(57)【要約】【課題】電極の活物質密度を向上させるリチウムイオン２次電池の製造方法を提供する。【解決手段】重合前の電極スラリー１１を塗布した集電体１０を圧力容器２内に載置して、圧力容器２内をガスボンベ３からの不活性ガスにより加圧しつつ、ヒーター６により圧力容器内を過熱して、重合前の電極スラリー１１を重合させて、電極を形成する。【選択図】            図１
2004186061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重合前の電極物質が塗布された集電体を内部に載置するための圧力容器と、
前記圧力容器内を所定圧力に加圧するための加圧手段と、
前記重合前の電極物質が前記所定圧力の前記圧力容器内で重合するために必要なエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、
を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造装置。
【請求項２】
前記エネルギー供給手段は、前記圧力容器内を加熱する加熱装置、前記重合前の電極物資に超音波を照射する超音波照射装置、前記重合前の電極物資に紫外線を照射する紫外線照射装置のうち少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン２次電池の製造装置。
【請求項３】
前記所定圧力は、０．５〜１０ＭＰａであることを特徴とする請求項１または２記載のバイポーラ電池の製造装置。
【請求項４】
重合前の電極物質が塗布された集電体を圧力容器内に載置する段階と、
前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、
前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の電極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、
を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造方法。
【請求項５】
重合前の正極物質を集電体の第１の面に塗布する段階と、
前記重合前の正極物質が塗布された前記集電体を圧力容器内に載置する段階と、
前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、
前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の正極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、
重合前の負極物質を前記集電体の第２の面に塗布する段階と、
前記重合前の負極物質が塗布された前記集電体を前記圧力容器内に載置する段階と、
前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、
前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の負極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、
を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造方法。
【請求項６】
前記正極物質は、リチウム−遷移金属複合酸化物からなる正極活物質を含み、
前記負極物質は、カーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物からなる負極活物質を含むことを特徴とする請求項５記載のバイポーラ電池の製造方法。
【請求項７】
前記所定圧力は、０．５〜１０ＭＰａであることを特徴とする請求項５または６記載のバイポーラ電池の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一つに記載のリチウムイオン２次電池の製造方法により製造された電極の間に電解質を挟んで複数の集電体を積層したことを特徴とするリチウムイオン２次電池。
【請求項９】
前記電解質は、固体高分子電解質であることを特徴とする請求項８記載の特徴とするリチウムイオン２次電池。
【請求項１０】
請求項８または９記載のリチウムイオン２次電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の組電池を車輪を駆動するためのモータの電源として用いたことを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン２次電池の製造装置、リチウムイオン２次電池の製造方法、リチウムイオン２次電池、リチウムイオン２次電池よりなる組電池、およびこの組電池を用いた自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン２次電池の中には、集電体の少なくとも１表面に電極を形成し、この電極の間に電解質を挟むようにして積層された構造の電池がある。
【０００３】
従来、このような構造のリチウムイオン２次電池における電極部分の製造方法としては、フッ素系樹脂材料よりなるバインダを用いて電極を完成させた後、高分子電解質を溶解させて、このバインダに含浸させる方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３８０７３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法では、電極活物質となる電解質をバインダ内に十分に充填することができないという問題がある。これは、たとえば電解質を溶解させる際に用いる溶媒の量が少ないと、粘度が高くなるためバインダ内に十分に行き渡らず充填率が低くなる原因となる。一方、溶媒の量が多いと、溶媒を蒸発させた後にバインダ内に残る電解質そのものの量が少なくなってしまい、やはり電解質の充填量が低下してしまうのである。
【０００６】
そこで本発明の目的は、集電体の少なくとも１表面に電極が形成された構造のリチウムイオン２次電池において、電極における活物質の充填密度を向上することのできるリチウムイオン２次電池の製造装置を提供することである。
