JP7148479B2 - リチウムイオン電池用集電体及びリチウムイオン電池用電極 - Google Patents
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Description
また、集電体の強度に問題が生じる可能性があった。
本発明のリチウムイオン電池用集電体は、リチウムイオン電池内において一方の主面を電極活物質と接触させて使用するリチウムイオン電池用集電体であって、上記リチウムイオン電池用集電体は、上記電極活物質と接触する主面に2層の表面層を有し、上記表面層のうち第1層が、高分子材料(A1)と導電性フィラーを含む樹脂組成物からなり、上記高分子材料(A1)は35℃以下のガラス転移温度を有し、上記第1層の上に積層された第2層が、カルボン酸基を有する高分子材料(A2)と導電性フィラーとを含む樹脂組成物からなり、上記第2層が前記電極活物質と接する表面に凹凸パターンを有し、上記第2層が上記表面層の最表層となり上記電極活物質と接触する層であり、上記高分子材料(A1)及び上記高分子材料(A2)は異なる材料であることを特徴とする。
表面層は、リチウムイオン電池用集電体の本体である集電体基板上に設けられる層であり、表面層のうち第1層が集電体基板上に設けられ、表面層のうち第2層が第1層の上に積層されて、第2層が表面層の最表層となり電極活物質と接触する。
集電体基板としては、樹脂集電体基板、又は、金属集電体基板を使用することができる。
まず、本発明のリチウムイオン電池用集電体が樹脂集電体基板を備える場合について説明する。
図1に示すリチウムイオン電池用集電体1は、樹脂集電体基板20と、樹脂集電体基板20上に設けられた表面層30とを有する。
樹脂集電体基板20は高分子材料(A3)と、導電性フィラーを含む。
表面層30は、樹脂集電体基板20と接触する層である第1層31と、表面層の最表層となる第2層32とからなる。
リチウムイオン電池用集電体1は主面11及び主面12を有する。
一方の主面11は第2層32からなる面であり、電極活物質と接触する面である。
他方の主面12は樹脂集電体基板20からなる面である。
図2に示すリチウムイオン電池用電極50は、図1に示すリチウムイオン電池用集電体1の一方の主面11に、被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層40が設けられてなる。
被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物(B)を含む被覆層で被覆されてなる。
また、被覆層には導電助剤が含まれていてもよく、電極活物質層40には被覆電極活物質粒子の他に導電助剤が含まれていてもよい。また、電極活物質層40には電解液が含まれていることが好ましい。
高分子材料(A3)としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリシクロオレフィン(PCO)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。
電気的安定性の観点から、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)及びポリシクロオレフィン(PCO)が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリメチルペンテン(PMP)である。
本明細書における高分子材料のSP値は、溶解度パラメータ[単位は(cal/cm3)1/2である]であり、Fedorsらが提案した下記の文献に記載の方法によって計算されるものである。
「POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE,February,1974,Vol.14,No.2,Robert F. Fedors(147~154頁)」
これらの材料は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物を用いてもよい。電気的安定性の観点から、好ましくはアルミニウム、ステンレス、カーボン、銀、銅、チタン及びこれらの混合物であり、より好ましくは銀、アルミニウム、ステンレス及びカーボンであり、さらに好ましくはカーボンである。またこれらの導電性フィラーとしては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料(上記した材料のうち金属のもの)をめっき等でコーティングしたものでもよい。
導電性繊維としては、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。これらの導電性繊維の中では炭素繊維が好ましい。また、グラフェンを練りこんだポリプロピレン樹脂も好ましい。
