KR20130028687A - 리튬 이온 2차 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 포함하고 있어도, 세퍼레이터를 파손시키지 않고, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
본 발명은, 제1 집전체와, 제1 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제1 활물질부로 형성된 제1 활물질층을 가지는 제1 전극, 제2 집전체와, 제2 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제2 활물질부로 형성된 제2 활물질층을 가지는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 제1 전극과 제2 전극이, 인접하는 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며, 볼록 형상 제1 활물질부가 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.

Description

리튬 이온 2차 전지 및 그 제조 방법{LITHIUM ION SECONDARY BATTERY AND PREPARATION PROCESS OF SAME}
본 발명은 리튬 이온 2차 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터 리튬 이온 2차 전지는, 경량, 대용량이며 또한 고속 충방전 가능하기 때문에, 현재, 노트 PC나 휴대전화 등의 모바일 기기나 자동차 등의 분야에 있어서 널리 보급되고 있으며, 한층 더 대용량화 및 고속 충방전 특성 향상을 위해서, 다양한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 리튬 이온 2차 전지로서는, 예를 들면 특허 문헌 1(일본국 공개특허 2008-288214호 공보)의 도 3에 개시되어 있는 바와 같이, 양극 활물질층과 금속박으로 구성된 양극과, 음극 활물질층과 금속박으로 구성된 음극을 세퍼레이터를 통하여 적층하고, 세퍼레이터에 전해액을 함침시킨 구성을 가지는 세퍼레이터 타입의 것이 알려져 있다.
한편, 예를 들면 특허 문헌 2(일본국 공개특허 2011-70788호 공보)에 개시되어 있는 바와 같이, 세퍼레이터를 포함하지 않고, 양극, 전해질층 및 음극이 적층된 구성을 가지는 전고체 타입의 리튬 이온 2차 전지도 알려져 있다.
여기서, 리튬 이온 2차 전지의 대용량화 및 고속 충방전 특성 향상에 있어서는, 양극 활물질 및 음극 활물질과 전해질의 반응이 율속이 되기 때문에, 양극과 음극의 간격을 가능한 한 좁게 하는 것이나 양극 및 음극의 전극 면적을 가능한 한 크게 하는 것이 중요하며, 이 점에 주목하여, 상기 특허 문헌 2에 있어서는, 요철 구조를 가지는 활물질층(라인 형상으로 도포된 고(高)애스펙트비의 볼록 형상의 활물질부)을 포함하는 3차원 구조의 전극을 가지는 전고체 전지의 제조 방법이 제안되어 있다.
일본국 공개특허 2008-288214호 공보 일본국 공개특허 2011-70788호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1에 있어서의 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지에 있어서, 대용량화 및 고속 충방전 특성을 위해서, 상기 특허 문헌 2에 있어서 제안되어 있는 바와 같은 요철 구조를 가지는 활물질층을 채용하면, 예를 들면, 인접하는 볼록 형상의 음극 활물질부 사이의 오목 부분에, 대향하는 볼록 형상의 양극 활물질부가 들어가, 세퍼레이터를 파손시켜 버릴 우려가 있다. 세퍼레이터가 파손되면, 양극 활물질부와 음극 활물질부가 단락되어 전지 기능이 없어져 버릴 우려가 있다.
즉, 상기 특허 문헌 2에 있어서 제안되어 있는 전고체 타입의 리튬 이온 2차 전지의 요철 구조를 가지는 활물질층을, 상기 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지에 그대로 채용하는 것은 곤란했다.
이상의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 포함하고 있어도, 세퍼레이터를 파손시키지 않고, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은,
제1 집전체와, 상기 제1 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제1 활물질부로 형성된 제1 활물질층을 가지는 제1 전극,
제2 집전체와, 상기 제2 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제2 활물질부로 형성된 제2 활물질층을 가지는 제2 전극, 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극이, 인접하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
상기 볼록 형상 제1 활물질부가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않아, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 실현할 수 있다.
상기의 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 보다 구체적으로는, 예를 들면 이하의 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태를 채용할 수 있다.
우선, 본 발명의 제1 실시 형태는,
제1 집전체와, 상기 제1 집전체의 면 상에 설치된 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제1 활물질부를 가지는 제1 전극,
제2 집전체와, 상기 제2 집전체의 면 상에 설치된 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제2 활물질부를 가지는 제2 전극, 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 교차하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않아, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 실현할 수 있다.
상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는,
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 복수의 상기 선상 제2 활물질부가 교차하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않으며, 또, 적층한 상태로 가압되어도 복수점에서 선상 제1 활물질부와 선상 제2 활물질부가 접할 수 있기 때문에 세퍼레이터에 걸리는 힘이 분산되기 쉽고, 따라서 세퍼레이터의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 확실히 실현할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는,
상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대략 직교하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않으며, 또, 적층한 상태로 가압되어도 최대한의 복수점에서 선상 제1 활물질부와 선상 제2 활물질부가 접할 수 있기 때문에 세퍼레이터에 걸리는 힘이 분산되기 쉽다는 효과를 가장 현저하게 살릴 수 있으며, 따라서 세퍼레이터의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 확실히 실현할 수 있다.
또, 본 발명은 상기 본 발명의 리튬 2차 전지를 제조하는 방법에도 관한 것으로, 구체적으로는 본 발명은,
제1 집전체의 면 상에 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제1 활물질부를 형성하여 제1 전극을 얻는 제1 전극 형성 공정,
제2 집전체의 면 상에 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제2 활물질부를 형성하여 제2 전극을 얻는 제2 전극 형성 공정,
상기 제1 활물질부와 상기 제2 활물질부가 대향하도록, 세퍼레이터를 개재시켜 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하여 적층체를 얻는 적층체 형성 공정을 포함하며,
상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부가 상기 선상 제2 활물질부와 교차하는 위치 관계가 되도록, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법이다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않아, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 제조할 수 있다.
상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 있어서는,
상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부가 복수의 상기 선상 제2 활물질부와 교차하는 위치 관계가 되도록,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않으며, 또, 복수점에서 선상 제1 활물질부와 선상 제2 활물질부가 접할 수 있기 때문에 세퍼레이터에 걸리는 힘이 분산되기 쉽고, 따라서 세퍼레이터의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 제조할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법에 있어서는,
상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대략 직교하는 위치 관계가 되도록, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 구비하고 있어도, 볼록 형상의 선상 제1 활물질부가, 대향하는 볼록 형상의 선상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않으며, 또, 최대한의 복수점에서 선상 제1 활물질부와 선상 제2 활물질부가 접할 수 있기 때문에 세퍼레이터에 걸리는 힘이 분산되기 쉽다는 효과를 가장 현저하게 살릴 수 있고, 따라서 세퍼레이터의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 확실히 제조할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태는,
제1 집전체와, 상기 제1 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제1 활물질부로 형성된 제1 활물질층을 가지는 제1 전극,
제2 집전체와, 상기 제2 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제2 활물질부로 형성된 제2 활물질층을 가지는 제2 전극, 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극이, 인접하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
상기 볼록 형상 제1 활물질부의 사이즈가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이의 스페이스보다 커, 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지를 제공한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질층을 구비하고 있어도, 제1 활물질층에 있어서의 볼록 형상 제1 활물질부가, 대향하는 제2 활물질층에 있어서 인접하는 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 못하여, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 확실히 실현할 수 있다.
상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 상기 볼록 형상 제1 활물질부의 상단의 인접하는 2변의 폭 Wa1 및 Wa2와, 상기 2변에 대향하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부의 상단 간(스페이스)의 거리 Wb1 및 Wb2가,
관계식 (1): Wa1＞Wb1　및
관계식 (2): Wa2＞Wb2
를 만족하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 예를 들면 상기 볼록 형상 제1 활물질부 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부가 선상 또는 대략 각기둥 형상인 경우에, 제1 활물질층에 있어서의 볼록 형상 제1 활물질부가, 대향하는 제2 활물질층에 있어서 인접하는 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 못하여, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 확실히 실현할 수 있다.
따라서, 상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 상기 볼록 형상 제1 활물질부 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부가 각각 선상이어도, 상기 볼록 형상 제1 활물질부 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부가 각각 대략 각기둥 형상이어도 된다.
선상의 경우는, 즉, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 볼록 형상 제1 활물질부 및 볼록 형상 제2 활물질부 각각이, 이른바 라인 앤드 스페이스 형상의 패턴을 형성하도록 구성되어 있다. 이 때, 인접하는 볼록 형상 제2 활물질부 사이의 오목 부분에, 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하여 위치하게 된다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 볼록 형상 제1 활물질부 및 볼록 형상 제2 활물질부와 전해액층의 접촉 면적을 증대시키는 것이 가능하고, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 보다 확실히 실현할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 상기 볼록 형상 제1 활물질부의 폭 Wa1 및 Wa2가 100~150μm이며, 상기 볼록 형상 제2 활물질부의 상단 간의 거리 Wb1 및 Wb2가 50~90μm인 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 보다 확실히 상기 관계식을 만족하며, 제1 활물질층에 있어서의 볼록 형상 제1 활물질부가, 대향하는 제2 활물질층에 있어서 인접하는 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 못하여, 세퍼레이터의 파손을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 보다 확실히 실현할 수 있다. 또, 볼록 형상 제1 활물질부 및 볼록 형상 제2 활물질부의 폭에 대해 이들의 높이를 확보하기 쉬워, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질층을 구비할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서는, 상기 볼록 형상 제1 활물질부의 높이 Ha 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부의 높이 Hb가 각각 50~100μm인 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 볼록 형상 제1 활물질부 및 볼록 형상 제2 활물질부의 저항이 너무 올라가지 않아, 충방전 용량의 저하를 방지할 수 있다는 메리트가 있다.