【０００７】
また、本発明の目的は、集電体の少なくとも１表面に電極が形成された構造のリチウムイオン２次電池において、電極活物質の充填密度を向上することのできるリチウムイオン２次電池の製造方法を提供することであり、また、電極活物質の充填密度を向上したリチウムイオン２次電池を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、重合前の電極物質が塗布された集電体を内部に載置するための圧力容器と、前記圧力容器内を所定圧力に加圧するための加圧手段と、前記重合前の電極物質が前記所定圧力の前記圧力容器内で重合するために必要なエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造装置である。
【０００９】
また、本発明は、重合前の電極物質が塗布された集電体を圧力容器内に載置する段階と、前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の電極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造方法である。
【００１０】
また、本発明は、重合前の正極物質を集電体の第１の面に塗布する段階と、前記重合前の正極物質が塗布された前記集電体を圧力容器内に載置する段階と、前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の正極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、重合前の負極物質を前記集電体の第２の面に塗布する段階と、前記重合前の負極物質が塗布された前記集電体を前記圧力容器内に載置する段階と、前記圧力容器内を所定圧力に加圧する段階と、前記所定圧力に加圧された前記圧力容器内で前記重合前の負極物質が重合するために必要なエネルギーを供給する段階と、を有することを特徴とするリチウムイオン２次電池の製造方法である。
【００１１】
また、本発明は、前記リチウムイオン２次電池の製造方法により製造された電極の間に電解質を挟んで複数の集電体を積層したことを特徴とするリチウムイオン２次電池である。
【００１２】
また、本発明は、前記リチウムイオン２次電池を複数個、並列および／または直列に接続したことを特徴とする組電池である。
【００１３】
また、本発明は、前記組電池を車輪を駆動するためのモータの電源として用いたことを特徴とする自動車である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明のリチウムイオン２次電池の製造装置によれば、電極活物質の充填密度を向上させたリチウムイオン２次電池を製造することができる。
【００１５】
本発明のリチウムイオン２次電池の製造方法によれば、リチウムイオン２次電池の電極活物質の充填密度を向上させることができる。
【００１６】
本発明のリチウムイオン２次電池によれば、リチウムイオン２次電池の電極活物質の充填密度を向上させたので、電池の体積エネルギー密度、体積出力密度、重量エネルギー密度、および重量出力密度を向上することができる。
【００１７】
本発明の組電池によれば、電極活物質の充填密度を向上させたリチウムイオン２次電池により組電池としたので、同じエネルギーを取り出すために必要な組電池全体の重量や体積を少なくすることができ、高容量、高出力の電池モジュールを提供することができる。
【００１８】
本発明の自動車によれば、電極活物質の充填密度を向上させたリチウムイオン２次電池を用いた組電池をモータ駆動用の電源として用いたので、より高出力の自動車を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。
【００２０】
まず、本発明に係るリチウムイオン２次電池電池の製造装置と、これを用いた製造方法について説明する。
【００２１】
図１は、本発明によるリチウムイオン２次電池の製造装置を説明するための説明図であり、図２〜４は本発明によるリチウムイオン２次電池の製造方法を説明するための図面である。
【００２２】
この製造装置１は、圧力容器２と、圧力容器２内を加圧するためのガスが入っているガスボンベ３と、ガスボンベ３からのガスを圧力容器２内に導くと共に圧力容器２内の圧力を調整するバルブ４と、圧力容器２内のガスを開放するための圧力開放弁５と、圧力容器２内を加熱するヒーター６と、からなる。
【００２３】
圧力容器２は、本発明による製造方法を実施するために必要な圧力（以下、所定圧力と称する）に耐えうるもので、その内部に、重合前の電極物質を塗布した集電体（詳細後述）を入れるための内容量を持ったものである。
【００２４】
ガスボンベ３は、加圧手段であり、圧力容器２内を所定圧力まで加圧するためのガスを充填したものである。なお、ガスボンベ３のほかに、さらに加圧ポンプを設けて、圧力容器２内を加圧するようにしてもよい。このようにすることで、ガスボンベ３からのガス圧だけでは圧力容器２内の圧力を所定圧力にできないような場合にも対応することができる。この場合はガスボンベ３と加圧ポンプが加圧手段となる。
【００２５】
加圧に使用するガスは、電極物質の重合の際に反応しないものであればよく、たとえば、ヘリウム、アルゴン、キセノンなどの不活性ガス、または窒素ガスなどが好適である。
【００２６】
バルブ４は、ガスボンベ３から圧力容器２内に供給するガス量をこのバルブ４の開閉により調整することで、圧力容器２内の圧力を所定圧力となるように調整する。なお、加圧ポンプを設けた場合には、加圧ポンプにより圧力容器２内の圧力を調整してもよい。
【００２７】
圧力開放弁５は、圧力容器２内のガスを抜くためのバルブであり、また、圧力容器２内があらかじめ定められた圧力以上となった場合にも圧力容器２内のガスを抜くための安全弁としても機能するものである。なお、安全弁は圧力開放弁５とは別に設けてもよい。
【００２８】
ヒーター６（加熱装置）は、圧力容器２内を、集電体に塗布した重合前の電極物質を重合させるために必要な温度まで加熱する。したがって、このヒーター６がエネルギー供給手段となる。
【００２９】
