JP2008300191A - 固体薄膜電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】搭載される電子機器等の消費電力や電池搭載スペース等に合わせて、所望の電圧・電気容量の固体薄膜電池を構成する。
【解決手段】電気絶縁性の支持体5上に複数の固体薄膜電池部1a,1b,1cを形成してなる固体薄膜電池1であって、上記各固体薄膜電池部は、正極層3と、負極層2と、これら層間に配置された固体電解質層4と、上記正極層と上記負極層とにそれぞれ接続される集電部6,7とを備えて構成されるとともに、上記集電部を介して直列接続及び/又は並列接続された複数の上記固体薄膜電池部を備えて構成されている。
【選択図】図1
【解決手段】電気絶縁性の支持体5上に複数の固体薄膜電池部1a,1b,1cを形成してなる固体薄膜電池1であって、上記各固体薄膜電池部は、正極層3と、負極層2と、これら層間に配置された固体電解質層4と、上記正極層と上記負極層とにそれぞれ接続される集電部6,7とを備えて構成されるとともに、上記集電部を介して直列接続及び/又は並列接続された複数の上記固体薄膜電池部を備えて構成されている。
【選択図】図1
Description
本願発明は、固体薄膜電池に関し、より詳しくは、高電圧あるいは高電気容量の電池を容易に構成できる固体薄膜電池に関するものである。
従来の薄膜電池の構成は、たとえば、集電部となる金属泊、またはアルミナ等のセラミックス基板に形成した金属膜上に、正極層、固体電解質層及び負極層を順次重ね合わせた積層構造となっている。固体電解質を用いる場合、従来の電池のように有機電解液を用いないため、液漏れや発火等を起こす危険性がなく、安全性の高い電池を提供することができる。
近年、携帯電話等の携帯電子機器は、ますます小型軽量化されており、これらに搭載されるバッテリーもこれに合わせて小型軽量化されている。一方、多機能化によって、上記電子機器の消費電力も増大しおり、より電圧が高く、また電気容量の大きい電池が求められている。
従来、パッケージングされた複数の電池を組み合わせて、電子機器等の仕様に合う電圧・電気容量を確保していた。このため、複数の電池を接続するための部品や加工が必要となり、またその分寸法も大きくなって、装置を小型化するという要請に反するという問題があった。
特に、電圧を高めるためには複数の電池を直列接続しなければならないが、電池を直列接続しただけでは、電気容量が不足するという問題もあった。
また、従来の固体薄膜電池においては、電解質層が固体であるため、電池構成物質の特性によっては、正極側電池容量と負極側電池容量が相異することがあり、電池全体としての面積効率が低いという問題もあった。
本願発明は、搭載される電子機器等の消費電力や電池搭載スペース等に合わせて、高電圧・大容量の固体薄膜電池を容易に構成することを課題としている。
本願発明の請求項1に記載した発明は、電気絶縁性の支持体上に複数の固体薄膜電池部を形成してなる固体薄膜電池であって、上記各固体薄膜電池部は、正極層と、負極層と、これら層間に配置された固体電解質層と、上記正極層と上記負極層とにそれぞれ接続される集電部とを備えて構成されるとともに、上記集電部を介して直列接続及び/又は並列接続された複数の上記固体薄膜電池部を備えて構成されている。
一の支持体上に、直列接続あるいは並列接続された複数の固体薄膜電池部のパターンを配置することにより、所望の電圧、電気容量の電池を構成することができる。本願発明では、電解質層に固体電解質を用いているため、一の支持体上に複数の固体薄膜電池部を設けても、これら薄膜電池部間が短絡する恐れはない。
上記複数の電池部を接続する形態として、直列接続、並列接続のみならず、直列接続と並列接続が混在した電池を構成することもできる。
すなわち、複数の上記固体薄膜電池部を直列接続して構成される複数の直列集合電池部を備えるとともに、これら複数の直列集合電池部を並列接続した構成を採用することができる。また、複数の上記固体薄膜電池部を並列接続して構成される複数の並列集合電池部を備えるとともに、これら複数の並列集合電池部を直列接続した構成を採用することもできる。