본 발명에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 활물질부로 구성된 활물질층을 포함하고 있어도, 세퍼레이터를 파손시키지 않고, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제1 실시 형태의 개략 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 있어서, 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)와 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 대해서, 노즐 디스펜스법에 의해 선상 음극 활물질부(12a)(음극 활물질층(12))를 형성하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제1 변형 양태에 있어서, 도 2와 마찬가지로 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상 음극 활물질부(22a)와 선상 양극 활물질부(26a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제2 변형 양태에 있어서, 도 2와 마찬가지로 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상 음극 활물질부(32a)와 선상 양극 활물질부(36a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 제2 실시 형태의 개략 종단면도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 있어서, 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(12a)의 상단과 선상의 볼록 형상 양극 활물질부(16a) 상단의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
도 8은 도 6에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 대해서, 노즐 디스펜스법에 의해 볼록 형상 음극 활물질부(12a)(음극 활물질층(12))를 형성하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 변형예에 있어서, 도 7과 마찬가지로 도 6에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 일부의 대략 각기둥 형상의 볼록 형상 음극 활물질부(22a)의 상단과 대략 각기둥 형상의 볼록 형상 양극 활물질부(26a)의 상단의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 실시 형태에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이들 만에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략하는 경우도 있다. 또, 도면은, 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 이해의 용이를 위해서, 필요에 따라 치수, 비 또는 수를 과장 또는 간략화하여 나타내고 있는 경우도 있다. 또한 본 명세서에 있어서는, X, Y 및 Z좌표 방향을 각 도에 나타낸 바와 같이 정의한다.
［제1 실시 형태］
본 실시 형태에서는, 도 1에 나타낸 구조의 리튬 이온 2차 전지를 대표로 해서 본 발명을 설명한다. 도 1은, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 일실시 형태의 개략 종단면도이다. 또, 도 2는, 도 1에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 있어서, 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)와 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
또, 상세한 것은 후술하지만, 도 3은, 도 1에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(1)에 대해서, 노즐 디스펜스법에 의해 볼록 형상 음극 활물질부(12a)(음극 활물질층(12))를 형성하는 모습을 나타낸 모식도이며, 도 4 및 도 5는, 각각 도 1에 나타낸 리튬 이온 2차 전지의 제1 및 제2 변형 양태에 있어서, 도 2와 마찬가지로 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상 음극 활물질부(22a, 32a)와 선상 양극 활물질부(26a, 36a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 음극(제1 전극) A와, 세퍼레이터(20)와, 양극(제2 전극) C가 적층된 구성을 가지며, 음극 A와 양극 C의 사이에 전해액이 충전되어 전해액층(14)이 형성되어 있음과 함께, 세퍼레이터(20)에도 전해액이 함침되어 있다.
음극 A는, 대략 직사각형 형상의 음극 집전체(제1 집전체)(10)와, 선상 음극 활물질부(선상 제1 활물질부)(12a)로 이루어지는 음극 활물질층(제1 활물질층)(12)으로 구성되며, 양극 C는, 대략 직사각형 형상의 양극 집전체(제2 집전체)(18)와, 선상 양극 활물질부(선상 제2 활물질부)(16a)로 이루어지는 양극 활물질층(제2 활물질층)(16)으로 구성되어 있으며, 음극 집전체(10)와 양극 집전체(18)는, 선상 음극 활물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)가 대향하도록 적층되어 있다.
여기서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 음극 A의 음극 집전체(10)의 면 상에는, 스페이스를 두고 서로 대략 평행하게 복수의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)가 설치되어 음극 활물질층(12)을 구성하고 있으며, 양극 C의 양극 집전체(18)의 면 상에는, 스페이스를 두고 대략 평행하게 복수의 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)가 설치되어 양극 활물질층(16)을 구성하고 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)는, 이른바 라인 앤드 스페이스의 패턴 형상을 가지도록 형성되어 있다.
그리고, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는, 음극 집전체(10) 및 양극 집전체(18)의 면에 대해 대략 수직인 방향(즉, 화살표 Z1의 방향)으로부터 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)를 투영시켜 본 경우에, 선상 음극 활물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)가, 부분 C1에 있어서 각도 α1로 교차하고 있는 점에 특징을 가진다.
즉, 음극 집전체(10) 상에 있어서, 음극 활물질층(12)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(10) 상에 있어서 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α1로 교차하여 연장되도록, 간격을 두고 형성되어 있다. 이에 반해, 양극 집전체(18) 상에 있어서, 양극 활물질층(16)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 화살표 Y의 방향을 따라 연장되도록, 간격을 두고 형성되어 있다.
이러한 구성을 가지는 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)에 의하면, 각각 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a) 및 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)로 구성된 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 음극 활물질층(12) 및 양극 활물질층(16)을 구비하고 있어도, 선상 음극 활물질부(12a)는 대향하는 선상 양극 활물질부(16a)의 사이에 들어가지 않아, 적층에 의한 응력이 세퍼레이터(20)에 걸리기 어렵다. 역으로, 선상 양극 활물질부(16a)가 대향하는 음극 활물질부(12a)의 사이에 들어가지 않아, 적층에 의한 응력이 세퍼레이터(20)에도 걸리기 어렵다.
따라서, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는, 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)가 세퍼레이터(20)를 뚫거나 하여 파손시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 구성을 가지고 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어나 신뢰성을 가진다.
또한, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)에 있어서는, 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)의 폭 및 간격(스페이스)은, 본 발명의 구성을 실현하고 또한 효과를 해치지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있지만, 예를 들면, 폭은 100~150μm 정도로, 스페이스는 50~90μm 정도이면 된다. 이러한 범위이면, 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)를 고애스펙트비로 하기 쉽다.
또, 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)의 높이도, 본 발명의 구성을 실현하고 또한 효과를 해치지 않는 범위에서 적절히 선택할 수 있지만, 예를 들면, 각각 50~100μm 정도이면 된다. 이러한 범위이면, 선상 음극 활물질부(12a) 및 선상 양극 활물질부(16a)의 저항이 너무 올라가지 않아, 충방전 용량의 저하를 보다 확실히 방지할 수 있다.
여기서, 음극 집전체(10)로서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 공지의 재료를 이용할 수 있지만, 예를 들면 알루미늄박 등의 금속막이면 된다. 또, 도시하고 있지 않지만, 이 음극 집전체(10)는, 절연성의 기재의 표면에 형성되어 있어도 된다. 이러한 기재로서는 절연성 재료로 형성된 평판 형상 부재를 이용하면 되며, 이와 같은 절연성 재료로서는, 예를 들면 수지, 유리 또는 세라믹스 등을 들 수 있다. 또, 기재는 가요성을 가지는 플렉서블 기판이어도 된다.
선상 음극 활물질부(12a)에 포함되는 음극 활물질로서는, 본원 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 금속, 금속 섬유, 탄소 재료, 산화물, 질화물, 규소, 규소 화합물, 주석, 주석 화합물, 각종 합금 재료 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 용량 밀도의 크기 등을 고려하면, 산화물, 탄소 재료, 규소, 규소 화합물, 주석, 주석 화합물 등이 바람직하다. 산화물로서는, 예를 들면, 식: Li4Ti5O12로 표시되는 티탄산 리튬 등을 들 수 있다. 탄소 재료로서는, 예를 들면, 각종 천연 흑연(그래파이트), 코크스, 흑연화 도상(途上) 탄소, 탄소 섬유, 구상 탄소, 각종 인조 흑연, 비정질 탄소 등을 들 수 있다. 규소 화합물로서는, 예를 들면, 규소 함유 합금, 규소 함유 무기 화합물, 규소 함유 유기 화합물, 고용체 등을 들 수 있다. 규소 화합물의 구체예로서는, 예를 들면, SiOa(0.05＜a＜1.95)로 표시되는 산화 규소, 규소와 Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn 및 Ti로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 합금, 규소, 산화 규소 또는 합금에 포함되는 규소의 일부가 B, Mg, Ni, Ti, Mo, Co, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Nb, Ta, V, W, Zn, C, N 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 치환된 규소 화합물 또는 규소 함유 합금, 이들의 고용체 등을 들 수 있다. 주석 화합물로서는, 예를 들면, SnOb(0＜b＜2), SnO2, SnSiO3, Ni2Sn4, Mg2Sn 등을 들 수 있다. 음극 활물질은 1종을 단독으로 이용해도 되며, 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
또, 선상 음극 활물질부(12a)는, 도전조제를 포함하고 있어도 된다. 도전조제로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 그래파이트류, 아세틸렌 블랙, 켓첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본 블랙류, 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유류, 불화카본, 알루미늄 등의 금속 분말류, 산화 아연 등의 도전성 위스커류, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물, 페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료 등을 들 수 있다. 도전제는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는, 상기와 같이, 음극 집전체(10)와 음극 활물질층(12)으로 구성되는 음극 A에 대향하여, 양극 활물질층(16)과 양극 집전체(18)로 구성되는 양극 C가 적층되며, 음극 A와 양극 C의 사이에 전해액층(14) 및 세퍼레이터(20)를 가지는 구성을 가지고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)에서는, 음극 A와 양극 C의 사이에 기밀성이 있는 공간을 가지며, 당해 공간에 전해액이 충전되어 전해액층(14)이 형성되며, 세퍼레이터(20)에도 전해액이 함침된 구성을 가지고 있다.
