WO2014119554A1 - リチウム電池用電極およびその製造方法、並びにリチウム電池 - Google Patents

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electrode
positive electrode
layer
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明仁 重松
玄 宮田
榮木 許
長榮 楊
金平 潘
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三井化学株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode for a lithium battery that can be used for a positive electrode plate for a lithium battery, a manufacturing method thereof, and a lithium battery including such an electrode for a lithium battery.
  • Lithium batteries can be used repeatedly by charging, and are attracting a great deal of attention in recent years due to the expectation of environmental protection and carbon dioxide reduction.
  • lithium batteries have many advantages such as high energy density, light weight, and long life compared to conventional secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lead acid batteries. For this reason, it is widely used as a power source for electronic devices such as mobile phones, notebook personal computers, and electric tools, and has also attracted attention as a power source for driving hybrid vehicles and electric vehicles.
  • Patent Document 1 a technique using a maleimide polymer has been reported.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the present invention is intended to solve the problems associated with the prior art as described above, and the positive electrode plate and / or the positive electrode plate and / or the heat activation material dissolved in the organic solvent such as the pyrrolidone solvent is applied to the electrode plate.
  • the inventors of the present invention have manufactured a lithium battery electrode (particularly, a positive electrode plate for a lithium battery) manufactured including a specific manufacturing method, and the electrode (particularly, the electrode). It has been found that the above problem can be solved by using a lithium battery obtained by including a positive electrode plate. In addition, the present inventors have also found that the above-mentioned problems can be solved by adopting a specific type of adhesive as an adhesive (or binder) used at a specific site in an electrode for a lithium battery. It was.
  • the electrode for a lithium battery of the present invention is An electrode plate, a composite material layer, and a heat insulation layer are provided in this order,
  • the composite material layer includes at least a water-based adhesive and an active material,
  • the heat insulating layer includes at least a heat activation material, and at least a part of the mixture layer and the heat insulating layer are in contact with each other.
  • the heat activation material is preferably a nitrogen-containing polymer that is soluble in an organic solvent and does not swell in water.
  • the nitrogen-containing polymer preferably has one or more types selected from the group consisting of amines, amides, imides, maleimides and imines and components derived from dione.
  • the aqueous adhesive is preferably one in which at least one of an olefin resin or an acrylic resin is dispersed or dissolved in water.
  • the method for producing the electrode for a lithium battery of the present invention comprises: A composite material layer forming step of forming a composite material layer by applying a composite material slurry containing an active material and an aqueous adhesive to the electrode plate surface; A heat insulating layer forming step of forming a heat insulating layer containing a heat activation material on the surface of the composite material layer in this order.
  • the heat insulating layer forming step is preferably a step of forming a heat insulating layer by applying a heat activation material dissolved in an organic solvent to the surface of the composite material layer.
  • the present invention also provides a lithium battery comprising the above lithium battery electrode.
  • the electrode for a lithium battery of the present invention since the swelling of the electrode plate can be reduced, it is possible to provide a lithium battery having both high safety and battery characteristics. Further, according to the production method of the present invention, an electrode having a heat activation material dissolved in an organic solvent such as a pyrrolidone solvent, particularly, a positive electrode plate having a heat activation material dissolved in an organic solvent such as a pyrrolidone solvent is prepared. Even so, the electrode, particularly the positive electrode plate, does not swell. Thereby, a lithium battery having both high safety and battery characteristics can be obtained.
  • the lithium battery is suitable as a power source for driving hybrid vehicles and electric vehicles.
  • the lithium battery in the present invention includes an electrode for a lithium battery described below.
  • the lithium battery generally has a structure including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution.
  • the positive electrode plate (a), the negative electrode plate (b), and the separator (C) includes an electrolyte solution (d) and an exterior material (e), the positive electrode plate and the negative electrode plate are opposed to each other with a separator interposed therebetween, and the entire battery is filled with the electrolyte solution.
  • the lithium battery electrode of the present invention described below is used as the positive electrode and / or the negative electrode of the lithium battery, for example, the positive electrode plate (a) and / or the negative electrode plate (b).
  • it can be suitably used as a positive electrode, for example, the positive electrode plate (a).
  • An exemplary lithium battery according to a particularly preferred embodiment of the present invention includes a positive electrode plate (a) and a negative electrode obtained by including the production method of the present invention (that is, the method for producing a lithium battery electrode of the present invention described later).
  • a plate (b), a separator (c), an electrolyte solution (d), and an exterior material (e) are included.
  • the positive electrode plate and the negative electrode plate face each other with the separator interposed therebetween, and the entire battery is filled with the electrolyte.
  • the lithium battery electrode according to the present invention includes an electrode plate, a composite material layer, and a heat insulating layer in this order.
  • the composite material layer includes at least a water-based adhesive and an active material
  • the heat insulating layer includes at least a heat activation material. Further, at least a part of the composite material layer and the heat insulating layer are in contact with each other.
  • Such a lithium battery electrode of the present invention may be a positive electrode or a negative electrode.
  • the lithium battery electrode of the present invention may constitute the positive electrode plate (a) or the negative electrode plate (b) in the above lithium battery.
  • the lithium battery electrode of the present invention is used as a positive electrode.
  • the lithium battery electrode of the present invention constitutes the positive electrode plate (a).
  • the positive electrode plate (a) is a step of preparing a mixture slurry (also referred to as an electrode slurry) containing at least a positive electrode active material and an aqueous adhesive, and then applying the slurry to the electrode plate surface to form an electrode mixture layer; It can be obtained by including a step of forming a heat insulating layer containing a heat activation material on the surface of the electrode mixture layer.
  • a mixture slurry also referred to as an electrode slurry
  • the positive electrode plate (a) is a step of preparing a mixture slurry (also referred to as an electrode slurry) containing at least a positive electrode active material and an aqueous adhesive, and then applying the slurry to the electrode plate surface to form an electrode mixture layer; It can be obtained by including a step of forming a heat insulating layer containing a heat activation material on the surface of the electrode mixture layer.
  • the composite material layer constituting the lithium battery electrode of the present invention includes at least a water-based adhesive and an active material.
  • the composite material layer used in the present invention contains an active material, it functions as a place where an electrode reaction occurs.
  • the electrode for a lithium battery of the present invention can be used for either a positive electrode or a negative electrode. That is, when the active material constituting the composite material layer is a positive electrode active material described later, the lithium battery electrode of the present invention functions as a positive electrode and can be used as the positive electrode plate (a). On the other hand, when the active material constituting the composite layer is a negative electrode active material described later, the lithium battery electrode of the present invention functions as a negative electrode and can be used as a negative electrode plate (b).
  • the lithium battery electrode of the present invention is a lithium battery electrode in which the active material constituting the composite layer is a positive electrode active material, and in this case functions as a positive electrode. Used as a positive electrode plate (a).
  • the composite material layer may also be referred to as an “electrode composite material layer”.
  • the positive electrode active material that can form the composite layer a known material used for electrochemical cells can be used.
  • the negative electrode active material is not particularly limited as long as it can be doped / undoped with lithium ions, and known materials can be used.
  • a carbide, a lithium alloy, and a metal oxide can be given.
  • the carbide includes carbon powder, graphite, carbon fiber, and carbon nanotube.
  • the lithium alloy include lithium and silicon atoms, tin atoms, germanium atoms alone or oxides, carbides, nitrides, carbonitrides and the like containing them.
  • the negative electrode active material containing silicon atoms includes silicon alloys, boron, nitrogen, oxygen or carbon and silicon compounds, tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium. , Bismuth, antimony or chromium.
  • silicon alloys or compounds include SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi.
  • the negative electrode active material containing tin atoms include silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, chromium, or alloyed tin, oxygen, Examples thereof include compounds of carbon or nitrogen and tin.
  • Examples of the negative electrode active material containing germanium atoms include silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony or chromium-containing or alloyed germanium, oxygen, Examples include compounds of carbon or nitrogen and germanium.
  • LiAl, Li 3 Cd, Li 4.4 Pb, In 2 O, In 2 O 3 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , Ag 2 O, AgO, Ag 2 O 3 , ZnO, CoO, NiO, FeO, TiO 2 , Li 3 Ti 5 O 12 can be mentioned.
  • These negative electrode active materials may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more.
  • active material may be used as a concept encompassing the positive electrode active material and the negative electrode active material.
  • the water-based adhesive examples include an adhesive using water as a solvent and an emulsion adhesive using water as a dispersion medium.
  • the water-based adhesive is used as a binder for disposing the active material on the surface of the electrode plate (current collector).
  • the water-based adhesive includes a water-based adhesive.
  • the water-based adhesive is one in which the adhesive component is dissolved in water or the adhesive component particles are dispersed in water.
  • dispersed refers to a state in which particles are dispersed in the adhesive without visual aggregation, and some of the particles may be dissolved.
  • the adhesive component include polymers such as olefin resins and acrylic resins.
  • the polymer contained in the water-based adhesive is not particularly limited as long as it functions as an adhesive component, can be dissolved or dispersed in water, and does not impair the function of the composite material layer. It is a polymer composed of one or more monomers of each of a monomer, a diene, a halogen, a vinyl, a silicone, a halogenated olefin, a urethane, an amide, and an imide. Olefin-based, acrylic-based and diene-based are preferable.
  • Examples of the olefin monomer that can constitute such a polymer include ethylene, propylene, and 1-butene.
  • Examples of acrylic monomers include acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, fumaric acid, maleic acid, hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, methyl acrylate, ethyl acrylate, n-butyl acrylate, acrylic acid iso-butyl, 2-ethylhexyl acrylate, lauryl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, iso-butyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, lauryl methacrylate, acrylonitrile, methacrylonitrile, Examples include acrylamide, methacrylamide, and acrylic sulfonic acid.
  • Examples of the diene monomer include butadiene.
  • Examples of the silicone monomer include diorganosiloxane or organosiloxane having a vinyl group, an allyl group, a propenyl group, an isopropenyl group, a butenyl group, or the like.
  • Examples of the halogen monomer include tetrafluoroethylene and chlorotrifluoroethylene.
  • Examples of the vinyl monomer include vinyl alcohol, vinyl acetate, divinylbenzene, styrene, and vinyl stearate.
  • the water-based adhesive is preferably a polyolefin-based adhesive having at least one olefin monomer as a constituent unit.
  • the method for synthesizing the water-based adhesive dispersed or dissolved in water is not particularly limited as long as the polymer is dispersed or dissolved in water, and the production method thereof is not particularly limited.
