JP2022117028A

JP2022117028A - 積層電極体、樹脂固定積層電極体、及び全固体電池

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Publication number: JP2022117028A
Application number: JP2021013502A
Authority: JP
Inventors: 雅人大野; Masato Ono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: KR20220110059A; CN114824496A; US20220246989A1; DE102022100789A1; JP7517181B2; KR102550029B1

Abstract

【課題】側面への樹脂塗布が容易な積層電極体を提供する。
【解決手段】第１の集電体の両面に第１の電極、固体電解質層、第２の電極、及び第２の集電体をこの順でそれぞれ配置した電極体を複数積層した全固体電池用の積層電極体であって、電極体は第１の電極を含む位相差部を有し、位相差部は第２の電極よりも側面から延出しており、隣接する電極体において、一方の位相差部と他方の位相差部と第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さが異なっている、積層電極体である。
【選択図】図１

Description

本願は積層電極体、樹脂固定積層電極体、及び全固体電池に関する。

近年、液系電池よりも安全性の高い全固体電池の開発が行われている。全固体電池は正極集電体、正極、固体電解質層、負極、及び負極集電体を積層して製造されるものである。また、全固体電池を製造する際に、これらの層を樹脂で固定し、電池の機械的強度や耐透湿性を向上する技術が知られている。

例えば特許文献１は、集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層をそれぞれ複数積層して、積層方向両端面と側面とを備える積層電池を得る、第１工程と、積層電池の側面にのみ液状の樹脂を供給する、第２工程と、液状の樹脂を硬化させる、第３工程と、を備え、第１工程において、集電体層、正極合剤層、固体電解質層及び負極合剤層のうちの少なくとも１層を他の層よりも延出させて延出層とし、積層電池の側面において延出層を複数延出させ、第２工程において、積層電池の側面にのみ液状の樹脂を供給することで、一の延出層と他の延出層との間の隙間に液状の樹脂を入り込ませる、全固体電池の製造方法を開示している。また、特許文献１は、上記隙間に液状の樹脂を入り込ませる技術として、第１工程と第２工程との間に減圧工程を設けたり、第２工程と第３工程との間に加圧工程を設けたりする技術を開示している。

特開２０１７－２２０４４７号公報特開２０１４－５２３１０２号公報特開２０００－１２４０５７号公報

特許文献１の技術は、複数の延出層（位相差部）を有する積層電池の側面を樹脂で固定する技術であり、延出層間の隙間に樹脂を十分に入り込ませるために、加圧工程又は減圧工程を設けている。位相差部を有する積層電池を強固に固定する観点から、位相差部間の隙間に樹脂を充填することが望ましいが、圧力が低すぎると十分に奥まで樹脂を充填することが困難であり、また圧力が高すぎると電極反応面に樹脂が漏れるおそれがある。従って、位相差部を有する積層電極体の側面に樹脂を塗布する際に加圧工程や減圧工程を行うと、樹脂の成形コントロールが難しい問題があった。

そこで、本開示の主な目的は、上記実情を鑑み、側面への樹脂塗布が容易な積層電極体を提供することである。

本開示は上記課題を解決するための一つの手段として、第１の集電体の両面に第１の電極、固体電解質層、第２の電極、及び第２の集電体をこの順でそれぞれ配置した電極体を複数積層した全固体電池用の積層電極体であって、電極体は第１の電極を含む位相差部を有し、位相差部は第２の電極よりも側面から延出しており、隣接する電極体において、一方の位相差部と他方の位相差部と第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さが異なっている、積層電極体を提供する。

上記積層電極体において、位相差部の第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さは積層方向の一方から他方に向かって段階的に増加又は減少していてもよく、積層電極体の中央から積層方向の外側に向かって段階的に増加又は減少していてもよい。

本開示は上記積層電極体の側面を樹脂で固定してなる樹脂固定積層電極体を提供する。また、本開示は上記樹脂固定積層電極体を有する全固体電池を提供する。

本開示の積層電極体は、一方の位相差部と他方の位相差部とは第２の電極よりも延出している部分（延出部分）の延出方向の長さが異なっている。すなわち、隣接する位相差部は階段状になっている。そのため、積層電極体の側面への樹脂塗布が容易になっている。例えば、斜めに圧をかけずに側面に樹脂を塗布可能な形状となっている。また、本開示の積層電極体は、特許文献１のように加圧又は減圧して樹脂を塗布する必要がないため、電極反応面に樹脂が漏れることが抑制され、また、樹脂を側面に塗布する際に電極がずれることが抑制される。さらに、積層電極体の側面に容易に樹脂塗布が可能になることにより、樹脂固定後の電極側面からの粉落ちによる短絡リスクも抑制される。

