(57)【要約】【課題】本発明は、リチウムイオン電池に関するものである。【解決手段】本発明のリチウムイオン電池は、陽極と、陰極と、電解質と、を含むリチウムイオン電池であって、陽極は第一カーボンナノチューブペーパー及び陽極電極片を含み、前記陽極電極片は前記第一カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、前記陰極は第二カーボンナノチューブペーパー及び陰極電極片を含み、前記陰極電極片は前記第二カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、前記陽極は前記陰極と積層され、前記陽極電極片は前記陰極電極片と対向して、且つ間隔をあけて設置され、前記電解質は前記陽極電極片と前記陰極電極片との間に設置される。【選択図】図２
2015138777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と、陰極と、電解質と、を含むリチウムイオン電池であって、
前記陽極は第一カーボンナノチューブペーパー及び陽極電極片を含み、
前記陽極電極片は前記第一カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、
前記陽極電極片は複数の第一カーボンナノチューブフィルム及び陽極活物質からなり、
複数の前記第一カーボンナノチューブフィルムは相互に重ねられて積層され、
前記陰極活物質は複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムに均一に分布して、
前記陰極は第二カーボンナノチューブペーパー及び陰極電極片を含み、
前記陰極電極片は前記第二カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、
前記陰極電極片は複数の第二カーボンナノチューブフィルム及び陰極活物質からなり、
複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムは相互に重ねられて積層され、
前記陰極活物質は複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムに均一に分布して、
前記陽極は前記陰極と積層され、
前記陽極電極片は前記陰極電極片と対向して、且つ間隔をあけて設置され、
前記電解質は前記陽極電極片と前記陰極電極片との間に設置されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【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に関し、特に、湾曲できるリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム電池及びニッケル水素電池よりも電圧が高く、寿命が長く、エネルギー密度が大きいという優れる点を有する。近年、リチウムイオン電池が注目されている。
【０００３】
リチウムイオン電池の電極は、集電体及び集電体の表面に設置される電極片を含む。従来の集電体は箔を採用し、例えば、陰極は銅箔或いはニッケル箔を採用し、陽極はアルミ箔或いはチタン箔を採用する。電極片は、活物質、導電剤及び結合剤を含む電極ペーストが、集電体の表面に塗り付けられて形成される。しかし、従来のリチウムイオン電池において、非活物質材料（例えば、集電体及び結合剤）の比重が大きいので、リチウムイオン電池の軽量化及び小型化を実現し難い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、前記課題を解決するために、本発明は湾曲に耐え、柔軟性が優れた軽量化リチウムイオン電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のリチウムイオン電池は陽極と、陰極と、電解質と、を含むリチウムイオン電池であって、前記陽極は第一カーボンナノチューブペーパー及び陽極電極片を含み、前記陽極電極片は前記第一カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、前記陽極電極片は複数の第一カーボンナノチューブフィルム及び陽極活物質からなり、複数の前記第一カーボンナノチューブフィルムは相互に重ねられて積層され、前記陰極活物質は複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムに均一に分布して、前記陰極は第二カーボンナノチューブペーパー及び陰極電極片を含み、前記陰極電極片は前記第二カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、前記陰極電極片は複数の第二カーボンナノチューブフィルム及び陰極活物質からなり、複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムは相互に重ねられて積層され、前記陰極活物質は複数の前記第二カーボンナノチューブフィルムに均一に分布して、前記陽極は前記陰極と積層され、前記陽極電極片は前記陰極電極片と対向して、且つ間隔をあけて設置され、前記電解質は前記陽極電極片と前記陰極電極片との間に設置される。
【発明の効果】
【０００６】