  • a method of synthesizing and dispersing or dissolving in water a known polymerization method such as an emulsion polymerization method, a suspension polymerization method, a dispersion polymerization method, or a solution polymerization method can be employed.
  • a method in which a polymer is prepared in advance and the molten resin is forcibly torn off by stirring in water, and a method in which water is added to the melt-kneaded resin by an extruder can be employed.
  • the water-based adhesive of the present invention may be mixed with other solvent in water as long as the effects of the present invention are exhibited.
  • Solvents to be mixed with water include aliphatic alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl isobutyl ketone and methyl ethyl ketone, ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, ⁇ -butyrolactone and ⁇ -caprolactone, Examples thereof include amide solvents such as N, N-dimethylacetamide and N, N-dimethylformamide. When mixing, you may use individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
  • the amount ratio of the positive electrode active material and the water-based adhesive when preparing the mixture slurry is not particularly limited, but the water-based material with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.
  • the adhesive is preferably 1 to 20 parts by mass (in terms of solid content).
  • the amount ratio of the negative electrode active material and the aqueous adhesive when preparing the mixture slurry is not particularly limited, but is 100 parts by mass of the negative electrode active material.
  • the aqueous adhesive is preferably 0.5 to 20 parts by mass (in terms of solid content).
  • an appropriate component used for producing the composite material layer may be contained.
  • the composite material layer used in the present invention when the composite material layer used in the present invention is formed from a composite material slurry, the composite material layer may contain various compounding components derived from the composite material slurry.
  • various compounding components derived from such a composite slurry include known thickening agents, known conductive aids such as (conductive) carbon black and graphite, and surfactants, dispersants, wetting agents, antifoaming agents. And other additives. Specific examples of these various blending components are described in the section “Method for forming a composite material layer” described below.
  • the composite material layer constituting the electrode for a lithium battery according to the present invention is prepared on the surface of the current collector (electrode plate) after creating an aqueous composite slurry (also referred to as “composite slurry” in this specification).
  • the slurry can be applied and dried.
  • the active material and the water-based adhesive are included as essential components in the synthetic slurry.
  • the step of forming the mixture layer by applying the mixture slurry to the surface of the electrode plate in this manner is called a mixture layer forming step. is there.
  • the mixture slurry may contain a thickener in addition to the active material and the water-based adhesive which are essential components.
  • a thickener known ones used for electrochemical cells can be used.
  • cellulose polymers such as carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxypropylcellulose, and ammonium salts and alkali metal salts thereof (modified) ) Poly (meth) acrylic acid and ammonium salts and alkali metal salts thereof; (Modified) Polyvinyl alcohol, acrylic acid or copolymers of acrylate and vinyl alcohol, maleic anhydride or maleic acid or fumaric acid and vinyl alcohol
  • Polyvinyl alcohols such as copolymers with polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, modified polyacrylic acid, oxidized starch, phosphate starch, casein, various modified starches, etc. That.
  • the mixture slurry may contain a known conductive aid such as (conductive) carbon black and graphite.
  • an additive can be added to the mixture slurry.
  • the additive is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited.
  • surfactants there are surfactants, dispersants, wetting agents, antifoaming agents and the like.
  • the type of the stirrer is not limited. Examples include a ball mill, a sand mill, a pigment disperser, a crusher, an ultrasonic disperser, a homogenizer, a planetary mixer, a Hobart mixer, and a high-speed stirrer.
  • the application and drying method is not particularly limited.
  • methods such as slot die coating, slide coating, curtain coating, or gravure coating may be used.
  • the drying method include drying with warm air, hot air, low-humidity air, vacuum drying, and (far) infrared rays.
  • the drying time and drying temperature are not particularly limited, but the drying time is usually 1 to 30 minutes, and the drying temperature is usually 40 to 180 ° C.
  • the method may include a step of lowering the porosity of the active material layer by pressure treatment using a die press or a roll press after applying and drying the mixture slurry on the current collector. preferable.
  • the heat insulating layer includes at least a heat activation material.
  • the lithium battery electrode of the present invention at least a part of the composite material layer and the heat insulating layer are in contact with each other.
  • the heat insulating layer is present in a form in which at least a part thereof is in contact with at least a part of the composite material layer.
  • a heat insulating layer containing a heat activation material is formed on the surface of the electrode mixture layer (that is, the mixture layer).
  • the heat activation material constituting the heat insulation layer in the present invention is a material that is activated and causes a cross-linking reaction when the temperature of the lithium battery rises. Then, the heat-activated material is converted into a polymer, so that lithium ions are prevented from diffusing and the conductivity of the electrolytic solution is lowered. In addition, by suppressing the release of oxygen molecules from the positive electrode through such a crosslinking reaction, the exothermic reaction between the positive electrode and the electrolyte is suppressed, and the safety of the lithium battery is also improved.
  • Thermal activation material As the heat activation material, there is no particular limitation on the material of the heat activation material as long as it exhibits such a function and can maintain the function of the present invention, but nitrogen that is soluble in an organic solvent and does not swell in water. It is preferable that it is a containing polymer.
  • the “organic solvent” is preferably an organic solvent having a solubility parameter (SP value) of 22 to 26 (MPa) 1/2 .
  • SP value solubility parameter
  • the SP value of the solvent can be determined by the method described in, for example, “Polymer Handbook”, 4th edition, pages VII-675 to VII-711. Specifically, Table 1 (VII- 683) and Tables 7 to 8 (VII-688 to VII-711). Further, the SP value in a mixed solvent of a plurality of solvents can be determined by a known method. For example, the SP value of the mixed solvent can be obtained as the sum of products of the SP value of each solvent and the volume fraction, assuming that additivity is established.
  • “does not swell in water” means that the swelling ratio obtained by the following method is 100% or less.
  • heat activation material for example, heat activation materials described in JP 2012-134149 A and JP 2012-138359 A can be used. That is, suitable nitrogen-containing polymers that can be used in the present invention include nitrogen-containing compounds having a number average molecular weight of at least 1500, or nitrogen-containing oligomers having a number average molecular weight of about 200-2999.
  • the heat-activated material comprises a nitrogen-containing polymer
  • the nitrogen-containing polymer is a group consisting of an amine, an amide, an imide, a maleimide, and an imine. It may be a hyper branched polymer formed by reaction of one or more selected from dione with dione. That is, in a preferred embodiment of the present invention, the nitrogen-containing polymer has at least one selected from the group consisting of amines, amides, imides, maleimides and imines, and a component derived from dione.
  • specific examples of amine, amide, imide, maleimide and imine constituting the nitrogen-containing polymer include those described in JP 2012-134149 A.
  • diones include barbituric acid, derivatives of barbituric acid, acetylacetone, or derivatives of acetylacetone.
  • a nitrogen-containing polymer obtained by containing a bismaleimide monomer such as N, N′-bismaleimide-4,4′-diphenylmethane (BMI) and barbituric acid (BTA) is preferable.
  • the molar ratio of the required amount of dione and the amine, amide, imide, maleimide or imine monomer is about 1:20 to 4: 1. More preferably, the molar ratio is about 1: 5 to 2: 1. More preferably, the molar ratio is about 1: 3 to 1: 1.
  • the heat activation material is usually uniformly dispersed in the heat insulating layer before the heat activation.
  • the heat activation material is a micromolecular material before heat activation. Therefore, the diffusion of lithium ions in the lithium battery is not affected by the thermally activated material.
  • a crosslinking reaction occurs in the thermally activated material, and the thermally activated material is converted into a polymer. Therefore, the diffusion of lithium ions is delayed, and the conductivity of the electrolytic solution is lowered, so that safety can be improved.
  • the end groups of the thermally activated material cause a cross-linking reaction to prevent lithium ion diffusion.
  • the temperature of the crosslinking reaction of the thermally activated material is the onset temperature.
  • the end groups of the heat activated material include ethenyl groups (from bismaleimide) and amino groups (from barbituric acid).
  • the heat activation temperature is about 80 to 280 ° C. More preferably, the thermal activation temperature is about 100-220 ° C. More preferably, the thermal activation temperature is about 130-200 ° C.
  • the heat insulating layer may be Al, Mg, Si, Zr, Ti, Zn, Li, Co, or an oxide thereof, a hydroxide thereof, a sulfide thereof, or the like depending on the purpose.
  • Inorganic materials such as nitrides, their halides, and also lithium-containing salts such as Li 2 CO 3 , or lithium-containing oxides, hydroxides, sulfides, nitrides, carbonates, halides May be.
  • a Bronsted basic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAC), pyrrolidone, N-dodecylpyrrolidone, or Bronsted such as ⁇ -butyrolactone (GBL).
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • DMF dimethylformamide
  • DMAC dimethylacetamide
  • pyrrolidone N-dodecylpyrrolidone
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • An adhesive such as polyvinylidene fluoride dissolved or dispersed in a neutral solvent or a solvent obtained by combining these solvents may be included.
  • the method for forming the heat insulating layer on the surface of the electrode mixture layer is not particularly limited, but a method by coating is preferable.
  • the heat insulating layer can be formed by applying a heat activation material dissolved in an organic solvent to the surface of the mixture layer. In this case, the organic solvent contained in the applied slurry is then evaporated, and the application of the heat activation material and other optional components is established, and at least the heat insulation layer containing the heat activation material Is formed on the surface of the composite material layer.
  • the coating method is preferably slot / die coating, slide coating, curtain coating, or gravure coating.
  • a spray coating method can also be used.
  • the coating liquid is usually a liquid containing a heat activation material and a suitable organic solvent.
  • suitable organic solvents constituting such a coating liquid include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • DMAC dimethylacetamide
  • pyrrolidone N-dodecylpyrrolidone
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • the process of forming the heat insulation layer containing a heat activation material in the surface of the said composite material layer may be called a heat insulation layer formation process.
  • the thickness of the heat insulating layer is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 50 ⁇ m.
  • the manufacturing method of the electrode for a lithium battery according to the present invention is as follows: A composite material layer forming step of forming a composite material layer by applying a composite material slurry containing an active material and an aqueous adhesive to the electrode plate surface; A heat insulating layer forming step of forming a heat insulating layer containing a heat activation material on the surface of the composite material layer in this order.
  • Such a manufacturing method of the present invention provides a lithium battery electrode including an electrode plate, a composite material layer, and a heat insulating layer in this order.
