JP5110599B2 - 多重積層電気化学セルを含む電気化学素子用のバインダー - Google Patents
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Description
本発明においては、従来セルの作製方式よりも作製し易くて空間を有効に用いて高容量を達成可能な新たな電気化学素子の作製方式に適用されて好適な環境にやさしいバインダーを提供することを特徴とする。
本発明のバインダーポリマーを構成する成分のうち第1の単量体(a)は、電池特性を調節可能な当業界に周知の通常の単量体であって、特に、電解液との親和性を高めて電池の速度特性を向上し、且つ、集電体との接着力に優れた(メタ)アクリル酸エステル系単量体を使用することができる。
本発明のバインダーポリマーを構成する成分のうち第2の単量体(b)としては、電池特性を調節可能な当業界に周知の通常の単量体であって、特に、活物質と活物質との接着力を調節し、且つ、イオン伝導度に優れたビニル系単量体を使用することができる。これらの非制限的な例としては、スチレン、α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリルまたはこれらの混合物などがある。特に、アクリロニトリル単量体は、三重結合を含有していて高いイオン伝導度と一緒に電気的な特性を向上することができる。
本発明による電気化学素子用のバインダーは、通常の方法により溶媒に溶解させるか、あるいは、分散媒に分散させてバインダー組成物を作製することができる。しかしながら、通常使用される有機溶媒、分散媒だけではなく、水に分散可能であるため、環境にやさしい特性を有する。
本発明は、(a)上述のバインダーと、(b)電極活物質と、を含む電極用のスラリーを提供する。このとき、スラリーは、必要に応じて、当業界に周知の通常の添加剤を混合して使用することができる。
本発明は上述のバインダー及び電極活物質を含む電気化学素子用、好ましくは、リチウム二次電池用の電極を提供する。
本発明は上述のバインダー及び上述のバインダーを用いて多重積層電気化学セルを含む電気化学素子を提供する。
以下、本発明の理解への一助とするために、好適な実施例を挙げるが、下記の実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範囲が下記の実施例に限定されるものではない。
実施例1
1−1.バインダー組成物の作製
イオン交換水93.0gをリアクター内部に投入し温度を75℃まで上げた。イオン交換水の温度が75℃に達したところでブチルアクリレート5.8g、スチレン4.3g、ソジウムラウリルサルファート0.1gを投入した。リアクター内の温度を75℃に維持しながらポタシウムパーサルファート0.08gを5.0gのイオン交換水に溶解して投入することによりシード1を完成した。
上記シード1にイオン交換水93.0g、スチレン30.0g、ブチルアクリレート60.1g、アリールメタクリレート0.8g、イタコン酸4.4g、アクリル酸6g、ソジウムラウリルサルファート0.15gを混合して乳濁させた反応物を3時間かけて投入しながら、ポタシウムパーサルファート0.21gを10.0gのイオン交換水に溶解し、同様に3時間かけて投入することにより、バインダー重合物を完成した。このバインダー重合物を、水酸化カリウムを用いてpH=7になるように調節して負極用のバインダー組成物を完成した。以上のようなバインダーを負極作製時に使用した。
重合されたバインダーの物性について、バインダー粒子の最終粒径、ガラス転移温度、ゲル含量を測定した。まず、光散乱装置を用いて粒径を測定した結果、195nmであり、示差走査熱量計(DSC:Differential Scanning Calorimeter)を用いて10℃/分の昇温速度で測定したガラス転移温度は−5℃であった。なお、トルエンを溶媒として用いて測定したゲル含量(Gel Content)は85%であった。
(正極作製)
LiCoO2:カーボンブラック:PVdF=95:2.5:2.5の重量比にてNMPに分散させてスラリーを作製した後、このスラリーをアルミ箔にコートし、130℃において十分に乾燥した後、プレスして正極を作製した。
最外郭フルセルの最外郭に位置する正極はアルミ箔の片面にのみスラリーをコートして正極物質がアルミニウム正極集電体に単面コートされた正極を作製し、内部に位置するフルセルの正極はアルミ箔の両面にスラリーをコートして正極物質がアルミニウム正極集電体に両面コートされた正極を作製した。単面コート正極の厚さは105μmであり、両面コート正極の厚さは140μmであった。
グラファイト:導電性カーボン(Super−P):上記実施例1−1において作製されたバインダー組成物:水溶性高分子カルボキシルメチルセルロース=94:1:2.5:2.5の重量比にて水に分散させてスラリーを作製した後、このスラリーを銅箔にコートし、130℃において十分に乾燥した後、プレスして負極を作製した。
