JP6264188B2 - Power storage device, electronic device using the same, and power storage unit - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電装置およびそれを用いた電子機器並びに蓄電ユニットに関する。 The present invention relates to a power storage device, an electronic device using the power storage device, and a power storage unit.
近年、携帯電話やスマートフォンに代表される情報端末やゲーム機等の民生用電子機器の電源、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池は広く利用されている。このような電子機器には、長寿命・高容量であることに加え、軽量化や小型化、外形設計の自由度を得るために可撓性を有する電池への需要が高まっている。可撓性を有する蓄電装置を実現することにより、例えばリストウォッチ等のウェアラブル機器や、薄型の電子機器など、湾曲または屈曲する部分や厚さの薄い部分にも蓄電装置を設置することができる。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources and power storage devices for consumer electronic devices such as information terminals and game machines such as mobile phones and smartphones. In such an electronic device, in addition to a long life and high capacity, there is an increasing demand for a battery having flexibility in order to obtain a light weight, a small size, and a degree of freedom in external design. By realizing a flexible power storage device, the power storage device can be installed in a curved or bent portion or a thin portion such as a wearable device such as a wristwatch or a thin electronic device.
従来の非水系リチウムイオン二次電池は、アルミニウムや銅などのシート状の集電体にリチウムイオンを放出する正極活物質を塗布した正極と、リチウムイオンを吸蔵する負極活物質を塗布した負極を有する。これら正極と負極の間にセパレータを挟み、これを巻いて捲回体を形成し、この捲回体を電解液とともに外装体内に封入することで得られる。正極、セパレータ、負極はそれぞれ可撓性を有する部材ではあるものの、捲回体を形成し外装体に封入した後は、形状が固定されるため、可撓性は完全に喪失してしまい、電池に湾曲または屈曲する自由度を持たせることはできなかった。
また、このような非水系リチウムイオン二次電池には電解質として有機溶剤が用いられている。そのため電池を湾曲または屈曲させることで液漏れする恐れがあった。
A conventional non-aqueous lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material that releases lithium ions is applied to a sheet-like current collector such as aluminum or copper, and a negative electrode in which a negative electrode active material that absorbs lithium ions is applied. Have. It is obtained by sandwiching a separator between the positive electrode and the negative electrode, winding the separator to form a wound body, and encapsulating the wound body together with the electrolyte in the exterior body. Although the positive electrode, the separator, and the negative electrode are each flexible members, the shape is fixed after the wound body is formed and sealed in the exterior body, so the flexibility is completely lost, and the battery Could not be given a degree of freedom of bending or bending.
Moreover, an organic solvent is used as an electrolyte in such a non-aqueous lithium ion secondary battery. For this reason, there is a risk of liquid leakage by bending or bending the battery.
そこで、特許文献1に開示されているように電解質として有機溶剤の代わりに無機固体電解質を用いた薄型の固体電池や特許文献2に開示されているようなシート状の蓄電装置の研究が盛んに行われている。
Therefore, research on a thin solid battery using an inorganic solid electrolyte instead of an organic solvent as an electrolyte as disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示されているような薄型の固体電池では、湾曲または屈曲させた場合に、正極と負極の短絡や割れ等が生じる恐れがあるため、湾曲または屈曲に対応することはできなかった。特許文献2に開示されているようなシート型の蓄電装置は湾曲や屈曲には対応できるものの、ウェアラブル機器に必要なねじれに対応することはできなかった。さらに、蓄電装置の容量を大きくするために、蓄電装置を構成する蓄電素子の実装密度を大きくすると、ねじれへの対応はより困難になる。
However, in a thin solid battery as disclosed in
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、湾曲または屈曲、及びねじれに対応した容量の大きい蓄電装置およびそれを用いた電子機器並びに蓄電ユニットを提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide a power storage device having a large capacity corresponding to bending, bending, and twisting, an electronic device using the power storage device, and a power storage unit.
上記課題を解決するため、本発明にかかる蓄電装置は可撓性を有する基板の少なくとも一方の主面に、所定方向に延びる導線と、複数の固体電池が所定方向に配列され並列接続した第一電池群と、複数の固体電池が所定方向に配列され並列接続した第二電池群と、を備え、所定方向、及びそれに直交する直交方向のいずれの方向から投影したときも第一電池群の固体電池と第二電池群の固体電池は互いに異なる位置に配置され、第一電池群と第二電池群は、互いに異なる極性を持った端子を同一の導線上に配置することで、直列接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a power storage device according to the present invention is a first in which a conductive wire extending in a predetermined direction and a plurality of solid state batteries are arranged in a predetermined direction and connected in parallel on at least one main surface of a flexible substrate. A battery group and a second battery group in which a plurality of solid state batteries are arranged in parallel and connected in parallel, and the solid state of the first battery group when projected from either the predetermined direction or the orthogonal direction perpendicular thereto The battery and the solid battery of the second battery group are arranged at different positions, and the first battery group and the second battery group are connected in series by arranging terminals having different polarities on the same conductor. It is characterized by being.
かかる蓄電装置によれば、可撓性を有する基板上に固体電池が互い違いに配置されているため、湾曲または屈曲及びねじれに対応することができる。 According to this power storage device, since the solid state batteries are alternately arranged on the flexible substrate, it is possible to cope with bending, bending, and twisting.
本発明にかかる蓄電装置は、蓄電装置を所定方向から投影したときに、第一電池群の固体電池の一部と第二電池群の固体電池の一部とが互いに重なり合う位置で配置されていることが好ましい。 The power storage device according to the present invention is disposed at a position where a part of the solid state battery of the first battery group and a part of the solid state battery of the second battery group overlap each other when the power storage device is projected from a predetermined direction. It is preferable.
