JP6184941B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池に関し、例えば、固体型の二次電池に適用し得るものである。

近年、小型でかつ大容量の電池が求められており、大容量の電池を実現するために、電池を積層構造にすることがなされている。図２は、従来の電池の積層構造の一例を示している。

図２（Ａ）は、従来の円筒型の電池構造であり、電極板をロール構造としたものである。図２（Ａ）の電池は、正極板と負極板とが対向するように設けられ、正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回して電池缶内に収容し密閉している。

図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、従来の角型の電池構造の一例である。図２（Ｂ）の電池は、対向する正極板と負極板との間にセパレータを介在させて折り曲げて角型にしたり、又は巻回した後に押圧して扁平にしたりして電池缶内に収容密閉する。また、図２（Ｃ）の電池は、ジグザグに折り曲げられたセパレータ連続体の谷溝内に正極板と負極板とを交互に挿入して、ジグザグ方向に押圧して扁平にしたものである（特許文献１参照）。

また、図２（Ｄ）は、電池の構造ではないが、積層セラミックコンデンサの構造である。図２（Ｄ）に示す積層セラミックコンデンサは、誘電体セラミックスと内部電極とを交互に櫛歯状に積層させた構造である。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）の電池構造は、ニッケル水素二次電池などのアルカリ蓄電池だけでなく、リチウムイオン二次電池にも適用されている。

また、近年、固体薄膜化して構成される固体型の二次電池がある。図３（Ａ）は、固体型の二次電池の構成を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、固体型の二次電池の断面を示す断面図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の二次電池１は、第１電極層３と第２電極層４との間に固体の充電層２を有するものであり、小型化を実現する二次電池として期待されている。

特開２００９−１４０７０７号公報

電気化学会 電池技術委員会，"電池ハンドブック ６編６章 ニッケル−金属水素化物電池"，株式会社オーム社，平成２２年２月１０日発行，Ｐ．３１９−Ｐ．３２０

電流容量を大きくするためには、１個の二次電池を１単位とし、複数個の二次電池を並列接続で積層させた構造とすることが必要となる。しかし、並列接続で積層させる場合、ある二次電池の正極端子とこれに隣接する二次電池の負極端子と絶縁させるために絶縁層を設けることが必要となり小型化に大きな問題が生じ得る。

上記課題について図面を用いて説明する。図４は、図３（Ｂ）の固体型の二次電池を直列接続した積層構造であり、図６は、図５に示す単層構造の固体型の二次電池を並列接続した積層構造である。図４及び図６はいずれも６層の積層構造である。

図４において、単層構造の二次電池は、電圧がＶ_０（Ｖ）あり、単層の電流容量がＩ_０（＝Ｉ×ｔ（Ａｈ））であるとする。この場合、図４に示す直列接続の積層構造の二次電池は、積層数（Ｎ）が６層であるから、電圧Ｖ_１はＶ_１＝Ｎ × Ｖ_０＝６Ｖ_０であり、電流容量Ｉ_１はＩ_１＝Ｉ_０となる。

一方、図６においても、二次電池の電圧がＶ_０、電流容量がＩ_０であるとすると、図６に示す並列接続の積層構造の二次電池は、積層数（Ｎ）が６層であるから、電圧Ｖ_１はＶ_１＝Ｖ_０であり、電流容量Ｉ_１はＩ_１＝Ｎ × Ｉ_０＝６Ｉ_０となる。つまり、並列接続の積層構造の二次電池の方が直列接続の積層構造の二次電池よりも、電流容量は大きくなる。

しかし、図５及び図６に示すように、並列接続の積層構造の二次電池は、短絡を防止するために、負極端子７と正極端子６との間に絶縁層９を設けることが必要となる。そのため、絶縁層９の分だけ容積が増大してしまうので、並列接続の積層構造の二次電池の方が、直列接続の積層構造よりも容積が大きくなってしまう。

一般的に電池の容積効率Ｖ_ｔｈは、電池の実効容積Ｖ_ｅ、電池の全容積Ｖ_ａとすると、「電池の容積効率Ｖ_ｔｈ＝電池の実効容積Ｖ_ｅ／電池の全容積Ｖ_ａ」で求められる。従って、電池の電流容量の効率を向上させるためには、単層の電池を並列接続とし、電池の全容積を小さくすることが求められる。

また、更なる大容量化のために、積層数が増大することが考えられる。積層数の増大に伴い、絶縁層の数も増える。そのため、小型でかつ単位容積当たりの電流容量を向上させるために、全容積が小さい二次電池が求められている。

そのため、上記課題に鑑み、単位容積当たりの電流容量を向上させることができる二次電池が強く求められている。

かかる課題を解決するために、第１の本発明は、光励起構造変化を利用して充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充電後放電がなされている状態で電子を保持するｎ型金属酸化物半導体で形成された充電層を、電極本体層及び充電層に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層を有する正電極層と、負電極層との間に有する２個の電池部を備え、一方の電池部及び他方の電池部の正電極層同士、又は、一方の電池部及び他方の電池部の負電極層同士を隣接接続させ、隣接接続されていない、一方の電池部及び他方の電池部の負電極層、又は、一方の電池部及び他方の電池部の正電極層を配線接続させ、２個の電池部を並列接続させ、配線接続されている各電池部の負電極層又は正電極層が、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続するものであることを特徴とする二次電池である。

