JP2004253350A

JP2004253350A - 電気化学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004253350A
Application number: JP2003104511A
Authority: JP
Inventors: Masaru Nishimura; 賢西村; Naoto Arai; 直人荒井; Toru Oshima; 透大島; Fumio Oo; 文夫大尾; Osamu Yasuda; 修安田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】構造が簡略であり、信頼性が高く、高い電気容量を有する二次電池を効率的に製造する。
【解決手段】（ａ）シート状の絶縁性基材の両面に導電層を設けて第１集電体および第２集電体を得る工程、（ｂ）前記第１集電体および前記第２集電体の前記導電層の上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層および第２電極合剤層を、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて形成し、第１電極群および第２電極群を得る工程、（ｃ）セパレータを介して前記第１電極群および前記第２電極群を、前記第１電極合剤層および前記第２電極合剤層の長さ方向に捲回し、捲回体を得る工程、ならびに（ｄ）前記捲回体を、前記間隙において切断することにより、複数個の捲回型極板群を得る工程を含むことを特徴とする電気化学素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学素子に関し、特にリチウムイオン二次電池などの高エネルギー密度を有する二次電池の極板群の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子・電気機器の小型化・軽量化に伴い、二次電池に対する小型化・軽量化への要望が強まってきている。一方、現行の二次電池は、内部構造が複雑であり、一定容積あたりの製品が有する電気容量を向上させるには限界がある。また、複雑な構造が、電池の信頼性の向上を妨げている面もある。例えば、電極に接続された集電タブまたは集電リードが、電極面における均一な電極反応を妨げる場合がある。また、万一、リードの切断面に通常よりも大きな金属バリが生じた場合には、内部短絡の発生が懸念される。
【０００３】
二次電池は、正極、負極およびセパレータからなる極板群を有し、極板群には、積層型と捲回型がある。積層型の極板群は、正極と負極とをセパレータを介して交互に積層して得られる。また、捲回型の極板群は、長尺の正極と負極とをセパレータを介して捲回して得られる。これらの極板群は、通常、正極と負極の端部が面一に配列した側面を有する。このような側面から短絡を起こさずに電気を取り出すには、集電タブや集電リードが必要となる。
【０００４】
そこで、電池の内部構造を簡略化する観点から、極板群の側面の１つから正極を突出させ、前記側面とは逆側の側面から負極を突出させ、集電タブや集電リードを介さずに、各側面から直接電気を取り出すことが提案されている。例えば、積層型の極板群を有する電池では、突出させた同一極性の極板を、所定の金属部材を用いて一体接合する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、捲回型の極板群を有する電池では、突出させた同一極性の極板の芯材と板状の集電板とを接合する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１２６７０７号公報
【特許文献２】
特開２０００−２９４２２２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、極板群の側面の１つから正極を突出させ、前記側面とは逆側の側面から負極を突出させる場合、１つずつ極板群を作製しなければならず、極板群の製造工程が複雑になる。すなわち、複数の極板群を同時に作製することができないという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記状況を鑑みてなされたものである。本発明によれば、構造が簡略であり、信頼性が高く、高い電気容量を有する電気化学素子を、同時に複数個を効率的に製造することができる。
【０００８】
すなわち、本発明は、（ａ）シート状の絶縁性基材の両面に導電層を設けて第１集電体および第２集電体を得る工程、（ｂ）前記第１集電体および前記第２集電体の前記導電層の上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層および第２電極合剤層を、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて形成し、第１電極群および第２電極群を得る工程、（ｃ）セパレータを介して前記第１電極群および前記第２電極群を、前記第１電極合剤層および前記第２電極合剤層の長さ方向に供給して同心円状に捲回し、捲回体を得る工程、ならびに（ｄ）前記捲回体を、前記間隙において切断することにより、複数個の捲回型極板群を得る工程を含むことを特徴とする電気化学素子の製造方法に関する。
【０００９】
工程（ｃ）においては、セパレータ、第１電極群および第２電極群を連続して供給しながら、例えば棒状の巻芯に同心円状に捲回すればよい。
また、セパレータ、第１電極群および第２電極群が長尺状である場合、工程（ｃ）においてはこれらを供給しながら捲回し、適切な位置で切断して捲回体を得ればよい。
【００１０】
前記電気化学素子の製造方法は、前記工程（ｂ）の後、前記工程（ｃ）の前に、前記間隙において、前記導電層上に絶縁材料部を形成する工程を含むのが好ましい。
