JPH11317218A - シート電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパイラル型電池のエネルギー体積密度の向
上図るべく、デッドスペースの小さな電極体を得るた
め、シート電極の帯状集電体の幅方向に設けられた活物
質未塗工部を小さくする。 【解決手段】 シート電極１０を、帯状の集電体１１
と、集電体１１の表面に長手方向に間欠的に形成された
電極活物質層１２と、集電体１１の電極活物質層１２が
形成されていない部分１３から集電体１１の一方の側端
を越えて幅方向に延びるように形成された短冊状のリー
ド１４とを有するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極をセパレータ
を介して巻回するスパイラル型電池に使用するシート電
極に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池等では、帯状の
正極および負極をセパレータを介して巻回するスパイラ
ル型の電池が一般的であり、広く普及している。パソコ
ン、携帯電話等の電子機器の小型化、環境問題からの電
気自動車の開発が進む中、これらのスパイラル型の電池
にも大容量で小型であることの要求が高まっており、エ
ネルギー体積密度の大きい電池の開発が望まれる。

【０００３】通常、スパイラル型電池の電極は、正極、
負極とも帯状の金属箔製の集電体の表面に、電極反応を
生じさせる活物質をペースト状にして塗布し、その後乾
燥して製造される。つまり活物質が塗布された部分が電
極活物質層として形成されるわけである。これらの電極
をその間にセパレータを挟装して巻回して電極体とし、
この電極体を円筒状のケースに電解質と共に密閉して電
池が構成されることから、電池自体の体積に対しての実
際の放電に機能する電極要素の体積が、電池のエネルギ
ー体積密度に大きく影響することになる。

【０００４】従来、スパイラル型電池の電極は、集電体
の幅方向の一端部に連続的に活物質が塗布されていない
未塗工部を設け、この未塗工部に短冊状の複数のリード
（タブ）を超音波接合、抵抗溶接等の手段により接合し
て、電極から外部端子までの集電を行っていた。リード
が接合された従来の電極を図５に示す。そして、正極、
負極ともこのように構成された電極ををセパレータを介
して図６に示すように巻回して電極体を形成させてい
た。

【０００５】電極の巻回は、正極、負極のリードが巻回
軸方向の互いに背向する向きに延びるようにして行うの
であるが、この際、互いの電極活物質層が径方向に重な
り合う位置にくるよう電極を幅方向にずらして行ってい
た。したがって形成された円筒形の電極体は、図７に示
すように、その両側の巻回端面に活物質が塗布されてい
ない部分、いわゆるデッドスペースを有するものとなっ
ていた。このデッドスペースが、電池のエネルギー体積
密度を向上させようとする場合の大きな障害となってい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、デッドスペ
ースの小さい電極体を形成させることによって、電池の
エネルギー密度を向上させることを課題としている。こ
のため本発明では、従来の電極に設けられていた活物質
未塗工部、つまり帯状集電体の幅方向の一端部に連続し
て形成されていた活物質未塗工部を少なくすることを目
的とし、従来の活物質未塗工部に代えて、活物質が塗布
されている幅の中に未塗工部を複数箇所設け、この部分
に集電用リードを形成した電極を使用することによっ
て、上記デッドスペースの小さい電極体を構成させよう
とするものである。

【０００７】なお、理想とするのは集電体の幅方向の端
部に活物質未塗工部のない電極であるが、従来は、帯状
の集電体の全幅にわたって未塗工部を設けずに活物質を
塗布する適当な技術がなかったため、幅方向の端部に存
在する活物質未塗工部を除去するためには活物質塗布後
に集電体をスリット等していた。そこで本発明のシート
電極を製造する方法として、従来方法と異なる簡便な方
法を採用し、この方法によって、集電体の全幅にわたっ
て活物質を塗布し、巻回端部にデッドスペースのない電
極体の製造をも容易にしようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述したよ
うに、帯状集電体の幅方向に設けられた活物質未塗布部
を小さくすることで電極体のデッドスペースが小さくな
ることに想到し、以下の発明に至った。本発明は、帯状
の集電体と、該集電体の表面に長手方向に間欠的に形成
された電極活物質層と、該集電体の該電極活物質層が形
成されていない部分から該集電体の一方の側端を越えて
幅方向に延びるように形成された短冊状のリードとを有
するシート電極を用いてスパイラル型電池の電極体を構
成させることにより、電池のエネルギー体積密度を向上
させるという上記課題を解決するものである。

