JPH09223501A - 電池用シート状電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カルボキシメチルセルロースを結着剤として
用いかつ柔軟性のある活物質層を備えた電池用シート状
電極を提供することを解決すべき課題とする。 【解決手段】 電極活物質と、少なくともカルボキシメ
チルセルロースを含む結着剤と、溶剤とからなるスラリ
ーを、金属箔（２）の表面に塗布して乾燥させることに
より、前記金属箔の表面に活物質層（３）を形成してな
る電池用シート状電極（１）であって、前記活物質層に
シラン系カップリング剤が添加されていることを特徴と
する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパイラル型の電
極群を備えた電池に用いられるシート状電極に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スパイラル型の電極群を備えた
電池に用いられるシート状電極は、図１および図２に符
号１で示すように、金属箔（たとえば、銅箔、アルミニ
ウム箔、金属チタン箔等）を帯状に成形した集電体２
と、この集電体２の表面に積層された活物質層（この活
物質としては、たとえば、非水電解液リチウム二次電池
の負極である場合にはフッ化黒鉛やフッ化炭素等の炭素
質材料であり、また、正極である場合にはリチウムであ
る）３と、前記集電体２の一端部に固定されたリード端
子４とによって構成されている。

【０００３】このような構成を有するシート状電極１
は、前記活物質を導電材（たとえばカーボン粉末）や結
着剤と所定の割合で混合した後に、これらの混合物に溶
剤を加えて混練することにより活物質ペーストを生成
し、この活物質ペーストを金属箔の片面あるいは両面
に、ドクターブレード法等の手段によって塗布した後
に、この活物質ペーストを乾燥させて活物質層３を形成
し、ついで、この活物質層３を前記金属箔とともに圧延
して前記活物質層３の密度を高めた後に、所定の大きさ
の帯状に切断するとともに、その長さ方向の一端部の活
物質層３を除去して前記金属箔（集電体２）を露出さ
せ、この集電体２の露出部分に、前記リード端子４を溶
接等によって固定することにより形成される。

【０００４】そして、このようにして形成された正負一
対のシート状電極１（１ａ・１ｂ）を、図３に示すよう
に、電気絶縁材料によって形成されたセパレータ５を介
して重畳させるとともに、これらを一定方向に巻き付け
ることによって図４に示すようなスパイラル型の電極群
６とし、図示しない金属缶内に装着されることにより、
電池として組み上げられる。

【０００５】一方、前記結着剤としては、一般的にはポ
リフッ化二ビニリデン（ＰＶＤＦ）が多く用いられ、ま
た、溶剤として、Ｎーメチルピロリジノン（ＮＭＰ）等
の有機溶剤が用いられている。

【０００６】ところで、このような結着剤と溶剤を用い
た場合、前記ＰＶＤＦが高価であり、電池のコスト高の
原因になり、また、ＮＭＰが有機系であることから、引
火性および刺激臭があるといった不具合がある。

【０００７】そこで、従来では、前記ＰＶＤＦに代え
て、水を溶剤として使用することのできるカルボキシメ
チルセルロース（ＣＭＣ）を結着剤に用いることが検討
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うに、結着剤にＣＭＣを用いた場合、このＣＭＣ自体の
価格が安く、かつ、溶剤として無害な水が使用可能であ
ることから、製造コスト面や安全面あるいは環境面でも
好ましいものであるが、つぎのような新たな問題点が生
じている。

【０００９】すなわち、前記ＣＭＣを結着剤として使用
した場合、形成される活物質層３が硬くなり、シート状
電極１の製造時における圧延工程や、切断工程、あるい
は、電極群６を製造する際の巻回工程等において、前記
活物質層３が損傷してしまいやすいといった問題点であ
る。

【００１０】たとえば、シート状電極１を巻回する場合
においては、図５に鎖線で示すように、前記活物質層３
が破断し、その破断した端部が、前記集電体１２から剥
離してしまい易く、また、この剥離した部分が曲げ方向
外方へ突出してしまう。

【００１１】そして、このような活物質層３の破断や剥
離等が発生すると、積層される正負両シート状電極１ａ
・１ｂ間の間隔が不均一になり、これに起因して、両電
極間の電池反応が不均一になって電池性能の低下を誘起
し、また、スパイラル型に巻回して電極群６を形成した
状態において、前記剥離した活物質層３によってセパレ
ータ５が破損して正極と負極とが短絡してしまうことが
想定される。