また、前記捲回型極板群の第１底面および第２底面を金属で被覆し、第１端子および第２端子を形成する工程を含むのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電気化学素子の製造方法の主要な工程（ａ）〜（ｄ）を、工程順に説明する。ついで、その他の工程についても説明する。なお、その他の工程は、前記電気化学素子の用途などに応じ、当業者であれば適宜選択し、組み合わせて行うことができる。また、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る電気化学素子の製造方法の工程図である。図２は、本発明の製造方法において用いる第１電極群、セパレータおよび第２電極群の概略斜視図である。また、図３は、本発明において得られる電気化学素子を概念的に示す断面図である。
【００１２】
図１の（１）に示すように、まず、工程（ａ）によって、シート状の絶縁性基材１０ａおよび１０ｂの両面に導電層１１ａおよび１１ｂを所定のパターンで形成し、第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂを得る。なお、所定のパターンは、後述するように、図１の（６）において、第１集電体１ａの導電層１１ａのみが第１底面に露出され、第２集電体１ｂの導電層１１ｂのみが第２底面に露出するように決定すればよい。なお、図１における絶縁性基材１０ａおよび１０ｂは、便宜上、一定の長さを有するシート状として表したが、長尺状であるのが好ましい。長尺状であれば、例えばフープ状に巻いた原反などから連続して供給することができる。
【００１３】
次に、図１の（２）に示すように、工程（ｂ）により、第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂの前記導電層の上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層１２ａおよび第２電極合剤層１２ｂを、平行に並ぶ帯状に間隙１３ａおよび１３ｂを設けて形成し、第１電極群１４および第２電極群１５を得る。なお、図１の（２）では、第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂにおいて、斜線で前記導電層を示した。この場合も、長尺状の第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂを用いることが可能である。
【００１４】
ついで、図１の（３）に示すように、工程（ｃ）により、第１電極群１４および第２電極群１５を、セパレータ１６を介して積層し、図１の（４）に示すように、これらを前記第１電極合剤層１２ａおよび第２電極合剤層１２ｂの長さ方向（矢印Ｘの方向）に供給して同心円状に捲回する。これにより、図１の（５）に示すような捲回体１７を得る。この捲回体は、第１電極合剤層１２ａおよび第２電極合剤層１２ｂの数に対応する数の捲回型極板群を含んでいる。
【００１５】
この段階において、長尺状の第１電極群１４、セパレータ１６および第２電極群１５を用いれば、これらを連続して供給しながら積層して捲回し、適当な位置で切断することによって、連続して捲回体１７を得ることが可能である。上述の絶縁性基材と同様に、第１電極群１４、セパレータ１６および第２電極群１５も、例えばフープ状に巻いた原反などから連続して供給することができる。
【００１６】
そして、捲回体１７を、矢印Ｙで示されるように、前記間隙１３ａおよび１３ｂに相当する位置において切断し、図１の（６）で示されるような捲回型極板群１８を複数個得る。
【００１７】
工程（ａ）
まず、シート状の絶縁性基材１０ａおよび１０ｂの両面に導電層１１ａおよび１１ｂを所定のパターンで設けて第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂを得る工程を行う。図１の（１）に示すように、所望数の集電体シートを与え得る大きさ（幅）の絶縁性基材１０ａおよび１０ｂである樹脂シートの両面の同じ位置に、例えば複数行の帯状の導電層１１ａおよび１１ｂを形成する。このような導電層は、例えば樹脂シートに帯状のマスクを被覆し、マスクから露出する樹脂シートに金属を蒸着させる方法により得ることができる。
【００１８】
なお、上述のように、図１における絶縁性基材１０ａおよび１０ｂは、便宜上、一定の長さを有するシート状として表したが、長尺状であるのが好ましい。長尺状であれば、例えばフープ状に巻いた原反などから連続して供給することができるため、連続して金属を蒸着させることができ、生産性を向上させることができる。
【００１９】
ここで、少なくとも１つの帯状導電層は２つの帯状の集電体シートに跨るように形成する。すなわち、ｎ個の帯状集電体シートを与え得る大きさの樹脂シートを用いる場合、樹脂シートの片面あたり、（ｎ−１）個の帯状の導電層を形成する。図１の（１）においては、３個の集電体シートを想定しているため、それぞれ２個の帯状の導電層を示している（例えば１１ａおよび１１ａ’）。
前記樹脂シートの厚さは、例えば０．５〜５００μｍであることが好ましい。また、導電層の厚さは、０．０１〜１００μｍであることが好ましい。第１電極合剤層の厚さは、特に限定されないが、例えば１〜１０００μｍであることが好ましい。
【００２０】
ここで、樹脂シートとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリアリレートなどのエステル系ポリマー、ポリフェニレンサルファィドなどのチオエーテル系ポリマー、ポリスチレンなどの芳香族ビニル系ポリマー、ポリイミド、アラミド樹脂などの窒素含有ポリマー、ポリ４フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素ポリマーなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせたコポリマー、ポリマーアロイ、ポリマーブレンドなどを用いてもよい。
また、平坦な表面を有する通常の樹脂シートを用いてもよく、穿孔体、ラス体、多孔質体、ネット、発泡体、織布、不織布などを用いてもよい。また、表面に凹凸を有する樹脂シートを用いることもできる。
【００２１】
