專利名稱：電池、車輛、電子設(shè)備以及電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在正負(fù)兩極的活性物質(zhì)之間具有電解質(zhì)層的電池、具有該電池的車輛、電子設(shè)備以及該電池的制造方法。
背景技術(shù)：
作為如鋰離子二次電池那樣具有在正負(fù)兩極的活性物質(zhì)之間層疊電解質(zhì)層而成的結(jié)構(gòu)的電池，已知如下的結(jié)構(gòu)，即，使各自附著有正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)的作為集電體的金屬箔隔著隔膜(s印arator)重合，并使隔膜浸漬在電解液中。在這種電池的技術(shù)領(lǐng)域，要求電池進(jìn)一步小型化和大輸出化，而為了滿足這樣的要求，提出了各種技術(shù)。例如在專利文獻(xiàn)1中公開了如下的技術(shù)，即，使正極活性物質(zhì)層與電解質(zhì)層的接觸面以及電解質(zhì)層與負(fù)極活性物質(zhì)層的接觸面形成立體的凹凸結(jié)構(gòu)，利用噴墨法(inkjet method)在成為集電體的金屬箔上層疊形成各功能層。另外，在專利文獻(xiàn)2中，作為二次電池用電極公開了如下的結(jié)構(gòu)，即，利用隔著配置在集電體上方的絲網(wǎng)的真空蒸鍍法或?yàn)R射法(sputtering method)，在集電體表面堆積柱狀的活性物質(zhì)薄膜。專利文獻(xiàn)1 JP特開2005-116248號(hào)公報(bào)(例如，第0029段)；專利文獻(xiàn)2 JP特開2002-279974號(hào)公報(bào)(例如，圖1)。但是，上述的專利文獻(xiàn)1和2雖然公開了能夠制造具有立體結(jié)構(gòu)的電池的可能性， 但是用于制造希望結(jié)構(gòu)的電池的工序復(fù)雜。另外，未詳細(xì)記載所制造的電池的特性(電化學(xué)特性)。這樣，電化學(xué)特性良好且能夠以高的生產(chǎn)率進(jìn)行制造的電池的具體結(jié)構(gòu)及其制造方法至今還未實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況提出的，其目的在于提供小型且電化學(xué)特性良好的電池和以高生產(chǎn)率制造該電池的技術(shù)。本發(fā)明的電池為了達(dá)到上述目的，其特征在于，具有將第一集電體層、第一活性物質(zhì)層、電解質(zhì)層、第二活性物質(zhì)層和第二集電體層依次層疊而成的結(jié)構(gòu)，所述第一活性物質(zhì)層具有島狀結(jié)構(gòu)，所述島狀結(jié)構(gòu)是將含有活性物質(zhì)的多個(gè)島狀部位相互分離地配置在所述第一集電體層的表面上而形成的，在所述島狀部位和所述第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處的所述第一活性物質(zhì)層的切線與所述第一集電體層的表面所成的角度中的包括所述第一活性物質(zhì)層的一側(cè)的角度小于90度。此外，在本發(fā)明中，第一活性物質(zhì)層不限于在第一集電體層的表面上多個(gè)島狀部位相互完全分離的結(jié)構(gòu)，可以是多個(gè)島狀部位彼此通過連接部位部分地連接起來的結(jié)構(gòu)。詳細(xì)后述，根據(jù)本申請(qǐng)的申請(qǐng)人的新的見解，具有上述結(jié)構(gòu)的電池能夠以比較少的制造工序來制造，并且小型且薄型，電化學(xué)特性也良好。具體地說，本發(fā)明的電池容量大并且具有良好的充放電特性。本發(fā)明不僅在具有含有電解液的電解質(zhì)層的電池中，例如在具有聚合物電解質(zhì)那樣的固體電解質(zhì)層的電池中也有效。
在此，例如可以構(gòu)成為在島狀部位和第一集電體層的接觸點(diǎn)處，第一集電體層與電解質(zhì)層相接觸。在這樣的結(jié)構(gòu)中，在接觸點(diǎn)附近，第一集電體層和電解質(zhì)層隔著非常薄的第一活性物質(zhì)層相向，使得充放電特性特別好。另外，例如可以構(gòu)成為島狀部位具有沿著第一集電體層的表面延伸的線條狀圖案。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠形成厚度和表面積大并且與第一集電體層接觸的接觸點(diǎn)附近區(qū)域的面積也大的第一活性物質(zhì)層。另外，這樣的圖案例如能夠通過在第一集電體層的表面呈線條狀地涂敷含有第一活性物質(zhì)層的材料的涂敷液來形成，從而能夠?qū)⒅圃斐杀疽种频玫?。另外，例如可以?gòu)成為在與線條狀圖案的延伸方向垂直的截面上的島狀部位的截面形狀為高度為10 μ m 300 μ m,與第一集電體層接觸的部分的寬度為20 μ m 300 μ m， 高度與寬度之比為0. 5以上。根據(jù)本申請(qǐng)的發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，在將第一活性物質(zhì)層形成為這樣的尺寸時(shí)，作為電池的性能特別好。另外，例如可以構(gòu)成為，電解質(zhì)層含有固體電解質(zhì)，在各島狀部位，除了與第一集電體層接觸的部分以外的表面為圓滑曲面。