(57)【要約】【課題】基材表面上に正負両極を近接して並べた構造を有する電池およびその製造方法において、電気化学反応により生じる電流を効率よく取り出すことのできる技術を提供する。【解決手段】基材上で１対が互いに噛み合わせるように配置されて電池として機能する櫛歯状の電極１１において、櫛歯部分１１２は第１集電体層１１２ａ、活物質層１１２ｂおよび第２集電体層１１２ｃが積層された構造を有する。第１集電体層１１２ａと第２集電体層１１２ｃとが活物質層１１２ｂを挟み、しかも基材上に形成されたベース部１１１において電気的に接続されているため、活物質層１１２ｂに対して並列接続された一体の集電体として機能し、集電体の低抵抗化を図ることができる。【選択図】図２
2013073720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材表面に形成された第１正極集電体層、前記第１正極集電体層の前記基材と反対側の表面に積層された正極活物質層、および、前記正極活物質層の前記第１正極集電体層と反対側の表面に積層されるとともに前記第１正極集電体層と電気的に接続された第２正極集電体層、を有する正極電極と、
前記基材表面に前記正極電極と近接して配置されて、前記基材表面に形成された第１負極集電体層、前記第１負極集電体層の前記基材と反対側の表面に積層された負極活物質層、および、前記負極活物質層の前記第１負極集電体層と反対側の表面に積層されるとともに前記第１負極集電体層と電気的に接続された第２負極集電体層、を有する負極電極と、
前記正極電極と前記負極電極との間の空隙を埋めるように形成された電解質層と
を備えることを特徴とする電池。
【請求項２】
前記正極電極は、前記第２正極集電体層の前記正極活物質層と反対側の表面に積層された第２正極活物質層を備える一方、前記負極電極は、前記第２負極集電体層の前記負極活物質層と反対側の表面に積層された第２負極活物質層を備える請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記正極活物質層と前記第２正極活物質層とが前記第２正極集電体層の端面の外側で直接接触し、前記負極活物質層と前記第２負極活物質層とが前記第２負極集電体層の端面の外側で直接接触する請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記正極電極と前記負極電極とが、それぞれ前記基材表面に沿って延設されたストライプ状パターンを含み、前記正極電極のストライプ状パターンと前記負極電極のストライプ状パターンとが前記基材表面で互いに平行に近接配置された請求項１ないし３のいずれかに記載の電池。
【請求項５】
前記電解質層が固体電解質により形成された請求項１ないし４のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
基材表面に、正極または負極のうち一方極の一方極側第１集電体層を形成する第１工程と、
前記第１工程の後に、または前記第１工程と同時に、前記一方極と反対の他方極の他方極側第１集電体層を、前記基材表面に前記一方極側第１集電体層と近接させて形成する第２工程と、
前記一方極側第１集電体層の前記基材と反対側の表面に一方極側活物質層を積層する第３工程と、
前記他方極側第１集電体層の前記基材と反対側の表面に他方極側活物質層を積層する第４工程と、
前記一方極側活物質層の前記一方極側第１集電体層と反対側の表面に、一方極側第２集電体層を積層する第５工程と、
前記他方極側活物質層の前記他方極側第１集電体層と反対側の表面に、他方極側第２集電体層を積層する第６工程と
を備えることを特徴とする電池の製造方法。
【請求項７】
前記一方極側第２集電体層と前記他方極側第２集電体層とを同一材料で形成し、しかも前記第５工程と前記第６工程とを同時に実行する請求項６に記載の電池の製造方法。
【請求項８】
前記一方極側第２集電体層の前記一方極側活物質層と反対側の表面に一方極側第２活物質層を積層する第７工程と、
前記他方極側第２集電体層の前記他方極側活物質層と反対側の表面に他方極側第２活物質層を積層する第８工程と
を備える請求項６または７に記載の電池の製造方法。
【請求項９】
前記第３工程では、一方極側活物質材料を含む塗布液を前記一方極側集電体層の表面に塗布して前記一方極側活物質層を形成する一方、前記第４工程では、他方極側活物質材料を含む塗布液を前記他方極側集電体層の表面に塗布して前記他方極側活物質層を形成する請求項６ないし８のいずれかに記載の電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第５工程、前記第６工程のそれぞれでは、導電性材料を含む塗布液を塗布して、それぞれ前記一方極側第２集電体層、前記他方極側第２集電体層を形成する請求項６ないし９のいずれかに記載の電池の製造方法。
【請求項１１】
前記第３工程では前記一方極側第１集電体層の一部を前記一方極側活物質層で覆われない露出領域として、前記第５工程では前記一方極側活物質層と前記一方極側第１集電体層の前記露出領域とに連続的に前記塗布液を塗布する一方、
前記第４工程では前記他方極側第１集電体層の一部を前記他方極側活物質層で覆われない露出領域として、前記第６工程では前記他方極側活物質層と前記他方極側第１集電体層の前記露出領域とに連続的に前記塗布液を塗布する請求項１０に記載の電池の製造方法。