かかる蓄電装置によれば湾曲または屈曲及びねじれに対応するとともに、高密度実装による容量向上も可能となる。 According to such a power storage device, it is possible to cope with bending, bending, and twisting, and to improve the capacity by high-density mounting.
本発明にかかる蓄電装置は、さらに、第一電池群と第二電池群が、同一主面上に交互に配列されていることが好ましい。 In the power storage device according to the present invention, it is further preferable that the first battery group and the second battery group are alternately arranged on the same main surface.
かかる蓄電装置によれば、可撓性を有する基板上に固体電池が互い違いに配置されているため、ねじれへの対応が容易となり、ねじれによって生じる固体電池への負荷が軽減するとともに、高密度実装による容量向上が可能となる。 According to such a power storage device, since the solid batteries are alternately arranged on the flexible substrate, it is easy to cope with the twist, the load on the solid battery caused by the twist is reduced, and the high density mounting is performed. It is possible to improve the capacity.
本発明にかかる電子機器は蓄電装置を搭載していることが好ましい。 The electronic device according to the present invention preferably includes a power storage device.
かかる電子機器によれば、湾曲または屈曲、及びねじれが生じる部分にも蓄電装置を搭載することができるので、より自由度の高い電子機器を提供することができる。 According to such an electronic device, since the power storage device can be mounted on a portion where bending, bending, or twisting occurs, an electronic device with a higher degree of freedom can be provided.
本発明にかかる蓄電ユニットは、主面とは反対側にシート状の太陽光発電素子を貼り合わせ、蓄電装置と太陽光発電素子とを電気的に接続されていることが好ましい。 In the power storage unit according to the present invention, it is preferable that a sheet-like solar power generation element is bonded to the opposite side of the main surface, and the power storage device and the solar power generation element are electrically connected.
かかる蓄電ユニットによれば、可撓性を有した太陽光蓄電ユニットを得ることができる。また、太陽の熱によって固体電池が温められ、固体電池の性能向上が期待できる。 According to this power storage unit, a flexible solar power storage unit can be obtained. Moreover, the solid battery is warmed by the heat of the sun, and the performance improvement of the solid battery can be expected.
本発明によれば、湾曲または屈曲、及びねじれに対応した容量の大きい蓄電装置およびそれを用いた電子機器ならびに蓄電ユニットを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrical storage apparatus with a large capacity | capacitance corresponding to a curve or bending, and a twist, an electronic device using the same, and an electrical storage unit can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施条件に付いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。さらに、以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
(蓄電装置)
図1は本実施形態とする蓄電装置50を示す平面図である。図1のように蓄電装置50は主として、可撓性基板1と可撓性基板1の一方の主面上に配置された第一電池群2と第二電池群3からなる。第一電池群2および第二電池群3はそれぞれ複数の固体電池10から構成されている。導線4は所定方向に延びており、可撓性基板1の表面もしくは内部に複数備えられて、回路の一部を担っており、固体電池10は導線4に電気的に接続されている。
(Power storage device)
FIG. 1 is a plan view showing a
(電池の配置)
第一電池群2と第二電池群3はそれぞれ所定方向に配列された複数の固体電池10で構成されている。第二電池群3は、所定方向及び所定方向に直交する直交方向のいずれの方向から投影した時も第一電池群2と第二電池群3の固体電池10は互いに異なる位置で配置されることで、可撓性基板1上に固体電池10を高密度実装できるため、好ましい。
(Battery arrangement)
The
所定方向から投影した際の第一電池群2と第二電池群3の重なりが大きいと、蓄電装置の容量を大きくするために固体電池の実装密度を高くした場合であっても、可撓性基板1に湾曲及び屈曲、またはねじれが生じた際の固体電池にかかる負荷が分散し、小さくなるため好ましい。
If the overlap between the
(3列目以降の配列)
図2乃至図5は図1とは電池の配列が異なる蓄電装置の例である。図1乃至5のように、一列目に第一電池群2を配置し、直交方向に二列目として、第二電池群3を配列した時、三列目以降に複数の固体電池を所定方向に配列し接続した電池群を配置し、直交方向に並んだ第二電池群をはじめとした電池群と直列に接続することが好ましい。図2乃至5には4直列―3並列の配置を持つ場合の固体電池の配置の例を模式的に示した。三列目以降には、図2及び図3のように第一電池群2と第二電池群3を交互に配列しても良いし、図4及び図5のように第一電池群2や第二電池群3と異なる電池群を配列してもよい。第一電池群2や第二電池群3と異なる電池群を直交方向に配列する場合は、第一電池群2を構成する一つの固体電池10と第二電池群3を構成する一つの固体電池10の重心を結んだ直線上に三列目以降の電池群の固体電池10が配列されていればよい。
