JP5712093B2 - リチウムイオン二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はリチウムイオン二次電池及びその製造方法に関する。

従来からリチウムイオン二次電池は、軽量、大容量かつ高速充放電可能であるため、現在、ノートパソコンや携帯電話等のモバイル機器や自動車等の分野において広く普及しており、更なる大容量化及び高速充放電特性向上のために、様々な研究がなされている。

このようなリチウムイオン二次電池としては、例えば特許文献１（特開２００８−２８８２１４号公報）の図３に開示されているように、正極活物質層と金属箔とで構成された正極と、負極活物質層と金属箔とで構成された負極と、をセパレータを介して積層し、セパレータに電解液を含浸させた構成を有するセパレータタイプのものが知られている。

一方、例えば特許文献２（特開２０１１−７０７８８号公報）に開示されているように、セパレータを含まず、正極、電解質層及び負極が積層された構成を有する全固体タイプのリチウムイオン二次電池も知られている。

ここで、リチウムイオン二次電池の大容量化及び高速充放電特性向上にとっては、正極活物質及び負極活物質と電解質との反応が律速となるため、正極と負極との間隔をできるだけ狭くすることや正極及び負極の電極面積をできるだけ大きくすることが重要であり、この点に着目して、上記特許文献２においては、凹凸構造を有する活物質層（ライン状に塗布された高アスペクト比の凸状の活物質部）を含む３次元構造の電極を有する全固体電池の製造方法が提案されている。

特開２００８−２８８２１４号公報 特開２０１１−７０７８８号公報

しかしながら、上記特許文献１におけるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池において、大容量化及び高速充放電特性のために、上記特許文献２において提案されているような凹凸構造を有する活物質層を採用すると、例えば、隣接する凸状の負極活物質部の間の凹部分に、対向する凸状の正極活物質部が入り込み、セパレータを破損してしまうおそれがある。セパレータが破損すると、正極活物質部と負極活物質部とが短絡して電池機能が失われてしまうおそれがある。

即ち、上記特許文献２において提案されている全固体タイプのリチウムイオン二次電池の凹凸構造を有する活物質層を、上記特許文献１に開示されているようなセパレータタイプのリチウムイオン二次電池にそのまま採用することは、困難であった。

以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を含んでいても、セパレータを破損することなく、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明者らは、
第１集電体と、前記第１集電体の面上に設けられた複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第１活物質部と、を有する第１電極、
第２集電体と、前記第２集電体の面上に設けられた複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第２活物質部と、を有する第２電極、及び
前記第１電極と前記第２電極との間に位置するセパレータ、
を含み、
前記第１電極及び前記第２電極は、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが対向するように積層されており、
前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが交差する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられ、
前記線状第１活物質部の幅および前記線状第２活物質部の幅はそれぞれ１００〜１５０μｍであり、
前記線状第１活物質部の間隔および前記線状第２活物質部の間隔はそれぞれ５０〜９０μｍであり、
前記線状第１活物質部および前記線状第２活物質部の高さはそれぞれ５０〜１００μｍであること、
を特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、セパレータの破損を効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を実現することができる。

上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、
前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と複数の前記線状第２活物質部とが交差する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられていること、が好ましい。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、また、積層した状態で押圧されても複数点において線状第１活物質部と線状第２活物質部とが接し得るためセパレータにかかる力が分散され易く、したがってセパレータの破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を確実に実現することができる。

また、上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、
前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが略直交する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられていること、
が好ましい。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、また、積層した状態で押圧されても最大限の複数点において線状第１活物質部と線状第２活物質部とが接し得るためセパレータにかかる力が分散され易いという効果を最も顕著に生かすことができ、したがってセパレータの破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を確実に実現することができる。

また、本発明は上記本発明のリチウム二次電池を製造する方法にも関し、具体的には、本発明は、
第１集電体の面上に複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第１活物質部を形成して第１電極を得る第１電極形成工程、
第２集電体の面上に複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第２活物質部を形成して第２電極を得る第２電極形成工程、
前記第１活物質部と前記第２活物質部とが対向するように、セパレータを介在させて前記第１電極と前記第２電極とを積層して積層体を得る積層体形成工程、
を含み、
前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部が前記線状第２活物質部と交差する位置関係となるように、前記第１電極と前記第２電極とを積層し、
前記線状第１活物質部の幅および前記線状第２活物質部の幅はそれぞれ１００〜１５０μｍであり、
前記線状第１活物質部の間隔および前記線状第２活物質部の間隔はそれぞれ５０〜９０μｍであり、
前記線状第１活物質部および前記線状第２活物質部の高さはそれぞれ５０〜１００μｍであること、
を特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法である。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、セパレータの破損を効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を製造することができる。

