KR20200027999A - 코인형 전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
코인형 전지(101)는, 양극층(11,21,31), 고체 전해질층(12,22,32) 및 음극층(13,23,33)이 적층된 적어도 1개의 적층체(1∼3)와, 복수의 적층체(1∼3)를 봉입하는 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)으로 이루어지는 외장체를 구비하고 있다. 적층체(1∼3)는 가압에 의하여 압축되어 있고, 각 적층체(1∼3)에 있어서의 고체 전해질층(12,22,32)의 평균두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하이다.
Description
본 발명은, 고체 전해질층(固體電解質層)을 갖는 코인형 전지에 관한 것이다.
종래에 있어서, 특허문헌1 및 2에 개시되어 있는 바와 같이 일반적으로 보급되고 있는 코인형 전지는 전해질로서 액체 전해질(전해액)을 갖고 있다. 이 때문에 코인형 전지에는, 액체누설(液體漏泄), 연소 등이 발생할 가능성이 있었다. 또한 전해액의 휘발, 동결 등에 의하여 사용온도영역에 제한이 있었다.
이들의 문제를 해결하기 위해서, 전해질에 고체 전해질을 사용한 전고체전지(全固體電池)로 구성되는 코인형 전지의 개발이 진척되고 있다. 전고체전지는, 일반적으로 용량이 작기 때문에 출력이 작고, 필요한 전류가 얻어지지 않는다고 하는 문제가 있었다.
특허문헌3에는, 이와 같은 문제를 해결하는 코인형의 전고체전지로서, 금속제 케이스의 내부에 설치된 전지소자에 압력을 가하는 탄성체를 구비한 코인형 전지가 개시되어 있다. 이 코인형 전지에서는, 전지소자를 구성하는 전극과 고체 전해질의 접촉면압(接觸面壓)을 탄성체에 의하여 높임으로써 접촉불량에 의한 전류밀도의 저하를 억제함으로써 출력을 증대시킬 수 있다.
그러나 특허문헌3에 기재되어 있는 코인형 전지에서는, 고체 전해질층이 두껍고, 전지의 내부저항이 높기 때문에 전지소자를 가압하기 위하여 탄성체로서 스프링 계수가 큰 스프링을 사용할 필요가 있다. 이 때문에 금속제 케이스나 봉구판(封口板)에 높은 강성이 요구되므로, 금속제 케이스나 봉구판을 두껍게 형성하여야만 한다. 따라서 상기한 코인형 전지에서는, 경량화 및 소형화를 도모하기 어려웠다.
본 발명의 하나의 태양은, 코인형 전지의 경량화 및 소형화를 실현시키는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 1태양에 관한 코인형 전지는, 제1전극층과, 상기 제1전극층의 극성과 반대인 극성을 구비하는 제2전극층과, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 사이에 삽입되는 고체 전해질층이 적층된 적어도 1개의 적층체와, 상기 적층체를 봉입하는 외장체를 구비하고, 상기 적층체는 가압에 의하여 압축되어 있고, 각 적층체에 있어서의 상기 고체 전해질층의 평균두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하이다.
상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 1태양에 관한 코인형 전지의 제조방법은, 제1전극층과, 상기 제1전극층의 극성과 반대인 극성을 구비하는 제2전극층과, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 사이에 삽입되는 고체 전해질층이 적층된 적어도 1개의 적층체를 구비하는 코인형 전지를 제조하는 코인형 전지의 제조방법으로서, 상기 제1전극층을 형성하고, 상기 제1전극층상에 상기 고체 전해질층을 형성하고, 상기 고체 전해질층상에 상기 제2전극층을 형성함으로써 상기 적층체를 제작하고, 상기 적층체를 가압하는, 각 공정을 포함하고, 정전력을 사용한 분체성막방법(粉體成膜方法)에 의하여 상기 고체 전해질층을 형성한다.
본 발명의 하나의 태양에 의하면, 코인형 전지의 경량화 및 소형화를 실현시킬 수 있다는 효과를 발휘한다.
[도1]본 발명의 실시형태1에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도2]각 실시형태에 관한 코인형 전지의 적층체의 성막방법을 나타내는 도면이다.
[도3]본 발명의 실시형태2에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도4]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 내부구조를 나타내는 사시도이다.
[도5]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
[도6]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 다른 내부구조를 나타내는 단면도이다.
[도7]본 발명의 실시형태4에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도8]본 발명의 실시형태5에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도9]본 발명의 실시형태6에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도2]각 실시형태에 관한 코인형 전지의 적층체의 성막방법을 나타내는 도면이다.
[도3]본 발명의 실시형태2에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도4]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 내부구조를 나타내는 사시도이다.
[도5]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
[도6]본 발명의 실시형태3에 관한 코인형 전지의 다른 내부구조를 나타내는 단면도이다.
[도7]본 발명의 실시형태4에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도8]본 발명의 실시형태5에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
[도9]본 발명의 실시형태6에 관한 코인형 전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
〔실시형태1〕
본 발명의 실시형태1에 대해서 도1 및 도2에 의거하여 설명하면, 아래와 같다.
본 실시형태를 포함하는 각 실시형태에서는, 코인형 전지의 일례로서, 리튬이온 전도성의 고체 전해질을 사용한 전고체 2차전지, 즉 전고체 리튬이온 2차전지에 대해서 설명한다. 다만 본 발명에 관한 코인형 전지는, 전고체 리튬이온 2차전지에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이다.
도1은, 실시형태1에 관한 코인형 전지(101)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도1에 나타내는 바와 같이 코인형 전지(101)는, 적층체(積層體)(1∼3)와, 양극 집전체군(陽極集電體群)(4)과, 음극 집전체군(陰極集電體群)(5)과, 가압부재(加壓部材)(6)와, 금속제 케이스(7)와, 금속제 봉구판(8)과, 개스킷(9)을 구비하고 있다. 또한 도1에 있어서, 하측을 코인형 전지(101)의 양극측이라고 하고, 상측을 코인형 전지(101)의 음극측이라고 한다. 또한 도1에 있어서, 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4), 음극 집전체군(5) 및 가압부재(6)는, 편의상 서로 간격을 두고 그려져 있지만, 각각 이웃하는 것 상호간이 접촉하고 있다. 후술하는 도3, 도5∼도9에 관해서도, 도1과 마찬가지로 그리고 있다.
금속제 케이스(7)는 금속에 의하여 형성되어 있고, 원형을 이루는 평판부(71)와 측벽부(72)를 구비하고 있다. 측벽부(72)는, 평판부(71)의 외주부분으로부터 절곡(折曲)하도록 하여 형성되어 있다. 측벽부(72)의 가장자리부는, 코인형 전지(101)의 내부측을 향하도록 만곡되어 있어, 원형을 이루는 개구부(73)를 형성하고 있다.
금속제 봉구판(8)은 금속에 의하여 형성되어 있고, 원형을 이루는 평판부(81)와 측벽부(82)를 구비하고 있다. 평판부(81)는, 금속제 케이스(7)의 개구부(73)보다 작게 형성되어 있다. 측벽부(82)는, 평판부(81)의 외주부분으로부터 절곡하도록 하여 형성되어 있다. 측벽부(82)의 가장자리부는, 측벽부(82)의 외주면으로 접혀져 있다. 또한 측벽부(82)의 가장자리부는, 접혀져 있지 않아도 좋다.
금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)의 사이즈는 코인형 전지(101)의 용도에 따라 적절하게 선정되는 것이 바람직하다. 또한 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)의 재질 등은, 코인형 전지(101)가 사용되는 온도영역 등에 따라 적절하게 선정되는 것이 바람직하다.
개스킷(9)은, 탄성 및 절연성을 구비하는 수지에 의하여 고리 모양으로 형성되어 있고, 내주부(91)와 외주부(92)를 구비하고 있다. 내주부(91)는, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)의 내면과 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)의 내면 사이에, 금속제 봉구판(8)의 측벽부(82)의 내주면을 따르도록 배치되어 있다. 외주부(92)는, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)의 내면으로부터, 금속제 케이스(7)의 측벽부(72)의 내주면과 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)의 외주면 사이에서 신장하도록 배치되어 있다. 다만 외주부(92)는, 이와 같은 구조에 한정되지 않는다.
