JP4654501B2 - 非水系二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系二次電池に関するもので、さらに詳しくは、電池特性に優れた小型軽量の非水系二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話、携帯情報端末等の携帯電子機器の性能は、搭載される半導体素子、電子回路だけでなく、充放電可能な二次電池の性能に大きく依存しており、搭載される二次電池の容量アップと共に、軽量・コンパクト化をも同時に実現することが望まれている。これらの要望に答える二次電池として、ニッケルカドミウム蓄電池の約２倍のエネルギー密度を有する、ニッケル水素蓄電池が開発され、次いで、これを上回るリチウムイオン電池が開発され、脚光を浴びてきている。
【０００３】
このリチウムイオン電池は、非水系電解液中に、正極及び負極を配設し、各々の極板には、集電体表面に正極活物質が結着され、或いは集電体表面に負極活物質が結着された構成と成っている。この電池に用いられる電池用極板は、一般的に活物質（正極活物質または負極活物質）、導電材、結着材（バインダー）等を、集電体に塗布、乾燥した後に、必要に応じてプレスしたものを、所定の形状にスリットすることにより作製されている。
【０００４】
より具体的に電池用極板を作製する手法としては、活物質と結着材とを溶剤に混練分散した合剤を、集電体の片面もしくは両面に塗布、乾燥することにより、極板を形成する方法が提案されている。
【０００５】
ここで、極板材料合剤の組成や、混練分散の方法は、非常に重要なポイントであり、極板の作製方法により、完成した電池の放電特性、充放電サイクル特性、電池のふくれ量、安全性等の電池性能を大きく左右することになる。
【０００６】
そこで、特開平１１−５４１１３号公報には、溶剤中に導電材を分散させた後、活物質および結着材を添加し、混練分散させる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶剤中に導電材を分散させた後、粉末の活物質および粉末や液状の結着材を加えても少量の導電材、結着材では満足する体積抵抗率と極板強度を有する非水系二次電池が得られない。
【０００８】
本発明は、少量の導電材、結着材で体積抵抗率が低く、極板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、少なくとも正極活物質、導電材、結着材からなる正極合剤を集電体に塗布乾燥した正極板と、負極板とを、セパレータを介して積層した極板群を電池ケースに収納してなる非水系二次電池において、前記正極合剤は、乾式混合された正極活物質と導電材に有機溶剤を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに結着材が有機溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練した合剤であり、合剤中における前記導電材と結着材の重量比率が１：０．２〜１：２であることを特徴とする非水系二次電池である。
【００１０】
前記導電材は、正極合剤１００重量部に対して２重量部以上４重量部以下の割合で含有されていることが好ましく、前記結着材溶液は、少なくとも、２−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニトリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶剤に分散させたものまたは、ポリフッ化ビニリデンからなるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
まず、本発明の正極板は、少なくとも、正極活物質、導電材、結着材を含有する。
【００１３】
正極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば、二酸化マンガン，五酸化バナジウム，酸化モリブデン等の酸化物、或いはコバルト酸リチウム，ニッケル酸リチウム，マンガン酸リチウム等のリチウムと遷移金属との複合酸化物、硫化チタン，硫化モリブデン，硫化鉄等の硫化物、或いはリチウムと遷移金属との複合硫化物等を用いることができる。
【００１４】
導電材としては、特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック，グラファイト等を単独、或いは二種類以上の混合物として用いることができるが、正極合剤１００重量部に対して２重量部以上４重量部以下の割合で含有されていることが好ましく、２重量部未満の場合には、体積抵抗率が高く目的とする電池特性が得られず、４重量部を超えると電池反応に寄与しない材料が極板中に多く存在することにより、電池容量を低下させてしまうため好ましくない。
【００１５】
結着材としては、変性アクリルゴムを有機溶剤に均一に分散させたもので、少なくとも、２−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニトリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶剤に分散させたものが好ましい。または、フッ素系樹脂を有機溶剤に均一に分散させたもので、ポリフッ化ビニリデンからなるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが好ましい。
【００１６】
ところで、これらの導電材と結着材の重量比は、１：０．２〜１：２の範囲が体積抵抗率と極板強度の観点から好ましく、結着材の導電材に対する重量比が０．２未満の場合は、極板材料と集電体の結着力が不十分な極板強度であり、結着材の導電材に対する重量比が２を超える場合は、電池反応に寄与しない材料が極板中に多く存在することにより、電池容量を低下させてしまうため好ましくない。有機溶剤としては、特に限定されるものではないが、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルスルホルアミド、テトラメチル尿素、アセトン、メチルエチルケトン等を単独、或いは二種類以上の混合物として用いることができる。
【００１７】
必要に応じて正極合剤および／または負極合剤に増粘剤を添加することができ、エチレン−ビニルアルコール共重合体、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどが好ましい。
【００１８】
負極板は、特に限定されるものではないが、少なくとも、負極活物質、結着材を含有する。
【００１９】
