JP6882899B2 - 電極用スラリー、電極及びその製造方法並びに二次電池 - Google Patents
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Description
本発明の電極用スラリーは、(A)セルロースファイバーと、(B)カルボキシメチル基含有セルロース又はその塩[カルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)]と、(C)電極活物質とを含む。
本発明の電極用スラリーは、セルロースファイバーを含み、繊維状のセルロースファイバーが線接着によって電極活物質を接合(隣接する電極活物質間を繊維状結着剤で架橋して接着)できるためか、電極活物質の集電体に対する密着性を向上できる。
本発明の電極用スラリーは、カルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)を含む。セルロースファイバーとカルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)とを組み合わせると、カルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)の増粘作用により、塗工時に最適な粘度に調整できるためか、塗工性(例えば、塗工容易性など)を向上できるとともに、集電体に対する電極活物質の密着性を向上できる。また、カルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)が保護コロイドとして機能し、電極活物質を安定に分散できるためか、塗膜の表面平滑性(塗膜均一性)を向上できる。
電極活物質としては、非水系二次電池の種類に応じて選択でき、例えば、炭素素材(カーボン)、金属単体、珪素単体(シリコン)、シリコン化合物[SiO、シリカなどの酸化硅素、金属珪酸塩(珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、珪酸マグネシウム、アルミノ珪酸マグネシウムなど)など]、鉱物質(ゼオライト、ケイソウ土、焼成珪成土、タルク、カオリン、セリサイト、ベントナイト、スメクタイト、クレーなど)、金属炭酸塩(炭酸マグネシウム、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウムなど)、金属酸化物(アルミナ、酸化亜鉛、二酸化マンガン、二酸化チタン、二酸化鉛、酸化銀、酸化ニッケル、リチウム含有複合酸化物など)、金属水酸化物(水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ニッケル、水酸化カドミウムなど)、金属硫酸塩(硫酸カルシウム、硫酸バリウムなど)などが挙げられる。これらの電極活物質は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
本発明の非水系二次電池用電極は、集電体と、この集電体の少なくとも一方の面に形成され、(A)セルロースファイバー、(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル(塩)、及び(C)電極活物質を含む電極活物質層とを備えており、前記電極用スラリーを集電体の上に塗布した後、乾燥することにより電極活物質層を形成して製造できる。電極用スラリーの塗布は、集電体の一方の面でもよく、両面であってもよい。集電体としては、銅、アルミニウム、金、銀、ステンレスなどの導電体で構成された金属箔を利用してもよい。
黒鉛:人造黒鉛(平均粒子径20μm)
シリコン粒子:(シグマアルドリッジ社製「シリコンナノパウダー」最大粒子径100nm)
アセチレンブラック(デンカ(株)製「デンカブラック」平均粒子径35nm)
CMC:カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(ダイセルファインケム(株)製「カルボキシメチルセルロースナトリウム塩」;単にカルボキシメチルセルロース又はCMCと記載する)
SBR:スチレンブタジエンゴム(JSR(株)製、TRD−2001、固形分48.5重量%)
CNF1、CF1、CF2、CF3:これらのセルロースファイバー(セルロース繊維)
は、以下の方法で製造した。
兵庫パルプ工業(株)製「LBKPパルプ」を用いて、1重量%水スラリー液を100リットル調製した。次いで、ディスクリファイナー(長谷川鉄工(株)製「SUPERFIBRATER 400−TFS」)を用いて、クリアランス0.15mm、ディスク回転数1750rpmとして10回叩解処理し、リファイナー処理品を得た。このリファイナー処理品を、破砕型ホモバルブシートを備えたホモジナイザー(ゴーリン社製「15M8AT」)を用いて、処理圧50MPaで50回処理した。透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、得られたミクロフィブリル化繊維を観察し、任意に選び出した10本の繊維の繊維長と繊維径を測定した。10本の繊維の平均繊維径は79.2nm、平均繊維長は6.14μm、アスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)は78であった。得られた1重量%スラリー液をガーゼで繰り返し濾すことにより固形分濃度9.9重量%のスラリー液とした。このスラリー液中のセルロースファイバーをCNF1とする。
兵庫パルプ工業(株)製「LBKPパルプ」を用いて、1重量%水スラリー液を100リットル調製した。得られたセルロースファイバーを繊維長測定器(メッツォオートメーション社製「KAJAANI FS300」)で測定したところ、平均繊維長は、0.89mmであった。得られたセルロースファイバーをCF1とする。
兵庫パルプ工業(株)製「LBKPパルプ」を用いて、1重量%水スラリー液を100リットル調製した。次いで、ディスクリファイナー(長谷川鉄工(株)製「SUPERFIBRATER 400−TFS」)を用いて、クリアランス0.15mm、ディスク回転数1750rpmとして10回叩解処理し、リファイナー処理品を得た。このリファイナー処理品を、破砕型ホモバルブシートを備えたホモジナイザー(ゴーリン社製「15M8AT」)を用いて、処理圧50MPaで10回処理した。得られたミクロフィブリル化繊維を前記繊維長測定器で測定したところ、平均繊維長は0.78mmであった。得られた1重量%スラリー液は特に脱液濃縮などは行わず、このまま用いた。得られたセルロースファイバーをCF2とする。
兵庫パルプ工業(株)製「LBKPパルプ」を用いて、1重量%水スラリー液を100リットル調製した。次いで、ディスクリファイナー(長谷川鉄工(株)製「SUPERFIBRATER 400−TFS」)を用いて、クリアランス0.15mm、ディスク回転数1750rpmとして10回叩解処理し、リファイナー処理品を得た。このリファイナー処理品を、破砕型ホモバルブシートを備えたホモジナイザー(ゴーリン社製「15M8AT」)を用いて、処理圧50MPaで30回処理した。得られたミクロフィブリル化繊維を前記繊維長測定器で測定したところ、平均繊維長は0.54mmであった。得られた1重量%水スラリー液は特に脱液濃縮などは行わず、このまま用いた。得られたセルロースファイバーをCF3とする。
