JP5736928B2 - キャパシタ用導電下地塗料、キャパシタ用電極、並びに電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタ - Google Patents
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また特許文献2には、集電体の表面に導電材を接合させ、更に導電材表面に凹凸を形成した集電体が提案されている。具体的には、集電体の表面への黒鉛やチタンカーバイドの吹き付けが検討されている。しかしこれらは導電材の固着が不十分なため、集電体と活物質層との密着性の向上が望まれる。また、アルミ表面への被覆状態が完全とは言えず、不働態被膜の成長抑制効果は少ない。
しかしこの手法を集電体に適用する場合には、接触抵抗の低減を更に考慮する必要があり、また、耐久性向上には、不働態被膜の成長抑制効果の検討が必要である。また、集電体の薄手化はセル中に占める電極層の占有面積の増加、電極層面積の増加による内部抵抗の低下、さらには、生産費用の低減にも繋がり、導電下地層としては薄くとも緻密で、均一な膜が形成されることが望まれる。
<1> 集電体及び活物質を含んでなる電気二重層キャパシタ用電極又はリチウムイオンキャパシタ用電極の導電下地被膜を形成する導電下地塗料であり、
前記導電下地塗料は、薄片化黒鉛及びカルボキシメチルセルロースの塩を含み、
前記薄片化黒鉛は、50質量%レーザー回折径(X50dif)が12μm以下、50質量%ストークス径(X50st)が5.5μm以下、薄片化指数(X50dif/X50st)が2.8〜4.8であるキャパシタ用電極の導電下地塗料。
前記薄片化黒鉛及びカーボンブラックの総含有率が、75〜90質量%の範囲であり、
前記薄片化黒鉛と前記カーボンブラックの質量比率(薄片化黒鉛:カーボンブラック)が、97:3〜1:8の範囲である前記<1>に記載の導電下地塗料。
前記集電体上に設けられた、前記<1>〜<6>のいずれか1項に記載の導電下地塗料により形成される導電下地被膜と、
前記導電下地被膜上に設けられた、活物質を含む活物質含有層と、
を有する電気二重層又はリチウムイオンキャパシタ用電極。
前記正極電極及び負極電極の少なくとも一方が、前記<7>〜<13>のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極であるリチウムイオンキャパシタ又は電気二重層キャパシタ。
本発明の導電下地塗料は、集電体及び活物質を含んでなる電気二重層キャパシタ用電極又はリチウムイオンキャパシタ用電極の導電下地被膜を形成するのに用いられる。前記導電下地塗料は薄片化黒鉛を含み、前記薄片化黒鉛は、50質量%レーザー回折径(X50dif)が12μm以下、50質量%ストークス径(X50st)が5.5μm以下、薄片化指数(X50dif/X50st)が2.2〜5.0である。
本発明における薄片化黒鉛は、上記範囲内の大きさ及び薄片化指数を有するものであれば、鱗状黒鉛・鱗片状黒鉛・土状黒鉛で分類される天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛のいずれであってもよい。このなかでも、c軸方向の結晶性が発達しており、適度の乾式粉砕により薄片化が進み、アスペクトの高い、すなわち薄片度の大きい薄片状黒鉛が得られることから、結晶性の良い鱗状黒鉛又は鱗片状黒鉛が好適である。
前記固形分は、15質量%〜35質量%の範囲内であることが好ましく、20質量%〜30質量%の範囲内であることがより好ましく、22質量%〜28質量%の範囲内であることが更に好ましい。
また、前記粘度は、100〜700mPa.sの範囲内であることが好ましく、100〜600mPa.sの範囲内であることがより好ましく、150〜450mPa.sの範囲内であることが更に好ましい。
本発明の導電下地塗料は、更にカーボンブラックを含むことが好ましい。
黒鉛は炭素原子の六角網面が積み重なって、3,354Åの距離をファン・デア・ワールス力で結ばれている。六角網面に垂直に配向しているπ結合は、π電子が六角網面を自由電子のように運動するため、黒鉛は径方向(c軸方向)において高い導電性を有する。一方で、網面間の結合力が弱いため、径方向(c軸方向)に比べて厚み方向での導電性は低い。ここで、導電下地被膜がカーボンブラックを含有する場合には、積層した薄片化黒鉛の間隙にカーボンブラックが分散されて存在するため、薄片化処理された黒鉛粒子のエッジ面からの導電パスが有効に活用され、厚み方向での導電性が向上するものと考えられる。
導電下地被膜としての密着性と導電下地塗料としての分散性を考慮すると、導電下地被膜中の炭素材料は90質量%以下であることが好適であり、また、被膜の抵抗値や接触抵抗の低減効果、及び高温保存時の耐久性向上を考慮すると75質量%以上であることが好適である。