第２の本発明は、電池部が、光励起構造変化を利用して充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充電後放電がなされている状態で電子を保持するｎ型金属酸化物半導体で形成された充電層を、電極本体層及び充電層に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層を有する正電極層と、負電極層との間に有するものであり、正電極層、充電層、負電極層の順序で構成される複数の電池部を直列接続させた第１電池群と、負電極層、充電層、正電極層の順序で構成される複数の電池部を直列接続させた第２電池群とを備え、第１電池群と第２電池群とを並列接続させ、第１電池群の最下層の負電極層と第２電池群の最上層の負電極層同士、又は、第１電池群の最上層の正電極層と第２電池群の最下層の正電極層同士を隣接接続させ、第１電池群の最上層の正電極層と第２電池群の最下層の正電極層、又は、第１電池群の最下層の負電極層と第２電池群の最上層の負電極層を配線接続させ、隣接接続させている、第１電池群の負電極層と第２電池群の負電極層とのいずれか、又は、第１電池群の正電極層と第２電池群の正電極層とのいずれかが、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続し、配線接続されている、第１電池群の最上層の正電極層、又は、第２電池群の最上層の負電極層が、端子に接続し、配線接続されている、第２電池群の最下層の正電極層、又は、第１電池群の最下層の負電極層が、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続することを特徴とする二次電池である。

本発明によれば、従来のように絶縁層を設けることなく積層構造の二次電池を形成できるので、単位容積当たりの電流容量を向上させることができる。

実施形態に係る二次電池の構造を示す説明図である。 従来の電池の積層構造の一例を示す説明図である。 固体型二次電池の構造を説明する説明図である。 図３の固体型二次電池を用いて直列接続の積層構造の断面図である。 固体型二次電池を並列接続の積層構造を形成するときの単層構造の断面図である。 図５の単層を用いて並列接続の積層構造の断面図である。 第２電極層を向かい合わせた並列接続の交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。 図７の単層を用いて並列接続の積層構造を示す断面図である。 第２電極層を向かい合わせ、負極端子が第１電極層を兼ねた並列接続の交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。 図９の単層を複数用いて並列接続の積層構造を示す断面図である。 第１電極層を向かい合わせた並列接続の交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。 図１１の単層を複数用いた並列接続の積層構造を示す断面図である。 第１電極層を向かい合わせ、正極端子が第２電極層を兼ねた並列接続の交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。 図１３の単層を複数用いた並列接続の積層構造を示す断面図である。 直接交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。 図１５の単層を交互に積層した直接交互積層構造を示す断面図である（その１）。 図１５の単層を交互に積層した直接交互積層構造を示す断面図である（その２）。 二次電池が基材に取り付けられた場合の並列接続の交互積層の単層構造を示す断面図である（その１）。 図１８の基材に取り付けられた二次電池を２個用いて並列接続させた積層構造を示す断面図である。 図１９の単層を複数用いた並列接続の積層構造を示す断面図である。 二次電池が基材に取り付けられた場合の並列接続の交互積層の単層構造を示す断面図である（その２）。 図２１の基材に取り付けられた二次電池を２個用いて並列接続させた積層構造を示す断面図である。 図２２の単層を複数用いた並列接続の積層構造を示す断面図である。 直列接続の積層構造と並列接続の積層構造とを組み合わせた積層構造を示す断面図である。 図１５に示す単層５０Ａ及び５０Ｂを交互に同心円状に巻いて形成した積層構造を示す図である。 第５の実施形態に係る二次電池を示す説明図である。 図２６の二次電池を直列接続させたときの構造を説明する説明図である。 第５の実施形態の直列接続させた二次電池の積層構造の断面図である。 図２６の二次電池を並列接続させたときの構造を説明する説明図である。 第５の実施形態の並列接続させた二次電池の積層構造の断面図である。

（Ａ）第１の実施形態及び変形実施形態
以下では、本発明の二次電池の第１の実施形態及び変形実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

以下に説明する各実施形態は、薄膜化した固体型の二次電池（電池部ともいう）を複数個用いて、以下で説明するように並列接続で積層させた積層構造の二次電池である。

電池部である二次電池は、第１電極層と第２電極層との間に、少なくとも電子を蓄電する充電層を有するものを広く適用することができる。例えば、電池部とする二次電池は、正極と負極との間に無機固体質の電解質を有する全固体リチウム二次電池や、図３に例示する固体型二次電池等を用いることができる。この実施形態では、後者の固体型二次電池を用いる場合を例示する。

また、以下において、単層とは、積層構造の二次電池を構成するための構成単位をいう。

（Ａ−１）二次電池の説明
図１は、電池部である二次電池の構造を示す説明図である。図１に示すように、二次電池１は、第１電極層３と第２電極層４との間に挟まれた充電層２を有し、各層を薄膜化した固体型のものである。各層が薄膜化されているので、二次電池１はシート状からなっている。図１では、第１電極層３は負電極の層であり、第２電極層４は正電極の層であるものとする。

図１の例では、二次電池１が基材５上に取り付けられ、第１電極層３及び第２電極層４にそれぞれ、負極端子６及び正極端子７が取り付けられている状態を示している。

なお、図１では、二次電池１が基材５上に取り付けられている状態を示すが、基材５は二次電池１の動作原理に寄与するものではない。つまり、二次電池１は、充電層２が第１電極層３及び第２電極層４に挟まれており、負極端子６及び正極端子７が第１電極層３及び第２電極層４に取り付けられていればよい。

図１に例示する二次電池１は、光励起構造変化を利用して繰り返し充電及び放電を行うことができる量子電池である。量子電池とは、金属酸化物の光励起構造変化を利用して、バンドギャップ中に新たなエネルギー準位を形成して電子を捕獲する動作原理に基づく電池をいう。

充電層２は、充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充放電がなされていない状態で電子を保持（蓄電）している層であり、光励起構造変化技術が適用されて形成されている。

