JPWO2011002097A1 - リチウム二次電池の電極合剤用スラリー、該スラリーを用いた電極およびリチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

安定性や電池特性を損なうことなく電極の柔軟性を高めることができる、電極活物質と結着剤とフッ素ゴム粒子を含むリチウム二次電池の電極合剤スラリーを提供し、ひいては合剤と集電体との接着性が向上し柔軟性に富む電極、さらには電池特性に優れたリチウム二次電池を提供する。

Description

本発明は、柔軟性に富む電極を与えるリチウム二次電池の電極合剤用スラリー、該スラリーを用いた電極、および電池特性が改善されたリチウム二次電池に関する。
リチウム二次電池は、各種の携帯型の電気電子機器の電源として、あるいは電気自動車のバッテリーなどとして広く使用されている。
リチウム二次電池は正極と負極と非水電解液、通常はさらにセパレータを備えており、それぞれの部材の開発改良が盛んに行われている。
このうち正極は、通常、たとえば正極活物質を結着剤、要すれば導電材とともに有機溶剤に分散させて正極合剤用スラリーを調製し、正極集電体に塗布後、溶剤を乾燥除去し圧延することにより作製されている。
リチウム二次電池の正極用の結着剤としては、従来からポリフッ化ビニリデン(PVdF)がよく使用されている。たとえば特許文献1には、正極活物質としてLiCoO2のようなリチウム含有酸化物と導電剤としてのグラファイトをPVdFと混合し作製した正極合剤をN−メチルピロリドンに分散させてスラリー状にしたものをアルミ箔の正極集電体に塗布し、また負極活物質としての炭素質材料とPVdFとを混合し作製した負極合剤をN−メチルピロリドンに分散させてスラリー状にしたものを負極集電体である銅箔上に塗布し、それぞれ乾燥後、ロールプレス機により圧縮成形して電極シートに加工する技術が開示されている。しかし、PVdFはリチウムイオン二次電池に使用されているプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、またはそれらの混合物といった非水電解液の有機溶媒に対し膨潤しやすい。そのため、充放電を繰り返していくうちに集電体である金属箔との接着性がわるくなり、その結果電池内部抵抗の上昇が起こり電池性能が低下するという問題が生ずる。さらに、PVdFを結着剤として使用した電極シートは柔軟性に乏しく、角型電池作製での電極シートを180度に折り畳む工程時や、円筒型電池作製での電極シートを小さく丸める工程時に、電極シートから電極合剤が剥離するといった問題が生じやすく、生産の歩留りがわるくなっている。
また、特許文献2には、非水電解液二次電池における充放電時の正極活物質の膨脹、収縮に対して結着性をもたせる目的でフッ化ビニリデン(VdF)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、VdF−3フッ化塩化エチレン(CTFE)共重合体というフッ素系二元共重合体を主成分とするゴム弾性を有する材料が結着剤として記載されている。しかし、このような共重合体はPVdFに比べ結晶性がわるく、そのためPVdF以上に非水電解液の有機溶媒に対して膨潤しやすく、電解液の種類によっては溶出してしまい結着剤としての役目を果たさなくなる。
同様な結着剤として特許文献3には、PVdFの代わりに主としてVdF、テトラフルオロエレチレン(TFE)およびHFPから構成されるフッ素系高分子共重合体を結着剤に使用するという内容が記載されている。その特許請求の範囲に記載された共重合体の組成範囲は、モル分率で、VdFが0.3〜0.9、HFPが0.03〜0.5、TFEが0〜0.5で、これら3つのモノマーの、モル分率の合計が0.80〜1というものである。
また、特に汎用溶剤に溶解性をもつが電解液の有機溶媒に対しては膨潤しにくい結着剤が特許文献4に記載されている。特許文献4に開示されている結着剤は、VdF50〜80モル%とTFE20〜50モル%の二元含フッ素共重合体とVdF50〜80モル%とTFE17〜50モル%と他の共重合モノマー3モル%未満の三元含フッ素共重合体であり、実施例で使用されているVdF/TFE系共重合体としてはVdF/TFE共重合体とVdF/TFE/HFP共重合体が記載されている。また、集電体との接着性を向上させるためには、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネートなどの樹脂を結着剤中における含有量は約20体積%以下含ませてもよいことが記載されている。
また、特許文献5には、高温でのサイクル特性を改善するために、結着剤としてPVdFに加えて正極側にはポリイミドを、負極側には芳香族ポリアミドを併用することが提案されている。
またさらに、特許文献6には、集電体と結着剤との接着性を向上させるために集電体の表面をアクリル系重合体で処理する方法が提案されており、その結着剤として、PVdF50〜95重量%とVdFと他のポリマー(たとえばTFE、HFP、CTFEなど)との共重合体との混合物も使用できることが記載されている。
このように集電体との接着性を向上させる提案は種々なされているが、電極の柔軟性を犠牲にしているものも多い。電極の柔軟性改良のためには、アクリルゴム、スチレン−ブタジエンゴムのゴム微粒子を含有させることが提案されている(特許文献7、8)。
特開平04−249859号公報 特開平04−095363号公報 特公平08−004007号公報 特開平10−233217号公報 特開平11−031513号公報 特開平09−199133号公報 特開2003−331825号公報 特開2006−185887号公報
電極の柔軟性を向上させる特許文献7および8では、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴムを配合しているが、電極の電解液に対する膨潤が大きくなり高温特性やサイクル特性が低下する、耐酸化性が低いためガス発生が多くなりサイクル特性が低下するという問題がある。
