JP2018055968A - リチウムイオン電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで大型化、適切な電池容量の確保。【解決手段】第１極集電体７及び第２極集電体８は、それぞれ第１の方向に沿って所定間隔で周期的に形成され、第１の方向と異なる第２の方向に突出した複数の山部７ａ，８ａを有する波形状断面を有する波形集電体であり、第１極集電体７及び第２極集電体８がそれぞれ有する複数の山部７ａ，８ａは、セパレータ４を介して相対向する山部７ａ，８ａと交互かつ平行に第１の方向に沿って所定間隔で配置され、第１極集電体７及び第２極集電体８それぞれの断面において、山部７ａ，８ａの側面とこれに隣り合う山部７ａ，８ａの側面までの最大間隔（△Ｌ）と山部７ａ，８ａの頂点から山部７ａ，８ａの底部までの最短距離（Ｌｈ）との比（△Ｌ：Ｌｈ）が１：１〜１：４であり、セパレータ４の厚さ（Ｔｓ）と第１極活物質層５又は第２極活物質層６の厚さ（Ｔａ）の比（Ｔｓ：Ｔａ）が１：１００〜１：５００である。【選択図】図２

Description

本発明は、第１極集電体、第１極活物質層、セパレータ、第２極活物質層及び第２極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池及びその製造方法に関する。

リチウムイオン（二次）電池は、高容量で小型軽量な二次電池として、近年様々な用途に多用されている。一般的なリチウムイオン電池は、正極活物質及び電解液を含む正極電極組成物層を正極集電体の表面に形成した正極と、同様に負極活物質及び電解液を含む負極電極組成物層を負極集電体の表面に形成した負極とがセパレータを挾んで積層されてなる単電池が外装体たる容器に収納されて構成されている。

一方、大型の発電所で発電した電力の余剰分を一時的に蓄電することの可能な、定置用蓄電池が注目されている。このような定置用蓄電池に用いられる蓄電池（二次電池）については、例えばナトリウム・硫黄電池のような、様々な種類の電池が検討、実用化されている。

特表２０１５−５２４９９４号公報

しかしながら、従来のリチウムイオン電池を上述した定置用蓄電池に適用する場合、正極及び負極の膜厚が１００μｍ程度のものが一般的であるので、リチウムイオン電池を多数組み合わせて大型化する必要があり、生産性が低くコストが嵩むという課題があった。また、このように多数のリチウムイオン電池を組み合わせて定置用蓄電池を構成した場合、膜厚が薄いために単位体積当たりの電池容量を増やすことが困難であった。

電池容量の増加を目的として、一方向に延びかつ対向する一対の電極バスから交互に略直方体状の正極及び負極を突出させ、これら正極及び負極の間にセパレータを配置したリチウムイオン電池が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この特許文献１に提案されているリチウムイオン電池においても、数百μｍの膜厚を有しているため、大型化するためにはこのリチウムイオン電池を、上述の一方向に直交する方向に数多く積層したスタック構造にしており、従って、依然として上述の課題を解決するには至っていない。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池及びその製造方法の提供を、その目的の一つとしている。

本発明は、第１極集電体、第１極活物質層、セパレータ、第２極活物質層及び第２極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池に適用される。そして、第１極集電体及び第２極集電体を、それぞれ、第１の方向に沿って所定間隔で周期的に形成され、第１の方向と異なる第２の方向に突出した複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体とし、第１極集電体及び第２極集電体がそれぞれ有する複数の山部を、セパレータを介して、相対向する山部と交互かつ平行に第１の方向に沿って所定間隔で配置し、第１極集電体及び第２極集電体のそれぞれの断面において、山部の側面とこれに隣り合う山部の側面までの最大間隔（△Ｌ）と山部の頂点から山部の底部までの最短距離（Ｌｈ）との比（△Ｌ：Ｌｈ）を１：１〜１：４とし、セパレータの厚さ（Ｔｓ）と第１極活物質層または第２極活物質層の厚さ（Ｔａ）の比（Ｔｓ：Ｔａ）を１：１００〜１：５００とすることにより、上述の課題の少なくとも一つを解決している。

さらに、第１極集電体及び第２極集電体を、それぞれ複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体とすることによって、集電体と第１極活物質層及び第２極活物質層との接触面積が増加するために、集電体と活物質層との界面抵抗を低減でき、電池性能の向上にも寄与することができる。

