JP2002289197A - ガルバーニ電気素子のための電極箔の製造法およびこのような電極箔を有するガルバーニ電気素子 - Google Patents

ガルバーニ電気素子のための電極箔の製造法およびこのような電極箔を有するガルバーニ電気素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポリマー電極を製造するための公知方法を簡
易化する。 【解決手段】 少なくとも2つの異なる弗素化されたポ
リマーを溶剤中に溶解し、可塑剤、膨潤剤または電解質
の添加なしに専らBET表面積が表面積の最小化された
黒鉛と活性化された炭素との間にある高導電性カーボン
ブラック、およびリチウムが可逆的に取付け可能および
取外し可能である、二次元の層構造および少なくとも1
−4S/cmの電子伝導性を有する電気化学的に活性
な物質と混合し、こうして得られたペースト状物質を電
極誘導体または担体箔上に施こし、乾燥させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも2つの
異なる弗素化されたポリマーの混合物からなり、このポ
リマーのポリマーマトリックス中で不溶性の電気化学的
に活性な物質が微細に分散されている、少なくとも1つ
のリチウム介在電極を含む、ガルバーニ電気素子のため
の電極箔を製造するための湿式化学的方法およびこの方
法により製造された電極を有するガルバーニ電気素子に
関する。
【0002】
【従来の技術】殊に、正極の片側上の電気化学的安定性
の理由から、ごく僅かな物質だけが電気化学的に活性な
物質の結合剤としてリチウムを基礎とするガルバーニ電
気素子に使用することができる。ポリオレフィンと共
に、これは、殊に弗素化されたポリマーである。
【0003】米国特許第4828834号明細書A1に
は、リチウム介在電極を有する再充電可能な電池へのポ
リテトラフルオロエチレン(PTFE)の使用が記載さ
れている。この場合、数質量%の例示的値は、1.8〜
5%であるにすぎず、PTFEは、結合剤として添加さ
れ、電極は、冷間圧縮によって3t/cmの典型的な
値で得られる。
【0004】米国特許第5631104号明細書A1に
は、電気化学的に活性な物質のための結合剤としてエチ
レン−プロピレン−ジエン−モノマーが記載されてお
り、これは、加工のためにシクロヘキサンに溶解され
る。こうして得られたペーストは、担体箔上に塗布さ
れ、乾燥される。
【0005】WO 98/20566A1には、ポリビ
ニリデンホモポリマーを乾式でシール物質、例えばSi
またはAlと混合する1つの方法が記載され
ている。その後に、可塑剤、例えばジメチルアジペート
が添加され、電極生成形体またはセパレータ生成形体に
予め成形された混合物は、熱圧縮法または溶融法でポリ
マーの軟化点を超えるが、しかし融点未満で加工され
る。
【0006】米国特許第5296318号明細書A1に
は、ポリビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピ
レン(PVDF−HFP)組合せ物から出発して固有の
導電性セパレータを製造する方法が記載されており、こ
の場合このセパレータは、電極箔と貼り合わせ可能であ
る。しかし、セパレータ箔は、混入された電解質塩のた
めに吸湿性であり、電解質塩に応じてフッ化水素酸の放
出下に加水分解に敏感であってもよい。
【0007】このような方法の実際の反応についての欠
点は、全体の処理に必要とされる、乾燥空間および保護
ガス雰囲気の対する高い費用にある。
【0008】米国特許第5460904号明細書A1に
は、活性化可能で再充電可能なリチウムイオン電池の製
造方法が記載されており、この場合には、電気化学的に
活性な物質、添加剤、例えば場合によっては電極中の導
電性改良剤またはセパレータ中の安定剤、特殊なポリマ
ー−コポリマーのポリビニリデンフルオリド−ヘキサフ
ルオロプロピレン(PVDF-HFP)ならびに著量の可塑剤、
典型的にはジブチルフタレート(DBP)がアセトンの添
加後にポリマーの溶解のために強力に混合され、箔に引
き伸ばされる。この箔は、多数の積層処理において所謂
バイセル(Bizell)に加工され、多数のバイセルは1つ
のスタックを生じ、このスタックは、被覆された深絞り
