電池、車両、電子機器および電池の製造方法
【課題】小型で電気化学特性の良好な電池およびこれを製造する技術を提供する。
【解決手段】負極集電体層１１と固体電解質層１３との間に形成する負極活物質層は、Ｙ方向に延びるライン状パターン１２１が互いに離隔して複数配置されたラインアンドスペース構造とされる。負極活物質によるライン状パターン１２１と固体電解質層１３はインクジェット方式により形成される。ライン状パターン１２１、負極集電体層１１および固体電解質層１３が互いに接する接触点Ｐにおいてライン状パターン表面の勾配θを９０度より小さくすることで、活物質の使用量に対する容量が大きく、かつ充放電特性も良好な電池を構成することができる。
【解決手段】負極集電体層１１と固体電解質層１３との間に形成する負極活物質層は、Ｙ方向に延びるライン状パターン１２１が互いに離隔して複数配置されたラインアンドスペース構造とされる。負極活物質によるライン状パターン１２１と固体電解質層１３はインクジェット方式により形成される。ライン状パターン１２１、負極集電体層１１および固体電解質層１３が互いに接する接触点Ｐにおいてライン状パターン表面の勾配θを９０度より小さくすることで、活物質の使用量に対する容量が大きく、かつ充放電特性も良好な電池を構成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、正負両極の活物質の間に電解質層を介在させてなる電池、これを備える車両および電子機器ならびに該電池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二次電池のように、正負両極の活物質の間に電解質層を積層してなる構造を有する電池としては、正極活物質および負極活物質をそれぞれ付着させた集電体としての金属箔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たものが従来より知られている。この種の電池の技術分野においては、さらなる小型化・大出力化が求められており、このような要求に応えるべく種々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、正極活物質層と電解質層との接触面および電解質層と負極活物質層との接触面が立体的な凹凸構造となるように、集電体となる金属箔上にインクジェット方式により各機能層を積層形成する技術が開示されている。この技術においては、正極集電体となる金属箔の表面に、該表面全体を覆うとともに、上面が凹凸形状を有する正極活物質層をインクジェット方式により形成し、同様に凹凸形状を有する固体活物質層、負極活物質層を順次インクジェット方式の塗布により積層している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１６２４８号公報（例えば、段落００２９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１では、上記のようにして製造された電池の電気的特性として直流抵抗が実測されているが、電池としての性能をより直接的に表す充電・放電に関わる電気化学特性については評価されていない。すなわち、この技術に係る電池の電気化学特性は未知数である。
【０００６】
このように、活物質層を立体的な構造とすることによって電池の小型化・薄型化を図るとともに、電気化学特性も良好な電池およびこれを製造するための技術については、これまで確立されるに至っていない。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、小型で電気化学特性の良好な電池およびこれを製造する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】
【０００８】
この発明にかかる電池は、上記目的を達成するため、第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層をこの順番に積層した構造を有し、前記第１の活物質層は、前記第１の集電体層表面にインクジェット方式により塗布形成された、互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有し、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角が９０度よりも小さいことを特徴としている。
【０００９】
なお、この発明において、第１の活物質層は、第１の集電体層の表面上で複数の島状部位が互いに完全に離隔した構造に限定されるものではなく、複数の島状部位同士が接続部位によって部分的に接続された構造であってもよい。
【００１０】
詳しくは後述するが、本願出願者らが得た新たな知見によると、上記のような構成を有する電池は、小型・薄型でありながら電気化学特性も良好である。具体的には、この発明にかかる電池は高容量および良好な充放電特性を有している。この発明は、電解液を含む電解質層を有する電池のみでなく、例えばポリマー電解質のような固体電解質層を有する電池においても有効である。
【００１１】
ここで、例えば、島状部位と第１の集電体層との接触点において、第１の集電体層と電解質層とが接触しているように構成されてもよい。このような構成では、接触点近傍において非常に薄い第１の活物質層を挟んで第１の集電体と電解質層とが対向しており、特に充放電特性が良好である。
【００１２】
また、例えば、島状部位は、第１の集電体層表面に沿って所定の方向に延びるライン状パターンを有するように構成されてもよい。このような構成によれば、厚みおよび表面積が大きく、かつ第１の集電体層との接触点近傍領域の面積も大きな第１の活物質層とすることができる。また、このようなパターンは例えば第１の活物質層の材料を含む塗布液を第１の集電体表面にライン状に塗布することによって形成可能であり、製造コストを低く抑えることができる。
【００１３】
また、例えば、ライン状パターンの延設方向に直交する断面における島状部位の断面形状は、第１の集電体層と接触する部分の幅が２０μｍないし３００μｍ、高さが１０μｍないし３００μｍであり、幅に対する高さの比が０．５以上であるように構成されてもよい。本願発明者らの実験によれば、このような寸法に第１の活物質層を形成したとき、電池としての性能が特に良好なものとなった。
【００１４】
また、例えば、電解質層は固体電解質からなり、複数の島状部位のそれぞれでは、第１の集電体層と接触する部分を除く表面が滑らかな曲面であってもよい。固体電解質からなる電解質層を有する電池は、主に有機溶媒からなる電解液を使用しないため取り扱いが容易である。この場合において第１の活物質層の島状部位の表面が滑らかな曲面であると、固体電解質層と第１の活物質層との密着性が高くなり、電池としての性能を安定したものとすることができる。
【００１５】
上記のような構造を有する電池は種々の応用分野が考えられるが、例えば電気自動車のような各種車両の電源として、またこの電池を電源として動作する電子回路部を備えた各種の電子機器に適用することが可能である。より具体的には、薄型で高性能の電源を構成することができることから、例えばＩＣカードのように、電池と電子回路部とを収容するカード型の筐体を備える電子機器に特に好適に適用することが可能である。
【００１６】
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、第１の集電体となる基材の表面に、第１の活物質層を互いに離隔した複数の島状部位からなる島状構造に形成する第１工程と、前記第１の活物質層により覆われていない前記基材の露出表面と前記第１の活物質層の表面とを共に覆う電解質層、第２の活物質層および第２の集電体を積層する第２工程とを備え、前記第１工程では、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角を９０度よりも小さくすることを特徴としている。
【００１７】
このように構成された発明では、第１の活物質層を構成する島状部位の断面形状を適宜に制御することによって、上記した構造を有する特性の良好な電池を優れた生産性で製造することができる。また、このような製造方法により製造された電池は、上記したように、小型・薄型で電気的特性の良好なものとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の集電体層表面に互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有する第１の活物質層をインクジェット方式の塗布により形成するとともに、島状部位と第１の集電体層との接触点において第１の活物質層に引いた接線と第１の集電体層表面とがなす角が９０度よりも小さくなるようにする。これにより、小型で電気化学特性が良好で、生産性にも優れた電池およびこれを備えた各種の機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】リチウムイオン二次電池の概略構造を示す図である。
