蓄电装置以及电气设备的制作方法

文档序号:15579256发布日期:2018-10-02 17:34阅读:130来源:国知局

本发明涉及一种物体(product;包括机器(machine)、产品(manufacture)及组合物(composition of matter))以及方法(process;包括单纯方法及生产方法)。本发明的实施方式尤其涉及一种蓄电装置以及其制造方法。



背景技术:

近年来,锂二次电池等非水二次电池、锂离子电容器、空气电池等蓄电装置广泛地应用于以移动电话、智能手机为代表的信息终端、液晶电视机等显示装置以及游戏机等民用电气设备的电源。

尤其是锂二次电池具有与镍镉电池等现有的电池相比更高的能量密度,所以作为能够进行移动电话、智能手机及笔记本型个人计算机等便携式信息终端、便携式音乐播放器、数码相机等电气设备等的充电的能量供应源,锂二次电池成为现代信息化社会中不可缺少的一部分。

例如,现有的非水二次电池的锂二次电池一般包含:正极,在由薄膜状的铝等构成的正极集电体的两面涂覆了含有吸留并释放锂离子的正极活性物质的正极混合物;以及负极,在由薄膜状的铜等构成的负极集电体的两面涂覆了含有吸留并释放锂离子的负极活性物质的负极混合物。形成在该正极与负极之间夹有分离器而多层地卷绕的卷绕体,并且使正极极耳及负极极耳分别连接于正极及负极各自的指定的部分,将其与有机电解液一起密封在圆柱形、方形、硬币形等的固定形状的外包装体中。

另外,近年来,对如专利文献1所公开的固态二次电池展开了积极的研究。固态二次电池作为材料不采用液体,使用无机固体电解质或有机高分子固体电解质代替现有的非水电解液。因此,不出现漏液,并且固态电解质具有不易燃性,由此可以避免起火的危险。如此,使用固态二次电池可以提高安全性,还可以提高电池的结构上的强度。再者,能够实现外包装体的简化及大面积化,从而在量产性的角度来看也优越于使用电解液的电池。

[专利文献1]日本专利申请公开2007-123081号公报

另外,无论是使用有机电解液还是使用固体电解质的情况下,以锂二次电池为首的实用的蓄电装置都作为正极、负极及外装罐等构成蓄电装置的构件使用非透光性材料,所以难以制造能透光的蓄电装置。因此,目前未制造透明蓄电装置。从而,例如在组合了液晶电视机或太阳能电池等电气设备与现有的蓄电装置的情况下,由于蓄电装置遮挡光,所以蓄电装置的在电气设备中的配置位置被限定,电气设备的设计自由度也被限定。



技术实现要素:

鉴于上述问题,本发明的一个方式的目的之一是提供一种具有高放电电容的蓄电装置。本发明的一个实施方式的另一个目的是提供一种透明蓄电装置。本发明的一个实施方式的另一个目的是提供一种新颖蓄电装置。

注意,这些目的的记载不妨碍其它课题的存在。此外,本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外,从说明书、附图、权利要求书等的记载看来这些目的是显然的,且可以从说明书、附图、权利要求书等的记载中抽出除了这些目的以外的目的。

本说明书所公开的本发明的一个方式是一种蓄电装置,包括:具有网状平面形状的第一集电体;第一集电体上的第一活性物质层;第一活性物质层上的固体电解质层;固体电解质层上的第二活性物质层;以及第二活性物质层上的第二集电体。

本说明书所公开的本发明的另一个方式是一种蓄电装置,包括:具有网状平面形状的第一集电体;第一集电体上的第一活性物质层;第一活性物质层上的固体电解质层;固体电解质层上的第二活性物质层;以及第二活性物质层上的第二集电体,其中,在第一集电体的截面的一部分中,高度相对于宽度的比例大于1。

根据本发明的一个方式的蓄电装置至少包括正极、负极以及其之间的固体电解质。正极与负极隔着固体电解质对置,其中一方位于下方,另一方位于上方。从而,在正极位于下方的情况下,第一集电体为正极集电体,第一活性物质层为正极活性物质层,并且,第二集电体为负极集电体,第二活性物质层为负极活性物质层。另一方面,在负极位于下方的情况下,第一集电体为负极集电体,第一活性物质层为负极活性物质层,并且,第二集电体为正极集电体,第二活性物质层为正极活性物质层。

第一集电体使用具有网状平面形状的导电构件。换言之,第一集电体为薄膜状或薄板状,是在从上面俯视时看起来是网状的构件。在此“网状”例如是指细长导电构件在平面上纵横交错的形状,也被称为丝网(mesh)或格子(grid)。“网状”不一定限于由彼此独立的多个细长导电构件编结而形成的,还包括细长的部分(以下称为“细线部”)为一体的。换言之,“网状”是指具有多个网眼的形状,网眼是指能够透过光的导电构件的开口部。由于开口部周期性地排列,所以也可以将上述网状导电构件称为开口阵列。

