電池
【課題】充放電に伴う電極の体積変化に対応することができる、密閉構造を有する電池を提供する。
【解決手段】正極層１０と負極層２０と、該正極層及び該負極層の間に配置される電解液層３１、３２及び固体電解質層３０と、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体４０とを備え、該筐体の少なくとも一部４０ａが弾性体によって構成されていることにより、筐体の容積を変化させることが可能である、電池１とする。
【解決手段】正極層１０と負極層２０と、該正極層及び該負極層の間に配置される電解液層３１、３２及び固体電解質層３０と、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体４０とを備え、該筐体の少なくとも一部４０ａが弾性体によって構成されていることにより、筐体の容積を変化させることが可能である、電池１とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質及び電解液を備えた、密閉構造を有する電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、二次電池は様々な分野で使用されている。例えば、二次電池の中でもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有しているリチウムイオン二次電池は、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話やノートパソコン等の情報機器に使用されている。また、近年では、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用の二次電池の需要も高まっており、二次電池の大容量化を目指した研究開発が行われている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、大容量化が可能であり、電極金属のリサイクルが容易なリチウム−銅二次電池に関する技術が開示されている。非特許文献１には、金属リチウムからなる負極側に有機電解液を、金属銅からなる正極側に水性電解液を用い、両電解液を固体電解質の壁で仕切り、両電解液の混合を防いだ形態の二次電池が開示されている。当該二次電池は、従来のリチウムイオン二次電池よりも大容量化が可能であり、電極には単純な金属リチウムと金属銅だけを用いているので、低コストで生産でき、簡単なプロセスでリサイクル可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“リサイクルが容易な「リチウム−銅二次電池」を開発”［online］、２００９年８月２４日、［平成２２年１月１２日検索］、独立行政法人産業技術総合研究所広報部広報業務室、インターネット〈URL：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090824/pr20090824.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電解液を用いる電池は、電解液の漏洩を防止するため、必ず密閉構造を有している。非特許文献１に開示されている電池も、固体電解質と電解液とを併用しているので、電解液の漏洩を防止するため、少なくとも電解液の収容部は密閉構造にしなければならない。しかしながら、このような従来の密閉型電池では、充放電時に正極、負極、または電解液の体積が変化した場合に、当該体積変化に筐体が対応できなかった。したがって、正極、負極、または電解液が充放電の際に体積変化する場合、体積が減少する側の電極では減圧が起こり、体積が増加する側の電極では圧力上昇が起こる。結果として、圧力による充放電停止や、場合によっては筐体や内部構造の破壊が起こるという問題があった。非特許文献１に開示されている電池では、大容量化が可能であるとしているが、電池を大容量化すれば電池全体の体積変動がより大きくなるため、上記問題がより顕著になる。
【０００６】
そこで本発明は、充放電に伴う正極層、負極層（以下、「正極層」及び「負極層」を区別する必要がない場合は、単に「電極」ということがある。）または電解液の体積変化に対応することができる、密閉構造を有する電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、正極層と負極層と、該正極層及び該負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層と、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体とを備え、該筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、該筐体の容積を変化させることが可能である、電池である。
【０００８】
本発明において、「電解液層」とは電解液が充填された層であり、「固体電解質層」とは固体電解質が充填された層である。また、「正極層及び負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層」とは、以下の形態を想定している。すなわち、正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、正極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態、正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態、または正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態である。正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる場合、正極層側に備えられる電解液層と負極層側に備えられる電解液層とには、異なる電解液が充填されており、互いが固体電解質層によって隔離される。
【０００９】
上記本発明の電池において、電解液層に接する正極層または負極層の、電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、電解液層に接する正極層または負極層に備えられていることが好ましい。
【００１０】
上記のように、本発明において電解液層は、正極層と固体電解質層との間、負極層と固体電解質層との間、または正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に備えられるため、正極層または負極層のどちらか一方、若しくは正極層及び負極層の両方がそれぞれ異なる電解液層に接することになる。すなわち、「電解液層に接する正極層または負極層」とは、電解液層が備えられる位置によって、正極層または負極層のどちらか一方、もしくは正極層及び負極層の両方を意味する。
【００１１】
また、上記本発明の電池において、貫通孔は、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、上記本発明の電池において、正極層または負極層と対向する筐体の一部が弾性体で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電池によれば、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、該筐体の容積を変化させることが可能である。そのため、充放電時に筐体内の電極または電解液の体積が変化した場合、筐体の容積を変化させて、その体積変化を受容することができる。すなわち、本発明の電池は、充放電に伴う電極または電解液の体積変化に対応することができる。
【００１４】