得られた電極の塗膜状態を目視で観察し、以下の基準で評価した。
○:塗膜に極僅かな凹凸があるが実用的問題はない
×:塗膜に大きな凹凸がある
××:ペーストに流動性がなく、塗工できなかった。
得られたペーストの塗工性を以下の基準で評価した。
×:粘度が高すぎるため、塗工性が劣る
××:ペーストに流動性がなく、塗工できなかった。
水86.5gをポリプロピレン製容器に入れ、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液を8.5g添加し、スターラーで攪拌しながら目視で透明になるまで分散させた。得られた分散液に、1.5重量%のCMC水溶液22.5gを添加した後、活物質としての人造黒鉛(平均粒子径約20μm)83gを加え、ホモディスパー(特殊機化工業(株)製「モデルL」)を用いて3000rpmで30分撹拌し、脱泡を行った。得られたペーストをペースト1とする。人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比(固形分換算、以下同じ)は、98.6:0.4:1であった。得られたペースト1を厚み10μmの銅箔に、乾燥後の塗布量が100〜130g/m2となるようにアプリケーターにより塗布後、乾燥して電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水53.6g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液を8.55g、1.5重量%のCMC水溶液56.5g、人造黒鉛(平均粒子径20μm)83gを用いて、人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比を98:1:1とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水42.6g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液8.57g、1.5重量%のCMC水溶液67.9g、人造黒鉛(平均粒子径20μm)83gを用いて、人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比を97.8:1.2:1とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水37.1g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液8.58g、1.5重量%のCMC水溶液73.6g、人造黒鉛(平均粒子径20μm)83gを用いて、人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比を97.7:1.3:1とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水31.5g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液8.59g、1.5重量%のCMC水溶液79.4g、人造黒鉛(平均粒子径約20μm)83gを用いて、人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比を97.6:1.4:1とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水9.2g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液8.63g、1.5重量%のCMC水溶液102.5g、人造黒鉛(平均粒子径約20μm)83gを用いて、人造黒鉛とCMCとCNF1との重量比を97.2:1.8:1とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水19.1g、調製例4で得られた1重量%のCF3含有スラリー液47.6g、1.5重量%のCMC水溶液60.9g、人造黒鉛(平均粒子径約20μm)90gを用いて、人造黒鉛とCMCとCF3との重量比を98.5:1:0.5とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは150μmであった。
水20.0gをポリプロピレン製容器に入れ、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液を10.1g添加し、スターラーで攪拌しながら目視で透明になるまで分散させた後に水30gを添加した。得られた分散液に、CMC粉末1.0gと、活物質としての人造黒鉛(平均粒子径約20μm)97.5gを加え、プラネタリーミキサーを用いて15rpmで3分撹拌した。その後、138gの水を5回に分けて添加し、添加毎にプラネタリーミキサーを用いて50rpmで10分攪拌した。最後にSBRを1.035g添加し、プラネタリーミキサーを用いて50rpmで10分間攪拌した。得られたペーストの人造黒鉛とCMCとCNF1とSBRとの重量比は、97.5:1:1:0.5であった。得られたペーストを厚み10μmの銅箔に、乾燥後の塗布量が100〜110g/m2となるようにアプリケーターにより塗布後、乾燥し、ロールプレスにてプレスすることにより電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは67μmであった。
1重量%のCMC水溶液を2.0gと、活物質として平均粒径50nmのシリコン粒子0.74gをポリプロピレン製容器に入れ、プラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を5回行った。生成した混合物にアセチレンブラックを0.4g、1重量%のCMC水溶液を1.5g追加し、さらにプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を5回行った。生成した混合物に活物質としての人造黒鉛(平均粒子径約20μm)8.5g、1重量%のCMC水溶液を2.0g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー液2.0gを添加し、さらにプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を3回行った。生成した混合物に、1重量%のCMC水溶液を9.5g、水13g、最後にSBRを0.11g添加し、各々の添加後にプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで2分間攪拌した。得られたペーストの活物質(人造黒鉛/シリコン=92/8)とアセチレンブラックとCMCとCNF1とSBRとの重量比は、92:4:1.5:2:0.5であった。得られたペーストを厚み10μmの銅箔に、乾燥後の塗布量が50〜60g/m2となるようにアプリケーターにより塗布後、乾燥し、ロールプレスにてプレスすることにより電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは38μmであった。