根据本发明的一个方式的网状的第一集电体的结构是为了实现透明蓄电装置的结构,网眼的面积越高透明性越高。换言之,第一集电体的细线部的宽度越小透明性越高。

例如,在平面形状中将第一集电体的细线部的宽度设定为1μm以上且2000μm以下,优选设定为10μm以上且1000μm以下,将开口率设定为20%以上且95%以下,优选为30%以上且80%以下。在此,开口率η(也称为“开孔率”)是指在周期性地排列的开口部的最小单位面积中开口部所占的面积比率。具体而言,开口率η由以下算式1表示。

[算式1]

在此,s表示开口部的面积,S表示网状形状的周期性排列的最小单位面积,为了以百分比表示开口率而乘以100。

例如,当第一集电体的网状形状为图1A所示的格子状时开口部102的面积s为开口部的纵向方向与横向方向的两个边的积,网状形状的周期性排列的最小单位面积S为纵向方向的细线部101和与它相邻的纵向方向的细线部101之间的间隔(细线间隔)以及横向方向的细线部101和与它相邻的横向方向的细线部101之间的间隔的积。

另外,蓄电装置的基本功能的放电电容形成在网状的第一集电体的正上方,在第一集电体的网眼部分(开口部)不形成电容。从而,与形成了网眼的面积的增加相应地,放电电容降低。因此,为了增加蓄电装置的放电电容,提高网状的第一集电体的截面形状在与网状的平面正交的截面中的高度。通过提高第一集电体的高度,第一集电体的侧面的面积得到提高,所以通过在该侧面的部分形成放电电容,可以制造放电电容大的蓄电装置。

在第一集电体上通过溅射法、蒸镀法、镀法、化学气相沉积法等形成第一活性物质层、固体电解质层、第二活性物质层以及第二集电体。因此,以能够通过上述方法形成各层的方式设定第一集电体的纵向截面方向上的高度。例如,将第一集电体的细线部的高度设定为1μm以上且5000μm以下,优选设定为10μm以上且2000μm以下。尤其是,为了通过增加第一集电体的侧面的面积而提高蓄电装置的放电电容,优选提高第一集电体的高度,优选具有第一集电体在纵向方向的截面中的第一集电体的高度相对细线部的宽度的比例(细线部的纵横比)大于1的部分。

在根据本发明的一个方式的蓄电装置中,在上述第一集电体上层叠有第一活性物质层、固体电解质层、第二活性物质层以及第二集电体,并且根据本发明的一个方式的蓄电装置可以具有一定的放电电容。

在上述根据本发明的一个方式的蓄电装置中,第一集电体具有网状平面形状,所以外光可以透过开口部。因此,可以透过蓄电装置看到位于蓄电装置的后面的物体。

能够提供具有高放电电容且具有透光性的蓄电装置。

另外,通过使用固体电解质,可以提高电池的强度和安全性,还可以实现外包装体的简化及大面积化,进而可以提供量产性高的蓄电装置。

附图说明

图1A和图1B是说明蓄电装置的图;

图2A和图2B是说明蓄电装置的图;

图3A至图3F是说明集电体的平面形状的图;

图4A和图4B是说明蓄电装置的图;

图5A和图5B是说明蓄电装置的图;

图6是说明电池组的图;

图7A和图7B是说明电气设备的图。

具体实施方式

以下,参照附图对实施方式进行说明。但是,实施方式可以以多个不同方式来实施,所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实,就是其方式和详细内容可以被变换为各种各样的形式而不脱离本发明的宗旨及其范围。因此,本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。

注意,在本说明书所说明的各附图中,各结构的大小、膜的厚度或区域有时为了明确起见而被夸大。因此,并不限于该尺寸。

实施方式1

在本实施方式中,作为透明蓄电装置参照图1A至图3F对透明锂二次电池进行说明。

注意,锂二次电池是指作为载体离子使用锂离子的二次电池。另外,作为能够用来代替锂离子的载体离子,可以举出钠离子、钾离子等碱金属离子、钙离子、锶离子、钡离子等碱土金属离子、铍离子或镁离子等。

图1A和图1B是说明本实施方式所示的蓄电装置的图。蓄电装置100为至少包含正极、负极以及它们之间夹有的固体电解质的结构体。图1A示出蓄电装置100的平面图,图1B示出蓄电装置100的鸟瞰图。如图1A的平面图所示,蓄电装置具有包含形成为网状的细线部(网状结构体)101的平面形状,在没有形成细线部101的位置形成有开口部102。在图1A中,细线部101由多个竖线和横线形成而具有周期性的格子图案。换言之,多个正方形的开口部102排列而在平面的大部分中形成为空隙,并且细线部101具有格子状图案。

在此“网状”例如是指细长导电构件在平面上纵横交错的形状,也被称为丝网(mesh)或格子(grid)。“网状”不一定限于由彼此独立的多个细长导电构件编结而形成的,还包括细长的部分成为一体的构件。换言之,“网状”是指具有多个网眼的形状,网眼是指能够透过光的导电构件的开口部。

