電池
【課題】集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる電池を提供する。
【解決手段】複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、積層体は複数の集電体を備えており、複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、複数の突出部が絶縁層によって覆われており、絶縁層において複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、貫通孔に導電部が配置されることによって複数の集電体が電気的に接続されている、電池とする。
【解決手段】複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、積層体は複数の集電体を備えており、複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、複数の突出部が絶縁層によって覆われており、絶縁層において複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、貫通孔に導電部が配置されることによって複数の集電体が電気的に接続されている、電池とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池より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。そのため、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等の情報機器に使用されている。また、近年は電気自動車やハイブリッド自動車用等の大型機器の動力用としても、リチウムイオン二次電池の需要が高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられている。当該電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）は、正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、電解液が用いられる場合には、正極層や負極層に含有されている活物質と電解質との界面が形成され易いので、電池の性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「全固体リチウム電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような電池に適用可能な技術として、例えば特許文献１には、正極集電体の表面に形成された、正極活物質を含む正極活物質層、電解質層、および負極集電体の表面に形成された、負極活物質を含む負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも１つの単電池を含む電池要素と、前記電池要素から電力を外部に取り出すための、前記正極集電体と電気的に接続された正極端子および前記負極集電体と電気的に接続された負極端子からなる電極端子と、を有するリチウムイオン二次電池であって、前記正極端子と正極集電体との接合部または前記負極端子と前記負極集電体との接合部の少なくとも一方において、集電体と接触するように熱吸収部材が配置されていることを特徴とする、リチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８８７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池によれば、電池の体積エネルギー密度の低下を招くことなく、電池の充放電時の電池要素の温度上昇を効果的に抑制しうるとしている。しかしながら、特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池では、複数の集電体を積層して接続する際に、該集電体が破損することを防止するため、該集電体の長さを十分にとっておく必要があった。そのため、集電体同士の接続部の周りに無駄なスペースが生じ、電池の体積エネルギー密度を高めることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明は、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができ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】
【０００８】
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、複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、該積層体は複数の集電体を備えており、該複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、複数の突出部が絶縁層によって覆われており、該絶縁層において複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、該貫通孔内に導電部が配置されることによって複数の集電体が電気的に接続されている、電池である。
【０００９】
本発明において「絶縁層」とは、電気的絶縁性の材料で構成された層を意味する。また、「導電部」とは、導電性を有する材料で構成された部分を意味する。「積層体は複数の集電体を備え」とは、積層体に備えられた単電池に接続された集電体が複数備えられていることを意味する。「複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備え」とは、複数の集電体がそれぞれ、単電池に備えられた正極層、負極層、及び電解質層よりも単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えていることを意味する。「複数の突出部が絶縁層によって覆われて」とは、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち少なくとも２つの突出部が絶縁層によって覆われていることを意味する。ただし、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち全てが絶縁層によって覆われていることが好ましい。「複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成」とは、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち少なくとも２つの突出部を貫通するように貫通孔が形成されていることを意味する。ただし、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち全ての突出部を貫通するように、且つ貫通孔の長さが最短となるように貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、上記本発明の電池において、貫通孔内を導電性材料でめっき処理することによって、貫通孔に導電部が配置されていることが好ましい。
【００１１】
めっき処理することによって導電部を配置することにより、貫通孔内に導電部を配置することが容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（Ａ）は、電池１００の一部を概略的に示した断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＩＢ−ＩＢ線に沿った断面の一部を概略的に示した図である。
【図２】単電池１を概略的に示した断面図である。
【図３】電池１００の製造方法の一例を説明するための概略図である。
【図４】従来の電池２００の一部を概略的に示した断面図である
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜従来技術の問題点＞
図４は、従来の電池２００を概略的に示した断面図である。図４に示したように電池２００は、複数の単電池を積層してなる積層体２１０、２２０を備えている。また、積層体２１０は複数の集電体２１１を備えており、積層体２２０は複数の集電体２２１を備えている。さらに、これらの複数の集電体２１１、２２１は、接続部２５０において束ねて接続されている。このような電池２００では、図４に示した断面において、複数の集電体２１１、２２１がそれぞれ積層体２１０、２２０から接続部２５０に向けて略直線状に形成されている。そのため、積層体２１０、２２０と接続部２５０との間の距離が長くなり、接続部２５０の周りに無駄なスペースが多く生じていた。このような従来の電池において、集電体同士を接続するのに要するスペースＳを少なくするために単に集電体を短くすると、集電体同士を接続する際に集電体が破損することがあった。すなわち、集電体を短くすると、積層体２１０、２２０の積層方向の外側（図４の紙面左右端）の集電体が引っ張られて突っ張った状態となり、このような状態で超音波接合を行うと、接合機のホーンやアンビルが突っ張った状態の集電体に接触して該集電体を容易に破損させてしまう。このように集電体が破損すると、所望の性能の電池が得られなくなる虞があった。