導電性フィラーが導電性繊維である場合、その平均繊維径は0.1~20μmであることが好ましい。
樹脂集電体基板の厚さが100μm以下、特に40~80μmであると、集電体としての厚さが薄く、薄膜化された集電体とすることができる。このような集電体は電池内における体積が小さいため、電池の電池容量を高くするために適している。
第1層は、高分子材料(A1)と導電性フィラーを含む樹脂組成物からなる。
高分子材料(A1)は、そのガラス転移温度が35℃以下の材料である。
本明細書における高分子材料のガラス転移温度は、JIS K 6240:2011 原料ゴム-示差走査熱量測定(DSC)によるガラス転移温度の求め方に準拠して測定される。
側鎖の炭素数が8~13である(メタ)アクリル酸エステルとしては、オクチル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、ウンデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、等が挙げられる。
高分子材料(A1)に占める、側鎖の炭素数が8~13である(メタ)アクリル酸エステルの割合としては50~95重量%であることが好ましい。
例えば、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、桂皮酸等の炭素数3~15のモノカルボン酸、側鎖の炭素数が7以下である(メタ)アクリル酸エステル、ジ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられる。
具体的には、アクリル酸、メタクリル酸、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
高分子材料(A1)がSP値が9~10のビニル樹脂であると、樹脂集電体基板と物性が類似するので、第1層と樹脂集電体基板の密着性が向上する。
好ましくは、樹脂集電体基板を構成する高分子材料(A3)と、表面層のうち第1層を構成する高分子材料(A1)のSP値の差が1.0以下であることが好ましい。
本明細書における高分子材料の分子量は、以下の条件でGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)測定により求めることができる。
装置:「HLC-8120GPC」[東ソー(株)製]
カラム:「TSKgel GMHXL」(2本)、「TSKgel Multipore HXL-M」(1本)を連結したもの[いずれも東ソー(株)製]
試料溶液:0.25重量%のテトラヒドロフラン溶液
溶液注入量:10μL
流量:0.6mL/分
測定温度:40℃
検出装置:屈折率検出器
基準物質:標準ポリスチレン[東ソー(株)製]
第1層に占める導電性フィラーの重量割合は、第1層の重量を基準として20~40重量%であることが好ましい。
第1層の厚さが3~10μmであると、第1層の面粗さを小さく押さえかつ第2層形成時に基板がカールすることを防ぐことができる。
酸無水物基を含む高分子材料も、カルボン酸基を有する高分子材料(A2)に含まれる。
カルボン酸基又は酸無水物基を有する単量体としては、(メタ)アクリル酸;クロトン酸、桂皮酸等の炭素数3~15のモノカルボン酸;(無水)マレイン酸、フマル酸、(無水)イタコン酸、シトラコン酸、メサコン酸等の炭素数4~24のジカルボン酸;アコニット酸等の炭素数6~24の3価~4価又はそれ以上の価数のポリカルボン酸等が挙げられる。
特に、(メタ)アクリル酸を単量体として含むことが好ましい。また、高分子材料(A2)に占める(メタ)アクリル酸の割合としては30~95重量%であることが好ましい。
例えば、(メタ)アクリル酸エステル、ジ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられる。
具体的には、メチル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
第2層を形成する際に、高分子材料(A2)を溶媒に溶解させたスラリーを用いる場合、溶媒への溶解性を向上させるために溶媒のSP値を高分子材料(A2)のSP値と近くすることが好ましい。
この場合、第1層を形成する高分子材料(A1)の好ましいSP値(9~10)との差が大きくなるので、高分子材料(A2)を溶解させる溶媒により第1層が部分的に、または全体的に溶解することを防ぐことができる。
そのため、第2層の表面の表面粗さを制御することができる。
第2層に占める導電性フィラーの重量割合は、第2層の重量を基準として20~50重量%であることが好ましい。