また、第１極集電体及び第２極集電体がそれぞれ有する複数の山部を、セパレータを介して、相対向する山部と交互かつ平行に第１の方向に沿って所定間隔で配置することによって、平板状のセパレータを用いた場合に比べて第１極と第２極との界面の面積を増大することができるので、界面抵抗が小さくなり、平板状のセパレータを用いた場合に比べて電池性能が向上することができる。なお、第１極と第２極との界面の面積は、波状のセパレータを用いることによって増大することができるが、集電体が平板状であった場合には、セパレータと集電体との距離が不均等になるために活物質層での電気化学反応が不均一になるために電池が劣化し易くなるが、本発明においては、第１極集電体及び第２極集電体とセパレータとの距離が均等になるので、活物質層での電気化学反応が均一になり電池の耐久性に優れるという効果も有する。

ここで、第１極集電体及び第２極集電体のそれぞれが有する山部の上部が、第１の側面から頂点を経て第２の側面にかけて連続した曲面を有することが好ましい。

また、本発明は、第１極集電体、第１極活物質層、セパレータ、第２極活物質層及び第２極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池の製造方法に適用される。そして、第１の方向に沿って所定間隔で周期的に、かつ第１の方向と異なる第２の方向に突出した複数の山部を有する波形状断面を有する第１極集電体及び第２極集電体を成形する集電体成形工程と、集電体成形工程により成形された第１極集電体及び第２極集電体の表面に沿って第１極電極組成物及び第２極電極組成物をそれぞれ成形する電極組成物成形工程と、電極組成物成形工程により成形された第１極電極組成物及び第２極電極組成物の少なくともいずれかの表面に沿ってセパレータを配置するセパレータ配置工程と、セパレータ配置工程により配置されたセパレータを介して第１極電極組成物と第２極集電体とを密着対向させる組立工程とを備えることにより、上述の課題の少なくとも一つを解決している。

ここで、第１極活物質層及び／又は第２極活物質層は、高分子化合物を含んでなる被覆層を有する電極活物質を含むことが好ましい。

本発明によれば、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池及びその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図である。 一実施形態であるリチウムイオン電池の一部を取り出して示す一部破断斜視図である。 本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池の製造方法を示す工程図である。 一実施形態のリチウムイオン電池に用いられる集電体を示す断面図である。 一実施形態のリチウムイオン電池に用いられる集電体支持体を示す斜視図である。

（一実施形態）
図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池について詳細を説明する。図１は本発明の一実施形態であるリチウムイオン電池を示す一部破断斜視図、図２は一実施形態であるリチウムイオン電池の一部を取り出して示す一部破断斜視図である。

これら図において、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、外形略直方体状のリチウム二次単電池１と、このリチウム二次単電池１を収容する外装体たる筐体２０とを備える。本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは、長さ方向（図１においてＸ軸方向）には１０ｍ程度、厚さ方向（図１においてＹ軸方向）には１０ｃｍ程度、高さ方向（図１においてＺ軸方向）には１〜数ｍ程度の大きさに形成されている。

ここで、本発明においてリチウム二次単電池１とは、正極電極活物質と電解液とを含む正極電極組成物層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極電極活物質と電解液とを含む負極電極組成物層を負極集電体の表面に形成した負極とを有し、正極電極組成物と負極電極組成物とがセパレータを介して積層された構造を有し、電池容器、端子配置及び電子制御装置等を備えていない電池である（参考：日本工業規格JIS C8715-2「産業用リチウム二次電池の単電池及び電池システム」）。なお、リチウム二次単電池１は単電池と略する場合がある。

単電池１は、図２に詳細を示すように、正極集電体（第１極集電体）７の表面に正極電極活物質と電解液とを含む略平板状の正極電極組成物層（第１電極組成物）５が形成された正極２と、同様に負極集電体（第２極集電体）８の表面に負極電極活物質と電解液とを含む略平板状の負極電極組成物層（第２極電極組成物）６が形成された負極３とが、セパレータ４を介して積層されて構成されている。

本実施形態の特徴である、正極集電体７及び負極集電体８の形状について、図２及び図４（ａ）を参照してより詳細に説明する。図４（ａ）は、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌに用いられる正極集電体７及び負極集電体８を示す断面図である。本実施形態のリチウムイオン電池Ｌにおいて、正極集電体７及び負極集電体８の断面形状は略同一であるので、形状について説明する場合は代表して正極集電体７について説明を行う。

