JP2011009203A - 電極構造、電池および電極構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の高容量化を図りつつも高出力を得ることが可能な電極構造を提供する。
【解決手段】集電体１１と電解質層の間に電極部１３が設けられる電極構造であり、前記電極部１３は、前記電解質層と接して電解質を保持する第１電極部３１と、前記電解質層から離れて配置されて、前記第１電極部３１よりも体積当たりの電解質の保持量が多い第２電極部３２と、を有する電極構造とする。さらに第１電極部３１および第２電極部３２は、前記電解質側および集電体１１側に層状に重なって形成された第１電極層３１及び第２電極層３２とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極構造、電池および電極構造の製造方法に関する。

近年、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）用の大型のリチウムイオン二次電池の開発が盛んに行われており、電池の高容量化が図られている。リチウムイオン二次電池は、一般に、正極活物質または負極活物質が集電体に塗布されて正極および負極が形成され、正極と負極が電解質を解して接続されて構成される。電池を高容量化するには、例えば、集電体に電極層を厚塗りする必要がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２２０４５４号公報

しかしながら、電極層が集電体に厚塗りされている場合、電極層を構成する活物質が、集電体と近い側においてリチウムイオンとの反応に寄与し難くなり、高出力を得ることが困難となる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電池の高容量化を図りつつも高出力を得ることが可能な電極構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る電極構造は、集電体と電解質層の間に電極部が設けられる。前記電極部は、前記電解質層と接して電解質を保持する第１電極部と、前記電解質層から離れて配置されて、前記第１電極部よりも体積当たりの電解質の保持量が多い第２電極部と、を有している。

上記のように構成した電極構造によれば、電解質層と接する第１電極部と、電解質層から離れて第１電極部よりも体積当たりの電解質の保持量が多い第２電極部とを有するため、高容量化のために電極部の膜厚を増加させつつも、集電体側の活物質へリチウムイオンを十分に供給して高出力化が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造を示す断面概略図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池の全体構造を模式的に表した断面概略図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造を示す拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の他の例を示す拡大断面図である。 正極活物質層における抵抗を、一例として５つの活物質反応抵抗が並ぶようにモデル化した回路図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造のさらに他の例を示す拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造のさらに他の例を示す拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造を示す側面概略図である。 本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造を示す側面概略図である。 本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の変形例を示す側面概略図である。 本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の他の変形例を示す側面概略図である。 本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造の更に他の変形例を示す側面概略図である。 実施例１の電極構造を示す概略断面図である。 実施例７〜１０を用いてレート維持率を計測する際の概略側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池は、例えば、形態・構造で区別した場合には、積層型（扁平型）電池、巻回型（円筒型）電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。

また、リチウムイオン電池内の電気的な接続形態（電極構造）で見た場合、双極型でない（内部並列接続タイプ）電池および双極型（内部直列接続タイプ）電池のいずれにも適用し得るものである。

リチウムイオン電池内の電解質の種類で区別した場合には、電解質に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質のタイプにも適用し得るものである。電解質に高分子電解質を用いたポリマー電池に好ましく適用される。該ポリマー電池は、更に高分子ゲル電解質（単にゲル電解質ともいう）を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質（単にポリマー電解質ともいう）を用いた固体高分子（全固体）型電池に分けられる。

以下の説明では、本発明の双極型でない（内部並列接続タイプ）リチウムイオン電池につき図面を用いて説明するが、決してこれらに制限されるべきものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の電極構造を示す断面概略図、図２は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である、双極型でない積層型のリチウムイオン二次電池（以下、単にリチウムイオン電池ともいう）の全体構造を模式的に表した断面概略図である。図３は、同リチウムイオン電池の電極構造を示す拡大断面図、図４は、同リチウムイオン電池の電極構造の他の例を示す拡大断面図である。

図２に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池１０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素（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。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートシートを電池の外装として用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、発電要素２１を収納し密封した構成を有している。

発電要素２１は、正極集電体１１の両面に正極活物質層１３（電極部）が配置された正極と、電解質層１７と、負極集電体１２の両面に負極活物質層１５（電極部）が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、１つの正極活物質層１３とこれに隣接する負極活物質層１５とが、電解質層１７を介して対向するようにして、正極、電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、１つの単電池層１９を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン電池１０は、単電池層１９が複数積層されることで、電気的に並列接続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、隣接する正極集電体１１と負極集電体１２との間を絶縁するためのシール部（絶縁層）（図示せず）が設けられていてもよい。発電要素２１の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層１３が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。なお、図２とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素２１の両最外層に最外層負極集電体が位置するようにし、該最外層負極集電体の片面のみに負極活物質層が配置されているようにしてもよい。

正極集電体１１および負極集電体１２は、各電極（正極および負極）と導通される正極集電板２５および負極集電板２７がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート２９の端部に挟まれるようにしてラミネートシート２９の外部に導出される構造を有している。正極集電板２５および負極集電板２７はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード（図示せず）を介して、各電極の正極集電体１１および負極集電体１２に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。

正極活物質層１３は、図１に示すように、電解質層１７側の第１電極層３１（第１電極部）と、正極集電体１１側の第２電極層３２（第２電極部）とが層状に重なって形成されている。

第１電極層３１には、図３に示すように、粒子内に空孔のない粒状活物質３３が含まれ、第２電極層３２には、粒子内に空孔を有する粒状活物質である多孔体活物質３４が含まれている。粒状活物質３３および多孔体活物質３４は、粒子径が略同一となっている。このような第１電極層３１および第２電極層３２に電解質が含浸されると、多孔体活物質３４の空孔内にも電解質を保持できるため、第２電極層３２における単位体積当たりの電解質保持量が、第１電極層３１における電解質保持量よりも多くなる。したがって、正極活物質層１３の正極集電体１１側の活物質へリチウムイオンを十分に供給することができ、電池の高出力化を図ることができる。

すなわち、高容量化のために、膜厚の厚い活物質層を設けると、例えば１Ｃ程度までの低レートでは、活物質へのリチウムイオンの受け取り要求速度が遅いため、活物質の形状にかかわらず容量維持率（レート特性）を高く確保できる。しかし、例えば１Ｃ以上の高レートでは、活物質へのリチウムイオンの受け取り要求速度が速いために、電解質層１７側では対極（負極）からリチウムイオンが十分に供給されるために問題ないが、正極集電体１１側では、活物質の反応できる表面積が小さいと、電解質からのリチウムイオンの供給が追いつかなくなり、電池抵抗の増加に繋がって容量維持率が低下する。したがって、正極集電体１１側に、表面積の大きい多孔体活物質３４や小粒径体等を用いることで、高レートでも容量維持率（レート特性）を高く確保できる。

このように、高レートでは、低電解質層１７側と正極集電体１１側で反応に偏りが生じ、特に正極集電体１１側では、電解質の拡散性の低下から要求出力に応じたリチウムイオンの供給が追いつかない場合がある。これに対し、本実施形態では、第１電極層３１よりも多く電解質を保持する第２電極層３２が電解質層１７から離れて設けられるため、正極活物質層１３の正極集電体１１側の活物質へリチウムイオンを十分に供給することができ、高出力化が可能となる。

