JP2010003653A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現しうる電池を提供する。
【解決手段】電池の蓄電部Ａは、４個の単位電池Ｕを積層して構成されている。単位電池Ｕは、板状の正極集電体１ａと、正極集電体１ａの上面および下面の各一部の上に形成された正極活物質層１ｂとを有している。正極集電体１ａの上面，下面の各他部に、高分子フィルムからなる絶縁層４が形成されている。正極活物質層１ｂと絶縁層４とに跨る領域に、固体電解質層３が形成されている。固体電解質層３および絶縁層４に跨って、負極活物質層２ｂが形成されている。各１対の単位電池Ｕの負極活物質層２ｂの端部から合計３枚の板状の負極集電体２ａが延びている。各正極集電体１ａ，負極集電体２ａは、先端で積層されて正極接続部８，負極接続部９となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板状の電極を備えた電池に係り、特に薄型化対策に関する。

従来より、特許文献１や特許文献２に示す薄型電池が知られている。
特許文献１では、各々、平板状の正極リード部材，正極活物質膜，固体電解質層，負極活物質膜および負極リード部材を順次積層している（同文献の図１，図８等参照）。特に、同文献の図８に示される構造では、単位電池部を多数組積層している。単位電池部とは、正極リード部材，正極活物質膜，固体電解質層，負極活物質膜および負極リード部材である。

特許文献２では、絶縁基材の上に、正極活物質膜，固体電解質層および負極活物質膜が順次階段状に堆積されている。また、階段部に露出している正極活物質膜の端部から正極リード部材が引き出されている。負極リード部材（保護膜および負極端子）が負極活物質膜の上面から引き出されている。このような構造により、薄型化を図っている（同文献の第１図及び第２図参照）。
特開２００５−２５１４１７号公報 特開昭６１−１９８５６４号公報

上記特許文献１の構造では、正極リード部材および負極リード部材が必ず積層されるので、薄型化の低減には、限界がある。特に、同文献の図８に示される単位電池部を多数組積層した構造では、各リード部材もその数だけ積層される。したがって、電池全体として相当の厚みが増大し、薄型化に反する。

特許文献２の構造では、正極リード部材が電池全体の厚みには寄与しない構造となっている。したがって、原理的には、特許文献１に比べて薄型化が可能となるはずである。
しかしながら、電池の性能を確保するためには、正極活物質膜，たとえばＬｉＣｏＯ_２膜の結晶性を高くするために、５００℃程度の熱処理を行う必要がある。そのため、絶縁基材としては、高分子フィルムではなく、耐熱性の高いセラミック板を使わざるを得ない。ところが、セラミック板を用いると、コストが高くつく。また、１００μｍ程度の厚みが必要になるので、電池全体の薄型化も困難である。

本発明の目的は、コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現しうる電池構造を提供することにある。

本発明の電池は、以下の構造を有している。板状の正極リード部材の少なくとも一方の面の一部と他部に、正極活物質膜と絶縁層とがそれぞれ形成されている。そして、絶縁層と正極活物質膜とに跨る領域に固体電解質層が形成されている。固体電解質層と絶縁層とに跨る領域に負極活物質膜が形成されている。負極活物質膜の一部から負極リード部材が引き出されている。

この構造により、正極活物質膜の結晶性改善の熱処理を行なった後、絶縁層を形成する手順が可能である。つまり、絶縁層として安価で薄膜化が容易な高分子フィルムを用いることができる。よって、コストを低減しつつ、薄くすることができる。
また、正極リード部材や正極活物質膜が、絶縁層によって負極活物質膜と接触しないので、短絡を防止することができる。

本発明において、負極リード部材を負極活物質膜の端部から引き出す構造を採用することができる。これにより、負極リード部材を正極リード部材の上方に積層する必要がなく、より薄型化をすることができる。

