JP4293247B2 - 積層型非水電解質電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、積層型非水電解質電池およびその製造方法ならびに積層装置に関し、特に、電極の積層ずれを防ぐことにより電池品質および電池性能を向上させた電極積層型非水電解質電池およびその製造方法ならびに積層装置に関する。

近年、携帯電話、ノートブック型パーソナルコンピュータなどをはじめとする電子機器のコードレス化、ポータブル化が進み、薄型、小型、軽量の携帯電子機器が次々と開発されている。また、機器や機能の多様化によって電力使用量が増加しており、それら電子機器のエネルギー源である電池のより一層の高容量化・軽量化に対する要求が高まっている。そこで、この要求に応えるべく、積層型非水電解質電池、中でもリチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン二次電池に関して、種々の提案がなされている。

中でも、リチウムイオン二次電池の薄型化を図るために、複数枚の正極および負極をセパレータを介して交互に積層した積層型の電池が用いられている。このような電池では、正極集電体１ｂの両面に正極活物質層１ａを設けた正極１と、負極集電体２ｂの両面に負極活物質層２ａを設けた負極２とがセパレータ３を介して対向する部分において、図１Ａに示すように、負極２が正極１よりも大きく、セパレータ３が負極２と同等か同等以上の長さを有していることで、リチウムイオンがセパレータ３を通過し、正常に電池の充放電がなされる。

ところが、図１Ｂのように正極１および負極２とが、セパレータ３を超えて対向した場合、正極１と負極２とが直接対向した部分で、点線で示すようなセパレータ３を介さないイオンの流れが生じ、短絡が発生する、電池の異常発熱等の問題が生じてしまう。また、図１Ｃのように、正極１がセパレータ３を超え、負極２からはみだしてしまった場合、負極２の端部にリチウム４が析出し、デンドライトが発生して短絡が生じてしまう。

このように、正極１および負極２の電極またはセパレータ３のずれは電池の品質に大きな影響を与えるため、電池作製の際もしくは作製後の電池に衝撃が加わった際に、電池内部品にずれが生じて正極１と負極２とが直接対向しないようにする必要がある。

そこで、下記の特許文献１のように、端部が溶着された袋状のセパレータ内に正極および負極の少なくとも一方を収容して積層した、図２に示すような封口型のシート状リチウム電池が提案されている。なお、図２では、正極１および負極２を複数積層した。また、電池の外装材は省略して図示している。

特開平１０−１７２５６５号公報

また、特許文献１のような構造の電池の他、図３に示すような、セパレータ３を介して正極１および負極２を積層した積層電極体４を、さらにセパレータ３で巻回しながら積層した巻回積層型の縦断面構造を有する電池や、図４に示すような、つづら折りにしたセパレータ３に正極１および負極２を交互に挿入した折り込み型の縦断面構造を有する電池等も提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載された正極および負極の少なくとも一方が袋状のセパレータ内に収容された電池では、セパレータの端部に例えば３〜４ｍｍ程度の微少な溶着代を確保するために位置決め精度の高い高額な封口装置が必要となり、製造コストが高くなってしまう。また、溶着代を設ける分だけ電極の大きさを大きくすることができないため、電池容量の向上に限界がある。

また、上述の巻回積層型または折り込み型の縦断面構造を有する電池では、図５に示すように、ある程度のクリアランスを持たせたセパレータ間に電極を挿入するため、上下の電極の密着力のみで電極が保持される。このため、電極位置の保持がゆるくなり、衝撃が加わった際に電極のずれが生じて電池品質が低下するおそれがある。また、これらの電池ではセパレータ３に特殊な折り曲げを施す必要があり、高額な設備が必要となる。

さらに、正極、負極およびセパレータがそれぞれ順に積層されたのみの構成である場合、セパレータと正極、負極との界面から異物が入り込み、電池反応を阻害して電池品質や安全性を低下させるおそれもある。

したがって、この発明は、上記問題点を解消し、優れた電池品質および電池性能を有する積層型非水電解質電池およびその製造方法ならびに積層装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明は、正極と負極とがセパレータを介して順に積層された積層電極体を備え、
セパレータが正極および負極のそれぞれよりも大きく、
セパレータが正極および負極とともに積層された際に、正極および負極の端部から露出したセパレータの端部が立ち上がり、立ち上がった複数のセパレータの端部が互いに重なり、
正極および負極の端部からセパレータの端部が立ち上がった状態で、固定部材により積層状態が固定される
積層型非水電解質電池である。

