JP2009187879A - 蓄電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 積み重ねても短絡のおそれがなく電池能力を確実に増大できる構造を持つ、薄型の蓄電デバイスを提供する。
【解決手段】 基板１の同一面に、正極導電領域１１および負極導電領域１２が分離して位置し、正極導電領域に連続する正極活物質３、負極導電領域に連続する負極活物質７、電解質５が、ずれ重なりながら蓄電部を形成し、基板には、正極導電領域および負極導電領域にそれぞれ連続する内面導電部をもつ正極貫通部２１および負極貫通部２２が設けられ、正極貫通部および負極貫通部を通り、それぞれの内面導電部９と導通する導通ピン７とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電デバイスに関し、より具体的には、能力を拡大するために積み重ねた構造において短絡のおそれをなくした蓄電デバイスに関するものである。

各種の電子機器に実装される電池には、小型、軽量、安全性の観点から、薄膜電池が利用され、このような要求から薄膜電池の性能向上が図られている。これらの薄膜電池は、（導電性集電板／正極薄膜／固体電解質／負極薄膜）の単位構造からなり、この単位構造は、単純な薄膜の積層によって形成されている（特許文献１、２）。通常、単位の薄膜電池は容量が限られるため、複数個を電気的に接続して容量の拡大をはかるが、上記の特許文献１および２では、その際、薄膜電池の外形の特徴を生かして、厚み方向に積み上げて、容量の増大を実現するとの言及がなされている。また、具体的な積み重ね結線構造として、板状の端子電極を用いて、積み重ね方向（厚み方向）に正極層と負極層とを挿入することによって櫛形構造を構成して、小型化をはかる積層型電池が提案されている（特許文献３）。
特開２００５−２５１４１７号公報 特開２００４−１７９１５８号公報 特開平６−２３１７９７号公報

上記の単位薄膜電池の積み重ねによる電池容量の増大においては、正極端子と負極端子とが、厚み方向に距離をおいて位置するため、正負極間の端子接続に集電フィルム等を要し、また集電フィルムを結束するとき正負極の短絡のおそれがあった。このため、薄膜電池の積み重ねの結線を、短絡のおそれなく確実に実現できる薄膜電池または蓄電デバイスが求められてきた。

本発明は、積み重ねても短絡のおそれがなく電池能力を確実に増大できる構造を持つ、薄型の蓄電デバイスを提供することを目的とする。

本発明の蓄電デバイスは、絶縁性の基板に設けられており、その基板の同一面に、正極導電領域および負極導電領域が分離して位置し、その正極導電領域と負極導電領域にわたって、該正極導電領域に連続する正極、該負極導電領域に連続する負極、および電解質が、ずれ重なりながら蓄電部を形成している。そして、基板には、正極導電領域に連続する内面導電部をもつ正極貫通部が、また負極導電領域に連続する内面導電部をもつ負極貫通部が、それぞれ設けられ、正極貫通部を通り内面導電部と導通する導通ピンと、負極貫通部を通り内面導電部と導通する導通ピンとを備えることを特徴とする。

上記の構成によって、短絡のおそれなく能力拡大のために積み重ねて集電することが可能な、１単位の薄型蓄電デバイスを得ることができる。この１単位の蓄電デバイスは、寸法精度が高く、位置合せが簡単にでき、電子機器等への搭載を容易に、確実に行うことを可能にする。ここで、正極導電領域および負極導電領域は、基板に接して位置してもよいし、基板に接して位置するそれぞれの極性の活物質層の上に配置されていてもよく、また基板からの高さ位置が同じでなくてもよい。

正極、電解質および負極がずれ重なるとは、平面的に見て、蓄電部のすべてが（正極／電解質／負極）の３層のみで形成されていないことをさす。すなわち、基板に、端面が揃った（正極／電解質／負極）の３層構造のみが配置されないことをいう。たとえば、基板のある領域では、（正極／電解質）や（電解質／負極）の２層構造が、また正極、電解質、または負極の１層のみが、配置される電池形成の構造をさす。電解質は、正極と負極との間に介在してずれ重ねることができる形態であれば、固体と液体とを問わない。そして、蓄電デバイスは、一次電池、二次電池、電気二重層キャパシタなどであってもよい。蓄電デバイスが電池の場合、正極は正極活物質により形成されるか、または正極活物質を主構成部材として含む。そして、負極は負極活物質により形成されるか、または負極活物質を主構成部材として含む。蓄電デバイスが電気二重層キャパシタの場合は、正極および負極ともに導電体で形成される。

