JPH08227708A - 電極および該電極を用いた二次電池 - Google Patents
電極および該電極を用いた二次電池Info
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
の粒子数が少ない電極及びそれを用いた高エネルギー密
度二次電池の提供。 【解決手段】 平均粒径の異なる二種類以上の粒状電極
活物質の群の混合物を含有して構成され、かつ最大の平
均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、A活物質群と
いう)の粒子の粒径が4μm〜50μmであることを特
徴とする電極及びそれを用いた高エネルギー密度二次電
池。
Description
ネルギー密度二次電池に関する。
進歩は目覚ましいものがあり、とりわけOA分野におい
ては、デスクトップ型からラップトップ型、ノートブッ
ク型へと小型軽量化している。加えて、電子手帳、電子
スチールカメラなどの新しい小型電子機器の分野も出現
し、さらには従来のハードディスク、フロッピィーディ
スクの小型化に加えて新しい小型のメモリーメディアで
あるメモリーカードの開発も進められている。このよう
な電子機器の小型化、軽量化、薄型化の波の中で、これ
らの電力を支える二次電池にも高エネルギー密度、高電
圧、高出力等の高性能化が要求されている。このような
要望のもとに、高エネルギー密度電池としてリチウム二
次電池、リチウムイオン電池のような非水二次電池の開
発が急速に進められている。しかし、現在発表されてい
る試作電池は非水二次電池本来の能力を充分に活かして
いるとはいえない。この主因の一つとして、電極のエネ
ルギー密度があまり高くないことが考えられる。即ち、
電極活物質が本来有しているエネルギー密度に比べ、加
工された電極のエネルギー密度、特に体積エネルギー密
度がかなり低いためである。非水二次電池の電極に用い
る電極活物質はほとんどのものが粒状であり、自己結着
性がない。そのため、電極の加工はポリテトラフルオロ
エチレン等のバインダーを用いて電極活物質を集電体に
担持させて行っている。電極のエネルギー密度は、電極
を構成する電極活物質の粒径に大きく左右される。すな
わち、粒径の大きな電極活物質で電極を作成すると、電
極活物質粒子間の隙間が多くなり、電極の密度は低下す
るため、一般には粒径の小さい電極活物質を用いた電極
作成が行われている。しかしながら、粒径の小さい電極
活物質を用いる場合、単位重量当りの粒子数が粒径の大
きな電極活物質に比べ飛躍的に多くなるため電極作製に
は大量のバインダーが必要となる。そのため、活物質の
充填量は低下し、電極のエネルギー密度は低下する。一
方、特開平4−82172には、平均粒径0.8μmの
炭素材料と平均粒径3μmの炭素材料を混合して電極を
作成する方法が提案されている。しかしながら、平均粒
径3μmの電極活物質の粒径はそれ自身大変小さく、さ
らに平均粒径0.8μmの電極活物質を混合すること
は、バインダーの使用量を増やすことになるため、電極
のエネルギー密度は低下する。
極活物質の粒子数が少ない電極及びそれを用いた高エネ
ルギー密度二次電池を提供することにある。
類以上の粒状電極活物質を含有して構成されることにあ
る。すなわち、本発明は、平均粒径の異なる二種類以上
の粒状電極活物質の群の混合物を含有して構成され、か
つ最大の平均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、A
活物質群という)の粒子の粒径が4μm〜50μmであ
ることを特徴とする電極に関する。本発明においては、
平均粒径が異なる二種類以上の粒状電極活物質の群を用
いて電極作製を行うと粒子径の大きな電極活物質粒子間
の隙間に小さな電極活物質粒子が入り込むため、電極の
密度を高くすることができる。従って作製された電極の
エネルギー密度は高くなる。また、小さな粒子径の電極
活物質粒子のみでの電極作製に比べ、電極活物質の粒子
数が少なくなるため、バインダーの必要量を少なくする
ことができる。従って、電極活物質の充填量が上がり、
電極のエネルギー密度を高くすることができる。ただ
し、A活物質群の粒子径が、50μm以上では、均一な
膜厚の電極作製が難しくなり、4μm以下では,バイン
ダー量が多くなるため、電極活物質の充填量が減少し、
電極のエネルギー密度が減少する。前記A活物質群の粒
子径は、好ましくは5μm〜40μm,さらに好ましく
は5μm〜30μmである。
種類以上の粒状電極活物質群のうち、最小の平均粒径を
有する粒状活物質群(以下、B活物質群という)の粒子
の粒径が、A活物質群の粒子の粒径の70%以下、好ま
しくは70%〜10%、さらに好ましくは50%〜20
%である。70%を越えると、A活物質群の粒子の間隔
にB活物質群の粒子が入りにくくなるため、電極のエネ
