JP2002110145A - 非水系二次電池 - Google Patents
非水系二次電池Info
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- JP2002110145A JP2002110145A JP2000304565A JP2000304565A JP2002110145A JP 2002110145 A JP2002110145 A JP 2002110145A JP 2000304565 A JP2000304565 A JP 2000304565A JP 2000304565 A JP2000304565 A JP 2000304565A JP 2002110145 A JP2002110145 A JP 2002110145A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
く、極板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性
に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を提供
する。 【解決手段】 乾式混合された正極活物質と導電材に有
機溶剤を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに結着材
が有機溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練した合
剤であり、合剤中における前記導電材と結着材の重量比
率が1:0.2〜1:2である。
Description
関するもので、さらに詳しくは、電池特性に優れた小型
軽量の非水系二次電池に関するものである。
電子機器の性能は、搭載される半導体素子、電子回路だ
けでなく、充放電可能な二次電池の性能に大きく依存し
ており、搭載される二次電池の容量アップと共に、軽量
・コンパクト化をも同時に実現することが望まれてい
る。これらの要望に答える二次電池として、ニッケルカ
ドミウム蓄電池の約2倍のエネルギー密度を有する、ニ
ッケル水素蓄電池が開発され、次いで、これを上回るリ
チウムイオン電池が開発され、脚光を浴びてきている。
中に、正極及び負極を配設し、各々の極板には、集電体
表面に正極活物質が結着され、或いは集電体表面に負極
活物質が結着された構成と成っている。この電池に用い
られる電池用極板は、一般的に活物質(正極活物質また
は負極活物質)、導電材、結着材(バインダー)等を、
集電体に塗布、乾燥した後に、必要に応じてプレスした
ものを、所定の形状にスリットすることにより作製され
ている。
しては、活物質と結着材とを溶剤に混練分散した合剤
を、集電体の片面もしくは両面に塗布、乾燥することに
より、極板を形成する方法が提案されている。
の方法は、非常に重要なポイントであり、極板の作製方
法により、完成した電池の放電特性、充放電サイクル特
性、電池のふくれ量、安全性等の電池性能を大きく左右
することになる。
は、溶剤中に導電材を分散させた後、活物質および結着
材を添加し、混練分散させる方法が開示されている。
に導電材を分散させた後、粉末の活物質および粉末や液
状の結着材を加えても少量の導電材、結着材では満足す
る体積抵抗率と極板強度を有する非水系二次電池が得ら
れない。
抗率が低く、極板強度に優れた極板を得ることにより、
電池特性に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電
池を提供することを主たる目的とする。
めの本発明は、少なくとも正極活物質、導電材、結着材
からなる正極合剤を集電体に塗布乾燥した正極板と、負
極板とを、セパレータを介して積層した極板群を電池ケ
ースに収納してなる非水系二次電池において、前記正極
合剤は、乾式混合された正極活物質と導電材に有機溶剤
を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに結着材が有機
溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練した合剤であ
り、合剤中における前記導電材と結着材の重量比率が
1:0.2〜1:2であることを特徴とする非水系二次
電池である。
して2重量部以上4重量部以下の割合で含有されている
ことが好ましく、前記結着材溶液は、少なくとも、2−
エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリ
ロニトリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶
剤に分散させたものまたは、ポリフッ化ビニリデンから
なるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが好まし
い。
説明する。
極活物質、導電材、結着材を含有する。
ではないが、例えば、二酸化マンガン,五酸化バナジウ
ム,酸化モリブデン等の酸化物、或いはコバルト酸リチ
ウム,ニッケル酸リチウム,マンガン酸リチウム等のリ
チウムと遷移金属との複合酸化物、硫化チタン,硫化モ
リブデン,硫化鉄等の硫化物、或いはリチウムと遷移金
属との複合硫化物等を用いることができる。
ないが、例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラ
ック,グラファイト等を単独、或いは二種類以上の混合
物として用いることができるが、正極合剤100重量部
に対して2重量部以上4重量部以下の割合で含有されて
いることが好ましく、2重量部未満の場合には、体積抵
抗率が高く目的とする電池特性が得られず、4重量部を
超えると電池反応に寄与しない材料が極板中に多く存在
することにより、電池容量を低下させてしまうため好ま
しくない。
溶剤に均一に分散させたもので、少なくとも、2−エチ
ルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニ
トリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶剤に
分散させたものが好ましい。または、フッ素系樹脂を有
機溶剤に均一に分散させたもので、ポリフッ化ビニリデ
ンからなるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが
好ましい。
比は、1:0.2〜1:2の範囲が体積抵抗率と極板強
度の観点から好ましく、結着材の導電材に対する重量比
が0.2未満の場合は、極板材料と集電体の結着力が不
十分な極板強度であり、結着材の導電材に対する重量比
が2を超える場合は、電池反応に寄与しない材料が極板
中に多く存在することにより、電池容量を低下させてし
まうため好ましくない。有機溶剤としては、特に限定さ
れるものではないが、N−メチル−2−ピロリドン、
N,N−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、
ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサ
メチルスルホルアミド、テトラメチル尿素、アセトン、
メチルエチルケトン等を単独、或いは二種類以上の混合
物として用いることができる。
合剤に増粘剤を添加することができ、エチレン−ビニル
アルコール共重合体、カルボキシメチルセルロース、メ
チルセルロースなどが好ましい。
