JP2019527919A

JP2019527919A - 全固体電池用電極及びその製造方法

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Publication number: JP2019527919A
Application number: JP2019506730A
Authority: JP
Inventors: ソン−ジュ・チョ; ホ−スク・シン; スン−ヒ・ウ; ソン−ジュン・カン; ヒャ−ウン・ハン
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-10-03
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: KR20180107755A; US20190229328A1; JP6793813B2; CN110100333A; CN110100333B; WO2018174565A1; EP3490039B1; EP3490039A4; US11631839B2; EP3490039A1; KR102166459B1

Abstract

本発明は、全固体電池用電極に関し、前記電極の電極活物質層はバインダー樹脂が架橋されることで電極層の弾性や剛性など機械的性質が改善され、電極活物質が充放電時に膨張及び／または収縮しても電極活物質層がその影響を抑制または緩和することができる。したがって、電極活物質層と電解質層との間の界面及び電極活物質層と集電体との間の界面の密着性が高く維持されてサイクル特性に優れた全固体電池を提供することができる。

Description

本発明は、接着力が改善されて電極活物質の脱離を防止できる電気化学素子用電極及びその製造方法に関する。

本出願は、２０１７年３月２２日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００３６２１６号に基づく優先権を主張する。

携帯型電子機器用電源装置として、リチウムイオン二次電池が広く使用されている。さらに近年は、リチウムイオン二次電池を電気自動車または産業用電池として活用しようとする動きがある。リチウムイオン二次電池の構造は比較的に単純であって、負極活物質、正極活物質及び電解液の３大要素からなっている。リチウムイオンが正極から負極に、負極から正極に移動することで、電池作用が行われる。電解質部分は専らリチウムイオン伝導体として機能する。広く使用されているリチウムイオン二次電池では、非プロトン性有機溶媒にリチウム塩を溶解させた電解質溶液が使用されている。しかし、このような電解質溶液は電解液の漏れやガス発生による使用上の問題が有しており、このような問題を解決するため、全固体電池の開発が必要とされている。

固体電解質は、電解質溶液を使用した電池に比べて、安定性の向上、最適化された構造、高いエネルギー密度、高い出力密度などの長所がある。しかし、全固体電池は、電極との界面接触の減少によってイオン伝導経路が少なく、イオン伝導度が低下するという問題がある。特に、ＬＰＳ、ＬＧＰＳのようなリチウムイオン伝導体である硫化物系無機固体電解質は極性溶媒または水分に損傷され、その固有の伝導性が弱くなる。したがって、全固体電池用電極を製造するときは、このようなリチウムイオン伝導体の伝導性の低下を防止するため非極性有機溶媒を使用している。しかし、ＰＶｄＦ−ＨＦＰやＳＢＲなど通常使用されるバインダー樹脂の場合、ＮＭＰや水のような極性溶媒には溶解されるが、非極性溶媒であるトルエンやキシレンなどには溶解されない。そこで、全固体電池用電極の製造時には電極用バインダーとして非極性溶媒に比較的に溶解され易いゴム系バインダーを使用する。しかし、このようなゴム系バインダーの場合にも非極性溶媒の使用により接着力が低下するという問題がある。

本発明は、電極バインダーの結着力を向上して電極内の活物質及びリチウムイオン伝導体の脱離を防止できる全固体電池用電極及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解できるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段または方法、及びその組合せによって実現することができる。

本発明は、上記の技術的課題を解決するための電極の製造方法を提供する。

本発明の第１態様は、前記方法に関し、該方法は、（Ｓ１０）電極活物質、バインダー樹脂、架橋開始剤、無機固体電解質及び溶媒を含む電極層製造用スラリーを用意する段階；（Ｓ２０）前記電極層製造用スラリーを集電体の表面に塗布し乾燥して電極層ａを形成する段階；（Ｓ３０）前記電極層ａを圧延して電極層ａ’を形成する段階；及び（Ｓ４０）前記電極層ａ’を加温処理して電極層ａ’’を形成する段階；を含み、前記（Ｓ２０）段階は架橋反応が開始されない温度範囲で行われ、（Ｓ４０）段階は電極層の架橋反応が開始及び進行する温度範囲で行われる。