アルミ箔中に嵌め込まれ、電解質で充填され、シールさ
れ、変性され、脱ガスされ、かつ最終的にシールされた
後に完成された電池を製造する。この場合、上記の可塑
剤は、先に費用のかかる抽出工程でバイセルから再び完
全に除去されなければならない。それというのも、この
可塑剤は、充電された電池内で電気化学的に不安定であ
り、電池は、第1の充填過程で可逆的に損なわれうるか
らである。この抽出過程は、著しく時間がかかり、費用
も著しくかかり、回収された可塑剤は、一般に再使用す
るには汚染されすぎており、したがって多大な費用が必
要とされる。抽出のために提案された溶剤は、一般に極
めて毒性で爆発性のメタノールであるかまたは同様に可
燃性のヘキサンである。
【0009】ドイツ連邦共和国特許出願公開第1965
2174号明細書A1には、電気化学的に安定であり、
ひいては洗浄除去される必要のない可塑剤を使用するこ
とが提案されている。この場合、引続き電解質を収容す
るための細孔は、熱的に溶解されることができ、即ち可
塑剤の本質的な部分は、温度および真空の下で抽出され
ることができる。大きな利点は、可塑剤の抽出をもはや
完全に行なう必要がないことである。しかし、それと同
時に費用のかかる抽出過程および必要とされる再循環
は、排除されない。更に、費用は、可塑剤それ自体によ
って生じ、炉中で抽出された可塑剤は、捕集されなけれ
ばならずかつ除去されなければならない。これは、炉部
分それ自体内、殊に冷却帯域の範囲内で重大な汚染をま
ねき、そこで著しく著量の可塑剤を分離することができ
る。炉室内での飽和効果によって、一般に沸騰が困難で
ある可塑剤の飽和圧力により惹起される場合には、抽出
は、むしろ完全に中断されることができ、したがって処
理室に数回時間をかけて注水し、再び排気することによ
り費用をかけて乾燥させなければならない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ポリ
マー電極を製造するための公知方法を簡易化することで
ある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、冒頭に記載された方法で請求項1の特徴部によっ
て解決される。この方法の好ましい実施態様は、請求項
2から14までのいずれか1項に記載されており、なら
びにこの方法により製造された電極のガルバーニ電気素
子は、請求項15または16記載に記載されている。
【0012】本発明による方法は、高い電気化学的安定
性を有する弗素含有ポリマー、好ましくはビニリデンフ
ルオリドおよびヘキサフルオロプロピレンを基礎とする
電極を湿式化学的方法で自立箔として製造することを可
能にするかまたは支持体上、例えばポリエステル箔上に
施こすかもしくはそのまま転向電極上に施こし、引続き
連続的方法で、例えば高い断片数の製造に不可欠である
連続的方法で層状複合体に熱時に貼り合わせ、ひいては
コンタクト最適化された電池複合体の利点を維持するこ
とを可能にし、この場合この電池複合体は、もはや特殊
なコイル技術によるかまたは外部圧力によるコイル型電
池(Wickelzellen)の場合に堅固なケーシング、ひいて
は一般に重金属のケーシングによって固有の圧力の影響
に依存しない。本発明による概念の場合に、箔は、通常
の環境条件下で完成され、電池ケーシングの範囲内で初
めて電解質は、最終的に保護ガス雰囲気下で対応配置さ
れている。
【0013】冒頭に記載された公知技術水準に示されて
いるように、箔の引き伸ばしの際に固体成分の沈降を停
止させ、多数の転向ロールならびに数回の巻取りおよび
巻出しを含む引続く完成過程において箔を十分に可撓性
に維持するために、これまで可塑剤が必要であると一般
に思われていた。更に、可塑剤は、引続く電解質での充
填のためのスペーサーとして十分な微細多孔度を提供
し、したがって本質的な部分は再び抽出されなければな
らなかった。その上、可塑剤は、電極中で貼り合わせ過
程による転向板もしくはセパレータへの付着を可能にす
る。
【0014】しかし、本発明によれば、可塑剤を全く添
加することなく沈降効果なしに十分に柔軟な箔を製造す
ることができ、専らメチルピロリジン−2−オンと共に
溶剤として好ましいアセトンの蒸発によって、ポリマー
