JP5093666B2 - Lithium battery - Google Patents

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Description

本発明は、正極層と負極層と固体電解質層とを基材上に積層した積層体を外装容器に収納したリチウム電池に関するものである。特に、本発明は、積層体を外装容器に収納する際に、捲回したり折り返したりして積層体が局部的に屈曲する箇所（曲げ応力作用箇所）が生じた場合に、当該箇所における正・負極間の短絡を効果的に防止することができるリチウム電池に関するものである。   The present invention relates to a lithium battery in which a laminate in which a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer are laminated on a base material is housed in an outer container. In particular, when the laminate is wound or folded when the laminate is housed in the outer container, a location where the laminate is locally bent (bending stress acting location) is generated. The present invention relates to a lithium battery that can effectively prevent a short circuit between negative electrodes.

携帯機器といった比較的小型の電気機器の電源に、リチウム電池(一次電池および二次電池を含む)が利用されている。リチウム電池は、正極層および負極層（電極層）と、これら電極層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する電解質層とを備える。   Lithium batteries (including primary batteries and secondary batteries) are used as power sources for relatively small electric devices such as portable devices. The lithium battery includes a positive electrode layer, a negative electrode layer (electrode layer), and an electrolyte layer that mediates conduction of lithium ions between these electrode layers.

近年、このリチウム電池として、正・負極層間のリチウムの伝導に有機電解液を用いない全固体型リチウム電池が提案されている。全固体型リチウム電池は、正極（正極層と正極集電体を含む）と負極（負極層と負極集電体を含む）と固体電解質層（以下、SE層とする）とを積層した積層体を外装容器に収納した構成が一般的である。このリチウム電池は、有機溶媒系の電解液を用いることに伴う問題、例えば、電解液の漏れによる安全性の問題などを解消することができる。また、SE層を用いた全固体型リチウム電池は、電池の充放電に伴って負極層から正極層に成長する針状の結晶（以下、デンドライトとする）をSE層で物理的に押さえつけて、両電極間の短絡を防止する効果も有する。   In recent years, an all solid-state lithium battery that does not use an organic electrolyte for conducting lithium between positive and negative electrode layers has been proposed. An all solid-state lithium battery is a laminate in which a positive electrode (including a positive electrode layer and a positive electrode current collector), a negative electrode (including a negative electrode layer and a negative electrode current collector), and a solid electrolyte layer (hereinafter referred to as an SE layer) are stacked. Is generally housed in an outer container. This lithium battery can solve problems associated with the use of an organic solvent-based electrolyte, for example, a safety problem due to leakage of the electrolyte. In addition, an all solid-state lithium battery using an SE layer physically presses needle-like crystals (hereinafter referred to as dendrites) that grow from the negative electrode layer to the positive electrode layer as the battery is charged and discharged, with the SE layer, It also has an effect of preventing a short circuit between both electrodes.

ところで、リチウム電池の外装容器の形状は、電池の用途に応じて種々の形態をとり得る。例えば、箱型や円筒型のリチウム電池が知られており、これらの形態に合わせて、正極層、負極層およびSE層を基材上に積層した積層体を捲回したり折り曲げたりして外装容器に収納することが行われている。このとき、積層体には局所的に屈曲され、曲げ応力が強く作用する箇所（以下、曲げ応力作用箇所とする）ができ、この箇所において積層体に損傷が生じることがあった。このような問題点を解決するために、例えば、上記曲げ応力作用箇所において正極層と負極層がそれぞれ分断されている箇所（未塗布部）を形成し、この未塗布部を絶縁体や固体電解質で埋めたリチウム電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   By the way, the shape of the outer container of a lithium battery can take various forms according to the use of the battery. For example, a box-type or cylindrical-type lithium battery is known, and an outer container is formed by winding or bending a laminate in which a positive electrode layer, a negative electrode layer, and an SE layer are laminated on a base material in accordance with these forms. It is done to be stored in. At this time, the laminated body is locally bent and a portion where bending stress acts strongly (hereinafter referred to as a bending stress acting portion) is generated, and the laminated body may be damaged at this location. In order to solve such a problem, for example, a portion where the positive electrode layer and the negative electrode layer are divided (uncoated portion) is formed in the bending stress acting portion, and the uncoated portion is formed as an insulator or a solid electrolyte. Lithium batteries filled with (see, for example, Patent Document 1) have been proposed.

特開２００１−１７６５５２号公報JP 2001-176552 A

しかし、未塗布部を絶縁体や固体電解質で埋めたリチウム電池では、以下に示すような問題があった。なお、以下の説明において参照する図３、４では、SE層30と負極層40との間を空けて図示する。   However, the lithium battery in which the uncoated part is filled with an insulator or a solid electrolyte has the following problems. 3 and 4 referred to in the following description, the SE layer 30 and the negative electrode layer 40 are illustrated with a space therebetween.

