicht 11, die als oberste Schicht der Festkörperbatterie 1 positioniert ist, die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B nur auf einer Seite, der unteren Seite in Laminierungsrichtung, sein, aber es gibt auch kein besonderes Problem, wenn sie auf beiden Seiten ist. Die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B wird ebenfalls auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A ausgebildet, ähnlich wie die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B. Die Dicken der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B liegen vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger. Wenn die Dicken der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B auf 0,5 µm oder mehr eingestellt sind, kann die elektrische Kapazität der Festkörperbatterie 1 erhöht werden, und andererseits kann der Innenwiderstand der Festkörperbatterie 1 weiter reduziert werden, wenn die Dicken auf 5,0 µm oder weniger eingestellt sind, da der Diffusionsabstand der Lithiumionen abnimmt.
Die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B enthalten jeweils ein Positive-Elektrode-Aktivmaterial und ein Negative-Elektrode-Aktivmaterial, die den Transfer von Lithiumionen und Elektronen dorthin und von dort ermöglichen. Darüber hinaus können ein Bindemittel, ein leitfähiges Hilfsmittel oder Ähnliches enthalten sein. Vorzugsweise können das Positive-Elektrode-Aktivmaterial und das Negative-Elektrode-Aktivmaterial Lithium-Ionen effizient absorbieren und desorbieren.
Es gibt keine klare Unterscheidung zwischen den aktiven Materialien, die die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B bilden, und wenn die Potenziale von zwei Arten von Verbindungen verglichen werden, kann eine Verbindung mit einem höheren Potenzial als Positive-Elektrode-Aktivmaterial und eine Verbindung mit einem niedrigeren Potenzial als Negative-Elektrode-Aktivmaterial verwendet werden. Daher werden die Aktiv-Materialien im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Als Aktiv-Material können ein Übergangsmetalloxid, ein Übergangsmetallverbundoxid oder ähnliches verwendet werden. Als Übergangsmetalloxid und Übergangsmetallverbundoxid können beispielsweise Lithium-Mangan-Verbundoxid Li₂Mn_aMa_1-aO₃ (0,8 ≤ a ≤ 1, Ma = Co, Ni), Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), Lithium-Mangan-Spinell (LiMn₂O₄), ein Verbundmetalloxid, repräsentiert durch den allgemeinen Ausdruck LiNi_xCo_yMn_zO₂ (x+y+z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1), eine Lithium-VanadiumVerbindung (LiV₂O₅), Olivin-Typ LiM_bPO₄ (in dem M_b eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al und Zr, repräsentiert), Lithium-Vanadium-Phosphat (Li₃V₂ (PO₄)₃ oder LiVOPO₄), eine Li-Überschuss-Mischkristall(Li excess solid solution)-positive Elektrode, repräsentiert durch Li₂MnO₃-LiM_cO₂ (M_c= Mn, Co, Ni), Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂), ein Verbundmetalloxid, dargestellt durch Li_sNi_tCo_uAl_vO₂ (0.9 < s < 1,3, 0,9 < t+u+v < 1,1), oder Ähnliches angegeben werden.
Die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A können jeweils ein Positive-Elektrode-Aktivmaterial beziehungsweise ein Negative-Elektrode-Aktivmaterial enthalten. Das Inhaltsverhältnis des im Stromkollektor enthaltenen aktiven Materials ist nicht besonders eingeschränkt, solange es als Stromkollektor funktioniert. So liegt beispielsweise das Volumenverhältnis von Positive-Elektrode-Stromkollektor-/Positive-Elektrode-Aktivmaterial oder Negative-Elektrode-Stromkollektor-/Negative-Elektrode-Aktivmaterial vorzugsweise in einem Bereich von 90/10 bis 70/30.
Wenn die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A das Positive-Elektrode-Aktivmaterial beziehungsweise das Negative-Elektrode-Aktivmaterial enthalten, wird die Haftung zwischen der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B sowie zwischen der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B verbessert.
(Festelektrolytschicht)
Die Festelektrolytschicht 13 befindet sich zwischen der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B.
Die Festelektrolytschicht 13 kann auch an einer in Laminierungsrichtung obersten Schicht des Laminats 10 (äußerste Schicht des Laminats 10 auf einer Seite) und an einer in Laminierungsrichtung untersten Schicht des Laminats 10 (äußerste Schicht des Laminats 10 auf der anderen Seite) angeordnet sein. In diesem Fall werden sowohl die oberste Schicht als auch die unterste Schicht des Laminats 10 von der Festelektrolytschicht 13 gebildet.
Die positive Elektrodenschicht 11 kann jedoch an der obersten Schicht des Laminats 10 in Laminierungsrichtung und die negative Elektrodenschicht 12 an der untersten Schicht des Laminats 10 in Laminierungsrichtung angeordnet sein. In diesem Fall wird die oberste Schicht des Laminats 10 durch die positive Elektrodenschicht 11 gebildet, und die unterste Schicht des Laminats 10 wird durch die negative Elektrodenschicht 12 gebildet.
Auch können Schutzschichten (nicht dargestellt) an der obersten Schicht und der untersten Schicht des Laminats 10 in Laminierungsrichtung angeordnet sein. In diesem Fall werden die oberste Schicht und die unterste Schicht des Laminats 10 durch die Schutzschicht gebildet.
Für die Festelektrolytschicht 13 wird vorzugsweise ein Material mit geringer Elektronenleitfähigkeit und hoher Lithium-Ionen-Leitfähigkeit verwendet. Der Festelektrolyt ist vorzugsweise mindestens einer, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die beispielsweise besteht aus einer Verbindung vom Perowskit-Typ wie La_0,5Li_0,5TiO₃, einer Verbindung vom LISICON-Typ wie Li₁₄Zn(GeO₄)₄, einer Verbindung vom Granat-Typ wie Li₇La₃Zr₂O₁₂, einer Verbindung vom NASICON-Typ wie LiZr₂(PO₄)₃, Li_1.3Al_0.3Ti_1.7 (PO₄) ₃ und Li_1.5Al_0.5Ge_1.5 (PO₄) ₃, einer Verbindung vom Thio-LISICON-Typ, wie Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄ und Li₃PS₄, einer Glasverbindung wie Li₂S-P₂S₅ und Li₂O-V₂O₅-SiO₂, und einer Phosphorsäureverbindung wie Li₃PO₄, Li_3.5Si_0.5P_0.5O₄ und Li_2.9PO_3.3N_0.46.
Die Festelektrolytschicht 13 wird vorzugsweise entsprechend den Aktiv-Materialien ausgewählt, die für die positive Elektrodenschicht 11 und die negative Elektrodenschicht 12 verwendet werden. So enthält die Festelektrolytschicht 13 vorzugsweise die gleichen Elemente wie die Elemente, aus denen die Aktiv-Materialien gebildet sind. Wenn die Festelektrolytschicht 13 die gleichen Elemente enthält wie die Elemente, die die Aktiv-Materialien bilden, wird die Bindung an den Grenzflächen der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B mit der Festelektrolytschicht 13 stark. Außerdem können die Kontaktflächen an den Grenzflächen der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B mit der Festelektrolytschicht 13 vergrößert werden.
