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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】電極封入体及び蓄電デバイス
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/052 20100101AFI20221109BHJP
   H01M 10/0562 20100101ALI20221109BHJP
   H01M 10/0565 20100101ALI20221109BHJP
   H01M 10/0585 20100101ALI20221109BHJP
   H01M 50/103 20210101ALI20221109BHJP
【FI】
H01M10/052
H01M10/0562
H01M10/0565
H01M10/0585
H01M50/103
【請求項の数】 9
(21)【出願番号】P 2018235136
(22)【出願日】2018-12-17
(65)【公開番号】P2020098669
(43)【公開日】2020-06-25
【審査請求日】2021-06-25
(73)【特許権者】
【識別番号】000000158
【氏名又は名称】イビデン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中島 健作
(72)【発明者】
【氏名】今野 真
【審査官】渡部 朋也
(56)【参考文献】
【文献】特開2011-222128(JP,A)
【文献】特開2011-238504(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 10/052
H01M 10/0562
H01M 10/0565
H01M 10/0585
H01M 50/10
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の縁部を含む周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されており、
前記第二壁部と前記電極積層体の端面との間にはクリアランスが設けられており、前記クリアランスは前記電極封入体の長さの0.3~5.0%である、
ことを特徴とする電極封入体。
【請求項2】
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の縁部を含む周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されており、
前記積層方向に対向する前記第一壁部の周辺部の内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の前記電極積層体の周辺部の厚みよりも小さい、
ことを特徴とする電極封入体。
【請求項3】
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の縁部を含む周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されており、
前記第二壁部と前記電極積層体の端面との間にはクリアランスが設けられており、前記クリアランスは前記電極封入体の長さの0.3~5.0%であり、
前記積層方向に対向する前記第一壁部の周辺部の内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の前記電極積層体の周辺部の厚みよりも小さい、
ことを特徴とする電極封入体。
【請求項4】
前記固体電解質は、高分子を含有する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の電極封入体。
【請求項5】
前記電極積層体は複数積層されている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の電極封入体。
【請求項6】
前記容器は、角型である、
請求項1からのいずれか1項に記載の電極封入体。
【請求項7】
前記第一壁部の周辺部と前記電極積層体の周辺部との間には、前記電極積層体の周辺部を積層方向に押圧する弾性部材が配置されている、
請求項1から6のいずれか1項に記載の電極封入体。
【請求項8】
前記第一壁部の周辺部はその外面側から前記積層方向に押圧されている、
