JP2007109636A - 電池用電極 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池において、高出力条件下での充放電時における電池の内部抵抗の増大を抑制し、充分な電流を取り出しうる手段を提供する。
【解決手段】集電体と、前記集電体上に形成された、正極活物質を含む第１の正極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記正極活物質の平均粒子径が５μｍ以下であり、前記第１の正極活物質層の空隙率が３０％以上であることを特徴とする、電池用電極、または、集電体と、前記集電体上に形成された、負極活物質を含む第１の負極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記負極活物質の平均粒子径が１０μｍ以下であり、前記第１の負極活物質層の空隙率が５０％以上であることを特徴とする、電池用電極により、上記課題は解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池用電極に関する。特に本発明は、電池の出力特性を向上させるための改良に関する。

近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。

モータ駆動用二次電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。

上述したような自動車等のモータ駆動用電源として用いられるリチウムイオン二次電池には、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性を有することが求められており、かような要求に応えるべく鋭意研究開発が進められているのが現状である。

ここで、自動車への搭載を念頭にリチウムイオン二次電池の出力特性を向上させるための技術として、例えば、Ｌｉ−Ｍｎ−Ｎｉ複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質であって、Ｌｉ−Ｍｎ−Ｎｉ複合酸化物の１次粒子の平均直径が２．０μｍ以下であり、かつ、ＢＥＴ比表面積が０．４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質が開示されている（特許文献１を参照）。
特開２００３−６８２９９号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、放電容量特性およびサイクル耐久性に優れるリチウムイオン二次電池が提供されうる。これは、正極活物質であるＬｉ−Ｍｎ−Ｎｉ複合酸化物の平均直径および比表面積が上記の値に制御されると、電解液と接触可能な正極活物質の表面積が増大する結果、充放電反応が充分に進行しうるためであると考えられる。

このように、電極の活物質層に含まれる活物質の粒子径をより減少させることは、電池の高出力化の観点からは好ましい。しかしながら、活物質の粒子径を減少させすぎると、高出力条件下での充放電時における電池の内部抵抗が増大し、必要な電流が充分に取り出せなくなってしまうという問題があった。

そこで本発明は、リチウムイオン二次電池において、高出力条件下での充放電時における電池の内部抵抗の増大を抑制し、充分な電流を取り出しうる手段を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題に鑑み、高出力条件下での内部抵抗増大の原因を鋭意探索した。その結果、かような内部抵抗の増大は、活物質の粒子径の減少に伴って導電ネットワークが充分に形成されなくなることによるものであることを見出した。この知見に基づき、本発明者らは、電極の活物質層の空隙率を低下させることによって活物質の粒子どうしを接触させて、導電ネットワークを確保することを検討した。

一方、活物質層の空隙率を低下させすぎると、導電ネットワークは充分に確保されるものの、やはり電池の内部抵抗が増大するという問題が生じた。本発明者らは、かような空隙率の低下に伴う内部抵抗の原因をも鋭意探索した。その結果、かような内部抵抗の増大は、電解質層からリチウムイオンの供給が充分になされないことに起因することを見出した。

これらの知見に基づき、本発明者らは、活物質の粒子径および活物質層の空隙率を所定の値に制御することで、上記の課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させることに至った。

すなわち、本発明の第１は、集電体と、前記集電体上に形成された、正極活物質を含む第１の正極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記正極活物質の平均粒子径が５μｍ以下であり、前記第１の正極活物質層の空隙率が３０％以上であることを特徴とする、電池用電極である。

また、本発明の第２は、集電体と、前記集電体上に形成された、負極活物質を含む第１の負極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記負極活物質の平均粒子径が１０μｍ以下であり、前記第１の負極活物質層の空隙率が５０％以上であることを特徴とする、電池用電極である。

さらに、本発明の第３は、溶媒に活物質を添加することにより、活物質を含む活物質スラリーを調製する活物質スラリー調製工程と、集電体の表面に前記活物質スラリーを塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成する塗膜形成工程と、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスするプレス工程と、を有し、前記塗膜形成工程と前記プレス工程との組み合わせ工程を２回以上繰り返すことを特徴とする、電池用電極の製造方法である。

本発明によれば、高出力条件下での充放電時における電池の内部抵抗の増大が抑制され、充分な電流を取り出しうるリチウムイオン二次電池が提供されうる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
（構成）
本発明の第１は、集電体と、前記集電体上に形成された、正極活物質を含む第１の正極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記正極活物質の平均粒子径が５μｍ以下であり、前記第１の正極活物質層の空隙率が３０％以上であることを特徴とする、電池用電極である。

本発明の第２は、集電体と、前記集電体上に形成された、負極活物質を含む第１の負極活物質層と、を有する電池用電極であって、前記負極活物質の平均粒子径が１０μｍ以下であり、前記第１の負極活物質層の空隙率が５０％以上であることを特徴とする、電池用電極である。