Die Dicke der Festelektrolytschicht 13 zwischen der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 µm oder mehr und 20,0 µm oder weniger. Wenn die Dicke der Festelektrolytschicht 13 zwischen der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B und der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B auf 0,5 µm oder mehr eingestellt ist, kann ein Kurzschluss zwischen der positiven Elektrodenschicht 11 und der negativen Elektrodenschicht 12 zuverlässig verhindert werden, und wenn die Dicke auf 20,0 µm oder weniger eingestellt ist, kann der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie weiter verringert werden, da die Bewegungsstrecke der Lithium-Ionen reduziert wird.
Die Dicke der Festelektrolytschicht 13, die sich an der obersten Schicht und der untersten Schicht des Laminats 10 in Laminierungsrichtung befindet, ist nicht besonders eingeschränkt, kann aber beispielsweise 0,5 µm oder mehr und 20 µm oder weniger betragen.
(Positive-Elektrode-Randschicht und Negative-Elektrode-Randschicht)
Die Positive-Elektrode-Randschichten 14 können so angeordnet werden, dass sie mit den positiven Elektrodenschichten 11 im Wesentlichen an der gleichen Position in der Laminierungsrichtung des Laminats 10 ausgerichtet sind (2B). Die Positive-Elektrode-Randschicht 14 kann sich vom zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11b bis zur zweiten Seitenfläche 10b erstrecken. Die Negative-Elektrode-Randschichten 15 können auch so angeordnet sein, dass sie mit den negativen Elektrodenschichten 12 an im Wesentlichen derselben Position in Laminierungsrichtung des Laminats 10 ausgerichtet sind (2A). Die Negative-Elektrode-Randschicht 15 kann sich von dem zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12b bis zur ersten Seitenfläche 10a erstrecken.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Positive-Elektrode-Randschicht 14, im Hinblick auf den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a bis zum vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d der positiven Elektrodenschicht 11, nur auf einer lateralen Seite des zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11b vorgesehen, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Wie in 4 dargestellt, kann eine Positive-Elektrode-Randschicht 14-1 in der positiven Elektrodenschicht 11 zwischen dem zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11b und der zweiten Seitenfläche 10b, zwischen dem dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c und der dritten Seitenfläche 10c und zwischen dem vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d und der vierten Seitenfläche 10d vorgesehen sein. In diesem Fall hat die Positive-Elektrode-Randschicht 14-1 in einer Draufsicht eine abgewinkelte U-Form, und nur der erste Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a der positiven Elektrodenschicht 11 liegt an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 frei.
Auch ist die Negative-Elektrode-Randschicht 15, im Hinblick auf den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a bis zum vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d der negativen Elektrodenschicht 12, nur auf einer lateralen Seite des zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12b vorgesehen, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Wie in 4 dargestellt, kann eine Negative-Elektrode-Randschicht 15-1 zwischen dem zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12b und der ersten Seitenfläche 10a, zwischen dem dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c und der dritten Seitenfläche 10c und zwischen dem vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d und der vierten Seitenfläche 10d vorgesehen sein. In diesem Fall hat die Negative-Elektrode-Randschicht 15-1 in einer Draufsicht eine abgewinkelte U-Form, und nur der erste Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a der negativen Elektrodenschicht 12 liegt auf der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 frei.
In 4 ist nur der erste Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a der positiven Elektrodenschicht 11 an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 freiliegend, und nur der erste Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a der negativen Elektrodenschicht 12 ist an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 freiliegend, aber die vorliegende Erfindung ist hierauf nicht beschränkt. In dem Laminat 10 kann nur der erste Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a der positiven Elektrodenschicht 11 an der ersten Seitenfläche 10a freigelegt sein, oder nur der erste Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a der negativen Elektrodenschicht 12 kann an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 freigelegt sein.
Die Positive-Elektrode-Randschicht 14 oder 14-1 ist vorzugsweise vorgesehen, um eine Stufe zwischen den Festelektrolytschichten 13 und 13 und der positiven Elektrodenschicht 11, die zueinander benachbart sind, zu beseitigen, und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 oder 15-1 ist vorzugsweise vorgesehen, um eine Stufe zwischen den Festelektrolytschichten 13 und 13 und der negativen Elektrodenschicht 12, die zueinander benachbart sind, zu beseitigen. Daher ist die Positive-Elektrode-Randschicht 14 oder 14-1 vorzugsweise so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen die gleiche Dicke wie die positive Elektrodenschicht 11 zwischen den benachbarten Festelektrolytschichten 13 und 13 aufweist. Da die Stufe zwischen der Festelektrolytschicht 13 und der positiven Elektrodenschicht 11 und die Stufe zwischen der Festelektrolytschicht 13 und der negativen Elektrodenschicht 12 aufgrund des Vorhandenseins der Positive-Elektrode-Randschicht 14 oder 14-1 und der Negative-Elektrode-Randschicht 15 oder 15-1 beseitigt sind, wird die Dichte zwischen der Festelektrolytschicht 13 und jeder Elektrodenschicht erhöht, und Delamination (Ablösung) und Verzug aufgrund der Kalzinierung der Festkörperbatterie 1 treten nicht so leicht auf.
Ein Material, das die Positive-Elektrode-Randschichten 14 und 14-1 und die Negative-Elektrode-Randschichten 15 und 15-1 bildet, enthält einen Festelektrolyten. Der in der Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Negative-Elektrode-Randschicht 15 enthaltene Festelektrolyt kann mit dem in der Festelektrolytschicht 13 enthaltenen Festelektrolyt identisch sein oder sich von diesem unterscheiden, enthält aber vorzugsweise dasselbe Material. Daher enthält der Festelektrolyt vorzugsweise mindestens ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die beispielsweise gebildet ist aus einer Verbindung vom Perowskit-Typ wie La_0,5Li_0,5TiO₃, einer Verbindung vom LISICON-Typ wie Li₁₄Zn(GeO₄)₄, einer Verbindung vom Granat-Typ wie Li₇La₃Zr₂O₁₂, einer Verbindung vom NASICON-Typ wie LiZr₂(PO₄)₃,Li_1.3Al_0.3Ti_1.7 (PO₄) ₃ und Li_1.5Al_0.5Ge_1.5 (PO₄) ₃, eine Verbindung vom Thio-LISICON-Typ, wie Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄ und Li₃PS₄, eine Glasverbindung wie Li₂S-P₂S₅ und Li₂O-V₂O₅-SiO₂, und eine Phosphorsäureverbindung wie Li₃PO₄, Li_3.5Si_0.5P_0.5O₄ und Li_2.9PO_3.3N_0.46.
[Verfahren zur Festkörperbatterieherstellung]
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der Festkörperbatterie 1 beschrieben.