なお、本開示の積層電極体は隣接する位相差部の延出部分の長さが異なっているため、位置決め性が悪いように考えられるが、外形形状は樹脂塗布によりコントロール可能である。例えば、外形形状が四角くなるように樹脂を塗布することにより位置決め性が向上する。

また、特許文献２、３には、電極体の大きさを変化させ、段差を設けた積層電極体が記載されているが、特許文献１の積層電池のように位相差部を有するものではないため、特許文献２、３の電極体には上記した課題は発生しないと考えれる。

積層電極体１００の斜視図である。積層電極体１００の断面図である。積層電極体１００’の断面図である。樹脂固定積層電極体２００、２００’の断面図である。裁断工程を終えた各電極体の模式図である。樹脂固定工程の様子を示した図である。

［積層電極体］
本開示の積層電極体について、一実施形態である積層電極体１００を参照しつつ説明する。図１に積層電極体１００の斜視図を示した。また、図２に積層電極体１００の断面図を示した。

図２に示した通り、積層電極体１００は、第１の集電体１の両面に第１の電極２、固体電解質層３、第２の電極４及び第２の集電体５をこの順でそれぞれ配置した電極体１０を複数積層した全固体電池用の積層電極体である。図１、図２では３つの電極体１０が積層された積層電極体１００を示している。ただし、電極体１０を積層する数は特に限定されない。

電極体１０は第１の電極２を含む位相差部６を有している。位相差部６とは、第２の電極４の側面よりも延出した部分を有する層の総称である。図２では、第１の集電体１、２つの第１の電極２、及び２つの固体電解質層３を合わせた層（積層方向一方側の固体電解質層３から他方側の固体電解質層３で挟まれた層）の総称が位相差部６である。

ここで、積層電極体１００（電極体１０）は積層方向両端面と側面とを有するものであり、「側面」とは積層電極体１００（電極体１０）の外縁から構成される面である。位相差部６が設けられる側面は何れの側面であってもよい。ただし、電極端子と接続するために、集電体が側面から伸びている場合がある。このような場合、集電体が伸びている側面とは異なる側面に位相差部６を設けることが好ましい。後述するように、位相差部６が設けられた側面は樹脂により固定されるためである。

電極体１０において、このような位相差部６を設ける理由は、Ｌｉ析出による短絡防止のためである。この効果の実効性を高めるために、第２の電極４よりも第１の電極２を側面側に延出させている。より詳細には、第１の電極２の面積を第３の電極の面積よりも大きく設計し、第２の電極４が第１の電極２の外縁よりも内部に配置されるようにしている。図２において、第１の集電体１及び固体電解質層３が位相差部に含まれている理由は、第１の電極２の形状と整合を取るためである。

ここで、位相差部６において、第２の電極４よりも延出している部分を延出部分と呼ぶ。延出部分の延出方向の長さＸ（図２参照）は、例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲である。ただし、積層電極体１０において、最も長い延出部分の延出方向の長さは１ｍｍ～１０ｍｍの範囲であることが好ましく、２ｍｍ～５ｍｍの範囲であることがより好ましい。最も短い延出部分の延出方向の長さは０．１ｍｍ～２ｍｍの範囲であることが好ましく、０．５～１ｍｍであることがより好ましい。

次に各電極体１０間を比較する。隣接する電極体１０において、一方の位相差部６と他方の位相差部６との間には隙間が存在し、かつ、一方の位相差部６と他方の位相差部６とは第２の電極よりも延出している部分（延出部分）の延出方向の長さが異なっている。各電極体１０において、第２の電極４の大きさは同等であることが好ましい。

各電極体１０はそれぞれ位相差部６を有するため、それらの位相差部６の間には隙間が存在することとなる。また、積層電極体１００では、隣接する電極体１０間において、位相差部６の延出部分の長さを異なるようにしている。すなわち、隣接する位相差部６は階段状になっている。

