JP5954524B2 - 蓄電デバイス用負極および蓄電デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明に係る蓄電デバイス用負極の一態様は、
含フッ素重合体(a)を5〜50質量%および下記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)を50〜95質量%を含有する重合体組成物と、負極活物質粒子(C)と、を含む負極活物質層を備え、
前記負極活物質層の密度が1.0g/cm3以上2.0g/cm3以下である。
CH2=CR1COOR2 ・・・・・(1)
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2は炭素数1〜18のアルキル基または炭素数3〜18のシクロアルキル基を表す。)
本発明に係るバインダー組成物の一態様は、
適用例1に記載の負極活物質層を作製するためのバインダー組成物であって、含フッ素重合体(a)を5〜50質量%および下記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)を50〜95質量%を含有する重合体粒子(A)と、液状媒体(B)と、を含有する。
CH2=CR1COOR2 ・・・・・(1)
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2は炭素数1〜18のアルキル基または炭素数3〜18のシクロアルキル基を表す。)
本発明に係るスラリーの一態様は、
適用例1に記載の負極活物質層を作製するためのスラリーであって、適用例2のバインダー組成物と、負極活物質粒子(C)と、を含有する。
適用例3のスラリーにおいて、
前記バインダー組成物中に含まれる重合体粒子(A)の平均粒子径(Da)と前記負極活物質粒子(C)の平均粒子径(Dc)との比率(Dc/Da)が20〜100の範囲であることができる。
適用例3または適用例4のスラリーにおいて、
前記負極活物質粒子(C)の平均粒子径(Dc)が1〜50μmであることができる。
本発明に係る蓄電デバイスの一態様は、
適用例1の蓄電デバイス用負極を備える。
本実施の形態に係るバインダー組成物は、含フッ素重合体(a)(以下、「(a)成分」ともいう)を5〜50質量%および下記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)(以下、「(b)成分」ともいう)を50〜95質量%を含有する重合体粒子(A)と、液状媒体(B)と、を含有する。
CH2=CR1COOR2 ・・・・・(1)
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2は炭素数1〜18のアルキル基または炭素数3〜18のシクロアルキル基を表す。)
上記の重合体粒子(A)は、含フッ素重合体(a)および上記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)を含有する。
上記(a)成分を構成する含フッ素単量体としては、例えばフッ素原子を有するオレフィン化合物、フッ素原子を有する(メタ)アクリル酸エステル等を挙げることができる。
上記(b)成分は、上記一般式(1)で表される単量体を含む重合性単量体を重合することにより得られる。このような重合性単量体としては、具体的には上記一般式(1)で表される(b1)(メタ)アクリル酸アルキルエステルおよび(b2)官能基含有不飽和単量体を含む重合性単量体2が好ましく挙げられる。
上記重合体粒子(A)は、(a)成分と(b)成分とが複合化された構造を有することが好ましい。具体的には、上記(a)成分の粒子体をシードとして上記重合性単量体2を用いてシード重合することにより、(a)成分の粒子体の表面に(b)成分による外殻が形成された複合粒子であることが好ましい。
重合体粒子(A)の平均粒子径(Da)は、50〜400nmであることが好ましく、70〜350nmであることがより好ましい。重合体粒子(A)の平均粒子径(Da)が前記範囲であると、負極を形成する際の乾燥工程において密着性が向上する傾向があるため好ましい。さらに、本願発明のバインダー組成物を用いて作製された負極用スラリーが安定化し、凝集物の発生を抑制することができる。また、重合体粒子(A)の平均粒子径(Da)が前記範囲であると、得られる電極は、重合体粒子(A)、負極活物質粒子、集電体の各相互間に十分な数の有効接着点が形成され結着性が向上するため好ましい。
重合体粒子(A)は、JIS K7121に準拠する示差走査熱量測定(DSC)によって測定した場合、−50〜250℃の温度範囲において吸熱ピークを有するものであることが好ましい。この吸熱ピークの温度は、−30〜+30℃の範囲にあることがより好ましい。
重合体粒子(A)の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を用いることができ、例えば特開平7−258499号公報に記載の方法を好ましく使用することができる。
(1)(a)成分を形成するための重合性単量体1を用いて乳化重合を行うことにより粒子状の含フッ素重合体(粒子体)を得る。
(2)次いで、前記粒子体の存在下で(b)成分を形成するための重合性単量体2を用いて乳化重合することにより、前記粒子体の表面に(b)成分による外殻が形成された複合粒子を得る。