세퍼레이터(20)로서는, 뛰어난 고율 방전 성능을 나타낸 다공막이나 부직포 등을, 단독 또는 병용할 수 있다. 세퍼레이터(20)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리불화비닐리덴, 불화비닐리덴-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오르비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-테트라플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-트리플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오르아세톤 공중합체, 불화비닐리덴-에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-트리플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-에틸렌-테트라플루오르에틸렌 공중합체 등을 들 수 있다.
또, 세퍼레이터(20)에는, 예를 들면 아크릴로니트릴, 에틸렌옥시드, 프로필렌옥시드, 메틸메타아크릴레이트, 비닐아세테이트, 비닐피롤리돈, 폴리불화비닐리덴 등의 폴리머와 전해질로 구성되는 폴리머 겔을 이용해도 된다.
전해액층(14)을 구성하는 전해액에는, 리튬염과 유기 용매를 포함하는 종래 공지의 전해액을 이용할 수 있다. 리튬염으로서는, 예를 들면 6불화인산 리튬(LiPF6), 과염소산 리튬(LiClO4) 및 리튬비스트리플루오르메탄설포닐이미드(LiTFSI) 등을 들 수 있다. 또, 유기 용매로서는, 예를 들면, 에틸렌카보네이트, 디에틸렌카보네이트 및 에틸메틸카보네이트 등을 들 수 있으며, 이들의 혼합물을 이용할 수도 있다.
양극 집전체(18) 상에는, 음극 집전체(10) 상의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)로 이루어지는 음극 활물질층(12)과 동일하게 하여, 양극 활물질 재료를 포함하는 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(16a)로 이루어지는 양극 활물질층(16)이 설치되어 있다. 단, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)에 있어서는, 상기와 같이, 선상 음극 활물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)는, 각도 α1로 교차하도록 배치되어 있다.
양극 집전체(18)로서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 공지의 재료를 이용할 수 있지만, 예를 들면 구리박 등의 금속막이면 된다. 또, 음극 집전체(10)와 마찬가지로, 양극 집전체(18)는, 절연성의 기재의 표면에 형성되어 있어도 된다. 이러한 기재로서는 절연성 재료로 형성된 평판 형상 부재를 이용하면 되며, 이와 같은 절연성 재료로서는, 예를 들면 수지, 유리 또는 세라믹스 등을 들 수 있다. 또, 기재는 가요성을 가지는 플렉서블 기판이어도 된다.
선상 양극 활물질부(16a)가 포함하는 양극 활물질(분말)로서는, 예를 들면, 리튬 함유 복합 금속 산화물, 칼코겐 화합물, 이산화 망간 등을 들 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물은, 리튬과 천이 금속을 포함하는 금속 산화물 또는 그 금속 산화물 중의 천이 금속의 일부가 이종 원소에 의해 치환된 금속 산화물이다. 여기서, 이종 원소로서는, 예를 들면, Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, B 등을 들 수 있으며, Mn, Al, Co, Ni, Mg 등이 바람직하다. 이종 원소는 1종이어도 또는 2종 이상이어도 된다. 이들 중에서도, 리튬 함유 복합 금속 산화물을 바람직하게 사용할 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물로서는, 예를 들면, LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoyNi1 - yO2, LixCoyM1 - yOz, LixNi1 - yMyOz, LixMn2O4, LixMn2-yMyO4, LiMPO4, Li2MPO4F(상기 각 식 중, 예를 들면, M은 Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, V 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종. 0＜x≤1.2, 0＜y≤0.9, 2.0≤z≤2.3), LiMeO2(식 중, Me=MxMyMz;Me 및 M은 천이 금속, x＋y＋z=1) 등을 들 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물의 구체예로서는, 예를 들면, LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2, LiNi0 .8Co0 .15Al0 .05O2 등을 들 수 있다. 여기서, 상기 각 식 중 리튬의 몰비를 나타낸 x치는, 충방전에 의해 증감한다. 또, 칼코겐 화합물로서는, 예를 들면 2황화 티탄, 2황화 몰리브덴 등을 들 수 있다. 양극 활물질은 1종을 단독으로 사용할 수 있고 2종 이상을 병용해도 된다. 양극 활물질층(16)에는, 음극 활물질층(12)에 관해서 상기에 기재한 도전조제를 포함해도 된다.
상기와 같이, 음극 집전체(10), 음극 활물질층(12), 전해액층(14), 세퍼레이터(20), 전해액층(14), 양극 활물질층(16) 및 양극 집전체(18)에 의해, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)가 형성되어 있다.
또한, 이 리튬 이온 배터리 2차 전지(1)에는, 도시하고 있지 않지만, 적절히 탭 전극이 설치되어 있어도 되며, 또, 복수의 리튬 이온 배터리 2차 전지(1)를 직렬 및/또는 병렬로 접속하여 리튬 이온 2차 전지 장치를 구성할 수도 있다.
이러한 구조를 가지는 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는, 박형이며 절곡 가능하게 구성할 수도 있다. 또, 음극 활물질층(12) 및 양극 활물질층(16)을 도시한 바와 같은 요철을 가지는 입체적 구조로 하여, 그 체적에 대한 표면적을 크게 하고 있으므로, 음극 활물질층(12) 및 양극 활물질층(16) 각각과 전해질액(14)의 접촉 면적을 크게 확보할 수 있어, 고효율·고출력을 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는 소형이며 고성능으로 하는 것이 가능하다.
다음에, 상기한 본 실시 형태에 있어서의 전극 및 리튬 이온 2차 전지(1)를 제조하는 방법에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)를 제조할 때에는, 우선, 음극 집전체(10)에 있어서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 도 1 및 도 2에 있어서의 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α1로 교차하는 화살표 Y1의 방향을 따라, 선상 음극 활물질부(12a)를 형성하여 음극 활물질층(12)을 가지는 음극 A를 제작한다(제1 전극 형성 공정). 양극 집전체(18)에 있어서는, 도 1 및 도 2에 있어서의 화살표 Y의 방향을 따라, 선상 양극 활물질부(16a)를 형성하여 양극 활물질층(16)을 가지는 양극 C를 제작한다(제2 전극 형성 공정).
그 다음에, 상기의 음극 A와 양극 C를, 도 1에 나타낸 바와 같이, 선상 음극 물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)가 대향하도록, 세퍼레이터(20)를 개재시켜, 음극 A와 양극 C를 적층한다. 이 때, 도 1에 있어서의 화살표 Z1로부터 보아, 음극 집전체(10)의 외주와 양극 집전체(18)의 외주부는 일치하도록, 음극 A 및 양극 C를 적층한다(적층체 형성 공정).
그리고, 예를 들면, 봉지재 등을 이용하는 종래의 방법으로 음극 A와 양극 C의 사이에 기밀성이 있는 밀폐 공간을 형성하고, 여기에 전해액을 충전하여 전해액층(14)을 형성함과 함께, 세퍼레이터(20)에도 전해액을 함침시켜, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)를 제작한다.
제1 전극 형성 공정에 있어서, 선상 음극 활물질부(12a)는, (가) 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 재료를 선상으로 토출하는 노즐을 음극 집전체(10)에 대해 상대 이동시켜, 음극 집전체(10) 상에 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)를 형성하는 도포 공정(즉, 노즐 디스펜스법을 이용한 도포 공정), 및, (나) 선상 음극 활물질부(12a)를 건조시키는 건조 공정에 의해 형성할 수 있다.
상기 (가)의 도포 공정에서는, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(10)의 주면 상(즉, 화살표 X의 방향과 화살표 Y의 방향으로 규정되는 XY평면 상)에 있어서, 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α1의 각도를 가지는 화살표 Y1의 방향으로 선상 음극 집전체(10)를 반송시킨다. 이것에 의해, 노즐(40)을 음극 집전체(10)에 대해 상대 이동시킨다. 반송되는 음극 집전체(10)의 표면에는, 노즐(40)로부터, 페이스트 형상의 음극 활물질 재료가 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)를 형성하도록 토출된다. 본 실시 형태에 있어서는, 노즐(40)의 위치는 고정되어 있으며, 음극 집전체(10)가 반송됨으로써, 노즐(40)이 음극 집전체(10)에 대해 상대 이동된다.