導電層には、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体を特に限定なく用いることができる。なお、第１集電体から得られる電極を正極として用いる場合には、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、炭素などを用いることができる。なかでも、特にアルミニウム、アルミニウム合金などが好ましい。
また、第１集電体から得られる電極を負極として用いる場合には、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、銅合金、チタンなどを用いることができる。なかでも、特に銅、銅合金などが好ましい。
【００２２】
導電層を形成する方法は、例えば樹脂シートに帯状のマスクを被覆し、マスクから露出する樹脂シートに金属を蒸着させる方法により得ることが好ましい。なお、この場合のマスクとは、帯状に開口部を有するように配置されたテープ状のマスクや、蒸着金属の付着を阻害する目的で樹脂シート上に帯状に塗布されたオイルなどである。また、その他にも、樹脂シートに帯状にインクを印刷し、金属を蒸着した後インクとインク上の蒸着金属を洗浄・除去して得る方法や、樹脂シートに金属を蒸着した後、レーザーなどの金属除去手段を用いて得る方法などがあるが、特にこれらの方法に限定されるものではない。
所定のパターンは、上述のように、集電体シートの数、すなわち、最終的に作製する捲回型極板群の数に応じて適宜調整すればよい。
【００２３】
工程（ｂ）
次に、前記第１集電体１ａおよび前記第２集電体１ｂの前記導電層１１ａおよび１１ｂの上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層１２ａおよび第２電極合剤層１２ｂを、平行に並ぶ帯（ストリップ）状に間隙１３ａおよび１３ｂを設けて形成し、第１電極群１４および第２電極群１５を得る。
ここで、図２は、図１の（２）をより詳細に示した図である。図２に示すように、上記工程（ａ）で形成した帯状の各導電層１１ａの上に、例えば帯状の第１電極合剤層１２ａを３つずつ形成する。３つの帯状の第１電極合剤層１２ａの間には、交互に、合剤を有さない導電層が露出した導電露出部２０ａと、絶縁性基材１０ａが露出した絶縁露出部２１ａを残しておく。
【００２４】
帯状の第１電極合剤層１２ａは、第１電極合剤からなるペーストを、導電層の中央部を除く全面に塗工することにより形成すればよい。
塗工方法は特に限定されないが、スクリーン印刷、パターン塗工などを採用することが好ましい。このとき合剤からなるペーストが塗工されなかった導電露出部２０ａおよび２０ｂは、工程（ｄ）によって得られる捲回型極板群においては、第１端子との接続部３４ａ（図３参照）となる。
この場合も、長尺状の第１集電体１ａおよび第２集電体１ｂを用いることが可能である。長尺状であれば、端部から連続して電極合剤層を塗工、形成することができ、生産性を向上させることが可能である。もちろん、フープ状にして供給してもよい。
【００２５】
なお、図２には、３列の電極合剤層が描かれているが、通常はより大きな集電体シート上に、より多くの導電層と電極合剤層を形成することも可能である。
第１電極合剤は、第１電極群の活物質、導電材、結着剤などを、分散媒と混合することにより調製される。その後、ペーストの塗膜を乾燥し、乾燥後の塗膜をローラで圧延すれば、合剤密度を高めることが可能である。
【００２６】
ここで、第１電極群がリチウムイオン二次電池の正極の群として用いられる場合、活物質としては、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物を好ましく用いることができる。リチウム含有遷移金属酸化物としては、例えば、Ｌｉ_ｘＣｏＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_１−ｙＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＣｏ_ｆＶ_１−ｆＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＮｉ_１−ｙＭ_ｙＯ_ｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ）、Ｌｉ_ｘＣｏ_ａＮｉ_ｂＭ_ｃＯ_ｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｚｒ）、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_ｘＭｎ_{２（１−ｙ）}Ｍ_２ｙＯ_４（Ｍ＝Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｂ）などを挙げることができる。ただし、ｘ値は電池の充放電により、０≦ｘ≦１．２の範囲で変化する。また、０≦ｙ≦１、０．９≦ｆ≦０．９８、１．９≦ｚ≦２．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ＜１である。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００２７】
第１電極群がリチウムイオン二次電池の負極の群として用られる場合、活物質としては、例えば、リチウム、リチウム合金、金属間化合物、炭素材料、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な有機化合物や無機化合物、金属錯体、有機高分子化合物などを好ましく用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
炭素材料としては、コークス、熱分解炭素、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、黒鉛化メソフェーズ小球体、気相成長炭素、ガラス状炭素、炭素繊維（ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、セルロース系、気相成長系）、不定形炭素、有機化合物焼成体などが挙げられる。これらのうちでは、特に、天然黒鉛や人造黒鉛が好ましい。