図２及び図４（ａ）に示すように、正極集電体７は、図２及び図４において第１の方向であるＸ軸に沿って所定間隔で周期的に形成され、Ｘ軸と異なる第２の方向、より詳細にはＸ軸と直交するＹ軸方向に突出した複数の山部７ａを有する、波形状断面を有する波形集電体である。

より詳細には、図４（ａ）に最もよく示されるように、正極集電体７は、Ｘ軸方向に延在する、略平板状の基部７ｂと、Ｘ軸に沿って所定間隔で周期的に形成され、基部７ｂの一面からＸ軸と直交するＹ軸方向に突出した複数の山部７ａとを備える。本実施形態の正極集電体７は、図２に最もよく示されるように、Ｘ軸及びＹ軸にそれぞれ直交する、正極集電体７の幅方向であるＺ軸に沿って、図４（ａ）に示す断面形状を保ったまま延びて形成されている。

好ましくは、正極集電体７の山部７ａの上部７ｃは、図４（ａ）において右側面７ｄである第１の側面から、山部７ａの頂点７ｅを経て、図４（ａ）において左側面７ｆである第２の側面にかけて連続した曲面を有するように形成されている。本実施形態の正極集電体７は、さらに、右側面７ｄと基部７ｂの一面、及び左側面７ｆと基部７ｂの一面にかけても連続した曲面を有するように形成されている。

正極集電体７は、図４（ａ）に示すように、その断面において、山部７ａの側面７ｄ、７ｆとこれに隣り合う山部７ａの側面７ｄ、７ｆまでの最大間隔（△Ｌ）と、山部７ａの頂点７ｅから山部７ａの底部、すなわち基部７ｂの一面までの最短距離（Ｌｈ）との比（△Ｌ：Ｌｈ）が１：１〜１：４となるように形成されている。△Ｌに対するＬｈが１に満たないと、正極集電体７と負極集電体８との間隔が小さくなりすぎてしまうため、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６を構成する十分な厚さの活物質層を形成することが困難となり、必要な電池容量の維持が困難となる。また、△Ｌに対するＬｈが４を超えると、山部７ａの側面７ｄ、７ｆの厚みを厚くして正極集電体７、負極集電体８の強度を確保する必要があり、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６を構成する十分な厚さの活物質層を同様に形成することが困難となり、必要な電池容量の維持が困難となる。一例として、ΔＬは２〜３ｃｍ程度、Ｌｈは５〜８ｃｍ程度であることが好ましい。

本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、図２に示すように、正極集電体７及び負極集電体８がそれぞれ有する複数の山部７ａ、８ａは、セパレータ４を介して、相対向する山部７ａ、８ａと交互かつ平行に第１の方向であるＸ軸に沿って所定間隔で配置されている。そして、これら正極集電体７及び負極集電体８の相対向する山部７ａ、８ａの間に、正極電極組成物層５、セパレータ４及び負極電極組成物層６が順に積層されている。

正極集電体７とセパレータ４との間の間隔、及び、負極集電体８とセパレータ４との間の間隔は単電池１の容量に応じて調整され、これら正極集電体７、負極集電体８及びセパレータ４の位置関係は必要な間隔が得られるように定められている。

特に、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、セパレータ４の厚さ（Ｔｓ）と正極電極組成物層５または負極電極組成物層６の厚さ（Ｔａ）の比（Ｔｓ：Ｔａ）が１：１００〜１：５００とされている。

正極電極活物質は正極活物質粒子を含んでなり、正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ_２及びＬｉＭｎ₂Ｏ₄並びにこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ₂及びＶ₂Ｏ₅）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ₂及びＴｉＳ₂）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリ−ｐ−フェニレン及びポリカルバゾール）等が挙げられる。これらは２種以上を併用してもよい。正極活物質粒子としては、容量及び出力特性等の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、好ましく用いられる。

また、負極電極活物質は負極活物質粒子を含んでなり、負極活物質粒子としては、黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、高分子化合物焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）、炭素繊維、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリキノリン等）、スズ、シリコン、及び金属合金（例えばリチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、リチウム−アルミニウム合金及びリチウム−アルミニウム−マンガン合金等）並びにリチウムと遷移金属との複合酸化物（例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂等）等が挙げられる。これらの負極活物質は、１種のみを単独で使用してもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

