JP5320394B2 - 塗工液、電極板製造用塗工液、アンダーコート剤およびその使用 - Google Patents
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Description
また、集電体であるアルミニウム箔や銅箔などの表面に塗布する前記の活物質塗工液を集電体に塗布して得られる電池およびキャパシタの電極板において、塗布および乾燥されて形成される活物質層(塗工層)は、集電体に対する密着性および可撓性が不十分であり、集電体に対する接触抵抗が大であり、また、電池やキャパシタの組立工程および充放電時に、活物質層の剥離、脱落、ひび割れなどが生じるという問題があった。
(1)ポリビニルアセタール樹脂
(2)エチレン−ビニルアルコール共重合体
(3)変性ポリビニルアルコール
(4)シアノエチル基を有するポリマー
なお、本発明において、金属とは、アルミニウム、銅、鉄、鋼鉄、ステンレススチール、ニッケル、チタン、リチウムなどを含む。また、電池およびキャパシタにおけるコバルト酸リチウムなどの正極活物質、グラファイトなどの負極活物質および活性炭などの電極活物質を全て「活物質」と云う場合がある。
[塗工液]
本発明の第一の塗工液は、極性溶媒中に下記(1)〜(4)の少なくとも1種の水酸基含有樹脂と有機酸および/またはその誘導体とを含むことを特徴とし、第二の塗工液は、上記塗工液中に電池およびキャパシタ用電極板の活物質を含有することを特徴としている。
(1)ポリビニルアセタール樹脂
(2)エチレン−ビニルアルコール共重合体
(3)未変性および/または変性ポリビニルアルコール
(4)シアノエチル基を有するポリマー
本発明で用いるポリビニルアセタール樹脂は、ポリビニルアルコールとアルデヒドとのアセタール化反応によって合成されたものであり、具体的には、水、アルコール、ジメチルスルホキシド(DMSO)などの溶媒中で、塩酸などの酸触媒の存在下、ポリビニルアルコールとアルデヒドとを反応させることにより合成される。
本発明で使用するエチレン−ビニルアルコール共重合体は、エチレンと酢酸ビニルを共重合した後鹸化することによって得られる公知の樹脂であり、本発明においては、公知のいずれのエチレン−ビニルアルコール共重合体も使用できるが、エチレン共重合率が10〜70モル%の共重合体が好ましく、より好ましいエチレン共重合率は20〜50モル%である。エチレン共重合率が10モル%未満では、形成される皮膜の耐酸化性の点で幾分劣り、一方、エチレン共重合率が70モル%を超えると、極性溶媒への溶解性が低下するとともに、形成される皮膜の集電体に対する密着性が低下する。以上の如きエチレン−ビニルアルコール共重合体は、エバール(登録商標)の商品名で種々のエチレン共重合率のものが市場から入手して使用できる。
本発明に使用する未変性PVAは、ポリ酢酸ビニルを鹸化することによって得られる公知の樹脂であり、本発明においては、公知のいずれの未変性PVAも使用できるが、重合度300〜5,000で、鹸化度が30〜100%の未変性PVAを使用することが好ましい。以上の如き未変性PVAは、商品名:クラレポバール(クラレ社製)、商品名:ゴーセノール(日本合成化学工業社製)、デンカポバール(電気化学工業社製)、商品名:J−ポバール(日本酢ビ・ポバール社製)などの商品名で種々のグレードのものが市場から入手して使用できる。
本発明に使用するシアノエチル化ポリマーとしては、シアノエチル化プルラン、シアノエチル化ヒドロキシエチルプルラン、シアノエチル化ヒドロキシプロピルプルラン、シアノエチル化ジヒドロキシプロピルプルラン、シアノエチル化セルロース、シアノエチル化ヒドロキシエチルセルロース、シアノエチル化ヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチル化ジヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチル化デンプン、シアノエチル化ヒドロキシエチルデンプン、シアノエチル化ヒドロキシプロピルデンプン、シアノエチル化ジヒドロキシプロピルデンプン、シアノエチル化キトサン、シアノエチル化ヒドロキシエチルキトサン、シアノエチル化ヒドロキシプロピルキトサン、シアノエチル化ジヒドロキシプロピルキトサン、シアノエチル化サッカロース、シアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチル化フェノキシ樹脂などが好適なものとして使用され、これらのポリマーは、幾分かの水酸基、例えば、10〜1,000mgKOH/g、好ましくは30〜900mgKOH/gの水酸基価を有するものが好ましい。
本発明の塗工液は、これに活物質を加えることで電池などの電極板用塗工液として有用である。本発明の塗工液に使用する活物質のうちで、正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4などのリチウム酸化物、Ni−Co−Mn三元系のリチウム複合酸化物、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)などのオリビン構造を有するリン酸化合物、TiS2、MnO2、MoO3、V2O5などのカルコゲン化合物のうちの1種、あるいは複数種が組み合わせて用いられる。一方、負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、チタン酸リチウムなどのリチウムチタン酸化物、あるいはグラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラックなどの炭素質材料、またはリチウムイオンをインターカレートする材料が好ましく用いられる。本発明では、上記活物質に導電助剤を併用することが好ましい。用いられる導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー、その他の炭素系導電助剤が用いられ、特にアセチレンブラックが好ましく用いられる。
前記本発明の電極板用塗工液を、キャパシタ用電極板およびキャパシタの製造に応用する場合を以下に説明する。キャパシタ用電極板用の塗工液は、前記水酸基含有樹脂溶液と前記有機酸と活物質とを含有してなり、必要に応じて導電助剤が含まれる。
本発明のアンダーコート剤は、前記水酸基含有樹脂溶液に導電物質を添加して混練してなることを特徴としている。ここで使用する水酸基含有樹脂溶液は、前記[塗工液]において述べたと同一である。また、上記導電物質としては、前記[電池用電極板および電池への応用]で述べた導電助剤と同一である。水酸基含有樹脂溶液に添加する導電物質の添加量および集電体または基板に塗布する方法も前記と同様である。
