WO2022050046A1 - 二次電池 - Google Patents

Abstract

二次電池は、一方向に延在する集電体と、集電体の一部領域の上に形成された活物質層と、集電体と活物質層との間に設けられた下地層と、活物質層が形成された領域から連続して設けられた下地層の上に設けられたタブとを含む電極を備え、下地層は、下地層材料が塗工された塗工部と、下地層材料が塗工されていない非塗工部とを含み、タブは、塗工部および非塗工部の両方の上に亘って設けられる。

Description

二次電池

　本技術は、二次電池に関する。

　近年、携帯電話機などの多様な電子機器の普及に伴って、小型、軽量および高エネルギー密度の電源として二次電池の開発が進められている。二次電池の各構成は、電池特性に影響を及ぼすため、様々な検討が行われている。

　一例を挙げると、電極の集電体と、活物質層との間に下地層を設けることで、集電体と活物質層との間の接着性または導電性等を向上させることが検討されている（例えば、特許文献１～４参照）。

特開２０１５－１０６５２５号公報 特開２０１７－１８３０８３号公報 特開２０１８－１７４０９８号公報 特開２０１５－１５３６５８号公報

　また、二次電池の電極には、活物質層に加えて、電極から電荷を取り出すためのタブが設けられる。そのため、集電体に設けられる下地層は、活物質層の下地として好ましい特性と、タブの下地として好ましい特性とを有することが望まれる。

　よって、活物質層に対する接着性、およびタブに対する溶接性を向上させた電極を備える二次電池を提供することが望ましい。

　本技術の一実施形態に係る二次電池は、一方向に延在する集電体と、集電体の一部領域の上に形成された活物質層と、集電体と活物質層との間に設けられた下地層と、活物質層が形成された領域から連続して設けられた下地層の上に設けられたタブとを含む電極を備え、下地層は、下地層材料が塗工された塗工部と、下地層材料が塗工されていない非塗工部とを含み、タブは、塗工部および非塗工部の両方の上に亘って設けられる。

　本技術の一実施形態に係る二次電池によれば、集電体と活物質層との間に設けられた下地層は、下地層材料が塗工された塗工部と、下地層材料が塗工されていない非塗工部とを含み、下地層の塗工部および非塗工部の両方の上にタブが接合される。これにより、二次電池は、下地層の塗工部によって活物質層に対する接着性を向上させ、下地層の非塗工部によってタブに対する溶接性を向上させることが可能である。

　なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。

本技術の一実施形態に係る二次電池の構成を示す斜視図である。 図１に示した電池素子の構成を示す斜視図である。 正極および負極のそれぞれの平面構成および断面構成を示す説明図である。 正極下地層の塗工部および非塗工部の配置パターンの一例を示す平面図である。 正極下地層の塗工部および非塗工部の配置パターンの他の例を示す平面図である。 正極下地層の塗工部および非塗工部の配置パターンのさらに他の例を示す平面図である。 比較例に係る正極の平面構成および断面構成を示す説明図である。 変形例１に係る正極の平面構成および断面構成を示す説明図である。 変形例１に係る二次電池の断面構成を示す説明図である。 変形例２に係る正極の平面構成および断面構成を示す説明図である。 二次電池の適用例の一例である電池パックのブロック構成を示すブロック図である。

　以下、本技術に係る一実施形態に関して、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明する順序は、以下のとおりである。

　１．二次電池
　　　１－１．全体構成
　　　１－２．下地層の構成
　　　１－３．動作
　　　１－４．製造方法
　　　１－５．作用および効果
　２．変形例
　３．二次電池の用途

＜１．二次電池＞
　まず、本技術の一実施形態に係る二次電池について説明する。

　ここで説明する二次電池は、電極反応物質の吸蔵放出を利用して電池容量を得る二次電池であり、正極、負極および電解液を備える。二次電池では、充電途中に負極の表面に電極反応物質が析出することを防止するために、負極の充電容量は、正極の放電容量よりも大きくなっている。すなわち、負極の単位面積当たりの電気化学容量は、正極の単位面積当たりの電気化学容量よりも大きくなっている。

　電極反応物質は、特に限定されないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などの軽金属である。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムなどである。アルカリ土類金属は、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどである。

　以下では、電極反応物質がリチウムである場合を例に挙げる。リチウムの吸蔵放出を利用して電池容量を得る二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池では、リチウムがイオン状態で吸蔵および放出される。

＜１－１．全体構成＞
　図１は、本技術の一実施形態に係る二次電池の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した電池素子２０の構成を示す斜視図である。図３は、正極２１および負極３１のそれぞれの平面構成および断面構成を示す説明図である。なお、図３では、互いに共通する構成を有する正極２１および負極３１をまとめて示している。

　二次電池は、図１に示すように、外装フィルム１０と、電池素子２０と、正極配線２００と、負極配線３００と、正極シーラント７０と、負極シーラント８０とを備える。

　二次電池では、外装フィルム１０の内部に電池素子２０が収納されていると共に、電池素子２０に正極配線２００および負極配線３００が接続されている。正極配線２００および負極配線３００の各々は、外装フィルム１０の内部から外部に向かって互いに共通する方向に延在されている。

　すなわち、本実施形態に係る二次電池は、電池素子２０を収納するための外装部材として外装フィルム１０を用いたラミネートフィルム型の二次電池である。二次電池は、扁平な立体的形状を有している。

［外装フィルム］
　外装フィルム１０は、可撓性（または柔軟性）を有する外装部材であり、より具体的には、図１に示すように、中空の袋状の部材である。外装フィルム１０は、高分子材料および金属材料などのうちのいずれか１種類または２種類以上を含む。

　具体的には、外装フィルム１０は、内側から融着層、金属層および表面保護層が順に積層された３層のラミネートフィルムである。融着層は、熱融着法などを用いて融着可能なポリプロピレンなどの高分子材料を含む高分子フィルムである。金属層は、アルミニウムなどの金属材料を含む金属箔である。表面保護層は、ナイロンなどの高分子材料を含む高分子フィルムである。ただし、ラミネートフィルムである外装フィルム１０の層数は、特に限定されず、単層、２層または４層以上でもよい。

