JP2015128029A - リチウムイオン電池用電極、及びリチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池用電極及びそれを用いたリチウムイオン電池を提供すること。
【解決手段】本発明のリチウムイオン電池用電極は、第１の導電率を有する第１導電領域１２０Ａ、及び第１の導電率より相対的に導電率が高い第２の導電率を有する第２導電領域１２０Ｂとが交互に積層されてなる電極活物質層１２０と、第１導電領域１２０Ａ及び第２導電領域１２０Ｂ上に設けられた電極集電体１２１と、を備え、電極活物質層１２０は、第１導電領域１２０Ａ及び第２導電領域１２０Ｂの積層方向において、第２導電領域１２０Ｂの幅が第１導電領域１２０Ａの幅に対して小さいことを特徴とする。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、リチウムイオン電池用電極、及びそれを用いたリチウムイオン電池に関し、特に、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池用電極及びそれを用いたリチウムイオン電池に関する。

近年、電池寿命が長く、かつ、高電圧が得られるリチウムイオン電池が脚光を浴びている。このリチウムイオン電池においては、更なる電池のコストダウンが求められており、電池抵抗の増大を防ぎつつ、高エネルギー密度化を達成することが望まれている。電池特性を改善できるリチウムイオン電池としては、正極の活物質の担持量を特定の領域で低下させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このリチウムイオン電池においては、充放電に伴う負極の形状変化による電極素子全体の歪み及びシワの発生を抑制できるので、リチウムイオン電池全体の電池特性の向上が可能となる。

特許第５１９４３６２号公報

ところで、リチウムイオン電池においては、電極の膜厚を厚くすることによりエネルギー密度の向上を図ることが可能である。しかしながら、単に、リチウムイオン電池の電極の膜厚を厚くすると、電子及びリチウムイオンの移動距離が長くなり、電池抵抗が増大する問題がある。このように、従来のリチウムイオン電池用電極においては、電極の膜厚に関して電池抵抗とエネルギー密度とが二律背反の関係にあり、膜厚の増大によって十分な電池特性を得ることは困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池用電極及びそれを用いたリチウムイオン電池を提供することを目的とする。

本発明のリチウムイオン電池用電極は、第１の導電率を有する第１導電領域、及び前記第１の導電率より相対的に導電率が高い第２の導電率を有する第２導電領域とが交互に積層されてなる電極活物質層と、前記第１導電領域及び前記第２導電領域に設けられた電極集電体と、を備え、前記電極活物質層は、前記第１導電領域及び前記第２導電領域の積層方向において、前記第２導電領域の幅が前記第１導電領域の幅に対して小さいことを特徴とする。

この構成によれば、相互に導電率が異なる第１導電領域及び第２導電領域を積層したことから、第１導電領域に対して相対的に導電率が高い第２導電領域を介して電子が電極活物質層内から電極集電体に流れるので、リチウムイオン電極用電極の厚さを増大させて電池容量を増大させた場合であっても、電池抵抗の増大を低減することが可能となる。しかも、積層方向における第２導電領域の幅が第１導電領域の幅より小さいので、第１導電領域により効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、第２導電領域により電池抵抗の増大を低減することが可能となる。したがって、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池用電極を実現できる。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、前記第１導電領域の積層方向における幅と前記第２導電領域の積層方向における幅との比率が、第２導電領域：第１導電領域＝１：１０以上１：１００以下であることが好ましい。この構成により、第１導電領域の幅と第２導電領域の幅との比率が適度な範囲となるので、第１導電領域により一層効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、第２導電領域により電池抵抗の増大を一層低減することが可能となる。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、前記第１導電領域の積層方向における幅が３００μｍ以上４００μｍ以下であり、前記第２導電領域の積層方向における幅が１０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。この構成により、第１導電領域の幅及び第２導電領域の幅が適度な範囲となるので、第１導電領域により一層効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、第２導電領域により電池抵抗の増大を一層低減することが可能となる。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、前記第１の導電率が、０．１２Ｓ／ｍ以上であることが好ましい。この構成により、第１導電領域の幅及び第２導電領域の導電率がそれぞれ所定値以上になるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、前記第１の導電率が０．１２Ｓ／ｍ以上０．５Ｓ／ｍ以下であり、前記第２の導電率が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下であることが好ましい。この構成により、第１導電領域の第１の導電率と第２導電領域の第２の導電率との差が適度な範囲となるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、前記第１の導電率と前記第２の導電率との差が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下であることが好ましい。この構成により、第１導電領域の第１の導電率と第２導電領域の第２の導電率との差が適度な範囲となるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

