JP2021002457A - Solid electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電池内部で複数の発電要素を直列に接続した固体電解質電池に関する。 The present disclosure relates to a solid electrolyte battery in which a plurality of power generation elements are connected in series inside the battery.
従来、電池内部で複数の発電要素を直列に接続した固体電解質電池が提供されている。複数の発電要素を積層した積層型の固体電解質電池は、複数の発電要素が直列に接続されているため、電圧や容量等を向上させることができる。また、積層型の固体電解質電池は、2つの電池を単に直列に接続した場合に比べ、電池全体のサイズを小型化することができる。 Conventionally, a solid electrolyte battery in which a plurality of power generation elements are connected in series inside the battery has been provided. In a laminated solid electrolyte battery in which a plurality of power generation elements are laminated, since the plurality of power generation elements are connected in series, the voltage, capacity, and the like can be improved. Further, the laminated solid electrolyte battery can reduce the size of the entire battery as compared with the case where two batteries are simply connected in series.
特公平1−22709号公報(特許文献1)は、複数の発電要素の間に、合成ゴムに炭素繊維を分散させた導電性の可撓性カーボンフィルムを配置した固体電解質2次電池を開示している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-22709 (Patent Document 1) discloses a solid electrolyte secondary battery in which a conductive flexible carbon film in which carbon fibers are dispersed in synthetic rubber is arranged between a plurality of power generation elements. ing.
しかしながら、積層型の固体電解質電池は、複数の発電要素を直列に接続するにあたり、隣り合う発電要素のうち一方の発電要素の負極材と他方の発電要素の正極材とを接触させると、充電することができなくなる。具体的には、例えば固体電解質電池としてリチウムイオン二次電池を充電する場合、通常、リチウムイオンが正極材から負極材に移動することによって充電される。しかし、一方の発電要素の負極材と他方の発電要素の正極材とが接触していると、一方の発電要素で正極材から負極材に移動したリチウムイオンが一方の発電要素の負極材に留まらず、そのまま他方の発電要素の正極材に移動して放電してしまう。 However, the laminated solid electrolyte battery charges when a plurality of power generation elements are connected in series and the negative electrode material of one power generation element and the positive electrode material of the other power generation element of the adjacent power generation elements are brought into contact with each other. You will not be able to. Specifically, for example, when a lithium ion secondary battery is charged as a solid electrolyte battery, the lithium ion is usually charged by moving from the positive electrode material to the negative electrode material. However, when the negative electrode material of one power generation element and the positive electrode material of the other power generation element are in contact with each other, the lithium ions transferred from the positive electrode material to the negative electrode material in one power generation element stay in the negative electrode material of one power generation element. Instead, it moves to the positive electrode material of the other power generation element as it is and discharges.
特許文献1の可撓性カーボンフィルムは、合成ゴムに炭素繊維を分散させて形成されているため、導電性を有する。また、可撓性カーボンフィルムは、上述のように一方の発電要素の負極材と他方の発電要素の正極材とを接触させる場合に比べて、他方の発電要素へのリチウムイオンの移動を抑制できる。しかしながら、可撓性カーボンフィルムは、合成ゴムが絶縁体であるために導電性が悪く、また、合成ゴムが酸化によって腐食しやすいためさらに導電性が経年劣化するという問題があった。
Since the flexible carbon film of
そこで、本開示は、複数の発電要素を直列に接続させても、優れた導電性を維持することができる固体電解質電池を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a solid electrolyte battery capable of maintaining excellent conductivity even when a plurality of power generation elements are connected in series.
上記課題を解決するために、本開示は次のように構成した。すなわち、本開示に係る固体電解質電池は、外装缶と、外装缶に対向する封口缶と、外装缶と封口缶との間に収容され、直列に接続され、各々が正極材と負極材と正極材と負極材との間に配置された固体電解質とを含む複数の発電要素と、複数の発電要素の間に配置された1又は複数の黒鉛シートとを備えてよい。 In order to solve the above problems, the present disclosure is structured as follows. That is, the solid electrolyte battery according to the present disclosure is housed between the outer can, the sealing can facing the outer can, and the outer can and the sealing can, and is connected in series, and each of them is a positive electrode material, a negative electrode material, and a positive electrode. A plurality of power generation elements including a solid electrolyte disposed between the material and the negative electrode material, and one or a plurality of graphite sheets arranged between the plurality of power generation elements may be provided.