まず、本発明の電池用電極の構造について、図面を参照して説明する。なお、本発明においては、説明の都合上、図面が誇張されており、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態に限定されない。また、図面以外の実施形態も採用されうる。

図１は、本発明の電池用電極の一実施形態を示す断面図である。図１に示す形態の電池用電極１は、集電体１１の一方の面に正極活物質層１３が形成され、他方の面に負極活物質層１５が形成されてなるバイポーラ電極である。

本実施形態のバイポーラ電極において、正極活物質層１３に含まれる正極活物質の平均粒子径は５μｍ以下である。当該平均粒子径は、好ましくは３μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下である。なお、本発明の作用効果を得るという観点からは、正極活物質の平均粒子径の下限値は特に制限されないが、電極内に導電ネットワークを充分に形成させるという観点からは、正極活物質の平均粒子径は、好ましくは０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．１μｍ以上である。また、本実施形態のバイポーラ電極において、正極活物質層１３の空隙率は３０％以上である。当該空隙率は、好ましくは３３％以上であり、より好ましくは３５％以上である。なお、本発明の作用効果を得るという観点からは、正極活物質層１３の空隙率の上限値は特に制限されないが、電池容量を向上させるという観点からは、正極活物質層１３の空隙率は、好ましくは５０％以下であり、より好ましくは４５％以下である。

一方、本実施形態のバイポーラ電極において、負極活物質層１５に含まれる負極活物質の平均粒子径は１０μｍ以下である。当該平均粒子径は、好ましくは５μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下である。なお、本発明の作用効果を得るという観点からは、負極活物質の平均粒子径の下限値は特に制限されないが、電極内に導電ネットワークを充分に形成させるという観点からは、負極活物質の平均粒子径は、好ましくは０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．１μｍ以上である。また、本実施形態のバイポーラ電極において、負極活物質層１５の空隙率は５０％以上である。当該空隙率は、好ましくは５２％以上であり、より好ましくは５５％以上である。なお、本発明の作用効果を得るという観点からは、負極活物質層１５の空隙率の上限値は特に制限されないが、電池容量を向上させるという観点からは、負極活物質層１５の空隙率は、好ましくは８０％以下であり、より好ましくは７０％以下である。

以上のような構成とすることにより、活物質粒子間の導電ネットワークが確保され、一方、リチウムイオンの拡散経路もまた、充分に確保される。その結果、いずれかが確保されなくなることによる電池の内部抵抗の増加が効果的に抑制されうる。なお、本願において、活物質の粒子径の値としては、粒度分布測定法により測定した値を採用するものとする。また、活物質層の空隙率としては、下記数式１：

に従って算出される値を採用するものとする。

図１に示す形態のバイポーラ電極は、例えば、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池（以下、単に「バイポーラ電池」とも称する）に採用されうる。その他の電池に採用されても、勿論よい。なお、図１に示す形態においては、正極および負極の双方において、活物質の平均粒子径および活物質層の空隙率が上述した所定の値であるが、本発明の技術的範囲はかような形態のみには制限されず、正極または負極のいずれか一方のみが上述した所定の値を満足する形態もまた、包含しうる。

以下、リチウムイオン二次電池に採用される場合を例に挙げて、本発明の電池用電極の構成について説明する。本実施形態の電池用電極は、正極および負極のそれぞれについて、活物質の平均粒子径および活物質層の空隙率が所定の値である点に特徴を有する。集電体、活物質の種類、バインダ、支持塩（リチウム塩）、電解質、その他必要に応じて添加される化合物の選択について、特に制限はない。使用用途に応じて、従来公知の知見を適宜参照することにより、選択すればよい。以下、本発明の電池用電極を構成する部材について、詳細に説明する。

［集電体］
集電体１１は、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔、ステンレス（ＳＵＳ）箔など、導電性の材料から構成される。集電体の一般的な厚さは、１〜３０μｍである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。

［活物質層］
集電体１１上には、活物質層（１３、１５）が形成される。活物質層（１３、１５）は、充放電反応の中心を担う活物質を含む層である。本発明においては、正極活物質層１３もしくは負極活物質層１５のいずれか一方または双方において、活物質の平均粒子径および空隙率が上述した所定の値を満足する。

活物質層（１３、１５）は、活物質を含む。本発明の電極が正極として用いられる場合には、活物質層は正極活物質を含む。一方、本発明の電極が負極として用いられる場合には、活物質層は負極活物質を含む。

正極活物質としては、例えば、リチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、およびリチウム−遷移金属硫酸化合物などが例示される。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。

