JP4228541B2 - 非水系ゲル電解質電池の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、電圧が高く、放電エネルギーの大きい非水系ゲル電解質電池の製造方法に関する。
背景技術
近年、電池は携帯型電子機器の電源として重要な位置を占めるようになってきている。特に、携帯型電子機器等を駆動するための電源として、経済性や省資源の目的から二次電池が使用され、近年その用途は急速に拡大しつつある。
携帯型電子機器においては、小型軽量であることが要望されており、電池に対しては機器内での収納スペースが小さく、また電子機器の重量を極力増やさないように軽量であることが求められている。加えて、長時間の使用が可能であることも求められている。すなわち、携帯型電子機器の小型化、高性能化に伴い、用いられる電池は小型、軽量で且つ高容量であることが求められている。
このような要求に応える電池として、鉛電池やニッケルカドミウム電池に比べ、エネルギー密度や出力密度の大きい非水系リチウム二次電池が注目されている。
ところで、非水系リチウム二次電池は、充電時に正極中のリチウムが電解液を介して負極中に吸蔵され、放電時には負極中のリチウムが電解液を介して正極中に吸蔵されるという電気化学的な可逆反応を利用した電池であるが、電解液としてリチウム塩を溶解した非水系溶媒を用いている。
このため、電解液の液漏れの防止を目的として、外装に剛性を有する金属製容器、いわゆるハード・セル（正極蓋及び負極缶）が使用されている。
しかし、金属製のハード・セルの使用は、最近の二次電池に対する軽量化、小型化、更に薄型化の強い要請に十分に応えられないという問題がある。また、電子機器の一層の小型化に伴ない、二次電池に対しては形状の自由度を高めることも要請されているが、金属製のハード・セルの使用は形状に関する要請にも十分に応えられない。例えば、薄型大面積のシート型電池や、薄型小面積のカード型電池、あるいは柔軟なより自由度の高い形状を有する電池を作製することは大変困難である。
その有効な解決手段として、無機・有機の完全固体電解質や、高分子ゲルからなる半固体電解質を用いて電池を作製することが検討されている。具体的には、高分子と電解質とからなる高分子固体電解質や、マトリックス高分子に非水電解液を可塑剤として加えてなるゲル状電解質を用いた、いわゆる固体電解質電池、あるいは非水系ゲル状電解質電池（ポリマー系リチウム電池あるいは単にポリマー電池とも称される。）が提案されている。
非水系ゲル電解質電池は、正極集電体上に正極活物質層が塗設された正極と、負極集電体上に負極活物質層が塗設された負極とを有し、正極の正極活物質層と負極の負極活物質層との間に電解質含有ゲル層が挾持された構造を有している。
このような非水系ゲル電解質電池の電解質含有ゲル層においては、電解液がゲルマトリックス中に保持されている。従って、非水系ゲル電解質電池においては、電解液の液漏れの問題がなくなるので、ハード・セルが不要となり、一層の小型化、軽量化、薄型化、形状自由度の向上が実現されている。
しかしながら、非水系ゲル電解質電池においては、電解液がゲルマトリックスに保持されているために、電極の活物質層への電解液のしみ込みが十分に行われないという問題がある。このため、両極間でリチウムイオンが十分に移動できず、結果的に所期の電池容量を実現できないという問題が生じている。
発明の開示
本発明は、正極の正極活物質層と負極の負極活物質層とに電解液含有ゲル層をそれぞれ塗設し、それらの電解液含有ゲル層を互いに重ね合わせてなる非水系ゲル電解質電池において、電解液含有ゲル層におけるゲルマトリックスに保持された電解液の電極活物質層へのしみ込みを向上させて、その高容量化を実現することを目的とする。
本発明者らは、電極活物質層上に電解液含有ゲル層を塗設する際に、ゾル状態で電解液含有ゲル層を塗設することにより、電解液が電極活物質層中にしみ込み易くなることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、正極集電体上に正極活物質層を形成して正極とするとともに、負極集電体上に負極活物質層を形成して負極とし、正極の正極活物質層上及び／又は負極の負極活物質層上にゲル電解質組成物を塗布してゲル電解質層を形成し、このゲル電解質層が挟持されるように正極と負極を重ね合わせる非水系ゲル電解質電池の製造方法において、上記ゲル電解質組成物をゾル化して正極の正極活物質層上及び／又は負極の負極活物質層上に塗布することを特徴とするものである。
このとき、ゾル化したゲル電解質組成物の粘度は、１〜５０ｃｐとすることが好ましい。
ゲル電解質組成物をゾル化するには、ゲル電解質組成物を加熱するか、あるいは非水溶媒で希釈すればよい。特に、非水溶媒で希釈する場合、高沸点溶媒と低沸点溶媒を混合して用い、塗布後に低沸点溶媒を揮発除去すればよい。
また、ゾル化したゲル電解質組成物を塗布する際に、正極あるいは負極を加熱することも有効である。
