JP2004281055A - カルボキシル基含有樹脂を用いた電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極および電池 - Google Patents
カルボキシル基含有樹脂を用いた電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極および電池 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】可とう性と耐電解液性を両立した電池用バインダ樹脂組成物;これを含む合剤スラリー;この合剤スラリーを用いた、耐電解液性並びに可とう性に優れた電極;この電極を用いた電池;及び可とう性と耐電解液性に優れたカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用を提供すること。
【解決手段】バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物;これを含む合剤スラリー;この合剤スラリーを用いた、耐電解液性並びに可とう性に優れた電極;この電極を用いた電池;及び可とう性と耐電解液性に優れたカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
【化1】
式中、R1はHまたはCH3、R2は炭素原子数5〜30の炭化水素基である。
【解決手段】バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物;これを含む合剤スラリー;この合剤スラリーを用いた、耐電解液性並びに可とう性に優れた電極;この電極を用いた電池;及び可とう性と耐電解液性に優れたカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
【化1】
式中、R1はHまたはCH3、R2は炭素原子数5〜30の炭化水素基である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルボキシル基含有樹脂を用いた電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極および電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子技術の進歩により、電子機器の性能が向上して小型化、ポータブル化が進み、その電源としてエネルギー密度の高い二次電池が望まれている。従来の二次電池としては、鉛蓄電他、ニッケル−カドミウム電池等が挙げられるが、高エネルギー密度の電池という点では末だ不十分である。そこで、これらの電池に替わるものとして、近年、エネルギー密度を大幅に向上できる有機電解液系リチウム二次電池(以下、単に「リチウム電池」と記す)が開発され、急速に普及している。
【0003】
リチウム電池には、正極の活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としてはリチウムイオンの層間への挿入(リチウム層間化合物の形成)及び層間からのリチウムイオンの放出が可能な多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。正・負極の極板は、これらの活物質とバインダ樹脂とをN−メチル−2−ピロリドンあるいは水等の溶剤に分散させてスラリーとしたものを集電体である金属箔上に両面塗布し、溶剤を乾燥除去して合剤層を形成後、これをロールプレス機で圧縮成形して作製されている。この際のバインダ樹脂としては、両極ともポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と略す)が多用されている。
【0004】
しかしながら、PVDFをバインダ樹脂として使用した場合、集電体と合剤層との界面の密着性及び合剤層中の活物質間の密着性、特に前者の密着性が劣るため、(1)各極の極板の裁断あるいは両極の極板をセパレータを介して渦巻き状に捲回する電池製造工程時に合剤層の一部又は全部が集電体から剥離・脱落する、(2)負極活物質の炭素材料が電池の充放電によるリチウムイオンの挿入・放出にともない膨張・収縮するため、充放電を繰り返すことによって合剤層の一部又は全部が集電体から剥離・脱落する、といった問題があり、このような密着性不足が電池の容量低下を招く一因となっていた。
【0005】
上記PVDFの密着性の問題を解決できる含フッ素系バインダ樹脂として、例えば、特許文献1には、フッ化ビニリデンを主成分とし、これに少量の不飽和二塩基性モノエステルを共重合して得られたフッ化ビニリデン系共重合体を用いることが提案されているが、このようなフッ化ビニリデン系共重合体をバインダ樹脂とする場合、集電体と合剤層との界面の密着性は大幅に向上する反面、(1)結晶性の低下により、捲回後に注液される電解液に対する耐性(以下、「耐電解液性」と記す)が低下して膨潤しやすくなり、集電体と合剤層との界面の接触及び合剤層中の活物質間の接触がルーズになり、このことが極板全体の導電ネットワークの崩壊につながって、電池の容量が低下する、(2)高電圧下では腐食性の強いフッ化水素の脱離・生成をともなう分解が起こりやすくなり、内圧が上昇して電池が機能しなくなる、といった弊害が指摘されており、本質的な問題解決には至っていない。
【0006】
一方、PVDF等の含フッ素系以外のバインダ樹脂として、例えば、特許文献2にはスチレン・ブタジエン・ゴム(以下、「SBR」と略す)等のジエン系合成ゴムを用いることが提案されているが、SBR等のジエン系合成ゴムは、それ自体では耐電解液性が良好なものが多いものの、スラリー中での活物質の安定性が著しく劣り、活物質が沈降しやすい。このためセルロース等の増粘剤あるいは界面活性剤などの添加が必要あり、これらが電解液に溶解してしまうため、電池の容量が低下するといった問題があった。
【0007】
またPVDF、SBR以外のバインダ樹脂で電解液に溶解しない耐電解液性に優れたバインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂がある。例えば、特許文献3にはポリアクリル酸系樹脂が提案されている。これをバインダ樹脂として用いた場合、優れた電池特性を示すと記載されている。しかしこの樹脂はそれ自体が剛直なためロールプレス機で圧縮成形して作製する過程や、電池を捲回する過程において電極が剥離してしまう等の問題がある。
このような剛直なカルボキシル基含有樹脂に可とう性を付与する樹脂を加える試みがなされている。例えば、特許文献4ではポリアクリル酸にポリエチレンオキシド、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミンなどが加えられているが、ポリアクリル酸との相溶性が良くないため十分な可とう性が得られていない。
【0008】
【特許文献1】特開平6−172452号公報
【特許文献2】特開平5−74461号公報
【特許文献3】特開平11−354125号公報
【特許文献4】特開平11−135129号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、可とう性と耐電解液性を両立した電池用バインダ樹脂組成物を提供することである。
本発明の他の目的は上記電池用バインダ樹脂組成物を含む合剤スラリーを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記合剤スラリーを用いた、耐電解液性並びに可とう性に優れた電極を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記電極を用いた電池、特にリチウムイオン電池を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、可とう性と耐電解液性に優れたカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極、電池、特にリチウムイオン電池、及びカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用を提供するものである。
1.バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物。
【化5】
式中、R1はHまたはCH3、R2は炭素原子数5〜30の炭化水素基である。
2.バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部と、これらと共重合可能な単量体0〜89質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物。
3.カルボキシル基含有樹脂が、酸価70〜750KOHmg/gのカルボキシル基含有樹脂である上記1又は2記載の電池用バインダ樹脂組成物。
