JP6472660B2 - リチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法 - Google Patents
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Description
[2]前記の撹拌する工程には、前記分散質に増粘剤溶液を加えて撹拌する工程、その後さらに増粘剤溶液を加えて撹拌することを1回または2回以上繰り返す工程を含む前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[3]前記の撹拌する工程が、
前記分散質の全量を撹拌機に投入する工程、次いで、
前記撹拌機に増粘剤溶液を投入し撹拌することを2回以上繰り返す工程
からなる前記2に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[4]最初の撹拌工程において投入する増粘剤溶液の量が、増粘剤溶液の総使用量の5〜40質量%である前記3に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[5]増粘剤溶液の溶媒が水を含む前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[6]増粘剤溶液と分散質とを含有する混合物を撹拌する前記工程の後に、バインダー液を投入して撹拌する工程を有する前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[7]前記負極活物質が、非黒鉛系炭素材料及び黒鉛系炭素材料からなる群より選ばれる1種以上である前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[8]負極活物質のレーザー回析法による体積基準の平均粒子径(D50)が1〜50μmである前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[9]前記バインダー液に含まれるバインダー成分が、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンアクリル酸エステル(St−Ac)、ポリアクリロニトリル(PAN)及びポリアミドイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種である前記6に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[10]前記分散質が導電助剤を含む前記1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
[11]前記1〜10のいずれかの方法で製造したリチウムイオン二次電池負極用スラリーであって、グラインドゲージを使用しJIS K5600−2−5に準拠して測定される粒子サイズが、負極活物質のレーザー回析法による体積基準の90%の累積粒子径(D90)以下であるリチウムイオン二次電池負極用スラリー。
[12]前記11に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーを集電体に塗布し乾燥することにより得られるリチウムイオン二次電池負極用極板。
[13]前記11または12に記載のリチウムイオン二次電池負極用極板を含むリチウムイオン二次電池。
分散質は負極活物質を含み、任意成分として導電助剤等を含むことができる。
1−1.負極活物質
負極活物質とは、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用できる材料、具体的には電気化学的にイオンを吸蔵及び放出する能力を有する材料であれば特に制限はない。
負極活物質の比表面積はできるだけ高い方が分散媒との濡れ性が改善され、扱いやすく、電極強度や電解液保持性の観点からも有利である。具体的には、比表面積が1m2/g以上が好ましい。一方、比表面積が高すぎると、電解液と副反応を起こしやすくなるため、比表面積の上限は7m2/gであることが好ましい。より好ましい比表面積の範囲は、1.0〜7.0m2/gであり、さらに好ましくは1.5〜6.0m2/gである。
本明細書において比表面積とは、特に注釈のある場合を除き、BET法で測定される比表面積のことを表す。
炭素を含む材料としては、非黒鉛系炭素材料、黒鉛系炭素材料またはそれらの混合物が挙げられ、具体的には、人造黒鉛、天然黒鉛、非晶質黒鉛、ソフトカーボン及びハードカーボンなどがある。
任意成分としての導電助剤には、炭素繊維、カーボンブラックまたはその混合物が含まれる。
カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック及びケッチンブラックなどが使用でき、その平均一次粒子径は10〜100nm、比表面積は10〜100m2/gのものが好ましい。