本発明は、集電体との接着性を向上させると共に、電池特性を損なうことなく電極の柔軟性を高めることを目的とする。
すなわち本発明は、電極活物質(A)と結着剤(B)とフッ素ゴム粒子(C)を含むリチウム二次電池の電極合剤用スラリーに関する。
また本発明は、本発明の電極合剤用スラリーを集電体に塗工し乾燥して得られるリチウム二次電池の電極、さらには本発明の電極を正極および/または負極とし、非水電解液を備えるリチウム二次電池にも関する。
本発明によれば、均質かつ安定な電極合剤用スラリーを提供でき、さらにこの電極合剤用スラリーを用いて形成した集電体との接着性に優れ、かつ電解液への耐膨潤性を損なうことなく柔軟性に富む電極、またさらにこの電極合剤を用いて電池特性に優れたリチウム二次電池を提供することができる。
本発明のリチウム二次電池の電極合剤用スラリーは、電極活物質(A)と結着剤(B)とフッ素ゴム粒子(C)を含む。以下、各成分について説明する。
(A)電極活物質
本発明においては、正極活物質(A1)でも負極活物質(A2)でもよい。
(A1)正極活物質
正極活物質(A1)としては、式(A1):
Lix1 y2 1-y2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物である。
具体的には、
式(A1−1):
LiNixCoyAlz2
(式中、0.7≦x≦1;0≦y≦0.3;0≦z≦0.03;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A1−2):
LiNixCoyMnz2
(式中、0.3≦x≦0.6;0≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A1−3):
LixMnz2
(式中、0.4≦x≦0.6;0.9≦z≦1)、または
式(A1−4):
LiFexCoyMnz2
(式中、0.3≦x≦0.6;0.1≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)
で示されるリチウム含有複合金属酸化物が好ましい。
式(A1−1)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiNi0.8Co0.22、LiNi0.7Co0.32、LiNi0.82Co0.15Al0.032、LiNi0.7Co0.2Al0.12、LiNi0.85Co0.1Al0.52などがあげられ、なかでもLiNi0.82Co0.15Al0.032(NCA)が好ましい。
式(A1−2)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiNi0.5Mn0.52、LiNi0.75Mn0.252、LiNi0.25Mn0.752、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、LiNi0.4Co0.2Mn0.42、LiNi0.3Co0.5Mn0.22などがあげられ、なかでもLiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM)が好ましい。
式(A1−3)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLi0.5MnO2(スピネルマンガン)、LiMnO2などがあげられる。
式(A1−4)で示されるリチウム含有複合金属酸化物の具体例としては、たとえばLiFe1/3Co1/3Mn1/32、Li0.5Fe1/3Co1/3Mn1/32、LiFe0.4Co0.3Mn0.32、Li0.5Fe0.4Co0.3Mn0.32などがあげられる。
そのほか、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24なども使用できる。
(A2)負極活物質
負極活物質(A2)としては、公知の塩基性材料、たとえばSiおよび/またはSnを含有する塩基性を呈する材料が例示できる。具体的には、リチウムイオンを挿入可能な金属化合物、たとえば金属酸化物や金属窒化物、Si、SiCuAl、SiNiAg、CoSn2なども使用できる。金属酸化物としてはSiやSnを含む金属酸化物が、金属窒化物としてはLi2.6Co0.4Nなどがあげられる。
(B)結着剤
本発明で使用する結着剤(B)としては、ポリフッ化ビニリデン(B1)、および/または組成式(B2):
(VDF)m(TFE)n(HFP)l
(式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m<1;0<n≦0.5;0≦l≦0.1。ただし、m+n+l=1)で示されるVdF/TFE系含フッ素重合体(B2)を含むものが好ましい。
(B1)PVdF
PVdFとしては従来からリチウム二次電池の電極に使用されているものがそのまま使用できる。PVdFは単独で使用しても、他の結着剤成分と併用してもよい。
PVdFの分子量は、GPC(ゲル透過クロマトグラフィー)測定での数平均分子量がポリスチレン換算値で10,000〜500,000のものが好ましい。
(B2)VdF/TFE系含フッ素重合体
上記のように、正極活物質についても、電池特性や安全性、資源(希少金属)枯渇などの観点から種々開発が進められ、最近ではNiやMnを含み希少金属であるCoを少なくした正極活物質が出現している。しかし、これらNiやMnを含有する正極材料では塩基性が高いためスラリーがゲル化しやすくなる。また、負極活物質についても、従来から使用されている炭素系材料に加えて、塩基性の材料からなる活物質が出現している。
