JP6521323B2 - 二次電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極とがセパレータを介して重なり合っている二次電池とその製造方法に関する。

二次電池は、携帯電話、デジタルカメラ、ラップトップコンピュータなどのポータブル機器の電源としてはもちろん、車両や家庭用の電源として広く普及してきており、なかでも、高エネルギー密度で軽量なリチウムイオン二次電池は、生活に欠かせないエネルギー蓄積デバイスになっている。

二次電池は大別して捲回型と積層型に分類できる。捲回型二次電池の電池素子は、長尺の正極シートと負極シートとがセパレータによって隔離されつつ重ね合わされた状態で複数回巻き回された構造を有する。積層型二次電池の電池素子は、正極シートと負極シートとがセパレータによって隔離されながら交互に繰り返し積層された構造を有する。正極シートおよび負極シートは、集電体に、活物質（結着剤や導電材などを含む合剤である場合も含む）が塗布された塗布部と、電極端子を接続するために活物質が塗布されていない未塗布部とを備えている。

捲回型二次電池と積層型二次電池のいずれにおいても、正極端子の一端が正極シートの未塗布部に電気的に接続されて他端が外装容器（外装ケース）の外部に引き出され、負極端子の一端が負極シートの未塗布部に電気的に接続されて他端が外装容器の外部に引き出されるように、電池素子が外装容器内に封入されている。外装容器内には電池素子とともに電解液も封入されている。二次電池は年々大容量化する傾向にあり、これに伴って、仮に短絡が発生した場合の発熱がより大きくなり危険が増すため、電池の安全対策がますます重要になっている。

安全対策の例として、特許文献１には、正極と負極との間の短絡を防止するために、塗布部と未塗布部の境界部分に絶縁部材を形成する技術が開示されている。
また、特許文献２には、集電体上に形成される活物質が多層構造である構成が開示されている。

特開２０１２−１６４４７０号公報 特開２０１０−２６２７７３号公報

特許文献１に開示された技術では、図１１に示すように、正極１と負極６とがセパレータ２０を介して交互に積層されており、正極１の集電体３上に、活物質２が塗布された塗布部と活物質２が塗布されていない未塗布部との境界部分４を覆う絶縁部材４０が形成されている。積層型二次電池においては、平面的に見て同じ位置で絶縁部材４０が繰り返し積層される。このため、絶縁部材４０の配置される位置において電池素子の厚さが部分的に大きくなり、体積あたりのエネルギー密度が低下する。

また、二次電池は、電気的な特性や信頼性を安定させるために、電池素子をテープ等で固定して電池素子を均一な圧力で押さえることが好ましい。しかし、積層型二次電池に特許文献１のような絶縁部材を用いると、絶縁部材４０が存在する部分と存在しない部分との厚みの差により電池素子を均等に押さえることが出来なくなり、電気特性のばらつきやサイクル特性の低下など、電池の品質の低下を招くおそれがある。

特許文献２では、活物質の塗布部の端部が突出してセパレータを破損し電池内部で短絡が生じることを防ぐことができる。しかし、絶縁部材を設けることに伴う電池素子の厚さの増大や、電池素子を均等に押さえられないことによる電池の品質の低下を防ぐことはできない。そもそも特許文献２には、絶縁部材によって活物質の塗布部と未塗布部との境界部分を覆うことは全く想定されていないため、前記したように積層型二次電池において平面的に見て同じ位置で絶縁部材が繰り返し積層されることに伴う不具合については全く認識されていない。

そこで本発明の目的は、前記した問題点を解決して、絶縁部材によって正極と負極との間の短絡を防止するとともに、電池素子の体積の増大や変形を抑制して、電気特性および信頼性の高い高品質の二次電池とその製造方法を提供することにある。

本発明の二次電池は、正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された電池素子を含み、正極と負極はそれぞれ、集電体と、該集電体上に形成されている活物質層とを含む。正極と負極のいずれか一方または両方において、活物質層は、集電体上に第１の活物質層と第２の活物質層の両方が積層されている多層部分と、集電体上に第１の活物質層と第２の活物質層のいずれか一方のみが形成されている、多層部分よりも薄い単層部分とを含み、第１の活物質層の終端位置と第２の活物質層の終端位置は平面的にずれており、活物質層が形成されている塗布部と活物質層が形成されていない未塗布部との境界部分を覆い、かつ一方の端部が活物質層の単層部分に位置し、他方の端部が未塗布部に位置するように絶縁部材が配置されている。