【００１５】
＜本発明の電池＞
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる電池を提供することができる。以下、図面を参照しつつ、本発明の電池について説明する。各図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺等は変更して簡略化している。また、繰り返しとなる構成については符号を一部省略し、同様の構成のものには同符号を付して詳細な説明を省略することがある。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
【００１６】
図１（Ａ）は、本発明の一つの実施形態に係る電池１００の一部を概略的に示した断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＩＢ−ＩＢ線に沿った断面の一部を概略的に示した図である。図１（Ａ）に示したように、電池１００は、複数の単電池が積層されてなる積層体１０、２０を備えている。また、積層体１０は複数の集電体１１を備えており、積層体２０は複数の集電体２１を備えている。本実施形態においては、集電体１１は正極集電体であり、集電体２１は負極集電体である。また、複数の集電体１１、２１はそれぞれ単電池の積層方向（図１（Ａ）の紙面左右方向）に交わる方向（図１（Ａ）の紙面上方向）に突出した突出部１１ａ、２１ａを備えている。ここで「突出した」とは、積層体１０、２０に備えられる単電池が有する正極層、負極層、及び電解質層よりも突出していることを意味する。本発明において集電体は単電池の積層方向に交わる方向に突出していれば良いが、集電体が突出している方向は単電池の積層方向に直交する方向であることが好ましい。集電体の長さをできる限り短くして後に詳述する貫通孔及び導電部を形成することができるからである。さらに、複数の突出部１１ａ、２１ａは絶縁層３０によって覆われており、絶縁層３０において複数の突出部１１ａ、２１ａを貫通する方向（図１（Ａ）の紙面左右方向、図１（Ｂ）の紙面奥／手前方向）に貫通孔３１が形成されるとともに、貫通孔３１内に導電部３２が配置されることによって、複数の集電体１１、２１が電気的に接続されている。以下、電池１００に備えられるこれらの構成要素についてより詳細に説明する。
【００１７】
（積層体１０、２０）
積層体１０、２０は、それぞれ複数の単電池が積層された積層体である。当該単電池の形態は特に限定されない。図２は、積層体１０、２０に備えられる単電池の一例である単電池１を概略的に示した断面図である。
【００１８】
（単電池１）
単電池１は、正極層１ａ、負極層１ｂ、及び、正極層１ａと負極層１ｂとの間に設けられた電解質層１ｃを備えており、正極層１ａと接触するように正極集電体１１が設けられ、負極１ｂと接触するように負極集電体２１が設けられている。以下、単電池１を全固体のリチウム電池とする場合について説明するが、本発明はこの形態に限定されるものではない。ナトリウム電池やカリウム電池、カルシウム電池、リチウム空気電池等としてもよい。ただし、安全性が高く、より容易に組電池を製造でき、且つ、一層エネルギー密度の大きな組電池が得られる観点からは、全固体のリチウム電池やポリマー電解質電池とすることが好ましい。
【００１９】
（正極層１ａ）
正極層１ａに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＶＯ２、ＬｉＣｒＯ２等の層状活物質のほか、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４等のオリビン型活物質や、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ（Ｎｉ０．２５Ｍｎ０．７５）２Ｏ４、ＬｉＣｏＭｎＯ４、Ｌｉ２ＮｉＭｎ３Ｏ８等のスピネル型活物質等を例示することができる。
【００２０】
正極活物質の形状は、例えば粒子状や薄膜状等にすることができる。正極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、正極層１ｂにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０質量％以上９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
正極層１ａには、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製したＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物固体電解質を例示することができる。固体電解質として、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を含有する原料組成物を用いて作製した硫化物固体電解質を用いる場合、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５の合計に対するＬｉ２Ｓの割合は特に限定されないが、例えば７０ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、７２ｍｏｌ％以上７８ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、７４ｍｏｌ％以上７６ｍｏｌ％以下であることがさらに好ましい。オルト組成またはその近傍の組成を有する硫化物固体電解質材料とすることができ、化学的安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいい、正極層１ａでは、硫化物で最もＬｉ２Ｓが付加している結晶組成をオルト組成という。Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系ではＬｉ３ＰＳ４がオルト組成に該当する。Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系の硫化物固体電解質の場合、オルト組成を得るＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５の割合は、モル基準で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５である。
【００２２】
本発明において、固体電解質の形態は特に限定されず、結晶質のほか、非晶質やガラスセラミックスであっても良い。また、固体電解質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。固体電解質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下とすることができ、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
このほか、正極層１ａには、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。正極層１ａに含有させることが可能なバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができ、正極層１ａに含有させることが可能な導電材としては、気相法炭素繊維やアセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素材料のほか、固体電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。また、液体に上記正極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極集電体１１や電解質層１ｃに塗布する過程を経て正極層１ａを作製する場合、正極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、正極層１ａの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、単電池１の性能を高めやすくするために、正極層１ａは作製過程においてプレスされることが好ましい。本発明において、正極層をプレスする際の圧力は１００ＭＰａ程度とすることができる。
【００２４】
（電解質層１ｃ）