【００１２】本発明は、前述した従来の問題点に鑑みて
なされたもので、ＣＭＣを結着剤として用いかつ柔軟性
のある活物質層を備えた電池用シート状電極を提供する
ことを解決すべき課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決するために、電極活物質と、少なくともカルボキ
シメチルセルロースを含む結着剤と、溶剤とからなるス
ラリーを、金属箔の表面に塗布して乾燥させることによ
り、前記金属箔の表面に活物質層を形成してなる電池用
シート状電極であって、前記活物質層にシラン系カップ
リング剤が添加されていることを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て説明する。なお、以下の説明中、シート状電極の形状
や構造、ならびに、このシート状電極を用いて構成され
るスパイラル型の電極群の構造等は従来と同様のため、
これらについては図１ないし図４に示す符号を用いて説
明する。

【００１５】本実施形態に係わるシート状電極１は、電
極活物質と、少なくともカルボキシメチルセルロース
（ＣＭＣ）を含む結着剤と、シラン系カップリング剤
と、溶剤とを混練して形成されたスラリーを、金属箔の
表面に塗布して乾燥させることにより、前記金属箔の表
面に活物質層３を形成した構成となっている。

【００１６】前記集電体２は、銅箔、アルミニウム箔、
あるいは、金属チタン箔等の導電性に優れた金属箔が用
いられ、また、前記結着剤としてＣＭＣが用いられ、さ
らに前記溶剤には水が用いられる。

【００１７】前記シラン系カップリング剤は、前記電極
活物質と結着剤との合計重量１００に対して、０．５重
量％〜３重量％の範囲内で混合されるもので、前記電極
活物質と結着剤との混合体に、溶媒としての水とともに
配合した後に所定時間混練することによって電極活物質
スラリーに生成される。

【００１８】そして、このように生成された電極活物質
スラリーを、ドクターブレード法等の塗布方法によって
前記集電体２の表面に所定厚さに塗布して乾燥させるこ
とにより、前記集電体２の表面に電極活物質層３が形成
され、その後、適宜の圧延工程および切断工程を経て帯
状のシート状電極１となされる。

【００１９】このようにして形成された本実施形態のシ
ート状電極１は、結着剤としてＣＭＣが用いられている
こと、また、シラン系カップリング剤の添加量が０．５
重量％〜３重量％と少量であることから安価であり、か
つ、溶剤として水を用いることができることから引火性
や刺激臭等もなく安全な取り扱いが可能となる。また、
形成された電極活物質層３は柔軟性を有し、切断や曲げ
によっても前記電極活物質層３の剥離や破断の発生がな
い。

【００２０】このように電極活物質層３に柔軟性が付与
されるのは、添加したシラン系カップリング剤によっ
て、前記スラリー中において電極活物質や導電材が均一
に分散され、また、結着剤と電極活物質や導電材との濡
れが良好になり、スラリーの均一化が促進されて結着剤
と導電材が結着剤によって一層強固に結合されること
や、前記電極活物質層３の負極活物質や結着剤の組成物
間に柔軟な変形層が形成されることの相乗作用によるも
のと想定される。

【００２１】そして、このシラン系カップリング剤の添
加量が０．５重量％未満であると、前述した切断や曲げ
といった加工性に対する効果が期待できず、また、３重
量％を越えて添加しても前記効果に殆ど変化がなく、添
加の増加量の分だけコストの高騰を招くだけであること
から、前記シラン系カップリング剤は、０．５重量％〜
３重量％の範囲内で使用されることが好ましい。

【００２２】

【実施例】ついで、本発明の具体的な例について、以下
に示すように、非水電解質リチウム二次電池の負極に適
用した実施例に基づき説明する。まず、負極活物質とし
てガラス状炭素を用い、また、結着剤としてＣＭＣを用
い、前記ガラス状炭素９４．６重量部と、ＣＭＣ５．４
重量部とを攪拌混合した後に、これらの混合物に、その
重量１００に対して、シラン系カップリング剤であるＡ
−１８７（日本ユニカー株式会社製）２重量部と、溶剤
としての水２７０重量部を配合したのちに、これらを自
動乳鉢で１時間混練して負極活物質スラリーを生成す
る。

【００２３】このようにして生成された負極活物質スラ
リーを、ドクターブレード法により、厚さ１０μｍの銅
箔上に厚さ約０．２ｍｍに塗布し、その直後に温度１０
０℃で１時間加熱して前記負極活物質スラリーを乾燥さ
せることにより、銅箔上に負極活物質層３を形成する。