ゲル電解質組成物をゾル化して正極活物質層上、あるいは負極活物質層上に塗布することで、ゲル電解質、特に電解液を活物質層中に速やかにしみ込ませることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を適用した非水系ゲル電解質電池の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
製造対象となる非水系ゲル電解質二次電池１は、例えば図１及び図２に示すように、巻回電極体２に接続された外部接続用端子となる正極リード線３及び負極リード線４を外部へ導出しつつ、この巻回電極体２が、外装部材５である上部ラミネートフィルム６と下部ラミネートフィルム７とにより封入されてなる。
巻回電極体２は、正極と負極とがゲル電解質層が対向するように重ね合わされ、この状態で多数回巻回されてなる。
正極は、正極集電体の両面（又は片面）に正極活物質層が形成されてなる。また、正極には、その両面の正極活物質層上にゲル電解質層が形成されている。
正極集電体としては、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔を使用することができる。これら金属箔は、多孔性金属箔とすることが好ましい。金属箔を多孔性金属箔とすることで、集電体と電極層との接着強度を高めることができる。このような多孔性金属箔としては、パンチングメタルやエキスパンドメタルの他、エッチング処理等によって多数の開口部を形成した金属箔等を使用することができる。
正極活物質層を形成するには、正極活物質として、目的とする電池の種類に応じて金属酸化物、金属硫化物又は特定の高分子材料を用いることができる。より好ましくは、Ｌｉ_ｘＭＯ_２（Ｍは１種類以上の遷移金属、好ましくはＣｏ、Ｎｉ又はＭｎを表し、ｘは電池充放電状態によって異なり、０．０５≦ｘ≦１．１２である。）を主体とするリチウム複合酸化物等を使用することが好ましい。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＮｉ_ｙＣｏ（_１−ｙ）Ｏ_２（但し、０＜ｙ＜１）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等を挙げることができる。また、正極活物質層を形成するには、これら正極活物質を単独又は２種類以上混合して使用してもよい。
なお、このようなリチウム複合酸化物は、リチウム化合物と遷移金属化合物、例えばリチウム遷移金属の炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化合物等を原料として製造することができる。例えば、所望の組成に応じてリチウム塩原料及び遷移金属原料をそれぞれ計量し、十分に混合した後、酸素存在雰囲気中、６００〜１０００℃の温度範囲で加熱焼成することによりリチウム複合酸化物を製造することができる。この場合、各成分の混合方法は、特に限定されるものではなく、粉体状の塩類をそのまま乾式の状態で混合してもよく、或いは粉体状の塩類を水に溶解して水溶液の状態で混合してもよい。
なお、このような正極活物質から正極を作製する場合には、正極活物質の粉末と必要に応じてカーポンプラックやグラファイト等の導電剤や、ポリフッ化ビニリデン等のバインダ樹脂とを均一に混合して、さらにジメチルホルムアルデヒドやｎ−メチルピロリドン等の溶媒を添加してペースト状の正極合剤組成物を調製し、それを正極集電体に塗布し乾燥することにより、巻回し型セル用の正極を作製することができる。
正極８は、図３に示すように、長手方向の一方端部に、正極リード線３の幅に合わせて正極集電体が露呈した正極集電体露呈部分１２ａを有している。この正極集電体露呈部分には、正極リード線が幅方向の一方端部から導出されるように取り付けられる。
負極は、負極集電体の両面（又は片面）に負極活物質層が形成されてなる。また、負極には、その両面の負極活物質層上にゲル電解質層が形成されている。
負極集電体としては、例えば、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔等を使用することができる。これら金属箔は、多孔性金属箔とすることが好ましい。金属箔を多孔性金属箔とすることで、集電体と電極層との接着強度を高めることができる。このような多孔性金属箔としては、パンチングメタルやエキスパンドメタルの他、エッチング処理のよって多数の開口部を形成した金属箔等を使用することができる。
負極活物質層を形成するには、リチウム金属、リチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、リチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料、例えば、グラファイト、難黒鉛化炭素系材料、易黒鉛系炭素材料等がある。このような炭素材料としては、熱分解炭素類、コークス類（例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等）、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（例えば、セルロース、フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成したもの。）、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料、或いはポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ジスルフィド系電極等のポリマー電極を挙げることができる。また、負極活物質層を形成するには、これら負極活物質を単独又は２種類以上混合して使用してもよい。