電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、固体電池に使用可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、電解質層１ｃには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができる。また、液体に上記固体電解質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極層１ａや負極層１ｂ等に塗布する過程を経て電解質層１ｃを作製する場合、固体電解質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。電解質層１ｃにおける固体電解質材料の含有量は、例えば６０質量％以上、中でも７０質量％以上、特に８０質量％以上であることが好ましい。電解質層１ｃの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
（負極層１ｂ）
負極層１ｂに含有させる負極活物質としては、金属イオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、例えば、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばＮｂ２Ｏ５、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯ等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎ等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともＬｉを含有する活物質であれば特に限定されず、Ｌｉ金属であっても良く、Ｌｉ合金であっても良い。Ｌｉ合金としては、例えば、Ｌｉと、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。
【００２６】
負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、負極層１ｂにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０質量％以上９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
さらに、負極層１ｂには、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を含有させることができる。このほか、負極層１ｂには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極層１ｂに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、液体に上記負極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を負極集電体２１や電解質層１ｃに塗布する過程を経て負極層１ｂを作製する場合、負極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、負極層１ｂの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、単電池１の性能を高めやすくするために、負極層１ｂは作製過程においてプレスされることが好ましい。本発明において、負極層をプレスする際の圧力は２００ＭＰａ以上とすることが好ましく、４００ＭＰａ程度とすることより好ましい。なお、本発明において、正極層１ａ及び負極層１ｂの質量比は特に限定されないが、正極層１ａと負極層１ｂとの間を移動するイオンを十分に受け入れられる形態にする観点から、負極層１ｂの容量は正極層１ａの容量も多くすることが好ましい。
【００２８】
（正極集電体１１、負極集電体２１）
正極集電体１１及び負極集電体２１は、全固体のリチウム電池に適用できる集電体であれば、その材質等は特に限定されるものではない。例えば、金属箔や金属メッシュ、金属蒸着フィルム等を用いることができる。具体的には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、ステンレス鋼等の金属箔やメッシュ、或いは、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳ、ポリプロピレンなどのフィルムやガラス、シリコン板等の上に上記金属を蒸着したもの等を用いることができる。
【００２９】
正極集電体１１及び負極集電体２１の厚みは特に限定されるものではない。例えば、５μｍ以上５００μｍ以下程度の厚みとすることができる。また、正極集電体１１及び負極集電体２１の大きさは、単電池１を複数積層して積層体１０、２０とした後、貫通孔３１を形成可能な突出部１１ａ、２１ａを形成可能な程度の大きさであればよい。突出部１１ａ、２１ａの長さＬ（図１（Ａ）参照）は、例えば１０ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以下がさらに好ましい。
【００３０】
なお、単電池１は、上記の正極層１ａ、電解質層１ｃ及び負極層１ｂ、並びに、正極集電体１１及び負極集電体２１を備えていればよく、モノポーラ電池であっても、バイポーラ電池であってもよい。
【００３１】
（絶縁層３０）
次に、絶縁層３０について説明する。絶縁層３０は、複数の突出部１１ａ、２１ａを覆うように形成されている。ただし、図１（Ａ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａが突出している積層体１０、２０の１つの面側において、絶縁層３０は全ての突出部１１ａ、２１ａを覆い、当該面全体を覆うように形成されていることが好ましい。通常、単電池が複数積層された積層体において、単電池の積層方向に平行な面は電池の信頼性向上のため絶縁処理を施すことが望ましい。絶縁層３０が積層体１０、２０のうち突出部１１ａ、２１ａが突出した側の面全体を覆うように形成されている形態とすることによって、絶縁層３０を形成することで上記絶縁処理を兼ねることができる。すなわち、かかる形態によれば、製造工程を簡略化しつつ信頼性が向上された電池１００とすることができる。
【００３２】
絶縁層３０の厚さｔは、突出部１１ａ、２１ａを覆える厚さであれば特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。ただし、絶縁層３０は電池反応に寄与しない部分であるため、薄い方が電池１００の体積エネルギー密度を向上させることができる。かかる観点から、絶縁層３０の厚さｔは、突出部１１ａ、２１ａの長さＬ＋３０ｍｍ以下であることが好ましく、Ｌ＋２０ｍｍ以下であることがより好ましく、Ｌ＋１５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３３】
絶縁層３０には、リチウムイオン二次電池の動作環境に耐え得る公知の絶縁性材料を適宜用いることができる。そのような絶縁性材料としては、エポキシ、ポリイミド等の熱硬化性樹脂等を例示することができる。
【００３４】
（貫通孔３１）
また、絶縁層３０には、上述したように貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１は、複数の集電体１１、２１（突出部１１ａ、２１ａ）を貫通するように形成されている。１の貫通孔３１は、複数ある突出部１１ａ、２１ａのうち少なくとも２の突出部を貫通するように形成されていればよい。ただし、効率よく集電する等の観点からは、図１（Ａ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａが突出している積層体１０、２０の１つの面側において、複数ある突出部１１ａ、２１ａのうち全ての突出部を貫通するように貫通孔３１が形成されていることが好ましい。また、効率よく集電する等の観点から、貫通孔３１はその長さが最短となるように形成されていることが好ましい。
【００３５】
貫通孔３１の大きさは特に限定されないが、貫通孔３１の幅Ｄ（図１（Ｂ）の紙面上下方向における貫通孔３１の長さ。貫通孔の断面が図１（Ｂ）に示したように円形である場合は、該円の直径。）は小さい方が突出部１１ａ、２１ａを短くすることができるため、絶縁層３０を薄くすることができ、電池１００の体積エネルギー密度を向上させ易くなる。かかる観点から、貫通孔３１の幅Ｄは１０ｍｍ未満であることが好ましく、１ｍｍ未満であることがより好ましく、０．５ｍｍ未満であることがさらに好ましい。また、貫通孔３１の数は特に限定されないが、集電体１１、２１間での導電性を向上させる等の観点からは多い方が好ましい。
【００３６】
なお、貫通孔３１の断面形状は図１（Ｂ）に示したような円形に限定されず、楕円形や多角形であってもよく、図１（Ｂ）の紙面左右方向に長く延びた矩形等であってもよい。また、貫通孔３１を複数形成する場合、図１（Ｂ）に示したように１列に並べて形成される形態に限定されず、複数列に形成してもよく、ランダムに形成してもよい。
【００３７】
（導電部３２）
導電部３２は、貫通孔３１内に配置されることによって、集電体１１、２１を接続する部分である。導電部３２によって集電体１１、２１を接続することにより、積層体１０及び積層体２０のそれぞれにおいて、導電部３２によって複数の単電池が並列に接続され、積層体１０に備えられた単電池と積層体２０に備えられた単電池とが直列に接続されている。
