JP4797851B2 - 塗布型電極シート、塗布型電極シートの製造方法および塗布型電極シートを用いた電気二重層キャパシタあるいはリチウムイオン電池 - Google Patents
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Description
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における塗布型電極シートの断面模式図である。集電箔1の上に有機溶剤系バインダ、カーボン粒子および導電性微粒子を含む下層電極層2が設けられており、この下層電極層2の上に水系バインダ、カーボン粒子および導電性微粒子を含む上層電極層3が設けられている。集電箔としては、アルミ箔や銅箔が適している。電気二重層キャパシタでは、集電箔として、正極および負極に20μmから50μmの厚さをもつ、純度の高いアルミニウム製のアルミ箔が用いることができ、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタでは、正極にアルミ箔、負極には20μmから50μmの厚さをもつ銅箔が用いられる場合が多い。集電箔1と下層電極層2との密着性を向上させる目的で、集電箔の表面は、化学エッチングで粗面化が施されていたり、機械的な工程で凹凸が設けられていたりする。ただし、集電箔の表面を加工することはコストが高くなると共に、加工時に用いられた酸や金属粉が少しでも残留すると電力貯蔵デバイスの寿命性能を損なう恐れがあり、信頼性を重視する用途では、平坦で鏡面の集電箔を用いる場合もある。
<有機溶剤系バインダペーストの作製>
カーボン粒子として用いる平均粒径が15μmの水蒸気腑活活性炭1kgを200℃で1時間乾燥したのち、この水蒸気腑活活性炭と導電性微粒子として用いるアセチレンブラック80gとを、NMPにPVDFを溶解した溶液(呉羽化学製KFポリマー:登録商標)に混ぜ入れ、プラネタリーミキサーで攪拌混合した。さらに、NMPを300g追加して攪拌混合して有機溶剤系バインダペーストとした。
カーボン粒子として用いる平均粒径が15μmの水蒸気腑活活性炭1kgを200℃で1時間乾燥したのち、アンモニアCMC30gを添加した水2.7kgに混ぜ入れ、プラネタリーミキサーで攪拌混合した。さらに、スチレン−ブタジエン系ゴム性ポリマーを120g追加して攪拌混合して水系バインダペーストとした。
幅300mm、厚さ30μmでロール長さ250mの高純度アルミニウムプレーン箔を集電箔として用いた。塗工工程は、図2に示すようなリバースコータを用い、メタリングロールと塗布ロールとの回転比、ロール間ギャップなどを調整し、乾燥後の電極層の厚さを想定して、塗布時の塗布膜の厚さを決定した。乾燥工程は、図2に示すような乾燥部を用い、乾燥部は長さ2mの熱風乾燥炉であり、下層電極層の有機溶剤系バインダペーストの乾燥では、NMPを乾燥除去するために前半1mの温度を90℃、後半1mの温度を120℃に設定した。上層電極層の水系バインダペーストの乾燥では、水を乾燥除去するために前半1mの温度を85℃、後半1mの温度を95℃に設定した。
実施例2においては、実施例1における塗布型電極シートと構成は同じで、膜厚のみが異なるものである。下層電極層の膜厚は240μm、上層電極層の膜厚は180μmとし、合計膜厚を420μmとした。
実施例3においては、実施例1における材料を用いて、下層電極層を水系バインダペーストで塗布して乾燥したのち、上層電極層を有機溶剤系バインダペーストで塗布して乾燥して塗布型電極シートを作製したものである。下層電極層の膜厚は200μm、上層電極層の膜厚は220μmとし、合計膜厚を420μmとした。
実施例1における有機溶剤系バインダペーストで電極層を1回で塗布した。膜厚は340μmとした。
実施例1における有機溶剤系バインダペーストで下層電極層および上層電極層を塗布した。下層電極層の膜厚は240μm、上層電極層の膜厚は160μmとし、合計膜厚を400μmとした。
実施例1における水系バインダペーストで下層電極層および上層電極層を塗布した。下層電極層の膜厚は200μm、上層電極層の膜厚は200μmとし、合計膜厚を400μmとした。
図6は、実施の形態2における電気二重層キャパシタの断面模式図である。本実施の形態においては、塗布型電極シートとして実施の形態1における実施例1および3で作製された塗布型電極シートを用いた例を示す。実施例2で作製された塗布型電極シートから一部に電極層を塗布していない集電箔の部分をもつ、32mm×32mmの大きさの電極層をもつ部分を切断し、これを正極31とした。同様に30mm×30mmの大きさの電極層もつ部分を切断し、これを負極32とした。これらの正極31と負極32とを150℃で24時間真空乾燥したのちにセルロース系の厚さ35μmのセパレータ33を介して対向させ、アルミラミネート容器34に収納し、正極31および負極32を、4級アンモニウム塩を電解質、プロピレンカーボネイトを溶媒とした電解液に浸漬させた状態で、アルミラミネート容器34を封止して電気二重層キャパシタセルを作製した。このとき、正極31および負極32の電極を塗布していない集電箔の部分と電気的に接続した正極端子35および負極端子36をアルミラミネート容器34と電気的に絶縁した状態でアルミラミネート容器34の外部に露出させた。アルミラミネート容器34は、外部からの水分や大気の浸入を防いでいる。
