(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形状に形成された複数の集電体の一方の主面のみに、正極活物質を含有する正極合剤が塗布されて正極合剤層が形成されるとともに、長手方向の両端部に上記正極合剤が塗布されていない未塗布部とが形成され、一の集電体は、上記未塗布部と連続して設けられ上記正極合剤が塗布されていない接続部を介して、長手方向の一端側で一方の隣り合う他の集電体と接続されている正極と、
略矩形状に形成された集電体の両主面に、負極活物質を含有する負極合剤が塗布されて負極合剤層が形成され、固体電解質フィルムを挟んで上記正極上に積層される負極とを有し、
上記正極と上記正極上に上記固体電解質フィルムを挟んで積層された上記負極とからなる素子を外装フィルムにより外装したことを特徴とする固体電解質電池。
【請求項２】
上記正極を構成する他の集電体には、長手方向の他端側で他方の隣り合う更に他の他の集電体と接続されている請求項１記載の固体電解質電池。
【請求項３】
上記正極の集電体に塗布される上記正極合剤層は、間欠塗布により複数区画設けられている請求項１記載の固体電解質電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集電体と、正極活物質又は負極活物質の何れか一方を含有する合剤が塗布されて形成される合剤層とを備える電極を用いた固体電解質電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子器機のコードレス化、ポータブル化に伴い、各種電子器機の駆動用電源として使用される電池、特に二次電池に対して、小型化、軽量化が求められている。これら電子器機には、ニッケルカドミウム二次電池、鉛電池、及びリチウムを吸蔵放出可能な活物質を用いてなる非水電解質電池、いわゆるリチウム系電池等が使用されている。
【０００３】
これらの電池の中でも、特に、リチウム電池やリチウムイオン電池等のリチウム系電池は、電池電圧が高く、高エネルギー密度を有し、自己放電も少なく、且つサイクル特性に優れるという利点を有しているので、実用電池として使用されつつある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、リチウム系電池には、電子器機の形状に適応した電池形状を有することが求められている。例えば、ハードウエア等の電子器機に搭載可能となるようなシート形或いは短冊形の電池形状を有することが求められている。
【０００５】
電解質として非水電解液を用いている液系電池は、液漏れを防止して安全性を確保するために外装材として金属缶を用いているので、電池形状が可変でない。このため、液系電池の形状を電子器機の形状に適応させることは困難であり、例えばシート形或いは短冊形の電池形状とすることができない。
【０００６】
そこで、電解質として液漏れの心配が無い固体電解質を用い、外装材としてラミネートフィルム等を用いた固体電解質電池が実用化されている。固体電解質及び外装材として用いるラミネートフィルムは、柔軟性に優れているので、これらを備える固体電解質電池も柔軟性に優れており、電池形状を比較的容易にシート形或いは短冊形とすることができる。
【０００７】
ところで、ハードウエアの多機能性を考慮すると、電池の高容量化は必須であり、合剤層と集電体とを備える電極の面積を広く確保する必要がある。単層構造の電極とする場合、所望の電池容量を達成可能するためには、広大な電極面積が必要となる。さらに、電池外装としては電極と同等以上の面積が必要となる。このため、単層構造の電極において電極面積の拡大を図ると、使用用途が限定され、製造コストが高くなるという不都合がある。そこで、合剤層が形成され、例えば矩形状の集電体を積層して多層構造の電極とすることにより、電極面積を広く確保して、所望の電池容量を達成するとともに、電池外形を小型化することが提案されている。
【０００８】
しかしながら、集電体を積層してなる多層構造の電極とする場合、電池作製時において各集電体からリードを引き出す必要があるので、リードの分だけ体積エネルギー密度が小さくなり、更なる高容量化を達成するのがむずかしいという問題がある。
【０００９】
