集電体及び積層型電池
【課題】積層時の位置決めを容易に行うことができる電極体及び積層型電池を提供する。
【解決手段】少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、当該集電体の一面側において、発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、集電体の他面側において、スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体とし、当該集電体が、発電部とともに複数積層されてなり、スペーサが凹部に嵌め合わされている、積層型電池とする。
【解決手段】少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、当該集電体の一面側において、発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、集電体の他面側において、スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体とし、当該集電体が、発電部とともに複数積層されてなり、スペーサが凹部に嵌め合わされている、積層型電池とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集電体及び積層型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電要素（発電部や集電体）が複数積層されてなる積層型電池は、薄型化や軽量化が容易であるという利点を有する。特に、集電体の表裏に正極層と負極層とを設けたバイポーラ電極体を積層することにより、出力密度やエネルギー密度の向上が可能であり、放熱性にも優れる積層型電池とすることができる。また、積層型電池の電解質として固体電解質を用いた場合、電池内部からの液漏れや副生ガスの発生がないため、信頼性に優れるとともに、簡易な構造にて電池を構成することができる。
【０００３】
一方、複数の電極体を積層して積層型電池とする場合、電極体同士の不要な接触による短絡を防ぐため、何らかの対策を講じる必要がある。例えば、特許文献１、２に記載されているように、集電体と集電体との間にスペーサを設けることで、電極体同士の不要な接触が避けられ、短絡を防ぐことができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３１６８号公報
【特許文献２】特開２００８−１３０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示された積層型電池にあっては、スペーサを設けることにより、隣接する集電体同士の短絡は防がれるものの、電極体を積層する際の位置決めが困難であるため、電極体がずれて積層されることにより、電極体同士が不要に接触した状態で積層される虞があり、やはり短絡等の虞があった。また、電極体がずれて積層されることにより、正極と負極との位置がずれる場合があり、このような場合は、十分な電池性能が得られない虞があった。さらに、電極体の積層後、プレス処理（特に積層後の拘束プレス処理）する場合に、電極体の接触面がずれる虞があり、均一に圧力を印加することができない場合があった。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、電極体を積層する際、位置決めを容易に行うことができる集電体及び積層型電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
第１の本発明は、少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、集電体の一面側において、発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、集電体の他面側において、スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体である。
【０００８】
第１の本発明及び以下に示す本発明において、「スペーサ」とは、集電体及び発電部の積層時に集電体間に介在するように、集電体の一方の面の一部に設けられた絶縁部材である。「凹部」とは、スペーサが嵌め込まれる程度の大きさの凹部をいう。
【０００９】
第２の本発明は、第１の本発明に係る集電体が発電部とともに複数積層されてなり、スペーサが凹部に嵌め合わされている、積層型電池である。
【００１０】
第３の本発明は、第１集電体と第２集電体との間に発電部が備えられ、発電部の外周の少なくとも一部にスペーサが設置され、第１集電体又は第２集電体の少なくとも一方の、発電部側の面に、凹部が設けられ、凹部にスペーサが嵌め合わされている、積層型電池である。
【００１１】
第３の本発明において、「第１集電体」、「第２集電体」とは、間に発電部を介して隣接する一の集電体と他の集電体とを意味し、材質や大きさ等は同様のものとすればよい。
【００１２】
尚、上記第２の本発明及び第３の本発明に係る積層型電池は、第１の本発明に係る集電体と発電部とを複数積層した後、積層方向に圧力σを加えるプレス工程（積層後の拘束プレス工程をいう。）を備え、プレス工程における圧力σと、第１電極層（発電部の正極層或いは負極層のいずれかをいう。）のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層（発電部の負極層或いは正極層のいずれかをいう。）のヤング率Ｅ３とから、第１電極層と電解質層との合計の積層方向厚みｘ１、スペーサの集電体の一方の面からの積層方向高さｘ２、凹部の積層方向深さｘ３、及び集電体の他方の面に形成された第２電極層の積層方向厚みｘ４が算出される、積層型電池の製造方法により製造されることが好ましい。
【００１３】
上記製造方法において、ｘ１〜ｘ４は、下記式（１）を満たすものとすることが好ましい。
ｘ２−ｘ３＜ｘ１＋ｘ４ … （１）
【００１４】
また、上記製造方法において、圧力σ、ｘ１〜ｘ４、並びに、第１電極層のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層のヤング率Ｅ３が、下記式（２）〜（６）を満たすものとされることが好ましい。集電体と発電部とを複数積層後、より適切に圧力を印加することができるからである。
ｘ２＞ｘ１ …（２）
ｘ３＞ｘ４ …（３）
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、一面側にスペーサが設けられ、当該スペーサに対して裏面側となる部分に凹部が設けられた集電体が提供される。当該集電体によれば、発電部と併せて積層し積層型電池とする場合、一の集電体に係るスペーサを他の集電体に係る凹部に嵌め込むことによって、集電体及び発電部（以下、これらを併せて電極体という場合がある。）の積層位置を容易に位置決めでき、複数の電極体を適切に積層することができる。
【００１６】
第２の本発明によれば、第１の本発明に係る集電体を発電部とともに複数積層してなり、集電体間のスペーサが、集電体に設けられた凹部に嵌め合わされた積層型電池が提供される。当該積層型電池によれば、スペーサが凹部に嵌め合わされることにより、電極体が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサの嵌合により、電極体同士の位置ずれを防止できる。
【００１７】
第３の本発明によれば、集電体間のスペーサが、集電体に設けられた凹部に嵌め合わされた積層型電池が提供される。当該積層型電池によれば、スペーサが凹部に嵌め合わされることにより、電極体が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサの嵌合により、電極体同士の位置ずれを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る集電体、電極体及び積層型電池を説明するための概略図である。
【図２】積層後のプレス工程において、より適切に圧力が印加されるための条件を説明するための図である。
【図３】本発明に係る集電体、電極体の保管時における好ましい形態につき説明するための図である。
【図４】比較例に係る積層型電池を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、積層型リチウム二次電池を例示して、本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、当該形態に限定されるものではなく、種々の積層型電池に適用することができる。
【００２０】