측벽부(72)의 가장자리부는, 상기한 바와 같이 코인형 전지(101)의 내부측을 향하도록 만곡됨으로써 금속제 봉구판(8)의 측벽부(82)와 개스킷(9)의 외주부(92)를 에워싸도록 하여 측벽부(82)에 코킹(caulking)되어 있다. 이에 따라 금속제 케이스(7)(양극)와 금속제 봉구판(8)(음극)을 절연하면서, 금속제 케이스(7)와 금속제 봉구판(8)이 결합됨과 아울러 금속제 케이스(7)와 금속제 봉구판(8) 사이가 밀봉된다. 또한 금속제 케이스(7)의 평판부(71)와, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)와, 개스킷(9) 내주부(91) 사이에서 밀폐된 공간이 형성된다. 이 공간에는, 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4), 음극 집전체군(5) 및 가압부재(6)가 배치된다.
가압부재(6)는, 후술하는 바와 같이 적층되어 있는 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)을 가압하는 부재이다. 가압부재(6)는, 판스프링 등의 스프링 요소, 심(shim) 등으로 구성되어 있고, 도전성 또는 절연성의 재료에 의하여 형성되어 있다. 가압부재(6)는, 그 탄성력에 의하여 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)을 가압하여 밀착시킨다. 이 가압부재(6)는, 적층체(1∼3)에 큰 압력을 가하는 것으로 목적으로 하여 설치되어 있는 것은 아니고, 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)과 금속제 케이스(7) 또는 금속제 봉구판(8)과의 접촉을 얻는 것이나, 적층체(1∼3)에 작용하는 가압력을 일정하게 하는 것 등을 목적으로 하여 설치되어 있다. 따라서 가압부재(6)의 형상은 평면인 판으로 한정되지 않는다. 구체적으로는, 가압부재(6)로서는, 적층체(1∼3)의 두께나 코킹 후의 금속제 케이스(7) 등의 변형상태에 의하여 중앙부가 볼록형상을 이루는 원판이나, 와셔(washer)와 같이 중공(中空)의 부재, 또한 파형(波形)의 와셔와 같은 것을 선정하여 사용할 필요가 있다.
적층체(1∼3)는, 양극측로부터 적층체(1), 적층체(2) 및 적층체(3)의 순으로 배치되어 있다.
적층체(1)는, 양극층(11)(제1전극층)과, 고체 전해질층(12)과, 양극층(11)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(13)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(11)은, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)에 가까운 측에 배치되어 있다. 음극층(13)은, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)에 가까운 측에 배치되어 있다. 고체 전해질층(12)은, 양극층(11)과 음극층(13) 사이에 삽입되어 있다.
적층체(2)는, 양극층(21)(제1전극층)과, 고체 전해질층(22)과, 양극층(11)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(23)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(21)은, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)에 가까운 측에 배치되어 있다. 음극층(23)은, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)에 가까운 측에 배치되어 있다. 고체 전해질층(22)은, 양극층(21)과 음극층(23) 사이에 삽입되어 있다.
적층체(3)는, 양극층(31)(제1전극층)과, 고체 전해질층(32)과, 양극층(11)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(33)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(31)은, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)에 가까운 측에 배치되어 있다. 음극층(33)은, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)에 가까운 측에 배치되어 있다. 고체 전해질층(32)은, 양극층(31)과 음극층(33) 사이에 삽입되어 있다.
이와 같이 적층체(1, 2)는, 적층체(1)의 음극층(13)과 적층체(2)의 음극층(23)이 대향하도록 배치되어 있다. 또한 적층체(2, 3)는, 적층체(2)의 양극층(21)과 적층체(3)의 양극층(31)이 대향하도록 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 적층체(1)의 양극층(11)과 적층체(3)의 양극층(31)은 같은 양극측에 배치되고, 적층체(1)의 음극층(13)과 적층체(3)의 음극층(33)은 같은 음극측에 배치되어 있다. 또한 적층체(2)의 양극층(21)과 적층체(1, 3)의 양극층(11, 31)은 다른 측에 배치되고, 적층체(2)의 음극층(23)과 적층체(1, 3)의 음극층(13, 33)은 다른 측에 배치되어 있다.
적층체(1∼3)의 평면형상은 원형이 이상적이지만, 상기의 밀폐된 공간에 수납 가능한 형상이면 원형으로 한정되지 않는다. 예를 들면 적층체(1∼3)의 평면형상은, 다각형, 직선과 곡선으로 이루어지는 형상 등이어도 좋다. 또한 적층체(1∼3)는, 전부 같은 평면형상 및 같은 크기(면적)가 되도록 형성되어 있다.
양극층(11, 21, 31)은, 양극 활물질과 고체 전해질의 합재(合材)(혼합물) 또는 양극 활물질만에 의하여 형성되어 있다. 상기한 합재에 있어서의 양극 활물질과 고체 전해질의 중량비는, 예를 들면 7:3이다. 양극 활물질에는, 전고체전지 분야에 있어서 양극 활물질에 보통 사용되고 있는 재료를 사용할 수 있다. 전고체전지에서 사용되는 양극 활물질로서는, 예를 들면 코발트, 니켈, 및/또는 망간 등을 포함하는 리튬 함유 산화물(예를 들면 코발트산 리튬(LiCoO2), 니켈산 리튬(LiNiO2), 망간산 리튬(스피넬형 망간산 리튬(LiMn2O4 등)), 니켈코발트망간산 리튬(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 등)), Li 과잉(過剩) 복합산화물(Li2MnO3-LiＭO2) 등의 산화물 이외에, 산화물 이외의 화합물도 들 수 있다. 산화물 이외의 화합물로서는, 예를 들면 올리빈계(olivine系) 화합물(LiＭPO4), 유황 함유 화합물(Li2S 등) 등을 들 수 있다. 또한 상기 식에서 M은 전이금속(轉移金屬)을 나타낸다. 양극 활물질은, 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합시켜서 사용할 수 있다. 고용량(高容量)이 얻어지기 쉽다는 관점으로부터는, Co, Ni 및 Mn으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 리튬 함유 산화물이 바람직하다. 리튬 함유 산화물은, Al 등의 전형금속원소(典型金屬元素)를 더 포함하여도 좋다. Al을 포함하는 리튬 함유 산화물로서는, 예를 들면 알루미늄 함유 니켈코발트산 리튬 등을 들 수 있다.
음극층(13, 23, 33)은, 음극 활물질과 고체 전해질의 합재(혼합물) 또는 음극 활물질만에 의하여 형성되어 있다. 상기한 합재에 있어서의 음극 활물질과 고체 전해질의 중량비는, 예를 들면 6:4이다. 음극 활물질에는, 전고체전지의 종류에 따라 전하의 캐리어가 되는 이온을 삽입 및 이탈시킬 수 있는 한 특히 제한되지 않아, 전고체전지에서 사용되는 공지의 음극 활물질을 이용할 수 있다. 전고체전지를 예로 들면, 음극 활물질로서는, 예를 들면 리튬이온을 삽입 및 이탈시킬 수 있는 탄소질 재료 이외에, 리튬이온을 합금화(合金化), 탈합금화(脫合金化)가 가능한 금속이나 반금속의 단체, 합금, 또는 화합물 등을 들 수 있다. 탄소질 재료로서는, 흑연(천연흑연, 인조흑연 등), 하드카본(hard carbon), 비정질탄소 등을 예시할 수 있다. 금속이나 반금속의 단체, 합금으로서는, 리튬 금속이나 합금, Si단체 등을 들 수 있다. 화합물로서는, 예를 들면 산화물, 황화물, 질화물, 수소화물, 실리사이드(리튬실리사이드 등) 등을 들 수 있다. 산화물로서는, 티타늄 산화물, 리튬티타늄 산화물, 규소산화물 등을 들 수 있다. 음극 활물질에 대해서는, 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합시켜서 사용하여도 좋다. 예를 들면 규소산화물과 탄소질 재료를 병용하여도 좋다.
