(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極活物質を含む複数の柱状負極と、
各柱状負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、隣合う前記分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極と、
すべての前記柱状負極の一方の端面が露出するように設けられた絶縁層と、
前記絶縁層から露出したすべての前記柱状負極の一方の端面を覆うように設けられた第１負極集電層と、
前記第１負極集電層上に間欠的に設けられた前記第１負極集電層より低抵抗な複数の第２負極集電層と、
前記第１負極集電層と接触せず、前記第２負極集電層を架け渡すように設けられ、前記第２負極集電層よりも少ない数のより低抵抗な第３負極集電層と、
前記正極の内部で前記柱状負極と交差する方向に配列された複数の正極導電性パターンと、
前記正極のうち前記正極導電性パターンの一方の端面が露出している露出面を覆うように設けられた第１正極集電層と、
前記第１正極集電層上に間欠的に設けられた前記第１正極集電層より低抵抗な複数の第２正極集電層と、
前記第１正極集電層と接触せず、前記第２正極集電層を架け渡すように設けられ、前記第２正極集電層よりも少ない数のより低抵抗な第３正極集電層と、
を備えた二次電池。
【請求項２】
前記柱状負極の前記端面は、前記第２負極集電層と重なるものと重ならないものとが周期的に存在し、
前記正極導電性パターンの前記端面は、前記第２正極集電層と重なるものと重ならないものとが周期的に存在し、
前記第２負極集電層と前記第２正極集電層とは、オフセットされている、
請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
前記第１負極集電層の電気抵抗Ｒａ１は、前記第２負極集電層と重複していない前記柱状負極の前記端面から前記第１負極集電層を経由して前記第２負極集電層に至る最短経路の電気抵抗であり、前記第２負極集電層の電気抵抗Ｒａ２は、前記第２負極集電層の端部から前記第２負極集電層を経由して前記第３負極集電層に至る経路の電気抵抗であり、前記第３負極集電層の電気抵抗Ｒａ３は、前記第３負極集電層の一端から他端に至る経路の電気抵抗であり、
前記第１正極集電層の電気抵抗Ｒｃ１は、前記第２正極集電層と重複していない前記正極導電性パターンの前記端面から前記第１正極集電層を経由して前記第２正極集電層に至る最短経路の電気抵抗であり、前記第２正極集電層の電気抵抗Ｒｃ２は、前記第２正極集電層の端部から前記第２正極集電層を経由して前記第３正極集電層に至る経路の電気抵抗であり、前記第３正極集電層の電気抵抗Ｒａ３は、前記第３正極集電層の一端から他端に至る経路の電気抵抗である、
請求項１又は２に記載の二次電池。
【請求項４】
前記柱状負極の前記端面は、周期的に配置され、
第２負極集電層は、同一直線上に並んだ複数の前記柱状負極の前記端面と平行になるように且つ隣合う前記第２負極集電層同士の間隔が一定になるように設けられ、
前記正極導電性パターンの前記端面は、前記露出面に周期的に配置され、
前記第２正極集電層は、同一直線上に並んだ複数の前記正極導電性パターンの前記端面と平行になるように且つ隣合う前記第２正極集電層同士の間隔が一定になるように設けられている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池。
【請求項５】
前記第３負極集電層は、前記第２負極集電層を架け渡すように設けられた１本の導電線であり、
前記第３正極集電層は、前記第２正極集電層を架け渡すように設けられた１本の導電線である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する発明は、二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エネルギー密度の高い二次電池としては、複数の柱状負極と、各柱状負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、隣合う分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極とを備えたものが知られている（特許文献１）。この二次電池は、分離膜で周囲を囲われた柱状負極が正極内に配置された構造である。この二次電池の正極は、正六角柱からなる柱状正極を空間充填して得られたものであり、分離膜で囲われた柱状負極が、柱状正極の中心孔に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１５２２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の二次電池では、負極集電構造や正極集電構造を十分検討されていなかった。そのため、集電を効率的に行うことができず、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度が十分高いとはいえなかった。
【０００５】
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、分離膜で周囲を囲われた柱状負極が正極内に配置された二次電池において、エネルギー密度を十分高めることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的を達成するために、本発明者らは、分離膜で周囲を囲われた柱状負極が正極内に配置された二次電池において、負極集電構造及び正極集電構造を工夫することによりエネルギー密度を十分高めると共に電池反応のばらつきを抑制できることを見い出し、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本明細書で開示する二次電池は、
負極活物質を含む複数の柱状負極と、