また、電解液層に接する正極層または負極層の、電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、電解液層に接する正極層または負極層に備えられている形態とすることによって、電解液層に接する側の電極の両面を利用できるようになり、該電極に関して最大電流を２倍程度まで上昇させることができる。或いは、電流が一定であれば、過電圧を下げることに貢献でき、電極の劣化を防ぐことができる。
【００１５】
また、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されていることによって、充放電時に金属が析出することによって貫通孔が塞がれることを防止できる。
【００１６】
また、正極層または負極層と対向する筐体の一部が弾性体で構成されている形態とすることによって、充放電時に正極層または負極層の体積が変化した場合、その体積変化を受容することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の電池の一例を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の電池の他の例を概略的に示す断面図である。
【図３】従来の密閉型電池を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
電解液を用いる電池は、電解液の漏洩を防止するため、密閉構造にしなければならない。図３に従来の密閉型電池２０１の断面を概略的に示す。図３（ａ）は放電前の密閉型電池２０１の断面を概略的に示しており、図３（ｂ）は放電後の密閉型電池２０１の断面を概略的に示している。
【００１９】
図３に示した密閉型電池２０１は、正極層２１０、正極層２１０の外面に当接して設けられた正極集電体２１１、水系電解液が収容された水系電解液層２３１、固体電解質層２３０、非水電解液が収容された非水電解液層２３２、負極層２２０、負極層２２０の外面に当接して設けられた負極集電体２２１、及びこれらを収容する筐体２４０を備えている。水系電解液層２３１と非水電解液層２３２とは、固体電解質層２３０によって隔離されている。
【００２０】
密閉型電池２０１において、例えば、正極層２１０を金属銅、負極層２２０を金属リチウムによって構成すると、図３に示すように、放電前（図３（ａ））に比べて放電後（図３（ｂ））には負極層（金属リチウム）２２０の体積が減少して正極層（金属銅）２１０の体積が増加する（充電時はその逆）。このとき、負極層２２０の体積の減少に対して正極層２１０の体積の増加が著しく大きくなる。充放電に伴って電極がこのように体積変化すると、体積が減少する側の電極では減圧が、体積が増加する側の電極では圧力上昇が起こり、結果として圧力による充放電停止や、場合によっては筐体や内部構造の破壊が起こる。
【００２１】
本発明の電池によれば、以下に説明するように、筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、筐体の容積を変化させることができるので、充放電に伴う電極または電解液の体積変化に対応することができる。以下、図面を参照しつつ、本発明の電池について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の電池の一例である電池１を概略的に示す断面図である。図１（ａ）は、放電前の電池１を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、放電後の電池１を概略的に示す断面図である。
【００２３】
図１に示す電池１は、正極層１０、正極層１０の内部に設けられた正極集電体１１、電解液層３１、固体電解質層３０、電解液層３２、負極層２０、負極層２０の外面に当接して設けられた負極集電体２１及びこれらを収容する筐体４０を備えている。また、正極層１０、及び正極層１０と対向する筐体４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部４１が備えられており、正極層１０に設けられた貫通孔１２、１２、１２によって、電解液層３１と電解液収容部４１との間で電解液が流通可能となっている。
【００２４】
以下の本発明の説明では、負極層２０に金属リチウムを用いるとともに、正極層１０に金属銅を用いたリチウム−銅二次電池とした場合について主に説明する。かかる形態の場合、電解液層３１には水系電解液が収容され、電解液層３２には非水電解液が収容される。ただし、後に説明するように、本発明はかかる形態に限定されるものではない。
【００２５】
（筐体４０）
筐体４０は、正極層１０、電解液層３１、固体電解質３０、電解液層３２、及び負極層２０を収容する容器である。また、筐体４０は、少なくとも一部が弾性体で構成されていることによって、容積を変化させることができる。したがって、電池１の充放電に伴って正極層１０、負極層２０、電解液層３１、または電解液層３２が体積変化した場合、筐体４０は容積を変化させることによって、その体積変化を受容することができる。かかる弾性体としては、柔軟なゴムや樹脂材、プラスチック等を挙げることができる。具体的には、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリスチレン系の樹脂や、ブチル、ウレタン、ネオプレン、ニトリル、アクリル、クロロプレン、スチロール、シリコーン、フッ素系ゴム等を挙げられる。特に、ポリオレフィン系樹脂は化学耐性的に好ましいと考えられる。また、アルミニウム箔とプラスチックを重ね合わせたアルミニウムラミネートフィルムなどの複合材料でも圧力変動に敏感に対応できるものであれば用いることができる。なお、耐薬品性を向上させるという観点からは、当該弾性体にフッ素コート等を施すことが好ましい。弾性体と筐体の他の部位との接着方法は特に限定されず、例えば、弾性体を熱融着する方法や、接着剤を用いる方法が考えられる。当該接着剤としては、例えば、シリコーン系、ラテックス系や、エポキシ系等が考えられる。
【００２６】
例えば、負極層２０に金属リチウム、正極層１０に金属銅を用いて、電池１をリチウム−銅二次電池とした場合、放電時には、負極層２０の金属リチウムが電解液層３２に含まれる非水電解液に溶解し、負極集電体２１を介して外部に繋がる配線（不図示）に電子が供給される。一方、正極層１０側では、電解液層３１の水系電解液中に含まれる銅イオンが正極層１０の表面に達し、そこで配線（不図示）から正極集電体１１を介して電子が供給され、正極層１０の表面に金属銅が析出する。すなわち、図１に示すように、放電前（図１（ａ））に比べて放電後（図１（ｂ））では、負極層２０の体積が減少し、正極層１０の体積が増加する（充電時はその逆）。このとき、負極層２０の体積の減少量に対して正極１０の体積の増加量が著しく大きくなる。従来の密閉型電池ではこの体積変化に対応することができなかったが、本発明の電池によれば、筐体の容積を変化させることによって、電極の体積変化を受容することができる。したがって、体積が減少する側の電極での減圧や、体積が増加する側の電極での圧力上昇に起因する、充放電停止を防止することができ、筐体や内部構造の破壊も防止することができる。
【００２７】
なお、筐体４０のうち弾性体で構成する部分は、電池１の充放電時の電極や電解液の体積変化を受容できる部分に設けられていれば特に限定されない。ただし、充放電時の体積変化が大きいと考えられる電極と対向する部分を弾性体によって構成することが好ましい。すなわち、電池１をリチウム−銅二次電池とした場合は、図１に示すように、筐体４０のうち、正極層１０と対向する部分を弾性体で構成された弾性部４０ａとすることが好ましい。電極の体積変化を受容しやすくなるためである。
【００２８】
（電解液収容部４１）