最外郭フルセルの最外郭に位置する負極は、銅箔の片面にのみスラリーをコートして負極物質が銅負極集電体に単面コートされた負極を作製し、内部に位置するフルセルの負極は銅箔の両面にスラリーをコートして負極物質が銅負極集電体に両面コートされた負極を作製した。単面コート負極の厚さは100μmであり、両面コート負極の厚さは135μmであった。
微細多孔構造を有する厚さ16μmのポリプロピレンフィルムを第1の高分子セパレーターとし、ソルベイポリマー社製のポリビニリデンフルオリド−クロロトリフルオロエチレン共重合体32008を第2のゲル化高分子とする多層高分子フィルムを作製した。すなわち、6gの32008をアセトン194gに投入し、50℃の温度を維持しながらよく攪拌し、1時間後に32008が完全に溶解された透明な溶液をコート工程によりポリプロピレン第1の高分子セパレーターにコートした。コートされた32008の厚さは1μmであり、最終多層高分子フィルムは18μmであった。
上記において作製した正極集電体に正極活物質が両面コートされた正極を2.9cm×4.3cmサイズの矩形にタップを出す個所は除いて切り取り、負極集電体に負極活物質が両面コートされた負極を3.0cm×4.4cmサイズの矩形にタップを出す個所は除いて切り取った後、上記において作製した多層高分子フィルムを3.1cm×4.5cmサイズに切り取って上記の正極と負極との間に配置した後、これを100℃のロールラミネーターに通して各電極とセパレーターを熱接合により接着して内部フルセルを作製した。
上記において作製した正極集電体に正極活物質が単面コートされた正極を2.9cm×4.3cmサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取り、負極集電体に負極物質が両面コートされた負極を3.0cm×4.4cmサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取った後、上記において作製された多層高分子フィルムを3.1cm×4.5cmサイズに切り取って正極と負極との間に配置した後、これを100℃のロールラミネーターに通して各電極とセパレーターを熱接合により接着して最外郭フルセル1を作製した。
上記において作製されたフルセルを最外郭フルセル1、内部フルセル、最外郭フルセル2の順にそれぞれの単面コートされた電極は電極集電体が最外郭に位置するようにし、各フルセルの積層部には上記において作製された多層高分子フィルムを3.1cm×4.5cmサイズに切り取って挿入位置した後、これらを100℃のロールラミネーターにそのまま通させてそれぞれのフルセルと高分子フィルムを熱接合により接着させた。
上記において作製された積層されたフルセルをアルミニウムラミネート包装材(ケース)に入れ、1MのLiPF6濃度の1:2の重量組成を有するEC(Ethylene Carbonate)/EMC(Ethyl Methyl Carbonate)を含んでなる液体電解質を注入しパッケージしてリチウムイオンポリマー電池を完成した。
上記実施例1において作製されたシード1を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表1のように変えて投入することを除いては、上記実施例1の方法と同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果もまた下記表1にまとめて示す。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は、実施例1の方法と同様にして行った。
上記実施例1において作製されたシード1を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表2のように変えて投入することを除いては、実施例1の方法と同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果もまた下記表2に記載する。ここで、実施例8〜実施例10はガラス転移温度を、実施例11〜実施例13はゲル含量を、実施例14と実施例15は粒子サイズを変えたバインダー重合物をそれぞれ示す。実施例14と実施例15に使用されたシードは、投入されるソジウムラウリルサルファート量をそれぞれ0.3g、0.06gに変えてシードを作製して使用した。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は、実施例1の方法と同様にして行った。
イオン交換水167.4gをリアクター内部に投入し温度を75℃まで上げた。イオン交換水の温度が75℃に達したところで1,3−ブタジエン8.1g、スチレン10.1g、ソジウムラウリルサルファート0.23gを投入した。リアクター内部温度を75℃に維持しながらポタシウムパーサルファート0.14gを9.0gのイオン交換水に溶解させて投入することによりシード2を完成した。重合されたシード2を使用することによりシード組成がバインダー物性に及ぼす影響を調べることができた。
