JPWO2019220981A1 - 固体電池、電池モジュールおよび固体電池の充電方法 - Google Patents

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Abstract

固体電池は、固体電解質層を介して交互に積層された正極層および負極層を含む電池素子と、正極層に電気的に接続されると共に負極層から電気的に分離されるように電池素子に取り付けられた正極端子と、負極層に電気的に接続されると共に正極層から電気的に分離されるように電池素子に取り付けられた負極端子と、正極端子および負極端子のそれぞれが導出されるように電池素子を被覆する絶縁性の被覆部材と、正極端子および負極端子のそれぞれから電気的に分離されるように被覆部材に取り付けられると共に、被覆部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する受熱部材とを備える。

Description

本技術は、正極層および負極層と共に固体電解質層を備えた固体電池およびその充電方法、ならびにその固体電池を用いた電池モジュールに関する。
携帯電話機などの多様な電子機器が広く普及しており、その電子機器の小型化、軽量化および長寿命化が要望されている。そこで、電源として、繰り返して使用可能(充放電可能)である電池に関する開発が盛んに行われている。
電池としては、液体状の電解質(電解液)を用いる液体系の電池の代わりに、固体状の電解質(固体電解質)を用いる固体系の電池(固体電池)が注目されている。固体電池では、液体系の電池に特有である漏液の問題が発生しないからである。
この固体電池は、正極層および負極層と共に固体電解質層を備えている。固体電池の構成は、充電特性に大きな影響を及ぼすため、その固体電池の構成に関しては、さまざまな検討がなされている。
具体的には、固体電池を急速充電するために、その固体電池の外面または内部に加熱機構(発熱体)を設けている(例えば、特許文献1参照。)。
特開平04−010366号公報
固体電池の構成に関して様々な検討がなされているが、その固体電池の充電特性は未だ十分でないため、改善の余地がある。この場合には、特に、上記した急速充電に関する要望が益々高くなる傾向にあるため、その急速充電を容易に実現することが重要である。
本技術はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、充電特性を容易に向上させることが可能な固体電池およびその充電方法、ならびに電池モジュールを提供することにある。
本技術の一実施形態の固体電池は、固体電解質層を介して交互に積層された正極層および負極層を含む電池素子と、その正極層に電気的に接続されると共に負極層から電気的に分離されるように電池素子に取り付けられた正極端子と、その負極層に電気的に接続されると共に正極層から電気的に分離されるように電池素子に取り付けられた負極端子と、正極端子および負極端子のそれぞれが導出されるように電池素子を被覆する絶縁性の被覆部材と、正極端子および負極端子のそれぞれから電気的に分離されるように被覆部材に取り付けられると共に、被覆部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する受熱部材とを備えたものである。
本技術の一実施形態の電池モジュールは、支持体と、その支持体の上に配置された固体電池と、その固体電池が配置された位置とは異なる位置において支持体の上に配置された加熱源と、その支持体の上に配置されると共に固体電池と加熱源とを互いに熱的に接続させる伝熱部材とを備え、その固体電池が上記した本技術の一実施形態の固体電池と同様の構成を有するものである。
本技術の一実施形態の固体電池の充電方法は、固体電池を加熱し、その固体電池の温度を測定し、その固体電池の温度が所定の温度に到達したか否かを判定し、その固体電池の温度が所定の温度に到達した際に固体電池を充電するようにしたものである。
本技術の一実施形態の他の固体電池の充電方法は、固体電池を加熱し、その固体電池の加熱時間を計測し、その固体電池の加熱時間が所定の加熱時間に到達したか否かを判定し、その固体電池の加熱時間が所定の加熱時間に到達した際に固体電池を充電するようにしたものである。
本技術の一実施形態のさらに他の固体電池の充電方法は、固体電池を充電し、その固体電池の充電率を算出し、その固体電池の充電率が所定の充電率に到達したか否かを判定し、その固体電池の充電率が所定の充電率に到達した際に固体電池を加熱するようにしたものである。
本技術の一実施形態のさらに他の固体電池の充電方法は、固体電池を充電し、その固体電池の電圧を測定し、その固体電池の電圧が所定の電圧に到達したか否かを判定し、その固体電池の電圧が所定の電圧に到達した際に固体電池を加熱するようにしたものである。
本技術の一実施形態の固体電池によれば、正極端子および負極端子のそれぞれから電気的に分離されるように被覆部材に受熱部材が取り付けられており、その受熱部材の熱伝導率が被覆部材の熱伝導率よりも高いので、その固体電池を用いた電池モジュールの充電特性を容易に向上させることができる。
本技術の一実施形態の電池モジュールによれば、支持体の上に固体電池および加熱源が配置されており、その固体電池と加熱源とが伝熱部材を介して互いに熱的に接続されているので、充電特性を容易に向上させることができる。
本技術の一実施形態の固体電池の充電方法によれば、固体電池を加熱したのち、その固体電池の温度に基づいて固体電池を充電し、または固体電池の加熱時間に基づいて固体電池を充電するようにしたので、充電特性を容易に向上させることができる。
本技術の一実施形態の他の固体電池の充電方法によれば、固体電池を充電したのち、その固体電池の充電率に基づいて固体電池を加熱し、または固体電池の電圧に基づいて固体電池を充電するようにしたので、充電特性を容易に向上させることができる。
なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。
本技術の一実施形態の電池モジュールの構成を表す平面図である。 図1に示した固体電池の構成を表す平面図である。 図1に示した固体電池の他の構成を表す平面図である。 図1に示した1A−1A線に沿った固体電池の構成を表す断面図である。 図1に示した電池モジュールの構成を表すブロック図である。 本技術の一実施形態の電池モジュールの動作を説明するための流れ図である。 本技術の一実施形態の電池モジュールの製造工程を説明するための平面図である。 図7Aに示した7A−7Aに沿った電池モジュールの構成を表す断面図である。 図7Aに続く電池モジュールの製造工程を説明するための平面図である。 図8Aに示した8A−8Aに沿った電池モジュールの構成を表す断面図である。 図8Aに続く電池モジュールの製造工程を説明するための平面図である。 図9Aに示した9A−9Aに沿った電池モジュールの構成を表す断面図である。 図9Aに続く電池モジュールの製造工程を説明するための平面図である。 図10Aに示した10A−10Aに沿った電池モジュールの構成を表す断面図である。 図10Aに続く電池モジュールの製造工程を説明するための平面図である。 図11Aに示した11A−11Aに沿った電池モジュールの構成を表す断面図である。 変形例2の固体電池の構成を表す断面図である。 変形例3の電池モジュールの動作を説明するための流れ図である。 変形例4の電池モジュールの動作を説明するための流れ図である。 変形例5の電池モジュールの動作を説明するための流れ図である。 変形例6の電池モジュールの構成を表す平面図である。
以下、本技術の一実施形態に関して、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

1.電池モジュール(固体電池)
1−1.全体構成
1−2.固体電池の構成
1−3.ブロック構成
1−4.動作(固体電池の充電方法)
1−5.製造方法
1−6.作用および効果
2.変形例
3.電池モジュール(固体電池)の用途
<1.電池モジュール(固体電池)>
本技術の一実施形態の電池モジュールに関して説明する。
なお、本技術の一実施形態の固体電池は、ここで説明する電池モジュールの一部(一構成要素)であるため、その固体電池に関しては、以下で併せて説明する。
この電池モジュールは、後述する固体電池200(図2〜図4参照)を備えており、各種用途において電源として用いられる。この固体電池200は、固体電解質を用いた電池であり、いわゆる全固体電池である。固体電池200では、電極反応物質の吸蔵現象および電極反応物質の放出現象を利用して電池容量が得られる。
電極反応物質は、電極反応(いわゆる充放電反応)に関わる物質である。電極反応物質の種類は、特に限定されないが、例えば、アルカリ金属などである。以下では、例えば、電極反応物質がリチウムである場合に関して説明する。
なお、以下で適宜説明される一例の具体例(材料および形成方法などに関する複数の候補)に関しては、任意の1種類だけが用いられてもよいし、任意の2種類以上が互いに組み合わされてもよい。
<1−1.全体構成>
図1は、電池モジュールの平面構成を表している。ただし、図1では、固体電池200の図示内容を簡略化している。
この電池モジュールは、例えば、図1に示したように、基体100の上に、固体電池200と、加熱器300と、配線400と、伝熱線500とを備えている。図1では、固体電池200および加熱器300のそれぞれに網掛けを施している。
[基体100]
基体100は、固体電池200および加熱器300などを支持する支持体である。この基体100は、例えば、いわゆるプリント基板などである。このため、固体電池200、加熱器300、配線400および伝熱線500のそれぞれは、例えば、表面実装技術を用いて基体100の一面に実装されている。
[固体電池]
固体電池200は、電池モジュールの主要部(いわゆる電源)であり、基体100の上に配置されている。この固体電池200は、後述するように、加熱器300において発生した熱を受け取るための受熱パッド250(図2〜図4参照)を備えている。なお、固体電池200の詳細な構成に関しては、後述する(図2〜図4参照)。
