JP6805570B2

JP6805570B2 - 蓄電池の製造方法及び蓄電池

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Publication number: JP6805570B2
Application number: JP2016122839A
Authority: JP
Inventors: 悠人成澤; 透小瀬村; 義貴上原; 伊藤　仁; 仁伊藤; 小川　止; 止小川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: JP2017228399A

Description

この発明は、蓄電池の製造方法及び蓄電池に関する。

特許文献１には三次元の電極構造を有する蓄電池が開示されている。

特開２０１４−１３０８１３号公報

上述のような蓄電池においては、電極層に集電層を積層した後は集電層のプレスを行えないことから、電極層と集電層との密着性を高めるために電極層を乾燥させる前に電極層の上に集電層が塗布されることが多い。

しかしながら、蓄電池の集電層は一般に箔によって形成されることから、電極層へ集電層を塗布した後に電極層を乾燥させようとすると、電極層に含まれる、スラリー粘度調整用の揮発溶媒が電極層と集電層との境界に溜まってしまう。その結果、電極層と集電層との密着性が低下し、電極層と集電層との間の電気抵抗が大きくなって蓄電池の性能（特にサイクル耐久性）が低下するという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、蓄電池の性能が低下するのを抑制する蓄電池の製造方法及び蓄電池を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、蓄電池の製造方法は、蓄電池を構成する正極層及び負極層のうち一方の電極層を第１の集電層に形成する第１電極形成工程と、前記一方の電極層に電解質層を形成する電解質層形成工程とを含む。さらに蓄電池の製造方法は、前記電解質層に他方の電極層を形成する第２電極形成工程と、前記他方の電極層に多孔質の材料で構成される第２の集電層を積層し、前記第２の集電層と前記他方の電極層との境界部分において前記第２の集電層の多孔質の網目が前記他方の電極層の一部に埋め込まれる第２集電層形成工程と、前記蓄電池のうち少なくとも前記他方の電極層を乾燥させる乾燥工程と、を含み、前記第２集電層の多孔質の網目の格子の幅が、前記他方の電極層に含まれる活物質の粒子径よりも小さいことを特徴とする。

この態様によれば、蓄電池の性能が低下するのを抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における蓄電池の構造を示す概念図である。図２は、本実施形態における蓄電池の製造方法のうち電極層の塗布工程から絶縁イオン透過層の塗布工程までの手順を説明する図である。図３は、蓄電池の製造方法のうち絶縁イオン透過層の乾燥工程から多孔質集電層の積層工程までの手順を説明する図である。図４は、蓄電池の製造方法のうち多孔質膜集電層の乾燥工程から蓄電池の完成までの手順を説明する図である。図５は、本実施形態における蓄電池の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。図６は、集電層を多孔質の材料により形成した蓄電池における集電層と電極層との密着性を説明する図である。図７は、電極層と多孔質集電層との接触面積と剥離強度との関係を説明する図である。図８は、図７に示した金属粒子集電層の剥離強度に関する説明図である。図９は、蓄電池の基板である集電層を多孔質の材料で形成した蓄電池の構造を示す概念図である。図１０は、本発明の第２実施形態における蓄電池の構造を示す概念図である。図１１は、本実施形態における蓄電池の製造方法のうち集電層の配置工程から電極層の形成工程までの一連の工程を説明する図である。図１２は、蓄電池の製造方法のうち電解質層の塗布工程から対極電極層の塗布工程までの一連の工程を説明する図である。図１３は、蓄電池の製造方法のうち多孔質集電層の積層工程から蓄電池の完成までの一連の工程を説明する図である。図１４は、本実施形態における蓄電池の製造方法に関する工程を示すフローチャートである。図１５は、本実施形態における蓄電池の製造方法に関する工程の他の例を示すフローチャートである。図１６は、電極層を構成する粒子径と、その電極層に積層される多孔質集電層におけるメッシュ幅との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における蓄電池１０の構造を示す断面図である。

蓄電池１０は、充電及び放電を交互に繰り返し行うことが可能な電池である。例えば、蓄電池１０は、電動車両に搭載され、電動車両の電動モータ等に電力を供給したり、電動モータによる回生電力を蓄えたりする。

蓄電池１０は、本実施形態ではリチウムイオン電池により実現される。蓄電池１０は、集電層１１、電極層１２、電解質層１３、対極電極層１４、及び多孔質集電層１５を有する。

集電層１１の表面には電極層１２が形成され、電極層１２の表面には電解質層１３が形成され、電解質層１３の表面には対極電極層１４が形成され、対極電極層１４には多孔質集電層１５が形成される。

集電層１１は、電池１０の基板であり、電子を通す第１集電層である。本実施形態の集電層１１は、電子を通しつつイオンを遮断するイオン隔壁である。集電層１１は、正極集電層及び負極集電層のうちの一方の集電層を構成する。正極集電層は、例えばアルミニウムなどにより形成され、負極集電層は、例えば銅などにより形成される。

