(57)【要約】  本発明は、（Ａ）バインダーポリマー１００重量部当たりに、（ａ）（メタ）アクリル酸エステル系単量体２０〜７９重量部と、（ｂ）ビニル系単量体２０〜６０重量部と、（ｃ）不飽和カルボン酸系単量体０．０１〜３０重量部と、を用いて重合されたポリマー粒子を含むバインダーと、（Ｂ）上記バインダーを用いて複数積層される電気化学セルであって、バインダーにより電極内の電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体とが固定及び連結されると共に、電極と上記電極と接触するセパレーターとが熱融着により接合された電気化学セルと、を備える電気化学素子及び上記バインダーを提供する。本発明によるバインダーは優れた接着力と卓越した熱接合特性を併せ持つことにより、多重積層電気化学セルを含む電気化学素子に有効に使用可能であるだけではなく、素子の諸性能を向上することができる。
2008546135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）バインダーポリマー１００重量部当たりに、（ａ）（メタ）アクリル酸エステル系単量体２０〜７９重量部と、（ｂ）ビニル系単量体２０〜６０重量部と、（ｃ）不飽和カルボン酸系単量体０．０１〜３０重量部と、を用いて重合されたポリマー粒子を含むバインダーと、
（Ｂ）上記バインダーを用いて複数積層される電気化学セルであって、バインダーにより電極内の電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体とが固定及び連結されると共に、電極と上記電極と接触するセパレーターとが熱融着により接合された電気化学セルと、
を備える電気化学素子。
【請求項２】
上記電気化学素子は、基本単位セルとしてフルセルまたはバイセルが複数積層され、フルセルまたはバイセルの各積層部にセパレーターが挟まれて熱融着により接合されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項３】
上記（メタ）アクリル酸エステル系単量体が、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｎ−アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、ｎ−ヘキシルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ラウリルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、ｎ−アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、ｎ−ヘキシルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート及びラウリルメタクリレートよりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項４】
上記ビニル系単量体が、スチレン、α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、ｐ−ｔ−ブチルスチレン、アクリロニトリル及びメタクリロニトリルよりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項５】
上記不飽和カルボン酸系単量体がアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、シトラコン酸、メタコン酸、グルタコン酸、クロトン酸及びイソクロトン酸よりなる群から選ばれるいずれか一種以上の単量体であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項６】
上記バインダーの最終粒径が、１００〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項７】
上記バインダーのガラス転移温度（Ｔｇ）が、−３０〜５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項８】
上記バインダーのゲル含量が、３０〜９９％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項９】
上記バインダーにより連結された電極内の電極活物質及び集電体の界面接着力が、３８．０ｇ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項１０】
上記バインダーは、非水系及び水系溶媒に分散可能なものであることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項１１】
上記フルセルは、正極、セパレーター、負極がこの順にまたはこの順とは逆順に配置される電気化学セルであり、バイセルは、正極、セパレーター、負極、セパレーター、正極または負極、セパレーター、正極、セパレーター、負極がこの順に配置される電気化学セルであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学素子。
【請求項１２】
上記電気化学素子の最外郭に位置するそれぞれのフルセルまたはバイセルは、正極集電体の単面上に正極活物質がコートされた正極を含むか、または、負極集電体の単面上に負極活物質がコートされた負極を含み、最外郭に集電体箔が位置していることを特徴とする請求項２に記載の電気化学素子。
【請求項１３】
上記電気化学素子は、電流集電体の両面に同じ電極活物質がコートされていることにより、単位セル内において未活用の外側コートされた電極活物質が隣り合う他の単位セルの逆電極上にコートされた電極活物質と互いに共有して新たな一つのフルセルを形成するような構造を有していることを特徴とする請求項２に記載の電気化学素子。
【請求項１４】
上記両電極に挟まれる、及び／または積層部に位置するセパレーターは、熱融着による接着機能を有することを特徴とする請求項２に記載の電気化学素子。
【請求項１５】
上記熱接合温度は、６０〜１００℃の範囲であることを特徴とする請求項１４に記載の電気化学素子。
【請求項１６】
上記セパレーターは、
（ａ）気孔部を有する多孔性セパレーターと、または、
（ｂ）片面または両面上にゲル化高分子コート層が設けられた多孔性セパレーターであることを特徴とする請求項２に記載の電気化学素子。
【請求項１７】
上記電気化学素子は、リチウム二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項１８】
バインダーポリマー１００重量部当たりに、
（ａ）（メタ）アクリル酸エステル系単量体２０〜７９重量部と、
（ｂ）ビニル系単量体２０〜６０重量部と、
（ｃ）不飽和カルボン酸系単量体０．０１〜３０重量部と、を用いて重合されたポリマー粒子を含むバインダーであって、
６０〜１００℃の範囲における熱融着後であっても接着力を維持することを特徴とするバインダー。
【請求項１９】
