特許 7603564 蓄電デバイス

(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】2024-12-12

(45)【発行日】2024-12-20

(54)【発明の名称】蓄電デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/0585 20100101AFI20241213BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALI20241213BHJP

   H01M 10/052 20100101ALI20241213BHJP

   H01G 11/06 20130101ALI20241213BHJP

   H01G 11/56 20130101ALI20241213BHJP

   H01G 11/82 20130101ALI20241213BHJP

【ＦＩ】

H01M10/0585

H01M10/0562

H01M10/052

H01G11/06

H01G11/56

H01G11/82

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021167011

(22)【出願日】2021-10-11

(65)【公開番号】P2023057462

(43)【公開日】2023-04-21

【審査請求日】2023-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】清水 航

【審査官】片山 真紀

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／１３８０４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０４８１０５７４（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３２９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１９９２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１５０１２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ４／００－４／６２，１０／００－１０／３９

Ｈ０１Ｇ１１／００－１１／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正極集電体の両面に正極合材層が形成されている正極板と、負極集電体の両面に負極合材層が形成されている負極板と、前記正極板と前記負極板との間に挟持されている固体電解質層と、が外装体内に設けられており、
前記正極板および前記固体電解質層と接触している第一の空間と、前記負極板および前記固体電解質層と接触している第二の空間と、を隔離するように、接合部材が前記外装体内にさらに設けられており、
前記第一の空間に第一の電解質組成物が配置されており、
前記第二の空間に第二の電解質組成物が配置されている、蓄電デバイス。

【請求項2】

前記第一の電解質組成物は、前記第二の電解質組成物とは異なる、請求項１に記載の蓄電デバイス。

【請求項3】

前記正極板および前記負極板の少なくとも一方と、前記固体電解質層と、を複数有し、
前記正極板が前記第二の空間と接触せず、前記負極板が前記第一の空間と接触しないように、隣接する前記固体電解質層が、前記接合部材を介して接合している、請求項１または２に記載の蓄電デバイス。

【請求項4】

正極集電体の一方の面に正極合材層が形成されており、他方の面に保持板が形成されている端部材が前記外装体内にさらに設けられており、
前記端部材と、前記端部材に隣接する前記負極板との間に、前記固体電解質層が挟持されており、
前記端部材を構成する前記正極集電体および前記正極合材層が前記第二の空間と接触しないように、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記負極板との間に挟持されている固体電解質層と、前記保持板と、が前記接合部材を介して接合しており、
前記保持板と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合している、請求項３に記載の蓄電デバイス。

【請求項5】

負極集電体の一方の面に負極合材層が形成されており、他方の面に保持板が形成されている端部材が前記外装体内にさらに設けられており、
前記端部材と、前記端部材に隣接する前記正極板との間に、前記固体電解質層が挟持されており、
前記端部材を構成する前記負極集電体および前記負極合材層が前記第一の空間と接触しないように、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記正極板との間に挟持されている固体電解質層と、前記保持板と、が前記接合部材を介して接合しており、
前記保持板と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合している、請求項３に記載の蓄電デバイス。

【請求項6】

前記固体電解質層の前記第一の空間および前記第二の空間と接触していない領域の少なくとも一部と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合している、請求項３から５のいずれか一項に記載の蓄電デバイス。

【請求項7】

前記固体電解質層の前記正極板と前記負極板との間に挟持されていない領域に、前記接合部材が設けられている、請求項３から６のいずれか一項に記載の蓄電デバイス。

【請求項8】

前記正極板、前記負極板および前記固体電解質層は、平面視略矩形であり、
隣接する前記固体電解質層の前記第一の空間および前記第二の空間と接触している側の辺以外の二辺の少なくとも一部で、前記接合部材が設けられている領域が重なる、請求項７に記載の蓄電デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