上記の正極貫通部および負極貫通部を、基板を貫通する貫通孔か、または基板に設けられた切り欠きで形成することができる。これによって、導通ピンによる厚み方向への導通を確実にでき、かつ位置決めが簡単で確実にできる、正極および負極貫通部を、簡単に得ることができる。

上記の基板を、樹脂基板およびセラミックス基板のいずれかとすることができる。いずれの基板を用いても高い精度の位置決め、結束ができる。そして、それぞれの基板の特性を生かすことができ、たとえばセラミックス基板は耐熱性を有するので、リフロー処理による接続などに好適に用いることができる。なおセラミックスはできるだけ広義に解すべきであり、基本的成分が無機酸化物で構成され、高温での焼成によって得られる成形体だけでなく、半導体、炭化物、窒化物、ホウ化物などの無機化合物の成形体も含まれる。また、樹脂基板は、可撓性のある樹脂フィルム、剛性の高い樹脂基板など、絶縁性であればどのような樹脂基板でもよい。

上記の正極導電領域および負極導電領域、ならびにずれ重なる蓄電部を、基板の一方の面、および他方の面の両方に設けて、正極貫通部および負極貫通部を、両方の面に共通に設けることができる。これによって、薄型を維持しながら電池容量の増大等を得ることが可能になる。

上記の蓄電デバイスが、複数、平面的に見て正極貫通部および負極貫通部を共通にして積層され、導通ピンの一方が共通の正極貫通部を通り、他方が共通の負極貫通部を通る構成にすることができる。これによって、複数の基板を精度よく位置決めして結束し、薄型を維持しながら電池容量や電圧の増加を得ることができる。そして、電子機器等に、高い位置精度で、簡単に搭載することができる。

上記の蓄電部が、くし型、同心円状、らせん状などの電池能力拡大のための微細構造を有することができる。これによって薄型のまま電池能力を増大することができる。そしてプリント回路基板への搭載をする場合には、形状の自由度を大きくすることにより、他の電子部品との干渉を避けることができ、回路設計を容易化することができる。

上記の導通ピンの端を露出して、ハーメチック封止することができる。これによって、安全性がさらに向上し、またハンドリングが容易になり、電子機器等への表面実装を簡単に行うことが可能になる。

本発明によれば、積み重ねても短絡のおそれなく電池能力増大を確実に実現することができる薄型の蓄電デバイスを得ることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄電デバイス１０を示す断面図である。図１において、この蓄電デバイス１０は全固体薄膜電池であり、ずれ重なる蓄電部である電池形成部等が絶縁性の基板１の表裏面の両面に形成されているが、両方の電池形成部は同じである。基板１の表面に、正極集電体の正極導電領域１１と、負極集電体の負極導電領域１２とが、ともに表面に接して位置している。本発明の蓄電デバイスの特徴は、正極導電領域１１に連続する内面導通部９をもつ正極貫通部２１と、負極導電領域１２に連続する内面導通部９をもつ負極導通部２２とが設けられ、正極貫通部２１には導通ピン７が通り、その導通ピン７が正極導電領域１１と導通し、負極貫通部２２には導通ピン７が通り、その導通ピン７が負極導電領域１２と導通する点にある。このように、正極導電領域１１と負極導電領域１２とを同じ面側に分離して設けて、正負極導電領域１１，１２と各別に、それぞれの導通ピン７で導通をとることにより、能力増大のために積み重ねても短絡のおそれがなく、また位置決めを精度よく簡単にできる。また、このあと説明するように、積み重ねた蓄電デバイス１０において、寸法精度を高くして、薄型を維持することができる。