各柱状負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、隣合う前記分離膜同士の間を埋めるように設けられた正極と、
すべての前記柱状負極の一方の端面が露出するように設けられた絶縁層と、
前記絶縁層から露出したすべての前記柱状負極の一方の端面を覆うように設けられた第１負極集電層と、
前記第１負極集電層上に間欠的に設けられた複数の低抵抗な第２負極集電層と、
前記第１負極集電層と接触せず、前記第２負極集電層を架け渡すように設けられ、前記第２負極集電層よりも少ない数のより低抵抗な第３負極集電層と、
前記正極の内部で前記柱状負極と交差する方向に配列された複数の正極導電性パターンと、
前記正極のうち前記正極導電性パターンの一方の端面が露出している露出面を覆うように設けられた第１正極集電層と、
前記第１正極集電層上に間欠的に設けられた複数の低抵抗な第２正極集電層と、
前記第１正極集電層と接触せず、前記第２正極集電層を架け渡すように設けられ、前記第２正極集電層よりも少ない数のより低抵抗な第３正極集電層と、
を備えたものである。
【０００８】
この二次電池によれば、負極の集電及び正極の集電を効率的に行うことができるため、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度を十分高くすることができる。負極集電構造を第１負極集電層のみとした場合には、第１負極集電層を電流が流れる経路の電気抵抗が高いためすべての柱状負極からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すのは難しい。また、正極集電構造を第１正極集電層のみとした場合には、第１正極集電層を電流が流れる経路の電気抵抗が高いためすべての正極導電性パターンからの電流を実用的な電圧低下範囲で流すのは難しい。しかし、ここでは、負極集電構造を、第１負極集電層と、第１負極集電層の上に間欠的に設けられた低抵抗な第２負極集電層と、更に第２負極集電層の上に設けられたより低抵抗な第３負極集電層とで構成したため、すべての柱状負極からの電流を第１負極集電層、第２負極集電層及び第３負極集電層の順に経由して比較的低い電気抵抗で集電することができる。その結果、すべての柱状負極からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すことができる。また、正極集電構造を、第１正極集電層と、第１正極集電層の上に間欠的に設けられた低抵抗な第２正極集電層と、第２正極集電層の上に設けられたより低抵抗な第３正極集電層とで構成したため、すべての正極導電性パターンからの電流を第１正極集電層、第２正極集電層及び第３正極集電層の順に経由して比較的低い電気抵抗で集電することができる。その結果、すべての正極導電性パターンからの電流を実用的な電圧低下範囲で流すことができる。したがって、分離膜で周囲を囲われた柱状負極が正極内に配置された二次電池において、エネルギー密度を十分高めることできる。
【０００９】
本明細書で開示する二次電池において、前記柱状負極の前記端面は、前記第２負極集電層と重なるものと重ならないものとが周期的に存在し、前記正極導電性パターンの前記端面は、前記第２正極集電層と重なるものと重ならないものとが周期的に存在し、前記第２負極集電層と前記第２正極集電層とは、オフセットされていてもよい。この二次電池によれば、第２負極集電層と第２正極集電層とはオフセットされているため、電池反応のばらつきを抑制することができる。第２負極集電層と第２正極集電層とがオフセットされていない場合、第２負極集電層と重複している柱状負極の端面と第２正極集電層と重複している正極導電性パターンの端面との間を流れる電流は、最も抵抗の高い第１負極集電層と第１正極集電層の両方を厚み方向に僅かな長さだけ進むのに対し、第２負極集電層と重複していない負極の端面と第２正極集電層と重複していない正極導電性パターンの端面との間を流れる電流は、最も抵抗の高い第１負極集電層や第１正極集電層を面方向に比較的長距離進む。そのため、前者と後者では電気抵抗のばらつきが大きくなる。このように正極−負極間の電気抵抗にばらつきがあると、局所的に電池反応がばらつく原因になるため好ましくない。これに対して、第２負極集電層と第２正極集電層とがオフセットされている場合、どの柱状負極の端面とどの正極導電性パターンの端面との間を流れる電流も、最も抵抗の高い第１負極集電層と第１正極集電層の少なくとも一方を面方向に比較的長距離進む。そのため、電気抵抗のばらつきが抑制される。
【００１０】
本明細書で開示する二次電池において、前記第１負極集電層の電気抵抗Ｒａ１は、前記第２負極集電層と重複していない前記柱状負極の前記端面から前記第１負極集電層を経由して前記第２負極集電層（例えば第２負極集電層の中心線）に至る最短経路の電気抵抗であり、前記第２負極集電層の前記電気抵抗Ｒａ２は、前記第２負極集電層の端部から前記第２負極集電層を経由して前記第３負極集電層（例えば第３負極集電層の中心線）に至る経路の電気抵抗であり、前記第３負極集電層の電気抵抗Ｒａ３は、前記第３負極集電層の一端から他端に至る経路の電気抵抗としてもよい。また、前記第１正極集電層の前記電気抵抗Ｒｃ１は、前記第２正極集電層と重複していない前記正極導電性パターンの前記端面から前記第１正極集電層を経由して前記第２正極集電層（例えば第２正極集電層の中心線）に至る最短経路の電気抵抗であり、前記第２正極集電層の前記電気抵抗Ｒｃ２は、前記第２正極集電層の端部から前記第２正極集電層を経由して前記第３正極集電層（例えば第３正極集電層の中心線）に至る経路の電気抵抗であり、前記第３正極集電層の電気抵抗Ｒａ３は、前記第３正極集電層の一端から他端に至る経路の電気抵抗としてもよい。
【００１１】