【００３８】
導電部３２を構成する導電性材料としては、例えば金、銀、銅、半田などが好ましい。貫通孔３１内に導電部３２を配置する方法は特に限定されない。例えば、化学めっきや電解めっきなどのめっきや、気相法や、半田等を液状にして貫通孔３１内に流し込む等の方法によって、貫通孔３１内に導電部３２を配置することができる。
【００３９】
導電部３２は図１（Ｂ）に例示したように貫通孔３１を完全に埋めるように配置されていてもよく、貫通孔３１の内表面等の一部に形成されているだけであってもよい。ただし、図１（Ｂ）に例示したように貫通孔３１を完全に埋めるように導電部３２が配置されている形態とすれば、導電部３２の断面積が大きくなり、導電部３２における電気抵抗を低減することができるため好ましい。
【００４０】
なお、図示していないが、電池１００は通常、外装体に収容した状態で使用される。当該外装材としては、リチウムイオン二次電池の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるフィルムなどを、特に限定されることなく用いることができる。そのような外装体の具体例としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等の樹脂製ラミネートフィルムのほか、これらの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルムや、金属性のケース等を例示することができる。
【００４１】
これまでに説明したように、電池１００によれば、集電体１１、２１の突出部１１ａ、２１ａを短くしても貫通孔３１内に配置された導電部３２によって集電体１１、２１同士を接続することができる。したがって、集電体１１、２１の接続位置を従来の電池に比べて大幅に電極層（正極層１ａ及び負極層１ｂ）に近づけることができ、体積エネルギー密度を向上させることができる。また、電池１００によれば、集電体１１、２１が強く引っ張られたりすることがないため、上述した従来技術のように電池の製造過程において集電体１１、２１が破損する事態を抑制できる。このように、本発明の電池によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる。
【００４２】
＜製造方法＞
次に、電池１００の製造方法の一例について、図２及び図３を参照しつつ説明する。図３は、電池１００の製造過程を説明する図である。電池１００の製造過程は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、及び図３（Ｄ）に示した順である。
【００４３】
まず、図２に示したような単電池１を作製し、これらを積層することによって積層体１０、２０を作製する。電極体１は、上述したように正極集電体１１と、正極層１ａと、負極層１ｂと、正極層１ａ及び負極層１ｂに挟持された電解質層１ｃと、負極集電体２１とを有している。正極層１ａは正極集電体１１と接続され、負極層１ｂは負極集電体２１と接続されている。
【００４４】
単電池１は、例えば以下の工程を経て作製することができる。単電池１は、正極層１ａ及び負極層１ｂの間に電解質層１ｃが配置されるように各層を積層することによって作製する。正極層１ａは、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極用組成物を、正極集電体１１の表面に塗布する過程を経て作製することができる。負極層１ｂは、例えば、負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極用組成物を、負極集電体２１の表面に塗布する過程を経て作製することができる。電解質層１ｃは、例えば、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質用組成物を、正極層１ａの表面に塗布する過程を経て作製することができる。こうして、電解質層１ｃを作製したら、電解質層１ｃが正極層１ａ及び負極層１ｂで挟まれるように、例えば、正極層１ａの表面に形成した電解質層１ｂの上に、負極集電体２１の表面に形成した負極層１ｂを積層し、積層方向の両端側から圧縮力を付与する過程を経て、単電池１を作製することができる。
【００４５】
上述したようにして単電池１を作製した後、図３（Ａ）に示したように、単電池１を複数積層して積層体１０、２０を作製する。
【００４６】
次に、図３（Ｂ）に示したように、正極集電体１１及び負極集電体２１の端部を切断して適切な長さの突出部１１ａ、２１ａを形成する。なお、本工程は必須ではなく、単電池１を作製する際に、切断しなくとも適切な長さの突出部１１ａ、２１ａ形成し得る正極集電体１１及び負極集電体２１を用いてもよい。
【００４７】
次に、図３（Ｃ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａを絶縁層３０によって覆い、絶縁層３０において複数の突出部１１ａ、２１ａを貫通する方向に貫通孔３１を形成する。絶縁層３０を形成する方法は特に限定されず、例えば、積層体１０、２０に絶縁性材料をキャストすることによって形成してもよく、積層体１０、２０を絶縁性材料中にディップして形成してもよい。また、貫通孔３１を形成する方法も特に限定されず、例えばドリル加工やレーザー加工によって形成することができる。
【００４８】
次に、図３（Ｄ）に示したように、貫通孔３１に導電部３２を配置し、複数の集電体１１、２１を電気的に接続することによって電池１００を得ることができる。
【００４９】
以上、本発明に係る電池について説明したが、これまでに示した形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの形態に限定されない。
【００５０】
例えば、本発明の電池に備えられる積層体の数は図示した数に限定されない。すなわち、単電池が積層された積層体を１つだけ備え、該１つの積層体内のみにおいて上記説明した電池と同様に単電池を接続した電池であってもよく、単電池が積層された積層体を３つ以上備え、該３つ以上の積層体に備えられた単電池を上記説明した電池と同様に接続した電池であってもよい。
【００５１】
また、上記説明した電池においては、１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが直列に接続されるものとして説明したが本発明は当該形態に限定されない。１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが並列に接続された形態であってもよい。ただし、高出力な電池とする観点からは、１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが直列に接続された形態とすることが好ましい。
【００５２】
また、これまでの本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池を例示して説明したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、電解質、及び負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。また、本発明に関する上記説明では、充放電可能な二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、いわゆる一次電池であっても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１ 単電池
１ａ 正極層
１ｂ 負極層
１ｃ 電解質層
１０、２０ 積層体
１１ 集電体（正極集電体）
１１ａ 突出部
２１ 集電体（負極集電体）
２１ａ 突出部
３０ 絶縁層
３１ 貫通孔
３２ 導電部
