JP5647447B2 - 電気化学素子用電極およびその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明の他の一局面は、(i)金属箔の集電体の表面に、上記の導電性炭素粒子と、第1バインダと、第1液状成分と、を含む第1スラリーを塗布し、導電塗膜を形成する工程、(ii)前記導電塗膜を輻射熱により加熱し、導電塗膜から第1液状成分を揮発させる工程、(iii)工程(ii)の後、導電塗膜の表面に、活物質粒子と、第2バインダと、第2液状成分と、を含む第2スラリーを塗布し、活物質塗膜を形成する工程、(iv)導電塗膜と活物質塗膜との積層体を、輻射熱および温風の少なくとも一方により乾燥させる工程、を有する電気化学素子用電極の製造方法に関する。
図1aおよび図1bは従来の電極構造を、図1cは本発明の電極構造を示している。ここでは、集電体1の片面に活物質層2を具備する場合について説明する。ただし、本発明に係る電極は、図1cの形態に限らず、集電体1の片面に活物質層2および導電層3を具備する場合と、集電体1の両面に活物質層2および導電層3を具備する場合が含まれる。
電極は、集電体と、集電体の表面に形成された導電層と、導電層の表面に形成された活物質層とを具備する。集電体は、通常シート状であり、導電層および活物質層は、集電体の一方の主面だけに形成されていてもよく、両方の主面に形成されていてもよい。
導電性炭素粒子には、黒鉛材料を用いることが好ましい。黒鉛材料とは、黒鉛領域を有する炭素材料の総称であり、天然黒鉛(燐状黒鉛、土状黒鉛など)、天然黒鉛の熱処理物および人造黒鉛のいずれも使用可能である。
なお、体積粒度分布は、レーザ回折式粒度分布測定装置(日機装(株)製のMicrotrac MT3300EX II)により測定することができる。
活物質層は、活物質粒子と第2バインダとを含んでいる。ただし、活物質層の構成材料は、これらに限定されない。例えば任意成分として、カーボンブラックなどの導電助剤を含んでもよい。
本発明は、これらのいずれの電極にも適用できるが、電気二重層キャパシタおよび擬似キャパシタ用電極への適用が最も効果的である。
工程(i)
導電性炭素粒子と、第1バインダと、第1液状成分とを含む第1スラリーを調製する。第1スラリーの粘度は、20℃において、200〜4000mPa・s(200〜4000cP)、更には400〜2200mPa・s(400〜2200cP)であることが、作業性および量産性に優れている点で好ましい。粘度の測定装置には、芝浦システム(株)のB型粘度計(DIGITAL VISMETRON VDH-W)と5号ロータを用い、回転数100rpmで測定する。第1スラリーの調製方法は特に限定されないが、例えば、導電性炭素粒子と、第1バインダを含む溶液、分散液またはエマルジョンと、第1液状成分とを様々な混合装置を用いて混合すればよい。
集電体の一方の主面に導電塗膜を形成する場合、塗工装置として、スロットダイコータ(Slot die coater)、ロールコータ(Roll coater)、カムコータ(Cam coater)などの種々のコータを用いることができる。一方、集電体の両方の主面に同時に導電塗膜を形成する場合には、例えばディップコータ(Dip coater)を用いることが好ましい。 ディップコータは低価格であり、電極の生産効率も高い。
次に、導電塗膜を輻射熱(radiant heat)により加熱し、導電塗膜から第1液状成分を揮発させる。その際、導電塗膜を完全に乾燥させるのではなく、導電塗膜がある程度の量の第1液状成分を含む状態で乾燥を停止することが好ましい。輻射熱を用いる場合、導電塗膜の内部から優先的に液状成分が減少するため、導電塗膜の表面付近に液状成分が残存しやすい。このような状態で、導電層の表面に活物質層を形成することで、導電層と活物質層との間で相互拡散が起りやすくなる。
