JP2003272610A - 二次電池用電極板 - Google Patents

二次電池用電極板

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JP2003272610A
JP2003272610A JP2002074466A JP2002074466A JP2003272610A JP 2003272610 A JP2003272610 A JP 2003272610A JP 2002074466 A JP2002074466 A JP 2002074466A JP 2002074466 A JP2002074466 A JP 2002074466A JP 2003272610 A JP2003272610 A JP 2003272610A
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current collector
secondary battery
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JP2002074466A
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Hiroki Nakagawa
博喜 中川
Rei Hiromitsu
礼 弘光
Takekazu Mikami
豪一 三上
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Dai Nippon Printing Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、活物質層と集電体との密着性に優
れ、電池の組立工程や充放電時に、集電体から活物質層
が剥離するなどの問題がない電極板、並びに充放電を繰
返し行った場合でも、充放電容量の低下などが実質的に
生じず、従ってサイクル特性が向上した二次電池を提供
することを課題とする。 【解決手段】 本発明の電極板は、集電体と活物質層と
を積層してなる二次電池用電極板において、前記集電体
と活物質層との間に、リン含有層を介在させたものであ
る。本発明の電極板は、例えば、リン酸金属塩を含有す
る水溶液を用いて集電体表面を処理することにより集電
体表面にリン含有層を形成し、次いで該被膜層上に活物
質層を形成することにより製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池用電極
板、更に詳しくは非水電解質を充填して使用される二次
電池用の電極板に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器及び通信機器の小型化及
び軽量化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源とし
て用いられる二次電池に対しても小型化及び軽量化が要
望されている。そのために、アルカリ蓄電池に代わり、
高エネルギー密度、高電圧を有するリチウムイオン二次
電池を代表とする非水電解質二次電池が提案されてい
る。
【0003】非水電解質二次電池を構成する正極用電極
板及び負極用電極板は、二次電池の性能に大きく影響を
及ぼす。そこで、正極用電極板及び負極用電極板に特別
な処理を施した非水系のリチウム二次電池が開発されて
いる(特開平4−249860号公報)。該公報の正極
用電極板は、集電体である金属箔の両面に、LiCoO
2などの正極用電極活物質をポリフッ化ビニリデンなど
のバインダーに分散させたペースト状組成物の塗膜を形
成させ、負極用電極板は、集電体である金属箔の両面
に、黒鉛粉末などの負極用電極活物質をポリフッ化ビニ
リデンなどのバインダーに分散させたペースト状組成物
の塗膜を形成させたものである。
【0004】しかしながら、上記ポリフッ化ビニリデン
などのバインダーは金属箔との密着性が不充分であるた
めに、電池の組み立て工程において、又は数百回以上の
充放電を繰り返して電池を使用した場合において、電極
活物質が金属箔から剥離又は脱落したり、クラックなど
