JP2020173955A - 電池用電極群、該電極群を備える巻回型電池および電池用電極群の製造方法 - Google Patents

電池用電極群、該電極群を備える巻回型電池および電池用電極群の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電池の歩留りを向上し且つ体積エネルギー密度の向上を図ることができる電池用電極群を提供する。【解決手段】電池用電極群１は、長尺状の正極集電体１１上に正極活物質層１２が形成された正極層１０と、長尺状の負極集電体２１上に負極活物質層２２が形成された負極層２０とを有し、正極層１０と負極層２０とが扁平状に巻回された積層体２で構成されている。正極層１０の長手方向端部１０ａが、積層体２の巻回コアを構成している。【選択図】図１

Description

本発明は、電池用電極群、該電極群を備える巻回型電池および電池用電極群の製造方法に関する。
固体電池は設計時の性能を確保、維持するため、積層体を形成した状態で、高い面圧でのプレス成形、および、その後の高い拘束圧力が必要である。そのため、巻回で電極群を形成する場合、電極は扁平状である必要がある。従来のリチウムイオン電池（液系ＬＩＢ）やニッケル水素電池（ＮｉＭＨ）などに見られる巻回型セルには、巻き始め部（コア）に電池として機能しないセパレータや、紙が設けられている。
例えば、二次電池において、正極集電体上に正極合材層が形成された正極板、および負極集電体上に負極合材層が形成された負極板を、セパレータを介して捲回して形成された扁平状の電極群がある。この電極群では、その径方向断面略中央にセパレータが配置されている（特許文献１）。
また、円筒型密閉鉛畜電池において、平板状の集電体に活物質を充填した正極板と負極板との間にセパレータが介在しており、径方向断面略中央にセパレータの一部が配置された電極群がある（特許文献２）。
特許第４７４４６１７号公報 特許第４８５２７７９号公報
しかしながら、電池を製造する際、通常、正極および負極を巻回して全固体電池をアッセンブリパッケージとしてプレス成形するため、電極にかかる面圧のばらつきや位置ずれが生じ易く、その結果、電池の初期性能のばらつきや、電極合材の脱落を引き起こし、歩留まりを悪化させるという問題がある。また、電池として機能しないセパレータなどの部材がコアに配置されていると、コアがデッドスペースとなることから、電池の体積エネルギー密度を低下させる要因となっている。
本発明の目的は、電池の歩留りを向上し且つ体積エネルギー密度の向上を図ることができる電池用電極群、該電極群を備える巻回型電池および電池用電極群の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
［１］長尺状の正極集電体上に正極活物質層が形成された正極層と、長尺状の負極集電体上に負極活物質層が形成された負極層とを有し、前記正極層と前記負極層とが扁平状に巻回された積層体で構成される電池用電極群であって、
前記正極層の長手方向端部および前記負極層の長手方向端部のうちの一方が、前記積層体の巻回コアを構成する、電池用電極群。
［２］前記正極層が、長尺状の正極集電体と、前記正極集電体の少なくとも一方の主面に間欠的に形成された複数の正極活物質層とを有し、
前記負極層が、長尺状の負極集電体と、前記負極集電体の少なくとも一方の主面に間欠的に形成された複数の負極活物質層とを有し、
前記正極層と前記負極層とが巻回された状態で、前記積層体の積層方向に関して、前記複数の正極活物質層と前記複数の負極活物質層とが交互に配置されている、上記［１］に記載の電池用電極群。
［３］前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の厚みが、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の厚みよりも大きいか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質の厚みが、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の厚みよりも大きい、上記［１］または［２］に記載の電池用電極群。
［４］前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の目付量が、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の目付量よりも大きいか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の目付量が、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の目付量よりも大きい、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の電池用電極群。
［５］前記正極層と前記負極層の間に配置された第１固体電解質層と、
前記負極層の前記第１固体電解質層とは反対側に配置された第２固体電解質層とを備える、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の電池用電極群。
［６］折り曲げられた状態で前記正極層の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で前記負極層の両側に一体で配置された長尺状の第３固体電解質層を備える、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の電池用電極群。
［７］前記正極層と前記負極層の間に配置された長尺状の第１セパレータと、
前記負極層の前記第１セパレータとは反対側に配置された長尺状の第２セパレータとを備える、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の電池用電極群。
［８］折り曲げられた状態で前記正極層の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で前記負極層の両側に一体で配置された長尺状の第３セパレータを備える、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の電池用電極群。
［９］上記［１］〜［８］のいずれかに記載の電池用電極群を備える、巻回型電池。
