JP2019509596A - 第一のポリアクリレートまたはその誘導体のひとつである第一のポリマーと、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれらの誘導体のひとつである第二のポリマーからなる結合剤を含んでなるリチウムイオン電池用電極、ならびにその電極を製造するためのインク - Google Patents
第一のポリアクリレートまたはその誘導体のひとつである第一のポリマーと、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれらの誘導体のひとつである第二のポリマーからなる結合剤を含んでなるリチウムイオン電池用電極、ならびにその電極を製造するためのインク Download PDFInfo
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Abstract
Description
一つの電池は複数の蓄電セルによって構成される。
電極中の異なった成分は結合剤によって結合され、そのことで電極の機械的強度が得られる。また、結合剤によって、セル内での後処理の作業、特に、コイル要素用のコイリング工程において電極に必要なある程度の柔軟性が得られる。
このようなタイプの金属は、グラファイトの理論比容量(約370mAh/g)に比べて非常に高い理論比容量(約3580mAh/g)を与える。しかしながら、これらの金属はリチウム化すると大きな体膨張を起こしてしまう。体膨張が起こると、このような負極材料によって作られたリチウムイオンセルは劣化するおそれがある。すなわち、i)電極が無傷な状態でなくなって容量が低下したり、ii)電極−電解質間の界面(もしくは固体電解質界面SEI)が破壊されて劣化物質が連続的に生成したり、iii)電池全体に応力がかかり、他の構成要素が劣化するおそれがある。
−PVDFと呼ばれるポリフッ化ビニリデンのような有機溶媒に可溶なもの、あるいは
−CMCと呼ばれるカルボキシメチルセルロース、NBRと呼ばれるニトリルブタジエンゴム、SBRと呼ばれるスチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸(PAA)あるいは解離度にもよるがポリアクリレートなどの水性溶媒に可溶なもの
である。
ポリマーの分子質量、あるいは分子量は平均重量として定義される。分子量は一般に同様に定義した分子量を中心としたガウス曲線にしたがって分布する。
ポリアクリル酸あるいはポリアクリレートは、その解離度によって異なった分子量を示す。すなわち、250000g/mol(上記の論文)、750000g/mol(J.Phy.Chem.C2011,115,13487−13495)、1250000g/mol(Energy Environ.Sci.2012,5,9014−9020)、300000g/molから3000000g/molの間(US2007/0026313)、1000000g/molから1250000g/molの間(US2013/0236778)、2000g/mol、5000g/molあるいは100000g/mol(Appl.Mater.Interface,2010,2,11,3004−3010)などである。
−ケイ素から作られる電極活物質、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤
からなる電極によって達成される。
−ケイ素から作られる電極活物質、
−溶媒、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤
を含んでなるインクによっても達成される。
−図1は従来技術によるリチウムイオン蓄電池を模式的な断面図で示したものである。
−図2、3a、4aは様々なインクや溶液のずり勾配(γ)に対する粘度(η)のグラフである。
−図3b、4bは様々なインクの振動数(f)に対する粘性係数(G‘’)と弾性率(G‘)のグラフである。
−図5は解離度100%で分子量250000g/molの第一のポリアクリレートと分子量1250000g/molの第二のポリアクリレートから形成された結合剤を含む電極を組み込んだボタン電池のサイクル回数に対するクーロン効率を示したものである。
−電極活物質、
−溶媒、好ましくは水、
−導電剤、
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤、さらに場合によっては
−添加物
を含んでなる。
−ケイ素から作られる電極活物質、
−溶媒、
−導電剤、および
−上記の二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤
によって構成される。
電極活物質はケイ素をベースとして作ることが好ましい。物質の無傷性を保つためには、ケイ素はナノ粒子状であると有利である。
スパッタリング現象を制限するために、ケイ素はナノメートルレベルの形状であり、ナノ粒子状であることが好ましい。粒状分布の90%が300nmより小さいと有利であり、50%が150nmより小さいことが好ましい。なお、ここでの粒状分布は体積当たりの分布である。
また、無傷性を維持する観点から、ケイ素はナノ粒子状でマイクロメートルレベルのマトリックスに集積されることが好ましい。ここで、マイクロメートルレベルのマトリックスとは、マイクロメートル程度の大きさのマトリックス、すなわち、0.1μmから50μmサイズのマトリックス、好ましくは2μmから10μmサイズのマトリックスである。