電池１には、電解液収容部４１が備えられている。電解液収容部４１は正極層１０に設けられた貫通孔１２、１２、１２によって電解液層３１と結ばれている。貫通孔１２、１２、１２は、常に電解液が流通可能な形態で備えられており、電解液は、電解液収容部４１と電解液層３１との間を常に行き来することができる。かかる形態とすることによって、正極層１０の両面を利用できるようになり、正極層１０に関して最大電流を２倍程度まで上昇させることができる。或いは、電流が一定であれば、過電圧を下げることに貢献でき、正極層１０の劣化を防ぐことができる。
【００２９】
貫通孔１２、１２、１２を、常に電解液が流通可能な形態とするためには、貫通孔１２、１２、１２は、イオン伝導性のない、テフロン（登録商標）や公知のセラミックスなどからなる中空管で構成することが好ましい。このような材料で貫通孔１２、１２、１２を構成することによって、電池１の充放電時に金属が析出することによって貫通孔１２、１２、１２が塞がれることを防止できる。
【００３０】
また、上記のように、筐体４０のうち正極層１０と対向する部分に弾性部４０ａを設けることによって、正極層１０の体積が増大してもその増大量に合わせて筐体４０の容積が変化するため、電解液収容部４１を確保することができる。すなわち、正極層１０の体積が増大することによって電解液層３１が固体電解質層３０側に押さえられると、電解液層３１の電解液は貫通孔１２、１２、１２を通って電解液収容部４１に流入し、電解液収容部４１に流入した電解液が弾性部４０ａを押し広げて、正極層１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部４１を確保することができる。または、体積が増大した正極層１０によって電解液収容部４１内の電解液が弾性部４０ａに押し付けられ、弾性部４０ａを押し広げて、正極層１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部４１を確保することができる。
【００３１】
（正極１０、負極２０）
これまでの電池１の説明では、正極層１０を金属銅として負極層２０を金属リチウムとしたリチウム−銅二次電池について主に説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。正極１０は正極活物質を含有していればよく、固体電解質と電解液を併用する形態の電池に用いることができる正極であれば、特に限定されない。負極層２０は負極活物質を含有していればよく、固体電解質と電解液を併用する形態の電池に用いることができる負極であれば、特に限定されない。正極層１０の金属銅以外の具体例としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒなどの遷移金属を挙げることができる。負極層２０の金属リチウム以外の具体例としては、Ｎａ、Ｋなどのアルカリ金属、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇなどのアルカリ土類金属、Ｆｅ、Ｎｉなどの遷移金属の他、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ等を挙げることができる。ただし、本発明の電池は充放電に伴う電極の体積変化を受容できることを特徴としており、本発明の電池は、充放電に伴う電極の体積変化量が、電池全体の体積に対して大きい場合に好適に用いることができる。例えば、負極層に金属リチウム、正極層に金属銅を用いたリチウム−銅二次電池の場合には、電池反応に供される電子１つ当たりについて正極層と負極層とで体積変化量が大きく異なる（Ｌｉ：Ｃｕ＝３００ｃｍ３：１ｃｍ３）ので、好適に用いることができる。また、電池を大容量化すれば、電池体積に対する電極の充放電時の体積変化量が大きくなるため、本発明は大容量の電池に対して好適である。
【００３２】
なお、上記具体例では、正極層１０及び負極層２０に金属を用いる形態のみ挙げたが、本発明はかかる形態に限定されない。例えば、正極層１０を公知の空気極として、電池１を空気電池とすることもできる。
【００３３】
正極層１０及び負極層２０の作製方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、以下に説明する集電体を多孔質として、該多孔質集電体に粉末金属を固めることによって作製できる。
【００３４】
（正極集電体１１、負極集電体２１）
正極層１０及び負極層２０には、内部又は外面に当接して集電体が設けられている。正極集電体１１は、正極層１０の集電を行う機能を有するものであり、負極集電体２１は、負極層２０の集電を行う機能を有するものである。なお、図１では、正極集電体１１が正極層１０の内部に備えられ、負極集電体２１が負極層２０の外面に当接して備えられる形態を例示している。正極集電体１１及び負極集電体２１の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル等を挙げることができる。このような正極集電体１１及び負極集電体２１の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。
【００３５】
（固体電解質層３０）
固体電解質層３０には、電極の種類に応じた固体電解質を適宜選択することができる。例えば、カチオン伝導性（例えば、Ｌｉ伝導性を有するもの：ＬＡＴＰ、ＬＬＺなど。Ｎａ伝導性を有するもの：ＮＡＳＩＣＯＮ型固体など。）或いはアニオン伝導性（例えば、ＯＨ伝導性を有するもの：メチルアンモニウム基やピリジン系置換基等を持つもの、ペロブスカイト型酸化物など。）を有する固体電解質を挙げることができる。このような固体電解質が充填される固体電解質層３０は、公知の方法によって作製することができる。
【００３６】
（電解液層３２）
電池１をリチウム−銅二次電池とする場合、電解液層３２には、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液が充填される。この場合、電解液層３２は、例えば、多孔質のセパレータに非水電解液が保持されることにより構成される。電解液層３２に含有されている非水電解液は、リチウム塩および有機溶媒を含有している。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、及び、ＬｉＡｓＦ６等の無機リチウム塩、並びに、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、及び、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、及び、これらの混合物等を挙げることができる。なお、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。また、非水電解液を保持するセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布やガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。なお、電解液層３２に含有される電解液は、電池１に備えられる電極の種類に応じて適宜選択されるものであるため、上記の例に限定されない。
【００３７】
（電解液層３１）