が、少なくとも、負極活物質、結着材を含有する。
ではないが、例えば、有機高分子化合物(フェノール樹
脂,ポリアクリロニトリル,セルロース等)を焼成する
ことにより得られる炭素材料、コークスやピッチを焼成
することにより得られる炭素材料、或いは人造グラファ
イト,天然グラファイト等を用いることができる。
ないが、例えば、スチレン/ブタジエンゴム,アクリル
系重合体,ビニル系重合体等を単独、或いは二種類以上
の混合物または共重合体として用いることができる。
限定されるものではなく、例えば、プラネタリーミキサ
ー、ホモミキサー、ピンミキサー、ニーダー、ホモジナ
イザー等を用いることができる。これらを単独、或いは
組み合わせて使用することも可能である。
剤、界面活性剤、安定剤等を必要に応じて添加すること
も可能である。
塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、ス
リットダイコーター、リバースロールコーター、リップ
コーター、ブレードコーター、ナイフコーター、グラビ
アコーター、ディップコーター等を用いることができ
る。
必要に応じて、熱処理、プレス等の処理を施すことも可
能である。
に電解質を溶解することにより、調整される。前記非水
溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピ
レンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカ
ーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクト
ン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジクロロエタ
ン、1,3−ジメトキシプロパン、4−メチル−2−ペ
ンタノン、1,4−ジオキサン、アセトニトリル、プロ
ピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベン
ゾニトリル、スルホラン、3−メチル−スルホラン、テ
トラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジ
メチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチル
ホルムアミド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等
を用いることができる。これらの非水溶媒は、単独或い
は二種類以上の混合溶媒として、使用することができ
る。
れる電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フ
ッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒
素リチウム、トリフルオロメタスルホン酸リチウム、ビ
ストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム等のリ
チウム塩を用いることができる。
ものではないが、小型軽量の観点からはアルミニウム製
の角型ケースや中間の一層にアルミニウム等の金属箔を
有するラミネートフイルムからなるラミネートケースが
好ましい。
説明する。
質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレ
ンブラックを、結着材として2−エチルへキシルアクリ
レートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のNM
Pディスパージョン(固形分8%)を、増粘材としてエ
チレンとビニルアルコール共重合体のNMP溶液(固形
分10%)、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン
(NMP)をそれぞれ用いて、表1に示す配合割合にな
るように準備した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式
混合をおこない、溶剤であるNMPを添加し湿潤分散を
おこなった。さらに結着材である2−エチルへキシルア
クリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体の
NMPディスパージョン(固形分8%)と増粘材として
エチレンとビニルアルコール共重合体のNMP溶液(固
形分10%)を添加し、混練分散することで、正極合剤
を作製した。
塊状黒鉛を、結着材としてスチレンとブタジエンゴムの
ディスパージョン(固形分48%)を、増粘剤として、
カルボキシメチルセルロース水溶液(固形分1%)をそ
れぞれ用いて、表1に示す配合割合で混錬分散すること
で、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表2に示す配合割合になるように準備した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であ
るNMPを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材
である2−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸と
アクリロ二トリル共重合体のNMPディスパージョン
(固形分8%)と増粘材としてエチレン/ビニルアルコ
ール共重合体のNMP溶液(固形分10%)を添加し、
混練分散することで、正極合剤を作製した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表3に示す配合割合になるように準備した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であ
るNMPを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材
である2−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸と
アクリロ二トリル共重合体のNMPディスパージョン
(固形分8%)と増粘材としてエチレンとビニルアルコ
ール共重合体のNMP溶液(固形分10%)を添加し、
混練分散することで、正極合剤を作製した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレ
ンブラック及びグラファイトを、結着材として2−エチ
ルへキシルアクリレート/アクリル酸/アクリロ二トリ
ル共重合体のNMPディスパージョン(固形分8%)
を、増粘材としてエチレン/ビニルアルコール共重合体
のNMP溶液(固形分10%)、溶剤としてN−メチル
−2−ピロリドン(NMP)をそれぞれ用いて、表4に
示す配合割合になるように作製した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラック及びグラファイトをまず、乾式混合をお
こない、溶剤であるNMPを添加し湿潤分散をおこなっ
た。さらに結着材である2−エチルへキシルアクリレー
ト/アクリル酸/アクリロ二トリル共重合体のNMPデ
ィスパージョン(固形分8%)と増粘材としてエチレン
とビニルアルコール共重合体のNMP溶液(固形分10
%)を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製し
た。
造塊状黒鉛を、結着材として、スチレン/ブタジエンゴ
