(57)【要約】【課題】軽量化、高エネルギー密度化を図る。【解決手段】負極基材８上に負極活物質層９が形成された負極５と、正極基材１３上に正極活物質層１４が形成された正極６と、非水電解液４とを備え、負極基材８が、ポリマーを含有する負極樹脂膜１１と、導電性金属を含有する負極金属層１２とを有することにより、負極樹脂膜１１が負極基材８を軽量化させ、負極金属層１２が負極基材８に電子伝導性を持たせることから、電池特性を損なうことなく軽量化が図られてエネルギー密度を大きくできる。【選択図】　図１
2004103475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極基材上に負極活物質を有する負極活物質層が形成された負極と、正極基材上に正極活物質を有する正極活物質層が形成された正極と、電解質塩を有する電解質とを備える電池において、
上記負極基材及び／又は上記正極基材は、ポリマーを含有する樹脂層と、導電性金属を含有する金属層とを有していることを特徴とする電池。
【請求項２】
上記樹脂層は、上記ポリマーとしてオレフィン系樹脂、イオウ含有樹脂、窒素含有樹脂、フッ素含有樹脂のうちの一種以上を含有し、
上記金属層は、上記導電性金属として銅、ニッケル、チタン、ステンレス、鉄、アルミニウムのうちの一種以上を含有していることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項３】
上記樹脂層は、一主面から他主面に貫通する貫通孔が一つ以上設けられていることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項４】
上記金属層は、上記樹脂層の両主面上に、互いに電気的に接触するように薄膜形成技術によって成膜されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項５】
上記ポリマーは、真比重が０．９ｇ／ｃｃ以上、１．８ｇ／ｃｃ以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項６】
上記ポリマーは、熱伝導率が３×１０−４ｃａｌ／ｃｍ２・ｓｅｃ・（Ｋ・ｃｍ−１）−１以上であることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項７】
上記負極は、上記負極活物質として炭素質材料を含有し、
上記正極は、上記正極活物質として一般式ＭｘＯｙ（式中Ｍは遷移金属のうちの一種以上であり、ｘ≧１であり、ｙ≧１である。）で示される遷移金属酸化物、一般式ＬｉｘＭｙＯｚ（式中ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉのうちの何れか一種以上であり、ｘ≧１、ｙ≧１、ｚ≧２である。）で示されるリチウム複合酸化物のうちの一種又は複数種を含有していることを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項８】
帯状に形成された上記負極と、帯状に形成された上記正極とが、セパレータを介して長手方向に捲回されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負極、正極、電解質を備え、エネルギー密度が大幅に向上された電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯型電話機、カメラ一体型ＶＴＲ（ｖｉｄｅｏ　ｔａｐｅ　ｒｅｃｏｒｄｅｒ）等の電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度な二次電池の開発が進められている。この高いエネルギー密度を有する二次電池としては、例えば鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等といった水系電解液電池よりも大きなエネルギー密度を有するリチウム二次電池がある。
【０００３】
このリチウム二次電池では、充電時に負極上にリチウムを析出しやすく、充放電の繰り返しにより析出したリチウムがデンドライト状に成長する虞があり、例えば析出したリチウムが不活性となって電池容量を低下させるといった不具合が起こることがある。
【０００４】
このような問題を解決する二次電池として、負極に炭素質材料を用いたリチウムイオン二次電池がある。具体的には、粒状の炭素質材料をバインダーと一緒に押し固めることで形成される負極を用いたリチウムイオン二次電池がある。
【０００５】
このリチウムイオン二次電池は、負極に用いる炭素質材料、例えば黒鉛等の黒鉛層間にリチウムをインターカレーションさせる反応を電池反応に用いている。このため、リチウムイオン二次電池では、負極活物質にリチウムのドープ／脱ドープが可能な炭素質材料が用いられる。これにより、リチウムイオン二次電池では、充電時に負極にリチウムが析出することが抑制されて、優れた電池特性を得ることが可能である。また、このリチウムイオン二次電池においては、負極に用いられる炭素質材料が空気中でも安定なため、電池を生産する際の歩留まりを向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したリチウムイオン二次電池では、水系電解液電池等に比べてエネルギー密度を大きくできるが、近年の電子機器の消費電力の増大に伴い、更なるエネルギー密度の向上が求められている。特に、リチウムイオン二次電池では、携帯型の電子機器等で使用される場合、更なる軽量化、高エネルギー密度化が求められており、軽量化は重要な課題となっている。
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、軽量化、高エネルギー密度化が図られた電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る電池は、負極基材上に負極活物質を有する負極活物質層が形成された負極と、正極基材上に正極活物質を有する正極活物質層が形成された正極と、電解質塩を有する電解質とを備える電池であって、負極基材及び／又は正極基材は、ポリマーを含有する樹脂層と、導電性金属を含有する金属層とを有していることを特徴としている。
【０００９】
この電池では、ポリマーを含有して金属等に比べて真比重が小さい樹脂層が負極基材及び／又は正極基材を大幅に軽量化させ、導電性金属を含有する金属層が負極基材及び／又は正極基材に電子伝導性を持たせる。
【００１０】
これにより、この電池では、負極基材及び／又は正極基材の大幅な軽量化により、電池全体の軽量化を図ることができ、単位重量当たりの電池容量、いわゆるエネルギー密度を大きくできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電池について、図１に示す円筒形のリチウムイオン二次電池（以下、電池と記す。）１を参照にして説明する。この電池１は、非水電解質電池であり、発電要素となる電池素子２が外装缶３に非水電解液４と一緒に封入された構造となっている。
【００１２】
電池素子２は、帯状の負極５と、帯状の正極６とが、帯状のセパレータ７を介して密着状態で巻回された構成となっている。
【００１３】
負極５は、帯状の負極基材８上に、負極活物質を含有する負極活物質層９が形成された構成となっている。そして、負極５には、負極端子１０が負極基材８の所定の位置に、負極基材８の幅方向の一方端部から突出するように接続されている。この負極端子１０には、例えば銅やニッケル等といった導電性金属からなる短冊状金属片を用いる。
【００１４】
負極５において、負極基材８は、例えばポリマーフィルム等からなる負極樹脂膜１１と、導電性金属等からなる負極金属層１２とによって構成されている。
【００１５】
負極５において、負極樹脂膜１１となるポリマーフィルムの材質としては、例えばオレフィン系樹脂、硫黄含有樹脂、窒素含有樹脂、フッ素含有樹脂等が挙げられ、これらのうちの一種又は複数種を化合して用いる。具体的には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、セルローストリアセテート、マイラー、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド等といったポリマーフィルムを用いる。
【００１６】
負極樹脂膜１１に用いられるポリマーフィルムにおいては、真比重を軽くして電池１の単位重量当たりの電池容量、いわゆるエネルギー密度を向上させるために、炭素より大きな元素番号を有する元素の含有率を抑えて、従来の金属箔等からなる負極基材より真比重を小さくさせる。具体的に、ポリマーフィルムの真比重は、０．９ｇ／ｃｃ以上、１．８ｇ／ｃｃ以下の範囲にすることが好ましく、更に好ましくは０．９３ｇ／ｃｃ以上、１．４ｇ／ｃｃ以下の範囲である。ポリマーフィルムにおいては、真比重が上述した範囲から外れると、例えば引っ張り強度、引っ張り弾性、熱伝導率等といった特性で適切な性能を得ることが困難になる。
【００１７】
