JP4581384B2 - 電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両のモータ駆動用電源としての二次電池に、好適に用いられる電池に関する。

近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）の導入が強く所望されており、これらのモータ駆動用電池の開発が行われている。これらのモータ駆動用電池としては、繰り返し充電可能な二次電池が使用される。ＥＶ、ＨＥＶ、ＦＣＶは、高出力および高エネルギー密度を必要とするため、単一の大型電池で対応することは、事実上不可能である。そこで、直列に接続された複数個の電池からなる組電池を使用することが一般的であった。このような組電池を構成する一個の電池としては、例えば、薄型ラミネート電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、車両の燃費向上や車内空間の確保を考慮すると、電池の単位体積あたりの出力をよりいっそう高めることが、所望されている。
特開２００３−１５１５２６号公報

本発明の目的は、小型かつ高出力の電池を提供することである。

本発明は、正極活物質部と、前記正極活物質部に隣接する固体高分子電解質部と、前記固体高分子電解質部に隣接する負極活物質部とを有し、前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部は、同一絶縁体上に併置され、前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部からなる充放電反応部が、集電体を介して繰り返し配置されたバイポーラ電池である。本発明の電池は、インクジェット方式を用いて、製造されうる。

本発明の電池は、正極活物質部、固体高分子電解質部、および負極活物質部が、絶縁体の表面に併置される。このため、電池の厚みが劇的に減少しうる。

本発明の電池は、正極活物質部と、前記正極活物質部に隣接する固体高分子電解質部と、前記固体高分子電解質部に隣接する負極活物質部とを有し、前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部は、同一絶縁体上に併置されてなる電池である。

本発明の効果について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の電池の一実施形態の平面図である。また、図２は、図１の電池の「ＩＩ」方向からの側面図である。なお、図１および図２に示す電池は、単なる一実施形態であり、図示された電池に本発明が限定されるわけではない。例えば、図１に示す電池は、正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４および負極活物質部１０６からなる充放電反応部１０８が、集電体１１０を介して３つ直列に接続された電池であるが、特許請求の範囲に記載された要件を満たす範囲およびその均等物の範囲にまで、本発明の効力はおよぶ。

正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４および負極活物質部１０６は、絶縁体１１２上に併置される。従来の電池は、正極活物質層、固体高分子電解質層、および負極活物質層が積層される構成を有していた。構成要素が積層される場合、構成要素が薄すぎると短絡や特性の低下などの問題が生じうるため、各構成要素はある程度の厚さを有する必要がある。これに対し、本発明の電池は、構成要素が絶縁体上に横方向に配置されている。つまり、正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４および負極活物質部１０６が、この順序で接するように、絶縁体１１２上に併置されている。このような構成を有していれば、電池の厚さが薄くなる。また、構成要素が横方向に併置される態様であると、多数の電池を直列に接続することが容易であり、小型で大出力の電池が形成されうる。

次に、本発明の電池の構成要素について詳細に説明する。

正極活物質部１０２は、少なくとも正極活物質を含み、固体高分子電解質部１０４と授受されるイオンによって、正極反応が進行する部位である。正極活物質部１０２を構成する材料は、電極反応が進行するのであれば、その構成については限定されない。従来、電極層を形成するために用いられていた材料と同様の材料が用いられうる。具体的には、活物質部は、活物質、導電助材、リチウム塩などを含みうる。イオン伝導性を向上させるために、高分子電解質が含まれてもよい。正極活物質部１０２における活物質、リチウム塩などの含有量は、特に限定されない。電池製造に関して既に得られている知見に基づいて、適宜決定されればよい。電池の構成要素の具体例について以下例示するが、他の物質が用いられても、勿論よい。

正極活物質としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。

導電助材とは、活物質部の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助材としては、グラファイトなどのカーボン粉末が挙げられる。

リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２などが挙げられる。

高分子電解質としては、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミン、ポリスルフィドなど、酸素原子や窒素原子などの強い極性を示すヘテロ原子を分子内に有する重合体が挙げられる。より具体的には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などが用いられうる。