上記本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法においては、
前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部が複数の前記線状第２活物質部と交差する位置関係となるように、
前記第１電極と前記第２電極とを積層すること、
が好ましい。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、また、複数点において線状第１活物質部と線状第２活物質部とが接し得るためセパレータにかかる力が分散され易く、したがってセパレータの破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を製造することができる。

また、上記本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法においては、
前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが略直交する位置関係となるように、前記第１電極と前記第２電極とを積層すること、
が好ましい。

このような構成を有する本発明のリチウムイオン二次電池によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を具備していても、凸状の線状第１活物質部が、対向する凸状の線状第２活物質部間に入り込むことがなく、また、最大限の複数点において線状第１活物質部と線状第２活物質部とが接し得るためセパレータにかかる力が分散され易いという効果を最も顕著に生かすことができ、したがってセパレータの破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を確実に製造することができる。

本発明によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する活物質部で構成された活物質層を含んでいても、セパレータを破損することなく、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池を得ることができる。

本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態の概略縦断面図である。 図１に示すリチウムイオン二次電池１において、矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる凸状の線状負極活物質部１２ａと凸状の線状正極活物質部１６ａとの位置関係を示す概略図である。 図１に示すリチウムイオン二次電池１について、ノズルディスペンス法により線状負極活物質部１２ａ（負極活物質層１２）を形成する様子を示す模式図である。 本発明のリチウムイオン二次電池の第一の変形態様において、図２と同様に図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる線状負極活物質部２２ａと線状正極活物質部２６ａとの位置関係を示す概略図である。 本発明のリチウムイオン二次電池の第二の変形態様において、図２と同様に図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる線状負極活物質部３２ａと線状正極活物質部３６ａとの位置関係を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態について説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために、必要に応じて寸法、比又は数を誇張又は簡略化して表している場合もある。更に本明細書においては、Ｘ、Ｙ及びＺ座標方向を図１及び図２に示すように定義する。

本実施形態では、図１に示す構造のリチウムイオン二次電池に代表させて本発明を説明する。図１は、本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態の概略縦断面図である。また、図２は、図１に示すリチウムイオン二次電池１において、矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる凸状の線状負極活物質部１２ａと凸状の線状正極活物質部１６ａとの位置関係を示す概略図である。

また、詳細は後述するが、図３は、図１に示すリチウムイオン二次電池１について、ノズルディスペンス法により凸状負極活物質部１２ａ（負極活物質層１２）を形成する様子を示す模式図であり、図４及び図５は、それぞれ図１に示すリチウムイオン二次電池の第一及び第二の変形態様において、図２と同様に図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる線状負極活物質部２２ａ、３２ａと線状正極活物質部２６ａ、３６ａとの位置関係を示す概略図である。

本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、図１に示すように、負極（第１電極）Ａと、セパレータ２０と、正極（第２電極）Ｃと、が積層された構成を有し、負極Ａと正極Ｃとの間に電解液が充填されて電解液層１４が形成されているとともに、セパレータ２０にも電解液が含浸されている。

負極Ａは、略矩形状の負極集電体（第１集電体）１０と、線状負極活物質部（線状第１活物質部）１２ａからなる負極活物質層（第１活物質層）１２と、で構成され、正極Ｃは、略矩形状の正極集電体（第２集電体）１８と、線状正極活物質部（線状第２活物質部）１６ａからなる正極活物質層（第２活物質層）１６と、で構成されており、負極集電体１０と正極集電体１８とは、線状負極活物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとが対向するように、積層されている。

ここで、図２に示すように、負極Ａの負極集電体１０の面上には、スペースをおいて互いに略平行に複数の凸状の線状負極活物質部１２ａが設けられて負極活物質層１２を構成しており、正極Ｃの正極集電体１８の面上には、スペースをおいて略平行に複数の凸状の線状正極活物質部１６ａが設けられて正極活物質層１６を構成している。即ち、本実施形態における線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａは、いわゆるラインアンドスペースのパターン形状を有するように形成されている。

そして、本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、負極集電体１０及び正極集電体１８の面に対して略垂直な方向（即ち、矢印Ｚ_１の方向）から線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａを投影させてみた場合に、線状負極活物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとが、部分Ｃ_１において角度α_１で交差している点に特徴を有する。
即ち、負極集電体１０上において、負極活物質層１２を構成する複数本の凸状の線状負極活物質部１２ａは、図２に示すように、負極集電体１０上において矢印Ｙの方向に対して角度α_１で交差して延びるように、間隔をおいて形成されている。これに対し、正極集電体１８上において、正極活物質層１６を構成する複数本の凸状の線状正極活物質部１６ａは、図２に示すように、矢印Ｙの方向に沿って延びるように、間隔をおいて形成されている。