　外装フィルム１０は、正極配線２００を突出させるための開口部１０Ｋ１を有し、かつ負極配線３００を突出させるための開口部１０Ｋ２を有している。開口部１０Ｋ１は、正極配線２００が開口部１０Ｋ１を経由して外装フィルム１０の外部に延出された状態にて、正極シーラント７０により封止されている。また、開口部１０Ｋ２は、負極配線３００が開口部１０Ｋ２を経由して外装フィルム１０の外部に延出された状態にて、負極シーラント８０により封止されている。

［電池素子］
　電池素子２０は、充放電反応を進行させる素子であり、図１に示すように、外装フィルム１０の内部に収納されている。電池素子２０は、図２に示すように、正極２１と、負極３１と、セパレータ４０と、液状の電解質である電解液とを含む。ただし、図１および図２では、電解液の図示を省略している。

　正極２１および負極３１は、セパレータ４０を介して巻回されている。具体的には、正極２１および負極３１は、セパレータ４０を介して互いに積層されており、積層された状態にて巻回されている。したがって、電池素子２０は、セパレータ４０を介して巻回された正極２１および負極３１を含む巻回電極体である。なお、正極２１、負極３１およびセパレータ４０のそれぞれの巻回数は、特に限定されず、任意に設定することが可能である。

　ただし、正極２１の高さは、セパレータ４０の高さよりも小さくなっている。これは、正極２１に起因する短絡を防止するためである。また、負極３１の高さは、セパレータ４０の高さよりも小さく、かつ正極２１の高さよりも大きくなっている。これは、負極３１に起因する短絡を防止すると共に、充放電時におけるリチウムの析出に起因する正極２１と負極３１との短絡を防止するためである。

　正極２１は、電池素子２０を構成する一方の電極である。正極２１は、図３に示すように、正極集電体２２、正極下地層２３、正極活物質層２４および正極タブ２５を含む。

　正極集電体２２は、アルミニウムなどの金属材料を含む金属箔である。正極集電体２２は、一方向に延在する長手形状の箔で構成されてもよい。

　正極活物質層２４は、リチウムを吸蔵放出する正極活物質を含み、正極集電体２２の両面に設けられる。ただし、正極活物質層２４は、正極集電体２２の片面だけに設けられてもよい。正極活物質は、リチウム含有遷移金属化合物などのリチウム含有化合物のうちのいずれか１種類または２種類以上を含む。リチウム含有遷移金属化合物とは、リチウムと共に１種類または２種類以上の遷移金属元素を構成元素として含む酸化物、リン酸化合物、ケイ酸化合物およびホウ酸化合物などである。正極活物質層２４は、さらに正極結着剤および正極導電剤などを含んでもよい。

　正極タブ２５は、正極集電体２２と同じ金属材料または異なる金属材料を含み、正極集電体２２の長手形状の延在方向の端部にて正極下地層２３を介して正極集電体２２に設けられる。正極タブ２５は、一端を正極集電体２２と溶接され、他端を正極リード（正極配線２００など）と接合されることで、正極集電体２２から電荷を取り出すことができる。

　正極下地層２３は、正極集電体２２および正極活物質層２４の両方に接着性を有するポリマーと、導電性を有するフィラーとを含み、正極集電体２２と正極活物質層２４との間に設けられる。正極下地層２３に含まれるポリマーの一例としては、スチレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴムおよびこれらのゴムの共重合体を一部に含む１種類または２種類以上のポリマーを挙げることができる。正極下地層２３に含まれるフィラーの一例としては、カーボンブラックおよびカーボンナノチューブなどの炭素系材料を１種類または２種類以上を含むフィラーを挙げることができる。

　正極下地層２３は、正極活物質層２４が形成された領域から広がって設けられ、正極集電体２２の長手形状の端部に設けられた正極タブ２５の下まで連続して設けられる。具体的には、正極集電体２２では、長手形状の延在方向の中央部に正極活物質層２４が設けられ、正極集電体２２の長手形状の延在方向の端部に正極タブ２５が設けられる。正極下地層２３は、正極活物質層２４が設けられた中央部から正極タブ２５が設けられた端部まで連続して設けられ、正極活物質層２４および正極タブ２５の各々と、正極集電体２２との間に設けられる。

　本実施形態に係る二次電池では、正極下地層２３は、ポリマーおよびフィラーを含む下地層材料が正極集電体２２に塗布された塗工部と、下地層材料が正極集電体２２に塗布されていない非塗工部とを含む。これにより、正極下地層２３は、塗工部にて正極活物質層２４と正極集電体２２との接着性および導電性を確保すると共に、非塗工部にて正極タブ２５と正極集電体２２との溶接性を確保することができる。また、正極下地層２３の塗工部および非塗工部は、周期的な配置パターンにて設けられる。塗工部および非塗工部の配置パターンについては後述する。

　負極３１は、電池素子２０を構成する他方の電極である。負極３１は、図３に示すように、正極２１と同様に、負極集電体３２、負極下地層３３、負極活物質層３４および負極タブ３５を含む。

　負極集電体３２は、銅などの金属材料を含む金属箔である。負極集電体３２は、正極集電体２２と同様に、一方向に延在する長手形状の箔で構成されてもよい。

　負極活物質層３４は、リチウムを吸蔵放出する負極活物質を含み、負極集電体３２の両面に設けられる。ただし、負極活物質層３４は、負極集電体３２の片面だけに設けられていてもよい。負極活物質は、炭素材料および金属系材料などのうちのいずれか１種類または２種類以上を含む。炭素材料とは、黒鉛などである。金属系材料とは、リチウムと合金を形成可能である金属元素および半金属元素のうちのいずれか１種類または２種類以上を構成元素として含む材料であり、具体的にはケイ素およびスズなどを含む材料である。金属系材料は、単体でもよく、合金でもよく、化合物でもよく、それらの２種類以上の混合物でもよい。負極活物質層３４は、さらに負極結着剤および負極導電剤などを含んでもよい。