また、好ましくは、固体電解質電池は、さらに、外装缶と外装缶に隣接する発電要素との間に配置された第1炭素シートと、封口缶と封口缶に隣接する発電要素との間に配置された第2炭素シートとを備えてよい。 Further, preferably, the solid electrolyte battery is further arranged between the first carbon sheet arranged between the outer can and the power generation element adjacent to the outer can, and between the sealing can and the power generation element adjacent to the sealing can. It may be provided with the second carbon sheet.
本開示に係る固体電解質電池によれば、複数の発電要素を直列に接続させても、優れた導電性を維持することができる。 According to the solid electrolyte battery according to the present disclosure, excellent conductivity can be maintained even when a plurality of power generation elements are connected in series.
(実施形態1)
以下、本開示の実施形態1について、図1を用いて具体的に説明する。まず、図1に示すように、固体電解質電池1は、基本的には、外装缶2と、封口缶3と、外装缶2側の発電要素4と、封口缶3側の発電要素5と、発電要素4と発電要素5との間に配置された黒鉛シート6とから構成されている。複数の発電要素は、発電要素4と発電要素5とによって構成されている。なお、本実施形態では、固体電解質電池1は、扁平形電池である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment of the present disclosure will be specifically described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 1, the
外装缶2は、円形状の底部21と、底部21の外周から連続して形成される円筒状の筒状側壁部22とを備える。筒状側壁部22は、縦断面視で、底部21に対して略垂直に延びるように設けられている。外装缶2は、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。
The
封口缶3は、円形状の平面部31と、平面部31の外周から連続して形成される円筒状の周壁部32とを備える。封口缶3の開口は、外装缶2の開口と対向している。封口缶は、ステンレスなどの金属材料によって形成されている。
The sealing can 3 includes a circular
外装缶2と封口缶3とは、発電要素4と発電要素5と黒鉛シート6とを内部空間に収容したのち、外装缶2の筒状側壁部22と封口缶3の周壁部32との間にガスケット7を介してカシメられる。具体的には、外装缶2と封口缶3とは、外装缶2と封口缶3の互いの開口を対向させ、外装缶2の筒状側壁部22の内側に封口缶3の周壁部32を挿入したのち、筒状側壁部22と周壁部32との間にガスケット7を介してカシメられる。これにより、外装缶2と封口缶3によって形成された内部空間は、密閉状態となる。なお、外装缶2、封口缶3及びガスケット7の構成は、周知の扁平形電池と同様であり、その素材、形状等は特に限定されるものではない。
The
発電要素4は、正極材41と負極材42と固体電解質43とを含んでいる。固体電解質43は、正極材41と負極材42の間に配置されている。発電要素4は、外装缶2の底部21側(図示の下方)から正極材41、固体電解質43、負極材42の順で積層されている。発電要素4は、円柱形状に形成されている。発電要素4は、外装缶2の底部22の内面に配置されている。発電要素4は、外装缶2の底部21と隣接している。発電要素4の下面は、外装缶2の底部21の内面と対向している。よって、外装缶2は、正極缶として機能する。なお、発電要素4、円柱形状に限られず、直方体形状や多角柱形状等、固体電解質電池1の形状に応じて、種々変更することができる。
The power generation element 4 includes a
発電要素5は、正極材51と負極材52と固体電解質53とを含んでいる。固体電解質53は、正極材51と負極材52の間に配置されている。発電要素5は、外装缶2の底部21側(図示の下方)から正極材51、固体電解質53、負極材52の順で積層されている。発電要素5は、円柱形状に形成されている。発電要素5は、後述する黒鉛シート6を介して発電要素4の上方に配置されている。また、発電要素5は、封口缶3の平面部31と隣接している。発電要素5の上面は、封口缶3の平面部31の内面と対向している。よって、封口缶3は、負極缶として機能する。なお、発電要素5は、円柱形状に限られず、直方体形状や多角柱形状等、固体電解質電池1の形状に応じて、種々変更することができる。
