JP2008140809A - 電気化学素子電極用複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電極活物質および結着剤を溶媒に分散してスラリーを得る工程(I)、前記スラリーを噴霧乾燥して造粒し、造粒粒子を得る工程(II)、および前記造粒粒子の表面の少なくとも一部を、該造粒粒子よりも体積平均粒子径の小さい固体粒子aで被覆する工程(III)、を有することを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子の製造方法。
【選択図】 図1
Description
前記スラリーを噴霧乾燥して造粒し、造粒粒子を得る工程(II)、および
前記造粒粒子の表面の少なくとも一部を、該造粒粒子よりも体積平均粒子径の小さい固体粒子aで被覆する工程(III)、
を有することを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子の製造方法である。
前記結着剤はポリテトラフルオロエチレンを含んでいることが好ましい。
また、前記固体粒子aは導電材であることが好ましい。
その一次粒子の体積平均粒子径が1〜500μmであり、
体積基準で求めた前記複合粒子の一次粒子の粒子径分布において、該一次粒子のモード径R1近傍の微小範囲の粒子径を有する該一次粒子の相対粒子量をρ1とし、
23℃での測定において体積基準で求めた前記複合粒子の二次粒子の粒子径分布において、前記微小範囲の粒子径を有する前記二次粒子の相対粒子量をρ2としたときに、
ρ2/ρ1が0.03〜0.60である、電気化学素子電極用複合粒子である。
本発明に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。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、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4、およびこれらの元素を一部置換したリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS3などの遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O・P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物;が例示される。さらに、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどの導電性高分子が挙げられる。
本発明に使用される結着剤は、結着力を有する化合物であれば特に制限はない。例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、アクリレート系重合体、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン等の高分子化合物が挙げられる。中でも、フッ素系重合体、ジエン系重合体、およびアクリレート系重合体が好ましく、集電体との結着性および得られる電極の内部抵抗の特性のバランスに優れるので、フッ素系重合体がより好ましい。これら結着剤は単独でまたは二種以上を組み合わせて用いることができる。
工程(I)において、上記の他に分散剤を用いることが好ましい。分散剤は、溶媒に溶解する樹脂であり、好適には後述するスラリーの調製時に溶媒に溶解させて用いられて、電極活物質、導電材等を溶媒に均一に分散させる作用を有するものである。分散剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、および、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース系ポリマー、ならびにこれらのアンモニウム塩またはアルカリ金属塩;ポリアクリル酸またはポリメタクリル酸のアンモニウム塩またはアルカリ金属塩;ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド;ポリビニルピロリドン、ポリカルボン酸、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、キチン、キトサン誘導体等が挙げられる。これらの分散剤は、それぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて使用できる。中でも、分散剤としては、セルロース系ポリマーが好ましく、カルボキシメチルセルロースまたはそのアンモニウム塩もしくはアルカリ金属塩が特に好ましい。分散剤の使用量は、特に限定されないが、電極活物質100質量部に対して、通常は0.1〜10質量部、好ましくは0.5〜5質量部、より好ましくは0.8〜2.5質量部の範囲である。
