(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの長辺に、間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の正極集電体と、
１つの長辺に、前記帯状の正極集電体に設けられた複数のスリットに対応する間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の負極集電体と、
を有しており、
前記帯状の正極集電体は、スリットとスリットとの間にのみ正極活物質層を有し、前記帯状の負極集電体は、スリットとスリットとの間にのみ負極活物質層を有し、
前記帯状の正極集電体と、前記帯状の負極集電体とが、互いのスリットを嵌め合い、上下が交互に交替するように重ねられた一次構造を形成しており、
前記一次構造は、スリットの位置を折り目として交互に蛇腹状に折り畳まれた、二次構造を形成しており、
前記二次構造の正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されており、
前記スリットの縁部に絶縁部材を有し、かつ
前記正極集電体と、前記負極集電体とが前記絶縁部材によって絶縁されている、
折り畳み式電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、折り畳み式電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、パソコン、携帯電話、及びタブレット端末等の電源として、小型で高性能な電池の開発が求められている。このような電池として、液体の電解質を用いた電解液電池と並んで、固体の電解質を用いた全固体電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
全固体電池及び電解液電池は、一般に、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、負極活物質層、及び負極集電体を、この順に積層した単電池の構造を少なくとも一つ有し、任意に、複数の単電池を積層して積層体電池を形成している。
【０００４】
例えば、特許文献１には、正極集電体と、特定のガラスセラミックス及び正極活物質を含む第一合材層と、固体電解質層と、特定のガラスセラミックス及び負極活物質を含む第二合材層と、負極集電体とを、この順に積層した単電池の構造を有し、この単電池を複数積層した積層体電池の構造を有する電池ユニットが記載されている。
【０００５】
このような電池の製造においては、一般に、正極と負極とが短絡しないように、これらの層を、正確に位置を合わせて積層する必要があるため、位置合わせ及び積層に時間がかかっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０―０７３５４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、連続的に製造することができ、より生産性の高い、折り畳み式電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、１つの長辺に、間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の正極集電体と、１つの長辺に、帯状の正極集電体に設けられた複数のスリットに対応する間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の負極集電体とを有しており、帯状の正極集電体と、帯状の負極集電体とが、互いのスリットを嵌め合い、上下が交互に交替するように重ねられた一次構造を形成しており、一次構造は、スリットの位置を折り目として交互に蛇腹状に折り畳まれた、二次構造を形成しており、二次構造の正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されており、かつ正極集電体と、負極集電体とが絶縁されている、折り畳み式電池を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、連続的に製造することができ、より生産性の高い、折り畳み式電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の折り畳み式電池における、正極集電体及び負極集電体の一次構造を説明するための模式図である。
【図２】図２は、本発明の折り畳み式電池における、正極集電体及び負極集電体の二次構造を説明するための模式図である。
【図３】図３は、本発明の折り畳み式電池の第一の実施形態を表す模式図である。
【図４】図４は、本発明の折り畳み式電池の第一の実施形態を表す模式図である。
【図５】図５は、本発明の折り畳み式電池の第一の実施形態を表す模式図である。
【図６】図６は、本発明の折り畳み式電池の第二の実施形態を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の折り畳み式電池は、１つの長辺に、間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の正極集電体と、１つの長辺に、帯状の正極集電体に設けられた複数のスリットに対応する間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する、帯状の負極集電体とを有する。帯状の正極集電体と、帯状の負極集電体とは、互いのスリットを嵌め合い、上下が交互に交替するように重ねられた一次構造を形成している。一次構造は、スリットの位置を折り目として交互に蛇腹状に折り畳まれた、二次構造を形成している。二次構造の正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されており、かつ正極集電体と、負極集電体とが絶縁されている。以下、正極集電体及び負極集電体を総括して電極集電体ということがある。
