活性物質(zhì)片材及使用該活性物質(zhì)片材的電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及活性物質(zhì)片材及使用該活性物質(zhì)片材的電極，提供一種能夠提高活性物質(zhì)顆粒的密度、提高電容量的活性物質(zhì)片材及使用了該活性物質(zhì)片材的電極。一種活性物質(zhì)片材，其具備：積蓄電荷的活性物質(zhì)和粘結(jié)活性物質(zhì)的粘結(jié)劑?；钚晕镔|(zhì)在觀察視野中所識別的顆粒中90％以上的顆粒的粒徑d為d≤20μm。另外，活性物質(zhì)包括第一組及第二組。第一組活性物質(zhì)的顆粒的粒徑d為d≤5μm且圓形度為0.850～1.000。第二組活性物質(zhì)的顆粒的粒徑d為5μm＜d≤20μm且圓形度為0.500～0.850。
【專利說明】活性物質(zhì)片材及使用該活性物質(zhì)片材的電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及活性物質(zhì)片材及使用該活性物質(zhì)片材的電極。
【背景技術(shù)】
[0002]雙電荷層電容器和鋰離子電池對于電極要求高的性能。特別是，用于電極的活性物質(zhì)對電容器和電池的容量產(chǎn)生較大的影響。因此，就電極而言，要求能量密度的提高，即電容量的增大。例如專利文獻I中，通過規(guī)定活性物質(zhì)的粒徑來實現(xiàn)使用了活性物質(zhì)的電極的電容量的增大。
[0003]但是，活性物質(zhì)的顆粒不一定顯示規(guī)則的形狀。因此，僅如專利文獻I那樣規(guī)定活性物質(zhì)的粒徑難以提高電極中的各活性物質(zhì)的顆粒的密度。即，在專利文獻I的情況下，在電極中的各活性物質(zhì)顆粒的 相互之間，殘留有對電容量無貢獻的無用的空間。其結(jié)果是，存在電容量的增加是有限的這樣的問題。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:特開2003-347172號公報
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明所要解決的課題
[0008]因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種提高活性物質(zhì)片材中的活性物質(zhì)的顆粒密度、電容量得以提高的活性物質(zhì)片材以及使用了該活性物質(zhì)片材的電極。
[0009]用于解決課題的手段
[0010]本發(fā)明人專心研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為提高活性物質(zhì)片材的活性物質(zhì)的顆粒密度，不僅要控制粒狀活性物質(zhì)的粒徑，而且需要控制粒狀活性物質(zhì)的圓形度。
[0011]即，本實施方式的活性物質(zhì)片材具備:積蓄電荷的活性物質(zhì)和粘結(jié)活性物質(zhì)的粘結(jié)劑。而且，其中，活性物質(zhì)為粒狀，在觀察視野中，所識別的顆粒中的90 %以上的顆粒的粒徑d為d ≤ 20 μ m。另外，活性物質(zhì)包括第一組和第二組。該第一組活性物質(zhì)的顆粒的粒徑d為d ≤ 5 μ m，圓形度為0.850~1.000。另外，第二組活性物質(zhì)的顆粒的粒徑d為5 μ m< d≤20 μ m，圓形度為0.500~0.850。
[0012]這樣，活性物質(zhì)片材中所含的活性物質(zhì)的顆粒(以下，也稱為“活性物質(zhì)顆?！?不僅其大部分的粒徑d為d ≤ 20 μ m，而且被分類成粒徑d比較小且圓形度高的第一組和粒徑比較大且圓形度比第一組低的第二組。在此，圓形度基于觀察視野中的活性物質(zhì)的顆粒形狀、即觀察視野中的活性物質(zhì)的投影形狀來判斷。活性物質(zhì)的顆粒的形狀像這樣在二維下捕捉時，圓形度越高越近似真圓，真圓的圓形度為1.000。
[0013]另外，所謂圓形度是表示某物體的形狀多么接近圓的指標，可用下式表示。
[0014]圓形度=投影面積相等的圓的周長/顆粒的周長