また、第２の発明は、正極と負極とが正極および負極のそれぞれよりも大きいセパレータを介して順に積層された積層型非水電解質電池の製造方法であって、
正極もしくは負極とセパレータとが、セパレータの端部が立ち上がるようにして順に積層される積層工程と、
セパレータの端部の立ち上がり状態を保持し、かつ積層工程において積層された正極、負極およびセパレータからなる積層電極を押圧した状態で、正極および負極の積層された端面に固定部材を貼着することにより、積層を保持したまま固定してセパレータの端部が正極もしくは負極の端部において複数枚重なって立ち上がっている電池素子を作製する積層保持工程と、
電池素子を外装材で外装する外装工程と
からなり、
積層工程では、
正極もしくは負極を吸着する電極吸着工程と、
正極もしくは負極の吸着を維持しつつセパレータを吸着するセパレータ吸着工程と、
正極もしくは負極とセパレータとを、セパレータの端部が立ち上がるようにして外形保持部材に挿入する挿入工程と、
正極もしくは負極およびセパレータの吸着を解除することにより、正極もしくは負極とセパレータとを同時に載置する載置工程と
が複数回繰り返される
積層型非水電解質電池の製造方法である。

この発明では、正極もしくは負極の端部においてセパレータが立ち上がり、立ち上がった複数のセパレータが互いに重なるように固定部材を設けることで、電極のずれを防止するとともに、積層端部から異物が進入するのを防止することができる。

また、この発明では、セパレータの封口装置やセパレータの特殊な折り曲げを行う高額な設備を必要とせずに、簡易な工程で積層型非水電解質電池を作製することができる。

この発明によれば、簡易な工程で作製でき、優れた電池品質および電池性能を有する積層型非水電解質電池およびその製造方法、積層装置を得ることができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

（１）積層型非水電解質電池の構成
図６Ａに、この発明の一実施形態にかかる積層型非水電解質電池１０の外観を、図６Ｂに、積層型非水電解質電池１０の構成の一例を示す。また、図７Ａに、積層型非水電解質電池１０に収容された電池素子２０の上面図を、図７Ｂに、図７Ａの電池素子２０のａ−ａ´断面の断面図を示す。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、積層型非水電解質電池１０は、電池素子２０を外装材である防湿性のラミネートフィルム２７に収容し、図示しない電解液を注液した後、電池素子２０の周囲のラミネートフィルム２７同士を溶着して封止することにより作製される。電池素子２０には正極端子２５および負極端子２６が備えられ、これらの電極端子はラミネートフィルム２７に挟まれて外部へと引き出される。正極端子２５および負極端子２６のそれぞれの両面には、例えば正極端子２５および負極端子２６とラミネートフィルム２７との接着性を向上させるために、樹脂片が被覆されていてもよい。このような樹脂片は、電極端子に用いる金属と接着性の良い材料が用いられ、例えば酸変性された樹脂材料等が用いられる。

積層型非水電解質電池１０に収容される電池素子２０は、例えば、図７Ｂに示すように、正極２１および負極２２がセパレータ２３を介して複数枚積層され、固定部材である接着テープ２４で固定されたものであり、セパレータ２３の端部が立ち上がり、一枚の電極端部において複数枚、好ましくは２枚のセパレータ２３が重なるようにして接着テープ２４が設けられている。接着テープ２４は、例えば電極導出辺を除く電極サイド部および電極導出辺と対向する電極ボトム部の３辺に設けられる。

[外装材]
ラミネートフィルム２７は、例えば、接着層、金属層、表面保護層を順次積層した積層構造を有する。接着層は、熱や超音波で溶けて互いに融着する高分子フィルムからなり、この高分子フィルムを構成する材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）が挙げられる。金属層は金属箔からなり、水分、酸素、光の進入を防ぎ内容物を守る最も重要な役割を担っている。金属箔を構成する材料としては、軽さ、伸び性、価格、加工のしやすさ等例えばアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。また、金属箔を構成する材料としては、アルミニウム（Ａｌ）以外の金属を用いることも可能である。表面保護層を構成する材料としては、例えば外観の美しさや強靱さ、柔軟性などからナイロン（Ｎｙ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。なお、接着層側の面が、電池素子２０を収納する側の収納面となる。

このようなラミネートフィルム２７には、接着層側から表面保護層側に向けて凹状である収容部２７ａが設けられており、この収容部２７ａに電池素子２０を収容することにより電池素子２０の封止性を向上させることができる。収容部２７ａは、深絞り等により形成される。

［非水電解液］
非水電解液には、非水電解質電池に一般的に使用される電解質塩と有機溶媒が使用可能である。

非水溶媒としては、具体的には、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、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、またはこれらの炭酸エステル類の水素をハロゲンに置換した溶媒等が挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で用いてもよく、また複数種を所定の組成で混合してもよい。