本発明の導電下地塗料は、更にバインダー樹脂として熱可塑性樹脂を含んでもよい。熱可塑性樹脂としては、300℃で0.5時間後の質量減耗率が5%以下の熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。電気二重層キャパシタ用電極又はリチウムイオンキャパシタ用電極の導電下地塗料に使用する熱可塑性樹脂は、200℃程度の乾燥において、物性面で変化が少なく、密着性、柔軟性に優れていることが好ましく、この指標として、300℃で0.5時間後の重量減耗率が5%以下であることが望ましい。
熱可塑性樹脂1gをアルミ容器に取り分け、300℃の酸化雰囲気の電気炉中に0.5時間置き、加熱前後での重量減少率を算出する。
本発明の導電下地塗料では、塗布のための溶媒を含んでいてもよい。例えば、水のほかに、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコールなどのアルコール類が挙げられ、塗工性やペーストの粘度の経時安定性より、水にイソプロピルアルコールやアンモニア水を添加することも効果がある。環境安全性やペーストの保存安定性の観点からは、水または水に前記アルコール類やアンモニア水を添加することが好ましい。
本発明の導電下地塗料は、集電体及び活物質を含んでなる電気二重層キャパシタ用電極やリチウムイオンキャパシタ用電極の導電下地被膜を形成するための塗料として好適に用いることができる。本発明の導電下地塗料により形成された導電下地被膜を有するキャパシタ用電極では、集電体と活物質間の接触抵抗が低減され、内部抵抗の低減、特に高温での使用においても内部抵抗の上昇や電極抵抗の上昇を抑制できる。また、活物質層との密着性を向上する。
本発明の電気二重層キャパシタ用電極及びリチウムイオンキャパシタ用電極は、集電体と、前記集電体上に設けられた、前記導電下地塗料により形成される導電下地被膜と、前記導電下地被膜上に設けられた、活物質を含む活物質含有層とを有する。
本発明に係る導電下地被膜は、上記導電下地塗料により形成されてなる。導電下地被膜の抵抗値を低減し、集電体と活物質間の接触抵抗を低減し、且つ集電体と活物質含有層の密着性を向上させる観点から、導電下地被膜の被膜密度は、0.85〜1.2g/mLであることが好ましく、0.9〜1.2g/mLであることがより好ましく、0.95〜1.2g/mLであることが更に好ましい。
本発明の導電下地塗料では炭素材料の分散が良好であり、乾燥過程で薄片化黒鉛の配向が進み、緻密な被膜を形成する。
導電下地被膜の被膜密度は、後述の実施例の方法に準じて測定した値である。
本発明の導電下地塗料から緻密な被膜が形成されるため、被膜の抵抗値が低くなり、集電体と活物質との接触抵抗が低くなる。
導電下地被膜の体積固有抵抗は、後述の実施例の方法に準じて測定した値である。
導電下地被膜の被膜平滑度は、後述の実施例の方法に準じて測定した表面粗さを表す。
集電体を構成する材料については、当分野において通常用いられるものを特に限定なく適用することができる。本発明においては、上述の通り、アルミニウムを含んで構成される集電体の場合であっても、本発明の導電下地塗料により形成された導電下地被膜を設ければ、接触抵抗が大幅に低減される。
を用いることが好適である。エッチングは一般的に塩酸液に浸漬する化学エッチングや、塩酸水溶液中でアルミニウムを陽極として電解する電気化学的エッチングを適用することができる。
活物質含有層は活物質を含有する。活物質は電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタで用いられる通常のものを特に制限なく適用することができる。特に、前記活物質として活性炭を持いた場合は、導電下地皮膜と活物質含有層間の導電下地被膜と活物質含有層間の電子の導通が容易になり、接触抵抗を大幅に低減される。さらに不働体被膜の成長抑制により耐久試験後の内部抵抗の上昇や容量の低下を抑制できる。
本発明のキャパシタは、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタであり、正極電極と、負極電極と、電解質とを有する。そして、前記正極電極及び負極電極の少なくとも一方が、前記電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ電極である。本発明の電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタでは、集電体と活物質間の接触抵抗が低減し、且つ集電体と活物質含有層の密着性が向上した電極を用いるため、内部抵抗の低減が図られる。
(鱗片状黒鉛A)
結晶性が高い鱗片状黒鉛(ブラジル産、50質量%レーザー回折径(X50dif)が25μm)をボールミルで乾式粉砕後、ジェットミルで粉砕・分級し、50質量%レーザー回折径(X50dif)が2μm、4μm、8μm、12μm、15μmの試料をそれぞれ調製した。この原料黒鉛を薄片化黒鉛としての鱗片状黒鉛Aとした。
