JP4980052B2 - 電極及びその製造方法 - Google Patents
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Description
通常の電極は正極又は負極の特性を付与する活物質と、導電性を向上させるための導電材を含み、前記活物質と導電材が混合されてバインダーによって集電体に付着された形態を有する。
一般に電極に活物質及び導電材層を形成するには、活物質と導電材をバインダーと共に溶媒に混合してスラリーを製造した後、これを集電体の表面に直接塗布する方法で製造された。
しかし、従来のスラリー塗布方式で製造される電極はバインダーを利用して活物質と導電材を物理的に付着させる方式であるために、バインダー内に埋めこまれる活物質及び導電材が存在し、活物質又は導電材粒子間の接触性が低下して高性能電気素子の開発に適していない。
本発明の他の目的は、基板誘導凝固(以下、‘SIC’と言う)コーティング法を利用して電極基材上に活物質と導電材をコーティングする電極の製造方法を提供することにある。
本発明はまた、SICコーティング法を利用して電極基材の表面上に活物質層、導電材層又は活物質と導電材の混合層をコーティングする段階を含む電極の製造方法を提供する。
また、SICコーティング法を利用した電極の製造方法は粘度を調節する必要がなく、電極のコーティング厚さを数nmから数μm大きさまで自由自在に調節することができ、湿度が統制された雰囲気を要求しないために工程上便利な長所を有する。
一般に電気素子に含まれる電極は厚さが薄いほどさらに向上した電気的特性を示す。しかし、電極に含まれる活物質と導電材の量が一定水準を維持しなければならないために、単純に電極の厚さを薄くすることはできず、適正水準の活物質と導電材を含む薄い電極を製造するためには前記活物質と導電材をより精巧にコーティングする方法の開発が必要であった。
また、US5,916,485はパウダー状態の不導体又は弱い導体の表面にSICコーティング法を利用して伝導性物質を導入することによって、伝導性物質がコーティングされた伝導性複合体粒子を製造する方法について記載しており、US5,705,219は不導体基材の表面上にSICコーティング法を利用して伝導性物質をコーティングして印刷回路基板などを製造する方法について記載している。しかし、SICコーティング法を利用して電極基材上に活物質と導電材を層で形成させることによって電極を製造した例はなかった。
10mm×10mm広さのステンレススチールグリッドを作用電極の集電体(電極基材)として使用した。
活物質としてはナノサイズのチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)ナノパウダー(NEI Corporation、USA)を使用し、導電材としてはカーボンブラック“XE2”(Degussa、Germany)を使用した。
SICコーティングに使用された前処理溶液、分散液、及び各コーティング段階後の洗浄工程に使用された蒸溜水は脱イオン化水を使用した。
ゼラチン(Fluka、type A、Bloom 180)を60℃の蒸溜水に溶解し、0.2重量%濃度の高分子電解質水溶液を製造した。また、前記ゼラチン水溶液に0.1Mの水酸化カリウム水溶液を添加して前処理溶液のpHを8.85に調整した。
常温で100mLの蒸溜水にセチルトリメチルアンモニウムブロマイド(Aldrich)0.66gを溶解した後、1.00gのカーボンブラック“Printex XE2”(BET surface965m2g-1)を添加し、ターボミキサ(13,000rpm)で10分間混合して分散させた。これに再びCH3CO2Na(p.a.grade、Merck、Germany)0.41gを添加して溶かした後、15分間超音波処理して導電材分散液を製造した。
活物質層を形成するための活物質分散液はカーボンブラックの代りに1.00gのLi4Ti5O12(NEI、USA)を使用したことを除いては、前記導電材分散液の製造工程と同様な工程で活物質分散液を製造した。
SICコーティング法を利用して前記用意された電極基材上に図4のような工程によって活物質層及び導電材層を順次に形成した。
SICコーティング法を利用して電極基材上に活物質層及び導電材層を各々一層ずつさらに積層したことを除いては、実施例1と同様な方法で電極を製造した。