本発明によると、絶縁部材による電池素子の体積の増加や電池素子の歪みを抑制することが可能であるため、エネルギー密度に優れた高品質の二次電池を得ることができる。

本発明の積層型二次電池の基本構造を表す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の二次電池の一実施形態の要部を示す拡大断面図である。 本発明の二次電池の一実施形態の正極を示す拡大断面図である。 図３Ａに示す正極の実際の形状を記す拡大図である。 本発明の二次電池の製造方法の正極形成工程を示す平面図である。 本発明の二次電池の製造方法の図４に続く工程を示す平面図である。 本発明の二次電池の製造方法の図５に続く工程を示す平面図である。 図６Ａに示す工程で切断されて形成された正極を示す平面図である。 本発明の二次電池の製造方法の負極形成工程を示す平面図である。 本発明の二次電池の製造方法の図７に続く工程を示す平面図である。 図８Ａに示す工程で切断されて形成された負極を示す平面図である。 活物質の間欠塗布に用いられる装置の一例を模式的に示すブロック図である。 本発明の二次電池の他の実施形態の正極を示す拡大断面図である。 関連技術の積層型二次電池の要部を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［二次電池の構成］
図１Ａ，１Ｂは、本発明の製造方法によって製造される積層型のリチウムイオン二次電池の構成の一例を模式的に示している。図１Ａは二次電池の主面（扁平な面）に対して垂直上方から見た平面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線断面図である。

本発明のリチウムイオン二次電池１００は、正極（正極シート）１と負極（負極シート）６とが、セパレータ２０を介して交互に複数層積層された電極積層体（電池素子）を備えている。この電極積層体は電解液と共に、可撓性フィルム３０からなる外装容器に収納されている。電極積層体の正極１には正極端子１１の一端が、負極６には負極端子１６の一端がそれぞれ接続されている。正極端子１１の他端側および負極端子１６の他端側は、それぞれ可撓性フィルム３０の外部に引き出されている。図１Ｂでは、電極積層体を構成する各層の一部（厚さ方向の中間部に位置する層）を図示省略して、電解液を示している。

正極１は、正極用の集電体（正極集電体）３とその正極集電体３に塗布された正極用の活物質層（正極活物質層）２とを含む。正極集電体３の表面と裏面には、正極活物質層２が形成された塗布部と正極活物質層２が形成されていない未塗布部とが、長手方向に沿って並んで位置する。同様に、負極６は、負極用の集電体（負極集電体）８とその負極集電体８に塗布された負極用の活物質層（負極活物質層）７とを含む。負極集電体８の表面と裏面には塗布部と未塗布部とが、長手方向に沿って並んで位置する。

正極１と負極６のそれぞれの未塗布部は、電極端子（正極端子１１または負極端子１６）と接続するためのタブとして用いられる。正極１に接続される正極タブ同士は正極端子１１上にまとめられ、正極端子１１とともに超音波溶接等で互いに接続される。負極６に接続される負極タブ同士は負極端子１６上にまとめられ、負極端子１６とともに超音波溶接等で互いに接続される。そのうえで、正極端子１１の他端部および負極端子１６の他端部は外装容器の外部にそれぞれ引き出されている。

負極６の塗布部（負極活物質層７）の外形寸法は正極１の塗布部（正極活物質層２）の外形寸法よりも大きく、セパレータ２０の外形寸法よりも小さいか等しい。

図２に示すように、本実施形態の正極１では、正極集電体３の両面に多層構造の正極活物質層２が形成されている。具体的には、正極集電体３上に正極用の活物質合剤が塗布されて第１の活物質層２ａが形成され、さらにこの第１の活物質層２ａの上に正極用の活物質合剤が塗布されて、第２の活物質層２ｂが積層されている。第１の活物質層２ａの正極用の活物質合剤と第２の活物質層２ｂの正極用の活物質合剤は、同じであっても異なっていてもよい。本実施形態では、第１の活物質層２ａの終端位置２ａ１が第２の活物質層２ｂの終端位置２ｂ１よりも、電池素子の外縁側に位置している。そのため、この正極活物質層２は、正極集電体３上に第１の活物質層２ａと第２の活物質層２ｂの両方が積層されている多層部分Ｍと、正極集電体３上に第１の活物質層２ａのみが形成されている単層部分Ｓとを含み、単層部分Ｓの厚さは多層部分Ｍの厚さよりも薄い。そして、第２の活物質層２ｂは、多層部分Ｍと単層部分Ｓとの境界位置から延びる傾斜部２ｂ２を備えている。