1重量%のCMC水溶液を1.3gと、活物質として平均粒径50nmのシリコン粒子0.60gをポリプロピレン製容器に入れ、プラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を5回行った。そこにアセチレンブラックを0.4g、1重量%のCMC水溶液を1.6g追加し、さらにプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を5回行った。そこに活物質としての人造黒鉛(平均粒子径約20μm)5.4g、1重量%のCMC水溶液を1.3g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー1.35gを添加し、さらにプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで攪拌処理(処理時間2分)を3回行った。そこに、1重量%のCMC水溶液を5g、水7g、最後にSBRを0.07g添加し、各々の添加後にプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで2分間攪拌した。得られたペーストの活物質(人造黒鉛/シリコン=90/10)とアセチレンブラックとCMCとCNF1とSBRとの重量比は、90:6:1.5:2:0.5であった。得られたペーストを厚み10μmの銅箔に、乾燥後の塗布量が50〜60g/m2となるようにアプリケーターにより塗布後、乾燥し、ロールプレスにてプレスすることにより電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは38μmであった。
1重量%のCMC水溶液を5.0gと、活物質として平均粒径2.8μmのSiO粒子を1.38g、活物質としての人造黒鉛(平均粒径20μm)を7.82g、アセチレンブラックを0.4g、調製例1で得られた9.9重量%のCNF1含有スラリー2.03gをポリプロピレン製容器に入れ、プラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで2分間攪拌した。生成した混合物に1重量%のCMC水溶液を2.5g、1重量%のCMC水溶液を7.5g、水9g、最後にSBRを0.10g添加し、各々の添加後にプラネタリーミキサーを用いて、2000rpmで2分間攪拌した。得られたペーストの活物質(人造黒鉛/SiO=85/15)とアセチレンブラックとCMCとCNF1とSBRとの重量比は、92:4:1.5:2:0.5であった。得られたペーストを厚み10μmの銅箔に、乾燥後の塗布量が50〜60g/m2となるようにアプリケーターにより塗布後、乾燥し、ロールプレスにてプレスすることにより電極を作製した。電極活物質層の平均厚みは36μmであった。
水3.5g、調製例2で得られた1重量%のCF1含有スラリー液48.6g、1.5重量%のCMC水溶液60.9g、人造黒鉛(平均粒子径約20μm)90gを用いて、人造黒鉛とCMCとCF1との重量比を98.5:1:0.5とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。
水16.5g、調製例3で得られた1重量%のCF2含有スラリー液47.6g、1.5重量%のCMC水溶液60.9g、人造黒鉛(平均粒子径約20μm)90gを用いて、人造黒鉛とCMCとCF2との重量比を98.5:1:0.5とする以外は実施例1と同様にして電極を作製した。
Claims (13)
- (A)セルロースファイバーと、(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩と、(C)電極活物質とを含み、(A)セルロースファイバーの平均繊維長が1〜750μmである電極用スラリーの塗膜であって、
(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩の割合が、固形分換算で、(A)セルロースファイバー、(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩、及び(C)電極活物質の総量100重量部に対して、0.35〜1.85重量部であり、
(A)セルロースファイバーと(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩との割合が、固形分換算で、前者/後者(重量比)=95/5〜20/80である、塗膜。 - (A)セルロースファイバー及び(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩の含有量が、固形分換算で、(A)セルロースファイバー、(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩、及び(C)電極活物質総量100重量部に対して、1.3〜4重量部である請求項1記載の電極用スラリーの塗膜。
- (A)セルロースファイバーの平均繊維長が1〜250μmである請求項1又は2記載の電極用スラリーの塗膜。
- (A)セルロースファイバーの平均繊維長が2〜100μmである請求項1〜3のいずれかに記載の電極用スラリーの塗膜。
- (B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩が、カルボキシメチルセルロース又はその塩である請求項1〜4のいずれかに記載の電極用スラリーの塗膜。
- (C)電極活物質が炭素素材を含む請求項1〜5のいずれかに記載の電極用スラリーの塗膜。
- (A)セルロースファイバー、(B)カルボキシメチル基含有セルロースエーテル又はその塩、及び(C)電極活物質の含有量が、スラリー全体に対し、60重量%以下である請求項1〜6のいずれかに記載の電極用スラリーの塗膜。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の電極用スラリーを集電体の上に塗布する非水系二次電池用電極の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の電極用スラリーであって、集電体に塗布するための電極用スラリー。
- 集電体と、この集電体の少なくとも一方の面に請求項1〜7のいずれかに記載の塗膜で形成された電極活物質層とを備えた非水系二次電池用電極。
- リチウムイオン二次電池の正極又は負極である請求項10記載の電極。
- 請求項10記載の電極を備えた非水系二次電池。
- 請求項11記載の電極を備えたリチウムイオン二次電池。
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