本発明のリチウムイオン電池用電極においては、膜厚が７０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この構成により、電極活物質層の厚さが適度な範囲となるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

本発明のリチウムイオン電池は、上記リチウム電池用電極を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、相互に導電率が異なる第１導電領域及び第２導電領域を積層したリチウムイオン電池用電極を備えたことから、第１導電領域に対して相対的に導電率が高い第２導電領域を介して電子が電極活物質層内から電極集電体に流れるので、リチウムイオン電極用電極の厚さを増大させて電池容量を増大させた場合であっても、電池抵抗の増大を低減することが可能となる。しかも、積層方向における第２導電領域の幅が第１導電領域の幅より小さいので、第１導電領域により効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、第２導電領域により電池抵抗の増大を低減することが可能となる。したがって、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池を実現できる。

本発明のリチウムイオン電池は、電極容量が３６０Ｗｈ／Ｌ以上であり、抵抗が１．５ｍΩ以下であることが好ましい。この構成により、リチウムイオン電池用電極の厚さの増大に伴い、リチウムイオン電池において積層する電極の枚数が減少した場合であっても、上記リチウムイオン電池用電極を備えるので、電極容量が３６０Ｗｈ／Ｌ以上であり、抵抗が１．５ｍΩ以下であるリチウムイオン電池を実現できる。

本発明によれば、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池用電極及びそれを用いたリチウムイオン電池を実現できる。

図１は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の模式的な斜視図である。 図２は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の模式図である。 図３Ａは、リチウムイオン電池における電極の配置の説明図である。 図３Ｂは、リチウムイオン電池におけるエネルギーの高密度化の説明図である。 図４は、リチウムイオン電池のエネルギー密度と電池抵抗との関係を示す図である。 図５Ａは、本実施の形態に係るリチウムイオン電池における正極の充電状を示す模式図である。 図５Ｂは、本実施の形態に係るリチウムイオン電池における正極の放電状態を示す模式図である。 図６は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の正極の膜厚と電池容量との関係を示す図である。 図７は、一定の電池容量が得られる高導電性領域の幅及び低導電性領域の幅を示す図である。 図８は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池のシミュレーションモデルの模式図である。 図９Ａは、本実施の形態に係るシミュレーションモデルによるシミュレーションで用いた正極の平面模式図である。 図９Ｂは、本実施の形態に係るシミュレーションモデルによるシミュレーションで用いた正極の平面模式図である。 図９Ｃは、本実施の形態に係るシミュレーションモデルによるシミュレーションで用いた正極の平面模式図である。 図１０Ａは、正極におけるリチウムとの反応速度分布（リチウムの濃度分布）のシミュレーション結果を示す図である。 図１０Ｂは、正極におけるリチウムとの反応速度分布（リチウムの濃度分布）のシミュレーション結果を示す図である。 図１０Ｃは、正極におけるリチウムとの反応速度分布（リチウムの濃度分布）のシミュレーション結果を示す図である。 図１１Ａは、本実施の形態に係るシミュレーションモデルによるシミュレーションで用いた負極の平面模式図である。 図１１Ｂは、本実施の形態に係るシミュレーションモデルによるシミュレーションで用いた負極の平面模式図である。 図１２は、正極及び負極の高導電性領域及び低導電性領域の比率と電池容量との計算結果を示す図である。 図１３は、高導電性領域及び低導電性領域の幅と電池容量及び電池抵抗とのシミュレーション結果を示す図である。 図１４は、正極及び負極の合成抵抗の説明図である。 図１５は、本発明の実施例及び比較例に係るリチウムイオン電池における電池容量と電池抵抗との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、リチウムイオン電池を例として説明するが、本発明は、各種二次電池に適用可能である。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。

まず、図１を参照して本実施の形態に係るリチウムイオン電池について説明する。図１は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１の模式的な斜視図である。なお、図１においては、容器１１の一部を破断して示している。

