JP2010225393A - 電池の電極の製造方法、製造装置、および電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池のシート電極の剛性を高めるために、凹凸形状が付与された集電体シートの表面に活物質を塗布してシート電極を構成した場合、凹凸形状が付与された集電体シートには浮きや反りが生じ易いため、高い精度で活物質の塗布を行うことが困難であった。
【解決手段】集電体シート１３ａ・１４ａの両面に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布して構成される電池１の正・負極シート電極１３・１４の製造方法であって、平板状の集電体シート１３ａ・１４ａの第１の面に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを凹凸形状に塗布するとともに、集電体シート１３ａ・１４ａの第２の面に、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを、前記第１の面の正・負極活物質１３ｂ・１４ｂとは逆位相の凹凸形状に塗布する塗工工程と、前記第１の面および第２の面に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂが塗布された集電体シート１３ａ・１４ａを、厚み方向にプレスするプレス工程とを備える。
【選択図】 図７

Description

本発明は、箔の両面に活物質層を塗布して構成される電池の電極の製造方法、製造装置、ならびにその製造方法および製造装置により製造された電極を用いた電池に関する。

従来、リチウムイオン二次電池などの二次電池においては、その正極および負極に、それぞれシート電極が正極シート電極および負極シート電極として用いられている。
前記正極シート電極および負極シート電極は、該正極シート電極と負極シート電極とをセパレータを介して積層し、さらに積層した正極シート電極および負極シート電極を巻回して巻回体を構成した状態で、電解液が充填された電池ケース内に収納されている。
前記正極シート電極は、例えばアルミニウム箔やステンレス箔などの金属箔にて構成され平板状に形成された集電体シート（基材）の両面に、正極活物質を層状に塗布して構成されており、前記負極シート電極は、例えば銅箔やステンレス箔などの金属箔からなる集電体シートの両面に負極活物質を層状に塗布して構成されている。

このように構成される前記正極シート電極および負極シート電極は、前述のように巻回体を構成した状態で電池ケース内に収納されるが、平板状に形成された集電体シートに活物質を塗布して構成した正極シート電極および負極シート電極は剛性が高くないため、前記巻回体を把持して搬送する際などに、巻回された正極シート電極および負極シート電極に変形が生じて、隣接する正極シート電極と負極シート電極との電極間距離が一定でない箇所が発生することがある。
一方、リチウムイオン二次電池においては、巻回体を構成する正極シート電極および負極シート電極に変形が生じて、正極シート電極と負極シート電極との電極間距離が小さくなる箇所が存在すると、その箇所でリチウムの析出が起こり易くなって電池の容量劣化を引き起こす原因となるため、正極シート電極と負極シート電極との電極間距離を一定に保つことが重要である。

前記巻回体において、正極シート電極と負極シート電極との電極間距離を一定に保つためには、正極シート電極および負極シート電極の剛性を高めることが有効であり、正極シート電極および負極シート電極の剛性を高める方策としては、各シート電極を構成する集電体シートに凹凸形状を付与することが考えられるが、特許文献１には、集電体シートに対して予め凹凸形状を付与しておき、凹凸形状が付与された集電体シートの表面に活物質を塗布することにより正極シート電極および負極シート電極を構成する技術が開示されている。
また、特許文献２にも、凹凸形状が付与された集電体シートの表面に活物質を塗布する技術が開示されている。

特開平８−１９５２０２号公報 特開平６−２６７５４３号公報

前記集電体シートに活物質を塗布して、前記正極シート電極および負極シート電極といったシート電極を構成する場合、搬送経路に沿って搬送される集電体シートの表面に対して、一定のクリアランスを保つようにして塗工ダイのノズルが設置され、かかるノズルから所定の粘度となるように混練された活物質ペーストを吐出することにより、集電体シートの表面に対する活物質の塗布が行われる。
このように、集電体シートに活物質を塗布する場合、塗布される活物質の膜厚は非常に高い精度が要求される（例えばミクロンオーダーの精度が要求される）。

しかし、前記塗工ダイのノズルが設置される塗工工程に搬送される集電体シートに凹凸形状が付与されていた場合、集電体シートに浮きや反りが生じ易いため、前記ノズルと集電体シートとのクリアランスを一定に保つことが困難であり、高い精度で活物質の塗布を行うことが困難である。

そこで、本発明においては、集電体シートに対して高い精度で活物質を塗布しつつ、高い剛性を有したシート電極を構成することが可能な電池の電極の製造方法および製造装置、ならびにその製造方法および製造装置により製造されたシート電極を用いた電池を提供するものである。