なお、エネルギー供給手段としては、このようなヒーター６のほかに、たとえば、重合前の電極物資に超音波を照射する超音波照射装置、重合前の電極物資に紫外線を照射する紫外線照射装置など、重合前の電極物質を重合させるために必要なエネルギーを供給できるものであればよい。
【００３０】
次に、この製造装置１を使用したリチウムイオン２次電池の製造方法について説明する。
【００３１】
ここでは、リチウムイオン２次電池として、一つの集電体の両面に正極と負極をそれぞれ形成したバイポーラ電極を持つ電池（バイポーラ電池と称する）の製造を例に説明する。
【００３２】
バイポーラ電池は、一つの集電体の両面に正極と負極が形成されており、この集電体の正極と負極との間に電解質を挟んで積層することにより、正極、電解質、負極による単電池を構成し、この単電池が複数積層された構造を持つ。
【００３３】
このバイポーラ電池の本発明における製造方法は、まず、集電体に形成する正極活物質となる重合前のスラリー（以下、この重合前のものを正極スラリーと称する）と、負極活物質となる重合前のスラリー（以下、この重合前のものを負極スラリーと称する）とを製造する。
【００３４】
そして、図２に示すように、正極スラリー１１を、集電体１０の片面に塗布する。この正極スラリー１１を塗布した集電体１０を、図１に示したように、圧力容器２内に載置して、圧力容器２内の圧力を所定圧力まで加圧した後、ヒーター６により加熱して、正極スラリー１１を重合させ、正極活物質を集電体１０の片面に形成してこれを正極１１’（図３または図４参照）とする。なお、圧力容器２内に載置する集電体１０の枚数は、圧力容器２内の容積に応じて複数枚とするが、その枚数は圧力容器２の内部容積に応じて、適宜調整する。
【００３５】
圧力容器２内を加圧するときの所定圧力は、たとえば、０．５〜１０ＭＰａとする。これは、０．５ＭＰａ未満の場合には、重合前の電極が十分に圧縮されず、電極活物質の充填密度が向上しないため好ましくない。一方、１０ＭＰａを超えると、スラリーに含まれる電解質の重合が良好に進行せず、電解質の重合が不十分となり、電極の反応性が低下してしまうため好ましくない。
【００３６】
一方、温度は、上記圧力範囲において、正極スラリー１１が十分に重合する温度である。したがって、正極スラリー１１として用いる物質により異なるので、正極スラリー１１の物質に応じて適宜調整する。
【００３７】
このようにして、集電体１０の一面に正極１１’を形成した集電体１０を圧力容器２内から取り出し、続いて、図３に示すように、この正極１１を形成した集電体１０の正極１１’を形成していない面に負極スラリー１２を塗布する。
【００３８】
そして、負極スラリー１２を塗布した正極形成済みの集電体１０を、図１に示したと同様に圧力容器２内に載置して、圧力容器２内の圧力を所定の圧力まで加圧した後、ヒーター６により加熱して、負極スラリー１２を重合させ、負極活物質を集電体１０の片面に形成してこれを負極１２’（図４参照）とする。
【００３９】
このときの圧力容器２内の所定圧力も、上記正極形成時と同様に、たとえば、０．５〜１０ＭＰａとする。この圧力範囲とする理由も上記正極形成の時と同じ理由によるものである。また、温度についても、上記圧力範囲において、負極スラリー１２が十分に重合する温度であり、負極スラリー１２とする物質により異なるため負極スラリー１２の物質に応じて適宜調整する。
【００４０】
このように、圧力をかけながら正極スラリー１１および負極スラリー１２をそれぞれに重合させて、それぞれ正極１１’および負極１２’を形成することで、それぞれの活物質充填密度の高い電極を集電体１０上に形成することができる。
【００４１】
その後は、上記のようにして正極１１’および負極１２’を形成した集電体１０を、図４に示すように、電解質１３を挟んで積層することによりバイポーラ電池の電池要素１５が完成する。なお、電池要素の端部集電体１０’は、それぞれの位置に合わせて、正極のみ、または負極のみを上述した方法により形成したものである。
【００４２】
そして、この電池要素１５は、たとえば、図５に示すように、端部集電体１０’に電極タブ２３および２４を取り付けて、ラミネートパックすることによりバイポーラ電池２０として完成する。
【００４３】
以下に、本発明による製造方法を用いて製作することのできるバイポーラ電池の構成部材について個別に説明する。
【００４４】
［集電体］
集電体は、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、いかような形状を有するものにも製膜積層して形成し得る必要上、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金などの金属粉末を主成分として、これにバインダ（樹脂）、溶剤を含む集電体金属ペーストを加熱して成形してなるものであり、上記金属粉末およびバインダにより形成されてなるものである。このような集電体は、これら金属粉末を１種単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。また、製法上の特徴を生かして金属粉末の種類の異なるものを多層に積層したものであってもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを上記金属粉末として用いてなる集電体が好ましい。
【００４５】
上記バインダとしては、特に制限されるべきものではなく、たとえば、エポキシ樹脂など、従来公知の樹脂バインダ材料を用いることができるほか、導電性高分子材料を用いても良い。
【００４６】
また、集電体としては、上記のような金属粉末とバインダにより形成されてなるもののほかに、上記金属の箔を用いることもできる。
【００４７】
これら集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は１〜１００μｍ程度である。集電体の形状は、製法上の特徴を生かして、電極（正極または負極）の上面ならびに側面外周部も被覆するように形成することも容易であり、機能、性能面からも部位によらず常に略一定の厚さにする必要はない。
【００４８】
［正極（正極活物質層）］