そして、正極活物質層２が形成されている塗布部と、正極活物質層２が形成されていない未塗布部の間の境界部分４（本実施形態では第１の活物質層２ａの終端位置２ａ１と一致する）を覆うように、負極端子１６との短絡を防止するための絶縁部材４０が形成されている。この絶縁部材４０は境界部分４を覆うように、未塗布部（正極タブ）と正極活物質２（本実施形態では正極活物質層２の単層部分の第１の活物質層２ａ）との双方にまたがって形成されている。この絶縁部材４０が正極活物質層２上に位置する部分における、正極活物質層２（第１の活物質層２ａからなる単層部分Ｓ）の厚さと絶縁部材４０の厚さの和が、正極活物質層２の多層部分Ｍの平均厚さよりも小さい。従って、絶縁部材４０が配置された部分において正極１が部分的に厚くなってはいない。
図２では、見やすくするために、正極１と負極６とセパレータ２０とがそれぞれ互いに接触していないように図示しているが、実際にはこれらは密着して積層されている。

次に、図３Ａ，３Ｂを参照して、正極活物質層２の詳細な構成について説明する。本実施形態では、前記したように、正極活物質層２の多層部分Ｍの単層部分Ｓとの境界位置から多層部分Ｍの平均厚さの部分に至るまで延びる傾斜部２ｂ２が設けられている。この傾斜部２ｂ２は第２の活物質層２ｂの端部に設けられており、正極集電体３に対してなす平均角度は２０度以上、より好ましくは２５度以上である。実際には、図３Ｂに示すように、正極集電体３および正極活物質層２の表面はそれぞれある程度の凹凸を有しており、それらの輪郭は完全な直線ではないため、両者のなす角度は測定部位によって多少変動する。そこで、ここでは、平均角度として、正極集電体３の表面に概ね沿う直線と傾斜部２ｂ２の表面に概ね沿う直線とのなす角度αを２０度以上（好ましくは２５度以上）と規定している。この傾斜部２ｂ２の、正極集電体３の長手方向に沿う長さは０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

図３Ａ，３Ｂに示す具体的な例では、第１の活物質層２ａの平均厚さは０．１ｍｍ、第２の活物質層２ｂの平均厚さは０．０４ｍｍである。従って、多層部分Ｍの平均厚さは０．１４ｍｍである。傾斜部２ｂ２の、正極集電体３の長手方向に沿う長さは０．０６ｍｍ、単層部分Ｓの、正極集電体３の長手方向に沿う長さは１ｍｍである。そしてこの単層部分Ｍと未塗布部にまたがって形成されている絶縁部材４０の厚さは、０．０３ｍｍである。この構成によると、絶縁部材４０が正極活物質層２上に位置する部分における、正極活物質層２（第１の活物質層２ａからなる単層部分Ｓ）の厚さと絶縁部材４０の厚さの和は０．１３ｍｍであり、正極活物質層２の多層部分Ｍの平均厚さ（０．１４ｍｍ）よりも小さい。従って、絶縁部材４０が配置された部分において正極１が部分的に厚くなっていないので、体積あたりのエネルギー密度の低下が抑えられるとともに、電池素子を均等に押さえることができ、電気特性のばらつきやサイクル特性の低下などの電池の品質低下を抑制できる。なお、傾斜部２ｂ２および単層部分Ｓは、多層部分Ｍに比べて低密度である。なお、本明細書及び図面では省略しているが、第１の活物質層２ａと第２の活物質層２ｂとの間に中間層が介在する場合もある。第１の活物質層２ａの表面にこの中間層が存在している場合もあり得るが、ここでは、便宜上、そのような構成の層も「単層部分Ｓ」と称している。

本実施形態の負極６は、負極集電体８の両面に単層の負極活物質層７が形成されたものであり、絶縁部材４０は設けられていない。

本実施形態の二次電池において、正極活物質層２を構成する活物質としては、例えばＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＮｉ_{（１−ｘ）}ＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_ｘ（ＣｏＡｌ）_{（１−ｘ）}Ｏ_２、Ｌｉ_２ＭＯ_３−ＬｉＭＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２などの層状酸化物系材料や、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４、ＬｉＭｎ_{（２−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_４などのスピネル系材料、ＬｉＭＰＯ_４などのオリビン系材料、Ｌｉ_２ＭＰＯ_４Ｆ、Ｌｉ_２ＭＳｉＯ_４Ｆなどのフッ化オリビン系材料、Ｖ_２Ｏ_５などの酸化バナジウム系材料などが挙げられ、これらのうちの１種、または２種以上の混合物を使用することができる。

負極活物質層７を構成する活物質としては、黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどの炭素材料や、リチウム金属材料、シリコンやスズなどの合金系材料、Ｎｂ_２Ｏ_５やＴｉＯ_２などの酸化物系材料、あるいはこれらの複合物を用いることができる。

正極活物質層２および負極活物質層７を構成する活物質合剤は、前記した活物質に、結着剤や導電助剤等が適宜加えられたものである。導電助剤としては、カーボンブラック、炭素繊維、または黒鉛などのうちの１種、または２種以上の組み合せを用いることができる。また、結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、変性アクリロニトリルゴム粒子などを用いることができる。