正極活物質３、固体電解質５、負極活物質６で形成される電池形成部については、次の構造を持つ。正極導電領域１１の上には正極活物質層３が接して位置し、その正極活物質層３を端面も含めてすべて覆い、かつ一部の正極導電領域１１を覆って、固体電解質層５が配置される。この固体電解質層５を部分的に覆って、負極活物質層６が配置される。当然のことであるが、正極活物質層３と負極活物質層６との間には、必ず固体電解質層５が介在する。図１では、基板１の両面に電池形成部が設けられているが、基板１の一方の面にのみ電池形成部を設けたものであってもよい。正極活物質層３にはＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂等を用い、基板１上に気相成長法で成長する。固体電解質層５にはＬｉ₂Ｓ／Ｐ₂Ｓ₅などの硫化物を用い、これも気相成長法で成長するのがよい。さらに負極活物質層６には金属リチウムの薄膜を用いるのがよい。負極導電領域１２は、金属リチウム６によって形成してもよい。

正負極貫通部２１，２２における内面導電部９は、基板１に設けた貫通孔１ｈの内面に導電処理を施すことで形成される。図１の蓄電デバイス１０の場合、具体的には、内面導電部９は、貫通孔１ｈの内面に、各種のめっき処理によって導電めっき層や導電粒子を付着して形成する。内面導電部９と、正極導電領域１１または負極導電領域１２とは、連続して導通していなければならない。このため、内面導電部９を形成した基板１に、正極導電領域１１および負極導電領域１２を成膜するとき、内面導電部９の露出端面に、正負極導電領域１１，１２が、導電コンタクトがとれるように、接するようにして成膜するのがよい。

図１では、導通ピン７を、それぞれ、正極貫通部２１および負極貫通部２２に通すところが示されている。導通ピン７は、ストレートピンでもよいし、径にテーパがついたものでもよい。径にテーパがついた導通ピン７を用いる場合には、図１に示すように基板１の上方から通すのではなく、導通ピンの径が小さいほうを上にして、基板１の下側から上に向かって通し、径の太い途中で貫通孔１ｈと接触して基板１を支持するような構成にしてもよい。

図１では、基板１は、石英などのセラミックス基板を用いるが、絶縁性の基板であれば、可撓性のある樹脂フィルム等を用いてもよい。正負極貫通部２１，２２は、基板１に貫通孔１ｈを設けて形成してもよいし、切り欠きを設けて形成してもよい。図２は、基板１に正負極貫通部２１，２２の作製のために、貫通孔１ｈを設けた場合を示し、図２（ａ）は平面図であり、また図２（ｂ）は貫通孔に沿う断面図である。また、図３は、正負極貫通部２１、２２の作製のために、基板１の端に切り欠き１ｋを設ける場合の平面図である。正負極貫通部２１，２２の形成のために、貫通孔１ｈでも切り欠き１ｋでも、どちらを用いても位置決めは精度よくできるが、このあと説明する複数の基板１を用いる場合には、複数の基板を結束しやすいという観点から、貫通孔１ｈを用いるほうが好ましい。また、導通ピン７を基板１の厚み方向に通すことができれば、貫通孔１ｈや切り欠き１ｋに限定されず、その他の機構を用いることは自由である。

図４は、正極活物質３、固体電解質５、負極活物質６による電池形成部を、くし型構造にして電池容量を増加した例を示す図である。このような、くし型構造においても、電池形成部は、ずれ重ねて形成されている。また、図５は、同心円状に、正極活物質３および負極活物質６を、重なり合わないように配置して、その間に固体電解質５を介在させている。図４および図５の電極形状の場合とも、正極貫通部２１および負極貫通部２２には、貫通孔１ｈの内面に内面導電部９が設けられ、図示しない導通ピンが通されるようにされている。図５のような同心円状の正負極形状、または図示しないらせん状の正負極形状は、円形の電池の場合に、電池容量を大きくとることができる。上記のくし型、同心円状等の電極形状を、本説明において微細構造と呼ぶ。