固体高分子電解質部１０４は、正極活物質部１０２と負極活物質部１０６との間に存在し、正極活物質部１０２と負極活物質部１０６との間でのイオンの移動を媒介する固体の部材である。固体高分子電解質部は、イオン伝導性を示す高分子電解質からなる。電解質が液状またはゲル状であると、電解質間の液絡を防止する手段を講じる必要がある。しかしながら、正極活物質部と負極活物質部との間に配置される電解質が固体であると、液絡を防止する必要がない。

固体高分子電解質部を構成する材料は、電解質として作用しうる材料であれば、特に限定されない。高分子電解質としては、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミン、ポリスルフィドなど、酸素原子や窒素原子などの強い極性を示すヘテロ原子を分子内に有する重合体が知られている。より具体的には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などが用いられうる。電池がリチウム二次電池である場合には、リチウム塩が固体高分子電解質部中に含有されてもよい。

負極活物質部１０６は、少なくとも負極活物質を含み、固体高分子電解質部１０４と授受されるイオンによって、負極反応が進行する部位である。負極活物質部１０６を構成する材料は、電極反応が進行するのであれば、その構成については限定されない。従来、電極層を形成するために用いられていた材料と同様の材料が用いられうる。具体的には、活物質部は、活物質、導電助材、リチウム塩などを含みうる。イオン伝導性を向上させるために、高分子電解質が含まれてもよい。負極活物質部１０６における活物質、リチウム塩などの含有量は、特に限定されない。電池製造に関して既に得られている知見に基づいて、適宜決定されればよい。電池の構成要素の具体例について以下例示するが、他の物質が用いられても、勿論よい。

負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶性炭素材が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。導電助剤およびリチウム塩については、正極活物質部に関して説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、および負極活物質部１０６からなる充放電反応部１０８の両側には、集電体１１０が配置される。集電体は、図１および図２に示すように、正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、および負極活物質１０６と同様に、絶縁体１１２上に配置されてもよい。ただし、これ以外の態様を採用してもよい。例えば、正極活物質部１０２の固体高分子電解質部１０４の反対側の側面または正極活物質１０２の上面に、板状の集電体が配置されてもよい（図示せず）。集電体１１０は、アルミ箔、銅箔、ステンレス箔など、導電性の材料から構成される。集電体１１０を、インクジェット方式によって作製する場合には、集電体１１０は、多数の金属微粒子からなる。

高出力を発現させるために、電池を多数直列に接続する必要がある場合には、電池はバイポーラ電池であることが好ましい。バイポーラ電池においては、一つの集電体が、正極集電体および負極集電体の双方の機能を果たす。集電体の一方の面に正極活物質部が形成され、他方の面に負極活物質部が形成される。換言すれば、正極活物質部、集電体、および負極活物質部が、この順序で併置された構造を有する。通常の電池を用いて高出力の電池を作製するには、正極活物質部に接する正極集電体と負極活物質部に接する負極集電体とを配線などの接続部を介して電気的に直列に接続する。かような電池は、接続部を調整するだけで並列に変更でき、設計変更の点では便利かもしれない。しかし、接続部の抵抗値も小さいながらに当然存在し、出力の低下を招来する。また、電池モジュールの小型化を考えると、かような接続部は小型化を妨げる要因である。バイポーラ電極はかような問題を解決する。つまり、直列に接続される電極同士を介在する接続部が存在しないため、接続部の抵抗による出力の低下がない。また、接続部が存在しないため、電池モジュールの小型化が図れる。図１に示すように、１つの絶縁体上に集電体を介して充放電反応部を繰り返し配置された電池は、占有体積が小さく、出力が非常に大きくなる。

なお、バイポーラ電池における集電体は、２種以上の部材から構成されてもよい。例えば、集電体は、正極活物質部側に接するアルミニウムを主成分とする部分と、負極活物質部側に接する銅を主成分とする部分とから構成される。