上記バインダーの最終粒径が１００〜４００ｎｍの範囲であり、バインダーのガラス転移温度（Ｔｇ）が−３０〜５０℃の範囲であり、且つ、ゲル含量は３０〜９９％の範囲である請求項１８に記載のバインダー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた接着力と卓越した熱接合特性を有することから多重積層電気化学セルを含む高容量の電気化学素子に有効に使用可能なバインダー、前記バインダーを含む電極及び前記電極を備えることにより諸性能が向上した電気化学素子、好ましくは、リチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー貯蔵技術への関心が高まる一方である。携帯電話をはじめとして、ビデオ付きカメラ及びノート型パソコン、ひいては、電気自動車にまで適用分野が広がるのに伴い、電気化学素子、好ましくは、電池の研究と開発に関する努力が盛んに行われつつある。電気化学素子はこの側面から最も注目されている分野であり、中でも、充放電可能な二次電池の開発に関心が寄せられており、最近ではこのような電池を開発するに当たって容量密度及び比エネルギーを高めるために新たな電極と電池の設計に関する研究開発もなされている。
【０００３】
現在使用されている２次電池の中で、１９９０年代初め頃に開発されたリチウムイオン電は、水溶性電解液を使用するＮｉ−ＭＨ、Ｎｉ−Ｃｄ、硫酸−鉛電池などの従来の電池に比べて作動電圧が高く、エネルギー密度が遥かに高いというメリットがあることから、脚光を浴びている。しかしながら、このようなリチウムイオン電池は、有機電解液を使用することによる発火及び爆発などの安全問題が存在し、しかも、作製が困難であるという欠点がある。近年のリチウムイオンポリマー電池は、このようなリチウムイオン電池の欠点を改善して、次世代電池の一つとなっているが、未だ電池の容量がリチウムイオン電池と比べて相対的に低く、特に、低温における放電容量が不十分であるためにこれに対する改善が至急望まれている。さらに、電池の容量は電極物質の含量に比例するため、限られた電池包装内の空間においてできる限り多量の電極物質を充填可能なようにセルの構造を設計することは極めて重要である。
【０００４】
上記の問題点を解消するために、製作し易く、しかも、効率的な空間構造を有することから、電極活物質の量を極大化できる電気化学素子であって、複数積層される電気化学セルを含む電気化学素子が開示されている（例えば、下記の特許文献１及び２参照）。このときに積層される電気化学セルの基本単位はフルセルまたはバイセルである。
【０００５】
フルセルまたはバイセルの特性は、用いる電極、電解液、その他の材料により大きく左右される。中でも、電極に投入される活物質の含量は、究極的に結合可能なリチウムイオンの最大値と関連があるため、活物質の含量が高いほど高容量の電池を製作することが可能になる。このため、バインダーの接着力が優れていてバインダーの投入量を低減できる限り、その分、活物質の含量を高めうる電極を作製することが可能になる。このため、優れた接着力を有するバインダーの開発が望まれているのが現状である。
【０００６】
一方、現在市販されている電極バインダーとしては、ポリビニリデンフルオリド（polyvinylidene fluoride、以下、ＰＶＤＦ）系高分子として、大きく、ＰＶＤＦホモポリマーとポリビニリデンフルオリ−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（例えば、下記の特許文献３参照）とポリビニリデンフルオリド−クロロトリフルオロ エチレン共重合体などの共重合体などがある。この種のＰＶＤＦ系高分子は、化学的、電気化学的に安定しているというメリットを有してはいるが、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）などの有機溶媒に溶解させてバインダー組成物として使用することが余儀なくされるという環境的な問題があるだけではなく、安全性に劣っていることから、危険であり、液体電解質との低い親和性により電極の性能低下の根本的な原因となる。さらに、ＰＶＤＦ系高分子は、活物質を取り囲むままで作用して活物質など無機物粒子との結着特性には優れているものの、金属などの集電体との接着力に劣っているために十分な接着力を発揮及び維持するためには多量投入しなければならないという欠点がある。
【０００７】
上記の如き問題点を解決するために、水を分散媒として用いて投入量を低減可能な水系バインダーを作製するための試みがなされているが（例えば、下記の特許文献４から６参照）、集電体と活物質との間の接着力に乏しくて十分な性能が得られないだけではなく、多重積層電気化学セルを含む高容量電気化学素子に適用するために電極とセパレーターとの熱接合工程を行うときに、十分な接着性能を示せず、電池の諸性能低下を必ず伴っていた。この状況から、現在、電極内の活物質と集電体との十分な接着力を示すだけではなく、多重積層電気化学セルを作製するための電極とセパレーターとの熱接合を可能にするバインダーの開発が望まれている。
【特許文献１】大韓民国公開特許第２００１−００８２０５８号
【特許文献２】大韓民国公開特許第２００１−００８２０５９号
【特許文献３】大韓民国公開特許第２００１−００５５９６８号
【特許文献４】ＪＰ２８７２３５４号
【特許文献５】ＪＰ３１０１７７５号
【特許文献６】ＫＲ２０００−００７５９５３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは上述の問題点を考慮して、バインダーの構成成分である共重合単量体の組成を種々に変えてバインダーを作製した結果、水を分散媒として用いて環境にやさしいだけではなく、少量投入によっても集電体と活物質との間の十分な接着力を与えて電池の高容量化を達成することができ、これと同時に、熱接合によっても接着力がそのまま維持されることにより、電極とセパレーターとの卓越した熱接合特性を通じて多重積層電気化学セルを含む高容量電気化学素子に適用可能なバインダー組成を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
そこで、本発明は、集電体との接着特性及びセパレーターとの熱接合特性に優れていて、電池の速度特性及び寿命特性の向上を両立できるバインダー、前記バインダーを用いた電極及び前記電極を備える電気化学素子、好ましくは、リチウム二次電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、（Ａ）バインダーポリマー１００重量部当たりに、（ａ）（メタ）アクリル酸エステル系単量体２０〜７９重量部と、（ｂ）ビニル系単量体２０〜６０重量部と、（ｃ）不飽和カルボン酸系単量体０．０１〜３０重量部と、を用いて重合されたポリマー粒子を含むバインダーと、（Ｂ）上記バインダーを用いて複数積層される電気化学セルであって、バインダーにより電極内の電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体とが固定及び連結されると共に、電極と前記電極と接触するセパレーターとが熱融着により接合された電気化学セルと、を備える電気化学素子及び上記電気化学素子に使用可能なバインダーを提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のバインダーは優れた接着力を有するだけではなく、卓越した熱接合特性を示すことにより、電池の諸特性、例えば、速度特性と寿命特性を有意に向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を詳述する。
本発明においては、従来セルの作製方式よりも作製し易くて空間を有効に用いて高容量を達成可能な新たな電気化学素子の作製方式に適用されて好適な環境にやさしいバインダーを提供することを特徴とする。
