JP6642807B2 - リチウム二次電池用電極形成材料及び電極の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は電極形成材料とそれを用いた電極の製造方法に関し、特にリチウム二次電池用の電極形成材料及びリチウム二次電池用電極の製造方法に関する。
家電用或いは自動車用の電源として、近年、リチウム二次電池が広く普及している。特に、電池電圧が高く、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が電源として注目されている。
従来のリチウム二次電池に使用される電極は、一般に電極活物質とバインダー(結着剤)等を含む電極形成材料(スラリー)を集電体に塗布するなどして被覆した後、焼成することにより、形成される。
例えば上記バインダー成分として、カルボキシメチルセルロース又はそれらの塩と、フッ素ゴムとの混合物に関する提案がなされている。上記フッ素ゴムとして、例えば四フッ化エチレンと二フッ化エチレンの共重合体、四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンの共重合体、ポリ三フッ化塩化エチレンなどが挙げられている(特許文献1を参照)。
またLi複合酸化物を活物質とし、電極の可撓性向上や活物質などとの接着性の向上のための成分としてオキシラン環含有化合物及び/又はその重合体、さらに増粘剤としてカルボキシメチルセルロース又はその塩を用いた電池用電極が開示されている。前記オキシラン環含有化合物としてはポリオキシエチレンジグリシジルが開示されている(特許文献2を参照)。
さらに電極活物質と、セルロース誘導体からなる親水性結着材とポリエーテル構造を化学構造中に含む親電解液性結着材とを含み該電極活物質表面を被覆した結着材と、を含む電極合材層を有することを特徴とするリチウム二次電池用電極が開示されている(特許文献3を参照)。
特開平5−101829号 特開平8−069789号 特開2003−249225
リチウム二次電池では、集電体上に存在する電極活物質が、リチウムイオンのやり取りにより充放電を行う電池の中心となる物質である。この電極活物質への電子の移動速度を高める材料が導電助剤である。上述したように、電極は、一般に電極活物質、導電助剤そしてバインダーを含む電極形成材料(スラリー)を調製し、これを集電体に塗布し、乾燥・プレス等を実施する、すなわちバインダーを用いて電極活物質及び導電助剤で集電体を被覆することにより形成される。
この際、電極中(すなわち集電体を被覆する層中)の電極活物質の密度をできるだけ高めること、かつ、前記電極形成材料(即ち上記被覆層)と集電体との密着性に優れることが、電池の信頼性(寿命、安全性等)並びに電池の性能(容量保持率等)の観点から望ましく、これらを満足する電極材料に対する要求がある。
本発明は、電極活物質と好ましくは導電助剤とをバインダーにより集電体を被覆して電極を形成する際、電極中の電極活物質が高密度になり、かつ、電極活物質による被覆層と集電体との密着性に優れる電極形成材料を提供すること、そしてその電極形成材料を用いた電極の形成方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電極形成材料の一成分として特定粘度を有する特定のバインダーを採用することにより、該電極形成材料にて集電体を被覆し電極を形成した際、電極中の電極活物質の密度が従来と比して高いものとなり、且つ、電極形成材料による被覆層と集電体との密着性に優れたものとをすることができることを見出し、本発明を完成させた。
本願発明は第1観点として、集電体上に被覆される電極形成材料であって、該電極形成材料は電極活物質、及びバインダーを含み、該バインダーがカルボキシル基含有多糖類、カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物、又はそれらの組み合わせを含み、そして該バインダーの3質量%水性溶液において25℃で20〜1500mPa・sの範囲の粘度を有する、上記電極形成材料、
第2観点として、前記カルボキシル基含有多糖類が、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、及びそれらの塩からなる群から選択される少なくとも一種である、第1観点に記載の電極形成材料、
第3観点として、エポキシ化合物が、式(1):
(式(1)中、Xは水素原子、繰り返し単位数が1〜30のモノ又はポリ(オキシアルキレン)基、置換されていてもよい炭素原子数1〜30のn価の脂肪族炭化水素基、炭素原子数6〜30のアリール基、又はそれらの組み合わせを表し、nは1〜10の整数である。)で表されるエポキシ化合物である、第1観点又は第2観点に記載の電極形成材料、
第4観点として、さらに導電助剤を含む、第1観点乃至第3観点のいずれか一つに記載の電極形成材料、
第5観点として、前記電極活物質がリチウムコバルト複合酸化物、又はグラファイトである、第1観点乃至第4観点のいずれか一つに記載の電極形成材料、
第6観点として、前記導電助剤が炭素材料からなる、第4観点に記載の電極形成材料、及び
第7観点として、第1観点乃至第6観点のいずれか一つに記載の電極形成材料及び水を混合して電極形成材料のスラリーを製造する工程、前記電極形成材料のスラリーを集電体上に塗布し、80〜160℃の温度で加熱し電極形成材料の被膜を形成する工程、前記被膜を被膜の上からプレスする工程、を含む、電極の製造方法である。
前述したように、電極活物質と好ましくは導電助剤とバインダーとを含む電極形成材料を用いて集電体を被覆して電極を形成する際、電極中の電極活物質が高密度となるように、かつ、集電体との密着性が優れるように被覆することが、電池の性能等の観点から望ましい。
これまで広く使用されているカルボキシメチルセルロースをバインダーとして用いた電極形成材料にあっては、これを集電体に塗布する際に塗工ムラが発生し、部分的に集電体表面がむき出しになることがある。これはバインダー(カルボキシメチルセルロース)の粘度が高いため、電極形成材料のスラリーの固形分濃度が低下し、形成された電極中の電極活物質と導電助剤の密度が低下するためと考えられる。
本発明は、カルボキシメチルセルロースの粘度を、好ましくはカルボキシメチルセルロースを変性することによって調整し、電極形成材料のスラリーの集電体への塗布時の塗工性の改善を行うことにより、それにより、電極中の電極活物質を従来と比して高密度とし、且つ、電極形成材料による被覆層と集電体との密着性を向上させることができるという効果を奏する。