また、電解質塩としては通常の非水電解液に用いられる材料を使用することが可能である。具体的には、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ₃、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＮＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣ（ＳＯ₂ＣＦ₃）₃、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＳｉＦ₆等を挙げることができるが、酸化安定性の点からＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄が望ましい。これらリチウム塩は単独で用いても複数種を混合して用いても良い。リチウム塩を溶解する濃度として、上記溶媒に溶解することができる濃度であれば問題ないが、リチウムイオン濃度が非水溶媒に対して０．４ｍｏｌ／ｋｇ以上、２．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲であることが好ましい。

[電池素子]
以下、電池素子２０について詳細に説明する。

［正極］
正極２１は、図８に示すように、正極集電体２１ｂと、この正極集電体２１ｂの両面に形成された正極活物質層２１ａとからなる。正極集電体２１ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）などからなる金属箔である。また、正極２１の一辺からは、正極集電体２１ｂと一体に成型された正極端子２５が導出されている。

正極活物質層２１ａは、例えば正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。

正極活物質としては、目的とする電池の種類に応じて、金属酸化物、金属硫化物または特定の高分子等を用いることができる。例えばリチウムイオン電池を構成する場合、Ｌｉ_XＭＯ₂（式中、Ｍは、一種以上の遷移金属を表し、ｘは、電池の充放電状態によって異なり、通常０．０５以上１．１０以下である）を主体とする、リチウムと遷移金属との複合酸化物が用いられる。リチウム複合酸化物を構成する遷移金属としては、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）等が用いられる。

このようなリチウム複合酸化物として、具体的には、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉ_yＣｏ_1-yＯ₂（０＜ｙ＜１）等が挙げられる。また、遷移金属元素の一部を他の元素に置換した固溶体も使用可能である。ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.5Ｏ₂、ＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.2Ｏ₂等がその例として挙げられる。これらのリチウム複合酸化物は、高電圧を発生でき、エネルギー密度が優れたものである。さらに、正極活物質としてＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＮｂＳｅ₂、Ｖ₂Ｏ₅等のリチウムを有しない金属硫化物または酸化物を使用しても良い。これらの正極活物質は、単独で用いるか、もしくは複数種を混合して用いてもよい。

また、導電剤としては、例えばカーボンブラックあるいはグラファイトなどの炭素材料等が用いられる。また、結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が用いられる。

［負極］
負極２２は、正極集電体２１ｂよりも外寸が数ｍｍ大きい負極集電体２２ｂと、この負極集電体２２ｂの両面に形成された負極活物質層２２ａとからなる。負極集電体２２ｂは、例えば銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）あるいはステンレス（ＳＵＳ）などからなる金属箔である。また、負極２２の一辺からは、負極集電体２２ｂと一体に成型された負極端子２６が正極２１と同様に導出されている。

負極活物質層２２ａは、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と、結着剤とを含有して構成されている。

負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金またはリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料または金属系材料と炭素系材料との複合材料が用いられる。具体的に、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としてはグラファイト、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素等が挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類（ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス）、黒鉛類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体（フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化したもの）、炭素繊維、活性炭等の炭素材料を使用することができる。さらに、リチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やＳｎＯ₂等の酸化物を使用することができる。

また、リチウムを合金化可能な材料としては多様な種類の金属等が使用可能であるが、スズ（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）およびこれらの合金がよく用いられる。金属リチウムを使用する場合は、必ずしも粉体を結着剤で塗布膜にする必要はなく、圧延したリチウム金属箔を集電体に圧着する方法でも構わない。

結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が用いられる。

［セパレータ］
セパレータ２３は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）の多孔質フィルムが最も有効である。

セパレータ２３は、正極２１と負極２２との短絡を防止するため、正極２１および負極２２のそれぞれよりも外寸が大きいものを用いる。セパレータ２３の寸法は、正極２１および負極２２の寸法および厚さにより適宜選択されるものであり、正極２１および負極２２とともに積層した際に、電極端部において少なくとも２枚のセパレータ２３の端部が重なるような大きさとする。

また、一般的にセパレータ２３の厚みは５〜５０μｍが好適に使用可能であるが、７〜３０μｍがより好ましい。セパレータ２３は、厚すぎると活物質の充填量が低下して電池容量が低下するとともに、イオン伝導性が低下して電流特性が低下する。逆に薄すぎると、膜の機械的強度が低下する。