また、導電材には、例えば、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、黒鉛などが用いられる。また、結着剤には、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、アクリル系樹脂、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンターポリマーなどを用いることができる。
【００２８】
一方、両面に第２電極合剤層を有する第２電極群は、第１電極群と同様の方法で作製することができる。すなわち、所望数の集電体シートを与え得る大きさの絶縁性基材１０ｂの両面の同じ位置に、複数の所定の形状パターンの導電層を設け、各導電層の上に、第２電極合剤層１２ｂを３つずつ形成する。３つの第２電極合剤層１２ｂの間には、合剤を有さない導電層の導電露出部２０ｂと、絶縁性基材１０ｂが露出した絶縁露出部２１ｂを残しておく。このとき合剤からなるペーストが塗工されなかった導電層の導電露出部２０ｂは、工程（ｄ）後に得られる捲回型極板群の構成後には、第２端子との接続部３４ｂ（図３参照）となる。
【００２９】
また、場合によっては、片面だけに第１電極合剤層を有する第１電極群、および片面だけに第２電極合剤層を有する第２電極群を用いることも可能である。すなわち、かかる場合も本発明の技術的範囲に含まれ、他方の面に導電層、第１電極合剤層または第２電極合剤層、および絶縁材料を設けないこと以外、上記と同様の方法で作製することができる。
【００３０】
ここで、後述する工程（ｃ）に先だって、後述する捲回型極板群を構成した場合に第２集電体シートの導電層の導電露出部２０ａおよび２０ｂと隣接することになる第１電極合剤層１２ａおよび１２ｂの周縁部に沿って、絶縁材料を塗工して、絶縁材料部を形成するのが好ましい。すなわち、前記間隙において、前記導電層上に絶縁材料部を形成するのが好ましい。なお、図１および２においては、絶縁材料部を示していない。これにより、後述する工程（ｄ）によって得られる捲回型極板群の底面において、金属層を形成して端子を設けても、第１電極と第２電極が短絡することを防ぐことができる。
【００３１】
この絶縁材料部の形成も、パターン塗工を行うことが好ましい。すなわち、所定のパターンにしたがって絶縁材料を塗布するのが好ましい。第１電極合剤層の周縁部のその他の部分にも、絶縁材料部を形成してもよいが、第１集電体シートの導電層の導電露出部２０ａおよび２０ｂの全体が覆われないようにすればよい。
ここで、図３に示すように、本発明において得られる捲回型極板群においては、第１電極合剤層３２ａの周縁部のうち、少なくとも導電層の導電露出部であって接続部３４ａとなる部分の反対側に、絶縁材料部を形成すればよい。なお、絶縁材料の塗工は必ずしも必要ではなく、任意に行えばよい。
【００３２】
絶縁材料部の厚さは、特に限定されないが、０．００１ｍｍ以上、さらには０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。
絶縁材料部を形成する方法は、特に限定されないが、例えばスクリーン印刷法により、ペースト状もしくは液状の絶縁材料を所定位置に塗布することにより、形成することができる。また、フィルム状もしくはテープ状の絶縁材料を所定位置に貼り付けたりすることにより、絶縁材料部を形成することもできる。
絶縁材料部に用いる絶縁材料としては、樹脂、ガラス組成物、セラミックスなどが挙げられる。また、織布や不織布に樹脂を含浸させた複合物などを用いることもできる。樹脂には、熱可塑性樹脂を用いてもよく、熱硬化性樹脂を用いてもよい。熱硬化性樹脂を用いる場合には、樹脂の塗膜を加熱して硬化させる工程を要する。
【００３３】
絶縁材料部に用いることのできる樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのオレフィン系ポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリカーボネートなどのエステル系ポリマー、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどのエーテル系ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのスルホン系ポリマー、ポリアクリロニトリル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂などのアクリロニトリル系ポリマー、ポリフェニレンサルファィドなどのチオエーテル系ポリマー、ポリスチレンなどの芳香族ビニル系ポリマー、ポリイミド、アラミド樹脂などの窒素含有ポリマー、ポリ４フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素ポリマー、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系ポリマーなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせたコポリマー、ポリマーアロイ、ポリマーブレンドなどを用いてもよい。また、加熱やＵＶ照射により重合固化して得られるポリマーを用いてもよい。
【００３４】
工程（ｃ）
ついで、図１の（３）に示すように、セパレータ１６を介して前記第１電極群１４および前記第２電極群１５を、前記第１電極合剤層１２ａおよび前記第２電極合剤層１２ｂの長さ方向、すなわち図１の（４）における矢印の方向に供給して同心円状に捲回し、図１の（５）に示すような捲回体１７を得る。この捲回体１７は、必要であれば、プレスにより偏平型に変形させてもよい。
【００３５】
この段階において、長尺状の第１電極群１４、セパレータ１６および第２電極群１５を用いれば、これらを連続して供給しながら積層して捲回し、適当な位置で切断することによって、連続して捲回体１７を得ることが可能である。上述の絶縁性基材と同様に、第１電極群１４、セパレータ１６および第２電極群１５も、例えばフープ状に巻いた原反などから連続して供給することができる。もちろん、第１電極群１４および第２電極群１５は、あえてフープ状としなくてもよい。
