JPWO2010098434A1 - リチウムイオン二次電池用電極 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、集電体上に、電極活物質、増粘剤及びバインダーを含む電極活物質層と、無機フィラーを含む多孔膜層とをこの順に有し、
前記バインダーが、これと増粘剤とを含む複合膜を形成させたときに、前記複合膜断面において直径の平均値0.5μm以上の球形の島相を形成するものである。
本発明で用いられる集電体は、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するとの観点から、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などの金属材料が好ましい。中でも、リチウムイオン二次電池の正極用としてはアルミニウムが特に好ましく、負極用としては銅が特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものが好ましい。集電体は、電極活物質層との接着強度を高めるため、予め粗面化処理して使用するのが好ましい。粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。機械的研磨法においては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤーブラシ等が使用される。また、電極合剤層の接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に中間層を形成してもよい。
<活物質>
本発明で用いられる活物質は、電極の種類により適宜選択される。活物質は、通常のリチウムイオン二次電池で使用されるものであれば、いずれであっても用いることができる。リチウムイオン二次電池の正極用の活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4などのリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS3などの遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O−P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物;が例示される。さらに、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどの導電性高分子を用いることもできる。電気伝導性に乏しい、鉄系酸化物は、還元焼成時に炭素源物質を存在させることで、炭素材料で覆われた活物質として用いてもよい。また、これら化合物は、部分的に元素置換したものであってもよい。
本発明に用いられるバインダーは、これと増粘剤とを含む複合膜を形成させたときに、前記複合膜断面において直径の平均値0.5μm以上の球形の島相を形成するものである。これにより、後述する多孔膜層形成に用いる無機フィラー分散媒が、集電体−電極活物質層界面へ浸透するのを防ぐことができ、これにより電極の密着強度の低下を抑制することができる。
本発明で用いられる増粘剤としては、これとバインダーとを含む複合膜を形成させたときに、バインダーが前記複合膜断面において直径の平均値0.5μm以上の球形の島相を形成することのできるものであればよいが、集電体と電極活物質層間の密着強度が高い点で、カルボキシメチルセルロースが望ましい。
本発明において、電極活物質層には、導電性付与材や補強材を含有していてもよい。導電付与材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト 、気相成長カーボン繊維、カーボンナノチューブ等の導電性カーボンを使用することができる。黒鉛などの炭素粉末、各種金属のファイバーや箔などが挙げられる。補強材としては、各種の無機および有機の球状、板状、棒状または繊維状のフィラーが使用できる。導電性付与材を用いることにより電極活物質同士の電気的接触を向上させることができ、リチウムイオン二次電池に用いる場合に放電レート特性を改善したりすることができる。導電性付与材の使用量は、電極活物質100質量部に対して通常0〜20質量部、好ましくは1〜10質量部である。
多孔膜層は、無機フィラーを必須成分として含む。
無機フィラーとしては、無機酸化物が好ましく、例えばアルミナ(酸化アルミニウム)、マグネシア(酸化マグネシウム)、酸化カルシウム、チタニア(酸化チタン)、ジルコニア(酸化ジルコニウム)、タルク、珪石等を好ましく用いることができる。
ポリイソブチレン、イソブチレン・イソプレンゴム、イソブチレン・スチレン共重合体などのイソブチレン系軟質重合体;
ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン・スチレンランダム共重合体、イソプレン・スチレンランダム共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、ブタジエン・スチレン・ブロック共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレン・ブロック共重合体、イソプレン・スチレン・ブロック共重合体、スチレン・イソプレン・スチレン・ブロック共重合体などジエン系軟質重合体;