なお、セパレータ２３としては、電池作製工程において電解液を注液し、セパレータ２３に電解液が含浸した際に電解液がゲル化するような構成としても良い。

［固定部材］
積層した正極２１、負極２２およびセパレータ２３の積層状態を固定する固定部材である接着テープ２４としては、基材の一方の面に接着層が設けられ、基材および接着層が電解液に対する耐性を有するものが用いられる。

また、固定部材としては接着テープ２４に限ったものではなく、電解液に対する耐性を有し、積層状態を保持することができる部材であればいずれも使用可能である。

（２）積層型非水電解質電池の製造方法
次に、この発明の一実施形態による積層型非水電解質電池１０の製造方法について説明する。この発明による積層型非水電解質電池１０の製造方法は、電極を所望の位置に積層するための外形保持部材に、吸着装置により吸着した正極２１もしくは負極２２の電極とセパレータ２３とを挿入し、電極およびセパレータ２３の吸着を同時に解除するものであり、これを複数回繰り返すことにより電極を複数積層する。まず、正極２１、負極２２およびセパレータ２３を積層するための積層装置について説明する。

［積層装置］
図９Ａに、吸着装置３０の断面図を、図９Ｂは、吸着装置３０の底面図である。

吸着装置３０は、正極２１、負極２２を吸着するための電極吸着部材である電極吸着ブロック３１と、セパレータ２３を吸着するためのセパレータ吸着部材であるセパレータ吸着ブロック３２と、電極吸着ブロック３１およびセパレータ吸着ブロック３２を降下、上昇させるための移動部材である上下シリンダ３３を有している。電極吸着ブロック３１の底面には正極２１もしくは負極２２を吸着するための電極吸着穴３１ｂが複数設けられており、電極吸着穴３１ｂから取り回された配管と接続されたエアー継手３１ａによって真空引きされることにより、図１０Ａのように、正極２１もしくは負極２２が吸着される。

なお、電極吸着穴３１ｂは、正極２１もしくは負極２２の外寸のいずれか小さい方よりも内側に設けられる。また、電極吸着穴３１ｂは配管の取りまわしによって電極吸着ブロック３１の中心部等に設けることも可能であるが、少なくとも電極の縁部を吸着可能な位置に設けることにより確実に電極を吸着することができる。

また、電極吸着ブロック３１には例えば凹部３４が設けられている。これにより、電極吸着ブロック３１と電極とが接している場合であっても凹部３４部分において電極が露出するため、後に接着テープ２４にて電極を固定する場合に容易に接着テープ２４を接着することができる。

セパレータ吸着ブロック３２は、電極吸着ブロック３１の周囲を取り囲むように設けられており、底面にセパレータ２３を吸着するためのセパレータ吸着穴３２ｂが複数設けられている。セパレータ吸着穴３２ｂは、セパレータ吸着ブロック３２の電極吸着ブロック３１側縁部に設けられ、セパレータ吸着穴３２ｂから取り回された配管と接続されたエアー継手３２ａによって真空引きされることにより、図１０Ｂのように、セパレータ２３が吸着される。セパレータ吸着穴３２ｂは、セパレータ２３端部よりも電極吸着ブロック３１側に設けられる。

このような吸着装置３０は、電極およびセパレータ２３を吸着した後、外形保持部材である外形保持ホルダ３５に電極およびセパレータ２３を挿入する。このとき、図１１に示すように、吸着装置３０と外形保持ホルダ３５とは互いに干渉しない配置となっている。また、凹部３４部分にはセパレータ吸着ブロック３２および外形保持ホルダ３５が配置されないようにすることで、接着テープ２４の接着が阻害されないようにする。

なお、上述のような吸着装置３０と外形保持ホルダ３５とを用いて電極およびセパレータ２３を良好に積層するために、負極２２およびセパレータ２３の端部の位置を以下のように考慮することが好ましい。

負極２２は、外形保持ホルダ３５に対して微少な間隙を有するような寸法とされ、外形保持ホルダ３５の内寸に対して０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下のクリアランスを有することが好ましい。負極２２は外形保持ホルダ３５に対してのクリアランスが大きくなると、必然的にセパレータ２３端部に対してのクリアランスも大きくなってしまい、負極２２に対してセパレータ２３が大きくなりすぎてしまうため、電池の体積効率が低下する。また、クリアランスが大きくなりすぎると、負極２２と隣接するセパレータ２３が立ち上がりにくくなるという問題も生じる。このため、負極２２と外形保持ホルダ３５とのクリアランスはできるだけ小さい方が良いが、クリアランスが小さくなりすぎると下層から立ち上がってきたセパレータ２３が配置されるスペースが小さくなり、セパレータ２３の端部がうまく立ち上がらなくなってしまう。