このマイクロレベルのマトリックスは、炭素マトリックスでも金属マトリックス(Fe、Al、Co、Ni、Mn、Sn、Geなど)でもよい。
マトリックスはケイ素に比べて圧倒的な重量でもよい。マトリックスが重量の少なくとも50%を占めていることが好ましく、少なくとも80%を占めていることが極めて好ましい。
ナノメートル程度のケイ素粒子がマイクロメートル程度のマトリックスに集積されることで、体膨張が繰り返されることによる影響を低減できる合剤が形成される。
ケイ素はリチウムとLixSi(xは0から3.75)タイプの合金を形成できる。
活物質はケイ素系化合物と、例えばグラファイトのような他の化合物との混合物でもよい。
電気化学活物資の重量パーセントは乾燥電極重量の85%以上であり、90%以上であることが好ましい。
この添加物は、カルボキシメチルセルロースのような電極の柔軟性を増強する追加ポリマーラテックス、あるいはポリビニルアルコール(PVA)のような架橋剤でもよい。またこれに替えて、この成分は別の分子量を有するポリアクリレート(PAA)でもよい。そのようにすると、インクは異なる分子量を持つ三つのポリアクリレートを有することになる。
この成分は電極の5重量%以下で、3重量%以下であることが好ましい。
溶媒は勘定に入れない。電極製造工程において溶媒は蒸発するため、インクに関するものと電極に関するものとで相対重量パーセントは同じである。したがって、各インク成分の重量は電極に関してのものである。
すなわち、電極重量あるいは乾燥電極重量とは、インクを塗布して溶媒を蒸発させたときの様々な成分の重量である。乾燥エキスという言葉も同様に使用できる。
導電剤には、一つまたは複数の電子伝導物質が含まれていてもよい。電子導電剤は、カーボンブラック、炭素繊維、微細化炭素およびその混合物から選ぶことが好ましい。ここで微細化炭素とは、極めて大きい比表面積をもつ炭素を意味する。
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
であることを特徴としている。
PAAのカルボキシル基は、LiOH、NaOH、NH4OHもしくはKOHを添加すると非解離状態から解離状態になる。
解離度は、カルボキシレート基の数とカルボキシル基およびカルボキシレート基の数との間の比である。
ポリマーの解離度は35%から100%であることが好ましい。
このような解離度にするために、求められる解離度に応じてPAA溶液にLiOH、NaOH、NH4OHもしくはKOHを添加して35%から100%のカルボキシル基を中和する。
溶液のpHを変化させて結合剤の解離度を制御することができる。このpH値は結合剤の解離度を見積もる指標とすることができる。
PAAの巨大分子は、より小さい解離度のものにくらべて、溶液中でより広がった配置をとる。そのため、インクはより粘度が高く、より顕著なずり流動性を示す。このことは電気化学的性能にとって有利である。
例えば、アルギン酸塩はCMC誘導体の一つである。
ポリアクリレートの分子量は150000g/mol以上、400000g/mol以下が好ましい。
CMCの分子量は650000g/molから4000000g/molが好ましく、650000g/molから1500000g/molがより好ましい。
好ましくは、第一のポリマーがPAA1ポリアクリレートであり、第二のポリマーがPAA2ポリアクリレートである。
このようなインクは、単独のポリアクリレートのみを含むインクと比べて優れたレオロジー特性を持ち、そのため塗布によって容易に電極を製造できる。また同時に、大量のPAAをインク中に含有するので、優れた電気化学特性が得られる。
第二のPAA2の分子量は650000g/mol以上で1500000g/mol以下であることがさらに好ましい
分子質量がより大きくなると、適切な粘度にするためにより多くの水を加える必要がある。そのため乾燥時にかかる応力も大きくなり、電極の品質を損ねることになる。
平均分子量が650000g・mol−1よりも大きなPAAは、インクがずり流動性をもつのに十分な長さのポリマー鎖によって形成されることが好ましい。
しかしながら、このようなPAAを、乾燥時にかかる応力を制限して、少なくとも2.5g/cm2の活物質を有する電極の機械的特性を保証するほどの大きな比率で配合することはできない。さらに、インク用の高含量乾燥エキスを確保することも困難である。従って。このような電極は性能が劣ったものになる。
−インクA:比容量600mAh/gの炭素−ケイ素合剤(この複合材料を以下、合剤もしくはSiCと呼ぶ)90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度33%で分子量250000g/molのPAA5%を含む電極、
−インクB:合剤90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度100%で分子量250000g/molのPAA5%を含む電極。
後者をインクに配合する前にLiOHを用いてPAAを解離させた。
−分子量450000g/molのPAA、
−分子量250000g/molのCMC、または
−ともに250000g/molのPAAとCMCの混合物である。