【０００９】つまり本発明のシート電極は、帯状集電体
の表面に幅方向のほぼ全面に活物質が塗布されている所
定長さの区間を、所定の間隔を隔てて集電体の全長にわ
たって複数設け、この活物質塗工部の間にある集電体の
長手方向に直角な活物質未塗工部に、集電用リードを形
成したものである。このような電極を巻回した電極体
は、巻回端面に活物質未塗工部によるデッドスペースの
非常に小さいものとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のシート電極及び
その製造方法の実施例について、図面に基づいて詳細に
説明する。なおここからは便宜上、リチウムイオン二次
電池用の電極について説明するが、本発明のシート電極
およびその製造方法は、リチウムイオン二次電池用のも
のに限定されるものではない。

【００１１】本発明のシート電極の一実施例を図１に示
す。本実施例のシート電極１０は、帯状の集電体１１
と、集電体１１の表面に長手方向に間欠的に形成された
電極活物質層１２と、集電体１１の該電極活物質層１２
が形成されていない部分（以下活物質未塗工部１３とい
う）から集電体１１の一方の側端を越えて幅方向に延び
るようにに形成された短冊状のリード１４とから構成さ
れている。まず集電体１１であるが、通常、正極には厚
さ１０〜２０μｍの帯状のアルミニウム箔を、また負極
には厚さ１０〜２０μｍの帯状の銅箔を用いる。集電体
１１の幅および長さについては、電池の放電容量によっ
て種々異なったものとなるが、放電容量の大きい大型の
電池では、幅１５０ｍｍ以上、長さ５ｍ以上となる場合
もある。

【００１２】次に電極活物質層１２について説明する。
電極活物質層１２は、正極、負極とも、電極活物質に結
着剤等を混合させてペースト状の合剤（以下活物質ペー
ストという）としたものを、集電体１１の表面に塗布
し、乾燥させ、その後密度を高めるためロールプレスを
行って成形される。活物質は、正極にはＬｉＣｏＯ₂、
ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等のリチウム含有金属酸化物の粉状体を、
負極には、黒鉛、有機化合物焼成体等の炭素物質の粉状
体を用いる。正極活物質ペーストは、上記正極活物質粉
状体に、黒鉛、アセチレンブラック等の導電剤、ポリフ
ッ化ビニリデン等の結着剤、Ｎ−メチルピロリドン等の
分散剤を混合させて作成する。また負極活物質ペースト
は、上記負極活物質に、カルボキシルメチルセルロー
ス、スチレンブタジエンゴム等の複合バインダ等を結着
剤として混合して作成する。

【００１３】本実施例では、電極活物質層１２は集電体
１１の長さ方向に間欠的に形成されており、電極活物質
層１２の数および各電極活物質層１２の面積は、電池の
放電容量、電極幅、リードの数等を総合的に考慮してな
される電池自体の設計に応じて、任意のものとすること
ができる。また、シート電極１０の全体から均一に集電
を行うために集電用のリード１４を集電体１１の長さ方
向に等間隔で配置することが望ましいことから、各電極
活物質層１２の面積は均等であることが望ましく、各電
極活物質層１２の間に存在する活物質未塗工部１３の幅
は、この未塗工部に形成されるリード１４の幅よりも若
干大きいものであればよい。