また、活物質層を構成する導電助剤の量やバインダの量、粒間の空隙率を一定にした場合、体積あたりのエネルギー量は、活物質層の内部の空間が多いほど（空隙率が高いほど）減少してしまう。したがって、上述したレート特性の観点から電解質層１７側の第１電極層を多孔体とする必要はなく、むしろ正極集電体１３側の第２電極層の活物質に表面積の大きい小粒径体や、空間の大きい二次焼結体を使用することが好ましい。

第１電極層３１の厚さＤ１と第２電極層３２の厚さＤ２は、特に制限されないが、第１電極層３１の厚さＤ１が、正極活物質層１３の全体の５０％以上であって８０％未満であることが好ましい。電解質層１７側の第１電極層３１の割合が大きくなると、エネルギー密度を稼ぐことはできるが、正極集電体１１側のリチウムイオンが不足して反応量が低下することで、出力が低下しやすくなる。したがって、第１電極層３１の厚さＤ１の、正極活物質層１３の全体厚さに対して占める割合を規定することで、エネルギー密度の向上と出力の向上をバランスよく最適化することができる。

また、図４に示すように、第１電極層３１および第２電極層３２に、導電性を補助するための導電助剤３５を混入させることができるが、第２電極層３２に使用する導電助剤３５を、第１電極層３１に使用する導電助剤３５よりも多くすることができる。このようにして正極集電体１１側の導電性を高めることで、正極集電体１１側にある活物質（多孔体活物質３４）にかかる抵抗値を下げることができる。図５は、電解質層１７と正極集電体１１の間の正極活物質層１３における抵抗を、一例として５つの活物質反応抵抗が並ぶようにモデル化した回路図である。抵抗ｒ_Ｌ１〜ｒ_Ｌ４は、電解質の拡散抵抗ｒ_Ｌ１〜ｒ_Ｌ４（リチウムイオンの移動抵抗）、抵抗ｒ_Ｅ１〜ｒ_Ｅ４は、電子抵抗ｒ_Ｅ１〜ｒ_Ｅ４、抵抗ｒ_Ｒ１〜ｒ_Ｒ４は、活物質反応抵抗ｒ_Ｒ１〜ｒ_Ｒ４である。

本実施形態では、第２電極層３２の空隙率を高めることで、電解質の拡散抵抗ｒ_Ｌ１〜ｒ_Ｌ４（リチウムイオンの移動抵抗）のうち、正極集電体１１に近い側の拡散抵抗（例えば、拡散抵抗ｒ_Ｌ３，ｒ_Ｌ４）を低減させて、経路Ａにおける抵抗を極力低減させている。拡散抵抗ｒ_Ｌ１〜ｒ_Ｌ４を抑えずとも、正極活物質層１３における電子抵抗ｒ_Ｅ１〜ｒ_Ｅ４を通る経路Ｂによれば、電流を流れやすくできるが、この場合、正極集電体側の活物質反応抵抗（例えば、活物質反応抵抗ｒ_Ｒ４，ｒ_Ｒ５）へ電流が流れ難くなり、正極活物質における反応が電解質層１７側に偏ってしまう。しかし、第２電極層３２に使用する導電助剤３５を、第１電極層３１に使用する導電助剤３５よりも多くすることで、正極活物質層１３側の電子抵抗（例えば、電子抵抗ｒ_Ｅ１，ｒ_Ｅ２）の抵抗を正極集電体側の電子抵抗（例えば、電子抵抗ｒ_Ｅ３，ｒ_Ｅ４）の抵抗よりも高くすることができる。これにより、各層の抵抗を均一化して活物質の反応の偏りを抑制することができ、さらには、電極の劣化を抑制できる。

多孔体活物質３４は、多孔体活物質３４よりも小さな１次粒子を凝集させることで、内部に空孔を有する２次粒子として製造できる。第２電極層３２の多孔体活物質３４の大きさと第１電極層３１の粒状活物質３３の大きさは、異なってもよいが、同程度の大きさであることがより好ましい。第２電極層３２を構成する多孔体活物質３４と、第１電極層３１を構成する粒状活物質３３の大きさが異なる場合には、第１電極層３１および第２電極層３２を一度のプレスで同時に形成することが困難であるが、同程度である場合には、一度のプレスで、第１電極層３１および第２電極層３２の狙いの設計膜厚を確保でき、空孔率を変化させる膜厚作成においても簡略化が可能である。これにより、加工効率を向上させて、コストを低減できる。

なお、第２電極部は、かならずしも層状に形成されなくともよい。例えば、図６は、本発明に係る実施形態の正極活物質層３６（電極部）のさらに他の例を示す断面図であるが、第１電極層３７（第１電極部）の正極集電体１１側に、第２電極部３８が、複数に点在する構成とすることもできる。

また、第２電極部は、かならずしも正極集電体側で正極集電体と接して設けられる必要はなく、電解質層から離れて設けられていればよい。また、正極活物質層が、第１電極部と第２電極部の他に、更に他の電極部を有してもよい。また、第１電極層３１の粒状活物質３３にも空孔が形成されてもよいが、第２電極層３２における粒状活物質内の空孔率が、第１電極層３１における粒状活物質３３内の空孔率よりも大きいことが望ましい。なお、第１電極部および第２電極部における空隙率および活物質内空孔率の両方を考慮した上で、第２電極層３２における単位体積当たりの電解質保持量が、第１電極層３１における電解質保持量よりも多くなればよい。ここでいう空隙率は、粒子（活物質だけでなく、導電助剤、バインダ等を含む）間の空隙の体積比率を表し、粒子内（活物質内）の空孔の体積を含んでいない。

また、本実施形態では、正極活物質層１３が、第１電極層３１および第２電極層３２を備える構造となっているが、負極活物質層１５が、第１電極部および第２電極部を備える構造とすることも可能である。

図７は、本発明に係る実施形態の電極構造のさらに他の例を示す断面図である。正極活物質層１３は、図７に示すように、電解質層１７側の第１電極層４１（第１電極部）と、正極集電体１１側の第２電極層４２（第２電極部）とが層状に重なって形成されている。第１電極層４１および第２電極層４２は、同一の粒状活物質４３を有するが、異なる導電助剤４５，４６を含むことで、単位体積当たりの電解質保持量が異なっている。一例として、第１電極層４１は、粒子状導電助剤４５を含み、第２電極層４２は、繊維状導電助剤４６を含んでいる。これにより、第１電極層４１よりも第２電極層４２において空隙率が大きくなり、第２電極層４２における単位体積当たりの電解質保持量が、第１電極層４１よりも多くなっている。なお、導電助剤は、かならずしも第１電極層４１にて粒子状導電助剤４５とし、第２電極層４２にて繊維状導電助剤４６とする必要はなく、第２電極層４２において空隙率が大きくなればよい。例えば、第２電極層４２および第１電極層４１に用いられる導電助剤の形状の種類は同一とし、第２電極層４２における導電助剤の大きさを大きくしてもよい。