電極層１２は、正極層及び負極層のうちの一方の電極層を構成する。正極層は、正極活物質の材料、例えばＬｉＣｏＯ₂（ＬＣＯ）により形成される。負極層は、負極活物質の材料、例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂（ＬＴＯ）により形成される。

電解質層１３は、正極層及び負極層の間でイオンを透過させるものの、正極層と負極層とを電気的に絶縁する絶縁性イオン透過層である。例えば、電解質層１３は、複数の固体電解質を連続して形成した薄膜であり、ポリエチレンオキサイド及びポリスチレンにより形成される。例えば、電解質層１３は、いわゆるセパレータにより実現される。

対極電極層１４は、電極層１２の極性に対して反対の極性を有する電極層であり、正極層及び負極層のうちの他方の電極層を構成する。例えば、電極層１２が正極層である場合は、対極電極層１４が負極層となる。

多孔質集電層１５は、多数の孔を有する多孔質の材料により形成される集電層である。多孔質集電層１５は、集電層１１と同様の機能を有する。多孔質集電層１５は、正極集電層及び負極集電層のうちの他方の集電層を構成する。

本実施形態の多孔質集電層１５は、対極電極層１４の一部に多孔質集電層１５の格子状の網目（メッシュ）が埋め込まれるように形成される。

このように、蓄電池１０における一対の集電層のうち少なくとも一方の集電層を多孔質の材料で形成することにより、対極電極層１４に含まれるスラリー粘度調整用の揮発溶媒が多孔質集電層１５を介して蓄電池１０の外部に排出しやすくなる。このため、集電層を金属箔で形成する蓄電池に比べて対極電極層１４と多孔質集電層１５との境界に揮発溶媒が溜まって多孔質集電層１５が対極電極層１４から剥離するという事態を回避することができる。

さらに、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれていることから、金属箔の集電層に比べて多孔質集電層１５と対極電極層１４との密着性が高くなり、電子の移動量が増加するので、蓄電池１０の性能を向上させることができる。このような蓄電池１０を電動車両に搭載することにより、蓄電池１０から電動モータに電力を安定して供給することが可能となる。

次に本実施形態における蓄電池１０の製造方法の工程について図２乃至図４を参照して説明する。

図２は、蓄電池１０の製造方法における電極層１２の塗布工程から電解質層１３の塗布工程までの一連の工程を説明する図である。図２（ａ）は電極層１２の塗布工程を示し、図２（ｂ）は電極層１２の乾燥工程を示し、図２（ｃ）は電極層１２のプレス工程を示し、図２（ａ）は電解質層１３の塗布工程を示す。

まず、図２（ａ）に示すように、塗工装置のスリットダイヘッド９０１から集電層１１の表面（上）に対して揮発溶媒を含むスラリー状の電極材を塗布することにより、粘性の高い電極層１２が形成される。

続いて、図２（ｂ）に示すように、電極層１２の溶媒が揮発するように不図示の加温器を用いて電極層１２が加熱される。加温器は、例えば集電層１１の裏面（下）に配置される。

そして、図２（ｃ）に示すように、プレス装置９０２を用いて電極層１２がプレスされる。これにより、集電層１１及び電極層１２の密着性を確保すると共に電極層１２の密度を高めることができる。

その後、図２（ｄ）に示すように、塗工装置のスプレー手段９０３を用いて電解質層１３が電極層１２の表面に塗布される。

次に、蓄電池１０の製造方法のうち電解質層１３の塗布工程後に行われる工程について図３を参照して説明する。

図３は、蓄電池１０の製造方法のうち電解質層１３の乾燥工程から多孔質集電層１５の積層工程までの一連の工程を説明する図である。図３（ｅ）は電解質層１３の乾燥工程の一例を示し、図３（ｆ）は電解質層１３のプレス工程を示し、図３（ｇ）は電極層１２のプレス工程を示し、図３（ｈ）は電解質層１３の塗布工程を示す。

図２（ｄ）に示した電解質層１３の塗布工程が終了した後、図３（ｅ）に示すように、不図示の加温器を用いて電解質層１３の溶媒が揮発するよう電解質層１３が加熱される。加温器は、例えば集電層１１の裏面に配置される。

続いて、図３（ｆ）に示すように、プレス装置９０４を用いて電解質層１３がプレスされる。これにより、電解質層１３と電極層１２との密着性を確保すると共に電解質層１３の密度を高めることができる。

次に、図３（ｇ）に示すように、塗工装置のスリットダイヘッド９０５から電解質層１３の表面に対してスラリー状の電極材を塗布することにより、揮発溶媒を含む対極電極層１４が形成される。対極電極層１４は揮発溶媒を含んでいることから、対極電極層１４の粘度は高い。

その後、図３（ｈ）に示すように、粘度の高い対極電極層１４の表面に多孔質集電層１５が積層される。これにより、多孔質集電層１５と対極電極層１４との境界部分において多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれる。