　負極タブ３５は、正極タブ２５と同様に、負極集電体３２と同じ金属材料または異なる金属材料を含み、負極集電体３２の長手形状の延在方向の端部にて負極下地層３３を介して負極集電体３２に設けられる。負極タブ３５は、一端を負極集電体３２と溶接され、他端を負極リード（負極配線３００など）と接合されることで、負極集電体３２から電荷を取り出すことができる。

　負極下地層３３は、負極集電体３２および負極活物質層３４の両方に接着性を有するポリマーと、導電性を有するフィラーとを含み、負極集電体３２と負極活物質層３４との間に設けられる。負極下地層３３に含まれるポリマーの一例としては、スチレンゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴムおよびこれらのゴムの共重合体を一部に含む１種類または２種類以上のポリマーを挙げることができる。負極下地層３３に含まれるフィラーの一例としては、カーボンブラックおよびカーボンナノチューブなどの炭素系材料を１種類または２種類以上を含むフィラーを挙げることができる。

　負極下地層３３は、正極下地層２３と同様に、負極活物質層３４が形成された領域から広がって設けられ、負極集電体３２の長手形状の端部に設けられた負極タブ３５の下まで連続して設けられる。具体的には、負極集電体３２では、長手形状の延在方向の中央部に負極活物質層３４が設けられ、負極集電体３２の長手形状の延在方向の端部に負極タブ３５が設けられる。負極下地層３３は、負極活物質層３４が設けられた中央部から負極タブ３５が設けられた端部まで連続して設けられ、負極活物質層３４および負極タブ３５の各々と、負極集電体３２との間に設けられる。

　負極下地層３３は、正極下地層２３と同様に、ポリマーおよびフィラーを含む下地層材料が負極集電体３２に塗布された塗工部と、下地層材料が負極集電体３２に塗布されていない非塗工部とを含む。これにより、負極下地層３３は、塗工部にて負極活物質層３４と負極集電体３２との接着性および導電性を確保すると共に、非塗工部にて負極タブ３５と負極集電体３２との溶接性を確保することができる。

　セパレータ４０は、正極２１と負極３１との間に介在する絶縁性の多孔質膜である。セパレータ４０は、正極２１と負極３１との短絡を防止しつつ、リチウムを通過させることができる。セパレータ４０は、ポリエチレンなどの高分子材料のうちのいずれか１種類または２種類以上を含んでいてもよい。

　電解液は、正極２１、負極３１およびセパレータ４０の各々に含浸されており、溶媒および電解質塩を含む。溶媒は、炭酸エステル系化合物、カルボン酸エステル系化合物およびラクトン系化合物などの非水溶媒（有機溶剤）のうちのいずれか１種類または２種類以上を含む。電解質塩は、リチウム塩などの軽金属塩のうちのいずれか１種類または２種類以上を含む。

＜１－２．下地層の構成＞
　続いて、図４Ａ～図５を参照して、正極下地層２３および負極下地層３３のより具体的な構成について説明する。なお、以下では、負極３１を例示して説明を行うが、正極２１についても同様であることは言うまでもない。

　図４Ａは、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの配置パターンの一例を示す平面図である。図４Ｂは、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの配置パターンの他の例を示す平面図である。図４Ｃは、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの配置パターンのさらに他の例を示す平面図である。図５は、比較例に係る負極９３１の平面構成および断面構成を示す説明図である。

　図４Ａ～図４Ｃに示すように、負極下地層３３は、接着性を有すポリマーと、導電性を有するフィラーとを含む下地層材料を負極集電体３２に塗工した塗工部３３Ａをパターン状に配置することで構成されてもよい。塗工部３３Ａ同士の間の領域は、下地層材料を負極集電体３２に塗工していない非塗工部３３Ｂである。

　負極下地層３３は、負極活物質層３４と負極集電体３２との密着性をより向上させるために、負極活物質層３４が形成された領域を含む、より広い領域に設けられることが望まれる。一方で、負極下地層３３は、負極タブ３５を負極集電体３２により強固に接合するために、負極タブ３５と負極集電体３２とを溶接する領域には設けられないことが望まれる。

　上記の要望を満たすための一例として、図５に示す比較例に係る負極９３１が考えられる。比較例に係る負極９３１では、負極活物質層３４が形成された領域よりも僅かに広い領域に限定して負極下地層３３が設けられる。これによれば、比較例に係る負極９３１は、負極下地層３３の上に負極活物質層３４を形成すると共に、負極集電体３２の上に負極タブ３５を溶接することができる。

　しかしながら、比較例に係る負極９３１では、負極集電体３２に負極下地層３３を形成する領域を高精度で制御することになるため、二次電池の生産性が低下することがあり得る。

　また、比較例に係る負極９３１では、負極活物質層３４の端部と、負極下地層３３の端部とが近く、かつ負極活物質層３４と、負極下地層３３との光学的な識別が困難であるため、負極活物質層３４の端部が検出しにくくなる。そのため、比較例に係る負極９３１を備える二次電池では、セパレータ４０を介して負極９３１および正極２１を積層する際に、負極活物質層３４と正極活物質層２４との間のクリアランスが大きくなり、二次電池の容量密度が低下することがあり得る。

　本実施形態に係る負極３１は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂをパターン状に配置した負極下地層３３を備える。これによれば、負極３１では、負極活物質層３４と負極集電体３２との密着性を向上させる塗工部３３Ａの上に負極活物質層３４が形成され、かつ負極タブ３５を負極集電体３２に強固に接合することが可能な非塗工部３３Ｂの上に負極タブ３５が形成される。よって、負極３１は、負極活物質層３４に対する接着性、および負極タブ３５に対する溶接性を向上させることができる。