なお、このような負極活物質から負極を作製する場合には、例えば板状のリチウム金属やリチウム合金の場合、これらを所望の形状に打ち抜くことで負極を作製することができる。また、炭素粉末とポリフッ化ビニリデン等のバインダ樹脂とを均一に混合し、さらにジメチルホルムアルデヒドやｎ−メチルピロリドン等の溶媒を添加してペースト状の負極合剤組成物を調製し、それを負極集電体に塗布し乾燥することにより、巻回し型セル用の負極を作製することができる。
負極９は、図４に示すように、長手方向の一方端部に、負極リード線４の幅に合わせて負極集電体が露呈した負極集電体露呈部分１４ａを有している。この負極集電体露呈部分には、負極リード線が幅方向の一方端部から導出されるように取り付けられる。
図５は、巻回された電極体の構造を示すもので、巻回電極体２は、正極集電体２１上に正極活物質層２２が塗設された正極８と、負極集電体２３上に負極活物質層２４が塗設された負極９と、正極８の正極活物質層２２上並びに負極９の負極活物質層２４上にそれぞれ塗設された電解液含有ゲル電解質層２５（２５ａ、２５ｂ）とを有し、正極８側並びに負極９側の電解液含有ゲル電解質層２５ａ及び２５ｂが互いに重ね合わされた構造を有している。
図５の構造の電極体は、図２に示すように、正極リード線３と負極リード線４とを接合した後に、上部ラミネートフィルム６と下部ラミネートフィルム７とで密封することにより非水系ゲル電解質電池の完成品となる。
なお、上記巻回電極体２においては、必要に応じて電解液含有ゲル電解質層２５ａ及び２５ｂとの間に多孔質セパレータ（例えば、ポリエチレンやポリプロピレン製の微多孔膜）を配設してもよい。セパレータを配設することにより、両電極活物質層の物理的接触を完全に避けることができる。
セパレータとしては、ポリオレフィンを主成分とする微多孔質薄膜を使用することができ、例えば、ポリプロピレン ポリエチレン、又はその複合体等を使用することができる。さらに好ましくは、界面活性剤やコロナ放電処理等を利用して電解液に対する濡れ性を向上させた微多孔質薄膜を使用することが好ましい。これにより、電池の内部抵抗の増加を抑えることができる。
セパレータにおいては、気孔率について特に限定するものでないが、その気孔率を３０〜６０％とすることが好ましい。気孔率を３０％以上としたのは、それよりも低い場合に、電池の出力特性が過度に低下してしまうからである。また、気孔率を６０％以下としたのは、これよりも高い場合に、機械的強度が低下してしまうからである。また、セパレータにおいては、その空孔の孔径や膜厚についても特に限定するものでないが、内部ショートの防止と空孔閉塞によるシャットダウン効果とを発現させるために、空孔の孔径を１μｍ以下とすることが好ましい。また、セパレータとしては、５〜３５μｍ程度の膜厚のものを用いることができるが、膜の機械的強度と電気抵抗との相互関係を考慮すると、膜厚を７〜２０μｍ程度とすることが好ましい。
正極リード線３及び負極リード線４は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属材料を使用することができ、例えば、薄板状又はメッシュ状に加工される。正極リード線３及び負極リード線４は、例えば、抵抗溶接、超音波溶接等の方法を用いて正極集電体露呈部分及び負極露呈部分にそれぞれ取り付けられる。
外装部材５においては、防湿性を有するものであればよく、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔、及びポリエチレンフィルムを順に張り合わせた３層から形成されているものが使用できる。外装部材においては、図１及び図２に示すように、上部ラミネートフィルム６が巻回電極体２を収納するのに合わせて融着部分となる外縁部分６ａを残して膨らみを持たせた形状とされている。
外装部材５においては、巻回電極体２を封入する際、上部ラミネートフィルム６と下部ラミネートフィルム７とが互いのポリエチレンフィルム側を内面として、この上部ラミネートフィルム６の外縁部分６ａと下部ラミネートフィルム７とが熱融着により張り合わされ、減圧封止される。このとき、外装部材は、正極リード線３及び負極リード線４をこの外装部材から外部に導出しつつ、巻回電極体２を封入することになる。
なお、外装部材おいては、係る構成に限定されるものでなく、例えば、略袋状に成形されたラミネートフィルムにより巻回電極体が封入される構成であってもよい。この場合、外装部材の内部に巻回電極体を収納した後、この収納口から負極リード線及び正極リード線を外部に導出しつつ、減圧封止される。
ここで、巻回電極体を外装部材に封入するに際しては、図１及び図２に示すように、外装部材５と正極リード線３及び負極リード線４との接触部分に、ポリオレフイン樹脂からなる上下２枚の融着フイルム１９がこの正極リード線３及び負極リード線４を挟み込むようして設けられる。