負極活物質としては、例えば、炭素材料、リチウム−遷移金属化合物、金属材料、およびリチウム−金属合金材料などが例示される。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。

活物質層（１３、１５）には、必要であれば、その他の物質が含まれてもよい。例えば、導電助剤、バインダ、支持塩（リチウム塩）、イオン伝導性ポリマー等が含まれうる。また、イオン伝導性ポリマーが含まれる場合には、前記ポリマーを重合させるための重合開始剤が含まれてもよい。

導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイトなどのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ；登録商標）などの種々の炭素繊維などが挙げられる。

本発明の電池用電極が正極として用いられる場合、換言すれば、電池用電極の正極活物質層１３における活物質の平均粒子径および活物質層１３の空隙率が上述した所定の値を満足する場合、正極活物質層１３は、正極活物質層１３の全質量に対して５質量％以上、より好ましくは１０質量％以上の導電助剤を含むことが好ましい。一方、本発明の電池用電極が負極として用いられる場合、換言すれば、電池用電極の負極活物質層１５における活物質の平均粒子径および活物質層の空隙率が上述した所定の値を満足する場合、負極活物質層１５は、負極活物質層１５の全質量に対して１質量％以上、より好ましくは５質量％以上の導電助剤を含むことが好ましい。

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。

支持塩（リチウム塩）としては、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３等が挙げられる。

イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。ここで、前記ポリマーは、本発明の電極が採用される電池の電解質層において用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

重合開始剤は、イオン伝導性ポリマーの架橋性基に作用して、架橋反応を進行させるために配合される。開始剤として作用させるための外的要因に応じて、光重合開始剤、熱重合開始剤などに分類される。重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）や、光重合開始剤であるベンジルジメチルケタール（ＢＤＫ）等が挙げられる。

活物質層（１３、１５）に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。

活物質層（１３、１５）の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層（１３、１５）の厚さは、好ましくは１０〜１００μｍ程度であり、より好ましくは２０〜５０μｍである。活物質層（１３、１５）が１０μｍ程度以上であれば、電池容量が充分に確保されうる。一方、活物質層（１３、１５）が１００μｍ程度以下であれば、電極深部（集電体側）にリチウムイオンが拡散しにくくなることに伴う内部抵抗の増大という問題の発生が抑制されうる。

（第２実施形態）
より好ましい形態において、本発明の電池用電極の活物質層（１３、１５）は、２層以上からなってもよい。以下、図面を参照しながら、正極活物質層１３および負極活物質層１５のそれぞれが２層からなる場合を例に挙げて、本発明の電極のより好ましい形態を説明する。

図２は、本発明の電池用電極の他の実施形態を示す断面図である。図２に示す形態の電池用電極１は、図１に示す形態の電極と同様に、集電体１１の一方の面に正極活物質層１３が形成され、他方の面に負極活物質層１５が形成されてなるバイポーラ電極である。そして、図２に示す形態の電池用電極１は、正極活物質層１３および負極活物質層１５のそれぞれにおいて、集電体１１と、上述した活物質の平均粒子径および活物質層の空隙率の
要件を満足する第１の正極活物質層（１３ａ、１５ａ）との間に、前記第１の活物質層（１３ａ、１５ａ）よりも空隙率の小さい第２の活物質層（１３ｂ、１５ｂ）が介在する点に特徴を有する。ここで、図２に示す形態の電池用電極１が電池に採用される際には、前記第２の活物質層（１３ｂ、１５ｂ）が集電体１１側に位置し、前記第１の活物質層（１３ａ、１５ａ）が電池の電解質層側に位置する。かような形態によれば、電解質層側に空隙率のより大きい活物質層を配置することで、電極活物質層全体の深部（集電体１１側）にまでリチウムイオンを拡散させることが可能となる。その結果、電池の内部抵抗（主にリチウムイオンの拡散抵抗に起因）が低減されうる。一方、集電体１１側に空隙率のより小さい活物質層を配置することで、電極活物質層全体の活物質の充填率を確保することが可能となる。その結果、電池の容量特性および出力特性が充分に確保されうる。

図２に示す形態において、第１の活物質層（１３ａ、１５ａ）の具体的な形態は、上述した通りであるため、ここでは詳細な説明は省略する。一方、第２の活物質層（１３ｂ、１５ｂ）は、それぞれの空隙率が対応する第１の活物質層（第２の正極活物質層１３ｂについては、第１の正極活物質層１３ａ；第２の負極活物質層１５ｂについては、第１の負極活物質層１３ａ）よりも空隙率が小さいのであれば、その他の具体的な形態は特に制限されない。

図２には、各活物質層（１３、１５）がそれぞれ２層からなる形態を図示したが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されず、いずれか一方の活物質層が１層からなる形態や、３層以上からなる形態もまた、包含しうる。