(Sequence after the third column)
2 to 5 are examples of a power storage device having a battery arrangement different from that in FIG. As shown in FIGS. 1 to 5, when the
可撓性基板上に配列された固体電池10の配列の対称性が高いほど、高密度実装やねじれへの対応は容易になるので、第一電池群2と第二電池群3を交互に配列する方が好適である。また、直交方向に配列された電池群の間の間隔は特に定めないが、等間隔であることが好ましい。
The higher the symmetry of the arrangement of the
(配線)
図1に示す蓄電装置では、矩形状の可撓性基板1上の長手方向に平行に4本の配線が形成されている。そのうち、隣り合う2本の導線4にまたがるように固体電池が実装されている。図1では、一つの第一電池群2を構成する6個の固体電池10は並列に接続されており、一つの第二電池群3を構成する6個の固体電池10も並列に接続されており、第一電池群2と第二電池群3は直列に接続されている。このようにして図1では4直列―6並列の蓄電装置を構成している。この蓄電装置は第一電池群2と第二電池群3の互いに異なる極性を持った端子電極を同一導線上に配置させている点で、高密度実装と湾曲又は屈曲及びねじれに対応した優れたものとなる。また、固体電池10は充放電時にイオンが移動するため膨張や収縮をするが、固体電池10の可撓性基板1からの脱落を防ぐため、固体電池と導線が接触する面積は広い方が好ましく、導線の幅は固体電池10の端子電極間18の距離の3分の1以上であると好ましい。
(wiring)
In the power storage device shown in FIG. 1, four wires are formed in parallel to the longitudinal direction on the rectangular
本実施形態にかかる配線は図1に示すものに限らず、蓄電装置50に要求される容量や電流仕様に応じて幅広く変化させることが可能である。また、基板上に固体電池10以外の電子部品を搭載しても良く、例えば、整流回路や保護回路、ICチップなどを備えていても良いし、第一電池群2及び第二電池群3をはじめとする電池群に含まれていない固体電池などを備えていても良い。
The wiring according to the present embodiment is not limited to that shown in FIG. 1, and can be widely changed according to the capacity and current specifications required for the
複数の固体電池10を並列接続して、第一電池群2や第二電池群3をはじめとする電池群を形成し、複数の電池群を直列接続するとき、並列接続された固体電池10が互いに異なる容量、あるいは、直列接続された電池群が互いに異なる容量を持つ場合、それらによって構成される蓄電装置50には、充放電効率の低下や過充電状態が生じる可能性がある。そのため、一つの電池群を構成する並列接続された固体電池10の容量は互いに同じであり、直列接続された電池群は互いに同じ容量であることが好ましい。
When a plurality of
一つの電池群を構成する並列接続された固体電池10の数や、直列接続された電池群の数は多い方が好ましい。複数の固体電池10が並列接続されて電池群を構成し、複数の電池群が、隣り合う電池群と導線を共有しながら直列接続されることで、湾曲及び屈曲、あるいはねじれによる導線の断線や回路の短絡、固体電池10に割れ接続不良や内部短絡等による電気抵抗値や容量の変化が生じても、蓄電装置を構成する固体電池10のうち、1つあたりに加わる負荷の変化量は小さくなるため、蓄電装置の電流値及び電圧値の維持が可能になるため好ましい。
It is preferable that the number of
図1に示す蓄電装置は第一電池群2と第二電池群3が交互に配置されており、所定方向及び直交方向のいずれの方向に対しても固体電池10が等間隔で周期的に配列されている。さらに、第一電池群2と第二電池群3の配列は平行であり、第二電池群3を構成する固体電池10の配列は、第一電池群2を構成する固体電池10の所定方向の周期の半分だけ所定方向にずれ、第一電池群2と同じ周期で所定方向に配列されている。可撓性基板1上の固体電池10の配列は、高い対称性を有するため、同じ数の固体電池10を高密度に実装した場合であっても、湾曲及び屈曲またはねじれへの対応が容易となるため好適である。
In the power storage device shown in FIG. 1, the
導線4に用いることができる材料としては、導電性材料であれば特に限定されるものではないが、可撓性基板1を湾曲、屈曲させた際に追従を要するため、展性や延性に優れた材料であることが好ましい。例えば、金、白金、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス、鉄、亜鉛などの金属、及びこれらの合金を用いることが好ましい。
The material that can be used for the
(可撓性基板の材料)
可撓性基板1にはフレキシブルプリント基板など樹脂材料からなる基板を用いることが好ましい。より具体的には、ポリエーテルスルフォン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエステル等のプラスチック材料を用いることができる。樹脂材料を用いることでガラスや金属材料を用いた場合と比べて、薄膜、軽量で高強度を維持しつつ可撓性を具備させることができる。ひいては蓄電装置の薄層化、軽量化が現実可能となり、ウェアラブルな機器への適用に好適である。
(Flexible substrate material)
The
(基盤との接続)
固体電池10の端子電極16と導線4の接続には、電子部品を回路基板に実装させる技術を用いることができる。その材料には、ハンダ、クリームハンダ、鉛フリーハンダ、鉛フリーハンダペースト、カーボンペースト、導電性ペースト、金属含有樹脂などを用いることができる。クリームハンダや鉛フリーハンダペーストを使用する場合、リフロー炉を通してそれを硬化させる。リフロー炉のピーク温度は200℃から280℃程度が好ましい。
(Connection with the base)
For connecting the
次に本実施形態の蓄電装置の製造方法について順に説明する。 Next, a method for manufacturing the power storage device of this embodiment will be described in order.