本明細書において、「電解質」とは、溶媒中に溶解した際に、陽イオンと陰イオンに電離する物質を意味する。なお、下記に詳述するが、電解質が全固体電解質である場合には、「電解質（１）」または「電解質（２）」は、全固体型電解質のみを意味する。また、電解質がゲル電解質である場合には、「電解質（１）」または「電解質（２）」は、マトリックスポリマー中に電解液を保持させたゲル電解質（高分子ゲル電解質）を意味する。

＜正極／負極活物質層＞
本発明において、負極活物質層および正極活物質層で使用される電解質の形態は特に制限されず、電解質は、液体、ゲル、または固体のいずれの形態であってもよい。ここで、「固体高分子電解質」とは、詳しくは、後述するが、高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めるものとする。

電解質としては、具体的には、従来公知の材料として、（ａ）ゲル電解質（高分子ゲル電解質）、（ｂ）全固体高分子電解質（高分子固体電解質、無機固体型電解質）、（ｃ）液体電解質（電解液）などが好ましく挙げられる。以下、これらの電解質について詳述する。

（ａ）ゲル電解質（高分子ゲル電解質）
ゲル電解質（高分子ゲル電解質）とは、マトリックスポリマー（ホストポリマー）中に電解液を保持させたものをいう。電解質としてゲル電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。

上記ゲル電解質（高分子ゲル電解質）は、下記に詳述するように、ＰＥＯ、ＰＰＯなどの全固体型高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含ませることにより作製される。また、ＰＶＤＦ、ＰＡＮ、ＰＭＭＡなど、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも、ゲル電解質（高分子ゲル電解質）に含まれる。ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率は、特に限定されない。ポリマー１００％を全固体高分子電解質、電解液１００％を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲル電解質（高分子ゲル電解質）の概念に含まれる。また、セラミックなどの無機固体などイオン伝導性を持つ無機固体型電解質も全固体型電解質にあたる。よって、上記高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めて固体電解質とする。

ゲル電解質として用いるマトリックスポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー（ＰＰＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（メチルアクリレート）（ＰＭＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）などが挙げられる。また、上記のポリマー等の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体なども使用できる。これらのうち、ＰＥＯ、ＰＰＯおよびそれらの共重合体、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ−ＨＦＰを用いることが望ましい。

また、電解液（可塑剤）としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。かかる電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものであり、電解質塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＴａＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、ＬｉＡｌＣｌ、ＬｉＨＦ_２、ＬｉＳＣＮ等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサイドボレート）、ＬｉＢＥＴＩ（リチウムビス（パーフルオロエチレンスルホニルイミド）；Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎとも記載）等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。これらの電解質塩は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、スルホラン、アセトニトリルなどが挙げられる。これらのうち、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートが好ましい。これらの溶媒は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、電解液中のリチウム塩の濃度は、特に制限されないが、通常、０．５〜２．５モル／リットル程度が好ましい。

本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではない。通常、マトリックスポリマーの含量は、マトリックスポリマーと電解液との合計に対して、０．１〜５０質量％であり、より好ましくは１〜３０質量％である。特に、ＰＶＤＦをマトリックスポリマーとして使用する場合には、ＰＶＤＦの含量は、マトリックスポリマーと電解液との合計に対して、１〜２０質量％であり、より好ましくは１〜１５質量％である。

ここで、電解質（１）または（２）がゲル電解質である場合に、ゲル電解質を含む活物質層の形成方法は、特に制限されず、従来公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾して適用できる。例えば、（ア）冷却によってゲル化可能なポリマーが含有された電解液を加温状態で使用して常温までポリマーを冷却する方法、（イ）モノマーが含有された電解液を使用してモノマーを重合させる方法などを採用することができる。

上記方法のうち、（ア）の方法では、通常、活物質層表面に電解液を塗付して適度の時間放置するだけで十分であるが、活物質層の空隙に電解液が含浸する速度を高めるため、圧入や真空含浸などの操作を行ってもよい。ゲル電解質は、活物質層内の空隙を完全に充填して形成されることが好ましいが、ある程度の空隙が残留しても電池特性に大きな支障はない。電池特性が低下する程の空隙が生じる場合は、上述の様な含浸速度を高める方法を採用するのが好ましい。なお、上記（ア）で使用されるゲル化可能なポリマーは、上記マトリックスポリマーから適宜選択される。具体的には、ＰＭＭＡ、ＰＥＭＡ、ＰＭＡ、ＰＥＡ、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ、ＰＡＮなどが挙げられる。

また、上記（イ）の方法は、電解液の粘度が低いため、活物質層の空隙中に電解液を含浸させるのが容易である。活物質層の厚さは通常１ｍｍ以下であるため、電解液の含浸は速やかに完了する。また、いずれの方法による場合も塗膜にカレンダー処理を加えることにより、塗膜を圧密し活物質の充填量を高めることができる。なお、上記（イ）で使用されるモノマーは、所望のゲル電解質の種類によって適宜選択される。重合の制御が容易で且つ重合時に副生成物が発生しない付加重合により生成される高分子が好適である。特に、反応性不飽和基含有モノマーの付加重合により生成される高分子は、その生産性にも優れる。具体的には、反応性不飽和基含有モノマーとしては、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、エトキシエチルアクリレート、メトキシエチルアクリレート、エトキシエトキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、エトキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタクリレート、エトキシエトキシエチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルアクリレート、アクリロニトリル等が挙げられる。また、上記モノマーの重合方法としては、熱、紫外線、電子線などによる公知の方法が適用できる。生産性の観点から紫外線による方法が好ましい。この場合、反応を効果的に進行させるため、電解液に紫外線に反応する重合開始剤を配合することも出来る。紫外線重合開始剤としては、ベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ビアセチル、ベンゾイルパーオキザイド等が挙げられる。

より具体的には、溶媒に電解質塩を溶解させて、電解液を調製する。この電解液に、マトリクスポリマーおよび重合開始剤を添加して、電解質前駆体溶液を調製する。次に、活物質層を上記電解質前駆体溶液に浸漬した後、余分な電解質前駆体溶液を除去することにより、含浸活物質層を得る。さらに、含浸活物質層の電解質を重合する。ここで、活物質層の電解質前駆体溶液への浸漬条件は、活物質層に電解質前駆体溶液が十分染み込むような条件であれば特に制限されない。具体的には、活物質層を、電解質前駆体溶液中に、１５〜６０℃、より好ましくは２０〜５０℃の温度で、１〜１２０分間、より好ましくは５〜６０分間、浸漬することが好ましい。また、所定条件で浸漬した後は、余分な電解質前駆体溶液を除去するが、この際に使用できる方法としては、特に制限されず、公知の方法が使用できる。例えば、電解質前駆体溶液が染み込んだ活物質層を、履形フィルムで挟んだ後、ロールなどで軽くしごく方法；電解質前駆体溶液が染み込んだセパレータ基材を軽く絞る方法などが好ましく使用できる。

（ｂ）全固体型電解質（高分子固体電解質、無機固体型電解質）
電解質として全固体型電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体層への電解質の流出がなくなり各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる点で優れている。