これらのLiCoO2、LiNiO2、LiMn24も含めリチウム含有複合酸化物は基本的に塩基性であり、その理由は確認されていないが、PVdFや多くのVdF系共重合体と共存させた正極合剤用スラリーではゲル化が起こり、スラリーの安定性が損なわれることがある。負極においても塩基性の材料を負極活物質として用いる場合には、同様の傾向がある。
かかる傾向に対応するには、VdF系共重合体のうちで、VdFにTFEを特定量で共重合したVdF/TFE系共重合体が意外にも塩基性の電極活物質に対して安定であり、混合して調製した電極合剤用スラリーも均質かつ安定なものになることを見出した。このような優れた耐塩基性は、VdF/HFP系共重合体やVdF/CTFE系共重合体などの他のVdF系共重合体では認められないVdF/TFE系共重合体に特異的に見られる特性である。
この観点から、結着剤(B2)としては、前記組成式(B2)で示される含フッ素重合体が好ましい。
これらのうち、含フッ素重合体としては、式(B2)において、0.50≦m≦0.90、0.09≦n≦0.40および0≦l≦0.04(ただし、m+n+l=1)であるVdF/TFE系含フッ素共重合体が、柔軟性および耐アルカリ性が良好な点から好ましい。
なかでも、式(B2)において、l=0で、0.50≦m≦0.90および0.10≦n≦0.50(ただし、m+n=1)であるVdF/TFE二元含フッ素共重合体が、柔軟性および耐アルカリ性が良好な点から好ましい。さらには耐塩基性や柔軟性が良好なことからn(TFE)が0.10〜0.40、特に0.15〜0.40であるものが好ましい。
また、0.50≦m≦0.90、0.09≦n≦0.49および0.01≦l≦0.04(ただし、m+n+l=1)であるVdF/TFE/HFP三元含フッ素共重合体が、柔軟性および耐アルカリ性が良好な点から好ましい。さらには耐塩基性や柔軟性が良好なことから、0.60≦m≦0.90で0.09≦n≦0.45で0.01≦l≦0.04である共重合体が、さらには0.60≦m≦0.70で0.30≦n≦0.40で0.02≦l≦0.04である共重合体が好ましい。
二元系または三元系にかかわらず、TFEの含有量が上記の範囲より多くなりすぎると有機溶媒に溶解しにくくなり、一方、少なくなりすぎると耐塩基性が低く柔軟性が低くなりやすく、本発明の効果が充分には奏されないことがある。
VdF/TFE系共重合体の分子量は、GPC(ゲル透過クロマトグラフィー)測定での数平均分子量がポリスチレン換算値で10,000〜500,000のものが好ましい。10,000より小さいと分子量が低すぎて成膜できず、また500,000を超えると電極合剤のチキソ性が非常に大きくなり、電極集電体に塗布するのが困難となる傾向がある。また、サイクル特性を向上させるためには比較的分子量が高い方が好ましく、この点からたとえば三元共重合体の場合、150,000〜500,000のものが好ましい。
本発明で結着剤(B2)として用いるVdF/TFE系共重合体は公知の重合方法により重合することができ、そのうちでも主としてラジカル共重合法が好ましい。すなわち重合方法としては、ラジカル的に進行するものであれば手段は何ら制限されないが、たとえば有機もしくは無機のラジカル重合開始剤、熱、光または電離放射線などによって開始される。重合の形態も溶液重合、バルク重合、懸濁重合、乳化重合などを用いることができる。
このVdF/TFE系共重合体(B2)は、耐塩基性に優れており、PVdFの溶剤として使用されているN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの含窒素系有機溶媒はもちろん、一般的によく使用される低沸点の汎用有機溶媒にも可溶であり、電極活物質と混合してもゲル化を起こさず、また電極に柔軟性を付与でき、しかも非水電解液に対する膨潤性も小さい。
VdF/TFE系共重合体(B2)は単独で使用してもよいし、PVdF(B1)や他の結着剤成分(B3)と併用してもよい。
PVdF(B1)と併用するときは、VdF/TFE系共重合体(B2)は、(B1)と(B2)の合計量の20〜80質量%であることが、柔軟性を維持し、密着性が良好な点から好ましい。
(B3)他の結着剤成分
他の結着剤成分としては、溶剤可溶型熱可塑性樹脂、VdF/HFP系共重合体やVdF/CTFE系共重合体などが例示できる。なかでも、集電体との接着性を向上させる働きをする溶剤可溶型熱可塑性樹脂が好ましい。
本発明において「溶剤可溶型熱可塑性樹脂」とは、有機溶媒に対して25℃において5質量%以上溶解して均一な溶液を形成する熱可塑性樹脂であり、たとえばポリアクリル酸系重合体、ポリメタクリル酸系重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドなどが好ましい。
ポリアクリル酸系重合体としては、たとえばポリアクリル酸、そのアンモニウム塩、ナトリウム塩;ポリアクリル酸アルキルエステル;ポリアクリル酸アミド;アルコキシシリル変性ポリアクリル酸エステルなどが例示できる。
ポリメタクリル酸系重合体としては、たとえばポリメタクリル酸、そのアンモニウム塩、ナトリウム塩;ポリメタクリル酸アルキルエステル;ポリメタクリル酸アミド;アルコキシシリル変性ポリメタクリル酸エステルなどが例示できる。
結着剤(B3)としてポリアクリル酸系重合体、ポリメタクリル酸系重合体、ポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種を使用するときは、結着剤(B)の全体の5〜50質量%であることが、柔軟性を維持し、密着性が良好な点から好ましい。
VdF/HFP系共重合体やVdF/CTFE系共重合体を使用するときは、結着剤(B)の全体の5〜50質量%であることが、柔軟性を維持し、密着性が良好な点から好ましい。
(C)フッ素ゴム粒子
本発明において、フッ素ゴム粒子(C)は電極合剤に柔軟性、特に伸びを与え、さらにゴム弾性などの性質を付与する役割をもっている。
フッ素ゴム粒子(C)のフッ素ゴムとしては、従来公知のフッ素ゴムが使用できる。