（製造方法）
続いて、本発明の電池用電極の製造方法を説明する。

まず、図１に示す形態の電池用電極１の製造方法について説明する。

本発明の電極は、例えば、溶媒に、活物質を添加することにより、活物質スラリーを調製し（活物質スラリー調製工程）、この活物質スラリーを集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成し（塗膜形成工程）、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする（プレス工程）ことにより、製造されうる。活物質スラリーにイオン伝導性ポリマーが添加され、当該イオン伝導性ポリマーを架橋させる目的で重合開始剤がさらに添加される場合には、塗膜形成工程における乾燥と同時に、または当該乾燥の前もしくは後に、重合処理を施してもよい（重合工程）。

以下、かような製造方法について、工程順に詳細に説明するが、下記の形態のみには制限されない。

［活物質スラリー調製工程］
本工程においては、所望の活物質、および必要に応じて他の成分（例えば、導電助剤、バインダ、イオン伝導性ポリマー、支持塩（リチウム塩）、重合開始剤など）を、溶媒中で混合して、活物質スラリーを調製する。この活物質スラリー中に配合される各成分の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。

溶媒の種類や混合手段は特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。溶媒の一例を挙げると、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどが用いられうる。バインダとしてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を採用する場合には、ＮＭＰを溶媒として用いるとよい。

本製造方法では、この活物質スラリー調製工程において調製される活物質スラリー中の固形分と溶媒との配合比を調整することにより、製造される電極の活物質層の空隙率を制御することも可能である。具体的には、形成される活物質層の空隙率を減少させたい場合には、活物質スラリー中の固形分の配合量を増加させるとよい。一方、形成される活物質層の空隙率を増加させたい場合には、活物質スラリー中の固形分の配合量を減少させるとよい。ただし、後述する塗布工程やプレス工程において、活物質層の空隙率を制御してもよい。

［塗膜形成工程］
続いて、集電体を準備し、上記で調製した活物質スラリーを当該集電体の表面に塗布し、乾燥させる。これにより、集電体の表面に活物質スラリーからなる塗膜が形成される。この塗膜は、後述するプレス工程を経て、活物質層となる。

準備する集電体の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。

活物質スラリーを塗布するための塗布手段も特に限定されない。例えば、自走型コータなどの一般的に用いられている手段が採用されうる。ただし、塗布手段として、インクジェット方式を用いると、より精密な調節が可能となる結果、より簡便に活物質層の空隙率が制御されうるため、好ましい。

塗膜は、製造される電極における集電体と活物質層との所望の配置形態に応じて、形成される。例えば、製造される電極がバイポーラ電極の場合、集電体の一方の面には正極活物質を含む塗膜が形成され、他方の面には負極活物質を含む塗膜が形成される。これに対し、バイポーラ型でない電極を製造する場合には、正極活物質または負極活物質のいずれか一方を含む塗膜が１枚の集電体の両面に形成される。

その後、集電体の表面に形成された塗膜を乾燥させる。これにより、塗膜中の溶媒が除去される。

塗膜を乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、加熱処理が例示される。乾燥条件（乾燥時間、乾燥温度など）は、活物質スラリーの塗布量やスラリーの溶媒の揮発速度に応じて適宜設定されうる。

塗膜が重合開始剤を含む場合には、さらに重合工程を行うことで、塗膜中のイオン伝導性ポリマーが架橋性基によって架橋される。

重合工程における重合処理も特に制限されることはなく、従来公知の知見を適宜参照すればよい。例えば、塗膜が熱重合開始剤（ＡＩＢＮなど）を含む場合には、塗膜に熱処理を施す。また、塗膜が光重合開始剤（ＢＤＫなど）を含む場合には、紫外光などの光を照射する。なお、熱重合のための熱処理は、上記の乾燥工程と同時に行われてもよいし、当該乾燥工程の前または後に行われてもよい。

［プレス工程］
続いて、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする。これにより、本発明の電池用電極が完成する。この際、プレス条件を調節することにより、活物質層の空隙率が制御されうる。

プレス処理の具体的な手段やプレス条件は特に制限されず、プレス処理後の活物質層の空隙率が所望の値となるように、適宜調節されうる。プレス処理の具体的な形態としては、例えば、ホットプレス機やカレンダーロールプレス機などが挙げられる。また、プレス条件（温度、圧力など）も特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。

本願は、図２に示す好ましい形態の電池用電極の製造方法を提供する。すなわち、本発明の第２は、溶媒に活物質を添加することにより、活物質を含む活物質スラリーを調製する活物質スラリー調製工程と、集電体の表面に前記活物質スラリーを塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成する塗膜形成工程と、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスするプレス工程と、を有し、前記塗膜形成工程と前記プレス工程との組み合わせ工程を２回以上繰り返すことを特徴とする、電池用電極の製造方法である。