【００２４】ついで、前記乾燥された負極活物質層３を
圧力１０００ｋｇ／ｃｍ² で圧延処理した後に、所定の
幅を有する帯状に切断することによってシート状負電極
１を得た。

【００２５】また、比較例として、本実施例からシラン
系カップリング剤のみを除去した負極活物質層を備えた
シート状電極（比較例１）と、結着剤としてＰＶＤＦを
用い、また、溶剤としてＮＭＰを用い、シラン系カップ
リング剤の添加されていない負極活物質層を備えたシー
ト状電極（比較例２）を作成して、これらについて、図
４に示すようなスパイラル型の電極群６を形成する際の
最小巻回半径と同等の半径ｒを有するロッド７を用い、
このロッド７の外周に沿わせるように変形させる曲げ試
験を行った。

【００２６】その試験結果を、他の特徴点とともに表１
に示す。

【表１】 このように、本実施例および比較例２においては、図５
に実線で示すように、集電体２上に形成された負電極活
物質層３が、前記ロッド７の外周に沿って湾曲し、破損
や集電体２からの剥離の発生は見られなかったが、比較
例１においては、負電極活物質層３が、同図に鎖線で示
すように折損および集電体２からの剥離が発生し、巻回
不可能であった。

【００２７】また、比較例２においては、溶剤ＮＭＰの
刺激臭等によって作業環境の悪化があり、また、使用す
る結着剤ＰＶＤＦの単価が高くコスト高であるのに対し
て、本実施例においては、そのような不具合はない。

【００２８】一方、このように形成された各シート状負
電極１を用いて非水分解液リチウム二次電池を製作し、
それぞれについて、充放電操作を繰り返し行い、充放電
サイクルと充電容量との関係を調べたところ、図６に示
す結果が得られた。この図から明らかなように、本実施
例においては、充放電サイクルに拘わりなく高い充電容
量が確保され、かつ、ほぼ一定した充電容量が確保され
る。これは、本実施例のシート状負電極１にあっては、
形成される電極活物質層３が均質化されていること、ま
た、剥離や破損がなく、電極群６を形成した場合におい
て正極との間隔が一定となり、電池作用が均一に行われ
ることによるものと考えられる。

【００２９】なお、前述した実施例は一例であって、各
構成材料の組み合わせや適用する電極あるいは電池の種
類等は種々変更可能である。たとえば、前記実施例にお
いては集電体２に銅箔を用いた例について示したが、ア
ルミニウム箔や金属チタン箔、あるいは、その他の導電
性材料からなる箔を用いることも可能であり、また、負
の電極に適用した例について示したが、正極への適用も
可能である。さらに、二次電池への適用を例示したが、
充電不可能な電池への適用ももちろん可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる電
池用シート状電極は、電極活物質と、少なくともカルボ
キシメチルセルロースを含む結着剤と、溶剤とからなる
スラリーを、金属箔の表面に塗布して乾燥させることに
より、前記金属箔の表面に活物質層を形成してなる電池
用シート状電極であって、前記活物質層にシラン系カッ
プリング剤が添加されていることを特徴とするもので、
前記活物質層を金属箔に積層する際に、溶媒として水を
用いるカルボキシメチルセルロースを用いた場合にあっ
ても、形成される活物質層に柔軟性を与え、電池製造時
における諸加工工程において、前記活物質層の損傷や剥
離といった不具合が発生することを防止することができ
る。

【００３１】また、形成される活物質層の組成や形状を
均一化することにより、両極間の間隔を均質にして、安
定した電池特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電池用シート状電極の一構造例を示す平面図で
ある。

【図２】電池用シート状電極の一構造例を示す側面図で
ある。

【図３】正負一対の電池用シート状電極を積層させた状
態を示す側面図である。

【図４】電池用シート状電極を用いて形成されたスパイ
ラル型の電極群の一構造例を示す縦断面図である。

【図５】電池用シート状電極の可撓性の試験方法を示す
概略図である。

【図６】本発明ならびに従来におけるシート状電極を用
いた二次電池における充放電サイクル数と充電容量との
関係を示す性能曲線図である。

【符号の説明】

１ シート状電極 ２ 集電体 ３ 活物質層 ４ リード端子 ６ 電極群

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極活物質と、少なくともカルボキシメ
   チルセルロースを含む結着剤と、溶剤とからなるスラリ
   ーを、金属箔（２）の表面に塗布して乾燥させることに
   より、前記金属箔の表面に活物質層（３）を形成してな
   る電池用シート状電極（１）であって、前記活物質層に
   シラン系カップリング剤が添加されていることを特徴と
   する電池用シート状電極。