従来の技術と比べると、本発明のリチウムイオン電池は以下の有利な効果を奏す。集電体はカーボンナノチューブペーパーからなり、且つ陽極電極片及び陰極電極片において従来のリチウムイオン電池の電極における接着剤が省略されるので、リチウムイオン電池の質量を減少でき、且つリチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができる。カーボンナノチューブペーパーが金属箔片より厚さが薄いので、集電体の厚さを薄くして、リチウムイオン電池の厚さを薄くすることができる。カーボンナノチューブペーパー及びカーボンナノチューブフィルムが湾曲に耐え、且つ柔軟な材料であるので、リチウムイオン電池が優れた柔軟性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の陽極の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池におけるカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。
【図４】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の陽極電極片の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の陽極電極片のＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池の陽極電極片のＴＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池におけるカーボンナノチューブペーパーの写真である。
【図８】本発明の実施形態において、積層された陽極電極片、隔膜及び陰極電極片が、導電テープの表面に設置されたものの側面の厚さを走査型電子顕微鏡で観察した写真である。
【図９】本発明の一つの実施形態に係るリチウムイオン電池の構造を示す図である。
【図１０】本発明のもう一つの実施形態に係るリチウムイオン電池の構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池が湾曲される際にライトを光らせている写真である。
【図１２】同じ条件で、本発明の実施例に係る陽極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池、及び比較例に係る陽極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池の充放電サイクル性能曲線を示す図である。
【図１３】異なる充放電条件で、本発明の実施例に係る陽極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池、及び比較例に係る陽極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池のサイクルテスト曲線を示す図である。
【図１４】同じ条件で、本発明の実施例に係る陰極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池、及び比較例に係る陰極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池の充放電サイクル性能曲線を示す図である。
【図１５】異なる充放電条件で、本発明の実施例に係る陰極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池、及び比較例に係る陰極を金属リチウムと組み合わせて形成された半電池のサイクルテスト曲線を示す図である。
【図１６】異なる充放電条件で、本発明の実施例に係るリチウムイオン電池のサイクルテスト曲線を示す図である。
【図１７】異なる充放電条件で、本発明の実施例に係るリチウムイオン電池の充放電電圧曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明について説明する。
【０００９】
（実施形態）
図１及び図２を参照すると、本発明はリチウムイオン電池１００を提供する。リチウムイオン電池１００は陽極１０と、陰極１２と、電解質を含む。
【００１０】
陽極１０は、カーボンナノチューブペーパー１４及び陽極電極片１２を含む。陽極電極片１２は、カーボンナノチューブペーパー１４の表面に設置される。陽極電極片１２は、複数のカーボンナノチューブフィルム及び陽極活物質からなる。該複数のカーボンナノチューブフィルムは相互に重ねられて積層され、且つ陽極活物質は複数のカーボンナノチューブフィルムに均一に分布する。
【００１１】
具体的には、複数のカーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブからなる。好ましくは、各カーボンナノチューブフィルムは複数のカーボンナノチューブのみからなる。陽極活物質は、カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブのチューブ壁に設置される。陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブフィルムの層数に対しては、特定の制限がない。好ましくは、陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブフィルムの層数は３〜６層である。各カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列される。即ち、カーボンナノチューブフィルムは配向型カーボンナノチューブフィルムである。
