(57)【要約】【課題】リチウムイオンを吸蔵放出する層状活物質は平面状の集電体に真空蒸着、スパッタリング溶射、ＣＶＤなどの層形成法を用いて堆積形成されると、平面に平行に層状結晶が成長し、上記活物質層の上面に付与される電解質層からの層間方向へのイオンの移動が不充分となり、電池特性が抑制される。【解決手段】表面に活物質層を堆積させる堆積面と上記堆積面よりも傾斜角度の大きい第２面を備える凸部群を備える集電体を用いて活物質層に層状結晶の端部を形成し、少なくとも端部を電解質層と接触する構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面に対して任意の角度を有する第１面と、前記第１面と稜線部にて交絡し、前記基準面に対して前記第１面の傾斜角度より大きく９０°以下の傾斜角度を有する第２面とによって形成される凸部を有する集電体と、前記第１面上に沿って層状結晶が展開され、前記稜線部近傍に、リチウムイオンが出入りする結晶端部を有する層状の活物質層と、を備えた第１電極と、
前記第１電極と逆の極性を有する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極の間に介在し、少なくとも前記結晶端部に接触するゲル状または固体の電解質層と、を備えた電池。
【請求項２】
前記端部において前記活物質層の結晶端が露出している請求項１記載の電池。
【請求項３】
前記結晶端は、前前記基準面に対して前記第２面より低角度な面を形成していることを特徴とする請求項２記載の電池。
【請求項４】
前記基準面と前記第１面との形成する角度は０°以上３０°以下であり、前記基準面と前記第２面との形成する角度は６０°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【請求項５】
前記第１面が等間隔で平行に並んだ第１面群を構成し、前記第２面も等間隔で平行に並んだ第２面群を構成し、前記第１面と前記第２面との交絡で形成された稜線部の基準面に投影された軌跡は平行線群であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
前記凸部は、前記第１面に対し、異なる方向から交絡する複数の前記第２面を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池。
【請求項７】
前記活物質層は、ＬｉＣｏｘＮｉｙＭｎｚＭ１−ｘ−ｙ−ｚＯ２（ＭはＡｌとＭｇとの少なくともいずれか；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる請求項１〜６のいずれかに記載の電池。
【請求項８】
前記活物質層は、グラファイトからなる請求項１〜６のいずれかに記載の電池。
【請求項９】
前記集電体は、シリコンからなる基部と、前記基部の（１００）面上に設けられ、前記活物質層と接する導電層とを有する請求項１〜８のいずれかに記載の電池。
【請求項１０】
前記集電体は、炭化ケイ素からなる基部と、前記基部のｃ面上に設けられ、前記活物質層と接する導電層とを有する請求項１〜８のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池に関し、特に層状の活物質を用い、ゲル状または固体の電解質層を用いるリチウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話などのポータブル機器の開発に伴い、その電源としての電池の需要が増大している。上記のような用途に用いられるリチウム二次電池には常温使用が求められると同時に、エネルギー密度や出力に関する優れた電池特性と高い安全性とが要望される。
【０００３】
リチウム二次電池の活物質材料として、負極には、リチウム金属やリチウム合金に加えて、黒鉛などの炭素体や、スズもしくはケイ素を含む単体あるいは化合物など、リチウムイオンを吸蔵・放出してリチウムに近い電位を示す材料が適用可能である。また正極にはＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等の多くのリチウム複合化合物あるいは硫黄に代表されるカルコゲン系の単体や化合物等、リチウムイオンを吸蔵・放出して高い電位を示す材料が適用可能である。このような活物質は、一般に集電体に接するように構成され、正極と負極とが電解質層を介して組み合わされて電池が構成される。
【０００４】
