JP2007258086A - 非水電解液二次電池用電極板及びその製造方法並びに非水電解液二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷における充放電特性に優れた非水電解液二次電池用電極板を提供すること。
【解決手段】集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜を有する非水電解液二次電池用電極板であり、その電極膜は、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつ保液層と活物質層とが交互に形成された積層構造を有している。各保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池用電極板、その製造方法、そしてそれを用いた非水電解液二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池は、高エネルギー密度、高電圧を有し、また充放電時におけるメモリー効果が無いことから、携帯機器、大型機器など様々な分野で用いられている。一般的な非水電解液二次電池の構成を単純化すると、正極、負極、セパレータ及び有機電解液からなり、正極及び負極は金属箔等の集電体の上に充放電可能な活物質及び結着剤、必要に応じて導電剤を混合した塗工膜を形成したものが用いられている。塗工膜の形成は通常、活物質と結着剤、及びその他の材料を溶媒中で混練・分散してスラリー状の塗工液にし、これを集電体上に塗布・乾燥することで行なわれる（例えば、特許文献１及び２）。

近年では特に電気自動車、ハイブリッド自動車、そしてパワーツール等の高出力特性が必要とされる分野に向けての開発が進んでいるが、高出力を出す為には電池のインピーダンスを減らす必要がある。インピーダンスが高い電池は高出力充放電時にその容量を十分に生かすことができない。電池のインピーダンスを下げる為の手段の１つとして、塗工膜の薄膜大面積化がある。非水電解液は水系電解液に比べ一般的に抵抗が高いため、例えばリチウムイオン二次電池はその開発当初から、鉛蓄電池等他の電池に比べ薄く広い面積の電極を使用し、かつ極板間距離を短くした形態となっている。
特開昭６３−１０４５６号公報 特開平３−２８５２６２号公報

しかしながら、高負荷をかけて充放電を実施する場合、電極膜に含まれる電解液中のリチウムイオンが活物質に急激に取り込まれる結果、電極膜表面から膜内部に通じた空隙を通してなされる活物質へのリチウムイオンの供給が追いつかず、電極反応の抵抗が増大し、出力電圧が大きく低下するという問題があった。

これに対し、電極膜の空隙率を上げて、電極膜内に保持される電解液の量を増加させることも可能である。しかしながら、一般に電極膜はプレス（圧延）により密度を上げる（≒空隙率を下げる）ことで、塗膜強度の向上や体積エネルギー密度の向上、および導電性の向上を図っているため、塗膜の空隙率を上げることには限界がある。また、空隙率を高く出来る材料（いわゆるバルキーな材料）を使用すると、電極塗工時のインキ混練が困難になったり、塗膜強度が低下したりする問題があった。また、塗工量を減らすと、同じ電池容量を確保する為に電極の面積を増やす必要があり、集電体である金属箔やセパレータなどが多く必要となる為、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度が低下してしまうという問題もあった。

これに対し、本発明者らは、電極膜を多層の積層構造とし、その積層構造の中に、電解液を保持する保液層を形成することにより、上記課題を解決することが可能なことを見出して本件発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の非水電解液二次電池用電極板は、集電体と、該集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜とを有する非水電解液二次電池用電極板であって、該電極膜は、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつ該保液層と該活物質層とが交互に形成された積層構造を有し、該各保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有することを特徴とする。
ここで、本発明における保液層とは、電極反応に関与する活物質を含まず、層中に電解液を保持し、且つ上下の活物質層と十分な電気的接触を保っている層をいう。
なお、ここでいう「大気側」とは電極膜において集電体側と反対側の面を指す言葉であり、実際の電池においてはセパレーターを介して対極と対向する側のことである。

上記電極膜が、集電体側の活物質層が大気側の活物質層より小さい空隙率を有するように形成されていることが好ましい。

また、保液層が、少なくとも導電剤と結着剤を含むことが好ましい。さらに、保液層は、イオン導電性材料を含んでも良い。

また、保液層が、いずれの活物質層よりも小さな体積抵抗率を有することが好ましい。保液層の体積抵抗率は、１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