양극층(11, 21, 31), 고체 전해질층(12, 22, 32) 및 음극층(13, 23, 33)에 사용되는 고체 전해질은, 이온 전도성의 무기고체 전해질을 포함한다. 전지를 가압할 때에, 고체 전해질 입자가 소성변형 하여 고체 전해질 입자 상호간을 밀착시킬 수 있다. 또한 고체 전해질층의 표면 근방에 존재하는 고체 전해질 입자가 소성변형 함으로써 고체 전해질층과 양극층 및/또는 음극층과의 밀착성을 높일 수도 있다.
상기한 무기고체 전해질로서는, 소성변형하기 쉬운 관점으로부터, 황화물(황화물계 고체 전해질), 수소화물(수소화물계 고체 전해질)이 바람직하다. 수소화물에는, 일반적으로 착수소화물이라고 불리우는 고체 전해질도 포함된다. 고체 전해질의 결정상태는, 특히 제한되지 않고, 결정성 및 비정질의 어느 것이더라도 좋다.
상기한 황화물로서는, 예를 들면 Li 및 P를 포함하는 황화물이 더 바람직하다. 황화물로서는, 구체적으로는, Li2S-SiS2, Li2S-P2S5, Li2S-GeS2, Li2S-B2S3, Li2S-Ga2S3, Li2S-Al2S3, Li2S-GeS2-P2S5, Li2S-Al2S3-P2S5, Li2S-P2S3, Li2S-P2S3-P2S5, LiX-Li2S-P2S5, LiX-Li2S-SiS2, LiX-Li2S-B2S3(X:I, Bｒ, Ｃｌ 또는 I) 등을 들 수 있다.
상기한 수소화물로서는, 예를 들면 수소화 붕소 리튬의 착수소화물 등을 들 수 있다. 착수소화물로서는, 예를 들면 LiBH4-LiI계 착수소화물 및 LiBH4-LiNH2계 착수소화물, LiBH4-P2S5, LiBH4-P2I4 등을 들 수 있다. 고체 전해질은, 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 필요에 따라 2종 이상을 병용하여도 좋다. 양극 및 음극에 포함되는 고체 전해질은, 같은 종류이더라도 좋고, 다르게 되어 있어도 좋다.
무기고체 전해질은 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 필요에 따라, 2종 이상을 병용하여도 좋다. 양극층 및 음극층에 포함되는 고체 전해질은, 같은 종류이더라도 좋고, 다르게 되어 있어도 좋다.
양극 집전체군(4)은, 서로 접속된 양극 집전체(41, 42)로 구성되어 있다. 양극 집전체(41)는, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)와 적층체(1)의 양극층(11) 사이에 양자에 접촉하도록 배치되어 있다. 양극 집전체(42)는, 적층체(2)의 양극층(21)과 적층체(3)의 양극층(31) 사이에 양자(兩者)에 접촉하도록 배치되어 있다. 이에 따라 양극 집전체군(4)은, 금속제 케이스(7)에 전기적으로 접속되어 있다.
음극 집전체군(5)은, 서로 접속된 음극 집전체(51, 52)로 구성되어 있다. 음극 집전체(51)는, 가압부재(6)와, 적층체(3)의 음극층(33) 사이에 배치되어 있다. 또한 음극 집전체(51)는, 거의 전체에서 음극층(33)에 접촉함과 아울러 일단부에서 금속제 봉구판(8)에 접촉하고 있다. 음극 집전체(52)는, 적층체(1)의 음극층(13)과 적층체(2)의 음극층(23) 사이에 양자에 접촉하도록 배치되어 있다. 또한 음극 집전체(52)의 일단부는, 금속제 봉구판(8)에 접촉하고 있다.
양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)은, 구리, 마그네슘, 스테인리스강, 티타늄, 철, 코발트, 니켈, 아연, 알루미늄, 게르마늄, 인듐, 리튬, 주석, 또는 이들 중 어느 하나의 합금을 재료로 하여 형성된다. 또한 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)의 형태는, 판상체(板狀體), 박상체(箔狀體), 성막체(成膜體) 등이다.
양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)에 있어서의 각각의 집전장소는 1군데이지만, 양극 집전체(41, 42) 및 음극 집전체(51,52)의 각각에 집전장소를 설치하여도 좋다. 또한 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)에 있어서의 각각의 집전장소는, 코인형 전지(101)의 중심 주위에서 180도 떨어져 설치될 필요는 없다.
각 전극에는, 필요에 따라 전고체전지에서 전극에 사용되는 공지의 성분, 예를 들면 바인더, 도전조제(導電助劑), 그 외의 첨가제 등을 첨가하여도 좋다.
상기한 바와 같이 양극 집전체군(4)이 금속제 케이스(7)에 전기적으로 접속되는 구조 및 음극 집전체군(5)이 금속제 봉구판(8)에 전기적으로 접속되는 구조에 의하여 금속제 케이스(7)가 양극이 되고, 금속제 봉구판(8)이 음극이 된다. 또한 적층체(1∼3)는, 양극층(11, 21, 31)이 양극 집전체군(4)에 의하여 서로 접속됨과 아울러 음극층(13, 23, 33)이 음극 집전체군(5)에 의하여 서로 접속됨으로써, 병렬로 접속되어 있다.
코인형 전지(101)가 전고체 리튬이온 2차전지일 경우에, 적층체(1∼3)를 직렬로 접속하지 않아도 충분한 전압을 확보할 수 있다. 충분한 전류를 확보하는 경우에는, 적층체(1∼3)를 병렬로 접속하는 것이 바람직하다. 또한 충분한 전류가 필요 없으면, 적층체(1∼3)를 직렬로 접속하여도 지장이 없다. 또한 필요에 따라, 내부에서 직렬과 병렬을 조합하여도 상관없다. 예를 들면 적층체의 수를 증가시켜서, 2직렬2병렬, 2직렬3병렬이라고 하는 구성을 채용하여도 좋다.
또한 본 실시형태의 코인형 전지(101)는 적층체(1∼3)를 구비하지만, 적층체의 수는 3층에 한정되지 않는다. 또한 코인형 전지(101)는, 3층의 적층체(1∼3)가 적층되는 홀수층의 구조이다. 이에 대하여 코인형 전지(101)는, 짝수층의 적층체를 구비하는 구조이더라도 좋다. 이 구조의 경우에, 최상층의 적층체에 있어서 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)와 대향하는 것이 양극층이 된다. 이 때문에 당해 양극층과 금속제 봉구판(8) 사이에 절연체(도면에는 나타내지 않는다)를 설치할 필요가 있다. 이 절연체는, 가압부재(6)의 금속제 봉구판(8) 측 또는 상기 양극층 측의 어디에 배치되더라도 좋다. 또는, 가압부재가 절연체의 역할을 하여도 좋다.
계속하여 상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(101)의 제조에 대해서 설명한다.
도2는, 실시형태1에 관한 코인형 전지(101)의 적층체(1∼3)의 성막방법을 나타내는 도면이다. 적층체(1∼3)의 성막방법에 대해서는, 필요에 따라 공지의 정전력을 사용한 분체성막방법(예를 들면 정전도장이나 정전 스크린 성막법(인쇄법))을 사용하여도 좋다. 이하의 설명에서는, 적층체(1∼3)를 정전 스크린 성막법에 의하여 형성하는 방법에 대해서 설명한다. 또한 후술하는 것 이외의 실시형태에 관한 코인형 전지의 적층체도 이하의 성막방법에 의하여 형성된다.
먼저 적층체(1∼3)를 정전 스크린 성막법에 의하여 제작한다.
본 실시형태에 있어서 채용한 정전 스크린 성막법에서는, 도2에 나타내는 장치를 사용한다. 이 장치는, 다공성(多孔性)의 스크린(201)과, 성막하는 피인쇄물을 재치하는 스탠드부가 되는 기판(B)을 구비하고, 스크린(201)에 직류전원(DC)의 음극이 접속되고, 기판(B)에 직류전원(DC)의 양극이 접속되어 있다. 또한 스크린(201)에 직류전원(DC)의 양극이 접속되고, 기판(B)에 직류전원(DC)의 음극이 접속되어 있더라도 좋다. 또한 스크린(201)과 피인쇄물 사이에 전위차가 발생하면 되는 것이므로, 반드시 일방을 양극에 접속하고 타방을 음극에 접속하지 않아도 좋아, 어느 일방을 그라운드(어스) 전위로 하여도 좋다.