図１に示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１は、アルミニウムなどの金属部材によって構成され、内部に電解液を貯蔵可能な容器１１と、容器１１内に配置されたシート状の正極１２及び負極１３と、正極１２及び負極１３の間に配置されるセパレータ１５とを備える。正極１２及び負極１３は、正極１２と負極１３とが交互に複数配置されている。セパレータ１５は、負極１３を挟み込んだ状態で正極１２と交互に複数積層されており、電解液に浸漬するように配置されている。なお、図１においては、説明の便宜上、正極１２、負極１３及びセパレータ１５を板状部材として模式的に示している。なお、正極１２、負極１３及びセパレータ１５の形状は、シート状に限定されず適宜変更可能である。容器１１の上部には、正極端子１６、及び負極端子１７、及び安全弁１８が設けられている。

正極１２及び負極１３の一端部には、タブ１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ配置される。このタブ１９Ａ，１９Ｂは、セパレータ１５に挟まれた際に、セパレータ１５の外縁部から外側に突出するように設けられている。各タブ１９Ａ，１９Ｂは、正極１２及び負極１３に対して偏在するように設けられている。正極１２及び負極１３は、互いのタブ１９Ａ，１９Ｂが側面視にて相互に重ならないようにして積層されている。正極１２のタブ１９Ａは、正極端子１６に接続され、負極１３のタブ１９Ｂは、負極端子１７に接続されている。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の概要について説明する。図２は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の模式図である。図２に示すように、正極１２は、正極活物質層（電極活物質層）１２０と、この正極活物質層１２０内に設けられ、アルミ箔などによって構成される正極集電体（電極集電体）１２１とを備える。正極活物質層１２０は、リチウムイオン１２２、リチウム複合酸化物１２３及びバインダー１２４，１２５などの正極活物質を含有する。正極集電体１２１は、負極１３側から流れてきた電子（ｅ⁻）を、当該正極集電体１２１を通じて正極活物質層１２０の内部に供給する機能を有する。正極１２は、正極活物質層１２０の各正極活物質間及び正極集電体１２１と正極活物質との間がバインダー１２４，１２５によって結着されており、導電ネットワークが形成されている。正極１２の空隙部は、電解液で充填されている。

負極１３は、負極活物質層（電極活物質層）１３０と、この負極活物質層１３０内に設けられ、銅箔などによって構成される負極集電体（電極集電体）１３１とを備える。負極活物質層１３０は、リチウムイオン１３２、黒鉛１３３及びシリコン１３４などの負極活物質を含有する。シリコン１３４は、充電時にはリチウムイオン１３２と反応して合金を形成して膨張する。負極１３は、負極活物質間及び負極集電体１３１と負極活物質間がバインダー１３５によって結着されており、導電ネットワークが形成されている。負極１３の空隙部は、電解液で充填されている。

リチウムイオン電池１においては、充電時には負極１３の電子（ｅ⁻）が黒鉛１３３、シリコン１３４及びバインダー１３５を介して負極集電体１３１から正極１２の正極集電体１２１に向けて移動すると共に、負極１３のリチウムイオン１３２がセパレータ１５を介して正極１２側に移動してリチウムイオン１２２となる。このリチウムイオン１２２は、負極１３側から正極集電体１２１を介して移動して来た電子（ｅ⁻）を受け取る。また、リチウムイオン電池１においては、放電時には電子（ｅ⁻）が正極１２側から負極１３側に移動すると共に、正極１２側のリチウムイオン１２２がセパレータ１５を介して負極１３側に移動して負極１３のシリコン１３４とリチウムイオン１３２とが反応する。

セパレータ１５は、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィンによって構成され、表面に細孔（不図示）を有する。セパレータ１５は、正極１２と負極１３との間を分離して正極１２と負極１３との間の短絡を防ぐ機能を有すると共に、表面の細孔を介して負極１３から正極１２へ向けて電子が流れるように構成されている。

次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１におけるエネルギーの高密度化について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、リチウムイオン電池１におけるエネルギーの高密度化の説明図である。図３Ａに示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１においては、正極１２は、一対の正極活物質層１２０間に正極集電体１２１が挟持された構成を有する。負極１３は、一対の負極活物質層１３０間に負極集電体１３１が挟持された構成を有する。正極活物質層１２０は所定の厚みｄ２を有し、負極活物質層１３０は所定の厚みｄ１を有する。

