JPH11121047A - 単一構造型電気化学電池の製造方法 - Google Patents

単一構造型電気化学電池の製造方法

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JPH11121047A
JPH11121047A JP10201459A JP20145998A JPH11121047A JP H11121047 A JPH11121047 A JP H11121047A JP 10201459 A JP10201459 A JP 10201459A JP 20145998 A JP20145998 A JP 20145998A JP H11121047 A JPH11121047 A JP H11121047A
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グザビエ・アンドリユー
Francois Boudin
フランソワ・ブダン
Laurent Moreau
ローラン・モロー
Ib Ingemann Olsen
イブ・インヘマン・オルセン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 可塑剤の抽出等の複雑で時間のかかる工程を
含まない、寸法変化の小さい電池の製造方法の提供。 【解決手段】 本発明は、電気化学的活物質を含む第一
層と重合物質から構成されており自由面を有している多
孔性第二層との積層から成る第一電極と、少なくとも1
つの自由面を有しており電気化学的活物質を含んでいる
多孔性層を含む第二電極とから成る少なくとも1つの電
気化学対を含む単一構造型有機電解質電池の製造方法に
関する。本発明方法によれば、2つの電極のうちの一方
の電極の多孔性層の自由面に接着剤を塗布し、次いで、
接着剤フィルムで被覆された該自由面と他方の電極の多
孔性層の自由面とを接触させて電気化学対を形成するよ
うに貼合わせることによって電極を組立てる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は単一構造をもつ有機
電解質電気化学電池の製造方法に関する。
【0002】単一構造型電池は、電池の種々の構成要
素、特に電極及び隔離板が一体的に結合され、その結果
として作動中の電池のいかなる寸法変化にも各要素が対
応し得る電池を意味する。
【0003】
【従来の技術】従来技術に関するいくつかの文献は、電
池の諸要素の組立中に適当な可塑剤を添加剤として使用
する単一構造型電池の製造方法を提案している。
【0004】米国特許第5456000号は、電池の諸
要素、即ち電極と隔離板と任意にコレクタとを圧延によ
って接着させる単一構造型電池の製造方法を記載してい
る。電池の各要素はポリマーフィルムの形態、好ましく
はフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンコポリ
マー(PVDF−HFP)主体のポリマーフィルムの形
態である。電池の隔離板及び任意に他の要素は、圧延中
に夫々の微細構造を維持させる可塑剤を含有している。
可塑剤は後で選択的溶媒による抽出処理で除去される。
【0005】米国特許第5540741号によれば、第
一電極はポリマーと可塑剤と電気化学的活物質とを含有
するペーストを付着させた導電性支持体から成る。ポリ
マーは好ましくは、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロ
プロピレンコポリマー(PVDF−HFP)である。乾
燥後、隔離板を形成するフィルムによって電極を被覆す
る。電極−隔離板のアセンブリを次に、第二電極で被覆
し、次いで圧力下に加熱する。最後に、ポリマーに対し
て不活性の溶媒で可塑剤を抽出する。
【0006】米国特許第5552239号は、隔離板を
形成するためにポリ塩化ビニル、アクリロニトリル/ブ
タジエンコポリマー及びポリアクリロニトリルポリマー
のような別のポリマーを提案する上記と同じ方法を記載
している。
【0007】上記の3つの方法は、大気中で電池の組立
作業が可能であるという利点を有している。しかしなが
ら、可塑剤の抽出は時間のかかる難しい処理である。
【0008】米国特許第5437692号は、電極と固
体電解質または含浸隔離板とを接着によって一体的に結
合した再充電可能な単一構造型リチウム電池を記載して
いる。方法は、電解質または含浸隔離板の各面に接着剤
を塗布する段階と、接着剤を塗布した各面と電極の1つ
