JP2013191548A

JP2013191548A - 蓄電装置

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Publication number: JP2013191548A
Application number: JP2013021866A
Authority: JP
Inventors: Kunio Hosoya; 邦雄細谷; Ryota Tajima; 亮太田島
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: CN103259049A; CN103259049B; JP6247444B2

Abstract

【課題】湾曲又は屈曲することのできるシート状の蓄電装置を提供する。
【解決手段】蓄電装置であって、セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、正極及び負極のそれぞれが複数の捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、を有し、複数の捲回部は、連結部を介して直列に接続され、連結部が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。または複数の可撓性基板を有し、複数の捲回部は、連結部及び可撓性基板を介して接続され、連結部及び可撓性基板が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置及びその製造方法に関する。

近年、携帯電話やスマートフォンに代表される情報端末やゲーム機等の民生用電気機器の電源として、蓄電装置としてのリチウム二次電池が広く利用されている。

このような電気機器には、長寿命・高容量であることに加え、軽量化や小型化、外形設計の自由度の確保のためにシート状の可撓性（フレキシビリティ）を有する蓄電装置のニーズが高まっている。可撓性を有するシート状の蓄電装置を実現することにより、例えばリストウォッチのバンド部分や、衣服、薄型の電気機器など、湾曲又は屈曲する部分や厚さの薄い部分にも蓄電装置を設置することができる。

従来の非水系二次電池であるリチウム二次電池は、一般に正極、セパレータ、負極を複数重ねて捲いた捲回体を有し、これを円筒形や角形、コイン型等の一定の形状の容器に封入している。正極、セパレータ、負極はそれぞれ可撓性を有する部材ではあるものの、捲回体を形成し容器に封入した後は、形状が固定され自由に曲げるなどのフレキシビリティは完全に喪失する。このため、蓄電装置に湾曲又は屈曲する自由度を持たせることはできず、電気機器の湾曲又は屈曲する部分に蓄電装置を設置することは困難である。

そこで、例えば特許文献１で開示されるような固体二次電池の研究が盛んになっている。固体二次電池は、従来の非水系の電解液を無機固体電解質や有機固体電解質で置き換えた構造を採る。すなわち、正極集電体上に正極活物質、固体電解質、負極活物質、負極集電体を有し、全体を薄型化させて可撓性を実現するものである。

特開２００７−１２３０８１号公報

しかし、固体二次電池は電解質層も薄型にする必要があり、固体二次電池を湾曲又は屈曲させた場合に正極と負極との短絡が発生しやすいという課題を有する。特に、固体二次電池は全体を固体により形成するため、電池の曲げを繰り返すことにより、膜剥がれやそれぞれの膜における割れ（クラック）が生じ、シート状の電池として構成することが容易ではない。

また、固体二次電池に用いる固体電解質には種々の課題を有し、現状実用化には至っていない。

そこで、本発明の一態様は、固体二次電池を用いることなく、従来の非水系二次電池の構造を活かして湾曲又は屈曲することのできるシート状の蓄電装置を提供する。

本発明の一態様は、蓄電装置であって、セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、正極及び負極のそれぞれが複数の捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、を有し、複数の捲回部は、連結部を介して直列に接続され、連結部が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。

また、本発明の一態様は、蓄電装置であって、セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、正極及び負極のそれぞれが捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、複数の可撓性基板と、を有し、複数の捲回部は、連結部及び可撓性基板を介して直列に接続され、連結部及び可撓性基板が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。

また、本発明の一態様は、蓄電装置であって、セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、正極及び負極のそれぞれが複数の捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、を有し、複数の捲回部は、連結部を介して並列に接続され、連結部が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。

また、本発明の一態様は、蓄電装置であって、セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、正極及び負極のそれぞれが捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、複数の可撓性基板と、を有し、複数の捲回部は、連結部及び可撓性基板を介して並列に接続され、連結部及び可撓性基板が湾曲又は屈曲することにより蓄電装置が可撓性を有する蓄電装置である。

複数の捲回部のそれぞれは、セパレータを介して正極と負極とを捲回したものである。ここで正極は、シート状の正極集電体と、その両面に正極活物質を含む正極合剤層とを少なくとも有する。また、負極は、シート状の負極集電体と、その両面に負極活物質を含む負極合剤層とを少なくとも有する。ただし、正極合剤層又は負極合剤層がそれぞれの活物質のみからなる場合には、正極合剤層又は負極合剤層は、それぞれの活物質のみからなる層を指す。正極と負極を捲回することで、充放電容量を形成することができる。

一方で、連結部は蓄電装置の可撓性を発現せしめる部分として機能する。連結部には捲回部に用いた正極又は負極の集電体をそのまま延ばして用いることもでき、別途可撓性基板を用いることもできる。いずれの場合であっても、連結部にフレキシブルなシート状材料を用いるため、形状が固定された複数の捲回部を繋ぎ、連結部が許容される変形可能な状態内で自由に形状を変化させることができる。従って、蓄電装置全体として可撓性を発現することができる。

以上のことから、捲回部は充放電容量を形成する部分として機能し、連結部は蓄電装置の可撓性を発現せしめる部分として機能することから、所定の充放電容量を有しつつ、かつ可撓性を有する蓄電装置を作製することができる。

また、本発明における蓄電装置において、複数の捲回部を電気的に直列に接続することで高出力の蓄電装置を作製することができ、また複数の捲回部を電気的に並列に接続することで大容量の蓄電装置を作製することができる。

上記の捲回部及び連結部は、例えば非水電解液とともにラミネートフィルム等を用いた可撓性を有する外装体に封入して蓄電装置とすることができる。これらを柔軟性のあるラミネート等の外装体に封入することで、内部の蓄電素子の可撓性をそのまま外部に発現することができる。

また、蓄電素子の有する複数の捲回部の捲回数は、いずれも同数であることが好ましい。捲回数を同数にすることで、捲回部の厚みを同程度に製造することができるため、捲回部によって生じる粗さが均一な表面を有する蓄電装置を製造することができる。

高容量であり、かつ可撓性を有するシート状の蓄電装置を提供することができる。

蓄電素子を説明する図。蓄電素子の可撓性を説明する図。蓄電素子を説明する図。蓄電素子を説明する図。蓄電素子の可撓性を説明する図。蓄電素子を説明する図。正極を説明する図。負極を説明する図。捲回構造体の作製工程を説明する図。蓄電装置を説明する図。電気機器を説明する図。電気機器を説明する図。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されるものではない。

（実施の形態１）
本実施の形態においては、高容量でかつ可撓性を有するリチウム二次電池に代表される蓄電装置について、図１及び図２を用いて説明する。

なお、リチウム二次電池とは、キャリアイオンとしてリチウムイオンを用いる二次電池をいう。また、リチウムイオンの代わりに用いることが可能なキャリアイオンとしては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属イオン、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオン等がある。

図１（Ａ）は、本実施の形態に示す蓄電装置が有する蓄電素子を説明する鳥瞰図である。蓄電素子とは、本発明において、正極負極の配置及び接続構造を説明するために便宜上用いる語句であり、少なくとも正極、負極及びセパレータを有する構造体を指す。図１（Ａ）では、蓄電素子１００は、複数のシート状の正極１０１と、複数のシート状の負極１０２を有し、正極１０１の一端と負極１０２の一端とが重ねて巻かれることで、捲回構造が形成されている。