本発明の第２態様によれば、第１態様において、前記（Ｓ１０）段階の溶媒が非極性溶媒である。

本発明の第３態様によれば、第１態様または第２態様において、前記バインダー樹脂がゴム系バインダーを含む。

本発明の第４態様によれば、第１態様〜第３態様のうちいずれか１つにおいて、前記スラリーが導電材をさらに含む。

本発明の第５態様によれば、第１態様〜第４態様において、前記架橋開始剤が有機過酸化物系架橋開始剤である。

本発明の第６態様によれば、第５態様において、前記有機過酸化物架橋開始剤がジ（２−エチルヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ−ｓｅｃ−ブチルペルオキシジカーボネート、ｔ−ブチルペルオキシネオデカノエート、ｔ−ヘキシルペルオキシピバレート、ｔ−ブチルペルオキシピバレート、ジラウロイルペルオキシド、ジ−ｎ−オクタノイルペルオキシド、１，１，３，３−テトラメチルブチルペルオキシ−２−エチルヘキサノエート、ジ（４−メチルベンゾイル）ペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、ｔ−ブチルペルオキシイソブチレート、１，１−ジ（ｔ−ヘキシルペルオキシ）シクロヘキサンからなる群より選択された１種以上である。

本発明の第７態様によれば、第１態様〜第６態様のうちいずれか１つにおいて、前記（Ｓ４０）段階が真空条件で行われる。

また、本発明は、全固体電池用電極を提供する。本発明の第８態様は、前記電極に関し、該電極は、上述した第１態様〜第７態様のうちいずれか１つの方法によって製造され、集電体及び前記集電体の少なくとも一面に形成された電極層を含み、前記電極層は電極活物質、無機固体電解質及びバインダー樹脂を含み、前記電極層内で電極活物質粒子と無機固体電解質粒子とはバインダー樹脂によって互いに面結着及び点結着して固定され集積されており、前記バインダー樹脂は架橋されている。

本発明の第９態様によれば、第８態様において、前記バインダー樹脂がゴム系バインダー樹脂を含む。

本発明の第１０態様によれば、第９態様において、前記ゴム系バインダー樹脂が天然ゴム、ブチル系ゴム、ブロモ−ブチル系ゴム、塩素化ブチル系ゴム、スチレンイソプレン系ゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン系ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン系ゴム、ポリブタジエン系ゴム、ニトリルブタジエン系ゴム、スチレンブタジエン系ゴム、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）系ゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）系ゴムからなる群より選択された１種以上を含む。

本発明による方法によって製造された全固体電池用電極は、イオン伝導性が高い水準で維持され、バインダーの結着力が高いため、電極内の電極活物質及びリチウムイオン伝導体が脱離されない。また、集電体と電極活物質層との間の界面接着力が改善される効果がある。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明が図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。なお、図面における要素の形状、大きさ、縮尺または比率などはより明確な説明を強調するために誇張され得る。

本発明による全固体電池の構造を示した概略図である。本発明による全固体電池の電極組立体を示した概略図である。本発明による全固体電池用電極の製造工程を示した概略図である。本発明の製造方法を示したフロー図である。実施例１による電極の剥離試験結果を撮影した写真である。比較例１による電極の剥離試験結果を撮影した写真である。本発明の実施例及び比較例による電池の充放電プロファイルである。

以下、本発明を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

本明細書の全体において、ある部分が他の構成要素を「含む」とは、特に言及しない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

本明細書の全体で使われる用語「約」、「実質的に」などは、言及された意味に固有の製造及び物質許容誤差が提示されるとき、その数値でまたはその数値に近接した意味として使われ、本願の理解を助けるために正確又は絶対的な数値が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使われる。

本明細書の全体において、「Ａ及び／またはＢ」との記載は「Ａ、Ｂまたはこれら全て」を意味する。

後述する説明における特定の用語は、便宜上使われただけで、制限的なものではない。「右」、「左」、「上面」及び「下面」との単語は参照する図面における方向を表す。「内側に」及び「外側に」との単語は、それぞれ指定された装置、システム及びその部材の幾何学的中心に向かうか、それとも、そこから遠くなる方向を表す。「前方」、「後方」、「上方」、「下方」及びその関連単語と語句は、参照する図面における位置及び方位を表し、制限的なものではない。このような用語は上述した単語、その派生語及び類似した意味の単語を含む。