另外,如图1B的鸟瞰图所示,由于细线部101具有一定的高度,所以蓄电装置100具有立体结构。换言之,由于细线部101具有一定的高度,所以开口部102的四面被四个墙包围。如此通过使细线部101具有一定的高度,在细线部101的侧面形成一定的区域,而在该区域中形成放电电容。

图2A是放大图1B的一部分并还示出截面形状的示意图。外光103透过由具有高度的细线部101的侧面包围的开口部102。另外,细线部101本身不具有透光性,所以细线部101反射或吸收外光的一部分。

因此,在网状蓄电装置100中,相当于网眼的开口部102的面积越大,透明性越高。就是说,细线部101的宽度越小,透明性越高。

从上述角度来看,在蓄电装置的平面形状中将细线部的宽度设定为1μm以上且2000μm以下,优选设定为10μm以上且1000μm以下,将开口率设定为20%以上且95%以下,优选为30%以上且80%以下。

图2B是图2A所示的细线部101的截面104的放大图。多个细线部101周期性地排列,外光103透过细线部101之间的开口部102。

在细线部101中,在第一集电体110上依次层叠有第一活性物质层111、固体电解质层112、第二活性物质层113以及第二集电体114。第一集电体110用作形成细线部101的叠层的基础部,与其上层叠的各层相比宽度宽。另外,如上所述细线部101具有一定的高度,该高度基本上由第一集电体110的高度决定。

图2B所示的第一集电体的形状为向上凸起的抛物线状(或拱门状)。通过采用这种形状,可以容易地在第一集电体110上层叠各层。换言之,在第一集电体110上通过溅射法、蒸镀法、镀法、化学气相沉积法等形成第一活性物质层111、固体电解质层112、第二活性物质层113以及第二集电体114。因此,在能够通过上述方法形成各层的范围内设定第一集电体110的高度及倾斜角(也称为“锥角”)等形状。例如,将第一集电体110的细线部的高度设定为1μm以上且5000μm以下,优选设定为10μm以上且2000μm以下。另外,第一集电体的侧面的倾斜角设定为60°以上且90°以下,优选设定为65°以上且90°以下。同样地,上述开口部102的尺寸(面积)也可以根据叠层形成的方法及条件而设定,例如可以将一个开口部的面积设定为9μm2以上。

另外,在细线部101的最表面的构件具有高反射性的情况下,有可能细线部101反射外光而使蓄电装置100的透明性下降。因此,可以将第一集电体110的倾斜角设定为大,以降低反射。

图2B示出第一集电体的截面形状为抛物线的情况,但是截面形状不限于此,可以采用向上凸起的圆顶状、半球状、锥体状、板状等不同形状。另外,为了使蓄电装置100形成电容,在第一集电体110的侧面形成叠层结构即可,在第一集电体110的顶部附近未必一定要层叠第一活性物质层111以后的各膜。然而,在固体电解质层112不覆盖第一集电体110的顶部附近的情况下,正极与负极之间产生短路而不能形成电容。这不限于第一集电体110的顶部,在其他部分中也需要防止正极与负极之间的短路,所以需要适当地设定不会导致短路的截面形状。

作为第一集电体110或第二集电体114(正极集电体或负极集电体)可以使用如下材料;在为正极集电体的情况下,可以使用不锈钢、金、铂、铝、钛、ITO(氧化铟-氧化锡)、氧化锡、氧化铟等的金属膜或金属箔;在为负极集电体的情况下,可以使用不锈钢、金、铂、铜、镍、钴、钛、钼等的金属膜或金属箔。另外,可以采用上述材料的叠层或上述材料的合金等高导电材料。多种金属的叠层的例子为对铜制丝网的表面进行镀金的材料。另外,可以使用添加有硅、钛、钕、钪、钼等提高耐热性的元素的铝合金。

尤其是,第一集电体110为具有网状平面形状的导体的所谓的金属丝网(metal mesh)。因此,优选使用铜等加工性高的材料。

作为第一活性物质层111和第二活性物质层113中的一方的正极活性物质层,可以使用能够进行锂离子的嵌入和脱嵌的材料,例如可以举出具有橄榄石型的晶体结构、层状岩盐型晶体结构或者尖晶石型晶体结构的含锂复合氧化物等。

作为橄榄石型结构的含锂复合氧化物,例如可以举出以通式LiMPO4(M为Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)中的一种以上)表示的复合氧化物。作为通式LiMPO4的典型例子,可以举出LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、LiFeaNibPO4、LiFeaCobPO4、LiFeaMnbPO4、LiNiaCobPO4、LiNiaMnbPO4(a+b为1以下,0<a<1,0<b<1)、LiFecNidCoePO4、LiFecNidMnePO4、LiNicCodMnePO4(c+d+e为1以下,0<c<1,0<d<1,0<e<1)、LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+i为1以下,0<f<1,0<g<1,0<h<1,0<i<1)等。