【図２】図１の電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】インクジェット方式による材料塗布の様子を模式的に示す図である。
【図４】負極活物質層の断面形状を示す拡大断面図である。
【図５】図４の構造と従来の電池モジュールの構造との差異を模式的に示す図である。
【図６】負極活物質層のパターンの他の例を示す図である。
【図７】本発明にかかる電池を搭載した電気自動車を模式的に示す図である。
【図８】本発明にかかる電池を搭載したＩＣカードを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１はリチウムイオン二次電池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の断面構造を示す図であり、図１（ｂ）はその概観斜視図である。このリチウムイオン二次電池モジュール１は、負極集電体１１の上に負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５を順番に積層した構造を有している。この明細書では、Ｘ、ＹおよびＺ座標方向をそれぞれ図１（ａ）に示すように定義する。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、負極活物質層１２はＹ方向に沿って延びるライン状のパターン１２１がＸ方向に一定間隔を空けて多数並んだ、ラインアンドスペース構造となっている。また固体電解質層１３は固体電解質によって形成されており、その下面が負極活物質層１２の凹凸に対応する凹凸形状となっている一方、上面は略平坦となっている。
【００２２】
そして、このように略平坦に形成された固体電解質層１３に正極活物質層１４および正極集電体１５が積層されて、リチウムイオン二次電池モジュール１が形成される。このリチウムイオン二次電池モジュール１に適宜タブ電極が設けられたり、複数のモジュールが積層されてリチウムイオン電池が構成される。
【００２３】
ここで、各層を構成する材料としては、リチウムイオン電池の構成材料として公知のものを用いることが可能であり、負極集電体１１、正極集電体１５としては、例えば銅箔、アルミニウム箔をそれぞれ用いることができる。また、正極活物質としては例えばＬｉＣｏＯ2（ＬＣＯ）を主体とするものを、負極活物質としては例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12（ＬＴＯ）を主体としたものをそれぞれ用いることができる。また、固体電解質層１３としては、例えばポリエチレンオキサイドおよびポリスチレンを用いることができる。なお、各機能層の材質についてはこれらに限定されるものではない。
【００２４】
このような構造を有するリチウムイオン二次電池モジュール１は、薄型で折り曲げ容易である。また、負極活物質層１２を図示したような凹凸を有する立体的構造として、その体積に対する表面積を大きくしているので、薄い固体電解質層１３を介した正極活物質層１４との対向表面積を大きく取ることができ、高効率・高出力が得られる。このように、上記構造を有するリチウムイオン電池は小型で高性能を得ることができるものである。
【００２５】
次に、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を製造する方法について説明する。従来、この種のモジュールは各機能層に対応する薄膜材料を積層することによって形成されてきたが、この製造方法ではモジュールの高密度化に限界がある。これに対し、以下に説明する製造方法では、少ない工程で、また既存の処理装置を用いて、上記のような構造のリチウムイオン電池モジュール１を製造することが可能である。
【００２６】
図２は図１の電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。この製造方法では、まず負極集電体１１となる金属箔、例えば銅箔を準備する（ステップＳ１０１）。薄い銅箔は搬送や取り扱いが難しいので、例えば片面をガラス板等のキャリアに貼り付ける等により搬送性を高めておくことが好ましい。
【００２７】
続いて、銅箔の一方面に、負極活物質を含む塗布液を塗布して負極活物質層１２を形成する（ステップＳ１０２）。ここではインクジェット方式による塗布を行う。インクジェット方式では、吐出ノズルの先端からインク（パターン材料を含む塗布液）を断続的に吐出させることで微小な液滴として飛翔させ、塗布対象物に付着させる。液滴の体積をピコリットルオーダーまで微小化する技術が実用化されており、塗布液の塗布によって微細なパターンを形成するのに適している。
【００２８】
塗布液としては、例えば、前記した負極活物質を含む有機系ＬＴＯ材料を用いることができる。塗布液には、負極活物質の他に、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。
【００２９】
図３はインクジェット方式による材料塗布の様子を模式的に示す図である。より詳しくは、図３（ａ）および図３（ｂ）はインクジェット方式による塗布の様子をそれぞれＸ方向およびＹ方向から見た図である。また、図３（ｃ）は塗布後の状態を示す概観斜視図である。インクジェット方式によって塗布液を基材に塗布する技術は公知であり、本方法においてもそのような公知技術を適用することが可能であるので、装置構成については説明を省略する。
【００３０】
インクジェット方式の塗布装置では、上記有機系ＬＴＯ材料を塗布液として吐出するための吐出ノズル３１１を１つまたは複数設けられた吐出ヘッド３１を銅箔１１の上方に配置し、吐出ノズル３１１から塗布液の液滴３１ｐを吐出させながら、吐出ヘッド３１を銅箔１１に対し相対的に矢印方向Ｄhに一定速度で走査移動させる。相前後して銅箔１１に着液する液滴が銅箔１１上で互いに一部が重なり合うように、移動速度が設定されることが望ましい。このようにすると、銅箔１１表面に着液した液滴が互いに凝集してより大きな塗布液の塊となり、その表面張力によって塗布液の表面が滑らかな曲面となるので、後述するように電気化学特性の良好な電池を得ることができる。
【００３１】
これにより、図３（ｃ）に示すように、銅箔１１上には塗布液がヘッド移動方向（Ｙ方向）に沿ったライン状に塗布される。これを乾燥硬化させることで、銅箔１１の上面に負極活物質によるライン状パターン１２１が形成される。また、塗布液に光硬化性樹脂を添加し塗布後に光照射して硬化させるようにしてもよい。
【００３２】
なお、ここでは吐出ヘッド３１を銅箔１１に対し一方向（Ｙ方向）に走査移動させる場合を説明したが、公知のインクジェット塗布技術で行われているように、吐出ヘッド３１をＸＹ平面内で走査移動させてパターンを形成するようにしてもよい。例えば、吐出ヘッド３１をＸ方向に往復走査移動させるとともに、銅箔１１をＹ方向に少しずつ移動させ、吐出ヘッド３１から断続的に塗布液を吐出させることによっても、図３（ｃ）のようなライン状パターン１２１を形成することが可能である。
【００３３】
また、吐出ヘッドの複数回の走査移動で塗布液をＺ方向に多段階に塗り重ねることによって、図１（ａ）および図３（ｃ）に示すような立体的構造の負極活物質層１２を形成するようにしてもよい。この場合、先の工程で塗布された塗布液が乾燥すると上記のような凝集による滑らかな表面が得られにくくなるが、Ｘ方向における塗布幅を各塗布工程ごとに調節することにより、所望の形状に近似した断面形状を有する負極活物質層１２を形成することが可能である。
【００３４】
この時点では、略平坦な銅箔１１の表面に対して負極活物質層１２を部分的に盛り上げた状態となっており、単に上面が平坦となるように塗布液を塗布する場合に比べて、活物質の使用量に対する表面積を大きくすることができるので、後に形成される正極活物質との対向面積を大きくして高出力を得ることができる。
【００３５】
図２のフローチャートの説明を続ける。こうして形成された、銅箔１１に負極活物質層１２を積層してなる積層体の上面に対し、適宜の塗布方法により電解質材料を含む電解質塗布液を塗布する（ステップＳ１０３）。塗布方法としては、前述したインクジェット方式を用いることができるほか、例えばナイフコート法、バーコート法およびノズルスキャン法等の公知の塗布方法を適用することができる。電解質塗布液としては、前記した高分子電解質材料、例えばポリエチレンオキシド、ポリスチレンなどの樹脂、支持塩としての例えばＬｉＰＦ6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。ここでの塗布方法としては上記に限定されないが、塗布後の表面を略平坦にすることのできる方法であることが好ましい。
【００３６】