【００１４】集電体１１の幅に対する電極活物質層１２
の幅に関しては、活物質ペーストの集電体１１の表面へ
の塗布の容易性を考慮して、集電体の幅方向の両端に連
続的な活物質未塗工部を設けてもよいが、本実施例で
は、電極体のデッドスペースを最小にすることを考え
て、集電体１１の全幅にわたって電極活物質層１２を形
成させている。なお電極活物質層１２は、集電体１１の
片面にのみに形成させてもよいが、電池のエネルギー体
積密度を考慮すれば、集電体１１の両面に形成させるの
が望ましい。両面に形成させる場合、両面の電極活物質
層を形成させてからリード１４を形成させるのであれ
ば、裏面の電極活物質層は、表の面の電極活物質層１２
と同位置に形成させる必要がある。これに対し、表の面
の電極活物質層１２を形成しリード１４を形成させた後
に裏面の電極活物質層を形成させる場合又はリードを形
成させた後に両面の電極活物質層を形成させる場合は、
裏面の電極活物質層は間欠的ではなく集電体１１の長さ
方向に連続するものであってもよい。

【００１５】本実施例のシート電極１０において集電体
１１に形成されるリード１４は、正極負極とも、それぞ
れの集電体１１と同じ材質の金属箔を用いる。リード１
４の厚さは、電極活物質層１２の厚さを超えるものであ
ってはならず、通常は集電体１１と同程度、つまり１０
〜３０μｍ程度である。またリード１４の幅は、シート
電極１０が巻回されることを考慮すればあまり広いもの
であってはならず、通常は数〜十ｍｍ程度である。これ
に対してリード１４の長さは、集電処理の方法によって
任意のものとすることができる。

【００１６】リード１４の集電体１１への形成方法は、
超音波接合、抵抗溶接、かしめ等の手段によって行うこ
とができるが、熱影響、スパッタ、作業性等を考慮すれ
ば超音波接合が望ましい。リード１４は、集電体１１の
長さ方向と直角に接合され、その一部が集電体１１の幅
方向の一端部より突出して延びている。そしてこの突出
端が外部端子に集められるように連結され集電が行われ
ることとなる。またリード１４の数量は、電池の放電容
量によって異なるものとなるが、放電容量の大きい電池
に使用するシート電極では、数十本にも及ぶものとな
る。なお本実施例のシート電極１０では、従来のものと
異なり、１つのリードに対しての接合点１５を複数設け
ることができ、集電の際の電気抵抗を減少させることが
可能となるため、リード１４の数を減少させることがで
きるとともに、接合部位の強度的信頼性を向上するとい
う効果をも有している。

【００１７】次に集電用のリード１４の形成方式が異な
るもう一つの実施例を図２に示す。本実施例は、集電体
１１の活物質未塗工部１３に、一定の幅で切込み１６が
入れられ、この切込み部の端部が集電体の幅方向の一端
部から突出するように折り返されてリード１４となって
いるものである。先の実施例と異なり、接合という手段
を用いないことから、形成部の信頼性をさらに向上させ
ることができ、またリード材としての別部材を必要とし
ないことから、電極の材料費を節減できるとともに、電
極の軽量化が可能となるという効果をも有する。 切込
み１６はプレス、レーザー切断等の任意の手段によって
行うことができ、電池のエネルギー体積密度の向上を目
指すことから、切込み１６の幅は活物質未塗工部１３の
幅とほぼ同等の幅として電極活物質層１２の面積を極力
大きくとるようにするのが望ましい。なお集電体の一端
面から中央部にかけて二本の平行線上を切込むこともで
きるが、シート電極１１を巻回する際にある程度のテン
ションをかけて行うことから、集電体１１の幅方向の両
端部は切込むべきでなく、図２に示すように集電体の中
央部にＵ字状の形状の切込み１６を行うのが望ましい。