具有由固體電解質(zhì)形成的電解質(zhì)層的電池，因?yàn)椴皇褂弥饕捎袡C(jī)溶媒構(gòu)成的電解液，所以易于處理。在這種情況下，若第一活性物質(zhì)層的島狀部位的表面是圓滑曲面，則固體電解質(zhì)層與第一活性物質(zhì)層的緊密接合性高，能夠使電池的性能穩(wěn)定。具有上述的結(jié)構(gòu)的電池能夠應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如能夠作為電動(dòng)汽車那樣的各種車輛的電源使用，另外還能夠應(yīng)用在具有以該電池作為電源進(jìn)行動(dòng)作的電子電路部的各種電子設(shè)備。更具體地說，因?yàn)槟軌驑?gòu)成薄型且高性能的電源，所以尤其適用于例如IC卡那樣的具有對(duì)電池和電子電路部進(jìn)行保持的卡式的框體的電子設(shè)備。另外，本發(fā)明的電池的制造方法為了達(dá)到上述目的，其特征在于，包括第一工序， 在成為第一集電體層的基材的表面上形成具有島狀結(jié)構(gòu)的第一活性物質(zhì)層，所述島狀結(jié)構(gòu)由相互分離的多個(gè)島狀部位構(gòu)成，第二工序，層疊電解質(zhì)層、第二活性物質(zhì)層和第二集電體層，所述電解質(zhì)層同時(shí)覆蓋所述基材的未被所述第一活性物質(zhì)層覆蓋的露出表面和所述第一活性物質(zhì)層的表面；在所述第一工序中，使所述島狀部位和所述第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處的所述第一活性物質(zhì)層的切線與所述第一集電體層的表面所成的角度中的包括所述第一活性物質(zhì)層的一側(cè)的角度小于90度。在這樣構(gòu)成的發(fā)明中，通過適當(dāng)控制構(gòu)成第一活性物質(zhì)層的島狀部位的截面形狀，能夠以高的生產(chǎn)率制造具有上述結(jié)構(gòu)的特性良好的電池。另外，如上所述，利用這樣的制造方法制造的電池小型且薄型，并且電特性良好。在上述的第一工序中，例如可以從噴嘴噴出含有活性物質(zhì)的涂敷液來涂敷在基材的表面上，從而形成第一活性物質(zhì)層。對(duì)這樣的所謂噴嘴分配方式的涂敷技術(shù)進(jìn)行研究，通過適當(dāng)調(diào)整涂敷液的組成，能夠高控制性地形成具有上述的島狀結(jié)構(gòu)的第一活性物質(zhì)層。 而且，可以使噴嘴在規(guī)定方向上相對(duì)于基材表面移動(dòng)，來呈線條狀地在基材表面上涂敷涂敷液。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠形成線寬度和高度穩(wěn)定的圖案，從而能夠穩(wěn)定地制造性能良好的電池。根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置具有島狀結(jié)構(gòu)的第一活性物質(zhì)層，該島狀結(jié)構(gòu)是將含有活性物質(zhì)的多個(gè)島狀部位相互分離地配置在第一集電體層表面上而形成的，并且，第一活性物質(zhì)層的島狀部位與第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處的第一活性物質(zhì)層的切線與第一集電體層表面所成的角度小于90度。由此，能夠提供小型、電化學(xué)特性良好且生產(chǎn)率高的電池以及具有該電池的各種設(shè)備。


圖IA是表示作為本發(fā)明的電池的一個(gè)實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件的截面結(jié)構(gòu)的圖。圖IB是本實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件的概略立體圖。圖2是表示圖IA的電池的制造方法的一個(gè)例子的流程圖。圖3A是從X方向觀察利用噴嘴掃描法進(jìn)行涂敷的狀態(tài)的圖，圖;3B和圖3C是分別從Y方向、斜上方觀察相同的狀態(tài)的圖。圖4是表示負(fù)極活性物質(zhì)層的截面形狀的剖視放大圖。圖5A、圖5B、圖6A和圖6B是表示本實(shí)施方式的電池的特性的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的曲線圖。圖7A、圖7B和圖7C是示意地表示本發(fā)明的電池的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的電池組件的結(jié)構(gòu)的差異的圖。圖8A和圖8B是表示負(fù)極活性物質(zhì)層的其他的圖案的例子的圖。圖9是示意地表示作為安裝了本發(fā)明的電池的設(shè)備的一個(gè)例子的電動(dòng)汽車的圖。圖10是示意地表示作為安裝了本發(fā)明的電池的設(shè)備的其他的例子的IC卡的圖。