図１は、実施形態に係る電極体１０及び積層型電池１００を概略的に示す図である。図１（Ａ）は、電極体１０の構成を示す概略図であり、図１（Ｂ）は、当該電極体１０が積層されてなる積層型電池１００の構成を示す概略図である。図１（Ｂ）においては、説明のため、積層型電池１００の正負極リードや外装体等については省略して示している。
【００２１】
＜電極体１０＞
図１（Ａ）に示されるように、電極体１０は、正極層１１と負極層１２と、当該正極層１１及び負極層１２の間に設けられた集電体１４と、負極層１２上に設けられた電解質層１３と、を備えたバイポーラ電極とされている。また、集電体１４の負極層１２及び電解質層１３側においては、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部（図１においては両端部）に、スペーサ１５、１５が設けられており、集電体１４の正極層１１側においては、正極層１１の外周の少なくとも一部であって当該スペーサ１５、１５に対して裏面側となる位置に凹部１６、１６が設けられている。このように、電極体１０には、スペーサ１５、１５及び凹部１６、１６が設けられた集電体１４が備えられている。
【００２２】
（正極層１１、負極層１２）
正極層１１及び負極層１２は、活物質や電解質を含み、任意に導電助剤及び結着剤等を含む層である。積層型電池１００が全固体のリチウム二次電池である場合、活物質としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ１＋ｘＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘ−ｙＭｙＯ４（ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎのいずれか）で表される異種元素置換Ｌｉ−Ｍｎスピネル、ＬｉｘＴｉＯｙ、ＬｉＭＰＯ４（ＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか）、Ｖ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＴｉＳ２、グラファイト、ハードカーボン等の炭素材料、ＬｉＣｏＮ、ＬｉｘＳｉｙＯｚ、リチウム金属又はリチウム合金（ＬｉＭ、ＭはＳｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｐ等のいずれか）、リチウム貯蔵性金属間化合物（ＭｇｘＭ、ＭはＳｎ、Ｇｅ、Ｓｂのいずれか、或いは、ＮｙＳｂ、ＮはＩｎ、Ｃｕ、Ｍｎのいずれか）や、これらの誘導体等を用いることができる。ここで、正極活物質と負極活物質には明確な区別はなく、２種類の化合物の充放電電位を比較して貴な電位を示すものを正極層１１に、卑な電位を示すものを負極層１２に用いて、任意の電圧のリチウム二次電池を構成することができる。また、積層型電池１００が全固体のリチウム二次電池である場合、電解質としては、固体電解質が用いられる。具体的には、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５、Ｌｉ２Ｏ−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ等の酸化物系非晶質固体電解質、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−Ｓｉ２Ｓ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｏ５、ＬｉＩ−Ｌｉ３ＰＯ４−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物系非晶質固体電解質、或いは、ＬｉＩ、ＬｉＩ−Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ３Ｎ、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ等や、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ０．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ１＋ｘ＋ｙＡｘＴｉ２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２（ＡはＡｌ又はＧａ、０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）、[（Ｂ１／２Ｌｉ１／２）１−ｚＣｚ]ＴｉＯ３（ＢはＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍのいずれか、ＣはＳｒ又はＢａ、０≦ｚ≦０．５）、Ｌｉ５Ｌａ３Ｔａ２Ｏ１２、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ６ＢａＬａ２Ｔａ２Ｏ１２、Ｌｉ３ＰＯ（４−３／２ｗ）Ｎｗ（ｗ＜１）、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４等の結晶質酸化物・酸窒化物を用いることができる。一方、導電助剤としては、従来のものを特に限定されることなく用いることができ、例えば、アセチレンブラック等の炭素材料を用いることが好ましい。結着剤についても、従来のものを特に限定されることなく用いることができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂やスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム性状樹脂等を用いることが好ましい。正極層１１や負極層１２に含まれる各物質の混合比については、積層型電池１００を適切に作動可能な比率であれば、特に限定されるものではない。例えば、質量比で、活物質：電解質：導電助剤：結着剤＝４５〜５０：４５〜４９：０．１〜０．５：０．１〜０．５混合比とすることができる。また、正極層１１や負極層１２は、後述する集電体１４に、適切に形成されていれば、厚みや形状等は特に限定されるものではない。例えば、１０〜２００μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述するように、正極層１１や負極層１２の厚みは、スペーサ１５、１５の積層方向高さや、凹部１６、１６の積層方向深さを決定するためのパラメータとされることが好ましい。正極層１１、負極層１２は、上記活物質等を含むペーストを集電体１４上にドクターブレード等によって塗布・乾燥することにより形成することができる。
【００２３】
（固体電解質層１３）
電解質層１３は、電解質と任意に結着剤等を含む層である。積層型電池１００が、全固体のリチウム二次電池である場合には、電解質としては、上記した固体電解質を用いることができる。結着剤についても上記と同様のものを用いることができる。電解質層１３に含まれる各物質の混合比については、積層型電池１００を適切に作動可能な比率であれば、特に限定されるものではない。例えば、質量比で、電解質：結着剤＝９０〜１００：１０〜０の混合比とすることができる。また、電解質層１３は、正極層１１及び負極層１２の間に適切に設けられ、正極層１１と負極層１２との間のイオン伝導に寄与することができる形態であれば、厚みや形状等は特に限定されるものではない。例えば、１〜５００μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述するように、電解質層１３の厚みは、スペーサ１５、１５の積層方向高さや、凹部１６、１６の積層方向深さを決定するためのパラメータとされることが好ましい。電解質層１３は、上記電解質等を含むペーストを負極層１２上にドクターブレード等によって塗布・乾燥することにより形成することができる。スプレー法やＡＤ法により電解質層１３を形成してもよい。
【００２４】
（集電体１４）
集電体１４は、バイポーラ電極に用いられる集電体であれば、その材質等は特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｌｉ等の金属箔、或いは、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳ、ポリプロピレンなどのフィルムやガラス、シリコン板等の上にＣｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属を蒸着したもの等を用いることができる。集電体の厚みや大きさは特に限定されるものではない。例えば、１０〜３０μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述する凹部１６、１６を形成可能な程度の厚みを有している必要がある。すなわち、集電体１４の厚みは、後述する凹部１６、１６の深さよりも大きい。