【００１８】次に本発明のシート電極の製造方法であっ
て、集電体の幅方向の端部に未塗工部を残さず、かつ集
電体の長手方向に間欠的に活物質ペーストを塗布する塗
工方法について説明する。本塗工方法は、集電体をバッ
クアップロールで支持搬送しつつ、活物質ペーストを塗
布ロールにて該集電体に転写塗布するリバースロール方
式により、活物質を該集電体表面に連続的に塗布する活
物質ペーストの塗工方法であって、前記活物質ペースト
を前記塗布ロール表面に供給する工程と、該塗布ロール
表面に供給されたペーストの幅を前記集電体の幅に一致
させるために、該塗布ロール上に設けたペースト除去手
段によって、該集電体幅より広い該ペーストの部分を除
去してペースト幅を調整する工程と、所定の時間間隔で
該バックアップロールと該塗布ロールとの間隙量を変化
させつつ、幅調整された該活物質ペーストを該塗布ロー
ルにより該集電体に間欠的に転写塗布する工程とを有す
ることを特徴としている。

【００１９】つまり本活物質ペーストの塗工方法は、塗
布ロールに一定の厚みで、かつ集電体の幅より若干量幅
が大きく供給された活物質ペーストを、塗布ロール上に
設けたナイフエッジ状のブレード等の手段により、集電
体の幅より大きい部分を幅方向の両側から掻き取る等す
ることによって、集電体の幅に一致させて、バックアッ
プロールに支持搬送される集電体に転写するように塗布
するものであり、かつ、バックアップロールに塗布ロー
ルと近接したり離れたりする間欠動作を行わせることに
より、集電体の長さ方向に直角な活物質未塗工部を形成
させるものである。この手段により、塗布ロール上の活
物質ペーストの幅方向の両端が整形され、集電体の端部
にまで均一に、かつ幅方向に未塗工部分を残さずに間欠
的に活物質を塗布することを容易にしている。

【００２０】本塗工方法で用いるリバースロール方式の
コーターは、塗布ロール（アプリケーションロール）計
量ロール（メータリングロール）、バックアップロール
の３本の互いに平行なロールからなるコーターで、計量
ロールは、塗布剤を一定の厚さで表面を平滑に保ちなが
ら塗布ロールに供給する役割を果たし、バックアップロ
ールは塗工基材を支持しかつ搬送する役割を果たしてい
る。塗布ロールとバックアップロールは両者が近接して
おり、互いの近接部が異なる方向に向かって移動するよ
うに回転している。この両者の間隙を、基材がバックア
ップロールに支持されて通過することにより、塗布ロー
ル上に供給された塗布剤が基材表面に転写塗布される。
適応する塗布剤の粘度範囲が大きいこと、塗布される厚
さ調整が容易なことなどから本方式のコーターを採用し
た。

【００２１】実際の塗工状態を図３に示す。以下この図
に基づいて活物質ペーストの塗工工程について説明す
る。本塗工方法では、計量ロールとして断面がコンマ形
状をしている金属製のコンマロール２１を用いている。
ナイフブレード、ドクターロール等を用いる方式でもよ
いが、塗布される活物質ペーストの厚さ調整の容易さ、
表面の平滑化が実現できることからこのコンマロール方
式を採用した。

【００２２】金属製の塗布ロール２２の上部にこのコン
マロール２１を配設し、塗布ロール２２の上部でコンマ
ロール２１背面に堰２４を設けてペースト溜２５を形成
させた。このペースト溜２５には、上記正極合剤、負極
合剤とされた活物質ペーストが流入される。コンマロー
ル２１は回転しないが、塗布ロール２２とコンマロール
２２のブレードとの間隙の大きさを変化させるために、
塗布ロール２２に対して直角の方向に移動させることが
できる。塗布ロール２２が回転することにより、活物質
ペーストはこの間隙から塗布ロール２２の表面に供給さ
れる。なお供給される活物質ペーストの厚さは、この間
隙の大きさによって調整されることになる。

