(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状または板状の金属に孔が形成されるとともに活物質が塗布された電極からなる二次電池用電極であって、
前記電極は帯状または長方形状に形成されており、前記電極の一対の長辺のうちの一方の長辺において当該電極が電気的に接続されており、
前記孔はその単位面積当たりの開孔率が、前記電極が電気的に接続される側から離れるほど大きくなるように形成されており、
前記孔は、前記電極が電気的に接続される側の長辺と反対側の長辺から前記電極が電気的に接続される側の長辺へと向う集電方向に対して垂直方向に長い楕円形に形成されていることを特徴とする二次電池用電極。
【請求項２】
前記開孔率の最大値は５０％であり、最小値は２０％である請求項１に記載の二次電池用電極。
【請求項３】
前記活物質は前記孔を埋める状態で塗布されている請求項１または請求項２に記載の二次電池用電極。
【請求項４】
前記孔は、その周囲にバリが有る状態に形成されるとともに、前記バリが前記金属の厚さ方向に突出している請求項３に記載の二次電池用電極。
【請求項５】
前記電極はシート状であり、前記電極の一対の長辺のうちの一方の長辺において帯状に集電部材と電気的に接続されており、前記活物質は前記集電部材と電気的に接続されている以外の部分に塗布されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の二次電池用電極。
【請求項６】
前記電極は巻回型である請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池用電極に係り、詳しくは金属箔の表面に活物質が塗布されている二次電池用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は再充電が可能であり、繰り返し使用することができるため電源として広く利用されている。近年、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められており、電気自動車やハイブリッド車等の主電源や補助電源に使用される二次電池では、大電流での充電及び放電や二次電池の大容量化が要求されるようになっている。
【０００３】
ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などの二次電池では、電極として金属箔製の集電体に活物質を塗布（担持）したものが使用されている。そして、集電体に塗布された活物質の量を多くすることにより、二次電池の出力（放電電流に放電電圧を乗じた値）を高くすることができる。しかし、金属箔に塗布する活物質の厚さをあまり厚くすることはできない。そのため、金属箔の活物質塗布領域に多数の孔を形成して、単位面積当たりの塗布量を多くすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献１には、リード片を形成する箇所あるいはリード片を溶接する箇所を除いて金属箔に孔を均一に形成し、孔が形成されていない領域には、非貫通突出を設けることが開示されている。この非貫通突出は、金属箔に一方の面から他方の面に向かって貫通体を貫通させて引き抜くことにより多数の孔を設けた際に孔の周囲に生成したかえり（バリ）を、プレス加工により潰して平坦加工する際に、円滑な平坦化を行うことを目的として形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４０５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、活物質の塗布量を高めるために金属箔に形成される孔は活物質の塗布領域に均一に形成されていた。一方、一般に電極は、図６に示すように、帯状の集電体５１の幅方向の一端側に集電用リード（図示せず）を接続するリード部５２が形成されており、リード部５２を除いた領域が活物質塗布領域５３となっている。このような構成の電極を使用した二次電池では、集電体（電極）を流れる電流密度は、図６に矢印で示すように、リード部５２側で高く、リード部５２から離れた側で低くなる。
【０００７】
しかし、活物質塗布領域５３には金属箔に均一に複数の孔（図示せず）が形成されており、活物質の導電率は金属箔の導電率に比べて小さいため、二次電池の放電時にリード部５２に向かって電流密度の大きな状態で電力が流れることができず、集電効率が悪くなる。その結果、二次電池の出力密度、即ち二次電池の単位体積当たりの出力あるいは単位重量当たりの出力が小さくなる。