請求項1から7のいずれか1項に記載の電極封入体。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか1項に記載の電極封入体から作製された蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電極封入体及び蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスは、ハイブリッド自動車や携帯端末の電源として使用されている。また、固体電解質を使用する蓄電デバイスは、電解液を使用しないため液漏れ等のおそれがなく、安全性が高いことが知られている。このような蓄電デバイスは、主として、電極積層体と、電極積層体を収容する外装部材(容器)とを備えている(例えば特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2013-062174号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、蓄電デバイスを製造する際には、電極積層体を外装部材内に収容した後、外装部材内を減圧して密閉する方法が用いられることがある。外装部材の壁部は適度な剛性を有しているため、外装部材内を減圧した場合、外装部材は外圧によって均一に撓まず、外装部材の壁部が電極積層体に及ぼす応力に偏りが生じる。特に、壁部の中央部は撓みやすく、一方、壁部の周辺部は撓みにくいため、壁部の中央部から電極積層体の中央部へは応力が伝播されやすいのに対し、壁部の周辺部から電極積層体の周辺部へは応力が伝播されにくい。その結果、電極積層体の中央部に比べて周辺部に掛かる圧縮応力は小さくなり、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一にならず、特に電解液を持たない蓄電デバイスの性能が安定しないという問題がある。
【0005】
本発明は、安定した性能を有する蓄電デバイスを作製するための電極封入体、及び、当該電極封入体から作製された蓄電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、
正極と、負極と、固体電解質とを含む電極積層体と、前記電極積層体を収容する容器と、を備える電極封入体であって、
前記容器は、前記電極積層体の積層方向における最外面とそれぞれ対向する一対の第一壁部と、前記電極積層体の端面と対向する第二壁部と、を備え、
前記電極積層体の周辺部には前記電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力が前記電極積層体の積層方向に印加されている、
ことを特徴とする。
【0007】
前記の通り、容器に対して容器外から応力が印加されたとき、電極積層体の中央部は容器から応力が伝播されやすいのに対し、電極積層体の周辺部は容器から応力が伝播されにくい。そこで、容器に応力が印加される前に、あらかじめ電極積層体の周辺部に電極積層体の中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加しておくことで、容器に応力が印加されたときに、電極積層体の中央部に掛かる圧縮応力と周辺部に掛かる圧縮応力とを均一にすることができる。その結果、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一になり、蓄電デバイスの性能を安定化することができる。
【0008】
本発明の電極封入体において、前記固体電解質は高分子を含有することが好ましい。
【0009】
高分子は弾性を有しているため、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一になりやすい。
【0010】
本発明の電極封入体において、前記電極積層体は複数積層されていることが好ましい。
【0011】
電極積層体が複数積層されていることにより、高電圧が得られ大きな電力を取り出すことできる。
【0012】
本発明の電極封入体において、前記容器は角型であることが好ましい。
【0013】
容器が角型の場合には、第一壁部の中央部に比べて第一壁部の周辺部は特に撓みにくくなり、電極積層体の周辺部には応力が伝播されにくい。そのため、あらかじめ電極積層体の周辺部に中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加しておく方法は容器が角型の場合に特に有効である。
【0014】
本発明の電極封入体において、前記第二壁部と前記電極積層体の端面との間にはクリアランスが設けられており、前記クリアランスは前記電極封入体の長さの0.3~5.0%であることが好ましい。
【0015】
上記特徴により、電極積層体の端面はクリアランス分だけ中心寄りに位置することになる。これにより、応力が伝播されにくい電極積層体の周辺部の領域を小さくすることができる。よって、容器に応力が印加されたときに、電極積層体の中央部と周辺部との圧縮応力が均一になりやすい。
【0016】
本発明の電極封入体において、前記積層方向に対向する前記第一壁部の周辺部の内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の前記電極積層体の周辺部の厚みよりも小さいことが好ましい。
【0017】
