JP2005019312A - 非水電解質二次電池用電極および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】高容量で、コンパクト化が可能であり、短絡の可能性を大幅に低減した非水電解質二次電池を効率よく提供する。
【解決手段】非水電解質二次電池において、（ａ）一方の面に第１導電部１０５と第１絶縁部１０７とを有し、他方の面に第２導電部１０６と第２絶縁部１０８とを有する集電体シート１０１、（ｂ）第１導電部１０５に担持された第１電極合剤層１０２、および（ｃ）第２導電部１０６に担持された第２電極合剤層１０３からなり、前記集電体シート１０１が、絶縁シート１０４を含み、第１導電部１０５が、前記絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５からなり、第２導電部１０６が、前記絶縁シート１０４の他方の面に形成された第２導電層１０６からなり、第１絶縁部１０７が、前記絶縁シート１０４の一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部１０８が、前記絶縁シート１０４の他方の面に残されたその露出部からなる電極を用いる。
【選択図】 図３
【解決手段】非水電解質二次電池において、（ａ）一方の面に第１導電部１０５と第１絶縁部１０７とを有し、他方の面に第２導電部１０６と第２絶縁部１０８とを有する集電体シート１０１、（ｂ）第１導電部１０５に担持された第１電極合剤層１０２、および（ｃ）第２導電部１０６に担持された第２電極合剤層１０３からなり、前記集電体シート１０１が、絶縁シート１０４を含み、第１導電部１０５が、前記絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５からなり、第２導電部１０６が、前記絶縁シート１０４の他方の面に形成された第２導電層１０６からなり、第１絶縁部１０７が、前記絶縁シート１０４の一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部１０８が、前記絶縁シート１０４の他方の面に残されたその露出部からなる電極を用いる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の機器類の小型・軽量化等に伴い、機器類の電源となる非水電解質二次電池をコンパクト化する検討が活発に行われている。このような流れのなかで、部品点数を少なくすることができるというメリットを有するバイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池のコンパクト化についても検討が行われている（特許文献１参照）。しかし、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池においては、電解液による短絡を防止することが重要であり、製造に工夫を要する面もある。
【０００３】
また、非水電解質二次電池には、積層型と捲回型とがあるが、バイポーラ型電極は主に積層型で用いられている。非水電解質二次電池の主流は捲回型であるが、捲回型電池にバイポーラ型電極があまり用いられない理由として、捲回型電池の極板群が複雑な構造を有する点が挙げられる。捲回型電池の極板群は、長尺の正極と負極とをセパレータを介して捲回して構成される。正極と負極は、それぞれ集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの電極合剤層からなり、集電体シートには、全体が導電部からなる金属箔等が用いられている。このような極板群において電極間の絶縁を確保するには様々な工夫を要し、構造が複雑になることから、バイポーラ型電極を用いるメリットは少ない。
【０００４】
一方、バイポーラ型電極を用いない一般的な捲回型電池の極板群の製造においては、長尺の正極からなるフープと、長尺の負極からなるフープと、セパレータからなるフープが２つ必要であり、合計４つのフープが用いられる。そのため製造工程が複雑となり、巻きズレなどが起こりやすいという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３０７４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高容量で、コンパクト化が可能な非水電解質二次電池を提供すること、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池の短絡の可能性を低減すること、およびバイポーラ型電極を用いることにより、捲回型電池の製造工程を簡略化し、巻きズレの可能性を大幅に低減すること、の少なくとも一つを達成することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非水電解質二次電池用電極であって、（ａ）一方の面に第１導電部と第１絶縁部とを有し、他方の面に第２導電部と第２絶縁部とを有する集電体シート、（ｂ）第１導電部に担持された第１電極合剤層、および（ｃ）第２導電部に担持された第２電極合剤層からなり、前記集電体シートが、絶縁シートを含み、第１導電部が、前記絶縁シートの一方の面に形成された第１導電層からなり、第２導電部が、前記絶縁シートの他方の面に形成された第２導電層からなり、第１絶縁部が、前記絶縁シートの一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部が、前記絶縁シートの他方の面に残されたその露出部からなる電極（以下、電極Ｘともいう）に関する。
【０００８】
電極Ｘにおいて、第１導電部は、第１電極合剤層を担持しない第１導電層露出部を有し、第２導電部は、第２電極合剤層を担持しない第２導電層露出部を有し、第１導電層露出部と第２導電層露出部とが、前記絶縁シートの互いに対向する端部にそれぞれ位置することが好ましい。
また、第１絶縁部は、前記絶縁シートの第１導電層露出部とは反対側の端部に位置し、第２絶縁部は、前記絶縁シートの第２導電層露出部とは反対側の端部に位置することが好ましい。
【０００９】
本発明は、また、非水電解質二次電池であって、（ａ）少なくとも１つの電極Ｘ、（ｂ）第１電極合剤層と第２電極合剤層との間に介在するセパレータ、および（ｃ）非水電解質からなる電池に関する。
本発明は、前記電極と前記セパレータとが、捲回されて円筒形の極板群を構成している捲回型電池において特に有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態１
本実施形態では、電極Ｘの好ましい一例について説明する。
図１（ａ）に、電極Ｘ１００の上面図、図１（ｂ）に背面図、図１（ｃ）に電極Ｘのｃ−ｃ線断面図を示す。
電極Ｘ１００は、一方の面に第１導電部と第１絶縁部とを有し、他方の面に第２導電部と第２絶縁部とを有する集電体シート１０１、第１導電部に担持された第１電極合剤層１０２、および第２導電部に担持された第２電極合剤層１０３からなる。
【００１１】
集電体シート１０１は、絶縁シート１０４を含んでおり、第１導電部は、絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５からなり、第２導電部は、絶縁シート１０４の他方の面に形成された第２導電層１０６からなる。