正極は、正極活物質を含む。このほかにも、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩、導電助剤などが含まれ得る。特に、正極または負極の少なくとも一方に電解質、好ましくは固体高分子電解質が含まれていることが望ましいが、バイポーラ電池の電池特性をより向上させるためには、双方に含まれることが好適である。
【００４９】
上記正極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される、遷移金属とリチウムとの複合酸化物を使用できる。具体的には、ＬｉＣｏＯ２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物などが挙げられる。このほか、ＬｉＦｅＰＯ４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２、ＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＭｏＯ３などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなどが挙げられる。
【００５０】
正極活物質の粒径は、製法上、正極材料を重合させる前の状態でペースト化してスプレーコートなどにより塗布して成膜し得るものであればよい。
【００５１】
正極における、正極活物質、電解質（好ましくは固体高分子電解質）、リチウム塩、導電助剤の配合量は、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。たとえば、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が少なすぎると、活物質層内でのイオン伝導抵抗やイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極内における電解質、特に固体高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。したがって、これらの要因を考慮して、目的に合致した固体高分子電解質量を決定する。
【００５２】
ここで現状レベルの固体高分子電解質（イオン伝導度：１０−５〜１０−４Ｓ／ｃｍ）を用いて電池反応性を優先するバイポーラ電池を製造する場合について、具体的に考えてみる。かような特徴を有するバイポーラ電池を得るには、導電助剤を多めにしたり活物質のかさ密度を下げたりして、活物質粒子間の電子伝導抵抗を低めに保つ。同時に空隙部を増やし、該空隙部に固体高分子電解質を充填する。かような処理によって固体高分子電解質の割合を高めるとよい。
【００５３】
正極の厚さは、特に限定するものではなく、配合量について述べたように、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極活物質層の厚さは１０〜５００μｍ程度である。
【００５４】
［負極（負極活物質層）］
負極は、負極活物質を含む。また、正極同様に、イオン伝導性を高めるために電解質、リチウム塩や導電助剤などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に［正極］の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００５５】
負極活物質としては、溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。ただし、バイポーラ電池では、固体高分子電解質が好適に用いられるため、該固体高分子電解質での反応性を考慮すると、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物金属、カーボンなどが好ましい。より好ましくは、カーボン、遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属複合酸化物である。さらに好ましくは、チタン酸化物、リチウム−チタン複合酸化物、カーボンである。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００５６】
［電解質］
電解質としては、固体高分子電解質、または高分子ゲル電解質であっても液絡を防止することができるものであれば利用することができる。また、これらを併用することもできる。さらには、電解質を多層構造とすることもでき、正極側と負極側とで、電解質の種類や成分配合比を変えた層を形成することもできる。
【００５７】
高分子ゲル電解質を用いる場合、該高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率（質量比）が、２０：８０〜９５：５と比較的電解液の比率が小さい範囲であるが、より好ましくは固体高分子電解質である。これは、固体高分子電解質は、高分子ゲル電解質や液体電解質に比して耐熱性に優れ、熱分解したり、高温でガス化したり、発火したりするおそれがなく、また、釘刺し耐性に優れ外部負荷等での破損による液漏れや短絡が生じにくく、さらにコンパクトで形状が自由にできるという固体高分子電解質に固有の特性を有効に利用することができるためである。
【００５８】
上記固体高分子電解質は、イオン伝導性を有する高分子から構成される層であり、イオン伝導性を示すのであれば材料は限定されない。固体高分子電解質としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。ＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。
【００５９】
また、高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。
【００６０】
なお、ここで、固体高分子電解質と高分子ゲル電解質との違いを以下のように規定する。
【００６１】
ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）などの固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものが高分子ゲル電解質である。
【００６２】