Als Verfahren zur Herstellung des Laminats 10 der Festkörperbatterie 1 kann ein simultanes Kalzinierungsverfahren oder ein sequentielles Kalzinierungsverfahren verwendet werden. Bei der simultanen Kalzinierung wird ein Laminat hergestellt, indem die Materialien, die die einzelnen Schichten bilden, laminiert und dann gemeinsam kalziniert werden. Bei der sequentiellen Kalzinierung werden die einzelnen Schichten nacheinander hergestellt, und bei jeder Schicht wird ein Kalzinierungsschritt durchgeführt. Bei der simultanen Kalzinierung kann das Laminat 10 mit einer geringeren Anzahl von Arbeitsschritten hergestellt werden als bei der sequentiellen Kalzinierung. Außerdem wird das erhaltene Laminat 10 bei Verwendung des simultanen Kalzinierungsverfahrens dichter als bei Verwendung des sequentiellen Kalzinierungsverfahrens. Nachfolgend wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem das Laminat 10 unter Verwendung des simultanen Kalzinierungsverfahrens hergestellt wird.
Das Verfahren der simultanen Kalzinierung umfasst einen Schritt der Herstellung einer Paste aus jedem Material, aus dem das Laminat 10 besteht, einen Schritt des Auftragens und Trocknens der Pasten zur Herstellung von Grünfolien und einen Schritt des Laminierens der Grünfolien zur Bildung einer laminierten Folie und der simultanen Kalzinierung der laminierten Folie.
Zunächst wird das jeweilige Material der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A, der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B, der Festelektrolytschicht 13, der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B, der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A, der Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Negative-Elektrode-Randschicht 15, die das Laminat 10 bilden, zu einer Paste verarbeitet.
Zur Herstellung einer Paste wird beispielsweise ein Pulver des jeweiligen Materials mit einem Mittel gemischt, um die Paste zu erhalten. Das Mittel ist hier ein allgemeiner Begriff für ein Medium in flüssiger Phase. Das Mittel enthält ein Lösungsmittel und ein Bindemittel.
Zu diesem Zeitpunkt kann der Paste für die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A, der Paste für die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B, der Paste für die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A und der Paste für die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B ein Sinterrelaxationsmittel zugesetzt werden. Das Sinterrelaxationsmittel ist beispielsweise ein anorganisches Material mit einem höheren Schmelzpunkt als der einer Hauptkomponente des Stromkollektors und ist beispielsweise eine einfache Substanz, eine Verbindung oder eine Legierung aus einem partikelförmigen Metall. Dadurch kann die Kontraktion der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A in einem nachfolgenden Kalzinierungsprozess gemildert werden, der erste unebene Teil 16 kann an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 gebildet werden, und der zweite unebene Teil 17 kann an der zweiten Seitenfläche 10b gebildet werden. Das Sinterrelaxationsmittel kann entweder der Paste der Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A oder der Paste der Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A zugesetzt werden.
Der Paste für die Festelektrolytschicht 13, der Paste für die Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Paste für die Negative-Elektrode-Randschicht 15 kann ein Sinterbeschleuniger zugesetzt werden. Bei dem Sinterbeschleuniger kann es sich zum Beispiel um eine allgemein gebräuchliche Sinterhilfe handeln. Dadurch kann die Kontraktion der Festelektrolytschicht 13, der Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Negative-Elektrode-Randschicht 15 im anschließenden Kalzinierungsprozess gefördert werden, und als Ergebnis kann der erste unebene Teil 16 an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 und der zweite unebene Teil 17 an der zweiten Seitenfläche 10b gebildet werden. Außerdem, wenn das Sinterrelaxationsmittel und der Sinterbeschleuniger zusammen verwendet werden, können der erste unebene Teil 16 und der zweite unebene Teil 17 leicht gebildet werden.
Durch ein solches Verfahren werden die Paste für die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A, die Paste für die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B, die Paste für die Festelektrolytschicht 13, die Paste für die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B und die Paste für die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A hergestellt.
Anschließend wird eine laminierte Folie hergestellt. Die laminierte Folie kann beispielsweise durch ein Verfahren zur Herstellung einer Positive-ElektrodeAktivmaterialschicht-Einheit und einer Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit hergestellt werden, das weiter unten beschrieben wird, und durch deren Laminierung.
Zunächst wird die Paste für die Festelektrolytschicht 13 durch ein Rakelverfahren auf ein Basismaterial wie eine PET-Folie aufgetragen und dann getrocknet, um die folienförmige Festelektrolytschicht 13 zu bilden. Als nächstes wird die Paste für die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B durch Siebdruck auf die Festelektrolytschicht 13 gedruckt und dann getrocknet, um die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B zu bilden.
Anschließend wird die Paste für die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A durch Siebdruck auf die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B gedruckt und dann getrocknet, um die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A zu bilden.
Weiterhin wird die Paste für die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B durch Siebdruck auf die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A gedruckt und dann getrocknet, um die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B zu bilden.
Zu diesem Zeitpunkt kann die Positive-Elektrode-Randschicht 14 gebildet werden, indem die Paste für die Positive-Elektrode-Randschicht 14 auf einen Teil der Festelektrolytschicht 13 gedruckt wird, auf dem die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B, die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A und die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B nicht durch Siebdruck und anschließendes Trocknen gebildet sind. Da die Positive-Elektrode-Randschicht 14-1 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15-1 mit dem gleichen Verfahren wie die Positive-Elektrode-Randschicht 14 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 gebildet werden können, wird auf diese Beschreibung verzichtet.
Danach wird die PET-Folie abgezogen, um die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit zu erhalten. Die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit ist eine laminierte Folie, in der die Festelektrolytschicht 13/die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B/die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A/die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B in dieser Reihenfolge laminiert sind.
Die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit wird nach demselben Verfahren hergestellt. Diese Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit ist eine laminierte Folie, in der die Festelektrolytschicht 13/die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B/die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A/die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B in dieser Reihenfolge laminiert sind.
Anschließend werden die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht laminiert.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit und die Festelektrolytschicht 13 der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit so laminiert, dass sie miteinander in Kontakt stehen, oder die Festelektrolytschicht 13 der Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B der Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit werden so laminiert, dass sie miteinander in Kontakt stehen. Dadurch wird eine laminierte Folie erhalten, in der die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B/die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A/die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B/die Festelektrolytschicht 13/die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B/die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A/die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B/die Festelektrolytschicht 13 in dieser Reihenfolge laminiert sind.
Danach werden die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit abwechselnd laminiert, eine Festelektrolytfolie mit einer vorbestimmten Dicke wird weiterhin auf eine oberste Schicht und eine unterste Schicht des Laminats laminiert, in dem die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit und die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht-Einheit laminiert sind, und dadurch wird eine laminierte Folie gebildet.
Anschließend wird die hergestellte laminierte Folie gemeinsam gepresst. Die Pressung wird vorzugsweise unter Erwärmung durchgeführt. Die Erwärmungstemperatur während der Pressung kann z. B. 40 bis 95 °C betragen.