스크린(201)에는, 예를 들면 시판되는 스크린 인쇄용의 메시를 사용할 수 있다. 메시의 개구형상을 적절하게 변경함으로써 분체(粉體)를 임의의 형상으로 성형할 수 있다. 본 실시형태에서는, 300/inch의 메시수, 30㎛의 선(線)지름, 및 55㎛의 오프닝(opening)을 구비하는 메시를 채용하였다. 이 메시는, 도전성을 구비하고 있으면, 재질은 묻지 않는다. 본 실시형태에서 채용한 상기한 메시는, 일반적인 SUS메시다.
또한 스크린(201)으로서 사용하는 메시에 대해서는, 분체나 환경에 따라 메시수, 선지름, 오프닝, 재질 등을 적절하게 선정하는 것이 바람직하다.
또한 스크린(201)과 기판(B) 사이의 거리를 10㎜로 하고, 인가전압을 8kV로 하였다.
이와 같은 장치에 있어서, 가압체(203)에 의하여 분체(202)를 스크린(201)에 인쇄시킴으로써 분체(202)를 스크린(201)에 접촉시킨다. 이에 따라 분체(202)가 대전(帶電)된다. 대전된 분체(202)는, 스크린(201)을 통하여 낙하하면, 피인쇄물에 정전유도(靜電誘導) 되어서 부착된다. 이렇게 하여 적층체(1∼3)의 각각의 양극층(11, 21, 31), 고체 전해질층(12, 22, 32) 및 음극층(13, 23, 33)이 성막된다.
양극층(11, 21, 31)을 양극 합재층(陽極合材層)으로 형성하고, 음극층(13, 23, 33)을 음극 합재층으로 형성한다. 이 때문에 양극 합재층의 형성재료가 되는 양극 활물질과 고체 전해질의 혼합 및 음극 합재층의 형성재료가 되는 음극 활물질과 고체 전해질의 혼합을 한다.
적층체(1∼3)의 제작(적층공정)을 각각, 먼저 양극층(11, 21, 31)(양극 합재층)을 성막하고, 그 위에 고체 전해질층(12, 22, 32)을 성막하고, 또한 그 위에 음극층(13, 23, 33)(음극 합재층)을 성막해서 실시한다. 다만 적층체(1∼3)의 제작은 상기한 성막순서에 한정되지 않고, 어느 쪽의 층으로부터 성막을 시작해도 좋다. 또한 필요에 따라, 성막 후의 양극 합재층, 고체 전해질층 및 음극 합재층을 각각 가압하여 평탄화시켜 두어도 좋다.
그리고 상기한 바와 같이 하여 제작된 적층체(1∼3)의 각각에 대하여 가압처리를 한다. 이 가압처리에 있어서, 먼저 감압환경 하에서 적층체(1∼3)에 대하여 가가압(假加壓)을 한다. 가가압에 있어서는, 적층체(1∼3)에 대하여 4MPa(1∼5MPa)의 압력을 3초간 가한다. 이 가가압은 반드시 하지 않아도 되지만, 분체층으로서 형성된 적층체(1∼3)의 내부에 있어서의 기체나 공극(空隙)을 제거하기 위하여 실시하는 것이 바람직하다.
다음에 적층체(1∼3)에 대하여 본가압(本加壓)을 한다. 본가압에 있어서는, 적층체(1∼3)에 대하여 1000MPa(400∼1200MPa)의 압력을 30초간 가한다. 본가압에 있어서의 압력 및 가압시간은 분체(202)의 재이용에 따라서 적절하게 변경할 수 있다.
상기한 가압에 의하여 압축된 적층체(1∼3)는 각각, 양극층(11, 21, 31), 고체 전해질층(12, 22, 32) 및 음극층(13, 23, 33)이 견고하게 일체화된다. 또한 고체 전해질층(12, 22, 32)의 각 층의 두께는, 수㎛∼100㎛ 정도가 된다. 그러나 적층체(1∼3)에 있어서의 각 층의 중량, 각 층의 두께 또는 각 층간의 중량의 비(比) 등은 특정한 범위로 한정되지 않는다.
다만 고체 전해질층(12, 22, 32)은, 전지저항(電池抵抗)을 감소시키기 위하여 가능한 한 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 고체 전해질층(12, 22, 32)의 평균두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하이며, 바람직하게는 5㎛ 이상 70㎛ 이하이며, 더 바람직하게는 5㎛ 이상 30㎛ 이하이다. 이에 대하여 정전력을 사용한 분체성막방법 이외의 방법으로 고체 전해질층(12, 22, 32)을 형성하는 경우에, 고체 전해질층(12, 22, 32)을 상기한 바와 같이 얇게 형성하는 것은 어렵다. 또한 양극층(11, 21, 31)의 두께에 대한 음극층(13, 23, 33)의 두께의 비는, 1.0 이상인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 하여 제작된 적층체(1∼3)와, 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)을 도1에 나타내는 바와 같이 적층한다(적층공정).
먼저 양극 집전체군(4)의 양극 집전체(41)를 포개고, 양극 집전체(41)상에 양극층(11)이 양극 집전체(41)와 마주 보도록 적층체(1)를 포갠다. 다음에 적층체(1)의 음극층(13)상에 음극 집전체군(5)의 음극 집전체(52)를 포갠다. 또한 음극 집전체(52)상에, 음극층(23)이 음극 집전체(52)와 마주 보도록 적층체(2)를 포갠다. 또한 적층체(2)의 양극층(21)상에 양극 집전체군(4)의 양극 집전체(42)를 포갠다. 또한 양극 집전체(42)상에, 양극층(31)이 양극 집전체(42)와 마주 보도록 적층체(3)를 포갠다. 마지막으로, 적층체(3)의 음극층(33)상에 음극 집전체군(5)의 음극 집전체(51)를 포갠다. 이렇게 하여 적층체(1∼3)와, 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)을 적층한 복합 적층체를 제작한다. 상기한 적층의 순서는 반대이어도 좋다.
양극 집전체(41, 42)에는 알루미늄박을 사용하고, 음극 집전체(51, 52)에는 동박을 사용하였다. 어느 것도 어느 정도의 인성(靭性)이나 강성(剛性)을 구비하는 재료를 선정하는 것이 바람직하다. 또한 양극 집전체(41, 42) 및 음극 집전체(51, 52)는, 각각 개별의 금속박에 의하여 형성되지만, 예를 들면 금속박을 접는 등 연속하여 형성되어 있더라도 좋다.
상기한 적층체를, 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)내에 봉입하는 데에 앞서서, 양극 집전체군(4)을 평판부(71)에 접속함과 아울러 음극 집전체군(5)을 평판부(81)에 접속해 둔다. 이들의 접속에 대해서는, 초음파 용접, 레이저 용접 등의 용접에 의하여 하지만, 용접 이외의 방법으로 하여도 좋다. 예를 들면 접촉저항을 충분히 감소시킬 수 있는 것이라면, 도전성 접착제를 사용하여 접속하여도 좋다. 도전성 접착제에는, 시판품의 카본계 도전성 접착제나 도전성 잉크를 사용할 수 있다. 도전성 접착제나 도전성 도료에는, 그 밖에도 금이나 은을 도전입자로서 함유하는 것을 사용할 수 있다. 또한 접촉저항을 충분히 감소시킬 수 있는 것이라면, 양극 집전체군(4) 및 평판부(71)를 접속하지 않고, 음극 집전체군(5) 및 평판부(81)을 접속하지 않고, 그것들을 단지 물리적으로 접촉시키는 것만으로도 상관없다.
마지막으로 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)의 내면에 가압부재(6)를 배치하고, 가압부재(6)의 위에 복합 적층체를 배치한다. 그리고 금속제 봉구판(8)에, 금속제 케이스(7)를 개스킷(9)을 사이에 두고 포개고, 금속제 케이스(7)에 있어서의 측벽부(72)의 가장자리부를 가압에 의하여 코킹한다(봉입공정). 이에 따라 금속제 케이스(7)와 금속제 봉구판(8)이 결합되어, 복합 적층체와 가압부재(6)가 수용된 공간이 밀봉된다.