［１］ 分断箇所を絶縁体で埋める場合
分断箇所を絶縁体で埋める場合、代表的には、図３に示すようにリチウム電池100を構成する。このリチウム電池100は、基材（正極集電体を兼ねる）10と、正極層20と、SE層30と、負極層40と、負極集電体50とを積層し、曲げ応力作用箇所Rで正極層20と負極層40が分断されており、この分断箇所を埋めるように絶縁体60が配置される。このような構成を備えるリチウム電池100において、分断箇所に絶縁体60を配置するには、絶縁テープを貼り付けるテープ貼り、絶縁材料を塗布あるいはマスク蒸着するなどの手法が考えられる。しかし、テープ貼り、塗布およびマスク蒸着のいずれを利用しても、絶縁体60の位置に誤差が生じ易く、絶縁体60と電極層20,40やSE層30の分断端との間に隙間SPが生じることがある。隙間SPが生じると、この隙間SPにデンドライトが成長して正・負極層間の短絡が生じる虞がある。また、隙間SPが生じないように絶縁体60を大きめに形成すると、分断箇所以外にも絶縁体60が設けられることになり、積層体の厚みが局所的に厚くなり、その近傍の厚みの薄い箇所に曲げ応力が集中して積層体に損傷を生じる虞がある。 [1] In the case where the divided portion is filled with an insulator When the divided portion is filled with an insulator, typically, the lithium battery 100 is configured as shown in FIG. This lithium battery 100 is formed by laminating a base material (also serving as a positive electrode current collector) 10, a positive electrode layer 20, an SE layer 30, a negative electrode layer 40, and a negative electrode current collector 50. The positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 are divided, and the insulator 60 is disposed so as to fill up the divided portion. In the lithium battery 100 having such a configuration, in order to dispose the insulator 60 at the part to be divided, a method such as tape attachment for applying an insulation tape, application of an insulating material, or mask vapor deposition may be considered. However, using any of tape application, coating, and mask vapor deposition, errors in the position of the insulator 60 are likely to occur, and there is a gap between the insulator 60 and the split ends of the electrode layers 20, 40 and the SE layer 30. SP may occur. When the gap SP is generated, dendrites may grow in the gap SP and a short circuit between the positive and negative electrode layers may occur. In addition, if the insulator 60 is formed to be large so that the gap SP does not occur, the insulator 60 is provided in addition to the part to be divided, and the thickness of the laminated body becomes locally thick, and the thickness in the vicinity thereof is thin. There is a possibility that bending stress concentrates on the location and damages the laminate.

［２］ 分断箇所を固体電解質で埋める場合
分断箇所を固体電解質で埋める場合、代表的には、図４に示すようにリチウム電池200を構成する。この場合、正極層20と負極層40とを離隔するSE層30が、電極層20の分断箇所にまで延長して形成され、この分断箇所を埋めている。しかし、SE層30は、セラミック系粉末をプレスしたり塗布したりして形成されることが一般的であり、構造的にも材質的にも脆いため、曲げによる損傷が生じ易く、正極（正極集電体である基材10）と負極（負極集電体50）とが直接接触することによる短絡が生じる虞がある。 [2] Case of Filling Divided Part with Solid Electrolyte When filling the divided part with solid electrolyte, typically, lithium battery 200 is configured as shown in FIG. In this case, the SE layer 30 that separates the positive electrode layer 20 and the negative electrode layer 40 is formed so as to extend to the divided portion of the electrode layer 20, and fills this divided portion. However, the SE layer 30 is generally formed by pressing or applying a ceramic powder, and since it is brittle in terms of structure and material, it is easily damaged by bending. There is a possibility that a short circuit may occur due to direct contact between the current collector base material 10) and the negative electrode (negative electrode current collector 50).

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、電極層とSE層を積層した積層体を捲回したり折り曲げたりして外装容器に収納した場合でも、正・負極間の短絡を効果的に防止することができるリチウム電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is that even when a laminate in which an electrode layer and an SE layer are stacked is wound or bent and stored in an outer container, An object of the present invention is to provide a lithium battery that can effectively prevent a short circuit between negative electrodes.

本発明リチウム電池は、リチウムを吸蔵・放出する正極層および負極層と、これら電極層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層（SE層）とを積層した積層体を外装容器に収納したリチウム電池であって、前記積層体は、この積層体を外装容器に収納する際に局所的に屈曲する箇所に、少なくとも一方の電極層が部分的に存在しない電極分断部を備える。そして、このリチウム電池は、前記電極分断部の中央部に絶縁体が配置されており、当該電極分断部における電極層と固体電解質層と絶縁体との合計厚さが、電極分断部以外における電極層と固体電解質層との合計厚さ以下であることを特徴とする。なお、電極分断部において、正・負極層の両方が分断されている場合、電極分断部の合計厚さは、固体電解質層と絶縁体との合計厚さである。   The lithium battery of the present invention accommodates a laminate in which an anode container occludes / releases lithium and a solid electrolyte layer (SE layer) that mediates lithium ion conduction between these electrode layers in an outer container In the lithium battery, the laminated body includes an electrode dividing portion in which at least one of the electrode layers does not partially exist at a location where the laminated body is locally bent when the laminated body is housed in an exterior container. In this lithium battery, an insulator is arranged at the center of the electrode dividing part, and the total thickness of the electrode layer, the solid electrolyte layer, and the insulator in the electrode dividing part is an electrode other than the electrode dividing part. The total thickness of the layer and the solid electrolyte layer is less than the total thickness. When both the positive and negative electrode layers are divided at the electrode dividing portion, the total thickness of the electrode dividing portion is the total thickness of the solid electrolyte layer and the insulator.

積層体において局所的に屈曲する箇所（曲げ応力作用箇所）としては、積層体を折りたたんだ曲げ部や積層体を楕円状に捲回したときの長軸の端部などを挙げることができ、曲げが始まる位置から曲げが終わる位置までを指す。電極層を分断して形成される電極分断部は、曲げ応力作用箇所よりも広くても狭くても同じでも良い。また、電極分断部の中央部は、隣接する電極層の分断片の対向する端面から等しい距離にある中間位置を含む所定の領域を指す。具体的には、前記中間位置を中央とする0.1mm〜10mmの領域もしくは曲げ半径が5mm以下の領域の全てである。   Examples of the locally bent portion (bending stress acting portion) in the laminated body include a bent portion where the laminated body is folded and an end portion of a long axis when the laminated body is wound in an elliptical shape. It refers to the position from where the bending starts to where bending ends. The electrode dividing portion formed by dividing the electrode layer may be wider or narrower than the bending stress acting portion. Moreover, the center part of an electrode parting part points out the predetermined | prescribed area | region including the intermediate position in the equal distance from the opposing end surface of the fragment piece of an adjacent electrode layer. Specifically, it is all the region of 0.1 mm to 10 mm centered on the intermediate position or the region of bending radius of 5 mm or less.

