(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を備える構造体であるロボットの筐体と、
前記内部空間に配置され、前記内部空間を正極室と負極室とに区分するセパレータと、
前記正極室及び前記負極室のそれぞれに充填された正極活物質と電解液とを含む正極電極組成物及び負極活物質と電解液とを含む負極電極組成物と
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】
請求項１記載のリチウムイオン電池において、
前記ロボットは前記リチウムイオン電池からの電源により動作可能に構成されていることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項３】
請求項１または２記載のリチウムイオン電池において、
前記正極室及び前記負極室の少なくとも一方の内面の少なくとも一部が曲面で形成されることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のリチウムイオン電池において、
前記正極室及び前記負極室のそれぞれには集電体が設けられていることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項５】
請求項４記載のリチウムイオン電池において、
前記集電体は前記正極室に設けられた正極集電体と前記負極室に設けられた負極集電体とを備え、
前記正極集電体、前記負極集電体及び前記セパレータがシール部材で封止されてなることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のリチウムイオン電池において、
前記正極電極組成物及び前記負極電極組成物のうち少なくとも一方の電極組成物の少なくとも一部が、主に導電助剤と高分子を含んでなる層で被覆されていることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項７】
請求項６記載のリチウムイオン電池において、
前記正極電極組成物及び前記負極電極組成物のうち少なくとも一方は繊維状物質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項８】
請求項７記載のリチウムイオン電池において、
前記繊維状物質はカーボンファイバーであることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項９】
リチウムイオン電池で駆動する構造体システムであって、
構造体システムの少なくとも一部を構成し、内部空間を備えるロボットの筐体と、この筐体の前記内部空間内に設けられたリチウムイオン電池とを備え、
前記リチウムイオン電池は、
前記内部空間に配置され、前記内部空間を正極室と負極室とに区分するセパレータと、
前記正極室及び前記負極室のそれぞれに充填された正極活物質と電解液とを含む正極電極組成物及び負極活物質と電解液とを含む負極電極組成物と
を備えることを特徴とする構造体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体に備えられたリチウムイオン電池及び構造体システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自走式に構成されたものや自立歩行を行うロボット等の構造体は周知である。このような構造体は、自身を走行等動作可能にするために、内部にリチウムイオン電池等の電源を備えることが多い。一例として、脚式移動ロボットの胴部に、箱状のバッテリに対応したバッテリ収納室を設けた技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１２５８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来のロボット等の構造体では、電源であるリチウムイオン電池等の電池が外形略箱状に形成されていたため、構造体内部にこの電池を収納するための空間をわざわざ確保する必要があった。一方、構造体を動作可能にするためには構造体そのものを軽量化することが好ましく、従って、構造体の一部が中空に形成されていることがある。しかし、かかる構造体の中空部は自由形状であることが多く、従来の電池を収納する空間として用いることは難しかった。
【０００５】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、構造体に設けられた内部空間を有効利用することの可能なリチウムイオン電池及び構造体システムの提供を、その目的の一つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内部空間を備える構造体であるロボットの筐体と、この内部空間に配置され、収容部を正極室と負極室とに区分するセパレータと、正極室及び負極室のそれぞれに充填された正極活物質と電解液とを含む正極電極組成物及び負極活物質と電解液とを含む負極電極組成物とを備えるリチウムイオン電池により、上述の課題の少なくとも一つを解決している。
【０００７】