続いて正極活物質層１４および正極集電体としてのアルミニウム箔１５を積層する。ここではその一例を説明する。まず、正極集電体としてのアルミニウム箔１５に予め正極活物質を含む塗布液を塗布して略一様な正極活物質層１４をアルミニウム箔１５の表面に形成しておく。正極活物質を含む塗布液としては、例えば、前記した正極活物質と、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、分散剤としての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。また、塗布方法としては、上記したインクジェット方式のほか、例えばナイフコート法、バーコート法およびスピンコート法のように、平面上に平坦な膜を形成することが可能な公知の塗布方法を適宜採用することができる。
【００３７】
そして、ステップＳ１０３において塗布された電解質塗布液が硬化する前に、正極活物質層１４が形成されたアルミニウム箔１５を貼り合わせて、正極活物質層１４と電解質塗布液とを密着させる（ステップＳ１０４）。このとき、より密着性を高めるために、アルミニウム箔１５表面の正極活物質層１４にも電解質塗布液を塗布しておいてもよい。
【００３８】
こうすることで、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５が順に積層されてなるリチウムイオン二次電池モジュール１が形成される。なお、上記方法以外にも、例えば、電解質塗布液の塗布後これを硬化させて固体電解質層１３を形成した後に、正極活物質を含む塗布液を塗布して正極活物質層１４を形成し、さらに正極集電体１５を貼り合わせるようにしてもよい。
【００３９】
次に、図１のリチウムイオン二次電池モジュール１における負極活物質層の構造について、図４および図５を参照しながらさらに詳しく説明する。図４は負極活物質層の断面形状を示す拡大断面図である。また、図５は図４の構造と従来の電池モジュールの構造との差異を模式的に示す図である。
【００４０】
図１に示すように、この実施形態における負極活物質層１２は、Ｙ方向に延びる複数のライン状パターン１２１がＸ方向に互いに離隔した島状に配置された構造を有している。図４はＸ−Ｚ平面で切断したライン状パターン１２１の断面を示しており、同図に示されるように、ライン状パターン１２１の表面は上（Ｚ方向）に凸の滑らかな曲面となっている。
【００４１】
本願発明者らが試作した電池モジュール１における各部の代表的な寸法は、ライン状パターン１２１の幅Ｄａが約１７０μｍ、高さＨａは約１００μｍである。また、隣接するライン状パターン１２１，１２１間の距離Ｓは約１６０μｍである。また、固体電解質層１３の厚さＨｄは約２００μｍである。
【００４２】
また、負極集電体１１からライン状パターン１２１が立ち上がる位置、つまり負極集電体１１、負極活物質のライン状パターン１２１および固体電解質層１３の三者が互いに接する接触点Ｐにおけるライン状パターン１２１表面の勾配、言い換えれば、接触点Ｐにおいてライン状パターン１２１に引いた接線と負極集電体層１１とがなす角のうちライン状パターン１２１を含む側の角θは、９０度よりも小さい。以下、この明細書では、この角θを「接地角」と称することとする。
【００４３】
本願発明者らの知見によれば、電池として良好な特性が得られる各部の寸法の好ましい範囲は概ね以下の通りである。すなわち、ライン状パターン１２１の幅Ｄａは２０ないし３００μｍ、その高さＨａは約１０ないし３００μｍであり、かつ断面のアスペクト比、つまり幅Ｄａに対する高さＨａの比が０．５以上であることが好ましい。
【００４４】
本実施形態の電池が良好な特性を示した理由について、本願発明者らは以下のように考えた。図５（ａ）に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１に外部直流電源Ｖｃを接続し、正極集電体１５に負極集電体１１よりも高電位を与えた場合を考える。この状態は、リチウムイオン二次電池モジュール１を外部直流電源Ｖｃによって充電する場合に相当する。このとき、正極活物質１４内のリチウム原子が電子（図中「ｅ−」で示す）を放出してリチウムイオン（図中「Ｌｉ＋」で示す）となり、固体電解質層１３内を泳動して負極活物質層１２（ライン状パターン１２１）に到達する。そして、負極集電体１１を介して負極活物質層１２に供給される電子と再結合する。こうして負極活物質層１２にリチウム原子が貯蔵されることで、外部から見ればリチウムイオン二次電池モジュール１が充電される。
【００４５】
この実施形態では、接触点Ｐにおける接地角θが９０度よりも小さい。このため、ライン状パターン１２１の厚みは接触点Ｐで極めて小さく、特にこの実施形態では接触点Ｐにおいて負極集電体１１と固体電界質層１３とが接しているので厚みはゼロであり、接触点Ｐから離れるにしたがって厚みが大きくなる。したがって、接触点Ｐの近傍において、負極集電体１１と固体電解質層１３とが非常に薄い負極活物質層１２を挟んで対向することになる。このため、負極活物質層１２内においてリチウムイオンと電子とが再結合するために移動する距離は極めて短くて済む。反対に負極活物質層１２内のリチウム原子が電子を放出する放電時においても同様である。このことが充放電特性の向上に寄与していると考えられる。一方、接触点Ｐから離れた領域では、負極活物質層１２が十分な厚みを有しているため、多くのリチウム原子を貯蔵することができ、大容量を得ることが可能である。こうして、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１では良好な充放電特性と大容量とを両立させることが可能となっている。
【００４６】
前記した従来技術の電池においても、例えば図５（ｂ）に示すように、負極活物質層をごく薄く形成することによって良好な充放電特性を得ることは可能と考えられる。しかしながら、このような構成では使用される負極活物質の量（体積）が少ないため、貯蔵できるリチウム原子の量が限られ、高容量化は難しい。また、図５（ｃ）に示すように、負極活物質層を厚くすれば容量を増大させることができるが、接地角θが９０度あるいはそれ以上である場合、負極活物質層内でのイオンや電子の移動距離が長くなるため、充放電特性は劣ることになる。
【００４７】
以上のように、この実施形態では、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５を順番に積層してなるリチウムイオン二次電池モジュール１において、ライン状パターン１２１を複数配した島状構造の負極活物質層１２とする。そして、負極集電体１１に対するライン状パターン１２１の接地角θを９０度よりも小さくしたことにより、常温で動作し、高容量で充放電特性も良好な電池を構成することが可能となっている。
【００４８】
ここで、負極活物質層１２を構成するライン状パターン１２１は、負極活物質を含む塗布液をインクジェット方式で基材（負極集電体１１）表面に塗布することで形成されたものである。インクジェット方式によれば、任意の形状を有する微細なパターンを効率よく形成することが可能である。そのため、電気的特性が良好で安定した電池を、優れた生産性で、しかも低い製造コストで製造することができる。
【００４９】
また、ライン状パターン１２１の表面を鋭い角のない滑らかな曲面とすることで、負極集電体１１および負極活物質層１２による負極側構造体と固体電解質層１３との密着度を高めることができる。これにより、例えば電池モジュールの屈曲によってこれらの界面が剥離するなどの損傷を受け難く特性の安定した電池を構成することが可能となる。これにより折り曲げ可能な電池を構成することができ、種々の形状の容器への収納も容易となる。なお、本実施形態にかかる負極活物質層１２の構造は、固体電解質層を有する電池のみならず、セパレータと電解液とで構成される液体電解質層を有する電池においてもその特性を向上させる上で有効なものであるが、この場合には、上記したライン状パターン１２１の表面を滑らかな曲面とすることは必須の要件ではない。
【００５０】
また、上記実施形態における負極活物質層１２は、Ｙ方向に延びるライン状パターン１２１をＸ方向に複数並べた島状構造を有するものであり、各ライン状パターン１２１は互いに独立して負極集電体１１表面に形成されている。しかしながら、本明細書にいう「島状構造」は、各パターンの主要部が実質的に独立して存在していることを表す概念であり、各パターンが完全に独立したものだけでなく、以下に例示するようにその一部が繋がっていてもよい。
【００５１】
図６は負極活物質層の他のパターンの例を示す図である。図６（ａ）に例示する負極活物質層１２２では、図１の例と同様に、複数のライン状パターン１２２ａが負極集電体１１の表面に形成されるとともに、隣接するライン状パターン１２２ａ同士が同材料による接続部位１２２ｂによって互いに接続されている。このような構造であっても、各ライン状パターン１２２ａが図１の例におけるライン状パターン１２１と同様の機能を有しており、これらが実質的に島状構造をなしているということができる。
【００５２】
また、図６（ｂ）に例示する負極活物質層１２３では、略円形の平面形状を有するランド状パターン１２３ａが負極集電体１１の表面に複数並べて形成されており、負極活物質層はこのような構造であってもよい。さらに、複数のランド状パターン１２３ａが同材料からなる接続部位１２３ｂによって相互に繋がっていてもよい。
