JP2003022800A - セパレーター/電極複合体の製造法および該複合体を含む電池素子 - Google Patents
セパレーター/電極複合体の製造法および該複合体を含む電池素子Info
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Abstract
がら加工を実施することができるように簡単に実施しう
る、ポリマーマトリックス中にポリマー中で不溶性の電
気化学的活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電池素子のためのセパレー
ター/電極複合体の製造法を記載する。 【解決手段】 活物質を含有するポリマーマトリックス
を直接に多孔質のセパレーター物質上または固体のイオ
ン伝導体からなる層上に施こし、乾燥させる。
Description
トリックス中にポリマー中で不溶性の電気化学的活物質
が微細に分散されている、少なくとも1つのリチウム介
在電極を含む電池素子のためのセパレーター/電極複合
体の製造法である。更に、本発明の対象は、前記方法に
より得られたセパレーター/電極複合体を有する電池素
子である。
薄膜電池を製造するために、多種多様の方法が公知であ
る。
えば1つの薄膜電池を認めることができ、この場合正電
極は、例えばMnO2、炭素および電解質のペースト混
合物から製造されたものであり、その際にペーストは、
フレーム中でペースト化されている。引続き、フレーム
上にセパレーターが載置され、高い温度で多孔質の電極
上に押圧される。このような方法の場合には、正電極物
質の多孔質材料が既に電解質溶液を含有していること
は、不利であり、したがって後加工をできるだけ迅速に
特殊な条件下で、殊に乾燥室内で行なわなければならな
い。
号明細書A1の記載からは、リチウムイオンアキュムレ
ーターを認めることができ、この場合正のフィルム電極
および負のフィルム電極は、セパレーターと、付着補助
する樹脂層によって結合されている。この補助する層の
付着は、殊に電極とセパレーターとの間の望ましくない
絶縁効果、ひいては高められた内部抵抗をまねきうる。
更に、このような層により望ましくない物質が電池内に
達しうる。
書の記載からは、正電極フィルムと負電極フィルムとの
間にゲル電解質が配置されているようなリチウムイオン
電池を認めることができる。ゲルは、殊にポリビニリデ
ンフルオリドまたはポリビニリデンフルオリドのコポリ
マーからなる。このような電池の製造は、費用がかか
る。それというのも、乾燥室内での電極およびゲル電解
質の加工が必要とされているからである。更に、このよ
うな電解質では、しばしば十分な導電性が達成されな
い。
レーターとして正電極と負電極との間にポリオレフィン
セパレーターが使用されているようなリチウムイオン電
池を認めることができ、この場合このポリオレフィンセ
パレーターは、電極中に使用されているのと同じ結合剤
ポリマーで被覆されている。それというのも、セパレー
ターは、最初に湿式化学的に被覆されなければならず、
引続きなお積層されなければならないからである。
19916041号明細書A1の記載から、機械的に安
定な支持体フィルム上に、例えば銅箔、黒鉛含有ペース
ト混合物および引続きポリマー混合物とSiO2とから
なる、ペーストの形のセパレーターテープを施こし、1
つのフィルムに加工するような方法が公知である。この
種の方法の場合には、活物質のスルーホールメッキ化を
ゲル状のセパレーターテープによって阻止するために、
比較的に厚手のセパレーター層が必要とされ、この場合
このセパレーター層は、電池の内部抵抗を上昇させ、エ
ネルギー密度を減少させる。
パレーターとの間の付着力ならびに電極と誘導電極との
間の付着力が最も重要である。接触損失は、電気化学的
に生じうるか、また、機械的接触損失としては、電解質
中の電極源によって生じうるか、または分解の結果とし
てガス化によって生じうる。この場合、好ましいのは、
積層型電池である。それというのも、例えばガス化によ
る自然発生的な接触損失は、起こり得ず、大きなエネル
ギー密度の形状の要因のために達成され得ないからであ
る。積層体は、製造法のために、一般に膨潤に対して耐
性を有している。
得られたフィルムを基礎とし、この場合には、一般に7
0質量%を上廻る著量の活物質は、溶解された結合剤ポ
リマー中に懸濁され、ドクターブレードによりフィルム
に引き伸ばされる。懸濁液は、場合によってはなお可塑
剤および導電性改良剤を含有する。電池複合体は、フィ
ルム状の導電性電極上に電極フィルムを積層することに
よって製造され、こうして得られた複合体は、セパレー
ターともう1つの製造工程で結合される。積層温度は、
