JP3685296B2 - Electrode for lithium secondary battery, polarizable electrode for electric double layer capacitor, and binder for these electrodes - Google Patents

Electrode for lithium secondary battery, polarizable electrode for electric double layer capacitor, and binder for these electrodes Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電気化学素子の電極に有用な結着剤に関する。さらに詳しく言えば、ポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする高分子化合物からなる電極用結着剤、その結着剤を用いた電極及びその製造方法、その電極を用いた電池並びに電気二重層コンデンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、MoS2等の金属酸化物や、金属硫化物を正極に用い、リチウム、リチウム合金、リチウムイオンを吸蔵放出できる炭素材料や無機化合物あるいは高分子化合物を負極に用いたリチウム二次電池が多く研究されている。これらは、重量当りもしくは体積当りの容量が高く、高エネルギー密度二次電池として注目されている。
【0003】
さらに、近年、メモリーバックアップ電源用などに、活性炭、カーボンブラックなど比表面積の大きい炭素材料を分極性電極とし、その間にイオン伝導性溶液を配置する電気二重層コンデンサが多用されてきている。例えば、機能材料,1989年2月号33頁には、炭素系分極性電極と有機電解液を用いたコンデンサが記載されている。
【0004】
電極は一般的に電極活物質粉体あるいはさらにカーボンブラックのような導電助剤粉体を加えた混合粉体を高分子結着剤を用いて、金属箔やカーボンシートのような集電体上に結着成形したものが用いられている。特に近年注目されているリチウム二次電池や電気二重層コンデンサは電解液として、カーボネートのような極性の大きい有機溶媒に解離度の高いフッ素系アニオン電解質を溶解した溶液が使われるので、高分子結着剤はこれら電解液となじみがよく、さらに溶解や反応をしないことが必要である。またLi電位に対して0〜4.5Vと広い電位域で の使用となるので酸化還元に安定なものが求められる。
また、充放電に伴い活物質の膨張収縮が起こり、結着剤としてはこれに対するクッション作用も求められ、ある程度弾性のあるものが使われる。また、電極乾燥を高温で行うため、耐熱性も求められる。
【0005】
高分子結着剤として、Ni/Cd、Ni/水素二次電池のような水系電池ではポリ塩化ビニル(PVC)、カルボキシメチルセルロース(CMC)のような各種水溶性高分子、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)水系ディスパージョンが使用されてきた。
また、リチウム二次電池、有機系電気二重層コンデンサではポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びその共重合体やPTFEの様なフッ素系高分子が主に用いられている。他に変性ラテックスやポリイミド、ポリプロピレン(PP)やポリエチレン(PE)のようなポリオレフィン類、各種熱硬化性樹脂、ポリウレタンなどが一部使用または検討されている。
しかしながら、現在用いられている結着剤は電気化学的安定性、耐電解液性等の耐久性を重要視しているため、電解液との親和性が十分ではなく、電解液を包含できず、従って多量に用いると、電極の抵抗増加や部分的不活性化を引き起こす。また活物質間の接着性、活物質と集電材料との接着性も十分ではない。特にフッ素系高分子やポリオレフィン類は耐久性はよいが、親和性、接着性が問題である。ポリイミドやラテックス等で親和性、接着性を高めたものは耐久性でやや問題となる場合もある。ポリアミドやポリエステルは接着性、耐熱性は良好であるが、電気化学的安定性、耐電解液性等が不十分で実用化には至っていない。水系で用いられているPVCやCMCも安定性の面で有機電解液系には使用できない。
【0006】
また現在用いられている結着剤は電極活物質粉体と混合する際に、基本的に未架橋の各種溶剤に溶解または分散した状態の高分子が使用されるために、高温で融解や溶解を引き起こし耐熱性に問題があった。そこでモノマー状態で活物質粉体と混合後に熱硬化することにより、架橋高分子化することができる各種熱硬化樹脂も検討されているが、硬化性や安定性で充分なものは得られていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電気化学的安定性、耐電解液性、耐熱性等の耐久性にすぐれ、活物質粉体や集電材料との接着性が良好で、さらに電解液を含浸し、高イオン伝導度化しやすい、各種電気化学素子に有用な電極用結着剤及びそれを用いた電極、その製造法を提供すること目的とする。特に耐久性等で要求性能の高い有機電解液系の電気化学素子に有用な電極用結着剤及びそれを用いた電極を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記電極を用いた高容量、大電流で作動でき、耐久性、信頼性に優れた電池及び電気二重層コンデンサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする架橋及び/または側鎖基を有する高分子化合物が、電気化学的安定性、耐電解液性、耐熱性等の耐久性にすぐれ、活物質粉体や集電材料との接着性が良好で、さらに電解液を含浸し、高イオン伝導度化しやすいことを見出した。特に、一般式(2)及び/または一般式(3)
【0009】
【化6】

Figure 0003685296
【0010】
[式中の記号は後記と同じ意味を表わす。]
で示される重合性官能基を有し、ポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする重合性化合物が硬化性が良好で、容易に架橋できることから、各種電極活物質粉体との混合が容易で耐熱性に優れた電極用結着剤であることを見出した。
さらに上記電極用結着剤から得られる電極を用いた電池や電気二重層コンデンサは高エネルギー密度で、取り出し電流が大きく、耐久性、信頼性に優れていることを見出した。
【0011】
以上の知見に基づいて本発明者らは、以下の(1)電極用結着剤、(2)その電極用結着剤から得られる電極とその製造方法、並びに(3)その電極を用いた電池、電 気二重層コンデンサを提供する。
【0012】
[1]下記一般式(2)及び/または一般式(3)
【化3】
Figure 0003685296
[式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4及びxは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
で示される重合性官能基を有し、一般式(1)
【化4】
Figure 0003685296
[式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の整数である。但し、同一分子中に複数存在するR1、m及びnは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物からなる、リチウム二次電池用電極または電気二重層コンデンサ用分極性電極に用いる結着剤。
[2]リチウム合金、炭素材料、無機酸化物、無機硫化物及び電導性高分子化合物から選ばれる少なくとも一つのリチウム二次電池用電極材料と、前記1に記載の結着剤の重合物とを含むリチウム二次電池用電極。
[3]炭素材料、無機酸化物、無機硫化物、無機ハロゲン化物及び金属から選ばれる少なくとも一種の分極性電極材料と、前記1に記載の結着剤の重合物とを含む電気二重層コンデンサ用分極性電極。
[4]前記2に記載の電極を用いることを特徴とするリチウム二次電池。
[5]イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサにおいて、前記3に記載の分極性電極を用いることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
[6]前記1に記載の重合性化合物と電極材料粉体とを混合し、あるいはさらに少なくとも一種の有機溶媒を添加した後、混合物を成形し、該重合性化合物を重合することを特徴とするリチウム二次電池または電気二重層コンデンサに用いる電極の製造方法。
【0016】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を詳細に説明する。
[電極用結着剤]
本発明の電極用結着剤に用いる高分子化合物は電極活物質や集電体と接着性が良好で、弾性があり、電気化学的安定性や耐電解液性、耐熱性が良好であり、各種有機極性溶媒を吸液、保持できるものであり、下記一般式(1)で示されるポリまたはオリゴカーボネート構造を有する架橋及び/または側鎖基を含むものである。
【0017】
【化12】
Figure 0003685296
式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原 子を含んでいてもよい2価の基を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の整数である。
【0018】
上記一般式(1)でmが10を越えると、高分子化合物中のカーボネート基が少なくなり、耐熱性が低下し、また誘電率が低下し各種極性溶媒と相溶性が低下するため好ましくない。好ましいmは1〜5である。
上記一般式でのR1の炭素数が多すぎると、高分子化合物中のカーボネート基 が少なくなり、同様に耐熱性が低下し好ましくない。また、高分子化合物の疎水性が増加し、各種極性溶媒との相溶性が低下し、好ましくない。好ましいR1の 炭素数は1〜4である。
本発明の電極用結着剤に用いられる高分子中の一般式(1)で示されるポリまたはオリゴカーボネート基の繰り返し数nは2〜1000の範囲であり、3〜100の範囲が好ましく、特に5〜50が好ましい。
【0019】
本発明の高分子固体電解質に用いられる高分子としては、一般式(1)で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を有し、かつ下記一般式(2)及び/または(3)で示される重合性官能基
【化13】
Figure 0003685296
[式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子を含んでい てもよい2価の基を表わし、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4及びxは、それぞれ同一でもよいし異なって もよい。]を有する少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物(以下、単に「重合性化合物」と略す。)の重合体が、各種電気化学素子に用いられる電極との複合が容易であり、また耐熱性も向上するので好ましい。
【0020】
具体的な重合性化合物としては、例えば以下の一般式(4)あるいは(5)で示される化合物が挙げられる。
【化14】
Figure 0003685296
【化15】
Figure 0003685296
式中、R5は炭素数1〜20の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子 を含んでいてもよい基を表わし、その他の記号は前記と同じ意味を表わす。
【0021】
一般式(1)で示される基と一般式(2)で示される基とを有する重合性化合物を合成する方法に特に制限はないが、例えば、酸クロライドと末端にヒドロキシル基を有するポリまたはオリゴカーボネートオールとを以下の工程で反応させることにより容易に得られる。
【0022】
【化16】
Figure 0003685296
式中、R1、m、n及びR2は前記と同じ意味を表わす。
【0023】
一般式(1)で示される基と一般式(3)で示される基とを有する重合性化合物を合成する方法に特に制限はないが、例えば、
【化17】
Figure 0003685296
で示されるイソシアネート化合物と末端にヒドロキシル基を有するポリまたはオリゴカーボネートオールとを反応させることにより容易に得ることができる。
【0024】
具体的方法として、一般式(3)で示される官能基を一つ有する化合物は、例えば、メタクリロイルイソシアナート系化合物(以下、MI類と略記する。)あるいはアクリロイルイソシアナート系化合物(以下、AI類と略記する。)とモノアルキルポリまたはオリゴカーボネートオールとを、以下の反応の様に1:1のモル比で反応させることにより容易に得ることができる。
【0025】
【化18】
Figure 0003685296
式中、R6は炭素数1〜10の有機基を表わし、R1、m、n、R3、R4及びxは前記と同じ意味を表わす。
【0026】