[加熱器]
加熱器300は、固体電池200を加熱する加熱源である。この加熱器300は、固体電池200とは別個に基体100の上に設けられており、すなわち固体電池200が配置されている位置とは異なる位置において基体100の上に配置されている。
特に、加熱器300は、自ら発熱することにより、その発熱時に発生した熱を利用して固体電池200を加熱する。この加熱器300は、例えば、チップ抵抗および正特性(PTC)サーミスタなどのヒータを含んでいる。加熱器300が基体100に容易に実装可能であると共に、その加熱器300が固体電池200を十分に加熱可能だからである。
チップ抵抗は、電気抵抗を利用して発熱する電子部品(発熱抵抗体)である。具体的には、チップ抵抗は、例えば、表面実装型の高電力チップ抵抗などである。PTCサーミスタは、一定の温度以上において電気抵抗が増加する特性を利用して発熱する電子部品(発熱抵抗体)である。具体的には、PTCサーミスタは、例えば、株式会社村田製作所製のポジスタ(登録商標)FTPシリーズ(マイクロヒータ)などである。
[配線]
配線400は、固体電池200を通電させるための通電部材(電気配線)であり、基体100の上に配置されている。この配線400は、例えば、銅などの導電性材料を含んでいる。
具体的には、電池モジュールは、例えば、固体電池200を作動させるために2本の配線400(正極配線401および負極配線402)を含んでいる。正極配線401および負極配線402のそれぞれは、例えば、X軸方向において互いに離間されていると共に、そのX軸方向に延在している。正極配線401は、例えば、固体電池200のうちの後述する正極端子220(正極端子面220M)に接続されている。負極配線402は、例えば、固体電池200のうちの後述する負極端子230(負極端子面230M)に接続されている(図3および図4参照)。
[伝熱線]
伝熱線500は、固体電池200と加熱器300とを互いに熱的に接続させるための伝熱部材であり、基体100の上に配置されている。伝熱線500の構成は、熱伝導性を有していれば、特に限定されない。
ここでは、伝熱線500は、例えば、加熱器300において発生した熱を固体電池200に伝達する伝熱部材として機能すると共に、その加熱器300を通電させる通電部材(電気配線)として機能する。伝熱線500が加熱器300の通電用の電気配線を兼ねるため、その伝熱線500とは別個に通電用の電気配線を設置する必要がないからである。また、伝熱線500が固体電池200および加熱器300と共に基体100に容易に実装可能だからである。
具体的には、電池モジュールは、例えば、2本の伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を含んでいる。正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれは、例えば、X軸方向において互いに離間されていると共に、Y軸方向に延在している。
正極伝熱線501は、加熱器300の通電用の電気配線として機能するために、その加熱器300のうちの図示しない正極に接続されている。負極伝熱線502は、加熱器300の通電用の電気配線として機能するために、その加熱器300のうちの図示しない負極に接続されている。
また、正極伝熱線501は、加熱器300において発生した熱を固体電池200に伝達するために、その固体電池200のうちの後述する受熱パッド251(受熱面251M)に接続されている。負極伝熱線502は、加熱器300において発生した熱を固体電池200に伝達するために、その固体電池200のうちの後述する受熱パッド252(受熱面252M)に接続されている(図2〜図4参照)。
すなわち、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれは、加熱器300を通電させるために利用されると共に、その加熱器300において発生した熱を固体電池200に伝達するために利用される。これにより、加熱器300は、正極伝熱線501および負極伝熱線502と共に受熱パッド251,252を介して固体電池200を加熱可能である。
なお、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれは、例えば、銅線などの電気配線と共に、ハンダなどの導電性材料を含んでいてもよい。このハンダなどの導電性材料は、例えば、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれを基体200に固定するために用いられると共に、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれを固体電池200(受熱パッド251,252)に接続させるために用いられる。
<1−2.固体電池の構成>
図2および図3のそれぞれは、図1に示した固体電池200の平面構成を表していると共に、図4は、図1に示した1A−1A線に沿った固体電池200の断面構成を表している。
ただし、図2では、上方(受熱パッド250が配置されていない側)から固体電池200を見た状態を示していると共に、図3では、下方(受熱パッド250が配置されている側)から固体電池200を見た状態を示している。
固体電池200は、例えば、図2〜図4に示したように、積層体210と、正極端子220と、負極端子230と、被覆層240と、受熱パッド250とを備えている。図2および図3のそれぞれでは、正極端子220、負極端子230および受熱パッド250のそれぞれに網掛けを施している。
[積層体]
積層体210は、正極層211、負極層212および固体電解質層213を含む電池素子である。この積層体210は、正極端子220と負極端子230との間に配置されており、その正極端子220と負極端子230とが互いに対向する方向(X軸方向)と交差する方向(Z軸方向)に積層された複数の層を含んでいる。複数の層は、例えば、正極層211、負極層212、固体電解質層213、正極分離層214および負極分離層215である。
具体的には、積層体210は、例えば、Z軸方向において、正極層211および正極分離層214と負極層212および負極分離層215とが固体電解質層213を介して交互に積層された積層構造を有している。このため、正極層211および正極分離層214と負極層212および負極分離層215とは、固体電解質層213を介して互いに離間されている。ここでは、例えば、積層構造のうちの最下層が負極層212および負極分離層215であると共に、積層構造のうちの最上層が負極層212および負極分離層215である。
積層体210の積層数(正極層211、負極層212および固体電解質層213のそれぞれの数)は、特に限定されない。図4では、例えば、図示内容を簡略化するために、正極層211の数が2個、負極層212の数が3個、固体電解質層13の数が4個である場合を示している。
なお、積層体210は、例えば、上記した一連の層以外の他の層を含んでいてもよい。他の層は、例えば、保護層などである。この保護層は、例えば、積層体210のうちの最下層であると共に、その積層体210のうちの最上層である。
(正極層)
正極層211は、正極端子220に電気的に接続されていると共に、正極分離層214を介して負極端子230から電気的に分離されている。
この正極層211は、例えば、Z軸方向において正極集電層および正極活物質層が積層された積層構造を有している。この場合には、例えば、1個の正極集電層と1個の正極活物質層とが互いに積層されていてもよいし、1個の正極集電層を介して2個の正極活物質層が互いに積層されていてもよい。
正極集電層は、例えば、炭素材料および金属材料などの導電性材料を含んでおり、さらに、結着剤および固体電解質などを含んでいてもよい。正極活物質層は、例えば、リチウムを吸蔵可能である共にリチウムを放出可能である正極活物質を含んでおり、さらに、結着剤、導電剤および固体電解質などを含んでいてもよい。正極活物質は、例えば、リチウム化合物などであり、そのリチウム化合物は、例えば、リチウムを構成元素として含む複合酸化物およびリチウムを構成元素として含むリン酸化合物などである。なお、固体電解質の構成は、例えば、固体電解質層213に含まれる固体電解質の構成と同様である。
(負極層)
負極層212は、負極端子230に電気的に接続されていると共に、負極分離層215を介して正極端子220から電気的に分離されている。
この負極層212は、例えば、Z軸方向において負極集電層および負極活物質層が積層された積層構造を有している。この場合には、例えば、1個の負極集電層と1個の負極活物質層とが互いに積層されていてもよいし、1個の負極集電層を介して2個の負極活物質層が互いに積層されていてもよい。
負極集電層は、例えば、炭素材料および金属材料などの導電性材料を含んでおり、さらに、結着剤および固体電解質などを含んでいてもよい。負極活物質層は、例えば、リチウムを吸蔵可能である共にリチウムを放出可能である負極活物質を含んでおり、さらに結着剤、導電剤および固体電解質などを含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、炭素材料、金属系材料およびリチウム化合物などである。炭素材料は、例えば、黒鉛などである。金属系材料は、例えば、ケイ素を構成元素として含む材料などである。リチウム化合物は、例えば、リチウムを構成元素として含む複合酸化物などである。なお、固体電解質の構成は、例えば、固体電解質層213に含まれる固体電解質の構成と同様である。
(固体電解質層)
固体電解質層213は、正極層211と負極層212との間においてリチウムを移動させる媒介であり、正極端子220および負極端子230のそれぞれに電気的に接続されている。この固体電解質層213は、固体電解質を含んでおり、さらに結着剤などを含んでいてもよい。固体電解質は、例えば、結晶性固体電解質およびガラスセラミックス系固体電解質などである。
(正極分離層および負極分離層)
正極分離層214および負極分離層215のそれぞれは、例えば、固体電解質層213と同様の構成を有している。