【００２３】次に本塗工方法の最大のポイントである活
物質ペーストの幅調整について説明する。塗布ロール２
２の上に供給された活物質ペーストの幅は、ペースト溜
２５の幅によってある程度は決定される。しかしこの幅
は、コンマロール２１と塗布ロール２２の間隙の大き
さ、活物質ペーストの粘度等によって変化する。また供
給された活物質ペーストの幅方向の端部は、粘度等の関
係によって、中央部に比べ厚くなったりまた薄くなった
りし、さらには波状に蛇行してしまうこともある。集電
体１１の全面にしかも均一にペーストを塗布することが
目的であるから、この活物質ペーストの端部を調整する
ことが必要となってくる。

【００２４】そこで本塗工方法では、塗布ロール２２上
でロールに接するように１対のナイフブレード２６を配
設して活物質ペーストの幅方向の端部を調整している。
つまり、塗布ロール２２の表面に、集電体１１の幅より
若干量広い幅で供給されたペーストの、集電体１１の幅
方向の端部からはみ出す部分を、ナイフブレード２６に
よって掻き取るように除去している。この工程を塗工工
程に挿入することにより、活物質ペーストの塗布幅を集
電体１１の幅と一致させることに成功している。

【００２５】塗布ロール２２の表面上で幅調整された活
物質ぺーストは、次に集電体１１に転写塗布される工程
に移る。集電体１１は、長さ方向にテンションが加えら
れ、ピンと張られた状態で表面がシリコンゴム製のバッ
クアップロール２３によって支持されている。またこの
バックアップロール２３は一定速度の回転運動をしてお
り、集電体１１は一定の速度で搬送されている。

【００２６】塗布ロール２２はバックアップロール２３
と近接しており、またその回転方向は両ロールとも同じ
方向で、両ロールの近接部では互いに反対方向に向かう
ように回転している。このバックアップロール２３と塗
布ロール２２の間隙を、集電体１１が搬送されて通過す
る際に、塗布ロール２２の表面の活物質ペーストが集電
体１１の表面に転写するように塗布される。

【００２７】ところが本発明のシート電極１０では、電
極活物質層１２が集電体１１の長手方向に間欠的に形成
されている必要があることから、本塗工工程において、
活物質ペーストを間欠的に塗布しなければならない。そ
こで本塗工工程では、バックアップロール２３を塗布ロ
ール２２との距離を変化させながら活物質ペーストを集
電体１１に転写塗布している。つまり、電極活物質層１
２を形成させる部分では、バックアップロール２３を塗
布ロール２２に近接させ、活物質未塗工部１３とする部
分ではバックアップロール２３を塗布ロール２２から離
すという間欠的な運動をバックアップロール２３にさせ
ている。近接している時間と離れている時間を調整する
ことによって、集電体１１に形成される電極活物質層１
２の長さおよび活物質未塗工部部１３の幅を任意に決定
することができる。

【００２８】この工程により集電体１１への活物質ペー
スト塗布は完了し、次工程である乾燥工程に向かう。活
物質ペーストの転写塗布の際、塗布ロール２２に残余す
るペーストは、塗工ロール２２の下部に設けた掻き取り
ブレード２７によって除去される。なお集電体１１の裏
面にも活物質ペーストを塗布する場合は、もう一度同じ
工程を繰り返せばよい。

【００２９】このようにして活物質の塗工工程は終了す
るのであるが、上記ナイフブレード２６による幅調整手
段によっても、活物質ペーストの粘性の変化等の原因に
より、集電体１１の幅よりはみ出して塗布される場合も
ありうる。もしこのようなはみ出しが発生した場合、は
み出した活物質ペーストがバックアップロール２３に付
着し、さらにこれが集電体１１の裏面に付着して、均一
な電極が得られなくなってしまう。この場合を想定し
て、本塗工方法では、さらに別の手段を講じている。

【００３０】この手段は、バックアップロール２３と集
電体１１の間に、集電体１１の幅よりも広い幅のシート
２８を挟装するように配置し、このシート２８とともに
集電体１１を搬送するものである。このシート２８によ
り、活物質ペーストのはみ出しが生じた場合であって
も、集電体１１の裏面へペーストが付着することを防い
でいる。本塗工方法ではポリプロピレンのシートを用い
たが、適当な強度を有する薄い帯状のものであればよ
く、これに限定されるものではない。