具體實(shí)施例方式圖IA是表示作為本發(fā)明的電池的一個(gè)實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件的截面結(jié)構(gòu)的圖，圖IB是其概略立體圖。該鋰離子二次電池組件1具有在負(fù)極集電體11的表面上依次層疊了負(fù)極活性物質(zhì)層12、固體電解質(zhì)層13、正極活性物質(zhì)層14和正極集電體15的結(jié)構(gòu)。在本說明書中，將X、Y以及Z坐標(biāo)方向分別定義為如圖IA所示的方向。如圖IB所示，負(fù)極活性物質(zhì)層12形成為如下的線與間距結(jié)構(gòu)(line and space structure)，S卩，形成為在X方向隔開恒定間隔排列有多個(gè)由負(fù)極活性物質(zhì)形成且沿Y方向延伸的線條狀的圖案121的結(jié)構(gòu)。另外，固體電解質(zhì)層13由固體電解質(zhì)形成，其下表面形成為與負(fù)極活性物質(zhì)層12的凹凸相配合的凹凸形狀，另一方面，上表面大致平坦。并且，在這樣地形成為大致平坦的固體電解質(zhì)層13上層疊正極活性物質(zhì)層14和正極集電體15，從而形成鋰離子二次電池組件1。在該鋰離子二次電池組件1上適當(dāng)設(shè)置突出電極(tab electrode)或者將多個(gè)組件進(jìn)行層疊，從而構(gòu)成鋰離子二次電池。在此，作為構(gòu)成各層的材料，能夠使用作為鋰離子電池的構(gòu)成材料公知的材料。負(fù)極集電體11、正極集電體15例如能夠分別使用銅箔、鋁箔。另外，正極活性物質(zhì)例如能夠使用以LiCoA (LCO)為主體的材料，負(fù)極活性物質(zhì)例如能夠使用以Li4Ti5O12 (LTO)為主體的材料。另外，固體電解質(zhì)層13例如能夠使用聚氧化乙烯和聚苯乙烯。此外，作為各功能層的材質(zhì)不限于此。具有這樣的結(jié)構(gòu)的鋰離子二次電池組件1薄且容易彎折。另外，將負(fù)極活性物質(zhì)層12形成為圖示的具有凹凸的立體結(jié)構(gòu)，從而在體積不變的情況下使其表面積增大，因而能夠使負(fù)極活性物質(zhì)層12的隔著薄的固體電解質(zhì)層13與正極活性物質(zhì)層14相向的面積大，從而效率高且輸出大。這樣，具有上述結(jié)構(gòu)的鋰離子二次電池小型且能夠獲得高性能。接著，說明制造上述的鋰離子二次電池組件1的方法。以往，這種組件是通過層疊與各功能層對(duì)應(yīng)的薄膜材料形成的，但是在這樣的制造方法中，組件的高密度化有限。另外，在上述的專利文獻(xiàn)1中記載的制造方法中，工序多，制造上花費(fèi)時(shí)間，另外，各功能層間難以分離。相對(duì)于此，在下面說明的制造方法中，能夠以少的工序并且使用已有的處理裝置制造上述結(jié)構(gòu)的鋰離子二次電池組件1。圖2是表示圖IA的電池的制造方法的一個(gè)例子的流程圖。在該制造方法中，首先準(zhǔn)備成為負(fù)極集電體11的金屬箔例如銅箔(步驟S101)。在使用薄的銅箔時(shí)，搬運(yùn)和處理困難。因此，優(yōu)選例如將一面粘貼在玻璃板和樹脂薄板等載體上等，來提高搬運(yùn)性。接著，通過噴嘴分配法(nozzle dispense method)，例如其中的使噴出涂敷液的噴嘴相對(duì)于涂敷對(duì)象面移動(dòng)的噴嘴掃描法，在銅箔的一個(gè)面上涂敷包括負(fù)極活性物質(zhì)材料的涂敷液(步驟S102)。作為涂敷液，例如能夠使用上述的包括負(fù)極活性物質(zhì)的有機(jī)類LTO 材料。在涂敷液中能夠使用除了負(fù)極活性物質(zhì)之外還混合作為導(dǎo)電輔助劑的乙炔炭黑或科琴炭黑、作為粘接劑的聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡膠(SBR)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇樹脂(PVA)或聚四氟乙烯(PTFE)、作為溶劑的N-甲基吡咯烷酮(NMP)等而形成的混合物。此外，作為負(fù)極活性物質(zhì)材料，除了上述的LTO以外，還能夠使用例如石墨、金屬鋰、 SnO2、合金類等。圖3A是從X方向觀察利用噴嘴掃描法進(jìn)行涂敷的狀態(tài)的圖，圖;3B和圖3C是分別從Y方向、斜上方觀察相同的狀態(tài)的圖。利用噴嘴掃描法將涂敷液涂敷在基材上的技術(shù)為公知技術(shù)，在本方法中也能夠應(yīng)用那樣的公知技術(shù)，因此省略對(duì)裝置結(jié)構(gòu)的說明。在噴嘴掃描法中，將噴嘴31配置在銅箔11的上方，在該噴嘴31上貫穿設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)用于噴出作為涂敷液的上述有機(jī)類LTO材料的噴出口 311。并且，一邊從噴出口 311噴出恒定量的涂敷液32，一邊使噴嘴31沿箭頭方向Dn以恒定速度相對(duì)于銅箔11進(jìn)行掃描移動(dòng)。這樣，在銅箔11上沿Y方向呈線條狀地涂敷涂敷液32。通過在噴嘴31上設(shè)置多個(gè)噴出口 311，能夠通過一次掃描移動(dòng)形成多個(gè)條紋。按照需要反復(fù)進(jìn)行掃描移動(dòng)，從而能夠在銅箔11的整個(gè)面上涂敷線條狀的涂敷液。通過使涂敷液干燥固化，在銅箔11的上表面形成由負(fù)極活性物質(zhì)構(gòu)成的線條狀圖案121。另外，可以在涂敷后加熱來促進(jìn)干燥，或者在涂敷液中添加光固化性樹脂，在涂敷后照射光使涂敷液固化。