また、活物質層及び保液層の厚さが、いずれも１００μｍ以下であることが好ましい。さらに、保液層の厚さの合計が、電極膜の厚さの１／２以下であることが好ましい。

本発明の非水電解液二次電池用電極板は、例えば以下の方法により製造することができる。すなわち、本発明の非水電解液二次電池用電極板の製造方法は、集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜を有し、該電極膜が、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつ該保液層と該活物質層とが交互に形成された積層構造を有してなり、該各保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有する非水電解液二次電池用電極板の製造方法であって、集電体側に形成された活物質層の上に、少なくとも導電剤と結着剤とを含む保液層用塗液を塗布し、乾燥して保液層を形成し、次いで、該保液層の上に活物質層を形成する、ことを特徴とするものである。

本発明の非水電解液二次電池は、少なくとも正極板、負極板、及び電解質を含む非水電解液二次電池であって、該正極板及び該負極板の少なくとも一方に、上述の本発明の非水電解液二次電池用電極板を用いることを特徴とするものである。

本発明によれば、電極膜を多層の積層構造とし、その積層構造の中に、電解液を保持する保液層を形成するようにしたので、以下のような効果が得られる。
まず、保液層は電解液を保持する液溜の機能を有し、電解液中のイオンを活物質層へ供給することができるので、イオンの移動抵抗を低減し、高負荷時の充放電特性を向上させることができる。
また、保液層を設けることにより、電極のプレスによる高密度化において、電極膜の見かけの空隙率（電極膜全体の空隙率）を低下させること無く、活物質層の高密度化及びそれに伴う活物質層の導電性の向上を図ることが出来る。
なお、単位面積当たりの活物質量が同じである場合、保液層と活物質層をそれぞれ薄膜化して積層数を増加させることにより出力特性を増加させることができるので、重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度を大きく低下させることなく、出力特性を向上させることが可能である。
また、活物質層の組成を変更することなく電極膜に保液性を付与することができるので、電極の塗工適性の低下や活物質層の分散不良およびそれに伴う活物質層の抵抗増大等の問題を生じることがない。
また、同じ負荷特性の設計であっても、保液層との積層化によって単位面積当たりの塗工量（活物質量）を増やすことができるため、出力特性を低下させることなく、エネルギー密度を向上させることが可能となる。
また、保液層は活物質を含まず電極反応に関与しない為、保液層を構成する材料及び組成について選択の自由度が増加し、材料コストや特性に関し、より最適な電極板の設計が可能となる。

本発明の非水電解液二次電池用電極板は、集電体と、その集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜とを有する非水電解液二次電池用電極板であって、その電極膜は、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつその保液層とその活物質層とが交互に形成された積層構造を有し、各保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有することを特徴とするものである。

実施の形態１．
以下、図面を参照して本実施の形態に係る電極板について説明する。
図１は、本実施の形態に係る電極板の構造の一例を示す模式断面図である。集電体１の上には、活物質層Ａ_１〜Ａ_ｎ＋１及び保液層Ｂ_１〜Ｂ_ｎとを有し、活物質層と保液層が交互に積層されて電極膜２を構成している。ここで、通常はｎは１以上で５以下の整数である。ｎが５より大きいと、塗工工程におけるロスが増大する。
さらに、活物質層Ａ_１〜Ａ_ｎ＋１は、それぞれ空隙率Ｐ_１〜Ｐ_ｎ＋１を有し、保液層Ｂ_１〜Ｂ_ｎは、それぞれ空隙率Ｑ_１〜Ｑ_ｎを有している。保液層Ｂｎは、集電体側の活物質層Ａ_ｎとの間に、その空隙率に関し、Ｑ_ｎ≧Ｐ_ｎ の関係を有している。また、活物質層Ａ_１〜Ａ_ｎ＋１の空隙率Ｐ_１〜Ｐ_ｎは、概ね一定である。ここで、空隙率とは、（空隙率）＝（活物質層又は保液層中の空間が占める体積）／（活物質層又は保液層の見掛けの体積）から算出され、水銀ポロシメーター等を用いて測定する。積層された各層の空隙率を直接測定することは難しいが、活物質層及び保液層の単独層におけるプレス密度（及び必要な圧力）と空隙率の関係を別途測定しておき、実際の積層塗膜における各層の塗工量及び断面観察による層の厚みから計算した層密度を元に算出することが出来る。あるいは、加えた圧力が各層に均等にかかるとして、プレス後の各層の空隙率を見積もってもよい。