負極２２の端部と外形保持ホルダ３５との間隙は、０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。少なくとも２枚のセパレータ２３が重なるようにすることから、現在一般的に用いられているセパレータの場合には、セパレータ２３の厚み２枚分と挿入時に必要となる適度な間隙分との合計である０．１ｍｍのクリアランスが最低必要となる。

なお、セパレータ２３の厚みによって必要なクリアランスが決まるため、セパレータの高機能化によりさらに小さなクリアランスでも可能となることも考えられる。この場合、負極２２挿入時の位置精度をより向上させる必要がある。

外形保持ホルダ３５の外寸は、セパレータ２３の端部に対して片側で０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下小さいサイズ、すなわち、外形保持ホルダ３５の内寸は、セパレータ２３の外寸より０．８ｍｍ以上１．２ｍｍ以下小さくすることが好ましい。セパレータ２３は、セパレータ２３端部が立ち上がり、電極端部で最低２枚のセパレータが重なる分、外形保持ホルダ３５の内寸より大きくなければならない。また、セパレータ２３が大きくなりすぎると、立ち上がったセパレータ２３の端部が内側に湾曲し、次の電極およびセパレータ２３挿入時に挿入が困難になってしまう。

また、セパレータ吸着ブロック３２のセパレータ吸着穴３２ｂは、セパレータ２３端部に対して０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下内側の位置となるように設けることが好ましい。０．０５ｍｍ未満となると、セパレータ２３の位置決めが困難となり、セパレータ２３の吸着ができなくなるおそれがある。また、０．２５ｍｍを超えるとセパレータ２３の端部が下向きになってしまい、外形保持ホルダに挿入した際にうまく立ち上がらなくなるおそれがある。ここで、セパレータ吸着穴３２ｂの位置は、セパレータ２３端部と、セパレータ吸着穴３２ｂの外周部までの直線距離で示す。

［積層型非水電解質電池の作製］
以上のような積層装置を用いて電極を積層し、積層型非水電解質電池１０を作製する。まず、正極２１および負極２２を作製する。

［正極の作製］
上述の正極集電体２１ｂの材料となる金属箔を所望の形状に打ち抜き、正極集電体２１ｂとする。このとき、打ち抜いた金属箔の一辺から正極端子２５となる端子形状が突き出すような形状に一体に打ち抜き、正極集電体２１ｂと正極端子２５とを一体に形成する。

上述の正極活物質、結着剤、導電剤を均一に混合して正極合剤とし、この正極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次いで、このスラリーをドクターブレード法等により正極集電体２１ｂ上に均一に塗布した後、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより正極活物質層２１ａが形成される。なお、溶剤としては、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等が用いられる。正極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は均一に分散していればよく、その混合比は問わない。

［負極の作製］
上述の負極集電体２２ｂの材料となる金属箔を所望の形状に打ち抜き、負極集電体２２ｂとする。このとき、正極集電体２１ｂと同様に、負極集電体２２ｂと負極端子２６とを一体に形成する。

負極活物質層は、例えば負極活物質と、必要であれば導電剤と結着剤とを含有して構成されている。これらを均一に混合して負極合剤とし、この負極合剤を溶剤中に分散させてスラリー状にする。次にこのスラリーをドクターブレード法等により負極集電体２２ｂ上に均一に塗布し、高温で乾燥させて溶剤を飛ばすことにより負極活物質層２２ａが形成される。ここで、負極活物質、導電剤、結着剤および溶剤は、正極活物質と同様に、その混合比は問わない。

［電池素子の作製］
次に、正極２１、負極２２およびセパレータ２３を積層して、電池素子２０を作製する。図１２Ａないし図１２Ｌに、積層工程を示す。なお、図１２Ａないし図１２Ｌでは、吸着装置３０の構成を模式的に示すとともに、図中の符号を適宜省略する。

まず、電極吸着ブロック３１で負極２２を吸着し（図１２Ａ）、図示しない上下シリンダ３３により吸着装置３０を降下させて負極２２を外形保持ホルダ３５に挿入した（図１２Ｂ）後、吸着装置３０を上昇させる（図１２Ｃ）。次に、電極吸着ブロック３１で正極２１を吸着し、さらにセパレータ吸着ブロック３２でセパレータ２３を吸着し（図１２Ｄ）、吸着装置３０を降下させて負極２２上にセパレータ２３および正極２１を同時に積層する（図１２Ｅ）。このとき、外形保持ホルダ３５によってセパレータ２３の端部が立ち上がる。