また、多層構造の電極とする場合、電池作製時において各集電体毎のリードの切り出し、リードの溶接接続といった種々の工程が必要となるので、製造コスト及び製造の手間が多く、生産性が良好でないという問題がある。
【００１０】
本発明は、電池内において多層化が可能でありながらも、リードの引き出しが必要最小限、具体的には集電体の一端部のみでよく、生産性が良好で、一定形状の電池において高容量化に寄与する電極を用いた固体質電解質電池を提供することを目的として提案されたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る固体電解質電池は、略矩形状に形成された複数の集電体の一方の主面のみに、正極活物質を含有する正極合剤が塗布されて正極合剤層が形成されるとともに、長手方向の両端部に上記正極合剤が塗布されていない未塗布部とが形成され、一の集電体は、上記未塗布部と連続して設けられ上記正極合剤が塗布されていない接続部を介して、長手方向の一端側で一方の隣り合う他の集電体と接続されている正極と、略矩形状に形成された集電体の両主面に、負極活物質を含有する負極合剤が塗布されて負極合剤層が形成され、固体電解質フィルムを挟んで上記正極上に積層される負極とを有し、上記正極と上記正極上に上記固体電解質フィルムを挟んで積層された上記負極とからなる素子を外装フィルムにより外装したものである。
【００１２】
本発明に係る固体電解質電池に用いられる電極は、複数の集電体が接続部を介して接続されているので、一の集電体と他の集電体とが電気的に接続されている。したがって、本発明に用いられる電極では、複数の集電体を積層して多層化することが可能であるとともに、集電体の一端部のみに溶接したリードから集電をとることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電極及びこれを用いた電池について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
この電池１は、図１に示すように、正極１０と負極２０と固体電解質フィルム２とを備える素子３を有している。さらに、この電池１においては、素子３が、外装フィルム４で外装されている。
【００１７】
正極１０は、図２に示すように、略矩形状に形成された複数の正極集電体１１の一方の主面に、正極活物質を含有する正極合剤が塗布されて形成される正極合剤層１２と、長手方向の両端部に正極合剤が塗布されていない未塗布部１３とが形成され、一の正極集電体１１は、未塗布部１３と連続して設けられ正極合剤が塗布されていない接続部１４を介して、長手方向の一端側で一方の隣り合う他の正極集電体１１と接続されたものである。また、正極集電体１１の一端部には、正極リード１５が設けられている。
【００１８】
正極１０は、具体的には、一の正極集電体１１αの長手方向の一端における正極合剤が塗布されていない未塗布部１３ａ、未塗布部１３ａに隣接する第１の正極合剤層１２ａ、第１の正極合剤層１２ａの未塗布部１３ａ側とは反対側に隣接する未塗布部１３ｂ、未塗布部１３ｂの第１の正極合剤層１２ａ側とは反対側に隣接する第２の正極合剤層１２ｂ、第２の正極合剤層１２ｂの未塗布部１３ｂ側とは反対側に隣接する未塗布部１３ｃ、未塗布部１３ｃと連続して設けられ正極合剤が塗布されていない接続部１４、他の正極集電体１１βにおいて接続部１４と連続して設けられている未塗布部１３ｄ、未塗布部１３ｄに隣接する第３の正極合剤層１２ｃ、第３の正極合剤層１２ｃの未塗布部１３ｄ側とは反対側に隣接する未塗布部１３ｅ、未塗布部１３ｅの第３の正極合剤層１２ｃ側とは反対側に隣接する第４の正極合剤層１２ｄ、第４の正極合剤層１２ｄの未塗布部１３ｅ側とは反対側に隣接する未塗布部１３ｆを備える。
【００１９】
この正極１０と組み合わされる負極２０は、図３に示すように、略矩形状の複数の負極集電体２１と、負極集電体２１の両面に形成され、負極活物質を含有する負極合剤層２２とを備える。また、負極集電体２１の一端には、負極リード２４が設けられている。
【００２０】
負極２０は、具体的には、一の負極集電体２１αの一方の面に形成された負極合剤層２２ａ、一の負極集電体２１αの他方の面に形成された負極合剤層２２ｂ、他の負極集電体２１βの一方の面に形成された負極合剤層２２ｃ、他の負極集電体２１βの他方の面に形成された負極合剤層２２ｄを備える。また、負極２０では、一の負極リード２４ａと他の負極リード２４ｂとが一体化されている。
