固体电池和固体电池的制造方法
【专利摘要】本发明的课题在于提供被减压密封于封装材料内的、对封装材料内进行减压时能够除尽封装材料内的气体的固体电池以及该固体电池的制造方法。所述固体电池的特征在于，具备单电池，所述单电池具备层叠体、绝缘部、以及夹持层叠体和绝缘部的一对集电体，所述层叠体具备正极层、负极层、以及配置于正极层和负极层之间的电解质层，所述绝缘部在与该层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于层叠体的外周；单电池被减压密封于封装材料内；绝缘部具备被堵死的通气孔。所述固体电池的制造方法的特征在于，具备:制作单电池的工序，将单电池减压密封于封装材料内的工序，和将绝缘部的通气孔堵死的工序；所述单电池具备:具有正极层、负极层、以及配置于正极层和负极层之间的电解质层的层叠体，在与层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于层叠体的外周且具有通气孔的绝缘部，和夹持层叠体和绝缘部的一对集电体。
【专利说明】固体电池和固体电池的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及被减压密封于封装材料内的固体电池、和该固体电池的制造方法。
【背景技术】
[0002]锂离子二次电池具有能量密度比其它二次电池高、能够在高电压下工作的特征。因此，作为容易实现小型轻量化的二次电池被用于手机等信息设备，近年来，作为电动车、混合动力汽车用等大型动力用的需要也增多。
[0003]锂离子二次电池中具备正极层、负极层和配置于它们之间的电解质层。另外，作为电解质层中具备的电解质，例如可使用非水系液体、固体。电解质使用液体(下文中称为“电解液”)时，电解液容易向正极层、负极层的内部渗透。因此，容易形成正极层、负极层所含有的活性物质与电解液的界面，容易使性能提高。但是，广泛使用的电解液为可燃性，所以需要搭载用于确保安全性的系统。另一方面，固体电解质(下文中称为“固体电解质”)为不燃性，所以能简化上述系统。因此，提出了具备含有不燃性固体电解质的层的形式的锂离子二次电池。
[0004]作为涉及这样的锂离子二次电池的技术，例如在专利文献I中记载了一种双极型二次电池模块，其特征在于，使在集电体的一面形成正极并在另一面形成负极的双极型电极夹持电解质层且串联至少2层以上地层叠，将这样形成的双极型二次电池元件密封于封装材料中而得到双极型二次电池模块，其中，在双极型二次电池元件与封装材料之间插入拉伸应力比所述封装材料高的部件。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:特开2008-140633号公报
【发明内容】
[0008]上述专利文献I中公开了具备单电池、在与该单电池的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于该单电池周围的密封部、和夹持该单电池和该密封部的一对集电体的形态的电池，其中，所述单电池层叠有正极层、电解质层和负极层。通过这样设置密封部，能够将相邻的集电体间绝缘。但是，当将这样形态的电池如专利文献I所示那样减压密封于封装材料时，存在对由封装材料围成的空间(以下，称为“封装材料内”)进行减压时可能无法充分脱除封装材料内的气体的问题。这是由于配置于单电池的外缘部的密封部(绝缘体)阻碍气体的流通，从而由该密封部围成的空间的气体变得无法脱除。
[0009]如果像上述那样在封装材料内残留气体，则可能会产生如下问题:发热时封装材料内的气体膨胀，或者封装材料内的气体与电池的构成部件反应等。
[0010]因此，本发明的课题在于提供一种被减压密封于封装材料内的、对封装材料内进行减压时能够除尽封装材料内的气体的固体电池以及该固体电池的制造方法。
[0011]为了解决上述课题，本发明采取以下的构成。即:[0012]本发明的第I方式是一种固体电池，其特征在于，具备单电池，所述单电池具备层叠体、绝缘部、以及夹持该层叠体和该绝缘部的一对集电体，所述层叠体具备正极层、负极层、以及配置于正极层和负极层之间的电解质层，所述绝缘部在与该层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于层叠体的外周；该单电池被减压密封于封装材料内；绝缘部具备通气孔。