（活物質層）
活物質層は、正極活物質又は負極活物質と、結着剤、導電剤、そして必要により種々の添加剤を含む。
正極活物質としては、従来から非水電解液二次電池の正極活物質として用いられている材料を用いることができる。例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４（マンガン酸リチウム）、ＬｉＣｏＯ_２（コバルト酸リチウム）若しくはＬｉＮｉＯ_２（ニッケル酸リチウム）等のリチウム酸化物、または、ＴｉＳ_２、ＭｎＯ_２、ＭｏＯ_３もしくはＶ_２Ｏ_５等のカルコゲン化合物を例示することができる。特に、ＬｉＣｏＯ_２を正極用活物質として用い、炭素質材料を負極用活物質として用いることにより、４ボルト程度の高い放電電圧を有するリチウム系２次電池が得られる。

正極活物質は、塗工層中に均一に分散させるために、平均粒径が０．１〜１００μｍの粉体であることが好ましい。これらの正極用活物質は単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

一方、負極活物質としては、従来から非水電解液二次電池の負極活物質として用いられている材料を用いることができる。例えば、天然グラファイト、人造グラファイト、アモルファス炭素、カーボンブラック、または、これらの成分に異種元素を添加した炭素複合体等の炭素質材料が好んで用いられる。また、金属リチウム及びその合金、スズ、シリコン、及びそれらの合金等のリチウムイオンを吸蔵放出可能な材料が一般的に使用可能である。

負極活物質の粒子形状は特に限定されない。例えば、鱗片状、塊状、繊維状、球状のものが使用可能である。負極活物質は、塗工層中に均一に分散させるために、平均粒径が０．１〜１００μｍの粉体であることが好ましい。これらの負極用活物質は単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

活物質層材料中の正極又は負極活物質の含有率は、溶剤を除く配合成分を基準（固形分基準）とした時に通常は７０〜９８重量％、好ましくは８０〜８８重量％である。

結着材としては従来から用いられているもの、例えば、熱可塑性樹脂、より具体的にはポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹脂、フッ素系樹脂またはポリイミド樹脂等を使用することができる。この際、反応性官能基を導入したアクリレートモノマーまたはオリゴマーを結着材中に混入させることも可能である。そのほかにも、ゴム系の樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂、アクリレートモノマー、アクリレートオリゴマー或いはそれらの混合物からなる電離放射線硬化性樹脂、上記各種の樹脂の混合物を使用することもできる。好ましい結着剤は、フッ素系樹脂、より好ましくはポリフッ化ビニリデンである。塗工組成物中の結着材の含有率は、固形分基準で通常は１．５〜２０重量％、より好ましくは４〜１２重量％である。

また、導電剤としては、例えば、天然グラファイト、人造グラファイト、カーボンブラックまたはアセチレンブラック、炭素繊維等の炭素質材料を用いることができる。活物質層中の導電剤の含有率は、活物質１００重量部に対して１．５〜３０重量部、より好ましくは１．５〜２０重量部、さらに好ましくは１２〜２０重量部である。
なお、活物質層の各層において、活物質、結着剤、導電剤の種類及び／又は形状及び／又は含有率は同じでなくてもよい。

活物質層は、粒子同士の接触により電気的な導通を向上させるべく高密度に充填する必要がある一方、電解液に含まれるイオンと活物質によって電池反応は起きるため、電解液が活物質層に染み込めるような空隙を確保する必要がある。そのため、活物質層の空隙率は６〜５０％、より好ましくは１０〜３５％とする必要がある。空隙率が大きすぎると、粒子同士の良好な接触が保たれず反応に関与する電子移動が阻害される。また空隙率が小さすぎると、電極反応に必要なイオンの速やかな移動が阻害され、高出力を出すことは難しくなる。活物質層の空隙率は大きくはプレス密度に依存するが、層を構成する材料の大きさ、形状、配合比を変化させることにより空隙の状態を調整することが出来る。例えば、大きな粒径の粒子を含有させたり、繊維状の材料を添加したりすること等により、効果的につながった空隙を確保できる。空隙が効果的につながっている場合には、空隙が細かく分断されている場合に比べ、ポロシメーター測定における空隙率は大きくなる。なお、空隙率計算は、活物質層中に含まれる最大粒子サイズよりも小さな細孔径のデータについて行った。