Als nächstes wird die gepresste laminierte Folie (Grünfolienlaminat) in einer Atmosphäre aus z. B. Stickstoff, Wasserstoff und Wasserdampf auf 500°C bis 750°C erhitzt, um ein Bindemittel zu entfernen. Danach wird ein Sinterkörper durch Erhitzen auf 600°C bis 1000°C in einer Atmosphäre aus Stickstoff, Wasserstoff und Wasserdampf erhalten, um eine Kalzinierung durchzuführen.
Die Kalzinierungszeit kann z. B. 0,1 bis 3 Stunden betragen. Durch den Kalzinierungsschritt wird der erste unebene Teil 16 an der ersten Seitenfläche 10a des Sinterkörpers (Laminat 10) und der zweite unebene Teil 17 an der zweiten Seitenfläche 10b gebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform werden das erste unebene Teil 16 und das zweite unebene Teil 17 unter Verwendung des Schrumpfungsreduktionsmittels und/oder des Sinterbeschleunigers gebildet, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht eingeschränkt. Beispielsweise können der erste unebene Teil 16 und der zweite unebene Teil 17 auch durch Bearbeitung mit einem Laserstrahl oder durch Bearbeitung mit einer Form mit unebener Form gebildet werden.
Bei der Bearbeitung mit einem Laserstrahl wird beispielsweise eine Rille mit einer Breite und Tiefe in der Größenordnung von Mikrometern gebildet, indem die erste Seitenfläche 10a des Sinterkörpers (Laminats 10) mit einem Laserstrahl wie einem Ultrakurzpulslaser bestrahlt wird, der einen Strahlfleckdurchmesser in der Größenordnung von Mikrometern und eine Impulsbreite in der Größenordnung von Pikosekunden bis Nanosekunden aufweist, während sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung überstrichen wird, wodurch das erste unebene Teil 16 gebildet wird. Außerdem wird eine Rille gebildet, indem die zweite Seitenfläche 10b des Sinterkörpers (Laminat 10) mit demselben Laserstrahl wie vorab beschrieben bestrahlt wird, während sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung überstrichen wird, und dadurch wird der zweite unebene Teil 17 gebildet.
Zu diesem Zeitpunkt ist es vorteilhaft, die Festelektrolytschicht 13 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 an der ersten Seitenfläche 10a mit dem Laserstrahl zu bestrahlen. Dadurch kann der erste vorstehende Teil 16a des ersten unebenen Teils 16 durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a gebildet werden, und der erste zurückgesetzte Teil 16b des ersten unebenen Teils 16 kann durch die Festelektrolytschicht 13 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 gebildet werden. Auch ist es vorteilhaft, die Festelektrolytschicht 13 und die Positive-Elektrode-Randschicht 14 an der zweiten Seitenfläche 10b mit dem Laserstrahl zu bestrahlen. Dadurch kann der zweite vorstehende Teil 17a des zweiten unebenen Teils 17 durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a gebildet werden, und der zweite zurückgesetzte Teil 17b des zweiten unebenen Teils 17 kann durch die Festelektrolytschicht 13 und die Positive-Elektrode-Randschicht 14 gebildet werden.
Durch Bestrahlung der dritten Seitenfläche 10c des Sinterkörpers (Laminats 10) mit dem ersten unebenen Teil 16 mit einem Punktdurchmesser in der Größenordnung von Mikrometern, während diese in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung überstrichen wird, wird eine Rille gebildet, und dadurch wird der erste unebene Teil 16 gebildet. Außerdem wird eine Rille gebildet, indem die zweite Seitenfläche 10b des Sinterkörpers (Laminats 10) mit demselben Laserstrahl wie oben beschrieben bestrahlt wird, während sie in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung überstrichen wird, und dadurch wird der zweite unebene Teil 17 gebildet.
In diesem Fall kann der Laserstrahl auf die Festelektrolytschicht 13 der dritten Seitenfläche 10c und/oder die Festelektrolytschicht 13 der vierten Seitenfläche 10d gestrahlt werden. Dabei kann der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 durch den dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c und den dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c gebildet werden, und der dritte zurückgesetzte Teil 18b des dritten unebenen Teils 18 kann durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden. Auch der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 kann durch den vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d und den vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d gebildet werden, und der vierte zurückgesetzte Teil 19b des vierten unebenen Teils 19 kann durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden.
Der so erhaltene Sinterkörper kann zusammen mit einem Schleifmittel wie Aluminiumoxid in einen zylindrischen Behälter gegeben und einem Trommelpolieren unterzogen werden. Dabei können die Ecken des Laminats 10 abgeschrägt werden. Eine andere Methode ist das Polieren des Laminats 10 durch Sandstrahlen. Diese Methode ist vorzuziehen, da nur ein bestimmter Teil abgekratzt werden kann. Mit den oben beschriebenen Schritten kann das Laminat 10 hergestellt werden.
Dann werden die Außenelektroden 21 und 22 auf der ersten Seitenfläche 10a und der zweiten Seitenfläche 10b des durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten Laminats 10 gebildet. Die Außenelektroden 21 und 22 werden als einlagige Struktur oder als mehrlagige Struktur nach einem bekannten Verfahren hergestellt. Auf diese Weise wird die Festkörperbatterie 1 mit dem Laminat 10 hergestellt.
Wie oben beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da die Festkörperbatterie 1 den ersten unebenen Teil 16, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 ausgebildet ist, und den zweiten unebenen Teil 17, der an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 ausgebildet ist, enthält, die Volumenexpansion und -kontraktion des Laminats 10 aufgrund des Ladens und Entladens ausreichend gemildert, Risse aufgrund der Volumenexpansion und -kontraktion treten nicht leicht auf, und es können hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden.
Die Festkörperbatterie 1 umfasst den ersten unebenen Teil 16 und den zweiten unebenen Teil 17, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die Festkörperbatterie 1 kann einen des ersten unebenen Teils 16, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 ausgebildet ist, oder des zweiten unebenen Teils 17, der an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 ausgebildet ist, umfassen. Auch mit dieser Konfiguration können die gleichen Effekte wie oben beschrieben erzielt werden.
Da die Festkörperbatterie 1 außerdem den dritten unebenen Teil 18, der an der dritten Seitenfläche 10c des Laminats 10 ausgebildet ist, und den vierten unebenen Teil 19, der an der vierten Seitenfläche 10d des Laminats 10 ausgebildet ist, enthält, können die Volumenausdehnung und -kontraktion des Laminats 10 aufgrund des Ladens und Entladens weiter gemildert werden, und es können bessere Zykluseigenschaften erzielt werden.
Die Festkörperbatterie 1 umfasst den dritten unebenen Teil 18 und den vierten unebenen Teil 19, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die Festkörperbatterie 1 kann einen des dritten unebenen Teils 18, der an der dritten Seitenfläche 10c des Laminats 10 ausgebildet ist, und des vierten unebenen Teils 19, der an der vierten Seitenfläche 10d des Laminats 10 ausgebildet ist, umfassen. Auch mit dieser Konfiguration können die gleichen Effekte wie oben beschrieben erzielt werden. Zur Vereinfachung der Erklärung wurden der dritte unebene Teil 18 und der vierte unebene Teil 19 unterschieden, aber da das Laminat 10 normalerweise plan-symmetrisch in Bezug auf eine Mittelposition in W-Richtung ausgebildet ist, ist die Konfiguration des vierten unebenen Teils 19 die gleiche wie die Konfiguration des dritten unebenen Teils 18.