페이스트 형상의 음극 활물질 재료는, 상기 음극 활물질과, 상기 도전조제와, 결착재와, 용제 등을 상법에 의해 교반·혼합(혼련)하여 얻어지는 혼합물로 구성되며, 노즐(40)로부터 토출할 수 있는 범위에서 다양한 점도를 가지면 된다. 본 실시 형태에 있어서는, 예를 들면, 전단 속도 1s-1로, 하한 10Pa·s, 상한 10000Pa·s 정도인 것이 바람직하다. 또한, 각 성분은 용제에 용해되어 있어도 분산되어 있어도 된다(일부가 용해되어 잔부가 분산되어 있는 경우도 포함한다.).
또, 상기 도포 공정에 이용하는 음극 활물질 재료의 고형분 비율은, 음극 활물질 재료가 노즐(40)로부터 토출할 수 있도록 다양한 고형분 비율을 가질 수 있지만, 상기 혼합물의 습윤점에 있어서의 고형분 비율보다도 작은 고형분 비율을 가지고 있어, 예를 들면 60질량%인 것이 바람직하다.
이러한 점도 및 고형분 비율은, 음극 활물질, 도전조제, 결착재 및 용제 등의 성분의 종류나 배합량, 치수 또는 형상 등에 따라서도 상이하지만, 상기 음극 활물질과, 상기 도전조제와, 결착재와, 용제 등을 상법에 의해 교반·혼합(혼련)할 때의 혼련 시간의 길이에 따라 조정할 수 있다.
결착제로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아라미드 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아크릴니트릴, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 메틸에스테르, 폴리아크릴산 에틸에스테르, 폴리아크릴산 헥실에스테르, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 메틸에스테르, 폴리메타크릴산 에틸에스테르, 폴리메타크릴산 헥실에스테르, 폴리아세트산 비닐, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에테르, 폴리에테르설폰, 폴리헥사플루오르프로필렌, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌디엔 공중합체, 카복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 또, 테트라플루오르에틸렌, 헥사플루오르프로필렌, 퍼플루오르알킬비닐에테르, 불화비닐리덴, 클로로트리플루오르에틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 펜타플루오르프로필렌, 플루오르메틸비닐에테르, 아크릴산, 헥사디엔 등으로부터 선택되는 모노머 화합물의 공중합체를 결착제로서 이용해도 된다. 결착제는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
용제로서는, 전해액층(14)에 포함되는 6불화인산 리튬(LiPF6) 등을 분해하지 않도록, 물을 제외한 유기 용매를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 유기 용매로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아민, 아세톤, 시클로헥사논 등을 들 수 있다. 유기 용매는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
여기서, 도 3의 (a)는, 음극 활물질층(12)을 구성하는 선상 음극 활물질부(12a)를 노즐 디스펜스법에 의해 형성하는 모습을 모식적으로 나타낸 측면도(즉, 반송되는 음극 집전체(10)의 주면에 대해 대략 평행한 X방향에서 본 경우에 보이는 도)이며, 도 3의 (b)는, 음극 활물질층(12)을 구성하는 선상 음극 활물질부(12a)를 노즐 디스펜스법에 의해 형성하는 모습을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
이 노즐 디스펜스법에서는, 도포액인 음극 활물질 재료를 토출하기 위한 토출구가 복수 설치된 노즐(40)을, 음극 집전체(10) 상방에 배치하고, 그 토출구로부터 일정량의 음극 활물질 재료를 토출시키면서, 음극 집전체(10)를 노즐(40)에 대해 상대적으로 화살표 Y1의 방향으로 일정 속도로 반송시킨다. 이렇게 함으로써, 음극 집전체(10) 상에는, Y1방향을 따라 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)가 형성되어 스트라이프 형상의 라인 앤드 스페이스의 패턴 형상이 되도록 도포된다.
노즐(40)에 복수의 토출구를 설치함으로써, 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)가 형성되어 스트라이프 형상으로 할 수 있으며, 음극 집전체(10)의 반송을 계속함으로써, 음극 집전체(10)의 전체면애 연장되는 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)를 스트라이프 형상으로 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성된 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(12a)는, 아직 용제 등을 포함하는 이를테면 도포막 상태이기 때문에, 선상 음극 활물질부(12a)가 설치된 음극 집전체(10)는, 예를 들면 건조 수단인 송풍기 등의 하측 영역을 통과하도록 반송되어, 드라이 에어에 의해 건조 공정이 실시된다. 이것에 의해, 음극 집전체(10)와 음극 집전체(10)의 표면에 형성된 선상 음극 활물질부(12a)로 이루어지는 음극 활물질층(12)을 포함하는 음극 A를 얻을 수 있다.
건조 공정의 건조 온도 및 건조 시간은, 당업자이면 적절히 선택할 수 있다. 건조 온도는, 선상 음극 활물질부(12a)를 건조시켜 그 형상을 고정시킬 수 있는 범위이면 되며, 예를 들면 5℃~150℃의 범위 내, 바람직하게는 상온(23℃)~80℃의 범위 내의 온도이면 된다. 또, 건조 시간은, 음극 집전체(10)의 반송 속도에 따라 제어할 수도 있다.
다음에, 양극 집전체(18) 상에 대한 양극 활물질층(16)의 형성도, 음극 집전체(10) 상에 대한 음극 활물질층(12)의 형성과 동일하게 하여 실시할 수 있으며, 이것에 의해 양극 C를 얻을 수 있다. 단, 본 실시 형태에 있어서는, 상기와 같이, 선상 음극 활물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)가 각도 α1을 가지고 있기 때문에, 대략 직사각형의 양극 집전체(18)의 대향하는 2변에 평행한 방향으로 노즐이 반송되도록, 양극 집전체(18)와 노즐을 상대 이동시킨다.
상기와 같이 하여 얻어진 음극 A와 양극 C를, 음극 활물질층(12)과 양극 활물질층(16)을 기밀성이 있는 공간에 세퍼레이터(20)를 통하여 대향시킨 상태로 적층하고, 세퍼레이터(20) 및 당해 공간에 전해액을 충전하여 전해액층(14)을 형성하여, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)를 작성한다.
≪제1 변형 양태≫
이상, 본 발명의 실시 형태의 일례에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이들 만에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 본 경우에, 1개의 선상 음극 활물질부(12a)가 1개소에 있어서 선상 양극 활물질부(16a)와 교차하는 경우에 대해서 설명했지만, 1개의 선상 음극 활물질부가 복수 개소에 있어서 선상 양극 활물질부와 교차하고 있어도 된다.
도 4는, 상기 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)의 제1 변형 양태에 관련된 리튬 이온 2차 전지(2)에 있어서, 도 2와 마찬가지로 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상 음극 활물질부(22a)와 선상 양극 활물질부(36a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
이 제2 변형 양태에 있어서는, 음극 집전체(10) 상에 있어서, 음극 활물질층(12)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(22a)가, 도 4에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(10) 상에 있어서 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α2(＞α1)로 교차하여 연장되도록, 간격을 두고 형성되어 있다. 이에 반해, 양극 집전체(18) 상에 있어서, 양극 활물질층(16)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(26a)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 화살표 Y의 방향을 따라 연장되도록, 간격을 두고 형성되어 있다. 이것에 의해, 1개의 선상 음극 활물질부(22a)가 부분 C1 및 부분 C2의 2개소에 있어서 선상 양극 활물질부(26a)와 교차하고 있다.
이러한 구성을 가지는 리튬 이온 2차 전지(2)에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 선상 음극 활물질부(22a) 및 선상 양극 활물질부(26a)로 구성된 음극 활물질층 및 양극 활물질층을 구비하고 있어도, 적층한 상태로, 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(22a)가, 대향하는 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(26a)의 사이에 들어가지 않는다.
또, 적층한 상태로 가압되어도, 부분 C1 및 부분 C2의 2개소에 있어서 선상 음극 활물질부(22a)와 선상 양극 활물질부(26a)가 접할 수 있기 때문에 세퍼레이터(20)에 걸리는 힘이 분산되기 쉽고, 따라서 세퍼레이터(20)의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지(2)로 할 수 있다. 이러한 리튬 이온 2차 전지(2)도 상기 실시 형태 1의 리튬 이온 2차 전지(1)와 동일하게 하여 제작할 수 있다.
≪제2 변형 양태≫
또, 예를 들면, 상기 실시 형태 및 제1 변형 양태에 있어서는, 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 본 경우에, 각각 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 1개의 선상 음극 활물질부(12a, 22a)가 1개소 및 2개소에 있어서 선상 양극 활물질부(16a, 26a)와 교차하는 경우에 대해서 설명했지만, 선상 음극 활물질부가 선상 양극 활물질부와 대략 직교하고 있어도 된다.