[正極端子および負極端子]
正極端子220は、積層体210のうちの一方(負極分離層215が配置されている側)の側面に取り付けられており、正極層211に電気的に接続されている。この正極端子220は、例えば、銀などの導電性材料を含んでおり、熱伝導率C3を有している。
なお、正極端子220は、例えば、積層体210のうちの一方の側面に沿うようにZ軸方向に延在したのち、X軸方向における外側に折り曲げられている。このため、正極端子220のうちの外側に折り曲げられた部分は、例えば、所定の面(XY面)に沿った正極端子面220Mを有している。この正極端子面220Mは、正極配線401に接続される接続面であり、面積S3を有している。
負極端子230は、積層体210のうちの他方(正極分離層214が配置されている側)の側面に取り付けられており、正極端子220から離間されている。これにより、負極端子230は、負極層212に電気的に接続されている。この負極端子230は、例えば、正極端子220の形成材料と同様の材料を含んでおり、熱伝導率C4を有している。
なお、負極端子230は、例えば、積層体210のうちの他方の側面に沿うようにZ軸方向に延在したのち、X軸方向における外側(正極端子220が折り曲げられる方向とは反対の方向)に折り曲げられている。このため、負極端子230のうちの折り曲げられた部分は、例えば、XY面に沿った負極端子面230Mを有している。この負極端子面230Mは、負極配線402に接続される接続面であり、面積S4を有している。
[被覆層]
被覆層240は、積層体210を物理的および化学的に保護するために、その積層体210の周囲を被覆する被覆部材である。ただし、正極端子220および負極端子230のそれぞれの一部は、被覆層240の内部から外部に導出されている。すなわち、被覆層240は、正極端子220および負極端子230のそれぞれが導出されるように積層体210を被覆している。
この被覆層240は、例えば、エポキシ樹脂などの絶縁性高分子材料を含んでいるため、絶縁性を有している。ただし、被覆層240は、例えば、内側から外側に向かって2層以上の層が積層された多層構造を有していてもよい。この場合には、例えば、2層以上の層がバリア層を介して互いに分離されていてもよい。
被覆層240の熱伝導率は、特に限定されないが、中でも、できるだけ低いことが好ましい。受熱パッド250から積層体210に熱が伝達された際に、その熱が積層体210中において維持されやすくなるため、その積層体210が効率よく加熱されやすくなるからである。この場合には、被覆層240の保温性を向上させるために、その被覆層240が内部に複数の気泡(空隙)を有していてもよい。
被覆層240の色は、特に限定されないが、中でも、熱の放射係数が小さくなる色であることが好ましい。積層体210中において熱が維持されやすくなるため、その積層体210が効率よく加熱されやすくなるからである。具体的には、被覆層240の色は、濃色よりも淡色であることが好ましく、より具体的には、黒色よりも白色であることが好ましい。
これに伴い、被覆層240の表面形状は、できるだけ平滑であることが好ましい。上記したように、熱の放射係数が小さくなるため、被覆層240内部から外部に熱が放射されにくくなるからである。具体的には、被覆層240の表面は、表面シボ加工されているよりも、平滑加工されていることが好ましい。
[受熱パッド]
受熱パッド250は、加熱器300から伝熱線500を介して伝達される熱を受け取る受熱部材であり、積層体210に付設されている。これにより、受熱パッド250は、加熱器300から供給される熱を受け取ることにより、その熱を利用して積層体210を加熱する。
この受熱パッド250は、正極端子220および負極端子230のそれぞれから離間されているため、正極端子220および負極端子230のそれぞれから電気的に分離されている。ただし、受熱パッド250は、上記したように、積層体210を加熱するために、その積層体210に熱的に接続されており、特に、被覆層240の熱伝導率C5よりも高い熱伝導率Cを有している。被覆層240から放出される熱量よりも、受熱パッド250により受け取られる熱量が多くなるからである。これにより、受熱パッド250により受け取られた熱を利用して、積層体210を効率よく加熱しやすくなる。
また、受熱パッド250は、被覆層240に取り付けられており、より具体的には、被覆層240の下面(正極端子220および負極端子230のそれぞれが折り曲げられている側の面)に取り付けられている。この受熱パッド250は、部分的に露出するように被覆層240中に埋設されているため、その被覆層240を介して積層体210から離間されている。これにより、受熱パッド250のうちの露出部分は、XY面に沿った露出面(受熱面)250Mを有しており、その受熱面250Mは、面積Sを有している。
受熱パッド250の形成材料は、熱伝導性(上記した熱伝導率C)を有していれば、特に限定されない。このため、受熱パッド250は、導電性を有していてもよいし、絶縁性を有していてもよい。
受熱パッド250が導電性を有する場合には、後述するように、固体電池200の製造工程において、導電性のフレーム700を用いて正極端子220、負極端子230および受熱パッド250を一括形成することができる。この場合には、導電性の受熱パッド250が絶縁性の被覆層240を介して積層体210から離間されるため、その受熱パッド250が導電性を有していても、積層体210が受熱パッド250から電気的な影響を受けにくくなる。
受熱パッド250が絶縁性を有する場合には、その受熱パッド250が正極端子220および負極端子230のそれぞれから電気的に分離される。よって、受熱パッド250の存在に起因した意図しない固体電池200の短絡が発生しにくくなる。
導電性の受熱パッド250は、例えば、銅、アルミニウムおよび各種合金などの導電性材料を含んでいる。合金の種類は、特に限定されないが、例えば、ニッケル鉄合金(42アロイ)などである。中でも、導電性材料は、ニッケル鉄合金(42アロイ)などの低熱膨張性合金であることが好ましい。低熱膨張性合金の熱膨張率はセラミックスの熱膨張率と同程度に低いため、受熱パッド250が熱膨張しにくくなるからである。
なお、導電性の受熱パッド250のはんだ濡れ性は、高いことが好ましい。はんだを用いて受熱パッド250を伝熱線500に接続させる際に、その受熱パッド250の表面および伝熱線500の表面のそれぞれがはんだにより隙間なく被覆されるからである。これにより、受熱パッド250と伝熱線500とが互いに密接しやすくなるため、その受熱パッド250が伝熱線500を介して効率よく熱を受け取りやすくなる。
はんだ濡れ性に関しては、例えば、JIS J 8615、JIS H 8618およびISO 2093などに規定されている方法を用いて判定することができる。ここで説明するはんだ濡れ性に関して、そのはんだ濡れ性が高いとは、上記した判定方法における判定基準に基づいて、受熱パッド250の受熱面250Mが「濡れ性あり」と判定されることを意味している。具体的には、受熱パッド250の受熱面250Mをはんだ浴(温度=250℃±5℃)中に3秒間浸漬させた場合において、その受熱面250Mにはんだがムラなく均一に付着していると、「濡れ性あり」と判定される。
なお、上記した判定方法における判定基準に基づいて「濡れ性なし」と判断される場合は、例えば、以下で説明する一連の場合である。第1に、はんだが付着された受熱面250Mに、こぶおよび黒色斑点などが発生していた場合である。第2に、受熱パッド250の折り曲げ試験により、鱗状のはんだが飛んだ場合およびはんだが剥がれた場合などである。第3に、受熱面250Mにはんだが付着しなかったため、その受熱面250Mが露出していた場合である。
絶縁性の受熱パッド250は、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、炭化ケイ素および雲母などの絶縁性材料を含んでいる。絶縁性材料の熱膨張率は、上記した導電性材料の熱膨張率と同様に、十分に低いことが好ましい。
ここでは、例えば、上記したように、加熱器300から2本の伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を介して受熱パッド250に熱が伝達される。この場合には、固体電池200は、例えば、2個の受熱パッド250(251,252)を備えている。受熱パッド251は、熱伝導率C(C1)を有していると共に、受熱パッド252は、熱伝導率C(C2)を有している。これにより、受熱パッド251の熱伝導率C1は、被覆層240の熱伝導率C5よりも高くなっている。また、受熱パッド252の熱伝導率C2は、被覆層240の熱伝導率C5よりも高くなっている。
受熱パッド251,252のそれぞれは、例えば、X軸方向において互いに離間されていると共に、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれの延在方向(Y軸方向)と同様の方向に延在している。受熱パッド251,252のそれぞれの幅W(X軸方向の寸法)および長さL(Y軸方向の寸法)は、特に限定されないため、任意に設定可能である。
受熱パッド251は、例えば、正極伝熱線501に対応する位置に配置されているため、その正極伝熱線501に接続されている。受熱パッド252は、例えば、負極伝熱線502に対応する位置に配置されているため、その負極伝熱線502に接続されている。これにより、加熱器300において発生した熱は、正極伝熱線501を介して受熱パッド251に伝達されると共に、負極伝熱線502を介して受熱パッド252に伝達される。
なお、受熱パッド251は、上記したように、被覆層240から部分的に露出しているため、その受熱パッド251の露出部分は、XY面に沿った受熱面251Mを有している。この受熱面251Mは、正極伝熱線501に接続される接続面であり、面積S1を有している。
受熱パッド252は、上記したように、被覆層240から部分的に露出しているため、その受熱パッド252の露出部分は、XY面に沿った受熱面252Mを有している。この受熱面252Mは、負極伝熱線502に接続される接続面であり、面積S2を有している。