The
正極材41、51は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質として、平均粒径3μmのLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2と、硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)と、導電助剤であるカーボンナノチューブとを質量比で55:40:5の割合で含有した180mgの正極合剤を直径10mmの金型に入れて円柱形状に成形した正極ペレットである。なお、正極材41、51は、発電要素4、5の正極材として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、オリビン型複合酸化物等であってもよく、これらを適宜混合したものであってもよい。また、正極材41、51のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、固体電解質電池1のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
The
負極材42、52は、リチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質として、LTO(Li4Ti5O12、チタン酸リチウム)と、硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)と、カーボンナノチューブとを重量比で50:45:5の割合で含有した300mgの負極合剤を円柱形状に成形した負極ペレットである。なお、負極材42、52は、発電要素4、5の負極材として機能することができれば、特に限定されるものではなく、例えば、金属リチウム、リチウム合金、黒鉛、低結晶カーボンなどの炭素材料や、SiO、LTO(Li4Ti5O12、チタン酸リチウム)等であってもよく、これらを適宜混合したものであってもよい。また、負極材42、52のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、固体電解質電池1のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
The
固体電解質43、53は、60mgの硫化物固体電解質(Li6PS5Cl)を円柱形状に成形したものである。なお、固体電解質43、53は、特に限定はされないが、イオン伝導性の点から他のアルジロダイト型などの硫黄系固体電解質であってもよい。硫黄系固体電解質を用いる場合には、正極活物質との反応を防ぐために、正極活物質の表面をニオブ酸化物で被覆することが好ましい。また、固体電解質43、53は、水素化物系固体電解質や酸化物系固体電解質等であってもよい。また、固体電解質43、53のサイズや形状は、円柱形状に限定されるものではなく、固体電解質電池1のサイズや形状に応じて種々変更可能である。
The
このように、発電要素4と発電要素5は、外装缶と封口缶3とによって形成された内部空間に、発電要素4と発電要素5との間に黒鉛シート6が配置された状態で、直列に接続されている。これにより、1つの発電要素が内部空間に収容されている場合に比べて、固定電解質電池1の電圧や容量等を向上させることができる
In this way, the power generation element 4 and the
黒鉛シート6は、発電要素4と発電要素5との間に配置されている。黒鉛シート6は、膨張黒鉛を圧延して形成されている。黒鉛シート6の平面視形状は、固体電解質電池1の内部空間の平面視形状と略相似形状に形成されており、短絡防止のため封口缶3とは電気的に接触していない。そのため、黒鉛シート6は、平面視略円形状に形成されている。黒鉛シート6の下面(発電要素4側の面)は、発電要素4の負極材42の上面に接している。また、黒鉛シート6の上面(発電要素5側の面)は、発電要素5の正極材51の下面に接している。黒鉛シート6の下面の面積は、発電要素4の負極材42の上面の面積と同じであってもよく、或いは、発電要素4の負極材42の上面の面積より広くてもよい。また、黒鉛シートの上面の面積は、発電要素5の正極材51の下面の面積と同じであってもよく、或いは、発電要素5の正極材51の下面の面積より広くてもよい。すなわち、黒鉛シート6の下面は、負極材42の上面を覆っていればよい。また、黒鉛シート6の上面は、正極材51の下面を覆っていればよい。なお、黒鉛シート6は、平面視略円形状に限られず、楕円形状、平面視略多角形状等、固体電解質電池1の平面視形状に応じて種々変更することができる。
The
黒鉛シート6は、より具体的には、以下のように製造される。まず、天然黒鉛に酸処理を施した酸処理黒鉛の粒子を加熱する。そうすると、酸処理黒鉛は、その粒子間にある酸が気化して発泡することによって膨張する。この膨張化した黒鉛(膨張黒鉛)をフェルト状に成型し、さらに、ロール圧延機を用いて圧延することによりシート体を形成する。黒鉛シート6は、この膨張黒鉛のシート体を円形状にくり抜くことにより製造される。上述の通り、膨張黒鉛は、酸が気化して酸処理黒鉛が発泡することによって形成される。そのため、黒鉛シート6は、多孔質シートに形成されている。したがって、黒鉛シート6は、黒鉛自体がもつ導電性及び耐酸化性とともに、緩衝性をも有する。なお、黒鉛シート6の製造方法はこれに限られず、どのような方法で黒鉛シート6を製造してもよい。