正極室及び負極室のそれぞれに正極電極組成物及び負極電極組成物を充填したので、構造体に設けられた自由形状の内部空間を利用することができるとともに、構造体内面と正極及び負極電極組成物との間の間隙を十分小さくすることができる。
【０００８】
ここで、ロボットはリチウムイオン電池からの電源により動作可能に構成されていることが好ましい。また、正極室及び負極室の少なくとも一方の内面の少なくとも一部を曲面で形成することが好ましい。また、正極室及び負極室のそれぞれに集電体を設けることが好ましい。更に、集電体は正極室に設けられた正極集電体と負極室に設けられた負極集電体とを備え、正極集電体、前記負極集電体及びセパレータはシール部材で封止されてなることが好ましい。
【０００９】
また、正極電極組成物及び負極電極組成物のうち少なくとも一方の電極組成物の少なくとも一部を、主に導電助剤と高分子とからなる層で被覆することが好ましい。さらに、正極電極組成物及び負極電極組成物のうち少なくとも一方は繊維状物質を含むことが好ましく、この場合、さらに、繊維状物質はカーボンファイバーであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、リチウムイオン電池で駆動する構造体システムに適用される。そして、この構造体システムの少なくとも一部を構成し、内部空間を備える構造体であるロボットの筐体と、この筐体の内部空間内に設けられたリチウムイオン電池とを設け、リチウムイオン電池に、内部空間に配置され、この内部空間を正極室と負極室とに区分するセパレータと、正極室及び負極室のそれぞれに充填された正極活物質と電解液とを含む正極電極組成物及び負極活物質と電解液とを含む負極電極組成物とを設けることにより、上述の課題の少なくとも一つを解決している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、構造体に設けられた内部空間を有効利用することの可能なリチウムイオン電池及び構造体システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態であるリチウムイオン電池の電極及びセパレータの形状を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態のリチウムイオン電池を示す縦断面図である。
【図３】第１実施形態のリチウムイオン電池の外形を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態のリチウムイオン電池が適用されたロボットの一例の一部を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図である。
【図７】第３実施形態のリチウムイオン電池が適用されたロボットの一例の一部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態であるリチウムイオン電池について説明する。図１は、本発明の第１実施形態であるリチウムイオン電池の電極及びセパレータの形状を示す斜視図、図２は第１実施形態のリチウムイオン電池を示す縦断面図、図３は第１実施形態のリチウムイオン電池の外形を示す斜視図、図４は第１実施形態のリチウムイオン電池が適用されたロボットの一例の一部を示す斜視図である。
【００１４】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、図１に示すように、ロボット等の構造体１の一部が円錐台形に形成され、その内部が中空に形成されることで内部空間１ａが形成され、この構造体１の内部空間１ａの内面に沿って、略半円錐台形の正極集電体７及び負極集電体８が、平板状のセパレータ４を挾んで対向されて配置され、さらに、これら正極集電体７、負極集電体８及びセパレータ４が、図２に示すようにシール部材９で封止されてなるものである。これにより、図１に示すように、構造体１の内部空間１ａがセパレータ４により正極室２と負極室３とに区分されるとともに、正極室２に正極集電体７が配置され、さらに負極室３に負極集電体８が配置されることになる。
【００１５】
また、正極集電体７及び負極集電体８は円錐台形の構造体１の内部空間１ａの内面に沿って設けられる一方、セパレータ４は平板状に形成されているので、これら正極集電体７及び負極集電体８はセパレータ４との間が等間隔でない部分を有することになる。なお、これら正極集電体７及び負極集電体８の外面を絶縁コートしてもよい。
【００１６】
そして、図２に示すように、正極室２及び負極室３に正極活物質５及び負極活物質６がそれぞれ充填され、図３に示すように、正極集電体７及び負極集電体８の図中上下開口部が蓋１０で封止されることで、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌが形成されている。なお、正極活物質５及び負極活物質６の充填に当たっては、下部の蓋１０を封止する工程に先立って、正極集電体７及び負極集電体８を上下逆にして、この状態で正極活物質５及び負極活物質６を充填し、しかるに蓋１０を封止すればよい。この際、正極集電体７及び負極集電体８の一部は、図３において上方に位置する蓋１０の上面に延出され、この延出部が電極端子７ａ、８ａに形成されることが好ましい。