ここで、光励起構造変化は、例えば、国際公開ＷＯ／２００８／０５３５６１に記載されており、その出願の発明者である中澤明氏（本願の発明者でもある）が見出した現象（技術）である。すなわち、中澤明氏は、所定値以上のバンドギャップを持つ半導体であって透光性をもつ金属酸化物が、絶縁被覆された状態で有効な励起エネルギーを与えられると、バンドギャップ内に電子不在のエネルギー準位が多数発生することを見出した。量子電池は、これらのエネルギー準位に電子を捕獲させることで充電し、捕獲した電子を放出させることで放電するものである。

量子電池の場合、第２電極層４は、電極本体層４Ａと、充電層２に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層４Ｂとを有する。ｐ型金属酸化物半導体層４Ｂは、電極本体層４Ａから充電層２への電子の注入を防止するために設けられている。

第１電極層３と第２電極層４の電極本体層４Ａとは、導電層として形成されたものであれば良い。

充電層２は、絶縁被膜で覆われたｎ型金属酸化物半導体の微粒子が、第１電極層３に対して薄膜状に付着され、ｎ型金属酸化物半導体が紫外線照射によって光励起構造変化を起こし、電子を蓄えることができるように変化したものである。

以下に説明する二次電池は、図１に示す単独の量子電池として機能するものを複数利用したものである。二次電池の形状は、矩形である場合を例示するが、矩形に限定されるものではなく、円形、楕円形、六角形等の他の形状であってもよい。図１に示す量子電池の第１電極層３及び第２電極層４の膜厚は１０ｎｍ〜１μｍ程度にでき、充電層２の膜厚は５０ｎｍ〜１０μｍ程度にできる。

以下に例示する二次電池が量子電池を適用するものである場合、上述したように、量子電池は充電層が完全な固体で構成されている。そのため、充電層が液体電解質でなる二次電池の場合と異なり、量子電池は液体電解質を封じこむための密閉構造を必要としない。また、最近研究成果が報告されている全固体リチウム二次電池のように粒状電解質を用いることもない。そのため、二次電池として量子電池を適用する場合、膜構造の作成が容易であり、かつ、層構造だけで電池が構成できる。その結果、比較的、自由な形状に加工することができる点で従来の二次電池に対して有利である。

（Ａ−２）並列接続の積層構造
次に、図１の電池部である二次電池１を複数個用いて並列接続させた積層構造を、図面を参照しながら説明する。

（Ａ−２−１）第２電極層４を向かい合わせた並列接続の交互積層構造
図７は、２個の二次電池１の第２電極層４を向かい合わせにして隣接接続させて並列接続の積層構造を示す断面図である。

図８は、図７に示す構造を単層として、この単層を複数個用いて並列接続の交互積層構造を示す断面図である。

図７に示す単層１０Ａは、２個の二次電池１を、並列接続させた積層構造である。図７に示すように、２個の二次電池１のうち、一方の二次電池１は、負極端子７−１と正極端子６との間に挟み込まれ、他方の二次電池１は、正極端子６と負極端子７−２との間に挟み込まれた構造をしている。

ここで、一方の二次電池１と他方の二次電池１は、それぞれの第２電極層４が向かい合うようにして正極端子６に接続されている。すなわち、図７において、一方の二次電池１は、負極端子７−１から正極端子６に向けて、第１電極層３、充電層２、第２電極層４の順となり、また、他方の二次電池１は、正極端子６から負極端子７−２に向けて、第２電極層４、充電層２、第１電極層３の順となる。

また、一方の二次電池１及び他方の二次電池１のそれぞれの第１電極層３は、負極端子７−１及び７−２と配線接続されている。

図８に示す並列接続の積層１０Ｂは、図７に示す３個の単層１０Ａを積層させた構造である。

ある単層１０Ａに別の単層１０Ａを積層させる場合、ある単層１０Ａの負極端子７−２の上に、別単層１０Ａの負極端子７−１が積層される。このような構造であってもよいが、この実施形態では、さらに容積を小さくするために、図８に示すように、積層される単層１０Ａ間の２個の負極端子７−１及び７−２を１個の負極端子７とする。

なお、図８では、負極端子７が第１電極層３の全面に亘って接続している場合を例示するが、電子を授受することができればよいので、負極端子７が第１電極層３の少なくとも一部に接続するようにしてもよい。また、正極端子６も、同様の理由から第２電極層４の少なくとも一部に接続していればよい。

二次電池１の電圧がＶ_０であり、電流容量がＩ_０とした場合、図８の積層１０Ｂの電圧Ｖ_１０ＢはＶ_１０Ｂ＝Ｖ_０であり、積層数Ｎが６層であるから、図８の積層１０Ｂの電流容量Ｉ_１０ＢはＩ_１０Ｂ＝Ｎ × Ｉ_０＝６ × Ｉ_０となり、並列接続することで電流容量が大きくなる。

図７及び図８に示すような構造とすることで、従来のように、並列接続としたときに、負極端子と正極端子との間に絶縁体を設ける必要がなくなるので、その分、電池の容積が小さくなり、単位容積当たりの電流容量が向上する。

なお、図８では、３個の単層１０Ａを積層させた場合を例示するが、２個又４個以上の単層１０Ａを積層させるようにしてもよい。

（Ａ−２−２）第２電極層４を向かい合わせ、第１電極層３が負極端子を兼ねた並列接続の交互積層構造
図９は、２個の二次電池１の第２電極層４を向かい合わせに隣接接続させて並列接続の積層構造を示す断面図である。

図１０は、図９に示す構造を単層として、この単層を複数個用いて並列接続の交互積層構造を示す断面図である。

図９に示す単層２０Ａは、図７に示す引き出し用の負極端子７−１及び７−２を、第１電極層３が兼ねた場合の構成である。すなわち、図９において、２個の二次電池１は、第２電極層４が向かい合うようにして、２個の二次電池１が正極端子６を挟んだ構造である。一方の二次電池１の第１電極層３−１は、図７の引き出し用の負極端子７−１に相当し、他方の二次電池１の第１電極層３−２は、図７の負極端子７−２に相当する。