  • the formed mixture layer includes at least an aqueous adhesive and an active material
  • the formed heat insulating layer includes at least a heat activation material.
  • positive electrode active materials and negative electrode active materials used as active materials in the composite material layer forming step those described above in the “positive electrode active material” and “negative electrode active material” sections in the above “composite material layer” can be used respectively.
  • an aqueous adhesive and “other component” in the said “mixture layer” can be used as an aqueous adhesive and the other various compounding components which can comprise a synthetic
  • heat activation material and other components that can constitute the heat insulation layer those described above as the “heat activation material” and “other components” in the “heat insulation layer”, respectively. Can be used.
  • the specific operation performed in the composite material layer forming step is as described above in the section “Method of forming the composite material layer” in the above “composite material layer”, and the specific operation performed in the heat insulating layer forming step.
  • the operation is as described above in the section “Method for forming a heat insulating layer” in the above “heat insulating layer”.
  • Lithium battery In the present invention, a lithium battery is also provided as a third invention.
  • the lithium battery according to the present invention includes the above-described lithium battery electrode.
  • the lithium battery generally has a structure including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte solution.
  • the positive electrode plate and the negative electrode plate are opposed to each other with the separator interposed therebetween, and the whole battery is filled with the electrolytic solution.
  • the lithium battery of the present invention includes the above-described lithium battery electrode in the form of a positive electrode and / or a negative electrode, for example, the positive electrode plate (a) and / or the negative electrode plate (b).
  • the positive electrode for example, the positive electrode plate (a) is an electrode employing a positive electrode active material as an active material among the electrodes for a lithium battery of the present invention, or the production of the present invention.
  • This is an electrode for a lithium battery obtained by the method and employing a positive electrode active material as an active material.
  • the above-described lithium battery electrode according to the present invention is suitably used as the positive electrode, for example, the positive electrode plate (a).
  • the lithium battery according to the present invention employs a positive electrode active material as an active material and includes the above-described lithium battery electrode that functions as the positive electrode, for example, the positive electrode plate (a).
  • Such a positive electrode for example, the above-described lithium battery electrode that functions as the positive electrode plate (a) can be suitably obtained by using the positive electrode active material as an active material by the above-described method for producing a lithium battery electrode. That is, in a preferred embodiment of the present invention, after preparing a positive electrode, for example, the positive electrode plate (a), a mixed material slurry (also referred to as an electrode slurry) containing at least a positive electrode active material and an aqueous adhesive, It can be obtained by including a step of forming an electrode mixture layer by coating on the surface of the plate and a step of forming a heat insulating layer containing a heat activation material on the surface of the electrode mixture layer.
  • a mixed material slurry also referred to as an electrode slurry
  • a negative electrode (or a negative electrode plate) having a conventionally known configuration can be used as the negative electrode, for example, the negative electrode plate (b), and the above-described lithium battery electrode according to the present invention is used. It can also be used.
  • the negative electrode for example, the negative electrode plate (b)
  • the negative electrode for example, the negative electrode plate (b)
  • the negative electrode active material can be used as the active material.
  • the negative electrode for example, the negative electrode plate (b) may have a conventionally known configuration.
  • the negative electrode, for example, the negative electrode plate (b) is prepared by, for example, preparing a mixed material slurry containing a negative electrode active material, applying the slurry to the surface of the current collector (electrode plate), and drying the mixture slurry.
  • the method for producing the electrode composite layer (composite layer) can be referred to.
  • non-aqueous solvents such as a polyvinylidene fluoride
  • non-aqueous solvents such as a polyvinylidene fluoride
  • the mixture slurry may contain a conductive additive such as (conductive) carbon black.
  • a separator (c) is disposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate.
  • materials (fine) porous polyethylene, (fine) porous polypropylene, Teflon (registered trademark) film, polyamide film, polyvinyl chloride film, polyvinylidene fluoride film, polyaniline film, polyimide film, non-woven fabric, polyethylene terephthalate,
  • Teflon (registered trademark) film polyamide film, polyvinyl chloride film, polyvinylidene fluoride film, polyaniline film, polyimide film, non-woven fabric, polyethylene terephthalate
  • a multilayer composite structure in which two or more of polystyrene cellulose or these polymers are combined.
  • other resin excellent in thermal stability may be coated.
  • a porous heat-resistant layer containing a heat-resistant filler and an adhesive may exist between the negative electrode plate and the separator.
  • the heat resistant filler inorganic oxides such as alumina, silica, titania, zirconia, magnesia, yttria, ceramics, glass, and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
  • a non-aqueous solvent containing a non-aqueous binder such as polyvinylidene fluoride can be used in addition to the aqueous solvent containing the aqueous adhesive described in the method for producing the electrode mixture layer.
  • the heat-resistant filler is preferably 0.5 to 20 parts by mass (converted to solid content) with respect to 100 parts by mass.
  • the electrolyte solution (d) is immersed in the entire positive electrode plate, negative electrode plate, and separator.
  • the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, ⁇ -butyrolactone, dimethyl sulfoxide, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, and the like. Are used alone or in admixture of two or more. Lithium salt is dissolved in the electrolyte.
  • Lithium salts include organic solvents such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ Li, etc., alone or in combination of two or more. Those dissolved in can be used. If necessary, additives such as vinylene carbonate, 1,3-propene sultone, lithium bis (oxalate) borate (LiBOB), and a maleimide compound may be added to the electrolytic solution.
  • organic solvents such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 N ⁇ Li, etc.
  • additives such as vinylene carbonate, 1,3-propene sultone, lithium bis (oxalate) borate (LiBOB), and a maleimide compound may be added to the electrolytic solution.
  • a metal can, for example, a can made of iron, stainless steel, aluminum or the like is preferable. Moreover, you may use the film-form bag which laminated the ultra-thin aluminum with resin.
  • the shape of the exterior material may be any of a cylindrical shape, a square shape, a thin shape, a coin shape, and the like.
  • Example 1 ⁇ Production of Lithium Battery Aqueous Positive Plate LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 > (Preparation of mixture slurry) LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 100 parts by weight, conductive carbon black (Timcal SuperP) 4.44 parts by weight, graphite (Timcal KS-6) 2.22 parts by weight, carboxy previously dissolved in water Methylcellulose (Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd. WS-A) 1.11 parts by weight in terms of solid content, and olefin-based aqueous adhesive (Mitsui Chemicals, Inc.
  • Chemipearl EVS6500N dispersed in water in terms of solid content 4.44 weight part was added and the mixture slurry was created using the planetary mixer and the high-speed stirrer (made by Inoue Seisakusho). Further, water was added for viscosity adjustment to adjust dispersion.
  • the mixture slurry obtained above was applied to the current collector for the positive electrode plate and dried.
  • a coating machine manufactured by Inoue Metal Industry Co., Ltd.
  • the conditions of the aqueous slurry in each of the three zones were 60, 90, and 120 ° C. in the first, second, and third drying zones, respectively.
  • the wind speed was set to 12 m / s.
  • the mixture slurry was applied and dried on one surface of an aluminum foil having a thickness of 20 ⁇ m, which was a current collector for a positive electrode plate. Similarly, the other surface was coated and dried to obtain a precursor electrode for a positive electrode plate.
  • the coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying.
  • the prepared electrode that is, the positive electrode precursor electrode
  • the treatment was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 .
  • N, N'-bismaleimide-4,4'-diphenylmethane (manufactured by Hakuei) and barbituric acid (manufactured by Hakuei) were added at a ratio of 2: 1 to a 1 L flask containing N-methylpyrrolidone. The mixture was stirred for 48 hours at ° C.
  • the resulting solution was diluted to a 2% solution.
  • the coating solution for the heat-insulating layer was applied onto the electrode that was finished up to the pressing step (that is, the rolling precursor electrode for the positive electrode plate) and dried. Drying conditions were 100, 130, and 150 ° C. The wind speed was set to 12 m / s. Coating was performed so that the film thickness at the time of coating was 12.5 ⁇ m. As a result, a positive electrode plate was obtained.
  • Example 2 Using the obtained mixture slurry, it was applied to the current collector for the positive electrode plate in the same manner as in Example 1. In addition, the conditions of the slurry of each drying zone which has three zones were performed at 100, 110, and 120 degreeC higher temperature than an aqueous slurry. The coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying.
  • Example 2 Using the obtained precursor electrode for a positive electrode plate, a pressing step and a heat insulating layer were applied in the same manner as in Example 1 to obtain a positive electrode plate.
  • Example 1 the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 1-1, and in Comparative Example 1, the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 1-2.
  • Example 2 ⁇ Preparation of LiMn 2 O 4 water-based positive electrode plate for lithium batteries> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the active material was changed from LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 to LiMn 2 O 4 . The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 20 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 2.5 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 2 the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 2-1, and in Comparative Example 2, the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 2-2.
  • Example 3 ⁇ Preparation of LiPoO 2 aqueous positive electrode plate for lithium batteries> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the active material was changed from LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 to LiCoO 2 . The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 15 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 3 the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 3-1, and in Comparative Example 3, the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 3-2.
  • Example 4 ⁇ Manufacture of LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 water based positive electrode plate for lithium batteries> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the active material was changed from LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 to LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 . The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 15 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 2.5 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 4 the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 4-1, and in Comparative Example 4, the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 4-2.
  • Example 5 ⁇ Preparation of LiFePO 4 water-based positive electrode plate for lithium batteries> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the active material was changed from LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 to LiFePO 4 . The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 16 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 2 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 5 the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 5-1, and in Comparative Example 5, the positive electrode plate not coated with the heat insulating layer was referred to as Reference Example 5-2.
  • Example 6 ⁇ Preparation of LiNi battery aqueous positive electrode LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 -polypropylene adhesive> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the adhesive was changed from an olefin-based aqueous adhesive (Mitsui Chemicals, Chemipearl EVS6500N) to a polypropylene-based adhesive. The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • an olefin-based aqueous adhesive Mitsubishi Chemicals, Chemipearl EVS6500N
  • Example 7 ⁇ Preparation of LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 -SBR Adhesive Aqueous Plate for Lithium Battery>
  • a mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the adhesive was changed from an olefin-based aqueous adhesive (Mitsui Chemicals, Chemipearl EVS6500N) to SBR (styrene-butadiene latex).
  • the coating was also performed in the same manner as in Example 1.
  • the coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying.
  • the pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 .