［１０］長尺状の正極集電体上に正極活物質層が形成された正極層と、長尺状の負極集電体上に負極活物質層が形成された負極層とを、前記正極層と前記負極層の巻き始め位置が異なるように、互いに長手方向にずれた状態で積層させ、
前記正極層の長手方向端部および前記負極層の長手方向端部のうちのいずれかを巻回コアとして、前記正極層および前記負極層を扁平状に巻回して積層体を形成する、電池用電極群の製造方法。
［１１］前記正極集電体の少なくとも一方の主面に複数の正極活物質層を間欠的に形成して前記正極層を作製し、
前記負極集電体の少なくとも一方の主面に複数の負極活物質層を間欠的に形成して前記負極層を作製し、
前記正極層と前記負極層とを巻回することで、前記積層体の積層方向に関して、前記複数の正極活物質層と前記複数の負極活物質層とを交互に配置する、上記［１０］に記載の電池用電極群の製造方法。
［１２］前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の厚みが、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の厚みよりも大きくなるように前記正極活物質層を形成するか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の厚みが、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の厚みよりも大きくなるように前記負極活物質層を形成する、上記［１０］または［１１］に記載の電池用電極群の製造方法。
［１３］前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の目付量が、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の目付量よりも大きくなるように前記正極活物質層を形成するか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の目付量が、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の目付量よりも大きくなるように前記負極活物質層を形成する、上記［１０］〜［１２］のいずれかに記載の電池用電極群の製造方法。
［１４］前記正極層と前記負極層の間に第１固体電解質層を配置し、且つ前記負極層の前記第１固体電解質層とは反対側に第２固体電解質層を配置し、
前記正極層、前記第１固体電解質層、前記負極層および前記第２固体電解質層をこの順に積層した状態で巻回する、上記［１０］〜［１３］のいずれかに記載の電池用電極群の製造方法。
［１５］長尺状の第３固体電解質層を折り曲げて、前記正極層の両側に配置するか又は前記負極層の両側に配置し、
前記正極層及び負極層の一方、前記第３固体電解質層、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第３固体電解質層をこの順に積層した状態で巻回する、上記［１０］〜［１３］のいずれかに記載の電池用電極群の製造方法。
［１６］前記正極層と前記負極層の間に長尺状の第１セパレータを配置し、且つ前記負極層の前記第１セパレータとは反対側に長尺状の第２セパレータを配置し、
前記正極層、前記第１セパレータ、前記負極層および前記第２セパレータをこの順に積層した状態で巻回する、上記［１０］〜［１３］のいずれかに記載の電池用電極群の製造方法。
［１７］長尺状の第３セパレータを折り曲げて、前記正極層の両側に配置するか又は前記負極層の両側に配置し、
前記正極層及び負極層の一方、前記第３セパレータ、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第３セパレータをこの順に積層した状態で巻回する、上記［１０］〜［１３］のいずれかに記載の電池用電極群の製造方法。
［１８］上記［１０］〜［１７］のいずれかに記載の製造方法によって製造された電池用電極群を備える、巻回型電池。
本発明によれば、巻回型電池の歩留りを向上し且つ体積エネルギー密度の向上を図ることができる。
図１は、本発明の実施形態に係る電池用電極群の構成の一例を示す断面図である。 図２は、図１の電池用電極群を展開した状態の分解断面図である。 図３（ａ）は、図２における正極層の変形例を示す断面図であり、図３（ｂ）は、図２における正極層の他の変形例を示す断面図である。 図４（ａ）は、図２の電池用正極群の他の変形例を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における正極層の変形例を示す断面図である。 図５は、図１の電池用電極群を備える巻回型電池の製造方法の一例を説明する図である。 図６は、図２の電池用電極群の変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される物質、寸法等は一例であって、本実施形態はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［巻回型電池の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る電池用電極群の構成の一例を示す断面図であり、図２は、図１の電池用電極群を展開した状態の分解断面図である。本実施形態では、巻回型電池として、巻回型全固体電池を例に挙げて説明する。巻回型全固体電池としては、例えば、全固体リチウムイオン二次電池、全固体ナトリウムイオン二次電池、全固体マグネシウムイオン二次電池等が挙げられる。
図１に示すように、電池用電極群１は、長尺状の正極集電体１１上に正極活物質層１２が形成された正極層１０と、長尺状の負極集電体２１上に負極活物質層２２が形成された負極層２０とを有し、正極層１０と負極層２０とが扁平状に巻回された積層体２で構成されている。本実施形態では、正極層１０の長手方向端部１０ａが、積層体２の巻回コアを構成している。
正極層１０は、図２に示すように、例えば、長尺状の正極集電体１１と、正極集電体１１の両主面に間欠的に形成された複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂとを有している。本実施形態では、正極集電体１１の両主面に形成された一対の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂが正極層ユニット１０Ａを画定し、複数の正極層ユニット１０Ａが正極層１０を構成する。但し、正極層１０が、正極集電体１１の一方の主面のみに間欠的に形成された複数の正極活物質層１２Ａ（または複数の正極活物質層１２Ｂ）を有していてもよい。また、正極集電体１１と正極活物質層１２Ａ，１２Ｂが一体となって正極層１０を構成していてもよい。