[0013]其中，“通气孔”是指在本发明的固体电池的制造过程中对封装材料内进行减压时能够流通封装材料内的气体的孔。
[0014]在本发明的第I方式的固体电池中，优选绝缘部具有的通气孔被堵死。
[0015]其中，“通气孔被堵死”是指通过将在制造本发明的固体电池之前具有通气性的通气孔在本发明的固体电池的制造过程中堵死，从而丧失该通气孔的通气性。应予说明，“通气性”是指能够从被绝缘部划分的一个空间向另一个空间流通气体的性质。通常，具有这样的通气孔的部件即使进行加压、加热等将该通气孔堵死，也能发现该通气孔存在过的痕迹。
[0016]本发明的第I方式的固体电池还能够形成在封装材料内减压密封有多个上述单电池的形态。
[0017]本发明的第2方式是一种固体电池的制造方法，其特征在于，具备:制作单电池的工序，将该单电池减压密封于封装材料内的工序，和将绝缘部的通气孔堵死的工序，所述单电池具备:具有正极层、负极层、以及配置于正极层和负极层之间的电解质层的层叠体，在与层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于层叠体的外周并且具有通气孔的绝缘部，和夹持层叠体和绝缘部的一对集电体。
[0018]此处，“将通气孔堵死”是指使通气孔的通气性丧失。
[0019]根据本发明，能够提供一种被减压密封于封装材料内的、对封装材料内进行减压时能够除尽封装材料内的气体的固体电池以及该固体电池的制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0020][图1]是简要表示一个实施方式中的本发明的固体电池10的截面图。
[0021][图2]图2(A)?图2 (E)是说明固体电池10的制造工序的图。
[0022][图3]图3(A)是图2 (A)的IIIA-1IIA箭头视图。图3 (B)是图2 (A)的IIIB-1IIB箭头视图。
[0023][图4]是简要表示其它实施方式的本发明的固体电池20的截面图。
【具体实施方式】
[0024]本发明的上述的作用和优点由以下说明的用于实施发明的方式明确。以下，基于附图所示的实施方式说明本发明。但是，本发明不限定于这些实施方式。应予说明，为了便于图示和理解，附图基于实物适当改变比例尺和纵横尺寸比等，有时夸张。而且，在各附图中对同样的构成标以相同的符号。另外，有时为了观察容易而进行了简化表示，或者省略一部分重复的符号，或者省略未详细说明的构成部件的图示。
[0025]在以下的本发明的说明中，主要对本发明的固体电池是具有固体电解质层的锂离子二次电池的方式进行说明。
[0026]图1是简要表示一个实施方式的本发明的固体电池10的截面图。图1的纸面上下方向是层叠方向。
[0027]如图1所示，固体电池10具备单电池8，该单电池8具备:具有正极层1、负极层2、和配置在正极层I和负极层2之间的电解质层3的层叠体4，在与层叠体4的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于层叠体4的外周的绝缘部6，以及夹持层叠体4和绝缘部6的一对集电体5、5。另外，单电池8被减压密封于封装材料7内。在以下的固体电池10的说明中，将与正极层I接触的集电体5称为正极集电体5a，将与负极层2接触的集电体5称为负极集电体5b。另外，在固体电池10中，绝缘部6由第I绝缘层6a和第2绝缘层6b构成，将正极集电体5a侧的绝缘部6的一部分称为第I绝缘层6a，将负极集电体5b侧的绝缘部6的一部分称为第2绝缘层6b。应予说明，固体电池10还具备与正极集电体5a连接的正极端子8a (参照图3 (A))、以及与负极集电体5b连接的负极端子Sb (参照图3 (B))。
[0028](正极集电体5a、负极集电体5b)
[0029]在固体电池10中，正极集电体5a、负极集电体5b可由能够作为锂离子二次电池的正极集电体、负极集电体使用的公知的导电性材料构成。作为这样的导电性材料，可例示含有选自Cu、N1、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、T1、Co、Cr、Zn、Ge、In中的一种或二种以上元素的金属材料。另外，正极集电体5a和负极集电体5b的形态可以制成例如金属箔、金属网等。
[0030](绝缘部6)