ルギー密度は高くならない。A活物質群が電極活物質全
体に占める割合は、3重量%〜70重量%、好ましくは
5重量%〜40重量%である。平均粒径が最大の粒状電
極活物質が電極活物質全体に占める割合が3重量%以下
では、バインダーの使用量が多くなるため電極のエネル
ギー密度は低下し、70重量%以上では、電極の密度が
低下するため、電極のエネルギー密度は低くなる。前記
本発明の電極は、正極および/または負極に用いること
ができるが、特に負極に用いると本発明の効果が大き
い。前記本発明の平均粒径の異なる二種類以上の粒状電
極活物質の各群を構成する材料は同一の組成のものであ
っても良いし、異なったものであっても良い。
物質としては、無機系活物質、有機系活物質、これらの
複合体が例示できるが、無機系活物質あるいは無機系活
物質と有機系活物質の複合体が、特にエネルギー密度が
大きく好ましい。無機系活物質としては、MnO2,M
n2O3,CoO2,NiO2,TiO2,V2O5,V
3O8,Cr2O3,Fe2(SO4)3,Fe2(Mo
O2)3,Fe2(WO2)3などの金属酸化物、TiS2,
MoS2,FeS等の金属硫化物、これらの化合物とリ
チウムの複合酸化物が挙げられる。有機系活物質として
はポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ
チオフェン、ポリアルキルチオフェン、ポリカルバゾー
ル、ポリアズレン、ポリジフェニルベンジジン等の導電
性高分子、炭素体から選ばれる1種またはそれ以上の複
合体などを例示することができる。本発明の電極を負極
として用いる場合の電極活物質としては、リチウムとア
ルミニウム、鉛、亜鉛、ケイ素等との合金粉末、天然黒
鉛、石炭、石油、コークスのほか、有機化合物を原料と
して熱分解炭素、天然高分子、合成高分子を焼成するこ
とにより得られる炭素体が挙げられる。本発明の電極に
用いる活物質として炭素材料を用いた場合、本発明の効
果が高く、特に負極の活物質として炭素材料を用いると
本発明の効果は特に高くなる。本発明に用いるバインダ
ーとしてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビ
ニリデン等の有機フッ素高分子、ポリエチレン、ポリプ
ロピレンなどのポリオレフィン、ポリアニリン、ポリア
ルキルチオフェン等の可溶性導電性高分子等を例示でき
るが、これらに限定されるものではない。本発明の電極
は、電極活物質を主要構成材料とし、必要によりバイン
ダー、導電剤、その他添加剤を混合したものである。
又、該電極は、前記の電極形成材料をあらかじめ層状あ
るいはフィルム状に成形したものを、集電体上に積層す
るか、あるいは前記の電極形成材料を溶媒に均一に分散
あるいは、溶解させた塗料液を集電体上に塗布、乾燥し
て作製することができる。塗布溶液は、少なくとも1種
類以上の溶媒に均質に分散させて作製することができ
る。前記塗料液の作製に際して、固形分の溶媒に対する
分散方法としては、ボールミル、バレンミル、ロールミ
ルなどを用いる方法があげられる。前記塗料液の塗布方
法としてはワイヤーバー、ブレード、ダイコート、スプ
レー方式などのコーティング法が挙げられるが、これら
には限定されない。電極の厚みとしては、5〜1000
μm、好ましくは10〜500μmである。5μm以下
では、活物質に対して集電体の占める割合が多くなるた
め電池のエネルギー密度が低下する。1000μm以上
では、電極の内部抵抗が高くなるため電極活物質の利用
率が低下する。本発明に用いる集電体としてはニッケ
ル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス鋼等の金
網、パンチングメタル、エキスパンドメタル、ホイル、
発泡金属が挙げられるが、軽量性、加工性、薄さを考慮
するとホイル、パンチングメタル、エキスパンドメタル
が好ましい。本発明に用いる集電体の厚さとしては、5
〜100μm、好ましくは10〜70μmである。5μ
m以下では集電体の機械的強度が低く、集電特性も劣
る。100μm以上では集電体の重量が重く、エネルギ
ー密度が低くなる。前記電極中に含有される導電剤とし
ては、アセチレンブラック、ケッチェンブラッック、グ
ラファイト等の導電性炭素材料、ニッケル、ステンレス
等の金属材料、ポリピロール等の導電性高分子材料が挙
げられるが、導電性炭素材料が少量の添加量で導電性が
改善でき好ましい。前記電極は、二次電池用電極として
用いられ、特に負極として好ましく、高エネルギー密度
電極として用いられる。本発明の二次電池は基本的に
は、正極、負極、電解質から構成される。
媒に電解質塩を溶解したものが挙げられる。非水溶媒と
しては、カーボネート溶媒(プロピレンカーボネート、
エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチ
ルカーボネート、ジエチルカーボネート)、アミド溶媒
(N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、
N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルアセトアミ
ド、N−エチルアセトアミド、N−メチルピロジリノ
ン)、ラクトン溶媒(γ−ブチルラクトン、γ−バレロ
ラクトン、δ−バレロラクトン、3−メチル−1,3−
オキサゾリジン−2−オンなど)、アルコール溶媒(エ
チレングリコール、プロピレングリコール、グリセリ
ン、メチルセロソルブ、1,2−ブタンジオール、1,
3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ジグリ
セリン、ポリオキシアルキレングリコール、シクロヘキ
サンジオール、キシレングリコール等)、エーテル溶媒
(メチラール、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジ
エトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、
アルコキシポリアルキレンエーテル等)、ニトリル溶媒
(ベンゾニトリル、アセトニトリル、3−メトキシプロ
ピオニトリル等)、燐酸類及び燐酸エステル溶媒(正燐
酸、メタ燐酸、ピロ燐酸、ポリ燐酸、亜燐酸、トリメチ
ルホスフェートなど)、2−イミダゾリジノン類(1,
3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等)、ピロリドン
類、スルホラン溶媒(スルホラン、テトラメチレンスル
ホラン)、フラン溶媒(テトラヒドロフラン、2−メチ
ルテトラヒドロフラン、2,5−ジメトキシテトラヒド
ロフラン)、ジオキソラン、ジオキサン、ジクロロエタ
ンの単独あるいは2種以上の混合溶媒が使用できる。こ
れらのうち好ましくはカーボネート類、エーテル類、フ
ラン溶媒である。本発明における電解質塩としては、通
常の電解質として用いられるものであれば特に制限はな
いが、例えば、LiBR4(Rはフェニル基、アルキル
基)、LiPF6,LiSbF6,LiAsF6,LiB
F4,LiClO4,CF3SO3Li,(CF3SO2)2
NLi,(CF3SO2)3CLi,C6F9SO3Li,C
8F17SO3Li,LiTFPB,LiAlCl4等を例
示することができる。好ましくはCF3SO3Li,(C
F3SO2)3NLi,(CF3SO2)3CLi,C6F9S
O3Li,C8F17SO3Li等のスルホン酸系アニオン
電解質である。セパレータとしては、電解質溶液のイオ
ン移動に対して低抵抗であり、かつ、溶液保持性に優れ
たものが用いられ、例えば、ガラス、ポリエステル、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチ
レンなどの1種以上の材質から選ばれる不織布又は織布
が挙げられる。また、これら電解質、セパレータの代わ
りあるいは併用して固体電解質を使用することができ
る。例えば、無機系では、AgCl,AgBr,Ag
I,LiI等の金属ハロゲン化物、RbAg4I5,Rb
Ag4I4CN等が挙げられる。また、有機系ではポリエ
チレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフ
ッ化ビニリデン、ポリアクリルアミド等をポリマーマト
リクスとし、前記の電解質塩をポリマーマトリクス中に
溶解した複合体、あるいはこれらのゲル架橋体、低分子
量ポリエチレンオキサイド、クラウンエーテル等のイオ
ン解離基をポリマー主鎖にグラフト化した高分子固体電
解質、あるいは高分子量重合体に前記電解液を含有させ
たゲル状高分子固体電解質が挙げられる。本発明の電池
の形態は特に限定するものではないが、コイン、シー
ト、円筒、ガム等種々の形態の電池に実装することがで
きる。
部の平均粒径3μmの結晶V2O5を、10重量部のグラ
ファイト、10重量部のポリフッ化ビニリデンを秤量
し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト状
にした。これを20μmのアルミホイルに塗布し、乾燥
して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作成した。
部のグラファイト、10重量部のポリフッ化ビニリデン
を秤量し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペー
スト状にした。これを20μmのアルミホイルに塗布
し、乾燥して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作
成した。