[0015]例如，在計算正多邊形的圓形度時，正三角形為0.7776，正方形為0.8862，正六邊形為0.9523，正十八邊形為0.9949。另外，越是縱橫比大的形狀，越具有圓形度下降的傾向。
[0016]本實施方式的活性物質(zhì)片材的情況中，粒徑小且圓形度高的第一組活性物質(zhì)顆粒，以填埋粒徑比較大且圓形度低的第二組活性物質(zhì)顆粒間形成的空間的方式進行填充。即，粒徑比較小的第一組活性物質(zhì)顆粒被填充于粒徑比較大的第二組活性物質(zhì)顆粒之間。而且，因為第一組活性物質(zhì)顆粒的圓形度高至0.850?1.000，所以被致密地填充于這些第二組活性物質(zhì)顆粒的間隙。其結(jié)果是，活性物質(zhì)顆粒整體上得到致密地填充。因而，能夠提高活性物質(zhì)片材中的活性物質(zhì)顆粒的密度即填充度，能夠提高電容量。
[0017]另外，本實施方式的活性物質(zhì)片材在觀察視野中，將識別的第一組活性物質(zhì)顆粒的面積總和設(shè)為SI，將識別的第二組活性物質(zhì)顆粒的面積總和設(shè)為S2時，優(yōu)選S1:S2 =
0.9?3.4:1.0。通過將第一組活性物質(zhì)顆粒與第二組活性物質(zhì)顆粒的比例設(shè)定在該范圍內(nèi)，活性物質(zhì)顆粒整體的電容量增大。
[0018]本實施方式的活性物質(zhì)片材通過在其至少一面用粘接層固定粘接由導(dǎo)電體形成的集電片材，從而形成為電極。這樣操作所獲得的電極提高了活性物質(zhì)片材的電容量。
[0019]另外，也可以通過將含有活性物質(zhì)片材的成分的層與由導(dǎo)電體形成的集電片材相接地設(shè)置，形成為電極。
[0020]因此，使用了該電極片材的電容器和鋰離子電池，提高了電極的電容量、即靜電容量。從而能夠提高電容器和鋰離子電池的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是表示應(yīng)用了實施方式的活性物質(zhì)片材的電極的示意性截面圖；
[0022]圖2是表示實施方式的活性物質(zhì)片材的觀察視野的示意圖；
[0023]圖3是表示實施方式的活性物質(zhì)片材的驗證結(jié)果的概略圖。
[0024]附圖標記說明
[0025]附圖中，10表示活性物質(zhì)片材，11表示電極，12表示集電片材，13表示粘接層，20表示活性物質(zhì)顆粒，21表示第一組活性物質(zhì)顆粒,22表示第二組活性物質(zhì)顆粒。
【具體實施方式】
[0026]下面，基于【專利附圖】

【附圖說明】本實施方式的活性物質(zhì)片材。
[0027]圖1所示的活性物質(zhì)片材10作為例如雙電荷層電容器、鋰離子電容器或鋰離子電池的電極等電容器及二次電池的電極使用。使用活性物質(zhì)片材10的電極11由活性物質(zhì)片材10、集電片材12及粘接層13構(gòu)成。集電片材12由例如鋁或銅等導(dǎo)電性金屬形成薄膜狀。集電片材12不限于鋁或銅，可以使用銀等導(dǎo)電性金屬及合金。集電片材12設(shè)于活性物質(zhì)片材10的至少一面?zhèn)取Ｕ辰訉?3設(shè)于活性物質(zhì)片材10和集電片材12之間，將活性物質(zhì)片材10和集電片材12進行粘接。粘接層13由導(dǎo)電性粘結(jié)劑形成。由此，自活性物質(zhì)片材10向集電片材12的電荷移動通過導(dǎo)電性的粘接層13得到確保。
[0028]活性物質(zhì)片材10使用了將活性物質(zhì)顆粒20和粘結(jié)劑混合及捏合而成的物質(zhì)成型為片狀的片材。另外，未使用粘接層13的電極通過在集電片材12的表面涂敷含有活性物質(zhì)片材成分的半液體狀原料而設(shè)置含有活性物質(zhì)片材成分的層來制造。[0029]活性物質(zhì)片材10具備圖2所示的活性物質(zhì)顆粒20及未圖示的粘結(jié)劑。活性物質(zhì)顆粒20由例如活性碳等可積蓄電荷的物質(zhì)形成。在活性物質(zhì)顆粒20中包含根據(jù)其性質(zhì)而分類的第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22。活性物質(zhì)顆粒20不限于活性碳，可由例如鋰化合物等可積蓄電荷的物質(zhì)形成。作為鋰化合物，優(yōu)選LiCo02、LiMnPO4,LiFePO4等。粘結(jié)劑將活性物質(zhì)顆粒20相互粘結(jié)。即，粘結(jié)劑以使構(gòu)成活性物質(zhì)片材10的活性物質(zhì)顆粒20彼此不分離的方式粘結(jié)成一體。粘結(jié)劑由例如氟樹脂和/或烯烴樹脂等形成。