第2層の厚さが10~70μmであると、活物質が凹凸の内部に入りやすくなるので、充放電サイクルを繰り返してもリチウムイオン電池の性能を良好に維持することができる。
そして、第2層が電極活物質と接する表面に凹凸パターンを有する。
凹凸パターンとしては、第2層の表面に設けられた溝状のパターン、格子状のパターン、ランダム状に凹凸が設けられたパターン等が挙げられる。
第2層が電極活物質と接する表面に凹凸が設けられることによって、第2層と電極活物質が接触する面積を大きくして、電極活物質と第2層の間の抵抗を低下させることができる。
凹凸パターンの凸部の高さはJIS B 0601(2013)に準拠して測定したRp(最大山高さ)の値として定めることができる。
また、第2層の表面粗さRaは5~25μmであることが好ましい。
第2層の表面粗さRaはJIS B 0601(2013)に準拠して測定することができる。
凹凸パターンの凸部の高さ及び第2層の表面粗さが上記範囲であると、第2層と電極活物質が接触する面積が充分に大きくなり、電極活物質と第2層の間の抵抗をより低下させることができる。
電極活物質としては、正極活物質又は負極活物質を使用することができ、電極活物質は粒子状の電極活物質粒子として使用することが好ましい。
なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。
上記負極活物質粒子のうち、内部にリチウム又はリチウムイオンを含まないものについては、予め負極活物質粒子の一部又は全部にリチウム又はリチウムイオンを含ませるプレドープ処理を施してもよい。
電極活物質粒子が、その表面の少なくとも一部が高分子化合物(B)を含む被覆層で被覆されている被覆電極活物質粒子であると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。
また、高分子化合物(B)としては、特開2017-054703号公報に非水系二次電池活物質被覆用樹脂として記載されたものを好適に用いることができる。
これらの中では電解液への濡れ性及び吸液の観点からフッ素樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂及びこれらの混合物が好ましく、ビニル樹脂がより好ましい。
ここで、非結着体とは、電極活物質が結着材(バインダともいう)により位置を固定されておらず、電極活物質同士及び電極活物質と集電体が不可逆的に固定されていないことを意味する。
粘着性樹脂としては、例えば、特開2017-054703号公報に記載された非水系二次電池活物質被覆用樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調整したもの、及び、特開平10-255805公報に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。
なお、粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性(水、溶剤、熱などを使用せずに僅かな圧力を加えることで接着する性質)を有する樹脂を意味する。一方、結着材として用いられる溶液乾燥型の電極バインダは、溶媒成分を揮発させることで乾燥、固体化して活物質同士を強固に接着固定するものを意味する。
従って、溶液乾燥型の電極バインダ(結着材)と粘着性樹脂とは異なる材料である。
図3は、2層構成の樹脂集電体基板を備えるリチウムイオン電池用集電体の一例を模式的に示す断面図である。
図3に示すリチウムイオン電池用集電体2では、樹脂集電体基板20が第1フィルム21と第2フィルム22の2層からなる。
2層以上の樹脂層からなる樹脂集電体基板としては、例えば、樹脂集電体基板を構成する高分子材料(A3)と導電性フィラーを含む樹脂組成物からなるフィルムを2種類以上準備し、上記2種類以上のフィルムを重ねて熱プレス等により一体化した複層フィルムが挙げられる。
複層フィルムの各層を構成する材料としては、上述した高分子材料(A3)と導電性フィラーを使用することができる。高分子材料(A3)と導電性フィラーの種類は同じとして高分子材料(A3)と導電性フィラーの割合を変化させたフィルムを組み合わせて使用することが好ましい。
例えば、導電性フィラーの割合を高くして導電性を向上させたフィルムと、導電性フィラーの割合を低くして強度を向上させたフィルムを組み合わせて使用することが考えらえる。
金属層は、蒸着、スパッタリング等の製膜方法により樹脂集電体基板の表面に設けることができる。金属層を構成する金属種としては、銅、ニッケル、チタン、銀、金、白金、アルミニウム、ステンレス、ニクロム等が挙げられる。