より詳細には、カルボキシメチルセルロースをエポキシ樹脂で変性することにより、バインダーとしての分子量を増大させつつ、バインダー自体の粘度の低下を実現した。
このように本発明は、バインダー自体の分子量の増大と粘度低下の実現によって、電極形成材料のスラリーにおける電極活物質と導電助剤の含有量を増大させることが可能となり、その結果、集電体表面への塗布時の塗工ムラの発生を減少させつつ、より多くの電極活物質と導電助剤とを集電体表面に存在させることが可能となるという効果を奏する。また、バインダーの分子量の増大により、バインダーの集電体への密着性を向上させることを可能とし、すなわち上記電極活物質と導電助剤の集電体への密着性向上も実現し、ひいては該電極を用いた電池における充放電特性も向上させるという効果を奏する。
この様に、本発明は、塗工性能に影響するバインダーの粘度を特定の範囲に設定した電極形成材料を成すことで、その電極形成材料のスラリーを用いて製造された電極において良好な充放電特性を発揮するという効果を奏するものである。
図1は、実施例1で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図2は、実施例2で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図3は、実施例3で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図4は、実施例4で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図5は、実施例5で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図6は、実施例6で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図7は、実施例7で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図8は、実施例8で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図9は、実施例9で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図10は、比較例1で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図11は、比較例2で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図12は、比較例3で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図13は、比較例4で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図14は、比較例5で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図15は、比較例6で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図16は、実施例1及び比較例5で得られた電極形成材料のスラリーをそれぞれ集電体上に塗工し、電極の剥離の有無を示した写真である。 図17は、参考例10で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図18は、実施例11で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。 図19は、実施例12で得られた電極形成材料のスラリーの集電体上への塗工性を示す電子顕微鏡写真である。写真は左半分が倍率500倍で撮影した部分を示し、右半分が倍率1000倍で撮影した部分を示した。
本発明は、集電体上に被覆される電極形成材料であって、該電極形成材料は電極活物質及びバインダーを含み、該バインダーはカルボキシル基含有多糖類、カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物、又はそれらの組み合わせを含み、そして該バインダーの3質量%水性溶液において25℃で20〜1500mPa・sの範囲の粘度を有する電極形成材料に関する。
本発明の電極形成材料において、上記バインダーは、カルボキシル基含有多糖類、カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物、又はそれらの組み合わせを用いることができる。
前記カルボキシル基含有多糖類と、カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物との組み合わせを用いる場合、即ち多糖類と反応生成物との混合物を用いる場合は、(カルボキシル基含有多糖類):(カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物)を質量比で、1:100〜100:1、又は1:10〜10:1の範囲で用いることができる。
前記カルボキシル基含有多糖類は、単糖分子がグリコシド結合によって多数重合した糖類を示し、単位構造中にカルボキシル基を有するものである。
このようなカルボキシル基含有多糖類は、例えばアルギン酸、キサンタンガム、ペクチン酸、カルボキシセルロース、及びそれらの塩が挙げられ、前記塩としてはアンモニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等が挙げられる。
中でもカルボキシル基含有多糖としてはカルボキシメチルセルロースが好ましく、これは、セルロースの構造中のヒドロキシ基の水素原子やヒドロキシメチル基の酸素原子に結合する水素原子の一部乃至全部が、カルボキシメチル基(−CHCOOH)に置換した構造を有するセルロース誘導体である。
本発明に用いられるカルボキシメチルセルロースの置換度(無水グルコース1単位あたりのエーテル化度(最大3))は0.5〜1.5の範囲のものを使用することができる。
本発明において、前記カルボキシル基含有多糖類の変性に使用するエポキシ化合物としては、前記式(1)で表される構造を有するエポキシ化合物であることが好ましい。