本発明の電極封入体において、前記第一壁部の周辺部と前記電極積層体の周辺部との間には、前記電極積層体の周辺部を積層方向に押圧する弾性部材が配置されていることが好ましい。
【0018】
本発明の電極封入体において、前記第一壁部の周辺部はその外面側から前記積層方向に押圧されていることが好ましい。
【0019】
これらの特徴により、電極積層体の周辺部に中央部よりも大きな圧縮応力を積層方向に印加することができる。
【0020】
本発明は、上記いずれかの電極封入体から作製された蓄電デバイスにも関する。
【0021】
上記電極封入体を使用して蓄電デバイスを作製すれば、固体電解質と正極及び負極との間の界面抵抗が均一である蓄電デバイスを得ることができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明では、安定した性能を有する蓄電デバイスを作製するための電極封入体を提供できる。また、安定した性能を有する蓄電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】(a)電極封入体の斜視図、(b)(a)のIb-Ib線断面図である。
図2】(a)及び(b)は電極封入体の変形例を示す断面図である。
図3】電極封入体の変形例を示す断面図である。
図4】電極封入体の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本発明の電極封入体及び蓄電デバイスについて図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施形態は、本発明の好ましい一具体例を示すものである。本発明は、以下の実施形態に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。なお、図面の明確化のため、断面図におけるハッチングを省略することがある。
【0025】
<1 電極封入体>
図1(a)は電極封入体1の斜視図であり、図1(b)は図1(a)のIb-Ib線断面図である。電極封入体1は、電極積層体2と、容器3と、正極端子4と、負極端子5とを備えている。容器3(すなわち、電極封入体1)は、外観視で角型であり、具体的には薄型の直方体形状である。電極封入体1は後述する減圧工程を経て、蓄電デバイスに成形される。蓄電デバイスは、例えば全固体電池である。
【0026】
<1-1 電極積層体>
図1(b)を参照して電極積層体2について説明する。電極積層体2は、正極21と、負極22と、固体電解質23と、絶縁部材24とを含み、これらが積層された積層体から成る。電極積層体2は矩形状であり、全体にわたって略均一な厚みを有する。
【0027】
正極21は、正極集電体211と、正極活物質層212と、から構成されている。正極活物質層212は、正極集電体211の負極22側に配置されている。正極集電体211には、正極端子4が接続されている。正極集電体211は、例えばアルミニウム又はニッケルから作製することができる。正極活物質層212を構成する正極活物質には、例えばコバルト酸リチウムを使用することができる。
【0028】
負極22は、負極集電体221と、負極活物質層222と、から構成されている。負極活物質層222は、負極集電体221の正極21側に配置されている。負極集電体221には、負極端子5が接続されている。負極集電体221は、例えば銅又はニッケルから作製することができる。負極活物質層222を構成する負極活物質には、例えば黒鉛などの炭素材料を使用することができる。
【0029】
固体電解質23は正極21と負極22との間に配置され、イオン伝導性を有すると共に、電気的な絶縁性を有している。固体電解質23は、高分子系固体電解質又は無機系固体電解質のいずれであってもよい。例えば、高分子系固体電解質であれば、ポリエチレンオキシドなどのポリアルキレンオキシド、無機系固体電解質であれば、イットリア安定化ジルコニアなどの酸化物系固体電解質やLiS-Pなどの硫化物系固体電解質などを使用することができる。
【0030】
絶縁部材24は、正極集電体211と容器3との間、及び、負極集電体221と容器3との間に配置され、正極集電体211及び負極集電体221が容器3と直接接触することを防止している。絶縁部材24には、例えば高分子フィルムなどを使用することができる。2つの絶縁部材24は、電極積層体2の積層方向Xにおける最外面をそれぞれ構成している。なお、絶縁部材24は、絶縁部材24を除いた電極積層体2の積層方向Xにおける最外面が容器3と接触しても短絡が生じなければ、不要である。
【0031】
以下では、積層方向Xと直交する方向(すなわち、面方向)における電極積層体2の最外面を「端面」と表記する。また、電極積層体2のうち、面方向における中央部分を「中央部2a」と表記し、面方向において中央部2aよりも外側で且つ端面に近接する部分を「周辺部2b」と表記する。
【0032】
<1-2 容器>