また、一般式(3)で示される官能基を二つ有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とポリまたはオリゴカーボネートジオールとを以下のように2:1のモル比で反応させることにより容易に得られる。
【0027】
【化19】
Figure 0003685296
式中、R1、m、n、R3、R4及びxは前記と同じ意味を表わす。
また一般式(3)で示される官能基を三つ有する化合物は、例えば、MI類あるいはAI類とポリまたはオリゴカーボネートトリオールとを3:1のモル比で反応させることにより容易に得られる。
【0028】
ここで一般式(2)あるいは(3)で示される官能基を1つしか有さない化合物を重合してできる高分子は、架橋構造を有しておらず、弾性が低く、耐熱性も低い。従って、一般式(2)あるいは(3)で示される官能基を2つ以上有する重合性化合物と共重合し、架橋させるか、一般式(2)あるいは(3)で示される官能基を2つ以上有する重合性化合物から得られる高分子と併用することが好ましい。
【0029】
また前記一般式(3)で示される重合性官能基を有する化合物を重合して得られる高分子化合物は、ウレタン基を含んでおり、誘電率が高くなり、各種溶媒との相溶性が高くなり、好ましい。さらに一般式(3)で示される重合性官能基を有する化合物は重合性が良好で、各種電極と複合後の硬化が容易であり好ましい。
【0030】
本発明の電極用結着剤の構成成分として好ましい高分子化合物は、前記重合性化合物の単独重合体であっても、同一カテゴリーに属する2種以上の共重合体であっても、あるいは前記重合性化合物の少なくとも一種と他の重合性化合物との共重合体であってもよい。
【0031】
前記重合性化合物と共重合可能な他の重合性化合物としては、特に制限はないが、例えば、メタクリル酸メチル、アクリル酸n−ブチル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル、各種ウレタン(メタ)アクリレート、オキシアルキレン及び/またはオキシフルオロカーボン鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル及び/またはウレタン(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸フッ素化アルキルエステル、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、炭酸ビニレン、(メタ)アクリロイルカーボネート、N−ビニルピロリドン、アクリロイルモルホリン、メタクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド系化合物、スチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系化合物、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルホルムアミド等のN−ビニルアミド系化合物、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテルを挙げることができる。
【0032】
これらの中で、好ましくは(メタ)アクリル酸エステル、ウレタン(メタ)アクリレート、またはオキシアルキレン及び/またはオキシフルオロカーボン鎖を有する(メタ)アクリル酸エステル及び/またはウレタン(メタ)アクリレートが用いられる。これらの中で、ウレタン(メタ)アクリレートが重合性という観点で特に好ましい。
【0033】
また、本発明の電極用結着剤に用いる高分子化合物としては、前記重合性化合物の少なくとも一種から得られる重合体及び/または前記重合性化合物を共重合成分とする共重合体と、他の高分子化合物との混合物であってもよい。混合する他の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリブタジエン、ポリメタクリル(またはアクリル)酸エステル類、ポリスチレン、ポリホスファゼン類、ポリシロキサンあるいはポリシラン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のポリマーが挙げられる。
【0034】
前記一般式(1)で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を有する高分子由来の構造単位の量は、前記重合性化合物を単独重合するか、その他の共重合成分と共重合するか、さらに他の高分子化合物を混合するかにより、あるいはそれらの種類により異なるため、一概にはいえないが、電極用結着剤に用いたときの接着性、電気化学的安定性、耐熱性、電解液との相溶性を考慮すると、高分子成分全量に対し50重量%以上含有することが好ましく、さらには70重量%以上含有することが好ましい。
【0035】
前記重合性化合物の重合は、官能基であるアクリロイル基もしくはメタクリロイル基の重合性を利用した一般的な方法により行なうことができる。すなわち、前記重合性化合物単独、あるいは重合性化合物と他の前記共重合可能な重合性化合物の混合物に、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルパーオキサイド等の加熱ラジカル重合触媒、ベンジルメチルケタール等の活性光線ラジカル重合触媒CF3COOH等のプロトン酸、BF3、AlCl3等のルイス酸等のカチオン重 合触媒、あるいはブチルリチウム、ナトリウムナフタレン、リチウムアルコキシド等のアニオン重合触媒を用いて、ラジカル重合、カチオン重合あるいはアニオン重合させることができる。
【0036】
重合させる温度としては、前記重合性化合物の種類によるが、重合が起こる温度であれば良く、通常は、0℃から200℃の範囲で行なえばよい。
活性光線照射により重合させる場合には、前記重合性化合物の種類によるが、例えば、ベンジルメチルケタール、ベンゾフェノン等の開始剤を使用して、数mW以上の紫外光またはγ線、電子線等を照射して重合させることができる。
【0037】
[電極及びその製造方法]
本発明の電極は各種電気化学素子に用いる電極材料粉体を本発明の電極用結着剤で結着し成形したものである。
本発明の電池用電極の正極材料としては、金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子あるいは炭素材料のような高酸化還元電位の電極活物質(正極活物質)を用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような正極活物質の中では、充填密度が高く体積容量密度が高くなるという点で、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化モリブデン等の金属酸化物、硫化モリブデン、硫化チタン、硫化バナジウム等の金属硫化物が好ましく、特に酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト等が高容量、高電圧という点から好ましい。この場合の金属酸化物や金属硫化物を製造する方法は特に限定されず、例えば、電気化学,第22巻,574頁(1954年)に記載されているような、一般的な電解法や加熱法によって製造される。また、これらを電極活物質としてリチウム電池に使用する場合、電池の製造時に、例えば、LixCoO2やLixMnO2等の形でリチウム元素を金属酸化物あるいは金属硫化物に挿入(複合)した状態で用いることが好ましい。リチウム元素を挿入する方法は特に限定されず、例えば、電気化学的にリチウムイオンを挿入する方法や、米国特許第4357215号に記載されているように、Li2CO3の塩と金属酸化物を混合、加熱 処理することによって実施できる。
【0038】
また柔軟で、薄膜化しやすいという点では、導電性高分子が正極活物質として好ましい。導電性高分子の例としては、ポリアニリン、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリチエニレン及びその誘導体、ポリピリジンジイル及びその誘導体、ポリイソチアナフテニレン及びその誘導体、ポリフリレン及びその誘導体、ポリセレノフェン及びその誘導体、ポリパラフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフリレンビニレン、ポリナフテニレンビニレン、ポリセレノフェンビニレン、ポリピリジンジイルビニレン等のポリアリーレンビニレン及びそれらの誘導体等が挙げられる。これら導電性高分子は、一般的な化学的あるいは電気化学的酸化重合方法、あるいはその他の公知の方法に従って製造される。
また、炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、フッ化黒鉛、ピッチ系炭素、ポリアセン等が挙げられる。
【0039】
本発明の電池用電極の負極活物質としては、アルカリ金属、アルカリ金属合金、炭素材料、金属酸化物や導電性高分子化合物のようなアルカリ金属イオンをキャリアーとする低酸化還元電位のものを用いることにより、高電圧、高容量の電池が得られるので好ましい。このような負極活物質の中では、リチウム金属あるいはリチウム/アルミニウム合金、リチウム/鉛合金、リチウム/アンチモン合金等のリチウム合金類が最も酸化還元電位が低く、かつ薄膜化が可能である点から特に好ましい。また炭素材料もリチウムイオンを吸蔵した場合、低酸化還元電位となり、しかも安定、安全であるという点で特に好ましい。リチウムイオンを吸蔵放出できる材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法黒鉛、石油コークス、石炭コークス、ピッチ系炭素、ポリアセン、C60、C70等のフラーレン類等が挙げられられる。
【0040】
本発明の電気二重層コンデンサ用分極性電極に用いる分極性材料としては、各種炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、比表面積が大きければ特に制限はないが、比表面積の大きいほど電気二重層の容量が大きくなり好ましい。例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック(アセチレンブラックを含む)、チャンネルブラック等のカーボンブラック類や、椰子がら炭等の活性炭、天然黒鉛、人造黒鉛、気相法で製造したいわゆる熱分解黒鉛、ポリアセン及びC60、C70を挙げることができる。これらを水蒸気処理や酸処理等でさらに比表面積を上げたものが好ましい。
【0041】
これら電極材料を電極に成形する方法としては、本発明のポリまたはオリゴカーボネート基を有する重合性化合物と電極材料粉末とを適当な割合で混合後、あるいはさらにカーボンブラック等の導電助剤や少なくとも一種の溶媒を添加した後、これら混合物を塗布及びまたは成形し、さらに該重合性化合物を加熱や活性光線照射等で重合することにより電極全体を硬化させる方法が推奨される。
【0042】
溶媒は電極材料粉末と重合性化合物との混合を均一にするためや、その後の塗布成形を容易にするように混合物の粘度を低下させるために使用されることがある。用いる溶媒としては、本発明のポリまたはオリゴカーボネート基を有する重合性化合物や電極材料との相溶性が良好であるものが適している。これら溶媒は電極製造後の乾燥等で除去されることが多いが、電極内に残存した場合には電気化学的安定範囲が広く、用いる電気化学素子に悪影響を及ぼさない化合物が適している。そのような溶媒としては、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、クラウンエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類、ベンゾニトリル、トルニトリル等の芳香族ニトリル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、スルホラン等の硫黄化合物、リン酸エステル類等が挙げられる。これらの中で、エーテル類及びカーボネート類が好ましく、カーボネート類が特に好ましい。
【0043】
[電池の構成]
本発明の電池は電極用結着剤にポリまたはオリゴカーボネート基を有する重合性化合物を用いた電極を使用するものであり、取り出し電流が大きく、あるいは加工性、信頼性に優れるという特徴がある。本発明の電池の一例として、薄膜電池の概略断面図を図1に示す。図中、1は正極、2は高分子固体電解質、3は負極、4a,4bは集電体、5a,5bは絶縁性樹脂封止剤である。
【0044】
特にアルカリ金属イオンをキャリアーとする電池は出力電圧が高く、エネルギー密度が高い。この場合、電解質層の電解質塩としてはアルカリ金属塩を使用する。アルカリ金属塩としては、例えばLiCF3SO3、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiSCN、LiAsF6、LiN(CF3SO22、LiN(C F3CF2SO22、NaCF3SO3、LiI、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3SO3、KPF6、KI等を挙げることがで きる。
【0045】