正極集電体１１は、導電率が高い少なくとも１つの物質で構成されるのが好ましい。導電性が高い物質としては、例えば、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれか一つの金属元素を含む金属又はステンレスなどの合金、あるいはカーボン（Ｃ）の非金属が挙げられる。導電性の高さに加えて、製造コストも考慮すると、アルミニウム、ニッケルまたはステンレスが好ましい。更に、アルミニウム（Ａｌ）は、正極活物質、負極活物質及び固体電解質と反応し難い。そのため、正極集電体１１にアルミニウム（Ａｌ）を用いると、全固体電池の内部抵抗を低減することができる。
正極集電体１１の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状、不織布状、発泡状等を挙げることができる。また、正極活物質層１２Ａ，１２Ｂとの密着性を高めるために、正極集電体１１の表面にカーボンなどが配置されていてもよいし、表面が粗化されていてもよい。
正極活物質層１２Ａ，１２Ｂは、例えばリチウムイオンと電子を授受する正極活物質を含む。正極活物質としては、リチウムイオンを可逆に放出・吸蔵でき、電子輸送が行える材料であれば特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の正極層に適用可能な公知の正極活物質を用いることができる。例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、固溶体酸化物（Ｌｉ２ＭｎＯ３−ＬｉＭＯ２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉなど））、リチウム−マンガン−ニッケル−コバルト酸化物（ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２）、オリビン型リチウムリン酸化物（ＬｉＦｅＰＯ４）等の複合酸化物；ポリアニリン、ポリピロール等の導電性高分子；Ｌｉ２Ｓ、ＣｕＳ、Ｌｉ-Ｃｕ-Ｓ化合物、ＴｉＳ２、ＦｅＳ、ＭｏＳ２、Ｌｉ−Ｍｏ−Ｓ化合物等の硫化物；硫黄とカーボンの混合物；等が挙げられる。正極活物質は、上記材料の１種単独で構成されてもよいし、２種以上で構成されてもよい。
正極活物質層１２Ａ，１２Ｂは、正極活物質とリチウムイオンの授受をする固体電解質を含む。固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有するものであれば特に制限は無く、一般的に全固体型リチウムイオン電池に用いられる材料を用いることができる。例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、リチウム含有塩などの無機固体電解質や、ポリエチレンオキシドなどのポリマー系の固体電解質、リチウム含有塩やリチウムイオン伝導性のイオン液体を含むゲル系の固体電解質等を挙げることができる。固体電解質は、上記材料の１種単独で構成されてもよいし、２種以上で構成されてもよい。
正極活物質層１２Ａ，１２Ｂに含まれる固体電解質は、負極活物質層２２Ａ，２２Ｂや、後述する固体電解質層に含まれる固体電解質と同様のものでもよいし、異なっても良い。
正極活物質層１２Ａ，１２Ｂは、正極層１０の導電性を向上させる観点から、導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては一般的に全固体型リチウムイオン電池に使用可能な導電助剤を用いることができる。例えば、アセチレンブラック、ケチェンブラック等のカーボンブラック；カーボンファイバー；気相法炭素繊維；黒鉛粉末；カーボンナノチューブ等の炭素材料、を挙げることができる。導電助剤は、上記材料の１種単独で構成されてもよいし、２種以上で構成されてもよい。
また、正極活物質層１２Ａ，１２Ｂは、正極活物質同士および正極活物質と集電体とを結着させる役割をもつバインダーを含んでもよい。
正極層１０の厚みは、１０μｍ以上１０００μｍ以下であるのが好ましく、７０μｍ以上１０００μｍ以下であるのがより好ましい。正極層１０の厚みが７０μｍ以上であると、巻回コアを構成する正極層１０の長手方向端部１０ａの剛性を高めることができ、積層体２をプレス成形する際に、電極にかかる面圧のばらつきや位置ずれを防止することができる。一方、正極層１０の厚みが１０００μｍを超えると、正極抵抗が著しく増大するので好ましくない。
複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの厚みおよび目付量は基本的に同じであるが、異なっていてもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、正極層１０の長手方向端部１０ａに位置する正極活物質層１３Ａ，１３Ｂの厚みｔ２が、正極層１０の長手方向端部１０ａ以外に位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの厚みｔ１よりも大きくてもよい。また、正極層１０の長手方向端部１０ａに位置する正極活物質層１３Ａ，１３Ｂ（あるいは正極活物質層１２Ａ，１２Ｂ）の目付量が、正極層１０の長手方向端部１０ａ以外に位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの目付量よりも大きくてもよい。これにより、巻回コアを構成する正極層１０の長手方向端部１０ａの剛性を高めることができる。
また、複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの配列ピッチは、基本的に同じであるが、異なっていてもよい。例えば、図３（ｂ）に示すように、複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの配列ピッチが、正極層１０の長手方向一端（長手方向端部１０ａ）から他端に向かって大きくなっているのが好ましい。換言すれば、隣り合う複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ａの間隔が、正極層１０の長手方向一端（長手方向端部１０ａ）から他端に向かって大きくなっているのが好ましい。これにより、正極層１０を巻回し易くなり、また、電池として機能しない折り返し部分に正極活電解質を極力設けないことで、軽量化、低コスト化を図ることができる。