気候関連災害の観点から、ＣＯ_２の排出量を削減することが求められているため、二次電池が搭載されている電気自動車への関心が高まっている。

【0003】

特許文献１には、第１空間および第２空間を互いに離隔させると共に、第１空間と第２空間との間において金属イオンを透過させる隔壁と、第１空間の内部に配置されると共に、金属イオンを吸蔵および放出する負極と、第２空間の内部に配置されると共に、金属イオンを吸蔵および放出する正極と、を備えた、二次電池が記載されている。ここで、第１空間の内部には、金属イオンを含む第１水系電解液が収容されており、第２空間の内部には、金属イオンを含むと共に、第１水系電解液のｐＨよりも小さいｐＨを有する第２水系電解液が収容されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０２０／２１８４５６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、負極が配置される第１空間および正極が配置される第２空間に、それぞれ第１水系電解液および第２水系電解液を収容する構造が複雑であるため、二次電池の製造に要する時間が長くなる。また、二次電池の製造過程で、第１水系電解液および第２水系電解液のいずれかが、他方の電解液に混入する可能性が高くなり、歩留まりが低下する。さらに、二次電池の充放電時の熱サイクル等により、隔壁が剥離して、第１空間および第２空間のいずれかに含まれる成分が他方の空間に混入する可能性が高くなり、耐久性が低下する。

【0006】

本発明は、製造に要する時間が短くなり、歩留まりおよび耐久性を向上させることが可能な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】

【0007】

本発明の一態様は、蓄電デバイスにおいて、正極集電体の両面に正極合材層が形成されている正極板と、負極集電体の両面に負極合材層が形成されている負極板と、前記正極板と前記負極板との間に挟持されている固体電解質層と、が外装体内に設けられており、前記正極板および前記固体電解質層と接触している第一の空間と、前記負極板および前記固体電解質層と接触している第二の空間と、を隔離するように、接合部材が前記外装体内にさらに設けられており、前記第一の空間に第一の電解質組成物が配置されており、前記第二の空間に第二の電解質組成物が配置されている。

【0008】

前記第一の電解質組成物は、前記第二の電解質組成物とは異なってもよい。

【0009】

上記の蓄電デバイスは、前記正極板および前記負極板の少なくとも一方と、前記固体電解質層と、を複数有し、前記正極板が前記第二の空間と接触せず、前記負極板が前記第一の空間と接触しないように、隣接する前記固体電解質層が、前記接合部材を介して接合していてもよい。

【0010】

上記の蓄電デバイスは、正極集電体の一方の面に正極合材層が形成されており、他方の面に保持板が形成されている端部材が前記外装体内にさらに設けられており、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記負極板との間に、前記固体電解質層が挟持されており、前記端部材を構成する前記正極集電体および前記正極合材層が前記第二の空間と接触しないように、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記負極板との間に挟持されている固体電解質層と、前記保持板と、が前記接合部材を介して接合しており、前記保持板と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合していてもよい。

【0011】

上記の蓄電デバイスは、負極集電体の一方の面に負極合材層が形成されており、他方の面に保持板が形成されている端部材が前記外装体内にさらに設けられており、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記正極板との間に、前記固体電解質層が挟持されており、前記端部材を構成する前記負極集電体および前記負極合材層が前記第一の空間と接触しないように、前記端部材と、前記端部材に隣接する前記正極板との間に挟持されている固体電解質層と、前記保持板と、が前記接合部材を介して接合しており、前記保持板と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合していてもよい。

【0012】

上記の蓄電デバイスは、前記固体電解質層の前記第一の空間および前記第二の空間と接触していない領域の少なくとも一部と、前記外装体と、が前記接合部材を介して接合していてもよい。

【0013】

上記の蓄電デバイスは、前記固体電解質層の前記正極板と前記負極板との間に挟持されていない領域に、前記接合部材が設けられていてもよい。

【0014】

上記の蓄電デバイスは、前記正極板、前記負極板および前記固体電解質層は、平面視略矩形であり、隣接する前記固体電解質層の前記第一の空間および前記第二の空間と接触している側の辺以外の二辺の少なくとも一部で、前記接合部材が設けられている領域が重なってもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、製造に要する時間が短くなり、歩留まりおよび耐久性を向上させることが可能な蓄電デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本実施形態の蓄電デバイスの一例を示す断面図である。