各構成要素の形状については特に限定されない。例えば、図１に示すように、正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、および負極活物質部１０６を、絶縁体１１２上に帯状に配列する態様が考えられる。集電体も絶縁体１１２上に配列される場合には、集電体も同様に帯状であることが好ましい。このような帯状とすることによって、各構成要素間の接触面積を確保できる。ただし、他の配置態様が用いられてもよい。例えば、各構成要素の接触部を、鋸状または波状に入り組ませて、接触面積を増大させ、電池特性の向上を図っても良い。

各構成要素の大きさについては、電池の大きさに応じて決定されるべきである。大容量の電池を作製するのであれば、正極活物質部１０２や負極活物質部１０６は、ある程度の大きさを有している方がよい。大出力の電池を作製するのであれば、各構成要素の幅を薄くして、数多くの電池が直列に接続されるように、絶縁体上に構成要素を配置するとよい。各構成要素の厚さは、後述するインクジェット方式を用いて構成要素を作製するのであれば、一般的には５〜３０μｍ程度である。ただし、この範囲を外れる厚さとすることを除外するわけではない。なお、絶縁体１１２上に配置される各構成要素は、互いに異なる形状または大きさであってもよい。

電池の構成要素が配置される絶縁体１１２は、各構成要素が固着し、絶縁性を有する材料であれば、特に限定されない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどからなる絶縁板が用いられる。絶縁体１１２は、電池の構成が配置されうる程度の大きさを有していればよい。絶縁体の厚さは、特に限定されない。電池全体の体積を減少させる観点からは、絶縁体１１２は薄い方が好ましい。場合によっては、可撓性の材料から絶縁体１１２を形成し、電池の形状を配置する部位に応じて変形させてもよい。

正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、および負極活物質部１０６を所望の形状に配置するには、好ましくは、後で詳細に説明するインクジェット方式が用いられる。即ち、正極活物質部、固体高分子電解質部、および負極活物質部は、正極活物質部、固体高分子電解質部、または負極活物質部の構成要素または構成要素の原料を含む液体を、多数の粒子として噴出させて、所定の位置に付着させるインクジェット方式によって形成される。例えば、絶縁体上に正極活物質部を形成するには、正極活物質部の構成要素を含む正極インクを調製し、インクジェット方式を用いて集電体の所望の箇所に正極インクを噴霧する。そして、形成された塗膜を乾燥させて、正極活物質部とする。

電池には、必要に応じて、各単位電池の電圧を検知するための、電圧検知パターン１１４が形成されていてもよい（図３）。電圧検知パターン１１４は、集電体に接続されているとよい。なお、電池検知パターン１１４は、集電体を作製するために用いられる集電体インクを用いて、インクジェット方式によって形成されうる。導電性カーボンなどの導電性材料を用いてパターンが形成されてもよい。また、電圧検知用パターンが予め絶縁板に形成されている絶縁板を準備し、当該絶縁板に電池を形成するようにしてもよい。

本発明の電池は、車両への適用を考慮すると、好ましくはリチウム二次電池である。また、本発明の電池は、単独で用いられてもよいし、さらに、直列に、並列に、または直列と並列とを組み合わせて接続され、組電池を構成してもよい。組電池は、さらに、直列に、並列に、または直列と並列とを組み合わせて接続され、複合組電池を構成してもよい。

組電池および複合組電池における電池の数および接続の仕方は、電池に求める出力および容量に応じて決定される。組電池または複合組電池を構成した場合、素電池と比較して、電池としての安定性が増す。組電池または複合組電池を構成することにより、１つのセルの劣化による電池全体への影響を低減しうる。

本発明の電池は、好ましくは、車両に搭載される。本発明の電池は、小型かつ高出力であるため、車両における電源の占有体積が小さくなり、また、車両の燃費向上にも寄与しうる。

続いて、本発明の電池の製造方法について説明する。

本発明の電池の製造方法は、正極活物質を含む正極インク、高分子電解質または高分子電解質原料を含む電解質インク、および負極活物質を含む負極インクを、インクジェット方式を用いて多数の粒子として噴出させることによって、同一絶縁体上に、正極活物質部、固体高分子電解質部および負極活物質部を形成する、電池の製造方法である。