次に多孔質集電層１５の積層工程後に行われる蓄電池１０の製造方法の工程について図４を参照して説明する。

図４は、蓄電池１０の製造方法のうち多孔質集電層１５の乾燥工程から蓄電池１０の完成までの手順を説明する図である。図４（ｉ）は多孔質集電層１５の乾燥工程を示し、図４（ｊ）は蓄電池１０が完成した状態を示す。

図３（ｈ）に示した多孔質集電層１５の積層工程が終了した後、図４（ｉ）に示すように、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれた状態で、対極電極層１４の揮発溶媒が乾燥するよう不図示の加温器を用いて対極電極層１４が加熱される。加温器は、例えば集電層１１の裏面に配置される。

多孔質集電層１５の乾燥工程においては、対極電極層１４の揮発溶媒が多孔質集電層１５の網目を通過していくので、金属箔の集電層を対極電極層１４に積層した蓄電池のように多孔質集電層１５と対極電極層１４との境界に揮発溶媒が溜まることはない。

したがって、多孔質集電層１５と対極電極層１４との間に揮発溶媒が溜まることなく、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれた状態で対極電極層１４が乾燥する。

そして、図４（ｊ）に示すように、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれた状態で対極電極層１４が固まるので、多孔質集電層１５をプレスすることなく、多孔質集電層１５と対極電極層１４の密着性を向上させることができる。

図５は、本実施形態における蓄電池１０の製造方法に関する工程を示すフローチャートである。以下では、塗工装置のスリットダイヘッド９０１及び９０３、プレス装置９０２及び９０４などを電池１０の製造装置という。

ステップＳ１０１において蓄電池１０の製造装置は、集電層１１の表面に対して揮発溶媒を含む電極層１２を形成する。

ステップＳ１０２において蓄電池１０の製造装置は、電極層１２の揮発溶媒を除去するために電極層１２を乾燥させる。

ステップＳ１０３において蓄電池１０の製造装置は、集電層１１と電極層１２との密着性を高めるために電極層１２をプレスする。

ステップＳ１０４において蓄電池１０の製造装置は、電極層１２の表面に電解質層１３を形成する。

ステップＳ１０５において蓄電池１０の製造装置は、電解質層１３の揮発溶媒を除去するために電解質層１３を乾燥させる。

ステップＳ１０６において蓄電池１０の製造装置は、集電層１１、電極層１２及び電解質層１３を互いに密着させるために電解質層１３をプレスする。

ステップＳ１０７において蓄電池１０の製造装置は、電解質層１３の表面に対して揮発溶媒を含む対極電極層１４を形成する。

ステップＳ１０８において蓄電池１０の製造装置は、スラリー状態の対極電極層１４の表面に多孔質集電層１５を積層する。これにより、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれることになる。

ステップＳ１０９において蓄電池１０の製造装置は、対極電極層１４の揮発溶媒を除去するために対極電極層１４を乾燥させる。これにより、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４の一部に埋め込まれた状態で対極電極層１４が固化するので、多孔質集電層１５と対極電極層１４との剥離強度を高めるこができ、多孔質集電層１５と対極電極層１４との電気抵抗を低減することができる。

ステップＳ１０９の対極電極層１４の乾燥工程が終了すると、蓄電池１０が完成して蓄電池１０の製造方法が終了する。

図６は、対極電極層１４及び多孔質集電層１５の接触面積と極電極層１４及び多孔質集電層１５の剥離強度との関係を説明する図である。

図６に示すように、対極電極層１４と多孔質集電層１５との接触面積が大きくなるほど、対極電極層１４と多孔質集電層１５との剥離強度は大きくなる。このため、多孔質集電層１５の網目を細かくするほど、対極電極層１４と多孔質集電層１５との接触面積が大きくなるので、対極電極層１４と多孔質集電層１５との剥離強度が大きくなる。

本実施形態の蓄電池１０においては、集電層が多孔質の材料で形成されていることから、金属箔で形成した集電層に比べて対極電極層１４と多孔質集電層１５との剥離強度を高めることができる。

図７は、対極電極層１４及び多孔質集電層１５の剥離強度と多孔質集電層１５のメッシュ幅との関係を説明する図である。ここにいうメッシュ幅とは、格子状に形成された多孔質集電層１５における網目の幅のことである。

図７には、対極電極層１４に対して、多孔質集電層１５との剥離強度特性が実線により示され、集電層を金属箔で形成した集電箔との剥離強度特性が点線により示され、金属粒子で形成した金属粒子集電層との剥離強度特性が破線により示されている。

図７に示すように、メッシュ幅が０．８ｍｍ（ミリメートル）以下においては、金属箔の集電層と対極電極層との剥離強度に比べて、多孔質集電層１５と対極電極層１４との剥離強度を高くすることができる。

破線により示された剥離強度特性は、金属粒子を最密充填構造で配置した金属粒子集電層と対極電極層１４との剥離強度を表わす。金属粒子集電層の構造については次図を参照して簡単に説明する。