また、負極樹脂膜１１に用いられるポリマーフィルムでは、電池１を製造する際に、負極基材８が破断することがないように、所定の強さの引っ張り強度が必要となる。具体的に、ポリマーフィルムの引っ張り強度（ＡＳＴＭ：Ｄ６３８）は、０．９ｋｇｆ／ｍｍ２以上が好ましく、更に好ましくは２ｋｇｆ／ｍｍ２であり、最も好ましくは３ｋｇｆ／ｍｍ２である。
【００１８】
さらに、負極樹脂膜１１に用いられるポリマーフィルムでは、負極活物質層９等の充放電に伴う膨張収縮による影響を抑えるために、所定の強さの引っ張り弾性が必要となる。具体的に、ポリマーフィルムの引っ張り弾性（ＡＳＴＭ：Ｄ７９０）は、２０ｋｇｆ／ｍｍ２以上が好ましく、更に好ましくは７０ｋｇｆ／ｍｍ２であり、最も好ましくは１００ｋｇｆ／ｍｍ２である。
【００１９】
以上のような引っ張り強度及び引っ張り弾性を有するポリマーとしては、例えば高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、セルローストリアセテート、マイラー、ポリカーボネート、ポリイミド等が挙げられる。このようなポリマー等からなる負極樹脂膜１１を用いた負極基材８では、電池１の製造時に、破断することが抑制されて、製造歩留まりを向上させるように作用する。
【００２０】
さらにまた、負極樹脂膜１１に用いられるポリマーフィルムでは、電池１を充放電した際に生じる熱等を適切に外部に逃がすために熱伝導率が高い方が好ましい。具体的に、ポリマーフィルムの熱伝導率（ＡＳＴＭ：Ｃ１７７）は、３×１０−４ｃａｌ／ｃｍ２・ｓｅｃ・（Ｋ・ｃｍ−１）−１以上が好ましい。このような熱伝導率を有するポリマーとしては、例えば低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、セルローストリアセテート、マイラー、ポリカーボネート等が挙げられる。
【００２１】
負極基材８における負極金属層１２には、良好な電子伝導性を有し、比較的に軽量な金属であれば使用可能である。具体的には、例えば銅、ニッケル、チタン、ステンレス、鉄、アルミニウム等が挙げられ、これらのうちの一種以上を用いる。なお、負極５においては、負極金属層１２にアルミニウムを用いた場合、電子伝導の効果は最も期待できるが、リチウムと合金化しないように、リチウムと合金化しない金属、例えば銅等で周囲を被覆して露出しないようにさせる必要がある。
【００２２】
そして、この負極金属層１２は、例えば蒸着、スパッタ、電気めっき、無電解めっき等といった薄膜形成技術により、負極樹脂膜１１の主面上に数μｍ程度の厚みに成膜される。これにより、負極金属層１２は、負極基材８の導電性を高めて負極活物質層９に適切に電流が流れるように作用する。
【００２３】
また、負極金属層１２は、負極樹脂膜１１の両主面上に成膜された場合、一主面上の金属膜と他主面上の金属膜とが互いに導通されるように成膜されている。これにより、負極基材８では、両主面上に負極活物質層９が形成された場合でも、両主面上に形成された負極活物質層９に対して適切に電流を流すことができ、負極５の導電性を高めることができる。負極金属層１２は、負極樹脂膜１１の縁端部まで、すなわち負極樹脂膜１１の表面全てを覆うように成膜されることで、負極５の導電性を更に高めるように作用する。
【００２４】
以上のような構成の負極基材８では、負極樹脂膜１１がポリマーフィルム等からなり、従来のような電極基材に金属箔だけ用いた場合に比べ、真比重を大幅に小さくできることから、電池１を軽量化、高エネルギー密度化させることができる。
【００２５】
この負極基材８では、負極樹脂膜１１に用いるポリマーフィルムの引っ張り強度が、従来のような電極基材に金属箔だけを用いた場合に比べ、大幅に大きくなることから、電池１の製造歩留まりを向上できる。
【００２６】
この負極基材８は、負極樹脂膜１１に一主面から他主面に貫通する貫通孔が一つ以上設けることにより、負極樹脂膜１１の両主面上に成膜された負極金属層１２同士の電気的な接触が大きくなり、電子伝導性を高めることができる。
【００２７】
また、この負極基材８は、その厚みが２０μｍ以下になっており、１０μｍ程度の厚みにして用いることが好ましい。負極基材８の厚みが薄すぎると、例えば負極基材８の引っ張り強度等が低下して電池１の製造歩留まりが悪くなる。一方、負極基材８の厚みが２０μｍより厚くなると、電池内部で負極基材８が占める割合が多くなって電池容量を低下させてしまう。したがって、負極基材８では、その厚みが２０μｍ以下にすることにより、電池１の製造歩留まりの低下や、電池容量の低下を防止できる。
【００２８】
負極５において、負極活物質層９は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極基板８の主面上に塗布、乾燥、加圧することにより、負極基材８の主面上に圧縮形成されている。
【００２９】
そして、負極活物質層９に含有される負極活物質には、リチウム、リチウム合金、又はリチウムイオンをドープ／脱ドープできる炭素質材料等が用いられる。具体的に、リチウムのドープ／脱ドープが可能な炭素質材料としては、例えば易黒鉛化性炭素、黒鉛、難黒鉛化性炭素等を挙げることができる。
【００３０】
炭素質材料のうち、難黒鉛化性炭素としては、例えばフルフリルアルコール又はフルフラールのモノポリマやコポリマ、他の樹脂との共重合よりなるフラン樹脂を焼成し、炭素化したものが挙げられる。また、難黒鉛化性炭素は、物性パラメータとして、（００２）面間隔は０．３７ｎｍ以上であり、真密度は１．７０ｇ／ｃｍ３未満であり、空気中での示差熱分析（ＤＴＡ）において７００℃以上に発熱ピークを持たないものが好ましい。上述した物性パラメータを有する難黒鉛化性炭素は、容量の大きい負極活物質となる。
【００３１】
この難黒鉛化性炭素を作製する場合、その出発原料となる有機材料としては、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ハロゲン化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレン）等の共役系樹脂、セルロース及びその誘導体、任意の有機高分子系化合物を使用することができる。
【００３２】
また、特定のＨ／Ｃ原子比を有する石油ピッチに酸素を含む官能基を導入して酸素架橋したものも、上述したフラン樹脂と同様に、温度が４００℃以上である炭素化の過程で溶融することなく、固相状態で最終の難黒鉛化性炭素となる。
【００３３】
ここで、石油ピッチは、コールタール、エチレンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、アスファルトなどより蒸留（例えば、真空蒸留、常圧蒸留、スチーム蒸留である。）、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作によって得られる。このとき、石油ピッチのＨ／Ｃ原子比が重要であり、難黒鉛化炭素とするには、このＨ／Ｃ原子比を０．６〜０．８とする必要がある。
【００３４】
石油ピッチに酸素を含む官能基を導入する手法としては、例えば硝酸や混酸、硫酸、次亜塩素酸等の水溶液による湿式法、酸化性ガス（例えば酸素である。）による乾式法、硫黄や硝酸アンモニア、過硫酸アンモニア、塩化第二鉄等の固体試薬による反応等があげられる。また、石油ピッチの酸素含有率は、特に限定されないが、特開平３−２５２０５３号公報に開示されているように、３％以上であることが好ましく、５％以上であることがより好ましい。この酸素含有率を上述のように制御することにより、最終的に製造される炭素質材料は、（００２）面間隔が０．３７ｎｍ以上となると共に空気中でのＤＴＡが７００℃以上に発熱ピークを持たなくなることから、容量が大きくなる。
【００３５】
また、特願２００１−１９７５９６号公報に記載されるリン、酸素、炭素を主成分とする化合物も難黒鉛化性炭素と同様の物性パラメータを示し、負極活物質として利用可能である。
【００３６】
更に、他のあらゆる有機材料について、酸素架橋処理等によって固相炭素化過程を経て、難黒鉛化性炭素となるのであれば、出発原料として使用可能である。なお、この酸素架橋を行うための処理方法は限定されない。
【００３７】
難黒鉛化性炭素を作製する場合には、上述した有機材料を３００〜７００℃で炭化した後、昇温速度を毎分１〜１００℃、到達温度を９００〜１３００℃、到達温度における保持時間を０〜３０時間として焼成する。なお、場合によっては炭化操作を省略してもよい。
【００３８】
このようにして得られた難黒鉛化性炭素は、粉砕、分級されて負極活物質となる。なお、この粉砕は、炭化、か焼、高温熱処理の前後或いは昇温過程の間等のうち何れで行ってもよい。
【００３９】
炭素質材料のうち、黒鉛としては、天然黒鉛、有機材料を炭素化した後に高温処理された人造黒鉛が挙げられる。
【００４０】
人造黒鉛は、石炭やピッチ等の有機化合物を出発原料として作製される。ピッチとしては、コールタール、エチレンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、アスファルトなどより蒸留（例えば、真空蒸留、常圧蒸留、スチーム蒸留である。）、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作によって得られるものや、木材乾留時に生成するピッチ等もある。なお、ピッチとなる出発原料としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラート、３，５−ジメチルフェノール樹脂等が挙げられる。