ムのディスパージョン(固形分48%)を、増粘剤とし
て、カルボキシメチルセルロース水溶液(固形分1%)
をそれぞれ用いて、表4に示す配合割合で混錬分散する
ことで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表5に示す配合割合になるように準備した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式
混合をおこない、溶剤であるNMPを添加し湿潤分散を
おこなった。さらに結着材である2−エチルへキシルア
クリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体の
NMPディスパージョン(固形分8%)と増粘材として
エチレンとビニルアルコール共重合体のNMP溶液(固
形分10%)を添加し、混練分散することで、正極合剤
を作製した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表6に示す配合割合になるように準備した。
極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセ
チレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であ
るNMPを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材
である2−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸と
アクリロ二トリル共重合体のNMPディスパージョン
(固形分8%)と増粘材としてエチレンとビニルアルコ
ール共重合体のNMP溶液(固形分10%)を添加し、
混練分散することで、正極合剤を作製した。
で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表3に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに2つの工程で作製した。そ
の作製方法としては図2に示すように、まず導電材、結
着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極
活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製し
た。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表3に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに作製した。その作製方法と
しては図3に示すように、まず正極活物質、導電材、結
着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加
し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表3に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに作製した。その作製方法と
しては図4に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、
次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増
粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製
した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表4に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに2つの工程で作製した。そ
の作製方法としては図2に示すように、まず導電材、結
着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極
活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製し
た。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表4に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに作製した。その作製方法と
しては図3に示すように、まず正極活物質、導電材、結
着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加
し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
と同様に、表4に示す配合割合であるが、混練分散は、
乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加
する工程の3段階に分けずに作製した。その作製方法と
しては図4に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、
次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増
粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製
した。
合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
で作製した正極合剤を、厚さ15μmのアルミ箔上に、
スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後に、ロ
ールプレスし、所定寸法にスリットすることで、正極板
を作製した。
例で作製した負極材料合剤を、厚さ10μmの銅箔上
に、スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後
に、ロールプレスし、所定寸法にスリットすることで、
負極板を作製した。
さ20μmの微多孔性ポリエチレン製セパレータを配設
し、巻回することにより、長円状の極板群を構成した。
0mm、高さ48mmのアルミニウム製の角型電池缶に
挿入した後、電解液を注液することで、電池容量が70
0mAhのリチウムイオン電池を作製した。
法としては、各実施例及び比較例で得られた正極合剤を
厚さ60μmのポリエチレンテレフタレート樹脂製フィ
ルム上に塗布、乾燥して正極活物質層を形成し、体積抵
抗率計を用いて測定した。その結果を表7、8、9にそ
れぞれ示す。
ると体積抵抗率は減少し、導電材が2重量部より少ない
と、体積抵抗率が大きく増加することがわかる。表8、
9より明らかなように、各実施例は各比較例に比べ体積
抵抗率が非常に低く導電性が高いことがわかる。
着材の分布をSEM写真から解析した。その結果を表
7、8、9にそれぞれ示す。表7より明らかなように、
各実施例では塊状物は見られなく、結着材の分散性が優
れており、この結着材の分散性から導電材も均一に分散
していると推定される。表8、9より明らかなように、
各比較例では5μm以上の結着材の塊状物が見られる
が、各実施例では2μm以上の塊状物は見られなく、結
着材の分散性が優れていることがわかる。
製した正極板を用いて、集電体であるアルミ箔と合剤部
分とでの結着強度をJIS K6854に準拠して、9
0度剥離によって測定した。試料片の寸法は幅が12.