【００１３】
上記電気化学素子の新たな作製方式は、図１に示すように、従来単面コートされた正極、セパレーター及び負極により構成される単位セルを２以上積層するときに重なる電極の数的な増加及び電池の空間と重さの効率性の低下を解消可能な方式であって、フルセルまたはバイセルを基本単位セルとして用いて複数積層し、これらのフルセルまたはバイセルの各積層部にセパレーターを挟んで熱融着により接合させるものである（図２及び図３参照）。
【００１４】
このような多重積層電気化学セルを作製するとき、熱融着による電極とセパレーターとの間の持続的な接着力の維持が必須に求められるが、従来通常使用されるＰＶＤＦ系バインダーを用いて電極を構成する場合、熱融着後であっても電極とセパレーターとの接合特性が持続的に維持されるというメリットがある。しかしながら、有機溶媒に溶解させてバインダー組成物として用いることが余儀なくされるという環境的な問題が生じるだけではなく、電極内の活物質同士の接着力に対する活物質と集電体との接着力に劣っているために電極の構造的な安全性の欠如及びこれによる電気化学素子の安定性の低下により寿命特性の低下が必ず引き起こされる。また、ＰＶＤＦ系バインダーの、液体電解質との低い親和性により、電極の性能低下の根本的な原因となる。
【００１５】
これに対し、本発明では、親水性、接着力、熱接合特性、作製過程時及び／または作製過程後の物理的安定性、電池特性などと関連して、単量体をさまざまな成分比で重合させてこれらの物性が最適化されるバインダー組成を見出すことにより、上述の多重積層セルを含む電気化学素子に適用して好適なバインダーを提供することができる。すなわち、上記バインダーは、当業界の通常の有機溶剤系及び／または水系分散媒に容易に分散されて環境にやさしいだけではなく、電極内の電極活物質粒子同士を固定し、電極活物質と集電体とを連結するに十分な接着力を発揮することができる。
【００１６】
なお、上記バインダーは、バインダーの物理的安定性を十分に図ることのできる範囲内において接着力特性を調節可能な単量体の含量の極大化により、熱融着による接合時およびその後であっても、電極とセパレーターとの接着力を持続的に維持して電極及び上記電極を含む多重積層電気化学セルの構造的な安定性の向上を通じた素子の長い寿命特性を図ることができ、これと同時に高容量を実現するために単位セルが複数積層される電気化学素子の空間効率構造に起因する電極反応の活性化を通じて電池の速度特性を併せて向上することができる。
【００１７】
実際に、本願の実施例及び実験例を通じて、本発明のバインダーは、電極内電極活物質粒子同士、及び電極活物質と集電体との優れた接着力を示すだけではなく、電極及びこれと隣り合うセパレーターとを熱融着により接合した場合であっても、接着力を持続的に維持することにより、多重積層電気化学セルを含む電気化学素子に適用して好適なバインダーであるだけではなく、電気化学素子の諸性能、例えば、速度特性、寿命特性の向上の両立化を図ることができることを確認することができた（表４参照）。
【００１８】
１．電気化学素子用のバインダー
本発明のバインダーポリマーを構成する成分のうち第１の単量体（ａ）は、電池特性を調節可能な当業界に周知の通常の単量体であって、特に、電解液との親和性を高めて電池の速度特性を向上し、且つ、集電体との接着力に優れた（メタ）アクリル酸エステル系単量体を使用することができる。
【００１９】
上記（メタ）アクリル酸エステル系単量体の非制限的な例としては、（１）アクリル酸エステル系単量体（例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｎ−アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、ｎ−ヘキシルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ラウリルアクリレート）、（２）メタクリル酸エステル系単量体（例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、ｎ−アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、ｎ−ヘキシルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、アリルメタクリレートまたはこれらの混合物などがある。
【００２０】
上記（メタ）アクリル酸エステル系単量体の含量には特に制限がないが、本発明のバインダーポリマー１００重量部当たり２０〜７９重量部であることが好適である。（メタ）アクリル酸エステル系単量体の含量が２０重量部未満である場合、バインダーの接着特性が格段に低下することがあり、且つ、７９重量部を超える場合、バインダーの作製過程において安定性が低下してバインダー作製が不可能になることがある。
本発明のバインダーポリマーを構成する成分のうち第２の単量体（ｂ）としては、電池特性を調節可能な当業界に周知の通常の単量体であって、特に、活物質と活物質との接着力を調節し、且つ、イオン伝導度に優れたビニル系単量体を使用することができる。これらの非制限的な例としては、スチレン、α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、ｐ−ｔ−ブチルスチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリルまたはこれらの混合物などがある。特に、アクリロニトリル単量体は、三重結合を含有していて高いイオン伝導度と一緒に電気的な特性を向上することができる。
【００２１】
上記ビニル系単量体の含量は、本発明のバインダーポリマー１００重量部当たり２０〜６０重量部であることが好ましいが、これに制限されるものではない。上記ビニル系単量体の含量が２０重量部未満である場合、バインダーの作製過程において安定性が低下してバインダー作製が不可能になることがあり、６０重量部を超える場合、ガラス転移温度の上昇効果のために接着力が格段に低下する特性を示すことがある。
【００２２】
本発明のバインダーポリマーを構成する成分のうち第３の単量体（ｃ）は、接着力を調節可能な単量体であることが好適である。これは、電極の作製時に少量投入だけでも優れた接着力を示すことにより、電池の高容量化を達成することが可能になるためである。特に、接着力を調節可能な単量体はそれぞれが含んでいる官能基が集電体として使用される金属との結合力に優れていて接着力を高めることができる。
【００２３】
接着力を調節可能な単量体（ｃ）の非制限的な例としては、（１）不飽和モノカルボン酸系単量体（例えば、アクリル酸、メタクリル酸など）、（２）不飽和ジカルボン酸系単量体（例えば、イタコン酸、フマル酸、シトラコン酸、メタコン酸、グルタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、など）、（３）アクリルアミド系モノマー（例えば、アクリルアミド、ｎ−メチロールアクリルアミド、ｎ−ブトキシメチルアクリルアミドなど）、（４）メタクリルアミド系モノマー（例えば、メタクリルアミド、ｎ−メチロールメタクリルアミド、ｎ−ブトキシメチルメタクリルアミドなど）またはこれらの混合物などがあり、特に、不飽和カルボン酸系単量体が好適である。上記接着力を調節する特性を有する単量体の含量は特に制限はないが、本発明のバインダーを構成するポリマー１００重量部当たりに０．０１〜３０重量部の範囲であることが好適である。上記単量体（ｃ）の含量が０．０１重量部未満である場合、接着力が低下し、３０重量部を超える場合には作製過程において安定性が低下して作製が不可能になることがある。