図３Ｂに示すように、一般的に、リチウムイオン電池１のエネルギーの高密度化を図る場合には、一対の正極活物質層１２０の厚みをｄ２からｄ４に拡大し、一対の負極活物質層１３０の厚みをｄ１からｄ３に拡大することが有効である。ここで、一対の正極活物質層１２０及び一対の負極活物質層１３０の厚みを拡大すると、正極活物質層１２０及び負極活物質層１３０を移動する電子（ｅ⁻）及びリチウムイオン（Ｌｉ^＋）の移動距離が長くなるので、リチウムイオン電池１の電池抵抗の増大に繋がる。

図４は、リチウムイオン電池１のエネルギー密度と電池抵抗との関係を示す図である。図４に示すように、理想電池においては、エネルギー密度を点Ｐ１から増大させると電池抵抗が略一定でエネルギー密度が増大した点Ｐ２となる（図４の点線の矢印参照）。しかしながら、実際のリチウムイオン電池１においては、図３Ｂに示したように、一対の正極活物質層１２０及び一対の負極活物質層１３０を厚くしてエネルギー密度を増大させる場合には、上述した正極活物質層１２０及び負極活物質層１３０を移動する電子（ｅ⁻）及びリチウムイオン（Ｌｉ^＋）の移動距離が長くなるので、エネルギー密度の増大に比例して電池抵抗も増大した点Ｐ３となる（図４の実線の矢印参照）。そこで、本実施の形態においては、正極活物質層１２０及び負極活物質層１３０を以下に説明する構成とすることにより、リチウムイオン電池の電池抵抗の増大を低減しつつ、高エネルギー密度化を実現する。

図５Ａは、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１における正極１２の充電状態を示す模式図である。図５Ａに示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１においては、正極１２の一対の正極活物質層１２０は、第１の導電率を有する第１導電領域１２０Ａ（以下、「低導電性領域１２０Ａ」ともいう）と、第１の導電率に対して相対的に導電率が高い第２の導電率を有する第２導電領域１２０Ｂ（以下、「高導電性領域１２０Ｂ」ともいう）とが交互に積層された構成を有する。正極活物質層１２０は、低導電性領域１２０Ａ及び高導電領域１２０Ｂの積層方向において、高導電性領域１２０Ｂの幅が低導電領域１２０Ａの幅に対して小さくなるように設けられている。一対の正極活物質層１２０は、第１導電領域１２０Ａ及び第２導電領域１２０Ｂによって正極集電体１２１を挟持するように設けられている。この構成により、リチウムイオン電池１の充電時には、負極１３側から正極集電体１２１を介して正極活物質層１２０に移動した電子（ｅ⁻）が高導電性領域１２０Ｂ内を移動（図５Ａの太線の矢印参照）する。これにより、リチウムイオン電池１は、正極活物質層１２０の厚さを増大させた場合であっても、低導電性領域１２０Ａ内を移動（図５Ａの点線の矢印参照）する場合に対して、電子（ｅ⁻）が正極活物質層１２０内を速やかに移動することが可能となる。したがって、リチウムイオン電池１の電池抵抗の増大を低減しつつ、高エネルギー密度化を実現できる。

図５Ｂは、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１における正極１２の放電状態を示す模式図である。図５Ｂに示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１においては、放電時には正極１２の正極活物質層１２０内を移動する電子（ｅ⁻）が高導電性領域１２０Ｂ内を移動（図５Ｂの太線の矢印参照）して正極集電体１２１に流れる。これにより、リチウムイオン電池１は、正極活物質層１２０の厚さを増大させた場合であっても、低導電性領域１２０Ａ内を移動（図５Ｂの点線の矢印参照）する場合に対して、電子（ｅ⁻）が正極活物質層１２０内を速やかに移動することが可能となる。したがって、リチウムイオン電池の電池抵抗の増大を低減しつつ、高エネルギー密度化を実現できる。

本実施の形態においては、低導電性領域１２０Ａが、０．１２Ｓ／ｍ以上であることが好ましい。これにより、リチウムイオン電池１は、低導電性領域１２０Ａの幅及び高導電性領域１２０Ｂの導電率がそれぞれ所定値以上になるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

また、本実施の形態においては、低導電性領域１２０Ａ、の導電率が０．１２Ｓ／ｍ以上０．５Ｓ／ｍ以下であり、高導電性領域１２０Ｂ、の導電率が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下であることが好ましい。これにより、リチウムイオン電池１は、低導電性領域１２０Ａ、の導電率及び高導電性領域１２０Ｂ、の導電率との差が適度な範囲となるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