第１絶縁部１０７は、絶縁シート１０４の一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部１０８は、絶縁シート１０４の他方の面に残されたその露出部からなる。
【００１２】
絶縁シートの厚さは、例えば０．５〜５００μｍであることが好ましい。また、第１もしくは第２導電層の厚さは、０．０１〜１００μｍであることが好ましい。平坦な表面を有する通常の絶縁シートを用いてもよく、表面に凹凸を有する絶縁シートを用いてもよい。
【００１３】
絶縁シートとして樹脂シートを用いる場合、樹脂シートは、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イ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からなることが好ましい。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。
【００１４】
第１もしくは第２導電層には、金属蒸着層、金属メッキ層などを用いることが好ましい。金属蒸着層は、０．５μｍ以下の比較的薄い導電層が望まれる場合において特に好適である。また、金属メッキ層は、０．５μｍを超える比較的厚い導電層が望まれる場合において特に好適である。
【００１５】
金属蒸着層と金属メッキ層とを併用することもできる。例えば、絶縁シート上に、下地となる金属蒸着層をパターン蒸着した後、その上に、金属メッキ層を形成することにより、パターンメッキを容易に行うことができる。０．５μｍを超える厚さの導電層を所望の形状パターンに形成する場合には、金属蒸着層と金属メッキ層との併用が極めて有用である。
【００１６】
金属蒸着層は、どのような方法で作製してもよいが、例えば、抵抗加熱法、ｒｆ加熱法、エレクトロンビーム法等により作製することができる。特に、ｒｆ加熱法やエレクトロンビーム法を採用することが好ましい。
【００１７】
所定の形状パターンを有する金属蒸着層や金属メッキ層は、所定形状のマスクを被せた絶縁シート上に蒸着またはメッキを施すことにより、形成することができる。また、金属蒸着層や金属メッキ層を形成してから、それらの導電層をレーザでトリミングすることにより、所定の形状パターンに加工することもできる。金属メッキ層は、電解法、無電解法等により形成することが好ましい。
【００１８】
正極合剤層を担持する導電層には、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、特に、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることが好ましい。また、負極合剤層を担持する導電層には、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、特に、銅、銅合金などを用いることが好ましい。
【００１９】
第１導電部は、第１電極合剤層を担持しない第１導電層露出部１０９を有し、第２導電部は、第２電極合剤層を担持しない第２導電層露出部１１０を有する。第１導電層露出部１０９と第２導電層露出部１１０とは、絶縁シート１０４の互いに対向する端部にそれぞれ位置しており、それぞれ外部へ電気を取り出すための第１端子および第２端子との接続部として利用される。
【００２０】
また、第１絶縁部１０７は、絶縁シート１０４の第１導電層露出部１０９とは反対側の端部に位置し、第２絶縁部１０８は、絶縁シートの第２導電層露出部１１０とは反対側の端部に位置している。従って、第１導電層露出部１０９の裏側には第２絶縁部１０８が位置するため、第１導電層露出部１０９と第１端子とを接続する際に、第１端子と第２導電部との短絡を防ぐことができる。同様に、第２導電層露出部１１０と第２端子とを接続する際には、第２端子と第１導電部との短絡を防ぐことができる。
【００２１】
図１に示される電極においては、第１絶縁部１０７に隣接する第１電極合剤層と第１導電部の端部、および第２絶縁部１０８に隣接する第２電極合剤層と第２導電部の端部が、それぞれ絶縁材料１１１で被覆されている。このような絶縁材料により、各端子を第１もしくは第２導電層露出部と接続する際に、短絡をより確実に防止することができる。
【００２２】
絶縁材料１１１の被膜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１１１で導電層や電極合剤層の端部を被覆する方法は特に限定されない。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。フィルム状もしくはテープ状の絶縁材料を、電極合剤層の端部に貼り付けてもよい。
【００２３】
絶縁材料１１１としては、樹脂、ガラス組成物、セラミックスなどを用いることができる。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イ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挙げることができる。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。
【００２４】
図１に示される電極においては、通常のバイポーラ電極と異なり、第１電極合剤層１０２と第２電極合剤層１０３とが絶縁シート１０４によって絶縁されている。従って、セパレータを介して電極を積層すれば、並列接続による高容量電池を得ることができる。また、絶縁シートは、従来の集電体シートに用いられている金属シートと違って軽量であることから、軽量な電池を得ることが可能となる。
【００２５】
図１では、第１電極合剤層１０２に比べて、第２電極合剤層１０３の方が小さな面積を有している。このような構造は、第１電極合剤層１０２を負極とし、第２電極合剤層１０３を正極とするリチウムイオン二次電池の電極に適する。第１電極合剤層１０２を正極とし、第２電極合剤層１０３を負極とする場合には、第２電極合剤層１０３に比べて第１電極合剤層１０２の面積を小さくする。
第１もしくは第２電極合剤層の厚さは、例えば１〜１０００μｍであるが、これらの厚さは特に限定されない。
【００２６】
第１もしくは第２電極合剤層は、各電極合剤からなるペーストを、第１もしくは第２導電層上に塗工することにより形成される。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できる。
電極合剤は、電極活物質、結着剤、必要であれば導電材などを、分散媒と混合することにより調製される。ペーストの塗膜を乾燥し、乾燥後の塗膜をローラで圧延して、合剤密度が高められる。
【００２７】
電極合剤層がリチウムイオン二次電池の正極合剤層である場合、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、ＬｉｘＣｏＯｚ、ＬｉｘＮｉＯｚ、ＬｉｘＭｎＯｚ、ＬｉｘＣｏｙＮｉ１−ｙＯｚ、ＬｉｘＣｏｆＶ１−ｆＯｚ、ＬｉｘＮｉ１−ｙＭｙＯｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ）、ＬｉｘＣｏａＮｉｂＭｃＯｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｚｒ）、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２（１−ｙ）Ｍ２ｙＯ４（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。
