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JP-2026076710-A - 電池、及び電池の製造方法

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Abstract

【課題】金属容器と電極体とが電気的に絶縁されており、かつ金属容器と電極体との間で熱伝導が効率的に行われる電池が提供される。 【解決手段】本開示の固体電池は、固体電解質を含む電極体と、前記電極体を収容する金属容器と、前記電極体及び前記金属容器を電気的に絶縁する絶縁体と、前記電極体及び前記金属容器を電気的に絶縁し、かつ前記絶縁体よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性絶縁体と、を備える。前記絶縁体は、前記金属容器の前記電極体と対向する対向面の一部に配置されている。前記熱伝導性絶縁体は、前記対向面のうち、前記絶縁体が配置されていない部位に配置されている。 【選択図】図２

Inventors

  • 各務 僚
  • 長瀬 浩
  • 石川 真也
  • 柿下 健一
  • 尾瀬 徳洋

Assignees

  • トヨタ自動車株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (12)

  1. 固体電解質を含む電極体と、 前記電極体を収容する金属容器と、 前記電極体及び前記金属容器を電気的に絶縁する絶縁体と、 前記電極体及び前記金属容器を電気的に絶縁し、かつ前記絶縁体よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性絶縁体と、 を備え、 前記絶縁体が、前記金属容器の前記電極体と対向する対向面の一部に配置されており、 前記熱伝導性絶縁体が、前記対向面のうち、前記絶縁体が配置されていない部位に配置されている、電池。
  2. 前記熱伝導性絶縁体が、前記金属容器と接触している、請求項１に記載の電池。
  3. 前記熱伝導性絶縁体が、１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する、請求項１に記載の電池。
  4. 前記電極体が、直方体状であり、 前記絶縁体が、前記電極体の２つの主面に配置されており、 前記絶縁体が、フィラーを含んでいない、請求項１に記載の電池。
  5. 前記熱伝導性絶縁体の厚みが、前記絶縁体の厚み及び前記金属容器の壁厚の各々よりも厚い、請求項４に記載の電池。
  6. 前記熱伝導性絶縁体が、熱伝導フィラーを含む、請求項１に記載の電池。
  7. 前記熱伝導性絶縁体が、前記電極体上に電極体側から順に積層された第１層と、前記第１層上に積層された第２層と、を含み、 前記熱伝導性絶縁体の厚み方向に沿って切断された前記熱伝導性絶縁体の断面において、第１割合が、第２割合よりも高く、 前記第１割合が、前記第２層の断面積に対する前記第２層中の前記熱伝導フィラーの総断面積の割合を示し、 前記第２割合が、前記第１層の断面積に対する前記第１層中の前記熱伝導フィラーの総断面積の割合を示す、請求項６に記載の電池。
  8. 前記電極体が、少なくとも１つの単位電極体を含み、 前記単位電極体が、第１集電体と、第１活物質層と、前記固体電解質を含む固体電解質層と、第２活物質層と、第２集電体と、を備える、請求項１に記載の電池。
  9. 前記電極体が、前記第１集電体、前記第１活物質層、前記固体電解質層、前記第２活物質層及び前記第２集電体が、積層方向に沿ってこの順に積層されており、 前記熱伝導性絶縁体が、前記電極体の積層端面に接触して配置されており、 前記積層端面が、前記第１集電体の端面、前記第１活物質層の端面、前記固体電解質層の端面、前記第２活物質層の端面及び前記第２集電体の端面を含む、請求項８に記載の電池。
  10. 前記電極体の積層端面が、凹凸形状を有し、 前記凹凸形状が、前記第１集電体の端面、前記第１活物質層の端面、前記固体電解質層の端面、前記第２活物質層の端面及び前記第２集電体の端面が同一平面上にないことによって形成されている、請求項９に記載の電池。
  11. 前記第１集電体、前記第１活物質層、前記固体電解質層、前記第２活物質層及び前記第２集電体が、積層方向に沿ってこの順に積層されており、 前記積層方向に直交する方向において、前記絶縁体の長さが、前記電極体の長さよりも長い、請求項８に記載の電池。
  12. 周壁の一部に開放部を有する金属角筒体と、前記開放部を塞ぐための金属蓋と、固体電解質を含む電極体と、前記金属角筒体及び前記電極体を電気的に絶縁する絶縁体の材料と、前記金属角筒体及び前記電極体を電気的に絶縁し、かつ前記絶縁体よりも高い熱伝導率を有する熱伝導性絶縁体の材料と、を準備することと、 前記絶縁体の材料を用いて、前記金属角筒体の前記周壁の内面の一部に、前記絶縁体を形成することと、 前記熱伝導性絶縁体の材料を用いて、前記金属角筒体の前記内面のうち、前記絶縁体が配置されていない部位に、熱伝導性絶縁体を形成することと、 前記絶縁体及び前記熱伝導性絶縁体が形成された前記金属角筒体に引張力を加えて、前記開放部を広げ、前記電極体を、広げられた前記開放部を通過させて前記金属角筒体の内部に配置することと、 前記絶縁体の材料又は前記熱伝導性絶縁体の材料を用いて、前記金属蓋の前記電極体と対向する面に、前記絶縁体又は前記熱伝導性絶縁体を形成することと、 前記絶縁体及び前記熱伝導性絶縁体の一方が形成された前記金属蓋を前記金属角筒体に固定して、前記開放部を前記金属蓋で塞ぐことと、 を含む、電池の製造方法。