電池１をリチウム−銅二次電池とする場合、電解液層３１には、リチウムイオン伝導性を有し、銅イオンを溶解する水系電解液が充填される。この場合、電解液層３１は、例えば、多孔質のセパレータに水系電解液が保持されることにより構成される。このような水系電解液としては、例えば、銅塩を含む電解液又はリチウム塩を含む電解液、或いはそれらの混合液を用いることができる。本発明において、当該水系電解液にはＣｕＳＯ４等の銅塩やＬｉ２ＳＯ４等のリチウム塩を溶解させることがでる。ＣｕＳＯ４やＬｉ２ＳＯ４は安全な中性塩であるため好ましい。ＣｕＳＯ４を溶解させる場合、その濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上２０ｍｏｌ／Ｌ以下とすることができる。Ｌｉ２ＳＯ４を溶解させる場合、その濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上３５ｍｏｌ／Ｌ以下とすることができる。また、当該水系電解液を保持するセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布やガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。なお、電解液層３１に含有される電解液は、電池１に備えられる電極の種類に応じて適宜選択されるものであるため、上記の例に限定されない。
【００３８】
これまでの本発明の説明では、正極層側にのみ電解液収容部が備えられる形態について説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。電解液収容部は、電解液層に接する電極について、該電極の電解液層が備えられる側とは反対側に備えられていればよい。すなわち、図２に示すように、正極層側と負極層側の両方に電解液収容部が備えられていても良い。図２は、本発明の電池の他の例である電池１０１を概略的に示す断面図である。図２（ａ）は、放電前（充電後）の電池１０１を概略的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、放電後の電池１０１を概略的に示す断面図である。
【００３９】
図２に示す電池１０１は、正極層１１０、正極層１１０の内部に設けられた正極集電体１１１、電解液層１３１、固体電解質層１３０、電解液層１３２、負極層１２０、負極層１２０の内部に設けられた負極集電体１２１及びこれらを収容する筐体１４０を備えている。また、正極層１１０、及び正極層１１０と対向する筐体１４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部１４１が備えられており、正極層１１０に設けられた貫通孔１１２、１１２、１１２によって、電解液層１１１と電解液収容部１４１との間で電解液が流通可能となっている。さらに、負極層１２０、及び負極層１２０と対向する筐体１４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部１４２が備えられており、負極層１２０に設けられた貫通孔１２２、１２２、１２２によって、電解液層１３２と電解液収容部１４２との間で電解液が流通可能となっている。
【００４０】
正極層１１０、正極集電体１１１、電解液層１３１、固体電解質層１３０、電解液層１３２は、及び貫通孔１１２、１１２、１１２は、電池１の正極層１０、正極集電体１１、電解液層３１、固体電解質層３０、電解液層３２、及び貫通孔１２、１２、１２とそれぞれ同様とすることができるため、説明を省略する。また、負極層１２０及び負極集電体１２１については、負極集電体１２１が負極層１２０の内部に設けられていることと、貫通孔１２２、１２２、１２２が設けられている以外は、電池１の負極２０及び負極集電体２１と同様とすることができ、貫通孔１２２、１２２、１２２は、電池１の貫通孔１２、１２、１２と同様とすることができるため、説明を省略する。
【００４１】
電池１０１の筐体１４０は、正極層１１０と対向する部分に、弾性体で構成された弾性部１４０ａを備えるとともに、負極層１２０と対向する部分に、弾性体で構成された弾性部１４０ｂを備えている。かかる形態とすることによって、充放電時において、正極層１１０及び負極層１２０の両方の体積変化が大きい場合に好適である。
【００４２】
図２に示すように、電池１０１は、充電後（図２（ａ））は放電後（図２（ｂ））に比べて正極層１１０の体積が減少するとともに、負極層１２０の体積が増大している。このとき、弾性部１４０ｂが備えられていることによって、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。すなわち、負極層１２０の体積が増大することによって電解液層１３２に充填された電解液が固体電解質層１３０側に押さえられると、電解液層１３１の電解液は貫通孔１２２、１２２、１２２を通って電解液収容部１４２に流入し、電解液収容部１４２に流入した電解液が弾性部１４０ｂを押し広げて、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。または、体積が増大した負極層１２０によって電解液収容部１４２内の電解液が弾性部１４０ｂに押し付けられ、弾性部１４０ｂを押し広げて、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。
【００４３】
一方、電池１０１は、放電後（図２（ｂ））には放電前（図２（ａ））に比べて正極層１１０の体積が増加するとともに、負極層１２０の体積が減少している。このとき、弾性部１４０ａが備えられていることによって、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。すなわち、正極層１１０の体積が増大することによって電解液層１３１に充填された電解液が固体電解質層１３０側に押さえられると、電解液層１３１の電解液は貫通孔１１２、１１２、１１２を通って電解液収容部１４１に流入し、電解液収容部１４１に流入した電解液が弾性部１４０ａを押し広げて、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。または、体積が増大した正極層１１０によって電解液収容部１４１内の電解液が弾性部１４０ａに押し付けられ、弾性部１４０ａを押し広げて、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。
【００４４】
また、これまでの本発明の説明では、固体電解質層の両側に電解液層が備えられる形態について説明したが、本発明はかかる形態に限定されず、固体電解質層の一方の側に電解液層が備えられる形態であっても良い。この場合、電解液層が備えられない側の電極は、固体電解質層と接することになる。
【００４５】
以上、現時点において最も実践的で好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電池もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 電池
１０ 正極層
１１ 正極集電体
１２ 貫通孔
２０ 負極層
２１ 負極集電体
３０ 固体電解質層
３１ 電解液層
３２ 電解液層
４０ 筐体
４０ａ 弾性部
４１ 電解液収容部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質及び電解液を備えた、密閉構造を有する電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、二次電池は様々な分野で使用されている。例えば、二次電池の中でもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有しているリチウムイオン二次電池は、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話やノートパソコン等の情報機器に使用されている。また、近年では、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用の二次電池の需要も高まっており、二次電池の大容量化を目指した研究開発が行われている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、大容量化が可能であり、電極金属のリサイクルが容易なリチウム−銅二次電池に関する技術が開示されている。