[ポリビニルアセタール樹脂を用いる実施例(I)]
<ポリビニルアセタール樹脂溶液の作製>
表I−1に、実施例および比較例で用いた各ポリビニルアセタール樹脂溶液の組成を示した。また、各ポリビニルアセタール樹脂溶液に使用した極性溶媒は、N−メチル−2−ピロリドンをNMP、N−エチル−2−ピロリドンをNEP、N,N−ジメチルホルムアミドをDMF、ジメチルスルホキシドをDMSO、N,N−ジメチルアセトアミドをDMAc、および1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンをDMIと略した。
NMP93部中にポリビニルブチラール樹脂〔電気化学工業(株)製、デンカブチラール#4000−2(残存水酸基量19モル%、残存アセチル基量1モル%、重合度約1,000)〕5部を分散し、該分散液にピロメリット酸2部を加えた後、50℃で2時間撹拌溶解し、100部のポリビニルブチラール樹脂溶液を調製した。
表I−1に示すように、ポリビニルアセタール樹脂の種類、残存水酸基量、残存アセチル基量、重合度および質量、多塩基酸の種類および質量、ポリビニルアセタール樹脂と多塩基酸との配合比または極性溶媒の種類および質量を変えた本発明のポリビニルアセタール樹脂溶液を、例I−1と同様の方法により調製した。
PVF:ポリビニルホルマール
PVAcA:ポリビニルアセトアセタール
BTC:1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸
NTC:1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸
実施例I−1(塗工液、電極板)
本実施例で用いた正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤として前記表I−1の例I−1の溶液を60部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
さらに、上記の活物質層(結着剤)の耐酸化性を評価するため、正極板(2cm×3cm)を6%過酸化水素水溶液に浸漬し、80℃×3時間の加熱処理を行い、加熱処理後の活物質層の状態を観察し、変化のないものを耐酸化性「あり」とし、活物質層が剥離したものを耐酸化性「なし」として表示した。
実施例I−1におけるポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて下記表I−2に記載のポリビニルアセタール樹脂溶液を使用した以外は、実施例I−1と同様にして正極板を作製し、実施例I−1と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性、耐酸化性を調べ、下記表I−2に記載の結果を得た。なお、比較例I−2ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を、比較例I−3ではスチレンブタジエン共重合体ラテックス(増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを使用)を用いた。
本実施例で用いた負極活物質を含む負極塗工液を以下の方法により作製した。石炭コークスを1,200℃で熱分解させて得られるカーボン粉末を90部、導電助剤としてのアセチレンブラック5部および前記表I−1の例I−8の溶液80部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状の負極活物質含有塗工液を得た。
実施例I−13におけるポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて下記表I−3に記載のポリビニルアセタール樹脂溶液を使用した以外は、実施例I−13と同様にして負極板を作製し、実施例I−13と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性を調べ、下記表I−3に記載の結果を得た。なお、比較例I−5ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を用いた。
以上で得られた実施例I−1の正極板および実施例I−13の負極板を用い、正極板より幅広の三次元空孔構造(海綿状)を有するポリオレフィン系(ポリプロピレン、ポリエチレンまたはそれらの共重合体)の多孔性フィルムからなるセパレータを介して、渦巻き状に捲回して、先ず電極体を構成した。次にこの電極体を、負極端子を兼ねる有底円筒状のステンレス容器内に挿入し、AAサイズで定格容量500mAhの電池を組み立てた。この電池にEC(エチレンカーボネート):PC(プロピレンカーボネート):DME(ジメトキシエタン)をそれぞれ体積比1:1:2で全量1リットルになるように調製した混合溶媒に、支持塩として1モルのLiPF6を溶解したものを電解液として注液した。
実施例I−1(キャパシタ)
前記例I−1のポリビニルアセタール樹脂溶液を固形分で5部、活物質として比表面積1,500m2/g、平均粒径10μmの高純度活性炭粉末を100部、導電助剤としてアセチレンブラック4部をプラネタリーミキサーに仕込み、全固形分の濃度が45%となるようにNMPを加えて60分間混合した。その後、固形分濃度が42%になるようにNMPで希釈してさらに10分間混合し、キャパシタ用の塗工液を得た。この塗工液を厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて塗布し、80℃で30分送風乾燥機で乾燥した。その後、ロールプレス機を用いてプレスを行い厚さ80μm、密度0.6g/cm3のキャパシタ用電極板を得た。該電極板の集電体に対する密着性および溶媒による溶解・膨潤性を前記[電池への応用]の実施例I−1と同様に行い、その結果を表I−4に示した。
実施例I−1で用いたポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて、下記表I−4に記載のポリビニルアセタール樹脂溶液を同じ固形分で使用した以外は、実施例I−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表I−4に示す。