【請求項１２】
前記塗布液を吐出するノズルを前記基材表面に沿って相対的に走査移動させて、前記塗布液をストライプ状に塗布する請求項９ないし１１のいずれかに記載の電池の製造方法。
【請求項１３】
前記一方極側活物質層と前記他方極側活物質層との間の空隙に電解質層を形成する第９工程を備える請求項６ないし１２のいずれかに記載の電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、正負両極において集電体と活物質とを積層した構造を有する電池および該電池の製造方法に関するものであり、特に、基材表面上に正負両極を近接して並べた構造を有する電池およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン電池のような化学電池を製造する方法としては、従来より、正極活物質および負極活物質をそれぞれ集電体としての金属箔に付着させた正負両極の電極をセパレータを介して重ね合わせ、セパレータに電解液を含浸させる技術が知られている。しかしながら、近年では電池のさらなる小型化・高出力化が求められることから、各機能層を平板状に積層する構造に代えて、凹凸構造を有する正負電極を立体的に組み合わせることで相互の対向面積を増大させた構造が提案されてきている。
【０００３】
例えば特許文献１には、絶縁性の基板上にいずれも金属箔からなる櫛歯状の正極集電体および負極集電体を近接させて形成し、これらの集電体上に、それぞれ正極活物質および負極活物質を含むスラリーを塗布することによって活物質層を形成する。そして、こうして形成された正負の電極間の空隙に固体電解質材料を充填することで、基板表面に沿った方向に正負の活物質が固体電解質を介して対向する電池構造を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７２１０号公報（例えば、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術では、電気化学反応により生じる電流を薄い櫛歯状の集電体から取り出すこととなる。そのため、集電体の断面積の小ささに起因する高抵抗により電池として良好な性能を得ることが難しい。特に、さらなる櫛歯パターンの細密化を図る場合にこの問題が顕著であり、より効率よく電流を取り出すことのできる技術の確立が望まれている。
【０００６】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基材表面上に正負両極を近接して並べた構造を有する電池およびその製造方法において、電気化学反応により生じる電流を効率よく取り出すことのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明にかかる電池は、上記目的を達成するため、基材と、前記基材表面に形成された第１正極集電体層、前記第１正極集電体層の前記基材と反対側の表面に積層された正極活物質層、および、前記正極活物質層の前記第１正極集電体層と反対側の表面に積層されるとともに前記第１正極集電体層と電気的に接続された第２正極集電体層、を有する正極電極と、前記基材表面に前記正極電極と近接して配置されて、前記基材表面に形成された第１負極集電体層、前記第１負極集電体層の前記基材と反対側の表面に積層された負極活物質層、および、前記負極活物質層の前記第１負極集電体層と反対側の表面に積層されるとともに前記第１負極集電体層と電気的に接続された第２負極集電体層、を有する負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間の空隙を埋めるように形成された電解質層とを備えることを特徴としている。
【０００８】
このように構成された発明では、正極電極においては第１正極集電体層と第２正極集電体層とが、また負極電極においては第１負極集電体層と第２負極集電体層とがそれぞれ電気的に並列に接続されて集電体として機能し、しかも、両極のそれぞれでは活物質層を挟むように２つの集電体層が配置される。そのため、電気化学反応により活物質層から放出される電荷の流路における電気抵抗が低減されており、電流を効率よく取り出すことが可能となっている。
【０００９】
この発明において、正極電極は、第２正極集電体層の正極活物質層と反対側の表面に積層された第２正極活物質層を備える一方、負極電極は、第２負極集電体層の負極活物質層と反対側の表面に積層された第２負極活物質層を備えるようにしてもよい。この場合、正極電極は、第１正極集電体層、正極活物質層、第２正極集電体層および第２正極活物質層が積層された構造を有することとなる。負極電極についても類似の構造となる。これにより、互いに対向する正負の活物質層の表面積がさらに増大されて、電池としての性能、特に電池容量と高速充放電特性が良好な電池となる。
【００１０】
この場合において、正極活物質層と第２正極活物質層とが第２正極集電体層の端面の外側で直接接触し、負極活物質層と第２負極活物質層とが第２負極集電体層の端面の外側で直接接触するようにしてもよい。このようにすると、正極活物質層と第２正極活物質層とが一体的に活物質層として機能し、その内部に第２正極集電体層が取り込まれた構造となる。負極電極についても同様である。したがって、活物質層内で生成された電荷をより効率よく集電体層で捕捉し外部へ取り出すことができる。