正極と負極との間に配置される電解質層としては、リチウムイオンを含む有機電解液のような溶液タイプの電解質層を用いる構成が一般的である。このほかに、ポリマーを用いて電解液をゲル化したゲルポリマー電解質層あるいは化合物自体が固体でありリチウムイオン導電性を示す固体電解質化合物等の非流動性電解質層を適用した電池が知られている。
【０００５】
非流動性電解質層を用いるタイプの電池は、漏液の危険がなく、安全に機器に搭載できる利点がある。さらに固体電解質タイプの電池は、活物質層、固体電解質層のすべての層形成に真空蒸着や、溶射、スパッタリング、ＣＶＤ等の乾式の薄層形成方法が適用可能であり、漏液に対する安全性に加えて、コンパクトに電池を形成できる利点がある。上記の観点から、固体電解質を用いる構成は、搭載性を重視する用途で近年注目されている。
【０００６】
ところで、正極活物質化合物であるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４や、負極活物質であるグラファイトは、一般に層状結晶構造を有し、層状結晶の層間にリチウムイオンが可逆的に吸蔵・放出されるインターカレーション現象によって活物質としての機能を果たす。このような層状結晶構造を有する活物質（以下、層状活物質という）では、層間におけるリチウムイオンの移動は容易であるが、層状結晶面が重ねられた方向へのリチウムイオンの移動は、層状結晶面に妨害されるために、層間面方向の移動に比べて極度に制約される。
【０００７】
しかも層状活物質を乾式法を用いて平板状の集電体に堆積して層形成した場合、層状活物質の結晶は集電体の面に沿って層状結晶面が展開された結晶形態に成長することが一般に知られている。すなわち、乾式法によって形成された活物質層上に電解質層が付与されても、活物質層の厚さ方向に対するリチウムイオンの出入りが極度に制限される。そのため、容量や出力特性が制限され、また活物質層の厚さが増加するほど活物質の利用率はさらに大きく制限される。この現象は電解質層が溶液タイプの場合に比べて、非流動性電解質層を用いた電池構成の方が、活物質を構成する粒子間に電解質が浸透することが困難若しくは不可能であるために一層顕著となる。
【０００８】
このような層状活物質へのリチウムイオンの吸蔵・放出に関連して、従来、活物質層の結晶粒子形態の改善を図る、あるいは活物質自体の結晶形態の改善を期待すると思われるいくつかの試みが開示されている（例えば特許文献１、２）。
【０００９】
特許文献１には、導電性基板と基板法線方向となす角度θが０°≦θ＜９０°である柱状に成長したリチウムを含む金属酸化物からなる正極活物質を具備することを特徴とするリチウム二次電池が記載されている。さらに正極活物質の材料には、一般に層状化合物として知られているＬｉＭｎ２Ｏ４あるいはＬｉｘＷＯ３が適用されている。また正極活物質の形成にはスパッタリングリング法が適用され、林立する柱状結晶体は、材料が照射される方向に結晶成長するとされている。
【００１０】
このような活物質の形態においては、柱状結晶間に空隙が存在し、電解質層に溶液タイプの有機電解液が付与されると、流体の電解質が空隙に流入することによって層内部の活物質に接し、反応面積が拡大され、特性が改善される。
【００１１】
また特許文献２には、非水電解質を用いる電池構成において、集電体上にＣＶＤ、スパッタリング法などの薄膜形成法を用いて活物質化合物を堆積し、モリブデン酸化物の薄膜層を形成し、正極に用いる形態についての記載がある。そして、基板上に形成された堆積層の結晶が、ガラスとアルミニウム箔のように基板の種類や状態によって異なることが記載されている。また粗面化された集電体上にモリブデン酸化物層が形成される技術が記載されている。
【特許文献１】特開平６−１８７９９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２６６９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記特許文献１に記載の構成は、活物質層を柱状結晶群の形態で構成することにより、流体の電解質溶液が活物質層の内部に侵入しやすくしたものであって、層状化合物の形態を活用したものではない。
【００１３】
さらに付記すれば、電解質が柱状結晶粒子間に容易に侵入できる溶液タイプの電解質の場合は別として、固体電解質あるいはゲルタイプの電解質のように、電解質が容易に粒子間の空間に流入できない非流動性電解質層の場合には、上記の柱状結晶体の形態には電池特性の改善効果は期待できない。
【００１４】
また、前記特許文献２に記載の集電体は粗面化されているが、粗面化の目的は、充放電に伴い膨張収縮する活物質結晶の集電体に対する密着性を改善するためであり、活物質の結晶や構造に影響を与えるものではない。
