(57)【要約】【課題】製造工程の複雑化を招くことなく、金属箔等の集電体の表裏面に形成する合剤層の両端位置を簡単に一致させ、電極製造良品率を向上させる電池用電極を提供する。【解決手段】電池用電極１、５は、スラリー状の合剤が集電体２、６の表面に塗布されて合剤層３、７が形成されている。そして、集電体２、６の表面のうち、合剤が塗布される領域として予め設定されている塗布設定領域Ａ１の方が、合剤が非塗布とされる領域として予め設定されている非塗布設定領域Ａ２よりも、表面張力が大きくなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラリー状の合剤が集電体の表面に塗布されて合剤層が形成された電池用電極であって、
前記集電体の表面のうち、前記合剤が塗布される領域として予め設定されている塗布設定領域の方が、前記合剤が非塗布とされる領域として予め設定されている非塗布設定領域よりも、表面張力が大きいことを特徴とする電池用電極。
【請求項２】
前記非塗布設定領域には、前記塗布設定領域よりも表面張力を小さくする表面処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の電池用電極。
【請求項３】
前記塗布設定領域には、前記非塗布設定領域よりも表面張力を大きくする表面処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池用電極。
【請求項４】
前記表面張力を小さくする表面処理は、前記非塗布設定領域にフッソ系、シリコーン系等の化合物を含む溶液を塗布して乾燥させ、前記化合物で前記非塗布設定領域をコーティングする表面処理であることを特徴とする請求項２に記載の電池用電極。
【請求項５】
前記表面張力を大きくする表面処理は、前記塗布設定領域に紫外線を照射するＵＶ処理、又はプラズマガスを吹き付けるプラズマ処理を行う表面処理であることを特徴とする請求項３に記載の電池用電極。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電池用電極を、正極用又は負極用の少なくとも一方の電極として使用した二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用電池等で使用する二次電池等の電池に用いる電極に係り、特に、リチウムイオン二次電池に最適な電池用の電極及び二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化等の環境問題の顕在化により、自動車からの二酸化炭素排出量の削減が求められており、電気エネルギーを動力とする電気自動車や、自動車の減速時に生じるエネルギーを回生し、動力の一部として利用するハイブリッド自動車の開発が急ピッチで進められている。特に、電極におけるリチウムイオンの吸蔵放出反応を利用したリチウムイオン二次電池は、自動車向けの二次電池として注目されている。リチウムイオン二次電池の特性、特に車載用リチウムイオン二次電池において重要となる入出力特性は、二次電池の充放電時にリチウムイオンを吸蔵放出する電極の性能に大きく依存する。
【０００３】
高容量化を実現するために、たくさんのリチウムイオンを吸蔵放出する電極の形状として、集電体を構成する金属箔の表面に、活物質を含んだ合剤を形成することが知られている（特許文献１）。合剤は、水や溶剤中に、活物質、導電材、バインダ樹脂等を希釈分散させ、スラリー状にしたものを、金属箔の表面に塗布・乾燥することで形成することが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スラリー状の合剤を金属箔の表面に塗布する場合に、表面上に一定幅で塗布して、金属箔の側端部に集電タブ用の未塗布の領域を形成することが行われている。そして、その際、金属箔の両面の塗布幅およびその両端の位置を一致させることが行われている。金属箔の両面の塗布幅およびその両端の位置が不一致であると、セパレータを介して、正極と負極の各電極を互いに重ねるときに、金属箔の両面に形成された合剤層の位置を合わせて重ねることが困難になり、正極と負極の各電極どうしの合剤層が重なり合う面積が小さくなり、電池容量の低下を引き起こすおそれがある。
【０００６】