【００２５】
（スペーサ１５）
スペーサ１５は、集電体１４の負極層１２及び電解質層１３側であって、負極１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部に設けられ、電極体１０の積層時、後述する凹部１６に嵌め合わされて、電極体１０の位置決めを容易とするとともに、集電体１４、１４、…の間に介在して、集電体１４、１４、…間の絶縁に寄与する部材である。スペーサ１５は、絶縁体からなるものであれば、その材質は特に限定されるものではないが、電極体１０の位置決めをより確実にする観点からは、適切な機械的剛性を備えてなるものが好ましく、例えば、ポリカーボネートからなることが好ましい。スペーサの形状については、電極体１０の積層時、集電体１４の凹部１６に適切に嵌め合わされるような形状であれば特に限定されるものではないが、上記の正極層１１、負極層１２及び電解質層１３の厚みやヤング率、電極体１０の積層後に印加される圧力、さらには、後述する凹部の大きさや深さを考慮して、形状が決定されることが好ましい。スペーサ１５は、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部に備えられていれば、設置形態は特に限定されるものではなく、当該負極層１２及び電解質層１３の外周部に複数点在するような形態であってもよいし、当該負極層１２及び電解質層１３の両側辺に延びる略棒状とされていてもよいし、当該負極層１２及び電解質層１３の外周を連続的に囲うような形状であってもよい。尚、上記の活物質や電解質について粒子状のものを用いた場合は、当該粒子状材料の滑落を抑制する観点から、スペーサ１５の積層方向高さを、負極層１２及び電解質層１３の合計の厚みよりも高くすることが好ましい。スペーサ１５は溶着（熱溶着）、接着剤を用いた接着等によって集電体１４に設置することができる。また、集電体１４に設けられた凹部（凹部１６に対して裏面側となる凹部）にスペーサを嵌め込んでもよい。
【００２６】
（凹部１６）
凹部１６は、集電体１４の正極層１１側であって、正極層１１の外周の少なくとも一部に設けられており、ここにスペーサ１５が嵌め合わされて、電極体１０の積層時、電極体１０の位置決めが容易とされる。凹部１６は、スペーサ１５に対して裏面側となる位置に設けられており、一の電極体１０に係る凹部１６に、他の電極体１０に係るスペーサ１５が嵌め合わされることにより、一の電極体１０の正極層１１の積層位置と、他の電極体１０の負極層１２及び電解質層１３の積層位置とがずれることなく、電極体１０、１０を積層することができる。凹部１６は、スペーサ１５が嵌合可能とされていれば、その形状は特に限定されるものではない。スペーサ１５の位置に合わせて、集電体１４のスペーサ１５に対して裏面側に、凹部１６を点在させる、或いは、集電体１４のスペーサ１５に対して裏面側に、溝を形成することによって凹部１６としてもよい。ただし、凹部１６の深さについては、上記の正極層１１、負極層１２及び電解質層１３の厚みやヤング率、電極体１０の積層後に印加される圧力、さらには、スペーサ１５の積層方向高さを考慮して決定されることが好ましい。凹部１６は、プレス処理等によって集電体１４に形成することができる。
【００２７】
電極体１０は、例えば、下記のように作製することができる。すなわち、まず、集電体１４を用意し、当該集電体１４の一方の面に熱溶着或いは接着剤を用いた接着によりスペーサ１５、１５を設け、集電体１４の他方の面であってスペーサ１５、１５に対して裏面側となる部分に、プレス処理等により凹部１６、１６を設ける。そして、スペーサ１５、１５の内側に上記活物質等を含む負極ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの負極層１３を形成し、当該負極層１３の上に上記電解質等を含む電解質ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの電解質層１４を形成する。一方、集電体１４の凹部１６、１６の内側に上記活物質等を含む正極ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの正極層１１を形成する。これによって、電極体１０を作製することができる。或いは、集電体１４の一方の面に負極ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの負極層１２を設け、集電体１４の他方の面に正極ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの正極層１１を設け、負極層１２の上に電解質ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの電解質層１３を設け、その後、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部となる集電体１４部分にスペーサ１５、１５を設け、正極層１１の外周の少なくとも一部であってスペーサ１５、１５に対して裏面側となる集電体１４部分に凹部１６、１６を設けることによっても、電極体１０を作製することができる。
【００２８】
＜積層型電池１００＞
上記の電極体１０を積層し積層体とすることで、図１（Ｂ）に示されるような積層型電池１００が作製される。積層型電池１００は積層バイポーラ電池であり、一の電極体１０のスペーサ１５、１５が、他の電極体１０の凹部１６、１６に嵌め合わされながら、複数の電極体１０、１０、…を積層してなるものである。積層型電池１００においては、集電体１４、１４の間に、正極層１１、電解質層１３及び負極層１２がこの順に積層されており、これらが発電部２０として機能する。図１（Ｂ）においては、積層方向両端に設けられる電極体１０については、積層方向最外側の電極層或いは電解質層が設けられない形態（電極体１０ａ、１０ｂ）とされており、当該電極体１０ａ、１０ｂの間に、複数の電極体１０が積層されている。上述の通り、電極体１０は、集電体１４の表裏にスペーサ１５及び凹部１６が設けられていることにより、一の電極体１０に係る凹部１６に、他の電極体１０に係るスペーサ１５が嵌め合わせることができ、電極体１０、１０、…の積層時、一の電極体１０の正極層１１の積層位置と、他の電極体１０の負極層１２及び電解質層１３の積層位置とがずれることない。すなわち、電極体１０を容易に位置決めしながら、積層型電池１００を作製することができる。また、積層型電池１００は、発電部２０の外周の少なくとも一部に設けられたスペーサ１５、１５が、集電体１４の発電部２０側に設けられた凹部１６、１６に嵌め合わされているため、プレス工程において、電極体１０同士がずれることがなく、適切に圧力が印加されて作製されている。
【００２９】
電極体１０の位置決めを容易とするとともに、電極体１０の積層後、適切に圧力を印加可能とする観点からは、電極体１０及び積層型電池１００の各構成は、特に、下記のように設計されることが好ましい。
【００３０】
図２（Ａ）に示されるように、負極層１２の厚みと電解質層１３の厚みとの合計をｘ１、スペーサ１５の集電体１４表面からの積層方向高さをｘ２、凹部１６の積層方向深さをｘ３、正極層１１の厚みをｘ４とすると、少なくとも下記式（１）を満たしていることにより、図２（Ｂ）に示されるように電極体１０の積層後、締付けによりプレス処理を行う場合、電極材料に均一な圧縮応力を印加することができ、好ましい。
ｘ２−ｘ３＜ｘ１＋ｘ４ … （１）
【００３１】
また、電極体１０、１０、…を積層した後、プレス工程に供する場合は、当該プレス工程における圧力σと、正極層１１のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２、及び負極層のヤング率Ｅ３とから、上記のｘ１、ｘ２、ｘ３及びｘ４が求められることが好ましい。具体的には、例えば、下記式（２）〜（６）によって、圧力σと、第１電極層のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層のヤング率Ｅ３とから、適切なｘ１、ｘ２、ｘ３或いはｘ４を算出することができる。
ｘ２＞ｘ１ …（２）
ｘ３＞ｘ４ …（３）
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００３２】