上記構成を採用することにより、所望の電圧、電気容量の電池を一の支持体上に容易に構成することができる。特に、複数の薄膜電池部を単に直列接続しただけでは、接続回路の一部や一の電池部の不具合が電池全体に大きな影響を与える。直列集合電池部を複数並列接続することにより、一の直列集合電池部等に不具合があっても、電圧を確保して電子機器の作動に与える影響を最小限に抑えることができる。
本願発明は、種々の材料から構成される固体薄膜電池に適用することができる。たとえば、正極層として、マンガン酸リチウム(LiMnO2 )、コバルト酸リチウム(LiCOO2 )、酸化マンガン(MnO2 )、硫化鉄(FeS2 )等の活物質を単体で又は混合物で用いた薄膜層を採用できる。また、上記材料の粉末に、導電助剤のカーボン粒子、結着剤等を含む塗布層を設けて構成することもできる。
一方、負極層として、たとえば、Li金属膜、Li−Al、Li−Mn−Al、Si、Si−N、Si−Co、Si−Fe等の合金膜を採用できる。また、カーボン、Si等の粉末と導電助剤のカーボン粒子、結着剤からなる塗布層を採用することもできる。
上記正極層と上記負極層の間に配置される固体電解質として、たとえば、Li−P−S−Oからなるアモルファス膜、あるいはこれらの多結晶膜を採用できる。また、Li−P−S−Nからなるアモルファス膜、あるいはこれらの多結晶膜を採用できる。特に、正極側電解質として、上記Li−P−S−Oからなるアモルファス膜を採用するとともに、負極側電解質として上記Li−P−S−Nからなるアモルファス膜を採用するのが好ましい。
上記支持体として種々の絶縁材料を採用できる。たとえば、一般的なフレキシブルプリント配線用基板を支持体として採用できる。また、絶縁性の樹脂不織布等の多孔質体を支持体として採用することができる。また、リジッド基板にも適用することができる。
上記集電部を構成する材料、形成方法等も特に限定されることはない。たとえば、Ni、Co等の金属を、無電解メッキ等のウエットプロセス、スパッタリング、蒸着等のドライプロセスによって、上記支持体表面に成膜することができる。
請求項2に記載した発明は、上記固体薄膜電池部において、上記正極層と上記負極層とが上記支持体上で所定距離離間させて積層形成されているとともに、上記固体電解質層が、上記正極層と上記負極層とに掛け渡し状に積層形成されているものである。
正極層と負極層とが電気絶縁性の支持体上に離間させて形成されているため、各薄膜電池部を集積して形成しても、上記正極層と上記負極層間が短絡する恐れがなくなる。このため、上記正極層ないし上記負極層を、ドクターブレードやスクリーン印刷等の低いコストの塗布プロセスで形成することができる。
請求項3に記載した発明は、各固体薄膜電池部において、上記正極層の形成領域を上記負極層の形成領域より大きく設定したものである。
固体リチウム電池の正極側電極材を構成する正極活物質は導電性がないか又は導電性が低い。このため、固体薄膜電池の場合、固体電解質層と正極層との界面付近の正極活物質のみが実質的に充放電の反応に寄与する場合が多い。この結果、同一の大きさの電極を設けると、正極側の電池容量が負極側に比べて小さくなり、電池性能が低下するという問題が生じる。一方、負極層を構成する負極活物質は導電性が高いため、正極層と同じ面積で上記固体電解質層に接続する必要はない。
正極層の形成領域を負極層の形成領域に対して大きく設定することにより、上記正極側と上記負極側の電池容量を調整して、電池の面積効率を向上させることができる。また、上記正極層側の電池容量を高めるために、上記固体電解質層を上記正極層の片面の全部に対して接続するように積層形成するのが好ましい。
また、上記正極層と上記負極層の集電部に対する導電性も異なるため、これらに接続される集電部との接続形態を同一にする必要はない。すなわち、請求項4に記載した発明は、上記正極層のほぼ全域が上記正極側集電部上に積層形成されている一方、上記負極層は、その一部が上記負極側集電部に接続するように積層形成されているものである。
上記正極層は導電性が低いため、集電部に対する接続面積もできるだけ大きく設定するのが好ましい。上記正極層のほぼ全域を上記正極側集電部上に積層形成することにより、上記正極層と上記正極側集電部の導電性を確保して電池性能を高めることができる。一方、上記負極層は導電性が高いため、その一部を上記負極側集電部に接続するように積層形成すれば足りる。上記構成を採用することにより、電池構成材料を有効に活用できるばかりでなく、薄膜電池全体の面積効率を高めることができる。