【００１５】
すなわち上記の特許文献はいずれも層状化合物の結晶層の形態を活用して活物質の利用度の改善をはかる技術ではない。
【００１６】
本発明は、層状活物質を用い、形成される活物質層が堆積面に対して平行な面上に層状展開されるという特性を積極的に利用して、正極活物質層の有効活用をはかり、非流動性電解質層を用いる電池において特に出力特性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の電池の少なくとも一方の電極は、基準面に対して任意の角度を有する第１面と、第１面と稜線部で交絡し、前記基準面に対して第１面より大きく９０°以下の傾斜角度を有する第２面とによって形成される凸部を有する集電体と、第１面上に沿って層状結晶層が展開され、稜線部近傍に、リチウムイオンが出入りする端部を有する層状活物質層とを有する。そして非流動性電解質層が少なくとも層状活物質層の結晶端部に接触している。この構成により、第１面に沿って層状に展開する層状活物質層の端部と電解質層とが接触することにより、活物質層の層間構造の結晶端部と電解質層との間でリチウムイオンの授受が可能になる。さらに第１面に沿って展開される層状活物質の層間が、リチウムイオンの移動経路となって活物質層全体に移動が可能になるので、たとえ活物資層の厚さ方向のリチウムイオンの移動が結晶層に阻害されても、活物質全体を有効に活用することが可能になる。したがって、優れた容量と出力特性とを持つ電池が実現できる。
【００１８】
ここで、端部においては活物質層の結晶端が露出していることが、端部におけるリチウムイオンの出入りを容易にするうえで好ましい。さらに結晶端は、基準面に対して第２面より低角度な面を形成していることが好ましい。これにより、電極の表面に突起が出ている状態が緩和され、電池構成時において、正負極間の短絡を生じる可能性が低減される。
【００１９】
また、端部を良好に形成するために、基準面と第１面との形成する角度は０°以上３０°以下であることが好ましく、基準面と第２面との形成する角度は６０°以上９０°以下であることが好ましい。
【００２０】
集電体の表面形態は、第１面と第２面とがそれぞれ複数あり、複数の稜線部が平行に形成された構造でも、１つの凸部において複数の第２面が異なる方向から第１面と交絡する構造でもよい。前者の場合、集電体の構成が比較的単純なため、製造が容易である。後者の場合、端部をより多く形成できるので、電池の出力特性が向上する。
【００２１】
上記のように層状結晶を有し、高エネルギー密度な電池を構成する活物質として、正極活物質としては、ＬｉＣｏｘＮｉｙＭｎｚＭ１−ｘ−ｙ−ｚＯ２（ＭはＡｌとＭｇとの少なくともいずれか；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）が好ましく、負極活物質としてはグラファイトを用いることが好ましい。
【００２２】
また、上記のような構造の集電体は、シリコンの（１００）面や炭化ケイ素のｃ面を結晶成長させ、その上に導電層を形成することにより、容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の構成によれば、漏液の心配がなく、優れた出力特性（重負荷放電特性）を有する電池が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお本発明は明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下の内容に限定されない。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電池の基本的構造を説明する概略断面図である。集電体３は基板部１と、基板部１上に設けられた凸部２と、基板部１と凸部２からなる基部３Ａ上に設けられた導電部４とを有する。凸部２は、基板部１の基準面５（点線で表記）に対して任意の角度を有する活物質層形成用の第１面６と、第１面６と稜線部８にて交絡し、第１面６よりも基準面５に対して大きく、かつ９０°以下の傾斜角度を有する第２面７とを有する。なお、点線９は第１面６の基準面５に対する傾斜を示し、点線１０は第２面７の基準面５に対する傾斜を示す。正極活物質層（以下、活物質層）１１は端部１２と外表面１３とを有している。このようにして正極１４が形成されている。集電体３は基部３Ａと導電部４とを有するが、金属等の導電性の材料で基部３Ａを構成すれば導電部４を設ける必要はない。負極１８において、負極活物質層１６が負極集電体１７上に設けられている。電解質層１５は、正極１４と負極１８との間に備えられている。