の完成過程および自然の脆化もしくは老化の際に引続く
電解質での充填のために十分な微細多孔度を提供するこ
とができることが判明した。その上、電解質の収容のた
めに電極中に含まれている導電性改良剤、一般に高い吸
収能を有する炭素が有利に効果を及ぼし、したがって多
孔度は、公知の方法の場合とは異なり可塑剤によっての
み提供されうる。本発明による本質的な利点は、可塑剤
およびその除去が上記の全ての欠点と一緒に完全に省略
され、転向電極およびセパレータへの電極の結合のため
にポリマーの融点を利用することができることにある。
この過程の際に既にリチウム塩および/または可塑剤が
含まれている場合には、一般に融点の低下および電解質
塩の分解によるガス発生の可能性、一般に可塑剤の蒸発
が生じる。この可塑剤は、貼り合わせの際に液状箔とし
て電極表面で分離され、結合が阻止される。
【0015】本発明によれば、可塑剤なしに湿式化学的
に反応させることができる方法によって多孔質化された
構造体が提供され、この構造体は、引続き液状電解質で
充填される。それによって、この系は、液状電解質電池
を留めている。
【0016】可塑剤の完全な代替は、望ましい電気化学
的性質と共に特殊な構造の機械的性質を一緒にもたら
す、置換分としての無機物質または化合物を前提条件と
する。リチウム介在電極の場合には、電極の電子伝導性
の改善のために全く特殊なカーボンブラックが使用さ
れ、この場合このカーボンブラックは、多数の性質を併
せて持っていなければならない。優先的方向で黒鉛と比
較することができる、高い電子伝導性と共に、同時に有
効表面積、即ちBET表面積は、できるだけ小さく維持
される。これは、反応表面積を液状の有機電解質で最小
化するために必要とされる。それというのも、反応層
は、この反応層の形成の際に可逆的にリチウムを消費
し、電池の抵抗をこの電池の厚さの関数として上昇させ
るからである。表面積が最小化された黒鉛を用いた場合
には、比較可能な低い表面積値が達成されうる。しか
し、黒鉛それ自体は、小さなBET表面積にも拘わらず
負極において導電性の改善には不適当である。それとい
うのも、この黒鉛は、リチウムを介在させ、その際にこ
の黒鉛の表面には単にイオン伝導性の不動態化層、SE
I、”solid electrolyte interface”を液状有機リチ
ウム電解質との反応生成物として形成させるからであ
る。同様に、黒鉛は、一定量の液状電解質を貯蔵する状
態にはない。これに対して、本発明により適したカーボ
ンブラックは、付加的に前記の好ましい貯蔵特性を有
し、電極中の電解質の量を上昇させることができ、それ
によって電極のイオン伝導性を上昇させることができ
る。このようなカーボンブラックの格子構造は、リチウ
ムを殆んど介在させず、ひいては黒鉛の場合の立場と比
較不可能なSEIを形成させる程度に設計されている。
箔の機械的性質は、可塑剤に対する代替物として極めて
好適であるカーボンブラックによって有利に改善され
る。
【0017】本発明により適したカーボンブラックは、
50〜500m/g、有利に50〜150m/g、
殊に50〜80m/gのBET表面積ならびに10
S/cmの最小導電度を有する。嵩密度は、0.05〜
0.30g/cmの範囲内にあり、液体吸収量は、1
〜20ml/g、有利に5〜10ml/gである。カー
ボンブラックは、正極および負極に等しく使用すること
ができ、実際に0.1〜20質量%、有利に2〜6質量
%、殊に2〜2.5質量%の量(負極側)および4.5
〜5.5質量%の量(正極側)で使用することができ
る。前記の記載は、溶剤を含めて全部のペースト配合物
に対するものである。(この種のカーボンブラックは、
SedemaまたはKeitjen BlackのSuper Pの商品名で販売さ
れている。)一般に、積層構造を有する物質、例えば黒
鉛またはLiCoOは、機械的に有利な方法で可塑剤
を代替するのに適している。これは、黒鉛の滑り効果で
説明することができる。黒鉛は、上記理由から正極にの
み使用される。この場合には、正極中で導電性を改善す
るための黒鉛と負極中で活性リチウムを介在させる物質
として使用するための黒鉛とは、区別される。導電性改
良剤として使用するための黒鉛は、数μm以下の粒径で
極めて微細であり、リチウムを可逆的に介在させる黒鉛