【００１１】
これらの発明においては、例えば、正極電極と負極電極とが、それぞれ基材表面に沿って延設されたストライプ状パターンを含み、正極電極のストライプ状パターンと負極電極のストライプ状パターンとが基材表面で互いに平行に近接配置されてもよい。この発明では正負各極の集電体層の電気抵抗が低減されているため、従来技術では高抵抗のため満足な性能を得られなかったストライプ状の構造を有する電極を用いても、性能の良好な電池を構成することができる。また、複数のストライプ状パターンを櫛歯状に組み合わせるようにすれば、正負活物質層の対向面積を大きくして、電池容量および高速充放電特性のさらに良好な電池とすることができる。
【００１２】
また、例えば、電解質層が固体電解質により形成されたものであってもよい。このような構成では、例えば有機溶媒を含む電解液を用いる電池よりも取り扱いが容易となる。固体電解質材料は液体電解質に比べ一般にイオン伝導度が低いが、この発明では正負活物質を立体構造として対向させることで性能の改善を図ることが可能であり、固体電解質を用いて実用的な電池を構成することができる。
【００１３】
また、この発明にかかる電池の製造方法は、上記目的を達成するため、基材表面に、正極または負極のうち一方極の一方極側第１集電体層を形成する第１工程と、前記第１工程の後に、または前記第１工程と同時に、前記一方極と反対の他方極の他方極側第１集電体層を、前記基材表面に前記一方極側第１集電体層と近接させて形成する第２工程と、前記一方極側第１集電体層の前記基材と反対側の表面に一方極側活物質層を積層する第３工程と、前記他方極側第１集電体層の前記基材と反対側の表面に他方極側活物質層を積層する第４工程と、前記一方極側活物質層の前記一方極側第１集電体層と反対側の表面に、一方極側第２集電体層を積層する第５工程と、前記他方極側活物質層の前記他方極側第１集電体層と反対側の表面に、他方極側第２集電体層を積層する第６工程とを備えることを特徴としている。
【００１４】
以下の説明において特に極性を限定する必要がない場合には、各構成における「一方極側」、「他方極側」の接頭語を省略することがある。
【００１５】
上記のように構成された発明では、上記した構造の電池、すなわちそれぞれ第１集電体層、活物質層および第２集電体層が積層されてなる正負両極の電極が基材上で対向した構造の電池を製造することができる。したがって、この発明によれば、電流を効率よく取り出すことのできる電池を提供することが可能となっている。
【００１６】
なお、本発明において、第１工程、第３工程および第５工程の各工程はこの順序で、また第２工程、第４工程および第６工程の各工程はこの順序でそれぞれ実行されることが必要であるが、上記以外に各工程での実行順についての制約はない。したがって例えば、第１ないし第６工程を番号順に実行するようにしてもよく、また第１工程、第３工程および第５工程を実行してから第２工程、第４工程および第６工程を実行するようにしてもよい。またこれ以外の順序であってもよい。
【００１７】
例えば、一方極側第２集電体層と他方極側第２集電体層とを同一材料で形成し、しかも第５工程と第６工程とを同時に実行するようにしてもよい。一方極側第２集電体層と他方極側第２集電体層とが同一材料であれば、これらを同一の処理工程で同時に形成することが可能である。したがって、第１工程ないし第４工程までを実行した後に、第５および第６工程を同時に実行する、つまり当該同一材料による層を一方極側活物質層と他方極側活物質層とのそれぞれに同時形成することが可能である。こうすることで、電池製造の製造効率およびスループットの向上を図ることができる。
【００１８】
また、例えば、一方極側第２集電体層の一方極側活物質層と反対側の表面に一方極側第２活物質層を積層する第７工程と、他方極側第２集電体層の他方極側活物質層と反対側の表面に他方極側第２活物質層を積層する第８工程とをさらに備えるようにしてもよい。こうすることで、正負各極の活物質層の表面積を増大させて、電池性能をより向上させることができる。
【００１９】
これらの発明において、例えば、第３工程では一方極側活物質材料を含む塗布液を一方極側集電体層の表面に塗布して一方極側活物質層を形成する一方、第４工程では他方極側活物質材料を含む塗布液を他方極側集電体層の表面に塗布して他方極側活物質層を形成するようにしてもよい。塗布により活物質層を形成することで、厚い活物質層を比較的短時間で形成することができる。また、活物質層を厚くすることで、基材表面での正負の活物質層の対向面積が大きくなるため、電池性能を向上させることができる。
【００２０】
また、例えば、第５工程、第６工程のそれぞれでは、導電性材料を含む塗布液を塗布して、それぞれ一方極側第２集電体層、他方極側第２集電体層を形成するようにしてもよい。第２集電体層についても、塗布により形成することで、断面積が大きく電気抵抗の低い層を短時間で形成することが可能である。
【００２１】