【００２８】
電極合剤層がリチウムイオン二次電池の負極合剤層である場合、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。
【００２９】
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。
【００３０】
実施形態２
本実施形態では、捲回型の非水電解質二次電池の一例について説明する。
捲回型電池の極板群は、図２に示すように、上述のような電極Ｘ２０５のフープ２０１とセパレータ２０６のフープ２０２を用いて作製することができる。各フープから巻き出された電極Ｘ２０５とセパレータ２０６は、ローラ２０３ａおよび２０３ｂを通過する際に互いに重なり合い、その状態のままローラ２０３ｃ〜２０３ｅを通過して、巻芯２０７によって巻き取られる。こうして捲回型の極板群２０８が得られる。すなわち、電極Ｘを用いることにより、２つのフープから捲回型の極板群を得ることが可能となる。
【００３１】
得られた極板群の断面構造を概念的に図３に示す。
極板群３００の断面においては、電極Ｘとセパレータ３０１とが交互に配列している。セパレータ３０１を介して、隣接する第１電極合剤層１０２と第２電極合剤層１０３とが対面している。
絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５のうち、第１電極合剤層１０２を担持しない第１導電層露出部１０９は、極板群の一方の端面（図３下部）に位置している。この端面において、第１導電層露出部１０９は、第１端子３０２と接続される。同様に、第２導電層１０６のうち、第２電極合剤層１０３を担持しない第２導電層露出部１１０は、極板群の他方の端面（図３上部）に位置している。この端面において、第２導電層露出部１１０は、第２端子３０３と接続される。
【００３２】
第１導電層露出部１０９の裏側には、絶縁シート１０４の露出部からなる第２絶縁部１０８が位置している。また、第２絶縁部１０８に隣接する第２電極合剤層１０３および第２導電層１０６の端部は、絶縁材料１１１により被覆されている。従って、第１端子３０２と第１導電層露出部１０９とを接続する際に、第１端子が第２電極合剤層１０３や第２導電層１０６と短絡することはない。
【００３３】
また、第２導電層露出部１１０の裏側には、絶縁シート１０４の露出部からなる第１絶縁部１０７が位置している。また、第１絶縁部１０７に隣接する第１電極合剤層１０２および第１導電層１０５の端部は、絶縁材料１１１により被覆されている。従って、第２端子３０３と第２導電層露出部１１０とを接続する際に、第２端子が第１電極合剤層１０２や第１導電層１０５と短絡することはない。
なお、短絡を確実に防止する観点から、第１絶縁部１０７および第２絶縁部１０８の幅（高さ）は０．００１ｍｍ以上とすることが好ましく、０．１ｍｍ以上とすることがより好ましい。
【００３４】
セパレータには、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。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。
【００３５】
第１端子および第２端子は、どのようにして設けてもよいが、例えば導電性材料の被膜で極板群の所定の端面を被覆することにより設けることができる。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。良好な集電状態を得るためには、各導電層露出部と導電性材料の被膜との接触面積が大きいほど好ましく、各導電層露出部が導電性材料の被膜の内部に０．００１〜１ｍｍの深さまで埋没していることが好ましい。
【００３６】
図３では、捲回型極板群について説明したが、同じ向きに配置された複数の電極Ｘをセパレータを介して積層し、高容量な積層型極板群を構成することもできる。この場合、第１導電層露出部１０９および第２導電層露出部１１０は、積層型極板群の互いに反対側の側面にそれぞれ配列する。従って、各側面において短絡を起こさずに、第１導電層露出部１０９を第１端子と接続し、第２導電層露出部１１０を第２端子と接続することが可能である。
【００３７】
上記のような極板群を用いれば、構造が単純であることから、体積効率が高く、高容量で、コンパクトな電池を得ることが可能である。また、短絡の可能性も大幅に低減する。また、捲回型電池は、２つのフープを用いて製造することが可能であり、４つのフープを要した従来に比べて製造工程が簡略化され、巻きズレの可能性が大幅に低減する。
【００３８】
得られた極板群は、必要に応じて所定形状のケースに所定の電解液とともに収容される。ケースには、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。ケース内に極板群とともに収容される電解液の組成は、電池の種類に応じて異なる。電池が、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である。
【００３９】
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。
【００４０】
リチウム塩には、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、ＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）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。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
本実施例では、以下の要領で捲回型のリチウムイオン二次電池を作製した。製造工程について、図４を参照しながら説明する。
（イ）集電体シートの作製
厚さ７μｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）のシート４０３を準備した。次いで、マトリックス状の開口部を有するマスクを用いて、ＰＥＴシート４０３の一方の面に、図４（ａ）に示すようにアルミニウムの蒸着膜４０１を形成した。Ａｌ蒸着膜４０１の厚さは、０．１μｍとした。
同様に、ＰＥＴシート４０３の他方の面に、破線で示されるパターンに沿って、Ａｌ蒸着膜４０１とは逆の配置を有する銅の蒸着膜４０２を形成した。Ｃｕ蒸着膜４０２の厚さは、０．１μｍとした。
ＰＥＴシートのＡｌ蒸着膜４０１およびＣｕ蒸着膜４０２を設けた面には、それぞれＰＥＴシートの露出部からなるストライプ状絶縁部４０４および４０５を残した。こうして集電体シート４００を得た。なお、図４では、集電体シート４００は概念的に短く描かれているが、実際には長尺のＰＥＴシートからなるフープを用いた。
【００４２】
（ロ）第１電極合剤層