この他のバインダー重合物を完成する方法は、上記実施例1の方法と同様にすることにより、シード種類によるバインダーの物性変化を評価することができ、最終的に完成されたバインダーの粒径は201nm、ガラス転移温度は−3℃、ゲル含量は87%であった。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は実施例1の方法と同様にして行った。
実施例1において作製されたシード1を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表3のように変えて投入することを除いては、実施例1の方法同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果を下記表3に示す。この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は実施例1の方法と同様にして行った。
本発明のバインダー組成物を用いて作製された電極における活物質と集電体との接着力を評価するために、下記の実験を行った。
電極としては上記実施例1〜実施例16の電極を使用し、対照群として比較例1〜比較例4の電極を使用した。
ガラス板上に1cm厚さに切り取った各電池の電極を取り付けた後、集電体を剥がし、180°剥離強度を測定した。評価は5以上の剥離強度を測定して平均値にし、この結果を下記表4に示す。
本発明のバインダー組成物を用いて作製された多重積層セルにおいてバインダーの熱接合特性を評価するために下記の実験を行った。
多重積層セルとしては実施例1〜実施例16の積層セルを使用し、対照群として比較例1〜比較例4の積層セルを使用した。
高分子電解質フィルムと負極との熱接合特性を評価するために、熱接合後に負極からセパレーターを剥がした後、熱接合の度合いを観察した。このとき、剥がした後、負極活物質がセパレーターに残存する場合を熱接合が行われたと判定し、負極活物質がセパレーターに残存しない場合を熱接合が行われていないと判定した。このような熱接合特性の有無を下記表4に示す。
本発明に従い作製されたバインダー組成物を用いたリチウム二次電池の特性を評価するために下記の実験を行った。
電池は実施例1〜実施例16及び比較例1〜比較例4において作製されたそれぞれのリチウムイオンポリマー電池を使用した。
電池特性は速度特性と寿命特性に分けて評価した。速度特性は0.2C定電流法により測定した容量に対して、0.5C定電流法により測定した容量と1.0C定電流法により測定した容量を百分率にて評価した。寿命特性は初期容量に対して、0.2C定電流法により30サイクルの充放電を繰り返した後、測定した容量を初期容量に対する百分率にて評価した。評価は同じバインダー組成物に対して5個のコイン状電池を製作して評価した後、平均値とし、この結果を下記表4に示す。
1)本発明のバインダー組成物は電極において優れた電極活物質と集電体との接着力特性を有することにより、電極の構造的な安全性及び電池の性能向上を図ることができるということが確認できた。
2)また、多重積層セルにおける熱接合特性を評価した結果、本発明のバインダー組成物を用いて作製された多重積層セルは比較例のバインダーを用いた積層セルに比べて卓越した熱接合特性を有することが確認できた(表4、図4〜図6参照)。すなわち、比較例1の積層セルはセパレーターに負極活物質が残存せずに熱接合によりバインダーの接着力特性が格段に低下したことを示すのに対し、本発明のバインダーを用いた実施例1及び実施例2の多重積層セルは負極活物質がセパレーターに残存する形を示すことにより、高温熱接合によるバインダーの優れた接着力特性が持続的に維持されることを確認することができた。
3)さらに、リチウム二次電池の性能を評価した結果、本発明のバインダー組成物を用いて作製されたリチウム二次電池はいずれも電池の速度特性及び寿命特性項目において比較例1〜比較例4の電池に比べて顕著な性能向上を示した(表4参照)。これは、本発明のバインダーが有する物性、例えば、優れた接着力及び熱接合特性により電極内電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体との接着力向上を通じた電極の構造的な安定性を具現するだけではなく、多重積層セルにより構成される電気化学素子において電極とセパレーターが挟まれる積層部の熱融着による接合工程が可能になることにより、製作された電気化学素子、好ましくは、リチウムイオンポリマー電池の速度特性と寿命特性の向上が図れるということを示している。
10:フルセル 11:負極電流集電体
12:正極電流集電体 13:負極活物質
14:正極活物質 15:セパレーター
16:フルセル積層セル 17:フルセル
17’:フルセル 17”:フルセル
18:フルセル積層セル 19:セパレーター
20:フルセル積層セル 21:バイセル