の性質は、殊に第1の半作業周期の間にリチウムの不可
逆的な吸収が高すぎるという意味において劣悪であり、
一方で、黒鉛は、負極中の活物質として使用するため
に、少なくとも20μm、好ましくは35〜50μmの
範囲内の粒径を有していなければならず、付加的に特殊
な構造および表面のために活物質としての適性を有して
いる。
【0018】LiCoOは、例示的にLi−Me−O
化合物を表わし、この場合Meは、遷移金属を表わし、
酸素は、電気化学的安定性の向上のために弗素によって
置換されていてもよく、構造を安定化する主族の元素、
例えばMgまたはAlは、有利であることができる。前
記の元素は、電池中の電気化学的高温安定性に有利に影
響を及ぼすことができる。前記化合物は、電気化学的理
由、リチウムに対する電位の状態、から正極にのみ使用
される。一般に、正極箔のための電気化学的に活性な物
質としては、三元(Li−Me1−O)または四元(L
i−Me1−Me2−O)のリチウム遷移金属酸化物の
群からの物質が適しており、この場合Me1およびMe
2はTi、V、Cr、Fe、Mn、Ni、Coの群から
選択されたものであり、その際前記化合物は、場合によ
っては構造の安定化のために付加的にMg、Al、Nま
たはFを15原子%まで含有する。
【0019】負極箔の電気化学的に活性な物質として
は、黒鉛化された炭素態種が使用される。
【0020】また、充電された電池中の液状有機電解質
を有する反応生成物、例えばLiCOまたはLiO
Hは、正の側にあるものと思われ、したがって本発明に
よれば、活性なリチウム介在物質は、正の側での可塑剤
のための置換基として0.1〜2m/gのBET表面
積、9〜11.5の塩基性のpHならびに1〜50μm
の粒径を有している。場合によっては、LiCO
たはLiOHを用いて表面処理が行なわれる。この物質
の場合には、1.9〜2.6g/cmの嵩密度、3.
8〜4.3の密度が典型的である。好ましい量は、0.
1〜25質量%、有利に5〜20質量%、特に有利に1
0〜15質量%である。前記の記載は、溶剤を含めて全
部のペースト配合物に対するものである。LiCoO
は、0.98〜1.05のLi/Co比および少なくと
も650℃の製造温度に対して極めて良好な電気化学的
性質を有する。
【0021】箔を製造するためのペースト中の溶剤含量
は、50〜75質量%、有利に55〜75質量%、特に
有利に57.5〜62.5質量%である。
【0022】正極箔の場合のPVDF/HPF比は、最
高で99.5ないし最小で0.5、有利に最高で80な
いし最小で20であり、PFDF/HFPの分子量の比
は、3.2〜2.8、有利に2.3〜2.5である。負
極箔の場合のPVDF/HFP比は、最高で99.5な
いし最小で0.5、有利に最高で85ないし最小で15
であり、PFDF/HFPの分子量の比は、3.2〜
2.8、有利に2.3〜2.5である。密度は、1.6
〜1.9g/cm、有利に1.7〜1.8g/c
、特に有利に1.78g/cmであり、融点は、
130℃を超え、有利に145℃を超え、特に有利に1
54〜155℃であり、溶融エンタルピーは、40〜5
5J/g、有利に44〜46J/gである。
【0023】出発ペーストの粘度は、0.1〜15パス
カル、有利に1〜10パスカル、殊に3〜6パスカルで
ある。
【0024】
【実施例】例1 陽極の製造のために、アセトン250mlをPVDF−
HFP27.8g(Powerflex, Elf Atomchem)と一緒
に500mlのエルレンマイヤーフラスコ中に装入し、
水浴中で42℃に加熱する。IKA混合装置を用いて、
ポリマーが完全に溶解するまで攪拌する。次に、導電性
カーボンブラック6.2g(Super P, Sedema)および
球状黒鉛275.3g(MCMB 25-28, Osaka Gas)を添
加し、2時間攪拌する。この場合、回転段階は、直接に
なお空気が下方へ攪拌されることがない程度に強く調節
される。
【0025】陰極についても、同様の形式で実施され、
この場合には、アセトン250ml上にPVDF−HF
P24.8g(Powerflex, Elf Atochem)、導電性カー
ボンブラック2.6g(Super P, Sedema)、導電性改
