CN116895848A - 全固态电池 - Google Patents

Abstract

全固态电池具备电极层叠体和收容电极层叠体的外装膜，电极层叠体至少具有：第一电极层叠体，其以层叠两端最表面成为负极集电体层的方式层叠；以及第二电极层叠体，其以层叠两端最表面成为正极集电体层的方式层叠，负极集电体层的第一负极收束体与正极集电体层的第一正极收束体串联连接，外装膜具有内侧树脂层、金属层、以及外侧树脂层，在第一负极收束体与第一正极收束体串联连接的、电极层叠体的宽度方向的一方的端部，设置有将第一负极收束体及第一正极收束体与金属层电连接的第一内部连接部。

Description

全固态电池

本申请基于2022年3月31日申请的日本专利申请第2022-058294号主张优先权，将其内容援引于此。

技术领域

本发明涉及一种全固态电池。

背景技术

近年来，为了能够确保使更多的人获得适合且可靠的、可持续并且先进的能源，进行了关于有助于能源的效率化的全固态电池的研究开发。

电动汽车用等大容量的层压软包电池(pouch cell)通常在长度方向的两端设置有电极耳。因此，在层叠而串联连接或并联连接的情况下，需要在电池单体的长度方向的两端侧设置将电池单体的端子之间连接的母线等的空间。所述空间不能在电池单体内的电极的长度方向上延长。

为了监视全电池单体的电压，需要从全电池单体的正极端子及负极端子取出CVS(Computer-controlled Vehicle System)用布线。因此，CVS用布线的一部分必须纵贯模块，需要确保该空间。因此，层叠单体能够占有的体积变小。即，电池容量变小。

作为增大层叠单体能够占有的体积的技术，例如已知有通过将构成层压膜的内侧树脂层打穿而与发电元件连接，来缩短极耳引线的突出长度的技术(例如，参照日本特开2012-28023号)。

发明内容

然而，在关于全固态电池的技术中，在层压软包电池内部，存在无法扩大电极面积的课题。另外，在层压软包电池内部，存在无法增大电极占空系数的课题。

本申请的目的在于，在层压软包电池内部，实现电极面积的扩大和电极占空系数的增大。另外，本申请有助于能源的效率化。

本发明的方案提供以下的结构。

[1]一种全固态电池，其中，

所述全固态电池具备电极层叠体、以及收容所述电极层叠体的外装膜，

所述电极层叠体至少具有：第一电极层叠体，其以层叠两端最表面成为负极集电体层的方式层叠；以及第二电极层叠体，其以层叠两端最表面成为正极集电体层的方式层叠，

所述第一电极层叠体的负极集电体层的负极收束体与所述第二电极层叠体的正极集电体层的正极收束体串联连接，

所述外装膜具有内侧树脂层、金属层、以及外侧树脂层，

在所述负极收束体与所述正极收束体串联连接的、所述电极层叠体的宽度方向的一方的端部，设置有将所述负极收束体及所述正极收束体与所述金属层电连接的内部连接部。

第一电极层叠体的负极集电体层的负极收束体与第二电极层叠体的正极集电体层的正极收束体串联连接，在负极收束体与正极收束体串联连接的、电极层叠体的宽度方向的一方的端部，设置有将负极收束体及正极收束体与外装膜的金属层电连接的内部连接部，由此在外装膜内部，能够扩大电极层叠体的电极面积，并且能够增大电极层叠体的电极占空系数。

[2]根据上述[1]所述的全固态电池，其中，

在所述电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，所述第一电极层叠体的正极集电体层的正极收束体和所述第二电极层叠体的负极集电体层的负极收束体分别与极耳引线接合，并且，

在所述电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，所述外装膜具有使所述金属层露出而与全固态电池的外部的电气设备电连接的露出部。

在电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，第一电极层叠体的正极集电体层的正极收束体和第二电极层叠体的负极集电体层的负极收束体分别与极耳引线接合，并且在电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，外装膜具有使金属层露出而与全固态电池的外部的电气设备电连接的露出部，由此能够获取全固态电池内的电位。

根据本发明的方案，能够在层压软包电池内部扩大电极层叠体的电极面积，并且能够增大电极层叠体的电极占空系数。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的全固态电池的一例的剖视图。