在此刻，處于在大致平坦的銅箔11的表面上部分地突出有負(fù)極活性物質(zhì)層12的狀態(tài)。與以僅使上表面平坦的方式涂敷涂敷液的情況相比，在活性物質(zhì)的使用量不變的情況下能夠使其表面積更大。因此，能夠使負(fù)極活性物質(zhì)層12與之后形成的正極活性物質(zhì)的相向面積增大，從而獲得大輸出。繼續(xù)說明圖2的流程圖。通過適當(dāng)?shù)耐糠蠓椒ɡ绻蔚锻糠蠓?knife coat method)或刮棒涂敷法(bar coat method)，在這樣形成的在銅箔11上層疊負(fù)極活性物質(zhì)層12而成的層疊體的上表面上，涂敷電解質(zhì)涂敷液(步驟S103)。作為電解質(zhì)涂敷液能夠使用將上述的高分子電解質(zhì)材料例如聚氧化乙烯、聚苯乙烯等樹脂、作為支持電解質(zhì)的例如LiPF6和作為溶劑的例如二乙烯碳酸酯(diethylene carbonate)等混合而成的混合物。 此處的涂敷方法不限于上述的方法，優(yōu)選能夠?qū)⑼糠蠛蟮谋砻嫘纬蔀榇笾缕教沟姆椒ā?br> 接著，層疊正極活性物質(zhì)層14和作為正極集電體的鋁箔15。在此說明一個(gè)例子。首先，預(yù)先在作為正極集電體的鋁箔15上涂敷含有正極活性物質(zhì)的涂敷液，使大致均勻的正極活性物質(zhì)層14形成在鋁箔15的表面上。作為含有正極活性物質(zhì)的涂敷液，例如能夠使用上述的正極活性物質(zhì)與作為導(dǎo)電輔助劑的例如乙炔炭黑、作為粘接劑的SBR、 作為分散劑的羧甲基纖維素鈉(CMC)以及作為溶劑的純水等混合而成的氫類LCO材料。 作為正極活性物質(zhì)材料，除了上述的LCO以外，還能夠使用LiNW2或LiFeP04、LiMnPO4, LiMn2O4、另外以LiMeO2(Me = MxMyMz ；Me、M是過渡金屬且x+y+z = 1)為代表的化合物，例如 LiNi173Mn173Co173O2, LiNi0.8Co0.1502等。另外，作為涂敷方法除了上述的刮刀涂敷法和刮棒涂敷法之外，還能夠適當(dāng)采用如旋涂法那樣在平面上形成平坦的膜的公知的涂敷方法。然后，在步驟S103中所涂敷的電解質(zhì)涂敷液固化之前，將形成有正極活性物質(zhì)層 14的鋁箔15粘貼，從而使正極活性物質(zhì)層14與電解質(zhì)涂敷液緊密接合(步驟S104)。此時(shí)，為了進(jìn)一步提高緊密接合性，也可以在鋁箔15表面的正極活性物質(zhì)層14上預(yù)先涂敷電解質(zhì)涂敷液。這樣，形成負(fù)極集電體11、負(fù)極活性物質(zhì)層12、固體電解質(zhì)層13、正極活性物質(zhì)層 14以及正極集電體15依次層疊而成的鋰離子二次電池組件1。此外，除了上述方法以外， 例如可以在涂敷了電解質(zhì)涂敷液之后使電解質(zhì)涂敷液固化而形成固體電解質(zhì)層13之后， 涂敷含有正極活性物質(zhì)的涂敷液來進(jìn)一步粘接正極集電體15。接著，參照?qǐng)D4 圖7C，更詳細(xì)地說明鋰離子二次電池組件1的負(fù)極活性物質(zhì)層的結(jié)構(gòu)。圖4是表示負(fù)極活性物質(zhì)層的截面形狀的剖視放大圖。另外，圖5A、圖5B、圖6A和圖6B是表示本實(shí)施方式的電池的特性的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的曲線圖。另外，圖7A、圖7B和圖 7C是示意地表示本發(fā)明的電池的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的電池組件的結(jié)構(gòu)的差異的圖。如圖IB所示，本實(shí)施方式的負(fù)極活性物質(zhì)層12具有沿Y方向延伸的多個(gè)線條狀圖案121在X方向上相互分離配置的島狀結(jié)構(gòu)。圖4示出了 X-Z平面剖切出的線條狀圖案 121的截面。如圖4所示，線條狀圖案121的表面形成為向上(Z方向)凸的圓滑曲面。本申請(qǐng)的發(fā)明人試做的電池組件1中的各部分的代表尺寸線條狀圖案121的寬度Da約170 μ m，高度Ha約100 μ m。另外，相鄰的線條狀圖案121、121間的距離S約160 μ m。 另夕卜，固體電解質(zhì)層13的厚度Hd約200 μ m。另外，在圖4中附圖標(biāo)記θ表示的負(fù)極集電體11、作為負(fù)極活性物質(zhì)的線條狀圖案121和固體電解質(zhì)層13三者相互接觸的“接觸點(diǎn)”處的“接地角”小于90度。在本說明書中，所說的接觸點(diǎn)P是指線條狀圖案121從負(fù)極集電體11立起的位置。另外，所說的接地角θ是指接觸點(diǎn)P處的線條狀圖案121表面的斜度，換言之，是指接觸點(diǎn)P上的線條狀圖案121的切線與負(fù)極集電體層11所成的角中的包括線條狀圖案121的一側(cè)的角。本申請(qǐng)的發(fā)明人，根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)由該接地角θ小于90度(在本例中約為60度)的線條狀圖案121構(gòu)成負(fù)極活性物質(zhì)層12時(shí)，能夠獲得電池的良好特性。 具體地說，本申請(qǐng)的發(fā)明人，最先成功地制作在常溫(30°C )時(shí)兼具良好的充放電特性和大容量的電池。