JP6273948B2 - 電気化学素子電極用導電性接着剤組成物、接着剤層付集電体および電気化学素子用電極 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には電極組成物層を形成するための電極組成物用スラリーに導電材としてグラフェンを用いることが記載されている。
(1) 導電性カーボン、粒子状結着樹脂、分散媒を含んでなり、前記導電性カーボンが単層グラフェン及び多層グラフェンの少なくとも一方を含み、前記粒子状結着樹脂が二塩基酸単量体単位を含む、電気化学素子電極用導電性接着剤組成物、
(2) 前記導電性カーボン100質量部に対する前記単層グラフェン及び前記多層グラフェンの含有量の合計が1〜10質量部である(1)に記載の電気化学素子電極用導電性接着剤組成物、
(3) 前記粒子状結着樹脂100質量部に対する前記二塩基酸単量体単位の含有量が0.1〜5.0質量部である(1)に記載の電気化学素子電極用導電性接着剤組成物、
(4) 集電体上に、(1)〜(3)の何れかに記載の電気化学素子電極用導電性接着剤組成物を塗布・乾燥することにより形成してなる導電性接着剤層を有する、接着剤層付集電体、
(5) (4)に記載の接着剤層付集電体の前記導電性接着剤層上に形成された、電極活物質を含む電極組成物層を有する、電気化学素子用電極
が提供される。
本発明に係る電気化学素子電極用導電性接着剤組成物(以下、単に「接着剤組成物」と記載することがある。)に用いられる導電性カーボンは、単層グラフェン及び多層グラフェンの少なくとも一方を含む。導電性カーボンが単層グラフェン及び/または多層グラフェンを含むことにより、スラリー状の接着剤組成物の静置時における構造粘性が高まり沈降安定性が高まる。ここで、グラフェンは単層のグラフェン、又は2層以上100層以下の多層グラフェンを含むものである。また、単層グラフェンとは、π結合を有する1原子層の炭素分子のシートのことをいう。
また、本発明に用いる導電性カーボンは単層グラフェン及び/または多層グラフェンに加えて他の炭素粒子を含んでいてもよい。炭素粒子とは、炭素のみからなるか、又は実質的に炭素のみからなる粒子である。その具体例としては、グラファイト(具体的には天然黒鉛、人造黒鉛など)カーボンブラック(具体的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、その他のファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラックなど)、炭素繊維やカーボンナノチューブ、カーボンウィスカーが挙げられる。これらの中でも、他の炭素粒子として、グラファイト、カーボンブラックを用いることが好ましく、グラファイト及びカーボンブラックを併用することがより好ましい。単層グラフェン及び/または多層グラフェン、グラファイトとカーボンブラックとを併用することにより、接着剤組成物の構造安定性が向上し、沈降安定性が高まるため、連続塗工性を向上させることができる。
本発明の接着剤組成物に用いる粒子状結着樹脂は、二塩基酸単量体単位を含み、導電性カーボンを相互に結着させることができる化合物であれば特に制限はない。粒子形状は真球状であっても、楕円球状であってもよく、その他の異形形状であってもよいが、球形度の高い形状であることが好ましい。
二塩基酸単量体としては、たとえばイタコン酸、マレイン酸、フマル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸などのエチレン性不飽和多価カルボン酸およびそれらの無水物;フマル酸モノブチル、マレイン酸モノブチル、マレイン酸モノ2−ヒドロキシプロピルなどのエチレン性不飽和多価カルボン酸の部分エステル化物;などが挙げられる。これらの中でもイタコン酸、マレイン酸が特に好ましい。これらの二塩基酸単量体は一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
粒子状結着樹脂の製法は特に限定はされないが、上述したように、各共重合体を構成する単量体を含む単量体混合物を、それぞれ乳化重合して得ることができる。乳化重合の方法としては、特に限定されず、従来公知の乳化重合法を採用すれば良い。
重合開始剤の使用量は、重合に使用する単量体混合物の全量100質量部に対して、好ましくは0.05〜5質量部、より好ましくは0.1〜2質量部である。
本発明に係る電気化学素子電極用導電性接着剤組成物は、上記した導電性カーボン、粒子状結着樹脂が分散媒に分散されたスラリー状の組成物である。ここで分散媒は、上記各成分を均一に分散でき、安定的に分散状態を保ちうる限り、水、各種有機溶媒が特に制限されることなく使用できる。製造工程の簡素化の観点から、上記の乳化重合後に溶媒置換などの操作を行うことなく、直接接着剤組成物を製造することが好ましく、分散媒としては乳化重合時の反応溶媒を使用することが望ましい。乳化重合時には、水が反応溶媒として用いられることが多く、また作業環境の観点からも水を分散媒とすることが特に好ましい。