또한 적층체(1∼3)와, 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)의 적층을, 상기한 바와 같이 금속제 봉구판(8)의 외부에서 하는 이외에, 금속제 봉구판(8)상에서 해도 좋다. 이 경우에, 적층한 적층체(1∼3)와 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)을, 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)의 내부에 봉입한다. 이것은, 후술하는 실시형태2의 코인형 전지(102)(도3 참조)에서도 동일하다.
또한 가압부재(6)는, 기본적으로는 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)와 음극 집전체(51) 사이에 배치된다. 다만 가압부재(6)는, 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)으로 이루어지는 적층체에 압력을 작용시킬 수 있으면, 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)에 의하여 형성되는 밀폐공간내의 어느 쪽의 위치에 배치되어 있더라도 좋다. 예를 들면 가압부재(6)는, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)와 양극 집전체(41) 사이에 배치되더라도 좋고, 상기한 적층체에 있어서의 임의의 위치에 배치되더라도 좋다. 이것은, 후술하는 실시형태2의 코인형 전지(102)(도3 참조)에서도 동일하다.
이상과 같이, 코인형 전지(101)에 있어서의 적층체(1∼3)는, 각각 가압성형 됨으로써 치밀화(緻密化)되고 또한 고체 전해질층(12, 22, 32)이 박층화(薄層化)되어 있다. 이에 따라 적층체(1∼3)의 내부의 저항이 감소된다. 그 때문에, 코인형 전지(101)는, 서로 접속된 적층체(1∼3)에 큰 압력을 항상 가하지는 않아, 충분하게 큰 출력을 얻을 수 있다. 또한 적층체(1∼3)가 가압에 의한 압축에 의하여 얇게 형성되어 있으므로, 코인형 전지(101)는 박형화 되어 있고, 한정된 용량의 코인 관(罐) 내부에서 더 많은 적층을 하여, 보다 고용량화(高容量化) 할 수 있다.
코인형 전지(101)에 내장되는 가압부재(6)는, 상기한 바와 같이 양극 집전체군(4) 및 음극 집전체군(5)과 금속제 케이스(7) 또는 금속제 봉구판(8)과의 접촉을 얻는 것이나, 적층체(1∼3)에 작용하는 가압력을 일정하게 할 수 있으면 좋다. 이 때문에 가압부재(6)는, 특허문헌3에 개시되어 있는 코인형 전지의 탄성체(스프링)와 같이 전지소자를 가압하기 위한 큰 가압력을 필요로 하지 않는다. 따라서 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)에 높은 강성이 요구되는 경우는 없고, 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)을 두껍게 형성할 필요가 없다. 따라서 코인형 전지(101)의 경량화 및 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다. 또한 가압부재(6)는, 불필요하면 사용하지 않더라도 좋다. 예를 들면 전극층이나 집전체 만으로, 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)으로 이루어지는 코인 관 내부가 가득 찰 경우에, 가압부재가 없더라도, 코인 관와 집전체의 접촉이 충분히 얻어지는 경우에는, 가압부재(6)는 불필요 하게 된다.
〔실시형태2〕
본 발명의 실시형태2에 대해서 도3에 의거하여 설명하면, 아래와 같다. 또한 본 실시형태에 있어서, 실시형태1에 있어서의 구성요소와 동일한 기능을 구비하는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부기하고, 그 설명을 생략한다.
도3은, 실시형태2에 관한 코인형 전지(102)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도3에 나타내는 바와 같이 코인형 전지(102)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 마찬가지로, 3개의 적층체(1∼3)와, 가압부재(6)와, 금속제 케이스(7)와, 금속제 봉구판(8)과, 개스킷(9)을 구비하고 있다. 또한 코인형 전지(102)는, 양극 집전체군(4A)과, 음극 집전체군(5A)과, 세퍼레이터(10, 20)(절연체)를 구비하고 있다. 또한 코인형 전지(102)에 있어서, 적층체(1∼3)는, 각각의 양극층(11, 21, 31)이 금속제 케이스(7)의 평판부(71) 측에 있도록 배치되어 있다.
양극 집전체군(4A)은, 코인형 전지(101)에 있어서의 양극 집전체군(4)에 양극 집전체(43)가 더 추가되어 있다. 음극 집전체군(5A)은, 코인형 전지(101)에 있어서의 음극 집전체군(5)에 음극 집전체(53)가 더 추가되어 있다.
양극 집전체(42)는, 코인형 전지(101)에 있어서의 양극 집전체(42)와 달리, 적층체(1, 2)의 사이에서 적층체(2)의 양극층(21)에 접촉하도록 배치되어 있다. 양극 집전체(43)는, 적층체(2, 3)의 사이에서 적층체(3)의 양극층(31)에 접촉하도록 배치되어 있다.
음극 집전체(52)는, 코인형 전지(101)에 있어서의 음극 집전체(52)와 달리, 적층체(2, 3)의 사이에서 적층체(2)의 음극층(23)에 접촉하도록 배치되어 있다. 음극 집전체(53)는, 적층체(1, 2)의 사이에서 적층체(1)의 음극층(13)에 접촉하도록 배치되어 있다.
세퍼레이터(10)는 절연성의 재료에 의하여 형성되어 있고, 양극 집전체(42)와 음극 집전체(53) 사이에 배치되어 있다. 이에 따라 세퍼레이터(10)는, 양극 집전체(42)와 음극 집전체(53)를 전기적으로 절연하고 있다.
세퍼레이터(20)는 절연성의 재료에 의하여 형성되어 있고, 양극 집전체(43)와 음극 집전체(52) 사이에 배치되어 있다. 이에 따라 세퍼레이터(10)는, 양극 집전체(43)와 음극 집전체(52)를 전기적으로 절연하고 있다.
또한 본 실시형태의 코인형 전지(102)도, 상기의 코인형 전지(101)와 마찬가지로 적층체(1∼3)를 구비하지만, 적층체의 수는 3층에 한정되지 않는다. 또한 코인형 전지(102)도, 3층의 적층체(1∼3)가 적층되는 홀수층의 구조이다. 이에 대하여 코인형 전지(102)는, 짝수층의 적층체를 구비하는 구조이더라도 좋다. 이 구조의 경우에, 최상층의 적층체에 있어서 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)와 마주 보는 것이 음극층이 된다. 이 때문에 코인형 전지(102)에서는, 코인형 전지(101)와 달리, 당해 음극층과 금속제 봉구판(8) 사이에 절연체를 설치할 필요가 없다.
계속하여 상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(102)의 제조에 대해서 설명한다.
적층체(1∼3)의 제작은, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 동일하므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
제작된 적층체(1∼3)와, 양극 집전체군(4A) 및 음극 집전체군(5A)을 도3에 나타내는 바와 같이 적층한다.
먼저, 양극 집전체군(4A)의 양극 집전체(41)을 포개고, 양극 집전체(41)상에 양극층(11)이 양극 집전체(41)와 마주 보도록 적층체(1)를 포갠다. 다음에 적층체(1)의 음극층(13)상에 음극 집전체군(5A)의 음극 집전체(53)와, 세퍼레이터(10)와, 양극 집전체군(4A)의 양극 집전체(42)를 이 순서로 포갠다. 또한 양극 집전체(42)상에 양극층(21)이 양극 집전체(42)와 마주 보도록 적층체(2)를 포갠다. 또한 적층체(2)의 음극층(23)상에, 음극 집전체군(5A)의 음극 집전체(52)와, 세퍼레이터(20)와, 양극 집전체군(4A)의 양극 집전체(43)를 이 순서로 포갠다. 또한 양극 집전체(43)상에 양극층(31)이 양극 집전체(43)와 마주 보도록 적층체(3)를 포갠다. 마지막으로 적층체(3)의 음극층(33)상에 음극 집전체군(5A)의 음극 집전체(51)를 포갠다. 이렇게 하여 적층체(1∼3)와, 양극 집전체군(4A) 및 음극 집전체군(5A)을 적층한 복합 적층체를 제작한다. 상기한 적층순은 반대이어도 좋다.