Der unebene Teil in der Festkörperbatterie 1 wird für jede Art von Schicht gebildet, aber nicht alle Schichten müssen den unebenen Teil bilden. Der zurückgesetzte Teil oder der vorstehende Teil wird vorzugsweise von 60 % oder mehr der Gesamtzahl der Schichten gebildet, und noch bevorzugter von 80 % oder mehr der Gesamtzahl der Schichten.
5A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 2A zeigt, und 5B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 2B zeigt.
In dem vorliegenden modifizierten Beispiel unterscheiden sich die Elemente, die die vorstehenden Teile und die zurückgesetzten Teile des ersten unebenen Teils 16 bis zum vierten unebenen Teil 19 bilden, von denen der vorab beschriebenen Ausführungsform.
Wie in 5A dargestellt, wird in dem vorliegenden modifizierten Beispiel an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 der erste vorstehende Teil 16a des ersten unebenen Teils 16 durch die Festelektrolytschicht 13 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 gebildet, und der erste zurückgesetzte Teil 16b des ersten unebenen Teils 16 wird durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a gebildet. Außerdem wird, wie in 5B dargestellt, an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 der zweite vorstehende Teil 17a des zweiten unebenen Teils 17 durch die Festelektrolytschicht 13 und die Positive-Elektrode-Randschicht 14 gebildet, und der zweite zurückgesetzte Teil 17b des zweiten unebenen Teils 17 wird durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a gebildet.
Im vorliegenden modifizierten Beispiel beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 10a vorzugsweise 1,0 µm oder mehr, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger, und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger unter demselben Gesichtspunkt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 10b beträgt vorzugsweise 1,0 µm oder mehr, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger unter demselben Gesichtspunkt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
6A ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 3A zeigt, und 6B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 3B zeigt.
Wie in 6A dargestellt, kann in dem vorliegenden modifizierten Beispiel an der dritten Seitenfläche 10c des Laminats 10 der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden, und der dritte zurückgesetzte Teil 18b des dritten unebenen Teils 18 kann durch den dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c und den dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c gebildet werden. Der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 kann jedoch auch durch einen des dritten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11c und des dritten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12c gebildet werden.
An der vierten Seitenfläche 10d des Laminats 10 kann der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden, und der vierte zurückgesetzte Teil 19b des vierten unebenen Teils 19 kann durch den vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d und den vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d gebildet werden. Der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 kann jedoch auch durch einen des vierten Positive-Elektrode-Endabschnitts 11d und des vierten Negative-Elektrode-Endabschnitts 12d gebildet werden.
Im vorliegenden modifizierten Beispiel beträgt die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 10c vorzugsweise 1,0 µm oder mehr, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger unter demselben Gesichtspunkt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der vierten Seitenfläche 10d beträgt vorzugsweise 1,0 µm oder mehr, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 12 µm oder weniger, noch bevorzugter 1,0 µm oder mehr und 10 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3,0 µm oder mehr und 5,0 µm oder weniger unter demselben Gesichtspunkt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Wenn das erste unebene Teil 16 und der zweite unebene Teil 17 in dem vorliegenden modifizierten Beispiel geformt werden, kann ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Schrumpfungsreduktionsmittel und/oder der oben beschriebene Sinterbeschleuniger verwendet werden, oder es kann eine Bearbeitung mit einem Laserstrahl oder eine Bearbeitung unter Verwendung einer Form mit unebener Form durchgeführt werden.
Wenn das Schrumpfungsreduktionsmittel und/oder der oben beschriebene Sinterbeschleuniger verwendet werden, kann der Sinterbeschleuniger der Paste für die Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht 11A, der Paste für die Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht 11B, der Paste für die Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht 12A und der Paste für die Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht 12B in dem Schritt der Bildung des Laminats 10 zugesetzt werden. Außerdem kann das Schrumpfungsreduktionsmittel der Paste für die Festelektrolytschicht 13, der Paste für die Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Paste für die Negative-Elektrode-Randschicht 15 zugesetzt werden.
Wenn ein Laserstrahl verwendet wird, wird der Laserstrahl auf die positive Elektrodenschicht 11 an der ersten Seitenfläche 10a und die negative Elektrodenschicht 12 an der zweiten Seitenfläche 10b gestrahlt. Dadurch kann der erste vorstehende Teil 16a des ersten unebenen Teils 16 durch die Festelektrolytschicht 13 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 gebildet werden, und der erste zurückgesetzte Teil 16b des ersten unebenen Teils 16 kann durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a gebildet werden. Auch der zweite vorstehende Teil 17a des zweiten unebenen Teils 17 kann durch die Festelektrolytschicht 13 und die Positive-Elektrode-Randschicht 14 gebildet werden, und der zweite zurückgesetzte Teil 17b des zweiten unebenen Teils 17 kann durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a gebildet werden.
Der Laserstrahl kann auf die positive Elektrodenschicht 11 an der dritten Seitenfläche 10c und/oder die negative Elektrodenschicht 12 an der vierten Seitenfläche 10d eingestrahlt werden. Dadurch kann der dritte vorstehende Teil 18a des dritten unebenen Teils 18 durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden, und der dritte zurückgesetzte Teil 18b des dritten unebenen Teils 18 kann durch den dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11c und den dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12c gebildet werden. Auch der vierte vorstehende Teil 19a des vierten unebenen Teils 19 kann durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet werden, und der vierte zurückgesetzte Teil 19b des vierten unebenen Teils 19 kann durch den vierten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11d und den vierten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12d gebildet werden.
Wie oben beschrieben, wird auch in dem vorliegenden modifizierten Beispiel, da die Festkörperbatterie 1 den ersten unebenen Teil 16, der an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 ausgebildet ist, und den zweiten unebenen Teil 17, der an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 ausgebildet ist, umfasst, die Volumenausdehnung und -kontraktion des Laminats 10 aufgrund des Ladens und Entladens ausreichend gemildert, Risse aufgrund der Volumenausdehnung und -kontraktion treten nicht leicht auf, und es können hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden.
7 ist eine Querschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel von 1B zeigt. 7 unterscheidet sich von der in 1B gezeigten Querschnittsansicht dadurch, dass das Laminat 10 nicht die Positive-Elektrode-Randschicht 14 und die Negative-Elektrode-Randschicht 15 aufweist. Andere Konfigurationen sind die gleichen wie die des Laminats 10 der oben beschriebenen Ausführungsform, und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.