下面公開的實(shí)際測(cè)量結(jié)果都是在常溫(30°C)時(shí)測(cè)定的。圖5A和圖5B示出了在試作的電池組件1中實(shí)際測(cè)量出的循環(huán)伏安圖(cyclic voltammogram)。更詳細(xì)地說，圖5A示出了具有上述尺寸的本實(shí)施方式的電池組件1的實(shí)際測(cè)量結(jié)果(CV曲線)。另外，圖5B是另外準(zhǔn)備的比較例的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。該比較例不是本實(shí)施方式那樣的線與間距結(jié)構(gòu)，而是在負(fù)極集電體層表面上形成有厚度大致均勻的負(fù)極活性物質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)，膜厚約為43 μ m。在本實(shí)施方式和比較例中，得到的電流密度大致相等。但是，負(fù)極活性物質(zhì)(LTO) 的使用量，在比較例中為10. ^mg/cm2，而在采用了線與間距結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式中，為 4. 08mg/cm2，約為比較例中的40%左右。因而，從負(fù)極活性物質(zhì)的利用效率來看，可以說本實(shí)施方式與比較例相比約為其2. 5倍。意思是，對(duì)于達(dá)到相等的理論電流密度所需的活性物質(zhì)的使用量，本實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的電池使用的更少。此外，在多次反復(fù)進(jìn)行的測(cè)定中(各圖中，將3次的測(cè)定結(jié)果分別表示為“第一次”、“第二次” “第三次”)，未發(fā)現(xiàn)明顯的差別。圖6A和圖6B示出了充放電特性，圖6A示出了本實(shí)施方式的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，圖6B 示出了與上述相同的比較例的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。都在2. 35V附近出現(xiàn)了電壓的峰值，這從使用的活性物質(zhì)的組合(LT0和LC0)來看是妥當(dāng)?shù)闹?。另外，就與每Ig活性物質(zhì)相對(duì)應(yīng)的充放電的容量而言，在圖6B所示的比較例中，在0. IC率的情況下為25 40mAh左右，而在圖 6A所示的本實(shí)施方式中，即使在0. 3C率的更嚴(yán)格的情況下也為60 SOmAh左右的大容量。這樣，確認(rèn)本實(shí)施方式的鋰離子電池組件1兼具大容量和良好的充放電特性。此外，根據(jù)本申請(qǐng)的發(fā)明人的見解，作為電池能夠獲得良好的特性的各部分的尺寸的優(yōu)選范圍大致如下。即，優(yōu)選線條狀圖案121的寬度Da為20 μ m 300 μ m，高度Ha約為10 μ m 300 μ m，并且截面的縱橫尺寸比即高度Ha與寬度Da的比值為0. 5以上。關(guān)于本實(shí)施方式的電池表現(xiàn)出良好的特性的理由，本申請(qǐng)的發(fā)明人是如下那樣考慮的。如圖7A所示，考慮在本實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件1上連接外部直流電源Vc， 對(duì)正極集電體15施加高于負(fù)極集電體11的電位的情況。該狀態(tài)相當(dāng)于通過外部直流電源 Vc對(duì)鋰離子二次電池組件1充電的情況。此時(shí)，正極活性物質(zhì)14內(nèi)的鋰原子放出電子(圖中用“e_”表示)而成為鋰離子(圖中用“Li+”表示)，鋰離子在固體電解質(zhì)層13內(nèi)移動(dòng)并到達(dá)負(fù)極活性物質(zhì)層12 (線條狀圖案121)。然后，再與經(jīng)由負(fù)極集電體11供給至負(fù)極活性物質(zhì)層12的電子結(jié)合。這樣，在負(fù)極活性物質(zhì)層12中儲(chǔ)存鋰原子，從外部來看，鋰離子二次電池組件1被充電。在本實(shí)施方式中，接觸點(diǎn)P處的接地角θ小于90度。因此，線條狀圖案121的厚度在接觸點(diǎn)P處極小。尤其是，在本實(shí)施方式中，在接觸點(diǎn)P，負(fù)極集電體11與固體電解質(zhì)層13接觸，線條狀圖案121的厚度為零，越遠(yuǎn)離接觸點(diǎn)P線條狀圖案121的厚度越大。因而，在接觸點(diǎn)P的附近，負(fù)極集電體11與固體電解質(zhì)層13隔著非常薄的負(fù)極活性物質(zhì)層 12相向。因此，在負(fù)極活性物質(zhì)層12內(nèi)，鋰離子和電子為了再結(jié)合而移動(dòng)的距離極短。而在負(fù)極活性物質(zhì)層12內(nèi)的鋰原子放出電子的放電時(shí)也相同。這樣有利于提高充放電特性。 另一方面，因?yàn)樵陔x開接觸點(diǎn)P的區(qū)域，負(fù)極活性物質(zhì)層12具有足夠的厚度，所以能夠儲(chǔ)存多的鋰原子，從而能夠獲得大容量。這樣，能夠通過本實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件1得到良好的充放電特性和大容量。