本発明の構成とすることにより、積層体の電極分断部において電極層同士が対向していないので、電極分断部の積層方向に電池反応がおこらない。そのため、電極分断部においてSE層に損傷が生じたとしてもデンドライトに起因する正・負極間の短絡を防止することができる。また、本発明の構成では、電極分断部の中央部における電極層とSE層と絶縁体の合計厚みを電極分断部以外の電極層とSE層の合計厚み以下にしているので、曲げ応力が最も強く作用する箇所を、電極分断部の中央位置とその近傍を含む中央部とすることができる。つまり、中央部の位置でSE層が最も損傷し易くなるが、本発明では、中央部に絶縁体が配置されているので、仮にSE層が損傷した場合でも正極と負極とが直接接触することも回避できる。なお、絶縁体は、後述するように、曲げによる損傷が生じない程度の可撓性を有するもので構成すると良い。   By setting it as the structure of this invention, since electrode layers do not oppose in the electrode parting part of a laminated body, a battery reaction does not occur in the lamination direction of an electrode parting part. Therefore, even if the SE layer is damaged at the electrode dividing portion, it is possible to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode due to dendrites. In the configuration of the present invention, since the total thickness of the electrode layer, the SE layer, and the insulator in the central portion of the electrode dividing portion is set to be equal to or less than the total thickness of the electrode layer and the SE layer other than the electrode dividing portion, the bending stress is the highest. The location which acts strongly can be a central portion including the central position of the electrode dividing portion and its vicinity. That is, the SE layer is most easily damaged at the position of the central portion, but in the present invention, since the insulator is arranged at the central portion, the positive electrode and the negative electrode are in direct contact even if the SE layer is damaged. Can also be avoided. Note that the insulator is preferably made of a flexible material that does not cause damage due to bending, as will be described later.

本発明リチウム電池において、積層方向における絶縁体の位置は、曲げの内側であることが好ましい。ここで、リチウム電池の負極層は金属元素または金属元素のみからなる合金などで形成されることが多く、可撓性に優れるので、負極層を曲げの内側として、積層体を折り曲げることが一般的である。従って、本発明リチウム電池における絶縁体の配置位置は、負極層側とすることが好ましい。具体例としては、例えば、曲げ応力作用箇所において正極層が分断されている場合、電極分断部の中央部の位置でSE層と負極層との間に絶縁体を設けることが挙げられる。また、曲げ応力作用箇所において負極層が分断されている場合、前記中央部の位置でSE層上の負極層側に絶縁体を設けることが挙げられる。このような絶縁体は、曲げ応力に耐え得る可撓性を有する材質、例えば樹脂材料で構成することが好ましい。もちろん、正極層と負極層の両方を曲げ応力作用箇所で分断する構成としても良く、この場合もSE層上の負極層側に絶縁体を設けることが好ましい。なお、絶縁体は、SE層による絶縁とデンドライトの抑制を補助するものであるので、絶縁体とこの絶縁体に対して積層方向に接する層との間に多少の隙間が形成されることは許容される。   In the lithium battery of the present invention, the position of the insulator in the stacking direction is preferably inside the bend. Here, the negative electrode layer of a lithium battery is often formed of a metal element or an alloy made of only a metal element, and is excellent in flexibility. Therefore, it is common to fold a laminate with the negative electrode layer as an inner side of bending. It is. Therefore, the position of the insulator in the lithium battery of the present invention is preferably on the negative electrode layer side. As a specific example, for example, when the positive electrode layer is divided at a bending stress acting location, an insulator may be provided between the SE layer and the negative electrode layer at the center position of the electrode dividing portion. Moreover, when the negative electrode layer is divided at the bending stress acting location, an insulator may be provided on the negative electrode layer side on the SE layer at the position of the central portion. Such an insulator is preferably made of a flexible material that can withstand bending stress, such as a resin material. Of course, both the positive electrode layer and the negative electrode layer may be divided at the bending stress acting place, and also in this case, it is preferable to provide an insulator on the negative electrode layer side on the SE layer. Note that since the insulator assists insulation by the SE layer and dendrite suppression, it is permissible for a slight gap to be formed between the insulator and the layer in contact with the insulator in the stacking direction. Is done.

また、本発明リチウム電池において、電極分断部におけるSE層は、電極層の分断端側が厚く、中央部が薄く形成されていることが好ましい。このような構成によれば、曲げ応力の最も強く作用する箇所をほぼ中央部に限定することができる。そのため、仮に積層体を曲げたことによりSE層に損傷が生じたとしても、その損傷箇所は、中央部にほぼ限定される。ここで、本発明リチウム電池では、中央部には絶縁体が配置されているため、この絶縁体によりSE層の損傷部を確実に覆うことができる。   In the lithium battery of the present invention, the SE layer in the electrode dividing portion is preferably formed such that the dividing end side of the electrode layer is thick and the central portion is thin. According to such a configuration, it is possible to limit the location where the bending stress is most strongly applied to the substantially central portion. Therefore, even if the SE layer is damaged by bending the laminate, the damaged portion is almost limited to the central portion. Here, in the lithium battery of the present invention, since the insulator is disposed in the central portion, the damaged portion of the SE layer can be reliably covered with this insulator.