尤其是,LiFePO4均衡地满足正极活性物质被要求的项目诸如安全性、稳定性、高电容密度、高电位、初期氧化(充电)时抽出的锂离子的存在等,所以是优选的。

作为具有层状岩盐型的晶体结构的含锂复合氧化物,例如可以举出:钴酸锂(LiCoO2);LiNiO2、LiMnO2、Li2MnO3、LiNi0.8Co0.2O2等NiCo类(通式为LiNixCo1-xO2(0<x<1));LiNi0.5Mn0.5O2等NiMn类(通式为LiNixMn1-xO2(0<x<1));以及LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等NiMnCo类(也称为NMC。通式为LiNixMnyCo1-x-yO2(x>0,y>0,x+y<1))。而且,也可以举出Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、Li2MnO3-LiMO2(M=Co、Ni、Mn)等。

LiCoO2具有电容大、与LiNiO2相比在大气中稳定、以及与LiNiO2相比热稳定等优点,所以是特别优选的。

作为具有尖晶石型的晶体结构的含锂复合氧化物,例如可以举出LiMn2O4、Li1+xMn2-xO4、Li(MnAl)2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等。

当对LiMn2O4等含有锰的具有尖晶石型的晶体结构的含锂复合氧化物混合少量镍酸锂(LiNiO2或LiNi1-xMO2(M=Co、Al等))时,有抑制锰的洗提等优点,所以是优选的。

此外,作为正极活性物质,可以使用以通式Li(2-j)MSiO4(M为Fe(II)、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)中的一种以上,0≤j≤2)表示的复合氧化物。作为通式Li(2-j)MSiO4的典型例子,可以举出Li(2-j)FeSiO4、Li(2-j)NiSiO4、Li(2-j)CoSiO4、Li(2-j)MnSiO4、Li(2-j)FekNilSiO4、Li(2-j)FekColSiO4、Li(2-j)FekMnlSiO4、Li(2-j)NikColSiO4、Li(2-j)NikMnlSiO4(k+l为1以下,0<k<1,0<l<1)、Li(2-j)FemNinCoqSiO4、Li(2-j)FemNinMnqSiO4、Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q为1以下,0<m<1,0<n<1,0<q<1)、Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u为1以下,0<r<1,0<s<1,0<t<1,0<u<1)等。

此外,作为正极活性物质,可以使用以通式AxM2(XO4)3(A=Li、Na、Mg,M=Fe、Mn、Ti、V、Nb、Al,X=S、P、Mo、W、As、Si)表示的钠超离子导体(nasicon)型化合物。作为钠超离子导体型化合物,可以举出Fe2(MnO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3等。此外,作为正极活性物质,可以使用如下材料:以通式Li2MPO4F、Li2MP2O7、Li5MO4(M=Fe、Mn)表示的化合物;NaF3、FeF3等钙钛矿氟化物;TiS2、MoS2等金属硫族化合物(硫化物、硒化物、碲化物);LiMVO4等具有反尖晶石型的晶体结构的含锂复合氧化物;钒氧化物类(V2O5、V6O13、LiV3O8等);锰氧化物类;以及有机硫类等。

另外,当载体离子是锂离子以外的碱金属离子、碱土金属离子、铍离子或者镁离子时,正极活性物质层也可以使用碱金属(例如,钠、钾等)、碱土金属(例如,钙、锶、钡等)、铍或镁代替上述锂化合物及含锂复合氧化物中的锂。

在第一活性物质层111和第二活性物质层113中的一方的负极活性物质层中,可以使用能够利用与锂金属的合金化·脱合金化反应而进行充放电反应的合金类材料。例如,可也举出包含Al、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ag、Zn、Cd、In和Ga等中的至少一种的材料。这种元素的电容比碳高,尤其是硅的理论电容为4200mAh/g,格外高,即。由此,优选将硅用于负极活性物质。作为使用这种元素的合金类材料,例如可以举出SiO、Mg2Si、Mg2Ge、SnO、SnO2、Mg2Sn、SnS2、V2Sn3、FeSn2、CoSn2、Ni3Sn2、Cu6Sn5、Ag3Sn、Ag3Sb、Ni2MnSb、CeSb3、LaSn3、La3Co2Sn7、CoSb3、InSb和SbSn等。

此外,作为负极活性物质,可以使用氧化物诸如二氧化钛(TiO2)、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、锂-石墨层间化合物(LixC6)、五氧化铌(Nb2O5)、氧化钨(WO2)、氧化钼(MoO2)等。

此外,作为负极活性物质,可以使用具有锂和过渡金属的氮化物的Li3N型结构的Li3-xMxN(M=Co、Ni、Cu)。例如,Li2.6Co0.4N3呈现大充放电电容(900mAh/g),所以是优选的。

当使用锂和过渡金属的氮化物时,在负极活性物质中包含锂离子,因此可以将其与用作正极活性物质的V2O5、Cr3O8等不包含锂离子的材料组合,所以是优选的。注意,当作为正极活性物质使用含有锂离子的材料时,也可以通过预先使锂离子脱离而使用锂和过渡金属的氮化物。

当作为负极活性物质使用硅时,可以使用非晶(amorphous)硅、微晶硅、多晶硅或它们的组合。一般地,结晶性越高硅的导电率越高,因此作为导电率高的电极可以将硅用于蓄电装置。另一方面,在硅是非晶的情况下,与硅是晶体的情况相比,更能吸留锂等载体离子,因此可以提高放电电容。