図８は、金属粒子集電層９５を対極電極層９４に埋め込んだ理想的な蓄電池の構造を示す観念図である。図８（ａ）は、金属粒子を最密充填構造で配置した金属粒子集電層９５を示す俯瞰図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した金属粒子集電層９５と対極電極層９４との境界部分を示す断面図である。

図８（ｂ）には、金属粒子集電層９５を構成する金属粒子の半分が対極電極層９４に埋め込まれた状態で固化した蓄電池の一部が示されている。このような蓄電池については、金属箔の集電層を対極電極層に形成した蓄電池に比べて金属粒子集電層９５と対極電極層９４との密着性が、いわゆるアンカー効果により高くなる。

これに対し、図７に示したように、メッシュ幅が約０．４ｍｍよりも狭くなるよう多孔質集電層１５を形成することにより、金属粒子集電層９５と対極電極層９４との剥離強度に比べて多孔質集電層１５と対極電極層１４との剥離強度を高くすることができる。

このように、スラリー状態の対極電極層１４に対して、標準的な多孔質の材料で形成した多孔質集電層１５を積層した後に対極電極層１４を乾燥させることにより、多孔質集電層１５の網目が対極電極層１４に埋め込まれた蓄電池１０を製造することができる。

したがって、多孔質集電層１５と対極電極層１４との密着性を高めるために多孔質集電層１５をプレスすることなく、多孔質集電層１５と対極電極層１４との乖離強度を高めることができる。このため、多孔質集電層１５が対極電極層１４から乖離するという事態を抑制することができる。

第１実施形態によれば、蓄電池１０の製造方法において、蓄電池１０を構成する正極層及び負極層のうち一方の電極層１２を第１の集電層１１に形成する第１電極形成工程としてステップＳ１０１乃至Ｓ１０３の工程が行われる。そして、一方の電極層１２に電解質層１３を形成する電解質層形成工程としてステップＳ１０４乃至Ｓ１０６の工程が行われ、電解質層１３に他方の電極層１４を形成する第２電極形成工程としてステップＳ１０７の工程が行われる。さらに、他方の電極層１４に多孔質の材料で構成される第２の集電層１５を形成する第２集電層形成工程としてステップＳ１０８の工程が行われ、その後に他方の電極層１４を乾燥させる乾燥工程としてステップＳ１０９の工程が行われる。

このように、第２の集電層１５の積層後に他方の電極層１４を乾燥させることにより、多孔質の材料が埋め込まれた状態で、他方の電極層１４内の揮発溶媒が第２の集電層１５の多孔質の材料を通過するので、他方の電極層１４を固化させることができる。

したがって、第２の集電層を金属箔により形成した蓄電池に比べて、第２の集電層１５と他方の電極層１４との剥離強度を高めることができると共に、他方の電極層１４と第２の集電層１５との境界部分に溶媒が溜まって両者が剥離するという事態を回避できる。すなわち、蓄電池１０のサイクル耐久性が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、蓄電池１０は、第１の集電層１１と、第１の集電層１１に形成された電極層１２と、電極層１２に形成された電解質層１３と、電解質層１３に形成された他の電極層１４と、多孔質の材料により形成された第２の集電層１５とを有する。そして第２の集電層１５は、他の電極層１４に多孔質の材料が埋め込まれている。

このように、多孔質の材料で形成された第２の集電層１５の一部が他の電極層１４に埋め込まれているので、集電箔を積層した蓄電池に比べて第２の集電層１５と他の電極層１４との剥離強度が高くなる。これに加えて、第２の集電層１５と他の電極層１４との境界に揮発溶媒が溜まり難くなるので、第２の集電層１５と他の電極層１４との密着性が低下するのを抑制することができる。

したがって、第２の集電層１５と他の電極層１４との間の電気抵抗が大きくなり難くなるので、蓄電池１０の充放電性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では第１の集電層１１を金属箔によって形成する例について説明したが、第２の集電層１５と同様、第１の集電層１１についても多孔質の材料により形成するようにしてもよい。

図９は、金属箔の集電層１１に代えて多孔質集電層１１ａを形成した蓄電池１０の積層構造を示す断面図である。

図９に示すように、金属箔の集電層１１の代わりに多孔質集電層１１ａを形成することにより、多孔質集電層１５だけでなく多孔質集電層１１ａについても網目が電極層１２に埋め込まれる。このため、多孔質集電層１１ａと電極層１２との密着性についても向上するので、蓄電池１０における電子の移動量がさらに増加して電池性能がより一層向上する。

また、本実施形態では蓄電池１０は二次元の電極構造を有するものであったが、単位体積あたりの放電容量を向上させるために電極構造を複雑にした蓄電池であっても同様の作用効果が得られる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態における蓄電池２０の構造を示す断面図である。

蓄電池２０は、図１に示した蓄電池１０と同様のものであり、集電層２１、電極層２２、電解質層２３、対極電極層２４、及び多孔質集電層２５を有する。

集電層２１の表面には電極層２２が形成され、電極層２２の表面には電解質層２３が形成され、電解質層２３の表面には対極電極層１４が形成され、対極電極層１４には多孔質集電層２５が形成される。