正極集電体３としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金等を用いることができ、特にアルミニウムが好ましい。負極集電体８としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタン、またはこれらの合金を用いることができる。

電解液としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類や、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）等の鎖状カーボネート類や、脂肪族カルボン酸エステル類や、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類や、鎖状エーテル類、環状エーテル類、などの有機溶媒のうちの１種、または２種以上の混合物を使用することができる。さらに、これらの有機溶媒にリチウム塩を溶解させることができる。

セパレータ２０は主に樹脂製の多孔膜、織布、不織布等からなり、その樹脂成分として、例えばポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、またはナイロン樹脂等を用いることができる。特にポリオレフィン系の微多孔膜は、イオン透過性と、正極と負極とを物理的に隔離する性能に優れているため好ましい。また、必要に応じて、セパレータ２０には無機物粒子を含む層を形成してもよく、無機物粒子としては、絶縁性の酸化物、窒化物、硫化物、炭化物などを挙げることができ、なかでもＴｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含むことが好ましい。

外装容器には可撓性フィルム３０からなるケースや缶ケース等を用いることができ、電池の軽量化の観点からは可撓性フィルム３０を用いることが好ましい。可撓性フィルム３０には、基材となる金属層の表裏面に樹脂層が設けられたものを用いることができる。金属層には、電解液の漏出や外部からの水分の浸入を防止する等のバリア性を有するものを選択することができ、アルミニウム、ステンレス鋼などを用いることができる。金属層の少なくとも一方の面には、変性ポリオレフィンなどの熱融着性樹脂層が設けられる。可撓性フィルム３０の熱融着性樹脂層同士を対向させ、電極積層体を収納する部分の周囲を熱融着することで外装容器が形成される。熱融着性の樹脂層が形成された面と反対側の面となる外装体表面にはナイロンフィルム、ポリエステルフィルムなどの樹脂層を設けることができる。

正極端子１１には、アルミニウムやアルミニウム合金で構成されたもの、負極端子１６には銅や銅合金あるいはそれらにニッケルメッキを施したものなどを用いることができる。それぞれの端子１１，１６の他端部側は外装容器の外部に引き出される。それぞれの端子１１，１６の、外装容器の外周部分の熱溶着される部分に対応する箇所には、熱融着性の樹脂をあらかじめ設けることができる。

正極活物質層２の塗布部と未塗布部の境界部分４を覆うように形成される絶縁部材４０には、ポリイミド、ガラス繊維、ポリエステル、ポリプロピレン、あるいはこれらを含む材料を用いることができる。テープ状の樹脂部材に熱を加えて境界部分４に溶着させたり、ゲル状の樹脂を境界部分４に塗布してから乾燥させたりすることで絶縁部材４０を形成することができる。

なお、正極活物質層２の第１の活物質層２ａおよび第２の活物質層２ｂの端縁は必ずしも正極集電体３上に互いに平行に配置されている必要はない。正極１の塗布部と未塗布部との境界部分４や、負極６の端部は、それらの端縁が集電体３，８の延びる方向に直交する直線状でなく丸みを帯びた曲線状であってもよい。正極活物質層２と負極活物質層７のいずれにおいても、例えば製造上のばらつきや層形成能力に起因する不可避な各層の傾斜や凹凸や丸み等が生じていても構わないことは言うまでもない。

［二次電池の製造方法］
まず、図４に示すように、複数の正極（正極シート）１を製造するための長尺の帯状の正極集電体３に、第１の活物質層２ａを塗布し、続いて第２の活物質層２ｂを形成することにより、正極活物質層２を形成する。この正極活物質層２は正極集電体３の両面に形成される。図４では明確ではないが、正極活物質層２の詳細な形状および寸法は、図３Ａ，３Ｂを参照して説明した通りである。次に、図５に示すように、境界部分４を覆うように絶縁部材４０を形成する。絶縁部材４０の一方の端部４０ａは正極活物質層２の単層部分Ｓの上に位置しており、他方の端部は未塗布部上に位置している（図２，３Ａ参照）。絶縁部材４０の厚さが小さいと、絶縁性を十分に確保できないおそれがあるので、厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。また、絶縁部材４０の厚さが大き過ぎると、本発明による電極積層体の厚さの増大を抑制する効果が十分に発揮されないため、絶縁部材４０は正極活物質２の多層部分Ｍの平均厚さよりも小さい方が良い。好ましくは、絶縁部材４０の厚さは正極活物質２の多層部分Ｍの平均厚さの９０％以下、より好ましくは多層部分Ｍの平均厚さの６０％以下である。未塗布部との境界部分４における塗布部（第１の活物質層２ａ）の端部は、正極集電体３に対して実質的に垂直に切り立っていても、図２，３Ａに示すように傾斜していてもよい。その後、個々の積層型電池に使用する正極１を得るために、図６Ａに破線で示す切断線９０に沿って正極集電体３を裁断して分割し、図６Ｂに示す所望の大きさの正極１を得る。切断線９０は仮想的な線であって実際には形成されない。