この場合、例えば、第３工程では一方極側第１集電体層の一部を一方極側活物質層で覆われない露出領域として、第５工程では一方極側活物質層と一方極側第１集電体層の露出領域とに連続的に塗布液を塗布する一方、第４工程では他方極側第１集電体層の一部を他方極側活物質層で覆われない露出領域として、第６工程では他方極側活物質層と他方極側第１集電体層の露出領域とに連続的に塗布液を塗布するようにしてもよい。
【００２２】
こうすることで、第１集電体層と塗布により形成された第２集電体層とが第１集電体層の露出領域で電気的に接続されて、これらが電気的には並列接続され、また構造的には活物質層を挟むように配置された集電体として機能するようになる。また、第１および第２集電体層を接続するための構成を別途設ける必要がないため、製造工程も簡素化される。
【００２３】
これらの塗布による各機能層の形成においては、例えば、塗布液を吐出するノズルを基材表面に沿って相対的に走査移動させて、塗布液をストライプ状に塗布するようにしてもよい。このようないわゆるノズルスキャン法による塗布技術では、各種の塗布液を微細なパターンに制御性よく塗布する技術が確立されており、この技術を応用することで、微細な立体構造を有する電池を効率よく製造することが可能である。
【００２４】
これらの発明では、一方極側活物質層と他方極側活物質層との間の空隙に電解質層を形成する第９工程をさらに備えることが好ましい。両極活物質層間の空隙を電解質層で満たすようにすれば、両極活物質層が電解質層を介して対向配置され、電池としての機能を付与することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、基材表面上に正負両極を近接して並べた構造を有する電池およびその製造方法において、正負各極の活物質層を挟むように設けられた第１および第２集電体層が並列接続された構造となるので、電気化学反応により生じる電流を効率よく外部へ取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】リチウムイオン二次電池モジュールの概略構造を示す図である。
【図２】正極電極の詳細構造を示す図である。
【図３】図１の電池モジュールの断面構造を示す図である。
【図４】この実施形態にかかる電池の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】図４の製造方法の各工程における処理の進行状況を模式的に示す図である。
【図６】ノズルスキャン法による材料塗布の様子を模式的に示す図である。
【図７】電極構造の他のいくつかの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１はリチウムイオン二次電池モジュールの概略構造を示す図である。より詳しくは、図１（ａ）は本発明にかかる電池の一実施形態としてのリチウムイオン二次電池モジュール（以下、単に「電池モジュール」と略称する）１の概略構造を示す上面図である。この電池モジュール１は、同図に示すように、例えば樹脂シートやガラス基板、セラミック基板のような絶縁性の基材１０の表面に正極電極１１と負極電極１２とを配設し、これらの電極１１，１２を薄い固体電解質層１３で覆った構造を有している。
【００２８】
図１（ｂ）は図１（ａ）の電池モジュール１における電極の構造を示す図である。より具体的には、図１（ａ）に示す電池モジュール１から固体電解質膜１３を除去し正極電極１１および負極電極１２を露出させた状態を示す斜視図である。同図に示すように、正極電極１１は全体として櫛歯形状を有しており、比較的幅広の帯状を有するベース部１１１と、該ベース部１１１と直交する方向に一定間隔で延設されてベース部１１１より幅の狭い複数の櫛歯部１１２とを有している。同様に、負極電極１２は、比較的幅広の帯状を有するベース部１２１と、該ベース部１２１と直交する方向に一定間隔で延設されてベース部１２１より幅の狭い複数の櫛歯部１２２とを有している。
【００２９】
正極電極１１の櫛歯部１１２と、負極電極１２の櫛歯部１２２とは基材１０上で互いに噛み合うように組み合わされており、両者の間には微小な空隙が設けられて、互いに接触することがないように配置されている。次に説明するように、正極および負極電極１１，１２は基材１０表面から突出した立体構造を有しており、両者は上記した微小な空隙を隔てて基材１０上で対向している。この空隙部分を埋めるとともにベース部１１１，１２１の一部を除く電極１１，１２の表面を覆うように、固体電解質層１３が形成されている。
【００３０】
図２は正極電極の詳細構造を示す図である。また、図３は図１の電池モジュールの断面構造を示す図である。より詳しくは、図３（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、図３（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図２および図３においては、電極の断面構造を明示するために、その厚さ方向（図において上下方向）の寸法を拡大して表示している。
【００３１】
図２および図３に示すように、正極電極１１はベース部１１１と複数の櫛歯部１１２とを有している。このうちベース部１１１は基材１０上に例えば蒸着法により形成された金属膜から成っている。一方、複数の櫛歯部１１２のそれぞれは、ベース部１１１と一体的に形成された集電体として機能する金属膜１１２ａと、該金属膜１１２ａの上に積層された正極活物質材料を含む正極活物質層１１２ｂと、該正極活物質層１１２ｂの上に積層された導電性を有する第２集電体層１１２ｃとを有している。