続いて、吸着装置３０を上昇させ（図１２Ｆ）、電極吸着ブロック３１で負極２２を吸着後、セパレータ吸着ブロック３２でセパレータ２３を吸着し（図１２Ｇ）、吸着装置３０を降下させてセパレータ２３および負極２２を同時に積層する（図１２Ｈ）。このとき、負極２２とともに積層したセパレータ２３の端部が外形保持ホルダ３５によって立ち上がり、正極２１とともに積層されて立ち上がったセパレータ２３と負極２２の端部で互いに重なる。再度吸着装置３０を上昇させた（図１２Ｉ）後、所望の積層電極体となるまで図１２Ｄないし図１２Ｉの工程を繰り返し行う。なお、積層時には、正極端子２５同士、負極端子２６同士が重なるようにして積層する。

さらに、電極の最上層となる負極２２を積層した後、吸着装置３０で積層電極を押圧したまま、電極が露出した図示しない電極吸着ブロック３１の凹部３４部分において接着テープ２４を両サイド部およびボトム部に貼り付け、積層を保持して固定する（図１２Ｊ）。最後に、吸着装置３０を上昇させ（図１２Ｋ）、外形保持ホルダ３５から取り出すことにより積層電極体が形成される。この積層電極体の正極２１のそれぞれと接続された複数の正極端子２５をまとめて接続し、負極２２のそれぞれと接続された複数の負極端子２６をまとめて接続することにより、電池素子２０が形成される。

なお、セパレータ２３を吸着する際には、セパレータ吸着ブロック３２の真空引きによる吸着とともに、電極とセパレータ２３間に生じる静電気によっても吸着され、安定した吸着を行うことができる。

また、可能であれば、予め重ねられた電極およびセパレータ２７を電極吸着ブロック３１およびセパレータ吸着ブロック３２により同時に吸着しても良い。

［積層型非水電解質電池の作製］
上述のようにして作製された電池素子２０は、図６Ｂに示すように、深絞り加工により形成されたラミネートフィルム２７の収容部２７ａに収容され、収容部２７ａの開口を覆うようにラミネートフィルム２７を折り返し、収容部２７ａの外周部分のうち２辺を熱溶着等により溶着する。続いて、未溶着の一辺から電解液を注液し、この一辺を熱溶着して封止することにより、図６Ａに示す積層型非水電解質電池１０を作製する。ラミネートフィルム２７は、図６Ｂに示すような折り返し形のものでもよく、また２枚のラミネートフィルム２７で電池素子２０の上下から挟みこむようにしても良い。

なお、電極とセパレータを別工程でそれぞれ挿入した場合、図１３Ａに示すように、セパレータ２３がうまく立ち上がらないため、さらに負極２２を挿入した際に図１３Ｂに示すように負極２２がセパレータ２３端部を踏んでしまい、電極端部でセパレータ２３が重なることができない。上述の吸着装置３０を用いた場合、電極とセパレータ２３とを同時に積層していくことでセパレータ２３が良好に立ち上がり、この発明の積層型非水電解質電池１０を作製することができる。

以上のようにして作製した積層型非水電解質電池は、セパレータの端部が立ち上がり、電極端部において複数のセパレータが重なり合うことにより、電極のずれを防止するとともに、電極とセパレータとの間に異物が入り込み、短絡や電池反応が阻害されることを防止し、電池品質を向上させることができる。

また、従来の巻回積層型の電池等と比較してセパレータの使用量を削減することができ、また高額なセパレータ折り曲げ装置等が不必要であるため、体積効率の向上および生産コスト削減を図ることができる。

また、簡易な工程により電極およびセパレータの積層が可能となり、また工数が減ることから生産性が向上する。

上述の積層型非水電解質電池を用い、振動に対する耐性を確認する。以下の実施例では、図８に示す正極および負極を作製した後、セパレータとともに積層して図７Ａおよび図７Ｂに示すような電池素子を作製する。

＜実施例１＞
［正極の作製］
コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）９２重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン３重量％と、粉状黒鉛５重量％とを均一に混合して正極合剤を調製し、これをＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に分散させて正極合剤スラリーとした。この正極合剤スラリーを、正極集電体となるアルミニウム（Ａｌ）箔の両面に均一に塗布し、１００℃で２４時間減圧乾燥した後、ロールプレス機で加圧成形することにより正極活物質層を形成した。

［負極の作製］
人造黒鉛９１重量％と、粉状ポリフッ化ビニリデン９重量％とを均一に混合して負極合剤を調製し、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に分散させて負極合剤スラリーとした。次に、この負極合剤スラリーを負極集電体となる銅（Ｃｕ）箔の両面に均一に塗布し、１２０℃で２４時間減圧乾燥した後、ロールプレス機で加圧成形することにより負極活物質層を形成した。なお、負極は正極の外寸より２ｍｍ大きくなるようにした。