集電箔として、厚さ20μmの表面が化学エッチングされて凸凹が形成された銅箔を用い、カーボン粒子として活性炭の替わりにグラファイト系炭素粒子を用い、他の材料などを同じにして、実施例1と同様な構成で塗布型電極シートを作製した。このときの電極層の厚さは、410μmである。この塗布型電極シートを用いて、実施の形態2と同様な構成で負極を作製し、別途LiCoO2の粉末を用いて作製した正極と組み合わせて、リチウムイオン電池を作製した。
図7は、実施の形態4における塗布型電極シートの製造方法を示す断面模式図である。また、図8は、本実施の形態のおいて作製された塗布型電極シートの構成を示す断面模式図である。
2 下層電極層
3 上層電極層
10 送り出しロール
11a、11b 塗工部
12a、12b 乾燥部
13 巻き取り部
14 有機溶剤系バインダペースト
15a、15b メタリングロール
16a、16b バックアップローラ
17a、17b 塗布ロール
18 水系バインダペースト
19 塗布型電極シート
20 曲げ部
21 亀裂
31 正極
32 負極
33 セパレータ
34 アルミラミネート容器
35 正極端子
36 負極端子
37 表面成形ローラ
38 下層表面凹部
Claims (10)
- 集電箔、
この集電箔の上に設けた有機溶剤系バインダおよび水系バインダのいずれか一方とカーボン粒子と導電性微粒子とを含む厚さ150μm以上300μm以下の下層電極層、
およびこの下層電極層の上に設けられ前記下層電極層に含まれていない有機溶剤系バインダおよび水系バインダの他方とカーボン粒子と導電性微粒子とを含む厚さ150μm以上300μm以下の上層電極層
で構成され、前記下層電極層と前記上層電極層との合計の膜厚が330μm以上であることを特徴とする塗布型電極シート。 - 有機溶剤系バインダが、ポリフッ化ビニリデンを含むことを特徴とする請求項1記載の塗布型電極シート。
- 水系バインダが、ポリテトラフェニルエチレン、ゴム系バインダ、カルボキシメチルセルロース塩、ポリビニールアルコール、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイドおよびポリエチレングリコールからなる群より選ばれた少なくとも1種類以上を含むことを特徴とする請求項1記載の塗布型電極シート。
- 下層電極層と上層電極層との合計の膜厚が400μm以上であることを特徴とする請求項1記載の塗布型電極シート。
- 下層電極層の表面が、凸凹であることを特徴とする請求項1記載の塗布型電極シート。
- 集電箔の表面に、有機系溶媒に有機溶剤系バインタ、カーボン粒子および導電性微粒子を分散あるいは溶解させた有機溶剤系バインダペーストを塗布したのちに乾燥して厚さ150μm以上300μm以下の下層電極層を形成する工程と、
前記下層電極層の表面に、水系溶媒に水系バインダ、カーボン粒子および導電性微粒子を分散させた水系バインダペーストを塗布したのちに乾燥して厚さ150μm以上300μm以下の上層電極層を形成する工程と
を備え、前記下層電極層と前記上層電極層との合計の膜厚を330μm以上としたことを特徴とする塗布型電極シートの製造方法。 - 集電箔の表面に、水系溶媒に水系バインダ、カーボン粒子および導電性微粒子を分散させた水系バインダペーストを塗布したのちに乾燥して厚さ150μm以上300μm以下の下層電極層を形成する工程と、
前記下層電極層の表面に、有機系溶媒に有機溶剤系バインタ、カーボン粒子および導電性微粒子を分散あるいは溶解させた有機溶剤系バインダペーストを塗布したのちに乾燥して厚さ150μm以上300μm以下の上層電極層を形成する工程と
を備え、前記下層電極層と前記上層電極層との合計の膜厚を330μm以上としたことを特徴とする塗布型電極シートの製造方法。 - 正極および負極の少なくとも一方が、請求項1記載の塗布型電極シートで構成されたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
- 負極が、請求項1記載の塗布型電極シートで構成されたことを特徴とするリチウムイオン電池。
- カーボン粒子が活性炭粒子であることを特徴とする請求項1に記載の塗布型電極シート。
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