全固体型電解質としては、例えば、ＰＥＯ、ＰＰＯ、これらの共重合体などの公知の高分子固体電解質、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質が挙げられる。高分子固体電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＴａＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、ＬｉＡｌＣｌ、ＬｉＨＦ_２、ＬｉＳＣＮ等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサイドボレート）、ＬｉＢＥＴＩ（リチウムビス（パーフルオロエチレンスルホニルイミド）；Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎとも記載）等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。好ましくは、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２が使用できる。なお、上記リチウム塩は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。

（ｃ）液体電解質（電解液）
電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものが挙げられる。ここで、電解質塩としては、特に制限されない。具体的には、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＴａＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＩ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣｌ、ＬｉＡｌＣｌ、ＬｉＨＦ_２、ＬｉＳＣＮ等の無機酸陰イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサイドボレート）、ＬｉＢＥＴＩ（リチウムビス（パーフルオロエチレンスルホニルイミド）；Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎとも記載）等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。これらの電解質塩は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、溶媒もまた、特に制限されない。具体的には、溶媒としては、ＥＣ、ＰＣ、ＧＢＬ、ＤＭＣ、ＤＥＣなどが挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。

上述したように、活物質層は、集電体上に形成され、充放電反応の中心を担う活物質を含む層である。

ここで、正極活物質は、放電時にイオンを吸蔵し、充電時にイオンを放出する組成を有する。好ましい一例としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。具体的には、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ・Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ・Ｎｉ系複合酸化物、スピネルＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ・Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ・Ｆｅ系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル特性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することが可能である。この他、前記正極活物質としては、ＬｉＦｅＰＯ_４などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物；Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２、ＭｏＯ_３などの遷移金属酸化物や硫化物；ＰｂＯ_２、ＡｇＯ、ＮｉＯＯＨなど、を用いることもできる。上記正極活物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。正極活物質の平均粒子径は、特に制限されないが、正極活物質の高容量化、反応性、サイクル耐久性の観点からは、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは１〜２０μｍである。このような範囲であれば、二次電池は、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。なお、正極活物質が２次粒子である場合には該２次粒子を構成する１次粒子の平均粒子径が１０ｎｍ〜１μｍの範囲であるのが望ましいといえるが、本発明では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。ただし、製造方法にもよるが、正極活物質が凝集、塊状などにより２次粒子化したものでなくても良いことはいうまでもない。かかる正極活物質の粒径および１次粒子の粒径は、レーザー回折法を用いて得られたメディアン径を使用できる。なお、正極活物質の形状は、その種類や製造方法等によって取り得る形状が異なり、例えば、球状（粉末状）、板状、針状、柱状、角状などが挙げられるがこれらに限定されるものではなく、いずれの形状であれ問題なく使用できる。好ましくは、充放電特性などの電池特性を向上し得る最適の形状を適宜選択するのが望ましい。

また、負極活物質は、放電時にイオンを放出し、充電時にイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、ＳｉやＳｎなどの金属、或いはＴｉＯ、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、もしくはＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＳｎＯ_２などの金属酸化物、Ｌｉ_４／３Ｔｉ_５／３Ｏ_４もしくはＬｉ_７ＭｎＮなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Ｌｉ−Ｐｂ系合金、Ｌｉ−Ａｌ系合金、Ｌｉ、または天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが好ましく挙げられる。また、負極活物質は、リチウムと合金化する元素を含むことが好ましい。リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量及び優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは２種以上の混合物の形態で使用されてもよい。

上記のリチウムと合金化する元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｈ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｇａ、Ｔｌ、Ｃ、Ｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃｌ等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できる観点から、炭素材料、ならびに／またはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｉｎ、およびＺｎからなる群より選択される少なくとも１種以上の元素を含むことが好ましく、炭素材料、Ｓｉ、またはＳｎの元素を含むことが特に好ましい。これらは１種単独で使用しても良いし、２種以上を併用してもよい。

負極活物質の平均粒子径は、特に制限されないが、負極活物質の高容量化、反応性、サイクル耐久性の観点からは、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは１〜２０μｍである。このような範囲であれば、二次電池は、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。なお、負極活物質が２次粒子である場合には該２次粒子を構成する１次粒子の平均粒子径が１０ｎｍ〜１μｍの範囲であるのが望ましいといえるが、本発明では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。ただし、製造方法にもよるが、負極活物質が凝集、塊状などにより２次粒子化したものでなくても良いことはいうまでもない。かかる負極活物質の粒径および１次粒子の粒径は、レーザー回折法を用いて得られたメディアン径を使用できる。なお、負極活物質の形状は、その種類や製造方法等によって取り得る形状が異なり、例えば、球状（粉末状）、板状、針状、柱状、角状などが挙げられるがこれらに限定されるものではなく、いずれの形状であれ問題なく使用できる。好ましくは、充放電特性などの電池特性を向上し得る最適の形状を適宜選択するのが望ましい。

活物質層には、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、カーボンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト等のカーボン粉末や、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ；登録商標）等の種々の炭素繊維、膨張黒鉛などが挙げられる。しかし、導電助剤がこれらに限定されないことは言うまでもない。

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリイミド、ＰＴＦＥ、ＳＢＲ、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。しかし、バインダがこれらに限定されないことはいうまでもない。また、バインダとゲル電解質として用いるマトリックスポリマーとが同じ場合には、バインダを使用する必要はない。

活物質層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。

＜集電体＞
本発明において、集電体の材質は、特に限定されないが、具体的な例としては、例えば、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、アルミニウム、銅、銀、金、白金およびカーボンよりなる群から選ばれてなる少なくとも１種類の集電体材料、より好ましくはアルミニウム、チタン、銅、ニッケル、銀、またはステンレス（ＳＵＳ）よりなる群から選ばれてなる少なくとも１種類の集電体材料などが好ましく挙げられ、これらは単層構造（例えば、箔の形態）で用いてもよいし、異なる種類の層で構成された多層構造で用いてもよいし、これらで被覆されたクラッド材（例えば、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材）を用いてもよい。あるいは、これらの集電体材料の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。また、上記集電体材料である金属（アルミニウムを除く）表面に、他の集電体材料であるアルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、２つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。上述の材質は、耐食性、導電性、または加工性などに優れる。集電体の一般的な厚さは、５〜５０μｍ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。

集電体表面上への正極層（または負極層）の形成方法は、特に制限されず、公知の方法が同様にして使用できる。例えば、上記したように、正極活物質（または負極活物質）、ならびに必要であれば、イオン伝導性を高めるための電解質塩、電子伝導性を高めるための導電助剤、および結着剤を、適当な溶剤に分散、溶解などして、正極活物質液（または負極活物質液）を調製する。これを集電体上に塗布、乾燥して溶剤を除去した後、プレスすることによって、正極層（または負極層）が集電体上に形成される。この際、溶剤としては、特に制限されないが、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、シクロヘキサン、ヘキサンなどが用いられうる。結着剤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。

上記方法において、正極活物質液（または負極活物質液）を集電体上に塗布・乾燥した後、プレスする。この際、プレス条件を調節することにより、正極層（または負極層）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、プレス処理後の正極層（または負極層）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。

