JPWO2013180166A1 - 電気化学素子電極用複合粒子、電気化学素子電極、及び電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記第1の粒子状結着剤のゲル含量が35重量%以上であることが好ましい。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子において、前記第1の粒子状結着剤、及び前記第2の粒子状結着剤が、酸性官能基を有する単量体単位を0.5重量%以上含有する重合体を含むものであることが好ましい。
本発明によれば、上記の電気化学素子電極を備える電気化学素子が提供される。
あるいは、本発明によれば、上記いずれかの電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、前記第1の粒子状結着剤、及び前記第2の粒子状結着剤を水に分散させて結着剤分散液を得る工程と、前記電極活物質を槽内で流動させながら、前記電極活物質に前記結着剤分散液を噴霧して流動造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法が提供される。
本発明の電気化学素子電極の製造方法においては、前記電気化学素子電極用複合粒子を2段階以上ロール加圧する際における、第1段目のロール加圧温度を60℃以下、第2段目以降のロール加圧温度を80℃以上とすることが好ましい。
本発明で用いる電極活物質は、電気化学素子の種類によって適宜選択される。たとえば、リチウムイオン二次電池の正極用の電極活物質としては、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープ可能な金属酸化物が挙げられる。このような金属酸化物としては、たとえば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、燐酸鉄リチウム、燐酸マンガンリチウム、燐酸バナジウムリチウム、バナジン酸鉄リチウム、ニッケル−マンガン−コバルト酸リチウム、ニッケル−コバルト酸リチウム、ニッケル−マンガン酸リチウム、鉄−マンガン酸リチウム、鉄−マンガン−コバルト酸リチウム、珪酸鉄リチウム、珪酸鉄−マンガンリチウム、酸化バナジウム、バナジン酸銅、酸化ニオブ、硫化チタン、酸化モリブデン、硫化モリブデン、等を挙げることができる。なお、上記にて例示した正極活物質は適宜用途に応じて単独で使用してもよく、複数種混合して使用してもよい。さらに、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリキノンなどのポリマーが挙げられる。これらのうち、リチウム含有金属酸化物を用いることが好ましい。
ここで、本発明においてドープとは、吸蔵、担持、吸着または挿入を意味し、正極にリチウムイオン及び/又はアニオンが入る現象、あるいは負極にリチウムイオンが入る現象などが挙げられる。また、脱ドープとは、上記ドープの逆の現象、すなわち、放出、脱着、脱離を意味する。
本発明で用いる第1の粒子状結着剤は、ガラス転移温度が5℃以下である粒子状の結着剤である。
本発明で用いる第2の粒子状結着剤は、ガラス転移温度が10〜80℃であり、ゲル含量が70重量%以上である粒子状の結着剤である。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子は、上述した第1の粒子状結着剤、第2の粒子状結着剤、及び、電極活物質を含んでなるが、前記のそれぞれが個別に独立した粒子として存在するのではなく、これら各成分の、少なくとも2成分、好ましくは全成分で一粒子を形成するものである。
本発明の電気化学素子電極用複合粒子の製造方法としては、特に限定されないが、次に述べる二つの製造方法によって電極用複合粒子を容易に得ることができる。
以下、流動層造粒法について説明する。
以上のようにして、本発明の電気化学素子電極用複合粒子は製造される。
本発明の電気化学素子電極は、上述した本発明の電気化学素子電極用複合粒子を含む電極活物質層を集電体上に積層してなる。集電体用材料としては、たとえば、金属、炭素、導電性高分子などを用いることができ、好適には金属が用いられる。金属としては、通常、銅、アルミニウム、白金、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼、その他の合金等が使用される。これらの中で導電性、耐電圧性の面から、銅、アルミニウム又はアルミニウム合金を使用するのが好ましい。また、高い耐電圧性が要求される場合には特開2001−176757号公報等で開示される高純度のアルミニウムを好適に用いることができる。集電体は、フィルム又はシート状であり、その厚みは、使用目的に応じて適宜選択されるが、通常1〜200μm、好ましくは5〜100μm、より好ましくは10〜50μmである。