１００ 電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池より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。そのため、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等の情報機器に使用されている。また、近年は電気自動車やハイブリッド自動車用等の大型機器の動力用としても、リチウムイオン二次電池の需要が高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられている。当該電解質層に用いられる電解質としては、例えば非水系の液体状や固体状の物質が知られている。液体状の電解質（以下において、「電解液」という。）は、正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、電解液が用いられる場合には、正極層や負極層に含有されている活物質と電解質との界面が形成され易いので、電池の性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、難燃性である固体状の電解質（以下において、「固体電解質」という。）を用いると、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「全固体リチウム電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような電池に適用可能な技術として、例えば特許文献１には、正極集電体の表面に形成された、正極活物質を含む正極活物質層、電解質層、および負極集電体の表面に形成された、負極活物質を含む負極活物質層がこの順に積層されてなる少なくとも１つの単電池を含む電池要素と、前記電池要素から電力を外部に取り出すための、前記正極集電体と電気的に接続された正極端子および前記負極集電体と電気的に接続された負極端子からなる電極端子と、を有するリチウムイオン二次電池であって、前記正極端子と正極集電体との接合部または前記負極端子と前記負極集電体との接合部の少なくとも一方において、集電体と接触するように熱吸収部材が配置されていることを特徴とする、リチウムイオン二次電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８８７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池によれば、電池の体積エネルギー密度の低下を招くことなく、電池の充放電時の電池要素の温度上昇を効果的に抑制しうるとしている。しかしながら、特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池では、複数の集電体を積層して接続する際に、該集電体が破損することを防止するため、該集電体の長さを十分にとっておく必要があった。そのため、集電体同士の接続部の周りに無駄なスペースが生じ、電池の体積エネルギー密度を高めることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明は、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができ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】
【０００８】
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、複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、該積層体は複数の集電体を備えており、該複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、複数の突出部が絶縁層によって覆われており、該絶縁層において複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、該貫通孔内に導電部が配置されることによって複数の集電体が電気的に接続されている、電池である。
【０００９】
本発明において「絶縁層」とは、電気的絶縁性の材料で構成された層を意味する。また、「導電部」とは、導電性を有する材料で構成された部分を意味する。「積層体は複数の集電体を備え」とは、積層体に備えられた単電池に接続された集電体が複数備えられていることを意味する。「複数の集電体はそれぞれ単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備え」とは、複数の集電体がそれぞれ、単電池に備えられた正極層、負極層、及び電解質層よりも単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えていることを意味する。「複数の突出部が絶縁層によって覆われて」とは、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち少なくとも２つの突出部が絶縁層によって覆われていることを意味する。ただし、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち全てが絶縁層によって覆われていることが好ましい。「複数の突出部を貫通する方向に貫通孔が形成」とは、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち少なくとも２つの突出部を貫通するように貫通孔が形成されていることを意味する。ただし、突出部が突出している積層体の１つの面側において、複数ある突出部のうち全ての突出部を貫通するように、且つ貫通孔の長さが最短となるように貫通孔が形成されていることが好ましい。
【００１０】
また、上記本発明の電池において、貫通孔内を導電性材料でめっき処理することによって、貫通孔に導電部が配置されていることが好ましい。
【００１１】
めっき処理することによって導電部を配置することにより、貫通孔内に導電部を配置することが容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（Ａ）は、電池１００の一部を概略的に示した断面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＩＢ−ＩＢ線に沿った断面の一部を概略的に示した図である。
【図２】単電池１を概略的に示した断面図である。
【図３】電池１００の製造方法の一例を説明するための概略図である。
【図４】従来の電池２００の一部を概略的に示した断面図である
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜従来技術の問題点＞
図４は、従来の電池２００を概略的に示した断面図である。図４に示したように電池２００は、複数の単電池を積層してなる積層体２１０、２２０を備えている。また、積層体２１０は複数の集電体２１１を備えており、積層体２２０は複数の集電体２２１を備えている。さらに、これらの複数の集電体２１１、２２１は、接続部２５０において束ねて接続されている。このような電池２００では、図４に示した断面において、複数の集電体２１１、２２１がそれぞれ積層体２１０、２２０から接続部２５０に向けて略直線状に形成されている。そのため、積層体２１０、２２０と接続部２５０との間の距離が長くなり、接続部２５０の周りに無駄なスペースが多く生じていた。このような従来の電池において、集電体同士を接続するのに要するスペースＳを少なくするために単に集電体を短くすると、集電体同士を接続する際に集電体が破損することがあった。すなわち、集電体を短くすると、積層体２１０、２２０の積層方向の外側（図４の紙面左右端）の集電体が引っ張られて突っ張った状態となり、このような状態で超音波接合を行うと、接合機のホーンやアンビルが突っ張った状態の集電体に接触して該集電体を容易に破損させてしまう。このように集電体が破損すると、所望の性能の電池が得られなくなる虞があった。
【００１５】
＜本発明の電池＞
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる電池を提供することができる。以下、図面を参照しつつ、本発明の電池について説明する。各図面は、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺等は変更して簡略化している。また、繰り返しとなる構成については符号を一部省略し、同様の構成のものには同符号を付して詳細な説明を省略することがある。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されない。
【００１６】
図１（Ａ）は、本発明の一つの実施形態に係る電池１００の一部を概略的に示した断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＩＢ−ＩＢ線に沿った断面の一部を概略的に示した図である。図１（Ａ）に示したように、電池１００は、複数の単電池が積層されてなる積層体１０、２０を備えている。また、積層体１０は複数の集電体１１を備えており、積層体２０は複数の集電体２１を備えている。本実施形態においては、集電体１１は正極集電体であり、集電体２１は負極集電体である。また、複数の集電体１１、２１はそれぞれ単電池の積層方向（図１（Ａ）の紙面左右方向）に交わる方向（図１（Ａ）の紙面上方向）に突出した突出部１１ａ、２１ａを備えている。ここで「突出した」とは、積層体１０、２０に備えられる単電池が有する正極層、負極層、及び電解質層よりも突出していることを意味する。本発明において集電体は単電池の積層方向に交わる方向に突出していれば良いが、集電体が突出している方向は単電池の積層方向に直交する方向であることが好ましい。集電体の長さをできる限り短くして後に詳述する貫通孔及び導電部を形成することができるからである。さらに、複数の突出部１１ａ、２１ａは絶縁層３０によって覆われており、絶縁層３０において複数の突出部１１ａ、２１ａを貫通する方向（図１（Ａ）の紙面左右方向、図１（Ｂ）の紙面奥／手前方向）に貫通孔３１が形成されるとともに、貫通孔３１内に導電部３２が配置されることによって、複数の集電体１１、２１が電気的に接続されている。以下、電池１００に備えられるこれらの構成要素についてより詳細に説明する。
