JP3399614B2 - 正極合剤およびそれを用いた電池 - Google Patents

正極合剤およびそれを用いた電池

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質電池、特に
リチウム固体電解質電池およびその正極合剤に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質電池、リチウム固体電解質電
池として正極活物質にカルコゲン化合物、負極に金属リ
チウム、炭素質材料などを用いた一次電池および二次電
池がある。この様な電池の構成は、正極活物質粒子と導
電剤であるアセチレンブラックなどの炭素粒子、そして
それぞれの粒子の結着剤およびイオン伝導性物質として
イオン伝導性高分子固体電解質材料などを混合してペー
スト状にして、金属基板に塗布し、前記イオン伝導性高
分子固体電解質材料をキュアリングしてシート状とした
ものを正極とし、前記イオン伝導性固体電解質からなる
セパレータを介して負極である金属基板に金属リチウム
シートや炭素質材料を用いた合剤を張り合わせたものま
たは塗布したものを重ね合わせたものの周縁部に封口剤
を充填して電池としていた。その際に用いられる導電剤
としては、アセチレンブラック以外に黒鉛などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、アセチレンブ
ラックは、導電に適した鎖状の構造を持っていて導電性
は優れているが比表面積が大きく吸液特性が大きすぎて
正極合剤中のイオン伝導性高分子固体電解質材料を多量
に吸液する。そのためにイオン伝導性高分子固体電解質
は正極活物質および導電剤の結着剤も兼ねているので吸
液されることによりその結着特性が発揮されにくく、結
着特性を発揮させるために過剰のイオン伝導性高分子固
体電解質を添加しなければならず、正極合剤体積当りの
活物質充填密度が低くなってしまう。一方、黒鉛は吸液
特性が小さいためにイオン伝導性高分子固体電解質の吸
液量が小さく、その結着特性が容易に発揮され正極合剤
体積当りの活物質充填密度は向上するが構造が粒状で正
極合剤中では分散された状態で存在するために導電に必
要な導電剤が連鎖した構造が得られにくく、正極合剤中
の導電性はよくない。そのために放電における正極活物
質利用率の向上には過剰の黒鉛を添加しなければなら
ず、正極合剤体積当りの活物質充填密度は低くなってし
まう。また、二次電池の場合はさらに、充放電を繰り返
すことにより電極の膨張、収縮が起こり集電不良が生じ
充分な充放電サイクル特性が得られない。
【０００４】本発明は、固体電解質電池の正極合剤に関
し、導電剤に炭素繊維を用いることによって正極合剤の
導電性を低下させることなく導電剤によるイオン伝導性
高分子固体電解質の吸液量を小さくすることにより正極
合剤体積当りの活物質充填密度が向上し電池体積当りの
エネルギー密度をより高くしようとするものである。さ
らに、二次電池の場合充放電サイクル特性を向上しよう
とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の正極合剤は、正
極活物質、導電剤およびイオン伝導性高分子固体電解質
を含有するものであって、前記導電剤が直径０．０８〜
１０μｍ、アスペクト比１０以上の炭素繊維であること
を特徴とするものである。
【０００６】また、炭素繊維の添加量は、正極活物質と
炭素繊維を合わせた重量を１００重量％としたとき、
０．５〜２０重量％でその効果は発揮される。０．５重
量％より少ない添加量では、導電剤の量が不足し正極合
剤中の導電性が充分でない。２０重量％より多い添加量
では、正極合剤体積当たりの活物質充填密度が低下して
しまう。さらに、炭素繊維の直径が０．０８〜１０μｍ
が好ましい。０．０８μｍ未満だと直径が小さく炭素繊
維の強度が低下し正極合剤混合中に炭素繊維が折れてし
まう。反対に１０μｍを越えると正極合剤の炭素繊維の
本数が少なくなり、正極活物質と炭素繊維の接触機会が
少なくなり導電性が落ちてしまう。
【０００７】さらに、アスペクト比は、１０以上でその
効果は発揮される。１０未満だと導電剤として黒鉛を添
加した場合と同じ現象が起こり上記で述べたように正極
合剤中の導電性が低下する。
【０００８】また、正極合剤中の炭素繊維の方向性は問
わない。
【０００９】また、本発明における正極活物質は一次電
池としてＭｎＯ2 等、二次電池としてＬｉＣｏＯ2 、Ｌ
ｉＶ3 Ｏ8 、ＬｉＭｎ2 Ｏ4 、Ｖ2 Ｏ5 、ＬｉＮｉＯ2
等があるが、これらには限定されない。
【００１０】
【作用】本発明の正極合剤は、その正極合剤中の導電剤
として上記の炭素繊維を使用することによりイオン伝導
性高分子固体電解質材料が導電剤による吸液量を少なく
することができるため正極合剤体積当りの活物質充填密
度が向上し、また炭素繊維の直径が０．０８μｍ以上で
あれば正極合剤混合時の炭素繊維の粉砕もなく、１０μ
ｍ以下であれば炭素繊維の本数が不足して正極合剤の導
電性が低下することもない。また炭素繊維のアスペクト
比が１０以上あればその構造が繊維状のために正極合剤
中の導電に必要な炭素繊維の連鎖した構造が得られやす
く０．５〜２０重量％の添加量で電池として放電におけ
る正極活物質利用率を向上させることができ電池体積当