通常、110〜140℃であり、テープ貼合せ機中で生
じる。
湿式化学的方法でフィルム注型される訳ではなく、これ
は、さらになお熱時に積層可能である。こうして、多く
のフィルムは、製造処方物に依存して加工されることが
できる訳ではない。それにも拘わらず、積層能を達成す
る1つの方法は、可塑剤を添加することに変わる。ポリ
マーのPVDFおよびHFPの場合には、可塑剤として
ジブチルフタレートが使用され、この場合このジブチル
フタレートは、積層後に抽出されなければならない。
良好な容量値のためにリチウム電池への使用に著しく重
要である、マンガン、例えばMnO2または尖晶石、例
えばLiMn2O4を基礎とする電極材料は、上記方法
により劣悪にのみ加工することができる。
任意の雰囲気下で電極材料をさらに選択しながら加工を
実施することができるような簡単に実施しうる冒頭に記
載された種類のセパレーター/電極複合体の製造法を記
載することである。
れば、冒頭に記載された種類の方法の場合に、活物質を
含有するポリマーマトリックスを直接に多孔質のセパレ
ーター物質上または固体のイオン伝導体からなる層上に
施こし、乾燥させることによって解決される。請求項2
から13までのいずれか1項には、前記方法の好ましい
実施態様が記載されており、請求項14には、請求項1
から13までのいずれか1項に記載の方法により得られ
た電極/セパレーター複合体を備えた電池素子が記載さ
れており、請求項15には、この電池素子の実施形式が
記載されている。
可能性および有効表面積(BET表面積)ならびに支持
体の湿潤可能性および有効表面積(BET表面積)は、
決定的な役割を演じる。活物質のBET表面積が、例え
ば、結合するポリマーが物質の表面性状のために凹所に
集まる程度の状態である場合には、平滑な結合下地上へ
の結合の際に原則的な困難が生じる。この種の効果は、
殊に例えばMnO2または尖晶石のLiMn2O4が殊
に弗素化された結合剤ポリマーと一緒に使用される場合
に生じる。
型された支持体が同様に細孔を有することによって解決
される。自体公知のポリオレフィンセパレーターは、こ
の性質を有する。好ましくは、製造の際に、例えばポリ
エステルからなる中間支持フィルムを省略することがで
き、積層処理と比較して、電極の結合剤ポリマーと適合
する層を用いてのセパレーターの前処理が不必要であ
る。こうして、以前には特殊な手段なしでは層に組み合
わせることができなかった材料の組合せを1つにまとめ
ることができる。
場合に適したポリマーとして、ポリ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が使用される。溶剤
としては、例えばN−メチルピロリジン−2−オンまた
はアセトンを使用することができる。多孔質のセパレー
ター物質は、殊にポリオレフィンからなるか、ポリオレ
フィン、ポリエチレンからなるか、または種々の前記材
料から多層で製造されていてもよい。
は変態を有する黒鉛化炭素がこれに該当し、一方で、正
電極は、リチウム介在物質としてマンガン化合物または
例えば電解質褐石を含有する。
は、炭素物質55〜95質量%、有利に65〜85質量
%を含有する。正電極フィルムのためのペースト混合物
は、正電極材料65〜98質量%、65〜95質量%を
含有する。本発明によるペースト混合物は、溶剤50〜
75質量%、有利に55〜65質量%を含有する。PV
DF/HFP比は、最大99.5ないし最小0.5の
間、有利に最大80ないし最小20の間にある。PVD
F/HFPの分子量の比は、3.2〜2.8の間、有利
に2.3ないし2.5の間にある。
FP比は、99.5〜0.5の間、有利に85〜15の
間にある。分子量の比は、3.2〜2.8の間、有利に
2.3〜2.5の間にある。
スカル、有利に3〜6パスカルに調節されているように
製造される。
法により得られたセパレーター/電極複合体または電極
/セパレーター/電極複合体は、少なくとも1つの誘導
電極または電極上に積層され、引続きこの積層された物
は、液状の有機電解質で含浸される。
された褐石77質量%(電解MnO2)、黒鉛6質量%
(KS6、Timcal)、導電性カーボンブラック2質量%
(Super P、Sedema)、ポリビニリデンフルオリド−ヘ
キサフルオロプロピレン7質量%(Kynar Flex 2801、E
lf Atochem)およびプロピレンカーボネート8質量%
(Merck)をアセトン中に緊密に混入し、こうして得ら
れた物質をポリオレフィンセパレーター(ポリプロピレ
ン、Celgard 2500)上にナイフ塗布し、溶剤を蒸発さ
せ、こうして得られたテープを真空乾燥させ(110
℃、48時間)、有機リチウム電解質で含浸し、セパレ