固体电解质层112可以通过溅射法、蒸镀法、化学气相沉积法(具体而言,有机金属气相沉积法)形成的无机固体电解质。无机固体电解质可以使用硫化物固体电解质或氧化物固体电解质。

作为硫化物固体电解质例如可以举出Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2-Ga2S3、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、LiI-Li2S-SiS2、Li3PO4-Li2S-SiS2、Li4SiO4-Li2S-SiS2等材料。

另外,作为氧化物固体电解质可以举出LiPON、Li2O、Li2CO3、Li2MoO4、Li3PO4、Li3VO4、Li4SiO4、LLT(La2/3-xLi3xTiO3)、LLZ(Li7La3Zr2O12)等材料。

另外,也可以使用通过涂敷法等形成的PEO(聚氧化乙烯)等高分子固体电解质。另外,也可以使用含有上述无机固体电解质及高分子固体电解质的复合固体电解质。

接着,参照图3A至图3F对具有与图1A至图2B所示的平面形状不同的平面形状的蓄电装置进行说明。

图3A是蓄电装置120a的平面图,其中多个细线部121a仅在横向方向上按着一定的间隔排列。没有形成细线部121a的开口部用作间隙,外光透过该开口部。

图3B是蓄电装置120b的平面图,其中在图3A的平面形状的基础上附加纵向方向的细线部而形成格子状的细线部121b。由于设置有纵向方向的细线部,所以蓄电装置120b具有比图3A所示的蓄电装置120a高的机械强度,并且所形成的放电电容也增加。

图3C是蓄电装置120c,该蓄电装置120c具有以交错的方式斜向地配置细线部121c的平面形状。图3C相当于将图1A至图2B所示的蓄电装置旋转45°的蓄电装置。

图3D是蓄电装置120d的平面图,该蓄电装置120d具有包含在图3C所示的平面形状的基础上附加向横向方向延伸的细线部的细线部121d的平面形状。蓄电装置120d具有比图3C所示的蓄电装置120c高的机械强度,并且所形成的放电电容也增加。

图3E是蓄电装置120e的平面图,该蓄电装置120e具有以开口部的形状为正六角形的方式形成细线部121e的蜂窝结构的平面形状。该结构可以确保较宽的开口部,所以可以形成确保蓄电装置120e的透明性、并且机械强度高的蓄电装置。

图3F是蓄电装置120f的平面图,该蓄电装置120f具有以开口部的形状为圆形的方式形成细线部121f的平面形状。该蓄电装置的形状与上述的形状不同,细线部121f的宽度根据位置的不同而不同。

如上所述,根据本发明的蓄电装置的平面形状不限于上述平面形状,可以具有以外光能透过的多个开口部为前提采用各种各样的形状。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

实施方式2

在本实施方式中,参照图4A和图4B对在实施方式1所示的蓄电装置中使用衬底的例子进行说明。

如蓄电装置200的透视图的图4A所示,根据本实施方式的蓄电装置200具有在实施方式1所示的蓄电装置100的下方设置有衬底205的结构。换言之,在衬底205上设置有细线部201。衬底205由具有透光性的构件构成。因此,从细线部201的上方入射的外光203透过开口部202及衬底205而到达蓄电装置200的外部。另外,从蓄电装置200的下方入射的外光(未图示)透过衬底205及开口部202而到达蓄电装置200的上方。

衬底205为具有透光性的构件即可,例如可以使用玻璃或石英等的材料。另外,薄膜状的塑料、例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚砜(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSF)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳酯(PAR)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等,由此可以使蓄电装置具有轻量性和柔性。

通过将衬底205用于蓄电装置200,可以提高蓄电装置200的机械强度。

既可以在制造细线部201时使用衬底205,又可以制造细线部201之后将衬底205贴合到细线部201。或者,也可以在制造细线部201时使用衬底205并在之后去除衬底205。

图4B示出包含细线部201的截面204的蓄电装置200的纵向截面图。在衬底205上形成有具有网状平面形状的细线部201,该细线部201由依次层叠的第一集电体210、第一活性物质层211、固体电解质层212、第二活性物质层213以及第二集电体214构成。

在此,在本实施方式中,在细线部201上设置有密封层215。密封层215也被称为覆盖层。密封层215以完全覆盖细线部201的露出的表面的方式设置。由此可以使电池结构与大气隔离。密封层215例如可以使用树脂、玻璃、非晶化合物、陶瓷等绝缘材料。密封层215具有上述绝缘材料的单层或叠层的结构。

另外,在图4A和图4B中,仅在细线部201上设置密封层215,但是不限于细线部201上的区域,还可以在衬底205的位于开口部202上的区域也形成密封层215而形成一个连续层。在此情况下,密封层215需要使用具有透光性的材料形成。

另外,也可以将黑色颜料或染料分散到密封层215中而作为与密封层215不同的膜在密封层215上形成分散有黑色颜料或染料的层(未图示)。通过将添加有黑色颜料等的层形成在细线部201上,即使在作为第二集电体214使用铝等反射性高的构件时,也可以抑制反射,所以可以制造透明性高的蓄电装置200。