【００３２】
ベース部１１１との接続部分において、第２集電体層１１２ｃの端部は活物質層１１２ｂの端部を超えてベース部１１１の上部まで延びており、これにより、金属膜からなるベース部１１１および櫛歯部１１２の金属膜１１２ａと第２集電体層１１２ｃとは電気的に接続されている。櫛歯部１１２の金属膜１１２ａは第２集電体層１１２と並列接続されて第２集電体１１２とともに正極活物質層１１２ｂに対して集電体として機能するものであり、以下では第２集電体層１１２ｃと区別するために必要に応じてそれぞれの極の「第１集電体層」と称することがある。また、各櫛歯部１１２は、ベース部１１１を介して互いに電気的に接続されている。
【００３３】
斜視図の図示を省略しているが、負極電極１２もこれと類似の構造となっている。すなわち、負極電極１２の櫛歯部１２２は、基材１０側から順に、ベース部１２１と一体に形成されて第１集電体層として機能する金属膜１２２ａ、該金属膜１２２ａの上に積層された負極活物質層１２２ｂ、および該負極活物質層１２２ｂの上に積層された導電性を有する第２集電体層１２２ｃを有している。そして、櫛歯部１２２の第２集電体層１２２ｃはベース部１２１と電気的に接続されるとともに、各櫛歯部１２２はベース部１２１を介して互いに電気的に接続されている。
【００３４】
このような構成では、図３（ｂ）に示すように、基材１０上でその表面に沿った方向において正極電極１１の櫛歯部１１２と負極電極１２の櫛歯部１２２とが交互に配置され、しかも両者が所定のギャップを隔てて近接対向している。そして、この両者の空隙が固体電解質層１３によって満たされることにより、化学電池として作用する。特に、電解質層１３が固体電解質材料により構成されることで、この電池モジュール１は全固体電池として作用する。
【００３５】
また、図１（ａ）に示すように、正極電極１１のベース部１１１の一部１１１ａおよび負極電極１２のベース部１２１の一部１２１ａは固体電解質層１３によって覆われずに金属面が露出しており、ここにタブ電極等が適宜接続されて、電池モジュール１の電気化学反応により発生する電流が外部へ取り出される。
【００３６】
正極活物質材料としては、例えば、正極活物質材料として公知のＬｉＣｏＯ2（ＬＣＯ）を用いることができる。また後述するように、この実施形態では活物質層を形成するのに活物質材料を含む塗布液の塗布を行うが、その塗布液としては、上記正極活物質材料と、導電助剤としての例えばアセチレンブラック、結着剤としてのＳＢＲ、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）および溶剤としての純水などを混合した水系ＬＣＯ材料を用いることができる。正極活物質材料としては、上記したＬＣＯの他、ＬｉＮｉＯ2またはＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4、ＬｉＭｎ2Ｏ4、またＬｉＭｅＯ2（Ｍｅ＝ＭxＭyＭz；Ｍｅ、Ｍは遷移金属、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で代表的に示される化合物、例えばＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ2などを用いることができる。
【００３７】
また、負極活物質材料を含む塗布液としては、例えば、負極活物質材料としてのＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12（ＬＴＯ）に、導電助剤としてのアセチレンブラックまたはケッチェンブラック、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などを混合したものを用いることができる。なお、負極活物質材料としては上記したＬＴＯの他に例えば黒鉛、金属リチウム、ＳｎＯ2、合金系などを用いることが可能である。
【００３８】
また、電解質層１３としては、固体電解質として機能する高分子電解質材料、例えばポリエチレンオキシドおよびポリスチレンの混合樹脂を用いることができ、これを形成するための塗布液としては、上記に支持塩としての例えばＬｉＰＦ6（六フッ化リン酸リチウム）および溶剤としての例えばジエチレンカーボネートなどを混合したものを用いることができる。
【００３９】
各部の寸法としては種々考えられるが、代表的には例えば次のようなものである。すなわち、蒸着により形成される正負の第１集電体層の膜厚については５００ｎｍないし１μｍ、その延設方向に直交する断面における幅については２００μｍ以下とすることができる。塗布により形成される正負の第２集電体層についてはより厚く形成することが望ましい。また、互いに隣接する第１集電体層間の間隔としては、１０μｍないし５０μｍ程度とすることができる。
【００４０】
また、正負の活物質層の延設方向に直交する断面における幅については、例えば２０μｍないし１５０μｍ程度、その厚さは例えば１０μｍないし３００μｍ程度とすることができる。
【００４１】