【００３６】
まず、上記工程（ｂ）において作製された第１電極群１４と第２電極群１５とを、セパレータ１６を介して積層する。このとき、第１電極群１４の第１電極合剤層１２ａと第２電極群１５の第２電極合剤層１２ｂとが互いに対面するようにこれらを積層する。また、第１電極群１４における導電層の導電露出部２０ａおよび絶縁材料部が、それぞれ第２電極群１５における絶縁材料部および導電層の導電露出部２０ｂと対面するように両電極群を配置する（図２参照）。その結果、交互に逆向きに配列した複数の捲回型極板群を含む長尺筒状の捲回体１７が得られる。
【００３７】
ここで、セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマーやガラス繊維などからなる織布や不織布を用いることができる。
また、固体電解質やゲル電解質をセパレータとして用いることもできる。固体電解質には、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイドなどをマトリックス材料として用いることができる。ゲル電解質としては、例えば、後述の非水電解液をポリマー材料からなるマトリックスに保持させたものを用いることができる。マトリックスを形成するポリマー材料には、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、特に、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマー、ポリフッ化ビニリデンとポリエチレンオキサイドとの混合物を用いることが好ましい。
【００３８】
工程（ｄ）
次に、長尺筒状の捲回体１７を、前記間隙に相当する位置、すなわち図１の（５）における矢印Ｙで示す位置において切断することにより、図１の（６）に示すような捲回型極板群１８複数個を得る。すなわち、前記捲回体１７を極板群ごとに分割する。分割後にプレスにより偏平形に変形させてもよい。
このようにして得られる捲回型極板群の概略断面図を図３に示す。図３に示すように、捲回型極板群１８の一方の側面（第１底面）には、接続部３４ａとなる第１集電体シートの導電層の導電露出部と第２集電体シートの絶縁露出部に位置する絶縁材料部３５ｂとが交互に、同心円状に配列しており、他方の側面（第２底面）には、接続部３４ｂとなる第２集電体シートの導電層の導電露出部と第１集電体シートの絶縁露出部に位置する絶縁材料部３５ａとが交互に、同心円状に配列している。
【００３９】
前記捲回型極板群１８は、第１電極群から分割されて得られた第１電極と、第２電極群から分割されて得られた第２電極とを含む。上部の第１底面側、すなわち第１端子側では、第２電極の端面に絶縁材料が塗工されて絶縁材料部３５ｂが形成されているため、後に金属層を設けても金属被膜と第２電極との短絡は起こらない。また、上部の第２底面側、すなわち第２端子側では、第１電極の端面に絶縁材料が塗工されて絶縁材料部３５ａが形成されているため、後に金属層を設けても金属被膜と第１電極との短絡は起こらない。
【００４０】
さらに詳述すると、上述のようにして得られる本発明に係る捲回型極板群１８においては、図３に示すように、第１集電体シートの導電層の露出部が、前記捲回型極板群の第１底面、すなわち図３上側に配されており、その反対側の絶縁材料部は、前記捲回型極板群の第２底面、すなわち図３下側に配されている。図３では、第１底面と第２底面とが、互いに前記捲回型極板群の反対側に位置している。一方、第２集電体シートの導電層の露出部は、前記捲回型極板群の第１底面に配され、その反対側の絶縁材料部は、前記捲回型極板群の第２底面に配される。
【００４１】
すなわち、図３では、同様の構造を有する第１電極と第２電極とが、互いに逆向きに配置されている。従って、第１集電体シートの導電層の導電露出部は、第２集電体シートの絶縁露出部と隣接し、第２集電体シートの導電層の導電露出部は、第１集電体シートの絶縁露出部と隣接している。このような配置であれば、第１電極と第２電極との短絡を防止することが容易である。また、複数の第１集電体シートまたは第２集電体シートの導電層の導電露出部を互いに接続し、並列接続の高容量電池を得ることも容易である。ただし、短絡を確実に防止する観点からは、幅０．００１ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上の絶縁露出部を電極に設けることが好ましい。
【００４２】
複数の第１集電体シートおよび第２集電体シートの導電層の導電露出部は、それぞれどのような方法で接続してもよい。例えば、上述のように、導電性材料で第１側面と第２側面を被覆する方法を好ましく用いることができる。導電性材料の被膜の厚さは、例えば０．０１〜１ｍｍ程度で十分である。この場合、導電性材料と導電層の導電露出部とを接続すると同時に、導電性材料を第１端子４１または第２端子４２として用いることができる。金属を被覆する工程については、工程（ｆ）として後述する。
なお、良好な集電状態を得るためには、導電露出部と導電性材料との接触面積が大きい方が好ましく、導電露出部が導電性材料の被膜の内部に０．００１〜１ｍｍの深さまで食い込んでいることが好ましい。
【００４３】
また、第１電極合剤層よりも第２電極合剤層の方が、大きな面積を有しているのが好ましい。そして、リチウムイオン二次電池の場合、第１電極合剤層を正極とし、第２電極合剤層を負極とするこのような構造を採用することが好ましい。
一方、第１電極合剤層を負極とし、第２電極合剤層を正極とする場合には、逆に、第２電極合剤層よりも第１電極合剤層の面積を大きくすることが好ましい。
【００４４】
ここで、本発明における上記工程（ａ）〜（ｄ）によって得られる捲回型極板群からなる電気化学素子は、少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第２電極と、前記第１電極および第２電極の間に介在するセパレータとからなる極板群を有する電気化学素子であって、前記第１電極が、導電部と絶縁部とを有する第１集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第１電極合剤層からなり、前記第２電極が、導電部と絶縁部とを有する第２集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第２電極合剤層からなる電気化学素子である。
