(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基盤上に、集電体層、正極層、電解質層、負極層を積層させる積層型電池の製造装置であって、
インクジェット方式によって塗布液を噴射するプリンタヘッドと、
前記プリンタヘッドを加熱するヘッド加熱手段と、を備え、
前記プリンタヘッドの内部には目詰まり防止用のフィルタが設けられ、
前記目詰まり防止用のフィルタは、前記プリンタヘッドを加熱するヘッド加熱手段としても機能することを特徴とする積層型電池の製造装置。
【請求項２】
前記ヘッド加熱手段は、前記プリンタヘッドのノズルの近傍に巻き付けられているリボン状のヒータであることを特徴とする請求項１に記載の積層型電池の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、複数の層が積層されてなる積層型電池の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集電体となる金属箔の両面に正極材料および負極材料をコーターで塗布してバイポーラ電極を作成し、複数のバイポーラ電極によって複数の電解質シートを挟んで構成するバイポーラ電池が知られている。このバイポーラ電池は、ラミネートフィルムにより封止されているが、このラミネートフィルムからは少なくとも２つの集電体が延出されている。この２つの集電体は電極端子に接続されており、当該電極端子を介して電池と外部装置との接続が可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記バイポーラ電池は、多くの部材が組み合わされた構成を有するので、スペース効率が悪いという問題点を有する。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、スペース効率が良い積層型電池を製造するための製造装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するための発明は、基盤上に、集電体層、正極層、電解質層、負極層を積層させる積層型電池の製造装置であって、インクジェット方式によって塗布液を噴射するプリンタヘッドと、前記プリンタヘッドを加熱するヘッド加熱手段と、を備え、前記プリンタヘッドの内部には目詰まり防止用のフィルタが設けられ、前記目詰まり防止用のフィルタは、前記プリンタヘッドを加熱するヘッド加熱手段としても機能することを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、ヘッド加熱手段によって塗布液を加熱するので、塗布液の粘度を小さくすることができ、電気抵抗の小さい積層型電池の電池要素部および電気回路部を形成することができるようになり、また、スペース効率が良い積層型電池を提供することができる。さらに、目詰まり防止用のフィルタとヒータとを一体化することによりプリンタヘッドの小型化を図ることができるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本実施の形態に係る積層型電池の外観構成図である。この積層型電池は、基盤１００を有し、この基盤１００上には複数の層が積層されている。これら複数の層は、積層されることによって、電池要素部２００、電気回路部３００、および絶縁部４００が形成されるようにパターニングされている。電気回路部３００は、当該積層型電池を外部装置に接続するための電極端子３１０と、当該電極端子３１０と電池要素部２００とを接続するための電気回路３２０とを有する。電池要素部２００および電気回路部３００は、電極端子３１０を露出させて、絶縁部４００によって覆われている。これにより、電池要素部２００および電気回路部３００は絶縁され、シールされている。本実施の形態では、すべての電極端子３１０に外部装置としてセルコントローラ２０００（図４参照）が接続されている。ここで、セルコントローラ２０００は、電池の充電を均一に行うために各電極端子間の電圧を調整するものであり、一般に知られているので詳しい説明は省略する。なお、電極端子３１０に接続される外部装置は、セルコントローラ２０００に限られず、電気負荷、充電器等の他のものであってもよい。
【００１２】
図２は、電池要素部２００の積層構造を示す図である。本実施の形態の電池要素部２００は、直列接続された２つの単電池２１０を有する。なお、単電池２１０の数は特に限定されない。単電池２１０は、正極層２１１ａと負極層２１１ｃとの間に電解質層２１１ｂを介在させた構造を持つ単電池層２１１を正極層２１１ａ側と負極層２１１ｃ側から集電体層２１２で挟んで構成される。図２に示されるとおり、一つの集電体層２１２の一方側に正極層２１１ａ、他方側に負極層２１１ｃが積層されており、本実施の形態の積層型電池は、いわゆるバイポーラ電池となっている。
【００１３】