【００１２】
図３を参照すると、配向型カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き出して得られたカーボンナノチューブフィルムである。該カーボンナノチューブフィルムは複数のカーボンナノチューブからなる自立構造体である。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは同じ方向に沿って配列されている。多数のカーボンナノチューブの延伸する方向はカーボンナノチューブフィルムの表面と基本的に平行である。また、複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。具体的には、多数のカーボンナノチューブにおける各カーボンナノチューブは、延伸する方向における隣接するカーボンナノチューブと、分子間力で端と端とが接続されている。カーボンナノチューブフィルムには、少数のランダムなカーボンナノチューブ含まれているが、これは、多数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列されていることに影響しない。
【００１３】
具体的には、カーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。複数のカーボンナノチューブセグメントは、長軸方向に沿って、分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメントは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブフィルムにおける多数のカーボンナノチューブは、絶対的に直線状ではなく少し湾曲している。または、延伸する方向に完全に配列せず、少しずれている場合もある。従って、同じ方向に沿って配列されている多数のカーボンナノチューブの中において、隣同士のカーボンナノチューブが部分接触する可能性がある。カーボンナノチューブアレイをから引き出して得られたカーボンナノチューブフィルムが大きい比表面積を有するので、カーボンナノチューブフィルムの粘着性は大きい。
【００１４】
カーボンナノチューブフィルムは自立構造体である。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブフィルムを独立して利用することができる形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブフィルムを対向する両側から支持して、カーボンナノチューブフィルムの構造を変化させずに、カーボンナノチューブフィルムを懸架させることができることを意味する。
【００１５】
図４、図５及び図６を参照すると、陽極電極片１２において、複数の配向型カーボンナノチューブフィルムは積層される。隣接するカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブはそれぞれ０°〜９０°（０°は含まず）の角度で交差している。好ましくは、カーボンナノチューブはそれぞれ９０°の角度で交差している。カーボンナノチューブフィルムの層数は特に制限がなく、必要に応じて選択できる。好ましくは、カーボンナノチューブフィルムの層数は３〜６層である。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは直接に接触され、且つ分子間力で緊密に結合され、安定性を有し、且つ自立構造体であるカーボンナノチューブネット構造体１２２が形成される。カーボンナノチューブネット構造体１２２において、隣接するカーボンナノチューブは相互に連接され、導電ネットが形成される。カーボンナノチューブフィルムの厚さが薄いので、積層された複数のカーボンナノチューブフィルムで形成されるカーボンナノチューブネット構造体１２２の厚さは薄い。３〜５層のカーボンナノチューブフィルムが積層されて形成されるカーボンナノチューブネット構造体１２２の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍである。カーボンナノチューブフィルムがカーボンナノチューブアレイをから引き出して得られるものであるので、その厚さは均一である。これにより、積層された複数のカーボンナノチューブフィルムで形成されるカーボンナノチューブネット構造体１２２の厚さも均一である。よって、カーボンナノチューブネット構造体１２２の導電率は均一である。
【００１６】