前記式(1)において、Xは水素原子、繰り返し単位数が1〜30のモノ又はポリ(オキシアルキレン)基、置換されていてもよい炭素原子数1〜30のn価の脂肪族炭化水素基、炭素原子数6〜30のアリール基、又はそれらの組み合わせであり、nは1〜10の整数である。
上記のn価の脂肪族炭化水素基とは、アルカンから炭素原子に結合する任意の水素原子をn個抜いた基を意味し、すなわち、アルキル基、アルキレン基(アルカンジイル基)、アルカントリイル基、アルカンテトライル基、アルカンペンタイル基、アルカンヘキサイル基、アルカンヘプタイル基、アルカンオクタイル基、アルカンノナイル基、そしてアルカンデカイル基が挙げられる。
上記アルキル基、すなわち炭素原子数1〜30のアルキル基は、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、シクロプロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、シクロブチル基、1−メチル−シクロプロピル基、2−メチル−シクロプロピル基、n−ペンチル基、1−メチル−n−ブチル基、2−メチル−n−ブチル基、3−メチル−n−ブチル基、1,1−ジメチル−n−プロピル基、1,2−ジメチル−n−プロピル基、2,2−ジメチル−n−プロピル基、1−エチル−n−プロピル基、シクロペンチル基、1−メチル−シクロブチル基、2−メチル−シクロブチル基、3−メチル−シクロブチル基、1,2−ジメチル−シクロプロピル基、2,3−ジメチル−シクロプロピル基、1−エチル−シクロプロピル基、2−エチル−シクロプロピル基、n−ヘキシル基、1−メチル−n−ペンチル基、2−メチル−n−ペンチル基、3−メチル−n−ペンチル基、4−メチル−n−ペンチル基、1,1−ジメチル−n−ブチル基、1,2−ジメチル−n−ブチル基、1,3−ジメチル−n−ブチル基、2,2−ジメチル−n−ブチル基、2,3−ジメチル−n−ブチル基、3,3−ジメチル−n−ブチル基、1−エチル−n−ブチル基、2−エチル−n−ブチル基、1,1,2−トリメチル−n−プロピル基、1,2,2−トリメチル−n−プロピル基、1−エチル−1−メチル−n−プロピル基、1−エチル−2−メチル−n−プロピル基、シクロヘキシル基、1−メチル−シクロペンチル基、2−メチル−シクロペンチル基、3−メチル−シクロペンチル基、1−エチル−シクロブチル基、2−エチル−シクロブチル基、3−エチル−シクロブチル基、1,2−ジメチル−シクロブチル基、1,3−ジメチル−シクロブチル基、2,2−ジメチル−シクロブチル基、2,3−ジメチル−シクロブチル基、2,4−ジメチル−シクロブチル基、3,3−ジメチル−シクロブチル基、1−n−プロピル−シクロプロピル基、2−n−プロピル−シクロプロピル基、1−i−プロピル−シクロプロピル基、2−i−プロピル−シクロプロピル基、1,2,2−トリメチル−シクロプロピル基、1,2,3−トリメチル−シクロプロピル基、2,2,3−トリメチル−シクロプロピル基、1−エチル−2−メチル−シクロプロピル基、2−エチル−1−メチル−シクロプロピル基、2−エチル−2−メチル−シクロプロピル基及び2−エチル−3−メチル−シクロプロピル基等が挙げられる。
上記アルキレン基、すなわち炭素原子数1〜30のアルキレン基は、上記アルキル基に対応するアルキレン基(上記アルキル基から炭素原子に結合する任意の水素原子を1つ抜いた基)が挙げられる。
またその他の炭素原子数1〜30のn価の脂肪族炭化水素基としては、上記アルキル基基から炭素原子に結合する任意の水素原子を複数個(具体的には3〜30個)抜いた基が挙げられる。
また、上記アルキル基、アルキレン基等の脂肪族炭化水素基において置換可能な官能基としては、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、アクリロイル基、メタクリロイル基、メルカプト基、エポキシ基、グリシジル基、グリシジルオキシ基、ハロゲン基(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、アルコキシ基等が挙げられ、これら置換可能な官能基は同一基中に1個だけでなく、複数個、また複数種が存在していてもよい。
また炭素原子数6〜30のアリール基は、例えばフェニル基、o−メチルフェニル基、m−メチルフェニル基、p−メチルフェニル基、o−クロルフェニル基、m−クロルフェニル基、p−クロルフェニル基、o−フルオロフェニル基、p−メルカプトフェニル基、o−メトキシフェニル基、p−メトキシフェニル基、p−アミノフェニル基、p−シアノフェニル基、α−ナフチル基、β−ナフチル基、o−ビフェニリル基、m−ビフェニリル基、p−ビフェニリル基、1−アントリル基、2−アントリル基、9−アントリル基、1−フェナントリル基、2−フェナントリル基、3−フェナントリル基、4−フェナントリル基及び9−フェナントリル基が挙げられる。
さらにオキシアルキレン基としては、オキシエチレン基、オキシプロピレン基等が挙げられ、特にオキシエチレン基が好ましく用いられる。
上記式(1)で表されるエポキシ化合物は、例えば以下に例示することができる。
上記式(1−1)のm1は1〜30の整数である。
上記式(1−2)のm2は1〜30の整数であり、例えば16とすることができる。
上記式(1−7)のm3は1〜3の整数である。
上記式(1−8)のm4は1〜10の整数である。
上記式(1−10)のm5は1〜10の整数であり、例えば5とすることができる。
前述したように、本発明に用いられるバインダーとして、カルボキシル基含有多糖類に加えて、カルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物を反応することによって得られる反応生成物を用いることができる。
上記反応生成物は、水性媒体中に前記カルボキシル基含有多糖類と前記エポキシ化合物を溶解させ、80〜120℃の温度、例えば環流温度で12〜48時間の反応により製造することができる。
得られた反応生成物は、これを濃度3質量%になるように水性媒体(例えば純水)に溶解した水性溶液において、温度25℃で恒温にして粘度測定を行い、20〜1500mPa・s、又は10〜2500mPa・sの範囲となる様な上記反応生成物であることが好ましい。
上記粘度測定はE型回転粘度計を用いることができ、例えば東機産業株式会社製(TVE−22L、TVE−22H型)を用いて計測することができる。