活物質のコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）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１電極合剤からなるペーストを調製した。このペーストを、図４（ｂ）に示すようにＡｌ蒸着膜４０１上に塗工し、３列の帯状の第１電極合剤層５０１を形成した。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た。
第１電極合剤層の周縁部のうち、ストライプ状絶縁部４０４に隣接する部分に、絶縁材料として、幅０．３ｍｍ、乾燥後の厚さ７０μｍのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の塗膜（図示せず）を形成した。ストライプ状絶縁部４０５の裏側は、Ａｌ蒸着膜露出部５０３とした。
【００４３】
（ハ）第２電極合剤層
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２電極合剤からなるペーストを調製した。このペーストを、図４（ｂ）に示すようにＣｕ蒸着膜４０２上に塗工し、３列の帯状の第２電極合剤層５０２を形成した。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た。
第２電極合剤層の周縁部のうち、ストライプ状絶縁部４０５に隣接する部分に、絶縁材料として、幅０．３ｍｍ、乾燥後の厚さ７０μｍのＰＶＤＦの塗膜（図示せず）を形成した。ストライプ状絶縁部４０４の裏側は、Ｃｕ蒸着膜露出部５０４とした。
【００４４】
（ニ）極板群の作製
完成したバイポーラ電極５００のフープとセパレータ６００のフープとを用いて捲回工程を行った。捲回工程では、図２に示されるような装置を用いて、バイポーラ電極５００とセパレータ６００とを重ね合わせるとともに捲回した。その結果、図４（ｃ）に示すような、複数の捲回型極板群からなる長尺筒状の極板群集合体７００を得た。
【００４５】
集合体７００は、ストライプ状絶縁部４０４（Ｃｕ蒸着膜露出部５０４）の中心線、およびストライプ状絶縁部４０５（Ａｌ蒸着膜露出部５０３）の中心線に沿って、矢印Ｙの位置で切断し、極板群毎に分割した。その結果、一連の塗工・捲回工程により、一度に３個の極板群を得ることができた。
【００４６】
第１電極合剤層の端部とＡｌ蒸着膜露出部５０３と第２電極合剤層の端部を覆うＰＶＤＦの塗膜とが順次に配列する端面（第１底面）には、注入孔を設けるためのマスクを被せた後、半溶融状態のＡｌ微粒子を吹き付けた。その結果、第１底面に、厚さ０．５ｍｍのＡｌ膜が形成された。このとき、Ａｌ蒸着膜露出部５０３が、Ａｌ膜の内部に深さ０．２ｍｍまで埋没していた。第１底面に配されている第２電極合剤層の端面は、ＰＶＤＦの塗膜で覆われているため、吹き付けにより形成されたＡｌ膜と第２電極合剤とが接触することはなかった。このＡｌ膜を正極端子とした。
【００４７】
第２電極合剤層の端部とＣｕ蒸着膜露出部５０４と第１電極合剤層の端部を覆うＰＶＤＦの塗膜とが順次に配列する端面（第２底面）には、注入孔を設けるためのマスクを被せた後、半溶融状態のＣｕ微粒子を吹き付けた。その結果、第２底面に、厚さ０．５ｍｍのＣｕ膜が形成された。このとき、Ｃｕ蒸着膜露出部５０４が、Ｃｕ膜の内部に深さ０．２ｍｍまで埋没していた。第２底面に配されている第１電極合剤層の端面は、ＰＶＤＦの塗膜で覆われているため、吹き付けにより形成されたＣｕ膜と第１電極合剤とが接触することはなかった。このＣｕ膜を負極端子とした。
【００４８】
こうして得られた極板群をステンレス鋼製の円筒型電池ケースに収容し、極板群第２底面のＣｕ膜をケースの内底面に接続した。極板群第１底面のＡｌ膜は、アルミニウムリードを介して、周囲に絶縁ガスケットを配した封口板の裏側に接続した。次いで、電解液をケース内に注ぎ、注液孔から電解液を極板群の内部に含浸させた。その後、封口板でケースの開口部を封口し、円筒型電池を完成した。
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、ＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解して調製した。
【００４９】
《比較例１》
従来と同様の方法で、捲回型のリチウムイオン二次電池を作製した。
すなわち、帯状のＡｌ箔およびその両面に担持された実施例１と同じ組成・厚さの第１電極合剤層からなる第１電極を作製し、帯状のＣｕ箔およびその両面に担持された実施例１と同じ組成・厚さの第２極合剤層からなる第２電極を作製した。それぞれの極板には、集電タブを接続するための電極合剤層の未塗工部を設け、そこに集電タブを接続した。そして、第１電極のフープと第２電極のフープと、２つのセパレータのフープを用いて、極板群を作製した。
【００５０】
こうして得られた極板群を、実施例１で用いたものより直径が１．２倍大きなステンレス鋼製の円筒型電池ケースに収容し、第２電極のリードをケースの内底面に溶接した。また、第１電極のリードは、周囲に絶縁ガスケットを配した封口板の裏側に接続した。次いで、電解液をケース内に注ぎ、実施例１と同様の電解液を極板群の内部に含浸させた。その後、封口板でケースの開口部を封口し、円筒型電池を完成した。なお、比較例１で実施例１よりも大きな電池ケースを要したのは、集電タブが極板群の内部に介在していることから極板群の直径が増加したためである。
【００５１】
得られた各電池の充放電試験を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／ｃｍ２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。従って、実施例１の電池は比較例１の電池よりも体積エネルギー密度が１．２倍大きかった。
【００５２】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、高容量で、コンパクト化が可能であり、短絡の可能性を大幅に低減した非水電解質二次電池を提供することができる。また、本発明によれば、捲回型電池の製造工程を簡略化し、巻きズレの可能性を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極Ｘの上面図（ａ）、背面図（ｂ）およびｃ−ｃ線断面図（ｃ）を示す図である。
【図２】捲回型電池の極板群の捲回工程を示す図である。
【図３】本発明の捲回型電池の極板群の断面構造を概念的に示す図である。
【図４】本発明の捲回型電池の極板群の製造工程を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１００ 電極Ｘ
１０１ 集電体シート
１０２ 第１電極合剤層
１０３ 第２電極合剤層
１０４ 絶縁シート
１０５ 第１導電層
１０６ 第２導電層
１０７ 第１絶縁部
１０８ 第２絶縁部
１０９ 第１導電層露出部
１１０ 第２導電層露出部
１１１ 絶縁材料
２０１ 電極Ｘのフープ
２０２ セパレータのフープ
２０３ａ〜２０３ｅ ローラ
２０５ 電極Ｘ
２０６ セパレータ
２０７ 巻芯
２０８ 極板群
３００ 極板群
３０１ セパレータ