【００５３】
次に、上記のように構成される電池の用途について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１は、常温において高容量かつ充放電特性の良好なものであるので、以下に例示するように各種の機器への応用が考えられる。なお、以下は本実施形態の電池を応用しうる機器の態様の一部を例示するものであって、本発明にかかる電池の適用範囲がこれらに限定されるものではない。
【００５４】
図７は本発明にかかる電池を搭載した機器の一例としての車両、具体的には電気自動車を模式的に示す図である。この電気自動車５０は、車輪５１と、該車輪５１を駆動するモータ５２と、該モータ５２に電力を供給する電池５３とを備えている。この電池５３として、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を多数直並列接続した構成を採用することができる。このように構成された電池５３は、高い電流供給能力を有するとともに短時間での充電が可能であるため、電気自動車５０のような車両の駆動用電源として好適なものである。
【００５５】
図８は本発明にかかる電池を搭載した機器の他の例としての電子機器、具体的にはＩＣカード（スマートカード）を模式的に示す図である。このＩＣカード７０は、互いに重ね合わせられることでカード型のパッケージを構成する１対の筐体７１，７２と、該筐体内に収容される回路モジュール７３および該回路モジュール７３の電源となる電池７４とを備えている。このうち回路モジュール７３は、外部との通信のためのループ状のアンテナ７３１と、該アンテナ７３１を介した外部機器とのデータ交換および種々の演算・記憶処理を実行する集積回路（ＩＣ）を含む回路ブロック７３２とを備えている。また、電池７４としては、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を１組または複数組備えるものを用いることができる。
【００５６】
このような構成によれば、それ自身は電源を有さない一般的なＩＣカードに比べて、外部機器との通信可能距離を拡張することができ、またより複雑な処理を行うことが可能となる。本発明にかかる電池７４は小型・薄型で大容量を得ることができるので、このようなカード型の機器に好適に適用することができる。
【００５７】
これ以外にも、電動アシスト自転車、電動工具、ロボットなどの機械類や、パーソナルコンピュータ、携帯電話や携帯型音楽プレイヤー、デジタルカメラやビデオカメラなどのモバイル機器、ゲーム機、ポータブル型の測定機器、通信機器や玩具など各種の電子機器に、本発明にかかる電池を採用することが可能である。
【００５８】
以上説明したように、上記実施形態では、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５が、それぞれ本発明の「第１の集電体層」、「第１の活物質層」、「電解質層」、「第２の活物質層」および「第２の集電体層」として機能している。また、負極活物質層を構成するライン状パターン１２１，１２２ａおよびランド状パターン１２３ａが本発明の「島状部位」に相当しており、接続部位１２２ｂ、１２３ｂが本発明の「接続部位」に相当している。
【００５９】
また、図２のフローチャートにおけるステップＳ１０１およびＳ１０２が本発明の「第１工程」に相当する一方、ステップＳ１０３およびＳ１０４が本発明の「第２工程」に相当している。
【００６０】
また、上記実施形態における電気自動車５０が本発明の「車両」に相当している。さらに、上記実施形態におけるＩＣカード７０が本発明の「電子機器」に相当しており、そのうち筐体７１，７２が本発明の「筐体」として、回路ブロック７３が本発明の「電子回路部」としてそれぞれ機能している。
【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、上記実施形態では負極活物質層１２を島状構造としているが、これに代えて、あるいはこれに加えて、正極活物質層を島状構造としてもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では負極集電体上に負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体を順次積層しているが、これとは反対に、正極集電体上に正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順番に積層するようにしてもよい。また各層の形成は塗布によるものに限定されない。
【００６３】
また、上記実施形態は固体電解質層１３を備えるものであるが、電解質層としてはこのような固体のものに限らず、より一般的な電解液を用いた電池に対しても、本発明を適用することが可能である。
【００６４】
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】
【００６５】
この発明にかかる電池は、小型・薄型でありながら高容量と良好な充放電特性とを兼ね備えており、生産性も優れているので、電池を搭載する車両や各種の電子機器に好適に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１，５３，７４ リチウムイオン二次電池（電池）
１１ （負極集電体としての）銅箔（第１の集電体層）
１２ 負極活物質層（第１の活物質層）
１３ 電解質層
１４ 正極活物質層（第２の活物質層）
１５ （正極集電体としての）アルミニウム箔（第２の集電体層）
３１ 吐出ヘッド
３１ｐ （負極活物質塗布液の）液滴
５０ 電気自動車（車両）
７０ ＩＣカード（電子機器）
７１，７２ カード筐体（筐体）
７３ 回路モジュール（電子回路部）
１２１、１２２ａ （負極活物質の）ライン状パターン（島状部位）
１２２ｂ （負極活物質の）接続部位
１２３ａ （負極活物質の）ランド状パターン（島状部位）
１２３ｂ （負極活物質の）接続部位
３１１ 吐出ノズル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、正負両極の活物質の間に電解質層を介在させてなる電池、これを備える車両および電子機器ならびに該電池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二次電池のように、正負両極の活物質の間に電解質層を積層してなる構造を有する電池としては、正極活物質および負極活物質をそれぞれ付着させた集電体としての金属箔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たものが従来より知られている。この種の電池の技術分野においては、さらなる小型化・大出力化が求められており、このような要求に応えるべく種々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、正極活物質層と電解質層との接触面および電解質層と負極活物質層との接触面が立体的な凹凸構造となるように、集電体となる金属箔上にインクジェット方式により各機能層を積層形成する技術が開示されている。この技術においては、正極集電体となる金属箔の表面に、該表面全体を覆うとともに、上面が凹凸形状を有する正極活物質層をインクジェット方式により形成し、同様に凹凸形状を有する固体活物質層、負極活物質層を順次インクジェット方式の塗布により積層している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１６２４８号公報（例えば、段落００２９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１では、上記のようにして製造された電池の電気的特性として直流抵抗が実測されているが、電池としての性能をより直接的に表す充電・放電に関わる電気化学特性については評価されていない。すなわち、この技術に係る電池の電気化学特性は未知数である。
【０００６】
このように、活物質層を立体的な構造とすることによって電池の小型化・薄型化を図るとともに、電気化学特性も良好な電池およびこれを製造するための技術については、これまで確立されるに至っていない。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、小型で電気化学特性の良好な電池およびこれを製造する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】
【０００８】
この発明にかかる電池は、上記目的を達成するため、第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層をこの順番に積層した構造を有し、前記第１の活物質層は、前記第１の集電体層表面にインクジェット方式により塗布形成された、互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有し、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角が９０度よりも小さいことを特徴としている。