次に、上記のような構造を有する電池モジュールの製造方法について説明する。図４はこの実施形態にかかる電池の製造方法を示すフローチャートである。また、図５は図４の製造方法の各工程における処理の進行状況を模式的に示す図である。この製造方法では、まず絶縁性の基材１０の表面に、第１集電体として機能する金属膜を形成する（ステップＳ１０１）。より具体的には、図５（ａ）に示すように、正極電極１１および負極電極１２においてそれぞれ第１集電体層としての機能を有する金属膜１１２ａおよび１２２ａを、それぞれのベース部１１１および１２１と一体的に例えば適宜のマスクを用いた真空蒸着法により形成する。
【００４２】
ここで、正極電極１１における第１集電体層１１２ａと、負極電極１２における第１集電体層１２２ａとを同一材料とした場合には、これらを各々のベース部１１１，１１２とも併せて同時形成することが可能である。活物質材料を先に例示したものとした場合には、このように正負両極において第１集電体として共通使用可能な金属材料としては、例えば金またはアルミニウムがある。また、正負両極で異なる材料により第１集電体層を形成する場合には、それぞれの材料ごとに蒸着処理を行えばよい。また、蒸着による形成に限らず、例えばエッチング法やスクリーン印刷法によって第１集電体を形成するようにしてもよい。
【００４３】
次に、正極活物質層１１２ｂおよび負極活物質層１２２ｂを形成する。これらの形成順序は任意であるが、ここでは正極活物質層１１２ｂを先に形成するものとする。すなわち、上記のようにして形成された正極電極１１の第１集電体層１１２ａに重ねて、正極活物質材料を含む塗布液を塗布してこれを乾燥固化させることで、正極活物質層１１２ｂを形成する（ステップＳ１０２）。その塗布方法は任意であるが、例えば以下に説明するノズルスキャン法や、インクジェット法などを用いることができる。
【００４４】
図６はノズルスキャン法による材料塗布の様子を模式的に示す図である。ノズルスキャン法では、正極活物質材料を含む塗布液Ｐを吐出する吐出口Ｎｐを１つまたは複数有するノズルＮを、基材１０表面に沿って所定の走査移動方向Ｄｓ（この例では第１集電体層１１２ａの延設方向）に走査移動させる。
【００４５】
基材１０に対するノズルＮの走査移動は、基材１０、ノズルＮのいずれの移動によって実現されてもよい。また、吐出口Ｎｐの開口幅を形成すべき正極活物質層１１２ｂの幅と同程度とすることで、一度の走査移動で正極活物質層１１２ｂを形成することができるが、より狭い開口幅の吐出口を有するノズルを複数回走査移動させることで所定幅の正極活物質層１１２ｂを形成するようにしてもよい。また複数の正極活物質層１１２ｂをそれぞれ個別の走査移動で形成するようにしてもよい。
【００４６】
これにより、吐出口Ｎｐから吐出された塗布液Ｐが第１集電体層１１２ａの表面に塗り重ねられ、これが乾燥固化することで、図５（ｂ）に示すように、正極活物質層１１２ｂが第１集電体層１１２ａ上に積層形成される。
【００４７】
次いで、負極活物質層１２２ｂを負極電極１２の第１集電体層１２２ａの表面に積層形成する（ステップＳ１０３）。その形成方法は、上記した正極活物質層１１２ｂの形成方法と同様にすることができる。
【００４８】
こうして正負の活物質層が形成されると、続いて第２集電体層を形成する。すなわち、導電性粒子を含むペースト状の塗布液（導電性ペースト）を正極活物質層１１２ｂおよび負極活物質層１２２ｂそれぞれの表面に塗布して、正極側の第２集電体層１１２ｃおよび負極側の第２集電体層１２２ｃをそれぞれ形成する（ステップＳ１０４）。塗布方法は任意であるが、例えば上記したノズルスキャン法やインクジェット法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
【００４９】
導電性ペーストとしては、例えば、導電性粒子と有機ビヒクル（溶剤、樹脂、増粘剤等の混合物）とを含むペースト状の混合液を用いることができる。導電性粒子は集電体の材料たる例えば金、アルミニウム等の微粉末であり、有機ビヒクルは樹脂材料としてのエチルセルロースと有機溶剤を含む。
【００５０】
なお、正極および負極において第２集電体を同一材料で構成する場合には、正極側の第２集電体層１１２ｃおよび負極側の第２集電体層１２２ｃを同時に形成することが可能である。一方、異なる材料を用いる場合には、それぞれを異なるペーストを用いて個別に形成すればよい。
【００５１】
また、このとき、図５（ｃ）に示すように、活物質層が形成されていないベース部１１１，１１２の露出部分（露出領域）まで導電性ペーストを連続的に塗布する。こうすることにより、正極側の第２集電体層１１２ｃおよび負極側の第２集電体層１２２ｃを、それぞれベース部１１１，１１２を介して第１集電体層１１２ａ，１２２ａと電気的に接続することができる。
【００５２】
図４において破線矢印で示すように、ステップＳ１０２ないしＳ１０４を必要に応じて複数回繰り返して実行するようにしてもよい。この点については後述する。
【００５３】