4.R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である上記1〜3のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物。
5.上記1〜4のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物と、正極活物質又は負極活物質を溶剤に分散または溶解させてなる合剤スラリー。
6.正極活物質又は負極活物質が充放電により可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものである上記5記載の合剤スラリー。
7.負極活物質が、炭素材料である上記5又は6記載の合剤スラリー。
8.正極活物質が一般式LixMnyO2(xは0.2≦x≦2.5の範囲であり、yは0.8≦x≦1.25の範囲である。)で示されるリチウムマンガン複合酸化物である上記5又は6記載の合剤スラリー。
9.上記5〜8のいずれか1項記載の合剤スラリーを集電体表面に塗布後、溶剤を除去して製造された電極。
10.上記9記載の電極を用いて製造された電池。
11.リチウムイオン二次電池である上記10記載の電池。
12.アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
13.アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部と、これらと共重合可能な単量体0〜89質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
14.酸価が70〜750KOHmg/gである上記12又は13記載の使用。
15.R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である上記12〜14のいずれか1項記載の使用。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のバインダ樹脂組成物は、アクリル酸及び/又はメタクリル酸と一般式(Ι)で表される単量体を共重合成分とするカルボキシル基含有樹脂を必須成分として含有する。本発明のカルボキシル基含有樹脂の製造に使用する一般式(Ι)で表される単量体は、特に制限されない。一般式のR2は炭素原子数5〜30、好ましくは6〜20、さらに好ましくは7〜15の炭化水素基であるが、好ましくは脂肪族、芳香族、又は環状脂肪族の炭化水素基である。炭素原子数が5未満では、電解液に膨潤し、耐電解液性に問題を生じ、30を超えると分散溶媒に溶解又は分散させることが困難になる。
一般式(Ι)で表される単量体の具体例を以下に示すが、本発明はここに示したものに限定されるものではない。
【0012】
具体例としてはアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−プロピル、アクリル酸i−プロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸i−ブチル、アクリル酸t−ブチル、アクリル酸n−ペンチル、アクリル酸n−ヘキシル、アクリル酸シクロヘキシル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸n−ヘプチル、アクリル酸n−オクチル、アクリル酸イソオクチル、アクリル酸イソデシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸イソミリスチル、アクリル酸トリデシル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸イソボルニル、アクリル酸フェニル、アクリル酸ベンジル、アクリル酸ナフチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸i−プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸i−ブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸n−ペンチル、メタクリル酸n−ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸n−ヘプチル、メタクリル酸n−オクチル、メタクリル酸イソオクチル、メタクリル酸イソデシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸イソミリスチル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸ナフチル等が挙げられ、これらは1種又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0013】
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中のアクリル酸及び/又はメタクリル酸の配合割合は、好ましくは5〜95質量部であり、さらに好ましくは30〜95質量部であり、最も好ましくは40〜90質量部である。5質量部未満では耐電解液性の向上効果が充分に発現しない場合があり、95質量部を超えると合剤の可とう性が低下する傾向がある。
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中の一般式(Ι)の単量体の配合割合は、好ましくは1〜50質量部であり、さらに好ましくは5〜45質量部であり、最も好ましくは10〜40質量部である。1質量部未満では、合剤の可とう性の向上効果が充分に発現しない場合があり、50質量部を超えると耐電解液性が低下する傾向がある。
【0014】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、アクリル酸及び/又はメタクリル酸と一般式(Ι)で表される単量体を必須の共重合成分とするものであるが、さらに共重合可能な単量体を任意の共重合成分として含有することができる。このような共重合可能な単量体は、基本的に得られた共重合体の耐電解液性および可とう性を損なわないものであれば、特に限定されない。
【0015】
具体例としては、アクリル酸2−ヒドロキシプロピル、アクリル酸2−ヒドロキシブチル、アクリル酸ブトキシエチル、アクリル酸ジメチルアミノエチル、アクリル酸ジエチルアミノエチル、アクリル酸フェノキシエチル、2−アクリロイロキシエチルコハク酸等の一官能アクリル酸エステル類、メタクリル酸ブトキシエチル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸フェノキシエチル、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸、2−メタクリロイロキシエチル2−ヒドロキシプロピルフタレート等の一官能メタクリル酸エステル類、4−ビニルピリジン、2−ビニルピリジン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−フルオロスチレン、α−クロロスチレン、α−ブロモスチレン、フルオロスチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン、メチルスチレン、メトキシスチレン、スチレン等の一官能芳香族ビニル化合物、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、N,N−ジエチルメタクリルアミド等の一官能アクリルアミド又は一官能メタクリルアミド類、アクリル酸リチウム、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、アクリル酸カルシウム、アクリル酸バリウム、アクリル酸鉛、アクリル酸すず、アクリル酸亜鉛、メタクリル酸リチウム、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウム、メタクリル酸カルシウム、メタクリル酸バリウム、メタクリル酸鉛、メタクリル酸すず、メタクリル酸亜鉛等の一官能アクリル酸又はメタクリル酸金属塩、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の一官能シアン化ビニル化合物等、ジメタクリル酸アルキレンジオール、ジメタクリル酸亜鉛、ジメタクリル酸ジメチロールトリシクロデカン、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ジメタクリル酸ビスフェノールAエチレンオキシド付加物、ジメタクリル酸ビスフェノールAプロピレンオキシド付加物、ペンタエリスリトールトリメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラメタクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサメタクリレート、トリメチロールプロパンメタクリル酸安息香酸エステル、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピルメタクリレート等の多官能メタクリル酸エステル類、ジアクリル酸アルキルジオール、ジアクリル酸ネオペンチル、ジアクリル酸亜鉛、ジアクリル酸ジメチロールトリシクロデカン、トリメチロールプロパントリアクリレート、ジアクリル酸ビスフェノールAエチレンオキシド付加物、ジアクリル酸ビスフェノールAプロピレンオキシド付加物、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピルアクリレート等の多官能アクリル酸エステル類、エチレングリコールビスアリルカーボネート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、トリエチレングリコールビスアリルカーボネート、テトラエチレングリコールビスアリルカーボネート、ペンタエチレングリコールビスアリルカーボネート、ポリプロピレングリコールビスアリルカーボネート、トリメチレングリコールビスアリルカーボネート、3−ヒドロキシプロポキシプロパノールビスアリルカーボネート、グリセリンビスアリルカーボネート、トリグリセリンビスアリルカーボネート、ジアリルカーボネート、ジアリリデンペンタエリスリトール、トリアリリデンソルビトール、ジアリリデン−2,2,6,6−テトラメチロールシクロヘキサノン、トリアリリデンヘキサメチロールメラミン、ジアリリデン−D−グルコース、ビスフェノールAジアリルエーテル、ビスフェノールSジアリルエーテル、エチレングリコールジアリルエーテル、ジチレングリコールジアリルエーテル、トリエチレングリコールジアリルエーテル、1,1,1−トリメチロールプロパントリアリルエーテル、ネオペンチルグリコールトリアリルエーテル、等の多官能アリル系化合物及びアリリデン系化合物、等が挙げられる。
これらは1種又は2種以上組み合わせて使用してもよい。なお、本発明はここに示したものに限定されるものではない
【0016】
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中の、任意の共重合成分としての共重合可能な単量体の配合割合は、0〜89質量部である。89質量部を超えると、優れた耐電解液性および可とう性を両立する共重合体が得られない。
【0017】
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するための重合方法としては、塊状重合、懸濁重合、溶液重合等の既存の方法を適用できる。
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するために、ラジカル重合開始剤を用いることができる。ラジカル重合開始剤としては、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、t−ブチルパ−オキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシヘキサヒドロテレフタレート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、1,1−t−ブチルパーオキシ−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、t−ブチルペルオキシイソプロピルカーボネート等の有機過酸化物、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビス−4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル、アゾビスシクロヘキサノン−1−カルボニトリル、アゾジベンゾイル等のアゾ化合物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の水溶性触媒及び過酸化物あるいは過硫酸塩と還元剤の組み合わせによるレドックス触媒等、通常のラジカル重合に使用できるものはいずれも使用することができる。
重合開始剤は、単量体の総量に対して0.01〜10質量%の範囲で使用されることが好ましい。
【0018】
分子量調整剤として、メルカプタン系化合物、チオグリコール、四塩化炭素、α−メチルスチレンダイマー等を必要に応じて添加することができる。
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するために必要に応じて反応溶剤を用いることができる。反応溶剤は、有機溶剤または水である。例えばN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、N,N−ジメチルエチレンウレア、N,N−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチルウレア等のウレア類、γ−ブチロラクトン、γ−カプロラクトン等のラクトン類、プロピレンカーボネート等のカーボネート類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル類、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素類、スルホラン等のスルホン類などが挙げられる。
【0019】
これらのうちではカルボキシル基含有樹脂の溶解性に優れる点でアミド類、ウレア類が好ましく、ポリカルボン酸及び/又はその誘導体とアミン化合物との反応を阻害しやすい活性水素をもっていない等の点で、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルエチレンウレア、N,N−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチルウレアがより好ましく、この中では、N−メチル−2−ピロリドンが特に好ましい。これらの溶剤は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
熱重合による場合、重合温度は、0〜200℃の間で適宜選択することができ、40〜120℃が好ましい。
【0020】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、重量平均分子量10000以上であれば特に制限がない。カルボキシル基含有樹脂の重量平均分子量(ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定、緩和剤として塩化ナトリウムを0.1モル/リットルの濃度になるように調合した水溶液を溶離液として用い、標準ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコールを用いて作成した検量線から、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール換算値として算出した値、以下同様)は、10,000〜5,000,000であることが好ましく、30,000〜3,000,000であることがより好ましく、50,000〜2,000,000であることが特に好ましく、100,000〜1,000,000であることが極めて好ましい。この重量平均分子量が10,000未満であるとフィラー(活物質、導電助剤等)の分散性が低下する傾向があり、5,000,000を超えると、樹脂溶液の高粘度化が問題となり、合剤スラリーの塗工が困難になる。
【0021】
本発明のカルボキシル基含有樹脂の酸価は、好ましくは70〜750KOHmg/g、さらに好ましくは200〜740KOHmg/gである。酸価が70KOHmg/g未満では、耐電解液性が低下する傾向があり、また、酸価が750KOHmg/gを超えると、可とう性が低下する傾向がある。
【0022】
本発明の電池用バインダ樹脂組成物は、上記カルボキシル基含有樹脂を溶剤に溶解及び/又は分散させたものである。この組成物には、必要に応じて、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリブロックイソシアナート、ポリオキサゾリン、ポリカルボジイミド等の硬化剤、エチレングリコール、グリセリン、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルオリゴマー、フタル酸エステル、ダイマー酸変性物、ポリブタジエン系化合物等の各種添加剤を単独で又は二種以上組み合わせて配合することができる。