在上述的現(xiàn)有技術(shù)的電池中，例如圖7Β所示(圖中，附圖標(biāo)記“ 111 ”表示負(fù)極集電體，附圖標(biāo)記“112”表示負(fù)極活性物質(zhì)層，附圖標(biāo)記“113”表示電解質(zhì)層，附圖標(biāo)記“114”表示正極活性物質(zhì)層，附圖標(biāo)記“115”表示正極集電體)，考慮通過將負(fù)極活性物質(zhì)層形成得極薄來獲得良好的充放電特性。但是，因?yàn)樵谶@樣的結(jié)構(gòu)中使用的負(fù)極活性物質(zhì)的量(體積)少，所以能夠儲(chǔ)存的鋰原子的量被限制，從而難以大容量化。另外，如圖7C所示(圖中，附圖標(biāo)記“211”表示負(fù)極集電體，附圖標(biāo)記“212”表示負(fù)極活性物質(zhì)層，附圖標(biāo)記“213”表示電解質(zhì)層，附圖標(biāo)記“214”表示正極活性物質(zhì)層，附圖標(biāo)記“215”表示正極集電體)，如果使負(fù)極活性物質(zhì)層厚，則能夠增大容量。但是，在接地角θ為90度或者90度以上時(shí)，負(fù)極活性物質(zhì)層內(nèi)的離子和電子的移動(dòng)距離變長(zhǎng)，因而充放電特性差。如上所述，在本實(shí)施方式中，在將負(fù)極集電體11、負(fù)極活性物質(zhì)層12、固體電解質(zhì)層13、正極活性物質(zhì)層14和正極集電體15依次層疊而成的鋰離子二次電池組件1中，將負(fù)極活性物質(zhì)層12形成為由多個(gè)線條狀圖案121構(gòu)成的島狀結(jié)構(gòu)。并且，使線條狀圖案121 相對(duì)于負(fù)極集電體11的接地角θ小于90度。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠構(gòu)成在常溫下工作、 大容量且充放電特性良好的電池。在此，構(gòu)成負(fù)極活性物質(zhì)層12的線條狀圖案121是通過使噴出含有負(fù)極活性物質(zhì)的涂敷液的噴嘴31在Y方向上相對(duì)于基材(負(fù)極集電體11)表面移動(dòng)而形成的。通過這樣的利用所謂噴嘴掃描法形成圖案，能夠在短時(shí)間內(nèi)高控制性地形成相互平行的多個(gè)線條狀圖案，也能夠形成微細(xì)的圖案。因此，能夠高生產(chǎn)率且低制造成本地制造電特性良好且穩(wěn)定的電池。另外，通過將線條狀圖案121的表面形成為沒有尖銳的角的圓滑曲面，能夠提高由負(fù)極集電體11以及負(fù)極活性物質(zhì)層12構(gòu)成的負(fù)極側(cè)結(jié)構(gòu)體與固體電解質(zhì)層13的緊密接合度。由此，能夠構(gòu)成不易受到例如因電池組件彎曲而使它們的邊界面剝離等的損傷的特性穩(wěn)定的電池。由此能夠構(gòu)成能夠彎折的電池，易于容置在各種形狀的容器中。并且，對(duì)于形成具有這樣的截面形狀的線條狀圖案121，優(yōu)選利用上述的噴嘴掃描法進(jìn)行涂敷。此外，本實(shí)施方式的負(fù)極活性物質(zhì)層12的結(jié)構(gòu)，不僅在具有固體電解質(zhì)層的電池中，而且在具有由隔膜和電解液構(gòu)成的液體電解質(zhì)層的電池中，在提高電池特性方面也是有效的。在這種情況下，上述的將線條狀圖案121的表面形成為圓滑曲面不是必須的。另外，上述實(shí)施方式中的負(fù)極活性物質(zhì)層12，具有在X方向上排列有多個(gè)沿Y方向延伸的線條狀圖案121的島狀結(jié)構(gòu)，各線條狀圖案121相互獨(dú)立地形成在負(fù)極集電體11的表面上。但是，本說明書中所說的“島狀結(jié)構(gòu)”的概念為各圖案的主要部分實(shí)質(zhì)上獨(dú)立地存在。因而，各圖案不僅是完全獨(dú)立的，也可以如下面例示的那樣，其中的一部分相連。圖8Α和圖8Β是表示負(fù)極活性物質(zhì)層的其他圖案的例子的圖。在圖8Α例示的負(fù)極活性物質(zhì)層122中，與圖IB中的例子同樣，在負(fù)極集電體11的表面上形成有多個(gè)線條狀圖案12加。并且，相鄰的線條狀圖案12 彼此通過由相同的材料形成的連接部位122b相互連接起來。即使是這樣的結(jié)構(gòu)，各線條狀圖案12 也具有與圖IB的例子中的線條狀圖案121同樣的功能，這也能夠說實(shí)質(zhì)上形成為島狀結(jié)構(gòu)。另外，在圖8B例示的負(fù)極活性物質(zhì)層123中，在負(fù)極集電體11的表面上排列形成有多個(gè)具有大致圓形的平面形狀的凸?fàn)顖D案123a。負(fù)極活性物質(zhì)層也可以是這樣的結(jié)構(gòu)。 而且，多個(gè)凸?fàn)顖D案123a可以通過由相同材料形成的連接部位12 相互相連。這樣的形狀能夠如本案申請(qǐng)人以前公開的JP特開2006-138911號(hào)公報(bào)中記載的那樣，通過應(yīng)用噴嘴分配法的涂敷方法形成。下面，說明上述那樣構(gòu)成的電池的用途。本實(shí)施方式的鋰離子二次電池組件1是在常溫下容量大且充放電特性良好的電池組件，因而公認(rèn)能夠如下面例示的那樣應(yīng)用在各種設(shè)備中。