【００２６】
活物質層１１は層状活物質層であり、層状の結晶構造を有しているため、活物質層１１の充放電において、リチウムイオンは実質的に端部１２を介して出入りする。すなわち層状化合物である活物質層１１の一端にリチウムイオンの授受部位が形成され、化合物の層間がリチウムイオンの移動経路となる。活物質層１１は端部１２において電解質層１５と接合状態が形成されている。電解質層１５が活物質層１１の外表面１３に接している構成は差し支えないが、少なくとも活物質層１１の端部１２に接合される構成が重要である。すなわち、電解質層１５は正極１４と負極１８との間に介在し、少なくとも端部１２に接触している。
【００２７】
電解質層１５は、ゲル状または固体状の材料からなり非流動性である。固体電解質としてはリン酸リチウムやＬＩＰＯＮと呼ばれるリン酸リチウムの窒化物もしくは珪素置換物等、優れたイオン導電性を有する多くの材料が知られており、これらの材料を電解質層１５に適用できる。また高粘性のゲルポリマー電解質も同様に電解質層１５に適用できる。
【００２８】
上記のように本発明は非流動性の電解質層を適用する形態において特別の効果を発揮する。なお溶液タイプの電解質層を適用する形態では、特別の効果は期待できないが、上記形態に適用することは任意である。
【００２９】
集電体が基準面５に平行な面のみで構成されている場合には、活物質層１１は基準面５に対し平行な層構造を有して形成されるため、端部１２が極端に少なくなる。そのため活物質層１１と電解質層１５との間におけるリチウムイオンの授受が行われにくく、電池全体として出力特性が低くなる。これに対し、本実施の形態のような構成とすることにより、活物質層１１全体の高率的な活用が可能になり、容量と出力とのバランスのとれた電池が得られる。
【００３０】
なお、高エネルギー密度を有する電池を得るためには、層状結晶を有し、高エネルギー密度な電池を構成する正極活物質として、ＬｉＣｏｘＮｉｙＭｎｚＭ１−ｘ−ｙ−ｚＯ２（ＭはＡｌとＭｇとの少なくともいずれか；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）を用いることが好ましい。
【００３１】
次に、本実施の形態における電池の製造方法について述べる。まず集電体３の基部３Ａに凸部２を形成する。例えば、従来のリチウム電池に用いられているアルミニウムなどの金属板、フィルム、リボンなどを加工して形成することができる。上記加工には金型を用いて平板加圧したり、ローラで連続加圧したり、あるいはレーザーで直接加工することができる。また、シリコン結晶を（１００）面から例えば１０°傾けて切断し、アニール等によって（１００）面を結晶成長させることによって、凸部２を形成してもよい。あるいは炭化ケイ素の結晶をｃ面から例えば１０°傾けて切断し、アニール等によってｃ面を結晶成長させることによって、凸部２を形成してもよい。これを直接、あるいはその上にアルミニウム、金、白金など各種の金属やカーボンからなる導電層４を形成したものを集電体３に用いてもよい。
【００３２】
このようにして凸部２を設けた集電体３にスパッタリングやＣＶＤなどの乾式の薄膜形成方法により活物質層１１を形成する。その際、活物質層１１は基準面５に対し平行な層構造を有して形成される。ここで、活物質層１１は、稜線部８の近傍において結晶が不連続となり、端部１２が形成される。
【００３３】
図２は活物質層１１の端部１２の詳細を示す概略断面図である。端部１２には活物質材料の付与量や第１面６と薄膜形成における照射方向との角度などによって、図２（ａ）に示すように不完全な結晶１９が形成される場合がある。このような不完全な結晶１９は結合力が比較的弱い場合があるので活物質層１１の形成後に、振動、風圧、レーザー照射等によって除去し、図２（ｂ）に示すように結晶端２０を露出させるのが好ましい。また、プラズマを用いて結晶端２０を露出させる方法も有効である。すなわち、活物質層１１の形成後、アルゴンプラズマ等を照射することにより、活物質層１１の一部を除去することが出来る。その際、第２面７に形成された活物質は、第一面６に形成された活物質に比べて付着力や膜密度の点で劣るのでプラズマ処理によって選択的に除去され、結果としてプラズマ処理によって結晶端２０を露出させることが出来る。このように結晶端２０が露出することにより、端部１２におけるリチウムイオンの出入りが容易になる。