(固体電池の構造)
図6は本実施形態における蓄電装置に実装された固体電池10の断面の模式図である。固体電池10は、正極層11と負極層12との間に固体電解質層13を有しており、正極層11は正極集電体層14と正極活物質層15からなり、負極層12は負極集電体層16と負極活物質層17からなる。さらに正極集電体14と負極集電体16はそれぞれ外部と電気的接触をとるため、端子電極18が電気的に接続されている。大気中の水分と固体電池10が反応しないよう、固体電池10の表面に樹脂やセラミックス、ガラスなどからなる保護層があるとより好ましい。尚、図6では、5個の電池セルが積層された並列型の固体電池10の断面図が示されている。しかし、本実施形態の固体電池10に関する技術は、図1に示す5個の電池セルが積層された並列型の場合に限らず、任意の複数層からなる固体電池や直列型の固体電池にも適用できる。図6に示すものに限らず、蓄電装置50に要求される容量や電流仕様に応じて幅広く変化させることが可能である。
(Structure of solid battery)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
(固体電解質)
本実施形態の固体電解質層13を構成する固体電解質としては、電子の伝導性が小さく、リチウムイオンの伝導性が高い材料を用いるのが好ましい。また、大気雰囲気で高温焼成できる無機材料であることが好ましい。例えば、La0.5Li0.5TiO3などのペロブスカイト型化合物や、Li14Zn(GeO4)4などのリシコン型化合物、Li7La3Zr2O12などのガーネット型化合物、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3やLi1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3などのナシコン型化合物、Li3.25Ge0.25P0.75S4やLi3PS4などのチオリシコン型化合物、Li2S−P2S5やLi2O−V2O5−SiO2などのガラス化合物、Li3PO4やLi3.5Si0.5P0.5O4やLi2.9PO3.3N0.46などのリン酸化合物、よりなる群から選択される少なくとも1種であることが望ましい。
(Solid electrolyte)
As the solid electrolyte constituting the
(集電体材料)
正極集電体層15および負極集電体層17を構成する導電性材料の具体例としては、金(Au)、白金(Pt)、白金(Pt)−パラジウム(Pd)、銀(Ag)、銀(Ag)−パラジウム(Pd)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、インジウム−錫酸化膜(ITO)などを挙げることが出来る。
(Current collector material)
Specific examples of the conductive material constituting the positive electrode
(正極活物質及び負極活物質)
本実施形態の固体電池10を構成する正極活物質層14及び負極活物質層16を構成する正極活物質及び負極活物質としては、リチウムイオンを効率よく放出、吸蔵する材料を用いるのが好ましい。例えば、遷移金属酸化物、遷移金属複合酸化物を用いるのが好ましい。具体的には、リチウムマンガン複合酸化物Li2Mnx3Ma1−x3O3(0.8≦x3≦1、Ma=Co、Ni)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNix4Coy4Mnz4O2(x4+y4+z4=1、0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMbPO4(ただし、Mbは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素)、リン酸バナジウムリチウム(Li3V2(PO4)3又はLiVOPO4)、Li過剰系固溶体正極Li2MnO3−LiMcO2(Mc=Mn、Co、Ni)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiaNix5Coy5Alz5O2(0.9<a<1.3、0.9<x5+y5+z5<1.1)で表される複合金属酸化物のいずれかであることが好ましい。
(Positive electrode active material and negative electrode active material)
As the positive electrode active material and the negative electrode active material constituting the positive electrode
ここで、正極活物質層14又は負極活物質層16を構成する活物質には明確な区別がなく、より貴な電位を示す化合物を正極活物質層16として用い、より卑な電位を示す化合物を負極活物質層16として用いることができる。また、正極活物質層14を構成している活物質と負極活物質層16を構成する活物質は同じ材料を用いても良いし、異なっても良い。
Here, there is no clear distinction between the active materials constituting the positive electrode
(固体電池の製造)
本実施形態の固体電池10電解質層13、正極活物質層14、負極活物質層16、正極集電体層15、及び負極集電体層17の各材料をそれぞれペースト化し、その後、塗布、乾燥してグリーンシートを作製し、かかるグリーンシートを積層、圧着して積層体を作り、かかる積層体を同時焼成することによって製造する。
(Manufacture of solid batteries)
The
(ペーストの作製)
ペースト化の方法は、特に限定されないが、例えば、ビヒクルに上記各材料の粉末を混合してペーストを得ることができる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒、バインダーが含まれる。かかる方法により、正極集電体層14用のペースト、正極活物質層15用のペースト、固体電解質層13用のペースト、負極活物質層16用のペースト、及び、負極集電体層17用のペーストを作製する。
(Preparation of paste)
The method for forming the paste is not particularly limited, and for example, a paste can be obtained by mixing the powder of each of the above materials in a vehicle. Here, the vehicle is a general term for the medium in the liquid phase. The vehicle includes a solvent and a binder. By this method, the paste for the positive electrode
ペーストの組成は特に限定されない。例えば、正極活物質層14用のペーストおよび負極活物質層16用のペーストには活物質のほかに固体電解質や焼結助剤、導電性材料が含まれていても良いし、正極集電体層15及び負極集電体17用のペーストに活物質や固体電解質、焼結助剤が含まれていても良い。
The composition of the paste is not particularly limited. For example, the paste for the positive electrode
作製したペーストをPET(ポリエチレンテレフタラート)などの基材上に所望の順序で塗布し、必要に応じ乾燥させた後、基材を剥離し、グリーンシートを作製する。ペーストの塗布方法は、特に限定されず、スクリーン印刷、塗布、転写、ドクターブレード等の公知の方法を採用することができる。 The prepared paste is applied in a desired order on a base material such as PET (polyethylene terephthalate) and dried as necessary, and then the base material is peeled to prepare a green sheet. The paste application method is not particularly limited, and a known method such as screen printing, application, transfer, doctor blade, or the like can be employed.
作製した正極集電体層14用、正極活物質層15用、固体電解質層13用、負極活物質層17用、及び、負極集電体層16用のそれぞれのグリーンシートを所望の順序、積層数で積み重ね、必要に応じアライメント、切断等を行い、積層体を作製する。並列型又は直並列型の電池を作製する場合は、正極層の端面と負極層の端面が一致しないようにアライメントを行い積み重ねるのが好ましい。
The green sheets for the produced positive electrode
作製した積層体を一括して圧着する。圧着は加熱しながら行うが、加熱温度は、例えば、40〜90℃とする。 The produced laminate is pressed together. The pressure bonding is performed while heating, and the heating temperature is, for example, 40 to 90 ° C.