More specifically, the
黒鉛シート6は、発電要素4、5の導電性や緩衝性等の観点から、厚みの下限が10μm、好ましくは50μm、より好ましくは80μmとするのがよく、体積エネルギー密度の観点から、厚みの上限が200μm、好ましくは170μm、より好ましくは、140μmするのがよい。
The lower limit of the thickness of the
また、黒鉛シート6は、電子を通すが、リチウムイオンを通さない。したがって、固体電解質電池1を充電する際、発電要素5の正極材41から負極材42に移動するリチウムイオンを負極材42に留めることができる。そのため、黒鉛シート6は、リチウムイオンが発電要素5の正極材51に移動して放電することを防止することができる。
Further, the
黒鉛シート6は、上述の通り黒鉛を材料としているため、優れた導電性及び耐酸化性を有する。そのため、固体電解質電池1は、黒鉛シート6の酸化による腐食を抑制でき、導電性が経年劣化せず、優れた導電性を維持することができる。さらに、黒鉛シート6は、上述の通り、緩衝性を有する。そのため、発電要素4、5の充電及び放電による膨張及び収縮を吸収でき、発電要素4、5の損傷や隙間の形成による発電効率の低下を抑制することができる。
Since the
かかる構成の固体電解質電池1によれば、発電要素4と発電要素5の間に、黒鉛シート6を配置したことにより、複数の発電要素を直列に接続させても、優れた導電性を維持することができる。
According to the
(実施形態2)
次に、実施形態2の固体電解質電池1について説明する。この固体電解質電池1は、基本的な構成は上述の固体電解質電池1と同様である、ただし、外装缶2の底部21と発電要素4との間に炭素シート8を備える点と、封口缶3の平面部31と発電要素5との間に炭素シート9を備える点で上述の固定電解質電池1と異なる。そのため、この異なる点についてのみ詳しく説明する。
(Embodiment 2)
Next, the
炭素シート8は、外装缶2の底部21と、外装缶2の底部21に隣接する発電要素4との間に配置されている。炭素シート8の平面視形状は、固体電解質電池1の内部空間の平面視形状と略相似形状に形成されており、外装缶2の底部21の内面と接触している。すなわち、炭素シート8の周端は、封口缶3の周壁部32の内周に沿う。そのため、炭素シート8は、平面視略円形状に形成されている。なお、炭素シート8は、平面視略円形状に限られず、楕円形状、平面視略多角形状等、固体電解質電池1の平面視形状に応じて種々変更することができる。
The
本例では、炭素シート8は、上述の黒鉛シート6と同じである。そのため、炭素シート8は、導電性とともに緩衝性を有する。
In this example, the
炭素シート9は、封口缶3の平面部31と、封口缶3の平面部31に隣接する発電要素5との間に配置されている。炭素シート9の平面視形状は、固体電解質電池1の内部空間の平面視形状と略相似形状に形成されており、封口缶3の平面部31の内面と接触している。すなわち、炭素シート9の周端は、封口缶3の周壁部32の内周に沿う。そのため、炭素シート9は、平面視略円形状に形成されている。なお、炭素シート9は、平面視略円形状に限られず、楕円形状、平面視略多角形状等、固体電解質電池1の平面視形状に応じて種々変更することができる。
The carbon sheet 9 is arranged between the
本例では、炭素シート9は、上述の黒鉛シート6と同じである。そのため、炭素シート9は、導電性とともに緩衝性を有する。
In this example, the carbon sheet 9 is the same as the
一般的に、外装缶2と封口缶3とをカシメる際、外装缶2と封口缶3とによって形成された内部空間に収容された発電要素4と発電要素5、特に発電要素4には、所定のカシメ圧力がかかる。その際、このカシメ圧力が過剰にかかると、発電要素4と発電要素5に欠けや割れなどの損傷が生じるおそれがある。
Generally, when the
炭素シート8と炭素シート9は、上述の通り、緩衝性を有する。そのため、炭素シート8と炭素シート9は、上述の過剰なカシメ圧力を吸収することができ、発電要素4と発電要素5の損傷を抑制することができる。
As described above, the
炭素シート8と炭素シート9は、導電性とともに緩衝性を有していれば特に限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、炭素シート8又は炭素シート9として、導電性発泡基材を用いてもよく、また、繊維状物で構成された導電性多孔質シートを用いてもよい。導電性発泡基材、または、繊維状物で構成された導電性多孔質シートは、具体的には、多孔質金属シート、銅またはアルミニウムなどの金属製発泡基材、銅繊維シート、カーボンフェルト、カーボンナノチューブ繊維の織布または不織布、カーボン多孔体などである。