【０００８】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、集電効率が向上し、二次電池の出力密度の向上及びエネルギ密度の向上を両立させることができる二次電池用電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、シート状または板状の金属に孔が形成されるとともに活物質が塗布された電極からなる二次電池用電極であって、前記電極は帯状または長方形状に形成されており、前記電極の一対の長辺のうちの一方の長辺において当該電極が電気的に接続されており、前記孔はその単位面積当たりの開孔率が、前記電極が電気的に接続される側から離れるほど大きくなるように形成されており、前記孔は、前記電極が電気的に接続される側の長辺と反対側の長辺から前記電極が電気的に接続される側の長辺へと向う集電方向に対して垂直方向に長い楕円形に形成されている。ここで、「電極が電気的に接続される側」とは、集電部材が溶接や半田等により接続される部分が存在する側や、一体形成されて集電部材の役割を果たす部分が存在する側を意味する。また、「離れるほど大きくなる」とは、大きくなる割合が連続的に変化する場合に限らず、段階的に変化する場合も含む。
【００１０】
この発明では、電極を構成するシート状または板状の金属に孔が均一に形成されているのではなく、孔の単位面積当たりの開孔率が、電極が電気的に接続される側から離れるほど大きくなるように形成されている。即ち、電極は、電極が電気的に接続される側、例えば集電部材に接続される部分に近いほど金属に孔が形成されていない部分の面積が大きくなって電気抵抗が小さくなり、電流が流れ易くなる。二次電池で放電を行う場合、電流は電極が二次電池の電極端子に接続される部分（例えば、集電部材に接続される部分）に近いほど電流密度が大きくなる状態で流れる。しかし、従来は、開孔率が一定でしかも単位面積当たりの活物質の塗布量（担持量）を多くするため、開孔率を大きくしていたので、電極が二次電池の電極端子に接続される部分を流れる電流量を多くできなかった。しかし、この発明では、電極は、電極が電気的に接続される側に近い部分の方が単位面積当たりの電気抵抗が小さくなるため、集電効率が向上し、二次電池の出力密度の向上及びエネルギ密度の向上を両立させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記開孔率の最大値は５０％であり、最小値は２０％である。
開孔率が大きすぎると、電極の製造工程で、活物質が塗布された後の電極のプレス加工時に、電極が損傷し易くなり、歩留まりが悪くなる。この発明では、開孔率の最大値が５０％と、通常使用される材料や厚さであれば、電極のプレス加工時に、電極が損傷し難くなる値に設定されているため、歩留まり良く二次電池用電極を得ることができる。また、開孔率を２０％以上とすれば、電極単位体積当たりの容量や放電性能として好ましい値を得ることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記活物質は前記孔を埋める状態で塗布されている。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記孔は、その周囲にバリが有る状態に形成されるとともに、前記バリが前記金属の厚さ方向に突出している。従来は電極に孔を形成する場合、バリが発生しないようにエッチング処理やレーザー処理で形成するか、打ち抜き加工で孔を形成することによりバリが発生した場合はプレス加工でバリを潰して平坦にしていた。しかし、この発明では、バリがシート状または板状の金属の厚さ方向に突出しているため、活物質とバリが接触する状態になり、電極の厚さ方向にも活物質より電気抵抗が小さくなる部分が存在することになり、電極の厚さ方向にも集電できる状態となり、バリがない場合に比べて集電効率が高くなる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記電極はシート状であり、前記電極の一対の長辺のうちの一方の長辺において帯状に集電部材と電気的に接続されており、前記活物質は前記集電部材と電気的に接続されている以外の部分に塗布されている。