固态电池的制作方法

1.本发明涉及一种固态电池。


背景技术：

2.目前，作为具有高能量密度的二次电池，锂离子二次电池广泛普及。锂离子二次电池具有如下结构：在正极与负极之间存在隔膜且填充有液体的电解质。
3.锂离子二次电池的电解液，由于通常是可燃性的有机溶剂，因此，尤其对于热的安全性有时会成为问题。所以，提出一种固态电池，它使用无机系的固体电解质来代替有机系的液体的电解质。
4.另一方面，为了扩大电极活性物质的填充密度，提出使用金属多孔体来代替以往广泛使用的金属箔，来作为构成正极层和负极层的集电器(参照专利文献1)。金属多孔体具有带微孔的网眼结构，表面积较大。在该网眼结构的内部，由于充填有包含电极活性物质的电极复合材料，因此，可以增加电极层的每单位面积的电极活性物质量。
5.[先行技术文献]
[0006]
(专利文献)
[0007]
专利文献1：日本特开2020-107441号公报


技术实现要素：

[0008]
[发明所要解决的问题]
[0009]
以往的固态电池，为了获得必要的电压，使电极积层并串联连接而构成电池。因此，存在如下问题：集电极耳的延伸方向，限定于相对于积层电极的方向呈垂直的方向，电池的布局受到限制。此外，在成组地积层多个电池时，由于电极层彼此接触，因此，可能发生短路。
[0010]
本发明是鉴于上述而完成的，目的在于提供一种固态电池，可任意配置集电位置从而能够提高布局性，并且，能够抑制短路的发生。
[0011]
[解决问题的技术手段]
[0012]
(1)本发明关于一种固态电池，具备正极及负极、以及配置于前述正极与前述负极之间的固体电解质层，前述正极及前述负极中任一个电极具有复合材料填充部，所述复合材料填充部是在金属多孔体中填充电极复合材料而成，前述固体电解质层配置为包覆前述复合材料填充部的周围，前述正极及前述负极中另一个电极配置为包覆前述固体电解质层。
[0013]
根据(1)的发明，能够提供一种固态电池，由于可任意配置集电位置，因此，能够提高布局性，并且，能够抑制短路的发生。
[0014]
(2)一种固态电池，组合多个如(1)所述的固态电池而成，多个前述固态电池的前述另一个电极彼此抵接地配置。
[0015]
根据(2)的发明，能够最小化集电部，能够提高固态电池的能量密度。
[0016]
(3)如(1)或(2)所述的固态电池，其中，前述另一个电极具有集电部，所述集电部配置于前述固态电池的至少表面。
[0017]
根据(3)的发明，由于可任意配置集电位置，因此，能够提高固态电池的布局性，并且，能够最小化集电部，能够提高固态电池的能量密度。
[0018]
(4)如(1)～(3)中任一项所述的固态电池，其中，前述固体电解质层配置为包覆以下表面，即前述正极及前述负极中任一个电极中，至少除了极耳延伸面以外的全部的面。
[0019]
根据(4)的发明，能够提供一种固态电池，由于可任意配置集电位置，因此，能够提高布局性，并且，能够更优选地抑制短路的发生。
附图说明
[0020]
图1是示出本发明的第一实施方式的固态电池的截面示意图。
[0021]
图2是示出本发明的第二实施方式的固态电池的截面示意图。
[0022]
图3是示出本发明的第三实施方式的固态电池的截面示意图。
具体实施方式
[0023]
以下，参照图式，对本发明的一实施方式进行说明。但是，以下所示的实施方式是本发明的例示，本发明并不限定于以下的实施方式。
[0024]
《第一实施方式》
[0025]
《固态电池的整体构造》
[0026]
如图1所示，本实施方式的固态电池1具有正极20、固体电解质层30、及负极40。本实施方式中，在正极20的极耳延伸面d上，形成有缩径的极耳会聚部21及极耳部22。以包覆正极20的、至少上述极耳延伸面d以外的其他表面的方式，设置有固体电解质层30。进一步，以包覆固体电解质层30的方式，设置有负极40。在负极40的至少表面上，配置有集电部41。本实施方式中，固态电池1以利用锂离子与电子的吸附、释放而可充放电的固体锂离子二次电池为例，在以下进行说明。