好適なフッ素ゴムとしては、たとえばテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデンおよび式(1):
CF2=CF−Rf 1 (1)
(式中、Rf 1は−CF3または−ORf 2(Rf 2は炭素数1〜5のパーフルオロアルキル基))で表されるパーフルオロエチレン性不飽和化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の単量体に由来する構造単位を含むことが、ゴム弾性体としての性質をもつ粒子が得られる点から好ましい。
フッ素ゴムとしてはまた、非パーフルオロフッ素ゴムおよびパーフルオロフッ素ゴムが好ましい。
非パーフルオロフッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン(VdF)系フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン(TFE)/プロピレン系フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン(TFE)/プロピレン/フッ化ビニリデン(VdF)系フッ素ゴム、エチレン/ヘキサフルオロプロピレン(HFP)系フッ素ゴム、エチレン/ヘキサフルオロプロピレン(HFP)/フッ化ビニリデン(VdF)系フッ素ゴム、エチレン/ヘキサフルオロプロピレン(HFP)/テトラフルオロエチレン(TFE)系フッ素ゴム、フルオロシリコーン系フッ素ゴム、またはフルオロホスファゼン系フッ素ゴムなどがあげられ、これらをそれぞれ単独で、または本発明の効果を損なわない範囲で任意に組合わせて用いることができる。これらの中でも、VdF/HFP共重合体ゴム、VdF/HFP/TFE共重合体ゴム、TFE/プロピレン共重合体ゴム、TFE/HFP/プロピレン共重合体ゴム、TFE/PAVE共重合体ゴムが好適である。
具体的には、上記VdF系ゴム(VdF/HFP共重合体ゴム、VdF/HFP/TFE共重合体ゴムなど)は、VdF繰り返し単位が、VdF繰り返し単位とその他の共単量体に由来する繰り返し単位との合計モル数の20モル%以上、90モル%以下が好ましく、40モル%以上、85モル%以下であることがより好ましい。さらに好ましい下限は45モル%、特に好ましい下限は50モル%であり、さらに好ましい上限は80モル%である。
そして、上記VdF系ゴムにおけるその他の単量体としてはVdFと共重合可能であれば特に限定されず、たとえば、TFE、HFP、PAVE、CTFE、トリフルオロエチレン、トリフルオロプロピレン、テトラフルオロプロピレン、ペンタフルオロプロピレン、トリフルオロブテン、テトラフルオロイソブテン、フッ化ビニル、ヨウ素含有フッ素化ビニルエーテルなどのフッ素含有単量体;エチレン(Et)、プロピレン(Pr)、アルキルビニルエーテル等のフッ素非含有単量体などがあげられ、これらのフッ素含有単量体およびフッ素非含有単量体のなかから1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。前記PAVEとしては、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)が好ましく、特にパーフルオロ(メチルビニルエーテル)が好ましい。
上記VdF系ゴムとしては、VdF/HFP共重合体、VdF/HFP/TFE共重合体、VdF/CTFE共重合体、VdF/CTFE/TFE共重合体、VdF/PAVE共重合体、VdF/TFE/PAVE共重合体、VdF/HFP/PAVE共重合体、VdF/HFP/TFE/PAVE共重合体、VdF/TFE/Pr共重合体、またはVdF/Et/HFP共重合体が好ましく、また、その他の単量体として、TFE、HFP、および/またはPAVEを有するものであることがより好ましく、特には、VdF/HFP共重合体、VdF/HFP/TFE共重合体、VdF/PAVE共重合体、VdF/TFE/PAVE共重合体、VdF/HFP/PAVE共重合体、またはVdF/HFP/TFE/PAVE共重合が好ましい。
VdF/HFP共重合体は、VdF/HFPの組成が、(45〜85)/(55〜15)(モル%)であることが好ましく、より好ましくは(50〜80)/(50〜20)(モル%)であり、さらに好ましくは(60〜80)/(40〜20)(モル%)である。
VdF/HFP/TFE共重合体は、VdF/HFP/TFEの組成が(30〜80)/(10〜35)/(4〜35)(モル%)のものが好ましい。
VdF/PAVE共重合体としては、VdF/PAVEの組成が(65〜90)/(35〜10)(モル%)のものが好ましい。
VdF/TFE/PAVE共重合体としては、VdF/TFE/PAVEの組成が(40〜80)/(3〜40)/(15〜35)(モル%)のものが好ましい。
VdF/HFP/TFE/PAVE共重合としては、VdF/HFP/TFE/PAVEの組成が(40〜90)/(0〜25)/(0〜40)/(3〜35)(モル%)のものが好ましく、(40〜80)/(3〜25)/(3〜40)/(3〜25)(モル%)のものがより好ましい。
TFE/プロピレン系フッ素ゴムとは、TFE45〜70モル%、プロピレン55〜30モル%からなる含フッ素共重合体をいう。これら2成分に加えて、特定の第3成分(たとえばPAVE)を0〜40モル%含んでいてもよい。
パーフルオロフッ素ゴムとしては、TFE/PAVEからなるものなどがあげられる。TFE/PAVEの組成は、(50〜90)/(50〜10)(モル%)であることが好ましく、より好ましくは、(50〜80)/(50〜20)(モル%)であり、さらに好ましくは、(55〜75)/(45〜25)(モル%)である。
この場合のPAVEとしては、たとえばパーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)などがあげられ、これらをそれぞれ単独で、または任意に組み合わせて用いることができる。