図１（Ｂ）に、捲回構造体の断面図を示す。該断面図は、捲回方向に対して垂直な断面を示すものである。捲回構造体は、正極１０１及び負極１０２が重ねて捲回されている部分（以下、捲回部という）１０４と、捲回部１０４の外部へ正極１０１又は負極１０２が延在した部分（以下、連結部という）１０５とにより構成される。これら蓄電素子１００は、複数の捲回構造体により構成される。なお、正極１０１と負極１０２との間には、セパレータ１０３が設けられている。図１（Ｂ）においては、セパレータ１０３が一枚のシートとして図示されているが、本態様に限られず、向かい合う正極−負極間と、負極−正極間とで異なるセパレータを用いてもよい。また、図１（Ｂ）においては、連結部１０５においてもセパレータが図示されているが、当該部においてはセパレータを設けなくてもよい。

捲回部１０４は、セパレータを介して正極１０１と負極１０２とを重ねて巻いた部分である。ここで正極１０１は、シート状の正極集電体と、その両面に正極活物質を含む正極合剤層とを少なくとも有する。また、負極１０２は、シート状の負極集電体と、その両面に負極活物質を含む負極合剤層とを少なくとも有する。ただし、正極合剤層又は負極合剤層がそれぞれの活物質のみからなる場合には、正極合剤層又は負極合剤層は、それぞれの活物質のみからなる層を指す。正極１０１と負極１０２とを重ねて捲回することで、充放電容量を形成することができる。従って、捲回部１０４の捲回数を増やす程、充放電容量は増加する。一方で、捲回数を増やす程、捲回部１０４の厚みが厚くなるため、結果として形成される蓄電素子１００の表面の凹凸の程度が激しくなり、蓄電素子１００の厚みが厚くなり、また表面の平坦性が損なわれる。よって、蓄電装置の厚さ、平坦性、及び充放電容量を考慮して、捲回部１０４の捲回数を適宜設定することが必要である。

捲回部１０４から捲回部１０４の外部へ延びる正極１０１及び負極１０２により、連結部１０５が形成される。従って、連結部１０５の一方は正極の一部であり、他方は負極の一部である。この正極の一部は、他の捲回部の負極が延びてなる連結部と共有化される。すなわち一の捲回構造体の正極の一部は、他の捲回構造体の負極の一部として接続される。具体的には、正極及び負極が有する正極集電体と負極集電体が一つの部材として共有化される。同様に、一の捲回構造体の負極の一部は、他の捲回構造体の正極の一部として接続される。このようにして、複数の捲回構造体の正極と負極が接続し、複数の捲回構造体の負極と正極とが接続することで、複数の捲回構造体が電気的な直列接続を形成する。

このような、複数の捲回構造体の電気的な直列接続は、小規模の電池が直列に接続した電気回路に相当する。従って、直列に設けた捲回構造体の数だけ高出力の蓄電装置を形成することができる。

次に、図２（Ａ）乃至（Ｆ）を用いて蓄電素子１００の可撓性について説明する。図２（Ａ）において、丸い図形は蓄電素子１００における捲回部１０４を示す。また、丸い図形を結ぶ線分は連結部１０５を模式的に示したものである。

図２（Ａ）では、捲回部１０４が概略等間隔に配置され、その間を連結部１０５が繋いでいる。捲回部は例えば円筒状の固定形状であるから、湾曲又は屈曲することはできない。一方、連結部１０５はフレキシビリティを有する材料により構成されるため、材料の可動範囲内において、自由に変形することが許容される。このため、蓄電装置の外部からの物理的な力を受け、蓄電素子は変形することができる。例えば、図２（Ｂ）に示すように、蓄電素子は連結部１０５の可動によって、波型に変形することができる。

蓄電装置の容量を増大させるために、捲回部１０４の捲回数を増大させる他、捲回部１０４の設置数を増大する手段が採り得る。この場合、図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、図２（Ａ）に比べ捲回部１０４を密にすることで充放電容量を増加させることができる。この場合、連結部１０５の長さが短くなることから、連結部１０５が有するフレキシビリティは減少する。一方で、所定の厚みを有する捲回部１０４の数が増加することで、複数の捲回部１０４の上面の間隔が狭くなるため、蓄電素子の上面は平坦性が向上する。

なお、捲回部１０４の断面形状は上述したような円（丸）に限られず、楕円等の扁平形状や角部を有する矩形形状等、任意の形状とすることもできる（図２（Ｅ）及び図２（Ｆ）参照）。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で示した捲回構造体を直列に接続した構造において、さらに可撓性基板を用いる例について、図３（Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。

図３（Ａ）は、複数の捲回構造体を、可撓性基板を用いて直列に接続した蓄電素子を示す模式図である。捲回構造体は、実施の形態１で説明したものと同様に、セパレータ２０３を間に挟んで正極２０１と負極２０２とを捲回した構造物である。捲回構造体は他の捲回構造体と接続するため、捲回部から正極２０１及び負極２０２の一部を捲回部の外部へ引き出した連結部２０５が設けられている（図３（Ｃ）参照）。実施の形態１に示した蓄電素子は該連結部が他の捲回構造体から延びる連結部と共通化しているが、本実施の形態においては、図３（Ｂ）に示すように、捲回部２０４及びその両側に設けられた連結部２０５によって一つの独立した捲回構造体を構成する。この捲回構造体を複数直列に配置し、間に可撓性基板２０６を挿入して捲回構造体どうしを接続したものが、図３（Ａ）に示す蓄電素子２００である。

可撓性基板２０６は、連結部２０５と同様に、蓄電素子２００のフレキシビリティを確保する機能を有する。従って、可撓性基板は湾曲又は屈曲等の変形が可能であり、かつ繰り返しの曲げ強度を有する材料で構成される。材料は導電性材料でもよく、絶縁性材料でもよい。導電性材料としては、例えばアルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス又はこれらを主成分とする合金等を用いることができる。特に蓄電装置の用途を考慮すると軽量であることが望ましいため、アルミニウム等の軽量な材料を選択することが好ましい。絶縁性材料を用いる場合には、ポリイミド、エポキシ等を用いることができる。

可撓性基板２０６に絶縁性材料を用いた場合には、捲回構造体間の導通を確保する必要があるため、可撓性基板２０６に導電性の配線（リードともいう）２０７を設ける必要がある。また、図示しないが、配線２０７の両端には捲回構造体の連結部と電気的な接続を行うための接続部を設ける。特に、高い信頼性を得るために、可撓性基板２０６には電気機器分野で広く用いられているフレキシブル基板（ＦＰＣ：ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を用いることが好ましい。ＦＰＣは、フィルム状の絶縁体上に接着層を形成し、接着層上に銅等の導体パターンを形成したものであり、導体パターンは端子部等を除きポリイミドやソルダレジストからなる絶縁膜で被覆され保護されている。

本実施の形態における蓄電素子２００の構造は、実施の形態１の蓄電素子１００の構造と比べ、連結部を共有化していないため、捲回構造体を個別に製造することができる点において利点がある。すなわち蓄電素子２００の製造工程では、先に複数の捲回構造体を製造しておき、必要な充放電容量に応じて捲回構造体の数を選択してＦＰＣ等による可撓性基板によって接続すればよい。

さらに、可撓性基板２０６にＦＰＣを用いる場合、ＦＰＣに捲回構造体との接続端子とは異なる他の電位取り出し端子を設けることで、蓄電素子２００の製造工程中又は製造工程後に蓄電素子２００の有するそれぞれの捲回構造体の充放電容量等を検査することが可能である。また、ＦＰＣ等の可撓性基板を用いる場合には、捲回構造体の一つに不良があった場合でも可撓性基板から捲回構造体を取り外すことができるため、容易に不良のあった捲回構造体のみを不良のない捲回構造体と交換することができる。