３０２ 第１端子
３０３ 第２端子
４００ 集電体シート
４０１ Ａｌ蒸着膜
４０２ Ｃｕ蒸着膜
４０３ ＰＥＴシート
４０４、４０５ ストライプ状絶縁部
５００ バイポーラ電極
５０１ 第１電極合剤層
５０２ 第２電極合剤層
５０３ Ａｌ蒸着膜露出部
５０４ Ｃｕ蒸着膜露出部
６００ セパレータ
７００ 極板群集合体
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の機器類の小型・軽量化等に伴い、機器類の電源となる非水電解質二次電池をコンパクト化する検討が活発に行われている。このような流れのなかで、部品点数を少なくすることができるというメリットを有するバイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池のコンパクト化についても検討が行われている（特許文献１参照）。しかし、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池においては、電解液による短絡を防止することが重要であり、製造に工夫を要する面もある。
【０００３】
また、非水電解質二次電池には、積層型と捲回型とがあるが、バイポーラ型電極は主に積層型で用いられている。非水電解質二次電池の主流は捲回型であるが、捲回型電池にバイポーラ型電極があまり用いられない理由として、捲回型電池の極板群が複雑な構造を有する点が挙げられる。捲回型電池の極板群は、長尺の正極と負極とをセパレータを介して捲回して構成される。正極と負極は、それぞれ集電体シートおよびこれに担持された少なくとも１つの電極合剤層からなり、集電体シートには、全体が導電部からなる金属箔等が用いられている。このような極板群において電極間の絶縁を確保するには様々な工夫を要し、構造が複雑になることから、バイポーラ型電極を用いるメリットは少ない。
【０００４】
一方、バイポーラ型電極を用いない一般的な捲回型電池の極板群の製造においては、長尺の正極からなるフープと、長尺の負極からなるフープと、セパレータからなるフープが２つ必要であり、合計４つのフープが用いられる。そのため製造工程が複雑となり、巻きズレなどが起こりやすいという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３０７４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、高容量で、コンパクト化が可能な非水電解質二次電池を提供すること、バイポーラ型電極を具備する非水電解質二次電池の短絡の可能性を低減すること、およびバイポーラ型電極を用いることにより、捲回型電池の製造工程を簡略化し、巻きズレの可能性を大幅に低減すること、の少なくとも一つを達成することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、非水電解質二次電池用電極であって、（ａ）一方の面に第１導電部と第１絶縁部とを有し、他方の面に第２導電部と第２絶縁部とを有する集電体シート、（ｂ）第１導電部に担持された第１電極合剤層、および（ｃ）第２導電部に担持された第２電極合剤層からなり、前記集電体シートが、絶縁シートを含み、第１導電部が、前記絶縁シートの一方の面に形成された第１導電層からなり、第２導電部が、前記絶縁シートの他方の面に形成された第２導電層からなり、第１絶縁部が、前記絶縁シートの一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部が、前記絶縁シートの他方の面に残されたその露出部からなる電極（以下、電極Ｘともいう）に関する。
【０００８】
電極Ｘにおいて、第１導電部は、第１電極合剤層を担持しない第１導電層露出部を有し、第２導電部は、第２電極合剤層を担持しない第２導電層露出部を有し、第１導電層露出部と第２導電層露出部とが、前記絶縁シートの互いに対向する端部にそれぞれ位置することが好ましい。
また、第１絶縁部は、前記絶縁シートの第１導電層露出部とは反対側の端部に位置し、第２絶縁部は、前記絶縁シートの第２導電層露出部とは反対側の端部に位置することが好ましい。
【０００９】
本発明は、また、非水電解質二次電池であって、（ａ）少なくとも１つの電極Ｘ、（ｂ）第１電極合剤層と第２電極合剤層との間に介在するセパレータ、および（ｃ）非水電解質からなる電池に関する。
本発明は、前記電極と前記セパレータとが、捲回されて円筒形の極板群を構成している捲回型電池において特に有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態１
本実施形態では、電極Ｘの好ましい一例について説明する。
図１（ａ）に、電極Ｘ１００の上面図、図１（ｂ）に背面図、図１（ｃ）に電極Ｘのｃ−ｃ線断面図を示す。
電極Ｘ１００は、一方の面に第１導電部と第１絶縁部とを有し、他方の面に第２導電部と第２絶縁部とを有する集電体シート１０１、第１導電部に担持された第１電極合剤層１０２、および第２導電部に担持された第２電極合剤層１０３からなる。
【００１１】
集電体シート１０１は、絶縁シート１０４を含んでおり、第１導電部は、絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５からなり、第２導電部は、絶縁シート１０４の他方の面に形成された第２導電層１０６からなる。
第１絶縁部１０７は、絶縁シート１０４の一方の面に残されたその露出部からなり、第２絶縁部１０８は、絶縁シート１０４の他方の面に残されたその露出部からなる。
【００１２】
絶縁シートの厚さは、例えば０．５〜５００μｍであることが好ましい。また、第１もしくは第２導電層の厚さは、０．０１〜１００μｍであることが好ましい。平坦な表面を有する通常の絶縁シートを用いてもよく、表面に凹凸を有する絶縁シートを用いてもよい。
【００１３】
絶縁シートとして樹脂シートを用いる場合、樹脂シートは、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イ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からなることが好ましい。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。
【００１４】
第１もしくは第２導電層には、金属蒸着層、金属メッキ層などを用いることが好ましい。金属蒸着層は、０．５μｍ以下の比較的薄い導電層が望まれる場合において特に好適である。また、金属メッキ層は、０．５μｍを超える比較的厚い導電層が望まれる場合において特に好適である。
【００１５】
金属蒸着層と金属メッキ層とを併用することもできる。例えば、絶縁シート上に、下地となる金属蒸着層をパターン蒸着した後、その上に、金属メッキ層を形成することにより、パターンメッキを容易に行うことができる。０．５μｍを超える厚さの導電層を所望の形状パターンに形成する場合には、金属蒸着層と金属メッキ層との併用が極めて有用である。
【００１６】
金属蒸着層は、どのような方法で作製してもよいが、例えば、抵抗加熱法、ｒｆ加熱法、エレクトロンビーム法等により作製することができる。特に、ｒｆ加熱法やエレクトロンビーム法を採用することが好ましい。