このような構成を有する本実施形態のリチウムイオン二次電池１によれば、それぞれ凸状の線状負極活物質部１２ａ及び凸状の線状正極活物質部１６ａで構成された高アスペクト比の凹凸構造を有する負極活物質層１２及び正極活物質層１６を具備していても、線状負極活物質部１２ａは対向する線状正極活物質部１６ａの間に入り込むことがなく、積層による応力がセパレータ２０にかかりにくい。逆に、線状正極活物質部１６ａが対向する負極活物質部１２ａの間に入り込むこともなく、積層による応力がセパレータ２０にもかかりにくい。

したがって、本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａがセパレータ２０を突き破る等して破損することを効果的に防止することのできる構成を有しており、大容量で高速充放電特性に優れ信頼性を有する。

なお、本実施形態のリチウムイオン二次電池１においては、線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａの幅及び間隔（スペース)は、本発明の構成を実現しかつ効果を損なわない範囲で適宜選択することができるが、例えば、幅は１００〜１５０μｍ程度で、スペースは５０〜９０μｍ程度であればよい。このような範囲であれば、線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａを高アスペクト比とし易い。

また、線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａの高さも、本発明の構成を実現しかつ効果を損なわない範囲で適宜選択することができるが、例えば、それぞれ５０〜１００μｍ程度であればよい。このような範囲であれば、線状負極活物質部１２ａ及び線状正極活物質部１６ａの抵抗が上がり過ぎることがなく、充放電容量の低下をより確実に防止できる。

ここで、負極集電体１０としては、本発明の属する技術分野において公知の材料を用いることができるが、例えばアルミニウム箔等の金属膜であればよい。また、図示しないが、この負極集電体１０は、絶縁性の基材の表面に形成されていてもよい。このような基材としては絶縁性材料で形成された平板状部材を用いればよく、かかる絶縁性材料としては、例えば樹脂、ガラス又はセラミックス等が挙げられる。また、基材は可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。

線状負極活物質部１２ａに含まれる負極活物質としては、本願発明の技術分野で常用されるものを使用でき、例えば、金属、金属繊維、炭素材料、酸化物、窒化物、珪素、珪素化合物、錫、錫化合物、各種合金材料等が挙げられる。これらのなかでも、容量密度の大きさ等を考慮すると、酸化物、炭素材料、珪素、珪素化合物、錫、錫化合物等が好ましい。酸化物としては、例えば、式：Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で表されるチタン酸リチウム等が挙げられる。炭素材料としては、例えば、各種天然黒鉛（グラファイト）、コークス、黒鉛化途上炭素、炭素繊維、球状炭素、各種人造黒鉛、非晶質炭素等が挙げられる。珪素化合物としては、例えば、珪素含有合金、珪素含有無機化合物、珪素含有有機化合物、固溶体等が挙げられる。珪素化合物の具体例としては、例えば、ＳｉＯ_ａ（０．０５＜ａ＜１．９５）で表される酸化珪素、珪素とＦｅ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＴｉから選ばれる少なくとも１種の元素とを含む合金、珪素、酸化珪素又は合金に含まれる珪素の一部がＢ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃ、Ｎ及びＳｎから選ばれる少なくとも１種の元素で置換された珪素化合物又は珪素含有合金、これらの固溶体等が挙げられる。錫化合物としては、例えば、ＳｎＯ_ｂ（０＜ｂ＜２）、ＳｎＯ_２、ＳｎＳｉＯ_３、Ｎｉ_２Ｓｎ_４、Ｍｇ_２Ｓｎ等が挙げられる。負極活物質は１種を単独で用いてもよく、必要に応じて２種以上を組み合わせて用いてもよい。

また、線状負極活物質部１２ａは、導電助剤を含んでいてもよい。導電助剤としては、本発明の技術分野で常用されるものを使用でき、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、フェニレン誘導体等の有機導電性材料等が挙げられる。導電剤は１種を単独で使用でき又は必要に応じて２種以上を組み合わせて使用できる。