上記課題を解決する電池の電極の製造方法、製造装置、および電池は、以下の特徴を有する。
すなわち、請求項１記載のごとく、箔の両面に活物質層を塗布して構成される電池の電極の製造方法であって、平板状に形成された箔の第１の面に対して、前記活物質層を凹凸形状に塗布するとともに、前記箔の第２の面に対して、前記活物質層を、前記第１の面の活物質層とは逆位相の凹凸形状に塗布する塗工工程と、前記第１の面および第２の面に活物質層が塗布された箔を、厚み方向にプレスするプレス工程とを備える。
これにより、電極を構成する箔に凹凸形状が形成されることとなって、前記電極の剛性を高めることができ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体において電極間距離に変動が生じにくくなるため、リチウムの析出が起こりにくく、前記巻回体を用いて構成した電池の容量劣化を抑えることが可能となる。
また、前記巻回体を構成する電極の箔に凹凸形状が形成されることにより、該箔に凹凸形状が形成されていない場合に比べて、前記箔と該箔に塗布される活物質との接触面積が増加するため、電池の出力向上を図ることが可能となる。

また、請求項２記載のごとく、前記箔の第１の面および第２の面に塗布される活物質層の凹凸形状は、一方向へ延出する凹形状および凸形状を交互に並設して構成され、前記電極は、前記凹形状および凸形状が延出する方向に巻回した状態で使用される。
これにより、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体の円弧形状部の剛性を効果的に高めることが可能となる。

また、請求項３記載のごとく、前記箔は、前記プレス工程の実施後に、前記第１の面および第２の面に塗布された活物質層の凹凸形状に対応した形状の凹凸形状に形成され、前記プレス工程の実施後における、前記箔の凹凸形状の振幅寸法Ａと、前記電極の厚み寸法ｔとが、以下の数１に示す関係を有する。

これにより、電極の剛性を高めつつ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体を用いた電池におけるリチウムの析出を抑制する効果を高めることが可能となる。

また、請求項４記載のごとく、箔の両面に活物質層を塗布して構成される電池の電極の製造装置であって、平板状に形成された箔の第１の面に対して、前記活物質層を凹凸形状に塗布するとともに、前記箔の第２の面に対して、前記活物質層を、前記第１の面の活物質層とは逆位相の凹凸形状に塗布する塗工装置と、前記第１の面および第２の面に活物質層が塗布された箔を、厚み方向にプレスするプレス装置とを備える。
これにより、電極を構成する箔に凹凸形状が形成されることとなって、前記電極の剛性を高めることができ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体において電極間距離に変動が生じにくくなるため、リチウムの析出が起こりにくく、前記巻回体を用いて構成した電池の容量劣化を抑えることが可能となる。
また、前記巻回体を構成する電極の箔に凹凸形状が形成されることにより、該箔に凹凸形状が形成されていない場合に比べて、前記箔と該箔に塗布される活物質との接触面積が増加するため、電池の出力向上を図ることが可能となる。

また、請求項５記載のごとく、前記箔の第１の面および第２の面に塗布される活物質層の凹凸形状は、一方向へ延出する凹形状および凸形状を交互に並設して構成され、前記電極は、前記凹形状および凸形状が延出する方向に巻回した状態で使用される。
これにより、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体の円弧形状部の剛性を効果的に高めることが可能となる。

また、請求項６記載のごとく、前記箔は、前記プレス装置によるプレスの実施後に、前記第１の面および第２の面に塗布された活物質層の凹凸形状に対応した形状の凹凸形状に形成され、前記プレスの実施後における、前記箔の凹凸形状の振幅寸法Ａと、前記電極の厚み寸法ｔとが、以下の数１に示す関係を有する。

これにより、電極の剛性を高めつつ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体を用いた電池におけるリチウムの析出を抑制する効果を高めることが可能となる。

また、請求項７記載のごとく、前記請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電池の電極の製造方法、または前記請求項４〜請求項６の何れか一項に記載の電池の電極の製造装置により製造された電極を、正極および負極の少なくとも一方の電極として用いた。
これにより、電極を構成する箔に凹凸形状が形成されることとなって、前記電極の剛性を高めることができ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体において電極間距離に変動が生じにくくなるため、リチウムの析出が起こりにくく、前記巻回体を用いて構成した電池の容量劣化を抑えることが可能となる。
また、前記巻回体を構成する電極の箔に凹凸形状が形成されることにより、該箔に凹凸形状が形成されていない場合に比べて、前記箔と該箔に塗布される活物質との接触面積が増加するため、電池の出力向上を図ることが可能となる。

本発明は、以下の効果を奏する。
つまり、本発明によれば、電極を構成する箔に凹凸形状が形成されることとなって、前記電極の剛性を高めることができ、前記電極を積層した積層シートを巻回して構成した巻回体において電極間距離に変動が生じにくくなるため、リチウムの析出が起こりにくく、前記巻回体を用いて構成した電池の容量劣化を抑えることが可能となる。
また、前記巻回体を構成する電極の箔に凹凸形状が形成されることにより、該箔に凹凸形状が形成されていない場合に比べて、前記箔と該箔に塗布される活物質との接触面積が増加するため、電池の出力向上を図ることが可能となる。