炭素繊維としては、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバーなどが使用でき、その平均繊維径は5〜500nm、平均繊維長は0.5〜100μm、比表面積は1〜300m2/gのものが好ましい。
増粘剤溶液は、スラリーの粘度を調整するために用いる。
増粘剤としては、例えばポリエチレングリコール類、セルロース類、ポリアクリルアミド類、ポリN−ビニルアミド類、ポリN−ビニルピロリドン類等が挙げられる。これらの中でも、ポリエチレングリコール類、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース類等が好ましく、CMCが特に好ましい。増粘剤の配合量は、前記分散質を100質量部とした場合、0.1〜10質量部が好ましく、0.3〜3質量部がより好ましい。
増粘剤溶液の溶媒は水、アルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール等)等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いることもできる。好ましい溶媒は水である。
増粘剤溶液中の増粘剤の濃度は、粘度として室温で50〜5000mPa・s、好ましくは100〜3000mPa・sとできる濃度であり、通常0.5〜5質量%の範囲が好ましい。
前記増粘剤溶液と前記分散質とを含有する混合物を撹拌する。
前記混合物は、撹拌時において、分散質の比表面積を加重平均した値(α)(m2/g)と固形分比率(β)との積(α×β)が1.3以上であることが好ましい。より好ましくは、前記積が2.0以上であり、更に好ましくは前記積が2.4以上である。前記積の上限は特に限定されないが、7.0以下が好ましく、より好ましくは6.0以下である。
また、「固形分比率(β)」とは、投入した総質量のうち分散媒の質量を差し引いたものの割合を意味し、スラリーを塗布乾燥させた後に残る固形分の割合である。固形分には、前記分散質の他、増粘剤や後述するバインダー成分も含まれる。この比率の値は0〜1の範囲である。なお、前記分散質には、増粘剤及び後述するバインダーは含まれない。
本明細書で言う分散媒とは、スラリーを製造するために使用される液状成分であって、増粘剤やバインダーを含まないものであり、スラリーを塗布乾燥することによりそのほとんどが除去されるものである。
分散質の全量を撹拌機に投入する工程、次いで、
前記撹拌機に増粘剤溶液を投入し撹拌することを2回以上繰り返す工程
からなる。この場合、2回目の撹拌は1回目の撹拌時に比べて投入する増粘剤溶液の合計量が多い状態で行なわれるため、2回目の撹拌時の混合物の前記積は1回目のそれよりも小さくなる。
増粘剤溶液投入及び撹拌を複数回行なうことにより、前記分散質の凝集をより抑制することが可能となる。
前記繰返し数は2回以上であればよいが、3回以上行うことで、凝集がさらに抑制されるので好ましい。上限は特にないが、多すぎると経済的に不利となるため好ましくは5回以下であり、さらに好ましくは4回以下である。
本発明の好ましい実施態様においては、前記の撹拌工程の後、バインダー液を添加し撹拌することができる。バインダー液を添加して撹拌することにより塗工・乾燥後極板の集電箔/合剤層界面が結着する。
バインダー液は、スラリー製造工程の最終段階で添加することが好ましく、バインダー液添加後の撹拌時間は120分以内が好ましい。バインダー液を添加した後に長時間撹拌するとスラリー中で凝集が発生する場合がある。
上記方法で得られるリチウムイオン二次電池負極用スラリーは、電極活物質等の分散質が良好に分散して存在するため、スラリー中に分散質の凝集体がほとんど存在しない。
凝集体が存在するかどうかは、グラインドゲージを用いてJIS K5600−2−5に準拠して測定される粒子サイズを評価する方法により評価することができる。上記方法で得られたスラリーは、グラインドゲージを用いて測定された粒子サイズが負極活物質のレーザー回析法による体積基準の90%の累積粒子径(D90)以下となる。このことは、スラリー中に凝集がほとんど見られないことを意味する。
体積基準の累積粒子径は、例えばレーザー回折式粒度分布測定装置としてマルバーン製マスターサイザーを用いて測定することができる。
密着性の評価は、スラリーを集電体に塗工して乾燥させた極板に対し、合剤と集電体との剥離強度を測定することにより行なう。剥離強度はJIS K6854−2に準拠して測定する。
最終段階で分散媒の総量の5%を超える分散媒のみを添加して製造したスラリーを用いた極板と比較した場合、上記の方法で得られたスラリーを用いた極板は、その密着性が大幅に改善される。
上述の方法で得たスラリーは集電体に塗布し乾燥することにより、リチウムイオン二次電池負極用極板を作製できる。