一枚の基板１に電池形成部を設けた蓄電デバイス１０の場合、互いに分離して正負極導電領域１１，１２を絶縁性基板１の同じ側の面に設け、そこに正負極貫通部２１，２２を形成し、導通ピン７を通して導電をとることにより、積み重ねた場合でも正負極の短絡のおそれなく集電をとることができ、さらに、位置決めを簡単に精度よく実現することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における蓄電デバイス１０を示す断面図である。図６の蓄電デバイス１０は、２枚のセラミックス製の基板１を用い、各基板の両面に電池形成部を備えている。ずれ重なる電池形成部、正極貫通部２１、負極貫通部２２等の構成は、実施の形態１におけるものと同じであるので、説明を省略する。本実施の形態では、正極貫通部２１を各基板１に共通するように合わせて１本の導通ピン７を通し、かつ負極貫通部２２を各基板１に共通に合わせて１本の導通ピン７を通している。導通ピン７と内面導電部９との接続は、機械的接触により導通をとってもよいし、はんだ付け、または導電性接着剤を用いて導通をとってもよい。

上記のように、複数の基板１の正負極貫通部２１，２２を複数の基板にわたって共通するように合わせて、導通ピン７を通して導通することにより、短絡リスクのない集電を遂行することができる。さらに各基板の位置合せを精度よくできることに加えて、複数の基板１の結束を確実にすることができる。また、上記の結束には、追加の部品を厚み方向に介在する必要がないので、薄型を維持することができる。図６において、２枚の基板に形成された電池形成部は接触している。このため、大きな容量を必要とする場合にも、短絡のおそれを解消しながら、高い安全性を確保しながら、薄型の蓄電デバイスを得ることができる。また、セラミックス製の基板１を用いることから、耐熱性に優れ、リフロー処理や、電池形成に必要な熱処理などの加熱にも耐えることができる。

図７は、複数（３枚）の基板を導通ピン７により結束して形成した蓄電デバイス１０をハーメチック封止した封止蓄電デバイス５０を示す断面図である。封止蓋５０ａは、蓄電デバイス１０を覆うように配置され、封止底板５０ｂとシール溶接（抵抗溶接）され、溶接部Ｗにより封止される。導通ピン７が封止底板を貫通する部分は、低融点ガラスなどにより融着され融着封止部Ｆｇにより封止される。導通ピン７は、封止底板５０ｂから部分的に露出され、この導通ピン７の露出部分は、電子機器等の配線基板の端子と、はんだ付け部Ｆｈで結線されるようにはんだ付けされる。このような封止蓄電デバイス５０を用いることにより、安全性をさらに向上することができ、電子機器類の表面実装において蓄電デバイスのハンドリング性が向上し、電子機器の組み立てが簡単化される。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における蓄電デバイス１０を示す断面図である。本実施の形態では、絶縁性基板に可撓性の高い樹脂フィルム１を用いた点に特徴を有する。ずれ重なる電池形成部、正負極貫通部２１，２２などの構造は、実施の形態１と同様である。柔軟な樹脂フィルム１を基板に用いることによって、複数の基板を結束し、集電するとき、基板を曲げながら結束することができ、リードなどを配置する必要がなくなる。このため、正負極の短絡のおそれは小さくすることができる。樹脂フィルムには、ＰＰＳ(Polyphenylene sulfide)などを用いるのがよい。このように曲げて結束する積層構造では、位置合わせしながらの結束が難しいが、本発明のように、正負極貫通部２１，２２に、導通ピン７を通して結束して集電をとる構造によれば、多くの数の樹脂フィルムを重ね合わせる構造でも、高精度の位置合せ結束を簡単に行いながら、確実に集電することができる。