なお、前記電池構成用構造体あるいは前記支持体はSUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、あるいは導電性あるいは絶縁性ガラス等のセラミックス材料であればよいが、特にこれらの材料からなるものに限定されない。また、その形状は筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
【0046】
[電気二重層コンデンサの構成]
次に本発明の電気二重層コンデンサについて説明する。
本発明の電気二重層コンデンサは電極用結着剤にポリまたはオリゴカーボネート基を有する重合性化合物を用いた電極を使用するものであり、取り出し電流が大きく、あるいは加工性、信頼性に優れているという特徴がある。
【0047】
本発明の電気二重層コンデンサの一例の概略断面図を図2に示す。この例は、大きさ1cm×1cm、厚み約0.5mmの薄型セルで、7a,7bは集電体であ り、集電体の内側には一対の分極性電極6a,6bが配置されており、その間に高分子固体電解質膜8が配置されている。9は絶縁性樹脂封止剤、10はリード線である。
集電体7a,7bは電子伝導性で電気化学的に耐食性があり、できるだけ比表面積の大きい材料を用いることが好ましい。例えば、各種金属及びその焼結体、電子伝導性高分子、カーボンシート等を挙げることができる。
【0048】
本発明の電気二重層コンデンサの場合の電解質層に用いる電解質塩の種類は特に限定されるものではなく、電荷キャリアーとしたいイオンを含んだ化合物を用いればよいが、電解質層中の解離定数が大きく、分極性電極と電気二重層を形成しやすいイオンを含むことが望ましい。このような化合物としては、(CH34NBF4、(CH3CH24NClO4等の4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩 、AgClO4等の遷移金属塩、(CH34PBF4等の4級ホスホニウム塩、LiCF3SO3、LiPF6、LiClO4、LiI、LiBF4、LiSCN、L iAsF6、LiN(CF3SO22、LiN(CF3CF2SO22、NaCF3 SO3、NaPF6、NaClO4、NaI、NaBF4、NaAsF6、KCF3SO3、KPF6、KI等のアルカリ金属塩、パラトルエンスルホン酸等の有機酸及びその塩、塩酸、硫酸等の無機酸等が挙げられる。これらの中で、出力電圧が高く取れ、解離定数が大きいという点から、4級アンモニウム塩、ピリジニウム塩、4級ホスホニウム塩、アルカリ金属塩が好ましい。
【0049】
なお、前記コンデンサ構成用構造体あるいは前記支持体は、SUS等の金属、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂、あるいは導電性あるいは絶縁性ガラス等のセラミックス材料であればよいが、特にこれらの材料からなるものに限定されるものではなく、また、その形状は、筒状、箱状、シート状その他いかなる形状でもよい。
【0050】
電気二重層コンデンサの形状としては、図2のようなシート型のほかに、コイン型、あるいは分極性電極及び高分子固体電解質のシート状積層体を円筒状に捲回し、円筒管状のコンデンサ構成用構造体に入れ、封止して製造された円筒型等であっても良い。
【0051】
【実施例】
以下に本発明について代表的な例を示しさらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何等制限されるものではない。
【0052】
実施例1:化合物1、2及び3の合成
【化20】
Figure 0003685296
上式(a)、(b)及び(c)に従い、常法で各種アルキレングリコールに窒素下、10℃以下で過剰のホスゲンガスを吹き込み、約5時間反応させ、各種アルキレングリコールのビスクロロホルメート体、化合物1、化合物2、化合物3を合成した。これらの同定はGC−MSで行なった。
【0053】
実施例2:化合物1、2、3のオリゴマー化(化合物4、5、6の合成)
【化21】
Figure 0003685296
上式(d)、(e)及び(f)に従い、常法で実施例1で合成した各種アルキレングリコールビスクロロホルメート体(化合物1、2、3)と各種アルキレングリコールとを、ピリジン存在下、25℃以下、ジクロロメタン中で約6時間反応させた後、過剰の水を加え、残クロロホルメート末端を水酸基化し、両末端に水酸基を有するオリゴカーボネート(化合物4、化合物5、化合物6)を合成した。
GPC分析により求めた、各オリゴカーボネートの重量平均分子量(Mw)、繰り返し数x、y、zの平均は以下の通りであった。
化合物4 Mw 〜約 800、x:〜約8、
化合物5 Mw 〜約1500、y:〜約10、
化合物6 Mw 〜約1200、z:〜約10。
【0054】
実施例3:重合性化合物7の合成
【化22】
Figure 0003685296
化合物4(平均分子量800)(40.0g)及びMOI(メタクリロイルオキシエチルイソシアネート)(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44g)を添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色生成物を得た。その1H− NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物4とMOIは1対2で反応し、MOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、重合性化合物7が生成していることがわかった。
【0055】
実施例4:重合性化合物8の合成
【化23】
Figure 0003685296
化合物5(平均分子量1500)(75.0g)及びMOI(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44g)を添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色生成物を得た。その1H−NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物5と MOIは1対2で反応し、MOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、重合性化合物8が生成していることがわかった。
【0056】
実施例5:重合性化合物9の合成
【化24】
Figure 0003685296
化合物6(平均分子量1200)(60.0g)及びMOI(15.5g)を窒素雰囲気中でよく精製したTHF(200ml)に溶解した後、ジブチルチンジラウレート(0.44g)を添加した。その後、25℃で約15時間反応させることにより、無色生成物を得た。その1H−NMR、IR及び元素分析の結果から、化合物6と MOIは1対2で反応し、MOIのイソシアナート基が消失し、ウレタン結合が生成しており、重合性化合物9が生成していることがわかった。
【0057】
実施例6:コバルト酸リチウム正極の製造
11gのLi2CO3と24gのCo34をよく混合し、酸素雰囲気下、800℃で24時間加熱後、粉砕することによりLiCoO2粉末を得た。このLiC oO2粉末とアセチレンブラック、実施例3、4、5で製造した重合性化合物7 、8、9の10wt%ジエチルカーボネート溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重量比90:3:70で混合し、各ゲル状組成物を得た。これら各組成物を約25μmのアルミ箔上に約180μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で6時間加熱硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥することにより、コバルト酸リチウム/重合性化合物7及びコバルト酸リチウム/重合性化合物8及びコバルト酸リチウム/重合性化合物9複合正極シートを得た。これら各シートをポンチで14mmφに打ち抜き、電池用正極を得た。
【0058】
実施例7:黒鉛負極の製造
MCMB黒鉛(大阪ガス製)、気相法黒鉛繊維(昭和電工(株)製:平均繊維径、0.3μm、平均繊維長、2.0μm、2700℃熱処理品)、実施例3、4、5で製造した重合性化合物7、8、9の10wt%ジエチルカーボネート溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重量比86:4:100で混合し、各ゲル状組成物を得た。これら各組成物を約15μmの銅箔上に、約250μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で6時間加熱硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥することにより、黒鉛/重合性化合物7及び黒鉛/重合性化合物8及び黒鉛/重合性化合物9複合負極シートを得た。これら各シートをポンチで15mmφに打ち抜き、電池用負極を得た。
【0059】
比較例1:コバルト酸リチウム正極の製造
実施例6で製造したLiCoO2粉末とアセチレンブラック、ポリフッ化ビニ リデン(PVDF)を重量比8:1:1で混合し、さらに過剰のN−メチルピロリドン溶液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約25μmのアルミ箔上に180μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で24時間加熱真空乾燥することにより、コバルト酸リチウム正極シートを得た。このシートをポンチで14mmφに打ち抜き、電池用正極を得た。
【0060】
比較例2:黒鉛負極の製造
MCMB黒鉛(大阪ガス製)、気相法黒鉛繊維(昭和電工(株)製:平均繊維径、0.3μm、平均繊維長、2.0μm、2700℃熱処理品)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)の重量比8.6:0.4:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶 液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約15μmの銅箔上に約250μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で24時間加熱真空乾燥することにより、黒鉛負極を得た。このシートをポンチで15mmφに打ち抜き、電池用負極を得た。
【0061】
実施例8〜10:Liイオン二次電池の製造
実施例6、7で製造した各複合正極、負極を、表1に示す組み合わせで用い、以下に示す方法で、表1に示す3種類の黒鉛/コバルト酸リチウム系Liイオンコイン電池を得た(実施例8〜10)。
アルゴン雰囲気グローブボックス中で各複合負極(15mmφ)にLiイオン電池用に脱水した電解液(1M LiPF6/EC(エチレンカーボネート)+ EMC(エチルメチルカーボネート)(重量比3:7))を含浸させた。この複合負極上に旭化成製ポリオレフィンマイクロポーラスフィルム:ハイポア(開孔率65%、厚み25μm)に上記電解液を含浸させたものを貼り合わせ、さらに、各複合正極に上記電解液を含浸したものを貼り合わせ、2016コイン型缶(直径20mm、厚み1.6mm)に封印し、黒鉛/コバルト酸リチウム系Liイオンコ イン電池を得た。
これら電池を25℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.8mA、放電6.0mAで充 放電を繰り返した場合の最大放電容量及び容量が最大容量の50%に低下するまでのサイクル数を表1に示す。
【0062】
比較例3:Liイオン二次電池の製造
比較例1、2で製造した正極、負極を用いた以外は実施例8〜10と同様の方法で表1に示す黒鉛/コバルト酸リチウム系Liイオンコイン電池を得た。
この電池を25℃、作動電圧2.75〜4.1V、充電0.8mA、放電6.0mAで充放 電を繰り返した場合の最大放電容量及び容量が最大容量の50%に低下するまでのサイクル数を表1に示す。
【0063】
【表1】
Figure 0003685296
【0064】
実施例11:活性炭複合電極の製造
フェノール樹脂焼成品の水蒸気賦活活性炭(比表面積2010m2/g、平均粒径 8μm、細孔容積0.7cm3/g)、アセチレンブラック、実施例3、4、5で製造した重合性化合物7、8、9の10wt%ジエチルカーボネート溶液(1000ppmの過酸化ベンゾイル添加)を重量比86:4:100で混合し、各ゲル状組成物を得た。これら各組成物を約25μmのアルミ箔上に、約250μmの厚さに塗布成形した。さらに、約100℃で6時間加熱硬化後、100℃で8時間真空加熱乾燥することにより、活性炭/重合性化合物7及び活性炭/重合性化合物8、活性炭/重合性化合物9複合シートを得た。これら各シートをポンチで15mmφに打ち抜き、活性炭複合電極を得た。
【0065】
比較例4:活性炭電極の製造