【００３４】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）で説明した端部１２の加工について、さらに好ましい構成を示す概略断面図である。活物質層１１の上端部には、凸部２の稜線部８と活物質層１１の頂点２１との間の任意の位置で、第２面７よりも基準面５に対する傾斜角度が小さい面２０Ａが形成されている。すなわち、面２０Ａは結晶端である。この構成では、正極１４の表面に突起が出ている状態が緩和され、電池構成時において、正負極間の短絡を生じる可能性が低減される。面２０Ａは基準面５に対して平行であることがより好ましい。しかも活物質層１１の上面の面２０Ａは電解質層１５と接しやすいので高出力化にも好ましい。
【００３５】
なお、面２０Ａを形成するには、活物質層１１が形成された正極１４を研磨すると容易に形成することができる。その場合、活物質の充填量に損失が生じるが、高出力性が向上するので、必要に応じて研磨の程度を選択されることが好ましい。
【００３６】
次に電解質層１５を固体電解質成分あるいは固体電解質の原料成分をターゲットとして用い、ＣＶＤ、真空蒸着、スパッタリング、溶射などの乾式法を用いて、活物質層１１を形成する。そして、負極集電体１７上に金属リチウム等の負極活物質層１６を形成した負極１８を電解質層１５に接合させる。また、結着剤と混合された高粘性ペーストを作製し正極１４の上面に付与してゲル状のポリマー電解質を形成してもよい。
【００３７】
次に、第１面６および第２面７の好ましい形態について説明する。第１面６は、活物質材料が堆積されて活物質層１１が形成される面であり、基準面５に対して第１面６が有する傾斜角度（点線９）は任意であるが、活物質層１１の形態を考慮すると０°以上３０°以下が好ましい。また、第１面６は、必ずしも完全な平面である必要はなく、活物質層１１ができるだけ均一に第１面６に沿って結晶成長できる範囲であれば若干の曲面形状や粗面は許容される。
【００３８】
一方、第２面７は第１面６の延長上に層状結晶が成長することを抑制し、端部１２を形成する役割を果たす。したがって第２面７は必ずしも平面である必要はなく、曲面であってもよく、全体が厚さ方向および左右方向のいずれの方向にも同一の平面である必要はない。ここで、点線９と点線１０とで形成される角度、すなわち稜線部８に接する部分における面の角度が重要である。さらに第２面７の基準面５に対する傾斜角度は、第１面の傾斜角度よりも大きいことが重要であり、９０°以下であることが必要である。このような観点から、第２面７の基準面５に対する傾斜角度は６０°以上であることが好ましい。
【００３９】
図３は第１面６の傾斜角度が０°の場合の集電体３の断面図である。ここで、第１面６は基準面５に対して平行である。この場合も、図３に示すように、第２面７を形成すれば、活物質層１１に端部１２を形成することができる。また、図３では第２面が基準面５に対する角度は９０°である。これは、第２面７が稜線部８から基準面５に向けて直下に落下する断崖状の面であることを意味する。もちろん９０°を超える形態が適用されることはとくに本発明の効果を損なわないが、成膜が困難になる。
【００４０】
つぎに集電体３の平面構造について説明する。図４は、第１面６と第２面７とで構成された集電体３の概略平面図である。図４では、第１面６が等間隔で平行に並んだ第１面群を構成し、第２面７も等間隔で平行に並んだ第２面群を構成している。そして第１面６と第２面７との交絡で形成された稜線部８の基準面５に投影された軌跡は平行線群である。すなわち、等間隔で平行に配列された複数の第１面６と、等間隔で平行に配列された複数の第２面７によって波板状に複数の凸部２が構成されている。図１は図４におけるＡ−Ａ線断面図に相当する。このような構成は、機械的に加工しやすく、前述のように電池の高出力化が図れる。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における集電体３の概略斜視図である。本実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、凸部２が、第１面６と、稜線部８Ａ、８Ｂ、８Ｃをそれぞれ介して第１面６と交絡する第２面７Ａ、７Ｂ、７Ｃを有する点である。すなわち、凸部２は、第１面６に対し、異なる方向から交絡する複数の第２面７を有する。この構成の集電体３に活物質層１１を形成すると、各稜線部８Ａ、８Ｂ、８Ｃの近傍に端部１２が形成される。そのため、正極１４に占める端部１２の割合が大きくなり、実施の形態１における図４に示す構成よりもさらに出力特性が向上する。