また、図７に示すように、複数の負極（負極シート）６を製造するための大面積の負極集電体８の両面に負極活物質層７を間欠的に塗布する。負極活物質層７は単層構造であり、その端部（塗布部の端部）は、僅かに傾斜していても、負極集電体８に対して実質的に垂直に切り立っていてもよい。

その後、個々の積層型電池に使用する負極６を得るために、図８Ａに破線で示す切断線９１に沿って負極集電体８を裁断して分割し、図８Ｂに示す所望の大きさの負極６を得る。切断線９１は仮想的な線であって実際には形成されない。

このようにして形成された、図６Ｂに示す正極１と図８Ｂに示す負極６とを、セパレータ２０を介して交互に積層し、正極端子１１および負極端子１６を接続することにより、図２に示す電極積層体が形成される。この電極積層体を電解液とともに、可撓性フィルム３０からなる外装容器に収容し、封止することによって、図１Ａ，１Ｂに示す二次電池１００が形成される。

この二次電池１００によると、正極１の塗布部と未塗布部の境界部分４を覆うように形成された絶縁部材４０による厚さの増加分が、正極活物質層２の単層部分Ｓが多層部分Ｍに比べて厚さが薄いことによって吸収（相殺）され、電極積層体を部分的に厚くすることがないため、電極積層体を均等に押さえて保持することができ、電気特性のばらつきやサイクル特性の低下などの品質低下を抑えることができる。

なお、図８Ｂに示す例では、正極１の未塗布部（正極タブ）に対向する位置において、負極６の両面塗布部が切断されて終端しており、図２に示すように正極１の未塗布部に対向する位置では、負極集電体８の表裏に負極活物質７が存在し未塗布部が存在しない構成になっている。ただし、負極６の、正極１の未塗布部に対向する位置に、未塗布部が存在する構成にすることもできる。なお、図８Ｂに示すように、負極６の、正極１の未塗布部に対向しない端部には負極タブとなる未塗布部が設けられている。

本発明での各部材の厚さや距離などは、特に断りが無い限りは、任意の３点以上の場所における測定値の平均値を意味する。

［電極の詳細な作製方法］
前記した本発明の二次電池の製造方法のうち、電極の詳細な作製方法について説明する。
集電体上に多層構造（２層構造）の活物質層を形成するための装置としては、ドクターブレードや、ダイコータや、グラビアコータや、転写方式や蒸着方式などの様々な塗布方法を実施する装置や、これらの塗布装置の組み合わせを用いることが可能である。本発明において活物質の塗布端部を精度良く形成するためには、ダイコータを用いることが特に好ましい。ダイコータによる活物質の塗布方式としては、大別して、長尺の集電体の長手方向に沿って連続的に活物質を形成する連続塗布方式と、集電体の長手方向に沿って活物質の塗布部と未塗布部を交互に繰り返して形成する間欠塗布方式の２種類がある。

図９は、間欠塗布を行うダイコータの構成の一例を示す図である。図９に示すように、間欠塗布を行うダイコータのスラリー流路には、ダイヘッド５００と、ダイヘッド５００に連結された塗布弁５０２と、ポンプ５０３と、スラリー１０を溜めるタンク５０４を有している。また、タンク５０４と塗布弁５０２との間にはリターン弁５０５を有している。この構成において、塗布弁にはモーター弁や、電磁弁や、エア弁や、その他の様々な弁手段を用いることができる。ただし、特に上層（第２の活物質層）の塗布部の端部の形状および寸法を精度良く制御するためには、塗布弁５０２にモーター弁を使用するのが好ましい。モーター弁は、スラリー１０の塗布中でも弁の開閉状態を精度良く変化させることができる。従って、スラリー１０の粘度を５０００〜１０００ｃｐｓ（Ｅ型粘度計にて２０℃で測定）に保つことで、活物質の塗布開始端部の被塗布面と傾斜部とのなす角度を２０度以上にすることが可能となる。

また、連続塗布方式により、長尺状の集電体側に第１の活物質層を塗布して乾燥してから、第２の活物質層を塗布することもできる。その場合、第２の活物質層の端部（終端位置）の平面的な位置が第１の活物質層の端部（終端位置）の平面的な位置と一致せず集電体の長手方向に対して垂直な方向にずれるように、粘度５０００〜１００００ｃｐｓのスラリーを塗布すればよい。