また、ＦＰＣを介して個々の捲回構造体の温度、過充電・過放電等の状態を蓄電素子の外部から監視し、これらの状態を制御することもできるため、安全性を高めることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び２で示した捲回構造体を直列に接続した構造とは異なり、捲回構造体を並列に接続した構造について、図４及び図５を用いて説明する。

図４（Ａ）は、本実施の形態に示す蓄電装置が有する蓄電素子を説明する鳥瞰図である。図４（Ａ）においては、捲回構造体が有する正極３０１を上方に延ばし、負極３０２を下方に延ばしている。複数の捲回構造体を平行に配置し、上方に延ばした正極３０１を隣り合う捲回構造体の上方を越えて、該隣り合う捲回構造体から延びる正極３０１と接続している。同様に、下方に延ばした負極３０２を隣り合う捲回構造体の負極３０２と接続している。すなわち、複数の捲回構造体が有する正極３０１は図面の上方において全てが電気的に接続され、また複数の捲回構造体が有する負極３０２は図面の下方において全てが電気的に接続されている。

なお、捲回構造体は、実施の形態１及び２で示したものと同様に、セパレータ３０３を挟んで正極３０１と負極３０２とを重ね捲回した捲回部３０４と、正極３０１及び負極３０２を捲回部３０４の外部に延ばした連結部３０５からなる（図４（Ｂ）参照）。本実施の形態における蓄電素子３００においては、セパレータ３０３は捲回部３０４及びその近傍にのみ設けられている。正極３０１は他の捲回構造体の正極とそれぞれ接続する必要があり、少なくとも該接続部においては、セパレータ３０３は除去する必要がある。

このような、複数の捲回構造体の電気的な並列接続は、小規模の電池が並列に接続した電気回路に相当する。従って、蓄電素子の充放電容量は各捲回構造体が有する充放電容量の総和となるため、設けた捲回構造体の数だけ充放電容量の大きい蓄電装置を形成することができる。

次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を用いて蓄電素子３００の可撓性について説明する。図５（Ａ）において、丸い図形は蓄電素子３００における捲回部３０４を示す。また、丸い図形を結ぶ線分は連結部３０５を模式的に示したものである。

図５（Ａ）では、捲回部３０４が概略等間隔に配置され、その間を連結部３０５が繋いでいる。捲回部は例えば円筒状の固定形状であるから、湾曲又は屈曲することはできない。一方、連結部３０５はフレキシビリティを有する材料により構成されるため、材料の可動範囲内において、自由に変形することが許容される。このため、蓄電装置の外部からの物理的な力を受け、蓄電素子は変形することができる。例えば、図５（Ｂ）に示すように、蓄電素子は連結部３０５の可動によって、湾曲した形状に変形することができる。

蓄電装置の高容量化のため、捲回部３０４を密に配置することもできる。また、捲回構造体の捲回数を増やすこともできる。

なお、図示しないが実施の形態１と同様に、捲回部３０４の断面形状は上述したような円（丸）に限られず、楕円等の扁平形状や角部を有する矩形形状等、任意の形状とすることもできる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、実施の形態１又は２で示した捲回構造体を直列接続した捲回素子と、本実施の形態で示した捲回体構造を並列接続した捲回素子とを組み合わせて、蓄電装置を作製することができる。このような構成とすることで、直列接続する捲回構造体数によって所望の電圧に制御することができ、これを複数並列接続することによって、所望の容量を形成することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態３で示した捲回構造体を並列に接続した構造において、さらに可撓性基板を用いる例について、図６（Ａ）乃至（Ｃ）を用いて説明する。

図６（Ａ）は、複数の捲回構造体を、可撓性基板を用いて並列に接続した蓄電素子を示す模式図である。捲回構造体は、実施の形態３で説明したものと同様に、セパレータ４０３を間に挟んで正極４０１と負極４０２とを捲回した構造物である。捲回構造体は他の捲回構造体と接続するため、捲回部から正極４０１及び負極４０２の一部を捲回部の外部へ引き出した連結部４０５が設けられている（図６（Ｃ）参照）。実施の形態３に示した蓄電素子は該連結部が他の捲回構造体から延びる連結部と直接接続しているが、本実施の形態においては、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、捲回部４０４及びその両側に設けられた連結部４０５によって一つの独立した捲回構造体を構成する。この捲回構造体を複数並列に配置し、間に可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂを挿入して捲回構造体どうしを接続したものが、図６（Ａ）に示す蓄電素子４００である。

可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂは、連結部４０５と同様に、蓄電素子２００のフレキシビリティを確保する機能を有する。従って、可撓性基板は湾曲又は屈曲等の変形が可能であり、かつ繰り返しの曲げ強度を有する材料で構成される。材料は導電性材料でもよく、絶縁性材料でもよい。導電性材料としては、例えばアルミニウム、銅、チタン、鉄、ステンレス又はこれらを主成分とする合金等を用いることができる。特に蓄電装置の用途を考慮すると軽量であることが望ましいため、アルミニウム等の軽量な材料を選択することが好ましい。絶縁性材料を用いる場合には、ポリイミド、エポキシ等を用いることができる。

可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂに導電性材料を用いた場合には、複数の捲回構造体を直接させることができる。図６（Ａ）においては、捲回構造体の正極４０１は可撓性基板４０６ａと接続部４０７ａにおいて電気的に接続している。また、捲回構造体の負極４０２は、可撓性基板４０６ｂと接続部４０７ｂにおいて電気的に接続している。

可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂに絶縁性材料を用いた場合には、捲回構造体間の導通を確保する必要があるため、可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂに導電性の配線（図示せず）を設ける必要がある。また、図示しないが、配線の両端には捲回構造体の連結部と電気的な接続を行うための接続部を設ける。特に、高い信頼性を得るために、可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂには電気機器分野で広く用いられているフレキシブル基板（ＦＰＣ：ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）を用いることが好ましい。ＦＰＣは、フィルム状の絶縁体上に接着層を形成し、接着層上に銅等の導体パターンを形成したものであり、導体パターンは端子部等を除きポリイミドやソルダレジストからなる絶縁膜で被覆され保護されている。

本実施の形態における蓄電素子４００の構造は、実施の形態３の蓄電素子３００の構造と比べ、連結部を共有化していないため、捲回構造体を個別に製造することができる点において利点がある。すなわち蓄電素子４００の製造工程では、先に複数の捲回構造体を製造しておき、必要な充放電容量に応じて捲回構造体の数を選択してＦＰＣ等による可撓性基板によって接続すればよい。

さらに、可撓性基板４０６ａ及び４０６ｂにＦＰＣを用いる場合、ＦＰＣに捲回構造体との接続端子とは異なる他の電位取り出し端子を設けることで、蓄電素子４００の製造工程中又は製造工程後に蓄電素子４００の有するそれぞれの捲回構造体の充放電容量等を検査することが可能である。また、ＦＰＣ等の可撓性基板を用いる場合には、捲回構造体の一つに不良があった場合でも可撓性基板から捲回構造体を取り外すことができるため、容易に不良のあった捲回構造体のみを不良のない捲回構造体と交換することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、実施の形態１又は２で示した捲回構造体を直列接続した捲回素子と、実施の形態３又は本実施の形態で示した捲回体構造を並列接続した捲回素子とを組み合わせて、蓄電装置を作製することができる。このような構成とすることで、直列接続する捲回構造体数によって所望の電圧に制御することができ、これを複数並列接続することによって、所望の容量を形成することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態において、実施の形態１乃至４で説明した蓄電素子をリチウム二次電池とした場合の構造及びその製造方法について説明する。

（正極及びその製造方法）
はじめに、正極及びその製造方法について説明する。図７（Ａ）は正極５００の断面図である。正極５００は、正極集電体５０１上に正極合剤層５０２が形成される。