当該製造方法は、２層以上からなる活物質層の各層の空隙率を制御することを目的として、前記塗膜形成工程と前記プレス工程との組み合わせ工程を２回以上繰り返す点に特徴を有する。換言すれば、まず、集電体１１の表面に塗膜を形成し（１回目の塗膜形成工程）、プレスする（１回目のプレス工程）。これにより、図２に示す第２の活物質層（１３ｂ、１５ｂ）が形成される。続いて、当該第２の活物質層の表面に再度塗膜を形成し（２回目の塗膜形成工程）、プレスする（２回目のプレス工程）。これにより、図２に示す第１の活物質層（１３ａ、１５ａ）が形成され、図２に示す形態の電池用電極が完成する。

前記組み合わせ工程を繰り返す場合、ｎ＋１回目（ｎ≧１）のプレス工程におけるプレス圧力は、ｎ回目のプレス工程におけるプレス圧力よりも小さく設定することが好ましい。上述した製造方法を例に挙げて具体的に説明すれば、２回目のプレス工程におけるプレス圧力を１回目のプレス工程におけるプレス圧力よりも小さくするとよいのである。こうすることで、２回目のプレス工程により形成される第１の活物質層（１３ａ、１５ａ）の空隙率が、１回目のプレス工程により形成される第２の活物質層（１３ｂ、１５ｂ）の空隙率よりも小さい値に制御され、図２に示す形態の電池用電極が作製されうる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、上記の第１実施形態または第２実施形態の電池用電極を用いて、リチウムイオン二次電池を構成する。すなわち、本発明の第３は、正極、電解質層、および負極がこの順に積層されてなる少なくとも１つの単電池層を含むリチウムイオン二次電池であって、前記正極または前記負極の少なくとも一方が本発明の電池用電極である、リチウムイオン二次電池である。本発明の電極は、正極、負極、バイポーラ電極のいずれにも適用されうる。本発明の電極を、少なくとも１つの電極として含むリチウムイオン二次電池は、本発明の技術的範囲に属する。ただし、好ましくは、リチウムイオン二次電池を構
成する電極の全てが本発明の電極である。かような構成を採用することにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を効果的に向上させうる。

本発明の電池は、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池（以下、「バイポーラ電池」とも称する）でありうる。図３は、バイポーラ電池である、本発明の第３のリチウムイオン二次電池を示す断面図である。以下、図３に示すバイポーラ電池を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。

図３に示す本実施形態のバイポーラ電池１０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素２１が、外装であるラミネートシート２９の内部に封止された構造を有する。

図３に示すように、本実施形態のバイポーラ電池１０の電池要素２１は、正極活物質層１３と、負極活物質層１５とが集電体１１のそれぞれの面に形成されたバイポーラ電極（図１に示す形態のバイポーラ電極）を複数個有する。各バイポーラ電極は、電解質層１７を介して積層されて電池要素２１を形成する。この際、一のバイポーラ電極の正極活物質層１３と前記一のバイポーラ電極に隣接する他のバイポーラ電極の負極活物質層１５とが電解質層１７を介して向き合うように、各バイポーラ電極および電解質層１７が積層されている。

そして、隣接する正極活物質層１３、電解質層１７、および負極活物質層１５は、一つの単電池層１９を構成する。従って、バイポーラ電池１０は、単電池層１９が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層１９の外周には、隣接する集電体１１間を絶縁するための絶縁層３１が設けられている。なお、電池要素２１の最外層に位置する集電体（最外層集電体）（１１ａ、１１ｂ）には、片面のみに、正極活物質層１３（正極側最外層集電体１１ａ）または負極活物質層１５（負極側最外層集電体１１ｂ）のいずれか一方が形成されている。

さらに、図３に示すバイポーラ電池１０では、正極側最外層集電体１１ａが延長されて正極タブ２５とされ、外装であるラミネートシート２９から導出している。一方、負極側最外層集電体１１ｂが延長されて負極タブ２７とされ、同様にラミネートシート２９から導出している。

以下、本実施形態のバイポーラ電池１０を構成する部材について簡単に説明する。ただし、電極を構成する成分については上記で説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。また、本発明の技術的範囲が下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。

［電解質層］
電解質層１７を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。

液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）等のカーボネート類が例示される。また、支持塩（リチウム塩）としては、ＬｉＢＥＴＩ等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子には、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。

なお、電解質層１７が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層１７にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩（リチウム塩）が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。従って、電解質層１７が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー（例えば、ＰＥＯやＰＰＯ）に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。