【００１７】
所定の形状パターンを有する金属蒸着層や金属メッキ層は、所定形状のマスクを被せた絶縁シート上に蒸着またはメッキを施すことにより、形成することができる。また、金属蒸着層や金属メッキ層を形成してから、それらの導電層をレーザでトリミングすることにより、所定の形状パターンに加工することもできる。金属メッキ層は、電解法、無電解法等により形成することが好ましい。
【００１８】
正極合剤層を担持する導電層には、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、特に、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることが好ましい。また、負極合剤層を担持する導電層には、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、特に、銅、銅合金などを用いることが好ましい。
【００１９】
第１導電部は、第１電極合剤層を担持しない第１導電層露出部１０９を有し、第２導電部は、第２電極合剤層を担持しない第２導電層露出部１１０を有する。第１導電層露出部１０９と第２導電層露出部１１０とは、絶縁シート１０４の互いに対向する端部にそれぞれ位置しており、それぞれ外部へ電気を取り出すための第１端子および第２端子との接続部として利用される。
【００２０】
また、第１絶縁部１０７は、絶縁シート１０４の第１導電層露出部１０９とは反対側の端部に位置し、第２絶縁部１０８は、絶縁シートの第２導電層露出部１１０とは反対側の端部に位置している。従って、第１導電層露出部１０９の裏側には第２絶縁部１０８が位置するため、第１導電層露出部１０９と第１端子とを接続する際に、第１端子と第２導電部との短絡を防ぐことができる。同様に、第２導電層露出部１１０と第２端子とを接続する際には、第２端子と第１導電部との短絡を防ぐことができる。
【００２１】
図１に示される電極においては、第１絶縁部１０７に隣接する第１電極合剤層と第１導電部の端部、および第２絶縁部１０８に隣接する第２電極合剤層と第２導電部の端部が、それぞれ絶縁材料１１１で被覆されている。このような絶縁材料により、各端子を第１もしくは第２導電層露出部と接続する際に、短絡をより確実に防止することができる。
【００２２】
絶縁材料１１１の被膜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１１１で導電層や電極合剤層の端部を被覆する方法は特に限定されない。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。フィルム状もしくはテープ状の絶縁材料を、電極合剤層の端部に貼り付けてもよい。
【００２３】
絶縁材料１１１としては、樹脂、ガラス組成物、セラミックスなどを用いることができる。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イ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挙げることができる。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。
【００２４】
図１に示される電極においては、通常のバイポーラ電極と異なり、第１電極合剤層１０２と第２電極合剤層１０３とが絶縁シート１０４によって絶縁されている。従って、セパレータを介して電極を積層すれば、並列接続による高容量電池を得ることができる。また、絶縁シートは、従来の集電体シートに用いられている金属シートと違って軽量であることから、軽量な電池を得ることが可能となる。
【００２５】
図１では、第１電極合剤層１０２に比べて、第２電極合剤層１０３の方が小さな面積を有している。このような構造は、第１電極合剤層１０２を負極とし、第２電極合剤層１０３を正極とするリチウムイオン二次電池の電極に適する。第１電極合剤層１０２を正極とし、第２電極合剤層１０３を負極とする場合には、第２電極合剤層１０３に比べて第１電極合剤層１０２の面積を小さくする。
第１もしくは第２電極合剤層の厚さは、例えば１〜１０００μｍであるが、これらの厚さは特に限定されない。
【００２６】
第１もしくは第２電極合剤層は、各電極合剤からなるペーストを、第１もしくは第２導電層上に塗工することにより形成される。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できる。
電極合剤は、電極活物質、結着剤、必要であれば導電材などを、分散媒と混合することにより調製される。ペーストの塗膜を乾燥し、乾燥後の塗膜をローラで圧延して、合剤密度が高められる。
【００２７】
電極合剤層がリチウムイオン二次電池の正極合剤層である場合、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、ＬｉｘＣｏＯｚ、ＬｉｘＮｉＯｚ、ＬｉｘＭｎＯｚ、ＬｉｘＣｏｙＮｉ１−ｙＯｚ、ＬｉｘＣｏｆＶ１−ｆＯｚ、ＬｉｘＮｉ１−ｙＭｙＯｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ）、ＬｉｘＣｏａＮｉｂＭｃＯｚ（Ｍ＝Ｔｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｚｒ）、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２（１−ｙ）Ｍ２ｙＯ４（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。
【００２８】
電極合剤層がリチウムイオン二次電池の負極合剤層である場合、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。
【００２９】
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。
【００３０】
実施形態２
本実施形態では、捲回型の非水電解質二次電池の一例について説明する。
捲回型電池の極板群は、図２に示すように、上述のような電極Ｘ２０５のフープ２０１とセパレータ２０６のフープ２０２を用いて作製することができる。各フープから巻き出された電極Ｘ２０５とセパレータ２０６は、ローラ２０３ａおよび２０３ｂを通過する際に互いに重なり合い、その状態のままローラ２０３ｃ〜２０３ｅを通過して、巻芯２０７によって巻き取られる。こうして捲回型の極板群２０８が得られる。すなわち、電極Ｘを用いることにより、２つのフープから捲回型の極板群を得ることが可能となる。
【００３１】
得られた極板群の断面構造を概念的に図３に示す。
極板群３００の断面においては、電極Ｘとセパレータ３０１とが交互に配列している。セパレータ３０１を介して、隣接する第１電極合剤層１０２と第２電極合剤層１０３とが対面している。
絶縁シート１０４の一方の面に形成された第１導電層１０５のうち、第１電極合剤層１０２を担持しない第１導電層露出部１０９は、極板群の一方の端面（図３下部）に位置している。この端面において、第１導電層露出部１０９は、第１端子３０２と接続される。同様に、第２導電層１０６のうち、第２電極合剤層１０３を担持しない第２導電層露出部１１０は、極板群の他方の端面（図３上部）に位置している。この端面において、第２導電層露出部１１０は、第２端子３０３と接続される。