負極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば、有機高分子化合物（フェノール樹脂，ポリアクリロニトリル，セルロース等）を焼成することにより得られる炭素材料、コークスやピッチを焼成することにより得られる炭素材料、或いは人造グラファイト，天然グラファイト等を用いることができる。
【００２０】
結着材としては、特に限定されるものではないが、例えば、スチレン／ブタジエンゴム，アクリル系重合体，ビニル系重合体等を単独、或いは二種類以上の混合物または共重合体として用いることができる。
【００２１】
さらに、本発明における混練分散は、特に限定されるものではなく、例えば、プラネタリーミキサー、ホモミキサー、ピンミキサー、ニーダー、ホモジナイザー等を用いることができる。これらを単独、或いは組み合わせて使用することも可能である。
【００２２】
また、上記極板材料合剤には、各種分散剤、界面活性剤、安定剤等を必要に応じて添加することも可能である。
【００２３】
本発明における極板材料合剤の集電体への塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スリットダイコーター、リバースロールコーター、リップコーター、ブレードコーター、ナイフコーター、グラビアコーター、ディップコーター等を用いることができる。
【００２４】
また、上記極板材料合剤の塗布乾燥後に、必要に応じて、熱処理、プレス等の処理を施すことも可能である。
【００２５】
また、本発明における電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより、調整される。前記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジクロロエタン、１，３−ジメトキシプロパン、４−メチル−２−ペンタノン、１，４−ジオキサン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、スルホラン、３−メチル−スルホラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等を用いることができる。これらの非水溶媒は、単独或いは二種類以上の混合溶媒として、使用することができる。
【００２６】
さらに、本発明における非水電解液に含まれる電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒素リチウム、トリフルオロメタスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム等のリチウム塩を用いることができる。
【００２７】
電池ケースの材質や形状は特に限定されるものではないが、小型軽量の観点からはアルミニウム製の角型ケースや中間の一層にアルミニウム等の金属箔を有するラミネートフイルムからなるラミネートケースが好ましい。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例と比較例を用いてさらに詳しく説明する。
【００２９】
（実施例１）
まず、正極材料は、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレンブラックを、結着材として２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）を、増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）をそれぞれ用いて、表１に示す配合割合になるように準備した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００３２】
次に、負極材料は、負極活物質として人造塊状黒鉛を、結着材としてスチレンとブタジエンゴムのディスパージョン（固形分４８％）を、増粘剤として、カルボキシメチルセルロース水溶液（固形分１％）をそれぞれ用いて、表１に示す配合割合で混錬分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００３３】
（実施例２）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表２に示す配合割合になるように準備した。
【００３４】
【表２】
【００３５】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレン／ビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００３６】
次に、実施例１と同様に表２に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００３７】
（実施例３）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表３に示す配合割合になるように準備した。
【００３８】
【表３】
【００３９】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４０】
次に、実施例１と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４１】
（実施例４）
まず、正極材料は、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレンブラック及びグラファイトを、結着材として２−エチルへキシルアクリレート／アクリル酸／アクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）を、増粘材としてエチレン／ビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）をそれぞれ用いて、表４に示す配合割合になるように作製した。
【００４２】
【表４】
【００４３】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラック及びグラファイトをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレート／アクリル酸／アクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４４】
次に、負極材料は、負極活物質として、人造塊状黒鉛を、結着材として、スチレン／ブタジエンゴムのディスパージョン（固形分４８％）を、増粘剤として、カルボキシメチルセルロース水溶液（固形分１％）をそれぞれ用いて、表４に示す配合割合で混錬分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４５】
（比較例１）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表５に示す配合割合になるように準備した。
【００４６】
【表５】
【００４７】
そして、表５に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４８】
次に、実施例１と同様に表５に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４９】
（比較例２）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表６に示す配合割合になるように準備した。
【００５０】
【表６】
【００５１】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００５２】
次に、実施例１と同様に表６示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５３】
（比較例３）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに２つの工程で作製した。その作製方法としては図２に示すように、まず導電材、結着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５４】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５５】
（比較例４）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図３に示すように、まず正極活物質、導電材、結着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５６】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５７】
（比較例５）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図４に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５８】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５９】
（比較例６）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに２つの工程で作製した。その作製方法としては図２に示すように、まず導電材、結着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６０】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６１】
（比較例７）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図３に示すように、まず正極活物質、導電材、結着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６２】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６３】
（比較例８）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図４に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６４】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６５】
このようにして、各実施例および各比較例で作製した正極合剤を、厚さ１５μｍのアルミ箔上に、スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後に、ロールプレスし、所定寸法にスリットすることで、正極板を作製した。
【００６６】
また、同様にして、各実施例および各比較例で作製した負極材料合剤を、厚さ１０μｍの銅箔上に、スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後に、ロールプレスし、所定寸法にスリットすることで、負極板を作製した。
【００６７】
次に、得られた正極板と負極板の間に、厚さ２０μｍの微多孔性ポリエチレン製セパレータを配設し、巻回することにより、長円状の極板群を構成した。
【００６８】
さらに、前記極板群を、厚み５ｍｍ、幅３０ｍｍ、高さ４８ｍｍのアルミニウム製の角型電池缶に挿入した後、電解液を注液することで、電池容量が７００ｍＡｈのリチウムイオン電池を作製した。
【００６９】
（体積抵抗率の測定）
体積抵抗率の測定方法としては、各実施例及び比較例で得られた正極合剤を厚さ６０μｍのポリエチレンテレフタレート樹脂製フィルム上に塗布、乾燥して正極活物質層を形成し、体積抵抗率計を用いて測定した。その結果を表７、８、９にそれぞれ示す。
【００７０】
【表７】
【００７１】
【表８】
【００７２】
【表９】
【００７３】
表７より明らかなように、導電材が増加すると体積抵抗率は減少し、導電材が２重量部より少ないと、体積抵抗率が大きく増加することがわかる。表８、９より明らかなように、各実施例は各比較例に比べ体積抵抗率が非常に低く導電性が高いことがわかる。
【００７４】
また、上記のように作製した正極板中の結着材の分布をＳＥＭ写真から解析した。その結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７より明らかなように、各実施例では塊状物は見られなく、結着材の分散性が優れており、この結着材の分散性から導電材も均一に分散していると推定される。表８、９より明らかなように、各比較例では５μｍ以上の結着材の塊状物が見られるが、各実施例では２μｍ以上の塊状物は見られなく、結着材の分散性が優れていることがわかる。
【００７５】
（結着強度の測定）
次に、上記のように作製した正極板を用いて、集電体であるアルミ箔と合剤部分とでの結着強度をＪＩＳ Ｋ６８５４に準拠して、９０度剥離によって測定した。試料片の寸法は幅が１２．６５ｍｍ、接着部分の長さが７０ｍｍ〜８０ｍｍで行った。
【００７６】
その測定結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７より明らかなように、導電材が増加すると結着強度は減少し、導電材が４重量部より大きくなると結着強度は大きく減少することがわかる。表８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例は約２倍の結着強度を示した。つまり結着材の分散が優れていることがわかる。
【００７７】
（ガス発生量の評価）