正極層１０は、正極集電体１１の両主面に間欠的に形成された複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂを有するが、これに限られない。例えば、図４（ａ）に示すように、正極層１０が、正極集電体１１の両主面に連続的に形成された正極活物質層１４Ａ，１４Ｂを有していてもよい。また、正極層１０は、正極集電体１１の一方の主面に連続的に形成された正極活物質層１４Ａ（または正極活物質層１４Ｂ）を有していてもよい。更に、正極層１０が、図４（ｂ）に示すように、正極層１０の長手方向端部１０ａにおける正極活物質層１４Ａ，１４Ｂの厚みｔ４が、正極層１０を構成する正極活物質層１４Ａ，１４Ｂの厚みｔ３よりも大きくてもよい。
負極層２０は、長尺状の負極集電体２１と、負極集電体２１の両主面に間欠的に形成された複数の負極活物質層２２Ａ，２２Ｂとを有している（図２）。本実施形態では、一対の負極活物質層２２Ａ，２２Ｂが負極層ユニット２０Ａを画定し、複数の負極層ユニット２０Ａが負極層２０を構成する。但し、負極層２０が、負極集電体２１の一方の主面のみに間欠的に形成された複数の負極活物質層２２Ａ（または複数の負極活物質層２２Ｂ）を有していてもよい。また、負極集電体２１と負極活物質層２２Ａ，２２Ｂが一体となって負極層２０を構成していてもよい。
負極集電体２１は、正極集電体１１と同様、導電率が高い少なくとも１つの物質で構成されるのが好ましい。導電性が高い物質としては、例えば、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれか一つの金属元素を含む金属又はステンレスなどの合金、あるいはカーボン（Ｃ）の非金属が挙げられる。導電性の高さに加えて、製造コストも考慮すると、銅、ニッケルまたはステンレスが好ましい。更に、ステンレスは、正極活物質、負極活物質及び固体電解質と反応し難い。そのため、負極集電体２１にステンレスを用いると、全固体電池の内部抵抗を低減することができる。
負極集電体２１の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状、不織布状、発泡状等を挙げることができる。また、負極活物質層２２Ａ，２２Ｂとの密着性を高めるために、負極集電体２１の表面にカーボンなどが配置されていてもよいし、表面が粗化されていても良い。
負極活物質層２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂは、リチウムイオンと電子を授受する負極活物質を含む。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆に放出・吸蔵でき、電子輸送が行なえる材料であれば特に限定されず、全固体型リチウムイオン電池の負極層に適用可能な公知の負極活物質を用いることができる。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、樹脂炭、炭素繊維、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素質材料；スズ、スズ合金、シリコン、シリコン合金、ガリウム、ガリウム合金、インジウム、インジウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を主体とした合金系材料；ポリアセン、ポリアセチレン、ポリピロール等の導電性ポリマー；金属リチウム；リチウムチタン複合酸化物（例えばＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）等が挙げられる。これらの負極活物質は、上記材料の１種単独で構成されてもよいし、２種以上で構成されてもよい。
負極活物質層２２Ａ，２２Ｂは、負極活物質とリチウムイオンの授受をする固体電解質を含む。固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有するものであれば特に制限は無く、一般的に全固体型リチウムイオン電池に用いられる材料を用いることができる。例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、リチウム含有塩などの無機固体電解質や、ポリエチレンオキシドなどのポリマー系の固体電解質、リチウム含有塩やリチウムイオン伝導性のイオン液体を含むゲル系の固体電解質等を挙げることができる。固体電解質は、上記材料の１種単独で構成されてもよいし、２種以上で構成されてもよい。
負極活物質層２２Ａ，２２Ｂに含まれる固体電解質は、正極活物質層１２Ａ，１２Ｂや、後述する固体電解質層に含まれる固体電解質と同様のものでもよいし、異なってもよい。
負極活物質層２２Ｂは、導電助剤およびバインダー等を含んでいてもよい。これらの材料としては、特に制限は無いが、例えば上述した正極活物質層１２Ｂに用いられる材料と同様のものを用いることができる。
負極層２０の厚みは、特に制限されないが、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下である。
負極層２０は、負極集電体２１の両主面に間欠的に形成された複数の負極活物質層２２Ａ，２２Ｂを有するが、これに限られない。例えば図４（ａ）に示すように、負極層２０は、負極集電体２１の両主面に連続的に形成された負極活物質層２３Ａ，２３Ｂを有していてもよい。また、負極層２０は、負極集電体２１の一方の主面に連続的に形成された負極活物質層２３Ａ（または負極活物質層２３Ｂ）を有していてもよい。
本実施形態では、負極層２０の長手方向端部が、積層体２の巻回コアを構成するが、これに限られず、正極層１０と負極層２０が逆位置に配置されて、負極層２０の長手方向端部が、積層体２の巻回コアを構成していてもよい。この場合、負極層２０の構成は、上述した正極層１０と同様の構成とすることができる。
負極層２０の長手方向端部が積層体２の巻回コアを構成する場合、負極層２０の長手方向端部に位置する負極活物質層の厚みを、負極層２０の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の厚みよりも大きくすることができる。また、負極層２０の長手方向端部に位置する負極活物質層の目付量を、負極層２０の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の目付量よりも大きくすることができる。これにより、巻回コアを構成する負極層２０の長手方向端部の剛性を高めることができる。また、負極層２０を巻回し易くなり、また、電池として機能しない折り返し部分に負極活電解質を極力設けないことで、軽量化、低コスト化を図ることができる。