本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、上記のように、負極集電体１０と負極活物質層１２とで構成される負極Ａに対向して、正極活物質層１６と正極集電体１８とで構成される正極Ｃが積層され、負極Ａと正極Ｃとの間に電解液層１４及びセパレータ２０を有する構成を有している。したがって、本実施形態のリチウムイオン二次電池１では、負極Ａと正極Ｃとの間に気密性のある空間を有し、当該空間に電解液が充填されて電解液層１４が形成され、セパレータ２０にも電解液が含浸された構成を有している。

セパレータ２０としては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独又は併用することができる。セパレータ２０を構成する材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。

また、セパレータ２０には、例えばアクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタアクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等のポリマーと電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。

電解液層１４を構成する電解液には、リチウム塩と有機溶媒とを含む従来公知の電解液を用いることができる。リチウム塩としては、例えば六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ_４）及びリチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド（ＬｉＴＦＳＩ）等が挙げられる。また、有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、ジエチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネート等が挙げられ、これらの混合物を用いることもできる。

正極集電体１８上には、負極集電体１０上の凸状の線状負極活物部１２ａからなる負極活物質層１２と同様にして、正極活物質材料を含む凸状の線状正極活物質部１６ａからなる正極活物質層１６が設けられている。ただし、本実施形態のリチウムイオン二次電池１においては、上記のように、線状負極活物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとは、角度α_１で交差するように配置されている。

正極集電体１８としては、本発明の属する技術分野において公知の材料を用いることができるが、例えば銅箔等の金属膜であればよい。また、負極集電体１０と同様に、正極集電体１８は、絶縁性の基材の表面に形成されていてもよい。このような基材としては絶縁性材料で形成された平板状部材を用いればよく、かかる絶縁性材料としては、例えば樹脂、ガラス又はセラミックス等が挙げられる。また、基材は可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。

線状正極活物質部１６ａが含む正極活物質（粉末）としては、例えば、リチウム含有複合金属酸化物、カルコゲン化合物、二酸化マンガン等が挙げられる。リチウム含有複合金属酸化物は、リチウムと遷移金属とを含む金属酸化物又は該金属酸化物中の遷移金属の一部が異種元素によって置換された金属酸化物である。ここで、異種元素としては、例えば、Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂ等が挙げられ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｇ等が好ましい。異種元素は１種でも又は２種以上でもよい。これらのなかでも、リチウム含有複合金属酸化物を好ましく使用できる。リチウム含有複合金属酸化物としては、例えば、Ｌｉ_ｘＣｏＯ_２、Ｌｉ_ｘＮｉＯ_２、Ｌｉ_ｘＭｎＯ_２、Ｌｉ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_１−ｙＯ_２、Ｌｉ_ｘＣｏ_ｙＭ_１−ｙＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＮｉ_１−ｙＭ_ｙＯ_ｚ、Ｌｉ_ｘＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_ｘＭｎ_２−ｙＭ_ｙＯ_４、ＬｉＭＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭＰＯ_４Ｆ（前記各式中、例えば、ＭはＮａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｖ及びＢよりなる群から選ばれる少なくとも１種。０＜ｘ≦１．２、０＜ｙ≦０．９、２．０≦ｚ≦２．３）、ＬｉＭｅＯ_２（式中、Ｍｅ＝ＭｘＭｙＭｚ;Ｍｅ及びＭは遷移金属、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）等が挙げられる。リチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２等が挙げられる。ここで、上記各式中リチウムのモル比を示すｘ値は、充放電により増減する。また、カルコゲン化合物としては、例えば二硫化チタン、二硫化モリブデン等が挙げられる。正極活物質は１種を単独で使用でき２種以上を併用してもよい。正極活物質層１６には、負極活物質層１２に関して上記に記載した導電助剤を含めてもよい。

上記のように、負極集電体１０、負極活物質層１２、電解液層１４、セパレータ２０、電解液層１４、正極活物質層１６及び正極集電体１８によって、本実施形態のリチウムイオン二次電池１が形成されている。

なお、このリチウムイオン電池二次電池１には、図示しないが、適宜タブ電極が設けられていてもよく、また、複数のリチウムイオン電池二次電池１を直列及び／又は並列に接続してリチウムイオン二次電池装置を構成することもできる。

このような構造を有する本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、薄型で折り曲げ可能に構成することもできる。また、負極活物質層１２及び正極活物質層１６を図示したような凹凸を有する立体的構造として、その体積に対する表面積を大きくしているので、負極活物質層１２及び正極活物質層１６それぞれと電解質液１４との接触面積を大きく確保でき、高効率・高出力が得られる。このように、本実施形態のリチウムイオン二次電池１は小型で高性能とすることが可能である。