図３は、電気回路部３００を説明するための積層型電池の斜視図である。電気回路部３００は、当該積層型電池が外部装置と電気をやりとりするためのインターフェースである電極端子３１０を有する。電極端子３１０は、電池要素部２００の端部に存在する正極層２１１ａ側の集電体層２１２ａを外部装置に接続するための正極端子３１１と、電池要素部２００の端部に存在する負極層２１１ｃ側の集電体層２１２ｃを外部装置に接続するための負極端子３１３と、電池要素部２００の中間に存在する集電体層２１２ｂを外部装置に接続するための中間電極端子３１２とからなる。なお、単電池２１０が１つの場合や、電池要素部２００の中間に存在する集電体層２１２ｂをセルコントローラ２０００等の外部装置に接続しない場合は、中間電極端子３１２は設けられなくてよい。また、電池要素部２００が複数の単電池２１０を有する場合、中間に存在する集電体層２１２ｂのすべてについて中間電極端子３１２を設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
【００１４】
電気回路部３００はまた、これらの電極端子３１０とこれらに対応する集電体層２１２とを接続するための電気回路３２０を有する。電気回路３２０は、正極端子３１１と電池要素部２００の端部に存在する正極層２１１ａ側の集電体層２１２ａとを接続する電気回路３２１と、負極端子３１３と電池要素部２００の端部に存在する負極層２１１ｃ側の集電体層２１２ｃとを接続する電気回路３２３と、中間電極端子３１２と電池要素部２００の中間に存在する集電体層２１２ｂとを接続する電気回路３２２と、からなる。
【００１５】
絶縁部４００は、積層型電池の各部材（電池要素部２００の各層、電極端子３１０、および電気回路３２０）の間の短絡（特に、正極層２１１ａと負極層２１１ｃとの間の短絡）、および、積層型電池の各部材と外部導体との短絡を防止するために設けられるものである。また、絶縁部４００は、電池要素部２００および電気回路３２０のシール部材としての役割も果たす。
【００１６】
以上のとおり、本実施の形態に係る積層型電池によれば、基盤上に積層された複数の層によって積層型電池を構成するので、スペース効率が良い積層型電池を実現することができる。
【００１７】
また、複数の層は、積層されることによって、電池要素部２００および電気回路部３００が形成されるようにパターニングされているので、電池要素部２００と電気回路部３００とを一体的に形成することができ、製造の容易化を図ることができる。
【００１８】
さらに、複数の層は、積層されることによって、電池要素部２００、電気回路部３００、および絶縁部４００が形成されるようにパターニングされているので、シールされるべき電池要素部２００および電気回路部３００と、シール部である絶縁部４００と、を一体的に形成することができ、シール性を向上させることができる。この効果は、多数の単電池２１０が直列に接続された積層型電池において、それぞれの単電池２１０から電極端子３１０を引き出す場合に顕著である。図４は、多数の単電池が直列に接続されてなる積層型電池の外観平面図である。図４において、積層型電池１０００は、多数の単電池（不図示）それぞれから取り出された多数の電極端子３１０を有しており、これらの電極端子３１０はセルコントローラ２０００に接続されている。このように、多数の電極端子３１０を設ける場合でも、本実施の形態に係る積層型電池の構成によれば、良好なシール性を得ることができる。
【００１９】
また、複数の層は、積層されることによって絶縁部４００が形成されるようにパターニングされているので、積層型電池の各部材の短絡および各部材と外部との短絡を防止することができる。
【００２０】
また、一般に、複数の単電池２１０を直列に接続する場合、単電池２１０同士の容量、抵抗等が微妙に異なるため、充電と放電とを繰り返すことにより、単電池２１０同士の電圧のバラツキが生じる。この結果、電圧が比較的高い電池から徐々に劣化が進行し、そこから電池全体の寿命が短くなる。しかし、本実施の形態に係る積層型電池では、電極端子３１０に電圧調整用のセルコントローラ２０００を接続しているので、良好に充電を行うことができ、積層型電池の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
なお、本実施の形態では、正極層２１１ａに接する集電体層と負極層２１１ｃに接する集電体層とを同一の材料で構成しているが、両者を異なる材料で構成することとしてもよい。すなわち、集電体層２１２は、２種類の層から構成されてもよい。
【００２２】
また、本実施の形態に係る積層型電池は複数の単電池２１０が直列接続された構成を有するが、複数の単電池２１０が並列接続された構成を有する積層型電池を構成することもできる。さらに、層構成を変更すれば、直列接続と並列接続とが混在した構成等、種々の積層型電池を構成することができる。
【００２３】
つぎに、本実施の形態に係る積層型電池の製造方法について説明する。本実施の形態の製造方法では、積層型電池の各層を形成するための塗布液を、基盤上の所定の領域に所定の順番で重ねて塗布することにより、積層型電池の各層を形成する。塗布液を塗布して塗布膜を形成する方法としては、インクジェット方式、スプレー印刷、静電噴霧、スパッタリング等が挙げられるが、本実施の形態ではインクジェット方式を採用する。