【００１２】
《一次構造》
本発明の折り畳み式電池において、帯状の正極集電体と、帯状の負極集電体とは、互いのスリットを嵌め合い、上下が交互に交替するように重ねられた一次構造を形成している。例えば図１（ａ）及び（ｂ）に模式的に示すように、１つの長辺に、一定の間隔を空けて設けられた複数のスリット（１ｓ）を有する正極集電体（１）と、１つの長辺に、これに対応する間隔を空けて設けられた複数のスリット（５ｓ）を有する負極集電体（５）とを、図１（ｃ）に示すように、スリット（１ｓ）とこれに対応するスリット（５ｓ）とを嵌め合うようにして、及び上下が交互に交替するようにして重ねて、一次構造（１０）を形成することができる。
【００１３】
図１においては、５つのスリットを有する電極集電体が描かれているが、これに限定されず、所望の積層数に応じて、任意の数のスリットを設けることができる。
【００１４】
なお、一次構造は、本発明の折り畳み式電池の構造を説明するためのものであって、製造方法を特定するものではない。
【００１５】
《二次構造》
本発明の折り畳み式電池において、一次構造は、スリットの位置を折り目として交互に蛇腹状に折り畳まれた、二次構造を形成している。例えば図２（ａ）に模式的に示すように、一次構造（１０）を、スリットの位置で、すなわち図面上の山折り線（１１）、及び谷折り線（１２）の位置で、山折りと谷折りとを繰り返し、蛇腹状に折り畳むことによって、図２（ｂ）に示すような二次構造（２０）を形成することができる。
【００１６】
本発明の折り畳み式電池は、二次構造を形成している正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されている。
【００１７】
より具体的には、例えば図２（ｂ）のＡ―Ａ断面を示す図２（ｃ）に示すように、二次構造においては、図面の上から順に正極集電体と負極集電体とに挟まれた領域（２１ａ）、及び上から順に負極集電体と正極集電体とに挟まれた領域（２１ｂ）が複数存在することとなる。
【００１８】
また、図２（ｂ）のＡ’―Ａ’断面を示す図２（ｄ）に示すように、二次構造においては、図面の上から順に正極集電体と負極集電体とに挟まれた領域（２１ａ）、及び上から順に負極集電体と正極集電体とに挟まれた領域（２１ｂ）が複数存在することとなる。
【００１９】
二次構造は、このような正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されていることによって、単電池の構造を少なくとも一つ有することができる。
【００２０】
一次構造を形成する前に、任意の数の正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層を、予め正極集電体上、及び／又は負極集電体上に形成しておくことによって、正極集電体及び負極集電体を組み合わせて折り畳んだ後に、正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が、この順に積層されるようにすることができる。
【００２１】
なお、二次構造は、一次構造と同様に、本発明の折り畳み式電池の構造を説明するためのものであって、製造方法を特定するものではない。
【００２２】
《絶縁》
本発明の折り畳み式電池は、正極集電体と負極集電体とが絶縁されている。絶縁の方法としては、正極集電体と負極集電体とが電気的に切断されていれば特に限定されない。例えば、正極集電体と負極集電体とを、間隔を空けて離すことにより、絶縁することができる。
【００２３】
また、正極集電体と負極集電体との間の領域のうち、正極活物質層、固体電解質層若しくはセパレータ、及び負極活物質層が積層されていない領域の少なくとも一部、例えば少なくともスリットの縁部に、絶縁部材を設けることによって、正極集電体と負極集電体とを絶縁することができる。
【００２４】
絶縁部材としては、電気絶縁性を有する任意の材料とすることができ、例えば、限定されないが、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、合成ゴム、ポリエステル、エポキシ、及びシリコーン等の樹脂材料を挙げることができる。絶縁部材の形態としては、限定されないが、例えば、フィルム、シート、又はコーティングとして適用することができる。
【００２５】
本発明において、固体電解質の代わりにセパレータを用いる場合、セパレータを上記の絶縁部材として使用することもできる。
【００２６】
《各構成要素》
以下では、本発明の折り畳み式電池を構成する各構成要素について説明する。
【００２７】
〈正極集電体及び負極集電体〉
正極集電体及び負極集電体は、一般に、それぞれ正極活物質層及び負極活物質層からの集電を行う機能を有する。
【００２８】
電極集電体の形態としては、帯状、換言すればバンド状、又はテープ状等であって、折り畳む際に屈曲することができれば特に限定されず、例えば箔状、メッシュ状、及び多孔質体等であってもよい。