このように隣接する位相差部６は階段状になっているため、積層電極体１００の側面への樹脂塗布が容易になっている。例えば、斜めに圧をかけずに側面に樹脂を塗布可能な形状となっている。また、積層電極体１００は、加圧又は減圧して樹脂を塗布する必要がないため、電極反応面に樹脂が漏れることが抑制され、また、樹脂を側面に塗布する際に電極がずれることが抑制される。さらに、積層電極体の側面に容易に樹脂塗布が可能になることにより、樹脂固定後の電極側面からの粉落ちによる短絡リスクも抑制される。

隣接する位相差部６の延出部分の延出方向の長さＸの差は、例えば、０．０１ｍｍ～１ｍｍの範囲である。好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍの範囲である。位相差部６間の隙間の大きさは電極体１０の構成によって決定されるものである。

次に電極積層体１００全体の形状について説明する。図２では位相差部６の延出部分の延出方向の長さが、積層方向の一方から他方に向かって、段階的に増加又は減少している電極積層体１００の例を示している。また、図３は、位相差部６の延出部分の延出方向の長さが、中央から積層方向の外側に向かって、段階的に増加又は減少している積層電極体１００’の例を示している。しかし、電極積層体１００の形状はこれらの例に限定されず、隣接する位相差部６の延出部分の延出方向の長さが異なっていればよい。

なお、積層電極体１００は隣接する位相差部６の延出部分の長さが異なっているため、電池を所定の容器に収容する際に位置決め性が悪いように考えられるが、外形形状は後述の樹脂塗布によりコントロール可能である。そのため、積層電極体１００の位置決め性は改善可能である。例えば、外形形状を四角くなるように樹脂を塗布することにより位置決め性が向上する（図４参照）。

以下、電極体１０を構成する各要素について説明する。

＜第１の集電体１、第２の集電体５＞
第１の集電体１、第２の集電体５は一方が正極集電体であり、他方が負極集電体である。ここで、電極体１０において、これらの集電体は１枚で１層を形成してもよく、複数枚重なって１層を形成してもよい。また、一の電極体１０と他の電極体１０との間で１層の集電体を共有してもよい。

正極集電体としては、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属箔を用いることができる。また、正極集電体の表面にはカーボンコート層が配置されていてもよい。カーボンコート層の厚みは例えば１μｍ～２０μｍの範囲である。カーボンコート層の材料はカーボンとバインダから構成される。

負極集電体としては、ＳＵＳ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ等の金属箔を用いることができる。

＜第１の電極２、第２の電極４＞
第１の電極２、第２の電極４は一方が正極であり、他方が負極である。具体的には、第１の集電体１が負極集電体である場合は第１の電極２は負極であり、第１の集電体１が正極集電体である場合は第１の電極２は正極である。同様に、第２の集電体５が負極集電体である場合は第２の電極４は負極であり、第２の集電体５が正極集電体である場合は第２の電極４は正極である。Ｌｉ析出による短絡防止の観点から、好ましくは第１の電極２が負極であり、第２の電極４が正極である。

正極は少なくとも正極活物質を含む。正極活物質としてはリチウムイオン全固体電池に用いることができる公知の正極活物質を挙げることができる。例えばコバルト酸リチウム等である。

正極は固体電解質を含有してもよい、固体電解質としては、公知の固体電解質を用いることができる。例えば、酸化物固体電解質や硫化物固体電解質である。好ましくは硫化物固体電解質である。硫化物固体電解質としては、Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５等を挙げることができる。Ｌｉ_２Ｓ－Ｐ_２Ｓ_５におけるＬｉ_２ＳとＰ_２Ｓ_５との割合は、例えばＬｉ_２Ｓ：Ｐ_２Ｓ_５＝５０：５０～１００：０の範囲である。好ましくは５０：５０～９０：１０である。正極はバインダを含有してもよい。バインダとしては、公知のバインダを用いることができる。例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素含有樹脂である。正極は導電材を含有してもよい。導電材としては、公知の導電材を用いることができる。たとえば、アセチレンブラックや気相法炭素繊維（ＶＧＣＦ）等である。

正極の厚みは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１０００μｍの範囲である。正極における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。

負極は少なくとも負極活物質を含む。負極活物質としては、リチウムイオン全固体電池に用いることができる公知の負極活物質を挙げることができる。例えば、グラファイト等の公知のカーボン材料である。