これらの添加剤の使用量は、バインダ樹脂組成物の固形分の総量に対して0.01〜15質量%程度である。
【0023】
上記カルボキシル基含有樹脂を溶解及び/又は分散させて合剤スラリーを調製するための溶剤としては、特に制限はなく、バインダ樹脂を均一に溶解または分散できる溶剤であればよく、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
バインダ樹脂の合成に用いることのできる前述の溶剤がそのまま使用できるが、N−メチル−2−ピロリドン及びN−メチル−2−ピロリドンとエステル系溶剤(酢酸エチル、酢酸n−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート等)あるいはグライム系溶剤(ジグライム、トリグライム、テトラグライム等)の混合溶剤が特に好ましい。
【0024】
正極活物質としては、充放電により可逆的にリチウムイオンを挿入、放出できる遷移金属酸化物であればよく、リチウムコバルト複合酸化物やリチウム、ニッケル複合酸化物やこれらの混合物で良い。またリチウムニッケル複合酸化物においても、Al,V,Cr,Fe,Co,Sr,Mo,W,Mn,B,Mgから選ばれる少なくとも1種以上の金属でニッケルサイトまたはリチウムサイトを置換したリチウムニッケル複合酸化物でも良い。また、リチウムマンガン複合酸化物においてもAl,V,Cr,Fe,Co,Sr,Mo,W,Mn,B,Mgから選ばれる少なくとも1種以上の金属でマンガンサイトまたはリチウムサイトを置換したリチウムマンガン複合酸化物でもよい。
特に好ましい正極活物質は、一般式LixMnyO2(xは0.2≦x≦2.5の範囲であり、yは0.8≦x≦1.25の範囲である。)で示されるリチウムマンガン複合酸化物である。
【0025】
一方、負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、黒鉛、炭素繊維、コークス、活性炭等の炭素材料が好ましいものとして挙げられ、炭素材料以外では、シリコン、すず、銀等の金属又はこれらの酸化物などが使用できる。これらの活物質は単独で又は二種以上組み合わせて用いられる。
なお、正極の合剤スラリーにはバインダ樹脂と活物質の他に、カーボンブラックや黒鉛等の導電助剤を単独で又は二種以上組み合わせて添加してもよい。
上記電池用スラリーを用いた電極の作製方法及びその電極を正極及び/又は負極に用いた本発明の電池の製造方法については特に制約はなく、いずれも公知の方法を利用できる。本発明の電池としてはリチウム電池が特に好ましい。
【0026】
本発明に使用される電解液としては、電池の機能を発揮させるものであれば特に制限はないが、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等のオキソラン類、アセトニトリル、ニトロメタン、N−メチル−2−ピロリドン等の含窒素類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル等のエステル類、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、スルホラン等のスルホン類、3−メチル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類などの有機溶剤に、LiCl、LiBF4、LiI、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiBr、LiB(C2H5)4、LiCH3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2Nなどの電解質を溶解した溶液が挙げられる。これらのうちでは、カーボネート類にLiPF6を溶解した電解液が好ましい。電解液の有機溶剤及び電解質はそれぞれ、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
【0027】
以上のとおり、本発明のカルボキシル基含有樹脂は、アクリル酸及び又はメタクリル酸に、一般式(I)で表される単量体、又は一般式(I)で表される単量体と共重合可能な他の単量体を共重合させることにより得られる共重合体であり、カルボキシル基の剛直な水素結合が緩和され、優れた可塑性を示す。またこれをバインダとして用いた電極は、耐電解液性、可とう性が共に優れており、高温下で使用されても長期間電極基体と合剤及び合剤層相互間の密着強度を維持でき、充放電のサイクルを繰り返しても容量劣化が少ない。
【0028】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
【0029】
合成例1
カルボキシル基含有樹脂組成物(1〜7)の製造
カルボキシル基含有樹脂組成物1の製造
攪拌機、温度計、冷却管、留出管及び窒素ガス導入管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ中で、窒素雰囲気下、アクリル酸30.7g、アクリル酸ラウリル7.7g、t−ブチルパ−オキシベンゾエート0.05gを、N−メチル−2−ピロリドン38.4gに溶解して混合溶液とし、85℃で8時間攪拌した。反応終了後、N−メチル−2−ピロリドンを403g加えてカルボキシル基含有樹脂組成物1を合成した。
【0030】
カルボキシル基含有樹脂組成物2の製造
アクリル酸を26.9g、アクリル酸ラウリルを11.5gとした他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物2を得た。
【0031】
カルボキシル基含有樹脂組成物3の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸2−エチルヘキシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物3を得た。
【0032】
カルボキシル基含有樹脂組成物4の製造
アクリル酸ラウリル7.7gの代わりにメタクリル酸2−エチルヘキシル6.7g、アクリル酸2−ヒドロキシプロピル1gを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物4を得た。
【0033】
カルボキシル基含有樹脂組成物5の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸イソデシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物5を得た。
【0034】
カルボキシル基含有樹脂組成物6の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸トリデシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物6を得た。
【0035】
カルボキシル基含有樹脂組成物7の製造
アクリル酸ラウリル7.7gの代わりにメタクリル酸トリデシル6.7g、アクリル酸2−ヒドロキシブチル1gを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物7を得た。
表1に合成したカルボキシル基含有樹脂1〜7の重量平均分子量及び酸価を示す。
【0036】
【表1】
【0037】
得られたカルボキシル基含有樹脂1〜7と比較樹脂1としてポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドン溶液(呉羽化学製KF−1100)、比較樹脂2としてポリアクリル酸(和光純薬工業(株)製、重量平均分子量590,000、以下同様)のN−メチル−2−ピロリドン溶液を乾燥後、膜厚約30μmとなるように、圧延銅箔またはアルミ箔上に、アプリケータ法で流延した後、90℃で10分間予備乾燥し、次いで150℃で1時間乾燥させて、塗膜を作製した。次いで、あらかじめ両面テープを貼り付けたガラス板に塗膜を貼り付け、ガラス板に貼り付けた圧延銅箔またはアルミ箔接着塗膜を得た。この塗膜の接着性(圧延銅箔又はアルミ箔に対するピール強度)を測定した。その結果を表2に示した。
【0038】
【表2】
表2 ピール強度(kN/m)
【0039】
表2からカルボキシル基含有樹脂1〜7は比較樹脂1〜2と比較して接着性に優れることが分かった。
【0040】
正極電極の作製
実施例1
平均粒径10μmのマンガン酸リチウムと平均粒径3μmの炭素粉末とバインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1を80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。本実験では可逆的にリチウムイオンを挿入、放出できる遷移金属酸化物としてLi1.12 Mn1.88O4という組成のリチウムマンガン複合酸化物を用いた。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0041】
