WO2025047080A1 - Battery - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to batteries.
- Patent Document 1 discloses a laminated battery in which the side surfaces of the battery element, which is made up of the outer edges of the positive electrode layer, solid electrolyte layer, and negative electrode layer, are coated with resin.
- Patent document 2 also discloses a battery in which the battery element is covered with an insulating material.
- a battery according to one embodiment of the present disclosure includes a battery element having a laminated structure in which a first electrode layer, a solid electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order, and an insulating member that seals the battery element.
- the insulating member has a first portion that contains the battery element, and a second portion that selectively breaks when the internal pressure of the insulating member increases, to become a vent path that penetrates the first portion from the surface of the battery element to the outer surface of the insulating member.
- This disclosure makes it possible to provide a battery with excellent reliability and safety.
- FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to an embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a first modified example of the embodiment.
- FIG. 3 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a second modification of the embodiment.
- FIG. 4 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a third modification of the embodiment.
- FIG. 5 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a fourth modified example of the embodiment.
- FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to an embodiment.
- FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a first modified example of the embodiment.
- FIG. 6 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a fifth modified example of the embodiment.
- FIG. 7 is a cross-sectional view and a plan view showing a schematic configuration of a battery according to a sixth modified example of the embodiment.
- a battery according to a first aspect of the present disclosure includes a battery element having a laminated structure in which a first electrode layer, a solid electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order, and an insulating member that seals the battery element, the insulating member having a first portion that contains the battery element, and a second portion that selectively breaks when the internal pressure of the insulating member increases, to become a vent path that penetrates the first portion from the surface of the battery element to the outer surface of the insulating member.
- the insulating member prevents moisture and air from entering the battery element, thereby preventing deterioration of the battery element's characteristics. Furthermore, if the battery element generates abnormal heat or burns, causing the internal pressure of the insulating member to rise, the second portion of the insulating member is selectively damaged, releasing the internal pressure. This prevents the insulating member and battery element from breaking into pieces and scattering into the surrounding area.
- a battery according to a second aspect of the present disclosure is a battery according to the first aspect, in which the second portion contains air bubbles and has a lower density than the first portion.
- the battery according to the third aspect of the present disclosure is the battery according to the second aspect, in which the second portion includes a plurality of the bubbles.
- the internal pressure of the insulating member at which the second portion breaks and the airtightness of the insulating member can be adjusted by the number of bubbles. Therefore, for example, it is possible to obtain a highly reliable and safe battery that meets the purpose, taking into account the application, etc.
- a battery according to the fourth aspect of the present disclosure is a battery according to the second or third aspect, in which the first portion and the second portion contain the same insulating resin.
- first and second parts can be formed using the same insulating resin depending on whether or not there are air bubbles, making it easy to form the insulating member.
- a battery according to a fifth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourth aspects, in which the first portion includes a first insulating resin.
- the first part containing the battery element to adhere more closely to the battery element, preventing moisture and air from entering the battery element.
- the first insulating resin is more likely to absorb the expansion and contraction of the battery element caused by charge/discharge and thermal cycles. This makes it possible to prevent structural defects such as cracks from occurring in the insulating member and battery element. This allows for the realization of a highly reliable battery.
- a battery according to a sixth aspect of the present disclosure is a battery according to the fifth aspect, in which the first insulating resin is a thermosetting resin.
- the first part can be formed by immersing the battery element in a material containing the first insulating resin and thermally curing it, making it easy to form the insulating member.
- a battery according to a seventh aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to sixth aspects, in which the second portion is softer than the first portion.
- the second portion is more likely to be selectively damaged, making it easier for the internal pressure of the insulating member to be released.
- a battery according to an eighth aspect of the present disclosure is a battery according to the seventh aspect, in which the first portion includes a first insulating resin and the second portion includes a second insulating resin that is softer than the first insulating resin.
- the battery according to the ninth aspect of the present disclosure is the battery according to the eighth aspect, in which the second insulating resin is a thermosetting resin.
- the second part can be formed by thermally curing the material containing the second insulating resin, making it easy to form the insulating member.
- a battery according to a tenth aspect of the present disclosure is a battery according to the ninth aspect, in which the first insulating resin and the second insulating resin are thermosetting resins that harden by crosslinking, and the second insulating resin has a lower degree of crosslinking than the first insulating resin.
- the second insulating resin can be made softer than the first insulating resin simply by adjusting the degree of cross-linking through the curing temperature, etc., making it easy to form the insulating member.
- a battery according to an eleventh aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to tenth aspects, in which the second portion includes thermally expandable particles.
- a battery according to a twelfth aspect of the present disclosure is a battery according to the eleventh aspect, in which the thermally expandable particles are foamable particles.
- a battery according to a thirteenth aspect of the present disclosure is a battery according to the twelfth aspect, in which the expandable particles are composed of microcapsules filled with a volatile material.
- a battery according to a fourteenth aspect of the present disclosure is a battery according to the twelfth or thirteenth aspect, in which the foaming start temperature of the expandable particles is 150°C or higher and 250°C or lower.
- a battery according to a fifteenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourteenth aspects, in which the second portion is positioned to include a position where the distance between the battery element and the outer surface of the insulating member is shortest.
- a battery according to a sixteenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourteenth aspects, in which the second portion is positioned to include a position where the distance between the battery element and the outer surface of the insulating member is longest.
- a battery according to a seventeenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to sixteenth aspects, in which the second portion is bent.
- a battery according to a 19th aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the 1st to 18th aspects, and includes a lead terminal connected to the first electrode layer or the second electrode layer and extending through the insulating member to the outside of the insulating member, and the second portion is disposed along the lead terminal.
- a battery according to a twentieth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to nineteenth aspects, in which the lead terminal has a bent portion or a step within the insulating member.
- a battery according to a twenty-second aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the nineteenth to twenty-first aspects, in which the second portion includes a silane coupling agent.
- each figure is not necessarily a precise illustration.
- the same reference numerals are used for substantially the same configuration, and duplicate explanations are omitted or simplified.
- the x-axis, y-axis, and z-axis refer to the three axes of a three-dimensional Cartesian coordinate system.
- the z-axis direction is the stacking direction of the battery elements.
- the x-axis and y-axis are directions parallel to the first side of the rectangle and the second side perpendicular to the first side, respectively.
- the "stacking direction” corresponds to the direction perpendicular to the principal surface of each layer of the battery element.
- the “principal surface” is the surface with the largest area in each component.
- the terms “above” and “below” in the battery configuration do not refer to the upward (vertically upward) and downward (vertically downward) directions in absolute spatial recognition, but are used as terms defined by a relative positional relationship based on the stacking order in the stacking configuration. Furthermore, the terms “above” and “below” are applied not only to cases where two components are arranged with a gap between them and another component is present between the two components, but also to cases where two components are arranged in close contact with each other and are in contact with each other. In the following explanation, the negative side of the z axis is referred to as “below” or “lower side”, and the positive side of the z axis is referred to as “above” or "upper side”.
- FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1000 according to this embodiment.
- FIG. 1(a) is a cross-sectional view of a battery 1000 according to this embodiment
- FIG. 1(b) is a plan view of the battery 1000 as seen from below in the z-axis direction.
- FIG. 1(a) shows a cross section taken at the position indicated by line Ia-Ia in FIG. 1(b).
- FIG. 1(b) shows the outlines of the battery element 400 and second portion 600, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1000 includes a battery element 400 including a first electrode layer 100, a solid electrolyte layer 300, and a second electrode layer 200, and an insulating member 700.
- the insulating member 700 seals the battery element 400.
- the first electrode layer 100 includes a first current collector 110 and a first active material layer 120.
- the second electrode layer 200 includes a second current collector 210 and a second active material layer 220.
- the battery 1000 further includes a lead terminal 800a electrically connected to the first electrode layer 100 and a lead terminal 800b electrically connected to the second electrode layer 200.
- the battery 1000 is, for example, an all-solid-state battery.
- the insulating member 700 exposes portions of the lead terminals 800a and 800b, and contains and seals the battery element 400 and the remaining portions of the lead terminals 800a and 800b. Portions of the lead terminals 800a and 800b are pulled out from the insulating member 700 and exposed, and are connected to an external circuit, for example, as mounting terminal portions.
- the insulating member 700 has a first portion 500 that forms the general shape of the insulating member 700, and a second portion 600.
- the second portion 600 is in contact with a part of the battery element 400.
- the second portion 600 selectively breaks to become a vent path that penetrates the first portion 500.
- the insulating member 700 seals the battery element 400, thereby suppressing deterioration of the characteristics of the battery element 400 due to moisture, air, etc.
- the insulating member 700 since the insulating member 700 has the second portion 600, when the internal pressure of the insulating member 700 increases, the second portion 600 selectively breaks to release the internal pressure. Therefore, it is possible to suppress the insulating member 700 and the battery element 400 from being entirely broken into pieces and scattering around. This can improve the reliability and safety of the battery 1000.
- the battery element 400 has a laminated structure in which the first electrode layer 100, the solid electrolyte layer 300, and the second electrode layer 200 are laminated in this order.
- the planar shape of the battery element 400 is, for example, a rectangular shape. That is, the general shape of the battery 1000 is a flat rectangular parallelepiped.
- flat means that the thickness (i.e., the length in the z-axis direction) is shorter than the length of each side of the main surface (i.e., the length in each of the x-axis direction and the y-axis direction) or the maximum width.
- the planar shape of the battery element 400 may be other polygonal shapes such as a square shape, a hexagonal shape, or an octagonal shape, or may be a circular shape or an elliptical shape.
- the thickness of each layer is exaggerated in order to make the layer structure of the battery element 400 easier to understand.
- the battery element 400 includes four side surfaces 401, 402, 403, and 404, and two main surfaces 405 and 406.
- Sides 401 and 402 are back-to-back and parallel to each other.
- Sides 403 and 404 are back-to-back and parallel to each other.
- side surfaces 401, 402, 403 and 404 stand upright from each edge of main surfaces 405 and 406 in a direction intersecting main surfaces 405 and 406, specifically perpendicular to main surfaces 405 and 406.
- Side surfaces 401, 402, 403 and 404 are surfaces connecting main surfaces 405 and 406.
- Side surfaces 401, 402, 403 and 404 are, for example, parallel to the stacking direction of battery element 400.
- Main surfaces 405 and 406 are back-to-back and parallel to each other. In the example shown in FIG.
- the side surfaces 401, 402, 403, and 404 include the side surfaces of the first electrode layer 100, the solid electrolyte layer 300, and the second electrode layer 200, respectively.
- the main surface 405 is the upper surface of the battery element 400
- the main surface 406 is the lower surface of the battery element 400.
- a portion of the side surface 401 of the battery element 400 is in contact with the second portion 600.
- the side surfaces 402, 403, and 404 other than the side surface 401 of the battery element 400 and the main surfaces 405 and 406 may be in contact with the second portion 600.
- the first electrode layer 100 includes a first current collector 110 and a first active material layer 120.
- the second electrode layer 200 includes a second current collector 210 and a second active material layer 220.
- the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200 face each other with the solid electrolyte layer 300 in between, and are in contact with the solid electrolyte layer 300.
- the distance between the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200 is, for example, 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
- the first active material layer 120, the second active material layer 220, the first current collector 110, the second current collector 210, and the solid electrolyte layer 300 are each the same size in a plan view, and their respective contour shapes match, but this is not limited to the above.
- the first active material layer 120 and the second active material layer 220 may have different external shapes. This makes it possible to determine the polarity (positive and negative poles) of the battery 1000 and correct the position by viewing the size relationship between the first active material layer 120 and the second active material layer 220 from the side (e.g., by image recognition), for example, and thus reduce polarity errors during production.
- the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200 are electrodes of opposite polarity.
- one of the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200 is a positive electrode layer including a positive electrode active material layer and a positive electrode current collector
- the other is a negative electrode layer including a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector.
- the first electrode layer 100 is a positive electrode layer including the first active material layer 120 and the first current collector 110 as the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector
- the second electrode layer 200 is a negative electrode layer including the second active material layer 220 and the second current collector 210 as the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector.
- the first electrode layer 100 may be a negative electrode layer
- the second electrode layer 200 may be a positive electrode layer.
- the first current collector 110 may be a negative electrode current collector
- the first active material layer 120 may be a negative electrode active material layer
- the second current collector 210 may be a positive electrode current collector
- the second active material layer 220 may be a positive electrode active material layer.
- the first active material layer 120 is in contact with one of the main surfaces of the first current collector 110.
- the first current collector 110 may include a connection layer, which is a layer containing a conductive material, provided in a portion in contact with the first active material layer 120.
- a lead terminal 800a is connected to the other main surface of the first current collector 110.
- the other main surface of the first current collector 110 constitutes the main surface 405 of the battery element 400.
- the second active material layer 220 is in contact with one of the main surfaces of the second current collector 210.
- the second current collector 210 may include a connection layer, which is a layer containing a conductive material, provided in a portion in contact with the second active material layer 220.
- a lead terminal 800b is connected to the other main surface of the second current collector 210.
- the other main surface of the second current collector 210 constitutes the main surface 406 of the battery element 400.
- the first current collector 110 and the second current collector 210 may each be formed of a material having electrical conductivity, and are not particularly limited.
- the first current collector 110 and the second current collector 210 may be, for example, a foil, plate or mesh made of stainless steel, nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), titanium (Ti), copper (Cu), palladium (Pd), gold (Au) or platinum (Pt), or an alloy of two or more of these.
- the material of the first current collector 110 and the second current collector 210 may be appropriately selected in consideration of the fact that it does not melt or decompose during the manufacturing process, the temperature or pressure used, and the operating potential and electrical conductivity of the battery applied to the first current collector 110 and the second current collector 210.
- the material of the first current collector 110 and the second current collector 210 may also be selected according to the required tensile strength or heat resistance.
- the first current collector 110 and the second current collector 210 may be high-strength electrolytic copper foil or a clad material made by laminating foils of different metals.
- the thickness of the first current collector 110 and the second current collector 210 is, for example, 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, but is not limited to this. At least one surface of the first current collector 110 and the second current collector 210 may be processed to have an uneven rough surface in order to improve adhesion with the first active material layer 120 or the second active material layer 220. In addition, an adhesive component such as an organic binder may be applied to at least one surface of the first current collector 110 and the second current collector 210. This strengthens the adhesion at the interface between the first current collector 110 and the second current collector 210 and other layers, and improves the mechanical and thermal reliability and cycle characteristics of the battery 1000.
- the first active material layer 120 is disposed between the first current collector 110 and the solid electrolyte layer 300.
- the first active material layer 120 is in contact with the first current collector 110 on one main surface and in contact with the solid electrolyte layer 300 on the other main surface.
- the first active material layer 120 covers the entire one main surface of the first current collector 110.
- the first active material layer 120 is a positive electrode active material layer, and therefore contains at least a positive electrode active material. That is, the first active material layer 120 is a layer mainly composed of a positive electrode material such as a positive electrode active material.
- the positive electrode active material is a material in which metal ions such as lithium (Li) or magnesium (Mg) are inserted or removed from the crystal structure at a potential higher than that of the negative electrode, and oxidation or reduction occurs accordingly.
- the type of the positive electrode active material can be appropriately selected according to the type of battery, and a known positive electrode active material can be used.
- Examples of the positive electrode active material include compounds containing lithium and a transition metal element, such as oxides containing lithium and a transition metal element, and phosphate compounds containing lithium and a transition metal element.
- oxides containing lithium and transition metal elements include lithium nickel composite oxides such as LiNi x M 1-x O 2 (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Co, Al, Mn, V, Cr, Mg, Ca, Ti, Zr, Nb, Mo, and W, and x is 0 ⁇ x ⁇ 1), layered oxides such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 , Li 2 MnO 3 , LiMO 2 ) having a spinel structure, etc.
- phosphate compounds containing lithium and transition metal elements include lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure, etc.
- sulfur (S) and sulfides such as lithium sulfide (Li 2 S) can be used as the positive electrode active material, and in this case, the positive electrode active material particles can be coated with or added with lithium niobate (LiNbO 3 ) or the like and used as the positive electrode active material. Note that only one of these materials may be used as the positive electrode active material, or two or more of these materials may be used in combination.
- the first active material layer 120 which is a positive electrode active material layer, only needs to contain at least a positive electrode active material.
- the first active material layer 120 may be a mixture layer composed of a mixture of a positive electrode active material and other additive materials.
- the additive materials include solid electrolytes such as inorganic solid electrolytes or sulfide solid electrolytes, conductive assistants such as acetylene black, and binding binders such as polyethylene oxide or polyvinylidene fluoride.