【図2】図１の蓄電デバイスのＺ－Ｚ’方向の断面図である。

【図3】図１の蓄電デバイスの製造方法の一例を示す図である。

【図4】図１の蓄電デバイスの変形例で用いる固体電解質層を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0018】

図１に、本実施形態の蓄電デバイスの一例を示す。

【0019】

蓄電デバイス１０は、正極集電体１１ａの両面に正極合材層１１ｂが形成されている正極板１１と、負極集電体１２ａの両面に負極合材層１２ｂが形成されている負極板１２と、正極板１１と負極板１２との間に挟持されている固体電解質層１３と、が外装体１４内に設けられている。また、蓄電デバイス１０は、正極板１１および固体電解質層１３と接触している第一の空間１５Ａと、負極板１２および固体電解質層１３と接触している第二の空間１５Ｂと、を隔離するように、外装体１４内に接合部材１６がさらに設けられている。このとき、正極板１１は、正極集電体１１ａから、第一の空間１５Ａの側に、正極タブリード１１ｃが延在しており、負極板１２は、負極集電体１２ａから、第二の空間１５Ｂの側に、負極タブリード１２ｃが延在している。さらに、蓄電デバイス１０は、第一の電解質組成物としての、第一の電解液が第一の空間１５Ａに充填されており、第二の電解質組成物としての、第二の電解液が第二の空間１５Ｂに充填されている。このため、蓄電デバイス１０の製造に要する時間が短くなる。また、蓄電デバイス１０の製造過程で、第一の電解液および第二の電解液のいずれかが、他方の電解液に混入する可能性が低くなり、歩留まりが向上する。さらに、蓄電デバイス１０の充放電時の熱サイクル等により、接合部材１６が剥離して、第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂのいずれかに含まれる成分が他方の空間に混入する可能性が低くなり、耐久性が向上する。

【0020】

外装体１４としては、特に限定されないが、例えば、ラミネートフィルム等が挙げられる。

【0021】

ラミネートフィルムを構成する材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等が挙げられる。

【0022】

外装体１４の厚さは、特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上５００μｍ以下である。

【0023】

接合部材１６を構成する材料としては、第一の空間１５Ａと、第二の空間１５Ｂと、を隔離するように、対応する部材を接合することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

【0024】

蓄電デバイス１０は、負極集電体１７ａの一方の面に負極合材層１７ｂが形成されており、他方の面に保持板１７ｃが形成されている端部材１７が外装体１４内にさらに設けられており、端部材１７と、端部材１７に隣接する正極板１１との間に、固体電解質層１３が挟持されている。このとき、端部材１７は、負極集電体１７ａから、第二の空間１５Ｂの側に、負極タブリード１７ｄが延在している。また、蓄電デバイス１０は、負極集電体１７ａおよび負極合材層１７ｂが第一の空間１５Ａと接触しないように、端部材１７と、端部材１７に隣接する正極板１１との間に挟持されている固体電解質層１３と、保持板１７ｃと、が接合部材１６を介して接合している。さらに、蓄電デバイス１０は、保持板１７ｃと、外装体１４と、が接合部材１６を介して接合している。

【0025】

ここで、負極集電体１７ａおよび負極合材層１７ｂは、それぞれ負極集電体１２ａおよび負極合材層１２ｂと同一であってもよいし、異なっていてもよい。

【0026】

保持板１７ｃを構成する材料としては、蓄電デバイス１０の上面および下面を保持することが可能であり、且つ、第一の電解液および第二の電解液に対して、化学的に安定な材料であれば、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。