ジメチルポリシロキサン、ジフェニルポリシロキサン、ジヒドロキシポリシロキサンなどのケイ素含有軟質重合体;
液状ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1−ブテン、エチレン・α−オレフィン共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体(EPDM)、エチレン・プロピレン・スチレン共重合体などのオレフィン系軟質重合体;
ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリステアリン酸ビニル、酢酸ビニル・スチレン共重合体などビニル系軟質重合体;
ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エピクロルヒドリンゴムなどのエポキシ系軟質重合体;
フッ化ビニリデン系ゴム、四フッ化エチレン−プロピレンゴムなどのフッ素含有軟質重合体;
天然ゴム、ポリペプチド、蛋白質、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどのその他の軟質重合体などが挙げられ、中でもアクリル系軟質重合体が好ましく、さらに好ましくはアクリロニトリル重合単位を含むアクリル系軟質重合体が好ましい。結着剤が、前記共重合体であることにより、電解液への溶出を示さずに多孔膜の変形を生じにくくすることができる。さらに、高温においても電解液の膨潤性を保ちながら溶出しにくく、優れた高温特性を示す。これと前記記載の非導電性粒子とを組み合わせることで多孔膜の安全性をさらに向上することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極及び電解液を含み、正極及び負極の少なくとも一方が、本発明の電極である。本発明のリチウムイオン二次電池においては、上記本発明の電極を正極又は負極の一方に用いてもよく、正極及び負極の両方に用いてもよい。
本発明に用いられる電解液は、特に限定されないが、例えば、非水系の溶媒に支持電解質としてリチウム塩を溶解したものが使用できる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどのリチウム塩が挙げられる。特に溶媒に溶けやすく高い解離度を示すLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liは好適に用いられる。これらは、単独、または2種以上を混合して用いることができる。支持電解質の量は、電解液に対して、通常1質量%以上、好ましくは5質量%以上、また通常は30質量%以下、好ましくは20質量%以下である。支持電解質の量が少なすぎても多すぎてもイオン導電度は低下し電池の充電特性、放電特性が低下する。
セパレーターは気孔部を有する多孔性基材であって、使用可能なセパレーターとしては、(a)気孔部を有する多孔性セパレーター、(b)片面または両面上に高分子コート層が形成された多孔性セパレーター、または(c)無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート層が形成された多孔性セパレーターがあり、これらの非制限的な例としては、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリオレフィン系、またはアラミド系多孔性セパレーター、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレン共重合体などの固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用の高分子フィルム、ゲル化高分子コート層がコートされたセパレーター、または無機フィラー、無機フィラー用分散剤を含んでなる多孔膜層がコートされたセパレーターなどがある。
本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法は、特に限定されない。例えば、負極と正極とをセパレーターを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口する。さらに必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をすることもできる。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型などいずれであってもよい。
多孔膜層塗工前及び多孔膜層塗工後の電極を、それぞれ、幅2.5cm×長さ10cmの矩形に切って試験片とし、電極活物質層面を上にして固定する。試験片の電極活物質層表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。測定を10回行い、その平均値を求めてこれをピール強度とし、多孔膜層塗工前後のピール強度の変化率を以下の式で示し、下記基準にて判定を行った。変化率が小さいほど密着強度に優れることを意味する。
B:10%以上〜20%未満
C:20%以上〜30%未満
D:30%以上〜40%未満
E:40%以上