  • the heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 8 ⁇ Preparation of LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 -Acrylic Adhesive Aqueous Plate for Lithium Batteries> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Only the adhesive was changed from an olefin-based aqueous adhesive (Mitsui Chemicals, Inc., Chemipearl EVS6500N) to an acrylic adhesive (styrene-methacrylic acid). The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • an olefin-based aqueous adhesive Mitsubishi Chemicals, Inc., Chemipearl EVS6500N
  • acrylic adhesive styrene-methacrylic acid
  • Example 9 ⁇ Preparation of Lithium Battery Aqueous Cathode Plate LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 -Thickener Polyvinyl Alcohol> A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. The thickener was changed from carboxymethyl cellulose to polyvinyl alcohol (KL-318 manufactured by Kuraray Co., Ltd.). The coating was also performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 10 ⁇ Production of LiNi battery water / organic solvent mixed cathode plate LiNi 0.4 Mn 0.4 Co 0.2 O 2 > A mixture slurry was prepared in the same manner as in Example 1. Isopropyl alcohol was added 10% to the solvent water. Coating was performed in the same manner as in Example 1. The coating amount per side was 12 mg / cm 2 after drying. The pressing step was performed so that the density of the electrode mixture layer was 3 g / cm 3 . The heat insulating layer was also applied in the same manner as in Example 1.
  • Example 11 ⁇ Creation of Al 2 O 3 containing heat insulating layer> 100% by weight of Al 2 O 3 , PVDF dissolved in N-methylpyrrolidone (KF Polymer W1300, Kureha Chemical Co., Ltd.) 4.44 parts by weight in terms of solid content, N, N ′ dissolved in N-methylpyrrolidone A solution synthesized from -bismaleimide-4,4'-diphenylmethane and barbituric acid was added, and a slurry was prepared using a planetary mixer and a high-speed stirrer (manufactured by Inoue Seisakusho). Further, N-methylpyrrolidone was added for viscosity adjustment to adjust dispersion. The solution was applied to the positive electrode plate of Reference Example 1-1.
  • Example 11 A slurry prepared in the same manner as in Example 11 was applied to the positive electrode plate of Reference Example 1-2.
  • Example 12 ⁇ Creation of thermal insulation layer containing Li 2 CO 3 > 100% by weight of Li 2 CO 3 , PVDF dissolved in N-methylpyrrolidone (KF Polymer W1300, Kureha Chemical Co., Ltd.) 4.44 parts by weight in terms of solid content, N, N ′ dissolved in N-methylpyrrolidone A solution synthesized from -bismaleimide-4,4'-diphenylmethane and barbituric acid was added, and a slurry was prepared using a planetary mixer and a high-speed stirrer (manufactured by Inoue Seisakusho). Further, N-methylpyrrolidone was added for viscosity adjustment to adjust dispersion. The solution was applied to the positive electrode plate of Reference Example 1-1.
  • Example 12 A slurry prepared in the same manner as in Example 12 was applied to the positive electrode plate of Reference Example 1-2.
  • Electrode adhesion evaluation> Using the obtained positive electrode plate, the electrode plate after the heat insulation layer coating was cut out to a size of 1.5 cm ⁇ 2 cm, attached to a glass preparation with an instantaneous adhesive, and the electrode was fixed to obtain a sample for evaluation.
  • the sample for evaluation is cut between the electrode mixture layer and the positive electrode plate at a horizontal speed of 2 ⁇ m / second by a coating film peel strength measuring device Cycus DN20 type (manufactured by Daipla Intes Co., Ltd.), and the horizontal force necessary for the cutting is cut.
  • the peel strength (kN / m) of the electrode mixture layer was measured. Based on the obtained results, standardization was performed according to “Example / corresponding reference example”. The results are shown in Table 1. The larger the value, the stronger the adhesive strength.
  • the mixture slurry was applied to the current collector for the negative electrode plate and dried by the coating machine used for the positive electrode plate.
  • the conditions for each of the three zones were 100, 110, and 120 ° C.
  • the wind speed was set to 12 m / s.
  • Both sides were coated and dried on a copper foil having a thickness of 10 ⁇ m, which was a current collector for the negative electrode plate, to obtain a precursor electrode for the negative electrode plate.
  • the coating amount per side was set to 11.3 mg / cm 2 after drying.
  • the prepared electrode (that is, the negative electrode precursor electrode) was rolled with a roll press to obtain a negative electrode plate. Processing was performed so that the density of the electrode mixture layer was 1.5 g / cm 3 .
  • non-aqueous electrolyte for lithium battery
  • EC ethylene carbonate
  • MEC methyl ethyl carbonate
  • a non-aqueous electrolyte was prepared so that the concentration was 1.0 mol / liter.
  • the battery positive electrode can is covered with a polypropylene gasket and the can lid is caulked to maintain the airtightness of the battery, and a coin-type lithium battery having a diameter of 20 mm and a height of 3.2 mm is produced. did.
  • the battery was discharged to a predetermined voltage with a constant current value of 0.1C.
  • the discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity (mAh / g).
  • the fully charged coin-type lithium battery was fully charged. Thereafter, the battery was disassembled, and the fully charged positive electrode plate was set in a differential scanning calorimeter, and measurement was performed. The heating rate was 10 ° C./min. Safety performance was evaluated from the calorific value of the obtained decomposition peak and the temperature reached. The obtained results are shown in Table 3. A lower calorific value and a higher peak shift indicate higher safety performance.

Abstract

本発明の課題は、高い安全性と電池特性を両立したリチウム電池を提供しうるリチウム電池用電極、ピロリドン系溶媒に溶解した熱活性化材料を極板に塗工しても正極板および/または負極板としたときに膨潤しないリチウム電池用電極の製造方法、高い安全性と電池特性を両立したリチウム電池を提供しうるリチウム電池用電極、並びに、該リチウム電池用電極を含むリチウム電池を提供することである。本発明のリチウム電池用電極は、極板と、合材層と、断熱層とをこの順で備え、前記合材層は少なくとも水系接着剤と活物質とを含み、前記断熱層は少なくとも熱活性化材料を含み、かつ前記合材層および前記断熱層の少なくとも一部が接触している。