集電層２１は、図１に示した集電層１１と同じ構成である。一方、電極層２２、電解質層２３及び対極電極層２４における電極構造は、電極層１２、電解質層１３及び対極電極層１４の二次元的な構造とは異なり、三次元の立体構造を有する。

本実施形態においては、電極層２２は断面形状が所定の間隔で凸状となるよう形成され、電解質層２３は電極層２２の形状に沿って形成され、対極電極層２４は電解質層２３の隙間を埋めるように形成される。なお、電極層２２の断面形状は、凸状に限られず、例えば三角形状や、台形状、波形状（山状）であってもよい。

多孔質集電層２５は、多孔質集電層１５と同様の機能を有し、多数の孔を有する多孔質の材料で形成される集電層である。多孔質集電層２５は、対極電極層２４の一部に多孔質集電層２５の網目が埋め込まれるように形成される。

このように、蓄電池２０の電極構造は三次元の構造であることから、対極電極層２４をプレスしてしまうと、電極層２２や対極電極層２４が損傷するおそれがある。そのような理由から、対極電極層２４に積層される集電層をプレスする工程は省略されることが多い。

本実施形態では、対極電極層２４に多孔質集電層２５を形成ことにより、対極電極層２４の一部に多孔質集電層２５の網目が埋め込まれるので、多孔質集電層２５をプレスすることなく、多孔質集電層１５と対極電極層１４との剥離強度を向上させることができる。さらに、対極電極層２４に集電箔を形成した蓄電池とは異なり、対極電極層２４と多孔質集電層２５との境界に揮発溶媒が溜まって多孔質集電層２５と対極電極層２４との密着性が低下するという事態を回避することができる。

次に本実施形態における蓄電池２０の製造方法の工程例について図１１乃至図１３を参照して説明する。

図１１は、蓄電池２０の製造方法における集電層２１の配置工程から電極層２２の形成工程までの一連の工程を説明する図である。図１１（ａ）は集電層２１の配置工程を示し、図１１（ｂ）は電極層２２の形成工程を示し、図１１（ｃ）は電極層２２の断面図を示す。

図１１（ａ）に示すように、吸着プレート９１１に蓄電池２０の基板である集電層２１が吸引される。集電層２１は、例えば銅箔により形成される。吸着プレート９１１は、多孔質の材料により構成される。吸着プレート９１１としては、吸引痕が箔に残ることの無いような材料が用いられ、例えば焼結金属体や、樹脂焼結体、パンチングプレートなどが挙げられる。

図１１（ｂ）に示すように、塗工装置９１２を用いて集電層２１の表面に揮発溶媒を含む電極層２２が形成される。ここでは電極層２２は正極電極層である。塗工装置９１２の塗工方式としては、例えば、スリットダイコータ方式や、ディスペンサー方式、インクジェット方式などが挙げられる。

本実施形態の塗工装置９１２は、スラリー状の電極材を蓄えるタンク９１２ａと、集電層２１へ電極材を吐出するスリットダイヘッド９１２ｂと、タンク９１２ａに蓄えられた電極材をスリットダイヘッド９１２ｂに供給するポンプ９１２ｃとを備える。さらに塗工装置９１２は、吸着プレート９１１を一方向に案内するガイド９１２ｄと、吸着プレート９１１が一方向に移動するようにガイド９１２ｄを駆動するモータ９１２ｅとを備える。

塗工装置９１２は、吸着プレート９１１を一方向に移動させながらタンク９１２ａからの電極材を集電層２１の表面に塗布することによりスラリー状態の電極層２２を形成する。なお、塗工装置９１２としては、吸着プレート９１１を固定してスリットダイヘッド９１２ｂを駆動する方式を採用した塗工装置が用いられてもよい。

図１１（ｃ）に示すように、電極層２２の断面形状は、塗工装置９１２により所定の間隔で突起部を有する形状、すなわち凹凸形状に形成される。すなわち、電極層２２の断面形状は櫛型形状である。その後、電極層２２の乾燥工程において、電極層２２が乾燥するよう、不図示の加温器を用いて電極層２２が加熱される。これにより、電極層２２に含まれる揮発溶媒が取り除かれる。

図１２は、蓄電池２０の製造方法のうち電解質層２３の配置工程から電解質層２３の形成工程までの一連の工程を説明する図である。図１２（ｄ）は電解質層２３の形成工程を示し、図１２（ｅ）は対極電極層２４の形成工程を示す。

図１２（ｄ）に示すように、塗工装置９１３を用いて電極層２２の表面に電解質層２３が形成される。塗工装置９１３の塗工方式としては、例えば、スプレー方式やインクジェット方式などが挙げられる。ここではセパレータ材料により電解質層２３が形成される。

