JP7743304B2 - Electrode film raw material, electrodes, electrode laminates, electrochemical devices and equipment - Google Patents
Electrode film raw material, electrodes, electrode laminates, electrochemical devices and equipmentInfo
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Description
本発明は、電極フィルム原反、電極、電極積層体、電気化学デバイス及び機器に関する。 The present invention relates to electrode film substrates, electrodes, electrode laminates, electrochemical devices, and equipment.
近年、電源として用いられる二次電池の重要度が増している。二次電池は、携帯型電子機器の電源のような小型のものから、電気自動車や家庭用蓄電池のような中型、大型のものまで活発に研究開発が成されている。 In recent years, secondary batteries used as power sources have become increasingly important. Research and development of secondary batteries is being actively conducted, from small ones used as power sources for portable electronic devices to medium- and large-sized ones used in electric vehicles and home storage batteries.
二次電池は、活物質を含む一対の電極と、電極間に配置される電解質とを有する。一対の電極には、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とを含む。これらの電極として、正極活物質または負極活物質を含む活物質層と、導電性に優れた集電体とが積層した構成が知られている。 A secondary battery has a pair of electrodes containing active materials and an electrolyte disposed between the electrodes. The pair of electrodes includes a positive electrode containing a positive electrode active material and a negative electrode containing a negative electrode active material. These electrodes are known to have a configuration in which an active material layer containing a positive electrode active material or a negative electrode active material is stacked with a highly conductive current collector.
上記活物質層は、粉末状の活物質と、バインダーとを溶剤に分散させてスラリー状の合剤を調製し、得られた合剤を集電体上に塗工し、プレス加工することにより形成する。活物質層と集電体との積層体は、所望の電池形状に切削され、電極として用いられる(例えば、特許文献1参照)。 The active material layer is formed by dispersing powdered active material and a binder in a solvent to prepare a slurry mixture, then applying the mixture to a current collector and pressing it. The laminate of the active material layer and current collector is cut into the desired battery shape and used as an electrode (see, for example, Patent Document 1).
上述のように、電極を作製するためには、合剤の調整、合剤の塗工、乾燥、プレス加工等の多段階の加工を要する。二次電池の製造工程を簡略化し、製造コストを低減するために、材料面からの工夫の余地がある。 As mentioned above, producing electrodes requires multiple steps, including compound preparation, compound coating, drying, and pressing. There is room for improvement in materials to simplify the secondary battery manufacturing process and reduce manufacturing costs.
同様の課題は、二次電池に限らず、キャパシタのような他の電気化学素子においても生じ得る。 Similar issues can arise not only in secondary batteries, but also in other electrochemical elements such as capacitors.
また近年では、二次電池の大型化や汎用化に伴い、電極の材料として安価な材料が求められている。公知の正極活物質の中で、相対的に安価な材料としてはリン酸鉄リチウム(LFPが知られている。LFPは、コバルト酸リチウム等の公知の他の正極活物質と異なり、レアアースを含まず、鉄をベースとしている。そのため、原料が安価であり且つ枯渇し難いという利点がある。 In recent years, as secondary batteries have become larger and more versatile, there has been a demand for inexpensive electrode materials. Among known positive electrode active materials, lithium iron phosphate (LFP) is known as a relatively inexpensive material. Unlike other known positive electrode active materials such as lithium cobalt oxide, LFP does not contain rare earth elements and is based on iron. Therefore, it has the advantage of being inexpensive and unlikely to become depleted.
一方で、LFPは、電気伝導性が乏しいことが知られている。そのため、LFPを正極活物質として使用する上では、LFP粒子の表面をカーボンで被覆する、導電性フィラーを併用する等の工夫が必要となることが多く、安価という利点を損なっていた。使いにくい材料であった。 On the other hand, LFP is known to have poor electrical conductivity. As a result, using LFP as a positive electrode active material often requires ingenuity, such as coating the surface of the LFP particles with carbon or using a conductive filler in combination, which undermines its advantage of being inexpensive. This makes it a difficult material to use.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、電極の材料として用いられる新規な電極フィルム原反を提供することを目的とする。また、このような電極フィルム原反を材料として用いる電極、電極積層体、電気化学デバイス及び機器を提供することを併せて目的とする。 The present invention was made in light of these circumstances, and aims to provide a novel electrode film substrate to be used as an electrode material. It also aims to provide electrodes, electrode laminates, electrochemical devices, and equipment that use such electrode film substrate as materials.
発明者らは、集電体を用いることなく電極として使用可能な特性を有する材料を実現できれば、上述したような合剤の調整や、集電体への合剤の塗工等の工程を省略できると考えた。また、当該材料がフィルム形状とすることにより、フィルム(電極フィルム原反)を切削し、電池要素に貼り付けることで、電気化学デバイスを容易に製造可能と考えられる。さらに、活物質として安価なLFPを採用することで、安価に電気化学デバイスを製造可能とする材料を提供できると考えた。 The inventors believed that if they could create a material with properties that allowed it to be used as an electrode without a current collector, it would be possible to eliminate the steps described above, such as preparing the mixture and applying the mixture to the current collector. Furthermore, by forming the material into a film, electrochemical devices could be easily manufactured by cutting the film (raw electrode film) and attaching it to a battery element. Furthermore, by using inexpensive LFP as the active material, they believed they could provide a material that would enable the inexpensive manufacture of electrochemical devices.
発明者らは、上記観点から鋭意検討し、発明を完成させた。上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、以下の態様を包含する。 The inventors conducted extensive research from the above perspectives and completed the invention. To solve the above problems, one aspect of the present invention includes the following:
[1]活物質と、バインダーとを含む混合物からなり、下記(1)~(3)を満たす電極フィルム原反。
(1)下記測定方法で求めた破断強度が0.2MPa以上。
(測定方法)前記電極フィルム原反を幅15mm、長さ50mmのサイズに切削して得た試験片を、チャック間距離を30mm、引張速度を100mm/minとした条件で測定したときの、最大応力の75%の強度を破断強度とする。
(2)前記活物質はリン酸鉄リチウムを含み、前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとを含む。
(3)前記バインダーは、前記混合物全体に対し、前記スチレンブタジエンゴムを0.75質量%以上2.95質量%以下、前記ポリフッ化ビニリデンを0.25質量%以上5.25質量%以下含む。
[1] An electrode film raw sheet made of a mixture containing an active material and a binder, which satisfies the following (1) to (3):
(1) The breaking strength measured by the following measurement method is 0.2 MPa or more.
(Measurement method) The electrode film raw material was cut into a size of 15 mm in width and 50 mm in length to obtain a test piece, and the strength at 75% of the maximum stress when measured under conditions of a chuck distance of 30 mm and a tensile speed of 100 mm/min was taken as the breaking strength.
(2) The active material includes lithium iron phosphate, and the binder includes styrene butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
(3) The binder contains 0.75% by mass or more and 2.95% by mass or less of the styrene-butadiene rubber and 0.25% by mass or more and 5.25% by mass or less of the polyvinylidene fluoride relative to the entire mixture.