［絶縁層］
バイポーラ電池１０においては、通常、各単電池層１９の周囲に絶縁層３１が設けられる。この絶縁層３１は、電池内で隣り合う集電体１１同士が接触したり、電池要素２１における単電池層１９の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起きたりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層３１の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質のバイポーラ電池１０が提供されうる。

絶縁層３１としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性（密封性）、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が好ましい。

［タブ］
バイポーラ電池１０においては、電池外部に電流を取り出す目的で、最外層集電体（１１ａ、１１ｂ）に電気的に接続されたタブ（正極タブ２５および負極タブ２７）が外装の外部に取り出される。具体的には、正極用最外層集電体１１ａに電気的に接続された正極タブ２５と、負極用最外層集電体１１ｂに電気的に接続された負極タブ２７とが、外装の外部に取り出される。

タブ（正極タブ２５および負極タブ２７）の材質は、特に制限されず、バイポーラ電池用のタブとして従来用いられている公知の材質が用いられうる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金等が例示される。なお、正極タブ２５と負極タブ２７とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。なお、本実施形態のように、最外層集電体（１１ａ、１１ｂ）を延長することによりタブ（２５、２７）としてもよいし、別途準備したタブを最外層集電体に接続してもよい。

［外装］
バイポーラ電池１０においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素２１は、好ましくはラミネートシート２９などの外装内に収容される。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。

（第４実施形態）
第４実施形態では、上記の第３実施形態のバイポーラ電池を複数個、並列および／または直列に接続して、組電池を構成する。

図４は、本実施形態の組電池を示す斜視図である。

図４に示すように、組電池４０は、上記の第２実施形態に記載のバイポーラ電池が複数個接続されることにより構成される。各バイポーラ電池１０の正極タブ２５および負極タブ２７がバスバーを用いて接続されることにより、各バイポーラ電池１０が接続されている。組電池４０の一の側面には、組電池４０全体の電極として、電極ターミナル（４２、４３）が設けられている。

組電池４０を構成する複数個のバイポーラ電池１０を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接などの溶接を用いる手法や、リベット、カシメなどを用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池４０の長期信頼性が向上しうる。

本実施形態の組電池４０によれば、組電池４０を構成する個々のバ・BR>Cポーラ電池１０が出力特性に優れることから、出力特性に優れる組電池が提供されうる。

なお、組電池４０を構成するバイポーラ電池１０の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

（第５実施形態）
第５実施形態では、上記の第３実施形態のバイポーラ電池１０、または第４実施形態の組電池４０をモータ駆動用電源として搭載して、車両を構成する。バイポーラ電池１０または組電池４０をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。

参考までに、図５に、組電池４０を搭載する自動車５０の概略図を示す。自動車５０に搭載される組電池４０は、上記で説明したような特性を有する。このため、組電池４０を搭載する自動車５０は出力特性に優れ、高出力条件下においても充分な出力を提供しうる。

以上のように、本発明の幾つかの好適な実施形態について示したが、本発明は、以上の実施形態に限られるものではなく、当業者によって種々の変更、省略、および追加が可能である。例えば、上記の第３実施形態ではバイポーラ型のリチウムイオン二次電池（バイポーラ電池）を例に挙げて説明したが、本発明の電池の技術的範囲がバイポーラ電池のみに制限されることはなく、例えば、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池であってもよい。参考までに、図６に、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池６０の概要を示す断面図を示す。

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。

＜実施例１＞
＜正極の作製＞
正極活物質であるスピネル型マンガン酸リチウム（平均粒子径：０．７μｍ）（８０質量％）、導電助剤であるアセチレンブラック（１０質量％）、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（１０質量％）からなる固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量添加して、正極活物質スラリーを調製した。

上記で調製した正極活物質スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔（厚さ：２０μｍ）上に自走型ダイコータを用いて目付け量１２．０ｍｇ／ｃｍ^２、膜厚４６μｍで塗布し、乾燥させて、積層体を得た。次いで、得られた積層体を、正極活物質層の空隙率が３２％となるように、プレス機を用いてプレスし、集電体にタブを接続して、試験用正極を作製した。

＜負極の作製＞
負極活物質であるハードカーボン（平均粒子径：１０μｍ）（９０質量％）、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（１０質量％）からなる固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を適量添加して、負極活物質スラリーを調製した。

上記で調製した負極活物質スラリーを、負極集電体としての銅箔（厚さ：１０μｍ）上に自走型ダイコータを用いて目付け量３ｍｇ／ｃｍ^２、膜厚３０μｍで塗布し、乾燥させて、積層体を得た。次いで、得られた積層体を、負極活物質層の空隙率が５５％となるように、プレス機を用いてプレスし、集電体にタブを接続して、試験用負極を作製した。