도 5는, 상기 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)의 제2 변형 양태에 관련된 리튬 이온 2차 전지(3)에 있어서, 도 2와 마찬가지로 도 1에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상 음극 활물질부(32a)와 선상 양극 활물질부(36a)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
이 제3 변형 양태에 있어서는, 음극 집전체(10) 상에 있어서, 음극 활물질층(12)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(22a)가, 도 5에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(10) 상에 있어서 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α3(=90°＞α2＞α1)로 교차(대략 직교)하여 화살표 X의 방향으로 연장되도록, X방향으로 간격을 두고 형성되어 있다. 이에 반해, 양극 집전체(18) 상에 있어서, 양극 활물질층(16)을 구성하는 복수개의 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(36a)는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 화살표 Y의 방향을 따라 연장되도록, 간격을 두고 형성되어 있다. 이것에 의해, 1개의 선상 음극 활물질부(22a)가 부분 C1 및 부분 C2의 2개소에 있어서 선상 양극 활물질부(26a)와 교차하고 있다.
이러한 구성을 가지는 리튬 이온 2차 전지(3)에 의하면, 고애스펙트비의 요철 구조를 가지는 선상 음극 활물질부(32a) 및 선상 양극 활물질부(36a)로 구성된 음극 활물질층 및 양극 활물질층을 구비하고 있어도, 적층한 상태로, 볼록 형상의 선상 음극 활물질부(32a)가, 대향하는 볼록 형상의 선상 양극 활물질부(36a)의 사이에 들어가지 않는다.
또, 적층한 상태로 가압되어도 부분 C1, 부분 C2, 부분 C3, 부분 C4 및 부분 Cn(도시하지 않음)의 복수 개소에 있어서 선상 음극 활물질부(32a)와 선상 양극 활물질부(36a)가 접할 수 있기 때문에, 세퍼레이터(20)에 걸리는 힘이 분산되기 쉽고, 따라서 세퍼레이터(20)의 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어난 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지(3)로 할 수 있다. 또한, 제2 변형 양태에 있어서는, 선상 음극 활물질부(32a)와 선상 양극 활물질부(36a)의 교차점은 최대한이 된다. 이러한 리튬 이온 2차 전지(3)도 상기 실시 형태 1의 리튬 이온 2차 전지(1)와 동일하게 하여 제작할 수 있다.
이러한 실시 형태 및 변형 양태 이외에도, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지 및 그 제조 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 다양한 형태를 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 대략 직사각형의 음극 집전체(10)에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 도 1 및 도 2에 있어서의 화살표 Y의 방향에 대해 각도 α1로 교차하는 방향을 따라, 선상 음극 활물질부(12a)를 형성하여 음극 A를 제작하고, 또, 대략 직사각형의 양극 집전체(18)에, 도 1 및 도 2에 있어서의 화살표 Y의 방향을 따라, 선상 양극 활물질부(16a)를 형성하여 양극 C를 제작하고, 그 다음에, 음극 A와 양극 C를, 도 1에 나타낸 바와 같이, 선상 음극 물질부(12a)와 선상 양극 활물질부(16a)가 대향하도록, 음극 A와 양극 C를 적층하고, 이 때, 도 1에 있어서의 화살표 Z1로부터 보아, 음극 집전체(10)의 외주와 양극 집전체(18)의 외주부는 일치하도록, 음극 A 및 양극 C를 적층했다.
이에 반해, 예를 들면, 음극 집전체 및 양극 집전체에 있어서, 동일한 방향으로 연장되도록 각각 선상 음극 활물질부 및 선상 양극 활물질부를 형성하여 음극 및 양극을 제작하고, 음극 집전체 및 양극 집전체의 면에 대해 대략 수직에서 보아 선상 음극 활물질부와 선상 양극 활물질부가 교차하도록 음극 및 양극을 회전시켜 적층해도 된다. 이 경우, 음극 집전체 및 양극 집전체의 형상은, 이 회전의 각도를 미리 결정해 두어, 당해 각도에 따라 미리 결정하여 맞추어 두면 된다.
또, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지에 있어서의 선상 음극 활물질부 및 선상 양극 활물질부의 치수나 간격은, 상기 실시 형태 및 변형 양태에 한정되는 것은 아니며, 적절히 조정하는 것이 가능하다.
또, 상기 실시 형태 및 변형 양태에 있어서는, 선상 음극 활물질부 및 선상 양극 활물질부 모두가, 각각 음극 집전체 및 양극 집전체 상에 있어서 일정한 스페이스를 두고 형성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 선상 음극 활물질부 및 선상 양극 활물질부의 기저 부분(즉, 음극 집전체 및 양극 집전체에 면하는 부분)에 있어서는, 인접하는 선상 음극 활물질부끼리 또는 선상 양극 활물질부끼리가 연속하고 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태 및 변형 양태에서는, 요철 구조를 가질 필요가 있는 선상 음극 활물질부 및 선상 양극 활물질부의 형성에는 노즐 디스펜스법에 의한 도포를 적용하고 있으므로, 다양한 패턴을 단시간에 형성할 수 있다. 또, 미세 패턴의 작성에도 노즐 디스펜스법을 적합하게 적용하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 한에서 상기 서술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 각 공정에 있어서 적용하는 도포 방법은 상기에 한정되는 것은 아니며, 당해 공정의 목적에 맞는 것이면 다른 도포 방법을 적용해도 된다. 또, 예를 들면, 상기의 실시 형태 및 변형 양태에 있어서의 전해액층은, 세퍼레이터를 이용한다면, 겔 형상의 전해질층으로 해도 된다. 그 경우, 스핀 코트법이나 스프레이 코트법에 의해 전해질 재료를 도포해도 된다.
［제2 실시 형태］
본 실시 형태에서는, 도 6에 나타낸 구조의 리튬 이온 2차 전지를 대표로 해서 본 발명을 설명한다. 도 6은, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지의 일실시 형태의 개략 종단면도이다. 또, 도 7은, 도 6에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(101)에 있어서, 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 상단(면)과 선상의 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단(면)의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
또, 상세한 것은 후술하지만, 도 8은, 도 6에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(101)에 대해서, 노즐 디스펜스법에 의해 볼록 형상 음극 활물질부(112a)(음극 활물질층(112))를 형성하는 모습을 나타낸 모식도이며, 도 9는, 도 6에 나타낸 리튬 이온 2차 전지(101)의 변형예에 있어서, 대략 각기둥 형상의 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 상단과 대략 각기둥 형상의 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단의 위치 관계를 나타낸 개략도이다.
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 음극(제1 전극) A와, 세퍼레이터(120)와, 양극(제2 전극) C를 구비하고, 음극 A와 양극 C의 사이에 전해액이 충전되어 전해액층(114)이 형성되어 있음과 함께, 세퍼레이터(120)에도 전해액이 함침되어 있다.
음극 A는, 음극 집전체(제1 집전체)(110)와, 음극 집전체(110) 상에 스페이스를 두고 설치된 복수의 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(제1 활물질부)(112a)로 이루어지는 음극 활물질층(제1 활물질층)(112)으로 구성되어 있으며, 양극 C는, 양극 집전체(제2 집전체)(118)와, 양극 집전체(118) 상에 스페이스를 두고 설치된 복수의 선상의 볼록 형상 양극 활물질부(제2 활물질부)(116a)로 이루어지는 양극 활물질층(제2 활물질층)(116)으로 구성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 있어서의 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)는, 이른바 라인 앤드 스페이스의 패턴 형상을 가지도록 형성되어 있다.
여기서, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)에서는, 음극 A와 양극 C가, 도 6에 나타낸 바와 같이, 인접하는 볼록 형상 양극 물질부(116a)의 사이에 볼록 형상 음극 물질부(112a)가 대향하도록 적층되어 있으며, 최대의 특징은, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 상단의 인접하는 2변 L1 및 L2의 폭(길이) Wa1 및 Wa2와, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스)의 거리 Wb1 및 Wb2가, 도 7에 나타낸 바와 같이,
관계식 (1): Wa1＞Wb1　및
관계식 (2): Wa2＞Wb2
를 만족하고 있는 점에 있다.
보다 상세하게 설명하면, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)에 있어서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)가, 도 6에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영해 보면, 인접하여 직교하는 2변 L1 및 L2를 가지는 대략 장방형 형상이며, 가늘고 긴 직사각형의 형상을 가지고 있다. 마찬가지로, 선상의 볼록 형상 양극 활물질부(16a)도, 도 6에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영해 보면, 인접하여 직교하는 2변을 가지는 대략 장방형 형상이며, 가늘고 긴 직사각형의 형상을 가지고 있다.
그리고, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 변 L1에 대향하여 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스) M1이 위치하고, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 변 L1의 폭 Wa1과, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스) M1의 거리 Wb1이, 관계식 (1): Wa1＞Wb1을 만족하고 있다.
또한, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 변 L2에 대향하는 위치에는, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스) M2는 설치되지 않으며, 즉, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스) M2의 거리 Wb2는 0이며, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 변 L2의 폭 Wa2와, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스) M2의 거리 Wb2(=0)가, 관계식 (2): Wa2＞Wb2를 만족하고 있다.
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 이상과 같은 구성을 가지기 때문에, 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)가 고애스펙트비를 가지는 구조여도, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)는, 인접하는 볼록 형상 양극 활물질부(116a) 사이의 오목 부분에 들어가지 못하여, 따라서 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)가 세퍼레이터(120)를 뚫거나 하여 파손시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어나 신뢰성이 있는 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지(101)를 구성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 폭 Wa1이 100~150μm이며, 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 상단 간(스페이스)의 거리 Wb1이 50~90μm인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 상기 관계식 (1)을 보다 확실히 만족하며, 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a) 각각의 폭에 대해 이들의 높이를 확보하기 쉽고, 고애스펙트비를 보다 확실히 실현할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)의 높이 Ha 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 높이 Hb가 각각 50~100μm인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)의 저항이 너무 올라가지 않아, 충방전 용량의 저하를 방지할 수 있다.