【００１７】
ここで、本明細書において、「充填された」とは、正極活物質粒子及び負極活物質粒子が正極室２及び負極室３にそれぞれ収納されている状態を意味し、好ましくは、この正極活物質粒子及び負極活物質粒子と電解質とが正極室２及び負極室３にそれぞれ収納されている状態を意味する。さらに好ましくは、正極活物質粒子及び負極活物質粒子と電解質とが混合された状態を意味する。
【００１８】
本発明において正極室２及び負極室３に正極電極組成物及び負極電極組成物が充填された状態にするには、粉体状の正極活物質粒子及び負極活物質粒子を直接正極室２及び負極室３にそれぞれに入れてもよく、正極活物質又は負極活物質粒子と非水溶媒とを含むスラリー状物質を正極室２及び負極室３にそれぞれ入れてもよく、正極活物質又は負極活物質粒子と電解液とを含むスラリー状の正極電極組成物及び負極電極組成物を正極室２及び負極室３にそれぞれ入れることで行ってもよい。粉体状の正極活物質及び負極活物質粒子を直接正極室２及び負極室３に入れた場合、その後電解液を入れることで正極室２及び負極室３のそれぞれに正極電極組成物及び負極電極組成物が充填される。
【００１９】
正極活物質又は負極活物質粒子と非水溶媒とを含むスラリー状物質を正極室２及び負極室３にそれぞれ入れた場合、その後加圧又は減圧して活物質粒子と非水溶媒とを分離可能な膜を透過させて非水溶媒を除去し、さらに電解液を入れることで正極室２及び負極室３のそれぞれに正極電極組成物及び負極電極組成物が充填される。正極活物質又は負極活物質粒子と電解液とを含むスラリー状の正極電極組成物及び負極電極組成物を正極室２及び負極室３にそれぞれ入れた場合、さらに加圧又は減圧して活物質粒子と電解液とを分離可能な膜を透過させて電解液の一部を除去して正極電極組成物及び負極電極組成にそれぞれ含まれる正極活物質及び負極活物質の含有量を高める工程を行っても良い。
【００２０】
活物質粒子と非水溶媒又は電解液とを分離可能な膜としては、活物質粒子と非水溶剤溶媒又は電解液とを分離可能な膜であれば制限はないが、集電体及び／又はセパレータとして設けられた膜であることが好ましい。
【００２１】
正極、負極活物質粒子を正極室２及び負極室３に充填する際には、構造体１に振動、衝撃を与えることで、正極、負極活物質粒子を正極室２及び負極室３に均一に充填することが好ましい。
【００２２】
また、正極、負極活物質粒子と電解液とを混合した物質は、通常スラリー状であるが、正極、負極活物質粒子と電解液との重量比によってはゲル状物質や粉体に近い物質になることもある。
【００２３】
そして、構造体１内を減圧脱気した後、この構造体１の開口部をシール部材等を用いて封止することにより、本発明のリチウムイオン電池Ｌの一例を製造することができる。
【００２４】
正極活物質５を構成する正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎＯ2及びＬｉＭｎ2Ｏ4）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ2及びＶ2Ｏ5）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ2及びＴｉＳ2）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ−ｐ−フェニレン及びポリカルバゾール）等が挙げられる。
【００２５】
また、負極活物質６を構成する負極活物質粒子としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）、炭素繊維、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリキノリン等）、スズ、シリコン、及び金属合金（例えばリチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金及びリチウム−アルミニウム−マンガン合金等）、リチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12等）等が挙げられる。
【００２６】
本発明の電池においては、正極、負極活物質粒子が、表面の少なくとも一部が被覆用樹脂及び導電助剤を含む被覆剤で被覆されてなる被覆活物質粒子であることが好ましい。
【００２７】
被覆剤は被覆用樹脂を含んでおり、正極活物質粒子の周囲が被覆剤で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨脹を抑制することができる。被覆用樹脂の例としては、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリカーボネート等が挙げられる。これらの中ではビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂又はポリアミド樹脂が好ましい。
【００２８】
導電助剤としては、導電性を有する材料から選択される。
【００２９】