本発明は、電気化学素子用電極及びそれを含む電気化学素子に関する。前記電気化学素子は、例えばリチウムイオン二次電池であり、特に、電解質として高分子電解質及び／または無機固体電解質などの固体電解質を使用する全固体電池であり得る。

図１は、本発明の具体的な一実施形態による電極の断面を示した概略図である。図面を参照すれば、前記電極１０は、集電体１２の少なくとも一面に形成された電極活物質層１１を備える。前記電極活物質層は、電極活物質、固体電解質、バインダー樹脂及び導電材を含み、前記バインダー樹脂は架橋されている。本発明において、前記電極は正極や負極であり得る。前記電極活物質層において、固体電解質は電極活物質１００重量部に対して５重量部〜１００重量部の比率で含むことができる。本発明の具体的な一実施形態において、前記固体電解質は１０重量部以上、２０重量部以上、３０重量部以上または４０重量部以上含むことができ、９０重量部以下、８０重量部以下、７０重量部以下または６０重量部以下含むことができる。また、前記バインダー樹脂は電極活物質層１００重量部に対して０．１〜１０重量部の比率で、導電材は電極活物質層１００重量部に対して０．１〜１０重量部の比率で含むことができる。

本発明の具体的な一実施形態によれば、前記電極活物質層は、バインダー樹脂が架橋されることで、電極層の弾性や剛性など機械的性質が改善され、電極活物質が充放電時に膨張及び／または収縮しても、電極活物質層がその影響を抑制または緩和でき、電極活物質層と電解質層との間の界面及び電極活物質層と集電体との間の界面の密着性が高く維持されてサイクル特性に優れた全固体電池を提供することができる。

本発明において、前記バインダー樹脂はゴム系バインダー樹脂を含み、後述するように、電極の製造工程で使用される非極性溶媒に溶解されて電極スラリーを提供することができる。

本発明において、前記電極が正極である場合、正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２など）、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ_２）などの層状化合物、若しくは、１またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（ｘは０〜０．３３）、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３、ＬｉＭｎＯ_２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）；ＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＶ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｕ_２Ｖ_２Ｏ_７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ＭはＣｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、ｘは０．０１〜０．３）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ_１−ｘＭ_ｘＯ_２（ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、ｘは０．０１〜０．１）またはＬｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉ一部がアルカリ土金属イオンで置換されたＬｉＭｎ_２Ｏ_４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ_２（ＭｏＯ_４）_３などを使用でき、これらのうち２種以上の混合物を使用することもできる。しかし、正極活物質がこれらに限定されることはない。

本発明において、前記電極は負極であり得、このとき、負極活物質はリチウム金属酸化物、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；Ｌｉ_ｘＦｅ_２Ｏ_３（０≦ｘ≦１）、Ｌｉ_ｘＷＯ_２（０≦ｘ≦１）、Ｓｎ_ｘＭｅ_１−ｘＭｅ’_ｙＯ_ｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；ケイ素系合金；スズ系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、ＰｂＯ、ＰｂＯ_２、Ｐｂ_２Ｏ_３、Ｐｂ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_５、ＧｅＯ、ＧｅＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_４及びＢｉ_２Ｏ_５など金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料；チタン酸化物から選択された１種または２種以上の混合物を使用できるが、これらに限定されない。

本発明の一実施形態において、前記電極は負極であり得、前記負極は集電体として銅薄膜を使用するものであり得る。負極の場合、通常銅を含む銅薄膜を集電体として使用するが、銅素材の集電体は、表面の特性上、電極活物質層と剥離され易い。そこで、本発明では電極活物質層の架橋を通じて集電体との界面接着力を高めた。したがって、本発明による電極が負極である場合及び／または本発明による電極の製造方法を負極に適用する場合、電極活物質層と集電体との界面の接着力が改善される効果がある。