【００２１】
素子３は、図１に示すように、固体電解質フィルム２を介して、負極２０の両面に設けられた負極合剤層２２が、正極１０が未塗布部１３で折曲されることにより正極１０の主面に設けられた一の正極合剤層１２と他の正極合剤層１２とで挟み込まれたものである。つまり、この電池１は、正極１０と負極２０とが積層された積層構造の電極を備えている。
【００２２】
従来、電極面積を広く確保して高容量化を図るために、正極合剤層が形成されている複数の正極集電体を積層してなる正極からは、各正極集電体から正極リードを引き出して集電をとる必要があった。このため、正極の生産性は、正極集電体毎に正極リードを溶接するという手間がかかるため、非常に悪かった。また、正極集電体毎に正極リードを引き出すと、電池内に占める正極リードの体積分だけ正極の体積を減らす必要があり、電池の高容量化を達成する妨げになっていた。
【００２３】
これに対し、本発明を適用した正極１０は、複数の正極集電体１１を備え、これら複数の正極集電体１１が積層された構造とされているが、一の正極集電体１１αと隣り合う他の正極集電体１１βとは、正極合剤が塗布されていない接続部１４を介して長手方向の一端側で接続されているので、一の正極集電体１１αと他の正極集電体１１βとが電気的に接続されている。したがって、本発明を適用した正極１０は、一の正極集電体１１αと他の正極集電体１１βとを積層して多層化することが可能であるとともに、正極集電体１１の一端部のみに正極リード１５を溶接すれば、集電をとることができる。
【００２４】
このように、本発明を適用した正極１０は、従来にはない新規形状の正極１０であり、従来の積層構造の正極と比較して、正極リード１５を溶接する手間が格段に減っているので、生産性に非常に優れる。また、本発明を適用した正極１０によれば、電池１内における正極リード１５の占有体積が、従来の積層構造の正極から引き出される正極リードの占有体積と比較して格段に低減するので、従来電池の電極面積を確保しつつ、電池１の小型化を達成できる。又は、電池１の外寸を維持しつつ、電極面積の増大が可能となり単位体積あたりの高容量化を達成する。
【００２５】
なお、正極１０の正極合剤層１２は、各正極集電体１１上に一区画のみ設けられても良いが、所望の電池容量を達成するために、図２に示すように、間欠塗布により複数区の正極合剤層１２が設けられてもよい。
【００２６】
また、本発明を適用した他の正極としては、図４に示すように、他の正極集電体１１βが、長手方向の他端側で他方の隣り合うさらに他の正極集電体１１γと接続されていてもよい。
【００２７】
上述した正極１０は、正極集電体１１の主面に、正極活物質と結着剤とを有機溶剤中に分散して調整された正極合剤を塗布して形成された正極合剤層１２を備えるものであり、次のような材料が用いられている。
【００２８】
正極活物質としては、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＮｂＳｅ２、Ｖ２Ｏ５等の金属硫化物又は酸化物を使用することができる。また、ＬｉｘＭＯ２（式中Ｍは一種以上の遷移金属を表し、ｘは電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上、１．１０以下である。）を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することができる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としてはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉｙＣｏ１−ｙＯ２（式中、０＜ｙ＜１である。）、ＬｉＭｎ２Ｏ４等を挙げることができる。特に、正極活物質としてＬｉＣｏＯ２を用いることが好ましい。
【００２９】
結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等、公知の結着剤を用いることができる。
【００３０】
有機溶剤としては、アセトニトリル、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、テトラヒドロフラン等の無水物を使用できる。