合剤層の両端を金属箔の両面において一致させる従来の方法は、スラリー状の合剤を金属箔の表面に塗布する機械のアライメント調整にて制御している。しかしながら、この従来方法では、スラリー状の合剤を金属箔上に塗布した後、その流動による塗布幅変動量までは制御できず、合剤層の端部の不一致が発生するおそれがある。すなわち、スラリー状の合剤は、粘度が高いので流動性は低いが、金属箔表面に厚く塗布するので、塗布後に流動して合剤層の輪郭がずれることがある。特に、スラリー状の合剤は、気温や湿度などの環境に応じて粘度が変化し、塗布後の流動も一定ではなく、制御性がよくない。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、製造工程の複雑で微細な機械アライメント調整をおこなうことなく、金属箔の両面に塗布形成した合剤層の両端位置を簡単に一致させ、電極製造良品率を向上させることができる電池用電極と、この電極を用いた二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、スラリー状の合剤が集電体の表面に塗布されて合剤層が形成された電池用電極であって、集電体の表面のうち、合剤が塗布される領域として予め設定されている塗布設定領域の方が、合剤が非塗布とされる領域として予め設定されている非塗布設定領域よりも、表面張力が大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明によれば、金属箔等の集電体の両面に形成される合剤層の両端位置を簡単に一致させることができる。したがって、電極製造工程の良品率を向上させ、高い品質の電池用電極を提供することができる。また、この電極を用いて能力の高い二次電池を形成することができる。前記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る電池用電極を用いた円筒形のリチウムイオン二次電池の一部を破断した状態の分解斜視図。
【図２】図１のリチウムイオン二次電池の電極を構成する金属箔の表面を示す図。
【図３】図２のリチウムイオン二次電池の電極を構成する金属箔の表面に合剤が塗布された状態を示す図。
【図４】図３の合剤が塗布された金属箔を分割した状態を示す図。
【図５】電極の断面を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る電池用電極を用いた円筒形のリチウムイオン二次電池の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る電池用電極を用いた円筒形のリチウムイオン二次電池の一部を破断した状態の分解斜視図である。本実施形態に係る電池用電極は、図１に示すように、リチウムイオン二次電池Ｄの正極１、及び負極５として使用されている。
【００１３】
正極１は、集電体としてアルミニウム等の金属箔から構成される正極金属箔２と、この正極金属箔２の両面にスラリー状の正極合剤を塗布して形成された正極合剤層３とから構成される。正極金属箔２は、図の上方の長辺部に集電タブである正極タブ４，４…が複数、突出して設けられている。
【００１４】
負極５は、集電体として銅等の金属薄膜から構成される負極金属箔６と、この負極金属箔６の両面にスラリー状の負極合剤を塗布して形成された負極合剤層７とから構成される。負極金属箔６は、図の下方の長辺部に負極タブ８，８…が複数、突出して設けられている。
【００１５】
これら正極１及び負極５を、多孔質で絶縁性を有するセパレータ１０を介して樹脂製の軸芯１１の周囲に捲回し、最外周のセパレータ１０をテープ１２で止めて、電極群１５を構成する。この際、軸芯１１に接する最内周はセパレータ１０であり、最外周は負極金属箔６及び負極合剤層７を覆うセパレータ１０である。管状の軸芯１１の軸方向の両端には、正極集電部材１６及び負極集電部材１７が嵌め合いによって固定されている。
【００１６】
正極集電部材１６には、正極１の複数の正極タブ４，４…が、例えば、超音波溶接法により溶接されている。同様に負極集電部材１７には負極５の負極タブ８，８…が、例えば、超音波溶接法により溶接されている。負極端子を兼ねる電池容器１８の内部には、樹脂製の軸芯１１を軸として捲回された電極群１５に、正極集電部材１６及び負極集電部材１７が取り付けられて収納されている。電池容器１８に電極群１５を収容する際、電解液も電池容器１８内に注入される。
【００１７】
また、正極集電部材１６の上には、電池容器１８の開口部を封口するように設けられた電導性を有する上蓋部があり、上蓋部は上蓋１９と上蓋ケース２０からなる。上蓋ケース２０に正極集電部材１６の正極リード１６ａの一方が溶接され、他方が正極集電部材１６に溶接されることによって上蓋部と電極群１５の正極１とが電気的に接続される。電池容器１８と上蓋ケース２０との間にはガスケット２１が設けられ、このガスケット２１により電池容器１８の開口部を封口するとともに上蓋１９及び上蓋ケース２０と電気的に絶縁する。負極集電部材１７は電池容器１８の底部に溶接されることによって電気的に接続される。
【００１８】
正極合剤層３を構成する正極合剤は、正極活物質と、正極導電材と、正極バインダ樹脂とを有する。前記正極活物質としては、リチウム酸化物が好ましい。具体的には、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸鉄リチウム、リチウム複合酸化物（コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる２種類以上を含むリチウム酸化物）等が挙げられる。
【００１９】