従来は、ドクターブレードやコーターを用いて、電極が形成されていた。しかしながら、これらを用いて、所望の箇所に所望の構成要素を、高精度に配置することは困難である。インクジェット方式を用いれば、図１に示すような形状の電池やさらに複雑な形状の電池が、容易に製造される。

インクジェット方式とは、液体のインクをノズルから噴出させて、インクを対象物に付着させる印刷方式を意味する。例えば活物質部は、活物質を含む液体を多数の粒子として噴出させて、所定の箇所に付着させることによって形成される。インクジェット方式は、インクを噴出させる方式によって、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式に分類される。

ピエゾ方式は、インクを溜めるインク室の底に配置された、電流が流れることによって変形するピエゾ素子の変形によって、インクをノズルから噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式は、発熱ヒーターによって、インクを加熱し、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。バブルジェット（登録商標）方式も、サーマルインクジェット方式と同様、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式とバブルジェット（登録商標）方式とは、加熱する部位が異なるが、基本的な原理は同じである。インクジェット方式は、現在において、非常に広く知られた技術である。インクジェット方式を用いれば、精密なパターンの電池が作製されうる。しかも、コンピュータ上で設計変更が自由に行われうる。

インクジェット方式を用いて電池を形成するには、電池の各構成要素を形成するためのインクを準備する。正極活物質部を形成するのであれば、正極活物質部の構成要素を含む正極インクを調製する。負極活物質部を形成するのであれば、負極活物質部の構成要素を含む負極インクを調製する。固体高分子電解質部を形成するのであれば、高分子電解質または高分子電解質原料を含む電解質インクを調製する。例えば、正極インクには、正極活物質が少なくとも含まれる。正極インクには、他にも、導電助材、リチウム塩、溶媒などが含まれうる。正極のイオン伝導性を向上させるために、重合によって高分子電解質となる高分子電解質原料および重合開始剤が、正極インク中に含まれてもよい。

活物質は、本願においては特に限定されない。正極活物質としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶性炭素材が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。

導電助材とは、活物質部の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助材としては、グラファイトなどのカーボン粉末が挙げられる。

リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２などが挙げられる。

溶媒としては、例えば、アセトニトリルが挙げられる。高分子電解質原料を配合する場合には、高分子電解質原料を溶解させうる化合物が用いられる。形成される電池のエネルギー密度を向上させるためには、溶媒の含有量が少ないほど好ましい。

高分子電解質としては、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミン、ポリスルフィドなど、酸素原子や窒素原子などの強い極性を示すヘテロ原子を分子内に有する重合体が挙げられる。より具体的には、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などが用いられうる。電池がリチウム二次電池である場合には、リチウム塩が固体高分子電解質部中に含有されてもよい。ただし、高分子電解質は重合体であるため、高分子電解質がインク中に含まれると、インクの粘度が上昇し、インクジェット装置を用いた印刷ができなくなる虞がある。その場合には、重合により高分子電解質になる高分子電解質原料をインク中に配合し、塗膜を形成させた後、重合させて、高分子電解質と合成すればよい。高分子電解質原料としては、例えば、エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーが挙げられる。

重合開始剤は、高分子電解質原料の架橋性基に作用して、架橋反応を進行させるために配合される。開始剤として作用させるための外的要因に応じて、光重合開始剤、熱重合開始剤などに分類される。重合開始剤としては、例えば、ベンジルジメチルケタールが挙げられる。

インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。ただし、インクの粘度は、インクジェット方式が適用できる程度に低くあるべきである。粘度を低く保つ方法としては、溶媒の配合量を増加させる方法、およびインクの温度を上昇させる方法が挙げられる。高分子電解質原料やその他の化合物を、粘度が低くなるように改良してもよい。好ましくは、インクジェット装置に供給される各インクの粘度は、０．１〜５０ｃＰ程度に調節される。ただし、溶媒の配合量を増加させすぎると、単位体積あたりの有効成分量が減少するので、溶媒の配合量は最低限に抑えるとよい。例えば、正極活物質部を形成する場合には、正極インクの全質量に対して、正極活物質は、好ましくは１５〜６０質量％含有される。高分子電解質原料が配合される場合には、高分子電解質原料の好ましい含有量は１０〜６０質量％である。