上記のように作製した電池を９０℃−４時間、８５℃−３日間、６０℃−２０日間保存した後に、発生するガス量をガスクロマトグラフィーにて分析した結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、ガス発生量は、各比較例に比べ各実施例が少なくなることがわかる。
【００７８】
（放電レート特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ（７００ｍＡ）、０．０５ＣｍＡ（３５ｍＡ）ｃｕｔ）の条件で充電し、０．２ＣｍＡ（１４０ｍＡ）、１ＣｍＡ（７００ｍＡ）、２ＣｍＡ（１４００ｍＡ）の定電流にて、３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させた場合の放電レート特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例の方がレート特性が優れていることがわかる。
【００７９】
（放電温度特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ、０．０５ＣｍＡｃｕｔ）の条件で充電し、−１０℃、０℃、１０℃、２０℃、４５℃の各温度条件にて、１ＣｍＡの定電流にて３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させた場合の放電温度特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例の方が放電温度特性に優れていることがわかる。
【００８０】
（充放電サイクル特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ、０．０５ＣｍＡｃｕｔ）の条件で充電し、２０℃、１ＣｍＡの定電流にて３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させる充放電サイクル特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように導電材が２重量部より少ないと充放電サイクル特性が下がる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明による非水系二次電池は、少量の導電材、結着材で体積抵抗率が低く、極板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を得るために極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による混練分散のプロセス図
【図２】従来例による混練分散のプロセス図
【図３】従来例による別の混練分散のプロセス図
【図４】従来例によるさらに別の混練分散のプロセス図
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水系二次電池に関するもので、さらに詳しくは、電池特性に優れた小型軽量の非水系二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話、携帯情報端末等の携帯電子機器の性能は、搭載される半導体素子、電子回路だけでなく、充放電可能な二次電池の性能に大きく依存しており、搭載される二次電池の容量アップと共に、軽量・コンパクト化をも同時に実現することが望まれている。これらの要望に答える二次電池として、ニッケルカドミウム蓄電池の約２倍のエネルギー密度を有する、ニッケル水素蓄電池が開発され、次いで、これを上回るリチウムイオン電池が開発され、脚光を浴びてきている。
【０００３】
このリチウムイオン電池は、非水系電解液中に、正極及び負極を配設し、各々の極板には、集電体表面に正極活物質が結着され、或いは集電体表面に負極活物質が結着された構成と成っている。この電池に用いられる電池用極板は、一般的に活物質（正極活物質または負極活物質）、導電材、結着材（バインダー）等を、集電体に塗布、乾燥した後に、必要に応じてプレスしたものを、所定の形状にスリットすることにより作製されている。
【０００４】
より具体的に電池用極板を作製する手法としては、活物質と結着材とを溶剤に混練分散した合剤を、集電体の片面もしくは両面に塗布、乾燥することにより、極板を形成する方法が提案されている。
【０００５】
ここで、極板材料合剤の組成や、混練分散の方法は、非常に重要なポイントであり、極板の作製方法により、完成した電池の放電特性、充放電サイクル特性、電池のふくれ量、安全性等の電池性能を大きく左右することになる。
【０００６】
そこで、特開平１１−５４１１３号公報には、溶剤中に導電材を分散させた後、活物質および結着材を添加し、混練分散させる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶剤中に導電材を分散させた後、粉末の活物質および粉末や液状の結着材を加えても少量の導電材、結着材では満足する体積抵抗率と極板強度を有する非水系二次電池が得られない。
【０００８】
本発明は、少量の導電材、結着材で体積抵抗率が低く、極板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明は、少なくとも正極活物質、導電材、結着材からなる正極合剤を集電体に塗布乾燥した正極板と、負極板とを、セパレータを介して積層した極板群を電池ケースに収納してなる非水系二次電池において、前記正極合剤は、乾式混合された正極活物質と導電材に有機溶剤を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに結着材が有機溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練した合剤であり、合剤中における前記導電材と結着材の重量比率が１：０．２〜１：２であることを特徴とする非水系二次電池である。
【００１０】
前記導電材は、正極合剤１００重量部に対して２重量部以上４重量部以下の割合で含有されていることが好ましく、前記結着材溶液は、少なくとも、２−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニトリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶剤に分散させたものまたは、ポリフッ化ビニリデンからなるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
まず、本発明の正極板は、少なくとも、正極活物質、導電材、結着材を含有する。
【００１３】
正極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば、二酸化マンガン，五酸化バナジウム，酸化モリブデン等の酸化物、或いはコバルト酸リチウム，ニッケル酸リチウム，マンガン酸リチウム等のリチウムと遷移金属との複合酸化物、硫化チタン，硫化モリブデン，硫化鉄等の硫化物、或いはリチウムと遷移金属との複合硫化物等を用いることができる。