【００３２】
第１導電層露出部１０９の裏側には、絶縁シート１０４の露出部からなる第２絶縁部１０８が位置している。また、第２絶縁部１０８に隣接する第２電極合剤層１０３および第２導電層１０６の端部は、絶縁材料１１１により被覆されている。従って、第１端子３０２と第１導電層露出部１０９とを接続する際に、第１端子が第２電極合剤層１０３や第２導電層１０６と短絡することはない。
【００３３】
また、第２導電層露出部１１０の裏側には、絶縁シート１０４の露出部からなる第１絶縁部１０７が位置している。また、第１絶縁部１０７に隣接する第１電極合剤層１０２および第１導電層１０５の端部は、絶縁材料１１１により被覆されている。従って、第２端子３０３と第２導電層露出部１１０とを接続する際に、第２端子が第１電極合剤層１０２や第１導電層１０５と短絡することはない。
なお、短絡を確実に防止する観点から、第１絶縁部１０７および第２絶縁部１０８の幅（高さ）は０．００１ｍｍ以上とすることが好ましく、０．１ｍｍ以上とすることがより好ましい。
【００３４】
セパレータには、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。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。
【００３５】
第１端子および第２端子は、どのようにして設けてもよいが、例えば導電性材料の被膜で極板群の所定の端面を被覆することにより設けることができる。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。良好な集電状態を得るためには、各導電層露出部と導電性材料の被膜との接触面積が大きいほど好ましく、各導電層露出部が導電性材料の被膜の内部に０．００１〜１ｍｍの深さまで埋没していることが好ましい。
【００３６】
図３では、捲回型極板群について説明したが、同じ向きに配置された複数の電極Ｘをセパレータを介して積層し、高容量な積層型極板群を構成することもできる。この場合、第１導電層露出部１０９および第２導電層露出部１１０は、積層型極板群の互いに反対側の側面にそれぞれ配列する。従って、各側面において短絡を起こさずに、第１導電層露出部１０９を第１端子と接続し、第２導電層露出部１１０を第２端子と接続することが可能である。
【００３７】
上記のような極板群を用いれば、構造が単純であることから、体積効率が高く、高容量で、コンパクトな電池を得ることが可能である。また、短絡の可能性も大幅に低減する。また、捲回型電池は、２つのフープを用いて製造することが可能であり、４つのフープを要した従来に比べて製造工程が簡略化され、巻きズレの可能性が大幅に低減する。
【００３８】
得られた極板群は、必要に応じて所定形状のケースに所定の電解液とともに収容される。ケースには、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。ケース内に極板群とともに収容される電解液の組成は、電池の種類に応じて異なる。電池が、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である。
【００３９】
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。
【００４０】
リチウム塩には、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣｌ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＰＦ３（ＣＦ３）３、ＬｉＰＦ３（Ｃ２Ｆ５）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。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
《実施例１》
本実施例では、以下の要領で捲回型のリチウムイオン二次電池を作製した。製造工程について、図４を参照しながら説明する。
（イ）集電体シートの作製
厚さ７μｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴという）のシート４０３を準備した。次いで、マトリックス状の開口部を有するマスクを用いて、ＰＥＴシート４０３の一方の面に、図４（ａ）に示すようにアルミニウムの蒸着膜４０１を形成した。Ａｌ蒸着膜４０１の厚さは、０．１μｍとした。
同様に、ＰＥＴシート４０３の他方の面に、破線で示されるパターンに沿って、Ａｌ蒸着膜４０１とは逆の配置を有する銅の蒸着膜４０２を形成した。Ｃｕ蒸着膜４０２の厚さは、０．１μｍとした。
ＰＥＴシートのＡｌ蒸着膜４０１およびＣｕ蒸着膜４０２を設けた面には、それぞれＰＥＴシートの露出部からなるストライプ状絶縁部４０４および４０５を残した。こうして集電体シート４００を得た。なお、図４では、集電体シート４００は概念的に短く描かれているが、実際には長尺のＰＥＴシートからなるフープを用いた。
【００４２】
（ロ）第１電極合剤層
活物質のコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）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１電極合剤からなるペーストを調製した。このペーストを、図４（ｂ）に示すようにＡｌ蒸着膜４０１上に塗工し、３列の帯状の第１電極合剤層５０１を形成した。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た。
第１電極合剤層の周縁部のうち、ストライプ状絶縁部４０４に隣接する部分に、絶縁材料として、幅０．３ｍｍ、乾燥後の厚さ７０μｍのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の塗膜（図示せず）を形成した。ストライプ状絶縁部４０５の裏側は、Ａｌ蒸着膜露出部５０３とした。
【００４３】
（ハ）第２電極合剤層
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２電極合剤からなるペーストを調製した。このペーストを、図４（ｂ）に示すようにＣｕ蒸着膜４０２上に塗工し、３列の帯状の第２電極合剤層５０２を形成した。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た。
第２電極合剤層の周縁部のうち、ストライプ状絶縁部４０５に隣接する部分に、絶縁材料として、幅０．３ｍｍ、乾燥後の厚さ７０μｍのＰＶＤＦの塗膜（図示せず）を形成した。ストライプ状絶縁部４０４の裏側は、Ｃｕ蒸着膜露出部５０４とした。
【００４４】
（ニ）極板群の作製
完成したバイポーラ電極５００のフープとセパレータ６００のフープとを用いて捲回工程を行った。捲回工程では、図２に示されるような装置を用いて、バイポーラ電極５００とセパレータ６００とを重ね合わせるとともに捲回した。その結果、図４（ｃ）に示すような、複数の捲回型極板群からなる長尺筒状の極板群集合体７００を得た。
