JP5892420B2 - 電気デバイス用電極、電気デバイス用電極の製造方法、電気デバイス用電極構造体及び電気デバイス - Google Patents
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V2/(V1+V2)≧0.70…(1)
(式(1)中、V1は電極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm −1 〜2000cm −1 )のピーク強度の積分値、V2は電極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm −1 〜1000cm −1 )のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足する電気デバイス用電極を製造する方法であって、下記(工程1’)〜(工程3’)
(工程1’):電極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む電極形成用スラリーを得る工程、(工程2’):上記電極形成用スラリーを乾燥して、電極前駆体を得る工程、(工程3’):上記電極前駆体を加熱圧縮成形して、電極を得る工程、を含む。
V’2/(V’1+V’2)≧0.55…(2)
(式(2)中、V’1は正極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm −1 〜2000cm −1 )のピーク強度の積分値、V’2は正極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm −1 〜1000cm −1 )のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足し、電気デバイス用負極が、負極活物質とポリフッ化ビニリデンとを少なくとも含み、電気デバイス用負極のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(3)式
V’’2/(V’’1+V’’2)≧0.60…(3)
(式(3)中、V’’1は負極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm −1 〜2000cm −1 )のピーク強度の積分値、V’’2は負極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm −1 〜1000cm −1 )のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足する電気デバイス用電極構造体を製造する方法であって、下記(工程1’)〜(工程3’)
(工程1’):正極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む正極形成用スラリー及び負極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む負極形成用スラリーの少なくとも一方を得る工程、(工程2’):上記正極形成用スラリー及び上記負極形成用スラリーの少なくとも一方を乾燥して、正極前駆体及び負極前駆体の少なくとも一方を得る工程、(工程3’):上記正極前駆体及び上記負極前駆体の少なくとも一方を加熱圧縮成形して、正極及び負極の少なくとも一方を得る工程、を含む。
(式(1)中、V1は電極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V2は電極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)
V’2/(V’1+V’2)≧0.55…(2)
(式(2)中、V’1は正極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm −1 〜2000cm −1 )のピーク強度の積分値、V’2は正極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm −1 〜1000cm −1 )のピーク強度の積分値を示す。)
V’’2/(V’’1+V’’2)≧0.60…(3)
(式(3)中、V’’1は負極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm −1 〜2000cm −1 )のピーク強度の積分値、V’’2は負極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm −1 〜1000cm −1 )のピーク強度の積分値を示す。)
そして、正極における正極活物質層のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(2)式の関係を満足する。
(式(2)中、V’1は正極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V’2は正極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の集電体として用いられている従来公知の材料を用いることができる。
ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル(PVC)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンを単独で用いることが好ましく、併用する他の結着剤としては、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドが好ましい。これらの好適な結着剤は、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位に安定であり正極活物質層に使用が可能である。
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の結着剤として従来用いられている公知の材料を併用することができる。
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の導電助剤として用いられている従来公知の材料を用いることができる。これらの導電助剤は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
そして、負極における負極活物質層のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(3)式の関係を満足する。
(式(3)中、V’’1は低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V’’2は高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の集電体として用いられている従来公知の材料を用いることができる。
リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、例えば、高結晶性カーボンであるグラファイト(天然グラファイト、人造グラファイト等)、低結晶性カーボン(ソフトカーボン、ハードカーボン)、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック等)、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどの炭素材料;ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、水素(H)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Ag)、金(Au)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg)、ガリウム(Ga)、タリウム(Tl)、炭素(C)、窒素(N)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、塩素(Cl)等のリチウムと合金化する元素の単体、及びこれらの元素を含む酸化物(一酸化ケイ素(SiO)、SiOx(0<x<2)、二酸化スズ(SnO2)、SnOx(0<x<2)、SnSiO3など)及び炭化物(炭化ケイ素(SiC)など)等;リチウム金属等の金属材料;リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:Li4Ti5O12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物を挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の負極活物質として用いられている従来公知の材料を用いることができる。
ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル(PVC)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンを単独で用いることが好ましく、併用する他の結着剤としては、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドが好ましい。これらの好適な結着剤は、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く負極電位に安定であり負極活物質層に使用が可能である。
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の結着剤として従来用いられている公知の材料を併用することができる。
しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の導電助剤として用いられている従来公知の材料を用いることができる。これらの導電助剤は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
更に、活物質それぞれ固有の効果を発現する上で、最適な粒径が異なる場合には、それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒径同士を混合して用いればよく、全ての活物質の粒径を均一化させる必要はない。
例えば、正極活物質として粒子形態の酸化物を用いる場合、酸化物の平均粒子径は、既存の正極活物質層に含まれる正極活物質の平均粒子径と同程度であればよく、特に制限されない。高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmの範囲であればよい。なお、本明細中において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。
ただし、このような範囲に何ら制限されるものではなく、本実施形態の作用効果を有効に発現できるものであれば、この範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。
電解液としては、例えば、通常リチウムイオン二次電池で用いられるものであることが好ましく、具体的には、有機溶媒に支持塩(リチウム塩)が溶解した形態を有する。リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、六フッ化タンタル酸リチウム(LiTaF6)、四塩化アルミニウム酸リチウム(LiAlCl4)、リチウムデカクロロデカホウ素酸(Li2B10Cl10)等の無機酸陰イオン塩、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li(CF3SO2)2N)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(Li(C2F5SO2)2N)等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩等を挙げることができる。また、有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類又は2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒を用いたものなどが使用できる。なお、セパレータとしては、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布を挙げることができる。
高分子ゲル電解質としては、高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液を従来公知の比率で含有したものを挙げることができる。例えば、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。
高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、通常リチウムイオン二次電池で用いられる上記電解液を含有させたものである。しかしながら、これに限定されるものではなく、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる。
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
電解質層の厚みは、内部抵抗を低減させるという観点からは薄い方が好ましい。電解質層の厚みは、通常1〜100μmであり、好ましくは5〜50μmである。
なお、高分子ゲル電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現させることができる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、重合性ポリマーに対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。