請求項5に記載した発明は、少なくとも上記負極層を微細パターン形状を備えて構成したものである。
上記負極層は導電性が大きく、電池容量も大きい。したがって、これを微細パターン形状に形成することにより、固体電解質層に対する接続面積を減らして、電池容量を調節することができる。しかも、微細パターンを採用することにより、積層領域の大きさを確保しつつ、実質的な接続面積を減少させることができるため、面積効率を向上させることもできる。
もちろん、上記正極層と上記負極層の双方を微細パターン形状に形成することもできる。上記微細パターンとして、櫛歯状や螺旋状のパターンを採用することができる。
本願の請求項6に記載した発明は、上記負極側集電部及び/又は上記正極側集電部に形成されるとともに、上記支持体の表裏面に導通する導通電極部を備えるものである。
上記正極側と上記負極側の少なくとも一方に形成される電極部を、支持体の表裏面に導通する導通電極部とすることにより、複数の固体薄膜電池部を形成した支持体を上記集電部ないし上記導通電極部が接触するように配置して重ね合わせるだけで、複数の支持体上の固体薄膜電池を導通させることができる。これにより、複数の電池を備える支持体を並列接続あるいは直列接続して、より大容量かつ高電圧の電池を容易に構成することが可能となる。
また、集電用の金属泊等を各電池間に挟み込む必要がなく、しかも、上記支持体が電気絶縁性であるため、積層しても各電池の正極側と負極側とが短絡する恐れもない。また、集電用の金属泊や接続用のタブが不要となるため、その分電池の体積や厚さが小さくなるとともに、部品点数及び製造工程を削減することができる。
正極側集電部と負極側集電部の双方に上記導通電極部を設けることもできるし、これら集電部の一方のみに上記導通電極部を設けることができる。これらの構成を採用することにより、複数の薄膜電池部を設けた複数の支持体を積層するだけで、これまでにない大容量及び高電圧の電池を構成することができる。
支持体の表裏に導通する導通電極部も種々の形態を採用できる。たとえば、上記導通電極部を、上記正極層及び上記負極層が形成された側に形成された第1の導電薄膜部と、上記支持体の上記第1の導電薄膜部と反対側に形成された第2の導電薄膜部と、上記第1の導電薄膜部と上記第2の導電薄膜部とを導通させる導通部とを備えて構成することができる。
また、上記支持体を、表裏に連通する空隙部を備える多孔質体から形成するとともに、上記支持体の表裏に導通する導通電極部を、導電物質を上記空隙部に充填して形成することができる。
上記多孔質体として、たとえば、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドから選択された樹脂製不織布を採用することができる。
上記多孔質支持体において表裏に導通する導通電極部を形成する手法も特に限定されることはない。たとえば、上記多孔質支持体の表側及び裏側の双方から、Ni、Co等の金属を成膜することにより形成することができる。すなわち、表側及び裏側からの成膜工程において、上記金属が上記多孔質体の空隙部に充填されて内部で接続され、表裏に導通する導通電極部が形成される。上記成膜方法として、無電解メッキ等のウエットプロセスや、スパッタリング、蒸着等のドライプロセスを用いることができる。上記導通電極部の表裏面間の電気抵抗は、20Ω以下に設定するのが好ましい。
請求項7に記載した発明は、上記導通電極部を設けた複数の支持体を積層し、これら支持体の上記集電部ないし上記導通電極部を互いに導通させたものである。
一の支持体には、正極側集電部と負極側集電部の少なくとも一方に、支持体の裏面に導通する導通電極が形成されている。このため、上記導通電極部ないし上記集電部を上下に重ね合わせるだけで、上記集電部ないし上記導通電極を電気的に接続することができる。上記構成において、上記導通電極部同士を互いに接続することもできるし、上記集電部と上記導通電極部とを互いに接続するように構成することもできる。これらの構成を採用することにより、支持体上に形成された複数の電池部を備える固体薄膜電池をさらに種々の形態で積層接続して、より大容量及び高電圧の電池を構成することができる。