ここで、加熱器300から伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を介して受熱パッド250(251,252)に伝達される熱を利用して積層体210を加熱しやすくするために、その受熱パッド250の物性に関しては、以下の条件が満たされていることが好ましい。
第1に、受熱パッド251の熱伝導率C1は、例えば、正極端子220の熱伝導率C3以上であると共に、負極端子230の熱伝導率C4以上である。同様に、受熱パッド252の熱伝導率C2は、例えば、正極端子220の熱伝導率C3以上であると共に、負極端子230の熱伝導率C4以上である。受熱パッド251,252のそれぞれにより受け取られる熱量が担保されるからである。これにより、受熱パッド251,252により受け取られた熱を利用して積層体210を効率よく加熱しやすくなる。
中でも、熱伝導率C1は、熱伝導率C3よりも高いことが好ましいと共に、熱伝導率C4よりも高いことが好ましい。同様に、熱伝導率C2は、熱伝導率C3よりも高いと共に、熱伝導率C4よりも高いことが好ましい。正極端子220および負極端子230のそれぞれから放出される熱量よりも、受熱パッド251,252のそれぞれにより受け取られる熱量が多くなるからである。これにより、受熱パッド251,252により受け取られた熱を利用して積層体210をより効率よく加熱しやすくなる。
第2に、受熱パッド250の受熱面250Mの面積S、すなわち受熱パッド251の受熱面251Mの面積S1と受熱パッド252の受熱面252Mの面積Sとの和(=S1+S2)は、例えば、正極端子220の正極端子面220Mの面積S3と負極端子230の負極端子面230Mの面積S4との和(=S3+S4)よりも大きくなっている。正極端子220および負極端子230のそれぞれから熱が放出される面積(放熱面積)よりも、受熱パッド251,252のそれぞれにより熱が受け取られる面積(受熱面積)が大きくなるからである。これにより、受熱パッド251,252により受け取られた熱を利用して積層体210を効率よく加熱しやすくなる。
なお、受熱パッド251,252の立体的形状は、特に限定されない。ここでは、例えば、図4に示したように、受熱パッド251がX軸方向に延在していると共に、その受熱パッド251のうちのX軸方向における一端部および他端部のそれぞれが積層体210に向かって折れ曲がっている。受熱パッド252の立体的形状は、例えば、上記した受熱パッド251の立体的形状と同様である。
ただし、受熱パッド251のうちの一端部および他端部のそれぞれは、例えば、積層体210に向かって折れ曲がっていなくてもよい。すなわち、受熱パッド251は、例えば、折れ曲がらずにX軸方向に延在していてもよい。ここで説明したことは、例えば、受熱パッド252に関しても同様である。
なお、受熱パッド250(251,252)と伝熱線500と間には、熱伝導ペーストが介在していることが好ましい。受熱パッド250と伝熱線500とが熱伝導ペーストを介して互いに隙間なく密着されるからである。これにより、受熱パッド250と伝熱線500との熱伝導状態が空気の混入などに起因して阻害されにくくなるため、その受熱パッド250が伝熱線500を介して熱を受け取りやすくなる。
導電性の受熱パッド250を用いる場合には、例えば、熱伝導ペーストとして、はんだおよび金属ペーストなどのうちのいずれか1種類または2種類以上を用いることができる。絶縁性の受熱パッド250を用いる場合には、例えば、熱伝導ペーストとして、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素および雲母などの粒子を含むシリコンオイルなどを用いることができる。
<1−3.ブロック構成>
図5は、図1に示した電池モジュールのブロック構成を表している。図5では、既に説明した電池モジュールの構成要素の一部も併せて示している。
電池モジュールは、例えば、図5に示したように、上記した固体電池200、加熱器300、配線400(正極配線401および負極配線402)および伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)と共に、制御部601と、電源602と、電圧電流調整部603と、スイッチ604と、温度測定素子605とを備えている。
電源602は、例えば、電圧電流調整部603を介して固体電池200に接続されていると共に、スイッチ604を介して加熱器300に接続されている。固体電池200は、例えば、温度測定素子605を介して制御部601に接続されている。
[制御部]
制御部601は、電池モジュールの全体の動作を制御する。この制御部501は、例えば、例えば、中央処理装置(CPU)、メモリ、入出力ポートおよびタイマなどの電子部品を含む集積回路である。具体的には、制御部601は、電圧電流調整部603を介して固体電池200の充電動作を制御すると共に、スイッチ604を介して加熱器300の作動の可否を切り替える。
[電源]
電源602は、固体電池200を充電するために用いられると共に、加熱器300を作動(発熱)させるために用いられる。この電源602は、例えば、ACアダプタなどの定電圧電源を含んでいる。
[電圧電流調整部]
電圧電流調整部603は、固体電池200の充電動作を制御し、特に、定電流の充電動作(CC)および定電圧の充電動作(CV)を制御する。この電圧電流調整部603は、例えば、CC/CV充電制御用の集積回路などである。
なお、図5では、制御部601と電圧電流調整部603とが互いに別体化されているが、例えば、制御部601と電圧電流調整部603とが互いに一体化されていてもよい。すなわち、例えば、電圧電流調整部603を用いずに、制御部601が電圧電流調整部603の役割を兼ねてもよい。
[スイッチ]
スイッチ604は、加熱器300の動作(ON/OFF)を切り替える。このスイッチ604は、例えば、電界効果トランジスタ(FET)などのスイッチング素子を含んでいる。
[温度測定素子]
温度測定素子605は、固体電池200の温度Tを測定することにより、その温度Tの測定結果を制御部601に出力する。この温度測定素子605は、例えば、サーミスタなどの温度センサを含んでいる。温度測定素子60の設置場所は、固体電池200の温度Tを測定可能な場所であれば、特に限定されない。ここでは、温度測定素子605は、例えば、固体電池200の下面(受熱パッド250が配置されている側の面)において、その受熱パッド250が存在していない領域に設置されている。
<1−4.動作(固体電池の充電方法)>
図6は、図1〜図5に示した電池モジュールの動作に関する流れを表している。ここでは、電池モジュールの全体の動作を制御する制御部601の動作の流れを説明することにより、固体電池200の充電動作に関して説明する。以下で説明する括弧内のステップ番号は、図6に示したステップ番号に対応している。
なお、本技術の一実施形態の固体電池の充電方法は、ここで説明する電池モジュールの動作により実現されるため、その固体電池の充電方法に関しては、以下で併せて説明する。
以下で説明する一連の動作を行う前(初期状態)の電池モジュールでは、例えば、固体電池200が加熱器300により未だ加熱されていないため、その固体電池200の温度Tが目標温度TAよりも低くなっている。
この電池モジュールでは、最初に、スイッチ604を接続させることにより、そのスイッチ604を介して電源602と加熱器600とを互いに接続させる。これにより、電源602を利用して加熱器300を作動させることにより(ステップS11)、その加熱器300を用いて固体電池200を加熱する(ステップS12)。この場合には、加熱器300が作動すると、その加熱器300が発熱する。これにより、加熱器300において発生した熱が伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を介して受熱パッド250(251,252)に伝達されるため、その受熱パッド251,252により積層体210が加熱される。
続いて、加熱器300を作動させたのち、温度測定素子605を介して固体電池200の温度Tを測定する(ステップS13)。この場合には、例えば、タイマを利用して、所定の時間ごとに温度Tを測定する。
続いて、温度Tの測定結果に基づいて、その温度Tが目標温度TAに到達したか否かを判定する(ステップS14)。この目標温度TAは、例えば、メモリの内部に格納されている。
温度Tが目標温度TAに到達していない場合(ステップS14N)には、固体電池200の充電を開始可能な程度まで温度Tが上昇していないと判断することにより、その温度Tの測定動作(ステップS13)に回帰する。この場合には、次回の測定タイミングにおいて再び温度Tを測定したのち(ステップS13)、再び温度Tを判定する(ステップS14)。これにより、温度Tが目標温度TAに到達するまで、温度Tの測定動作(ステップS13)および温度Tの判定動作(ステップS14)を繰り返す。
一方、温度Tが目標温度TAに到達している場合(ステップS14Y)には、固体電池200の充電を開始可能な程度まで温度Tが上昇したと判断することにより、電源602および電圧電流調整部603を介して固体電池200の充電を開始する(ステップS15)。この場合には、例えば、定電流において電圧が所定の値(上限電圧)に到達するまで固体電池200が充電(定電流充電)されたのち、その電圧において電流が所定の値(下限電流)に到達するまで固体電池200が充電(定電圧充電)される。固体電池200の充電工程では、正極層211からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが固体電解質層213を介して負極層212に吸蔵される。