[2]活物質と、バインダーとを含む混合物を材料とする活物質層を有し、集電体を有さず、下記(1)~(3)を満たす電極フィルム原反。
(1)下記測定方法で求めた破断強度が0.2MPa以上。
(測定方法)前記電極フィルム原反を幅15mm、長さ50mmのサイズに切削して得た試験片を、チャック間距離を30mm、引張速度を100mm/minとした条件で測定したときの、最大応力の75%の強度を破断強度とする。
(2)前記活物質はリン酸鉄リチウムを含み、前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとを含む。
(3)前記バインダーは、前記混合物全体に対し、前記スチレンブタジエンゴムを0.75質量%以上2.95質量%以下、前記ポリフッ化ビニリデンを0.25質量%以上5.25質量%以下含む。
[2] An electrode film raw sheet having an active material layer made of a mixture containing an active material and a binder, no current collector, and satisfying the following (1) to (3):
(1) The breaking strength measured by the following measurement method is 0.2 MPa or more.
(Measurement method) The electrode film raw material was cut into a size of 15 mm in width and 50 mm in length to obtain a test piece, and the strength at 75% of the maximum stress when measured under conditions of a chuck distance of 30 mm and a tensile speed of 100 mm/min was taken as the breaking strength.
(2) The active material includes lithium iron phosphate, and the binder includes styrene butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
(3) The binder contains 0.75% by mass or more and 2.95% by mass or less of the styrene-butadiene rubber and 0.25% by mass or more and 5.25% by mass or less of the polyvinylidene fluoride relative to the entire mixture.
[3]前記活物質はリン酸鉄リチウムであり、前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとからなる[1]又は[2]に記載の電極フィルム原反。 [3] The electrode film substrate described in [1] or [2], wherein the active material is lithium iron phosphate and the binder is made of styrene-butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
[4]剥離フィルムが積層された[1]から[3]のいずれか1項に記載の電極フィルム原反。 [4] An electrode film substrate described in any one of [1] to [3], on which a release film is laminated.
[5][1]から[4]のいずれか1項に記載の電極フィルム原反を材料とする電極。 [5] An electrode made from the electrode film substrate described in any one of [1] to [4].
[6][5]に記載の電極と、セパレータ又は固体電解質膜と、が積層する電極積層体。 [6] An electrode laminate comprising the electrode described in [5] and a separator or a solid electrolyte membrane.
[7][6]に記載の電極積層体を有する電気化学デバイス。 [7] An electrochemical device having the electrode stack described in [6].
[8][7]に記載の電気化学デバイスを有する機器。 [8] An apparatus having the electrochemical device described in [7].
本発明によれば、電極の材料として用いられる新規な電極フィルム原反を提供することができる。また、このような電極フィルム原反を材料として用いる電極、電極積層体、電気化学デバイス及び機器を提供することができる。 The present invention provides a novel electrode film substrate for use as an electrode material. It also provides electrodes, electrode laminates, electrochemical devices, and equipment that use such electrode film substrate as materials.
[電極フィルム原反、電極]
図1は、本実施形態の電極フィルム原反1を示す模式図である。
[Electrode film raw material, electrodes]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electrode film raw sheet 1 of this embodiment.
用語「電極フィルム原反」とは、電極に加工する前のフィルム状の成形体を指す。典型的には、電極フィルム原反は、帯状に形成された長尺の成形体、又はこのような帯状成形体を枚葉加工して得られるシート状の成形体である。 The term "raw electrode film" refers to a film-like molded product before it is processed into an electrode. Typically, the raw electrode film is a long, strip-shaped molded product, or a sheet-shaped molded product obtained by processing such a strip-shaped molded product into sheets.
図1に示す電極フィルム原反1は、両面から剥離フィルム10で挟持されている。剥離フィルム10としては、離型処理がなされたPETフィルムなど、公知の材料を採用可能である。 The electrode film roll 1 shown in Figure 1 is sandwiched on both sides by release films 10. The release film 10 can be made of a known material, such as a PET film that has been treated for release properties.
電極フィルム原反1は、活物質と、バインダーとを含む混合物からなる。電極フィルム原反1は、集電体を有さない。 The electrode film raw sheet 1 consists of a mixture containing an active material and a binder. The electrode film raw sheet 1 does not have a current collector.
電極フィルム原反1は、(a)自立する、(b)電極として使用可能である、という特徴的な機能を有する。 The electrode film roll 1 has the characteristic functions of (a) being self-standing and (b) being usable as an electrode.
(a)自立する
電極フィルム原反1は、所望の形状に切削することで、電極に加工することができる。電極フィルム原反1を、そのまま電極としても良い。得られる電極は、基材等の付属物を有することなく切削した形状を保つことができる。このような性質を有することを、本明細書では「自立する」「自立型」と称することがある。言い換えると、電極フィルム原反1は、支持無く存在可能な剛性を有する。
(a) Self-supporting The electrode film raw roll 1 can be processed into an electrode by cutting it into a desired shape. The electrode film raw roll 1 may be used as an electrode as is. The resulting electrode can maintain the cut shape without any attachments such as a substrate. In this specification, having such a property is sometimes referred to as "self-supporting" or "self-supporting type." In other words, the electrode film raw roll 1 has enough rigidity to exist without support.
(b)電極として使用可能である
電極フィルム原反1は、所望の形状に切削することで、二次電池やキャパシタと言った電気化学デバイスの電極として用いることができる。すなわち、電極フィルム原反1は、電極として使用可能となる程度に低い電子抵抗と、高いイオン伝導性とを有する。
(b) Usable as an electrode The electrode film raw sheet 1 can be cut into a desired shape and used as an electrode for electrochemical devices such as secondary batteries and capacitors. That is, the electrode film raw sheet 1 has low electronic resistance and high ionic conductivity that enable it to be used as an electrode.
(a)(b)の機能を有する電極フィルム原反1を切削して得られた電極は、自立し(自立型電極であり)、二次電池、キャパシタ等の電気化学デバイスの部材に貼り合わせるだけで、これらの電気化学デバイスの電極として用いることができる。 The electrode obtained by cutting the electrode film roll 1 having the functions (a) and (b) is self-supporting (a free-standing electrode) and can be used as an electrode for electrochemical devices such as secondary batteries and capacitors simply by attaching it to a component of the device.
以下、電極フィルム原反1の各構成について順に説明する。 The following describes each component of the electrode film roll 1 in order.
(活物質)
電極フィルム原反1は、活物質として、オリビン型結晶構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO4。以下、「LFP」と略称することがある)を含む。LFPは、主原料として鉄を含むため、レアメタルを含む他の正極活物質と比べて安価に製造することが可能という利点がある。また、LFPは、結晶中のリン原子と酸素原子との結合が強いため、使用時や高温環境下において結晶構造が崩れにくく、安全性が高いことが知られている。
(active material)
The electrode film raw sheet 1 contains lithium iron phosphate (LiFePO 4 , hereinafter sometimes abbreviated as "LFP") with an olivine crystal structure as the active material. Because LFP contains iron as the main raw material, it has the advantage of being able to be produced more cheaply than other positive electrode active materials that contain rare metals. Furthermore, LFP is known to be highly safe because the bond between phosphorus atoms and oxygen atoms in the crystal is strong, making it less likely to collapse in crystal structure during use or in high-temperature environments.
電極フィルム原反1が有する活物質は、LFPが有する鉄の一部をMnに置き換えたリン酸マンガン鉄リチウム(LMFP)を含んでもよい。LMFPは、LFPと同様にオリビン型結晶構造を有する。 The active material contained in the electrode film substrate 1 may include lithium manganese iron phosphate (LMFP), in which some of the iron contained in LFP is replaced with Mn. LMFP, like LFP, has an olivine crystal structure.
電極フィルム原反1が有する活物質は、LFPを活物質全体の50質量%を超えて含み、80質量%以上含むと好ましく、100質量%がLFPであるとさらに好ましい。 The active material contained in the electrode film substrate 1 contains LFP in an amount exceeding 50% by mass of the total active material, preferably 80% by mass or more, and even more preferably 100% by mass.