積層体２では、正極層１０と負極層２０とが巻回された状態で、積層体２の積層方向に関して、複数の正極活物質層１２と複数の負極活物質層２２とが交互に配置されている（図１）。このとき、積層体２の最外層（例えば、最上層および最下層）に位置する電極は、負極活物質層２２を有する負極層２０であるのが好ましい。
正極層１０の平面視において、複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの面積及び形状は同じであるのが好ましい。これにより、積層体２を成形する際に、複数の正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの端面を揃えて、これらを積層することができる。
また、負極層２０の平面視において、複数の負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの面積及び形状は同じであるのが好ましい。これにより、積層体２を成形する際に、複数の負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの端面を揃えて、これらを積層することができる。
また、正極層１０の平面視における正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの面積及び形状は、負極層２０の平面視における負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの面積及び形状と同じであってもよい。あるいは、正極層１０の平面視における正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの形状が負極層２０の平面視における負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの形状と同じであって、正極層１０の平面視における正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの面積が負極層２０の平面視における負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの面積よりも小さくてもよい。
電池用電極群１は、正極層１０と負極層２０の間に配置された第１固体電解質層３０と、負極層２０の第１固体電解質層３０とは反対側に配置された第２固体電解質層４０とを備えている。
第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０は、例えば固体電解質シートで構成されている。固体電解質シートは、例えば長尺状の多孔性基材と、該多孔性基材に保持された固体電解質とを有している。上記多孔性基材の形態としては、特に制限は無いが、例えば、織布、不織布、メッシュクロス、多孔性膜、エキスパンドシート、パンチングシート等が挙げられる。これらの形態のうち、固体電解質の保持力や取扱性の観点から、不織布が好ましい。
上記多孔性基材は、絶縁性材料により構成されていることが好ましい。これにより、固体電解質シートの絶縁性を向上させることができる。絶縁性材料としては、例えば、ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ビニロン、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイト、ポリエーテルエーテルケトン、セルロース、アクリル樹脂等の樹脂材料；麻、木材パルプ、コットンリンター等の天然繊維、ガラス等が挙げられる。
上記固体電解質としては、リチウムイオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に制限は無く、一般的に全固体型リチウムイオン電池に用いられる材料を用いることができる。例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、リチウム含有塩などの無機固体電解質や、ポリエチレンオキシドなどのポリマー系の固体電解質、リチウム含有塩やリチウムイオン伝導性のイオン液体を含むゲル系の固体電解質等を挙げることができる。固体電解質材料の形態としては、特に制限は無いが、例えば粒子状を挙げることができる。
第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０は、固体電解質シートに連続的に形成されている。これにより第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０を容易に作製することができる。但し、第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０は、その長手方向に沿って固体電解質シートに間欠的に形成されてもよい。これにより、第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０を巻回し易くなり、また、電池として機能しない折り返し部分に固体電解質を極力設けないことで、軽量化、低コスト化を図ることができる。
本実施形態の固体電解質シートは、多孔性基材を有しているが、これに限らず、多孔性基材を有さず、固体電解質で構成されてもよい。例えば、ＰＥＴフィルム等の塗工基材に固体電解質スラリーを塗布し、乾燥、必要に応じて圧延加工を行った後、塗工基材から引きはがすことにより、固体電解質で構成される固体電解質シートを作成することができる。
また、正極層１０や負極層２０が対極と向かい合う主面上に、固体電解質スラリーを塗布し、乾燥、必要に応じて圧延加工を行うことで、第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０を形成してもよい。これらの第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０は、正極層１０及び負極層２０のうちの一方に配設されていてもよいし、両方に配設されていてもよい。
また、第１固体電解質層３０および第２固体電解質層４０は、機械的強度や柔軟性を付与するための粘着剤を含んでいてもよい。
図５は、図１の電池用電極群１を備える巻回型電池の製造方法の一例を説明するための斜視図である。