間欠塗布方式と連続塗布方式のいずれであっても、第１の活物質層または第２の活物質層のいずれか一方だけが形成されている単層部分Ｓでの平均厚さから、両活物質層が積層されている多層部分Ｍの平均厚さに移行する距離（傾斜部の、集電体の長手方向に沿う長さ）を非常に小さくすることが可能である。たとえば、ダイヘッドから吐出されるスラリー１０の流量等を制御して、所望の厚さの単層の活物質層を形成するには、活物質層の厚さが薄い部分から厚い部分に移行するために必要な距離が２〜２０ｍｍ程度であったものが、本発明によれば、同様な厚さの移行に必要な距離（傾斜部の、集電体の長手方向に沿う長さ）を０．０１ｍｍ〜２ｍｍ程度に抑えることが可能になる。この傾斜部の安定性と、電池素子の単位体積あたりのエネルギー密度を考慮すると、この距離（傾斜部の、集電体の長手方向に沿う長さ）は０．０１〜０．５ｍｍであることが好ましく、０．０１〜０．１ｍｍであるとより好ましい。

なお、活物質層の厚さは任意であり、特に限定されるものではないが、携帯電子機器、電動自転車、電動アシスト自転車、定地用充電機器、電気自動車、ハイブリッド自動車などの用途に用いられる場合には、電池容量や重量の観点から、集電体の少なくとも一方の面上に位置する活物質層が５〜２００μｍ程度であると好ましい。なお、この数値は、集電体の片面に位置する活物質層の厚さであり、集電体の両面に位置する活物質層の厚さの合計ではない。

第１の活物質層と第２の活物質層の両方が積層された多層部分Ｍと、いずれか一方の活物質層のみが形成された単層部分Ｓとの厚さの差が、絶縁部材４０の厚さよりも大きければ、絶縁部材４０による電池素子の厚さの増大を防ぐことができるため、極めて効果的である。ただし、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差が絶縁部材４０の厚さよりも小さくても、例えば多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差が絶縁部材４０の厚さの５０％以上であれば、電池素子の局所的な厚さの増大を小さく抑えることができ、ある程度の効果が得られる。一方、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差が大きい場合であっても、多層部分Ｍの厚さが大きい場合には、局所的な厚さの増大は防げるが電池素子全体が厚くなるため好ましくなく、また単層部分Ｓが薄すぎると活物質本来の機能が不十分になるため好ましくない。そのような観点から、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差は、絶縁部材４０の厚さに５０μｍを加えた厚さ以下であるのが好ましく、絶縁部材の厚さに２５μｍを加えた厚さ以下であるとより好ましい。これらの要件を考慮すると、厚さ２０μｍの絶縁部材を用いる場合には、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差が１０μｍ〜７０μｍであるのが好ましく、２０μｍ〜４５μｍであるのがより好ましい。また、厚さ４０μｍの絶縁部材を用いる場合には、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差が２０μｍ〜９０μｍであるのが好ましく、４０μｍ〜６５μｍであるのがより好ましい。

第１の活物質層の塗布部の端部（終端位置）と第２の活物質層の塗布部の端部（終端位置）との間の距離、すなわち絶縁部材が形成される単層部分Ｓの長さは任意であり、特に限定されないが、電池素子の単位体積あたりのエネルギー密度を考慮すると、０．５〜５ｍｍであるのが好ましく、０．５〜３ｍｍであるとより好ましい。この場合、前記した実施形態（図２〜３）のように第２の活物質層の塗布部の端部が第１の活物質層上に位置し、単層部分Ｓが第１の活物質層から構成されるか、後述する他の実施形態（図１０）のように第２の活物質層の塗布部の端部が第１の活物質層の塗布部の端部を越えて集電体上に位置し、単層部分Ｓが第２の活物質層から構成されるかは、任意に選択すればよい。ただし、薄い単層部分Ｓから厚い多層部分Ｍに移行するまでの距離をより短くするためには、第２の活物質層の塗布部の端部が第１の活物質層上に位置し、単層部分Ｓが第１の活物質層から構成されるのが好ましい。特に、薄い単層部分Ｓから厚い多層部分Ｍに移行するまでの距離を０．５ｍｍ以下に抑える場合には、このような構成が有効である。