【０００９】
なお、この発明において、第１の活物質層は、第１の集電体層の表面上で複数の島状部位が互いに完全に離隔した構造に限定されるものではなく、複数の島状部位同士が接続部位によって部分的に接続された構造であってもよい。
【００１０】
詳しくは後述するが、本願出願者らが得た新たな知見によると、上記のような構成を有する電池は、小型・薄型でありながら電気化学特性も良好である。具体的には、この発明にかかる電池は高容量および良好な充放電特性を有している。この発明は、電解液を含む電解質層を有する電池のみでなく、例えばポリマー電解質のような固体電解質層を有する電池においても有効である。
【００１１】
ここで、例えば、島状部位と第１の集電体層との接触点において、第１の集電体層と電解質層とが接触しているように構成されてもよい。このような構成では、接触点近傍において非常に薄い第１の活物質層を挟んで第１の集電体と電解質層とが対向しており、特に充放電特性が良好である。
【００１２】
また、例えば、島状部位は、第１の集電体層表面に沿って所定の方向に延びるライン状パターンを有するように構成されてもよい。このような構成によれば、厚みおよび表面積が大きく、かつ第１の集電体層との接触点近傍領域の面積も大きな第１の活物質層とすることができる。また、このようなパターンは例えば第１の活物質層の材料を含む塗布液を第１の集電体表面にライン状に塗布することによって形成可能であり、製造コストを低く抑えることができる。
【００１３】
また、例えば、ライン状パターンの延設方向に直交する断面における島状部位の断面形状は、第１の集電体層と接触する部分の幅が２０μｍないし３００μｍ、高さが１０μｍないし３００μｍであり、幅に対する高さの比が０．５以上であるように構成されてもよい。本願発明者らの実験によれば、このような寸法に第１の活物質層を形成したとき、電池としての性能が特に良好なものとなった。
【００１４】
また、例えば、電解質層は固体電解質からなり、複数の島状部位のそれぞれでは、第１の集電体層と接触する部分を除く表面が滑らかな曲面であってもよい。固体電解質からなる電解質層を有する電池は、主に有機溶媒からなる電解液を使用しないため取り扱いが容易である。この場合において第１の活物質層の島状部位の表面が滑らかな曲面であると、固体電解質層と第１の活物質層との密着性が高くなり、電池としての性能を安定したものとすることができる。
【００１５】
上記のような構造を有する電池は種々の応用分野が考えられるが、例えば電気自動車のような各種車両の電源として、またこの電池を電源として動作する電子回路部を備えた各種の電子機器に適用することが可能である。より具体的には、薄型で高性能の電源を構成することができることから、例えばＩＣカードのように、電池と電子回路部とを収容するカード型の筐体を備える電子機器に特に好適に適用することが可能である。
【００１６】
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、第１の集電体となる基材の表面に、第１の活物質層を互いに離隔した複数の島状部位からなる島状構造に形成する第１工程と、前記第１の活物質層により覆われていない前記基材の露出表面と前記第１の活物質層の表面とを共に覆う電解質層、第２の活物質層および第２の集電体を積層する第２工程とを備え、前記第１工程では、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角を９０度よりも小さくすることを特徴としている。
【００１７】
このように構成された発明では、第１の活物質層を構成する島状部位の断面形状を適宜に制御することによって、上記した構造を有する特性の良好な電池を優れた生産性で製造することができる。また、このような製造方法により製造された電池は、上記したように、小型・薄型で電気的特性の良好なものとなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の集電体層表面に互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有する第１の活物質層をインクジェット方式の塗布により形成するとともに、島状部位と第１の集電体層との接触点において第１の活物質層に引いた接線と第１の集電体層表面とがなす角が９０度よりも小さくなるようにする。これにより、小型で電気化学特性が良好で、生産性にも優れた電池およびこれを備えた各種の機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】リチウムイオン二次電池の概略構造を示す図である。
【図２】図１の電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】インクジェット方式による材料塗布の様子を模式的に示す図である。
【図４】負極活物質層の断面形状を示す拡大断面図である。
【図５】図４の構造と従来の電池モジュールの構造との差異を模式的に示す図である。
【図６】負極活物質層のパターンの他の例を示す図である。
【図７】本発明にかかる電池を搭載した電気自動車を模式的に示す図である。
【図８】本発明にかかる電池を搭載したＩＣカードを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１はリチウムイオン二次電池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の断面構造を示す図であり、図１（ｂ）はその概観斜視図である。このリチウムイオン二次電池モジュール１は、負極集電体１１の上に負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５を順番に積層した構造を有している。この明細書では、Ｘ、ＹおよびＺ座標方向をそれぞれ図１（ａ）に示すように定義する。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、負極活物質層１２はＹ方向に沿って延びるライン状のパターン１２１がＸ方向に一定間隔を空けて多数並んだ、ラインアンドスペース構造となっている。また固体電解質層１３は固体電解質によって形成されており、その下面が負極活物質層１２の凹凸に対応する凹凸形状となっている一方、上面は略平坦となっている。
【００２２】
そして、このように略平坦に形成された固体電解質層１３に正極活物質層１４および正極集電体１５が積層されて、リチウムイオン二次電池モジュール１が形成される。このリチウムイオン二次電池モジュール１に適宜タブ電極が設けられたり、複数のモジュールが積層されてリチウムイオン電池が構成される。
【００２３】
ここで、各層を構成する材料としては、リチウムイオン電池の構成材料として公知のものを用いることが可能であり、負極集電体１１、正極集電体１５としては、例えば銅箔、アルミニウム箔をそれぞれ用いることができる。また、正極活物質としては例えばＬｉＣｏＯ2（ＬＣＯ）を主体とするものを、負極活物質としては例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12（ＬＴＯ）を主体としたものをそれぞれ用いることができる。また、固体電解質層１３としては、例えばポリエチレンオキサイドおよびポリスチレンを用いることができる。なお、各機能層の材質についてはこれらに限定されるものではない。
【００２４】
このような構造を有するリチウムイオン二次電池モジュール１は、薄型で折り曲げ容易である。また、負極活物質層１２を図示したような凹凸を有する立体的構造として、その体積に対する表面積を大きくしているので、薄い固体電解質層１３を介した正極活物質層１４との対向表面積を大きく取ることができ、高効率・高出力が得られる。このように、上記構造を有するリチウムイオン電池は小型で高性能を得ることができるものである。
【００２５】
次に、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を製造する方法について説明する。従来、この種のモジュールは各機能層に対応する薄膜材料を積層することによって形成されてきたが、この製造方法ではモジュールの高密度化に限界がある。これに対し、以下に説明する製造方法では、少ない工程で、また既存の処理装置を用いて、上記のような構造のリチウムイオン電池モジュール１を製造することが可能である。
【００２６】
図２は図１の電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。この製造方法では、まず負極集電体１１となる金属箔、例えば銅箔を準備する（ステップＳ１０１）。薄い銅箔は搬送や取り扱いが難しいので、例えば片面をガラス板等のキャリアに貼り付ける等により搬送性を高めておくことが好ましい。
【００２７】