正極集電体５０１には、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、銅、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高い材料を用いることができる。また、シリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。正極集電体５０１は、箔状、板状（シート状）、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。

正極合剤層５０２には、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２等の化合物を材料として用いることができる。

または、オリビン型構造のリチウム含有複合酸化物（一般式ＬｉＭＰＯ_４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ），Ｍｎ（ＩＩ），Ｃｏ（ＩＩ），Ｎｉ（ＩＩ）の一以上））を用いることができる。一般式ＬｉＭＰＯ_４の代表例としては、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＮｉ_ｂＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＣｏ_ｂＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＭｎ_ｂＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ａＣｏ_ｂＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ａＭｎ_ｂＰＯ_４（ａ＋ｂは１以下、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＬｉＦｅ_ｃＮｉ_ｄＣｏ_ｅＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ｃＮｉ_ｄＭｎ_ｅＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ｃＣｏ_ｄＭｎ_ｅＰＯ_４（ｃ＋ｄ＋ｅは１以下、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、０＜ｅ＜１）、ＬｉＦｅ_ｆＮｉ_ｇＣｏ_ｈＭｎ_ｉＰＯ_４（ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉは１以下、０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、０＜ｈ＜１、０＜ｉ＜１）等のリチウム化合物を材料として用いることができる。

または、一般式Ｌｉ_２ＭＳｉＯ_４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ），Ｍｎ（ＩＩ），Ｃｏ（ＩＩ），Ｎｉ（ＩＩ）の一以上）等のリチウム含有複合酸化物を用いることができる。一般式Ｌｉ_２ＭＳｉＯ_４の代表例としては、Ｌｉ_２ＦｅＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＮｉＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＣｏＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｋＮｉ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｋＣｏ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｋＭｎ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｎｉ_ｋＣｏ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｎｉ_ｋＭｎ_ｌＳｉＯ_４（ｋ＋ｌは１以下、０＜ｋ＜１、０＜ｌ＜１）、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｍＮｉ_ｎＣｏ_ｑＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｍＮｉ_ｎＭｎ_ｑＳｉＯ_４、Ｌｉ_２Ｎｉ_ｍＣｏ_ｎＭｎ_ｑＳｉＯ_４（ｍ＋ｎ＋ｑは１以下、０＜ｍ＜１、０＜ｎ＜１、０＜ｑ＜１）、Ｌｉ_２Ｆｅ_ｒＮｉ_ｓＣｏ_ｔＭｎ_ｕＳｉＯ_４（ｒ＋ｓ＋ｔ＋ｕは１以下、０＜ｒ＜１、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜１、０＜ｕ＜１）等のリチウム化合物を材料として用いることができる。

なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、正極合剤層５０２として、上記リチウム化合物及びリチウム含有複合酸化物において、リチウムの代わりに、アルカリ金属（例えば、ナトリウムやカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。

また正極合剤層５０２は、正極集電体５０１上の両面に直接接して形成する場合に限らない。正極集電体５０１と正極合剤層５０２との間に、正極集電体５０１と正極合剤層５０２との密着性の向上を目的とした密着層や、正極集電体５０１の表面の凹凸形状を緩和するための平坦化層、放熱のための放熱層、正極集電体５０１又は正極合剤層５０２の応力を緩和するための応力緩和層等の機能層を、金属等の導電性材料を用いて形成しても良い。

図７（Ｂ）は、正極合剤層５０２として、キャリアイオンの吸蔵放出が可能な粒子状の正極活物質５０３と、当該正極活物質５０３の複数を覆いつつ、当該正極活物質５０３が内部に詰められたグラフェン５０４で構成される正極合剤層５０２の平面図である。複数の正極活物質５０３の表面を異なるグラフェン５０４が覆う。また、一部において、正極活物質５０３が露出していてもよい。

ここで、グラフェンとは、狭義には、グラファイトの水平層、すなわち、炭素で構成される六員環が平面方向に連続した炭素層であり、別言すると、π結合を有する１原子層の炭素分子のシートのことである。特に、当該炭素層が２層以上１００層以下積層される場合を多層グラフェンという場合があるが、ここでは多層グラフェンもグラフェンに含まれるものとする。また、酸化グラフェンとは、上記グラフェンが酸化された化合物のことをいう。なお、酸化グラフェンを還元してグラフェンを形成する場合、酸化グラフェンに含まれる酸素は全て還元されずに、一部の酸素はグラフェンに残存する。グラフェンに酸素が含まれる場合、酸素の割合は、全体の２ａｔｏｍｉｃ％以上２０ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは３ａｔｏｍｉｃ％以上１５ａｔｏｍｉｃ％以下である。

グラフェンは化学的に安定であり、且つ電気特性が良好である。グラフェンにおいて導電性が高いのは、炭素で構成される六員環が平面方向に連続しているためである。すなわち、グラフェンは平面方向において、導電性が高い。また、グラフェンはシート状であるため、積層されるグラフェンにおいて平面に平行な方向に隙間を有し、当該領域においてイオンの移動は可能であるが、グラフェンの平面に垂直な方向においてのイオンの移動が困難である。

正極活物質５０３の粒径は、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。なお、正極活物質５０３内を電子が移動するため、正極活物質５０３の粒径はより小さい方が好ましい。

また、正極活物質５０３の表面にグラファイト層が被覆されていなくとも十分な特性が得られるが、グラファイト層が被覆されている正極活物質とグラフェンを共に用いると、キャリアが正極活物質間をホッピングし、電流が流れるためより好ましい。

図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）の正極合剤層５０２の一部における断面図である。正極活物質５０３、及び該正極活物質５０３を覆うグラフェン５０４を有する。グラフェン５０４は断面図においては線状で観察される。同一のグラフェンまたは複数のグラフェンにより、複数の正極活物質を内包する。すなわち、同一のグラフェンまたは複数のグラフェンの間に、複数の正極活物質が内在する。なお、グラフェンは袋状になっており、該内部において、複数の正極活物質を内包する場合がある。また、グラフェンに覆われず、一部の正極活物質が露出している場合がある。

正極合剤層５０２の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下の間で所望の厚さを選択する。なお、クラックや剥離が生じないように、正極合剤層５０２の厚さを適宜調整することが好ましい。

なお、正極合剤層５０２は、グラフェンの体積の０．１倍以上１０倍以下のアセチレンブラック粒子や１次元の拡がりを有するカーボンナノファイバー等のカーボン粒子など、公知のバインダを有してもよい。

正極活物質５０３においては、キャリアとなるイオンの吸蔵により体積が膨張するものがある。このため、充放電により、正極活物質層が脆くなり、正極活物質層の一部が崩落してしまい、この結果蓄電装置の信頼性が低下する。しかしながら、正極活物質が充放電により体積膨張しても、当該周囲をグラフェンが覆うため、グラフェンは正極活物質の分散や正極活物質層の崩落を妨げることが可能である。すなわち、グラフェンは、充放電にともない正極活物質の体積が増減しても、正極活物質同士の結合を維持する機能を有する。

また、グラフェン５０４は、複数の正極活物質５０３と接しており、導電助剤としても機能する。また、キャリアイオンの吸蔵放出が可能な正極活物質５０３を保持する機能を有する。このため、正極活物質層にバインダを混合する必要が無く、正極活物質層当たりの正極活物質量を増加させることが可能であり、蓄電素子の充放電容量を高めることができる。