【００２４】
本発明のバインダーは、当業界において通常使用される単量体をさらに含んでもよい。また、本発明のバインダーは、上述の単量体成分のうち３〜１０種の単量体により構成されることが好ましいが、これに制限されるものではない。
【００２５】
上記の如き単量体成分及び組成比で重合される本発明のポリマー粒子は、最終粒径が１００〜４００ｎｍであり、ポリマーのガラス転移温度が−３０〜５０℃であり、ゲル含量が３０〜９９％であることが好ましく、より好ましくは、最終粒径が１００ｎｍ〜４００ｎｍ、ガラス転移温度は−３０℃〜５０℃、ゲル含量が５０％〜９９％であるものである。実際に、この範囲において本発明によるバインダーは従来技術のバインダーに比べて優れた特性、例えば、電極内及び電極と集電体との接着力、電極とセパレーターとの熱接合特性に優れており、電池特性、例えば、速度特性及び寿命特性もまた優れていることを見出した。
【００２６】
上記ポリマー粒子が上述の粒径、ガラス転移温度及びゲル含量の範囲から外れる場合、バインダーと集電体との接着力が大幅に低下して電池特性の悪化を引き起こすことがある。例えば、上記バインダー粒子の最終粒径が１００ｎｍ未満である場合、活物質同士におけるバインダー移動が多くて接着力に劣り、４００ｎｍを越えると、バインダー粒子の表面積の減少により接着力が低下する。なお、バインダーのガラス転移温度が−３０℃未満であれば、重合安定性が低下してバインダー作製が困難になり、５０℃を超えると、接着力が低下することがあるために好ましくない。さらに、バインダーのゲル含量が５０％未満である場合、重合安定性が低下するという欠点がある。
【００２７】
一方、上述の単量体成分のうち接着力向上特性を有する不飽和カルボン酸系単量体（ｃ）を除くアクリル酸（メタクリル酸）エステル系単量体（ａ）及びビニル系単量体（ｂ）成分は、電池特性を調節可能であるという特徴がある。ここで、電池特性としては、例えば、初期容量、初期効率、繰り返し充放電による容量変化、またはその他の電池物性などがあり、これらの物性に対する全体的な評価を意味することがある。
【００２８】
上記電池特性を調節可能な単量体はいずれも固有の表面エネルギーを有しているため、これを用いて形成された重合体もまたその組成比によって異なる表面エネルギーを有することになる。このような表面エネルギーの違いは、電解液との親和力の差を引き起こすことにより、従来電極分散媒として使用されるＮＭＰ、非水電解液に使用される通常の有機溶媒だけではなく、水（水系）においても分散可能になるため、有機溶媒を必ず使用しなければならないＰＶＤＦの問題点を解消することができるだけではなく、環境にやさしいというメリットがある。なお、上記バインダーを電極の一構成成分として使用する場合、電極の空隙体積を十分に活用しながら電解液とのなじみ性の増大及び電極内電解液の浸透性の向上により電極内リチウムイオンの移動及び伝達による電池反応が活性化することにより、電池の諸性能の向上、例えば、速度特性などを向上することができる。
【００２９】
さらに、本発明においては、上述のように、バインダーの物理的安定性を図ることのできる範囲内において接着力特性を調節可能な単量体、例えば不飽和カルボン酸系単量体の含量を最大化することにより、少量のバインダー投入により電極と集電体との接着力効果及び熱融着による電極とセパレーターとの熱接合効果を極大化することができる。このとき、上記効果は、不飽和カルボン酸系単量体に含まれるカルボキシ（−ＣＯＯＨ）と銅集電体の銅イオンとの化学結合、例えば、イオン結合形成を通じて発揮されると予想可能である。
【００３０】
本発明のバインダーは、上記単量体成分の他に、重合添加剤として当分野に周知の通常の成分、例えば、分子量調節剤及び架橋剤を使用することができる。このような分子量調節剤と架橋剤の投入量を調節することにより、バインダー粒子のゲル含量を調節することができる。
【００３１】
分子量調節剤としては、ｔ−ドデシルメルカプタン、ｎ−ドデシルメルカプタン、ｎ−オクチルメルカプタンなどを使用することができ、架橋剤としては、１，３−ブタンジオールジアクリレート、１，３−ブタンジオールジメタクリレート、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，４−ブタンジオールジメタクリレート、アリールアクリレート、アリールメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート及び／またはジビニルベンゼンなどを使用することができる。
【００３２】
重合開始剤としては、ラジカル生成を引き起こしうるいかなる化合物も使用可能であり、この非制限的な例としては、アンモニウムパーサルファート(ammonium persulfate)、ポタシウムサルファート(potassium persulfate)、ソジウムパーサルファート(sodium persulfate)、ベンゾイルパーオキシド(benzoyl peroxide)、ブチルヒドロパーオキシド(butyl hydroperoxide)、クメンヒドロパーオキシド(cumene hydroperoxide)、アゾビスブチロニトリル(azobisisobutyronitrile)またはこれらの混合物などがあり、これらの中でも水溶性または酸化還元反応による重合開始剤が好適である。
【００３３】
本発明によるポリマー粒子は当業界に周知の通常の重合法、例えば、乳化重合法や懸濁重合法、分散重合法、シード重合法を用いた２段重合による方法により作製することができる。このとき、重合温度及び重合時間は重合法や使用する重合開始剤の種類などにより任意に選択することができ、例えば、通常、重合温度は約３０〜１００℃、重合時間は０．５〜２０時間であってもよい。
【００３４】
２．電極用のバインダー組成物
本発明による電気化学素子用のバインダーは、通常の方法により溶媒に溶解させるか、あるいは、分散媒に分散させてバインダー組成物を作製することができる。しかしながら、通常使用される有機溶媒、分散媒だけではなく、水に分散可能であるため、環境にやさしい特性を有する。
【００３５】
本発明のバインダー組成物に使用される溶媒または分散媒は特に制限されないが、後述する本発明の電池電極用のスラリーを集電体に塗布及び乾燥したときに、バインダーポリマー粒子の形状を維持可能な、常温常圧において液体であることが好適である。
【００３６】