【００４１】
また、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、ペリレン、ペンタフェン、ペンタセン等の縮合多環炭化水素化合物及びその他の誘導体（例えばこれらのカルボン酸、カルボン酸無水物、カルボン酸イミド等）或いは混合物、アセナフチレン、インドール、イソインドール、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、フタラジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、フェナントリジン等の縮合複素環化合物及びその他の誘導体等が挙げられる。
【００４２】
人造黒鉛を作製する場合には、先ず、上述した有機材料を窒素等の不活性ガス気流中、３００〜７００℃で炭化した後、不活性ガス気流中、昇温速度を毎分１〜１００℃、到達温度を９００〜１５００℃、到達温度における保持時間を０〜３０時間としてか焼する。（なお、このプロセスまで経たものが、易黒鉛化性炭素材料である。）次に、２０００℃以上、より好ましくは２５００℃以上で熱処理する。なお、場合によっては炭化やか焼操作を省略してもよい。
【００４３】
このようにして得られた人造黒鉛は、粉砕、分級されて負極活物質となる。なお、この粉砕は、炭化、か焼、或いは昇温過程の間等のうち何れで行ってもよい。最終的には、粉末状態で黒鉛化のための熱処理が行われる。
【００４４】
黒鉛の真密度は２．１ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、２．１８ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。このような真密度を得るには、Ｘ線回折法で得られる（００２）面間隔は０．３４ｎｍ未満、より好ましくは０．３３５ｎｍ以上、０．３３７ｎｍ以下の範囲であり、（００２）面のＣ軸結晶子厚みは１４ｎｍ以上であることが必要である。
【００４５】
また、電池のサイクル経過に伴う容量劣化を改善し、電池のサイクル寿命を長寿命化するためには、黒鉛材料の嵩密度及び形状パラメータｘ平均値が重要である。
【００４６】
すなわち、黒鉛は、ＪＩＳＫ−１４６９に記載される方法により測定された嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、０．５ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましく、０．６ｇ／ｃｍ３以上であることが最も好ましい。嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ３以上である黒鉛を含有する負極５は、負極活物質層から負極材料が剥がれ落ちることがなく、電極構造が良好である。従って、このような負極５を有する電池１は、サイクル寿命が延長することになる。
【００４７】
さらに、長いサイクル寿命を得るには、嵩密度が上述した範囲であると共に、一般式ｘ＝（Ｗ／Ｔ）×（Ｌ／Ｔ）で示される形状パラメータｘの平均値が１２５以下である黒鉛を用いることが好ましい。
【００４８】
形状パラメータｘとは、扁平な円柱状或いは直方体状である粉末状の黒鉛において、この黒鉛の最も厚さの薄い部分の厚みをＴとし、長軸方向の長さＬとし、長軸と直交する方向の長さをＷとしたとき、ＬとＷそれぞれをＴで除した値の積ｘである。黒鉛は、形状パラメータｘが小さいほど底面積に対する高さが高く、扁平度が小さい粉末であると言える。
【００４９】
嵩密度が上述の範囲内であって、且つこの平均形状パラメータｘの平均値が１２５以下である黒鉛材料を用いて構成された負極５は、電極構造が良好であり、より長いサイクル寿命が得られる。なお、平均形状パラメータｘの平均値は、２以上、１１５以下の範囲であることがより好ましく、２以上、１００以下の範囲であることがより好ましい。
【００５０】
また、黒鉛は、レーザ回折法により求められる粒度分布において、累積１０％粒径が３μｍ以上であり、累積５０％粒径が１０μｍ以上であり、累積９０％粒径が７０μｍ以下であることが好ましい。特に、黒鉛の累積９０％粒径が６０μｍ以下である場合、初期不良が大きく低減される。
【００５１】
粒度分布に幅を持たせることで、黒鉛を効率的に電極へ充填することが可能となる。また、黒鉛の粒度分布は正規分布に近いことが好ましい。粒径の小さな粒子の分布数が多い場合、過充電等の異常事態に発熱する発熱温度が高くなる虞がある。一方、粒径の大きな粒子の分布数が多い場合、初期充電池に電圧低下等の不良が生じる虞がある。これは、充電に伴い負極５を構成する黒鉛層間にリチウムイオンが挿入されると、この黒鉛の結晶子が約１０％膨張するので、負極５が正極６やセパレータ７を圧迫する可能性があるためである。
【００５２】
したがって、粒径の大きい粒子から小さい粒子までバランスよく配合された粒度分布を有する黒鉛を用いることにより、より高い信頼性を有する電池１が得られる。
【００５３】
また、黒鉛粒子の破壊強度の平均値は６ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることが好ましい。一般に、結晶性が高い黒鉛はａ軸方向に黒鉛六角網面が発達しており、その積み重なりによってｃ軸の結晶子が成り立っている。しかし、炭素六角面同士の結合はファンデルワールス力という弱い結合であるため、応力に対して変形しやすい。そのため、黒鉛を圧縮成形して電極に充填する際に、低温で焼成された炭素質材料よりも潰れやすく、空孔を確保することが難しい。炭素質材料においては、空孔に非水電解液４を保持するので、空孔が多く存在するほど非水電解液４も十分に存在し、放電時におけるイオン拡散が良好となる。
【００５４】
言い換えると、黒鉛粒子の破壊強度の平均値は６ｋｇｆ／ｍｍ２以上であることにより、黒鉛は空孔を十分に確保することができ、非水電解液４を十分に保持することができる。したがって、このような黒鉛を用いた電池１では、負極５でのイオン拡散が良好となるので、負荷特性が向上する。
【００５５】
また、負極活物質として、炭素材料成型体を熱処理して黒鉛化した黒鉛化成型体を粉砕、分級して用いることが好ましい。この黒鉛化成型体は、上述した黒鉛と比較すると嵩密度がより高く、破壊強度がより高い。
【００５６】
黒鉛化成型体は、フィラーとなるコークスと、成型剤或いは焼結剤としてのバインダーピッチとを混合してバインダーピッチを炭素化した後、ピッチを含浸して炭素化し、さらに黒鉛化されて得られる。また、フィラー自身に成形性、焼結性を付与した原料を用い、同様の黒鉛化成型体を得ることが可能である。
【００５７】
また、フィラーとなるコークスとバインダーピッチとからなるため、黒鉛化後に多結晶対となり、且つ原料に硫黄や窒素といった元素を含み熱処理時にガスとなって発生するため、その通り道としてのミクロな空孔を含み、負極材料としてのリチウムイオンのドープ／脱ドープを行いやすい。さらに、工業的に処理効率が高いという利点もある。
【００５８】
炭素質材料のうち、易黒鉛化性炭素は、上述のように人造黒鉛と同様の出発原料から作製される。石炭やピッチは、炭素化の途中、最高４００℃程度において液状として存在し、その温度で保持することで芳香族環同士が縮合して多環化し、積層配向した状態となる。その後、５００℃以上の温度になると、固体の炭素前駆体、即ちセミコークスを形成する。このような過程は、易黒鉛化性炭素の典型的な生成過程であり、液相炭化過程と呼ぶ。
【００５９】
負極５においては、負極活物質層９に、上述した炭素質材料等の他に、負極活物質としてリチウムのドープ／脱ドープが可能な金属や、金属化合物等を含有させることもできる。
【００６０】
炭素質材料以外の負極活物質としては、例えばリチウムと合金化可能な金属元素をＭとしたときにＭｘＭ’ｙＬｉｚ（Ｍ’はＬｉ元素及びＭ元素以外の金属元素であり、ｘは０より大きな数値であり、ｙ及びｚは０以上の数値である。）の化学式で示される金属化合物等を用いる。この化学式で示される金属化合物においては、例えば半導体元素であるＢ、Ｓｉ、Ａｓ等もリチウムと合金化可能な金属元素として用いてもよい。具体的に、負極活物質としては、例えばＭｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ａｓ等の金属元素及びこれらの金属元素を含有する金属化合物、Ｌｉ−Ａｌ、Ｌｉ−Ａｌ−Ｍ（Ｍは２Ａ族、３Ｂ族、４Ｂ族の遷移金属元素のうち何れか一種又は複数種である。）、ＡｌＳｂ、ＣｕＭｇＳｂ等を用いる。
【００６１】
特に、リチウムと合金化可能な金属元素には、３Ｂ族典型元素が好ましく、これらの中でもＳｉ、Ｓｎが好ましく、更にはＳｉを用いることが好ましい。具体的には、ＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（ＭはＳｉ、Ｓｎ以外の一種以上の元素であり、ｘは０以上の数値である。）の化学式で示されるＳｉ化合物、Ｓｎ化合物等として例えばＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２等が挙げられ、これらのうちの何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００６２】