<正極形成用スラリーの組成>
正極活物質:マンガン酸リチウム (100重量部)
バインダー:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(3.0重量部)
導電助剤 :燐片状黒鉛(1.0重量部)、アセチレンブラック(3.0重量部)
溶剤 :N−メチルピロリドン(NMP)(65重量部)
上記組成の正極形成用スラリーを次のように調製した。まず、バインダー3.0重量部をNMP30重量部に溶解してバインダー溶液を作製した。次に、導電助剤4.0重量部とマンガン酸リチウム粉100重量部の混合粉に、上記バインダー溶液33.0重量部を加え、プラネタリーミキサー(浅田鉄工製、PVM100)にて混練し、その後、混練物にNMP35重量部を加えて、正極形成用スラリー(固形分濃度62重量%)とした。
20μm厚のアルミニウム箔からなる集電体を走行速度1m/分で走行させながら、集電体の片面に、上記正極形成用スラリーをダイコーターにより塗布した。次いで、この正極形成用スラリーを塗布した集電体を、熱風乾燥炉にて乾燥(乾燥温度:100℃〜110℃、乾燥時間:3分)を行い、正極活物質層に残留するNMP量を0.02質量%以下とした。
更に、アルミニウム箔の裏面にも上記同様に塗布、乾燥を行い、両面に正極活物質層を有するシート状正極を形成した。
シート状電極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約25mg/cm2、厚さ約100μm、密度3.0g/cm3の正極を作製した(以下「正極C1」ということがある。)。正極C1の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
次に、上記手順で作製した正極C1を用い真空乾燥炉にて加熱処理を行った。乾燥炉内部に正極C1を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×104Pa))し、乾燥炉内の空気を除去した。次いで、窒素ガスを流通(100cm3/分)しながら、10℃/分で120℃まで昇温し、120℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして本例の正極を得た(以下「正極C11」ということがある。)。
参考例1−1で得られた正極C11について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図2に示す。なお、縦軸については、ラマン散乱強度をカウント数300を1.0、カウント数240を0.0と規格化して得た散乱相対強度とした。
<正極形成用スラリーの組成>
正極活物質:マンガン酸リチウム(80重量部)、ニッケル酸リチウム(20重量部)
バインダー:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(3.0重量部)
導電助剤 :燐片状黒鉛(1.0重量部)、アセチレンブラック(3.0重量部)
溶剤 :N−メチルピロリドン(NMP)(65重量部)
上記組成の正極形成用スラリーを、参考例1−1に準じて調製した。
参考例1−1に準じて、上記組成の正極スラリーを20μm厚のアルミニウム箔からなる集電体の片面に、塗布し、乾燥した。
更に、アルミニウム箔の裏面にも上記同様に塗布、乾燥を行い、両面に正極活物質層を有するシート状正極を形成した。
参考例1−1に準じて、上記シート状電極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約25mg/cm2、厚さ約100μm、密度3.0g/cm3の正極を作製した(以下「正極C2」ということがある。)。
上記正極C2を、参考例1−1に準じて加熱処理し、本例の正極を得た(以下「正極C22」ということがある。)。
参考例1−1に準じて、両面に正極活物質層を有するシート状正極を形成した。参考例1−1の正極のプレス及び加熱処理の代りに、このシート状正極をローラー表面温度を135℃に加熱したローラープレスをかけて加熱圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約25mg/cm2、厚さ約100μm、密度3.0g/cm3の本例の正極を作製した(以下「正極C33」ということがある。)。正極C33の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
実施例1−3で得られた正極C33について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図3に示す。
参考例1−1に準じて、両面に正極活物質層を有するシート状正極を形成した。参考例1−1の(正極C1の加熱処理)の代りに、赤外線加熱炉にて加熱処理を行った。赤外線加熱炉内に窒素を流通させながら、シート状正極の表面温度が130℃〜140℃になるように出力を調整し、0.5m/分(加熱処理時間:6分)で走行させ、正極を得た(以下「正極C4」ということがある。)。
次いで、参考例1−1に準じて、上記シート状正極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約25mg/cm2、厚さ約100μm、密度3.0g/cm3の本例の正極を作製した(以下「正極C44」ということがある。)。
<負極形成用スラリーの組成>
負極活物質:天然グラファイト(100重量部)
バインダー:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(5.0重量部)
導電助剤 :アセチレンブラック(1.0重量部)
溶剤 :N−メチルピロリドン(NMP)(97重量部)
上記組成の負極形成用スラリーを次のように調製した。まず、バインダー5.0重量部をNMP50重量部に溶解してバインダー溶液を作製した。次に、導電助剤1.0重量部と天然グラファイト粉100重量部の混合粉に、上記バインダー溶液55.0重量部を加え、プラネタリーミキサー(浅田鉄工製、PVM100)にて混練し、その後、混練物にNMP47重量部を加えて、負極用スラリー(固形分濃度52重量%)とした。
10μm厚の電解銅箔からなる集電体を走行速度1.5m/分で走行させながら、集電体の片面に、上記負極形成用スラリーをダイコーターにより塗布した。次いで、この負極形成用スラリーを塗布した集電体を、熱風乾燥炉にて乾燥(乾燥温度:100℃〜110℃、乾燥時間:2分間)を行い、負極活物質層に残留するNMP量を0.02質量%以下とした。
更に、集電体の裏面にも上記同様に塗布、乾燥を行い、両面に負極活物質層を有するシート状負極を形成した。
シート状負極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約10mg/cm2、厚さ約50μm、密度1.45g/cm3の負極を得た(以下「負極A1」ということがある。)。負極A1の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