実施例I−1で用いたポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて、前記例I−13のポリビニルアセタール樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例I−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表I−4に示す。
実施例I−1で用いたポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて、ポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例I−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表I−4に示す。
得られたキャパシタについて電流密度20mA/cm2で静電容量および内部抵抗を測定し、比較例I−2を基準として以下の評価基準で評価した。静電容量は大きいほど、また、内部抵抗は小さいほど、キャパシタとしての性能が良好であることを示す。
(静電容量の評価基準)
◎:比較例I−2よりも静電容量が20%以上大きい。
○:比較例I−2よりも静電容量が10%以上20%未満大きい。
×:比較例I−2と静電容量が同等以下である。
(内部抵抗の評価基準)
◎:比較例I−2よりも内部抵抗が20%以上小さい。
○:比較例I−2よりも内部抵抗が10%以上20%未満小さい。
×:比較例I−2と内部抵抗が同等以下である。
実施例I−1(アンダーコート剤、電極板)
本実施例で用いた導電物質を含むアンダーコート剤を以下の方法により作製した。導電物質としてのアセチレンブラック7部および前記表I−1の例I−1の溶液93部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状のアンダーコート剤を得た。
次に正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤としてポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)50部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
実施例I−1におけるアンダーコート剤のポリビニルアセタール樹脂溶液に代えて下記表I−5に記載のポリビニルアセタール樹脂溶液を使用した以外は、実施例I−1と同様にしてアンダーコート剤を作製し、実施例I−1と同様にして電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗とを測定し、前記と同じ基準で評価して表I−5に記載の結果を得た。
実施例I−1において、アンダーコート層を形成しなかった以外は実施例I−1と同様にして活物質層を形成した電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗を測定し、前記と同じ基準で評価して表I−5に記載の結果を得た。
上記実施例I−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[電池への応用]の比較例I−5と同様にして負極板を作成したところ、実施例I−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
上記実施例I−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[キャパシタへの応用]の比較例I−2と同様にして電極板およびキャパシタを作成したところ、[キャパシタへの応用]の実施例I−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
<エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH樹脂)溶液の作製>
表II−1に、実施例および比較例で用いた各EVOH樹脂溶液の組成を示した。また、各EVOH樹脂溶液に使用した極性溶媒は、N−メチル−2−ピロリドンをNMP、N−エチル−2−ピロリドンをNEP、N,N−ジメチルホルムアミドをDMF、ジメチルスルホキシドをDMSO、N,N−ジメチルアセトアミドをDMAc、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンをDMI、プロパノールをNPA、イソプロピルアルコールをIPA、ブチルアルコールをNBAおよびt−ブチルアルコールをTBAと略した。
NMP93部中にEVOH樹脂〔(株)クラレ製、エバールG156A(エチレン共重合比率48モル%)〕5部を分散し、該分散液にピロメリット酸2部を加えた後、50℃で2時間撹拌溶解し、100部の本発明のEVOH樹脂溶液を調製した。
表II−1に示すように、EVOH樹脂のエチレン共重合比率および質量、多塩基酸の種類および質量、EVOH樹脂と多塩基酸との配合比または極性溶媒の種類および質量を変えた本発明のEVOH樹脂溶液を、例II−1と同様の方法により調製した。
実施例II−1(塗工液、電極板)
本実施例で用いた正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤として前記表II−1の例II−1の溶液を60部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
実施例II−1におけるEVOH樹脂溶液に代えて下記表II−2に記載のEVOH樹脂溶液を使用した以外は、実施例II−1と同様にして正極板を作製し、実施例II−1と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性、耐酸化性を調べ、下記表II−2に記載の結果を得た。なお、比較例II−2ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を、比較例II−3ではスチレンブタジエン共重合体ラテックス(増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを使用)を用いた。
本実施例で用いた負極活物質を含む負極塗工液を以下の方法により作製した。石炭コークスを1,200℃で熱分解させて得られるカーボン粉末を90部、導電助剤としてのアセチレンブラック5部および前記表II−1の例II−4の溶液80部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状の負極活物質含有塗工液を得た。