本発明の電気化学素子電極用導電性接着剤組成物は、単層グラフェン及び多層グラフェンの少なくとも一方を含む導電性カーボン、二塩基酸単量体単位を含む粒子状結着樹脂、及び分散媒を含み、各成分の含有割合は特に限定はされないが、接着剤組成物における粒子状結着樹脂の含有量は、全導電性カーボン100質量部に対して、好ましくは10〜100質量部、より好ましくは15〜80質量部、さらに好ましくは20〜60質量部である。粒子状結着樹脂の量が多すぎると、接着剤組成物により形成される導電性接着剤層の電気抵抗が高くなりすぎる。また、粒子状結着樹脂の量が少なすぎると、接着剤組成物により形成される導電性接着剤層と、アルミニウム等からなる集電体との密着性が低下する。
本発明の接着剤層付集電体は、例えば、上記の接着剤組成物を集電体上に塗布乾燥することにより得られる。即ち、接着剤組成物を集電体上に塗布、乾燥することにより導電性接着剤層が形成される。
集電体の厚みは、5〜100μmで、好ましくは10〜70μm、特に好ましくは15〜50μmである。
本発明の電気化学素子用電極は、上記接着剤層付集電体の導電性接着剤層上に電極組成物層を有する。電極組成物層は、電極活物質と電極用導電材および電極用バインダーとからなり、これら成分を含むスラリーから調整される。
電極活物質は負極活物質であってもよく、また正極活物質であってもよい。電極活物質は、電池内で電子の受け渡しをする物質である。電極活物質の体積平均粒子径は、正極、負極ともに好ましくは0.01〜100μm、より好ましくは0.05〜50μm、さらに好ましくは0.1〜20μmである。これらの電極活物質は、それぞれ単独でまたは二種類以上を組み合わせて使用することができる。
電極用導電材は、導電性を有し、電気二重層を形成し得る細孔を有さない、粒子状の炭素の同素体からなり、具体的には、カーボンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、及びケッチェンブラック(アクゾノーベルケミカルズベスローテンフェンノートシャップ社の登録商標)などの導電性カーボンが挙げられる。これらの中でも、アセチレンブラックおよびファーネスブラックが好ましい。
電極用バインダーは、電極活物質、電極用導電材を相互に結着させることができる化合物であれば特に制限はない。好適な電極用バインダーは、溶媒に分散する性質のある分散型バインダーである。分散型バインダーとして、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリル系重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン系重合体等の高分子化合物が挙げられ、フッ素系重合体、ジエン系重合体又はアクリル系重合体が好ましく、ジエン系重合体又はアクリル系重合体が、耐電圧を高くでき、かつリチウムイオン二次電池のエネルギー密度を高くすることができる点でより好ましい。
電極組成物層は、導電性接着剤層上に設けられるが、その形成方法は制限されない。電極形成用組成物は、電極活物質及び電極用バインダーを必須成分として、必要に応じて電極用導電材、その他の分散剤および添加剤を配合することができる。その他の分散剤の具体例としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロースおよびヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系ポリマー、ならびにこれらのアンモニウム塩またはアルカリ金属塩;ポリ(メタ)アクリル酸ナトリウムなどのポリ(メタ)アクリル酸塩;ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリカルボン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプンなどが挙げられる。なお、本発明において、「(メタ)アクリル」は、「アクリル」又は「メタアクリル」を意味する。
電気化学素子用電極の使用態様としては、かかる電極を用いたリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、ナトリウム電池、マグネシウム電池などが挙げられ、リチウムイオン二次電池が好適である。たとえばリチウムイオン二次電池は、上記電気化学素子用電極、セパレーターおよび電解液で構成される。
セパレーターは、電気化学素子用電極の間を絶縁でき、陽イオンおよび陰イオンを通過させることができるものであれば特に限定されない。具体的には、(a)気孔部を有する多孔性セパレーター、(b)片面または両面に高分子コート層が形成された多孔性セパレーター、または(c)無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート層が形成された多孔性セパレーターが挙げられる。これらの非制限的な例としては、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリオレフィン系、またはアラミド系多孔性セパレーター、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体などの固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用の高分子フィルム、ゲル化高分子コート層がコートされたセパレーター、または無機フィラー、無機フィラー用分散剤からなる多孔膜層がコートされたセパレーターなどを用いることができる。セパレーターは、上記一対の電極組成物層が対向するように、電気化学素子用電極の間に配置され、素子が得られる。セパレーターの厚みは、使用目的に応じて適宜選択されるが、好ましくは1〜100μm、より好ましくは10〜80μm、さらに好ましくは20〜60μmである。