Im vorliegenden modifizierten Beispiel wird an der ersten Seitenfläche 10a des Laminats 10 der erste vorstehende Teil 16a des ersten unebenen Teils 16 durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt 11a gebildet, und der erste zurückgesetzte Teil 16b des ersten unebenen Teils 16 wird nur durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet. Auch an der zweiten Seitenfläche 10b des Laminats 10 wird der zweite vorstehende Teil 17a des zweiten unebenen Teils 17 durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt 12a gebildet, und der zweite zurückgesetzte Teil 17b des zweiten unebenen Teils 17 wird nur durch die Festelektrolytschicht 13 gebildet.
Das Laminat 10 in dem vorliegenden modifizierten Beispiel kann durch Verbinden zweier benachbarter Festelektrolytschichten 13 und 13 gebildet werden. In dem vorliegenden modifizierten Beispiel ist es schwierig, eine Stufe zwischen der positiven Elektrodenschicht 11 oder der negativen Elektrodenschicht 12 und der Festelektrolytschicht 13 zu eliminieren, aber da die Bildung der Positive-Elektrode-Randschicht 14 und der Negative-Elektrode-Randschicht 15 nicht notwendig ist, kann das Verfahren vereinfacht werden.
Während Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben im Detail beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Modifikationen und Änderungen können innerhalb des Kerns der vorliegenden Erfindung, die in den Ansprüchen beschrieben ist, vorgenommen werden.
[Beispiele]
Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die folgenden Beispiele beschränkt.
(Beispiele 1 bis 6)
Ein Festkörperbatterieelementkörper (Laminat) mit einer Größe von 4,80 mm × 3,30 mm × 1,22 mm wurde durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt unter Verwendung von Kupfer als Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht, Li₃V₂ (PO₄)₃ als Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht, Kupfer als Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht, Li₃V₂ (PO₄) ₃ als Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht, Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄) ₃ als Festelektrolytschicht, Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄) ₃ als Positive-Elektrode-Randschicht und Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃ als Negative-Elektrode-Randschicht. Zwei Seitenflächen (erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche) des Laminats in L-Richtung wurden mit einem Laserstrahl bearbeitet, um einen ersten unebenen Teil und einen zweiten unebenen Teil zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wurde an der ersten Seitenfläche ein erster vorstehender Teil durch die positive Elektrodenschicht und ein erster zurückgesetzter Teil durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet. Auch an der zweiten Seitenfläche wurde ein zweiter vorstehender Teil durch die negative Elektrodenschicht und ein zweiter zurückgesetzter Teil durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet. Dann wurde, als Beispiele 1 bis 6, ein Durchschnittswert einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des ersten unebenen Teils auf der ersten Seitenfläche und einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des zweiten unebenen Teils auf der zweiten Seitenfläche des Laminats als der in Tabelle 1 gezeigte Wert genommen. Danach wurden Außenelektroden auf der ersten Seitenflächen-Seite und der zweiten Seitenflächen-Seite des Laminats durch ein bekanntes Verfahren gebildet, um die Festkörperbatterie herzustellen.
(Beispiele 7 bis 12)
Eine Festkörperbatterie wurde auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein erster unebener Teil an genau einer Seitenfläche (nur der ersten Seitenfläche) des Laminats in L-Richtung gebildet wurde.
(Beispiele 13 bis 18)
Eine Festkörperbatterie wurde in der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein erster unebener Teil und ein zweiter unebener Teil an zwei Seitenflächen (erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche) in L-Richtung und ein dritter unebener Teil und ein vierter unebener Teil an zwei Seitenflächen (dritte Seitenfläche und vierte Seitenfläche) in W-Richtung des Laminats gebildet wurden. An einer dritten Seitenfläche wurde ein dritter vorstehender Teil durch die positive Elektrodenschicht und die negative Elektrodenschicht gebildet, und ein dritter zurückgesetzter Teil wurde durch die Festelektrolytschicht gebildet. Auch an einer vierten Seitenfläche wurde ein vierter vorstehender Teil durch die positive Elektrodenschicht und die negative Elektrodenschicht gebildet, und ein vierter zurückgesetzter Teil wurde durch die Festelektrolytschicht gebildet. Zu diesem Zeitpunkt wurde ein Durchschnitt der Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis festgelegt auf einen Durchschnittswert einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des ersten unebenen Teils an der ersten Seitenfläche und einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des zweiten unebenen Teils an der zweiten Seitenfläche des Laminats, und einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des dritten unebenen Teils an der dritten Seitenfläche und einer Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis des vierten unebenen Teils an der vierten Seitenfläche des Laminats.
(Beispiele 19 bis 24)
Eine Festkörperbatterie wurde in der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass an der ersten Seitenfläche ein erster vorstehender Teil durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet wurde und ein erster zurückgesetzter Teil durch die positive Elektrodenschicht gebildet wurde, und an der zweiten Seitenfläche ein zweiter vorstehender Teil durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet wurde und ein zweiter zurückgesetzter Teil durch die negative Elektrodenschicht gebildet wurde.
(Beispiele 25 bis 30)
Ein Laminat wurde auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Positive-Elektrode-Randschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht nicht gebildet wurden. Ferner wurde eine Festkörperbatterie auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass ein erster vorstehender Teil durch die positive Elektrodenschicht und ein erster zurückgesetzter Teil durch die Festelektrolytschicht an der ersten Seitenfläche gebildet wurde, und ein zweiter vorstehender Teil durch die negative Elektrodenschicht und ein zweiter zurückgesetzter Teil durch die Festelektrolytschicht an der zweiten Seitenfläche gebildet wurde.
(Vergleichsbeispiel 1)
Eine Festkörperbatterie wurde auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 6 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der unebene Teil an keiner der Endflächen in L-Richtung und der Endflächen in W-Richtung des Festkörperbatterieelementkörpers vorhanden war.
Anschließend wurden die nach den oben beschriebenen Beispielen und dem Vergleichsbeispiel hergestellten Festkörperbatterien nach den folgenden Methoden gemessen und bewertet.
[Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis]
Für die Beispiele 1 bis 30 wurde eine Seitenfläche (erste Seitenfläche) in L-Richtung der hergestellten Festkörperbatterie unter Verwendung eines Mikroskops (hergestellt von Keyence, Produktname „VHX-5000“) betrachtet, und eine perspektivische Ansicht wie in 8 gezeigt wurde für einen beliebigen Bereich an der einen Seitenfläche (der ersten Seitenfläche) in L-Richtung erhalten. Als Resultatwurde ein erster unebener Teil an der einen Seitenfläche (der ersten Seitenfläche) in L-Richtung erkundet.
Außerdem wurde für die Beispiele 1 bis 6 und 13 bis 30 als Resultat der Beobachtung einer Seitenfläche (der zweiten Seitenfläche) in L-Richtung der hergestellten Festkörperbatterie auf die gleiche Weise wie vorab beschrieben ein zweiter unebener Teil auf der einen Seitenfläche (der zweiten Seitenfläche) in L-Richtung erkundet.