フェノール樹脂焼成品の水蒸気賦活活性炭(比表面積2010m2/g、平均粒径 8μm、細孔容積0.7cc/g)、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)の重量比8.6:0.4:1.0の混合物に過剰のN−メチルピロリドン溶 液を加え、ゲル状組成物を得た。この組成物を約25μmのアルミ箔上に、約150μmの厚さに塗布成形した。さらに約100℃で10時間真空乾燥することにより、活性炭電極シートを得た。これら各シートをポンチで15mmφに打ち抜き、活性炭電極を得た。
【0066】
実施例12〜14:コイン型電気二重層コンデンサの製造
実施例11で製造した各活性炭複合電極2個を表2に示す組み合わせで用い、以下に示す方法で、表2に示す3種類のコイン型電気二重層コンデンサ(実施例12〜14)を得た。
アルゴン雰囲気グローブボックス中で複合電極(15mmφ)にLiイオン電池用に脱水した電解液(1.5M TEAB(テトラエチルアンモニウムテトラフ ルオロボレート/PC(プロピレンカーボネート))を含浸させた。この複合電極上にゴアテックス製テフロンマイクロポーラスフィルム(開孔率60%、厚み25μm)に上記電解液を含浸させたものを貼り合わせ、さらに、もう一つの同様の複合電極に上記電解液を含浸したものを貼り合わせ、2016コイン型缶(直径20mm、厚み1.6mm)に封印し、コイン型電気二重層コンデンサを得た。
これらコンデンサを25℃、作動電圧0〜2.5V、電流9mAで充放電を行な った場合の最大放電容量及び充放電200サイクル後の放電容量を表2に示す。
【0067】
比較例5:コイン型電気二重層コンデンサの製造
比較例4で製造した活性炭電極2個を用いた以外は実施例12〜14と同様の方法で表2に示すコイン型電気二重層コンデンサを得た。
このコンデンサを25℃、作動電圧0〜2.5V、電流9mAで充放電を行なっ た場合の最大放電容量及び充放電500サイクル後の放電容量を表2に示す。
【0068】
【表2】
Figure 0003685296
【0069】
【発明の効果】
本発明のポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする架橋及び/または側鎖基を有する高分子化合物からなる電極用結着剤は、各種電極活物質や集電体との接着性が良好であり、弾性があり、電気化学的安定性や耐電解液性、耐熱性が良好であり、各種有機極性溶液を吸液、保持し、高イオン伝導性となり、これまでのフッ素系高分子を代表とする熱可塑性高分子からなる電極用結着剤に比較して、電極抵抗を低減でき、長寿命である。また、硬化性に優れるために硬化前のプレポリマーとして電極材料と混合後、容易に硬化できるので、従来の熱可塑性高分子からなる電極用結着剤に比較して加工面でも有利である。
本発明の電極用結着剤で成形された電極を用いることにより、高容量で作動でき、長寿命で、大電流特性、高温耐久性、信頼性、安定性、加工性に優れた二次電池が得られる。
さらに、本発明の電極用結着剤で成形された電極を用いることにより、出力電圧が高く、取り出し電流が大きく、長寿命で、高温耐久性、加工性、信頼性、安定性に優れた電気二重層コンデンサが得られる。従って、バックアップ電源だけでなく、小型電池との併用で、各種電気製品用電源として使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電池の一態様を示す薄型固体電池の模式的断面図である。
【図2】 本発明による固体電気二重層コンデンサの一態様を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 高分子固体電解質
3 負極
4a,4b 集電体
5a,5b 絶縁性樹脂封止剤
6a,6b 分極性電極
7a,7b 集電体
8 高分子固体電解質膜
9 絶縁性樹脂封止剤
10 リード線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a binder useful for electrodes of various electrochemical devices. More specifically, a binder for an electrode comprising a polymer compound mainly composed of a poly or oligocarbonate group, an electrode using the binder, a method for producing the same, a battery using the electrode, and an electric double layer capacitor About.
[0002]
[Prior art]
Recently, LiCoO 2 , LiNiO 2 LiMnO 2 , MoS 2 Many researches have been made on lithium secondary batteries using metal oxides such as metal sulfides and metal sulfides for the positive electrode, and lithium, lithium alloys, carbon materials capable of occluding and releasing lithium ions, inorganic compounds, and polymer compounds for the negative electrode. . These have a high capacity per weight or volume and are attracting attention as high energy density secondary batteries.
[0003]
Furthermore, in recent years, an electric double layer capacitor in which a carbon material having a large specific surface area such as activated carbon or carbon black is used as a polarizable electrode and an ion conductive solution is disposed therebetween has been widely used for a memory backup power source. For example, a functional material, February 1989, page 33, describes a capacitor using a carbon-based polarizable electrode and an organic electrolyte.
[0004]
Electrodes are generally mixed with electrode active material powders or conductive powders such as carbon black, with a polymer binder, on a current collector such as a metal foil or carbon sheet. The one formed by binder molding is used. In particular, lithium secondary batteries and electric double layer capacitors that have been attracting attention in recent years use a solution in which a highly dissociated fluorine-based anionic electrolyte is dissolved in a highly polar organic solvent such as carbonate. The adhesive should be familiar with these electrolytes and should not dissolve or react. Also, since it is used in a wide potential range of 0 to 4.5 V with respect to the Li potential, a material that is stable in oxidation and reduction is required.
In addition, the active material expands and contracts with charge and discharge, and as a binder, a cushioning action is also required, and a material having elasticity to some extent is used. Moreover, since electrode drying is performed at high temperature, heat resistance is also required.
[0005]
As a polymer binder, in water-based batteries such as Ni / Cd and Ni / hydrogen secondary batteries, various water-soluble polymers such as polyvinyl chloride (PVC) and carboxymethyl cellulose (CMC), polytetrafluoroethylene (PTFE). Aqueous dispersions have been used.
Further, in lithium secondary batteries and organic electric double layer capacitors, polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers and fluorine-based polymers such as PTFE are mainly used. In addition, modified latex, polyimide, polyolefins such as polypropylene (PP) and polyethylene (PE), various thermosetting resins, polyurethane and the like are partially used or studied.
However, since the binders currently used place importance on the durability such as electrochemical stability and resistance to electrolytic solution, the compatibility with the electrolytic solution is not sufficient and the electrolytic solution cannot be included. Therefore, when used in a large amount, the resistance of the electrode is increased and partial inactivation is caused. Further, the adhesion between the active materials and the adhesion between the active material and the current collecting material are not sufficient. In particular, fluoropolymers and polyolefins have good durability, but affinity and adhesion are problems. Polyimide, latex, etc. with improved affinity and adhesiveness may be somewhat problematic in durability. Polyamide and polyester have good adhesion and heat resistance, but have not been put into practical use due to insufficient electrochemical stability, resistance to electrolytic solution, and the like. PVC and CMC used in the aqueous system cannot be used in the organic electrolyte system in terms of stability.