　また、本実施形態に係る負極３１では、負極下地層３３は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂを含み、負極活物質層３４に対して負極集電体３２の被覆率が異なるため、負極活物質層３４と異なる光の反射率を有する。これによれば、本実施形態に係る負極３１では、負極活物質層３４の端部を光学的に識別することができる。したがって、本実施形態に係る負極３１を備える二次電池は、負極３１および正極２１を積層する際の負極活物質層３４および正極活物質層２４の間のクリアランスをより小さくすることができるため、二次電池の容量密度をより高めることができる。

　具体的には、図４Ａに示すように、塗工部３３Ａは、互い違いに配置されたドット状の周期パターンで設けられてもよい。または、図４Ｂに示すように、塗工部３３Ａは、斜方に延在する二次元格子状の周期パターンで設けられてもよい。さらには、図４Ｃに示すように、塗工部３３Ａは、斜方に延在するストライプ状（すなわち、縞状）またはウェーブストライプ状（すなわち、波打った縞状）の周期パターンで設けられてもよい。

　また、負極下地層３３は、塗工部３３Ａに替えて、非塗工部３３Ｂが上述した周期的なパターン配置で設けられてもよい。このような場合、非塗工部３３Ｂの間の領域が塗工部３３Ａとなる。さらに、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂは、上記以外の周期パターンで設けられてもよく、周期性のないランダムなパターンで設けられてもよい。

　ただし、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂは、周期的な配置パターンで設けられることが好ましい。このような場合、負極下地層３３は、均一性及び精度をより高めることができるため、より高品質の層として形成され得る。

　また、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂは、斜方に延在する周期的な配置パターンで設けられることがより好ましい。具体的には、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂは、負極活物質層３４の端面に対して斜交する周期的な配置パターンで設けられることがより好ましい。このような場合、負極下地層３３は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの周期的なパターンと負極活物質層３４の端面と斜交させることで、負極下地層３３と負極活物質層３４との境界をより明確にすることができる。したがって、負極下地層３３は、負極活物質層３４の光学的な識別性をより向上させることで、負極活物質層３４および正極活物質層２４の間のクリアランスをより小さくすることができるため、二次電池の容量密度をより高めることができる。

　さらに、負極下地層３３は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの周期的なパターンの繰り返し単位において、非塗工部３３Ｂの割合が５％以上９５％以下となるように設けられることがより好ましい。

　非塗工部３３Ｂの割合が５％以上である場合、後述する実施例で示すように、負極下地層３３は、非塗工部３３Ｂにて露出される負極集電体３２によって、光の反射率を負極活物質層３４とより明確に異ならせることができる。したがって、負極下地層３３は、負極活物質層３４の光学的な識別性をより向上させることができるため、負極活物質層３４および正極活物質層２４の間のクリアランスをより小さくし、二次電池の容量密度をより高めることができる。

　一方、非塗工部３３Ｂの割合が９５％以下である場合、後述する実施例で示すように、負極下地層３３では、塗工部３３Ａの割合が５％以上となるため、塗工部３３Ａにて負極集電体３２と負極活物質層３４とをより強固に接着することができる。したがって、負極下地層３３は、負極活物質層３４の脱落による二次電池の容量密度の低下を抑制することができる。

　負極タブ３５は、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの両方を含む領域にて負極集電体３２と接合する。これにより、負極タブ３５は、負極集電体３２が露出された非塗工部３３Ｂを介して負極集電体３２と接合することができる。

　負極タブ３５と負極集電体３２との接合は、一例を挙げると、矩形形状の溶接部にて行われてもよい。すなわち、負極タブ３５および負極集電体３２は、負極下地層３３を介して、矩形形状の領域で互いに溶接されていてもよい。このような場合、矩形形状の溶接部は、負極集電体３２の延在方向における最大幅が塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの周期パターンの繰り返しピッチの２倍よりも大きくなるように設けられてもよい。これにより、矩形形状の溶接部の直下の領域には、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの両方が含まれるようになる。したがって、負極タブ３５は、負極集電体３２と高い溶接強度で接合することが可能である。

　また、負極タブ３５と負極集電体３２との接合は、複数の点状のスポット溶接部にて行われてもよい。すなわち、負極タブ３５および負極集電体３２は、負極下地層３３を介して、複数のスポット溶接にて互いに溶接されていてもよい。このような場合、複数の点状のスポット溶接部の各々は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂの周期パターンの繰り返しピッチの倍数と異なる最小ピッチで設けられてもよい。これにより、複数の点状のスポット溶接部の直下の領域には、負極下地層３３の塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂが含まれるようになる。したがって、負極タブ３５は、負極集電体３２と高い溶接強度で接合することが可能である。

　なお、上記のように負極タブ３５と負極集電体３２との接合が複数の点状のスポット溶接部にて行われる場合、負極下地層３３の繰り返し単位における非塗工部３３Ｂの割合は、３０％以上であることが好ましい。非塗工部３３Ｂの割合が３０％以上である場合、後述する実施例で示すように、負極タブ３５は、複数の点状のスポット溶接部によって、非塗工部３３Ｂにて露出された好適な面積の負極集電体３２と接合することができる。したがって、負極タブ３５は、負極集電体３２とより高い溶接強度で接合することが可能である。

＜１－３．動作＞
　次に、本実施形態に係る二次電池の充放電動作について説明する。

　充電時の二次電池では、電池素子２０の正極２１からリチウムが放出される。放出されたリチウムは、電解液を介して負極３１に達し、負極３１に吸蔵される。また、放電時の二次電池では、電池素子２０の負極３１からリチウムが放出される。放出されたリチウムは、電解液を介して正極２１に達し、正極２１に吸蔵される。充放電時の二次電池では、リチウムは、イオン状態で吸蔵および放出される。