なお、各特性の定義及び評価方法は、以下のとおりである。
また、以下の実施例においては、本発明の電気化学素子電極用複合粒子及び電気化学素子電極を、リチウムイオンキャパシタの正極に適用した例を挙げて説明するが、リチウムイオンキャパシタの正極に限定されるものではなく、他の電気化学素子用の電極、たとえば、リチウムイオン電池の電極に適用した場合でも、同様の効果を得ることができる。
粒子状結着剤の体積平均粒子径は、レーザー光を用いた光回折による粒度分布測定装置(コールターカウンターLS230、コールター社製)を用いて、積分粒径分布における50%積分値に相当する粒径を測定することで求めた。
粒子状結着剤の水分散液をPTFEシャーレ上で48時間風乾することで、厚み100μmの粒子状結着剤のフィルムを作製し、得られたフィルムを100℃のオーブンにて30分間加熱し、2mm×2mmのサイズに切断した。次いで、切断したフィルムを0.2〜0.3gの範囲内で精秤し、これを、抽出前の結着剤の重量B0とした。次いで、このフィルムを重量B1の円筒濾紙(商品名「No.86R」、東洋濾紙社製)に入れ、フィルムの入った円筒濾紙をソックスレー抽出器に入れた後、テトラヒドロフラン溶媒100mlを用いて24時間抽出した。次いで、抽出後のフィルムの入った円筒濾紙を、12時間風乾した後、さらに、50℃で1時間真空乾燥した。そして、真空乾燥後のフィルムの入った円筒濾紙の重量B2を秤量し、下記式(1)により、ゲル含量(%)を算出した。
ゲル含量(%)=〔(B2−B1)/B0〕×100 ・・・(1)
粒子状結着剤の水分散液をPTFEシャーレ上で一週間風乾し、幅1cm×長さ2cm×厚み200μmの粒子状結着剤のフィルムを作製した後、粘弾性スペクトロメータ(DMS)(SIIナノテクノロジー社製、DMS6100標準型)を用いて最小張力を98.0mNとし、毎分5℃で−50℃から+150℃まで昇温し、引っ張りモード(試料の伸長補正:自動測定モードにて調整)で測定し、1Hzにおける損失正接(tanδ)のピークトップ温度をガラス転移温度とした。
実施例及び比較例で得られた正極を、幅1cm×長さ10cmの矩形状にカットし、カットした正極を、正極活物質層面を上にして固定し、正極活物質層の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。そして、この測定を10回行い、その平均値を求め、これをピール強度とし、下記基準にて評価した。なお、ピール強度が高いほど、正極活物質層内における密着強度、及び正極活物質層と集電体との間の密着強度が高いと判断できる。
A:ピール強度が20N/m以上
B:ピール強度が7N/m以上、20N/m未満
C:ピール強度が3N/m以上、7N/m未満
D:ピール強度が3N/m未満
E:評価不能
実施例及び比較例で得られた正極を、幅方向(TD方向)10cm、長さ方向(MD方向)1mにカットし、カットした正極について、TD方向に均等に3点、及びMD方向に均等に5点の合計15点(=3点×5点)の膜厚測定を行い、膜厚の平均値A及び平均値から最も離れた値Bを求めた。そして、平均値A及び最も離れた値Bから、下記式(2)にしたがって、厚みムラを算出し、下記基準にて成形性を評価した。厚みムラが小さいほど、厚みの均一性に優れていると判断できる。
厚みムラ(%)=(|A−B|)×100/A ・・・(2)
A:厚みムラが5%未満
B:厚みムラが5%以上、10%未満
C:厚みムラが10%以上、15%未満
D:厚みムラが15%以上
E:正極活物質層に穴が開いている。
各実施例及び比較例で得られたラミネート型のリチウムイオンキャパシタ(評価セル)について、温度−20℃の条件にて、2000mAの定電流にて、3.6Vまで充電を行なった後、3.6Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を1時間行った。次いで、200mAの定電流で、電圧が2.2Vになるまで放電した。そして、このような充電及び放電条件にて充放電試験を1000回繰り返し、10回目の充放電試験後における評価セルの直流抵抗IR10th、及び1000回目の充放電試験後における評価セルの直流抵抗IR1000thを測定し、下記式(3)にしたがって、抵抗増加率を算出し、下記基準にて低温サイクル特性を評価した。抵抗増加率が小さいほど、低温サイクル特性に優れていると判断できる。