22:バイセル積層セル 23:バイセル
24:バイセル 24’:バイセル
25:バイセル積層セル 26:バイセル積層セル
Claims (13)
- (A)バインダーポリマー100重量部当たりに、(a)(メタ)アクリル酸エステル系単量体20〜79重量部と、(b)ビニル系単量体20〜60重量部と、(c)不飽和カルボン酸系単量体0.01〜30重量部と、を用いて重合されたポリマー粒子を含むバインダーと、
(B)上記バインダーを用いて複数積層される電気化学セルであって、バインダーにより電極内の電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体とが固定及び連結されると共に、電極と上記電極と接触するセパレーターとが熱融着により接合された電気化学セルと、
を備える電気化学素子であって、
上記電気化学素子が、基本単位セルとしてフルセルまたはバイセルが複数積層され、フルセルまたはバイセルの各積層部にセパレーターが挟まれて熱融着により接合されるものであり、
上記電気化学素子の最外郭に位置するそれぞれのフルセルまたはバイセルが、正極集電体の単面上に正極活物質がコートされた正極を含むか、または、負極集電体の単面上に負極活物質がコートされた負極を含み、最外郭に集電体箔が位置しており、
上記電気化学素子が、負極活物質が炭素質物質であるリチウムイオンポリマー二次電池であることを特徴とする、電気化学素子。 - 上記(メタ)アクリル酸エステル系単量体が、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、n−アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ラウリルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、n−アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート及びラウリルメタクリレートよりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記ビニル系単量体が、スチレン、α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、アクリロニトリル及びメタクリロニトリルよりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記不飽和カルボン酸系単量体がアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、シトラコン酸、メタコン酸、グルタコン酸、クロトン酸及びイソクロトン酸よりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記バインダーの最終粒径が、100〜400nmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記バインダーのガラス転移温度(Tg)が、−30〜50℃の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記バインダーのゲル含量が、30〜99%の範囲であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記バインダーにより連結された電極内の電極活物質及び集電体の界面接着力が、38.0g/cm以上であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記バインダーは、非水系及び水系溶媒に分散可能なものであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記フルセルは、正極、セパレーター、負極がこの順にまたはこの順とは逆順に配置される電気化学セルであり、バイセルは、正極、セパレーター、負極、セパレーター、正極または負極、セパレーター、正極、セパレーター、負極がこの順に配置される電気化学セルであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記両電極に挟まれる、及び/または積層部に位置するセパレーターは、熱融着による接着機能を有することを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
- 上記熱接合温度は、60〜100℃の範囲であることを特徴とする請求項11に記載の電気化学素子。
- 上記セパレーターは、
(a)気孔部を有する多孔性セパレーター、または、
(b)片面または両面上にゲル化高分子コート層が設けられた多孔性セパレーターであることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子。
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