此外，下面例示了部分能夠應(yīng)用本實(shí)施方式的電池的設(shè)備，本發(fā)明的電池的適用范圍不限于此。圖9是示意地表示安裝有本發(fā)明的電池的設(shè)備的一個(gè)例子的車輛具體地說為電動(dòng)汽車的圖。該電動(dòng)汽車70具有車輪71、驅(qū)動(dòng)該車輪71的馬達(dá)72、向該馬達(dá)72供給電力的電池73。該電池73能夠采用將多個(gè)上述的鋰離子二次電池組件1串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這樣構(gòu)成的電池73小型且具有高的電流供給能力，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)充電，因而適用于電動(dòng)汽車70那樣的車輛的驅(qū)動(dòng)用電源。圖10是示意地表示作為安裝了本發(fā)明的電池的設(shè)備的其他例子的電子設(shè)備具體為IC卡(智能卡)的圖。該IC卡80具有一對(duì)框體81、82，通過相互重合構(gòu)成卡式的外殼；電路組件83，容置在該框體內(nèi)；電池84，為該電路組件83的電源。其中的電路組件83 具有環(huán)狀的天線831，其用于與外部通信；電路塊832，其包括集成電路(IC)，該集成電路 (IC)經(jīng)由該天線831與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并執(zhí)行各種運(yùn)算、存儲(chǔ)處理。另外，電池84 能夠具有一組或多組上述的鋰離子二次電池組件1。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，與本身沒有電源的普通IC卡相比，能夠擴(kuò)大與外部設(shè)備間的可通信距離，另外能夠進(jìn)行更復(fù)雜的處理。本發(fā)明的電池84小型、薄型且容量大，因而適用于這樣的卡式的設(shè)備。除此之外，在電動(dòng)助力自行車(electric power-assisted bicycles)、電動(dòng)工具、 機(jī)械手等機(jī)械類，或者個(gè)人電腦、便攜式電話、便攜式音樂播放器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等可動(dòng)設(shè)備，或者游戲機(jī)、便攜式的測(cè)定設(shè)備、通信設(shè)備或玩具等各種電子設(shè)備中也能夠采用本發(fā)明的電池。如以上說明的那樣，在上述實(shí)施方式中，負(fù)極集電體11、負(fù)極活性物質(zhì)層12、固體電解質(zhì)層13、正極活性物質(zhì)層14和正極集電體15分別作為本發(fā)明的“第一集電體層”、“第一活性物質(zhì)層”、“電解質(zhì)層”、“第二活性物質(zhì)層”和“第二集電體層”發(fā)揮功能。另外，構(gòu)成負(fù)極活性物質(zhì)層的線條狀圖案121、12加和凸?fàn)顖D案123a相當(dāng)于本發(fā)明的“島狀部位”，連接部位122b、12!3b相當(dāng)于本發(fā)明的“連接部位”。另外，圖2的流程圖中的步驟SlOl和S102相當(dāng)于本發(fā)明的“第一工序”，另一方面，步驟S103和S104相當(dāng)于本發(fā)明的“第二工序”。并且，本實(shí)施方式的噴嘴31作為本發(fā)明的“噴嘴”發(fā)揮功能。另外，上述實(shí)施方式中的電動(dòng)汽車70相當(dāng)于本發(fā)明的“車輛”。而且，上述實(shí)施方式中的IC卡80相當(dāng)于本發(fā)明的“電子設(shè)備”。并且，其中的框體81、82作為本發(fā)明的“框體”發(fā)揮功能，電路組件83作為本發(fā)明的“電子電路部”發(fā)揮功能。此外，本發(fā)明不限于上述的實(shí)施方式，在不脫離其宗旨的范圍內(nèi)，除了上述的方式以外，還能夠進(jìn)行各種變更。例如，在上述實(shí)施方式中，將負(fù)極活性物質(zhì)層12形成為島狀結(jié)構(gòu)，但可以代替此結(jié)構(gòu)，或者在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將正極活性物質(zhì)層形成為島狀結(jié)構(gòu)。另外，在上述實(shí)施方式中，在負(fù)極集電體上依次層疊有負(fù)極活性物質(zhì)層、固體電解質(zhì)層、正極活性物質(zhì)層和正極集電體，但是可以與此相反，可以在正極集電體上依次層疊正極活性物質(zhì)層、固體電解質(zhì)層、負(fù)極活性物質(zhì)層和負(fù)極集電體。另外，不限于通過涂敷形成各層。另外，上述實(shí)施方式具有固體電解質(zhì)層13。但是，電解質(zhì)層不限于這樣的固體電解質(zhì)層，對(duì)于使用了更普通的電解液的電池也能夠應(yīng)用本發(fā)明。
另外，上述實(shí)施方式所例示的集電體、活性物質(zhì)、電解質(zhì)等的材料是示出的一個(gè)例子，而不限于此，在使用用作鋰離子電池的構(gòu)成材料的其他材料制造鋰離子電池時(shí)，也能夠優(yōu)選使用本發(fā)明的制造方法。另外，不限于鋰離子電池，在使用其他材料的所有電池中也能夠使用本發(fā)明。本發(fā)明的電池小型、薄型，并且容量大、充放電特性良好，生產(chǎn)率也高，因而適用于安裝電池的車輛和各種電子設(shè)備中。