Weiterhin wurden für die Beispiele 7 bis 12 als Resultat der Beobachtung von zwei Seitenflächen (dritte Seitenfläche und vierte Seitenfläche) in W-Richtung der hergestellten Festkörperbatterie in der gleichen Weise wie oben beschrieben ein dritter ungleichmäßiger Teil und ein vierter ungleichmäßiger Teil an den zwei Seitenflächen (der dritten Seitenfläche und der vierten Seitenfläche) in W-Richtung erkundet.
Als nächstes wurde für jedes Beispiel, wie in den 9(a) und 9(b) dargestellt, eine gerade Linie von einer obersten Schicht zu einer untersten Schicht in der Laminierungsrichtung des Festkörperbatterieelementkörpers (Laminat) an einer Position 200 µm von einem Ende der erhaltenen perspektivischen Ansicht gezogen, und eine Rauheitskurve des unebenen Teils, wie in 9(c) gezeigt, wurde auf der Grundlage einer Querschnittsform davon erhalten. Dann wurde aus der erhaltenen Rauheitskurve eine Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis jedes unebenen Teils ermittelt.
Für die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis wurde aus der Rauheitskurve nur eine Bezugslänge in Richtung ihrer Mittellinie entnommen, eine Summe eines Durchschnittswerts der absoluten Werte der Höhen (Yp) der Spitzen (Peaks) von einer höchsten Spitze bis zu einer fünften Spitze und eines Durchschnittswerts der absoluten Werte der Höhen (Yv) der Talsohlen von einer niedrigsten Talsohle bis zu einer fünften Talsohle, gemessen in einer Richtung der Längsvergrößerung von der Durchschnittslinie des oben beschriebenen herausgenommenen Abschnitts, wurde erhalten, und dieser Wert wurde in Mikrometern (µm) ausgedrückt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
[Kapazitätserhaltungsrate]
Für die Zykluseigenschaften wurden Leitungsdrähte an zwei Außenelektroden angebracht, um einen Lade-/Entladetest durchzuführen, und eine anfängliche Entladekapazität und eine Kapazitätserhaltungsrate nach 1000 Zyklen der Festkörperbatterie wurden gemessen. Die Messbedingungen waren derart, dass der Strom während des Ladens und Entladens 0,2 µA betrug und die Endspannungen während des Ladens und Entladens auf 1,6 V und 0 V eingestellt waren. Die Kapazität zum Zeitpunkt des ersten Entladens wurde als anfängliche Entladungskapazität festgelegt, und die Entladungskapazität nach dem 1000sten Zyklus wurde durch die anfängliche Entladungskapazität geteilt, um die Kapazitätserhaltungsrate zu erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. 10 zeigt außerdem die Beziehung zwischen der in den Beispielen gemessenen Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis und der Kapazitätserhaltungsrate.

[Tabelle 1]

	Position der Unebenheiten	Schichten, die Unebenheiten an der Oberfläche der ersten und zweiten Seite des Laminats bilden		Rzjis	Kapazitätserhaltungsrate (1000 Zyklen)
	Position der Unebenheiten	Vorstehender Teil	Zurückgesetzter Teil	(µm)	(%)
Beispiel 1	Erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche des Laminats	Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	0.1	80
Beispiel 2	Erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche des Laminats	Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	1	85
Beispiel 3		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	3	94
Beispiel 4		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	5	94
Beispiel 5		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	10	93
Beispiel 6		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	12	84
Beispiel 7	Erste Seitenfläche des Laminats	Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	0.1	77
Beispiel 8		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	1	82
Beispiel 9		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	3	91
Beispiel 10		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	5	90
Beispiel 11		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	10	90
Beispiel 12		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	12	82
Beispiel 13	Erste Seitenfläche bis vierte Seitenfläche des Laminats	Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	0.1	82
Beispiel 14		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	1	86
Beispiel 15		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	3	96
Beispiel 16		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	5	95
Beispiel 17		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	10	96
Beispiel 18		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht/Randschicht	12	85
Beispiel 19	Erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche des Laminats	Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	0.1	75
Beispiel 20		Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	1	80
Beispiel 21		Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	3	83
Beispiel 22		Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	5	84
Beispiel 23		Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	10	83
Beispiel 24		Festelektrolytschicht/Randschicht	Elektrodenschicht	12	79
Beispiel 25	Erste Seitenfläche und zweite Seitenfläche des Laminats	Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	0.1	74
Beispiel 26		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	1	78
Beispiel 27		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	3	80
Beispiel 28		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	5	81
Beispiel 29		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	10	80
Beispiel 30		Elektrodenschicht	Festelektrolytschicht	12	77
Vergleichsbeispiel 1	- -	Keine	Keine	0	72

Aus den Ergebnissen von Tabelle 1 und 10 geht hervor, dass, in allen Beispielen 1 bis 6, Rzjis in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr und 12 µm oder weniger lag, dass die Kapazitätserhaltungsrate bei Bildung der unebenen Teile an zwei Seitenflächen des Laminats höher war als die Kapazitätserhaltungsrate des Vergleichsbeispiels 1 ohne unebenen Teil und dass hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden konnten.
Es wurde festgestellt, dass, in allen Beispielen 7 bis 12, Rzjis in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr und 12 µm oder weniger lag, dass die Kapazitätserhaltungsrate, wenn der unebene Teil nur an einer Seitenfläche des Laminats gebildet wurde, höher war als die Kapazitätsrückhalterate des Vergleichsbeispiels 1 ohne unebenen Teil, und dass hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden konnten.
Es wurde festgestellt, dass, in allen Beispielen 13 bis 18, Rzjis in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr und 12 µm oder weniger lag, dass die Kapazitätserhaltungsrate, wenn die unebenen Teile an vier Seitenflächen des Laminats gebildet wurden, höher war als die Kapazitätsrückhalterate des Vergleichsbeispiels 1, das keinen unebenen Teil aufwies, und hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden konnten. Wenn die Beispiele 13 bis 18 und die Beispiele 7 bis 12 verglichen wurden, wurde außerdem festgestellt, dass die Kapazitätserhaltungsrate, wenn die unebenen Teile an vier Seitenflächen des Laminats gebildet wurden, höher war als die Kapazitätserhaltungsrate, wenn der unebene Teil an nur einer Seitenfläche gebildet wurde, in einem Fall, in dem die Rzjis-Werte gleich waren. Als die Beispiele 13 bis 18 und die Beispiele 1 bis 6 verglichen wurden, wurde weiterhin festgestellt, dass die Kapazitätserhaltungsrate, wenn die unebenen Teile an vier Seitenflächen des Laminats gebildet wurden, höher war als die Kapazitätserhaltungsrate, wenn die unebenen Teile an zwei Seitenflächen gebildet wurden, in einem Fall, in dem die Rzjis-Werte gleich waren.
Es wurde festgestellt, dass, in allen Beispielen 19 bis 24, Rzjis in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr und 12 µm oder weniger lag, dass die Kapazitätsrückhalterate, wenn die unebenen Teile an zwei Seitenflächen des Laminats gebildet wurden, höher war als die Kapazitätserhaltungsrate des Vergleichsbeispiels 1, in dem der unebene Teil nicht vorgesehen war, und dass hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden konnten.