本実施の形態においては、低導電性領域１２０Ａ、の導電率と高導電性領域１２０Ｂ、の導電率との差が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下であることが好ましい。これにより、リチウムイオン電池１は、低導電性領域１２０Ａ、の導電率と高導電性領域１２０Ｂ、の導電率との差が適度な範囲となるので、上述した作用効果に基づく電池容量の増大及び電池抵抗の増大の低減の効果が更に向上する。

次に、本発明者らは、上述した作用効果に基づくリチウムイオン電池１の高エネルギー密度化を実現するための正極１２の電極構造について詳細に調べた。以下、本発明者らが調べた内容について説明する。

図６は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１の正極１２の膜厚と電池容量との関係を示す図である。図６に示すように、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１においては、膜厚６０μｍから正極１２の膜厚を増大させることにより電池容量も増大する。膜厚１００μｍにおける電池容量は、膜厚６０μｍにおける電池容量の約３倍となり、膜厚１００μｍ以上では電池容量の増加量が減少する。また、電池容量は、膜厚７０μｍ以上１００μｍ以下の範囲では、略直線状に増大する。この結果から、リチウムイオン電池１の電池容量を効率良く向上できる正極１２の膜厚としては、７０μｍ以上１００μｍ以下が好ましいことが分かる。また、リチウムイオン電池１においては、負極１３の膜厚は、正極１２と対応する範囲である７０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

次に、本発明者らは、正極１２の高導電性領域１２０Ｂの幅及び低導電性領域１２０Ａとの幅と電池容量との関係について調べた。図７は、一定の電池容量が得られる高導電性領域１２０Ｂの幅及び低導電性領域１２０Ａの幅を示す図である。図７に示すように、リチウムイオン電池１においては、高導電性領域１２０Ｂの幅を増大させた場合に一定の電池容量を得るためには、低導電性領域１２０Ａの幅を増大させる必要がある。ここで、高導電性領域１２０Ｂの幅が１０μｍ〜３０μｍの範囲では、低導電性領域１２０Ａの幅が３００μｍ〜４００μｍとなり、高導電性領域１２０Ｂの幅の増加量と低導電性領域１２０Ａとの増加量とが略直線状となるので、複数の正極１２及び複数の負極１３を積層してリチウムイオン電池１を構成する場合であっても、効率良くリチウムイオン電池１の電池容量を向上できる。これに対し、高導電性領域１２０Ｂの幅が３０μｍを超える範囲では、高導電性領域１２０Ｂの幅の増加量に対して低導電性領域１２０Ａとの増加量が小さくなる。これらの結果から、低導電性領域１２０Ａ及び高導電性領域１２０Ｂの幅は、低導電領域１２０Ａの幅が３００μｍ以上４００μｍ以下であり、かつ、第２導電領域の積層方向における幅が１０μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。これにより、低導電性領域１２０Ａの幅及び高導電性領域１２０Ｂの幅が適度な範囲となるので、低導電性領域１２０Ａにより一層効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、高導電性領域１２０Ｂにより電池抵抗の増大を一層低減することが可能となる。

図８は、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１のシミュレーションモデル１００の模式図である。図８に示すように、このシミュレーションモデル１００は、セパレータ１５が正極１２及び負極１３によって挟持されている。正極１２は、一対の正極活物質層１２０によって正極集電体１２１が挟持され、負極１３は、一対の負極活物質層１３０によって負極集電体１３１が挟持されている。正極１２は、所定の幅ｄ５を有する高導電性領域１２０Ｂと、所定の幅ｄ５より大きい幅ｄ６を有する低導電性領域１２０Ａとが正極１２及び負極１３の厚さ方向Ｄ１に直交する積層方向Ｄ２において交互に設けられている。負極１３は、所定の幅ｄ７を有する高導電性領域１３０Ｂと、所定の幅ｄ７より大きい幅ｄ８を有する低導電性領域１３０Ａとが積層方向Ｄ２において交互に設けられている。

