JP3664560B2 - リチウム2次電池 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集電体への接着性の良好な電極を用いたリチウム2次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
ノート型パソコン、ビデオカメラ等に用いられる2次電池には、高エネルギー密度でしかも充放電サイクル寿命の長いことが求められる。2次電池としては、従来から鉛蓄電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池などが利用されてきたが、さらに高エネルギー密度の2次電池としてリチウムイオン2次電池が提案ないし実用化されている。
【0003】
例えば、特開昭63−121260号公報には、非水電解液を用い、正極としてLiCoO2 および/またはLiNiO2 を用い、負極として炭素材料を用いたリチウムイオン2次電池が記載されている。このリチウムイオン2次電池は、インターカレーション・デインターカレーション反応を利用している。具体的には、例えば負極の場合、充電時にリチウムイオンなどが炭素の六角網面の層間に侵入して電子を受け取り、放電時には炭素の層間のリチウムが電子を放出して再びイオン化する。このようなリチウムイオン2次電池は高エネルギー密度、高サイクル寿命であり、反応性の高い金属リチウムを使用しないので、安全性に優れている。現在では更なる高性能化へ向けて、研究開発が進められている。
【0004】
リチウムイオン2次電池に使用される電極は、炭素材料や酸化物などの活物質を銅箔やアルミ箔等からなる集電体の表面に形成することにより製造される。具体的には、高分子溶液、または高分子分散液中に活物質等を分散させて集電体表面に塗布するが、バインダー用高分子には下記の特性が要求される。
【0005】
▲1▼ 電池組立工程において、活物質の塗膜が集電体から脱離せず、ひび割れなども生じない接着強度があること
▲2▼ 電解液に溶解しないこと
▲3▼ 充放電を繰り返しても塗膜が集電体から脱離せず、ひび割れなども生じない接着強度があること
▲4▼ 少ない添加量で十分な接着強度を示すこと
▲5▼ 電解質塩と反応しないこと
【0006】
上記した特開昭63−121260号公報では、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)が用いられている。ところで、接着強度を高くするためにはPVDFを多量に添加する必要がある。しかし、バインダーは電池容量に寄与しないため、バインダーを多く用いると電池容量が減少してしまう。また、PVDFは電解液の非水溶媒に溶解するため、多量に添加したとしても、充放電を繰り返すと塗膜の剥離やひび割れを生じ、電池容量が減少するという問題がある。
【0007】
また、PVDFは結晶性樹脂のため、実際の電池製造工程上で種々の不具合が生ずる。例えば、リチウムイオン2次電池の製造工程の一つに、PVDFの溶液に活物質を分散させた塗布溶液を集電体(例えば銅箔)に塗布、乾燥して電極を製造するという工程がある。この工程では乾燥速度などが不適切であると、PVDFの収縮率と集電体の収縮率とが大きく異なるため、電極合剤層が集電体から剥離してしまう。剥離しないまでも電極がカーリングしてしまう等の不具合が生じる。また、塗布・乾燥直後は問題がなくても、時間の経過と共に、電極に残留している内部応力のために、次第に電極合剤層が集電体から剥離する場合もある。
【0008】
この他にもバインダーとしては今まで種々のものが用いられてきている。その中で好ましい例として、架橋高分子が挙げられる。特に、架橋剤としてポリアミン、ポリオールまたはパーオキサイドを用いて架橋されたもの、例えば、フッ化ビニリデン−6フッ化プロピレン共重合体(P(VDF−HFP))、フッ化ビニリデン−6フッ化プロピレン−4フッ化エチレン共重合体、4フッ化エチレン−プロピレン共重合体、4フッ化エチレン−プロピレン−フッ化ビニリデン共重合体、パーフルオロ系フッ素ゴムなどのフッ素ゴムの少なくとも1種を前記架橋剤により架橋したものがある。架橋剤の添加量は、架橋される化合物100重量部に対し、通常、0.5〜10重量部、好ましくは1〜5重量部程度である。
【0009】
また、フッ素を含有する化合物であって、β線やγ線等の放射線により架橋されたもの、例えば、PVDF、P(VDF−HFP)、含フッ素熱可塑性ゴムなどの少なくとも1種を放射線により架橋させたものもある。これらについては、例えば日本化学会誌No. 4,P686,1976 やINDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY,VOL.49,No.10,P1687,1957などに記載されている。
【0010】
また、シラン化合物をグラフト化したPVDFを水で架橋して用いる旨の提案もある。シラン架橋PVDFについては、例えば特開平2−115234号公報に記載されている。
【0011】