本発明において、正極活物質膜，固体電解質層および負極活物質膜が、正極リード部材の両面上に成膜されていてもよい。つまり、いわゆる両面成膜タイプの構造としてもよい。この構造により、わずかに厚みを増大するだけで、電池容量を何倍にも増大させることができる。
この場合、絶縁層を両面に形成してもよいが、絶縁層を両面に形成しなくてもよい。後者の場合であっても、正極リード部材や正極活物質膜と、負極活物質膜との短絡を防止することができる。

本発明において、２つの負極活物質膜を正極リード部材の片面ずつ個別に形成することもできる。その場合には、２つの負極活物質膜を絶縁層を貫通するスルーホール導体層を介して互いに接続する。これにより、ＰＶＤ（物理的堆積法）を利用して、負極活物質膜を容易に形成することができる。

正極リード部材，正極活物質膜，固体電解質層および負極活物質膜の複数組を積層することが好ましい。この構造により、電池全体の厚みをわずかに増大させるだけで、電池容量を複数倍に増大させることができる。

本発明によると、コストの増大を抑制しつつ、薄型化を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電池の蓄電部Ａの縦断面図である。
図１に示すように、蓄電部Ａは、４個の単位電池Ｕを積層した構造を有している。各単位電池Ｕは、正極部材１の両側に、固体電解質層３を挟んで、負極活物質層２ｂを積層した構造となっている。

正極部材１は、正極リード部材である板状の正極集電体１ａと正極活物質層１ｂとを有している。正極活物質層１ｂは、正極集電体１ａの上面および下面の各一部Ｒａ（図３（ａ）参照）の上に、形成されている。正極集電体１ａの他部Ｒｂ（図３（ａ），（ｂ）参照）および側面に亘って、絶縁層４が形成されている。本実施の形態では、絶縁層４は高分子フィルムから形成されているが、無機絶縁膜であってもよい。

正極活物質層１ｂと絶縁層４とに跨る領域Ｒｃに、固体電解質層３が形成されている（図３（ｃ）参照）。固体電解質層３は、正極活物質層１ｂにおける絶縁層４に隣接しない端部を覆うように形成されている。
固体電解質層３および絶縁層４に跨って、負極活物質層２ｂが形成されている。負極活物質層２ｂは、正極集電体１ａの上面，下面および側面に亘るように、形成されている。

負極活物質層２ｂの端部から、負極リード部材である板状の負極集電体２ａが延びている。３枚の負極集電体２ａは、先端で積層されて負極接続部９となっている。
なお、各負極活物質層２ａは、互いに導通しているので、負極集電体２ａは、蓄電部Ａ全体で１枚だけでもよい。

また、各単位電池Ｕから延びる４枚の正極集電体１ａは、先端で積層されて、正極接続部８となっている。

単位電池Ｕは、平面形状がほぼ矩形であり、平面寸法は３０ｍｍ×５０ｍｍ程度である。正極集電体１ａは、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６，Ｃｕなどの金属からなる。正極集電体１ａの厚みは、１０μｍ〜２０μｍ程度である。正極集電体１ａとして、金属箔を用いることにより、薄膜化が容易である。
正極活物質層１ｂは、ＬｉＣｏＯ_２，ＬｉＭｎＯ_２，ＭｎＯ_２などの酸化物系の活物質からなる。正極活物質層１ｂの厚みは、１０μｍ程度である。
負極活物質層２ｂは、Ｌｉ金属膜，合金膜，あるいはＬＴＯ膜（チタン酸リチウム膜），カーボン膜などからなる。上記合金膜としては、Ｌｉ−Ａｌ，Ｌｉ−Ｍｎ−Ａｌ，Ｓｉ，Ｓｉ−Ｎ，Ｓｉ−Ｃｏ，Ｓｉ−Ｆｅなどがある。負極活物質層２ｂの厚みは、５μｍ未満である。

固体電解質層３は、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ−Ｏ，Ｌｉ−Ｐ−Ｏ−Ｎ，Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などからなる。これらは、アモルファス膜であってもよいし、多結晶膜であってもよい。このうち、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５は、アモルファスである。固体電解質層３の厚みは、５μｍ〜１０μｍ程度である。