- the thickness of the first active material layer 120 is, for example, 5 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, but is not limited to this.
- the second active material layer 220 is disposed between the second current collector 210 and the solid electrolyte layer 300.
- the second active material layer 220 is in contact with the second current collector 210 on one main surface and in contact with the solid electrolyte layer 300 on the other main surface.
- the second active material layer 220 covers the entire one main surface of the second current collector 210.
- the second active material layer 220 is a negative electrode active material layer, and therefore contains at least a negative electrode active material.
- the second active material layer 220 is a layer mainly composed of a negative electrode material such as a negative electrode active material.
- a negative electrode active material refers to a material in which metal ions such as lithium (Li) ions or magnesium (Mg) ions are inserted or removed from the crystal structure at a potential lower than that of the positive electrode, and oxidation or reduction occurs accordingly.
- the type of negative electrode active material can be appropriately selected depending on the type of battery 1000, and known negative electrode active materials can be used.
- the negative electrode active material for example, carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, graphite carbon fiber, or resin-sintered carbon, or alloy-based materials mixed with a solid electrolyte, etc.
- the alloy-based material for example, lithium alloys such as LiAl, LiZn, Li 3 Bi, Li 3 Cd, Li 3 Sb, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, Li 0.17 C, LiC 6 , oxides of lithium and transition metal elements such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), metal oxides such as zinc oxide (ZnO) and silicon oxide (SiO x ), etc.
- lithium alloys such as LiAl, LiZn, Li 3 Bi, Li 3 Cd, Li 3 Sb, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, Li 0.17 C, LiC 6
- oxides of lithium and transition metal elements such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), metal oxides such as zinc oxide (ZnO)
- the second active material layer 220 which is the negative electrode active material layer, only needs to contain at least the negative electrode active material.
- the second active material layer 220 may be a mixture layer composed of a mixture of the negative electrode active material and other additive materials.
- the other additive materials include solid electrolytes such as inorganic solid electrolytes or sulfide solid electrolytes, conductive assistants such as acetylene black, and binding binders such as polyethylene oxide or polyvinylidene fluoride.
- the thickness of the second active material layer 220 is, for example, 5 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, but is not limited to this.
- the solid electrolyte layer 300 is disposed between the first active material layer 120 and the second active material layer 220, and is in contact with both the first active material layer 120 and the second active material layer 220.
- the solid electrolyte layer 300 contains at least a solid electrolyte.
- the solid electrolyte may be any known solid electrolyte for batteries having ion conductivity.
- a solid electrolyte that conducts metal ions such as lithium ions or magnesium ions may be used as the solid electrolyte.
- the type of solid electrolyte may be appropriately selected according to the type of conductive ions.
- the solid electrolyte layer 300 may be softer than the first active material layer 120 and the second active material layer 220. The softness of the solid electrolyte layer 300 can be confirmed relative to the first active material layer 120 and the second active material layer 220 by, for example, evaluating a cross section cut flat by means of ion milling or the like with a micro Vickers. For example, when an indenter is pressed against the cross section with the same pressure, the larger the size of the indenter mark left is, the softer the layer is determined to be.
- an inorganic solid electrolyte such as a sulfide-based solid electrolyte or an oxide-based solid electrolyte
- a lithium-containing sulfide such as Li 2 S-P 2 S 5 system, Li 2 S- SiS 2 system , Li 2 S -B 2 S 3 system, Li 2 S-GeS 2 system, Li 2 S-SiS 2 -LiI system, Li 2 S - SiS 2 -Li 3 PO 4 system, Li 2 S-Ge 2 S 2 system, Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 system, or Li 2 S-GeS 2 -ZnS system can be used.
- the oxide-based solid electrolyte for example, lithium-containing metal oxides such as Li 2 O—SiO 2 or Li 2 O—SiO 2 -P 2 O 5 , lithium-containing metal nitrides such as Li x P y O 1-z N z , lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), or lithium-containing transition metal oxides such as lithium titanium oxide can be used.
- the solid electrolyte only one of these materials may be used, or two or more of these materials may be used in combination.
- the solid electrolyte layer 300 includes, as an example, a solid electrolyte having lithium ion conductivity.
- the solid electrolyte layer 300 may contain, in addition to the above solid electrolyte material, a bonding binder such as polyethylene oxide or polyvinylidene fluoride.
- the thickness of the solid electrolyte layer 300 is, for example, 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, but is not limited to this.
- the solid electrolyte layer 300 may be configured as an aggregate of solid electrolyte particles.
- the solid electrolyte layer 300 may also be configured as a sintered structure of the solid electrolyte.
- the battery element 400 is embedded in the insulating member 700, and the insulating member 700 seals the battery element 400. Since the battery element 400 is embedded and sealed in the insulating member 700, the reliability of the battery 1000 can be improved in various respects, such as impact resistance, mechanical strength, short circuit suppression, and moisture resistance.
- the insulating member 700 has an outer shape corresponding to the shape of the battery element 400, for example, and in the example shown in FIG. 1, the outer shape of the insulating member 700 is a rectangular parallelepiped shape similar to that of the battery element 400.
- the insulating member 700 is, for example, a molded resin member formed by embedding the battery element 400 in the center and molding it with a mold.
- the insulating member 700 may also be formed by applying a resin material so as to cover the entire battery element 400. Since the insulating member 700 does not have a structure such as a laminate of films, for example, the effect of improving the reliability of the battery 1000 as described above is high.
- the first portion 500 covers all of the surfaces of the battery element 400 (in this embodiment, the sides 401, 402, 403, and 404 and the main surfaces 405 and 406) that are not in contact with the second portion 600.
- the first portion 500 contacts the portions of the side surface 401 that are not in contact with the second portion 600, as well as the entire surfaces of the side surfaces 402, 403, and 404.
- the second portion 600 When the internal pressure of the insulating member 700 increases, the second portion 600 selectively breaks, forming a vent path that penetrates the first portion 500 from the surface of the battery element 400 to the outer surface 701 of the insulating member 700. In other words, when the internal pressure of the insulating member 700 increases, the second portion 600 breaks before the first portion 500, releasing the internal pressure of the insulating member 700 to the outside of the insulating member 700.
- the second portion 600 is also positioned to include the position where the distance between the battery element 400 and the outer surface 701 of the insulating member 700 is shortest. In the example shown in FIG. 7, the second portion 600 extends from the side surface 401 toward the portion of the outer surface 701 of the insulating member 700 that is closest to the side surface 401. This makes it possible to reduce the pressure at which a vent path is formed in the insulating member 700.
- the second portion 600 includes a plurality of bubbles 601 and has a lower density than the first portion 500.
- density does not mean the true density of the material of the first portion 500 and the second portion 600, but the apparent density including the bubbles 601.
- the second portion 600 is filled with an insulating material except for the plurality of bubbles 601.
- the bubbles 601 are independent bubbles, and even if the second portion 600 including the plurality of bubbles 601 exists, the sealing of the battery element 400 by the insulating member 700 is ensured.
- Some of the plurality of bubbles 601 may be interconnected bubbles.
- the shape of the bubbles 601 is spherical.
- the diameter of the bubbles 601 is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less when converted into a true sphere.
- the second portion 600 contains air bubbles 601 and has a lower density than the first portion 500, when the internal pressure of the insulating member 700 rises, the second portion 600 is selectively damaged by the internal pressure, a vent path is formed in the insulating member 700, and the internal pressure is released.
- the internal pressure of the insulating member 700 is the pressure in the region inside the insulating member 700 where the battery element 400 is located.
- the second portion 600 is in contact with a portion of the side surface 401 of the battery element 400. Specifically, the second portion 600 is in contact with only a portion of the side surface 401 of the battery element 400 among the surfaces of the battery element 400. Since the second portion 600 is in contact with the side surface 401 of the battery element 400, a vent path can be formed with good response to an increase in internal pressure due to heat generation or the like in the side portion of the battery element 400, which is prone to short circuits due to structural defects or deformation. In addition, the second portion 600 is in contact with the first electrode layer 100 at the side surface 401, which includes the positive electrode active material layer that is particularly prone to heat generation among the battery element 400.
- the position where the second part 600 contacts the battery element 400 is not particularly limited, and the second part 600 may contact the entire side surface 401 of the battery element 400, or may contact a side surface of the battery element 400 other than the side surface 401, and may be formed at any location that is likely to generate heat.
- the second part 600 may also contact the main surface 405 or 406 of the battery element 400. In this case, the second part 600 may contact the central region of the main surface 405 or 406 that is likely to generate heat during charging and discharging operations.
- a vent path can be formed with good response to an increase in internal pressure caused by abnormal heat generation in the active material layer that is likely to generate heat during charging and discharging operations.
- the second portion 600 may also be in contact with a portion of the ridge line, which is the intersection between the side surface and the main surface of the battery element 400.
- the second portion 600 may be in continuous contact from the side surface 401 to the main surface 405 of the battery element 400.
- different insulating materials may be used depending on the location where the second portion 600 contacts, such as the side surface, the main surface, and the ridge line, and any insulating material may be used in each location in terms of the heat generation temperature and impact resistance of the battery element 400. In this way, by having the second portion 600 contact the main surface or ridge line of the battery element 400, a vent path can be formed in any location of the battery element 400 that is prone to heat generation or burnout.
- the insulating material in contact with the battery element 400, but the air bubbles 601 may also be in contact with the battery element 400.
- the insulating member 700 is not particularly limited as long as it is made of an insulating material having insulating properties.
- the first portion 500 and the second portion 600 in the insulating member 700 are made of, for example, the same insulating material.
- the first portion 500 and the second portion 600 contain, for example, the same insulating resin. This makes it easy to form the insulating member 700.
- the first portion 500 and the second portion 600 can enter the fine unevenness caused by the powder material on the side surfaces of the first active material layer 120, the second active material layer 220, and the solid electrolyte layer 300, and the adhesion between the first portion 500 and the second portion 600 and the battery element 400 is improved.
- insulating resins examples include epoxy resins, silicone resins, acrylic resins, and fluororesins.
- the insulating resin may be a thermosetting resin.
- Thermosetting resins are resins that harden by crosslinking, such as epoxy resins, silicone resins, and acrylic resins.
- the first part 500 and the second part 600 may also include an insulating oxide such as aluminum oxide, zirconium oxide, or titanium oxide.
- the first part 500 and the second part 600 may be formed of a mixed material of an insulating resin and an insulating oxide.
- the first part 500 and the second part 600 may also have a laminated structure of multiple layers differing in at least one of composition and shape. Examples of the layer shape include a foil-like body, a plate-like body, and a mesh-like body.
- the laminated structure may include, for example, a layer on the outer surface 701 side made of a soft resin material and a layer on the battery element 400 side made of a hard plate-like insulating oxide.
- the insulating material of the first part 500 and the second part 600 may be appropriately selected in consideration of the fact that it does not melt or decompose during normal manufacturing processes, operating temperatures, or operating pressures, and in consideration of the operating potential and conductivity of the battery element 400 applied to the first part 500 and the second part 600, and the stress associated with the expansion and contraction of the battery element 400.
- the insulating material of the first part 500 and the second part 600 may also be selected in accordance with the required tensile strength or heat resistance.
- the lead terminals 800a and 800b electrically connect an external circuit and the battery element 400.
- the lead terminals 800a and 800b are foil- or plate-shaped conductors made of metal such as nickel, stainless steel, aluminum, iron, or copper. In the example shown in FIG. 1, the lead terminals 800a and 800b have a constant width and thickness.
- the lead terminal 800a is connected to the first electrode layer 100 and is pulled out to the outside of the insulating member 700 through the insulating member 700.
- the lead terminal 800a is connected to the first current collector 110 of the first electrode layer 100 at the main surface 405.
- the lead terminal 800a is not connected to the battery element 400 at any point other than the main surface 405, and is not in contact with the side surface of the battery element 400.
- the lead terminal 800b is connected to the second electrode layer 200 and is pulled out to the outside of the insulating member 700 through the insulating member 700.
- the lead terminal 800b is connected to the second current collector 210 of the second electrode layer 200 at the main surface 406.
- the lead terminal 800b is not connected to the battery element 400 at any point other than the main surface 406, and is not in contact with the side surface of the battery element 400.
- the lead terminals 800a and 800b are connected to the first current collector 110 and the second current collector 210, respectively, by, for example, a conductive adhesive or solder (not shown).
- the lead terminals 800a and 800b may be welded to the first current collector 110 and the second current collector 210, respectively.
- the lead terminal 800a has bent portions 801a and 802a which are bent portions within the insulating member 700.
- the lead terminal 800a connected to the main surface 405 extends in a direction along the main surface 405 so as to protrude outside the side surface 402, then bends at the bent portion 801a to face the side surface 402 and extend in a direction along the side surface 402, and further bends at the bent portion 802a to extend in a direction away from the side surface 402, and is pulled out from the side surface of the insulating member 700.
- the portion of the lead terminal 800a between the bent portion 801a and the bent portion 802a faces the side surface 402 via the first portion 500.
- the bent lead terminal 800a lengthens the intrusion path when moisture, air, etc.
- the portion of the lead terminal 800a that is pulled out from the insulating member 700 extends downward along the side of the insulating member 700, then wraps around to the underside of the insulating member 700, and the end of the lead terminal 800a forms a connection terminal portion for connection to a mounting board, etc.
- the lead terminal 800b has bent portions 801b and 802b which are bent portions within the insulating member 700.
- the lead terminal 800b connected to the main surface 406 extends in a direction along the main surface 406 so as to protrude outside the side surface 401, then bends at bent portion 801b to face the side surface 401 and extend in a direction along the side surface 401, and further bends at bent portion 802b to extend in a direction away from the side surface 401, and is pulled out from the side surface of the insulating member 700.
- the portion of the lead terminal 800b between bent portions 801b and 802b faces the side surface 401 via the first portion 500.
- the bent lead terminal 800b lengthens the intrusion path when moisture, air, etc.
- the portion of the lead terminal 800b that is pulled out from the insulating member 700 extends downward along the side of the insulating member 700, then wraps around to the underside of the insulating member 700, and the end of the lead terminal 800b forms a connection terminal portion for connection to a mounting board, etc.
- lead terminals 800a and 800b have two bent portions within insulating member 700, but the number of bent portions that lead terminals 800a and 800b have is not particularly limited and may be one or three or more. Also, lead terminals 800a and 800b do not have to have a bent portion within insulating member 700. Also, although both connection terminal portions of lead terminals 800a and 800b are provided on the underside of insulating member 700, at least one of them may be provided on the top or side of insulating member 700.
- the battery element 400 is sealed with the insulating member 700 having the second portion 600, so that the insulating member 700 protects the battery element 400. Furthermore, when abnormal heat generation or burning occurs in the battery element 400 and the internal pressure of the insulating member 700 rises, the second portion 600 is selectively broken to become a vent path, so that the internal pressure can be released. Therefore, it is possible to prevent the insulating member 700 and the battery element 400 from being broken into pieces and scattering around. Therefore, for example, it is possible to prevent damage and fire around the battery 1000. With such an action and effect, a highly reliable and safe battery can be realized.
- Patent Document 1 discloses a stacked battery in which the side surfaces formed by the outer edges of the positive electrode layer, solid electrolyte layer, and negative electrode layer are covered with resin. However, it does not have a structure to release pressure when the internal pressure inside the covering resin increases.
- the battery in Patent Document 1 differs from the configuration of battery 1000 in that it does not have a structure that serves as a vent path within the resin that covers the battery element. In such a configuration, there is a high possibility that the insulating members and battery element will break into pieces and scatter into the surrounding area. Therefore, if the battery generates abnormal heat, it may cause damage and fire around the battery.
- Patent Document 2 also discloses a battery having a structure in which the battery element is covered with an insulating material.
- the insulating material covering the battery element does not have a structure that serves as a vent path.
- the battery 1000 according to this embodiment is provided with an insulating member 700 having a second portion 600 that serves as a vent path, thereby improving reliability and safety as described above.
- Patent Document 1 and Patent Document 2 do not disclose or suggest the configuration described in this embodiment in which the insulating member 700 has a second portion 600.
- FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1100 according to a first variation of the embodiment.
- FIG. 2(a) is a cross-sectional view of the battery 1100 according to this variation
- FIG. 2(b) is a plan view of the battery 1100 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 2(a) shows a cross section taken at the position indicated by line IIa-IIa in FIG. 2(b).