このように、電極体１０によれば、本発明に係る集電体１４、スペーサ１５、１５、及び凹部１６、１６が備えられているので、電極体１０の積層時、一の電極体１０に係るスペーサ１５を他の電極体１０に係る凹部１６に嵌め込むことによって、電極体１０の積層位置を容易に位置決めでき、複数の電極体１０、１０、…を適切に積層することができる。また、本発明に係る積層型電池１００によれば、スペーサ１５が凹部１６に嵌め合わされることにより、電極体１０が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサ１５の嵌合により、電極体１０同士の位置ずれを防止できる。さらに、上記のように、プレス工程における圧力σや各層のヤング率Ｅ１〜Ｅ３をもとに、スペーサ１５や凹部１６が適切に設計されている場合、電極体１０の積層時の位置決めが容易であるとともに、積層後、より均一且つより適切に、圧力を印加することができる。
【００３３】
尚、上記説明において、電極体１０は、負極層１２及び電解質層１３が備えられる側にスペーサ１５、１５が設けられ、正極層１１が備えられる側に凹部１６、１６が設けられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、正極層１１が備えられる側にスペーサ１５、１５が設けられ、負極層１２及び電解質層１３が備えられる側に凹部１６、１６が設けられる形態であってもよい。ただし、電解質層の剥がれや電解質（特に粒子状電解質）の脱落を抑制することができる観点からは、スペーサ１５、１５側に電解質層１３を設けることが好ましい。
【００３４】
また、上記説明において、電極体１０は、集電体１４の一方の面に負極層１２及び電解質層１３が、他方の面に正極層１１が備えられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、例えば、集電体１４の一方の面に正極層１１及び電解質層１３が、他方の面に負極層１２が備えられる形態であってもよく、正極層１１及び負極層１２の双方の上に電解質層１３が備えられる形態であってもよい。
【００３５】
また、上記説明において、電極体１０は、集電体１４の表裏に正極層１１と負極層１２とが設けられるバイポーラ電極構造を有するものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、集電体１４の一面に正極層１１、電解質層１３及び負極層１２がこの順に積層されてなるものであってもよい。ただし、集電体１４上にペーストを塗布することによって、各電極層及び電解質層を形成する場合、当該ペーストの乾燥・固化時、層のひび割れ、反り或いは剥離を防止する観点、また、電極体１０における自己放電を防ぐ観点から、電極体１０は、集電体１４の表裏に正極層１１と負極層１２とが設けられるバイポーラ電極構造を有するものとすることが好ましい。
【００３６】
また、電極体１０は、図３に示されるように、積層型電池１００とされる前の保管時、各電極層や電解質層の表面にシール部材３０を配することが好ましい。シール部材３０としては、公知のシール材を特に限定されることなく用いることができ、例えば、オレフィン樹脂からなるものを用いることが好ましい。これにより、発電部に埃等を付着させることなく電極体１０を保管することができる。
【００３７】
また、上記説明において、積層型電池１００は、電極体１０が複数積層されてなるものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、積層型電池１０の集電体１４の間にスペーサ１５が設けられ、且つ、当該スペーサが集電体１４に設けられた凹部１６に嵌め合わされているような積層型電池であればよい。すなわち、少なくとも一面に発電部２０が配置される集電体１４であって、集電体１４の一面側において、発電部２０が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサ１５、１５が配置され、集電体１４の他面側において、スペーサ１５、１５が配置される位置と対応する位置に、凹部１６、１６が形成されている、集電体１４を用い、当該集電体１４が発電部２０とともに複数積層されてなり、スペーサ１５、１５が凹部１６、１６に嵌め合わされている、積層型電池、或いは、一の集電体１４（第１集電体１４）と他の集電体１４（第２集電体１４）との間に発電部２０が備えられ、当該発電部２０の外周の少なくとも一部にスペーサ１５、１５が設置され、第１集電体１４又は第２集電体１４の少なくとも一方の、発電部２０側の面に、凹部１６、１６が設けられ、凹部１６、１６にスペーサ１５、１５が嵌め合わされている、積層型電池であってもよい。ただし、積層型電池１００を容易に製造可能な観点からは、電極体１０が複数積層されてなる積層型電池１００とすることが好ましい。
【実施例】
【００３８】
実施例により、本発明に係る積層型電池１００の設計について説明する。
【００３９】
１．従来例（比較例）
図４（Ａ）に示されるように、集電体１４の上にドクターブレードによって、正極ペーストを塗布・乾燥し、正極層５１１を形成し、その後、当該正極層５１１の上にドクターブレードによって電解質ペーストを塗布・乾燥し、電解質層５１３を形成し、さらにその後、当該電解質層５１３の上にドクターブレードによって負極ペーストを塗布・乾燥し、負極層５１２を形成した。このようにして作製された電極体５１０を外部観察したところ、図４（Ｂ）に示されるように、各層間にクラックや反りが生じていた。これは、ペーストの乾燥過程等において、各層の熱膨張率の違いによって生じたものと考えられる。また、電極体５１０は、正極層、電解質層及び負極層がこの順に積層されており、自己放電が生じる虞のあるものであった。また、作製された電極体５１０を複数用意して積層する場合、電極体５１０の位置決めが困難であった。また、積層後、拘束プレス工程に供する場合、電極体５１０同士の位置ずれが生じた。
【００４０】
２．実施例１
電極体１０の積層後の拘束プレス工程において、印加される圧縮応力を１５０ｋｇｆ／ｃｍ２（１４７０Ｎ／ｃｍ２）に設定し、且つ、図２に示される、各電極層、電解質層の厚み、凹部１６の深さを下記表１の通りとした。正極層１１、負極層１２、電解質層１３の各ヤング率は下記表２の通りであった。この場合において、最適なスペーサの高さｘ２を下記式（４）〜（６）により求めたところ、スペーサ高さｘ２は３６５．６μｍとなった。
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
算出値を基にスペーサを設計し、これを用いて電極体１０を複数作製した。作製した電極体１０は、上記比較例と比べていずれも反り、ひび割れ等のないものであった。その後、電極体１０を用いて積層型電池１００を作製したところ、電極体１０の積層時、容易に位置決めしながら電極体１０を積層することができ、且つ、その後のプレス工程においても電極体１０同士がずれることなく、均一且つ適切に圧力を印加することができた。
【００４４】
３．実施例２
電極体１０の積層後、プレス工程において印加される圧縮応力を１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１４７Ｎ／ｃｍ２）に設定し、且つ、図２に示される、各電極層、電解質層の厚み、スペーサ１５の高さを下記表３の通りとした。正極層１１、負極層１２、電解質層１３の各ヤング率は下記表４の通りであった。この場合において、最適な凹部１６深さｘ３を下記式（４）〜（６）により求めたところ、凹部深さｘ３は５１．７μｍとなった。
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００４５】
【表３】
【００４６】
【表４】
【００４７】
算出値を基に集電体１４に凹部を設け、これを用いて電極体１０を複数作製した。作製した電極体１０は、上記比較例と比べていずれも反り、ひび割れが低減されていた。その後、電極体１０を用いて積層型電池１００を作製したところ、電極体１０の積層時、容易に位置決めしながら電極体１０を積層することができ、且つ、その後のプレス工程においても電極体１０同士がずれることなく、均一且つ適切に圧力を印加することができた。
【００４８】
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う集電体及び積層型電池もまた本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 電極体
１１ 正極層
１２ 負極層
１３ 電解質層
１４ 集電体
１５ スペーサ
１６ 凹部
２０ 発電部