従って、図９の単層２０Ａは、図７の単層１０Ａに比べて、引き出し用の負極端子７−１及び７−２の分だけ容積が小さくなる。

図１０に示す並列接続の積層２０Ｂは、３個の単層２０Ａを積層させた構造である。

ある単層２０Ａに別の単層２０Ａを積層させる場合、ある単層２０Ａの第１電極層３−２の上に、別単層２０Ａの第１電極層３−１が積層される。このような構造であってもよいが、この実施形態では、さらに容積を小さくするために、図１０に示すように、積層される単層２０Ａ間の２個の第１電極層３−１及び３−２を１個の第１電極層３とする。

図１０において、第１電極層３は引き出し用の負極端子７に相当する。そのため、図１０の積層２０Ｂは、第１電極層３が負極端子７に配線接続するように、第１電極層３は一方向に延設されている。

二次電池１の電圧がＶ_０であり、電流容量がＩ_０とした場合、図１０の積層２０Ｂの電圧Ｖ_２０ＢはＶ_２０Ｂ＝Ｖ_０であり、積層数Ｎが６層であるから、図１０の積層２０Ｂの電流容量Ｉ_２０ＢはＩ_２０Ｂ＝Ｎ × Ｉ_０＝６ × Ｉ_０となり、並列接続することで電流容量が大きくなる。

図９及び図１０に示すような構造とすることで、図７及び図８の構造と同様に、負極端子と正極端子との間に設ける絶縁体が不要となることに加え、更に、積層する負極端子７−１及び７−２の分だけ更に小さくすることができ、単位容積当たりの電流容量も向上する。

（Ａ−２−３）第１電極層３を向かい合わせた並列接続の交互積層構造
図１１は、２個の二次電池１の第１電極層３を向かい合わせに隣接接続させて並列接続の積層構造を示す断面図である。

図１２は、図１１に示す構造を単層として、この単層を複数個用いて並列接続の交互積層構造を示す断面図である。

図１１に示す単層３０Ａは、正極端子６−１と負極端子７との間に一方の二次電池１を挟み込み、負極端子７と正極端子６−２との間に他方の二次電池１を挟み込んだ構造をしている。

ここで、単層３０Ａは、一方の二次電池１と他方の二次電池１のそれぞれの第１電極層３同士がお互いに向き合うようにして、負極端子７を挟んだ構造である。一方の二次電池１の第１電極層３と他方の二次電池１の第１電極層３はそれぞれ隣接接続しており、一方の二次電池１の第２電極層４と他方の二次電池１の第２電極層４は正極端子６−１及び６−２と配線接続されている。

図１１に示すように、単層３０Ａは、正極端子６−１と負極端子７との間に挟まれる一方の二次電池１は、正極端子６−１から負極端子７に向けて、第２電極層４、充電層２、第１電極層３の順となるようにする。また、負極端子７と正極端子６−２との間に挟まれる他方の二次電池１は、負極端子７から正極端子６−２に向けて、第１電極層３、充電層２、第２電極層４の順となるようにする。

図１２に示す並列接続の積層３０Ｂは、３個の単層３０Ａを積層させた構造である。

ある単層３０Ａに別の単層３０Ａを積層させる場合、ある単層３０Ａの正極端子６−２の上に、別単層３０Ａの正極端子６−１が積層される。このような構造であってもよいが、この実施形態では、さらに容積を小さくするために、図１２に示すように、積層される単層３０Ａ間の２個の正極端子６−１及び６−２を１個の正極端子６とする。

二次電池１の電圧がＶ_０であり、電流容量がＩ_０とした場合、図１２の積層３０Ｂの電圧Ｖ_３０ＢはＶ_３０Ｂ＝Ｖ_０であり、積層数Ｎが６層であるから、図１２の積層３０Ｂの電流容量Ｉ_３０ＢはＩ_３０Ｂ＝Ｎ × Ｉ_０＝６ × Ｉ_０となり、並列接続することで電流容量が大きくなる。

図１１及び図１２に示す構造とすることで、図７及び図８の構造と同様に、並列接続としたときに、負極端子と正極端子との間に絶縁体を設ける必要がなくなるので、その分容積が小さくなり、単位容積当たりの電流容量が向上する。

（Ａ−２−４）第１電極層３を向かい合わせ、第２電極層４が正極端子を兼ねた並列接続の交互積層構造
図１３は、２個の二次電池１の第１電極層３を向かい合わせに隣接接続させて並列接続の積層構造を示す断面図である。

図１４は、図１３に示す構造を単層として、この単層を複数個用いて並列接続の交互積層構造を示す断面図である。

図１３に示す単層４０Ａは、図１１に示す引き出し用の正極端子６−１及び６−２を、第２電極層４が兼ねた場合の構成である。すなわち、図１３において、２個の二次電池１は、第１電極層３が向かい合うようにして、２個の二次電池１が負極端子７を挟んだ構造である。一方の二次電池１の第２電極層４−１は、図１１の引き出し用の正極端子６−１に相当し、他方の二次電池１の第２電極層４−２は、図１１の正極端子６−２に相当する。

従って、図１３の単層４０Ａは、図１１の単層３０Ａに比べて、引き出し用の正極端子６−１及び６−２の分だけ容積が小さくなる。

図１４に示す並列接続の積層４０Ｂは、３個の単層４０Ａを積層させた構造である。

ある単層４０Ａに別の単層４０Ａを積層させる場合、ある単層４０Ａの第２電極層４−２の上に、別単層４０Ａの第２電極層４−１が積層される。このような構造であってもよいが、この実施形態では、さらに容積を小さくするために、図１４に示すように、積層される単層４０Ａ間の２個の第２電極層４−１及び４−２を１個の第２電極層４とする。