電極活物質層上に多孔膜層を形成した電極厚みから多孔膜層及び集電体の厚みを引いて計算された電極中の電極活物質層の厚みと、電極活物質層上に多孔膜層を形成する前の集電体の厚みを引いて計算された電極活物質層の厚みをそれぞれ測定により算出し、多孔膜層塗工前後の電極活物質層の厚みの変化率を極板の膨らみとして以下の式で示し、下記基準にて判定を行った。
B:3%以上〜5%未満
C:5%以上〜7%未満
D:7%以上〜10%未満
E:10%以上
電極活物質層の表面に多孔膜層が接着した電極を、多孔膜層が外側になるように、直径1.9mmの固定された丸棒に一重に巻き付けた。そして、電極両端部に対して、鉛直下方に300gの荷重を印加した。この状態で、多孔膜層の屈曲部の表面を、倍率100倍の顕微鏡で観察した。多孔膜にひび割れが無い場合には“良好”、微小なひび割れが有る場合には“不良”を示した。
バインダーとカルボキシメチルセルロース1%水溶液とを1:10(固形分相当比)で混合して固形分濃度1.1%に調製し、この溶液を集電体上に塗布・乾燥することにより厚さ約5μmの複合膜を得た。そして、得られた複合膜を、ミクロトームにて断面出しを行い、断面の電子顕微鏡観察を行い、観察された島相を任意で10個選択し、その直径の平均値を島相の大きさとし、下記基準にて判定をおこなった。
A:0.5μm以上
B:0.4μm以上〜0.5μm未満
C:0.3μm以上〜0.4μm未満
D:0.2μm以上〜0.3μm未満
E:0.2μm未満
(A)バインダーの製造
重合缶Aにブチルアクリレート12部、アクリロニトリル0.4部、ラウリル硫酸ナトリウム0.05部、イオン交換水70部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部を加え120分攪拌した後に、別の重合缶Bにブチルアクリレート82部、アクリロニトリル3.6部、アリルグリシジルメタクリレート2部、ラウリル硫酸ナトリウム0.2部、イオン交換水30部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約420分かけて重合缶Bから重合缶Aに逐次添加した後、約300分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、不飽和カルボン酸エステル系重合体(バインダー)粒子の水分散液を得た。前記重合体中の、アクリル酸アルキルエステル(ブチルアクリレート)の単量体単位の含有割合は94%、架橋性のある単量体の単量体単位の含有割合は架橋性のある単量体(アリルグリシジルメタクリレート)の含有割合で2%、他の共重合可能な単量体(アクリロニトリル)の単量体単位の含有割合は4%であり、ガラス転移温度は−35℃であった。重合体粒子の平均粒子径は0.36μmであった。なお、ブチルアクリレートのホモポリマーのガラス転移温度は−55℃である。
電極活物質として人造黒鉛100部と、前記バインダー2.5部(固形分濃度40%)と、増粘剤としてのエーテル化度が0.8、重合度が1,600であるカルボキシメチルセルロース水溶液100部(固形分濃度1%)と、適量の水とをプラネタリーミキサーにて攪拌し、電極活物質分散スラリーを調製した。上記電極用スラリーをコンマコーターで厚さ18μmの銅箔上に乾燥後の膜厚が120μm程度になるように塗布し、60℃で20分乾燥後、150℃で2時間加熱処理して電極原反を得た。この電極原反をロールプレスで圧延し、密度が1.6g/cm3、銅箔および電極活物質層からなる厚みが100μmに制御された電極を作製した。上記バインダー・増粘剤複合膜の相分離構造の評価を行った。結果を表1に示す。
無機フィラー(アルミナ、平均粒子径300nm)と、無機フィラー100部に対してブチルアクリレート−アクリロニトリル共重合体(ガラス転移温度−8℃)2.5部と、N−メチルピロリドンとを混合液の固形分濃度が20%になるように混合し、ビーズミルを用いて分散させ、無機フィラー分散スラリーを作製した。
得られた無機フィラー分散スラリーを、上記電極活物質層の表面に塗布し、110℃で熱風乾燥させ、厚さ3μmの多孔膜層の乾燥塗膜を有するリチウムイオン二次電池用電極を得た。得られたリチウムイオン二次電池用電極の密着強度、電極の膨らみ及び柔軟性を評価した。その評価結果を表1に示す。
重合缶Aにドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.3部、イオン交換水70部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.5部を加えてすぐに、重合缶Bにて2−エチルヘキシルアクリレート92部、アクリロニトリル4部、メタクリル酸2部、グリシジルメタクリレート2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、イオン交換水60部を加えて攪拌し、作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Aに逐次添加した後、約180分攪拌してモノマー消費量が94%になったところで冷却して反応を終了し、不飽和カルボン酸エステル系重合体(バインダー)粒子の水分散液を得た。前記重合体中の、アクリル酸アルキルエステル(2−エチルヘキシルアクリレート)の単量体単位の含有割合は92%、架橋性のある単量体の単量体単位の含有割合は、架橋性のある単量体(グリシジルメタクリレート)の含有割合で2%、他の共重合可能な単量体(アクリロニトリル、メタクリル酸)の単量体単位の含有割合は6%であり、ガラス転移温度は−48℃であった。また、重合体粒子の平均粒子径は0.31μmであった。なお、2−エチルヘキシルアクリレートのホモポリマーのガラス転移温度は−65℃である。