実施例2〜7
バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂2〜7を用いた他は実施例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0042】
実施例8
平均粒径10μmのコバルト酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0043】
実施例9
平均粒径10μmのニッケル酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面220g/m2であった。その後合剤かさ密度が3.5g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0044】
比較例1
平均粒径10μmのマンガン酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデンとを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0045】
比較例2
正極活物質として平均粒径10μmのコバルト酸リチウムを用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0046】
比較例3
正極活物質として平均粒径10μmのニッケル酸リチウムを用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0047】
比較例4
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0048】
比較例5
正極活物質として平均粒径10μmのコバルト酸リチウムを用いた他は比較例4と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0049】
比較例6
正極活物質として平均粒径10μmのニッケル酸リチウムを用いた他は比較例4と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0050】
負極電極の作製
実施例10
平均粒径20μmの非晶質炭素と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを90:10体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの銅箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面65g/m2であった。合剤かさ密度が1.0g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤電極シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0051】
実施例11〜16
バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂2〜7を用いた他は実施例10と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0052】
実施例17
平均粒径20μmの人造黒鉛と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを90:10質量%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの銅箔にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は、単位面積あたりの負極容量/単位面積あたりの正極容量が1から1.2の範囲になるように塗布した。実施例1〜5など正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を用いた場合、片面130g/m2とし、実施例6の正極活物質にリチウムニッケル複合酸化物を用いた場合、片面150g/m2とした。合剤かさ密度はいずれの場合も1.5g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0053】
比較例7
平均粒径20μmの非晶質炭素と、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデンとを90:10体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は、単位面積あたりの負極容量/単位面積あたりの正極容量が1から1.2の範囲になるように塗布した。実施例1〜7など正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を用いた場合、片面65g/m2とし、実施例6の正極活物質にリチウムコバルト複合酸化物を用いた場合、片面100g/m2とした。合剤かさ密度はいずれの場合も1.0g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤電極シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、120℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0054】
比較例8
カルボキシル基含有樹脂1の代わりにポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた他は実施例17と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0055】
比較例9
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は比較例7と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0056】
比較例10
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は実施例17と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0057】
得られた電極について、合剤の剥離の有無、および耐電解液性を評価した。耐電解液性は、電極を、電解液A又はBに50℃で24時間浸漬した後、電子顕微鏡(倍率1000倍)により、外観異常の有無を観察することにより評価した。これらの結果をまとめて表3に示す。
【0058】
【表3】
【0059】
電解液A:濃度が1MとなるようにLiPF6を溶解させたエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/2(体積比)の混合液
電解液B:濃度が1MとなるようにLiPF6を溶解させたエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/ジエチルカーボネート=1/1/1(体積比)の混合液
【0060】
表3に示した通り、ポリアクリル酸をバインダ樹脂として用いた比較例4〜6、9及び10では、可とう性不足によりプレス時に剥離してしまい、耐電解液性評価およびその後の電池作製は困難であった。またポリフッ化ビニリデンをバインダ樹脂として用いた比較例1〜3、7及び8では、電極合剤を50℃で電解液に浸漬すると表面のバインダ樹脂が膨潤し、電極合剤基剤からの剥離やバインダ樹脂が活物質を被覆する状況が観察された。これらに対して実施例1〜17ではバインダ樹脂組成物の電解液に対する耐性が向上し、これらの現象は全く観察されなかった。
【0061】
電池の作製
上記実施例1〜9および比較例1〜3で作製した正極合剤と実施例10〜17および比較例7、8で作製した負極合剤を表4に示すように組み合わせ厚さ25μm幅58mmのポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを介して捲回し、スパイラル状の捲回群を作製した。
【0062】
【表4】
【0063】
この捲回群を電池缶に挿入し、予め負極集電体の銅箔に溶接しておいたニッケルタブ端子を電池缶底に溶接した。次にエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/2(体積比)に混合した溶液にLiPF6を1mol/lの濃度で溶解した電解液を電池容器に5mlに注入した。次に、予め正極集電体のアルミニウム箔に溶接しておいたアルミニウムタブ端子を蓋に溶接して、蓋を絶縁性のガスケットを介して電池缶の上部に配置させ、この部分をかしめて密閉し、直径18mm、高さ65mmの円筒形電池を作製した。