続いて、銅箔の一方面に、負極活物質を含む塗布液を塗布して負極活物質層１２を形成する（ステップＳ１０２）。ここではインクジェット方式による塗布を行う。インクジェット方式では、吐出ノズルの先端からインク（パターン材料を含む塗布液）を断続的に吐出させることで微小な液滴として飛翔させ、塗布対象物に付着させる。液滴の体積をピコリットルオーダーまで微小化する技術が実用化されており、塗布液の塗布によって微細なパターンを形成するのに適している。
【００２８】
塗布液としては、例えば、前記した負極活物質を含む有機系ＬＴＯ材料を用いることができる。塗布液には、負極活物質の他に、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。
【００２９】
図３はインクジェット方式による材料塗布の様子を模式的に示す図である。より詳しくは、図３（ａ）および図３（ｂ）はインクジェット方式による塗布の様子をそれぞれＸ方向およびＹ方向から見た図である。また、図３（ｃ）は塗布後の状態を示す概観斜視図である。インクジェット方式によって塗布液を基材に塗布する技術は公知であり、本方法においてもそのような公知技術を適用することが可能であるので、装置構成については説明を省略する。
【００３０】
インクジェット方式の塗布装置では、上記有機系ＬＴＯ材料を塗布液として吐出するための吐出ノズル３１１を１つまたは複数設けられた吐出ヘッド３１を銅箔１１の上方に配置し、吐出ノズル３１１から塗布液の液滴３１ｐを吐出させながら、吐出ヘッド３１を銅箔１１に対し相対的に矢印方向Ｄhに一定速度で走査移動させる。相前後して銅箔１１に着液する液滴が銅箔１１上で互いに一部が重なり合うように、移動速度が設定されることが望ましい。このようにすると、銅箔１１表面に着液した液滴が互いに凝集してより大きな塗布液の塊となり、その表面張力によって塗布液の表面が滑らかな曲面となるので、後述するように電気化学特性の良好な電池を得ることができる。
【００３１】
これにより、図３（ｃ）に示すように、銅箔１１上には塗布液がヘッド移動方向（Ｙ方向）に沿ったライン状に塗布される。これを乾燥硬化させることで、銅箔１１の上面に負極活物質によるライン状パターン１２１が形成される。また、塗布液に光硬化性樹脂を添加し塗布後に光照射して硬化させるようにしてもよい。
【００３２】
なお、ここでは吐出ヘッド３１を銅箔１１に対し一方向（Ｙ方向）に走査移動させる場合を説明したが、公知のインクジェット塗布技術で行われているように、吐出ヘッド３１をＸＹ平面内で走査移動させてパターンを形成するようにしてもよい。例えば、吐出ヘッド３１をＸ方向に往復走査移動させるとともに、銅箔１１をＹ方向に少しずつ移動させ、吐出ヘッド３１から断続的に塗布液を吐出させることによっても、図３（ｃ）のようなライン状パターン１２１を形成することが可能である。
【００３３】
また、吐出ヘッドの複数回の走査移動で塗布液をＺ方向に多段階に塗り重ねることによって、図１（ａ）および図３（ｃ）に示すような立体的構造の負極活物質層１２を形成するようにしてもよい。この場合、先の工程で塗布された塗布液が乾燥すると上記のような凝集による滑らかな表面が得られにくくなるが、Ｘ方向における塗布幅を各塗布工程ごとに調節することにより、所望の形状に近似した断面形状を有する負極活物質層１２を形成することが可能である。
【００３４】
この時点では、略平坦な銅箔１１の表面に対して負極活物質層１２を部分的に盛り上げた状態となっており、単に上面が平坦となるように塗布液を塗布する場合に比べて、活物質の使用量に対する表面積を大きくすることができるので、後に形成される正極活物質との対向面積を大きくして高出力を得ることができる。
【００３５】
図２のフローチャートの説明を続ける。こうして形成された、銅箔１１に負極活物質層１２を積層してなる積層体の上面に対し、適宜の塗布方法により電解質材料を含む電解質塗布液を塗布する（ステップＳ１０３）。塗布方法としては、前述したインクジェット方式を用いることができるほか、例えばナイフコート法、バーコート法およびノズルスキャン法等の公知の塗布方法を適用することができる。電解質塗布液としては、前記した高分子電解質材料、例えばポリエチレンオキシド、ポリスチレンなどの樹脂、支持塩としての例えばＬｉＰＦ6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。ここでの塗布方法としては上記に限定されないが、塗布後の表面を略平坦にすることのできる方法であることが好ましい。
【００３６】
続いて正極活物質層１４および正極集電体としてのアルミニウム箔１５を積層する。ここではその一例を説明する。まず、正極集電体としてのアルミニウム箔１５に予め正極活物質を含む塗布液を塗布して略一様な正極活物質層１４をアルミニウム箔１５の表面に形成しておく。正極活物質を含む塗布液としては、例えば、前記した正極活物質と、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、分散剤としての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。また、塗布方法としては、上記したインクジェット方式のほか、例えばナイフコート法、バーコート法およびスピンコート法のように、平面上に平坦な膜を形成することが可能な公知の塗布方法を適宜採用することができる。
【００３７】
そして、ステップＳ１０３において塗布された電解質塗布液が硬化する前に、正極活物質層１４が形成されたアルミニウム箔１５を貼り合わせて、正極活物質層１４と電解質塗布液とを密着させる（ステップＳ１０４）。このとき、より密着性を高めるために、アルミニウム箔１５表面の正極活物質層１４にも電解質塗布液を塗布しておいてもよい。
【００３８】
こうすることで、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５が順に積層されてなるリチウムイオン二次電池モジュール１が形成される。なお、上記方法以外にも、例えば、電解質塗布液の塗布後これを硬化させて固体電解質層１３を形成した後に、正極活物質を含む塗布液を塗布して正極活物質層１４を形成し、さらに正極集電体１５を貼り合わせるようにしてもよい。
【００３９】
次に、図１のリチウムイオン二次電池モジュール１における負極活物質層の構造について、図４および図５を参照しながらさらに詳しく説明する。図４は負極活物質層の断面形状を示す拡大断面図である。また、図５は図４の構造と従来の電池モジュールの構造との差異を模式的に示す図である。
【００４０】
図１に示すように、この実施形態における負極活物質層１２は、Ｙ方向に延びる複数のライン状パターン１２１がＸ方向に互いに離隔した島状に配置された構造を有している。図４はＸ−Ｚ平面で切断したライン状パターン１２１の断面を示しており、同図に示されるように、ライン状パターン１２１の表面は上（Ｚ方向）に凸の滑らかな曲面となっている。
【００４１】
本願発明者らが試作した電池モジュール１における各部の代表的な寸法は、ライン状パターン１２１の幅Ｄａが約１７０μｍ、高さＨａは約１００μｍである。また、隣接するライン状パターン１２１，１２１間の距離Ｓは約１６０μｍである。また、固体電解質層１３の厚さＨｄは約２００μｍである。
【００４２】
また、負極集電体１１からライン状パターン１２１が立ち上がる位置、つまり負極集電体１１、負極活物質のライン状パターン１２１および固体電解質層１３の三者が互いに接する接触点Ｐにおけるライン状パターン１２１表面の勾配、言い換えれば、接触点Ｐにおいてライン状パターン１２１に引いた接線と負極集電体層１１とがなす角のうちライン状パターン１２１を含む側の角θは、９０度よりも小さい。以下、この明細書では、この角θを「接地角」と称することとする。
【００４３】
本願発明者らの知見によれば、電池として良好な特性が得られる各部の寸法の好ましい範囲は概ね以下の通りである。すなわち、ライン状パターン１２１の幅Ｄａは２０ないし３００μｍ、その高さＨａは約１０ないし３００μｍであり、かつ断面のアスペクト比、つまり幅Ｄａに対する高さＨａの比が０．５以上であることが好ましい。
【００４４】
本実施形態の電池が良好な特性を示した理由について、本願発明者らは以下のように考えた。図５（ａ）に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１に外部直流電源Ｖｃを接続し、正極集電体１５に負極集電体１１よりも高電位を与えた場合を考える。この状態は、リチウムイオン二次電池モジュール１を外部直流電源Ｖｃによって充電する場合に相当する。このとき、正極活物質１４内のリチウム原子が電子（図中「ｅ−」で示す）を放出してリチウムイオン（図中「Ｌｉ＋」で示す）となり、固体電解質層１３内を泳動して負極活物質層１２（ライン状パターン１２１）に到達する。そして、負極集電体１１を介して負極活物質層１２に供給される電子と再結合する。こうして負極活物質層１２にリチウム原子が貯蔵されることで、外部から見ればリチウムイオン二次電池モジュール１が充電される。