なお、上記支持体の上記正極層及び/又は上記負極層の形成領域に、上記導通電極部を形成することもできる。この構成を採用することにより、電池形成領域の周囲に集電部を延出させて導通電極部を設ける必要がなくなり、電池の寸法をさらに小さく設定することができる。
搭載される電子機器等の消費電力や電池搭載スペースに合わせて、高電圧・大容量の固体薄膜電池を容易に構成できる。
以下、本願発明の実施形態を具体的に説明する。
図1及び図2に、本願発明の第1の実施形態を示す。
第1の実施形態に係る固体薄膜電池1は、リチウム固体薄膜電池に本願発明を適用したものであり、3つの固体薄膜電池部1a,1b,1cを支持体5の片面上に形成するとともに、これら薄膜電池部1a,1b,1cを直列接続して構成したものである。
各固体薄膜電池部1a,1b,1cは、正極層3と、負極層2と、これら層間に配置される固体電解質層4とを備えて構成されている。本実施の形態では、上記支持体5上に所定距離離間対向させて正極側集電部6と負極側集電部7とを櫛型状に積層形成し、これら集電部上に上記正極層3と上記負極層2とをそれぞれ積層形成している。上記固体電解質層4は、上記正極層3と上記負極層2とに掛け渡すようにして、これら各層及び上記支持体5上に積層形成されている。上記構成を採用することにより、上記固体電解質のピンンホール等に起因して正極層と負極層の間に短絡が生じるのを防止することができる。
また、本実施形態では、3つの固体薄膜電池部1a,1b,1cを一枚の支持体5上に形成するとともに、上記電池形成領域から延出させた上記集電部6,7を、上記各電池部が直列接続されるようにパターン形成して接続部10,11,12が形成されている。この構成によって、上記3つの固体薄膜電池部1a,1b,1cが1枚の支持体5上で直列接続された固体薄膜電池1が形成されている。これにより、一つの固体薄膜電池部の3倍の電圧を発生させることができる。なお、本実施形態では、3つの薄膜電池部を設けたが、上記固体薄膜電池部の数は特に限定されることはない。
上記正極層3は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成されている。たとえば、マンガン酸リチウム(LiMnO2 )、コバルト酸リチウム(LiCOO2 )等の活物質を単体又は混合物で用いることができる。また、硫化物、たとえば、硫化鉄(FeS,FeS2 )等を単体又は混合物で用いることができる。導電粉末として、カーボン粒子を採用するとともに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンやテフロンを用いることができる。上記正極層3は、ゾルゲル法、コロイド等の湿式法や、蒸着法、スパッタリング法等の乾式法を用いて形成することができる。
また、上記の正極粉末、導電粉末、結着剤等をN−メチル−2ピロリドン等の溶媒に分散させ、所定のパターンに塗布した後、150℃程度に加熱して乾燥させて形成することもできる。この手法によって形成される正極層3は多孔質体であり、空隙部分に有機電解質やイオン性液体を含浸させて、正極側の導電性を高めることもできる。
上記負極層2も、正極層3と同様に、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成される。負極層2は、Li金属及びLi金属と合金を形成することができる金属等を単体または混合物で形成するのが好ましい。たとえば、リチウム単体(Li)、リチウム(Li)−アルミニウム(Al)合金、リチウム(Li)−マンガン(Mn)−アルミニウム(Al)合金等を採用できる。また、シリコン単体(Si)、シリコン(Si)−ニッケル(Ni)、シリコン(Si)−コバルト(Co)、シリコン(Si)−鉄(Fe)等の合金を採用することもできる。
上記固体電解質層4として、Li−P−S−Oからなるアモルファス膜を正極側電解質として用いる一方、Li−P−O−Nからなるアモルファス膜を負極側電解質として用いることができる。
上記支持体5として、種々の基板材料を採用することができる。たとえば、フレキシブル配線板に用いられる電気絶縁性の樹脂フィルム、たとえば、ポリイミドを支持体として用いることができる。また、リジッド配線板に用いられている樹脂プレートを支持体として用いることもできる。