具体的には、金属［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等］、カーボン［グラファイト、カーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等）、単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブ等］、及びこれらの混合物等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
【００３０】
これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物が用いられてもよい。電気的安定性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、金、銅、チタン及びこれらの混合物であり、より好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、さらに好ましくはカーボンである。またこれらの導電助剤とは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料（上記した導電助剤の材料のうち金属のもの）をメッキ等でコーティングしたものでもよい。
【００３１】
導電助剤として導電性繊維を用いることも可能である。導電性繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。これらの導電性繊維の中では炭素繊維が好ましい。
【００３２】
被覆活物質粒子は、例えば、活物質粒子を万能混合機に入れて３０〜５００ｒｐｍで撹拌した状態で、被覆用樹脂を含む樹脂溶液を１〜９０分かけて滴下混合し、さらに導電助剤を混合し、撹拌したまま５０〜２００℃に昇温し、０．００７〜０．０４ＭＰａまで減圧した後に１０〜１５０分保持することにより得ることができる。
【００３３】
活物質粒子を含むスラリー状物質は、電解液を含む電解液スラリーであるか、非水溶媒を含む溶媒スラリーであることが好ましい。
【００３４】
電解液としては、リチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する電解液を使用することができる。
【００３５】
電解質としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＡｓＦ6及びＬｉＣｌＯ4等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2及びＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはＬｉＰＦ6である。
【００３６】
非水溶媒としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。
【００３７】
非水溶媒は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００３８】
非水溶媒の内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは、ラクトン化合物、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル及びリン酸エステルであり、より好ましいのはラクトン化合物、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルであり、さらに好ましいのは環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルの混合液である。特に好ましいのはプロピレンカーボネート(ＰＣ)、またはエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合液である。
【００３９】
スラリー状物質は、活物質粒子並びに導電助剤を電解液又は非水溶媒の重量に基づいて１０〜６０重量％の濃度で分散してスラリー化することにより調製することが好ましい。
【００４０】
セパレータ４としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等、ポリオレフィン製の微多孔膜フィルム、多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンとの多層フィルム、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等が挙げられる。
【００４１】
集電体７、８としては、金属集電体や樹脂集電体を用いることができる。金属集電体としては、公知の金属集電体を用いることができる。たとえば、金属集電体は、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、およびこれらの一種以上を含む合金、ならびにステンレス合金からなる群から選択される一種以上からなると好ましい。金属集電体は薄板または金属箔から形成されてもよいし、基材の表面にスパッタリング、電着、塗布等の手法により金属層を形成してもよい。