また、フッ素ゴムは数平均分子量1,000〜1,200,000のものが好ましく、5,000〜900,000のものがさらに好ましい。
以上説明した非パーフルオロフッ素ゴムおよびパーフルオロフッ素ゴムは、乳化重合、懸濁重合、溶液重合などの常法により製造することができる。特にヨウ素(臭素)移動重合として知られるヨウ素化合物を使用した重合法によれば、分子量分布が狭いフッ素ゴムを製造できる。
なかでも、VdF/HFP共重合体ゴム、VdF/HFP/TFE共重合体ゴムまたはTFE/プロピレン共重合体ゴムをユニットとして含むフッ素ゴムが好ましい。
また、フッ素ゴム粒子は未架橋ゴム(生ゴム)粒子でもよいし、架橋されたゴム粒子でもよいが、耐溶剤性(耐膨潤性)が良好な点から、架橋ゴム粒子が好ましい。フッ素ゴムの架橋は公知の定法に従って行えばよい。
フッ素ゴム粒子(C)の粒子径は、平均一次粒子径で0.1〜2.0μm、さらには0.15〜1.5μm、特に0.2〜1.0μm程度であることが、樹脂への分散性とフィルムの強度向上を両立させることができる点から好ましい。
フッ素ゴム粒子(C)の配合量は、結着剤(B)とフッ素ゴム粒子(C)の合計量の0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、特に好ましくは1質量%以上である。少なすぎると電極合剤の柔軟性、特に伸びの向上効果が小さくなる傾向にある。上限は50質量%、さらには30質量%が好ましい。多くなりすぎると結着剤(B)への分散性が不良となる傾向にあるほか、高温での膨潤が大きくなる傾向にある。特に好ましい上限は20質量%である。
本発明の電極合剤用スラリーは、電極活物質(A)と結着剤(B)とゴム粒子(C)、さらには後述する導電材などの電極材料を溶媒(D)に混合分散させることで得られる。
溶媒(D)としては有機溶媒(D1)でも水性溶媒(D2)でもよいが、スラリーの安定性、塗工性の観点から有機溶媒(D1)が好ましい。
有機溶媒(D1)としては、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの含窒素系有機溶媒のほか、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶剤;酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル系溶剤;テトラヒドロフラン、ジオキサンなどのエーテル系溶剤;さらにそれらの混合溶剤などの低沸点の汎用有機溶媒をあげることができる。これらのなかで特に、スラリーの安定性、塗工性に優れている点からN−メチルピロリドンが好ましい。
さらに、安定な電極合剤用スラリーを製造するためには、有機溶媒(D1)の水分含有量が重要である。すなわち、水分含有量を100ppm以下、さらには40ppm以下、特に35ppm以下とするときには、塩基性電極活物質に起因する塩基性の発現が少なく、ゲル化を抑制することができる。
水性溶媒(D2)としては水が代表例であり、安全性やコストの点を重視した場合に採用可能である。
(E)その他の電極材料
本発明において、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、他の電極材料を配合することができる。
他の電極材料としては、たとえば導電材などが例示される。導電材としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類やグラファイトなどの炭素材料などがあげられる。
本発明の電極合剤用スラリーの調製法としては、結着剤(B)を溶媒(D)に溶解させた溶液に電極活物質(A)やフッ素ゴム粒子(C)、導電材(E)などを分散混合させるといった方法が一般的である。そのほか、たとえば結着剤(B)やフッ素ゴム粒子(C)、電極活物質(A)、導電材(E)の粉末同士を先に混合した後、溶媒(D)を添加しスラリーを調製してもよい。
本発明の電極合剤用スラリーにおいて、電極活物質(A)の配合量は、固形分(電極活物質(A)、結着剤(B)、フッ素ゴム粒子(C)、導電材(E)など)中の70〜98質量%、好ましくは90〜97質量%である。結着剤(B)の配合割合は、正極であるか負極であるかを問わず、固形分中の0.1〜20質量%、好ましくは1〜10質量%である。フッ素ゴム粒子(C)の配合量は、固形分中の0.1〜20質量%、好ましくは0.5〜10質量%である。導電材(E)を配合する場合の導電材(E)の配合量は、固形分中の1〜20質量%、好ましくは2〜10質量%である。スラリーの固形分濃度としては、作業性や塗工性、スラリーの安定性が良好な点から、40〜70質量%が好ましい。
本発明の電極合剤用スラリーはゲル化せず安定で均質な流動物であり、集電体に塗布し、乾燥、圧延し、所定の大きさに切断することにより電極を作製できる。正極および負極の作製方法や条件は通常の方法と条件が採用できる。
電極合剤用スラリーを塗布する集電体としては、たとえばアルミニウム箔、エッチドアルミ箔、導電ペーストを塗布したアルミ箔などがあげられる。
本発明の電極は、柔軟性を与えるフッ素ゴム粒子(C)を配合することにより、巻回(スパイラル)型や折畳み型の電極に加工しても、電極合剤層の割れや剥離は生じず、また、非水電解液に対して膨潤しにくいので充放電を繰り返しても電池特性が大きく低下することはない。
本発明はまた、本発明の電極を正極および/または負極とし、非水電解液を備えたリチウム二次電池にも関する。