のグラファイト、10重量部のポリフッ化ビニデンを秤
量し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト
状にした。これを20μmのアルミホイルに塗布し、乾
燥して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作成し
た。
の平均粒径1μmの結晶V2O5に10%ポリアニリン/
N−メチルピロリドン溶液を300重量部加えて混合し
たものを20μmのアルミホイルに塗布し、乾燥して電
極活物質層の厚さが40μmの電極を作成した。実施例
1,2,比較例1,2の電極を正極、リチウムを負極、
電解液に2MのLiBF4をプロピレンカーボネート/
ジメトキシエタン(体積比1/1)混合液に溶解した溶
液を用いて二次電池を作成した。2.5V〜3.8Vの
電圧範囲で充放電を行った結果を表1に示す。
平均粒径2μmのピッチコークス、15重量部のポリフ
ッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加え
て混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイ
ルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの
電極を作成した。
の平均粒径5μmのピッチコークス、15重量部のポリ
フッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加
えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホ
イルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μm
の電極を作成した。
の平均粒径15μmのピッチコークス、15重量部のポ
リフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを
加えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅
ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μ
mの電極を作成した。
の平均粒径15μmの天然黒鉛、15重量部のポリフッ
化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加えて
混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイル
に塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの電
極を作成した。
平均粒径1μmのピッチコークス、15重量部のポリフ
ッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加え
て混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイ
ルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの
電極を作成した。
の平均粒径20μmのピッチコークス、15重量部のポ
リフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを
加えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅
ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μ
mの電極を作成したが、電極表面は大きな凹凸が生じて
いた。
の平均粒径8μmの天然黒鉛、15重量部のポリフッ化
ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加えて混
合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイルに
塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの電極
を作成した。
のポリフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリド
ンを加えて混合してペースト状にした。これを20μm
の銅ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが6
0μmの電極を作成した。実施例3〜7,比較例3,
4,5で作成した電極を作用極、リチウムを負極、電解
液として2MのLiClO4をエチレンカーボネート/
ジメトキシエタン(体積比1/1)混合液に溶解した溶
液を用いて疑似二極のビーカーセルを作成した。−0.