＜１－４．製造方法＞
　続いて、本実施形態に係る二次電池の製造方法について説明する。

［正極の作製］
　まず、接着性を有するポリマー、導電性を有するフィラー、および溶媒を混合することで、下地層スラリーを調製する。次に、調製した下地層スラリーを正極集電体２２の両面の全面に転写ローラにてパターニングしながら塗布し、乾燥させることで、塗工部２３Ａおよび非塗工部２３Ｂを含む正極下地層２３を形成する。

　その後、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合することで正極合剤としたのち、正極合剤を有機溶剤などに投入することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。次に、正極集電体２２の両面の中央部に正極合剤スラリーを塗布することにより、正極活物質層２４を形成する。正極活物質層２４は、加熱されてもよく、圧縮成型されてもよい。さらに、溶接法などを用いて、正極集電体２２の端部の正極下地層２３に正極タブ２５を接合する。なお、溶接法は、レーザ溶接法および抵抗溶接法などのうちのいずれか１種類または２種類以上を用いることができる。これにより、正極集電体２２の両面に正極下地層２３、正極活物質層２４および正極タブ２５が形成された正極２１を作製することができる。

［負極の作製］
　上記した正極２１の作製手順と同様の手順により、接着性を有するポリマー、導電性を有するフィラー、および溶媒を混合することで、下地層スラリーを調製する。次に、調製した下地層スラリーを負極集電体３２の両面の全面に転写ローラにてパターニングしながら塗布し、乾燥させることで、塗工部および非塗工部を含む負極下地層３３を形成する。

　その後、負極集電体３２の両面の中央部に負極活物質層３４を形成する。具体的には、負極活物質と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合することで負極合剤としたのち、負極合剤を有機溶剤などに投入することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。次に、負極集電体３２の両面に負極合剤スラリーを塗布することにより、負極活物質層３４を形成する。負極活物質層３４は、その後、圧縮成型されてもよい。さらに、溶接法などを用いて、負極集電体３２の端部の負極下地層３３に負極タブ３５を接合する。なお、溶接法は、レーザ溶接法および抵抗溶接法などのうちのいずれか１種類または２種類以上を用いることができる。これにより、負極集電体３２の両面に負極下地層３３、負極活物質層３４および負極タブ３５が形成された負極３１を作製することができる。

［電解液の調製］
　溶媒に電解質塩を投入し、溶媒中に電解質塩を分散または溶解させることで、電解液を調製する。

［二次電池の組み立て］
　続いて、セパレータ４０を介して正極２１および負極３１を互いに積層させたのち、正極２１、負極３１およびセパレータ４０の積層体を巻回することにより、電池素子２０を作製する。

　続いて、溶接法などを用いて、正極タブ２５の各々の一端部と、正極配線２００の一端部とを接続する。同様に、溶接法などを用いて、負極タブ３５の各々の一端部と、負極配線３００の一端部とを接続する。これにより、電池素子２０に正極配線２００および負極配線３００がそれぞれ接続される。

　次に、外装フィルム１０の内部に、正極配線２００および負極配線３００がそれぞれ接続された電池素子２０を収納する。

　続いて、外装フィルム１０の内部に電解液を注入したのち、熱融着法を用いて開口部にて互いに対向している外装フィルム１０同士を接合する。

　このとき、開口部１０Ｋ１にて外装フィルム１０と正極配線２００との間に正極シーラント７０を挿入すると共に、開口部１０Ｋ２にて外装フィルム１０と負極配線３００との間に負極シーラント８０を挿入する。これにより、開口部１０Ｋ１が正極シーラント７０を介して封止され、開口部１０Ｋ２が負極シーラント８０を介して封止される。

　以上の工程により、外装フィルム１０の内部に電池素子２０が封入され、電池素子２０とそれぞれ電気的に接続された正極配線２００および負極配線３００が外装フィルム１０から外部に突出したラミネートフィルム型の二次電池が完成する。

＜１－５．作用および効果＞
　本実施形態に係る二次電池が備える電極（正極２１または負極３１の少なくとも一方）には、接着性および導電性を有する下地層材料が集電体に塗布された塗工部と、下地層材料が集電体に塗布されていない非塗工部とを含む下地層が設けられる。これにより、電極は、塗工部にて活物質層と集電体との接着性および導電性を確保すると共に、非塗工部にてタブと集電体との溶接性を確保することができるため、二次電池の生産性を向上させることができる。

　また、本実施形態に係る二次電池が備える電極では、塗工部および非塗工部を含む下地層は、活物質層に対して光の反射率が異なるため、活物質層の端部を光学的に識別させることができる。したがって、本実施形態に係る二次電池は、正極２１および負極３１を積層する際の各々の活物質層のクリアランスをより小さくすることができるため、二次電池の容量密度をより高めることができる。

＜２．変形例＞
　次に、上記した二次電池の変形例に関して説明する。二次電池の構成は、以下で説明するように、適宜、変更可能である。ただし、以下で説明する一連の変形例のうちの任意の２種類以上は、互いに組み合わされてもよい。

［変形例１］
　図１～３では、正極２１および負極３１を１つずつ備え、セパレータ４０を介して積層された正極２１および負極３１を巻回した巻回型の二次電池を示した。しかしながら、二次電池の形態は上記例示に限定されない。

　変形例１に係る二次電池は、複数の負極３１Ａを備えてもよい。複数の負極３１Ａは、延在させた負極集電体３２を互いに溶接されることで電気的に接続されてもよい。図６は、変形例１に係る負極３１Ａの平面構成および断面構成を示す説明図である。図７は、変形例１に係る二次電池の断面構成を示す説明図である。

　図６に示すように、負極３１Ａは、負極集電体３２と、負極集電体３２の両面に全面に広がって設けられた負極下地層３３と、負極集電体３２の延在方向の一端部を除いて負極下地層３３の上に形成された負極活物質層３４とを備える。