リチウムイオン電池用集電体の樹脂集電体基板側の主面は、リチウムイオン電池を積層して使用する際に集電体同士が接触する面となる。この面に金属層を設けることにより積層時の集電体間の接触抵抗を低下させることができる。
次に、本発明のリチウムイオン電池用集電体が金属集電体基板を備える場合について説明する。
図4は、金属集電体基板を備えるリチウムイオン電池用集電体の一例を模式的に示す断面図である。
図4に示すリチウムイオン電池用集電体3は、金属集電体基板60と、金属集電体基板60上に設けられた表面層30とを有する。
表面層30の構成は、第1実施形態のリチウムイオン電池用集電体1と同様にすることができる。
一方の主面11は第2層32からなる面であり、電極活物質と接触する面である。
他方の主面12は金属集電体基板60からなる面である。
これらの材料のうち、軽量化、耐食性、高導電性の観点から、正極集電体として用いる金属集電体基板はアルミニウムであることが好ましく、負極集電体として用いる金属集電体基板は銅であることが好ましい。
まず、樹脂集電体基板を備えるリチウムイオン電池用集電体の製造について説明する。
樹脂集電体基板を構成する高分子材料(A3)と導電性フィラー、及び、必要に応じてその他の成分を混合することにより、樹脂集電体基板用組成物を得る。
混合の方法としては、導電性フィラーのマスターバッチを得てからさらに高分子材料(A3)と混合する方法、高分子材料(A3)、導電性フィラー、及び、必要に応じてその他の成分のマスターバッチを用いる方法、及び、全ての原料を一括して混合する方法等があり、その混合にはペレット状又は粉体状の成分を適切な公知の混合機、例えばニーダー、インターナルミキサー、バンバリーミキサー及びロール等を用いることができる。
また、樹脂集電体基板の一方の主面(表面層を形成しない予定の主面)に金属層を形成してもよい。
表面層の第1層を構成する高分子材料(A1)、導電性フィラー、及び、必要に応じてその他の成分を混合することにより、第1層用組成物を得る。
第1層用組成物は、高分子材料(A1)及び導電性フィラーを溶媒中に分散させたスラリーであることが好ましい。溶媒としてはヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、アセトン、トリクロロメタン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン等を使用することができる。
また、分散剤としてジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール等を配合してもよい。
第1層用組成物を樹脂集電体基板の一方の主面に塗布し、乾燥することによって第1層を形成することができる。塗布方法は特に限定されるものではない。
第2層用組成物は、高分子材料(A2)及び導電性フィラーを溶媒中に分散させたスラリーであることが好ましい。溶媒としてはメタノール、エタノール、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド等を使用することができる。
また、分散剤としてポリエチレングリコール、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース等を配合してもよい。
第2層用組成物を第1層の表面に塗布し、乾燥することによって第2層を形成することができる。塗布方法は特に限定されるものではない。
パターンのついたマスクとしては、金属メッシュ(SUSメッシュ等)、樹脂メッシュ(ニトリルメッシュ等)、スクリーン印刷用の版などを使用することができる。金属メッシュ又は樹脂メッシュを使用する場合、平織、綾織、畳織等の任意の形状を使用することができる。
または、第2層形成後に、第2層の表面に凹凸パターンを付与することもできる。凹凸の付与は第2層の表面へのサンドブラスト処理、エンボス加工等の方法により行うことができる。
上記方法によってリチウムイオン電池用集電体を製造することができる。
準備した金属集電体基板の一方の主面に、上記方法により表面層の第1層及び第2層を形成する。
上記方法によってリチウムイオン電池用集電体を製造することができる。
電極活物質粒子は、その表面の少なくとも一部が高分子化合物(B)を含む被覆層で被覆した被覆電極活物質粒子とすることが好ましい。
リチウムイオン電池は、対極となる電極を組み合わせて、セパレータと共にセル容器に収納し、電解液を注入し、セル容器を密封することにより得られる。