単電池１においては、正極活物質粒子及び負極活物質粒子は、耐久性等の観点から、表面の少なくとも一部が被覆用樹脂及び導電助剤を含む被覆剤で被覆されてなる被覆活物質粒子であることが好ましい。活物質粒子の周囲が被覆剤で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨脹を抑制することができ、更に腕装着した際に生じる振動等による劣化を抑制することができる。なお、正極活物質粒子及び負極活物質粒子の表面に被覆剤が付着している状態は、ＳＥＭ等を用いて得られた被覆活物質粒子の拡大観察画像を観察することで確認することができる。

被覆用樹脂としては、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂及びポリカーボネート等が挙げられる。これらの中ではビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂又はポリアミド樹脂が好ましい。

導電助剤としては、導電性を有する材料から選択される。

導電性を有する材料としては、金属［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等］、導電性カーボン［グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）、ケッチェンブラック（登録商標）、ブラックパール（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック、カーボンナノチューブ（単層カーボンナノチューブ及び多層カーボンナノチューブ等）、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、ハードカーボン及びフラーレン等］、及びこれらの混合物等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。

これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物が用いられてもよい。電気的安定性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、金、銅、チタン及びこれらの混合物であり、より好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、更に好ましくはカーボンである。またこれらの導電助剤とは、粒子系セラミック材料や樹脂材料等の非導電性材料の周りに導電性材料（上記した導電助剤の材料のうち金属のもの）をメッキ等でコーティングしたものでもよい。

導電助剤の形状に特に制限はなく、球状、不定形状、繊維状、単一粒子状、凝集体及びこれらの組み合わせ等の形状を有するものを用いることができ、なかでも、導電性等の観点から、一次粒子径が５〜５０ｎｍの微粒子の凝集体であることが好ましい。導電助剤の形状は、ＳＥＭ等を用いて得られた導電助剤の拡大観察画像を観察し視野にある粒子を計測することで得ることができる。

導電助剤としては、導電性繊維を用いることも可能である。導電性繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。これらの導電性繊維の中では炭素繊維が好ましい。

被覆活物質粒子は、例えば、活物質粒子を万能混合機に入れて３０〜５００ｒｐｍで撹拌した状態で、被覆用樹脂及び必要により用いる導電助剤を含む樹脂溶液を１〜９０分かけて滴下混合し、更に必要により用いる導電助剤を混合し、撹拌したまま５０〜２００℃に昇温し、０．００７〜０．０４ＭＰａまで減圧した後に１０〜１５０分保持することにより得ることができる。被覆活物質粒子が得られたことは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭともいう）等を用いて得られた被覆活物質粒子の拡大観察画像を観察することで確認することができる。

電解液としては、リチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する電解液を使用することができる。

電解質としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆及びＬｉＣｌＯ₄等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂及びＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等の有機酸のリチウム塩等が挙げられ、これらの電解質は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはＬｉＰＦ₆である。

非水溶媒としては、通常の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。

本発明のリチウムイオン電池Ｌに用いる電解液としては、安全性の観点から、不燃性のイオン液体も好ましく用いることができる。なお、イオン液体とは、カチオンおよびアニオンのみから構成される塩であり、常温で液体である一連の化合物をいう。好ましいイオン液体の例としては、１−メチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドが挙げられる。

非水溶媒は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

非水溶媒の内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのは、ラクトン化合物、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル及びリン酸エステルであり、より好ましいのはラクトン化合物、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルであり、更に好ましいのは環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルの混合液である。特に好ましいのはプロピレンカーボネート(ＰＣ)、又はエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合液である。

本発明において正極活物質層及び負極活物質層は、イオン抵抗を低減できる等の観点から、それぞれ前記の被覆活物質粒子と繊維状導電性物質を含むことが好ましい。繊維状導電性物質としては、前記の導電性繊維と同じものを用いることができ、なかでも炭素繊維が好ましい。

正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６の厚さは、１〜５ｍｍ程度であることが好ましい。この厚さであると、単位体積あたりの活物質量が多くなり、蓄電容量が大きい電池とできる。

