JPWO2020090801A1 - コイン形リチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

リフロー方式によるはんだ付け用のコイン形リチウム二次電池（１）は、リチウム複合酸化物を含む正極（２）と、負極（３）と、正極（２）と負極（３）との間に設けられるとともに電解液（４２）を含む電解質層（４）と、正極（２）、負極（３）および電解質層（４）を収容する密閉空間を有する外装体（５）とを備える。正極（２）および負極（３）の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率が、３．０質量％以下である。これにより、はんだリフローによる性能の低下が抑制されたコイン形リチウム二次電池（１）を実現することができる。

Description

本発明は、リフロー方式によるはんだ付け用のコイン形リチウム二次電池に関する。
［関連出願の参照］
本願は、２０１８年１０月３０日に出願された日本国特許出願ＪＰ２０１８−２０４３９７からの優先権の利益を主張し、当該出願の全ての開示は、本願に組み込まれる。
従来、様々なコイン形二次電池が利用されている。例えば、特許第４３９２１８９号公報（文献１）では、リフロー方式によるはんだ付け用のコイン型二次電池が開示されており、正極活物質としてリチウム含有マンガン酸化物が用いられる。当該コイン型二次電池では、電解液に含まれるリチウム塩濃度を１．５〜２．５ｍｏｌ／ｌとすることにより、はんだリフローによる電解液とリチウム含有マンガン酸化物との反応を抑制し、良好なリフロー耐熱性が得られる。
なお、特許第５５８７０５２号公報（文献２）では、リチウム二次電池の正極が開示されており、当該正極の正極活物質層として、厚さが３０μｍ以上であり、空隙率が３〜３０％であり、開気孔比率が７０％以上であるリチウム複合酸化物焼結体板が利用される。また、国際公開第２０１７／１４６０８８号（文献３）では、固体電解質を備えるリチウム二次電池が開示されており、配向焼結体板が正極として利用される。配向焼結体板は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、複数の一次粒子が正極の板面に対して０°より大きく、３０°以下である平均配向角度で配向している。特開２０１５−１８５３３７号公報（文献４）には、電極にチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）焼結体を用いた全固体電池が開示されている。
既述のように、文献１では、電解液に含まれるリチウム塩濃度を所定範囲内に調整することにより、はんだリフローの熱による電解液と正極活物質との反応が抑制される。しかしながら、リフロー方式によるはんだ付け用のコイン形リチウム二次電池では、はんだリフローによる性能の低下が他の要因により生じることがある。
本発明は、リフロー方式によるはんだ付け用のコイン形リチウム二次電池に向けられており、はんだリフローによる性能の低下が抑制されたコイン形リチウム二次電池を実現することを目的としている。
本発明に係るコイン形リチウム二次電池は、リチウム複合酸化物を含む正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に設けられるとともに電解液を含む電解質層と、前記正極、前記負極および前記電解質層を収容する密閉空間を有する外装体とを備える。前記正極および前記負極の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率が、３．０質量％以下である。
本発明によれば、はんだリフローによる性能の低下が抑制されたコイン形リチウム二次電池を実現することができる。
本発明の一の好ましい形態では、前記正極および前記負極の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率が、０．００２質量％以上である。
本発明の他の好ましい形態では、前記負極が、リチウム複合酸化物を含む。
本発明の他の好ましい形態では、前記正極および前記負極のそれぞれが、焼結体である。
本発明の他の好ましい形態では、前記電解質層が、セラミックセパレータを含み、前記正極、前記セラミックセパレータおよび前記負極が一体的な焼結体である。
本発明の他の好ましい形態では、前記コイン形リチウム二次電池の厚さが０．７〜１．６ｍｍであり、前記コイン形リチウム二次電池の直径が１０〜２０ｍｍである。
本発明の他の好ましい形態では、はんだリフロー前における前記コイン形リチウム二次電池のエネルギー密度が、３５〜２００ｍＷｈ／ｃｍ３である。
本発明の他の好ましい形態では、はんだリフロー後における前記コイン形リチウム二次電池の電池容量が、はんだリフロー前における前記コイン形リチウム二次電池の電池容量の６５％以上である。
上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。
コイン形リチウム二次電池の構成を示す図である。 配向正極板の断面ＳＥＭ像を示す図である。 配向正極板の断面におけるＥＢＳＤ像を示す図である。 ＥＢＳＤ像における一次粒子の配向角度の分布を示すヒストグラムを示す図である。 回路基板アセンブリを示す側面図である。
＜コイン形リチウム二次電池＞
図１は、本発明の一の実施の形態に係るコイン形リチウム二次電池１の構成を示す図である。コイン形リチウム二次電池１（以下、単に「コイン形二次電池１」ともいう。）は、正極２と、負極３と、電解質層４と、外装体５とを備える。後述するように、正極２は、リチウム複合酸化物を含む。電解質層４は、正極２と負極３との間に設けられ、電解液４２を含む。外装体５は、内部に密閉空間を有する。正極２、負極３および電解質層４は、当該密閉空間に収容される。コイン形二次電池１は、リフロー方式によるはんだ付け用であり、はんだリフローにより配線基板に電気的に接続されて実装される。
リチウム複合酸化物を含む正極２では、製造途上におけるリチウムの反応等により炭酸リチウムが含まれることがある。後述するように、負極３がリチウム複合酸化物を含む場合も同様である。コイン形二次電池１では、正極２および負極３の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率（以下、単に「電極中の炭酸リチウムの比率」という。）が、３．０質量％以下である。電極中の炭酸リチウムの比率は、正極２および負極３の全体に対して含まれる炭酸リチウムの質量を、正極２および負極３の全体の質量で除することにより得られる。電極中の炭酸リチウムの比率は、既述のはんだリフロー前のコイン形二次電池１における値である。
ところで、はんだリフローの際には、コイン形二次電池１が所定時間の間、高温（例えば、２００〜２６０℃）に加熱される。このとき、電極中の炭酸リチウムの比率が５．０質量％である比較例のコイン形二次電池では、電池性能が低下してしまう。はんだリフローによる性能の低下の理由は明確ではないが、はんだリフローの際における電極中の炭酸リチウムと電解液等との反応が、電極に何らかの影響を与えることが一因として考えられる。炭酸リチウムと電解液等とが反応して、ガスが発生することが一因である可能性もある。
これに対し、図１のコイン形二次電池１では、電極中の炭酸リチウムの比率が３．０質量％以下であり、上記比較例のコイン形二次電池１に比べて、電極中の炭酸リチウムの比率が小さい。これにより、はんだリフローの際における炭酸リチウムと電解液４２等との反応が抑制され、はんだリフローによる性能の低下を抑制することが実現される。例えば、コイン形二次電池１では、はんだリフロー後における電池容量が、はんだリフロー前における電池容量の６５％以上（典型的には、１００％以下）である。好ましくは、はんだリフロー後における電池容量が、はんだリフロー前における電池容量の７５％以上である。コイン形二次電池１において、はんだリフローによる性能の低下をより確実に抑制するには、電極中の炭酸リチウムの比率が２．５質量％以下であることが好ましく、２．０質量％以下であることがより好ましく、１．５質量％以下であることがさらに好ましい。
電極中の炭酸リチウムの比率を小さくするには、リチウム複合酸化物を含む正極２の作製において、原料におけるリチウムの比率を小さくすることが有効である。また、コイン形二次電池１を組み立てる前に、正極２を水で洗浄する、すなわち、正極２中の炭酸リチウムを水に溶かして除去することにより、電極中の炭酸リチウムの比率を小さくすることも可能である。この場合、温水で正極２を洗浄することにより、電極中の炭酸リチウムの比率をさらに小さくすることが可能である。温水は、例えば４０℃以上であり、好ましくは５０℃以上であり、より好ましくは６０℃以上である。負極３がリチウム複合酸化物を含む場合、電極中の炭酸リチウムの比率がさらに大きくなりやすくなるが、正極２と同様に、負極３の原料におけるリチウムの比率を小さくする、または／および、負極３を水で洗浄することにより、電極中の炭酸リチウムの比率を小さくすることが可能となる。