１００ 積層型電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は集電体及び積層型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電要素（発電部や集電体）が複数積層されてなる積層型電池は、薄型化や軽量化が容易であるという利点を有する。特に、集電体の表裏に正極層と負極層とを設けたバイポーラ電極体を積層することにより、出力密度やエネルギー密度の向上が可能であり、放熱性にも優れる積層型電池とすることができる。また、積層型電池の電解質として固体電解質を用いた場合、電池内部からの液漏れや副生ガスの発生がないため、信頼性に優れるとともに、簡易な構造にて電池を構成することができる。
【０００３】
一方、複数の電極体を積層して積層型電池とする場合、電極体同士の不要な接触による短絡を防ぐため、何らかの対策を講じる必要がある。例えば、特許文献１、２に記載されているように、集電体と集電体との間にスペーサを設けることで、電極体同士の不要な接触が避けられ、短絡を防ぐことができると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３１６８号公報
【特許文献２】特開２００８−１３０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に開示された積層型電池にあっては、スペーサを設けることにより、隣接する集電体同士の短絡は防がれるものの、電極体を積層する際の位置決めが困難であるため、電極体がずれて積層されることにより、電極体同士が不要に接触した状態で積層される虞があり、やはり短絡等の虞があった。また、電極体がずれて積層されることにより、正極と負極との位置がずれる場合があり、このような場合は、十分な電池性能が得られない虞があった。さらに、電極体の積層後、プレス処理（特に積層後の拘束プレス処理）する場合に、電極体の接触面がずれる虞があり、均一に圧力を印加することができない場合があった。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、電極体を積層する際、位置決めを容易に行うことができる集電体及び積層型電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
第１の本発明は、少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、集電体の一面側において、発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、集電体の他面側において、スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体である。
【０００８】
第１の本発明及び以下に示す本発明において、「スペーサ」とは、集電体及び発電部の積層時に集電体間に介在するように、集電体の一方の面の一部に設けられた絶縁部材である。「凹部」とは、スペーサが嵌め込まれる程度の大きさの凹部をいう。
【０００９】
第２の本発明は、第１の本発明に係る集電体が発電部とともに複数積層されてなり、スペーサが凹部に嵌め合わされている、積層型電池である。
【００１０】
第３の本発明は、第１集電体と第２集電体との間に発電部が備えられ、発電部の外周の少なくとも一部にスペーサが設置され、第１集電体又は第２集電体の少なくとも一方の、発電部側の面に、凹部が設けられ、凹部にスペーサが嵌め合わされている、積層型電池である。
【００１１】
第３の本発明において、「第１集電体」、「第２集電体」とは、間に発電部を介して隣接する一の集電体と他の集電体とを意味し、材質や大きさ等は同様のものとすればよい。
【００１２】
尚、上記第２の本発明及び第３の本発明に係る積層型電池は、第１の本発明に係る集電体と発電部とを複数積層した後、積層方向に圧力σを加えるプレス工程（積層後の拘束プレス工程をいう。）を備え、プレス工程における圧力σと、第１電極層（発電部の正極層或いは負極層のいずれかをいう。）のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層（発電部の負極層或いは正極層のいずれかをいう。）のヤング率Ｅ３とから、第１電極層と電解質層との合計の積層方向厚みｘ１、スペーサの集電体の一方の面からの積層方向高さｘ２、凹部の積層方向深さｘ３、及び集電体の他方の面に形成された第２電極層の積層方向厚みｘ４が算出される、積層型電池の製造方法により製造されることが好ましい。
【００１３】
上記製造方法において、ｘ１〜ｘ４は、下記式（１）を満たすものとすることが好ましい。
ｘ２−ｘ３＜ｘ１＋ｘ４ … （１）
【００１４】
また、上記製造方法において、圧力σ、ｘ１〜ｘ４、並びに、第１電極層のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層のヤング率Ｅ３が、下記式（２）〜（６）を満たすものとされることが好ましい。集電体と発電部とを複数積層後、より適切に圧力を印加することができるからである。
ｘ２＞ｘ１ …（２）
ｘ３＞ｘ４ …（３）
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、一面側にスペーサが設けられ、当該スペーサに対して裏面側となる部分に凹部が設けられた集電体が提供される。当該集電体によれば、発電部と併せて積層し積層型電池とする場合、一の集電体に係るスペーサを他の集電体に係る凹部に嵌め込むことによって、集電体及び発電部（以下、これらを併せて電極体という場合がある。）の積層位置を容易に位置決めでき、複数の電極体を適切に積層することができる。
【００１６】
第２の本発明によれば、第１の本発明に係る集電体を発電部とともに複数積層してなり、集電体間のスペーサが、集電体に設けられた凹部に嵌め合わされた積層型電池が提供される。当該積層型電池によれば、スペーサが凹部に嵌め合わされることにより、電極体が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサの嵌合により、電極体同士の位置ずれを防止できる。
【００１７】
第３の本発明によれば、集電体間のスペーサが、集電体に設けられた凹部に嵌め合わされた積層型電池が提供される。当該積層型電池によれば、スペーサが凹部に嵌め合わされることにより、電極体が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサの嵌合により、電極体同士の位置ずれを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る集電体、電極体及び積層型電池を説明するための概略図である。
【図２】積層後のプレス工程において、より適切に圧力が印加されるための条件を説明するための図である。
【図３】本発明に係る集電体、電極体の保管時における好ましい形態につき説明するための図である。
【図４】比較例に係る積層型電池を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、積層型リチウム二次電池を例示して、本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、当該形態に限定されるものではなく、種々の積層型電池に適用することができる。
【００２０】
図１は、実施形態に係る電極体１０及び積層型電池１００を概略的に示す図である。図１（Ａ）は、電極体１０の構成を示す概略図であり、図１（Ｂ）は、当該電極体１０が積層されてなる積層型電池１００の構成を示す概略図である。図１（Ｂ）においては、説明のため、積層型電池１００の正負極リードや外装体等については省略して示している。
【００２１】
＜電極体１０＞
図１（Ａ）に示されるように、電極体１０は、正極層１１と負極層１２と、当該正極層１１及び負極層１２の間に設けられた集電体１４と、負極層１２上に設けられた電解質層１３と、を備えたバイポーラ電極とされている。また、集電体１４の負極層１２及び電解質層１３側においては、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部（図１においては両端部）に、スペーサ１５、１５が設けられており、集電体１４の正極層１１側においては、正極層１１の外周の少なくとも一部であって当該スペーサ１５、１５に対して裏面側となる位置に凹部１６、１６が設けられている。このように、電極体１０には、スペーサ１５、１５及び凹部１６、１６が設けられた集電体１４が備えられている。
【００２２】
（正極層１１、負極層１２）