The
(実施形態3)
上述の実施形態1と実施形態2では、複数の発電要素は、発電要素4と発電要素5の2つの発電要素を直列に接続しているが、3つ以上の発電要素を直列に接続してもよい。これにより、より高電圧・高容量の固体電解質電池1を提供することができる。図3は、複数の発電要素として、4つの発電要素11、12、13、14を直列に接続した固体電解質電池1を示す。図3に示すように、4つの発電要素11、12、13、14の間には、黒鉛シート6が配置される。また、上述の実施形態2において、3つ以上(図3では4つ)の発電要素11、12、13、14を直列に接続する場合、3つ以上の発電要素のうち、外装缶2の底部21と外装缶2の底部21に隣接する発電要素11との間に、炭素シート8が配置されている。また、3つ以上(図3では4つ)の発電要素11、12、13、14のうち、封口缶3の平面部31に隣接する発電要素14と封口缶3の平面部31との間に、炭素シート9が配置されている。なお、図3に示す発電要素11、12、13、14は、3つ以上の発電要素を直列に接続した固体電解質電池1を説明するために、便宜上、符号11、12、13、14を付したものである。よって、発電要素11、12、13、14の構成は、発電要素4と発電要素5と同じである。すなわち、発電要素11、12、13、14は、正極材と負極材と固体電解質とを含み、固体電解質が正極材と負極材の間に配置されている。また、発電要素11、12、13、14はそれぞれ、外装缶2の底部21側から正極材、固体電解質、負極材の順で積層されている。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments described above, the plurality of power generation elements connect the two power generation elements of the power generation element 4 and the
以上、実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Although the embodiments have been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the embodiments.
1 固体電解質電池
2 外装缶、21 底部、22 筒状側壁部
3 封口缶、31 平面部、32 周壁部
4 発電要素、41 正極材、42 負極材、43 固体電解質
5 発電要素、51 正極材、52 負極材、53 固体電解質
6 黒鉛シート
7 ガスケット
8 炭素シート
9 炭素シート
1
Claims (2)
前記外装缶に対向する封口缶と、
前記外装缶と前記封口缶との間に収容され、直列に接続され、各々が正極材と負極材と前記正極材と前記負極材との間に配置された固体電解質とを含む複数の発電要素と、
前記複数の発電要素の間に配置された1又は複数の黒鉛シートとを備える、固体電解質電池。 With an outer can
The sealing can facing the outer can and
A plurality of power generation elements housed between the outer can and the sealing can, connected in series, each containing a positive electrode material, a negative electrode material, and a solid electrolyte disposed between the positive electrode material and the negative electrode material. When,
A solid electrolyte battery comprising one or a plurality of graphite sheets arranged between the plurality of power generation elements.
前記外装缶と前記外装缶に隣接する発電要素との間に配置された第1炭素シートと、
前記封口缶と前記封口缶に隣接する発電要素との間に配置された第2炭素シートとを備える、固体電解質電池。 The solid electrolyte battery according to claim 1, further
A first carbon sheet arranged between the outer can and a power generation element adjacent to the outer can,
A solid electrolyte battery comprising a second carbon sheet arranged between the sealing can and a power generation element adjacent to the sealing can.
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