前記製造された電極について測定した前記活物質層の厚さは各々1.5μm及び1.5μm、前記導電材層の厚さは各々0.75μm及び0.75μmであり、活物質の含量は5.33g/m2、導電材の含量は2.92g/m2であった。
SICコーティングのための前処理溶液の高分子電解質としてポリビニルアルコール“Mowiol8-88”(HOECHST)を0.2重量%の濃度で含む高分子水溶液を使用し、0.1Mの水酸化カリウム水溶液を利用して前記高分子水溶液のpHを8.85に調整したことを除いては、実施例1と同様な方法で電極を製造した。
前記製造された電極について測定した前記活物質層及び導電材層の平均厚さは各々0.5μm、及び0.4μmであり、活物質の含量は1.3g/m2、導電材の含量は0.7g/m2であった。
SICコーティングのための前処理溶液の高分子電解質としてポリアクリルアミド(ALDRICH)0.2重量%を含む高分子水溶液を使用し、0.1Mの水酸化カリウム水溶液を利用して前記高分子水溶液のpHを8.85に調整したことを除いては、実施例1と同様な方法で電極を製造した。
但し、活物質分散液及び導電材分散液としてはセチルトリメチルアンモニウムブロマイドの代りに陰イオン性界面活性剤であるAerosol OT(Cyanamid)を0.2重量%使用した。
前記製造された電極について測定した前記活物質層及び導電材層の平均厚さは各々0.5μm及び0.4μmであり、活物質の含量は1.2g/m2、導電材の含量は0.8g/m2であった。
SICコーティングのための前処理溶液の高分子電解質としてカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩(FLUKA)0.2重量%を含む高分子水溶液を使用し、0.1Mの水酸化カリウム水溶液を利用して前記高分子水溶液のpHを8.85に調整したことを除いては、実施例1と同様な方法で電極を製造した。
前記製造された電極について測定した前記活物質層及び導電材層の平均厚さは各々0.5μm、及び0.3μmであり、活物質の含量は1.2g/m2、導電材の含量は0.8g/m2であった。
0.5gのカーボンブラック“Printex XE2”(BET surface965m2g-1)と0.5gのLi4Ti5O12(NEI、USA)を添加して導電材及び活物質の混合分散液を製造し、コーティング工程を2回繰り返したことを除いては実施例1と同様な方法で電極を製造した。
前記製造された電極に対して測定した前記活物質層及び導電材の混合層の平均厚さは各々1.5μm及び1.5μmであり、活物質及び導電材の全含量は4.13g/m2であった。
チタン酸リチウム(Li4Ti5O12、NEI Corporation、USA)91重量部、導電材であるGraphite(KS6、Lonza G+T)6重量部、及びバインダーであるフッ化ポリビニリデン(PVdF、Aldrich)3重量部を溶媒であるNMP(Aldrich)と混合して24時間徐々に攪拌し、蜂蜜のような粘度を有するスラリーを製造した。
Claims (17)
- a)電極基材と;
b)活物質と;
c)導電材と;
d)前記電極基材に活物質及び導電材を付着する高分子電解質とを含み、前記電極は電極基材の表面に高分子電解質によって付着された活物質層及び導電材層を含み、前記活物質層は10nm乃至10μmの厚さを持ち、前記導電材層は10nm乃至5μmの厚さを持つ、リチウム二次電池用電極。 - 前記高分子電解質は、
i) 水溶性高分子と;
ii) 陽イオンで帯電された高分子電解質と;
iii)非帯電水溶性巨大分子と;
iv) 陰イオンで帯電された高分子からなる群より選択される1種以上の高分子物質である、請求項1に記載の電極。 - i) 前記水溶性高分子はゼラチン、特定数のアンモニウム基を有するポリアクリレート及びアルブミンからなる群より選択される1種以上であり、
ii) 前記陽イオンで帯電された高分子電解質は各種アクリルアミド若しくは塩を有する各種メタクリレートの共重合体からなる群より選択される1種以上であり、
iii)前記非帯電水溶性巨大分子はポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールエーテル、エピクロロヒドリンイミダゾル付加物、ポリビニルイミダゾル、寒天、澱粉、ペクチン、及びデキストランからなる群より選択される多糖類、及びアルギン酸などのようなシュガーポリマーからなる群より選択される1種以上であり、