【００４２】
なお、図５では理解しやすいように凸部２を４個しか示していないが、凸部の個数に制限はなく、必要に応じて凸部２の数は選択されることが好ましい。第２面７の数が多いほどリチウムイオンの授受部分となる端部１２が増加し出力特性が向上する。しかしながら、第２面７の数が増加するほど活物質層１１が正常に形成されないデッドスペースが増加する。したがって必要に応じて第２面７の数は選択されることが好ましい。
【００４３】
なお、図５では凸部２同士の間には間隔が設けられているが、設けなくてもよい。また、第２面７の基本的な要件にしたがう限り、第１面６の周囲に任意の形状の稜線部８が形成されるように第２面７を構成してもよい。このような構成によって得られる凸部２の形状は概略円錐台、角錐台状あるいは任意の形状の稜線を備えた台状になる。
【００４４】
さらに第１面６と第２面７とで構成される稜線部８の位置は必ずしも第１面６の周辺部に限定される必要はなく、第１面６の内部において、任意の位置に設けられていてもよい。すなわち第１面６の面内に円柱、角柱、あるいは倒立状の円錐、角錐、あるいは円錐台、角錐台等の任意の形状の穴部が設けられた形態も好ましい構成である。中でも平板に任意の形状の穴が形成された集電体の形態は量産性に優れた形態である。
【００４５】
なお上記いずれの凸部２においても、凸部２と基板部１との間に任意の形状の台座部を形成してもよい。
【００４６】
また、上記説明では、正極を対象に説明しているが、負極に同様の構成を適用することができる。すなわち、高エネルギー密度な電池を構成するために、負極活物質としてグラファイトを用い、導電部４に銅、ニッケル、カーボンなどを用いる。導電部４を形成しない場合は、基部３Ａをこのような材料で形成する。
【００４７】
活物質層はベンゼンやメタン等のガスを原料としてＣＶＤにより、第１面上に、結晶面が第１面に平行なグラファイトが得られる。これを用いて同様にして、電池を構成すれば出力特性の良好な電池が得られる。
【００４８】
なお、正極１４と負極１９との両方に本実施の形態１または２に示すいずれかの構成を適用することが、より好ましい。
【００４９】
（実施例１）
以下、具体的な実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
【００５０】
図４、図５に示された集電体３を作製し、これらの集電体３を用いて、電池を試作した。なお、図４の構造に関しては、さらに、図２（ａ）、（ｂ）の構成を適用した場合をそれぞれ用意した。図２（ａ）、図２（ｂ）および図５に示す集電体を用いて試作した電池をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とする。なお本発明の効果を明確にするために、比較例として表面加工を適用しない平滑な集電体を用いた電池Ｒ１を作製した。
【００５１】
まず電池の作製にあたって、厚さ１ｍｍのアルミニウム製の金属薄板をレーザー加工して、図４、図５に示された構造を有する複数の凸部２を有する集電体３を作製した。基準面５に対する各凸部の第１面６の角度はいずれも３０°とし、第２面７の傾斜角はいずれも８５°に設定した。凸部２の頂点の高さはいずれも２０μｍに統一した。さらに第１面６の総面積は凸部２の間隔を調製し、基準面の面積の９０％に統一した。
【００５２】
つぎに正極活物質にＬｉＣｏＯ２を適用して、集電体３上に活物質層を１０μｍの厚さに形成した。活物質の充填にはアルゴン雰囲気でスパッタリング法を用い、ＲＦパワー１０００Ｗの条件で１０時間スパッタリングを行なった。Ｓ２では、活物質層１１が形成された正極１４の表面には圧搾空気を吹付け、不完全な結晶１９を除去した。
【００５３】
なお、上記のように作製された各正極の有効活物質量を第１面６上の堆積量とし、比較例Ｒ１の平板状の集電体上に堆積される活物質量を１００とするとき、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に最終的に保持される有効活物質量の比は、それぞれ９０、８９、８５と図面上で見積った。
【００５４】
つぎに活物質層１１上にスパッタリング法によってリン酸リチウムの窒化物であるＬＩＰＯＮの電解質層１５を形成した。電解質層１５の形成には、リン酸リチウムをターゲットに用い、操作ガスには窒素ガスが使用した。操作条件として２５ＷのＲＦパワーを適用し、各正極に対して３０分間スパッタリングした。上記操作で得られた電解質層１５が付与された正極１４は所定の形状に裁断された。負極１８は、金属リチウムを活物質層１６に用い、金属リチウムを銅箔からなる集電体１７に圧着して作製された。電解質層１５が付与された正極１４と負極１８とがボタン型のケースに収納されて電池が作製された。