【００１７】
（積層体１０、２０）
積層体１０、２０は、それぞれ複数の単電池が積層された積層体である。当該単電池の形態は特に限定されない。図２は、積層体１０、２０に備えられる単電池の一例である単電池１を概略的に示した断面図である。
【００１８】
（単電池１）
単電池１は、正極層１ａ、負極層１ｂ、及び、正極層１ａと負極層１ｂとの間に設けられた電解質層１ｃを備えており、正極層１ａと接触するように正極集電体１１が設けられ、負極１ｂと接触するように負極集電体２１が設けられている。以下、単電池１を全固体のリチウム電池とする場合について説明するが、本発明はこの形態に限定されるものではない。ナトリウム電池やカリウム電池、カルシウム電池、リチウム空気電池等としてもよい。ただし、安全性が高く、より容易に組電池を製造でき、且つ、一層エネルギー密度の大きな組電池が得られる観点からは、全固体のリチウム電池やポリマー電解質電池とすることが好ましい。
【００１９】
（正極層１ａ）
正極層１ａに含有させる正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＶＯ２、ＬｉＣｒＯ２等の層状活物質のほか、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４等のオリビン型活物質や、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ（Ｎｉ０．２５Ｍｎ０．７５）２Ｏ４、ＬｉＣｏＭｎＯ４、Ｌｉ２ＮｉＭｎ３Ｏ８等のスピネル型活物質等を例示することができる。
【００２０】
正極活物質の形状は、例えば粒子状や薄膜状等にすることができる。正極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、正極層１ｂにおける正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０質量％以上９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２１】
正極層１ａには、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の固体電解質を適宜含有させることができる。そのような固体電解質としては、Ｌｉ３ＰＳ４や、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製したＬｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物固体電解質を例示することができる。固体電解質として、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を含有する原料組成物を用いて作製した硫化物固体電解質を用いる場合、Ｌｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５の合計に対するＬｉ２Ｓの割合は特に限定されないが、例えば７０ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下であることが好ましく、７２ｍｏｌ％以上７８ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、７４ｍｏｌ％以上７６ｍｏｌ％以下であることがさらに好ましい。オルト組成またはその近傍の組成を有する硫化物固体電解質材料とすることができ、化学的安定性の高い硫化物固体電解質材料とすることができるからである。ここで、オルトとは、一般的に、同じ酸化物を水和して得られるオキソ酸の中で、最も水和度の高いものをいい、正極層１ａでは、硫化物で最もＬｉ２Ｓが付加している結晶組成をオルト組成という。Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系ではＬｉ３ＰＳ４がオルト組成に該当する。Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５系の硫化物固体電解質の場合、オルト組成を得るＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５の割合は、モル基準で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７５：２５である。
【００２２】
本発明において、固体電解質の形態は特に限定されず、結晶質のほか、非晶質やガラスセラミックスであっても良い。また、固体電解質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。固体電解質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下とすることができ、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
このほか、正極層１ａには、正極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。正極層１ａに含有させることが可能なバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができ、正極層１ａに含有させることが可能な導電材としては、気相法炭素繊維やアセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素材料のほか、固体電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。また、液体に上記正極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極集電体１１や電解質層１ｃに塗布する過程を経て正極層１ａを作製する場合、正極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、正極層１ａの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、単電池１の性能を高めやすくするために、正極層１ａは作製過程においてプレスされることが好ましい。本発明において、正極層をプレスする際の圧力は１００ＭＰａ程度とすることができる。
【００２４】
（電解質層１ｃ）
電解質層１ｃに含有させる固体電解質としては、固体電池に使用可能な公知の固体電解質を適宜用いることができる。そのような固体電解質としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を例示することができる。このほか、電解質層１ｃには、可塑性を発現させる等の観点から、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有させることができる。そのようなバインダーとしては、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を例示することができる。また、液体に上記固体電解質等を分散して調整したスラリー状の組成物を正極層１ａや負極層１ｂ等に塗布する過程を経て電解質層１ｃを作製する場合、固体電解質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。電解質層１ｃにおける固体電解質材料の含有量は、例えば６０質量％以上、中でも７０質量％以上、特に８０質量％以上であることが好ましい。電解質層１ｃの厚さは、電池の構成によって大きく異なるが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
（負極層１ｂ）
負極層１ｂに含有させる負極活物質としては、金属イオンを吸蔵放出可能な公知の負極活物質を適宜用いることができる。そのような負極活物質としては、例えば、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質は、炭素を含有していれば特に限定されず、例えばメソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、高配向性グラファイト（ＨＯＰＧ）、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばＮｂ２Ｏ５、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、ＳｉＯ等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎ等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともＬｉを含有する活物質であれば特に限定されず、Ｌｉ金属であっても良く、Ｌｉ合金であっても良い。Ｌｉ合金としては、例えば、Ｌｉと、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ、及び、Ｓｎの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。