【００４５】
集合体７００は、ストライプ状絶縁部４０４（Ｃｕ蒸着膜露出部５０４）の中心線、およびストライプ状絶縁部４０５（Ａｌ蒸着膜露出部５０３）の中心線に沿って、矢印Ｙの位置で切断し、極板群毎に分割した。その結果、一連の塗工・捲回工程により、一度に３個の極板群を得ることができた。
【００４６】
第１電極合剤層の端部とＡｌ蒸着膜露出部５０３と第２電極合剤層の端部を覆うＰＶＤＦの塗膜とが順次に配列する端面（第１底面）には、注入孔を設けるためのマスクを被せた後、半溶融状態のＡｌ微粒子を吹き付けた。その結果、第１底面に、厚さ０．５ｍｍのＡｌ膜が形成された。このとき、Ａｌ蒸着膜露出部５０３が、Ａｌ膜の内部に深さ０．２ｍｍまで埋没していた。第１底面に配されている第２電極合剤層の端面は、ＰＶＤＦの塗膜で覆われているため、吹き付けにより形成されたＡｌ膜と第２電極合剤とが接触することはなかった。このＡｌ膜を正極端子とした。
【００４７】
第２電極合剤層の端部とＣｕ蒸着膜露出部５０４と第１電極合剤層の端部を覆うＰＶＤＦの塗膜とが順次に配列する端面（第２底面）には、注入孔を設けるためのマスクを被せた後、半溶融状態のＣｕ微粒子を吹き付けた。その結果、第２底面に、厚さ０．５ｍｍのＣｕ膜が形成された。このとき、Ｃｕ蒸着膜露出部５０４が、Ｃｕ膜の内部に深さ０．２ｍｍまで埋没していた。第２底面に配されている第１電極合剤層の端面は、ＰＶＤＦの塗膜で覆われているため、吹き付けにより形成されたＣｕ膜と第１電極合剤とが接触することはなかった。このＣｕ膜を負極端子とした。
【００４８】
こうして得られた極板群をステンレス鋼製の円筒型電池ケースに収容し、極板群第２底面のＣｕ膜をケースの内底面に接続した。極板群第１底面のＡｌ膜は、アルミニウムリードを介して、周囲に絶縁ガスケットを配した封口板の裏側に接続した。次いで、電解液をケース内に注ぎ、注液孔から電解液を極板群の内部に含浸させた。その後、封口板でケースの開口部を封口し、円筒型電池を完成した。
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、ＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解して調製した。
【００４９】
《比較例１》
従来と同様の方法で、捲回型のリチウムイオン二次電池を作製した。
すなわち、帯状のＡｌ箔およびその両面に担持された実施例１と同じ組成・厚さの第１電極合剤層からなる第１電極を作製し、帯状のＣｕ箔およびその両面に担持された実施例１と同じ組成・厚さの第２極合剤層からなる第２電極を作製した。それぞれの極板には、集電タブを接続するための電極合剤層の未塗工部を設け、そこに集電タブを接続した。そして、第１電極のフープと第２電極のフープと、２つのセパレータのフープを用いて、極板群を作製した。
【００５０】
こうして得られた極板群を、実施例１で用いたものより直径が１．２倍大きなステンレス鋼製の円筒型電池ケースに収容し、第２電極のリードをケースの内底面に溶接した。また、第１電極のリードは、周囲に絶縁ガスケットを配した封口板の裏側に接続した。次いで、電解液をケース内に注ぎ、実施例１と同様の電解液を極板群の内部に含浸させた。その後、封口板でケースの開口部を封口し、円筒型電池を完成した。なお、比較例１で実施例１よりも大きな電池ケースを要したのは、集電タブが極板群の内部に介在していることから極板群の直径が増加したためである。
【００５１】
得られた各電池の充放電試験を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／ｃｍ２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。従って、実施例１の電池は比較例１の電池よりも体積エネルギー密度が１．２倍大きかった。
【００５２】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、高容量で、コンパクト化が可能であり、短絡の可能性を大幅に低減した非水電解質二次電池を提供することができる。また、本発明によれば、捲回型電池の製造工程を簡略化し、巻きズレの可能性を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極Ｘの上面図（ａ）、背面図（ｂ）およびｃ−ｃ線断面図（ｃ）を示す図である。
【図２】捲回型電池の極板群の捲回工程を示す図である。
【図３】本発明の捲回型電池の極板群の断面構造を概念的に示す図である。
【図４】本発明の捲回型電池の極板群の製造工程を概念的に示す図である。
【符号の説明】
１００ 電極Ｘ
１０１ 集電体シート
１０２ 第１電極合剤層
１０３ 第２電極合剤層
１０４ 絶縁シート
１０５ 第１導電層
１０６ 第２導電層
１０７ 第１絶縁部
１０８ 第２絶縁部
１０９ 第１導電層露出部
１１０ 第２導電層露出部
１１１ 絶縁材料
２０１ 電極Ｘのフープ
２０２ セパレータのフープ
２０３ａ〜２０３ｅ ローラ
２０５ 電極Ｘ
２０６ セパレータ
２０７ 巻芯
２０８ 極板群
３００ 極板群
３０１ セパレータ
３０２ 第１端子
３０３ 第２端子
４００ 集電体シート
４０１ Ａｌ蒸着膜
４０２ Ｃｕ蒸着膜
４０３ ＰＥＴシート
４０４、４０５ ストライプ状絶縁部
５００ バイポーラ電極
５０１ 第１電極合剤層
５０２ 第２電極合剤層
５０３ Ａｌ蒸着膜露出部
５０４ Ｃｕ蒸着膜露出部
６００ セパレータ
７００ 極板群集合体
Claims (5)
- 非水電解質二次電池用電極であって、
（ａ）一方の面に第１導電部と第１絶縁部とを有し、他方の面に第２導電部と第２絶縁部とを有する集電体シート、
（ｂ）第１導電部に担持された第１電極合剤層、および
（ｃ）第２導電部に担持された第２電極合剤層からなり、
前記集電体シートが、絶縁シートを含み、
第１導電部が、前記絶縁シートの一方の面に形成された第１導電層からなり、
第２導電部が、前記絶縁シートの他方の面に形成された第２導電層からなり、
第１絶縁部が、前記絶縁シートの一方の面に残されたその露出部からなり、
第２絶縁部が、前記絶縁シートの他方の面に残されたその露出部からなる電極。 - 第１導電部が、第１電極合剤層を担持しない第１導電層露出部を有し、第２導電部が、第２電極合剤層を担持しない第２導電層露出部を有し、第１導電層露出部と第２導電層露出部とが、前記絶縁シートの互いに対向する端部にそれぞれ位置する請求項１記載の電極。
- 第１絶縁部が、前記絶縁シートの第１導電層露出部とは反対側の端部に位置し、第２絶縁部が、前記絶縁シートの第２導電層露出部とは反対側の端部に位置する請求項２記載の電極。
- 非水電解質二次電池であって、
（ａ）少なくとも１つの請求項１記載の電極、
（ｂ）第１電極合剤層と第２電極合剤層との間に介在するセパレータ、および
（ｃ）非水電解質からなる電池。 - 前記電極と前記セパレータとが、捲回されて円筒形の極板群を構成している請求項４記載の電池。
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-
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