工程(I)において、上記の他に導電材を用いることが好ましい。導電材は、導電性を有し、電気二重層を形成し得る細孔を有さない粒子状の炭素の同素体からなり、電気化学素子電極の導電性を向上させるものである。具体的には、ファーネスブラック、アセチレンブラック、およびケッチェンブラック(アクゾノーベル ケミカルズ ベスローテン フェンノートシャップ社の登録商標)等の導電性カーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相法炭素繊維等の炭素繊維;が挙げられる。これらの中でも、導電性カーボンブラックが好ましく、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックがより好ましい。導電材の体積平均粒子径は、電極活物質の体積平均粒径よりも小さいものが好ましく、通常0.001〜10μm、好ましくは0.05〜5μm、より好ましくは0.01〜1μmの範囲である。導電材の粒径がこの範囲にあると、より少ない使用量で高い導電性が得られる。これらの導電材は、それぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
工程(I)において、さらに必要に応じてその他の添加剤を用いてもよい。その他の添加剤としては、例えば、界面活性剤がある。界面活性剤としては、アニオン性、カチオン性、ノニオン性、およびノニオニックアニオン等の両性の界面活性剤が挙げられるが、中でもアニオン性またはノニオン性の界面活性剤で熱分解しやすいものが好ましい。界面活性剤の量は、特に限定されないが、電極活物質100質量部に対して0〜50質量部、好ましくは0.1〜10質量部、より好ましくは0.5〜5質量部の範囲である。
工程(I)においては、上記した電極活物質、結着剤ならびに必要に応じて分散剤、導電材およびその他の添加剤を溶媒に分散または溶解して、電極活物質、結着剤ならびに必要に応じて分散剤、導電材およびその他の添加剤が分散または溶解されてなるスラリーを得る。
本発明に用いられる固体粒子aとは、室温(25℃)で固体であり、上記の造粒粒子よりも体積平均粒子径が小さい粒子である。固体粒子aの具体例としてはシリカ、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられる。また、上記の電極活物質および導電材も固体粒子aとして用いることができる。中でも、導電材または電極活物質を用いることが好ましい。固体粒子aとして導電材を用いると、得られる複合粒子を用いて製造される電気化学素子の内部抵抗を低減できる。また、電極活物質を用いると、得られる複合粒子を用いて製造される電気化学素子のエネルギー密度を高くできる。これら固体粒子aは2種類以上を併用することもできる。固体粒子aの一次粒子の体積平均粒子径は、通常、0.01〜50μm、好ましくは0.5〜10μmの範囲である。
工程(III)では、工程(I)で得た造粒粒子の表面の少なくとも一部を、上記の固体粒子aで被覆し、複合粒子を得る。なお、本発明において「被覆」とは、造粒粒子の表面の少なくとも一部に固体粒子aが付着することを表し、造粒粒子の表面の全体が覆われることは要しない。被覆の方法は特に限定されないが、通常、造粒粒子と固体粒子aとを混合することで被覆することができる。特に、造粒粒子と固体粒子aとを均一に混合でき、かつ混合中に造粒粒子が破壊されないように造粒粒子に強いせん断力がかからない方法で混合することが好ましい。噴霧乾燥により得られる上記の造粒粒子は、粒子表面に結着剤が偏在しているので、混合時のせん断力が弱くても、固体粒子aを造粒粒子に結着させ、表面を被覆することができる。さらに、固体粒子aが造粒粒子表面に結着することで、得られる複合粒子の二次凝集の割合が過大になることを抑制できる。
上記本発明の製造方法で得られる複合粒子は、一次粒子の体積平均粒子径が、1〜500μm、好ましくは5〜300μm、より好ましくは10〜100μm、最も好ましくは20〜75μmの範囲である。一次粒子の体積平均粒子径がこの範囲にあると、高速ロール加圧成形性に優れる複合粒子を得ることができる。複合粒子の一次粒子の体積平均粒子径が小さいほど、一次粒子である複合粒子は、二次凝集しやすくなり、以下において説明するρ2/ρ1が小さくなる。複合粒子の一次粒子の体積平均粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて複合粒子を圧搾空気により加圧噴霧して測定することができる。なお、「一次粒子」とは、粉体を構成している粒子のうち、他と明確に分離できる最小単位の固体のことをいう。
上記の複合粒子においては、体積基準で求めた複合粒子の一次粒子の粒子径分布において、該一次粒子のモード径R1近傍の微小範囲の粒子径を有する該一次粒子の相対粒子量をρ1とし、23℃での測定において体積基準で求めた複合粒子の二次粒子の粒子径分布において、前記微小範囲の粒子径を有する二次粒子の相対粒子量をρ2としたときに、ρ2/ρ1が0.03〜0.60であることが好ましく、0.03〜0.30であることがより好ましく、0.03〜0.10であることが特に好ましい。ρ2/ρ1によって表される複合粒子の凝集性がこのような範囲にあるとき、本発明の複合粒子を用いてロール加圧成形等の連続加圧成形によって、活物質層を形成する場合に、その成形速度を上げたとしても、十分に粉体を供給することができ、厚み精度に優れ、均一で大きな厚みの活物質層を有する電気化学素子電極を得ることができる。