Description

リチウム電池用電極およびその製造方法、並びにリチウム電池
 本願発明は、リチウム電池用正極板等に用いうるリチウム電池用電極、およびその製造方法、並びに、そのようなリチウム電池用電極を備えたリチウム電池に関するものである。
 リチウム電池は充電により繰り返し使用が可能であり、近年の環境保護や二酸化炭素削減の期待から、非常に関心が集まってきている。また、従来のニッケル水素電池および鉛蓄電池のような二次電池に比べ、リチウム電池は、高エネルギー密度、軽量、超寿命といった多くの利点を有している。そのため、携帯電話およびノートパソコン、電動工具などの電子機器の電源として、広く活用されており、さらに、ハイブリッド自動車および電気自動車の駆動用電源としても、注目されてきている。
 しかしながら、リチウム電池を搭載する自動車においては、安全性が大きな課題となっている。リチウム電池の安全性向上の技術としては、マレイミド系ポリマーを用いた技術が報告されている(特許文献1)。
特開2012-138359号
 しかしながら、この技術では、ピロリドン系溶媒に溶解するPVDF(ポリフッ化ビニリデン)をバインダーとして使用しているので、同じくピロリドン系溶媒に溶解するマレイミド系ポリマーを極板の上に塗工した際、ピロリドン系溶媒が浸透して正極板および/または負極板が膨潤することがある。そのため、電池性能などに悪影響を与えることがある。
 本発明は、上記のような従来技術に伴う問題を解決しようとするものであって、ピロリドン系溶媒などの有機溶媒に溶解した熱活性化材料を極板に塗工しても正極板および/または負極板としたときに膨潤しないリチウム電池用電極の製造方法、高い安全性と電池特性を両立したリチウム電池を提供しうるリチウム電池用電極、並びに、該リチウム電池用電極を含むリチウム電池を提供することである。
 本発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭意検討の結果、特定の製造方法を含んで製造されるリチウム電池用電極(特に、リチウム電池用正極板)、および、該電極(特に、該正極板)を含んで得られるリチウム電池を使用することにより、上記課題を解決し得ることを見出した。また、本発明者らは、リチウム電池用電極において、特定の部位で用いられる接着剤(あるいはバインダー)として、特定の種類の接着剤を採用することにより、上記課題を解決し得ることをも見出した。
 本発明のリチウム電池用電極は、
 極板と、合材層と、断熱層とをこの順で備え、
 前記合材層は少なくとも水系接着剤と活物質とを含み、
 前記断熱層は少なくとも熱活性化材料を含み、かつ
 前記合材層および前記断熱層の少なくとも一部が接触している。
 ここで、前記熱活性化材料は、有機溶媒に可溶で水に膨潤しない窒素含有ポリマーであることが好ましい。
 また、前記窒素含有ポリマーが、アミン、アミド、イミド、マレイミドおよびイミンからなる群より選ばれた1種類以上ならびにジオン由来の成分を有することが好ましい。
 前記水系接着剤は、オレフィン系樹脂またはアクリル系樹脂の少なくとも一つが水に分散または溶解したものであることが好ましい。
 また、本発明のリチウム電池用電極の製造方法は、
 活物質と水系接着剤とを含む合材スラリーを極板表面に塗布して合材層を形成する合材層形成工程と、
 前記合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する断熱層形成工程と
をこの順で含む。
 ここで、前記断熱層形成工程が、有機溶媒に溶解した熱活性化材料を前記合材層表面に塗布して断熱層を形成する工程であることが好ましい。
 さらに、本発明では、上記リチウム電池用電極を備えるリチウム電池をも提供する。
 本発明のリチウム電池用電極によると、極板の膨潤を低減させることができるので、高い安全性と電池特性を両立したリチウム電池を提供することが可能となる。また、本発明の製造方法によると、ピロリドン系溶媒などの有機溶媒に溶解した熱活性化材料を有する電極、特に、ピロリドン系溶媒などの有機溶媒に溶解した熱活性化材料を有する正極板を作製しても、当該電極、特に当該正極板が膨潤しない。これにより高い安全性と電池特性を両立したリチウム電池が得られる。該リチウム電池は、ハイブリッド自動車および電気自動車の駆動用電源として好適である。
 本発明におけるリチウム電池は、以下で説明するリチウム電池用電極を備える。
 ここで、リチウム電池は、一般的に、正極と、負極と、セパレータと、電解液を含む構造を有しており、典型的な態様において、正極板(a)、負極板(b)、セパレータ(c)、電解液(d)、外装材(e)を含み、正極板と負極板はセパレータを挟んで対向し、且つ、電池全体を電解液が満たしている構造を有している。
 後述するように、本発明では、リチウム電池の正極および/または負極、例えば、上記正極板(a)および/または上記負極板(b)として、以下で説明する本発明のリチウム電池用電極が用いられ、特に、正極、例えば、上記正極板(a)として好適に用いることができる。本発明の特に好適な態様に係る、例示的なリチウム電池は、本発明の製造方法(すなわち、後述する本発明のリチウム電池用電極の製造方法)を含んで得られる正極板(a)、負極板(b)、セパレータ(c)、電解液(d)、外装材(e)を含む。正極板と負極板はセパレータを挟んで対向し、電池全体を電解液が満たしている。
 以下、本発明について詳細に説明する。
 [リチウム電池用電極]
 本発明に係るリチウム電池用電極は、極板と、合材層と、断熱層とをこの順で備える。
 ここで、本発明のリチウム電池用電極において、合材層は少なくとも水系接着剤と活物質とを含むものであり、断熱層は少なくとも熱活性化材料を含むものである。また、合材層および前記断熱層の少なくとも一部が接触している。
 このような、本発明のリチウム電池用電極は、正極であっても負極であっても良い。すなわち、本発明のリチウム電池用電極は、上記のリチウム電池において、正極板(a)を構成しても良いし、あるいは、負極板(b)を構成しても良い。ただ、本発明の好適な態様の1つにおいて、本発明のリチウム電池用電極は正極として用いられる。この場合、上記のリチウム電池において、本発明のリチウム電池用電極は正極板(a)を構成することになる。
 以下、本発明のリチウム電池用電極を構成する各構成要素について説明する。
 [正極板]
 正極板(a)は、少なくとも正極活物質と水系接着剤を含む合材スラリー(電極スラリーとも称す)を調製後、該スラリーを極板表面に塗布して電極合材層を形成する工程と、該電極合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する工程を含むことで得られる。
 〔合材層〕
 本発明のリチウム電池用電極を構成する合材層は、少なくとも水系接着剤と活物質とを含む。ここで、本発明で用いられる合材層は、活物質を含むことから、電極反応が起こる場として機能する。
 本発明のリチウム電池用電極は、正極および負極のいずれにも用いうるものである。すなわち、合材層を構成する活物質が後述する正極活物質である場合、本発明のリチウム電池用電極は正極として機能し、正極板(a)として用いることができる。一方、合材層を構成する活物質が後述する負極活物質である場合、本発明のリチウム電池用電極は負極として機能し、負極板(b)として用いることができる。
 ただ、本発明の好適な態様においては、本発明のリチウム電池用電極は、合材層を構成する活物質が正極活物質であるリチウム電池用電極であり、この場合正極として機能することから、正極板(a)として用いられる。
 なお、本明細書において、合材層は、「電極合材層」とも呼ばれる場合がある。
 (正極活物質)
 本発明において、合材層を構成しうる正極活物質は、電気化学セル用として用いられる公知のものを使用することができる。ここで、本発明において使用することができる正極活物質として、例えばLiMnO2、LiMn2O4、LiCoO2、Li2Cr2O7、Li2CrO4、LiNiO2、LiFeO2、LiNixCo1-xO(0<x<l)、LiMPO(M=Feなどの遷移金属)、LiMn0.5Ni0.5O2、LiNixCoyMnzO(x+y+z=l)、LiNixCoyAlzO(x+y+z=l)、LiM0.5Mn1.5O4(M=II価金属)のなどのリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物及び、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアセン、ジメルカプトチアジアゾール/ポリアニリン複合体などの有機高分子材料などが挙げられる。
 (負極活物質)
 負極活物質としては、リチウムイオンをドープ・脱ドープできるものであれば特に制限はなく公知のものを使用できる。例えば、炭化物、リチウム合金、金属酸化物が挙げられる。炭化物は、炭素粉末、グラファイト(graphite)、炭素繊維、カーボンナノチューブがある。リチウム合金は、リチウムと、ケイ素原子、スズ原子、ゲルマニウム原子単独もしくはそれらを含む酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物等が挙げられる。また、ケイ素原子を含む負極活物質としては、ケイ素の合金、ホウ素、窒素、酸素または炭素とケイ素との化合物、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンまたはクロムを含むものが挙げられる。ケイ素の合金あるいは化合物の一例としては、SiB4、SiB6、Mg2Si、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si34、Si22O、SiOx(0<x≦2)あるいはLiSiOなどが挙げられる。スズ原子を含む負極活物質としては、例えば、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンまたはクロムを含むまたは合金化したスズや、酸素、炭素または窒素とスズとの化合物が挙げられる。ゲルマニウム原子を含む負極活物質としては、例えば、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンまたはクロムを含むまたは合金化したゲルマニウムや、酸素、炭素または窒素とゲルマニウムとの化合物が挙げられる。それ以外にも、LiAl、Li3Cd、Li4.4Pb、In2O、In2O3、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Ag2O、AgO、Ag2O3、ZnO、CoO、NiO、FeO、TiO2、Li3Ti5O12が挙げられる。これら負極活物質は1種単独で用いてもいいし、2つ以上を組み合わせて用いてもよい。
 なお、本明細書において、上記正極活物質と上記負極活物質を包括する概念として「活物質」なる表現が用いられることがある。
 (水系接着剤)
 水系接着剤は、水を溶媒とする接着剤および水を分散媒とするエマルジョン接着剤などである。本発明においては、水系接着剤は、上記極板(集電体)の表面に上記活物質を配置するためのバインダーとして用いられるところ、本発明のリチウム電池用電極において、水系接着剤を含む合材層を採用することで、ピロリドン系溶媒などの有機溶媒を用いて後述する断熱層を形成しても、得られる電極が、正極板および/または負極板として用いられたときに膨潤しない効果を有する。このような効果は、正極、例えば、正極板(a)に、水系接着剤を含む合材層を有する本発明のリチウム電池用電極を適用したときに、特に有利に得られる。
 ここで、本発明において水系接着剤とは、接着成分が水に溶解してなるか、あるいは、接着成分の粒子が水中に分散してなるものである。ここで分散とは、接着剤中で粒子が目視で凝集することなく分散している状態をいい、一部の粒子が溶解していても構わない。接着成分としては、例えば、オレフィン系樹脂、アクリル系樹脂などのポリマーがあげられる。
 水系接着剤に含まれるポリマーは、接着成分として機能し、水に溶解または分散可能であり、かつ、合材層の機能を損なわないものである限り、特に限定されないものの、例えば、オレフィン系、アクリル系、ジエン系、ハロゲン系、ビニル系、シリコーン系、ハロゲン化オレフィン系、ウレタン系、アミド系、イミド系のそれぞれのモノマーの1種もしくは2種以上から構成されるポリマーである。好ましくは、オレフィン系、アクリル系、ジエン系である。
 このようなポリマーを構成し得るオレフィン系モノマーとしては、エチレン、プロピレン、1-ブテンなどが挙げられる。アクリル系モノマーの例としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n-ブチル、アクリル酸iso-ブチル、アクリル酸2-エチルヘキシル、アクリル酸ラウリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n-ブチル、メタクリル酸iso-ブチル、メタクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、アクリルスルホン酸などが挙げられる。ジエン系モノマーとしては、ブタジエンなどが挙げられる。シリコーン系モノマーとしては、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基などを有するジオルガノシロキサンまたはオルガノシロキサンが挙げられる。ハロゲン系モノマーとしては、四フッ化エチレン、クロロトリフルオロエチレンが挙げられる。ビニル系モノマーとしては、ビニルアルコール、酢酸ビニル、ジビニルベンゼン、スチレン、ステアリン酸ビニルが挙げられる。