【0064】
本発明品1〜15及び比較品1の電池は、充電電流400mA、制限電圧4.2Vで定電圧充電した後、放電電流800mAで放電終止電圧2.7Vにいたるまで放電して初回容量を測定した。
本発明品16,18および比較品2の電池は、充電電流750mA,制限電圧4.2Vで定電圧充電した後、充電電流1500mAで放電終止電圧2.5Vに至るまで放電して初回容量を測定した。
本発明品17,19および比較品3の電池は、充電電流900mA,制限電圧4.15Vで定電圧充電した後、充電電流1800mAで放電終止電圧3.0Vに至るまで放電して初回容量を測定した。
これらの条件での充電・放電を1サイクルとして、周囲温度50℃で充放電容量の70%以下に至るまで充電・放電サイクルを繰り返した。サイクル寿命の結果を表5に示す。
【0065】
【表5】
【0066】
表5に示すように、活物質としてマンガン酸リチウム、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた正極と、活物質として非晶質炭素、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた負極とを組み合わせた比較品1の電池は50サイクルで寿命に至っているのにもかかわらず、正極、負極少なくとも一方の電極のバインダ樹脂を本発明によるカルボキシル基含有樹脂を用いた非水電解液二次電池(本発明品1〜19)は、240サイクル以上と寿命が延びていることがわかる。
【0067】
特に、正極、負極バインダ両方に本発明によるカルボキシル基含有樹脂を用いた非水電解液二次電池(本発明品1、4、6、8、10、12、14、16および17)は総じてサイクル寿命が向上していることが分かる。寿命後の電池を解体すると、比較品1は負極合剤が電極基体である銅箔から剥離し、この部分に金属リチウムの析出が確認されたが、本発明のバインダ樹脂を用いた電極には全く見られなかった。このことから、本発明のバインダ樹脂組成物を用いた電池は、電極基体と合剤層界面及び合剤層相互間の優れた密着性を維持しているため、容量低下が小さいものと考えられる。
【0068】
【発明の効果】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、耐電解液性並びに可とう性に優れている。従って、これを用いた電池用バインダ樹脂組成物は、耐電解液性並びに可とう性に優れており、このバインダ樹脂組成物を用いて作製した電極および電池も、耐電解液性並びに可とう性に優れている。
【発明の属する技術分野】
本発明は、カルボキシル基含有樹脂を用いた電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極および電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子技術の進歩により、電子機器の性能が向上して小型化、ポータブル化が進み、その電源としてエネルギー密度の高い二次電池が望まれている。従来の二次電池としては、鉛蓄電他、ニッケル−カドミウム電池等が挙げられるが、高エネルギー密度の電池という点では末だ不十分である。そこで、これらの電池に替わるものとして、近年、エネルギー密度を大幅に向上できる有機電解液系リチウム二次電池(以下、単に「リチウム電池」と記す)が開発され、急速に普及している。
【0003】
リチウム電池には、正極の活物質として主にリチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有金属複合酸化物が用いられ、負極の活物質としてはリチウムイオンの層間への挿入(リチウム層間化合物の形成)及び層間からのリチウムイオンの放出が可能な多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。正・負極の極板は、これらの活物質とバインダ樹脂とをN−メチル−2−ピロリドンあるいは水等の溶剤に分散させてスラリーとしたものを集電体である金属箔上に両面塗布し、溶剤を乾燥除去して合剤層を形成後、これをロールプレス機で圧縮成形して作製されている。この際のバインダ樹脂としては、両極ともポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と略す)が多用されている。
【0004】
しかしながら、PVDFをバインダ樹脂として使用した場合、集電体と合剤層との界面の密着性及び合剤層中の活物質間の密着性、特に前者の密着性が劣るため、(1)各極の極板の裁断あるいは両極の極板をセパレータを介して渦巻き状に捲回する電池製造工程時に合剤層の一部又は全部が集電体から剥離・脱落する、(2)負極活物質の炭素材料が電池の充放電によるリチウムイオンの挿入・放出にともない膨張・収縮するため、充放電を繰り返すことによって合剤層の一部又は全部が集電体から剥離・脱落する、といった問題があり、このような密着性不足が電池の容量低下を招く一因となっていた。
【0005】
上記PVDFの密着性の問題を解決できる含フッ素系バインダ樹脂として、例えば、特許文献1には、フッ化ビニリデンを主成分とし、これに少量の不飽和二塩基性モノエステルを共重合して得られたフッ化ビニリデン系共重合体を用いることが提案されているが、このようなフッ化ビニリデン系共重合体をバインダ樹脂とする場合、集電体と合剤層との界面の密着性は大幅に向上する反面、(1)結晶性の低下により、捲回後に注液される電解液に対する耐性(以下、「耐電解液性」と記す)が低下して膨潤しやすくなり、集電体と合剤層との界面の接触及び合剤層中の活物質間の接触がルーズになり、このことが極板全体の導電ネットワークの崩壊につながって、電池の容量が低下する、(2)高電圧下では腐食性の強いフッ化水素の脱離・生成をともなう分解が起こりやすくなり、内圧が上昇して電池が機能しなくなる、といった弊害が指摘されており、本質的な問題解決には至っていない。
【0006】
一方、PVDF等の含フッ素系以外のバインダ樹脂として、例えば、特許文献2にはスチレン・ブタジエン・ゴム(以下、「SBR」と略す)等のジエン系合成ゴムを用いることが提案されているが、SBR等のジエン系合成ゴムは、それ自体では耐電解液性が良好なものが多いものの、スラリー中での活物質の安定性が著しく劣り、活物質が沈降しやすい。このためセルロース等の増粘剤あるいは界面活性剤などの添加が必要あり、これらが電解液に溶解してしまうため、電池の容量が低下するといった問題があった。
【0007】
またPVDF、SBR以外のバインダ樹脂で電解液に溶解しない耐電解液性に優れたバインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂がある。例えば、特許文献3にはポリアクリル酸系樹脂が提案されている。これをバインダ樹脂として用いた場合、優れた電池特性を示すと記載されている。しかしこの樹脂はそれ自体が剛直なためロールプレス機で圧縮成形して作製する過程や、電池を捲回する過程において電極が剥離してしまう等の問題がある。
このような剛直なカルボキシル基含有樹脂に可とう性を付与する樹脂を加える試みがなされている。例えば、特許文献4ではポリアクリル酸にポリエチレンオキシド、ポリアクリルアミド、ポリエチレンイミンなどが加えられているが、ポリアクリル酸との相溶性が良くないため十分な可とう性が得られていない。
【0008】
【特許文献1】特開平6−172452号公報
【特許文献2】特開平5−74461号公報
【特許文献3】特開平11−354125号公報
【特許文献4】特開平11−135129号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、可とう性と耐電解液性を両立した電池用バインダ樹脂組成物を提供することである。
本発明の他の目的は上記電池用バインダ樹脂組成物を含む合剤スラリーを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記合剤スラリーを用いた、耐電解液性並びに可とう性に優れた電極を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、上記電極を用いた電池、特にリチウムイオン電池を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、可とう性と耐電解液性に優れたカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の電池用バインダ樹脂組成物、合剤スラリー、電極、電池、特にリチウムイオン電池、及びカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用を提供するものである。