また、本発明リチウム電池の構成では、正極層と負極層のいずれを分断する構成としてもかまわないことは既に述べたが、正極層と負極層のいずれか一方を分断する場合、正極層を分断することが好ましい。これは、既に述べたように、負極層が金属または金属元素のみからなる合金で形成される場合が多いため可撓性に優れる一方で、正極層は構造的、材質的に脆い場合が多いからである。電極層を電極分断部で分断することで形成される分断片は、例えば、集電体などで電気的に接続すると良い。正極層と負極層の両方を分断する場合も、各層の分断片は、集電体などで互いに電気的に接続するようにすると良い。   Moreover, in the configuration of the lithium battery of the present invention, it has already been described that either the positive electrode layer or the negative electrode layer may be divided. However, when either the positive electrode layer or the negative electrode layer is divided, the positive electrode layer is divided. It is preferable to do. This is because, as described above, the negative electrode layer is often formed of a metal or an alloy composed only of a metal element, and thus is excellent in flexibility, while the positive electrode layer is often brittle in structure and material. It is. For example, the fragment formed by dividing the electrode layer at the electrode dividing portion may be electrically connected by a current collector or the like. Even when both the positive electrode layer and the negative electrode layer are divided, it is preferable that the divided pieces of each layer are electrically connected to each other by a current collector or the like.

本発明リチウム電池は、積層体の曲げ応力作用箇所に少なくとも正・負いずれかの電極層が分断されて、対向する電極層が存在しない電極分断部を有するので、電極分断部の位置でSE層に損傷が生じたとしても、デンドライトに起因する正・負極間の短絡を防止することができる。また、電極分断部の中央部における電極層とSE層と絶縁体の合計厚みを電極分断部以外の電極層とSE層の合計厚み以下にしているので、曲げ応力が最も強く作用する箇所を当該中央部にほぼ限定することができ、その結果、SE層に損傷が生じる位置も当該中央部にほぼ限定することができる。ここで、本発明リチウム電池では、SE層に損傷が生じ易い中央部に絶縁体が配置されているので、より効果的に電極間の短絡を防止することができる。   Since the lithium battery of the present invention has an electrode dividing portion where at least one of the positive and negative electrode layers is divided at the bending stress acting portion of the laminate and there is no opposing electrode layer, the SE layer is located at the position of the electrode dividing portion. Even if damage is caused, a short circuit between the positive and negative electrodes due to dendrites can be prevented. In addition, since the total thickness of the electrode layer, SE layer, and insulator in the central portion of the electrode dividing portion is set to be equal to or less than the total thickness of the electrode layer and SE layer other than the electrode dividing portion, the location where the bending stress acts most strongly As a result, the position where the SE layer is damaged can be substantially limited to the central portion. Here, in the lithium battery of the present invention, since the insulator is disposed in the central portion where the SE layer is likely to be damaged, a short circuit between the electrodes can be more effectively prevented.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

≪リチウム電池の全体構成≫
図１は、リチウム電池の積層体1を外装容器に収納する前の状態を示す。リチウム電池の積層体1は、正極層、固体電解質層（SE層）、負極層の順に基材上に積層した積層体を負極層が内側になるように捲回して外装容器に収納したリチウム電池である。この電池の積層体1は、外装容器に収納するにあたって折りたたまれるように曲げられる箇所が存在し、この折り曲げられる箇所には大きな曲げ応力が作用するため（以下、この曲げられる箇所を曲げ応力作用箇所R1〜R5とする）、積層体1が損傷する虞がある。これら曲げ応力作用箇所R1〜R5のうち、最も内周側にある曲げ応力作用箇所R5は、曲げ半径が最小になるので、当該箇所R5に最も強い曲げ応力が作用する。例えば、携帯電話などの用途に使用するリチウム電池の積層体1であれば、紙面横方向の長さが約30mm、縦方向の長さが約4mmであり、曲げ応力作用箇所R5の曲げ半径は0.3mmになる。 ≪Overall configuration of lithium battery≫
FIG. 1 shows a state before the laminated body 1 of the lithium battery is stored in the outer container. The lithium battery laminate 1 is a lithium battery in which a laminate obtained by laminating a positive electrode layer, a solid electrolyte layer (SE layer), and a negative electrode layer in this order on a base material is wound so that the negative electrode layer is on the inside and stored in an outer container. It is. The battery stack 1 has a portion that is bent so as to be folded when stored in the outer container, and a large bending stress acts on the bent portion (hereinafter, this bent portion is referred to as a bending stress acting portion). R1 to R5), the laminate 1 may be damaged. Among these bending stress acting locations R1 to R5, the bending stress acting location R5 located on the innermost peripheral side has the smallest bending radius, so that the strongest bending stress acts on the location R5. For example, in the case of a laminated body 1 of a lithium battery used for a mobile phone or the like, the length in the horizontal direction of the paper is about 30 mm, the length in the vertical direction is about 4 mm, and the bending radius of the bending stress acting location R5 is 0.3mm.

そこで、本発明では、曲げ応力作用箇所R（R1〜R5）において、正極層を部分的に設けないことで正極層を分断した構成とすると共に、この分断箇所に絶縁体を配置した。以下、曲げ応力作用箇所Rの詳細について説明すると共に、リチウム電池に備わる各層の好ましい態様について基材側から順に詳細に説明する。   Therefore, in the present invention, the positive electrode layer is divided by not providing the positive electrode layer partially at the bending stress acting point R (R1 to R5), and an insulator is disposed at the divided point. Hereinafter, the details of the bending stress acting portion R will be described, and preferable modes of the respective layers included in the lithium battery will be described in detail in order from the substrate side.

