JP6083075B2 - 積層薄膜電池 - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜電池に関するものであって、より詳細には、高容量を発揮することができ、外部端子の実装が容易であり、積層後、別の表面バリアの省略が可能な積層薄膜電池に関するものである。
薄膜電池は、基本的な電池の構成要素を薄膜化して厚さを薄くした電池である。
薄膜電池は、正極／電解質／負極のすべての構成要素が固体状態となっており、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの蒸着方法により、薄い基板上に数ミクロン（μｍ）前後の厚さに製造される。
薄膜電池は、ＬｉＰＯＮのような固体電解質の使用により、爆発の危険性が少なく、高温でも安定性に優れ、自己放電率が低く、寿命特性に優れている点など、様々な利点がある。
一方、薄膜電池は、それ自体では容量が小さいことから、容量を高めるために、単位薄膜電池を積層して、２つ以上の薄膜電池を電気的に接続する技術が提示されている。
大韓民国公開特許公報第１０−２００９−０１１３１０６号（２００９年１０月２９日公開）には、単位薄膜電池を積層した形態の高容量薄膜電池モジュールが開示されている。
前記文献によれば、第１薄膜電池の第１面（集電体形成面）と、第２薄膜電池の第２面（基板の下部面）とが互いに対向する形態で、第１薄膜電池と第２薄膜電池とが積層されている。
しかし、このような形態の薄膜電池積層構造の場合、積層後、最上部に位置する薄膜電池上に水分侵入防止のための厚いバリアを形成しなければならず、また、外部端子の実装が困難である。
本発明の目的は、高容量を発揮することができ、併せて、積層後、厚いバリアの形成を省略することができ、外部端子の実装が容易な積層薄膜電池を提供することである。
上記の目的を達成するための、本発明の実施形態にかかる積層薄膜電池は、第１面に正極電流集電体および負極電流集電体が形成された第１薄膜電池および第２薄膜電池が、それぞれの第１面が互いに対向する形態で積層されており、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池の正極電流集電体が正極端子に電気的に接続され、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池の負極電流集電体が負極端子に電気的に接続されていることを特徴とする。
この時、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池の間にはシーリング層が形成されていることが好ましい。
また、前記正極端子および負極端子は、導電性テープ、金属ペースト、導電性接着剤により、前記第１薄膜電池または第２薄膜電池の正極電流集電体および負極電流集電体に固定されながら電気的に接続されてよい。さらに、前記正極端子および負極端子は、熱接合方式または超音波接合方式によっても、前記第１薄膜電池または第２薄膜電池の正極電流集電体および負極電流集電体に固定されながら電気的に接続されてよい。また、前記正極端子および負極端子は、テープ、接着剤、またはペーストにより、前記第１薄膜電池または第２薄膜電池の正極電流集電体および負極電流集電体に固定され、ワイヤボンディング方式により、第１薄膜電池または第２薄膜電池の正極電流集電体および負極電流集電体に電気的に接続されてもよい。
この時、前記第１薄膜電池は、第１面の第１側に正極電流集電体が形成され、第２側に負極電流集電体が形成され、前記第２薄膜電池は、第１面の第２側に正極電流集電体が形成され、第１側に負極電流集電体が形成されてよい。
逆に、前記第１薄膜電池は、第１面の第１側に正極電流集電体が形成され、第２側に負極電流集電体が形成され、前記第２薄膜電池は、第１面の第１側に正極電流集電体が形成され、第２側に負極電流集電体が形成され、それぞれの正極電流集電体が前記正極端子に電気的に接続され、それぞれの負極電流集電体が前記負極端子に電気的に接続され、前記正極電流集電体および負極電流集電体を分離するための絶縁部を有する両面通電構造物が、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池の間に配置されてよい。この場合、前記第２薄膜電池が前記第１薄膜電池に対して、水平方向に１８０゜回転した形態で積層されてよい。さらに、前記第２薄膜電池が前記第１薄膜電池に対して、水平方向に３６０°回転した形態で積層され、前記両面通電構造物の内部には、互いに交差する形態の配線部が備えられてよい。