本明細書で開示する二次電池において、前記柱状負極の前記端面は、周期的に配置され、第２負極集電層は、同一直線上に並んだ複数の前記柱状負極の前記端面と平行になるように且つ隣合う前記第２負極集電層同士の間隔が一定になるように設けられ、前記正極導電性パターンの前記端面は、前記露出面に周期的に配置され、前記第２正極集電層は、同一直線上に並んだ複数の前記正極導電性パターンの前記端面と平行になるように且つ隣合う前記第２正極集電層同士の間隔が一定になるように設けられていてもよい。こうすれば、第２負極集電層も第２正極集電層も周期的な構造になるため作製しやすくなる。
【００１２】
本明細書で開示する二次電池において、前記第３負極集電層は、前記第２負極集電層を架け渡すように設けられた１本の導電線であり、前記第３正極集電層は、前記第２正極集電層を架け渡すように設けられた１本の導電線であってもよい。こうすれば、第３負極集電層や第３正極集電層が複数本存在する場合に比べて構成が簡素化される。
【００１３】
本明細書で開示する二次電池において、前記正極は、空間充填可能な正多角柱からなる複数の柱状正極を空間充填して得られたものであり、前記分離膜で囲われた前記柱状負極は、前記柱状正極の中心孔に配置されていてもよい。こうすれば、正極を比較的容易に作製することができる。なお、「空間充填」とは、空間内を３次元形状の物体で隙間なく埋め尽くすことをいう。
【００１４】
本明細書で開示する二次電池は、固体電解質を用いた全固体電池としてもよいし、電解質液を用いた二次電池としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】二次電池１０の概略構成を示す斜視図。
【図２】柱状正極２６を空間充填して得られた正極１６の斜視図。
【図３】分離膜１４付きの柱状負極１２を有する柱状正極２６の斜視図。
【図４】一列に並べた分離膜１４付きの柱状負極１２の斜視図。
【図５】第１負極集電層２１の経路Ｐａ１の電気抵抗Ｒａ１を求める方法の説明図。
【図６】第１正極集電層３１の経路Ｐｃ１の電気抵抗Ｒｃ１を求める方法の説明図。
【図７】二次電池１１０の概略構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本実施形態で開示する二次電池１０について図面を用いて説明する。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアとするリチウムイオン二次電池を一例として以下に説明する。図１は二次電池１０の概略構成を示す斜視図、図２は柱状正極２６を空間充填して得られた正極１６の斜視図、図３は分離膜１４付きの柱状負極１２を有する柱状正極２６の斜視図、図４は一列に並べた分離膜１４付きの柱状負極１２の斜視図、図５は第１負極集電層２１の経路Ｐａ１の電気抵抗Ｒａ１を求める方法の説明図、図６は第１正極集電層３１の経路Ｐｃ１の電気抵抗Ｒｃ１を求める方法の説明図である。なお、本実施形態で上下方向、左右方向及び前後方向は図１、図２及び図４に示すとおりとするが、これらは相対的な位置関係を表すために便宜上用いたに過ぎない。
【００１７】
二次電池１０は、柱状負極１２と、分離膜１４と、正極１６と、負極集電体２０と、正極集電体３０とを備えている。
【００１８】
柱状負極１２は、負極活物質を含む円柱体である。二次電池１０は、複数の柱状負極１２を有している。柱状負極１２は、負極活物質である炭素繊維を束ねたものとしてもよいし、炭素繊維を撚ったものとしてもよい。柱状負極１２は、二次電池１０全体の負極容量の１／ｎ（ｎは２以上の整数、以下同じ）の容量を有し、ｎ本が負極集電体２０の第１負極集電層２１に並列接続されている。柱状負極１２は、長手方向に垂直な断面の直径が１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲であることが好ましい。この直径が１０μｍ以上であれば、電極構造体としての強度を担保することができ安定した充放電ができる。また、この直径が２００μｍ以下であれば、キャリアのイオンの移動距離が長くなりすぎず、高出力性能が得られる。また、この直径がこの範囲であれば、単位体積あたりのエネルギー密度をより高めることができる。あるいは、この範囲であれば、キャリアのイオンの移動距離をより短くすることができ、より大きな電流で充放電を行うことができる。この炭素繊維の長手方向の長さは、二次電池１０の用途などに応じて適宜定めることができ、例えば、２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲などとしてもよい。炭素繊維の長さが２０ｍｍ以上であれば、電池容量をより高めることができ好ましく、２００ｍｍ以下であれば、柱状負極１２の電気抵抗をより低減することができ好ましい。柱状負極１２の上端面１２ａは、正極１６の上端面に設けられた絶縁層１８から露出するように設けられている。すなわち、絶縁層１８は、すべての柱状負極１２の上端面１２ａが露出するように設けられている。絶縁層１８は、例えば電気絶縁性ポリマーで形成されている。柱状負極１２の上端面１２ａは、絶縁層１８に格子状になるように周期的に配置され、左右方向にｉ個（ｉは２以上の整数）、前後方向にｊ個（ｊは２以上の整数）並んでいる。
【００１９】
分離膜１４は、柱状負極１２の外周面及び下端面を囲うように設けられている。分離膜１４は、柱状負極１２の上端面１２ａには設けられていない。分離膜１４は、キャリアであるイオン（本実施形態ではリチウムイオン）のイオン伝導性を有し、柱状負極１２と正極１６とを絶縁するものである。分離膜１４としては、イオン伝導性と絶縁性とを有するポリマーが好適である。この分離膜１４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）との共重合体や、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、及びＰＭＭＡとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。例えば、ＰＶｄＦとＨＦＰとの共重合体では、電解液の一部がこの膜を膨潤ゲル化し、イオン伝導膜となる。この分離膜１４の厚さは、例えば、絶縁性を確保することを考慮すると、０．５μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であるものとしてもよい。また、分離膜１４の厚さは、イオン伝導性の低下を抑制することを考慮すると、２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。そのため、分離膜１４の厚さは、０．５〜２０μｍの範囲であることが、イオン伝導性と絶縁性とを両立させる上で好適である。この分離膜１４は、例えば、原料を含む溶液へ柱状負極１２を浸漬させてその表面にコートすることにより形成されるものとしてもよい。