[0006]
In addition, currently used binders are basically dissolved or dispersed in various uncrosslinked solvents when mixed with electrode active material powders, so they melt and dissolve at high temperatures. There was a problem with heat resistance. Therefore, various thermosetting resins that can be crosslinked and polymerized by thermosetting after mixing with active material powder in the monomer state have been studied, but sufficient curing and stability have not been obtained. It was.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is excellent in durability such as electrochemical stability, electrolytic solution resistance, heat resistance, etc., and has good adhesion to active material powder and current collecting material, and further impregnated with an electrolytic solution, and has high ion conductivity. It is an object of the present invention to provide a binder for electrodes useful for various electrochemical elements that are easily refined, an electrode using the same, and a method for producing the same. In particular, it is an object to provide a binder for an electrode useful for an organic electrolyte-type electrochemical element having high durability and required performance, and an electrode using the same.
Another object of the present invention is to provide a battery and an electric double layer capacitor that can operate at a high capacity and a large current using the electrode and are excellent in durability and reliability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a polymer compound having a crosslink and / or a side chain group mainly composed of a poly or oligocarbonate group has an electrochemical stability, resistance to resistance. It has been found that it has excellent durability such as electrolyte solution and heat resistance, good adhesion to active material powders and current collecting materials, and is further impregnated with an electrolyte solution to facilitate high ion conductivity. In particular, the general formula (2) and / or the general formula (3)
[0009]
[Chemical 6]
Figure 0003685296
[0010]
[The symbols in the formula have the same meaning as described below. ]
Since the polymerizable compound having a polymerizable functional group represented by the formula and having a poly or oligocarbonate group as a main component has good curability and can be easily crosslinked, it can be easily mixed with various electrode active material powders and is heat resistant. It has been found that this is an electrode binder with excellent properties.
Furthermore, it has been found that a battery or an electric double layer capacitor using an electrode obtained from the electrode binder has a high energy density, a large extraction current, and excellent durability and reliability.
[0011]
Based on the above findings, the present inventors used the following (1) electrode binder, (2) an electrode obtained from the electrode binder and a production method thereof, and (3) the electrode. Provide batteries and electric double layer capacitors.
[0012]
[1] The following general formula (2) and / or general formula (3)
[Chemical 3]
Figure 0003685296
[Wherein R 2 And R Three Represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R Four Represents a C1-C10 chain, branched and / or cyclic divalent group which may contain a hetero atom, and x is 0 or an integer of 1 to 10. However, multiple Rs exist in the same molecule. 2 , R Three , R Four And x may be the same or different. ]
Having a polymerizable functional group represented by the general formula (1)
[Formula 4]
Figure 0003685296
[Wherein R 1 Represents a linear, branched and / or cyclic divalent group having 1 to 10 carbon atoms which may contain a hetero atom, m is an integer of 1 to 10, and n is 2 to 1000. It is an integer. However, multiple Rs exist in the same molecule. 1 , M and n may be the same or different. ]
The binder used for the electrode for lithium secondary batteries or the polarizable electrode for electric double layer capacitors which consists of at least 1 type of heat | fever and / or actinic-light polymerizable compound which has the poly or oligocarbonate group shown by these as a main component.
[2] At least one electrode material for a lithium secondary battery selected from a lithium alloy, a carbon material, an inorganic oxide, an inorganic sulfide, and a conductive polymer compound, and the polymer of the binder described in 1 above. Including an electrode for a lithium secondary battery.
[3] For an electric double layer capacitor comprising at least one polarizable electrode material selected from a carbon material, an inorganic oxide, an inorganic sulfide, an inorganic halide, and a metal and the polymer of the binder described in 1 above Polarized electrode.
[4] A lithium secondary battery using the electrode according to 2 above.
[5] An electric double layer capacitor in which the polarizable electrode described in the above item 3 is used in an electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is disposed via an ion conductive substance.
[6] The polymerizable compound according to 1 described above and the electrode material powder are mixed, or after further adding at least one organic solvent, the mixture is molded, and the polymerizable compound is polymerized. The manufacturing method of the electrode used for a lithium secondary battery or an electric double layer capacitor.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is described in detail below.
[Binder for electrode]
The polymer compound used in the electrode binder of the present invention has good adhesion to the electrode active material and current collector, has elasticity, and has good electrochemical stability, electrolytic solution resistance, and heat resistance, It can absorb and retain various organic polar solvents, and contains a cross-linked and / or side chain group having a poly or oligocarbonate structure represented by the following general formula (1).
[0017]
Embedded image
Figure 0003685296
Where R 1 Represents a divalent group having 1 to 10 carbon atoms, which may be a chain, branched and / or cyclic hetero atom, m is an integer of 1 to 10, and n is 2 to 1000. Is an integer.
[0018]
When m exceeds 10 in the above general formula (1), the number of carbonate groups in the polymer compound decreases, the heat resistance decreases, the dielectric constant decreases, and the compatibility with various polar solvents decreases, such being undesirable. Preferred m is 1-5.
R in the above general formula 1 If the number of carbon atoms in the polymer compound is too large, the number of carbonate groups in the polymer compound decreases, and the heat resistance similarly decreases, which is not preferable. Further, the hydrophobicity of the polymer compound increases, and the compatibility with various polar solvents decreases, which is not preferable. Preferred R 1 The number of carbon atoms is 1-4.
The repeating number n of the poly or oligocarbonate group represented by the general formula (1) in the polymer used for the electrode binder of the present invention is in the range of 2 to 1000, preferably in the range of 3 to 100, particularly 5-50 are preferable.
[0019]
The polymer used in the polymer solid electrolyte of the present invention has a poly or oligocarbonate group represented by the general formula (1) and a polymerizability represented by the following general formula (2) and / or (3). Functional group
Embedded image
Figure 0003685296
[Wherein R 2 And R Three Represents a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R Four Represents a chain, branched and / or cyclic divalent group which may contain a hetero atom, and x is 0 or an integer of 1 to 10. However, multiple Rs exist in the same molecule. 2 , R Three , R Four And x may be the same or different. And a polymer of at least one heat and / or actinic ray polymerizable compound (hereinafter simply referred to as “polymerizable compound”) can be easily combined with electrodes used in various electrochemical devices, and Since heat resistance is also improved, it is preferable.
[0020]
Specific examples of the polymerizable compound include compounds represented by the following general formula (4) or (5).
Embedded image
Figure 0003685296
Embedded image
Figure 0003685296
Where R Five Represents a chain, branched and / or cyclic group having 1 to 20 carbon atoms which may contain a hetero atom, and other symbols have the same meanings as described above.
[0021]
There is no particular limitation on the method for synthesizing the polymerizable compound having the group represented by the general formula (1) and the group represented by the general formula (2). For example, a poly or oligo having an acid chloride and a terminal hydroxyl group It can be easily obtained by reacting with carbonateol in the following steps.
[0022]
Embedded image
Figure 0003685296
Where R 1 , M, n and R 2 Represents the same meaning as described above.
[0023]
The method for synthesizing the polymerizable compound having the group represented by the general formula (1) and the group represented by the general formula (3) is not particularly limited.
Embedded image
Figure 0003685296
It can be easily obtained by reacting the isocyanate compound represented by the above with poly or oligocarbonate ol having a hydroxyl group at the terminal.
[0024]
As a specific method, a compound having one functional group represented by the general formula (3) is, for example, a methacryloyl isocyanate compound (hereinafter abbreviated as MI) or an acryloyl isocyanate compound (hereinafter referred to as AI). And monoalkylpoly or oligocarbonateol can be easily obtained by reacting at a molar ratio of 1: 1 as in the following reaction.
[0025]
Embedded image
Figure 0003685296
Where R 6 Represents an organic group having 1 to 10 carbon atoms, R 1 , M, n, R Three , R Four And x represent the same meaning as described above.
[0026]
In addition, the compound having two functional groups represented by the general formula (3) can be easily obtained by reacting MI or AI with poly or oligocarbonate diol at a molar ratio of 2: 1 as follows. Is obtained.
[0027]
Embedded image
Figure 0003685296
Where R 1 , M, n, R Three , R Four And x represent the same meaning as described above.
The compound having three functional groups represented by the general formula (3) can be easily obtained by reacting, for example, MIs or AIs with poly or oligocarbonate triol at a molar ratio of 3: 1.
[0028]
Here, a polymer obtained by polymerizing a compound having only one functional group represented by the general formula (2) or (3) does not have a crosslinked structure, has low elasticity, and has low heat resistance. . Therefore, it is copolymerized with a polymerizable compound having two or more functional groups represented by the general formula (2) or (3) and crosslinked, or two functional groups represented by the general formula (2) or (3). It is preferable to use in combination with a polymer obtained from the polymerizable compound as described above.
[0029]
In addition, the polymer compound obtained by polymerizing the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (3) contains a urethane group, increases the dielectric constant, and increases the compatibility with various solvents. ,preferable. Furthermore, the compound having a polymerizable functional group represented by the general formula (3) is preferable because it has good polymerizability and can be easily cured after being combined with various electrodes.
[0030]
The polymer compound preferable as a constituent component of the binder for electrodes of the present invention may be a homopolymer of the polymerizable compound, two or more kinds of copolymers belonging to the same category, or the polymerization. It may be a copolymer of at least one kind of polymerizable compound and another polymerizable compound.
[0031]
The other polymerizable compound copolymerizable with the polymerizable compound is not particularly limited, and examples thereof include (meth) acrylic acid alkyl esters such as methyl methacrylate and n-butyl acrylate, and various urethane (meth) acrylates. , (Meth) acrylic acid ester and / or urethane (meth) acrylate having a oxyalkylene and / or oxyfluorocarbon chain, (meth) acrylic acid fluorinated alkyl ester, acrylamide, methacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, (Meth) acrylamides such as N-dimethylmethacrylamide, vinylene carbonate, (meth) acryloyl carbonate, N-vinylpyrrolidone, acryloylmorpholine, methacryloylmorpholine, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide Compound, styrene, alpha-methylstyrene styrene compounds such as, N- vinylacetamide, N- vinyl amide compounds such as N- vinylformamide, and alkyl vinyl ethers such as ethyl vinyl ether.