電極中の炭酸リチウムの比率は、例えば、以下の手法で測定することが可能である。まず、正極２および負極３を粉砕した粒子を水に懸濁させ、所定時間静置した後、上澄み液が抽出される。上澄み液には、正極２および負極３から溶け出した炭酸リチウムが含まれる。続いて、上澄み液をＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）分析することにより、上澄み液に含まれる炭酸リチウムの質量が測定される。そして、炭酸リチウムの質量を、予め測定した正極２および負極３の合計質量で除することにより、電極中の炭酸リチウムの比率が求められる。
コイン形二次電池１では、電極中の炭酸リチウムの比率が過度に小さい場合に、はんだリフローによる性能の低下が十分に抑制されない場合がある。この理由は明確ではないが、電極の表面に炭酸リチウムがほとんど存在しないため、電極の活物質自体が電解液等と反応しやすくなり、電極が劣化することが一因として考えられる。電極中の炭酸リチウムの比率が過度に小さいことに起因した、はんだリフローによる性能の低下を抑制するには、電極中の炭酸リチウムの比率が、０．００２質量％以上であることが好ましく、０．００３質量％以上であることがより好ましい。コイン形二次電池１では、電極中の炭酸リチウムの比率を０．１０質量％以上としてもよい。
コイン形二次電池１の厚さ（後述する正極缶５１の平板部５１１の外面と、負極缶５２の平板部５２１の外面との間の距離）は、例えば０．７〜１．６ｍｍである。コイン形二次電池１を実装した、後述の回路基板アセンブリの薄型化を図るには、コイン形二次電池１の厚さの上限値は、好ましくは１．４ｍｍであり、より好ましくは１．２ｍｍである。正極２および負極３においてある程度の厚さを確保して電池容量を大きくするという観点では、コイン形二次電池１の厚さの下限値は、好ましくは０．８ｍｍであり、より好ましくは０．９ｍｍである。
コイン形二次電池１の直径（後述の正極缶５１の平板部５１１の直径）は、例えば１０〜２０ｍｍである。コイン形二次電池１を実装した回路基板アセンブリの小型化を図るには、コイン形二次電池１の直径の上限値は、好ましくは１８ｍｍであり、より好ましくは１６ｍｍである。正極２および負極３においてある程度のサイズを確保して電池容量を大きくするという観点では、コイン形二次電池１の直径の下限値は、好ましくは１０．５ｍｍであり、より好ましくは１１ｍｍである。
後述するように、好ましいコイン形二次電池１では、正極２としてリチウム複合酸化物焼結体板が用いられ、負極３としてチタン含有焼結体板が用いられる。これにより、リフロー方式によるはんだ付けを可能とする優れた耐熱性を有し、小型薄型でありながら高容量かつ高出力であり、しかも定電圧（ＣＶ）充電可能なコイン形リチウム二次電池が実現される。はんだリフロー前におけるコイン形二次電池１のエネルギー密度は、３５ｍＷｈ／ｃｍ３以上であることが好ましい。当該エネルギー密度の下限値は、より好ましくは４０ｍＷｈ／ｃｍ３であり、さらに好ましくは５０ｍＷｈ／ｃｍ３である。コイン形二次電池１のエネルギー密度の上限値は、特に限定されないが、例えば２００ｍＷｈ／ｃｍ３である。
正極２は、例えば、板状の焼結体である。正極２が焼結体であるということは、正極２がバインダーや導電助剤を含んでいないことを意味する。これは、グリーンシートにバインダーが含まれていたとしても、焼成時にバインダーが消失または焼失するからである。正極２が焼結体であることにより、はんだリフローに対して正極２の耐熱性を確保することができる。また、正極２がバインダーを含まないことにより、電解液４２による正極２の劣化も抑制される。正極２は、多孔質である、すなわち、気孔を含むことが好ましい。
既述のように、正極２はリチウム複合酸化物を含み、好ましい正極２は、リチウム複合酸化物焼結体板である。リチウム複合酸化物は、コバルト酸リチウム（典型的にはＬｉＣｏＯ２であり、以下、「ＬＣＯ」と略称する。）であることが特に好ましい。様々なリチウム複合酸化物焼結体板またはＬＣＯ焼結体板が知られており、例えば上記文献２（特許第５５８７０５２号公報）や上記文献３（国際公開第２０１７／１４６０８８号）に開示されるものを使用することができる。以下の説明では、正極２がリチウム複合酸化物焼結体板であるものとして説明するが、コイン形二次電池１の設計によっては、正極２は、焼結体以外であってもよい。他の正極２の一例は、リチウム複合酸化物を含む正極活物質、導電助剤およびバインダー等を含む正極合剤を塗布および乾燥させて作製した粉末分散型の正極（いわゆる塗工電極）である。
上記リチウム複合酸化物焼結体板は、リチウム複合酸化物で構成される複数の一次粒子を含み、複数の一次粒子が正極の板面に対して０°より大きく、３０°以下である平均配向角度で配向している、配向正極板であることが好ましい。
図２は、配向正極板の板面に垂直な断面ＳＥＭ像の一例を示す図であり、図３は、配向正極板の板面に垂直な断面における電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）像を示す図である。図４は、図３のＥＢＳＤ像における一次粒子２１の配向角度の分布を面積基準で示すヒストグラムを示す図である。図３に示されるＥＢＳＤ像では、結晶方位の不連続性を観測することができる。図３では、各一次粒子２１の配向角度が色の濃淡で示されており、色が濃いほど配向角度が小さいことを示している。配向角度とは、各一次粒子２１の（００３）面が板面方向に対して成す傾斜角度である。なお、図２および図３において、配向正極板の内部で黒表示されている箇所は気孔である。
配向正極板は、互いに結合された複数の一次粒子２１で構成された配向焼結体である。各一次粒子２１は、主に板状であるが、直方体状、立方体状および球状等に形成されたものが含まれていてもよい。各一次粒子２１の断面形状は特に制限されるものではなく、矩形、矩形以外の多角形、円形、楕円形、または、これら以外の複雑形状であってもよい。
各一次粒子２１はリチウム複合酸化物で構成される。リチウム複合酸化物とは、ＬｉｘＭＯ２（０．０５＜ｘ＜１．１０であり、Ｍは少なくとも１種類の遷移金属であり、Ｍは典型的にはＣｏ、ＮｉおよびＭｎの１種以上を含む。）で表される酸化物である。リチウム複合酸化物は層状岩塩構造を有する。層状岩塩構造とは、リチウム層とリチウム以外の遷移金属層とが酸素の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち酸化物イオンを介して遷移金属イオン層とリチウム単独層とが交互に積層した結晶構造（典型的にはα−ＮａＦｅＯ２型構造、すなわち立方晶岩塩型構造の［１１１］軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列した構造）をいう。リチウム複合酸化物の例としては、ＬｉｘＣｏＯ２（コバルト酸リチウム）、ＬｉｘＮｉＯ２（ニッケル酸リチウム）、ＬｉｘＭｎＯ２（マンガン酸リチウム）、ＬｉｘＮｉＭｎＯ２（ニッケル・マンガン酸リチウム）、ＬｉｘＮｉＣｏＯ２（ニッケル・コバルト酸リチウム）、ＬｉｘＣｏＮｉＭｎＯ２（コバルト・ニッケル・マンガン酸リチウム）、ＬｉｘＣｏＭｎＯ２（コバルト・マンガン酸リチウム）等が挙げられ、特に好ましくはＬｉｘＣｏＯ２（コバルト酸リチウム、典型的にはＬｉＣｏＯ２）である。リチウム複合酸化物には、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、ＢｉおよびＷから選択される１種以上の元素が含まれていてもよい。また、これらの元素は、正極内に均一に存在しても良いし、表面に偏在して存在しても良い。表面に存在する場合は、均一に覆っても良いし、島状に存在しても良い。表面に存在する場合は、電解液との反応を抑制する働きが期待される。この場合、特に好ましくは、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ａｌである。
図３および図４に示されるように、各一次粒子２１の配向角度の平均値、すなわち平均配向角度は０°より大きく、３０°以下である。これにより、以下の様々な利点がもたらされる。第一に、各一次粒子２１が厚み方向に対して傾斜した向きに寝た状態になるため、各一次粒子同士の密着性を向上させることができる。その結果、ある一次粒子２１と当該一次粒子２１の長手方向両側に隣接する他の一次粒子２１との間におけるリチウムイオン伝導性を向上させることができるため、レート特性を向上させることができる。第二に、レート特性をより向上させることができる。これは、リチウムイオンの出入りに際して、配向正極板では、板面方向よりも厚み方向における膨張収縮が優勢となるため、配向正極板の膨張収縮がスムーズになるところ、それに伴ってリチウムイオンの出入りもスムーズになるからである。また、後述するように、正極２、セパレータ４１および負極３が一体的な焼結体として形成される場合には、上記のように膨張収縮が厚み方向に優勢となるため、配向正極板とセパレータとの接合界面でのせん断応力が発生しにくくなり、当該界面での良好な結合を維持しやすくなる。
一次粒子２１の平均配向角度は、以下の手法によって得られる。まず、図３に示されるような、９５μｍ×１２５μｍの矩形領域を１０００倍の倍率で観察したＥＢＳＤ像において、配向正極板を厚み方向に四等分する３本の横線と、配向正極板を板面方向に四等分する３本の縦線とを引く。次に、３本の横線と３本の縦線のうち少なくとも１本の線と交差する一次粒子２１すべての配向角度を算術平均することによって、一次粒子２１の平均配向角度を得る。一次粒子２１の平均配向角度は、レート特性の更なる向上の観点から、３０°以下が好ましく、より好ましくは２５°以下である。一次粒子２１の平均配向角度は、レート特性の更なる向上の観点から、２°以上が好ましく、より好ましくは５°以上である。