図１４において、第２電極層４は引き出し用の正極端子６に相当する。そのため、図１４の積層４０Ｂは、第２電極層４が正極端子６に配線接続するように、第２電極層４は一方向に延設されている。

二次電池１の電圧がＶ_０であり、電流容量がＩ_０とした場合、図１４の積層４０Ｂの電圧Ｖ_４０ＢはＶ_４０Ｂ＝Ｖ_０であり、積層数Ｎが６層であるから、図１４の積層４０Ｂの電流容量Ｉ_４０ＢはＩ_４０Ｂ＝Ｎ × Ｉ_０＝６ × Ｉ_０となり、並列接続することで電流容量が大きくなる。

図１３及び図１４に示すような構造とすることで、負極端子と正極端子との間に設ける絶縁体が不要となることに加え、更に、積層する正極端子６の分も更に小さくすることができ、単位容積当たりの電流容量も向上する。

また、図１４に示す並列積層構造とすることで、並列接続の積層４０Ｂを形成する製造負担も軽減される。すなわち、図１４の積層４０Ｂは、第２電極層４を一方向に延設させるようにして二次電池１を製造すればよく、単層４０Ａを積層させる際に、延設させた第２電極層４を正極端子６に接続させるだけで完成できる。

（Ａ−２−５）直接交互積層構造
図１５は、直接交互積層構造を形成する単層構造を示す断面図である。図１５では、２種類の単層構造を示す。図１５（Ａ）に示す単層５０Ａは、延設した第１電極層３に充電層２及び第２電極層４が形成された構造である。図１５（Ｂ）に示す単層５０Ｂは、延設した第２電極層４に充電層２及び第１電極層３が形成された構造である。

ここでは、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す２種類の単層５０Ａと単層５０Ｂを、交互に直接積層して、並列接続の積層構造を形成する。

図１６及び図１７は、図１５に示す２種類の単層５０Ａ及び５０Ｂを交互に積層した直接交互積層構造を示す断面図である。図１６と図１７に示す積層は、単層５０Ａ及び単層５０Ｂの積層順序が異なる。

図１６の積層５０Ｃは、下から、単層５０Ａ、単層５０Ｂ、単層５０Ａ、単層５０Ｂ、…の順で合計６層を積層させた構造である。

図１６において、単層５０Ａの第１電極層３は一方向に延設されているので、負極端子７と接続できるようになっている。すなわち、引き出し用の負極端子は不要である。同様に、単層５０Ｂの第２電極層４も一方向に延設されているので、正極端子６と接続できるようになっており、引き出し用の正極端子は不要である。

図１７の積層５０Ｄは、下から、単層５０Ｂ、単層５０Ａ、単層５０Ｂ、単層５０Ａ、…の順で合計６層を積層させた構造である。この場合も、単層５０Ａの第１電極層３と単層５０Ｂの第２電極層４とが一方向に延設されて負極端子７と正極端子６に接続しているので、引き出し用端子が不要であり、その分、積層構造の電池の全容量が小さくなる。

（Ａ−３）第１の実施形態及び変形実施形態の効果
以上のように、上述した各実施形態によれば、第１電極層３及び第２電極層４の間に充電層２を有する複数の二次電池１を用いて、各二次電池１の第１電極層３又は第２電極層４がお互いに向かい合うようにして隣接接続し、第２電極層４又は第１電極層３を配線接続して、並列接続とすることで、従来必要だった絶縁層が不要となるので、その分、電池の全容量が小さくなり、単位容積当たりの電流容量が向上する。

また、積層構造の二次電池の製造工程では、シート状の二次電池１を所定サイズに切断したものを積層させていき積層構造を形成することが考えられる。従って、面積を同じにした積層構造を形成することができる。更に、シート状の二次電池１に欠陥部分が生じた場合でも、その欠陥部分を避けて、同じ面積の積層構造を形成することができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明の二次電池の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第１の実施形態では、負極端子７や正極端子６、第１電極層３や第２電極層４を基材として二次電池１を形成し、これらを単層とした積層構造を説明した。

これに対して、第２の実施形態は、図１に示すように基材５に二次電池１を取り付けたものを用いた並列積層構造を説明する。

（Ｂ−１）二次電池１が基材５に取り付けられた場合の並列接続の交互積層構造
図１８は、二次電池１が基材５に取り付けられた場合の並列接続の交互積層の単層構造を示す断面図である。

図１８に示す単層６０Ａは、例えば、ポリイミド等の絶縁体からなる基材（支持体）５に、第１電極層３、充電層２及び第２電極層４の順序でなる二次電池１を取り付け、第２電極層４に正極端子６を接続させた構造である。

また、第１電極層３は基材５に取り付けられているので、第１電極層３に負極端子７を接続するために、取り付けられている基材５と共に第１電極層３を一方向に延設し、その延設した部分に負極端子７を内側から配線接続させる。すなわち、図１８において、延設された第１電極層３の上面部に負極端子７が接続するようにする。

なお、図１８では、第２電極層４の全面に亘って正極端子６が接続されている場合を例示するが、第２電極層４の一部に正極端子６が接続されるようにしてもよい。

図１９は、二次電池１が基材５に取り付けられたものを２個用いて並列接続させた積層構造を示す断面図である。

図１９の積層６０Ｂは、基材５に取り付けた二次電池１のそれぞれの第２電極層４同士がお互いに向かい合うようにして、正極端子６を挟んだ構造である。正極端子６は、それぞれの第２電極層４と接続しており、電子を授受することができる。また、負極端子７は、上述したように、延設された第１電極層３に接続しており、電子を授受することができる。