【００３１】
正極合剤層１２の厚みは、所望の電池性能及び形状により適宜選択されるものであるが、プレス後の厚みが５μｍ〜５０μｍ程度となるようにプレス機等により圧縮成形されていることが好ましい。
【００３２】
正極集電体１１としては、アルミニウム等を使用できる。正極集電体２１の厚みは、所望の電池性能及び形状により適宜選択されるものであるが、５μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましい。
【００３３】
上述した負極２０は、負極集電体２１の両面に、負極活物質と結着剤とを有機溶剤中に分散して調整された負極合剤層を塗布して形成された負極合剤層２２を備えるものであり、次のような材料が用いられている。
【００３４】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金又はリチウム若しくはリチウムイオンをドープ・脱ドープできる材料を使用することが好ましい。リチウム若しくはリチウムイオンをドープ・脱ドープできる材料としては、熱分解炭素、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料等が挙げられる。また、リチウム若しくはリチウムイオンをドープ・脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等のポリマーを使用することもできる。また、リチウム合金としては、例えばリチウム−アルミニウム合金等が挙げられる。
【００３５】
負極合剤層２２の厚みは、所望の電池性能及び形状により適宜選択されるものであるが、３μｍ〜５０μｍ程度となるようにプレス機等により圧縮成形されていることが好ましい。
【００３６】
負極集電体２１としては、銅等を使用できる。負極集電体１１の厚みは、所望の電池性能及び形状により適宜選択されるものであるが、１μｍ〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００３７】
上述した固体電解質フィルム２は、例えば特開平１１−１８５７７３号公報、特開平８−２２２２３５号公報等に列挙される固体電解質と、シロキサンと、リチウム塩と、ＴＭＰＴ（trimethylol-propane trimethacrylate）等の結着剤とを含有する。特に、固体電解質として、ポリエチレンオキサイド誘導体又はエチレンオキサイド共重合体等を用いることが好ましい。
【００３８】
外装フィルム４としては、金属箔、アルミラミネートフィルム等を使用できる。
【００３９】
以上のように構成される正極１０は、以下のようにして製造される。
【００４０】
まず、正極集電体１１の主面に、正極活物質を含有する正極合剤を塗布して正極合剤層１２を形成するとともに、長手方向の両端部に正極合剤を塗布しない未塗布部１３を形成してなる原反を作製する原反作製工程を行う。
【００４１】
原反作製工程では、まず、正極活物質と結着剤とを有機溶剤中に分散してなる正極合剤を調整する。次に、この正極合剤を正極集電体１１の主面に塗布して乾燥させて正極合剤層１２を形成するとともに、正極集電体１１の長手方向の両端部に正極合剤を塗布せずに未塗布部１３を形成する。正極合剤層１２の厚みは、所望の電池性能によって適宜変化されるが、例えば２０〜６０μｍであることが好ましい。
【００４２】
0  また、原反作製工程においては、正極合剤層１２を間欠塗布により複数区画設けてもよい。正極合剤層１２を間欠塗布するとき、１区画あたりの正極合剤層１２の長手方向の塗布長は、所望の電池性能によって適宜変化されるが、例えば１８０ｍｍ程度とする。
【００４３】
なお、塗布方法としては、従来公知の手法を何れも適用可能であり、例えばスピンコート、ロールコート、ダイコート、ブレードコード、インクジェット塗布、電着、印刷、ディスペンサー塗布、ドライフィルム転写、かけ流し塗布、スタンプ転写、ディップコート、熱転写、スプレー転写、刷毛塗り、電解印加、磁界印加及び染色法等を適用できる。
【００４４】
次に、原反を裁断して、略矩形状の複数の正極集電体１１を形成し、且つ、一の正極集電体１１αが、未塗布部１３と連続して設け正極合剤を塗布しない接続部１４を介して、長手方向の一端側で一方の隣り合う他の正極集電体１１βと接続されるようする原反裁断工程を行う。