［電解液の作製］
エチレンカーボネート（ＥＣ）とプロピレンカーボネート（ＰＣ）とを６：４の重量比で混合し、０．８ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＰＦ₆と０．２ｍｏｌ／ｋｇのＬｉＢＦ₄を溶解して電解液を作製した。

［電池素子の作製］
図１１Ａおよび図１１Ｂに示す積層装置を用いて正極、負極およびセパレータを積層した。積層はセパレータを介して負極１層目、正極１層目、負極２層目、正極２層目・・・負極１５層目、正極１５層目、負極１６層目の順で積層し接着テープにて固定した。なお、積層時には正極端部と負極端部とのクリアランスが各辺において１ｍｍとなるように積層した。また、負極端部と外形保持ホルダの内寸とのクリアランスは０．１ｍｍとした。

＜実施例２＞
正極、負極およびセパレータを積層して固定した後、図１４に示すように、縦方向および横方向に各５回ずつ手で振り下ろし、積層後に振動を加えた以外は実施例１と同様にして電池素子を作製した。

＜実施例３＞
１層目の負極〜１３層目の負極まで積層した後積層装置を手で持ち、１３層目の正極から１６層目の負極を積層中に積層装置の上昇および下降を繰り返して積層した以外は実施例１と同様にして電池素子を作製した。なお、「積層中」とは、吸着装置が電極およびセパレータを吸着し、積層部に下降している間を表す。

以上のようにして作製した各実施例の電池素子について、図１５に示すように、参照符号Ｐで示す電池素子サイド部のｘ軸断面と、参照符号Ｑで示す電子素子ボトム部のｚ軸断面のＸ線ＣＴ（Computed Tomography；コンピュータ断層撮影）撮影を行い、正極および負極の断面を観察した。なお、断面は、サイド部およびボトム部のそれぞれにおいて、ボトム部の一方の角部から１５ｍｍの部分での断面を観察するものとした。

サイド部およびボトム部それぞれの積層断面のＣＴ撮影では、以下の点を確認した。
（ａ）負極箔の最大ずれ
１層目から１６層目の負極のうち、端部の距離が最も離れている２枚の負極を選択し、端部間の距離を解析した。なお、負極においては、負極活物質層がＣＴ撮影で確認できないため、銅（Ｃｕ）からなる負極集電体の端部を負極の端部位置として最大ずれを解析した。
（ｂ）正極箔の最大ずれ
１層目から１５層目の正極のうち、端部の距離が最も離れている２枚の正極を選択し、端部間の距離を解析した。なお、正極においては、アルミニウム（Ａｌ）箔からなる正極集電体がＣＴ撮影で確認できないため、正極活物質層の端部を正極の端部位置として最大ずれを解析した。
（ｃ）隣接する正極−負極間の最大ずれ
隣接する正極および負極のうち、端部の距離が最も離れている正極および負極の組を選択し、端部間の距離を解析した。なお、「隣接する正極および負極」とは、例えば１０層目負極と１０層目正極でも、１０層目正極と１１層目負極のいずれでも良い。また、正極と負極とは予め１ｍｍのクリアランスが設けられているため、端部の距離が１ｍｍの場合は「ずれなし」として考えた。また、上述のように、アルミニウム（Ａｌ）箔からなる正極集電体および負極活物質層がＣＴ撮影で確認できないため、正極活物質層の端部を正極の端部位置、銅（Ｃｕ）からなる負極集電体の端部を負極の端部位置として最大ずれを解析した。

以下の表１に、解析の結果を示す。

振動を加えない実施例１の電池素子と比較して、電極積層後または電極積層中に振動を加えた実施例２および実施例３の各電池素子の電極ずれ量は略同程度であった。また、負極端部と外形保持ホルダとのクリアランスは０．１ｍｍ、正極端部と負極端部とのクリアランスが１ｍｍであることから、この発明で作製した電池素子は、電極積層後または電極積層中に電池素子に振動が加わった場合であっても負極から正極がはみ出すことがなく、短絡等を防止することができることが分かった。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

