JP2007035769A - 電気化学素子用電極の製造方法および電気化学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電極を作製するに際し、電極を構成する活性炭等の細孔に吸着したバインダー溶媒を除去するために超臨界状態の二酸化炭素による処理法、およびこの超臨界状態の処理法をさらに低沸点溶媒を用いてモディファイする処理法を採用する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の製造対象の一つである電気二重層キャパシタの模式断面図である。
支持体としての正極集電体21a,負極集電体21bは、導電性を有する部材であれば特に制限されず、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム等の金属板や、金属メッキした高分子板等を適宜用いることができる。
正極22a,負極22bは、活物質、バインダーおよび必要に応じて添加され得る導電助剤を含有して塗布成形されたものである。塗布成形によるために、バインダー溶媒が電極内に僅かに残存し得る。電極内に残存するバインダー溶媒は理想的には、ないことが望ましいが、本発明においては、500ppm以下、好ましくは200ppm以下、さらには、1〜100ppmとすることが望ましい。
セパレータ23の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類の一種又は二種以上(二種以上の場合、二層以上のフィルムの貼合体が挙げられる)、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル類、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の熱可塑性フッ素系樹脂類、セルロース類等を含む材料で形成される多孔質膜を例示することができる。
外装体25としては、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム等から成る缶状体を用いることができ、また、金属箔と高分子フィルムとの積層体(ラミネートフィルム)から成る袋状体としてもよい。このような袋状体を用いることにより、電気二重層キャパシタ20の薄型化及び軽量化を促進できると共に、外気や水分のバリア性が高められて特性劣化が十分に防止される。
電解質24は、ホウフッ化トリエチルメチルアンモニウム(TEMA・BF4)、ホウフッ化テトラエチルアンモニウム(TEA・BF4)等の電解質を溶媒に溶解させてなる電解液又はポリマー電解質が用いられる。固体状の電解質としてもよい。
ブチレンカーボネートが好ましく、特にプロピレンカーボネートを用いることがより好ましい。
コールジアクリレート、ポリエチレノキシドジアクリレート、エチレンオキシド等を含む
アクリレートと多官能基のアクリレートとの共重合体、ポリエチレンオキシド、ポリプロ
ピレンオキシド、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体等を用いるこ
とができる。
図2は、本発明の製造対象の一つであるリチウム二次電池の好適な一実施形態の構成を示す模式断面図である。
正極3及び負極4は、共にリチウムイオンを吸蔵及び放出する機能を発現するものであり、それぞれの電極活物質(それぞれ正極活物質及び負極活物質)とバインダー(結着剤)と、さらに必要に応じて導電助剤を含んでいる。
正極集電体5及び負極集電体6の材質と形状は、電極の極性、使用する形状、外装体(ケース)内への配置方法に応じて適宜選択することができるものの、正極集電体5の材質としてはアルミニウムを用いることが好ましく、負極集電体6の材質としては、銅、ステンレス、又はニッケルを用いることが好ましい。
セパレータ7の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類の一種又は二種以上(二種以上の場合、二層以上のフィルムの貼合体が挙げられる)、ポリエチレンテレフターレート等のポリエステル類、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の熱可塑性フッ素系高分子類、セルロース類等を含む材料で形成される多孔質膜を例示することができる。セパレータ7をシート形状とする場合には、JIS−P8117に規定する方法で測定した通気度が5〜2000秒/100cc程度、厚さが5〜100μm程度の微多孔膜フィルム、織布、不織布等の形態が好適例として挙げられる。
外装体2としては、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム等から成る缶状体を用いることができ、また、金属箔と高分子フィルムとの積層体(ラミネートフィルム)から成る袋状体としてもよい。このような袋状体を用いることにより、リチウムイオン二次電池1の薄型化及び軽量化を促進できると共に、外気や水分のバリア性が高められて電池特性の劣化を防止できる。
電解質8は、リチウムイオン導電性物質であり、電解質塩としてのリチウム塩を溶解させた電解液又はポリマー電解質が用いられる。固体状の電解質としてもよい。
(1)一方の電極が電気二重層キャパシタで、他方の電極がリチウムイオン二次電池、例えば、正極が活性炭を主成分として備え、負極がグラファイトを主成分として備えるもの、