また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも高分子ゲル電解質にあたる。
【００６３】
高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液の比率は幅広く、ポリマー（高分子）１００％を固体高分子電解質、電解液１００％を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。
【００６４】
上記固体高分子電解質は、イオン伝導性を有する高分子であれば、特に限定されるものではない。イオン伝導性を有する高分子としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）などのポリアルキレンオキシド系高分子、これらの共重合体などが挙げられる。なお共重合体では、少なくともイオン伝導性を有する高分子鎖を有するものであればよく、たとえば、ポリフッ化ビニリデンのようなイオン電導性を持たないものとの共重合体であるポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンなどであってもよい。上記ポリアルキレンオキシド系高分子は、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する点で有利である。
【００６５】
上記高分子ゲル電解質は、上記に規定したように、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。
【００６６】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液（電解質塩および可塑剤）としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、たとえば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも１種類のリチウム塩（電解質塩）を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類；ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類；テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン等のエーテル類；γ−ブチロラクトン等のラクトン類；アセトニトリル等のニトリル類；プロピオン酸メチル等のエステル類；ジメチルホルムアミド等のアミド類；酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから１種類または２種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒（可塑剤）を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００６７】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、ＰＡＮ、ＰＭＭＡなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【００６８】
上記リチウム塩としては、たとえば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０等の無機酸陰イオン塩、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００６９】
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【００７０】
これら固体高分子電解質もしくは高分子ゲル電解質は、電池を構成する高分子電解質のほか、上記したように正極および／または負極にも含まれ得るが、電池を構成する高分子電解質、正極、負極によって異なる高分子電解質を用いてもよいし、同一の高分子電解質を使用してもよいし、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。
【００７１】
電解質の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトなバイポーラ電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。一般的な固体高分子電解質層の厚さは１０〜１００μｍ程度である。電解質の形状は、製法上の特徴を生かして、電極（正極または負極）の上面ならびに側面外周部も被覆するように形成することも容易であり、機能、性能面からも部位によらず常に略一定の厚さにする必要はない。
【００７２】
ところで、本実施の形態において、好ましく使用される固体高分子電解質用の高分子は、ＰＥＯ、ＰＰＯのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。したがって、溶液系のリチウムイオン電池で一般に使用される酸化還元電位の高い正極剤を使用する場合には、負極の容量が、固体高分子電解質を介して対向する正極の容量より少ないことが好ましい。負極の容量が対向する正極の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極および負極の容量は、正極および負極を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。
【００７３】
ただし、負極の容量が対向する正極の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。たとえば、一のセルの平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。
【００７４】
［絶縁層］
絶縁層（不図示）は、集電体同士が接触したり、電解液が漏れ出したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものである。
【００７５】