融着フィルム１９としては、正極リード線及び負極リード線に対して接着性を有するものであればよく、例えば、ポリオレフイン樹脂としてポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、及びこれらの共重合体等を挙げることができる。なお、融着フイルムにおいては、その熱融着前の厚みが２０〜２００μｍの範囲にあることが好ましい。この熱融着前の厚みを２０μｍ以上としたのは、これよりも薄い場合に取扱性が悪くなるからである。逆に、この熱融着前の厚みを２００μｍ以下としたのは、これよりも厚い場合に水分が透過しやすくなり電池内部の気密性を保つことが困難となるからである。
したがって、巻回電極体を外装部材に封入するに際しては、融着フイルムが熱融着により溶融することで、正極リード線及び負極リード線と外装部材との密着性をより向上させることができる。
本発明において、正極上及び負極上にゲル電解質層を形成するには、非水溶媒に電解質を溶解し、これに高分子材料を加え、ゲル電解質組成物を調製し、これをゾル化して正極活物質層上、負極活物質層上に塗布する。
なお、本発明で言うゲルとは、流動性の無い半固体状態のもので、加熱すると流動性のある溶液（これをゾルと言う。）になり、冷却すると元の半固体状態に戻ることができる熱可逆性ゲルである。
また、本発明で言うゾルとは、熱可逆的ゲル（水素結合、疎水性相互作用、配位結合等の弱い２次結合により架橋して網目状構造を形成しているもの）が、加熱により２次結合が切れて流動性のある状態になったものである。
ゲル電解質組成物をゾル化するには、ゲル電解質組成物を加熱するか、あるいは非水溶媒で希釈すればよい。
特に、非水溶媒で希釈する場合、高沸点非水溶媒と低沸点非水溶媒を混合して用い、塗布後に低沸点溶媒を揮発除去すればよい。
具体的には、例えば高沸点非水溶媒に電解質塩を溶解し、これに高分子材料と低沸点非水溶媒を混合する。次いでこの混合物を加熱してゾル状混合物とし、加熱状態のままこれを正極上及び負極上に塗設してその一部を正極活物質層中及び負極活物質層中に浸透させることにより、ゲル電解質層を正極上及び負極上に形成することができる。なお、上記ゾル状混合物を作製するには、低沸点非水溶媒に電解質塩を溶解し、これに高分子材料と高沸点非水溶媒を混合しても良いし、また、高沸点非水溶媒と低沸点非水溶媒との混合溶媒に電解質塩を溶解し、これに高分子材料を混合しても良い。また上記加熱温度は３５〜９５℃であることが好ましく、特に４０〜８５℃が好ましい。これは、温度が高すぎると電極へ塗布する前に低沸点非水溶媒が揮発し易くなってい均一な塗布が出来なくなるばかりでなく、電解液も一部熱分解してしまい、所望する電池容量が得られなくなるからであり、温度が低すぎる場合は、電極への電解質層のしみ込みが不十分となるばかりでなく、電極への電解質層のしみ込みが遅くなることにより生産性が著しく低下してしまうからである。
ゾル状混合物を電極上に塗布するときの粘度は１〜５Ｏｃｐであることが好ましく、特に１〜２Ｏｃｐであることが好ましい。粘度が高過ぎると電極への電解質層のしみ込みが不十分となり、低過ぎると均一な塗布が出来なくなる。
また、ゾル状混合物を塗布後、乾燥して低沸点溶媒を積極的に除去することが好ましい。低沸点非水溶媒を除去する乾燥温度は、高沸点非水溶媒の沸点以下であれば特に限定するものではない。
ゲル電解質層を形成するには、高沸点非水溶媒として、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、プチレンカーボネート、γ−プチロラクトン、２，４−ジフルオロアニソール、２，６−ジフルオロアニソール、４−ブロモベラトロール等を使用することができ、また低沸点非水溶媒として、例えば、γ−バレロラクトン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキサン、酢酸メチル、プロピレン酸メチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等を使用することができる。
ここで、低非水沸点溶媒は、常圧における沸点が１１０℃以下の非水溶媒であることが好ましい。これは、ゲル電解質組成物を電極上に塗設した後に低沸点非水溶媒のみを乾燥除去する際、沸点が１１０℃を越える非水溶媒であると、乾燥温度が高くなり過ぎてゲル電解質組成物中に含まれる電解質塩が熱分解してしまうからである。
一方、高沸点非水溶媒は、上記低沸点非水溶媒との組み合わせで選択され、上記低沸点非水溶媒の常圧における沸点より５０℃以上高い沸点を示すものが好ましい。沸点の温度差が５０℃未満の場合は、低沸点非水溶媒を乾燥除去する際に、高沸点非水溶媒も一部同時に除去されてしまうからである。
ゲル電解質層を形成するには、電解質塩として、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、Ｌｉ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３等のリチウム塩を単独若しくは２種類以上混合して使用することができる。なお、電解質塩の添加量は、良好なイオン伝導度が得られるようにゲル電解質中の非水電解液におけるモル濃度が０．１０〜２．０ｍｏｌ／ｌとなるように調製することが好ましい。