【００２０】
電解液は、本実施形態では、非水系溶媒にリチウムイオンを含む支持塩を溶解したもの（非水系電解液）とした。非水系溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート、エチル−ｎ−ブチルカーボネート、メチル−ｔ−ブチルカーボネート、ジ−ｉ−プロピルカーボネート、ｔ−ブチル−ｉ−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、１，３−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＳｉＦ6、ＬｉＡｌＦ4、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＣｌ、ＬｉＦ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＡｌＣｌ4などが挙げられる。このうち、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4などの無機塩、及びＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3などの有機塩からなる群より選ばれる１種又は２種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌ以上５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上２ｍｏｌ／Ｌ以下であることがより好ましい。
【００２１】
正極１６は、正極活物質を含み、隣合う分離膜１４同士の間を埋めるように設けられている。正極１６は、例えば図２に示すように、正六角柱からなる複数の柱状正極２６を空間充填して得られたものとしてもよい。柱状正極２６の中心孔２６ａには、外周面及び下端面が分離膜１４で囲われた柱状負極１２が配置されている。中心孔２６ａは、柱状正極２６の中心軸に沿って柱状正極２６の上端面から下端面の手前まで設けられた有底筒状の孔である。そのため、柱状負極１２の外周面及び下端面と、柱状正極２６の中心孔２６ａの内壁及び底面とは、分離膜１４によって絶縁されている。図３に、分離膜１４付きの柱状負極１２を有する柱状正極２６の斜視図を示す。
【００２２】
正極１６は、正極活物質を含んでいるが、正極活物質が導電性を有さない場合は、導電性を有する導電材を混合して成形したものとしてもよい。正極１６は、例えば、正極活物質と、必要に応じて導電材と、結着剤とを混合し成形したものとしてもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属とを有する化合物が挙げられる。こうした化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物やリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、基本組成式をＬｉ(1-x)ＭｎＯ2（０≦ｘ≦１など、以下同じ）やＬｉ(1-x)Ｍｎ2Ｏ4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＣｏＯ2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＮｉＯ2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をＬｉ(1-x)ＣｏaＮｉbＭｎcＯ2（ａ＞０、ｂ＞０、ｃ＞０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｌｉ(1-x)ＣｏaＮｉbＭｎcＯ4（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１≦ｃ＜２、ａ＋ｂ＋ｃ＝２）などとするリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、基本組成式をＬｉＶ2Ｏ3などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をＶ2Ｏ5などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をＬｉＦｅＰＯ4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、例えば、ＬｉＣｏ1/3Ｎｉ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2やＬｉＮｉ0.4Ｃｏ0.3Ｍｎ0.3Ｏ2などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、ＡｌやＭｇなどの成分を含んでもよい趣旨である。
【００２３】