とを接触させる段階とを含む。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、 −少数の簡単な処理段階から成る、 −時間のかかる複雑な抽出段階が不要である、 −寸法変化が最小に抑制された電池を作製し得る、とい
う条件を満たす単一構造型有機電解質電気化学電池の製
造方法を目的とする。
【0010】より詳細には本発明の目的は、電気化学的
活物質を含む少なくとも1つの層を各々が有している第
一電極及び第二電極と、隔離板と、接着剤とから成る少
なくとも1つの電気化学対を含む単一構造型有機電解質
電池の製造方法を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明方法は以下の段階
を含む。
【0012】−電気化学的活物質を含む第一層と重合物
質から成り隔離板の機能を確保する第二層とから成る第
一電極を、第二層が多孔性であり自由面を有しているよ
うに作製する段階と、 −電気化学的活物質を含む1つの層から成る第二電極
を、該層が多孔性であり自由面を有しているように作製
する段階と、 −溶媒中のポリマーの溶液から成る接着剤を調製する段
階と、 −2つの電極のうちの一方の電極の多孔性層の自由面に
接着剤を塗布する段階と、 −接着剤で被覆された自由面に他方の電極の多孔性層の
自由面を接触させて、電気化学対を形成する段階と、 −得られた電気化学対を乾燥して、接着剤を多孔膜に変
態させる段階。
【0013】2つの層の積層から成る第一電極は以下の
機能を同時に果たす。
【0014】−第一層に含まれている電気化学的活物質
の電気化学反応の反応部位となる機能。
【0015】−第一電極の活物質と第二電極の活物質と
の接触を完全に防ぐ電気的隔離板の機能。この機能は、
電気絶縁性をもつように選択された重合物質から構成さ
れた第二層によって保証される。
【0016】−電解質貯留機能。この機能は、電解質に
対して物理化学的親和性を有している重合物質から構成
された多孔性第二層によって保証される。
【0017】本発明の範囲内で、第一電極の第二層は、
電気的隔離板の機能と電解質貯留機能との双方に最適な
ゲル化微孔質構造を有しているのが有利である。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明方法の第一の実施態様によ
れば、接着剤は、 −第一電極の多孔性第二層を構成するポリマーと同一化
学式のポリマーと、 −接着剤の調製温度でポリマーを容易に溶解させる溶媒
と、 −上記溶媒と混和性であり、接着剤の調製温度でポリマ
ーを全くまたは殆ど溶解させない非溶媒と、を含む溶液
であり、溶液中の非溶媒の割合はポリマーの沈降(沈
殿)を生じさせるには不十分な量である。
【0019】溶媒は揮発性であり、また、同じく揮発性
の非溶媒の沸点よりも低い沸点を有していなければなら
ない。溶媒が40〜80℃の範囲の沸点を有しており、
非溶媒が100℃を上回る沸点を有しているのが有利で
ある。
【0020】溶媒の量は、溶媒と非溶媒との総量の75
〜90質量%であり、ポリマーの量は、接着剤溶液の量
の10〜20質量%である。
【0021】ポリマーを溶媒に溶解させ、次いでこの混
合物に非溶媒を加える。このようにして得られた接着剤
を、ポリマー/溶媒/非溶媒の混合物が塗布中に安定及
び均質に維持される温度に加熱する。
【0022】ポリマーは好ましくは、ポリフッ化ビニリ
デン(PVDF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメ
チルメタクリレート、セルローストリアセテート(C
A)、ポリスルホン、ポリエーテル、ポリオレフィン、
例えば、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンオキシド
(PEO)、ポリプロピレン(PP)、及び、それらの
コポリマーから選択される。
【0023】ポリマーはまた、ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)と、ポリスルホン、ポリメチルメタクリレ
ート、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン/
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)コポリマー、
ポリフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンコポ
リマー、ポリ酢酸ビニル(PVAC)/ポリビニルアル
コール(APV)コポリマーから選択されたポリマーと
のポリマーブレンド(ポリマーアロイ)でもよい。
【0024】本発明の別の実施態様によれば、ポリマー
は、弾性ポリマー(エラストマー性ポリマー)と有機電
解質によって膨潤するポリマーとから成るポリマーブレ
ンドである。
【0025】弾性ポリマーの役割は、寸法変化を制限し
て第二層の機械的特性を改善することである。
【0026】弾性ポリマーは、ポリウレタン、アクリロ
ニトリル/ブタジエンコポリマー、スチレン/ブタジエ
ン/スチレンコポリマー、スチレン/イソプレン/スチ
レンコポリマー、ポリエステル、ポリエーテルブロック
アミド(アミドブロックポリエーテル)から選択され得
る。
【0027】有機電解質によって膨潤するポリマーは、
50〜80℃の範囲の温度で電解質に溶解しないが電解
質に対してある程度の親和性を有していなければならな
い。このようなポリマーは、ポリフッ化ビニリデンとそ
のコポリマー、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタ
クリレート、ポリビニルホルマール、ポリブチルメタク
リレート、ポリ塩化ビニルから選択され得る。
【0028】本発明方法の第一の変法によれば、ポリマ
ーとしてポリフッ化ビニリデンを選択するのが好まし
い。この場合、溶媒はアセトン及びテトラヒドロフラン
から選択される。非溶媒はブタノール、プロパノール及
びエチレングリコールから選択される。
【0029】当業者は、本発明の接着剤を調製するため
に最適な溶媒及び非溶媒を、選択されたポリマーに応じ
て決定できる。
【0030】このためには、ポリマーに関する文献の物
理化学的データを参照し、接着剤の調製温度でポリマー
を容易に溶解させる溶媒及びこの溶媒と混和性であるが
接着剤の調製温度でポリマーを全くまたは殆ど溶解させ
ない非溶媒を決定する。
【0031】本発明方法の第一の変法によれば、形成さ
れた電気化学対を圧延し、約20℃の温度で10分間乾
燥し、次いで真空下で約12時間乾燥する。
【0032】本発明方法の第二の変法によれば、接着剤
は、第二電極の多孔性層の電気化学的活物質と、ポリマ
ーと、このポリマーを溶解させる溶媒とから成るペース
トである。
【0033】ポリマーは好ましくは、ポリテトラフルオ
ロエチレン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシ
プロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロー
ス、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリフッ化ビニリ
デンとそのコポリマー、ポリアクリロニトリル、ポリア
クリル酸、ポリアクリルアミド、及び、それらの混合物
から選択される。
【0034】溶媒は、水及びN−メチル−ピロリドンか
ら選択される。
【0035】第二電極の多孔性層と第一電極の第一層と
は常法によって、例えば導電性支持体にペーストを付着
させることによって作製される。
【0036】導電性支持体としては、例えば銅またはア
ルミニウムを基材とするエキスパンデッドメタル、金属
網、金属布、金属ストリップまたは金属スポンジを選択
する。
【0037】第二電極の多孔性層または第一電極の第二
層を作製するために使用されるペーストは、本発明の接
着剤と同じ組成を有しているのが好ましい。即ち、ペー
ストは、第二電極の多孔性層の電気化学的活物質と、ポ
リマーと、該ポリマーを溶解させる溶媒とから構成され
ている。
【0038】本発明方法の第二の変法によれば、形成さ
れた電気化学対を圧延し、次いで約80℃の温度で10
分間乾燥する。
【0039】本発明方法の第一の変法または第二の変法
で使用される第一電極の多孔性第二層の厚みは好ましく
は15〜100ミクロンの範囲である。
【0040】更に、乾燥後の接着剤は、好ましくは5〜
20ミクロンの範囲の膜厚の多孔膜である。
【0041】第一電極の第一層の厚み及び第二電極の多
孔性層の厚みは好ましくは100〜160ミクロンの範
囲である。
【0042】各電極の多孔性層の多孔度は30〜95%
が有利であり、好ましくは35〜40%である。
【0043】本発明方法を実施するために使用される2
つの層の積層から成る電極は、先ず第一層を作製し、次