良剤としての黒鉛2.6g(KS 6, Timcal)ならびにリ
チウムコバルト酸化物276.2g(FMC)を装入す
る。
【0026】陽極および陰極を19〜21g/cm
単位面積当りの質量でテープキャスティング(Tape-Cas
ting)を用いて製造する。マイラー(Mylar)(ポリエ
ステル)は、担体箔として使用される。引続き、陽極を
銅箔上に160℃の温度および45kgの押付け圧力で
貼合せる。この場合、ロールラミネーション(Rollenla
mination)の場合の有効幅は、6cmである。陰極に
は、165℃および35kgのパラメーターが指定され
ている。こうして貼合されたストリップから約6×3c
の活性面積を有する陽極および陰極を打ち抜き、こ
れらをバイセル(Bizellen)(負極/セパレータ/正極
/セパレータ/負極)に貼合せる。
【0027】セパレータは、3層(PP/PE/PP)であり、
薄手のPVDF−HFP層を備えている。最初に、セパ
レータを130℃および10kgで両面で正極上に貼合
せ、次に第2のラミネーション過程において同様のパラ
メーターで上側の負極および下側の負極を貼合せる。こ
の場合、有効幅は3cmである。
【0028】例2 例1の場合と同様に実施するが、しかし、この場合に
は、正極を直接に銅箔上に注型する。
【0029】図1には、C/5での負荷の際の本発明に
よる電池の場合の放電電圧および電極の電流の経過が示
されている。この場合には、貼合せによって製造された
電極の場合(例1)の電流および電圧IまたはU
示されており;直接の注型によって製造された電極の場
合(例2)の電流および電圧IまたはUが示されて
いる。
【0030】図2および3は、20℃(図2)および6
0℃(図3)の温度ならびにC/2の電流の場合の作業
周期数nに依存する容量経過Kを示す。若干の初期作業
周期の場合には、負荷電流はC/5である。
【0031】Kは、貼合された電極(例1)について
の測定値を示し、Kは、直接に転向板上に注型された
電極についての測定値を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】C/5での負荷の際の本発明による電池の場合
の放電電圧および電極の電流の経過を示す線図。
【図2】20℃の温度ならびにC/2の電流の場合の作
業周期数nに依存する容量経過Kを示す線図。
【図3】60℃の温度ならびにC/2の電流の場合の作
業周期数nに依存する容量経過Kを示す線図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コンラート ホル ドイツ連邦共和国 アーレン−デヴァンゲ ン シュピッツアッカーリング 23 (72)発明者 デジャン イリック ドイツ連邦共和国 エルヴァンゲン ウー ラントシュトラーセ 8 Fターム(参考) 5H029 AJ14 AK03 AL07 CJ08 CJ22 DJ08 EJ04 EJ13 HJ00 HJ01 HJ05 HJ07 HJ20 5H050 AA19 BA17 CA07 CB08 DA10 DA11 EA24 GA10 GA22 HA00 HA01 HA05 HA07 HA17

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも2つの異なる弗素化されたポ
    リマーの混合物からなり、このポリマーのポリマーマト
    リックス中で不溶性の電気化学的に活性な物質が微細に
    分散されている、少なくとも1つのリチウム介在電極を
    含む、ガルバーニ電気素子のための電極箔を製造する湿
    式化学的方法において、少なくとも2つの異なる弗素化
    されたポリマーを溶剤中に溶解し、可塑剤、膨潤剤また
    は電解質の添加なしに専らBET表面積が表面積の最小
    化された黒鉛と活性化された炭素との間にある高導電性
    カーボンブラック、およびリチウムが可逆的に取付け可
    能および取外し可能である、二次元の層構造および少な
    くとも10−4S/cmの電子伝導性を有する電気化学
    的に活性な物質と混合し、こうして得られたペースト状
    物質を電極誘導体または担体箔上に施こし、乾燥させる
    ことを特徴とする、ガルバーニ電気素子のための電極箔