陽極活物質１２４の材料に対しては特に制限がなく、従来のリチウムイオン電池の陽極活物質の材料でても良い。例えば、ＬｉＦｅＰＯ４（ｌｉｔｈｉｕｍ  ｉｒｏｎ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ，リン酸鉄リチウム）、ＬＣＯ（ｌｉｔｈｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ，酸化コバルトリチウム）、ＬＭＯ（ｌｉｔｈｉｕｍ  ｍａｎｇａｎａｔｅ，マンガン酸リチウム）、二元材料及び三元材料などのリチウム遷移金属酸化物である。陽極活物質１２４は粒状であり、そのサイズは０．１ｎｍ〜１００μｍである。陽極活物質１２４はカーボンナノチューブのチューブ壁に吸着されて固定され、且つカーボンナノチューブネット構造体１２２に均一に分布する。図４及び図６を参照すると、陽極活物質１２４は、カーボンナノチューブネット構造体１２２における空隙のすべてを埋めず、カーボンナノチューブネット構造体１２２におけるカーボンナノチューブを完全には被覆しない。これにより、カーボンナノチューブネット構造体１２２において、複数のカーボンナノチューブのチューブ壁が外部に露出され、隣接するカーボンナノチューブのチューブ壁が相互に直接に接触して、導電ネットが形成される。よって、カーボンナノチューブネット構造体１２２の電子の伝導性を高めることができる。且つ、カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの間に空隙を有するので、陽極電極片１２は多孔構造体である。これは、電解液の浸透に有利であり、イオンの伝導性を高めることができる。図４は陽極電極片１２の構造の概略図である。各陽極電極片１２において、陽極活物質１２４は、横方向及び縦方向における一本のカーボンナノチューブだけに接触するものではない。図５及び図６を参照すると、同一の方向で、各陽極活物質１２４が複数のカーボンナノチューブと接触し、電子の伝導に有利である。
【００１７】
陽極電極片１２は、陽極活物質１２４及びカーボンナノチューブフィルムを含む。好ましくは、陽極電極片１２は陽極活物質１２４及びカーボンナノチューブフィルムのみからなる。陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブフィルムは導電に用いることができ、且つ分子間力で陽極活物質１２４と接着できる。これにより、陽極電極片１２において、接着剤及び導電剤を有しなくても良い。
【００１８】
陽極電極片１２の製造方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してカーボンナノチューブフィルムを獲得するステップ（Ｓ１１）と、カーボンナノチューブフィルムをフレームに設置し、カーボンナノチューブフィルムを懸架させるステップ（Ｓ１２）と、陽極活物質１２４を有機溶剤に分散させて、分散液を形成するステップ（Ｓ１３）と、懸架されたカーボンナノチューブフィルムの表面に分散液をスプレースするテップ（Ｓ１４）と、有機溶剤を蒸発させて、陽極活物質１２４及びカーボンナノチューブフィルムを含む複合構造体を獲得するステップ（Ｓ１５）と、レーザーで、複合構造体を切り、希望の形状及びサイズを有する陽極電極片１２を獲得するステップ（Ｓ１６）と、を含む。
【００１９】
ステップ（Ｓ１２）において、カーボンナノチューブアレイから引き出して得られたカーボンナノチューブフィルムの接着性が強いので、フレームに直接に接着できる。
【００２０】
ステップ（Ｓ１３）において、超音波振動及び撹拌によって、陽極活物質１２４を有機溶剤に分散させる。有機溶剤は揮発し易く、且つカーボンナノチューブを濡らすことができる溶液である。有機溶剤はエタノール、メタノール、アセトン、塩化エチレン、クロロホルムの何れか一種である。有機溶剤がカーボンナノチューブに浸透できるので、分散液はカーボンナノチューブフィルムの表面に付着できる。
【００２１】
ステップ（Ｓ１４）において、一つの例では、複数のカーボンナノチューブフィルムが相互に積層された後、カーボンナノチューブフィルムの表面に分散液をスプレーする。即ち、複数のカーボンナノチューブフィルムは少なくとも二つの異なる方向に沿って、フレームに設置され、カーボンナノチューブネット構造体１２２が形成される。その後、カーボンナノチューブネット構造体１２２に十分な分散液をスプレーする。この際、多くの陽極活物質１２４はカーボンナノチューブネット構造体１２２の表面に分布する。もう一つの例では、各カーボンナノチューブフィルムの表面に分散液をスプレーする。獲得される陽極電極片１２において、陽極活物質１２４は隣接するカーボンナノチューブフィルムの間に挟まれる。分散液をスプレーすることによって、陽極活物質１２４はカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブに吸着され、カーボンナノチューブのチューブ壁に付着される。有機溶剤が揮発することによって、カーボンナノチューブフィルムが収縮して、カーボンナノチューブフィルムの厚さは更に薄くなり、隣接するカーボンナノチューブフィルムは緊密に結合され、導電性を高めることができる。カーボンナノチューブフィルムの四辺がフレームに接着されるので、カーボンナノチューブフィルムは、収縮する程に、巨視的にはフィルム状を維持する。獲得されるカーボンナノチューブフィルムは自立構造体であり、フレームから取り外すことができる。
【００２２】