−インクC:合剤90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度33%で分子量450000g/molのPAA5%を含む電極、
−インクCMC:合剤90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度100%で分子量250000g/molのCMC5%を含む電極(用いたCMCはカルボキシナトリウムCOONa基によって解離させる)、
−インクCMC/PAA:合剤90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度50%で分子量250000g/molのCMC2.5%および分子量250000g/molのPAA2.5%を含む電極(CMCとPAAはNaOHによって解離させる)。
図3aに,これらのインクのずり応力に対する粘度を示した。図3bには、インクに応力をかけずに振動モードで得られた粘度と弾性率の線形領域を示した。これより静止時におけるインクの特性が推定できる。
粘度曲線(図3a)から、それぞれ解離度33%で分子量250000g/molのPAAと分子量450000g/molのPAAを含むインクA、Cがずり流動性を示さないことが分かる。
解離度100%で分子量250000g/molのPAA5%混合物(インクB)ではずり流動性が見られる。しかし、インクBは0.1から1s−1で粘度崩壊が起こり、もはや粘度無限大に向かう傾向は見られない。
しかしながら、CMCおよびCMC/PAAインクでは、0.1から100s−1における粘度の間で、10未満の比率でずり流動性を示す。
−インクD:合剤90%、炭素繊維2%、微細化炭素3%、解離度100%で分子量1250000g/molのPAA1.5%および分子量250000g/molのPAA3.5%を含む電極、
−インクE:合剤90%、炭素繊維2%、解離度100%で分子量1250000g/molのPAA1.5%、分子量250000g/molのPAA3.5%、およびラテックス3%、
−インクF:合剤90%、炭素繊維2%、解離度100%で分子量1250000g/molのPAA2.5%および分子量100000g/molのPAA5.5%を含む電極、
−インクG:合剤90%、炭素繊維2%、解離度100%で分子量1250000g/molのPAA2.5%および分子量250000g/molのPAA5.5%を含む電極、
−インクH:合剤90%、炭素繊維2%、解離度100%で分子量1250000g/molのPAA2.5%および分子量345000g/molのPAA5.5%を含む電極、
−インクI:合剤90%、炭素繊維2%、解離度100%で分子量3000000g/molのPAA0.5%および分子量250000g/molのPAA7.5%を含む電極。
ラテックスのような他の成分は、インクの安定性を損なうことなく添加することができる(インクE)。粘性係数および弾性率に関しては、常に粘性係数よりも高い弾性率は。常に低振動数で観測され、静止時でインクが安定である特徴を示している。
−上記のインクを集電体上に塗布、乾燥させて電極を得る工程、
−電極の痕跡量の溶媒を乾燥させる工程、および
−電極をカレンダー処理する工程
である。
結合剤は、このようにして第一のポリアクリレートPAA1と第二のポリアクリレートPAA2からなる混合物によって形成され、架橋反応は起こらない。
さらに、ポリマーを解離させるための塩基をインクに添加することもできる。インクはポリマーのような他の成分を含んでもよい。
集電体は銅製であることが好ましく、例えば、銅箔で構成される。
インクの塗布は、例えば、膜厚制御機構を備えた従来の塗布方法やスリット状ノズルを用いる塗布システムによって行うことが好ましい。
この量は少なくとも2.5mg/cm2で20mg/cm2を上限とすることが好ましい。電極は2.5mg/cm2から10mg/cm2の範囲の量の塗布活物質を含み、少なくとも1.4の密度を持つことが好ましい。すなわち、得られる電極はコンパクトで密なものである。
上記の量は4から10mg/cm2であることが好ましい。
得られたインクの特性は、工業用に適した、数m・m−1の塗布速度で塗布が可能なものある。
次に、インク/集電体構成物を従来の方法で乾燥して溶媒を蒸発させ、集電体に支持された電極を得る。
このようなインクから得られた約5mg/cm2の量の活物質を含む電極は、ラテックスがなくても、特に、柔軟性と接着性に関して良好な機械的特性を有する。
このような電極は、一般的にはコイリング法やスタッキング法によってLiイオンセル内に簡単に集積できる。
−好ましくはケイ素から作られる電極活物質、
−導電剤、および
−結合剤
を含んでなる。
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である。
結合剤は電極重量の2%から15%であることが好ましく、4%から10%であることがさらに好ましい。
このような範囲にあると、電気化学特性が向上する。
第一のポリマーがPAA1ポリアクリレート、第二のポリマーがPAA2ポリアクリレートであることが好ましい。
−ケイ素から作られた電極活物質、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤
によって形成する態様もある。