[変形例]
前記した実施形態の変形例として、第１の活物質層と第２の活物質層のいずれか一方または両方が、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアなどの１種以上のフィラー、またはこれらを原料として得られるセラミックや、これらの組み合わせを含む構成とすることができる。それにより、耐熱性が向上し、万一電池が短絡した場合の安全性を向上させることができる。これは、耐熱性のフィラー等が含まれるため耐熱性が向上する上に、熱が加わった際に活物質の塗布部と未塗布部（集電体が露出している部分）の境界部分に配置された絶縁部材が熱収縮することによって特に大きなストレスが加わる絶縁部材の端部付近の活物質層表面が、集電体表面からの厚さが小さい部分に位置するため、その活物質層表面が、対向する電極に接触するおそれがないからである。さらに、第１の活物質層と第２の活物質層のいずれか一方が耐熱性材料を含み、他方が耐熱性材料を含まないか、あるいは一方の活物質層よりも少ない量の耐熱性材料を含むようにすることで、耐熱性材料を含む割合に対応する活物質の減少量を最小限にすることができ、耐熱性材料を混入することによるエネルギー密度の低下を最小限に抑制することが可能である。
具体的には、上層（表面層）となる第２の活物質層にアルミナの粒子を分散させた構成とすることができる（それ以外の構成および製造方法は前記したものと同じであるため説明を省略する）。

耐熱性材料を含む活物質層が耐熱性の効果を得るためには、安全性の観点から、活物質の単位重量あたりの容量に応じた厚さが必要となるが、本変形例のように、第１の活物質層の上に第２の活物質層の端部が位置し、その第２の活物質層が耐熱材料（例えばアルミナ）を含む場合には、第２の活物質層の塗布端部（終端位置）から多層部分の平均厚さの部分に移行するまでの距離が極めて短いので、耐熱材料を含む層の厚さが薄い部分が少なく、安全面の効果が極めて大きい。

［他の実施形態］
図２〜３に示す実施形態では、第１の活物質層２ａ上に第２の活物質層２ｂの塗布部の端部が位置し、単層部分が第１の活物質層２ａから構成されている。しかし、図１０に示すように、第２の活物質層２ｂが第１の活物質層２ａの塗布部の端部を越えて延出し、単層部分が第２の活物質層２ｂからなる構成にすることもできる。その場合、多層部分Ｍの、単層部分Ｓとの境界位置から延びる傾斜部２ｂ２は、第２の活物質層２ｂの中間部分に設けられ、その形状および寸法は、下層に位置する第１の活物質層２ａの塗布部の端部に概ね倣う。

一例としては、第１の活物質層２ａの平均厚さは０．０４ｍｍ、第２の活物質層２ｂの平均厚さは０．１ｍｍである。従って、多層部分Ｍの平均厚さは０．１４ｍｍである。傾斜部２ｂ２の、正極集電体３の長手方向に沿う長さは０．０６ｍｍ、単層部分Ｓの、正極集電体３の長手方向に沿う長さは１ｍｍである。そしてこの単層部分Ｓと未塗布部にまたがって形成されている絶縁部材４０の厚さは、０．０３ｍｍである。この構成によると、絶縁部材４０が正極活物質層２上に位置する部分における、正極活物質層２（第２の活物質層２ｂからなる単層部分Ｓ）の厚さと絶縁部材４０の厚さの和は０．１３ｍｍであり、正極活物質層２の多層部分Ｍの平均厚さ（０．１４ｍｍ）よりも小さい。従って、絶縁部材４０が配置された部分において正極１が部分的に厚くなっていないので、体積あたりのエネルギー密度の低下が抑えられるとともに、電池素子を均等に押さえることができ、電気特性のばらつきやサイクル特性の低下などの電池の品質低下を抑制できる。なお、傾斜部２ｂ２および単層部分Ｓは、多層部分Ｍに比べて低密度である。

以上の説明においては、主に、正極１のみに絶縁部材４０が設けられて負極６には絶縁部材が設けられない構成であって、正極活物質層２が第１の活物質層２ａと第２の活物質層２ｂとからなる多層構造であり、負極活物質層７が単層構造である構成について説明した。ただし、負極６のみに絶縁部材４０が設けられて正極１には絶縁部材が設けられず、正極活物質層２が単層構造であって、負極活物質層７が第１の活物質層と第２の活物質層とからなる多層構造である構成にすることもできる。また、正極１と負極６のいずれにも絶縁部材４０が設けられ、正極活物質層２と負極活物質層７のいずれも、第１の活物質層と第２の活物質層とからなる多層構造である構成にすることもできる。いずれの構成であっても、多層構造になっている活物質層において、絶縁部材の一部を単層部分Ｓ上に配置して、多層部分Ｍと単層部分Ｓの厚さの差によって絶縁部材による厚さの増大の少なくとも一部を吸収（相殺）することにより、電池素子の厚さの増大を抑制する効果が得られる。