抵抗増加率(%)=((IR1000th/IR10th)×100)−100 ・・・(3)
A:抵抗増加率が10%未満
B:抵抗増加率が10%以上、20%未満
C:抵抗増加率が20%以上、30%未満
D:抵抗増加率が30%以上
E:評価不能
メカニカルスターラー及びコンデンサを装着した反応器に、窒素雰囲気下、脱イオン水210部を仕込み、撹拌しながら70℃に加熱し、1.96%過硫酸カリウム水溶液25.5部を反応器に添加した。次いで、メカニカルスターラーを装着した上記とは別の容器に、窒素雰囲気下、アクリル酸ブチル81.2部、メタクリル酸エチル16.3部、メタクリル酸2.4部、メタクリル酸アリル0.1部、濃度30%のアルキル
ジフェニルオキシドジスルホネート(ダウファックス(登録商標)2A1、ダウ・ケミカル社製)3.34部、及び脱イオン水22.7部を添加し、これを攪拌乳化させて単量体混合液を調製した。そして、この単量体混合液を攪拌乳化させた状態にて、2.5時間かけて一定の速度で、脱イオン水210部及び過硫酸カリウム水溶液を仕込んだ反応器に添加し、重合転化率が95%になるまで反応させて、粒子状結着剤Aの水分散液を得た。得られた粒子状結着剤Aの組成は、アクリル酸ブチル単位81.2%、メタクリル酸エチル単位16.3%、メタクリル酸単位2.4%、及びメタクリル酸アリル単位0.1%であった。また、粒子状結着剤Aのガラス転移温度(Tg)は−25℃であり、ゲル含量は87%、体積平均粒子径は340nmであった。
重合に用いる単量体として、表1に示す単量体を表1に示す量用いた以外は、製造例1と同様にして、粒子状結着剤B〜Lの各水分散液を得た。得られた粒子状結着剤B〜Lの組成、ガラス転移温度、ゲル含量及び体積平均粒子径を表1に示す。
<正極用スラリーの製造>
正極電極活物質として、比表面積2000m2/gのアルカリ賦活活性炭100部、導電材としてアセチレンブラック7.5部、分散剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩の1.5%水溶液(セロゲンBSH−6、第一工業製薬社製)を固形分換算で1.4部、製造例1で得られた粒子状結着剤Aの水分散液を固形分換算で1.5部、及び製造例2で得られた粒子状結着剤Bの水分散液を固形分換算で4.5部を、イオン交換水中に分散させ、固形分濃度が20%となるように調整した。続いて、プラネタリーミキサーにて混合分散を行うことで、正極用スラリーを得た。
上記にて得られた正極用スラリーを、スプレー乾燥機を使用し、回転円盤方式のアトマイザ(直径65mm)の回転数25,000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口の温度が90℃の条件で噴霧乾燥造粒を行い、正極用複合粒子を得た。
そして、上記にて得られた正極用複合粒子と、長尺のシート状支持体(粗面化処理として、表面粗さRaが0.4μmとなるようにサンドブラスト処理を施したPETフィルム〔厚み50μm、引っ張り強度200MPa〕)、長尺のシート状のアルミニウム製エキスパンドメタル集電体(4μmの接着剤層を両面塗工済みの厚み30μmのシート状のアルミニウムに、開口率50%となるように直径1mmの穴を開けたもの)を使用し、図1に示す装置を用いて、集電体の両面に平均厚み90μmの正極活物質層を有する正極を得た。
負極活物質として、体積平均粒子径が2.7μmの黒鉛(KS−4、ティムカル社製)100部、分散剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩の1.5%水溶液(品番2200、ダイセル化学工業社製)を固形分換算で2部、導電材としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業社製)5部、結着剤としてガラス転移温度が−40℃で、体積平均粒子径が0.25μmのジエン重合体(スチレン60部、ブタジエン35部、イタコン酸5部を乳化重合して得られた共重合体)の40%水分散体を固形分換算で3部、及びイオン交換水を、全固形分濃度が35%となるようにプラネタリーミキサーにより混合することで、負極用スラリーを得た。