本発明の電極を正極として用いる場合、負極としては、合金などの塩基性材料からなる負極活物質を含む本発明の電極を用いてもよいし、公知の炭素材料を負極活物質として用いた負極であってもよい。炭素材料を用いた負極は、公知の材料と方法により、負極活物質と負極用の結着剤とを用いて負極合剤を調製し、銅箔などの負極集電体に塗布または接着させることで作製できる。炭素材料の負極活物質としては、リチウムなどをドープ/脱ドープ可能な炭素質材料が用いられ、たとえばポリアセン、ポリピロールなどの導電性ポリマーあるいはコークス、ポリマー炭、カーボンファイバーなどのほか、単位体積当たりのエネルギー密度が大きいことから、熱分解炭素類、コークス類(石油コークス、ピッチコークス、石炭コークスなど)、カーボンブラック(アセチレンブラックなど)、ガラス状炭素、有機高分子材料焼成体(有機高分子材料を500℃以上の温度で不活性ガス気流中、あるいは真空中で焼成したもの)などが好ましい。
非水電解液としては、公知の電解質塩を公知の電解質塩溶解用有機溶媒に溶解したものが使用できる。
電解質溶解用有機溶媒としては、特に限定されるものではないが、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、γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの公知の炭化水素系溶媒;フルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテル、フッ素化カーボネートなどのフッ素系溶媒の1種もしくは2種以上が使用できる。
電解質塩としては、たとえばLiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252などがあげられ、サイクル特性が良好な点から特にLiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252またはこれらの組合せが好ましい。
電解質塩の濃度は、0.8モル/リットル以上、さらには1.0モル/リットル以上が必要である。上限は電解質塩溶解用有機溶媒にもよるが、通常1.5モル/リットルである。
本発明のリチウム二次電池は、これらの各部材を電池ケースに収め封止することで作製できる。なお、正極と負極の間にセパレータを介在させてもよい。
つぎに、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
実施例1
(正極合剤用スラリーの調製)
目的とする表1に示す各電極材料の割合を正極活物質(A1):結着剤(B1)+(B2):フッ素ゴム粒子(C):導電材(E)が質量比で92:4:1:3となるように秤量した。結着剤(B)を濃度が10質量%になるようにN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたのち、この結着剤のNMP溶液に所定量の正極活物質(A1)とフッ素ゴム粒子(C)と導電材(E)を加え、攪拌機で充分に混合した。撹拌しながら固形分濃度が50質量%になるようにNMPを逐次追加し、正極合剤用スラリーを調製した。
(正極の作製)
調製した上記正極合剤用スラリーをNiメッシュ(200メッシュ)の篩を通してろ過して固形分の粒径を均一化した。つづいて、ろ過後の正極合剤用スラリーに真空脱泡処理を施した。正極合剤用スラリーの脱泡が完了した後、集電板である厚さ22μmのAl箔上に正極合剤用スラリーをアプリケーターにより塗布(正極塗膜の乾燥質量が18mg/cm2となる量)を行った。塗布後、送風乾燥機またはホットプレートを用いて100〜120℃で乾燥しながらNMPを完全に揮発させ、帯状の正極を作製した。
正極合剤用スラリー調製用の各成分はつぎのものであった。
正極活物質(A1)
(A1−1):LiNi0.82Co0.15Al0.032(戸田工業(株)製)
(A1−2):LiNi1/3Co1/3Mn1/32(日本化学工業(株)製)
結着剤(B1)
(B1−1):PVdF(呉羽化学(株)製のKF1120)
結着剤(B2)
(B2−1):VdF/TFE共重合体(VdF/TFE=80/20モル%比)
(B2−2):VdF/TFE/HFP共重合体(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)
フッ素ゴム粒子(C)
(C−1):架橋VdF/HFP(78/22モル%比)共重合体ゴム。平均1次粒子径0.3μm)
(C−2):架橋TFE/VdF/HFP(30/48/22モル%比)共重合体ゴム。平均1次粒子径0.2μm)
(C−3):コアがアクリルゴムでシェルがポリメタクリル酸メチルであるゴム粒子(架橋済み)(ローム・アンド・ハース・ジャパン(株)製のEXL2313。平均1次粒子径0.6μm)
(C−4):コアがスチレン−ブタジエンゴムでシェルがポリメタクリル酸メチルであるゴム粒子(架橋済み)(ローム・アンド・ハース・ジャパン(株)社製のBTA772。平均1次粒子径0.8μm)
溶媒(D)
(D−1):N−メチルピロリドン(水分含有量30ppm)
作製した正極の密度をつぎの要領で測定した。結果を表1に示す。
(密度の測定)
正極をギャップが75μmのロールプレスに70℃で2回通し、さらにギャップを35μmに変更して2回通した後、正極の面積/膜厚/重量を測定して密度(g/cm3)を算出する。
(割れの有無)
作製した正極を縦3cm、横6cmに切り取った後、180°折り畳んだ後拡げて、正極の割れの有無を目視で確認した。結果を表1に示す。
(電解液への膨潤率)
LiPF6の1M濃度のエチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(3/7体積比)電解液に電極を浸漬し、90℃で24時間保持したのち膜厚変化を測定し、電極の膨潤率(%)[=(浸漬後の膜厚−浸漬前の膜厚)/浸漬前の膜厚×100)]を算出する。
Figure 2011002097
表1の結果から、フッ素ゴム粒子を配合しなかった例と比較した場合、フッ素ゴム粒子を配合することにより柔軟性が向上し、正極の割れが抑えられることがわかる。また、非フッ素ゴム粒子であるアクリルゴム粒子(C−3)およびスチレン−ブタジエンゴム粒子(C−4)を用いた場合、電解液への膨潤率が大きいことがわかる。