図４に示されるように、各一次粒子２１の配向角度は、０°から９０°まで広く分布していてもよいが、その大部分は０°より大きく、３０°以下である領域に分布していることが好ましい。すなわち、配向正極板を構成する配向焼結体は、その断面をＥＢＳＤにより解析した場合に、解析された断面に含まれる一次粒子２１のうち配向正極板の板面に対する配向角度が０°より大きく、３０°以下である一次粒子２１（以下、「低角一次粒子」という。）の合計面積が、断面に含まれる一次粒子２１（具体的には平均配向角度の算出に用いた３０個の一次粒子２１）の総面積に対して７０％以上であるのが好ましく、より好ましくは８０％以上である。これにより、相互密着性の高い一次粒子２１の割合を増加させることができるため、レート特性をより向上させることができる。また、低角一次粒子のうち配向角度が２０°以下であるものの合計面積は、平均配向角度の算出に用いた３０個の一次粒子２１の総面積に対して５０％以上であることがより好ましい。さらに、低角一次粒子のうち配向角度が１０°以下であるものの合計面積は、平均配向角度の算出に用いた３０個の一次粒子２１の総面積に対して１５％以上であることがより好ましい。
各一次粒子２１は、主に板状であるため、図２および図３に示されるように、各一次粒子２１の断面はそれぞれ所定方向に延びており、典型的には略矩形状となる。すなわち、配向焼結体は、その断面をＥＢＳＤにより解析した場合に、解析された断面に含まれる一次粒子２１のうちアスペクト比が４以上である一次粒子２１の合計面積が、断面に含まれる一次粒子２１（具体的には平均配向角度の算出に用いた３０個の一次粒子２１）の総面積に対して７０％以上であるのが好ましく、より好ましくは８０％以上である。これにより、一次粒子２１同士の相互密着性をより向上することができ、その結果、レート特性をより向上させることができる。一次粒子２１のアスペクト比は、一次粒子２１の最大フェレー径を最小フェレー径で除した値である。最大フェレー径は、断面観察した際のＥＢＳＤ像上において、一次粒子２１を平行な２本の直線で挟んだ場合における当該直線間の最大距離である。最小フェレー径は、ＥＢＳＤ像上において、一次粒子２１を平行な２本の直線で挟んだ場合における当該直線間の最小距離である。
配向焼結体を構成する複数の一次粒子の平均粒径が０．５μｍ以上であるのが好ましい。具体的には、平均配向角度の算出に用いた３０個の一次粒子２１の平均粒径が、０．５μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．７μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。これにより、リチウムイオンが伝導する方向における一次粒子２１同士の粒界数が少なくなって全体としてのリチウムイオン伝導性が向上するため、レート特性をより向上させることができる。一次粒子２１の平均粒径は、各一次粒子２１の円相当径を算術平均した値である。円相当径とは、ＥＢＳＤ像上において、各一次粒子２１と同じ面積を有する円の直径のことである。
正極２（例えば、リチウム複合酸化物焼結体板）では、気孔率が２０〜６０％であるのが好ましく、より好ましくは２５〜５５％、さらに好ましくは３０〜５０％、特に好ましくは３０〜４５％である。気孔による応力開放効果および高容量化が期待できるとともに、配向焼結体の場合、一次粒子２１同士の相互密着性をより向上できるため、レート特性をより向上させることができる。焼結体の気孔率は、正極板の断面をＣＰ（クロスセクションポリッシャ）研磨にて研磨した後に１０００倍率でＳＥＭ観察して、得られたＳＥＭ画像を２値化することで算出される。配向焼結体の内部に形成される各気孔の平均円相当径は特に制限されないが、好ましくは８μｍ以下である。各気孔の平均円相当径が小さいほど、一次粒子２１同士の相互密着性をさらに向上することができ、その結果、レート特性をさらに向上させることができる。気孔の平均円相当径は、ＥＢＳＤ像上の１０個の気孔の円相当径を算術平均した値である。円相当径とは、ＥＢＳＤ像上において、各気孔と同じ面積を有する円の直径のことである。配向焼結体の内部に形成される各気孔は、正極２の外部につながる開気孔であってもよいが、正極２を貫通していないことが好ましい。なお、各気孔は閉気孔であってもよい。
正極２（例えば、リチウム複合酸化物焼結体板）では、平均気孔径は０．１〜１０．０μｍであるのが好ましく、より好ましくは０．２〜５．０μｍ、さらに好ましくは０．３〜３．０μｍである。上記範囲内であると、大きな気孔の局所における応力集中の発生を抑制して、焼結体内における応力が均一に開放されやすくなる。
正極２の厚さは６０〜４５０μｍであるのが好ましく、より好ましくは７０〜３５０μｍ、さらに好ましくは９０〜３００μｍである。このような範囲内であると、単位面積当りの活物質容量を高めてコイン形二次電池１のエネルギー密度を向上するとともに、充放電の繰り返しに伴う電池特性の劣化（特に抵抗値の上昇）を抑制できる。
負極３は、例えば、板状の焼結体である。負極３が焼結体であるということは、負極３がバインダーや導電助剤を含んでいないことを意味する。これは、グリーンシートにバインダーが含まれていたとしても、焼成時にバインダーが消失または焼失するからである。負極３が焼結体であることにより、はんだリフローに対して負極３の耐熱性を確保することができる。また、負極３にバインダーが含まれず、負極活物質（後述のＬＴＯまたはＮｂ２ＴｉＯ７等）の充填密度が高くなることで、高容量や良好な充放電効率を得ることができる。負極３は、多孔質である、すなわち、気孔を含むことが好ましい。
好ましい負極３は、チタン含有焼結体板である。チタン含有焼結体板は、チタン酸リチウムＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（以下、「ＬＴＯ」という。）またはニオブチタン複合酸化物Ｎｂ２ＴｉＯ７を含むのが好ましく、より好ましくはＬＴＯを含む。なお、ＬＴＯは典型的にはスピネル型構造を有するものとして知られているが、充放電時には他の構造も採りうる。例えば、ＬＴＯは充放電時にＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（スピネル構造）とＬｉ７Ｔｉ５Ｏ１２（岩塩構造）の二相共存にて反応が進行する。したがって、ＬＴＯはスピネル構造に限定されるものではない。ＬＴＯ焼結体板は、例えば上記文献４（特開２０１５−１８５３３７号公報）に記載される方法に従って製造することができる。負極３は、ＬＴＯ以外のリチウム複合酸化物を含んでもよい。以下の説明では、負極３がチタン含有焼結体板であるものとして説明するが、コイン形二次電池１の設計によっては、負極３は、他の種類の電極であってもよい。他の負極３の一例は、負極活物質、導電助剤およびバインダー等を含む負極合剤を塗布および乾燥させて作製した粉末分散型の負極（いわゆる塗工電極）である。
上記チタン含有焼結体板は、複数の（すなわち多数の）一次粒子が結合した構造を有している。したがって、これらの一次粒子がＬＴＯまたはＮｂ２ＴｉＯ７で構成されるのが好ましい。
負極３の厚さは、７０〜５００μｍが好ましく、好ましくは８５〜４００μｍ、より好ましくは９５〜３５０μｍである。ＬＴＯ焼結体板が厚いほど、高容量および高エネルギー密度の電池を実現しやすくなる。負極３の厚さは、例えば、負極３の断面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）によって観察した場合における、略平行に観察される板面間の距離を測定することで得られる。
負極３を構成する複数の一次粒子の平均粒径である一次粒径は１．２μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．０２〜１．２μｍ、さらに好ましくは０．０５〜０．７μｍである。このような範囲内であるとリチウムイオン伝導性および電子伝導性を両立しやすく、レート性能の向上に寄与する。
負極３は気孔を含んでいるのが好ましい。負極３が気孔、特に開気孔を含むことで、電池に組み込まれた場合に、電解液を負極３の内部に浸透させることができ、その結果、リチウムイオン伝導性を向上することができる。これは、負極３内におけるリチウムイオンの伝導は、負極３の構成粒子を経る伝導と、気孔内の電解液を経る伝導の２種類があるところ、気孔内の電解液を経る伝導の方が圧倒的に速いためである。
負極３の気孔率は２０〜６０％が好ましく、より好ましくは３０〜５５％、さらに好ましくは３５〜５０％である。このような範囲内であるとリチウムイオン伝導性および電子伝導性を両立しやすく、レート性能の向上に寄与する。
負極３の平均気孔径は、例えば０．０８〜５．０μｍであり、好ましくは０．１〜３．０μｍ、より好ましくは０．１２〜１．５μｍである。このような範囲内であるとリチウムイオン伝導性および電子伝導性を両立しやすく、レート性能の向上に寄与する。