絶縁層４は、ＰＰ粘着テープ，ＰＰＳ粘着テープ，ＰＰＳ圧着テープ、アルミナ膜などからなる。絶縁層４の厚みは、１０μｍ程度である。
本実施の形態の構造により、単位電池Ｕの厚みは、５０μｍ程度まで、薄くすることができる。

図２は、蓄電部Ａを収納した電池Ｂの構造例を示す縦断面図である。電池Ｂは、蓄電部Ａをアルミラミネートフィルム１３によって封止することにより、形成される。アルミラミネートフィルム１３の厚みは、たとえば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である。

電池Ｂの両端部には、外部端子である正極端子１１および負極端子１２が設けられている。正極端子１１および負極端子１２は、アルミラミネートフィルム１３で封着されつつ、内部空間まで延びている。蓄電部Ａの正極接続部８，負極接続部９は、それぞれ正極端子１１，負極端子１２に接続されている。

電池Ｂの厚さは、３ｍｍ〜５ｍｍ程度で、平面寸法は、３０ｍｍ〜６０ｍｍ×３０ｍｍ〜６０ｍｍ程度である。
電池の構造としては、図２に示す構造に限定されるものではなく、種々の形態を作用することができる。平面形状も矩形に限らず、丸型（コイン型）、トラック形状など、各種形状を採ることができる。

次に、蓄電部Ａの製造工程の一例について、説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、蓄電部Ａのうち単位電池部Ｕを形成する手順を示す縦断面図である。ただし、必ずしもこの手順に限定されるものではない。

図３（ａ）に示す工程では、以下の処理を行う。まず、気相成長法により、正極集電体１ａの上面１ａ_１および下面１ａ_２上に、酸化物系物質からなる膜を形成する。気相成長法としては、真空蒸着，スパッタリング，レーザアブレーション，イオンプレーティングなどがある。次に、酸化物系物質からなる膜を堆積し、正極集電体１ａの上面および下面の各一部Ｒａの上に正極活物質層１ｂを形成する。その後、５００℃付近の温度で、正極活物質層１ｂの結晶性を高めるための熱処理を行う。
次の工程で、絶縁層４として無機絶縁膜を形成する場合には、絶縁層４を形成した後で、この熱処理を行なってもよい。

次に、図３（ｂ）に示す工程で、高分子フィルムからなる絶縁層４を形成する。絶縁層４は、正極集電体１ａの上面および下面の他部Ｒｂおよび側面に亘る領域に設けられている。高分子フィルムとしては、上述の各種粘着テープまたは圧着テープがある。たとえば、ＰＰＳフィルムを２６０℃程度に加熱して、正極集電体１ａに熱融着させることができる。
絶縁層４として、各種粘着テープまたは圧着テープに代えて、無機絶縁膜を用いることができる。その場合には、気相成長法により、無機絶縁膜を堆積する。バルクの無機絶縁基板とは異なり、無機絶縁膜は、高分子フィルムと同程度に薄くすることができる。

次に、図３（ｃ）に示す工程で、以下の処理を行なう。まず、気相成長法により、上述のＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５アモルファス膜を堆積する。これにより、絶縁層４の一部および正極集電体１ａに跨る領域Ｒｃに、固体電解質層３を形成する。固体電解質層３は、正極活物質層１ｂの一端部を覆っている。

次に、図３（ｄ）に示す工程で、以下の処理を行なう。まず、気相成長法により、Ｌｉ金属膜等を基板の両面および側面に亘る領域に堆積する。その後、金属膜等を堆積して、負極活物質層２ｂを形成する。

以上の工程により、単位電池Ｕの製造を終了する。その後、４個の単位電池Ｕを重ね、各負極活物質層２ｂ同士をはんだ付け等により接合する。このとき、負極活物質層２ｂと負極集電体２ａとを、はんだ付け等により，同時に接合する。さらに、各正極集電体１ａ同士を接合して正極接続部８を形成する。また、各負極集電体２ａ同士を接合した負極接続部９を形成する。これにより、図１に示す蓄電部Ａを形成する。その後、蓄電部Ａをケースに収納して、図２に示すような電池Ｂを形成する。