前記バインダー樹脂は、ゴム系バインダー樹脂を含むことができる。上述したように、電極バインダーとして通常使用されるＰＶｄＦ系バインダー樹脂やアクリル系バインダー樹脂は、非極性溶媒に対する溶解度が低いため電極スラリーを製造し難い。したがって、本発明では、バインダー樹脂としてゴム系樹脂を使用する。前記ゴム系バインダー樹脂は、天然ゴム、ブチル系ゴム、ブロモ−ブチル系ゴム、塩素化ブチル系ゴム、スチレンイソプレン系ゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン系ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン系ゴム、ポリブタジエン系ゴム、ニトリルブタジエン系ゴム、スチレンブタジエン系ゴム、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）系ゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）系ゴム及び水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）からなる群より選択された１種以上を含むことができる。

本発明の具体的な一実施形態において、前記固体電解質は具体的な成分に特に限定されず、結晶性固体電解質、非結晶性固体電解質、ガラスセラミック固体電解質のような無機固体電解質のうち１つ以上を含むことができる。本発明において、前記固体電解質は硫黄成分が含まれた硫化物系固体電解質を含むことができ、このような硫化物系固体電解質としては、硫化リチウム、硫化ケイ素、硫化ゲルマニウム及び硫化ホウ素などが挙げられる。また、このような無機固体電解質の具体的な例としては、Ｌｉ_{３．８３３}Ｓｎ_{０．８３３}Ａｓ_{０．１６６}Ｓ_４、Ｌｉ_４ＳｎＳ_４、Ｌｉ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、Ｂ_２Ｓ_３−Ｌｉ_２Ｓ、ｘＬｉ_２Ｓ−（１００−ｘ）Ｐ_２Ｓ_５（ｘは７０〜８０）、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２−Ｌｉ_３Ｎ、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５−ＬｉＩ、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２−ＬｉＩ、Ｌｉ_２Ｓ−Ｂ_２Ｓ_３−ＬｉＩ、Ｌｉ_３Ｎ、ＬＩＳＩＣＯＮ、ＬＩＰＯＮ（Ｌｉ_３＋ｙＰＯ_４−ｘＮ_ｘ）、Ｔｈｉｏ−ＬＩＳＩＣＯＮ（Ｌｉ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４）、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２−Ｐ_２Ｏ_５（ＬＡＴＰ）などが挙げられる。

本発明の具体的な一実施形態において、前記導電材は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維または金属繊維、金属粉末、導電性ウィスカー、導電性金属酸化物、活性カーボン及びポリフェニレン誘導体からなる群より選択されたいずれか１つまたはこれらのうち２種以上の導電性材料の混合物であり得る。より具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、スーパーＰ、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、デンカブラック、アルミニウム粉末、ニッケル粉末、酸化亜鉛、チタン酸カリウム及び酸化チタンからなる群より選択された１種またはこれらのうち２種以上の導電性材料の混合物であり得る。

このような集電体は、電池に化学的変化を誘発せず高い導電性を有するものであれば特に制限されず、例えば、ステンレススチール、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、若しくは、アルミニウム又はステンレススチールの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用できる。

また、本発明は、前記電極を１つ以上含む電気化学素子用電極組立体及び前記電極組立体を含む電気化学素子を提供する。前記電気化学素子は、例えば全固体電池であり得る。本発明の一実施形態において、前記電気化学素子は、例えば、電気自動車（ＥＶ）用二次電池及び／または電力貯蔵システム（ＥＳＳ）用二次電池（ＥＳＳ）であり得る。または、前記電極組立体は２，４００ｍＡｈ以上の容量を有する高容量電極組立体であり得る。

図２は、本発明の一具現例による電極組立体を示した概略図である。図面を参照すれば、前記電極組立体１００は正極２０、負極３０、前記正極と負極との間に介在された固体電解質層５０を含む。前記電極組立体において、前記正極及び／または負極は上述したような本発明による特徴を有する電極であり得る。