次に、正極合剤層５０２の製造方法について説明する。

粒子状の正極活物質及び酸化グラフェンを含むスラリーを形成する。次に、正極集電体５０１の両面に、当該スラリーを塗布する。ここで、正極合剤層５０２の塗布は、捲回構造体の捲回部に相当する部分にのみ塗布し、連結部に相当する部分には塗布しない。連結部は可撓性の機能を担保し、変形を前提とする箇所であるため、正極合剤層５０２を塗布した場合には剥離することが想定される。また、連結部は充放電容量を形成する部分ではないため、正極合剤層の塗布は不要である。その後、還元雰囲気での加熱により還元処理を行って、正極活物質を焼成するとともに、酸化グラフェンに含まれる酸素を脱離させ、グラフェンに間隙を形成する。なお、酸化グラフェンに含まれる酸素は全て還元されず、一部の酸素はグラフェンに残存する。

以上の工程により、正極集電体５０１上に所定の形状の正極合剤層５０２を形成することができる。この結果、正極活物質層の導電性が高まる。酸化グラフェンは酸素を含むため、極性溶媒中では負に帯電する。この結果、酸化グラフェンは互いに分散する。このため、スラリーに含まれる正極活物質が凝集しにくくなり、焼成による正極活物質の粒径の増大を低減することができる。このため、正極活物質内の電子の移動が容易となり、正極活物質層の導電性を高めることができる。

正極集電体５０１上に正極合剤層５０２を形成した後、ロールプレス機を用いて圧延し、正極５００が作製される。

（負極及びその製造方法）
次に、負極及びその製造方法について、図８（Ａ）を用いて説明する。

図８（Ａ）に示すように、負極５１０は、負極集電体５１１と、負極集電体５１１の両面の上に設けられた負極合剤層５１２とを有する。

負極集電体５１１としては、例えば金属などの導電性の高い材料により構成される。導電性の高い材料として、例えばステンレス、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、又はチタンを用いることができる。また、負極集電体５１１は、箔状、板状（シート状）、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。ただし、実施の形態１で示すような正極の集電体と負極の集電体とを共通して用いる場合には、ステンレスやチタン等の材料に限定される。

負極合剤層５１２は、負極集電体５１１の両面に設けられる。負極合剤層５１２には、キャリアであるイオンの吸蔵放出が可能な負極活物質を用いる。負極活物質としては、リチウム、アルミニウム、黒鉛、シリコン、錫、及びゲルマニウムなどがある。または、リチウム、アルミニウム、黒鉛、シリコン、錫、及びゲルマニウムから選ばれる一以上を含む化合物がある。シリコンは、リン等の導電性を付与する元素がドープされていても良い。負極活物質として、黒鉛と比較すると、ゲルマニウム、シリコン、リチウム、アルミニウムの方が、理論容量が大きい。吸蔵容量が大きいと小面積でも十分に充放電が可能であり、コストの節減及び蓄電装置の小型化に寄与する。

本実施の形態では、上述の負極活物質に導電助剤及びバインダを加え、粉砕、混合、焼成して作製した負極合剤層５１２を用いてもよい。

また、負極５１０の作製方法の別の例として、負極５１０においても、正極５００と同様に、負極合剤層５１２中にグラフェンを導入することができる。これにより、充放電に伴う負極活物質の膨張収縮に対しても、負極活物質同士の結合を維持する機能を有する。また併せて、グラフェンが導電助剤としても機能する。

負極活物質に黒鉛を用いる場合には、黒鉛の粉末にポリフッ化ビニリデン等のフッ化ビニリデン系重合体等を溶かしたＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）を結着剤として混合し、スラリーを形成する。次に、負極集電体５１１の一方の面又は両面に、当該スラリーを塗布し乾燥させる。正極シートの作製と同様に、この塗布工程において、複数の開口部を有する領域における開口部には負極合剤層を設けないため、開口部は選択的にスラリーを塗布しない。当該塗布工程を負極集電体５１１の一面のみに行う場合には、他方の面にもう一度同様の方法で、負極合剤層を形成する。この後、ロールプレス機を用いて圧延加工し、負極５１０が製造される。

一方、負極活物質にシリコンを用いる場合には、キャリアイオンの吸蔵による約４倍の膨張が生じるため、負極集電体５１１上に単に薄膜状に形成することは容易に負極合剤層の剥離を誘発する。このため、シリコンを粒子状、ウィスカ状、ナノワイヤー状等の薄膜形状を除いた形状を用いる必要がある。

負極活物質として粒子状及びウィスカ状の負極活物質を用いた例を、図８（Ａ）乃至（Ｄ）を用いて以下に説明する。

図８（Ａ）は負極５１０の断面図である。負極は、負極集電体５１１の両面上に負極合剤層５１２が形成される。なお、負極合剤層５１２は、少なくとも負極活物質を含んでおり、この他にバインダ及び導電助剤や、グラフェンを含んでいてもよい。

図８（Ｂ）は負極合剤層５１２の一部における平面図である。負極合剤層５１２は、粒子状の負極活物質５１３と、負極活物質５１３の複数を覆いつつ、負極活物質５１３が内部に詰められたグラフェン５１４で構成されている。平面視の負極合剤層５１２は、複数の負極合剤層５１２の表面を異なるグラフェン５１４が覆っている。なお、一部において、負極活物質５１３が露出していてもよい。

図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）の負極合剤層５１２の一部における断面図である。負極活物質５１３、及び負極合剤層５１２の平面視において負極活物質５１３を覆っているグラフェン５１４が図示されている。断面図において、グラフェン５１４は線状に観察される。同一のグラフェンまたは複数のグラフェンは複数の負極活物質５１３に重畳する、又は、同一のグラフェン又は複数のグラフェンにより、複数の負極活物質５１３を内在する。なお、グラフェン５１４は袋状になっており、該内部において、複数の負極活物質を内包する場合がある。また、グラフェン５１４は、一部開放部があり、当該領域において、負極活物質５１３が露出している場合がある。

負極合剤層５１２の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下の間で所望の厚さを選択する。

なお、負極合剤層５１２には、グラフェンの体積の０．１倍以上１０倍以下のアセチレンブラック粒子や１次元の拡がりを有するカーボン粒子（カーボンナノファイバーなど）などの公知の導電助剤、及びポリフッ化ビニリデンなどの公知のバインダを有してもよい。

なお、負極合剤層５１２にリチウムをプレドープしてもよい。リチウムのプレドープ方法としては、スパッタリング法により負極合剤層５１２表面にリチウム層を形成してもよい。または、負極合剤層５１２の表面にリチウム箔を設けることで、負極合剤層５１２にリチウムをプレドープすることができる。特に、リチウム二次電池を組み立てた後に、正極５００の正極合剤層５０２にグラフェン５０４を生成する場合は、負極合剤層５１２にリチウムをプレドープすることが好ましい。

なお、負極活物質５１３においては、キャリアイオンの吸蔵により体積が膨張するものがある。このため、充放電により、負極活物質層が脆くなり、負極活物質層の一部が崩壊してしまうことでリチウム二次電池の信頼性（例えば、サイクル特性など）が低下する。しかし、本発明の一態様に係るリチウム二次電池の負極は、負極活物質５１３の周囲をグラフェン５１４が覆うため、負極活物質５１３が充放電によって体積膨張しても、グラフェン５１４によって負極活物質５１３の微粉化や負極合剤層５１２の崩壊を防ぐことができる。すなわち、本発明の一態様に係るリチウム二次電池の負極に含まれるグラフェン５１４は、充放電にともない負極活物質５１３の体積が膨張収縮しても、負極活物質５１３どうしの結着を維持する機能を有する。従って、負極５１０を用いることで、リチウム二次電池の耐久性を向上させることができる。

つまり、負極合剤層５１２を形成する際にバインダを用いる必要が無く、一定重量（一定体積）の負極活物質層において、負極活物質量を増加させることが可能である。従って、電極重量（電極体積）あたりの充放電容量を増大させることができる。