図９Ａ〜図９Ｃは、本実施の形態に係るシミュレーションモデル１００によるシミュレーションで用いた正極１２Ａ〜１２Ｃの平面模式図である。図９Ａに示す正極１２Ａは、幅ｄ５：幅ｄ６＝１０μｍ：３００μｍとしたものであり、図９Ｂに示す正極１２Ｂは、幅ｄ５：幅ｄ６＝３０μｍ：９００μｍとしたものであり、図９Ｃに示す正極１２Ｃは、幅ｄ５：幅ｄ６＝５０μｍ：１５００μｍとしたものである。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、正極１２Ａ〜１２Ｃにおけるリチウムとの反応速度分布（リチウムの濃度分布）のシミュレーション結果を示す図である。図１０Ａに示すように、低導電性領域１２０Ａの幅が狭い正極１２Ａにおいては、正極１２Ａの表面内では、高導電性領域１２０Ｂの近傍におけるリチウムの濃度が高い高濃度領域Ａ１の面積が最も大きく、高濃度領域Ａ１の間にリチウムイオン濃度が中程度の中濃度領域Ａ２が分布している。この結果から、正極１２Ａにおいては、リチウムの反応速度が全体的に速く、電池抵抗を低減できることが分かる。

図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、正極１２Ｂ及び正極１２Ｃでは、高導電性領域１２０Ｂの近傍におけるリチウムの濃度が高い高濃度領域Ａ１の面積は正極１２Ａとは変わらない一方、高導電性領域Ａ１間の距離が大きくなるにつれてリチウムイオン濃度が低い低濃度領域Ａ３の面積が増大することが分かる。これらの結果から、高導電性領域１２０Ｂの幅ｄ５及び低導電性領域１２０Ａの幅ｄ６との比率が一定の場合であっても、高導電性領域１２０Ｂの幅ｄ５及び低導電性領域１２０Ａの幅ｄ６が大きくなるにつれて電池抵抗を低減できる効果が小さくなることが分かる。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、本実施の形態に係るシミュレーションモデル１００によるシミュレーションで用いた負極１３Ａ〜１３Ｅの平面模式図である。なお、図８に示した負極１３の模式図は、２種類の層である高導電性領域１３０Ｂ及び低導電性領域１３０Ａ
から構成されているが、同条件を入力して計算しているので均一な層と判断される。図１１Ａに示す負極１３Ａは、負極活物質層１３０の全てを高導電性領域１３０Ａで構成し、負極活物質層１３０の厚さを薄膜（５６．３μｍ）としたモデルである。図１１Ｂに示す負極１３Ｂは、負極活物質層１３０の全てを高導電性領域１３０Ａで構成し、負極活物質層１３０の厚さを厚膜（１００μｍ）としたモデルである。

図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、高導電性領域１３０Ａのみで構成した薄膜の負極１３Ａにおいては、全ての領域が高電極電流密度領域Ａ４となる。また、高導電性領域１３０Ａのみで構成した厚膜で構成した負極１３Ｂにおいては、全ての領域が中電極電流密度領域Ａ５となる。

図１２は、正極１２の高導電性領域１２０Ｂ及び低導電性領域１２０Ａの幅の比率と電池容量との計算結果である。図１２に示すように、高導電性領域１２０Ｂ：低導電性領域１２０Ａ＝１：３の場合に対して、高導電性領域１２０Ｂ：低導電性領域１２０Ａ＝１：１０以上１：１００以下の範囲とすることにより、電池容量は３倍以上に向上する。この結果から、高導電性領域１２０Ｂ：低導電性領域１２０Ａ＝１：１０以上１：１００以下の範囲とすることにより、高導電性領域１２０Ｂの幅と第２導電領域の幅との比率が適度な範囲となるので、低導電性領域１２０Ａにより一層効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、高導電性領域１２０Ｂにより電池抵抗の増大を一層低減することが可能となることが分かる。

図１３は、高導電性領域及び低導電性領域の幅と電池容量及び電池抵抗とのシミュレーション結果を示す図である。なお、図１３においては、電池容量を棒グラフで示し、電池抵抗を黒点で示している。また、図１３においては、正極１２の高導電性領域：低導電性領域＝１：３０で固定して高導電性領域及び低導電性領域の幅を変化させた場合における電池容量と電池抵抗との関係を示している。

図１３に示すように、高導電性領域及び低導電性領域の幅を高導電性領域：低導電性領域＝１：３０とした場合には、電池容量は、高導電性領域：低導電性領域の幅が１０：３００、３０：９００、及び５０：１５００のいずれの場合においても電極を厚膜とした場合と略同等となることが分かる。一方で、電池抵抗は、１０：３００、３０：９００、及び５０：１５００の順に幅を拡大すると共に増大することが分かる。これらの結果から、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１においては、高導電性領域：低導電性領域の幅としては、１０：３００が好ましいことが分かる。