実施例II−14におけるEVOH樹脂溶液に代えて下記表II−3に記載のEVOH樹脂溶液を使用した以外は、実施例II−14と同様にして負極板を作製し、実施例II−14と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性を調べ、下記表II−3に記載の結果を得た。なお、比較例II−5ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を用いた。
以上で得られた実施例II−1の正極板および実施例II−14の負極板を用い、正極板より幅広の三次元空孔構造(海綿状)を有するポリオレフィン系(ポリプロピレン、ポリエチレンまたはそれらの共重合体)の多孔性フィルムからなるセパレーターを介して、渦巻き状に捲回して、先ず電極体を構成した。次にこの電極体を、負極端子を兼ねる有底円筒状のステンレス容器内に挿入し、AAサイズで定格容量500mAhの電池を組み立てた。この電池にEC(エチレンカーボネート):PC(プロピレンカーボネート):DME(ジメトキシエタン)をそれぞれ体積比1:1:2で全量1リットルになるように調製した混合溶媒に、支持塩として1モルのLiPF6を溶解したものを電解液として注液した。
実施例II−1
前記例II−1のEVOH樹脂溶液を固形分で5部、電極活物質として比表面積1,500m2/g、平均粒径10μmの高純度活性炭粉末を100部、導電性付与材としてアセチレンブラック4部をプラネタリーミキサーに仕込み、全固形分の濃度が45%となるようにNMPを加えて60分間混合した。その後、固形分濃度が42%になるようにNMPで希釈してさらに10分間混合し、塗工液を得た。この塗工液を厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて塗布し、80℃で30分送風乾燥機で乾燥した。その後、ロールプレス機を用いてプレスを行い厚さ80μm、密度0.6g/cm3のキャパシタ用電極板を得た。該電極板の集電体に対する密着性および溶媒による溶解・膨潤性を前記[電池への応用]の実施例II−1と同様に行い、その結果を表II−4に示した。
実施例II−1で用いたEVOH樹脂溶液に代えて、前記例II−3のEVOH樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例II−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表II−4に示す。
実施例II−1で用いたEVOH樹脂溶液に代えて、前記例II−7のEVOH樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例II−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表II−4に示す。
実施例II−1で用いたEVOH樹脂溶液に代えて、前記例II−8のEVOH樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例II−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表II−4に示す。
実施例II−1で用いたEVOH樹脂溶液に代えて、前記例II−14のEVOH樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例II−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表II−4に示す。
実施例II−1で用いたEVOH樹脂溶液に代えて、ポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例II−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表II−4に示す。
◎:比較例II−2よりも静電容量が20%以上大きい。
○:比較例II−2よりも静電容量が10%以上20%未満大きい。
×:比較例II−2と静電容量が同等以下である。
(内部抵抗の評価基準)
◎:比較例II−2よりも内部抵抗が20%以上小さい。
○:比較例II−2よりも内部抵抗が10%以上20%未満小さい。
×:比較例II−2と内部抵抗が同等以下である。
実施例II−1(アンダーコート剤、電極板)
本実施例で用いた導電物質を含むアンダーコート剤を以下の方法により作製した。導電物質としてのアセチレンブラック7部および前記表II−1の例II−1の溶液93部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状のアンダーコート剤を得た。
次に正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤としてポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)50部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
実施例II−1におけるアンダーコート剤のEVOH樹脂溶液に代えて下記表II−5に記載のEVOH樹脂溶液を使用した以外は、実施例II−1と同様にしてアンダーコート剤を作製し、実施例II−1と同様にして電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗とを測定し、前記と同じ基準で評価して表II−5に記載の結果を得た。
実施例II−1において、アンダーコート層を形成しなかった以外は実施例II−1と同様にして活物質層を形成した電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗を測定し、前記と同じ基準で評価して表II−5に記載の結果を得た。
上記実施例II−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[電池への応用]の比較例II−5と同様にして負極板を作成したところ、実施例II−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
上記実施例II−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[キャパシタへの応用]の比較例II−2と同様にして負極板を作成したところ、[キャパシタへの応用]の実施例II−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