次に、上記した本実施形態における電極及びリチウムイオン二次電池１を製造する方法について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池１を製造する際には、まず、負極集電体１０において、図３に示すように、図１及び図２における矢印Ｙの方向に対して角度α_１で交差する矢印Ｙ_１の方向に沿って、線状負極活物質部１２ａを形成して負極活物質層１２を有する負極Ａを作製する（第１電極形成工程）。正極集電体１８においては、図１及び図２における矢印Ｙの方向に沿って、線状正極活物質部１６ａを形成して正極活物質層１６を有する正極Ｃを作製する（第２電極形成工程）。

ついで、上記の負極Ａと正極Ｃとを、図１に示すように、線状負極物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとが対向するように、セパレータ２０を介在させて、負極Ａと正極Ｃとを積層する。このとき、図１における矢印Ｚ_１からみて、負極集電体１０の外周と正極集電体１８の外周部とは一致するように、負極Ａ及び正極Ｃを積層する（積層体形成工程）。

そして、例えば、封止材等を用いる従来の方法で負極Ａと正極Ｃとの間に気密性のある密閉空間を形成し、ここに電解液を充填して電解液層１４を形成するとともに、セパレータ２０にも電解液を含浸させ、本実施形態のリチウムイオン二次電池１を作製する。

第１電極形成工程において、線状負極活物部１２ａは、（ア）負極活物質を含む負極活物質材料を線状に吐出するノズルを負極集電体１０に対して相対移動させ、負極集電体１０上に負極活物質材料からなる複数本の凸状の線状負極活物質部１２ａを形成する塗布工程（即ち、ノズルディスペンス法を用いた塗布工程）、及び、（イ）線状負極活物質部１２ａを乾燥させる乾燥工程により形成することができる。

上記（ア）の塗布工程では、図３の（ａ）に示すように、負極集電体１０の主面上（即ち、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向とで規定されるＸＹ平面上）において、矢印Ｙの方向に対して角度α_１の角度を有する矢印Ｙ_１の方向に線状負極集電体１０を搬送させる。これにより、ノズル４０を負極集電体１０に対して相対移動させる。搬送される負極集電体１０の表面には、ノズル４０から、ペースト状の負極活物質材料が凸状の線状負極活物質部１２ａを形成するように吐出される。本実施形態においては、ノズル４０の位置は固定されており、負極集電体１０が搬送されることにより、ノズル４０が負極集電体１０に対して相対移動される。

ペースト状の負極活物質材料は、上記負極活物質と、上記導電助剤と、結着材と、溶剤等と、を常法により攪拌・混合（混練）して得られる混合物で構成され、ノズル４０から吐出できる範囲で種々の粘度を有すればよい。本実施形態においては、例えば、せん断速度１ｓ^−１で、下限１０Ｐａ・ｓ、上限１００００Ｐａ・ｓ程度であるのが好ましい。なお、各成分は溶剤に溶解していても分散していてもよい（一部が溶解して残部が分散している場合も含む。）。

また、上記塗布工程に用いる負極活物質材料の固形分割合は、負極活物質材料がノズル４０から吐出できるように種々の固形分割合を有することができるが、前記混合物の湿潤点における固形分割合よりも小さな固形分割合を有しており、例えば６０質量％であるのが好ましい。

これらの粘度及び固形分割合は、負極活物質、導電助剤、結着材及び溶剤等の成分の種類や配合量、寸法又は形状等によっても異なるが、上記負極活物質と、上記導電助剤と、結着材と、溶剤等と、を常法により攪拌・混合（混練）する際の混練時間の長さによって、調整することができる。

結着剤としては、本発明の技術分野で常用されるものを使用でき、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）、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルホン、ポリヘキサフルオロプロピレン、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンジエン共重合体、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエン等から選ばれるモノマー化合物の共重合体を結着剤として用いてもよい。結着剤は１種を単独で使用でき又は必要に応じて２種以上を組み合わせて使用できる。

溶剤としては、電解液層１４に含まれる六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等を分解しないように、水を除く有機溶媒を用いるのが好ましい。かかる有機溶媒としては、本発明の技術分野で常用されるものを使用でき、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアミン、アセトン、シクロヘキサノン等が挙げられる。有機溶媒は１種を単独で使用でき又は２種以上を混合して使用できる。

ここで、図３の（ａ）は、負極活物質層１２を構成する線状負極活物質部１２ａをノズルディスペンス法によって形成する様子を模式的に示す側面図（即ち、搬送される負極集電体１０の主面に対して略平行なＸ方向からみた場合にみえる図）であり、図３の（ｂ）は、負極活物質層１２を構成する線状負極活物質部１２ａをノズルディスペンス法によって形成する様子を模式的に示す斜視図である。