≪曲げ応力作用箇所の詳細≫
図２は、積層体1のうち、曲げ応力作用箇所Rの拡大断面図である。図２に示すように、本実施形態のリチウム電池を構成する積層体1は、基材10上に形成される正極層20が、曲げ応力作用箇所Rにおいて分断されることで形成される電極分断部を有する。また、この正極層20と、正極層20が形成されていない基材10とを覆うようにSE層30が形成され、SE層30における電極分断部に対応する位置に絶縁体60が配置されている。さらに、SE層30および絶縁体60を覆うように負極層40が設けられている。なお、図２においては、SE層30と負極層40とが離れて図示されているが、実際には負極層40がSE層30に密着して形成されている。 ≪Details of bending stress action point≫
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the bending stress acting location R in the laminate 1. As shown in FIG. 2, the laminate 1 constituting the lithium battery of the present embodiment is divided into electrodes formed by dividing the positive electrode layer 20 formed on the base material 10 at the bending stress acting location R. Part. Further, the SE layer 30 is formed so as to cover the positive electrode layer 20 and the base material 10 on which the positive electrode layer 20 is not formed, and the insulator 60 is disposed at a position corresponding to the electrode dividing portion in the SE layer 30. Yes. Further, a negative electrode layer 40 is provided so as to cover the SE layer 30 and the insulator 60. In FIG. 2, the SE layer 30 and the negative electrode layer 40 are illustrated apart from each other, but actually, the negative electrode layer 40 is formed in close contact with the SE layer 30.

また、図２では、分断される左右の正極層20の分断端から等しい距離に一点鎖線を引いている。この一点鎖線を含む所定幅の領域、例えば、一点鎖線を中心とした0.1mm〜10mmの領域もしくは曲げ半径が5mm以下の領域が電極分断部の中央部である。   In FIG. 2, a one-dot chain line is drawn at an equal distance from the divided ends of the left and right positive electrode layers 20 to be divided. A region having a predetermined width including the one-dot chain line, for example, a region of 0.1 mm to 10 mm centered on the one-dot chain line or a region having a bending radius of 5 mm or less is the central portion of the electrode dividing portion.

電極分断部を有する構成は、換言すれば、曲げ応力作用箇所Rにおいて、積層体1の各層の積層方向に正極層20が存在しない構成であり、当該箇所Rにおいて積層方向に電池反応がおこらない。そのため、この積層体1を使用すれば、当該箇所Rにおいて曲げ応力によりSE層30に亀裂などの損傷が生じたとしても、デンドライトに起因する短絡が生じないリチウム電池とすることができる。   In other words, the configuration having the electrode dividing portion is a configuration in which the positive electrode layer 20 does not exist in the stacking direction of each layer of the laminate 1 at the bending stress acting location R, and the battery reaction does not occur in the stacking direction at the location R. . Therefore, if this laminate 1 is used, even if the SE layer 30 is damaged by bending stress at the location R, a lithium battery that does not cause a short circuit due to dendrites can be obtained.

また、積層体1を折り曲げたとき、電極分断部の中央部の位置に最も曲げ応力が集中して、SE層30に亀裂などの損傷が生じ易いが、この中央部に絶縁体60が配置されていれば、負極層40と正極集電体である基板10との直接接触による短絡を効果的に防止することができる。この絶縁体60は、前記中央部に配置されていれば短絡の抑制効果を発揮するので、高い位置決め精度を要求されることはないし、絶縁体60と絶縁体60に隣接する層との間に多少の隙間があっても許容される。従って、絶縁体60の配置を容易におこなうことができる。   Further, when the laminate 1 is bent, the bending stress is concentrated most at the center position of the electrode dividing portion, and the SE layer 30 is liable to be damaged, such as a crack, but the insulator 60 is disposed at the center portion. In this case, it is possible to effectively prevent a short circuit due to direct contact between the negative electrode layer 40 and the substrate 10 that is the positive electrode current collector. If the insulator 60 is disposed at the central portion, it exhibits a short-circuit suppressing effect, so that high positioning accuracy is not required, and between the insulator 60 and the layer adjacent to the insulator 60 is not required. Even a slight gap is allowed. Therefore, the insulator 60 can be easily arranged.

ところで、上記曲げ応力作用箇所Rは、積層体1を収納する外装容器の形状や積層体1をどのように捲回するかを決めておくことにより、特定することができる。そのため、この箇所Rにおいて限定的に正極層20を分断する構成とできる。分断箇所を限定することで、積層体1に占める正極層20の体積が減少することによる電池の容量の低下を最小限に抑えられる。   By the way, the bending stress acting location R can be specified by determining the shape of the outer container that houses the laminate 1 and how the laminate 1 is wound. Therefore, the positive electrode layer 20 can be divided in a limited manner at this location R. By limiting the parting location, a reduction in battery capacity due to a decrease in the volume of the positive electrode layer 20 in the laminate 1 can be minimized.

ここで、本実施形態において正極層20を分断しているのは、正極層20が捲回の外側に位置しているため、正極層20に引っ張り応力が作用し、その応力がSE層30に作用することでSE層30が損傷し易いからである。また、後述するように正極層20が粉体成形等で形成されている場合、引っ張り応力に弱いことも、曲げの外側にある正極層20を分断している理由である。もちろん、積層体の各層の材料を適正に選択することにより、負極層を分断する構成としても良いし、負極層が捲回の外側になるように積層体を捲回してもかまわない。   Here, in the present embodiment, the positive electrode layer 20 is divided because the positive electrode layer 20 is located outside the winding, so that a tensile stress acts on the positive electrode layer 20, and the stress is applied to the SE layer 30. This is because the SE layer 30 is easily damaged by the action. In addition, when the positive electrode layer 20 is formed by powder molding or the like as will be described later, the fact that it is weak against tensile stress is also the reason for dividing the positive electrode layer 20 outside the bend. Of course, the negative electrode layer may be divided by appropriately selecting the material of each layer of the laminate, or the laminate may be wound so that the negative electrode layer is outside the winding.