非特許文献１には、金属リチウムからなる負極側に有機電解液を、金属銅からなる正極側に水性電解液を用い、両電解液を固体電解質の壁で仕切り、両電解液の混合を防いだ形態の二次電池が開示されている。当該二次電池は、従来のリチウムイオン二次電池よりも大容量化が可能であり、電極には単純な金属リチウムと金属銅だけを用いているので、低コストで生産でき、簡単なプロセスでリサイクル可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“リサイクルが容易な「リチウム−銅二次電池」を開発”［online］、２００９年８月２４日、［平成２２年１月１２日検索］、独立行政法人産業技術総合研究所広報部広報業務室、インターネット〈URL：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090824/pr20090824.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電解液を用いる電池は、電解液の漏洩を防止するため、必ず密閉構造を有している。非特許文献１に開示されている電池も、固体電解質と電解液とを併用しているので、電解液の漏洩を防止するため、少なくとも電解液の収容部は密閉構造にしなければならない。しかしながら、このような従来の密閉型電池では、充放電時に正極、負極、または電解液の体積が変化した場合に、当該体積変化に筐体が対応できなかった。したがって、正極、負極、または電解液が充放電の際に体積変化する場合、体積が減少する側の電極では減圧が起こり、体積が増加する側の電極では圧力上昇が起こる。結果として、圧力による充放電停止や、場合によっては筐体や内部構造の破壊が起こるという問題があった。非特許文献１に開示されている電池では、大容量化が可能であるとしているが、電池を大容量化すれば電池全体の体積変動がより大きくなるため、上記問題がより顕著になる。
【０００６】
そこで本発明は、充放電に伴う正極層、負極層（以下、「正極層」及び「負極層」を区別する必要がない場合は、単に「電極」ということがある。）または電解液の体積変化に対応することができる、密閉構造を有する電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明は、正極層と負極層と、該正極層及び該負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層と、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体とを備え、該筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、該筐体の容積を変化させることが可能である、電池である。
【０００８】
本発明において、「電解液層」とは電解液が充填された層であり、「固体電解質層」とは固体電解質が充填された層である。また、「正極層及び負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層」とは、以下の形態を想定している。すなわち、正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、正極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態、正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態、または正極層及び負極層の間に固体電解質層が備えられており、正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる形態である。正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に電解液層が備えられる場合、正極層側に備えられる電解液層と負極層側に備えられる電解液層とには、異なる電解液が充填されており、互いが固体電解質層によって隔離される。
【０００９】
上記本発明の電池において、電解液層に接する正極層または負極層の、電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、電解液層に接する正極層または負極層に備えられていることが好ましい。
【００１０】
上記のように、本発明において電解液層は、正極層と固体電解質層との間、負極層と固体電解質層との間、または正極層と固体電解質層との間及び負極層と固体電解質層との間に備えられるため、正極層または負極層のどちらか一方、若しくは正極層及び負極層の両方がそれぞれ異なる電解液層に接することになる。すなわち、「電解液層に接する正極層または負極層」とは、電解液層が備えられる位置によって、正極層または負極層のどちらか一方、もしくは正極層及び負極層の両方を意味する。
【００１１】
また、上記本発明の電池において、貫通孔は、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、上記本発明の電池において、正極層または負極層と対向する筐体の一部が弾性体で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電池によれば、正極層、負極層、電解液層、及び固体電解質層を収容する筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、該筐体の容積を変化させることが可能である。そのため、充放電時に筐体内の電極または電解液の体積が変化した場合、筐体の容積を変化させて、その体積変化を受容することができる。すなわち、本発明の電池は、充放電に伴う電極または電解液の体積変化に対応することができる。
【００１４】
また、電解液層に接する正極層または負極層の、電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、電解液層に接する正極層または負極層に備えられている形態とすることによって、電解液層に接する側の電極の両面を利用できるようになり、該電極に関して最大電流を２倍程度まで上昇させることができる。或いは、電流が一定であれば、過電圧を下げることに貢献でき、電極の劣化を防ぐことができる。
【００１５】
また、電解液層と電解液収容部との間で電解液が流通可能な貫通孔が、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されていることによって、充放電時に金属が析出することによって貫通孔が塞がれることを防止できる。
【００１６】
また、正極層または負極層と対向する筐体の一部が弾性体で構成されている形態とすることによって、充放電時に正極層または負極層の体積が変化した場合、その体積変化を受容することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の電池の一例を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の電池の他の例を概略的に示す断面図である。
【図３】従来の密閉型電池を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
電解液を用いる電池は、電解液の漏洩を防止するため、密閉構造にしなければならない。図３に従来の密閉型電池２０１の断面を概略的に示す。図３（ａ）は放電前の密閉型電池２０１の断面を概略的に示しており、図３（ｂ）は放電後の密閉型電池２０１の断面を概略的に示している。
【００１９】
図３に示した密閉型電池２０１は、正極層２１０、正極層２１０の外面に当接して設けられた正極集電体２１１、水系電解液が収容された水系電解液層２３１、固体電解質層２３０、非水電解液が収容された非水電解液層２３２、負極層２２０、負極層２２０の外面に当接して設けられた負極集電体２２１、及びこれらを収容する筐体２４０を備えている。水系電解液層２３１と非水電解液層２３２とは、固体電解質層２３０によって隔離されている。