ゲル電解質層を形成するには、ゲル電解質に用いられる高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデンの共重合体を使用することができ、共重合モノマーとしては、例えば、ヘキサフルオロプロピレンやテトラフルオロエチレン等を挙げることができる。
また、ゲル電解質に用いられる高分子材料としては、例えば、ポリアクリロニトリル及びポリアクリロニトリルの共重合体を使用することができる。共重合モノマー（ビニル系モノマー）としては、例えば、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸プチル、アクリル酸メチル、アクリル酸プチル、イタコン酸、水素化メチルアクリレート、水素化エチルアクリレート、アクリルアミド、塩化ビニル、フッ化ピ二リデン、塩化ビ二リデン等を挙げることができる。さらに、アクリロニトリルプタジエンゴム、アクリロニトリルプタジエンスチレン樹脂、アクリロニトリル塩化ポリエチレンプロピレンジエンスチレン樹脂、アクリロニトリル塩化ビニル樹脂、アクリロニトリルメタアクリレート樹脂、アクリロニトリルアクリレート樹脂等を使用することができる。
さらに、ゲル電解質に用いられる高分子材料としては、ポリエチレンオキサイド及びポリエチレンオキサイドの共重合体を使用することができる。共重合モノマーとしては、例えば、ポリプロピレンオキサイド、メタクリル酸メチル、メタクリル酸プチル、アクリル酸メチル、アクリル酸プチル等を挙げることができる。
その他、ゲル電解質に用いられる高分子材料としては、ポリエーテル変性シロキサン及びその共重合体を使用することができる。
なお、ゲル電解質に用いられる高分子材料としては、これらを単独又は２種類以上混合して使用することができる。
なお、ゲル電解質層においては、良好なゲル電解質とするために、高分子材料の添加量をゲル電解質層の重量に対して例えば５〜２５％程度の重量となるように添加することが好ましく、特に８〜２０％であることが好ましい。また、高沸点非水溶媒に対する低沸点非水溶媒の比は例えば１〜３程度となるようにすることが好ましく、特に１．２〜２であることが好ましい。これは、高分子材料の添加量が低すぎると、ゲル電解質層中の非水溶媒を十分保持することができなくなり、高分子材料の添加量が多すぎると、ゲル電解質層から電極中へ非水溶媒及び電解質塩のしみ込みが不十分となってしまう。また高沸点非水溶媒に対する低沸点非水溶媒の比率が小さ過ぎると、やはりゲル電解質層から電極中へ非水溶媒及び電解質塩のしみ込みが不十分となってしまうし、高沸点非水溶媒に対する低沸点非水溶媒の比率が大きすぎると、低沸点非水溶媒が乾燥するときに高沸点非水溶媒も一緒に乾燥してしまうからである。
上記ゲル電解質層の形成に際しては、ゲル電解質組成物をゾル化するとともに、これを塗布する正極、あるいは負極を常温を越える温度に加熱することも有効である。
なお、正極及び負極の温度を過度に高めると、電池容量の低下傾向が見られるので、正極及び負極の加熱温度は、好ましくは３５〜１５０℃、より好ましくは５０〜１２０℃である。
以下、正極あるいは負極を加熱しながらゲル電解質層を形成する方法について説明する。
対象となる非水系ゲル電解質電池の構成は、先にも説明した通り、電解液含有ゲル層が正極と負極とに塗設されたものであること以外の他の構成要素（材料、電池の構造等）は、従来の非水系ゲル電解質電池と同様である。
例えば、正極としては、一般式ＬｉＭ_ｘＯ_ｙ（Ｍ、ｘ、ｙはそれぞれ金属、金属の組成比、酸素の組成比を表す）で表されるリチウム複合酸化物（正極活物質）とアセチレンブラック等の導電剤とをポリフッ化ビニリデン等の結着剤と共に溶媒中に分散した分散液を、アルミニウム箔等の正極集電体に薄膜状に塗布・乾燥して正極活物質層を形成することにより得られたものを使用できる。
正極活物質層は、正極集電体の片面もしくは両面に形成してもよい。また、所望の正極活物質層密度を得るために、必要に応じてプレス処理を施してもよい。
負極としては、リチウムイオンを吸蔵する炭素材料（例えば、結晶化の低い炭素粉末や結晶化の高い黒鉛粉末）をポリフッ化ビニリデン等の結着剤と共に溶媒中に分散した分散液を、銅箔等の負極集電体に薄膜状に塗布・乾燥して負極活物質層を形成することにより得られたものを使用できる。
負極活物質層は、負極集電体の片面もしくは両面に形成してもよい。また、所望の負極活物質層密度を得るために、必要に応じてプレス処理を施してもよい。
電解液含有ゲル層は、ゲルのマトリックスを構成可能な樹脂とその樹脂を膨潤させる溶媒と電解質とからなる電解液含有ゲル層形成用組成物を成膜したものである。
電解液含有ゲル層の塗設は、電解液含有ゲル層形成用組成物が常温でゼリー状で流動性が十分でないため、一般には加熱して液状化させて行う。この場合、ゲルの電極へのしみ込み（即ち、電解液の電極活物質層へのしみ込み）を向上させるために、電解質を溶解させるための溶媒よりも沸点の低い溶媒を希釈溶媒として使用することができる。