【００２６】
負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極活物質の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、負極層１ｂにおける負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば４０質量％以上９９質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
さらに、負極層１ｂには、正極層１ａに含有させることが可能な上記固体電解質等を含有させることができる。このほか、負極層１ｂには、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電材が含有されていても良い。負極層１ｂに含有させることが可能なバインダーや導電材としては、正極層１ａに含有させることが可能な上記バインダーや導電材等を例示することができる。また、液体に上記負極活物質等を分散して調整したスラリー状の組成物を負極集電体２１や電解質層１ｃに塗布する過程を経て負極層１ｂを作製する場合、負極活物質等を分散させる液体としては、ヘプタン等を例示することができ、無極性溶媒を好ましく用いることができる。また、負極層１ｂの厚さは、例えば０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、単電池１の性能を高めやすくするために、負極層１ｂは作製過程においてプレスされることが好ましい。本発明において、負極層をプレスする際の圧力は２００ＭＰａ以上とすることが好ましく、４００ＭＰａ程度とすることより好ましい。なお、本発明において、正極層１ａ及び負極層１ｂの質量比は特に限定されないが、正極層１ａと負極層１ｂとの間を移動するイオンを十分に受け入れられる形態にする観点から、負極層１ｂの容量は正極層１ａの容量も多くすることが好ましい。
【００２８】
（正極集電体１１、負極集電体２１）
正極集電体１１及び負極集電体２１は、全固体のリチウム電池に適用できる集電体であれば、その材質等は特に限定されるものではない。例えば、金属箔や金属メッシュ、金属蒸着フィルム等を用いることができる。具体的には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、ステンレス鋼等の金属箔やメッシュ、或いは、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳ、ポリプロピレンなどのフィルムやガラス、シリコン板等の上に上記金属を蒸着したもの等を用いることができる。
【００２９】
正極集電体１１及び負極集電体２１の厚みは特に限定されるものではない。例えば、５μｍ以上５００μｍ以下程度の厚みとすることができる。また、正極集電体１１及び負極集電体２１の大きさは、単電池１を複数積層して積層体１０、２０とした後、貫通孔３１を形成可能な突出部１１ａ、２１ａを形成可能な程度の大きさであればよい。突出部１１ａ、２１ａの長さＬ（図１（Ａ）参照）は、例えば１０ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以下がさらに好ましい。
【００３０】
なお、単電池１は、上記の正極層１ａ、電解質層１ｃ及び負極層１ｂ、並びに、正極集電体１１及び負極集電体２１を備えていればよく、モノポーラ電池であっても、バイポーラ電池であってもよい。
【００３１】
（絶縁層３０）
次に、絶縁層３０について説明する。絶縁層３０は、複数の突出部１１ａ、２１ａを覆うように形成されている。ただし、図１（Ａ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａが突出している積層体１０、２０の１つの面側において、絶縁層３０は全ての突出部１１ａ、２１ａを覆い、当該面全体を覆うように形成されていることが好ましい。通常、単電池が複数積層された積層体において、単電池の積層方向に平行な面は電池の信頼性向上のため絶縁処理を施すことが望ましい。絶縁層３０が積層体１０、２０のうち突出部１１ａ、２１ａが突出した側の面全体を覆うように形成されている形態とすることによって、絶縁層３０を形成することで上記絶縁処理を兼ねることができる。すなわち、かかる形態によれば、製造工程を簡略化しつつ信頼性が向上された電池１００とすることができる。
【００３２】
絶縁層３０の厚さｔは、突出部１１ａ、２１ａを覆える厚さであれば特に限定されないが、例えば、０．５ｍｍ以上が好ましく、１ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。ただし、絶縁層３０は電池反応に寄与しない部分であるため、薄い方が電池１００の体積エネルギー密度を向上させることができる。かかる観点から、絶縁層３０の厚さｔは、突出部１１ａ、２１ａの長さＬ＋３０ｍｍ以下であることが好ましく、Ｌ＋２０ｍｍ以下であることがより好ましく、Ｌ＋１５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３３】
絶縁層３０には、リチウムイオン二次電池の動作環境に耐え得る公知の絶縁性材料を適宜用いることができる。そのような絶縁性材料としては、エポキシ、ポリイミド等の熱硬化性樹脂等を例示することができる。
【００３４】
（貫通孔３１）
また、絶縁層３０には、上述したように貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１は、複数の集電体１１、２１（突出部１１ａ、２１ａ）を貫通するように形成されている。１の貫通孔３１は、複数ある突出部１１ａ、２１ａのうち少なくとも２の突出部を貫通するように形成されていればよい。ただし、効率よく集電する等の観点からは、図１（Ａ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａが突出している積層体１０、２０の１つの面側において、複数ある突出部１１ａ、２１ａのうち全ての突出部を貫通するように貫通孔３１が形成されていることが好ましい。また、効率よく集電する等の観点から、貫通孔３１はその長さが最短となるように形成されていることが好ましい。
【００３５】
貫通孔３１の大きさは特に限定されないが、貫通孔３１の幅Ｄ（図１（Ｂ）の紙面上下方向における貫通孔３１の長さ。貫通孔の断面が図１（Ｂ）に示したように円形である場合は、該円の直径。）は小さい方が突出部１１ａ、２１ａを短くすることができるため、絶縁層３０を薄くすることができ、電池１００の体積エネルギー密度を向上させ易くなる。かかる観点から、貫通孔３１の幅Ｄは１０ｍｍ未満であることが好ましく、１ｍｍ未満であることがより好ましく、０．５ｍｍ未満であることがさらに好ましい。また、貫通孔３１の数は特に限定されないが、集電体１１、２１間での導電性を向上させる等の観点からは多い方が好ましい。
【００３６】
なお、貫通孔３１の断面形状は図１（Ｂ）に示したような円形に限定されず、楕円形や多角形であってもよく、図１（Ｂ）の紙面左右方向に長く延びた矩形等であってもよい。また、貫通孔３１を複数形成する場合、図１（Ｂ）に示したように１列に並べて形成される形態に限定されず、複数列に形成してもよく、ランダムに形成してもよい。
【００３７】
（導電部３２）
導電部３２は、貫通孔３１内に配置されることによって、集電体１１、２１を接続する部分である。導電部３２によって集電体１１、２１を接続することにより、積層体１０及び積層体２０のそれぞれにおいて、導電部３２によって複数の単電池が並列に接続され、積層体１０に備えられた単電池と積層体２０に備えられた単電池とが直列に接続されている。
【００３８】
導電部３２を構成する導電性材料としては、例えば金、銀、銅、半田などが好ましい。貫通孔３１内に導電部３２を配置する方法は特に限定されない。例えば、化学めっきや電解めっきなどのめっきや、気相法や、半田等を液状にして貫通孔３１内に流し込む等の方法によって、貫通孔３１内に導電部３２を配置することができる。
【００３９】
導電部３２は図１（Ｂ）に例示したように貫通孔３１を完全に埋めるように配置されていてもよく、貫通孔３１の内表面等の一部に形成されているだけであってもよい。ただし、図１（Ｂ）に例示したように貫通孔３１を完全に埋めるように導電部３２が配置されている形態とすれば、導電部３２の断面積が大きくなり、導電部３２における電気抵抗を低減することができるため好ましい。
【００４０】
なお、図示していないが、電池１００は通常、外装体に収容した状態で使用される。当該外装材としては、リチウムイオン二次電池の使用時の環境に耐えることができ、気体や液体を透過させない性質を有し、且つ、密封することができるフィルムなどを、特に限定されることなく用いることができる。そのような外装体の具体例としては、ポリエチレン、ポリフッ化ビニルやポリ塩化ビニリデン等の樹脂製ラミネートフィルムのほか、これらの表面にアルミニウム等の金属を蒸着させた金属蒸着フィルムや、金属性のケース等を例示することができる。