二次電池の構成として、帯状の二次電池用電極で形成された正極用電極シート及び帯状の二次電池用電極で形成された負極用電極シートを、帯状のセパレータを挟んだ積層状態で略長円柱状に巻いて電極体が形成され、その電極体が電池ケースに収容されたものがある。その構成では、二次電池用電極の幅方向の一端側に複数の集電部材が接続され、集電部材は活物質の非塗布部に接続される。この発明では、電極はシート状であり、一端側が帯状に集電部材と電気的に接続されており、活物質は集電部材と電気的に接続されている以外の部分に塗布されているため、予め集電部材の接続位置を設定せずに二次電池用電極を製造しても、集電部材を所望の位置に接続することができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において前記電極は巻回型である。この発明では、帯状に形成されたシート状の金属製電極で形成された正極電極及び負極電極を、セパレータを介して巻回することにより巻回型の二次電池が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、集電効率が向上し、二次電池の出力密度の向上及びエネルギ密度の向上を両立させることができる二次電池用電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は一実施形態の二次電池用電極の活物質の一部を省略した模式図、（ｂ）は孔の周囲のバリの状態を示す部分拡大模式図。
【図２】正極シート及び負極シートがセパレータを挟んで巻回された電極体の模式斜視図。
【図３】正極シートに電流が流れる状態の模式図。
【図４】別の実施形態の二次電池用電極の模式図。
【図５】別の実施形態の二次電池用電極の模式図。
【図６】集電体に流れる電流の電流密度の状態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、二次電池用電極は電極としての電極シート１１からなり、電極シート１１はシート状の金属としての金属箔１２に孔１３が形成されるとともに活物質１４が塗布されている。金属箔１２には孔１３を埋める状態で活物質１４が塗布されている。金属箔１２の幅及び長さは、二次電池用電極が使用される二次電池の大きさに対応して設定される。なお、図１（ａ）においては孔１３を分かり易くするため、孔径と金属箔１２の幅との比を１：１３程度で図示しているが、実際には孔径は金属箔１２の幅の１／１００以下に形成され、金属箔１２の単位面積当たりに形成される孔１３の数はずっと多い。
【００１８】
この実施形態では、電極シート１１は帯状に形成されるとともに、一端側に集電部材としての集電用リード１５が電気的に接続される接続部１６が帯状に形成されており、活物質１４は接続部１６以外の部分に塗布されている。即ち、電極シート１１は一端側が帯状に集電用リード１５と電気的に接続されており、活物質１４は集電用リード１５と電気的に接続されている帯状の部分以外の部分に塗布されている。塗布される活物質は、例えば、ニッケル水素電池とリチウムイオン電池のように二次電池の種類によって異なる。また、同じ種類の二次電池でも正極用の電極シート１１に塗布されるものと負極用の電極シート１１に塗布されるものとでは異なる。
【００１９】
孔１３は金属箔１２全体に均一に形成されるのではなく、その単位面積当たりの開孔率が、電極シート１１が電気的に接続される側から離れるほど、即ち集電用リード１５と電気的に接続されている帯状の部分から離れるほど大きくなるように形成されている。
【００２０】
開孔率の最大値は電極シート１１の製造工程で、活物質１４が塗布された後の金属箔１２のプレス加工時に電極シート１１が損傷しない値に設定され、最小値は電極単位体積当たりの容量や放電性能として好ましい値が得られる値に設定される。開孔率の最大値は５０％であり、最小値は２０％である。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、孔１３は、その周囲にバリ１７が有る状態に形成されるとともに、バリ１７が金属箔１２の厚さ方向に突出した状態で、バリ１７及び孔１３が埋められるように金属箔１２に活物質１４が塗布されている。
【００２２】
次に前記のように構成された二次電池用電極の作用を説明する。
図２に示すように、正極用電極シート１１ｐと負極用電極シート１１ｎとの間に帯状のセパレータ１８を挟んだ積層状態で略長円柱状に巻いて電極体１９が構成され、その電極体１９が図示しない電解液と共に図示しない電池ケースに収容されて二次電池が構成される。なお、図２では負極用電極シート１１ｎの集電用リードの図示を省略している。
