(57)【要約】【課題】既存の設備を利用して安全性を確保しつつ、出力特性を向上させることが可能なリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法を提供する。【解決手段】リチウムイオン電池１００が、正極集電体１１Ａおよび当該正極集電体１１Ａに付着された正極活物質１１ａを含んで構成される正極１１、並びに、負極集電体１２Ａおよび当該負極集電体１２Ａに付着された負極活物質１２ａを含んで構成される負極１２を含む電極体１と、有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を相互に面接触により密接させて凝集体２１ｂとした構造を有する電解質２とを備えるようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極、並びに、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極を含む電極体と、
粉末状の有機固体電解質の少なくとも一部が相互に面接触により密接された構造を有する電解質と
を備えることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項２】
前記電解質は、粉末状の前記有機固体電解質の少なくとも一部が前記活物質と部分的に面接触し密接されている
ことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池。
【請求項３】
前記有機固体電解質がリチウム塩錯体である
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のリチウムイオン電池。
【請求項４】
正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極と、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極とを含む電極体を外装部材に挿入する工程と、
粉末状の有機固体電解質を前記外装部材に充填する工程と、
前記外装部材を加熱して、粉末状の前記有機固体電解質の少なくとも一部を融解させる工程と
を含むことを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
【請求項５】
正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極と、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極とを含む電極体を外装部材に挿入する工程と、
粉末状の有機固体電解質を加熱する工程と、
加熱により少なくとも一部が融解した前記有機固体電解質を前記外装部材に充填する工程と
を含むことを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
【請求項６】
加熱温度が前記有機固体電解質の融点±１０％［Ｋ］である
ことを特徴とする請求項４または請求項５記載のリチウムイオン電池の製造方法。
【請求項７】
前記有機固体電解質がリチウム塩錯体である
ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車に搭載される駆動用バッテリとして、リチウムイオン電池を用いることが知られている。このような車載用リチウムイオン電池は、有機電解液中で短絡することを防止するため、例えば、セパレータを挟んで正極と負極とを交互に積層した構造を有している。ここで、有機電解液は可燃性であり発火する危険性があることから、安全性を考慮し、電解液に代えて固体状の電解質を採用することが近年検討されている。
【０００３】
固体状の電解質としては、例えばセラミックス粉を固めた層を用いることが知られているが、このようなセラミックス粉を固めた層を電解質として適用した場合、粉と粉が点接触した細い経路をリチウムイオンが通過しなければならないため、抵抗が高く、大電流が取り出せないという問題があった。
また、このようなセラミックス系固体電解質では、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）等の特殊な技術によりリチウムイオンが流れやすい接点を設けることが知られているが、設備が大掛かりとなるうえ、ペレット状の電池は作製できても、巻回構造や積層などの電池には用いられないという問題があった。
【０００４】
一方、下記特許文献１には、高いイオン電導性を示すと共に高い安全性を確保するために、単結晶化又は加圧成形したイオン電導性固体電解質を採用したイオン二次電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１４５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、固体電解質として単結晶や粉を押し固めたものを用いている。そのため、固体電解質が点接触した細い経路をリチウムイオンが通過しなければならず、セラミックス粉を固めた層を電解質として適用した場合に問題となっていた、抵抗が高く、大電流が取り出せないという問題を十分に解決することはできていなかった。
【０００７】
さらに、電気自動車は、今後ますます航続距離の長距離化が求められ、電池のエネルギー密度に対する要求が増している。また同時に、大電流特性と安全性を満たさなければならないという課題も有している。
【０００８】
このようなことから本発明は、既存の設備を利用して安全性を確保しつつ、出力特性を向上させることが可能なリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法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】
【０００９】