여기서, 음극 집전체(110)로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 공지의 재료를 이용할 수 있지만, 예를 들면 알루미늄박 등의 금속막이면 된다. 또, 도시하고 있지 않지만, 이 음극 집전체(110)는, 절연성의 기재의 표면에 형성되어 있어도 된다. 이러한 기재로서는 절연성 재료로 형성된 평판 형상 부재를 이용하면 되며, 이와 같은 절연성 재료로서는, 예를 들면 수지, 유리 또는 세라믹스 등을 들 수 있다. 또, 기재는 가요성을 가지는 플렉서블 기판이어도 된다.
음극 활물질층(112)은, 도 6~도 8에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(110) 상에 있어서 Y방향을 따라 연장되도록 간격을 두고 형성된 복수개의 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)로 구성되어 있다.
볼록 형상 음극 활물질부(112a)에 포함되는 음극 활물질로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본원 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 금속, 금속 섬유, 탄소 재료, 산화물, 질화물, 규소, 규소 화합물, 주석, 주석 화합물, 각종 합금 재료 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 용량 밀도의 크기 등을 고려하면, 산화물, 탄소 재료, 규소, 규소 화합물, 주석, 주석 화합물 등이 바람직하다. 산화물로서는, 예를 들면, 식: Li4Ti5O12로 표시되는 티탄산 리튬 등을 들 수 있다. 탄소 재료로서는, 예를 들면, 각종 천연 흑연(그래파이트), 코크스, 흑연화 도상 탄소, 탄소 섬유, 구상 탄소, 각종 인조 흑연, 비정질 탄소 등을 들 수 있다. 규소 화합물로서는, 예를 들면, 규소 함유 합금, 규소 함유 무기 화합물, 규소 함유 유기 화합물, 고용체 등을 들 수 있다. 규소 화합물의 구체예로서는, 예를 들면, SiOa(0.05＜a＜1.95)로 표시되는 산화 규소, 규소와 Fe, Co, Sb, Bi, Pb, Ni, Cu, Zn, Ge, In, Sn 및 Ti로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 합금, 규소, 산화 규소 또는 합금에 포함되는 규소의 일부가 B, Mg, Ni, Ti, Mo, Co, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Nb, Ta, V, W, Zn, C, N 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 치환된 규소 화합물 또는 규소 함유 합금, 이들의 고용체 등을 들 수 있다. 주석 화합물로서는, 예를 들면, SnOb(0＜b＜2), SnO2, SnSiO3, Ni2Sn4, Mg2Sn 등을 들 수 있다. 음극 활물질은 1종을 단독으로 이용해도 되며, 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
또, 볼록 형상 음극 활물질부(112a)는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 도전조제를 포함하고 있어도 된다. 도전조제로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 천연 흑연, 인조 흑연 등의 그래파이트류, 아세틸렌 블랙, 켓첸 블랙, 채널 블랙, 퍼니스 블랙, 램프 블랙, 서멀 블랙 등의 카본 블랙류, 탄소 섬유, 금속 섬유 등의 도전성 섬유류, 불화카본, 알루미늄 등의 금속 분말류, 산화 아연 등의 도전성 위스커류, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물, 페닐렌 유도체 등의 유기 도전성 재료 등을 들 수 있다. 도전제는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 상기와 같이, 음극 집전체(110)와 음극 활물질층(112)으로 구성되는 음극 A에 대향하여, 양극 활물질층(116)과 양극 집전체(118)로 구성되는 양극 C가 적층되며, 음극 A와 양극 C의 사이에 전해액층(114) 및 세퍼레이터(120)를 가지는 구성을 가지고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)에서는, 음극 A와 양극 C의 사이에 기밀성이 있는 공간을 가지며, 당해 공간에 전해액이 충전되어 전해액층(114)이 형성된 구성을 가지고 있다.
세퍼레이터(120)로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 뛰어난 고율 방전 성능을 나타낸 다공막이나 부직포 등을, 단독 또는 병용할 수 있다. 세퍼레이터(120)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리불화비닐리덴, 불화비닐리덴-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-퍼플루오르비닐에테르 공중합체, 불화비닐리덴-테트라플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-트리플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-플루오르에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-헥사플루오르아세톤 공중합체, 불화비닐리덴-에틸렌 공중합체, 불화비닐리덴-프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-트리플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 불화비닐리덴-에틸렌-테트라플루오르에틸렌 공중합체 등을 들 수 있다.
또, 세퍼레이터(120)에는, 예를 들면 아크릴로니트릴, 에틸렌옥시드, 프로필렌옥시드, 메틸메타아크릴레이트, 비닐아세테이트, 비닐피롤리돈, 폴리불화비닐리덴 등의 폴리머와 전해질로 구성되는 폴리머 겔을 이용해도 된다.
전해액층(114)을 구성하는 전해액에는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 리튬염과 유기 용매를 포함하는 종래 공지의 전해액을 이용할 수 있다. 리튬염으로서는, 예를 들면 6불화인산 리튬(LiPF6), 과염소산 리튬(LiClO4) 및 리튬비스트리플루오르메탄설포닐이미드(LiTFSI) 등을 들 수 있다. 또, 유기 용매로서는, 예를 들면, 에틸렌카보네이트, 디에틸렌카보네이트 및 에틸메틸카보네이트 등을 들 수 있으며, 이들의 혼합물을 이용할 수도 있다.
양극 집전체(118) 상에는, 음극 집전체(110) 상의 볼록 형상 음극 활물질(112a)로 이루어지는 음극 활물질층(112)과 동일하게 하여, 양극 활물질 재료를 포함하는 볼록 형상 양극 활물질부(116a)로 이루어지는 양극 활물질층(116)이 설치되어 있다.
양극 집전체(118)로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 공지의 재료를 이용할 수 있지만, 예를 들면 구리박 등의 금속막이면 된다. 또, 음극 집전체(110)와 마찬가지로, 양극 집전체(118)는, 절연성의 기재의 표면에 형성되어 있어도 된다. 이러한 기재로서는 절연성 재료로 형성된 평판 형상 부재를 이용하면 되며, 이와 같은 절연성 재료로서는, 예를 들면 수지, 유리 또는 세라믹스 등을 들 수 있다. 또, 기재는 가요성을 가지는 플렉서블 기판이어도 된다.
볼록 형상 양극 활물질부(116a)가 포함하는 양극 활물질(분말)로서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 예를 들면, 리튬 함유 복합 금속 산화물, 칼코겐 화합물, 이산화 망간 등을 들 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물은, 리튬과 천이 금속을 포함하는 금속 산화물 또는 그 금속 산화물 중의 천이 금속의 일부가 이종 원소에 의해 치환된 금속 산화물이다. 여기서, 이종 원소로서는, 예를 들면, Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, B 등을 들 수 있으며, Mn, Al, Co, Ni, Mg 등이 바람직하다. 이종 원소는 1종이어도 또는 2종 이상이어도 된다. 이들 중에서도, 리튬 함유 복합 금속 산화물을 바람직하게 사용할 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물로서는, 예를 들면, LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoyNi1 - yO2, LixCoyM1-yOz, LixNi1 - yMyOz, LixMn2O4, LixMn2 - yMyO4, LiMPO4, Li2MPO4F(상기 각 식 중, 예를 들면, M은 Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, V 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종. 0＜x≤1.2, 0＜y≤0.9, 2.0≤z≤2.3), LiMeO2(식 중, Me=MxMyMz;Me 및 M은 천이 금속, x＋y＋z=1) 등을 들 수 있다. 리튬 함유 복합 금속 산화물의 구체예로서는, 예를 들면, LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 등을 들 수 있다. 여기서, 상기 각 식 중 리튬의 몰비를 나타낸 x치는, 충방전에 의해 증감한다. 또, 칼코겐 화합물로서는, 예를 들면 2황화 티탄, 2황화 몰리브덴 등을 들 수 있다. 양극 활물질은 1종을 단독으로 사용할 수 있고 2종 이상을 병용해도 된다. 양극 활물질층(16)에는, 음극 활물질층(12)에 관해서 상기에 기재한 도전조제를 포함해도 된다.
상기와 같이, 음극 집전체(110), 음극 활물질층(112), 전해액층(114), 세퍼레이터(120), 전해액층(114), 양극 활물질층(116) 및 양극 집전체(118)에 의해, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)가 형성되어 있다.
또한, 이 리튬 이온 배터리 2차 전지(101)에는, 도시하고 있지 않지만, 적절히 탭 전극이 설치되어 있어도 되며, 또, 복수의 리튬 이온 배터리 2차 전지(101)를 직렬 및/또는 병렬로 접속하여 리튬 이온 2차 전지 장치를 구성할 수도 있다.