1.バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物。
【化5】
式中、R1はHまたはCH3、R2は炭素原子数5〜30の炭化水素基である。
2.バインダ樹脂として、アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部と、これらと共重合可能な単量体0〜89質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂を含む電池用バインダ樹脂組成物。
3.カルボキシル基含有樹脂が、酸価70〜750KOHmg/gのカルボキシル基含有樹脂である上記1又は2記載の電池用バインダ樹脂組成物。
4.R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である上記1〜3のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物。
5.上記1〜4のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物と、正極活物質又は負極活物質を溶剤に分散または溶解させてなる合剤スラリー。
6.正極活物質又は負極活物質が充放電により可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものである上記5記載の合剤スラリー。
7.負極活物質が、炭素材料である上記5又は6記載の合剤スラリー。
8.正極活物質が一般式LixMnyO2(xは0.2≦x≦2.5の範囲であり、yは0.8≦x≦1.25の範囲である。)で示されるリチウムマンガン複合酸化物である上記5又は6記載の合剤スラリー。
9.上記5〜8のいずれか1項記載の合剤スラリーを集電体表面に塗布後、溶剤を除去して製造された電極。
10.上記9記載の電極を用いて製造された電池。
11.リチウムイオン二次電池である上記10記載の電池。
12.アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
13.アクリル酸及び/又はメタクリル酸10〜95質量部と、一般式(Ι)で表される単量体1〜50質量部と、これらと共重合可能な単量体0〜89質量部とを共重合させてなるカルボキシル基含有樹脂の、電池用バインダ樹脂としての使用。
14.酸価が70〜750KOHmg/gである上記12又は13記載の使用。
15.R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である上記12〜14のいずれか1項記載の使用。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のバインダ樹脂組成物は、アクリル酸及び/又はメタクリル酸と一般式(Ι)で表される単量体を共重合成分とするカルボキシル基含有樹脂を必須成分として含有する。本発明のカルボキシル基含有樹脂の製造に使用する一般式(Ι)で表される単量体は、特に制限されない。一般式のR2は炭素原子数5〜30、好ましくは6〜20、さらに好ましくは7〜15の炭化水素基であるが、好ましくは脂肪族、芳香族、又は環状脂肪族の炭化水素基である。炭素原子数が5未満では、電解液に膨潤し、耐電解液性に問題を生じ、30を超えると分散溶媒に溶解又は分散させることが困難になる。
一般式(Ι)で表される単量体の具体例を以下に示すが、本発明はここに示したものに限定されるものではない。
【0012】
具体例としてはアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−プロピル、アクリル酸i−プロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸i−ブチル、アクリル酸t−ブチル、アクリル酸n−ペンチル、アクリル酸n−ヘキシル、アクリル酸シクロヘキシル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸n−ヘプチル、アクリル酸n−オクチル、アクリル酸イソオクチル、アクリル酸イソデシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸イソミリスチル、アクリル酸トリデシル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸イソボルニル、アクリル酸フェニル、アクリル酸ベンジル、アクリル酸ナフチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−プロピル、メタクリル酸i−プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸i−ブチル、メタクリル酸t−ブチル、メタクリル酸n−ペンチル、メタクリル酸n−ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸n−ヘプチル、メタクリル酸n−オクチル、メタクリル酸イソオクチル、メタクリル酸イソデシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸イソミリスチル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸ナフチル等が挙げられ、これらは1種又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0013】
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中のアクリル酸及び/又はメタクリル酸の配合割合は、好ましくは5〜95質量部であり、さらに好ましくは30〜95質量部であり、最も好ましくは40〜90質量部である。5質量部未満では耐電解液性の向上効果が充分に発現しない場合があり、95質量部を超えると合剤の可とう性が低下する傾向がある。
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中の一般式(Ι)の単量体の配合割合は、好ましくは1〜50質量部であり、さらに好ましくは5〜45質量部であり、最も好ましくは10〜40質量部である。1質量部未満では、合剤の可とう性の向上効果が充分に発現しない場合があり、50質量部を超えると耐電解液性が低下する傾向がある。
【0014】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、アクリル酸及び/又はメタクリル酸と一般式(Ι)で表される単量体を必須の共重合成分とするものであるが、さらに共重合可能な単量体を任意の共重合成分として含有することができる。このような共重合可能な単量体は、基本的に得られた共重合体の耐電解液性および可とう性を損なわないものであれば、特に限定されない。
【0015】
具体例としては、アクリル酸2−ヒドロキシプロピル、アクリル酸2−ヒドロキシブチル、アクリル酸ブトキシエチル、アクリル酸ジメチルアミノエチル、アクリル酸ジエチルアミノエチル、アクリル酸フェノキシエチル、2−アクリロイロキシエチルコハク酸等の一官能アクリル酸エステル類、メタクリル酸ブトキシエチル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸フェノキシエチル、2−メタクリロイロキシエチルコハク酸、2−メタクリロイロキシエチル2−ヒドロキシプロピルフタレート等の一官能メタクリル酸エステル類、4−ビニルピリジン、2−ビニルピリジン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、α−フルオロスチレン、α−クロロスチレン、α−ブロモスチレン、フルオロスチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン、メチルスチレン、メトキシスチレン、スチレン等の一官能芳香族ビニル化合物、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、N,N−ジエチルメタクリルアミド等の一官能アクリルアミド又は一官能メタクリルアミド類、アクリル酸リチウム、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、アクリル酸カルシウム、アクリル酸バリウム、アクリル酸鉛、アクリル酸すず、アクリル酸亜鉛、メタクリル酸リチウム、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウム、メタクリル酸カルシウム、メタクリル酸バリウム、メタクリル酸鉛、メタクリル酸すず、メタクリル酸亜鉛等の一官能アクリル酸又はメタクリル酸金属塩、