電極フィルム原反1が有する活物質は、LFP以外の公知の正極活物質を含んでもよい。このような正極活物質としては、リチウムとコバルト、マンガン、ニッケル等の遷移金属との複合酸化物、Li貯蔵能を持つポリマーなどから選択される少なくとも1種が挙げられる。リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、リチウムイオンを可逆的にドープ・脱ドープできる化合物であればよい。 The active material contained in the electrode film roll 1 may include known positive electrode active materials other than LFP. Examples of such positive electrode active materials include at least one selected from composite oxides of lithium and transition metals such as cobalt, manganese, and nickel, and polymers with Li storage capacity. The positive electrode active material for lithium-ion secondary batteries may be any compound that can reversibly dope and undope lithium ions.
例えば、LFPと併用可能な正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO4)、Ni-Mn-Co三元系(NMC系)活物質(LiNixMnyCozO2)、Ni-Co-Al三元系(NCA系)活物質(LiNixCoyAlzO2)等を挙げることができる。 For example, examples of positive electrode active materials that can be used in combination with LFP include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 4 ), Ni-Mn-Co ternary (NMC-based) active materials (LiNi x Mn y Co z O 2 ), and Ni-Co-Al ternary (NCA-based) active materials (LiNi x Co y Al z O 2 ).
活物質としては、体積平均粒子径0.1~100μmのものが用いられる。 The active material used has a volume average particle size of 0.1 to 100 μm.
(バインダー)
バインダーは、活物質等の粒子の結着に用いられる材料であって、例えば樹脂が用いられる。バインダーとしては、電極材料として上記目的に用いられる公知の熱可塑性樹脂を採用することができる。
(binder)
The binder is a material used to bind particles of the active material, etc., and is, for example, a resin. As the binder, known thermoplastic resins used for the above-mentioned purposes as electrode materials can be used.
バインダーの機能としては、上述の「活物質等の粒子の結着」の他、(i)電極フィルム原反に高強度を付与する、(ii)電気抵抗の調整(低抵抗化)、(iii)その他の物性調整、が挙げられる。それぞれ、(i)の機能を特に強く有するバインダーを「高強度バインダー」、(ii)の機能を特に強く有するバインダーを「抵抗調整用バインダー」、(iii)を「その他バインダー」として説明する。 In addition to the aforementioned "binding of particles of active material, etc.", the functions of binders include (i) imparting high strength to the electrode film roll, (ii) adjusting electrical resistance (reducing resistance), and (iii) adjusting other physical properties. Binders that particularly strongly possess function (i) will be described as "high-strength binders," binders that particularly strongly possess function (ii) as "resistance-adjusting binders," and binders that particularly strongly possess function (iii) as "other binders."
((i)高強度バインダー)
高強度バインダーとして、エラストマーを用いることができる。エラストマーとしての性質を有するバインダーは、電極に柔軟性及び強度を付与することができ、電極使用時の活物質の体積変化に起因した破損を抑制することができる。
(i) High-Strength Binder
An elastomer can be used as the high-strength binder. A binder with elastomeric properties can impart flexibility and strength to the electrode, and can suppress breakage due to volumetric changes of the active material during use of the electrode.
高強度バインダーとしては、5MPa以上の引張強度を有することが望ましい。また、高強度バインダーは、電気化学素子(電池、キャパシタ)の内部において、電解液に対して安定であることが求められ、且つ電気化学的に安定であることが求められる。 A high-strength binder desirably has a tensile strength of 5 MPa or more. Furthermore, high-strength binders are required to be stable against the electrolyte inside electrochemical elements (batteries, capacitors) and to be electrochemically stable.
例えば、電気化学素子としてリチウムイオン電池を採用し、電極フィルム原反1を切削して得られた電極を用いる場合、高強度バインダーは、上記電極から、電池内に充填する電解液に溶出しないことが求められる。また、高強度バインダーは、3~5V(vs.Li/Li+)において酸化分解しないことが求められる。 For example, if a lithium-ion battery is used as the electrochemical element and an electrode obtained by cutting the electrode film roll 1 is used, the high-strength binder must not leach from the electrode into the electrolyte filled in the battery. Furthermore, the high-strength binder must not undergo oxidative decomposition at 3 to 5 V (vs. Li/Li+).
高強度バインダーの引張強度は、後述する破断強度の測定方法により測定した値を採用する。 The tensile strength of the high-strength binder is measured using the breaking strength measurement method described below.
本実施形態においては、高強度バインダーとして、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)を用いる。 In this embodiment, styrene-butadiene copolymer (SBR) is used as the high-strength binder.
また、バインダーは、高強度バインダーとして、SBRの他、スチレンと共役ジエンとを含む以下の共重合体を含むこととしてもよい。
・スチレン-イソプレン共重合体
・スチレン-ブタジエン-メチルメタクリレート共重合体(MBS)
・アクリロニトリル-スチレン-ブタジエン共重合体(ABS)
・アクリロニトリル-スチレン-ブタジエン-メチルメタクリレート共重合体(MABS)
・カルボキシ変性スチレンブタジエンゴム
・スチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体(SBS)
・スチレン-イソプレン-スチレンブロック共重合体(SIS)
・スチレン-イソプレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体(SIBS)
Furthermore, the binder may contain, as a high-strength binder, the following copolymer containing styrene and a conjugated diene in addition to SBR.
・Styrene-isoprene copolymer ・Styrene-butadiene-methyl methacrylate copolymer (MBS)
・Acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer (ABS)
・Acrylonitrile-styrene-butadiene-methyl methacrylate copolymer (MABS)
・Carboxy-modified styrene butadiene rubber ・Styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS)
- Styrene-isoprene-styrene block copolymer (SIS)
Styrene-isoprene-butadiene-styrene block copolymer (SIBS)
SBRを除く上記共重合体は、共重合可能な他のビニル系モノマーが共重合していてもよい。 The above copolymers, excluding SBR, may be copolymerized with other copolymerizable vinyl monomers.
ビニル系モノマーとしては、
・アルキルアクリレート等のアクリレート系モノマー
・アルキルメタクリレート等のメタクリレート系モノマー
・アルコキシアクリルアミド等のアクリルアミド系モノマー
・アルコキシメタクリルアミド等のメタクリルアミド系モノマー
・アクリル酸等のカルボン酸系モノマー
・アクリロニトリル等のニトリル系モノマー
・酢酸ビニル等のビニルエステル系モノマー
・塩化ビニル等のハロゲン化ビニル系モノマー
・アリルアクリレート等の多官能系モノマー
が挙げられる。
Vinyl monomers include:
- Acrylate monomers such as alkyl acrylate - Methacrylate monomers such as alkyl methacrylate - Acrylamide monomers such as alkoxyacrylamide - Methacrylamide monomers such as alkoxymethacrylamide - Carboxylic acid monomers such as acrylic acid - Nitrile monomers such as acrylonitrile - Vinyl ester monomers such as vinyl acetate - Vinyl halide monomers such as vinyl chloride - Polyfunctional monomers such as allyl acrylate.
これらのビニル系モノマーは、上記共重合体に1種が共重合していてもよく、2種以上が共重合していてもよい。 One or more of these vinyl monomers may be copolymerized in the copolymer.
((ii)抵抗調整用バインダー)
本実施形態においては、抵抗調整用バインダーとして、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いる。
(ii) Resistance Adjusting Binder
In this embodiment, polyvinylidene fluoride (PVdF) is used as the resistance adjusting binder.