負極は固体電解質を含有してもよい。固体電解質としては、公知の固体電解質を挙げることができる。例えば、上述した正極に用いることができる固体電解質である。負極はバインダを含有してもよい。バインダとしては、公知のバインダを挙げることができる。例えば、上述した正極に用いることができるバインダである。負極は導電材を含有してもよい。導電材としては、公知の導電材を挙げることができる。例えば、上述した正極に用いることができる導電材である。

負極の厚みは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１０００μｍの範囲である。負極における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。

＜固体電解質層３＞
固体電解質層３は固体電解質を含む。固体電解質としては、リチウムイオン全固体電池に用いることができる公知の固体電解質を挙げることができる。例えば、上述した正極に用いることができる固体電解質である。

固体電解質層３はバインダを含有してもよい。バインダとしては公知のバインダを挙げることができる。例えば、上述した正極に用いることができるバインダやブタジエンゴム等である。

固体電解質層３の厚みは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１０００μｍの範囲である。好ましくは０．１μｍ～３００μｍの範囲である。固体電解質層３における各成分の含有量は従来と同様とすればよい。

［樹脂固体積層電極体］
本開示の樹脂固定積層電極体は上記の積層電極体の側面を樹脂で固定してなるものである。図４に樹脂固定積層電極体のである樹脂固定積層電極体２００、２００’を示した。図４の１１０は樹脂を示している。このように、積層電極体の側面を樹脂で固定する理由は、積層ずれの抑制及び電極端面から粉落ちによる異物短絡抑制のためである。

樹脂で固定される側面は、積層電極体のいずれの側面であってもよいが、少なくとも位相差部を有する側面を含むことが好ましい。また、すべての側面を樹脂で固定してもよい。なお、位相差部間の隙間には樹脂を充填しなくてもよい。積層電極体の側面のみ樹脂で固定すれば十分だからである。

樹脂固定積層電極体に用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂のいずれを用いてもよい。好ましくは光硬化性樹脂である。

［全固体電池］
本開示の全固体電池は上記の積層電極体又は樹脂固体積層電極体を有するものである。好ましくは本開示の全固体電池は樹脂固体積層電極体を有するものである。本開示の全固体電池は、積層電極体又は樹脂固体積層電極体を収容するための容器やその他の必要な端子等を有していてもよい。

［積層電極体、樹脂固定積層電極体、及び全固体電池の製造方法］
本開示の積層電極体、樹脂固定積層電極体、及び全固体電池の製造方法について説明する。以下、これらの包括的な製造方法として、全固体電池の製造方法について説明する。全固体電池の製造方法は準備工程、積層工程、裁断工程、電極体積層工程、樹脂固定工程、及び収容工程を備えている。

＜準備工程＞
準備工程では、正極、固体電解質層、負極をそれぞれ準備する。これらの作製方法は特に限定されず公知の方法により行うことができる。例えば、正極を作製する場合、正極を構成する材料を溶媒と共に混合してスラリーとする。次に、当該スラリーを基材又は正極集電体に塗布し、乾燥することにより得ることができる。固体電解質層、負極も同様の方法により作製することができる。

＜積層工程＞
積層工程は、正極集電体、正極、固体電解質層、負極、負極集電体を積層する工程である。積層工程では、例えば、負極集電体の両面に負極、固体電解質層、正極、及び正極集電体をこの順でそれぞれを積層する。これは、上述した電極体において、第１の集電体を負極集電体、第１の電極を負極、第２の集電体を正極集電体、第２の電極を正極とした場合の積層順序である。ただし、積層順序はこれに限定されず、正極集電体の両面に正極、固体電解質層、負極、及び負極集電体をこの順でそれぞれ積層してもよい。これは、上述した電極体において、第１の集電体を正極集電体、第１の電極を正極、第２の集電体を負極集電体、第２の電極を負極とした場合の積層順序である。各要素の積層は公知の方法により行うことができる。

また、積層工程では、各電極要素を積層後、各層の接着性を高めるために積層体をプレス等してもよい。プレス圧は例えば６００ＭＰａ程度である。

＜裁断工程＞
裁断工程は、積層工程により作製された積層体の位相差部を裁断する工程である。隣接する電極体の位相差部の延出部分の延出方向の長さを異ならせるためである。例えば、図４のように、位相差部が積層方向の一方から他方に向かって階段状となるように、積層体の位相差部を裁断する。ただし、積層電極体において、延出部分の長さが最も長い位相差部については、裁断工程において裁断を行わなくてもよい。裁断工程により積層電極体を構成する各電極体が作製される。裁断工程は、例えば公知のレーザー裁断装置を用いることが好ましい。レーザー裁断は、電極のひび割れを抑制し良好な裁断を行うことができるからである。