＜電解液の調製＞
エチレンカーボネート（ＥＣ）およびジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を１：１の体積比で混合し、電解液の可塑剤（有機溶媒）とした。次いで、この可塑剤に、リチウム塩であるＬｉＰＦ_６を１Ｍの濃度になるように添加して、電解液を調製した。

＜ラミネート電池の作製＞
上記で作製した試験用正極および試験用負極で、リチウムイオン電池用セパレータであるポリエチレン製微多孔膜（厚さ：２５μｍ）を挟持した。次いで得られた挟持体を三方シール済みの外装材であるアルミラミネートパック中に挿入した。その後、前記アルミラミネートパック中に上記で調製した電解液を注入し、パックからタブが露出するようにパックを真空シールして、ラミネート電池を完成させた。

＜実施例２＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を４９μｍとし、正極活物質層の空隙率が３５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例３＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５２μｍとし、正極活物質層の空隙率が３９％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例４＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５８μｍとし、正極活物質層の空隙率が４５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例５＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を６１μｍとし、正極活物質層の空隙率が４８％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例６＞
前記正極活物質スラリー中の固形分であるスピネル型マンガン酸リチウムの平均粒子径を５μｍとし、正極活物質スラリーの膜厚を４７μｍとしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。

＜実施例７＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５２μｍとし、正極活物質層の空隙率が３９％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例６と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例８＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５８μｍとし、正極活物質層の空隙率が４５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例６と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例９＞
前記正極活物質スラリー中の固形分であるスピネル型マンガン酸リチウム、アセチレンブラックおよびＰＶｄＦの質量比を７０：２０：１０とし、正極活物質スラリーの目付け量および膜厚をそれぞれ１３．７ｍｇ／ｃｍ^２および５６μｍとしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。

＜実施例１０＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５９μｍとし、正極活物質層の空隙率が３５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例９と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例１１＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を６３μｍとし、正極活物質層の空隙率が３９％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例９と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例１２＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を７４μｍとし、正極活物質層の空隙率が４５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例９と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜実施例１３＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を８５μｍとし、正極活物質層の空隙率が５５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の実施例９と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例１＞
前記正極活物質スラリーの固形分であるスピネル型マンガン酸リチウムの平均粒子径を１０μｍとし、正極活物質スラリーの膜厚を４７μｍとしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。

＜比較例２＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を４９μｍとし、正極活物質層の空隙率が３５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例３＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５２μｍとし、正極活物質層の空隙率が３９％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例４＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を６０μｍとし、正極活物質層の空隙率が４５％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例５＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を６１μｍとし、正極活物質層の空隙率が４８％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例１と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例６＞
前記正極活物質スラリーの固形分であるスピネル型マンガン酸リチウムの平均粒子径を７μｍとし、正極活物質スラリーの膜厚を４７μｍとしたこと以外は、上記の実施例１と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。

＜比較例７＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を５２μｍとし、正極活物質層の空隙率が３９％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例６と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜比較例８＞
前記正極活物質スラリーの膜厚を６１μｍとし、正極活物質層の空隙率が４８％となるようにプレスしたこと以外は、上記の比較例６と同様の手法により、
ラミネート電池を作製した。

＜ラミネート電池の電池特性の評価＞
上記の各実施例および各比較例で作製したラミネート電池を用いて、以下の手法により充放電試験を行い、出力特性の評価を行った。

具体的には、各ラミネート電池について、０．２Ｃの定電流にて初充電を行い、０．５Ｃの定電流にて放電後、１Ｃの定電流にて１０サイクルの充放電試験を行った。

その後、満充電状態（４．２Ｖ）で１００Ｃ（２０ｍＡ／ｃｍ^２以上）の定電流放電時の拡散抵抗を評価し、拡散抵抗の逆数を算出した。そして、比較例１のラミネート電池から算出された逆数値を１として、各実施例および各比較例のラミネート電池の比較例１のラミネート電池に対する相対出力値を算出した。結果を図７および図８に示す。

＜正極活物質層の空隙率の増大によって生じる効果＞
上記の比較例から示されるように、正極活物質の平均粒子径が１０μｍ程度と大きいと、正極活物質層の空隙率が増大しても、正極活物質層における拡散抵抗はほとんど影響を受けず、相対出力は変化しない。これに対し、実施例から示されるように、正極活物質の平均粒子径が極めて小さいと、正極活物質層の空隙率の増大に対応して、正極活物質層における拡散抵抗が低下し、相対出力が増加する。従って、電極活物質の小粒径化と電極活物質層の空隙率の増大とを組み合わせることによって、１００Ｃという高出力条件下においても優れた出力特性を発揮しうる電池が提供されうることが示唆される。

＜導電助剤の添加量の増大によって生じる効果＞
実施例１〜５と実施例９〜１３との比較から、導電助剤の添加量を増やすことにより、電極活物質層の空隙率が等しい場合であっても、拡散抵抗がより一層低下し、相対出力が増加しうることがわかる。なお、この効果は、電極活物質層の空隙率が増大するにつれて顕著に発現する。