ここで、上記した目標温度TAは、常温(温度=23℃)において固体電池200が充電される場合と比較して、その固体電池200の充電に要する時間を短縮可能な温度であり、その常温よりも高い温度である。具体的な目標温度TAは、固体電池200の加熱を要する温度であれば、特に限定されないが、例えば、40℃以上である。ただし、固体電池200の温度が高くなりすぎると、固体電解質層213の特性などが低下する可能性があるため、目標温度TAは、60℃以下であることが好ましい。
続いて、固体電池200の充電が完了したか否かを判定する(ステップS16)。この場合には、例えば、タイマを利用して、所定の時間ごとに充電完了の判定動作を繰り返す。
ここでは、例えば、電圧電流調整部603を介して定電圧充電時の電流を測定すると共に、その電流が下限電流に到達したか否かを調べることにより、充電完了の有無を判定する。具体的には、定電圧充電時の電流が未だ下限電流に到達していない場合には、固体電池200の充電が未だ完了していないと判定すると共に、定電圧充電時の電流が既に下限電流に到達した場合には、固体電池200の充電が既に完了したと判定する。
固体電池200の充電が完了していない場合(ステップS16N)には、次回の判定タイミングにおいて再び充電完了の判定を行う(ステップS16)。一方、固体電池200の充電が完了した場合(ステップS16Y)には、電圧電流調整部603を介して固体電池200の充電を終了する(ステップS17)。
最後に、スイッチ604を切断することにより、そのスイッチ604を介して電源602と加熱器300とを互いに分離する。これにより、加熱器300を停止させる(ステップS18)。この場合には、加熱器300の発熱が停止するため、受熱パッド251,252を用いた積層体210の加熱が終了する。
これにより、固体電池200が充電(定電圧定電流充電)されるため、その固体電池200の充電動作が完了する。
<1−5.製造方法>
図7A〜図11Aのそれぞれは、図1〜図4に示した電池モジュールの製造工程を説明するために、図2に対応する平面構成を表している。図7B〜図11Bのそれぞれは、図1〜図4に示した電池モジュールの製造工程を説明するために、図4に対応する断面構成を表している。
すなわち、図7Bでは図7Aに示した7A−7Aに沿った断面、図8Bでは図8Aに示した8A−8Aに沿った断面、図9Bでは図9Aに示した9A−9Aに沿った断面、図10Bでは図10Aに示した10A−10Aに沿った断面、図11Bでは図11Aに示した11A−11Aに沿った断面をそれぞれ示している。
[固体電池の製造方法]
以下では、図1〜図4に示した電池モジュールの主要部である固体電体200の製造方法に関して説明する。ただし、図9B〜図11Bでは、図示内容を簡略化するために、積層体210の断面構成を模式化している。
固体電池200を製造するためには、最初に、図7Aおよび図7Bに示したように、フレーム700を準備する。このフレーム700は、電池モジュールを製造するために用いられる支持体であると共に、最終的に電池モジュールの一部(正極端子220、負極端子230および受熱パッド250)になる前駆体である。図7Aおよび後述する図8A〜図10Aでは、フレーム700に網掛けを施している。
具体的には、フレーム700は、例えば、3個の開口部700K1,700K2,700K3を有する板状の部材であり、枠部710と、一対の突出部720,730と、一対の横断部740,750とを含んでいる。
枠部710は、一対の突出部720,730および一対の横断部740,750を支持する支持枠である。
一対の突出部720,730のそれぞれは、X軸方向において一対の横断部740,750を介して互いに離間されている。突出部720は、例えば、X軸方向における一方側(右側)において枠部710に連結されていると共に、その枠部710から内側に向かって突出している。突出部730は、例えば、X軸方向における他方側(左側)において枠部710に連結されていると共に、その枠部710から内側に向かって突出している。このため、突出部720,730のそれぞれは、例えば、X軸方向に延在しながら互いに近づく方向に突出している。
突出部720は、例えば、突出方向における先端部として、後工程において折り曲げられる折り曲げ部720Pを含んでいる。同様に、突出部730は、例えば、突出方向における先端部として、後工程において折り曲げられる折り曲げ部730Pを含んでいる。図7Aでは、突出部720,730のそれぞれが後工程において折り曲げられる箇所に破線を付している。
一対の横断部740,750は、X軸方向において互いに離間されている。横断部740は、例えば、突出部720よりも突出部730に近い側に配置されていると共に、横断部750は、例えば、突出部730よりも突出部720に近い側に配置されている。横断部740は、例えば、Y軸方向における一端側(上側)において枠部710に連結されていると共に、そのY軸方向における他端側(下側)において枠部710に連結されている。横断部750は、例えば、Y軸方向における一端側において枠部710に連結されていると共に、そのY軸方向における他端側において枠部710に連結されている。このため、横断部740,750のそれぞれは、例えば、Y軸方向に延在している。
横断部740は、例えば、延在方向(Y軸方向)における中央部において両側(X軸方向)に向かって突出する一対の突出部として、後工程において折り曲げられる一対の折り曲げ部740Pを含んでいる。同様に、横断部750は、例えば、延在方向(Y軸方向)における中央部において両側(X軸方向)に向かって突出する一対の突出部として、後工程において折り曲げられる一対の折り曲げ部750Pを含んでいる。図7Aでは、横断部740,750のそれぞれが後工程において折り曲げられる箇所に破線を付している。
これにより、開口部700K1は、例えば、枠部710、突出部720および横断部750により囲まれている。開口部700K2は、例えば、枠部710、突出部730および横断部740により囲まれている。開口部700K3は、例えば、枠部710および横断部740,750により囲まれている。
なお、フレーム700は、例えば、受熱パッド250(251.252)の形成材料と同様の材料を含んでいる。ここでは、フレーム700は、例えば、ニッケル鉄合金(42アロイ)を含んでいるため、導電性を有している。フレーム700を用いて固体電池200を製造することにより、後述するように、正極端子220、負極端子230および受熱パッド250(251,252)のそれぞれが共通の材料により形成される。
続いて、図8Aおよび図8Bに示したように、突出部720,730および横断部740,750のそれぞれの一部を互いに共通する方向に向かって折り曲げる。
具体的には、突出部720のうちの折り曲げ部720Pを手前側に折り曲げると共に、突出部730のうちの折り曲げ部730Pを手前側に折り曲げる。また、横断部740のうちの一対の折り曲げ部740Pのそれぞれを手前側に折り曲げると共に、横断部750のうちの一対の折り曲げ部750Pのそれぞれを手前側に折り曲げる。この手前側とは、図8Aの紙面よりも手前に位置する側であると共に、図8Bでは上側である。ただし、図8Aでは、突出部720,730(折り曲げ部720P,730P)および横断部740,750(折り曲げ部740P,750P)のそれぞれの厚さの図示を省略している。
続いて、図9Aおよび図9Bに示したように、フレーム700の上方、より具体的には突出部720,730および横断部740,750のそれぞれが折り曲げられた側に、積層体210を形成する。
ここでは、積層体210の製造工程に関する詳細な説明を省略するが、その積層体210を形成する場合には、例えば、図4に示したように、固体電解質層213を介して正極層211および正極分離層214と負極層212および負極分離層215とを交互に積層させる。この場合には、例えば、いわゆるグリーンシート法を用いる。
特に、積層体210を形成する場合には、突出部720,730(折り曲げ部720P,730P)の間に積層体210が配置されると共に、その積層体210が折り曲げ部720P,730Pのそれぞれに接続されるようにする。より具体的には、正極層211が折り曲げ部720Pに接続されると共に正極分離層214を介して折り曲げ部730Pから分離されるようにする。また、負極層212が折り曲げ部730Pに接続されると共に負極分離層215を介して折り曲げ部720Pから分離されるようにする。
また、積層体210を形成する場合には、横断部740,750のそれぞれの上方に積層体210が配置されることにより、その積層体210が横断部740,750から離間されるようにする。
続いて、図10Aおよび図10Bに示したように、積層体210の周囲を被覆するように被覆層240を形成する。被覆層240を形成する場合には、例えば、有機溶剤により被覆層240の形成材料(絶縁性高分子材料)が溶解された溶液を積層体210の周囲に供給したのち、その溶液を乾燥させる。この場合には、積層体210に溶液を塗布してもよいし、その溶液中に積層体210を浸漬させてもよい。
特に、被覆層240を形成する場合には、突出部720,730のそれぞれの一部が被覆層240の内部から外部に導出されるようにすると共に、その被覆層240の一部を介して横断部740,750のそれぞれが積層体210から離間されるようにする。
なお、図10A中に一点鎖線で示した切断線CLは、後工程においてフレーム700が切断される箇所を表している。
最後に、図10Aに示した切断線CLに沿ってフレーム700を切断したのち、そのフレーム700を除去する。これにより、図11Aおよび図11Bに示したように、固体電池200が完成する。固体電池200の詳細な構成は、図1〜図4に示した通りである。
この場合には、図10A、図10B、図11Aおよび図11Bから明らかなように、切断後の突出部720により正極端子220が形成されると共に、切断後の突出部730により負極端子230が形成される。また、切断後の横断部740により受熱パッド251が形成されると共に、切断後の横断部750により受熱パッド252が形成される。これにより、正極端子220、負極端子230および受熱パッド250(251,252)が一括形成される。
[電池モジュールの製造方法]