本発明に用いられる電極活物質において、正極活物質としてはリチウム複合酸化物、有機導電性高分子等が挙げられる。前記リチウム複合酸化物としては鉄、コバルト、ニッケル、マンガン等の遷移金属の酸化物からなるものが挙げられ、具体的にはLiCoO(0<x≦1.0)、LiNiO(0<x≦1.0)、LiCoNi1−y(0<x≦1.0、0<y≦1.0)、LiMnO(0<x≦1.0)、LiMn(0<x≦1.0)、LiFeO(0<x≦1.0)、LiFePO(0<x≦1.0)等が挙げられる。また、有機導電性高分子からなる正極活物質として、例えば、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどを用いることもできる。
前記電極活物質における負極活物質としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛、アモルファスカーボン等の炭素質材料、ポリアセン等の導電性高分子化合物、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、ケイ素等とカーボンを複合させた金属炭化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、および、錫や亜鉛、ケイ素等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。
中でも、本発明で使用する電極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、又は、グラファイトであることが好ましい。
本発明の電極形成材料は、更に導電助剤を含むことができる。
本発明に用いられる導電助剤は、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノファイバー等の炭素材料からなるものを好適に使用できる。
本発明は上記電極形成材料を用いた電極の製造方法も対象とする。
具体的には、電極形成材料(電極活物質と、好ましくは導電助剤と、バインダー)と水を混合して、電極形成材料のスラリーを製造する工程、
前記電極形成材料のスラリーを集電体上に塗布し、80〜160℃の温度で加熱し電極形成材料の被膜を形成する工程、
前記被膜を被膜の上からプレスする工程を含む、電極の製造方法である。
上記スラリーは水に電極活物質と好ましくは導電助剤とバインダーを加えて撹拌することにより得られる。また、バインダーを水に溶解させたバインダー水溶液に電極活物質と好ましくは導電助剤を加えて撹拌することによって得ることもできる。
バインダーと水の割合は、例えばバインダーが1〜10質量%の水溶液になるように設定することが好ましく、特に3質量%程度のバインダー水溶液となるように設定することが好ましい。
電極形成材料のスラリーの調製に用いられる水は純粋を用いることが好ましい。
電極活物質は、電極形成材料の構成成分(電極活物質+導電助剤+バインダー)の総質量に対して、80〜98質量%の範囲に設定することができる。
また、導電助剤は、電極形成材料の構成成分(電極活物質+導電助剤+バインダー)の総質量に対して、0〜10質量%の範囲に設定することができる。
また、バインダーは、電極形成材料の構成成分(電極活物質+導電助剤+バインダー)の総質量に対して、2〜20質量%の範囲に設定することができる。
こうして得られる電極形成材料のスラリーは、20〜70質量%の固形分濃度、及び、500〜3,000mPa・s範囲の粘度を有するものとすることが好ましい。
上記集電体としては、公知のものを使用し得、例えば正極の集電体としてはアルミニウム、ステンレス等、負極の集電体としては銅、ニッケル等が挙げられ、これらを板状に加工した箔などを用いることができる。
この様に製造した電極形成材料のスラリーの、集電体上への塗布方法は特に制限されない。例えばロールコーター、ナイフコーター等の各種コーターや、ドクターブレード等の装置を用いて集電体の表面に塗布することができる。
集電体表面に塗布された電極形成材料は80〜160℃にて乾燥させ電極形成材料の被膜とした後、電極活物質の密度を高めるために該被膜のプレスを実施し、電極が形成される。プレスは、加熱ロールプレス、冷間ロールプレス、平板プレス等の汎用のプレスを用いて行う。
集電体表面に形成された電極形成材料による層(プレス後の被膜)の厚みは40〜100μmの膜厚に設定することができる。
[合成例1]ポリマー1の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(392g)とカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩(8g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(12.1g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(1.5L)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー1を8.5g回収した。得られた化合物を超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は226mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例2]ポリマー2の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(196g)とカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩(4g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(3.1g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(1.0L)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー2を4.2g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は1086mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例3]ポリマー3の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(245g)とカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩(5g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に商品名デナコールEX−171(ナガセケムテックス(株)製、成分はLauryl