[0027]
固态电池1的配置于内部侧的电极，优选为本实施方式中的正极，但配置于内部侧的电极，也可以是负极。正极及负极中任一个配置于内部侧的电极，是在作为集电器的金属多孔体中填充电极复合材料而成。配置于外表面的电极，在固体电解质层30的表面形成为层状，且至少表面配置有金属箔等集电部。以下，以固态电池1的配置于内部侧的电极是正极20，且形成于外表面的电极是负极40为例，说明固态电池1的构造。
[0028]
(正极)
[0029]
正极20构成为，将具有彼此连续的孔部的金属多孔体作为集电器，并在金属多孔体的一部分填充正极复合材料。如图1所示，在正极20中，形成有在极耳延伸面d缩径的极耳会聚部21及极耳部22。极耳会聚部21及极耳部22是未填充电极复合材料的区域。极耳部22利用熔接等电连接于引线极耳(未图示)。正极20的极耳会聚部21及极耳部22以外的部分，是填充有正极复合材料的复合材料填充部。
[0030]
(固体电解质层)
[0031]
固体电解质层30是至少包含固体或凝胶状的电解质也就是固体电解质材料的层。经由上述固体电解质材料，能够进行正极活性物质及负极活性物质之间的电荷移动。固体
电解质层30以覆盖正极20的复合材料填充部的方式形成为层状。固体电解质层30配置为覆盖图1中的积层面a、b、及c中至少任一面。本实施方式中，如图1所示，利用固体电解质层30以下表面被包覆，即至少形成有正极20的极耳会聚部21及极耳部22的极耳延伸面d以外的全部的面。也就是，图1中的正极20的积层面a、b及c等极耳延伸面d以外的积层面，被固体电解质层30包覆。由此，能够防止由于正极20的复合材料填充部接触其他电极而发生短路。尤其，当使用金属多孔体作为集电器时，由于会因为电极具有厚度而使电极的积层面的短路成为问题，因此，上述构造有效。另外，极耳延伸面d的一部分也可以形成有固体电解质层30。例如，也可以在极耳会聚部21的一部分或全部的表面上，形成有固体电解质层30。由此，能够防止极耳会聚部21导致的短路。也就是，除了极耳延伸面d的极耳部22与引线极耳熔接的熔接点以外，也可以形成有固体电解质层30。
[0032]
作为固体电解质材料，并无特别限定，可以列举例如，硫化物固体电解质材料、氧化物固体电解质材料、氮化物固体电解质材料、卤化物固体电解质材料等。
[0033]
(负极)
[0034]
负极40配置为包覆固体电解质层30。固态电池1的至少表面配置有集电部41。集电部41构成为可以利用例如金属箔等，与构成负极40的集电器通电。利用上述构造，由于可从配置有固态电池1的极耳部22的面以外的任意的面来集电，因此，能够提高固态电池1的布局性。
[0035]
在固态电池1的外表面配置有负极40，由此，即便当万一电极露出而接触构成固态电池模块结构体的金属部等时，由于最表面配置有低电位的负极，因此，能够抑制金属部等腐蚀。假如当最表面配置有正极时，由于正极接触金属部等时使固态电池模块结构体本身成为高电压，因此，大气中的水分在金属部上被分解而可能发生金属的腐蚀。进一步，由于在负极40的表面，配置有利用金属箔等构成的集电部41，因此，水分难以到达固体电解质层30。由此，能够抑制由于水分与固体电解质材料接触而产生硫化氢等，能够提高固态电池1的安全性。
[0036]
(集电器)
[0037]
正极20利用具有彼此连续的孔部的金属多孔体而构成。由于金属多孔体具有彼此连续的孔部，因此，能够在孔部的内部填充包含电极活性物质的正极复合材料、及负极合剂，能够增加电极层的每单位面积的电极活性物质量。作为上述金属多孔体，只要具有彼此连续的孔部即可，并无特别限制，可以列举例如具有发泡导致的孔部的发泡金属、金属网、网眼钢板、冲孔金属、及金属无纺布等形态。
[0038]