上記のようにして、基材１０の表面に、それぞれ各機能層が積層されてなる正極電極１１および負極電極１２がそれぞれ形成される。こうして形成された電極１１，１２をその一部１１１ａ，１２１ａを除いて覆う固体電解質層１３を形成することで（ステップＳ１０５）、図１に示す電池モジュール１が製造される。固体電解質層１３の形成方法は任意であるが、電池としての機能を付与するためには正極電極１１と負極電極１２との空隙部分に電解質が充填される必要があり、また固体電解質層１３が電極の他の露出表面を覆うことで保護膜としての機能も果たすことから、電極１１，１２および基材１０の露出表面を薄く均一に覆うことのできる方法が望ましい。この目的のためには、例えばノズルスキャン法、インクジェット法、スピンコート法、スプレーコート法などを用いることができる。
【００５４】
以上のように、この実施形態では、正極電極１１と負極電極１２とが基材１０の表面に沿った方向に対向してなる電池モジュール１において、基材１０表面側から順に第１集電体層１１２ａ，１２２ａ、活物質層１１２ｂ，１２２ｂ、および第２集電体層１１２ｃ，１２２ｃを積層した構造の電極１１，１２を採用している。そして、正極の第１集電体層１１２ａと第２集電体層１１２ｃとが、また、負極の第１集電体層１２２ａと第２集電体層１２２ｃとが活物質層１１２ｂ，１２２ｂの端面より外側でそれぞれ電気的に接続されている。
【００５５】
このような構成では、活物質層１１２ｂ，１２２ｂを挟むように第１集電体層１１２ａ，１２２ａおよび第２集電体層１１２ｃ，１２２ｃが配置されて、しかも各極において第１集電体層と第２集電体層とは並列に接続されているため、これらが一体的に活物質層に対する集電体として機能する。これにより、この実施形態では、集電体の電気抵抗を小さくして、外部への電流の取り出しを低損失で効率よく行うことが可能となっている。
【００５６】
この場合において、活物質層を活物質材料を含む塗布液の塗布により、また第２集電体層は導電性ペーストの塗布により形成している。このため、例えば真空蒸着により形成する場合に比べてその膜厚を大きくすることができ、正負活物質層間の対向面積の増大および集電体の低抵抗化という点においてより効果的である。また、活物質層以後の各機能層の形成を塗布により行うことで、蒸着法において必要な真空引きのプロセスを省くことができるので、より短時間での製造が可能となっている。
【００５７】
以上説明したように、この実施形態の電池モジュール１では、正極電極１１を構成する第１集電体層１１２ａ、正極活物質層１１２ｂおよび第２集電体層１１２ｃが、それぞれ本発明の「第１正極集電体層」、「正極活物質層」および「第２正極集電体層」として機能している。またこれらはそれぞれ、本発明の「一方極側第１集電体層」、「一方極側活物質層」および「一方極側第２集電体層」に相当している。
【００５８】
同様に、負極電極１２を構成する第１集電体層１２２ａ、負極活物質層１２２ｂおよび第２集電体層１２２ｃが、それぞれ本発明の「第１負極集電体層」、「負極活物質層」および「第２負極集電体層」として機能している。また固体電解質層１３が本発明の「電解質層」として機能している。またこれらはそれぞれ、本発明の「他方極側第１集電体層」、「他方極側活物質層」および「他方極側第２集電体層」に相当している。
【００５９】
また、この実施形態における電池の製造方法（図４）においては、ステップＳ１０１が本発明の「第１工程」および「第２工程」に相当している。すなわち、この実施形態では、正負の集電体材料を同一とすることで、本発明の第１工程と第２工程とを同時に実行している。また、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３がそれぞれ本発明の「第３工程」および「第４工程」に相当している。
【００６０】
また、図４のステップＳ１０４が本発明の「第５工程」および「第６工程」に相当している。すなわち、この実施形態では、正負の第２集電体層を同一材料で形成することで、本発明の第５工程と第６工程とを同時に実行している。また、図４のステップＳ１０５が、本発明の「第９工程」に相当している。
【００６１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の電池の製造方法では、正極活物質材料を塗布してから負極活物質材料を塗布しているが、これらの順序は逆であってもよい。また、上記実施形態では第１集電体層および第２集電体層をそれぞれ正負極間で同一材料としているが、これに限定されない。正負極間で異なる材料を用いる場合には、上記手順に代えて、例えば正極、負極電極の一方のみを先に形成してからもう一方の電極を形成するようにしてもよい。また各機能層の形成方法についても、上記した蒸着や塗布によるものに限定されない。
【００６２】
また、基材上における正負の電極パターンの平面形状および断面形状についても、上記に限定されず任意のものを用いてよい。例えば次のような断面構造を有する正負電極を形成してもよい。
【００６３】
図７は電極構造の他のいくつかの例を示す図である。ここでは正極電極のみを図示しているが、負極電極についても同様である。なお、電池としての性能の観点からは、正負の電極の構造は同じであることが望ましい。
【００６４】
上記実施形態では、第１集電体層上に形成した活物質層を覆うように第２集電体層を形成し、第１集電体層と第２集電体層とを並列接続することで、集電体全体としての電気抵抗を低減し、電気化学反応により生成される電荷を低損失で効率よく外部へ取り出せるようにしている。ここで、活物質層の表面積（特に対極の活物質層との対向面積）をさらに増大させればより高出力が得られ、特に高速充放電特性が向上する。