<未変性PVA樹脂溶液(塗工液)の作製>
表III−1に、参考例および比較例で用いた各未変性PVA樹脂溶液の組成を示した。また、各未変性PVA樹脂溶液に使用した極性溶媒は、メチルアルコールをMeOH、エチルアルコールをEtOH、N−メチル−2−ピロリドンをNMP、N−エチル−2−ピロリドンをNEP、N,N−ジメチルホルムアミドをDMF、ジメチルスルホキシドをDMSO、N,N−ジメチルアセトアミドをDMAc、および1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンをDMIと略した。
NMP91部中に未変性PVA樹脂〔(株)クラレ製、クラレポバール420(鹸化度80%、重合度2000)〕5部を分散し、該分散液にピロメリット酸4部を加えた後、60℃で2時間撹拌溶解し、100部の未変性PVA樹脂溶液を調製した。
表III−1に示すように、未変性PVA樹脂の鹸化度、重合度および質量、多塩基酸の種類および質量、未変性PVA樹脂と多塩基酸との配合比または極性溶媒の種類および質量を変えた未変性PVA樹脂溶液を、例III−1と同様の方法により調製した。
表III−2に、実施例および比較例で用いた各変性PVA樹脂溶液の組成を示した。
<例III−14>
NMP91部中に変性PVA樹脂〔日本合成化学工業(株)製、ゴーセファイマーZ:アセトアセチル基変性PVA〕5部を分散し、該分散液にピロメリット酸4部を加えた後、60℃で2時間撹拌溶解し、100部の変性PVA樹脂溶液を調製した。
表III−2に示すように、変性PVA樹脂の種類および質量、多塩基酸の種類および質量、変性PVA樹脂と多塩基酸との配合比または極性溶媒の種類および質量を変えた本発明の変性PVA樹脂溶液を、例III−14と同様の方法により調製した。
参考例III−1(塗工液、電極板)
正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤として前記表III−1の例III−1の溶液を60部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
参考例III−1における未変性PVA樹脂溶液に代えて下記表III−3に記載の未変性および変性PVA樹脂溶液を使用した以外は、参考例III−1と同様にして正極板を作製し、参考例III−1と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性、耐酸化性を調べ、下記表III−3に記載の結果を得た。なお、比較例III−3ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を、比較例III−4ではスチレンブタジエン共重合体ラテックス(増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを使用)を用いた。
負極活物質を含む負極塗工液を以下の方法により作製した。石炭コークスを1,200℃で熱分解させて得られるカーボン粉末を90部、導電助剤としてのアセチレンブラック5部および前記表III−1の例III−8の溶液80部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状の負極活物質含有塗工液を得た。
参考例III−18における未変性PVA樹脂溶液に代えて下記表III−4に記載の未変性または変性PVA樹脂溶液を使用した以外は、参考例III−18と同様にして負極板を作製し、参考例III−18と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性を調べ、下記表III−4に記載の結果を得た。なお、比較例III−7ではポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)を用いた。
以上で得られた参考例III−1の正極板および参考例III−18の負極板を用い、正極板より幅広の三次元空孔構造(海綿状)を有するポリオレフィン系(ポリプロピレン、ポリエチレンまたはそれらの共重合体)の多孔性フィルムからなるセパレータを介して、渦巻き状に捲回して、先ず電極体を構成した。次にこの電極体を、負極端子を兼ねる有底円筒状のステンレス容器内に挿入し、AAサイズで定格容量500mAhの電池を組み立てた。この電池にEC(エチレンカーボネート):PC(プロピレンカーボネート):DME(ジメトキシエタン)をそれぞれ体積比1:1:2で全量1リットルになるように調製した混合溶媒に、支持塩として1モルのLiPF6を溶解したものを電解液として注液した。
参考例III−1(キャパシタ)
前記例III−1の未変性PVA樹脂溶液を固形分で5部、電極活物質として比表面積1,500m2/g、平均粒径10μmの高純度活性炭粉末を100部、導電性付与材としてアセチレンブラック4部をプラネタリーミキサーに仕込み、全固形分の濃度が45%となるようにNMPを加えて60分間混合した。その後、固形分濃度が42%になるようにNMPで希釈してさらに10分間混合し、塗工液を得た。この塗工液を厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて塗布し、80℃で30分送風乾燥機で乾燥した。その後、ロールプレス機を用いてプレスを行い厚さ80μm、密度0.6g/cm3のキャパシタ用電極板を得た。該電極板の集電体に対する密着性および溶媒による溶解・膨潤性を前記[電池への応用]の参考例III−1と同様に行い、その結果を表III−5に示した。
参考例III−1で用いた未変性PVA樹脂溶液に代えて、下記表III−5に記載の未変性または変性PVA樹脂溶液を同じ固形分で使用した以外は、参考例III−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表III−5に示す。
参考例III−1で用いた未変性PVA樹脂溶液に代えて、前記例III−13の未変性PVA樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は参考例III−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表III−5に示す。
参考例III−1で用いた未変性PVA樹脂溶液に代えて、前記例III−19の変性PVA樹脂溶液を同じ固形分で用いた以外は参考例III−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表III−5に示す。
