電極体及びその製造方法、並びに、電池及びその製造方法
【課題】粉体の充填率を高めることが可能な電極体及びその製造方法並びに電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、該粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、粉体が配設されている集電体の表面に凸部及び凹部を有する電極体、及び、該電極体を備える電池とし、表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、準備された集電体の凸部及び凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、粉体層が表面に形成された集電体を粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程である電極体の製造方法、及び、該製造方法によって電極体を製造する工程を有する電池の製造方法とする。
【解決手段】集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、該粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、粉体が配設されている集電体の表面に凸部及び凹部を有する電極体、及び、該電極体を備える電池とし、表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、準備された集電体の凸部及び凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、粉体層が表面に形成された集電体を粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程である電極体の製造方法、及び、該製造方法によって電極体を製造する工程を有する電池の製造方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機固体電解質と活物質と集電体とを備える電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体や固体が用いられる。電解質に液体（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層（以下において、これらをまとめて「電極層」ということがある。）に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような固体電池に関する技術として、例えば特許文献１には、固体電解質層と、該固体電解質層を介して積層され、集電体上に複数の電極部が形成された電極体とを有し、固体電解質層の一部が、該固体電解質層に対して積層方向での少なくとも一方に位置する電極体のうち、積層方向と直交する方向で隣り合う電極部の間に位置している蓄電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術において、バインダー等が含有されていない粉体の電極部が備えられる形態とする場合、粉体の電極部を備える電極体の作製時には、電極部を構成する粉体（活物質や固体電解質等）の充填率を向上させる等の目的で、電極部が押圧（プレス）される。しかしながら、粉体を押圧すると、圧縮された粉体に亀裂や空隙が生じやすく、生じた亀裂や空隙には粉体を充填し難い。そのため、特許文献１に開示されている技術には、粉体の充填率（単位体積の空間に占める粉体の体積の割合）を高めることが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、粉体の充填率を高めることが可能な電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、該粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、粉体が配設されている集電体の表面に凸部及び凹部を有することを特徴とする、電極体である。
【０００９】
ここに、本発明において、「活物質」とは、本発明の電極体を具備する電池の正極と負極との間を移動するイオンを放出又は吸蔵放出可能な物質をいう。また、本発明において、「無機固体電解質」とは、本発明の電極体を具備する電池に備えられる、無機物質によって構成されるイオン伝導性を有する固体をいう。なお、本発明において、「粉体」には、粘着性や流動性を付加する目的で用いられる結着材（バインダー）は含まれない。また、「凸部及び凹部」とは、例えば、平らな集電体の表面に溝を形成することによって凹部を設けた場合、集電体表面における溝以外の部位を凸部ということができる。
【００１０】
また、上記本発明の第１の態様において、凸部を囲むように凹部が配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、上記本発明の第１の態様において、凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、上記本発明の第１の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一であることが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の態様は、上記本発明の第１の態様にかかる電極体を備えることを特徴とする、電池である。
【００１４】
本発明の第３の態様は、表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、準備された集電体の凸部及び凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、粉体層が表面に形成された集電体を、粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程であることを特徴とする、電極体の製造方法である。
【００１５】
ここに、「集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面」とは、集電体の凸部（集電体の上面から見た場合の凸部、集電体の下面から見た場合の凹部）が配設される凸部、及び、集電体の凹部（集電体の上面から見た場合の凹部、集電体の下面から見た場合の凸部）が配設される凹部を有する押圧面をいい、集電体側に配設される押圧面と粉体層側に配設される押圧面のうち、集電体側に配設される押圧面をいう。本発明の第３の態様において、粉体層側に配設される押圧面の形態は、特に限定されるものではない。
【００１６】
また、上記本発明の第３の態様において、集電体の表面の凸部を囲むように凹部が配置されていることが好ましい。
【００１７】
また、上記本発明の第３の態様において、集電体の表面に凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されていることが好ましい。
【００１８】
また、上記本発明の第３の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一であることが好ましい。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第１集電体及び第２集電体、並びに、第１集電体と第２集電体との間に配設された少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体層、を備える電池を製造する方法であって、上記本発明の第３の態様にかかる電極体の製造方法によって、第１集電体と該第１集電体の表面に形成された粉体層とを備える電極体を製造する電極体製造工程と、該電極体製造工程で製造された電極体に備えられている粉体層が、第１集電体と第２集電体との間に配設されるように第２集電体を配設する工程と、を有することを特徴とする、電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の態様にかかる電極体は、凸部及び凹部を有する集電体の表面に配設された粉体を有している。凸部及び凹部を有する集電体の表面に配設された粉体を押圧すると、凸部から移動してきた粉体を凹部に留めることが可能になる。凸部と粉体を留める機能を有する凹部とが備えられる形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することができるので、粉体の過度の移動に起因する亀裂や空隙の発生を抑制することができる。亀裂や空隙の発生を抑制することにより、粉体の充填率を高めることが可能になるので、本発明の第１の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電極体を提供することができる。
【００２１】
また、本発明の第１の態様において、凸部を囲むように凹部が配置されている形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２２】
また、本発明の第１の態様において、凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されている形態とすることにより、集電体の表面に、周りが凹部によって囲まれた複数の凸部を配置することができる。かかる形態とすることにより、複数の凸部それぞれに配設される粉体の充填率を高めることが可能になるので、上記効果に加えて、集電体の表面に粉体を均一に充填することが容易になる。
【００２３】
また、本発明の第１の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一である形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２４】