このノズルディスペンス法では、塗布液である負極活物質材料を吐出するための吐出口が複数設けられたノズル４０を、負極集電体１０上方に配置し、その吐出口から一定量の負極活物質材料を吐出させながら、負極集電体１０をノズル４０に対して相対的に矢印Ｙ_１の方向に一定速度で搬送させる。こうすることで、負極集電体１０上には、Ｙ_１方向に沿って負極活物質材料からなる複数本の凸状の線状負極物質活部１２ａが形成されてストライプ状のラインアンドスペースのパターン形状となるように塗布される。

ノズル４０に複数の吐出口を設けることにより、複数本の凸状の線状負極活物質部１２ａが形成されてストライプ状とすることができ、負極集電体１０の搬送を続けることにより、負極集電体１０の全面に延びる凸状の線状負極活物質部１２ａをストライプ状に形成することができる。

上記のように形成された負極活物質材料からなる複数本の凸状の線状負極物質活部１２ａは、まだ溶剤等を含むいわば塗布膜の状態であるため、線状負極物質活部１２ａが設けられた負極集電体１０は、例えば乾燥手段である送風機等の下側領域を通り抜けるように搬送され、ドライエアーによって乾燥工程が実施される。これにより、負極集電体１０と、負極集電体１０の表面に形成された線状負極物質活部１２ａからなる負極活物質層１２と、を含む負極Ａが得られる。

乾燥工程の乾燥温度及び乾燥時間は、当業者であれば適宜選択することができる。乾燥温度は、線状負極物質活部１２ａを乾燥させてその形状を固定させ得る範囲であればよく、例えば５℃〜１５０℃の範囲内、好ましくは常温（２３℃）〜８０℃の範囲内の温度であればよい。また、乾燥時間は、負極集電体１０の搬送速度によって制御することもできる。

次に、正極集電体１８上への正極活物質層１６の形成も、負極集電体１０上への負極活物質層１２の形成と同様にして実施することができ、これにより正極Ｃを得ることができる。ただし、本実施形態においては、上記のように、線状負極活物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとが角度α_１を有しているため、略矩形の正極集電体１８の対向する２辺に平行な方向にノズルが搬送するように、正極集電体１８とノズルとを相対移動させる。

上記のようにして得られた負極Ａと正極Ｃとを、負極活物質層１２と正極活物質層１６とを気密性のある空間にセパレータ２０を介して対向させた状態で積層し、セパレータ２０及び当該空間に電解液を充填して電解液層１４を形成し、本実施形態のリチウムイオン二次電池１を作成する。

≪第一変形態様≫
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえた場合に、１つの線状負極活物質部１２ａが１箇所において線状正極活物質部１６ａと交差する場合について説明したが、１つの線状負極活物質部が複数箇所において線状正極活物質部と交差していてもよい。

図４は、上記実施形態のリチウムイオン二次電池１の第一の変形態様に係るリチウムイオン二次電池２おいて、図２と同様に図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる線状負極活物質部２２ａと線状正極活物質部３６ａとの位置関係を示す概略図である。

この第二変形態様においては、負極集電体１０上において、負極活物質層１２を構成する複数本の凸状の線状負極活物質部２２ａが、図４に示すように、負極集電体１０上において矢印Ｙの方向に対して角度α_２（＞α_１）で交差して延びるように、間隔をおいて形成されている。これに対し、正極集電体１８上において、正極活物質層１６を構成する複数本の凸状の線状正極活物質部２６ａは、図４に示すように、矢印Ｙの方向に沿って延びるように、間隔をおいて形成されている。これにより、１つの線状負極活物質部２２ａが部分Ｃ_１及び部分Ｃ_２の２箇所において線状正極活物質部２６ａと交差している。

このような構成を有するリチウムイオン二次電池２によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する線状負極活物質部２２ａ及び線状正極活物質部２６ａで構成された負極活物質層及び正極活物質層を具備していても、積層した状態で、凸状の線状負極活物質部２２ａが、対向する凸状の線状正極活物質部２６ａの間に入り込むことがない。

また、積層した状態で押圧されても、部分Ｃ_１及び部分Ｃ_２の２箇所において線状負極活物質部２２ａと線状正極活物質部２６ａとが接し得るためセパレータ２０にかかる力が分散され易く、したがってセパレータ２０の破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池２とすることができる。このようなリチウムイオン二次電池２も上記実施形態１のリチウムイオン二次電池１と同様にして作製することができる。