次に、本実施の形態に係るリチウムイオン電池の製造方法について説明する。本実施の形態に係るリチウムイオン電池は、高導電性領域用電極材料及び低導電性領域用電池材料をそれぞれ溶剤とを混合してスラリー化し、スラリー化した電極材料を共押し出し法により基材上に塗工し、基材上に塗工した電極材料を乾燥して正極１２及び負極１３を得る。そして、負極１３をセパレータ１５で被覆した後、正極１２及び負極１３を交互に積層して容器１内に配置することにより、リチウムイオン電池１を得る。

負極１３の原料粉末としては、例えば、炭素（黒鉛）及びシリコン（Ｓｉ、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ＜２）、及びＳｉを含む合金材料からなる群から選択された少なくとも１種）を含有する電極材料を用いることができる。また、負極１３の原料粉末としては、黒鉛及びシリコン以外に本発明の効果を奏する範囲内でＳｎ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｂ、及びＡｓなどの金属を含有したものを用いてもよい。

正極１２の原料粉末としては、例えば、コバルト−ニッケル−マンガン系のリチウム複合酸化物（Ｌｉ（Ｎｉ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｍｎ_０．３３）Ｏ_２：ＮＣＭ、戸田工業社製）を用いることができる。また、正極１２の原料粉末としては、上述したリチウム複合酸化物以外に本発明の効果を奏する範囲内で各種金属材料及び合金を含有することもできる。正極１２の高導電性領域用の原料粉末としては、上述したリチウム複合酸化物にデンカブラックなどの導電補助剤を配合したものを用いることができる。正極１２の低導電性領域用の原料粉末としては、上述したリチウム複合酸化物（Ｌｉ（Ｎｉ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｍｎ_０．３３）Ｏ_２：ＮＣＭ、戸田工業社製）を単独で用いることができる。

また、正極１２及び負極１３の電極材料としては、バインダーを含有することが好ましい。これにより、バインダーが正極活物質及び負極活物質間を結着するので、リチウムイオン電池の容量を更に向上できると共に、電池性能の低下を更に低減できる。

電極材料のスラリー化に用いる溶剤としては、例えば、蒸留水及びイオン交換水などの水、Ｎ−メチル２−ピロリドン（ＮＭＰ）などを用いることが可能である。溶剤の量としては、電極材料をスラリーとして基材上に塗布できる範囲であれば特に制限はない。

電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）５０容量％とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）５０容量％の混合溶媒に過塩素酸リチウム(ＬｉＣ１Ｏ_４)を１ｍｏｌ／１の濃度となるように溶解させたものを用いことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、相互に導電率が異なる低導電性領域１２０Ａ及び高導電性領域１２０Ｂを積層したことから、低導電性領域１２０Ａに対して相対的に導電率が高い高導電性領域１２０Ｂを介して電子が正極活物質層１２０内を流れるので、リチウムイオン電池１の正極１２及び負極１３の厚さを増大させて電池容量を増大させた場合であっても、電池抵抗の増大を低減することが可能となる。しかも、高導電性領域１２０Ｂの幅が低導電性領域１２０Ａの積層方向の幅より小さいので、高導電性領域１２０Ｂにより効率よく電極容量を増大させることが可能になると共に、低導電性領域１２０Ａにより電池抵抗の増大を低減することが可能となる。したがって、高エネルギー密度化が可能であり、しかも、膜厚の増大に伴う電気抵抗の増大を低減することが可能なリチウムイオン電池１を実現できる。

また、本実施の形態に係るリチウムイオン電池１によれば、電極容量が３６０Ｗｈ／Ｌ以上であり、抵抗が１．５ｍΩ以下とすることも可能となる。これにより、リチウムイオン電池１の正極１２及び負極１３の膜厚の増大に伴い、リチウムイオン電池１において積層する正極１２及び負極１３の枚数が減少した場合であっても、電極容量が高く、かつ、電池抵抗が低いリチウムイオン電池１を実現できる。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例及び比較例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例及び比較例によって何ら制限されるものではない。