電解質としては、公知の電解液に用いられている電解質が使用でき、例えば、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4及びLiN(FSO2)2等の無機アニオンのリチウム塩、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2及びLiC(CF3SO2)3等の有機アニオンのリチウム塩が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはLiN(FSO2)2である。
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口コルベンにトルエン65部を仕込み75℃に昇温した。次いで、2-エチルヘキシルアクリレート27部、イソブチルメタクリレート1.5部及びメタクリル酸1.4部及び1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート0.1部を配合したモノマー配合液と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.03部をトルエン5部に溶解した開始剤溶液とを4つ口コルベン内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、75℃に昇温し反応を1時間継続した。次いで2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.01部をトルエン1部に溶解した開始剤溶液を滴下ロートで投入しさらに反応を3時間継続して共重合体溶液を得た。得られた共重合体溶液をテフロン(登録商標)製のバットに移した。80℃、0.09MPaで3時間、減圧乾燥でトルエンを留去した。次いで、100℃に昇温し1時間、更に120℃、0.01MPaで1時間、減圧乾燥器で加熱を行い共重合体を得た。この共重合体10部をアセトン40部で溶解させて樹脂濃度20%の高分子材料(A1-1)の溶液を得た。
これらの物性をまとめて表1に示した。
攪拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口コルベンに、アクリル酸90部、メチルメタクリレート10部及びN,N-ジメチルホルムアミド(以後、DMFと省略する)390部を仕込み75℃に昇温した。DMF10部及び2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.200部を混合した。得られた単量体混合液をコルベン内に窒素を吹き込みながら、滴下ロートで4時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.800部をDMF12.4部に溶解した溶液を滴下ロートを用いて、重合を開始してから6~8時間目にかけて連続的に追加した。さらに重合を2時間継続し、共重合体溶液を得た。得られた共重合体溶液をテフロン(登録商標)製のバットに移した。140℃、0.09MPaで5時間、減圧乾燥器で加熱を行いDMFを留去し共重合体を得た。この共重合体10部をメタノール40部で溶解させて樹脂濃度20%の高分子材料(A2-1)の溶液を得た。
これらの物性をまとめて表2に示した。
2軸押出機にて、高分子材料(A3)としてのポリプロピレン樹脂75部、導電性フィラーとしてのアセチレンブラック20部、分散剤[商品名「ユーメックス1001(酸変性ポリプロピレン)」、三洋化成工業(株)製]5部を180℃、100rpm、滞留時間5分の条件で溶融混練して樹脂集電体基板用組成物を得た。
得られた樹脂集電体基板用組成物をTダイから押し出し、50℃に温調した冷却ロールで圧延することで、樹脂集電体基板(L-1)を得た。得られた樹脂集電体基板の厚さは50μmであった。
なお、(L-4)については金属層を形成していない面の表面粗さを測定した。
樹脂集電体基板の厚さは膜厚計[ミツトヨ製]を用いて測定した。
貫通抵抗値の測定方法は下記の通りである。
これらの物性をまとめて表3に示した。
樹脂集電体基板をΦ15mmに打ち抜き、電気抵抗測定器[IMC-0240型、井元製作所(株)製]及び抵抗計[RM3548、HIOKI製]を用いて各樹脂集電体基板の貫通抵抗値を測定した。
電気抵抗測定器に2.16kgの荷重をかけた状態での樹脂集電体基板の抵抗値を測定し、2.16kgの荷重をかけてから60秒後の値をその樹脂集電体基板の抵抗値とした。下記の式に示すように、抵抗測定時の冶具の接触表面の面積(1.77cm2)をかけた値を貫通抵抗値(Ω・cm2)とした。
貫通抵抗値(Ω・cm2)=抵抗値(Ω)×1.77(cm2)
樹脂集電体をJIS K 7127に準拠したダンベル打ち抜き器で成型し、オートグラフ[(株)島津製作所製AGS-X10kN]に固定した1kNのロードセルおよび引張試験用のつかみ具にサンプルを固定し、100mm/minの速度で引っ張った破断点の試験力を破断面の断面積で割った値を破断応力(MPa)とした。