また、グラフェン５１４は導電性を有しており、且つ複数の負極活物質５１３と接しているため導電助剤としても機能する。つまり、負極合剤層５１２を形成する際に導電助剤を用いる必要が無く、一定重量（一定体積）の負極活物質層において、負極活物質量を増加させることが可能である。従って、電極重量（電極体積）あたりの充放電容量を増大させることができる。

また、グラフェン５１４は、負極合剤層５１２に効率良く且つ十分な導電パス（キャリアイオンの導電パス）が形成されているため、負極合剤層５１２の導電性及び負極５１０は導電性に優れている。従って、負極５１０を有する蓄電素子は、負極活物質５１３の容量を理論容量並みに効率良く利用することができるため、充電容量を十分に高めることができる。

なお、グラフェン５１４は、キャリアイオンの吸蔵放出が可能な負極活物質としても機能するため、負極５１０の充電容量を向上させることができる。

次に、図８（Ｂ）及び（Ｃ）に示す負極合剤層５１２の作製方法について説明する。

粒子状の負極活物質５１３及び酸化グラフェンを含むスラリーを形成する。具体的には、粒子状の負極活物質５１３と、酸化グラフェンを含む分散液を用いて混練し、スラリーを形成する。

次に、負極集電体５１１上に、上記スラリーを塗布する。スラリーの塗布は、上記の黒鉛の場合と同様に、捲回部又は捲回部とその近傍に対してのみ行う。次に、一定時間、真空乾燥を行って負極集電体５１１上に塗工したスラリーから溶媒を除去する。この後、ローラプレス機により圧延加工する。

その後、電気エネルギーを用いて電気化学的に酸化グラフェンを還元して、グラフェン５１４を生成する。以上の工程により、負極集電体５１１の両面上に負極合剤層５１２を形成でき、負極５１０を製造することができる。

次に、図８（Ｄ）に示す負極の構造について説明する。

図８（Ｄ）は、負極集電体５１１に負極合剤層５１７が形成される負極の断面図である。負極合剤層５１７は、表面が凹凸状である負極活物質５１５と、負極活物質５１５の表面を覆うグラフェン５１６を有する。

凹凸状の負極活物質５１５は、共通部５１５ａと、共通部５１５ａから突出する凸部５１５ｂとを有する。凸部５１５ｂは、円柱状、角柱状等の柱状、円錐状または角錐状の針状等の形状を適宜有する。なお、凸部の頂部は湾曲していてもよい。また、負極活物質５１５は、キャリアリイオン（代表的にはリチウムイオン）の吸蔵放出が可能な負極活物質を用いて形成される。なお、共通部５１５ａ及び凸部５１５ｂが同じ材料を用いて構成されてもよい。または、共通部５１５ａ及び凸部５１５ｂが異なる材料を用いて構成されてもよい。

図８（Ｄ）に示す負極は、負極活物質５１５としてシリコンを用いた場合、グラフェン５１６によって負極活物質５１５の周囲が覆われているため、負極活物質５１５が充放電によって体積膨張しても、負極活物質５１５の微粉化及び負極合剤層５１７の崩壊を防ぐことができる。

また、負極活物質層の表面が、蓄電装置を構成する電解液と接触することにより、電解液及び負極活物質が反応し、負極の表面に被膜が形成される。当該被膜は負極と電解液の反応を和らげ、安定化させるために必要であると考えられている。しかしながら、当該被膜が厚くなると、キャリアイオンが負極に吸蔵されにくくなり、電極と電解液間のキャリアイオン伝導性の低下、電解液の消耗などの問題がある。

負極活物質５１５の表面をグラフェン５１６で被覆することで、当該被膜の膜厚の増加を抑制することが可能であり、充放電容量の低下を抑制することができる。

なお、凹凸状の負極活物質５１５の他の構成として、負極集電体５１１に負極集電体５１１の一部として形成した凸部を覆って薄膜状の負極活物質を設けることで凹凸状の表面を有する負極活物質とすることもできる。

次に、図８（Ｄ）に示す負極合剤層５１７の作製方法について説明する。

印刷法、インクジェット法、ＣＶＤ等により、凹凸状の負極活物質５１５を負極集電体５１１の両面上に設ける。または、塗布法、スパッタリング法、蒸着法などにより膜状の負極活物質を設けた後これを選択的に除去し、凹凸状の負極活物質５１５を負極集電体５１１上の両面に設ける。ここで、負極活物質５１５の形成は、上記の方法等により、捲回構造体の捲回部又は捲回部近傍のみに行う。あるいは、負極集電体５１１の全面に負極活物質５１５を一旦形成した後、不要な部分の負極活物質５１５を、エッチング等の手法により除去することもできる。

次に、凹凸状の負極活物質５１５上に、酸化グラフェンを含む分散液を塗工する。酸化グラフェンを含む分散液を塗工する方法としては、記述の方法を適宜用いればよい。

次に、酸化グラフェンを含む分散液中の溶媒を除去した後、電気エネルギーを用いて、電気化学的に酸化グラフェンを還元してグラフェン５１６を生成すればよい。

このように、酸化グラフェンを含む分散液を用いてグラフェンを生成することで、凹凸状の負極活物質５１５の表面に均一な膜厚のグラフェン５１６を被覆させることができる。

なお、シラン、塩化シラン、フッ化シラン等を原料ガスとするＬＰＣＶＤ法により、負極集電体５１１上に、シリコンで形成された、凹凸状の負極活物質５１５（以下、シリコンウィスカという。）を設けることができる。

シリコンウィスカは、非晶質構造でもよい。非晶質構造であるシリコンウィスカを負極合剤層５１７に用いることで、キャリアイオンの吸蔵及び放出に伴う体積変化に強い（例えば、体積膨張に伴う応力を緩和する）ため、繰り返しの充放電によって、シリコンウィスカの微粉化、及び負極合剤層５１７の崩壊を防止でき、サイクル特性がさらに向上した蓄電装置を作製することができる。

または、シリコンウィスカは、結晶構造でもよい。この場合、導電性及びキャリアイオンの移動度に優れた結晶性を有する結晶構造が集電体と広範囲に接している。そのため、負極全体の導電性をさらに向上させることができ、さらに高速な充放電が可能となり、充放電容量がさらに向上した蓄電装置を作製することができる。

または、シリコンウィスカは、結晶性を有する領域である芯と、該芯を覆って設けられ、非晶質な領域である外殻と、を有してもよい。

外殻である非晶質構造は、キャリアイオンの吸蔵及び放出に伴う体積変化に強い（例えば、体積膨張に伴う応力を緩和する）という特色を有する。また、芯である結晶性を有する構造は、導電性及びキャリアイオンの移動度に優れており、キャリアイオンを吸蔵する速度及び放出する速度が単位質量あたりで速いという特徴と有する。従って、芯及び外殻を有するシリコンウィスカを負極合剤層５１７として用いることで、高速に充放電が可能となり、充放電容量及びサイクル特性が向上した蓄電装置を作製することができる。

（捲回構造体及びその製造方法）
以上のようにして製造された正極５００と負極５１０とを、セパレータを間に挟んで重ね合わせ、集合シートを形成する。その後、該セパレータとは異なる他のセパレータを間に挟んで、集合シートを捲回し実施の形態１乃至４において説明した捲回構造体を作製する。

なお、上述したセパレータと他のセパレータは、一続きのシートであっても良い。これらセパレータは、絶縁性の多孔体を用いる。セパレータの代表例としては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、セラミックス、あるいはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いればよい。ただし、電解液に溶解しない材料を選ぶ必要がある。