主に図1(b)を参照して容器3について説明する。容器3は、2つの第一壁部31と、4つの第二壁部32と、を備える。容器3は例えばアルミニウムやステンレス鋼などの金属製の薄板から成り、電極積層体2を保護するのに適した弾性及び剛性を有する。2つの第一壁部31は積層方向Xに間隔をあけて互いに対向しており、各第一壁部31はそれぞれ電極積層体2の絶縁部材24と対向している。4つの第二壁部32は、電極積層体2の端面とクリアランスをあけて対向している。第二壁部32と電極積層体2の端面との間のクリアランスは、電極封入体1の長さに対して0.3~5.0%であることが好ましい。第二壁部32には、容器3内の気体を吸引装置によって吸引するための開口部(不図示)が形成されている。
【0033】
各第一壁部31は、中央部31aと、周辺部31bとから構成されている。中央部31aは、面方向における第一壁部31の中央部分である。周辺部31bは、第一壁部31のうち、面方向において中央部31aの外側に存在し、且つ、第二壁部32に近接する部分である。第一壁部31の中央部31aは電極積層体2の中央部2aと対向し、第一壁部31の周辺部31bは電極積層体2の周辺部2bと対向している。
【0034】
積層方向Xに対向する2つの周辺部31bは、第二壁部32に近づくにしたがい、周辺部31bの内面間の間隔が次第に小さくなるよう直線的に傾斜している。そして、第一壁部31の周辺部31bは電極積層体2の周辺部2bを積層方向Xに圧縮している。つまり、積層方向Xに対向する周辺部31bの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体2の周辺部2bの厚みよりも小さくなっている。この傾斜した周辺部31bは、電極積層体2を容器3内に収容した後、周辺部31bをその外面側から積層方向Xに押圧して塑性変形させることによって形成することができる。
【0035】
2つの中央部31aの内面はそれぞれ電極積層体2の中央部2aと接触している。2つの中央部31aの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体2の中央部2aの厚みと略同じであり、且つ、周辺部31bの内面間の間隔よりも大きくなっている。
【0036】
したがって、電極積層体2の周辺部2bが第一壁部31の周辺部31bから積層方向Xに受ける圧縮応力は、電極積層体2の中央部2aが第一壁部31の中央部31aから積層方向Xに受ける圧縮応力よりも大きくなっている。このように、電極封入体1において、電極積層体2の周辺部2bには、中央部2aよりも大きな圧縮応力が積層方向Xに印加されている。
【0037】
<2 蓄電デバイス及びその製造方法>
蓄電デバイスは、電極封入体1の容器3内を減圧した後、容器3を密閉することで製造できる。容器3内の圧力はポンプなどの吸引装置によって容器3外の圧力よりも低い圧力に減圧される。減圧工程が大気圧下で行われる場合には、容器3内の圧力は大気圧よりも低くなるよう減圧される。容器3内が減圧されると、容器3外に存在する気体によって容器3が加圧されるため、電極積層体2は第一壁部31によって積層方向Xに押圧される。
【0038】
<3 特徴>
本発明の電極封入体1では、容器3内を減圧する前の状態において、電極積層体2の周辺部2bには、電極積層体2の中央部2aよりも大きな圧縮応力が積層方向Xに印加されている。通常、容器3が容器3外から加圧された場合、第一壁部31の中央部31aは周辺部31bに比べて撓みやすい。そのため、第一壁部31の中央部31aから電極積層体2の中央部2aへは応力が伝播されやすいのに対し、第一壁部31の周辺部31bから電極積層体2の周辺部2bへは応力が伝播されにくい。これにより、作製された蓄電デバイスにおいて、電極積層体2の中央部2aに掛かる圧縮応力に比べ周辺部2bに掛かる圧縮応力は小さくなり、中央部2aと周辺部2bとの間に応力差が生じてしまうことになる。そこで、本発明のように、電極封入体1の段階であらかじめ電極積層体2の周辺部2bに掛かる圧縮応力を中央部2aに掛かる圧縮応力よりも大きくしておくことで、電極封入体1の容器3が容器3外から加圧されたときに、電極積層体2の積層方向Xに掛かる圧縮応力を、中央部2aと周辺部2bとに亘ってより均一にすることができる。その結果、電極積層体2の中央部2aと周辺部2bとの界面抵抗がより均一で、性能が安定した蓄電デバイスを得ることができる。
【0039】
容器3が角型の場合、第一壁部31の周辺部31bは特に撓みにくくなるため、電極積層体2の周辺部2bには一層応力が伝播しにくい。そのため、本発明の電極封入体1のように、あらかじめ電極積層体2の周辺部2bに中央部2aよりも大きな圧縮応力を印加しておく方法は、角型の容器3を使用して蓄電デバイスを作製する場合に特に有効である。
【0040】