【００４２】
樹脂集電体を構成する高分子材料は、導電性高分子であってもよいし、導電性を有さない高分子であってもよい。
【００４３】
高分子材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。
【００４４】
電気的安定性の観点から、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。
【００４５】
また、樹脂集電体は、導電性の高分子材料を含む樹脂集電体の導電性を向上させる目的、あるいは、導電性を有さない高分子材料を含む樹脂集電体に導電性を付与する目的から、導電性フィラーを含んでいると好ましい。導電性フィラーは、導電性を有する材料から選択される。好ましくは、集電体内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが好ましい。具体的には、カーボン材料、アルミニウム、金、銀、銅、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム、アンチモン、チタン、ニッケルなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの導電性フィラーは１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、ステンレス（ＳＵＳ）等のこれらの合金材が用いられてもよい。耐食性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン材料、ニッケル、より好ましくはカーボン材料である。また、これらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに、上記で示される金属をメッキ等でコーティングしたものであってもよい。
【００４６】
樹脂集電体の具体例としては、ポリプロピレンに導電性フィラーとしてアセチレンブラックを５〜２０部分散させた後、熱プレス機で圧延したものが挙げられる。また、その厚みも特に制限されず、公知のものと同様、あるいは適宜変更して適用することができる。
【００４７】
シール部材を構成する材料としては、集電体７、８との接着性を有し、電解液に対して耐久性のある材料であれば特に限定されないが、高分子材料、特に熱硬化性樹脂が好ましい。具体的には、エポキシ系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリフッ化ビニデン樹脂等が挙げられ、耐久性が高く取り扱いが容易であることからエポキシ系樹脂が好ましい。
【００４８】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、一例として、図４に示すように、ロボット等のリチウムイオン電池で駆動する構造体システムの一部を構成する構造体の一例であるロボットの上腕部の内部に収納され、このロボットを駆動するための電源電池として用いられる。これにより、本実施形態の構造体システムが構築される。
【００４９】
以上の構成を有する本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、構造体１の内部空間１ａに設けられた正極室２及び負極室３のそれぞれに正極電極組成物である正極活物質５及び負極電極組成物である負極活物質６を充填してなるものであるから、構造体１に設けられた自由形状の内部空間１ａにリチウムイオン電池Ｌを設けることができ、また、内部空間１ａの内面と正極活物質５及び負極活物質６との間の間隙を十分に小さくすることができる。従って、本実施形態によれば、構造体１に設けられた内部空間１ａを有効利用することの可能なリチウムイオン電池を実現することができる。
【００５０】
また、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、ロボット等の構造体システムの一部を構成する構造体１の内部にリチウムイオン電池Ｌを組み込むことができるので、電池容量を更に増やすことができ、この結果、ロボット等の構造体システムを長時間駆動させることができる。加えて、ロボット等を駆動するための電池を収納するスペースを省くことができる。このように、電池容量の増加及び電池収納スペースの省略により、例えば手を動かしたり、自立走行したりするロボットを作ることができる。
【００５１】
また、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、従来のリチウムイオン電池のように正極活物質及び負極活物質に熱処理してこれら正極活物質及び負極活物質を乾燥させていないので、従来のリチウムイオン電池で生じることがあり得た、リチウムイオン電池全体に負荷をかけて電池全体がたわんだ際に正極または負極活物質が集電体から剥離して所望の出力を得ることが期待しづらいという現象が生じることを抑制することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、単一の方向に面を向ける一枚の平板状のセパレータが用いられており、リチウムイオン電池Ｌを形成してから構造体１内に収納していたが、複数の平面を有するセパレータとし、構造体１とリチウムイオン電池Ｌとを一体に形成することも可能である。