上記架橋高分子のうちゴム系の架橋高分子が特に好ましいとされている。ゴム系の架橋高分子を用いることにより内部抵抗を小さくすることができ、特に重負荷時の性能が向上する。
【0012】
なお、架橋高分子は2種以上の混合物として用いてもよいとされている。また、バインダーには、前記架橋高分子の他に、ポリメチルメタクリレート(PMMA)やポリカーボネート(PC)等の他の高分子が含まれていてもよいが、これらはバインダー全体の25体積%程度以下の含有量とされている。
【0013】
上述のような架橋高分子がバインダーとしては好ましいものであるが、実用に供するにあたり新たに架橋工程が必要であり製造する上で問題となっていた。
【0014】
一方、上述のようなバインダー材料を電極材料として用いるものに電気2重層キャパシタがあり、電気2重層キャパシタの分極性電極材料として用いる場合もリチウム2次電池と同様にバインダー材料の特性の改良は望まれるところである。
【0015】
さらに、EL素子としても蛍光材料とバインダーとを含む発光層を有するものが知られているが、この場合のバインダー材料の開発も望まれている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、組立工程において新たな架橋工程等を必要とせず製造が容易で、正極材料や負極材料の脱落が防げ、また、充放電を繰り返したときの容量低下の少ないリチウム2次電池を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的は以下の構成により達成される。
(1)正極及び負極を有するリチウム2次電池であって、
前記正極が、正極活物質と、フッ化ビニリデン(VDF)と塩化3フッ化エチレン(CTFE)の共重合体である直鎖状高分子のバインダーを含む電極層を有する電極であり、
前記負極が、負極活物質と、フッ化ビニリデン(VDF)と塩化3フッ化エチレン(CTFE)の共重合体である直鎖状高分子のバインダーを含む電極層を有する電極であり、
炭素材料を前記正極活物質とし、リチウム金属、リチウム合金またはリチウム酸化物材料を前記負極活物質とするリチウム2次電池。
【0018】
【作用】
正極・負極活物質の塗膜を集電体に形成して電極とする際、上記のフッ化ビニリデン(VDF)と、塩化3フッ化エチレン(CTFE)の共重合体よりなる直鎖状高分子:P(VDF−CTFE)をバインダーとして用いる。この高分子はCTFE部分の存在により高分子の結晶性が低下しており、PVDFに比べて弾性率の低下、伸びの向上が見られ、材料が軟化している。このため、電極のバインダーとして用いた場合、収縮率が小さく、集電体との接着性がよい。さらに、接触抵抗が小さくなり、内部抵抗の小さいリチウム2次電池等が製造できる。
【0019】
本発明のP(VDF−CTFE)の耐薬品性は、特願平8−274103号において提案した、PVDF共重合体主鎖/PVDF側鎖高分子同様、P(VDF−HFP)よりも優れており、塩素系溶媒以外、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン等の限られた溶媒に室温で溶解する。加熱した場合は、ケトン、カーボネート類に可溶である。いずれの場合も、マグネチックスターラー等で撹拌することにより均一な溶液が得られる。この結果、電極の形成が容易となる。
【0020】
また、電気2重層キャパシタの電極やEL素子の発光層に適用したとしても、良好な特性を示し、良好な耐久性を示す。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
【0022】
本発明の電極は、導電性材料と、P(VDF−CTFE)である直鎖状高分子のバインダーを含む電極層を集電体に形成させる。そして、このような電極を正極または負極に用い、前記導電性材料として炭素材料、リチウム金属、リチウム合金あるいは酸化物材料を負極活物質に用い、リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な化合物または炭素材料を正極活物質に用いることにより良好な特性のリチウム2次電池を得ることができる。
【0023】
活物質として用いる炭素材料は、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、天然あるいは人造の黒鉛、樹脂焼成炭素材料、カーボンブラック、炭素繊維、ポリアセンなどから適宜選択すればよい。
【0024】
リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な化合物としては、リチウムを含む複合酸化物が好ましく、例えば、LiCoX Ni1-X 2 (0≦X≦1)、LiMn24 、LiV24 などが挙げられる。
【0025】
本発明では、上記負極活物質および/または正極活物質、好ましくは両活物質を、上述したP(VDF−CTFE)である直鎖状高分子のバインダーにより集電体に形成させる。
【0026】