また、負極活物質層９には、上述した炭素質材料、金属、金属化合物等の他に、リチウムと合金化しない金属、例えばＣｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ等、これらの金属を含有する化合物等を含有させることも可能である。さらに、負極活物質層９には、上述した炭素質材料、金属、金属化合物等の他に、例えば金属酸化物等を含有させることも可能である。金属酸化物としては、遷移金属を含む酸化物が好適であり、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズ、酸化硅素等を主体とする結晶化合物或いは非晶質化合物が挙げられる。特に、負極活物質層９に含有させる場合、充放電電位が金属リチウムに近い化合物が好ましい。
【００６３】
なお、負極５において、負極活物質層９に用いられる結着剤としては、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知の樹脂材料からなる結着剤を用いることができ、具体的にはポリフッ化ビニリデンやスチレンブタジエンゴム等を用いる。
【００６４】
正極６は、帯状の正極基材１３上に、正極活物質を含有する正極活物質層１４が形成された構成となっている。そして、正極６には、正極端子１５が正極基材１３の所定の位置に、正極基材１３の幅方向の一方端部から突出するように接続されている。この正極端子１５には、例えばアルミニウム等といった導電性金属からなる短冊状金属片を用いる。
【００６５】
正極６において、正極基材１３は、例えばポリマーフィルム等からなる正極樹脂膜１６と、導電性金属等からなる正極金属層１７とによって構成されている。
【００６６】
正極６において、正極樹脂膜１６となるポリマーフィルムの材質としては、上述した負極樹脂膜１１と同様の例えばオレフィン系樹脂、硫黄含有樹脂、窒素含有樹脂、フッ素含有樹脂等を用いる。このため、正極６では、正極樹脂膜１６の例えば真比重、引っ張り強度、引っ張り弾性、熱伝導率等といった特性が上述した負極樹脂膜１６と同様となり、電池１の軽量化、高エネルギー密度化が図れると共に、製造歩留まりを向上させることができる。
【００６７】
正極基材１３における正極金属層１７には、上述した負極金属層１２と同様に、良好な電子伝導性を有し、比較的に軽量な金属、具体的には例えば銅、ニッケル、チタン、ステンレス、鉄、アルミニウム等を用いる。特に、正極金属層１７には、電子伝導性を大きくできるアルミニウムを用いることが好ましい。
【００６８】
そして、この正極金属層１７は、例えば蒸着、スパッタ、電気めっき、無電解めっき等といった薄膜形成技術により、正極樹脂膜１６の主面上に数μｍ程度の厚みに成膜される。これにより、正極金属層１７は、正極基材１３の導電性を高めて正極活物質層１４に適切に電流が流れるように作用する。
【００６９】
また、正極金属層１７は、正極樹脂膜１６の両主面上に成膜された場合、一主面上の金属膜と他主面上の金属膜とが互いに導通されることで、正極基材１３の両主面上に形成された正極活物質層１４に対して適切に電流を流すことができ、正極６の導電性を高めることができる。
【００７０】
このような構成の正極基材１３では、正極樹脂膜１６がポリマーフィルム等からなり、負極樹脂膜１１と同様に、真比重を大幅に小さくできることから、電池１を軽量化、高エネルギー密度化させることができる。
【００７１】
また、この正極基材１３は、正極樹脂膜１６に一主面から他主面に貫通する貫通孔を一つ以上設けることにより、正極樹脂膜１６の両主面上に成膜された正極金属層１７同士の電気的な接触が大きくなり、電子伝導性を高めることができる。
【００７２】
さらに、この正極基材１３では、上述した負極基材８と同様に、その厚みが５μｍ以上、２０μｍ以下の範囲になっていることにより、電池１の製造歩留まりの低下や、電池容量の低下を防止できる。
【００７３】
正極６において、正極活物質層１４は、正極活物質と導電材と結着剤とを含有する正極合剤塗液を正極基板１３の主面上に塗布、乾燥、加圧することにより、正極基材１３の主面上に圧縮形成されている。なお、この正極６においては、正極活物質層１４に含有される結合剤として、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知の樹脂材料を用いることができる。具体的には、結合剤として例えばポリフッ化ビニリデン等を用いる。また、正極６においては、正極活物質層１４に含有される導電材として、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知のものを用いることができる。具体的には、導電材として例えばカーボンブラック、グラファイト等を用いる。
【００７４】
この正極６において、正極活物質層１４に含有される正極活物質としては、例えば酸化物、硫化物、窒化物、珪素化合物、リチウム含有化合物、複合金属化合、合金等を用いることができる。
【００７５】
具体的に、正極活物質としては、負極５側が十分な量のリチウムを有している場合、例えば一般式ＭｘＯｙ（式中Ｍは遷移金属の一種以上である。）で示される複合遷移金属酸化物を用いる。また、正極活物質としては、負極５側が十分な量のリチウムを有していない場合、例えば一般式ＬｉＭＯ２（式中ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉのうちの何れか一種又は複数種の化合物である。）等で示されるリチウム複合酸化物等を用いる。リチウム複合酸化物としては、例えばＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉｘＮｉｙＣｏ１−ｙＯ２（ｘ、ｙは電池の充放電状態によって異なり、通常０＜ｘ＜１、０．７＜ｙ＜１．０２である。）や、ＬｉＭｎ２Ｏ４等で示されるスピネル型リチウム・マンガン複合酸化物等が挙げられる。
【００７６】
電池素子２において、セパレータ７は、負極５と正極６とを離間させるものであり、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。具体的には、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータ７の厚みはできるだけ薄い方が好ましく、その厚みを３０μｍ以下にして用いる。
【００７７】
外装缶３は、例えば有底筒状容器であり、底面が円状等の形状を有している。外装缶３は、円状を呈する底面を備えていることに限定されることはなく、例えば矩形状、扁平円状等の底面を有する有底筒状容器も適用可能である。また、外装缶３は、負極５と導通する場合、例えば鉄、ステンレス、ニッケル等といった導電性金属で形成される。外装缶３は、例えば鉄等で形成された場合、防錆や導電性向上のために、その表面にはニッケルめっき等が施されることになる。
【００７８】
非水電解液４は、例えば非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水溶液である。非水電解液４において、非水溶媒には、電解質塩の溶解能力の高い高誘電率溶媒を主溶媒として用いることが前提となるが、例えば電解質イオンの輸送能力の高い低粘度溶媒等を添加した混合溶媒も使用可能である。
【００７９】
高誘電率溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、スルホラン類、ブチロラクトン類、バレロラクトン類等があげられる。低粘度溶媒としては、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート等の対称或いは非対称の鎖状炭酸エステル等が挙げられる。これらの非水溶媒は、１種類を単独で用いても良いし、２種類以上を混合して用いても良い。
【００８０】
なお、非水溶媒の主溶媒としてＰＣと負極活物質として黒鉛類と組み合わせて使用した場合、ＰＣは黒鉛類より分解される虞があり、電池容量が減少する可能性がある。このため、負極活物質として黒鉛類を用いる場合には、非水溶媒の主溶媒として、黒鉛類により分解されにくいＥＣ又はＥＣの水素原子をハロゲン元素で置換した構造の化合物を用いる。
【００８１】
また、この場合、黒鉛類により分解されにくいＥＣ又はＥＣの水素原子をハロゲン元素で置換した構造の化合物の一部を第２成分溶媒で置換することにより、良好な電池特性が得られる。この第２成分溶媒としては、ＰＣ、ＢＣ、ＶＣ、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、バレロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、スルホラン、メチルスルホラン等が挙げられる。特に、ＰＣ、ＢＣ、ＶＣ等の炭酸エステル系溶媒を用いることが好ましく、その添加量は１０ｖｏｌ％未満であることが好ましい。
