JP7289659B2 - 全固体電池の筐体構造及びこれを用いたモジュール構造 - Google Patents
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Description
本発明は、全固体電池の筐体構造及びこれを用いたモジュール構造に関し、特に固体電池素子を複数直列に積層した固体電池積層体とこれを挟み込んで外部端子となる正負の電極プレートとの外周部を樹脂封止して一体化することでスペース効率を高めた全固体電池の筐体構造及びこれを用いたモジュール構造に関する。
様々な場面で充電可能な２次電池が幅広く採用されている。特に高信頼性が求められる自動車分野においてもガソリンエンジンからモータへと駆動系の転換が進んでおり、これに伴い２次電池の搭載車両も増えつつある。こうした２次電池は電気的な性能の他にも移動を伴う用途では小型・軽量化が求められ、現時点ではリチウムイオン電池が多く使われてきている。
リチウムイオン電池は性能もよく使い勝手がよい反面、有機溶剤系の電解液を使用するために機械的な衝撃等により短絡が生じると発火事故に至ることから安全性には課題があることが知られている。このため信頼性が求められる用途では様々な安全対策や品質管理に十分配慮しながら使用されている。
このようなリチウムイオン電池の安全性の課題を解決するために電解液の代わりに固体の電解質を使用する全固体電池の開発が進められている。
このようなリチウムイオン電池の安全性の課題を解決するために電解液の代わりに固体の電解質を使用する全固体電池の開発が進められている。
特許文献１には負極集電タブを有する負極集電体層、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、及び正極集電タブを有する正極集電体層がこの順に積層された全固体電池素子を従来のリチウムイオン電池と同様にラミネートフィルムからなる外装体に収容し、積層方向に加圧しながら充填剤を充填して封入するラミネート全固体電池の製造方法が開示されている。
特許文献２には正極層と、固体電解質膜と、負極層とがこの順に積層された発電ユニットがバイポーラ層を挟んで複数積層された発電要素を電池ケースに収納し流動性封止剤で封止した固体型電池が開示されている。
特許文献１の全固体電池も特許文献２の固体型電池も、ともに電池の外部端子は集電体から延長されるか又は集電体と平行に引き出されたタブとして形成されており、自動車などのように、高電圧を要するためにこれらの電池を直列接続してモジュールとして使用する場合、タブ同士を接続する接続エリアが必要となり無駄なスペースをとることとなる。
そこで直列接続のための無駄なスペースを取らないでモジュール化が可能な全固体電池の筐体構造が求められる。
そこで直列接続のための無駄なスペースを取らないでモジュール化が可能な全固体電池の筐体構造が求められる。
本発明は、上記従来の全固体電池における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、固体電池素子を複数直列に積層した固体電池積層体とこれを挟み込んで外部端子となる正負の電極プレートとの外周部を樹脂封止して一体化することでスペース効率を高めた全固体電池の筐体構造及びこれを用いたモジュール構造を提供するところにある。
上記目的を達成するためになされた本発明による全固体電池の筐体構造は、集電体の片面に正極を形成した正極電極と、正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、正極電極と負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、前記正極電極に隣接して配置された正電極プレートと、前記負極電極に隣接して配置された負電極プレートと、前記固体電池積層体、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの外周部を覆い、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの電極面が露出するように一体化する樹脂筐体とを有し、前記樹脂筐体は樹脂成型金型内で前記正電極プレートと、前記負電極プレートとを前記固体電池積層体に押し付ける加圧状態で注入されて固化されることで加圧状態を保ちつつ前記固体電池積層体を封止することを特徴とする。