参考例III−1で用いた未変性PVA樹脂溶液に代えて、ポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液を同じ固形分で用いた以外は参考例III−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表III−5に示す。
(静電容量の評価基準)
◎:比較例III−3よりも静電容量が20%以上大きい。
○:比較例III−3よりも静電容量が10%以上20%未満大きい。
×:比較例III−3と静電容量が同等以下である。
(内部抵抗の評価基準)
◎:比較例III−3よりも内部抵抗が20%以上小さい。
○:比較例III−3よりも内部抵抗が10%以上20%未満小さい。
×:比較例III−3と内部抵抗が同等以下である。
参考例III−1(アンダーコート剤、電極板)
導電物質を含むアンダーコート剤を以下の方法により作製した。導電物質としてのアセチレンブラック7部および前記表III−1の例III−1の溶液93部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状のアンダーコート剤を得た。
次に正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤としてポリビニリデンフルオライドの5%NMP溶液(PVDF溶液)50部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
参考例III−1におけるアンダーコート剤の未変性PVA樹脂溶液に代えて下記表III−6に記載の未変性または変性PVA樹脂溶液を使用した以外は、参考例III−1と同様にしてアンダーコート剤を作製し、参考例III−1と同様にして電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗とを測定し、前記と同じ基準で評価して表III−6に記載の結果を得た。
参考例III−1において、アンダーコート層を形成しなかった以外は参考例III−1と同様にして活物質層を形成した電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗を測定し、前記と同じ基準で評価して表III−6に記載の結果を得た。
上記参考例III−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[電池への応用]の比較例III−7と同様にして負極板を作成したところ、参考例III−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
上記参考例III−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[キャパシタへの応用]の比較例III−3と同様にして負極板を作成したところ、[キャパシタへの応用]の参考例III−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
合成例IV−1〔シアノエチル化プルラン(1)の製造〕
プルラン〔(株)林原製、PI−20〕1部をイオン交換水4部に溶解した後、25%水酸化ナトリウム水溶液1部、アセトン4部を添加し、次いでアクリロニトリル5部を加え、室温下16時間撹拌して反応した。酢酸0.5部を添加して中和した後、イオン交換水中に注ぎ込み反応物を析出させた。得られた析出物をアセトンに再溶解した後、イオン交換水に再析出させて洗浄した。この操作を繰り返した後、精製物を60℃で減圧乾燥して、シアノエチル化プルラン(1)を得た。該ポリマーは、ケルダール法による窒素分析の結果から、シアノエチル化度(水酸基に対する反応率)は87%であった。また、該ポリマーは、JIS K 0070−1992に従い求めた水酸基価は84mgKOH/gであった。
プルラン〔(株)林原製、PI−20〕1部をイオン交換水4部に溶解した後、25%水酸化ナトリウム水溶液1部、アセトン4部を添加し、次いでアクリロニトリル4部を加え、室温下12時間撹拌して反応した。酢酸0.5部を添加して中和した後、イオン交換水中に注ぎ込み反応物を析出させた。得られた析出物をアセトンに再溶解した後、イオン交換水に再析出させて洗浄した。この操作を繰り返した後、精製物を60℃で減圧乾燥して、シアノエチル化プルラン(2)を得た。該ポリマーは、ケルダール法による窒素分析の結果から、シアノエチル化度は70%であった。また、該ポリマーは、水酸基価は205mgKOH/gであった。
合成例IV−1または2と同様の方法でポリビニルアルコール(PVA)、セルロース、ヒドロキシエチル(HE)セルロース、ジヒドロキシプロピル(DHP)セルロース、デンプン、ジヒドロキシプロピル(DHP)キトサンをシアノエチル化した。表IV−1に、合成したシアノエチル化ポリマーの種類、これらのポリマーのシアノエチル化度および水酸基価を示した。
<例IV−1〜12>
表IV−2に、実施例および比較例で用いた各シアノエチル化ポリマー溶液の組成を示した。また、各シアノエチル化ポリマー溶液に使用した非プロトン性極性溶媒は、N−メチル−2−ピロリドンをNMP、N−エチル−2−ピロリドンをNEP、N,N−ジメチルホルムアミドをDMF、ジメチルスルホキシドをDMSO、N,N−ジメチルアセトアミドをDMAc、および1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンをDMIと略した。
実施例IV−1〜11、比較例IV−1
表IV−2の例IV−1〜12の塗工液を脱脂処理したアルミニウム箔表面に固形分で2g/m2の割合で塗布し、180℃で1時間送風乾燥し、無色透明な保護膜を作成した。得られた各皮膜をアルミニウム箔毎1cm2に切り取り、エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート/ジメチルカーボネート(1:1:2)混合溶媒中に投入し、25℃で30日間放置後に状態を観察したところ、例IV−12の塗工液から形成した皮膜は膨潤し、剥離していたが、例IV−1〜11の塗工液から形成した皮膜には変化が全く観察されなかった。
実施例IV−1(塗工液、電極板)