なお、電池モジュールを製造する場合には、例えば、図1に示したように、既存の表面実装技術を用いて、基体100の表面に固体電池200、加熱器300、配線400(正極配線401および負極配線402)および伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を実装する。
<1−6.作用および効果>
この電池モジュールによれば、基体100の上に固体電池200および加熱器300が配置されており、その固体電池200と加熱器300とが伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を介して互いに熱的に接続されている。この固体電池200では、正極端子220および負極端子230のそれぞれが導出されるように絶縁性の被覆層240が積層体210を被覆しており、正極端子220および負極端子230のそれぞれから電気的に分離されるように被覆層240に受熱パッド250(251,252)が取り付けられている。この受熱パッド250の熱伝導率C(C1,C2)は、被覆層240の熱伝導率C5よりも高くなっている。
この場合には、加熱器300において発生した熱が伝熱線500を介して受熱パッド250に伝達されるため、その受熱パッド250に伝達された熱を利用して積層体210が加熱される。これにより、積層体210が加熱された状態において固体電池200が充電されるため、積層体210が加熱されない状態において固体電池200が充電される場合と比較して、その固体電池200が短時間で充電される。
特に、積層体210が受熱パッド250により加熱される場合には、その受熱パッド250の熱伝導率Cが被覆層240の熱伝導率C5よりも高いため、積層体210を被覆している被覆層240から放出される熱量よりも、その被覆層240に取り付けられている受熱パッド250により受け取られる熱量が多くなる。これにより、積層体210が効率よく加熱されやすくなるため、固体電池200がより短時間で充電される。
しかも、加熱源である加熱器300を固体電池200とは別個に設けることにより、簡素な構成を有する受熱パッド250を固体電池200に導入するだけで、その受熱パッド250を利用して積層体210を加熱可能になる。この場合には、煩雑な構成を有する加熱源を固体電池200に導入する必要がないと共に、その加熱源を固体電池200に熱的に接続させるために煩雑な伝熱機構を導入する必要もないため、積層体210の加熱機構を有する固体電池200が容易に構築される。
また、表面実装技術を用いることにより、固体電池200、加熱器300および伝熱線500のそれぞれが基体100に容易に実装されるため、その加熱器300と共に伝熱線500を用いた固体電池200の加熱機構が容易に構築される。
よって、受熱パッド250を導入するために固体電池の200の構成を簡素に変更するだけで、その固体電池200が短時間で充電されるため、電池モジュールの充電特性を容易に向上させることができる。この場合には、簡素な構成変更だけで固体電池200が短時間で充電可能になるため、その固体電池200の充電に要する時間を低コストで短縮することができる。
特に、受熱パッド251の熱伝導率C1が正極端子220の熱伝導率C3以上であると共に負極端子230の熱伝導率C4以上であれば、その受熱パッド251により受け取られる熱量が担保される。よって、積層体210を効率よく加熱しやすくなるため、より高い効果を得ることができる。この作用および効果は、受熱パッド252の熱伝導率C2が正極端子220の熱伝導率C3以上であると共に負極端子230の熱伝導率C4以上である場合においても、同様に得られる。
また、受熱面250Mの面積S、すなわち受熱面251Mの面積S1と受熱面252Mの面積S2との和(=S1+S2)が正極端子面220Mの面積S3と負極端子面230Mの面積S4との和(=S3+S4)よりも大きくなっていれば、正極端子220および負極端子230の放熱面積よりも、受熱パッド251,252の受熱面積が大きくなる。よって、積層体210を効率よく加熱しやすくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、受熱パッド250が絶縁性を有していれば、その受熱パッド250が正極端子220および負極端子230のそれぞれから電気的に分離される。よって、意図しない固体電池200の短絡が発生しにくくなるため、より高い効果を得ることができる。
また、受熱パッド250が導電性を有していれば、その受熱パッド250が絶縁性の被覆層240を介して積層体210から電気的に分離される。よって、積層体210が電気的な影響を受けにくくなるため、より高い効果を得ることができる。この場合には、特に、固体電池200の製造工程において、導電性のフレーム700を用いて正極端子220、負極端子230および受熱パッド250が一括形成されるため、その固体電池200を容易に製造することもできる。
また、加熱器300がチップ抵抗などを含んでいれば、その加熱器300が基体100に容易に実装可能になると共に、その加熱器300が固体電池200を十分に加熱可能になるため、より高い効果を得ることができる。
また、伝熱線500が加熱器300の通電用の電気配線であれば、その伝熱線500とは別個に通電用の電気配線を設置する必要がないと共に、その伝熱線500が固体電池200および加熱器300と共に基体100に容易に実装可能になる。よって、伝熱経路および導電経路として機能する伝熱線500が電池モジュールに容易に導入されることにより、その電池モジュールの構成がより簡素化するため、より高い効果を得ることができる。この場合には、特に、上記したように、表面実装技術を用いて固体電池200、加熱器300および伝熱線500が基体100に実装可能であるため、電池モジュールを低コストで製造することもできる。
また、電池モジュールに搭載される固体電池200によれば、正極端子220および負極端子230のそれぞれが導出されるように絶縁性の被覆層240が積層体210を被覆していると共に、正極端子220および負極端子230のそれぞれから電気的に分離されるように被覆層240に受熱パッド250が取り付けられており、その受熱パッド250の熱伝導率Cが被覆層240の熱伝導率C5よりも高くなっている。この場合には、上記した電池モジュールに関して説明した理由により、その受熱パッド250を導入する簡素な構成変更だけで固体電池200の充電時間が短縮される。よって、固体電池200を用いた電池モジュールの充電特性を容易に向上させることができる。これ以外の固体電池200に関する作用および効果は、電池モジュールに関する作用および効果と同様である。
また、固体電池200の充電方法によれば、固体電池200を加熱すると共に、その固体電池200の温度Tを測定したのち、その温度Tが目標温度TAに到達した際に固体電池200の充電を開始している。この場合には、上記したように、積層体210が加熱された状態において固体電池200が充電されるため、その固体電池200が短時間で充電される。よって、固体電池200を用いた電池モジュールの充電特性を容易に向上させることができる。
<2.変形例>
電池モジュール(固体電池200)の構成に関しては、適宜、変更可能である。なお、既に説明した電池モジュール(固体電池200)の構成および動作に関する態様、ならびに以下で説明する電池モジュール(固体電池200)の構成および動作に関する一連の態様(変形例)は、任意の2種類以上が互いに組み合わされてもよい。
[変形例1]
図1〜図4では、二次電池が2個の受熱パッド250(251,252)を備えているが、その受熱パッド250の数は、特に限定されない。このため、二次電池は、1個の受熱パッド250だけを備えていてもよいし、3個以上の受熱パッド250を備えていてもよい。
二次電池が1個の受熱パッド250を備える場合には、例えば、その受熱パッド250を正極伝熱線501および負極伝熱線502のうちのいずれか一方に接続すればよい。二次電池が3個以上の受熱パッド250を備える場合には、その3個以上の受熱パッド250のうちの2個の受熱パッド250を正極伝熱線501および負極伝熱線502に接続させると共に、さらに残りの1個以上の受熱パッド250と加熱器300とを互いに接続させる追加の伝熱線を増設すればよい。この追加の伝熱線の構成は、例えば、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれの構成と同様である。
これらの場合においても、1個または3個以上の受熱パッド250を利用して積層体210が加熱されるため、同様の効果を得ることができる。
[変形例2]
図4では、受熱パッド250が被覆層240を介して積層体210から離間されている。しかしながら、例えば、図4に対応する図12に示したように、受熱パッド250が絶縁性を有していれば、その受熱パッド250が積層体210に隣接されていてもよい。
この場合においても、受熱パッド250を利用して積層体210が加熱されるため、同様の効果を得ることができる。この場合には、特に、受熱パッド250が積層体210に接近するため、その受熱パッド250から積層体210に熱が伝達しやすくなる。よって、受熱パッド250を利用して積層体210が加熱されやすくなる。
[変形例3]
図5および図6では、電池モジュールが温度測定素子605を備えており、その温度測定素子605により測定される固体電池200の温度Tの測定結果に基づいて、その温度Tが目標温度TAに到達した際に固体電池200の充電を開始した。
しかしながら、所望の加熱状態に到達するまで固体電池200が加熱された際に固体電池200の充電を開始すれば、その固体電池200が所望の加熱状態に到達したか否かを判定するロジックは、特に限定されない。
具体的には、例えば、図6に対応する図13に示したように、タイマにより計測される固体電池200の加熱時間Pの計測結果に基づいて、その固体電池200の充電を開始してもよい。この場合には、例えば、電池モジュールが温度測定素子605を備えていなくてもよい。