正極シート電極と負極シート電極とをセパレータを介して積層して構成した積層シートを巻回することにより構成された巻回体を用いたリチウムイオン二次電池を示す斜視図である。 正極シート電極と負極シート電極とをセパレータを介して積層して構成した積層シートを巻回することにより構成された巻回体を示す斜視図である。 正極シート電極と負極シート電極とをセパレータを介して積層して構成した積層シートを示す正面断面図である。 巻回体における正極シート電極、負極シート電極、およびセパレータの積層状態を示す斜視図である。 正極シート電極（負極シート電極）を示す斜視図である。 凹凸形状が形成された正極シート電極（負極シート電極）の集電体シートを示す斜視図である。 正極シート電極（負極シート電極）の製造工程を示す正面断面図である。 第１塗工ダイにより集電体シートに正極活物質（負極活物質）を塗布する様子を示す斜視図である。 第１塗工ダイにより集電体シートに正極活物質（負極活物質）を塗布する様子を示す正面図である。 第２塗工ダイにより集電体シートに正極活物質（負極活物質）を塗布する様子を示す斜視図である。 第２塗工ダイにより集電体シートに正極活物質（負極活物質）を塗布する様子を示す正面図である。 集電体シートに塗布された正極活物質（負極活物質）の乾燥工程を示す側面断面図である。 乾燥工程後に行われるプレス工程を示す側面断面図である。 ロールプレス装置によりプレスされる、正極活物質（負極活物質）が塗布された集電体シートを示す正面断面図である。 集電体シートの凹凸形状の振幅寸法と、正極シート電極（負極シート電極）の全体の厚み寸法とを示す正面断面図である。 巻回体の構成手順を示す斜視図である。 巻回体の直線状部と円弧形状部とを示す側面図である。 塗工ダイの吐出口を、集電体シートの幅方向に長いスリット状の開口部と、前記開口部の短手方向外側へ断続的に切り欠かれた矩形状の開口部とで構成した例を示す底面図である。 集電体シートの両面に均一な厚みで正極活物質（負極活物質）を塗布した後、塗布された正極活物質（負極活物質）の一部を集電体シートの長尺方向に沿って掻き取って、正極活物質（負極活物質）を厚みが厚い部分と薄い部分とが存在する状態にすることにより、集電体シートに対する正極活物質（負極活物質）の塗布を行う方法を示す正面図である。 集電体シートに、凹部と凸部とが長尺方向および短尺方向（幅方向）に交互に配置されるように、千鳥状に凹凸形状を形成した状態を示す平面図である。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１に示す電池１は、本発明にかかる電極の製造方法および製造装置により構成された正極シート電極および負極シート電極を備えたリチウムイオン二次電池として構成されている。前記電池１は、前記正極シート電極と負極シート電極とをセパレータを介して巻回して構成した巻回体１０を、電解液が充填された電池ケース２内に収納し、密閉して構成されており、前記電池ケース２の天井面には正極端子３および負極端子４が突出している。

図２、図３に示すように、前記巻回体１０は、正極シート電極１３と負極シート電極１４とをセパレータ１５を介して積層して構成した積層シート１０ａを、巻回して構成したものである。
前記積層シート１０ａは、例えば正極シート電極１３、セパレータ１５、負極シート電極１４、およびセパレータ１５を順に積層して構成されており、前記巻回体１０は、例えば図４に示すように、負極シート電極１４の反正極シート電極１３側に位置するセパレータ１５を内側にして前記積層シート１０ａを巻回することで構成されている。

図５に示すように、前記正極シート電極１３は、所定の幅寸法を有する長尺状の箔である集電体シート１３ａの両面に正極活物質１３ｂ・１３ｂを層状に塗布して構成されており、前記負極シート電極１４は、所定の幅寸法を有する長尺状の箔である集電体シート１４ａの両面に負極活物質１４ｂ・１４ｂを層状に塗布して構成されている。

正極シート電極１３を構成する集電体シート１３ａは、アルミニウム箔やステンレス箔などの金属箔にて構成されており、正極活物質１３ｂは、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、およびニッケル酸リチウムなどのリチウム複合酸化物にて構成されている。
前記正極活物質１３ｂは、該正極活物質１３ｂに導電性を付与する導電材（カーボングラファイトなど）と、これらを結着させる結着剤（有機バインダなど）などとともに有機溶剤などと混練してペースト状に調製した状態で、前記集電体シート１３ａに塗布される。

負極シート電極１４を構成する集電体シート１４ａは、銅箔やステンレス箔などの金属箔にて構成されており、負極活物質１４ｂはグラファイトなどにて構成されている。
前記負極活物質１４ｂは、該負極活物質１４ｂを所定の溶剤と混練してペースト状に調製した状態で、前記集電体シート１４ａに塗布される。