本発明の第２の態様にかかる電池は、本発明の第１の態様にかかる電極体を備えている。したがって、本発明の第２の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電池を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが容易になる。
【００２５】
本発明の第３の態様にかかる電極体の製造方法は、凸部及び凹部を有する集電体の表面に粉体層を形成する工程と、集電体の凸部及び凹部と対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて、集電体表面に形成された粉体層を押圧する工程とを有している。かかる工程を経ることにより、集電体及び押圧面の凹部で粉体を保持することが可能になり、本発明の第１の態様にかかる電極体を製造すること可能になる。したがって、本発明の第３の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電極体を製造し得る、電極体の製造方法を提供することができる。
【００２６】
また、本発明の第３の態様において、集電体の表面の凸部を囲むように凹部が配置されている形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２７】
また、本発明の第３の態様において、集電体の表面に凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されている形態とすることにより、集電体の表面に、周りが凹部によって囲まれた複数の凸部を配置することができる。かかる形態とすることにより、複数の凸部それぞれに配設される粉体の充填率を高めることが可能になるので、上記効果に加えて、集電体の表面に粉体を均一に充填することが容易になる。
【００２８】
また、本発明の第３の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一である形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２９】
本発明の第４にかかる電池の製造方法は、上記本発明の第３の態様によって電極体を製造する工程を有している。したがって、本発明の第４の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電池を製造し得る、電池の製造方法を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の電極体５を説明する断面図である。
【図２】集電体１を説明する図である。
【図３】本発明の電極体５を説明する断面図である。
【図４】集電体１’を説明する図である。
【図５】集電体６を説明する断面図である。
【図６】集電体６を説明する正面図である。
【図７】本発明の電池１０を説明する断面図である。
【図８】本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の電池の製造方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
集電体の表面に粉状の電池材料を塗布して層を形成する場合、電池材料の充填率を高めて電池容量や電池の体積密度等を増大させるために、電池材料層は押圧される。しかしながら、既存技術を用いて押圧すると、電池材料の充填率を７０％以上にまで高めることは困難であった。これは、既存技術では、押圧された電池材料が押圧方向と直交する方向へと移動する結果、集電体表面の電池材料層が延ばされて、集電体の周囲から電池材料の一部が滑落していたことが一因と考えられる。また、集電体の表面に配設された、粘着性や流動性等を付加する機能を有するバインダーを一切添加していない粉状の電池材料によって構成される電池材料層を押圧すると、電池材料層が押圧方向と直交する方向へと延ばされ、延ばされた電池材料層に亀裂や空隙が生じることがあった。このように、亀裂や空隙が生じるため、粉状の電池材料によって構成される電池材料層を集電体の表面に形成して押圧すると、押圧された電池材料を均一に充填することは困難であり、集電体の大きさが大きくなるほど、電池材料を均一に充填するのは困難であった。電池材料の充填率を高めるためには、亀裂や空隙の発生を防止することが必要であり、亀裂や空隙の発生は、電池材料層が押圧方向と直交する方向へ過度に延ばされないようにすることにより、抑制可能であると考えられる。
【００３２】
本発明者らは、鋭意研究の結果、押圧方向と直交する方向へと向かう電池材料の移動を抑制するために、集電体に電池材料の移動を抑制する構造を設けることを検討した。その結果、凹凸を有する集電体の表面に粉状の電池材料を配設して押圧すると、凹部が電池材料の移動を抑制する機能を発揮し得ることを知見した。
【００３３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明の趣旨は、粉体の充填率を高めることが可能な電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法を提供することである。
【００３４】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。図面では、一部符号の記載を省略することがある。
【００３５】
１．電極体
図１は、本発明の電極体５を説明する断面図である（なお、以下断面図を説明する場合において、図の紙面上側を「上面」、紙面下側を「下面」ということがある。）。図１では、電極体５の一部を抽出し、簡略化して示している。図１に示すように、電極体５は、集電体１と、該集電体１の表面に配設された正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４と、を有している。集電体１は、凸部１ａ、１ａ、…と、凹部１ｂ、１ｂ、…と、を有している。正極層２は、少なくとも正極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、固体電解質層３は、固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、負極層４は、少なくとも負極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層である。このように構成される電極体５は、例えば、集電体１の表面に正極層２を構成すべき粉体を配設することによって正極層２を形成し、次いで、正極層２の表面に固体電解質層３を構成すべき粉体を配設することによって固体電解質層３を形成し、次いで、固体電解質層３の表面に負極層４を構成すべき粉体を配設することによって負極層４を形成した後、集電体１、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４の厚さ方向（図１の紙面上下方向）へと押圧する過程を経て作製される。
【００３６】
図２は、集電体１を説明する正面図である。図２では、集電体１の一部を抽出し、簡略化して示している。図１及び図２に示すように、集電体１は、複数の凸部１ａ、１ａ、…及び複数の凹部１ｂ、１ｂ、…を有している。それぞれの凸部１ａ、１ａ、…を囲むように、凹部１ｂ、１ｂ、…が配置されており、隣り合う凸部１ａ、１ａの間には、凹部１ｂが配置されている。集電体１をこのような形態とすることにより、押圧されて図２の紙面に平行な方向へと向かう粉体の移動を、凹部１ｂ、１ｂ、…によって抑制すること（粉体の移動を抑制する拘束壁として凹部１ｂ、１ｂ、…を機能させること）が可能になる。押圧された粉体の移動を抑制することにより、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４における亀裂や空隙の発生を抑制することができるので、粉体の充填率を高めることが可能になる。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能な、電極体５を提供することができる。
【００３７】
また、集電体１は、それぞれの凸部１ａ、１ａ、…を囲むように、凹部１ｂ、１ｂ、…が配置されている。集電体１に複数の凸部１ａ、１ａ、…が設けられていることにより、それぞれの凸部１ａ、１ａ、…において粉体を均一に充填することが可能になり、集電体１の表面の略全体に粉体を均一に充填することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な、電極体５を提供することができる。
【００３８】
本発明において、凸部１ａ、１ａ、…の大きさ（面積）は、特に限定されるものではない。凸部１ａ、１ａ、…の大きさ（面積）は、粉体の充填率を高めつつ粉体を均一に充填可能なように、配設される粉体の種類に応じて適宜決定することができる。凸部１ａは、例えば、５ｍｍ四方の正方形とすることができる。
【００３９】
本発明において、凹部１ｂ、１ｂ、…の形状は、特に限定されるものではない。図３は、図１の点線で囲んだ領域を拡大して示す図である。図３に示すように、凹部１ｂは、所定の長さの斜面部１ｂａ、１ｂａと所定の長さの底部１ｂｂとを有する溝である。本発明において、粉体の移動を抑制する効果を発揮しやすい形態にする等の観点から、斜面部１ｂａの傾斜角度（図３にαで示す角度）は、４０°以上７０°以下程度とすることが好ましい。また、斜面部１ｂａ、１ｂａの長さ（図３にＬ１で示す長さ）、底部１ｂｂの長さ（図３にＬ２で示す長さ）、及び、凹部１ｂの深さ（図３にＬ３で示す長さ）は、粉体の移動を抑制するという凹部１ｂの機能を発揮可能なように、配設される粉体の種類に応じて適宜決定することができる。Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３は、例えば、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２＝０．１ｍｍ、Ｌ３＝０．５ｍｍとすることができる。また、集電体１の厚さ（図３にＴで示す厚さ）は、特に限定されるものではない。集電体１の厚さは、例えば、０．０１ｍｍとすることができる。また、本発明において、集電体１の構成材料は特に限定されるものではなく、電池の集電体として使用可能な公知の導電性材料を適宜用いることができる。集電体１を構成し得る導電性材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン、カーボン等を例示することができる。また、集電体１の形状としては、箔状、板状等を例示することができる。