また、バインダーは、抵抗調整用バインダーとして、PVdFの他、アクリレート系バインダー、ポリイミド系バインダーを含むこととしてもよい。抵抗調整用バインダーは、3~5V(vs.Li/Li+)において酸化分解しないことが求められる。 In addition to PVdF, the binder may also contain an acrylate-based binder or a polyimide-based binder as a resistance-adjusting binder. The resistance-adjusting binder is required to not undergo oxidative decomposition at 3 to 5 V (vs. Li/Li+).
(i)高強度バインダーは電気化学的に不活性であると考えられ、活物質を(i)高強度バインダーで完全に覆ってしまうと、活物質の電気化学反応が生じず、且つ電極の抵抗が増大すると考えられる。対して、上述のような(ii)抵抗調整用バインダーを併用することにより、(i)高強度バインダーで活物質を覆うことによる抵抗の増大を抑制することができる。 (i) High-strength binders are thought to be electrochemically inactive, and if the active material were completely covered with (i) high-strength binders, electrochemical reactions of the active material would not occur and the resistance of the electrode would increase. In contrast, by using the above-mentioned (ii) resistance-adjusting binders in combination, it is possible to suppress the increase in resistance caused by covering the active material with (i) high-strength binders.
((iii)その他バインダー(接着性バインダー))
接着性バインダーとして、反応性官能基やアンカー効果を有する樹脂材料を用いることができる。反応性官能基としては、水酸基(-OH)、カルボキシ基(-COOH)を挙げることができる。電極フィルム原反がこのようなバインダーを含むと、電極フィルム原反から得られる電極を他の部材に貼合する際、反応性官能基が貼合面で反応し、接着強度を高めることが期待できる。
((iii) Other binders (adhesive binders))
The adhesive binder can be a resin material having a reactive functional group or an anchoring effect. Examples of reactive functional groups include a hydroxyl group (-OH) and a carboxyl group (-COOH). If the electrode film raw roll contains such a binder, when an electrode obtained from the electrode film raw roll is laminated to another component, the reactive functional group is expected to react at the lamination surface, thereby increasing the adhesive strength.
また、電極フィルム原反が接着性バインダーを含むことにより、電極フィルム原反から製造する自立型電極を他の部材に接着しやすくなる。 In addition, since the electrode film raw roll contains an adhesive binder, the free-standing electrodes manufactured from the electrode film raw roll can be more easily adhered to other components.
接着性バインダーは、電気化学的に安定であり、その他の部材、特に電解液にさらされても接着性を有することが望ましい。 It is desirable that the adhesive binder be electrochemically stable and maintain its adhesive properties even when exposed to other components, especially the electrolyte.
例えば、電気化学素子としてリチウムイオン電池を採用し、電極フィルム原反1を切削して得られた電極を用いる場合、接着性バインダーは、上記電極から、電池内に充填する電解液に溶出しないこと、及び、電解液に曝されても反応性官能基が失活しにくいことが求められる。 For example, if a lithium-ion battery is used as the electrochemical element and an electrode obtained by cutting the electrode film roll 1 is used, the adhesive binder is required to not dissolve from the electrode into the electrolyte filled in the battery, and to have reactive functional groups that are not easily deactivated even when exposed to the electrolyte.
また、接着性バインダーは、3~5V(vs.Li/Li+)において酸化分解しないことが求められる。 In addition, the adhesive binder is required not to undergo oxidative decomposition at 3 to 5 V (vs. Li/Li+).
このようなバインダーとしては、カルボキシメチルセルロース(CMC)系バインダー、ポリアクリル酸(PAA)系バインダー、ビニルアルコール系バインダー、エポキシ系バインダーから選択される少なくとも1種が挙げられる。 Such binders include at least one selected from the group consisting of carboxymethyl cellulose (CMC)-based binders, polyacrylic acid (PAA)-based binders, vinyl alcohol-based binders, and epoxy-based binders.
また、接着性バインダーとして、ポリイソブチレン(PIB)を用いることもできる。 Polyisobutylene (PIB) can also be used as an adhesive binder.
電極フィルム原反を構成する混合物は、上述の活物質およびバインダーのほか、物性調整のため必要に応じて、導電材等の添加物を含有してもよい。導電材としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、炭素繊維、活性炭、金属粉、導電性ポリマー等から選択される少なくとも1種が挙げられる。導電材は、活物質のような活性を有する必要はなく、電極の内部における導電性を向上させる材料であればよい。 In addition to the active material and binder described above, the mixture that makes up the electrode film roll may contain additives such as conductive materials as needed to adjust physical properties. Examples of conductive materials include at least one selected from carbon black such as acetylene black, carbon fiber, activated carbon, metal powder, conductive polymers, etc. The conductive material does not need to be as active as the active material; it need only be a material that improves conductivity within the electrode.
また、電極フィルム原反を構成する混合物は、カーボンナノチューブ(CNT)を含んでいてもよい。CNTを添加した電極フィルム原反では、破断強度の向上と、導電性の向上とが期待できる。 The mixture that makes up the electrode film base may also contain carbon nanotubes (CNTs). Electrode film base with added CNTs is expected to have improved breaking strength and conductivity.
また、電極フィルム原反の厚さは、1μm以上1000μm以下であると好ましい。 Furthermore, it is preferable that the thickness of the electrode film raw material be 1 μm or more and 1000 μm or less.
上記材料の混合物からなる電極フィルム原反は、上記(a)(b)の機能を発現するために、以下の要件(1)~(3)を満たす。 The electrode film raw material made from the mixture of the above materials must satisfy the following requirements (1) to (3) in order to achieve the functions (a) and (b) above.
(要件(1))
上述したように、電極フィルム原反1は、「(a)自立する」という特徴を有する。このような剛性を有する電極フィルム原反1は、下記測定方法で求めた破断強度が0.2MPa以上である。
(Requirement (1))
As described above, the electrode film raw sheet 1 has the characteristic of “(a) being self-supporting.” The electrode film raw sheet 1 having such rigidity has a breaking strength of 0.2 MPa or more as determined by the following measurement method.
(破断強度の測定方法)
電極フィルム原反を幅15mm、長さ50mmのサイズに切削して得た試験片を、チャック間距離を30mm、引張速度を100mm/minとした条件で測定したときの、最大応力の75%の強度を破断強度とする。
(Method for measuring breaking strength)
A test piece obtained by cutting an original electrode film into a size of 15 mm in width and 50 mm in length is measured under conditions of a chuck distance of 30 mm and a tensile speed of 100 mm/min. The strength at 75% of the maximum stress is defined as the breaking strength.
試験片が破断したときの引張力(N)の大きさを最大応力とし、最大応力の75%の応力を求める。75%の応力(N)を、引張方向と直交する仮想面における試験片の断面積(mm2)で除した値(N/mm2=MPa)を破断強度として求める。 The tensile force (N) at which the test piece breaks is defined as the maximum stress, and the stress at 75% of the maximum stress is calculated. The breaking strength is calculated by dividing the 75% stress (N) by the cross-sectional area (mm 2 ) of the test piece in a virtual plane perpendicular to the tensile direction (N/mm 2 = MPa).
測定を5回行い、5回の算術平均値を破断強度として採用する。 Measurements are performed five times and the arithmetic mean of the five measurements is used as the breaking strength.
電極フィルム原反がこのような破断強度を有することにより、電極フィルム原反から切削される電極を自立させることができる。電極を自立させることにより、後の組み立て工程において、電極の取扱いが容易になる。 Because the electrode film roll has this level of breaking strength, the electrodes cut from the electrode film roll can stand on their own. Making the electrodes stand on their own makes them easier to handle in the subsequent assembly process.