本実施形態の塗工装置９１３は、セパレータ材料を蓄えるタンク９１３ａと、櫛型形状の電極層２２へセパレータ材料を吐出するスプレー手段９１３ｂと、タンク９１２ａに蓄えられたセパレータ材料をスプレー手段９１３ｂに供給するポンプ９１３ｃとを備える。さらに塗工装置９１３は、スプレー手段９１３ｂを一方向に案内するガイド９１３ｄと、スプレー手段９１３ｂが一方向に移動するようにガイド９１３ｄを駆動するモータ９１３ｅとを備える。

塗工装置９１３は、櫛型形状の電極層２２の表面を被覆するよう、スプレー手段９１３ｂを一方向に移動させながら電極層２２の表面にセパレータ材料を塗布する。これにより、櫛型形状の電極層２２の表面に、薄膜の電解質層２３がピンホール無く均一に、かつ、櫛型形状が残るように成膜される。

その後、電解質層２３の乾燥工程において、電解質層２３が乾燥するように不図示の加温器を用いて電解質層２３が加熱される。これにより、電解質層２３に含まれる揮発溶媒が取り除かれる。

次に、図１２（ｅ）に示すように、塗工装置９１４を用いて電解質層２３の表面に対して、揮発溶媒を含む対極電極層２４が形成される。ここでは対極電極層２４は負極電極層である。塗工装置９１４の塗工方式としては、例えば、スリットダイコータ方式や、ディスペンサー方式、インクジェット方式、カーテンコート方式などが挙げられる。

本実施形態の塗工装置９１４は、スラリー状の電極材を蓄えるタンク９１４ａと、電解質層２３へ電極材を吐出するスリットダイヘッド９１４ｂと、タンク９１４ａに蓄えられた電極材をスリットダイヘッド９１４ｂに供給するポンプ９１４ｃとを備える。さらに塗工装置９１４は、吸着プレート９１１を一方向に案内するガイド９１４ｄと、吸着プレート９１１が一方向に移動するようにガイド９１４ｄを駆動するモータ９１４ｅとを備える。

塗工装置９１４は、櫛型形状の電解質層２３の各溝にスラリー状の電極材を埋め込み、かつ、塗工表面が平坦になるよう、吸着プレート９１１を一方向に移動させながらタンク９１４ａから供給される電極材を電解質層２３の表面に塗布する。これにより、スラリー状態の対極電極層２４が形成される。

図１３は、蓄電池２０の製造方法のうち多孔質集電層２５の積層工程から蓄電池２０の完成までの一連の工程を説明する図である。図１３（ｆ）は多孔質集電層２５の積層工程を示し、図１３（ｇ）は多孔質集電層２５の乾燥工程を示し、図１３（ｈ）は蓄電池２０の完成した状態を示す。

図１２（ｅ）に示した対極電極層２４の形成工程が終了した後は、図１３（ｆ）に示すように、スラリー状態の対極電極層２４の表面に多孔質集電層２５が接合される。すなわち、多孔質集電層２５の網目に対極電極層２４が埋め込まれる。

ここではアルミニウムにより多孔質集電層２５が形成される。多孔質集電層２５を形成する多孔質の材料は、空孔が上面から下面まで貫通している貫通孔を多数有する。多孔質の材料としては、例えば、金網（メッシュ）や、パンチング箔、焼結体などが挙げられる。

なお、多孔質集電層２５を対極電極層２４に積層した状態において多孔質集電層２５の上からスラリー状の電極材を塗工するようにしてもよい。あるいは、多孔質集電層２５を積層する前において多孔質集電層２５の接合面にスラリー状の電極材を塗工してもよい。このような電極材については、対極電極層２４を形成する電極材よりも固形分比を下げておくことが望ましい。これにより、多孔質集電層２５と対極電極層２４との剥離強度をより一層高めることができる。

次に、図１３（ｇ）に示すように、多孔質集電層２５を対極電極層２４に積層した状態において、対極電極層２４が乾燥するよう加温器９１５を用いて対極電極層２４が他の層とともに加熱される。これにより、多孔質集電層２５における多数の空孔を介して対極電極層２４の揮発溶媒を除去することができる。これと共に集電層２１、電極層２２、及び電解質層２３に残留している揮発溶媒を除去することもできる。

このため、多孔質集電層２５の網目に対極電極層２４が埋め込まれた状態で対極電極層２４が固化するので、多孔質集電層２５と対極電極層２４との剥離強度が高まり、多孔質集電層２５が対極電極層２４から剥がれ難くなる。

そして、図１３（ｆ）に示すように３次元の電極構造を有する蓄電池２０が形成される。このような蓄電池２０に関しては、多孔質集電層２５をプレスすると電極層２２又は対極電極層２４の一部が崩れるおそれがある。この対策として、対極電極層２４を乾燥させる前において多孔質集電層２５を対極電極層２４に接合することにより、多孔質集電層２５をプレスすることなく、多孔質集電層２５と対極電極層２４との密着性を確保することができる。