セパレータ４としては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）等の炭化水素系樹脂及びポリオレフィン（ポリエチレン及びポリプロピレン等）製の多孔性フィルム、多孔性フィルムの多層フィルム（例えば、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰの３層構造をした積層体等）、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる不織布からなる微多孔質フィルム並びにそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用セパレータ等を用いることができる。

セパレータ４の厚みは、リチウムイオン電池の用途により調整することができるが、好ましくは数十μｍである。

前記多孔性フィルム又はその多層フィルムからなるセパレータ４の細孔径は、最大で１μｍ以下（通常、数十ｎｍ程度の孔径である）であることが好ましい。

正極集電体７及び負極集電体８としては、公知の金属集電体又は樹脂集電体を用いることができ、なかでも樹脂集電体であると好ましい。樹脂集電体である正極集電体７、負極集電体８は、導電性高分子材料から構成された樹脂集電体であっても、導電性を付与した非導電性高分子材料から構成された樹脂集電体であってもよい。

金属集電体に用いる金属としては、リチウムイオン電池に一般に使用する金属集電体に使用される金属と同じものを用いることができ、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン及びこれらの一種以上を含む合金並びにステンレス合金等が挙げられる。

正極集電体７及び負極集電体８が樹脂集電体である場合、樹脂集電体を構成する高分子材料のうち、導電性高分子材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、及びポリオキサジアゾール等が挙げられる。

非導電性高分子材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、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）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。

電気的安定性の観点から、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、更に好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。

また、樹脂集電体は、導電性高分子材料から構成された樹脂集電体の導電性を向上させる目的、あるいは、非導電性高分子材料に導電性を付与する目的から、導電性フィラーを含んでいると好ましい。導電性フィラーは、導電性を有する材料から得られるフィラーから選択される。導電性を有する材料としては、好ましくは、集電体内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが好ましい。具体的には、カーボン材料、アルミニウム、金、銀、銅、鉄、白金、クロム、スズ、インジウム、アンチモン、チタン、ニッケル及びステンレス（ＳＵＳ）等の合金材などから得られるフィラー等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、耐食性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン材料、ニッケル、より好ましくはカーボン材料から得られるフィラーである。これらの導電性フィラーは１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの導電性フィラーは、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに、上記で示される金属をメッキ等でコーティングしたものであってもよい。

樹脂集電体は、特開２０１２−１５０９０５号公報及び国際公開番号ＷＯ２０１５／００５１１６号等に記載の公知の方法で得ることができ、具体例としては、ポリプロピレンに導電性フィラーとしてアセチレンブラックを５〜２０部分散させた後、熱プレス機で圧延したものが挙げられる。また、その厚みも特に制限されず、公知のものと同様、あるいは適宜変更して適用することができる。

本実施形態の正極集電体７及び負極集電体８は、図４（ａ）に示すように、全体が略均一な材質で形成されてもよいし、図４（ｂ）に示すように、正極集電体７及び負極集電体８（図では正極集電体７のみ図示している）の表面に、正極電極組成物層５や負極電極組成物層６との電気的接触を高める等の理由で導電層１０を形成してもよい。

全体が略均一な材質で形成された正極集電体７及び負極集電体８は、金属集電体を構成する前記の金属又は樹脂集電体を構成する高分子材料を所定の形状を有する金型を用いて所定の形状に直接で成形する方法等で得ることができる。

加えて、正極集電体７及び負極集電体８は、所定の厚さ、一例として数十μｍ〜数ｍｍ程度の厚さを有すれば本実施形態のリチウムイオン電池Ｌとして動作可能であるので、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示す正極集電体７及び負極集電体８と断面形状が略同一の集電体支持体１１の表面に絶縁層１２を形成し、この絶縁層１２の表面に、上述した厚さを有する正極集電体７及び負極集電体８（図では正極集電体７のみ図示している）を形成してもよい。

図４（ｃ）に示す集電体支持体１１の一例を、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す。図５（ａ）に示す集電体支持体１１は、金属板等の薄板を所定形状に折曲して集電体支持体１１が形成されている。一方、図５（ｂ）に示す集電体支持体１１は、平板状の支持板１１ａの図中上面に、正極集電体７の山部７ａと略同一形状の山形部材１１ｂを並列に配置し、さらに、この山形部材１１ｂをボルト１１ｃ等により支持板１１ａに固定して形成されている。