基材として、アルキド樹脂により剥離処理を施してなる厚さ38μmのポリエチレンテレフタレートフィルム(リンテック社製、基材の剥離処理面の水との接触角:97°)を用いて、水平方向に40m/分の速度で走行する該基材に、上記にて得られた負極用スラリーをダイから吐出することで、塗布し、120℃で、5分間乾燥することで、基材上に厚さ60μmの負極活物質層を有する基材を得て、これを巻き取った。
そして、上記にて作製した正極及び負極を、活物質層が形成されていない未塗工部の大きさが縦2cm×横2cmであり、かつ、活物質層が形成されている部分の大きさが縦5cm×横5cmとなるように切り抜いた。なお、この際において、未塗工部は、活物質層が形成されている5cm×5cmの正方形の一辺が、そのまま延長したような形態で形成した。そして、このように切り抜いた正極を10組、負極を11組それぞれ用意し、これらをそれぞれ積層し、それぞれの未塗工部を積層した状態で超音波溶接した後、正極にはアルミニウムからなるタブ材を、負極にはニッケルからなるタブ材を、それぞれ積層溶接した未塗工部へ超音波溶接により接合することにより、測定用電極を得た。なお、正極用及び負極用のタブ材としては、縦7cm×横1cm×厚み0.01cmのサイズのものを使用した。そして、得られた測定用電極を200℃で24時間真空乾燥し、セパレータとして厚さ35μmのセルロース/レーヨン混合不織布を用いて、正極及び負極のタブ溶接部がそれぞれ反対側になるよう配置し、かつ、正極及び負極を、セパレータを介して、交互に積層した。なお、この際においては、積層体の最外部に位置する電極がいずれも負極となるように積層し、かつ、最上部及び最下部には、セパレータを配置して、4辺をテープ留めした。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Aの水分散液の代わりに、製造例3で得られた粒子状結着剤Cの水分散液(実施例2)、製造例4で得られた粒子状結着剤Dの水分散液(実施例3)、製造例5で得られた粒子状結着剤Eの水分散液(実施例4)、製造例6で得られた粒子状結着剤Fの水分散液(実施例5)、及び製造例7で得られた粒子状結着剤Gの水分散液(実施例6)をそれぞれ使用した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Bの水分散液の代わりに、製造例8で得られた粒子状結着剤Hの水分散液(実施例7)、及び製造例9で得られた粒子状結着剤Iの水分散液(実施例8)をそれぞれ使用した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Aの水分散液の配合量を、固形分換算で1.5部から3部に変更し、粒子状結着剤Bの水分散液の配合量を、固形分換算で4.5部から3部に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Bの水分散液の配合量を、固形分換算で4.5部から8.5部に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際における、第1段目のロール加圧温度(すなわち、図1に示すロールS1,S2,S3及びS4の温度)を45℃から、60℃に変更した以外は、実施例2と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際における、第1段目のロール加圧温度(すなわち、図1に示すロールS1,S2,S3及びS4の温度)を45℃から、25℃に変更した以外は、実施例5と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際における、第2段目のロール加圧温度(すなわち、図1に示すロールA3及びA4の温度)を100℃から、80℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際における、第2段目のロール加圧温度(すなわち、図1に示すロールA3及びA4の温度)を100℃から、120℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Aの水分散液の代わりに、製造例10で得られた粒子状結着剤Jの水分散液を使用した以外は、実施例8と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Bの水分散液の代わりに、製造例4で得られた粒子状結着剤Dの水分散液(比較例2)、製造例11で得られた粒子状結着剤Kの水分散液(比較例3)、及び製造例12で得られた粒子状結着剤Lの水分散液(比較例4)をそれぞれ使用した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Aの水分散液の配合量を、固形分換算で1.5部から4.5部に変更し、粒子状結着剤Bの水分散液の配合量を、固形分換算で4.5部から1.5部に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