正極１６に導電材を含ませる場合、その導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛（鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛）や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属（銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など）などの１種又は２種以上を混合したものを用いることができる。正極１６に結着材を含ませる場合、その結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであれば特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、スルホン化ＥＰＤＭゴム、天然ブチルゴム（ＮＢＲ）等を単独で、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）の水分散体等を用いることもできる。一般的な正極活物質は導電性を有さないため、通常、正極１６は導電材を混合して作製される。しかし、導電材が混合されるとしても、その導電性は炭素繊維を束ねた柱状負極１２に比べて低い。そのため、正極１６の内部には、正極導電性パターン１７が柱状負極１２と接触することなく交差（例えば直交）する方向に複数配列されている。
【００２４】
正極導電性パターン１７は、上下方向及び前後方向にそれぞれ間欠的に設けられている。正極導電性パターン１７は、帯状のパターンであり、図１で左右方向に並んだ複数の柱状負極１２を１つのグループとして、各グループの前面側において上下方向に間欠的にｋ列（ｋは２以上の整数）配列されている。正極導電性パターン１７の端面１７ａは、図１に示すように正極１６の左側面に格子状になるように周期的に配置され、前後方向にｍ個（ｍは２以上の整数）、上下方向にｋ個設けられている。正極導電性パターン１７は、正極１６に比べて導電性が良好な材料で形成されており、そうした材料としては例えば導電材として例示した材料が挙げられる。図２に示す正極１６を作製する場合には、例えば図４に示すように、左右方向に一列に並んだ複数の柱状正極２６（分離膜１４付きの柱状負極１２を中心孔２６ａに挿入されたもの）を左右から圧縮して１つのグループとし、そのグループの前面側において左右方向に延びる正極導電性パターン１７を上下方向に間欠的に形成し、このように正極導電性パターン１７が形成されたグループを前後方向に多数並べた状態で前後から圧縮して正極１６としてもよい。
【００２５】
負極集電体２０は、図１に示すように、第１負極集電層２１と、第２負極集電層２２と、第３負極集電層２３とを備えたものであり、二次電池１０の上部に配置されている。
【００２６】
第１負極集電層２１は、絶縁層１８から露出したすべての柱状負極１２の上端面１２ａと絶縁層１８の表面とを覆うように、例えば蒸着、スパッタ、印刷などで形成されている。そのため、第１負極集電層２１には、ｎ本の柱状負極１２の上端面１２ａが並列接続されている。第１負極集電層２１の材料としては、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性（還元性）を向上させる目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀、白金、金などで処理したものも用いることができる。第１負極集電層２１の形状は、本実施形態では板状とした。
【００２７】
第２負極集電層２２は、第１負極集電層２１上に間欠的に設けられた線状又は板状の部材である。第２負極集電層２２は、図１に示すように、左右方向の同一直線上に並んだ複数の柱状負極１２の上端面１２ａと平行になるように且つ隣合う第２負極集電層２２同士の間隔が一定になるように設けられていることが好ましい。図１では、第２負極集電層２２は、同一直線上に並んだ複数の柱状負極１２の上端面１２ａと重なるように設けられており、第２負極集電層２２の前後方向のピッチは、柱状負極１２の上端面１２ａの前後方向のピッチの２倍になっている。そのため、左右方向の同一直線上に並んだ複数の柱状負極１２の上端面１２ａは、第２負極集電層２２と重なるものと重ならないものとが前後方向に交互に存在する。第２負極集電層２２の材料としては、第１負極集電層２１で例示した材料の中から適宜使用することができ、第１負極集電層２１と同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。
【００２８】
第３負極集電層２３は、第１負極集電層２１と接触せず、第２負極集電層２２を架け渡すように設けられた線状又は板状の部材である。第３負極集電層２３は、第２負極集電層２２よりも少ない数であり、本実施形態では１本である。第３負極集電層２３の材料としては、第１負極集電層２１で例示した材料の中から適宜使用することができ、第１負極集電層２１や第２負極集電層２２と同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。
【００２９】
第１負極集電層２１を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒａ１［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒａ１は、第２負極集電層２２と重ならない柱状負極１２の上端面１２ａから第１負極集電層２１を経由して第２負極集電層２２に至る最短経路の電気抵抗とする。具体的には、電気抵抗Ｒａ１は、図５に示すように、直上に第２負極集電層２２が設けられていない柱状負極１２の上端面１２ａの中心線から第１負極集電層２１を経由して第２負極集電層２２の中心線２２ｃに至る経路Ｐａ１（図５の網掛けを施した長方形部分）の電気抵抗とする。この経路Ｐａ１は、第１負極集電層２１における長さＬａ１［ｍ］、幅ｗａ１［ｍ］、厚さｔａ１［ｍ］の直方体である。第１負極集電層２１の体積抵抗率をρａ１［Ωｍ］とすると、第１負極集電層２１の電気抵抗Ｒａ１は、下記式で表される。式中、Ｓａ１は経路Ｐａ１の断面積（＝ｗａ１×ｔａ１）である。
Ｒａ１＝ρａ１×Ｌａ１／Ｓａ１
【００３０】