【００４０】
続いて、集電体１の表面に配設される正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４について説明する。
【００４１】
正極層２は、少なくとも正極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、必要に応じて、電子伝導性を向上させる導電助剤等を含有させることも可能である。正極層２には、公知の正極活物質及び公知の固体電解質を適宜含有させることができる。正極層２に含有させる正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２等を例示することができる。また、正極層２に含有させる固体電解質としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７０：３０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質。）等を例示することができる。また、正極層２に導電助剤を含有させる場合、例えばアセチレンブラック等の導電助剤を含有させることができる。また、正極層２に含有される正極活物質と固体電解質との質量比は、特に限定されるものではない。正極層２においては、例えば、正極活物質：固体電解質＝７：３とすることができる。正極層２の厚さは、例えば０．０３ｍｍとすることができる。
【００４２】
固体電解質層３は、少なくとも固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、例えば、固体電解質のみによって構成される層とすることができる。固体電解質層３には、公知の固体電解質を適宜含有させることができる。固体電解質層３に含有させる固体電解質としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７０：３０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質。）等を例示することができる。固体電解質層３の厚さは、例えば０．０２ｍｍとすることができる。
【００４３】
負極層４は、少なくとも負極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、必要に応じて、電子伝導性を向上させる導電助剤等を含有させることも可能である。負極層４には、公知の負極活物質及び公知の固体電解質を適宜含有させることができる。負極層４に含有させる負極活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層４に含有させる固体電解質としては、正極層２に含有させる固体電解質と同様のものを例示することができる。さらに、負極層４に導電助剤を含有させる場合、例えばアセチレンブラック等の導電助剤を含有させることができる。また、負極層４に含有される負極活物質と固体電解質との質量比は、特に限定されるものではない。負極層４においては、例えば、負極活物質：固体電解質＝５：５とすることができる。負極層４の厚さは、例えば０．０３ｍｍとすることができる。
【００４４】
本発明の電極体５に関する上記説明では、正方形形状の凸部１ａ、１ａ、…を有する集電体１を例示したが、本発明の電極体に備えられる集電体の凸部の形状は、当該形態に限定されるものではない。集電体の凸部は、長方形や台形等に代表される正方形以外の四角形とすることも可能であり、三角形、五角形、六角形等の多角形とすることも可能である。図４に、六角形形状の複数の凸部１ｃ、１ｃ、…、及び、それぞれの凸部１ｃ、１ｃ、…の周囲に配置された凹部１ｄ、１ｄ、…を有する集電体１’の正面図を示す。図４では、集電体１’の一部を抽出し、簡略化して示している。図４に示す集電体１’が本発明の電極体に備えられていても、凹部１ｄ、１ｄ、…によって粉体の移動を抑制することができるので、電極体５と同様に、粉体の充填率を高めること、及び、粉体を均一に充填することが可能である。
【００４５】
また、本発明の電極体に関する説明では、溝形状の凹部を有する集電体が備えられる形態を例示したが、本発明の電極体に備えられる集電体の凹部の形状は、溝形状に限定されるものではない。図５に、他の実施形態にかかる集電体６の断面図を、図６に、集電体６の正面図を、それぞれ示す。図５及び図６に示す集電体６は、同程度の面積を有する凸部６ａ、６ａ、…と凹部６ｂ、６ｂ、…とが交互に配置されることによって構成されており、隣り合う凸部６ａ、６ａの間に凹部６ｂが、隣り合う凹部６ｂ、６ｂの間に凸部６ａが、それぞれ配置されるように構成されている。このように構成される集電体６が備えられていても、凸部６ａ、６ａ、…及び凹部６ｂ、６ｂ、…の大きさや形状を適切に制御することにより、集電体６の表面に配設される粉体の充填率を高めること、及び、粉体を均一に充填することが可能になる。また、集電体６が備えられる形態とすることにより、集電体６の上面及び下面（表面及び裏面）にそれぞれ粉体を配設した後、これを、押圧面が平面のプレス機や押圧面が曲面のプレス機を用いて、片面ずつプレスする工程、又は、両面同時にプレスする工程を経て、集電体６を備えた電極体を製造することも可能になる。このほか、集電体６の片面又は両面を複数回に分けて押圧する分割プレスや、超音波の振動を用いたプレスを用いることも容易になるので、電極体の製造工程を簡略化することが可能になる。したがって、電極体を容易に製造可能な形態にする等の観点からは、本発明の電極体に集電体６が備えられていることが好ましい。
【００４６】
また、本発明の電極体に関する上記説明では、複数の凸部を有する集電体が備えられている形態を例示したが、本発明の電極体は当該形態に限定されるものではない。ただし、集電体の表面に配設される粉体を均一に充填しやすい形態にする等の観点からは、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることが好ましい。また、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることにより、集電体の大きさを大きくした場合であっても、凸部の数を増やすことにより、集電体の表面に配設される粉体を均一に充填することが可能になる。したがって、集電体の大きさによらず粉体を均一に充填しやすい形態にするという観点からも、本発明の電極体は、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４７】
２．電池
図７は、本発明の電池１０を説明する断面図である。図７では、電池１０の一部を抽出して示しており、電池１０に備えられる外装材等の記載を省略している。図７において、図１乃至図３に示した電極体５と同様に構成されるものには、図１乃至図３で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４８】
図７に示すように、電池１０は、電極体５と、電極体５の負極層４と接触するように配設された集電体１と、を有している。すなわち、電池１０は、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４を積層して構成される積層体７が、一対の集電体１、１によって挟持されることによって構成される構造体８を有している。このように、電池１０は、本発明の電極体５を有しているので、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な、電池１０を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが可能になるので、本発明によれば、容量を増大させることが可能な電池１０を提供することができる。
【００４９】
本発明の電池に関する上記説明では、１つの構造体８を示した図７を参照したが、本発明の電池に備えられる構造体（セル）の数は特に限定されるものではない。本発明の電池は、複数のセルが備えられる形態とすることも可能である。
【００５０】
３．電極体の製造方法
図８は、本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。図８に示すように、本発明の電極体の製造方法は、集電体準備工程（Ｓ１１）と、粉体層形成工程（Ｓ１２）と、押圧工程（Ｓ１３）と、を有している。図３及び図８を参照しつつ、本発明の電極体の製造方法によって電極体５を製造する場合について、以下に説明する。
【００５１】
３．１．集電体準備工程（Ｓ１１）
Ｓ１１は、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を準備する工程である。集電体１を準備することができれば、Ｓ１１の形態は特に限定されるものではない。Ｓ１１は、凹凸を有しない集電体に凹部１ｂ、１ｂ、…を形成することにより、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を作製する工程であっても良く、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を購入する等して用意する工程であっても良い。
【００５２】
３．２．粉体層形成工程（Ｓ１２）