(2)一方の電極が電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池の混合(コンポジット)であり、他方の電極が電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池の混合(コンポジット)、例えば、各極が活性炭+活物質を主成分として備えるもの、等である。
次いで、本発明の電気化学素子用電極(好適な一例が上記の電気二重層キャパシタ20用電極)の製造方法について説明する。
活物質、導電助剤、バインダー、およびバインダー溶媒を含む電極形成用の塗料が準備される。具体的一例を挙げれば以下の通りである。
集電体として機能する導電性のある支持体を準備し、この上に上記の要領で準備された電極形成用の塗料を、例えば、ドクターブレード法を用いて塗布する。その他の塗設方法として、メタルマスク印刷法、静電塗布法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等を使用してもよい。塗布時点での塗布厚さは、5〜300μm程度とされる。
好ましくは、この第1の塗膜乾燥工程を設け、上記塗布工程により形成された塗膜中に含有されるバインダー溶媒量が10〜45wt%、より好ましくは15〜40wt%の範囲内となるように調整することが望ましい。この値が10wt%未満となると、次工程での圧延処理工程での作用効果とも相俟って静電容量が低下する傾向が生じることがある。また、この値が45wt%を超えると、塗膜の粘着性が大きくなって取り扱いが極めて不便となり、生産性の低下および製品品質の低下の原因となることがある。
好ましくは、この圧延処理工程を設けて、上記の第1の塗膜乾燥工程を経て所定の乾燥が行なわれた塗膜を、例えば加熱圧延ロールで圧延処理するようにするのがよい。平板プレスやカレンダロール等を用いた圧延処理であってもよい。この圧延処理によって塗膜の密度の向上が図られる。塗膜密度は、0.55〜0.75g/cm3、好ましくは0.60〜0.70g/cm3程度とされる。
圧延処理工程の後に、塗膜中に残存するバインダー溶媒を除去するための超臨界二酸化炭素処理工程が行なわれる。この超臨界二酸化炭素処理工程には、低沸点溶媒を併用しない場合と、併用する場合がある。前者としては、(A)塗膜中に残存するバインダー溶媒を単に、超臨界状態の二酸化炭素で除去する超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程が挙げられ、後者としては、(B)塗膜中に残存するバインダー溶媒を除去するために、塗膜に低沸点溶媒を付着させた状態で超臨界状態の二酸化炭素で処理する溶媒付着−超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程あるいは、(C)塗膜中に残存するバインダー溶媒を除去するために、塗膜を低沸点溶媒中に浸漬させた状態で、超臨界状態の二酸化炭素で処理する溶媒浸漬−超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程が挙げられる。
電極中(塗膜中)のバインダー溶媒を低減するために、電極中(塗膜中)のバインダー溶媒を超臨界状態の二酸化炭素で抽出除去する操作が行われる。超臨界状態とは、臨界温度、臨界圧力を超えた状態にあることを言う。二酸化炭素の場合、31.1℃(臨界温度)、73.8atm(臨界圧力)を超えると超臨界状態になる。超臨界状態にある物質を超臨界流体と呼び、液体に近い密度(二酸化炭素の場合、上記の臨界温度、臨界圧力における臨界密度は0.46g/cm3)を持ちながら気体に近い粘度と液体の100倍近く大きい拡散能力を持っている。従って、活性炭の細孔(ミクロ孔、直径数nm)の中にも浸入していき、そこに吸着している物質を追い出す作用を奏するものと推定される。しかも、二酸化炭素の場合、常温常圧では気体であるので、超臨界状態を解除すれば二酸化炭素は速やかに拡散していくので、電極には残りにくいという長所がある。また、電極中の水も同時に除去されるので、超臨界状態処理後の乾燥等の処理はなくてもよい。
塗膜に低沸点溶媒を付着させた状態で超臨界状態処理する溶媒付着−超臨界二酸化炭素(CO2)処理である。塗膜に低沸点溶媒を付着させた状態を形成するための好適な手法として、塗膜を低沸点溶媒に浸漬させた後に引き上げる方法や、スプレーで低沸点溶媒を塗膜に吹き付ける方法が挙げられる。しかる後、超臨界状態の二酸化炭素で処理される。
塗膜を低沸点溶媒中に浸漬させた状態で、超臨界状態の二酸化炭素で処理する溶媒浸漬−超臨界二酸化炭素(CO2)処理である。より具体的には、超臨界装置の抽出槽(この抽出槽内部が超臨界状態になる)に電極と低沸点溶媒を入れ(電極が低沸点溶媒に浸る量の低沸点溶媒を入れ)、超臨界状態にする。
上記超臨界二酸化炭素処理(低沸点溶媒を併用する場合を含む)後に、塗膜の乾燥をさせる第2の乾燥工程を設けることができる。前記第2の乾燥処理は、通常、真空乾燥処理とされ、塗膜中に残存する水、低沸点溶媒等が除去される。乾燥温度は、80℃〜300℃程度、乾燥時間30分〜24時間程度とすればよい。
〔実施例1〕
(電極形成用の塗料の準備(作製)工程)
N−メチルー2−ピロリジノン(NMP)を溶媒として用いた5wt%のポリフッ化ビニリデン(PVDF)溶液(呉羽化学工業(株)製、商品名KF7305)、カーボンブラック(電気化学工業(株)製、商品名DAB50)、活性炭(クラレケミカル(株)製、商品名RP−20)とを混練機(BRABENDER社、PLASTI-CORDER)で60rpmで1時間混練した。
集電体としてエッチングアルミニウム箔(日本蓄電器工業製、商品名:40C054)を準備し、この上に上記の要領で準備した電極形成用の塗料をドクターブレード法で塗布した。