本実施の形態に係るバインダー組成物は、液状媒体(B)を含有する。本実施の形態に係るバインダー組成物は、重合体粒子(A)を液状媒体(B)に分散させた分散体(ラテックス、スラリー)であることが好ましい。本実施の形態に係るバインダー組成物が分散体である場合、重合体粒子(A)の含有量は、30〜50質量%であることが好ましく、35〜45質量%であることがより好ましい。
本実施の形態に係るバインダー組成物は、必要に応じてさらに添加剤を添加することができる。このような添加剤としては、例えば、増粘剤、pH調整剤、消泡剤等が挙げられる。
本実施の形態に係る負極用スラリーは、上述のバインダー用組成物と、負極活物質粒子(C)と、を含有するものである。
本実施の形態に係る負極用スラリーに含まれる負極活物質粒子(C)としては、特に制限されず、目的とする蓄電デバイスの種類により適宜最適な材料を選択することができる。例えばリチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタの負極に適用する場合には、リチウムイオンを可逆的に担持できる物質であることが好ましい。このような負極活物質としては、アモルファスカーボン、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、コークス、ソフトカーボン、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、ピッチ系炭素繊維などの炭素材料や、芳香族系縮合ポリマーの熱処理物であって水素原子/炭素原子の原子比が0.50〜0.05であるポリアセン系骨格構造を有するポリアセン系有機半導体(PAS)AXBYOZ(但し、Aはアルカリ金属または遷移金属、Bはコバルト、ニッケル、アルミニウム、スズ、マンガン等の遷移金属から選択される少なくとも1種、Oは酸素原子を表し、X、YおよびZはそれぞれ1.10>X>0.05、4.00>Y>0.85、5.00>Z>1.5の範囲の数である。)で表される複合金属酸化物や酸化珪素及び多結晶珪素、その他の金属酸化物などを挙げることができる。これらの負極活物質粒子は、1種単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができ、これらの中でも低抵抗化の点から黒鉛が好ましい。
本実施の形態に係る負極用スラリーには、必要に応じて、導電剤、増粘剤、分散剤、界面活性剤、消泡剤等の添加剤を添加することができる。導電剤としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、グラファイト、金属粉末等が挙げられる。増粘剤としては、上記「1.3.添加剤」で例示した増粘剤が挙げられる。分散剤としては、ヘキサメタリン酸ナトリウム、トリポリリン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリウム等が挙げられる。界面活性剤としては、ノニオン性またはアニオン性界面活性剤を好適に用いることができる。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用負極は、含フッ素重合体(a)を5〜50質量%および下記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)を50〜95質量%を含有する重合体組成物と、負極活物質粒子(C)と、を含む負極活物質層を備え、前記負極活物質層の密度が1.0g/cm3以上2.0g/cm3以下である。
CH2=CR1COOR2 ・・・・・(1)
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2は炭素数1〜18のアルキル基または炭素数3〜18のシクロアルキル基を表す。)
本実施の形態に係る蓄電デバイス用負極が備える負極活物質層は、上述の負極用スラリーを負極用集電体の表面に塗布・乾燥させて得られた負極活物質層をプレスするなどして密度を1.0g/cm3以上2.0g/cm3以下、好ましくは1.5g/cm3以上1.8g/cm3以下とすることにより作製することができる。また、上述の負極用スラリーを予めシート状に成形した負極活物質層を得た後、得られた負極活物質層をプレスするなどして密度を上記範囲とし、これを集電体等に貼り付ける方法によっても作製することができる。上述の負極用スラリーを用いて作製された負極活物質層の密度が前記範囲にあると、単位体積当たりの充電容量を向上させることができると共に、負極活物質層のクラックの発生を大幅に低減させることができる。
下記に示す(I)と(II)のサンプルを、それぞれ16mmφの円形状に切取り、厚み計(株式会社ミツトヨ社製:DGE−702)を用いて厚み測定を行ない、下記式(4)により集電体表面に形成された負極活物質層の総厚みdCを求める。
(I)集電体表面に負極活物質層を有する集電体
(II)集電体のみ
dC=dA−dB ・・・・・(4)
(式(4)中、dAはサンプル(I)の厚みを示し、dBは(II)の厚みを示す。)
但し、(II)の集電体が開口率α%の多孔箔であり、開口部に負極活物質層が充填されている場合には、dBは開口率を0%とする下記式(5)で求められる換算厚みdB’とする。