【００２３】
二次電池の放電時（出力時）、正極用電極シート１１ｐの集電用リード１５から電流が取り出されるが、図３に矢印で示すように、電流は集電用リード１５が接続された接続部１６と反対側から接続部１６側に向かって流れ、電流密度は接続部１６に近い方が遠い方より大きくなる。正極用電極シート１１ｐを構成する金属箔１２に孔１３が均一に形成されているのではなく、孔１３の開孔率が接続部１６から離れるほど、即ち集電用リード１５と電気的に接続されている帯状の部分から離れるほど大きくなるように形成されている。そのため、正極用電極シート１１ｐは接続部１６に近いほど金属箔１２に孔１３が形成されていない部分の面積が大きくなって電気抵抗が小さくなり、電流が流れ易くなる。
【００２４】
二次電池で放電を行う場合、電流は集電用リード１５の接続部１６に近いほど電流密度が大きくなる状態で流れるが、従来は、開孔率が一定でしかも単位面積当たりの活物質１４の塗布量（担持量）を多くするため、開孔率を大きくしていたので、集電用リード１５の接続部１６に近い部分を流れる電流量を多くできなかった。しかし、実施形態では、正極用電極シート１１ｐは接続部１６に近い部分の方が単位面積当たりの電気抵抗が小さくなるため、集電効率が向上し、二次電池の出力密度の向上及びエネルギ密度の向上を両立させることができる。なお、出力密度とは出力（単位Ｗ）を電池の重量や体積で除したもの（Ｗ／ｋｇやＷ／ｌ）を意味する。また、エネルギ密度とは電池の持つエネルギ量を電池の重量や体積で除したもの（Ｗｈ／ｋｇやＷｈ／ｌ）を意味する。
【００２５】
＜実施例＞
金属箔１２に形成された孔１３の開孔率の影響を確認するため、孔１３を均一に形成した電極シートを用いて二次電池を形成し、その二次電池の電極体積当たりの容量と、１０００ｍＡｈ放電時高率放電性能とを測定した。電極シートとして金属箔１２の厚さ及び孔１３の開孔率を変えて行った結果を表１に示す。孔１３の孔径はいずれも１．５μｍで行った。なお、表１における電極体積当たりの容量及び１０００ｍＡｈ放電時高率放電性能の値は相対値である。
【００２６】
【表１】
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表１から、電極体積当たりの容量は、金属箔１２の厚さが薄い方が大きくなる傾向が確認された。また、金属箔１２の厚さが同じ場合は、開孔率が大きい方が大きくなる傾向があり、開孔率が２０％より小さい場合は、９００未満となり不合格となった。
【００２７】
１０００ｍＡｈ放電時高率放電性能に関しては、金属箔１２の厚さや開孔率の影響が電極体積当たりの容量の場合ほど見られないが、開孔率が２０％より小さい場合は、８０未満で不合格となった。
【００２８】
また、開孔率が５０％では電極プレス時に活物質１４が塗布されていない接続部１６にシワが発生し、開孔率が５０％より大きな場合は、電極プレス時に電極シートが損傷し易くなると考えられる。
【００２９】
以上のことから、孔１３の開孔率は２０％以上５０％以下が良いことが確認された。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）二次電池用電極は、シート状の金属（金属箔１２）に孔１３が形成されるとともに活物質１４が塗布された電極（電極シート１１）からなり、孔１３はその単位面積当たりの開孔率が、電極が電気的に接続される側（集電用リード１５が電気的に接続される接続部１６）から離れるほど大きくなるように形成されている。したがって、集電効率が向上し、二次電池の出力密度の向上及びエネルギ密度の向上を両立させることができる。
【００３０】
（２）開孔率の最大値は５０％に設定されている。開孔率が大きすぎると、電極（電極シート１１）の製造工程で、活物質１４が塗布された後の電極のプレス加工時に、電極が損傷し易くなり、歩留まりが悪くなる。しかし、開孔率の最大値が５０％であれば、通常使用される材料や厚さにおいて電極のプレス加工時に、電極が損傷し難くなり、歩留まり良く二次電池用電極を得ることができる。
【００３１】
（３）開孔率の最小値は２０％に設定されているため、電極単位体積当たりの容量や放電性能として好ましい値を得ることができる。