正極層および負極層の厚さは、特に制限されないが、１０〜２００μｍ、特に５０〜１５０μｍとするのがよい。この際、正極層および負極層の厚さは、同じであってもあるいは異なるものであってもよい。

＜電解質層＞
本発明の非水電解質二次電池においては、正極と負極との間に電解質層が設けられる。ここで、電解質層は、セパレータを有することが好ましい。

また、セパレータの構造は特に制限されず、１層のみ（セパレータ自体が電解質層を構成する）であっても、あるいは２層以上の積層体であってもよい。

ここで、セパレータとしては、特に制限されず、公知のセパレータ基材が使用できる。例えば、微孔性ポリエチレンフィルム、微孔性ポリプロピレンフィルム、微孔性エチレン−プロピレンコポリマーフィルムなどのポリオレフィン系樹脂、ならびにアラミド、ポリイミド、セルロースなどの多孔膜または不織布、これらの積層体などが挙げられる。これらは、電解質（電解液）との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有する。他に、ポリオレフィン系樹脂不織布またはポリオレフィン系樹脂多孔膜を補強材層に用い、前記補強材層中にフッ化ビニリデン樹脂化合物を充填した複合樹脂膜なども挙げられる。

セパレータ基材の厚さは、使用用途に応じて適宜決定すればよいが、自動車等のモータ駆動用二次電池などの用途においては、１〜１００μｍ程度とすればよい。また、セパレータ基材の多孔度、大きさなどは、得られる二次電池の特性を考慮して、適宜決定すればよい。例えば、セパレータ基材の空孔率は、好ましくは３０〜８０％、より好ましくは４０〜７０％である。また、セパレータ基材の曲路率は、好ましくは１．２〜２．８である。このような多孔度を有するセパレータ基材であれば、電解液及びセパレータ層の電解質を十分量導入することができ、かつセパレータ層の強度も十分維持できる。

また、セパレータに含浸する電解質は、特に制限されず、公知の電解質が使用できる。具体的な電解質としては、上記負極／正極活物質層で記載したのと同様のものが使用できるため、ここでは説明を省略する。

＜リチウムイオン二次電池の外観構成＞
図８は、本発明に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。

図８に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池５０では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ５８、負極タブ５９が引き出されている。発電要素（電池要素）５７は、リチウムイオン二次電池５０の電池外装材５２によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素（電池要素）５７は、正極タブ５８及び負極タブ５９を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素（電池要素）５７は、先に説明した図２に示すリチウムイオン二次電池１０の発電要素（電池要素）２１に相当するものであり、正極（正極活物質層）１３、電解質層１７および負極（負極活物質層）１５で構成される単電池層（単セル）１９が複数積層されたものである。

なお、本発明のリチウムイオン電池は、図２に示すような積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶（金属缶）を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素（電池要素）がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。

また、図８に示すタブ５８、５９の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ５８と負極タブ５９とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ５８と負極タブ５９をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図８に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶（金属缶）を利用して端子を形成すればよい。

本発明のリチウムイオン電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。

本実施形態によれば、電解質層１７と接する第１電極部と、電解質層１７から離れて第１電極部よりも体積当たりの電解質の保持量が多い第２電極部とを有するため、高容量化のために電極部の膜厚を増加させつつも、集電体側の活物質へリチウムイオンを十分に供給して高出力化が可能となる。

また、第１電極層３１および第２電極層３２が、電解質層１７側および集電体側に層状に重なって形成されれば、電極構造をプレス等により容易に作製でき、かつ面内で均一な出力を得ることが可能となって電極の劣化を抑制できる。

また、第２電極部に含まれる多孔体活物質３４（粒状活物質）内の空孔率が、第１電極部に含まれる粒状活物質３３内の空孔率よりも大きければ、第２電極部において電解質をより多く保持することができる。

また、第１電極部に設けられる粒状活物質３３と、前記第２電極部に設けられる多孔体活物質３４（粒状活物質）の大きさが等しければ、第１電極部および第２電極部を、一度のプレスで同時に形成することができ、加工効率を向上させてコストを低減できる。

また、第１電極部に含まれる導電助剤の形状が、第２電極部に含まれる導電助剤の形状よりも大きければ、第２電極部において空隙率が大きくなり、第２電極部において電解質を多く保持することができる。

また、第１電極部の厚さを、正極活物質層１３の全体厚さの５０％以上であって８０％未満とし、第１電極層３１の厚さＤ１の、正極活物質層１３の全体厚さに対して占める割合を規定することで、エネルギー密度の向上と出力の向上をバランスよく最適化することができる。

また、第１電極部に含まれる導電助剤の量を、第２電極部に含まれる導電助剤の量よりも多くして正極活物質層１３の正極集電体１１側での導電性を高めることで、正極集電体１１側にある活物質（多孔体活物質３４）にかかる抵抗値を下げることができる。同時に、正極活物質層１３の電解質層１７側での導電性を下げることで、各層の抵抗を均一化して活物質の反応の偏りを抑制することができ、さらには、電極の劣化を抑制できる。

また、上述した電極構造を電池に適用することで、電極部の膜厚を増加させつつも集電体側の活物質へリチウムイオンを十分に供給することができ、電池の高容量化および高出力化が可能となる。
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池は、電極構造のみが、第１実施形態と異なる。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

第２実施形態に係るリチウムイオン電池の正極活物質層７０は、図９に示すように、多孔質体である不織布７１に、粒状活物質７２が保持されて形成されている。不織布７１は、活物質層の３次元的な骨格として機能しつつ、粒状活物質７２を保持している。そして、正極活物質層７０に保持される粒状活物質７２は、正極集電体１１側よりも電解質層１７側に相対的に多くなっている。これにより、正極活物質層７０は、正極集電体１１側の空隙率が、電解質層１７側の空隙率よりも大きい。

不織布７１には、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポエチレンテレフタレート、セルロース、ナイロン等の非導電性材料を使用できるが、多孔質体であれば材料は限定されず、導電性を備えたり、または電解液ぬれ性機能を付与してもよい。また、不織布７１以外の多孔質体であってもよい。

このような電極構造を製造するには、まず、図１０に示すように、粒状活物質、支持塩、必要に応じて導電助剤、および溶媒を含む電極スラリーを、不織布７１の一方面側から注入して含浸させる（工程Ｓ１）。次に、溶媒を取り除き、所定の厚さにプレスして活物質層前駆体７３を形成する（工程Ｓ２）。このように形成された活物質層前駆体７３は、電極スラリーを注入した面側に、粒状活物質７２が多く保持されるため、電極スラリーを注入した面側と反対側の空隙率が大きくなる。この後、活物質層前駆体７３の空隙率が大きい側に正極集電体１１を配置し（工程Ｓ３）、空隙率が調整された電極部を備える電極構成を得ることができる。

第２実施形態における製造方法によれば、電極スラリーを多孔質体（不織布７１）に注入して活物質層前駆体７３を形成した後、活物質層前駆体７３の空隙率が大きい側に集電体（正極集電体１１）を配置するため、集電体側の空隙率が高い電極部を有する電極構造を容易に製造できる。