結晶性の比較的高い鱗状黒鉛(スリランカ産、50質量%レーザー回折径(X50dif)が18μm)をボールミルで乾式粉砕後、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩の水溶液中に投入し、さらにボールミルで湿式粉砕を行った。その後、遠心分離機で精密分級し、50質量%レーザー回折径(X50dif)が0.38μm、4.1μmの試料をそれぞれ調製した。この原料黒鉛を薄片化黒鉛としての鱗状黒鉛Bとした。
結晶性の低い土状黒鉛(中国産、50質量%レーザー回折径(X50dif)が5μm)をジェットミルで粉砕、分級し、50質量%レーザー回折径(X50dif)が2μmの試料を調製した。この原料黒鉛を土状黒鉛Cとした。
レーザー回折式粒度分布計(島津製作所製SALD−2100)を用いて50質量%レーザー回折径(X50dif)を測定した。屈折率は2.00−0.1iを用いた。また遠心沈降式粒度分布計(島津製作所製SA−CP−4L)を用いて50質量%ストークス径(X50st)を測定した。黒鉛粒子の50質量%レーザー回折径と50質量%ストークス径との比(X50dif/X50st)を黒鉛粒子の薄片化指数として使用した。
調製した導電下地塗料を、ドクターブレードコーターを用いて、ガラス板上に塗工し、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ30μmの導電下地被膜を作製した。
ガラス板に塗布された被膜の平面および断面を電子顕微鏡で観察した。被膜の平面像および断面像より黒鉛の代表径と厚さを測定した。測定は、黒鉛粒子10個について行い、代表径と厚さとの比(代表径/厚さ=アスペクト比)より、黒鉛粒子10個の平均アスペクト比を求めた。
(分散処理1による導電下地塗料の調製)
表1及び表2に示す配合(表中の数値は質量基準)で、下記方法により導電下地塗料を調製した。
カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC−Na)を純水に溶解した水溶液中に、上記調製した黒鉛原料と、導電助剤としてケッチェンブラック(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、商品名:EC600JD、50質量%レーザー回折径(X50dif):17.0μm)又はアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名:HS−100、50質量%レーザー回折径(X50dif):1.6μm)の少なくとも一方を配合し、ボールミルで6時間から24時間、粉砕処理及び分散処理を行なった。
なお、EC600JDの50質量%レーザー回折径は17.0μmとなり、一次粒子径34nmに比べて大きな値を示す。これは、一次粒子がストラクテャーを形成して二次粒子となり、この二次粒子がレーザー回折径として測定されるためと推測される。また、HS−100の一次粒子も48nmであるが、同様の現象により50質量%レーザー回折径は1.6μmとなる。
表1及び表2に示す配合で、下記方法により導電下地塗料を調製した。
カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を純水に溶解した水溶液中に、上記調製した黒鉛原料と、導電助剤として前記ケッチェンブラック又は前記アセチレンブラックを配合し、ディスパーで1時間分散後、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR)系エマルション(日本ゼオン社製、商品名:MB−400B、300℃、0.5時間後の質量減耗率が2.8%)を配合して30分間攪拌した。
作製した塗料の粘度は、BL型粘度計で、回転数30rpmにて測定した。測定温度は25℃とした。粘度の測定に際しては、塗料をプロペラ型の攪拌翼を有する攪拌機を用い、1000prmの攪拌条件で30分間攪拌してから行った。
調製した導電下地塗料を、ドクターブレードコーターを用い、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工した。その後、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ0.5μm、2μm、4μm、6μm、10μm、12μmの導電下地被膜をそれぞれ作製した。導電下地被膜の厚さは、定圧マイクロメータにより5箇所を測定した平均値である。
得られた導電下地被膜を目視で観察し、均一に塗布されているものを○、塗布ムラが僅かに発生しているものを△、塗布ムラが発生しているものを×として、塗布性を確認した。
調製した導電下地塗料を、ドクターブレードコーターを用い、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工した。その後、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ3〜10μmの導電下地被膜を作製した。