（その他の実施の形態）
１．電解質については、本発明の実施の形態では固体電解質についてのみ示したが、固体でなくてもよく、たとえば固体電解質タイプでイオン伝導性を有するポリエチレンオキサイド（ポリエチレングリコール）およびその誘導体、またはその共重合体などの高分子に、リチウムイオン塩を溶解もしくは分散したもの等を用いることができる。このタイプの電解質にはセパレータは不要である。また、電解液を適当な枠体とイオン伝導性を有するフィルムとで封止して、正極活物質と負極活物質とに上記フィルムを接触させながら介在させることができれば、電解液を主構成部に含む電解質を用いることも問題ない。電解液を主構成部に含む電解質は、セパレータを配置する必要がある。
２．蓄電デバイスについては、二次電池、とくに全固体リチウム二次電池について説明したが、電池だけでなく、電気二重層キャパシタなども含まれる。電気二重層キャパシタについて付言すれば、正負極には、たとえば活性炭のカーボンブラックと、ＰＴＦＥ(Polytetrafluoroethylene)などのバインダを混練したものを用いるのがよい。正極の活性炭の表面には正電荷が現れ、対面する電解質を分極して負に帯電させる。負極では、その逆の極性となる。電気二重層キャパシタは、電気を電気のまま蓄える。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の蓄電デバイスによれば、柔軟な樹脂フィルムおよび高剛性のセラミックス基板の如何を問わず、複数枚の基板を積み重ねながら短絡のおそれなく結束し集電ができ、かつ位置決めを精度よく行うことができる。このため、各種の電子機器の表面実装の蓄電デバイスとして利用が広がることが期待される。

本発明の実施の形態１における蓄電デバイスを示す断面図である。 図１の蓄電デバイスにおいて、貫通孔を設けた基板を示す図であり、（ａ）平面図であり、（ｂ）は断面図である。 図１の蓄電デバイスにおいて、切り欠きを設けた基板を示す図である。 電池形成部をくし型の微細構造とした場合の平面図である。 電池形成部を同心円状の微細構造とした場合の平面図である。 本発明の実施の形態２における蓄電デバイスを示す断面図である。 ハーメチック封止した封止蓄電デバイスを示す断面図である。 本発明の実施の形態３における蓄電デバイスを示す断面図である。

符号の説明

１ 基板、１ｈ 貫通孔、１ｋ 切り欠き、３ 正極活物質、５ 固体電解質、６ 負極活物質、７ 導通ピン、９ 内面導電部、１０ 蓄電デバイス、１１ 正極導電領域（集電体）、１２ 負極導電領域（集電体）、２１ 正極貫通部、２２ 負極貫通部、５０ 封止蓄電デバイス、５０ａ 封止蓋、５０ｂ 封止底板。

Claims (7)

1. 絶縁性の基板に設けられた蓄電デバイスであって、
   前記基板の同一面に、正極導電領域および負極導電領域が分離して位置し、その正極導電領域と負極導電領域にわたって、該正極導電領域に連続する正極、該負極導電領域に連続する負極、および電解質が、ずれ重なりながら蓄電部を形成しており、
   前記基板には、前記正極導電領域に連続する内面導電部をもつ正極貫通部が、また前記負極導電領域に連続する内面導電部をもつ負極貫通部が、それぞれ設けられ、
   前記正極貫通部を通り前記内面導電部と導通する導通ピンと、前記負極貫通部を通り前記内面導電部と導通する導通ピンとを備えることを特徴とする、蓄電デバイス。
2. 前記正極貫通部および負極貫通部が、前記基板を貫通する貫通孔か、または前記基板に設けられた切り欠きであることを特徴とする、請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 前記基板が、樹脂基板およびセラミックス基板のいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載の蓄電デバイス。
4. 前記正極導電領域および負極導電領域、ならびに前記ずれ重なる蓄電部が、前記基板の一方の面、および他方の面の両方に設けられており、前記正極貫通部および負極貫通部が、両方の面に共通に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の蓄電デバイス。
5. 前記蓄電デバイスが、複数、平面的に見て前記正極貫通部および負極貫通部を共通にして積層され、前記導通ピンの一方が前記共通の正極貫通部を通り、他方が前記共通の負極貫通部を通ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかひとつに記載の蓄電デバイス。
6. 前記蓄電部が、くし型、同心円状、らせん状などの電池能力拡大のための微細構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の蓄電デバイス。
7. 前記導通ピンの端を露出して、ハーメチック封止されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかひとつに記載の蓄電デバイス。
   

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