重合缶Aにメチルメタクリレート34部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム2.0部、イオン交換水60部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.12部を加えて30分反応させた後、重合缶Bにてブチルアクリレート54部、アクリロニトリル6部、メタクリル酸4部、グリシジルメタクリレート2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.6部、イオン交換水60部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約210分かけて重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、不飽和カルボン酸エステル系重合体(バインダー)粒子の水分散液を得た。前記重合体中の、アクリル酸アルキルエステルの単量体単位の含有割合は88%(メチルメタクリレート34%、ブチルアクリレート54%)、架橋性のある単量体の単量体単位の含有割合は、架橋性のある単量体(グリシジルメタクリレート)の含有割合で2%、他の共重合可能な単量体(アクリロニトリル、メタクリル酸)の単量体単位の含有割合は10%であり、ガラス転移温度は1℃であった。また、重合体粒子の平均粒子径は0.21μmであった。なお、ブチルアクリレートのホモポリマーのガラス転移温度は−55℃、メチルメタクリレートのホモポリマーのガラス転移温度は105℃である。
実施例1において、増粘剤として重合度が1,200、エーテル化度0.65のカルボキシメチルセルロースを用いた以外は、実施例1と同様にして、バインダー・増粘剤複合膜の相分離構造の評価、リチウムイオン二次電池用電極を得、この電極のピール強度変化率、電極の膨らみ及び柔軟性を評価した。その評価結果を表1に示す。
重合缶Aにラウリル硫酸ナトリウム0.05部、イオン交換水70部を加え、重合開始剤として過硫酸アンモニウム0.2部を加えてすぐに、重合缶Bにてブチルアクリレート80部、アクリロニトリル16部、グリシジルメタクリレート4部、ラウリル硫酸ナトリウム1部、イオン交換水60部を加えて攪拌して作製したエマルジョンを約180分かけて重合缶Aに逐次添加した後、約120分攪拌してモノマー消費量が95%になったところで冷却して反応を終了し、不飽和カルボン酸エステル系重合体(バインダー)粒子の水分散液を得た。前記重合体中の、アクリル酸アルキルエステル(ブチルアクリレート)の単量体単位の含有割合は80%、架橋性のある単量体の単量体単位の含有割合は架橋性のある単量体(グリシジルメタクリレート)の含有割合で4%、他の共重合可能な単量体(アクリロニトリル)の単量体単位の含有割合は16%であり、ガラス転移温度は−10℃であった。重合体粒子の平均粒子径は0.32μmであった。
攪拌機付き5MPa重合缶に、スチレン47部、1,3−ブタジエン49部、メタクリル酸3部、アクリル酸1部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5部、イオン交換水150部、重合開始剤として過硫酸カリウム1部を入れ、十分に攪拌した後、45℃に加温して重合を開始した。モノマー消費量が96.0%になった時点で冷却し反応を止め、SB系重合体(バインダー)粒子の水分散液を得た。この重合体粒子の平均粒子径は0.12μm、ガラス転移温度は−15℃であった。
Claims (5)
- 集電体上に、
電極活物質、増粘剤及びバインダーを含む電極活物質層と、
無機フィラーを含む多孔膜層とを、集電体側よりこの順に有し、
前記バインダーが、これと前記増粘剤とを含む複合膜を形成させたときに、前記複合膜断面において直径の平均値0.5μm以上の球形の島相を形成するものであるリチウムイオン二次電池用電極。 - 前記バインダーが、アクリル酸アルキルエステル単量体単位の含有割合が85質量%以上である不飽和カルボン酸エステル系重合体である、請求項1記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記アクリル酸アルキルエステル単量体が、ホモポリマーとしたときのガラス転移温度が−20℃以下となるものである請求項2記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記増粘剤の重合度が1,000〜3,000である請求項3記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 正極、負極及び電解液を備えてなり、正極及び負極の少なくとも一方が、請求項1〜4のいずれかに記載の電極である、リチウムイオン二次電池。
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