图2是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的第一电极层叠体的结构的一例的俯视图。

图3是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的第二电极层叠体的结构的一例的俯视图。

图4是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的电极层叠体的结构的一例的俯视图。

图5是对第一电极层叠体与第二电极层叠体的连接中点的电位、和第一电极层叠体与第二电极层叠体的层叠两端的电位相等的情况进行说明的示意图。

图6是对第一电极层叠体与第二电极层叠体的连接中点的电位、和第一电极层叠体与第二电极层叠体的层叠两端的电位相等的情况进行说明的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

[全固态电池的结构]

图1是示出本发明的实施方式的全固态电池的一例的剖视图。图2是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的第一电极层叠体的结构的一例的俯视图。图3是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的第二电极层叠体的结构的一例的俯视图。图4是示出构成本发明的实施方式的全固态电池的电极层叠体的结构的一例的俯视图。需要说明的是，在以下的说明所使用的附图中，为了易于理解特征，有时为方便起见将成为特征的部分放大示出，各构成要素的尺寸比例等不限于图示的比例。

全固态电池1具备电极层叠体10、以及收容电极层叠体10的外装膜20。电极层叠体10具有第一电极层叠体30、以及第二电极层叠体40。

第一电极层叠体30及第二电极层叠体40具有多个单层片状电极50。在图1中，第一电极层叠体30及第二电极层叠体40具有6个单层片状电极50(第一单层片状电极50A、第二单层片状电极50B、第三单层片状电极50C、第四单层片状电极50D、第五单层片状电极50E及第六单层片状电极50F)。

单层片状电极50具有正极60、负极70、以及配置于正极60与负极70之间且含有固态电解质的固态电解质层80。

正极60由正极集电体层61和至少包含固态电解质的正极活性物质层62层叠而成。

负极70由负极集电体层71和至少包含固态电解质的负极活性物质层72层叠而成。

第一电极层叠体30以层叠两端最表面成为负极集电体层71的方式层叠有多个单层片状电极50。详细而言，在第一电极层叠体30中，第一单层片状电极50A的负极集电体层71成为层叠方向的一方的最表面(在图1中为第一电极层叠体的上表面侧)。并且，第六单层片状电极5F的负极集电体层71成为层叠方向的另一方的最表面(在图1中为第一电极层叠体的下表面侧)。

第二电极层叠体40以层叠两端最表面成为正极集电体层61的方式层叠有多个单层片状电极50。详细而言，在第二电极层叠体40中，第一单层片状电极50A的正极集电体层61成为层叠方向的一方的最表面(在图1中为第二电极层叠体的上表面侧)。并且，第六单层片状电极5F的正极集电体层61成为层叠方向的另一方的最表面(在图1中为第二电极层叠体的下表面侧)。

在电极层叠体10的宽度方向的一方的端部，在第一电极层叠体30的负极集电体层71接合有第一极耳引线90。第一极耳引线90被收束而形成第一负极收束体100。在第一负极收束体100接合有第一覆层材料110。

在电极层叠体10的宽度方向的一方的端部，在第二电极层叠体40的正极集电体层61接合有第二极耳引线120。第二极耳引线120被收束而形成第一正极收束体130。在第一正极收束体130接合有第二覆层材料140。

通过第一覆层材料110与第二覆层材料140接合，第一负极收束体100和第一正极收束体130串联连接。

在电极层叠体10的宽度方向的另一方的端部，在第一电极层叠体30的正极集电体层61接合有第三极耳引线150。第三极耳引线150被收束而形成第二正极收束体160。在第二正极收束体160接合有第四极耳引线170。

在电极层叠体10的宽度方向的另一方的端部，在第二电极层叠体40的负极集电体层71接合有第五极耳引线180。第五极耳引线180被收束而形成第二负极收束体190。在第二负极收束体190接合有第六极耳引线200。

第四极耳引线170成为第一电极层叠体30与第二电极层叠体40串联连接而成的正极端子，第六极耳引线200成为第一电极层叠体30与第二电极层叠体40串联连接而成的负极端子。

外装膜20具有内侧树脂层21、金属层22、以及外侧树脂层23。

在第一负极收束体100与第一正极收束体130串联连接的、第一电极层叠体30及第二电极层叠体40的宽度方向的一方的端部，设置有将第一负极收束体100及第一正极收束体130与外装膜20的金属层22电连接的第一内部连接部210。

在第一负极收束体100与第一正极收束体130串联连接的、第一电极层叠体30及第二电极层叠体40的宽度方向的另一方的端部，设置有与外装膜20的金属层22连接的CVS布线用端子部230。