 このような水系接着剤の好適な態様の一例として、オレフィン系モノマーに対応する構成単位を有するオレフィン系樹脂、または、アクリル系モノマーに対応する構成単位を有するアクリル系樹脂のうち、少なくとも一つが水に分散または溶解したものが挙げられる。例えば、水系接着剤としては、オレフィン系モノマーの少なくとも1種を構成単位に有するポリオレフィン系接着剤が好ましい。
 水に分散または溶解した水系接着剤の合成方法は、重合体が水に分散または溶解していればよく、特にその製造方法に制限されない。水中で合成させて分散または溶解させる方法としては、乳化重合法、懸濁重合法、分散重合法、または溶液重合法などの公知の重合法が採用できる。また、予め重合体を作成しておき、溶融状態の樹脂を水中で攪拌によって強制的に引きちぎる方法および押出機による溶融混錬した樹脂に水を添加する方法なども採用できる。
 本発明の水系接着剤には、本発明の効果を奏する限り、水に他の溶媒を混合しても良い。水に混合する溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール等の脂肪族アルコール、アセトン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル、γ-ブチロラクトン、ε-カプロラクトンなどのエステル系溶媒、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド等のアミド系溶剤などを挙げることができる。混合する際、1種単独でも2種以上を混合して用いてもよい。
 本発明のリチウム電池用電極を正極として用いる場合における、合材スラリーを調製する際の正極活物質と水系接着剤の量比は、特に限定されないが、正極活物質100質量部に対して、水系接着剤1~20質量部(固形分換算)であることが好ましい。
 一方、本発明のリチウム電池用電極を負極として用いる場合における、合材スラリーを調製する際の負極活物質と水系接着剤の量比は、特に限定されないが、負極活物質100質量部に対して、水系接着剤0.5~20質量部(固形分換算)であることが好ましい。
 (その他の成分)
 本発明で用いられる合材層には、上記活物質および水系接着剤に加えて、合材層を製造するために用いられる適当な成分が含まれていてもよい。例えば、本発明で用いられる合材層が合材スラリーから形成される場合、合材層には、その合材スラリー由来の各種配合成分が含まれることがある。そのような合材スラリー由来の各種配合成分の例として、増粘剤、(導電性)カーボンブラックおよび黒鉛などの公知の導電助剤、並びに、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤などその他の添加剤が挙げられる。これら各種配合成分の具体例は、次述する「合材層の形成方法」の項に記載されている。
 (合材層の形成方法)
 本発明に係るリチウム電池用電極を構成する合材層は、水系合材スラリー(本明細書において、「合材スラリー」ともいう。)を作成した後、集電体(極板)の表面に該スラリーを塗布して、乾燥することによって製造することができる。この場合、合成スラリーには、上記活物質および水系接着剤が必須成分として含まれることになる。ここで、後述する本発明のリチウム電池用電極の製造方法においては、このように合材スラリーを極板表面に塗布して合材層を形成する工程は、合材層形成工程と呼ばれることがある。
 ここで、合材スラリーには、必須成分である上記活物質および水系接着剤に加えて、増粘剤を含んでいても良い。増粘剤としては、電気化学セル用として用いられる公知のものを使用することができ、たとえば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系ポリマーおよびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリ(メタ)アクリル酸およびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリビニルアルコール、アクリル酸又はアクリル酸塩とビニルアルコールとの共重合体、無水マレイン酸又はマレイン酸もしくはフマル酸とビニルアルコールとの共重合体などのポリビニルアルコール類;ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、変性ポリアクリル酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプンなどが挙げられる。
 また、合材スラリーには、(導電性)カーボンブラックおよび黒鉛などの公知の導電助剤を含んでいても良い。
 必要に応じて合材スラリーに添加剤を添加することもできる。添加剤は、本発明の効果を奏する限り、特に制限されない。例えば、界面活性剤、分散剤、濡れ剤、消泡剤などがある。
 合材スラリーの作成では、水、正極活物質、導電助剤、水系接着剤、増粘剤、必要に応じて添加される添加剤、必要に応じて添加される水以外の溶媒を攪拌機に加え、攪拌することで得られる。水以外の溶媒としては、たとえば、前記水系接着剤で挙げられた溶媒を用いることが出来る。合材スラリーを作成する上で、攪拌機の種類に制限されない。例としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、ホバートミキサー、高速撹拌機などがある。
 集電体へ合材スラリーを塗布・乾燥する上で、塗布・乾燥方法は特に限定されない。例えば、スロット・ダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング、またはグラビアコーティングなどの方法が挙げられる。乾燥方法としては、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線などの乾燥法が挙げられる。乾燥時間や乾燥温度については、特に限定されないが、乾燥時間は通常1~30分であり、乾燥温度は通常40~180℃である。
 本発明の製造方法においては、集電体上に上記合材スラリーを塗布乾燥後、金型プレスやロールプレスなどを用い、加圧処理により活物質層の空隙率を低くする工程を有することが好ましい。
 〔断熱層〕
 本発明において、断熱層は、少なくとも熱活性化材料を含む。ここで、本発明のリチウム電池用電極において、前記合材層および断熱層の少なくとも一部が接触している。いいかえると、本発明のリチウム電池用電極において、断熱層は、その少なくとも一部が、前記合材層の少なくとも一部と接触している態様で存在する。本発明における典型的な態様においては、電極合材層(つまり、前記合材層)の表面に熱活性化材料を含む断熱層が形成される。
 ここで、本発明において断熱層を構成する熱活性化材料は、リチウム電池の温度が上昇すると活性化されて架橋反応(cross-linking reaction)を起こす材料である。そして、熱活性化材料がポリマーに変換されることにより、リチウムイオンの拡散が阻止されて、電解液の導電率が下がるのである。また、このような架橋反応を通じて正極からの酸素分子の放出を抑制することにより、正極と電解液の間の発熱反応を抑制し、リチウム電池の安全性を向上させる役割も果たす。
 (熱活性化材料)
 熱活性化材料としては、このような機能を発揮するとともに、本発明の機能を維持できる限り、熱活性化材料の材質には特に限定はないが、有機溶媒に可溶で水に膨潤しない窒素含有ポリマーであることが好ましい。
 ここで、熱活性化材料について、「有機溶媒に可溶」とは、有機溶媒に熱活性化材料1gを入れ、室温で1時間撹拌し、100メッシュのフィルターでろ過した後の残渣が0.5g以下であることをいう。ここで、当該「有機溶媒」とは、好ましくは溶解度パラメータ(SP値)が22~26(MPa)1/2の有機溶媒である。溶媒のSP値は、例えば、「ポリマーハンドブック(Polymer Handbook)」、第4版、VII-675頁~VII-711頁に記載の方法により求めることができ、具体的には、表1(VII-683頁)、表7~8(VII-688頁~VII-711頁)に記載されている。また、複数の溶媒の混合溶媒におけるSP値は、公知の方法により求めることができる。例えば、混合溶媒のSP値は、加成性が成立するとして、各溶媒のSP値と体積分率との積の総和として求めることができる。
 また、熱活性化材料について、「水に膨潤しない」とは、次の方法で求められる膨潤率が100%以下であることをいう。
  膨潤率(%)={(Y-X)/X}×100
(ここで、室温の水に熱活性化材料Xgを添加して撹拌、ろ過した後の残渣の重さをYgとする)
 そのような熱活性化材料として、たとえば、特開2012-134149号公報および特開2012-138359号公報に記載された熱活性化材料を使用することができる。すなわち、本発明で用いうる好適な窒素含有ポリマーは、数平均分子量が少なくとも1500の含窒素化合物、または数平均分子量が約200~2999の窒素含有オリゴマーを含む。1つの実施形態において、熱活性化材料は、窒素含有ポリマーを含み、窒素含有ポリマーは、アミン(amine)、アミド(amide)、イミド(imide)、マレイミド(maleimide)およびイミン(imine)から成る群より選ばれた1種類以上と、ジオン(dione)とが反応して形成されたハイパーブランチポリマー(hyper branched polymer)であってもよい。つまり、本発明の好適な態様において、窒素含有ポリマーは、アミン、アミド、イミド、マレイミドおよびイミンからなる群より選ばれた1種類以上ならびにジオン由来の成分を有する。ここで、窒素含有ポリマーを構成する、アミン、アミド、イミド、マレイミドおよびイミンの具体例として、特開2012-134149号公報に記載のものが挙げられる。さらに詳しく説明すると、ジオンは、バルビツール酸(barbituric acid)、バルビツール酸の誘導体、アセチルアセトン(acetylacetone)、またはアセチルアセトンの誘導体を含む。中でも、N,N'-ビスマレイミド-4,4'-ジフェニルメタン(BMI)などのビスマレイミドモノマーとバルビツール酸(BTA)とを含んで得られる窒素含有ポリマーが好ましい。
 ジオンの必要量と、アミン、アミド、イミド、マレイミドまたはイミンのモノマーとのモル比は、約1:20~4:1である。より好適には、モル比は、約1:5~2:1である。さらに好適には、モル比は、約1:3~1:1である。
 熱活性化材料は、通常、熱活性化の前は断熱層内に均一に分散されている。ここで、言及すべきこととして、熱活性化材料は、熱活性化前のマイクロ分子材料である。そのため、リチウム電池中のリチウムイオンの拡散は、熱活性化材料の影響を受けない。一方、リチウム電池の温度が上昇すると、熱活性化材料内で、架橋反応が起こり、熱活性化材料がポリマーに変換される。そのため、リチウムイオンの拡散が遅延し、電解液の導電率が下がることで安全性を高めることができる。言い換えると、リチウム電池の温度が上昇した時、熱活性化材料の末端基が、架橋反応を起こして、リチウムイオンの拡散を阻止する。このようにして、加熱したプレートからの酸素分子の放出を抑制し、リチウム電池のプレートと電解液の間の発熱反応を阻止することができるため、リチウム電池の安全性が向上する。熱活性化材料の架橋反応の温度は、開始温度(onset temperature)である。例えば、ビスマレイミドとバルビツール酸の反応によって窒素含有ポリマーが形成された時、熱活性化材料の末端基は、エテニル(ethenyl)基(ビスマレイミドから)およびアミノ基(バルビツール酸から)を含む。電池の温度が上昇した時、エテニル基とアミノ基との架橋反応の温度は、熱活性化温度である。本発明において、熱活性化温度は、約80~280℃である。より好適には、熱活性化温度は、約100~220℃である。さらに好適には、熱活性化温度は、約130~200℃である。
 (その他の成分)
 断熱層には、前記熱活性化材料の他に、目的に応じて、Al、Mg、Si、Zr、Ti、Zn、Li、Co、またはその酸化物、その水酸化物、その硫化物、その窒化物、そのハロゲン化物、などの無機材料、また、Li2CO3のようなリチウム含有塩、またはリチウム含有の酸化物、水酸化物、硫化物、窒化物、炭酸塩、ハロゲン化物を含んでいても良い。また、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、ピロリドン、N-ドデシルピロリドンなどのようなブレンステッド塩基性溶媒もしくはγ-ブチロラクトン(GBL)などのようなブレンステッド中性溶媒またはこれら溶媒を組み合わせた溶媒に溶解もしくは分散しているポリフッ化ビニリデンなどの接着剤を含んでいても良い。
 (断熱層の形成方法)
 本発明において、電極合材層(つまり、前記合材層)の表面に断熱層を形成する方法は、特に制限されないが、塗工による方法が好ましい。ここで、本発明における典型的な態様において、断熱層の形成は、有機溶媒に溶解した熱活性化材料を前記合材層表面に塗布することによって行うことができる。この場合、塗布されたスラリーに含まれていた有機溶媒がその後蒸発することにより、熱活性化材料および任意で用いられるその他の成分の塗工が成立して、少なくとも熱活性化材料を含む断熱層が、前記合材層表面に形成されることになる。
 塗工方法としては、スロット・ダイコーティング、スライドコーティング、カーテンコーティング、またはグラビアコーティングが好ましい。塗工以外にも、スプレーコーティング方式を使用することもできる。塗工液は、通常、熱活性化材料と適当な有機溶媒を含んだ液であり、そのような塗工液を構成する好適な有機溶媒の例として、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAC)、ピロリドン、N-ドデシルピロリドン、またはこれらの組み合わせのようなブレンステッド塩基性溶媒がある。酸-塩基値を調整するために、上記ブレンステッド塩基に、他のブレンステッド中性溶媒であるγ-ブチロラクトン(GBL)などを加えてもよい。
 なお、後述する本発明のリチウム電池用電極の製造方法においては、このように前記合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する工程は、断熱層形成工程と呼ばれることがある。