（保液層）
保液層は、少なくとも、上下の活物質層との電気的導通を確保するための導電剤と、結着剤を含む。保液層は、活物質を含んでいないので、活物質層に比べ空隙率を大きくすることができる。導電剤としては、保液層を含む電極板が電池として使用される電位範囲内で電気化学的に不活性であれば特に制限は無いが、もちろん良好な導電体であることが好ましい。例えば、天然及び人造のグラファイト、カーボンブラック、炭素繊維などの炭素質材料、アルミ、金、銀、銅等の金属材料、ＩＴＯ等の金属酸化物材料を使用することが出来るが、コストや取扱の容易さなどから炭素材料が好ましい。ここでカーボンブラックには、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックなどが含まれる。炭素繊維には、粉末状のミルド品や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）などが使用できる。また導電材の種類によっては正極、負極のいずれかにしか使用できないものがあり、例えばグラファイトは負極の電位範囲で電気化学的に活性であるため、負極の導電材としては使用できない。
なお、これらの導電剤は単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、絶縁材料の表面を導電性材料で被覆したものを使用することもできる。

導電剤の粒子形状、大きさ等は特に限定されないが、電解液に含まれるイオンと活物質層に含まれる活物質によって電池反応が起きるため、電解液が活物質層に染み込み可能な空隙（導電剤等が存在しない空間）が、保液層中に確保できる範囲内で、例えば、粒子状、繊維状、ポーラスシート状などのものが使用可能である。導電剤が粒子状の場合、平均粒径は０．０１〜５０μｍ、好ましくは０．０３〜２０μｍである。保液層中の導電剤の含有率は、溶剤を除く配合成分を基準（固形分基準）とした時、５０〜９９．５重量％、より好ましくは８０〜９９．５重量％である。
なお、導電層に用いる導電剤の種類及び／又は形状及び／又は含有率と活物質層に用いる導電剤の種類及び／又は形状及び／又は含有率は同じでなくてもよい。

また、結着剤には、活物質層に用いたものと同様のものを用いることができるが、ポリフッ化ビニリデンまたはその誘導体や、ゴムエマルジョン等を用いることが好ましい。保液層中の結着剤の含有率は、溶剤を除く配合成分を基準（固形分基準）とした時、０．５〜５０重量％、より好ましくは０．５〜２０重量％である。

また、結着剤の一部に代えて、イオン導電性ポリマーを用いることもできる。イオン導電性ポリマーには、ポリアルキレンオキサイドやその部分架橋体等の高分子固体電解質や、ポリアクリロニトリル及び／又はその共重合体、ポリメチルメタクリレート及び／又はその共重合体等の高分子ゲル電解質を挙げることができる。好ましくは高分子ゲル電解質であり、さらに好ましくはポリアクリロニトリル及び／又はその共重合体である。電解液の保持能が大きいからである。これらイオン導電性ポリマーを結着剤と併用することにより、保液層の成膜性を確保しながら、保液層のイオン導電性を向上させ、あるいは保液層の電解液保持能を向上させ、電極膜におけるイオンの移動抵抗をさらに低減させることが可能となる。これらイオン導電性ポリマーと結着剤の配合比は、重量比で０．１：９．９〜５：５，より好ましくは０．１：９．９〜４：６である。

保液層は、活物質層よりも大きな空隙率を有し、空隙率は６〜８０％、より好ましくは１０〜５０％である。空隙率が６％より小さいと電解液の保持量が十分でなく、浸透性も低下し、また８０％より大きいと電気的導通を確保するのが困難となるからである。また、保液層の空隙率は、活物質層の空隙率よりも少なくとも１％以上、より好ましくは１０％以上大きいことが好ましい。保液層の空隙率は大きくはプレス密度に依存するが、層を構成する材料の大きさ、形状、配合比を変化させることにより空隙の状態を調整することが出来る。例えば、大きな粒径の粒子を含んだり、繊維状の材料を添加したりすること等により、効果的につながった空隙を確保できる。空隙が効果的につながっている場合には、空隙が細かく分断されている場合に比べ、ポロシメーター測定における空隙率は大きくなる。保液層の空隙率の計算は、通常、保液層中に含まれる最大粒子サイズよりも小さい細孔径について行なうが、保液層形成後の機械的な穿孔など、粒子サイズによらない方法を取る場合にはすべての細孔径を対象とする。

また、各保液層は、活物質層の中の最も小さい体積抵抗率を有する活物質層よりも小さい体積抵抗率を有することが好ましい。活物質層間の抵抗を低減して、電極板自体の抵抗増大を抑制するためである。各保液層の体積抵抗率が、１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