上記目的を達成するためになされた本発明による全固体電池のモジュール構造は、全固体電池の筐体構造を電気的に複数接続するモジュール構造であって、前記全固体電池の筐体構造は、集電体の片面に正極を形成した正極電極と、正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、正極電極と負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、前記正極電極に隣接して配置された正電極プレートと、前記負極電極に隣接して配置された負電極プレートと、前記固体電池積層体、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの外周部を覆い、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの電極面が露出するように一体化する樹脂筐体とを有し、前記樹脂筐体は樹脂成型金型内で前記正電極プレートと、前記負電極プレートとを前記固体電池積層体に押し付ける加圧状態で注入されて固化されることで加圧状態を保ちつつ前記固体電池積層体を封止し、前記複数の全固体電池の筐体構造は露出する正電極プレートが、他の全固体電池の筐体構造の露出する負電極プレートと隣接するように直列に配列されることを特徴とする。
前記対向する正電極プレートと負電極プレートとは導電性材料を挟んで互いに接続され、前記導電性材料は柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材であることが好ましい。
本発明に係る全固体電池の筐体構造によれば、固体電池積層体を挟み込んで樹脂筐体により一体化される正負の電極プレートは全固体電池の筐体構造の外部端子として機能するため、全固体電池の筐体構造の正電極プレートを他の全固体電池の筐体構造の負電極プレートと接触させるようにして直列に複数個配置することにより、電気的に直列接続することができ、余分な接続領域を必要としないスペース効率の高いモジュール構造を容易に実現することが可能となる。更に従来方式のタブによる電極構造と異なりタブ同士の結線の必要がないことから結線に係る工数を低減することもできる。
また、本発明に係る全固体電池の筐体構造によれば、固体電池積層体は積層方向に加圧された状態で外周部を樹脂筐体で封止されて拘束されるため、固体電池積層体が充放電を行う使用状態で膨張するのを抑制することが可能である。
本発明に係る全固体電池の筐体構造を用いたモジュール構造によれば、直列接続する全固体電池の筐体構造の電極プレート間に柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材を挟んで互いに接続されるため隣接する全固体電池の筐体構造の電極プレート同士の密着性が向上し、電気的な接触抵抗を低減するとともに熱抵抗も低減され、電気特性、熱特性の優れたモジュール構造が実現可能である。
次に、本発明に係る全固体電池の筐体構造及びこれを用いたモジュール構造を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による全固体電池の筐体構造を部分的に切断して内部構造が見えるように示す斜視図である。
図１は、本発明の一実施形態による全固体電池の筐体構造を部分的に切断して内部構造が見えるように示す斜視図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態による全固体電池の筐体構造１は充放電を行う固体電池積層体２０と、固体電池積層体２０を挟み込むように位置する正電極プレート３０及び負電極プレート４０と、固体電池積層体２０並びに正電極プレート３０及び負電極プレート４０の外周部を覆って全体を一体化する樹脂筐体５０とを含む。
正電極プレート３０及び負電極プレート４０は片面が樹脂筐体５０で覆われる外周部を除いて外部に露出し、この露出した部分が外部への電極面として機能するように構成されている。即ち全固体電池の筐体構造１は全体が略直方体として形成され、全固体電池の筐体構造１の１側面に露出する正電極プレート３０の電極面が正電極、正電極と対向する面に露出する負電極プレート４０の電極面が負電極となり、この正電極と負電極が全固体電池の筐体構造１の外部端子となる。
図２は、図１に示す全固体電池の筐体構造の内部構造を水平断面により概略的に示す図である。
図２を参照すると、固体電池積層体２０は集電体２１の片面に正極２２を形成した正極電極２３、正極電極２３の反対側に位置し、集電体２１の正極２２と対向する面に負極２４を形成した負極電極２５、正極電極２３と負極電極２５との間に位置する複数の固体電解質２６、及び隣接する複数の固体電解質２６の間にそれぞれ位置して集電体２１の片面に正極２２を形成し正極２２と反対側の面に負極２４を形成した複数のバイポーラ電極２７とを備える。
図２を参照すると、固体電池積層体２０は集電体２１の片面に正極２２を形成した正極電極２３、正極電極２３の反対側に位置し、集電体２１の正極２２と対向する面に負極２４を形成した負極電極２５、正極電極２３と負極電極２５との間に位置する複数の固体電解質２６、及び隣接する複数の固体電解質２６の間にそれぞれ位置して集電体２１の片面に正極２２を形成し正極２２と反対側の面に負極２４を形成した複数のバイポーラ電極２７とを備える。