正極層１１及び負極層１２は、活物質や電解質を含み、任意に導電助剤及び結着剤等を含む層である。積層型電池１００が全固体のリチウム二次電池である場合、活物質としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ１＋ｘＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘ−ｙＭｙＯ４（ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎのいずれか）で表される異種元素置換Ｌｉ−Ｍｎスピネル、ＬｉｘＴｉＯｙ、ＬｉＭＰＯ４（ＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか）、Ｖ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＴｉＳ２、グラファイト、ハードカーボン等の炭素材料、ＬｉＣｏＮ、ＬｉｘＳｉｙＯｚ、リチウム金属又はリチウム合金（ＬｉＭ、ＭはＳｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｐ等のいずれか）、リチウム貯蔵性金属間化合物（ＭｇｘＭ、ＭはＳｎ、Ｇｅ、Ｓｂのいずれか、或いは、ＮｙＳｂ、ＮはＩｎ、Ｃｕ、Ｍｎのいずれか）や、これらの誘導体等を用いることができる。ここで、正極活物質と負極活物質には明確な区別はなく、２種類の化合物の充放電電位を比較して貴な電位を示すものを正極層１１に、卑な電位を示すものを負極層１２に用いて、任意の電圧のリチウム二次電池を構成することができる。また、積層型電池１００が全固体のリチウム二次電池である場合、電解質としては、固体電解質が用いられる。具体的には、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５、Ｌｉ２Ｏ−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ等の酸化物系非晶質固体電解質、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−Ｓｉ２Ｓ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、ＬｉＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ、ＬｉＩ−Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｏ５、ＬｉＩ−Ｌｉ３ＰＯ４−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５等の硫化物系非晶質固体電解質、或いは、ＬｉＩ、ＬｉＩ−Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ３Ｎ、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ等や、Ｌｉ１．３Ａｌ０．３Ｔｉ０．７（ＰＯ４）３、Ｌｉ１＋ｘ＋ｙＡｘＴｉ２−ｘＳｉｙＰ３−ｙＯ１２（ＡはＡｌ又はＧａ、０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）、[（Ｂ１／２Ｌｉ１／２）１−ｚＣｚ]ＴｉＯ３（ＢはＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍのいずれか、ＣはＳｒ又はＢａ、０≦ｚ≦０．５）、Ｌｉ５Ｌａ３Ｔａ２Ｏ１２、Ｌｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２、Ｌｉ６ＢａＬａ２Ｔａ２Ｏ１２、Ｌｉ３ＰＯ（４−３／２ｗ）Ｎｗ（ｗ＜１）、Ｌｉ３．６Ｓｉ０．６Ｐ０．４Ｏ４等の結晶質酸化物・酸窒化物を用いることができる。一方、導電助剤としては、従来のものを特に限定されることなく用いることができ、例えば、アセチレンブラック等の炭素材料を用いることが好ましい。結着剤についても、従来のものを特に限定されることなく用いることができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂やスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム性状樹脂等を用いることが好ましい。正極層１１や負極層１２に含まれる各物質の混合比については、積層型電池１００を適切に作動可能な比率であれば、特に限定されるものではない。例えば、質量比で、活物質：電解質：導電助剤：結着剤＝４５〜５０：４５〜４９：０．１〜０．５：０．１〜０．５混合比とすることができる。また、正極層１１や負極層１２は、後述する集電体１４に、適切に形成されていれば、厚みや形状等は特に限定されるものではない。例えば、１０〜２００μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述するように、正極層１１や負極層１２の厚みは、スペーサ１５、１５の積層方向高さや、凹部１６、１６の積層方向深さを決定するためのパラメータとされることが好ましい。正極層１１、負極層１２は、上記活物質等を含むペーストを集電体１４上にドクターブレード等によって塗布・乾燥することにより形成することができる。
【００２３】
（固体電解質層１３）
電解質層１３は、電解質と任意に結着剤等を含む層である。積層型電池１００が、全固体のリチウム二次電池である場合には、電解質としては、上記した固体電解質を用いることができる。結着剤についても上記と同様のものを用いることができる。電解質層１３に含まれる各物質の混合比については、積層型電池１００を適切に作動可能な比率であれば、特に限定されるものではない。例えば、質量比で、電解質：結着剤＝９０〜１００：１０〜０の混合比とすることができる。また、電解質層１３は、正極層１１及び負極層１２の間に適切に設けられ、正極層１１と負極層１２との間のイオン伝導に寄与することができる形態であれば、厚みや形状等は特に限定されるものではない。例えば、１〜５００μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述するように、電解質層１３の厚みは、スペーサ１５、１５の積層方向高さや、凹部１６、１６の積層方向深さを決定するためのパラメータとされることが好ましい。電解質層１３は、上記電解質等を含むペーストを負極層１２上にドクターブレード等によって塗布・乾燥することにより形成することができる。スプレー法やＡＤ法により電解質層１３を形成してもよい。
【００２４】
（集電体１４）
集電体１４は、バイポーラ電極に用いられる集電体であれば、その材質等は特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｌｉ等の金属箔、或いは、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳ、ポリプロピレンなどのフィルムやガラス、シリコン板等の上にＣｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の金属を蒸着したもの等を用いることができる。集電体の厚みや大きさは特に限定されるものではない。例えば、１０〜３０μｍ程度の厚みとすることができる。ただし、後述する凹部１６、１６を形成可能な程度の厚みを有している必要がある。すなわち、集電体１４の厚みは、後述する凹部１６、１６の深さよりも大きい。
【００２５】
（スペーサ１５）
スペーサ１５は、集電体１４の負極層１２及び電解質層１３側であって、負極１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部に設けられ、電極体１０の積層時、後述する凹部１６に嵌め合わされて、電極体１０の位置決めを容易とするとともに、集電体１４、１４、…の間に介在して、集電体１４、１４、…間の絶縁に寄与する部材である。スペーサ１５は、絶縁体からなるものであれば、その材質は特に限定されるものではないが、電極体１０の位置決めをより確実にする観点からは、適切な機械的剛性を備えてなるものが好ましく、例えば、ポリカーボネートからなることが好ましい。スペーサの形状については、電極体１０の積層時、集電体１４の凹部１６に適切に嵌め合わされるような形状であれば特に限定されるものではないが、上記の正極層１１、負極層１２及び電解質層１３の厚みやヤング率、電極体１０の積層後に印加される圧力、さらには、後述する凹部の大きさや深さを考慮して、形状が決定されることが好ましい。スペーサ１５は、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部に備えられていれば、設置形態は特に限定されるものではなく、当該負極層１２及び電解質層１３の外周部に複数点在するような形態であってもよいし、当該負極層１２及び電解質層１３の両側辺に延びる略棒状とされていてもよいし、当該負極層１２及び電解質層１３の外周を連続的に囲うような形状であってもよい。尚、上記の活物質や電解質について粒子状のものを用いた場合は、当該粒子状材料の滑落を抑制する観点から、スペーサ１５の積層方向高さを、負極層１２及び電解質層１３の合計の厚みよりも高くすることが好ましい。スペーサ１５は溶着（熱溶着）、接着剤を用いた接着等によって集電体１４に設置することができる。また、集電体１４に設けられた凹部（凹部１６に対して裏面側となる凹部）にスペーサを嵌め込んでもよい。