が発生することが避けられない。そのために、上記公報
に記載の非水系リチウム二次電池は、その充放電容量が
大きく低下する欠点を有している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、活物質層と
集電体との密着性に優れた電極板を提供することを課題
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決すべく鋭意研究を重ねた結果、集電体と活物質層と
の間にリン酸金属塩を含む被膜層を介在させることによ
り、所望の電極板が得られることを見い出した。本発明
は、斯かる知見に基づき完成されたものである。 1.本発明は、集電体と活物質層とを積層してなる二次
電池用電極板において、前記集電体と活物質層との間に
リン含有層を介在させた二次電池用電極板である。 2.本発明は、リン含有層がリン酸金属塩による化学処
理被膜層である上記1記載の電極板である。 3.本発明は、リン含有層が、さらに水溶性合成樹脂を
含有する上記1又は2記載の電極板である。 4.本発明は、水溶性合成樹脂が、アクリル系樹脂、フ
ェノール系樹脂及びウレタン系樹脂からなる群より選ば
れた少なくとも1種である上記3記載の電極板である。 5.本発明は、集電体がアルミニウムである上記1記載
の電極板である。 6.本発明は、リン酸金属塩を含有する水溶液を用いて
集電体表面を化学的に処理して、集電体表面にリン含有
層を形成し、次いで該リン含有層上に活物質層を形成す
る二次電池用電極板の製造方法である。 7.本発明は、上記1〜5のいずれかに記載の電極板を
含む二次電池である。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の二次電池用電極板 本発明の二次電池用電極板は、集電体と活物質層とを積
層してなる二次電池用電極板であって、前記集電体と活
物質層との間にリン含有層を介在させたものである。
【0008】本発明の電極板を構成する集電体及び活物
質層は限定がなく、公知の集電体及び活物質層でよい。
【0009】集電体 電極板が正極用の電極板である場合、集電体としては、
例えばアルミニウムなどが挙げられる。
【0010】電極板が負極用の電極板である場合、集電
体としては、例えば銅などが挙げられる。
【0011】これら集電体の厚みは、通常5〜30μm
程度、好ましくは10〜20μm程度がよい。このよう
な集電体は、例えばアルミニウム箔、銅箔などである。
【0012】活物質層 本発明電極板が正極用電極板である場合、活物質層を構
成する活物質は正極活物質である。正極活物質として
は、公知のものを広く使用でき、例えばリチウム酸化
物、カルコゲン化合物などが挙げられる。リチウム酸化
物としては、具体的には、コバルト酸リチウム(LiC
oO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネ
ル型マンガン酸リチウム(LiMn24)などが挙げら
れる。カルコゲン化合物としては、具体的には、二硫化
チタン(TiS2)、二硫化鉄(FeS2)、二硫化モリ
ブデン(MoS2)などの硫化物、二酸化マンガン(M
nO2)、酸化モリブデン(VI)(MoO3)、酸化バナジ
ウム(V)(V25)などの酸化物などが挙げられる。
【0013】これら正極活物質のうち、コバルト酸リチ
ウム、スピネル型マンガン酸リチウムなどが好ましい。
【0014】本発明電極板が負極用電極板である場合、
活物質層を構成する活物質は負極活物質である。負極活
物質としては、公知のものを広く使用でき、例えば炭素
系化合物、具体的には、グラファイト、カーボンブラッ
ク、アセチレンブラックなどが挙げられる。
【0015】これら負極活物質のうち、カーボンブラッ
クが好ましい。
【0016】活物質層は、通常、上記活物質と共に、結
着剤(バインダー)を含有する。
【0017】結着剤としては、この分野で公知のものを
広く使用でき、例えば、熱可塑性樹脂、より具体的には
ポリエステル樹脂(飽和ポリエステル)、ポリアミド樹
脂、ポリアクリル酸エステル、ポリカーボネート樹脂、
セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹
脂、フッ素系樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
上記以外に、スチレン−ブタジエンゴムなどのゴム系樹
脂;ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート
などのアクリル樹脂;ウレタン樹脂などの熱硬化性樹
脂、アクリレートモノマー、アクリレートオリゴマー又
はこれらの混合物からなる電離放射線(電子線)硬化型
樹脂などの樹脂を結着剤として使用することができる。
【0018】これら結着剤は、1種単独で又は2種以上
混合して使用される。
【0019】活物質と結着剤との含有割合は、通常前者
に対して後者が0.5〜20重量%程度、好ましくは1
〜10重量%程度でよい。
【0020】活物質層は、必要に応じて、導電剤を含有
していてもよい。導電剤としては、公知のものを広く使
用でき、例えばグラファイト、カーボンブラック、アセ
チレンブラックなどの炭素系化合物などが挙げられる。
【0021】これら導電剤は、1種単独で又は2種以上
混合して使用される。
【0022】これら活物質層の厚みは、通常10〜20
0μm程度、好ましくは50〜180μm程度がよい。
【0023】リン含有層 本発明の二次電池用電極板においては、上記集電体と活
物質層との間にリン含有層が形成されている。
【0024】リン含有層を構成する物質は、集電体の種
類、リン含有層形成の際に使用されるリン酸金属塩の種
類などにより異なる。
【0025】リン含有層形成の際に使用されるリン酸金
属塩としては、例えば、リン酸Cr(III)塩、リン酸
Cr(VI)塩、リン酸Zr塩、リン酸Ti塩、リン酸L
i塩、リン酸Cu塩、リン酸Fe塩、リン酸Mn塩、リ
ン酸Mg塩、リン酸Zn塩、リン酸Co塩、リン酸Sn
塩、リン酸Ni塩、リン酸W塩、リン酸Mo塩などが挙
げられる。これらリン酸金属塩の中では、リン酸Cr
(III)塩、リン酸Zr塩などが好ましい。
【0026】これらリン酸金属塩は、1種単独で又は2
種以上混合して使用される。
【0027】例えば、材質がアルミニウムである集電体
をリン酸Cr(クロム)塩化合物で処理する場合は、リ
ン含有層は、CrPO4(リン酸クロム)、AlPO
4(リン酸アルミニウム)、Al23(酸化アルミニウ
ム)、Al(OH)3(水酸化アルミニウム)、AlF3
(フッ化アルミニウム)などの物質から構成される。
【0028】材質がアルミニウムである集電体をリン酸
Zn(亜鉛)塩化合物で処理する場合は、被膜層は、Z
2PO4・4H2O(リン酸亜鉛水和物)、AlPO
4(リン酸アルミニウム)、Al23(酸化アルミニウ
ム)、Al(OH)3(水酸化アルミニウム)、AlF3
(フッ化アルミニウム)などの物質から構成される。
【0029】上記リン酸Cr塩化合物及びリン酸Zn塩
化合物以外のリン酸金属塩で処理した場合にも、上記と
同様に、リン酸金属塩及び結着剤が架橋反応に基づく共
有結合、配位結合などにより集電体面上に緻密な被膜が
形成されると共に、これらがアルミニウムなどの集電体
と反応することにより、アルミニウムなどの集電体面上
に強固な被膜が形成される。
【0030】本発明では、リン含有層は、さらに水溶性
合成樹脂を含有していてもよい。
【0031】水溶性合成樹脂としては、公知のものを広
く使用でき、例えばフェノール系樹脂、アクリル系樹
脂、ウレタン系樹脂などが挙げられる。
【0032】フェノール系樹脂としては、公知のものを
広く使用でき、例えば、フェノール化合物、アミノフェ
ノール化合物などのフェノール系化合物とホルムアルデ
ヒドとを重縮合したもの、フェノール化合物とホルムア
ルデヒドとを重縮合したものにアミノ基を導入したもの
などを挙げることができる。
【0033】フェノール系樹脂の分子量は、数平均分子
量500〜100万程度が適当であり、好ましくは10
00〜2万程度である。
【0034】フェノール系樹脂は、1種単独で又は2種
以上混合して使用される。
【0035】アクリル系樹脂としては、公知のものを広
く使用できる。アクリル系樹脂としては、例えば下記一