【００８２】
非水電解液４において、電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等が挙げられ、これらのうちの一種又は複数種を混合して用いる。
【００８３】
以上のような構成の電池１は、次のようにして製造される。先ず、負極５における負極基板８を作製する。負極基板８を作製する際は、上述したポリマーフィルムからなる負極樹脂膜１１の主面上に、薄膜形成技術により上述した導電性金属を成膜することで負極金属層１２が成膜される。このようにして、負極基材８を作製する。
【００８４】
次に、負極５における負極活物質層９を作製する。負極活物質層９を作製する際は、上述した負極活物質と、結着剤とを含有する負極合剤塗液を調製し、この負極合剤塗液を負極基材８の主面上に均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで負極活物質層９を形成する。
【００８５】
そして、以上のようにして形成された負極基材８及び負極活物質層９は、一括して所定の寸法に裁断され、負極基材８には、所定の位置に負極端子１０が例えば超音波溶接等で取り付けられる。このようにして、長尺状の負極５が作製される。
【００８６】
次に、正極６における正極基板１３を作製する。正極基板１３を作製する際は、上述したポリマーフィルムからなる正極樹脂膜１６の主面上に、薄膜形成技術により上述した導電性金属を成膜することで正極金属層１７が成膜される。このようにして、正極基材１３を作製する。
【００８７】
次に、正極６における正極活物質層１４を作製する。正極活物質層１４を作製する際は、上述した正極活物質と、導電材と、結着剤とを含有する正極合剤塗液を調製し、この正極合剤塗液を正極基材１３の主面上に均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで正極活物質層１４を形成する。
【００８８】
そして、以上のようにして形成された正極基材１３及び正極活物質層１４は、一括して所定の寸法に裁断され、正極基材１３には、所定の位置に正極端子１５が例えば超音波溶接等で取り付けられる。このようにして、長尺状の正極６が作製される。
【００８９】
次に、負極５と正極６とを、長尺状のセパレータ７を介して積層し、多数回捲回することにより電池素子２を作製する。このとき、電池素子２は、軸方向の一端面から負極端子１０が、他端面から正極端子１５が突出するように捲回された構成になっている。
【００９０】
次に、電池素子２の両端面に絶縁板１８ａ、１８ｂを設置し、さらに電池素子２を外装缶３に収納する。そして、負極５の集電をとるために、負極端子１０の電池素子２より突出している部分を外装缶３の底部等に溶接する。これにより、外装缶３は、負極５と導通することとなり、電池１の外部負極となる。また、正極６の集電をとるために、正極端子１５の電池素子２より突出している部分を電流遮断用薄板１９に溶接する。これにより、正極端子１５は、電流遮断用薄板１９を介して電池蓋２０と電気的に接続されることになる。この電池蓋２０は、正極６導通することとなり、電池１の外部正極となる。なお、電流遮断用薄板１９は、電池内圧に応じて電流を遮断するものである。
【００９１】
次に、電池素子２が収納されている外装缶３の中に非水電解液４を注入する。この非水電解液４は、上述した電解質塩を、上述した非水溶媒に溶解させて調製される。次に、アスファルトと塗布したガスケット２１を介して外装缶３の開口部をかしめることにより電池蓋２０が固定されて電池１が作製される。
【００９２】
なお、この電池１においては、捲回された電池素子２の捲きがゆるむことを防ぐ粘着テープ２２や、電池内部の圧力が所定値よりも高くなったときに内部の気体を抜くための安全弁２３等が設けられている。
【００９３】
このようにして製造される電池１では、負極５及び正極６において、ポリマーフィルム等からなる負極樹脂膜１１及び正極樹脂蔵１６の真比重を、従来のような電極基材に金属箔だけ用いた場合に比べて大幅に小さくできることから、大幅な軽量化が可能であり、単位重量当たりの電池容量、いわゆるエネルギー密度を大きくできる。
【００９４】
したがって、この電池１は、例えば携帯型の電子機器等の軽量且つ高容量な電源として、幅広く用いることが可能である。
【００９５】
以上の例では、非水電解液４を用いた電池１について説明しているが、このことに限定されることはなく、非水電解液４の代わりに例えば無機固体電解質、高分子固体電解質、ゲル状電解質等を用いた場合も適用可能である。無機固体電解質としては、例えば窒化リチウム、ヨウ化リチウム等が挙げられる。
【００９６】
高分子固体電解質は、例えば上述した電解質塩と、電解質塩を含有することでイオン導電性が賦与される高分子化合物とからなる。高分子固体電解質に用いる高分子化合物としては、例えばシリコン、ポリエーテル変性シロキサン、ポリアクリル、ポリアクリロニトリル、ポリフォスファゼン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、及びこれらの複合ポリマー、架橋ポリマー、変性ポリマー等、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル−ブタジエンスチレンゴム、アクリロニトリル−塩化ポリエチレン−プロピレン−ジエン−スチレン樹脂、アクリロニトリル−塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−メタアクリレート樹脂、アクリロニトリル−アクリレート樹脂、ポリエチレンオキサイドの架橋体といったエーテル系高分子等が挙げられ、これのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００９７】
また、高分子固体電解質に用いる高分子化合物としては、例えばアクリロニトリルと、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、イタコン酸、水酸化メチルアクリレート、水酸化エチルアクリレート、アクリルアミド、塩化ビニル、フッ化ビニリデン等のうちの何れか一種以上とを共重合させた共重合体、ポリ（ビニリデンフルオロライド）、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−テトラフルオロエチレン）、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−トリフルオロエチレン）といったフッ素系ポリマー等も挙げられ、これらのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００９８】
ゲル状電解質は、上述した非水電解液４と、非水電解液４を吸収してゲル化するマトリックス高分子とからなる。ゲル状電解質に用いるマトリックス高分子としては、例えば上述した高分子化合物のうちで非水電解液４を吸収してゲル化するものであれば用いることが可能である。具体的に、マトリックス高分子としては、例えばポリ（ビニリデンフルオロライド）やポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）等のフッ素系高分子、ポリ（エチレンオキサイド）やこれの架橋体等のエーテル系高分子、ポリ（アクリロニトリル）等が挙げられ、これらのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。特に、マトリックス高分子には、酸化還元安定性が良好なフッ素系高分子を用いることが好ましい。
【００９９】
また、上述した実施の形態においては、円筒形の電池１を例に挙げて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えばコイン型、角型、ボタン型等、外装材に金属製容器等を用いた電池、薄型等、外装材にラミネートフィルム等を用いた電池等、種々の形状や大きさした電池にも適用可能である。
【０１００】
さらに、上述した実施の形態においては、非水電解液を用いた非水電解質電池である電池１を例に挙げて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えば水系電解液一次電池、水系電解液二次電池、非水電解液一次電池等にも適用可能である。
【０１０１】
【実施例】
以下、本発明を適用した電池としてリチウムイオン二次電池を実際に作製したサンプルについて説明する。
【０１０２】
〈サンプル１〜サンプル１１〉
サンプル１〜サンプル１１は、負極における負極樹脂膜として表１に示すようなポリマーフィルムを用いて作製されたものである。
【０１０３】
【表１】
2004103475.tif 000003
【０１０４】
そして、以下に、サンプル１〜サンプル１１となるリチウムイオン二次電池の製造方法を具体的に説明する。
【０１０５】
リチウムイオン二次電池を製造する際は、先ず、負極における負極基板を作製する。負極基板を作製する際は、表１に示した各種ポリマーフィルムからなる厚み１３μｍの１２種類の負極樹脂膜の両主面上に、めっき処理によりＣｕ層を片面当たり１μｍの厚みに成膜することで負極金属層をそれぞれ形成させた。このようにして、厚みが１５μｍとなるようにされたサンプル１〜サンプル１１の負極基材を作製した。