【００２６】
（凹部１６）
凹部１６は、集電体１４の正極層１１側であって、正極層１１の外周の少なくとも一部に設けられており、ここにスペーサ１５が嵌め合わされて、電極体１０の積層時、電極体１０の位置決めが容易とされる。凹部１６は、スペーサ１５に対して裏面側となる位置に設けられており、一の電極体１０に係る凹部１６に、他の電極体１０に係るスペーサ１５が嵌め合わされることにより、一の電極体１０の正極層１１の積層位置と、他の電極体１０の負極層１２及び電解質層１３の積層位置とがずれることなく、電極体１０、１０を積層することができる。凹部１６は、スペーサ１５が嵌合可能とされていれば、その形状は特に限定されるものではない。スペーサ１５の位置に合わせて、集電体１４のスペーサ１５に対して裏面側に、凹部１６を点在させる、或いは、集電体１４のスペーサ１５に対して裏面側に、溝を形成することによって凹部１６としてもよい。ただし、凹部１６の深さについては、上記の正極層１１、負極層１２及び電解質層１３の厚みやヤング率、電極体１０の積層後に印加される圧力、さらには、スペーサ１５の積層方向高さを考慮して決定されることが好ましい。凹部１６は、プレス処理等によって集電体１４に形成することができる。
【００２７】
電極体１０は、例えば、下記のように作製することができる。すなわち、まず、集電体１４を用意し、当該集電体１４の一方の面に熱溶着或いは接着剤を用いた接着によりスペーサ１５、１５を設け、集電体１４の他方の面であってスペーサ１５、１５に対して裏面側となる部分に、プレス処理等により凹部１６、１６を設ける。そして、スペーサ１５、１５の内側に上記活物質等を含む負極ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの負極層１３を形成し、当該負極層１３の上に上記電解質等を含む電解質ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの電解質層１４を形成する。一方、集電体１４の凹部１６、１６の内側に上記活物質等を含む正極ペーストをドクターブレード等によって塗布・乾燥して所定の厚みの正極層１１を形成する。これによって、電極体１０を作製することができる。或いは、集電体１４の一方の面に負極ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの負極層１２を設け、集電体１４の他方の面に正極ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの正極層１１を設け、負極層１２の上に電解質ペーストを塗布・乾燥し所定の厚みの電解質層１３を設け、その後、負極層１２及び電解質層１３の外周の少なくとも一部となる集電体１４部分にスペーサ１５、１５を設け、正極層１１の外周の少なくとも一部であってスペーサ１５、１５に対して裏面側となる集電体１４部分に凹部１６、１６を設けることによっても、電極体１０を作製することができる。
【００２８】
＜積層型電池１００＞
上記の電極体１０を積層し積層体とすることで、図１（Ｂ）に示されるような積層型電池１００が作製される。積層型電池１００は積層バイポーラ電池であり、一の電極体１０のスペーサ１５、１５が、他の電極体１０の凹部１６、１６に嵌め合わされながら、複数の電極体１０、１０、…を積層してなるものである。積層型電池１００においては、集電体１４、１４の間に、正極層１１、電解質層１３及び負極層１２がこの順に積層されており、これらが発電部２０として機能する。図１（Ｂ）においては、積層方向両端に設けられる電極体１０については、積層方向最外側の電極層或いは電解質層が設けられない形態（電極体１０ａ、１０ｂ）とされており、当該電極体１０ａ、１０ｂの間に、複数の電極体１０が積層されている。上述の通り、電極体１０は、集電体１４の表裏にスペーサ１５及び凹部１６が設けられていることにより、一の電極体１０に係る凹部１６に、他の電極体１０に係るスペーサ１５が嵌め合わせることができ、電極体１０、１０、…の積層時、一の電極体１０の正極層１１の積層位置と、他の電極体１０の負極層１２及び電解質層１３の積層位置とがずれることない。すなわち、電極体１０を容易に位置決めしながら、積層型電池１００を作製することができる。また、積層型電池１００は、発電部２０の外周の少なくとも一部に設けられたスペーサ１５、１５が、集電体１４の発電部２０側に設けられた凹部１６、１６に嵌め合わされているため、プレス工程において、電極体１０同士がずれることがなく、適切に圧力が印加されて作製されている。
【００２９】
電極体１０の位置決めを容易とするとともに、電極体１０の積層後、適切に圧力を印加可能とする観点からは、電極体１０及び積層型電池１００の各構成は、特に、下記のように設計されることが好ましい。
【００３０】
図２（Ａ）に示されるように、負極層１２の厚みと電解質層１３の厚みとの合計をｘ１、スペーサ１５の集電体１４表面からの積層方向高さをｘ２、凹部１６の積層方向深さをｘ３、正極層１１の厚みをｘ４とすると、少なくとも下記式（１）を満たしていることにより、図２（Ｂ）に示されるように電極体１０の積層後、締付けによりプレス処理を行う場合、電極材料に均一な圧縮応力を印加することができ、好ましい。
ｘ２−ｘ３＜ｘ１＋ｘ４ … （１）
【００３１】
また、電極体１０、１０、…を積層した後、プレス工程に供する場合は、当該プレス工程における圧力σと、正極層１１のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２、及び負極層のヤング率Ｅ３とから、上記のｘ１、ｘ２、ｘ３及びｘ４が求められることが好ましい。具体的には、例えば、下記式（２）〜（６）によって、圧力σと、第１電極層のヤング率Ｅ１、電解質層のヤング率Ｅ２及び第２電極層のヤング率Ｅ３とから、適切なｘ１、ｘ２、ｘ３或いはｘ４を算出することができる。
ｘ２＞ｘ１ …（２）
ｘ３＞ｘ４ …（３）
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００３２】
このように、電極体１０によれば、本発明に係る集電体１４、スペーサ１５、１５、及び凹部１６、１６が備えられているので、電極体１０の積層時、一の電極体１０に係るスペーサ１５を他の電極体１０に係る凹部１６に嵌め込むことによって、電極体１０の積層位置を容易に位置決めでき、複数の電極体１０、１０、…を適切に積層することができる。また、本発明に係る積層型電池１００によれば、スペーサ１５が凹部１６に嵌め合わされることにより、電極体１０が適切に位置決めされて積層されたものとなっており、且つ、積層後、プレス工程に供する場合にも、スペーサ１５の嵌合により、電極体１０同士の位置ずれを防止できる。さらに、上記のように、プレス工程における圧力σや各層のヤング率Ｅ１〜Ｅ３をもとに、スペーサ１５や凹部１６が適切に設計されている場合、電極体１０の積層時の位置決めが容易であるとともに、積層後、より均一且つより適切に、圧力を印加することができる。
【００３３】
尚、上記説明において、電極体１０は、負極層１２及び電解質層１３が備えられる側にスペーサ１５、１５が設けられ、正極層１１が備えられる側に凹部１６、１６が設けられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、正極層１１が備えられる側にスペーサ１５、１５が設けられ、負極層１２及び電解質層１３が備えられる側に凹部１６、１６が設けられる形態であってもよい。ただし、電解質層の剥がれや電解質（特に粒子状電解質）の脱落を抑制することができる観点からは、スペーサ１５、１５側に電解質層１３を設けることが好ましい。
【００３４】
また、上記説明において、電極体１０は、集電体１４の一方の面に負極層１２及び電解質層１３が、他方の面に正極層１１が備えられる形態について説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、例えば、集電体１４の一方の面に正極層１１及び電解質層１３が、他方の面に負極層１２が備えられる形態であってもよく、正極層１１及び負極層１２の双方の上に電解質層１３が備えられる形態であってもよい。
【００３５】