図１のコイン形二次電池１では、電解質層４が、セパレータ４１と、既述の電解液４２とを備える。セパレータ４１は、正極２と負極３との間に設けられる。セパレータ４１は、多孔質であり、電解液４２は、主としてセパレータ４１に含浸される。正極２および負極３が多孔質である場合には、電解液４２が正極２および負極３にも含浸される。セパレータ４１の厚さは３〜５０μｍであるのが好ましく、より好ましくは５〜４０μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍである。セパレータ４１の気孔率は３０〜９０％が好ましく、より好ましくは４０〜８０％である。
セパレータ４１は、原則としてリチウムを含まない材料により形成される。セパレータ４１は、セルロース製またはセラミック製のセパレータであるのが好ましい。セルロース製のセパレータは安価でかつ耐熱性に優れる点で有利である。また、セルロース製のセパレータは、広く用いられている、耐熱性に劣るポリオレフィン製セパレータとは異なり、それ自体の耐熱性に優れるだけでなく、耐熱性に優れる電解液成分であるγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）に対する濡れ性にも優れる。したがって、ＧＢＬを含む電解液を用いる場合に、電解液をセパレータに（弾かせることなく）十分に浸透させることができる。
一方、セラミック製のセパレータ（以下、「セラミックセパレータ」ともいう。）は、耐熱性に優れるのは勿論のこと、正極２および負極３と一緒に全体として１つの一体焼結体として製造できる利点がある。セラミックセパレータの場合、セパレータを構成するセラミックはＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮおよびコーディエライトから選択される少なくとも１種であるのが好ましく、より好ましくはＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２から選択される少なくとも１種である。上記一体焼結体を製造する場合に、正極２および負極３との接着性向上の観点から、セラミックセパレータがガラス成分を含有してもよい。セラミックセパレータの全体質量に対するガラス成分の質量の比率は、０．１〜５０質量％が好ましく、より好ましくは０．５〜４０質量％、さらに好ましくは０．５〜３０質量％である。セラミックセパレータへのガラス成分の添加は、セラミックセパレータの原料粉末にガラスフリットを添加することにより行われるのが好ましい。セラミックセパレータと正極２および負極３との接着性によっては、セラミックセパレータがガラス成分を含有しなくてもよい。
ところで、正極２、セパレータ４１および負極３の集合を「電極ユニット」として、個別に作製された正極２、セパレータ４１（例えば、セルロース製またはセラミック製のセパレータ）および負極３を重ね合わせることにより構成される電極ユニット（以下、「組立型電極ユニット」という。）では、正極２と負極３との相対的な位置がずれることがある。この場合、コイン形二次電池１の電池性能（例えば、電池容量）が想定よりも低くなってしまう。
一方、正極２、セラミックセパレータ４１および負極３となる３層構成のグリーンシートを所定の形状に打ち抜き、その後、焼成することにより、正極２、セラミックセパレータ４１および負極３が一体的な焼結体として構成される電極ユニット（以下、「一体型電極ユニット」という。）では、正極２と負極３との相対的な位置ずれを抑制することができる。その結果、想定通りの（すなわち理論容量に近い）高い電池性能を実現することが可能となる。積層方向に沿って見た場合に、正極２と負極３とが重なり合う領域の面積をＳｐｎ、正極２が負極３からはみ出した領域の面積をＳｐ、負極３が正極２からはみ出した領域を面積Ｓｎとして、［（Ｓｐ＋Ｓｎ）／Ｓｐｎ］×１００により求められる面積ずれ率は、１％未満であるのが好ましく、より好ましくは０．５％未満である。上記焼結体では、正極２、セラミックセパレータ４１および負極３が焼結により結合しており、正極２と負極３との相対的な位置ずれが事後的に発生することもない。また、正極２および負極３のうねり、または、反りを抑制することも可能となる。
電解液４２は特に限定されず、有機溶媒等の非水溶媒中にリチウム塩を溶解させた液等、リチウム電池用の市販の電解液を使用すればよい。特に、耐熱性に優れた電解液が好ましく、そのような電解液は、非水溶媒中にホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）を含むものが好ましい。この場合、好ましい非水溶媒は、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびプロピレンカーボネート（ＰＣ）からなる群から選択される少なくとも１種であり、より好ましくはＥＣおよびＧＢＬからなる混合溶媒、ＰＣからなる単独溶媒、ＰＣおよびＧＢＬからなる混合溶媒、または、ＧＢＬからなる単独溶媒であり、特に好ましくはＥＣおよびＧＢＬからなる混合溶媒、または、ＧＢＬからなる単独溶媒である。非水溶媒はγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）を含むことで沸点が上昇し、耐熱性の大幅な向上をもたらす。かかる観点から、ＥＣおよび／またはＧＢＬ含有非水溶媒におけるＥＣ：ＧＢＬの体積比は０：１〜１：１（ＧＢＬ比率５０〜１００体積％）であるのが好ましく、より好ましくは０：１〜１：１．５（ＧＢＬ比率６０〜１００体積％）、さらに好ましくは０：１〜１：２（ＧＢＬ比率６６．６〜１００体積％）、特に好ましくは０：１〜１：３（ＧＢＬ比率７５〜１００体積％）である。非水溶媒中に溶解されるホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）は分解温度の高い電解質であり、これもまた耐熱性の大幅な向上をもたらす。電解液４２におけるＬｉＢＦ４濃度は０．５〜２ｍｏｌ／Ｌであるのが好ましく、より好ましくは０．６〜１．９ｍｏｌ／Ｌ、さらに好ましくは０．７〜１．７ｍｏｌ／Ｌ、特に好ましくは０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌである。
電解液４２は添加剤としてビニレンカーボネート（ＶＣ）および／またはフルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）および／またはビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）をさらに含むものであってもよい。ＶＣおよびＦＥＣはいずれも耐熱性に優れる。したがって、かかる添加剤を電解液４２が含むことで、耐熱性に優れたＳＥＩ膜を負極３表面に形成させることができる。
図１の外装体５は、典型的には、正極缶５１と、負極缶５２と、ガスケット５３とを備える。正極缶５１は、平板部５１１と、周壁部５１２とを備える。平板部５１１は、円板状である。周壁部５１２は、平板部５１１の外周縁から突出する。正極缶５１は、正極２を収容する容器である。負極缶５２は、平板部５２１と、周壁部５２２とを備える。平板部５２１は、円板状である。周壁部５２２は、平板部５２１の外周縁から突出する。負極缶５２は、負極３を収容する容器である。コイン形二次電池１では、負極３がセパレータ４１を挟んで正極２と対向するように、負極缶５２が正極缶５１に対して配置される。正極缶５１および負極缶５２は、金属製である。例えば、正極缶５１および負極缶５２は、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属板をプレス加工（絞り加工）することにより形成される。
図１のコイン形二次電池１では、正極缶５１の周壁部５１２が、負極缶５２の周壁部５２２の外側に配置される。ガスケット５３は、絶縁性であり、周壁部５１２と周壁部５２２との間に設けられる環状部材である。外側に配置された周壁部５１２を塑性変形させる、すなわち、周壁部５１２をかしめることにより、正極缶５１がガスケット５３を介して負極缶５２に対して固定される。これにより、上記密閉空間が形成される。コイン形二次電池１では、負極缶５２の周壁部５２２が、正極缶５１の周壁部５１２の外側に配置されてもよい。ガスケット５３は、内側の周壁部５２２と正極２等との間にも充填されることが好ましい。ガスケット５３は、例えばポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、パーフルオロアルコキシアルカン、ポリクロロトリフルオロエチレン等の絶縁樹脂製である。中でも耐熱性に優れるポリフェニレンサルファイド、パーフルオロアルコキシアルカンが好ましい。ガスケット５３は、他の絶縁材料により形成される部材であってもよい。
正極缶５１および負極缶５２のそれぞれの板厚は、例えば０．０７５〜０．２５ｍｍである。このように、正極缶５１および負極缶５２の板厚を小さくすることにより、薄型のコイン形二次電池１において、正極２および負極３における、ある程度の厚さを確保することができ、電池容量を大きくすることが容易に可能となる。また、電極中の炭酸リチウムの比率が小さいコイン形二次電池１では、はんだリフローの際に、炭酸リチウムと電解液等とが反応して、ガスが発生することが抑制されるため、板厚が小さい正極缶５１および負極缶５２を採用することが可能となる。