なお、本実施形態では銅箔の集電層２１に負極の電極層２２を形成し、負極の電極層２２に電解質層２３を形成し、電解質層２３に正極の電極層２４を形成し、正極の電極層２４にアルミの多孔質集電層２５を積層したが、これに限られるものではない。

例えば、アルミ箔の集電層２１に正極の電極層２２を形成し、正極の電極層２２に電解質層２３を形成し、電解質層２３に負極の電極層２４を形成し、負極の電極層２４に銅の多孔質集電層２５を積層するようにしてもよい。

図１４は、本実施形態における蓄電池２０の製造方法に関する工程の一例を示すフローチャートである。図１４では、図１１乃至図１３に示した塗工装置９１２乃至９１４及び加温器９１５のことを蓄電池２０の製造装置という。

ステップＳ２０１において蓄電池２０の製造装置は、集電層２１の表面に対して櫛型形状の電極層２２を形成する。

ステップＳ２０２において蓄電池２０の製造装置は、電極層２２の揮発溶媒を除去するために電極層２２を乾燥させる。

ステップＳ２０３において蓄電池２０の製造装置は、電極層２２の表面に薄膜の電解質層１３を形成する。

ステップＳ２０４において蓄電池２０の製造装置は、電解質層２３の揮発溶媒を除去するために電解質層２３を乾燥させる。

ステップＳ２０５において蓄電池２０の製造装置は、電解質層２３の表面に対して櫛型形状の対極電極層２４を形成する。

ステップＳ２０６において蓄電池２０の製造装置は、スラリー状態の対極電極層２４に多孔質集電層２５を結合する。これにより、多孔質集電層２５の網目が対極電極層２４の一部に埋め込まれることになる。

ステップＳ２０７において蓄電池２０の製造装置は、対極電極層２４に含まれる揮発溶媒を除去するために対極電極層２４を乾燥させる。これにより、多孔質集電層２５の網目が対極電極層２４の一部に埋め込まれた状態で対極電極層２４が固化するので、多孔質集電層２５をプレスすることなく、多孔質集電層２５と対極電極層２４との剥離強度を高めるこができる。

ステップＳ２０７における対極電極層１４の乾燥工程が終了すると、蓄電池２０が完成して、蓄電池２０の製造方法についての一連の工程が終了する。

第２実施形態によれば、蓄電池２０の製造方法において、蓄電池２０を構成する正極層及び負極層のうち一方の電極層２２を第１の集電層２１に形成する第１電極形成工程としてステップＳ２０１及びＳ２０２の工程が行われる。そして、一方の電極層２２に電解質層２３を形成する電解質層形成工程としてステップＳ２０３及びＳ２０４の工程が行われ、電解質層２３に他方の電極層２４を形成する第２電極形成工程としてステップＳ２０５の工程が行われる。さらに、他方の電極層２４に多孔質の材料で構成される第２の集電層２５を形成する第２集電層形成工程としてステップＳ２０６の工程が行われ、その後に他方の電極層１４を乾燥させる乾燥工程としてステップＳ２０７の工程が行われる。

これにより、第１実施形態と同様、対極電極層２４と多孔質集電層２５との境界において揮発溶媒が溜まってその境界部分の剥離強度が低下することを回避することができる。さらに多孔質集電層２５の網目が対極電極層２４に埋め込まれるので、対極電極層２４と多孔質集電層２５との密着性が向上して電子の移動量が多くなり、蓄電池２０の効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、蓄電池２０において、一方の電極層２２が所定の間隔で凸部を有するように形成され、他方の電極層２４が薄膜の電解質層２３を介して一方の電極層２２に埋め込まれるように形成される。

これにより、蓄電池２０における一方の電極層２２及び他方の電極層２４の表面積が大きくなるので、単位体積あたりの充電容量を向上させることができる。

また、立体的な電極構造を有する蓄電池２０に関しては、一方の電極層２２又は他方の電極層２４の凸部が崩れるおそれがあるため、多孔質集電層２５のプレス工程が省略される場合がある。そのような場合であっても、多孔質集電層２５の網目が対極電極層２４に埋め込まれることから、プレス工程を省略したとしても対極電極層２４と多孔質集電層２５との剥離強度を確保することができる。このため、対極電極層２４及び多孔質集電層２５間の電気抵抗の増加を抑制することができる。

したがって、本実施形態によれば、蓄電池２０の充放電効率の低下を抑制しつつ、蓄電池２０の充電容量を向上させることができる。すなわち、蓄電池２０の性能を向上させることができる。

なお、本実施形態では電極層２２及び対極電極層２４の断面形状が櫛型形状であったが、波型形状や、三角形状、台形状などの凸形状であってもよい。すなわち、蓄電池２０は、電極層２２が蓄電池２０の厚さ方向とは異なる方向に対しても対極電極層２４と対向するものであってもよい。