活物質粒子と、第2バインダと、第2液状成分とを含む第2スラリーを調製する。第2スラリーの粘度についても、20℃において、800〜4000mPa・s(800〜4000cP)、更には1500〜2200mPa・s(1500〜2200cP)であることが、作業性および量産性に優れている点で好ましい。粘度の測定は、第1スラリーと同様に行うことができる。第2スラリーの調製方法も特に限定されず、例えば、活物質粒子と、第2バインダを含む溶液、分散液またはエマルジョンと、第2液状成分とを様々な混合装置を用いて混合すればよい。第2液状成分についても、第2バインダの種類に応じて、適宜選択すればよい。第2スラリーにトリアジン環を有する化合物を添加してもよい。
上記工程(i)〜(iii)により得られた導電塗膜と活物質塗膜との積層体を、輻射熱および温風の少なくとも一方により乾燥させる。このときも、できるだけ輻射熱により乾燥させることが、乾燥効率の点で好ましい。上述のように温風の対流による乾燥では、塗膜表面から乾燥が進行するのに対し、輻射熱を利用すると、塗膜内部から温度上昇するため、乾燥効率が上昇する。塗膜表面から乾燥が進行すると、塗膜内部の水分が抜けにくくなる。また、水分が抜ける際に、塗膜に亀裂を生じやすい。また、塗膜表面から乾燥が進行すると、抵抗が大きくなる。
[第1形態]
まず、集電体の一方の主面に導電塗膜Aを形成し、遠赤外線で加熱して導電塗膜Aを指触乾燥状態まで乾燥させる。次に、導電塗膜Aの表面に活物質塗膜Aを形成し、遠赤外線で全体を加熱して完全乾燥させる。その後、集電体を反転させ、集電体の他方の主面に導電塗膜Bを形成し、遠赤外線で加熱して導電塗膜Bを指触乾燥状態まで乾燥させる。次に、導電塗膜Bの表面に活物質塗膜Bを形成し、遠赤外線で全体を加熱して完全乾燥させる。この方法では、所定の工程を、集電体の片面ごとに繰り返して行う。
まず、ディップコータを用いて同時に、または、スロットダイコータ、ロールコータ、カムコータ等を用いて順次に、集電体の両方の主面にそれぞれ導電塗膜AおよびBを形成し、遠赤外線で加熱して導電塗膜AおよびBを指触乾燥状態まで乾燥させる。次に、同時または順次に、導電塗膜AおよびBの表面に活物質塗膜AおよびBを形成し、遠赤外線で全体を加熱して完全乾燥させる。この方法は、導電塗膜AおよびBの乾燥を同時に、また、活物質塗膜AおよびBの乾燥を同時に行える点で有利である。
電気二重層キャパシタは、上記の活物質として活性炭を含む電極と、電極間に介在する多孔質セパレータとを含む電極群を具備する。電極群は、積層型でもよく、捲回型でもよい。積層型の場合、両面に活物質層を有する電極を、電極間にセパレータを介在させて複数重ねるとともに、積層体の最も外側には、片面に活物質層を有する一対の電極を、集電体を外側にして配置する。一方、捲回型の場合は、帯状の一対の電極を準備し、これらの間にセパレータを介在させて、電極の長手方向に沿って捲回する。そして、得られた電極群を所定のケースに収容し、電極群に非水電解液を含浸させる。これにより電極およびセパレータが具備する細孔内に非水電解液が含浸される。
様々な導電層および活物質層の組成を有するEDLC用電極を作製し、評価した。
(a)第1スラリー
表1に示す導電層の組成に沿って、材料をミキサーで混合し、20℃における粘度が1000mPa・sの第1スラリーを調製した。
黒鉛(小粒子群):体積粒度分布が6μmにピークを有し(平均粒径6μm)、90体積%以上が粒径3〜7μmの粒子
黒鉛(大粒子群):体積粒度分布が18μmにピークを有し(平均粒径18μm)、90体積%以上が粒径10〜20μmの粒子
スラリー安定剤:イソプレンスルフォン酸基を有する水溶性ポリマー
FA:フッ素化アクリレートエマルジョン
SBR:スチレンブタジエンラテックス
CMC:カルボキシメチルセルロース
PI:溶剤型ポリイミド
PTFE:ポリテトラフルオロエチレン
PVDF:ポリフッ化ビニリデン
PAI:ポリアミドイミド
EC:エチルセルロース
表2に示す活物質層の組成に沿って、材料をミキサーで混合し、20℃における粘度が1500mPa・sの第2スラリーを調製した。
第2バインダ
TA:トリアジン
その他の第2バインダの詳細は第1バインダと同様である。
活物質:活性炭、平均粒径8μm
AB:アセチレンブラック、一次粒子径0.03μm
KB:ケッチンブラック、一次粒子径0.03μm
対流:130℃の温風により、塗膜を5分間加熱
なお、遠赤外線の波長は4〜1000μmとし、遠赤外線を放射する熱源には電気式ヒータを用いた。