得られた積層体は必要に応じて切断し、所望の寸法に切断する。切断方法は限定されないが、例えば、ダイシングソーやナイフ切断機で行うとよい。また、切断はアラインメントしてから行うことが好ましい。 The obtained laminate is cut as necessary and cut to a desired dimension. Although the cutting method is not limited, for example, it may be performed with a dicing saw or a knife cutting machine. The cutting is preferably performed after alignment.
個片化された積層体を、例えば、大気雰囲気下で加熱し焼成を行い、焼結体を得る。焼成温度は、600〜1200℃の範囲とするのが好ましい。600℃未満では、焼成が十分進まず、1200℃を超えると、固体電解質が融解する、正極活物質、負極活物質の構造が変化するなどの問題が発生する可能性がある。更に、700〜1100℃の範囲とするほうが、焼成の促進、製造コストの低減により好適である。焼成時間は、例えば、0.1〜3時間が好ましい。 For example, the laminated body is heated and fired in an air atmosphere to obtain a sintered body. The firing temperature is preferably in the range of 600 to 1200 ° C. If the temperature is lower than 600 ° C., the firing does not proceed sufficiently, and if the temperature exceeds 1200 ° C., problems such as melting of the solid electrolyte and changes in the structure of the positive electrode active material and the negative electrode active material may occur. Furthermore, it is more preferable that the temperature is in the range of 700 to 1100 ° C. because the firing is accelerated and the manufacturing cost is reduced. The firing time is preferably, for example, 0.1 to 3 hours.
積層体の焼結体に対し乾式バレル研磨や湿式バレル研磨を行っても良い。この時、アルミナやジルコニア、樹脂ビーズなどの研磨剤を用いて行うと好ましい。湿式バレルの場合、溶媒は特に限定されないが、イオン交換水、純水、フッ素系溶媒を主としたものが好ましい。 You may perform dry barrel grinding | polishing or wet barrel grinding | polishing with respect to the sintered compact of a laminated body. At this time, it is preferable to use an abrasive such as alumina, zirconia, or resin beads. In the case of a wet barrel, the solvent is not particularly limited, but those mainly composed of ion-exchanged water, pure water, and a fluorinated solvent are preferable.
端子電極18の形成方法は限定されないが、電子部品などに用いられている技術を用いることが出来る。たとえば、熱硬化性導電性ペーストのディッピングやスパッタ、真空蒸着、メッキで形成することが好ましい。このような形成方法にて端子電極18を形成し、固体電池10を得る。
A method for forming the
また、端子電極18の材料は導電性を有するものが好ましく、たとえば、金(Au)、白金(Pt)、白金(Pt)−パラジウム(Pd)、銀(Ag)、銀(Ag)−パラジウム(Pd)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、インジウム、インジウム−錫酸化膜(ITO)を主として含んだものを用いることができる。
The material of the
なお、信頼性向上のため、焼結体の表面には樹脂やガラス、セラミックによる被膜の形成をしても良いし、気密性の高いケースに収納しても良い。 In order to improve reliability, a coating film made of resin, glass, or ceramic may be formed on the surface of the sintered body, or may be housed in a highly airtight case.
(蓄電装置の作製方法)
上述した固体電池10を用い、図1に示す通り、可撓性基板1に配線4をあらかじめ施したものを準備し、その配線上に上述した実装方法にて固体電池10を実装する。このようにして蓄電装置を得る。
(Method for manufacturing power storage device)
Using the
(実装時の固体電池の向き)
固体電池10はリチウムイオンの吸蔵によって膨張収縮が生じることがある。固体電池10を可撓性基板に実装する際は、固体電池10を構成する積層体の積層方向への膨張収縮が大きいため、隣接する固体電池10との距離を短くすることができるので、固体電池10を構成する積層体の積層方向が可撓性基板に対して直交する向きに実装することが好ましい。平面内での固体電池の向きに関しては固体電池の端子電極18を結ぶ線が導線4に対して平行でも良いし、傾いていても良いが、すべての電池が同じ向きであるほうが、固体電池の実装密度を大きくしやすいため好ましい。
(Solid battery orientation when mounted)
The
また、固体電池が実装される面は可撓性基板の片面でもよいが両面でもよい。この時、可撓性基板の一方の主面側から裏面に向けて固体電池を投影した時、裏面に実装される固体電池の配列は主面と同じ、あるいは、主面の配置で所定方向に平行にずれた配置であることが好ましい。 Further, the surface on which the solid battery is mounted may be one side of the flexible substrate, or may be both sides. At this time, when the solid battery is projected from one main surface side of the flexible substrate toward the back surface, the arrangement of the solid battery mounted on the back surface is the same as the main surface or in the predetermined direction by the arrangement of the main surface. The arrangement is preferably shifted in parallel.
(固体電池周囲の余白)
固体電池の膨張によって隣接する固体電池との間の距離が狭くなることを防ぐため、固体電池の実装時に、固体電池の周りにはそれを想定した空間を保持していた方が好ましい
(Margins around the solid battery)
In order to prevent the distance between adjacent solid batteries from becoming narrow due to expansion of the solid battery, it is preferable to maintain a space around the solid battery when the solid battery is mounted.
(電子機器)
本発明にかかる蓄電装置は可撓性のある電子機器や、電子機器の屈曲部に用いることが好ましい。例えば、リストウォッチや、薄型電子機器と組み合わせるのが好ましい。
(Electronics)
The power storage device according to the present invention is preferably used for a flexible electronic device or a bent portion of the electronic device. For example, it is preferable to combine with a wristwatch or a thin electronic device.