【００５３】
ここで、複数の平面を有するセパレータとは、少なくとも２方向の異なった方向に面を向けた複数の平面を有する状態にあるセパレータを意味する。
【００５４】
図５は、本発明の第２実施形態であるリチウムイオン電池であり、セパレータが少なくとも２方向の異なった方向に面を向けた複数の平面を有するセパレータであり、構造体１と一体に形成したリチウムイオン電池Ｌを示す一部破断斜視図である。
【００５５】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌにおいても、構造体１の一部が円錐台形に形成され、その内部が中空に形成されることで内部空間１ａが形成され、この内部空間１ａの内部にはセパレータ４が配置され、この内部空間１ａを正極室２及び負極室３に区分している。本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、セパレータ４は、図５に示すように、複数の平板を互いに所定角度をなすように組み合わせることで少なくとも２方向の異なった方向に面を向けた複数の平面を有するセパレータとし、全体として三角波状に形成されている。
【００５６】
構造体１の内面には、この構造体１の内面から内方に突出する固定部１ｂが形成されている。この固定部１ｂの先端部には、図５において上下方向に延びる三角波状の溝１ｃが形成され、この溝１ｃにシール部材９を介してセパレータ４が嵌合されることで、セパレータ４が構造体１の内部空間１ａ内に固定されている。
【００５７】
内部空間１ａ内には、構造体１の内面に沿うように、略半円錐台形の正極集電体７及び負極集電体８が相対向した状態で、正極室２及び負極室３内にそれぞれ配置されている。そして、これら正極及び負極集電体７、８が正極室２及び負極室３内に配置された状態で、図５において図略の正極及び負極活物質５、６が正極室２及び負極室３にそれぞれ充填され、構造体１の図中上下開口を蓋１０で封止することで、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌが形成されている。
【００５８】
なお、正極活物質５及び負極活物質６の充填に当たっては、例えば下部の蓋１０に、それぞれ正極室２及び負極室３に連通する貫通孔を２つ形成し、これら貫通孔から正極及び負極活物質５、６をそれぞれ正極室２及び負極室３にそれぞれ充填した後、貫通孔を封止すればよい。
【００５９】
なお、本実施形態では、正極集電体７及び負極集電体８の図中上部には、これら正極集電体７及び負極集電体８と別体の電極端子１１、１２が取り付けられ、これら電極端子１１、１２は図中上方に位置する蓋１０の上面にまで延出されている。
【００６０】
なお、セパレータ４、正極及び負極活物質５、６、正極及び負極集電体７、８及びシール部材９の具体的構成は、上述の第１実施形態で説明したとおりであるので、ここでの説明は簡略化する。
【００６１】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌも、一例として、構造体システムの一例であるロボットの上腕部を構成する構造体１の内部に収納され、このロボットを駆動するための電源電池として用いられる。これにより、本実施形態の構造体システムが構築される。
【００６２】
従って、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでも、構造体システムであるロボット等の一部を構成する構造体１の腕等の内部にリチウムイオン電池Ｌを組み込むことができるので、構造体１の外殻をそのまま使って電池にすることが出来る。従って、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６３】
さらに、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、セパレータ４を全体として三角波状に形成しているので、平板状のセパレータ４と比較してその表面面積を大きく確保することができ、これにより、より大きな出力を得ることができるという優れた効果を奏することができる。
【００６４】
なお、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌにおけるセパレータ４の形状は、図５に示すような三角波形状に限定されず、複数の平板を組み合わせた形状であれば本実施形態のセパレータ４に適用可能であり、一例として、矩形波形状、鋸波形状等、種々の形状が採用可能である。
【００６５】
（第３実施形態）
上述の各実施形態では、ロボット等の構造体システムの一部である構造体１の本体部に設けられた中空の内部空間１ａにリチウムイオン電池Ｌを形成した例を示した。しかしながら、本発明のリチウムイオン電池Ｌは、構造体１の本体部に設けられるのみならず、例えば着脱自在な付属部に設けられてもよい。
【００６６】