また、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池は、基板上に形成された正極電流集電体および負極電流集電体と、前記正極電流集電体上に形成される正極および前記負極電流集電体上に形成される負極と、前記正極および負極の間に形成される電解質とを含むことができる。
この場合、前記第１薄膜電池および第２薄膜電池は、前記正極電流集電体および負極電流集電体の一部を除いて、残りの部分を覆うバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）をさらに含むことができる。
本発明にかかる積層薄膜電池は、電池の積層により第１薄膜電池と第２薄膜電池とを並列に接続することができて、高容量を発揮することができる。
特に、本発明にかかる積層薄膜電池は、集電体の形成された面が互いに対向する形態で第１薄膜電池と第２薄膜電池とが積層される構造を有することにより、積層後、別の厚いバリアを形成しなくてもよい。
また、本発明にかかる積層薄膜電池は、集電体の形成された面が互いに対向する形態であるので、第１薄膜電池と第２薄膜電池との間に外部端子を容易に実装することができる。
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、詳細に後述する実施形態および図面を参照すれば明確になるであろう。
しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、単に本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。
以下、本発明にかかる積層薄膜電池について詳細に説明する。
図１は、本発明に適用可能な薄膜電池の例を示すものである。
図１を参照すれば、薄膜電池は、基板１１０上に、正極電流集電体（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ；ＣＣＣ）１２０、正極１３０、負極電流集電体（Ａｎｄｏｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ；ＡＣＣ）１４０、電解質１５０、および負極１６０がそれぞれ薄膜形態で順次に積層された構造を有する。このような薄膜電池は、すべての要素が固相薄膜で形成され、基板１１０を除いた全厚が数μｍ〜数十μｍ程度と非常に薄い厚さに製造される。
図１には、薄膜電池形態の一例を提示したが、本発明に用いられる薄膜電池はこのような形態に限定されず、多様な形態を有することができる。
前述のように、薄膜電池は、それ自体では容量が大きくないことから、高容量を発揮するために、２つ以上の薄膜電池を電気的に接続して用いることができ、このために、構造的には２つ以上の薄膜電池の積層が必要である。
本発明では、２つの薄膜電池が積層されているが、従来とは異なり、集電体の形成されている面が互いに対向する構造の積層薄膜電池を提供する。
図２および図３は、本発明の第１実施形態にかかる積層薄膜電池を示すものである。
図２および図３を参照すれば、本発明にかかる積層薄膜電池は、基本的に、第１薄膜電池２１０ａと、第２薄膜電池２１０ｂと、負極端子２２０ａと、正極端子２２０ｂとを含む。
第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２０１ｂのそれぞれは、第１面に正極電流集電体２１１、２１３および負極電流集電体２１２、２１４が形成されている。
図３を参照すれば、本発明では、第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２１０ｂが、それぞれの第１面が互いに対向する形態で積層される。そして、第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２１０ｂの正極電流集電体２１１、２１３が正極端子２２０ｂに電気的に共通接続され、また、第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２１０ｂの負極電流集電体２１２、２１４が負極端子２２０ａに電気的に共通接続される。
このように、第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２１０ｂの第１面が互いに対向する積層構造は、水分の侵入に脆弱な薄膜電池の第１面が互いに対向する形態であるので、第１薄膜電池２１０ａの第２面が上部に露出したり、第２薄膜電池２１０ｂの第２面が下部に露出しない。すなわち、本発明に適用される薄膜電池の積層構造は、相対的に水分の侵入に強い基板の背面に相当する第２面が上部あるいは下部に露出する。したがって、積層後に、薄膜電池の表面を通して水分が侵入するのを防止するために、最上部の薄膜電池の第１面に数十μｍ程度の厚さに形成される別のバリアを形成する過程を省略することができる。