Ｓ１２は、集電体１の表面に、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４（以下において、集電体１の表面に形成された層をまとめて「粉体層」ということがある。）を形成する工程である。正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４の形成方法は特に限定されるものではない。正極層２は、例えば、質量比で正極活物質：固体電解質＝７：３となる量の正極活物質及び固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して正極活物質及び固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作製した組成物を集電体１の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、集電体１の表面に形成することができる。また、固体電解質層３は、例えば、固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作成した組成物を正極層２の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、正極層２の表面に形成することができる。また、負極層４は、例えば、質量比で負極活物質：固体電解質＝５：５となる量の負極活物質及び固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して負極活物質及び固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作成した組成物を固体電解質層３の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、固体電解質層３の表面に形成することができる。
【００５３】
３．３．押圧工程（Ｓ１３）
Ｓ１３は、粉体層が形成された集電体１を、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて、粉体層の厚さ方向に押圧する工程である。本発明において、粉体層へと付与される圧力は特に限定されるものではなく、集電体の構成材料や厚さ、及び、粉体層の構成材料や厚さ等に応じて適切な大きさとすることができる。Ｓ１３は、例えば、粉体層が形成された集電体１に、１００〜４００ＭＰａの圧力を１０秒間に亘って付与して、その厚さ方向へ圧縮する工程、とすることができる。
【００５４】
Ｓ１１乃至Ｓ１３を経ることにより、電極体５を作製することができる。上述のように、電極体５によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能である。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な電極体５を製造し得る、電極体の製造方法を提供することができる。
【００５５】
本発明の電極体の製造方法において、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段は、集電体側に配設される押圧面が、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有していれば良く、粉体層側に配設される押圧面は、凹凸を有しない平面又は曲面であっても良い。ただし、押圧方向と直交する方向へ動こうとする粉体の移動を抑制しやすい形態とすることにより、粉体の充填率を高めやすい形態の押圧工程にする等の観点からは、粉体層側に配設される押圧面に、凸部１ａ、１ａ、…に対応する凹部、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸部が備えられていることが好ましい。
【００５６】
本発明の電極体の製造方法に関する上記説明では、集電体１を備えた電極体を製造する場合を例示したが、本発明の電極体の製造方法によって製造可能な電極体は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極体の製造方法は、集電体１’や集電体６を備えた電極体を製造する形態とすることも可能である。
【００５７】
４．電池の製造方法
図９は、本発明の電池の製造方法を説明するフローチャートである。図９に示すように、本発明の電池の製造方法は、電極体製造工程（Ｓ２１）と、集電体配設工程（Ｓ２２）と、を有している。図７乃至図９を参照しつつ、本発明の電池の製造方法によって電池１０を製造する場合について、以下に説明する。
【００５８】
４．１．電極体製造工程（Ｓ２１）
Ｓ２１は、上記Ｓ１１乃至Ｓ１３によって、集電体１の表面に粉体層（積層体７）を形成することにより、集電体１と該集電体１の表面に形成された積層体７とを備える電極体５を製造する工程である。
【００５９】
４．２．集電体配設工程（Ｓ２２）
Ｓ２２は、上記Ｓ２１によって製造された電極体５の積層体７が一対の集電体１、１の間に配設されるように、負極層４の表面に集電体１を配設する工程である。
【００６０】
Ｓ２１及びＳ２２を経ることにより、電池１０を製造することができる。上述のように、電池１０によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能である。また、粉体の充填率を高めた電池１０によれば、粉体層を有する従来の電池よりも電池容量を増大させることが可能になる。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、粉体を均一に充填することが可能であり、且つ、電池容量を増大させた電池１０を製造し得る、電池の製造方法を提供することができる。
【００６１】
本発明の電池の製造方法に関する上記説明では、集電体１を備えた電池を製造する場合を例示したが、本発明の電池の製造方法によって製造可能な電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の電池の製造方法は、集電体１’や集電体６を備えた電池を製造する形態とすることも可能である。
【実施例】
【００６２】
＜充填率調査＞
本発明の電極体の製造方法によって、電極体５（実施例）を製造した。また、凹凸を有しない集電体を用いた他は本発明の電極体の製造方法と同様の工程によって、電極体（比較例）を製造した。このようにして製造した、実施例にかかる電極体（電極体５）に備えられている粉体の充填率、及び、比較例にかかる電極体に備えられている粉体の充填率を測定した。その結果、実施例にかかる電極体（電極体５）に備えられている粉体の充填率は７０％を超え、比較例にかかる電極体に備えられている粉体の充填率の１．５倍であった。以上より、本発明によれば、粉体の充填率を高めることができた。
【００６３】
＜電池性能評価＞
本発明の電池の製造方法によって、電池１０（実施例）を製造した。また、凹凸を有しない集電体を用いた他は本発明の電池の製造方法と同様の工程によって、電池（比較例）を製造した。このようにして製造した、実施例にかかる電池（電池１０）の容量、及び、比較例にかかる電池の容量を測定した。その結果、実施例にかかる電池（電池１０）の容量は、比較例にかかる電池の容量の１．３倍であった。以上より、本発明によれば、電池容量を増大させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の電極体及び電池は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用することができる。また、本発明の電極体の製造方法及び電池の製造方法は、電気自動車やハイブリッド自動車等に利用可能な電極体や電池を製造する際に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、１’、６…集電体
１ａ、１ｃ、６ａ…凸部
１ｂ、１ｄ、６ｂ…凹部
１ｂａ…斜面部
１ｂｂ…底部
２…正極層（粉体層）
３…固体電解質層（粉体層）
４…負極層（粉体層）
５…電極体
７…積層体（粉体層）
８…構造体
１０…電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機固体電解質と活物質と集電体とを備える電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体や固体が用いられる。電解質に液体（以下において、「電解液」という。）が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層（以下において、これらをまとめて「電極層」ということがある。）に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質（以下において、「固体電解質」という。）は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層（以下において、「固体電解質層」という。）が備えられる形態のリチウムイオン二次電池（以下において、「固体電池」という。）が提案されている。
【０００４】
このような固体電池に関する技術として、例えば特許文献１には、固体電解質層と、該固体電解質層を介して積層され、集電体上に複数の電極部が形成された電極体とを有し、固体電解質層の一部が、該固体電解質層に対して積層方向での少なくとも一方に位置する電極体のうち、積層方向と直交する方向で隣り合う電極部の間に位置している蓄電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術において、バインダー等が含有されていない粉体の電極部が備えられる形態とする場合、粉体の電極部を備える電極体の作製時には、電極部を構成する粉体（活物質や固体電解質等）の充填率を向上させる等の目的で、電極部が押圧（プレス）される。しかしながら、粉体を押圧すると、圧縮された粉体に亀裂や空隙が生じやすく、生じた亀裂や空隙には粉体を充填し難い。そのため、特許文献１に開示されている技術には、粉体の充填率（単位体積の空間に占める粉体の体積の割合）を高めることが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、粉体の充填率を高めることが可能な電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、該粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、粉体が配設されている集電体の表面に凸部及び凹部を有することを特徴とする、電極体である。
