JP2010514140A - リチウムイオン電池および電気二重層キャパシタのための電極バインダー組成物および電極 - Google Patents
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Abstract
Description
1.電極材料(通常、粉末)を接着する。
2.電極材料を、金属電流コレクタに結合する。
3.循環的充電放電で、イオンおよび電気伝導性を安定に維持する。
4.処理し易い電極材料の均一なペーストを作製する。
本発明のフルオロポリマーとは、少なくとも1つのフッ素化モノマーから調製されたホモポリマーまたはコポリマーを意味する。炭化水素タイプのモノマーも含まれる。
本発明の電極バインダー組成物の金属キレート化合物とは、配位結合により、少なくとも2つの電子対供与体非金属イオンに付加した電子対受容体金属イオンを含有する複素環の形態の化合物を意味する。金属イオンに付加した非金属イオンは、強い非金属特性のために周期表のV族またはVI族の元素から選択されるのが好ましい。最も好ましい3つの元素は、N、OおよびSである。
本発明による電極は、活性電極材料を含む。二次電池のための活性電極材料は、二次電池のための電極として有用な粉末電極材料が挙げられ、炭素等の伝導材料と典型的に混合される様々な金属および金属酸化物が含まれる。リチウムイオン二次電池については、LiCoO2、LiNiO2またはLiMn2O4等のリチウム複合体酸化物が好ましい。EDLCに用いるのに好ましい活性電極材料としては、グラファイトおよびケッチェンブラック等の炭素質材料が挙げられる。かかる炭素質材料は、約10〜約1000nmの数平均粒径を有するのが好ましい。好ましい部類の活性電極材料は、金属、金属酸化物および炭素からなる群から選択される。
リチウムイオン二次電池(LIB)または電気二重層キャパシタ(EDLC)に好ましい電極は、本発明の電極バインダー組成物、活性電極材料(伝導剤を含む)の混合物を、金属電流コレクタに被膜することにより形成される。LiBについて、正電極の好ましい活性材料は、LiCoO2、LiNiO2またはLiMn2O4であり、負電極の好ましい活性材料は、炭素質材料である。好ましい伝導剤は、粉末炭素質材料であり、その平均直径は、10〜1000nmの範囲であるのが好ましい。正電極の好ましい電流コレクタはアルミニウムであり、一方、負電極の好ましい電流コレクタは銅である。EDLCについて、炭素質材料を活性材料として用いるのが好ましく、アルミニウムホイルを電流コレクタとして用いるのが好ましい。
電極膜の剥離強度
接着テープ(3M Scotch(商標)898)を、電極膜の表面に塗布し、ゴムでプレスする。剥離強度を、JIS K6854に従って、TENSILON (Toyo Baldwinより入手可能なUTM−1T)を用いて、180度剥離試験により測定する。
本発明の電極バインダー組成物の溶液または分散液を調製し、アルミニウムカップ(AsOne No.107)に入れる。次に、150℃で2時間、100トルの圧力で加熱して、Alカップの表面にフィルムを形成する。得られるフィルムとAlとの間の接着状態を目視で観察する。
VFベースのフルオロポリマーを、R.E.Uscholdによる米国特許第6,242,547号明細書(2001年)に記載されたのと同様の方法により生成し、VF/TFE/HFPターポリマーを作製する。3.8Lの容量の攪拌ジャケット付き水平ステンレス鋼オートクレーブを、重合容器として用いる。オートクレーブは、温度および圧力を測定するための機器と、モノマー混合物をオートクレーブに所望の圧力で供給できるコンプレッサーを備えている。オートクレーブを、0.2%のアンモニウムパーフルオロオクタノエートを含有する脱イオン水で、その容量の70〜80%まで満たし、2.8MPaまで加圧し、窒素で3回、次にTFEで3回通気する。水を90℃まで加熱し、攪拌器を始動させ、TFE、VFおよびHFPを所望の比率で添加して、オートクレーブの圧力を2.8MPaにする。開始剤溶液を注入して、濃度10g/Lの125mLの過硫酸アンモニウム溶液とする。運転中、開始剤溶液を、1mL/分の速度で供給する。運転中、さらにTFE、VFおよびHFPを反応器に供給し、所望の分散液固体20〜25%を生成するのに十分な量に達するまで、定圧を維持する。その時点で、モノマーの供給を停止し、冷却水をオートクレーブジャケットに通して、過剰のモノマーを排出する。オートクレーブを排気し、窒素で3回パージして、残渣モノマーを除去し、ポリマー分散液をオートクレーブから排出する。ポリマーを冷凍により分離し、解凍して、ポリマー粉とし、吸引フィルタで集める。フィルタケークを、脱イオン水で洗って、界面活性剤および開始剤残渣を除去し、90〜100℃のエアオーブンで乾燥する。
