JP2006060193A - 複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電極活物質に、炭素系導電材を水に分散させてなる分散液をスプレーすることで、炭素系導電材が電極活物質表面に付着した複合粒子を得る。好ましくは、スプレーする際に、該電極活物質を容器内で流動させる。該分散液は、更に結着剤および/または分散剤を含むことが好ましい。上記の製造方法により得られる複合粒子を含む電気化学素子用電極材料を用いて電気化学素子用電極を製造することで、内部抵抗が小さく、高容量で、電極密度が均一な電気化学素子を得ることができる。
【選択図】 なし
Description
また、本発明の第二によれば、上記の製造方法により得られる該複合粒子を含む電気化学素子用電極材料が提供される。
また、本発明の第三によれば、該電気化学素子用電極材料からなる活物質層を集電体上に形成する工程を含む電気化学素子用電極の製造方法、及び該製造方法により得られる電気化学素子用電極が提供される。
本発明の製造方法は、電極活物質に、炭素系導電材を水に分散させてなる分散液をスプレーする工程を有する、炭素系導電材が電極活物質表面に付着した複合粒子の製造方法である。
本発明で用いる電極活物質は、電気化学素子の種類によって異なる。リチウムイオン二次電池の正極用の電極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4などのリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS3などの遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O・P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物;が例示される。さらに、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどの導電性高分子を用いることもできる。
また、リチウムイオン二次電池の負極用の電極活物質としては、例えば、アモルファスカーボン、グラファイト、天然黒鉛、メゾカーボンマイクロビーズ(MCMB)、及びピッチ系炭素繊維などの炭素質材料;ポリアセン等の導電性高分子などが挙げられる。
本発明に使用する炭素系導電材は、導電性を有し、電気二重層を形成し得る細孔を有さない炭素の同素体である。炭素系導電材は、電気化学素子用電極の導電性を向上させるもので、電極活物質の表面に付着させて使用する。本発明の複合粒子は表面に炭素系導電材が均一に付着しているので、電極形成時に炭素系導電材を電極層内部に均一に分散させることができる。炭素系導電材の重量平均粒径は、電極活物質の重量平均粒径よりも小さいものを使用し、通常0.01〜10μm、好ましくは0.5〜5μm、より好ましくは0.1〜1μmの範囲である。炭素系導電材の粒径がこの範囲にあると、電極活物質の表面に容易に付着させることが出来る。具体的には、ファーネスブラック、アセチレンブラック、及びケッチェンブラック(アクゾノーベル ケミカルズ ベスローテン フェンノートシャップ社の登録商標)などのカーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;気相法炭素繊維等の炭素繊維;が挙げられる。これらの中でも、カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラックおよびファーネスブラックがより好ましい。
本発明に使用する導電材は、水に分散した分散液の状態で電極活物質にスプレーされる。分散媒として水を用いることで、スプレーする工程における着火や粉塵爆発の発生を防止することができ、安全性に優れる。また、これらの危険を防止するための特別な装置を使用したり、不活性ガス中で製造したりする必要がないので、複合粒子の生産性に優れる。分散媒には、これらの効果を損なわない範囲で、有機溶媒を含んでいてもよい。有機溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどのアルキルアルコール類;アセトン、メチルエチルケトンなどのアルキルケトン類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジグライム等のエーテル類;ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルイミダゾリジノン等のアミド類;ジメチルスルホキサイド等のイオウ系溶剤;などが挙げられるが、アルキルアルコール類が好ましい。水よりも沸点の低い有機溶媒を併用すると、スプレーする工程における乾燥速度を速くすることができる。また、後述する結着剤の分散性および分散剤の溶解性が変わるので、分散液の粘度や流動性を有機溶媒の量または種類によって調整でき、取扱適正および生産効率を向上させることができる。有機溶媒の使用量は、水に対して、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下である。
熱可塑性高分子化合物のガラス転移温度(Tg)は、好ましくは−80〜20℃、より好ましくは、−60℃〜0℃であり、Tgがこの範囲であると、結着剤の結着力に優れ、電気二重層キャパシタ用電極を比較的低温で成形することが可能である。結着剤として熱可塑性高分子化合物を使用することにより電気二重層キャパシタ用電極に強度と柔軟性を付与できる。