(蓄電ユニット)
図7には本発明にかかる蓄電装置を太陽光発電素子20と組み合わせた蓄電ユニットの概念的模式図を示す。上述した蓄電装置と組み合わせる発電素子としては、太陽光発電素子以外にも圧電素子、熱電変換素子などを用いることができるが、可撓性を有する発電素子が好ましい。その中でもシート状の太陽光発電素子が好適である。固体電池は高温でも動作可能であり、また、温度が高いほど固体電池の電池特性は向上することが期待できる。太陽光により蓄電ユニットが温められることで、より安定的に駆動可能な蓄電ユニットが得られる。
(Electric storage unit)
FIG. 7 shows a conceptual schematic diagram of a power storage unit in which the power storage device according to the present invention is combined with the photovoltaic
(実施例1)
以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、部表示は、断りない限り重量部である。
Example 1
EXAMPLES The present invention will be described in detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, unless otherwise indicated, a part display is a weight part.
(活物質の作製)
活物質として、以下の方法で作製したLi3V2(PO4)3を用いた。Li2CO3とV2O5とNH4H2PO4とを出発材料とし、これらをモル比3:2:6となるように秤量し、水を溶媒としてボールミルで16時間湿式混合を行った後、脱水乾燥した。得られた粉体を850℃で2時間、窒素水素混合ガス中で仮焼した。仮焼品を粗粉砕し、水を溶媒としてボールミルで16時間湿式粉砕を行った後、脱水乾燥して活物質粉末を得た。作製した粉体の組成がLi3V2(PO4)3であることは、X線回折装置を使用して確認した。
(Production of active material)
Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 produced by the following method was used as the active material. Using Li 2 CO 3 , V 2 O 5 and NH 4 H 2 PO 4 as starting materials, these were weighed so as to have a molar ratio of 3: 2: 6, and wet mixed in a ball mill for 16 hours using water as a solvent. And then dehydrated and dried. The obtained powder was calcined in a nitrogen-hydrogen mixed gas at 850 ° C. for 2 hours. The calcined product was coarsely pulverized, wet pulverized with a ball mill for 16 hours using water as a solvent, and then dehydrated and dried to obtain an active material powder. It was confirmed using an X-ray diffractometer that the composition of the produced powder was Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
(活物質ペーストの作製)
活物質ペーストは、この活物質粉末100部に、バインダーとしてエチルセルロース15部と、溶媒としてジヒドロターピネオール65部とを加えて、三本ロールで混練・分散して活物質ペーストを作製した。
(Production of active material paste)
The active material paste was prepared by adding 15 parts of ethyl cellulose as a binder and 65 parts of dihydroterpineol as a solvent to 100 parts of this active material powder, and kneading and dispersing with three rolls.
(固体電解質シートの作製)
固体電解質として、以下の方法で作製したLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3を用いた。Li2CO3とAl2O3とTiO2とNH4H2PO4を出発材料として、これらをモル比0.65:0.15:1.7:3となるように秤量し、水を溶媒としてボールミルで16時間湿式混合を行った後、脱水乾燥した。得られた粉体を800℃で2時間、空気中で仮焼した。仮焼品を粗粉砕し、水を溶媒としてボールミルで24時間湿式粉砕を行った後、脱水乾燥して固体電解質の粉末を得た。作製した粉体の組成がLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3であることは、X線回折装置を使用して確認した。
(Preparation of solid electrolyte sheet)
As the solid electrolyte, Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 prepared by the following method was used. Using Li 2 CO 3 , Al 2 O 3 , TiO 2 and NH 4 H 2 PO 4 as starting materials, these were weighed to a molar ratio of 0.65: 0.15: 1.7: 3, and water was added. After wet mixing with a ball mill as a solvent for 16 hours, it was dehydrated and dried. The obtained powder was calcined in air at 800 ° C. for 2 hours. The calcined product was coarsely pulverized, wet pulverized with a ball mill for 24 hours using water as a solvent, and then dehydrated and dried to obtain a solid electrolyte powder. It was confirmed using an X-ray diffractometer that the composition of the produced powder was Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 .
次いで、この粉末100部に、溶媒としてエタノール100部、トルエン200部をボールミルで加えて湿式混合した。その後ポリビニールブチラール系バインダー16部とフタル酸ベンジルブチル4.8部をさらに投入し、混合して固体電解質ペーストを調製した。この固体電解質ペーストをドクターブレード法でPETフィルムを基材としてシート成形し、厚さ15μmの固体電解質シートを得た。 Next, 100 parts of ethanol and 200 parts of toluene were added to 100 parts of the powder by a ball mill and wet mixed. Thereafter, 16 parts of polyvinyl butyral binder and 4.8 parts of benzylbutyl phthalate were further added and mixed to prepare a solid electrolyte paste. This solid electrolyte paste was formed into a sheet by a doctor blade method using a PET film as a base material to obtain a solid electrolyte sheet having a thickness of 15 μm.
(集電体ペーストの作製)
集電体としてCuとLi3V2(PO4)3とを体積比率で6:4となるように混合した後、バインダーとしてエチルセルロース10部と、溶媒としてジヒドロターピネオール50部を加えて三本ロールで混練・分散して集電体ペーストを作製した。
(Preparation of current collector paste)
After mixing Cu and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as a current collector so as to have a volume ratio of 6: 4, 10 parts of ethyl cellulose as a binder and 50 parts of dihydroterpineol as a solvent are added to form a three-roll. A current collector paste was prepared by kneading and dispersing.
(端子電極ペーストの作製)
銀粉末とエポキシ樹脂、溶剤とを三本ロールで混錬・分散し、熱硬化型の導電ペーストを作製した。
(Preparation of terminal electrode paste)
Silver powder, epoxy resin, and solvent were kneaded and dispersed with three rolls to produce a thermosetting conductive paste.