【００２４】
本実施の形態では、５つのプリンタヘッドを有するインクジェットプリンタを用いて積層型電池を製造する。５つのプリンタヘッドは、それぞれ、正極層２１１ａを形成するための正極用塗布液、負極層２１１ｃを形成するための負極用塗布液、電解質層２１１ｂを形成するための電解質用塗布液、集電体層２１２および電気回路部３００を形成するための導電用塗布液、絶縁部４００を形成するための絶縁用塗布液を塗布するためのヘッドである。これらのプリンタヘッドを制御して、基盤上に所定のパターンで上記各種塗布液を噴射する。この塗布液中の溶媒が蒸発し、塗布液が固化した後、次に形成すべき所定のパターンで各種塗布液を重ねて噴射する。ここで、溶媒の蒸発または塗布液の固化を促進させるため、塗布液を塗布した後、当該塗布液により形成された塗布膜を熱処理または光処理することが好ましい。このような動作を所定回数繰り返すことにより所望の積層型電池を製造する。
【００２５】
図５は、本実施の形態に係る積層型電池の各層のパターン、すなわち塗布液の噴射パターンを示す図である。図５に示される各パターンを、第１層から最上層まで次々に基盤上に形成することにより本実施の形態の積層型電池を製造することができる。
【００２６】
つぎに、本実施の形態に係る積層型電池の製造方法に用いられる材料、製造装置等の製造に関する詳細について説明する。以下において説明される積層型電池は、積層型ポリマー電池である。
【００２７】
基盤１００は、電気的絶縁材料（例えば、金属の上に、ＳｉＯ2絶縁体の薄膜を蒸着したもの）で構成される。
【００２８】
正極用塗布液は、正極活物質、ポリマー、重合開始剤、導電助剤、および溶媒を混合、攪拌して粘度を調整したものである。本実施の形態では、それぞれの材料としてＬｉＭｎ2Ｏ4、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ＡＩＢＮ、アセチレンブラック、ＮＭＰを用いている。ここで、正極活物質の粒径は、０．１〜２０μｍであることが好ましい。これは、０．１μ以下では活物質同士のコンタクトがとれず、接触抵抗が増大してしまうからであり、２０μｍ以上では活物質の反応表面積が小さくなり、電池としての抵抗が増大してしまうからである。また、２０μｍ以上では電極層の表面の凹凸が大きくなり、薄い電解質膜を使用した場合には膜の一部に力がかかり、その結果、電解質膜が壊れて短絡する可能性が高くなってしまうからである。正極活物質の塗布液全体に対する質量比は、ゲルポリマー電池では８０〜９０％、真性ポリマー（全固体）高分子電池では２０〜６０％であることが好ましい。
【００２９】
負極用塗布液は、負極活物質、ポリマー、重合開始剤、および溶媒を混合、攪拌して粘度を調整したものである。本実施の形態では、それぞれの材料としてカーボン系材料（粒径５μｍ以下に粉砕したもの）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ＡＩＢＮ、ＮＭＰを用いている。ここで、正極活物質と同様の理由により、負極活物質の粒径は、０．１〜２０μｍであることが好ましい。また、正極活物質の塗布液全体に対する質量比は、ゲルポリマー電池では８０〜９０％、真性ポリマー電池では２０〜６０％であることが好ましい。
【００３０】
導電用塗布液は、Ｃｕ微粒子またはカーボン微粒子のペーストを溶媒（ＮＭＰ）を用いて粘度を低下させたものである。本実施の形態では、集電体層２１２を形成するための塗布液と電気回路を形成するための塗布液とを同一としているが、異なる塗布液を用いてもよい。また、本実施の形態では、正極層２１１ａに接する正極集電体層と負極層２１１ｃに接する負極集電体層とで同一の塗布液を用いているが、異なる塗布液を用いてもよい。このとき、正極集電体層を形成するための塗布液はカーボン微粒子を含有することが好ましく、負極集電体層を形成するための塗布液はＣｕ微粒子を含有することが好ましい。なお、これらの場合、それぞれのプリンタヘッドが必要になることは言うまでもない。
【００３１】
絶縁用塗布液はポリシラザン溶液であり、電解質用塗布液はポリエチレンオキシドとＮＭＰとを混合したものである。
【００３２】
上記の各塗布液に含有される粒子（電池構成材料）は、すべて５μｍ以下であることが好ましい。これは、これらの粒子がプリンタヘッドのノズルに詰まってしまうことを回避するためである。さらに、このノズルの目詰まりを防止するために、プリンタヘッドに目詰まり防止用のフィルタを設けることが好ましい。
【００３３】
上記の各層の厚さは、正極層２１１ａおよび負極層２１１ｃが共に０．５〜２０μｍ、電解質層２１１ｂが０．５〜５０μｍ、集電体層２１２が０．１〜２０μｍである。
【００３４】