集電体もインクジェット方式で製造してもよい。集電体をインクジェット方式で形成するには、導電性金属粒子を含む集電体インクを、インクジェット方式を用いて多数の粒子として絶縁体上に噴出させる。集電体インクは、金属微粒子、イオン絶縁性ポリマー、溶媒などからなる。金属微粒子は、集電体の電子伝導性を確保するために用いられる。具体的には、金属微粒子は、アルミニウム、銅、ステンレスなど、集電体として前記例示した材料から構成される。金属微粒子の粒径は、一般的には１０〜３０μｍ程度である。イオン絶縁性ポリマーは、電子の移動を媒介するイオンが集電体をすり抜けないように配合される。具体的には、イオン絶縁性ポリマーはアクリル系樹脂を溶解したものなどからなる。イオン絶縁性ポリマーの原料を配合して、絶縁体上に噴出させた後、原料を重合させてイオン絶縁性ポリマーとしてもよい。集電体インクに含まれる溶媒としては、例えば、アセトニトリルが挙げられる。高分子電解質原料を配合する場合には、高分子電解質原料を溶解させうる化合物が用いられる。形成される電池のエネルギー密度を向上させるためには、溶媒の含有量が少ないほど好ましい。

集電体インクにおける各成分の配合量は、特に限定されないが、集電体インクの全質量に対して、金属微粒子は、好ましくは２〜２０質量％含有される。イオン絶縁性ポリマーまたはその原料が配合される場合には、イオン絶縁性ポリマーおよびその原料の総配合量は、好ましくは、５〜３０質量％である。

インクを準備したら、これらを用いて電池を作製する。各インクの噴出順序は特に限定されない。例えば、図１に示すパターンを形成する場合には、集電体１１０、正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、負極活物質部１０６の順に、インクを噴出させてもよい。また、一度に複数のインクを噴出しても問題がなければ、複数のインクを同時に噴出させてもよい。

電池を作製する際には、活物質部および固体高分子電解質部、ならびに必要に応じて集電体のパターンを予め決定しておく。コンピュータ上において作成された像に基づいて、活物質部および固体高分子電解質部が形成される方式を採用すると、設計変更が容易である。コンピュータを用いたパターン決定および活物質部および固体高分子電解質部の作製は、一般に広く知られているコンピュータおよびプリンタを用いた画像作成およびプリントアウトの作業と基本的に同様である。

まず、インクジェット装置に絶縁体１１２を供給する。インクジェット方式については、特に限定されない。実施例に記載するように、使用するインクに応じて必要な改良を施してもよい。絶縁体１１２を単独でインクジェット装置に供給することが困難な場合には、絶縁体１１２を紙などの媒体に貼り付けて、これをインクジェット装置に供給する方式を用いればよい。そして、絶縁体１１２に対して、インクジェット方式によりインクを噴出させ、絶縁体１１２に付着させる。インクジェット装置のノズルから噴出されるインクの量は、非常に微量であり、しかも、略等体積の量を噴出させることが可能である。通常は、インクジェット装置より噴出される粒子の体積は、１〜１００ピコリットルの範囲である。

インクジェット装置によって１回粒子を付着させただけでは、構成要素の厚さが不充分な場合には、同一の箇所に２回以上粒子を付着させて、厚さを増加させてもよい。つまり、同一の材料による重ね塗りである。このような手法を用いることによって、各構成要素の厚みを増加させうる。

インクジェット方式により、インクの塗膜が形成された後は、乾燥により溶媒が除去される。高分子電解質原料を配合しているのであれば、重合により高分子電解質を形成させるために、重合処理が施される。例えば、光重合開始剤を加えた場合には、例えば、紫外線を照射して、重合を開始させる。