破断強度は、0.1MPa以上が好ましく、0.2MPa以上がより好ましい。また、破断強度は高いほど破損し難いため好ましいと言えるが、10MPa以下であればよく、5MPa以下であってもよい。 The breaking strength is preferably 0.1 MPa or more, and more preferably 0.2 MPa or more. It is preferable that the breaking strength is higher, as it is less likely to break, but it is sufficient that the breaking strength is 10 MPa or less, and it can also be 5 MPa or less.
(要件(2)(3))
上述したように電極フィルム原反1は、「(b)電極として使用可能である」という特徴を有する。このような性質を有する電極フィルム原反1は、下記要件(2)(3)を満たす。
要件(2):活物質はリン酸鉄リチウムを含み、バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとを含む。
要件(3):バインダーは、混合物全体に対し、スチレンブタジエンゴムを0.75質量%以上2.95質量%以下、ポリフッ化ビニリデンを0.25質量%以上5.25質量%以下含む。
(Requirements (2) and (3))
As described above, the electrode film raw sheet 1 has the characteristic of being “(b) usable as an electrode.” The electrode film raw sheet 1 having such properties satisfies the following requirements (2) and (3).
Requirement (2): The active material contains lithium iron phosphate, and the binder contains styrene-butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
Requirement (3): The binder contains 0.75% by mass or more and 2.95% by mass or less of styrene-butadiene rubber and 0.25% by mass or more and 5.25% by mass or less of polyvinylidene fluoride relative to the entire mixture.
バインダーは、要件(3)を満たすならば、上述の各種のバインダーを含むことができる。 The binder may include any of the various binders listed above, provided that requirement (3) is met.
以上のような電極フィルム原反において、電極フィルム原反を構成する混合物は、混合物全体に対し、活物質を85質量%以上97質量%以下含み、バインダーを3質量%以上15質量%以下含むとよい。 In the electrode film raw sheet described above, the mixture that constitutes the electrode film raw sheet preferably contains 85% by mass or more and 97% by mass or less of active material and 3% by mass or more and 15% by mass or less of binder, based on the entire mixture.
混合物が導電材等の添加物を含有する場合、混合物は、混合物全体に対し、添加物の機能に応じて予備実験により設定した割合で添加物を含むとよい。例えば、混合物が添加物として導電材を含有する場合、混合物は、混合物全体に対し、活物質を85質量%以上97質量%以下含み、バインダーを1質量%以上10質量%以下含み、導電材を2質量%以上5質量%以下含むとよい。 If the mixture contains an additive such as a conductive material, the mixture should contain the additive in a proportion determined by preliminary experiments based on the additive's function. For example, if the mixture contains a conductive material as an additive, the mixture should contain 85% to 97% by mass of active material, 1% to 10% by mass of binder, and 2% to 5% by mass of conductive material, based on the total mixture.
[電極フィルム原反の製造方法]
電極フィルム原反は、上述の混合物を溶媒に溶解または分散させたスラリー(塗料)を、支持体上に塗布し、溶媒を除去することにより製造することができる。
[Method of manufacturing electrode film raw material]
The electrode film raw sheet can be produced by applying a slurry (paint) prepared by dissolving or dispersing the above-mentioned mixture in a solvent onto a support, and then removing the solvent.
溶媒は、少なくともバインダーを溶解させる溶媒を用いる。溶媒としては、炭化水素系溶媒、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、アミド系溶媒、ハロゲン系溶媒、硫黄系溶媒、無機系溶媒等が挙げられる。 The solvent used should be one that can dissolve at least the binder. Examples of solvents include hydrocarbon solvents, alcohol solvents, ether solvents, ketone solvents, ester solvents, amide solvents, halogen-based solvents, sulfur-based solvents, and inorganic solvents.
炭化水素系溶媒としては、ヘプタン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Hydrocarbon solvents include heptane, cyclohexane, toluene, xylene, etc.
アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノール等が挙げられる。 Examples of alcohol-based solvents include methanol and ethanol.
エーテル系溶媒としては、テトラヒドロフラン、ジオキサン等が挙げられる。 Examples of ether solvents include tetrahydrofuran and dioxane.
ケトン系溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン等が挙げられる。 Ketone solvents include acetone and methyl ethyl ketone.
エステル系溶媒としては、酢酸エチル、乳酸エチル等が挙げられる。 Examples of ester solvents include ethyl acetate and ethyl lactate.
アミド系溶媒としては、ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン等が挙げられる。 Examples of amide solvents include dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone.
ハロゲン系溶媒としては、クロロホルム、ジクロロメタン等が挙げられる。 Halogen-based solvents include chloroform and dichloromethane.
硫黄系溶媒としては、ジメチルスルホキシド、スルホラン等が挙げられる。 Sulfur-based solvents include dimethyl sulfoxide and sulfolane.
無機系溶媒としては、水が挙げられる。 An example of an inorganic solvent is water.
上記溶媒は、1種のみ用いてもよく、2種以上を混合した混合溶媒を用いてもよい。 The above solvents may be used alone or as a mixed solvent containing two or more solvents.
塗料を調製する方法は特に限定されないが、活物質、バインダー、任意に添加される添加物等を、1種ずつ、又は2種以上を同時に溶媒と混合し、溶媒に溶解または分散させればよい。 There are no particular limitations on the method for preparing the paint, but it is sufficient to mix the active material, binder, optional additives, etc., one by one or two or more at the same time with a solvent and dissolve or disperse them in the solvent.
溶媒に対する固形分(活物質、バインダー、任意に添加される添加物)の添加順には制限はない。可溶成分を溶媒に溶解させた溶液に不溶成分を添加して、不溶成分を溶液に分散させてもよい。また、不溶成分を溶媒に分散させた分散液に可溶成分を添加して、可溶成分を分散液に溶解させてもよい。 There are no restrictions on the order in which the solid components (active material, binder, and optional additives) are added to the solvent. The insoluble components may be added to a solution in which the soluble components are dissolved in a solvent, and the insoluble components may be dispersed in the solution. Alternatively, the soluble components may be added to a dispersion in which the insoluble components are dispersed in a solvent, and the soluble components may be dissolved in the dispersion.
スラリー又は溶液を調製した後にさらに溶媒を添加して、塗料の粘度を調整してもよい。 After preparing the slurry or solution, additional solvent may be added to adjust the viscosity of the paint.
脱泡、ろ過等の処理により、塗料の状態を調整してもよい。消泡剤、粘度調整剤、増粘剤、希釈剤、界面活性剤、安定剤等の添加物を塗料に添加してもよい。 The condition of the paint may be adjusted by processes such as degassing and filtration. Additives such as defoamers, viscosity modifiers, thickeners, diluents, surfactants, and stabilizers may also be added to the paint.
塗料を塗布する方法は、特に限定されないが、ブレードコート、ディップコート、スプレーコート、バーコート、ダイコート等が挙げられる。 The method for applying the paint is not particularly limited, but examples include blade coating, dip coating, spray coating, bar coating, and die coating.
塗料の塗布対象物(支持体)は、離形処理された樹脂フィルムが好ましい。支持体は、帯状の長尺のものであってもよく、長尺の支持体を枚葉加工して得られる小型のシートであってもよい。 The object (substrate) to be coated with the paint is preferably a release-treated resin film. The substrate may be a long strip, or a small sheet obtained by processing a long substrate into sheets.