破断応力(MPa)=試験力(N)/(フィルム厚み(mm)×10(mm))
攪拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口コルベンに、ラウリルメタクリレート95部、メタクリル酸4.6部、1、6-ヘキサンジオールジメタクリレート0.4及びトルエン390部を仕込み75℃に昇温した。トルエン10部及び2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.200部及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)0.200部を混合した。得られた単量体混合液をコルベン内に窒素を吹き込みながら、滴下ロートで4時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.800部をトルエン12.4部に溶解した溶液を滴下ロートを用いて、重合を開始してから6~8時間目にかけて連続的に追加した。さらに重合を2時間継続し、トルエンを488部加えて樹脂固形分濃度30重量%の高分子化合物(B-1)の溶液を得た。
これらの物性をまとめて表4に示した。
表5に示す構成で、高分子材料と導電性フィラーを混合して第1層用組成物を作製した。
第1層用組成物を樹脂集電体基板(L-1)~(L-4)の一方の主面に塗布し、乾燥することによって第1層を形成した。得られた基板を第1層形成基板(S-1)~(S-9)とした。
樹脂集電体基板として樹脂集電体基板(L-4)を使用した場合は、Pt膜を形成していない面に第1層を形成した。
表5及び後述する表6におけるCNFはカーボンナノファイバー(商品名「VGCF-H」、昭和電工株式会社製)、Ni粒子は商品名「Nickel Powder Type255」、Vale社製である。
得られた第1層形成基板につき、厚さ、第1層の表面の表面粗さRa、貫通抵抗値、破断応力を求めた。それらの結果を表5にまとめた。
第1層形成基板(S-8)では乾燥後にカールが見られた。また、第1層形成基板(S-8)及び(S-9)では破断応力が小さくなっていた。
表6に示す構成で、高分子材料と導電性フィラーを混合して第2層用組成物を作製した。
第1層の表面に目開き77μm、線径50μm、平織のSUS316製メッシュを置き、その上から第2層用組成物を塗布し、SUSメッシュを剥がして凹凸パターンのある第2層を形成した。第2層形成用メッシュの目開き、線径、材質、織方は各実施例及び比較例毎に表6に示すように変更した。
得られた基板を第2層形成基板(T-1)~(T-14)とした。
得られた第2層形成基板はリチウムイオン電池用集電体(T-1)~(T-14)でもある。
得られたリチウムイオン電池用集電体につき、厚さ、第2層の表面の凹凸パターンの凸部の高さRp、第2層の表面の表面粗さRa、貫通抵抗値、破断応力を求めた。それらの結果を表6にまとめた。
リチウムイオン電池用集電体(T-1)~(T-10)がそれぞれ実施例1~10に係るリチウムイオン電池用集電体であり、リチウムイオン電池用集電体(T-11)~(T-14)がそれぞれ比較例1~4に係るリチウムイオン電池用集電体である。
エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合溶媒(体積比率でEC:PC=1:1)にLiN(FSO2)2(LiFSI)を2mol/Lの割合で溶解させ、リチウムイオン電池用電解液を調製した。
[被覆正極活物質の作製]
樹脂溶液として高分子化合物(B-1)の溶液を用いたリチウムイオン電池用被覆正極活物質を以下の方法で作製した。
正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2[戸田工業製、体積平均粒子径6.4μm]96.9部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、上記樹脂溶液を2分かけて滴下し、さらに5分撹拌した。
次いで、撹拌した状態で導電助剤としてアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)]3部を分割しながら2分間で投入し、30分撹拌を継続した。その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を150℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。得られた粉体を目開き212μmの篩いで分級し、被覆正極活物質を得た。
リチウムイオン電池用集電体(T-1)~(T-10)、(T-12)~(T-14)の第2層上に正極活物質層を形成して正極を作製した。