また、電解液含有ゲル層の塗設の際の電解液含有ゲル層形成用組成物の加熱温度としては、その組成物が液状になる温度以上、且つそれらに含まれる溶媒のうち最も沸点の低い溶媒の沸点よりも低い温度である。
電解液含有ゲル層形成用組成物に用いる樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体やポリアクリロニトリル等を挙げることができる。
また、溶媒としては、γ−ブチロラクトン、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、エチルメチルカーボネート等を挙げることができる。
また、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩を挙げることができる。
上記電池を作製するには、先ず、正極集電体上に正極活物質層を塗設することにより正極を作製する。
次に、常温を超える温度に正極を加熱しながら、正極の正極活物質層上に電解質含有ゲル層を塗設する。
ここで、電解液含有ゲル層は、図６に示すような片面逐次塗布装置により片面塗布又は片面ずつ両面塗布することができる。即ち、巻き出しロール３１から巻き出された電極３２は、電極予熱装置３３で加熱され、そしてその片面の電極活物質層上にコーターヘッド３４から電解液含有ゲル層形成用組成物が塗布される。塗布された電解液含有ゲル層形成用組成物は、ドライヤー３５を通過する際に乾燥し電解液含有ゲル層となる。電解液含有ゲル層が形成された電極３２は、巻き取りロール３６に巻き取られる。
また、電解液含有ゲル層は、図７に示すような両面同時塗布装置により両面同時に塗布することもできる。即ち、巻き出しロール４１から巻き出された電極４２は、電極予熱装置４３で加熱され、そしてその両面の電極活物質層上にコーターヘッド４４から電解液含有ゲル層形成用組成物が同時に塗布される。塗布された電解液含有ゲル層形成用組成物は、ドライヤー４５を通過する際に乾燥し電解液含有ゲル層となる。電解液含有ゲル層が形成された電極４２は、巻き取りロール４６に巻き取られる。
なお、プレスが必要とされる場合には、例えば、電極活物質層形成後であって、電解液含有ゲル層形成前に、一般的なプレスロール装置によりプレスすることができる。
次に、正極を作製する場合と同様に、負極集電体上に負極活物質層を塗設することにより負極を作製し、ついで、常温を超える温度に負極を加熱しながら、負極の負極活物質層上に電解液含有ゲル層を塗設する。
そして、正極側並びに負極側の電解液含有ゲル層を互いに重ね合わせる。これにより、図５に示すような電極体が得られる。
得られた電極体から電池完成品製造のための組み込みは、電解液含有ゲル層塗設後の電極をスリットして組み込む方法や、逆に電極をスリットしてから電解液含有ゲル層を塗設して組み込む方法、あるいはこの二つの方法を組み合わせて一方の電極は電解液含有ゲル層塗設後にスリットし、他方の電極はスリットしてから電解液含有ゲル層を塗設して組み込む方法により行うことができる。また、電極の片面のみ電解液含有ゲル層を塗設してスリットし、その後に電極の他面に電解液含有ゲル層を塗設してから組み込む方法等により行うことができる。
なお、電池素子は電極活物質層を塗布していない集電体の部分にリード線を溶接した後、両極の電極層が対向するように重ね合わせる。この重ね合わせ方としては、所望の大きさに切り取られた電極を重ねる方法や、重ねた電極を巻く方法等がある。
このようにして作製された電池素子は、ラミネート・フィルムの間に挟んだ後、両電極の電解液含有ゲル層の密着性を上げるためにプレスを行い、電池素子が外気と触れないようにシールが施される。これにより図２に示すような電池が得られる。
なお、この時のラミネート・フィルムとしてはアルミ蒸着したラミネート・フィルム等が使用できる。
また、電解液含有ゲル層形成用組成物塗布前の電極予熱の方法は、特に限定するものではなく、温度調節したロールを通す方法や温度調節した空気の送風による方法、赤外線ランプを設ける方法等が挙げられる。
次に、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。
なお、各例において、「部」は特に指定しない限り「重量部」を意味する。
実験例１
本実験例では、正極を作製するのに、先ず、平均粒径５μｍのＬｉＣｏＯ_２を９１重量％、導電剤としてカーポンプラックを６重量％、及び結着剤としてポリフッ化ビニリデンを３重量％を混合して正極合剤とした。そして、この正極合剤をｎ−メチルピロリドン中に分散させてスラリー（ペースト状）とした。
次に、得られた正極合剤スラリーを正極集電体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、ローラプレス機により圧縮成型して帯状正極を作製した。
負極を作製するには、先ず、平均粒径２０μｍの黒鉛９０重量％、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン１０重量％を混合して負極合剤とした。そして、この負極合剤をｎ−メチルピロリドン中に分散させてスラリー（ペースト状）とした。