このように固体電池積層体２０は複数の層が積層されて構成されるが、部分的にみると正極２２、固体電解質２６、負極２４がこの順に組み合わされた固体電池としての最小単位構造が直列に複数配列された構造となっている。
ここで固体電池積層体２０に使用する材料は固体電池として機能する材料であればその種類や組合せに制限はない。固体電池積層体２０のそれぞれの層には以下のような公知の材料が使用される。
ここで固体電池積層体２０に使用する材料は固体電池として機能する材料であればその種類や組合せに制限はない。固体電池積層体２０のそれぞれの層には以下のような公知の材料が使用される。
集電体２１は、一般には金属箔が使用され、金属箔の材料としてはＡｌ、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉなどの材料が使用される。固体電池積層体２０には正極電極２３、負極電極２５、バイポーラ電極２７の３種類の電極にそれぞれ集電体２１を含むが、３種類の電極の材料は同じでもよいし、異なる材料でもよい。
正極２２は、正極活性物質を含み、正極活性物質としてはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４等が挙げられる。正極は正極電極２３とバイポーラ電極２７とに含まれるが、正極電極２３とバイポーラ電極２７とで同一の正極活性物質を使用するのが好ましい。
負極２４は、負極活性物質を含み、負極活性物質としてはグラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料や、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等の無機酸化物が使用される。負極は負極電極２５とバイポーラ電極２７とに含まれるが、負極電極２５とバイポーラ電極２７とで同一の負極活性物質を使用するのが好ましい。
固体電解質２６の材料としては、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質が使用され、酸化物系固体電解質としては、Ｌｉ１．５Ａｌ０．５Ｔｉ１．５（ＰＯ４）３、Ｌｉ０．５Ｌａ０．５ＴｉＯ３等が挙げられ、硫化物系固体電解質としては、Ｌｉ２Ｓ－Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ－ＳｉＳ２、ＬｉＧｅ０．２５Ｐ０．７５Ｓ４等が挙げられる。
固体電池積層体２０に加え、正極電極２３の外側面に隣接して正電極プレート３０が配置され、負極電極２５の外側面に隣接して負電極プレート４０が配置され、固体電池積層体２０、正電極プレート３０、及び負電極プレート４０の外周部が樹脂筐体５０によって覆われ一体化される。このとき外周部を覆う樹脂筐体５０が正電極プレート３０及び負電極プレート４０の電極面より高く突出しないように正電極プレート３０及び負電極プレート４０の樹脂筐体５０に覆われる部分は部分的に薄くした段差構造としている。
正電極プレート３０及び負電極プレート４０は、金属材料など電気伝導性に加え熱伝導性の良い材料で形成される。露出する電極面には耐食性を向上させたり接触抵抗を低く保たせたりするためのメッキ処理などの表面処理を施してもよい。
樹脂筐体５０は以下に示すように金型に注入し硬化させて形成するものであり、熱硬化型の樹脂を使用する。樹脂筐体５０は全固体電池の筐体構造１を構造体としてまとめるためのものであり、強度と耐環境性が求められる。そこでエポキシ系の封止材料などの熱硬化型の樹脂を使用する。
樹脂筐体５０は以下に示すように金型に注入し硬化させて形成するものであり、熱硬化型の樹脂を使用する。樹脂筐体５０は全固体電池の筐体構造１を構造体としてまとめるためのものであり、強度と耐環境性が求められる。そこでエポキシ系の封止材料などの熱硬化型の樹脂を使用する。
図１、２に示す全固体電池の筐体構造１を形成する場合、図２に示すように正電極プレート３０、固体電池積層体２０、負電極プレート４０をこの順に重ね合わせた組み合わせ構造体を、モールド金型に収納し、モールド金型の型締めの際、組み合わせ構造体に積層方向の圧力が加わるようにモールド金型の深さを調整し、型締めによって圧力が加わった状態で熱硬化型の樹脂を外周部に注入して金型内で硬化させる。
このように加圧状態で樹脂封止することにより、正電極プレート３０、固体電池積層体２０、負電極プレート４０の間の接触抵抗を下げ、電池としての性能の低下を防ぐことが可能である。また樹脂筐体により加圧状態で保持するように固めることにより、固体電池積層体２０が充放電時に膨張するのを抑えることが可能となる。