作为用于金属多孔体的金属，只要具有导电性即可并无特别限定，可以列举例如，镍、铝、不锈钢、钛、铜、银等。其中，作为构成正极20的集电器，能够优选发泡铝、发泡镍及发泡不锈钢，当将负极配置于内部侧时，作为构成负极40的集电器，能够优选使用发泡铜及发泡不锈钢。使用金属多孔体作为集电器，由此，能够增加电极的每单位面积的活性物质量，其结果是，能够提高固态电池的体积能量密度。此外，由于正极复合材料及负极合剂的固定化变得容易，因此，与以往的使用金属箔作为集电器的电极不同，在使电极复合材料层厚膜化时，无需将形成电极复合材料层的涂抹用浆料增粘。因此，能够减少增粘所必需的有机高分子化合物等粘结剂。因此，能够增加电极的每单位面积的容量，能够实现固态电池的高容量化。
[0039]
构成负极40的集电部41，并无特别限定，可以使用将例如镍、铜、及不锈钢等形成为薄板状的材料。另外，当在外部侧配置正极时，构成正极的集电部，并无特别限定，可以使用将例如铝、铝合金、不锈钢、镍、铁及钛等形成为薄板状的材料。
[0040]
(电极复合材料、电极层)
[0041]
构成正极20的正极复合材料，配置于形成在作为集电器的金属多孔体的内部的孔部。负极40是将包含电极活性物质的浆料形成为层状而成。正极复合材料、及形成为层状的负极层，分别将正极活性物质、及负极活性物质作为必须而包含。
[0042]
(电极活性物质)
[0043]
作为正极活性物质，只要可以吸附、释放锂离子即可，并无特别限定，可以列举例如，licoo2、li(ni
5/10
co
2/10
mn
3/10
)o2、li(ni
6/10
co
2/10
mn
2/10
)o2、li(ni
8/10
co
1/10
mn
1/10
)o2、li(ni
0.8
co
0.15
al
0.05
)o2、li(ni
1/6
co
4/6
mn
1/6
)o2、li(ni
1/3
co
1/3
mn
1/3
)o2、licoo4、limn2o4、linio2、lifepo4、硫化锂、硫等。
[0044]
作为负极活性物质，只要可以吸附、释放锂离子即可，并无特别限定，可以列举例如，金属锂、锂合金、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、si、sio、以及人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳等碳材料等。
[0045]
(其他成分)
[0046]
电极复合材料及电极层可任意地包含电极活性物质以外的其他成分。其他成分并无特别限定，只要是能够用于制作锂离子二次电池时的成分即可。可以列举例如，导电助剂、粘结剂等。作为正极的导电助剂，可以例示乙炔黑等；作为正极的粘合剂，可以例示聚偏二氟乙烯等。作为负极的粘合剂，可以例示羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶和聚丙烯酸钠等。
[0047]
《固态电池1的制造方法》
[0048]
固态电池1的制造方法具备：复合材料填充步骤，对作为集电器的金属多孔体的孔部，填充电极复合材料，由此形成正极20；第一加压步骤，将正极20以辊压等方法进行加压；固体电解质层形成步骤，在正极20的表面，形成固体电解质层30；负极形成步骤，在固体电解质层30的表面形成负极40；及，第二加压步骤，加压整体而一体化。
[0049]
在复合材料填充步骤中，对集电器填充电极复合材料的方法并无特别限定，可以列举例如以下方法：使用柱塞式模头涂布机，施加压力，来将包含电极复合材料的浆料填充到集电器的孔部的内部的方法；利用浸渍方式，使复合材料浸渍在金属多孔体的孔部的方法等。
[0050]
第一加压步骤是在利用上述复合材料填充步骤而形成正极20后，以辊压等方法来对正极20进行加压。利用第一加压步骤，形成极耳会聚部21及极耳部22。
[0051]