【0027】

保持板１７ｃの厚さは、特に限定されないが、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

【0028】

なお、端部材１７の代わりに、正極集電体の一方の面に正極合材層が形成されており、他方の面に保持板が形成されている端部材を用いてもよい。この場合、端部材と、端部材に隣接する負極板１２との間に、固体電解質層１３が挟持されており、端部材を構成する正極集電体および正極合材層が第二の空間１５Ｂと接触しないように、端部材と、端部材に隣接する負極板１２との間に挟持されている固体電解質層１３と、保持板と、が接合部材１６を介して接合している。

【0029】

蓄電デバイス１０は、正極板１１が第二の空間１５Ｂと接触せず、負極板１２が第一の空間１５Ａと接触しないように、隣接する固体電解質層１３が、接合部材１６を介して接合している。このため、蓄電デバイス１０の耐振動性および体積エネルギー密度が向上する。

【0030】

蓄電デバイス１０は、図２に示すように、固体電解質層１３の第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂと接触していない領域と、外装体１４と、が接合部材１６を介して接合している。

【0031】

蓄電デバイス１０は、例えば、図３に示すように、平面視略矩形の固体電解質層１３、正極板１１、固体電解質層１３、負極板１２等を積層して得られる極群の外周と、外装体１４と、を、接合部材１６を介して、溶着接合した後、第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂに、それぞれ第一の電解液および第二の電解液を充填することにより、製造することができる。このとき、固体電解質層１３の正極板１１と負極板１２との間に挟持されない領域に、接合部材１６が設けられている。具体的には、正極板１１が積層される固体電解質層１３は、正極タブリード１１ｃが延在している側、すなわち、第一の空間１５Ａと接触する側の辺以外の三辺の正極板１１が積層される側に、接合部材１６が設けられている。また、負極板１２が積層される固体電解質層１３は、負極タブリード１２ｃが延在している側、すなわち、第二の空間１５Ｂと接触する側の辺以外の三辺の負極板１２が積層される側に、接合部材１６が設けられている。このため、蓄電デバイス１０は、隣接する固体電解質層１３の第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂと接触している側の辺以外の二辺で、接合部材１６が設けられている領域が重なる。

【0032】

固体電解質層１３に設けられている接合部材１６の幅は、特に限定されないが、例えば、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

【0033】

なお、正極板１１が積層される固体電解質層１３は、正極板１１が積層されない側に、接合部材１６が設けられていてもよいし、負極板１２が積層される固体電解質層１３は、負極板１２が積層されない側に、接合部材１６が設けられていてもよい。

【0034】

また、蓄電デバイス１０は、図４に示すように、隣接する固体電解質層１３の第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂと接触している側の辺以外の二辺の一部で、接合部材１６が設けられている領域が重なっていてもよい。

【0035】

隣接する固体電解質層１３の接合部材１６が設けられている領域が重なっている長さＬは、５ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。Ｌが５ｍｍ以上であると、蓄電デバイス１０の歩留まりおよび耐久性が向上する。

【0036】

なお、蓄電デバイス１０は、２個の正極板１１と、１個の負極板１２と、４個の固体電解質層１３と、を有するが、正極板１１、負極板１２および固体電解質層１３の個数は、特に限定されない。

【0037】

また、蓄電デバイス１０が正極板１１、負極板１２および固体電解質層１３を複数有する場合、複数の正極板１１、負極板１２および固体電解質層１３は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

【0038】

蓄電デバイス１０としては、繰り返して電気エネルギーを蓄え、放出することが可能なデバイスであれば、特に限定されないが、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウム空気電池、リチウムイオンキャパシタ、レドックスフロー電池等が挙げられる。

【0039】

以下、蓄電デバイス１０がリチウムイオン二次電池である場合について説明する。

【0040】

正極集電体１１ａとしては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム箔等の金属箔等が挙げられる。

【0041】

正極集電体１１ａの厚さは、特に限定されないが、例えば、５μｍ以上１５μｍ以下である。

【0042】

正極合材層１１ｂは、正極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。

【0043】

正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｏＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_５／１０Ｃｏ_２／１０Ｍｎ_３／１０）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_６／１０Ｃｏ_２／１０Ｍｎ_２／１０）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_８／１０Ｃｏ_１／１０Ｍｎ_１／１０）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_１／６Ｃｏ_４／６Ｍｎ_１／６）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３）Ｏ_２、ＬｉＣｏＯ_４、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＦｅＰＯ_４、硫化リチウム、硫黄等が挙げられる。これらの正極活物質は、単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。