また、樹脂集電体基板(L-1)の表面上、第1層形成基板(S-1)、(S-8)の第1層上に正極活物質層を形成して正極を作製した。
具体的には、電解液42部と炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製 ドナカーボ・ミルド S-243:平均繊維長500μm、平均繊維径13μm:電気伝導度200mS/cm]4.2部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、続いて上記電解液30部と上記の被覆正極活物質206部を追加した後、更にあわとり練太郎で2000rpmで2分間混合し、上記電解液20部を更に追加した後、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで1分間行い、更に電解液2.3部を更に追加した後あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで2分間混合して、正極スラリーを作製した。得られた正極スラリーを活物質目付量が80mg/cm2となるよう、リチウムイオン電池用集電体の片面に塗布し、1.4MPaの圧力で約10秒プレスし、実施例11~20、比較例5~10に係る正極ハーフセル(15mmφ)を作製した。
得られた正極ハーフセルを、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Li金属と組み合わせ、電解液を注入して、ラミネートセルを作製した。
45℃下、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて以下の方法によりリチウムイオン電池につき充放電試験を行った。結果を表7に示す。
定電流定電圧方式(0.1C)で4.2Vまで充電した後、10分間の休止後、定電流方式(0.1C)で2.6Vまで放電した。
このとき放電した容量を[放電容量(mAh)]とした。
45℃下、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて以下の方法により正極ハーフセルの評価を行った。結果を表7に示す。
定電流定電圧方式(0.1C)で4.2Vまで充電した後、10分間の休止後、定電流方式(0.1C)で2.6Vまで放電した。定電流定電圧方式(CCCVモードともいう)で0.1Cにおける放電0秒後の電圧及び電流並びに0.1Cにおける放電10秒後の電圧及び電流を測定し、以下の式で内部抵抗を算出した。内部抵抗が小さいほど優れた電池特性を有することを意味する。
なお、放電0秒後の電圧とは、放電したと同時に計測される電圧(放電時電圧ともいう)である。
[内部抵抗(Ω・cm2)]=[(0.1Cにおける放電0秒後の電圧)-(0.1Cにおける放電10秒後の電圧)]÷[(0.1Cにおける放電0秒後の電流)-(0.1Cにおける放電10秒後の電流)]×[電極の対向面積(cm2)]
比較例8は、リチウムイオン電池用集電体が樹脂集電体基板(L-1)であり、表面層が設けられていない樹脂集電体を使用した例に相当する。
内部抵抗が比較例8より明らかに低く(14.0(Ω・cm2)未満)、放電容量が比較例8より高いか同程度である場合を高評価と判断した。
実施例11~20に係る正極ハーフセルはいずれも内部抵抗が比較例8より低く、放電容量は比較例8と同程度であった。
すなわち、各実施例の正極ハーフセルは放電容量を低下させることなく内部抵抗を低下させることができることが分かった。
[被覆負極活物質の作製]
樹脂溶液として高分子化合物(B-2)の溶液を用いたリチウムイオン電池用被覆負極活物質を以下の方法で作製した。
負極活物質として難黒鉛化性炭素[(株)クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製 カーボトロン(登録商標)PS(F)]100部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、上記樹脂溶液を2分かけて滴下し、さらに5分撹拌した。
次いで、撹拌した状態で導電助剤としてアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)]5.1部を分割しながら2分間で投入し、30分撹拌を継続した。その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を150℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。得られた粉体を目開き212μmの篩いで分級し、被覆負極活物質を得た。