마지막으로, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)의 내면에 가압부재(6)를 배치하고, 가압부재(6)의 위에 상기한 복합 적층체를 배치한다. 그리고 금속제 봉구판(8)에 금속제 케이스(7)를 개스킷(9)을 사이에 두고 포개고, 금속제 케이스(7)에 있어서의 측벽부(72)의 가장자리부를 가압에 의하여 코킹한다. 이에 따라 금속제 케이스(7)와 금속제 봉구판(8)이 결합되어, 복합 적층체와 가압부재(6)가 수용된 공간이 밀봉된다.
이상과 같은 코인형 전지(102)에 있어서도, 적층체(1∼3)는 각각 가압됨으로써 내부의 저항이 감소된다. 이에 따라 코인형 전지(102)는 충분히 큰 출력을 확보할 수 있다.
〔실시형태3〕
본 발명의 실시형태3에 대해서 도4∼도6에 의거하여 설명하면, 아래와 같다. 또한 본 실시형태에 있어서, 실시형태1 및 2에 있어서의 구성요소와 동일한 기능을 구비하는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부기하고, 그 설명을 생략한다.
도4는, 실시형태3에 관한 코인형 전지(103)의 내부구조를 나타내는 사시도이다. 도5는, 실시형태3에 관한 코인형 전지(103)의 내부구조를 나타내는 단면도이다. 도6은, 실시형태3에 관한 코인형 전지(103)의 다른 내부구조를 나타내는 단면도이다.
도4에 나타내는 코인형 전지(103)는, 전극층 적층체(70)가 절연 피복체(60)에 의하여 덮여진 구조체를 구비하고 있다. 이 구조체는, 도시는 하지 않지만, 상기한 실시형태1의 코인형 전지(101)(도1 참조)가 구비하는 금속제 케이스(7) 및 금속제 봉구판(8)에 의하여 형성된 외장체에 내장(봉입)되어 있다. 전극층 적층체(70)는, 4층의 적층체와, 4층의 적층체의 각각에 접속되는 양극 집전체군 및 음극 집전체군이 적층된 구조이다.
절연 피복체(60)는, 글라스계, 수지계 또는 세라믹계의 절연재료에 의하여 형성된 피복체로서, 전극층 적층체(70)의 외주 측면을 덮고 있다. 절연 피복체(60)는, 전극층 적층체(70)의 측면에 절연재료를 도포해서 건조시킴으로써 형성된 것이더라도 좋고, 전극층 적층체(70)를 덮을 수 있는 케이스 모양으로 설계되고 또한 제작된 것이더라도 좋다. 도4에 나타내는 절연 피복체(60)는 케이스 모양으로 형성되어 있고, 평행한 2개의 직선과, 당해 직선의 양측에 위치하는 2개의 곡선으로 이루어지는 평면형상을 구비하고 있다. 이와 같은 절연 피복체(60)는, 전극층 적층체(70)의 형상에 맞추어 형성되어 있다.
절연 피복체(60)는, 평탄한 일방의 측면에, 양극 집전체군에 의한 집전을 위한 집전 개구부(60a)가 양극 집전체군의 각 양극 집전체의 배치위치(집전장소)를 따른 위치에 설치되어 있다. 당해 측면에는, 양극 집전체군에 전기적으로 접속된 양극 집전부(40)가 설치되어 있다. 또한 절연 피복체(60)는, 평탄한 타방의 측면에도 음극 집전체군에 의한 집전을 위한 집전 개구부(60a)가 음극 집전체군의 각 음극 집전체의 배치위치(집전장소)를 따른 위치에 설치되어 있다. 당해 측면에는, 음극 집전체군에 전기적으로 접속된 음극 집전부(50)가 설치되어 있다.
상기한 바와 같이 절연 피복체(60)는, 각 적층체를 집전장소의 주위에서 덮음과 아울러 양극 집전체와 양극 집전부(40)의 접속 및 음극 집전체와 음극 집전부(50)의 접속을 위한 집전 개구부(60a)를 구비하고 있다. 이에 따라 양극 집전체와 양극 집전부(40)의 접속부분이 적층체의 음극층과 단락(短絡)하는 것, 및 음극 집전체와 음극 집전부(50)의 접속부분이 적층체의 양극층과 단락하는 것을 방지할 수 있다. 또한 각 적층체가 절연 피복체(60)에 의하여 덮어짐으로써 코인형 전지(103)에 강한 진동이 가해질 때에, 각 적층체가 무너지는 것을 방지할 수 있다.
또한 전극층 적층체(70)는, 3층의 적층체를 구비한 구조이더라도 좋다. 이하에서 당해 구조에 대해서 설명한다.
도5에 나타내는 전극층 적층체(70)는, 코인형 전지(101)에 적용된, 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4), 음극 집전체군(5)이 적층된 구조이다. 양극 집전부(40)는 절연 피복체(60)의 집전 개구부(60a) 내로 일부가 삽입됨으로써, 양극 집전체군(4)의 양극 집전체(41, 42)와 접속되어 있다. 음극 집전부(50)는 절연 피복체(60)의 집전 개구부(60a) 내로 일부가 삽입됨으로써, 음극 집전체군(5)의 음극 집전체(51, 52)와 접속되어 있다.
도6에 나타내는 전극층 적층체(70A)는, 코인형 전지(102)에 적용된, 적층체(1∼3), 양극 집전체군(4A), 음극 집전체군(5A)이 적층된 구조이다. 양극 집전부(40A)는 절연 피복체(60)의 집전 개구부(60a) 내로 일부가 삽입됨으로써, 양극 집전체군(4A)의 양극 집전체(41∼43)와 접속되어 있다. 음극 집전부(50A)는 절연 피복체(60)의 집전 개구부(60a) 내로 일부가 삽입됨으로써, 음극 집전체군(5A)의 음극 집전체(51∼53)와 접속되어 있다.
〔동작확인결과〕
실시형태1∼3에 관한 코인형 전지(101∼103)의 동작을 확인한 결과를 이하에서 설명한다.
코인형 전지(101∼103)를, 25도로 유지된 항온조내에 있어서 0.05mA/cm2의 전류로 충전종료전압 4.7V까지 충전하고, 계속하여 0.05mA/cm2의 전류로 방전종료전압 2.8V까지 방전하였다. 이 때의 코인형 전지(101∼103)의 각각의 충전용량 및 방전용량(첫회 충방전용량)을 표1에 나타낸다.
[표1]
표1에 나타내는 바와 같이 집전구조가 서로 다른 어느 쪽의 코인형 전지(101∼103)도 실제 사용에 견딜 수 있는 전지로서 동작하는 것을 알 수 있다.
〔실시형태4〕
본 발명의 실시형태4에 대해서 도7에 의거하여 설명하면, 아래와 같다. 또한 본 실시형태에 있어서, 실시형태1에 있어서의 구성요소와 동일한 기능을 구비하는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부기하고, 그 설명을 생략한다.
도7은, 실시형태4에 관한 코인형 전지(104)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도7에 나타내는 바와 같이 코인형 전지(104)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 마찬가지로, 양극 집전체군(4)과, 음극 집전체군(5)과, 가압부재(6)와, 금속제 케이스(7)와, 금속제 봉구판(8)과, 개스킷(9)을 구비하고 있다. 또한 코인형 전지(104)는, 적층체(1B∼3B)를 구비하고 있다.
적층체(1B)는, 양극층(111)(제1전극층)과, 고체 전해질층(12)과, 양극층(111)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(13)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(111)은, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)에 가까운 측에 배치되어 있다. 또한 양극층(111)은, 그 층면(고체 전해질층(12)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(12)의 층면(양극층(111)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(111)은, 고체 전해질층(12)상에, 그 외주 측면부(외주의 측면의 부분)가 고체 전해질층(12)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다. 음극층(13)의 면적은, 고체 전해질층(12)의 면적과 동일하다.