捲回構造体を作製するための、正極５００及び負極５１０の捲回工程について、図９（Ａ）乃至（Ｇ）を用いて説明する。

図９（Ａ）では、あらかじめシート状の正極５００とシート状の負極５１０の一部が重ね合わされ集合シートを形成している。図の簡略化のため図示しないが、正極５００と負極５１０との間には、セパレータが挟まれている。また、正極５００の下には、該セパレータとは異なるセパレータが設けられている。集合シートは、複数のローラ６００によって、捲回工程を実施する位置まで搬送される。図ではローラによる搬送形態を示したが、特にこれに限られない。また、図では集合シートの下部に正極５００を、上部に負極５１０を設置したが、逆の構成であってもよい。

なお、実施の形態１で示すような正極及び負極の一部を共有する蓄電素子を形成する場合には、所定の寸法に加工したシート状の正極とシート状の負極とを交互に重ねた集合シートを用いると良い。

捲回工程の実施される位置に移動した集合シートの一部は、図９（Ｂ）に示すように、可動式のローラ６０１を通過し、該ローラによって曲げられた後、停止する。

次にローラ６０１とは異なる可動式のローラ６０２が集合シートを押しながら図９（Ｃ）に示すように、ローラ６０１の上方を越えて左方向に移動する。ローラ６０２の移動により、集合シートの一部はローラ６０１の円周に圧接する。

その後、図９（Ｄ）に示すように、ローラ６０２はローラ６０１の左側面に沿うようにローラ６０１の左下部に移動する。このローラ６０２の動作と併せてローラ６０１は集合シートを引きながら右上方向に移動する。

さらに、図９（Ｅ）に示すように、ローラ６０１は集合シートを引きながらローラ６０２の上方へと移動する。これにより、ローラ６０１に巻き取られた集合シートの一部は、上方から捲回部に引き込まれる集合シートの裏面（すなわち正極５００の下に設けられたセパレータ）に接する。

次に、ローラ６０２は、図９（Ｆ）に示すように紙面と垂直な方向に引き抜かれる。その後、図９（Ｇ）に示すように、ローラ６０１を捲回軸として残りの集合シートを巻き取ることで、捲回構造体を形成する。最後にローラ６０１を捲回構造体から抜き取り、搬送する。なお、集合シートを巻き取るローラ６０１の集合シートと接する部分を着脱可能な芯とすることで、そのまま捲回構造体の芯として残してもよい。

以上の捲回工程によって、実施の形態１乃至４に示した捲回構造体を製造することができる。なお、捲回構造体の捲回方法の一例として図９を用いて説明したが、捲回方法の具体的構成はこれに限られず、複数の種々のローラを用いた構成とすることができる。

（蓄電素子の製造方法）
実施の形態１に示した蓄電素子は、複数の捲回構造体それぞれの正極及び負極が部分的に共有されているため、上述の捲回構造体の製造を連続して行うことで作製することができる。一方、実施の形態２乃至４に示した蓄電素子は、捲回構造体を個別に複数作製し、それを接続する構造である。従って、上述の方法によって個々作製した捲回構造体を直接又はＦＰＣ等の可撓性基板を用いて接続すればよい。

（蓄電装置）
次に、蓄電装置の一例として非水系リチウム二次電池の構造の一形態について、図１０を用いて説明する。

リチウム二次電池７００は、図１０に示すように、上記の方法等により作製した、複数の捲回構造体７０２を有する蓄電素子７０３を可撓性のある外装体７０１に電解液（図示せず）とともに封入することで形成される。

外装体７０１は、蓄電素子７０３と電解液とを内部に密閉封入状態に収容する可撓性の袋状のものであれば良いが、シート状の蓄電装置の外装体として一定の強度を有するものである。また、収容される電解液に対して耐電解液性を有するものであることが併せて求められる。外装体７０１として、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる内面の上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のラミネートフィルムを用いることができる。このような三層構造とすることで、電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性を有する。

電解液の溶質は、キャリアイオンを有する材料を用いる。電解液の溶質の代表例としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ等のリチウム塩がある。

なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、電解液の溶質として、上記リチウム塩において、リチウムの代わりに、アルカリ金属（例えば、ナトリウムやカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。

また、電解液の溶媒としては、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いる。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性を含めた安全性が高まる。また、リチウム二次電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。また、電解質の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体（常温溶融塩）を一つまたは複数用いることで、リチウム二次電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、リチウム二次電池の破裂や発火などを防ぐことができる。

（実施の形態６）
本発明の一態様に係る蓄電装置は、様々な電気機器の電源として用いることができる。ここで電気機器とは、電気の力によって作用する部分を含む工業製品全般をいう。電気機器は、家電等の民生用に限られず、業務用、産業用、軍事用等、種々の用途のものを広くその範疇とする。

本発明の一態様に係る蓄電装置を用いた電気機器の具体例として、テレビ、モニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型あるいはノート型のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ポータブルＣＤプレーヤ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ステレオ、置き時計、壁掛け時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯無線機、携帯電話、自動車電話、携帯型ゲーム機、玩具、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、音声入力機器、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、電気シェーバ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、エアコンディショナ、加湿器、除湿器などの空調設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、電気工具、煙感知器、透析装置等の医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、産業用ロボット、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、蓄電装置からの電力を用いて電動機により推進する移動体なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、ゴルフ用カート、小型又は大型船舶、潜水艦、ヘリコプター、航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。

なお、上記電気機器は、消費電力の殆ど全てを賄うための主電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。あるいは、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行うことができる無停電電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。あるいは、上記電気機器は、上記主電源や商用電源からの電気機器への電力の供給と並行して、電気機器への電力の供給を行うための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。

図１１に、上記電気機器の具体的な構成を示す。図１１において、表示装置８０００は、本発明の一態様に係る蓄電装置８００４を用いた電気機器の一例である。具体的に、表示装置８０００は、ＴＶ放送受信用の表示装置に相当し、筐体８００１、表示部８００２、スピーカ部８００３、蓄電装置８００４等を有する。本発明の一態様に係る蓄電装置８００４は、筐体８００１の内部に設けられている。表示装置８０００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置８００４に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置８００４を無停電電源として用いることで、表示装置８０００の利用が可能となる。

表示部８００２には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）などの、半導体表示装置を用いることができる。

なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など、全ての情報表示用表示装置が含まれる。特に、本発明の一態様に係る蓄電装置が薄型でかつ可撓性を有することを利用して、薄型でかつ曲面形状を有する情報表示用表示装置に適用することができる。

図１１において、据え付け型の照明装置８１００は、本発明の一態様に係る蓄電装置８１０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、照明装置８１００は、筐体８１０１、光源８１０２、蓄電装置８１０３等を有する。図１１では、蓄電装置８１０３が、筐体８１０１及び光源８１０２が据え付けられた天井８１０４の内部に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置８１０３は、筐体８１０１の内部に設けられていても良い。特に、照明装置８１００が曲面形状を有する薄型である場合には、本発明の一態様に係る蓄電装置の使用が最適である。照明装置８１００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置８１０３に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置８１０３を無停電電源として用いることで、照明装置８１００の利用が可能となる。

なお、図１１では天井８１０４に設けられた据え付け型の照明装置８１００を例示しているが、本発明の一態様に係る蓄電装置は、天井８１０４以外、例えば側壁８１０５、床８１０６、窓８１０７等に設けられた据え付け型の照明装置に用いることもできるし、卓上型の照明装置などに用いることもできる。

また、光源８１０２には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤや有機ＥＬ素子などの発光素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。