固体電池積層体２０は表裏面を正電極プレート３０及び負電極プレート４０で覆われ、外周を樹脂筐体５０で覆われるので、外気から遮断され、使用中の水分や異物による劣化を防ぐことが可能である。また正電極プレート３０及び負電極プレート４０に厚みを持たせることで、機械的な外力が加わっても固体電池積層体２０にダメージが入るのを防ぐことができ、安全性を向上する効果が得られる。
モールド金型に樹脂を注入する際、正極２２や負極２４が固体電解質２６より大きく、固体電解質２６の外周にはみ出していると、注入された樹脂により変形し正極２２と負極２４が近接したり接触したりしてショート不良や信頼度低下につながるため、正極２２や負極２４は固体電解質２６より小さく形成する。
図３は、本発明の一実施形態によるモジュール構造を概略的に示す図である。
図３を参照すると、本発明の一実施形態によるモジュール構造１０は、図１に示す全固体電池の筐体構造１を複数個直列に接続した形態を有する。全固体電池の筐体構造１は略直方体であるが、隣接する全固体電池の筐体構造１の一方の露出する正電極プレート３０が、他方の全固体電池の筐体構造１の露出する負電極プレートと隣接するように直列に配列される。
図３を参照すると、本発明の一実施形態によるモジュール構造１０は、図１に示す全固体電池の筐体構造１を複数個直列に接続した形態を有する。全固体電池の筐体構造１は略直方体であるが、隣接する全固体電池の筐体構造１の一方の露出する正電極プレート３０が、他方の全固体電池の筐体構造１の露出する負電極プレートと隣接するように直列に配列される。
図３では６つの全固体電池の筐体構造１が直列に配列された構造を示すが、上記のように接続することで第１番目の全固体電池の筐体構造１の正電極プレート３０がモジュール構造１０の正電極となり、第６番目の負電極プレート４０がモジュール構造１０の負電極となる。尚モジュール構造１０が備える全固体電池の筐体構造１の数は６に限ることはなく、６より多くても少なくてもよい。積層する数によらず第１番目の全固体電池の筐体構造１の正電極プレート３０がモジュール構造１０の正電極となり、最後の全固体電池の筐体構造１の負電極プレート４０がモジュール構造１０の負電極となる。
このように本発明による全固体電池の筐体構造１は、従来の全固体電池のように外部端子としてのタブが固体電池積層体２０から突出することがないので、複数の全固体電池の筐体構造１同士を接続するための接続エリアを別に設ける必要がなく、スペース効率の高いモジュール構造を実現することが可能である。
図４は図３に示すモジュール構造の内部構造を水平断面により概略的に示す図である。
前述のように樹脂筐体５０は正電極プレート３０及び負電極プレート４０の電極面より高く突出しないため単純に直列に配列することで電気的に直列接続されたモジュール構造を実現することができるが、正電極プレート３０及び負電極プレート４０の電極面に微小な凹凸や傾きがあると、正電極プレート３０と負電極プレート４０との間の接触抵抗が高くなってしまう恐れがある。
前述のように樹脂筐体５０は正電極プレート３０及び負電極プレート４０の電極面より高く突出しないため単純に直列に配列することで電気的に直列接続されたモジュール構造を実現することができるが、正電極プレート３０及び負電極プレート４０の電極面に微小な凹凸や傾きがあると、正電極プレート３０と負電極プレート４０との間の接触抵抗が高くなってしまう恐れがある。
そこで図４に示すモジュール構造では、隣接する全固体電池の筐体構造１の対向する正電極プレート３０と負電極プレート４０とは導電性材料６０を挟んで互いに接続される。ここで導電性材料６０は柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材である。こうした柔軟性を有する導電性材料は一般に導電性の微小粒子が高密度に分散されており、圧力が加わって導電性材料が変形すると、中の微小粒子同士が接触し電気や熱を伝えるように構成されている。導電性材料６０はこうした導電性の微小粒子応用したものでもよいし、材料自体が導電性と変形性を有するものでもよい。
このように柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材を挟んで対向する正電極プレート３０と負電極プレート４０を互いに近接する方向に押し付けると、電極面に微小な凹凸や傾きがあっても柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材が変形してこれを吸収するため、正電極プレート３０と負電極プレート４０との間の接触抵抗が高くなるのを防止することができる。
図５は、本発明の一実施形態によるモジュール構造の締結方法を概略的に示す図であり、図６は図５に示すモジュール構造の内部構造を水平断面により概略的に示す図である。
複数の全固体電池の筐体構造１を直列に接続してモジュール構造１０を形成するためには、接触抵抗の観点から隣接する全固体電池の筐体構造１を互いに押し付けるようにして固定することが望ましい。図５、６はこのための締結方法の一実施形態を示す。