Alcohol(EO)15 Glycidyl Ether、式(1−2)(m2=16)に相当)(3.0g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(1.5LmL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー3を4.0g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は1163mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例4]ポリマー4の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(196g)とカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩(4g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に商品名デナコールEX−314(ナガセケムテックス(株)製、成分はGlycerol Polyglycidyl Ether、式(1−3)及び式(1−4)に相当)(4.0g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(1.0L)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー4を4.2g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は140mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例5]ポリマー5の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(98g)とカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩(2g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(4.7g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー5を2.2g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は1179mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例6]ポリマー6の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(98g)とカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(2g:3%水溶絵液での粘度=3688cP)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(3.1g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー6を2.3回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は333mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例7]ポリマー7の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(98g)とアルギン酸ナトリウム(2g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(1.0g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー7を1.8g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は62mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例8]ポリマー8の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(98g)とカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(3質量%水溶液での粘度は東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)で25℃で10rpmで測定して6500mPa・s)(2g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に商品名デナコールEX−171(ナガセケムテックス(株)製、成分はLauryl Alcohol(EO)15 Glycidyl Ether、式(1−2)(m2=16)に相当)(2.0g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー8を2.1g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は21.5mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例9]ポリマー9の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(98g)とアルギン酸ナトリウム(2g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。