図２０は、図１９で示す単層６０Ｂを複数用いた並列接続の積層構造を示す断面図である。図２０に示す並列接続の積層６０Ｃは、３個の単層６０Ｂを積層させた構造である。

（Ｂ−２）二次電池が基材に取り付けられた場合の並列接続の交互積層構造図２１は、二次電池が基材に取り付けられた場合の並列接続の交互積層の単層構造を示す断面図である。図２１に示す単層７０Ａは、例えば、ポリイミド等の絶縁体からなる基材（支持体）５に、第１電極層３、充電層２及び第１電極層３の順序でなる二次電池１を取り付け、第２電極層４に負極端子７を接続させた構造である。

また、第２電極層４は基材５に取り付けられているので、第２電極層４に正極端子６を接続するために、取り付けられている基材と共に第２電極層４を一方向に延設し、その延設した部分に正極端子６を内側から配線接続させる。すなわち、図２１において、延設された第２電極層４の上面部に正極端子６が接続するようにする。

なお、図２１では、第１電極層３の全面に亘って負極端子７が接続されている場合を例示するが、第１電極層３の一部に負極端子７が接続されるようにしてもよい。

図２２は、基材５に取り付けられた二次電池１を２個用いて並列接続させた積層構造を示す断面図である。

図２２の積層７０Ｂは、２個の二次電池１のそれぞれの第１電極層３同士がお互いに向かい合うようにして、負極端子７を挟んだ構造である。負極端子７は、それぞれの第１電極層３と接続しており、電子を授受することができる。また、正極端子６は、上述したように、延設された第２電極層４に接続しており、電子を授受することができる。

図２３は、図２２で示す単層７０Ｂを複数用いた並列積層構造を示す断面図である。図２３に示す並列接続の積層７０Ｃは、３個の単層７０Ｂを積層させた構造である。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明の二次電池の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

第３の実施形態は、直列接続による積層構造と、並列接続による積層構造とを組み合わせた積層構造である。

（Ｃ−１）直列接続と並列接続の組み合わせ構造
図２４は、図１５に例示した２種類の単層５０Ａ及び５０Ｂを用いて、直列接続の積層構造と並列接続の積層構造とを組み合わせた積層構造を示す断面図である。

図２４では、３個の直列接続と２個の並列接続とを組み合わせた積層構造を例示している。すなわち、図２４において、図１５（Ａ）に例示する単層５０Ａを用いた３層の直列接続の積層に、図１５（Ｂ）に例示する単層５０Ｂを用いた３層の直列接続の積層を並列接続させる。この並列接続を２個形成している。

なお、図１５（Ａ）の単層５０Ａを直列接続させた積層構造を第１電池群、図１５（Ｂ）の単層５０Ｂを直列接続させた積層構造を第２電池群ともいう。

図２４の積層８０Ａの場合、二次電池１の電圧がＶ_０で、単層の電流容量がＩ_０であるとすると、積層８０Ａの電圧Ｖ_８０ＡはＶ_８０Ａ＝３×Ｖ_０となり、積層８０Ａの電流容量Ｉ_８０ＡがＩ_８０Ａ＝２×Ｉ_０となる。すなわち、直列接続の積層とすることで、電圧値を大きくすることができ、更に並列接続の積層とすることで、電流容量も大きくすることができる。

また、図２４の積層８０Ａは、第１電極層３及び第２電極層４への引き出し電極は、第１電極層３及び第２電極層４を延設させて、負極端子７及び正極端子６に接続させるようにしている。これにより、負極端子７及び正極端子６が、第１電極層３及び第２電極層４に接続して電子を授受することができる構造としている。

なお、図２４に例示する積層８０Ａは、直列接続と並列接続の組み合わせ構造の一例である。図２４では、単層５０Ａ及び単層５０Ｂの直列接続の積層数を３層としたが、これに限定されるものではない。また、並列接続の積層数を２個としたが、これに限定されるものではない。

また、積層する単層５０Ａ及び５０Ｂの積層順序が逆であってもよい。例えば、図２４では、単層５０Ａの直列接続の積層に、単層５０Ｂの直列接続の積層を載せた場合を例示するが、逆に単層５０Ｂの直列接続の積層に、単層５０Ａの直列接続を載せた場合でもよい。

（Ｄ）第４の実施形態
図２５は、図１５に示す単層５０Ａ及び５０Ｂを環状にし、単層５０Ａと単層５０Ｂとが交互に同心円状に配置させて形成した積層構造を示す図である。

図２５に示す積層９０は、一番内側に、単層５０Ａが環状に巻かれ、その外側に単層５０Ｂが環状に巻かれ、更に単層５０Ｂの外側に単層５０Ａが環状に巻かれるというように、単層５０Ａと単層５０Ｂが交互に巻かれる。

一番内側の単層５０Ａは、第２電極層４が内側となるようにして巻かれる。一番内側の単層５０Ａは、棒状正極端子に巻きつけるようにしてもよいし、単層５０Ａの第２電極層４が正極端子と配線接続できるのであれば棒状正極端子がない状態であってもよい。

なお、一番内側の単層が単層５０Ｂであり、第１電極層３が内側となるようにして巻いてもよい。この場合、内側の第１電極層３が配線接続できるように、棒状負極端子に単層５０Ｂが巻きつけるようにしてもよいし、棒状負極端子がなくても配線接続できるようにすればよい。

一番内側の単層５０Ａの外側に巻かれる単層５０Ｂは、自身の第１電極層３が内側の単層５０Ａの第１電極層３と向かい合うように、内側の単層５０Ａの外側に巻かれる。また、単層５０Ｂと内側の単層５０Ａの第１電極層３は引き出し線を介して負極端子と接続する。