使用可能な分散媒は、上述のポリマー粒子及び活物質を分散可能なものが好適であり、この具体例としては、水、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、ｓ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ペンタノール、イソペンタノール、ヘキサノールなどのアルコール類と、アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、エチルプロピルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノンなどのケトン類と、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジイソブチルエーテル、ジｎ−アミルエーテル、ジイソアミルエーテル、メチルプロピルエーテル、メチルイソプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、エチルプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、エチルｎ−アミルエーテル、エチルイソアミルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類と、γ−ブチロラクトン、δ−ブチロラクトンなどのラクトン類と、β−ラクタムなどのラクタム類と、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタンなどの環状脂肪族化合物類と、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、イソプロピルベンゼン、ブチルベンゼン、イソブチルベンゼン、ｎ−アミルベンゼンなどの芳香族炭化水素類と、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカンなどの脂肪族炭化水素類と、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどの鎖状及び環状のアミド類と、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸プロピル、乳酸ブチル、安息香酸メチルなどのエステル類と、後述する電解液の溶媒をなす液状物質などを挙げることができるが、これらの中でも沸点８０℃以上、好ましくは、８５℃以上の分散媒を使用することが電極製作の工程から好適である。なお、上記の分散媒を２〜５種程度混合して使用することもできる。
【００３７】
また、必要に応じては、後述するスラリーの欄において説明する導電剤、粘度調節剤、補助結着剤などの添加剤や他の保存安定剤などを添加することもできる。
【００３８】
３．電極用のスラリー
本発明は、（ａ）上述のバインダーと、（ｂ）電極活物質と、を含む電極用のスラリーを提供する。このとき、スラリーは、必要に応じて、当業界に周知の通常の添加剤を混合して使用することができる。
【００３９】
上記電極活物質は電池の容量を決める重要な物質である。正極活物質としては、従来電気化学素子の正極に使用可能な通常の正極活物質が使用可能であり、この非制限的な例としては、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物などの金属酸化物またはこれらの組み合わせにより形成される複合酸化物、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリチオフェンなどの導電性高分子、そして、金属酸化物と導電性高分子との複合金属酸化物などがある。なお、負極活物質もまた従来電気化学素子の負極に使用可能な通常の負極活物質がいずれも適用可能であり、この非制限的な例としては、天然黒鉛、人造黒鉛、ＭＰＣＦ、ＭＣＭＢ、ＰＩＣ、フェノール樹脂焼成体、ＰＡＮ系炭素繊維、石油コークス、活性炭、グラファイトなどの炭素質物質、ポリアセンなどの導電性高分子、リチウム金属、リチウム合金などのリチウム系金属、金属酸化物などがある。
【００４０】
上記電極スラリーは、上述の活物質の他に、必要に応じて、導電剤と粘度調節剤、補助結着剤などを添加することができる。
【００４１】
粘度調節剤としては、カルボキシルメチルセルロース、カルボキシルエチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシルエチルメチルセルロース、ポリエチレンオキシド、エチレングリコールなどの水溶性高分子を使用することができるが、これに制限されることはない。
【００４２】
４．電池電極
本発明は上述のバインダー及び電極活物質を含む電気化学素子用、好ましくは、リチウム二次電池用の電極を提供する。
【００４３】
上記電極は、当業界に周知の通常の方法により作製可能であり、この一実施例を挙げると、上記バインダー組成物に活物質を混合した混合物である電極用のスラリーを集電体に塗布し、分散媒を乾燥などの方法により除去して、集電体に活物質を結着させると共に、活物質同士を結着することにより作製される。
【００４４】
集電体は、通常、導電性材料からなるものであれば特に制限されないが、正極電流集電体の非制限的な例としては、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組み合わせにより作製される箔などがあり、負極電流集電体の非制限的な例としては、銅、金、ニッケルまたは銅合金またはこれらの組み合わせにより作製される箔などがある。
【００４５】
５．電気化学素子
本発明は上述のバインダー及び上述のバインダーを用いて多重積層電気化学セルを含む電気化学素子を提供する。
【００４６】
本発明の電気化学素子は従来素子の作製方式とは異なり、空間を効率よく用いて電極活物質の含量を極大化可能な新規な構造の電気化学素子である。特に、基本単位セルとしてフルセルまたはバイセルが複数積層され、上記フルセルまたはバイセルの各積層部にセパレーターが挟まれて熱融着により接合されることを特徴とする（図２及び図３参照）。
【００４７】
このとき、上記フルセルは、正極、セパレーター、負極がこの順にまたはこの順とは逆順に配置される電気化学セルを意味し、バイセルは中央の１極性を挟んで両側に逆極性を有する電極が配置される電気化学セルであって、この一実施の形態としては、正極、セパレーター、負極、セパレーター、正極、または負極、セパレーター、正極、セパレーター、負極などがある。なお、上記電気化学素子の最外郭に位置するそれぞれのフルセルまたはバイセルは両電極集電体の単面上に電極活物質がコートされた形の電極であって、例えば、正極集電体の単面上に正極活物質がコートされた正極または負極集電体の単面上に負極活物質がコートされた負極であってもよい。また、上記最外郭には単面コートされた活物質層の代わりに集電体箔が位置する（図２及び図３参照）。
【００４８】
さらに、本発明の電気化学素子は、電流集電体の両面に同じ電極活物質をコートすることにより、単位セル内において未活用の外側コートされた活物質が隣り合う別の単位セルの逆電極上にコートされた活物質と互いに共有して新たな一つのフルセルを形成することができる。このため、図１に示すように、電極の作製時に電流集電体の単面だけを電極物質でコートすることにより生じる電極の数的な増加及びこれによる電池の空間及び重さの効率性低下を根本的に解決できるだけではなく、電気化学素子の空間効率構造に起因する電池反応の活性化を通じて電池の諸特性を向上することができる。
【００４９】
上記のように構成される本発明の電気化学素子は、電気化学反応をするあらゆる素子を含み、その具体例としては、あらゆる種類の１次、２次電池、燃料電池、太陽電池、スーパーキャパシター、ウルトラキャパシター、擬似キャパシター、各種のセンサー、電気分解装置、電気化学的なリアクターなどがある。特に、上記２次電池のうちリチウム金属二次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池またはリチウムイオンポリマー二次電池などを含むリチウム二次電池が好ましく、より好ましくは、リチウムイオンポリマー電池である。
【００５０】