表面粗さ形状測定機を用いて、作製した導電下地被膜の中心線平均粗さを計測した。測定の際、触針径は2μmを用い、測定速度0.3mm/s、測定長さ4mm、カットオフ値0.8mmとした。
調製した導電下地塗料を、ドクターブレードコーターを用い、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工した。その後、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ20μmの導電下地被膜を作製した。
乾燥後の導電下地被膜付きアルミニウム箔をφ20mmの大きさに打ち抜き、電極重量を測定した。アルミニウム箔の重量を差し引き、被膜の密度を算出した。
調製した導電下地塗料をガラス板上に塗工した後、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ20μmの導電下地被膜を作製した。このガラス板上の導電下地皮膜のシート抵抗値を四端針法にて測定した。膜厚を測定して体積固有抵抗を算出した。
調製した導電下地塗料を、ドクターブレードコーターを用い、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工した。その後、105℃で20分間の熱風乾燥し、厚さ3〜10μmの導電下地被膜を作製した。作製した導電下地被膜の表面に18mm幅のメンディングテープ(住友スリーエム社製、商品名:スコッチメンディングテープ810)を貼り、荷重2kgのローラーで押さえた。その後、メンディングテープを90°の角度で引き剥がし、導電下地皮膜の剥離強さを測定した。
調製した導電下地塗料を、厚さ20μmのアルミニウムプレーン箔又は50μmのアルミエッチング箔上に、ドクターブレードコーターを用いて塗工した後、110℃で15分乾燥して、2〜10μmの厚さの導電下地被膜を形成した。
乾燥後の導電下地被膜付きアルミニウム箔をφ13mmの大きさに打ち抜き、これをAg板上に置いた後、Ag板とは反対側からφ8mmのAg棒で挟み込み、Ag棒に500gの加重をかけた。Ag板とAg棒間の抵抗値を測定することで、導電下地塗料を塗布したAl箔の厚み方向の抵抗値を測定した。
調製した導電下地塗料を、厚さ20μmのアルミニウムプレーン箔又は50μmのアルミエッチング箔上に、ドクターブレードコーターを用いて塗工した後、110℃で15分乾燥して、2〜20μmの厚さの導電下地被膜を形成した。この導電下地被膜上に、活物質ペーストとして、日立粉末冶金製EDLC用活性炭ペーストGA−1000を塗布し、110℃で15分乾燥して、膜厚110μmの活性炭電極を作製した。ここで評価に用いた電極の背面には導電下地被膜を形成せず、アルミニウムの面とした。
また、導電下地塗料を塗布していないAl箔上に活性炭ペーストを塗布して電極を作製して同様に電極抵抗値を測定し、比較を行った。電極評価としては、下地材付き活性炭電極抵抗が0.85Ω以下を○、0.85〜1.0Ωを△、1.0Ω以上を×とした。
塗料配合組成中のカッコ内の数値は、乾燥被膜とした場合の配合比率を示す。
塗料配合組成中のカッコ内の数値は、乾燥被膜とした場合の配合比率を示す
比較例1では、空隙の多い被膜になるため被膜密度が低く、その結果、粒子間の接触面積が低くなって導電パスが少なくなり、皮膜の体積固有抵抗が高くなる。また、塗工性の結果から、用いた黒鉛の50質量%レーザー回折径(X50dif)が2.0μmにもかかわらず、膜厚4μm未満の被膜では均一なものが得られず、被膜の体積固有抵抗も高い。
また、カーボンブラックが均一に分散されているため、カーボンブラックの50質量%レーザー回折径(X50dif)は0.3μm以下となっている。そのため、得られる被膜では、薄片化処理された黒鉛が高密度に配向され、またカーボンブラックが均一に分散され、塗膜の表面粗さも1.0μm以下であった。本実施例の導電下地塗料は、薄膜で均一な塗膜が形成でき、生産性向上、品質安定化にも寄与できる。
比較例4は導電助剤としてカーボンブラックのみを用いており、被膜密度も低く、また被膜の体積固有抵抗値も高い値を示す。
また、実施例18、比較例10,11は、実施例3、比較例2、4の導電下地塗料をそれぞれ20μm厚さのアルミニウムプレーン箔に塗布して評価した結果である。比較例9は、20μm厚さのアルミニウムプレーン箔に導電下地塗料を塗布せずに評価したときの結果である。
表3に記載の導電下地塗料を塗布し、更に活性炭を塗布した電極をφ16mmに打ち抜き、これを2枚用いて正極及び負極とし、宝泉製2極アルミ製フラットセルを使用して内部抵抗を測定した。電解液は1.8N−TEMA−BF4/PC(富山薬品工業社製)、セパレータは膜厚40μmのセルロース系セパレータ(日本高度紙社製、商品名TF40)、測定条件は0〜2.5V、電流密度10mA/cm2で評価した。ここで評価に用いた電極の背面には導電下地被膜を形成せず、アルミニウムの面とした。
導電下地塗料を塗布しない場合(比較例5、9)を基準として、内部抵抗の低減率を下記式より求めて評価した。