- FIG. 2(b) shows the outlines of the battery element 400 and the second portion 610, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1100 of this modified example differs from the battery 1000 of the embodiment in that, instead of the insulating member 700 having the first portion 500 and the second portion 600, the battery 1100 has an insulating member 710 having a first portion 500 and a second portion 610.
- the second portion 610 has a different hardness from the second portion 600.
- the second portion 610 contains a plurality of bubbles 601, similar to the second portion 600, and has a lower density than the first portion 500.
- the shape and arrangement of the second portion 610 are the same as those of the second portion 600.
- the second portion 610 is softer than the first portion 500. This makes the second portion 610 more likely to be selectively damaged when the internal pressure of the insulating member 710 increases, making it easier for a vent path to form in the insulating member 710.
- the softness of the first portion 500 and the second portion 610 can be confirmed, for example, by evaluating the relative softness using a micro Vickers test. For example, when an indenter is pressed against a cross section with the same pressure, the larger the size of the indenter mark left behind, the softer the part is determined to be.
- the insulating material forming the first portion 500 and the second portion 610 is not particularly limited.
- the first portion 500 includes a first insulating resin
- the second portion 610 includes a second insulating resin softer than the first insulating resin.
- a material with a resin composition softer than the material constituting the first insulating resin is used for the second insulating resin.
- the first insulating resin and the second insulating resin are each a thermosetting resin that hardens by crosslinking, such as an epoxy resin, a silicone resin, or an acrylic resin.
- the second insulating resin may have a lower degree of crosslinking than the first insulating resin.
- the degree of crosslinking can be lowered and the resin can be softened by changing the hardening temperature, specifically, by making the hardening temperature of the second insulating resin lower than the hardening temperature of the first insulating resin. Therefore, a second insulating resin softer than the first insulating resin can be easily formed.
- the insulating member 710 can be produced, for example, by pouring the uncured resin material of the first portion 500 into a mold, and then placing the previously prepared second portion 610 in the mold and curing it, but the manufacturing method is not limited.
- the uncured insulating resin of the first portion 500 may be poured into a mold, and then the uncured insulating resin of the second portion 610 may be poured in.
- the uncured insulating resin of the first portion 500 is poured into a mold and cured so that a cavity is formed at the position of the second portion 610, and then the uncured insulating resin of the second portion 610 is poured into the formed cavity and cured.
- the insulating member 710 may be formed using the second portion 610 in which the uncured insulating resin has been cured in advance at a relatively low temperature.
- FIG. 3 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1200 according to a second variation of the embodiment.
- FIG. 3(a) is a cross-sectional view of the battery 1200 according to this variation
- FIG. 3(b) is a plan view of the battery 1200 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 3(a) shows a cross section taken at the position indicated by line IIIa-IIIa in FIG. 3(b).
- FIG. 3(b) shows the outlines of the battery element 400 and the second portion 620, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1200 of this modification differs from the battery 1100 of the first modification of the embodiment in that, instead of the insulating member 710 having the first portion 500 and the second portion 610, the battery 1200 has an insulating member 720 having a first portion 500 and a second portion 620.
- the second portion 620 is configured such that the second portion 610 further includes a plurality of thermally expandable particles 602.
- the second portion 620 may be configured such that the second portion 600 further includes a plurality of thermally expandable particles 602.
- the second portion in other modified examples described below may also include thermally expandable particles 602.
- the thermally expandable particles 602 are, for example, expandable particles.
- Expandable particles are particles that generate gas at a certain temperature, and are composed of, for example, microcapsules filled with a volatile material.
- microcapsules for example, tiny capsules made of a thermoplastic resin are filled with a volatile material.
- Various insulating materials can be used for the capsule portion of the microcapsules, and for example, a thermally expandable resin is used.
- Thermal expansion resins are resins with a large thermal expansion coefficient, and examples of thermal expansion resins that can be used include polyamide (PA), polyimide, polyamideimide, wholly aromatic polyamide, polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyethylene terephthalate (PET), and the like, either alone or in combination. Microcapsules with a median diameter of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less at room temperature can be used.
- the volatile material in the microcapsules is liquid at room temperature (e.g., 23°C), and this volatile material boils and turns into gas due to heat generation from the battery element 400, causing the microcapsules to expand significantly.
- Various types of volatile materials can be used, such as hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and alkylsilanes.
- the temperature at which the second portion 620 becomes easily damaged can be adjusted by selecting the boiling point of the volatile material in the microcapsules and the softening temperature of the thermally expandable resin.
- the foaming start temperature of the expandable particles may be, for example, 100°C or higher and 300°C or lower, 150°C or higher and 250°C or lower, 200°C or lower, or 180°C or lower.
- the thermal expansion coefficient of the expandable particles may be, for example, 30 times or higher and 80 times or lower.
- expandable particles with different thermal expansion coefficients may be mixed and used as the expandable particles. The thermal expansion coefficient of the expandable particles can be observed by heating the expandable particles alone.
- the expandable particles are not limited to the microcapsules described above, but may be any particles that generate gas at a predetermined temperature.
- the expandable particles may be particles of an expandable material alone, such as solid particles of a sublimable material or solid particles of a thermally decomposable material.
- the thermally expandable particles 602 are not limited to expandable particles, but may be non-expandable particles as long as they are made of a material that is more easily thermally expandable than the insulating material that constitutes the first portion 500.
- the non-expandable particles may be particles of the thermally expandable resin described above.
- the second portion 620 is more likely to be selectively damaged when the battery element 400 generates heat, and a vent path is more likely to be formed in the insulating member 720.
- the thermally expandable particles 602 may also be in contact with the battery element 400. This allows a vent path to be formed with good responsiveness when the battery element generates abnormal heat.
- the above configuration makes it easier for a vent path to form in the battery 1200, and makes it possible to control the formation temperature over a wide range. This improves the safety of the battery 1200.
- FIG. 4 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1300 according to a third variation of the embodiment.
- FIG. 4(a) is a cross-sectional view of the battery 1300 according to this variation
- FIG. 4(b) is a plan view of the battery 1300 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 4(a) shows a cross section taken at the position indicated by line IVa-IVa in FIG. 4(b).
- FIG. 4(b) shows the outlines of the battery element 400 and the second portion 630, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1300 of this modified example differs from the battery 1000 of the first embodiment in that, instead of the insulating member 700 having the first portion 500 and the second portion 600, the battery 1300 of this modified example has an insulating member 730 having a first portion 500 and a second portion 630.
- the second portion 630 has a different shape from the second portion 600 described above.
- the second portion 630 contains a plurality of bubbles 601 like the second portion 600, and has a lower density than the first portion 500.
- the insulating material constituting the second portion 630 is, for example, the same as that of the second portion 600, but may also be the same as that of the second portion 610 or 620.
- the second portion 630 is branched and contacts the battery element 400 at multiple locations that are spaced apart from each other. In the second portion 630, the portions that contact the battery element 400 at multiple locations join together, and the second portion 630 is exposed at one location on the outer surface 701 of the insulating member 730. In the example shown in FIG. 4, the second portion 630 contacts the side surface 401 of the battery element 400 at two locations, but the locations where the second portion 630 and the battery element 400 contact each other may include locations other than the side surface 401. The second portion 630 may also contact the battery element 400 at three or more locations.
- the insulating member 730 By having the insulating member 730 have such a second portion 630, it is possible to form vent paths in the insulating member 730 that correspond to multiple locations in the battery element 400 where heat may be generated. In addition, by adjusting the number of branches in the second portion 630 and the way in which they are branched, it is possible to adjust the internal pressure of the insulating member 730 at which the second portion 630 breaks.
- FIG. 5 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1400 according to a fourth variation of the embodiment.
- FIG. 5(a) is a cross-sectional view of the battery 1400 according to this variation
- FIG. 5(b) is a plan view of the battery 1400 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 5(a) shows a cross section taken at the position indicated by line Va-Va in FIG. 5(b).
- FIG. 5(b) shows the outlines of the battery element 400 and second portion 640, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1400 of this modified example differs from the battery 1000 of the first embodiment in that, instead of the insulating member 700 having the first portion 500 and the second portion 600, the battery 1400 has an insulating member 740 having a first portion 500 and a second portion 640.
- the second portion 640 differs from the second portion 600 in that it is disposed along the lead terminal 800b.
- the second portion 640 is in contact with the lead terminal 800b.
- the second portion 640 contains a plurality of bubbles 601 like the second portion 600, and has a lower density than the first portion 500.
- the insulating material constituting the second portion 640 is, for example, the same as that of the second portion 600, but may also be the same as that of the second portion 610 or 620.
- the second portion 640 is disposed along the location where the bent portions 801b and 802b of the lead terminal 800b are formed, and the second portion 640 is also bent. A part of the second portion 640 is disposed between the side surface 401 and a portion of the lead terminal 800b that faces the side surface 401 due to the bend at the bent portion 801b.
- the second portion 640 may be disposed along the lead terminal 800a.
- the second portion 640 is disposed along the entire portion of the lead terminal 800b that is outside the side surface 401 (negative side in the x-axis direction), but may be disposed along a part of that portion.
- the second portion 640 may contain a silicone resin or a silane coupling agent. This improves the adhesion between the second portion 640 and the lead terminal 800b. This prevents moisture and air from entering the insulating member 740 from the interface between the second portion 640 and the lead terminal 800b, thereby preventing deterioration of the battery element 400.
- the silicone resin or silane coupling agent may be unevenly distributed at the interface between the second portion 640 and the lead terminal 800b.
- the second portion 640 may also contain both the silicone resin and the silane coupling agent.
- the second portion 640 is arranged along the lead terminal 800b, so that the internal pressure of the insulating member 740 can be released along the rigid wall surface of the lead terminal 800b. Since the wall surface of the lead terminal 800b, which is made of a conductor, is not easily damaged, the vent path can be formed in a precise position. In addition, pressure tends to concentrate at the interface between the lead terminal 800b and the second portion 640, and a vent path is likely to be formed along the interface even at low pressure, so that a vent path is likely to be formed even at a relatively low pressure.
- the lead terminal 800b has bent portions 801b and 802b, so that the internal pressure of the insulating member 740 in which the second portion 640 serves as a vent path can be adjusted by the degree and position of bending of the lead terminal 800b.
- the lead terminal 800b may have a step due to a change in thickness of the lead terminal 800b. This also makes it possible to adjust the internal pressure in which the second portion 640 serves as a vent path.
- FIG. 6 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1500 according to a fifth variation of the embodiment.
- FIG. 6(a) is a cross-sectional view of the battery 1500 according to this variation
- FIG. 6(b) is a plan view of the battery 1500 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 6(a) shows a cross section taken at the position indicated by line VIa-VIa in FIG. 6(b).
- FIG. 6(b) shows the outlines of the battery element 400 and second portion 600, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1500 of this modified example differs from the battery 1000 of the first embodiment in that, instead of the insulating member 700, it has an insulating member 750 in which a second portion 600 is added to the insulating member 700.
- the insulating member 750 has a plurality of second portions 600.
- the insulating member 750 has two second portions 600, a second portion 600 that contacts the first electrode layer 100 at the side 401 and a second portion 600 that contacts the second electrode layer 200 at the side 402.
- the number of second portions 600 that the insulating member 750 has may be three or more.
- the position where the second portion 600 contacts the battery element 400 is not particularly limited.
- the insulating member 750 may have any of the second portions according to each modified example instead of at least one of the plurality of second portions 600.
- vent paths can be formed in the insulating member 750 corresponding to multiple locations in the battery element 400 where heat may be generated.
- FIG. 7 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a battery 1600 according to a sixth variation of the embodiment.
- FIG. 7(a) is a cross-sectional view of the battery 1600 according to this variation
- FIG. 7(b) is a plan view of the battery 1600 as viewed from below in the z-axis direction.
- FIG. 7(a) shows a cross section taken at the position indicated by line VIIa-VIIa in FIG. 7(b).
- FIG. 7(b) shows the outlines of the battery element 400 and second portion 660, which are not actually visible, in dashed lines.
- the battery 1600 of this modified example differs from the battery 1000 of the first embodiment in that, instead of the insulating member 700 having the first portion 500 and the second portion 600, the battery 1600 has an insulating member 760 having a first portion 500 and a second portion 660.
- the second portion 660 differs from the second portion 600 in the arrangement within the insulating member 760.
- the second portion 660 includes a plurality of bubbles 601 like the second portion 600, and has a lower density than the first portion 500.
- the insulating material constituting the second portion 660 is, for example, the same as that of the second portion 600, but may also be the same as that of the second portion 610 or 620.
- the second portion 660 is arranged to include the position where the distance between the battery element 400 and the outer surface 701 of the insulating member 760 is longest.
- the distance between the battery element 400 and the outer surface 701 of the insulating member 760 at a certain position on the outer surface 701 is the distance from the certain position to the nearest surface of the battery element 400 in a cross-sectional view of the portion including the battery element 400 as shown in FIG. 7(a).
- the second portion 660 extends from the ridge where the side surface 401 and the main surface 405 intersect toward the ridge of the outer surface 701 that is nearest to the ridge.
- the second portion 660 By positioning the second portion 660 so as to include the position where the distance between the battery element 400 and the outer surface 701 of the insulating member 760 is longest, the pressure at which a vent path is formed in the insulating member 760 can be increased. In addition, by extending the second portion 660 long, the intrusion of moisture, air, etc. into the insulating member 760 can be suppressed.
- the first active material layer 120 is a positive electrode active material layer
- the first current collector 110 is a positive electrode current collector
- the second active material layer 220 is a negative electrode active material layer
- the second current collector 210 is a negative electrode current collector. Therefore, the first electrode layer 100 is a positive electrode layer, and the second electrode layer 200 is a negative electrode layer.
- each paste used for printing the first active material layer 120 and the second active material layer 220 is prepared.
- the solid electrolyte material used for the mixture of the first active material layer 120 and the second active material layer 220 for example, a glass powder of Li 2 S-P 2 S 5- based sulfide having an average particle size of about 2 ⁇ m and mainly composed of triclinic crystals is prepared.
- this glass powder one having a high ion conductivity of about 3 ⁇ 10 ⁇ 3 to 4 ⁇ 10 ⁇ 3 S/cm can be used.
- the positive electrode active material for example, a powder of Li.Ni.Co.Al composite oxide (LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 ) having an average particle size of about 3 ⁇ m and a layered structure is used.
- a paste for a positive electrode active material layer is prepared by dispersing a mixture containing the above-mentioned positive electrode active material and the above-mentioned glass powder in an organic solvent or the like.
- the negative electrode active material for example, a powder of natural graphite having an average particle size of about 3 ⁇ m is used.
- a paste for a negative electrode active material layer is prepared in the same manner by dispersing a mixture containing the above-mentioned negative electrode active material and the above-mentioned glass powder in an organic solvent or the like.
- copper foil with a thickness of, for example, about 15 ⁇ m is prepared as the material used for the first current collector 110 and the second current collector 210.
- the paste for the positive electrode active material layer and the paste for the negative electrode active material layer are printed in a predetermined shape on one surface of each copper foil by screen printing. The thickness at this time is, for example, 20 ⁇ m to 30 ⁇ m.
- the paste for the positive electrode active material layer and the paste for the negative electrode active material layer are dried, for example, at 80° C. to 130° C., to a thickness of 12 ⁇ m to 18 ⁇ m.
- the outer periphery of the printed matter is cut to a desired shape. In cutting, a so-called Thomson blade may be used, or a punching die or a laser may be used.
- the outer periphery may be inclined depending on the cutting method, for example, by cutting the sample at an angle.
- a first electrode layer 100 is obtained in which a first active material layer 120 is laminated on a first current collector 110. Also, a second electrode layer 200 is obtained in which a second active material layer 220 is laminated on a second current collector 210.
- a paste for a solid electrolyte layer is prepared by dispersing the above-mentioned glass powder in an organic solvent or the like. Then, the above-mentioned paste for a solid electrolyte layer is printed on the first active material layer 120 and the second active material layer 220 using a metal mask. The paste for a solid electrolyte layer is then dried, for example, at 80°C or higher and 130°C or lower. As a result, the solid electrolyte layer 300 is laminated on each of the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200.
- the first electrode layer 100 and the second electrode layer 200 on which the solid electrolyte layer 300 is laminated are laminated so that the two solid electrolyte layers 300 face each other and are in contact with each other.
- a laminate in which the first electrode layer 100, the solid electrolyte layer 300, and the second electrode layer 200 are laminated is obtained.
- an elastic sheet having a thickness of about 70 ⁇ m and an elastic modulus of about 5 ⁇ 10 6 Pa is inserted between the pressing die and the laminate.
- pressure is applied to the laminate via the elastic sheet.