第四极耳引线170经由布线310而与CVS400连接。第六极耳引线200经由布线320而与CVS400连接。CVS布线用端子部230经由布线330与CVS400连接。在电极层叠体10的宽度方向的另一方的端部，外装膜20具有使金属层22露出且与全固态电池1的外部的电气设备(CVS400等)电连接的露出部。在该露出部，外装膜20的金属层22与CVS布线用端子部230连接。

(正极)

正极60由正极集电体层61和至少包含固态电解质的正极活性物质层62层叠而成。在本实施方式中，正极60具有正极集电体层61、以及形成于正极集电体层61的一方的主面且包含正极活性物质及固态电解质的正极活性物质层62。

正极集电体层61优选由导电率高的至少一种物质构成。

作为导电性高的物质，例如可以举出：含有银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)、及镍(Ni)中的至少任一个金属元素的金属或合金、或者碳(C)的非金属。若除了考虑导电性的高低之外还考虑制造成本，则优选铝、镍或不锈钢。进而，铝难以与正极活性物质、负极活性物质及固态电解质反应。因此，若将铝用于正极集电体层61，则能够降低全固态电池的内部电阻。

作为正极集电体层61的形状，例如可以举出：箔状、板状、网状、无纺布状、发泡状等。另外，为了提高与正极活性物质层62的密合性，可以在正极集电体层61的表面配置碳等，也可以使表面粗糙化。

正极活性物质层62包含授受锂离子和电子的正极活性物质。作为正极活性物质，只要是能够可逆地释放、吸储锂离子且能够进行电子输送的材料，就没有特别限定，可以使用能够适用于全固态型锂离子电池的正极的公知的正极活性物质。例如可以举出：锂钴氧化物(LiCoO₂)、锂镍氧化物(LiNiO₂)、锂锰氧化物(LiMn₂O₄)、固溶体氧化物(Li₂MnO₃-LiMO₂(M＝Co、Ni等))、锂-锰-镍-钴氧化物(LiNi_xMn_yCo_zO₂，x+y+z＝1)、橄榄石型锂磷氧化物(LiFePO₄)等复合氧化物；聚苯胺、聚吡咯等导电性高分子；Li₂S、CuS、Li-Cu-S化合物、TiS₂、FeS、MoS₂、Li-Mo-S化合物等硫化物；硫与碳的混合物等。正极活性物质可以由上述材料中的一种单独构成，也可以由两种以上构成。

正极活性物质层62包含与正极活性物质进行锂离子的授受的固态电解质。作为固态电解质，只要具有锂离子传导性，就没有特别限制，可以使用通常用于全固态型锂离子电池的材料。例如可以举出：硫化物固态电解质材料、氧化物固态电解质材料、卤化物固态电解质、含锂盐等无机固态电解质、聚环氧乙烷等聚合物系的固态电解质、包括含锂盐、锂离子传导性的离子液体的凝胶系的固态电解质等。这些当中，从锂离子的高导电特性和基于压制的结构成形性、界面接合性良好的观点出发，优选为硫化物固态电解质材料。

固态电解质可以由上述材料中的一种单独构成，也可以由两种以上构成。正极活性物质层62所包含的固态电解质可以是与负极活性物质层72、固态电解质层80所包含的固态电解质相同的材料，也可以是不同的材料。

从提高正极60的导电性的观点出发，正极活性物质层62也可以包含导电助剂。作为导电助剂，可以使用通常用于全固态型锂离子电池的导电助剂。例如可以举出：乙炔黑、科琴黑等碳黑；碳纤维；气相法碳纤维；石墨粉末；碳纳米管等碳材料。导电助剂可以由上述材料中的一种单独构成，也可以由两种以上构成。

另外，正极活性物质层62也可以包含具有使正极活性物质之间及正极活性物质与正极集电体层61粘结的作用的粘结剂。

在本实施方式中，正极活性物质层62形成于正极集电体层61的一方的主面，但不限于此，也可以是，正极活性物质层62形成于正极集电体层61的两个主面。另外，在正极活性物质层62为网状、无纺布状、发泡状等三维多孔质结构的情况下，正极活性物质层62也可以与正极集电体层61一体地设置。

在第一电极层叠体30中，正极集电体层61在全固态电池1的宽度方向的一方的端部汇聚。在第二电极层叠体40中，正极集电体层61在全固态电池1的宽度方向的另一方的端部汇聚。

(负极)