    を製造する湿式化学的方法。
  2. 【請求項2】 ポリマーとして弗化ビニリデンおよびヘ
    キサフルオロプロピレンを使用する、請求項1記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 溶剤としてN−メチルピロリジン−2−
    オンまたはアセトンを使用する、請求項1または2記載
    の方法。
  4. 【請求項4】 正極箔のための電気化学的に活性な物質
    として三元(Li−Me1−O)リチウム遷移金属酸化
    物または四元(Li−Me1−Me2−O)リチウム遷
    移金属酸化物の群からの1つ物質を使用し、この場合M
    e1およびMe2は、Ti、V、Cr、Fe、Mn、N
    i、Coの群から選択されたものであり、前記化合物
    は、場合によっては付加的に構造体の安定化のためにM
    g、Al、NまたはFを15原子%まで含有する、請求
    項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】 負極箔の電気化学的に活性な物質として
    黒鉛化された炭素態種を使用する、請求項1から3まで
    のいずれか1項に記載の方法。
  6. 【請求項6】 正極箔の活物質として0.1〜2m
    gのBET表面積および1〜50μmの粒径を有する物
    質を使用する、請求項1から5までのいずれか1項に記
    載の方法。
  7. 【請求項7】 正極物質として0.98〜1.05のL
    i/Co比を有するLiCoOを使用する、請求項1
    から6までのいずれか1項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 カーボンブラックのBET表面積が30
    〜150m/gの間、有利に50〜80m/gの間
    にあり、カーボンブラックの液体吸収量が1〜20ml
    /g、有利に5〜10ml/gである、請求項1から6
    までのいずれか1項に記載の方法。
  9. 【請求項9】 負極箔のためのペースト混合物が炭素物
    質を55〜95質量%、有利に65〜85質量%含有す
    る、請求項1から8までのいずれか1項に記載の方法。
  10. 【請求項10】 正極箔のためのペースト混合物がリチ
    ウム遷移金属酸化物を65〜98質量%、有利に75〜
    95質量%含有する、請求項1から9までのいずれか1
    項に記載の方法。
  11. 【請求項11】 ペースト混合物が溶剤を50〜75質
    量%、有利に55〜65質量%含有する、請求項1から
    10までのいずれか1項に記載の方法。
  12. 【請求項12】 正極箔の場合のPVDF/HPF比が
    最高で99.5ないし最小で0.5、有利に最高で80
    ないし最小で20であり、PFDF/HFPの分子量の
    比が3.2〜2.8、有利に2.3〜2.5である、請
    求項1から11までのいずれか1項に記載の方法。
  13. 【請求項13】 負極箔の場合のPVDF/HFP比が
    最高で99.5ないし最小で0.5、有利に最高で85
    ないし最小で15であり、PFDF/HFPの分子量の
    比が3.2〜2.8、有利に2.3〜2.5である、請
    求項1から12までのいずれか1項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 出発ペーストの粘度を1〜10パスカ
    ル、有利に3〜6パスカルに調節する、請求項1から1
    3までのいずれか1項に記載の方法。
  15. 【請求項15】 請求項1から12までのいずれか1項
    に記載の方法により製造された、少なくとも1つの電極
    箔を有するガルバーニ電気素子。
  16. 【請求項16】 請求項1から12までのいずれか1項
    に記載の方法により製造された正極箔および負極箔がセ
    パレータ上に貼り合わされており、スタックが液状の有
    機電解質で含浸されている、請求項15記載のガルバー
    ニ電気素子。
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