先ず、例えば正極活物質と、固体電解質と、導電助剤と、バインダーとを混合して正極合材を調製し、この正極合材を所定の溶剤に分散させた正極合材スラリーを作製する。次に、長尺状（帯状）の正極集電体１１に、その長手方向に関して上記と同様の正極合材スラリーを間欠的に塗布して正極層前駆体（グリーンシート）作製した後、溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などで圧縮することにより正極活物質層１２Ａ，１２Ｂを形成し、正極層ユニット１０Ａを複数有する正極層１０を作製する。
上記正極層１０の作製工程において、正極層１０の長手方向端部１０ａに位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの厚みが、正極層１０の長手方向端部１０ａ以外に位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの厚みよりも大きくなるように正極活物質層を形成することができる。また、正極層１０の長手方向端部１０ａに位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの目付量が、正極層１０の長手方向端部１０ａ以外に位置する正極活物質層１２Ａ，１２Ｂの目付量よりも大きくなるように正極活物質層を形成することができる。
次に、固体電解質を所定の溶剤に分散させた固体電解質スラリーを作製する。そして、帯状の多孔性基材に、その長手方向に関して固体電解質スラリーを連続的に塗布して固体電解質層前駆体（グリーンシート）を作製した後、溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などで圧縮することにより第１固体電解質層３０を作製する。
上記第１固体電解質層３０の作製工程において、帯状の多孔性基材に、その長手方向に関して固体電解質スラリーを間欠的に塗布して固体電解質層前駆体（グリーンシート）を作製してもよい。
次いで、例えば負極活物質と、固体電解質と、バインダーとを混合して負極合材を調製し、この負極合材を所定の溶剤に分散させた負極合材スラリーを作製する。そして、長尺状（帯状）の負極集電体２１に、その長手方向に関して負極合材スラリーを間欠的に塗布して負極層前駆体（グリーンシート）作製した後、溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などで圧縮することにより負極活物質層２２Ａ，２２Ｂを形成し、負極層ユニット２０Ａを複数有する負極層２０を作製する。
更に、第１固体電解質層３０と同様、固体電解質を所定の溶剤に分散させた固体電解質スラリーを作製する。そして、帯状の多孔性基材に、その長手方向に関して固体電解質スラリーを連続的に塗布して固体電解質層前駆体（グリーンシート）を作製した後、溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などで圧縮することにより第２固体電解質層４０を作製する。
上記第２固体電解質層４０の作製工程において、帯状の多孔性基材に、その長手方向に関して固体電解質スラリーを間欠的に塗布して固体電解質層前駆体（グリーンシート）を作製してもよい。
その後、正極層１０、第１固体電解質層３０、負極層２０および第２固体電解質層４０をこの順に積層した状態で、これらを巻回して積層体２を形成する。このとき、長尺状の正極集電体１１上に正極活物質層１２Ａ，１２Ｂが形成された正極層１０と、長尺状の負極集電体２１上に負極活物質層２２Ａ，２２Ｂが形成された負極層２０とを、正極層１０と負極層２０の巻き始め位置が異なるように、互いに長手方向にずれた状態で積層させる。例えば、正極層１０、第１固体電解質層３０、負極層２０および第２固体電解質層４０を積層する際に、第１固体電解質層３０、負極層２０および第２固体電解質層４０のそれぞれの長手方向端部を基準位置Ｌに位置させ、正極層１０の長手方向端部１０ａのみを基準位置Ｌから延在させる（図２）。そして、正極層１０の長手方向端部１０ａを１８０度折り返し、正極層１０の長手方向端部１０ａを巻回コアとして、正極層１０および負極層２０を扁平状に巻回して積層体を形成する。例えば、正極層１０の長手方向端部１０ａに位置する正極層ユニット１０Ａを折り返して、当該正極層ユニット１０Ａを巻回コアとすることができる。
本実施形態では、正極層１０の長手方向端部１０ａを巻回コアとして、正極層１０および負極層２０を扁平状に巻回して積層体を形成するが、これに限られない。正極層１０の位置と負極層２０を逆に配置して、負極層２０、第１固体電解質層３０、正極層１０および第２固体電解質層４０をこの順に積層した状態で、これらを巻回して積層体を形成してもよい。この場合、負極層２０の長手方向端部を巻回コアとして、正極層１０および負極層２０を扁平状に巻回して積層体を形成することができる。
その場合、負極層２０の作製工程において、負極層２０の長手方向端部に位置する負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの厚みが、負極層２０の長手方向端部以外に位置する負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの厚みよりも大きくなるように負極活物質層を形成することができる。また、負極層２０の長手方向端部に位置する負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの目付量が、負極層２０の長手方向端部以外に位置する負極活物質層２２Ａ，２２Ｂの目付量よりも大きくなるように負極活物質層を形成することができる。
その後、プレス成形にて当該積層体を上下方向に押圧して積層体２を成形し、これにより積層体２で構成される電池用電極群１を得る。その後、積層体２の正極集電体１１および負極集電体２１をそれぞれ不図示の外部電極と接続する。積層体２の最上層および最下層に、不図示の保護層が形成されてもよい。そして、積層体２をフィルムなどの不図示の外装材に密封状態で収容して、巻回型電池３を得る。