【００４５】
この電気化学素子においては、前記第１集電体シートの導電部が前記極板群の第１側面において第１端子と接続され、前記第２集電体シートの導電部が前記極板群の第２底面において第２端子と接続され、前記第１集電体シートの絶縁露出部が前記第２底面に配され、前記第２集電体シートの絶縁露出部が前記第１底面に配される。
また、前記第１端子と前記第１底面との間に、前記第１端子と前記第２電極とを絶縁するための第１絶縁材料部が設けられており、前記第２端子と前記第２底面との間に、前記第２端子と前記第１電極とを絶縁するための第２絶縁材料部が設けられているのが好ましい。
【００４６】
換言すると、本発明において得られる電気化学素子は、第１電極と第２電極とをセパレータを介して捲回した極板群を有する電気化学素子であって、前記第１電極が、導電部と絶縁部とを有する第１集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第１電極合剤層からなり、前記第２電極が、導電部と絶縁部とを有する第２集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第２電極合剤層からなり、前記第１集電体シートの導電部が前記極板群の第１底面において第１端子と接続され、前記第２集電体シートの導電部が前記極板群の第２底面において第２端子と接続され、前記第１集電体シートの絶縁部が前記第２底面に配され、前記第２集電体シートの絶縁部が前記第１底面に配されている電気化学素子であるとも言える。
【００４７】
さらに換言すれば、本発明において得られる電気化学素子は、第１電極と第２電極とをセパレータを介して捲回した極板群を有する電気化学素子であって、前記第１電極が、導電部と絶縁部とを有する第１集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第１電極合剤層からなり、前記第２電極が、導電部と絶縁部とを有する第２集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの第２電極合剤層からなり、前記第１集電体シートの導電部が前記極板群の第１底面において第１端子と接続され、前記第２集電体シートの導電部が前記極板群の第２底面において第２端子と接続され、前記第１集電体シートの絶縁部が前記第２底面に配され、前記第２集電体シートの絶縁部が前記第１底面に配され、前記第１端子と前記第１底面との間に、前記第１端子と前記第２電極とを絶縁するための第１絶縁材料部が設けられており、前記第２端子と前記第２底面との間に、前記第２端子と前記第１電極とを絶縁するための第２絶縁材料部が設けられている電気化学素子である。
【００４８】
以上の工程（ａ）〜（ｄ）は、（ａ）〜（ｄ）の順に行うことが必要であるが、後の工程は、当業者であれば適宜行うことができる。ついで、工程（ｄ）の後の工程について説明するが、本発明の電気化学素子の製造方法はこれらのみに限定されるものではない。
【００４９】
工程（ｅ）
まず、工程（ｄ）で得られた捲回型極板群は、最終的に得る電気化学素子の形状に合わせて、適宜プレスなどにより、その形状を円筒状または角形にしておくことが可能である。この工程は、当業者であれば、常法にしたがって適宜行うことができる。
プレスの方法としては、種々のものが考えられるが、本発明に係る電気化学素子の製造方法の工程（ｄ）によって得られる捲回型極板群において、電極合剤層そのものや電極群の構造がズレたり壊されたりしない範囲において、常法により行えばよい。
【００５０】
工程（ｆ）
また、前記工程（ｄ）の後、第１集電体シートの導電層の導電露出部が配列している第１底面および第２集電体シートの導電層の導電露出部が配列している第２底面を、それぞれ金属で被覆する工程を行うことにより、第１端子４１および第２端子４２を形成することができる（図３参照）。
金属による被覆は、例えば、溶融もしくは半溶融状態の金属微粒子を前記底面に吹き付けることにより、行うことができる。前記底面おいて、第２電極の端面には絶縁材料が塗工されているため、金属被膜と第２電極との短絡は起こらない。こうして形成された金属被膜は、第１集電体シートの導電層の露出部とだけ電気的に接続される。第２集電体シートの導電層の露出部と第１集電体シートの絶縁部とが交互に配列する側面についても、上記と同様に金属で被覆する。
【００５１】
ここで、端子が正極端子となる場合には、上記金属微粒子としてアルミニウム粉末を用いることが好ましい。また、端子が負極端子となる場合には、上記金属微粒子として銅粉末を用いることが好ましい。
第１集電体シートの導電層と電気的に接続された金属の被膜および第２集電体シートの導電層と電気的に接続された金属の被膜は、それぞれ第１端子および第２端子として機能する。一方、端子を有さない極板群の底面は、そのままの状態でもよいが、できれば多孔質な絶縁材料で被覆することが好ましい。
【００５２】
工程（ｇ）
上記のようにして得られる捲回型極板群は、多くの場合、電解液とともに所定のケースに収容して用いられる。電解液は、電池の種類に応じて異なるが、リチウムイオン二次電池の場合には、非水溶媒にリチウム塩を溶解させて調製した電解液が用いられる。したがって、前記捲回型極板群をケースに入れる工程、第１端子および第２端子を取り付ける工程、封口板を接合する工程、および電解液を注入する工程などを行う必要がある。なお、任意に、予備充電を行ってもよい。
【００５３】
ケースの形状、材質などは特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼板、アルミニウム板などを所定形状に加工したもの、両面に樹脂被膜を有するアルミニウム箔（アルミニウムラミネートシート）、樹脂ケースなどが用いられる。