Description

本開示は、電池、及び電池の製造方法に関する。 安全性に優れるリチウムイオン二次電池として、固体電池が知られている。 特許文献１は、全固体電池セル（以下、「電池」ともいう）を開示している。当該電池は、電極積層体（以下、「電極体」ともいう）が外装材に封入されてなる。前記電極体は、端部から延出する集電タブを備える。前記集電タブは、前記電池の端部から導出する端子に接続している。前記外装材の内部に、前記電極体と前記外装材とに接するように、第１伝熱材が配置されている。具体的に、外装材と電極体とは物理的に接触しており、第１伝熱材は、外装材の底面に沿って、面状に配置されている。特許文献１は、外装材の材質を開示していない。 特開２０２０－１１３４９６号公報 図１は、第１実施形態に係る電池の斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図４は、図１のＩＶ－ＩＶ線断面図である。図５は、図１の第１実施形態の電極体のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図６は、図１の第１実施形態の電極体のＩＶ－ＩＶ線断面図である。図７は、第１実施形態に係る電池の製造方法を説明するための図である。図８は、第２実施形態に係る電池の断面図である。 本開示において、「～」を用いて示された数値範囲は、「～」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。本開示において、２以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。本開示において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。 本開示において、電池の構造は、正極／固体電解質層／負極の積層構造を有する。電池には、電解質として固体電解質を用いたいわゆる全固体電池が含まれ、固体電解質は電解質全量に対して１０質量％未満の電解液を含んでもよい。なお、固体電解質は、無機系固体電解質とポリマー電解質を含む複合固体電解質であってもよい。 以下、図面を参照して、本開示の電池及び電池の製造方法の実施形態について説明する。図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。 （１）第１実施形態 （１．１）電池 第１実施形態の電池１Ａは、固体電池である。電池１Ａは、図１に示すように、電極体１０と、金属容器２０と、絶縁体３１（図２参照）と、熱伝導性絶縁体３２Ａ（図２参照）と、２つの負極端子４１と、２つの正極端子４２と、を備える。電極体１０は、直方体状物である。 第１実施形態では、電極体１０の主面Ｓ１０Ａの長手方向をＸ軸方向と規定する。電極体１０の主面Ｓ１０Ａの短手方向をＹ軸方向と規定する。電極体１０の厚み方向をＺ軸方向と規定する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々は、互いに直交する。Ｘ軸方向は、軸方向の一例である。なお、これらの向きは、本開示の電池の使用時の向きを限定するものではない。 ２つの負極端子４１、電極体１０及び２つの正極端子４２は、Ｘ軸正方向に沿ってこの順に配置されている。２つの負極端子４１及び２つの正極端子４２は、電極体１０と電気的に接続されている。絶縁体３１及び熱伝導性絶縁体３２Ａは、図２に示すように、電極体１０と金属容器２０との間に配置されている。換言すると、絶縁体３１及び熱伝導性絶縁体３２Ａは、電極体１０及と金属容器２０とを電気的に絶縁するように電極体１０を覆っている。電極体１０は、絶縁体３１及び熱伝導性絶縁体３２Ａは、金属容器２０、２つの負極端子４１及び２つの正極端子４２によって封止されている。 （１．１．１）電極体 電極体１０は、電池１Ａの発電要素として機能する。 電極体１０は、直方体状物である。電極体１０は、図２に示すように、主面Ｓ１０Ａ、主面Ｓ１０Ｂ、積層端面Ｓ１０Ｃ、積層端面Ｓ１０Ｄ、積層端面Ｓ１０Ｅ（図３参照）、積層端面Ｓ１０Ｆ（図３参照）を有する。積層端面Ｓ１０Ｃ，Ｓ１０Ｄ，Ｓ１０Ｅ，Ｓ１０Ｆは、電極体１０の側面を構成している。