≪第二変形態様≫
また、例えば、上記実施形態及び第一変形態様においては、図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえた場合に、それぞれ図２及び図４に示すように、１つの線状負極活物質部１２ａ、２２ａが１箇所及び２箇所において線状正極活物質部１６ａ、２６ａと交差する場合について説明したが、線状負極活物質部が線状正極活物質部と略直交していてもよい。

図５は、上記実施形態のリチウムイオン二次電池１の第二の変形態様に係るリチウムイオン二次電池３おいて、図２と同様に図１における矢印Ｚ_１の方向から投影してみえる線状負極活物質部３２ａと線状正極活物質部３６ａとの位置関係を示す概略図である。

この第三変形態様においては、負極集電体１０上において、負極活物質層１２を構成する複数本の凸状の線状負極活物質部３２ａが、図５に示すように、負極集電体１０上において矢印Ｙの方向に対して角度α_３（＝９０°＞α_２＞α_１）で交差（略直交）して矢印Ｘの方向に延びるように、Ｘ方向に間隔をおいて形成されている。これに対し、正極集電体１８上において、正極活物質層１６を構成する複数本の凸状の線状正極活物質部３６ａは、図５に示すように、矢印Ｙの方向に沿って延びるように、間隔をおいて形成されている。これにより、１つの線状負極活物質部３２ａが部分Ｃ_１及び部分Ｃ_２の２箇所において線状正極活物質部３６ａと交差している。

このような構成を有するリチウムイオン二次電池３によれば、高アスペクト比の凹凸構造を有する線状負極活物質部３２ａ及び線状正極活物質部３６ａで構成された負極活物質層及び正極活物質層を具備していても、積層した状態で、凸状の線状負極活物質部３２ａが、対向する凸状の線状正極活物質部３６ａの間に入り込むことがない。

また、積層した状態で押圧されても部分Ｃ_１、部分Ｃ_２、部分Ｃ_３、部分Ｃ_４及び部分Ｃｎ（図示せず）の複数箇所において線状負極活物質部３２ａと線状正極活物質部３６ａとが接し得るため、セパレータ２０にかかる力が分散され易く、したがってセパレータ２０の破損をより効果的に防止でき、大容量で高速充放電特性に優れるセパレータタイプのリチウムイオン二次電池３とすることができる。なお、第二変形態様においては、線状負極活物質部３２ａと線状正極活物質部３６ａとの交差点は最大限となる。このようなリチウムイオン二次電池３も上記実施形態１のリチウムイオン二次電池１と同様にして作製することができる。

このような実施形態及び変形態様以外にも、本発明のリチウムイオン二次電池及びその製造方法は本発明の技術的思想の範囲内で、種々の形態を採り得る。

例えば、上記実施形態においては、略矩形の負極集電体１０に、図３に示すように、図１及び図２における矢印Ｙの方向に対して角度α_１で交差する方向に沿って、線状負極活物質部１２ａを形成して負極Ａを作製し、また、略矩形の正極集電体１８に、図１及び図２における矢印Ｙの方向に沿って、線状正極活物質部１６ａを形成して正極Ｃを作製し、ついで、負極Ａと正極Ｃとを、図１に示すように、線状負極物質部１２ａと線状正極活物質部１６ａとが対向するように、負極Ａと正極Ｃとを積層し、このとき、図１における矢印Ｚ_１からみて、負極集電体１０の外周と正極集電体１８の外周部とは一致するように、負極Ａ及び正極Ｃを積層した。

これに対し、例えば、負極集電体及び正極集電体において、同じ方向に延びるようにそれぞれ線状負極活物質部及び線状正極活物質部を形成して負極及び正極を作製して、負極集電体及び正極集電体の面に対して略垂直からみて線状負極活物質部と線状正極活物質部とが交差するように負極及び正極を回転させて積層してもよい。この場合、負極集電体及び正極集電体の形状は、この回転の角度を予め決定しておき、当該角度に応じて予め決定して揃えておけばよい。

また、本発明のリチウムイオン二次電池における線状負極活物質部及び線状正極活物質部の寸法や間隔は、上記実施形態及び変形態様に限定されるものではなく、適宜調整することが可能である。

また、上記実施形態及び変形態様においては、線状負極活物質部及び線状正極活物質部のいずれもが、それぞれ負極集電体及び正極集電体上において一定のスペースをおいて形成されている場合について説明したが、線状負極活物質部及び線状正極活物質部の基底部分（即ち、負極集電体及び正極集電体に面する部分）においては、隣接する線状負極活物質部同士又は線状正極活物質部同士が連続していてもよい。