りのエネルギー密度をより高くすることができる。また
二次電池の場合、炭素繊維が可とう性を持つため充放電
による電極の膨張、収縮を吸収し集電不良を抑えること
ができるため充放電サイクル特性を向上させることがで
きる。
【００１１】
【実施例】以下本発明の実施例を説明する。 （実施例１）正極合剤中の導電剤としてアスペクト比が
２０、１００、５００の３種類の炭素繊維を用いて作製
したものについて説明する。なお、用いた炭素繊維の平
均繊維径は、すべて０．１５μｍである。
【００１２】一次電池用正極活物質としてＭｎＯ2 、１
００ｇに導電剤として上記炭素繊維１０ｇを混合し、さ
らに結着剤としてイオン伝導性高分子固体電解質材料５
０ｇ、反応開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル
０．０２５ｇを混合して正極合剤ペーストを得た。ま
た、上記イオン伝導性高分子固体電解質材料はエチレン
オキシドのモノアクリレート、同ジアクリレート、同ト
リアクリレートからなる混合物をプロピレンカーボネー
トにＬｉＣｌＯ4 を溶解したものに溶解してなるもので
ある。
【００１３】次に上記正極合剤ペーストをステンレス基
板上にキャストし不活性ガス雰囲気中で１００゜Ｃで１
時間放置することにより硬化させステンレス基板上にシ
ート状の正極合剤を得た。得られた正極合剤の厚さは約
１００μｍであった。
【００１４】次にアゾビスイソブチロニトリル０．０５
ｇを上記イオン伝導性高分子固体電解質材料１００ｇに
溶解したものを上記正極合剤上にキャストし上記と同様
に硬化させて、上記正極合剤上にセパレータとしてイオ
ン伝導性高分子固体電解質被膜を形成した。得られた被
膜の厚さは、２０μｍであった。
【００１５】以上のようにして得たステンレス基板と正
極合剤とイオン伝導性高分子固体電解質被膜とからなる
複合シートを、１ｃｍ×１ｃｍの大きさで切り出し、こ
の複合シートのイオン伝導性高分子固体電解質被膜上
に、厚さ１００μｍの金属リチウムを負極として取り付
けて、図１に示す構造の、即ちステンレス基板１と正極
合剤２とイオン伝導性高分子固体電解質被膜３と負極４
とステンレス基板５とからなる電池を作製した。
【００１６】得られた電池に１ｋｇ／ｃｍ2 の荷重を掛
け、その状態で２０゜Ｃにて０．１ｍＡ／ｃｍ2 の定電
流で放電終止電圧２．０Ｖで放電試験を行った。
【００１７】なお、比較例として、導電剤として従来の
アセチレンブラックを添加した正極合剤を用いた電池も
上記と同様の方法で作製した。ただし、正極合剤ペース
ト作製においてイオン伝導性高分子固体電解質は６５
ｇ、アゾビスイソブチロニトリルは０．０３３ｇ必要で
あった以外は、上記と同様である。
【００１８】以上のように導電剤の異なる４種類の電池
の正極合剤体積当りの活物質充填密度および放電特性か
ら電池体積当りのエネルギー密度の比較を行った。
【００１９】表１に放電試験における正極活物質利用
率、正極合剤体積当りの活物質充填密度および電池体積
当りのエネルギー密度を示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】表１に示すように導電剤としてアセチレン
ブラックを使用した従来の電池は、利用率はアスペクト
比が２０の炭素繊維を使用した本発明の電池と比較して
利用率は良いが活物質充填密度では炭素繊維を使用した
本発明の３種類の電池と比較してかなり劣っている。結
果としてエネルギー密度では、本発明の３種類の電池と
比較して劣っていることが分かる。
【００２２】（実施例２）二次電池用正極活物質として
ＬｉＣｏＯ2 、１００ｇに導電剤として上記炭素繊維１
０ｇを混合し、さらに結着剤としてイオン伝導性高分子
固体電解質材料５０ｇ、反応開始剤としてアゾビスイソ
ブチロニトリル０．０２５ｇを混合して正極合剤ペース
トを得た。また、上記イオン伝導性高分子固体電解質材
料はエチレンオキシドのモノアクリレート、同ジアクリ
レート、同トリアクリレートからなる混合物をエチレン
カーボネートおよびジエチルカーボネートにＬｉＰＦ6
を溶解したものに溶解してなるものである。
【００２３】次に上記正極合剤ペーストをアルミニウム
基板上にキャストし不活性ガス雰囲気中で１００゜Ｃで
１時間放置することにより硬化させアルミニウム基板上
にシート状の正極合剤を得た。得られた正極合剤の厚さ
は約１００μｍであった。
【００２４】次にアゾビスイソブチロニトリル０．０５
ｇを上記イオン伝導性高分子固体電解質材料１００ｇに
溶解したものを上記正極合剤上にキャストし上記と同様
に硬化させて、上記正極合剤上にセパレータとしてイオ
ン伝導性高分子固体電解質被膜を形成した。得られた被
膜の厚さは、２０μｍであった。
【００２５】以上のようにして得たアルミニウム基板と
正極合剤とイオン伝導性高分子固体電解質被膜とからな
る複合シートを、１ｃｍ×１ｃｍの大きさで切り出し、
この複合シートのイオン伝導性高分子固体電解質被膜上
に、厚さ１００μｍの炭素質材料からなる負極合剤を取
り付けて、図２に示す構造の、即ちアルミニウム基板６
と正極合剤７とイオン伝導性高分子固体電解質被膜８と
負極合剤９と銅基板１０とからなる電池を作製した。
【００２６】得られた電池に１ｋｇ／ｃｍ2 の荷重を掛