- the pressing die is pressed for 90 seconds at a pressure of 300 MPa while being heated to 50° C., for example, to obtain the battery element 400.
- two lead terminals 800a and 800b are prepared.
- flat plates of stainless steel (SUS) with a thickness of 300 ⁇ m are prepared as the lead terminals 800a and 800b.
- the lead terminal 800a is joined to the main surface 405 of the battery element 400 with a silver-based conductive resin
- the lead terminal 800b is joined to the main surface 406 of the battery element 400 with a silver-based conductive resin, and the conductive resin is thermally cured.
- the curing temperature is, for example, from 1 hour to 2 hours. In this manner, the lead terminals 800a and 800b are connected to the battery element 400.
- the lead terminals 800a and 800b are bent so as not to come into contact with the side surfaces of the battery element 400, forming bent portions 801a, 802a, 801b, and 802b.
- epoxy resin for example, is placed in a mold as a thermosetting resin for the insulating member 700, and the battery element 400 to which the lead terminals 800a and 800b are connected is immersed and placed in a predetermined position.
- the battery element 400 is embedded in the epoxy resin that forms the insulating member 700.
- a needle-shaped dispenser with a diameter of about 100 ⁇ m is used to inject gas from the tip of the dispenser at a predetermined position in the epoxy resin repeatedly an arbitrary number of times to form multiple bubbles 601.
- Any gas can be used as the gas, such as air, nitrogen, argon, or carbon dioxide.
- the diameter of the bubbles 601 can be controlled by the diameter of the dispenser and the amount of gas injected.
- the epoxy resin is thermally cured.
- the curing temperature depends on the thermosetting resin, but is, for example, 180°C to 230°C.
- the curing time is, for example, 1 hour to 2 hours. After curing, the lead terminals 800a and 800b exposed from the insulating member 700 are bent to form the connection terminal portion of the battery 1000. In this manner, the battery 1000 is obtained.
- the method and order of forming the battery 1000 according to this embodiment are not limited to the above example.
- the second portion 600 in which the multiple bubbles 601 are formed may be produced separately from the first portion 500, and then the second portion 600 may be immersed in the epoxy resin that will become the first portion 500 to form the insulating member 700.
- the multiple bubbles 601 may also be formed by adding a foaming agent that foams at or below the curing temperature to a thermosetting resin such as an epoxy resin before curing.
- the paste for the first active material layer 120, the paste for the second active material layer 220, and the paste for the solid electrolyte layer 300 are applied by printing, but this is not limited to this.
- printing methods include the doctor blade method, calendar method, spin coating method, dip coating method, inkjet method, offset method, die coating method, and spray method.
- the battery element 400 includes one each of the first electrode layer 100, the solid electrolyte layer 300, and the second electrode layer 200, but is not limited to this.
- the battery element 400 may be an element in which multiple laminates of the first electrode layer 100, the solid electrolyte layer 300, and the second electrode layer 200 are stacked.
- the second portions 600, 610, 620, 630, 640, 650, and 660 may not have air bubbles 601 if they are more susceptible to breakage than the first portion 500.
- the battery disclosed herein can be used, for example, as a secondary battery such as an all-solid-state lithium-ion battery for use in various electronic devices or automobiles.
- Second electrode layer 210 Second current collector 220 Second active material layer 300 Solid electrolyte layer 400 Battery element 401, 402, 403, 404 Side surface 405, 406 Main surface 500 First portion 600, 610, 620, 630, 640, 660 Second portion 601 Air bubbles 602 Thermally expandable particles 700, 710, 720, 730, 740, 750, 760 Insulating member 701 Outer surface 800a, 800b Lead terminal 801a, 801b, 802a, 802b bending part
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Abstract
Description
本開示は、電池に関する。 This disclosure relates to batteries.
特許文献1には、正極層、固体電解質層および負極層の外縁によって構成される電池素子の側面を樹脂で被覆する積層型の電池が開示されている。
また、特許文献2には、電池素子を絶縁部材で被覆した構造を有する電池が開示されている。 Patent document 2 also discloses a battery in which the battery element is covered with an insulating material.
従来技術においては、信頼性および安全性に優れた電池が求められている。 In conventional technology, there is a demand for batteries that are highly reliable and safe.
本開示の一態様に係る電池は、第1電極層、固体電解質層および第2電極層がこの順で積層された積層構造を有する電池素子と、前記電池素子を封止する絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材は、前記電池素子を内包する第1部分と、前記絶縁部材の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して、前記電池素子の表面から前記絶縁部材の外表面に渡って前記第1部分を貫通するベント経路になる第2部分と、を有する。 A battery according to one embodiment of the present disclosure includes a battery element having a laminated structure in which a first electrode layer, a solid electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order, and an insulating member that seals the battery element. The insulating member has a first portion that contains the battery element, and a second portion that selectively breaks when the internal pressure of the insulating member increases, to become a vent path that penetrates the first portion from the surface of the battery element to the outer surface of the insulating member.
本開示によれば、信頼性および安全性に優れた電池を提供できる。 This disclosure makes it possible to provide a battery with excellent reliability and safety.
(本開示の概要)
以下に本開示の概要として、本開示に係る電池の例について示す。
(Summary of the Disclosure)
As an outline of the present disclosure, an example of a battery according to the present disclosure is shown below.
例えば、本開示の第1態様に係る電池は、第1電極層、固体電解質層および第2電極層がこの順で積層された積層構造を有する電池素子と、前記電池素子を封止する絶縁部材と、を備え、前記絶縁部材は、前記電池素子を内包する第1部分と、前記絶縁部材の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して、前記電池素子の表面から前記絶縁部材の外表面に渡って前記第1部分を貫通するベント経路になる第2部分と、を有する。 For example, a battery according to a first aspect of the present disclosure includes a battery element having a laminated structure in which a first electrode layer, a solid electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order, and an insulating member that seals the battery element, the insulating member having a first portion that contains the battery element, and a second portion that selectively breaks when the internal pressure of the insulating member increases, to become a vent path that penetrates the first portion from the surface of the battery element to the outer surface of the insulating member.
これにより、絶縁部材によって電池素子への水分および大気等の侵入を抑制して電池素子の特性劣化を抑制できる。また、電池素子に異常発熱または焼損等が生じて絶縁部材の内圧が上昇した場合に、絶縁部材の第2部分が選択的に破損して、内圧を開放できる。よって、絶縁部材および電池素子が、破損してしまって粉々になり、周囲に飛び散ることを抑制できる。このような作用効果により、信頼性および安全性に優れた電池を実現できる。 As a result, the insulating member prevents moisture and air from entering the battery element, thereby preventing deterioration of the battery element's characteristics. Furthermore, if the battery element generates abnormal heat or burns, causing the internal pressure of the insulating member to rise, the second portion of the insulating member is selectively damaged, releasing the internal pressure. This prevents the insulating member and battery element from breaking into pieces and scattering into the surrounding area. These effects make it possible to realize a battery that is highly reliable and safe.
また、例えば、本開示の第2態様に係る電池は、第1態様に係る電池であって、前記第2部分は、気泡を含み、前記第1部分よりも密度が低い。 Also, for example, a battery according to a second aspect of the present disclosure is a battery according to the first aspect, in which the second portion contains air bubbles and has a lower density than the first portion.
これにより、絶縁部材の内圧が上昇した場合に、第2部分が選択的に破損されやすくなり、絶縁部材の内圧が開放されやすくなる。 As a result, when the internal pressure of the insulating member increases, the second portion becomes more likely to be selectively damaged, making it easier for the internal pressure of the insulating member to be released.
また、例えば、本開示の第3態様に係る電池は、第2態様に係る電池であって、前記第2部分は、複数の前記気泡を含む。 Also, for example, the battery according to the third aspect of the present disclosure is the battery according to the second aspect, in which the second portion includes a plurality of the bubbles.
これにより、第2部分が破損する絶縁部材の内圧および絶縁部材の気密性を、気泡の数によって調整できる。そのため、例えば、用途などを考慮して目的に応じた高信頼性および高安全性の電池を得ることができる。 As a result, the internal pressure of the insulating member at which the second portion breaks and the airtightness of the insulating member can be adjusted by the number of bubbles. Therefore, for example, it is possible to obtain a highly reliable and safe battery that meets the purpose, taking into account the application, etc.
また、例えば、本開示の第4態様に係る電池は、第2態様または第3態様に係る電池であって、前記第1部分と前記第2部分とは、同じ絶縁樹脂を含む。 Also, for example, a battery according to the fourth aspect of the present disclosure is a battery according to the second or third aspect, in which the first portion and the second portion contain the same insulating resin.
これにより、同じ絶縁樹脂を用いて、気泡の有無によって第1部分と第2部分とを形成できるため、容易に絶縁部材を形成できる。 This allows the first and second parts to be formed using the same insulating resin depending on whether or not there are air bubbles, making it easy to form the insulating member.
また、例えば、本開示の第5態様に係る電池は、第1態様から第4態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第1部分は、第1絶縁樹脂を含む。 Also, for example, a battery according to a fifth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourth aspects, in which the first portion includes a first insulating resin.
これにより、電池素子を内包する第1部分が電池素子に密着しやすくなり、電池素子への水分および大気等の侵入を抑制できる。また、充放電および冷熱サイクルなどによる電池素子の膨張収縮を第1絶縁樹脂によって吸収しやすくなる。このため、絶縁部材および電池素子にクラックなどの構造欠陥が発生することを抑制できる。よって、高信頼性の電池を実現できる。 This allows the first part containing the battery element to adhere more closely to the battery element, preventing moisture and air from entering the battery element. In addition, the first insulating resin is more likely to absorb the expansion and contraction of the battery element caused by charge/discharge and thermal cycles. This makes it possible to prevent structural defects such as cracks from occurring in the insulating member and battery element. This allows for the realization of a highly reliable battery.
また、例えば、本開示の第6態様に係る電池は、第5態様に係る電池であって、前記第1絶縁樹脂は、熱硬化性樹脂である。 Also, for example, a battery according to a sixth aspect of the present disclosure is a battery according to the fifth aspect, in which the first insulating resin is a thermosetting resin.
これにより、第1絶縁樹脂を含む材料に電池素子を浸漬して熱硬化することで第1部分を形成できるため、容易に絶縁部材を形成できる。 As a result, the first part can be formed by immersing the battery element in a material containing the first insulating resin and thermally curing it, making it easy to form the insulating member.
また、例えば、本開示の第7態様に係る電池は、第1態様から第6態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、前記第1部分よりも柔らかい。 Also, for example, a battery according to a seventh aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to sixth aspects, in which the second portion is softer than the first portion.
これにより、絶縁部材の内圧が上昇した場合に、第2部分が選択的に破損されやすくなるため、絶縁部材の内圧が開放されやすくなる。 As a result, when the internal pressure of the insulating member increases, the second portion is more likely to be selectively damaged, making it easier for the internal pressure of the insulating member to be released.
また、例えば、本開示の第8態様に係る電池は、第7態様に係る電池であって、前記第1部分は、第1絶縁樹脂を含み、前記第2部分は、前記第1絶縁樹脂よりも柔らかい第2絶縁樹脂を含む。 Also, for example, a battery according to an eighth aspect of the present disclosure is a battery according to the seventh aspect, in which the first portion includes a first insulating resin and the second portion includes a second insulating resin that is softer than the first insulating resin.
これにより、第2部分が電池素子および第1部分に密着しやすくなり、絶縁部材の気密性を高めることができる。 This allows the second part to adhere more easily to the battery element and the first part, improving the airtightness of the insulating member.
また、例えば、本開示の第9態様に係る電池は、第8態様に係る電池であって、前記第2絶縁樹脂は、熱硬化性樹脂である。 For example, the battery according to the ninth aspect of the present disclosure is the battery according to the eighth aspect, in which the second insulating resin is a thermosetting resin.
これにより、第2絶縁樹脂を含む材料を熱硬化することで第2部分を形成できるため、容易に絶縁部材を形成できる。 As a result, the second part can be formed by thermally curing the material containing the second insulating resin, making it easy to form the insulating member.
また、例えば、本開示の第10態様に係る電池は、第9態様に係る電池であって、前記第1絶縁樹脂および前記第2絶縁樹脂は架橋によって硬化する熱硬化性樹脂であり、前記第2絶縁樹脂は、前記第1絶縁樹脂より、架橋度が低い。 Also, for example, a battery according to a tenth aspect of the present disclosure is a battery according to the ninth aspect, in which the first insulating resin and the second insulating resin are thermosetting resins that harden by crosslinking, and the second insulating resin has a lower degree of crosslinking than the first insulating resin.
これにより、硬化温度等によって架橋度を調整するだけで第2絶縁樹脂を第1絶縁樹脂よりも柔らかくすることができるため、容易に絶縁部材を形成できる。 As a result, the second insulating resin can be made softer than the first insulating resin simply by adjusting the degree of cross-linking through the curing temperature, etc., making it easy to form the insulating member.
また、例えば、本開示の第11態様に係る電池は、第1態様から第10態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、熱膨張性粒子を含む。 Also, for example, a battery according to an eleventh aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to tenth aspects, in which the second portion includes thermally expandable particles.
これにより、電池素子の発熱時に熱膨張性粒子が膨張して、第2部分がより破損しやすくなる。よって、電池周囲の破損および類焼を抑制でき、高信頼性の電池を実現できる。 As a result, when the battery element generates heat, the heat-expanding particles expand, making the second part more susceptible to damage. This makes it possible to prevent damage and fire around the battery, resulting in a highly reliable battery.
また、例えば、本開示の第12態様に係る電池は、第11態様に係る電池であって、前記熱膨張性粒子は、発泡性粒子である。 Also, for example, a battery according to a twelfth aspect of the present disclosure is a battery according to the eleventh aspect, in which the thermally expandable particles are foamable particles.
これにより、電池素子の発熱時に発泡性粒子が発泡し、第2部分がより破損しやすくなる。 As a result, when the battery element heats up, the expandable particles expand, making the second part more susceptible to damage.
また、例えば、本開示の第13態様に係る電池は、第12態様に係る電池であって、前記発泡性粒子は、揮発性材料が充填されたマイクロカプセルで構成される。 Also, for example, a battery according to a thirteenth aspect of the present disclosure is a battery according to the twelfth aspect, in which the expandable particles are composed of microcapsules filled with a volatile material.
これにより、揮発性材料の種類および含有量の調整により、発泡性粒子の膨張率および発泡温度を制御できる。 This allows the expansion rate and expansion temperature of the foamable particles to be controlled by adjusting the type and content of the volatile material.
また、例えば、本開示の第14態様に係る電池は、第12態様または第13態様に係る電池であって、前記発泡性粒子の発泡開始温度は、150℃以上250℃以下である。 Also, for example, a battery according to a fourteenth aspect of the present disclosure is a battery according to the twelfth or thirteenth aspect, in which the foaming start temperature of the expandable particles is 150°C or higher and 250°C or lower.
これにより、電池素子の異常発熱時に発泡性粒子が発泡し、電池素子および絶縁部材が過剰な高温になる前にベント経路を形成できる。 As a result, when the battery element generates abnormal heat, the expandable particles expand, forming a vent path before the battery element and insulating components become excessively hot.
また、例えば、本開示の第15態様に係る電池は、第1態様から第14態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、前記電池素子と前記絶縁部材の外表面との間隔が最短になる位置を含むように配置される。 Also, for example, a battery according to a fifteenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourteenth aspects, in which the second portion is positioned to include a position where the distance between the battery element and the outer surface of the insulating member is shortest.
これにより、第2部分がベント経路になる圧力を低くすることができる。 This reduces the pressure at which the second portion becomes a vent path.
また、例えば、本開示の第16態様に係る電池は、第1態様から第14態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、前記電池素子と前記絶縁部材の外表面との間隔が最長になる位置を含むように配置される。 Also, for example, a battery according to a sixteenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to fourteenth aspects, in which the second portion is positioned to include a position where the distance between the battery element and the outer surface of the insulating member is longest.
これにより、第2部分がベント経路になる圧力を高くすることができる。 This allows the pressure at which the second section becomes a vent path to be increased.
また、例えば、本開示の第17態様に係る電池は、第1態様から第16態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、屈曲している。 Also, for example, a battery according to a seventeenth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to sixteenth aspects, in which the second portion is bent.
これにより、第2部分における屈曲させる箇所の数および屈曲のさせ方の調整によって、第2部分が破損する絶縁部材の内圧を調整できる。また、絶縁部材の外表面における内圧が開放される位置を調整することができる。 As a result, by adjusting the number of bent points in the second section and the manner in which they are bent, it is possible to adjust the internal pressure of the insulating member at which the second section breaks. It is also possible to adjust the position on the outer surface of the insulating member where the internal pressure is released.