また、電極スラリーが注入された多孔質体（不織布７１）をプレスして活物質層前駆体７３を形成するため、加圧するだけで電極部における空隙率を容易に調整することができる。

また、第２実施形態における電極構造によれば、正極活物質層７０の電解質層側の部分（第１電極部）および集電体側の部分（第２電極部）が、不織布７１および複数の粒状活物質７２を備え、集電体側の空隙率が電解質層側の空隙率よりも大きい。したがって、不織布７１により活物質を保持するため、第１実施形態のように、内部に空孔を有する多孔体活物質３４を用いる必要がなく、活物質を選ぶことなしに、不織布７１によって電解質を保持する空間を確保できる。また、不織布７１が骨格として機能するため、空隙率が高い集電体側においても、空間保持性を向上させることができる。また、多孔体活物質３４を用いないため、例えばグラファイト等を粉砕して造粒することで多孔体活物質３４とする際に、皮膜のない面が形成されて電解液の分解が促進される可能性を抑制できる。

また、多孔質体が不織布７１であるため、電極構造の製造が容易となり、かつプレスによって電極部の空隙率を容易に調整できる。

また、上述した電極構造を電池に適用することで、電極部の膜厚を増加させつつも集電体側の活物質へリチウムイオンを十分に供給することができ、電池の高容量化および高出力化が可能となる。
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係るリチウムイオン電池は、電極構造が、多孔質体（不織布）に粒状活物質を保持する点で第２実施形態と共通するが、２つの多孔質体（不織布）を有している点で、第２実施形態と異なる。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

第３実施形態に係るリチウムイオン電池の正極活物質層８０は、図１１に示すように、電解質層１７側の第１電極層８１（第１電極部）と、正極集電体１１側の第２電極層８２（第２電極部）とが層状に重なって形成されている。

第１電極層８１および第２電極層８２は、各々が、異なる不織布８３，８４に同一の粒状活物質８５を保持して形成されており、第２電極層８２の空隙率が、第１電極層８１の空隙率よりも大きい。このような第１電極層８１および第２電極層８２が重なることで、正極活物質層８０は、正極集電体１１側の空隙率が、電解質層１７側の空隙率よりも大きくなっている。

このような電極構造は、図１１に示すように、空隙率の異なる不織布８３，８４を適用することで、容易に製造することができる。

または、図１２に示す他の例のように、第１電極層９１および第２電極層９２に同程度の空隙率の不織布９３，９４を適用し、同様の電極スラリー（粒状活物質９５）を、第２電極層９２の不織布９４よりも第１電極層９１の不織布８３の方へ多く含浸させることで、第２電極層９２の空隙率を大きくすることもできる。

または、図１３に示すように、同様の不織布に同程度の電極スラリーを含浸させ（工程Ｓ４）、各々を異なる条件（クリアランスや加圧力）でプレスすることで空隙率の異なる活物質層前駆体を作製し（工程Ｓ５）、空隙率の高い活物質層前駆体を正極集電体１１側に配置する（工程Ｓ６）ことでも製造できる。

または、図１４に示す電極構造の他の例のように、第１電極層１０１、第２電極層１０２および第３電極層１０３を設けてもよい。各々の電極層には同程度の空隙率の不織布１０４，１０５，１０６を適用し、正極集電体１１側の電極層ほど空隙率が大きくなるように、粒状活物質１０７が保持されている。また、電極部を４層以上で構成することも可能である。

また、図１５に示す電極構造の更に他の例のように、正極集電体１１側の第２電極層１１２の多孔質体１１６に保持される粒状活物質１１４の径を、第１電極層１１１の多孔質体１１５に保持される粒状活物質１１３の径よりも小さくすることもできる。すなわち、第１実施形態のように多孔質体（不織布）が存在しない場合、粒径の小さい粒状活物質を凝集するためにプレスすると、隙間が詰まり十分な反応領域を保つことが困難であるが、多孔質体１１５，１１６が存在することで、集電体側の第２電極層１１２に粒径が小さい粒状活物質１１４を適用できる。粒径が小さい粒状活物質１１４は、反応面積が大きいため、集電体側に適用することで、反応面積を高く保ちつつ空隙を維持することができ、電池の高出力化を図ることができる。

第３実施形態における製造方法によれば、電極スラリーが含浸された複数の多孔質体を異なる圧力でプレスし、形成された活物質層前駆体を空隙率が大きい順に正極集電体１１に配置できるため、空隙率の異なる活物質層前駆体を積層するだけで、集電体側の空隙率が高い電極部を有する電極構造を容易に製造できる。

また、図１５に示すように、粒径の小さい粒状活物質１１４を含む活物質層前駆体を正極集電体１１に近い側に配置することで、反応面積が大きい粒状活物質１１４により、集電体側の反応面積を高く保ちつつ空隙を維持することができ、電池の高出力化を図ることができる。

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。

図１１は、実施例１の電極構造を示す概略断面図である。実施例１では、図１５に示すように、正極活物質層６１を、第１電極層６２、第２電極６３および第３電極層６４の３層構造とした。第１電極層６２は、電解質層側に配置し、第３電極層６４は、正極集電体側に配置した。第１電極層６２、第２電極層６３および第３電極層６４の活物質には、粒子径Ｄ５０（５０％累積粒子径）が１０μｍの粒状活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を用いた。

第１電極層６２には、粒状活物質６５であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８０ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００（登録商標、電気化学工業社製）を１０ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。第１電極層６２の厚さは、３３μｍとした。

第２電極層６３には、粒状活物質６５であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８０ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００を５ｗｔ％とＶＧＣＦ（登録商標、昭和電工株式会社製）を５ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ配合した。第２電極層６３の厚さは、３４μｍとした。

第３電極層６４には、粒状活物質６５であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８０ｗｔ％、導電助剤としてＶＧＣＦを１０ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。第３電極層６４の厚さは、３３μｍとした。

ＨＳ−１００は、粒状のアセチレンブラックであり（図１１中の符号６６参照）、ＶＧＣＦは炭素繊維である（図１１中の符号６７参照）。したがって、導電助剤としてＨＳ−１００のみを含む第１電極層６２よりも、ＨＳ−１００とＶＧＣＦの両方を含む第２電極層６３の方が空隙率が大きい。さらに、導電助剤としてＨＳ−１００とＶＧＣＦの両方を含む第２電極層６３よりも、ＶＧＣＦのみを含む第３電極層６４の方が空隙率が大きい。したがって、電解質を活物質層に含浸させると、第１電極層６２よりも第２電極層６３においてより多くの電解質が保持され、第２電極層６３よりも第３電極層６４においてより多くの電解質が保持される。したがって、第２電極層６３および第３電極層６４が、単位体積当たりに第１電極層６２（第１電極部）よりも多くの電解質を含む第２電極部として機能している。

対極となる負極にはリチウムメタルを用い、電解質には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を、２：３の体積比で混合して用いた。

比較例１は、正極として１層のみの電極層を備え、この電極層には、粒子径Ｄ５０が１０μｍの粒子状活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８０ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００を１０ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。電極層の厚さは、１００μｍとした。