上記の課題を解決するための第１の発明に係るリチウムイオン電池は、正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極、並びに、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極を含む電極体と、粉末状の有機固体電解質の少なくとも一部が相互に面接触により密接された構造を有する電解質とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、上記の課題を解決するための第２の発明に係るリチウムイオン電池は、前記電解質は、粉末状の前記有機固体電解質の少なくとも一部が前記活物質と部分的に面接触し密接されていることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の課題を解決するための第３の発明に係るリチウムイオン電池は、前記有機固体電解質がリチウム塩錯体であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の課題を解決するための第４の発明に係るリチウムイオン電池の製造方法は、正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極と、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極とを含む電極体を外装部材に挿入する工程と、粉末状の有機固体電解質を前記外装部材に充填する工程と、前記外装部材を加熱して、粉末状の前記有機固体電解質の少なくとも一部を融解させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、上記の課題を解決するための第５の発明に係るリチウムイオン電池の製造方法は、正極集電体および当該正極集電体に付着された正極活物質を含んで構成される正極と、負極集電体および当該負極集電体に付着された負極活物質を含んで構成される負極とを含む電極体を外装部材に挿入する工程と、粉末状の有機固体電解質を加熱する工程と、加熱により少なくとも一部が融解した前記有機固体電解質を前記外装部材に充填する工程と
を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、上記の課題を解決するための第６の発明に係るリチウムイオン電池の製造方法は、加熱温度が前記有機固体電解質の融点±１０％［Ｋ］であることを特徴とする。
【００１５】
また、上記の課題を解決するための第７の発明に係るリチウムイオン電池の製造方法は、前記有機固体電解質がリチウム塩錯体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法によれば、電解質として、粉末状の有機固体電解質の少なくとも一部が相互に面接触により密接された構造を有するものを採用したことにより、既存の設備を利用して安全性を確保しつつ、出力特性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るリチウムイオン電池の外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示すリチウムイオン電池内部に粉末状の有機固体電解質を充填した状態を模式的に示す概念図である。
【図３】図１に示す粉末状の有機固体電解質を融解させた状態を模式的に示す概念図である。
【図４】従来のリチウムイオン電池内部の構造を模式的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法について説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、図１から図３を用いて本発明の第１の実施形態に係るリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法について説明する。
【００２０】
図１から図３に示すように、本実施形態においてリチウムイオン電池１００は、電極体１と、電解質２と、電極体１および電解質２を収納する外装部材３と、外装部材３を封止する蓋体４とを備えている。
【００２１】
電極体１は、正極１１と負極１２とを、セパレータ１３を挟んで積層した構造を有しており、本実施形態では、正極１１と負極１２とを、セパレータ１３を挟んで積層し、巻回している。
【００２２】
正極１１は、例えばアルミニウム箔などの金属箔からなる正極集電体１１Ａと、正極集電体１１Ａの表面に塗布された正極活物質層１１Ｂとを有している。正極活物質層１１Ｂは、マンガン酸リチウムなどからなる正極活物質１１ａと、バインダ１１ｂと、カーボンなどからなる導電助剤１１ｃとを含んでいる。
また、負極１２は、例えば銅箔などの金属箔からなる負極集電体１２Ａと、負極集電体１２Ａの表面に塗布された負極活物質層１２Ｂとを有している。負極活物質層１２Ｂは、黒鉛などからなる負極活物質１２ａと、バインダ１２ｂと、カーボンなどからなる導電助剤１２ｃとを含んでいる。
セパレータ１３は、例えばポリオレフィン系の材料からなる微多孔質膜などとする。
【００２３】
また、本実施形態において図２、図３中にドットを付して示す電解質２は、粉末状にした有機固体電解質（以下、粉末体）２１ａを加熱して少なくともその一部（好ましくは３〜５割）を融解させ部分的に相互に面接触（密接）させた構造を有している。有機固体電解質は、例えば、イオン液体にリチウム塩を溶解させてなるリチウム塩錯体等の有機塩錯体とする。
ここで、有機固体電解質の粉末体２１ａを加熱してこの粉末体２１ａが融けるとき、点接触していた粉末体２１ａは互いに融けて交じり合うことで相互に面接触した状態となり、図３に示すように、粉末体２１ａより大きな粒子（以下、凝集体）２１ｂに成長する。これは同じ体積でより小さな表面積になろうとする表面張力が（駆動力として）働くためである。
【００２４】
本実施形態はこの現象を利用し、加熱により有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させ、融解した部分が面接触により密接して凝集体２１ｂとなったもの（有機固体電解質の粉末体２１ａと凝集体２１ｂとが混在しているもの）、または加熱により有機固体電解質の粉末体２１ａの全部を融解させて凝集体２１ｂに成長させたものを電解質２として用いるものである。
【００２５】
なお、リチウム塩としては、例えば、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2ＣＦ2ＣＦ3）2、ＬｉＮ（ＳＯ2Ｆ）2、Ｌｉ（ＳＯ3ＣＦ3）n（Ｎ（ＳＯ2ＣＦ3）2）m  （ここで、ｎ＋ｍ＝１である）、ＬｉＳＣＮ、
【化１】
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からなる群より選択される１以上のリチウム塩とすれば好適である。
【００２６】
また、有機固体電解質としては、少なくともリチウムイオン電池１００の使用温度範囲において固体の状態を維持可能なものを用いるものとする。
【００２７】
外装部材３には、正極端子５Ａおよび負極端子５Ｂが蓋体４を貫通して取り付けられている。正極端子５Ａは図示しない正極リード等を介して正極１１と電気的に接続されている。また、負極端子５Ｂは図示しない負極リード等を介して負極１２と電気的に接続されている。
【００２８】
次に、本実施形態のリチウムイオン電池１００の製造工程を簡単に説明する。
本実施形態では、正極１１と負極１２とを、セパレータ１３を挟んで積層し巻回してなる電極体１を外装部材３に挿入し、続いて外装部材３に有機固体電解質の粉末体２１ａを充填し、外装部材３を蓋体４により密封した後、外装部材３（リチウムイオン電池１００）を加熱する。