電池モジュールの具体的な動作は、以下で説明する通りである。ただし、以下の説明では、図6において既に説明した動作と同様の動作の説明に関しては、その説明を簡略化する。以下で説明する括弧内のステップ番号は、図13に示したステップ番号に対応している。
この電池モジュールでは、最初に、加熱器300を作動させることにより(ステップS21)、固体電池200を加熱する(ステップS22)。続いて、タイマを介して固体電池200の加熱時間(加熱開始後の経過時間)Pを計測する(ステップS23)。続いて、加熱時間Pの計測結果に基づいて、その加熱時間Pが目標加熱時間PAに到達したか否かを判定する(ステップS24)。この目標加熱時間PAは、例えば、メモリの内部に格納されている。
加熱時間Pが目標加熱時間PAに到達していない場合(ステップS24N)には、固体電池200の充電を開始可能な程度まで加熱時間が経過していないと判断することにより、その加熱時間Pの計測動作(ステップS23)に回帰する。この場合には、次回の計測タイミングにおいて再び加熱時間Pを計測することにより(ステップS23)、その加熱時間Pが目標加熱時間PAに到達するまで加熱時間Pの計測動作(ステップS23)および加熱時間Pの判定動作(ステップS24)を繰り返す。
一方、加熱時間Pが目標加熱時間PAに到達している場合(ステップS24Y)には、固体電池200の充電を開始可能な程度まで加熱時間が経過したと判断することにより、体電池200の充電を開始する(ステップS25)。
ここで、上記した目標加熱時間PAは、常温(温度=23℃)において固体電池200が充電される場合と比較して、その充電に要する時間を短縮可能になるまで固体電池200が加熱される時間であり、加熱温度などの条件に応じて任意に設定可能である。
続いて、固体電池200の充電が完了したか否かを判定する(ステップS26)。固体電池200の充電が完了していない場合(ステップS26N)には、次回の判定タイミングにおいて再び充電完了の判定を行うと共に(ステップS26)、固体電池200の充電が完了した場合(ステップS26Y)には、固体電池200の充電を終了する(ステップS27)。
最後に、加熱器300を停止させる(ステップS28)。これにより、固体電池200が充電されるため、その固体電池200の充電動作が完了する。
この場合には、固体電池200を加熱すると共に、その固体電池200の加熱時間Pを計測したのち、その加熱時間Pが目標加熱時間PAに到達した際に固体電池200の充電を開始している。よって、積層体210が加熱された状態において固体電池200が充電されるため、同様の効果を得ることができる。
[変形例4]
図6および図13では、加熱器300を用いて固体電池200を加熱したのち、温度Tおよび加熱時間Pのそれぞれに関して所定の条件が満たされた際に、固体電池200の充電を開始している。しかしながら、例えば、図6および図13に対応する図14に示したように、固体電池200の充電を開始したのち、その固体電池200の充電率Rに関して所定の条件が満たされた際に、加熱器300を用いて固体電池200を加熱してもよい。
電池モジュールの具体的な動作は、以下で説明する通りである。ただし、以下の説明では、図6において既に説明した動作と同様の動作の説明に関しては、その説明を簡略化する。以下で説明する括弧内のステップ番号は、図14に示したステップ番号に対応している。
この電池モジュールでは、最初に、固体電池200の充電を開始する(ステップS31)。続いて、電圧電流調整部603を介して固体電池200の充電率Rを算出する(ステップS32)。この場合には、電圧電流調整部603を介して測定された充電開始後の積算電流を固体電池200の容量で除することにより、充電率Rを算出する。すなわち、充電率Rは、充電率R=充電開始後の積算電流/固体電池200の容量という計算式に基づいて算出される。
続いて、充電率Rの算出結果に基づいて、その充電率Rが目標充電率RAに到達したか否かを判定する(ステップS33)。この目標充電率RAは、例えば、メモリの内部に格納されている。
ここで、上記した目標充電率RAは、常温(温度=23℃)において固体電池200が充電される場合と比較して、その固体電池200の充電時間の短縮を要する充電率である。詳細には、固体電池200の充電工程では、一般的に、充電率がある一定の値以上になり、すなわち充電末期になると、充電速度が顕著に遅くなる傾向にある。このため、固体電池200の充電時間を効果的に短縮するためには、全充電工程において固体電池200を加熱しなくても、充電速度が顕著に遅くなる傾向にある充電末期において固体電池200を加熱すれば、その充電末期において固体電池200の充電に要する時間を効果的に短縮することができる。よって、目標充電率RAは、固体電池200が加熱されていない状態では充電時間が著しく長くなるため、固体電池200を加熱することで充電時間を大幅に短縮させる必要がある充電末期の充電率である。具体的な目標充電率RAは、上記したように、充電末期の充電率であれば、特に限定されないが、例えば、80%以上である。
充電率Rが目標充電率RAに到達していない場合(ステップS33N)には、充電工程が固体電池200の加熱を要する充電末期に到達していないと判断することにより、その充電率Rの算出動作(ステップS32)に回帰する。この場合には、次回の算出タイミングにおいて再び充電率Rを算出することにより(ステップS32)、その充電率Rが目標充電率RAに到達するまで充電率Rの算出動作(ステップS32)および充電率Rの判定動作(ステップS33)を繰り返す。
一方、充電率Rが目標充電率RAに到達している場合(ステップS33Y)には、充電工程が固体電池200の加熱を要する充電末期に到達したと判断する。これにより、加熱器300を作動させることにより(ステップS34)、固体電池200を加熱する(ステップS35)。
続いて、固体電池200の充電が完了したか否かを判定する(ステップS36)。固体電池200の充電が完了していない場合(ステップS36N)には、次回の判定タイミングにおいて再び充電完了の判定を行うと共に(ステップS36)、固体電池200の充電が完了した場合(ステップS36Y)には、固体電池200の充電を終了する(ステップS37)。
最後に、加熱器300を停止させる(ステップS38)。これにより、固体電池200が充電されるため、その固体電池200の充電動作が完了する。
この場合には、固体電池200の充電を開始すると共に、その固体電池200の充電率Rを算出したのち、その充電率Rが目標充電率RAに到達した際に固体電池200を加熱している。よって、積層体210が加熱された状態において固体電池200が充電されるため、同様の効果を得ることができる。
これにより、特に、充電速度が顕著に遅くなる充電末期だけにおいて積層体210が加熱されるため、全充電工程において積層体210が形成される場合(図6および図13)と比較して、その積層体210が加熱される時間は短くなる。よって、加熱に起因する積層体210(固体電解質層213などの各層の形成材料)の劣化が抑制されると共に、加熱器300の加熱動作に要する消費エネルギー量が低減するため、より高い効果を得ることができる。特に、積層体210の劣化が抑制されることにより、その積層体210の劣化に起因して充電速度が遅くなることも抑制される。
[変形例5]
また、例えば、図14に対応する図15に示したように、固体電池200の充電を開始したのち、その固体電池200の電圧Vに関して所定の条件が満たされた際に、加熱器300を用いて固体電池200を加熱してもよい。
電池モジュールの具体的な動作は、以下で説明する通りである。ただし、以下の説明では、図6において既に説明した動作と同様の動作の説明に関しては、その説明を簡略化する。以下で説明する括弧内のステップ番号は、図15に示したステップ番号に対応している。
この電池モジュールでは、最初に、固体電池200の充電を開始する(ステップS41)。続いて、電圧電流調整部603を介して固体電池200の電圧Vを測定する(ステップS42)。
続いて、電圧Vの測定結果に基づいて、その電圧Vが目標電圧VAに到達したか否かを判定する(ステップS43)。この目標電圧VAは、上記した目標充電率RA(図14参照)に対応する電圧、すなわち充電末期の電圧であり、例えば、メモリの内部に格納されている。具体的な目標電圧VAは、充電末期の電圧であれば、特に限定されない。一例を挙げると、正極活物質がコバルト酸リチウム(LiCoO2 )であると共に負極活物質が黒鉛である場合の電圧に換算すると、目標電圧VAは、例えば、4.1V以上である。
電圧Vが目標電圧VAに到達していない場合(ステップS43N)には、充電工程が固体電池200の加熱を要する充電末期に到達していないと判断することにより、その電圧Vの測定動作(ステップS42)に回帰する。この場合には、次回の測定タイミングにおいて再び電圧Vを算出することにより(ステップS42)、その電圧Vが目標電圧VAに到達するまで電圧Vの算出動作(ステップS42)および電圧Vの判定動作(ステップS43)を繰り返す。
一方、電圧Vが目標電圧VAに到達している場合(ステップS43Y)には、充電工程が固体電池200の加熱を要する充電末期に到達したと判断する。これにより、加熱器300を作動させることにより(ステップS44)、固体電池200を加熱する(ステップS45)。
続いて、固体電池200の充電が完了したか否かを判定する(ステップS46)。固体電池200の充電が完了していない場合(ステップS46N)には、次回の判定タイミングにおいて再び充電完了の判定を行うと共に(ステップS46)、固体電池200の充電が完了した場合(ステップS46Y)には、固体電池200の充電を終了する(ステップS47)。
最後に、加熱器300を停止させる(ステップS48)。これにより、固体電池200が充電されるため、その固体電池200の充電動作が完了する。
この場合には、固体電池200の充電を開始すると共に、その固体電池200の電圧Vを測定したのち、その電圧Vが目標電圧VAに到達した際に固体電池200を加熱している。よって、積層体210が加熱された状態において固体電池200が充電されるため、同様の効果を得ることができる。