図１１において、室内機８２００及び室外機８２０４を有するエアコンディショナは、本発明の一態様に係る蓄電装置８２０３を用いた電気機器の一例である。具体的に、室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、蓄電装置８２０３等を有する。図１１では、蓄電装置８２０３が、室内機８２００に設けられている場合を例示しているが、蓄電装置８２０３は室外機８２０４に設けられていても良い。あるいは、室内機８２００と室外機８２０４の両方に、蓄電装置８２０３が設けられていても良い。エアコンディショナは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置８２０３に蓄積された電力を用いることもできる。特に、室内機８２００と室外機８２０４の両方に蓄電装置８２０３が設けられている場合、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置８２０３を無停電電源として用いることで、エアコンディショナの利用が可能となる。

なお、図１１では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコンディショナに、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることもできる。

図１１において、電気冷凍冷蔵庫８３００は、本発明の一態様に係る蓄電装置８３０４を用いた電気機器の一例である。具体的に、電気冷凍冷蔵庫８３００は、筐体８３０１、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３、蓄電装置８３０４等を有する。図１１では、蓄電装置８３０４が、筐体８３０１の内部に設けられている。電気冷凍冷蔵庫８３００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、蓄電装置８３０４に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係る蓄電装置８３０４を無停電電源として用いることで、電気冷凍冷蔵庫８３００の利用が可能となる。

なお、上述した電気機器のうち、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器などの電気機器は、短時間で高い電力を必要とする。よって、商用電源では賄いきれない電力を補助するための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることで、電気機器の使用時に商用電源のブレーカーが落ちるのを防ぐことができる。

また、電気機器が使用されない時間帯、特に、商用電源の供給元が供給可能な総電力量のうち、実際に使用される電力量の割合（電力使用率と呼ぶ）が低い時間帯において、蓄電装置に電力を蓄えておくことで、上記時間帯以外において電力使用率が高まるのを抑えることができる。例えば、電気冷凍冷蔵庫８３００の場合、気温が低く、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われない夜間において、蓄電装置８３０４に電力を蓄える。そして、気温が高くなり、冷蔵室用扉８３０２、冷凍室用扉８３０３の開閉が行われる昼間において、蓄電装置８３０４を補助電源として用いることで、昼間の電力使用率を低く抑えることができる。

（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の蓄電装置が適用された曲面形状を有する電気機器の例について、図１２を用いて説明する。

図１２（Ａ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機８５００は、筐体８５０１に組み込まれた表示部８５０２の他、操作ボタン８５０３、外部接続ポート８５０４、スピーカ８５０５、マイク８５０６などを備えている。また、携帯電話機８５００の内部には、本発明の一態様の蓄電装置が搭載されている。

図１２（Ａ）に示す携帯電話機８５００は、表示部８５０２を指などで触れることで、情報を入力することができる。また、電話を掛ける、あるいは文字を入力するなどのあらゆる操作は、表示部８５０２を指などで触れることにより行うことができる。

また操作ボタン８５０３の操作により、電源のＯＮ、ＯＦＦや、表示部８５０２に表示される画像の種類を切り替えることができる。例えば、メール作成画面から、メインメニュー画面に切り替えることができる。

ここで、携帯電話機８５００には、本発明の一態様の可撓性を有する蓄電装置が組み込まれている。したがって、湾曲した形状を有し、且つ薄型の携帯電話機とすることができる。

図１２（Ｂ）は、リストバンド型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置８６００は、筐体８６０１、表示部８６０２、操作ボタン８６０３、及び送受信装置８６０４を備える。また、携帯表示装置８６００の内部には、本発明の一態様の蓄電装置が搭載されている。

携帯表示装置８６００は、送受信装置８６０４によって映像信号を受信可能で、受信した映像を表示部８６０２に表示することができる。また、音声信号を他の受信機器に送信することもできる。

また、操作ボタン８６０３によって、電源のＯＮ、ＯＦＦ動作や表示する映像の切り替え、または音声のボリュームの調整などを行うことができる。

ここで、携帯表示装置８６００には、本発明の一態様の可撓性を有する蓄電装置が組み込まれている。したがって、湾曲した表面を備え、且つ薄型の携帯表示装置とすることができる。

なお、本発明の一態様の蓄電装置を具備していれば、上記で示した電気機器に特に限定されないことは言うまでもない。

１００蓄電素子
１０１正極
１０２負極
１０３セパレータ
１０４捲回部
１０５連結部
２００蓄電素子
２０１正極
２０２負極
２０３セパレータ
２０４捲回部
２０５連結部
２０６可撓性基板
２０７配線
３００蓄電素子
３０１正極
３０２負極
３０３セパレータ
３０４捲回部
３０５連結部
４００蓄電素子
４０１正極
４０２負極
４０３セパレータ
４０４捲回部
４０５連結部
４０６ａ可撓性基板
４０６ｂ可撓性基板
４０７ａ接続部
４０７ｂ接続部
５００正極
５０１正極集電体
５０２正極合剤層
５０３正極活物質
５０４グラフェン
５１０負極
５１１負極集電体
５１２負極合剤層
５１３負極活物質
５１４グラフェン
５１５負極活物質
５１５ａ共通部
５１５ｂ凸部
５１６グラフェン
５１７負極合剤層
６００ローラ
６０１ローラ
６０２ローラ
７００リチウム二次電池
７０１外装体
７０２捲回構造体
７０３蓄電素子
８０００表示装置
８００１筐体
８００２表示部
８００３スピーカ部
８００４蓄電装置
８１００照明装置
８１０１筐体
８１０２光源
８１０３蓄電装置
８１０４天井
８１０５側壁
８１０６床
８１０７窓
８２００室内機
８２０１筐体
８２０２送風口
８２０３蓄電装置
８２０４室外機
８３００電気冷凍冷蔵庫
８３０１筐体
８３０２冷蔵室用扉
８３０３冷凍室用扉
８３０４蓄電装置
８５００携帯電話機
８５０１筐体
８５０２表示部
８５０３操作ボタン
８５０４外部接続ポート
８５０５スピーカ
８５０６マイク
８６００携帯表示装置
８６０１筐体
８６０２表示部
８６０３操作ボタン
８６０４送受信装置

Claims

蓄電装置であって、
セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、前記正極及び前記負極のそれぞれが前記複数の捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、を有し、
前記複数の捲回部は、前記連結部を介して接続され、
前記連結部が湾曲又は屈曲することにより前記蓄電装置が可撓性を有することを特徴とする蓄電装置。
蓄電装置であって、
セパレータを挟んで正極と負極とが捲回された複数の捲回部と、前記正極及び前記負極のそれぞれが前記複数の捲回部の外部へ延在した部分からなる連結部と、複数の可撓性基板と、を有し、
前記複数の捲回部は、前記連結部及び前記可撓性基板を介して接続され、
前記連結部及び前記可撓性基板が湾曲又は屈曲することにより前記蓄電装置が可撓性を有することを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記複数の捲回部は、前記連結部を介して直列に接続されていることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記複数の捲回部は、前記連結部を介して並列に接続されていることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記複数の捲回部の捲回数は、いずれも同数であることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記複数の捲回部及び連結部は、非水電解液とともに可撓性を有する外装体に封入されていることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記正極は正極集電体と正極合剤層で形成され、
前記正極合剤層は正極活物質と、正極活物質を覆うグラフェンで形成されることを特徴とする蓄電装置。
請求項１乃至２のいずれか一項において、
前記負極は負極集電体と負極合剤層で形成され、
前記負極合剤層は表面が凹凸状である負極活物質と、負極活物質を覆うグラフェンで形成されることを特徴とする蓄電装置。
請求項７において、
前記正極合剤層の厚さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることを特徴とする蓄電装置。
請求項８において、
前記負極合剤層の厚さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることを特徴とする蓄電装置。