【００２９】
これにより、外装部材３に収納されている有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させ、融解した部分の粉末体２１ａ同士が面接触により密接して粉末体２１ａより大きな凝集体２１ｂに成長したものを電解質２として備えるリチウムイオン電池１００を得ることができる。
【００３０】
ただし、有機固体電解質の粉末体２１ａの全部を融解させた場合、電解質２が外装部材３の下部に偏ってしまうおそれがあるため、有機固体電解質の粉末体２１ａは充填時の位置を維持できる程度に融解させる、または、有機固体電解質の粉末体２１ａの全部を融解させた後、さらに有機固体電解質の粉末体２１ａを充填して再度加熱する等とすればより好ましい。
【００３１】
このように構成される本実施形態に係るリチウムイオン電池によれば、電解質２として、有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させて凝集体２１ｂとしたものを採用したことにより、図４に示す従来例のように電解質として有機電解液６を採用した場合に比較して発火の危険性を低減し、粉末状の電解質を採用した場合に比較して電解質２を活物質１１ａ，１２ａと面接触させて活物質１１ａ，１２ａとの密着性を向上させることができると共に、粉末体２１ａ同士を密着させ凝集体２１ｂとしたことによりリチウムイオンが通過する経路を確保して、安全性を確保しつつ、出力特性を向上させることが可能となる。しかも、本実施形態に係るリチウムイオン電池は、既存の電池製造設備を利用して製造することができるため、製造コストを抑制しつつ上述した効果を得ることができる。
【００３２】
なお、本発明は上述した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、電極体１を、正極１１と負極１２とを、セパレータ１３を挟んで積層したものを巻回して形成する例を示したが、電極体１は正極１１と負極１２とをセパレータ１３を挟んで厚み方向に繰り返し積層した積層型等であってもよい。
また、本実施形態では、電極体１を外装部材３に挿入した後、有機固体電解質の粉末体２１ａを外装部材３に充填し、外装部材３を蓋体４により密封してから加熱する例を示したが、電極体１を巻回または積層する際に電極体１に有機固体電解質の粉末体２１ａをまぶし、電極体１に粉末体２１ａを付着させた状態でこれを外装部材３に挿入した後、リチウムイオン電池１００を加熱するなど、電極体１および電解質２を外装部材３に収納してからリチウムイオン電池１００を加熱し粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させ凝集体２１ｂとすることができれば、粉末体２１ａを外装部材３に収納する工程および外装部材３を密封するタイミングは問わない。
また、本実施形態では、電極体１を正極１１，負極１２およびセパレータ１３から構成する例を示したが、電池の構造によってはセパレータを省略してもよい。
また、本実施形態では、正極，負極活物質層１１Ｂ，１２Ｂにそれぞれバインダ１１ｂ，１２ｂ及び導電助剤１１ｃ，１２ｃを含む例を示したが、電池の構造によってはこれらを省略してもよい。
また、図２および図３では、正極，負極活物質層１１Ｂ，１２Ｂを、それぞれ正極，負極集電体１１，１２の片面に設けた例となっているが、電池の構造によっては正極，負極活物質層１１Ｂ，１２Ｂをそれぞれ正極，負極集電体１１，１２の両面に塗布してもよく、塗布以外の方法によって正極，負極活物質層１１Ｂ，１２Ｂをそれぞれ正極，負極集電体１１，１２の両面または片面に配してもよい。
また、リチウムイオン電池１００を加熱する際の加熱条件は有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させることができる条件であればよく、適用する有機固体電解質の種類に応じて、加熱温度をこの有機固体電解質の融点±１０％［Ｋ］とすれば好適である。
【００３３】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法について説明する。
本実施形態は、上述した第１の実施形態に対してリチウムイオン電池１００の製造工程が異なる。
【００３４】
すなわち本実施形態では、電解質２として、有機固体電解質の粉末体２１ａを加熱して少なくとも一部を融解させ、融解した部分の粉末体２１ａ同士が面接触により密接して粉末体２１ａより大きな凝集体２１ｂに成長した状態のものを、電極体１が挿入された外装部材３に充填することによって図３に示すような状態とし、その後、外装部材３を蓋体４により密封する。
その他の構造については第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略する。
【００３５】
このように構成される本実施形態に係るリチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法によれば、上述した第１の実施形態と同様に、電解質２として、有機固体電解質の粉末体２１ａの少なくとも一部を融解させて凝集体２１ｂとしたものを採用したことにより、有機電解液を採用した場合に比較して発火の危険性を低減し、粉末状の電解質を採用した場合に比較して電解質２を活物質１１ａ，１２ａと面接触させて活物質１１ａ，１２ａとの密着性を向上させることができると共に、粉末体２１ａ同士を密着させ凝集体２１ｂとしたことによりリチウムイオンが通過する経路を確保して、安全性を確保しつつ、出力特性を向上させることが可能となる。しかも、本実施形態に係るリチウムイオン電池は、既存の電池製造設備を利用して製造することができるため、製造コストを抑制しつつ上述した効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、リチウムイオン電池およびリチウムイオン電池の製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…電極体、２…電解質、３…外装部材、３…蓋体、１１…正極、１１Ａ…正極集電体、１１Ｂ…正極活物質層、１１ａ…正極活物質、１１ｂ…バインダ、１１ｃ…導電助剤、１２…負極、１２Ａ…負極集電体、１２Ｂ…負極活物質層、１２ａ…負極活物質、１２ｂ…バインダ、１２ｃ…導電助剤、１３…セパレータ、２１ａ…粉末体、２１ｂ…凝集体、１００…リチウムイオン電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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