[0031]绝缘部6由第I绝缘层6a和第2绝缘层6b构成。而且，第I绝缘层6a和第2绝缘层6b具备被堵死的通气孔。“被堵死的通气孔”是指:在制造固体电池10之前具有通气性的孔，如后述说明的那样，通过在固体电池10的制造过程中被堵死从而失去通气性的孔。应予说明，“通气性”是指如后述说明的那样，能够从被绝缘部6划分的一个空间向另一个空间流通气体的性质。通常，具有这样的通气孔的部件即使进行加压、加热等将该通气孔堵死，也能发现该通气孔存在过的痕迹。用于第I绝缘层6a和第2绝缘层6b的部件所具备的通气孔只要是在后述说明的固体电池10的制造过程中对封装材料7内进行减压时能够流通封装材料7内(由绝缘部6围成的空间)的气体，并且通过加压和/或加热而堵死的程度的大小即可。作为这样的通气孔的形式，有多个气泡连为一体而构成的孔、直线状的贯通孔等。这样的第I绝缘层6a和第2绝缘层6b具有通气性并且经过加压和/或加热等能使该通气性丧失，可由能耐受固体电池10使用时的环境的公知的绝缘性材料构成。作为这样的绝缘性材料，例如可举出具有连续气泡的聚氨酯海绵、聚酰胺酰亚胺树脂、环氧树脂、氟树脂等。
[0032](正极层I)
[0033]作为正极层I中含有的正极活性物质，可适当使用锂离子二次电池的正极层能含有的公知的活性物质。作为这样的正极活性物质，可例示钴酸锂(LiCoO2)等。另外，作为正极层I中含有的电解质，可适当使用电池的正极层中能含有的公知的电解质。作为这样的电解质，可例示Li3PO4等氧化物系固体电解质、Li3PS4、按照Li2S = P2S5 = 50:50?100:0的方式将Li2S和P2S5混合而制作的硫化物系固体电解质(例如以质量比计按照Li2S = P2S5 =75:25的方式混合Li2S和P2S5而制作的硫化物固体电解质)等无机固体电解质，以及聚环氧乙烷等有机固体电解质。除此之外，在正极层I中可含有使正极活性物质、电解质粘结的粘结剂、使导电性提高的导电材料。作为正极层I中可含有的粘结剂，可例示丁烯橡胶等，作为正极层I中可含有的导电材料，可例示炭黑等。另外，作为制作正极层I时使用的溶剂，可适当使用在调制浆料时能够使用的公知溶剂，所述浆料在制作锂离子二次电池的正极层时使用。作为这样的溶剂，可例示庚烷等。
[0034](负极层2)
[0035]作为负极层2中含有的负极活性物质，可适当使用锂离子二次电池的负极层中能含有的公知的活性物质。作为这样的活性物质，可例示石墨等。另外，作为负极层5中含有的电解质，可适当使用锂离子二次电池的负极层中能含有的公知的电解质。作为这样的电解质，可例示正极层I中能含有的上述无机固体电解质、有机固体电解质等。除此之外，在负极层2中也可含有使负极活性物质、电解质粘结的粘结剂、使导电性提高的导电材料。作为负极层2中能含有的粘结剂、导电材料，可例示正极层I中能含有的上述粘结剂、导电材料等。另外，作为制作负极层3时使用的溶剂，可例示制作正极层I时能使用的上述溶剂等。
[0036](固体电解质层3)
[0037]作为固体电解质层3中含有的固体电解质，可例示正极层I中能含有的上述无机固体电解质、有机固体电解质等。另外，作为制作固体电解质层3时使用的溶剂，可例示制作正极层I时能使用的上述溶剂等。
[0038](封装材料7)
[0039]封装材料7可没有特别限定地使用能耐受锂离子二次电池使用时的环境且具有不透过气体、液体的性质并且能进行密封的封装材料。作为构成这样的封装材料7的材料，除了以铝箔等为代表的公知的金属箔、由以聚乙烯、聚氟乙烯、聚偏氯乙烯等为代表的树脂构成的膜以外，还可例示在这些膜的表面蒸镀铝等金属而成的金属蒸镀膜等。应予说明，在图1中例示了封装材料7由一个袋状的部件构成的形态，封装材料7可以是用2片膜包夹单电池8的形态，进而可以由多个部件构成。
[0040](正极端子8a、负极端子8b)
[0041]正极端子8a和负极端子Sb可由能耐受固体电池10使用时的环境的具有良好导电性的材料构成，优选由具有也能应对固体电池10使用时给予的力的强度和柔软性的材料构成。例如如图3所示，使正极集电体5a以一部分突出的方式形成，该突出部分可作为正极端子8a，使负极集电体5b以一部分突出的方式形成，该突出部分可作为负极端子Sb。
[0042]这样的固体电池10的制造方法没有特别限定，例如可经过以下工序来制造。