対極となる負極にはリチウムメタルを用い、電解質には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を、２：３の体積比で混合して用いた。

実施例１および比較例１におけるレート特性およびエネルギー密度を下記表１に示す。実施例１および比較例１の電極層の膜厚を表２に示す。なお、レート特性は、実施例１および比較例１の電池を０．２Ｃで充放電し、１０Ｃ／０．２Ｃ放電容量におけるレート特性を相対値（％）で示した。結果として、実施例１において、正極集電体の近傍において空隙率を高くして電解質の保持率を高くすることで、比較例１よりも高いレート特性を得られることが確認できた。

次に、実施例２〜６および比較例２，３について説明する。実施例２〜６では、図３に示す正極活物質層１３の構造と同様に、正極活物質層を第１電極層および第２電極層の２層構造とした。第１電極層は、電解質層側に配置し、第２電極層は、正極集電体側に配置した。第１電極層には、粒子内に空孔のない粒子内空孔率０％の粒状活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を配合した。この粒状活物質の粒子径Ｄ５０は、１０μｍとした。第２電極層には、粒子内に空孔を有する粒子内空孔率２５％の多孔体活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を配合した。この多孔体活物質の粒子径Ｄ５０は、１０μｍとした。対極となる負極にはリチウムメタルを用いて、電池とした。

多孔体活物質は、マンガン酸リチウムを一旦粉砕して一次粒子とした後、焼成して凝集させて、粒内に空孔を持つ二次粒子として作成した。空孔は、粉砕した際の一次粒子の大きさと焼成時間で制御可能であり、空孔率が２５％程度になるように、粒子径Ｄ５０が１μｍのマンガン酸リチウム片（一次粒子）を大気雰囲気炉で８５０℃で７時間焼成して作成した。空孔率は、水銀ポロシメータより水銀の圧入する量から判断した。

実施例２〜５および比較例２〜４における第１電極層および第２電極層には、活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８０ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００を１０ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。

実施例６における第１電極層には、活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を８５ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００を５ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。実施例６における第２電極層には、活物質であるマンガン酸リチウムＬｉＭｎ_２Ｏ_４を７５ｗｔ％、導電助剤としてＨＳ−１００を１５ｗｔ％、バインダとしてＰＶＤＦを１０ｗｔ％配合した。

実施例２では、電解質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の厚さを４５μｍ、第２電極層の厚さを５５μｍとした。第１電極層と第２電極層の質量比を５０：５０、第１電極層の空隙率を３０％、第２電極層の空隙率を３０％とした。なお第２電極層の多孔体活物質は、粒子内に空孔を有するが、ここでいう空隙率には、多孔体活物質内の空孔の体積は含まれない。

実施例３では、電解質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の厚さを６６μｍ、第２電極層の厚さを３４μｍとした。第１電極層と第２電極層の質量比を７０：３０、第１電極層の空隙率を３０％、第２電極層の空隙率を３０％とした。

実施例４では、電解質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の厚さを７７μｍ、第２電極層の厚さを２３μｍとした。第１電極層と第２電極層の質量比を８０：２０、第１電極層の空隙率を３０％、第２電極層の空隙率を３０％とした。

実施例５では、電解質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の厚さを５０μｍ、第２電極層の厚さを５０μｍとした。第１電極層と第２電極層の質量比を５０：５０、第１電極層の空隙率を３０％、第２電極層の空隙率を１０％とした。

実施例６では、電解質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の厚さを４５μｍ、第２電極層の厚さを５５μｍとした。第１電極層と第２電極層の質量比を５０：５０、第１電極層の空隙率を３０％、第２電極層の空隙率を３０％とした。

比較例２では、第１電極層のみからなる活物質層の全厚を１００μｍとし、第１電極層の空隙率を３０％とした。

比較例３では、第２電極層のみからなる活物質層の全厚を１００μｍとし、第２電極層の空隙率を３０％とした。

実施例２〜６および比較例２〜４におけるレート特性およびエネルギー密度を下記表３に示す。実施例１および比較例１の電極層の膜厚を表４に示す。レート特性は、電池を０．２Ｃで充放電し、２Ｃ／０．２Ｃ放電容量におけるレート特性を相対値（％）で示した。

活物質の粒子内に空孔のない第１電極層のみの電極構造を有する比較例２では、エネルギー密度が５６ｍＡｈ／ｃｍ^３と高いが、リチウムイオンの供給が不足していると考えられ、レート特性が６０％と他に比べて低くなった。さらに、空孔のある多孔体活物質を含む第２電極層のみの電極構造を有する比較例２では、リチウムイオンの供給が十分であると考えられてレート特性は８０％と高いが、エネルギー密度が４０ｍＡｈ／ｃｍ^３と低くなった。

これに対し、実施例２〜６では、第１電極層および、第１電極層よりも電解質を多く保持する第２電極層を備えることで、レート特性が高く、かつエネルギー密度も高く維持できることが確認できた。

次に、第２、第３実施形態に対応する実施例７〜１０について説明する。
（ａ）正極材インク１の作成
活物質であるマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、粒子径Ｄ５０＝１０μｍ）と、導電助剤（ＨＳ−１００）と、バインダとしてＰＶＤＦを、重量比９０：５：５で配合し、固形分比が６５ｗｔ％となるようにＮＭＰ（Ｎ−メチル−ピロリドン）で希釈して、正極インク１とした。
（ｂ）正極材インク２の作成
活物質であるマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、粒子径Ｄ５０＝２μｍ）と、導電助剤（ＨＳ−１００）と、バインダとしてＰＶＤＦを、重量比９０：５：５で配合し、固形分比が６５ｗｔ％となるようにＮＭＰ（Ｎ−メチル−ピロリドン）で希釈して、正極インク２とした。
（ｃ）不織布Ｆ１〜Ｆ３の準備
ＰＰ（ポリプロピレン）繊維を材料源とし、不規則に編みこんだ不織布Ｆ１〜Ｆ３を、以下の寸法で準備した。