【００１４】
導電材としては、特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック，グラファイト等を単独、或いは二種類以上の混合物として用いることができるが、正極合剤１００重量部に対して２重量部以上４重量部以下の割合で含有されていることが好ましく、２重量部未満の場合には、体積抵抗率が高く目的とする電池特性が得られず、４重量部を超えると電池反応に寄与しない材料が極板中に多く存在することにより、電池容量を低下させてしまうため好ましくない。
【００１５】
結着材としては、変性アクリルゴムを有機溶剤に均一に分散させたもので、少なくとも、２−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニトリルの共重合からなる変性アクリルゴムを有機溶剤に分散させたものが好ましい。または、フッ素系樹脂を有機溶剤に均一に分散させたもので、ポリフッ化ビニリデンからなるフッ素系樹脂を有機溶剤に分散させたものが好ましい。
【００１６】
ところで、これらの導電材と結着材の重量比は、１：０．２〜１：２の範囲が体積抵抗率と極板強度の観点から好ましく、結着材の導電材に対する重量比が０．２未満の場合は、極板材料と集電体の結着力が不十分な極板強度であり、結着材の導電材に対する重量比が２を超える場合は、電池反応に寄与しない材料が極板中に多く存在することにより、電池容量を低下させてしまうため好ましくない。有機溶剤としては、特に限定されるものではないが、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルスルホルアミド、テトラメチル尿素、アセトン、メチルエチルケトン等を単独、或いは二種類以上の混合物として用いることができる。
【００１７】
必要に応じて正極合剤および／または負極合剤に増粘剤を添加することができ、エチレン−ビニルアルコール共重合体、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどが好ましい。
【００１８】
負極板は、特に限定されるものではないが、少なくとも、負極活物質、結着材を含有する。
【００１９】
負極活物質としては、特に限定されるものではないが、例えば、有機高分子化合物（フェノール樹脂，ポリアクリロニトリル，セルロース等）を焼成することにより得られる炭素材料、コークスやピッチを焼成することにより得られる炭素材料、或いは人造グラファイト，天然グラファイト等を用いることができる。
【００２０】
結着材としては、特に限定されるものではないが、例えば、スチレン／ブタジエンゴム，アクリル系重合体，ビニル系重合体等を単独、或いは二種類以上の混合物または共重合体として用いることができる。
【００２１】
さらに、本発明における混練分散は、特に限定されるものではなく、例えば、プラネタリーミキサー、ホモミキサー、ピンミキサー、ニーダー、ホモジナイザー等を用いることができる。これらを単独、或いは組み合わせて使用することも可能である。
【００２２】
また、上記極板材料合剤には、各種分散剤、界面活性剤、安定剤等を必要に応じて添加することも可能である。
【００２３】
本発明における極板材料合剤の集電体への塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スリットダイコーター、リバースロールコーター、リップコーター、ブレードコーター、ナイフコーター、グラビアコーター、ディップコーター等を用いることができる。
【００２４】
また、上記極板材料合剤の塗布乾燥後に、必要に応じて、熱処理、プレス等の処理を施すことも可能である。
【００２５】
また、本発明における電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより、調整される。前記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジクロロエタン、１，３−ジメトキシプロパン、４−メチル−２−ペンタノン、１，４−ジオキサン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、スルホラン、３−メチル−スルホラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等を用いることができる。これらの非水溶媒は、単独或いは二種類以上の混合溶媒として、使用することができる。
【００２６】
さらに、本発明における非水電解液に含まれる電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒素リチウム、トリフルオロメタスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム等のリチウム塩を用いることができる。
【００２７】
電池ケースの材質や形状は特に限定されるものではないが、小型軽量の観点からはアルミニウム製の角型ケースや中間の一層にアルミニウム等の金属箔を有するラミネートフイルムからなるラミネートケースが好ましい。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例と比較例を用いてさらに詳しく説明する。
【００２９】
（実施例１）
まず、正極材料は、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレンブラックを、結着材として２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）を、増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）をそれぞれ用いて、表１に示す配合割合になるように準備した。
【００３０】
【表１】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００３２】
次に、負極材料は、負極活物質として人造塊状黒鉛を、結着材としてスチレンとブタジエンゴムのディスパージョン（固形分４８％）を、増粘剤として、カルボキシメチルセルロース水溶液（固形分１％）をそれぞれ用いて、表１に示す配合割合で混錬分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００３３】
（実施例２）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表２に示す配合割合になるように準備した。
【００３４】
【表２】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレン／ビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００３６】