　図７に示すように、変形例１に係る二次電池では、複数の負極３１Ａは、セパレータ４０を介して、正極集電体２２の両面に正極活物質層２４を形成した正極２１と交互に積層される。積層された複数の負極３１Ａは、負極活物質層３４が形成されていない一端部の負極集電体３２を積層体の外部にて互いに重ね合わせ、溶接部３６にて負極タブ３５とまとめて接合されることで電気的に接続される。

　このような場合、負極集電体３２の両面には負極下地層３３が設けられているものの、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂを含む負極下地層３３は、非塗工部３３Ｂにて溶接性を確保することができる。そのため、負極３１Ａは、負極下地層３３が両面に設けられた負極集電体３２をそのまま互いに溶接し、電気的に接続することが可能である。

　ここで、負極３１Ａについて説明したことは、正極２１に関しても同様である。すなわち、変形例１に係る二次電池は、複数の正極２１を備えてもよい。複数の正極２１は、延在された正極集電体２２を互いに溶接されることで電気的に接続されてもよい。

［変形例２］
　図１～３では、負極タブ３５が１つ設けられた負極３１を示した。しかしながら、負極３１の形態は上記例示に限定されない。

　変形例２に係る負極３１Ｂは、複数の負極タブ３５を備えてもよい。図８は、変形例２に係る負極３１Ｂの平面構成および断面構成を示す説明図である。

　図８に示すように、負極３１Ｂは、負極集電体３２と、負極集電体３２の両面に全面に広がって設けられた負極下地層３３と、互いに離隔されて負極下地層３３の上に形成された複数の負極活物質層３４と、負極下地層３３を介して負極集電体３２と接合された複数の負極タブ３５とを備える。

　具体的には、負極活物質層３４は、一方向に延在する負極集電体３２の中央部および両端部を除いた領域に設けられる。負極タブ３５は、一方向に延在する負極集電体３２の一方の端部および中央部の２か所にてそれぞれ負極下地層３３を介して負極集電体３２と溶接等により接合されてもよい。なお、図示しないが、負極タブ３５は、一方向に延在する負極集電体３２の両方の端部の２か所にてそれぞれ負極下地層３３を介して負極集電体３２と溶接等により接合されてもよい。

　このような場合、負極下地層３３は、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂを含むため、負極タブ３５を負極集電体３２と高い溶接強度で接合させることが可能である。また、塗工部３３Ａおよび非塗工部３３Ｂを含む負極下地層３３は、負極活物質層３４と光学的な識別が可能であるため、負極タブ３５を負極活物質層３４が設けられていない負極下地層３３にて負極集電体３２と容易に接合させることが可能である。

　ここで、負極３１Ｂについて説明したことは、正極２１に関しても同様である。すなわち、正極２１は、複数の正極タブ２５を備えてもよい。複数の正極タブ２５は、一方向に延在する正極集電体２２の端部または中央部等にて正極下地層２３を介して正極集電体２２と接合してもよい。

［変形例３］
　上記では、本実施形態に係る二次電池は、正極集電体２２、正極下地層２３、正極活物質層２４および正極タブ２５を含む正極２１と、負極集電体３２、負極下地層３３、負極活物質層３４および負極タブ３５を含む負極３１とを備えるとして説明した。しかしながら、本実施形態に係る二次電池では、塗工部および非塗工部を含む下地層は、正極２１および負極３１のいずれか一方のみに設けられてもよい。

　このような場合でも、本実施形態に係る二次電池は、同様の効果を得ることができる。ただし、塗工部および非塗工部を含む下地層は、正極２１および負極３１の両方に設けられていることがより好ましい。

［変形例４］
　上記実施形態では、セパレータは、多孔質膜であるとして説明した。しかしながら、セパレータは、高分子化合物層を含む積層膜であってもよい。

　具体的には、セパレータは、上記した多孔質膜である基材層と、基材層の片面または両面に設けられた高分子化合物層とを含んで構成されてもよい。高分子化合物層は、物理的強度に優れていると共に、電気化学的に安定なポリフッ化ビニリデンなどの高分子化合物を含む。これによれば、セパレータは、正極２１および負極３１のそれぞれに対する密着性を向上させることができるため、電池素子２０の内部での位置ずれを抑制することができる。したがって、二次電池は、電解液の分解反応などが発生した場合でも、膨れの発生を抑制することができる。

　セパレータの基材層および高分子化合物層のうちの一方または双方は、複数の粒子を含んでもよい。複数の粒子の種類は、無機粒子および樹脂粒子などの粒子のうちのいずれか１種類または２種類以上であってもよい。これによれば、二次電池は、発熱時に複数の粒子にて放熱することができるため、耐熱性および安全性を向上させることができる。無機粒子は、特に限定されないが、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム、ベーマイト、酸化ケイ素（シリカ）、酸化チタン（チタニア）、酸化マグネシウム（マグネシア）および酸化ジルコニウム（ジルコニア）などの粒子であってもよい。

　なお、高分子化合物層を含む積層膜のセパレータは、高分子化合物および有機溶剤などを含む前駆溶液を調製したのち、基材層の片面または両面に前駆溶液を塗布することで作製することができる。

　このようなセパレータを用いた場合でも、正極２１と負極３１との間においてリチウムが移動可能になるため、二次電池は、同様の効果を得ることができる。

［変形例５］
　上記実施形態では、電解質は、液状の電解液であるとして説明した。しかしながら、電解質は、ゲル状の電解質層であってもよい。

　ゲル状の電解質層を用いた電池素子２０では、セパレータ４０および電解質層を介して正極２１および負極３１が互いに積層されたのち、正極２１、負極３１、セパレータ４０および電解質層が巻回されている。これによれば、電解質層は、正極２１とセパレータ４０との間に介在していると共に、負極３１とセパレータ４０との間に介在している。

　電解質層は、電解液と共に高分子化合物を含んでおり、高分子化合物により電解液を保持している。電解液の構成は、上記した通りである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデンなどを含んでいる。電解質層は、電解液、高分子化合物および有機溶剤などを含む前駆溶液を調製したのち、正極２１および負極３１のそれぞれの片面または両面に前駆溶液を塗布することで形成することができる。