【００４５】
この実施形態では、接触点Ｐにおける接地角θが９０度よりも小さい。このため、ライン状パターン１２１の厚みは接触点Ｐで極めて小さく、特にこの実施形態では接触点Ｐにおいて負極集電体１１と固体電界質層１３とが接しているので厚みはゼロであり、接触点Ｐから離れるにしたがって厚みが大きくなる。したがって、接触点Ｐの近傍において、負極集電体１１と固体電解質層１３とが非常に薄い負極活物質層１２を挟んで対向することになる。このため、負極活物質層１２内においてリチウムイオンと電子とが再結合するために移動する距離は極めて短くて済む。反対に負極活物質層１２内のリチウム原子が電子を放出する放電時においても同様である。このことが充放電特性の向上に寄与していると考えられる。一方、接触点Ｐから離れた領域では、負極活物質層１２が十分な厚みを有しているため、多くのリチウム原子を貯蔵することができ、大容量を得ることが可能である。こうして、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１では良好な充放電特性と大容量とを両立させることが可能となっている。
【００４６】
前記した従来技術の電池においても、例えば図５（ｂ）に示すように、負極活物質層をごく薄く形成することによって良好な充放電特性を得ることは可能と考えられる。しかしながら、このような構成では使用される負極活物質の量（体積）が少ないため、貯蔵できるリチウム原子の量が限られ、高容量化は難しい。また、図５（ｃ）に示すように、負極活物質層を厚くすれば容量を増大させることができるが、接地角θが９０度あるいはそれ以上である場合、負極活物質層内でのイオンや電子の移動距離が長くなるため、充放電特性は劣ることになる。
【００４７】
以上のように、この実施形態では、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５を順番に積層してなるリチウムイオン二次電池モジュール１において、ライン状パターン１２１を複数配した島状構造の負極活物質層１２とする。そして、負極集電体１１に対するライン状パターン１２１の接地角θを９０度よりも小さくしたことにより、常温で動作し、高容量で充放電特性も良好な電池を構成することが可能となっている。
【００４８】
ここで、負極活物質層１２を構成するライン状パターン１２１は、負極活物質を含む塗布液をインクジェット方式で基材（負極集電体１１）表面に塗布することで形成されたものである。インクジェット方式によれば、任意の形状を有する微細なパターンを効率よく形成することが可能である。そのため、電気的特性が良好で安定した電池を、優れた生産性で、しかも低い製造コストで製造することができる。
【００４９】
また、ライン状パターン１２１の表面を鋭い角のない滑らかな曲面とすることで、負極集電体１１および負極活物質層１２による負極側構造体と固体電解質層１３との密着度を高めることができる。これにより、例えば電池モジュールの屈曲によってこれらの界面が剥離するなどの損傷を受け難く特性の安定した電池を構成することが可能となる。これにより折り曲げ可能な電池を構成することができ、種々の形状の容器への収納も容易となる。なお、本実施形態にかかる負極活物質層１２の構造は、固体電解質層を有する電池のみならず、セパレータと電解液とで構成される液体電解質層を有する電池においてもその特性を向上させる上で有効なものであるが、この場合には、上記したライン状パターン１２１の表面を滑らかな曲面とすることは必須の要件ではない。
【００５０】
また、上記実施形態における負極活物質層１２は、Ｙ方向に延びるライン状パターン１２１をＸ方向に複数並べた島状構造を有するものであり、各ライン状パターン１２１は互いに独立して負極集電体１１表面に形成されている。しかしながら、本明細書にいう「島状構造」は、各パターンの主要部が実質的に独立して存在していることを表す概念であり、各パターンが完全に独立したものだけでなく、以下に例示するようにその一部が繋がっていてもよい。
【００５１】
図６は負極活物質層の他のパターンの例を示す図である。図６（ａ）に例示する負極活物質層１２２では、図１の例と同様に、複数のライン状パターン１２２ａが負極集電体１１の表面に形成されるとともに、隣接するライン状パターン１２２ａ同士が同材料による接続部位１２２ｂによって互いに接続されている。このような構造であっても、各ライン状パターン１２２ａが図１の例におけるライン状パターン１２１と同様の機能を有しており、これらが実質的に島状構造をなしているということができる。
【００５２】
また、図６（ｂ）に例示する負極活物質層１２３では、略円形の平面形状を有するランド状パターン１２３ａが負極集電体１１の表面に複数並べて形成されており、負極活物質層はこのような構造であってもよい。さらに、複数のランド状パターン１２３ａが同材料からなる接続部位１２３ｂによって相互に繋がっていてもよい。
【００５３】
次に、上記のように構成される電池の用途について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール１は、常温において高容量かつ充放電特性の良好なものであるので、以下に例示するように各種の機器への応用が考えられる。なお、以下は本実施形態の電池を応用しうる機器の態様の一部を例示するものであって、本発明にかかる電池の適用範囲がこれらに限定されるものではない。
【００５４】
図７は本発明にかかる電池を搭載した機器の一例としての車両、具体的には電気自動車を模式的に示す図である。この電気自動車５０は、車輪５１と、該車輪５１を駆動するモータ５２と、該モータ５２に電力を供給する電池５３とを備えている。この電池５３として、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を多数直並列接続した構成を採用することができる。このように構成された電池５３は、高い電流供給能力を有するとともに短時間での充電が可能であるため、電気自動車５０のような車両の駆動用電源として好適なものである。
【００５５】
図８は本発明にかかる電池を搭載した機器の他の例としての電子機器、具体的にはＩＣカード（スマートカード）を模式的に示す図である。このＩＣカード７０は、互いに重ね合わせられることでカード型のパッケージを構成する１対の筐体７１，７２と、該筐体内に収容される回路モジュール７３および該回路モジュール７３の電源となる電池７４とを備えている。このうち回路モジュール７３は、外部との通信のためのループ状のアンテナ７３１と、該アンテナ７３１を介した外部機器とのデータ交換および種々の演算・記憶処理を実行する集積回路（ＩＣ）を含む回路ブロック７３２とを備えている。また、電池７４としては、上記したリチウムイオン二次電池モジュール１を１組または複数組備えるものを用いることができる。
【００５６】
このような構成によれば、それ自身は電源を有さない一般的なＩＣカードに比べて、外部機器との通信可能距離を拡張することができ、またより複雑な処理を行うことが可能となる。本発明にかかる電池７４は小型・薄型で大容量を得ることができるので、このようなカード型の機器に好適に適用することができる。
【００５７】
これ以外にも、電動アシスト自転車、電動工具、ロボットなどの機械類や、パーソナルコンピュータ、携帯電話や携帯型音楽プレイヤー、デジタルカメラやビデオカメラなどのモバイル機器、ゲーム機、ポータブル型の測定機器、通信機器や玩具など各種の電子機器に、本発明にかかる電池を採用することが可能である。
【００５８】
以上説明したように、上記実施形態では、負極集電体１１、負極活物質層１２、固体電解質層１３、正極活物質層１４および正極集電体１５が、それぞれ本発明の「第１の集電体層」、「第１の活物質層」、「電解質層」、「第２の活物質層」および「第２の集電体層」として機能している。また、負極活物質層を構成するライン状パターン１２１，１２２ａおよびランド状パターン１２３ａが本発明の「島状部位」に相当しており、接続部位１２２ｂ、１２３ｂが本発明の「接続部位」に相当している。
【００５９】
また、図２のフローチャートにおけるステップＳ１０１およびＳ１０２が本発明の「第１工程」に相当する一方、ステップＳ１０３およびＳ１０４が本発明の「第２工程」に相当している。
【００６０】
また、上記実施形態における電気自動車５０が本発明の「車両」に相当している。さらに、上記実施形態におけるＩＣカード７０が本発明の「電子機器」に相当しており、そのうち筐体７１，７２が本発明の「筐体」として、回路ブロック７３が本発明の「電子回路部」としてそれぞれ機能している。
【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、上記実施形態では負極活物質層１２を島状構造としているが、これに代えて、あるいはこれに加えて、正極活物質層を島状構造としてもよい。
【００６２】