図2示すように、本実施形態では、各固体薄膜電池部において、上記正極層3の形成領域を、上記負極層2の形成領域より大きく設定している。この構成を採用することにより、上記正極層側と上記負極層側の電池容量を調整して、電池の面積効率を向上させることができる。また、上記正極層側の電池容量をできるだけ高めるために、上記固体電解質層4を上記正極層3の片面の全部に対して接続するように積層形成している。
さらに、正極側電池容量と負極側電池容量とを調節するため、負極層2及び負極側集電部7を微細パターン状に形成することができる。微細パターンとして、螺旋形状や櫛歯形状を採用することができる。
図3に、本願発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態に係る固体薄膜電池20は、支持体5上に、2つの固体薄膜電池部20a,20aをそれぞれ並列接続して構成される2組の並列集合電池部20A,20Bを設けるととともに、これら2組の並列集合電池部20A,20Bをさらに直列接続して構成される。
上記各固体薄膜電池部20aは、第1の実施形態と同様に支持体5上に形成された集電部7,6上に、正極層3aと負極層2aとを積層形成する構成は、第1の実施形態と同様である。2組の上記固体薄膜電池部20a,20aに掛け渡し状に固体電解質層4が積層形成されるとともに、これら電池形成領域の縁部に上記各集電部を引き出して接続された接続部110,111,112が設けられている。上記接続部によって、上記2組の固体薄膜電池部20a,20aが並列接続されて並列集合電池部20Aが構成されている。さらに、上記接続部110,111,112は、2組の上記並列集合電池部20A,20Bを直列接続するように配置接続されている。これにより、2組の固体薄膜電池部20a,20aを並列接続して構成される並列集合電池部20A,20Bを、さらに直列接続した固体薄膜電池20が構成されている。上記構成によって、単一の薄膜電池に比して2倍の電気容量と2倍の電圧とを備える固体薄膜電池20を構成することができる。
図4に、上記実施形態に係る薄膜電池部を種々の接続形態で形成した場合の固体薄膜電池の性能を示す。これらの実施例は、上述した実施形態と同様に、平面櫛歯状に正極層及び負極層を対向して配置した複数の薄膜電池部を直列及び/又は並列接続することにより構成される電池について実験したものである。
図4に示す実施例では、ポリフェニレンサルファイド(PPS)で形成された支持体上に、酸化マンガン(MnO2 )を印刷法によって積層形成して正極層とする一方、リチウム(Li)を蒸着法によって積層形成して負極層とした。また、放電電流を5μA/cm2 に設定して上記実験値を得た。上記図4から明らかなように、複数の固体薄膜電池部を、直列あるいは並列接続することにより、所望の電圧及び電気容量の電池を形成することができる。
図5に、本願発明の第3の実施形態を示す。
図5に示す実施形態は、薄膜電池部1dにおいて、正極層3のほぼ全域を、上記正極側集電部6上に積層形成する一方、負極層2dの一部に対して、負極側集電部7dを接続するように構成したものである。
上記正極層3は導電性が低いため、集電部6に対する接続面積もできるだけ大きく設定するのが好ましい。上記正極層3のほぼ全域を上記正極側集電部6上に積層形成することにより、上記正極層3と上記正極側集電部6の導電性を確保して電池性能を高めることができる。一方、上記負極層2dは導電性が高いため、その一部を上記負極側集電部7dに接続するように積層形成すれば足りる。上記構成を採用することにより、電池構成材料を有効に活用できるばかりでなく、薄膜電池全体の面積効率を高めることができる。
図6及び図7に、本願発明の第4の実施形態を示す。
第4の実施形態に係る薄膜電池30は、図1に示す第1の実施形態に係る薄膜電池の端部に設けられる集電部6a,7aから引き出した接続部10a,12aを、支持体5の表裏に導通する導通電極部としたものである。
図7に示すように、上記導通電極部10a,12aは、上記集電部6a,7aに連続して形成された第1の導電薄膜部13と、上記支持体5の上記第1の導電薄膜部13の形成面と反対側に形成された第2の導電薄膜部15と、上記支持体5に貫通形成されたスルーホールを導電金属で埋めるようにして形成された導電部14とを備えて構成されている。