本発明の電気化学素子は、当技術分野に周知の通常の方法により作製可能であり、この好ましい一実施形態を挙げると、ａ）最外郭に位置するフルセル１、フルセル２、上記フルセル１及びフルセル２間に挟まれる内部フルセルを作製する段階と、ｂ）上記最外郭フルセル１、内部フルセル、最外郭フルセルをこの順に交互に積層するが、それぞれの単面コートされた電極の集電体が最外郭に来るように位置させ、各フルセルの積層部にセパレーターを位置した後、熱融着を通じて接合して積層する段階と、ｃ）上記積層されたフルセルを電池用の外装材に入れた後に電解質を注入し、次いで密封する段階と、を含むことができる。
【００５１】
このとき、上記フルセルの代わりにバイセルを基本単位セルとして用いて行うことができる。また、熱融着による接合は当業界の通常の方法により行うことができ、例えば、６０〜１００℃のロールラミネーターに通させることにより行うことができる。
【００５２】
上記フルセルまたはバイセルの作製方法もまた当業界の通常の方法により作製可能であり、この好ましい一実施形態を挙げると、ｉ）正極活物質を正極電流集電体にコートして正極を作製する段階と、ｉｉ）負極活物質を負極電流集電体にコートして負極を作製する段階と、及びｉｉｉ）正極と負極との間にセパレーターを挟んだ後に熱融着を通じて接合してフルセルを作製する段階と、を含むことができる。このとき、段階ｉｉｉ）において作製されたフルセルの両電極の一つの電極上にセパレーターを挟んだ後、異なる極性の電極を位置することによりバイセル、例えば、正極−セパレーター−負極−セパレーター−正極、または負極−セパレーター−正極−セパレーター−負極が作製可能である。
【００５３】
本発明において使用可能な電解液はＡ＋Ｂ−などの構造の塩（Ａ＋はＬｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋などのアルカリ金属陽イオンやこれらの組み合わせよりなるイオンを含み、Ｂ−はＰＦ６−、ＢＦ４−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、Ｉ−、ＣｌＯ４−、ＡｓＦ６−、ＣＨ３ＳＯ３−、Ｎ（ＣＦ３ＳＯ２）２−、Ｃ（ＣＦ２ＳＯ２）３−などの負イオンやこれらの組み合わせよりなるイオンを含む）が、プロピレンカーボネート（Propylene carbonate、ＰＣ）、エチレンカーボネート（Ethylene carbonate、ＥＣ）、ジエチルカーボネート（Diethyl carbonate、ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（Dimethyl carbonate、ＤＭＣ）、ジプロピルカーボネート（Dipropyl carbonate、ＤＰＣ）、エチルメチルカーボネート（Ethyl methyl carbonate、ＥＭＣ）、ジメチルスルホキシド（Dimethyl sulfoxide）、アセトニトリル（Acetonitrile）、ジメトキシエタン（Dimethoxyethane）、ジエトキシエタン（Diethoxyethane）、テトラヒドロフラン（Tetrahydrofuran）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−methyl−２−pyrrolidone、ＮＭＰ）、γ−ブチロラクトン（γ−Butyrolactone、ＧＢＬ）あるいはこれらの混合物よりなる有機溶媒に溶解、解離されているものを使用する。
【００５４】
セパレーターは気孔部を有する多孔性基材であって、特に熱融着による接着機能を有するものが好適である。このとき、接合時の温度及び圧力範囲は電極とセパレーターの接合が起こる限り、特に制限がなく、例えば、６０〜１００℃範囲及び１〜５ｋｇｆ気圧であってもよい。上記セパレーターは、膜、フィルムまたは繊維状であってもよい。
【００５５】
使用可能なセパレーターとしては、（ａ）気孔部を有する多孔性セパレーター、または（ｂ）片面または両面上にゲル化高分子コート層が形成された多孔性セパレーターがあり、これらの非制限的な例としては、ポリプロピレン系、ポリエチレン系またはポリオレフィン系多孔性セパレーター、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体などの固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用の高分子フィルム、ゲル化高分子コート層がコートされたセパレーターなどがある。このとき、ゲル化高分子は電解液含浸時にゲル化可能であれば、特に制限はない。また、ゲル化高分子コート層が形成されたセパレーターは当業界の通常の方法により作製可能であり、例えば、ゲル化高分子、例えばＰＶｄＦ共重合体を溶媒に溶解させた後にこれをセパレーター上にコートして乾燥することにより作製可能である。
【００５６】
上記電解液の注入は、最終製品の作製工程及び要求物性に応じて、電池作製工程中に適切な段階において行われうる。すなわち、電池組立て前または電池組立ての最終段階などにおいて適用可能である。
【００５７】
本発明の電気化学素子の外形には制限がなく、缶を用いた円筒状、角状、パウチ状またはコイン状などであってもよい。特に、角状電池に有効である。通常、包装に使用される容器（外装材）としては、アルミニウム角状缶またはアルミニウムラミネートフィルムを使用するが、本発明において提供される素子構成物はそれ自体が角状容器と同じ形状を呈していることから、挿入される場合に容器の内部に空き空間が残る余地がない。このため、活物質の空間活用度を極大化する高集積度の素子、好ましくは、電池を具現することができて電池の容量エネルギー密度を大幅に高めることができる。
以下、本発明の理解への一助とするために、好適な実施例を挙げるが、下記の実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範囲が下記の実施例に限定されるものではない。
【００５８】
［実施例１〜１６］
実施例１
１−１．バインダー組成物の作製
イオン交換水９３．０ｇをリアクター内部に投入し温度を７５℃まで上げた。イオン交換水の温度が７５℃に達したところでブチルアクリレート５．８ｇ、スチレン４．３ｇ、ソジウムラウリルサルファート０．１ｇを投入した。リアクター内の温度を７５℃に維持しながらポタシウムパーサルファート０．０８ｇを５．０ｇのイオン交換水に溶解して投入することによりシード１を完成した。
上記シード１にイオン交換水９３．０ｇ、スチレン３０．０ｇ、ブチルアクリレート６０．１ｇ、アリールメタクリレート０．８ｇ、イタコン酸４．４ｇ、アクリル酸６ｇ、ソジウムラウリルサルファート０．１５ｇを混合して乳濁させた反応物を３時間かけて投入しながら、ポタシウムパーサルファート０．２１ｇを１０．０ｇのイオン交換水に溶解し、同様に３時間かけて投入することにより、バインダー重合物を完成した。このバインダー重合物を、水酸化カリウムを用いてｐＨ＝７になるように調節して負極用のバインダー組成物を完成した。以上のようなバインダーを負極作製時に使用した。
重合されたバインダーの物性について、バインダー粒子の最終粒径、ガラス転移温度、ゲル含量を測定した。まず、光散乱装置を用いて粒径を測定した結果、１９５ｎｍであり、示差走査熱量計（ＤＳＣ：Differential Scanning Calorimeter）を用いて１０℃／分の昇温速度で測定したガラス転移温度は−５℃であった。なお、トルエンを溶媒として用いて測定したゲル含量（Gel Content）は８５％であった。
【００５９】
１−２．フルセルを基本単位とする積層セルの作製
（正極作製）