[0032]
Among these, (meth) acrylic acid ester, urethane (meth) acrylate, or (meth) acrylic acid ester and / or urethane (meth) acrylate having an oxyalkylene and / or oxyfluorocarbon chain is preferably used. Among these, urethane (meth) acrylate is particularly preferable from the viewpoint of polymerizability.
[0033]
The polymer compound used in the electrode binder of the present invention includes a polymer obtained from at least one of the polymerizable compounds and / or a copolymer containing the polymerizable compound as a copolymer component, and other compounds. It may be a mixture with a polymer compound. Other polymer compounds to be mixed include, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polybutadiene, polymethacrylic (or acrylic) esters, polystyrene, polyphosphazenes, polysiloxane or polysilane, polyvinylidene fluoride, polytetra Examples thereof include polymers such as fluoroethylene.
[0034]
The amount of the structural unit derived from the polymer having a poly or oligocarbonate group represented by the general formula (1) may be obtained by homopolymerizing the polymerizable compound, copolymerizing with other copolymerization components, or other Since it differs depending on whether the polymer compound is mixed or depending on the type of the compound, it cannot be said unconditionally, but when used as a binder for electrodes, the adhesiveness, electrochemical stability, heat resistance, In consideration of compatibility, it is preferably contained in an amount of 50% by weight or more, more preferably 70% by weight or more based on the total amount of the polymer component.
[0035]
Polymerization of the polymerizable compound can be performed by a general method utilizing the polymerizability of an acryloyl group or methacryloyl group which is a functional group. That is, the polymerizable compound alone, or a mixture of a polymerizable compound and another polymerizable compound that can be copolymerized with the above, a heating radical polymerization catalyst such as azobisisobutyronitrile and benzoyl peroxide, an activity such as benzyl methyl ketal Photoradical polymerization catalyst CF Three Protonic acid such as COOH, BF Three AlCl Three Radical polymerization, cationic polymerization, or anionic polymerization can be performed using a cationic polymerization catalyst such as Lewis acid or the like, or an anionic polymerization catalyst such as butyl lithium, sodium naphthalene, or lithium alkoxide.
[0036]
The polymerization temperature depends on the type of the polymerizable compound, but may be any temperature at which polymerization occurs, and is usually performed in the range of 0 ° C to 200 ° C.
When polymerizing by irradiation with actinic rays, depending on the type of the polymerizable compound, for example, using an initiator such as benzylmethyl ketal or benzophenone, irradiation with ultraviolet light of several mW or more, γ rays, electron beams, etc. And can be polymerized.
[0037]
[Electrode and manufacturing method thereof]
The electrode of the present invention is formed by binding electrode material powder used for various electrochemical elements with the electrode binder of the present invention.
As the positive electrode material of the battery electrode of the present invention, by using an electrode active material (positive electrode active material) having a high redox potential such as a metal oxide, metal sulfide, conductive polymer or carbon material, a high voltage This is preferable because a high-capacity battery can be obtained. Among such positive electrode active materials, metal oxides such as cobalt oxide, manganese oxide, vanadium oxide, nickel oxide, and molybdenum oxide, molybdenum sulfide, titanium sulfide, Metal sulfides such as vanadium sulfide are preferable, and manganese oxide, nickel oxide, cobalt oxide, and the like are particularly preferable in terms of high capacity and high voltage. The method for producing the metal oxide or metal sulfide in this case is not particularly limited. For example, a general electrolysis method or heating as described in Electrochemistry, Vol. 22, page 574 (1954). Manufactured by law. Further, when these are used as an electrode active material in a lithium battery, for example, Li x CoO 2 Or Li x MnO 2 The lithium element is preferably used in a state of being inserted (composited) into a metal oxide or metal sulfide. The method for inserting the lithium element is not particularly limited. For example, a method for electrochemically inserting lithium ions or a method described in US Pat. No. 4,357,215 may be used. 2 CO Three This can be carried out by mixing and heat-treating a salt of the above and a metal oxide.
[0038]
In terms of flexibility and easy thinning, a conductive polymer is preferable as the positive electrode active material. Examples of the conductive polymer include polyaniline, polyacetylene and derivatives thereof, polyparaphenylene and derivatives thereof, polypyrrole and derivatives thereof, polythienylene and derivatives thereof, polypyridinediyl and derivatives thereof, polyisothianaphthenylene and derivatives thereof, polyfurylene. And derivatives thereof, polyselenophene and derivatives thereof, polyparaphenylene vinylene, polythienylene vinylene, polyfurylene vinylene, polynaphthenylene vinylene, polyselenophene vinylene, polypyridine diyl vinylene, and their derivatives, etc. Is mentioned. These conductive polymers are produced according to a general chemical or electrochemical oxidative polymerization method or other known methods.
Further, examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, gas phase method graphite, petroleum coke, coal coke, fluorinated graphite, pitch-based carbon, and polyacene.
[0039]
As the negative electrode active material of the battery electrode of the present invention, a material having a low redox potential using an alkali metal ion as a carrier such as an alkali metal, an alkali metal alloy, a carbon material, a metal oxide or a conductive polymer compound is used. This is preferable because a battery having a high voltage and a high capacity can be obtained. Among such negative electrode active materials, lithium metal or lithium alloys such as lithium / aluminum alloy, lithium / lead alloy, and lithium / antimony alloy have the lowest redox potential and can be made thin. preferable. Carbon materials are also particularly preferred in that they have a low redox potential when lithium ions are occluded, and are stable and safe. Examples of the material capable of occluding and releasing lithium ions include natural graphite, artificial graphite, gas phase method graphite, petroleum coke, coal coke, pitch-based carbon, polyacene, fullerenes such as C60 and C70, and the like.
[0040]
Various carbon materials are mentioned as a polarizable material used for the polarizable electrode for electric double layer capacitors of the present invention. The carbon material is not particularly limited as long as the specific surface area is large, but the larger the specific surface area, the larger the capacity of the electric double layer, which is preferable. For example, carbon blacks such as furnace black, thermal black (including acetylene black), channel black, activated carbon such as coconut shell charcoal, natural graphite, artificial graphite, so-called pyrolytic graphite produced by a gas phase method, polyacene and C60 , C70. Those obtained by further increasing the specific surface area by steam treatment or acid treatment are preferred.
[0041]
As a method of forming these electrode materials into electrodes, after mixing the polymerizable compound having the poly or oligocarbonate group of the present invention and the electrode material powder in an appropriate ratio, or further, a conductive assistant such as carbon black or at least one kind. After adding the above solvent, a method is recommended in which the mixture is applied and / or molded, and the polymerizable compound is polymerized by heating or irradiation with actinic light to cure the entire electrode.
[0042]
The solvent may be used for uniform mixing of the electrode material powder and the polymerizable compound, or for reducing the viscosity of the mixture so as to facilitate subsequent application molding. As the solvent to be used, those having good compatibility with the polymerizable compound or electrode material having a poly or oligocarbonate group of the present invention are suitable. These solvents are often removed by drying or the like after the production of the electrode. However, when remaining in the electrode, a compound that has a wide electrochemical stability range and does not adversely affect the electrochemical device to be used is suitable. Examples of such solvents include ethers such as 1,2-dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, crown ether, triethylene glycol methyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl Examples thereof include carbonates such as methyl carbonate, aromatic nitriles such as benzonitrile and tolunitrile, sulfur compounds such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, N-vinylpyrrolidone and sulfolane, and phosphate esters. Among these, ethers and carbonates are preferable, and carbonates are particularly preferable.
[0043]
[Battery configuration]
The battery of the present invention uses an electrode using a polymerizable compound having a poly or oligocarbonate group as a binder for an electrode, and is characterized by a large extraction current or excellent workability and reliability. As an example of the battery of the present invention, a schematic cross-sectional view of a thin film battery is shown in FIG. In the figure, 1 is a positive electrode, 2 is a polymer solid electrolyte, 3 is a negative electrode, 4a and 4b are current collectors, and 5a and 5b are insulating resin sealants.
[0044]
In particular, a battery using alkali metal ions as a carrier has a high output voltage and a high energy density. In this case, an alkali metal salt is used as the electrolyte salt of the electrolyte layer. As an alkali metal salt, for example, LiCF Three SO Three , LiPF 6 LiClO Four , LiBF Four , LiSCN, LiAsF 6 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiN (C F Three CF 2 SO 2 ) 2 , NaCF Three SO Three , LiI, NaPF 6 , NaClO Four , NaI, NaBF Four , NaAsF 6 , KCF Three SO Three , KPF 6 KI etc. can be mentioned.
[0045]
The battery structure or the support may be made of a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. It is not limited. The shape may be any shape such as a cylinder, a box, a sheet or the like.
[0046]
[Configuration of electric double layer capacitor]
Next, the electric double layer capacitor of the present invention will be described.
The electric double layer capacitor of the present invention uses an electrode using a polymerizable compound having a poly or oligocarbonate group as a binder for an electrode, and has a large extraction current or excellent workability and reliability. There is a feature.
[0047]
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an example of the electric double layer capacitor of the present invention. In this example, a thin cell having a size of 1 cm × 1 cm and a thickness of about 0.5 mm, 7a and 7b are current collectors, and a pair of polarizable electrodes 6a and 6b are arranged inside the current collectors. The polymer solid electrolyte membrane 8 is disposed between them. 9 is an insulating resin sealant, and 10 is a lead wire.