【００４１】
これまでに説明したように、電池１００によれば、集電体１１、２１の突出部１１ａ、２１ａを短くしても貫通孔３１内に配置された導電部３２によって集電体１１、２１同士を接続することができる。したがって、集電体１１、２１の接続位置を従来の電池に比べて大幅に電極層（正極層１ａ及び負極層１ｂ）に近づけることができ、体積エネルギー密度を向上させることができる。また、電池１００によれば、集電体１１、２１が強く引っ張られたりすることがないため、上述した従来技術のように電池の製造過程において集電体１１、２１が破損する事態を抑制できる。このように、本発明の電池によれば、集電体の破損を抑制しつつ、集電体同士の接続部周りに生じる無駄なスペースを少なくして体積エネルギー密度を高めることができる。
【００４２】
＜製造方法＞
次に、電池１００の製造方法の一例について、図２及び図３を参照しつつ説明する。図３は、電池１００の製造過程を説明する図である。電池１００の製造過程は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、及び図３（Ｄ）に示した順である。
【００４３】
まず、図２に示したような単電池１を作製し、これらを積層することによって積層体１０、２０を作製する。電極体１は、上述したように正極集電体１１と、正極層１ａと、負極層１ｂと、正極層１ａ及び負極層１ｂに挟持された電解質層１ｃと、負極集電体２１とを有している。正極層１ａは正極集電体１１と接続され、負極層１ｂは負極集電体２１と接続されている。
【００４４】
単電池１は、例えば以下の工程を経て作製することができる。単電池１は、正極層１ａ及び負極層１ｂの間に電解質層１ｃが配置されるように各層を積層することによって作製する。正極層１ａは、例えば、少なくとも正極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した正極用組成物を、正極集電体１１の表面に塗布する過程を経て作製することができる。負極層１ｂは、例えば、負極活物質及び固体電解質を溶媒に分散して作製した負極用組成物を、負極集電体２１の表面に塗布する過程を経て作製することができる。電解質層１ｃは、例えば、固体電解質を溶媒に分散して作製した電解質用組成物を、正極層１ａの表面に塗布する過程を経て作製することができる。こうして、電解質層１ｃを作製したら、電解質層１ｃが正極層１ａ及び負極層１ｂで挟まれるように、例えば、正極層１ａの表面に形成した電解質層１ｂの上に、負極集電体２１の表面に形成した負極層１ｂを積層し、積層方向の両端側から圧縮力を付与する過程を経て、単電池１を作製することができる。
【００４５】
上述したようにして単電池１を作製した後、図３（Ａ）に示したように、単電池１を複数積層して積層体１０、２０を作製する。
【００４６】
次に、図３（Ｂ）に示したように、正極集電体１１及び負極集電体２１の端部を切断して適切な長さの突出部１１ａ、２１ａを形成する。なお、本工程は必須ではなく、単電池１を作製する際に、切断しなくとも適切な長さの突出部１１ａ、２１ａ形成し得る正極集電体１１及び負極集電体２１を用いてもよい。
【００４７】
次に、図３（Ｃ）に示したように、突出部１１ａ、２１ａを絶縁層３０によって覆い、絶縁層３０において複数の突出部１１ａ、２１ａを貫通する方向に貫通孔３１を形成する。絶縁層３０を形成する方法は特に限定されず、例えば、積層体１０、２０に絶縁性材料をキャストすることによって形成してもよく、積層体１０、２０を絶縁性材料中にディップして形成してもよい。また、貫通孔３１を形成する方法も特に限定されず、例えばドリル加工やレーザー加工によって形成することができる。
【００４８】
次に、図３（Ｄ）に示したように、貫通孔３１に導電部３２を配置し、複数の集電体１１、２１を電気的に接続することによって電池１００を得ることができる。
【００４９】
以上、本発明に係る電池について説明したが、これまでに示した形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの形態に限定されない。
【００５０】
例えば、本発明の電池に備えられる積層体の数は図示した数に限定されない。すなわち、単電池が積層された積層体を１つだけ備え、該１つの積層体内のみにおいて上記説明した電池と同様に単電池を接続した電池であってもよく、単電池が積層された積層体を３つ以上備え、該３つ以上の積層体に備えられた単電池を上記説明した電池と同様に接続した電池であってもよい。
【００５１】
また、上記説明した電池においては、１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが直列に接続されるものとして説明したが本発明は当該形態に限定されない。１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが並列に接続された形態であってもよい。ただし、高出力な電池とする観点からは、１つの積層体に備えられた単電池と他の積層体に備えられた単電池とが直列に接続された形態とすることが好ましい。
【００５２】
また、これまでの本発明に関する上記説明では、リチウムイオン二次電池を例示して説明したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、正極層と負極層との間を、リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とすることも可能である。そのようなイオンとしては、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等を例示することができる。リチウムイオン以外のイオンが移動する形態とする場合、正極活物質、電解質、及び負極活物質は、移動するイオンに応じて適宜選択すれば良い。また、本発明に関する上記説明では、充放電可能な二次電池に本発明が適用される場合を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。本発明の電池は、いわゆる一次電池であっても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１ 単電池
１ａ 正極層
１ｂ 負極層
１ｃ 電解質層
１０、２０ 積層体
１１ 集電体（正極集電体）
１１ａ 突出部
２１ 集電体（負極集電体）
２１ａ 突出部
３０ 絶縁層
３１ 貫通孔
３２ 導電部
１００ 電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、
前記積層体は複数の集電体を備えており、
前記複数の集電体はそれぞれ前記単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、
複数の前記突出部が絶縁層によって覆われており、
前記絶縁層において複数の前記突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、
前記貫通孔内に導電部が配置されることによって前記複数の集電体が電気的に接続されている、電池。
【請求項２】
前記貫通孔内を導電性材料でめっき処理することによって、前記貫通孔に前記導電部が配置されている、請求項１に記載の電池。
【請求項１】
複数の単電池が積層されてなる積層体を備えた電池であって、
前記積層体は複数の集電体を備えており、
前記複数の集電体はそれぞれ前記単電池の積層方向に交わる方向に突出した突出部を備えており、
複数の前記突出部が絶縁層によって覆われており、
前記絶縁層において複数の前記突出部を貫通する方向に貫通孔が形成されており、
前記貫通孔内に導電部が配置されることによって前記複数の集電体が電気的に接続されている、電池。
【請求項２】
前記貫通孔内を導電性材料でめっき処理することによって、前記貫通孔に前記導電部が配置されている、請求項１に記載の電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１０１８６０（Ｐ２０１３−１０１８６０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５３７４（Ｐ２０１１−２４５３７４）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【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２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【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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