ここで、裁断工程において、位相差部を切断する理由は、そのほかの部分を裁断するとエネルギー密度が低下する虞があるからである。すなわち、裁断工程において、位相差部を切断して、隣接する位相差部の延出部分の延出方向の長さを異ならせることにより、エネルギー密度の低下を抑制することができると言える。

＜電極体積層工程＞
電極体積層工程は、作製された各電極体を積層する工程である。電極体積層工程により、積層電極体が作製される。各電極体を積層する方法は特に限定されないが、例えば次のように行うことができる。まず、各電極体の積層方向外側に配置されている集電体（第２の集電体）に接着剤を塗布し、各電極体を積層する。そして、接着性を高めるためにプレス等を行う。この際、積層電極体を加熱してプレスしてもよい。例えば、プレス圧１ＭＰａ、温度１４０℃程度である。

ここで、電極体を積層する際に、各電極体が位置ずれを起こしていないかを検査する。検査方法は、積層方向の上面から正極中心を算出し、その中心を基準として位置ずれを検査する。検査方法は例えば、公知の画像検査等により行うことができる。

＜樹脂固定工程＞
樹脂固定工程は、作製された積層電極体の側面を樹脂で固定する工程である。樹脂固定工程により、樹脂固定積層電極体が作製される。図６に樹脂固定工程の様子を示した。

まず、図６（Ａ）のように、電極積層体の厚み変動に追従するように、型を電極積層体に固定する。この際、電極間の隙間が最小となり、かつ、電極にダメージを与えない範囲で加圧する。なお、型の強度が電極強度よりも弱い場合には、型が変形しない圧力が上限となる。型の材料は、離形性の良い材質であればよい。例えば、フッ素樹脂等である。次に図６（Ｂ）のように、電極積層体の側面であって、型と電極積層体とで囲まれる空間に樹脂を充填する。そして、図６（Ｃ）のように、型からはみ出た余剰分の樹脂をスクレーパ等で掻き取り、樹脂を硬化させる。熱硬化性樹脂を用いた場合は加熱する。光硬化性樹脂を用いた場合はＵＶを照射する。最後に図６（Ｄ）のように、型を取り外す。

＜収容工程＞
収容工程は、作製した積層電極体又は樹脂固定積層電極体を所定の容器に収容する工程である。収容工程により全固体電池を作製することができる。なお、収容工程において、積層電極体又は樹脂固定積層電極体に必要な端子等を接続してもよい。

以上より、本開示の積層電極体、樹脂固定積層電極体、全固体電池及びこれらの製造方法について説明した。本開示によれば、側面への樹脂塗布が容易な積層電極体、並びに、その積層体を用いた樹脂固定積層電極体及び全固体電池を提供することができる。

１第１の集電体
２第１の電極
３固体電解質層
４第２の電極
５第２の集電体
６位相差部
１０電極体
１００、１００’ 積層電極体
１１０樹脂
２００、２００’ 樹脂固定積層電極体

Claims

第１の集電体の両面に第１の電極、固体電解質層、第２の電極、及び第２の集電体をこの順でそれぞれ配置した電極体を複数積層した全固体電池用の積層電極体であって、
前記電極体は前記第１の電極を含む位相差部を有し、
前記位相差部は前記第２の電極よりも側面から延出しており、
隣接する前記電極体において、一方の前記位相差部と他方の前記位相差部とは前記第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さが異なっている、積層電極体。
前記位相差部の前記第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さが、積層方向の一方から他方に向かって、段階的に増加又は減少している、請求項１に記載の積層電極体。
前記位相差部の前記第２の電極よりも延出している部分の延出方向の長さが、前記積層電極体の中央から積層方向の外側に向かって、段階的に増加又は減少している、請求項１に記載の積層電極体。
請求項１～３のいずれか１項に記載の積層電極体の側面を樹脂で固定してなる樹脂固定積層電極体。
請求項４に記載の樹脂固定積層電極体を有する全固体電池。