電解液は、特に限定されないが、例えば、非水系の溶媒に支持電解質としてリチウム塩を溶解したものが使用できる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどのリチウム塩が挙げられる。特に溶媒に溶けやすく高い解離度を示すLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liは好適に用いられる。これらは、単独、または2種以上を混合して用いることができる。支持電解質の量は、電解液に対して、好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上、また好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。支持電解質の量が少なすぎても多すぎてもイオン導電度は低下し電池の充電特性、放電特性が低下する。
高さ60cmの円筒状ガラス容器に導電性接着剤組成物を底からの高さ50cmまで入れ23℃環境下で24時間静置した。液面からの高さ5cmの部分から採取した液の固形分濃度C1と底からの高さ5cmの部分から採取した液の固形分濃度C2をそれぞれ乾燥減量法で測定し、下記式により沈降安定性を求め、以下の基準により評価した。この値が大きいほど、沈降安定性に優れることを示す。結果を表1に示す。
沈降安定性=C1/C2
A:沈降安定性が0.5以上
B:沈降安定性が0.25以上0.5未満
C:沈降安定性が0.1以上0.25未満
D:沈降安定性が0.1未満
まず、製造直後の導電性接着剤組成物の粒度分布(体積分布)を測定し、D90(1)を求めた。次に、密閉容器に移し、23℃で14日間静置した。容器を軽く振り混ぜ、粒度分布を再測定し、D90(2)を求めた。下記式により凝集安定性を求め、以下の基準により評価した。この値が大きいほど、凝集安定性に優れることを示す。結果を表1に示す。
凝集安定性=D90(1)/D90(2)
A:凝集安定性が0.8以上
B:凝集安定性が0.7以上0.8未満
C:凝集安定性が0.6以上0.7未満
D:凝集安定性が0.6未満
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、5時間静置し0.2Cの定電流法によってセル電圧3.65Vまで充電し、その後60℃で12時間エージングし、0.2Cの定電流法によってセル電圧2.75Vまで放電を行った。さらに、60℃環境下で1Cの定電流法によって4.2Vに充電し、3.0Vまで放電する充放電を、200サイクル繰り返し行った。そのときの1サイクル目の容量、すなわち初期放電容量X1、および200サイクル目の放電容量X2を測定し、下記式により放電容量保持率を求め、以下の基準により評価した。この放電容量保持率の値が高いほど、高温サイクル特性に優れることを示す。
放電容量保持率(%)=(X2/X1)×100
A:放電容量保持率が85%以上
B:放電容量保持率が80%以上85%未満
C:放電容量保持率が75%以上80%未満
D:放電容量保持率が75%未満
(粒子状結着樹脂A1の製造)
重合缶Aにイオン交換水130部を加え、更に重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.8部、およびイオン交換水10部を加え、80℃に加温した。また、別の重合缶Bに2−エチルヘキシルアクリレート77部、アクリロニトリル20部、イタコン酸3部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム2部、及びイオン交換水377部を加え、十分に攪拌してエマルションを調製した。重合缶Bで得られたエマルションを、重合缶Aに180分かけて連続的に添加した。更に80℃に維持しながら重合転化率が98%に達するまで重合反応を継続した。冷却して反応を停止し、粒子状結着樹脂(A1)の水分散液を得た。得られた粒子状結着樹脂(A1)の体積平均粒子径は150nmであった。
容器に黒鉛47.5部、カーボンブラック47.5部、および平面方向の平均径15μmで面と垂直方向の平均厚み6nmの多層グラフェン5部、カルボキシメチルセルロース5部(ダイセルファインケム社製、DN−10L)、粒子状結着樹脂(A1)を固形分相当で30部、及びイオン交換水を全固形分濃度が23%となるように混合し、高圧分散装置(常光社製、JN−100)を用いて高圧分散処理し導電性接着剤組成物(粘度150mPa・s)を得た。得られた導電性接着剤組成物について、沈降安定性および凝集安定性を評価した。