ポリプロピレンの比重０．９１ｇ／ｃｍ^３を用いて算出すると、上記不織布Ｆ１〜Ｆ３の空隙率は、いずれも９０．１％であった。
（ｄ）比較例４の電極の作成
正極材インク１を集電体である電解アルミ箔（厚さ＝１５ｕｍ）へ、電極目付量４０ｍｇ／ｃｍ^２となるように、アプリケーターを使って塗工して予備体とした。この予備体を、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、比較例４の電極層とした。比較例４の電極膜厚を測定すると、１８３ｕｍであった。
（ｅ）実施例７の電極の作成
ドクターブレードの刃が不織布１の上面（電解質層側となる面）に接触するように設置し、正極インク１を不織布Ｆ１の上面（一方面）から押し込みながら含浸させた。正極材インク１が含浸された不織布Ｆ１の目付量は４１．８ｍｇ／ｃｍ^２，厚さは２２０ｕｍであった。これを、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、実施例７の電極層とした。実施例７の電極膜厚を測定すると、１８３ｕｍであった。
（ｆ）実施例８の電極の作成
正極インク１を溜めた容器内で不織布Ｆ２に正極インク１を含浸させた後、ロールでインクを不織布Ｆ２の上下面から圧入させて予備体とした。この予備体の目付量は２０．９ｍｇ／ｃｍ^２，厚さは１１０ｕｍであった。上記予備体の２枚を、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、電極層８−１、電極層８−２とした。電極層８−１および電極層８−２の電極膜厚を測定すると、電極層８−１は８５ｕｍ，電極層８−２は９８ｕｍであった。集電体に、電極層８−２、電極層８−１の順番で重ね、実施例８の電極構造とした。
（ｇ）実施例９の電極の作成
正極インク１を溜めた容器内で不織布Ｆ３に正極インク１を含浸させた後、ロールでインクを不織布Ｆ３の上下面から圧入させて予備体とした。この予備体の目付量は１３．９ｍｇ／ｃｍ^２，厚さは７６ｕｍであった。上記予備体の３枚を、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、電極層９−１、電極層９−２、電極層９−３とした。電極層９−１、電極層９−２および電極層９−３の電極膜厚を測定すると、電極層９−１は５７ｕｍ，電極層９−２は６１ｕｍ，電極層９−３は６７ｕｍであった。集電体に、電極層９−３、電極層９−２、電極層９−１の順番で重ね、実施例９の電極構造とした。
（ｈ）実施例１０の電極の作成
正極インク１を溜めた容器内で不織布Ｆ２に正極インク１を含浸させた後、ロールでインクを不織布Ｆ２の上下面から圧入させて予備体とした。この予備体の目付量は２０．９ｍｇ／ｃｍ^２，厚さは１１０ｕｍであった。上記予備体を、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、電極層１０−１とした。電極層１０−１の電極膜厚を測定すると、８５ｕｍであった。

次に、正極インク２を溜めた容器内で不織布Ｆ２に正極インク２を含浸させた後、ロールでインクを不織布Ｆ２の上下面から圧入させて予備体とした。この予備体の目付量は２０．９ｍｇ／ｃｍ^２，厚さは１１０ｕｍであった。上記予備体を、３５ｔロールプレス機を用いてクリアランスを調整してプレスし、電極層１０−２とした。電極層１０−２の電極膜厚を測定すると、９８ｕｍであった。集電体に、電極層１０−２、電極層１０−１の順番で重ね、実施例１０の電極構造とした。
（ｉ）空隙率の算出
水銀圧入法を用いて、各電極層の空隙率を求めた。なお、比較例４の電極層と実施例７の電極層は、上面（電解質層側となる面）と下面（集電体側となる面）の断面方向２点につて、電極層を積層水平方向に分割して測定した。結果を表６，７に示す。なお空隙率は、３箇所の平均値を示した。

（ｊ）コインセルの作成
各電極層を直径１４ｍｍで打ち抜き、図１６に示すように、正極集電体２０１に比較例４または実施例７〜１０のいずれかの電極部（図中の電極部２０２）を配置し、電解質層となるセパレータ２０３を介して、負極２０４である直径１６ｍｍの対極Ｌｉメタルと対向させて、コイン電池を作成した。電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を重量比２：３で混合した液を０．１ｃｃ使用した。
（ｋ）レート試験結果
上限電圧を４．３Ｖ、下限電圧を２．５Ｖ、０．０５Ｃ充放電で容量を確認後、２Ｃで放電してレート特性を、表８に相対値（％）で示した。結果として、実施例７〜１０の電極構造は集電箔近傍の電解液保持性が高く、集電箔近傍のリチウムイオン濃度の低下率が抑制されて反応抵抗が下がったと見られ、高レート時でも放電特性に優れていることが確認できた。

１０，５０ リチウムイオン二次電池、
１１ 正極集電体（集電体）、
１２ 負極集電体、
１３，３６，７０，８０，９０ 正極活物質層（電極部）、
１５ 負極活物質層、
１７ 電解質層、
３１，４１，８１，９１，１０１，１１１ 第１電極層（第１電極部）、
３２，４２，８２，９２，１０２，１１２ 第２電極層（第２電極部）、
１０３ 第３電極層（第３電極部）、
３３，４３，７２，８５，９５，１０７，１１３，１１４ 粒状活物質、
３４ 多孔体活物質（粒状活物質）、
３５ 導電助剤、
３７ 第１電極層（第１電極部）、
３８ 第２電極部、
４５ 粒子状導電助剤、
４６ 繊維状導電助剤、
７３ 活物質層前駆体、
Ｄ１ 第１電極層の厚さ、
Ｄ２ 第２電極層の厚さ。

Claims (14)

1. 集電体と電解質層の間に電極部が設けられる電極構造であって、
   前記電極部が、前記電解質層と接して電解質を保持する第１電極部と、前記電解質層から離れて配置されて、前記第１電極部よりも体積当たりの電解質の保持量が多い第２電極部と、を有する電極構造。
2. 前記第１電極部および第２電極部は、前記電解質層側および集電体側に層状に重なって形成された第１電極層および第２電極層である、請求項１に記載の電極構造。
3. 前記第１電極部および第２電極部は、複数の粒状活物質を有し、前記第２電極部に含まれる粒状活物質内の空孔率が、前記第１電極部に含まれる粒状活物質内の空孔率よりも大きい、請求項１または２に記載の電極構造。
4. 前記第１電極部に設けられる粒状活物質と、前記第２電極部に設けられる粒状活物質の大きさが等しい、請求項１〜３に記載の電極構造。
5. 前記第１電極部に含まれる導電助剤の形状が、前記第２電極部に含まれる導電助剤の形状よりも大きい、請求項１〜４に記載の電極構造。
6. 第１電極部の厚さが、前記電極部の全体厚さの５０％以上であって８０％未満である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電極構造。
7. 前記第１電極部に含まれる導電助剤の量は、前記第２電極部に含まれる導電助剤の量よりも多い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電極構造。
8. 前記第１電極部および第２電極部は、多孔質体および当該多孔質体に保持される複数の粒状活物質を有し、前記第２電極部の空隙率が前記第１電極部の空隙率よりも大きい、請求項１に記載の電極構造。
9. 前記多孔質体は不織布である、請求項８に記載の電極構造。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極構造を用いた電池。
11. 電極スラリーを多孔質体に注入して活物質層前駆体を形成する工程と、
    前記活物質層前駆体の空隙率が大きい側に集電体を配置する工程と、を有する電極の製造方法。
12. 前記電極スラリーが注入された多孔質体をプレスして前記活物質層前駆体を形成する、請求項１１に記載の電極の製造方法。
13. 前記電極スラリーを複数の多孔質体に塗布して含浸される工程と、
    前記電極スラリーが含浸された複数の多孔質体を異なる圧力でプレスして空隙率の異なる複数の活物質層前駆体を形成する工程と、
    前記活物質層前駆体を空隙率が大きい順に前記集電体に配置する工程と、を有する電極の製造方法。
14. 前記電極スラリーに含まれる活物質の粒径を、含浸させる前記複数の多孔質体によって異ならせて前記活物質層前駆体を形成し、粒径の小さい活物質を含む活物質層前駆体を前記集電体に近い側に配置する、請求項１３に記載の電極の製造方法。

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