ＬｉＣｏＯ２：カーボンブラック：ＰＶｄＦ＝９５：２．５：２．５の重量比にてＮＭＰに分散させてスラリーを作製した後、このスラリーをアルミ箔にコートし、１３０℃において十分に乾燥した後、プレスして正極を作製した。
最外郭フルセルの最外郭に位置する正極はアルミ箔の片面にのみスラリーをコートして正極物質がアルミニウム正極集電体に単面コートされた正極を作製し、内部に位置するフルセルの正極はアルミ箔の両面にスラリーをコートして正極物質がアルミニウム正極集電体に両面コートされた正極を作製した。単面コート正極の厚さは１０５μｍであり、両面コート正極の厚さは１４０μｍであった。
【００６０】
（負極の作製）
グラファイト：導電性カーボン（Super−Ｐ）：上記実施例１−１において作製されたバインダー組成物：水溶性高分子カルボキシルメチルセルロース＝９４：１：２．５：２．５の重量比にて水に分散させてスラリーを作製した後、このスラリーを銅箔にコートし、１３０℃において十分に乾燥した後、プレスして負極を作製した。
最外郭フルセルの最外郭に位置する負極は、銅箔の片面にのみスラリーをコートして負極物質が銅負極集電体に単面コートされた負極を作製し、内部に位置するフルセルの負極は銅箔の両面にスラリーをコートして負極物質が銅負極集電体に両面コートされた負極を作製した。単面コート負極の厚さは１００μｍであり、両面コート負極の厚さは１３５μｍであった。
【００６１】
（セパレーター；分離フィルム；高分子電解質用の高分子フィルムの作製）
微細多孔構造を有する厚さ１６μｍのポリプロピレンフィルムを第１の高分子セパレーターとし、ソルベイポリマー社製のポリビニリデンフルオリド−クロロトリフルオロエチレン共重合体３２００８を第２のゲル化高分子とする多層高分子フィルムを作製した。すなわち、６ｇの３２００８をアセトン１９４ｇに投入し、５０℃の温度を維持しながらよく攪拌し、１時間後に３２００８が完全に溶解された透明な溶液をコート工程によりポリプロピレン第１の高分子セパレーターにコートした。コートされた３２００８の厚さは１μｍであり、最終多層高分子フィルムは１８μｍであった。
【００６２】
（内部に位置するフルセルの作製）
上記において作製した正極集電体に正極活物質が両面コートされた正極を２．９ｃｍ×４．３ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所は除いて切り取り、負極集電体に負極活物質が両面コートされた負極を３．０ｃｍ×４．４ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所は除いて切り取った後、上記において作製した多層高分子フィルムを３．１ｃｍ×４．５ｃｍサイズに切り取って上記の正極と負極との間に配置した後、これを１００℃のロールラミネーターに通して各電極とセパレーターを熱接合により接着して内部フルセルを作製した。
【００６３】
（最外郭に位置するフルセルの作製）
上記において作製した正極集電体に正極活物質が単面コートされた正極を２．９ｃｍ×４．３ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取り、負極集電体に負極物質が両面コートされた負極を３．０ｃｍ×４．４ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取った後、上記において作製された多層高分子フィルムを３．１ｃｍ×４．５ｃｍサイズに切り取って正極と負極との間に配置した後、これを１００℃のロールラミネーターに通して各電極とセパレーターを熱接合により接着して最外郭フルセル１を作製した。
【００６４】
また、上記において作製された正極活物質が正極集電体に両面コートされた正極を２．９ｃｍ×４．３ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取り、負極活物質が負極集電体に両面（公開特許第２００１−００８２０５８号公報の８頁参照）コートされた負極を３．０ｃｍ×４．４ｃｍサイズの矩形にタップを出す個所を除いて切り取った後、上記において作製した多層高分子フィルムを３．１ｃｍ×４．５ｃｍサイズに切り取って正極と負極との間に配置した後、これを１００℃のロールラミネーターに通して各電極とセパレーターを熱接合により接着して最外郭フルセル２を作製した。
【００６５】
（フルセルの積層）
上記において作製されたフルセルを最外郭フルセル１、内部フルセル、最外郭フルセル２の順にそれぞれの単面コートされた電極は電極集電体が最外郭に位置するようにし、各フルセルの積層部には上記において作製された多層高分子フィルムを３．１ｃｍ×４．５ｃｍサイズに切り取って挿入位置した後、これらを１００℃のロールラミネーターにそのまま通させてそれぞれのフルセルと高分子フィルムを熱接合により接着させた。
【００６６】
（電池の作製）
上記において作製された積層されたフルセルをアルミニウムラミネート包装材（ケース）に入れ、１ＭのＬｉＰＦ６濃度の１：２の重量組成を有するＥＣ（Ethylene Carbonate）／ＥＭＣ（Ethyl Methyl Carbonate）を含んでなる液体電解質を注入しパッケージしてリチウムイオンポリマー電池を完成した。
【００６７】
［実施例２〜実施例７］
上記実施例１において作製されたシード１を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表１のように変えて投入することを除いては、上記実施例１の方法と同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果もまた下記表１にまとめて示す。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は、実施例１の方法と同様にして行った。
【００６８】
【表１】
2008546135.tif 000003
【００６９】
［実施例８〜実施例１５］
上記実施例１において作製されたシード１を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表２のように変えて投入することを除いては、実施例１の方法と同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果もまた下記表２に記載する。ここで、実施例８〜実施例１０はガラス転移温度を、実施例１１〜実施例１３はゲル含量を、実施例１４と実施例１５は粒子サイズを変えたバインダー重合物をそれぞれ示す。実施例１４と実施例１５に使用されたシードは、投入されるソジウムラウリルサルファート量をそれぞれ０．３ｇ、０．０６ｇに変えてシードを作製して使用した。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は、実施例１の方法と同様にして行った。
【００７０】
【表２】
2008546135.tif 000004
【００７１】
実施例１６
イオン交換水１６７．４ｇをリアクター内部に投入し温度を７５℃まで上げた。イオン交換水の温度が７５℃に達したところで１，３−ブタジエン８．１ｇ、スチレン１０．１ｇ、ソジウムラウリルサルファート０．２３ｇを投入した。リアクター内部温度を７５℃に維持しながらポタシウムパーサルファート０．１４ｇを９．０ｇのイオン交換水に溶解させて投入することによりシード２を完成した。重合されたシード２を使用することによりシード組成がバインダー物性に及ぼす影響を調べることができた。