【0044】

正極合材層１１ｂ中の正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば、７５質量％以上９５質量％以下である。

【0045】

正極合材層１１ｂの厚さは、特に限定されないが、例えば、２０μｍ以上１０００μｍ以下である。

【0046】

負極集電体１２ａとしては、特に限定されないが、例えば、銅箔等の金属箔等が挙げられる。

【0047】

負極集電体１２ａの厚さは、特に限定されないが、例えば、５μｍ以上１５μｍ以下である。

【0048】

負極合材層１２ｂは、負極活物質を含み、必要に応じて、固体電解質、導電助剤、結着剤等をさらに含んでいてもよい。

【0049】

負極合材層１２ｂ中の負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば、６０質量％以上９５質量％以下である。

【0050】

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、Ｓｉ、ＳｉＯ、炭素材料等が挙げられる。これらの負極活物質は、単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。

【0051】

炭素材料としては、例えば、人工黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。

【0052】

負極合材層１２ｂの厚さは、特に限定されないが、例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下である。

【0053】

固体電解質層１３を構成する固体電解質としては、特に限定されないが、例えば、リチウムイオン伝導性酸化物、リチウムイオン伝導性硫化物等が挙げられる。

【0054】

固体電解質層１３の厚さは、特に限定されないが、例えば、２０μｍ以上１５０μｍ以下である。

【0055】

第一の電解液および第二の電解液は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。

【0056】

第一の電解液および第二の電解液が異なる場合は、第一の電解液および第二の電解液として、それぞれ水系電解液および非水系電解液（有機系電解液）を用いることができる。

【0057】

水系電解液は、電解質および水を含む。

【0058】

水系電解液に含まれる電解質としては、例えば、塩化リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過塩素酸リチウム等が挙げられる。これらの電解質は、単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。

【0059】

非水系電解液は、電解質および有機溶媒を含む。

【0060】

非水系電解液に含まれる電解質としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムビスフルオロスルホニルイミド、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド等が挙げられる。これらの電解質は、単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。

【0061】

非水系電解液に含まれる有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。これらの有機溶媒は、単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。

【0062】

なお、第一の電解液および第二の電解液の少なくとも一方に高分子ゲル化剤を添加して高分子ゲル電解質としてもよい。すなわち、第一の電解液および第二の電解液の少なくとも一方を、高分子ゲル化剤をマトリクスとする高分子ゲル電解質としてもよい。

【0063】

また、第一の空間１５Ａに第一の電解液を充填する代わりに、第一の電解液と同様の機能を有する固体電解質を配置してもよいし、第二の空間１５Ｂに第二の電解液を充填する代わりに、第二の電解液と同様の機能を有する固体電解質を配置してもよい。これらの固体電解質は、第一の空間１５Ａまたは第二の空間１５Ｂに配置してもよいし、第一の空間１５Ａおよび第二の空間１５Ｂに配置してもよい。

【0064】

固体電解質としては、特に限定されないが、リチウムイオン伝導性酸化物、リチウムイオン伝導性硫化物等が挙げられる。

【0065】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。

【符号の説明】

【0066】

１０ 蓄電デバイス
１１ 正極板
１１ａ 正極集電体
１１ｂ 正極合材層
１１ｃ 正極タブリード
１２ 負極板
１２ａ 負極集電体
１２ｂ 負極合材層
１２ｃ 負極タブリード
１３ 固体電解質層
１４ 外装体
１５Ａ 第一の空間
１５Ｂ 第二の空間
１６ 接合部材
１７ 端部材
１７ａ 負極集電体
１７ｂ 負極合材層
１７ｃ 保持板
１７ｄ 負極タブリード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】