本発明のバインダーとして用いるP(VDF−CTFE)は、VDF:CTFE=1:1の場合、主に交互共重合体となるが、それ以外の任意の組成の共重合体も合成可能である。本発明のP(VDF−CTFE)中のCTFEモル比は5〜50%の範囲とすることが好ましい。また分子量は、材料の強度の点で、Mwとして20,000以上、特に30,000程度以上であることが必要である。Mwの上限は、1,000,000程度である。本質的にこの共重合体は吸湿性が低いので(<0.05%)、使用に際し必ずしも乾燥処理を行う必要はないが、100℃以下での常圧あるいは真空乾燥を行ってもよい。このようなP(VDF−CTFE)は、日本ソルベイ(株)より30000シリーズ、商品名「31508」として販売されている。
【0027】
この高分子を合成するには、他のフッ素樹脂同様VDFとCTFEとの2成分を過酸化物を触媒として共重合させればよい。前記共重合体は、常温ではエチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の電解液に溶解することもなく、このような共重合体を含む電極を、リチウム2次電池、電気2重層キャパシタ等に用いた場合、サイクル特性、保存特性が良好となる。
【0028】
上記高分子を用いた電極には構成高分子として、低分子量成分が含有されていても良い。分子量としては100〜10,000、特に300〜5,000程度が好ましい。このような低分子量成分としては、PVDF、塩化3フッ化エチレン(PCTFE)、P(VDF−CTFE)の低分子量化合物が挙げられ、この中でPCTFEはダイキン工業(株)のダイフロイルとしていくつかの分子量(500〜1300)のものが市販されている。これらは、通常液体・流動体であり、P(VDF−CTFE)の溶液に容易に溶解し、電極となった後も高い相溶性を示す。これらは可塑剤としての機能も有しているため、添加により電極の機械的特性を制御することができる。添加量は目的に応じ、全高分子中に40重量%以下、特に5〜40重量%とすることが好ましい。ただし、電極の強度は低下する方向である。
【0029】
電極の製造に際しては、まず、炭素材料などの電極材料を高分子溶液に分散し、塗布液を調製する。塗布液に用いる溶媒は、高分子が溶解可能な各種溶媒から適宜選択すればよく、例えば、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどを用いることができる。溶解方法は単にマグネチックスターラー等を用いて撹拌するだけで溶解する。塗布液の濃度や粘度は塗布手段に応じて適宜決定すればよいが、通常、溶媒に対する高分子の濃度は好ましくは3〜30重量%である。高分子の添加量は、電極材料100重量部に対し3〜20重量部程度とすることが好ましい。例えば、電極材料を炭素材料とした場合、炭素材料:高分子=85〜94:15〜6重量%の範囲が好ましい。高分子が少なすぎると接着性が不十分となり、高分子が多すぎると電池容量、キャパシタ容量等が少なくなる。
【0030】
塗布液を集電体に塗布するための手段は特に限定されず、集電体の材質や形状などに応じて適宜決定すればよい。一般に、ドクターブレード法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、メタルマスク印刷法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が使用されている。その後必要に応じて平板プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行う。
【0031】
集電体は、電池、電気2重層キャパシタ等の使用するデバイスの形状やケース内への集電体の配置方法などに応じて適宜通常の集電体から選択すればよい。一般に、正極にはアルミニウム等が、負極には銅、ニッケル等が使用される。集電体は箔であってもメッシュ(グリッド)であっても良い。
【0032】
集電体に塗布液を塗布して乾燥し、塗膜を形成する。乾燥後の塗膜の厚みは、100〜400μm 程度とすることが好ましい。
【0033】
本発明の電極をリチウム2次電池の電極として使用する場合、電解液は、リチウム含有電解質を非水溶媒に溶解して調製する。リチウム含有電解質としては、例えば、LiClO4 、LiBF4 、LiPF6 、LiCF3 SO3 、LiN(CF3 SO2 2 、LiAsF6 等から適宜選択すればよい。非水溶媒としては、例えば、エーテル類、ケトン類、カーボネート類等、特開昭63−121260号公報などに例示される有機溶媒から選択することができる。
【0034】
前記の高分子バインダーを用いることにより充放電サイクル寿命が著しく向上する。活物質のバインダーとして前記高分子を用いない場合には、電解液により高分子が徐々に溶解するため、充放電の繰り返しにより電池容量が徐々に減少してしまう。
【0035】