バインダに熱硬化型樹脂を使用した場合(試料番号11、15)は、乾燥の最終段階で硬化処理として200℃で30分の熱処理を行った。
(i)相互拡散層の有無
電極の集電体の面方向に垂直な断面のSEM写真を撮影し、相互拡散層の有無を確認した。具体的には、導電層と活物質層との間の界面の粗さの最大高さRmaxを求めた。
最大高さRmaxが13μm以上である場合は「○」、
最大高さRmaxが10μm以上、13μm未満である場合は「△」、
最大高さRmaxが10μm未満である場合は「×」、と表3に表記した。
活物質層の表面にテープを貼り、その一端にばね秤を取り付け、1秒間に2mmの速度で引っ張った。剥がれた時の最大強度の読みを密着強度とした。同様の測定を3回行い(n=3)、平均を取った。
230gf/cm以上の場合は「○」、
180gf/cm以上230gf/cm未満の場合は「△」、
180gf/cm未満の場合は「×」、と表3に表記した。
第2乾燥終了後の電極の概観を観測した。
亀裂が観測された場合は「有」、
亀裂が全く観測されなかった場合は「無」、と表3に表記した。
プロピレンカーボネート(PC)にTEABF4(ホウフッ化テトラエチルアンモニウム)を1mol/Lの濃度で溶解し、非水電解液を調製した。得られた電解液1μmLを電極に滴下し、含浸されたことが目視で確認されるまでの時間を測定した。
5秒以内に電解液が完全に含浸された場合は「○」、
5秒超、15秒以内に電解液が完全に含浸された場合は「△」、と表3に表記した。
各電極を用いて、18mmφ50L型50F捲回型EDLCを作製し、Agilent社製のLCRメーター「E4284A」を用いて、周波数1KHz、電流1mAの条件で、ESRを測定した。結果を表3に示す。
上記で用いたEDLCに対して、70℃で、3Vの電圧を連続印加して、300時間経過後に、EDLCの膨れ、漏液などの異常の有無を調べた。
ガス発生による膨れや漏液を生じなかった場合は「○」、
若干の膨れが観測された場合は「△」、
明らかに膨れまたは漏液が観測された場合は「×」、と表3に表記した。
[最大高さRmaxの測定]
まず、電極の集電体の面方向に垂直な断面のSEM写真を撮影する。倍率は1000倍とし、デジタルカメラで画像を撮影する。その際、縮尺基準線(10μm)を同画像に表示させる(図2c)。当該断面には、導電性炭素粒子と活物質粒子との境界が観測される。この画像をパソコンに取り込み、画像処理などにより、導電性炭素粒子と活物質粒子との境界に粗さ曲線(曲線(a))を描く。
輻射熱により塗膜を乾燥させた場合、いずれの評価結果も良好であるが、温風で乾燥させた場合には、相互拡散層が形成されず、いずれの評価結果も不十分であった。
本発明によれば、2.5V以上の高い耐電圧特性を有する電極が得られるが、本発明は2.1V以上の維持電圧(CCV:Closed Circuit voltage)が要求される電気化学素子にも当然に適用できる。このような電気化学素子として、例えば100A以上の大電流での充放電が可能な大型の電気二重層キャパシタが挙げられる。
2 活物質層
3 導電層
4 相互拡散層
Claims (14)
- 金属箔の集電体と、
前記集電体の表面に形成され、かつ導電性炭素粒子と第1バインダとを含む導電層と、
前記導電層の表面に形成され、かつ活物質粒子と第2バインダとを含む活物質層と、を具備し、
前記導電性炭素粒子が、小粒子群と大粒子群とを含み、
前記小粒子群の体積粒度分布のピークが3〜7μmの範囲にあり、
前記小粒子群の平均粒径が3〜7μmであり、
前記大粒子群の体積粒度分布のピークが10〜20μmの範囲にあり、
前記大粒子群の平均粒径が10〜20μmであり、
前記小粒子群と前記大粒子群との重量割合(小粒子群/大粒子群)が、95/5〜50/50であり、
前記導電層と前記活物質層との間の界面は、最大高さRmaxが10μm以上である粗さを有する、電気化学素子用電極。 - 前記第1バインダおよび第2バインダが、それぞれ、炭素間二重結合を有さず、かつ160℃以上の融点を有する熱可塑性樹脂、またはTgが260℃以上の熱硬化型樹脂硬化物を含む、請求項1記載の電気化学素子用電極。