05V vs Li/Liまで定電流で充電し、1時間
放置後0.8V vs Li/Liまで定電流で放電し
た。充放電を繰り返し、10サイクル後の電極のエネル
ギー密度を表2,3に示す。
黒鉛を0:100,7:93,50:50,65:3
5,80:20,100:0の割合で混合したもの90
重量部に15重量部のポリフッ化ビニリデンを秤量し、
N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト状にし
た。これを20μmの銅ホイルに塗布し、乾燥して電極
活物質層の厚さが60μmの電極を作成した。作成した
電極を作用極、リチウムを負極、電解液として1.5M
のLiPF6をエチレンカーボネート/ジメチルカーボ
ネート(体積比1/1)混合液に溶解した溶液を用いて
疑似二極のビーカーセルを作成した。−0.05V v
s Li/Liまで定電流で充電し、1時間放置後0.
8V vs Li/Liまで1.5mA/cm2の定電
流で放電した。充放電を繰り返し、10サイクル後の電
極のエネルギー密度を表4に示す。
ペーパー二次電池を作成した。電解質にはつぎの組成の
高分子固体電解質を用いた。1.5MのLiPF6をエ
チレンカーボネート/ジメチルカーボネート(体積比1
/1)混合液に溶解した溶液を80重量部にエトキシジ
エチレングリコールを19重量部、トリメチロールプロ
パントリアクリレートを1重量部、ベンゾインイソプロ
ピルエーテルを0.8重量部混合した高分子固体電解質
溶液をUV光で固体化し固体電解質を作成した。セパレ
ータには微多孔性ポリプロピレン不織布を用いた。外装
材にはポリエステル/Al/ポリエチレン積層フィルム
を用いた。作成した二次電池を2.5V〜3.8Vの電
圧範囲で充放電を行い、電極単位面積当りの放電容量を
測定した。測定結果を表5に示す。
ペーパー二次電池を作成し、放電容量を測定した。測定
結果を表5に示す。
群の混合物を含有して構成され、かつ最大の平均粒径を
有する粒状電極活物質群(A活物質群)の粒子の粒径が
4μm〜50μmであることを特徴とする電極。 2. 前記第1記載の電極において,A活物質群の粒径
が5μm〜30μmである電極。 3. 前記第1または2記載の電極において、最小の平
均粒径を有する粒状電極活物質群(B活物質群)の粒子
の平均粒径がA活物質群の平均粒径が70%以下、好ま
しくは70〜10%、さらに好ましくは50%〜20%
以下である電極。 4. 前記第1,2,または3記載の電極において、A
活物質群の粒子の重量が、3重量%〜70重量%、好ま
しくは5重量%〜60重量%、さらに好ましくは、5重
量%〜40重量%である電極。 5. 前記第1,2,3または4記載の粒状電極活物質
が、同一の材料あるいは異なる材料のものである電極。 6.前記第1,2,3,4または5記載の粒状電極活物
質を溶媒に均一に分散させた塗料液を集電体上に塗布、
乾燥して作製した電極。 7. 前記第1,2,3,4,5または6記載の電極を
正極および/または負極として用いたことを特徴とする
非水二次電池。
することができる。 (請求項5)高エネルギー密度の二次電池を提供するこ
とができる。
Claims (5)
- 【請求項1】 平均粒径の異なる二種類以上の粒状電極
活物質の群の混合物を含有して構成され、かつ最大の平
均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、A活物質群と
いう)の粒子の粒径が4μm〜50μmであることを特
徴とする電極。 - 【請求項2】 請求項1記載の電極において、最小の平
均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、B活物質群と
いう)の粒子の平均粒径がA活物質群の平均粒径の70
%以下である電極。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の電極において、
A活物質群の粒子の重量が、電極活物質全体重量の3重
量%〜70重量%である電極。 - 【請求項4】 請求項1,2または3記載の電極におい
て、粒状電極活物質が炭素材料である電極。 - 【請求項5】 請求項1,2,3および4記載の電極よ
りなる群から選ばれた少なくとも1種類の電極を、正極
および/または負極として用いたことを特徴とする二次
電池。
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