図６は、本発明の第３実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図、図７は第３実施形態のリチウムイオン電池が適用されたロボットの一例の一部を示す斜視図である。
【００６７】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、図７に最もよく示されるように、ロボットＲの肩パッドを構成する構造体１の内部に形成されている。この構造体１は、図６に示すように外形鞍状に形成され、端部の内面には電極兼用の固定具１３が設けられている。一方、ロボットＲにもこの固定具１３に係合する図略の係合部が設けられており、これら固定具１３及び係合部が係合することにより、構造体１が構造体システムであるロボット本体に着脱自在に固定される。
【００６８】
構造体１は、図６に示すように、断面が略半楕円形状に形成された上部構造体１ｄと、断面が略矩形状に形成された下部構造体１ｅとに分割して構成され、これら上部構造体１ｄ及び下部構造体１ｅとの間に内部空間１ａが形成されている。
【００６９】
下部構造体１ｅの上部の内面には、この下部構造体１ｅから内方に突出する固定部１ｆが形成され、この固定部１ｆに平板状のセパレータ４が載置されることで、このセパレータ４が構造体１の内部空間１ａ内に固定され、さらに、このセパレータ４により内部空間１ａが正極室２及び負極室３に区分されている。
【００７０】
内部空間１ａ内には、上部構造体１ｄの上部内面及び下部構造体１ｅの下部内面にそれぞれ沿うように、正極集電体７及び負極集電体８が相対向した状態で、正極室２及び負極室３内にそれぞれ配置されている。そして、これら正極及び負極集電体７、８が正極室２及び負極室３内に配置された状態で、正極及び負極活物質５、６が正極室２及び負極室３にそれぞれ充填され、上部構造体１ｄ及び下部構造体１ｅの側部がシール部材９により封止されることで、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌが形成されている。
【００７１】
なお、正極活物質５及び負極活物質６の充填に当たっては、例えば上部構造体１ｄ及び下部構造体１ｅに、それぞれ正極室２及び負極室３に連通する貫通孔を２つ形成し、これら貫通孔から正極及び負極活物質５、６をそれぞれ正極室２及び負極室３にそれぞれ充填した後、貫通孔を封止すればよい。
【００７２】
なお、セパレータ４、正極及び負極活物質５、６、正極及び負極集電体７、８及びシール部材９の具体的構成は、上述の第１実施形態で説明したとおりであるので、ここでの説明は簡略化する。
【００７３】
本実施形態のリチウムイオン電池Ｌも、一例として、図４に示すように、構造体システムを構成する構造体１の内部に収納され、この構造体１がロボットＲの肩部に装着され、このロボットＲを駆動するための電源電池として用いられる。これにより、本実施形態の構造体システムが構築される。
【００７４】
従って、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでも、構造体システムを構成するロボットＲに着脱自在に設けられた構造体１の内部にリチウムイオン電池Ｌを組み込むことができるので、構造体１をそのまま使って電池にすることが出来る。従って、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００７５】
（変形例）
なお、本発明のリチウムイオン電池Ｌ及び構造体システムは、その細部が上述の実施形態に限定されず、種々の変形例が可能である。一例として、上述の実施形態では、ロボットＲの上腕部を構成する構造体１内にリチウムイオン電池Ｌを収納したが、腕だけではなく、脚その他の部分に電池を形成してもよい。また、リチウムイオン電池Ｌの外形形状を、人間の腕や脚のような複雑な形状を有する三次元自由曲面の形にしてもよい。本発明によるリチウムイオン電池の外形形状は任意の形状から適宜選択されればよく、特段の限定はない。
【００７６】
一方、セパレータ４の形状にも特段の限定はないが、上述の第１実施形態のように平板状に形成することでセパレータ４の製造工程等の簡略化を図ることができる。また、正極集電体７及び負極集電体８の形状にも特段の限定はないが、上述の実施形態のように、リチウムイオン電池を構成する構造体１の内面に沿って正極及び負極集電体７、８を設けることで、正極室２及び負極室３に充填される正極電極組成物及び負極電極組成物の容量を高めることができて好ましい。さらに言えば、少なくとも正極及び負極集電体７、８とセパレータ４との間が等間隔でない部分を有することで、構造体１内部の収納空間をより有効利用することが可能となる。
【実施例】
【００７７】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。なお、特記しない限り部は重量部、％は重量％を意味する。
【００７８】
（被覆用樹脂溶液の作製）