[0043]图2 (A)?图2 (E)是说明固体电池10的制造工序的图。图3 (A)是图2 (A)的IIIA-1IIA箭头视图，图3 (B)是图2 (A)的IIIB-1IIB箭头视图。图2 (A)?图2 (E)的纸面上下方向、以及图3A和图3B的纸面里/外方向是层叠方向。
[0044]如图2 (A)和图3 (A)所示，第I绝缘层6a利用例如热压合等公知的方法形成在连接有正极端子8a的正极集电体5a的外缘。形成第I绝缘层6a后，在第I绝缘层6a的表面配置掩蔽材料，在被第I绝缘层6a包围的正极集电体5a的表面形成正极层I。正极层I例如可以通过如下方式形成，即，在被第I绝缘层6a包围的正极集电体5a的全部表面利用刮刀法等公知的方法涂布在溶剂中至少分散正极活性物质和固体电解质而制成的正极浆料，经过使溶剂挥发的过程而形成。由此，如图2 (A)和图3 (A)所示，能制成具备正极层1、正极集电体5a和第I绝缘层6a的第I层叠体4a。
[0045]另一方面，第2绝缘层6b可利用与第I绝缘层6a同样的公知方法，如图2 (A)和图3(B)所示，形成在连接有负极端子Sb的负极集电体5b的外缘。形成第2绝缘层6b后，在第2绝缘层6b的表面配置掩蔽材料，在被第2绝缘层6b包围的负极集电体5b的表面形成负极层2。负极层2例如可通过如下方式形成，即，在被第2绝缘层6b包围的负极集电体5b的全部表面利用刮刀法等公知的方法涂布在溶剂中至少分散负极活性物质和固体电解质而制成的负极浆料，经过使溶剂挥发的过程而形成。
[0046]另外，如果像上述那样形成了负极层2和第2绝缘层6b，则例如在第2绝缘层6b的表面配置掩蔽材料的状态下，用刮刀法等公知的方法将溶剂中至少分散固体电解质而制成的电解质浆料涂布在负极层2的表面，经过使溶剂挥发的过程，从而在负极层2上形成固体电解质层3。由此，如图2 (A)和图3 (B)所示，能制成具备负极层2、负极集电体5b以及第2绝缘层6b的第2层叠体4b。
[0047]接着，除去上述制作的第I层叠体4a和第2层叠体4b的掩蔽材料，如图2 (A)所示，使正极层I与固体电解质层3相对地层叠第I层叠体4a和第2层叠体4b。
[0048]之后，如图2 (B)所示，将第I层叠体4a和第2层叠体4b收容在具有用于抽真空的排气口 7a的封装材料7内。此时，将正极端子8a和负极端子Sb的至少一部分不收容在封装材料7内。接着，将封装材料7内抽真空(减压)。该抽真空的压力没有特别限定，例如是0.1MPa左右。
[0049]当如上述地对封装材料7内进行减压时，第I层叠体4a和第2层叠体4b被封装材料7施加压力。此时，对从第I层叠体4a和第2层叠体4b的层叠方向观察的外侧(外周侦牝图2 (B)的左右方向的端部)，容易施加比内侧(中心侧，图2 (B)的左右方向的中心部)更强的压缩力。因此，与正极层I和固体电解质层3相比，第I绝缘层6a和第2绝缘层6b容易受到封装材料7挤压。其结果，如图2(C)所示，形成由第I绝缘层6a、第2绝缘层6b、正极层I和固体电解质层3划分的空间S。
[0050]此时，如果像以往的固体电池那样第I绝缘层6a和第2绝缘层6b不具有通气孔，则无法除尽空间S内的气体。因此，以往的固体电池中，可能出现发热时封装材料内的气体膨胀、或封装材料内的气体与电池的构成部件反应等问题。另外，如果空间S内的气体残留，则固体电解质层与正极层或负极层之间未充分形成界面，由此电池性能可能降低。另一方面，本发明的固体电池中，第I绝缘层6a和第2绝缘层6b具有通气孔，由此如图2 (D)所示能将空间S内的气体除尽。
[0051]将封装材料7内减压后，如图2 (D)所示，例如可以通过热熔接将封装材料7的排气口 7a密封。之后，通过使用适当的加压部件20、20在层叠方向加压，从而如图2 (E)所示，可以制成固体电池10。在该加压工序中，第I绝缘层6a和第2绝缘层6b的通气孔被堵死。该加压工序中施加的压力可根据制造的固体电池的形态等适当确定。该压力例如可以设为IMPa?500MPa。应予说明，将第I绝缘层6a和第2绝缘层6b的通气孔堵死的方法不限于加压，可通过加热或一边加热一边加压来将第I绝缘层6a和第2绝缘层6b的通气孔堵死。