固体电解质层形成步骤并无特别限定，可以将包含固体电解质材料的浆料涂抹在正极20的表面，也可以将形成为薄片状的固体电解质层粘贴在正极20的表面。
[0052]
负极形成步骤并无特别限定，例如是将包含负极活性物质的浆料涂抹在固体电解质层30的表面来进行。
[0053]
第二加压步骤与第一加压步骤同样，是对固态电池1加压的步骤。利用第二加压步骤能够提高电极复合材料的密度，能够调整成期望的密度。
[0054]
以下，说明本发明的其他实施方式。对于和上述第一实施方式同样的构造，有时会省略说明。
[0055]
《第二实施方式》
[0056]
《固态电池的整体构造》
[0057]
如图2所示，本实施方式的固态电池1是组合3个固态电池10a、10b及10c而构成。3个固态电池10a、10b及10c的各个构造，除了集电部41的构造以外，与第一实施方式的固态电池1相同。
[0058]
固态电池10a的负极40、固态电池10b的负极40如图2所示彼此抵接地配置。同样，固态电池10b的负极40、固态电池10c的负极40彼此抵接地配置。此外，固态电池10a、10b及10c具有共同的集电部41。集电部41具有极耳部42。由此，固态电池10a、10b、及10c的负极40彼此电连接。另一方面，电连接于固态电池10a、10b及10c的正极20的极耳部22，分别电连接于引线极耳(未图示)。利用上述构造，固态电池10a、10b及10c并联连接。
[0059]
在本实施方式中，集电部41仅配置于固态电池1的外表面。集电部41也可以配置于多个固态电池间，但优选仅配置于固态电池1的外表面。由此，能够最小化集电部41，能够提高固态电池1的能量密度。
[0060]
本实施方式的固态电池1中，配置有极耳部42的面，在图2中成为与形成有极耳部22的面相对向的面，但并不限定于上述构造。配置有极耳部42的面，能够设为形成有极耳部22的极耳延伸面以外的任意的面。由此，能够提高固态电池1的布局性。
[0061]
《固态电池1的制造方法》
[0062]
本实施方式的固态电池1的制造方法，包含第二加压步骤，也就是任意积层多个固态电池10a、10b、及10c后，对整体进行加压。由此，多个固态电池中，邻接的负极40彼此密接并一体化。
[0063]
《第三实施方式》
[0064]
《固态电池1a的整体构造》
[0065]
如图3所示，本实施方式的固态电池1a组合6个固态电池10a、10b、10c、10d、10e、及10f而构成。上述6个固态电池的各个构造，除了集电部41的构造以外，与第一实施方式及第二实施方式的固态电池1相同。
[0066]
如图3所示，6个固态电池10a、10b、10c、10d、10e、及10f的邻接的负极40彼此抵接地配置。此外，上述6个固态电池具有共同的集电部41。另一方面，电连接于上述6个固态电池的正极20的极耳部22分别电连接于引线极耳(未图示)。利用上述构造，上述6个固态电池并联连接。
[0067]
本实施方式中，集电部41在形成有极耳部22的面以外的任意的面，也可以具有极耳部。
[0068]
本实施方式中，如图3所示地，6个固态电池在上下方向上积层3个的积层体彼此在水平方向上接合而构成。以往的固态电池存在如下问题：由于只能够在某1个方向上积层全部电极及电解质层而构成，因此，确保必要电压及容量所需的电池的设置空间受限。本实施方式的固态电池能够在任意方向上积层固态电池而连接，因此，具有如下优点：电池的布局性提高，以往无法设置之处变得能够设置电池。例如，在电池的设置空间受限的车载用等用途中，能够优选应用本实施方式的固态电池1a。
[0069]
以上，对本发明的优选实施方式进行说明。本发明并不限定于上述实施方式，能够适当变更。
[0070]
附图标记
[0071]
1、1a：固态电池
[0072]
20：正极(一个电极)
[0073]
30：固体电解质层
[0074]
40：负极(另一个电极)
[0075]
41：集电部
[0076]
d：极耳延伸面。