【０００９】
ここに、本発明において、「活物質」とは、本発明の電極体を具備する電池の正極と負極との間を移動するイオンを放出又は吸蔵放出可能な物質をいう。また、本発明において、「無機固体電解質」とは、本発明の電極体を具備する電池に備えられる、無機物質によって構成されるイオン伝導性を有する固体をいう。なお、本発明において、「粉体」には、粘着性や流動性を付加する目的で用いられる結着材（バインダー）は含まれない。また、「凸部及び凹部」とは、例えば、平らな集電体の表面に溝を形成することによって凹部を設けた場合、集電体表面における溝以外の部位を凸部ということができる。
【００１０】
また、上記本発明の第１の態様において、凸部を囲むように凹部が配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、上記本発明の第１の態様において、凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されていることが好ましい。
【００１２】
また、上記本発明の第１の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一であることが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の態様は、上記本発明の第１の態様にかかる電極体を備えることを特徴とする、電池である。
【００１４】
本発明の第３の態様は、表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、準備された集電体の凸部及び凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、粉体層が表面に形成された集電体を、粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程であることを特徴とする、電極体の製造方法である。
【００１５】
ここに、「集電体の凸部及び凹部に対応する凸凹を有する押圧面」とは、集電体の凸部（集電体の上面から見た場合の凸部、集電体の下面から見た場合の凹部）が配設される凸部、及び、集電体の凹部（集電体の上面から見た場合の凹部、集電体の下面から見た場合の凸部）が配設される凹部を有する押圧面をいい、集電体側に配設される押圧面と粉体層側に配設される押圧面のうち、集電体側に配設される押圧面をいう。本発明の第３の態様において、粉体層側に配設される押圧面の形態は、特に限定されるものではない。
【００１６】
また、上記本発明の第３の態様において、集電体の表面の凸部を囲むように凹部が配置されていることが好ましい。
【００１７】
また、上記本発明の第３の態様において、集電体の表面に凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されていることが好ましい。
【００１８】
また、上記本発明の第３の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一であることが好ましい。
【００１９】
本発明の第４の態様は、第１集電体及び第２集電体、並びに、第１集電体と第２集電体との間に配設された少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体層、を備える電池を製造する方法であって、上記本発明の第３の態様にかかる電極体の製造方法によって、第１集電体と該第１集電体の表面に形成された粉体層とを備える電極体を製造する電極体製造工程と、該電極体製造工程で製造された電極体に備えられている粉体層が、第１集電体と第２集電体との間に配設されるように第２集電体を配設する工程と、を有することを特徴とする、電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の態様にかかる電極体は、凸部及び凹部を有する集電体の表面に配設された粉体を有している。凸部及び凹部を有する集電体の表面に配設された粉体を押圧すると、凸部から移動してきた粉体を凹部に留めることが可能になる。凸部と粉体を留める機能を有する凹部とが備えられる形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することができるので、粉体の過度の移動に起因する亀裂や空隙の発生を抑制することができる。亀裂や空隙の発生を抑制することにより、粉体の充填率を高めることが可能になるので、本発明の第１の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電極体を提供することができる。
【００２１】
また、本発明の第１の態様において、凸部を囲むように凹部が配置されている形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２２】
また、本発明の第１の態様において、凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されている形態とすることにより、集電体の表面に、周りが凹部によって囲まれた複数の凸部を配置することができる。かかる形態とすることにより、複数の凸部それぞれに配設される粉体の充填率を高めることが可能になるので、上記効果に加えて、集電体の表面に粉体を均一に充填することが容易になる。
【００２３】
また、本発明の第１の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一である形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２４】
本発明の第２の態様にかかる電池は、本発明の第１の態様にかかる電極体を備えている。したがって、本発明の第２の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電池を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが容易になる。
【００２５】
本発明の第３の態様にかかる電極体の製造方法は、凸部及び凹部を有する集電体の表面に粉体層を形成する工程と、集電体の凸部及び凹部と対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて、集電体表面に形成された粉体層を押圧する工程とを有している。かかる工程を経ることにより、集電体及び押圧面の凹部で粉体を保持することが可能になり、本発明の第１の態様にかかる電極体を製造すること可能になる。したがって、本発明の第３の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電極体を製造し得る、電極体の製造方法を提供することができる。
【００２６】
また、本発明の第３の態様において、集電体の表面の凸部を囲むように凹部が配置されている形態とすることにより、押圧された粉体が押圧方向と直交する方向へ過度に移動する事態を抑制することが容易になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２７】
また、本発明の第３の態様において、集電体の表面に凸部が複数備えられ、隣り合う凸部の間に凹部が配置されている形態とすることにより、集電体の表面に、周りが凹部によって囲まれた複数の凸部を配置することができる。かかる形態とすることにより、複数の凸部それぞれに配設される粉体の充填率を高めることが可能になるので、上記効果に加えて、集電体の表面に粉体を均一に充填することが容易になる。
【００２８】
また、本発明の第３の態様において、凹部が複数設けられ、上面視した複数の凹部の形状が同一である形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが容易になる。
【００２９】
本発明の第４にかかる電池の製造方法は、上記本発明の第３の態様によって電極体を製造する工程を有している。したがって、本発明の第４の態様によれば、粉体の充填率を高めることが可能な電池を製造し得る、電池の製造方法を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の電極体５を説明する断面図である。
【図２】集電体１を説明する図である。
【図３】本発明の電極体５を説明する断面図である。
【図４】集電体１’を説明する図である。
【図５】集電体６を説明する断面図である。
【図６】集電体６を説明する正面図である。
【図７】本発明の電池１０を説明する断面図である。
【図８】本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の電池の製造方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
集電体の表面に粉状の電池材料を塗布して層を形成する場合、電池材料の充填率を高めて電池容量や電池の体積密度等を増大させるために、電池材料層は押圧される。しかしながら、既存技術を用いて押圧すると、電池材料の充填率を７０％以上にまで高めることは困難であった。これは、既存技術では、押圧された電池材料が押圧方向と直交する方向へと移動する結果、集電体表面の電池材料層が延ばされて、集電体の周囲から電池材料の一部が滑落していたことが一因と考えられる。また、集電体の表面に配設された、粘着性や流動性等を付加する機能を有するバインダーを一切添加していない粉状の電池材料によって構成される電池材料層を押圧すると、電池材料層が押圧方向と直交する方向へと延ばされ、延ばされた電池材料層に亀裂や空隙が生じることがあった。このように、亀裂や空隙が生じるため、粉状の電池材料によって構成される電池材料層を集電体の表面に形成して押圧すると、押圧された電池材料を均一に充填することは困難であり、集電体の大きさが大きくなるほど、電池材料を均一に充填するのは困難であった。電池材料の充填率を高めるためには、亀裂や空隙の発生を防止することが必要であり、亀裂や空隙の発生は、電池材料層が押圧方向と直交する方向へ過度に延ばされないようにすることにより、抑制可能であると考えられる。