本発明の電気化学素子電極(以下、単に「電極」ということがある。)は、前記本発明の製造方法で得られる複合粒子を加圧成形することにより形成される活物質層が集電体上に積層されてなるものである。
電極に使用される集電体用材料としては、例えば、金属、炭素、導電性高分子等を用いることができ、好適には金属が用いられる。集電体用金属としては、通常、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、耐電圧性の面からアルミニウムまた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、フィルムまたはシート状であり、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10〜60μmである。またシート状集電体は、エキスパンドメタル、パンチングメタル、網状などの空孔を有した形状であってもよい。
活物質層は、電気化学素子電極用複合粒子をシート状に成形し、次いで集電体上に積層して形成しても良いし、集電体上で複合粒子を直接成形し活物質層を形成しても良い。活物質層を形成する方法としては、加圧成形法等の乾式成形方法、および塗布方法等の湿式成形方法があるが、乾燥工程が不要で製造コストを抑えることが可能な乾式成形法が好ましい。乾式成形法としては、加圧成形法、押出成形法(ペースト押出ともいう。)等がある。加圧成形法は、電気化学素子電極材料に圧力を加えることで電極材料の再配列、変形により緻密化を行い、活物質層を成形する方法である。押出成形法は、電気化学素子電極材料を押出成形機で押し出しフィルム、シート等に成形する方法である。
成形した電極の厚みのばらつきをなくし、活物質層の密度を上げて高容量化をはかるために、必要に応じてさらに後加圧を行っても良い。後加圧の方法は、ロールプレス工程が一般的である。ロールプレス工程では、2本の円柱状のロールをせまい間隔で平行に上下にならべ、それぞれを反対方向に回転させて、その間に電極をかみこませ加圧する。ロールは加熱または冷却等して温度調節しても良い。
(一次粒子の体積平均粒子径の測定、ρ1、ρ2の測定)
得られた複合粒子の粒子径分布は、島津製作所社製レーザ回折式粒度分布測定装置SALD−3100および専用噴射型乾式測定ユニットDS−21(一次粒子径分布)、専用自由落下測定ユニットDS−3(二次粒子径分布)を用いて、23℃にて測定した。
そして、横軸を一次粒子径または二次粒子径の対数値、縦軸を頻度として粒子径分布曲線を描き、一次粒子径分布曲線の最大値を示す粒子径としてモード径R1を求め、粒子径が10(logR1)−0.02389以上、10(logR1)+0.02389の範囲にある該一次粒子の相対粒子量としてρ1、前記粒子径範囲にある前記二次粒子の相対粒子量としてρ2を求めた。
複合粒子の安息角は安息角測定装置(パウダテスタPT−R)で測定し、流動性を以下の基準に基づく4段階法で評価した結果を表1に示す。
安息角が60°以上:A
安息角が50°以上60°未満:B
安息角が30°以上50°未満:C
安息角が30°未満:D
ロール速度が2m/分および8m/分で成形したシート状の活物質層を直径12mmの形状に無作為に20箇所打ち抜いて、その厚みの平均値として活物質層の厚みを算出した。また、8m/分で成形した活物質層について、以下の式(1)により厚みのばらつきを算出した。
「ばらつき」=(標準偏差/平均値)×100 (1)
シート状の活物質層を、予め導電性塗料を塗布乾燥した厚さ20μmのアルミ集電体に貼り合せて電気二重層キャパシタ用電極とした。この電極を、直径12mm円形状に打抜き、CR2032コイン型の電気二重層キャパシタを作製して内部抵抗を測定した。電解液としては、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレートの、1.4モル/リットル濃度のプロピレンカーボネート溶液を用いた。
得られた電気二重層キャパシタを使用して、25℃において、10mAの定電流で0Vから充電を開始し、電圧が2.7Vに達した後、2.7V定電圧で充電電流が0.5mAに減少するまで充電を行った。その後定電流10mAで0Vに達するまで放電させた。内部抵抗は、充放電曲線より社団法人電子情報技術産業協会が定める規格RC−2377の計算方法に従って算出した。内部抵抗が小さいほど優れた電気特性であることを意味する。
電極活物質として比表面積が2,200m2/gで、体積平均粒子径が8μmであるアルカリ賦活活性炭粉末100部、結着材として、ポリテトラフルオロエチレンの水分散体(固形分64%)で15.6部、導電材として体積平均粒子径0.7μmの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、分散剤としてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩「DN−800H」(ダイセル化学工業社製)の1.5%水溶液93.3部、および蒸留水を加えて「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合して固形分濃度が20%のスラリーを調製した。このスラリーをスプレー乾燥機(OC−16;大河原化工機社製)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℃で噴霧乾燥造粒を行い、造粒粒子を得た。