陽極活物質１２４が設置されていないカーボンナノチューブフィルムの重さ、及び陽極活物質１２４が設置されたカーボンナノチューブフィルムの重さをはかって、陽極電極片１２における陽極活物質１２４の質量を確認することができ、後のリチウムイオン電池１００を組み立てること、及び充放電の際に役立つ。有機溶剤を十分に乾燥させた後、獲得される陽極電極片１２をフレームから取り外し、カーボンナノチューブペーパー１４の表面に設置する。陽極電極片１２は優れた柔軟性を有し、任意に湾曲し、或いは折り畳むことができる。例えば、陽極電極片１２を希望のサイズに折り畳んだ後、カーボンナノチューブペーパー１４の表面に設置することができる。
【００２３】
陽極電極片１２において、カーボンナノチューブフィルムの質量パーセンテージは３％〜１０％であり、好ましくは、４％〜５％である。積層されるカーボンナノチューブフィルムの層数が３〜６層である場合、単位面積のカーボンナノチューブネット構造体１２２における陽極活物質１２４の量は０．２ｍｇ/ｃｍ２〜１．５ｍｇ/ｃｍ２である。分散液における陽極活物質１２４の濃度及び分散液をスプレーする回数を調節することによって、単位面積のカーボンナノチューブネット構造体１２２における陽極活物質１２４の量を制御できる。
【００２４】
図７を参照すると、カーボンナノチューブペーパー１４は黒い薄片状であり、自立構造体であり、柔軟性を有し、湾曲に耐え、且つ強靭性を有する。カーボンナノチューブペーパー１４の厚さは５００ｎｍ〜５００μｍである。カーボンナノチューブペーパー１４は相互に積層されるカーボンナノチューブフィルムからなる。該カーボンナノチューブフィルムの層数は５００〜１０００層である。カーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブフィルムの構造は、陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブフィルムの構造と同じであり、カーボンナノチューブアレイから引き出して得られたカーボンナノチューブフィルムである。カーボンナノチューブフィルムが大きい比表面積を有するので、カーボンナノチューブフィルムの粘着性は大きい。これにより、カーボンナノチューブペーパー１４において、隣接するカーボンナノチューブフィルムは、いったん分子間力で相互に吸着して積層すれば、分離し難く、一体構造体を形成する。
【００２５】
好ましくは、カーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って積層される。即ち、カーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブは基本的に同じ方向に沿って配列される。これにより、カーボンナノチューブペーパー１４は特定の方向に優れた導電性を有する。リチウムイオン電池において、カーボンナノチューブペーパー１４が集電体として用いられる。即ち、カーボンナノチューブペーパー１４は陽極電極片１２が発生する電流を集め、外部回路に伝導する。
【００２６】
更に、好ましくは、陽極電極片１２の少なくとも一つのカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配列される方向は、カーボンナノチューブペーパー１４のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配列される方向と同じである。即ち、陽極電極片１２における少なくとも一部のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブペーパー１４における少なくとも一部のカーボンナノチューブとには同じ方向に沿って配列される。これにより、カーボンナノチューブの接触面積を増大させて、陽極電極片１２及びカーボンナノチューブペーパー１４を緊密に結合させる。
【００２７】
好ましくは、陽極電極片１２は、カーボンナノチューブペーパー１４に直接に接触される。即ち、陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブと直接に接触され、且つ分子間力によって結合され、接着剤は必要がない。陽極電極片１２におけるカーボンナノチューブ及びカーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブは大きい比表面積を有するので、いったん互いに分子間力で結合すれば、分離し難い。好ましくは、陽極電極片１２の面積はカーボンナノチューブペーパー１４の面積より小さく、且つ陽極電極片１２はカーボンナノチューブペーパー１４の一部の表面に設置される。図１を参照すると、カーボンナノチューブペーパー１４は長方形であり、陽極電極片１２はカーボンナノチューブペーパー１４の一端に設置され、陽極電極片１２が設置されないカーボンナノチューブペーパー１４の端部は外部回路と接続される。
【００２８】
リチウムイオン電池１００の陰極２０の構造は、陽極１０の構造と基本的に同じであり、異なる点は、陰極活物質２２４が陽極活物質１２４に代わることである。陰極２０は、カーボンナノチューブペーパー２４及び陰極電極片２２からなる。カーボンナノチューブペーパー２４はリチウムイオン電池１００の陰極集電体である。陰極活物質２２４の材料は特に制限がなく、従来の陰極活物質材料でもよい。例えば、金属リチウム、合金陰極材料、錫系材料、ケイ素系材料、グラファイトなどの炭素材料、アモルファスカーボン材料、及び遷移金属酸化物（例えば、チタン酸リチウム）の何れか一種である。好ましくは、陰極電極片２２における陰極活物質２２４の含有量は陽極電極片２２における陽極活物質１２４の含有量より大きい。例えば、陰極電極片２２における陰極活物質２２４の含有量は陽極電極片２２における陽極活物質１２４の含有量の１０５％である。