粒子状の結着剤の平均粒子径がこの範囲であるときに、高い結着力を活物質層に与えることができる。ここで、粒子径は、透過型電子顕微鏡写真で無作為に選んだ結着剤粒子100個の径を測定し、その算術平均値として算出される個数平均粒子径である。粒子の形状は球形、異形、どちらでもかまわない。
中でも、セルロース系ポリマーならびにこれらのアンモニウム塩およびアルカリ金属塩が好ましい。
本発明の複合粒子の製造方法は、電極活物質に炭素系導電材を含む分散液をスプレーする工程を有する。本発明において分散液をスプレーするとは、分散液を霧状にして電極活物質に吹き付けることを言い、具体的にはスプレーする装置(アトマイザ)を使用することができる。アトマイザの種類は、大きく分けて回転円盤方式と加圧方式に分けられどちらも好ましく使用できる。回転円盤方式は、高速回転する円盤のほぼ中央に分散液を導入する方法であり、分散液が円盤を離れる際、霧状となってスプレーされる。円盤の回転速度は円盤の大きさにもよるが、通常5,000〜30,000rpm、好ましくは15,000〜30,000rpmである。加圧方式は、加圧した分散液をノズルから霧状にスプレーする方法である。スプレーされる分散液の温度は、通常室温でよいが、加温してもよい。分散液を電極活物質にスプレーし、分散媒が蒸発することで、電極活物質表面に炭素系導電材を付着させることが出来るので、電極活物質の導電性を有効に向上できる。スプレーする際に、該電極活物質が容器内で流動していると、電極活物質に均一に炭素系導電材が付着するため好ましい。電極活物質を含む流動層の温度は、通常室温(25℃)〜150℃、好ましくは50〜120℃である。
本発明の電気化学素子用電極材料は、前記本発明の製造方法で得られる複合粒子を含み、そのほか必要に応じて他の結着剤やその他の添加剤を含有する。
電気化学素子用電極材料中の複合粒子の含有量は、通常50重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%以上である。
その他の添加剤には、水やアルコールなどの成形助剤等があり、本発明の効果を損なわない量を適宜選択して加えることができる。
本発明の電気化学素子用電極の製造方法は、前記本発明の電気化学素子用電極材料からなる活物質層を集電体上に形成する工程を含む。
本発明に使用される集電体用材料としては、例えば、金属、炭素、導電性高分子などを用いることができ、好適には金属が用いられる。集電体用金属としては、通常、アルミニウム、白金、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼、その他の合金等が使用される。これらの中で導電性、耐電圧性の面からアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用するのが好ましい。また、高い耐電圧性が要求される場合には特開2001−176757号公報等で開示される高純度のアルミニウムを好適に用いることができる。集電体は、フィルムまたはシート状であり、その厚みは、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常1〜200μm、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜50μmである。
後加圧の方法は、ロールによるプレス工程が一般的である。プレス工程では、2本の円柱状のロールをせまい間隔で平行に上下にならべ、それぞれを反対方向に回転させて、その間に電極をかみこませ加圧する。ロールは加熱又は冷却等、温度調節しても良い。
電気二重層キャパシタ用電極材料の製造
導電材として平均粒径0.7μmのアセチレンブラック(デンカブラック粉状;電気化学工業社製)5部、分散剤としてカルボキシメチルセルロースを5%含む水溶液(セロゲン7A;第一工業製薬社製)30部、結着剤としてカルボキシ変性スチレン・ブタジエン共重合体(粒子径0.12μm、ガラス転移温度−5℃)を水に分散した分散液(BM400B;日本ゼオン社製、濃度40%)17.5部及び水を加えてプラネタリーミキサーで混合して導電材分散液135部を得た。
得られた電気二重層キャパシタ用電極から、40mm×60mmの電極を切り抜き、重量と体積を測定し、集電体部分を除いた電極密度を計算し、以下の基準で判断した。
電極密度が0.60g/cm3以上:◎
0.55g/cm3以上0.60g/cm3未満:○
0.50g/cm3以上0.55g/cm3未満;△
0.5g/cm3未満:×
また、上記切り抜いた電極をさらに10mm×10mmの均一な大きさに分割し、各々の重量を測定して集電体部分を除いた電極密度を計算した。得られた分割後の電極密度と、分割前の電極密度との差の最大値を電極密度のばらつきとし、以下の基準で電極密度の均一性を判断した。
ばらつきが0.1g/cm3未満:◎
0.1g/cm3以上0.15g/cm3未満:○
0.15g/cm3以上0.2g/cm3未満:△
0.2g/cm3以上:×