コイン形二次電池１は、正極集電体６２および／または負極集電体６３をさらに備えているのが好ましい。正極集電体６２および負極集電体６３は特に限定されないが、好ましくは銅箔やアルミニウム箔等の金属箔である。正極集電体６２は正極２と正極缶５１との間に配置されるのが好ましく、負極集電体６３は負極３と負極缶５２との間に配置されるのが好ましい。また、正極２と正極集電体６２との間には接触抵抗低減の観点から正極側カーボン層６２１が設けられるのが好ましい。同様に、負極３と負極集電体６３との間には接触抵抗低減の観点から負極側カーボン層６３１が設けられるのが好ましい。正極側カーボン層６２１および負極側カーボン層６３１はいずれも導電性カーボンで構成されるのが好ましく、例えば導電性カーボンペーストをスクリーン印刷等により塗布することにより形成すればよい。その他の手法として、金属やカーボンを電極集電面にスパッタにて形成してもよい。金属種として、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌなどが一例として挙げられる。
＜組立型電極ユニットにおける正極の製造方法＞
好ましい正極２、すなわちリチウム複合酸化物焼結体板はいかなる方法で製造されたものであってもよいが、一例では、（ａ）リチウム複合酸化物含有グリーンシートの作製、（ｂ）所望により行われる過剰リチウム源含有グリーンシートの作製、並びに（ｃ）グリーンシートの積層および焼成を経て製造される。
（ａ）リチウム複合酸化物含有グリーンシートの作製
まず、リチウム複合酸化物で構成される原料粉末を用意する。この粉末は、ＬｉＭＯ２なる組成（Ｍは前述したとおりである。）の合成済みの板状粒子（例えばＬｉＣｏＯ２板状粒子）を含むのが好ましい。原料粉末の体積基準Ｄ５０粒径は０．３〜３０μｍが好ましい。例えば、ＬｉＣｏＯ２板状粒子の作製方法は次のようにして行うことができる。まず、Ｃｏ３Ｏ４原料粉末とＬｉ２ＣＯ３原料粉末とを混合して焼成（５００〜９００℃、１〜２０時間）することによって、ＬｉＣｏＯ２粉末を合成する。得られたＬｉＣｏＯ２粉末をポットミルにて体積基準Ｄ５０粒径０．２μｍ〜１０μｍに粉砕することによって、板面と平行にリチウムイオンを伝導可能な板状のＬｉＣｏＯ２粒子が得られる。このようなＬｉＣｏＯ２粒子は、ＬｉＣｏＯ２粉末スラリーを用いたグリーンシートを粒成長させた後に解砕する手法や、フラックス法や水熱合成、融液を用いた単結晶育成、ゾルゲル法等、板状結晶を合成する手法によっても得ることができる。得られたＬｉＣｏＯ２粒子は、劈開面に沿って劈開しやすい状態となっている。ＬｉＣｏＯ２粒子を解砕によって劈開させることで、ＬｉＣｏＯ２板状粒子を作製することができる。
上記板状粒子を単独で原料粉末として用いてもよいし、上記板状粉末と他の原料粉末（例えばＣｏ３Ｏ４粒子）との混合粉末を原料粉末として用いてもよい。後者の場合、板状粉末を配向性を与えるためのテンプレート粒子として機能させ、他の原料粉末（例えばＣｏ３Ｏ４粒子）をテンプレート粒子に沿って成長可能なマトリックス粒子として機能させるのが好ましい。この場合、テンプレート粒子とマトリックス粒子を１００：０〜３：９７に混合した粉末を原料粉末とするのが好ましい。Ｃｏ３Ｏ４原料粉末をマトリックス粒子として用いる場合、Ｃｏ３Ｏ４原料粉末の体積基準Ｄ５０粒径は特に制限されず、例えば０．１〜１．０μｍとすることができるが、ＬｉＣｏＯ２テンプレート粒子の体積基準Ｄ５０粒径より小さいことが好ましい。このマトリックス粒子は、Ｃｏ（ＯＨ）２原料を５００℃〜８００℃で１〜１０時間熱処理を行なうことによっても得ることができる。また、マトリックス粒子には、Ｃｏ３Ｏ４のほか、Ｃｏ（ＯＨ）２粒子を用いてもよいし、ＬｉＣｏＯ２粒子を用いてもよい。
原料粉末がＬｉＣｏＯ２テンプレート粒子１００％で構成される場合、または、マトリックス粒子としてＬｉＣｏＯ２粒子を用いる場合、焼成により、大判（例えば９０ｍｍ×９０ｍｍ平方）でかつ平坦なＬｉＣｏＯ２焼結体板を得ることができる。そのメカニズムは定かではないが、焼成過程でＬｉＣｏＯ２への合成が行われないため、焼成時の体積変化が生じにくい、または、局所的なムラが生じにくいことが予想される。
原料粉末を、分散媒および各種添加剤（バインダー、可塑剤、分散剤等）と混合してスラリーを形成する。スラリーには、後述する焼成工程中における粒成長の促進ないし揮発分の補償の目的で、ＬｉＭＯ２以外のリチウム化合物（例えば炭酸リチウム）が０．５〜３０ｍｏｌ％程度過剰に添加されてもよい。スラリーには造孔材を添加しないのが望ましい。スラリーは減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００〜１００００ｃＰに調整するのが好ましい。得られたスラリーをシート状に成形してリチウム複合酸化物含有グリーンシートを得る。こうして得られるグリーンシートは独立したシート状の成形体である。独立したシート（「自立膜」と称されることもある）とは、他の支持体から独立して単体で取り扱い可能なシートのことをいう（アスペクト比が５以上の薄片も含む）。すなわち、独立したシートには、他の支持体（基板等）に固着されて当該支持体と一体化された（分離不能ないし分離困難となった）ものは含まれない。シート成形は、原料粉末中の板状粒子（例えばテンプレート粒子）にせん断力を印加可能な成形手法を用いて行われるのが好ましい。こうすることで、一次粒子の平均傾斜角を板面に対して０°より大きく、３０°以下にすることができる。板状粒子にせん断力を印加可能な成形手法としては、ドクターブレード法が好適である。リチウム複合酸化物含有グリーンシートの厚さは、焼成後に上述したような所望の厚さとなるように、適宜設定すればよい。
（ｂ）過剰リチウム源含有グリーンシートの作製（任意工程）
所望により、上記リチウム複合酸化物含有グリーンシートとは別に、過剰リチウム源含有グリーンシートを作製する。この過剰リチウム源は、Ｌｉ以外の成分が焼成により消失するようなＬｉＭＯ２以外のリチウム化合物であるのが好ましい。そのようなリチウム化合物（過剰リチウム源）の好ましい例としては炭酸リチウムが挙げられる。過剰リチウム源は粉末状であるのが好ましく、過剰リチウム源粉末の体積基準Ｄ５０粒径は０．１〜２０μｍが好ましく、より好ましくは０．３〜１０μｍである。そして、リチウム源粉末を、分散媒および各種添加剤（バインダー、可塑剤、分散剤等）と混合してスラリーを形成する。得られたスラリーを減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を１０００〜２００００ｃＰに調整するのが好ましい。得られたスラリーをシート状に成形して過剰リチウム源含有グリーンシートを得る。こうして得られるグリーンシートもまた独立したシート状の成形体である。シート成形は、周知の様々な方法で行いうるが、ドクターブレード法により行うのが好ましい。過剰リチウム源含有グリーンシートの厚さは、リチウム複合酸化物含有グリーンシートにおけるＣｏ含有量に対する、過剰リチウム源含有グリーンシートにおけるＬｉ含有量のモル比（Ｌｉ／Ｃｏ比）が好ましくは０．１以上、より好ましくは０．１〜１．１とすることができるような厚さに設定するのが好ましい。
（ｃ）グリーンシートの積層および焼成
下部セッターに、リチウム複合酸化物含有グリーンシート（例えばＬｉＣｏＯ２グリーンシート）、および、所望により過剰リチウム源含有グリーンシート（例えばＬｉ２ＣＯ３グリーンシート）を順に載置し、その上に上部セッターを載置する。上部セッターおよび下部セッターはセラミックス製であり、好ましくはジルコニアまたはマグネシア製である。セッターがマグネシア製であると気孔が小さくなる傾向がある。上部セッターは多孔質構造やハニカム構造のものであってもよいし、緻密質構造であってもよい。上部セッターが緻密質であると焼結体板において気孔が小さくなり、気孔の数が多くなる傾向がある。必要に応じて、過剰リチウム源含有グリーンシートは、リチウム複合酸化物含有グリーンシートにおけるＣｏ含有量に対する、過剰リチウム源含有グリーンシートにおけるＬｉ含有量のモル比（Ｌｉ／Ｃｏ比）が好ましくは０．１以上、より好ましくは０．１〜１．１となるようなサイズに切り出して用いられるのが好ましい。
下部セッターにリチウム複合酸化物含有グリーンシート（例えばＬｉＣｏＯ２グリーンシート）を載置した段階で、このグリーンシートを、所望により脱脂した後、６００〜８５０℃で１〜１０時間仮焼してもよい。この場合、得られた仮焼板の上に過剰リチウム源含有グリーンシート（例えばＬｉ２ＣＯ３グリーンシート）および上部セッターを順に載置すればよい。
そして、上記グリーンシートおよび／または仮焼板をセッターで挟んだ状態で、所望により脱脂した後、中温域の焼成温度（例えば７００〜１０００℃）で熱処理（焼成）することで、リチウム複合酸化物焼結体板が得られる。この焼成工程は、２度に分けて行ってもよいし、１度に行なってもよい。２度に分けて焼成する場合には、１度目の焼成温度が２度目の焼成温度より低いことが好ましい。こうして得られる焼結体板もまた独立したシート状である。
＜組立型電極ユニットにおける負極の製造方法＞