また、図２に示すように、正極層20上のSE層30の厚さと、曲げ応力作用箇所RにおけるSE層30の厚さとがほぼ同じに形成されている。つまり、正極層20とSE層30とが面一になっておらず、当該箇所RにおいてSE層30が凹んだようになっている。このように形成している理由は、SE層30が厚いと曲げ応力に対してSE層30が損傷し易いためである。また、当該箇所Rが凹状であると、曲げ易いこともSE層30を上記のように形成している理由である。   Further, as shown in FIG. 2, the thickness of the SE layer 30 on the positive electrode layer 20 and the thickness of the SE layer 30 at the bending stress acting location R are formed to be substantially the same. That is, the positive electrode layer 20 and the SE layer 30 are not flush with each other, and the SE layer 30 is recessed at the location R. The reason why it is formed in this manner is that when the SE layer 30 is thick, the SE layer 30 is easily damaged by bending stress. In addition, if the portion R is concave, it is easy to bend that is why the SE layer 30 is formed as described above.

本実施形態の構成によれば、積層体1を曲げ応力作用箇所Rの位置で曲げたときに、中央部でSE層30に亀裂などが生じた場合でも、中央部を覆う絶縁体により、電池の短絡を効果的に防止することができる。さらに、この構成では、上述したように絶縁体60の配置が容易で、しかも、配置の際に厳密な位置決め精度を要求されないので、生産性が良い。   According to the configuration of the present embodiment, when the laminate 1 is bent at the position of the bending stress application point R, even if a crack or the like occurs in the SE layer 30 at the center, the insulator covers the center, Can be effectively prevented. Furthermore, in this configuration, as described above, the insulator 60 can be easily arranged, and the positioning accuracy is not required at the time of arrangement, so that the productivity is good.

≪各構成部材≫
（基材）
本実施形態では、シート上の絶縁部材の一面に正極集電体となる金属膜を形成したものを基材10として使用した。絶縁部材は、可撓性を有する部材で構成することが好ましく、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)などを使用することができる。また、正極集電体となる金属膜としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が好適に利用できる。正極集電体は、分断される正極層の各分断片を電気的に結合するように形成する。例えば、正極集電体は、分断箇所のない一枚のシート状としても良いし、正極層と同じように分断された分断片が基材の端部で一つに連結された櫛歯状にしても良い。この金属膜からなる集電体は、例えば、PVD法やCVD法により形成することができる。PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。特に、所定のパターンに集電体を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、絶縁部材上に、容易に所定のパターンの集電体を形成することができる。 ≪Each component≫
(Base material)
In the present embodiment, the substrate 10 is formed by forming a metal film serving as a positive electrode current collector on one surface of the insulating member on the sheet. The insulating member is preferably composed of a flexible member, and for example, polyphenylene sulfide (PPS) can be used. Further, as the metal film serving as the positive electrode current collector, one selected from aluminum (Al), nickel (Ni), alloys thereof, and stainless steel can be suitably used. The positive electrode current collector is formed so as to electrically couple the divided pieces of the positive electrode layer to be divided. For example, the positive electrode current collector may be in the form of a single sheet with no parting, or in the form of comb teeth in which the divided pieces are connected together at the end of the substrate in the same manner as the positive electrode layer. May be. The current collector made of this metal film can be formed by, for example, a PVD method or a CVD method. Examples of the PVD method include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a laser ablation method. Examples of the CVD method include a thermal CVD method and a plasma CVD method. In particular, when the current collector is formed in a predetermined pattern, the current collector having a predetermined pattern can be easily formed on the insulating member by using an appropriate mask.

（正極層）
正極層は、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ある。正極層に含まれる活物質としては、酸化物、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO4)またはLiNi0.5Mn0.5O2など、若しくはこれらの混合物を好適に使用することができる。正極層は、さらに導電助剤を含んでいても良い。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラックといったカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、酸化ルテニウム、酸化チタン、アルミニウムやニッケルなどの金属繊維からなるものが利用できる。特に、カーボンブラックは、少量で高い導電性を確保できて好ましい。 (Positive electrode layer)
The positive electrode layer is a layer containing an active material that occludes and releases lithium ions. Active materials contained in the positive electrode layer include oxides such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), and olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ). Alternatively, LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 or a mixture thereof can be preferably used. The positive electrode layer may further contain a conductive additive. As a conductive support agent, what consists of metal fibers, such as carbon black, such as acetylene black, natural graphite, thermal expansion graphite, carbon fiber, ruthenium oxide, titanium oxide, aluminum, and nickel, can be utilized, for example. In particular, carbon black is preferable because it can secure high conductivity in a small amount.

上述した正極層の形成方法としては、PVD法やCVD法などの乾式法を使用できる。また、正極層の形成方法として、例えば、塗布法などの湿式法を使用することもでき、この場合、正極層に含まれる活物質や導電助剤などを結着する結着剤を利用しても良い。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）や、ポリフッ化ビニリデン（PVdF）などを使用することができる。   As a method for forming the positive electrode layer, a dry method such as a PVD method or a CVD method can be used. Further, as a method for forming the positive electrode layer, for example, a wet method such as a coating method can be used. In this case, a binding agent that binds an active material or a conductive auxiliary agent included in the positive electrode layer is used. Also good. As such a binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), or the like can be used.