 断熱層の厚さは、特に限定されないが、約0.1~50μmであることが好ましい。
 〔リチウム電池用電極の製造方法〕
 本発明では、第二の発明として、リチウム電池用電極の製造方法も提供される。
 ここで、本発明に係るリチウム電池用電極の製造方法は、
 活物質と水系接着剤とを含む合材スラリーを極板表面に塗布して合材層を形成する合材層形成工程と、
 前記合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する断熱層形成工程と
をこの順で含む。
 このような本発明の製造方法によって、極板と、合材層と、断熱層とをこの順で備えるリチウム電池用電極が得られることになる。そして、本発明の製造方法によれば、形成される合材層は、少なくとも水系接着剤と活物質とを含むことになり、形成される断熱層は、少なくとも熱活性化材料を含むものとなる。
 ここで、合材層形成工程において活物質として用いられる具体的な正極活物質および負極活物質として、上記「合材層」において「正極活物質」および「負極活物質」の項で上述したものをそれぞれ用いることができる。また、水系接着剤、および、合成スラリーを構成しうるその他の各種配合成分として、上記「合材層」において「水系接着剤」および「その他の成分」として上述したものをそれぞれ用いることができる。
 一方、断熱層形成工程において、熱活性化材料、および、断熱層を構成しうるその他の成分として、上記「断熱層」において「熱活性化材料」および「その他の成分」として上述したものをそれぞれ用いることができる。
 そして、合材層形成工程において行われる具体的な操作は、上記「合材層」において「合材層の形成方法」の項に上述した通りであり、断熱層形成工程において行われる具体的な操作は、上記「断熱層」において「断熱層の形成方法」の項に上述した通りである。
 [リチウム電池]
 本発明では、第三の発明として、リチウム電池も提供される。
 本発明に係るリチウム電池は、上述したリチウム電池用電極を備える。
 上述したとおり、リチウム電池は、一般的に、正極と、負極と、セパレータと、電解液を含む構造を有しており、典型的な態様において、正極板(a)、負極板(b)、セパレータ(c)、電解液(d)、外装材(e)を含み、正極板と負極板はセパレータを挟んで対向し、且つ、電池全体を電解液が満たしている構造を有している。ここで、本発明のリチウム電池は、正極および/または負極、例えば、上記正極板(a)および/または上記負極板(b)の形で、上述したリチウム電池用電極を備える。
 本発明の特に好適な態様において、正極、例えば、上記正極板(a)は、本発明のリチウム電池用電極のうち、活物質として正極活物質を採用した電極であり、あるいは、本発明の製造方法によって得られ、活物質として正極活物質を採用したリチウム電池用電極である。
 〔正極(正極板)〕
 本発明に係るリチウム電池において、正極、例えば、上記正極板(a)として、上述した本発明に係るリチウム電池用電極が好適に用いられる。この場合、本発明に係るリチウム電池は、活物質として正極活物質を採用し、正極、例えば、上記正極板(a)として機能する上述したリチウム電池用電極を備えることになる。
 このような正極、例えば、上記正極板(a)として機能する上述したリチウム電池用電極は、上述したリチウム電池用電極の製造方法により、活物質として正極活物質を用いて好適に得られる。すなわち、本発明の好適な態様においては、正極、例えば、上記正極板(a)は、少なくとも正極活物質と水系接着剤を含む合材スラリー(電極スラリーとも称す)を調製後、該スラリーを極板表面に塗布して電極合材層を形成する工程と、該電極合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する工程を含むことで得られる。
 〔負極(負極板)〕
 本発明に係るリチウム電池において、負極、例えば、上記負極板(b)として、従来公知の構成の負極(あるいは、負極板)を用いることができるし、上述した本発明に係るリチウム電池用電極を用いることもできる。
 ここで、負極、例えば、上記負極板(b)として、上述した本発明に係るリチウム電池用電極を用いる場合、負極、例えば、上記負極板(b)は、上述した「リチウム電池用電極の製造方法」に記載の方法に従い、活物質として上記負極活物質を用いて得ることができる。
 一方、本発明に係るリチウム電池において、負極、例えば、上記負極板(b)は、従来公知の構成を有するものであっても良い。この場合、負極、例えば、上記負極板(b)は、例えば、負極活物質を含む合材スラリーを作成した後、集電体(極板)の表面に該スラリーを塗布して、乾燥することによって製造することができる。合材スラリーの調製、スラリーの塗布、乾燥方法は、前記電極合材層(合材層)の製造方法を参照できる。なお、合材スラリーの調製には、前記電極合材層の製造方法に記載の水系接着剤を含んだ水系溶媒以外にも、ポリフッ化ビニリデンなどの非水系溶媒を用いることもできる。また、合材スラリーには、(導電性)カーボンブラックなどの導電助剤を含んでいても良い。
 〔セパレータ〕
 本発明において、正極板と負極板の間にセパレータ(c)が配置される。材質としては、(微)多孔性ポリエチレン、(微)多孔性ポリプロピレン、テフロン(登録商標)フィルム、ポリアミドフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリフッ化ビニリデンフィルム、ポリアニリンフィルム、ポリイミドフィルム、不織布、ポリエチレンテレフタラート、ポリスチレンセルロース、またはそれらポリマーを2つ以上組み合わせた多層複合構造体がある。また、熱安定性に優れる他の樹脂がコーティングされていても良い。また、負極板とセパレータの間に、耐熱性フィラーと接着剤を含む多孔質耐熱層が存在していてもよい。耐熱性フィラーとしては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、イットリアなどの無機酸化物、セラミックス、ガラスなどを用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。接着剤としては、前記電極合材層の製造方法に記載の水系接着剤を含んだ水系溶媒以外にも、ポリフッ化ビニリデンなどの非水系バインダーを含んだ非水系溶媒を用いることもできる。耐熱性フィラーが100質量部に対して、接着剤0.5~20質量部(固形分換算)であることが好ましい。
 〔電解液〕
 正極板、負極板、セパレータ全体を電解液(d)が浸漬している。電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン等が挙げられ、いずれかが単独でまたは2種以上を混合して使用される。その電解液の中に、リチウム塩を溶解させる。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、CF3SO3Li、(CF3SO22N・Li等の電解質を、1種単独でまたは2種以上組み合わせて有機溶媒に溶解したものを使用することができる。電解液には、必要に応じて、ビニレンカーボネートや1,3-プロペンスルトン、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、マレイミド系化合物などの添加剤を加えても良い。
 〔外装材〕
 リチウム電池の外装材としては、金属製の缶、例えば鉄、ステンレススチール、アルミニウムなどからなる缶が好ましい。また、極薄のアルミを樹脂でラミネートしたフィルム状の袋を使用しても構わない。外装材の形状は円筒型、角型、薄型、コイン型などいずれでも構わない。
 以下、実施例および比較例により本願発明を具体的に説明するが、本願発明はこれら実施例に限定されるものではない。
 [実施例1]
 <リチウム電池用水系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2の作製>
 (合材スラリーの調製)
 LiNi0.4Mn0.4Co0.2O100重量部、導電性カーボンブラック(ティムカル社製SuperP)4.44重量部、黒鉛(ティムカル社製KS-6)2.22重量部、予め水に溶解させたカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬(株)製WS-A)を固形分換算で1.11重量部、水に分散しているオレフィン系水系接着剤(三井化学(株)ケミパールEVS6500N)を固形分換算で4.44重量部を添加し、プラネタリーミキサーと高速攪拌機(井上製作所製)を用いて、合材スラリーを作成した。さらに粘度調整用に水を加えて分散調整した。
 (正極板への塗工)
 上記で得られた合材スラリーを用いて、正極板用集電体への合材スラリーの塗工、乾燥を行った。塗工、乾燥には、塗工機(井上金属工業(株)製)を使用した。3ゾーンある各乾燥ゾーンの水系スラリーの条件は、第1、2、3乾燥ゾーンそれぞれにおいて、60、90、120℃にて行った。風速は12m/sと設定した。正極板用集電体である厚さが20μmのアルミニウム箔に、合材スラリーを一方の面に塗布乾燥した。同様にして、他方の面にも塗布乾燥し、正極板用前駆電極とした。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。

 (プレス工程)
 作成した電極(すなわち、前記正極板用前駆電極)をロールプレス機で圧延し、正極板用圧延前駆電極とした。電極合材層の密度が3g/cm3になるように処理を行った。

 (断熱層用の塗工液の作成)
 N-メチルピロリドンを入れた1Lフラスコに、N,N'-bismaleimide-4,4'-diphenylmethane(Hakuei社製)とバルビツール酸(Hakuei社製)を2:1の比で添加して、130℃、48時間加熱攪拌した。得られた溶液を2%溶液に希釈した。

 (断熱層の作製)
 前記塗工機を用いて、断熱層用の塗工液をプレス工程まで終了した電極(すなわち、前記正極板用圧延前駆電極)上に塗工し、乾燥した。乾燥条件は、100、130、150℃にて行った。風速は12m/sと設定した。塗工時の膜厚が12.5μmとなるように塗工した。その結果、正極板が得られた。

 [比較例1]
 <リチウム電池用溶剤系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2の作製>
 LiNi0.4Mn0.4Co0.2O100重量部、導電性カーボンブラック(ティムカル社製SuperP)4.44重量部、黒鉛(ティムカル社製KS-6)2.22重量部、N-メチルピロリドンで溶解したPVDF(ポリフッ化ビニリデン、呉羽化学工業(株)製KFポリマーW1300)を固形分換算で4.44重量部を添加し、プラネタリーミキサーと高速攪拌機(井上製作所製)を用いて、合材スラリーを作成した。さらに粘度調整用にN-メチルピロリドンを加えて分散調整した。
 得られた合材スラリーを用いて、実施例1と同様の方法により、正極板用集電体へ塗工した。なお、3ゾーンある各乾燥ゾーンのスラリーの条件は、水系スラリーよりも高温の100、110、120℃にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。
 得られた正極板用前駆電極を用いて、実施例1と同様の方法により、プレス工程および断熱層を塗工して正極板を得た。
 [参考例1-1および1-2]
 断熱層の作製を行わないことを除き、実施例1および比較例1とそれぞれ同様に正極板を作成した。
 実施例1において断熱層を塗工していない正極板を参考例1-1、比較例1において断熱層を塗工していない正極板を参考例1-2とした。
 [実施例2]
 <リチウム電池用水系正極板LiMn2O4の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiMn2O4に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で20mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2.5g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [比較例2]
 <リチウム電池用溶剤系正極板LiMn2O4の作製>
 比較例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiMn2O4に変更した。塗工も比較例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で20mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2.5g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [参考例2-1および2-2]
 断熱層の作製を行わないことを除き、実施例2および比較例2とそれぞれ同様に正極板を作成した。
 実施例2において断熱層を塗工していない正極板を参考例2-1、比較例2において断熱層を塗工していない正極板を参考例2-2とした。
 [実施例3]
 <リチウム電池用水系正極板LiCoO2の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiCoO2に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で15mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [比較例3]
 <リチウム電池用溶剤系正極板LiCoO2の作製>
 比較例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiCoO2に変更した。塗工も比較例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で15mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [参考例3-1および3-2]