iv) 前記陰イオンで帯電された高分子はカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、アルギン酸のナトリウム塩、マンヌロン酸とグルクロン酸の共重合体、及びポリアクリル酸及びリン酸ポリビニルなどのようなポリカルボン酸のアルカリ塩からなる群より選択される1種以上である、請求項2に記載の電極。 - 前記活物質層及び導電材層は少なくとも1回交互に配列された形態である、請求項1に記載の電極。
- a)電極基材と;
b)活物質と;
c)導電材と;
d)前記電極基材に活物質及び導電材を付着する高分子電解質とを含む電極であって、前記電極は電極基材の表面に高分子電解質によって付着された、活物質と導電材の混合層を含み、前記活物質と導電材の混合層は10nm乃至10μmの厚さを持つ、リチウム二次電池用電極。 - 前記電極基材はステンレススチール、銅、チタン、アルミニウム及びITOからなる群より選択される1種以上を含む集電体である、請求項1又は5に記載の電極。
- 前記活物質はチタン酸リチウム、コバルト酸リチウム(Li4Ti5O12)、及びマンガン酸リチウムからなる群より選択される1種以上である、請求項1又は5に記載の電極。
- 前記導電材はカーボンブラック及び活性炭素からなる群より選択される1種以上である、請求項1又は5に記載の電極。
- 前記電極は基板誘導凝固(SIC)コーティング法によって製造されるものである、請求項1又は5に記載の電極。
- a)第1溶媒と高分子電解質を含む前処理溶液で電極基材の表面を処理する段階と;
b)前記表面処理された電極基材を i)活物質、導電材又はこれらの混合物、ii)第2溶媒、iii)界面活性剤、及びiv)電解質を含む分散液で処理する段階とを含むSICコーティング法を利用したリチウム二次電池用電極の製造方法。 - 前記電極基材はステンレススチール、銅、チタン、アルミニウム及びITOからなる群より選択される1種以上である、請求項10に記載の電極の製造方法。
- 前記活物質はチタン酸リチウム、コバルト酸リチウム、及びマンガン酸リチウムからなる群より選択される1種以上である、請求項10に記載の電極の製造方法。
- 前記導電材はカーボンブラック及び活性炭素からなる群より選択される1種以上である、請求項10に記載の電極の製造方法。
- 前記高分子電解質は、
i) 水溶性高分子と;
ii) 陽イオンで帯電された高分子電解質と;
iii)非帯電水溶性巨大分子と;
iv) 陰イオンで帯電された高分子からなる群より選択される1種以上の高分子物質である、請求項10に記載の電極の製造方法。 - i) 前記水溶性高分子はゼラチン、特定数のアンモニウム基を有するポリアクリレート、及びアルブミンからなる群より選択される1種以上であり、
ii) 前記陽イオンで帯電された高分子電解質は各種アクリルアミド若しくは塩を有する各種メタクリレートの共重合体、及び各種アミノアクリレート又はアンモニウム基若しくは置換されたアンモニウム基を有するその他の各種高分子電解質の4級生成物からなる群より選択される1種以上であり、
iii)前記非帯電水溶性巨大分子はポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールエーテル、エピクロロヒドリンイミダゾル付加物、ポリビニルイミダゾル、寒天、澱粉、ペクチン、及びデキストランからなる群より選択される多糖類、及びアルギン酸などのようなシュガーポリマーからなる群より選択される1種以上であり、
iv) 前記陰イオンで帯電された高分子はカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、アルギン酸のナトリウム塩、マンヌロン酸とグルクロン酸の共重合体、及びポリアクリル酸及びリン酸ポリビニルなどのようなポリカルボン酸のアルカリ塩からなる群より選択される1種以上である、請求項14に記載の電極の製造方法。 - 前記前処理溶液は前記高分子電解質を0.001重量%乃至10重量%含むものである、請求項10に記載の電極の製造方法。
- 前記分散液は活物質、導電材又はこれらの混合物0.05g/L乃至10g/L、界面活性剤10mM/L乃至100mM/L、及び電解質0.01mole/L乃至0.1mole/Lを含むものである、請求項10に記載の電極の製造方法。
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