この他のバインダー重合物を完成する方法は、上記実施例１の方法と同様にすることにより、シード種類によるバインダーの物性変化を評価することができ、最終的に完成されたバインダーの粒径は２０１ｎｍ、ガラス転移温度は−３℃、ゲル含量は８７％であった。
この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は実施例１の方法と同様にして行った。
【００７２】
［比較例１〜比較例４］
実施例１において作製されたシード１を使用し、乳濁させて投入する単量体組成を下記表３のように変えて投入することを除いては、実施例１の方法同様にしてバインダー重合物を完成した。重合されたバインダーの固有物性の測定結果を下記表３に示す。この他のフルセルを基本単位とする積層セルの作製、電池作製は実施例１の方法と同様にして行った。
【００７３】
【表３】
2008546135.tif 000005
【００７４】
実験例１．接着力評価
本発明のバインダー組成物を用いて作製された電極における活物質と集電体との接着力を評価するために、下記の実験を行った。
電極としては上記実施例１〜実施例１６の電極を使用し、対照群として比較例１〜比較例４の電極を使用した。
ガラス板上に１ｃｍ厚さに切り取った各電池の電極を取り付けた後、集電体を剥がし、１８０°剥離強度を測定した。評価は５以上の剥離強度を測定して平均値にし、この結果を下記表４に示す。
【００７５】
実験例２．熱接合特性評価
本発明のバインダー組成物を用いて作製された多重積層セルにおいてバインダーの熱接合特性を評価するために下記の実験を行った。
多重積層セルとしては実施例１〜実施例１６の積層セルを使用し、対照群として比較例１〜比較例４の積層セルを使用した。
高分子電解質フィルムと負極との熱接合特性を評価するために、熱接合後に負極からセパレーターを剥がした後、熱接合の度合いを観察した。このとき、剥がした後、負極活物質がセパレーターに残存する場合を熱接合が行われたと判定し、負極活物質がセパレーターに残存しない場合を熱接合が行われていないと判定した。このような熱接合特性の有無を下記表４に示す。
【００７６】
実験例３．電池特性評価
本発明に従い作製されたバインダー組成物を用いたリチウム二次電池の特性を評価するために下記の実験を行った。
電池は実施例１〜実施例１６及び比較例１〜比較例４において作製されたそれぞれのリチウムイオンポリマー電池を使用した。
電池特性は速度特性と寿命特性に分けて評価した。速度特性は０．２Ｃ定電流法により測定した容量に対して、０．５Ｃ定電流法により測定した容量と１．０Ｃ定電流法により測定した容量を百分率にて評価した。寿命特性は初期容量に対して、０．２Ｃ定電流法により３０サイクルの充放電を繰り返した後、測定した容量を初期容量に対する百分率にて評価した。評価は同じバインダー組成物に対して５個のコイン状電池を製作して評価した後、平均値とし、この結果を下記表４に示す。
【００７７】
【表４】
2008546135.tif 000006
【００７８】
上記表４に記載の結果に基づく本発明の特徴は、下記の通りである。
１）本発明のバインダー組成物は電極において優れた電極活物質と集電体との接着力特性を有することにより、電極の構造的な安全性及び電池の性能向上を図ることができるということが確認できた。
２）また、多重積層セルにおける熱接合特性を評価した結果、本発明のバインダー組成物を用いて作製された多重積層セルは比較例のバインダーを用いた積層セルに比べて卓越した熱接合特性を有することが確認できた（表４、図４〜図６参照）。すなわち、比較例１の積層セルはセパレーターに負極活物質が残存せずに熱接合によりバインダーの接着力特性が格段に低下したことを示すのに対し、本発明のバインダーを用いた実施例１及び実施例２の多重積層セルは負極活物質がセパレーターに残存する形を示すことにより、高温熱接合によるバインダーの優れた接着力特性が持続的に維持されることを確認することができた。
３）さらに、リチウム二次電池の性能を評価した結果、本発明のバインダー組成物を用いて作製されたリチウム二次電池はいずれも電池の速度特性及び寿命特性項目において比較例１〜比較例４の電池に比べて顕著な性能向上を示した（表４参照）。これは、本発明のバインダーが有する物性、例えば、優れた接着力及び熱接合特性により電極内電極活物質粒子同士、電極活物質と集電体との接着力向上を通じた電極の構造的な安定性を具現するだけではなく、多重積層セルにより構成される電気化学素子において電極とセパレーターが挟まれる積層部の熱融着による接合工程が可能になることにより、製作された電気化学素子、好ましくは、リチウムイオンポリマー電池の速度特性と寿命特性の向上が図れるということを示している。
【００７９】
以上の結果から、本発明のバインダーは優れた接着力及び熱接合特性を有することにより、電気化学セル（例えば、フルセルまたはバイセル）が多重積層された電気化学素子、例えば、リチウムイオンポリマー電池に特に有用であることが分かる。さらに、このように接着力と熱接合特性に優れたバインダーを実際に適用する場合、電気化学セルが多重積層された電気化学素子、例えば、フルセル、またはバイセルが基本単位である複数の電気化学セルが積層され、それぞれの積層部はセパレーターが挟まれるリチウムイオンポリマー電池の作製が容易に行われるだけではなく、これにより素子内空間を効率よく使用する構造を図ることができるので、電極活物質の含量を極大化させた高集積度の電気化学素子を具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】単面コートされた正極、セパレーター及び単面コートされた負極により構成された２つのフルセルが積層されたセルの層状構造を示す図。
【図２】両面コートされた正極、セパレーター及び両面コートされた負極により構成されたフルセルを単位セルとして積層されたセルの層状構造を示す図。
【図３】一部単面コートされた電極とセパレーターにより構成されたバイセル（最外郭バイセル１、２）及び両面コートされた電極とセパレーターにより構成されたバイセル（内部バイセル）を互いに積層して構成されたセルの層状構造を示す図。
【図４】実施例１（図4）に従い作製されたバインダーを用いた多重積層セルの熱接合特性を示す写真。
【図５】実施例２（図5）に従い作製されたバインダーを用いた多重積層セルの熱接合特性を示す写真。
【図６】比較例１（図6）に従い作製されたバインダーを用いた多重積層セルの熱接合特性を示す写真。
【符号の説明】
【００８１】
７：正極                        ８：負極
１０：フルセル                １１：負極電流集電体
１２：正極電流集電体          １３：負極活物質
１４：正極活物質              １５：セパレーター
１６：フルセル積層セル        １７：フルセル
１７’：フルセル              １７”：フルセル
１８：フルセル積層セル        １９：セパレーター
２０：フルセル積層セル        ２１：バイセル
２２：バイセル積層セル        ２３：バイセル
２４：バイセル                ２４’：バイセル
２５：バイセル積層セル        ２６：バイセル積層セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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