本実施例で用いた正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤として前記表IV−1の例IV−4の溶液を50部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
実施例IV−1におけるシアノエチル化ポリマー溶液に代えて下記表IV−3に記載のシアノエチル化ポリマー溶液を使用した以外は、実施例IV−1と同様にして正極板を作製し、実施例IV−1と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性を調べ、下記表IV−3に記載の結果を得た。なお、比較例2ではポリビニリデンフルオライドの5%溶液(PVDF溶液)を用いた。
本実施例で用いた負極活物質を含む負極塗工液を以下の方法により作製した。石炭コークスを1,200℃で熱分解させて得られるカーボン粉末を90部、導電助剤としてのアセチレンブラック5部および前記表IV−1の例IV−6の溶液80部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状の負極活物質含有塗工液を得た。
実施例IV−12におけるシアノエチル化ポリマー溶液に代えて下記表IV−4に記載のシアノエチル化ポリマー溶液を使用した以外は、実施例IV−12と同様にして負極板を作製し、実施例IV−12と同様にして活物質層の集電体に対する密着性および活物質層の溶解・膨潤性を調べ、下記表IV−4に記載の結果を得た。なお、比較例IV−4ではポリビニリデンフルオライドの5%溶液(PVDF溶液)を用いた。
以上で得られた実施例IV−1の正極板および実施例IV−12の負極板を用い、正極板より幅広の三次元空孔構造(海綿状)を有するポリオレフィン系(ポリプロピレン、ポリエチレンまたはそれらの共重合体)の多孔性フィルムからなるセパレータを介して、渦巻き状に捲回して、先ず電極体を構成した。次にこの電極体を、負極端子を兼ねる有底円筒状のステンレス容器内に挿入し、AAサイズで定格容量500mAhの電池を組み立てた。この電池にEC(エチレンカーボネート):PC(プロピレンカーボネート):DME(ジメトキシエタン)をそれぞれ体積比1:1:2で全量1リットルになるように調製した混合溶媒に、支持塩として1モルのLiPF6を溶解したものを電解液として注液した。
実施例IV−1
前記例IV−3のシアノエチル化ポリマー溶液を固形分で5部、電極活物質として比表面積1,500m2/g、平均粒径10μmの高純度活性炭粉末を100部、導電性付与剤としてアセチレンブラック4部をプラネタリーミキサーに仕込み、全固形分の濃度が43%となるようにNMPを加えて60分間混合した。その後、固形分濃度が41%になるようにNMPで希釈してさらに10分間混合し、塗工液を得た。この塗工液を厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて塗布し、80℃で30分送風乾燥機で乾燥した。その後、ロールプレス機を用いてプレスを行い厚さ80μm、密度0.6g/cm3のキャパシタ用電極板を得た。該電極板の集電体に対する密着性および溶媒による溶解・膨潤性を前記[電池への応用]の実施例IV−1と同様に行い、その結果を表IV−5に示した。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、前記例IV−1のシアノエチル化ポリマー溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、前記例IV−2のシアノエチル化ポリマー溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、前記例IV−4のシアノエチル化ポリマー溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、前記例IV−5のシアノエチル化ポリマー溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、前記例IV−12のシアノエチル化ポリマー溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
実施例IV−1で用いたシアノエチル化ポリマー溶液に代えて、ポリビニリデンフルオライドの5%溶液を同じ固形分で用いた以外は実施例IV−1と同様にして、電極板およびキャパシタを作成し、各特性を評価した。結果を表IV−5に示す。
(静電容量の評価基準)
◎:比較例IV−2よりも静電容量が20%以上大きい。
○:比較例IV−2よりも静電容量が10%以上20%未満大きい。
×:比較例IV−2と静電容量が同等以下である。
(内部抵抗の評価基準)
◎:比較例IV−2よりも内部抵抗が20%以上小さい。
○:比較例IV−2よりも内部抵抗が10%以上20%未満小さい。
×:比較例IV−2と内部抵抗が同等以下である。
実施例IV−1(アンダーコート剤、電極板)
本実施例で用いた導電物質を含むアンダーコート剤を以下の方法により作製した。導電物質としてのアセチレンブラック10部および前記表IV−2の例IV−6の溶液90部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合させてスラリー状のアンダーコート剤を得た。
次に正極活物質を含む正極塗工液を以下の方法により作製した。正極塗工液の材料としては、1〜100μmの粒径を持つLiCoO2粉末を90部、導電助剤としてアセチレンブラックを5部、結着剤としてポリビニリデンフルオライドの5%溶液(PVDF溶液)50部の配合比で、プラネタリーミキサーにて回転数60rpmで120分間撹拌混合することによりスラリー状の正極活物質を含む正極塗工液を得た。
実施例IV−1におけるアンダーコート剤のシアノエチル化ポリマー溶液に代えて下記表IV−6に記載のシアノエチル化ポリマー溶液を使用した以外は、実施例IV−1と同様にしてアンダーコート剤を作製し、実施例IV−1と同様にして電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗とを測定し、前記と同じ基準で評価して表IV−6に記載の結果を得た。
実施例IV−1において、アンダーコート層を形成しなかった以外は実施例IV−1と同様にして活物質層を形成した電極板を作成し、前記と同様にして活物質層の密着性と内部抵抗を測定し、前記と同じ基準で評価して表IV−6に記載の結果を得た。