本発明の電極を使用したリチウム2次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極および負極と、必要に応じて設けられるセパレータとから構成され、シート型電池や円筒型電池に適用される。なお、電解質としては特に液体の電解質に限定するものではなく、高分子固体電解質等を用いることも可能であり、その場合、ゲル電解質の高分子として本発明のP(VDF−CTFE)を用いても良い。
【0036】
本発明の電極はまた、電気2重層キャパシタに有効である。
【0037】
分極性電極に用いられる集電体は、導電性ブチルゴム等の導電性ゴムなどであってよく、またアルミニウム、ニッケル等の金属の溶射によって形成してもよく、上記電極層の片面に金属メッシュを付設してもよい。
【0038】
電気2重層キャパシタには、このような分極性電極のほか、電解質溶液が用いられる。電解質溶液としては、有機溶媒系が好ましい。また高分子電解質等を用いることも可能であり、その場合、ゲル電解質の高分子として本発明のP(VDF−CTFE)を用いることも可能である。
【0039】
電解質塩としては、(C254 NBF4 、(C253 CH3 NBF4 、(C254 PBF4 等が挙げられる。
【0040】
有機溶媒としては、公知の種々のものであってよく、電気化学的に安定な非水溶媒であるプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、1,2−ジメトキシエタン、スルホランあるいはニトロメタンの単独または混合物が好ましい。
【0041】
このような有機溶媒系の電解質溶液における電解質の濃度は、0.1〜3 mol/lとすればよい。
【0042】
本発明の電極が使用される電気2重層キャパシタの構造は特に限定されないが、通常、一対の分極性電極がセパレータを介して配置されており、分極性電極の電極層およびセパレータには電解質溶液が含浸されており、分極性電極およびセパレータの周辺部には絶縁性ガスケットが配置されている。このような電気2重層キャパシタはコイン型、シート型、円筒型等と称されるいずれのものであってもよい。
【0043】
ところで、上記の例ではリチウム2次電池や電気2重層キャパシタに本発明の電極を使用した場合について説明したが、その用途はこの様な2次電池や電気二重層キャパシタの電極に制限されるものではなく、種々の変更、改良が可能であって、例えばEL(エレクトロルミネッセンス)素子への変更例が考えられる。すなわち、分散型ELの希土類系蛍光材料のバインダーとして、上記のP(VDF−CTFE)である直鎖状高分子を用いることにより、電極面(正孔注入輸送層、電子注入輸送層)、への接着性が良好となり、製造コストも抑えることができる。
【0044】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
<実施例1>
N、N−ジメチルホルムアミド79gにCTFE比率:約15 mol%、分子量:Mw=120,000のP(VDF−CTFE):20gを入れ、マグネチックスターラーで撹拌し、溶解させた。次に、混練機(東洋精機製ラボプラストミル)に高純度天然黒鉛NG7(関西熱化学製)を59gと、上記の溶液を19g加え、1時間混練した。この粘土状の混練物を30gとDMFを16gビーカーに入れ、ミキサーで1000rpm、2時間混練した。できた塗布溶液を12mm角のチタン板(厚み1mm)にメタルマスクで10mm×10mmの面積に塗布した。また、この塗布液を厚さ15μm 、幅45mm、長さ150mmの銅箔にギャップ0.8mmのアプリケーターを用いて塗布した。これらを150℃で2時間真空乾燥させ、溶媒を除去した。この電極の組成はP(VDF−CTFE):黒鉛=6:94(重量%)である。チタン板にはリードとしてチタン線をスポット熔接し、電極とした。このときの塗膜の厚さは0.2〜0.3mmとなる。
【0045】
この電極を作用極として用い、下記の実施例および比較例のようにして充放電試験を行った。対極および参照極にはチタン線に接続したリチウム板を用い、電解液には、エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート(体積比で1:1)の混合溶媒に1Mの過塩素酸リチウムを溶解したものを用いた。そして、0.25mAの定電流で0から3ボルトvsLi/Li+ の範囲で充放電を行った。図1に、充放電特性測定用セルの断面図を示す。1は100cm3 のガラス製ビーカー、2はシリコン栓、3は作用極、4は対極、5は参照極、8はルギン管、9は電解液を示す。
【0046】
また、銅箔に塗布したものに対して、接着性試験としていわゆる碁盤の目試験を行った。具体的には、西ドイツエリクセン社製マルチクロスカッター(モデル295)を用いて、塗膜に縦、横それぞれ11本ずつのカット線を入れ、形成された100個のマス目中における塗膜の剥離比率を調べた。
【0047】
充放電試験の結果は、黒鉛1g当たりの2サイクル目の充電容量が360mAh/g と大きく、また、下記式で表される容量劣化率が0.6%と小さく、良好な電池特性を示した。
【0048】
式 容量劣化率={(2サイクル目の放電容量)−(30サイクル目の放電容量)}/(2サイクル目の放電容量)×100 [%]