第２負極集電層２２を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒａ２［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒａ２は、第２負極集電層２２の端部から第２負極集電層２２を経由して第３負極集電層２３に至る経路の電気抵抗とする。具体的には、電気抵抗Ｒａ２は、図１に示すように、第２負極集電層２２の端部（右端）から第２負極集電層２２を経由して第３負極集電層２３の中心線２３ｃに至る経路の電気抵抗とする。第２負極集電層２２の体積抵抗率をρａ２［Ωｍ］とすると、電気抵抗Ｒａ２は、下記式で表される。長さＬａ２［ｍ］と断面積Ｓａ２［ｍ2］を図１に示す。
Ｒａ２＝ρａ２×Ｌａ２／Ｓａ２（Ｓａ２は第２負極集電層２２の断面積）
【００３１】
第３負極集電層２３を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒａ３［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒａ３は、第３負極集電層２３の長手方向の一端から他端に至る電気抵抗とする。第３負極集電層２３の体積抵抗率をρａ３［Ωｍ］とすると、電気抵抗Ｒａ３は、下記式で表される。長さＬａ３［ｍ］と断面積Ｓａ３［ｍ2］を図１に示す。
Ｒａ３＝ρａ３×Ｌａ３／Ｓａ３（Ｓ３は第３負極集電層２３の断面積）
【００３２】
本実施形態では、電気抵抗Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒａ３は、Ｒａ１＞Ｒａ２＞Ｒａ３の関係を満たす。また、電気抵抗Ｒａ１に対する電気抵抗Ｒａ２の比は０．１以下であり、電気抵抗Ｒａ２に対する電気抵抗Ｒａ３の比は０．１以下であることが好ましい。
【００３３】
正極集電体３０は、図１に示すように、第１正極集電層３１と、第２正極集電層３２と、第３正極集電層３３とを備えたものであり、二次電池１０の一側面に配置されている。正極集電体３０と負極集電体２０とは、電気的に絶縁されている。
【００３４】
第１正極集電層３１は、正極１６のうち正極導電性パターン１７の一方の端面１７ａが露出している露出面（図１で左側面）の全面を覆うように、例えば蒸着、スパッタ、印刷などで形成されている。そのため、第１正極集電層３１には、複数の正極導電性パターン１７の端面１７ａが並列接続されている。第１正極集電層３１の材料としては、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性（還元性）を向上させる目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀、白金、金などで処理したものも用いることができる。第１正極集電層３１の形状は、本実施形態では板状とした。なお、図２の正極１６に第１正極集電層３１を形成する場合には、図２の正極１６のジグザグに折れ曲がった左側面に第１正極集電層３１が形成されるため、第１正極集電層３１もジグザグに折れ曲がった面になる。
【００３５】
第２正極集電層３２は、第１正極集電層３１上に間欠的に設けられた線状又は板状の部材である。第２正極集電層３２は、図１に示すように、上下方向の同一直線上に並んだ複数の正極導電性パターン１７の端面１７ａと平行になるように且つ隣合う第２正極集電層３２同士の間隔が一定になるように設けられていることが好ましい。図１では、第２正極集電層３２は、同一直線上に並んだ複数の正極導電性パターン１７の端面１７ａと重なるように設けられており、第２正極集電層３２の前後方向のピッチは、正極導電性パターン１７の端面１７ａの前後方向のピッチの２倍になっている。そのため、上下方向の同一直線上に並んだ複数の正極導電性パターン１７の端面１７ａは、第２正極集電層３２と重なるものと重ならないものとが前後方向に交互に存在する。第２正極集電層３２と第２負極集電層２２とは、オフセットされている。すなわち、第２正極集電層３２と第２負極集電層２２とは、平行でなく交わらない位置の関係（いわゆる「ねじれの位置」の関係）にある。第２正極集電層３２の材料としては、第１正極集電層３１で例示した材料の中から適宜使用することができ、第１正極集電層３１と同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。なお、図２の正極１６に第２正極集電層３２を形成する場合には、図２の正極１６のジグザグに折れ曲がった左側面から左方に突き出た上下方向に延びる辺に沿って線状に第２正極集電層３２を形成する。
【００３６】
第３正極集電層３３は、第１正極集電層３１と接触せず、第２正極集電層３２を架け渡すように設けられた線状又は板状の部材である。第３正極集電層３３は、第２正極集電層３２よりも少ない数であり、本実施形態では１本である。第３正極集電層３３の材料としては、第１正極集電層３１で例示した材料の中から適宜使用することができ、第１正極集電層３１や第２正極集電層３２と同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。
【００３７】
第１正極集電層３１を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒｃ１［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒｃ１は、第２正極集電層３２と重ならない正極導電性パターン１７の端面１７ａから第１正極集電層３１を経由して第２正極集電層３２に至る最短経路の電気抵抗とする。具体的には、電気抵抗Ｒｃ１は、図６に示すように、直上に第２正極集電層３２が設けられていない正極導電性パターン１７の端面１７ａの中心線から第１正極集電層３１を経由して第２正極集電層３２の中心線３２ｃに至る経路Ｐｃ１（図６の網掛けを施した長方形部分）の電気抵抗とする。この経路Ｐｃ１は、第１正極集電層３１における長さＬｃ１［ｍ］、幅ｗｃ１［ｍ］、厚さｔｃ１［ｍ］の直方体である。第１正極集電層３１の体積抵抗率をρｃ１［Ωｍ］とすると、第１正極集電層３１の電気抵抗Ｒｃ１は、下記式で表される。式中、Ｓｃ１は経路Ｐｃ１の断面積（＝ｗｃ１×ｔｃ１）である。