在本实施方式中,在细线部201的下方设置衬底205并以覆盖细线部201的方式设置密封层215,但是也可以采用设置其中一方的蓄电装置的结构。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

实施方式3

在本实施方式中,参照图5A和图5B对以填充实施方式2所示的蓄电装置的开口部的方式设置绝缘层的例子进行说明。

图5A是示出根据本实施方式的蓄电装置300的立体图。与实施方式2所示的蓄电装置同样,蓄电装置300具有衬底305上的细线部301及开口部302。在该结构的基础上,在细线部301及开口部302上以填充开口部302的方式还设置有绝缘层316。绝缘层316由具有透光性的材料构成。从而,外光303透过绝缘层316并从开口部302经由衬底305向蓄电装置300的下方穿出。

图5B示出包含细线部301的截面304的蓄电装置300的纵向截面结构。在衬底305上设置有细线部301,该细线部301由依次层叠的第一集电体310、第一活性物质层311、固体电解质层312、第二活性物质层313以及第二集电体314构成,在细线部301上设置有密封层315。另外,与实施方式1所示的蓄电装置100同样地可以省略密封层315。在细线部301或者密封层315上以及在开口部302上设置有绝缘层316。图5B示出绝缘层316具有平坦表面的情况,但是不限于此,绝缘层316例如可以反映细线部301的表面形状而具有凹凸形状。

通过以填充开口部302的方式设置绝缘层316,可以提高蓄电装置300的机械强度。另外,通过使用采用与密封层315相同的材料形成绝缘层316,可以使细线部301的电池结构与大气隔离。再者,通过作为衬底305使用具有柔性的材料并作为绝缘层316使用如橡胶等具有弹性的材料,可以实现能够弯曲或弯折的柔性蓄电装置。

作为绝缘层316,可以使用含有无机材料(氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氮氧化硅等)、感光性或非感光性有机材料(有机树脂材料)(聚酰亚胺、丙烯酸树脂、聚酰胺、聚酰亚胺酰胺、抗蚀剂、苯并环丁烯等)中的一种或多种的膜;或者这些膜的叠层等。此外,也可以使用硅氧烷树脂。

另外,也可以将颜料或染料分散到绝缘层316中。在此情况下,通过吸收透过开口部302的外光303的指定的波长,可以制造着色了的半透明的蓄电装置。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

实施方式4

接着,在本实施方式中,参照图2B对实施方式1所说明的蓄电装置的典型的制造方法进行说明。另外,在本实施方式中,说明第一集电体110为正极集电体,第二集电体114为负极集电体,第一活性物质层111为正极活性物质层,第二活性物质层113为负极活性物质层的情况。

(第一集电体的形成)

首先,形成作为第一集电体110的用作正极集电体的金属丝网。金属丝网通过对具有所希望的面积的薄膜状或板状的导电构件进行光刻工序及蚀刻工序而加工成网状平面形状。

作为薄膜状或板状的导电构件可以使用不锈钢、金、铂、铜、铁、铝、钛、铬、钴、ITO(氧化铟-氧化锡)、氧化锡、氧化铟等的金属、上述金属的叠层或者上述金属的合金等导电性高的材料。导电构件的厚度相当于第一集电体110的细线部101的高度,所以考虑所希望的放电电容或其上层叠的各薄膜的生产率而适当地设定其厚度。例如,作为导电构件可以使用1μm以上且5000μm以下的薄膜、膜或板。

导电构件的加工可以通过光刻工序进行。换言之,在导电构件上涂覆形成正性或负性的光致抗蚀剂,使用在石英衬底上设置有预先形成为所希望的图案的铬膜的光掩模对该光致抗蚀剂进行曝光。光致抗蚀剂的成像及烘焙之后,以形成有图案的光致抗蚀剂为掩模对导电构件进行湿法蚀刻来在导电构件中形成多个开口部。由此形成具有网状平面形状的金属薄膜的第一集电体110。在形成开口部之后,通过灰化处理等去除光致抗蚀剂掩模。

上述光刻工序及蚀刻工序优选在导电构件的两面同时进行。既可以在两面形成为相同的光抗蚀剂图形,但是也可以通过形成彼此不同的图形,来形成如图2B所示那样的抛物线状的纵向截面形状。

通过上述工序,例如可以形成平面形状中的细线部的宽度设定为1μm以上且2000μm以下,优选设定为10μm以上且1000μm以下,将开口率设定为20%以上且95%以下,优选为30%以上且80%以下的第一集电体。