次に、実施例１と同様に表２に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００３７】
（実施例３）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表３に示す配合割合になるように準備した。
【００３８】
【表３】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４０】
次に、実施例１と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４１】
（実施例４）
まず、正極材料は、正極活物質としてコバルト酸リチウムを、導電材としてアセチレンブラック及びグラファイトを、結着材として２−エチルへキシルアクリレート／アクリル酸／アクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）を、増粘材としてエチレン／ビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）をそれぞれ用いて、表４に示す配合割合になるように作製した。
【００４２】
【表４】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラック及びグラファイトをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレート／アクリル酸／アクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４４】
次に、負極材料は、負極活物質として、人造塊状黒鉛を、結着材として、スチレン／ブタジエンゴムのディスパージョン（固形分４８％）を、増粘剤として、カルボキシメチルセルロース水溶液（固形分１％）をそれぞれ用いて、表４に示す配合割合で混錬分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４５】
（比較例１）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表５に示す配合割合になるように準備した。
【００４６】
【表５】
そして、表５に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、プラネタリーミキサーにて乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００４８】
次に、実施例１と同様に表５に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００４９】
（比較例２）
まず、正極材料は、実施例１と同様に、表６に示す配合割合になるように準備した。
【００５０】
【表６】
そして、図１に示す混練方法に従って、正極活物質であるコバルト酸リチウムと導電材であるアセチレンブラックをまず、乾式混合をおこない、溶剤であるＮＭＰを添加し湿潤分散をおこなった。さらに結着材である２−エチルへキシルアクリレートとアクリル酸とアクリロ二トリル共重合体のＮＭＰディスパージョン（固形分８％）と増粘材としてエチレンとビニルアルコール共重合体のＮＭＰ溶液（固形分１０％）を添加し、混練分散することで、正極合剤を作製した。
【００５２】
次に、実施例１と同様に表６示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５３】
（比較例３）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに２つの工程で作製した。その作製方法としては図２に示すように、まず導電材、結着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５４】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５５】
（比較例４）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図３に示すように、まず正極活物質、導電材、結着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５６】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５７】
（比較例５）
まず、正極材料は、実施例３と同様に、表３に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図４に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製した。
【００５８】
次に、実施例３と同様に表３に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００５９】
（比較例６）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに２つの工程で作製した。その作製方法としては図２に示すように、まず導電材、結着材、増粘材、溶剤の混合物を混練分散させ、次に正極活物質を混合し分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６０】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６１】
（比較例７）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図３に示すように、まず正極活物質、導電材、結着材、増粘材の混合物を混練分散させ、次に溶剤を添加し希釈、分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６２】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６３】
（比較例８）
まず、正極材料は、実施例４と同様に、表４に示す配合割合であるが、混練分散は、乾式混合工程、湿潤工程、最後に結着材と増粘材を添加する工程の３段階に分けずに作製した。その作製方法としては図４に示すように、まず導電材と溶剤を混練し、次に正極活物質を添加し混練を行い、さらに結着材、増粘材の混合物を混練分散させることで、正極合剤を作製した。
【００６４】
次に、実施例４と同様に表４に示す配合割合で混練分散することで、負極材料合剤を作製した。
【００６５】