図６に示すように、前記集電体シート１３ａ・１４ａには、凹凸形状１３ｃ・１４ｃが長尺方向（図６における左右方向）に沿って連続して形成されている。
つまり、前記凹凸形状１３ｃ・１４ｃは、集電体シート１３ａ・１４ａの各面に直交する方向（図６における上下方向）に形成されるとともに、前記集電体シート１３ａ・１４ａの長尺方向に延出しており、集電体シート１３ａ・１４ａを、長尺方向に対して直交する方向の断面視にて見ると、波型形状に形成されている。

次に、このように集電体シート１３ａ・１４ａの両面に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布して構成され、該集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状１３ｃ・１４ｃが形成された正・負極シート電極１３・１４の製造方法について説明する。
なお、以下の説明においては、正極シート電極１３の製造方法について説明するが、負極シート電極１４も同様の製造方法により構成されるものであるため、負極シート電極１４についての説明は省略する。

正極シート電極１３を製造する際には、まず凹凸形状がない平板状の金属箔にて構成される集電体シート１３ａに、正極活物質１３ｂを塗布する第１塗工工程が行われる。
図８、図９に示すように、第１塗工工程においては、長尺方向へ搬送される集電体シート１３ａの各面に、第１塗工ダイ２１により正極活物質１３ｂが塗布される。この場合、正極活物質１３ｂは、集電体シート１３ａの幅方向における両端部を除いた略全範囲に対して均一な厚みで塗布される。
図７（ａ）に示すように、第１塗工工程が終了した集電体シート１３ａは、その両面に均一な厚みの正極活物質１３ｂ層が塗布された状態となる。

なお、第１塗工工程における、集電体シート１３ａへの正極活物質１３ｂの塗布は、例えば、集電体シート１３ａの一面側に前記第１塗工ダイ２１を配置して、まず集電体シート１３ａの一面に正極活物質１３ｂを塗布し、その後集電体シート１３ａを反転させて、該集電体シート１３ａの他面に正極活物質１３ｂを塗布することで、集電体シート１３ａの両面に正極活物質１３ｂを塗布することができる。
また、集電体シート１３ａの両面側に前記塗工ダイ２１を配置して、集電体シート１３ａの一面および他面に対して同時に正極活物質１３ｂを塗布することも可能である。

第１塗工工程の次には第２塗工工程が行われる。
第２塗工工程では、第１塗工工程にて集電体シート１３ａに塗布された各面の正極活物質１３ｂの上層に、さらに正極活物質１３ｂが塗布される。
図１０、図１１に示すように、第２塗工工程では、第２塗工ダイ２２により、前記第１塗工工程にて塗布された正極活物質１３ｂの幅よりも小さな幅の正極活物質１３ｂが、長尺方向に沿って所定の間隔を隔てて複数本塗布される。

図７（ｂ）に示すように、第２塗工工程が終了した集電体シート１３ａの各面においては、塗布された正極活物質１３ｂの厚みが薄い部分と厚い部分とが長尺方向に沿って交互に配置された状態となる。つまり、第２塗工工程が終了した集電体シート１３ａにおいては、その両面に正極活物質１３ｂが長尺方向に沿った凹凸形状に塗布された状態となる。
この場合、集電体シート１３ａの一面側において正極活物質１３ｂの厚みが厚い部分が存在する箇所は、他面側において正極活物質１３ｂの厚みが薄い部分が存在しており、逆に集電体シート１３ａの一面側において正極活物質１３ｂの厚みが薄い部分が存在する箇所は、他面側において正極活物質１３ｂの厚みが厚い部分が存在している。つまり、集電体シート１３ａの一面側と他面側とでは、正極活物質１３ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とが逆位相（つまり千鳥状）に配置されている。

なお、第２塗工工程における、集電体シート１３ａへの正極活物質１３ｂの塗布は、例えば、集電体シート１３ａの一面側に前記第２塗工ダイ２２を配置して、まず集電体シート１３ａの一面側に正極活物質１３ｂを塗布し、その後集電体シート１３ａを反転させて、該集電体シート１３ａの他面側に正極活物質１３ｂを塗布することで、集電体シート１３ａの両面側に正極活物質１３ｂを塗布することができる。
また、集電体シート１３ａの両面側に前記塗工ダイ２２を配置して、集電体シート１３ａの一面側および他面側に対して同時に正極活物質１３ｂを塗布することも可能である。

このように、第１塗工工程および第２塗工工程からなる塗布工程にて、その第１の面に対して、正極活物質１３ｂが凹凸形状に塗布されるとともに、第２の面に対して、前記正極活物質１３ｂが前記第１の面の正極活物質１３ｂとは逆位相の凹凸形状に塗布された集電体シート１３ａは、次に乾燥工程に搬送される。
図１２に示すように、乾燥工程では、集電体シート１３ａは乾燥炉２３内を搬送され、所定の温度に加熱された乾燥炉２３内を所定の時間で通過する間に、該集電体シート１３ａに塗布された正極活物質１３ｂが乾燥される。