dB’=dB×(100−α)/100 ・・・・・(5)
次いで、集電体表面に形成された負極活物質層の体積VCを下記式(6)により求める。
VC=dC×64π ・・・・・(6)
次いで、集電体表面に形成された負極活物質層の重さGCをサンプル(I)の重さからサンプル(II)の重さを減じることで測定し、下記式(7)により負極密度Xを求める。
X=GC/(dC×64π) ・・・・・(7)
負極用集電体としては、電子伝導性に優れれば特に制限されないが、表裏面を貫通する貫通孔を備えたものであることが好ましく、一般に電池に用いられる種々の集電体を用いることができる。負極用集電体の材質としては、ステンレス、銅、ニッケル等が挙げられる。また、大容量の蓄電デバイスを製造する場合には、表裏面を貫通する孔を有する多孔体よりなる集電体を用いることが好ましく、かかる多孔体の具体例としては、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属網、発泡体、エッチングにより貫通孔が形成された多孔質箔等が挙げられる。このような集電体を構成する多孔体の貫通孔の形態、数等は特に限定されず、後述する電解液中のリチウムイオンが集電体に遮断されることなく、負極の表裏間を移動可能なものであることが好ましい。
本実施の形態に係る蓄電デバイスは、上述の蓄電デバイス用負極と、蓄電デバイス用正極と、電解液と、を備えている。本実施の形態に係る蓄電デバイスは、上述の負極および正極が電解液中に浸漬されていれば、その構造・構成等は特に制限されない。本実施の形態に係る蓄電デバイスは、負極活物質層に含フッ素アクリルバインダーが含まれているため、高容量、高エネルギー密度、高出力、低抵抗を有すると共に、高い耐電圧、高い耐久性、高い信頼性を有する。なお、本願において蓄電デバイスの「正極」とは、放電の際に電子が流入する側の極であり、蓄電デバイスの「負極」とは放電の際に電子を放出する側の極をいう。
上記蓄電デバイス用正極としては、特に制限されず、一般の蓄電デバイスに用いられる公知の正極を用いることができる。蓄電デバイス用正極は、上述の蓄電デバイス用負極と同様に、正極用集電体の少なくとも一方の面に正極活物質層が形成された構造を有している。以下、正極活物質層、正極用集電体の順に説明する。
正極活物質層は、正極活物質粒子およびバインダー、並びに必要に応じて使用される導電剤等から製造されることが好ましい。上記正極活物質層の製造に用いられるバインダーとしては、目的とする蓄電デバイスの充放電電位に安定な材料を適時使用することができる。例えば、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)等のゴム系バインダー;ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂;ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアクリレート等を用いることができる。
正極を製造する際に用いられ得る集電体としては、電子伝導性に優れれば特に制限はされないが、表裏面を貫通する貫通孔を備えたものであることが好ましく、一般に電池に用いられる種々の集電体を用いることができる。正極用集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス等が挙げられる。また、大容量の蓄電デバイスを製造する場合には、表裏面を貫通する孔を有する多孔体よりなる集電体を用いることが好ましく、かかる多孔体の具体例としては、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属網、発泡体、エッチングにより貫通孔が形成された多孔質箔等が挙げられる。このような集電体を構成する多孔体の貫通孔の形態、数等は特に限定されず、後述する電解液中の蓄電デバイスが集電体に遮断されることなく、正極の表裏間を移動可能なものであることが好ましい。
前記正極は、正極用集電体、正極活物質粒子およびバインダー組成物、並びに必要に応じて使用される導電剤等から製造されることが好ましい。正極の製造方法は、具体的には、正極活物質粒子、バインダー組成物、および必要に応じて使用される導電剤を、水系媒体中に分散させて正極用スラリーとし、当該スラリーを集電体に塗布し乾燥させる方法や、上記の正極用スラリーを予めシート状に成形し、これを好ましくは導電性接着剤等を使用して集電体に貼り付ける方法等を挙げることができる。
上記電解液は、通常、溶媒中に電解質を溶解させた溶液の状態で用いられる。前記電解質としては、リチウムイオンを生成することのできるものであれば、特に限定されず、例えばLiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(FSO2)2等が挙げられる。
本実施の形態に係る蓄電デバイスは、正極と負極との間を電気的に絶縁させて電解液(電解質)を保持する観点から、正極と負極との間にセパレータを備えることができる。セパレータとしては、例えば、セルロース、レーヨン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、セルロース/レーヨン等からなる不織布や、多孔質のフィルム等を用いることができる。セパレータの厚みは、特に限定されないが、例えば20〜50μmである。