【００６５】
そこで、図７（ａ）に示す電極２１では、第１集電体層２１２ａ、活物質層２１２ｂ、第２集電体層２１２ｃに加えてさらに第２活物質層２１２ｄを積層している。これにより、同じ電池面積における活物質の使用量が増大することで電池容量が増加し、また対極の活物質層との対向面積が増大することで、充放電特性の向上を図ることができる。
【００６６】
また、図７（ｂ）に示す電極３１では、断面方向における第２集電体層３１２ｃの幅を第１集電体層３１２ａ、上下の活物質層３１２ｂ、３１２ｄの幅よりも小さくすることで、一体の活物質層として機能する上下の活物質層３１２ｂ、３１２ｄにより第２集電体層３１２ｃが包み込まれた構造となっている。これにより、両極の活物質層間の対向面積がさらに大きくなり、充放電特性をより向上させることができる。
【００６７】
これらの変形態様においては、第２集電体層２１２ｄ，３１２ｄが本発明の「第２正極集電体層」および「一方極側第２活物質層」に相当することとなる。また図示を省略しているが、負極電極を同様の構造としたときにこれに対応して負極活物質材料により形成される層が、本発明の「第２負極集電体層」および「他方極側第２活物質層」に相当することとなる。
【００６８】
また、図７（ｃ）に示す電極４１のように、第１集電体層４１２ａ、活物質層４１２ｂ、第２集電体層４１２ｃ、第２活物質層４１２ｄを積層した上にさらに集電体層４１２ｅを積層し、これを第１および第２集電体層と並列接続するようにしてもよい。こうすることで集電体のさらなる低抵抗化を図ることが可能となる。
【００６９】
これらの構造は、図４のフローチャートにおいて破線矢印で示した、ステップＳ１０２ないしＳ１０４の繰り返し実行によって形成することができる。この意味において、繰り返し時に実行されるステップＳ１０２およびＳ１０３が、それぞれ本発明の「第７工程」および「第８工程」に相当することとなる。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）の構造を形成するに際しては、繰り返し時のステップＳ１０４を省略すればよい。また、これらの処理を３回以上繰り返して、活物質層と集電体層とをより多層に積層するようにしてもよい。こうすることで、正負活物質層間の対向面積を大きくし、しかも集電体の低抵抗化を図ることができるので、電池としての性能をさらに向上させることが可能である。
【００７０】
また、図７（ｄ）に示す電極５１のように、第１集電体層５１２ａの側面を含む表面全体を覆うように活物質層５１２ｂを形成しても、電池としての機能には問題がない。ただし、活物質層５１２ｂの側面を第２集電体層５１２ｃによって覆ってしまうことは、対極との電荷のやり取りが阻害されるので避けるべきである。
【００７１】
また、上記実施形態の電池およびその製造方法では、正負の電極間に固体電解質層を形成しており、この電池は全固体電池となっている。しかしながら、上記の電極構造およびその製造方法は、このような固体電解質を用いる電池のみでなく、液体電解質を用いる電池においても有効である。
【００７２】
また、上記実施形態で例示した集電体、活物質、電解質等の材料はその一例を示したものであってこれに限定されず、リチウムイオン電池の構成材料として用いられる他の材料を使用してリチウムイオン電池を製造する場合においても、本発明の製造方法を好適に適用することが可能である。また、リチウムイオン電池に限らず、他の材料を用いた化学電池全般に本発明を適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
この発明は、例えばリチウムイオン二次電池のように正負極の活物質層が電解質層を介して対向する構造を有する電池に適用可能であり、特に電気化学反応で発生した電荷を低損失で効率よく取り出すことのできる電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１  電池モジュール（電池）
１１  正極電極
１２  負極電極
１３  固体電解質層（電解質層）
１１２ａ  第１集電体層（第１正極集電体層、一方極側第１集電体層）
１１２ｂ  正極活物質層（正極活物質層、一方極側活物質層）
１１２ｃ  第２集電体層（第２正極集電体層、一方極側第２集電体層）
１２２ａ  第１集電体層（第１負極集電体層、他方極側第１集電体層）
１２２ｂ  負極活物質層（負極活物質層、他方極側活物質層）
１２２ｃ  第２集電体層（第２負極集電体層、他方極側第２集電体層）
２１２ｄ，３１２ｄ  第２集電体層（第２正極集電体層、一方極側第２活物質層）
Ｓ１０１  第１工程、第２工程
Ｓ１０２  第３工程、第７工程
Ｓ１０３  第４工程、第８工程
Ｓ１０４  第５工程、第６工程
Ｓ１０５  第９工程
【図１】
2013073720.tif 000003
【図２】
2013073720.tif 000004
【図３】
2013073720.tif 000005
【図４】
2013073720.tif 000006
【図５】
2013073720.tif 000007
【図６】
2013073720.tif 000008
【図７】
2013073720.tif 000009