乾燥工程を経た集電体シート１３ａは、さらにプレス工程へ搬送される。図１３に示すように、塗布された正極活物質１３ｂが乾燥され、プレス工程へ搬送された集電体シート１３ａは、ロールプレス装置２４により集電体シート１３ａの各面と直交する方向にプレスされる。
ロールプレス装置２４は、集電体シート１３ａの一面側に配置される第一ロール２４ａと他面側に配置される第二ロール２４ｂとを備えており、前記第一ロール２４ａと第二ロール２４ｂとで正極活物質１３ｂが塗布された集電体シート１３ａを挟み込むことにより、該集電体シート１３ａがプレスされる。

図１４に示すように、正極活物質１３ｂが塗布された集電体シート１３ａがプレスされると、集電体シート１３ａの一面および他面に塗布された正極活物質１３ｂのうち、厚みが厚い部分が押し潰されるとともに、正極活物質１３ｂが押し潰されるのに伴って集電体シート１３ａが屈曲される。
つまり、一面側に正極活物質１３ｂの厚い部分が存在する箇所の集電体シート１３ａは他面側へ屈曲され、他面側に正極活物質１３ｂの厚い部分が存在する箇所の集電体シート１３ａは一面側へ屈曲される。

その結果、プレスされた集電体シート１３ａの両面における正極活物質１３ｂは、図７（ｃ）に示すように、その表面が平らな形状となる。また、集電体シート１３ａがプレスされて前述のように屈曲されることにより、プレス後の集電体シート１３ａには、長尺方向に沿った凹凸形状が、連続した筋状に形成される。
このように、集電体シート１３ａに凹凸形状が形成されるとともに、該集電体シート１３ａの両面に塗布された正極活物質１３ｂの表面が平面状に形成されることで、正極シート電極１３が構成される。

つまり、上述のように構成される正極シート電極１３の集電体シート１３ａは、長尺方向に対して直交する方向の断面視において、（例えば図７（ｃ）において上方（一面側）に突出している部分を凸部とし、下方（他面側）に突出している部分を凹部とすると）凹部と凸部とが交互に配置される波型形状に形成されている。
このように、正極シート電極１３を構成する集電体シート１３ａには凹凸形状が形成されているため、凹凸形状がない平板状に形成した場合に比べて、該集電体シート１３ａの剛性が向上しており、ひいては当該集電体シート１３ａを有した正極シート電極１３の剛性が向上している。
また、このように構成される正極シート電極１３を製造する製造装置は、前記第１塗工ダイ２１、第２塗工ダイ２２、乾燥炉２３、およびプレス装置２４を備えている。

また、図１５に示すように、前記正極シート電極１３においては、前記集電体シート１３ａの凹凸形状の振幅寸法（厚み方向の寸法）Ａは、集電体シート１３ａと該集電体シート１３ａの両面に塗布された正極活物質１３ｂの厚みを含めた正極シート電極１３の全体の厚み寸法ｔの４０〜８０％の大きさとなるように設定されている。
つまり、正極シート電極１３においては、前記振幅寸法Ａと厚み寸法ｔとが、以下の数１を満足する寸法となるように設定されている。

正極シート電極１３は前述のように構成されており、前記正極シート電極１３と、該正極シート電極１３と同様の製造方法にて構成された負極シート電極１４とを、前記セパレータ１５を介して積層することにより積層シート１０ａが構成される。
さらに、前記積層シート１０ａを巻回することにより巻回体１０が構成される。

前記巻回体１０は、具体的には次のようにして構成される。
つまり、まず図１６（ａ）に示すように、積層シート１０ａを、略円柱形状または略円筒形状に形成される芯材３１を芯にして巻き付ける。この場合、積層シート１０ａは、前記芯材３１の外周面に対して、長尺方向（集電体シート１３ａ・１４ａに形成される凹凸形状が延出する方向、つまり集電体シート１３ａ・１４ａに塗布された正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの凹凸形状が延出する方向）に沿って巻回される。
図１６（ｂ）に示すように、積層シート１０ａを芯材３１に巻回した後に、巻回した積層シート１０ａから芯材３１を抜き取ることで、略円筒形状に巻回された積層シート１０ａが構成される。

その後、図１６（ｃ）に示すように、略円筒形状に巻回された積層シート１０ａを、略円筒形状の外周面から中心方向へ向けて（略円筒形状の軸心方向と直交する方向に）加圧して押し潰し、略長円筒形状に形成される巻回体１０が構成される。
このようにして構成された巻回体１０においては、集電体シート１３ａ・１４ａに形成された凹凸形状は、該巻回体１０の周方向（略円筒形状の軸心方向と直交する方向）に沿って延出することとなる。