적층체(2B)는, 양극층(211)(제1전극층)과, 고체 전해질층(22)과, 양극층(111)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(23)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(211)은, 금속제 봉구판(8)의 평판부(81)에 가까운 측에 배치되어 있다. 또한 양극층(211)은, 그 층면(고체 전해질층(22)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(22)의 층면(양극층(211)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(211)은, 고체 전해질층(22)상에, 그 외주 측면부가 고체 전해질층(22)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다. 음극층(23)의 면적은 고체 전해질층(22)의 면적과 동일하다.
적층체(3B)는, 양극층(311)(제1전극층)과, 고체 전해질층(32)과, 양극층(111)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 음극층(33)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 양극층(311)은, 금속제 케이스(7)의 평판부(71)에 가까운 측에 배치되어 있다. 또한 양극층(311)은, 그 층면(고체 전해질층(32)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(32)의 층면(양극층(311)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(311)은, 고체 전해질층(32)상에, 그 외주 측면부가 고체 전해질층(32)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다. 음극층(33)의 면적은 고체 전해질층(32)의 면적과 동일하다.
이와 같이 적층체(1B, 2B)는, 적층체(1)의 음극층(13)과 적층체(2)의 음극층(23)이 대향하도록 배치되어 있다. 또한 적층체(2B, 3B)는, 적층체(2B)의 양극층(211)과 적층체(3B)의 양극층(311)이 대향하도록 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 적층체(1B)의 양극층(111)과 적층체(3B)의 양극층(311)은 동일한 측에 배치되고, 적층체(1B)의 음극층(13)과 적층체(3B)의 음극층(33)은 동일한 측에 배치되어 있다. 또한 적층체(2B)의 양극층(211)과 적층체(1B, 3B)의 양극층(111, 311)은 다른 측에 배치되고, 적층체(2B)의 음극층(23)과 적층체(1B, 3B)의 음극층(13, 33)은 다른 측에 배치되어 있다.
상기한 바와 같이 적층체(1B∼3B)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)에 있어서의 적층체(1∼3)의 양극층(11, 21, 31)을, 각각 양극층(111, 211, 311)으로 바꾼 것이다. 따라서 코인형 전지(104)는, 그 이외는 코인형 전지(101)와 동일하게 구성되어 있다. 또한 양극층(111, 211, 311)은, 실시형태1의 코인형 전지(101)에 있어서의 양극층(11, 21, 31)과 동일한 재료에 의하여 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(104)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 같은 제조방법에 의하여 제조된다. 또한 코인형 전지(104)에 있어서, 양극층(111, 211, 311)은 각각, 그 면부분의 면적이 고체 전해질층(12)의 면부분의 면적보다 작아지도록 형성됨과 아울러 그 외주 측면부가 고체 전해질층(12, 22, 32)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다.
제조시 및 사용시에 코인형 전지(104)가 받는 진동, 과대한 하중 등에 의하여 양극층(111, 211, 311) 및 음극층(13, 23, 33)의 외주 측면부가 무너지는 경우가 있다. 특히 코인형 전지(104)가 소형일 경우에, 휴대기기에 실장되어서 이용되는 경우가 많기 때문에 진동의 영향을 받기 쉽다. 이에 대하여 양극층(111, 211, 311)이 상기한 바와 같이 형성됨으로써, 그 무너진 분체재료를 통하여 양극층(111, 211, 311)과 음극층(13, 23, 33)이 각각 단락하는 것을 억제할 수 있다. 따라서 코인형 전지(104)의 제품수율 및 제품신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시형태에서는, 양극층(111, 211, 311)의 면부분의 면적을 음극층(13, 23, 33)의 면부분의 면적과 각각 같게 하고, 고체 전해질층(12, 22, 32)의 면부분의 면적을 양극층(111, 211, 311) 및 음극층(13, 23, 33)의 면부분의 면적보다 크게 하여도 좋다. 이 구성에 의하여도, 양극층(111, 211, 311)과 음극층(13, 23, 33)이 각각 단락하는 것을 억제할 수 있다.
또한 본 실시형태의 구성은, 도7에 나타내는 바와 같이 실시형태1의 코인형 전지(101)에 적용이 가능하지만, 실시형태2, 3의 코인형 전지(102, 103)에도 각각 적용이 가능하다.
<변형예>
본 실시형태의 변형예에 대해서 설명한다.
본 실시형태의 코인형 전지(104)에서는, 적층체(1B∼3B)의 제작을 각각, 먼저 양극층(111, 211, 311)(양극 합재층)을 성막하고, 그 위에 고체 전해질층(12, 22, 32)을 성막하고, 또한 그 위에 음극층(13, 23, 33)(음극 합재층)을 성막해서 한다.
이에 대하여 본 변형예의 코인형 전지(104)에서는, 적층체(1B∼3B)의 제작을 각각, 먼저 음극층(13, 23, 33)을 성막하고, 그 위에 고체 전해질층(12, 22, 32)을 성막하고, 또한 그 위에 양극층(111, 211, 311)을 성막해서 한다.
〔실시형태5〕
본 발명의 실시형태5에 대해서 도8에 의거하여 설명하면, 아래와 같다. 또한 본 실시형태에 있어서, 실시형태1 및 4에 있어서의 구성요소와 동일한 기능을 구비하는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부기하고, 그 설명을 생략한다.
도8은, 실시형태5에 관한 코인형 전지(105)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도8에 나타내는 바와 같이 코인형 전지(105)는, 실시형태4의 코인형 전지(104)와 마찬가지로, 양극 집전체군(4)과, 음극 집전체군(5)과, 가압부재(6)와, 금속제 케이스(7)와, 금속제 봉구판(8)과, 개스킷(9)을 구비하고 있다. 또한 코인형 전지(105)는, 적층체(1C∼3C)를 구비하고 있다.
적층체(1C)는, 양극층(111)과, 고체 전해질층(121)과, 음극층(13)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(121)은, 양극층(111)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
적층체(2C)는, 양극층(211)과, 고체 전해질층(221)과, 음극층(23)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(221)은, 양극층(211)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
적층체(3C)는, 양극층(311)과, 고체 전해질층(321)과, 음극층(33)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(321)은, 양극층(311)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(105)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 같은 제조방법에 의하여 제조된다. 또한 적층체(1C∼3C)는, 실시형태4의 코인형 전지(104)에 있어서의 적층체(1B∼3B)의 고체 전해질층(12, 22, 32)을, 각각 고체 전해질층(121, 221, 321)으로 바꾼 것이다. 따라서 코인형 전지(105)는, 그 이외는 코인형 전지(104)과 동일하게 구성되어 있다. 또한 고체 전해질층(121, 221, 321)은, 실시형태1의 코인형 전지(101)에 있어서의 고체 전해질층(12, 22, 32)과 같은 재료에 의하여 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(105)에 있어서, 고체 전해질층(121, 221, 321)은, 각각 양극층(111, 211, 311)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다. 이에 따라 양극층(111, 211, 311)의 외주 측면부가 무너지는 것을 방지할 수 있다. 또한 음극층(13, 23, 33)의 외주 측면부가 무너져서 발생한 분체재료를 통하여 양극층(111, 211, 311)과 음극층(13, 23, 33)이 각각 단락할 가능성을, 실시형태4의 코인형 전지(104)와 비교하여 더한층 감소시킬 수 있다. 따라서 코인형 전지(104)의 제품수율 및 제품신뢰성을 더한층 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시형태의 구성은, 실시형태4의 코인형 전지(104)과 마찬가지로, 실시형태1의 코인형 전지(101)에 적용이 가능하지만, 실시형태2, 3의 코인형 전지(102, 103)에도 각각 적용이 가능하다.
〔수율 비교결과〕
실시형태4 및 5에 관한 코인형 전지(104, 105)의 수율을 비교한 결과를 이하에서 설명한다.
여기에서는, 비교예를 준비하여 코인형 전지(104, 105)와 더불어 수율을 비교하였다.
비교예의 코인형 전지는, 양극층, 고체 전해질층 및 음극층의 면적 및 형상이 같은 것을 제외하고, 그 이외는 코인형 전지(105)와 동일한 구성이다. 적층체를 구성하는 양극층, 고체 전해질층 및 음극층은, 동일면적으로 각 층을 쌓아올릴 수 있는 것으로 형성된다.