リチウムイオン電池用集電体(T-1)~(T-10)、(T-12)~(T-14)の第2層上に負極活物質層を形成して負極を作製した。
また、樹脂集電体基板(L-1)の表面上、第1層形成基板(S-1)、(S-8)の第1層上に負極活物質層を形成して負極を作製した。
具体的には、電解液150部と炭素繊維4.2部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、続いて上記電解液50部と上記の被覆負極活物質206部を追加した後、更にあわとり練太郎で2000rpmで2分間混合し、上記電解液20部を更に追加した後、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで1分間行い、更に電解液2.3部を更に追加した後あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで2分間混合して、負極スラリーを作製した。得られた負極スラリーを活物質目付量が30.0mg/cm2となるよう、リチウムイオン電池用集電体の片面に塗布し、1.4MPaの圧力で約10秒プレスし、実施例21~30、比較例11~16に係る負極ハーフセル(16mmφ)を作製した。
得られた負極を、セパレータ(セルガード製#3501)を介し、対極Li金属と組み合わせ、電解液を注入して、ラミネートセルを作製した。
比較例14は、リチウムイオン電池用集電体が樹脂集電体基板(L-1)であり、表面層が設けられていない樹脂集電体を使用した例に相当する。
内部抵抗が比較例14より明らかに低く(16.0(Ω・cm2)未満)、放電容量が比較例14より高いか同程度である場合を高評価と判断した。
実施例21~30に係る負極ハーフセルはいずれも内部抵抗が比較例14より低く、放電容量は比較例14より高かった。
すなわち、各実施例の負極ハーフセルは内部抵抗を低下させることができ、さらに放電容量を高くできることが分かった。
11、12 主面
20 樹脂集電体基板
21 第1フィルム
22 第2フィルム
30 表面層
31 第1層
32 第2層
40 電極活物質層
50 リチウムイオン電池用電極
60 金属集電体基板
Claims (5)
- リチウムイオン電池内において一方の主面を電極活物質と接触させて使用するリチウムイオン電池用集電体であって、
前記リチウムイオン電池用集電体は、前記電極活物質と接触する主面に2層の表面層を有し、
前記表面層のうち第1層が、高分子材料(A1)と導電性フィラーを含む樹脂組成物からなり、前記高分子材料(A1)は、側鎖の炭素数が8~13である(メタ)アクリル酸エステルを単量体として含み、かつ、35℃以下のガラス転移温度を有し、
前記第1層に占める導電性フィラーの重量割合は、前記第1層の重量を基準として20~40重量%であり、
前記第1層の上に積層された第2層が、カルボン酸基を有する高分子材料(A2)と導電性フィラーとを含む樹脂組成物からなり、前記第2層が前記電極活物質と接する表面に凹凸パターンを有し、前記高分子材料(A2)は、(メタ)アクリル酸;炭素数3~15のモノカルボン酸;炭素数4~24のジカルボン酸;炭素数6~24の3価~4価又はそれ以上の価数のポリカルボン酸に由来するカルボン酸基又は酸無水物基を有する単量体のうちのいずれかを含み、前記第2層が前記表面層の最表層となり前記電極活物質と接触する層であり、
前記第2層に占める導電性フィラーの重量割合は、前記第2層の重量を基準として20~50重量%であり、
前記高分子材料(A1)及び前記高分子材料(A2)は異なる材料であり、
前記第2層が有する凹凸パターンの凸部の高さが10~70μmであり表面粗さRaが5~25μmであることを特徴とするリチウムイオン電池用集電体。 - 前記高分子材料(A2)がSP値が13~18のビニル樹脂である請求項1に記載のリチウムイオン電池用集電体。
- 前記高分子材料(A1)がSP値が9~10のビニル樹脂である請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用集電体。
- 前記リチウムイオン電池用集電体は、高分子材料(A3)と導電性フィラーを含む樹脂集電体基板と、前記樹脂集電体基板上に設けられた前記表面層を有し、
前記表面層の前記第1層が前記樹脂集電体基板と接触する層である請求項1~3のいずれかに記載のリチウムイオン電池用集電体。 - 請求項1~4のいずれかに記載のリチウムイオン電池用集電体と電極活物質粒子を有し、
前記電極活物質粒子の表面の少なくとも一部が高分子化合物(B)を含む被覆層で被覆されているリチウムイオン電池用電極。
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