好ましい負極３、すなわちチタン含有焼結体板はいかなる方法で製造されたものであってもよい。例えば、ＬＴＯ焼結体板は、（ａ）ＬＴＯ含有グリーンシートの作製および（ｂ）ＬＴＯ含有グリーンシートの焼成を経て製造されるのが好ましい。
（ａ）ＬＴＯ含有グリーンシートの作製
まず、チタン酸リチウムＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２で構成される原料粉末（ＬＴＯ粉末）を用意する。原料粉末は市販のＬＴＯ粉末を使用してもよいし、新たに合成してもよい。例えば、チタンテトライソプロポキシアルコールとイソプロポキシリチウムの混合物を加水分解して得た粉末を用いてもよいし、炭酸リチウム、チタニア等を含む混合物を焼成してもよい。原料粉末の体積基準Ｄ５０粒径は０．０５〜５．０μｍが好ましく、より好ましくは０．１〜２．０μｍである。原料粉末の粒径が大きいと気孔が大きくなる傾向がある。また、原料粒径が大きい場合、所望の粒径となるように粉砕処理（例えばポットミル粉砕、ビーズミル粉砕、ジェットミル粉砕等）を行ってもよい。そして、原料粉末を、分散媒および各種添加剤（バインダー、可塑剤、分散剤等）と混合してスラリーを形成する。スラリーには、後述する焼成工程中における粒成長の促進ないし揮発分の補償の目的で、ＬＴＯ以外のリチウム化合物（例えば炭酸リチウム）が０．５〜３０ｍｏｌ％程度過剰に添加されてもよい。スラリーは減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００〜１００００ｃＰに調整するのが好ましい。得られたスラリーをシート状に成形してＬＴＯ含有グリーンシートを得る。こうして得られるグリーンシートは独立したシート状の成形体である。独立したシート（「自立膜」と称されることもある）とは、他の支持体から独立して単体で取り扱い可能なシートのことをいう（アスペクト比が５以上の薄片も含む）。すなわち、独立したシートには、他の支持体（基板等）に固着されて当該支持体と一体化された（分離不能ないし分離困難となった）ものは含まれない。シート成形は、周知の様々な方法で行いうるが、ドクターブレード法により行うのが好ましい。ＬＴＯ含有グリーンシートの厚さは、焼成後に上述したような所望の厚さとなるように、適宜設定すればよい。
（ｂ）ＬＴＯ含有グリーンシートの焼成
セッターにＬＴＯ含有グリーンシート載置する。セッターはセラミックス製であり、好ましくはジルコニア製またはマグネシア製である。セッターにはエンボス加工が施されているのが好ましい。こうしてセッター上に載置されたグリーンシートを鞘に入れる。鞘もセラミックス製であり、好ましくはアルミナ製である。そして、この状態で、所望により脱脂した後、焼成することで、ＬＴＯ焼結体板が得られる。この焼成は６００〜９００℃で０．１〜５０時間行うのが好ましく、より好ましくは７００〜８００℃で０．３〜２０時間である。こうして得られる焼結体板もまた独立したシート状である。焼成時の昇温速度は１００〜１０００℃／ｈが好ましく、より好ましくは１００〜６００℃／ｈである。特に、この昇温速度は、３００℃〜８００℃の昇温過程で採用されるのが好ましく、より好ましくは４００℃〜８００℃の昇温過程で採用される。
（ｃ）まとめ
上述のようにしてＬＴＯ焼結体板を好ましく製造することができる。この好ましい製造方法においては、１）ＬＴＯ粉末の粒度分布を調整する、および／または、２）焼成時の昇温速度を変えるのが効果的であり、これらがＬＴＯ焼結体板の諸特性の実現に寄与するものと考えられる。
＜一体型電極ユニットの製造方法＞
正極２、セラミックセパレータ４１および負極３の３層構成の一体型電極ユニット（一体焼結体）はいかなる方法で製造されたものであってもよいが、好ましくは、（１）３層の各々に対応するグリーンシートを作製し、（２）これらのグリーンシートを積層して圧着および焼成を施すことにより製造される。
（１）各種グリーンシートの作製
（１ａ）正極グリーンシートの作製
正極グリーンシートの作製は、例えば、上述の「組立型電極ユニットにおける正極の製造方法」における「（ａ）リチウム複合酸化物含有グリーンシートの作製」と同じである。もちろん、正極グリーンシートは他の手法により製造されてもよい。
（１ｂ）負極グリーンシートの作製
負極グリーンシートの作製は、例えば、上述の「組立型電極ユニットにおける負極の製造方法」における「（ａ）ＬＴＯ含有グリーンシートの作製」と同じである。もちろん、負極グリーンシートは他の手法により製造されてもよく、ＬＴＯ含有グリーンシート以外であってもよい。
（１ｃ）セパレータグリーンシートの作製
セパレータグリーンシートの作製は以下のように行うことができる。まず、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮおよびコーディエライトから選択される少なくとも１種のセラミック粉末を用意する。このセラミック粉末にはガラスフリットを添加させてもよい。原料粉末の体積基準Ｄ５０粒径は０．０５〜２０μｍが好ましく、より好ましくは０．１〜１０μｍである。原料粉末の粒径が大きいと気孔が大きくなる傾向がある。また、原料粒径が大きい場合、所望の粒径となるように粉砕処理（例えばポットミル粉砕、ビーズミル粉砕、ジェットミル粉砕等）を行ってもよい。そして、原料粉末を、分散媒および各種添加剤（バインダー、可塑剤、分散剤等）と混合してスラリーを形成する。スラリーには造孔材を添加しないのが望ましい。スラリーは減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００〜１００００ｃＰに調整するのが好ましい。得られたスラリーをシート状に成形してセパレータグリーンシートを得る。シート成形は、周知の様々な方法で行いうるが、ドクターブレード法により行うのが好ましい。セパレータグリーンシートの厚さは、焼成後に上述したような所望の厚さとなるように、適宜設定すればよい。
（２）グリーンシートの積層、圧着および焼成
次いで、正極グリーンシート、セパレータグリーンシートおよび負極グリーンシートを順に積み重ね、得られた積層体をプレスしてグリーンシート同士を圧着する。プレスは公知の手法により行えばよく特に限定されないが、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧法）により行われるのが好ましい。好ましいプレス圧は１０〜５０００ｋｇｆ／ｃｍ２であり、より好ましくは５０〜３０００ｋｇｆ／ｃｍ２である。こうして圧着されたグリーンシート積層体を打ち抜き型で所望の形状（例えばコイン形）およびサイズに打ち抜くのが好ましい。こうすることで、最終形態の一体型電極ユニットにおいて、正極２および負極３間のずれをなくすことができる。その結果、正極２の端面と負極３の端面が揃うため、電池の容量を最大化できる。
得られたグリーンシート積層体をセッターに載置する。セッターはセラミックス製であり、好ましくはジルコニア製またはマグネシア製である。セッターにはエンボス加工が施されているのが好ましい。こうしてセッター上に載置されたグリーンシートを鞘に入れる。鞘もセラミックス製であり、好ましくはアルミナ製である。そして、この状態で、所望により脱脂した後、焼成することで、一体型電極ユニットが得られる。脱脂は３００〜６００℃で０．５〜２０時間保持することにより行われるのが好ましい。また、焼成は６５０〜９００℃で０．０１〜２０時間行うのが好ましく、より好ましくは７００〜８５０℃で０．５〜１０時間である。焼成時の昇温速度は５０〜１５００℃／ｈが好ましく、より好ましくは２００〜１３００℃／ｈである。特に、この昇温速度は、６００〜９００℃の昇温過程で採用されるのが好ましく、より好ましくは６００〜８００℃の昇温過程で採用される。こうして、正極２、セラミックセパレータ４１および負極３の３層構成の一体型電極ユニットが得られる。なお、前述したグリーンシート積層体の段階で打ち抜き処理を施していない場合、最終形態の一体型電極ユニットにおいては正極２および負極３間のずれが発生しうる。この場合は、一体型電極ユニットの端面を、レーザ加工、切削、研磨等の手法により仕上げ加工して、上記ずれを最小化するのが好ましい。その結果、正極２の端面と負極３の端面が揃うため、電池の容量を最大化できる。
＜回路基板アセンブリ＞
図５は、上記コイン形二次電池１を含む回路基板アセンブリ８を示す側面図である。回路基板アセンブリ８は、配線基板８１と、無線通信デバイス８２と、他の電子部品８３とをさらに含む。配線基板８１は、いわゆるプリント配線基板であり、上面に導電性の配線を有する。配線は、配線基板８１の内部や下面に設けられてもよい。図５では、１枚の配線基板８１を示しているが、配線基板８１は、複数の部分的な配線基板が組み立てられた構造を有してもよい。
コイン形二次電池１は、負極缶５２が配線基板８１に対向する姿勢で配線基板８１上に固定される。コイン形二次電池１には、予め正極缶５１にリード１９１が電気的に接続されており、負極缶５２にリード１９２が電気的に接続されている。リード１９１，１９２のコイン形二次電池１から最も離れた端部は、配線基板８１の配線にはんだ８１１により接続される。リード１９１，１９２と配線との接続は、リフロー方式によるはんだ付けにより行われる。換言すれば、コイン形二次電池１は、はんだリフローにより配線基板８１に電気的に接続される。コイン形二次電池１は、正極缶５１が配線基板８１に対向する姿勢で配線基板８１上に固定されてもよい。