(活物質ユニットのグリーンシートの作製)
上記の固体電解質シート上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで活物質ペーストを印刷した。次に、印刷した活物質ペーストを80℃で5分間乾燥し、その上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで集電体ペーストを印刷した。次に、印刷した集電体ペーストを80℃で5分間乾燥し、更にその上に、スクリーン印刷により厚さ5μmで活物質ペーストを再度印刷した。印刷した活物質ペーストを80℃で5分間乾燥し、次いでPETフィルムを剥離した。このようにして、固体電解質シート上に、活物質ペースト、集電体ペースト、活物質ペーストがこの順に印刷・乾燥された活物質ユニットのグリーンシートを得た。
(Production of green sheets for active material units)
An active material paste was printed on the solid electrolyte sheet with a thickness of 5 μm by screen printing. Next, the printed active material paste was dried at 80 ° C. for 5 minutes, and a current collector paste was printed thereon with a thickness of 5 μm by screen printing. Next, the printed current collector paste was dried at 80 ° C. for 5 minutes, and further, the active material paste was printed again at a thickness of 5 μm by screen printing. The printed active material paste was dried at 80 ° C. for 5 minutes, and then the PET film was peeled off. In this way, an active material unit green sheet was obtained in which the active material paste, the current collector paste, and the active material paste were printed and dried in this order on the solid electrolyte sheet.
(積層体の作製)
活物質ユニットのグリーンシート二枚を、活物質層の間に固体電解質を介するようにして積み重ねた。このとき、一枚目の活物質ユニットの集電体ペースト層が一の端面にのみ延出し、二枚目の活物質ユニットの集電体ペースト層が他の面にのみ延出するように、各活物質ユニットのグリーンシートをずらして積み重ねた。この積み重ねられた活物質ユニットのグリーンシートの両面に、積層したグリーンシートの合計の厚さが500μmとなるように固体電解質シートを重ねた。その後、これを温度80℃で圧力1000kgf/cm2〔98MPa〕で一軸プレスを用いて成形した。次いで切断して積層ブロックを作製し、その後、積層ブロックを同時焼成して積層体を得た。同時焼成は、窒素中で昇温速度200℃/時間で焼成温度840℃まで昇温して、その温度に2時間保持し、焼成後は自然冷却した。同時焼成後の積層体のサイズは3.2mm×2.5mm×0.4mmであった。
(Production of laminate)
Two green sheets of the active material unit were stacked with the solid electrolyte interposed between the active material layers. At this time, the current collector paste layer of the first active material unit extends only to one end surface, and the current collector paste layer of the second active material unit extends only to the other surface, The green sheets of each active material unit were stacked and stacked. Solid electrolyte sheets were stacked on both sides of the green sheets of the stacked active material units so that the total thickness of the stacked green sheets was 500 μm. Thereafter, this was molded using a uniaxial press at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 1000 kgf / cm 2 [98 MPa]. Next, the laminate block was produced by cutting, and then the laminate block was simultaneously fired to obtain a laminate. In the simultaneous firing, the temperature was increased to a firing temperature of 840 ° C. at a temperature rise rate of 200 ° C./hour in nitrogen, maintained at that temperature for 2 hours, and naturally cooled after firing. The size of the laminate after co-firing was 3.2 mm × 2.5 mm × 0.4 mm.
(端子電極形成工程)
積層体の端面に端子電極ペーストを塗布した。150℃で30分間の熱硬化を行い、一対の端子電極を形成した。
(Terminal electrode formation process)
A terminal electrode paste was applied to the end face of the laminate. Heat curing was performed at 150 ° C. for 30 minutes to form a pair of terminal electrodes.
(実装のための端子電極仕上げ)
端子電極以外の面にマスクを施し、端子電極上にNi、Cu、Sn、の順に被膜を形成し、固体電池を得た。
(Terminal electrode finish for mounting)
A mask was applied to the surface other than the terminal electrode, and a film was formed on the terminal electrode in the order of Ni, Cu, and Sn to obtain a solid battery.
(実装工程)
可撓性基板上に固体電池を配置し、ハンダ付けをした。具体的には、可撓性基板の主面上の導線上に形成されたランドに合わせて設計されたメタルマスクを用いて、鉛フリーハンダペーストをランド上に印刷した。さらに、印刷されたランド上に固体電池を配置し、それを窒素雰囲気に置換したリフロー炉に通した。リフロー炉には温度の異なる3つの領域あり、基板とその上に配置された固体電池を順番に通過させた。一つ目の予熱ゾーンでは150℃から200℃の炉内を300秒かけて通過させ、二つ目のメインヒートゾーンでは240℃から270℃であり、ここを60秒で通過させた。3つ目の冷却ゾーンは600秒かけて通過させ、室温付近までの温度を下げた。
(Mounting process)
A solid battery was placed on a flexible substrate and soldered. Specifically, the lead-free solder paste was printed on the lands using a metal mask designed for the lands formed on the conductors on the main surface of the flexible substrate. Furthermore, the solid battery was placed on the printed land and passed through a reflow furnace where the atmosphere was replaced with a nitrogen atmosphere. The reflow furnace has three regions with different temperatures, and the substrate and the solid battery disposed thereon were passed in order. The first preheating zone was passed through a furnace at 150 ° C. to 200 ° C. over 300 seconds, and the second main heat zone was 240 ° C. to 270 ° C., which was passed in 60 seconds. The third cooling zone was passed over 600 seconds to lower the temperature to near room temperature.