また、例えば、本開示の第18態様に係る電池は、第1態様から第17態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、分岐している。 Also, for example, a battery according to an 18th aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the 1st to 17th aspects, in which the second portion is branched.
これにより、第2部分における分岐の数および分岐のさせ方の調整により、第2部分が破損する絶縁部材の内圧を調整できる。また、絶縁部材の外表面における内圧が開放される位置を調整することができる。 As a result, by adjusting the number of branches in the second section and the way in which they are branched, it is possible to adjust the internal pressure of the insulating member at which the second section breaks. It is also possible to adjust the position on the outer surface of the insulating member where the internal pressure is released.
また、例えば、本開示の第19態様に係る電池は、第1態様から第18態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第1電極層または前記第2電極層に接続され、前記絶縁部材を通って前記絶縁部材の外側に引き出されるリード端子を備え、前記第2部分は、前記リード端子に沿って配置される。 Also, for example, a battery according to a 19th aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the 1st to 18th aspects, and includes a lead terminal connected to the first electrode layer or the second electrode layer and extending through the insulating member to the outside of the insulating member, and the second portion is disposed along the lead terminal.
これにより、リード端子の剛体壁面に沿って、絶縁部材の内圧を開放することができる。このため、絶縁部材にベント経路を精度よい位置で形成可能となる。 This allows the internal pressure of the insulating material to be released along the rigid wall surface of the lead terminal. This makes it possible to form a vent path in the insulating material at a precise position.
また、例えば、本開示の第20態様に係る電池は、第1態様から第19態様のいずれか1つに係る電池であって、前記リード端子は、前記絶縁部材内に屈曲部または段差を有する。 Also, for example, a battery according to a twentieth aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the first to nineteenth aspects, in which the lead terminal has a bent portion or a step within the insulating member.
これにより、リード端子の屈曲または段差の度合いおよび位置等を調整することで、第2部分がベント経路となる圧力を調整できる。 This allows the pressure at which the second portion becomes a vent path to be adjusted by adjusting the degree and position of the bend or step in the lead terminal.
また、例えば、本開示の第21態様に係る電池は、第19態様または第20態様に係る電池であって、前記第2部分は、シリコーン樹脂を含む。 Also, for example, a battery according to a twenty-first aspect of the present disclosure is a battery according to the nineteenth or twentieth aspect, in which the second portion includes a silicone resin.
これにより、第2部分とリード端子との接着性が向上する。そのため、第2部分とリード端子との界面部分から絶縁部材内部への水分および大気の侵入が抑制され、電池素子の劣化を抑制できる。 This improves the adhesion between the second part and the lead terminal. This prevents moisture and air from penetrating into the insulating material from the interface between the second part and the lead terminal, thereby preventing deterioration of the battery element.
また、例えば、本開示の第22態様に係る電池は、第19態様から第21態様のいずれか1つに係る電池であって、前記第2部分は、シランカップリング剤を含む。 Also, for example, a battery according to a twenty-second aspect of the present disclosure is a battery according to any one of the nineteenth to twenty-first aspects, in which the second portion includes a silane coupling agent.
これにより、第2部分とリード端子との接着性が向上する。そのため、第2部分とリード端子との界面部分から絶縁部材内部への水分および大気の侵入が抑制され、電池素子の劣化を抑制できる。 This improves the adhesion between the second part and the lead terminal. This prevents moisture and air from penetrating into the insulating material from the interface between the second part and the lead terminal, thereby preventing deterioration of the battery element.
以下、実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。 The following describes the embodiment in detail with reference to the drawings.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 The embodiments described below are all comprehensive or specific examples. The numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of the components shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present disclosure. Furthermore, among the components in the following embodiments, components that are not described in an independent claim are described as optional components.
また、本明細書において、平行などの要素間の関係性を示す用語、および、矩形などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数%程度の差異をも含むことを意味する表現である。 In addition, in this specification, terms indicating the relationship between elements, such as "parallel," terms indicating the shape of an element, such as "rectangle," and numerical ranges are not expressions that express only a strict meaning, but are expressions that include a substantially equivalent range, for example, a difference of about a few percent.
また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。 Furthermore, each figure is not necessarily a precise illustration. In each figure, the same reference numerals are used for substantially the same configuration, and duplicate explanations are omitted or simplified.
また、本明細書および図面において、x軸、y軸およびz軸は、三次元直交座標系の三軸を示している。以下の実施の形態では、z軸方向を電池素子の積層方向としている。また、x軸およびy軸はそれぞれ、電池素子の平面視形状が矩形である場合に、当該矩形の第1辺、および、当該第1辺に直交する第2辺に平行な方向である。 In addition, in this specification and the drawings, the x-axis, y-axis, and z-axis refer to the three axes of a three-dimensional Cartesian coordinate system. In the following embodiment, the z-axis direction is the stacking direction of the battery elements. Furthermore, when the shape of the battery elements in a plan view is rectangular, the x-axis and y-axis are directions parallel to the first side of the rectangle and the second side perpendicular to the first side, respectively.
また、本明細書において、「積層方向」は、電池素子の各層の主面に垂直な方向に一致する。「主面」は、各構成要素における面積が最も大きい面である。 In addition, in this specification, the "stacking direction" corresponds to the direction perpendicular to the principal surface of each layer of the battery element. The "principal surface" is the surface with the largest area in each component.
また、本明細書において「内側」および「外側」などにおける「内」および「外」では、電池の中心側が「内」であり電池の外縁側が「外」である。 In addition, in this specification, when referring to the "inside" and "outside" of the terms "inner" and "outer," the "inner" refers to the center side of the battery and the "outer" refers to the outer edge side of the battery.
また、本明細書において、電池の構成における「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向(鉛直上方)および下方向(鉛直下方)を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、2つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて2つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、2つの構成要素が互いに密着して配置されて2つの構成要素が接する場合にも適用される。以下の説明では、z軸の負側を「下方」または「下側」とし、z軸の正側を「上方」または「上側」とする。 In addition, in this specification, the terms "above" and "below" in the battery configuration do not refer to the upward (vertically upward) and downward (vertically downward) directions in absolute spatial recognition, but are used as terms defined by a relative positional relationship based on the stacking order in the stacking configuration. Furthermore, the terms "above" and "below" are applied not only to cases where two components are arranged with a gap between them and another component is present between the two components, but also to cases where two components are arranged in close contact with each other and are in contact with each other. In the following explanation, the negative side of the z axis is referred to as "below" or "lower side", and the positive side of the z axis is referred to as "above" or "upper side".
(実施の形態)
[電池の概要]
まず、本実施の形態に係る電池の概要について説明する。
(Embodiment)
[Battery Overview]
First, an overview of the battery according to this embodiment will be described.
図1は、本実施の形態に係る電池1000の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図1の(a)は、本実施の形態に係る電池1000の断面図であり、図1の(b)は、電池1000をz軸方向下側から見た平面視図である。図1の(a)には、図1の(b)のIa-Ia線で示される位置での断面が示されている。また、図1の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分600の輪郭が破線で示されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図1に示されるように、電池1000は、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200を含む電池素子400と、絶縁部材700と、を備える。絶縁部材700は、電池素子400を封止している。第1電極層100は、第1集電体110および第1活物質層120を含む。第2電極層200は、第2集電体210および第2活物質層220を含む。電池1000は、第1電極層100に電気的に接続されたリード端子800aおよび第2電極層200に電気的に接続されたリード端子800bをさらに含む。電池1000は、例えば、全固体電池である。
As shown in FIG. 1, the
図1に示される電池1000においては、絶縁部材700は、リード端子800aおよび800bの一部を露出させ、電池素子400と、リード端子800aおよび800bの残りの部分とを内包し、封止している。リード端子800aおよび800bの一部は、絶縁部材700から引き出されて露出し、例えば、実装端子部として外部回路と接続される。
In the
絶縁部材700は、絶縁部材700の概略形状を形成する第1部分500と、第2部分600と、を有する。第2部分600は、電池素子400の一部と接している。第2部分600は、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して第1部分500を貫通するベント経路になる。絶縁部材700が電池素子400を封止することで、水分および大気等による電池素子400の特性劣化を抑制できる。また、絶縁部材700が第2部分600を有することにより、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に第2部分600が選択的に破損して内圧が開放される。そのため、絶縁部材700および電池素子400の全体が粉々になって、周囲に飛び散ることを抑制できる。よって、電池1000の信頼性および安全性を高めることができる。
The insulating
以下、図1を参照しながら、電池1000の各構成要素について、詳細に説明する。
Below, each component of the
[電池素子]
電池素子400は、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200がこの順で積層された積層構造を有する。電池素子400の平面視形状は、例えば矩形形状である。つまり、電池1000の概略形状は、扁平な直方体状である。ここで、扁平とは、厚み(すなわち、z軸方向の長さ)が主面の各辺の長さ(すなわち、x軸方向およびy軸方向の各々の長さ)または最大幅より短いことを意味する。電池素子400の平面視形状は、正方形状、六角形状または八角形状などの他の多角形状であってもよく、円形状または楕円形状などであってもよい。なお、本明細書に係る図面において、電池の構成を示す断面図では、電池素子400の層構造を分かりやすくするため、各層の厚みを誇張して図示している。
[Battery element]
The
電池素子400は、4つの側面401、402、403および404と、2つの主面405および406と、を含む。
The
側面401および402は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。側面403および404は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。また、側面401、402、403および404は、主面405および406の各辺から、主面405および主面406に対して交差する方向、具体的には垂直に立設している。側面401、402、403および404は、主面405と主面406とを繋ぐ面である。側面401、402、403および404は、例えば、電池素子400の積層方向に平行である。主面405および406は、互いに背向しており、かつ、互いに平行である。図1で示される例では、側面401、402、403および404のそれぞれには、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200の側面が含まれる。また、主面405は電池素子400の上面であり、主面406は電池素子400の下面である。
図1で示される例では、電池素子400の側面401の一部は、第2部分600と接している。なお、電池素子400の側面401以外の側面402、403および404ならびに主面405および406の少なくともいずれかの一部が、第2部分600と接してよい。
In the example shown in FIG. 1, a portion of the
第1電極層100は、第1集電体110および第1活物質層120を含む。第2電極層200は、第2集電体210および第2活物質層220を含む。第1電極層100と第2電極層200とは、固体電解質層300を挟み、互いに対向して、それぞれが固体電解質層300に接している。第1電極層100と第2電極層200との対向間隔は、たとえば10μm以上500μm以下である。
The
図1で示される例では、第1活物質層120、第2活物質層220、第1集電体110、第2集電体210および固体電解質層300は、それぞれ、平面視において、互いに同じ大きさであり、各々の輪郭形状が一致しているが、これに限らない。例えば、第1活物質層120と、第2活物質層220との外形形状が互いに異なっていてよい。これにより、例えば、側面から第1活物質層120および第2活物質層220の大小関係を見ることにより(例えば画像認識)、電池1000の極性(正負極)を判断することおよび位置を修正することなどができることとなり、生産時の極性間違いを低減させることができる。
In the example shown in FIG. 1, the first
第1電極層100と第2電極層200とは互いに異極性の電極である。本実施の形態において、第1電極層100および第2電極層200のうち、一方が正極活物質層と正極集電体とを含む正極層であり、他方が負極活物質層と負極集電体とを含む負極層である。以下では、第1電極層100が、第1活物質層120および第1集電体110を、正極活物質層および正極集電体として含む正極層であり、第2電極層200が、第2活物質層220および第2集電体210を、負極活物質層および負極集電体として含む負極層である場合を一例として説明する。
The
なお、第1電極層100が負極層であり、第2電極層200が正極層であってもよい。具体的には、第1集電体110が負極集電体であり、第1活物質層120が負極活物質層であり、第2集電体210が正極集電体であり、第2活物質層220が正極活物質層であってもよい。
The
第1集電体110の一方の主面には、第1活物質層120が接している。第1集電体110は、第1活物質層120に接する部分に設けられた、導電材料を含む層である接続層を含んでもよい。第1集電体110の他方の主面には、リード端子800aが接続されている。第1集電体110の他方の主面は、電池素子400の主面405を構成する。
The first
第2集電体210の一方の主面には、第2活物質層220が接している。第2集電体210は、第2活物質層220に接する部分に設けられた、導電材料を含む層である接続層を含んでもよい。第2集電体210の他方の主面には、リード端子800bが接続されている。第2集電体210の他方の主面は、電池素子400の主面406を構成する。
The second
第1集電体110および第2集電体210はそれぞれ、導電性を有する材料で形成されていればよく、特に限定されない。第1集電体110および第2集電体210は、例えば、ステンレス、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、金(Au)もしくは白金(Pt)、または、これらの2種以上の合金などからなる箔状体、板状体または網目状体などである。第1集電体110および第2集電体210の材料は、製造プロセス、使用温度または使用圧力で溶融または分解しないこと、および、第1集電体110および第2集電体210に印加される電池の動作電位および導電性を考慮して適宜選択されればよい。また、第1集電体110および第2集電体210の材料は、要求される引張強度または耐熱性に応じても選択されうる。第1集電体110および第2集電体210は、高強度電解銅箔、または、異種金属箔を積層したクラッド材であってもよい。
The first
第1集電体110および第2集電体210の厚さはそれぞれ、例えば、10μm以上100μm以下であるが、これに限らない。なお、第1集電体110および第2集電体210の少なくとも一方の表面は、第1活物質層120または第2活物質層220との密着性を高める観点から、凹凸のある粗面に加工されていてもよい。また、第1集電体110および第2集電体210の少なくとも一方の表面には、有機バインダーなどの接着成分が塗布されていてもよい。これにより、第1集電体110および第2集電体210と他の層との界面の接合性が強化され、電池1000の機械的および熱的信頼性、ならびに、サイクル特性などを高めることができる。
The thickness of the first
第1活物質層120は、第1集電体110と固体電解質層300との間に配置される。第1活物質層120は、一方の主面で、第1集電体110と接し、他方の主面で固体電解質層300と接している。本実施の形態では、第1活物質層120は、第1集電体110の一方の主面の全体を覆っている。
The first
本実施の形態において、第1活物質層120は、正極活物質層であるので、少なくとも正極活物質を含む。つまり、第1活物質層120は、主に、正極活物質などの正極材料から構成される層である。正極活物質は、負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウム(Li)またはマグネシウム(Mg)などの金属イオンが挿入または離脱され、それに伴って酸化または還元が行われる物質である。正極活物質の種類は、電池の種類に応じて適宜選択することができ、公知の正極活物質が用いられうる。正極活物質は、リチウムと遷移金属元素とを含む化合物が挙げられ、例えば、リチウムと遷移金属元素を含む酸化物、および、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。リチウムと遷移金属元素を含む酸化物としては、例えば、LiNixM1-xO2(ここで、Mは、Co、Al、Mn、V、Cr、Mg、Ca、Ti、Zr、Nb、MoおよびWのうち少なくとも1つの元素であり、xは、0<x≦1である)などのリチウムニッケル複合酸化物、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等の層状酸化物およびスピネル構造を持つマンガン酸リチウム(LiMn2O4、Li2MnO3、LiMO2)などが用いられる。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、オリビン構造を持つリン酸鉄リチウム(LiFePO4)などが用いられる。また、正極活物質には、硫黄(S)、硫化リチウム(Li2S)などの硫化物を用いることもでき、その場合、正極活物質粒子に、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などをコーティング、または、添加したものを正極活物質として用いることができる。なお、正極活物質には、これらの材料の1種のみが用いられてもよいし、これらの材料のうちの2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
In this embodiment, the first
上述のとおり、正極活物質層である第1活物質層120は、少なくとも正極活物質を含んでいればよい。第1活物質層120は、正極活物質と他の添加材料との合剤から構成される合剤層であってもよい。添加材料としては、例えば、無機系固体電解質または硫化物系固体電解質などの固体電解質、アセチレンブラックなどの導電助材、ポリエチレンオキシドまたはポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられうる。第1活物質層120は、正極活物質と固体電解質などの他の添加材料とを所定の割合で混合することにより、第1活物質層120内でのイオン伝導性を向上させることができるとともに、電子伝導性をも向上させることができる。
As described above, the first
第1活物質層120の厚みは、例えば、5μm以上300μm以下であるが、これに限らない。
The thickness of the first
第2活物質層220は、第2集電体210と固体電解質層300との間に配置される。第2活物質層220は、一方の主面で、第2集電体210と接し、他方の主面で固体電解質層300と接している。本実施の形態では、第2活物質層220は、第2集電体210の一方の主面の全体を覆っている。
The second
本実施の形態において、第2活物質層220は、負極活物質層であるので、少なくとも負極活物質を含む。つまり、第2活物質層220は、主に、負極活物質などの負極材料から構成される層である。負極活物質は、正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウム(Li)イオンまたはマグネシウム(Mg)イオンなどの金属イオンが挿入または離脱され、これに伴って酸化または還元が行われる物質をいう。負極活物質の種類は、電池1000の種類に応じて適宜選択することができ、公知の負極活物質が用いられうる。
In this embodiment, the second
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維もしくは樹脂焼成炭素などの炭素材料、または、固体電解質と合剤化される合金系材料などが用いられうる。合金系材料としては、例えば、LiAl、LiZn、Li3Bi、Li3Cd、Li3Sb、Li4Si、Li4.4Pb、Li4.4Sn、Li0.17C、LiC6などのリチウム合金、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)などのリチウムと遷移金属元素との酸化物、酸化亜鉛(ZnO)および酸化ケイ素(SiOx)などの金属酸化物などが用いられうる。なお、負極活物質には、これらの材料の1種のみが用いられてもよいし、これらの材料のうちの2種以上が組み合わされて用いられてもよい。 As the negative electrode active material, for example, carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, graphite carbon fiber, or resin-sintered carbon, or alloy-based materials mixed with a solid electrolyte, etc. can be used. As the alloy-based material, for example, lithium alloys such as LiAl, LiZn, Li 3 Bi, Li 3 Cd, Li 3 Sb, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, Li 0.17 C, LiC 6 , oxides of lithium and transition metal elements such as lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), metal oxides such as zinc oxide (ZnO) and silicon oxide (SiO x ), etc. can be used. In addition, only one of these materials may be used as the negative electrode active material, or two or more of these materials may be used in combination.