【００２０】
密閉型電池２０１において、例えば、正極層２１０を金属銅、負極層２２０を金属リチウムによって構成すると、図３に示すように、放電前（図３（ａ））に比べて放電後（図３（ｂ））には負極層（金属リチウム）２２０の体積が減少して正極層（金属銅）２１０の体積が増加する（充電時はその逆）。このとき、負極層２２０の体積の減少に対して正極層２１０の体積の増加が著しく大きくなる。充放電に伴って電極がこのように体積変化すると、体積が減少する側の電極では減圧が、体積が増加する側の電極では圧力上昇が起こり、結果として圧力による充放電停止や、場合によっては筐体や内部構造の破壊が起こる。
【００２１】
本発明の電池によれば、以下に説明するように、筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、筐体の容積を変化させることができるので、充放電に伴う電極または電解液の体積変化に対応することができる。以下、図面を参照しつつ、本発明の電池について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の電池の一例である電池１を概略的に示す断面図である。図１（ａ）は、放電前の電池１を概略的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、放電後の電池１を概略的に示す断面図である。
【００２３】
図１に示す電池１は、正極層１０、正極層１０の内部に設けられた正極集電体１１、電解液層３１、固体電解質層３０、電解液層３２、負極層２０、負極層２０の外面に当接して設けられた負極集電体２１及びこれらを収容する筐体４０を備えている。また、正極層１０、及び正極層１０と対向する筐体４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部４１が備えられており、正極層１０に設けられた貫通孔１２、１２、１２によって、電解液層３１と電解液収容部４１との間で電解液が流通可能となっている。
【００２４】
以下の本発明の説明では、負極層２０に金属リチウムを用いるとともに、正極層１０に金属銅を用いたリチウム−銅二次電池とした場合について主に説明する。かかる形態の場合、電解液層３１には水系電解液が収容され、電解液層３２には非水電解液が収容される。ただし、後に説明するように、本発明はかかる形態に限定されるものではない。
【００２５】
（筐体４０）
筐体４０は、正極層１０、電解液層３１、固体電解質３０、電解液層３２、及び負極層２０を収容する容器である。また、筐体４０は、少なくとも一部が弾性体で構成されていることによって、容積を変化させることができる。したがって、電池１の充放電に伴って正極層１０、負極層２０、電解液層３１、または電解液層３２が体積変化した場合、筐体４０は容積を変化させることによって、その体積変化を受容することができる。かかる弾性体としては、柔軟なゴムや樹脂材、プラスチック等を挙げることができる。具体的には、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリスチレン系の樹脂や、ブチル、ウレタン、ネオプレン、ニトリル、アクリル、クロロプレン、スチロール、シリコーン、フッ素系ゴム等を挙げられる。特に、ポリオレフィン系樹脂は化学耐性的に好ましいと考えられる。また、アルミニウム箔とプラスチックを重ね合わせたアルミニウムラミネートフィルムなどの複合材料でも圧力変動に敏感に対応できるものであれば用いることができる。なお、耐薬品性を向上させるという観点からは、当該弾性体にフッ素コート等を施すことが好ましい。弾性体と筐体の他の部位との接着方法は特に限定されず、例えば、弾性体を熱融着する方法や、接着剤を用いる方法が考えられる。当該接着剤としては、例えば、シリコーン系、ラテックス系や、エポキシ系等が考えられる。
【００２６】
例えば、負極層２０に金属リチウム、正極層１０に金属銅を用いて、電池１をリチウム−銅二次電池とした場合、放電時には、負極層２０の金属リチウムが電解液層３２に含まれる非水電解液に溶解し、負極集電体２１を介して外部に繋がる配線（不図示）に電子が供給される。一方、正極層１０側では、電解液層３１の水系電解液中に含まれる銅イオンが正極層１０の表面に達し、そこで配線（不図示）から正極集電体１１を介して電子が供給され、正極層１０の表面に金属銅が析出する。すなわち、図１に示すように、放電前（図１（ａ））に比べて放電後（図１（ｂ））では、負極層２０の体積が減少し、正極層１０の体積が増加する（充電時はその逆）。このとき、負極層２０の体積の減少量に対して正極１０の体積の増加量が著しく大きくなる。従来の密閉型電池ではこの体積変化に対応することができなかったが、本発明の電池によれば、筐体の容積を変化させることによって、電極の体積変化を受容することができる。したがって、体積が減少する側の電極での減圧や、体積が増加する側の電極での圧力上昇に起因する、充放電停止を防止することができ、筐体や内部構造の破壊も防止することができる。
【００２７】
なお、筐体４０のうち弾性体で構成する部分は、電池１の充放電時の電極や電解液の体積変化を受容できる部分に設けられていれば特に限定されない。ただし、充放電時の体積変化が大きいと考えられる電極と対向する部分を弾性体によって構成することが好ましい。すなわち、電池１をリチウム−銅二次電池とした場合は、図１に示すように、筐体４０のうち、正極層１０と対向する部分を弾性体で構成された弾性部４０ａとすることが好ましい。電極の体積変化を受容しやすくなるためである。
【００２８】
（電解液収容部４１）
電池１には、電解液収容部４１が備えられている。電解液収容部４１は正極層１０に設けられた貫通孔１２、１２、１２によって電解液層３１と結ばれている。貫通孔１２、１２、１２は、常に電解液が流通可能な形態で備えられており、電解液は、電解液収容部４１と電解液層３１との間を常に行き来することができる。かかる形態とすることによって、正極層１０の両面を利用できるようになり、正極層１０に関して最大電流を２倍程度まで上昇させることができる。或いは、電流が一定であれば、過電圧を下げることに貢献でき、正極層１０の劣化を防ぐことができる。
【００２９】
貫通孔１２、１２、１２を、常に電解液が流通可能な形態とするためには、貫通孔１２、１２、１２は、イオン伝導性のない、テフロン（登録商標）や公知のセラミックスなどからなる中空管で構成することが好ましい。このような材料で貫通孔１２、１２、１２を構成することによって、電池１の充放電時に金属が析出することによって貫通孔１２、１２、１２が塞がれることを防止できる。
【００３０】
また、上記のように、筐体４０のうち正極層１０と対向する部分に弾性部４０ａを設けることによって、正極層１０の体積が増大してもその増大量に合わせて筐体４０の容積が変化するため、電解液収容部４１を確保することができる。すなわち、正極層１０の体積が増大することによって電解液層３１が固体電解質層３０側に押さえられると、電解液層３１の電解液は貫通孔１２、１２、１２を通って電解液収容部４１に流入し、電解液収容部４１に流入した電解液が弾性部４０ａを押し広げて、正極層１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部４１を確保することができる。または、体積が増大した正極層１０によって電解液収容部４１内の電解液が弾性部４０ａに押し付けられ、弾性部４０ａを押し広げて、正極層１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部４１を確保することができる。
【００３１】
（正極１０、負極２０）