スラリーの集電体への塗工は、公知の方法により実施できるが、例えばドクターブレードやバーコーターなどで塗工する方法等が挙げられる。塗工層の厚みは通常10〜200μmとする。乾燥は、例えば70℃1時間の真空乾燥により行うことができる。
集電体としては、銅箔、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔、チタン箔及びそれらの合金箔、カーボンシートなど公知の材料が使用できる。これらの中では、強度、電気化学安定性、コスト等の面から、銅箔や銅合金箔が好ましい。
集電体の厚みに特に制限はないが、0.5〜100μmが好ましく、1〜50μmがより好ましい。薄すぎると強度が低下し、負極材の強度や塗布時の取扱い性に問題が生じる。厚すぎると、電池構成体中の集電体箔の質量、体積の割合が高くなり、電池のエネルギー密度が低下し、さらに電池作製時のシート状電極が堅くなり、捲回に支障をきたす。
(i)負極活物質
・人造黒鉛:昭和電工株式会社製SCMG(登録商標),D50%16μm、D90%40μm、比表面積1.6m2/g
・天然黒鉛:中国製,D50%17μm、D90%26μm、比表面積5.9m2/g
(ii)導電助剤
・カーボンブラック:TIMCAL社製C65,平均一次粒子径100nm>、比表面積65m2/g
・繊維状炭素:昭和電工株式会社製VGCF−H(登録商標),平均繊維経150nm、繊維長10〜20nm、比表面積13m2/g
(iii)増粘剤
・カルボキシメチルセルロース(CMC):ダイセルファインケム株式会社製2200番
(iv)バインダー液
・SBRバインダー液:日本ゼオン社製BM−400B,40質量%水分散液
(i)負極活物質の凝集
スラリー中の粒子サイズをグラインドゲージを用いて測定する。測定はJIS K5600−2−5に準拠して行なう。このサイズが大きいことは、スラリー中に負極活物質が凝集して存在し、その分散が十分ではないことを表す。
(ii)導電助剤の凝集
厚さ20μmの銅箔上にドクターブレードを用いてスラリーを150μmの厚みに塗布する。次いで、70℃で1時間真空乾燥し、銅箔上に合剤層が形成された電極板を得る。
得られた電極板を電極を用いて、FE−SEMによる1μm以上の導電助剤の凝集の有無を評価する。
(iii)剥離強度
上記(ii)で得られた電極を用いて、JIS K6854−2に準拠し、銅箔と合剤層との剥離強度を測定する。
(1)投入・セミドライ混合
釜容量500cm3のプライミクス社製プラネタリーミキサーに人造黒鉛135g、カーボンブラック2.84g、及び1.1質量%CMC水溶液20gを投入し、ブレードの回転速度30rpmにて30分間撹拌した。
(2)固練り
プラネタリーミキサーのブレードに付着した材料を樹脂製のヘラで掻き落した後、前記ミキサーに1.1質量%CMC水溶液70gをさらに添加し、ブレードの回転速度30rpmにて15分間撹拌した。その後、前記回転速度を60rpmに上げてさらに75分間撹拌した。
(3)緩練り
プラネタリーミキサーのブレードに付着した材料を樹脂製のヘラで掻き落した後、前記ミキサーに1.1質量%CMC水溶液105gをさらに添加し、ブレードの回転速度30rpmにて15分間撹拌した。その後、前記回転速度を80rpmに上げてさらに75分間撹拌した。
(4)バインダー混合
前記ミキサーにSBRバインダー液5.3gを投入し、水冷しながらブレードの回転速度25rpmにて15分間撹拌した。その後、真空脱泡を行いながら、ブレードの回転速度100rpmにて60分間撹拌し、スラリーを得た。
スラリーの製造条件を表1に示す。
(5)評価
上記で得られたスラリーをグラインドゲージを用いてJIS K5600−2−5に準拠した分散の度合い、およびスラリーを厚さ20μmの銅箔上にドクターブレードを用いて150μmの厚みに塗布して70℃で1時間真空乾燥した電極を用いて、FE−SEMによる1μm以上の導電助剤の凝集の有無ならびにJIS K6854−2に準拠した剥離強度を確認した。評価結果を表2に示す。
人造黒鉛135gに代えて、人造黒鉛67.5gおよび天然黒鉛67.5gを使用した以外は実施例1と同様の処理を行った。スラリーの製造条件を表1に示し、評価結果を表2に示す。
また、SEMにて撮影した写真を図1に示す。ここでaは天然黒鉛粒子、bは人造黒鉛粒子の拡大図であり、その表面等にカーボンブラックの微細粒子が分散して存在していることがわかる。
グラインドゲージを用いた評価写真を図3に示す。
カーボンクラック2.84gに代えて繊維状炭素2.84gを使用した以外は実施例2と同様の処理を行った。スラリーの製造条件を表1に示し、評価結果を表2に示す。
人造黒鉛135gに代えて、人造黒鉛69gおよび天然黒鉛69gを使用し、カーボンブラックを添加しない以外は実施例1と同様の処理を行った。スラリーの製造条件を表1に示し、評価結果を表2に示す。
(1)投入・セミドライ混合