前記電極組立体において、電極については上述した内容を参照できる。また、本発明の具体的な一実施形態において、前記固体電解質層は固体電解質として無機固体電解質及び／または高分子電解質を使用することができる。前記無機固体電解質は、全固体電池分野で固体電解質材料として通常使用されるものであり、酸化物系固体電解質及び／または硫化物系固体電解質を含むことができる。前記硫化物系固体電解質について上述した内容を参照できる。また、前記高分子電解質は、イオン伝導性の電解質用高分子材料のうち適切なものを選択して使用することができる。本発明の一実施形態において、前記固体電解質層５０は固体電解質及び電解質結着剤を含むことができる。前記電解質結着剤は極性官能基を有しない非極性樹脂であり得る。したがって、前記電解質結着剤は、反応性の高い固体電解質、特に硫化物系固体電解質に対して非活性である。前記電解質層５０は、電極活物質のように充放電による膨張収縮の恐れがない。また、固体電解質層に固体電解質以外の材料を混入すれば、固体電解質粒子同士の粒界抵抗の上昇など電池特性が低下し得るため、固体電解質層には架橋剤を添加しなくても良い。

本発明の具体的な一実施形態において、前記電解質結着剤としては、スチレンブタジエンブロック重合体（ＳＢＳ）、スチレンエチレンブタジエンスチレンブロック重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン−スチレンブタジエン−スチレンブロック重合体などのスチレン系熱可塑性エラストマ類、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、エチレン−プロピレン−ジエン三元重合体（ＥＰＤＭ）及びこれらの部分水素化物が挙げられる。外にも、ポリスチレン、ポリオレフィン、オレフィン系熱可塑性エラストマ、ポリシクロオレフィン、シリコーン樹脂、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）及びこれらの部分水素化物または完全水素化物、ポリアクリル酸エステルの共重合体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン（ＶｄＦ−ＨＦＰ）及びこれらのカルボン酸変性物、塩素化ポリエチレン（ＣＭ）、ポリメタクリル酸エステル、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドなどから１種または２種以上を選択して使用することができる。

以下、本発明による全固体電池用電極を製造する方法を説明する。

本発明において、電極スラリーを製造するとき、溶媒として非極性溶媒を含み、極性溶媒の使用は排除されるため、固体電解質のイオン伝導度が低下せず高い水準で維持される特徴がある。また、本発明において、前記電極は、バインダー樹脂としてゴム系バインダー樹脂を含み、前記ゴム系バインダー樹脂は分子間架橋されて結着力が向上するため、電極から電極活物質または固体電解質粒子が脱離する問題が低減される。

図４は、本発明の製造方法を示したフロー図である。図面を参照して全固体電池用電極の製造方法を詳しく説明する。

まず、電極活物質、バインダー樹脂、架橋開始剤、無機固体電解質及び溶媒を含む電極層製造用スラリーを用意する（Ｓ１０）。前記架橋開始剤は、バインダー樹脂１００重量部に対して０．１〜２０重量部の比率で含まれることが望ましい。

本発明の具体的な一実施形態において、前記溶媒は非極性溶媒を含み、水やＮＭＰのような極性溶媒の使用は排除される。本発明の具体的な一実施形態において、前記溶媒は極性度（ｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｄｅｘ）が０〜３．０及び／または誘電定数が５未満であり得る。本発明において、前記非極性溶媒としては、例えばペンタン、シクロヘキサン、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、アニソール、ヘプタン、クロロホルム、ジエチルエーテル、ブチルブチレートから選択された１種または２種以上の混合物を使用することができる。このように、本発明による電解質層の製造方法は、水やＮＭＰのような極性溶媒を使用しないため、硫化物系固体電解質の伝導度の低下を防止することができる。

本発明の具体的な一実施形態において、前記架橋開始剤は、バインダー樹脂を架橋させて３次元網の構造を形成可能な物質である。このような架橋開始剤として、本発明では有機過酸化物系開始剤を使用する。硫黄成分を使用した加硫架橋の場合は、電極スラリーを製造するとき、硫黄が（非極性）有機溶媒に溶解されないため、電極用スラリーを製造し難く、本発明のようなスラリー製造工程を経る電極の製造には望ましくない。また、加硫架橋の場合、架橋反応が１６０℃以上の高い温度で行われなければならず、加熱装置などが必要となるため、工程性の面から不利である。また、加熱条件によって電極活物質やバインダー樹脂に欠陥が生じ得、性能の低下につながる恐れがある。