上記で得られた電気二重層キャパシタ用電極から、リード端子を残し40mm×60mmの大きさの電極を2枚切り抜き、2枚の電極を対向させ、厚さ25μmのポリエチレンセパレータを挟んだ。これを厚さ2mm、幅50mm、高さ70mmの2枚のポリプロピレン製の板で挟持した。2枚のプロピレン製の板の間の厚みは0.68mmであった。これにプロピレンカーボネートに1.5mol/Lの濃度でトリエチレンモノメチルアンモニウムテトラフロロボーレートを溶解した電解液を減圧下で含浸させ、ポリプロピレン製容器に収納し電気二重層キャパシタを作成した。
内部抵抗
4ΩF未満:◎
4ΩF以上5ΩF未満:○
5ΩF以上6ΩF未満:△
6ΩF以上:×
静電容量
58F/g以上:◎
55F/g以上58F/g未満:○
45F/g以上55F/g未満:△
45F/g未満:×
電気二重層キャパシタ用電極材料
結着剤としてカルボキシ変性スチレン・ブタジエン共重合体を水に分散した分散液17.5部にかえて、共重合組成がアクリル酸2−エチルヘキシル/スチレン/メタクリル酸/エチレングリコールジメタクリレート=80/14/4/2(重量比)である架橋型アクリレート重合体(粒子径0.15μm、ガラス転移温度−40℃)の水分散物(40%濃度)17.5部を使用した他は、実施例1と同様にして複合粒子(A−2)を得た。得られた複合粒子(A−2)を実施例1と同様に測定したところ、重量平均粒子径は70μmであった。得られた粒子を電子顕微鏡で観察したところ、活性炭粒子の表面にアセチレンブラック粒子が付着していることが確認された。次いで、複合粒子(A−1)に代えて、複合粒子(A−2)を使用する以外は実施例1と同様に室温で電気二重層キャパシタ用電極を作成し、実施例1と同様に電極密度、及び電極密度の均一性を測定した。結果を表1に示す。
得られた電極を使用し実施例1と同様に電気二重層キャパシタを作成し、実施例1と同じ項目について得られた電気二重層キャパシタの特性を測定した。結果を表1に示す。
導電材として平均粒径0.7μmのアセチレンブラック(デンカブラック粉状;電気化学工業社製)5部、分散剤としてカルボキシメチルセルロースを5%含む水溶液(セロゲン7A;第一工業製薬社製)30部及び水を加えてプラネタリーミキサーで混合して導電材分散液135部を得た。
電極活物質として実施例1で使用したものと同種の高純度活性炭粉末100部を流動層造粒機(ホソカワミクロン社製アグロマスタ)に供給し、120℃の気流中で前記導電材分散液を10分かけて噴霧添加、混合して重量平均粒子径70μmの複合粒子(A−3)を得た。得られた粒子を電子顕微鏡で観察したところ、活性炭粒子の表面にアセチレンブラック粒子が付着していることが確認された。
メカニカルスターラー及びコンデンサーを装着した反応器に、窒素雰囲気下、脱イオン水674.9部、28%ラウリル硫酸ソーダ水溶液7.1部、及びトリポリリン酸ナトリウム0.8部を供給し、攪拌しながら75℃に加熱した。この反応器に、2.44%過硫酸アンモニウム水溶液82部を添加し、次いで2−エチルヘキシルアクリレート84部、スチレン14部、及びエチレングリコールジメタクリレート2部からなる単量体混合物を、2時間かけて一定の速度で反応器に添加し、重合転化率が98%になるまで反応させた。続けて2−エチルヘキシルアクリレート37部、メチルメタクリレート58部、メタクリル酸3部、及びエチレングリコールジメタクリレート2部からなる単量体混合物を反応器に2時間かけて一定の速度で添加し、添加終了後、反応温度を80℃に保って3時間反応を継続させて結着剤を含む水分散液を得た。この分散液をスプレー乾燥して結着剤粉末を得た。
複合粒子(A−3)128部と前記結着剤粉末7部とをヘンシェルミキサーを使用して混合し、得られた混合物をスクリューフィーダーにて厚みが40μmのアルミ集電体上に散布し、ブレードを使用して集電体上の粒子の厚みを均一にならした後、実施例1と同様に加圧成形して電極層の厚みが200μmの電気二重層キャパシタ用電極を得た。得られた電気二重層キャパシタ用電極を使用して、下記に示す方法により電極密度及び電極密度の均一性を測定した。結果を表1に示す。
実施例1で使用したものと同種の活性炭粉末100部及びアセチレンブラック5部を流動層造粒機(ホソカワミクロン社製アグロマスタ)に供給し、120℃の気流中で実施例1で使用したものと同種の結着剤7部含有する水分散液135部を10分かけて噴霧添加した。得られた粒子を電子顕微鏡により観察したところ、アセチレンブラックが活性炭粉末に付着しておらず、導電材と結着剤がそれぞれ凝集した混合物となっていた。この混合物を使用して、実施例1と同様に電気二重層キャパシタ用電極を作成し、実施例1と同様に電極密度、及び電極密度の均一性を測定した。結果を表1に示す。
Claims (7)
- 電極活物質に、炭素系導電材を水に分散させてなる分散液をスプレーする工程を有する、炭素系導電材が電極活物質表面に付着した複合粒子の製造方法。
- スプレーする際に、該電極活物質が容器内で流動している請求項1に記載の製造方法。
- 分散液が、更に結着剤を含む請求項1または2に記載の製造方法。
- 分散液が、更に分散剤を含む請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られる複合粒子を含む電気化学素子用電極材料。
- 請求項5に記載の電気化学素子用電極材料からなる活物質層を集電体上に形成する工程を含む電気化学素子用電極の製造方法。
- 請求項6に記載の製造方法により得られる電気化学素子用電極。
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