【００２９】
リチウムイオン電池１００において、陽極１０及び陰極２０は積層され、且つ陽極電極片１２は陰極電極片２２と対向して間隔をあけて設置される。これにより、リチウムイオンを陽極電極片１２と陰極電極片２２との間で、容易に移動させる。電解質は陽極電極片１２と陰極電極片２２との間に設置される。
【００３０】
一つの例において、リチウムイオン電池１００は更に隔膜３０を含むことができる。隔膜３０、陽極電極片１２及び陰極電極片２２は積層され、隔膜３０は陽極電極片１２と陰極電極片２２との間に設置される。この際、電解質は電解液でもよく、固体電解質膜或いは重合物電解質膜でもよい。電解質が電解液である場合、電解液は陽極１０、陰極２０及び隔膜３０を浸す。電解質が固体電解質膜或いは重合物電解質膜である場合、電解質、陽極電極片１２及び陰極電極片２２は積層され、電解質は陽極電極片１２と陰極電極片２２との間に設置される。
【００３１】
図８を参照すると、図８は、積層された陽極電極片１２、隔膜３０及び陰極電極片２２が、導電テープの表面に設置されたものの側面の厚さを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真である。図８において、厚さを示す部分は、陽極電極片１２、隔膜３０及び陰極電極片２２が積層されて形成される構造体であり、左側は導電テープであり、陽極電極片１２、隔膜３０及び陰極電極片２２が積層されて形成される構造体の厚さは導電テープの厚さと基本的に同じである。陽極電極片１２、陰極電極片２２、カーボンナノチューブペーパー１４及びカーボンナノチューブペーパー２４が薄い厚さを有するので、陽極１０及び陰極２０を有するリチウムイオン電池１００の厚さは８０〜１２０μｍであり、薄膜電池が形成される。
【００３２】
図９を参照すると、リチウムイオン電池１００は、複数の陽極１０及び複数の陰極２０を含む。隣接する陽極１０及び陰極２０の間に、固体電解質膜或いは隔膜３０が設置される。複数の陽極１０及び複数の陰極２０は交互に積層される。一つの例において、一つの陽極１０は二つの陽極電極片１２及びカーボンナノチューブペーパー１４を含む。二つの陽極電極片１２はカーボンナノチューブペーパー１４の二つの表面にそれぞれ設置される。即ち、二つの陽極電極片１２は同一のカーボンナノチューブペーパー１４を共有する。一つの陰極２０は二つの陰極電極片２２及びカーボンナノチューブペーパー２４を含む。二つの陰極電極片２２はカーボンナノチューブペーパー２４の二つの表面にそれぞれ設置される。即ち、二つの陰極電極片２２は同一のカーボンナノチューブペーパー２４を共有する。
【００３３】
図１０を参照すると、リチウムイオン電池１００は、更に、パッケージ構造体４０を含む。パッケージ構造体４０は柔軟性パッケージ構造体４０でもよい。パッケージ構造体の材料は例えばアルミニウム膜である。更に、リチウムイオン電池１００はリチウムイオン電池１００のタブとしての陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６を含むことができる。陽極電極を引き出す構造体１６の一端はカーボンナノチューブペーパー１４と接続され、前記陽極電極を引き出す構造体１６の一端と対向する端部は外部回路と接続される。陰極電極を引き出す構造体２６の一端はカーボンナノチューブペーパー２４と接続され、前記の一端と対向する端部は外部回路と接続される。陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６は金属導電ストリップであり、例えば、ニッケルストリップである。陽極電を引き出す構造体１６の一端はカーボンナノチューブペーパー１４の表面に設置され、且つ陽極電極片１２と間隔をあけて設置され、前記陽極電極を引き出す構造体１６の一端と対向する端部は軟性パッケージ構造体４０から引き出される。陰極電を引き出す構造体２６の一端はカーボンナノチューブペーパー１４の表面に設置され、且つ陰極電極片２２と間隔をあけて設置され、前記陰極電極を引き出す構造体２６の一端と対向する端部は軟性パッケージ構造体４０から引き出される。
【００３４】
一つの例において、陽極電極片１２はカーボンナノチューブペーパー１４の一端に設置される。陽極電を引き出す構造体１６は、陽極電極片１２が設置されるカーボンナノチューブペーパー１４の一端と対向する一端に設置される。陰極電極片２２は、カーボンナノチューブペーパー２４の一端に設置される。陰極電極を引き出す構造体２６は、陰極電極片２２が設置されるカーボンナノチューブペーパー２４の一端と対向する一端に設置される。カーボンナノチューブペーパー１４及びカーボンナノチューブペーパー２４におけるカーボンナノチューブは基本的に同じ方向に沿って配列される。好ましくは、陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６はカーボンナノチューブの配列される方向と垂直である。これにより、カーボンナノチューブペーパー１４におけるカーボンナノチューブを、電極片１２から陽極電極を引き出す構造体１６までの方向に沿って延伸させ、カーボンナノチューブペーパー２４におけるカーボンナノチューブを、電極片２２から陰極電極を引き出す構造体２６までの方向に沿って延伸させる。