前記有機過酸化物架橋開始剤は、例えば、過酸化ジクミル（ＤＣＰ）、ジ（２−エチルヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ−ｓｅｃ−ブチルペルオキシジカーボネート、ｔ−ブチルペルオキシネオデカノエート、ｔ−ヘキシルペルオキシピバレート、ｔ−ブチルペルオキシピバレート、ジラウロイルペルオキシド、ジ−ｎ−オクタノイルペルオキシド、１，１，３，３−テトラメチルブチルペルオキシ−２−エチルヘキサノエート、ジ（４−メチルベンゾイル）ペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、ｔ−ブチルペルオキシイソブチレート、１，１−ジ（ｔ−ヘキシルペルオキシ）シクロヘキサンからなる群より選択された１種または２種以上を選択して使用することができる。

本発明の具体的な一実施形態において、前記架橋剤は、バインダー樹脂１００重量部に対して０．１重量部〜３０重量部の範囲で含まれ、前記範囲内で架橋剤の含量は０．５重量部以上、１重量部以上、２重量部以上、３重量部以上、５重量部以上、１０重量部以上または１０重量部以上含まれ得、２５重量部以下、２０重量部以下、１５重量部以下、１０重量部以下または７重量部以下に調節できる。例えば、前記架橋剤の含量は２〜１０重量部の範囲で投入できる。

その後、前記（Ｓ１０）で用意したスラリーを集電体の少なくとも一面に塗布し乾燥して電極層ａを形成する（Ｓ２０）。スラリーを塗布した後は溶媒を乾燥して電極層ａを固化させる。前記乾燥は常温条件で行われても良く、必要に応じて電極を加熱して溶媒の除去を促進しても良い。前記乾燥は含まれた架橋開始剤が反応しない温度範囲で行われるように調節する必要がある。

次いで、前記（Ｓ２０）で収得した電極層ａを圧延して電極層ａ’を収得する（Ｓ３０）。本明細書において、電極層ａ’は本段階によって電極層ａが加圧されて形成された状態を称する。該加圧によって電極活物質、固体電解質粒子、導電材が電極内で互いに密接に結着し、イオン伝導度及び電子伝導度を向上させることができる。また、前記圧延を通じて、電極の通気度を４秒／１００ｃｃ〜３，６００秒／１００ｃｃ、１００秒／１００ｃｃ〜１０００秒／１００ｃｃ、または２００秒／１００ｃｃ〜８００秒／１００ｃｃの範囲に制御する。

その後、前記（Ｓ３０）段階で収得された電極層ａ’を加熱する加温処理を施し、架橋剤によってバインダー樹脂を架橋させて電極層ａ’’を形成する（Ｓ４０）。本明細書において、電極層ａ’’は本段階によって電極層ａ’を加温処理して電極層内のバインダー樹脂が架橋された状態を称する。上述したように、非極性溶媒は固体電解質のイオン伝導度を低下させる問題はないが、ゴム系バインダーの結着力が低下する問題がある。したがって、本発明はバインダーを架橋させて結着特性を向上させた。

本段階での加熱は４５℃〜１５０℃の温度に調節され、架橋反応が開始及び進行する温度に制御される。前記架橋時間は、加熱温度に応じて適切に調節でき、架橋反応が完了するまで行うことができる。本発明の具体的な一実施形態において、前記架橋反応は１分〜１００分、１分〜６０分、１分〜２０分または１分〜１５分間行うことができる。

図３は、本発明による電極の製造工程を示した概略図である。図面を参照すれば、非極性溶媒５にバインダー樹脂１ａ、架橋開始剤２、固体電解質３及び電極活物質４を添加して電極層スラリーを製造した後、それを集電体の表面に塗布して乾燥する。乾燥した電極活物質に含まれた電極活物質と固体電解質は、バインダー樹脂１ｂによって表面の全部または少なくとも一部が被覆された形態を有する。その後、乾燥した電極活物質層を所定の圧力で加圧した後、加熱してバインダー樹脂１ｂを架橋させる。該加圧によって電極活物質などの電極構成成分同士が互いに密接に結着して層状構造を形成し、イオン伝導度及び電子伝導度が高くなる。また、加圧によって電極の通気度を所望の水準に調節することができる。一方、図３の１ｃはバインダー樹脂であって、上記の段階を経て架橋された状態を区別して示したものである。