いで第二層を構成するように選択されたポリマー溶液の
フィルムで第一層を被覆することによって製造される。
次いでフィルムを乾燥し、ポリマー溶液の1種または複
数の溶媒を除去する。
【0044】2層型電極の第一の実施態様では浸漬によ
って転相を惹起する。
【0045】この第一の実施態様の場合、ポリマーを溶
媒に溶解して溶液を調製する。この溶液のフィルムで第
一層を被覆し、このフィルムに溶媒混和性の非溶媒を接
触させる。
【0046】2層型電極の第二の実施態様では蒸発によ
って転相を惹起する。
【0047】この第二の実施態様の場合、ポリマーを揮
発性溶媒に溶解して溶液を調製する。溶媒よりも揮発性
が小さい溶媒混和性の非溶媒をポリマーの沈降を生じさ
せない割合で溶媒に添加する。
【0048】本発明によれば、前述したような本発明方
法の第一の変法で接着剤として使用される溶液から2層
型電極の第二層を作製でき、これは顕著な利点である。
【0049】本発明のその他の特徴及び利点は、非限定
例として示した以下の実施例の記載及び添付の図1及び
図2から明らかであろう。
【0050】
【実施例】実施例1 電気化学的活物質として黒鉛を含む層を有する第一電極
の作製 12%の黒鉛粉末と2%のポリアクリル酸と86%の水
とからペーストを調製する(パーセンテージは質量
%)。
【0051】ポリアクリル酸と水とを混合し室温で約3
0分間撹拌してペーストとする。溶液が乳白色になった
ら、黒鉛粉末を添加し、混合物が均質になるまで撹拌す
る。
【0052】次いで、銅基材のエキスパンデッドメタル
にペーストを塗布し、次いで電極を80℃の乾燥室に2
時間維持する。
【0053】このようにして得られた黒鉛電極は、黒鉛
とポリアクリル酸とから成る厚み140ミクロン及び多
孔度40%の多孔性層を有している。
【0054】2つの層の積層から成る第二電極の作製 電気化学的活物質としてLiNiO2を含む第一層を有
している電極に、75%のアセトンと12.5%のブタ
ノールと12.5%のポリフッ化ビニリデンとから成る
溶液を塗布する(パーセンテージは質量%である)。
【0055】この溶液は、ポリフッ化ビニリデンをアセ
トンに溶解し、次いでブタノールを添加することによっ
て調製する。
【0056】次いでLiNiO2電極を約20℃の温度
で12時間乾燥する。
【0057】電極は、LiNiO2を含む第一層とポリ
フッ化ビニリデンから成る第二層との積層から成る。隔
離板の機能を果たすこの第二層は厚み50ミクロン及び
多孔度70%である。
【0058】接着 LiNiO2から成る第一層とポリフッ化ビニリデンか
ら成る第二層とを含む電極に、第二層の作製に使用した
溶液と同じ溶液を塗布する。方法のこの段階でこの溶液
は接着剤の機能を果たす。
【0059】接着剤を塗布した電極を直ちに、先に作製
しておいた黒鉛電極に貼合せる。
【0060】得られた電気化学対を任意に圧延するかま
たは単に圧力下の2つの金属プレート間に配置し、接着
剤フィルムの厚みを均一にする。
【0061】この電気化学対を室温で10分間乾燥し、
次いで真空下で12時間乾燥して、溶媒及び非溶媒を除
去した後、プロピレンカーボネート/エチレンカーボネ
ート/ジメチルカーボネートの1/1/3の割合の混合
物中に1Mの濃度のLiPF6を含む溶液から成る電解
質を含浸させる。
【0062】このようにして含浸させた電気化学対をボ
タン電池の形態に組立て、次いで温度60℃で、Ic/
20の電流の充放電サイクルを反復する(Icは蓄電池
の定格容量を1時間で放電させるために必要な理論電流
である)。
【0063】図1及び図2は夫々、このサイクル反復中
の電圧の変化、及び、第一サイクル中の電池の放電容量
に対するN番目のサイクル中の電池の放電容量の比の変
化を示す。
【0064】実施例2 1つの層を有する電極と2つの層の積層から成る電極と
を実施例1と同じ条件下で作製する。
【0065】接着 黒鉛とポリアクリル酸とから成る層を有する電極に、こ
の層の作製に使用したペーストと同じペーストを塗布す
る。方法のこの段階でペーストは接着剤の機能を果た
す。
【0066】接着剤を塗布した黒鉛電極を、実施例1で
作製したLiNiO2の第一層とポリフッ化ビニリデン
の第二層とを有する電極に直ちに貼合わせる。
【0067】得られた電気化学対を任意に圧延するかま
たは単に圧力下の2つの金属プレート間に配置し、接着
剤フィルムの厚みを均一にする。
【0068】次に、電気化学対を80℃の乾燥室で12
時間乾燥して溶媒を除去する。