이러한 구조를 가지는 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 박형이며 절곡 가능하게 구성할 수도 있다. 또, 음극 활물질층(112) 및 양극 활물질층(116)을 도시한 바와 같은 요철을 가지는 입체적 구조로 하여, 그 체적에 대한 표면적을 크게 하고 있으므로, 음극 활물질층(112) 및 양극 활물질층(116) 각각과 전해질액(114)의 접촉 면적을 크게 확보할 수 있어, 고효율·고출력을 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(1)는 소형이며 고성능이다.
다음에, 상기한 본 실시 형태에 있어서의 전극 및 리튬 이온 2차 전지(101)를 제조하는 방법에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)를 제조할 때에는, 우선, 음극 집전체(110)에 볼록 형상 음극 활물질부(112a)로 이루어지는 음극 활물질층(112)을 형성하여 음극 A를 제작하고, 양극 집전체(118)에 볼록 형상 양극 활물질부(116a)로 이루어지는 양극 활물질층(16)을 형성하여 양극 C를 제작한다.
그리고, 상기의 음극 A와 양극 C를, 도 6에 나타낸 바와 같이, 양극 활물질층(116)에 있어서 인접하는 볼록 형상 양극 물질부(116a)의 사이에 볼록 형상 음극 물질부(112a)가 대향하도록, 또한 세퍼레이터(120)를 통하여 적층한다. 음극 A와 양극 C의 사이에는 기밀성이 있는 밀폐 공간을 형성하고, 여기에 전해액을 충전하여 전해액층(114)을 형성함과 함께, 세퍼레이터(120)에도 전해액을 함침시킨다.
볼록 형상 음극 활물질부(112a)는, 예를 들면 (가) 음극 활물질을 포함하는 음극 활물질 재료를 선상으로 토출하는 노즐을 음극 집전체(110)에 대해 상대 이동시켜, 음극 집전체(110) 상에 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)를 형성하는 도포 공정(즉, 노즐 디스펜스법을 이용한 도포 공정), 및, (나) 볼록 형상 음극 활물질부(112a)를 건조시키는 건조 공정에 의해 형성할 수 있다.
상기 (가)의 도포 공정에서는, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(110)를 화살표 Y1의 방향으로 반송시킴으로써, 노즐(140)을 음극 집전체(110)에 대해 상대 이동시킨다. 반송되는 음극 집전체(110)의 표면에는, 노즐(140)로부터, 페이스트 형상의 음극 활물질 재료가 볼록 형상 음극 활물질부(112a)를 형성하도록 토출된다. 본 실시 형태에 있어서는, 노즐(140)의 위치는 고정되어 있으며, 음극 집전체(110)가 반송됨으로써, 노즐(140)이 음극 집전체(110)에 대해 상대 이동된다.
페이스트 형상의 음극 활물질 재료는, 상기 음극 활물질과, 상기 도전조제와, 결착재와, 용제 등을 상법에 의해 교반·혼합(혼련)하여 얻어지는 혼합물로 구성되며, 노즐(140)로부터 토출할 수 있는 범위에서 다양한 점도를 가지면 된다. 본 실시 형태에 있어서는, 예를 들면, 전단 속도 1s-1로, 하한 10Pa·s, 상한 10000Pa·s 정도인 것이 바람직하다. 또한, 각 성분은 용제에 용해되어 있어도 분산되어 있어도 된다(일부가 용해되어 잔부가 분산되어 있는 경우도 포함한다.).
또, 상기 도포 공정에 이용하는 음극 활물질 재료의 고형분 비율은, 음극 활물질 재료가 노즐(140)로부터 토출할 수 있도록 다양한 고형분 비율을 가질 수 있지만, 상기 혼합물의 습윤점에 있어서의 고형분 비율보다도 작은 고형분 비율을 가지고 있어, 예를 들면 60질량%인 것이 바람직하다.
이러한 점도 및 고형분 비율은, 음극 활물질, 도전조제, 결착재 및 용제 등의 성분의 종류나 배합량, 치수 또는 형상 등에 따라서도 상이하지만, 상기 음극 활물질과, 상기 도전조제와, 결착재와, 용제 등을 상법에 의해 교반·혼합(혼련)할 때의 혼련 시간의 길이에 따라 조정할 수 있다.
결착제로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아라미드 수지, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리아크릴니트릴, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 메틸에스테르, 폴리아크릴산 에틸에스테르, 폴리아크릴산 헥실에스테르, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 메틸에스테르, 폴리메타크릴산 에틸에스테르, 폴리메타크릴산 헥실에스테르, 폴리아세트산 비닐, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에테르, 폴리에테르설폰, 폴리헥사플루오르프로필렌, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌-프로필렌디엔 공중합체, 카복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 또, 테트라플루오르에틸렌, 헥사플루오르프로필렌, 퍼플루오르알킬비닐에테르, 불화비닐리덴, 클로로트리플루오르에틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 펜타플루오르프로필렌, 플루오르메틸비닐에테르, 아크릴산, 헥사디엔 등으로부터 선택되는 모노머 화합물의 공중합체를 결착제로서 이용해도 된다. 결착제는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 필요에 따라 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
용제로서는, 전해액층(114)에 포함되는 6불화인산 리튬(LiPF6) 등을 분해하지 않도록, 물을 제외한 유기 용매를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 유기 용매로서는, 본 발명의 기술 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 메틸포름아미드, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아민, 아세톤, 시클로헥사논 등을 들 수 있다. 유기 용매는 1종을 단독으로 사용할 수 있으며 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
여기서, 도 8의 (a)는, 노즐 디스펜스법에 의해 음극 활물질층(112)을 구성하는 볼록 형상 음극 활물질부(112a)가 형성되는 모습을 모식적으로 나타낸 측면도(즉, 반송되는 음극 집전체(110)의 주면에 대해 대략 평행한 X방향에서 본 경우에 보이는 도)이며, 도 8의 (b)는, 노즐 디스펜스법에 의해 음극 활물질층(112)을 구성하는 볼록 형상 음극 활물질부(112a)가 형성되는 모습을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
이 노즐 디스펜스법에서는, 도포액인 음극 활물질 재료를 토출하기 위한 토출구가 복수 설치된 노즐(140)을, 음극 집전체(110) 상방에 배치하고, 그 토출구로부터 일정량의 음극 활물질 재료를 토출시키면서, 음극 집전체(110)를 노즐(140)에 대해 상대적으로 화살표 Y1의 방향으로 일정 속도로 반송시킨다. 이렇게 함으로써, 음극 집전체(110) 상에는, Y방향을 따라 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 선상의 볼록 형상 활물질부(112a)가 형성되어 스트라이프 형상의 라인 앤드 스페이스의 패턴 형상이 되도록 도포된다.
노즐(140)에 복수의 토출구를 설치하면 복수개의 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)가 형성되어 스트라이프 형상으로 할 수 있으며, 음극 집전체(110)의 반송을 계속함으로써, 음극 집전체(110)의 전체면에 스트라이프 형상으로 선상의 볼록 형상 음극 활물질부(112a)를 형성할 수 있다.
상기와 같이 형성된 음극 활물질 재료로 이루어지는 복수개의 선상의 볼록 형상 활물질부(112a)는, 아직 용제 등을 포함하는 이를테면 도포막 상태이기 때문에, 볼록 형상 활물질부(112a)가 설치된 음극 집전체(110)는, 예를 들면 건조 수단인 송풍기 등의 하측 영역을 통과하도록 반송되어, 드라이 에어에 의해 건조 공정이 실시된다. 이것에 의해, 음극 집전체(110)와, 음극 집전체(110)의 표면에 형성된 선상의 볼록 형상 활물질부(112a)로 이루어지는 음극 활물질층(112)을 포함하는 음극 A를 얻을 수 있다.
건조 공정의 건조 온도 및 건조 시간은, 당업자이면 적절히 선택할 수 있다. 건조 온도는, 볼록 형상 활물질부(112a)를 건조시켜 그 형상을 고정시킬 수 있는 범위이면 되며, 예를 들면 5℃~150℃의 범위 내, 바람직하게는 상온(23℃)~80℃의 범위 내의 온도이면 된다. 또, 건조 시간은, 음극 집전체(110)의 반송 속도에 따라 제어할 수도 있다.
다음에, 양극 집전체(118) 상에 대한 양극 활물질층(116)의 형성도, 음극 집전체(110) 상에 대한 음극 활물질층(112)의 형성과 동일하게 하여 실시할 수 있다. 상기와 같이 하여 얻어진 음극 A와 양극 C를, 음극 활물질층(112)과 양극 활물질층(116)을 기밀성이 있는 공간에 세퍼레이터(120)를 통하여 대향시킨 상태로 적층하고, 세퍼레이터(120) 및 당해 공간에 전해액을 충전하여 전해액층(114)을 형성한다. 이와 같이 하여, 본 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)를 작성한다.
≪변형 양태≫
이상, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이들 만에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 제2 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부(112a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(116a)가 선상인 경우에 대해서 설명했지만, 볼록 형상 음극 활물질부 및 볼록 형상 양극 활물질부는 예를 들면 대략 각기둥 형상이어도 된다.