Ｒｃ１＝ρｃ１×Ｌｃ１／Ｓｃ１
【００３８】
第２正極集電層３２を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒｃ２［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒｃ２は、第２正極集電層３２の端部から第２正極集電層３２を経由して第３正極集電層３３に至る経路の電気抵抗とする。具体的には、電気抵抗Ｒｃ２は、図１に示すように、第２正極集電層３２の端部（下端）から第２正極集電層３２を経由して第３正極集電層３３の中心線３３ｃに至る経路の電気抵抗とする。第２正極集電層３２の体積抵抗率をρｃ２［Ωｍ］とすると、電気抵抗Ｒｃ２は、下記式で表される。長さＬｃ２［ｍ］と断面積Ｓｃ２［ｍ2］を図１に示す。
Ｒｃ２＝ρｃ２×Ｌｃ２／Ｓｃ２（Ｓｃ２は第２負極集電層２２の断面積）
【００３９】
第３正極集電層３３を電流が流れる経路の電気抵抗を、電気抵抗Ｒｃ３［Ω］とする。本実施形態では、電気抵抗Ｒｃ３は、第３正極集電層３３の長手方向の一端から他端に至る電気抵抗とする。第３正極集電層３３の体積抵抗率をρｃ３［Ωｍ］とすると、電気抵抗Ｒｃ３は、下記式で表される。長さＬｃ３［ｍ］と断面積Ｓｃ３［ｍ2］を図１に示す。
Ｒｃ３＝ρｃ３×Ｌｃ３／Ｓｃ３（Ｓｃ３は第３負極集電層２３の断面積）
【００４０】
本実施形態では、電気抵抗Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３は、Ｒｃ１＞Ｒｃ２＞Ｒｃ３の関係を満たす。また、電気抵抗Ｒｃ１に対する電気抵抗Ｒｃ２の比は０．１以下であり、電気抵抗Ｒｃ２に対する電気抵抗Ｒｃ３の比は０．１以下であることが好ましい。
【００４１】
以上詳述した本実施形態の二次電池１０によれば、３層構造の負極集電体２０と３層構造の正極集電体３０を採用したことにより柱状負極１２及び正極１６の集電を効率的に行うことができるため、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度を十分高くすることができる。負極集電構造を第１負極集電層２１のみとした場合には、第１負極集電層２１を電流が流れる経路の電気抵抗が高いためすべての柱状負極１２からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すのは難しい。また、正極集電構造を第１正極集電層３１のみとした場合には、第１正極集電層３１を電流が流れる経路の電気抵抗が高いためすべての正極導電性パターン１７からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すのは難しい。しかし、ここでは、負極集電構造を、第１負極集電層２１と、第１負極集電層２１の上に間欠的に設けられた低抵抗な第２負極集電層２２と、更に第２負極集電層２２の上に設けられたより低抵抗な第３負極集電層２３とで構成したため、すべての柱状負極１２からの電流を第１負極集電層２１、第２負極集電層２２及び第３負極集電層２３の順に経由して比較的低い電気抵抗で集電することができる。その結果、すべての柱状負極１２からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すことができる。また、正極集電構造を、第１正極集電層３１と、第１正極集電層３１の上に間欠的に設けられた低抵抗な第２正極集電層３２と、第２正極集電層３２の上に設けられたより低抵抗な第３正極集電層３３とで構成したため、すべての正極導電性パターン１７からの電流を第１正極集電層３１、第２正極集電層３２及び第３正極集電層３３の順に経由して比較的低い電気抵抗で集電することができる。その結果、すべての正極導電性パターン１７からの電流を実用的な電圧低下範囲で流すことができる。したがって、分離膜１４で周囲を囲われた柱状負極１２が正極１６内に配置された二次電池１０において、エネルギー密度を十分高めることできる。
【００４２】
また、第２負極集電層２２と第２正極集電層３２とはオフセットされているため、負極集電体２０と正極集電体３０とを電源又は負荷を介して接続したときの電池反応のばらつきを抑制することができる。第２負極集電層２２と第２正極集電層３２とがオフセットされていない場合、図７に示す二次電池１１０のように、第２負極集電層２２と重複している柱状負極１２の上端面１２ａと第２正極集電層１３２と重複している正極導電性パターン１７の端面１７ａとの間を流れる電流は、最も抵抗の高い第１負極集電層２１と第１正極集電層３１の両方を厚み方向に僅かな長さだけ進むのに対し、第２負極集電層２２と重複していない柱状負極１２の上端面１２ａと第２正極集電層１３２と重複していない正極導電性パターン１７の端面１７ａとの間を流れる電流は、最も抵抗の高い第１負極集電層２１や第１正極集電層３１を面方向に比較的長距離進む。そのため、前者と後者では電気抵抗のばらつきが大きくなる。これに対して、上述した実施形態では、第２負極集電層２２と第２正極集電層３２とがオフセットされているため、どの柱状負極１２の上端面１２ａとどの正極導電性パターン１７の端面１７ａとの間を流れる電流も、最も抵抗の高い第１負極集電層２１と第１正極集電層３１の少なくとも一方を面方向に比較的長距離進む。そのため、電気抵抗のばらつきが抑制される。なお、図７に示す二次電池１１０も本開示の技術的範囲に属する実施形態の一つである。
【００４３】
更に、柱状負極１２の上端面１２ａは、周期的に配置され、第２負極集電層２２は、同一直線上に並んだ複数の柱状負極１２の上端面１２ａと平行になるように且つ隣合う第２負極集電層２２同士の間隔が一定になるように設けられている。また、正極導電性パターン１７の端面１７ａは、露出面に周期的に配置され、第２正極集電層３２は、同一直線上に並んだ複数の正極導電性パターン１７の端面１７ａと平行になるように且つ隣合う第２正極集電層３２同士の間隔が一定になるように設けられている。これにより、第２負極集電層２２も第２正極集電層３２も周期的な構造になるため作製しやすくなる。