65mm、接着部分の長さが70mm〜80mmで行っ
た。
す。表7より明らかなように、導電材が増加すると結着
強度は減少し、導電材が4重量部より大きくなると結着
強度は大きく減少することがわかる。表8、9より明ら
かなように、各比較例に比べ各実施例は約2倍の結着強
度を示した。つまり結着材の分散が優れていることがわ
かる。
た電池を90℃−4時間、85℃−3日間、60℃−2
0日間保存した後に、発生するガス量をガスクロマトグ
ラフィーにて分析した結果を表7、8、9にそれぞれ示
す。表7、8、9より明らかなように、ガス発生量は、
各比較例に比べ各実施例が少なくなることがわかる。
電池を20℃、4.2V−CC/CV(max1CmA
(700mA)、0.05CmA(35mA)cut)
の条件で充電し、0.2CmA(140mA)、1Cm
A(700mA)、2CmA(1400mA)の定電流
にて、3.0Vの放電終止電圧まで放電させた場合の放
電レート特性の結果を表7、8、9にそれぞれ示す。表
7、8、9より明らかなように、各比較例に比べ各実施
例の方がレート特性が優れていることがわかる。
池を20℃、4.2V−CC/CV(max1CmA、
0.05CmAcut)の条件で充電し、−10℃、0
℃、10℃、20℃、45℃の各温度条件にて、1Cm
Aの定電流にて3.0Vの放電終止電圧まで放電させた
場合の放電温度特性の結果を表7、8、9にそれぞれ示
す。表7、8、9より明らかなように、各比較例に比べ
各実施例の方が放電温度特性に優れていることがわか
る。
した電池を20℃、4.2V−CC/CV(max1C
mA、0.05CmAcut)の条件で充電し、20
℃、1CmAの定電流にて3.0Vの放電終止電圧まで
放電させる充放電サイクル特性の結果を表7、8、9に
それぞれ示す。表7、8、9より明らかなように導電材
が2重量部より少ないと充放電サイクル特性が下がる。
電池は、少量の導電材、結着材で体積抵抗率が低く、極
板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性に優れ
た高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を得るために
極めて有用である。
Claims (6)
- 【請求項1】 少なくとも正極活物質、導電材、結着材
からなる正極合剤を集電体に塗布乾燥した正極板と、負
極板とを、セパレータを介して積層した極板群を電池ケ
ースに収納してなる非水系二次電池であって、 前記正極合剤は、乾式混合された正極活物質と導電材
に、有機溶剤を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに
結着材が有機溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練
した合剤であり、この合剤中における前記導電材と結着
材の重量比率が1:0.2〜1:2であることを特徴と
する非水系二次電池。 - 【請求項2】 前記導電材は、正極合剤100重量部に
対して2重量部以上4重量部以下の割合で含有されてい
る請求項1記載の非水系二次電池。 - 【請求項3】 前記結着材溶液は、変性アクリルゴムの
有機溶剤分散体である請求項1記載の非水系二次電池。 - 【請求項4】 前記アクリルゴムは、少なくとも、2−
エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリ
ロニトリルの共重合である請求項3記載の非水系二次電
池。 - 【請求項5】 前記結着材溶液は、フッ素系樹脂の有機
溶剤分散体である請求項1記載の非水系二次電池。 - 【請求項6】 前記フッ素系樹脂は、ポリフッ化ビニリ
デンである請求項5記載の非水系二次電池。
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