なお、上記実施形態及び変形態様では、凹凸構造を有する必要のある線状負極活物質部及び線状正極活物質部の形成にはノズルディスペンス法による塗布を適用しているので、種々のパターンを短時間で形成することができる。また、微細パターンの作成にもノズルディスペンス法を好適に適用することが可能である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、各工程において適用する塗布方法は上記に限定されるものではなく、当該工程の目的に適うものであれば他の塗布方法を適用してもよい。また、例えば、上記の実施形態及び変形態様における電解液層は、セパレータを用いるのであれば、ゲル状の電解質層としてもよい。その場合、スピンコート法やスプレーコート法によって電解質材料を塗布してもよい。

１・・・リチウムイオン二次電池、
１０・・・負極集電体、
１２・・・負極活物質層、
１２ａ、２２ａ、３２ａ・・・線状負極活物質部、
１４・・・電解液層、
１６・・・正極活物質層、
１６ａ、２６ａ、３６ａ・・・線状正極活物質部、
１８・・・正極集電体、
２０・・・負極、
４０・・・ノズル。

Claims (8)

1. 第１集電体と、前記第１集電体の面上に設けられた複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第１活物質部と、を有する第１電極、
   第２集電体と、前記第２集電体の面上に設けられた複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第２活物質部と、を有する第２電極、及び
   前記第１電極と前記第２電極との間に位置するセパレータ、
   を含み、
   前記第１電極及び前記第２電極は、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが対向するように積層されており、
   前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが交差する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられ、
   前記線状第１活物質部の幅および前記線状第２活物質部の幅はそれぞれ１００〜１５０μｍであり、
   前記線状第１活物質部の間隔および前記線状第２活物質部の間隔はそれぞれ５０〜９０μｍであり、
   前記線状第１活物質部および前記線状第２活物質部の高さはそれぞれ５０〜１００μｍであること、
   を特徴とするリチウムイオン二次電池。
2. 前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と複数の前記線状第２活物質部とが交差する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられていること、
   を特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが略直交する位置関係で、前記第１電極と前記第２電極とが重ねられていること、
   を特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
4. 第１集電体の面上に複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第１活物質部を形成して第１電極を得る第１電極形成工程、
   第２集電体の面上に複数の互いにスペースをおいて略平行な凸状の線状第２活物質部を形成して第２電極を得る第２電極形成工程、
   前記第１活物質部と前記第２活物質部とが対向するように、セパレータを介在させて前記第１電極と前記第２電極とを積層して積層体を得る積層体形成工程、
   を含み、
   前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部が前記線状第２活物質部と交差する位置関係となるように、前記第１電極と前記第２電極とを積層し、
   前記線状第１活物質部の幅および前記線状第２活物質部の幅はそれぞれ１００〜１５０μｍであり、
   前記線状第１活物質部の間隔および前記線状第２活物質部の間隔はそれぞれ５０〜９０μｍであり、
   前記線状第１活物質部および前記線状第２活物質部の高さはそれぞれ５０〜１００μｍであること、
   を特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
5. 前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部が複数の前記線状第２活物質部と交差する位置関係となるように、前記第１電極と前記第２電極とを積層すること、
   を特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
6. 前記積層体形成工程において、前記第１集電体及び前記第２集電体の面に対して略垂直な方向からみた場合に、前記線状第１活物質部と前記線状第２活物質部とが略直交する位置関係となるように、前記第１電極と前記第２電極とを積層すること、
   を特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
7. 前記第１電極形成工程は、活物質を含む活物質材料を線状に吐出するノズルを前記第１集電体に対して相対移動させ、前記第１集電体上に活物質材料からなる複数本の凸状の線状第１活物質部を形成する第１塗布工程を含み、
   前記第２電極形成工程は、活物質を含む活物質材料を線状に吐出するノズルを前記第２集電体に対して相対移動させ、前記第２集電体上に活物質材料からなる複数本の凸状の線状第２活物質部を形成する第２塗布工程を含み、
   前記第１塗布工程における前記第１集電体に対するノズルの相対移動方向と、前記第２塗布工程における前記第２集電体に対するノズルの相対移動方向とは所定の角度で交差することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載にリチウムイオン二次電池の製造方法。
8. 前記第１塗布工程における前記第１集電体に対するノズルの相対移動方向、および、前記第２塗布工程における前記第２集電体に対するノズルの相対移動方向の少なくともいずれか一方は、前記第１集電体または前記第２集電体の辺に対して傾斜する方向であることを特徴とする請求項７に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。

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