この溶液に重量平均分子量Mwが500のポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(SIGMA−ALDRICH社製、商品名Poly(ethylene glycol) diglycidyl ether、オキシエチレン基の繰り返し単位数nは8〜9、式(1−1)に相当)(4.0g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー9を1.9g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は5.5mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例10]ポリマー10の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(196g)とカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(3質量%水溶液での粘度は東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)で25℃で10rpmで測定して6500mPa・s)(4g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。デナコールEX−171(ナガセケムテックス(株)製、成分はLauryl Alcohol(EO)15 Glycidyl Ether、式(1−2)(m2=16)に相当)(4g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(1000mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー10を3.5g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は15mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[合成例11]ポリマー11の合成
500mLのセパラブルフラスコに、超純水(97g)とカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(3質量%水溶液での粘度は東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)で25℃で10rpmで測定して=3688mPa・s)(3g)を加え、メカニカルスターラーにて300rpmで撹拌して均一に溶解させた。デナコールEX−171(ナガセケムテックス(株)製、成分はLauryl Alcohol(EO)15 Glycidyl Ether、式(1−2)(m2=16)に相当)(6g)を仕込み、還流により24時間撹拌した。反応終了後、室温まで反応液の温度を低下させた。この反応液をアセトン(500mL)に滴下し、析出物を吸引ろ過にて回収した後、50℃で減圧乾燥してポリマー11を2.9g回収した。得られたポリマーを超純水に溶解させ3質量%水溶液を調整したときの粘度は11mPa・s(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22L型)にて25℃で10rpmで測定)であった。
[実施例1]
(負極の製造)
負極活物質としてグラファイトを95質量部、導電助剤として商品名KS−4(ティムカル・グラファイト・アンド・カーボン社の登録商標、炭素を含有する成分)を2重量部に、ポリマー1が3質量部となるように加えて水を添加し、十分に混合して負極用スラリーを得た(スラリーの固形分は51質量%であった。スラリーの粘度は1560mPa・sであった。)。この負極用スラリーを厚さ20μmの銅箔に塗布、乾燥後、プレスして負極電極を得た。電極形成材料の層の厚みは80μmであった。
なお、得られた負極電極の質量を測定し、該質量を、負極電極の厚みと面積より算出された体積で除する事により、電極密度を算出した。
(集電体上への塗工性の確認)
先に得た電極を目視および電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)にて観察し、電極中に集電体が露出する部分の有無を確認した。
また、電極上部から集電体である銅箔が見えるか否かを目視にて確認し、電極の剥離の有無を確認した。
(電池の製造)
先に得た負極を直径15.5mmの円状に切断した後、2032型コイン電池のステンレス製コイン外装容器に、対極にリチウム金属箔を使用して、電極間にセパレーター(セルガード)をはさみ、これをエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート/ジエチルカーボネートが1:1:1(体積比)混合液に電解質としてLiPFを1mol/Lの濃度に溶解し、ビニレンカーボネートを2質量部添加した電解液を数滴垂らした。その後、ポリプロピレン製のパッキンを介して、ステンレス製のキャップを被せ、コイン電池作製用のかしめ器で密封して負極評価用電池を作製した。
(電池性能の評価)
この電池を0.05Cに相当する定電流にて0.05Vから3.0Vまで充放電を行った。この際の初期不可逆容量は21mAh/gであった。その後、0.2Cに相当する定電流で0.05Vから3.0Vまで充放電した時の放電容量は2.46mAhだった。
[実施例2〜4]
ポリマー1の代わりにポリマー2〜4をそれぞれ用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認、電池製造、電池性能の評価を実施した。ポリマー2を用いる場合を実施例2、ポリマー3を用いる場合を実施例3、ポリマー4を用いる場合を実施例4とした。
[実施例5〜8]
ポリマー1の代わりにポリマー5〜8をそれぞれ用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無を実施した。ポリマー5を用いる場合を実施例5、ポリマー6を用いる場合を実施例6、ポリマー7を用いる場合を実施例7、ポリマー8を用いる場合を実施例8とした。
[実施例9]
(正極の製造)
正極活物質としてリチウムコバルト酸を90質量部、導電助剤として商品名Super−P(ティムカル・グラファイト・アンド・カーボン社の登録商標、炭素を含有する成分)を5質量部に、ポリマー1が5質量部となるように加えて水を添加し、十分に混合して正極用スラリーを得た(スラリーの固形分は40質量%であった。スラリーの粘度は2640mPa・sであった。)。この正極用スラリーを厚さ20μmのアルミ箔に塗布、乾燥して正極電極を得た。電極形成材料の層の厚みは50μmであった。なお、得られた正極電極の質量を測定し、該質量を、正極電極の厚みと面積より算出された体積で除する事により、電極密度を算出した。