既存のインクジェットプリンタヘッドによる塗布を可能にするため、塗布液の粘度は、２０ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。塗布液の粘度は、溶媒を添加することによって低下させることができる。しかし、溶媒を添加すると活物質がまばらになり、活物質同士の電気的接触抵抗が増大してしまう。そこで、溶媒を添加するだけでなく、プリンタヘッドを加熱して塗布液の粘度を低下させることが好ましい。本実施の形態では、プリンタヘッドにリボンヒータを巻き付け、内部の塗布液を加熱している。なお、加熱温度は、溶媒が蒸発しない温度かつポリマーの熱重合が進まない程度の温度であることが好ましい。図６に、本実施の形態の製造方法において用いられるプリンタヘッドの構成を示す。図６において、プリンタヘッド５００の内部には、ノズル５１０の目詰まりを防止するための目詰まり防止フィルタ５２０が設けられている。また、プリンタヘッド５００を加熱するためのヘッド加熱手段として、ノズル５１０の近傍にリボンヒータ５３０が巻き付けられている。このリボンヒータ５３０に代えて、目詰まり防止用のフィルタ５２０自体をヒータとしてもよい。すなわち、目詰まり防止用のフィルタ５２０によってプリンタヘッドを加熱することとしてもよい。このように、目詰まり防止用のフィルタとヒータとを一体化することにより、プリンタヘッド５００の小型化を図ることができる。
【００３５】
上記塗布液中に含まれるポリマーは、その安定性のため、マイクロカプセルに収容されていることが好ましい。この場合、当該塗布液の塗布後の熱処理によりマイクロカプセルを溶解させる必要がある。
【００３６】
基盤１００は、加熱されることが好ましい。これは、塗布された液体材料中に含まれる溶剤を蒸発させるため、または、重合していないポリマー成分を熱重合させるためである。本実施の形態では約１３０℃に加熱されている。また、加熱の効率化の観点より、基盤１００は熱伝導性が大きいことが好ましい。さらに、塗布液と雰囲気中のガスとの化学反応を防止するため、塗布液は不活性雰囲気中で塗布および乾燥されることが好ましい。本実施の形態では、水素３％、窒素９７％のチャンバーの中で塗布液の塗布および乾燥を行う。
【００３７】
本実施の形態に係る積層型電池の製造方法は、以下の効果を有する。
【００３８】
複数の塗布液を順次塗布することにより積層型電池を製造するので、従来の製造方法に比べ、工程を少なくすることができる。また、積層型電池の製造の容易化を図ることができる。
【００３９】
また、塗布液を必要な部分だけにパターニングしながら塗布するので、原材料の使用量を低減させることができる。
【００４０】
さらに、各層のパターンおよび膜厚を自由にコントロールできるので、種々の容量、サイズ、形状の電池を容易に設計、製造することができる。
【００４１】
また、均一な薄膜を平板上に形成することができ、薄型高出力電池の製造の容易化を図ることができる。特に、電池の積層化が容易になり、高電圧バイポーラ電池の作製が可能になる。
【００４２】
ここで、本実施の形態では、インクジェット方式により塗布液を塗布することとしているので、上記の効果がより顕著に得られる。これは、インクジェット法は、印刷法と違って型番が不要だからである。また、スプレー法、静電噴霧法では細かいサイズのコントロールが困難であるが、インクジェット法では当該コントロールが容易だからである。さらに、プリント式であるので、電池の形、電極端子３１０の位置等を自由に変えることができ、必要に応じて、模様や電池の情報等も同時に印刷することができる。図７（ａ）〜（ｄ）に、種々の形態を有する積層型電池の外観図を示す。
【００４３】
なお、各種塗布液の塗布が完了した状態で、必ずしも、完成品である電池になっている必要はなく、塗布、乾燥工程の後、カットしたり、張り合わせたりという工程が入ってもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る積層型電池の外観構成図である。
【図２】本実施の形態の電池要素部の積層構造を示す図である。
【図３】本実施の形態の電気回路部を説明するための積層型電池の斜視図である。
【図４】多数の単電池が直列に接続されてなる積層型電池の外観平面図である。
【図５】本実施の形態に係る積層型電池の各層のパターンを示す図である。
【図６】本実施の形態の製造方法において用いられるプリンタヘッドの構成を示す図である。
【図７】種々の形態を有する積層型電池の外観平面図である。
【符号の説明】
１００  基盤
２００  電池要素部
２１０  単電池
２１１  単電池層
２１１ａ  正極層
２１１ｂ  電解質層
２１１ｃ  負極層
２１２  集電体層
３００  電気回路部
３１０  電極端子
３１１  正極端子
３１２  中間電極端子
３１３  負極端子
３２０  電気回路
４００  絶縁部
５００  プリンタヘッド
５１０  ノズル
５２０  フィルタ
５３０  リボンヒータ
１０００  積層型電池
２０００  セルコントローラ
【図１】
0004581326.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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