　このような電解質層を用いた場合でも、正極２１と負極３１との間において電解質層を介してリチウムが移動可能になるため、二次電池は、同様の効果を得ることができる。

［変形例６］
　上記実施形態では、電池素子２０の素子構造は、セパレータ４０を介して積層された正極２１および負極３１を巻回した巻回型の素子構造であるとして説明した。しかしながら、電池素子２０の素子構造は上記実施形態に限定されない。具体的には、電池素子２０の素子構造は、セパレータ４０を介して正極２１および負極３１を交互に積層した積層型の素子構造であってもよく、正極２１、負極３１およびセパレータがジグザグに折り畳まれた九十九折り型の素子構造であってもよく、スタックアンドフォールディング型の素子構造であってもよい。

＜３．二次電池の用途＞
　二次電池の用途（適用例）は、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、電子機器および電動車両などの主電源として用いられてもよく、補助電源として用いられてもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源であり、補助電源は、主電源の代わりに用いられる電源、または主電源から切り替えられる電源である。

　二次電池の用途の具体例は、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオおよび携帯用情報端末などの電子機器、バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置、電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具、電子機器などに搭載される電池パック、ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器、電気自動車（ハイブリッド自動車を含む。）などの電動車両、ならびに非常時などに備えて電力を蓄積しておく家庭用または産業用のバッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。これらの用途では、１個の二次電池が用いられてもよいし、複数個の二次電池が用いられてもよい。

　電池パックは、単電池を用いて構成されてもよく、組電池を用いて構成されてもよい。電動車両は、二次電池を駆動用電源として作動（走行）する車両であり、二次電池以外の駆動源を併せて備えたハイブリッド自動車であってもよい。家庭用の電力貯蔵システムは、電力貯蔵源である二次電池に蓄積された電力を利用して家庭用の電気製品などを稼働させることが可能である。

　ここで、二次電池の適用例の一例に関して具体的に説明する。以下で説明する適用例の構成は、あくまで一例であるため、適宜、変更可能である。

　図９は、電池パックのブロック構成を示す。ここで説明する電池パックは、１個の二次電池を用いた電池パック（いわゆるソフトパック）であり、スマートフォンに代表される電子機器などに搭載される。

　電池パックは、図９に示したように、電源４１０と、回路基板４２０とを備える。回路基板４２０は、電源４１０に接続されていると共に、正極端子２１０、負極端子３１０および温度検出端子４３０を含む。

　電源４１０は、１個の二次電池を含む。二次電池では、正極リードが正極端子２１０に接続されていると共に、負極リードが負極端子３１０に接続されている。電源４１０は、正極端子２１０および負極端子３１０を介して外部と接続可能であり、正極端子２１０および負極端子３１０を介して充放電可能である。回路基板４２０は、制御部４４０と、スイッチ４５０と、ＰＴＣ素子４６０と、温度検出部４７０とを含む。ただし、ＰＴＣ素子４６０は省略されてもよい。

　制御部４４０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）およびメモリなどを含み、電池パック全体の動作を制御する。制御部４４０は、必要に応じて電源４１０の使用状態の検出および制御を行う。

　なお、制御部４４０は、電源４１０（二次電池）の電圧が過充電検出電圧または過放電検出電圧に到達した場合、スイッチ４５０を切断することにより、電源４１０の電流経路に充電電流が流れないようにすることができる。過充電検出電圧および過放電検出電圧は、特に限定されない。一例を挙げると、過充電検出電圧は、４．２Ｖ±０．０５Ｖであり、過放電検出電圧は、２．４Ｖ±０．１Ｖである。

　スイッチ４５０は、充電制御スイッチ、放電制御スイッチ、充電用ダイオードおよび放電用ダイオードなどを含み、制御部４４０の指示に応じて電源４１０と外部機器との接続の有無を切り換える。スイッチ４５０は、金属－酸化物－半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを含む。充放電電流は、スイッチ４５０のＯＮ抵抗に基づいて検出される。

　温度検出部４７０は、サーミスタなどの温度検出素子を含み、温度検出端子４３０を用いて電源４１０の温度を測定すると共に、温度の測定結果を制御部４４０に出力する。温度検出部４７０により測定される温度の測定結果は、異常発熱時に制御部４４０が電源４１０の充放電制御を行う場合、および残容量の算出時に制御部４４０が電源４１０の残容量の補正処理を行う場合などに用いられる。

　以下では、実験例を参照しながら、本実施形態に係る二次電池について、より詳細に説明する。なお、以下に示す実験例は、本実施形態に係る二次電池の実施可能性及び効果を示すための一例であり、本技術が以下の実験例に限定されるわけではない。

（実施例１～７）
　以下の製造方法によって、実施例１～７に係る電極（すなわち、負極）を作製した。

　具体的には、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１．０質量％水溶液に、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）エマルジョン溶液と、カーボンブラック（ＣＢ）とを固形分比率がＣＭＣ：ＳＢＲ：ＣＢ＝２５：２５：５０となるように混合して下地層スラリーを調整した。その後、集電体である銅箔の上に、塗工部の割合を変えて下地層スラリーをドット状、ストライプ状、または格子パターン状に５００μｍピッチで全面塗工して乾燥させることで、下地層を形成した。

　次に、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１．０質量％水溶液に、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）エマルジョン溶液と、Ｄ５０が１５μｍである人造黒鉛（Ｇｒ）とをＣＭＣ：ＳＢＲ：Ｇｒ＝２５：２５：５０となるように混合して活物質スラリーを調整した。続いて、下地層の上の一部領域に活物質スラリーを塗布して乾燥させることで、活物質層を形成した。以上の方法により、実施例１～７に係る電極を作製した。