このようにして作製した電極を用いて、下記の要領で電気二重層キャパシタを作製した。
上記電極を約17mm×32mmの大きさに打ち抜き、外部引き出し用のアルミニウム箔(幅4mm×長さ40mm×厚み0.1mm)のタブを超音波溶接した。
電気二重層キャパシタを2.0〜2.5V間で充放電させた。なお、作製後の電圧は0Vであるから初回の充電だけは0Vから始めた。
初期充放電効率ηを下記式より求めた。
初期放電電気量は、キャパシタの端子電圧2.5Vから2.0Vまで放電するのに必要な電気量を表す。初期充放電効率ηの最大値は、単位時間当たりの電圧変化が一定であるならば20%となる。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を、以下のようにモディファイした。
上記実施例1において行った超臨界二酸化炭素処理を行わなかった。その代わりに、電極を175℃で30時間真空乾燥処理した。それ以外は、上記実施例1の電気二重層キャパシタサンプル作製と同じ要領で、比較例1の電気二重層キャパシタサンプルを作製した。
下記表1に示されるごとく電極(塗膜)中に残留するNMP量は3000ppm、電極の体積当たりの静電容量は、18.1(F/cm3)、初期充放電効率ηは16.8%であった。
上記実施例1において、圧延後の電極をアセトンに10分間浸漬させた。その後、電極を145℃、15時間の乾燥を行ない電極を作製した。従って、超臨界二酸化炭素処理は行なっていない。それ以外は、上記実施例1の電気二重層キャパシタサンプル作製と同じ要領で、比較例2の電気二重層キャパシタサンプルを作製した。
2,25…外装体
3…正極
4…負極
5…正極集電体
6…負極集電体
7、23…セパレータ
8…電解質
9、10、55…タブ
20…電気二重層キャパシタ(電気化学素子)
21a…正極集電体
21b…負極集電体
22a…正極
22b…負極
22…電極対
24…電解質
Claims (9)
- 支持体の上に活物質およびバインダーを含む電極を有する電気化学素子用電極の製造方法であって、該方法は、
前記活物質、バインダーおよびバインダー溶媒を含む電極形成用の塗料を準備する塗料準備工程と、
前記塗料を支持体の上に塗布して電極用の塗膜を形成する塗布工程と、
塗膜中に残存するバインダー溶媒を超臨界状態の二酸化炭素で除去する超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程と、
を有してなることを特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。 - 支持体の上に活物質およびバインダーを含む電極を有する電気化学素子用電極の製造方法であって、該方法は、
前記活物質、バインダーおよびバインダー溶媒を含む電極形成用の塗料を準備する塗料準備工程と、
前記塗料を支持体の上に塗布して電極用の塗膜を形成する塗布工程と、
塗膜中に残存するバインダー溶媒を除去するために、塗膜に低沸点溶媒を付着させた状態で超臨界状態の二酸化炭素で処理する溶媒付着−超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程と、
を有してなることを特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。 - 前記溶媒付着−超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程は、前記塗膜に低沸点溶媒を付着させた状態を形成するために塗膜を低沸点溶媒に浸漬させた後に引き上げ、しかる後、超臨界状態の二酸化炭素で処理してなる請求項2に記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 支持体の上に活物質およびバインダーを含む電極を有する電気化学素子用電極の製造方法であって、該方法は、
前記活物質、バインダーおよびバインダー溶媒を含む電極形成用の塗料を準備する塗料準備工程と、
前記塗料を支持体の上に塗布して電極用の塗膜を形成する塗布工程と、
塗膜中に残存するバインダー溶媒を除去するために、塗膜を低沸点溶媒中に浸漬させた状態で、超臨界状態の二酸化炭素で処理する溶媒浸漬−超臨界二酸化炭素(CO2)処理工程と、
を有してなることを特徴とする電気化学素子用電極の製造方法。 - 前記低沸点溶媒は、前記バインダー溶媒と相溶性があり、バインダー溶媒よりも低沸点の溶媒である請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 前記活物質は、その比表面積が30m2/g以上の炭素質材料である請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 前記炭素質材料が活性炭である請求項6に記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 前記電気化学素子用電極が、電気二重層キャパシタ用電極、リチウム二次電池用電極またはハイブリッドキャパシタ用電極である請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法により電極を製造し、しかる後、少なくとも当該製造した電極、セパレータ、電解質、外装体を用いて電気化学素子を組み立ててなる電気化学素子の製造方法。
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