另外,为了在该光刻工序或蚀刻工序等中支撑导电构件,可以在导电构件的背面形成支撑衬底并在结束工序之后去除该衬底。

另外,可以通过镀覆处理等用其他金属薄膜包覆所形成的网状导电构件的表面。

另外,可以在导电构件的加工之前或之后进行用来使导电构件薄型化或平坦化的抛光处理。

如上所述,通过对导电构件进行光刻工序及蚀刻工序而制造具有网状平面形状的第一集电体,但是第一集电体的制造方法不限于此。例如,也可以以通过纳米压印法形成的光抗蚀剂图案为掩模对导电构件进行湿法蚀刻而形成网状金属丝网。另外,还可以通过纳米压印法、印刷法、喷墨法等直接形成网状导电构件,而不利用光刻工序和蚀刻工序。另外,使用刀模在导电构件上切口然后拉伸而形成网状金属丝网。另外,也可以通过激光的照射、利用加压装置的冲孔、冲切来形成开口部。

(细线部的形成)

接着,在通过上述步骤形成的网状正极集电体(第一集电体110)上依次层叠正极活性物质层(第一活性物质层111)、固体电解质层112、负极活性物质层(第二活性物质层113)、负极集电体(第二集电体114)来形成细线部101。

构成细线部101的正极活性物质层、负极活性物质层、负极集电体可以利用如下薄膜形成方法形成:溅射法、CVD法、蒸镀法、离子电镀法、激光烧蚀法等各种气相沉积法、镀法、使用了溶胶-凝胶溶液的溶胶-凝胶法、将微粒分散液涂覆之后进行焙烧的方法等。尤其是,在根据本发明的蓄电装置中,在具有一定高度的网状集电体上沉积各薄膜,可以适当地选择所形成的薄膜的厚度的均匀性得到提高且能够良好地覆盖该集电体的深部(根部)的方法即可。例如,利用溅射法之一的RF磁控管溅射法形成上述层。

固体电解质层112可以在正极活性物质层上通过溅射法,旋涂法、喷墨法等薄膜形成方法形成。固体电解质层112的厚度优选为500nm以上且5000nm以下。这是因为如下缘故:一般来说,固体电解质的离子传导性低,所以需要使其薄膜化来降低电阻,但是如果厚度过薄,就有可能产生针孔而导致正极与负极之间的短路。当利用溅射法等气相沉积法形成固体电解质层112时,与正极活性物质层和负极活性物质层同样地适当地选择所形成的薄膜的厚度的均匀性得到提高且能够良好地覆盖该网状的集电体的深部(根部)的方法即可。

作为固体电解质层112的材料,可以举出Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2-Ga2S3、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、LiI-Li2S-SiS2、Li3PO4-Li2S-SiS2、Li4SiO4-Li2S-SiS2等硫化物固体电解质材料、LiPON、Li2O、Li2CO3、Li2MoO4、Li3PO4、Li3VO4、Li4SiO4、LLT(La2/3-xLi3xTiO3)、LLZ(Li7La3Zr2O12)等氧化物固体电解质材料。

当使用PEO(聚氧化乙烯)等高分子固体电解质时,利用涂敷法等形成。

通过上述制造方法,可以在金属丝网上依次层叠正极活性物质层、固体电解质层、负极活性物质层以及负极集电体。

金属丝网上的上述叠层结构通过利用枚叶式溅射装置可以以不暴露于大气的方式连续地形成。通过上述连续的形成,可以大幅度提高蓄电装置的生产率。

换言之,根据本发明的蓄电装置的结构可以通过以金属丝网等网状的第一集电体为基材从第一集电体起依次层叠其上的层来制造,所以不需要各种薄膜的构图工序。因此,能够高效地制造透明蓄电装置,量产性得到提高。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

实施方式5

接着,参照图6对安装有实施方式1至实施方式4所说明的蓄电装置的电池组进行说明。

图6是示出板状电池组900的一个例子的示意图。根据本发明的一个方式的电池组900可以大致划分为电池部901和电路部902。电池部901由透明区904及包围该透明区904的外框903等构成。在透明区904中使用实施方式1至实施方式4所说明的蓄电装置。由于根据本发明的蓄电装置是透光的,所以电池组900的大部分为透明。外框903具有支撑并固定薄型的蓄电装置的功能以及因蓄电装置是透明的而为了拿取而示出其轮廓的功能。另外,还具有保护蓄电装置的端部的功能。

既可以将一个蓄电装置设置在透明区904,又可以排列多个小型蓄电装置。

蓄电装置很薄,并且其强度不高。所以对外部应力耐度有限。因此,优选通过用玻璃衬底或透明树脂等构件覆盖蓄电装置的两面来实现蓄电装置的保护及强化。

蓄电装置的第一集电体及第二集电体与电路部902连接。在电路部902中,可以设置实现电池管理单元(BMU:Battery Management Unit)的电路等,电池管理单元进行蓄电装置的电池电压数据、电池温度数据的收集、过充电和过放电的监视、过电流的监视、电池劣化状态的管理、SOC(State Of Charge:充电状态)的算出、故障检测的控制等。此外,在电路部902中,设置作为随着温度升高其电阻增大的热感电阻元件的PTC元件(Positive Temperature Coefficient:正温度系数),通过电阻的增大控制电流量而防止异常发热,也是有效的。作为PTC元件,可以使用钛酸钡(BaTiO3)类半导体陶瓷等。电路部902与正极端子905a及负极端子905b连接。