また、第１薄膜電池２１０ａおよび第２薄膜電池２１０ｂの第１面が互いに対向する積層構造は、外部に接続される負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂを薄膜電池２１０ａ、２１０ｂの間に挿入可能なため、容易に外部端子を形成することができる。
一方、本発明では、第１薄膜電池および第２薄膜電池の第１面が互いに対向する積層構造を有するため、第１薄膜電池および第２薄膜電池の第１面に水分が侵入することがあり、また、埃などの異物が入ることがある。これを防止するために、第１薄膜電池の第１面と第２薄膜電池の第１面との間にシーリング層（図３の２３０）がさらに形成されていてよい。シーリング層２３０は、第１薄膜電池の第１面と第２薄膜電池の第１面との間の全面あるいは一部に形成されてよく、図３に示された例のように、周縁に形成されてよい。
このようなシーリング層２３０は、エポキシ、ＣＰＰ（Ｃａｓｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ガラスなどで形成されてよい。エポキシの場合、熱硬化方式、紫外線硬化方式などで形成されてよく、ＣＰＰ、ガラスなどは、熱融着方式などで形成されてよい。
一方、負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂは、第１薄膜電池２１０ａまたは第２薄膜電池２１０ａに固定できるように、導電性テープ、金属ペースト、熱、超音波、ワイヤなどを用いて、第１薄膜電池２１０ａの第１面の正極電流集電体２１１および負極電流集電体２１２に接着されるか、または第２薄膜電池２１０ｂの第１面の正極電流集電体２１３および負極電流集電体２１４に接着されてよい。
より具体的には、負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂは、導電性テープ、金属ペースト、導電性接着剤により、第１薄膜電池２１０ａまたは第２薄膜電池２１０ｂの正極電流集電体２１１、２１３および負極電流集電体２１２、２１４に固定されながら電気的に接続されてよい。
また、負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂは、熱接合方式または超音波接合方式によっても、第１薄膜電池２１０ａまたは第２薄膜電池２１０ｂの正極電流集電体２１１、２１３および負極電流集電体２１２、２１４に固定されながら電気的に接続されてよい。
さらに、負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂは、ワイヤボンディング方式により、第１薄膜電池２１０ａまたは第２薄膜電池２１０ｂの正極電流集電体２１１、２１３および負極電流集電体２１２、２１４に電気的に接続されてもよい。ただし、この場合、負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂの固定のために、テープ、接着剤、またはペーストにより、第１薄膜電池２１０ａまたは第２薄膜電池２１０ｂの正極電流集電体２１１、２１３および負極電流集電体２１２、２１４に負極端子２２０ａおよび正極端子２２０ｂを固定することが好ましい。
図２および図３に示された積層薄膜電池は、第１薄膜電池２１０ａと第２薄膜電池２１０ｂが反転した形態を有する。
すなわち、図２および図３を参照すれば、第１薄膜電池２１０ａは、第１面の第１側に正極電流集電体２１１が形成され、これと離隔した第２側に負極電流集電体２１２が形成されている。これに対し、第２薄膜電池２１０ｂは、第１面の第２側に正極電流集電体２１３が形成され、第１側に負極電流集電体２１４が形成される。
この場合、別の両面通電構造物（図４の４２０、図６の６２０）を用いなくても、直に正極端子２２０ｂおよび負極端子２２０ａに接続可能である利点がある。
図４および図５は、本発明の第２実施形態にかかる積層薄膜電池を示すものである。
図４および図５に示された積層薄膜電池の場合にも、第１薄膜電池４１０ａの正極電流集電体４１２および負極電流集電体４１１が形成された第１面と、第２薄膜電池４１０ｂの正極電流集電体４１４と負極電流集電体４１３が形成された第１面とが互いに対向する形態で積層される。また、第１薄膜電池４１０ａの正極電流集電体４１２と第２薄膜電池４１０ｂの正極電流集電体４１４とが正極端子４２１ａに共通接続され、第１薄膜電池４１０ａの負極電流集電体４１１と第２薄膜電池４１０ｂの負極電流集電体４１３とが負極端子４２１ｂに共通接続される。
ただし、図４および図５では、第１薄膜電池と第２薄膜電池が反転した形態でない、同一の形態を有する。