該絶縁層としては、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、いかような形状を有するものにも製膜して形成し得るものであり、かつ絶縁性、電解質の漏出や外部からの水分の透湿に対するシール性（密封性）、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、たとえば、エポキシ樹脂、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが使用できるが、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。
【００７６】
［正極タブおよび負極タブ］
正極タブおよび負極タブに関しては、通常リチウムイオン電池で用いられる公知の電極タブを用いることができる。
【００７７】
［電池外装材（電池ケース）］
バイポーラ電池は、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池要素を電池外装材ないし電池ケースに収容している。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属（合金を含む）をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着により接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極タブは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、図５に示したように、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【００７８】
＜実験例＞
上述のように構成される本第１の実施の形態によるバイポーラ電池を実際に製作し、充放電試験を行った。
【００７９】
［サンプル電池の製作］
（正極形成）
正極活物質としてＬｉＭｎ２Ｏ４（４１．７％）、導電補助剤としてアセチレンブラック（８．３％）、ポリマーとしてポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合体（３３．３％）、支持塩としてＬｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ（１６．７％）、スラリー粘度材調整溶媒としてＮＭＰ（適量）、重合開始剤としてＡＩＢＮ（ポリマー量に対して１０００ｐｐｍ）を、混合し、正極スラリーを調整した。
【００８０】
上記正極スラリーを、集電体として用いる２０μｍ厚のステンレス箔の片面に塗布し、これを本発明による製造装置１の圧力容器２内に載置して、アルゴンガスにより圧力容器２内をパージし、さらに圧力容器２内をアルゴンガスによって１ＭＰａまで加圧した。
【００８１】
その後、ヒーター６により圧力容器２内を１１０℃まで加熱し、この温度を５時間維持した。
【００８２】
これにより正極スラリーが重合して正極となった。できあがった正極の厚さは４０μｍであった。
【００８３】
（負極形成）
負極活物質としてＬｉＴｉ５Ｏ１２（２８．１％）、導電補助剤としてアセチレンブラック（８．４％）、ポリマーとしてポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合体（４２．１％）、支持塩としてＬｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ（２１．３％）、スラリー粘度材調整溶媒としてＮＭＰ（適量）、重合開始剤としてＡＩＢＮ（ポリマー量に対して１０００ｐｐｍ）を、混合し、負極スラリーを調整した。
【００８４】
上記負極スラリーを、上記正極が既に片面に形成されている集電体（２０μｍ厚のステンレス箔）の正極が形成されていない面に塗布し、これを本発明による製造装置１の圧力容器２内に載置して、アルゴンガスにより圧力容器２内をパージし、さらに圧力容器２内をアルゴンガスによって１ＭＰａまで加圧した。
【００８５】
その後、ヒーター６により圧力容器２内を１１０℃まで加熱し、この温度を５時間維持した。
【００８６】
これにより負極スラリーが重合して負極となった。できあがった負極の厚さは４０μｍであった。
【００８７】
これにより１枚の集電体の両面にそれぞれ正極と負極の形成されたバイポーラ電極ができあがった。
【００８８】
（電池製作）
以上のようにして形成されたバイポーラ電極を用いて、正極に５０μｍ、負極に５０μｍの電解質をそれぞれ塗布して、この電解質を正極と負極で挟みこむようにして単電池を構成し（したがって、電解質の厚さは１００μｍである）、この単電池が５層となるように集電体を積層して、電池要素を製作した。用いた電解質は、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）とポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合体に、ポリマーが有する酸素原子のモル数［Ｏ］と、電解質内に溶解しているリチウムイオンのモル数［Ｌｉ］が、［Ｏ］／［Ｌｉ］＝１６という比になるように、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎを溶解させた固体高分子電解質である。
【００８９】
なお、電池要素の端部集電体のみは、上述した方法により、集電体の片面に正極のみを形成したものと、負極のみを形成したものをそれぞれ用いている。
【００９０】
以上のようにして製作した電池要素の端部集電体に電極タブを取り付けて、ラミネートパックし、バイポーラ電池とした。このバイポーラ電池を実施例と称する。
【００９１】
なお、比較のために、正極および負極の形成において加圧しないで、すなわち大気圧下において加熱のみにより正極スラリーおよび負極スラリーを重合させた電極を用いたバイポーラ電池も製作した。このバイポーラ電池を比較例と称する。
【００９２】
［評価］
充放電試験を行った。試験は、実施例および比較例の電池を、いずれも２１Ｖまで充電し、０．１ＣＡで１２．５Ｖになるまで放電を行った。
【００９３】
試験の結果、正極単位体積当たりの放電容量は、本発明を適用した実施例の電池では、７５ｍＡｈ／ｃｍ３であった。一方、加圧していない電極を用いた比較例の電池においては、４３ｍＡｈ／ｃｍ３であった。