このようにして、各実施例および各比較例で作製した正極合剤を、厚さ１５μｍのアルミ箔上に、スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後に、ロールプレスし、所定寸法にスリットすることで、正極板を作製した。
【００６６】
また、同様にして、各実施例および各比較例で作製した負極材料合剤を、厚さ１０μｍの銅箔上に、スリットダイコーターを用いて両面塗布し乾燥後に、ロールプレスし、所定寸法にスリットすることで、負極板を作製した。
【００６７】
次に、得られた正極板と負極板の間に、厚さ２０μｍの微多孔性ポリエチレン製セパレータを配設し、巻回することにより、長円状の極板群を構成した。
【００６８】
さらに、前記極板群を、厚み５ｍｍ、幅３０ｍｍ、高さ４８ｍｍのアルミニウム製の角型電池缶に挿入した後、電解液を注液することで、電池容量が７００ｍＡｈのリチウムイオン電池を作製した。
【００６９】
（体積抵抗率の測定）
体積抵抗率の測定方法としては、各実施例及び比較例で得られた正極合剤を厚さ６０μｍのポリエチレンテレフタレート樹脂製フィルム上に塗布、乾燥して正極活物質層を形成し、体積抵抗率計を用いて測定した。その結果を表７、８、９にそれぞれ示す。
【００７０】
【表７】
【表８】
【表９】
表７より明らかなように、導電材が増加すると体積抵抗率は減少し、導電材が２重量部より少ないと、体積抵抗率が大きく増加することがわかる。表８、９より明らかなように、各実施例は各比較例に比べ体積抵抗率が非常に低く導電性が高いことがわかる。
【００７４】
また、上記のように作製した正極板中の結着材の分布をＳＥＭ写真から解析した。その結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７より明らかなように、各実施例では塊状物は見られなく、結着材の分散性が優れており、この結着材の分散性から導電材も均一に分散していると推定される。表８、９より明らかなように、各比較例では５μｍ以上の結着材の塊状物が見られるが、各実施例では２μｍ以上の塊状物は見られなく、結着材の分散性が優れていることがわかる。
【００７５】
（結着強度の測定）
次に、上記のように作製した正極板を用いて、集電体であるアルミ箔と合剤部分とでの結着強度をＪＩＳ Ｋ６８５４に準拠して、９０度剥離によって測定した。試料片の寸法は幅が１２．６５ｍｍ、接着部分の長さが７０ｍｍ〜８０ｍｍで行った。
【００７６】
その測定結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７より明らかなように、導電材が増加すると結着強度は減少し、導電材が４重量部より大きくなると結着強度は大きく減少することがわかる。表８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例は約２倍の結着強度を示した。つまり結着材の分散が優れていることがわかる。
【００７７】
（ガス発生量の評価）
上記のように作製した電池を９０℃−４時間、８５℃−３日間、６０℃−２０日間保存した後に、発生するガス量をガスクロマトグラフィーにて分析した結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、ガス発生量は、各比較例に比べ各実施例が少なくなることがわかる。
【００７８】
（放電レート特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ（７００ｍＡ）、０．０５ＣｍＡ（３５ｍＡ）ｃｕｔ）の条件で充電し、０．２ＣｍＡ（１４０ｍＡ）、１ＣｍＡ（７００ｍＡ）、２ＣｍＡ（１４００ｍＡ）の定電流にて、３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させた場合の放電レート特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例の方がレート特性が優れていることがわかる。
【００７９】
（放電温度特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ、０．０５ＣｍＡｃｕｔ）の条件で充電し、−１０℃、０℃、１０℃、２０℃、４５℃の各温度条件にて、１ＣｍＡの定電流にて３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させた場合の放電温度特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように、各比較例に比べ各実施例の方が放電温度特性に優れていることがわかる。
【００８０】
（充放電サイクル特性）
上記のように作製した電池を２０℃、４．２Ｖ−ＣＣ／ＣＶ（ｍａｘ１ＣｍＡ、０．０５ＣｍＡｃｕｔ）の条件で充電し、２０℃、１ＣｍＡの定電流にて３．０Ｖの放電終止電圧まで放電させる充放電サイクル特性の結果を表７、８、９にそれぞれ示す。表７、８、９より明らかなように導電材が２重量部より少ないと充放電サイクル特性が下がる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明による非水系二次電池は、少量の導電材、結着材で体積抵抗率が低く、極板強度に優れた極板を得ることにより、電池特性に優れた高容量でかつ小型軽量の非水系二次電池を得るために極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による混練分散のプロセス図
【図２】従来例による混練分散のプロセス図
【図３】従来例による別の混練分散のプロセス図
【図４】従来例によるさらに別の混練分散のプロセス図
Claims (6)
- 少なくとも正極活物質、導電材、結着材からなる正極合剤を集電体に塗布乾燥した正極板と、負極板とを、セパレータを介して積層した極板群を電池ケースに収納してなる非水系二次電池であって、
前記正極合剤は、乾式混合された正極活物質と導電材に、有機溶剤を添加し、湿潤分散した混合物に、さらに結着材が有機溶剤に分散された結着材溶液を添加・混練した合剤であり、この合剤中における前記導電材と結着材の重量比率が１：０．２〜１：２であることを特徴とする非水系二次電池。 - 前記導電材は、正極合剤１００重量部に対して２重量部以上４重量部以下の割合で含有されている請求項１記載の非水系二次電池。
- 前記結着材溶液は、変性アクリルゴムの有機溶剤分散体である請求項１記載の非水系二次電池。
- 前記アクリルゴムは、少なくとも、２−エチルヘキシルアクリレートとアクリル酸およびアクリロニトリルの共重合である請求項３記載の非水系二次電池。
- 前記結着材溶液は、フッ素系樹脂の有機溶剤分散体である請求項１記載の非水系二次電池。
- 前記フッ素系樹脂は、ポリフッ化ビニリデンである請求項５記載の非水系二次電池。
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