すなわち、第１薄膜電池４１０ａは、第１面の第１側に正極電流集電体４１２が形成され、これと離隔した第２側に負極電流集電体４１１が形成される。第２薄膜電池４１０ｂは、第１面の第１側に正極電流集電体４１４が形成され、第２側に負極電流集電体４１３が形成される。
この場合、第１薄膜電池４１０ａの第１面と第２薄膜電池４１０ｂの第１面とが互いに対向するように積層しながら、並列接続を実現するためには、図４に示された例のような、別の両面通電構造物４２０が要求される。
両面通電構造物４２０は、それぞれの負極電流集電体４１１、４１３が負極端子４２１ａに電気的に接続され、それぞれの正極電流集電体４１２、４１４が正極端子４２１ｂに電気的に接続されるようにし、前記負極電流集電体４１１、４１３と正極電流集電体４１２、４１４とを電気的に分離するための絶縁部４２５を有する。
このような両面通電構造物４２０は、第１薄膜電池４１０ａと第２薄膜電池４１０ｂとの間に配置されてよい。
図４および図５に示された積層薄膜電池の場合、第１薄膜電池４１０ａが第２薄膜電池４１０ｂに対して、水平方向に１８０゜回転した形態で積層された形態を有する。この場合、それぞれの正極電流集電体４１２、４１４が一側に位置し、それぞれの負極電流集電体４１１、４１３が他の一側に位置することができて、両面通電構造物４２０の構造を単純化することができる。
一方、図４および図５に示された積層薄膜電池において、正極端子４２１ａおよび負極端子４２１ｂは、両面通電構造物４２０に一体型に形成されてよい。また、これらの端子４２１ａ、４２１ｂは、両面通電構造物４２０に金属ペースト、導電性テープなどで接着されてよい。また、これらの端子４２１ａ、４２１ｂは、金属ペースト、導電性テープなどにより、第１薄膜電池４１０ａあるいは第２薄膜電池４１０ｂの正極電流集電体４１２または４１４、および負極電流集電体４１１または４１３に接着されてよく、この場合、両面通電構造物４２０が端子４２１ａ、４２１ｂに電気的に接続できる。
図６および図７は、本発明の第３実施形態にかかる積層薄膜電池を示すものである。
図６および図７に示された積層薄膜電池の場合にも、第１薄膜電池６１０ａの正極電流集電体６１１および負極電流集電体６１２が形成された第１面と、第２薄膜電池６１０ｂの正極電流集電体６１３および負極電流集電体６１４が形成された第１面とが互いに対向する形態で積層される。また、第１薄膜電池６１０ａの正極電流集電体６１１と第２薄膜電池６１０ｂの正極電流集電体６１３とが正極端子６２１ｂに共通接続され、第１薄膜電池６１０ａの負極電流集電体６１２と第２薄膜電池６１０ｂの負極電流集電体６１４とが負極端子６２１ａに共通接続される。
また、第１薄膜電池と第２薄膜電池が互いに反対の形態に形成されず、同一の形態に形成される。
ただし、図６および図７に示された積層薄膜電池の場合、第１薄膜電池６１０ａが前記第２薄膜電池６１０ｂに対して、水平方向に０゜あるいは３６０°回転した形態で積層される。
この場合、第１薄膜電池６１０ａの正極電流集電体６１１と第２薄膜電池６１０ｂの負極電流集電体６１４とが互いに対向し、第１薄膜電池６１０ａの負極電流集電体６１２と第２薄膜電池６１０ｂの正極電流集電体６１３とが互いに対向する。
この場合にも、別の両面通電構造物６２０が要求される。
図８は、本発明の第３実施形態に適用可能な両面通電構造物を概略的に示すものである。
図８を参照すれば、図６および図７に示された積層薄膜電池を形成するために、両面通電構造物の内部には、互いに交差する形態の配線部８１０ａ、８１０ｂが備えられ、残りの部分が絶縁部８２０で形成されてよい。
図６および図７に示された積層薄膜電池において、正極端子６２１ｂおよび負極端子６２１ａは、図４および図５に示された積層薄膜電池と同様に、両面通電構造物６２０に一体型に形成されるか、両面通電構造物６２０に接着されるか、第１薄膜電池６１０ａあるいは第２薄膜電池６１０ｂの正極電流集電体６１１または６１３、および負極電流集電体６１２または６１４に接着されてよい。
一方、第１薄膜電池および第２薄膜電池は、図１に示されているように、基板１１０上に形成された正極電流集電体１２０および負極電流集電体１４０と、前記正極電流集電体１２０上に形成される正極１３０および前記負極電流集電体１４０上に形成される負極１６０と、前記正極１３０および負極１６０の間に形成される電解質１５０とを含む。
この時、基板１１０は、金属、ガラス、雲母（ｍｉｃａ）、高分子などで形成されてよい。
また、第１薄膜電池および第２薄膜電池は、正極電流集電体１２０および負極電流集電体１４０の一部を除いて、残りの部分を覆うことで、それぞれの薄膜電池の負極１６０が反応するのを防止し、また、それぞれの薄膜電池の内部に水分が侵入するのを防止し、第１薄膜電池の負極と第２薄膜電池の負極とが互いに接触するのを防止するためのバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）１７０をさらに含むことができる。