次に、上記手順で作製した負極A1を用い真空乾燥炉にて加熱処理を行った。乾燥炉内部に負極A1を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×104Pa))し、乾燥炉内の空気を除去した。次いで、窒素ガスを流通(100cm3/分)しながら、10℃/分で135℃まで昇温し、135℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして本例の負極を得た(以下「負極A11」ということがある。)。
参考例1−5で得られた負極A11について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図4に示す。
<負極形成用スラリーの組成>
負極活物質:人造グラファイト(100重量部)
バインダー:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(6.5重量部)
導電助剤 :アセチレンブラック(1.1重量部)
添加剤 :無水蓚酸(0.06重量部)
溶剤 :N−メチルピロリドン(NMP)(99重量部)
参考例1−5に準じて、上記組成の負極形成用スラリーを10μm厚の電解銅箔からなる集電体の片面に、塗布し、乾燥した。
更に、集電体の裏面にも上記同様に塗布、乾燥を行い、両面に負極活物質層を有するシート状負極を形成した。
参考例1−5に準じて、上記シート状負極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約10mg/cm2、厚さ約50μm、密度1.45g/cm3の負極を作製した(以下「負極A2」ということがある。)。負極A2の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
次に、上記手順で作製した負極A2を用い真空乾燥炉にて加熱処理を行った。乾燥炉内部に負極A2を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×104Pa))し乾燥炉内の空気を除去した。次いで、窒素ガスを流通(100cm3/分)しながら、10℃/分で135℃まで昇温し、135℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして本例の負極を得た(以下「負極A22」ということがある。)。
参考例1−5に準じて、両面に負極活物質層を有するシート状負極を形成した。参考例1−5の負極A1のプレス及び加熱処理の代りに、このシート状負極をローラー表面温度を120℃に加熱したローラープレスをかけて加熱圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約10mg/cm2、厚さ約50μm、密度1.45g/cm3の本例の負極(以下「負極A33」ということがある。)を作製した。負極A33の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
実施例1−7で得られた負極A33について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図5に示す。
参考例1−5に準じて、両面に負極活物質層を有するシート状負極を形成した。参考例1−5の(負極A1の加熱処理)の代りに、赤外線加熱炉にて加熱処理を行った。赤外線加熱炉内に窒素を流通させながら、シート状負極の表面温度が130℃〜140℃になるように出力を調整し、0.2m/分(加熱処理時間:15分間)で走行させ、負極A4を得た。次いで、参考例1−5に準じて、上記シート状負極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約10mg/cm2、厚さ約50μm、密度1.45g/cm3の本例の負極(以下「負極A44」ということがある。)を作製した。
参考例1−1に準じて、両面に正極活物質層を有するシート状正極を形成し、次いで、このシート状正極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約25mg/cm2、厚さ約100μm、密度3.0g/cm3の正極C1を作製した。その後の加熱処理を行わないで、このまま本例の正極として用いた。
比較例1−1で得られた正極C1について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図6に示す。
参考例1−5に準じて、両面に負極活物質層を有するシート状負極を形成し、次いで、このシート状負極をローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の活物質層の重量約10mg/cm2、厚さ約50μm、密度1.45g/cm3の負極A1を作製した。その後の加熱処理を行わないで、このまま本例の負極として用いた。
比較例1−2で得られた負極A1について、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて、ラマンシフトのピーク強度を測定した。得られた結果を図7に示す。
なお、V2/(V1+V2)は、各例の正極又は負極の活物質層から試験片を採取し、顕微レーザラマン分光装置(株式会社堀場製作所製、LabRAM ARAMIS)を用いて測定したラマンシフトのピーク強度から算出した。3500cm−1〜500cm−1までの範囲において、PVDFに由来するラマンシフトはバックグランドの上昇によりベースラインが大きく変動するため、V1及びV2のピーク強度は図2〜図7に示したように、3500cm−1〜500cm−1までのバックグラウンドを差し引いて決定した。
(電極の厚み測定)
上記各例の電極(正極又は負極)に対して、下記の膨潤処理前に、試験片内(電極活物質層部分)10点の厚みをマイクロメーターを用いて測定した。更に、膨潤処理後に、再度厚みを測定した。膨潤処理前後の厚みの増加率を算出した。得られた結果を表1に併記する。
上記各例の電極を、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶液20cm3が入ったアルミニウムラミネートパックに入れ、開口部を熱圧着封止した。このラミネートパックを恒温槽(85℃)に入れ48時間保持した。48時間経過後、恒温槽からラミネートパックを取り出し、1辺を開封し電極を取り出した。取り出した電極をエタノールで5回洗浄し、40℃で2時間乾燥した。
上記の膨潤処理前に、試験片内(電極活物質層部分)10点の抵抗を簡易型低抵抗率計(商品名;ロレスターMCP−T370(三菱化学アナリテック))を用いて測定した。更に、膨潤処理後に、再度抵抗を測定した。膨潤処理前後の抵抗の増加率を算出した。得られた結果を表1に併記する。
なお、何ら加熱しない場合のV2/(V1+V2)は約0.3以上0.4以下程度である。