【００３５】
図９を参照すると、リチウムイオン電池１００が、複数の陽極１０及び複数の陰極２０を含む場合、複数の陽極１０における複数の陽極電極片１２が設置されていないカーボンナノチューブペーパー１４の一端は陽極電極を引き出す構造体１６とそれぞれ電気的に接続され、複数の陰極２０における複数の陰極電極片２２設置されていないカーボンナノチューブペーパー２４の一端は陰極電極を引き出す構造体２６とそれぞれ電気的に接続される。カーボンナノチューブペーパー１４及びカーボンナノチューブペーパー２４が柔軟性構造体であり、任意に湾曲できるので、複数の陽極１０における陽極電極片１２設置されない複数のカーボンナノチューブペーパー１４の一端は積層され、且つ一つの陽極電極を引き出す構造体１６は挟まれることができ、複数の陰極２０における陰極電極片２２が設置されていない複数のカーボンナノチューブペーパー２４の一端は積層され、且つ一つの陰極電極を引き出す構造体２６は挟まれることができる。例えば、陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６をＵ型或いは丸型に湾曲し、複数のカーボンナノチューブペーパー１４が陽極電極を引き出す構造体１６に挟まれ、複数のカーボンナノチューブペーパー２４が陰極電極を引き出す構造体２６に挟まれる。
【００３６】
陽極１０及び陰極２０の間隔を維持するために、陽極１０におけるカーボンナノチューブペーパー１４は陰極におけるカーボンナノチューブペーパー２４と対向して相反する方向に沿って延伸でき、陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６を、パッケージ構造体４０の両端から引き出させる。
【００３７】
図１１を参照すると、リチウムイオン電池１００において、陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６は金属からなり、陽極電極を引き出す構造体１６及び陰極電極を引き出す構造体２６以外の部分は柔軟性を有し、且つ湾曲できる材料からなるので、湾曲させて或いは折り畳んで、作動させることができる。本発明のリチウムイオン電池１００は装着型電子機器（Ｗｅａｒａｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）に応用でき、且つ使用者の動作及び運動を妨害しない。更に、リチウムイオン電池１００は従来の硬質設備に応用しても、カーボンナノチューブフィルムからなる集電体及び電極片はリチウムイオン電池の質量を減少でき、且つリチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができる。
【００３８】
従来のリチウムイオン電池において、電極の中に接着剤を有しても、電極片及び集電体が異なる種類の材料であるので、良く結合できず、且つ集電体が変形する際、電極片が剥離され易く、或いは電極片における活物質が粉末化され易い。且つ、金属からなる集電体自体の湾曲性が悪いので、従来のリチウムイオン電池の柔軟性は悪い。
【００３９】
従来のリチウムイオン電池に対して、本発明のリチウムイオン電池１００は以下の優れた有利な効果を奏す。第一に、集電体はカーボンナノチューブペーパーからなり、且つ陽極電極片及び陰極電極片において従来のリチウムイオン電池の電極における接着剤を省略することができるので、リチウムイオン電池の質量を減少でき、且つリチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができる。第二に、集電体はカーボンナノチューブペーパーからなり、且つカーボンナノチューブフィルムによって、陽極電極片及び陰極電極片における陽極活物質及び陰極活物質を固定し、電極片及び集電体が同じ材料からなるので、固く結合でき、且つカーボンナノチューブペーパー及びカーボンナノチューブフィルムが湾曲に耐え、且つ柔軟な材料であるので、リチウムイオン電池が優れた柔軟性を有する。第三に、陽極電極片及び陰極電極片におけるカーボンナノチューブフィルムが異なる方向に沿って積層されることによって、導電ネットを形成し、且つ活物質は導電ネットに付着できる。これにより、従来のカーボンナノチューブが導電剤として、カーボンナノチューブが活物質とランダムに混合する方式より、カーボンナノチューブフィルムが異なる方向に沿って積層し、導電ネットを形成する方式は電極片の導電性を高めることができる。第四に、活性材料の分散液をカーボンナノチューブフィルムにスプレーすることによって、厚さが薄く、活性材料が均一に分布する陽極電極片及び陰極電極片を容易に獲得できる。これにより、従来の電極片の均一性が悪いこと、及び電極片の厚さが厚いことを解決する。
【００４０】
（実施例）