正極を製造する際に、粒子状結着剤Aの水分散液を使用せず、かつ、粒子状結着剤Bの水分散液の配合量を、固形分換算で4.5部から6部に変更した以外は、実施例1と同様にして、正極及び評価用セルを作製し、同様に評価を行った。結果を表2に示す。
第2の粒子状結着剤(ガラス転移温度が第1の粒子状結着剤よりも高い結着剤)として、ガラス転移温度が80℃超であるものを用いた場合、及び、第2の粒子状結着剤(ガラス転移温度が第1の粒子状結着剤よりも高い結着剤)として、ゲル含量が70重量%未満であるものを用いた場合には、得られる電極は、ピール強度に劣り、しかも、リチウムイオンキャパシタとした場合における低温サイクル特性に劣る結果となった(比較例3,4)。
また、第2の粒子状結着剤の含有割合が少なすぎる場合には、得られる電極は、電極活物質層の厚みの均一性が低く、しかも、リチウムイオンキャパシタとした場合における低温サイクル特性に劣る結果となった(比較例5)。
さらに、第1の粒子状結着剤(ガラス転移温度が第2の粒子状結着剤よりも低い結着剤)を配合しない場合には、得られる電極は、電極活物質層の厚みの均一性が低く、さらには、ピール強度にも劣り、しかも、リチウムイオンキャパシタとした場合における低温サイクル特性に劣る結果となった(比較例6)。
Claims (10)
- ガラス転移温度が5℃以下である第1の粒子状結着剤、ガラス転移温度が10〜80℃であり、ゲル含量が70重量%以上である第2の粒子状結着剤、及び、電極活物質を含有してなる電気化学素子電極用複合粒子であって、
前記電気化学素子電極用複合粒子に含有される全結着剤中における、前記第2の粒子状結着剤の含有割合が、30〜95重量%であることを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子。 - 前記第1の粒子状結着剤のガラス転移温度と、前記第2の粒子状結着剤のガラス転移温度との差が、20℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記第1の粒子状結着剤のゲル含量が35重量%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 前記第1の粒子状結着剤、及び前記第2の粒子状結着剤が、酸性官能基を有する単量体単位を0.5重量%以上含有する重合体を含むものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子を含んでなる活物質層を集電体上に積層してなることを特徴とする電気化学素子電極。
- 請求項5に記載の電気化学素子電極を備える電気化学素子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、
前記第1の粒子状結着剤、前記第2の粒子状結着剤、及び前記電極活物質を水に分散させてスラリーを得る工程と、前記スラリーを噴霧乾燥して造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子電極用複合粒子を製造する方法であって、
前記第1の粒子状結着剤、及び前記第2の粒子状結着剤を水に分散させて結着剤分散液を得る工程と、前記電極活物質を槽内で流動させながら、前記電極活物質に前記結着剤分散液を噴霧して流動造粒する工程と、を有する電気化学素子電極用複合粒子の製造方法。 - 活物質層を集電体上に積層してなる電気化学素子電極を製造する方法であって、
ガラス転移温度が5℃以下である第1の粒子状結着剤、ガラス転移温度が10〜80℃であり、ゲル含量が70重量%以上である第2の粒子状結着剤、及び、電極活物質を含有してなる電気化学素子電極用複合粒子を、2段階以上ロール加圧することにより前記活物質層を成形する工程を有することを特徴とする電気化学素子電極の製造方法。 - 前記電気化学素子電極用複合粒子を2段階以上ロール加圧する際における、第1段目のロール加圧温度を60℃以下、第2段目以降のロール加圧温度を80℃以上とすることを特徴とする請求項9に記載の電気化学素子電極の製造方法。
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