主面Ｓ１０Ａは、Ｚ軸方向において、主面Ｓ１０Ｂと対向している。積層端面Ｓ１０Ｃは、Ｙ軸方向において、積層端面Ｓ１０Ｄに対向している。積層端面Ｓ１０Ｅは、Ｘ軸方向において、積層端面Ｓ１０Ｆに対向している。主面Ｓ１０Ａは、積層端面Ｓ１０Ｃ～Ｓ１０Ｆと連続して接続されている。主面Ｓ１０Ｂは、積層端面Ｓ１０Ｃ～Ｓ１０Ｆと連続して接続されている。 電極体１０の詳細については、後述する。 （１．１．２）金属容器 金属容器２０は、電極体１０を収容する。 金属容器２０は、直方体状物である。金属容器２０は、図２に示すように、金属角筒体２１と、一対の蓋２２と、電気絶縁体２３と、を有する。金属角筒体２１は、一対の開口Ｒ２１を有する。蓋２２は、金属角筒体２１の開口Ｒ２１を塞いでいる。一対の蓋２２は、公知の方法（例えば、溶接、及び金属角筒体２１と蓋２２との機械的締結等）で金属角筒体２１に固定されている。電気絶縁体２３は、負極端子４１及び正極端子４２と、蓋２２との間に介在している。 （１．１．２．１）金属角筒体 金属角筒体２１は、図３及び図４に示すように、中空部を有する。中空部は、Ｘ軸方向に沿って延びている。一対の開口Ｒ２１は、Ｘ軸方向において中空部を介して連通している。 金属角筒体２１は、図２に示すように、壁部Ｒ２１Ａと、壁部Ｒ２１Ｂと、壁部Ｒ２１Ｃと、壁部Ｒ２１Ｄと、を有する。壁部Ｒ２１Ａは、電極体１０の主面Ｓ１０Ａと対向する。壁部Ｒ２１Ｂは、電極体１０の主面Ｓ１０Ｂと対向する。壁部Ｒ２１Ｃは、電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｃと対向する。壁部Ｒ２１Ｄは、電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｄと対向する。壁部Ｒ２１Ａは、壁部Ｒ２１Ｃ，Ｒ２１Ｄと連続して接続されている。壁部Ｒ２１Ｂは、壁部Ｒ２１Ｃ，Ｒ２１Ｄと連続して接続されている。 金属角筒体２１の電極体１０側の内面は、金属容器２０と電極体１０との間で熱伝導をより効率的に行うために、複数の凸部を有してよい。複数の凸部は、規則的に配置されていてもよいし、不規則的に配置されていてもよい。 金属角筒体２１は、図２に示すように、開放部Ｒ２１１を有する金属角筒体２１１と、金属蓋２１２と、を有する。開放部Ｒ２１１は、壁部Ｒ２１Ｃ（すなわち、周壁の一部）に形成されている。金属蓋２１２は、公知の方法（例えば、溶接、及び金属角筒体２１と金属蓋２１２との機械的締結等）により金属角筒体２１１に固定されており、かつ開放部Ｒ２１１を塞いでいる。後述するように開放部Ｒ２１１を広げるために、金属角筒体２１１の壁厚Ｌ２１１（図２参照）は、薄い（例えば、０．３ｍｍ）である。冷却装置と熱的に接続しやすくするために、金属角筒体２１１の金属角筒体２１の壁２１１０の外面は、平面である。 金属角筒体及び金属蓋の材質は、金属（例えば、アルミニウム、銅、ステンレス（ＳＵＳ）及びニッケル等）である。金属角筒体の材質と金属蓋の材質とは、同一であってよいし、異なっていてよい。 （１．１．２．２）蓋 蓋２２は、板状物である。一対の蓋２２は、図３に示すように、２つの貫通孔Ｒ２２を有する。一方の蓋２２の２つの貫通孔Ｒ２２の各々から、負極端子４１は露出している。他方の蓋２２の２つの貫通孔Ｒ２２の各々から、正極端子４２は露出している。蓋の材質は、金属（例えば、アルミニウム、銅、ステンレス（ＳＵＳ）、及びニッケル等）である。 （１．１．２．３）電気絶縁体 電気絶縁体２３は、負極端子４１及び正極端子４２と蓋２２との電気的な接触を防止する。電気絶縁体２３の形状は、負極端子４１及び正極端子４２の各々と蓋２２との間に介在する形状であれば特に限定されない。電気絶縁体の材質は、公知の樹脂（熱可塑性樹脂、及び熱硬化性樹脂等）であってよい。熱可塑性樹脂は、エラストマーであってよい。 （１．１．３）絶縁体 絶縁体３１は、電極体１０と金属容器２０とを電気的に絶縁する。 第１実施形態では、絶縁体３１は、フィルム状物である。絶縁体３１は、金属容器２０の電極体１０と対向する対向面Ｓ２１Ａ～Ｓ２１Ｄの一部に配置されている。