容器3の第二壁部32と電極積層体2の端面との間にクリアランスを設けることで、電極積層体2の端面が第一壁部31の中央部31a寄りに位置するようになる。これにより、応力が伝播されにくい電極積層体2の周辺部2bの領域は小さくなる。その結果、作製された蓄電デバイスでは、電極積層体2の中央部2aと周辺部2bとで界面抵抗が均一となって活物質の利用効率が高くなり、性能が安定する。
【0041】
<4 変形例>
以下では、電極封入体1及び蓄電デバイスの変形例について説明する。上記実施形態との相違点を中心に説明し、上記で既に説明した構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、以下で説明する変形例は本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わせ可能である。
【0042】
(1)容器3の形状は角型に限定されず、円形又はその他の形状であってもよい。
【0043】
(2)上記の実施形態では、電極積層体2が1つのみの場合について説明したが、電極積層体2は複数積層されていてもよい。これにより、高電圧が得られより大きな電力を出力することができる。
【0044】
(3)図2(a)に示すように、第一壁部31の周辺部31bは、第二壁部32に近づくにしたがい、電極積層体2に向けて内側に凹みながら曲線状に変形するよう構成されていてもよい。この実施形態でも、積層方向Xに対向する2つの周辺部31bの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体2の周辺部2bの厚みよりも小さくなっている。そして、第一壁部31の周辺部31bは電極積層体2の周辺部2bを積層方向Xに押圧している。これにより、電極積層体2の周辺部2bには中央部2aよりも大きな圧縮応力が積層方向Xに印加されている。
【0045】
(4)図2(b)に示すように、第一壁部31の周辺部31bを溝状に電極積層体2に向けて凹ませ、周辺部31bが電極積層体2に向けて突出するようにしてもよい。この実施形態でも、積層方向Xに対向する2つの周辺部31bの内面間の間隔は、圧縮応力が印加されていない状態の電極積層体2の周辺部2bの厚みよりも小さくなっている。そして、第一壁部31の周辺部31bは電極積層体2の周辺部2bを積層方向Xに押圧している。これにより、電極積層体2の周辺部2bには中央部2aよりも大きな圧縮応力が積層方向Xに印加されている。
【0046】
(5)図3に示すように、第一壁部31の周辺部31bと電極積層体2の周辺部2bとの間には弾性部材6が配置されていてもよい。弾性部材6は、第一壁部31の周辺部31b及び電極積層体2の周辺部2bに密着すると共に、第一壁部31の周辺部31bと電極積層体2の周辺部2bとによって積層方向Xに圧縮された状態となっている。したがって、電極積層体2の周辺部2bは弾性部材6によって積層方向Xに押圧されており、電極積層体2の周辺部2bには中央部2aよりも大きな圧縮応力が積層方向Xに印加されている。弾性部材6を介して電極積層体2の周辺部2bを押圧することで、電極積層体2の周辺部2bを均一かつ高応力で押圧することができる。なお、この実施形態において、第一壁部31の周辺部31bは、図1(b)、図2(a)及び図2(b)に示す実施形態のように、あらかじめ電極積層体2側に向けて傾斜するか又は凹むよう塑性変形されていなくてもよい。
【0047】
(6)図4に示すように、第一壁部31の周辺部31bはその外面側から押圧されて電極積層体2に向けて変形され、電極積層体2の周辺部2bを積層方向Xに押圧していてもよい。これにより、電極積層体2の周辺部2bに中央部2aよりも大きな圧縮応力を積層方向Xに印加した状態で容器3内を減圧することができる。なお、この実施形態でも、第一壁部31の周辺部31bは、図1(b)、図2(a)及び図2(b)に示す実施形態のように、あらかじめ電極積層体2側に向けて傾斜するか又は凹むよう塑性変形されていなくてもよい。
【0048】
第一壁部31の周辺部31bを押圧する方法としては、例えば、押圧具7によって積層方向Xに対向する2つの周辺部31bをその外面側から挟み込む方法が挙げられる。押圧具7は、例えば、一対の挟持部71と、接続部72と、弾性部材73と、を備える。弾性部材73は周辺部31bの外面上を覆っている。一対の挟持部71は弾性部材73を介して、周辺部31bの外面上に配置されている。接続部72は、一対の挟持部71を接続している。一対の挟持部71によって弾性部材73を介して第一壁部31の周辺部31bを積層方向Xに押圧することで、第一壁部31の周辺部31bを電極積層体2に向けて変形させ、電極積層体2の周辺部2bに積層方向Xに圧縮応力を印加することができる。
【符号の説明】
【0049】
1 電極封入体
2 電極積層体
2a 中央部
2b 周辺部
21 正極
22 負極
23 固体電解質
24 絶縁部材
3 容器
31 第一壁部
31a 中央部
31b 周辺部
32 第二壁部
6 弾性部材
7 押圧具
X 積層方向
図1
図2
図3
図4