また、塗料の塗布対象物は、集電体、セパレータ、固体電解質等の電池部材であってもよい。これらの電池部材に塗料を直接塗布することで、塗膜と電池部材とを一体化させてもよい。 The object to be coated with the paint may also be a battery component such as a current collector, separator, or solid electrolyte. By applying the paint directly to these battery components, the coating film and the battery component may be integrated.
塗料を塗布して形成された塗膜から溶媒を除去することにより、電極シート原反を形成することができる。溶媒は、加熱、減圧、送風及びこれらの組み合わせにより除去することができる。 The electrode sheet raw material can be formed by applying a paint and removing the solvent from the coating film formed. The solvent can be removed by heating, reducing pressure, blowing air, or a combination of these.
乾燥後の塗膜を、プレス加工してもよい。例えば、乾燥後の塗膜をプレス機等で圧縮することにより、電極に含まれる活物質、導電材等の粒子の接触状態を改善することができる。 The dried coating film may be pressed. For example, by compressing the dried coating film with a press, the contact state of the particles of the active material, conductive material, etc. contained in the electrode can be improved.
支持体として帯状の長尺のものを用いた場合、電極フィルム原反は、ロール状に巻き取って保管、輸送してもよく、さらに枚葉加工を施し、複数枚のシート状の電極フィルム原反としてもよい。 When a long, strip-shaped support is used, the electrode film raw material may be wound into a roll for storage and transportation, or may be further processed into multiple sheet-shaped electrode film raw material.
このようにして、電極フィルム原反が得られる。 In this way, the electrode film roll is obtained.
図3は、本実施形態の電極フィルム原反2を示す模式図である。
図3に示す電極フィルム原反2は、活物質層21と、機能層22とを有する。電極フィルム原反2も、両面から剥離フィルム10で挟持されている。活物質層21は、活物質と、バインダーとを含む混合物を材料とする。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the electrode film raw material 2 of this embodiment.
3 has an active material layer 21 and a functional layer 22. The electrode film raw sheet 2 is also sandwiched on both sides by release films 10. The active material layer 21 is made of a mixture containing an active material and a binder.
電極フィルム原反2は、集電体を有さない。 The electrode film roll 2 does not have a current collector.
活物質層21を構成する混合物は、上述の電極フィルム原反1を構成する混合物と同じものを採用することができる。 The mixture that constitutes the active material layer 21 can be the same as the mixture that constitutes the electrode film substrate 1 described above.
機能層22としては、電極の機能を改善する目的で付属される層であれば特に限定されない。機能層22としては、例えば、放熱層、平坦化層、応力緩和層、密着層等が挙げられる。 The functional layer 22 is not particularly limited as long as it is a layer added for the purpose of improving the function of the electrode. Examples of functional layers 22 include a heat dissipation layer, a planarization layer, a stress relief layer, and an adhesion layer.
電極フィルム原反2も、上記要件(1)~(3)を満たす。 The electrode film roll 2 also satisfies the above requirements (1) to (3).
電極フィルム原反2は、上述の電極フィルム原反1と同様の方法で、電極フィルム原反1に該当する活物質層21を作製した後、活物質層21の表面に機能層22を作製することで製造できる。機能層22は、公知の材料を用い、公知の方法により適宜製造することができる。 The electrode film raw sheet 2 can be manufactured by producing an active material layer 21 corresponding to the electrode film raw sheet 1 in the same manner as the electrode film raw sheet 1 described above, and then forming a functional layer 22 on the surface of the active material layer 21. The functional layer 22 can be manufactured appropriately using known materials and known methods.
以上のような構成の電極フィルム原反によれば、電極の材料として用いられる新規な電極フィルム原反を提供することができる。 By using an electrode film base roll configured as described above, it is possible to provide a new electrode film base roll that can be used as an electrode material.
また、以上のような構成の電極は、自立し取り扱いが容易なものとなる。 In addition, electrodes configured as described above are self-standing and easy to handle.
[電極積層体]
電極積層体は、上述の電極と、セパレータ又は固体電解質膜と、が積層する積層体である。電極積層体において、電極は、セパレータ又は固体電解質膜と直接接していてもよく、間に他の部材を挟持していてもよい。
[Electrode laminate]
The electrode stack is a stack in which the above-mentioned electrode and a separator or a solid electrolyte membrane are stacked. In the electrode stack, the electrode may be in direct contact with the separator or the solid electrolyte membrane, or another member may be sandwiched between them.
電極とセパレータとの電極積層体は、主として電解液を用いる電気化学デバイスに用いられる。電極と固体電解質との電極積層体は、電気化学デバイスの一種である全固体二次電池に用いられる。 Electrode laminates made of electrodes and separators are primarily used in electrochemical devices that use electrolyte solutions. Electrode laminates made of electrodes and solid electrolytes are used in all-solid-state secondary batteries, a type of electrochemical device.
セパレータは、正極と負極との間を絶縁し、電極の機能に必要なイオン透過性を有する材料である。セパレータとしては、特に限定されず公知の樹脂フィルム、多孔質膜などを用いることができる。 The separator is a material that provides insulation between the positive and negative electrodes and has the ion permeability necessary for the electrodes to function. There are no particular limitations on the separator, and known resin films, porous membranes, etc. can be used.
樹脂フィルムとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン、アラミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルホン等が挙げられる。イオン透過性を付与するため、樹脂フィルムを多孔性としてもよい。 Examples of resin films include polypropylene, polyethylene, polyolefin, aramid, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, and polyethersulfone. The resin film may be made porous to impart ion permeability.
多孔質膜としては、織布、不織布、セルロース、セラミック等が挙げられる。 Porous membranes include woven fabric, nonwoven fabric, cellulose, ceramic, etc.
固体電解質膜は、通常知られた固体電解質を板状又は膜状に加工した部材である。固体電解質膜の材料としては、通常知られた無機系固体電解質、高分子系固体電解質のいずれも用いることができる。 A solid electrolyte membrane is a component made by processing a commonly known solid electrolyte into a plate or film. Both commonly known inorganic solid electrolytes and polymer solid electrolytes can be used as materials for the solid electrolyte membrane.
無機固体電解質としては、硫化物系無機固体電解質、酸化物系無機固体電解質、その他のリチウム系無機固体電解質のいずれも用いることができる。 As the inorganic solid electrolyte, any of sulfide-based inorganic solid electrolytes, oxide-based inorganic solid electrolytes, and other lithium-based inorganic solid electrolytes can be used.
硫化物系無機固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-GeS2、Li2S-Al2S3、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-P2S5-GeS2、Li2S-Li2O-P2S5-SiS2、Li2S-GeS2-P2S5-SiS2、Li2S-SnS2-P2S5-SiS2等が挙げられる。 Examples of sulfide-based inorganic solid electrolytes include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—Al 2 S 3 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—P 2 S 5 —GeS 2 , Li 2 S—Li 2 O—P 2 S 5 —SiS 2 , Li 2 S—GeS 2 —P 2 S 5 —SiS 2 , Li 2 S—SnS 2 —P 2 S 5 —SiS 2 , and the like.
酸化物系無機固体電解質としては、例えば、LiTi2(PO4)3、LiZr2(PO4)3、LiGe2(PO4)3等のNASICON型、(La0.5+xLi0.5-3x)TiO3等のペロブスカイト型等が挙げられる。 Examples of oxide-based inorganic solid electrolytes include NASICON-type electrolytes such as LiTi 2 (PO 4 ) 3 , LiZr 2 (PO 4 ) 3 and LiGe 2 (PO 4 ) 3 , and perovskite-type electrolytes such as (La 0.5+x Li 0.5-3x )TiO 3 .