また、前記正極導電材は、正極合剤中におけるリチウムイオンの吸蔵放出反応で生じた電子の正極への伝達を補助できる物質であれば特に限定されることなく用いることができる。正極導電材の例として、黒鉛やアセチレンブラック等が挙げられる。さらに、前記正極バインダ樹脂は、正極活物質と正極導電材と正極金属箔とを結着させることが可能であり、電解液との接触によって大幅に劣化しない樹脂であれば特に限定されない。正極バインダ樹脂の例としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴム等が挙げられる。
【００２０】
負極合剤層７を構成する負極合剤は、通常、負極活物質と、負極バインダ樹脂と、増粘剤とを有する。なお、負極合剤は、場合によりアセチレンブラック等の負極導電材を有していても良い。負極活物質の例としては、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料が挙げられる。前記負極バインダ樹脂としては、正極と同様にＰＶＤＦ等を用いることができ、あるいはスチレン−ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）等も適用可能である。
【００２１】
前述の正極合剤層３および負極合剤層７を正極金属箔２の表面及び負極金属箔６の表面に配置するには、合剤を構成する物質の分散溶液を調製しスラリー状にし、そのスラリーを正極金属箔２及び負極金属箔６の表面上に塗布し、乾燥する工程を要する。塗布方法の例としては、スリットダイ塗工法、ロール塗工法等を挙げることができる。また、分散溶液の溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）や水等を用いることができる。さらに、乾燥方法としては、熱風循環、赤外加熱、それらの混合方法等を挙げることができる。
【００２２】
図２は、図１のリチウムイオン二次電池の電極を構成する金属箔の表面を示す図、図３は、金属箔の表面に合剤が塗布された状態を示す図、図４は、図３の合剤が塗布された金属箔を分割した状態を示す図、図５は、電極の断面を模式的に示す図である。なお、以下の説明では、主として、正極１の場合を例に説明し、負極５については、図中のかっこ内に対応する符号を付することで詳細な説明を省略する。
【００２３】
正極１は、図３に示すように、正極金属箔２の表面にスラリー状の正極合剤を塗布することによって正極合剤層３が形成される。正極合剤層３は、図５に示すように、正極金属箔２の両面において、塗布幅及びその両端位置が一致するように塗布される。正極１は、正極合剤の乾燥後に、図４に示すように、正極金属箔２の中央部を長手方向に沿って切断線Ｓで切断し、余白部を正極タブ４，４…の形状に加工することで形成される。
【００２４】
正極金属箔２は、図２に示すように、その表面に、正極合剤が塗布される領域として予め設定されている塗布設定領域Ａ１と、非塗布とされる領域として予め設定されている非塗布設定領域Ａ２を有している。本実施の形態では、塗布設定領域Ａ１は、正極金属箔２の幅方向両側に余白を残して幅方向中央に長手方向に沿って延在するように設定され、非塗布設定領域Ａ２は、塗布設定領域Ａ１の幅方向両側に沿って設定される。
【００２５】
塗布設定領域Ａ１と非塗布設定領域Ａ２は、塗布設定領域Ａ１の方が非塗布設定領域Ａ２よりも、表面張力が大きい構成を有している。本実施の形態では、正極金属箔２の非塗布設定領域Ａ２に、塗布設定領域Ａ１よりも正極金属箔２の表面張力を小さくする表面処理が合剤塗布前に施されており、塗布設定領域Ａ１に、非塗布設定領域Ａ２よりも正極金属箔２の表面張力を大きくする表面処理が合剤塗布前に施されている。
【００２６】
尚、表面張力を小さくする表面処理は、必ずしも、非塗布設定領域Ａ２全域に亘って施す必要はなく、塗布設定領域Ａ１との境界部分に沿って一定幅で延在するように施してもよい。
【００２７】
表面張力の大きい塗布設定領域Ａ１は濡れ性が高く、スラリー状の合剤が付着しやすく、反対に表面張力の小さい非塗布設定領域Ａ２は濡れ性が低く、スラリー状の合剤が付着し難くなっている。このため、正極金属箔２の表面にスラリー状の正極合剤を塗布した場合に、表面張力の小さい非塗布設定領域Ａ２にはみ出すことなく、所望の位置である塗布設定領域Ａ１内に収まり、正極合剤層３の輪郭は、所定のエッジに沿ってはみ出しが防止される。
【００２８】
従来の金属箔の表面にスラリー状の合剤を塗布する方法では、合剤の塗布幅は、塗布直後からそれが乾燥するまで、合剤の流動性によって変化する。その変化量は、合剤の粘度や金属箔の表面張力や乾燥条件等、因子が複雑に相関するため、制御することが難しい。したがって、合剤層の輪郭を精度良く形成することは困難であった。
【００２９】
これに対して、本実施の形態では、正極合剤の塗布前に予め、領域ごとに正極金属箔２の表面処理が行われており、塗布設定領域Ａ１では、正極金属箔２の表面張力が大きいため、スラリー状の合剤は濡れ拡がり、表面張力が小さい非塗布設定領域Ａ２との境界部分で堰き止められ、塗布設定領域Ａ１に、はみ出すことはない。したがって、合剤を塗布設定領域Ａ１にだけ塗布でき、非塗布設定領域Ａ２に塗布されるのを防ぐことができる。