【００３２】
本発明者らは、鋭意研究の結果、押圧方向と直交する方向へと向かう電池材料の移動を抑制するために、集電体に電池材料の移動を抑制する構造を設けることを検討した。その結果、凹凸を有する集電体の表面に粉状の電池材料を配設して押圧すると、凹部が電池材料の移動を抑制する機能を発揮し得ることを知見した。
【００３３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明の趣旨は、粉体の充填率を高めることが可能な電極体及びその製造方法、並びに、該電極体を備える電池及びその製造方法を提供することである。
【００３４】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。図面では、一部符号の記載を省略することがある。
【００３５】
１．電極体
図１は、本発明の電極体５を説明する断面図である（なお、以下断面図を説明する場合において、図の紙面上側を「上面」、紙面下側を「下面」ということがある。）。図１では、電極体５の一部を抽出し、簡略化して示している。図１に示すように、電極体５は、集電体１と、該集電体１の表面に配設された正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４と、を有している。集電体１は、凸部１ａ、１ａ、…と、凹部１ｂ、１ｂ、…と、を有している。正極層２は、少なくとも正極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、固体電解質層３は、固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、負極層４は、少なくとも負極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層である。このように構成される電極体５は、例えば、集電体１の表面に正極層２を構成すべき粉体を配設することによって正極層２を形成し、次いで、正極層２の表面に固体電解質層３を構成すべき粉体を配設することによって固体電解質層３を形成し、次いで、固体電解質層３の表面に負極層４を構成すべき粉体を配設することによって負極層４を形成した後、集電体１、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４の厚さ方向（図１の紙面上下方向）へと押圧する過程を経て作製される。
【００３６】
図２は、集電体１を説明する正面図である。図２では、集電体１の一部を抽出し、簡略化して示している。図１及び図２に示すように、集電体１は、複数の凸部１ａ、１ａ、…及び複数の凹部１ｂ、１ｂ、…を有している。それぞれの凸部１ａ、１ａ、…を囲むように、凹部１ｂ、１ｂ、…が配置されており、隣り合う凸部１ａ、１ａの間には、凹部１ｂが配置されている。集電体１をこのような形態とすることにより、押圧されて図２の紙面に平行な方向へと向かう粉体の移動を、凹部１ｂ、１ｂ、…によって抑制すること（粉体の移動を抑制する拘束壁として凹部１ｂ、１ｂ、…を機能させること）が可能になる。押圧された粉体の移動を抑制することにより、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４における亀裂や空隙の発生を抑制することができるので、粉体の充填率を高めることが可能になる。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能な、電極体５を提供することができる。
【００３７】
また、集電体１は、それぞれの凸部１ａ、１ａ、…を囲むように、凹部１ｂ、１ｂ、…が配置されている。集電体１に複数の凸部１ａ、１ａ、…が設けられていることにより、それぞれの凸部１ａ、１ａ、…において粉体を均一に充填することが可能になり、集電体１の表面の略全体に粉体を均一に充填することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な、電極体５を提供することができる。
【００３８】
本発明において、凸部１ａ、１ａ、…の大きさ（面積）は、特に限定されるものではない。凸部１ａ、１ａ、…の大きさ（面積）は、粉体の充填率を高めつつ粉体を均一に充填可能なように、配設される粉体の種類に応じて適宜決定することができる。凸部１ａは、例えば、５ｍｍ四方の正方形とすることができる。
【００３９】
本発明において、凹部１ｂ、１ｂ、…の形状は、特に限定されるものではない。図３は、図１の点線で囲んだ領域を拡大して示す図である。図３に示すように、凹部１ｂは、所定の長さの斜面部１ｂａ、１ｂａと所定の長さの底部１ｂｂとを有する溝である。本発明において、粉体の移動を抑制する効果を発揮しやすい形態にする等の観点から、斜面部１ｂａの傾斜角度（図３にαで示す角度）は、４０°以上７０°以下程度とすることが好ましい。また、斜面部１ｂａ、１ｂａの長さ（図３にＬ１で示す長さ）、底部１ｂｂの長さ（図３にＬ２で示す長さ）、及び、凹部１ｂの深さ（図３にＬ３で示す長さ）は、粉体の移動を抑制するという凹部１ｂの機能を発揮可能なように、配設される粉体の種類に応じて適宜決定することができる。Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３は、例えば、Ｌ１＝０．４ｍｍ、Ｌ２＝０．１ｍｍ、Ｌ３＝０．５ｍｍとすることができる。また、集電体１の厚さ（図３にＴで示す厚さ）は、特に限定されるものではない。集電体１の厚さは、例えば、０．０１ｍｍとすることができる。また、本発明において、集電体１の構成材料は特に限定されるものではなく、電池の集電体として使用可能な公知の導電性材料を適宜用いることができる。集電体１を構成し得る導電性材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン、カーボン等を例示することができる。また、集電体１の形状としては、箔状、板状等を例示することができる。
【００４０】
続いて、集電体１の表面に配設される正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４について説明する。
【００４１】
正極層２は、少なくとも正極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、必要に応じて、電子伝導性を向上させる導電助剤等を含有させることも可能である。正極層２には、公知の正極活物質及び公知の固体電解質を適宜含有させることができる。正極層２に含有させる正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ２等を例示することができる。また、正極層２に含有させる固体電解質としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７０：３０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質。）等を例示することができる。また、正極層２に導電助剤を含有させる場合、例えばアセチレンブラック等の導電助剤を含有させることができる。また、正極層２に含有される正極活物質と固体電解質との質量比は、特に限定されるものではない。正極層２においては、例えば、正極活物質：固体電解質＝７：３とすることができる。正極層２の厚さは、例えば０．０３ｍｍとすることができる。
【００４２】
固体電解質層３は、少なくとも固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、例えば、固体電解質のみによって構成される層とすることができる。固体電解質層３には、公知の固体電解質を適宜含有させることができる。固体電解質層３に含有させる固体電解質としては、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１や、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝５０：５０〜１００：０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質（例えば、質量比で、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝７０：３０となるようにＬｉ２Ｓ及びＰ２Ｓ５を混合して作製した硫化物固体電解質。）等を例示することができる。固体電解質層３の厚さは、例えば０．０２ｍｍとすることができる。
【００４３】
負極層４は、少なくとも負極活物質及び固体電解質を含有する粉体によって構成される層であり、必要に応じて、電子伝導性を向上させる導電助剤等を含有させることも可能である。負極層４には、公知の負極活物質及び公知の固体電解質を適宜含有させることができる。負極層４に含有させる負極活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、負極層４に含有させる固体電解質としては、正極層２に含有させる固体電解質と同様のものを例示することができる。さらに、負極層４に導電助剤を含有させる場合、例えばアセチレンブラック等の導電助剤を含有させることができる。また、負極層４に含有される負極活物質と固体電解質との質量比は、特に限定されるものではない。負極層４においては、例えば、負極活物質：固体電解質＝５：５とすることができる。負極層４の厚さは、例えば０．０３ｍｍとすることができる。
【００４４】
本発明の電極体５に関する上記説明では、正方形形状の凸部１ａ、１ａ、…を有する集電体１を例示したが、本発明の電極体に備えられる集電体の凸部の形状は、当該形態に限定されるものではない。集電体の凸部は、長方形や台形等に代表される正方形以外の四角形とすることも可能であり、三角形、五角形、六角形等の多角形とすることも可能である。図４に、六角形形状の複数の凸部１ｃ、１ｃ、…、及び、それぞれの凸部１ｃ、１ｃ、…の周囲に配置された凹部１ｄ、１ｄ、…を有する集電体１’の正面図を示す。図４では、集電体１’の一部を抽出し、簡略化して示している。図４に示す集電体１’が本発明の電極体に備えられていても、凹部１ｄ、１ｄ、…によって粉体の移動を抑制することができるので、電極体５と同様に、粉体の充填率を高めること、及び、粉体を均一に充填することが可能である。