次に、この得られた負極合剤スラリーを負極集電体となる厚さ１５μｍの銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、ローラプレス機により圧縮成型して帯状負極を作製した。
正極には、網状アルミニウムからなる正極リード線をスポット溶接するとともに、負極には、網状銅からなる負極リード線をスポット溶接し、これらを外部接続用端子とした。
ゲル電解質層を形成するには、先ず、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとγ−ブチロラクトンを４：３：３の重量比で混合した混合溶媒に１．２ｍｏｌ／ｌとなるようにＬｉＰＦ_６を溶解し、この混合液（Ａ）とジメチルカーボネート（Ｂ）と、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体（Ｃ）を、Ｂ／Ａ重量比が１．８、Ｃ／Ａ重量比が１５％となるように混合し、ホモジナイザーにて均一に分散させた後、これを７５℃で加熱攪拌した。混合液が無色透明に変化した時点で攪拌を終了して、ゾル状混合物とし、これを７５℃に加熱した状態でドクタープレードを用いて上述した正極及び負極の両面にそれぞれ均一に塗布した後、ジメチルカーボネートを乾燥除去し、正極及び負極の表面にそれぞれゲル電解質層を形成させた。なお、この時のゾル状混合物の粘度は７ｃｐであった。
以上のように作製された負極と正極とをセパレータとなるプロピレン製微多孔質薄膜（商品名セルガード３５０１、セパレーションプロプロダクツジャパン社製）を介して積層させ、多数回巻回することで巻回電極体を作製した。このようにして得られた巻回電極体を負極リード線及び正極リード線を外部へ導出しつつ、ラミネートフィルムに減圧封入し、厚み３．７ｍｍの非水系ゲル電解質二次電池を作製した。
実験例２〜９
ゲル電解質層を形成するときの加熱攪拌及び塗布温度、塗布時粘度を表１に示すように変更した以外は実験例１と同様に作製したものを実験例２〜９とした。
【表１】

実験例１０〜２６
ゲル電解質層を形成する際に、重量比Ｂ／Ａ及び重量比Ｃ／Ａを表２に示すように変更して混合・調製した以外は実験例１と同様に作製したものを実験例１０〜２６とした。
【表２】

上記のように作製した非水系ゲル電解質電池において、活性化充電時の電池厚み方向の膨れ量と０．２Ｃ放電時容量を測定した。結果を表３に示す。なお、放電容量においては、実験例１の電池における放電容量を１００とした時の相対比で示す。
【表３】

上記の結果より、本発明の条件範囲で作製した非水系ゲル電解質二次電池においては、厚み方向の膨れも極めて小さく、大きな放電容量を実現できることがわかる。
実験例２７〜３４
（正極の作製）
表４の正極活物質層組成の懸濁液をディスパーにて４時間混合し、これを図６に示す装置にて厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面にパターン塗布した。塗布パターンは、両面とも塗布長１６０ｍｍ、未塗布部分長３０ｍｍの繰り返しで、両面の塗り始め及び塗り終わりの位置は互いに一致するように制御した。
【表４】

両面塗布後の正極原反は、線圧３００ｋｇ／ｃｍでプレスした。正極厚及び正極活物質層密度は、プレス後においてそれぞれ１００μｍ及び３．４５ｇ／ｃｃであった。
（負極の作製）
表５の負極活物質層組成の懸濁液をディスパーにて４時間混合し、これを図６に示す装置にて厚さ１０μｍの銅箔の片面にパターン塗布した。塗布パターンは、塗布長１６０ｍｍ、未塗布部分長３０ｍｍの繰り返しである。
【表５】

片面塗布後の負極原反は、線圧３００ｋｇ／ｃｍでプレスした。負極厚及び負極活物質層密度は、プレス後においてそれぞれ５０μｍ及び１．３０ｇ／ｃｃであった。
（電解液含有ゲル層の塗設）
表６の電解液含有ゲル層形成用組成物を７０℃加温状態でディスパーにて１時間混合し、これを図６に示す装置にて層厚２０μｍになるように負極の片面の負極活物質層上にパターン塗布し、また、正極の両面の正極活物質層上には、図７に示す装置にてそれぞれ塗布厚２０μｍになるようにパターン塗布した。このとき、ドライヤーは実質的にジメチルカーボネートだけが蒸発するように調整した。
なお、正極及び負極は、電解液含有ゲル層の塗設に際し、電極予熱装置を所定の温度に設定して表７に示す温度に加熱した。
次いで、電解液含有ゲル層が塗設された負極原反を４０ｍｍ幅に裁断し、帯状電極のパンケーキを作製した。そして、正極原反を３８ｍｍ幅に裁断し、帯状電極のパンケーキを作製した。
【表６】

（電池の作製）
その後、正負両電極にそれぞれリード線を溶着し、さらに互いの電極活物質層面が対向するように貼り合わせた後、圧着し、組み込み部に送り、電池素子を形成した。そしてラミネート・フィルムに覆われる形で電池素子を挟み込んだ上、フィルムを溶着して図２に示すような電池を作製した。
（評価）
作製した電池に関し、以下の測定・評価を行った。選られた結果を表７に示す。
電解液含有ゲル層塗設時電極温度