负极70由负极集电体层71和至少包含固态电解质的负极活性物质层72层叠而成。在本实施方式中，负极70具有负极集电体层71、以及形成于负极集电体层71的一方的主面且包含负极活性物质及固态电解质的负极活性物质层72。

负极集电体层71与正极集电体层61同样，优选由导电率高的至少一种物质构成。作为导电性高的物质，例如可以举出：含有银(Ag)、钯(Pd)、金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)及镍(Ni)中的至少任一个金属元素的金属或合金、或者碳(C)的非金属。若除了考虑导电性的高低之外还考虑制造成本，则优选铜、镍或不锈钢。进而，不锈钢难以与正极活性物质、负极活性物质及固态电解质反应。因此，若将不锈钢用于负极集电体层71，则能够降低全固态电池的内部电阻。

作为负极集电体层71的形状，例如可以举出：箔状、板状、网状、无纺布状、发泡状等。另外，为了提高与负极活性物质层72的密合性，可以在负极集电体层71的表面配置碳等，也可以使表面粗糙化。

负极活性物质层72包含授受锂离子和电子的负极活性物质。作为负极活性物质，只要是能够可逆地释放、吸储锂离子且能够进行电子输送的材料，就没有特别限定，可以使用能够适用于全固态型锂离子电池的负极的公知的负极活性物质。例如可以举出：天然石墨、人造石墨、树脂碳、碳纤维、活性碳、硬碳、软碳等碳质材料；以锡、锡合金、硅、硅合金、镓、镓合金、铟、铟合金、铝、铝合金等作为主体的合金系材料；聚并苯、聚乙炔、聚吡咯等导电性聚合物；金属锂；锂钛复合氧化物(例如Li₄Ti₅O₁₂)等。这些负极活性物质可以由上述材料中的一种单独构成，也可以由两种以上构成。

负极活性物质层72包含与负极活性物质进行锂离子的授受的固态电解质。作为固态电解质，只要具有锂离子传导性，就没有特别限制，可以使用通常用于全固态型锂离子电池的材料。例如可以举出：硫化物固态电解质材料、氧化物固态电解质材料、卤化物固态电解质、含锂盐等无机固态电解质、聚环氧乙烷等聚合物系的固态电解质、包括含锂盐、锂离子传导性的离子液体的凝胶系的固态电解质等。固态电解质可以由上述材料中的一种单独构成，也可以由两种以上构成。

负极活性物质层72所包含的固态电解质可以与正极活性物质层62、固态电解质层80所包含的固态电解质同样，也可以不同。

负极活性物质层72也可以包含导电助剂及粘结剂等。作为这些材料，没有特别限制，例如可以使用与用于上述的正极活性物质层62的材料相同的材料。

在本实施方式中，负极活性物质层72形成于负极集电体层71的一方的主面，但不限于此，也可以是，负极活性物质层72形成于负极集电体层71的两个主面。另外，在负极活性物质层72为网状、无纺布状、发泡状等三维多孔质结构的情况下，负极活性物质层72也可以与负极集电体层71一体地设置。

在第一电极层叠体30中，负极集电体层71在全固态电池1的宽度方向的另一方的端部汇聚。在第二电极层叠体40中，负极集电体层71在全固态电池1的宽度方向的一方的端部汇聚。

(固态电解质层)

固态电解质层80配置在正极活性物质层62与负极活性物质层72之间。

作为上述固态电解质，只要具有锂离子传导性及绝缘性，就没有特别限制，可以使用通常用于全固态型锂离子电池的材料。例如可以举出：硫化物固态电解质材料、氧化物固态电解质材料、卤化物固态电解质、含锂盐等无机固态电解质、聚环氧乙烷等聚合物系的固态电解质、包含含锂盐、锂离子传导性的离子液体的凝胶系的固态电解质等。这些当中，从锂离子的高导电特性和基于压制的结构成形性、界面接合性良好的观点出发，优选为硫化物固态电解质材料。

作为固态电解质材料的形态，没有特别限制，例如可以举出粒状。

固态电解质层80也可以包含用于赋予机械强度、柔软性的粘合剂。

固态电解质层80也可以是具有多孔性基材和保持于该多孔性基材的固态电解质的片材状。作为上述多孔性基材的形态，没有特别限制，例如可以举出：织布、无纺布、网布、多孔性膜、扩展片材、冲压片材等。这些形态中，从进一步提高固态电解质的填充量的操作性的观点出发，优选无纺布。