【００４５】
また、本発明の電極体に関する説明では、溝形状の凹部を有する集電体が備えられる形態を例示したが、本発明の電極体に備えられる集電体の凹部の形状は、溝形状に限定されるものではない。図５に、他の実施形態にかかる集電体６の断面図を、図６に、集電体６の正面図を、それぞれ示す。図５及び図６に示す集電体６は、同程度の面積を有する凸部６ａ、６ａ、…と凹部６ｂ、６ｂ、…とが交互に配置されることによって構成されており、隣り合う凸部６ａ、６ａの間に凹部６ｂが、隣り合う凹部６ｂ、６ｂの間に凸部６ａが、それぞれ配置されるように構成されている。このように構成される集電体６が備えられていても、凸部６ａ、６ａ、…及び凹部６ｂ、６ｂ、…の大きさや形状を適切に制御することにより、集電体６の表面に配設される粉体の充填率を高めること、及び、粉体を均一に充填することが可能になる。また、集電体６が備えられる形態とすることにより、集電体６の上面及び下面（表面及び裏面）にそれぞれ粉体を配設した後、これを、押圧面が平面のプレス機や押圧面が曲面のプレス機を用いて、片面ずつプレスする工程、又は、両面同時にプレスする工程を経て、集電体６を備えた電極体を製造することも可能になる。このほか、集電体６の片面又は両面を複数回に分けて押圧する分割プレスや、超音波の振動を用いたプレスを用いることも容易になるので、電極体の製造工程を簡略化することが可能になる。したがって、電極体を容易に製造可能な形態にする等の観点からは、本発明の電極体に集電体６が備えられていることが好ましい。
【００４６】
また、本発明の電極体に関する上記説明では、複数の凸部を有する集電体が備えられている形態を例示したが、本発明の電極体は当該形態に限定されるものではない。ただし、集電体の表面に配設される粉体を均一に充填しやすい形態にする等の観点からは、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることが好ましい。また、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることにより、集電体の大きさを大きくした場合であっても、凸部の数を増やすことにより、集電体の表面に配設される粉体を均一に充填することが可能になる。したがって、集電体の大きさによらず粉体を均一に充填しやすい形態にするという観点からも、本発明の電極体は、複数の凸部を有する集電体が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４７】
２．電池
図７は、本発明の電池１０を説明する断面図である。図７では、電池１０の一部を抽出して示しており、電池１０に備えられる外装材等の記載を省略している。図７において、図１乃至図３に示した電極体５と同様に構成されるものには、図１乃至図３で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４８】
図７に示すように、電池１０は、電極体５と、電極体５の負極層４と接触するように配設された集電体１と、を有している。すなわち、電池１０は、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４を積層して構成される積層体７が、一対の集電体１、１によって挟持されることによって構成される構造体８を有している。このように、電池１０は、本発明の電極体５を有しているので、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な、電池１０を提供することができる。粉体の充填率を高めることにより、電池容量を増大させることが可能になるので、本発明によれば、容量を増大させることが可能な電池１０を提供することができる。
【００４９】
本発明の電池に関する上記説明では、１つの構造体８を示した図７を参照したが、本発明の電池に備えられる構造体（セル）の数は特に限定されるものではない。本発明の電池は、複数のセルが備えられる形態とすることも可能である。
【００５０】
３．電極体の製造方法
図８は、本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。図８に示すように、本発明の電極体の製造方法は、集電体準備工程（Ｓ１１）と、粉体層形成工程（Ｓ１２）と、押圧工程（Ｓ１３）と、を有している。図３及び図８を参照しつつ、本発明の電極体の製造方法によって電極体５を製造する場合について、以下に説明する。
【００５１】
３．１．集電体準備工程（Ｓ１１）
Ｓ１１は、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を準備する工程である。集電体１を準備することができれば、Ｓ１１の形態は特に限定されるものではない。Ｓ１１は、凹凸を有しない集電体に凹部１ｂ、１ｂ、…を形成することにより、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を作製する工程であっても良く、凸部１ａ、１ａ、…、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…を有する集電体１を購入する等して用意する工程であっても良い。
【００５２】
３．２．粉体層形成工程（Ｓ１２）
Ｓ１２は、集電体１の表面に、正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４（以下において、集電体１の表面に形成された層をまとめて「粉体層」ということがある。）を形成する工程である。正極層２、固体電解質層３、及び、負極層４の形成方法は特に限定されるものではない。正極層２は、例えば、質量比で正極活物質：固体電解質＝７：３となる量の正極活物質及び固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して正極活物質及び固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作製した組成物を集電体１の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、集電体１の表面に形成することができる。また、固体電解質層３は、例えば、固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作成した組成物を正極層２の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、正極層２の表面に形成することができる。また、負極層４は、例えば、質量比で負極活物質：固体電解質＝５：５となる量の負極活物質及び固体電解質を溶媒に入れ、これを攪拌する等して負極活物質及び固体電解質を均一に分散させた組成物を作製した後、作成した組成物を固体電解質層３の表面へと塗布し、塗布された組成物に含まれていた溶媒を蒸発させる等の方法により、固体電解質層３の表面に形成することができる。
【００５３】
３．３．押圧工程（Ｓ１３）
Ｓ１３は、粉体層が形成された集電体１を、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて、粉体層の厚さ方向に押圧する工程である。本発明において、粉体層へと付与される圧力は特に限定されるものではなく、集電体の構成材料や厚さ、及び、粉体層の構成材料や厚さ等に応じて適切な大きさとすることができる。Ｓ１３は、例えば、粉体層が形成された集電体１に、１００〜４００ＭＰａの圧力を１０秒間に亘って付与して、その厚さ方向へ圧縮する工程、とすることができる。
【００５４】
Ｓ１１乃至Ｓ１３を経ることにより、電極体５を作製することができる。上述のように、電極体５によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能である。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能な電極体５を製造し得る、電極体の製造方法を提供することができる。
【００５５】
本発明の電極体の製造方法において、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段は、集電体側に配設される押圧面が、凸部１ａ、１ａ、…及び凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸凹を有していれば良く、粉体層側に配設される押圧面は、凹凸を有しない平面又は曲面であっても良い。ただし、押圧方向と直交する方向へ動こうとする粉体の移動を抑制しやすい形態とすることにより、粉体の充填率を高めやすい形態の押圧工程にする等の観点からは、粉体層側に配設される押圧面に、凸部１ａ、１ａ、…に対応する凹部、及び、凹部１ｂ、１ｂ、…に対応する凸部が備えられていることが好ましい。
【００５６】
本発明の電極体の製造方法に関する上記説明では、集電体１を備えた電極体を製造する場合を例示したが、本発明の電極体の製造方法によって製造可能な電極体は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極体の製造方法は、集電体１’や集電体６を備えた電極体を製造する形態とすることも可能である。
【００５７】
４．電池の製造方法
図９は、本発明の電池の製造方法を説明するフローチャートである。図９に示すように、本発明の電池の製造方法は、電極体製造工程（Ｓ２１）と、集電体配設工程（Ｓ２２）と、を有している。図７乃至図９を参照しつつ、本発明の電池の製造方法によって電池１０を製造する場合について、以下に説明する。
【００５８】
４．１．電極体製造工程（Ｓ２１）