本発明はリチウムイオン二次電池とその製造方法に有用であるが、リチウムイオン電池以外の二次電池とその製造方法に適用しても有効である。

以上、いくつかの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限られるものではなく、本発明の構成や細部に、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者が理解し得る様々な変更を施すことができる。

本出願は、２０１３年１２月１２日に出願された日本特許出願２０１３−２５７１９７号を基礎とする優先権を主張し、日本特許出願２０１３−２５７１９７号の開示の全てをここに取り込む。

Claims (14)

1. 正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された電池素子を含み、
   前記正極と前記負極はそれぞれ、集電体と、該集電体上に形成されている活物質層とを含み、
   前記正極と前記負極のいずれか一方または両方において、
   前記活物質層は、前記集電体上に第１の活物質層と第２の活物質層の両方が積層されている多層部分と、
   前記集電体上に前記第１の活物質層と前記第２の活物質層のいずれか一方のみが形成されている、前記多層部分よりも薄い単層部分とを含み、
   前記第１の活物質層の終端位置と前記第２の活物質層の終端位置は平面的にずれており、
   前記活物質層が形成されている塗布部と前記活物質層が形成されていない未塗布部との境界部分を覆い、かつ一方の端部が前記活物質層の前記単層部分に位置し、他方の端部が前記未塗布部に位置するように絶縁部材が配置されている、
   二次電池。
2. 前記集電体上の前記活物質層の前記多層部分の平均厚さと、前記活物質層の前記単層部分の厚さとの差が、前記絶縁部材の厚さの５０％以上である、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記活物質層の前記単層部分の厚さと前記絶縁部材の厚さの和が、前記活物質層の前記多層部分の平均厚さよりも小さい、請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記活物質層の前記多層部分は、前記活物質層の前記単層部分との境界位置から延びる傾斜部を備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記多層構造の活物質層の前記傾斜部が前記集電体に対してなす平均角度は２０度以上である、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記傾斜部が前記集電体に対してなす平均角度は２５度以上である、請求項５に記載の二次電池。
7. 前記傾斜部は、前記活物質層の前記多層部分の前記活物質層の前記単層部分との境界位置から前記活物質層の前記多層部分の平均厚さの部分に至るまでの範囲に設けられている、請求項４から６のいずれか１項に記載の二次電池。
8. 前記傾斜部の、前記集電体の長手方向に沿う長さは０．２ｍｍ以下である、請求項４から７のいずれか１項に記載の二次電池。
9. 正極用の集電体の両面に正極用の活物質層を形成して正極を形成するステップと、
   負極用の集電体の両面に負極用の活物質層を形成して負極を形成するステップと、
   前記正極と前記負極のいずれか一方または両方に、絶縁部材を配置するステップと、
   前記正極と前記負極とをセパレータを介して交互に積層するステップと、
   を含み、
   前記正極を形成するステップと前記負極を形成するステップのいずれか一方または両方は、
   前記集電体上に第１の活物質層を形成し、
   その後に、一部または全部が前記第１の活物質層上に位置するように、かつ終端位置が前記第１の活物質層の終端位置と平面的に異なる位置になるように第２の活物質層を形成することで、前記第１の活物質層と第２の活物質層の両方が積層されている多層部分と、前記集電体上に前記第１の活物質層と前記第２の活物質層のいずれか一方のみが形成されている、前記多層部分よりも薄い単層部分とを含む多層構造を形成し、
   前記絶縁部材を配置するステップでは、前記活物質層が形成されている塗布部と前記活物質層が形成されていない未塗布部との境界部分を覆い、かつ一方の端部が前記活物質層の前記単層部分に位置し、他方の端部が前記未塗布部に位置するように絶縁部材を配置する、
   二次電池の製造方法。
10. 前記集電体上の前記活物質層の前記多層部分の平均厚さと、前記活物質層の前記単層部分の厚さとの差が、前記絶縁部材の厚さの５０％以上になるようにする、請求項９に記載の二次電池の製造方法。
11. 前記活物質層の前記単層部分の厚さと前記絶縁部材の厚さの和が、前記活物質層の前記多層部分の平均厚さよりも小さくなるようにする、請求項９または１０に記載の二次電池の製造方法。
12. 前記活物質層の前記多層部分が、前記活物質層の前記単層部分との境界位置から延びる傾斜部を備えるように、前記多層構造の活物質層を形成する、請求項９から１１のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
13. 前記第２の活物質層は、活物質と結合剤と溶媒とを含み粘度が５０００ｃｐｓ以上かつ１００００ｃｐｓ以下である合剤を塗布することによって形成される、請求項９から１２のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
14. 前記第１の活物質層と前記第２の活物質層のいずれか一方または両方に耐熱性材料を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の二次電池。

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