官能基を備えたフルオロポリマー、すなわち、試料B、C、D、EおよびFを、後述する方法により生成する。生成されるポリマーの組成を表3に示す。
電極バインダー組成物の調製
上述した試料AをNMPによく分散して、オルガノゾルを50〜70℃で形成する。粉末PVDF(KF#1100、呉羽化学工業(Kureha Chemicals,Ltd.)より入手可能)を、NMPに溶解して、溶液を50〜70℃で形成する。ジルコニウムキレート化合物、クエン酸ジエチルエーテルジルコネートを、n−プロパノールに溶解して、70%溶液(DuPont(商標)Tyzor(商標)ZEC、ZrO2含量:13.1%)を形成する。ジルコニウムキレートの溶液を、試料AのオルガノゾルおよびPVDFの溶液に加え、均一な電極バインダー組成物を形成する。組成データを表4に示す。
3重量部の電極バインダー組成物(固体として計算)を、95重量部のLiCoO2(日本化学工業株式会社)および2重量部の粉末炭素(伝導剤)とNMP中で混合して、ホモジナイザ(ULTRA−TURAX T25、IKAジャパン)を用いることにより、十分なペーストを形成する。ペーストをAlホイル(電流コレクタ、厚さ20μm)に、フィルム塗布器を用いて被覆し、次に、120〜130℃で少なくとも3時間100〜200トルの圧力で乾燥して、LiBの正電極を形成する。電極膜の厚さを、40〜50μmの範囲に制御する。
接着テープ(3M Scotch(商標)898)を、上述の電極の表面に密着させて接着し、ゴムによりプレスする。電極膜の剥離強度を、JIS K6854に従って、TENSILON (Toyo Baldwinより入手可能なUTM−1T)を用いて、180度剥離試験により測定する。剥離強度のデータを表4に示す。
LiBのための負電極の作製
正電極を製造するのと同様の方法により、各LiB負電極を得る。MCMB(メソカーボンマイクロビーズ、大阪ガスケミカル株式会社)を、活性材料として用いる。活性材料対バインダー組成物の比率は、97/3wt/wtである。銅ホイル(厚さ:20μm)を、LiBの負電極のための電流コレクタとして用いる。
LiB負電極膜の剥離強度を、実施例1〜5で用いたのと同じ方法により測定する。結果を表5に示す。
EDLCのための電極の作製
実施例1〜12と同様の方法により、EDLCのための電極を生成する。MCMB(メソカーボンマイクロビーズ、大阪ガスケミカル株式会社)を、活性材料として用いる。活性材料対バインダー組成物の比率は、97/3wt/wtである。アルミニウムホイル(厚さ:20μm)を、電流コレクタとして用いる。
電極バインダー組成物のAlへの接着
官能基を備えたフルオロポリマー、試料B、C、D、EおよびFを、NMPに溶解し、10wt%溶液を形成する。チタンキレート化合物、チタンアセチルアセトネート(DuPont(商標)Tyzor(商標)AA)をNMP中で希釈して、10wt%溶液を形成する。2つの溶液を均一に混合することにより、一連の電極組成物を生成する。3gの混合溶液をアルミニウムカップに入れ、150℃で2時間、100トルの圧力で加熱してから、室温まで冷却する。得られたバインダー樹脂フィルムとアルミニウム基材との間の接着状態を目視で観察する。結果を表6に示す。
Claims (18)
- 少なくとも1つの金属キレート化合物と少なくとも1つのフルオロポリマーとを含む、リチウムイオン二次電池または電気二重層キャパシタのための電極バインダー組成物。