上述の通り、負極活物質層である第2活物質層220は、少なくとも負極活物質を含んでいればよい。第2活物質層220は、負極活物質と他の添加材料との合剤から構成される合剤層であってもよい。他の添加材料としては、例えば、無機系固体電解質または硫化物系固体電解質などの固体電解質、アセチレンブラックなどの導電助材、ポリエチレンオキシドまたはポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどが用いられうる。第2活物質層220は、負極活物質と固体電解質などの他の添加材料とを所定の割合で混合することにより、第2活物質層220内でのイオン伝導性を向上させることができるとともに、電子伝導性をも向上させることができる。
As described above, the second
第2活物質層220の厚みは、例えば、5μm以上300μm以下であるが、これに限らない。
The thickness of the second
固体電解質層300は、第1活物質層120と第2活物質層220との間に配置され、第1活物質層120と第2活物質層220とのそれぞれに接している。固体電解質層300は、少なくとも固体電解質を含む。
The
固体電解質は、イオン伝導性を有する公知の電池用の固体電解質であればよい。固体電解質として、例えば、リチウムイオンまたはマグネシウムイオンなどの金属イオンを伝導する固体電解質が用いられうる。固体電解質の種類は、伝導イオン種に応じて適宜選択すればよい。固体電解質層300は、第1活物質層120および第2活物質層220よりも柔らかくてもよい。なお、固体電解質層300の柔らかさは、第1活物質層120および第2活物質層220との相対的な柔らかさとして、例えば、イオンミリングなどの手段で平坦に切り出した断面をマイクロビッカースで評価することにより、確認することができる。例えば、圧子を断面に押しあてて、同圧力で圧子を押し当てた場合に、残った圧子痕のサイズが大きいものほど柔らかいと判断する。
The solid electrolyte may be any known solid electrolyte for batteries having ion conductivity. For example, a solid electrolyte that conducts metal ions such as lithium ions or magnesium ions may be used as the solid electrolyte. The type of solid electrolyte may be appropriately selected according to the type of conductive ions. The
固体電解質としては、例えば、硫化物系固体電解質または酸化物系固体電解質などの無機系固体電解質が用いられうる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5系、Li2S-SiS2系、Li2S-B2S3系、Li2S-GeS2系、Li2S-SiS2-LiI系、Li2S-SiS2-Li3PO4系、Li2S-Ge2S2系、Li2S-GeS2-P2S5系、または、Li2S-GeS2-ZnS系などのリチウム含有硫化物が用いられうる。酸化物系固体電解質としては、例えば、Li2O-SiO2もしくはLi2O-SiO2-P2O5などのリチウム含有金属酸化物、LixPyO1-zNzなどのリチウム含有金属窒化物、リン酸リチウム(Li3PO4)、または、リチウムチタン酸化物などのリチウム含有遷移金属酸化物などが用いられうる。固体電解質としては、これらの材料の1種のみが用いられてもよく、これらの材料のうちの2種以上が組み合わされて用いられてもよい。本実施の形態では、固体電解質層300は、一例として、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を含む。
As the solid electrolyte, for example, an inorganic solid electrolyte such as a sulfide-based solid electrolyte or an oxide-based solid electrolyte can be used. As the sulfide-based solid electrolyte, for example, a lithium-containing sulfide such as Li 2 S-P 2 S 5 system, Li 2 S- SiS 2 system , Li 2 S -B 2 S 3 system, Li 2 S-GeS 2 system, Li 2 S-SiS 2 -LiI system, Li 2 S - SiS 2 -Li 3 PO 4 system, Li 2 S-Ge 2 S 2 system, Li 2 S-GeS 2 -P 2 S 5 system, or Li 2 S-GeS 2 -ZnS system can be used. As the oxide-based solid electrolyte, for example, lithium-containing metal oxides such as Li 2 O—SiO 2 or Li 2 O—SiO 2 -P 2 O 5 , lithium-containing metal nitrides such as Li x P y O 1-z N z , lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), or lithium-containing transition metal oxides such as lithium titanium oxide can be used. As the solid electrolyte, only one of these materials may be used, or two or more of these materials may be used in combination. In the present embodiment, the
固体電解質層300は、上記固体電解質材料に加えて、ポリエチレンオキシドまたはポリフッ化ビニリデンなどの結着用バインダーなどを含んでもよい。
The
固体電解質層300の厚みは、例えば、5μm以上500μm以下であるが、これに限らない。
The thickness of the
なお、固体電解質層300は、固体電解質の粒子の凝集体として構成されていてもよい。また、固体電解質層300は、固体電解質の焼結組織で構成されていてもよい。
The
[絶縁部材]
絶縁部材700には、電池素子400が埋め込まれており、絶縁部材700は、電池素子400を封止している。電池素子400が絶縁部材700に埋め込まれて封止されているため、電池1000の信頼性を、耐衝撃性、機械的強度、短絡抑制および防湿など様々な点で向上することができる。絶縁部材700は、例えば、電池素子400の形状に対応する外形形状を有し、図1で示される例では、絶縁部材700の外形形状は、電池素子400と同様の直方体状である。絶縁部材700は、例えば、電池素子400を中心部分に埋め込んで金型で成形したモールド樹脂部材である。また、絶縁部材700は、電池素子400の全体を覆うように樹脂材料を塗布することで形成されていてもよい。絶縁部材700は、例えば、フィルムを貼り合わせたような構造を有さないため、上記のような電池1000の信頼性の向上効果が高い。
[Insulating material]
The
絶縁部材700は、電池素子400を内包する第1部分500と、電池素子400の表面から絶縁部材700の外表面701に渡って第1部分500を貫通するように配置される第2部分600と、を有する。図1で示される例では、外表面701は、電池素子400の側面401、402、403および404および主面405および406のそれぞれに対向し、かつ、平行な複数の平面を含む。
The insulating
第1部分500は、電池素子400の表面(本実施の形態においては側面401、402、403および404ならびに主面405および406)のうちの第2部分600に接していない部分をすべて被覆する。第1部分500は、側面401のうちの第2部分600に接していない部分、ならびに、側面402、403および404のそれぞれの全面に接している。このように第1部分500が電池素子400の表面の大半を被覆することで、絶縁部材700による電池1000の信頼性の向上の効果を高めることができる。
The
第2部分600は、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して、電池素子400の表面から絶縁部材700の外表面701に渡って第1部分500を貫通するベント経路になる。つまり、第2部分600は、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、第1部分500よりも先に破損して、絶縁部材700の内圧を絶縁部材700の外部に開放する。
When the internal pressure of the insulating
第2部分600は、第1部分500に内包された電池素子400と絶縁部材700の外表面701とを繋ぐように配置されている。第2部分600は、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して、電池素子400の表面から絶縁部材700の外表面701に渡って第1部分500を貫通するベント経路になる。第2部分600は、第1部分500に囲まれて、電池素子400に接する部分および絶縁部材700の外表面701の一部を構成する部分以外が第1部分500に覆われている。絶縁部材700の外表面701において、第1部分500と第2部分600との間には段差が形成されておらず、外表面701は平坦面である。第2部分600は、電池素子400の表面から絶縁部材700の外表面701に向かってまっすぐ延びている。なお、第2部分600は、屈曲していてもよい。
The
また、第2部分600は、電池素子400と絶縁部材700の外表面701との間隔が最短になる位置を含むように配置されている。図7に示される例では、第2部分600は、側面401から、絶縁部材700の外表面701における側面401に最も近い部分に向かって延びている。これにより、絶縁部材700にベント経路が形成される圧力を低くすることができる。
The
第2部分600は、複数の気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低い。ここでの「密度」とは、第1部分500および第2部分600の材料の真密度ではなく、気泡601も含む見かけ密度を意味する。第2部分600は、複数の気泡601以外の部分は絶縁材料で満たされている。気泡601は独立気泡であり、複数の気泡601を含む第2部分600が存在していても絶縁部材700による電池素子400の封止性は確保される。複数の気泡601のうち一部の気泡601は互いに連通した気泡であってもよい。気泡601の形状は、球体状である。気泡601の直径は、例えば、真球換算で0.1μm以上10μm以下である。このように、第2部分600が気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低いことで、絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、内圧によって第2部分600が選択的に破損し、絶縁部材700にベント経路が形成されて、内圧が開放される。つまり、第2部分600は、絶縁部材700の内圧が上昇し、所定の圧力を超えた場合に、第1部分500よりも優先して破損し、電池素子400と絶縁部材700の外表面701との間に渡って絶縁部材700を貫通するベント経路になる。ここで、絶縁部材700の内圧とは、絶縁部材700の内部における電池素子400が配置されている領域の圧力である。
The
図1に示される電池1000においては、第2部分600は、電池素子400の側面401の一部に接している。具体的には、第2部分600は、電池素子400の表面のうち電池素子400の側面401の一部のみに接している。第2部分600が、電池素子400の側面401に接していることにより、構造欠陥または変形等によって短絡が発生しやすい電池素子400の側面部の発熱等による内圧上昇に対して、応答性よくベント経路を形成できる。また、第2部分600は、側面401において、電池素子400の中でも特に発熱しやすい正極活物質層を含む第1電極層100に接している。
In the
なお、第2部分600が電池素子400に接する位置は特に限定されず、第2部分600は、電池素子400の側面401の全面に接していてもよく、側面401以外の電池素子400の側面に接していてもよく、発熱しやすい任意箇所に形成してよい。また、第2部分600は、電池素子400の主面405または406に接していてもよい。この際、第2部分600は、充放電動作で発熱しやすい主面405または406中央領域に接していてもよい。第2部分600が主面405または406に接していることにより、充放電動作で発熱しやすい活物質層の異常発熱による内圧上昇に対して、応答性よくベント経路を形成できる。
The position where the
また、第2部分600は、電池素子400の側面と主面との交差部である稜線の一部と接していてもよい。例えば、第2部分600は、電池素子400の側面401から主面405に渡って連続して接していてもよい。この際、側面、主面および稜線等の第2部分600が接する箇所に応じて、それぞれ異なる絶縁材料を使用してもよく、電池素子400の発熱温度および耐衝撃性の観点で任意の絶縁材料をそれぞれの箇所に使用してよい。このように、第2部分600が、電池素子400の主面または稜線と接することにより、電池素子400における発熱または焼損しやすい任意部位に、ベント経路を形成できる。
The
また、図1で示される例において、第2部分600において、絶縁材料が電池素子400に接するが、気泡601が電池素子400に接していてもよい。
In the example shown in FIG. 1, in the
絶縁部材700は、絶縁性を有する絶縁材料で形成されていればよく、特に限定されない。また、本実施の形態においては、絶縁部材700における第1部分500と第2部分600とは、例えば、同じ絶縁材料で構成されている。第1部分500と第2部分600とは、例えば、同じ絶縁樹脂を含む。これにより、容易に絶縁部材700を形成できる。また、第1部分500および第2部分600が絶縁樹脂を含むことで、第1活物質層120、第2活物質層220および固体電解質層300が粉体材料で形成されている場合には、第1活物質層120、第2活物質層220および固体電解質層300の側面の粉体材料による微細な凹凸に第1部分500および第2部分600が入り込むことができ、第1部分500および第2部分600と電池素子400との密着性が向上する。
The insulating
絶縁樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂およびフッ素樹脂などが挙げられる。絶縁樹脂は、熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂等の架橋によって硬化する樹脂である。 Examples of insulating resins include epoxy resins, silicone resins, acrylic resins, and fluororesins. The insulating resin may be a thermosetting resin. Thermosetting resins are resins that harden by crosslinking, such as epoxy resins, silicone resins, and acrylic resins.
また、第1部分500および第2部分600は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムまたは酸化チタンなどの絶縁性酸化物を含んでもよい。第1部分500および第2部分600は、絶縁樹脂と絶縁性酸化物との混合材料で形成されていてもよい。また、第1部分500および第2部分600は、組成および形状の少なくとも一方が異なる複数の層の積層構造を有していてもよい。層の形状としては、箔状体、板状体および網目状体などが挙げられる。積層構造は、例えば、外表面701側の層として柔らかい樹脂材料で構成される層と、電池素子400側の層として硬質な板状の絶縁性酸化物で構成される層と、を含んでいてもよい。
The
第1部分500および第2部分600の絶縁材料は、通常の製造プロセス、使用温度または使用圧力で溶融または分解しないこと、および、第1部分500および第2部分600に印加される電池素子400の動作電位および導電性、ならびに、電池素子400の膨張収縮に伴う応力を考慮して適宜選択されればよい。また、第1部分500および第2部分600の絶縁材料は、要求される引張強度または耐熱性に応じても選択されうる。
The insulating material of the
[リード端子]
リード端子800aおよび800bは、外部回路と電池素子400とを電気的に接続する。リード端子800aおよび800bは、例えば、ニッケル、ステンレス、アルミニウム、鉄または銅などの金属で構成される箔状または板状の導体である。図1で示される例では、リード端子800aおよび800bは、幅および厚みが一定である。
[Lead terminal]
The
リード端子800aは、第1電極層100に接続され、絶縁部材700を通って絶縁部材700の外側に引き出されている。リード端子800aは、主面405において、第1電極層100の第1集電体110に接続されている。リード端子800aは、主面405以外の箇所では電池素子400に接続されておらず、電池素子400の側面には接していない。リード端子800bは、第2電極層200に接続され、絶縁部材700を通って絶縁部材700の外側に引き出されている。リード端子800bは、主面406において、第2電極層200の第2集電体210に接続されている。リード端子800bは、主面406以外の箇所では電池素子400に接続されておらず、電池素子400の側面には接していない。リード端子800aおよび800bはそれぞれ、例えば、不図示の導電性接着剤または半田等によって第1集電体110および第2集電体210に接続される。リード端子800aおよび800bはそれぞれ、第1集電体110および第2集電体210に溶接されていてもよい。
The
リード端子800aは、絶縁部材700内において屈曲している部分である屈曲部801aおよび802aを有する。主面405に接続されたリード端子800aは、側面402の外側に突出するように主面405に沿う方向に延びた後、屈曲部801aで屈曲して側面402に対向して側面402に沿う方向に延び、さらに、屈曲部802aで屈曲して側面402から離れる方向に延びて、絶縁部材700の側面から引き出されている。リード端子800aにおける屈曲部801aと屈曲部802aとの間の部分は、第1部分500を介して側面402に対向している。リード端子800aが屈曲していることで、絶縁部材700内に水分および大気等が侵入する際に侵入経路が長くなり、絶縁部材700内部への水分および大気の侵入を抑制できる。リード端子800aにおける絶縁部材700から引き出された部分は、絶縁部材700の側面に沿って下方側に延びた後、絶縁部材700の下面に回り込んで、リード端子800aの端部が実装基板等との接続端子部分を形成している。
The
リード端子800bは、絶縁部材700内において屈曲している部分である屈曲部801bおよび802bを有する。主面406に接続されたリード端子800bは、側面401の外側に突出するように主面406に沿う方向に延びた後、屈曲部801bで屈曲して側面401に対向して側面401に沿う方向に延び、さらに、屈曲部802bで屈曲して側面401から離れる方向に延びて、絶縁部材700の側面から引き出されている。リード端子800bにおける屈曲部801bと屈曲部802bとの間の部分は、第1部分500を介して側面401に対向している。リード端子800bが屈曲していることで、絶縁部材700内に水分および大気等が侵入する際に侵入経路が長くなり、絶縁部材700内部への水分および大気の侵入を抑制できる。リード端子800bにおける絶縁部材700から引き出された部分は、絶縁部材700の側面に沿って下方側に延びた後、絶縁部材700の下面に回り込んで、リード端子800bの端部が実装基板等との接続端子部分を形成している。
The
なお、リード端子800aおよび800bは、絶縁部材700内において2つの屈曲部を有しているが、リード端子800aおよび800bが有する屈曲部の数は特に制限されず、1つであってもよく、3つ以上であってもよい。また、リード端子800aおよび800bは、絶縁部材700内において屈曲部を有していなくてもよい。また、リード端子800aおよび800bにおける接続端子部分は、どちらも絶縁部材700の下面に設けられているが、少なくとも一方が、絶縁部材700の上面または側面に設けられてもよい。
Note that
[効果等]
以上の構成によれば、第2部分600を有する絶縁部材700で電池素子400が封止されていることにより、絶縁部材700によって電池素子400を保護する。さらに、電池素子400に異常発熱または焼損が生じて絶縁部材700の内圧が上昇した場合に、第2部分600が選択的に破損してベント経路になることで、内圧を開放できる。よって、絶縁部材700および電池素子400が、破損して粉々になって、周囲に飛び散ることを抑制できる。そのため、例えば、電池1000の周囲の破損および類焼を抑制できることができる。このような作用効果により、高信頼性かつ高安全性の電池を実現できる。
[Effects, etc.]