上述したように、本実施形態によれば、正極層１０の長手方向端部１０ａが積層体２の巻回コアを構成するので、巻回コアとしての正極層１０の長手方向端部１０ａが、従来のセパレータや紙などの部材と比較して高い剛性を有する。よって、積層体２のプレス成形時に、正極層１０の長手方向端部１０ａを中心として上下方向から圧力が加えられることにより、正極層１０や負極層２０に掛かる面圧のばらつきや位置ずれが抑制され、巻回型電池３の初期性能のばらつきを抑制することができる。また、正極層１０に掛かる面圧のばらつきや位置ずれが抑制されることにより、正極層１０おける正極活物質の脱落を抑制することができ、巻回型電池３の歩留まりを向上することができる。更に、積層体２の巻回コアが、電池として機能する正極層１０で構成されるので、デッドスペースをなくすことができ、巻回型電池３の体積エネルギー密度を向上することができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、電池用電極群１は、正極層１０と負極層２０の間に配置された第１固体電解質層３０と、負極層２０の第１固体電解質層３０とは反対側に配置された第２固体電解質層４０とを備えるが、これに限られない。電池用電極群１が、折り曲げられた状態で正極層１０の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で負極層２０の両側に一体で配置された長尺状の第３固体電解質層を備えていてもよい。この場合、例えば、長尺状の上記第３固体電解質層を折り曲げて、正極層１０の両側に配置するか又は負極層２０の両側に配置し、正極層１０及び負極層２０の一方、上記第３固体電解質層、正極層１０及び負極層２０の他方および上記第３固体電解質層をこの順に積層した状態で巻回することで、電池用電極群１を製造することができる。
また、上記実施形態では、電池用電極群１が巻回型全固体電池に適用されるが、これに限られず、電解液を介して充放電が行われる巻回型液系電池に適用されてもよい。巻回型液系電池としては、例えば、巻回型液系リチウムイオン電池が挙げられる。
この場合、図６に示すように、電池用電極群１は、正極層１０と負極層２０の間に配置された長尺状の第１セパレータ５０と、負極層２０の第１セパレータ５０とは反対側に配置された長尺状の第２セパレータ６０とを備えることができる。
第１セパレータ５０および第２セパレータ６０は、絶縁性の薄膜であり、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂あるいはアラミド樹脂等の材料で形成された多孔質体である。また、第１セパレータ５０および第２セパレータ６０は、多孔質体と、該多孔質体の表面に形成されたコーティング層とを有していてもよい。コーティング層としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等で構成されるセラミック、あるいはアラミド樹脂などを用いることができる。
本変形例によれば、第１セパレータ５０および第２セパレータ６０を含む積層体をプレス成形する場合であっても、巻回コアとしての正極層１０の長手方向端部１０ａが従来よりも高い剛性を有するので、正極層１０や負極層２０に掛かる面圧のばらつきや位置ずれを抑制することができる。よって、巻回型液系電池の初期性能のばらつきを抑制すると共に、巻回型液系電池の歩留まりを向上することができ、加えて巻回型液系電池の体積エネルギー密度を向上することができる。
また、上記変形例では、電池用電極群１は、正極層１０と負極層２０の間に配置された長尺状の第１セパレータ５０と、負極層２０の第１セパレータ５０とは反対側に配置された長尺状の第２セパレータ６０とを備えるが、これに限られない。電池用電極群１が、折り曲げられた状態で正極層１０の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で負極層２０の両側に一体で配置された第３セパレータを備えていてもよい。この場合、例えば、長尺状の上記第３セパレータを折り曲げて、正極層１０の両側に配置するか又は負極層２０の両側に配置し、正極層１０及び負極層２０の一方、上記第３セパレータ、正極層１０及び負極層２０の他方および上記第３セパレータをこの順に積層した状態で巻回することで、電池用電極群１を製造することができる。
また、本発明の電池用電極群は、一次電池や二次電池などの各種電池に適用することができる。また、本発明の巻回型電池は、二輪車、四輪車などの電気車両（ＥＶ）に適用することができ、特に電気自動車やハイブリッド車に好適である。
１ 電池用電極群
２ 積層体
３ 巻回型電池
１０ 正極層
１０Ａ 正極層ユニット
１０ａ 長手方向端部
１１ 正極集電体
１２ 正極活物質層
１２Ａ 正極活物質層
１２Ｂ 正極活物質層
１３Ａ 正極活物質層
１３Ｂ 正極活物質層
１４Ａ 正極活物質層
１４Ｂ 正極活物質層
２０ 負極層
２０Ａ 負極層ユニット
２１ 負極集電体
２２ 負極活物質層
２２Ａ 負極活物質層
２２Ｂ 負極活物質層
２３Ａ 負極活物質層
２３Ｂ 負極活物質層
３０ 第１固体電解質層
４０ 第２固体電解質層
５０ 第１セパレータ
６０ 第２セパレータ

Claims (18)

  1. 長尺状の正極集電体上に正極活物質層が形成された正極層と、長尺状の負極集電体上に負極活物質層が形成された負極層とを有し、前記正極層と前記負極層とが扁平状に巻回された積層体で構成される電池用電極群であって、
    前記正極層の長手方向端部および前記負極層の長手方向端部のうちの一方が、前記積層体の巻回コアを構成する、電池用電極群。
  2. 前記正極層が、長尺状の正極集電体と、前記正極集電体の少なくとも一方の主面に間欠的に形成された複数の正極活物質層とを有し、
    前記負極層が、長尺状の負極集電体と、前記負極集電体の少なくとも一方の主面に間欠的に形成された複数の負極活物質層とを有し、
    前記正極層と前記負極層とが巻回された状態で、前記積層体の積層方向に関して、前記複数の正極活物質層と前記複数の負極活物質層とが交互に配置されている、請求項１に記載の電池用電極群。
  3. 前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の厚みが、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の厚みよりも大きいか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質の厚みが、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の厚みよりも大きい、請求項１または２に記載の電池用電極群。