 断熱層の作製を行わないことを除き、実施例3および比較例3とそれぞれ同様に正極板を作成した。
 実施例3において断熱層を塗工していない正極板を参考例3-1、比較例3において断熱層を塗工していない正極板を参考例3-2とした。
 [実施例4]
 <リチウム電池用水系正極板LiMn1.5Ni0.5O4の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiMn1.5Ni0.5O4に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で15mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2.5g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [比較例4]
 <リチウム電池用溶剤系正極板LiMn1.5Ni0.5O4の作製>
 比較例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiMn1.5Ni0.5O4に変更した。塗工も比較例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で15mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2.5g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [参考例4-1および4-2]
 断熱層の作製を行わないことを除き、実施例4および比較例4とそれぞれ同様に正極板を作成した。
 実施例4において断熱層を塗工していない正極板を参考例4-1、比較例4において断熱層を塗工していない正極板を参考例4-2とした。
 [実施例5]
 <リチウム電池用水系正極板LiFePO4の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiFePO4に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で16mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [比較例5]
 <リチウム電池用溶剤系正極板LiFePO4の作製>
 比較例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。活物質のみLiNi0.4Mn0.4Co0.2O2からLiFePO4に変更した。塗工も比較例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で16mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が2g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [参考例5-1および5-2]
 断熱層の作製を行わないことを除き、実施例5および比較例5とそれぞれ同様に正極板を作成した。
 実施例5において断熱層を塗工していない正極板を参考例5-1、比較例5において断熱層を塗工していない正極板を参考例5-2とした。
 [実施例6]
 <リチウム電池用水系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2-ポリプロピレン系接着剤の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。接着剤のみオレフィン系水系接着剤(三井化学(株)ケミパールEVS6500N)から、ポリプロピレン系接着剤に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [実施例7]
 <リチウム電池用水系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2-SBR接着剤の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。接着剤のみオレフィン系水系接着剤(三井化学(株)ケミパールEVS6500N)から、SBR(スチレンーブタジエンラテックス)に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [実施例8]
 <リチウム電池用水系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2-アクリル系接着剤の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。接着剤のみオレフィン系水系接着剤(三井化学(株)ケミパールEVS6500N)から、アクリル系接着剤(スチレンーメタクリル酸)に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [実施例9]
 <リチウム電池用水系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2-増粘剤ポリビニルアルコールの作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。増粘剤をカルボキシメチルセルロースからポリビニルアルコール((株)クラレ製KL-318)に変更した。塗工も実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [実施例10]
 <リチウム電池用水/有機溶剤混合系正極板LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2の作製>
 実施例1と同様の方法により、合材スラリーを作成した。溶媒の水に10%分イソプロピルアルコールを添加した。塗工は実施例1と同様の方法にて行った。片面あたりの塗布量は、乾燥後で12mg/cm2とした。プレス工程は、電極合材層の密度が3g/cm3になるように実施した。断熱層の塗工も実施例1と同様の方法にて行った。
 [実施例11]
 <Al2O3含有断熱層の作成>
 Al2O3 100重量部、N-メチルピロリドンで溶解したPVDF(呉羽化学工業(株)製KFポリマーW1300)を固形分換算で4.44重量部、N-メチルピロリドンに溶解した N,N'-bismaleimide-4,4'-diphenylmethaneとバルビツール酸から合成した溶液を添加し、プラネタリーミキサーと高速攪拌機(井上製作所製)を用いて、スラリーを作成した。さらに粘度調整用にN-メチルピロリドンを加えて分散調整した。その溶液を参考例1-1の正極板に塗工した。
 [比較例11]
 実施例11と同様に作成したスラリーを参考例1-2の正極板に塗工した。
 [実施例12]
 <Li2CO3含有断熱層の作成>
 Li2CO3 100重量部、N-メチルピロリドンで溶解したPVDF(呉羽化学工業(株)製KFポリマーW1300)を固形分換算で4.44重量部、N-メチルピロリドンに溶解した N,N'-bismaleimide-4,4'-diphenylmethaneとバルビツール酸から合成した溶液を添加し、プラネタリーミキサーと高速攪拌機(井上製作所製)を用いて、スラリーを作成した。さらに粘度調整用にN-メチルピロリドンを加えて分散調整した。その溶液を参考例1-1の正極板に塗工した。
 [比較例12]
 実施例12と同様に作成したスラリーを参考例1-2の正極板に塗工した。
 [評価]
 <断熱層塗工後の正極板の評価>
 断熱層塗工前後の正極板の厚みを測定し、膨潤具合を調べた。得られた結果をもとに、「実施例÷対応する参考例」によって、規格化した。結果を表1に示す。値が小さい程、膨潤が少ないことを示している。
 <電極密着性評価>
 得られた正極板を用いて、断熱層塗工後の極板を1.5cm×2cmの大きさに切り出し、瞬間接着剤にてガラスプレパラートに貼り付け電極を固定し評価用サンプルとした。評価用サンプルを塗膜剥離強度測定装置サイカスDN20型(ダイプラウインテス(株)製)で電極合材層と正極板の間を水平速度2μm/秒の速度で切削し、切削に必要な水平方向の力から電極合材層の剥離強度(kN/m)を測定した。得られた結果をもとに、「実施例÷対応する参考例」によって、規格化した。結果を表1に示す。値が大きい程、接着強度が強いことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 [リチウム電池の作製]
 <リチウム電池用負極板の作製>
 (合材スラリーの調製)
 メソフェーズグラファイト粉末94重量部、導電性カーボンブラック(ティムカル社製SuperP)1重量部、N-メチルピロリドンで溶解したPVDFを固形分換算で5重量部を添加し、プラネタリーミキサーと高速攪拌機(井上製作所製)を用いて、合材スラリーを作成した。さらに粘度調整用にN-メチルピロリドンを加えて分散調整した。
 (負極板への塗工)
 上記で得られた合材スラリーを用いて、正極板で用いた塗工機により、負極板用集電体への合材スラリーの塗工、乾燥を行った。3ゾーンある各乾燥ゾーンの条件は、100、110、120℃にて行った。風速は12m/sと設定した。負極板用集電体である厚さが10μmの銅箔に両面塗布乾燥し、負極板用前駆電極とした。片面あたりの塗布量は、乾燥後で11.3mg/cm2とした。
 (プレス工程)
 作成した電極(すなわち、前記負極板用前駆電極)をロールプレス機で圧延し、負極板とした。電極合材層の密度が1.5g/cm3になるように処理を行った。
 <リチウム電池用非水電解液の調製>
 非水溶媒として、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)を、EC:MEC=1:1(体積比)の割合で混合したものを用い、次に電解質であるLiPF6を溶解し電解質濃度が1.0モル/リットルとなるように非水電解液を調製した。
 <コイン型リチウム電池の作製>
 コイン型リチウム電池用の負極板として、上述の負極板を用いて、直径14mmの円盤状に打ち抜いて、コイン状の負極板を得た。得られた正極板を用いて、直径13.5mmの円盤状にうちぬき、コイン状の正極板をそれぞれ得た。コイン状の負極板、正極板、および微多孔性ポリエチレンフィルムのセパレータ(セルガード製)を、ステンレス製の2032サイズ電池缶の負極缶内に、負極板、セパレータ、正極板の順序で積層した。その後、セパレータに前記非水電解液0.04mlを注入した後に、その積層体の上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)、およびバネを重ねた。最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して電池の正極缶をかぶせて、缶蓋をかしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型リチウム電池を作製した。
 <電池特性の評価>
 作製したコイン型リチウム電池を使用し、電池を0.1Cの定電流値で充電し、所定の電圧に達した後、電流値が0.05Cになるまで充電した。この時の充電容量を初期充電容量(mAh/g)とした。
 次に、電池を0.1Cの定電流値で所定の電圧まで放電した。この時の放電容量を初期放電容量(mAh/g)とした。
 また、上記設定の充放電を500サイクル繰り返し、初期の電池容量に対する500サイクル後の容量(%)を評価した。以上から得られた初期放電容量及び、サイクル試験結果をもとに、「実施例÷対応する参考例」によって、規格化した。結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 作成したコイン型リチウム電池を満充電にした。その後、電池の解体を行い、満充電になった正極板を示差走査熱量測定装置にセットして、測定を行った。昇温速度10℃/分にて行った。得られた分解ピークの発熱量とそのピークの到達温度から安全性能の評価を行った。得られた結果を表3に示す。発熱量は低い程、ピークは高温側にシフトする程、安全性能が向上していることを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表1,2,3より、水系接着剤を含む正極板を使用することで、断熱層塗工後の膨潤を防ぎ、接着強度を低下させることなく、容量やサイクルの電池特性の低下を抑制することができる。また、安全性能を向上させることができていることがわかる。

Claims (7)

  1.  極板と、合材層と、断熱層とをこの順で備え、
     前記合材層は少なくとも水系接着剤と活物質とを含み、
     前記断熱層は少なくとも熱活性化材料を含み、かつ
     前記合材層および前記断熱層の少なくとも一部が接触しているリチウム電池用電極。
  2.  前記熱活性化材料が、有機溶媒に可溶で水に膨潤しない窒素含有ポリマーである請求項1記載のリチウム電池用電極。
  3.  前記窒素含有ポリマーが、アミン、アミド、イミド、マレイミドおよびイミンからなる群より選ばれた1種類以上ならびにジオン由来の成分を有する請求項2記載のリチウム電池用電極。
  4.  前記水系接着剤が、オレフィン系樹脂またはアクリル系樹脂の少なくとも一つが水に分散または溶解したものである請求項1~3のいずれか一項に記載のリチウム電池用電極。
  5.  活物質と水系接着剤とを含む合材スラリーを極板表面に塗布して合材層を形成する合材層形成工程と、
     前記合材層の表面に熱活性化材料を含む断熱層を形成する断熱層形成工程と
    をこの順で含む、リチウム電池用電極の製造方法。
  6.  前記断熱層形成工程が、有機溶媒に溶解した熱活性化材料を前記合材層表面に塗布して断熱層を形成する工程である、請求項5に記載のリチウム電池用電極の製造方法。
  7.  請求項1~4のいずれか一項に記載のリチウム電池用電極を備える、リチウム電池。
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