JP5795475B2 - 電気化学素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(a)多数の気孔を持つ多孔性基材、前記多孔性基材の上面に付与(コート)され、カソード活物質粒子及び第1バインダー高分子の混合物から形成された第1多孔性コーティング層、並びに前記多孔性基材の下面に付与(コート)され、アノード活物質粒子及び第2バインダー高分子の混合物から形成された第2多孔性コーティング層を備えた複合分離膜;
(b)前記第1多孔性コーティング層と対向するように設けられたカソード電流集電体;及び
(c)前記第2多孔性コーティング層と対向するように設けられたアノード電流集電体からなった電極構造体を含む。
(a)多数の気孔を持つ多孔性基材、前記多孔性基材の上面に付与(コート)され、カソード活物質粒子及び第1バインダー高分子の混合物から形成された第1多孔性コーティング層を備えた複合分離膜;
(b)前記第1多孔性コーティング層と対向するように設けられたカソード電流集電体;及び
(c)前記多孔性基材の下面と対向するように設けられており、アノード活物質層がアノード電流集電体の上面にコートされたアノードからなった電極構造体を含む。
(a)多数の気孔を持つ多孔性基材、前記多孔性基材の下面に付与(コート)され、アノード活物質粒子及び第2バインダー高分子の混合物から形成された第2多孔性コーティング層を備えた複合分離膜;
(b)前記第2多孔性コーティング層と対向するように設けられたアノード電流集電体;及び
(c)前記多孔性基材の上面と対向するように設けられており、カソード活物質層がカソード電流集電体の下面に付与(コート)されたカソードからなった電極構造体を含む。
(S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の上面に、カソード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与(コート)し乾燥させて第1多孔性コーティング層が形成された多孔性基材を用意する段階;
(S2)前記第1多孔性コーティング層が形成された多孔性基材の下面に、アノード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与(コート)し乾燥させて第2多孔性コーティング層が形成された複合分離膜を製造する段階;及び
(S3)カソード電流集電体及びアノード電流集電体の間に、前記複合分離膜の第1多孔性コーティング層及び第2多孔性コーティング層がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階を含む。
(S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の上面に、カソード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与(コート)し乾燥させて第1多孔性コーティング層が形成された複合分離膜を用意する段階;
(S2)アノード活物質層がアノード電流集電体の上面に付与(コート)されたアノードを用意する段階;及び
(S3)カソード電流集電体及び前記アノードの間に、前記複合分離膜の第1多孔性コーティング層及び多孔性基材の下面がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階を含む。
(S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の下面に、アノード活物質粒子が分散された第2バインダー高分子溶液を付与(コート)し乾燥させて第2多孔性コーティング層が形成された複合分離膜を用意する段階;
(S2)カソード活物質層がカソード電流集電体の下面に付与(コート)されたカソードを用意する段階;及び
(S3)前記カソード及びアノード電流集電体の間に、前記複合分離膜の多孔性基材の上面及び第2多孔性コーティング層がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階を含む。
複合分離膜の製造
PVdF‐CTFE(ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン共重合体)及びシアノエチルプルランを10:2の重量比でそれぞれアセトンに添加し、50℃で約12時間以上溶解させて高分子溶液を製造した。このように製造された高分子溶液にカソード活物質粉末(LiCoO2)及び導電材を高分子混合物/カソード活物質粉末/導電材=6/90/4の重量比になるように添加し、12時間以上ボールミル法を用いて活性炭素粉末を破砕及び分散してスラリーを製造した。このように製造されたスラリーのカソード活物質粒子の粒径はボールミルに用いられるビーズのサイズ(粒度)及びボールミル時間によって制御することができるが、本実施例1においては約600nmに粉砕してスラリーを製造した。
前述の方法に従って製造した複合分離膜を厚さが20μmであるカソード電流集電体のアルミニウム(Al)薄膜と厚さが10μmであるアノード集電体である銅(Cu)薄膜の間に介在させた後巻き取りして組み立て、組み立てられた電池に電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=1/2(体積比)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)1モル)を注入してリチウム二次電池を製造した。
複合分離膜の製造
PVdF‐CTFE及びシアノエチルプルランを10:2の重量比でそれぞれアセトンに添加し、50℃で約12時間以上溶解させて高分子溶液を製造した。このように製造された高分子溶液にカソード活物質粉末(LiCoO2)及び導電材を高分子混合物/カソード活物質粉末/導電材=6/90/4のの重量比になるように添加し、12時間以上ボールミル法を用いて活性炭素粉末を破砕及び分散してスラリーを製造した。スラリー内のカソード活物質粒子の粒径は約600nmである。
前述の方法に従って製造した複合分離膜を多孔性コーティング層がカソード電流集電体と対向するように、厚さが20μmであるアルミニウム薄膜とグラファイトがコートされた銅薄膜の間に介在させた後巻き取りして組み立て、組み立てられた電池に電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=1/2(体積比)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)1モル)を注入してリチウム二次電池を製造した。
複合分離膜の製造
PVdF‐CTFE及びシアノエチルプルランを10:2の重量比でそれぞれアセトンに添加し、50℃で約12時間以上溶解させて高分子溶液を製造した。このように製造された高分子溶液にグラファイトからなるアノード活物質粉末を高分子混合物/グラファイト粉末/導電材=6/93/1の重量比になるように添加し、12時間以上ボールミル法を用いてグラファイト粉末を約800nmに破砕及び分散してスラリーを製造した。このように製造されたスラリーをロールコーティング法でポリエチレン多孔性膜の他面にコートし乾燥させて多孔性コーティング層を形成した。コーティング厚さは約50μm程度に調節した。