電気化学素子が、例えばリチウムイオン二次電池の場合、電解液には、非水溶媒にリチウム塩を溶解させたものが用いられる。電解液におけるリチウム塩濃度は、例えば０．５〜１．５ｍｏｌ／Ｌとすることが好ましい。
【００５４】
非水溶媒には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの非環状カーボネート、蟻酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのγ−ラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタンなどの非環状エーテル、テトラヒドロフラン、２−メチル−テトラヒドロフランなどの環状エーテル、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのアルキルリン酸エステルやそれらのフッ化物などを用いることができる。これらは複数種を組み合わせて用いることが好ましい。特に、環状カーボネートと非環状カーボネートを含む混合物、環状カーボネートと非環状カーボネートと脂肪族カルボン酸エステルを含む混合物などが好ましい。
【００５５】
リチウム塩には、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＰＦ_３（ＣＦ_３）_３、ＬｉＰＦ_３（Ｃ_２Ｆ_５）_３などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよいが、少なくともＬｉＰＦ６を用いることが好ましい。
【００５６】
上記のような本発明に係る製造方法によれば、例えば、縦１〜３００ｍｍ、幅１〜３００ｍｍ、厚さ０．０１〜２０ｍｍの範囲であれば、任意の大きさの捲回型極板群を効率よく製造することができる。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【００５７】
【実施例】
《実施例１》
（ａ）第１集電体および第２集電体の作製
この工程では、シート状の絶縁性基材の両面に導電層を設けて第１集電体および第２集電体を得た。
まず、横１９８ｍｍ、縦２８２ｍｍ、厚さ７μｍの絶縁性基材であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のシートを準備した。次いで、帯状に開口部を有するように配置されたテープ状のマスクを用いて、ＰＥＴシートの両面の同じ位置に、６列に配列する複数の帯状（１９８ｍｍ×４５ｍｍ）の銅の蒸着膜を形成し、第１集電体を得た。銅の蒸着膜の厚さは、０．１μｍとした。
また、横１９８ｍｍ、縦２８２ｍｍ、厚さ７μｍの絶縁性基材であるＰＥＴシートを準備し、帯状に開口部を有するように配置されたテープ状のマスクを用いて、ＰＥＴシートの両面の同じ位置に、６列に配列する複数の帯状（１９８ｍｍ×４５ｍｍ）のアルミニウムの蒸着膜を形成し、第２集電体を得た。Ａｌ蒸着膜の厚さは、０．１μｍとした。
【００５８】
（ｂ）第１電極群および第２電極群の作製
この工程においては、前記第１集電体および前記第２集電体の前記導電層の上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層および第２電極合剤層を、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて形成し、第１電極群および第２電極群を得た。
まず、活物質の球状黒鉛（黒鉛化メソフェーズ小球体）１００重量部と、結着剤のスチレンブタジエンゴム３重量部と、分散媒である適量のカルボキシメチルセルロース水溶液とを混合することにより、第１電極合剤からなるペーストを調製した。
そして、ペーストを第１集電体の各蒸着膜の中央部を除く全面に塗工した。その結果、各蒸着膜の上に、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて、１９８ｍｍ×４６ｍｍの第１電極合剤層を６つ形成した。隣接する第１電極合剤層の間には、幅１ｍｍの溝状に、間隙として、合剤を有さない銅の蒸着膜の露出部を残した。
その後、ペーストの塗膜を乾燥し、乾燥後の塗膜を厚さ７０μｍになるまでローラで圧延し、第１電極群を得た。
【００５９】
一方、活物質のコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）１００重量部と、導電材のアセチレンブラック３重量部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン７重量部と、分散媒である適量のカルボキシメチルセルロース水溶液とを混合することにより、第２電極合剤からなるペーストを調製した。
そして、ペーストを、第２集電体の各蒸着膜の中央部を除く全面に塗工した。その結果、各蒸着膜の上に、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて、１９８ｍｍ×４５ｍｍの第２電極合剤層を６つ形成した。隣接する第２電極合剤層の間には、幅２ｍｍの溝状に、間隙として、合剤を有さないＡｌの蒸着膜の露出部を残した。
その後、ペーストの塗膜を乾燥し、乾燥後の塗膜を厚さ７０μｍになるまでローラで圧延し、第２電極群を得た。
【００６０】
ここで、第１電極群において、第１電極合剤層の周縁部のうち、蒸着膜の露出部に隣接する部分の反対側の部分に、ポリフッ化ビニリデンを塗工し、幅０．３ｍｍの絶縁材料部を形成した。こうして、両面に６列の第１電極合剤層を有する第１電極群を得た。
また、同様に、第２電極群において、第２電極合剤層の周縁部のうち、蒸着膜の露出部に隣接する部分の反対側の部分に、ポリフッ化ビニリデンを塗工し、幅０．３ｍｍの絶縁材料部を形成した。こうして、両面に６列の第２電極合剤層を有する第２電極群を得た。
【００６１】
（ｃ）捲回体の作製
この工程では、セパレータを介して前記第１電極群および前記第２電極群を、前記第１電極合剤層および前記第２電極合剤層の長さ方向に供給しながら捲回し、捲回体を得た。