【００３０】
非塗布設定領域Ａ２の表面張力を小さくする表面処理法としては、例えば、フッソ系、シリコーン系等の化合物を含む溶液を、正極金属箔２の表面上に薄く塗布して乾燥し、前記化合物で非塗布設定領域Ａ２をコーティングする表面処理法が挙げられる。前記溶液の溶媒には、アルコール類であるＩＰＡ、メタノール、エタノール等を使用し、その塗布方法としては、ダイスリット塗工法等が挙げられる。これらの金属表面の表面張力を制御する工程は、合剤スラリー塗布工程の直前に行うことが望ましい。また、溶液のコーティングは、塗布設定領域Ａ１をマスキングして、非塗布設定領域Ａ２だけを露出させた状態で塗布することもできる。
【００３１】
塗布設定領域Ａ１の表面張力を大きくする表面処理法としては、紫外線を照射するＵＶ（紫外光）処理や、プラズマガスを吹き付けるプラズマ処理や、正極金属箔２の表面を脱脂する物理的な処理法が挙げられる。ＵＶ処理やプラズマ処理では、非塗布設定領域Ａ２をマスキングして、塗布設定領域Ａ１のみを露出させた状態で照射等の表面処理を行ってもよい。
【００３２】
上記した表面処理法は、流動性による位置精度の変動がないため、精度よく塗布設定領域に表面処理を施すことができ、また、処理作業自体が簡便に行える。このような処理をしたあとに、正極合剤を塗布すると、正極金属箔２の両面ともに、予め決められた塗布設定領域Ａ１内にのみ正極合剤が流動し、非塗布設定領域Ａ２では流動しないため、位置精度よく端部位置が一致する正極合剤層３を形成することができる。
【００３３】
尚、上記した実施の形態では、塗布設定領域Ａ１と非塗布設定領域Ａ２の両方に表面処理を行う場合を例に説明したが、正極金属箔２の塗布設定領域Ａ１にのみ、表面張力を大きくする表面処理を行ってもよい。電極を構成する正極金属箔２は、本来、表面張力が大きいものであるが、箔として形成される製造工程において機械油等が付着し、箔全体の表面張力が小さくなっており、スラリー状の正極合剤が付着し難い状態となっている。このように金属箔２の表面全体の表面張力が小さい状態では、塗布設定領域Ａ１である金属箔中央部に表面張力を大きくする表面処理を施すことによって、金属箔中央部に正極合剤層３を形成しやすくすることができ、金属箔両端部に正極合剤層３を形成し難くすることができ、正極合剤層３の端部の輪郭を精度よく形成することができる。
【００３４】
前記のごとく構成された本発明の電池用電極１，５は、電極１、５を構成する金属箔２、６の表面に合剤を塗布する前に、金属箔２、６の幅方向中央に設定される塗布設定領域Ａ１の方が、金属箔２、６の幅方向端部に設定される非塗布設定領域Ａ２よりも、表面張力が大きくなるように表面処理されているので、非塗布設定領域Ａ２の濡れ性が低く、スラリー状の合剤が付着し難くなっており、合剤層３、７の位置精度を向上させることができる。
【００３５】
そして、表面処理は、合剤の塗布と比較して簡易な方法で施工できる。このため、金属箔２、６の一方面に塗布された合剤層３、７と、他方面に塗布された合剤層３、７との位置合わせ精度を向上させ、また、正極と負極との位置精度を向上させ、この電極を用いた電池や二次電池の能力を向上させることができる。
【００３６】
このように、合剤スラリー塗布前に、金属箔の表面において、塗布設定領域では金属箔の表面張力が大きくなるような表面処理を行い、一方、合剤非塗布領域では表面張力が小さくなるような表面処理を行うことで、スラリー状の合剤を、簡単に位置精度よく金属箔上に配置でき、合剤層を形成できる。
【００３７】
本発明によれば、金属箔の表面に合剤層を形成する製造工程において、複雑で微細な機械アライメント調整をおこなうことなく、合剤層の両端位置を簡単に一致させ、電極製造良品率を向上させることができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態では、リチウムイオン二次電池の電極の例を示したが、リチウム電池等の一次電池の電極や、ニッケル水素二次電池の電極にも使用できる。
【００３９】
また、リチウム電池に限られるものでなく、他の一次電池や二次電池の電極として使用できることは勿論である。
【符号の説明】
【００４０】
１    正極（電極）
２    正極金属箔（集電体）
３    正極合剤層
４    正極タブ
５    負極（電極）
６    負極金属箔（集電体）
７    負極合剤層
８    負極タブ
１０  セパレータ
１１  軸芯
１２  テープ
１５  電極群
１６  正極集電部材
１７  負極集電部材
１８  電池容器
１９  上蓋
２０  上蓋ケース
２１  ガスケット
Ａ１  塗布設定領域
Ａ２  非塗布領域
Ｄ    リチウムイオン二次電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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