（比較例１）
　下地層を形成せず、集電体である銅箔の上に活物質スラリーを直接塗布したことを除いては、実施例１～７と同様の方法で比較例１に係る電極を作製した。

（比較例２）
　集電体である銅箔の上に、下地層スラリーをパターン状ではなく、べた塗りにて全面塗工したことを除いては、実施例１～７と同様の方法で比較例２に係る電極を作製した。

（評価）
　実施例１～７、比較例１および比較例２に係る電極の各々について、２５ｍｍ幅の短冊状電極片の片面の活物質層を金属板に両面テープで貼り付け、電極から一部剥離させて折り返した集電体の端部と、金属板とを引っ張り強度試験機に固定して１８０度剥離試験を実施した。これにより、集電体と活物質層との間の剥離強度を測定した。測定は、６回行い、６回の算術平均を電極の各々の剥離強度とした。

　また、実施例１～７、比較例１および比較例２に係る電極の各々について、レーザセンサを用いて、活物質層の端部の検出を行った。検出は、１００回行い、活物質層の端部が検出された回数を試行回数で除算することで認識率を算出した。

　実施例１～７、比較例１および比較例２に係る電極の剥離強度、および活物質層の端部の認識率を以下の表１に示す。なお、ＮＤは、検出不能であることを示す。

　表１に示す結果からわかるように、塗工部および非塗工部を含む下地層を備える実施例１～７に係る電極は、比較例１～２に係る電極に対して、集電体と活物質層との間の剥離強度、および活物質層の端部の認識率を向上させることが可能である。一方、比較例１に係る電極は、下地層が設けられないため、集電体と活物質層との間の剥離強度が著しく低下していることがわかる。また、比較例２に係る電極は、下地層が非塗工部を含まないため、活物質層の端部の認識が著しく困難となることがわかる。

　また、実施例２～７に係る電極は、下地層の非塗工部の割合が９５％以下であるため、実施例１に係る電極に対して、集電体と活物質層との間の剥離強度をより高めることが可能である。さらに、実施例１～４、６、７に係る電極は、下地層の非塗工部の割合が５％以上であるため、実施例５に係る電極に対して、活物質層の端部の認識をより良好に行うことが可能である。

（実施例８～１２）
　実施例１～５に係る電極に対して、幅８０μｍのＮｉ製のタブをスポット溶接にて接合することで、実施例８～１２に係る電極をそれぞれ作製した。具体的には、実施例１～５に係る電極の下地層が露出した領域に、直線上に等ピッチで配置された５点のスポット溶接にて、幅８０μｍのタブをそれぞれ接合した。実施例８～１２では、スポット溶接のピッチは、下地層の繰り返しパターンのピッチと異なるように設定した。

（実施例１３）
　実施例３に係る電極に対して、幅８０μｍのＮｉ製のタブをスポット溶接にて接合することで、実施例１３に係る電極を作製した。具体的には、実施例３に係る電極の下地層が露出した領域に、直線上に等ピッチで配置された５点のスポット溶接にて、幅８０μｍのタブを接合した。実施例１３では、スポット溶接のピッチは、下地層の繰り返しパターンのピッチと同じとなるように設定した。

（評価）
　実施例８～１２に係る電極の各々について、タブと、集電体とを引っ張り強度試験機に固定し、溶接面に対してせん断方向に力が加わるように引っ張り強度試験を実施した。これにより、集電体とタブとの間の溶接の剥離強度を測定した。測定は、１０回行い、１０回の算術平均を電極の各々の剥離強度とした。

　実施例８～１２に係る電極の集電体とタブとの間の溶接の剥離強度を以下の表２に示す。

　表２に示す結果からわかるように、実施例８～１０に係る電極は、下地層の非塗工部の割合が３０％以上であるため、実施例１１および１２に係る電極に対して、集電体とタブとの間の溶接強度をより高めることが可能である。また、実施例１０に係る電極は、スポット溶接のピッチが下地層の繰り返しパターンのピッチと異なるため、実施例１３に係る電極に対して、集電体とタブとの間の溶接強度をより高めることが可能である。

　以上、一実施形態および実施例を挙げながら本技術に関して説明したが、その技術の構成は、一実施形態および実施例において説明された構成に限定されないため、種々に変形可能である。

　本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して、他の効果が得られてもよい。

Claims (9)

1. 　一方向に延在する集電体と、
   　前記集電体の一部領域の上に形成された活物質層と、
   　前記集電体と前記活物質層との間に設けられた下地層と、
   　前記活物質層が形成された領域から連続して設けられた前記下地層の上に設けられたタブと
   を含む電極を備え、
   　前記下地層は、下地層材料が塗工された塗工部と、前記下地層材料が塗工されていない非塗工部とを含み、
   　前記タブは、前記塗工部および前記非塗工部の両方の上に亘って設けられる、
   　二次電池。
2. 　前記塗工部および前記非塗工部は、周期的な繰り返しパターンで設けられる、
   　請求項１に記載の二次電池。
3. 　前記繰り返しパターンの繰り返し単位における前記非塗工部の割合は、５％以上９５％以下である、
   　請求項２に記載の二次電池。
4. 　前記繰り返しパターンは、ドットパターン、ストライプパターン、又は二次元格子パターンを含む、
   　請求項２または請求項３に記載の二次電池。
5. 　前記タブは、前記塗工部および前記非塗工部の両方を含む領域にて前記下地層を介して前記集電体と接合される、
   　請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 　前記タブは、矩形形状の溶接部にて前記集電体と接合され、
   　前記集電体の延在方向における前記溶接部の最大幅は、前記繰り返しパターンの繰り返しピッチの２倍よりも大きい、
   　請求項５に記載の二次電池。
7. 　前記タブは、複数の点状のスポット溶接部にて前記集電体と接合され、
   　前記スポット溶接部の各々の最小ピッチは、前記繰り返しパターンの繰り返しピッチの倍数と異なる、
   　請求項５に記載の二次電池。
8. 　前記下地層材料は、接着性材料および導電性材料を含む、
   　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の二次電池。
9. 　リチウムイオン二次電池である、
   　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の二次電池。

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