まず、両面に第１電極合剤層を有する第１電極群と、両面に第２電極合剤層を有する第２電極群とを、セパレータを介して挟持して積層した。このとき、第１電極合剤層と第２電極合剤層とが互いに対面するように、また、第１電極群における蒸着膜の露出部（間隙）およびポリフッ化ビニリデンが、それぞれ第２電極群におけるポリフッ化ビニリデンおよび蒸着膜の露出部（間隙）と対面するように、第１電極群と第２電極群とを配置して積層体とした。そして、この積層体を、プレスした。
ついで、前記積層体を、前記第１電極合剤層および第２電極合剤層の長さ方向と同じ方向に捲回し、捲回体を得た。
【００６２】
（ｄ）捲回型極板群の作製
この工程においては、前記捲回体を、前記間隙において切断し、複数個の捲回型極板群を得た。
すなわち、前記捲回体は、前記間隙を挟んで、６つの捲回型極板群を連なって含んでいる状態にある。そこで、切断位置を、前記捲回体における蒸着膜の露出部（間隙）の中心に対応させて決定し、前記捲回体を切断することによって、複数個の捲回型極板群を得た。その結果、一連の塗工・捲回工程により、一度に６個もの捲回型極板群を得ることができた。
【００６３】
（ｅ）金属層の被覆
上述のようにして得られた捲回型極板群の第２底面、すなわち、第１集電体シートの銅の蒸着膜の露出部と第２集電体シートのＰＥＴ樹脂部とが交互に配列する底面に、半溶融状態の銅微粒子を吹き付けた。その結果、前記底面に、厚さ０．５ｍｍの銅膜が形成された。このとき、銅の蒸着膜の露出部が、銅膜の内部に深さ０．２ｍｍまで食い込んでいた。この銅膜は、そのまま負極端子として用いることができる。
次に、上述のようにして得られた捲回型極板群の第１底面、すなわち、第２集電体シートのＡｌの蒸着膜の露出部と第１集電体シートのＰＥＴ樹脂部とが交互に配列する底面に、半溶融状態のアルミニウム微粒子を吹き付けた。その結果、前記側面に、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム膜が形成された。このとき、Ａｌの蒸着膜の露出部が、アルミニウム膜の内部に深さ０．２ｍｍまで食い込んでいた。このアルミニウム膜は、そのまま正極端子として用いることができる。
【００６４】
こうして得られた極板群の銅膜と、アルミニウム膜とに、それぞれリード線を接続し、外部の充放電装置を用いて、充放電試験を行った。
ここで用いた電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを体積比３０：７０で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１モル／Ｌの濃度で溶解して調製した。
【００６５】
［評価］
充放電は、２０℃雰囲気中で行った。
充電および放電は、それぞれ電極面積に対して２．５ｍＡ／ｃｍ^２の電流モードで行った。充電終止電圧は４．２Ｖとした。放電終止電圧は３．０Ｖとした。
上記条件によって得られた電気容量は９００ｍＡｈであった。
なお、比較として、従来から用いられている銅箔からなる芯材を用いて負極を作製し、アルミニウム箔からなる芯材を用いて正極を作製したところ、同様の容量の電池を得るためには、電池の容積が実施例のリチウムイオン二次電池の１．２倍となった。このことから、本発明によれば、電気化学素子の容量あたりのエネルギー密度を、従来よりも高められることが明らかとなった。
また、実施例のリチウムイオン二次電池を落下させて機械的衝撃を与えても、内部短絡に由来する電圧降下などの異常は認められなかった。
【００６６】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、正極端子や負極端子の構造が簡略であり、集電タブや集電リードを用いる必要はないため、小型でも高い電気容量を有し、信頼性の高い電気化学素子複数個を同時に効率よく製造することができる。このような電気化学素子を含む非水電解液二次電池を用いることにより、信頼性の高い携帯電話、携帯情報端末機器、カムコーダ、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、携帯音響機器、電気自動車、ロードレベリング用電源などの機器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気化学素子の製造方法の工程図である。
【図２】本発明の製造方法において用いる第１電極群、セパレータおよび第２電極群の概略斜視図である。
【図３】本発明において得られる電気化学素子を概念的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ第１集電体
１ｂ第２集電体
１０ａ絶縁性基材
１０ｂ絶縁性基材
１１ａ導電層
１１ｂ導電層
１２ａ第１電極合剤層
１２ｂ第２電極合剤層
１３ａ間隙
１３ｂ間隙
１４第１電極群
１５第２電極群
１６セパレータ
１７捲回体
１８捲回型極板群
２０ａ導電露出部
２０ｂ導電露出部
２１ａ絶縁露出部
２１ｂ絶縁露出部
３４ａ接続部
３４ｂ接続部
３５ａ絶縁材料部
３５ｂ絶縁材料部
４１第１端子
４２第２端子

Claims

（ａ）シート状の絶縁性基材の両面に導電層を設けて第１集電体および第２集電体を得る工程、
（ｂ）前記第１集電体および前記第２集電体の前記導電層の上に、それぞれ複数個の第１電極合剤層および第２電極合剤層を、平行に並ぶ帯状に間隙を設けて形成し、第１電極群および第２電極群を得る工程、
（ｃ）セパレータを介して前記第１電極群および前記第２電極群を、前記第１電極合剤層および前記第２電極合剤層の長さ方向に供給して同心円状に捲回し、捲回体を得る工程、
（ｄ）前記捲回体を、前記間隙において切断することにより、複数個の捲回型極板群を得る工程を含むことを特徴とする電気化学素子の製造方法。
前記工程（ｂ）の後、前記工程（ｃ）の前に、前記間隙において、前記導電層上に絶縁材料部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の電気化学素子の製造方法。
前記捲回型極板群の第１底面および第２底面を金属で被覆し、第１端子および第２端子を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の電気化学素子の製造方法。