【図面の簡単な説明】
【図1】サイクル反復中の本発明の電池の電圧の変化を
示す。縦座標は電池の電圧Vをボルトで表し、横座標は
時間tを時で表す。
【図2】サイクル反復中の本発明の電池について、第一
サイクルの電池の放電容量に対するN番目のサイクルの
電池の放電容量の比の変化を示す。縦座標は無単位の比
Rを表し、横座標はサイクル数を表す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラン・モロー フランス国、91400・オルセー、リユ・ド ウ・パリ・69、レジダンス・ラ・ブベーシ ユ、アパルトマン・ニユメロ・38 (72)発明者 イブ・インヘマン・オルセン アメリカ合衆国、メリイランド・21030、 コツキーズビル、ライムストーン・バレ イ・ドライブ・318

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気化学的活物質を含む少なくとも1つ
    の層を各々が有している第一電極及び第二電極と、隔離
    板と、接着剤とから成る少なくとも1つの電気化学対を
    含む単一構造型有機電解質電池の製造方法であって、 電気化学的活物質を含有する第一層と、重合物質から成
    り隔離板の機能を有する第二層との積層を含む第一電極
    を、前記第二層が多孔性であり自由面を有しているよう
    に作製する段階と、 電気化学的活物質を含有する1つの層を含む第二電極
    を、前記層が多孔性であり自由面を有しているように作
    製する段階と、 溶媒中のポリマーの溶液を含む前記接着剤を調製する段
    階と、 2つの電極のうちの一方の電極の多孔性層の自由面に前
    記接着剤を塗布する段階と、 接着剤で被覆された前記自由面に他方の電極の多孔性層
    の自由面を接触させて、電気化学対を形成する段階と、 前記電気化学対を乾燥して、前記接着剤を多孔膜に変化
    させる段階と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 接着剤が、 −第一電極の多孔性第二層を構成するポリマーと同一化
    学式のポリマーと、 −接着剤の調製温度でポリマーを容易に溶解させる溶媒
    と、 −前記溶媒と混和性であり、接着剤の調製温度でポリマ
    ーを全くまたは殆ど溶解させない非溶媒と、を含む溶液
    であり、前記溶液中の非溶媒の割合はポリマーの沈降を
    生じさせるには不十分な量であることを特徴とする請求
    項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 溶媒が40〜80℃の範囲の沸点を有し
    ており、非溶媒が100℃を上回る沸点を有しているこ
    とを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 溶媒の量が、溶媒と非溶媒との総量の7
    5〜90質量%であることを特徴とする請求項2または
    3に記載の方法。
  5. 【請求項5】 ポリマーの量が、接着剤溶液の量の10
    〜20質量%であることを特徴とする請求項2から4の
    いずれか一項に記載の方法。
  6. 【請求項6】 接着剤を、ポリマー/溶媒/非溶媒の混
    合物が塗布中に安定及び均質に維持される温度に加熱す
    ることを特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記
    載の方法。
  7. 【請求項7】 ポリマーが、ポリフッ化ビニリデン(P
    VDF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメチルメタ
    クリレート、セルローストリアセテート(CA)、ポリ
    スルホン、ポリエーテル、ポリオレフィン、例えば、ポ
    リエチレン(PE)、ポリエチレンオキシド(PE
    O)、ポリプロピレン(PP)、及び、それらのコポリ
    マーから選択されることを特徴とする請求項2から6の
    いずれか一項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 ポリマーが、ポリフッ化ビニリデン(P
    VDF)と、ポリスルホン、ポリメチルメタクリレー
    ト、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン/ポ