Ｓ２１は、上記Ｓ１１乃至Ｓ１３によって、集電体１の表面に粉体層（積層体７）を形成することにより、集電体１と該集電体１の表面に形成された積層体７とを備える電極体５を製造する工程である。
【００５９】
４．２．集電体配設工程（Ｓ２２）
Ｓ２２は、上記Ｓ２１によって製造された電極体５の積層体７が一対の集電体１、１の間に配設されるように、負極層４の表面に集電体１を配設する工程である。
【００６０】
Ｓ２１及びＳ２２を経ることにより、電池１０を製造することができる。上述のように、電池１０によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、且つ、粉体を均一に充填することが可能である。また、粉体の充填率を高めた電池１０によれば、粉体層を有する従来の電池よりも電池容量を増大させることが可能になる。したがって、本発明によれば、粉体の充填率を高めることが可能であり、粉体を均一に充填することが可能であり、且つ、電池容量を増大させた電池１０を製造し得る、電池の製造方法を提供することができる。
【００６１】
本発明の電池の製造方法に関する上記説明では、集電体１を備えた電池を製造する場合を例示したが、本発明の電池の製造方法によって製造可能な電池は当該形態に限定されるものではない。本発明の電池の製造方法は、集電体１’や集電体６を備えた電池を製造する形態とすることも可能である。
【実施例】
【００６２】
＜充填率調査＞
本発明の電極体の製造方法によって、電極体５（実施例）を製造した。また、凹凸を有しない集電体を用いた他は本発明の電極体の製造方法と同様の工程によって、電極体（比較例）を製造した。このようにして製造した、実施例にかかる電極体（電極体５）に備えられている粉体の充填率、及び、比較例にかかる電極体に備えられている粉体の充填率を測定した。その結果、実施例にかかる電極体（電極体５）に備えられている粉体の充填率は７０％を超え、比較例にかかる電極体に備えられている粉体の充填率の１．５倍であった。以上より、本発明によれば、粉体の充填率を高めることができた。
【００６３】
＜電池性能評価＞
本発明の電池の製造方法によって、電池１０（実施例）を製造した。また、凹凸を有しない集電体を用いた他は本発明の電池の製造方法と同様の工程によって、電池（比較例）を製造した。このようにして製造した、実施例にかかる電池（電池１０）の容量、及び、比較例にかかる電池の容量を測定した。その結果、実施例にかかる電池（電池１０）の容量は、比較例にかかる電池の容量の１．３倍であった。以上より、本発明によれば、電池容量を増大させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の電極体及び電池は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用することができる。また、本発明の電極体の製造方法及び電池の製造方法は、電気自動車やハイブリッド自動車等に利用可能な電極体や電池を製造する際に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、１’、６…集電体
１ａ、１ｃ、６ａ…凸部
１ｂ、１ｄ、６ｂ…凹部
１ｂａ…斜面部
１ｂｂ…底部
２…正極層（粉体層）
３…固体電解質層（粉体層）
４…負極層（粉体層）
５…電極体
７…積層体（粉体層）
８…構造体
１０…電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、
前記粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、
前記粉体が配設されている前記集電体の表面に凸部及び凹部を有することを特徴とする、電極体。
【請求項２】
前記凸部を囲むように前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極体。
【請求項３】
前記凸部が複数備えられ、隣り合う前記凸部の間に前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電極体。
【請求項４】
前記凹部が複数設けられ、上面視した複数の前記凹部の形状が同一であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極体を備えることを特徴とする、電池。
【請求項６】
表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、
準備された前記集電体の前記凸部及び前記凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、
前記粉体層が表面に形成された前記集電体を、前記粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、前記集電体の前記凸部及び前記凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程であることを特徴とする、電極体の製造方法。
【請求項７】
前記集電体の表面の前記凸部を囲むように前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極体の製造方法。
【請求項８】
前記集電体の表面に前記凸部が複数備えられ、隣り合う前記凸部の間に前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の電極体の製造方法。
【請求項９】
前記凹部が複数設けられ、上面視した複数の前記凹部の形状が同一であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電極体の製造方法。
【請求項１０】
第１集電体及び第２集電体、並びに、前記第１集電体と前記第２集電体との間に配設された少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体層、を備える電池を製造する方法であって、
請求項６〜９のいずれか１項に記載の電極体の製造方法によって、前記第１集電体と該第１集電体の表面に形成された粉体層とを備える電極体を製造する電極体製造工程と、
前記電極体製造工程で製造された前記電極体に備えられている前記粉体層が、前記第１集電体と前記第２集電体との間に配設されるように、前記第２集電体を配設する工程と、
を有することを特徴とする、電池の製造方法。
【請求項１】
集電体及び該集電体の表面に配設された粉体を備え、
前記粉体に、少なくとも活物質及び無機固体電解質が含まれ、
前記粉体が配設されている前記集電体の表面に凸部及び凹部を有することを特徴とする、電極体。
【請求項２】
前記凸部を囲むように前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電極体。
【請求項３】
前記凸部が複数備えられ、隣り合う前記凸部の間に前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電極体。
【請求項４】
前記凹部が複数設けられ、上面視した複数の前記凹部の形状が同一であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極体を備えることを特徴とする、電池。
【請求項６】
表面に凸部及び凹部を有する集電体を準備する工程と、
準備された前記集電体の前記凸部及び前記凹部を有する表面に、少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体を配設して粉体層を形成する工程と、
前記粉体層が表面に形成された前記集電体を、前記粉体層の厚さ方向に押圧する押圧工程と、を有し、該押圧工程が、前記集電体の前記凸部及び前記凹部に対応する凸凹を有する押圧面を備えた押圧手段を用いて押圧する工程であることを特徴とする、電極体の製造方法。
【請求項７】
前記集電体の表面の前記凸部を囲むように前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極体の製造方法。
【請求項８】
前記集電体の表面に前記凸部が複数備えられ、隣り合う前記凸部の間に前記凹部が配置されていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の電極体の製造方法。
【請求項９】
前記凹部が複数設けられ、上面視した複数の前記凹部の形状が同一であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電極体の製造方法。
【請求項１０】
第１集電体及び第２集電体、並びに、前記第１集電体と前記第２集電体との間に配設された少なくとも活物質及び無機固体電解質を含む粉体層、を備える電池を製造する方法であって、
請求項６〜９のいずれか１項に記載の電極体の製造方法によって、前記第１集電体と該第１集電体の表面に形成された粉体層とを備える電極体を製造する電極体製造工程と、
前記電極体製造工程で製造された前記電極体に備えられている前記粉体層が、前記第１集電体と前記第２集電体との間に配設されるように、前記第２集電体を配設する工程と、
を有することを特徴とする、電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−４８９５３（Ｐ２０１２−４８９５３Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９５９６（Ｐ２０１０−１８９５９６）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【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２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【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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