- フルオロポリマーが、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ素化ビニルエーテル、フッ素化アルキルアクリレート/メタクリレート、3〜10個の炭素原子を有するパーフルオロオレフィン、パーフルオロC1〜C8アルキルエチレンおよびフッ素化ジオキソールからなる群から選択される少なくとも1つのモノマーから製造されるホモポリマーまたはコポリマーである請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- フルオロポリマーが、フッ化ビニルベースのコポリマーである請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- コポリマーのフッ化ビニル含量が、約10〜約90モル%である請求項3に記載の電極バインダー組成物。
- コポリマーのフッ化ビニル含量が、約30〜約75モル%である請求項3に記載の電極バインダー組成物。
- コポリマーのフッ化ビニル含量が、約40〜約70モル%である請求項3に記載の電極バインダー組成物。
- フッ化ビニルベースのコポリマーが、少なくとも2つの高フッ素化モノマーを含み、高フッ素化モノマーのうち少なくとも1つが、ポリマーに少なくとも1炭素原子の側鎖を導入する請求項3に記載の電極バインダー組成物。
- ポリマーに少なくとも1炭素原子の側鎖を導入する高フッ素化モノマーが、3〜10個の炭素原子を有するパーフルオロオレフィン、パーフルオロC1〜C8アルキルエチレン、フッ素化ジオキソールおよび式CY2=CYORまたはCY2=CYOR’ORのフッ素化ビニルエーテルを含み、式中、YはHまたはF、−Rおよび−R’は、独立に、1〜8個の炭素原子を含有する完全フッ素化または部分フッ素化アルキルまたはアルキレン基であり、好ましくはパーフルオロ化されている、請求項7に記載の電極バインダー組成物。
- フッ化ビニルコポリマーが、ポリマーに少なくとも1炭素原子の側鎖を導入する前記少なくとも1つの高フッ素化モノマーを約1〜約15モル%含む請求項7に記載の電極バインダー組成物。
- コポリマーが、フッ化ビニルを30〜75モル%、ポリマーに少なくとも1炭素原子の側鎖を導入する少なくとも1つの高フッ素化モノマーを1〜15モル%含み、残部が、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレンおよびクロロトリフルオロエチレンの群から選択される少なくとも1つのC2オレフィンである請求項7に記載の電極バインダー組成物。
- フッ化ビニルコポリマー中のC2オレフィンが、1テトラフルオロエチレンを含む請求項10に記載の電極バインダー組成物。
- フルオロポリマーが、ヒドロキシル、チオール、カルボニル、カルボン酸、カーボネート、スルホニル、スルホン酸、スルホネート、リン酸、ホウ酸、エステル、アミン、アミド、ニトリル、エポキシおよびイソシアネートからなる群から選択される少なくとも1つの官能基を含有する請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- 金属キレート化合物が、チタンキレート化合物である請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- 金属キレート化合物が、ジルコニウムキレート化合物である請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- 金属キレート化合物およびフルオロポリマーを、水に分散して、分散液を形成させる請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- 金属キレート化合物およびフルオロポリマーを、有機溶媒に分散して、溶液またはオルガノゾルを形成させる請求項1に記載の電極バインダー組成物。
- 電極活物質と、電極バインダー組成物を含み、該電極バインダーが請求項1に記載の前記電極バインダーを含む、リチウムイオン二次電池または電気二重層キャパシタのための電極。
- 電極活物質が、金属、金属酸化物および炭素からなる群から選択される粉末である請求項17に記載の電極。
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