    リテトラフルオロエチレン(PTFE)コポリマー、ポ
    リフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンコポリ
    マー、ポリ酢酸ビニル(PVAC)/ポリビニルアルコ
    ール(APV)コポリマーから選択されたポリマーとの
    ポリマーブレンドであることを特徴とする請求項2から
    6のいずれか一項に記載の方法。
  9. 【請求項9】 ポリマーが、ポリウレタン、アクリロニ
    トリル/ブタジエンコポリマー、スチレン/ブタジエン
    /スチレンコポリマー、スチレン/イソプレン/スチレ
    ンコポリマー、ポリエステル、ポリエーテルブロックア
    ミドから選択されたポリマーと、ポリフッ化ビニリデン
    及びそのコポリマー、ポリアクリロニトリル、ポリメチ
    ルメタクリレート、ポリビニルホルマール、ポリブチル
    メタクリレート、ポリ塩化ビニルから選択されたポリマ
    ーとから成るポリマーブレンドであることを特徴とする
    請求項2から6のいずれか一項に記載の方法。
  10. 【請求項10】 ポリマーがポリフッ化ビニリデンであ
    ることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  11. 【請求項11】 溶媒が、アセトン及びテトラヒドロフ
    ランから選択されることを特徴とする請求項10に記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 非溶媒が、ブタノール、プロパノール
    及びエチレングリコールから選択されることを特徴とす
    る請求項10または11に記載の方法。
  13. 【請求項13】 形成された電気化学対を圧延し、約2
    0℃の温度で10分間乾燥し、次いで真空下で約12時
    間乾燥することを特徴とする請求項2から12のいずれ
    か一項に記載の方法。
  14. 【請求項14】 接着剤が、第二電極の多孔性層に含ま
    れる電気化学的活物質と、ポリマーと、該ポリマーを溶
    解させる溶媒とから成るペーストであることを特徴とす
    る請求項1に記載の方法。
  15. 【請求項15】 ポリマーが、ポリテトラフルオロエチ
    レン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピ
    ルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒ
    ドロキシプロピルセルロース、ポリフッ化ビニリデン及
    びそのコポリマー、ポリアクリロニトリル、ポリアクリ
    ル酸、ポリアクリルアミド、並びに、それらの混合物か
    ら選択されることを特徴とする請求項14に記載の方
    法。
  16. 【請求項16】 溶媒が、水及びN−メチル−ピロリド
    ンから選択されることを特徴とする請求項14または1
    5に記載の方法。
  17. 【請求項17】 形成された電気化学対を圧延し、次い
    で約80℃の温度で10分間乾燥することを特徴とする
    請求項14から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 【請求項18】 第一電極の多孔性第二層の厚みが15
    〜100ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項
    1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 【請求項19】 乾燥後の接着剤が、5〜20ミクロン
    の範囲の膜厚の多孔膜であることを特徴とする請求項1
    から18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 【請求項20】 第一電極の第一層の厚み及び第二電極
    の多孔性層の厚みが100〜160ミクロンの範囲であ
    ることを特徴とする請求項1から19のいずれか一項に
    記載の方法。
  21. 【請求項21】 各電極の多孔性層の多孔度が35〜4
    0%であることを特徴とする請求項1から20のいずれ
    か一項に記載の方法。
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