同様に、単層５０Ｂの外側に巻かれる単層５０Ａは、自身の第２電極層４が内側の単層５０Ｂの第２電極層４と向かい合うようにして巻かれる。また、単層５０Ａと内側の単層５０Ｂの第２電極層は引き出し線を介して正極端子と接続する。

なお、さらに環状の単層５０Ａや単層５０Ｂを外側に巻く場合も、上記と同様に、内側の単層５０Ａ又は単層５０Ｂの第１電極層３又は第２電極層４と、外側の単層５０Ｂ又は単層５０Ａの第１電極層３又は第２電極層４とが向かい合い並列接続となるように形成する。

また、図２５に示す積層９０Ａは、積層構造の断面が同心円状に積層されたものを例示したが、積層構造の断面が楕円であってもよいし扁平であってもよい。

（Ｅ）第５の実施形態
次に、本発明の二次電池の第５の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

上述した第１〜第４の実施形態では、電池部である二次電池を並列接続で積層させた積層構造の例を説明した。これに対して、第５の実施形態では、第１〜第４の実施形態と同様に単位容積当たりの電流容量を向上させつつ、積層する電池部の形状に特徴を有する。形状に特徴を有する電池部を第１〜第４の実施形態のように積層させることにより、単位容積当たりの電流容量を向上させながら、電極層から電子を取り出す引き出し部を確保した積層構造を実現できる。

図２６は、第５の実施形態に係る二次電池１を示す説明図である。図２６は、図１に例示する構造を有する二次電池１を上から見た図であり、第５の実施形態の二次電池１はＬ字形状をしている。

図２７は、図２６の二次電池を直列接続させたときの構造を説明する説明図である。図２８は、直列接続させた二次電池の積層構造の断面図である。

図２７は、説明を簡単にするために、２個の二次電池１−１及び二次電池１−２を直列接続させる場合を例示するが、積層数は特に限定されるものではない。図２７の例の場合、図２８に示すように、二次電池１−１及び１−２は両方とも、下から、第１電極層３、充電層２、第２電極層４の順となる。

図２７に示すように、例えば、シート状の二次電池１−２を同一平面上で反時計回りに９０度回転させて、二次電池１−１の上に積層させる。そうすると、積層の下にある二次電池１−１と、積層の上にある二次電池１−２との関係において、非重複部分が露出することになる。この非重複部分は、第１電極層３又は第２電極層４から電子を取り出す引き出し部１００とすることができる。

図２９は、図２６の二次電池を並列接続させたときの構造を説明する説明図である。図２９の場合も、２個の二次電池１−１及び１−２を並列接続させる場合を例示するが、積層数は特に限定されるものではない。図３０は、並列接続させた二次電池の積層構造の断面図である。

図２９に示すように、２個の二次電池１−１及び１−２を並列接続させる場合、図３０に示すように、二次電池１−１は、下から、第１電極層３、充電層２、第２電極層４の順となり、二次電池１−２は、下から、第２電極層４、充電層２、第１電極層３の順となる。

このように二次電池１−１及び１−２を並列接続させる場合でも、図２９に示すように、例えば、二次電池１−２を同一平面上で反時計回りに９０度回転させて、二次電池１−１の上に積層させると、積層の下にある二次電池１−１と積層の上にある二次電池１−２との関係において、非重複部分が露出することになる。この非重複部分は、第１電極層３又は第２電極層４から電子を取り出す引き出し部１００とすることができる。

図２７の直列接続の場合と図２９の並列接続の場合とのいずれの場合も、非重複部分である引き出し部１００は、積層構造とする二次電池全体の外形の内側に存在する。つまり、図２６に示すＬ字形状の二次電池１をシート平面上で９０度ずつ回転させたものを積層させていくことで、第１電極層３又は第２電極層４から電子を取り出す引き出し部１００が、積層構造の外形の内側に形成される。二次電池の積層構造は、第１〜第４の実施形態で説明した構造を適用できる。そうすると、第１〜第４の実施形態と同様に、積層構造の二次電池全体の電流容量を向上させたまま、第１電極層３又は第２電極層４から電子を取り出す引き出し部１００を確保することができる。また、図２４で例示したような、直列接続の積層構造と並列接続の積層構造とを組み合わせた積層構造とすることもできる。

また、複数個の二次電池１を直列接続で積層構造とする場合、及び又は、複数個の二次電池１を並列接続で積層構造とする場合、電圧と電流容量を任意に調整することができる。図２６の形状の二次電池１を積層させる場合、積層させる各二次電池１の引き出し部１００から電子を取り出すことができるため、電圧や電流容量の調整が可能となる。

第５の実施形態では、二次電池１が図２６に示すようなＬ字形状である場合を例示する。しかし、二次電池１の形状はＬ字形状に限定されるものではない。つまり、複数個の二次電池１を積層させたときに、積層の上にある二次電池１と積層の下にある二次電池との間で、積層構造の外形の内側に、非重複部分が生じ得る形状であれば良い。例えば、二次電池は、直角三角形等の三角形であっても良いし、Ｔ字形状であっても良いし、Ｕ字形状等であっても良い。

（Ｆ）他の実施形態
（Ｆ−１）第１〜第５の実施形態で説明した積層構造の二次電池の積層数は、特に限定されるものではない。上述したように、積層数が多くなると、積層構造の二次電池の電流容量Ｉ_１（Ｉ_１＝Ｎ × Ｉ_０）は大きくなるが、その分、積層構造の二次電池の容量も大きくなる。従って、二次電池の使用される用途や利用態様等に応じて、積層数を適宜決定することができる。