上記実施例IV−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[電池への応用]の比較例IV−4と同様にして負極板を作成したところ、実施例IV−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
上記実施例IV−1で用いたアンダーコート剤を用いて、アンダーコート層を形成した以外は、[キャパシタへの応用]の比較例IV−2と同様にして負極板を作成したところ、[キャパシタへの応用]の実施例IV−1と同様に優れた密着性および内部抵抗を有することが分かった。
Claims (16)
- 極性溶媒中に水酸基含有樹脂と有機酸および/またはその誘導体とを含み、
前記水酸基含有樹脂が下記(1)〜(4)の少なくとも1種の樹脂であり、
前記有機酸が、3価以上の多塩基酸であることを特徴とする塗工液。
(1)ポリビニルアセタール樹脂
(2)エチレン−ビニルアルコール共重合体
(3)変性ポリビニルアルコール
(4)シアノエチル基を有するポリマー - 前記極性溶媒が、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、ビニルピロリドン、ビニルホルムアミド、ビニルアセトアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、水、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコールおよびt−ブチルアルコールからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の塗工液。
- (1)ポリビニルアセタール樹脂が、重合度300〜5,000であり、
(2)エチレン−ビニルアルコール共重合体のエチレン共重合率が10〜70モル%であり、
(3)変性ポリビニルアルコールが、重合度300〜5000で鹸化度が30〜100%であり、
(4)シアノエチル基を有するポリマーが、水酸基を有し、その水酸基価が10〜1,000mgKOH/g
である請求項1又は2に記載の塗工液。 - (1)ポリビニルアセタール樹脂が、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂およびポリビニルアセトアセタール樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
(2)変性ポリビニルアルコールが、カルボキシル基変性ポリビニルアルコール、カルボニル基変性ポリビニルアルコール、シラノール基変性ポリビニルアルコール、アミノ基変性ポリビニルアルコール、カチオン変性ポリビニルアルコール、スルホン酸基変性ポリビニルアルコールおよびアセトアセチル基変性ポリビニルアルコールからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
(3)シアノエチル基を有するポリマーが、シアノエチル化プルラン、シアノエチル化ヒドロキシアルキルプルラン、シアノエチル化セルロース、シアノエチル化ヒドロキシアルキルセルロース、シアノエチル化デンプン、シアノエチル化ヒドロキシアルキルデンプン、シアノエチル化キトサン、シアノエチル化ヒドロキシアルキルキトサン、シアノエチル化サッカロース、シアノエチル化ポリビニルアルコールおよびシアノエチル化フェノキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜3のいずれか一項に記載の塗工液。 - 前記多塩基酸が、1,2,3−プロパントリカルボン酸、1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、1,4,5,8−ナフタレンテトラカルボン酸、1,2,3,4,5,6−シクロヘキサンヘキサカルボン酸、ポリマレイン酸およびこれらの酸無水物からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜4のいずれか一項に記載の塗工液。
- 前記有機酸および/またはその誘導体の使用量が、前記水酸基含有樹脂100質量部当たり1〜150質量部である請求項1〜5のいずれか一項に記載の塗工液。
- 活物質をさらに含む、非水電解液二次電池用、電気二重層キャパシタ用またはリチウムイオンキャパシタ用の電極板を製造するために用いられる請求項1〜6のいずれか一項に記載の塗工液。
- アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバーおよびその他の炭素系導電助剤のいずれかを導電助剤としてさらに含む請求項7に記載の塗工液。
- 集電体の表面に活物質と結着剤とからなる活物質層が形成され、
前記結着剤が、多塩基酸および/またはその誘導体で架橋された請求項1に記載の水酸基含有樹脂であることを特徴とする非水電解液二次電池用、電気二重層キャパシタ用またはリチウムイオンキャパシタ用の電極板。 - 集電体の表面に、電極用塗工液を塗布、乾燥および100〜250℃で1〜60分間加熱して活物質層を形成する工程を有し、
前記塗工液が、請求項7に記載の塗工液であることを特徴とする非水電解液二次電池用、電気二重層キャパシタ用またはリチウムイオンキャパシタ用の電極板の製造方法。 - 前記集電体がアルミニウム箔であり、前記塗工液に含まれる前記活物質が正極活物質であり、前記電極板が正極であるか、または
前記集電体が銅箔もしくはアルミニウム箔であり、前記塗工液に含まれる前記活物質が負極活物質であり、前記電極板が負極である請求項10に記載の電極板の製造方法。 - 請求項9に記載の電極板を含むことを特徴とする非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の塗工液と、導電物質とを含むことを特徴とする電極板を製造するためのアンダーコート剤。
- 集電体と、前記集電体の表面に形成された請求項13に記載のアンダーコート剤からなるアンダーコート層と、前記アンダーコート層の上に形成された活物質層と、を備えることを特徴とする非水電解液二次電池用、電気二重層キャパシタ用またはリチウムイオンキャパシタ用の電極板。
- 請求項14に記載の電極板を含むことを特徴とする非水電解液二次電池、電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタ。
- 基体と、前記基体の表面に形成された請求項13に記載のアンダーコート剤からなるアンダーコート層とを備えることを特徴とする集電体。
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