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した４つ口フラスコに、酢酸エチル８３部とメタノール１７部とを仕込み６８℃に昇温した。次いで、メタクリル酸２４２．８部、メチルメタクリレート９７．１部、２−エチルヘキシルメタクリレート２４２．８部、酢酸エチル５２．１部及びメタノール１０．７部を配合したモノマー配合液と、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）０．２６３部を酢酸エチル３４．２部に溶解した開始剤溶液とを４つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで４時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）０．５８３部を酢酸エチル２６部に溶解した開始剤溶液を滴下ロートを用いて２時間かけて連続的に追加した。さらに、沸点で重合を４時間継続した。溶媒を除去し、樹脂５８２部を得た後、イソプロパノールを１，３６０部加えて、樹脂濃度３０重量％のビニル樹脂からなる被覆用樹脂溶液を得た。
【００７９】
（被覆正極活物質粒子の作製）
ＬｉＣｏＯ2粉末［日本化学工業（株）製  セルシードＣ−８Ｇ］９６重量部を万能混合機に入れ、室温、１５０ｒｐｍで撹拌した状態で、被覆用樹脂溶液（樹脂固形分濃度３０重量％）を樹脂固形分として２重量部になるように６０分かけて滴下混合し、さらに３０分撹拌した。
【００８０】
次いで、撹拌した状態でアセチレンブラック［電気化学工業（株）製  デンカブラック（登録商標）］２重量部を３回に分けて混合し、３０分撹拌したままで７０℃に昇温し、１００ｍｍＨｇまで減圧し３０分保持した。上記操作により被覆正極活物質粒子を得た。
【００８１】
（被覆負極活物質粒子の作製）
難黒鉛化性炭素［（株）クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製  カーボトロン（登録商標）ＰＳ（Ｆ）］９０重量部を万能混合機に入れ、室温、１５０ｒｐｍで撹拌した状態で、被覆用樹脂溶液（樹脂固形分濃度３０重量％）を樹脂固形分として５重量部になるように６０分かけて滴下混合し、さらに３０分撹拌した。
【００８２】
次いで、撹拌した状態でアセチレンブラック［電気化学工業（株）製  デンカブラック（登録商標）］５重量部を３回に分けて混合し、３０分撹拌したままで７０℃に昇温し、０．０１ＭＰａまで減圧し３０分保持した。上記操作により被覆負極活物質粒子を得た。
【００８３】
（電解液の作製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒（体積比率１：１）に、ＬｉＰＦ6を１ｍｏｌ／Ｌの割合で溶解させてリチウムイオン電池用電解液を作製した。
【００８４】
（正極被覆活物質スラリーの製造）
被覆正極活物質６７重量部、炭素繊維［大阪ガスケミカル（株）製  ドナカーボ・ミルド  Ｓ−２４３：平均繊維長５００μｍ、平均繊維径１３μｍ］１重量部、上記電解液３２重量部を混合して、正極被覆活物質スラリーを作製した。
【００８５】
（負極被覆活物質スラリーの製造）
被覆負極活物質粒子５２重量部、正極被覆活物質スラリーの製造で使用したものと同じ炭素繊維１重量部、上記電解液４７重量部を混合して、負極被覆活物質スラリーを作製した。
【００８６】
（リチウムイオン電池の製造その１）
正極用集電体を敷いて正極活物質スラリーを注入して正極活物質層を形成した。続いて、セパレータを敷いて負極活物質スラリーを注入して負極活物質層を形成した。続いて負極用集電体をかぶせた後、構造体(ケース)とともに接着剤で封止した。
【００８７】
電池としての動作を確認するため、集電体からのリード部分に充放電試験機を接続し、充放電試験を実施した。充放電が可能であり、リチウムイオン二次電池として機能することを確認した。
【００８８】
（リチウムイオン電池の製造その２）
下部が封止された略円錐台形の構造体(ケース)の内部をセパレータで区切り正極室と負極室を形成し、それぞれの内壁に正極用集電体と負極用集電体を設けた。続いて、正極室と負極室に、粉末状の正極活物質及び負極活物質と電解質とからなる正極活物質スラリー及び負極活物質スラリーをそれぞれ入れて充填した後、構造体の上部を封止した。
【００８９】
電池としての動作を確認するため、集電体からのリード部分に充放電試験機を接続し、充放電試験を実施した。この場合も、充放電が可能であり、リチウムイオン二次電池として機能することを確認した。
【符号の説明】
【００９０】
Ｌ    リチウムイオン電池
１    構造体
１ａ    内部空間
２    正極室
３    負極室
４    セパレータ
５    正極活物質
６    負極活物質
７ａ、８ａ、１１、１２  電極端子
７    正極集電体
８    負極集電体
９    シール部材
１０    蓋
【図１】
0006585932.tif 000002
【図２】
0006585932.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006585932.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006585932.tif 000007
【図７】
0006585932.tif 000008