前記接着剤組成物を、厚さ15μmのアルミニウム集電体の上に、乾燥後の厚さが1.5μmとなるようにグラビアコーターを用いて50m/minの速度で塗布し、100℃の乾燥炉で乾燥し、導電性接着剤層付きアルミニウム集電体を得た。
プラネタリーミキサーにコバルト酸リチウム100部、アセチレンブラック2部(電気化学工業社製、HS−100)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)2部(クレハ社製、KF−1100)、さらに全固形分濃度が67%となるようにN−メチル−2−ピロリドンを加えて混合し、正極用スラリー組成物を調製した。上記正極用のスラリー組成物を、前記導電性接着剤層付きアルミニウム集電体の上に19.0〜20.0mg/cm2となるように塗布し、60℃で2分間、引き続き120℃にて2分間加熱処理して正極原反を得た。この正極原反をロールプレス機にてプレス後の密度が3.4〜3.5g/cm3となるようにプレスし、さらに水分の除去を目的として、真空条件下120℃の環境に3時間置き、正極を得た。得られた正極を4.0cm×4.0cmの正方形に打ち抜き、リチウムイオン二次電池用正極をとした。
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに人造黒鉛100部、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液を固形分相当で1部(第一工業製薬社製、BSH−12)、及びイオン交換水を入れ固形分濃度55%に調整した後、25℃で60分間混合した。次に、イオン交換水で固形分濃度52%に調整した。その後、さらに25℃で15分間混合し混合液を得た。上記混合液に、スチレン−ブタジエン共重合体(ガラス転移点温度が−15℃)を含む40%水分散液を固形分相当で1部、及びイオン交換水を入れ、固形分濃度50%に調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して、流動性の良い負極用のスラリー組成物を調整した。上記負極用のスラリー組成物を、厚さ20μmの銅集電体の上に8.5〜9.5mg/cm2となるように塗布し、60℃で2分間、引き続き120℃にて2分間加熱処理して負極原反を得た。この負極原反をロールプレス機にて密度が1.4〜1.5g/cm3となるようにプレスし、負極を得た。得られた負極を4.2cm×4.2cmの正方形に打ち抜き、リチウムイオン二次電池用負極とした。
単層のポリプロピレン製セパレーター(幅65mm、長さ500mm、厚さ25μm、乾式法により製造、気孔率55%)を用意し、5.0cm×5.0cmの正方形に切り抜いた。また、電池の外装としてアルミニウム包材外装を用意した。上記で得られた正極を集電体側の表面がアルミニウム包材外装に接するように配置した。次に、正極の電極組成物層の面上に、上記のセパレーターを配置した。さらに、上記で得られた負極をセパレーター上に、電極組成物層側の表面がセパレーターに向かい合うよう配置した。その後、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒はエチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7(体積比)の混合溶媒、添加剤としてビニレンカーボネート2体積%(溶媒比)含有)を充填した。さらに、アルミニウム包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミニウム外装を閉口し、リチウムイオン二次電池を製造した。得られたリチウムイオン二次電池について、高温サイクル特性を評価した。
(接着剤組成物の製造)
容器に黒鉛49部、カーボンブラック49部、および平面方向の平均径15μmで面と垂直方向の平均厚み6nmの多層グラフェン2部、カルボキシメチルセルロース5部(ダイセルファインケム社製、DN−10L)、粒子状結着樹脂(A1)を固形分相当で30部、及びイオン交換水を全固形分濃度が24%となるように混合し、高圧分散装置(常光社製、JN−100)を用いて高圧分散処理し導電性接着剤組成物(粘度140mPa・s)を得た。得られた導電性接着剤組成物について、沈降安定性および凝集安定性を評価した。また、得られた接着剤組成物を用いて、実施例1と同様に導電性接着剤層の形成、電極の製造及びリチウムイオン二次電池の製造を行った。得られたリチウムイオン二次電池について、高温サイクル特性を評価した。
(接着剤組成物の製造)
容器に黒鉛46部、カーボンブラック46部、単層グラフェン0.2部、平面方向の平均径15μmで面と垂直方向の平均厚み6nmの多層グラフェン7.8部、カルボキシメチルセルロース5部(ダイセルファインケム社製、DN−10L)、粒子状結着樹脂(A1)を固形分相当で30部、及びイオン交換水を全固形分濃度が22%となるように混合し、高圧分散装置(常光社製、JN−100)を用いて高圧分散処理し導電性接着剤組成物(粘度170mPa・s)を得た。得られた導電性接着剤組成物について、沈降安定性および凝集安定性を評価した。また、得られた接着剤組成物を用いて、実施例1と同様に導電性接着剤層の形成、電極の製造及びリチウムイオン二次電池の製造を行った。得られたリチウムイオン二次電池について、高温サイクル特性を評価した。