[0030]活性物質(zhì)片材10中所含的活性物質(zhì)顆粒20，在觀察視野中識別的顆粒中90%以上的粒徑d為d < 20 μ m。在此，所謂90%以上是指在觀察視野中識別的顆粒所占的面積中，20 μ m的活性物質(zhì)顆粒占90%以上的面積。該觀察視野設(shè)定為以任意的面切斷活性物質(zhì)片材10得到的任意的切斷面，且用通常使用的顯微鏡等觀察時可識別的視野。觀察視野設(shè)定為例如200 μ mX200 μ m。另外，在圖2中，為了簡單說明，僅在第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22的一部分標記符號。在圖2中，相對較小且具有與圓形近似的投影面的顆粒為第一組活性物質(zhì)顆粒21，相對較大且具有有棱角的投影面的顆粒為第二組活性物質(zhì)顆粒22。
[0031]第一組活性物質(zhì)顆粒21在上述的觀察視野中，為粒徑d在d < 5 μ m范圍內(nèi)的顆粒。而且，該第一組活性物質(zhì)顆粒21的圓形度在0.850~1.000范圍內(nèi)。該圓形度基于上述觀察視野中的活性物質(zhì)顆粒20的投影形狀進行判斷。就活性物質(zhì)顆粒20的形狀而言，圓形度越高越成為多邊形，越近似真圓。第二組活性物質(zhì)顆粒22在上述觀察視野中，為粒徑d在5μπι<(Κ20μπι范圍內(nèi)的顆粒。而且，該第二組活性物質(zhì)顆粒22的圓形度在0.500~
0.850范圍內(nèi)。在本實施方式中，活性物質(zhì)顆粒20的粒徑是將在平面上捕捉的顆粒的最大長度設(shè)為粒徑，通過々一二 > ^公司制的VK-HlXA圖像解析軟件算出。
[0032]在上述的觀察視野中，將所識別的第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積總和設(shè)為面積SI，將所識別的第二組顆粒的面積總和設(shè)為面積S2。這時，理想的是，面積SI與面積S2的比存在S1:S2=0.9~3.4:1.0的關(guān)系。
[0033]下面，對上述構(gòu)成的活性物質(zhì)片材10的實施例詳細地進行說明。
[0034]圖3表示實施例1~12及比較例I~3的活性物質(zhì)片材的性狀的詳細情況。實施例I~12及比較例3的活性物質(zhì)片材10通過以下順序進行制作。在實施例1~12的活性物質(zhì)片材10的情況中，將包含活性碳的控制了圓形度的各組活性物質(zhì)顆粒與粘結(jié)劑混合后進行捏合。在此，未圖示的混合的活性物質(zhì)顆粒通過例如用球磨機、噴射式粉碎機或行星式球磨機等施加機械外力，控制圓形度來準備。這些活性物質(zhì)顆粒的粒徑及圓形度通過動態(tài)圖像解析法來測定。然后，通過軋制將捏合的混合物形成為厚度300 μ m的片狀。另外，圖3所示的活性物質(zhì)片材中的各組活性物質(zhì)顆粒20的圓形度，是將觀察視野中的各組活性物質(zhì)顆粒20的圓形度進行平均后得到的平均圓形度。
[0035]另一方面，比較例I~3的活性物質(zhì)片材包括第一組活性物質(zhì)顆粒、第二組活性物質(zhì)顆粒及第三組活性物質(zhì)顆粒中的任意一種以上。在此，第三組活性物質(zhì)顆粒是與第一組及第二組的任一種均不相同的活性物質(zhì)顆粒，不僅粒徑不同，其圓形度也小于0.500。作為該第三組活性物質(zhì)顆粒的作用，粒徑超過20 μ m的顆粒產(chǎn)生的影響較大。具體而言，比較例I含有第一組活性物質(zhì)顆粒、第二組活性物質(zhì)顆粒及第三組活性物質(zhì)顆粒。比較例2僅含有第二組活性物質(zhì)顆粒，不含第一組活性物質(zhì)顆粒。比較例3僅含有第一組活性物質(zhì)顆粒，不含第二組活性物質(zhì)顆粒。這些比較例I?3的活性物質(zhì)片材與上述實施例1?12同樣，在將規(guī)定的活性物質(zhì)顆粒與粘結(jié)劑混合后捏合，之后，通過軋制形成厚度300 μ m的片狀。