固体粒子aとして、体積平均粒子径0.7μmのアセチレンブラック2部に代えて、比表面積が2,200m2/gで体積平均粒子径が3μmのアルカリ賦活活性炭粉末10部を用いた以外は実施例1と同様にして複合粒子を得た。次いで、この複合粒子を用いて実施例1と同様にして活物質層を成形した。ただし、電気特性評価用の活物質層は、プレス線圧4.5kN/cm、ロール速度11.5m/分で成形した。得られた複合粒子および活物質層について各特性を評価した結果を表1に示す。
固体粒子aとして、を体積平均粒子径0.7μmのアセチレンブラック2部に代えて、体積平均粒子径が2μmのシリカ粉末10部を用いた以外は実施例1と同様にして複合粒子を得た。次いで、この複合粒子を用いて実施例1と同様にして活物質層を成形した。ただし、電気特性評価用の活物質層は、プレス線圧4.0kN/cm、ロール速度11m/分で成形した。得られた複合粒子および活物質層について各特性を評価した結果を表1に示す。
実施例1で得られた造粒粒子を、固体粒子aと混合せずにそのまま使用して、実施例1と同様にして活物質層を成形した。しかしながら、ロール速度が8m/分では連続したシート状の活物質層が得られなかった。また、電気特性評価用には、プレス線圧4.0kN/cm、ロール速度5m/分で成形して厚み610μmの活物質層を成形した後、間隙500μmに調整した加熱ロールで圧延を繰り返すことで、厚さ500μm、密度0.52g/cm3のシート状の活物質層を得た。得られた複合粒子および活物質層について各特性を評価した結果を表1に示す。
電極活物質として比表面積1,800m2/g、体積平均粒子径5μmの高純度活性炭粉末「クラレコールYP−17D」(クラレケミカル社製)100部、結着剤として、コア部を形成する単量体単位がアクリル酸n−ブチルおよびメタクリル酸エチルであり、シェル部を形成する単量体単位がメタクリル酸n−ブチルおよびメタクリル酸であり、全単量体単位の組成比がアクリル酸n−ブチル: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=40:40:17:3(質量比)であり、コア部のガラス転移温度が−5℃、シェル部のガラス転移温度が25℃であるコアシェル型重合体の水分散ラテックス(体積平均粒子径0.31μm、濃度40%)を45部、導電材として平均粒径0.7μmの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、分散剤としてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩「DN−800H」(ダイセル化学工業社製)の1.5%水溶液93.3部、およびイオン交換水を加えて「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合して固形分濃度が20%のスラリーを得た。このスラリーをスプレー乾燥機(OC−16;大河原化工機社製)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℃で噴霧乾燥造粒を行い、造粒粒子を得た。
20 二次粒子の粒子径分布曲線
Claims (7)
- 電極活物質および結着剤を溶媒に分散してスラリーを得る工程(I)、
前記スラリーを噴霧乾燥して造粒し、造粒粒子を得る工程(II)、および
前記造粒粒子の表面の少なくとも一部を、該造粒粒子よりも体積平均粒子径の小さい固体粒子aで被覆する工程(III)、
を有することを特徴とする電気化学素子電極用複合粒子の製造方法。 - 前記結着剤がポリテトラフルオロエチレンを含むものである請求項1に記載の製造方法。
- 前記固体粒子aが導電材である請求項1または2に記載の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られる電気化学素子電極用複合粒子であって、
その一次粒子の体積平均粒子径が1〜500μmであり、
体積基準で求めた前記複合粒子の一次粒子の粒子径分布において、該一次粒子のモード径R1近傍の微小範囲の粒子径を有する該一次粒子の相対粒子量をρ1とし、
23℃での測定において体積基準で求めた前記複合粒子の二次粒子の粒子径分布において、前記微小範囲の粒子径を有する前記二次粒子の相対粒子量をρ2としたときに、
ρ2/ρ1が0.03〜0.60である、電気化学素子電極用複合粒子。 - 集電体および該集電体上に積層されてなる活物質層を有する電気化学素子電極であって、前記活物質層が、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られる電気化学素子電極用複合粒子を加圧成形することにより形成されたものである、電気化学素子電極。
- 前記加圧成形が、ロール加圧成形である請求項5に記載の電気化学素子電極。
- 電気二重層キャパシタ用である請求項5または6に記載の電気化学素子電極。
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