【００４５】
原反を裁断して略矩形状の複数の正極集電体１１を形成するとき、各正極集電体１１の長手方向の長さ及び幅は、所望の電池特性によって適宜変化されるが、例えば長さ２００ｍｍ程度、幅５ｍｍ程度の矩形状とする。
【００４６】
また、原反裁断工程においては、さらに、他の正極集電体１１βを、長手方向の他端側で他方の隣り合うさらに他の正極集電体１１γと接続されるようにすることがよい。
【００４７】
このようにして、本発明を適用した正極１０が製造される。なお、原反裁断工程の後、正極１０を加熱しながらプレスして追加成形してもよい。塗布乾燥直後の正極合剤層１２は多孔質であり追加成形を行いやすい反面、剥がれやすく、電子伝導性に劣るが、追加成形を施すことにより、正極合剤層１２が剥がれにくくなり、電子伝導性が向上する。
【００４８】
また、以上のように構成される正極１０を備える電池１は、例えば次のようにして作製される。
【００４９】
まず、以下のようにして素子３を作製する。負極合剤層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ上に図示しない固体電解質フィルム２を貼りつけた後、図５に示すように、負極合剤層２２ａと正極合剤層１２ａとを貼り合わせる。
【００５０】
次に、図６に示すように、未塗布部１３ｂを谷折り方向に折曲し、負極合剤層２２ｂと正極合剤層１２ｂとを貼り合わせる。
【００５１】
次に、図７に示すように、接続部１４を正極の長手方向と同じ方向に谷折りし、正極合剤層１２ｂが形成されている面とは反対側の正極集電体１１の面と、正極合剤層１２ｃが形成されている面とは反対側の正極集電体１１の面とを貼り合わせる。
【００５２】
次に、図８に示すように、正極合剤層１２ｃと負極合剤層２２ｃとを貼り合わせる。
【００５３】
次に、未塗布部１３ｅを谷折り方向に折曲し、負極合剤層２２ｄと正極合剤層１２ｄとを貼り合わせて素子３を形成する。
【００５４】
次に、素子３を外装フィルム４で外装する工程を行う。外装フィルム４による素子３外装は、真空減圧下において行う。このようにして、電池１を作製する。
【００５７】
【発明の効果】
上述したように、本発明に係る固体電解質電池に用いられる電極は、複数の集電体が接続部を介して電気的に接続されており、複数の集電体を積層して多層化することが可能であるとともに、集電体の一端部のみに溶接したリードから集電をとることができる。
【００５８】
したがって、本発明に係る固体電解質電池は、リードを溶接する作業が格段に減少され、生産性に非常に優れる。また、電池内におけるリードの占有体積が、従来の積層構造の電極から引き出されるリードの占有体積と比較して格段に低減するので、従来の電極面積を確保しつつ、電池の小型化を達成する。さらに、電池の外寸を維持しつつ、電極面積の増大が可能となり単位体積あたりの高容量化を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電池の断面図である。
【図２】本発明を適用した正極の（ａ）模式図及び（ｂ）斜視図である。
【図３】負極の（ａ）模式図及び（ｂ）断面図である。
【図４】本発明を適用した他の正極の模式図である。
【図５】本発明を適用した正極を備える電池を作製する途中の模式図である。
【図６】本発明を適用した正極を備える電池を作製する途中の模式図である。
【図７】本発明を適用した正極を備える電池を作製する途中の模式図である。
【図８】本発明を適用した正極を備える電池を作製する途中の模式図である。
【符号の説明】
１  電池、２  固体電解質フィルム、３  素子、４  外装フィルム、１０  正極、１１  正極集電体、１２  正極合剤層、２０負極、２１  負極集電体、２２負極合剤層
【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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【図７】
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【図８】
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