正極層の形成にあたっては、曲げ応力作用箇所Rにおいて正極層が形成されないように当該箇所Rにマスクなどをすれば良い。ここで、既に述べたように、曲げ応力作用箇所Rは、積層体1をどのような形状の外装容器に収納するか、どのような捲回状態で収納するかといった点を考慮すれば、正極層の形成前に予め特定することができる。   In forming the positive electrode layer, a mask or the like may be provided at the portion R so that the positive electrode layer is not formed at the bending stress acting portion R. Here, as already described, the bending stress acting location R is positive electrode in consideration of the shape of the laminated body 1 to be stored in the outer packaging container and the winding state. It can be specified in advance before forming the layer.

（SE層）
SE層は、正・負極間でリチウムイオンの伝導を媒介する層である。このSE層は、リチウムイオン伝導度(20℃)が10-5S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.999以上であることが好ましい。特に、リチウムイオン伝導度が10-4S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.9999以上であれば良い。また、SE層は、電子伝導率が10-8S/cm以下であることが好ましい。SE層の材質としては、硫化物、例えば、Li、P、S、OからなるLi-P-S-Oや、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sのアモルファス膜あるいは多結晶膜などで構成することが好ましい。特に、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sで構成したSE層とすると、このSE層と負活物質層との間の界面抵抗値を低下させることができ、その結果、電池の性能を向上させることができる。 (SE layer)
The SE layer is a layer that mediates lithium ion conduction between the positive and negative electrodes. This SE layer preferably has a lithium ion conductivity (20 ° C.) of 10 −5 S / cm or more and a lithium ion transport number of 0.999 or more. In particular, the lithium ion conductivity may be 10 −4 S / cm or more and the Li ion transport number may be 0.9999 or more. The SE layer preferably has an electronic conductivity of 10 −8 S / cm or less. The SE layer is composed of sulfide, for example, Li-PSO composed of Li, P, S, O, Li-PS amorphous film or polycrystalline film composed of Li 2 S and P 2 S 5 It is preferable to do. In particular, when the SE layer is composed of Li-PS composed of Li 2 S and P 2 S 5 , the interface resistance value between the SE layer and the negative active material layer can be reduced. Performance can be improved.

上記SE層には、リチウム含有塩を溶解したイオン液体を含浸させても良い。SE層にイオン液体を含浸させることで、SE層の形成過程でSE層に積層方向のピンホールが生じた場合でも正・負極間の短絡を防止できる。   The SE layer may be impregnated with an ionic liquid in which a lithium-containing salt is dissolved. By impregnating the SE layer with an ionic liquid, it is possible to prevent a short circuit between the positive and negative electrodes even when a pinhole in the stacking direction is generated in the SE layer in the process of forming the SE layer.

SE層の形成方法としては、固相法や気相蒸着法を使用することができる。固相法としては、例えば、メカニカルミリング法を使用して原料粉末を作製し、この原料粉末を焼結して形成することが挙げられる。一方、気相蒸着法としては、例えば、上記原料粉末をPVD法やCVD法などにより蒸着することが挙げられる。気相蒸着法によりSE層を形成した場合、固相法によりSE層を形成した場合よりも、SE層の厚さを薄くすることができる。   As a method for forming the SE layer, a solid phase method or a vapor deposition method can be used. Examples of the solid phase method include forming a raw material powder using a mechanical milling method and sintering the raw material powder. On the other hand, examples of the vapor deposition method include vapor deposition of the raw material powder by a PVD method, a CVD method, or the like. When the SE layer is formed by the vapor deposition method, the thickness of the SE layer can be made thinner than when the SE layer is formed by the solid phase method.

（絶縁体）
絶縁体は、高い絶縁性（具体的には、体積固有抵抗が1×1012Ω・cm以上が好ましい）を有していれば良く、好ましくは、曲げられても亀裂・破断などの不具合が生じない可撓性を有するものを利用する。例えば、絶縁体としては、基材に用いた材料や、シリコンシーラント、エポキシ塗料、あるいは各種絶縁テープなどを利用できる。特に、シリコンシーラントやエポキシ塗料のようにゲル状のもので絶縁体60を形成する場合、これらをSE層30の上に塗布すれば良く、絶縁体60と他層との間に隙間が形成され難い。この場合、絶縁体60の上に形成される負極層40は、薄膜をSE層30と絶縁体60の上に圧着するようにして形成すれば良い。 (Insulator)
The insulator only needs to have a high insulating property (specifically, a volume resistivity of 1 × 10 12 Ω · cm or more is preferable). A flexible material that does not occur is used. For example, as the insulator, the material used for the base material, silicon sealant, epoxy paint, various insulating tapes, or the like can be used. In particular, when the insulator 60 is formed of a gel-like material such as silicon sealant or epoxy paint, these may be applied on the SE layer 30, and a gap is formed between the insulator 60 and another layer. hard. In this case, the negative electrode layer 40 formed on the insulator 60 may be formed by pressing a thin film on the SE layer 30 and the insulator 60.

（負極層）
負極層は、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する。例えば、負極層として、Li金属及びLi金属と合金を形成することのできる元素よりなる群より選ばれる１つ、若しくはこれらの混合物又は合金が好適に使用できる。Liと合金を形成することのできる元素としては、例えば、アルミニウム(Al)やシリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、シリコン(Si)、グラファイト(黒鉛；C)など（以下、合金化材料という）が挙げられる。これらの元素からなる負極は、SE層を構成する材料に比べて可撓性に富むので、積層体の捲回の外側よりも曲げ半径が小さな捲回の内側に配置されていても損傷し難い。 (Negative electrode layer)
The negative electrode layer is composed of a layer containing an active material that occludes and releases lithium ions. For example, as the negative electrode layer, one selected from the group consisting of Li metal and an element capable of forming an alloy with Li metal, or a mixture or alloy thereof can be preferably used. Examples of elements that can form an alloy with Li include, for example, aluminum (Al), silicon (Si), tin (Sn), bismuth (Bi), indium (In), silicon (Si), graphite (graphite; C ) (Hereinafter referred to as alloying material). Since the negative electrode made of these elements is more flexible than the material constituting the SE layer, it is difficult to damage even if it is placed inside the winding with a smaller bending radius than the outside of the winding of the laminate. .