(粒子状結着樹脂A2の製造)
重合缶Aにイタコン酸1部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1部、およびイオン交換水80部を加えて十分攪拌した。また、別の重合缶Bにブタジエン50部、スチレン48部、イタコン酸1部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1部、およびイオン交換水45部を加えて攪拌しエマルションを調整した。その後、重合缶Aを70℃とし、重合缶Bで調整したエマルションのうち1/30を、重合缶Bから重合缶Aに連続的に添加した。その5分後に、重合缶Aに重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.5部、およびイオン交換水10部を添加し、重合缶Bの残りのエマルションを300分かけて重合缶Aに連続的に添加した。更に70℃に維持しながら重合転化率が95%に達するまで重合反応を継続した。冷却して反応を停止し、粒子状結着樹脂(A2)の水分散液を得た。得られた粒子状結着樹脂(A2)の体積平均粒子径は100nmであった。
(粒子状結着樹脂A3の製造)
重合缶Aにイオン交換水130部を加え、更に重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.8部、およびイオン交換水10部を加え、80℃に加温した。また、別の重合缶Bに2−エチルヘキシルアクリレート77部、アクリロニトリル22.5部、イタコン酸0.5部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム2部、及びイオン交換水377部を加え、十分に攪拌してエマルションを調製した。重合缶Bで得られたエマルションを、重合缶Aに180分かけて連続的に添加した。更に80℃に維持しながら重合転化率が98%に達するまで重合反応を継続した。冷却して反応を停止し、粒子状結着樹脂(A3)の水分散液を得た。得られた粒子状結着樹脂(A3)の体積平均粒子径は145nmであった。
(粒子状結着樹脂A4の製造)
重合缶Aにイオン交換水130部を加え、更に重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.8部、およびイオン交換水10部を加え、80℃に加温した。また、別の重合缶Bに2−エチルヘキシルアクリレート80部、アクリロニトリル16部、マレイン酸4部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム2部、及びイオン交換水377部を加え、十分に攪拌してエマルションを調製した。重合缶Bで得られたエマルションを、重合缶Aに180分かけて連続的に添加した。更に80℃に維持しながら重合転化率が98%に達するまで重合反応を継続した。冷却して反応を停止し、粒子状結着樹脂(A4)の水分散液を得た。得られた粒子状結着樹脂(A4)の体積平均粒子径は175nmであった。
接着剤組成物の製造において、黒鉛50部、カーボンブラック50部とし、多層グラフェンを用いず、イオン交換水を全固形分濃度が25%となるように混合した以外は、実施例1と同様に接着剤組成物の製造を行い、導電性接着剤組成物(粘度160mPa・s)を得た。得られた導電性接着剤組成物について、沈降安定性および凝集安定性を評価した。また、得られた接着剤組成物を用いて、実施例1と同様に導電性接着剤層の形成、電極の製造及びリチウムイオン二次電池の製造を行った。得られたリチウムイオン二次電池について、高温サイクル特性を評価した。
(粒子状結着樹脂A5の製造)
重合缶Aにスチレン85部、1,3−ブタジエン13部、メタクリル酸2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5 部、イオン交換水150部、及び重合開始剤として過硫酸カリウム1部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。モノマー消費量が95%になった時点で冷却して反応を停止し、粒子状結着樹脂(A5)の水分散液を得た。得られた粒子状結着樹脂(A5)の体積平均粒子径は120nmであった。
Claims (3)
- 導電性カーボン、粒子状結着樹脂、分散媒を含んでなり、
前記導電性カーボンが少なくとも多層グラフェンを含み、
前記粒子状結着樹脂が二塩基酸単量体単位を含み、
前記導電性カーボン100質量部に対する単層グラフェン及び前記多層グラフェンの含有量の合計が2〜8質量部であり、
前記粒子状結着樹脂100質量部に対する前記二塩基酸単量体単位の含有量が0.5〜4質量部である電気化学素子電極用導電性接着剤組成物。 - 集電体上に、請求項1に記載の電気化学素子電極用導電性接着剤組成物を塗布・乾燥することにより形成してなる導電性接着剤層を有する、接着剤層付集電体。
- 請求項2に記載の接着剤層付集電体の前記導電性接着剤層上に形成された、電極活物質を含む電極組成物層を有する、電気化学素子用電極。
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