各活物質層の厚さは、抵抗を小さくするため、１００μｍ以下であることが好ましい。また、各保液層を厚くすると電解液の保持量が増加する一方で、充放電可能な積層構造全体の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度が低下する。そのため、各保液層の厚さは１００μｍ以下であることが好ましい。また、保液層の厚さの合計が、電極膜全体の厚さの１／２以下であることが好ましい。例えば、一般的に単層の電極膜の厚さが約１０〜４００μｍであることから、この電極膜を積層構造とした場合、保液層の厚さは約０．１１〜１００μｍとすることができる。

本発明の電極膜は、積層数や各層の厚さを変化させることにより、電極板の出力特性を調整することができる。例えば、電極板の出力特性を下げることなく、単位面積当たりの容量を挙げるには、積層数を上げれば良い。また、単位面積当たりの容量を一定に維持しながら出力特性を増加させるには、活物質層の厚さの合計を一定とした状態で、積層数を増加させたり、各活物質層の厚さを薄くしても良い。
なお、本発明の電極膜は、３層、５層、７層、そしてそれ以上に積層数を増加させることができるが、一般的な電極膜の厚さが最大４００μｍ程度であることから、積層数の上限は活物質層と保液層の厚みをそれぞれ２０μｍ、１０μｍ程度とすると、２５層程度とすることができる。好ましくは１１層以下である。

（作製方法）
電極板は、活物質層及び保液層を、コーティング法、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、導電性シートの貼り合わせ法等を用いて集電体上に形成することにより作製することができる。

例えば、活物質層及び保液層をコーティング法により行う場合、以下の方法で行うことができる。
正極及び負極活物質層を形成するための塗工液を調製する溶媒としては、トルエン、メチルエチルケトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン或いはこれらの混合物、又はイオン交換水のような、結着剤を溶解及び分散可能な溶剤を用いることができる。塗工液中の溶媒の割合は、３０〜６５重量％、好ましくは４５〜６０重量％とし、塗工液をスラリー状に調製する。適宜選択した正極又は負極活物質、結着剤及び導電剤を適切な溶媒中に加え、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミルまたはプラネタリーミキサー等の分散機により混合分散して、スラリー状に調製できる。なお、必要に応じて、増粘剤、分散剤等を添加することもできる

また、保液層を形成するための塗工液を調製する溶媒には、活物質層の塗工液と同様のものを用いることができる。導電剤と結着剤を適切な溶媒中に加え、分散機により混合分散して、スラリー状に調製できる。保液層形成用の塗工液には活物質が含まれていないので、活物質と導電材の分散不良に起因する抵抗の増大を考慮する必要は無く、分散状態に関する制限は比較的少ない。

上記の方法により調製した活物質層形成用及び保液層形成用の塗工液を用いて、基体である集電体上に２層以上の活物質層と１層以上の保液層を含み、活物質層と保液層が交互に積層された積層構造からなる電極膜を形成する。塗布方法は、特に限定されないが、例えば、ダイコート、コンマコート等を用いることができる。塗工液の粘度が低い場合には、グラビアコート、スプレーコート、ディップコート等によって塗布することもできる。塗布形状は、必要に応じて間欠塗工などパターンを形成してもよい。尚、保液層及び活物質層は、複数回塗布、乾燥を繰り返すことにより形成してもよく、３層以上を同時に塗布した後、その３層以上を一度に乾燥させてもよい。また、各塗工工程の間に、プレス工程や空隙付与工程等、他の工程を実施することもできる。
ここで、正極板の集電体としてはアルミニウム箔を用いることができ、負極板の集電体には、電解銅箔や圧延銅箔等の銅箔を用いることができる。集電体の厚さは５〜５０μｍが好ましい。

なお、コーティング法を用いた場合、選択した材料にもよるが、電極膜の塗工量は、正極の場合２０〜３００ｇ／ｍ^２（片面あたり）、好ましくは３０〜２００ｇ／ｍ^２（片面あたり）であり、負極の場合は１０〜２００ｇ／ｍ^２（片面あたり）、好ましくは２０〜１５０ｇ／ｍ^２（片面あたり）である。

塗工後、電極膜中の溶剤を除去するために、電極板を乾燥する。溶剤の除去方法は特に限定されないが、活物質層形成材料及び保液層形成材料の耐熱性、溶媒除去効率、乾燥後の活物質層中での導電剤の分布状態などを考慮して、温風乾燥、遠赤外線乾燥、接触乾燥、減圧乾燥、フリーズドライ乾燥などの一般的な手法の中から適宜選択し又はこれらのいくつかを組み合わせることができる。