ーター/電極複合体小断片を1.6×2.3cm2の大
きさに型抜きし、銅箔ケーシング中に嵌め込み、このケ
ーシングの蓋側にリチウムを先に押圧し、ケーシングの
容器側に黒鉛を基礎とする導電性改良剤を備えさせ、容
器と蓋を、銅上に銅が発生する絶縁層で超音波溶接す
る。
電池のための百分率での標準化された容量CNに依存す
る電圧U(曲線1、黒で塗りつぶされた正方形)が、平
板状電池と同一の電気化学および陰極層厚に基づく、工
業的に標準の製造法(陰極タブレットおよびセパレータ
ーの圧縮)によるボタン電池の容量(曲線2、白黒の菱
形)と比較されて表わされている。これらの曲線から、
認めることができる出力は、平板状電池の場合に電圧領
域に亘って明らかに有利に減少していることが明らかと
なる。電流密度は、0.27mA/cm2であった。
量CNに依存する電圧Uと、平板状電池と同一の電気化
学および陰極層厚に基づく、工業的に標準の製造法によ
るボタン電池の容量に依存する電圧との比較をプロット
した図。
Claims (15)
- 【請求項1】 ポリマーマトリックス中にポリマー中で
不溶性の電気化学的活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電池素子のため
のセパレーター/電極複合体の製造法において、該活物
質を含有するポリマーマトリックスを直接に多孔質のセ
パレーター物質上または固体のイオン伝導体からなる層
上に施こし、乾燥させることを特徴とする、セパレータ
ー/電極複合体の製造法。 - 【請求項2】 ポリマーとしてポリ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使用する、請求項
1記載の方法。 - 【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。 - 【請求項4】 多孔質の膜がポリオレフィンからなる、
請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項5】 正のリチウム介在物質としてマンガン化
合物を使用する、請求項1から4までのいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項6】 負の活物質として金属リチウムを使用す
る、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項7】 負電極フィルムの電気化学的活物質とし
て黒鉛化炭素変態を使用する、請求項1から4までのい
ずれか1項に記載の方法。 - 【請求項8】 負電極フィルムのためのペースト混合物
が炭素物質55〜95質量%を含有する、請求項1から
7までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項9】 正電極フィルムのためのペースト混合物
が正電極65〜98質量%を含有する、請求項1から8
までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項10】 ペースト混合物が溶剤50〜75質量
%を含有する、請求項1から9までのいずれか1項に記
載の方法。 - 【請求項11】 正電極フィルムのためのPVDF−H
FP比が99.5〜0.5の間にあり、PVDF−HF
Pの分子量の比が3.2〜2.8の間にある、請求項1
から10までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項12】 負電極フィルムのためのPVDF−H
FP比が99.5〜0.5の間にあり、PVDF−HF
Pの分子量の比が3.2〜2.8の間にある、請求項1
から11までのいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項13】 出発ペーストの粘度を1〜10パスカ
ルに調節する、請求項1から12までのいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項14】 請求項1から13までのいずれか1項
に記載の方法により得られた、少なくとも1つの電極/
セパレーター複合体を備えた電池素子。 - 【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得られたセパレーター/電極複合体
または電極/セパレーター/電極複合体が少なくとも1
つの誘導電極または電極上に積層され、引続きこの積層
されたものが液状の有機電解質で含浸されたものであ
る、請求項14記載の電池素子。
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