無線通信デバイス８２は、アンテナや通信回路を含む電気回路モジュールである。無線通信デバイス８２の端子は、配線基板８１の配線とはんだにより接続される。無線通信デバイス８２の端子と配線との接続は、リフロー方式によるはんだ付けにより行われる。換言すれば、無線通信デバイス８２は、はんだリフローにより配線基板８１に電気的に接続される。無線通信デバイス８２は、電波にて通信を行うデバイスである。無線通信デバイス８２は、送信専用のデバイスであってもよく、送受信が可能なデバイスであってもよい。
配線基板８１に実装された他の電子部品８３には、送信する信号を生成する回路、受信した信号を処理する回路、センサ、各種測定デバイス、外部からの信号が入力される端子等が適宜含まれる。
回路基板アセンブリ８は、好ましくは、ＩｏＴデバイスの一部として利用される。「ＩｏＴ」とは物のインターネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）の略であり、「ＩｏＴデバイス」とはインターネットに接続されて特定の機能を呈するあらゆるデバイスを意味する。
従来、ソケットをはんだリフローにて配線基板上に実装した後、コイン形二次電池をソケットに装着する工程が行われてきた。回路基板アセンブリ８では、コイン形二次電池１は、はんだリフローにて配線基板８１に実装されるため、実装工程を簡素化することができる。好ましくは、配線基板８１上には、はんだリフロー後に装着された電子部品は存在しない。これにより、はんだリフロー後における回路基板アセンブリ８の取り扱いが簡素化される。ここで、「はんだリフロー後に装着された」には、外部配線の回路基板への接続は含まれないものとする。さらに好ましくは、配線基板８１上において、配線基板８１の配線に接続される全ての電子部品と配線との電気的接続が、はんだリフローにより行われる。このような処理は、コイン形二次電池１をはんだリフローにより配線基板８１上に実装することにより実現可能となる。
＜実施例＞
次に、実施例について述べる。ここでは、表１中に示す実施例１〜５、並びに、比較例１のコイン形二次電池を作製し、評価した。以下の説明において、ＬｉＣｏＯ２を「ＬＣＯ」と略称し、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２を「ＬＴＯ」と略称するものとする。
Figure 2020090801
＜実施例１＞
（１）正極の作製
まず、Ｌｉ／Ｃｏのモル比が１．０１となるように秤量されたＣｏ３Ｏ４粉末（正同化学工業株式会社製）とＬｉ２ＣＯ３粉末（本荘ケミカル株式会社製）を混合後、７８０℃で５時間保持し、得られた粉末をポットミルにて体積基準Ｄ５０が０．４μｍとなるように粉砕および解砕してＬＣＯ板状粒子からなる粉末を得た。得られたＬＣＯ粉末１００重量部と、分散媒（トルエン：イソプロパノール＝１：１）１００重量部と、バインダー（ポリビニルブチラール：品番ＢＭ−２、積水化学工業株式会社製）１０重量部と、可塑剤（ＤＯＰ：Ｄｉ（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｐｈｔｈａｌａｔｅ、黒金化成株式会社製）４重量部と、分散剤（製品名レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王株式会社製）２重量部とを混合した。得られた混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００ｃＰに調整することによって、ＬＣＯスラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製ＬＶＴ型粘度計で測定した。こうして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上にシート状に成形することによって、ＬＣＯグリーンシートを形成した。乾燥後のＬＣＯグリーンシートの厚さは、２４０μｍであった。
ＰＥＴフィルムから剥がしたＬＣＯグリーンシートをカッターで５０ｍｍ角に切り出し、下部セッターとしてのマグネシア製セッター（寸法９０ｍｍ角、高さ１ｍｍ）の中央に載置した。ＬＣＯシートの上に上部セッターとしての多孔質マグネシア製セッターを載置した。上記ＬＣＯシートをセッターで挟んだ状態で、１２０ｍｍ角のアルミナ鞘（株式会社ニッカトー製）内に載置した。このとき、アルミナ鞘を密閉せず、０．５ｍｍの隙間を空けて蓋をした。得られた積層物を昇温速度２００℃／ｈで６００℃まで昇温して３時間脱脂した後に、８００℃まで１０００℃／ｈで昇温して１０分間保持することで焼成を行った。焼成後、室温まで降温させた後に焼成体をアルミナ鞘より取り出した。こうして厚さ２２０μｍのＬＣＯ焼結体板を得た。ＬＣＯ焼結体板を、レーザー加工機で直径１０ｍｍの円形状に切断して、正極板を得た。
（２）負極の作製
まず、ＬＴＯ粉末（石原産業株式会社製）１００重量部と、分散媒（トルエン：イソプロパノール＝１：１）１００重量部と、バインダー（ポリビニルブチラール：品番ＢＭ−２、積水化学工業株式会社製）２０重量部と、可塑剤（ＤＯＰ：Ｄｉ（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｐｈｔｈａｌａｔｅ、黒金化成株式会社製）４重量部と、分散剤（製品名レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王株式会社製）２重量部とを混合した。得られた負極原料混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００ｃＰに調整することによって、ＬＴＯスラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製ＬＶＴ型粘度計で測定した。こうして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上にシート状に成形することによって、ＬＴＯグリーンシートを形成した。乾燥後のＬＴＯグリーンシートの厚さは焼成後の厚さが２５０μｍとなるような値とした。
得られたグリーンシートを２５ｍｍ角にカッターナイフで切り出し、エンボス加工されたジルコニア製セッター上に載置した。セッター上のグリーンシートをアルミナ製鞘に入れて５００℃で５時間保持した後に、昇温速度１０００℃／ｈにて昇温し、８００℃で１０分間焼成を行なった。得られたＬＴＯ焼結体板を、レーザー加工機で直径１０．２ｍｍの円形状に切断して、負極板を得た。
（３）コイン形二次電池の作製
図１に模式的に示されるようなコイン形二次電池１を以下のとおり作製した。
（３ａ）負極板と負極集電体の導電性カーボンペーストによる接着
アセチレンブラックとポリイミドアミドを質量比で３：１となるように秤量し、溶剤としての適宜量のＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とともに混合して、導電性カーボンペーストを調製した。負極集電体としてのアルミニウム箔上に導電性カーボンペーストをスクリーン印刷した。未乾燥の印刷パターン（すなわち導電性カーボンペーストで塗布された領域）内に収まるように上記（２）で作製した負極板を載置し、６０℃で３０分間真空乾燥させることで、負極板と負極集電体とがカーボン層を介して接合された負極構造体を作製した。なお、カーボン層の厚さは１０μｍとした。
（３ｂ）カーボン層付き正極集電体の準備
アセチレンブラックとポリイミドアミドを質量比で３：１となるように秤量し、溶剤としての適宜量のＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）とともに混合して、導電性カーボンペーストを調製した。正極集電体としてのアルミニウム箔上に導電性カーボンペーストをスクリーン印刷した後、６０℃で３０分間真空乾燥させることで、表面にカーボン層が形成された正極集電体を作製した。なお、カーボン層の厚さは５μｍとした。
（３ｃ）コイン形二次電池の組立
電池ケース（外装体）を構成することになる正極缶と負極缶との間に、正極缶から負極缶に向かって、正極集電体、カーボン層、ＬＣＯ正極板、セルロースセパレータ、ＬＴＯ負極板、カーボン層および負極集電体がこの順に積層されるように収容し、電解液を充填した後に、ガスケットを介して正極缶と負極缶をかしめることによって封止した。こうして、直径１２ｍｍ、厚さ１．０ｍｍのコインセル形のリチウム二次電池（コイン形二次電池１）を作製した。このとき、電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）およびγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）を１：３の体積比で混合した有機溶媒に、ＬｉＢＦ４を１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度となるように溶解させた液を用いた。実施例１のコイン形二次電池では、組立型電極ユニットを採用したため、表１中の「電極ユニットの種類」の欄に「組立型」と記している。
（４）評価
（４ａ）電極中の炭酸リチウムの比率の測定