【０１０６】
次に、負極活物質となる黒鉛粉末を作製した。黒鉛粉末を作製する際は、フィラーとなる石油ピッチコークスに石炭ピッチを混合した後に、１５０℃に加熱して加圧成型した。そして、この成型体を不活性ガス雰囲気中３００℃で熱処理し、７００℃まで昇温させた後に、粉砕、分級して不活性ガス雰囲気中１０００℃で熱処理し、黒鉛前駆体を得た。そして、この黒鉛前駆体を不活性ガス雰囲気中１０００℃で熱処理した。このようにして、黒鉛粉末を作製した。
【０１０７】
次に、サンプル１〜サンプル１１にそれぞれ用いられる負極を作製した。各負極を作製する際は、以上のようにして得られた黒鉛粉末を９０重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶｄＦと記す。）を１０重量部とをＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと記す。）に均質に分散させて負極合剤塗液を得た。そして、得られた負極合剤塗液を、各負極基材の両主面上に均一に塗布、乾燥した後に、ロールプレス機で圧縮して負極活物質層を形成した。このようにして得られた負極活物質層を、負極基材と一括して所定の寸法に裁断し、負極基材の所定の位置に負極端子を取り付けた。以上のようにして、長尺状のサンプル１〜サンプル１１で用いられる負極をそれぞれ作製させた。
【０１０８】
次に、正極活物質となるリチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を合成した。このＬｉＣｏＯ２を合成する際は、炭酸リチウムと炭酸コバルトとを０．５モル対１モルの比率となるように混合し、空気雰囲気中９００℃で５時間焼成した。このようにしてＬｉＣｏＯ２を合成した。次に、得られたＬｉＣｏＯ２を粉砕し、分級することでＬｉＣｏＯ２粉末を作製した。
【０１０９】
次に、正極を作製した。この正極を作製する際は、以上のようにして得られたＬｉＣｏＯ２粉末を９１重量部と、導電材としてグラファイトを６重量部と、結着剤としてＰＶｄＦを３重量部とをＮＭＰに均質に分散させて正極合剤塗液を得た。次に、得られた正極合剤塗液を、正極基材となる厚み２０μｍのアルミニウム箔上に均一に塗布、乾燥した後に、ロールプレス機で圧縮して正極活物質層を形成した。このようにして得られた正極活物質層を、正極基材と一括して所定の寸法に裁断し、正極基材の所定の位置に正極端子を取り付けた。以上のようにして、長尺状の正極を作製させた。
【０１１０】
次に、電池素子を作製するのに、得られた負極及び正極との間に厚み２３μｍの多孔質ポリエチレンフィルムよりなるセパレータを介して積層体とし、この積層体を長手方向に多数回捲回した。このようにして、サンプル１〜サンプル１１で用いられる外径が１８ｍｍの電池素子を作製した。このとき、得られた各電池素子では、捲回軸方向の一方端面から負極端子が、他方端面から正極端子が導出するようにした。
【０１１１】
次に、作製された各電池素子から導出している負極端子を鉄にニッケルメッキを施した外装缶に、正極端子を電池蓋にそれぞれ溶接するとともに、各電池素子を外装缶にそれぞれ収納した。
【０１１２】
次に、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積混合比が１対１の混合溶媒に対してＬｉＰＦ６が１モル／リットルとなるように溶解させた非水電解液を作製した。次に、この非水電解液を外装缶内に注入し、アスファルトを塗布したガスケットを介して外装缶の開口部に電池蓋を圧入して外装缶の開口部をかしめることによりで電池蓋を強固に固定した。
【０１１３】
以上のようにして直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒形のサンプル１〜サンプル１１となるリチウムイオン二次池をそれぞれ１０個づつ作製した。なお、以下の説明では、便宜上、リチウムイオン二次電池のことを単に電池を称する。
〈サンプル１２〉
サンプル１２では、負極基材に厚みが１５μｍの銅箔を用いたこと以外は、サンプル１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１１４】
そして、以上のように作製したサンプル１〜サンプル１２の電池について、電池重量、放電容量、エネルギー密度を測定した。
【０１１５】
以下、これらの各サンプルにおける、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度の評価結果を表２に示す。
【０１１６】
【表２】
2004103475.tif 000004
【０１１７】
なお、サンプル１〜サンプル１２においては、初回放電容量を以下のようにして測定した。各サンプルの電池に対し、充電電流１Ａ、上限電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電を４時間行い、２時間放置した後に、放電電流１Ａで２．５Ｖまでの定電流放電を行い、初回放電容量を測定した。また、エネルギー密度は、単位重量当たりの初回放電容量を示している。なお、電池重量、初回放電容量は、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１１８】
表２に示す評価結果から、負極基板の負極樹脂膜としてポリマーフィルムを用いたサンプル１〜サンプル１１では、負極基板が銅箔だけで構成されたサンプル１２に比べ、電池重量が軽く、エネルギー密度が大きくなっていることがわかる。
【０１１９】
サンプル１２では、負極基板が銅箔だけで構成されており、負極基板の真比重が負極樹脂膜を複合した場合に比べて大きいことから、電池重量が重くなってしまう。これにより、サンプル１２では、初回放電容量が他のサンプルと同等であっても、単位当たりの電池容量、すなわちエネルギー密度が小さくなる。
【０１２０】
一方、サンプル１〜サンプル１１では、負極基材がポリマーフィルムからなる負極樹脂膜と、銅薄膜からなる負極金属層との複合体であり、負極樹脂膜の比重が銅箔に比べて小さいことから、電池重量を大幅に軽くできる。したがって、サンプル１〜サンプル１１では、電池重量が重いサンプル１２に比べてエネルギー密度を大きくできる。
【０１２１】
次に、負極樹脂膜と負極金属層との複合材を負極基材に用いた場合の電池重量と、電流の流れ易さとの関係を確認するために、上述したサンプル３とは、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率を変えて作製したサンプル１３〜サンプル１７の電池について説明する。なお、サンプル３は、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が０．１５４になっている。
【０１２２】
〈サンプル１３〉
サンプル１３では、負極基材を作製する際に、厚みが１４．８μｍの負極樹脂膜の両主面上に、負極金属層を０．１μｍの厚みに成膜させ、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が０．０１４となる負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル３と同様にして電池を１０個作製した。
【０１２３】
〈サンプル１４〉
サンプル１４では、負極基材を作製する際に、厚みが１４．５μｍの負極樹脂膜の両主面上に、負極金属層を０．５μｍの厚みに成膜させ、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が０．０７１となる負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル３と同様にして電池を１０個作製した。
【０１２４】
〈サンプル１５〉
サンプル１５では、負極基材を作製する際に、厚みが９μｍの負極樹脂膜の両主面上に、負極金属層を６μｍの厚みに成膜させ、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が０．６６７となる負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル３と同様にして電池を１０個作製した。
【０１２５】
〈サンプル１６〉
サンプル１６では、負極基材を作製する際に、厚みが５μｍの負極樹脂膜の両主面上に、負極金属層を１０μｍの厚みに成膜させ、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が２となる負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル３と同様にして電池を１０個作製した。
【０１２６】
〈サンプル１７〉
サンプル１７では、負極基材を作製する際に、厚みが１４μｍの負極樹脂膜の両主面上に、負極金属層を１μｍの厚みに成膜させ、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率が１４となる負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル３と同様にして電池を１０個作製した。