비교예의 코인형 전지 및 코인형 전지(104, 105)를 각각 100개씩 제조하여 수율을 조사하였다. 그 결과, 비교예의 코인형 전지의 수율은 60％이었다. 이에 대하여 코인형 전지(104)의 수율은 80％이고, 코인형 전지(105)의 수율은 86％로서, 모두 높은 수율이 얻어졌다. 이 높은 수율은, 외장 체내에서도 양극층(111, 211, 311)과 음극층(13, 23, 33)의 각각의 단락이 방지된 것에 의한 것이라고 생각된다.
또한 코인형 전지(104, 105)를, 25도로 유지된 항온조내에 있어서, 0.05mA/cm2의 전류에서 충전종료전압 4.7V까지 충전하고, 계속하여 0.0mA/cm2의 전류로 방전종료전압 2.8V까지 방전하였다. 이 때의 코인형 전지(104, 105)의 각각에 대해서, 420ｍAｈ/g의 첫회 충전용량이 얻어지고, 310ｍAｈ/g의 첫회 방전용량이 얻어졌다. 이와 같이 어느 쪽의 코인형 전지(104, 105)도 실제 사용에 견딜 수 있는 전지로서 동작하는 것을 안다.
〔실시형태6〕
본 발명의 실시형태6에 대해서 도9에 의거하여 설명하면, 아래와 같다. 또한 본 실시형태에 있어서, 실시형태1 및 5에 있어서의 구성요소와 동일한 기능을 구비하는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부기하고, 그 설명을 생략한다.
도9는, 실시형태6에 관한 코인형 전지(106)의 구조를 나타내는 단면도이다.
도9에 나타내는 바와 같이 코인형 전지(106)는, 실시형태4의 코인형 전지(104)와 마찬가지로, 양극 집전체군(4)과, 음극 집전체군(5)과, 가압부재(6)와, 금속제 케이스(7)와, 금속제 봉구판(8)과, 개스킷(9)을 구비하고 있다. 또한 코인형 전지(106)는, 적층체(1D∼3D)를 구비하고 있다.
적층체(1D)는, 음극층(132)(제1전극층)과, 고체 전해질층(122)과, 음극층(132)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 양극층(112)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(122)은, 양극층(112)과 음극층(132) 사이에 삽입되어 음극층(132)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
양극층(112)은, 그 층면(고체 전해질층(122)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(122)의 층면(양극층(112)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(112)은, 그 층면의 면적이 음극층(132)의 층면(고체 전해질층(122)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(112)은, 고체 전해질층(122)상에, 그 외주 측면부가 고체 전해질층(122)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다.
적층체(2D)는, 음극층(232)(제1전극층)과, 고체 전해질층(222)과, 음극층(232)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 양극층(212)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(222)은, 양극층(212)과 음극층(232) 사이에 삽입되어 음극층(232)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
양극층(212)은, 그 층면(고체 전해질층(222)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(222)의 층면(양극층(212)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(212)은, 그 층면의 면적이 음극층(232)의 층면(고체 전해질층(222)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(212)은, 고체 전해질층(222)상에, 그 외주 측면부가 고체 전해질층(222)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다.
적층체(3D)는, 음극층(332)(제1전극층)과, 고체 전해질층(322)과, 음극층(332)의 극성과 반대인 극성을 구비하는 양극층(312)(제2전극층)이 순차적으로 적층됨으로써 구성되어 있다. 고체 전해질층(322)은, 양극층(312)과 음극층(332) 사이에 삽입되어 음극층(332)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다.
양극층(312)은, 그 층면(고체 전해질층(322)과 접촉하는 면)의 면적이 고체 전해질층(322)의 층면(양극층(312)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(312)은, 그 층면의 면적이 음극층(332)의 층면(고체 전해질층(322)과 접촉하는 면)의 면적보다 작아지도록 형성되어 있다. 또한 양극층(312)은, 고체 전해질층(322)상에, 그 외주 측면부가 고체 전해질층(322)의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(106)는, 실시형태1의 코인형 전지(101)와 같은 제조방법에 의하여 제조된다. 다만 적층체(1D∼3D)에 있어서, 각각 음극층(132, 232, 332)을 성막하고, 음극층(132, 232, 332)상에 고체 전해질층(122, 222, 322)을 형성하고, 또한 고체 전해질층(122, 222, 322)상에 양극층(112, 212, 312)을 성막한다.
고체 전해질층(122, 222, 322)은, 실시형태1의 코인형 전지(101)에 있어서의 고체 전해질층(12, 22, 32)과 같은 재료에 의하여 형성되어 있다. 또한 양극층(112),212,312은, 코인형 전지(101)에 있어서의 양극층(11, 21, 31)과 같은 재료에 의하여 형성되어 있다. 또한 음극층(132, 232, 332)은, 코인형 전지(101)에 있어서의 음극층(13, 23, 33)과 같은 재료에 의하여 형성되어 있다.
상기한 바와 같이 구성되는 코인형 전지(106)에 있어서, 고체 전해질층(122, 222, 322)은, 각각 음극층(132, 232, 332)의 외주 측면부을 덮도록 형성되어 있다. 이에 따라 음극층(132, 232, 332)의 외주 측면부가 무너지는 것을 방지할 수 있다. 또한 양극층(112, 212, 312)의 외주 측면부가 무너져서 발생한 분체재료를 통하여 양극층(112, 212, 312)과 음극층(132, 232, 332)이 각각 단락할 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서 코인형 전지(106)의 제품수율 및 제품신뢰성을 향상시킬 수 있다.
1∼3, 1B∼3B 적층체
7 금속제 케이스(외장체)
8 금속제 봉구판(외장체)
11, 21, 31, 111, 211, 311 양극층(제1전극층)
12, 22, 32, 121, 132, 221, 222, 321, 322 고체 전해질층
13, 23, 33 음극층(제2전극층)
112, 212, 312 양극층(제2전극층)
132, 232, 332 음극층(제1전극층)
60 절연 피복체
70 전극층 적층체
101∼105 코인형 전지
7 금속제 케이스(외장체)
8 금속제 봉구판(외장체)
11, 21, 31, 111, 211, 311 양극층(제1전극층)
12, 22, 32, 121, 132, 221, 222, 321, 322 고체 전해질층
13, 23, 33 음극층(제2전극층)
112, 212, 312 양극층(제2전극층)
132, 232, 332 음극층(제1전극층)
60 절연 피복체
70 전극층 적층체
101∼105 코인형 전지
Claims (4)
- 제1전극층과, 상기 제1전극층의 극성과 반대인 극성을 구비하는 제2전극층과, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 사이에 삽입되는 고체 전해질층이 적층(積層)된 적어도 1개의 적층체와,
상기 적층체를 봉입(封入)하는 외장체를
구비하고,
상기 적층체는 가압에 의하여 압축되어 있고,
각 적층체에 있어서의 상기 고체 전해질층의 평균두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 코인형 전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제1전극층 또는 상기 제2전극층은, 층면(層面)의 면적이 상기 고체 전해질층의 층면의 면적보다 작아지도록 형성됨과 아울러 그 외주 측면부가 상기 고체 전해질층의 외주 측면부보다 내측에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 코인형 전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1전극층 또는 상기 제2전극층의 외주 측면부가 상기 고체 전해질층에 의하여 덮어져 있는 것을 특징으로 하는 코인형 전지.
- 제1전극층과, 상기 제1전극층의 극성과 반대인 극성을 구비하는 제2전극층과, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층의 사이에 삽입되는 고체 전해질층이 적층된 적어도 1개의 적층체를 구비하는 코인형 전지를 제조하는 코인형 전지의 제조방법으로서,
상기 제1전극층을 형성하고,
상기 제1전극층상에 상기 고체 전해질층을 형성하고,
상기 고체 전해질층상에 상기 제2전극층을 형성함으로써
상기 적층체를 제작하고,
상기 적층체를 가압하는,
각 공정을 포함하고,
정전력(靜電力)을 사용한 분체성막방법(粉體成膜方法)에 의하여 상기 고체 전해질층을 형성하는 것을 특징으로 하는 코인형 전지의 제조방법.
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