人造黒鉛67.5g、天然黒鉛67.5g、カーボンブラック2.84g、および2.0質量%CMC水溶液30gをこの順で投入しブレードの回転速度を30rpmとし30分間撹拌した。
(2)固練り
プラネタリーミキサーのブレードに付着した材料を樹脂製のヘラで掻き落した後に2.0質量%CMC水溶液77gを追加し、30rpmの回転数で15分間撹拌後に更に60rpmに回転速度を上げ75分間撹拌した。
(3)希釈
プラネタリーミキサーのブレードに付着した材料を樹脂製のヘラで掻き落した後に水88gを追加し、30rpmの回転速度で15分間撹拌後に更に80rpmに回転数を上げ75分間撹拌した。
(4)バインダー混合
SBRバインダー液5.3gを投入し水冷しながら25rpmの回転速度で15分間撹拌後に、真空脱泡を行いながら100rpmの回転速度で60分間撹拌しスラリーを完成とした。
スラリーの製造条件を表1に示し、評価結果を表2に示す。
(1)投入・増粘剤混合
人造黒鉛135g、カーボンブラック2.84g、および1.1質量%CMC水溶液195gを投入し、ブレードの回転速度を30rpmとし30分間撹拌した後に更に80rpmに回転数を上げ180分間撹拌した。
(2)バインダー混合
SBRバインダー液5.3gを投入し水冷しながら25rpmの回転速度で15分間撹拌後に、真空脱泡を行いながら100rpmの回転速度で60分間撹拌しスラリーを完成とした。
スラリーの製造条件を表1に示し、評価結果を表2に示す。
また、SEMにて撮影した写真を図2に示す。ここでcは導電助剤であるカーボンブラックの凝集している箇所の拡大図、dは天然黒鉛粒子、eは人造黒鉛粒子の拡大図であり、カーボンブラックは5〜20μmの大きさで凝集しており、その分散が十分ではないことがわかる。
グラインドゲージを用いた評価写真を図3に示す。
Claims (8)
- 増粘剤溶液と分散質とを含有する混合物を撹拌する工程を有するリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法であって、前記分散質は負極活物質及び導電助剤を含み、
前記負極活物質は、比表面積が1.0〜7.0m2/gであり、
前記撹拌する工程は、撹拌に先立ち、前記負極活物質の全量、前記導電助剤の全量及び前記増粘剤溶液をそれぞれ撹拌機に投入し、前記分散質の比表面積を加重平均した値(α)(m2/g)と固形分比率(β)との積(α×β)が1.3以上である混合物として、その後、該混合物を撹拌する第1の撹拌工程と、第1の撹拌工程の後、バインダー液を投入して撹拌する第2の撹拌工程を含み、かつスラリーに使用する分散媒を単独で添加する工程を含まないか、あるいはその工程を含む場合は単独で添加する分散媒の量がスラリー中の総分散媒量の5質量%以下であるリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。 - 前記第1の撹拌工程には、前記分散質に増粘剤溶液を加えて撹拌する工程、その後さらに増粘剤溶液を加えて撹拌することを1回または2回以上繰り返す工程を含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
- 前記第1の撹拌工程が、
前記分散質の全量を撹拌機に投入する工程、次いで、
前記撹拌機に増粘剤溶液を投入し撹拌することを2回以上繰り返す工程
からなる請求項2に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。 - 前記増粘剤溶液を投入し撹拌することを2回以上繰り返す工程のうち、最初の撹拌工程において投入する増粘剤溶液の量が、増粘剤溶液の総使用量の5〜40質量%である請求項3に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
- 増粘剤溶液の溶媒が水を含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
- 前記負極活物質が、非黒鉛系炭素材料及び黒鉛系炭素材料からなる群より選ばれる1種以上である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
- 負極活物質のレーザー回析法による体積基準の平均粒子径(D50)が1〜50μmである請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
- 前記バインダー液に含まれるバインダー成分が、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンアクリル酸エステル(St−Ac)、ポリアクリロニトリル(PAN)及びポリアミドイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリーの製造方法。
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