工業的な生産過程においては、生産性を向上させるために、最終的な電池のサイズよりも大きい電極を作製し、これを所定の大きさにカットする工程を採用してもよい。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明する。以下の実施例においては、特に断りのない限り、高分子電解質原料、リチウム塩、正極活物質、負極活物質、光重合開始剤、イオン絶縁性ポリマーとして、以下の材料を用いた。
・高分子電解質原料：エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマー
・リチウム塩：ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２（以下、「ＢＥＴＩ」と略す）
・正極活物質：スピネル型ＬｉＭｎ_２Ｏ_４（平均粒子径：０．６μｍ）
・負極活物質：粉砕したグラファイト（平均粒径：０．７μｍ）
・光重合開始剤：ベンジルジメチルケタール
・イオン絶縁性ポリマー：アクリル系樹脂
高分子電解質原料は、特開２００２−１１０２３９号公報記載の方法に準じて合成した。また、負極インク、正極インク、電解質インク、集電体インクの調製、印刷、電池の組み立ては、露点−３０℃以下の乾燥雰囲気下で行った。

＜正極インクの調製＞
正極活物質（７質量％）、導電材としてアセチレンブラック（２質量％）、高分子電解質原料（４質量％）、リチウム塩（２質量％）、および光重合開始剤（高分子電解質原料に対して０．１質量％）を準備し、これに溶媒としてアセトニトリル（８５質量％）を加えた。これを十分に撹拌して、正極インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約３ｃＰであった。

＜負極インクの調製＞
負極活物質（９質量％）、高分子電解質原料（４質量％）、リチウム塩（２質量％）、および光重合開始剤（高分子電解質原料に対して０．１質量％）を準備し、これらに溶媒としてアセトニトリル（８５質量％）を加えた。これを十分に撹拌して、負極インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約３ｃＰであった。

＜電解質インクの調製＞
高分子電解質原料（１５質量％）、リチウム塩（８質量％）、および光重合開始剤（高分子電解質原料に対して０．１質量％）を準備し、これに溶媒としてアセトニトリル（７７質量％）を加えた。これを十分に撹拌して、電解質インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は２ｃＰであった。

＜正極集電体インクの調製＞
アルミニウム微粒子（５質量％；平均粒径５０ｎｍ）、イオン絶縁性ポリマー（１０質量％）を準備し、これに溶媒としてアセトン（８５質量％）を加えた。これを十分に撹拌して、正極集電体インクとしてのスラリーを調製した。

＜負極集電体インクの調製＞
銅微粒子（５質量％；平均粒径５０ｎｍ）、イオン絶縁性ポリマー（１０質量％）を準備し、これに溶媒としてアセトン（８５質量％）を加えた。これを十分に撹拌して、負極集電体インクとしてのスラリーを調製した。

＜実施例１＞
調製したインクおよび市販のインクジェットプリンタを用いて、以下の手順により、電池を作成した。インクジェットプリンタは、市販のコンピュータおよびソフトウェアによって制御された。負極活物質部、高分子電解質部、正極活物質部、および集電体を作製する際に、調製した負極インク、電解質インク、正極インク、正極集電体インク、および負極集電体インクを、それぞれ用いた。負極活物質部、高分子電解質部および正極活物質部は、コンピュータ上で作成したパターンを、インクジェットプリンタを用いて印刷することによって作製された。

なお、上記のインクを使用した場合、溶媒であるアセトニトリルがインクジェットプリンタのインク導入部分にあるプラスチック部品を溶解させてしまう問題があった。そこで、インク導入部分にある部品を金属製の部品と交換し、インク溜から直接金属部品にインクを供給させた。また、インクの粘度が低く、活物質が沈殿する懸念があったので、インク溜りを常に回転翼を用いて攪拌した。

上記改造を施したインクジェットプリンタに、正極インク、負極インク、電解質インク、および集電体インクを導入し、コンピュータ上で作成した所定のパターンを、絶縁体としてのポリプロピレン板（厚さ：１ｍｍ）上に印刷した。印刷した後、溶媒を乾燥させるために６０℃の真空オーブン中で２時間乾燥を行った。高分子電解質原料を重合させるために、乾燥後、真空中、紫外線を２０分間照射した。