このような複雑な構造の蓄電池２０においては第２の集電層２５のプレス工程が行えないことが多いため、プレス工程を行わなかったとしても第２の集電層２５と他方の電極層２４との剥離強度を上げることができる。したがって、蓄電池２０の充放電効率の低下を抑制しつつ単位体積あたりの充電容量を増大させることができる。

また、本実施形態の製造方法において複数の乾燥工程が行われたが、一部の乾燥工程を省略してもよい。一部の乾燥工程を省略した蓄電池２０の製造方法について次図を参照して説明する。

図１５は、本実施形態における蓄電池２０の製造方法に関する工程の他の例を示すフローチャートである。

この例では、図１４に示したステップＳ２０２及びＳ２０４の乾燥工程が省略されている。他の工程については、ステップＳ２０７ａの工程を除き、図１４に示した製造方法の工程と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。

ステップＳ２０７ａにおいて蓄電池２０の製造装置は、図１３（ｇ）に示した加温器９１５を用いて蓄電池２０を加熱する。これにより、電極層２２、電解質層２３、及び対極電極層２４の各層に含まれる揮発溶媒を一度に除去することができる。

このように、ひとつの乾燥工程で蓄電池２０を乾燥させることにより、対極電極層２４と多孔質集電層２５との密着性を確保しつつ、蓄電池２０の製造方法を簡略化して蓄電池２０の製造時間を短縮することができる。

なお、多孔質集電層１５及び２５については、メッシュ幅を大きくし過ぎると、多孔質集電層が対極電極層に埋まりすぎてしまう。この対策について次図を参照して簡単に説明する。

図１６は、対極電極層１４に含まれる活物質の粒子径と多孔質集電層１５のメッシュ幅との関係の一例を示す図である。

対極電極層１４には、一般に、活物質やバインダ、導電助剤などが含まれている。図１６に示すように、多孔質集電層１５は、多孔質集電層１５のメッシュ幅が対極電極層１４に含まれる活物質の粒子径よりも狭い多孔質の材料によって形成される。これにより、多孔質集電層１５が対極電極層１４に埋まり過ぎたり、対極電極層１４から多孔質集電層１５を通して活物質の粒子が離脱したりするという事態を回避することができる。すなわち、蓄電池１０の性能低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１１、２１集電層（第１の集電層）
１２、２２電極層（一方の電極層）
１３、２３電解質層
１４、２４対極電極層（他方の電極層）
１５、２５多孔質集電層（第２の集電層）
Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ２０１〜Ｓ２０２（第１電極形成工程）
Ｓ１０４〜Ｓ１０６、Ｓ２０３〜Ｓ２０４（電解質層形成工程）
Ｓ１０７、Ｓ２０５（第２電極形成工程）
Ｓ１０８、Ｓ２０６（第２集電層形成工程）
Ｓ１０９、Ｓ２０７（乾燥工程）

Claims

蓄電池を構成する正極層及び負極層のうち一方の電極層を第１の集電層に形成する第１電極形成工程と、
前記一方の電極層に電解質層を形成する電解質層形成工程と、
前記電解質層に他方の電極層を形成する第２電極形成工程と、
前記他方の電極層に多孔質の材料で構成される第２の集電層を積層し、前記第２の集電層と前記他方の電極層との境界部分において前記第２の集電層の多孔質の網目が前記他方の電極層の一部に埋め込まれる第２集電層形成工程と、
前記蓄電池のうち少なくとも前記他方の電極層を乾燥させる乾燥工程と、
を含み、
前記第２の集電層の多孔質の網目の格子の幅が、前記他方の電極層に含まれる活物質の粒子径よりも小さいことを特徴とする蓄電池の製造方法。
請求項１に記載の蓄電池の製造方法であって、
前記一方の電極層は、多孔質の材料により形成される、
蓄電池の製造方法。
蓄電池を構成する正極層及び負極層のうち一方の電極層を第１の集電層に形成する第１電極形成工程と、
前記一方の電極層に電解質層を形成する電解質層形成工程と、
前記電解質層に他方の電極層を形成する第２電極形成工程と、
前記他方の電極層に多孔質の材料で構成される第２の集電層を積層し、前記第２の集電層と前記他方の電極層との境界部分において前記第２の集電層の多孔質の網目が前記他方の電極層の一部に埋め込まれる第２集電層形成工程と、
前記蓄電池のうち少なくとも前記他方の電極層を乾燥させる乾燥工程と、
を含み、
前記一方の電極層は、所定の間隔で凸部を有するように形成され、
前記他方の電極層は、前記電解質層を介して前記一方の電極層に埋め込まれるように形成されることを特徴とする蓄電池の製造方法。
蓄電池を構成する第１の集電層と、
前記第１の集電層に形成される電極層と、
前記電極層に形成される電解質層と、
前記電解質層に形成される他の電極層と、
多孔質の材料により形成され、前記他の電極層の一部に前記多孔質の網目が埋め込まれた第２の集電層と、
を含み、
前記多孔質の網目の格子の幅が、前記他の電極層に含まれる活物質の粒子径よりも小さいことを特徴とする蓄電池。