け、その状態で２０゜Ｃにて充放電試験を行った。充電
は、定電流定電圧充電であり、定電流の電流密度は１ｍ
Ａ／ｃｍ2 、終止電圧４．２Ｖ、定電圧充電は電圧が
４．２Ｖで５時間行った。また放電は定電流放電で電流
密度は１ｍＡ／ｃｍ2 で放電終止電圧は３．０Ｖで放電
試験を行った。
【００２７】なお、比較例として、導電剤として従来の
アセチレンブラックを添加した正極合剤を用いた電池も
上記と同様の方法で作製した。ただし、正極合剤ペース
ト作製においてイオン伝導性高分子固体電解質は６５
ｇ、アゾビスイソブチロニトリルは０．０３３ｇ必要で
あった以外は、上記と同様である。
【００２８】以上のように導電剤の異なる４種類の電池
の正極合剤体積当りの活物質充填密度、また初期放電容
量および初期放電容量に対する１００サイクル目の放電
容量の容量保持率から比較を行った。
【００２９】表２に充放電試験における初期放電容量お
よび初期放電容量に対する１００サイクル目の放電容量
の容量保持率、正極合剤体積当りの活物質充填密度を示
す。放電容量はここでは正極活物質１ｇ当りの容量に換
算している。
【００３０】
【表２】
【００３１】表２に示すように導電剤としてアセチレン
ブラックを使用した従来の電池は、初期放電容量はアス
ペクト比が２０の炭素繊維を使用した本発明の電池と比
較して差はないが活物質充填密度では炭素繊維を使用し
た本発明の３種類の電池と比較してかなり劣っている。
また、１００サイクル後の容量保持率についても６７％
にまで低下する。一方、導電剤として炭素繊維を含む正
極合剤を用いた電池ではいずれも従来例と比較すると正
極合剤体積当りの活物質充填密度が大きく向上し、充放
電サイクル特性も１００サイクル後の放電容量保持率も
大幅に向上している。
【００３２】
【発明の効果】以上のことから、実施例１および２から
導電剤として炭素繊維を用いた正極合剤では導電剤によ
るイオン伝導性高分子固体電解質材料の吸液量を少なく
することができ、正極活物質、導電剤の結着特性を低下
させることなく正極合剤を作製できる。それにより正極
合剤体積当りの活物質充填密度を向上させることができ
る。また炭素繊維のアスペクト比が１０以上あればその
構造が繊維状のために正極合剤中の導電に必要な導電剤
が連鎖した構造が得られやすく０．５〜２０重量％の添
加量で電池として放電における正極活物質利用率を向上
させることができ電池体積当りのエネルギー密度をより
高くすることができる。また二次電池の場合、炭素繊維
が可とう性を持つため充放電による電極の膨張、収縮を
吸収し集電不良を抑えることができるため充放電サイク
ル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の正極合剤を用いた電池の断
面図である。
【図２】本発明の実施例２の正極合剤を用いた電池の断
面図である。
【符号の説明】
１ ステンレス基板 ２ 正極合剤 ３ イオン伝導性高分子固体電解質被膜 ４ 負極 ５ ステンレス基板 ６ アルミニウム基板 ７ 正極合剤 ８ イオン伝導性高分子固体電解質被膜 ９ 負極合剤 １０ 銅基板
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−46756（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−17272（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282561（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−143146（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−289658（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−290883（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−218159（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−49866（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 4/00 - 4/62

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 正極活物質（導電性または半導電性の高
    分子材料を除く）、導電剤およびイオン伝導性高分子固
    体電解質を含有する正極合剤であって、前記導電剤が直
    径０．０８〜１０μｍ、アスペクト比１０以上の炭素繊
    維からなることを特徴とする正極合剤。
  2. 【請求項２】 前記炭素繊維の添加量が、正極活物質と
    炭素繊維を合わせた重量を１００重量％としたとき、
    ０．５〜２０重量％であることを特徴とする請求項１記
    載の正極合剤。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の正極合剤を
    用いたことを特徴とする電池。
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