また、乾燥後、材料の改質による導電性向上、強度向上、電解液に対する親和性向上などを目的として、必要に応じて電極膜に対し熱処理や電子線処理などを行うこともできる。

保液層及び／又は活物質層を蒸着、スパッタ、溶射等により形成する場合、塗布及び乾燥工程を経ずに、活物質層の上に保液層形成材料を用いて直接保液層を形成したり、あるいは集電体又は保液層の上に活物質層形成材料を用いて直接活物質層を形成することもできる。また、必要に応じて、蒸着、スパッタ、溶射等を行う時に下地の活物質層にマスキングを行い、保液層に空隙を形成することもできる。また、保液層形成後に機械的な穿孔等の方法により空隙を形成することもできる。

また、保液層をフリースタンディングな導電性シートを用いて形成することもできる。フリースタンディングな導電性シートとは、例えば、導電性炭素繊維で編んだ織物、薄い金属製のメッシュ状のシート等が例示され、ある程度の強度があり、機械でラミネートすることが可能なシート材料を意味する。この場合、フリースタンディングな導電性シートと活物質層との界面が絶縁状態とならない限り、活物質層の上に形成する方法は特に制限されない。例えば、導電性接着剤による接着、結着剤溶液による接着、活物質層の結着剤を再溶解可能な溶媒による接着、熱圧着等の方法を用いることができる。また、活物質
層溶液を塗布後、完全に乾燥する前に導電性シートを重ね合わせて乾燥することによって保液層を形成してもよい。

このように形成された電極板は、更に、プレス加工により圧延することにより、活物質層の密度、集電体に対する密着性、均質性及び導電性を向上させることができる。
プレス加工は、例えば、金属ロール、弾性ロール、加熱ロールまたはシートプレス機等を用いて行う。

また、ロールプレスは、ロングシート状の電極板を連続的にプレス加工することができる。ロールプレスを行う場合には定位プレス、定圧プレスのいずれを行ってもよい。プレスのライン速度に特に制限は無いが、通常は１〜５０ｍ／ｍｉｎとする。線圧は電極が破断しない圧力範囲であれば良い。もし装置能力の制限などにより１回のプレスで目標厚みまたは密度に到達しない場合は、複数回プレスを行なっても良い。

また、シートプレスを行う場合には、圧力は電極が破断しない範囲であれば良い。もし装置能力の制限などにより１回のプレスで目標厚みまたは密度に到達しない場合は、複数回プレスを行なっても良い。

本実施の形態によれば、活物質層と、電解液を保持する保液層とを交互に形成する積層構造からなる電極膜を用い、保液層と上下の活物質層の電気的導通を確保する一方、保液層の空隙率を集電体側の活物質層の空隙率よりも大きくしたので、高負荷充放電時におけるイオンの移動抵抗を低減し、出力の低下を抑制することができる。

実施の形態２．
本実施の形態に係る電極板は、保液層を介して隣接する活物質層Ａ_ｎとＡ_ｎ＋１が、その空隙率に関し、Ｐ_ｎ＋１≧Ｐ_ｎ の関係を有する以外は、実施の形態１と同様の構造を有している。すなわち、本実施の形態に係る電極板は、保液層は、隣接する集電体側の活物質層よりも大きな空隙率を有する一方、活物質層は、大気側の活物質層が集電体側の活物質層よりも大きな空隙率を有する傾斜構造を有している。ここで、活物質層の空隙率は、１〜１０％の範囲で変化させることが好ましい。

活物質層の傾斜構造は、例えば、以下の方法により形成することができる。
コーティング法により活物質層を形成する場合、大気側の活物質層の空隙率が大きくなるように、層を構成する材料の大きさ、形状、配合比を変化させることが出来る。例えば、大きな粒径の粒子を含んだり、繊維状の材料を添加したりすること等により、効果的につながった空隙を確保できる。空隙が効果的につながっている場合には、空隙が細かく分断されている場合に比べ、ポロシメーター測定における空隙率は大きくなる。

本実施の形態に係る電極板は、実施の形態１と同様の効果を有するのみならず、大気側の活物質層が集電体側の活物質層よりも大きな空隙率を有する傾斜構造を有しているので、電解液中のイオンを大気側から集電体側の活物質層に移動し易くし、イオンの移動抵抗をさらに低減することが可能となる。