以上のことから、本発明の電池用電極は、電池の出力特性の向上に有効に寄与しうる。

本発明の電池用電極の一実施形態（第１実施形態）を示す断面図である。 本発明の電池用電極の他の実施形態（第２実施形態）を示す断面図である。 第３実施形態のバイポーラ電池の好ましい一実施形態を示す断面図である。 第４実施形態の組電池を示す斜視図である。 第４実施形態の組電池を搭載する第５実施形態の自動車の概略図である。 バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池の概要を示す断面図である。 本発明の実施例の電池用電極における正極活物質層の空隙率と相対出力との関係を示す図である。 本発明の実施例および比較例の電池用電極における正極活物質層の空隙率と相対出力との関係を示す図である。

符号の説明

１ バイポーラ電極、
１０ バイポーラ電池、
１１ 集電体、
１３ 正極活物質層、
１３ａ 第１の正極活物質層、
１３ｂ 第２の正極活物質層、
１５ 負極活物質層、
１５ａ 第１の負極活物質層、
１５ｂ 第２の負極活物質層、
１７ 電解質層、
１９ 単電池層、
２１ 電池要素、
２５ 正極タブ、
２７ 負極タブ、
２９ ラミネートシート、
３１ 絶縁層、
３３ 正極集電体、
３５ 負極集電体、
４０ 組電池、
４２、４３ 電極ターミナル、
５０ 自動車、
６０ バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池。

Claims (17)

1. 集電体と、前記集電体上に形成された、正極活物質を含む第１の正極活物質層と、を有する電池用電極であって、
   前記正極活物質の平均粒子径が５μｍ以下であり、前記第１の正極活物質層の空隙率が３０％以上であることを特徴とする、電池用電極。
2. 前記第１の正極活物質層が、前記第１の正極活物質層の全質量に対して５質量％以上の導電助剤をさらに含む、請求項１に記載の電池用電極。
3. 前記正極活物質が、リチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、およびリチウム−遷移金属硫酸化合物からなる群から選択される１種または２種以上の材料を含む、請求項１または２に記載の電池用電極。
4. 前記集電体と前記第１の正極活物質層との間に、前記第１の正極活物質層よりも空隙率の小さい第２の正極活物質層が介在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池用電極。
5. 集電体と、前記集電体上に形成された、負極活物質を含む第１の負極活物質層と、を有する電池用電極であって、
   前記負極活物質の平均粒子径が１０μｍ以下であり、前記第１の負極活物質層の空隙率が５０％以上であることを特徴とする、電池用電極。
6. 前記負極活物質層が、前記負極活物質層の全質量に対して１質量％以上の導電助剤をさらに含む、請求項５に記載の電池用電極。
7. 前記負極活物質が、炭素材料、リチウム−遷移金属化合物、金属材料、およびリチウム−金属合金材料からなる群から選択される１種または２種以上の材料を含む、請求項５または６に記載の電池用電極。
8. 前記集電体と前記第１の負極活物質層との間に、前記第１の負極活物質層よりも空隙率の小さい第２の負極活物質層が介在する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の電池用電極。
9. 前記導電助剤が炭素材料である、請求項２または６に記載の電池用電極。
10. 正極、電解質層、および負極がこの順に積層されてなる少なくとも１つの単電池層を含むリチウムイオン二次電池であって、
    前記正極または前記負極の少なくとも一方が、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電池用電極である、リチウムイオン二次電池。
11. 前記電解質層が、液体電解質、ゲル電解質、または真性ポリマー電解質を含む、請求項９に記載のリチウムイオン二次電池。
12. バイポーラ型リチウムイオン二次電池である、請求項１０または１１に記載のリチウムイオン二次電池。
13. 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池を用いた組電池。
14. 請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池、または請求項１３に記載の組電池をモータ駆動用電源として搭載した車両。
15. 溶媒に活物質を添加することにより、活物質を含む活物質スラリーを調製する活物質スラリー調製工程と、
    集電体の表面に前記活物質スラリーを塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成する塗膜形成工程と、
    前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスするプレス工程と、
    を有し、前記塗膜形成工程と前記プレス工程との組み合わせ工程を２回以上繰り返すことを特徴とする、電池用電極の製造方法。
16. 前記組み合わせ工程において、ｎ＋１回目（ｎ≧１）のプレス工程におけるプレス圧力がｎ回目のプレス工程におけるプレス圧力よりも小さい、請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記塗膜形成工程における前記活物質スラリーの塗布が、インクジェット方式を用いて行われる、請求項１５または１６に記載の製造方法。

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