According to the above configuration, the
本実施の形態に係る電池1000の構成と、特許文献1および特許文献2に記載の電池の構成と、を比較すると、下記の差異がある。
Comparing the configuration of the
特許文献1には、正極層、固体電解質層および負極層の外縁によって構成される側面を樹脂で被覆する積層型の電池が開示されている。しかしながら、被覆した樹脂内の内圧が上昇した場合の圧力を開放するような構造を備えていない。すなわち、特許文献1における電池とは、電池素子を被覆する樹脂内に、ベント経路になる構造を備えてない点が、電池1000の構成と異なる。このような構成では、絶縁部材および電池素子が、破損して粉々になって、周囲に飛び散る可能性が高い。よって、電池が異常発熱した場合に、電池周囲の破損および類焼を生じさせる可能性がある。
また、特許文献2には、電池素子を絶縁部材で被覆した構造を有する電池が開示されている。しかしながら、特許文献2における電池では、電池素子を被覆した絶縁部材は、ベント経路になる構造を備えてない。 Patent Document 2 also discloses a battery having a structure in which the battery element is covered with an insulating material. However, in the battery in Patent Document 2, the insulating material covering the battery element does not have a structure that serves as a vent path.
これらに対して、本実施の形態に係る電池1000によれば、ベント経路になる第2部分600を有する絶縁部材700を備えることで、上述のように信頼性および安全性を高めることができる。また、特許文献1および特許文献2には、本実施の形態に記載の、絶縁部材700が第2部分600を有する構成は、開示も示唆もされていない。
In response to these problems, the
[変形例1]
以下では、実施の形態の変形例1について説明する。なお、以下の変形例1の説明において、上記の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。また、以下で説明する変形例2以降の変形例についても同様であり、各変形例の説明においては、上記の実施の形態および各変形例との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略または簡略化する。
[Modification 1]
In the following, a first modified example of the embodiment will be described. In the following description of the first modified example, differences from the above embodiment will be mainly described, and descriptions of commonalities will be omitted or simplified. The same is true for the second and subsequent modified examples described below, and in the description of each modified example, differences from the above embodiment and each modified example will be mainly described, and descriptions of commonalities will be omitted or simplified.
図2は、実施の形態の変形例1に係る電池1100の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図2の(a)は、本変形例に係る電池1100の断面図であり、図2の(b)は、電池1100をz軸方向下側から見た平面視図である。図2の(a)には、図2の(b)のIIa-IIa線で示される位置での断面が示されている。また、図2の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分610の輪郭が破線で示されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図2に示されるように、本変形例に係る電池1100は、実施の形態における電池1000と比較して、第1部分500および第2部分600を有する絶縁部材700の代わりに、第1部分500および第2部分610を有する絶縁部材710を備える点で相違する。
As shown in FIG. 2, the
第2部分610は、上記の第2部分600とは硬さが異なる。第2部分610は、第2部分600と同様に複数の気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低い。また、第2部分610の形状および配置は、第2部分600と同じである。
The
第2部分610は、第1部分500よりも柔らかい。これにより、絶縁部材710の内圧が上昇した場合に、第2部分610がより選択的に破損されやすくなり、絶縁部材710にベント経路が形成されやすくなる。第1部分500および第2部分610の柔らかさは、例えば、マイクロビッカースで相対的な柔らかさを評価することにより確認することができる。例えば、圧子を断面に押しあてて、同圧力で圧子を押し当てた場合に、残った圧子痕のサイズが大きいものほど柔らかいと判断する。
The
第2部分610が第1部分500よりも柔らかい絶縁材料で形成されれば、第1部分500および第2部分610を形成する絶縁材料は特に制限されないが、例えば、第1部分500は、第1絶縁樹脂を含み、第2部分610は、第1絶縁樹脂よりも柔らかい第2絶縁樹脂を含む。第2絶縁樹脂には、例えば、第1絶縁樹脂を構成する材料よりも柔らかい樹脂組成の材料が用いられる。第1絶縁樹脂および第2絶縁樹脂はそれぞれ、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂等の架橋によって硬化する熱硬化性樹脂である。第2絶縁樹脂は、第1絶縁樹脂より架橋度が低くてもよい。これにより、同じ硬化前の樹脂材料を用いた場合でも、硬化温度を変える、具体的には、第2絶縁樹脂の硬化温度を第1絶縁樹脂の硬化温度よりも低くすることで架橋度を低くして柔らかくできる。よって、第1絶縁樹脂よりも柔らかい第2絶縁樹脂を容易に形成できる。
As long as the
絶縁部材710は、例えば、第1部分500の未硬化の樹脂材料を金型へ流し込んだ後に、予め作成した第2部分610を収めて硬化することで作製することができるが、製造方法は限定されない。例えば、第1部分500の未硬化の絶縁樹脂を金型へ流し込んだ後に、第2部分610の未硬化の絶縁樹脂を流し込んでもよい。また、第1部分500と第2部分610とで硬化温度を変える場合には、例えば、第2部分610の位置に空洞が形成されるように第1部分500の未硬化の絶縁樹脂を金型に流し込んで硬化し、その後、形成された空洞に第2部分610の未硬化の絶縁樹脂を流し込んで硬化する。また、予め相対的に低い温度で未硬化の絶縁樹脂を硬化させた第2部分610を用いて絶縁部材710を形成してもよい。
The insulating
[変形例2]
次に、実施の形態の変形例2について説明する。
[Modification 2]
Next, a second modification of the embodiment will be described.
図3は、実施の形態の変形例2に係る電池1200の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図3の(a)は、本変形例に係る電池1200の断面図であり、図3の(b)は、電池1200をz軸方向下側から見た平面視図である。図3の(a)には、図3の(b)のIIIa-IIIa線で示される位置での断面が示されている。また、図3の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分620の輪郭が破線で示されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図3に示されるように、本変形例に係る電池1200は、実施の形態の変形例1における電池1100と比較して、第1部分500および第2部分610を有する絶縁部材710の代わりに、第1部分500および第2部分620を有する絶縁部材720を備える点で相違する。
As shown in FIG. 3, the
第2部分620は、上記の第2部分610がさらに複数の熱膨張性粒子602を含む構成である。なお、第2部分620は、上記の第2部分600がさらに複数の熱膨張性粒子602を含む構成であってもよい。また、後述する他の変形例における第2部分が熱膨張性粒子602を含んでいてもよい。
The
熱膨張性粒子602は、例えば、発泡性粒子である。発泡性粒子は、所定の温度でガスが生成する粒子であり、例えば、揮発性材料が充填されたマイクロカプセルで構成される。マイクロカプセルでは、例えば、熱可塑性樹脂で形成された微小なカプセル内に揮発性材料が充填されている。マイクロカプセルは、電気化学的に安定であれば特に限定されない。マイクロカプセルのカプセル部分には、各種の絶縁材料を使用することができ、例えば、熱膨張性樹脂が使用される。
The thermally
熱膨張性樹脂は、樹脂の中でも熱膨張係数の大きい樹脂であり、熱膨張性樹脂としては、ポリアミド(PA)、ポリイミド、ポリアミドイミド、全芳香族ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、などを、1種または複数混合して使用することができる。マイクロカプセルは、例えば、室温において1μm以上10μm以下のメディアン径のものを使用できる。 Thermal expansion resins are resins with a large thermal expansion coefficient, and examples of thermal expansion resins that can be used include polyamide (PA), polyimide, polyamideimide, wholly aromatic polyamide, polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyethylene terephthalate (PET), and the like, either alone or in combination. Microcapsules with a median diameter of 1 μm or more and 10 μm or less at room temperature can be used.
マイクロカプセル内の揮発性材料は、室温(例えば23℃)において液体であり、この揮発性材料が電池素子400の発熱等によって沸騰して気体となって、マイクロカプセルが大きく膨張することとなる。揮発性材料としては、炭化水素、ハロゲン化炭化水素またはアルキルシランなどが各種のものを使用できる。
The volatile material in the microcapsules is liquid at room temperature (e.g., 23°C), and this volatile material boils and turns into gas due to heat generation from the
マイクロカプセルにおける揮発性材料の沸点および熱膨張性樹脂の軟化温度の選択により、第2部分620が破損しやすくなる温度を調整できる。発泡性粒子の発泡開始温度は、例えば100℃以上300℃以下であってもよく、150℃以上250℃以下であってもよく、200℃以下であってもよく、180℃以下であってもよい。発泡性粒子の熱膨張率は、例えば、30倍以上80倍以下であってもよい。また、発泡性粒子として、熱膨張率が異なる発泡性粒子を混合して使用してもよい。発泡性粒子の熱膨張率は、発泡性粒子を単独で加温することにより、観測することができる。
The temperature at which the
なお、発泡性粒子は、上記のマイクロカプセルに限られず、所定の温度で気体を発生させる粒子であればよい。例えば、発泡性粒子は、昇華性を有する材料の固体粒子または熱分解性を有する材料の固体粒子等の発泡性材料単独の粒子であってもよい。また、熱膨張性粒子602は、発泡性粒子に限られず、第1部分500を構成する絶縁材料よりも熱膨張しやすい材料で構成されれば、非発泡性の粒子であってもよい。例えば、非発泡性の粒子は、上記の熱膨張性樹脂の粒子であってもよい。
The expandable particles are not limited to the microcapsules described above, but may be any particles that generate gas at a predetermined temperature. For example, the expandable particles may be particles of an expandable material alone, such as solid particles of a sublimable material or solid particles of a thermally decomposable material. The thermally
第2部分620が熱膨張性粒子602を含むことにより、電池素子400が発熱した場合に第2部分620がより選択的に破損されやすくなり、絶縁部材720にベント経路が形成されやすくなる。また、熱膨張性粒子602は、電池素子400と接していてもよい。これにより、電池素子の異常発熱時に、応答性よくベント経路を形成できる。
By including the thermally
以上の構成により、電池1200では、ベント経路が形成されやすくなるとともに、その形成温度の制御が広範囲に可能となる。よって、電池1200の安全性を高めることができる。
The above configuration makes it easier for a vent path to form in the
[変形例3]
次に、実施の形態の変形例3について説明する。
[Modification 3]
Next, a third modification of the embodiment will be described.
図4は、実施の形態の変形例3に係る電池1300の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図4の(a)は、本変形例に係る電池1300の断面図であり、図4の(b)は、電池1300をz軸方向下側から見た平面視図である。図4の(a)には、図4の(b)のIVa-IVa線で示される位置での断面が示されている。また、図4の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分630の輪郭が破線で示されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図4に示されるように、本変形例に係る電池1300は、実施の形態1における電池1000と比較して、第1部分500および第2部分600を有する絶縁部材700の代わりに、第1部分500および第2部分630を有する絶縁部材730を備える点で相違する。
As shown in FIG. 4, the
第2部分630は、上記の第2部分600とは形状が異なる。第2部分630は、第2部分600と同様に複数の気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低い。第2部分630を構成する絶縁材料は、例えば、第2部分600と同じであるが、第2部分610または620と同じであってもよい。
The
第2部分630は分岐しており、互いに離間した複数箇所で電池素子400に接している。第2部分630では、複数の箇所で電池素子400に接しているそれぞれの部分が合流して、第2部分630は、絶縁部材730の外表面701の1箇所で露出している。図4で示される例では、第2部分630は、電池素子400の側面401における2箇所に接しているが、第2部分630と電池素子400とが接する箇所は、側面401以外の箇所を含んでいてもよい。また、第2部分630は、3箇所以上で電池素子400に接していてもよい。
The
絶縁部材730がこのような第2部分630を有することにより、電池素子400において発熱の可能性のある複数部位に対応したベント経路を絶縁部材730に形成することができる。また、第2部分630における分岐の数および分岐のさせ方の調整により、第2部分630が破損する絶縁部材730の内圧を調整できる。
By having the insulating
[変形例4]
次に、実施の形態の変形例4について説明する。
[Modification 4]
Next, a fourth modified example of the embodiment will be described.
図5は、実施の形態の変形例4に係る電池1400の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図5の(a)は、本変形例に係る電池1400の断面図であり、図5の(b)は、電池1400をz軸方向下側から見た平面視図である。図5の(a)には、図5の(b)のVa-Va線で示される位置での断面が示されている。また、図5の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分640の輪郭が破線で示されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図5に示されるように、本変形例に係る電池1400は、実施の形態1における電池1000と比較して、第1部分500および第2部分600を有する絶縁部材700の代わりに、第1部分500および第2部分640を有する絶縁部材740を備える点で相違する。
As shown in FIG. 5, the
第2部分640は、リード端子800bに沿って配置されている点で上記の第2部分600と異なる。第2部分640は、リード端子800bに接している。第2部分640は、第2部分600と同様に複数の気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低い。第2部分640を構成する絶縁材料は、例えば、第2部分600と同じであるが、第2部分610または620と同じであってもよい。
The
図5で示される例では、第2部分640は、リード端子800bの屈曲部801bおよび802bが形成されている箇所に沿って配置され、第2部分640も屈曲している。また、第2部分640の一部は、リード端子800bが屈曲部801bで屈曲することで側面401に沿って対向している部分と側面401との間に配置されている。なお、第2部分640は、リード端子800aに沿って配置されていてもよい。また、第2部分640は、リード端子800bにおける側面401よりも外側(x軸方向負側)の部分の全体に沿って配置されているが、当該部分の一部に沿って配置されていてもよい。
5, the
第2部分640は、シリコーン樹脂またはシランカップリング剤を含んでいてもよい。これにより、第2部分640とリード端子800bとの接着性が向上する。そのため、第2部分640とリード端子800bとの界面部分から絶縁部材740内部への水分および大気の侵入が抑制され、電池素子400の劣化を抑制できる。シリコーン樹脂またはシランカップリング剤は、第2部分640とリード端子800bとの界面に偏在していてもよい。また、第2部分640は、シリコーン樹脂およびシランカップリング剤の両方を含んでいてもよい。
The
以上のように、電池1400では、第2部分640がリード端子800bに沿って配置されることにより、絶縁部材740の内圧をリード端子800bの剛体壁面に沿って開放することができる。導体で構成されるリード端子800bの壁面は破損されにくいため、ベント経路を精度よい位置で形成可能となる。また、リード端子800bと第2部分640との界面に、圧力が集中しやすくなり、低圧でも当該界面をつたってベント経路が形成されやすくなるため、比較的低圧でもベント経路が形成されやすくなる。
As described above, in the
また、電池1400では、リード端子800bが屈曲部801bおよび802bを有していることにより、リード端子800bの屈曲の度合いおよび位置等によって、第2部分640がベント経路となる絶縁部材740の内圧を調整できる。また、リード端子800bは、屈曲部801bおよび802bに代えて、または、加えて、リード端子800bの厚みの変化による段差を有していてもよい。これによっても、第2部分640がベント経路となる内圧を調整できる。
In addition, in the
[変形例5]
次に、実施の形態の変形例5について説明する。
[Modification 5]
Next, a fifth modified example of the embodiment will be described.