般式(I)で表される繰返し単位からなるアクリル系重
合体、下記一般式(II)で表される繰返し単位からなる
メタクリル系重合体、下記一般式(I)で表される繰返
し単位と下記一般式(II)で表される繰返し単位とを含
有するアクリル系重合体などを挙げることができる。
【0036】 −(CH2−CHCOR)− (I) −(CH2−C(CH3)COR)− (II) 〔式(I)及び(II)において、Rはヒドロキシ基、ア
ミド基又はヒドロキシエチル基を示す。〕アクリル系樹
脂としては、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルアミ
ド、メタクリルアミド、2−ヒドロキシエチルアクリレ
ート及び2−ヒドロキシエチルメタクリレートからなる
群より選ばれる少なくとも1種のモノマーを用いて得ら
れた重合体であるのが好ましい。
【0037】アクリル系樹脂は、上記モノマーを1種類
で重合した単独重合体であっても、2種以上の上記モノ
マーを重合した共重合体であってもよい。また上記単独
重合体及び共重合体の2種類以上を後で混合(ブレン
ド)したものであってもよい。
【0038】アクリル系樹脂の分子量は、数平均分子量
5000〜100万程度が適当であり、好ましくは1万
〜20万である。
【0039】ウレタン樹脂は、例えば分子中にアニオン
又はカチオン性基を導入して水性化したウレタン樹脂、
ウレタンプレポリマーの末端イソシアネート基に重亜硫
酸塩を付加させて水性化したウレタン樹脂などを挙げる
ことができる。
【0040】本発明では、これら水溶性合成樹脂を1種
単独で又は2種以上混合して使用できる。
【0041】本発明の二次電池用電極板において、リン
含有層の膜厚は、通常ナノメーターのオーダーである。
【0042】リン含有層は、集電体の一部又は全表面上
に形成されている。
【0043】本発明二次電池用電極板の製造 本発明二次電池用電極板は、例えば次に示す方法にて製
造される。
【0044】本発明方法においては、まず、リン酸金属
塩を含有する水溶液を用いて集電体表面を化学的に処理
して、集電体表面にリン含有層、例えばリン酸金属塩に
よる化学処理被膜層を形成する。
【0045】集電体表面へのリン含有層の形成は、具体
的には集電体表面にリン酸金属塩含有水溶液を塗布し、
乾燥することにより行われる。
【0046】リン酸金属塩含有水溶液は、集電体1m2
当たり、リン酸金属塩の量が通常0.5〜50mg、好
ましくは1〜10mgになるように集電体表面に塗布さ
れる。
【0047】リン酸金属塩含有水溶液の塗布には、公知
方法を広く適用でき、例えばロールコート法、グラビア
印刷法、バーコート法、ディッピング法、スプレー法、
刷毛を用いる方法などの各種の方法を挙げることができ
る。
【0048】リン酸金属塩含有水溶液を塗布した後の乾
燥には、公知方法を広く適用でき、例えば80〜300
℃程度、好ましくは120〜250℃程度に、0.5〜
5分程度、好ましくは1〜3分程度加熱するのがよい。
【0049】リン酸金属塩を含有する水溶液を用いて集
電体表面を化学的に処理するに先立ち、予め脱脂処理を
施しておくのが好ましい。予め脱脂処理を施すことによ
り、集電体と活物質層との密着性を一段と向上させるこ
とができる。
【0050】集電体の脱脂処理には、公知の方法をいず
れも適用することができる。このような方法としては、
例えばアルカリ浸漬法、電解洗浄法、酸洗浄法、電解酸
洗浄法、酸活性化法などが挙げられる。
【0051】例えば、集電体がアルミニウムである場
合、脱脂処理により、処理面がAl23(酸化アルミニ
ウム)皮膜になる。Al23(酸化アルミニウム)皮膜
の膜厚は、通常、数μm〜100μm、好ましくは数μ
m〜20μm程度である。
【0052】本発明方法においては、次に、集電体上に
形成されたリン含有層の上に活物質層を形成する。
【0053】この形成方法には、集電体上に活物質層を
形成させる公知の方法を広く適用できる。例えば、活物
質及び結着剤、さらに必要に応じて導電剤を溶剤に溶解
又は分散させたペーストを被覆層上に塗布すればよい。
ここで溶剤としては、例えば水、N−メチルピロリド