これまでの電池１の説明では、正極層１０を金属銅として負極層２０を金属リチウムとしたリチウム−銅二次電池について主に説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。正極１０は正極活物質を含有していればよく、固体電解質と電解液を併用する形態の電池に用いることができる正極であれば、特に限定されない。負極層２０は負極活物質を含有していればよく、固体電解質と電解液を併用する形態の電池に用いることができる負極であれば、特に限定されない。正極層１０の金属銅以外の具体例としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒなどの遷移金属を挙げることができる。負極層２０の金属リチウム以外の具体例としては、Ｎａ、Ｋなどのアルカリ金属、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇなどのアルカリ土類金属、Ｆｅ、Ｎｉなどの遷移金属の他、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ等を挙げることができる。ただし、本発明の電池は充放電に伴う電極の体積変化を受容できることを特徴としており、本発明の電池は、充放電に伴う電極の体積変化量が、電池全体の体積に対して大きい場合に好適に用いることができる。例えば、負極層に金属リチウム、正極層に金属銅を用いたリチウム−銅二次電池の場合には、電池反応に供される電子１つ当たりについて正極層と負極層とで体積変化量が大きく異なる（Ｌｉ：Ｃｕ＝３００ｃｍ３：１ｃｍ３）ので、好適に用いることができる。また、電池を大容量化すれば、電池体積に対する電極の充放電時の体積変化量が大きくなるため、本発明は大容量の電池に対して好適である。
【００３２】
なお、上記具体例では、正極層１０及び負極層２０に金属を用いる形態のみ挙げたが、本発明はかかる形態に限定されない。例えば、正極層１０を公知の空気極として、電池１を空気電池とすることもできる。
【００３３】
正極層１０及び負極層２０の作製方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。例えば、以下に説明する集電体を多孔質として、該多孔質集電体に粉末金属を固めることによって作製できる。
【００３４】
（正極集電体１１、負極集電体２１）
正極層１０及び負極層２０には、内部又は外面に当接して集電体が設けられている。正極集電体１１は、正極層１０の集電を行う機能を有するものであり、負極集電体２１は、負極層２０の集電を行う機能を有するものである。なお、図１では、正極集電体１１が正極層１０の内部に備えられ、負極集電体２１が負極層２０の外面に当接して備えられる形態を例示している。正極集電体１１及び負極集電体２１の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、銅、ステンレス鋼、ニッケル等を挙げることができる。このような正極集電体１１及び負極集電体２１の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ（グリッド）状等を挙げることができる。
【００３５】
（固体電解質層３０）
固体電解質層３０には、電極の種類に応じた固体電解質を適宜選択することができる。例えば、カチオン伝導性（例えば、Ｌｉ伝導性を有するもの：ＬＡＴＰ、ＬＬＺなど。Ｎａ伝導性を有するもの：ＮＡＳＩＣＯＮ型固体など。）或いはアニオン伝導性（例えば、ＯＨ伝導性を有するもの：メチルアンモニウム基やピリジン系置換基等を持つもの、ペロブスカイト型酸化物など。）を有する固体電解質を挙げることができる。このような固体電解質が充填される固体電解質層３０は、公知の方法によって作製することができる。
【００３６】
（電解液層３２）
電池１をリチウム−銅二次電池とする場合、電解液層３２には、リチウムイオン伝導性を有する非水電解液が充填される。この場合、電解液層３２は、例えば、多孔質のセパレータに非水電解液が保持されることにより構成される。電解液層３２に含有されている非水電解液は、リチウム塩および有機溶媒を含有している。上記リチウム塩としては、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、及び、ＬｉＡｓＦ６等の無機リチウム塩、並びに、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、及び、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシメタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、及び、これらの混合物等を挙げることができる。なお、本発明においては、非水電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。また、非水電解液を保持するセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布やガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。なお、電解液層３２に含有される電解液は、電池１に備えられる電極の種類に応じて適宜選択されるものであるため、上記の例に限定されない。
【００３７】
（電解液層３１）
電池１をリチウム−銅二次電池とする場合、電解液層３１には、リチウムイオン伝導性を有し、銅イオンを溶解する水系電解液が充填される。この場合、電解液層３１は、例えば、多孔質のセパレータに水系電解液が保持されることにより構成される。このような水系電解液としては、例えば、銅塩を含む電解液又はリチウム塩を含む電解液、或いはそれらの混合液を用いることができる。本発明において、当該水系電解液にはＣｕＳＯ４等の銅塩やＬｉ２ＳＯ４等のリチウム塩を溶解させることがでる。ＣｕＳＯ４やＬｉ２ＳＯ４は安全な中性塩であるため好ましい。ＣｕＳＯ４を溶解させる場合、その濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上２０ｍｏｌ／Ｌ以下とすることができる。Ｌｉ２ＳＯ４を溶解させる場合、その濃度は０．１ｍｏｌ／Ｌ以上３５ｍｏｌ／Ｌ以下とすることができる。また、当該水系電解液を保持するセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜のほか、樹脂不織布やガラス繊維不織布等の不織布等を例示することができる。なお、電解液層３１に含有される電解液は、電池１に備えられる電極の種類に応じて適宜選択されるものであるため、上記の例に限定されない。
【００３８】
これまでの本発明の説明では、正極層側にのみ電解液収容部が備えられる形態について説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。電解液収容部は、電解液層に接する電極について、該電極の電解液層が備えられる側とは反対側に備えられていればよい。すなわち、図２に示すように、正極層側と負極層側の両方に電解液収容部が備えられていても良い。図２は、本発明の電池の他の例である電池１０１を概略的に示す断面図である。図２（ａ）は、放電前（充電後）の電池１０１を概略的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、放電後の電池１０１を概略的に示す断面図である。
【００３９】