本実施の形態の電池Ｂの構造により、以下の効果が得られる。正極活物質層１ｂの高温熱処理（５００℃程度）を行なってから、絶縁層４を形成する手順が可能となる。したがって、絶縁層４として高分子フィルムを用いても、正極活物質層１ｂの結晶性を改善することができる。絶縁層４として高分子フィルムを用いることにより、製造コストの低減と、薄型化とを容易に実現することができる。
絶縁層４として、正極集電体１ａの板面上に堆積された無機絶縁膜を用いた場合にも、電池Ｂを薄くすることができる。バルクの無機絶縁基板とは異なり、無機絶縁膜は、高分子フィルムと同程度に薄くすることができるからである。

特許文献２の第１図または第２図に示す電池では、片面成膜タイプで、５００μｍ程度の厚みが必要である。それに対し、図１に示す単位電池Ｕでは、両面成膜タイプでも、全体の厚みを５０μｍ程度まで薄型化できる。

また、本実施の形態の電池Ｂの構造では、絶縁層４が、正極部材１と負極部材２との間に介在している。したがって、正極部材１と負極部材２との電気的短絡を確実に防止することもできる。

さらに、負極集電体２ａは、負極活物質層２ｂの一部に接続されていればよい。たとえば、負極活物質層２ｂの端部から負極集電体２ａを引き出す構造を採用することができる。したがって、負極集電体２ａにより、複数の単位電池Ｕを積層した蓄電部Ａの全体の厚みを増大させることがない。その結果、蓄電部Ａをさらに薄くすることができる。

本実施の形態では、単位電池Ｕにおいて、両面成膜タイプを採用している。つまり、正極活物質層１ｂ，固体電解質層３および負極活物質層２ｂを正極集電体１ａの両面に形成している。それに対し、単位電池Ｕにおいて、片面成膜タイプを採用することもできる。つまり、正極活物質層１ｂ，固体電解質層３および負極活物質層２ｂを正極集電体１ａの片面側だけに設けてもよい。
両面成膜タイプの構造により、正極集電体１ａの数を減らして、電池を薄くすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る電池の蓄電部Ａの縦断面図である。図１に示す実施の形態１と共通の部材については、同じ符号を付して、できるだけ説明を省略する。
図４に示すように、蓄電部Ａは、４個の単位電池Ｕを積層した構造を有している。各単位電池Ｕは、正極部材１の両側に、固体電解質層３を挟んで、負極活物質層２ｂを積層した構造となっている。この点は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態に係る蓄電部Ａでは、絶縁層４が正極集電体１ａの上面から側面を経て下面につながっていない。つまり、絶縁層４は、正極集電体１ａの上面および下面に個別に形成されている。そして、正極集電体１ａの端部で、２つの絶縁層４が互いに貼り合わされている。

また、固体電解質層３および負極活物質層２ｂは、貼り合わされた２つの絶縁層４の両側に個別に形成されている。そして、各絶縁層４において、両面の負極集電体２ａが負極活物質層２ｂとつながるように形成されている。また、各絶縁層４の端部には、スルーホールを埋めるスルーホール導体６が形成されている。２つの負極集電体２ａは、スルーホール導体６を介して互いに接続されている。
スルーホール導体６に代えて、絶縁層４の側面に、各負極集電体２ａ同士を導通させる側面導体を形成してもよい。

そして、側方に延びる３つの絶縁層４，負極集電体２ａは、端部で積層されて、負極接続部９となっている。

本実施の形態においては、単位電池Ｕの製造工程の図示は省略するが、以下の通り行われる。
まず、実施の形態１における図３（ａ）に相当する工程を行う。
図３（ｂ）に相当する工程では、以下の処理を行なう。まず、正極集電体１ａの上面および下面に貼り付けた２枚の絶縁層４をそのまま側方に延ばして互いに貼り合わせる。その後、各絶縁層４にスルーホールを形成する。
図３（ｃ）に相当する工程では、領域Ｒｃに固体電解質層３を形成する。
図３（ｄ）に相当する工程では、以下の処理を行う。まず、次に、固体電解質層３から各絶縁層４の一部に亘る領域に負極活物質層２ｂを形成する。その後、各絶縁層４の上下面に、負極活物質層２ｂにつながるように、負極集電体２ａを形成する。その際、Ｌｉ金属等のＰＶＤまたはＣＶＤを行うと、スルーホールを埋めるスルーホール導体６も形成される。