The current collectors 7a and 7b are preferably made of a material having electronic conductivity and electrochemical corrosion resistance, and a specific surface area as large as possible. For example, various metals and their sintered bodies, electron conductive polymers, carbon sheets and the like can be mentioned.
[0048]
The type of electrolyte salt used in the electrolyte layer in the case of the electric double layer capacitor of the present invention is not particularly limited, and a compound containing an ion desired to be a charge carrier may be used, but the dissociation constant in the electrolyte layer is large. It is desirable to include ions that easily form a polarizable electrode and an electric double layer. Such compounds include (CH Three ) Four NBF Four , (CH Three CH 2 ) Four NClO Four Quaternary ammonium salt such as pyridinium salt, AgClO Four Transition metal salts such as (CH Three ) Four PBF Four Quaternary phosphonium salts such as LiCF Three SO Three , LiPF 6 LiClO Four , LiI, LiBF Four , LiSCN, LiAsF 6 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiN (CF Three CF 2 SO 2 ) 2 , NaCF Three SO Three , NaPF 6 , NaClO Four , NaI, NaBF Four , NaAsF 6 , KCF Three SO Three , KPF 6 And alkali metal salts such as KI, organic acids such as p-toluenesulfonic acid and salts thereof, and inorganic acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid. Of these, quaternary ammonium salts, pyridinium salts, quaternary phosphonium salts, and alkali metal salts are preferred from the viewpoints of high output voltage and a large dissociation constant.
[0049]
The capacitor structure or the support may be a metal such as SUS, a resin such as polypropylene or polyimide, or a ceramic material such as conductive or insulating glass. The shape is not limited to the above, and the shape may be any shape such as a cylinder, a box, a sheet or the like.
[0050]
As the shape of the electric double layer capacitor, in addition to the sheet type as shown in FIG. 2, a coin type, or a sheet-like laminate of a polarizable electrode and a polymer solid electrolyte is wound into a cylindrical shape to form a cylindrical tubular capacitor. It may be a cylindrical type manufactured by sealing in a structure.
[0051]
【Example】
The present invention will be described in more detail below with typical examples. Note that these are merely illustrative examples, and the present invention is not limited thereto.
[0052]
Example 1: Synthesis of compounds 1, 2 and 3
Embedded image
Figure 0003685296
In accordance with the above formulas (a), (b) and (c), excess phosgene gas was blown into various alkylene glycols under nitrogen at 10 ° C. or lower in a conventional manner and allowed to react for about 5 hours. Compound 1, Compound 2, and Compound 3 were synthesized. These identifications were performed by GC-MS.
[0053]
Example 2: Oligomerization of compounds 1, 2 and 3 (synthesis of compounds 4, 5 and 6)
Embedded image
Figure 0003685296
According to the above formulas (d), (e), and (f), various alkylene glycol bischloroformates (compounds 1, 2, 3) synthesized in Example 1 and various alkylene glycols in the presence of pyridine. After reacting in dichloromethane at 25 ° C. or less for about 6 hours, excess water is added to hydroxylate the remaining chloroformate terminals, and oligocarbonates (compound 4, compound 5, compound 6) having hydroxyl groups at both ends are obtained. Synthesized.
The average of the weight average molecular weight (Mw) and the number of repetitions x, y, z of each oligocarbonate determined by GPC analysis was as follows.
Compound 4 Mw to about 800, x: to about 8,
Compound 5 Mw to about 1500, y: to about 10,
Compound 6 Mw to about 1200, z: to about 10.
[0054]
Example 3: Synthesis of polymerizable compound 7
Embedded image
Figure 0003685296
Compound 4 (average molecular weight 800) (40.0 g) and MOI (methacryloyloxyethyl isocyanate) (15.5 g) were dissolved in well-purified THF (200 ml) in a nitrogen atmosphere, and then dibutyltin dilaurate (0.44 g) was added. . Then, the colorless product was obtained by making it react at 25 degreeC for about 15 hours. That 1 From the results of 1 H-NMR, IR, and elemental analysis, compound 4 and MOI reacted in a one-to-two manner, the isocyanate group of MOI disappeared, a urethane bond was formed, and polymerizable compound 7 was formed. I understood it.
[0055]
Example 4: Synthesis of polymerizable compound 8
Embedded image
Figure 0003685296
Compound 5 (average molecular weight 1500) (75.0 g) and MOI (15.5 g) were dissolved in well-purified THF (200 ml) in a nitrogen atmosphere, and then dibutyltin dilaurate (0.44 g) was added. Then, the colorless product was obtained by making it react at 25 degreeC for about 15 hours. That 1 From the results of H-NMR, IR, and elemental analysis, compound 5 and MOI reacted in a one-to-two manner, the isocyanate group of MOI disappeared, a urethane bond was formed, and polymerizable compound 8 was formed. I understood it.
[0056]
Example 5: Synthesis of polymerizable compound 9
Embedded image
Figure 0003685296
Compound 6 (average molecular weight 1200) (60.0 g) and MOI (15.5 g) were dissolved in well-purified THF (200 ml) in a nitrogen atmosphere, and then dibutyltin dilaurate (0.44 g) was added. Then, the colorless product was obtained by making it react at 25 degreeC for about 15 hours. That 1 From the results of H-NMR, IR, and elemental analysis, compound 6 and MOI reacted in a one-to-two manner, the isocyanate group of MOI disappeared, a urethane bond was formed, and polymerizable compound 9 was formed. I understood it.
[0057]
Example 6: Production of lithium cobaltate positive electrode
11g Li 2 CO Three And 24g Co Three O Four Were mixed well, heated at 800 ° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere, and then pulverized to obtain LiCoO 2 A powder was obtained. This LiC oO 2 Powder and acetylene black, 10 wt% diethyl carbonate solution (1000 ppm benzoyl peroxide added) of polymerizable compounds 7, 8, and 9 prepared in Examples 3, 4, and 5 were mixed at a weight ratio of 90: 3: 70, A gel composition was obtained. Each of these compositions was applied and molded on an aluminum foil of about 25 μm to a thickness of about 180 μm. Furthermore, after heat-curing at about 100 ° C. for 6 hours and then vacuum-heat drying at 100 ° C. for 8 hours, lithium cobaltate / polymerizable compound 7, lithium cobaltate / polymerizable compound 8, and lithium cobaltate / polymerizable compound 9 A composite positive electrode sheet was obtained. Each of these sheets was punched out to 14 mmφ with a punch to obtain a positive electrode for a battery.
[0058]
Example 7: Production of graphite negative electrode
MCMB graphite (manufactured by Osaka Gas), gas phase process graphite fiber (manufactured by Showa Denko KK: average fiber diameter, 0.3 μm, average fiber length, 2.0 μm, heat treated product at 2700 ° C.), manufactured in Examples 3, 4 and 5 Polymeric compounds 7, 8, and 9 in 10 wt% diethyl carbonate solution (1000 ppm of benzoyl peroxide added) were mixed at a weight ratio of 86: 4: 100 to obtain gel compositions. Each of these compositions was applied and molded on a copper foil of about 15 μm to a thickness of about 250 μm. Furthermore, after heating and curing at about 100 ° C. for 6 hours, vacuum heating drying at 100 ° C. for 8 hours was performed to obtain a graphite / polymerizable compound 7, graphite / polymerizable compound 8, and graphite / polymerizable compound 9 composite negative electrode sheet. . Each of these sheets was punched to 15 mmφ with a punch to obtain a negative electrode for a battery.
[0059]
Comparative Example 1: Production of lithium cobaltate positive electrode
LiCoO produced in Example 6 2 The powder, acetylene black, and polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed at a weight ratio of 8: 1: 1, and an excess N-methylpyrrolidone solution was added to obtain a gel composition. This composition was applied and molded on an aluminum foil of about 25 μm to a thickness of 180 μm. Furthermore, the lithium cobaltate positive electrode sheet was obtained by heating and vacuum-drying at about 100 degreeC for 24 hours. This sheet was punched to 14 mmφ with a punch to obtain a positive electrode for a battery.
[0060]
Comparative Example 2: Production of graphite negative electrode
MCMB graphite (manufactured by Osaka Gas), gas phase process graphite fiber (manufactured by Showa Denko KK: average fiber diameter, 0.3 μm, average fiber length, 2.0 μm, heat treated product at 2700 ° C.), weight ratio of polyvinylidene fluoride (PVDF) An excess N-methylpyrrolidone solution was added to the 8.6: 0.4: 1.0 mixture to obtain a gel composition. This composition was applied and molded to a thickness of about 250 μm on a copper foil of about 15 μm. Furthermore, a graphite negative electrode was obtained by heating and vacuum drying at about 100 ° C. for 24 hours. This sheet was punched into 15 mmφ with a punch to obtain a negative electrode for a battery.
[0061]
Examples 8 to 10: Production of Li-ion secondary battery
Using each composite positive electrode and negative electrode produced in Examples 6 and 7 in combinations shown in Table 1, three types of graphite / lithium cobaltate Li-ion coin batteries shown in Table 1 were obtained by the following method ( Examples 8 to 10).
Electrode solution (1M LiPF) dehydrated for Li-ion batteries on each composite negative electrode (15mmφ) in an argon atmosphere glove box 6 / EC (ethylene carbonate) + EMC (ethyl methyl carbonate) (weight ratio 3: 7)). On this composite negative electrode, a polyolefin microporous film manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd .: a composite (impregnated with the above electrolyte solution on a hypopore (porosity 65%, thickness 25 μm)) was bonded, and each composite positive electrode was impregnated with the above electrolyte solution. They were bonded together and sealed in a 2016 coin-shaped can (diameter 20 mm, thickness 1.6 mm) to obtain a graphite / lithium cobaltate Li-ion coin battery.