上記導通電極部を10a,12aを設けることにより、上記固体薄膜電池部を設けた複数の支持体5を積層するだけで、上記支持体上の固体薄膜電池を接続することが可能となり、より高電圧あるいは大容量の固体薄膜電池を容易に形成することができる。
また、上記導通電極部10a,12aを設けることにより、上記支持体5の電池形成面と反対側において電気的接続を行うことが可能となり、配線板等への接続が容易になる効果も期待できる。
図8は本願発明の第5の実施形態を示す図であり、図6に示す固体薄膜電池30a,30b,30cを3枚積層して、各導通電極部10a.10b,10c及び12a,12b,12cをそれぞれ接続した状態を示す断面図である。この図に示すように、各固体薄膜電池部を形成した支持体5を同じ向きに配置して重ね合わせて、正極側の上記導通電極部12a,12b,12cと、負極側の導通電極部10a.10b,10cとをそれぞれ接触接続させるだけで、各支持体上に形成された電池を並列接続することができる。なお、接続される上記導通電極部10a.10b,10c及び12a,12b,12cは、ハンダ等で固定的に接続することもできるし、これら電極を挟圧できるネジ手段やクリップ等の接続手段を採用することもできる。
上記構成によって、一の支持体上で3つの固体薄膜電池部1a,1b,1cを直列接続して構成される電池を、さらに3組並列接続した電池を構成できる。しかも、上記各固体薄膜電池30a,30b,30cは、厚さを小さく設定できるため、同一面積の搭載スペースに3倍の電気容量の電池を搭載することも可能となる。
本願発明に係る固体薄膜電池は、一の支持体上に複数の固体薄膜電池部を直列接続あるいは並列接続して構成されるため、高電気容量及び高電圧の薄膜電池を容易に形成することができる。
1 固体薄膜電池
1a 固体薄膜電池部
1b 固体薄膜電池部
1c 固体薄膜電池部
2 負極層
3 正極層
4 固体電解質層
5 支持体
6 正極側集電部
7 負極側集電部
1a 固体薄膜電池部
1b 固体薄膜電池部
1c 固体薄膜電池部
2 負極層
3 正極層
4 固体電解質層
5 支持体
6 正極側集電部
7 負極側集電部
Claims (7)
- 電気絶縁性の支持体上に複数の固体薄膜電池部を形成してなる固体薄膜電池であって、
上記各固体薄膜電池部は、正極層と、負極層と、これら層間に配置された固体電解質層と、上記正極層と上記負極層とにそれぞれ接続される集電部とを備えて構成されるとともに、
上記集電部を介して直列接続及び/又は並列接続された複数の上記固体薄膜電池部を備える、固体薄膜電池。 - 上記固体薄膜電池部は、上記正極層と上記負極層とが、上記支持体上に所定距離離間させて積層形成されているとともに、
上記固体電解質層が、上記正極層と上記負極層とに掛け渡し状に積層形成されている、請求項1に記載の固体薄膜電池。 - 各固体薄膜電池部において、上記正極層の形成領域を、上記負極層の形成領域より大きく設定した、請求項1又は請求項2のいずれかに記載の固体薄膜電池。
- 上記正極層のほぼ全域が、上記正極側集電部上に積層形成されている一方、
上記負極層は、その一部が上記負極側集電部に接続するように積層形成されている、請求項1から請求項3のいずれかに記載の固体薄膜電池。 - 少なくとも上記負極層が微細パターン形状を備える、請求項1から請求項4のいずれかに記載の固体薄膜電池。
- 上記負極側集電部及び/又は上記正極側集電部に形成されるとともに、上記支持体の表裏面に導通する導通電極部を備える、請求項1から請求項5のいずれかに記載の固体薄膜電池。
- 上記導通電極部を設けた複数の支持体を積層し、これら支持体の上記集電部ないし上記導通電極部を互いに導通させた、請求項6に記載の固体薄膜電池。
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2007
- 2007-05-31 JP JP2007144998A patent/JP2008300191A/ja not_active Withdrawn
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