このように、巻回体１０は積層シート１０ａを巻回することにより構成されており、前記積層シート１０ａは、凹凸形状が付与され剛性が向上した集電体シート１３ａ・１４ａを備えた正極シート電極１３および負極シート電極１４を、セパレータ１５を介して積層して構成されているため、前記巻回体１０は全体的に高い剛性を有している。
従って、前記電池１を製造するための製造工程において、前記巻回体１０を把持して搬送する際などには巻回体１０に変形が生じにくく、該巻回体１０の搬送時における位置や姿勢や把持状態などといった搬送の正確性が高まって、巻回体１０の取り回し性を向上することが可能となっている。

また、図１７に示すように、前記巻回体１０は略長円筒形状に巻回されていて、積層シート１０ａが直線状に形成されている直線状部Ｓと、積層シート１０ａが円弧形状に形成されている円弧形状部Ｒとを有している。
一般的に、略長円筒形状に巻回される巻回体を、凹凸形状がない平板状の集電体シートにて構成される正・負極シート電極を積層した積層シートを巻回することにより構成した場合、正・負極シート電極の剛性は高くないため、巻回体の円弧形状部における正極シート電極と負極シート電極との電極間距離は一定ではなく、当該巻回体を備える電池の状態により異なる。このように、正極シート電極と負極シート電極との電極間距離が一定でない場合、例えば正極シート電極と負極シート電極との電極間距離が予め設定されている基準値よりも小さくなっている場合には、リチウムの析出が起こり易くなって電池の容量劣化が引き起こされることとなる。

これに対し、本電池１における巻回体１０では、集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状が付与された正・負極シート電極１３・１４の剛性が高くなっているため、該巻回体１０の円弧形状部Ｒにおいては、正極シート電極１３と負極シート電極１４との電極間距離に変動が生じにくく、予め設定されている前記電極間距離の基準値よりも小さくなることが少ないため、リチウムの析出が起こりにくく、電池１の容量劣化を抑えることが可能となっている。
特に、巻回体１０は、積層シート１０ａを集電体シート１３ａ・１４ａの凹凸形状の延出方向に巻回して構成しているので、巻回体１０の前記円弧形状部Ｒの剛性を効果的に高めることが可能となっている。

なお、本例では、正・負極シート電極１３・１４の両方において、集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状を形成することにより、積層シート１０ａの剛性を高めて電池１の容量劣化を抑えるように構成しているが、正・負極シート電極１３・１４の何れか一方の集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状を形成することによっても積層シート１０ａの剛性を高めて電池１の容量劣化を抑えることが可能である。

また、前記巻回体１０を構成する正・負極シート電極１３・１４に、凹凸形状が付与された集電体シート１３ａ・１４ａを用いた場合、凹凸形状が付与されない平板状の集電体シートを用いた場合に比べて、集電体シート１３ａ・１４ａと正・負極活物質１３ｂ・１４ｂとの接触面積が増加し、該集電体シート１３ａ・１４ａと正・負極活物質１３ｂ・１４ｂとの間の見かけの界面抵抗が低減するため、電池１の出力向上を図ることが可能となっている。

また、前記正・負極シート電極１３・１４を製造する際には、凹凸形状がない平板状の集電体シート１３ａ・１４ａに対して、それぞれ正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布するように構成しており、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂが塗布される集電体シート１３ａ・１４ａに浮きや反りが生じにくいため、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布する第１塗工ダイ２１および第２塗工ダイ２２と集電体シート１３ａ・１４ａとのクリアランスを一定に保つことが容易であり、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを高精度な塗布膜厚で塗布することが可能となっている。

また、正・負極シート電極１３・１４においては、前述のごとく集電体シート１３ａ・１４ａの凹凸形状の振幅寸法（厚み方向の寸法）Ａが、正・負極シート電極１３・１４の全体の厚み寸法ｔの４０〜８０％（０．４倍〜０．８倍）の大きさとなるように設定しているため、正・負極シート電極１３・１４の剛性を高めつつ、前記巻回体１０を用いた電池１におけるリチウムの析出を抑制する効果を高めることが可能となっている。

つまり、前記数１におけるｋの値を０．４未満の値とした場合は、集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状を形成することによる剛性向上の効果が殆ど見られず、正・負極シート電極１３・１４の集電体シート１３ａ・１４ａが、凹凸形状がない平板状であった場合の剛性と同等の剛性しか得られない。
また、前記ｋの値を０．８を超える値とした場合は、集電体シート１３ａ・１４ａ上に塗布された正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの膜厚が極端に薄い箇所ができ易く、その膜厚が薄い箇所にてリチウムの析出が発生し易くなる。

これに対し、本例の正・負極シート電極１３・１４においては、前記ｋの値を０．４〜０．８の範囲に設定しているため、集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状を形成することによる剛性向上と、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの膜厚が薄くなることによるリチウム析出の抑制との効果を高くすることが可能となっている。