実施の形態１又は２で作製した電極板を用い、以下の方法により非水電解液二次電池を作製することができる。なお、本発明における非水電解液二次電池用電極板は、正極板及び負極板の少なくとも一方が、上記非水電解液二次電池用電極板であればよい
通常、正極板及び負極板を、ポリエチレン製多孔質フィルムのようなセパレータを介して渦巻状に捲回し、外装容器に挿入する。または、所定の形状に切り出した正極板及び負極板をセパレータを介して積層して固定し、外装容器に挿入する。挿入後、正極板に取り付けられたリード線を外装容器に設けた正極端子に接続し、一方、負極板に取り付けられたリード線を外装容器に設けた負極端子に接続し、外装容器に非水電解液を充填し、密封することによって、本発明に係る電極板を備えた非水電解液二次電池が完成する。

リチウム系二次電池を作製する場合には、溶質であるリチウム塩を有機溶媒に溶かした非水電解液が用いられる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等の無機リチウム塩、または、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３、ＬｉＯＳＯ_２ＣＦ_３、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_３Ｆ_７、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_４Ｆ_９、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_５Ｆ_１１、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_６Ｆ_１３、ＬｉＯＳＯ_２Ｃ_７Ｆ_１５等の有機リチウム塩等が用いられる。

リチウム塩を溶解するための有機溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類等を例示できる。より具体的には、環状エステル類としては、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ビニレンカーボネート、２−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等を例示できる。

鎖状エステル類としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルエチルカーボネート、メチルブチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、ブチルプロピルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。

環状エーテル類としては、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、ジアルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、アルキル−１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキソラン等を例示できる。

鎖状エーテル類としては、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテル等を例示することができる。

実施例１．
（作製方法）
正極用活物質としてＬｉＣｏＯ_２粉末を８０重量部、導電剤としてアセチレンブラックを１０重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）１０重量部を、溶媒であるＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中で分散して正極活物質層塗工用スラリーを調製した。また、導電剤として人造黒鉛を９５重量部、結着剤としてＰＶＤＦ ５重量部を、溶媒であるＮＭＰ中で分散して、保液層塗工用スラリーを調製した。厚み１５μｍのアルミ箔上に、活物質層塗工用スラリー、保液層塗工用スラリー、活物質層塗工用スラリーの順に塗布、乾燥を繰り返して、集電体側から活物質層１、保液層、そして活物質層２から成る３層の積層構造の電極を得た。各層の重量はそれぞれ約９０ｇ／ｍ^２、約１５ｇ／ｍ^２、約９０ｇ／ｍ^２であり、このときの活物質重量は約１４４ｇ／ｍ^２であった。この３層積層構造の電極を所定の厚みにプレスし、測定用電極を作製した。
ここで、活物質層１、保液層、そして活物質層２の厚さは、全体の厚み及び顕微鏡による断面観察から算出し、それぞれ４４μｍ、１２μｍ、４４μｍであった。この各層の厚みと各層の塗工量から各層の密度を計算し、活物質層のみからなる塗膜および保液層のみからなる塗膜について、水銀ポロシメーターで別途測定した塗膜密度と空隙率の関係から各層の空隙率を算出し、それぞれ約１５％、約１９％、約１５％であった。

（電池評価）
上述の方法で作製したプレス後の電池評価用電極を１５ｍｍφの円盤状に打ち抜き、三極式セルを作製した。対極及び参照極には金属リチウムを用い、セパレータは多孔質のポリエチレンシート、電解液はＬｉＰＦ_６のエチレンカーボネート／ジメチルカーボネート（１：１）１Ｍ溶液を使用した。また、活物質の理論容量(ｍＡｈ／ｇ)と実際の活物質量（ｇ）から放電レート１Ｃを算出した。なお、満充電状態から１時間で放電完了する電流値を１Ｃという。例えば電池の容量が１００ｍＡｈの場合、１Ｃの電流値は１００ｍＡとなる。この電池を２５℃の環境下にて０．２Ｃ（１Ｃの０．２倍の電流値）の定電流で充電し、参照極に対し４．２Ｖに到達した後そのままその電位に保ち、充電電流が減少し０．０５Ｃ以下となった時点で充電を完了した。その後、１０分間休止した後、０．２Ｃの定電流で放電し、参照極に対して３．０Ｖになった時点で放電完了とした。その後、０．２Ｃの電流値で再度充電し、１０分休止後、５Ｃ（１Ｃの５倍の電流値）で放電し、容量を確認した。このとき、０．２Ｃ放電と５Ｃ放電での放電容量比は９８％であった。