図２に示す電池１０１は、正極層１１０、正極層１１０の内部に設けられた正極集電体１１１、電解液層１３１、固体電解質層１３０、電解液層１３２、負極層１２０、負極層１２０の内部に設けられた負極集電体１２１及びこれらを収容する筐体１４０を備えている。また、正極層１１０、及び正極層１１０と対向する筐体１４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部１４１が備えられており、正極層１１０に設けられた貫通孔１１２、１１２、１１２によって、電解液層１１１と電解液収容部１４１との間で電解液が流通可能となっている。さらに、負極層１２０、及び負極層１２０と対向する筐体１４０の一部との間には、電解液を収容可能な電解液収容部１４２が備えられており、負極層１２０に設けられた貫通孔１２２、１２２、１２２によって、電解液層１３２と電解液収容部１４２との間で電解液が流通可能となっている。
【００４０】
正極層１１０、正極集電体１１１、電解液層１３１、固体電解質層１３０、電解液層１３２は、及び貫通孔１１２、１１２、１１２は、電池１の正極層１０、正極集電体１１、電解液層３１、固体電解質層３０、電解液層３２、及び貫通孔１２、１２、１２とそれぞれ同様とすることができるため、説明を省略する。また、負極層１２０及び負極集電体１２１については、負極集電体１２１が負極層１２０の内部に設けられていることと、貫通孔１２２、１２２、１２２が設けられている以外は、電池１の負極２０及び負極集電体２１と同様とすることができ、貫通孔１２２、１２２、１２２は、電池１の貫通孔１２、１２、１２と同様とすることができるため、説明を省略する。
【００４１】
電池１０１の筐体１４０は、正極層１１０と対向する部分に、弾性体で構成された弾性部１４０ａを備えるとともに、負極層１２０と対向する部分に、弾性体で構成された弾性部１４０ｂを備えている。かかる形態とすることによって、充放電時において、正極層１１０及び負極層１２０の両方の体積変化が大きい場合に好適である。
【００４２】
図２に示すように、電池１０１は、充電後（図２（ａ））は放電後（図２（ｂ））に比べて正極層１１０の体積が減少するとともに、負極層１２０の体積が増大している。このとき、弾性部１４０ｂが備えられていることによって、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。すなわち、負極層１２０の体積が増大することによって電解液層１３２に充填された電解液が固体電解質層１３０側に押さえられると、電解液層１３１の電解液は貫通孔１２２、１２２、１２２を通って電解液収容部１４２に流入し、電解液収容部１４２に流入した電解液が弾性部１４０ｂを押し広げて、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。または、体積が増大した負極層１２０によって電解液収容部１４２内の電解液が弾性部１４０ｂに押し付けられ、弾性部１４０ｂを押し広げて、負極層１２０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４２を確保することができる。
【００４３】
一方、電池１０１は、放電後（図２（ｂ））には放電前（図２（ａ））に比べて正極層１１０の体積が増加するとともに、負極層１２０の体積が減少している。このとき、弾性部１４０ａが備えられていることによって、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。すなわち、正極層１１０の体積が増大することによって電解液層１３１に充填された電解液が固体電解質層１３０側に押さえられると、電解液層１３１の電解液は貫通孔１１２、１１２、１１２を通って電解液収容部１４１に流入し、電解液収容部１４１に流入した電解液が弾性部１４０ａを押し広げて、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。または、体積が増大した正極層１１０によって電解液収容部１４１内の電解液が弾性部１４０ａに押し付けられ、弾性部１４０ａを押し広げて、正極層１１０の体積増加分を受容するとともに、電解液収容部１４１を確保することができる。
【００４４】
また、これまでの本発明の説明では、固体電解質層の両側に電解液層が備えられる形態について説明したが、本発明はかかる形態に限定されず、固体電解質層の一方の側に電解液層が備えられる形態であっても良い。この場合、電解液層が備えられない側の電極は、固体電解質層と接することになる。
【００４５】
以上、現時点において最も実践的で好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電池もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 電池
１０ 正極層
１１ 正極集電体
１２ 貫通孔
２０ 負極層
２１ 負極集電体
３０ 固体電解質層
３１ 電解液層
３２ 電解液層
４０ 筐体
４０ａ 弾性部
４１ 電解液収容部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極層と負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層と、前記正極層、前記負極層、前記電解液層、及び前記固体電解質層を収容する筐体とを備え、
前記筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、前記筐体の容積を変化させることが可能である、電池。
【請求項２】
前記電解液層に接する前記正極層または前記負極層の、前記電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、
前記電解液層と前記電解液収容部との間で前記電解液が流通可能な貫通孔が、前記電解液層に接する前記正極層または前記負極層に備えられている、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記貫通孔が、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されている、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記正極層または前記負極層と対向する前記筐体の一部が弾性体で構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【請求項１】
正極層と負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に配置される電解液層及び固体電解質層と、前記正極層、前記負極層、前記電解液層、及び前記固体電解質層を収容する筐体とを備え、
前記筐体の少なくとも一部が弾性体によって構成されていることにより、前記筐体の容積を変化させることが可能である、電池。
【請求項２】
前記電解液層に接する前記正極層または前記負極層の、前記電解液層に接する側とは反対側に電解液を収容可能な電解液収容部が備えられ、
前記電解液層と前記電解液収容部との間で前記電解液が流通可能な貫通孔が、前記電解液層に接する前記正極層または前記負極層に備えられている、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記貫通孔が、イオン伝導性のない材料からなる中空管で構成されている、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記正極層または前記負極層と対向する前記筐体の一部が弾性体で構成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１４６１５７（Ｐ２０１１−１４６１５７Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０７９（Ｐ２０１０−４０７９）
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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