(実施例1の配置)
実施例1では、第二電池群を第一電池群に対して、所定方向に3.5mm、配列と垂直方向に2.25mmずらして配置し、第一電池群と第二電池群の近接する固体電池間の距離は1mmとした。第一電池群を構成する固体電池の間隔及び第二電池群を構成する固体電池の間隔はそれぞれ4.5mmとした。可撓性基板及びメタルマスクはその固体電池の配置に基づいて設計したものを使用した。第一電池群及び第二電池群を構成する電池の数はそれぞれ6個とし、第一電池群と第二電池群を交互にそれぞれ3回繰り返して、基板上に合計36個の固体電池を実装した。これにより蓄電装置を得た。
(Arrangement of Example 1)
In Example 1, the second battery group is arranged 3.5 mm away from the first battery group by a distance of 3.5 mm in the predetermined direction and 2.25 mm perpendicular to the arrangement, and the first battery group and the second battery group are close to each other. The distance between the solid batteries was 1 mm. The distance between the solid batteries constituting the first battery group and the distance between the solid batteries constituting the second battery group were each 4.5 mm. The flexible substrate and the metal mask used were designed based on the arrangement of the solid state battery. The number of batteries constituting each of the first battery group and the second battery group is six, and the first battery group and the second battery group are alternately repeated three times, and a total of 36 solid batteries are mounted on the substrate. did. This obtained the electrical storage apparatus.
(比較例1)
比較例1は固体電池の配置と、可撓性基板上のランドの位置以外は実施例1と同様にして作製した。比較例1では、従来技術と同様に、縦方向に3個、横方向に6個の合計36個の固体電池を規則的に配置し格子状に実装し、隣接する固体電池の間隔は1mmとした。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except for the arrangement of the solid battery and the position of the land on the flexible substrate. In Comparative Example 1, as in the prior art, a total of 36 solid batteries, 3 in the vertical direction and 6 in the horizontal direction, are regularly arranged and mounted in a grid, and the interval between adjacent solid batteries is 1 mm. did.
(ねじれ対応の評価方法)
可撓性基板の短辺の片方を固定し、ねじれに対する耐久試験をおこなった。まず、固定した短辺に対し他方の短辺が90度をなすまでねじった。つぎに、ねじれをもとに戻し、先にねじった方とは逆の向きに、固定していない短辺を90度ひねった。一連の動作を1回とし、これを複数回繰り返した。少なくとも一つの端子電極が可撓性基板から外れた固体電池や割れやひび、欠けが生じた固体電池を不良とし、不良か否かを目視で判断した。
(Evaluation method for twisting)
One of the short sides of the flexible substrate was fixed, and a durability test against torsion was performed. First, it twisted until the other short side made 90 degree | times with respect to the fixed short side. Next, the twist was returned to the original, and the unfixed short side was twisted by 90 degrees in the opposite direction to the one twisted first. A series of operations was performed once, and this was repeated a plurality of times. A solid battery in which at least one terminal electrode was detached from the flexible substrate or a solid battery in which cracks, cracks, or chips were generated was regarded as defective, and it was visually determined whether or not it was defective.
(試験結果)
実施例1及び比較例1に対し、ねじれに対する耐久試験を行った。表1には実施例1及び比較例1のねじり回数に対する不良の発生数を示す。
An endurance test against torsion was performed on Example 1 and Comparative Example 1. Table 1 shows the number of defects with respect to the number of twists in Example 1 and Comparative Example 1.
表1より、実施例1の蓄電装置の方が比較例1に比べてねじれに対する耐久性が高いことがわかる。これは、ねじれによって生じる端子電極と可撓性基板間の負荷が本実施形態の配置を取ることによって従来の配置に比べ軽減されたためだと考えられる。 From Table 1, it can be seen that the power storage device of Example 1 has higher durability against torsion than Comparative Example 1. This is thought to be because the load between the terminal electrode and the flexible substrate caused by twisting was reduced compared to the conventional arrangement by taking the arrangement of this embodiment.
以上のように、本発明にかかる蓄電装置や蓄電ユニットは湾曲または屈曲及びねじれに対して効果がある。これらは湾曲または屈曲、及びねじれが予測される部分にも用いることができ、実装面積当たりの容量を最適化できるため、特にエレクトロニクスの分野で大きく寄与する。 As described above, the power storage device and the power storage unit according to the present invention are effective against bending, bending, and twisting. These can be used also in a portion where bending or bending and torsion are expected, and the capacity per mounting area can be optimized, so that it greatly contributes particularly in the field of electronics.
1 可撓性基板
2 第一電池群
3 第二電池群
4 導線
10 固体電池
11 正極層
12 負極層
13 固体電解質層
14 正極活物質層
15 正極集電体層
16 負極活物質層
17 負極集電体層
18 端子電極
19 積層体
20 シート状太陽光発電素子
50 蓄電装置
51 蓄電ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記所定方向、及びそれに直交する直交方向のいずれの方向から投影したときも第一電池群の固体電池と第二電池群の固体電池は互いに異なる位置に配置され、
前記第一電池群と前記第二電池群は、互いに異なる極性を持った端子電極を同一の前記導線上に配置することで、直列接続されていることを特徴とする蓄電装置。 A conductive wire extending in a predetermined direction on at least one main surface of the flexible substrate, a first battery group in which a plurality of solid batteries are arranged in parallel in the predetermined direction, and a plurality of solid batteries in the predetermined direction A second battery group arranged and connected in parallel,
The solid battery of the first battery group and the solid battery of the second battery group are arranged at different positions when projected from any of the predetermined direction and the orthogonal direction perpendicular thereto,
The first battery group and the second battery group are connected in series by arranging terminal electrodes having different polarities on the same conducting wire.
A power storage device in which a sheet-like photovoltaic power generation element is bonded to the opposite side of the main surface, and the power storage device according to any one of claims 1 to 4 and the photovoltaic power generation element are electrically connected. unit.
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