本実施の形態によっても、基本的に，実施の形態１と同じ効果を発揮することができる。加えて、正極集電体１ａの両面側に負極活物質層２ｂを個別に形成するので、気相成長法を用いた製造が容易である。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る単位電池Ｕの縦断面図である。図４に示す実施の形態２と共通の部材については、同じ符号を付して、できるだけ説明を省略する。

本実施の形態においては、絶縁層４が正極集電体１ａの上面のみにしか形成されてない。そして、１枚の絶縁層４の上下面に、負極活物質層２ｂおよび負極集電体２ａが形成されている。２つの負極活物質層２ｂは、１枚の絶縁層４を貫通するスルーホール導体６を介して互いに接続されている。
なお、下面側の固体電解質層３は、絶縁層４の下面側まで延びている。これにより、下面側の負極活物質層２ｂと正極集電体１ａとの接触を防いでいる。

本実施の形態によっても、基本的に，実施の形態２と同じ効果を発揮することができる。すなわち、正極集電体１ａの両面に、負極活物質層２ｂを個別に形成するので、気相成長法を用いた製造が容易である。さらに、絶縁層４が１つだけであるので、実施の形態２に比べ、製造工程が簡素化され、製造コストも低減される。

本実施の形態においては、実施の形態１，２とは異なり、単一の単位電池Ｕしか設けていない。本実施の形態においても、図５に示す単位電池Ｕを複数個積層する構造にしてもよい。その場合には、電池容量を、積層数に比例して増大させることができる。

上記実施の形態の構造は、例示にすぎず、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載と、その記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の電池は、時計，電卓などの電子機器用の電源として利用することができる。

発明の実施の形態１に係る蓄電部の縦断面図である。 実施の形態１に係る電池の縦断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１における単位電池部を形成する手順を示す縦断面図である。 発明の実施の形態２に係る蓄電部の縦断面図である。 発明の実施の形態３に係る単位電池の縦断面図である。

符号の説明

Ａ 蓄電部
Ｂ 電池
Ｕ 単位電池
１ 正極部材
１ａ 正極集電体
１ｂ 正極活物質層
２ 負極部材
２ａ 負極集電体
２ｂ 負極活物質層
３ 固体電解質層
４ 絶縁層
６ スルーホール導体
８ 正極接続部
９ 負極接続部
１１ 正極端子
１２ 負極端子
１３ アルミラミネートフィルム

Claims (5)

1. 板状の正極リード部材と、
   前記正極リード部材の少なくとも一方の面の一部に形成された正極活物質膜と、
   前記正極リード部材の前記少なくとも一方の面の他部に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層と前記正極活物質膜とに跨る領域に形成された固体電解質層と、
   前記固体電解質層と前記絶縁層とに跨る領域に形成された負極活物質膜と、
   前記負極活物質膜の一部に接続された負極リード部材と、
   を備えている電池。
2. 請求項１記載の電池において、
   前記負極リード部材は、負極活物質膜の端部に接続されている、電池。
3. 請求項１または２記載の電池において、
   前記正極活物質層，固体電解質層，および負極活物質層は、前記正極リード部材の両面に、個別に形成されている、電池。
4. 請求項３記載の電池において、
   前記正極リード部材の両面に形成された負極活物質膜は、スルーホール導体層または側面導体層を介して互いに電気的に導通されている、電池。
5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の電池において、
   前記正極リード部材，正極活物質膜，固体電解質層および負極活物質膜の複数組を積層してなる電池。

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