形成した電池の基本パターンは、図１のパターンにおいて、６つの単電池が直列に接合された形態とした。即ち、充放電反応部１０８が集電体１１０を介して６回繰り返され、両端に集電体が配置された構成とした。正極活物質部１０２、固体高分子電解質部１０４、負極活物質部１０６、および集電体１１０は、それぞれ、幅１ｃｍ×長さ２０ｃｍ×厚さ２０μｍとした。正極活物質部、固体高分子電解質部、負極活物質部、および集電体が形成された部分全体のサイズは、幅２５ｃｍ×長さ２０ｃｍ×厚さ２０μｍである。したがって、電池体積は１ｃｃである。なお、正極活物質部と負極活物質部との間に存在する集電体は、正極活物質部に隣接する正極集電体と、負極活物質部に隣接する負極集電体との二層構造とした。正極集電体は正極集電体インクを用いて形成され、負極集電体は負極集電体インクを用いて形成された。正極集電体および負極集電体の大きさは、それぞれ、幅０．５ｃｍ×長さ２０ｃｍ×厚さ２０μｍとした。

両端の集電体にリードを取り付け、充放電を行った。なお、充放電は、露点−５０℃以下のドライ雰囲気中で行った。充放電条件は、充電：２５．２Ｖ、１０μＡ、放電：１５．０Ｖ、１０μＡとした。このときの電池容量は１２ｍＡｈであった。

＜実施例２＞
実施例１で作製した電池に、インクジェット方式により、正極集電体インクまたは負極集電体インクを用いて、電圧検知用パターンを形成し、図３に示すタイプの電池を得た。この電池の電圧検知パターンを用いて、電圧を測定しながら充放電を行った。

充電末期には各単セルの電圧は４．２Ｖとなり、電池全体の電圧は２５．２Ｖであることが確認できた。また、放電時は、各単セルの電圧は２．５Ｖであり、電池全体の電圧は１５．０Ｖであることが確認できた。

このように、本発明を用いれば、小さな体積で２５．２Ｖという高電圧な電池が得られた。本発明を用いれば、現在一般的に知られている電池を用いて同等の電圧を有する電池を作製する場合と比較して、体積を１００分の１以下に減少させうる。したがって、本発明は、車両のような電池の小型化の要請が強い用途において、非常に有益である。

本発明の電池の一実施形態の平面図である。 図１の電池の「II」方向からの側面図である。 電圧検知用パターンが形成された電池の平面図である。

符号の説明

１０２…正極活物質部、１０４…固体高分子電解質部、１０６…負極活物質部、１０８…充放電反応部、１１０…集電体、１１２…絶縁体、１１４…電圧検知パターン。

Claims (5)

1. 正極活物質部と、
   前記正極活物質部に隣接する固体高分子電解質部と、
   前記固体高分子電解質部に隣接する負極活物質部と、を有し、
   前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部は、同一絶縁体上に併置され、
   前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部からなる充放電反応部が、集電体を介して繰り返し配置されたバイポーラ電池。
2. 前記正極活物質部、前記固体高分子電解質部、および前記負極活物質部の形状は、帯状である、請求項１に記載の電池。
3. リチウム二次電池である、請求項１または２に記載の電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池の製造方法であって、
   正極活物質を含む正極インク、高分子電解質または高分子電解質原料を含む電解質インク、および負極活物質を含む負極インクを、インクジェット方式を用いて多数の粒子として噴出させることによって、同一絶縁体上に、正極活物質部、固体高分子電解質部および負極活物質部を形成する、電池の製造方法。
5. 正極活物質を含む正極インク、高分子電解質または高分子電解質原料を含む電解質インク、および負極活物質を含む負極インクを、インクジェット方式を用いて多数の粒子として噴出させることによって、同一絶縁体上に、正極活物質部、固体高分子電解質部および負極活物質部を形成する工程と、
   導電性金属粒子を含む集電体インクを、インクジェット方式を用いて多数の粒子として噴出させることによって、前記絶縁体上に集電体をさらに形成する工程と、
   を有する、電池の製造方法。

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