内部抵抗の低減率(%)
=(比較例5又は9の内部抵抗−測定試料の内部抵抗)/比較例5又は9の内部抵抗×100
初期評価後のセルを用いて85℃で200h保存した。保存後のセルの内部抵抗を上記方法により測定した。
初期の内部抵抗を基準として、85℃で200h保存後の内部抵抗の上昇率を下記式より求めて評価した。
内部抵抗の上昇率(%)=(保存後の内部抵抗/初期の内部抵抗×100)−100
これに対して、実施例3、参考例5、実施例6〜9の導電下地塗料を塗布した実施例12、参考例13、実施例14〜17では、初期の内部抵抗が7〜20%低減している。また、85℃で200h保存した後の内部抵抗上昇も19%以下に抑えられており、本発明の導電下地塗料は初期の内部抵抗の低減及び85℃保存後の内部抵抗の上昇の抑制に著しい効果が認められた。
これらの結果より、本発明に係る導電下地被膜は薄片状の黒鉛が緻密に積層し、密度が高い被膜になることで、85℃保存後の内部抵抗上昇が抑制されることが確認できた。
これに対して、実施例3の導電下地塗料を塗布した実施例18は、初期の内部抵抗が38%低減し、85℃で200h保存した後の内部抵抗上昇も50%まで抑えられ、初期の内部抵抗の低減及び85℃保存後の内部抵抗の上昇の抑制に著しい効果が認められた。
これらの結果より、本発明の導電下地塗料は、エッチング箔又はプレーン箔において、内部抵抗の低減、及び85℃保存後の内部抵抗の上昇の抑制に、著しい効果を示すことを確認した。
20 カーボンブラック
30 集電体
Claims (14)
- 集電体及び活物質を含んでなる電気二重層キャパシタ用電極又はリチウムイオンキャパシタ用電極の導電下地被膜を形成する導電下地塗料であり、
前記導電下地塗料は、薄片化黒鉛及びカルボキシメチルセルロースの塩を含み、
前記薄片化黒鉛は、50質量%レーザー回折径(X50dif)が12μm以下、50質量%ストークス径(X50st)が5.5μm以下、薄片化指数(X50dif/X50st)が2.8〜4.8であるキャパシタ用電極の導電下地塗料。 - 更に、カーボンブラックを含み、
前記導電下地塗料における、前記薄片化黒鉛と前記カーボンブラックとを合算した量の占める割合(総含有率)が、75〜90質量%の範囲であり、
前記薄片化黒鉛と前記カーボンブラックの質量比率(薄片化黒鉛:カーボンブラック)が、97:3〜1:8の範囲である請求項1に記載の導電下地塗料。 - 更に、カーボンブラックを含み、
前記カーボンブラックの50質量%レーザー回折径(X50dif)が、0.3μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の導電下地塗料。 - 更に、300℃で0.5時間後の質量減耗率が5%以下の熱可塑性樹脂を含む請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の導電下地塗料。
- 前記熱可塑性樹脂の含有率が、5〜15質量%の範囲である請求項4に記載の導電下地塗料。
- 前記集電体がアルミニウムを含んで構成される請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の導電下地塗料。
- 集電体と、
前記集電体上に設けられた、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の導電下地塗料により形成される導電下地被膜と、
前記導電下地被膜上に設けられた、活物質を含む活物質含有層と、
を有する電気二重層又はリチウムイオンキャパシタ用電極。 - 前記導電下地被膜は、被膜密度が、0.85g/mL〜1.2g/mLであり、体積固有抵抗が0.25Ωcm以下である請求項7に記載のキャパシタ用電極。
- 前記導電下地被膜の被膜平滑度が、0.02μm〜1.0μmである請求項7又は請求項8に記載のキャパシタ用電極。
- 前記導電下地被膜の平均厚みが、0.5μm〜10μmである請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。
- 前記集電体が、アルミニウムを含んで構成される請求項7〜請求項10のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。
- 前記集電体が、アルミニウムの圧延箔、エッチング箔、又は穴あき箔で構成される請求項11に記載のキャパシタ用電極。
- 前記活物質が、活性炭である請求項7〜請求項12のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極。
- 正極電極と、負極電極と、電解液とを有し、
前記正極電極及び負極電極の少なくとも一方が、請求項7〜請求項13のいずれか1項に記載のキャパシタ用電極であるリチウムイオンキャパシタ又は電気二重層キャパシタ。
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