[0036]對于上述說明的實施例1?12，將單位體積的靜電容量與比較例I?3對比進行驗證。
[0037]在圖3中，實施例1?12的單位體積的靜電容量表示將與本實施方式不同的比較例3的靜電容量設(shè)為“100”時的相對值。如由該圖3可知那樣，實施例1?12與比較例I?3相比，單位體積的靜電容量都提高了。特別是，將圓形度近似的實施例1、實施例6與比較例I進行比較時，可知靜電容量受到粒徑為20 μ m以下的活性物質(zhì)顆粒在觀察視野中所占面積的影響。另外，將實施例2與實施例3以及實施例4與實施例5進行比較時可知，第一組活性物質(zhì)顆粒21的圓形度的差比第二組活性物質(zhì)顆粒22的圓形度的差對靜電容量的影響大。可知通過適當?shù)亟M合第一組活性物質(zhì)顆粒21的圓形度和第二組活性物質(zhì)顆粒22的圓形度，可實現(xiàn)靜電容量的提高。
[0038]認為這是由于如下的理由。第一組活性物質(zhì)顆粒21與第二組活性物質(zhì)顆粒22比較，圓形度大、粒徑小。因此，如圖2所示，圓形度小、粒徑大的第二組活性物質(zhì)顆粒22在彼此間形成許多間隙。與此相對，圓形度大、粒徑小的第一組活性物質(zhì)顆粒21被有效地填充于該第二組活性物質(zhì)顆粒22形成的間隙中。其結(jié)果是，活性物質(zhì)片材10中的活性物質(zhì)顆粒20的存在率、即活性物質(zhì)顆粒20的凝聚度提高。特別是，即使第二組活性物質(zhì)顆粒22形成的間隙是不規(guī)則的形狀，圓形度高的第一組活性物質(zhì)顆粒21也能夠致密地填充于該間隙。這樣，通過控制第一組活性物質(zhì)顆粒21的圓形度及第二組活性物質(zhì)顆粒22的圓形度兩者，提高了活性物質(zhì)片材10的靜電容量。
[0039]以往，活性物質(zhì)片材是向活性物質(zhì)顆粒形成的彼此間的間隙中添加作為導(dǎo)電助劑的例如炭黑及科琴黑等碳顆粒而制成的。根據(jù)本實施方式，即使不使用上述的導(dǎo)電助劑也能夠制作活性物質(zhì)片材，并且可實現(xiàn)提高活性物質(zhì)片材中的活性物質(zhì)顆粒的密度，提高電容量。另外，本實施方式的活性物質(zhì)片材如果適當?shù)乜刂频谝唤M活性物質(zhì)顆粒及第二組活性物質(zhì)顆粒能夠確保充分的靜電容量，也可以添加導(dǎo)電助劑。
[0040]如上所述，通過將第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22適當?shù)剡M行混合，活性物質(zhì)片材10能夠獲得高的靜電容量。
[0041]下面，驗證第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積比率給單位體積的靜電容量帶來的影響。
[0042]實施例7?12是在實施例1中對第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積及第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積進行了控制的例子。即，實施例7?12的第一組活性物質(zhì)顆粒21的平均圓形度和第二組活性物質(zhì)顆粒22的平均圓形度與實施例1是同等的。實施例7?12的活性物質(zhì)片材10是在實施例1中的配合比基礎(chǔ)上變更混合的第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22的配合比，并按照與實施例1同樣的順序進行制作。這樣一來，實施例7?12控制了第一組活性物質(zhì)顆粒21及第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積比。在圖3中，當將第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積S2設(shè)為“1.0”時，將第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積SI的比例作為面積比表示。