比較例１．
（作製方法）
実施例１と同様にして、正極活物質層塗工用スラリーを調製した。厚み１５μｍのアルミ箔上に、活物質層塗工用スラリーを塗布、乾燥して、単層の活物質層を得た。層の重量は約１８０ｇ／ｍ^２であり活物質重量は約１４４ｇ／ｍ^２であった。この電極を所定の厚みにプレスし、測定用電極を作製した。この活物質層の厚さは８８μｍであった。また、この活物質層の空隙率は約１５％であった。
（結果）
この電極の充放電特性を、実施例１と同様に評価したところ、０．２Ｃ放電と５Ｃ放電での放電容量比は９４％であった。

比較例２．
（作製方法）
保液層塗工用のスラリーの組成を人造黒鉛３０重量部、ＰＶＤＦ ７０重量部とした以外は実施例１と同様にして３層積層構造の電極を作製した。各層の重量はそれぞれ約９０ｇ／ｍ^２、約１５ｇ／ｍ^２、約９０ｇ／ｍ^２であり、このときの活物質重量は約１４４ｇ／ｍ^２であった。この３層積層構造の電極を所定の厚みとなるようにプレスし、測定用電極を作製した。
ここで、活物質層１、保液層、そして活物質層２の厚さは、全体の厚み及び顕微鏡による断面観察から算出し、それぞれ４４μｍ、１１μｍ、４４μｍであった。この各層の厚みと各層の塗工量から各層の密度を計算し、活物質層のみからなる塗膜および保液層のみからなる塗膜について、水銀ポロシメーターで別途測定した塗膜密度と空隙率の関係から各層の空隙率を算出し、それぞれ約１５％、約１２％、約１５％であった。
（結果）
この電極の充放電特性を、実施例１と同様に評価したところ、０．２Ｃ放電と５Ｃ放電での放電容量比は９２％であった。

本発明に係る非水電解液二次電池用電極板の構造の一例を示す模式断面図である。

符号の説明

１ 集電体
２ 電極膜
Ａ_１〜Ａ_ｎ＋１ 活物質層
Ｂ_１〜Ｂ_ｎ 保液層

Claims (10)

1. 集電体と、該集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜とを有する非水電解液二次電池用電極板であって、
   該電極膜は、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつ保液層と活物質層とが交互に形成された積層構造を有し、
   保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有する非水電解液二次電池用電極板。
2. 上記電極膜が、集電体側の活物質層が大気側の活物質層より小さい空隙率を有するように形成されている請求項１記載の非水電解液二次電池用電極板。
3. 上記保液層が、少なくとも導電剤と結着剤を含む請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池用電極板。
4. 上記保液層が、イオン導電性材料を含む請求項３記載の非水電解液二次電池用電極板。
5. 上記保液層が、いずれの活物質層よりも小さな体積抵抗率を有する請求項１から４のいずれか一つに記載の非水電解液二次電池用電極板。
6. 上記保液層の体積抵抗率が、１Ω・ｃｍ以下である請求項５記載の非水電解液二次電池用電極板。
7. 上記活物質層及び保液層の厚さが、いずれも１００μｍ以下である請求項１から６のいずれか一つに記載の非水電解液二次電池用電極板。
8. 上記保液層の厚さの合計が、電極膜の厚さの１／２以下である請求項１から７のいずれか一つに記載の非水電解液二次電池用電極板。
9. 集電体の少なくとも一面に形成され活物質を含有する電極膜を有し、該電極膜が、活物質を含有する２層以上の活物質層と電解液を保持する１層以上の保液層とからなり、かつ該保液層と該活物質層とが交互に形成された積層構造を有してなり、該各保液層は、隣接する集電体側及び大気側の活物質層と電気的に導通する一方、集電体側の活物質層よりも大きい空隙率を有する非水電解液二次電池用電極板の製造方法であって、
   集電体側に形成された活物質層の上に、少なくとも導電剤と結着剤とを含む保液層用塗液を塗布し、乾燥して保液層を形成し、次いで、該保液層の上に活物質層を形成する、非水電解液二次電池用電極板の製造方法。
10. 少なくとも正極板、負極板、及び電解質を含む非水電解液二次電池であって、該正極板及び該負極板の少なくとも一方に、請求項１から８のいずれか一つに記載の非水電解液二次電池用電極板を用いてなる非水電解液二次電池。
    
    
    

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