- 前記第1バインダおよび第2バインダが、それぞれ、オレフィン系樹脂、合成ゴムおよびフッ素樹脂よりなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1記載の電気化学素子用電極。
- 前記第1バインダの量が、前記導電性炭素粒子100重量部に対し、3〜6重量部であり、前記第2バインダの量が、前記活物質粒子100重量部に対し、3〜6重量部である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極。
- 前記導電層および前記活物質層の少なくとも一方が、トリアジン環を有する化合物を、0.5〜3重量%含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極。
- 前記導電性炭素粒子が、黒鉛材料である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極。
- 前記活物質粒子が、活性炭、黒鉛、珪素、珪素化合物、遷移金属化合物または水素吸蔵合金である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極。
- 小粒子群の90体積%以上が粒径3〜7μmの範囲にあり、大粒子群の90体積%以上が粒径10〜20μmの範囲にある、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極。
- (i)金属箔の集電体の表面に、導電性炭素粒子と、第1バインダと、第1液状成分と、を含む第1スラリーを塗布し、導電塗膜を形成する工程、
(ii)前記導電塗膜を輻射熱により加熱し、前記導電塗膜から前記第1液状成分を揮発させる工程、
(iii)前記工程(ii)の後、前記導電塗膜の表面に、活物質粒子と、第2バインダと、第2液状成分と、を含む第2スラリーを塗布し、活物質塗膜を形成する工程、
(iv)前記導電塗膜と前記活物質塗膜との積層体を、輻射熱および温風の少なくとも一方により乾燥させる工程、を有し、
前記導電性炭素粒子が、小粒子群と大粒子群とを含み、
前記小粒子群の体積粒度分布のピークが3〜7μmの範囲にあり、
前記小粒子群の平均粒径が3〜7μmであり、
前記大粒子群の体積粒度分布のピークが10〜20μmの範囲にあり、
前記大粒子群の平均粒径が10〜20μmであり、
前記小粒子群と前記大粒子群との重量割合(小粒子群/大粒子群)が、95/5〜50/50である、電気化学素子用電極の製造方法。 - 前記工程(ii)において、前記導電塗膜の乾燥状態を、指触乾燥状態とし、
前記工程(iii)において、前記指触乾燥状態の前記導電塗膜の表面に、前記第2スラリーを塗布する、請求項9記載の電気化学素子用電極の製造方法。 - 炭素間二重結合を有さず、かつ160℃以上の融点を有する熱可塑性樹脂、またはTgが260℃以上の熱硬化型樹脂を前記第1バインダまたは前記第2バインダとして含む溶液、分散液またはエマルジョンと、前記導電性炭素粒子または前記活物質粒子とを混合して、前記第1スラリーまたは前記第2スラリーを調製する、請求項9または10記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- オレフィン系樹脂、ゴム性状高分子およびフッ素樹脂よりなる群から選択される少なくとも1種を含む溶液、分散液またはエマルジョンと、前記導電性炭素粒子または前記活物質粒子とを混合して、前記第1スラリーまたは前記第2スラリーを調製する、請求項9または10記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 前記第1スラリーおよび前記第2スラリーに、イソプレンスルフォン酸基を有する安定剤を添加する、請求項9〜12のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極の製造方法。
- 小粒子群の90体積%以上が粒径3〜7μmの範囲にあり、大粒子群の90体積%以上が粒径10〜20μmの範囲にある、請求項9〜13のいずれか1項に記載の電気化学素子用電極の製造方法。
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