陽極活物質はＬｉＦｅＰＯ４であり、陰極活物質はチタン酸リチウムである。陽極電極片及び陰極電極片におけるカーボンナノチューブフィルムの層数はそれぞれ６層である。陽極及び陰極におけるカーボンナノチューブペーパーはそれぞれ５００層のカーボンナノチューブフィルムが積層して形成され、カーボンナノチューブペーパーの厚さは約４０μｍである。具体的には、１０００ｍｇのＬｉＦｅＰＯ４を１００ｍｌのエチルアルコールで、超音波で３０分間で均一に分散させて、混合液を形成する。混合液を懸架されたカーボンナノチューブフィルムの表面に噴射し、１０ｍｌの混合液を噴射した後、もう一枚のカーボンナノチューブフィルムを積層し、また、１０ｍｌの混合液を噴射する。これを繰り返して、５枚目のカーボンナノチューブフィルムに１０ｍｌの混合液を噴射した後、最後に６枚目のカーボンナノチューブフィルムを積層し、陽極電極片を形成する。陰極電極片を形成する方法は、陽極電極片を形成する方法と同じである。６枚のカーボンナノチューブフィルムは、相互に垂直な方向に沿って積層される。これにより、陽極電極片におけるカーボンナノチューブが配列される方向は垂直になり、陰極電極片におけるカーボンナノチューブが配列される方向は垂直になる。陽極電極片及び陰極電極片におけるカーボンナノチューブの質量はそれぞれ０．２１６ｍｇであり、面密度は０．００２ｍｇ/ｃｍ２である。陽極電極片が採用するカーボンナノチューブフィルムの面積は３ｃｍ×３ｃｍであり、陽極電極片におけるＬｉＦｅＰＯ４の質量は４．６２ｍｇであり、陰極電極片におけるチタン酸リチウムの質量は４．６８ｍｇである。陽極電極片におけるカーボンナノチューブの質量比率は４．６２％であり、陰極電極片におけるカーボンナノチューブの質量比率は４．６７％である。陽極電極片は２回折り畳まれ、カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、陽極が形成され、陰極電極片は２回折り畳まれ、カーボンナノチューブペーパーの表面に設置され、陰極が形成される。
【００４１】
（比較例）
接着剤がフッ化ポリビニリデン樹脂（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ）を採用し、導電剤が導電グラファイトを採用する。フッ化ポリビニリデン樹脂、導電グラファイト及びＬｉＦｅＰＯ４を混合し、且つＮＭＰ（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ  ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ，Ｎ‐メチルピロリドン）を添加し、陽極ペーストを形成する。陽極ペーストをアルミ箔の表面に塗り、陽極を形成する。フッ化ポリビニリデン樹脂、導電グラファイト及びＬｉＦｅＰＯ４の混合比率は１：１：８である。また、接着剤としてフッ化ポリビニリデン樹脂を採用し、導電剤として導電グラファイトを採用する。フッ化ポリビニリデン樹脂、導電グラファイト及びチタン酸リチウムを混合し、且つＮＭＰを添加し、陰極ペーストを形成する。陰極ペーストをアルミ箔の表面に塗り、陰極を形成する。フッ化ポリビニリデン樹脂、導電グラファイト及びチタン酸リチウムの混合比率は１：１：８である。
【００４２】
（リチウムイオン電池のサイクル試験）
一つの例において、実施例の陽極及び比較例の陽極を金属リチウムとそれぞれ組み合わせて、半電池を形成する。実施例の陰極及び比較例の陰極を金属リチウムをそれぞれ組み合わせて、半電池を形成する。二つの半電池における同じ電解質及び隔膜はそれぞれ同じである。図１２〜図１５を参照すると、同じ条件で実施例の陽極及び比較例の陽極、実施例の陰極及び比較例の陰極に対して、充放電サイクル試験を行う。図１２〜図１５に示されるように、本実施例の電極は、導電剤、接着剤及び活物質を混合することによって獲得された従来の電極より、優れたサイクル性能及び比容量を有する。
【００４３】
もう一つの例において、本実施例における陽極及び陰極を組み合せて、全電池を形成する。電流率０．１Ｃ（１００μＡ/ｃｍ２）の条件で、５０回の充放電を行った後、電流率１Ｃ（１０００μＡ/ｃｍ２）の条件で、５０回の充放電を行う。ここで、０．１Ｃでは１０時間で充電又は放電を行い、１Ｃでは１時間で充電又は放電を行う。図１６及び図１７に示されるように、リチウムイオン電池は０．１Ｃの条件で、電池極化が小さく、電池が高いサイクル容量を有する。を高めた後、電池極化が増加し、電池のサイクル容量が低くなる。従って、本実施例のリチウムイオン電池は安定なサイクル性能を有し、１００回のサイクルの後、高い容量を保持できる。
【符号の説明】
【００４４】
１００    リチウムイオン電池
１０    陽極
１２    陽極電極片
１２２    カーボンナノチューブネット構造体
１２４    陽極活物質
１４、２４    カーボンナノチューブペーパー
１６    陽極電極を引き出す構造体
２０    陰極
２２    陰極電極片
２２４    陰極活物質
２６    陰極電極を引き出す構造体
３０    隔膜
４０    パッケージ構造体
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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【図１７】
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【図３】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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