前記の方法で形成された集電体支持体１１上には、絶縁層１２が設けられている。絶縁層１２は、前記の非導電性高分子材料からなる被膜を用いることができ、加熱溶融した非導電性高分子材料を塗布する方法及び非導電性高分子材料からなるフィルム状基材を積層する方法等で設けることができる。

絶縁層１２の表面には、上述の正極集電体７及び負極集電体８が形成されている。絶縁層１２の表面に正極集電体７及び負極集電体８を形成する方法としては、金属集電体を構成する前記の金属又は樹脂集電体を構成する高分子材料をフィルム状に成形したフィルム状の集電体を絶縁層１２の表面に配置する方法等が挙げられる。絶縁層１２の表面に配置した正極集電体７及び負極集電体８は、公知の粘着剤または接着剤を用いて絶縁層１２に固定してもよい。

絶縁層１２の表面に配置するフィルム状の集電体は、正極集電体７及び負極集電体８が金属集電体である場合には前記の金属を公知の方法で圧延すること得ることができる。また、正極集電体７及び負極集電体８が樹脂集電体である場合には、前記の導電性高分子材料または前記の導電性を付与した非導電性高分子材料を射出成形、圧縮成形、カレンダ成形、スラッシュ成形、回転成形、押出成形、ブロー成形、フィルム成形（キャスト法、テンター法、インフレーション法等）等の公知の方法によりフィルム状に成形することで得ることができる。

本実施形態のリチウムイオン電池Ｌを構成する筐体２０は、中空な外形略直方体状に形成され、この筐体２０の中空部に単電池１が収納されている。この筐体２０は、図１に詳細を示すように、第１の筐体２１及び第２の筐体２２に分割されて構成されている。第１の筐体２１及び第２の筐体２２の両端部（図１において左手前端部及び右奥端部）には突出部２１ａ、２２ａがそれぞれ形成され、この突出部２１ａ、２２ａが図略のボルト等により互いに固定されることで、第１の筐体２１及び第２の筐体２２が互いに固定されている。

第１の筐体２１、第２の筐体２２を含む筐体２０を構成する外装材の材料は、筐体２０内に単電池１を収納しうる材料であれば、任意の材料が好適に適用可能である。但し、単電池１と筐体２０とが接触する可能性があることを考慮して、筐体２０を構成する材料は絶縁性を有する材料であることが好ましい。加えて、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌは発電所等の近傍に長期間設置されることがありうることから、耐候性を有する材質から構成されることが好ましい。

次に、本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法について、図３を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、第１の筐体２１に所定の形状を有する正極集電体７を収容し、次いで、この第１の筐体２１内に正極電極組成物層５を充填する。第１の筐体２１内に正極電極組成物層５を充填する手法に限定はなく、一例として、図３（ａ）に示すように、正極電極組成物層５が格納されたタンクからノズル３０を介して第１の筐体２１内に正極電極組成物層５を充填する手法や、インクジェット装置により第１の筐体２１内に正極電極組成物層５を充填する手法、周知の手法が好適に適用される。

次いで、図３（ｂ）に示すように、正極集電体７の表面形状に類似する、より詳細には、正極集電体７の表面から一定距離となる表面を有する型３１を第１の筐体２１内に挿入することで、この正極集電体７の表面に、一定厚さを有する正極電極組成物層５を形成する。

さらに、正極電極組成物層５の上面に、平板状のセパレータ４を配置することで、図３（ｄ）に示すように、この開口部２１ｃをセパレータ４で覆う。セパレータ４を配置する手法は任意であり、一例として、図３（ｃ）に示すように、所定の大きさに加工（切断を含む）されたセパレータ４を真空チャック３２等により保持して正極電極組成物層５の上方に配置し、この真空チャック３２を下降させて正極電極組成物層５の上面にセパレータ４を配置（載置）するような手法が挙げられる。

次いで、図３（ｅ）に示すように、第２の筐体２２に所定の形状を有する負極集電体８を収容し、次いで、この第２の筐体２２内に負極電極組成物層６を充填する。第２の筐体２２内に負極電極組成物層６を充填する手法についても限定はなく、正極電極組成物層５を収容する手法と同様に種々の手法が採用可能である。

次いで、図３（ｆ）に示すように、負極集電体８の表面から一定距離となる表面を有する型３３を第２の筐体２２内に挿入することで、この負極集電体８の表面に、一定厚さを有する負極電極組成物層６を形成する。