【００５５】
表１に上述のようにして作製された電池の概要を示す。電池作製の過程で、活物質層１１の断面を顕微鏡およびＸ線回折によって解析した結果、Ｓ１〜Ｓ３の活物質層１１は、第１面６に平行して層状結晶が発達していた。また、Ｓ２では第１面６と第２面７とが交絡する稜線部８近傍に正極活物質の結晶端１２が露出され、端部１２は付与された固体電解質層に十分接続されていることが確認された。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
一方、平坦な薄板上に正極活物質層が形成されたＲ１の正極では、平面状の基板に沿って層状化合物の結晶が展開され、活物質層の厚さ方向にはリチウムイオンの侵入が結晶自体の層壁によって阻害された構造であることが確認された。
【００５８】
つぎに上記サンプル電池の放電特性について示す。試験電池は、すべて温度が２０℃で相対湿度が５０％の恒温層に収納し、まず所定の電流でＲ１の電池を充放電して、Ｒ１の容量であるＣＡｈを測定した。続いてＲ１の容量ＣＡｈを基準として、すべてのサンプル電池を０．１ＣＡで電圧が４．２Ｖになるまで充電し、それぞれの電池について、０．１ＣＡから２ＣＡの範囲で種々の電流で放電し、各放電電流における放電容量を測定した。
【００５９】
上記で得られた放電電流とＲ１の０．１ＣＡ放電時の放電容量を１００とする放電容量比の関係を調べた。放電負荷と放電容量との関係を図６に示す。
【００６０】
図６から明らかなように、Ｒ１は、放電容量比が電流の増加とともに大きく低下した。これに対して本発明の実施例であるＳ１、Ｓ２およびＳ３では、容量の低下が大幅に改善された。
【００６１】
上記の結果を考察すると、比較例のＲ１では、集電体の平坦面に沿って層状に発達した結晶の活物質層では、リチウムイオンの層間への侵入が結晶面に阻害されて利用率が制限されていたものと思われる。これに対して端部１２が電解質層１５に接触してリチウムイオンの授受が容易となったＳ１、Ｓ２およびＳ３では端部１２で授受されたリチウムイオンが、第１面６に沿って層状に発達した結晶の層間を通路として移動し活物質層１１全体が有効に活用された結果として利用率の改善が得られたものと思われる。すなわち、本発明の活物質の形態がＲ１に比べて、リチウムイオンの授受の役割を果たす端部１２が増加しているために容量が大幅に改善されたと考えられる。特に負荷が大きくなるほどこの傾向は顕著であり、また、Ｓ１よりもＳ３がさらに高負荷放電特性が優れていることからも裏付けられる。
【００６２】
さらに、Ｓ２がＳ１よりも高負荷放電特性が優れていることから、端部１２において結晶端２０が露出していることがより好ましいことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、リチウムイオン導電性を有するゲル状または固体の電解質層と層状化合物である活物質を用いる電池構成において、安全性が高く高出力特性に優れた電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１における電池の基本的構造を示す概略断面図
【図２】同電池の正極活物質層の端部の詳細を示す概略断面図
【図３】同電池の正極集電体の他の構造を示す概略断面図
【図４】同電池の集電体の概略平面図
【図５】本発明の実施の形態２における集電体の概略斜視図
【図６】本発明の実施例の電池の放電負荷特性図
【符号の説明】
【００６５】
１    基板部
２    凸部
３    集電体
３Ａ    基部
４    導電部
５    基準面
６    第１面
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ    第２面
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ    稜線部
１１    正極活物質層
１２    端部
１３    外表面
１４    正極
１５    電解質層
１６    負極活物質層
１７    負極集電体
１８    負極
１９    不完全部
２０，２０Ａ    結晶端
２１    凸部の頂点
【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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