Table 1 shows the maximum discharge capacity and the number of cycles until the capacity drops to 50% of the maximum capacity when these batteries are repeatedly charged and discharged at 25 ° C, operating voltage 2.75 to 4.1 V, charge 0.8 mA, discharge 6.0 mA. Show.
[0062]
Comparative Example 3: Production of Li ion secondary battery
A graphite / lithium cobaltate Li-ion coin battery shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Examples 8 to 10 except that the positive electrode and the negative electrode manufactured in Comparative Examples 1 and 2 were used.
Table 1 shows the maximum discharge capacity and the number of cycles until the capacity drops to 50% of the maximum capacity when this battery is repeatedly charged and discharged at 25 ° C, operating voltage 2.75 to 4.1V, charge 0.8mA, discharge 6.0mA. Shown in
[0063]
[Table 1]
Figure 0003685296
[0064]
Example 11: Production of activated carbon composite electrode
Steam activated carbon activated by phenol resin fired product (specific surface area 2010m 2 / G, average particle size 8μm, pore volume 0.7cm Three / G), acetylene black, 10 wt% diethyl carbonate solution (1000 ppm of benzoyl peroxide added) of polymerizable compounds 7, 8, and 9 prepared in Examples 3, 4, and 5 were mixed at a weight ratio of 86: 4: 100. Each gel composition was obtained. Each of these compositions was applied and molded on an aluminum foil of about 25 μm to a thickness of about 250 μm. Furthermore, after heating and curing at about 100 ° C. for 6 hours, vacuum heating drying was performed at 100 ° C. for 8 hours to obtain activated carbon / polymerizable compound 7, activated carbon / polymerizable compound 8, and activated carbon / polymerizable compound 9 composite sheet. Each of these sheets was punched to 15 mmφ with a punch to obtain an activated carbon composite electrode.
[0065]
Comparative Example 4: Production of activated carbon electrode
Steam activated carbon activated by phenol resin fired product (specific surface area 2010m 2 / G, average particle size 8 μm, pore volume 0.7 cc / g), an excess N-methylpyrrolidone solution is added to a mixture of acetylene black and polyvinylidene fluoride (PVDF) in a weight ratio of 8.6: 0.4: 1.0 to form a gel A composition was obtained. This composition was applied and molded on an aluminum foil of about 25 μm to a thickness of about 150 μm. Furthermore, the activated carbon electrode sheet was obtained by vacuum-drying at about 100 degreeC for 10 hours. Each of these sheets was punched to 15 mmφ with a punch to obtain an activated carbon electrode.
[0066]
Examples 12 to 14: Manufacture of coin-type electric double layer capacitor
Using the two activated carbon composite electrodes produced in Example 11 in the combinations shown in Table 2, three types of coin-type electric double layer capacitors (Examples 12 to 14) shown in Table 2 were obtained by the method shown below. .
In an argon atmosphere glove box, a composite electrode (15 mmφ) was impregnated with a dehydrated electrolyte (1.5 M TEAB (tetraethylammonium tetrafluoroborate / PC (propylene carbonate)) for Li-ion batteries. A Teflon microporous film (aperture ratio 60%, thickness 25 μm) made by impregnating the above electrolyte solution was bonded, and another similar composite electrode impregnated with the above electrolyte solution was bonded. A coin-shaped can (diameter 20 mm, thickness 1.6 mm) was sealed to obtain a coin-type electric double layer capacitor.
Table 2 shows the maximum discharge capacity and the discharge capacity after 200 cycles of charge and discharge when these capacitors are charged and discharged at 25 ° C., operating voltage 0 to 2.5 V, and current 9 mA.
[0067]
Comparative Example 5: Manufacture of coin-type electric double layer capacitor
A coin-type electric double layer capacitor shown in Table 2 was obtained in the same manner as in Examples 12 to 14 except that the two activated carbon electrodes produced in Comparative Example 4 were used.
Table 2 shows the maximum discharge capacity and the discharge capacity after 500 cycles of charge and discharge when this capacitor is charged and discharged at 25 ° C., operating voltage 0 to 2.5 V, and current 9 mA.
[0068]
[Table 2]
Figure 0003685296
[0069]
【The invention's effect】
The binder for an electrode comprising a polymer compound having a cross-linked and / or side chain group mainly composed of a poly or oligocarbonate group of the present invention has good adhesion to various electrode active materials and current collectors. It has elasticity, electrochemical stability, electrolytic solution resistance, heat resistance is good, absorbs and holds various organic polar solutions, and has high ionic conductivity. Compared with a binder for electrodes made of a thermoplastic polymer, the electrode resistance can be reduced and the life is long. Further, since it is excellent in curability, it can be easily cured after being mixed with an electrode material as a prepolymer before curing, and therefore, it is advantageous in terms of processing as compared with a conventional binder for electrodes made of thermoplastic polymer.
By using the electrode molded with the electrode binder of the present invention, the secondary battery can operate at a high capacity, has a long life, and has high current characteristics, high temperature durability, reliability, stability, and workability. Is obtained.
Furthermore, by using the electrode molded with the electrode binder of the present invention, the output voltage is high, the take-out current is large, the life is long, the high temperature durability, workability, reliability, and stability are excellent. A double layer capacitor is obtained. Therefore, it can be used not only as a backup power source but also as a power source for various electric products in combination with a small battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin solid battery showing one embodiment of a battery according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a solid electric double layer capacitor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode
2 Polymer solid electrolyte
3 Negative electrode
4a, 4b Current collector
5a, 5b Insulating resin sealant
6a, 6b Polarized electrode
7a, 7b Current collector
8 Polymer solid electrolyte membrane
9 Insulating resin sealant
10 Lead wire

Claims (6)

下記一般式(2)及び/または一般式(3)
Figure 0003685296
[式中、R2及びR3は、水素原子または炭素数1〜6のアルキル基を表わし、R4は炭素数1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、xは0または1〜10の整数である。但し、同一分子中に複数存在するR2、R3、R4及びxは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
で示される重合性官能基を有し、一般式(1)
Figure 0003685296
[式中、R1は炭素数が1〜10の鎖状、分岐状及び/または環状の、ヘテロ原子を含んでいてもよい2価の基を表わし、mは1〜10の整数であり、nは2〜1000の整数である。但し、同一分子中に複数存在するR1、m及びnは、それぞれ同一でもよいし異なってもよい。]
で示されるポリまたはオリゴカーボネート基を主成分とする少なくとも一種の熱及び/または活性光線重合性化合物からなる、リチウム二次電池用電極または電気二重層コンデンサ用分極性電極のための結着剤。
The following general formula (2) and / or general formula (3)
Figure 0003685296
[Wherein R 2 and R 3 represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 4 contains a chain, branched and / or cyclic hetero atom having 1 to 10 carbon atoms. And x is an integer of 0 or 1 to 10. However, a plurality of R 2 , R 3 , R 4 and x existing in the same molecule may be the same or different. ]
Having a polymerizable functional group represented by the general formula (1)
Figure 0003685296
[Wherein R 1 represents a chain, branched and / or cyclic divalent group which may contain a hetero atom, and m is an integer of 1 to 10; n is an integer of 2 to 1000. However, a plurality of R 1 , m and n existing in the same molecule may be the same or different. ]
A binder for an electrode for a lithium secondary battery or a polarizable electrode for an electric double layer capacitor, comprising at least one heat and / or actinic ray-polymerizable compound having a poly or oligocarbonate group as a main component.
リチウム合金、炭素材料、無機酸化物、無機硫化物及び電導性高分子化合物から選ばれる少なくとも一つのリチウム二次電池用電極材料と、請求項1に記載の結着剤の重合物とを含むリチウム二次電池用電極。  A lithium containing at least one electrode material for a lithium secondary battery selected from a lithium alloy, a carbon material, an inorganic oxide, an inorganic sulfide, and a conductive polymer compound, and the polymer of the binder according to claim 1. Secondary battery electrode. 炭素材料、無機酸化物、無機硫化物、無機ハロゲン化物及び金属から選ばれる少なくとも一種の分極性電極材料と、請求項1に記載の結着剤の重合物とを含む電気二重層コンデンサ用分極性電極。  Polarizability for an electric double layer capacitor comprising at least one polarizable electrode material selected from a carbon material, an inorganic oxide, an inorganic sulfide, an inorganic halide, and a metal, and the polymer of the binder according to claim 1. electrode. 請求項2に記載の電極を用いることを特徴とするリチウム二次電池。  A lithium secondary battery using the electrode according to claim 2. イオン伝導性物質を介して分極性電極を配置した電気二重層コンデンサにおいて、請求項3に記載の分極性電極を用いることを特徴とする電気二重層コンデンサ。  4. An electric double layer capacitor, wherein the polarizable electrode according to claim 3 is used in an electric double layer capacitor in which a polarizable electrode is disposed via an ion conductive material. 請求項1に記載の重合性化合物と電極材料粉体とを混合し、あるいはさらに少なくとも一種の有機溶媒を添加した後、混合物を成形し、該重合性化合物を重合することを特徴とするリチウム二次電池用または電気二重層コンデンサ用電極の製造方法。  The polymerizable compound according to claim 1 is mixed with the electrode material powder, or after further adding at least one organic solvent, the mixture is molded, and the polymerizable compound is polymerized. Manufacturing method of electrode for secondary battery or electric double layer capacitor.
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