（４）活物質１４は孔１３を埋める状態で塗布されており、孔１３は、その周囲にバリ１７が有る状態に形成されるとともに、バリ１７が金属箔１２の厚さ方向に突出している。そのため、金属箔１２の厚さ方向に突出したバリ１７が活物質１４と接触する状態になり、電極（電極シート１１）の厚さ方向にも活物質１４より電気抵抗が小さくなる部分が存在することになる。したがって、電極シート１１の厚さ方向にも集電できる状態となり、バリ１７がない場合に比べて集電効率が高くなる。
【００３２】
（５）電極はシート状であり、一端側が帯状に集電部材（集電用リード１５）と電気的に接続されており、活物質１４は集電部材と電気的に接続されている以外の部分に塗布されている。したがって、予め集電用リード１５の接続位置を設定せずに二次電池用電極を製造しても、集電用リード１５を所望の位置に接続することができる。
【００３３】
（６）電極は巻回型である。したがって、帯状に形成されたシート状の金属製電極で形成された正極電極（正極用電極シート１１ｐ）及び負極電極（負極用電極シート１１ｎ）を、セパレータ１８を介して巻回することにより巻回型の電極体１９が得られ、その電極体１９を使用して巻回型の二次電池が得られる。  
【００３４】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  電極シート１１は一端側に接続部１６が帯状に形成されている構成に限らない。例えば、図４に示すように、接続部１６を帯状の金属箔１２の幅方向の一端側から他端側に向かって、ほぼ集電用リード１５の幅で延びるように形成してもよい。この場合、接続部１６は複数設けられるのが好ましい。そして、孔１３はその開孔率が、金属箔１２の幅方向の一端側から他端側に向かって変化するようにではなく、接続部１６から離れるほど大きくなるように形成される。
【００３５】
○  図５に示すように、接続部１６を帯状の金属箔１２の幅方向の一端側の所定の位置に複数設けるようにしてもよい。この場合、予め電極シート１１のどの位置に集電用リード１５を設けるかを決めておき、その位置を基準に孔１３を形成する。この実施形態では金属箔１２の一端側全体に接続部１６を設ける場合に比べて、同じ大きさの金属箔１２において活物質１４の塗布領域を増やすことができる。
【００３６】
○  孔径は実施例における１．５μｍに限らず、１．５μｍより大きくても小さくてもよい。
○  孔１３は楕円形や長円形といった円形に限らず、集電方向に対して垂直方向が長い楕円形に形成されていても良い。その場合、電極製造時に損傷がしにくい。
【００３７】
○  金属箔１２の厚さも実施例で使用した２０μｍ〜１００μｍに限らず、１００μｍより厚くても、２０μｍより薄くてもよい。  
○  孔１３の周囲にバリ１７が存在しない状態で活物質１４が金属箔１２に塗布された構成としてもよい。  
【００３８】
○  電極シート１１は帯状に形成されるとともに、セパレータ１８を挟んで正極用電極シート１１ｐ及び負極用電極シート１１ｎが積層状態で略長円柱状に巻いて電極体１９が構成される巻回型の二次電池に適したものに限らない。例えば、前記正極用電極シート１１ｐ、負極用電極シート１１ｎ及びセパレータ１８を円柱状に巻いて円筒状の二次電池に適用したり、長方形状の正極用電極シート１１ｐ、負極用電極シート１１ｎ及びセパレータ１８が複数層に積層されて構成された直方体状の電極体１９が使用される二次電池に適用したりしてもよい。
【００３９】
○  金属箔１２に形成される孔１３の単位面積当たりの開孔率を目的の値にする構成は、孔径が同じで金属箔１２の単位面積当たりに形成される孔１３の数を変更する構成に限らず、単位面積当たりに形成される孔１３の数は同じで、孔径を変更する構成としたり、両方の構成を併用したりしてもよい。
【００４０】
○  開孔率は連続的に変化する構成に限らず、段階的に変化する構成としたり、両者が混在する構成としたりしてもよい。
○  電極はシート状ではなく板状の金属に孔１３が形成されるとともに活物質１４が塗布された構成としてもよい。
【００４１】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明の二次電池用電極を備えた二次電池。
【符号の説明】
【００４２】
１１…電極としての電極シート、１２…シート状の金属としての金属箔、１３…孔、１４…活物質、１５…集電部材としての集電用リード、１７…バリ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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