実施例2
フッ素ゴム粒子(C)として、(C−1)と(C−5)を表2に示す量用いたほかは実施例1と同様にして正極を作製し、密度および割れの有無を調べた。結果を表2に示す。
フッ素ゴム粒子(C−5):架橋TFE/プロピレン(50/50モル%比)共重合体ゴム。平均1次粒子径0.3μm)
Figure 2011002097
表2の結果から、フッ素ゴム粒子の種類や量を変えても柔軟性が高く、割れにくいことが分かる。
実施例3
結着剤(B3)として表3に示す樹脂を表3に示す割合で使用したほかは実施例1と同様にして正極を作製し、密度および割れの有無を調べた。結果を表3に示す。
結着剤(B3)
(B3−1):ポリメチルメタクリレート(PMMA)(Aldrich社製)
(B3−2):メチルメタクリレート(MMA)/メタクリル酸(MA)(MMA/MA=1:0.016モル比)(Aldrich社製)
(B3−3):ポリアミドイミド(PAI)(日立化成工業(株)製のHPC7200)
(B3−4):ポリイミド(PI)(日立化成工業(株)製のHCI−7000)
(B3−5):ポリアクリル酸(Aldrich社製)
Figure 2011002097
表3の結果から、結着剤(B1)と(B3)を併用したものも柔軟性が高く、割れにくいことが分かる。
実施例4
表4に示す正極を使用してつぎの方法でリチウム二次電池(ラミネートセル)を作製した。これらのリチウム二次電池について、レート特性およびサイクル特性をつぎの要領で調べた。
結果を表4に示す。
(リチウム二次電池(ラミネートセル)の作製)
人造黒鉛粉末(日立化成(株)製。商品名MAG−D)に、蒸留水で分散させたスチレン−ブタジエンゴムを固形分で6質量%となるように加え、ディスパーザーで混合してスラリー状としたものを負極集電体(厚さ10μmの銅箔)上に均一に塗布し、乾燥し、負極合剤層を形成し、その後、ローラプレス機により圧縮成形し、切断した後、乾燥し、リード体を溶接して、帯状の負極を作製した。
帯状の正極を40mm×72mm(10mm×10mmの正極端子付)に切り取り、また帯状の負極を42mm×74mm(10mm×10mmの負極端子付)に切り取り、各端子にリード体を溶接した。また、厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルムを78mm×46mmの大きさに切ってセパレータとし、セパレータを挟むように正極と負極をセットし、これらをアルミニウムラミネート包装材内に入れた。ついで包装材中に電解液(エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の体積比3/7の溶媒にLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解したもの)を2mlずつ入れて密封して容量72mAhのラミネートセルを作製した。
(レート特性)
このラミネートセルを用い、0.5C・4.2Vで充電電流が1/10Cになるまで充電し0.2C相当の電流で3.0Vまで放電し、放電容量を求める。引き続き、0.5C、4.2Vで充電電流が1/10Cになるまで充電し、5C相当の電流で3.0Vになるまで放電し、放電容量を求める。この5Cでの放電容量と、上記の0.2Cでの放電容量との比から、レート特性を評価する。レート特性はつぎの計算式で求められた値をレート特性として記載する。
レート特性(%)=5C放電容量(mAh)/0.2C放電容量(mAh)×100
(サイクル特性)
充放電電流をCで表示した場合、72mAを1Cとして以下の充放電測定条件で測定を行う。
充放電条件
充電:0.5C、4.2Vにて充電電流が1/10Cになるまでを保持(CC・CV充電)
放電:1C、2.5Vcut(CC放電)。
サイクル特性についてはこの充放電条件で上記ラミネートセルに対して充放電試験を行い100サイクルの放電容量を測定する。サイクル特性についてはつぎの計算式で求められた値を容量維持率として記載する。
容量維持率(%)=100サイクル放電容量(mAh)/1サイクル放電容量(mAh)×100
Figure 2011002097
表4の結果から、フッ素ゴム粒子(C)を配合した正極を用いても電池特性が維持されることが分かる。一方、アクリルゴム粒子を配合した合剤(1−10)およびスチレン−ブタジエンゴム粒子を配合した合剤(1−11)を用いた場合は、ガス発生の影響と思われるが、サイクル特性が劣ることがわかる。
実施例5
Si(負極活物質。富士シリシア化学(株)製)とアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック)と表5に示す合剤とを質量比で45:45:10の割合でディスパーザーにてN−メチルピロリドン(水分含有量30ppm)に分散混合して負極合剤用スラリーを調製した。このスラリーを負極集電体(厚さ10μmの銅箔)上に均一に塗布し、乾燥し、負極合剤層を形成し、その後、ロールプレス機により圧縮成形し、切断した後、乾燥し、リード体を溶接して、帯状の負極を作製した。
正極は、正極活物質としてA1−2(LiNi1/3Co1/3Mn1/32)を用いたほかは実施例1と同様にして作製した。
この負極と正極とを用いて実施例4と同様にしてリチウム二次電池(ラミネートセル)を作製し、サイクル特性を実施例4と同様にして測定した。結果を表5に示す。
Figure 2011002097
表5の結果から、負極活物質として塩基性材料を使用した場合にもサイクル特性が維持されることが分かる。
実施例6
実施例1において、表6に示す成分の合剤スラリーを用いたほかは同様にし正極を作製し、密度、割れの有無および電解液への膨潤率を調べた。結果を表6に示す。
正極活物質(A1)
(A1−3):Li2Mn24
(A1−4):LiNi0.8Mn0.22
(A1−5):LiFe1/3Co1/3Mn1/32