【０１２７】
そして、以上のように作製したサンプル１３〜サンプル１７の電池について、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率を測定した。
【０１２８】
以下、これらの各サンプルにおける、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率の評価結果を表３に示す。
【０１２９】
【表３】
2004103475.tif 000005
【０１３０】
なお、サンプル１３〜サンプル１７において、初回放電容量、エネルギー密度は、上述したサンプル１と同様にして測定した。また、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、以下のようにして求めた。サンプル１３〜サンプル１７の電池を、上述した充電条件で充電し、２時間放置した後に、放電電流値を３Ｃ程度となるように設定し、２．５Ｖまでの定電流放電を行い、３Ｃ放電時の放電容量を測定した。そして、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、初回放電容量に対する３Ｃ放電時の放電容量の比率である。なお、電池重量、初回放電容量、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１３１】
表３に示す評価結果から、負極金属層と負極樹脂膜との厚みの比率を変えて作製したサンプル１３〜サンプル１７では、負極金属層の厚みが厚くなると、３Ｃ放電時の放電容量維持率が大きくなり、負極樹脂層の厚みが厚くなると、電池重量が軽くなってエネルギー密度が大きくなることがわかる。
【０１３２】
すなわち、負極金属層の厚みが厚くなった場合、負極基材の導電性を高める負極金属層の割合が多くなり、負極の電子伝導性を高めることから、大電流が流れた際の電池容量の低下が抑制される。一方、負極樹脂膜の厚みが厚くなると、金属に比べて真比重が小さい負極樹脂膜の割合が多くなることから、電池重量を軽くでき、エネルギー密度が大きくなる。
【０１３３】
次に、負極樹脂膜と負極金属層との複合材からなる負極基材に貫通孔を設けた場合の電池特性を確認するために、上述したサンプル１０と同様の電池における負極基材に一個以上貫通孔を設けて作製したサンプル１８〜サンプル２３の電池について説明する。
【０１３４】
〈サンプル１８〉
サンプル１８では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を１個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１３５】
〈サンプル１９〉
サンプル１９では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を２個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１３６】
〈サンプル２０〉
サンプル２０では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を１０個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１３７】
〈サンプル２１〉
サンプル２１では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を８０個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１３８】
〈サンプル２２〉
サンプル２２では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を１２００個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１３９】
〈サンプル２３〉
サンプル２３では、負極基材の所定の位置に直径１ｍｍの貫通孔を５０００個設けたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１４０】
そして、以上のように作製したサンプル１８〜サンプル２３の電池について、電池重量、放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率を測定した。
【０１４１】
以下、これらの各サンプルにおける、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率の評価結果を表４に示す。
【０１４２】
【表４】
2004103475.tif 000006
【０１４３】
なお、サンプル１８〜サンプル２３において、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、上述したサンプル１３と同様にして測定した。なお、電池重量、初回放電容量、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１４４】
表４に示す評価結果から、負極基材に設けられる貫通孔の数を変えて作製したサンプル１８〜サンプル２３では、貫通孔の数が多くなると、３Ｃ放電時の放電容量維持率が大きくなり、貫通孔の数が少なくなると、電池重量が軽くなってエネルギー密度が大きくなることがわかる。
【０１４５】
すなわち、負極基材における貫通孔の数が多くなった場合、負極樹脂膜の両主面に成膜された負極金属層が互いに接触する電気的な繋がりが大きくなって負極の電子伝導性を高めることから、大電流が流れた際の電池容量の低下が抑制される。一方、負極基材における貫通孔の数が少なくなった場合、貫通孔が、負極樹脂膜より真比重が大きい負極活物質を含有する負極活物質層で埋まる確率が低いことから、電池重量を軽くでき、エネルギー密度が大きくなる。
【０１４６】
次に、負極基材おける負極金属層の材質の違いによる電池特性を確認するために、上述したサンプル１０とは、負極金属層の材質を変えて作製したサンプル２４〜サンプル２８の電池について説明する。
【０１４７】
〈サンプル２４〉
サンプル２４では、負極基材における負極金属層としてＮｉをスパッタ法で成膜させたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１４８】
〈サンプル２５〉
サンプル２５では、負極基材における負極金属層としてＦｅをスパッタ法で成膜させたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１４９】
〈サンプル２６〉
サンプル２６では、負極基材における負極金属層としてＳＵＳ３０４をスパッタ法で成膜させたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１５０】
〈サンプル２７〉
サンプル２７では、負極基材における負極金属層としてＴｉをスパッタ法で成膜させたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１５１】
〈サンプル２８〉
サンプル２８では、負極基材における負極樹脂膜の両主面上にＡｌを片面当たり０．５μｍづつスパッタ法で成膜した後に、Ａｌ層を覆うようにＣｕを片面当たり０．５μｍづつスパッタ法で成膜させることで負極金属層を形成したこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１５２】
そして、以上のように作製したサンプル２４〜サンプル２８の電池について、電池重量、放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率を測定した。
【０１５３】
以下、これらの各サンプルにおける、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率の評価結果を表５に示す。
【０１５４】
【表５】
2004103475.tif 000007
【０１５５】
なお、サンプル２４〜サンプル２８において、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、上述したサンプル１３と同様にして測定した。なお、電池重量、初回放電容量、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１５６】
表５に示す評価結果から、負極基材おける負極金属層の材質を変えて作製したサンプル２４〜サンプル２８では、負極金属層に導電性金属を用いれば負極の電子伝導性が高められて３Ｃ放電時の放電容量維持率を大きくできることがわかる。
【０１５７】
また、サンプル２７や、サンプル２８のように、真比重が小さいＴｉやＡｌを負極金属層に含有させることによって、更に電池重量を軽くすることができ、エネルギー密度を大きくできる。
【０１５８】
次に、上述したサンプル１０とは、負極樹脂膜の厚みを変えることで負極基材全体の厚みをかえた作製したサンプル２９及びサンプル３０の電池について説明する。
【０１５９】
〈サンプル２９〉