また、接着性試験においても、剥離したものが0個と良好な結果を示した。
【0049】
<比較例1>
バインダーとしてPVDF(KYNAR741、エルフ・アトケム社製)を使用した点以外は、実施例1と同様に電極を作製した。
【0050】
この結果、2サイクル目の放電容量は320mAh/g で容量劣化率は10%と大きかった。接着性試験においても、剥離したものが100個中50個と接着強度が低かった。
【0051】
<実施例2>
電極中のP(VDF−CTFE)の重量%を12重量%とした点以外は実施例1と同様に電極を作製した。
【0052】
この結果、2サイクル目の放電容量が360mAh/g と大きく、容量劣化率は0.5%と小さく、良好な電池特性を示した。また、接着性試験においても剥離したものはなく、良好な接着性を示した。
【0053】
<比較例2>
バインダーとしてPVDF(KYNAR741)を使用した点以外は、実施例2と同様に電極を作製した。
【0054】
この結果、2サイクル目の放電容量は320mAh/g で容量劣化率が大きく8%に達した。接着性試験では、50個が剥離した。
【0055】
<実施例3>
バインダーとしてCTFE比率:約15%、分子量120,000のP(VDF−CTFE)を用い、コバルト酸リチウムを正極活物質とする正極を作製した。導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラックHS−100、電気化学工業製)を用いた。なお、組成はコバルト酸リチウム:P(VDF−CTFE):アセチレンブラック=82:9:9(重量%)とした。これらの点以外は実施例1と同様に電極を作製し評価した。この電極を作用極、対極と参照極にリチウム板を用い、0.5mAで3.0Vから4.2VvsLi/Li+ の範囲で充放電を行った。
【0056】
この結果、2サイクル目の放電容量が150mAh/g と大きく、容量劣化率が0.5%と小さく、良好な電池特性であった。
【0057】
<比較例3>
バインダーとしてPVDF(KYNAR741)を用いた点以外は、実施例3と同様に正極を作製した。
【0058】
この結果、2サイクル目の放電容量は100mAh/g で容量劣化率が8%と大きかった。
【0059】
<実施例4>
実施例3の電極を正極13とし、実施例1の電極を負極12とし、これら正極13、負極12にそれぞれ外部端子としてチタン線14を接続し、これらとポリエチレン製のセパレータ15とを、電解質として1MLiClO4 を溶解したエチレンカーボネートとジエチルカーボネート(体積比1:1)の混合溶媒を用いた電解液16と共に電池ケース11内に封入して図2に示すようなリチウム2次電池を製作したところ、良好な電池特性を示した。
【0060】
<実施例5>
実施例1と同様にして活性炭粉末の塗布液を得、これを乾燥してシート化した。このシート状の電極材料を直径6mm、厚さ0.5mmのタブレット状に加工した後、プラズマ溶射法によりタブレットの片面に100μmのアルミニウム層からなる集電体を形成し、分極性電極を得、これを用いてコイン型電気2重層キャパシタを作った。セパレータには直径10mmのポリプロピレン製多孔膜を用い、これを介して分極性電極を相対向させ、その後テトラエチルアンモニウムのホウフッ化塩を電解質とした1 mol/lのプロピレンカーボネート溶液を電解質溶液として注入後封口した。この電気2重層キャパシタは良好な特性を示した。
【0061】
以上の実施例の結果から、本発明の効果が明らかである。
【0062】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、組立工程において新たな架橋工程等を必要とせず製造が容易で、正極材料や負極材料の脱落が防げ、また、充放電を繰り返したときの容量低下の少ないリチウム2次電池が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】充放電特性測定用セルの断面図である。
【図2】本発明の実施例であるリチウム2次電池の断面図である。
【符号の説明】
1 ビーカー
2 シリコン栓
3 作用極
4 対極
5 参照極
8 ルギン管
9 電解液
11 電池ケース
12 負極
13 正極
14 チタン線(外部端子)
15 セパレータ
16 電解液

Claims (1)

  1. 正極及び負極を有するリチウム2次電池であって、
    前記正極が、正極活物質と、フッ化ビニリデン(VDF)と塩化3フッ化エチレン(CTFE)の共重合体である直鎖状高分子のバインダーを含む電極層を有する電極であり、
    前記負極が、負極活物質と、フッ化ビニリデン(VDF)と塩化3フッ化エチレン(CTFE)の共重合体である直鎖状高分子のバインダーを含む電極層を有する電極であり、
    炭素材料を前記正極活物質とし、リチウム金属、リチウム合金またはリチウム酸化物材料を前記負極活物質とするリチウム2次電池。
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