【００４４】
更にまた、第３負極集電層２３は、第２負極集電層２２を架け渡すように設けられた１本の導電線であり、第３正極集電層３３は、第２正極集電層３２を架け渡すように設けられた１本の導電線であるため、第３負極集電層２３や第３正極集電層３３が複数本存在する場合に比べて構成が簡素化される。
【００４５】
そして、正極１６は、正六角柱からなる複数の柱状正極２６を空間充填して得られたものであり、分離膜１４で囲われた柱状負極１２は、柱状正極２６の中心孔２６ａに配置されている。そのため、正極１６を比較的容易に作製することができる。
【００４６】
そしてまた、電気抵抗Ｒａ１に対する電気抵抗Ｒａ２の比は０．１以下であり、電気抵抗Ｒａ２に対する電気抵抗Ｒａ３の比は０．１以下であり、電気抵抗Ｒｃ１に対する電気抵抗Ｒｃ２の比は０．１以下であり、電気抵抗Ｒｃ２に対する電気抵抗Ｒｃ３の比は０．１以下であるため、エネルギー密度を一層高めることができる。
【００４７】
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４８】
例えば、上述した実施形態では、二次電池１０のキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの２族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを含むものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水系電解液としてもよい。
【００４９】
上述した実施形態では、炭素繊維は、円柱形状である例を説明したが、特にこれに限定されず、四角柱や六角柱などの形状としてもよい。
【００５０】
上述した実施形態では、第１正極集電層３１の形状を板状としたが、特に板状に限定されるものではなく、例えば、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチングシート、ガラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などでもよい。第２及び第３正極集電層３２，３３の形状についても同様である。また、第１〜第３正極集電層３１〜３３は、３つとも同じ形状であってもよいし、２つが同じ形状で残り１つが異なる形状であってもよいし、３つとも異なる形状であってもよい。
【００５１】
上述した実施形態では、第１負極集電層２１の形状を板状としたが、特に板状に限定されるものではなく、例えば、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチングシート、ガラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などでもよい。第２及び第３負極集電層２２，２３の形状についても同様である。また、第１〜第３負極集電層２１〜２３は、３つとも同じ形状であってもよいし、２つが同じ形状で残り１つが異なる形状であってもよいし、３つとも異なる形状であってもよい。
【００５２】
上述した実施形態では、二次電池１０として電解液を用いるものを例示したが、電解液を用いない全固体電池としてもよい。
【００５３】
上述した実施形態では、第２負極集電層２２の前後方向のピッチは、柱状負極１２の上端面１２ａの前後方向のピッチの２倍としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば３倍とか４倍であってもよい。また、第２正極集電層３２の前後方向のピッチは、正極導電性パターン１７の端面１７ａの前後方向のピッチの２倍としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば３倍とか４倍であってもよい。
【００５４】
上述した実施形態では、正極集電体３０を二次電池１０の左側面に設けたが、特にこれに限定されるものではなく、右側面に設けてもよいし、前面あるいは後面に設けてもよいし、下面に設けてもよい。
【００５５】
上述した実施形態では、柱状正極２６を正六角柱としたが、空間充填可能な正多角柱であればよく、例えば正三角柱や正四角柱などであってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
上述した実施形態では、柱状負極１２として、負極活物質である炭素繊維を束ねたものや撚ったものを例示したが、特にこれに限定されるものではなく、キャリア（例えばリチウムイオン）を吸蔵放出可能な材料を含むものであればよい。また、必要に応じて導電材や結着材を含むものとしてもよい。
【００５７】
１０  二次電池、１２  柱状負極、１２ａ  上端面、１４  分離膜、１６  正極、１７  正極導電性パターン、１７ａ  端面、１８  絶縁層、２０  負極集電体、２１  第１負極集電層、２２  第２負極集電層、２２ｃ  第２負極集電層の中心線、２３  第３負極集電層、２３ｃ  第３負極集電層の中心線、２６  柱状正極、２６ａ  中心孔、３０  正極集電体、３１  第１正極集電層、３２  第２正極集電層、３２ｃ  第２正極集電層の中心線、３３  第３正極集電層、３３ｃ  第３正極集電層の中心線、１１０  二次電池、１３２  正極集電層。
【図１】
0006981453.tif 000002
【図２】
0006981453.tif 000003
【図３】
0006981453.tif 000004
【図４】
0006981453.tif 000005
【図５】
0006981453.tif 000006
【図６】
0006981453.tif 000007
【図７】
0006981453.tif 000008