この場合においても、充電速度が顕著に遅くなる充電末期だけにおいて積層体210が加熱されるため、充電率Rに基づいて判定を行った場合(図14)と同様に、加熱に起因する積層体210の劣化が抑制されると共に、加熱器300の消費エネルギー量が低減する。
[変形例6]
図1では、電池モジュールが1個の固体電池200と1個の加熱器300とを備えているが、固体電池200および加熱器300のそれぞれの数は、特に限定されないため、2個以上でもよい。
具体的には、例えば、図1に対応する図16に示したように、電池モジュールが2個の固体電池200(201,202)を備えていてもよい。この電池モジュールは、例えば、2個の固体電池201,202と共に正極配線403および負極配線404を備えていると共に、正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれの延在範囲が異なることを除いて、図1に示した電池モジュールと同様の構成を有している。図16では、固体電池201,202のそれぞれに網掛けを施している。
固体電池201,202は、例えば、Y軸方向において加熱器300を介して互いに離間されている。固体電池201,202のそれぞれの構成は、例えば、図1〜図4に示した通りである。
固体電池201では、例えば、正極端子220が正極配線401に接続されていると共に、負極端子230が負極配線402に接続されている。固体電池202では、例えば、正極端子220が正極配線403に接続されていると共に、負極端子230が負極配線404に接続されている。正極配線403および負極配線404のそれぞれの構成は、例えば、正極配線401および負極配線402のそれぞれの構成と同様である。
正極伝熱線501および負極伝熱線502のそれぞれは、固体電池201から加熱器300を経由して固体電池202まで延在している。これにより、固体電池201では、受熱パッド251が正極伝熱線501に接続されていると共に、受熱パッド252が負極伝熱線502に接続されている。固体電池202では、受熱パッド251が正極伝熱線501に接続されていると共に、受熱パッド252が負極伝熱線502に接続されている。
この電池モジュールでは、加熱器300が発熱すると、その加熱器300において発生した熱は、正極伝熱線501および負極伝熱線502を介して固体電池201(受熱パッド251,252)に伝達されると共に、その正極伝熱線501および負極伝熱線502を介して固体電池202(受熱パッド251,252)に伝達される。これにより、固体電池201では、受熱パッド251,252より積層体210が加熱されると共に、固体電池202でも、受熱パッド251,252により積層体210が加熱される。
この場合には、電池モジュールが複数の固体電池200(ここでは2個の固体電池201,202)を備えており、加熱器300が伝熱線500(正極伝熱線501および負極伝熱線502)を介して複数の固体電池200に熱的に接続されている。これにより、受熱パッド250を利用して固体電池200(積層体210)が加熱されるため、同様の効果を得ることができる。
特に、1個の加熱器300が複数の固体電池200により共有化されるため、その1個の加熱器300を用いて複数の固体電池200が加熱される。これにより、複数の固体電池200を加熱するために複数の加熱器300を用いる必要がないため、その加熱器300の必要数が削減される。よって、基体100に対する加熱器300などの実装面積を抑えながら複数の固体電池200が充電可能になるため、より高い効果を得ることができる。特に、加熱器300の数が1個だけで済むため、電池モジュールの構成が簡略化されると共に、コストアップを抑制することもできる。
<3.電池モジュール(固体電池)の用途>
電池モジュールの用途は、特に限定されない。なお、固体電池200は、上記したように、電池モジュールの一構成要素であるため、その固体電池200の用途に関しては、以下で併せて説明する。
電池モジュールの用途は、その電池モジュールを駆動用の電源および電力蓄積用の電力貯蔵源などとして利用可能である機械、機器、器具、装置およびシステム(複数の機器などの集合体)などであれば、特に限定されない。電源として用いられる電池モジュールは、主電源でもよいし、補助電源でもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源である。補助電源は、例えば、主電源の代わりに用いられる電源でもよいし、必要に応じて主電源から切り替えられる電源でもよい。電池モジュールを補助電源として用いる場合には、主電源の種類は電池モジュールに限られない。
電池モジュールの用途は、例えば、以下の通りである。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオ、携帯用テレビおよび携帯用情報端末などの電子機器(携帯用電子機器を含む。)である。電気シェーバなどの携帯用生活器具である。バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具である。着脱可能な電源としてノート型パソコンなどに搭載される電池パックである。ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器である。電気自動車(ハイブリッド自動車を含む)などの電動車両である。非常時に備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。もちろん、電池モジュールの用途は、上記した用途以外の他の用途でもよい。
以上、一実施形態を挙げながら本技術に関して説明したが、その本技術の態様は、一実施形態において説明された態様に限定されないため、種々に変形可能である。具体的には、電極反応物質としてリチウムを用いた固体電池に関して説明したが、リチウム以外の電極反応物質を用いた固体電池でもよい。
なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して他の効果が得られてもよい。

Claims (13)

  1. 固体電解質層を介して交互に積層された正極層および負極層を含む電池素子と、
    前記正極層に電気的に接続されると共に前記負極層から電気的に分離されるように前記電池素子に取り付けられた正極端子と、
    前記負極層に電気的に接続されると共に前記正極層から電気的に分離されるように前記電池素子に取り付けられた負極端子と、
    前記正極端子および前記負極端子のそれぞれが導出されるように前記電池素子を被覆する絶縁性の被覆部材と、
    前記正極端子および前記負極端子のそれぞれから電気的に分離されるように前記被覆部材に取り付けられると共に、前記被覆部材の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する受熱部材と
    を備えた、固体電池。
  2. 前記受熱部材の熱伝導率は、前記正極端子の熱伝導率以上であると共に、前記負極端子の熱伝導率以上である、
    請求項1記載の固体電池。
  3. 前記受熱部材は、所定の面に沿った受熱面を有し、
    前記正極端子は、前記所定の面に沿った正極端子面を有し、
    前記負極端子は、前記所定の面に沿った負極端子面を有し、
    前記受熱面の面積は、前記正極端子面の面積と前記負極端子面の面積との和よりも大きい、
    請求項1または請求項2に記載の固体電池。
  4. 前記受熱部材は、絶縁性を有している、
    請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の固体電池。
  5. 前記受熱部材は、導電性を有している、
    請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の固体電池。
  6. 支持体と、
    前記支持体の上に配置された請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の固体電池と、
    前記固体電池が配置された位置とは異なる位置において前記支持体の上に配置された加熱源と、
    前記支持体の上に配置されると共に、前記固体電池と前記加熱源とを互いに熱的に接続る伝熱部材と
    を備えた、電池モジュール。
  7. 前記加熱源は、チップ抵抗および正特性サーミスタのうちの少なくとも一方を含む、
    請求項6記載の電池モジュール。
  8. 前記伝熱部材は、前記加熱源を通電させる電気配線である、
    請求項6または請求項7に記載の電池モジュール。
  9. 前記固体電池を複数備え、
    前記加熱源は、前記伝熱部材を介して前記複数の固体電池に熱的に接続されている、
    請求項6ないし請求項8のいずれか1項に記載の電池モジュール。
  10. 固体電池を加熱し、
    前記固体電池の温度を測定し、
    前記固体電池の温度が所定の温度に到達したか否かを判定し、
    前記固体電池の温度が前記所定の温度に到達した際に、前記固体電池を充電する、
    固体電池の充電方法。
  11. 固体電池を加熱し、
    前記固体電池の加熱時間を計測し、
    前記固体電池の加熱時間が所定の加熱時間に到達したか否かを判定し、
    前記固体電池の加熱時間が前記所定の加熱時間に到達した際に、前記固体電池を充電する、
    固体電池の充電方法。
  12. 固体電池を充電し、
    前記固体電池の充電率を算出し、
    前記固体電池の充電率が所定の充電率に到達したか否かを判定し、
    前記固体電池の充電率が前記所定の充電率に到達した際に、前記固体電池を加熱する、
    固体電池の充電方法。
  13. 固体電池を充電し、
    前記固体電池の電圧を測定し、
    前記固体電池の電圧が所定の電圧に到達したか否かを判定し、
    前記固体電池の電圧が前記所定の電圧に到達した際に、前記固体電池を加熱する、
    固体電池の充電方法。
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