上述多孔性基材优选由绝缘性材料构成。由此，能够提高固态电解质层80的绝缘性。作为绝缘性材料，例如可以举出：尼龙、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、乙烯一四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、维尼纶、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、纤维素、丙烯酸类树脂等树脂材料；麻、木材纸浆、棉绒等天然纤维、玻璃等。

(外装膜)

外装膜20是具有内侧树脂层21、金属层22、以及外侧树脂层23的层叠膜。作为构成内侧树脂层21及外侧树脂层23的树脂，例如可以举出聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚酯树脂。金属层22例如由铝箔等构成。

如上所述，根据本实施方式，第一电极层叠体30的负极集电体层71的第一负极收束体100与第二电极层叠体40的正极集电体层61的第一正极收束体130串联连接，在第一负极收束体100与第一正极收束体130串联连接的、电极层叠体10的宽度方向的一方的端部，设置有将第一负极收束体100及第一正极收束体130与外装膜20的金属层22电连接的第一内部连接部210，由此能够使外装膜20的内部空间扩大。因此，在外装膜20的内部，能够扩大电极层叠体10的电极面积，并且能够增大电极层叠体10的电极占空系数。因此，能够提高全固态电池1的能量密度，能够增加搭载电量。

另外，根据本实施方式，在电极层叠体10的宽度方向的另一方的端部，第一电极层叠体30的正极集电体层61的第二正极收束体160与第四极耳引线170接合，在第二电极层叠体40的负极集电体层71的第二负极收束体190接合有第六极耳引线200，并且在电极层叠体10的宽度方向的另一方的端部，外装膜20具有使金属层22露出且与全固态电池1的外部的电气设备电连接的露出部。因此，能够获取全固态电池1内的电位。

另外，根据本实施方式，在外装膜20的内部，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40串联连接，因此在第一电极层叠体30与第二电极层叠体40之间不需要绝缘片材等，因此在外装膜20的内部，能够抑制电极层叠体10的电极占空系数降低。因此，能够削减制造成本，能够提高全固态电池1的能量密度。

另外，根据本实施方式，在外装膜20的内部，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40串联连接，获取第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点(第一内部连接部210)的电位，因此能够监视第一电极层叠体30和第二电极层叠体40的电压。

另外，根据本实施方式，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点(第一内部连接部210)的电位和第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位相等。因此，即使假设外装膜20的内侧树脂层21破损而使电极层叠体10与金属层22接触，也能够抑制产生短路等问题的情况。这是因为，如果第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点的电位和第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位相等，则第二电极层叠体40的外装膜20的最表面与外装膜20的电位相等，因此不会产生短路。

在此，使用图5及图6，对第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点的电位和第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位相等进行说明。

在全固态电池1整体的电位为7.4V的情况下，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点的电位为3.7V。另外，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位也为3.7V。因此，第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点的电位和第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位相等。

另外，如果第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的连接中点的电位和第一电极层叠体30与第二电极层叠体40的层叠两端的电位不相等，则通过例如监视从基准(0V)到连接中点(3.7V)之间的电压和从连接中点(3.7V)到最高点(7.4V)之间的电压，能够监视全固态电池1整体的电位。

另外，根据本实施方式，由于将外装膜20的金属层22作为布线的一部分来利用，因此不需要纵贯全固态电池1内的布线。

以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在技术方案所记载的本发明的主旨的范围内能够进行各种变形、变更。

Claims (2)

1.一种全固态电池，其中，

所述全固态电池具备电极层叠体、以及收容所述电极层叠体的外装膜，

所述电极层叠体至少具有：第一电极层叠体，其以层叠两端最表面成为负极集电体层的方式层叠；以及第二电极层叠体，其以层叠两端最表面成为正极集电体层的方式层叠，

所述第一电极层叠体的负极集电体层的负极收束体与所述第二电极层叠体的正极集电体层的正极收束体串联连接，

所述外装膜具有内侧树脂层、金属层、以及外侧树脂层，

在所述负极收束体与所述正极收束体串联连接的、所述电极层叠体的宽度方向的一方的端部，设置有将所述负极收束体及所述正极收束体与所述金属层电连接的内部连接部。

2.根据权利要求1所述的全固态电池，其中，

在所述电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，所述第一电极层叠体的正极集电体层的正极收束体和所述第二电极层叠体的负极集电体层的负极收束体分别与极耳引线接合，并且，

在所述电极层叠体的宽度方向的另一方的端部，所述外装膜具有使所述金属层露出而与全固态电池的外部的电气设备电连接的露出部。