電解質含有ゲル層塗設直前の電極表面（電極活物質層）の温度を、赤外線温度計（ミノルタカメラ製温度計５０５、Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ＝０．８０）で測定した。
電解液の電極活物質層へのしみ込み
集電体から電極活物質層を剥がし、集電体（分析対象元素＝燐（電解質に起因））をＥＤＸ−ＥＰＭＡ（通称：ＸＭＡ、使用機種：Ｐｈｉｌｉｐｓ製ＸＬ−３０ＦＥＧ（ＳＥＭ部）＋Ｐｈｉｌｉｐｓ製ＥＤＡＸ・ＤＸ４ｉ（ＸＭＡ部））により測定した。燐が検出された場合には、電解液の電極活物質層へのしみ込みが有ったと判定した。
電池容量評価
電池を一般環境（２５℃、６０ＲＨ％）で１２時間放置した後、５０ｍＡの定電流で充電し、更に４．２Ｖ定電圧条件で１時間充電した。放電は電流５０ｍＡで３．０Ｖカットで行い、電池容量を求め、設計容量に対する比率を計算した。
【表７】

表７に示されているように、電解液含有ゲル層塗設直前の電極（電極活物質層）の温度が常温より低い場合、電解液が電極活物質層に染み込んでおらず、その結果、電池の特性も十分に発揮されていないことがわかる。
なお、電極活物質層の温度が高すぎる場合、電解液が電極活物質層に染み込んでいることは確認できたものの、電池の特性は十分に発揮されていないことがわかる。この理由は、明確ではないが、電解質であるＬｉＰＦ６の熱による分解や、電解液の溶剤分の蒸発などが原因として考えられる。
従って、電解液含有ゲル層塗設直前の電極の予熱温度の好ましい範囲は３５〜１５０℃、より好ましい範囲は５０〜１２０℃であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
図１は、非水系ゲル電解質電池の一構成例を示す分解斜視図である。
図２は、非水系ゲル電解質電池の一構成例を示す概略斜視図である。
図３は、正極の概略平面図である。
図４は、負極の概略平面図である。
図５は、正極と負極の積層状態を示す概略断面図である。
図６は、非水系ゲル電解質電池の作製の際に使用する片面逐次塗布装置の概略構成を示す模式図である。
図７は、非水系ゲル電解質電池の作製の際に使用する両面同時塗布装置の概略構成を示す模式図である。

Claims (10)

1. 正極集電体上に正極活物質層を形成して正極とするとともに、負極集電体上に負極活物質層を形成して負極とし、正極の正極活物質層上及び／又は負極の負極活物質層上にゲル電解質組成物を塗布してゲル電解質層を形成し、このゲル電解質層が挟持されるように正極と負極を重ね合わせる非水系ゲル電解質電池の製造方法において、
   上記ゲル電解質組成物をゾル化し、その温度を３５〜９５℃として正極の正極活物質層上及び／又は負極の負極活物質層上に塗布し、
   気孔率が３０〜６０％の多孔質セパレータを介して正極と負極とを重ね合わせることを特徴とする非水系ゲル電解質電池の製造方法。
2. ゾル化したゲル電解質組成物の粘度を１〜５０ｃｐとすることを特徴とする請求の範囲第１項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
3. ゾル化したゲル電解質組成物の粘度を４〜２０ｃｐとすることを特徴とする請求の範囲第１項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
4. ゲル電解質組成物を加熱することによりゾル化することを特徴とする請求の範囲第１項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
5. ゲル電解質組成物は、高沸点非水溶媒、低沸点非水溶媒、高分子材料及び電解質塩を含有し、塗布後、低沸点溶媒を揮発除去することを特徴とする請求の範囲第１項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
6. 電解質塩を含む高沸点非水溶媒の重量Ａに対する低沸点非水溶媒の重量Ｂの比率Ｂ／Ａを１〜３とすることを特徴とする請求の範囲第５項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
7. 高分子材料の添加量を電解質塩及び非水溶媒に対して５〜２５重量％とすることを特徴とする請求の範囲第５項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
8. ゲル電解質組成物をゾル化して正極の正極活物質層上及び／又は負極の負極活物質層上に塗布する際に、正極及び／又は負極を常温を越える温度に加熱することを特徴とする請求の範囲第１項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
9. 正極及び／又は負極を３５〜１５０℃に加熱することを特徴とする請求の範囲第８項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。
10. 正極及び／又は負極を５０〜１２０℃に加熱することを特徴とする請求の範囲第８項記載の非水系ゲル電解質電池の製造方法。

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