【００２９】
電極集電体の幅、すなわち一方の長辺と他方の長辺との距離は、製造される電池の大きさに合わせて、任意に設定することができ、正極集電体の幅と負極集電体の幅とが異なっても良く、同程度であってもよい。また、電極集電体の幅は、製造される電池の設計に合わせて、一定であってもよく、部分的に異なっていてもよい。
【００３０】
電極集電体の材料としては、例えばステンレス鋼、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、及びＺｎ等の金属又は合金を挙げることができる。
【００３１】
本発明における正極集電体は、その１つの長辺に、間隔を空けて設けられた複数のスリットを有する。また、本発明における負極集電体は、その１つの長辺に、上記の正極集電体に設けられた複数のスリットに対応する間隔を空けて設けられた、複数のスリットを有する。
【００３２】
スリットとは、電極集電体の一方の長辺から他方の長辺に向かって延在する、切れ目、又は隙間等とすることができる。
【００３３】
スリットの長さ、すなわちスリットの解放端から収束端までの距離の上限は、電極集電体を分断することが無ければ、任意の長さとすることができる。
【００３４】
スリットの長さの下限は、正極集電体と負極集電体とを組み合わせて一次構造を形成することができれば、任意の長さとすることができる。スリットの長さの下限は、正極集電体のスリットの長さと、これに対応する負極集電体のスリットの長さとの合計が、正極集電体又は負極集電体のうち、より幅の狭い電極集電体の幅以上にすることが好ましく、これによって、一次構造において、正極集電体と負極集電体との重ね合わせを促進することができる。
【００３５】
スリットの形状は、限定されないが、例えば線形状、長方形状、三角形状、円形状、楕円形状、及びこれらの組合せが挙げられる。任意に、スリットの解放端側の幅を、収束端側の幅より広くすることにより、対極の電極集電体との嵌め合い、及び位置合わせがより容易となる。
【００３６】
スリットとスリットとの間隔は、製造される電池の大きさに対応するため、所望とする電池の大きさに合わせて、任意に設定することができる。間隔は、一定の間隔であってもよく、一定の間隔でなくてもよく、例えば、二種類の間隔を交互に繰り返してもよい。
【００３７】
スリットを形成する方法としては、最終的に上記の間隔及び形状を形成することができれば特に限定されず、例えば、刃、レーザー、又は超音波等による切断、研磨、切削、又は打ち抜き等が挙げられる。
【００３８】
〈正極活物質層〉
正極活物質層は、正極活物質を含み、任意に、これに加えて固体電解質、導電助剤、バインダー等の添加物を含む。正極活物質は、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオンを、放電の際に吸蔵し、任意に充電の際に放出することができる任意の材料とすることができる。
【００３９】
例えば、リチウムイオン電池の場合、正極活物質としては、限定されないが、例えばＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2、ＬｉＣｏＯ2、及びＬｉＮｉＯ2等のリチウム金属酸化物、又はＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＮｉＰＯ4、及びＬｉＣｏＰＯ4等のリン酸金属リチウム等が挙げられる。
【００４０】
正極活物質層の形成は、例えば、正極活物質、固体電解質等の材料を分散媒中に混合及び分散させてスラリーを作り、得られたスラリーを基材上に塗布して乾燥させることによって形成することができる。
【００４１】
〈固体電解質層〉
固体電解質層は、固体電解質を含み、任意に、これに加えてバインダー等の添加剤を含む。固体電解質は、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオン伝導性を有し、常温、例えば１５℃〜２５℃において固体である任意の材料とすることができる。
【００４２】
例えば、リチウムイオン電池の場合、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ3、Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ3−Ｐ2Ｓ5、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5、及びＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5等の硫化物固体電解質、並びにＬｉ2Ｏ−Ｂ2Ｏ3−Ｐ2Ｏ5、Ｌｉ2Ｏ−ＳｉＯ2、Ｌｉ5Ｌａ3Ｔａ2Ｏ12、Ｌｉ7Ｌａ3Ｚｒ2Ｏ12、及びＬｉ6ＢａＬａ2Ｔａ2Ｏ12等の酸化物固体電解質が挙げられる。
【００４３】
固体電解質層の形成は、正極活物質における説明と同様に行うことができる。
【００４４】
〈セパレータ〉
任意に、固体電解質層の代わりにセパレータを用いることができる。セパレータは、正極活物質層と負極活物質層との間に設けられ、一般に、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止する機能を有する。
【００４５】
セパレータの材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、セルロース、及びポリアミド等の樹脂、及びこれらの組合せを挙げることができる。セパレータの形態としては、限定されないが、不織布、又は多孔質体等とすることができる。