ちなみに、Li金属と合金化材料とを合金化した負極層材料を用いることにより、固体電解質層との界面でのリチウムイオンの移動抵抗や、第１サイクル目の充放電サイクルにおける不可逆容量を低減することができる。   Incidentally, by using a negative electrode layer material obtained by alloying Li metal and an alloying material, the lithium ion migration resistance at the interface with the solid electrolyte layer and the irreversible capacity in the first charge / discharge cycle are reduced. be able to.

上述した負極層の形成方法は、気相蒸着法が好ましい。その他、金属箔をSE層の上に重ねて、プレスあるいは電気化学的手法によりSE層上に密着させ、負極層を形成しても良い。   The method for forming the negative electrode layer described above is preferably a vapor deposition method. In addition, a negative electrode layer may be formed by stacking a metal foil on the SE layer and closely contacting the SE layer with a press or an electrochemical technique.

なお、負極層は、負極層自体に集電体としての機能を持たせることができるが、負極層とは別に負極集電体層を設けてもかまわない。負極集電体層の材料としては、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が好適に利用できる。負極集電体層も、正極集電体層の場合と同様に、PVD法やCVD法で形成することができる。   Note that the negative electrode layer can have a function as a current collector in the negative electrode layer itself, but a negative electrode current collector layer may be provided separately from the negative electrode layer. As the material for the negative electrode current collector layer, one selected from copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and alloys thereof can be suitably used. Similarly to the case of the positive electrode current collector layer, the negative electrode current collector layer can also be formed by a PVD method or a CVD method.

なお、本発明のリチウム電池は、上述した実施形態の構成に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上述した実施形態では、基材上に正極層、SE層、負極層の順に積層したが、負極層、SE層、正極層の順であっても良い。   The lithium battery of the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the positive electrode layer, the SE layer, and the negative electrode layer are stacked in this order on the base material. However, the negative electrode layer, the SE layer, and the positive electrode layer may be stacked in this order.

本発明リチウム電池は、携帯機器などの電源として好適に利用することができる。   The lithium battery of the present invention can be suitably used as a power source for portable devices and the like.

実施形態１に示すリチウム電池の積層体の概略構成図であって、外装容器に収納する際に捲回した状態を示す。It is a schematic block diagram of the laminated body of the lithium battery shown in Embodiment 1, Comprising: The state wound when accommodated in an exterior container is shown. 実施形態１に示す積層体の曲げ応力作用箇所近傍における部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view in the vicinity of a bending stress acting location of the laminated body shown in the first embodiment. 電極層の分断箇所に絶縁体を配置した従来構造の積層体の曲げ応力作用箇所近傍における部分断面図である。It is a fragmentary sectional view in the vicinity of a bending stress acting place of a laminate having a conventional structure in which an insulator is arranged at a divided place of an electrode layer. 電極層の分断箇所に固体電解質層を配置した従来構造の積層体の曲げ応力作用箇所近傍における部分断面図である。It is a fragmentary sectional view in the vicinity of a bending stress acting place of a laminate having a conventional structure in which a solid electrolyte layer is arranged at a divided place of an electrode layer.

符号の説明Explanation of symbols

1,100,200 積層体
10 基材（正極集電体）
20 正極層
30 固体電解質層（SE層）
40 負極層
50 負極集電体
60 絶縁体
SP 隙間 1,100,200 Laminate
10 Substrate (positive electrode current collector)
20 Positive electrode layer
30 Solid electrolyte layer (SE layer)
40 Negative electrode layer
50 Negative electrode current collector
60 Insulator
SP clearance

Claims (3)

リチウムを吸蔵・放出する正極層および負極層と、これら電極層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層とを積層した積層体を外装容器に収納したリチウム電池であって、
前記積層体は、この積層体を外装容器に収納する際に局所的に屈曲する箇所に、少なくとも一方の電極層が部分的に存在しない電極分断部を備え、
前記電極分断部における固体電解質層は、電極層の分断端側が厚く、前記電極分断部の中央部が薄い凹状に形成され、
前記電極分断部の中央部に絶縁体が配置されており、
当該電極分断部における電極層と固体電解質層と絶縁体との合計厚さが、電極分断部以外における電極層と固体電解質層との合計厚さ以下であることを特徴とするリチウム電池。 A lithium battery in which a laminated body in which a positive electrode layer and a negative electrode layer that occlude / release lithium and a solid electrolyte layer that mediates conduction of lithium ions between these electrode layers is stacked is housed in an outer container,
The laminate includes an electrode dividing portion where at least one of the electrode layers does not partially exist at a location where the laminate is locally bent when the laminate is housed in an exterior container,
The solid electrolyte layer in the electrode dividing part is formed in a concave shape in which the dividing end side of the electrode layer is thick and the central part of the electrode dividing part is thin,
An insulator is arranged at the center of the electrode dividing part,
A lithium battery, wherein a total thickness of the electrode layer, the solid electrolyte layer, and the insulator in the electrode dividing portion is equal to or less than a total thickness of the electrode layer and the solid electrolyte layer other than the electrode dividing portion. 前記電極分断部は、正極層を分断することで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池。 The lithium battery according to claim 1 , wherein the electrode dividing portion is formed by dividing the positive electrode layer. 前記積層体の積層方向における前記絶縁体の位置は、前記固体電解質層上の負極層側であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム電池。3. The lithium battery according to claim 1, wherein a position of the insulator in a stacking direction of the stacked body is a negative electrode layer side on the solid electrolyte layer.
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