次いで、図３（ｇ）に示すように、セパレータ４が下方に位置するように、つまり、図３（ｄ）に示す状態から裏返して、正極電極組成物層５、正極集電体７が収容された第１の筐体２１を配置し、この状態で、セパレータ４と負極電極組成物層６とが互いに接するように、負極電極組成物層６及び負極集電体８が収容された第２の筐体２２内に第１の筐体２１を収容する。これにより、正極電極組成物層５と負極電極組成物層６とがセパレータ４を介して相対する。

そして、図３（ｈ）に示すように、第１の筐体２１の突出部２１ａと第２の筐体２２の突出部２２ａとをボルト３４等により固定することで、内部に単電池１が収納された本実施形態のリチウムイオン電池Ｌを製造することができる。

従って、本実施形態のリチウムイオン電池Ｌでは、正極電極組成物層５及び負極電極組成物層６の膜厚を十分厚くすることができるので、単位体積当たりの電池容量を増やすことができるとともに、多数の電極組成物層を形成する必要がないので、低コストで大型化が可能になる。以上から、本実施形態によれば、低コストで大型化を可能にし、かつ適切な電池容量を確保することの可能なリチウムイオン電池及びその製造方法を提供することができる。

Ｌ リチウムイオン電池
１ 単電池
２ 正極
３ 負極
４ セパレータ
５ 正極電極組成物層
６ 負極電極組成物層
７ 正極集電体
７ａ、８ａ 山部
７ｂ 基部
７ｃ 上部
７ｄ 右側面
７ｅ 頂点
７ｆ 左側面
８ 負極集電体
２０ 筐体
２１ 第１の筐体
２２ 第２の筐体
２１ａ、２２ａ 突出部

Claims (4)

1. 第１極集電体、第１極活物質層、セパレータ、第２極活物質層及び第２極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池であって、
   前記第１極集電体及び前記第２極集電体は、それぞれ、第１の方向に沿って所定間隔で周期的に形成され、前記第１の方向と異なる第２の方向に突出した複数の山部を有する、波形状断面を有する波形集電体であり、
   前記第１極集電体及び前記第２極集電体がそれぞれ有する複数の前記山部は、前記セパレータを介して、相対向する前記山部と交互かつ平行に前記第１の方向に沿って所定間隔で配置され、
   前記第１極集電体及び前記第２極集電体のそれぞれの断面において、前記山部の側面とこれに隣り合う前記山部の側面までの最大間隔（△Ｌ）と前記山部の頂点から前記山部の底部までの最短距離（Ｌｈ）との比（△Ｌ：Ｌｈ）が１：１〜１：４であり、
   前記セパレータの厚さ（Ｔｓ）と前記第１極活物質層または前記第２極活物質層の厚さ（Ｔａ）の比（Ｔｓ：Ｔａ）が１：１００〜１：５００であることを特徴とするリチウムイオン電池。
2. 前記第１極集電体及び前記第２極集電体のそれぞれが有する前記山部の上部が、第１の前記側面から前記頂点を経て第２の前記側面にかけて連続した曲面を有する請求項１に記載のリチウムイオン電池。
3. 第１極集電体、第１極活物質層、セパレータ、第２極活物質層及び第２極集電体が順に積層されてなるリチウムイオン電池の製造方法であって、
   第１の方向に沿って所定間隔で周期的に、かつ前記第１の方向と異なる第２の方向に突出した複数の山部を有する波形状断面を有する前記第１極集電体及び前記第２極集電体を成形する集電体成形工程と、
   前記集電体成形工程により成形された前記第１極集電体及び前記第２極集電体の表面に沿って前記第１極活物質層及び前記第２極活物質層をそれぞれ成形する電極組成物成形工程と、
   前記電極組成物成形工程により成形された前記第１極活物質層及び前記第２極活物質層の少なくともいずれかの表面に沿って前記セパレータを配置するセパレータ配置工程と、
   前記セパレータ配置工程により配置された前記セパレータを介して前記第１極活物質層と前記第２極活物質層とを密着対向させる組立工程と
   を備えることを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
4. 請求項３に記載のリチウムイオン電池の製造方法において、
   前記第１極活物質層及び／又は前記第２極活物質層は、高分子化合物を含んでなる被覆層を有する電極活物質を含むことを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法。
   

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