上述したように、本発明による電極は、電極活物質層及びそれと対面する集電体及び／または固体電解質層との界面接着力が改善される。したがって、このような電極を電池に適用する場合、充放電時の電極の物理的安定性が増加するため、充電初期の抵抗が減少し、放電容量のバラツキが減少して電圧の安定性が改善される効果がある。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。しかし、下記実施例は多くの他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供される。

［実施例］
［製造例１−１．負極の製造］
天然黒鉛（ＡＧＰ８）、ＶＧＣＦ、ＢＲ（ブタジエンゴム）及びＨＮＢＲ（水素化ニトリルブタジエンゴム）を重量比で９４：２：３．９６：０．０４の比率でキシレンに投入し、乳鉢ミキシングして均一な負極スラリーを得た。スラリーの混合中に架橋開始剤としてＤＣＰ（過酸化ジクミル）を添加した。ＤＣＰ溶液（キシレン中に４０％含量）はＢＲとＨＮＢＲの１００重量部に対して５重量部の比率で添加された（固形分基準）。前記スラリーを銅薄膜に２５０μｍの厚さで塗布した後、２５℃で乾燥した。溶媒が除去された後、約１３０℃に昇温し、約１０分間静置して架橋反応を開始及び進行させた。その後、ロール間隔０μｍでロールプレスを４回行った。

［製造例１−２．正極の製造］
正極活物質としてＬｉＣｏ_２Ｏ_３を使用した。前記正極活物質、ＶＧＣＦ、ＢＲ及びＨＮＢＲを重量比で９４：２：３．９６：０．０４の比率でキシレンに投入し撹拌して均一な正極スラリーを得た。スラリーの撹拌中に架橋開始剤としてＤＣＰを添加した。ＤＣＰ溶液（キシレン中に４０％含量）はＢＲ及びＨＮＢＲの１００重量部に対して５重量部の比率で添加された（固形分基準）。前記スラリーをアルミニウム薄膜に２５０μｍの厚さで塗布した後、２５℃で乾燥した。溶媒が除去された後、約１３０℃に昇温し、約１０分間静置して架橋反応を開始及び進行させた。その後、ロール間隔０μｍでロールプレスを４回行って正極を収得した。

［製造例２−１］
ＤＣＰが添加されないことを除き、製造例１−１と同じ方法で負極を製造した。

［製造例２−２］
ＤＣＰが添加されないことを除き、製造例１−２と同じ方法で正極を製造した。

［実施例］
製造例１−１で製造した負極とリチウム金属との間に分離膜（ポリエチレン素材分離膜、厚さ：２０μｍ）を介在させて電極組立体を製造した後、ＬｉＰＦ_６１Ｍ濃度の有機溶媒（エチレンカーボネート：ジエチルカーボネート＝３：７体積比）を電解液にしてコイン型ハーフセルを製造した。また、同じ電極を用いて２組の電池を製造し、それぞれ実施例１及び実施例２にした。

［比較例］
製造例２−１で製造した負極とリチウム金属との間に分離膜（ポリエチレン素材分離膜、厚さ：２０μｍ）を介在させて電極組立体を製造した後、ＬｉＰＦ_６１Ｍ濃度の有機溶媒（エチレンカーボネート：ジエチルカーボネート＝３：７体積比）を電解液にしてコイン型ハーフセルを製造した。また、同じ電極を用いて２組の電池を製造し、それぞれ比較例１及び比較例２にした。

［剥離力の評価］
それぞれの製造例で収得した電極を用いて電極層と集電体との界面の剥離力を確認し、その結果を下記表１に示した。剥離力の評価は引張試験機を用いた９０゜剥離テストで測定した。

製造例１−１と製造例２−１は集電体として銅薄膜を使用したものである。実験結果によれば、製造例２−１の電極に比べて、製造例１−１の接着力が非常に優れることが分かる。また、集電体としてアルミニウム薄膜を使用した製造例１−２及び製造例２−２でも、本発明による電極である１−２の場合、より優れた接着力を見せた。本実験では、製造例２−２の電極が製造例１−１の電極に比べて優れた接着力を見せたが、これは集電体の素材による差であって、同じ素材の集電体を使用すれば、本発明による電極の接着力が優れることが確認される。