權(quán)利要求
1.一種電池，其特征在于，具有將第一集電體層、第一活性物質(zhì)層、電解質(zhì)層、第二活性物質(zhì)層和第二集電體層依次層疊而成的結(jié)構(gòu)，所述第一活性物質(zhì)層具有島狀結(jié)構(gòu)，所述島狀結(jié)構(gòu)是將含有活性物質(zhì)的多個(gè)島狀部位相互分離地配置在所述第一集電體層的表面上而形成的，在所述島狀部位和所述第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處的所述第一活性物質(zhì)層的切線與所述第一集電體層的表面所成的角度中的包括所述第一活性物質(zhì)層的一側(cè)的角度小于90度。
2 如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，在所述島狀部位和所述第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處，所述第一集電體層與所述電解質(zhì)層相接觸。
3.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述島狀部位具有沿著所述第一集電體層的表面延伸的線條狀圖案。
4.如權(quán)利要求3所述的電池，其特征在于，在與所述線條狀圖案的延伸方向垂直的截面上的所述島狀部位的截面形狀為高度為IOym 300μπι，與所述第一集電體層相接觸的部分的寬度為20 μ m 300 μ m,所述高度與所述寬度之比為0. 5以上。
5.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述電解質(zhì)層含有固體電解質(zhì)材料，所述島狀部位的除了與所述第一集電體層相接觸的部分以外的表面為圓滑曲面。
6.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述第一活性物質(zhì)層具有將多個(gè)所述島狀部位相互連接起來的連接部位。
7.—種車輛，其特征在于，安裝有權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的電池。
8.一種電子設(shè)備，其特征在于，具有權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的電池，將所述電池作為電源進(jìn)行動(dòng)作的電子電路部。
9.如權(quán)利要求8所述的電子設(shè)備，其特征在于，具有對(duì)所述電池和所述電子電路部進(jìn)行保持的卡式的框體。
10.一種電池的制造方法，其特征在于，包括第一工序，在成為第一集電體層的基材的表面上形成具有島狀結(jié)構(gòu)的第一活性物質(zhì)層，所述島狀結(jié)構(gòu)由相互分離的多個(gè)島狀部位構(gòu)成，第二工序，層疊電解質(zhì)層、第二活性物質(zhì)層和第二集電體層，所述電解質(zhì)層同時(shí)覆蓋所述基材的未被所述第一活性物質(zhì)層覆蓋的露出表面和所述第一活性物質(zhì)層的表面；在所述第一工序中，使所述島狀部位和所述第一集電體層之間的接觸點(diǎn)處的所述第一活性物質(zhì)層的切線與所述第一集電體層的表面所成的角度中的包括所述第一活性物質(zhì)層的一側(cè)的角度小于90度。
11.如權(quán)利要求10所述的電池的制造方法，其特征在于，在所述第一工序中，從噴嘴噴出含有活性物質(zhì)的涂敷液來涂敷在所述基材的表面上，從而形成所述第一活性物質(zhì)層。
12.如權(quán)利要求11所述的電池的制造方法，其特征在于，在所述第一工序中，使所述噴嘴在規(guī)定方向上相對(duì)于所述基材的表面移動(dòng)，在所述基材的表面上以線條狀涂敷所述涂敷液。
13.一種電池，其特征在于，具有通過權(quán)利要求10 12中任一項(xiàng)所述的制造方法來分別制造的將所述第一集電體層、所述第一活性物質(zhì)層、所述電解質(zhì)層、所述第二活性物質(zhì)層和所述第二集電體層層疊而成的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供小型、電化學(xué)特性良好的電池以及以高的生產(chǎn)率制造該電池的技術(shù)。形成在負(fù)極集電體層(11)與固體電解質(zhì)層(13)之間的負(fù)極活性物質(zhì)層，形成為相互分離地配置有多個(gè)沿Y方向延伸的線條狀圖案(121)的線與間距結(jié)構(gòu)。在線條狀圖案(121)、負(fù)極集電體層(11)和固體電解質(zhì)層(13)相互接觸的接觸點(diǎn)(P)，線條狀圖案表面的斜度(θ)小于90度。由此，能夠構(gòu)成在活性物質(zhì)的使用量不變的情況下能夠使容量更大且充放電特性也良好的電池。
文檔編號(hào)H01M4/02GK102280611SQ20111013563
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者平松賢太, 松田健, 真田雅和, 金村圣志 申請(qǐng)人:大日本網(wǎng)屏制造株式會(huì)社