ン、トルエン、メチルエチルケトンなどが挙げられる。
これら溶剤は、1種単独で又は2種以上混合して使用で
きる。
【0054】ペーストをリン含有層上に塗布するに当た
っては、公知の方法を広く適用でき、例えばパテなどの
ペースト塗布具を用いる方法などを挙げることができ
る。
【0055】ペーストを塗布した後の乾燥には、公知方
法を広く適用でき、例えばペースト塗布物を60〜20
0℃程度、好ましくは80〜160℃程度に、0.5〜
5分程度、好ましくは1〜3分程度加熱するのがよい。
【0056】さらに、乾燥して得られる積層体をプレス
して、本発明の電極板を製造できる。プレス条件は、公
知のプレス条件でよく、例えばロールプレスなどのプレ
ス機を用い、プレス圧力50〜5000kg/cm2
好ましくは200〜2000kg/cm2でプレスする
のがよい。
【0057】
【発明の効果】本発明によれば、活物質層と集電体との
密着性に優れ、従って可撓性に優れた電極板が提供され
る。
【0058】本発明によれば、電池の組立工程時及び充
放電時に、集電体から活物質層が剥離したり、脱落した
り、ひび割れを生ずるなどの問題のない電極板が提供さ
れる。
【0059】本発明によれば、充放電を繰返し行った場
合でも、充放電容量の低下が実質的に生じず、従ってサ
イクル特性が向上した二次電池が提供される。
【0060】
【実施例】以下に実施例、比較例及び試験例を掲げて、
本発明をより一層明らかにする。
【0061】実施例1 電解アルミニウム箔(厚さ:15μm)の一方の面に10
重量%のリン酸Cr(クロム)塩水溶液を、ワイヤーバ
ーを用いてリン酸Cr(クロム)塩塗布量が5mg/m
2となるように塗布し、180℃で2分間加熱乾燥する
ことにより、前記電解アルミニウム箔の一方の面にリン
酸クロム塩による化学処理被膜層を形成し、易接着処理
面を設けたアルミニウム箔材料(集電箔材料)を得た。
【0062】上記で得られたアルミニウム箔材料に形成
した化学処理被膜層上に、コバルト酸リチウム粉末(活
物質)、鱗片状黒鉛(導電剤)及びポリフッ化ビニリデ
ン(結着剤)からなるペースト(このペースト中に含ま
れる前記三成分の割合は、コバルト酸リチウム粉末:鱗
片状黒鉛:ポリフッ化ビニリデン=100:3:4であ
る。)をアプリケータにて塗布後、オーブンにより15
0℃で約2分間乾燥させた。次に、ロールプレスにより
プレス圧力500kg/cm2にてプレスを行い、膜厚
80μmのシート状正極を製造した。
【0063】実施例2 10重量%のリン酸Cr(クロム)塩を主成分とする水
溶液に代えて、5重量%のリン酸Cr(クロム)塩水溶
液と10重量%のアミノフェノール系樹脂(数平均分子
量:5000、アミノ基含有量:50モル%)水溶液と
の混合液(リン酸Cr(クロム)塩水溶液とフェノール
系樹脂水溶液との混合割合は、重量比で前者:後者=
1:4)を用いた以外は、実施例1と同じ方法でシート
状正極を製造した。
【0064】実施例3 10重量%のリン酸Cr(クロム)塩を主成分とする水
溶液に代えて、5重量%のリン酸Zr(ジルコニウム)
塩水溶液、5重量%のアミノフェノール系樹脂(数平均
分子量:5000、アミノ基含有量:50モル%)水溶
液及び5重量%アクリルアミド樹脂(数平均分子量:5
0000)水溶液の混合液(アミノフェノール系樹脂と
アクリルアミド樹脂との混合割合は、重量比(固形分)
で8:1、リン酸Cr(クロム)塩水溶液と樹脂水溶液
(アミノフェノール系樹脂水溶液+アクリルアミド樹脂
水溶液)との混合割合は、重量比で前者:後者=1:
1)を用いた以外は、実施例1と同じ方法でシート状正
極を製造した。
【0065】比較例1 リン酸金属塩による化学処理を施していない電解アルミ
ニウム箔を用いた以外は、実施例1と同様にしてシート
状正極を製造した。
【0066】比較例2 10重量%のリン酸Cr(クロム)塩を主成分とする水
溶液に代えて、1重量%のアミノシランカップリング剤
水溶液を用いた以外は、実施例1と同じ方法でシート状
正極を製造した。
【0067】試験例1(密着性試験) JIS K 5400に規定されるテープ剥離試験によ
り、上記実施例及び比較例で製造した各シート状正極の