また、本例においては、集電体シート１３ａ・１４ａに対する正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの塗布を、第１塗工ダイ２１による第１塗工工程と第２塗工ダイ２２による第２塗工工程とにより行い、集電体シート１３ａ・１４ａ上に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とが存在するようにしているが、集電体シート１３ａ・１４ａに対する正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの塗布を一度の塗工工程にて行うことにより、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とが存在するようにすることも可能である。

例えば、図１８に示すように、集電体シート１３ａ・１４ａ上に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布する塗工ダイ２６の吐出口２７を、集電体シート１３ａ・１４ａの幅方向に長いスリット状の開口部２７ａと、前記開口部２７ａの短手方向外側へ断続的に切り欠かれた矩形状の開口部２７ｂとで構成した形状に形成することで、前記塗工ダイ２６により正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布する塗工工程を一度行うだけで、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とを存在させることができる。

また、集電体シート１３ａ・１４ａ上に厚みが厚い部分と薄い部分とが存在する状態に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布する方法としては、以下に示す方法もある。
つまり、図１９（ａ）に示すように、まず集電体シート１３ａ・１４ａの両面に、均一な厚みで正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを塗布する。この場合、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの塗布は、その塗布厚寸法が、厚みが厚い部分と薄い部分とが存在する状態に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂが塗布された場合における、厚みが厚い部分の厚さ寸法と同様の寸法となるように行う。

次に、図１９（ｂ）に示すように、均一な厚みで塗布された正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの一部を集電体シート１３ａ・１４ａの長尺方向に沿って掻き取って、該正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを厚みが厚い部分と薄い部分とが存在する状態にする。
この場合、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの掻き取りは、集電体シート１３ａ・１４ａの各面において、塗布された正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが薄い部分と厚い部分とが長尺方向に沿って交互に配置されるように、かつ集電体シート１３ａ・１４ａの一面側と他面側とで、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とが千鳥状に配置されるように行う。

このように、集電体シート１３ａ・１４ａの両面に正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを均一な厚みで塗布した後に、厚みが薄い部分となるべき箇所の正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを掻き取ることでも、一度の塗工工程により、集電体シート１３ａ・１４ａに塗布された正・負極活物質１３ｂ・１４ｂを厚みが厚い部分と薄い部分とが存在する状態にすることができる。

また、本例では、正・負極シート電極１３・１４の集電体シート１３ａ・１４ａに形成される凹凸形状が、集電体シート１３ａ・１４ａの長尺方向に沿った帯状の凹凸形状となるように構成しているが、集電体シート１３ａ・１４ａに形成される凹凸形状は、図２０に示すような形状とすることもできる。
すなわち、集電体シート１３ａ・１４ａには、該集電体シート１３ａ・１４ａの各面において、凹部と凸部とが長尺方向および短尺方向（幅方向）に交互に配置されるように、千鳥状に凹凸形状を形成することもできる。

この場合、集電体シート１３ａ・１４ａの一面側において正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分が存在する箇所は、他面側において正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが薄い部分が存在しており、逆に集電体シート１３ａ・１４ａの一面側において正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが薄い部分が存在する箇所は、他面側において正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分が存在している。つまり、集電体シート１３ａの一面側と他面側との関係においても、正・負極活物質１３ｂ・１４ｂの厚みが厚い部分と薄い部分とが千鳥状に配置されている。

次に、実際に、集電体シート１３ａ・１４ａに凹凸形状が形成された正・負極シート電極１３・１４を用いて電池１を作製し、作製した電池１について測定した充放電後の容量維持率の測定結果について説明する。

容量維持率の測定に先立って、電池１を次のようにして作製した。
まず、正極活物質１３ｂとしてニッケル酸リチウムを用い、８５重量％の前記正極活物質１３ｂと、１０重量％の導電材としてのアセチレンブラックと、４重量％のバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、溶剤としてのＮ−メチルピロリドンを用いて混練してペースト状に調製し、これをアルミニウム箔にて構成された集電体シート１３ａの両面に塗布したうえで、前述のように集電体シート１３ａに凹凸形状が形成された正極シート電極１３を作製した。
また、負極活物質１４ｂとしてカーボンを用い、９２．５重量％の負極活物質１４ｂと、７．５重量％のバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、溶剤としてのＮ−メチルピロリドンを用いて混練してペースト状に調製し、これを銅箔にて構成した集電体シート１４ａの両面に塗布したうえで、前述のように集電体シート１４ａに凹凸形状が形成された負極シート電極１４を作製した。