また、上記説明において、電極体１０は、集電体１４の表裏に正極層１１と負極層１２とが設けられるバイポーラ電極構造を有するものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、集電体１４の一面に正極層１１、電解質層１３及び負極層１２がこの順に積層されてなるものであってもよい。ただし、集電体１４上にペーストを塗布することによって、各電極層及び電解質層を形成する場合、当該ペーストの乾燥・固化時、層のひび割れ、反り或いは剥離を防止する観点、また、電極体１０における自己放電を防ぐ観点から、電極体１０は、集電体１４の表裏に正極層１１と負極層１２とが設けられるバイポーラ電極構造を有するものとすることが好ましい。
【００３６】
また、電極体１０は、図３に示されるように、積層型電池１００とされる前の保管時、各電極層や電解質層の表面にシール部材３０を配することが好ましい。シール部材３０としては、公知のシール材を特に限定されることなく用いることができ、例えば、オレフィン樹脂からなるものを用いることが好ましい。これにより、発電部に埃等を付着させることなく電極体１０を保管することができる。
【００３７】
また、上記説明において、積層型電池１００は、電極体１０が複数積層されてなるものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、積層型電池１０の集電体１４の間にスペーサ１５が設けられ、且つ、当該スペーサが集電体１４に設けられた凹部１６に嵌め合わされているような積層型電池であればよい。すなわち、少なくとも一面に発電部２０が配置される集電体１４であって、集電体１４の一面側において、発電部２０が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサ１５、１５が配置され、集電体１４の他面側において、スペーサ１５、１５が配置される位置と対応する位置に、凹部１６、１６が形成されている、集電体１４を用い、当該集電体１４が発電部２０とともに複数積層されてなり、スペーサ１５、１５が凹部１６、１６に嵌め合わされている、積層型電池、或いは、一の集電体１４（第１集電体１４）と他の集電体１４（第２集電体１４）との間に発電部２０が備えられ、当該発電部２０の外周の少なくとも一部にスペーサ１５、１５が設置され、第１集電体１４又は第２集電体１４の少なくとも一方の、発電部２０側の面に、凹部１６、１６が設けられ、凹部１６、１６にスペーサ１５、１５が嵌め合わされている、積層型電池であってもよい。ただし、積層型電池１００を容易に製造可能な観点からは、電極体１０が複数積層されてなる積層型電池１００とすることが好ましい。
【実施例】
【００３８】
実施例により、本発明に係る積層型電池１００の設計について説明する。
【００３９】
１．従来例（比較例）
図４（Ａ）に示されるように、集電体１４の上にドクターブレードによって、正極ペーストを塗布・乾燥し、正極層５１１を形成し、その後、当該正極層５１１の上にドクターブレードによって電解質ペーストを塗布・乾燥し、電解質層５１３を形成し、さらにその後、当該電解質層５１３の上にドクターブレードによって負極ペーストを塗布・乾燥し、負極層５１２を形成した。このようにして作製された電極体５１０を外部観察したところ、図４（Ｂ）に示されるように、各層間にクラックや反りが生じていた。これは、ペーストの乾燥過程等において、各層の熱膨張率の違いによって生じたものと考えられる。また、電極体５１０は、正極層、電解質層及び負極層がこの順に積層されており、自己放電が生じる虞のあるものであった。また、作製された電極体５１０を複数用意して積層する場合、電極体５１０の位置決めが困難であった。また、積層後、拘束プレス工程に供する場合、電極体５１０同士の位置ずれが生じた。
【００４０】
２．実施例１
電極体１０の積層後の拘束プレス工程において、印加される圧縮応力を１５０ｋｇｆ／ｃｍ２（１４７０Ｎ／ｃｍ２）に設定し、且つ、図２に示される、各電極層、電解質層の厚み、凹部１６の深さを下記表１の通りとした。正極層１１、負極層１２、電解質層１３の各ヤング率は下記表２の通りであった。この場合において、最適なスペーサの高さｘ２を下記式（４）〜（６）により求めたところ、スペーサ高さｘ２は３６５．６μｍとなった。
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
算出値を基にスペーサを設計し、これを用いて電極体１０を複数作製した。作製した電極体１０は、上記比較例と比べていずれも反り、ひび割れ等のないものであった。その後、電極体１０を用いて積層型電池１００を作製したところ、電極体１０の積層時、容易に位置決めしながら電極体１０を積層することができ、且つ、その後のプレス工程においても電極体１０同士がずれることなく、均一且つ適切に圧力を印加することができた。
【００４４】
３．実施例２
電極体１０の積層後、プレス工程において印加される圧縮応力を１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１４７Ｎ／ｃｍ２）に設定し、且つ、図２に示される、各電極層、電解質層の厚み、スペーサ１５の高さを下記表３の通りとした。正極層１１、負極層１２、電解質層１３の各ヤング率は下記表４の通りであった。この場合において、最適な凹部１６深さｘ３を下記式（４）〜（６）により求めたところ、凹部深さｘ３は５１．７μｍとなった。
σ＝Ｅ・Δｘ … （４）
Ｅ＝Ｅ１・Ｅ２・Ｅ３／（Ｅ１・Ｅ２＋Ｅ２・Ｅ３＋Ｅ３・Ｅ１） … （５）
Δｘ＝（ｘ１＋ｘ３−ｘ２）／（ｘ１＋ｘ４） … （６）
【００４５】
【表３】
【００４６】
【表４】
【００４７】
算出値を基に集電体１４に凹部を設け、これを用いて電極体１０を複数作製した。作製した電極体１０は、上記比較例と比べていずれも反り、ひび割れが低減されていた。その後、電極体１０を用いて積層型電池１００を作製したところ、電極体１０の積層時、容易に位置決めしながら電極体１０を積層することができ、且つ、その後のプレス工程においても電極体１０同士がずれることなく、均一且つ適切に圧力を印加することができた。
【００４８】
以上、現時点において、最も実践的であり、且つ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う集電体及び積層型電池もまた本発明の技術範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 電極体
１１ 正極層
１２ 負極層
１３ 電解質層
１４ 集電体
１５ スペーサ
１６ 凹部
２０ 発電部
１００ 積層型電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、
前記集電体の一面側において、前記発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、
前記集電体の他面側において、前記スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体。
【請求項２】
請求項１に記載の集電体が発電部とともに複数積層されてなり、
前記スペーサが前記凹部に嵌め合わされている、積層型電池。
【請求項３】
第１集電体と第２集電体との間に発電部が備えられ、
前記発電部の外周の少なくとも一部にスペーサが設置され、
前記第１集電体又は第２集電体の少なくとも一方の、前記発電部側の面に、凹部が設けられ、
前記凹部に前記スペーサが嵌め合わされている、積層型電池。
【請求項１】
少なくとも一面に発電部が配置される集電体であって、
前記集電体の一面側において、前記発電部が配置される位置の外周の少なくとも一部に、スペーサが配置され、
前記集電体の他面側において、前記スペーサが配置される位置と対応する位置に、凹部が形成されている、集電体。
【請求項２】
請求項１に記載の集電体が発電部とともに複数積層されてなり、
前記スペーサが前記凹部に嵌め合わされている、積層型電池。
【請求項３】
第１集電体と第２集電体との間に発電部が備えられ、
前記発電部の外周の少なくとも一部にスペーサが設置され、
前記第１集電体又は第２集電体の少なくとも一方の、前記発電部側の面に、凹部が設けられ、
前記凹部に前記スペーサが嵌め合わされている、積層型電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１００６９３（Ｐ２０１１−１００６９３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６２４３（Ｐ２００９−２５６２４３）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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