また、上記実施形態では負極集電体上に負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体を順次積層しているが、これとは反対に、正極集電体上に正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体をこの順番に積層するようにしてもよい。また各層の形成は塗布によるものに限定されない。
【００６３】
また、上記実施形態は固体電解質層１３を備えるものであるが、電解質層としてはこのような固体のものに限らず、より一般的な電解液を用いた電池に対しても、本発明を適用することが可能である。
【００６４】
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】
【００６５】
この発明にかかる電池は、小型・薄型でありながら高容量と良好な充放電特性とを兼ね備えており、生産性も優れているので、電池を搭載する車両や各種の電子機器に好適に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１，５３，７４ リチウムイオン二次電池（電池）
１１ （負極集電体としての）銅箔（第１の集電体層）
１２ 負極活物質層（第１の活物質層）
１３ 電解質層
１４ 正極活物質層（第２の活物質層）
１５ （正極集電体としての）アルミニウム箔（第２の集電体層）
３１ 吐出ヘッド
３１ｐ （負極活物質塗布液の）液滴
５０ 電気自動車（車両）
７０ ＩＣカード（電子機器）
７１，７２ カード筐体（筐体）
７３ 回路モジュール（電子回路部）
１２１、１２２ａ （負極活物質の）ライン状パターン（島状部位）
１２２ｂ （負極活物質の）接続部位
１２３ａ （負極活物質の）ランド状パターン（島状部位）
１２３ｂ （負極活物質の）接続部位
３１１ 吐出ノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層をこの順番に積層した構造を有し、
前記第１の活物質層は、前記第１の集電体層表面にインクジェット方式により塗布形成された、互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有し、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角が９０度よりも小さい
ことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において、前記第１の集電体層と前記電解質層とが接触している請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記島状部位は、前記第１の集電体層表面に沿って所定の方向に延びるライン状パターンを有する請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記ライン状パターンの延設方向に直交する断面における前記島状部位の断面形状は、前記第１の集電体層と接触する部分の幅が２０μｍないし３００μｍ、高さが１０μｍないし３００μｍであり、前記幅に対する前記高さの比が０．５以上である請求項３に記載の電池。
【請求項５】
前記電解質層は固体電解質からなり、前記島状部位では、前記第１の集電体層と接触する部分を除く表面が滑らかな曲面である請求項１ないし４のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
前記第１の活物質層は、複数の前記島状部位を互いに接続する接続部位を有する請求項１ないし５のいずれかに記載の電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電池を搭載することを特徴とする車両。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電池と、
前記電池を電源として動作する電子回路部と
を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項９】
前記電池と前記電子回路部とを収容するカード型の筐体を備える請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
第１の集電体となる基材の表面に、第１の活物質材料を含む塗布液をインクジェット方式により塗布して、第１の活物質層を互いに離隔した複数の島状部位からなる島状構造に形成する第１工程と、
前記第１の活物質層により覆われていない前記基材の露出表面と前記第１の活物質層の表面とを共に覆う電解質層、第２の活物質層および第２の集電体を積層する第２工程と
を備え、
前記第１工程では、前記島状部位と前記第１の集電体表面との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角を９０度よりも小さくする
ことを特徴とする電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の製造方法によって製造された、第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層を積層した構造を有することを特徴とする電池。
【請求項１】
第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層をこの順番に積層した構造を有し、
前記第１の活物質層は、前記第１の集電体層表面にインクジェット方式により塗布形成された、互いに離隔した島状部位を複数配してなる島状構造を有し、前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体層表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角が９０度よりも小さい
ことを特徴とする電池。
【請求項２】
前記島状部位と前記第１の集電体層との接触点において、前記第１の集電体層と前記電解質層とが接触している請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記島状部位は、前記第１の集電体層表面に沿って所定の方向に延びるライン状パターンを有する請求項１または２に記載の電池。
【請求項４】
前記ライン状パターンの延設方向に直交する断面における前記島状部位の断面形状は、前記第１の集電体層と接触する部分の幅が２０μｍないし３００μｍ、高さが１０μｍないし３００μｍであり、前記幅に対する前記高さの比が０．５以上である請求項３に記載の電池。
【請求項５】
前記電解質層は固体電解質からなり、前記島状部位では、前記第１の集電体層と接触する部分を除く表面が滑らかな曲面である請求項１ないし４のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
前記第１の活物質層は、複数の前記島状部位を互いに接続する接続部位を有する請求項１ないし５のいずれかに記載の電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電池を搭載することを特徴とする車両。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電池と、
前記電池を電源として動作する電子回路部と
を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項９】
前記電池と前記電子回路部とを収容するカード型の筐体を備える請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
第１の集電体となる基材の表面に、第１の活物質材料を含む塗布液をインクジェット方式により塗布して、第１の活物質層を互いに離隔した複数の島状部位からなる島状構造に形成する第１工程と、
前記第１の活物質層により覆われていない前記基材の露出表面と前記第１の活物質層の表面とを共に覆う電解質層、第２の活物質層および第２の集電体を積層する第２工程と
を備え、
前記第１工程では、前記島状部位と前記第１の集電体表面との接触点において前記第１の活物質層に引いた接線と前記第１の集電体表面とがなす角のうち前記第１の活物質層を含む側の角を９０度よりも小さくする
ことを特徴とする電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の製造方法によって製造された、第１の集電体層、第１の活物質層、電解質層、第２の活物質層および第２の集電体層を積層した構造を有することを特徴とする電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−７４２０２（Ｐ２０１２−７４２０２Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１７３１０（Ｐ２０１０−２１７３１０）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
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