【００４６】
本発明において、固体電解質層の代わりにセパレータを用いる場合、折り畳み式電池を形成する任意の工程中に、又は折り畳み式電池を形成した後に、電解液を注入することができる。電解液としては、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオン伝導性を有し、常温、例えば１５℃〜２５℃において液体であれば、任意の材料とすることができる。
【００４７】
〈負極活物質層〉
負極活物質層は、負極活物質を含み、任意に、これに加えて固体電解質、導電助剤、バインダー等の添加物を含む。負極活物質は、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオンを、放電の際に放出し、任意に充電の際に吸蔵することができる任意の材料とすることができる。
【００４８】
リチウムイオン電池の場合、負極活物質としては、限定されないが、例えば黒鉛（グラファイト）、及びハードカーボン等の炭素材料、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｉ等の金属材料、ＳｉＯ、Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12等の金属酸化物材料を挙げることができる。
【００４９】
負極活物質の形成は、正極活物質における説明と同様に行うことができる。
【００５０】
〈他の構成要素〉
二次構造は、任意に、電極集電体と外部とを電気的に接続する電極タブ、又は電池ケース等の他の構成要素を有することができる。電池ケースの形態としては、特に限定されないが、例えば円筒型、角型、コイン型、及びラミネート型等が挙げられる。
【００５１】
《実施形態》
以下、図３〜６を参照しながら、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
〈実施形態１〉
本発明の第一の実施形態において、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、１つの長辺に、所定の間隔を空けて複数のスリット（１ｓ）を有する帯状の正極集電体（１）の両面に対して、スリットとスリットとの間に正極活物質層（２）を形成することができる。
【００５３】
また、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、正極集電体（１）の複数のスリットに対応する間隔を空けて設けられた複数のスリット（５ｓ）を有する負極集電体（５）の両面に対して、スリットとスリットとの間に、負極活物質層（４）、及び固体電解質層（３）を、この順に形成することができる。更に、負極集電体（５）の縁部、及びスリットの縁部に絶縁部材（６）を設けることができる。また、折り畳む際に折り目となる部分に開口部（７）を設けて負極集電体（５）を露出させることにより、折り畳んだ後に開口部（７）から集電を行うことができるようにしてもよい。
【００５４】
これらの正極集電体、及び負極集電体を、互いのスリットを嵌め合い、かつ上下が交互に交替するように重ることによって、図４に示すように、一次構造（１０）を形成することができる。
【００５５】
一次構造（１０）を、図４に示すように、スリットの位置、すなわち山折り線（１１）、及び谷折り線（１２）の位置を折り目として、交互に蛇腹状に折り畳むことによって、図５に示すような二次構造（２０）を形成することができる。この二次構造は、図５（ａ）のＤ―Ｄ断面を表す図５（ｂ）に示すように、正極集電体と負極集電体との間に生ずる各領域に、正極集電体側から、正極活物質層、固体電解質層、及び負極活物質層が、この順に積層され、かつ正極集電体と負極集電体とが絶縁部材（６）で絶縁された構造を有することができる。
【００５６】
二次構造（２０）に、任意に電極タブ、及び電池ケース等の他の構成要素を備えることによって、本発明の折り畳み式電池を製造することができる。
【００５７】
〈実施形態２〉
本発明の第二の実施形態は、図６に示すように、負極集電体（５）の両面に対して、スリットとスリットとの間に負極活物質層（４）を形成し、負極集電体の両面をセパレータ（８）で覆うこと以外は、第一の実施形態と同様に行うことができる。また、折り畳む際に折り目となる部分に開口部（７）を設けて負極集電体（５）を露出させることにより、折り畳んだ後に開口部（７）から集電を行うことができるようにしてもよい。
【００５８】
実施形態１及び２に示した本発明の折り畳み式電池は、上記のような構成を有することによって連続的に製造することができ、生産性が高い。
【符号の説明】
【００５９】
１    正極集電体
１ｓ    スリット
２    正極活物質層
３    固体電解質層
４    負極活物質層
５    負極集電体
５ｓ    スリット
６    絶縁部材
７    開口部
８    セパレータ
１０    一次構造
１１    山折り線
１２    谷折り線
２０    二次構造
２１ａ、２１ｂ    正極集電体と負極集電体との間の領域
【図１】
0006020437.tif 000002
【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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