［充放電の評価］
それぞれの電池に対し、０．１Ｃで０．００５ＶまでＣＣ−ＣＶモード（電流が０．０５Ｃになれば、充電を終了）で充電し、０．１Ｃで１．５Ｖまで定電流で放電して、負極に対する充放電サイクルを確認した。結果を図７に示した。図面によれば、充電初期の抵抗減少、放電容量のバラツキの減少及び電圧の安定性増加の面から、実施例の電池が比較例の電池に比べて優れることが確認された。図７を参照すれば、実施例の充電初期の電圧減少が比較例に比べてより低いことが分かるが、これは電極抵抗の減少に起因するものであって、実施例の電池が比較例の電池に比べてより低い抵抗を有するためである。また、実施例に該当する２組（実施例１及び２）の放電容量は同一に測定された一方、比較例に該当する２組（比較例１及び２）の放電容量はグラフ上で約２０ｍＡｈ／ｇの差を見せた。そして、比較例の場合、充電初期の電圧曲線が不安定である一方、実施例の場合は安定的に充電が行われている。このような現象は電極の架橋化により電極の物理的安定性が増加したためである。

１ａ、１ｂ、１ｃ：バインダー樹脂
２：架橋開始剤
３：固体電解質
４：電極活物質
５：非極性溶媒
１０：負極
１１：電極活物質層
１２：集電体
１００：電極組立体
２０：正極
５０：固体電解質層
３０：負極

Claims

（Ｓ１０）電極活物質、バインダー樹脂、架橋開始剤、無機固体電解質及び溶媒を含む電極層製造用スラリーを用意する段階；
（Ｓ２０）前記電極層製造用スラリーを集電体の表面に塗布し乾燥して電極層ａを形成する段階；
（Ｓ３０）前記電極層ａを圧延して電極層ａ’を形成する段階；及び
（Ｓ４０）前記電極層ａ’を加温処理して電極層ａ’’を形成する段階；を含み、
前記（Ｓ２０）段階は架橋反応が開始されない温度範囲で行われ、（Ｓ４０）段階は電極層の架橋反応が開始及び進行する温度範囲で行われる、電極の製造方法。
前記（Ｓ１０）段階の溶媒が非極性溶媒である、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記バインダー樹脂がゴム系バインダーを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記スラリーが導電材をさらに含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記架橋開始剤が有機過酸化物系架橋開始剤である、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記有機過酸化物架橋開始剤が、ジ（２−エチルヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）ペルオキシジカーボネート、ジ−ｓｅｃ−ブチルペルオキシジカーボネート、ｔ−ブチルペルオキシネオデカノエート、ｔ−ヘキシルペルオキシピバレート、ｔ−ブチルペルオキシピバレート、ジラウロイルペルオキシド、ジ−ｎ−オクタノイルペルオキシド、１，１，３，３−テトラメチルブチルペルオキシ−２−エチルヘキサノエート、ジ（４−メチルベンゾイル）ペルオキシド、ジベンゾイルペルオキシド、ｔ−ブチルペルオキシイソブチレート、１，１−ジ（ｔ−ヘキシルペルオキシ）シクロヘキサンからなる群より選択された１種以上である、請求項１に記載の電極の製造方法。
前記（Ｓ４０）段階が真空条件で行われる、請求項１に記載の電極の製造方法。
請求項１に記載の方法によって製造され、
集電体及び前記集電体の少なくとも一面に形成された電極層を含み、
前記電極層は、電極活物質、無機固体電解質及びバインダー樹脂を含み、
前記電極層内で電極活物質粒子と無機固体電解質粒子とはバインダー樹脂によって互いに面結着及び点結着して固定され集積されており、
前記バインダー樹脂は架橋されている、全固体電池用電極。
前記バインダー樹脂がゴム系バインダー樹脂を含む、請求項８に記載の全固体電池用電極。
前記ゴム系バインダー樹脂が、天然ゴム、ブチル系ゴム、ブロモ−ブチル系ゴム、塩素化ブチル系ゴム、スチレンイソプレン系ゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン系ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン系ゴム、ポリブタジエン系ゴム、ニトリルブタジエン系ゴム、スチレンブタジエン系ゴム、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）系ゴム、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）系ゴムからなる群より選択された１種以上を含む、請求項９に記載の全固体電池用電極。