上記正極電極は実施例1と同様の方法により、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無を実施した。
参考例10]
ポリマー1の代わりに3質量%水溶液での粘度が25℃で10rpmで測定して=280mPa・sのカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認、電池製造、電池性能の評価を実施した。
[実施例11〜12]
ポリマー1の代わりにポリマー10と粘度が6500mPa・sのカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩を重量比で10:3にて混合し3%水溶液の粘度が238mPa・sのポリマー(実施例11)を、または、ポリマー11と粘度が3688mPa・sのカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩を重量比で10:4にて混合し3%水溶液の粘度が206mPa・sのポリマー(実施例12)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認を実施した。
[比較例1]
ポリマー1の代わりに、3質量%水溶液での粘度(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)が4282mPa・sのカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認、電池製造、電池性能の評価を実施した。
[比較例2〜3]
ポリマー1の代わりに、3質量%水溶液での粘度(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)がそれぞれ6500mPa・sのカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(比較例2)、2807mPa・sのカルボキシメチルセルロース−ナトリウム塩(比較例3)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認を実施した。
[比較例4]
ポリマー1の代わりに、3質量%水溶液での粘度(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)が1643mPa・sのアルギン酸ナトリウムを用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認を実施した。
[比較例5]
ポリマー1の代わりに、ポリマー9を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認を実施した。
[比較例6]
ポリマー1の代わりに、3質量%水溶液での粘度(東機産業株式会社製、E型回転粘度計(TVE−22H型)にて25℃で10rpmで測定)が4282mPa・sのカルボキシメチルセルロース−アンモニウム塩を用いた以外は、実施例8と同様の方法により、負極の製造、集電体上への塗工性の確認(集電体の露出の有無)、電極剥離の有無の確認を実施した。
上記実施例及び比較例の結果について下記表1及び表2にまとめて示す。
また、集電体の露出の有無に関する、電子顕微鏡写真を図1〜図15及び図17〜図19(写真は左半分が倍率500倍で、右半分が倍率1000倍で撮影した部分をそれぞれ示す)に、電極剥離の有無の確認に関する実施例1及び比較例5の電極の写真を図16に示す。図16に示すように、比較例5では電極の外周部に銅箔が見える箇所(剥離部分)が確認された。
表1〜2に示したように、本発明の電極形成材料を用いて作製される電極を使用したリチウムイオン電池(実施例1〜9、11、12)は、充放電における特性を維持或いは向上しつつ、比較例(1〜6)に比べ、集電体への塗工性に優れるとする結果が得られた。
本発明は電極活物質と導電助剤をバインダーにより集電体に被覆する際に、集電体に被覆された電極中の活物質が高密度になり、かつ、集電体との密着性が優れるようにするためのバインダーであり、それを含む電極形成材料、その電極形成材料を用いた電極を形成し高性能の電池を製造することができる。

Claims (6)

  1. 集電体上に被覆される電極形成材料であって、該電極形成材料は電極活物質、及びバインダーを含み、
    該バインダーはカルボキシル基含有多糖類とエポキシ化合物との反応生成物、又は該反応生成物とカルボキシル基含有多糖類との組み合わせを含み、
    前記カルボキシル基含有多糖類が、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸、及びそれらの塩からなる群から選択される少なくとも一種であり、
    そして、該バインダーの3質量%水性溶液において25℃で20〜1500mPa・sの範囲の粘度を有する、上記電極形成材料。
  2. 前記エポキシ化合物が、式(1):
    (式(1)中、Xは水素原子、
    繰り返し単位数が1〜30のモノまたはポリ(オキシアルキレン)基、
    置換されていてもよい炭素原子数1〜30のn価の脂肪族炭化水素基、
    炭素原子数6〜30のアリール基、又はそれらの組み合わせを表し、
    nは1〜10の整数である。)で表されるエポキシ化合物である、請求項1記載の電極形成材料。
  3. さらに導電助剤を含む、請求項1又は請求項2に記載の電極形成材料。
  4. 前記電極活物質がリチウムコバルト複合酸化物又はグラファイトである、請求項1乃至請
    求項のいずれか一項に記載の電極形成材料。
  5. 前記導電助剤が炭素材料からなる、請求項に記載の電極形成材料。
  6. 請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の電極形成材料及び水を混合して電極形成材料のスラリーを製造する工程、
    前記電極形成材料のスラリーを集電体上に塗布し、80〜160℃の温度で加熱し電極形成材料の被膜を形成する工程、
    前記被膜を被膜の上からプレスする工程、
    を含む、電極の製造方法。
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