密着性を調べた。
【0068】即ち、実施例及び比較例で製造した各シー
ト状正極を適当な大きさに切り出し、1mm間隔で水平
方向及び垂直方向にそれぞれ活物質が切断されるように
11本の切れ目を入れ、1mm角のマス目を100個作
成した。その後テープを100個のマス目に圧着した
後、テープを剥離した。テープ剥離後、残存しているマ
ス目を数えた。
【0069】この剥離試験を5回繰り返し行ない、残存
マス目数の平均値を求めた。この際、小数点以下は四捨
五入した。
【0070】さらに、電解液(エチレンカーボネイトと
ジエチルカーボネイトとを体積比1:1で混合した溶媒
に、電解質としてLiPF6を1モル/lの濃度になる
ように添加したもの。この電解液は、電池性能評価に通
常使用されている。)中に、3日間浸漬した後の各シー
ト状正極についても、上記と同様にして密着性を調べ
た。
【0071】試験結果を下記表1に示す。
【0072】試験例2(充放電試験) 上記実施例及び比較例で製造した各シート状正極を用
い、下記に示すような2極式セルを用いた電池を製造
し、充放電試験におけるサイクル特性について評価を行
った。
【0073】上記シート状正極を15mmの円形に切り
抜き、対極とした直径15mm、厚さ40μmの金属リ
チウムと上記シート状正極との間に直径18mm、厚さ
25μmの円形ポリプロピレン製多孔膜からなるセパレ
ータを介在させ、正極の活物質と金属リチウムが対向
し、外層容器底面にアルミ箔が接触するように配置し
た。容器は2極式セルを用い、容器中にエチレンカーボ
ネイトとジエチルカーボネイトとを体積比1:1で混合
した溶媒に、電解質としてLiPF6を1モル/lの濃
度に調製した電解液を注入した。
【0074】上記で製造した各2極式セル型電池を、定
電流法(0.2C)にて4.2Vで充電し、2.7Vま
で放電する充放電試験を10サイクル繰り返し、初期充
電容量及びサイクル性を評価した。ここで各サイクルの
充電容量は、正極重量当たりの充電容量で計算した。サ
イクル性は、10サイクル目の充電容量を初期充電容量
で割った容量維持率(%)で評価した。
【0075】試験結果を表1に示す。
【0076】
【表1】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三上 豪一 東京都新宿区市谷加賀町一丁目1番1号 大日本印刷株式会社内 Fターム(参考) 5H017 AA03 BB14 BB16 CC01 DD05 EE01 EE05 EE06 5H050 AA07 AA08 BA17 CA02 CA07 CA11 CB08 CB09 DA04 DA09 EA00 GA11 GA22

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集電体と活物質層とを積層してなる二次
    電池用電極板において、前記集電体と活物質層との間に
    リン含有層を介在させたことを特徴とする二次電池用電
    極板。
  2. 【請求項2】 リン含有層が、リン酸金属塩による化学
    処理被膜層である請求項1記載の電極板。
  3. 【請求項3】 リン含有層が、さらに水溶性合成樹脂を
    含有する請求項1又は2記載の電極板。
  4. 【請求項4】 水溶性合成樹脂が、アクリル系樹脂、フ
    ェノール系樹脂及びウレタン系樹脂からなる群より選ば
    れた少なくとも1種である請求項3記載の電極板。
  5. 【請求項5】 集電体がアルミニウムである請求項1記
    載の電極板。
  6. 【請求項6】 リン酸金属塩を含有する水溶液を用いて
    集電体表面を処理することにより集電体表面にリン含有
    層を形成し、次いで該リン含有層上に活物質層を形成す
    ることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用電極板
    の製造方法。
  7. 【請求項7】 請求項1〜5のいずれかに記載の電極板
    を含む二次電池。
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