<電池の作製>
負極A11(活物質層面積 縦:3.8cm×横:5.5cm)と正極C11(活物質層面積 縦:3.6cm×横:5.3cm)の集電体部分にリードを溶接した。これらリードを溶接した負極A11と正極C11との間に多孔質ポリプロピレン製セパレータ(S)(縦4.5cm×横6.0cm、厚さ25μm、空孔率55%)を挟んで5層からなる積層型(積層例、A11−(S)−C11−(S)−A11)の電極構造体を作製した。次いで、アルミニウムラミネートフィルム製(縦5.0cm×横6.5cm)で両側を挟み込み、3辺を熱圧着封止して上記電極構造体を収納した。この電極構造体に、電解液として1.0モル/リットルのLiPF6を溶解したエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶液を0.5cm3/セルを注入した後、残りの1辺を熱圧着封止して、本例のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。本例の仕様の一部を表2に示す。
表2に示した負極と正極とを用いたこと以外は、参考例2−1と同様の操作を繰り返して、各例のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
(電池の容量及び直流抵抗測定)
上記各例のリチウムイオン二次電池に対して、下記の1.0Cレートでの充放電を、55℃で200サイクルを繰り返した。その後、室温下にてI−V測定を行い、1サイクル目に対する容量維持率と直流抵抗(DCR)上昇率を比較した。得られた結果を表2に併記する。
充電は、1.0Cレートにて最高電圧が4.2Vとなるまで充電した後、約1時間〜1.5時間保持する定電流定電圧充電法とし、放電は、電池の最低電圧が2.5Vとなるまで1.0Cレートで放電する定電流放電法で行った。いずれも、室温下で行った。
上記電池の容量及び直流抵抗測定前に、電池面内6点(位置を決め印を付けておく)の厚みをマイクロメーターを用いて測定した。更に、電池の容量及び直流抵抗測定後に、再度、目印部分の厚みをマイクロメーターを用いて測定し、電池の容量及び直流抵抗測定前後のセルの厚みの増加率を算出した。得られた結果を表2に併記する。
10 電池素子
10a 電極構造体
11 正極
11A 正極集電体
11B 正極活物質層
12 負極
12A 負極集電体
12B 負極活物質層
13 電解質層
13a セパレータ
14 単電池層
21 正極リード
22 負極リード
30 外装体
Claims (6)
- 電極活物質とポリフッ化ビニリデンとを少なくとも含む電気デバイス用電極であって、
上記電気デバイス用電極のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(1)式
V2/(V1+V2)≧0.70…(1)
(式(1)中、V1は電極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V2は電極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足する電気デバイス用電極を製造する方法であって、下記(工程1’)〜(工程3’)
(工程1’):電極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む電極形成用スラリーを得る工程、
(工程2’):上記電極形成用スラリーを乾燥して、電極前駆体を得る工程、
(工程3’):上記電極前駆体を加熱圧縮成形して、電極を得る工程、を含む
ことを特徴とする電気デバイス用電極の製造方法。 - 上記電気デバイスが二次電池又はキャパシタであることを特徴とする請求項1に記載の電気デバイス用電極の製造方法。
- 電気デバイス用正極と、
電気デバイス用負極と、
これらの間に位置するセパレータと、を備え、
上記電気デバイス用正極が、正極活物質とポリフッ化ビニリデンとを少なくとも含み、
上記電気デバイス用正極のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(2)式
V’2/(V’1+V’2)≧0.55…(2)
(式(2)中、V’1は正極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V’2は正極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足し、
上記電気デバイス用負極が、負極活物質とポリフッ化ビニリデンとを少なくとも含み、
上記電気デバイス用負極のラマン分光法で測定されるラマンシフトのピーク強度が下記(3)式
V’’2/(V’’1+V’’2)≧0.60…(3)
(式(3)中、V’’1は負極における低結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(3000cm−1〜2000cm−1)のピーク強度の積分値、V’’2は負極における高結晶性ポリフッ化ビニリデンのラマンシフトピーク帯(2000cm−1〜1000cm−1)のピーク強度の積分値を示す。)の関係を満足する電気デバイス用電極構造体を製造する方法であって、下記(工程1’)〜(工程3’)
(工程1’):正極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む正極形成用スラリー及び負極活物質とポリフッ化ビニリデンと溶剤とを少なくとも含む負極形成用スラリーの少なくとも一方を得る工程、
(工程2’):上記正極形成用スラリー及び上記負極形成用スラリーの少なくとも一方を乾燥して、正極前駆体及び負極前駆体の少なくとも一方を得る工程、
(工程3’):上記正極前駆体及び上記負極前駆体の少なくとも一方を加熱圧縮成形して、正極及び負極の少なくとも一方を得る工程、を含む
ことを特徴とする電気デバイス用電極構造体の製造方法。 - 上記(工程1’)において、上記正極形成用スラリー及び上記負極形成用スラリーの双方を得、
上記(工程2’)において、上記正極形成用スラリー及び上記負極形成用スラリーの双方を乾燥して、上記正極前駆体及び上記負極前駆体の双方を得、
上記(工程3’)において、上記正極前駆体及び上記負極前駆体の双方を加熱圧縮成形して、上記正極及び上記負極の双方を得る
ことを特徴とする請求項3に記載の電気デバイス用電極構造体の製造方法。 - 上記(2)式における右辺が0.70であり、
上記(3)式における右辺が0.70である
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の電気デバイス用電極構造体の製造方法。 - 上記電気デバイスが二次電池又はキャパシタであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つの項に記載の電気デバイス用電極構造体の製造方法。
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