Es wurde festgestellt, dass, in allen Beispielen 25 bis 30, Rzjis in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr und 12 µm oder weniger lag, dass die Kapazitätserhaltungsrate, wenn die unebenen Teile an zwei Seitenoberflächen des Laminats gebildet wurden, höher war als die Kapazitätserhaltungsrate des Vergleichsbeispiels 1, in dem der unebene Teil nicht vorgesehen war, und dass hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden konnten. Auch beim Vergleich der Beispiele 25 bis 30 und der Beispiele 1 bis 6 wurde festgestellt, dass die Kapazitätserhaltungsrate bei Bildung der Randschicht höher war als die Kapazitätsrückhalterate ohne Bildung der Randschicht in einem Fall, in dem die Rzjis-Werte untereinander gleich waren.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Festkörperbatterie bereitzustellen, in der Volumenausdehnung und -kontraktion aufgrund einer Lade-/Entladereaktion ausreichend unterdrückt werden können und hervorragende Zykluseigenschaften erzielt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Festkörperbatterie
10: Laminat
10a: Erste Seitenfläche
10b: Zweite Seitenfläche
10c: Dritte Seitenfläche
10d: Vierte Seitenfläche
11: Positive Elektrodenschicht
11A: Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht
11B: Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht
11a: Erster positiver Elektrodenendabschnitt
11b: Zweiter positiver Elektrodenendabschnitt
11c: Dritter positiver Elektrodenendabschnitt
11d: Vierter positiver Elektrodenendabschnitt
12: Negative Elektrodenschicht
12A: Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht
12B: Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht
12a: Erster negativer Elektrodenendabschnitt
12b: Zweiter negativer Elektrodenendabschnitt
12c: Dritter negativer Elektrodenendabschnitt
12d: Vierter Endabschnitt der negativen Elektrode
13: Festelektrolytschicht
14: Positive-Elektrode-Randschicht
14-1: Positive-Elektrode-Randschicht
15: Negative-Elektrode-Randschicht
15-1: Negative-Elektrode-Randschicht
16: Erster unebener Teil
16a: Erster vorstehender Teil
16b: Erster zurückgesetzter Teil
17: Zweiter unebener Teil
17a: Zweiter vorstehender Teil
17b: Zweiter zurückgesetzter Teil
18: Dritter unebener Teil
18a: Dritter vorstehender Teil
18b: Dritter zurückgesetzter Teil
19: Vierter unebener Teil
19a: Vierter vorstehender Teil
19b: Vierter zurückgesetzter Teil
21: Außenelektrode
22: Außenelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019041862 [0002]
WO 2007/135790 [0006]
JP 2009181882 [0006]

Claims

Festkörperbatterie, umfassend ein Laminat, in dem: eine positive Elektrodenschicht, die eine Positive-Elektrode-Stromkollektorschicht und eine Positive-Elektrode-Aktivmaterialschicht enthält, und eine negative Elektrodenschicht, die eine Negative-Elektrode-Stromkollektorschicht und eine Negative-Elektrode-Aktivmaterialschicht enthält, abwechselnd mit einer dazwischen angeordneten Festelektrolytschicht laminiert sind, wobei die positive Elektrodenschicht einen ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt, der an einer ersten Seitenfläche des Laminats freiliegt, und einen zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt, der an einer zweiten Seitenfläche auf einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden Seite nicht freiliegt, aufweist, die negative Elektrodenschicht einen ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt, der an der zweiten Seitenfläche des Laminats freiliegt, und einen zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt, der nicht an der ersten Seitenfläche des Laminats freiliegt, aufweist, und das Laminat mindestens einen ersten unebenen Teil, der an der ersten Seitenfläche des Laminats ausgebildet ist, und einen zweiten unebenen Teil, der an der zweiten Seitenfläche des Laminats ausgebildet ist, aufweist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei das Laminat weiterhin enthält: eine Positive-Elektrode-Randschicht, die zwischen dem zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitt und der zweiten Seitenfläche angeordnet und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten eingefügt ist; und eine Negative-Elektrode-Randschicht, die zwischen dem zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitt und der ersten Seitenfläche angeordnet und zwischen zwei benachbarten Festelektrolytschichten eingefügt ist.
Festkörperbatterie nach Anspruch 2, wobei eine Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in einer Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet wird.
Festkörperbatterie nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Negative-Elektrode-Randschicht gebildet wird, und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht und die Positive-Elektrode-Randschicht gebildet wird, und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in einer Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1 oder 11, wobei ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird.
Festkörperbatterie nach Anspruch 1 oder 11, wobei ein erster vorstehender Teil des ersten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein erster zurückgesetzter Teil des ersten unebenen Teils durch den ersten Positive-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der ersten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 und 11 bis 14, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche in der Laminierungsrichtung des Laminats 1,0 µm oder mehr beträgt.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 und 11 bis 15, wobei ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 und 11 bis 15, wobei ein zweiter vorstehender Teil des zweiten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein zweiter zurückgesetzter Teil des zweiten unebenen Teils durch den ersten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der zweiten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Laminat eine dritte Seitenfläche aufweist, die an einer lateralen Seite der ersten Seitenfläche und der zweiten Seitenfläche angeordnet ist, die positive Elektrodenschicht einen dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt aufweist, der an einer lateralen Seite des ersten Positive-Elektrode-Endabschnitts und des zweiten Positive-Elektrode-Endabschnitts positioniert und so konfiguriert ist, dass er an der dritten Seitenfläche freiliegt, die negative Elektrodenschicht einen dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt aufweist, der an einer lateralen Seite des ersten Negative-Elektrode-Endabschnitts und des zweiten Negative-Elektrode-Endabschnitts positioniert und so konfiguriert ist, dass er an der dritten Seitenfläche freiliegt, und ein dritter unebener Teil vorgesehen ist, der an der dritten Seitenfläche des Laminats gebildet wird.
Festkörperbatterie nach Anspruch 19, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 1,0 µm oder mehr in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.
Festkörperbatterie nach Anspruch 19 oder 20, wobei ein dritter vorstehender Teil des dritten unebenen Teils durch mindestens einen von dem dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt und dem dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird, und ein dritter zurückgesetzter Teil des dritten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird.
Festkörperbatterie nach Anspruch 19 oder 20, wobei ein dritter vorstehender Teil des dritten unebenen Teils durch die Festelektrolytschicht gebildet wird und ein dritter zurückgesetzter Teil des dritten unebenen Teils durch mindestens einen von dem dritten Positive-Elektrode-Endabschnitt und dem dritten Negative-Elektrode-Endabschnitt gebildet wird.
Festkörperbatterie nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Zehn-Punkte-Durchschnittsrauheit Rzjis der dritten Seitenfläche 12,0 µm oder weniger in der Laminierungsrichtung des Laminats beträgt.