本実施の形態に係る蓄電デバイスは、上述の蓄電デバイス用負極を備えるために、負極活物質粒子間の結着が効果的に行われ、抵抗値が上がりにくく、容量が向上した蓄電デバイスを工業的に有利に生産することができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。実施例、比較例中の「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準である。
5.1.1.バインダー組成物の作製
電磁式撹拌機を備えた内容積約6リットルのオートクレーブの内部を窒素置換した後、該オートクレーブ内に脱酸素した純水2.5リットル、および乳化剤としてパーフルオロデカン酸アンモニウム25gを仕込み、350rpmで撹拌しながら60℃まで昇温させた。次いで、フッ化ビニリデン(VDF(登録商標))70%、および六フッ化プロピレン(HFP)30%からなる混合ガスを、内圧が20kg/cm2Gに達するまで仕込んだ。その後、重合開始剤としてジイソプロピルパーオキシジカーボネートを20%含有するフロン113溶液25gを、窒素ガスを使用して圧入し、重合を開始させた。重合中は、内圧が20kg/cm2Gに維持されるようVDF(登録商標)60.2%およびHFP39.8%からなる混合ガスを逐次圧入した。また、重合が進行するに従って重合速度が低下するため、3時間経過後に、先と同量の重合開始剤を、窒素ガスを使用して圧入し、さらに3時間反応を継続させた。その後、反応液を冷却すると共に撹拌を停止し、未反応の単量体を放出して反応を停止させ、含フッ素重合体よりなる平均粒子径が120nmである微粒子を含有するラテックスを得た。
炭素粉末(50%体積累積径(D50)4.5μm)95質量部およびカルボキシメチルセルロース5質量部にイオン交換水を加えて混合し、固形分濃度30%のスラリー(以下、「導電塗料(1)」ともいう)を作製した。
粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製、製品名「LA−950V2」)で測定した50%体積累積径(D50)が4.5μmの人造微粒黒鉛(昭和電工株式会社製、製品名「UF−G5」)87質量部、およびアセチレンブラック粉体4質量部をプラネタリーミキサー内で均一混合した後、イオン交換水68質量部および10%カルボキシメチルセルロース水溶液をカルボキシメチルセルロース固形分換算で3質量部加え、液状化するまで混練した。最後に「5.1.1.バインダー組成物の作製」の項で作製したバインダー組成物[1]6質量部、およびイオン交換水1.5質量部を加えて混合攪拌機にて充分混合することによりスラリー(以下、「負極用スラリー(1)」ともいう)を得た。
上記で得られた正極および負極それぞれを減圧乾燥した。乾燥後、正極と負極とを35μmの厚みのセルロース系セパレータを介して積層した。積層した正極、負極それぞれの未塗工部に、正極用端子および負極用端子をそれぞれ溶接した(以下、これらを「電極積層体」ともいう)。
5.1.5.1.内部直流抵抗値の測定(25℃)
作製したセルについて、0.2Aの定電流でセル電圧が3.8Vとなるまで25℃で充電し、その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を1時間行った。次いで、0.2Aの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電させた(以下「25℃での3.8V−2.2Vのサイクル」ともいう)。この25℃での3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、3回目の放電において、放電容量、放電開始前から0.1秒後の電圧降下に基づいて算出した内部直流抵抗値を測定した。
−30℃の放電負荷は、まず室温にて蓄電デバイスの電圧を2.2Vに調整し、充放電試験機に接続したまま恒温槽内に静置した。恒温槽表示温度が−30℃に達してから3時間以上経過した後に、充放電を実施することで試験を開始した。−30℃における放電負荷特性は、3.8Vの電圧まで0.03Aの電流値で定電流定電圧充電を30分実施し、その後に、電流値を変えながら電圧2.2Vに到達するまでの定電流放電を繰り返した(以下「−30℃での3.8V−2.2Vのサイクル」ともいう)。この−30℃での3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、3回目の放電において、放電容量、放電開始前から0.1秒後の電圧降下に基づいて算出した内部直流抵抗値を測定した。
なお、25℃および−30℃での、内部直流抵抗値は、各実施例において4個の蓄電デバイスに関して測定し、4個の蓄電デバイスでの平均値を採用した。
作製した負極を、幅2cm×長さ10cmの極板に切り出し、幅方向に直径2mmの丸棒に沿って負極板を折り曲げ回数100回にて繰り返し折り曲げ試験を行った。丸棒に沿った部分のクラックの大きさを目視により観察し計測し、クラック率を測定した。クラック率は、下記数式(8)によって定義した。
クラック率(%)={クラックの入った長さ(mm)÷極板全体の長さ(mm)}×100 ・・・・・(8)