その他のリチウム系無機固体電解質材料としては、例えば、LiPON、LiNbO3、LiTaO3、Li3PO4、LiPO4-xNx(xは0<x≦1)、LiN、LiI、LISICON等が挙げられる。 Other examples of lithium-based inorganic solid electrolyte materials include LiPON, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 3 PO 4 , LiPO 4-x N x (x is 0<x≦1), LiN, LiI, and LISICON.
高分子系固体電解質としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などのイオン伝導性を示す高分子材料が挙げられる。 Examples of polymer solid electrolytes include polymer materials that exhibit ionic conductivity, such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, and copolymers of these.
他の部材としては、例えば電極表面を保護する保護膜が挙げられる。保護膜としては、電極の表面において活物質等の粒子の脱落や、電解質と電極との過剰な反応等から電極を保護することができる材料であれば特に限定されない。 An example of such a material is a protective film that protects the electrode surface. There are no particular restrictions on the protective film, as long as it is made of a material that can protect the electrode from particles such as active material falling off the electrode surface and excessive reactions between the electrolyte and the electrode.
[電気化学デバイス]
電気化学デバイスは、上記電極積層体を有する。電気化学デバイスとしては、二次電池、キャパシタが挙げられる。
[Electrochemical Devices]
An electrochemical device includes the electrode laminate, and examples of the electrochemical device include a secondary battery and a capacitor.
二次電池としては、電池のセル、セルを複数接続して作製されたモジュール、モジュールを複数接続して作製されたパック等が挙げられる。電気化学デバイスの製品には、過充電、過放電等の異常を防止するためのセンサ、制御回路等を備えていてもよい。電池を電気的に外部と接続するため、電極にはリード(端子)が取り付けられてもよい。 Secondary batteries include battery cells, modules made by connecting multiple cells, and packs made by connecting multiple modules. Electrochemical device products may also be equipped with sensors and control circuits to prevent abnormalities such as overcharging and over-discharging. Leads (terminals) may be attached to the electrodes to electrically connect the battery to the outside.
セパレータを有する電極積層体は、電解液を有する二次電池に用いられる。リチウムイオン二次電池の電解質としては、リチウム塩を非水系溶媒に溶解した溶液が挙げられる。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLi等が挙げられる。非水系溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等のカーボネート(炭酸エステル)が挙げられる。 The electrode laminate having a separator is used in a secondary battery having an electrolytic solution. The electrolyte of the lithium ion secondary battery can be a solution in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent . Examples of the lithium salt include LiPF6 , LiBF4 , LiAlCl4, LiClO4 , CF3SO3Li , C4F9SO3Li , CF3COOLi , ( CF3CO ) 2NLi , ( CF3SO2 ) 2NLi , ( C2F5SO2 ) 2NLi , etc. Examples of the non - aqueous solvent can include carbonates ( carbonate esters) such as ethylene carbonate ( EC ), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC).
電気化学デバイスは、上記電極積層体を、他の必要な部材、例えば、セパレータ、他の電極(対極)等と組み合わせることにより作製することができる。対極は、本実施形態の電極と異なってもよい。 An electrochemical device can be produced by combining the above-described electrode laminate with other necessary components, such as a separator and another electrode (counter electrode). The counter electrode may be different from the electrode in this embodiment.
電極積層体を収容する容器は、ラミネートフィルムや金属等から形成することができる。電極積層体は、容器内で平坦に配置されてもよく、湾曲、屈曲、巻回等された状態で収容されてもよい。 The container that houses the electrode stack can be made of laminate film, metal, etc. The electrode stack may be placed flat inside the container, or may be housed in a curved, bent, wound, etc. state.
[機器]
セルを複数接続することで、モジュールを作製することができる。モジュールを複数接続することで、パックを作製することができる。セル、モジュール、パック等の電池を用いて作製された機器としては、特に限定されないが、例えば、スマートフォン、携帯電話、コンピュータ、ディスプレイ等の電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車等の輸送機器が挙げられる。
[device]
A module can be produced by connecting multiple cells. A pack can be produced by connecting multiple modules. Devices produced using batteries such as cells, modules, and packs include, but are not limited to, electronic devices such as smartphones, mobile phones, computers, and displays, and transportation devices such as electric vehicles and hybrid vehicles.
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The above describes preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these examples. The shapes and combinations of the components shown in the above examples are merely examples, and various modifications can be made based on design requirements, etc., without departing from the spirit of the present invention.
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1~11、比較例1~5)
実施例及び比較例で用いた各材料は以下の通りである。
(Examples 1 to 11, Comparative Examples 1 to 5)
The materials used in the examples and comparative examples are as follows.
(バインダー)
SBR:スチレン-ブタジエンゴム、Sigma-Aldrich社製、型番182877
PVdF:ポリフッ化ビニリデン、Solvay社製、型番5130
(binder)
SBR: Styrene-butadiene rubber, manufactured by Sigma-Aldrich, model number 182877
PVdF: Polyvinylidene fluoride, Solvay, model number 5130
(正極活物質)
LFP:Formosa Lithium Iron Corp.製、型番SFCM30050
(Cathode active material)
LFP: Formosa Lithium Iron Corp., model number SFCM30050
(導電材)
AB:アセチレンブラック、Alfa Aesar社製、型番45527
(Conductive material)
AB: Acetylene black, manufactured by Alfa Aesar, model number 45527
各バインダーを溶媒に溶解して下記濃度の溶液とした後、表1に示す比率で各バインダーを混合し、バインダー溶液を得た。
SBR:24質量%トルエン溶液
PVdF:6質量%NMP(N-メチル-2-ピロリドン)溶液
Each binder was dissolved in a solvent to prepare a solution having the following concentration, and then the binders were mixed in the ratios shown in Table 1 to obtain a binder solution.
SBR: 24% by mass toluene solution PVdF: 6% by mass NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solution
振動混合機を用いて、活物質及び導電材(アセチレンブラック)を表1に示す比率で混合し、混合粉体を得た。 The active material and conductive material (acetylene black) were mixed in the ratios shown in Table 1 using a vibration mixer to obtain a mixed powder.
混合粉体と、バインダー溶液とを表1に示す比率で混合し、スラリー状態とした。さらにトルエンを加えて粘度調整を行った。 The mixed powder and binder solution were mixed in the ratio shown in Table 1 to form a slurry. Toluene was then added to adjust the viscosity.
スラリーを脱泡処理し、目開き100μmの篩を通過させて実施例、比較例の塗料を得た。 The slurry was degassed and passed through a sieve with 100 μm openings to obtain the paints of the examples and comparative examples.
離型処理がされたPETフィルムに、得られた塗料を5mAh/cm2となるように塗布した。具体的には、目標とする電極の容量と、用いる活物質の比容量(単位:mAh/g)とから、活物質の単位面積当たり質量(塗布質量。単位:g/cm2)を算出して塗布する。塗膜を120℃で12分加熱することで乾燥させた。乾燥させた後、ロールプレス機で圧縮して密度を正極:2.4g/cm3とし、実施例及び比較例の電極フィルム原反を得た。 The resulting coating material was applied to a release-treated PET film to a capacity of 5 mAh/ cm2 . Specifically, the mass per unit area of the active material (applied mass, unit: g/ cm2 ) was calculated and applied based on the target electrode capacity and the specific capacity (unit: mAh/g) of the active material used. The coating film was dried by heating at 120°C for 12 minutes. After drying, it was compressed using a roll press to a density of 2.4 g/ cm3 (positive electrode), and raw electrode film rolls for the Examples and Comparative Examples were obtained.