  4. 前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の目付量が、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の目付量よりも大きいか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の目付量が、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の目付量よりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池用電極群。
  5. 前記正極層と前記負極層の間に配置された第１固体電解質層と、
    前記負極層の前記第１固体電解質層とは反対側に配置された第２固体電解質層とを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池用電極群。
  6. 折り曲げられた状態で前記正極層の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で前記負極層の両側に一体で配置された長尺状の第３固体電解質層を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池用電極群。
  7. 前記正極層と前記負極層の間に配置された長尺状の第１セパレータと、
    前記負極層の前記第１セパレータとは反対側に配置された長尺状の第２セパレータとを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池用電極群。
  8. 折り曲げられた状態で前記正極層の両側に一体で配置されるか、又は折り曲げられた状態で前記負極層の両側に一体で配置された長尺状の第３セパレータを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池用電極群。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の電池用電極群を備える、巻回型電池。
  10. 長尺状の正極集電体上に正極活物質層が形成された正極層と、長尺状の負極集電体上に負極活物質層が形成された負極層とを、前記正極層と前記負極層の巻き始め位置が異なるように、互いに長手方向にずれた状態で積層させ、
    前記正極層の長手方向端部および前記負極層の長手方向端部のうちのいずれかを巻回コアとして、前記正極層および前記負極層を扁平状に巻回して積層体を形成する、電池用電極群の製造方法。
  11. 前記正極集電体の少なくとも一方の主面に複数の正極活物質層を間欠的に形成して前記正極層を作製し、
    前記負極集電体の少なくとも一方の主面に複数の負極活物質層を間欠的に形成して前記負極層を作製し、
    前記正極層と前記負極層とを巻回することで、前記積層体の積層方向に関して、前記複数の正極活物質層と前記複数の負極活物質層とを交互に配置する、請求項１０に記載の電池用電極群の製造方法。
  12. 前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の厚みが、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の厚みよりも大きくなるように前記正極活物質層を形成するか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の厚みが、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の厚みよりも大きくなるように前記負極活物質層を形成する、請求項１０または１１に記載の電池用電極群の製造方法。
  13. 前記正極層の長手方向端部に位置する正極活物質層の目付量が、前記正極層の長手方向端部以外に位置する正極活物質層の目付量よりも大きくなるように前記正極活物質層を形成するか、または、前記負極層の長手方向端部に位置する負極活物質層の目付量が、前記負極層の長手方向端部以外に位置する負極活物質層の目付量よりも大きくなるように前記負極活物質層を形成する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の電池用電極群の製造方法。
  14. 前記正極層と前記負極層の間に第１固体電解質層を配置し、且つ前記負極層の前記第１固体電解質層とは反対側に第２固体電解質層を配置し、
    前記正極層及び負極層の一方、前記第１固体電解質層、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第２固体電解質層を、この順に積層した状態で巻回する、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の電池用電極群の製造方法。
  15. 長尺状の第３固体電解質層を折り曲げて、前記正極層の両側に配置するか又は前記負極層の両側に配置し、
    前記正極層及び負極層の一方、前記第３固体電解質層、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第３固体電解質層をこの順に積層した状態で巻回する、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の電池用電極群の製造方法。
  16. 前記正極層と前記負極層の間に長尺状の第１セパレータを配置し、且つ前記負極層の前記第１セパレータとは反対側に長尺状の第２セパレータを配置し、
    前記正極層及び負極層の一方、前記第１セパレータ、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第２セパレータをこの順に積層した状態で巻回する、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の電池用電極群の製造方法。
  17. 長尺状の第３セパレータを折り曲げて、前記正極層の両側に配置するか又は前記負極層の両側に配置し、
    前記正極層及び負極層の一方、前記第３セパレータ、前記正極層及び前記負極層の他方および前記第３セパレータをこの順に積層した状態で巻回する、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の電池用電極群の製造方法。
  18. 請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された電池用電極群を備える、巻回型電池。
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