여기서, 도 9에, 상기 실시 형태의 리튬 이온 2차 전지(101)의 변형 양태로서, 도 7과 마찬가지로 도 6에 있어서의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영하여 보이는 일부의 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 상단과 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단의 위치 관계를 나타낸 개략도를 나타낸다.
본 변형 양태에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 인접하는 볼록 형상 양극 물질부(126a)의 사이에 볼록 형상 음극 물질부(122a)가 대향하도록 적층되어 있으며, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 인접하는 2변 L1 및 L2의 폭(길이) Wa1 및 Wa2와, 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단 간(스페이스)의 거리 Wb1 및 Wb2가, 도 9에 나타낸 바와 같이,
관계식 (1): Wa1＞Wb1　및
관계식 (2): Wa2＞Wb2
를 만족하고 있다.
보다 상세하게 설명하면, 본 변형 양태에서는, 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 음극 활물질부(122a)는, 상기 실시 형태에 있어서 도 6의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영한 것과 동일하게 하여 보면, 인접하여 직교하는 2변 L1 및 L2를 가지는 대략 사각형의 형상을 가지고 있다(도 9 참조). 마찬가지로, 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 양극 활물질부(126a)도, 상기 실시 형태에 있어서 도 6의 화살표 Z1의 방향으로부터 투영한 것과 동일하게 하여 보면, 인접하여 직교하는 2변을 가지는 대략 사각형의 형상을 가지고 있다.
그리고, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 변 L1에 대향하여 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단 간(스페이스) M1이 위치하고, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 변 L1의 폭 Wa1과, 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단 간(스페이스) M1의 거리 Wb1이, 관계식 (1): Wa1＞Wb1을 만족하고 있다.
또한, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 변 L2에 대향하는 위치에는, 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단 간(스페이스) M2가 위치하고, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)의 변 L2의 폭 Wa2와, 볼록 형상 양극 활물질부(126a)의 상단 간(스페이스) M2의 거리 Wb2가, 관계식 (2): Wa2＞Wb2를 만족하고 있다.
이러한 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 음극 활물질부(122a) 및 대략 사각기둥 형상의 볼록 형상 양극 활물질부(126a)도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 노즐 디스펜스법에 의해 노즐의 토출량이나 타이밍을 제어함으로써 형성할 수 있다.
본 변형 양태의 리튬 이온 2차 전지(101)는, 이상과 같은 구성을 가지기 때문에, 볼록 형상 음극 활물질부(122a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(126a)가 고애스펙트비를 가지는 구조여도, 볼록 형상 음극 활물질부(122a)는, 인접하는 볼록 형상 양극 활물질부(126a) 사이의 오목 부분에 들어가지 못하여, 따라서 볼록 형상 음극 활물질부(122a) 및 볼록 형상 양극 활물질부(126a)가 세퍼레이터(120)를 뚫거나 하여 파손시키는 것을 효과적으로 방지할 수 있어, 대용량이며 고속 충방전 특성이 뛰어나 신뢰성이 있는 세퍼레이터 타입의 리튬 이온 2차 전지(101)를 구성할 수 있다.
이러한 실시 형태 및 변형 양태 이외에도, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 다양한 형태를 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 실시 형태 및 변형 양태에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부의 사이즈가 볼록 형상 양극 활물질부 사이의 스페이스보다 커, 볼록 형상 음극 활물질부가 볼록 형상 양극 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성에 대해서 설명했지만, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 역으로, 볼록 형상 양극 활물질부의 사이즈가 볼록 형상 음극 활물질부 사이의 스페이스보다 커, 볼록 형상 양극 활물질부가 볼록 형상 음극 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것으로 해도 된다.
또, 상기 실시 형태 및 변형 양태에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부 및 볼록 형상 양극 활물질부 모두가, 선상 또는 대략 각기둥 형상인 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명의 리튬 이온 2차 전지는, 한쪽이 선상이며 다른쪽이 대략 각기둥 형상인 구성을 가지고 있어도 된다.
또, 상기 실시 형태 및 변형 양태에 있어서는, 볼록 형상 음극 활물질부 및 볼록 형상 양극 활물질부 모두가, 각각 음극 집전체 및 양극 집전체 상에 있어서 일정한 스페이스를 두고 형성되어 있는 경우에 대해서 설명했지만, 볼록 형상 음극 활물질부 및 볼록 형상 양극 활물질부의 기저 부분(즉, 음극 집전체 및 양극 집전체에 접하는 부분)에 있어서는, 인접하는 볼록 형상 음극 활물질부끼리 또는 볼록 형상 양극 활물질부끼리가 연속하고 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태 및 변형 양태에서는, 요철 구조를 가질 필요가 있는 볼록 형상 음극 활물질부 및 볼록 형상 양극 활물질부의 형성에는 노즐 디스펜스법에 의한 도포를 적용하고 있으므로, 다양한 패턴을 단시간에 형성할 수 있다. 또, 미세 패턴의 작성에도 노즐 디스펜스법을 적합하게 적용하는 것이 가능하다.
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 한에서 상기 서술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 각 공정에 있어서 적용하는 도포 방법은 상기에 한정되는 것은 아니며, 당해 공정의 목적에 맞는 것이면 다른 도포 방법을 적용해도 된다. 또, 예를 들면, 상기의 실시 형태 및 변형 양태에 있어서의 전해액층은, 세퍼레이터를 이용한다면, 겔 형상의 전해질층으로 해도 된다. 그 경우, 스핀 코트법이나 스프레이 코트법에 의해 전해질 재료를 도포해도 된다.
1 리튬 이온 2차 전지 10 음극 집전체
12 음극 활물질층 12a, 22a, 32a 선상 음극 활물질부
14 전해액층 16 양극 활물질층
16a, 26a, 36a 선상 양극 활물질부 18 양극 집전체
20 음극 40 노즐
101 리튬 이온 2차 전지 110 음극 집전체
112 음극 활물질층 112a, 122a 볼록 형상 음극 활물질부
114 전해액층 116 양극 활물질층
116a, 126a 볼록 형상 양극 활물질부 118 양극 집전체
120 음극 140 노즐

Claims (13)

  1. 제1 집전체와, 상기 제1 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제1 활물질부로 형성된 제1 활물질층을 가지는 제1 전극,
    제2 집전체와, 상기 제2 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제2 활물질부로 형성된 제2 활물질층을 가지는 제2 전극, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극이, 인접하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  2. 제1 집전체와, 상기 제1 집전체의 면 상에 설치된 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제1 활물질부를 가지는 제1 전극,
    제2 집전체와, 상기 제2 집전체의 면 상에 설치된 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제2 활물질부를 가지는 제2 전극, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
    상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 교차하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 복수의 상기 선상 제2 활물질부가 교차하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대략 직교하는 위치 관계로, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 겹쳐져 있는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  5. 제1 집전체의 면 상에 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제1 활물질부를 형성하여 제1 전극을 얻는 제1 전극 형성 공정,
    제2 집전체의 면 상에 복수의 서로 대략 평행한 볼록 형상의 선상 제2 활물질부를 형성하여 제2 전극을 얻는 제2 전극 형성 공정,
    상기 제1 활물질부와 상기 제2 활물질부가 대향하도록, 세퍼레이터를 개재시켜 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하여 적층체를 얻는 적층체 형성 공정을 포함하며,
    상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부가 상기 선상 제2 활물질부와 교차하는 위치 관계가 되도록, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부가 복수의 상기 선상 제2 활물질부와 교차하는 위치 관계가 되도록, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 적층체 형성 공정에 있어서, 상기 제1 집전체 및 상기 제2 집전체의 면에 대해 대략 수직인 방향에서 본 경우에, 상기 선상 제1 활물질부와 상기 선상 제2 활물질부가 대략 직교하는 위치 관계가 되도록, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 적층하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지의 제조 방법.
  8. 제1 집전체와, 상기 제1 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제1 활물질부로 형성된 제1 활물질층을 가지는 제1 전극,
    제2 집전체와, 상기 제2 집전체 상에 설치된 복수의 볼록 형상 제2 활물질부로 형성된 제2 활물질층을 가지는 제2 전극, 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극이, 인접하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 대향하도록 적층되어 있으며,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부의 사이즈가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이의 스페이스보다 커, 상기 볼록 형상 제1 활물질부가 상기 볼록 형상 제2 활물질부 사이에 들어가지 않는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부의 상단의 인접하는 2변의 폭 Wa1 및 Wa2와, 상기 2변에 대향하는 상기 볼록 형상 제2 활물질부의 상단 간(스페이스)의 거리 Wb1 및 Wb2가,
    관계식 (1): Wa1＞Wb1　및
    관계식 (2): Wa2＞Wb2
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부가 각각 선상인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부가 각각 대략 각기둥 형상인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부의 폭 Wa1 및 Wa2가 100~150μm이며, 상기 볼록 형상 제2 활물질부 상단 간의 거리 Wb1 및 Wb2가 50~90μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 볼록 형상 제1 활물질부의 높이 Ha 및 상기 볼록 형상 제2 활물질부의 높이 Hb가 각각 50~100μm인 것을 특징으로 하는 리튬 이온 2차 전지.
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