このように作製した正極シート電極１３と負極シート電極１４とをセパレータ１５を介して積層することにより積層シート１０ａを構成するとともに、前記積層シート１０ａを長円筒形状に巻回して（実際には円筒形状に巻回した積層シート１０ａを押し潰して長円筒形状に形成して）、巻回体１０を作製した。
さらに、前記巻回体１０を、リチウムイオンの導電性を有する電解液が充填されたアルミニウム製の電池ケース２内に収納した。この場合、巻回体１０の正極シート電極１３および負極シート電極１４と、電池ケース２などの金属部分とが直接接触して短絡しないように、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂などの絶縁体にて構成される袋状のフィルムにて巻回体１０を覆う。
最後に、前記巻回体１０が収納され電解液が充填された電池ケース２を蓋部材にて密閉することで、電池１を作製した。

このように作製した電池１に対して初期充放電を行った後に、３Ｖから充電電流１．１ｍＡ／ｃｍ２にて４．１Ｖまで定電流定電圧（ＣＣ−ＣＶ）充電を行い、その後放電電流０・３３ｍＡ／ｃｍ２にて定電流（ＣＣ）放電を行い、このときの放電容量を初期容量とした。
その後、６０℃の環境温度下で１・０ｍＡ／ｃｍ２での充放電を５００回繰り返し行った後に、再度放電容量を測定して容量維持率を算出した。

前述のごとく、凹凸形状が形成された集電体シート１４ａを用いて構成した電池１について算出した容積維持率は、９２．１％であった。
これに対し、凹凸形状が形成されていない平板状の集電体シートを用いて構成した電池について、前記電池１の場合と同様の充放電処理を行った後に容積維持率を算出したところ、８８．３％であった。
このように、集電体シート１４ａに凹凸形状を形成した電池１は正・負極シート電極１３・１４の剛性が高く、集電体シートに凹凸形状が形成されていない電池に比べて所定の充放電処理を行った後の容積維持率が高くなっており、電池１の容量劣化が抑えられ電池寿命が高くなっていることがわかる。

１ 電池
２ 電池ケース
３ 正極端子
４ 負極端子
１０ 巻回体
１０ａ 積層シート
１３ 正極シート電極
１３ａ 集電体シート
１３ｂ 正極活物質
１３ｃ 凹凸形状
１４ 負極シート電極
１４ａ 集電体シート
１４ｂ 負極活物質
１４ｃ 凹凸形状
１５ セパレータ
２１ 第１塗工ダイ
２２ 第２塗工ダイ
２３ 乾燥炉
２４ ロールプレス装置

Claims (7)

1. 箔の両面に活物質層を塗布して構成される電池の電極の製造方法であって、
   平板状に形成された箔の第１の面に対して、前記活物質層を凹凸形状に塗布するとともに、前記箔の第２の面に対して、前記活物質層を、前記第１の面の活物質層とは逆位相の凹凸形状に塗布する塗工工程と、
   前記第１の面および第２の面に活物質層が塗布された箔を、厚み方向にプレスするプレス工程とを備える、
   ことを特徴とする電池の電極の製造方法。
2. 前記箔の第１の面および第２の面に塗布される活物質層の凹凸形状は、一方向へ延出する凹形状および凸形状を交互に並設して構成され、
   前記電極は、前記凹形状および凸形状の延出方向に巻回した状態で使用される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池の電極の製造方法。
3. 前記箔は、前記プレス工程の実施後に、前記第１の面および第２の面に塗布された活物質層の凹凸形状に対応した形状の凹凸形状に形成され、
   前記プレス工程の実施後における、前記箔の凹凸形状の振幅寸法Ａと、前記電極の厚み寸法ｔとが、以下の数１に示す関係を有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池の電極の製造方法。
   

   
4. 箔の両面に活物質層を塗布して構成される電池の電極の製造装置であって、
   平板状に形成された箔の第１の面に対して、前記活物質層を凹凸形状に塗布するとともに、前記箔の第２の面に対して、前記活物質層を、前記第１の面の活物質層とは逆位相の凹凸形状に塗布する塗工装置と、
   前記第１の面および第２の面に活物質層が塗布された箔を、厚み方向にプレスするプレス装置とを備える、
   ことを特徴とする電池の電極の製造装置。
5. 前記箔の第１の面および第２の面に塗布される活物質層の凹凸形状は、一方向へ延出する凹形状および凸形状を交互に並設して構成され、
   前記電極は、前記凹形状および凸形状が延出する方向に巻回した状態で使用される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電池の電極の製造装置。
6. 前記箔は、前記プレス装置によるプレスの実施後に、前記第１の面および第２の面に塗布された活物質層の凹凸形状に対応した形状の凹凸形状に形成され、
   前記プレスの実施後における、前記箔の凹凸形状の振幅寸法Ａと、前記電極の厚み寸法ｔとが、以下の数１に示す関係を有する、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電池の電極の製造装置。
   

   
7. 前記請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の電池の電極の製造方法、または前記請求項４〜請求項６の何れか一項に記載の電池の電極の製造装置により製造された電極を、正極および負極の少なくとも一方の電極として用いたことを特徴とする電池。
   
   

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