実施例１で製造した正極板および負極板から、コイン形二次電池の正極および負極と同じ質量比で、測定用の材料片を併せて０．５ｇ取り出し、粉砕して混合した。得られた粒子を水５０ｍＬに懸濁させ、１０分間攪拌した後、懸濁液を１時間静置した。その後、上澄み液を抽出してＩＣＰ分析することにより、上澄み液に含まれる炭酸リチウムの質量を測定した。炭酸リチウムの質量を、正極板および負極板の材料片の合計質量０．５ｇで除することにより得た値を、表１中に「電極中の炭酸リチウムの比率」として示している。
（４ｂ）リフロー試験前後の容量比率の測定
コイン形二次電池の電池容量を以下の手順で測定した。すなわち、２．７Ｖで定電圧充電した後、放電レート０．２Ｃで放電することにより初期容量の測定を行い、得られた初期容量を初期電池容量として採用した。また、リフロー試験後にも同様の測定を実施し、リフロー試験後の電池容量を測定した。リフロー試験後の電池容量を初期電池容量で除することで、表１に示す「リフロー試験前後の容量比率」を算出した。ここで、リフロー試験では、リフロー装置（アントム株式会社製ＵＮＩ−５０１６Ｆ)を用い、２６０℃で３０秒間の加熱を行った。
＜実施例２＞
（５）ＭｇＯグリーンシート（セパレータグリーンシート）の作製
炭酸マグネシウム粉末（神島化学工業株式会社製）を９００℃で５時間熱処理してＭｇＯ粉末を得た。得られたＭｇＯ粉末とガラスフリット（日本フリット株式会社製、ＣＫ０１９９）を重量比４：１で混合した。得られた混合粉末（体積基準Ｄ５０粒径０．４μｍ）１００重量部と、分散媒（トルエン：イソプロパノール＝１：１）１００重量部と、バインダー（ポリビニルブチラール：品番ＢＭ−２、積水化学工業株式会社製）２０重量部と、可塑剤（ＤＯＰ：Ｄｉ（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｐｈｔｈａｌａｔｅ、黒金化成株式会社製）４重量部と、分散剤（製品名レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王株式会社製）２重量部とを混合した。得られた原料混合物を減圧下で撹拌して脱泡するとともに、粘度を４０００ｃＰに調整することによって、スラリーを調製した。粘度は、ブルックフィールド社製ＬＶＴ型粘度計で測定した。こうして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、ＰＥＴフィルム上にシート状に成形することによって、セパレータグリーンシートを形成した。セパレータグリーンシートの厚さは、焼成後の厚さが２５μｍになるようにした。
（６）積層、圧着および焼成
実施例１のＬＣＯグリーンシート（正極グリーンシート）、ＭｇＯグリーンシート（セパレータグリーンシート）および実施例１のＬＴＯグリーンシート（負極グリーンシート）を順に積み重ね、得られた積層体をＣＩＰ（冷間等方圧加圧法）により２００ｋｇｆ／ｃｍ２でプレスしてグリーンシート同士を圧着した。こうして圧着された積層体を打ち抜き型で直径１０ｍｍの円板状に打ち抜いた。得られた円板状積層体を６００℃で５時間脱脂した後、１０００℃／ｈで８００℃まで昇温して１０分間保持する焼成を行い、その後冷却した。こうして、正極層（ＬＣＯ焼結体層）、セラミックセパレータ（ＭｇＯセパレータ）および負極層（ＬＴＯ焼結体層）の３層を含む１つの一体焼結体板を得た。
コイン形二次電池の作製は、実施例１と同様である。すなわち、正極缶と負極缶との間に、正極缶から負極缶に向かって、正極集電体、カーボン層、一体焼結体板、カーボン層および負極集電体がこの順に積層されるように収容し、電解液を充填した後に、正極缶と負極缶をかしめることによって封止した。実施例２のコイン形二次電池では、一体型電極ユニットを採用したため、表１中の「電極ユニットの種類」の欄に「一体型」と記している。実施例２のコイン形二次電池に対して、実施例１のコイン形二次電池と同様の評価を行った。このとき、上記（４ａ）における電極中の炭酸リチウムの比率の測定では、一体焼結体板を粉砕し、得られた粒子の懸濁液から炭酸リチウムの質量を測定し、炭酸リチウムの質量を、一体焼結体板における正極層および負極層の質量で除することにより、電極中の炭酸リチウムの比率を得た。
＜実施例３〜５＞
実施例３では、実施例２における上記（１）に準じた正極の作製において、Ｌｉ／Ｃｏのモル比を１．０６とした。実施例４では、実施例２における上記（６）での一体型電極ユニット（円板状積層体）の焼成を８００℃で３時間行い、焼成後の一体型電極ユニットを２５℃の水に浸漬し、１時間後に取り出す水洗浄を行った。実施例５では、実施例２における上記（６）での一体型電極ユニットの焼成を９００℃で３時間行い、焼成後の一体型電極ユニットを６０℃の温水に浸漬し、１２時間後に取り出す温水洗浄を行った。上記以外については、実施例３〜５は、実施例２と同様とした。実施例３〜５のコイン形二次電池に対して、実施例１のコイン形二次電池と同様の評価を行った。
＜比較例１＞
比較例１では、実施例２における上記（１）に準じた正極の作製において、Ｌｉ／Ｃｏのモル比を１．１５とした。上記以外については、比較例１は、実施例２と同様とした。比較例１のコイン形二次電池に対して、実施例１のコイン形二次電池と同様の評価を行った。
電極中の炭酸リチウムの比率が２．５質量％以下である実施例１〜５では、リフロー試験前後の容量比率が６０％以上であったのに対し、電極中の炭酸リチウムの比率が５．０質量％である比較例１では、リフロー試験前後の容量比率が２０％となった。したがって、電極中の炭酸リチウムの比率が３．０質量％以下であれば、はんだリフローによる性能の低下を抑制することが可能であると考えられる。はんだリフローによる性能の低下をより確実に抑制するには、電極中の炭酸リチウムの比率が２．５質量％以下であることが好ましいといえる。
また、電極中の炭酸リチウムの比率が０．００１質量％である実施例５では、リフロー試験前後の容量比率が６０％となり、電極中の炭酸リチウムの比率が０．００３質量％である実施例４に比べて低くなった。したがって、電極中の炭酸リチウムの比率が過度に小さいことに起因した、はんだリフローによる性能の低下を抑制するには、電極中の炭酸リチウムの比率が、０．００２質量％以上であることが好ましく、０．００３質量％以上であることがより好ましいといえる。
上記コイン形二次電池１では様々な変形が可能である。
リフロー方式によるはんだ付け用の上記コイン形リチウム二次電池１は、ＩｏＴデバイスでの利用に特に適しているが、もちろん、他の用途に利用されてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。
１ コイン形リチウム二次電池
２ 正極
３ 負極
４ 電解質層
５ 外装体
４１ セパレータ
４２ 電解液

Claims (8)

  1. リフロー方式によるはんだ付け用のコイン形リチウム二次電池であって、
    リチウム複合酸化物を含む正極と、
    負極と、
    前記正極と前記負極との間に設けられるとともに電解液を含む電解質層と、
    前記正極、前記負極および前記電解質層を収容する密閉空間を有する外装体と、
    を備え、
    前記正極および前記負極の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率が、３．０質量％以下である。
  2. 請求項１に記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    前記正極および前記負極の全体に対して含まれる炭酸リチウムの比率が、０．００２質量％以上である。
  3. 請求項１または２に記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    前記負極が、リチウム複合酸化物を含む。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    前記正極および前記負極のそれぞれが、焼結体である。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    前記電解質層が、セラミックセパレータを含み、
    前記正極、前記セラミックセパレータおよび前記負極が一体的な焼結体である。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    前記コイン形リチウム二次電池の厚さが０．７〜１．６ｍｍであり、前記コイン形リチウム二次電池の直径が１０〜２０ｍｍである。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    はんだリフロー前における前記コイン形リチウム二次電池のエネルギー密度が、３５〜２００ｍＷｈ／ｃｍ３である。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載のコイン形リチウム二次電池であって、
    はんだリフロー後における前記コイン形リチウム二次電池の電池容量が、はんだリフロー前における前記コイン形リチウム二次電池の電池容量の６５％以上である。
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