複数の全固体電池の筐体構造１を直列に接続してモジュール構造１０を形成するためには、接触抵抗の観点から隣接する全固体電池の筐体構造１を互いに押し付けるようにして固定することが望ましい。図５、６はこのための締結方法の一実施形態を示す。
図５、６を参照すると、複数の全固体電池の筐体構造１を直列に配列した配列方向に沿って側方に一対の締結体７０が設けられ、複数の全固体電池の筐体構造１のそれぞれは締結ボルト７１によって締結体７０に固定されている。締結体７０は下方にＬ字状に折れ曲がり、取付け用のボルト穴を有する脚部を備えており、モジュール構造１０を使用する装置や車両の筐体に取り付けられるようになっている。
図５、６に示すモジュール構造１０は、始めに第１番目の全固体電池の筐体構造１と一対の締結体７０とを締結ボルト７１によって固定した後、第２番目の全固体電池の筐体構造１を第１番目の全固体電池の筐体構造１に押し付けながら締結ボルト７１によって固定するというように順次全固体電池の筐体構造１を押し付けながら固定していくことで、全体として接触抵抗の上昇を防止したモジュール構造１０を形成することができる。このとき図４で示したような導電性材料６０を挟みこんで接続するようにしてもよい。また締結体７０の締結ボルト７１を貫通させるボルト穴は長穴として全固体電池の筐体構造１の取り付け位置を調整可能とするように構成してもよい。
尚、図６に示すモジュール構造１０に使用する全固体電池の筐体構造１は、図１に示すような略直方体形状のものとは少し形状が異なり、締結ボルト７１を締結するための突起状のねじ取付け部を有する。
他の実施形態では、締結ボルト７１の締結される部分の固体電池積層体２０に切り欠き部を設け、切り欠き部の中に納まるようにねじ取付け部を設けることで側面に突起が生じないような形状としてもよい。
図５、６に示す締結体７０の形状やこれを用いた締結方法は一つの実施形態であって、複数の全固体電池の筐体構造１が直列に密接された状態で保持できればこの締結方法には限らない。
他の実施形態では、締結ボルト７１の締結される部分の固体電池積層体２０に切り欠き部を設け、切り欠き部の中に納まるようにねじ取付け部を設けることで側面に突起が生じないような形状としてもよい。
図５、６に示す締結体７０の形状やこれを用いた締結方法は一つの実施形態であって、複数の全固体電池の筐体構造１が直列に密接された状態で保持できればこの締結方法には限らない。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更することが可能である。
１ 全固体電池の筐体構造
１０ モジュール構造
２０ 固体電池積層体
２１ 集電体
２２ 正極
２３ 正極電極
２４ 負極
２５ 負極電極
２６ 固体電解質
２７ バイポーラ電極
３０ 正電極プレート
４０ 負電極プレート
５０ 樹脂筐体
６０ 導電性材料
７０ 締結体
７１ 締結ボルト
１０ モジュール構造
２０ 固体電池積層体
２１ 集電体
２２ 正極
２３ 正極電極
２４ 負極
２５ 負極電極
２６ 固体電解質
２７ バイポーラ電極
３０ 正電極プレート
４０ 負電極プレート
５０ 樹脂筐体
６０ 導電性材料
７０ 締結体
７１ 締結ボルト
Claims (1)
- 全固体電池の筐体構造を電気的に複数接続するモジュール構造であって、
前記全固体電池の筐体構造は、
集電体の片面に正極を形成した正極電極と、正極電極と対向し集電体の正極と対向する面に負極を形成した負極電極と、正極電極と負極電極との間に位置する複数の固体電解質と、隣接する複数の固体電解質の間にそれぞれ位置して集電体の片面に正極を形成し正極と反対側の面に負極を形成した複数のバイポーラ電極とを備える固体電池積層体と、
前記正極電極に隣接して配置された正電極プレートと、
前記負極電極に隣接して配置された負電極プレートと、
前記固体電池積層体、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの外周部を覆い、前記正電極プレート、及び前記負電極プレートの電極面が露出するように一体化する樹脂筐体と、を有し、
前記樹脂筐体は樹脂成型金型内で前記正電極プレートと、前記負電極プレートとを前記固体電池積層体に押し付ける加圧状態で注入されて固化されることで加圧状態を保ちつつ前記固体電池積層体を封止し、
前記複数の全固体電池の筐体構造は露出する正電極プレートが、他の全固体電池の筐体構造の露出する負電極プレートと隣接するように直列に配列され、
前記対向する正電極プレートと負電極プレートとは導電性材料を挟んで互いに接続され、
前記導電性材料は柔軟性を有する導電性板状部材又は導電性フィルム材、或は導電性のペースト材であることを特徴とするモジュール構造。
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