このような電極は、集電体と良好に接着するだけでなく、均一性、柔軟性も良好である。従って、このような電極を少なくとも一つ有するリチウム蓄電池は、向上した電気化学性能を持つ。
二つのポリマーを含んでなる結合剤を使用すると改善される。また、二つの異なる分子量(第一の分子量が第二の分子量の最大でも67%)を持ち、解離度が100%のPAA混合物であるDからIの構成のときに最も良好な結果が得られる。
Claims (23)
- リチウム蓄電池用もしくはリチウム電池用電極であって
−ケイ素から作られる電極活物質、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤
を含んでなり、
前記第一の分子量が400000g/mol以下150000g/mol以上であり、
前記第二の分子量が650000g/mol以上4000000g/mol以下、好ましくは第二の分子量が650000g/mol以上1500000g/mol以下であることを特徴とする電極。 - 前記ポリマーの解離度が35%から100%である、請求項1に記載の電極。
- 前記第一のポリマーがポリアクリレートであり、前記第二のポリマーがカルボキシメチルセルロースである、請求項1および2の一つに記載の電極。
- 前記第一のポリマーおよび前記第二のポリマーがともにポリアクリレートまたはその誘導体の一つである、請求項1および2の一つに記載の電極。
- 前記第一のポリマーおよび前記第二のポリマーがともにポリアクリレートである、請求項4に記載の電極。
- −前記第一の分子量が150000g/mol以上、好ましくは250000g/mol以上、400000g/mol以下、
−前記第二の分子量が1000000g/mol以上、1500000g/mol以下、
−前記解離度が90%以上
である、請求項5に記載の電極。 - 前記第一の分子量が最大でも、前記第二の分子量の67重量%である、請求項1から6のいずれか一つに記載の電極。
- 前記結合剤が前記二つのポリマーからなる、請求項1から7の一つに記載の電極。
- 前記結合剤が電極の重量の2%から15%、好ましくは4%から10%である、前記請求項のいずれか一つに記載の電極。
- 前記ケイ素がナノ粒子形状で、xを0から3.75としてリチウムとLixSiタイプの合金を形成するものである、前記請求項のいずれか一つに記載の電極。
- 前記ケイ素がマイクロメートルレベルのマトリック内に挿入され、xを0から3.75としてリチウムとLixSiタイプの合金を形成するものである、前記請求項のいずれか一つに記載の電極。
- 前記ナノ粒子形状ケイ素の90%が300nm未満の粒径分布を示し、好ましくは前記ナノ粒子形状ケイ素の50%が150nm未満の粒径分布を示す、請求項10または11に記載の電極。
- 2.5mg/cm2から10mg/cm2の範囲の量の塗布活物質を含み、少なくとも1.4の密度を持つ、前記請求項のいずれか一つに記載の電極。
- いかなるラテックスも全く含まない、請求項1から13のいずれか一つに記載の電極。
- さらにカルボキシメチルセルロース、ラテックス、架橋剤、別の分子量を有するポリアクリレートなどの添加物を、電極重量の5%以下、好ましくは3%以下含んでなる、請求項1から13のいずれか一つに記載の電極。
- −ケイ素から作られる電極活物質、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤
から構成される、請求項1から14のいずれか一つに記載の電極。 - 請求項1から16のいずれか一つに記載のリチウム電池用電極を製造するためのインクであって、
−ケイ素から作られる電極活物質、
−溶媒、
−導電剤、および
−二つのポリマーの混合物を含んでなる結合剤で、そのポリマーのうち
○第一のポリマーは、第一の分子量を持つ、第一のポリアクリレートまたはその誘導体の一つであり、
○第二のポリマーは、第二の分子量を持つ、第二のポリアクリレートまたはカルボキシメチルセルロースまたはそれら誘導体のひとつ
である結合剤
を含んでなり、
前記第一の分子量が400000g/mol以下150000g/mol以上であり、
前記第二の分子量が650000g/mol以上4000000g/mol以下、好ましくは第二の分子量が650000g/mol以上1500000g/mol以下であることを特徴とするインク。 - 前記ポリマーの解離度が35%から100%である、請求項17に記載のインク。
- 前記第一のポリマーおよび前記第二のポリマーがともにポリアクリレートである、請求項17および18の一つに記載のインク。
- 前記第一のポリマーがポリアクリレートあり、前記第二のポリマーがカルボキシメチルセルロースである、請求項17および18の一つに記載のインク。
- 前記結合剤が乾燥エキス重量の2%から15%、好ましくは4%から10%である、請求項17から20のいずれか一つに記載のインク。
- 前記ケイ素がナノ粒子形状で、マイクロメートルレベルのマトリック内に含まれるか、あるいは含まれておらず、xを0から3.75としてリチウムとLixSiタイプの合金を形成し得るものである、請求項17から21のいずれか一つに記載のインク。
- 前記ナノ粒子形状ケイ素の90%が300nm未満の粒径分布を示し、好ましくは前記ナノ粒子形状ケイ素の50%が150nm未満の粒径分布を示す、前記請求項に記載のインク。
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