一般的に、リチウムイオン電池１においては、上述したように、セパレータ１５を介して複数の正極１２及び複数の負極１３を積層する。そして、リチウムイオン電池１においては、同一サイズの容器１１でリチウムイオン電池１を構成する場合には、正極１２及び負極１３の膜厚を厚くして正極１２及び負極１３の積層枚数を減少させると、図１４に示すように、正極１２又は負極１３の抵抗Ｒ１〜Ｒ３の合成抵抗Ｒが増大する。そこで、本発明者らは、正極１２に高導電性領域１２０Ｂ及び低導電性領域１２０Ａを設けたリチウムイオン電池の電池容量と電池抵抗との関係についてシミュレーションを実施した。以下、本発明者らが調べた内容について詳細に説明する。

（実施例１）
負極は、膜厚を１００μｍとして計算した。正極は、膜厚が１００μｍとなり、高導電性領域の幅及び低導電性領域の幅との比が高導電性領域：低導電性領域＝１０μｍ：３００μｍとなるようにして計算した。計算結果を図１５に示す。なお、図１５においては、電池容量を棒グラフで示し、電池抵抗を丸で示している。図１５から分かるように、実施例１では、次世代型電池の目標容量である電池容量が３６０Ｗｈ／Ｌ以上となり、抵抗が１．５ｍΩ以下となり、電池容量に優れ、かつ、電池抵抗が低いリチウムイオン電池を実現できる可能性が高いことが分かる。

（比較例１）
正極及び負極の膜厚を５６．３μｍとし、正極を低導電性領域のみとしたこと以外は、実施例１と同様にして計算した。計算結果を図１５に併記する。図１５から分かるように、比較例１では、実施例１と比較して電池抵抗は低かったが、電池容量が低かった。この結果は、正極及び負極の膜厚が実施例１に対して薄く、電池容量が向上しなかったためと考えられる。

（比較例２）
正極及び負極の膜厚を１００μｍとしたこと以外は、比較例１と同様にして計算した。計算結果を図１５に併記する。図１５から分かるように、比較例２では、実施例１に対して電池容量は同等であったが、電池抵抗が約２倍となった。この結果は、高導電性領域を設けなかったため、正極活物質層及び負極活物質層を移動する電子の移動距離が増大したためと考えられる。

１ リチウムイオン電池
１１ 容器
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 正極
１２０ 正極活物質層
１２０Ａ 低導電性領域
１２０Ｂ 高導電性領域
１２１ 正極集電体
１２２ リチウムイオン
１２３ リチウム複合酸化物
１２４ バインダー
１３，１３Ａ，１３Ｂ 負極
１３０ 負極活物質層
１３１ 負極集電体
１３２ リチウムイオン
１３３ 黒鉛
１３４ シリコン
１３５ バインダー
１５ セパレータ
１６ 正極端子
１７ 負極端子
１８ 安全弁
１９Ａ，１９Ｂ タブ
１００ シミュレーションモデル

Claims (9)

1. 第１の導電率を有する第１導電領域、及び前記第１の導電率より相対的に導電率が高い第２の導電率を有する第２導電領域とが交互に積層されてなる電極活物質層と、
   前記第１導電領域及び前記第２導電領域に設けられた電極集電体と、を備え、
   前記電極活物質層は、前記第１導電領域及び前記第２導電領域の積層方向において、前記第２導電領域の幅が前記第１導電領域の幅に対して小さいことを特徴とする、リチウムイオン電池用電極。
2. 前記第１導電領域の積層方向における幅と前記第２導電領域の積層方向における幅との比率が、第２導電領域：第１導電領域＝１：１０以上１：１００以下である、請求項１に記載のリチウムイオン電池用電極。
3. 前記第１導電領域の積層方向における幅が３００μｍ以上４００μｍ以下であり、
   前記第２導電領域の積層方向における幅が１０μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン電池用電極。
4. 前記第１の導電率が、０．１２Ｓ／ｍ以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池用電極。
5. 前記第１の導電率が０．１２Ｓ／ｍ以上０．５Ｓ／ｍ以下であり、前記第２の導電率が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池用電極。
6. 前記第１の導電率と前記第２の導電率との差が３０００Ｓ／ｍ以上４８００Ｓ／ｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池用電極。
7. 膜厚が７０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池用電極。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のリチウム電池用電極を備えたことを特徴とする、リチウムイオン電池。
9. 電極容量が３６０Ｗｈ／Ｌ以上であり、抵抗が１．５ｍΩ以下である、請求項８に記載のリチウムイオン電池。

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