图6所示的板状电池组900为矩形,但是电池组的形状不限于此,也可以采用三角形、正方形、六角形等多角形、圆形、椭圆形等具有一定面积的任意平面形状。为了采用上述形状,将设置在电池部901中的作为蓄电装置的基础的第一集电体设定为上述形状即可。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

实施方式6

根据本发明的一个方式的蓄电装置能够用作利用电力驱动的各种各样的电气设备的电源。尤其是,有效地利用蓄电装置的透明性,优选将该蓄电装置用于电气设备而提高设计性。

作为根据本发明的一个方式的蓄电装置的电气设备的具体例子,可以举出电视机、显示器等显示装置、照明装置、台式或笔记本个人计算机、文字处理机、再现存储在DVD(Digital Versatile Disc:数字通用光盘)等记录介质中的静态图像或动态图像的图像再现装置、便携式CD播放器、收音机、磁带录音机、头戴式耳机音响、音响、台钟、挂钟、无绳电话子机、步话机、便携无线设备、手机、车载电话、便携式游戏机、玩具、计算器、便携式信息终端、电子笔记本、电子书阅读器、电子翻译器、声音输入器、摄像机、数字静态照相机、电动剃须刀、微波炉等高频加热装置、电饭煲、洗衣机、吸尘器、热水器、电扇、电吹风、空调设备诸如空调器、加湿器及除湿器、洗碗机、烘碗机、干衣机、烘被机、电冰箱、电冷冻箱、电冷藏冷冻箱、DNA保存用冷冻箱、手电筒、电动工具、烟探测器、透析装置等医疗设备等。再者,还可以举出工业设备诸如引导灯、信号机、传送带、电梯、自动扶梯、工业机器人、蓄电系统、用于使电力均衡化或智能电网的蓄电装置等。另外,利用来自蓄电装置的电力通过电动机推进的移动体等也包括在电气设备的范畴内。作为上述移动体,例如可以举出电动汽车(EV)、兼具内燃机和电动机的混合动力汽车(HEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、使用履带代替这些的车轮的履带式车辆、包括电动辅助自行车的电动自行车、摩托车、电动轮椅、高尔夫球车、小型或大型船舶、潜水艇、直升机、航空器、火箭、人造卫星、太空探测器、行星探测器、宇宙飞船等。

另外,在上述电气设备中,作为用来供应大部分的消耗电力的主电源,可以使用根据本发明的一个方式的蓄电装置。或者,在上述电气设备中,作为当来自上述主电源或商业电源的电力供应停止时能够进行对电气设备的电力供应的不间断电源,可以使用根据本发明的一个方式的蓄电装置。或者,在上述电气设备中,作为与来自上述主电源或商业电源的电力供应同时进行的将电力供应到电气设备的辅助电源,可以使用根据本发明的一个方式的蓄电装置。

图7A和图7B示出上述电气设备的具体结构。在图7A中,显示装置1000是使用根据本发明的一个方式的蓄电装置的电气设备的一个例子。具体地说,显示装置1000相当于电视广播接收用显示装置,包括显示部1001、蓄电装置1002a、1002b、包含调谐器的电路部1003等。

作为显示部1001,可以使用半导体显示装置诸如液晶显示装置、在每个像素中具备有机EL元件等发光元件的发光装置、电泳显示装置、DMD(数字微镜装置:Digital Micromirror Device)、PDP(等离子体显示面板:Plasma Display Panel)及FED(场致发射显示器:Field Emission Display)等。

显示装置1000既可以接受来自商业电源的电力供应,又可以使用蓄积在蓄电装置1002a、1002b中的电力。因此,即使当由于停电等而不能接受来自商业电源的电力供应时,通过将根据本发明的一个方式的蓄电装置用作不间断电源,也可以利用显示装置1000。

根据本发明的一个方式的蓄电装置1002a、1002b配置在显示部1001的正下方。电路部1003被框体覆盖,蓄电装置1002a、1002b却不被框体覆盖而露出。由于蓄电装置1002a、1002b是透明的,所以能够透过蓄电装置1002a、1002b看到位于显示装置1000的后面的物体,因此能够使显示装置1000具有整体上给人简洁的印象的设计。

另外,除了电视广播接收用显示装置以外,个人计算机用显示装置或广告显示用显示装置等的所有信息显示用显示装置包括在显示装置1000中。尤其是,通过利用根据本发明的一个方式的蓄电装置的透明性,可以实现透明的信息显示用显示装置。

图7B示出利用蓄电装置的透明性的钟表的例子。图7B所示的钟表1100是座钟,由不透光的外周部1102以及被外周部1102包围的透明部1101构成。

透明部1101是显示时刻的显示板与根据本发明的透明显示装置重叠而构成的。显示板例如可以使用分段式液晶显示装置。由于显示板及蓄电装置都是透明的,所以能够实现钟表1100的时刻的显示部分飘在空中那样的外观设计。显示板的驱动电路等不具有透光性的构件设置在外周部1102中即可。

另外,当然地,只要具备本发明的一个方式的蓄电装置,不限于上述电气设备。

本实施方式可以与其他实施方式适当地组合而实施。

当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1