この時、バリア１７０は、フィルム形態または薄膜形態で形成されてよい。バリア１７０の厚さは大きな制限はないが、負極の反応を抑制可能な最小限の厚さに形成することが、サイズおよび製造費用の面でより好ましく、略１〜１０μｍ程度の厚さが好ましい。これは、通常の薄膜電池の上部に形成される数十μｍ以上のバリアに比べて顕著に薄い厚さに相当する。
上述のように、本発明にかかる積層薄膜電池は、正極電流集電体および負極電流集電体の形成された第１面が互いに対向する形態で第１薄膜電池と第２薄膜電池とが積層される構造を有することにより、積層後、別の厚いバリアを形成しなくてもよい。
また、本発明にかかる積層薄膜電池は、集電体の形成された面が互いに対向する形態であるので、第１薄膜電池と第２薄膜電池との間に外部端子を容易に実装することができる。
以上、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に変形可能であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解することができる。そのため、以上に述べた実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
Claims (9)
- 第１面に正極電流集電体および負極電流集電体が形成された第１薄膜電池および第２薄膜電池が、それぞれの第１面が互いに対向する形態で積層されており、
前記第１薄膜電池は、当該第１薄膜電池の第１面側から見て前記第１面の第１側に正極電流集電体が形成され、第２側に負極電流集電体が形成され、
前記第２薄膜電池は、当該第２薄膜電池の第１面側から見て前記第１面の第１側に正極電流集電体が形成され、第２側に負極電流集電体が形成され、
前記正極電流集電体および前記負極電流集電体を分離するための絶縁部を有する両面通電構造物が、前記第１薄膜電池および前記第２薄膜電池の間に配置されており、
前記両面通電構造物により、それぞれの前記正極電流集電体が正極端子に電気的に接続され、それぞれの前記負極電流集電体が負極端子に電気的に接続されていることを特徴とする、積層薄膜電池。 - 前記第１薄膜電池の第１面および第２薄膜電池の第１面の間にシーリング層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の積層薄膜電池。
- 前記シーリング層は、
エポキシ、ＣＰＰ（Ｃａｓｔｅｄ Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、およびガラスの中から選択される材質で形成されることを特徴とする、請求項２に記載の積層薄膜電池。 - 前記第１薄膜電池の前記第１側と前記第２薄膜電池の前記第１側とが互いに対向しており、前記第１薄膜電池の前記第２側と前記第２薄膜電池の前記第２側とが互いに対向していることを特徴とする、請求項１に記載の積層薄膜電池。
- 前記第１薄膜電池の前記第１側と前記第２薄膜電池の前記第２側とが互いに対向しており、前記第１薄膜電池の前記第２側と前記第２薄膜電池の前記第１側とが互いに対向しており、
前記両面通電構造物の内部には、互いに交差する形態で、前記第１薄膜電池の前記正極電流集電体と前記第２薄膜電池の前記正極電流集電体とを接続する配線部と、前記第１薄膜電池の前記負極電流集電体と前記第２薄膜電池の前記負極電流集電体とを接続する配線部とが備えられることを特徴とする、請求項１に記載の積層薄膜電池。 - 前記第１薄膜電池および第２薄膜電池は、
基板上に形成された正極電流集電体および負極電流集電体と、
前記正極電流集電体上に形成される正極および前記負極電流集電体上に形成される負極と、
前記正極および負極の間に形成される電解質とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の積層薄膜電池。 - 前記第１薄膜電池および第２薄膜電池は、
前記正極電流集電体および負極電流集電体の一部を除いて、残りの部分を覆うバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の積層薄膜電池。 - 前記バリアは、
フィルム形態または薄膜形態で形成されることを特徴とする、請求項７に記載の積層薄膜電池。 - 前記基板は、
金属、ガラス、雲母（ｍｉｃａ）、および高分子の中から選択される材質で形成されることを特徴とする、請求項６に記載の積層薄膜電池。
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