[0052]这样，根据本发明的固体电池，通过用具有通气孔的绝缘部件构成绝缘部，从而如上所述能在制造过程中除尽封装材料内的气体。因此，本发明的固体电池能防止发热时等封装材料内的气体膨胀、封装材料内的气体与构成电池的部件反应。另外，能使固体电解质层与正极层或负极层密合、使电池性能提高。另外，通过如上所述在制造过程中堵死绝缘部的通气孔，从而本发明的固体电池能使集电体彼此绝缘。[0053]在与本发明相关的上述说明中，例示了在制造过程中由形成于正极集电体5a上的第I绝缘层6a和形成于负极集电体5b上的第2绝缘层6b构成绝缘部6的方式，但本发明的固体电池不限于该方式。例如，绝缘部可以由I个部件构成，此时，可以形成在制造过程中仅在正极集电体或负极集电体的一方形成绝缘部的方式。
[0054]另外，在与本发明相关的上述说明中，例示了在制造过程中在正极层I之前形成第I绝缘层6a、在负极层2之前形成第2绝缘层6b的方式，但本发明的固体电池不限于该方式。例如也可以在集电体上形成正极层后在其外周形成绝缘层，也可以在集电体上形成负极层后在其外周形成绝缘层，也可以在集电体上形成正极层和固体电解质层后在其外周形成绝缘层，也可以在集电体上形成负极层和固体电解质层后在其外周形成绝缘层。
[0055]另外，在与本发明相关的上述说明中，例示了在封装材料7内收容I个单电池8的方式，但本发明不限定于该方式。本发明中，可在I个封装材料内收容2个以上的单电池。图4是简要表示其它实施方式的本发明的固体电池20的截面图。例如，如图4所示，也可以准备多个在集电体5的一面形成正极层I且在该集电体5的另一面形成负极层2的双极型电极，包夹电解质层3地配置它们，由此得到在封装材料17内收容有多个单电池的固体电池20。在固体电池20的制造过程中，绝缘部6的形成方法、减压密封于封装材料17内的方法等可与上述的固体电池10相同。
[0056]另外，在与本发明相关的上述说明中，例示了近立方体形状的单电池8，但本发明中使用的单电池不限定于该形状。单电池可以制成圆柱形状、六角柱形状等其它形状。
[0057]另外，在与本发明相关的上述说明中，例示了具备作为锂离子二次电池的单电池8的方式，但可应用本发明的电池不限定于该方式。本发明的单电池也可以制成锂离子以外的离子在正极层与负极层之间移动的方式。作为这样的离子，可例示钠离子、钾离子等。当制成锂离子以外的离子移动的方式时，正极活性物质、固体电解质和负极活性物质可根据移动的离子适当选择。另外，本发明的单电池也可以是一次电池。
[0058]产业上的可利用性
[0059]本发明的固体电池可用作手机、电动汽车、混合动力车等的电源。
[0060]符号说明
[0061]I正极层
[0062]2负极层
[0063]3固体电解质层
[0064]4a第I层叠体
[0065]4b第2层叠体
[0066]4层叠体
[0067]5集电体
[0068]6绝缘部
[0069]6a第I绝缘层
[0070]6b第2绝缘层
[0071]7封装材料
[0072]8单电池
[0073]10 固体电池[0074]17封装材料
[0075]20 固体电池
【权利要求】
1.一种固体电池，其特征在于，具备单电池，所述单电池具备层叠体、绝缘部、以及夹持所述层叠体和所述绝缘部的一对集电体，所述层叠体具备正极层、负极层、以及配置于所述正极层和所述负极层之间的电解质层，所述绝缘部在与所述层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于所述层叠体的外周；所述单电池被减压密封于封装材料内；所述绝缘部具备通气孔。
2.如权利要求1所述的固体电池，其特征在于，所述通气孔被堵死。
3.如权利要求1或2所述的固体电池，其特征在于，在所述封装材料内减压密封有多个所述单电池。
4.一种固体电池的制造方法，其特征在于，具备:制作单电池的工序，所述单电池具备层叠体、绝缘部、以及夹持所述层叠体和所述绝缘部的一对集电体，所述层叠体具备正极层、负极层、以及配置于所述正极层和所述负极层之间的电解质层，所述绝缘部在与所述层叠体的层叠方向正交的方向的截面视图中配置于所述层叠体的外周，并且具有通气孔；将所述单电池减压密封于封装材料内的工序；以及将所述绝缘部的所述通气孔堵死的工序。
【文档编号】H01M10/0585GK103443994SQ201180069030
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2011年3月17日 优先权日:2011年3月17日
【发明者】三宅秀明 申请人:丰田自动车株式会社