【００３１】上記シート２８を用いた手段に代えて、以
下の手段を用いることもできる。バックアップロールを
２段階の直径を持たせ、中央部の大きな直径の部分を集
電体１１の幅と同じ長さとし、その両端を小さな直径の
部分とすることである。そしてこの大径部がバックアッ
プ部３１となって、集電体１１を支持搬送するというも
のである。この例を図４に示す。この手段によれば、集
電体１１からはみ出した活物質ペーストは、２段径バッ
クアップロール３０の小径部３２に垂れ落ちるだけであ
り、集電体１１の裏面に回り込んで付着することを防止
することができる。シート２８を用いた場合、このシー
ト２８は使い捨てとなるため電極の製造コストの増加に
つながることから、この２段径バックアップロール３０
を用いた方法は製造コスト面から有効な手段である。

【００３２】以上、本発明のシート電極の製造方法につ
いて、実施例を掲げて説明したが、製造方法はこの実施
例に限定されるものではない。例えば、上記活物質ペー
ストの塗工方法では、リード１４が形成されていない集
電体１１に活物質ペーストを塗布するものであったが、
あらかじめリード１４を成形した集電体１１を用いて、
リード１４の形成されている部分に活物質ペーストが塗
布されないようにバックアップロール２３の間欠運動を
行わせることも可能である。また、幅の広い金属箔に活
物質ペーストを塗布し、乾燥後、幅方向に分割するよう
スリットし同時に複数枚の電極を製造することができ
る。このように上記活物質ペーストの塗工方法は、簡便
な方法によって、集電体の幅方向に未塗布部がなくかつ
長手方向に間欠的な電極活物質層を形成できるものであ
り、その適用範囲も広いものである。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、電極をセパレータを介して巻
回するスパイラル型電池に使用する電極を、帯状の集電
体と、該集電体の表面に長手方向に間欠的に形成された
電極活物質層と、該集電体の該電極活物質層が形成され
ていない部分から該集電体の一方の側端を越えて幅方向
に延びるように形成された短冊状のリードとからなるシ
ート電極としたものであり、この電極を巻回した電極体
は、巻回端面に存在する発電要素とならないデッドスペ
ースを非常に小さいものすることができる。したがっ
て、本発明のシート電極を用いた電池は、エネルギー体
積密度が向上するという効果を有している。このこと
は、電子機器の小型化を推進するばかりでなく、電気自
動車の動力源となる二次電池の開発を促進させることに
もつながっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一の実施例であるシート電極を示す平
面図

【図２】本発明の他の実施例であるシート電極を示す平
面図

【図３】本発明のシート電極の電極活物質塗工方法の実
施例を示す斜視図

【図４】他の活物質塗工方法の実施例に使用する２段径
バックアップロールを示す斜視図

【図５】従来のシート電極を示す平面図

【図６】シート電極が巻回される状態を示す斜視図

【図７】電極体のデッドスペースを示す概念図

【符号の説明】 １０：シート電極 （１０ａ：正極 １０ｂ：負極） １１：集電体 １２：電極活物質層 １３：活物質
未塗工部 １４：リード １５：接合点 １６：切込み ２０：リバースロール塗工機 ２１：コンマロール ２２：塗布ロール ２３：バ
ックアップロール ２４：堰 ２５：ペースト溜 ２６：ナイフブレー
ド ２７：掻き取りブレード ２８：シート ３０：２段径バックアップロール ３１：バックアップ部 ３２：小径部 ４０：電極体 ４１：セパレータ ４２：電極要素部 ４３：デッ
ドスペース

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 帯状の集電体と、該集電体の表面に長手
   方向に間欠的に形成された電極活物質層と、該集電体の
   該電極活物質層が形成されていない部分から該集電体の
   一方の側端を越えて幅方向に延びるように形成された短
   冊状のリードとを有するシート電極。