ここで、柔軟性や密着性に優れた電極板はクラック率が低い。クラック率は0%であることが望ましいが、セパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群を製造する場合には、クラック率が20%までなら許容される。しかしながら、クラック率が10%より大きくなると、電極が切れ易くなり極板群の製造が不可能となり、極板群の生産性が低下する。このことから、クラック率の閾値として10%までが良好な範囲であると考えられる。クラック率の測定結果を表1に併せて示した。
実施例1における含フッ素重合体以外の単量体の比率を維持しながら、この単量体と実施例1で作製した含フッ素重合体との含有割合を適宜変化させて、表1〜表2に記載のバインダー組成物[2]を調製した。また、下記のようにして、バインダー組成物[5]及び[6]を得た。
・バインダー組成物[5]:アクリル酸2−エチルヘキシル/アクリロニトリルの共重合重量比が7:3である重合体粒子が、水を分散媒体として分散したエマルジョン。組成物の全体重量に対して重合体は40質量%含有されている。重合体粒子のガラス転移温度(Tg)は−40℃、粘度は50mPa・sで、pH=8のバインダーである。
・バインダー組成物[6]:SBRを重合体粒子として含有する市販の電極用バインダー組成物(JSR株式会社製、型番「TRD2001」)。
5.3.1.正極の製造
二軸型プラネタリーミキサー(プライミクス株式会社製、製品名「TKハイビスミックス 2P−03」)中に、電気化学デバイス電極用バインダー(株式会社クレハ製、商品名「KFポリマー#1120」)4.0質量部(固形分換算)、導電助剤(電気化学工業株式会社製、商品名「デンカブラック50%プレス品」)3.0質量部、正極活物質として粒径5μmのLiCoO2(ハヤシ化成株式会社製)100質量部(固形分換算)およびN−メチルピロリドン(NMP)36質量部を投入し、60rpmで2時間攪拌を行った。得られたペーストにNMPを追加して固形分濃度を65%に調製した後、攪拌脱泡機(株式会社シンキー製、製品名「あわとり練太郎」)を使用して、200rpmで2分間、1800rpmで5分間、さらに真空下において1800rpmで1.5分間攪拌混合することにより、正極用スラリーを調製した。
リチウムイオン電池用の負極スラリーは、リチウムイオンキャパシタの負極用スラリー(1)と同様に作製した。
露点が−80℃以下となるようAr置換されたグローブボックス内で、上記で製造した負極を直径15.95mmに打ち抜き成型したものを、2極式コインセル(宝泉株式会社製、商品名「HSフラットセル」)上に載置した。次いで、直径24mmに打ち抜いたポリプロピレン製多孔膜からなるセパレータ(セルガード株式会社製、商品名「セルガード#2400」)を載置し、さらに、空気が入らないように電解液を500μL注入した後、製造した正極を直径16.16mmに打ち抜き成型したものを載置し、前記2極式コインセルの外装ボディーをネジで閉めて封止することにより、リチウムイオン電池セル(LIB)を組み立てた。ここで使用した電解液は、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=1/1(質量比)の溶媒に、LiPF6を1モル/Lの濃度で溶解した溶液である。作製したリチウムイオン電池セル(LIB)について、実施例1と同様にして評価を行った。
実施例1における含フッ素重合体以外の単量体の比率を維持しながら、この単量体と実施例1で作製した含フッ素重合体との含有割合を適宜変化させて、表1〜表2に記載のバインダー組成物[2]〜[4]を調製した。実施例5〜7および比較例5〜8に関して、表1〜表2に記載のバインダー組成物[2]〜[4]または上記バインダー組成物[5]〜[6]を用いて負極用スラリーを作製し、負極活物質粒子(C)を表1〜表2に記載の材料に変更し、さらに負極作製時のプレス圧力を適時変化させて負極活物質密度を調整した以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。
・人造微粒黒鉛:昭和電工株式会社製、製品名「UF−G5」、D50=4.5μm
・黒鉛:関東化学株式会社製、製品名「黒鉛末」をD50=15μmまで粉砕したもの
・人造黒鉛:昭和電工株式会社製、製品名「SCMG」、D50=22μm
得られた評価結果を表1〜表2に示す。
Claims (2)
- 含フッ素重合体(a)を5〜50質量%および下記一般式(1)で表される単量体に由来する繰り返し単位を含有する重合体(b)を50〜95質量%を含有する重合体粒子(A)を水性媒体に分散させた重合体組成物と、負極活物質粒子(C)と、を含む負極用スラリーを負極用集電体の表面に塗布・乾燥させて得られた負極活物質層を備え、
前記負極活物質層の密度が1.0g/cm3以上2.0g/cm3以下である、蓄電デバイス用負極の製造方法。
CH2=CR1COOR2 ・・・・・(1)
(式中、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2は炭素数1〜18のアルキル基または炭素数3〜18のシクロアルキル基を表す。) - 請求項1に記載の蓄電デバイス用負極の製造方法を含む蓄電デバイスの製造方法。
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