[0043]如由實施例1與實施例8、以及實施例7與實施例9的比較可知那樣，在將第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積設(shè)為“1.0”時，第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積優(yōu)選為0.9?3.4。即，第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積SI與第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積S2的面積比優(yōu)選為:
[0044]S1:S2 = 0.9 ?3.4:1.0。
[0045]另外，根據(jù)實施例8與實施例12、以及實施例9與實施例11的比較，該面積比更優(yōu)選為 SI:S2=1.7 ?2.9:1.0。
[0046]認為這是因為在第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積比為3.4以下時，粒徑相對較大的第二組活性物質(zhì)顆粒22的電荷保持特性的效果變大。因此，第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積比優(yōu)選以3.4作為上限，更優(yōu)選以2.9作為上限。
[0047]另一方面，在第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積比為0.9以上時，圓形度較大的第一組活性物質(zhì)顆粒21增多。第一組活性物質(zhì)顆粒21增多時，填充于第二組活性物質(zhì)顆粒22形成的間隙中的第一組活性物質(zhì)顆粒21增加。其結(jié)果認為，在第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積比達到0.9以上時，靜電容量提高。因此，第一組活性物質(zhì)顆粒21的面積比優(yōu)選以0.9作為下限，更優(yōu)選以1.7作為下限。
[0048]如上所述，通過適當?shù)乜刂频谝唤M活性物質(zhì)顆粒21的面積與第二組活性物質(zhì)顆粒22的面積的比，活性物質(zhì)片材10能夠獲得高的靜電容量。
[0049]另外，使用了實施例1?12的活性物質(zhì)片材或?qū)拥碾姌O、電容器、鋰離子電池能夠獲得高的靜電容量。
[0050]以上說明的本發(fā)明不限定于上述實施方式，在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可采用各種各樣的實施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種活性物質(zhì)片材，其具備積蓄電荷的活性物質(zhì)和粘結(jié)所述活性物質(zhì)的粘結(jié)劑， 所述活性物質(zhì)為粒狀， 在觀察視野中，識別的顆粒中90%以上的顆粒的粒徑d為d < 20 μ m，且含有: 第一組，顆粒的粒徑d為d < 5 μ m且圓形度為0.850~1.000， 第二組，其顆粒的粒徑d為5μπι < d ( 20 μ m且圓形度為0.500~0.850。
2.如權(quán)利要求1所述的活性物質(zhì)片材，其中， 在所述觀察視野中，在將識別的所述第一組顆粒的面積總和設(shè)為S1、將識別的第二組顆粒的面積總和設(shè)為S2時，
SI: S2 = 0.9 ~3.4: 1.0。
3.—種電極,其具備: 權(quán)利要求1或2所述的活性物質(zhì)片材、 由導(dǎo)電體形成且與所述活性物質(zhì)片材的至少一面相接的集電片材、和 粘接所述活性物質(zhì)片材與所述集電片材的粘接層。
4.一種電極,其具備: 含有權(quán)利要求1或2所述的 活性物質(zhì)片材成分的層、和 由導(dǎo)電體形成且與所述層相接的集電片材。
5.一種電容器，其具備權(quán)利要求3或4所述的電極。
6.一種鋰離子電池，其具備權(quán)利要求3或4所述的電極。
【文檔編號】H01M4/13GK103545490SQ201310273151
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月9日
【發(fā)明者】尾崎幸樹, 兼松克己, 越智真志 申請人:大同金屬工業(yè)株式會社