【００９４】
この充放電試験の結果からわかるように、加圧しながら重合させた電極を用いた電池では、単位体積あたりの充放電容量を高くすることができる。また、電極活物質の充填密度が向上することにより、活物質粒子同士の接触がよくなり、電極の内部抵抗が低減し、出力が向上する。
【００９５】
以上説明したように、本発明を適用した第１の実施の形態によれば、バイポーラ電極を加圧下において重合させて形成することにより電極活物質の充填密度を上げることが可能となり、電極の単位体積あたりの出力を向上させることができる。
【００９６】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、上述した第１の実施の形態によるバイポーラ電池を複数個接続した組電池である。
【００９７】
図６は、第３の実施の形態による組電池の斜視図であり、図７は、内部構成を上方から見た図面である。
【００９８】
図示するようにこの組電池５０は、上述した第１の実施の形態によるバイポーラ電池２０（図５参照）を複数個直列に接続したものをさらに並列に接続したものである。バイポーラ電池２０同士は、導電バー５３により各電池の電極２３および２４が接続されている。この組電池５０には電極ターミナル５１および５２が、この組電池５０の電極として組電池５０の一側面に設けられている。
【００９９】
この組電池においては、電池２０を直接に接続しさらに並列に接続する際の接続方法として、超音波溶接、熱溶接、レーザー溶接、リベット、かしめ、電子ビームなどを用いることができる。このような接続方法をとることで、長期的信頼性のある組電池を製造することができる。
【０１００】
本第２の実施の形態による組電池によれば、前述した第１の実施の形態による電池を用いて組電池化することで、同じ大きさの組電池であれば従来より高容量、高出力と得ることができる。
【０１０１】
なお、組電池としてのバイポーラ電池２０の接続は、バイポーラ電池２０を複数個すべて並列に接続してもよいし、また、バイポーラ電池２０を複数個すべて直列に接続してもよい。
【０１０２】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、上述した第２の実施の形態による組電池を複数個接続した組電池モジュールである。
【０１０３】
図８は、第３の実施の形態による組電池モジュールの斜視図である。
【０１０４】
この組電池モジュール６０は、前述した第２の実施の形態による組電池５０を複数個積層し、各組電池５０の電極ターミナル５１、５２を導電バー６１および６２によって接続し、モジュール化したものである。
【０１０５】
このように、組電池５０をモジュール化することによって、電池制御を容易にし、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車などの車搭用として最適な組電池モジュールとなる。そして、この組電池モジュール６０は、上述した組電池を用いたものであるから長期的信頼性の高いものとなる。
【０１０６】
なお、このような組電池モジュールも組電池の１種である。
【０１０７】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、上述した第３の実施の形態による組電池モジュールを搭載し、モータの電源として使用してなる自動車である。組電池モジュールをモータ用電源として用いる自動車としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車である。
【０１０８】
参考までに、図９に、組電池モジュール６０を搭載する自動車１００の概略図を示す。自動車に搭載される組電池モジュール６０は、上記説明した特性を有する。このため、組電池モジュール６０を搭載してなる自動車は高い耐久性を有し、長期間に渡って使用した後であっても充分な出力を提供しうる。
【０１０９】
以上本発明を適用した実施の形態を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施の形態では、バイポーラ電極構造を持つバイポーラ電池の製造を例に説明したが、本発明は、このようなバイポーラ電極の製造に限定されるものではなく集電体の片面にのみ電極を持つタイプのリチウムイオン２次電池の製造にも好適であり、電極の充填密度を向上しその出力を上げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリチウムイオン２次電池の製造装置を説明するための説明図である。
【図２】本発明によるリチウムイオン２次電池の製造方法を説明するための図面である。
【図３】図２に続く、リチウムイオン２次電池の製造方法を説明するための図面である。
【図４】図３に続く、リチウムイオン２次電池の製造方法を説明するための図面である。
【図５】バイポーラ電池の外観を示す斜視図である。
【図６】上記バイポーラ電池を用いた組電池を示す斜視図である。
【図７】上記組電池の内部構成を上方から見た図面である。
【図８】上記組電池を複数接続した電池モジュールを示す斜視図である。
【図９】上記電池モジュールを搭載した自動車を示す図面である。
【符号の説明】
１  製造装置
２  圧力容器
３  ガスボンベ
４  バルブ
５  圧力開放弁
６  ヒーター
１０  集電体
１１  正極スラリー
１１  正極
１２  負極スラリー
１２  負極
１３  電解質
１５  電池要素
２０  バイポーラ電池
２３、２４  電極タブ
５０  組電池
６０  組電池モジュール
１００  自動車
【図１】
2004186061.tif 000003
【図２】
2004186061.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004186061.tif 000006
【図５】
2004186061.tif 000007
【図６】
2004186061.tif 000008
【図７】
2004186061.tif 000009
【図８】
2004186061.tif 000010
【図９】
2004186061.tif 000011