活物質の比容量は、用いた活物質のメーカ公称値を用いた。 The specific capacity of the active material was determined using the manufacturer's nominal value for the active material used.
[破断強度の測定]
電極フィルム原反の破断強度は、上述の(破断強度の測定方法)に記載の方法で測定した。
[Measurement of Breaking Strength]
The breaking strength of the raw electrode film was measured by the method described above in (Method for measuring breaking strength).
[電池の作製:正極活物質を有する電極フィルム原反]
電極フィルム原反から、コイン型電池R2032用の正極を切り出した。
各部材を105℃で真空乾燥させた後、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で組み立てを行った。
[Fabrication of Battery: Electrode Film Raw Sheet Having Positive Electrode Active Material]
A positive electrode for a coin-type battery R2032 was cut out from the electrode film roll.
After each component was dried in a vacuum at 105° C., assembly was carried out in a glove box under an argon atmosphere.
コイン型電池R2032用の下蓋に作製した試験極を配置した。試験極の上にセパレータ(セルガード社製、セルガード2300)を配置した後、電解液(LiPF6の1mol/L溶液)を注入した。電解液の溶媒には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートを1:1:1(体積比)で混合した混合溶媒を用いた。 The prepared test electrode was placed on the bottom cover of a coin-type battery R2032. A separator (Celgard 2300, manufactured by Celgard) was placed on the test electrode, and then an electrolyte (1 mol/L solution of LiPF6 ) was poured into the electrode. The electrolyte solvent was a mixed solvent of ethylene carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate in a 1:1:1 (volume ratio).
セパレータの上に対極(金属リチウム)を配置し蓋をした後、12時間静置して電解液を全体に浸漬させることにより、リチウム二次電池を作製した。 A counter electrode (metallic lithium) was placed on top of the separator, the lid was placed on top, and the battery was left to stand for 12 hours to allow the entire battery to be soaked in the electrolyte, thereby producing a lithium secondary battery.
[容量維持率]
作製したリチウム二次電池について、0.05Cで3.80Vまで充電した状態(SOC100%)とし、5分間の休止をする。この後、0.05Cにて定電流放電を行い、定電流放電における放電容量を測定した。3回連続して測定を行い、初回、2回目、3回目の放電容量の算術平均値を「0.05Cの放電容量」(基準容量)とした(1C=5mA/cm2)。
[Capacity maintenance rate]
The fabricated lithium secondary battery was charged to 3.80 V at 0.05 C (SOC 100%) and then rested for 5 minutes. Subsequently, a constant current discharge was performed at 0.05 C, and the discharge capacity during constant current discharge was measured. Three consecutive measurements were performed, and the arithmetic mean value of the first, second, and third discharge capacities was taken as the "0.05 C discharge capacity" (reference capacity) (1 C = 5 mA/cm 2 ).
また、0.6Cで定電流放電を行ったこと以外は上記条件と同様とし、「0.05Cの放電容量」を測定したリチウム二次電池と同じ電池を用いて「0.6Cの放電容量」を求めた。 The "0.6C discharge capacity" was also determined using the same lithium secondary battery as that used to measure the "0.05C discharge capacity" under the same conditions as above, except that constant current discharge was performed at 0.6C.
(計算方法)
下記式から容量維持率を求めた。
容量維持率=0.6Cの放電容量/0.05Cの放電容量×100%
(Calculation method)
The capacity retention rate was calculated using the following formula.
Capacity retention rate = 0.6C discharge capacity / 0.05C discharge capacity × 100%
評価結果を表1に示す。表中、破断強度の「測定不可」とは、試験片が脆過ぎて測定ができなかったことを意味する。 The evaluation results are shown in Table 1. In the table, "Not measurable" for breaking strength means that the test piece was too brittle to measure.
以上の結果より、本発明は有用であることが分かった。 These results demonstrate the usefulness of this invention.
1,2…電極フィルム原反、10…剥離フィルム、21…活物質層、22…機能層 1, 2... Electrode film roll, 10... Release film, 21... Active material layer, 22... Functional layer
Claims (8)
(1)下記測定方法で求めた破断強度が0.2MPa以上。
(測定方法)前記電極フィルム原反を幅15mm、長さ50mmのサイズに切削して得た試験片を、チャック間距離を30mm、引張速度を100mm/minとした条件で測定したときの、最大応力の75%の強度を破断強度とする。
(2)前記活物質はリン酸鉄リチウムを含み、前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとを含む。
(3)前記バインダーは、前記混合物全体に対し、前記スチレンブタジエンゴムを0.75質量%以上2.95質量%以下、前記ポリフッ化ビニリデンを0.25質量%以上5.25質量%以下含む。 An electrode film raw sheet made of a mixture containing an active material and a binder, and satisfying the following (1) to (3):
(1) The breaking strength measured by the following measurement method is 0.2 MPa or more.
(Measurement method) The electrode film raw material was cut into a size of 15 mm in width and 50 mm in length to obtain a test piece, and the strength at 75% of the maximum stress when measured under conditions of a chuck distance of 30 mm and a tensile speed of 100 mm/min was taken as the breaking strength.
(2) The active material includes lithium iron phosphate, and the binder includes styrene butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
(3) The binder contains 0.75% by mass or more and 2.95% by mass or less of the styrene-butadiene rubber and 0.25% by mass or more and 5.25% by mass or less of the polyvinylidene fluoride relative to the entire mixture.
集電体を有さず、
下記(1)~(3)を満たす電極フィルム原反。
(1)下記測定方法で求めた破断強度が0.2MPa以上。
(測定方法)
前記電極フィルム原反を幅15mm、長さ50mmのサイズに切削して得た試験片を、チャック間距離を30mm、引張速度を100mm/minとした条件で測定したときの、最大応力の75%の強度を破断強度とする。
(2)前記活物質はリン酸鉄リチウムを含み、前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとを含む。
(3)前記バインダーは、前記混合物全体に対し、前記スチレンブタジエンゴムを0.75質量%以上2.95質量%以下、前記ポリフッ化ビニリデンを0.25質量%以上5.25質量%以下含む。 an active material layer made of a mixture containing an active material and a binder;
No current collector is provided.
An electrode film substrate that satisfies the following (1) to (3):
(1) The breaking strength measured by the following measurement method is 0.2 MPa or more.
(Measurement method)
The electrode film raw sheet was cut into a size of 15 mm in width and 50 mm in length to obtain a test piece, and the strength at 75% of the maximum stress when measured under conditions of a chuck distance of 30 mm and a tensile speed of 100 mm/min was defined as the breaking strength.
(2) The active material includes lithium iron phosphate, and the binder includes styrene butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
(3) The binder contains 0.75% by mass or more and 2.95% by mass or less of the styrene-butadiene rubber and 0.25% by mass or more and 5.25% by mass or less of the polyvinylidene fluoride relative to the entire mixture.
前記バインダーはスチレンブタジエンゴムとポリフッ化ビニリデンとからなる請求項1又は2に記載の電極フィルム原反。 the active material is lithium iron phosphate;
3. The electrode film substrate according to claim 1, wherein the binder comprises styrene-butadiene rubber and polyvinylidene fluoride.
セパレータ又は固体電解質膜と、が積層する電極積層体。 The electrode according to claim 5;
An electrode laminate in which a separator or a solid electrolyte membrane is laminated.
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