サンプル２９では、負極基材を作製する際に、負極樹脂層の厚みが８μｍの負極樹脂層を用いること以外は、サンプル１０と同様にして厚みが１０μｍの負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１６０】
〈サンプル３０〉
サンプル３０では、負極基材を作製する際に、負極樹脂層の厚みが３μｍの負極樹脂層を用いること以外は、サンプル１０と同様にして厚みが５μｍの負極基材を作製した。そして、この負極基材を用いたこと以外は、サンプル１０と同様にして電池を１０個作製した。
【０１６１】
そして、サンプル１０、サンプル２９及びサンプル３０の電池について、放電容量、良品率を測定した。
【０１６２】
以下、これらの各サンプルにおける、初回放電容量、良品率の評価結果を表６に示す。
【０１６３】
【表６】
2004103475.tif 000008
【０１６４】
なお、サンプル１０、サンプル２９及びサンプル３０において、初回放電容量は、上述したサンプル１３と同様にして測定した。なお、初回放電容量、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１６５】
また、良品率は、以下のようにして求めた。各サンプルを上述した充放電条件で充放電した際の放電までの２時間放置で、電圧降下が０．０２Ｖ以上となったものを不良品とした。そして、良品率は、各サンプル１０個に対する良品数の比率である。
【０１６６】
表６に示す評価結果から、負極基板の厚みが１０μｍより厚いサンプル１０及びサンプル２９では、負極基板の厚みが５μｍであるサンプル３０に比べ、良品率が大幅に大きくなっていることがわかる。
【０１６７】
サンプル３０では、負極基板の厚みが薄すぎて、負極基材の引っ張り強度等といった機械的な強度が低下することから、電池を作製する際に負極基板が破断してしまい、電池特性が低下する。
【０１６８】
これに対し、サンプル１０及びサンプル２９では、負極基材の厚みが適切であり、負極基材の機械的な強度の低下による電池特性の劣化が抑制される。また、サンプル２９では、負極基材の厚みが１０μｍであり、サンプル１０の負極基材よりも薄いことから、その分、負極活物質層を厚くすることが可能となり、電池容量を大きくできる。
【０１６９】
次に、正極樹脂膜と正極金属層との複合材を正極基材に用いた場合の電池重量と、電流の流れ易さとの関係を確認するために、負極基材に銅箔を用い、正極基材に正極樹脂膜と正極金属層との複合材を用いて作製したサンプル３１及びサンプル３６の電池について説明する。
【０１７０】
〈サンプル３１〉
サンプル３１では、負極を作製する際に、負極基材に厚みが１５μｍの銅箔を用いたこと以外は、サンプル１と同様にして負極を作製した。また、正極を作製する際に、マイラーからなる厚み１９．８μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層として蒸着処理によりＡｌ層を片面当たり０．１μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が０．０１０となる正極基材を用いたこと以外は、サンプル１と同様にして正極を作製した。そして、これらの負極及び正極を用いたこと以外は、サンプル１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７１】
〈サンプル３２〉
サンプル３２では、正極基材を作製する際に、厚みが１９μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層を０．５μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が０．０５３となる正極基材を作製した。そして、この正極基材を用いたこと以外は、サンプル３１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７２】
〈サンプル３３〉
サンプル３３では、正極基材を作製する際に、厚みが１８μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層を１μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が０．１１１となる正極基材を作製した。そして、この正極基材を用いたこと以外は、サンプル３１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７３】
〈サンプル３４〉
サンプル３４では、正極基材を作製する際に、厚みが１０μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層を１０μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が１となる正極基材を作製した。そして、この正極基材を用いたこと以外は、サンプル３１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７４】
〈サンプル３５〉
サンプル３５では、正極基材を作製する際に、厚みが６μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層を１４μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が２．３３３となる正極基材を作製した。そして、この正極基材を用いたこと以外は、サンプル３１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７５】
〈サンプル３６〉
サンプル３６では、正極基材を作製する際に、厚みが２μｍの正極樹脂膜の両主面上に、正極金属層を１８μｍの厚みに成膜させ、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率が９となる正極基材を作製した。そして、この正極基材を用いたこと以外は、サンプル３１と同様にして電池を１０個作製した。
【０１７６】
そして、以上のように作製したサンプル３１〜サンプル３６の電池について、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率を測定した。
【０１７７】
以下、これらの各サンプルにおける、電池重量、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率の評価結果を表７に示す。
【０１７８】
【表７】
2004103475.tif 000009
【０１７９】
なお、サンプル３１〜サンプル３６において、初回放電容量、エネルギー密度、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、上述したサンプル１３と同様にして測定した。なお、電池重量、初回放電容量、３Ｃ放電時の放電容量維持率は、各サンプルにおける１０個の電池より得られた測定値の平均である。
【０１８０】
表７に示す評価結果から、正極金属層と正極樹脂膜との厚みの比率を変えて作製したサンプル３１〜サンプル３６では、正極金属層の厚みが厚くなると、３Ｃ放電時の放電容量維持率が大きくなり、正極樹脂層の厚みが厚くなると、電池重量が軽くなってエネルギー密度が大きくなることがわかる。
【０１８１】
すなわち、正極金属層の厚みが厚くなった場合、正極基材の導電性を高める正極金属層の割合が多くなり、正極の電子伝導性を高めることから、大電流が流れた際の電池容量の低下が抑制される。一方、正極樹脂膜の厚みが厚くなると、金属に比べて真比重が小さい負極樹脂膜の割合が多くなることから、電池重量を軽くでき、エネルギー密度が大きくなる。このことから、正極基材にも正極樹脂膜と正極金属層との複合材をもちいることで電池の軽量化、高エネルギー密度化が図れることがわかる。
【０１８２】
したがって、負極基材及び正極基材に樹脂膜と金属層との複合材を用いることで、大幅な軽量化、大幅な高エネルギー化を図ることができる。
【０１８３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電池によれば、負極基材及び／又は正極基材において、ポリマーを含有する樹脂層の真比重を従来の金属箔等に比べて小さくできることから、大幅な軽量化が可能であり、単位重量当たりの電池容量、いわゆるエネルギー密度も大きくできる。
【０１８４】
したがって、この電池は、例えば携帯型の電子機器等の軽量且つ高容量な電源として、幅広く用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したリチウムイオン二次電池の内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１　リチウムイオン二次電池、２　電池素子、３　外装缶、４　非水電解液、５　負極、６　正極、７　セパレータ、８　負極基材、９　負極活物質層、１０負極端子、１１　負極樹脂膜、１２負極金属層、１３　正極基材、１４　正極活物質層、１５　正極端子、１６　正極樹脂膜、１７　正極金属層
【図１】
2004103475.tif 000010