また、この積層型非水電解質電池は、一次電池、二次電池のいずれにも用いることができ、また外装はラミネートフィルムのみでなく電池缶を用いても良い。

正極、負極およびセパレータの配置と問題点を説明する模式図である。 従来の積層型非水電解質電池の構成の一例を示す断面図である。 従来の積層型非水電解質電池の構成の一例を示す断面図である。 従来の積層型非水電解質電池の構成の一例を示す断面図である。 図３および図４に示す積層型非水電解質電池の構成を詳細に示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる積層型非水電解質電池の構成の一例を示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる電池素子の構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる電池素子の正極および負極の構成を示す模式図である。 この発明の一実施形態にかかる積層型非水電解質電池を作製するための積層装置を構成する吸着装置の構成を示す模式図である。 吸着装置によって電極およびセパレータが吸着される様子を示す模式図である。 積層装置を構成する吸着装置と外形保持ホルダとの配置を示す断面図である。 電極およびセパレータの積層工程を示す模式図である。 電極とセパレータを別工程で挿入した場合の電極およびセパレータの様子を示す模式図である。 積層後に加える振動の方向を説明する模式図である。 ＣＴ撮影により観察する断面を説明する模式図である。

符号の説明

１，２１・・・正極
１ａ，２１ａ・・・正極活物質層
１ｂ，２１ｂ・・・正極集電体
２，２２・・・負極
２ａ，２２ａ・・・負極
２ｂ，２２ｂ・・・負極集電体
３，２３・・・セパレータ
４・・・リチウム
１０・・・積層型非水電解質電池
２０・・・電池素子
２４・・・接着テープ
２５・・・正極端子
２６・・・負極端子
２７・・・ラミネートフィルム
２７ａ・・・収容部
３０・・・吸着装置
３１・・・電極吸着ブロック
３１ａ，３２ａ・・・エアー継手
３１ｂ・・・電極吸着穴
３２・・・セパレータ吸着ブロック
３２ｂ・・・電極吸着穴
３３・・・上下シリンダ
３４・・・凹部
３５・・・外形保持ホルダ

Claims (8)

1. 正極と負極とがセパレータを介して順に積層された積層電極体を備え、
   上記セパレータが上記正極および上記負極のそれぞれよりも大きく、
   上記セパレータが上記正極および上記負極とともに積層された際に、上記正極および上記負極の端部から露出した上記セパレータの端部が立ち上がり、立ち上がった複数の上記セパレータの端部が互いに重なり、
   上記正極および上記負極の端部から上記セパレータの端部が立ち上がった状態で、固定部材により積層状態が固定される
   積層型非水電解質電池。
2. 上記固定部材は、上記正極および上記負極の積層された端面の少なくとも一部を覆うように設けられる
   請求項１に記載の積層型非水電解質電池。
3. 上記固定部材は、基材と、該基材の一方の面に設けられた接着層とからなる
   請求項２に記載の積層型非水電解質電池。
4. 上記積層電極体は、上記積層電極体に対向する面に高分子フィルムからなる層を有している外装材により外装される
   請求項１に記載の積層型非水電解質電池。
5. 上記正極もしくは上記負極の端部における上記セパレータの端部の重なりが、２枚である
   請求項１に記載の積層型非水電解質電池。
6. 正極と負極とが該正極および該負極のそれぞれよりも大きいセパレータを介して順に積層された積層型非水電解質電池の製造方法であって、
   上記正極もしくは上記負極と上記セパレータとが、該セパレータの端部が立ち上がるようにして順に積層される積層工程と、
   上記セパレータの端部の立ち上がり状態を保持し、かつ上記積層工程において積層された上記正極、上記負極および上記セパレータからなる積層電極を押圧した状態で、該正極および該負極の積層された端面に固定部材を貼着することにより、積層を保持したまま固定して上記セパレータの端部が上記正極もしくは上記負極の端部において複数枚重なって立ち上がっている電池素子を作製する積層保持工程と、
   上記電池素子を外装材で外装する外装工程と
   からなり、
   上記積層工程では、
   上記正極もしくは上記負極を吸着する電極吸着工程と、
   上記正極もしくは上記負極の吸着を維持しつつ上記セパレータを吸着するセパレータ吸着工程と、
   上記正極もしくは上記負極と上記セパレータとを、上記セパレータの端部が立ち上がるようにして外形保持部材に挿入する挿入工程と、
   上記正極もしくは上記負極および上記セパレータの吸着を解除することにより、上記正極もしくは上記負極と上記セパレータとを同時に載置する載置工程と
   が複数回繰り返される
   積層型非水電解質電池の製造方法。
7. 上記正極、上記負極および上記セパレータが、真空吸着される
   請求項５に記載の積層型非水電解質電池の製造方法。
8. 上記セパレータの端部が、上記正極もしくは上記負極の端部において２枚重なって立ち上がっている
   請求項５に記載の積層型非水電解質電池の製造方法。

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