（Ｆ−２）第１〜第５の実施形態では、説明便宜上、単層構造及び積層構造の断面図を用いて説明したが、第１〜第５の実施形態で例示した単層構造及び積層構造は一例であり、各図面で示した構造に限定されるものではない。

例えば、第１〜第５の実施形態では、負極端子及び正極端子が、積層構造の両端に存在する場合を例示したが、負極端子及び正極端子が積層構造の両端に存在している必要はない。つまり、各二次電池の第１電極層、第２電極層に電子を授受させることができる位置に、負極端子及び正極端子が存在していればよい。例えば、図８では、負極端子及び正極端子が左右に設けられたものを示したが、紙面の法線方向の手前及び奥側に負極端子及び正極端子を設けるようしても良く、又負極端子を紙面の左に、正極端子を紙面の法線方向の手前に設ける等としても良い。また、負極端子及び正極端子は、板状のものであっても良いし、又は棒状のものであっても良く、また、１つの部材に限定されず、複数の部材が紙面の法線方向に配列されたものであっても良い。上記各実施形態では、複数の単層電池を上下に並設（積層）する場合を示したが、複数の単層電池を左右に併設するようにしてもよい。

（Ｆ−３）第１〜第５の実施形態では、第１電極層及び又は第２電極層に電子を授受させるための引き出し用の電極は、第１電極層及び又は第２電極層の全面に接続している場合を例示したが、第１電極層及び又は第２電極層の一部に接続していても良い。

（Ｆ−４）単層の形成プロセスは、特に限定されるものではなく種々の方法を適用することができる。

（Ｆ−５）第１〜第５の実施形態において、二次電池は、固体型の二次電池を想定して説明した。第１電極層と第２電極層との間の充電層は、有機系の固体物であってもよいし、無機系の固体物であってもよい。

（Ｆ−６）第１〜第３の実施形態では、二次電池が平面であるものを例示したが説明したが、二次電池は平面に限定されるものでない。例えば断面が円弧のように曲率を持った二次電池を用いて、上述した第１〜第３の実施形態で説明した積層構造を形成するものであってもよい。

Claims (5)

1. 光励起構造変化を利用して充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充電後放電がなされている状態で電子を保持するｎ型金属酸化物半導体で形成された充電層を、電極本体層及び上記充電層に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層を有する正電極層と、負電極層との間に有する２個の電池部を備え、
   一方の上記電池部及び他方の上記電池部の上記正電極層同士、又は、一方の上記電池部及び他方の上記電池部の上記負電極層同士を隣接接続させ、
   隣接接続されていない、一方の上記電池部及び他方の上記電池部の上記負電極層、又は、一方の上記電池部及び他方の上記電池部の上記正電極層を配線接続させ、
   上記２個の電池部を並列接続させ、
   配線接続されている上記各電池部の上記負電極層又は上記正電極層が、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続するものである
   ことを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池の隣接接続されている、一方の上記電池部の上記正電極層又は上記負電極層と、他方の上記電池部の上記正電極層又は上記負電極層との間に、端子を配置させたものを１つの構成単位である構成単位電池とし、複数の構成単位電池同士を積層させて並列接続させる積層構造の二次電池であって、
   ある構成単位電池の上記負電極層又は上記正電極層と、上記ある構成単位電池に隣接する別の構成単位電池の上記負電極層又は上記正電極層とを、共通の負電極層又は正電極層に置き換える
   ことを特徴とする二次電池。
3. 請求項１に記載の二次電池の、一方の上記電池部が、一方向に延設して端子に接続する正電極層、充電層、負電極層の順序で形成され、他方の上記電池部が、一方向に延設して端子に接続する負電極層、充電層、正電極層の順序で形成され、一方の上記電池部と他方の上記電池部とを積層させたものを１つの構成単位である構成単位電池とし、複数の構成単位電池同士を積層させて並列接続させることを特徴とする二次電池。
4. 電池部が、光励起構造変化を利用して充電動作で電子を蓄え、放電動作で蓄電電子を放出し、充電後放電がなされている状態で電子を保持するｎ型金属酸化物半導体で形成された充電層を、電極本体層及び上記充電層に接するように形成されたｐ型金属酸化物半導体層を有する正電極層と、負電極層との間に有するものであり、
   上記正電極層、上記充電層、上記負電極層の順序で構成される複数の上記電池部を直列接続させた第１電池群と、
   上記負電極層、上記充電層、上記正電極層の順序で構成される複数の上記電池部を直列接続させた第２電池群と
   を備え、
   上記第１電池群と上記第２電池群とを並列接続させ、
   上記第１電池群の最下層の負電極層と上記第２電池群の最上層の負電極層同士、又は、上記第１電池群の最上層の正電極層と上記第２電池群の最下層の正電極層同士を隣接接続させ、
   上記第１電池群の最上層の正電極層と上記第２電池群の最下層の正電極層、又は、上記第１電池群の最下層の負電極層と上記第２電池群の最上層の負電極層を配線接続させ、
   隣接接続させている、上記第１電池群の負電極層と上記第２電池群の負電極層とのいずれか、又は、上記第１電池群の正電極層と上記第２電池群の正電極層とのいずれかが、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続し、
   配線接続されている、上記第１電池群の最上層の正電極層、又は、上記第２電池群の最上層の負電極層が、端子に接続し、
   配線接続されている、上記第２電池群の最下層の正電極層、又は、上記第１電池群の最下層の負電極層が、一方向に延設されて、引き出し線として端子に接続する
   ことを特徴とする二次電池。
5. 上記電池部の形状が隣接する他の電池部との間で重複しない部分を有する形状であって、その重複しない部分が配線接続される部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。

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