前述の方法に従って製造した複合分離膜を多孔性コーティング層がアノード電流集電体と対向するように、厚さが10μmである銅薄膜とカソード活物質粉末であるLiCoO2がコートされたアルミニウム薄膜の間に介在させた後巻き取りして組み立て、組み立てられた電池に電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=1/2(体積比)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)1モル)を注入してリチウム二次電池を製造した。
実施例1ないし実施例3の複合分離膜を150度で1時間保管した後の熱収縮率を評価して以下の表1に示した。
絶縁抵抗計(megohmmeter)を利用して分離膜の両面に存在する各点を連結しHi‐pot testを施して測定した。250Vの電圧を印加しながら0.5mAの電流を流した後その抵抗値を測定し、100Mohmを基準にしてパス/フェイル(pass/fail)を判断した。
充放電による実施例1の電池及びポリエチレン分離膜を備えた対照群の電池の容量を測定し、その結果を図5に示した。
2…第1多孔性コーティング層
3…カソード活物質粒子
4…第1バインダー高分子
5…第2多孔性コーティング層
6…アノード活物質粒子
7…第2バインダー高分子
10a、10b、10c…複合分離膜
20…カソード電流集電体
30…アノード電流集電体
40…アノード活物質層
50…カソード活物質層
100a、100b、100c…電極構造体
Claims (21)
- 電気化学素子であって、
(a)多数の気孔を持つ多孔性基材と、
前記多孔性基材の上面に形成され、カソード活物質粒子及び第1バインダー高分子の混合物から形成されてなる第1多孔性コーティング層と、並びに
前記多孔性基材の下面に形成され、アノード活物質粒子及び第2バインダー高分子の混合物から形成されてなる第2多孔性コーティング層とを備えた複合分離膜と、
(b)前記第1多孔性コーティング層と対向するように設けられたカソード電流集電体と、並びに
(c)前記第2多孔性コーティング層と対向するように設けられたアノード電流集電体とから構成されてなる電極構造体とを備えてなり、
前記第1多孔性コーティング層と前記第2多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさがそれぞれ0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第1多孔性コーティング層と前記第2多孔性コーティング層における気孔度がそれぞれ10ないし90%の範囲であり、
前記第1バインダー高分子及び第2バインダー高分子が、それぞれ、下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン(polyvinylidenefluoride‐co‐hexafluoropropylene)、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン(polyvinylidene fluoride‐co‐chlorotrifluoroethylene)及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレン(polyvinylidenefluoride‐co‐trichloroethylene)からなる群より選択された何れか1つのものと、及び
(B)シアノエチルプルラン(cyanoethylpullulan)及びプルラン(pullulan)からなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、電気化学素子。 - (a)多数の気孔を持つ多孔性基材と、
前記多孔性基材の上面に形成され、カソード活物質粒子及び第1バインダー高分子の混合物から形成された第1多孔性コーティング層を備えた複合分離膜と、
(b)前記第1多孔性コーティング層と対向するように設けられたカソード電流集電体と、及び
(c)前記多孔性基材の下面と対向するように設けられてなり、アノード活物質層がアノード電流集電体の上面に形成されたアノードとから構成されてなる電極構造体とを備えてなり、
前記第1多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさが0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第1多孔性コーティング層における気孔度が10ないし90%の範囲であり、
前記第1バインダー高分子が下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレンからなる群より選択された何れか1つのものと、及び
(B)シアノエチルプルラン及びプルランからなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、電気化学素子。 - (a)多数の気孔を持つ多孔性基材と、
前記多孔性基材の下面に形成され、アノード活物質粒子及び第2バインダー高分子の混合物から形成された第2多孔性コーティング層とを備えた複合分離膜と、
(b)前記第2多孔性コーティング層と対向するように設けられたアノード電流集電体と、及び
(c)前記多孔性基材の上面と対向するように設けられており、カソード活物質層がカソード電流集電体の下面に形成されたカソードとから構成されてなる電極構造体とを備えてなり、
前記第2多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさが0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第2多孔性コーティング層における気孔度が10ないし90%の範囲であり、
前記第2バインダー高分子が、下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレンからなる群より選択された何れか1つのものと、及び、
(B)シアノエチルプルラン及びプルランからなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、電気化学素子。 - 前記カソード活物質粒子が、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoPO4、LiFePO4、LiNiMnCoO2、LiNi1‐x‐y‐zCoxM1yM2zO2(M1及びM2は、互いに独立して、Al、Ni、Co、Fe、Mn、V、Cr、Ti、W、Ta、Mg及びMoからなる群より選択された何れか一つであり、x、y及びzは、互いに独立して、酸化物組成元素の原子分率として0≦x<0.5、0≦y<0.5、0≦z<0.5である)からなる群より選択された何れか一つのカソード活物質粒子またはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記アノード活物質粒子が、天然黒鉛、人造黒鉛、炭素質材料、LTO、シリコン(Si)及び錫(Sn)からなる群より選択された何れか一つのアノード活物質粒子またはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記カソード活物質粒子の大きさが、0.001ないし10μmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記アノード活物質粒子の大きさが、0.001ないし10μmであることを特徴とする、請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記第1多孔性コーティング層のカソード活物質粒子と第1バインダー高分子との重量比が、50:50ないし99:1であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記第2多孔性コーティング層のアノード活物質粒子と第2バインダー高分子との重量比が、50:50ないし99:1であることを特徴とする、請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記第1バインダー高分子が、溶解度指数が15ないし45MPa1/2であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記第2バインダー高分子が、溶解度指数が15ないし45MPa1/2であることを特徴とする、請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記第1多孔性コーティング層の厚さが、0.01ないし200μmであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記第2多孔性コーティング層の厚さが、0.01ないし200μmであることを特徴とする、請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記多孔性基材が、ポリオレフィン系多孔性基材であることを特徴とする、請求項1〜13の何れか一項に記載の電気化学素子。
- 前記多孔性基材の厚さが、1ないし200umであることを特徴とする、請求項1〜14の何れか一項に記載の電気化学素子。
- 前記第1多孔性コーティング層が、導電材をさらに含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気化学素子。
- 前記第2多孔性コーティング層が、導電材をさらに含むことを特徴とする、請求項1又は3に記載の電気化学素子。
- 前記電気化学素子が、リチウム二次電池であることを特徴とする、請求項1〜17の何れか一項に記載の電気化学素子。
- 電気化学素子の製造方法であって、
(S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の上面に、カソード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与し乾燥させて第1多孔性コーティング層を有する多孔性基材を用意する段階と、
(S2)前記第1多孔性コーティング層を有する多孔性基材の下面に、アノード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与して乾燥させて第2多孔性コーティング層が形成された複合分離膜を製造する段階と、及び
(S3)カソード電流集電体及びアノード電流集電体の間に、前記複合分離膜の第1多孔性コーティング層及び第2多孔性コーティング層がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階とを含んでなり、
前記第1多孔性コーティング層と前記第2多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさがそれぞれ0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第1多孔性コーティング層と前記第2多孔性コーティング層における気孔度がそれぞれ10ないし90%の範囲であり、
前記第1バインダー高分子及び前記第2バインダー高分子が、それぞれ、
下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレンからなる群より選択された何れか1つのものと、及び
(B)シアノエチルプルラン及びプルランからなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、製造方法。 - (S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の上面に、カソード活物質粒子が分散された第1バインダー高分子溶液を付与し乾燥させて第1多孔性コーティング層を有する複合分離膜を用意する段階と、
(S2)アノード活物質層がアノード電流集電体の上面に形成させてなるアノードを用意する段階と、及び
(S3)カソード電流集電体及び前記アノードの間に、前記複合分離膜の第1多孔性コーティング層及び多孔性基材の下面がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階を含んでなり、
前記第1多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさが0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第1多孔性コーティング層における気孔度が10ないし90%の範囲であり、
前記第1バインダー高分子が、下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレンからなる群より選択された何れか1つのものと、及び、
(B)シアノエチルプルラン及びプルランからなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、製造方法。 - (S1)多数の気孔を持つ多孔性基材の下面に、アノード活物質粒子が分散された第2バインダー高分子溶液を付与し乾燥させて第2多孔性コーティング層が形成された複合分離膜を用意する段階と、
(S2)カソード活物質層がカソード電流集電体の下面に形成されたカソードを用意する段階と、及び
(S3)前記カソード及びアノード電流集電体の間に、前記複合分離膜の多孔性基材の上面及び第2多孔性コーティング層がそれぞれ対向するように複合分離膜を介在させて電極構造体を製造する段階とを含んでなり、
前記第2多孔性コーティング層に形成される気孔の大きさが0.001ないし10μmの範囲であり、
前記第2多孔性コーティング層における気孔度が10ないし90%の範囲であり、
前記第2バインダー高分子が、下記(A)及び(B):
(A)ポリビニリデンフルオライド‐ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド‐クロロトリフルオロエチレン及びポリビニリデンフルオライド‐トリクロロエチレンからなる群より選択された何れか1つのものと、及び
(B)シアノエチルプルラン及びプルランからなる群より選択された何れか1つのものとの混合物を含んでなる、製造方法。
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