第１実施形態では、絶縁体３１は、金属角筒体２１の電極体１０の主面Ｓ１０Ａと対向する対向面Ｓ２１Ａに配置されている。絶縁体３１は、金属角筒体２１の電極体１０の主面Ｓ１０Ｂと対向する対向面Ｓ２１Ｂに配置されている。 絶縁体３１は、長方形状である。第１実施形態では、絶縁体３１は、電極体１０の主面Ｓ１０Ａ，Ｓ１０Ｂの全体と、積層端面Ｓ１０Ｃ，Ｓ１０ＤのＺ軸方向の縁部位とに、接触して配置されている。絶縁体３１のＹ軸方向の長さＬ３１Ａ（図２参照）は、電極体１０のＹ軸方向の長さＬ１０Ａ（図２参照）よりも長い。絶縁体３１のＸ軸方向の長さＬ３１Ｂ（図４参照）は、電極体１０のＸ軸方向の長さＬ１０Ｂ（図４参照）よりも長い。絶縁体３１の厚みは、特に限定されるものではなく、電池１Ａのサイズ及び用途等に応じて適宜選択される。 絶縁体３１は、電極体１０及び金属容器２０と接触している。 絶縁体３１は、電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｅ及び積層端面Ｓ１０Ｆに配置されていてもよいし、配置されていなくてもよい。 第１実施形態では、絶縁体３１は、フィラーを含んでいない。絶縁体３１は、公知の樹脂（例えば、熱可塑性樹脂、及び熱硬化性樹脂等）からなってよい。熱可塑性樹脂は、エラストマーであってよい。絶縁体３１は、必要に応じて、配合剤を更に含んでもよい。配合剤としては、例えば、ガラス繊維、カーボン繊維、無機粉末等の充填材、熱安定剤、酸化防止剤、顔料、耐候剤、難燃剤、可塑剤、分散剤、滑剤、離型剤、及び帯電防止剤等が挙げられる。 （１．１．４）熱伝導性絶縁体 熱伝導性絶縁体３２Ａは、電極体１０と金属容器２０とを電気的に絶縁する。熱伝導性絶縁体３２Ａは、絶縁体３１よりも高い熱伝導率を有する。 第１実施形態では、熱伝導性絶縁体３２Ａは、フィルム状物である。熱伝導性絶縁体３２Ａは、金属容器２０の電極体１０と対向する対向面Ｓ２１Ａ～Ｓ２１Ｄのうち、絶縁体３１が配置されていない部位に配置されている。第１実施形態では、熱伝導性絶縁体３２Ａは、金属角筒体２１の電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｃと対向する対向面Ｓ２１Ｃに配置されている。熱伝導性絶縁体３２Ａは、金属角筒体２１の電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｄと対向する対向面Ｓ２１Ｄに配置されている。 熱伝導性絶縁体３２Ａは、長方形状である。第１実施形態では、熱伝導性絶縁体３２Ａは、電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｃの絶縁体３１が配置されていない部位の全体、及び電極体１０の積層端面Ｓ１０Ｄの絶縁体３１が配置されていない部位の全体に接触して配置されている。第１実施形態では、熱伝導性絶縁体３２Ａは、電極体１０及び金属容器２０と接触している。 第１実施形態では、熱伝導性絶縁体３２Ａの厚みＬ３２（図２参照）は、絶縁体３１の厚みＬ３１（図２参照）及び金属容器２０の壁厚Ｌ２０（図２参照）の各々よりも厚い。 熱伝導性絶縁体３２Ａは、１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することが好ましい。熱伝導性絶縁体３２Ａの熱伝導率は、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であってよく、５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってよく、３．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってよい。 熱伝導性絶縁体３２Ａは、１つの層で構成されている。熱伝導性絶縁体３２Ａは、絶縁体３１よりも高い熱伝導性を有すれば、公知の樹脂（例えば、熱可塑性樹脂、及び熱硬化性樹脂等）を含んでよいし、公知の樹脂からなってよい。熱可塑性樹脂は、エラストマーであってよい。 熱伝導性絶縁体３２Ａは、熱伝導フィラーを含んでよいし、熱伝導フィラーを含んでいなくてもよい。熱伝導性絶縁体３２Ａは、熱伝導フィラーを含むことが好まし