結着剤(B2)
(B2−3):TFE/VdF共重合体(TFE/VdF=33/67モル%比)
(B2−4):TFE/VdF共重合体(TFE/VdF=38/62モル%比)
(B2−5):TFE/VdF共重合体(TFE/VdF=8/92モル%比)
フッ素ゴム粒子(C)
(C−1):架橋VdF/HFP(78/22モル%比)共重合体ゴム。平均1次粒子径0.3μm)
Figure 2011002097
実施例7
実施例4において、合剤No.1−1のスラリーを調製する際に使用するNMPとして、水分含有量が100ppmのNMP、500ppmのNMPおよび1000ppmのNMP、ならびに水を用いたほかは同様にしてリチウム二次電池(ラミネートセル)を作製し、レート特性およびサイクル特性を調べた。結果を表7に示す。
Figure 2011002097
実施例8
実施例5において、負極活物質としてSiに代えてSiO2またはSnを用いたほかは同様にして負極を作製した。
正極は、正極活物質としてA1−2(LiNi1/3Co1/3Mn1/32)を用いたほかは実施例1と同様にして作製した。
この負極と正極とを用いて実施例4と同様にしてリチウム二次電池(ラミネートセル)を作製し、サイクル特性を実施例4と同様にして測定した。結果を表8に示す。
Figure 2011002097

Claims (17)

  1. 電極活物質(A)と結着剤(B)とフッ素ゴム粒子(C)を含むリチウム二次電池の電極合剤用スラリー。
  2. フッ素ゴム粒子が、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体ゴムユニット、テトラフルオロエチレンとフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体ゴムユニット、またはテトラフルオロエチレンとプロピレンとの共重合体ゴムユニットを含む請求項1記載の電極合剤用スラリー。
  3. フッ素ゴム粒子(C)が架橋されたフッ素ゴム粒子である請求項1または2記載の電極合剤用スラリー。
  4. フッ素ゴム粒子(C)の平均1次粒子径が0.1〜2.0μmである請求項1〜3のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  5. 結着剤(B)が、ポリフッ化ビニリデン(B1)、および/または
    組成式(B2):
    (VDF)(TFE)(HFP)
    (式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m<1;0<n≦0.5;0≦l≦0.1。ただし、m+n+l=1)で示される含フッ素重合体(B2)を含む請求項1〜4のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  6. 結着剤(B2)が、式(B2)において、0.50≦m≦0.90、0.09≦n≦0.50および0≦l≦0.08。ただし、m+n+l=1)である含フッ素共重合体を含む請求項5記載の電極合剤用スラリー。
  7. 結着剤(B2)が、式(B2)において、lが0で、0.50≦m≦0.90および0.10≦n≦0.50。ただし、m+n=1)である二元含フッ素共重合体を含む請求項5記載の電極合剤用スラリー。
  8. 結着剤(B2)が、式(B2)において、0.50≦m≦0.90、0.09≦n≦0.49および0.01≦l≦0.04。ただし、m+n+l=1)である含フッ素共重合体を含む請求項5記載の電極合剤用スラリー。
  9. 結着剤(B)が、さらに、ポリフッ化ビニリデン(B1)および含フッ素重合体(B2)以外の溶剤可溶型熱可塑性樹脂(B3)を含む請求項5〜8のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  10. 結着剤(B3)が、ポリアクリル酸系重合体、ポリメタクリル酸系重合体、ポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項9記載の電極合剤用スラリー。
  11. 電極活物質(A)が正極活物質(A1)であり、式(A1):
    Li 1−y
    (式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;MはNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;MはCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物を含む請求項1〜10のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  12. 電極活物質(A)がSiおよび/またはSnを含有する塩基性材料を含む負極活物質(A2)である請求項1〜10のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  13. さらに有機溶媒を含む請求項1〜12のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  14. 有機溶媒が、水分含有量が100ppm以下の有機溶媒である請求項13記載の電極合剤用スラリー。
  15. 固形分中に電極活物質(A)を70〜98質量%、結着剤(B)を0.1〜20質量%、およびフッ素ゴム粒子(C)を0.1〜20質量%含む請求項1〜14のいずれかに記載の電極合剤用スラリー。
  16. 請求項1〜15のいずれかに記載の電極合剤用スラリーを集電体に塗工し乾燥して得られるリチウム二次電池の電極。
  17. 請求項16記載の電極を正極および/または負極とし、非水電解液を備えるリチウム二次電池。
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