図6は、実施の形態の変形例5に係る電池1500の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図6の(a)は、本変形例に係る電池1500の断面図であり、図6の(b)は、電池1500をz軸方向下側から見た平面視図である。図6の(a)には、図6の(b)のVIa-VIa線で示される位置での断面が示されている。また、図6の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分600の輪郭が破線で示されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図6に示されるように、本変形例に係る電池1500は、実施の形態1における電池1000と比較して、絶縁部材700の代わりに、絶縁部材700に別の第2部分600が追加された絶縁部材750を備える点で相違する。
As shown in FIG. 6, the
絶縁部材750は、複数の第2部分600を有する。図6で示される例では、絶縁部材750は、2つの第2部分600として、側面401において第1電極層100に接する第2部分600と、側面402において第2電極層200に接する第2部分600とを有する。なお、絶縁部材750が有する第2部分600の数は、3つ以上であってもよい。また、第2部分600と電池素子400とが接する位置は特に制限されない。また、絶縁部材750は、複数の第2部分600のうち少なくとも1つの代わりに、各変形例に係る第2部分のいずれかを有していてもよい。
The insulating
絶縁部材750が複数の第2部分600を有することで、電池素子400において発熱の可能性のある複数部位に対応したベント経路を絶縁部材750に形成することができる。
By having the insulating
[変形例6]
次に、実施の形態の変形例6について説明する。
[Modification 6]
Next, a sixth modified example of the embodiment will be described.
図7は、実施の形態の変形例6に係る電池1600の概略構成を示す断面図および平面視図である。具体的には、図7の(a)は、本変形例に係る電池1600の断面図であり、図7の(b)は、電池1600をz軸方向下側から見た平面視図である。図7の(a)には、図7の(b)のVIIa-VIIa線で示される位置での断面が示されている。また、図7の(b)には、実際には見えていない電池素子400および第2部分660の輪郭が破線で示されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view and a plan view showing the schematic configuration of a
図7に示されるように、本変形例に係る電池1600は、実施の形態1における電池1000と比較して、第1部分500および第2部分600を有する絶縁部材700の代わりに、第1部分500および第2部分660を有する絶縁部材760を備える点で相違する。
As shown in FIG. 7, the
第2部分660は、上記の第2部分600とは、絶縁部材760内における配置が異なる。第2部分660は、第2部分600と同様に複数の気泡601を含み、第1部分500よりも密度が低い。第2部分660を構成する絶縁材料は、例えば、第2部分600と同じであるが、第2部分610または620と同じであってもよい。
The
第2部分660は、電池素子400と絶縁部材760の外表面701との間隔が最長になる位置を含むように配置されている。外表面701のある位置における電池素子400と絶縁部材760の外表面701との間隔は、図7の(a)で示されるような電池素子400を含む部分の断面視において、当該ある位置から最も近い電池素子400の表面までの距離である。図7に示される例では、第2部分660は、側面401と主面405とが交差する稜線部から当該稜線部に最も近い外表面701の稜線部に向かって延びている。
The
第2部分660が電池素子400と絶縁部材760の外表面701との間隔が最長になる位置を含むように配置されることにより、絶縁部材760にベント経路が形成される圧力を高めることができる。また、第2部分660が長く延びることで、絶縁部材760内への水分および大気等の侵入を抑制できる。
By positioning the
[電池の製造方法]
次に、本実施の形態に係る電池の製造方法の一例を説明する。以下では、上述した実施の形態に係る電池1000の製造方法を中心に説明する。実施の形態の各変形例に係る電池についても、電池1000の製造方法を適宜適用して製造することができる。なお、以下で説明する製造方法は一例であり、上述した実施の形態および各変形例に係る電池の製造方法は、以下の例には限られない。
[Battery manufacturing method]
Next, an example of a method for manufacturing a battery according to the present embodiment will be described. The following description will focus on a method for manufacturing the
また、以下の説明では、第1活物質層120が正極活物質層であり、第1集電体110が正極集電体であり、第2活物質層220が負極活物質層であり、第2集電体210が負極集電体である場合について説明する。そのため、第1電極層100は正極層であり、第2電極層200は負極層である。
In the following description, the first
まず、第1活物質層120と第2活物質層220との印刷形成に用いる各ペーストを作製する。第1活物質層120および第2活物質層220それぞれの合剤に用いる固体電解質材料として、例えば、平均粒子径が約2μmであり、三斜晶系結晶を主成分とするLi2S-P2S5系硫化物のガラス粉末が準備される。このガラス粉末としては、3×10-3から4×10-3S/cm程度の高いイオン伝導性を有するものが使用されうる。正極活物質として、例えば、平均粒子径が約3μmであり、層状構造のLi・Ni・Co・Al複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の粉末が用いられる。上述の正極活物質と上述のガラス粉末とを含有させた合剤を有機溶剤等に分散させた正極活物質層用ペーストが作製される。また、負極活物質として、例えば、平均粒子径が約3μmである天然黒鉛の粉末が用いられる。上述の負極活物質と上述のガラス粉末とを含有させた合剤を有機溶剤等に分散させた負極活物質層用ペーストが、同様に作製される。
First, each paste used for printing the first
次いで、第1集電体110および第2集電体210として用いられる材質として、例えば、約15μmの厚みの銅箔が準備される。スクリーン印刷法により、正極活物質層用ペーストおよび負極活物質層用ペーストが、それぞれの銅箔の片方の表面上に、それぞれ所定形状で印刷される。この際の厚みは、例えば、20μm以上30μm以下である。正極活物質層用ペーストおよび負極活物質層用ペーストは、例えば、80℃以上130℃以下で乾燥され、12μm以上18μm以下の厚みになる。そして、必要に応じて、所望の形状になるように印刷物の外周をカットする。カットにおいて、いわゆるトムソン刃を用いてもよいし、パンチング金型又はレーザーを用いてもよい。また、例えば、試料を傾けてカットするなど、カットの仕方によって、外周面に傾斜をつけてもよい。
Next, copper foil with a thickness of, for example, about 15 μm is prepared as the material used for the first
以上のような工程により、第1集電体110に第1活物質層120が積層された第1電極層100が得られる。また、第2集電体210に第2活物質層220が積層された第2電極層200が得られる。
By the above process, a
次いで、上述のガラス粉末を有機溶剤等に分散させた固体電解質層用ペーストが作製される。そして、第1活物質層120上および第2活物質層220上に、メタルマスクを用いて、上述の固体電解質層用ペーストを印刷する。その後、固体電解質層用ペーストは、例えば、80℃以上130℃以下で乾燥される。これにより、第1電極層100および第2電極層200それぞれに固体電解質層300が積層される。そして、固体電解質層300が積層された第1電極層100および第2電極層200が、2つの固体電解質層300が互いに対向して接するようにして積層される。これにより、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200が積層された積層体が得られる。
Then, a paste for a solid electrolyte layer is prepared by dispersing the above-mentioned glass powder in an organic solvent or the like. Then, the above-mentioned paste for a solid electrolyte layer is printed on the first
次いで、加圧金型と積層体との間に、厚み70μm程度、弾性率5×106Pa程度の弾性体シートが挿入される。この構成により、弾性体シートを介して積層体に圧力が印加される。その後、加圧金型を、例えば、圧力300MPaにて50℃に加温しながら、90秒間加圧することで、電池素子400が得られる。
Next, an elastic sheet having a thickness of about 70 μm and an elastic modulus of about 5×10 6 Pa is inserted between the pressing die and the laminate. With this configuration, pressure is applied to the laminate via the elastic sheet. Thereafter, the pressing die is pressed for 90 seconds at a pressure of 300 MPa while being heated to 50° C., for example, to obtain the
次いで、2つのリード端子800aおよび800bが準備される。リード端子800aおよび800bとして、例えば、厚み300μmのステンレス(SUS)の平板が準備される。リード端子800aが電池素子400の主面405に銀系の導電性樹脂で接合され、リード端子800bが電池素子400の主面406に銀系の導電性樹脂で接合され、当該導電性樹脂が熱硬化される。硬化温度は、例えば1時間以上2時間以下である。このようにして、リード端子800aおよび800bが電池素子400に接続される。
Next, two
リード端子800aおよび800bは、電池素子400の側面と接しないように曲げ加工され、屈曲部801a、802a、801bおよび802bが形成される。
The
次いで、絶縁部材700の原料の熱硬化性樹脂として例えばエポキシ樹脂を金型へ入れ、リード端子800aおよび800bを接続した電池素子400を所定位置へ浸漬して収める。つまり、電池素子400が絶縁部材700を形成するエポキシ樹脂に埋め込まれる。このとき、エポキシ樹脂中の所定の位置に、例えば、口径100μm程度の針状のディスペンサーを用いて、ディスペンサーの先端からガスを任意の回数繰り返し注入することにより複数の気泡601を形成する。ガスには大気、窒素、アルゴンまたは二酸化炭素など任意のガスを使用できる。気泡601の径は、ディスペンサーの口径および注入するガス量によって制御できる。ガスの注入を断続的に繰り返すことにより、複数の気泡601を個々に作成できる。エポキシ樹脂の表面張力により、投入されたガスは最小体積になるように安定化して、球体状の独立気泡となる。大きい気泡601を設ける場合、注入するガス量を増大させればよい。なお、ガスの注入にはディスペンサー以外の機器を用いてもよい。
Next, epoxy resin, for example, is placed in a mold as a thermosetting resin for the insulating
この後、エポキシ樹脂が熱硬化される。硬化温度は、熱硬化性樹脂によるが、例えば、180℃以上230℃以下である。これにより、電池素子400を内包する第1部分500と複数の気泡601を含む第2部分600とを有する絶縁部材700が形成される。また、上記方法では、第1部分500と第2部分600とは一体で形成される。硬化時間は、例えば、1時間以上2時間以下である。硬化後、絶縁部材700から露出しているリード端子800aおよび800bを曲げ加工し、電池1000の接続端子部分を形成する。このようにして、電池1000が得られる。
Then, the epoxy resin is thermally cured. The curing temperature depends on the thermosetting resin, but is, for example, 180°C to 230°C. This forms the insulating
なお、本実施の形態に係る電池1000の形成の方法および順序は、上述の例に限られない。例えば、複数の気泡601が形成された第2部分600を、第1部分500と別に作製した後、第2部分600を第1部分500となるエポキシ樹脂に浸漬して絶縁部材700を形成してもよい。また、複数の気泡601は、硬化温度以下で発泡する発泡剤をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に硬化前に添加することで形成してもよい。
The method and order of forming the
なお、上述の製造方法では、第1活物質層120用ペースト、第2活物質層220用ペーストおよび固体電解質層300用ペーストを印刷により塗布する例を示したが、これに限られない。また、印刷方法としては、例えば、ドクターブレード法、カレンダー法、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法、オフセット法、ダイコート法またはスプレー法などが挙げられる。
In the above-mentioned manufacturing method, an example is shown in which the paste for the first
(他の実施の形態)
以上、本開示に係る電池について、実施の形態および各変形例に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態および各変形例に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態および各変形例に施したものや、実施の形態および各変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
Other Embodiments
Although the battery according to the present disclosure has been described above based on the embodiment and each modified example, the present disclosure is not limited to these embodiment and each modified example. As long as it does not deviate from the gist of the present disclosure, various modifications conceived by a person skilled in the art to the embodiment and each modified example, and other forms constructed by combining some of the components in the embodiment and each modified example are also included in the scope of the present disclosure.
例えば、上記の実施の形態および各変形例では、電池素子400は、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200をそれぞれ1つ備えたが、これに限らない。電池素子400は、第1電極層100、固体電解質層300および第2電極層200の積層体が複数積層された素子であってもよい。
For example, in the above embodiment and each modified example, the
また、例えば、上記の実施の形態および各変形例において、第2部分600、610、620、630、640、650および660は、第1部分500よりも破損しやすければ、気泡601を有していなくてもよい。
Also, for example, in the above embodiment and each modified example, the
また、上記の実施の形態および各変形例は、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 Furthermore, the above-described embodiment and each modified example may be modified, substituted, added, omitted, etc. in various ways within the scope of the claims or their equivalents.
本開示に係る電池は、例えば、各種の電子機器又は自動車などに用いられる全固体リチウムイオン電池などの二次電池として利用されうる。 The battery disclosed herein can be used, for example, as a secondary battery such as an all-solid-state lithium-ion battery for use in various electronic devices or automobiles.
1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600 電池
100 第1電極層
110 第1集電体
120 第1活物質層
200 第2電極層
210 第2集電体
220 第2活物質層
300 固体電解質層
400 電池素子
401、402、403、404 側面
405、406 主面
500 第1部分
600、610、620、630、640、660 第2部分
601 気泡
602 熱膨張性粒子
700、710、720、730、740、750、760 絶縁部材
701 外表面
800a、800b リード端子
801a、801b、802a、802b 屈曲部
1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600
Claims (22)
前記電池素子を封止する絶縁部材と、を備え、
前記絶縁部材は、
前記電池素子を内包する第1部分と、
前記絶縁部材の内圧が上昇した場合に、選択的に破損して、前記電池素子の表面から前記絶縁部材の外表面に渡って前記第1部分を貫通するベント経路になる第2部分と、を有する、
電池。 a battery element having a laminated structure in which a first electrode layer, a solid electrolyte layer, and a second electrode layer are laminated in this order;
an insulating member that seals the battery element;
The insulating member is
A first portion containing the battery element;
and a second portion that selectively breaks when the internal pressure of the insulating member increases to become a vent path that passes through the first portion from a surface of the battery element to an outer surface of the insulating member.
battery.
請求項1に記載の電池。 The second portion includes air bubbles and has a lower density than the first portion.
10. The battery of claim 1.
請求項2に記載の電池。 The second portion includes a plurality of the bubbles.
3. The battery of claim 2.
請求項2または3に記載の電池。 The first portion and the second portion contain the same insulating resin.
The battery according to claim 2 or 3.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 The first portion includes a first insulating resin.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項5に記載の電池。 The first insulating resin is a thermosetting resin.
6. The battery of claim 5.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 The second portion is softer than the first portion.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
前記第2部分は、前記第1絶縁樹脂よりも柔らかい第2絶縁樹脂を含む、
請求項7に記載の電池。 the first portion includes a first insulating resin;
the second portion includes a second insulating resin that is softer than the first insulating resin;
8. The battery of claim 7.
請求項8に記載の電池。 The second insulating resin is a thermosetting resin.
9. The battery of claim 8.
前記第2絶縁樹脂は、前記第1絶縁樹脂より、架橋度が低い、
請求項9に記載の電池。 the first insulating resin and the second insulating resin are thermosetting resins that are hardened by crosslinking,
The second insulating resin has a lower degree of cross-linking than the first insulating resin.
10. The battery of claim 9.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 The second portion includes thermally expandable particles.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項11に記載の電池。 The thermally expandable particles are expandable particles.
12. The battery of claim 11.
請求項12に記載の電池。 The expandable particles are composed of microcapsules filled with a volatile material.
13. The battery of claim 12.
請求項12に記載の電池。 The expansion starting temperature of the expandable particles is 150° C. or more and 250° C. or less.
13. The battery of claim 12.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 the second portion is disposed so as to include a position where a distance between the battery element and an outer surface of the insulating member is shortest.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 the second portion is disposed so as to include a position where the distance between the battery element and the outer surface of the insulating member is longest.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 The second portion is bent.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 The second portion is branched.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
前記第2部分は、前記リード端子に沿って配置される、
請求項1から3いずれか1項に記載の電池。 a lead terminal connected to the first electrode layer or the second electrode layer and extending through the insulating member to the outside of the insulating member;
The second portion is disposed along the lead terminal.
The battery according to any one of claims 1 to 3.
請求項19に記載の電池。 The lead terminal has a bent portion or a step in the insulating member.
20. The battery of claim 19.
請求項19に記載の電池。 The second portion includes a silicone resin.
20. The battery of claim 19.
請求項19に記載の電池。 The second portion includes a silane coupling agent.
20. The battery of claim 19.
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