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等の一官能シアン化ビニル化合物等、ジメタクリル酸アルキレンジオール、ジメタクリル酸亜鉛、ジメタクリル酸ジメチロールトリシクロデカン、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ジメタクリル酸ビスフェノールAエチレンオキシド付加物、ジメタクリル酸ビスフェノールAプロピレンオキシド付加物、ペンタエリスリトールトリメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラメタクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサメタクリレート、トリメチロールプロパンメタクリル酸安息香酸エステル、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピルメタクリレート等の多官能メタクリル酸エステル類、ジアクリル酸アルキルジオール、ジアクリル酸ネオペンチル、ジアクリル酸亜鉛、ジアクリル酸ジメチロールトリシクロデカン、トリメチロールプロパントリアクリレート、ジアクリル酸ビスフェノールAエチレンオキシド付加物、ジアクリル酸ビスフェノールAプロピレンオキシド付加物、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピルアクリレート等の多官能アクリル酸エステル類、エチレングリコールビスアリルカーボネート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、トリエチレングリコールビスアリルカーボネート、テトラエチレングリコールビスアリルカーボネート、ペンタエチレングリコールビスアリルカーボネート、ポリプロピレングリコールビスアリルカーボネート、トリメチレングリコールビスアリルカーボネート、3−ヒドロキシプロポキシプロパノールビスアリルカーボネート、グリセリンビスアリルカーボネート、トリグリセリンビスアリルカーボネート、ジアリルカーボネート、ジアリリデンペンタエリスリトール、トリアリリデンソルビトール、ジアリリデン−2,2,6,6−テトラメチロールシクロヘキサノン、トリアリリデンヘキサメチロールメラミン、ジアリリデン−D−グルコース、ビスフェノールAジアリルエーテル、ビスフェノールSジアリルエーテル、エチレングリコールジアリルエーテル、ジチレングリコールジアリルエーテル、トリエチレングリコールジアリルエーテル、1,1,1−トリメチロールプロパントリアリルエーテル、ネオペンチルグリコールトリアリルエーテル、等の多官能アリル系化合物及びアリリデン系化合物、等が挙げられる。
これらは1種又は2種以上組み合わせて使用してもよい。なお、本発明はここに示したものに限定されるものではない
【0016】
本発明のカルボキシル基含有樹脂100質量部中の、任意の共重合成分としての共重合可能な単量体の配合割合は、0〜89質量部である。89質量部を超えると、優れた耐電解液性および可とう性を両立する共重合体が得られない。
【0017】
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するための重合方法としては、塊状重合、懸濁重合、溶液重合等の既存の方法を適用できる。
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するために、ラジカル重合開始剤を用いることができる。ラジカル重合開始剤としては、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、t−ブチルパ−オキシベンゾエート、ジ−t−ブチルパーオキシヘキサヒドロテレフタレート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、1,1−t−ブチルパーオキシ−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、t−ブチルペルオキシイソプロピルカーボネート等の有機過酸化物、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビス−4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル、アゾビスシクロヘキサノン−1−カルボニトリル、アゾジベンゾイル等のアゾ化合物、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の水溶性触媒及び過酸化物あるいは過硫酸塩と還元剤の組み合わせによるレドックス触媒等、通常のラジカル重合に使用できるものはいずれも使用することができる。
重合開始剤は、単量体の総量に対して0.01〜10質量%の範囲で使用されることが好ましい。
【0018】
分子量調整剤として、メルカプタン系化合物、チオグリコール、四塩化炭素、α−メチルスチレンダイマー等を必要に応じて添加することができる。
本発明のカルボキシル基含有樹脂を製造するために必要に応じて反応溶剤を用いることができる。反応溶剤は、有機溶剤または水である。例えばN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド類、N,N−ジメチルエチレンウレア、N,N−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチルウレア等のウレア類、γ−ブチロラクトン、γ−カプロラクトン等のラクトン類、プロピレンカーボネート等のカーボネート類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、エチルセロソルブアセテート、エチルカルビトールアセテート等のエステル類、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の炭化水素類、スルホラン等のスルホン類などが挙げられる。
【0019】
これらのうちではカルボキシル基含有樹脂の溶解性に優れる点でアミド類、ウレア類が好ましく、ポリカルボン酸及び/又はその誘導体とアミン化合物との反応を阻害しやすい活性水素をもっていない等の点で、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルエチレンウレア、N,N−ジメチルプロピレンウレア、テトラメチルウレアがより好ましく、この中では、N−メチル−2−ピロリドンが特に好ましい。これらの溶剤は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
熱重合による場合、重合温度は、0〜200℃の間で適宜選択することができ、40〜120℃が好ましい。
【0020】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、重量平均分子量10000以上であれば特に制限がない。カルボキシル基含有樹脂の重量平均分子量(ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定、緩和剤として塩化ナトリウムを0.1モル/リットルの濃度になるように調合した水溶液を溶離液として用い、標準ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコールを用いて作成した検量線から、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール換算値として算出した値、以下同様)は、10,000〜5,000,000であることが好ましく、30,000〜3,000,000であることがより好ましく、50,000〜2,000,000であることが特に好ましく、100,000〜1,000,000であることが極めて好ましい。この重量平均分子量が10,000未満であるとフィラー(活物質、導電助剤等)の分散性が低下する傾向があり、5,000,000を超えると、樹脂溶液の高粘度化が問題となり、合剤スラリーの塗工が困難になる。
【0021】
本発明のカルボキシル基含有樹脂の酸価は、好ましくは70〜750KOHmg/g、さらに好ましくは200〜740KOHmg/gである。酸価が70KOHmg/g未満では、耐電解液性が低下する傾向があり、また、酸価が750KOHmg/gを超えると、可とう性が低下する傾向がある。
【0022】
本発明の電池用バインダ樹脂組成物は、上記カルボキシル基含有樹脂を溶剤に溶解及び/又は分散させたものである。この組成物には、必要に応じて、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリブロックイソシアナート、ポリオキサゾリン、ポリカルボジイミド等の硬化剤、エチレングリコール、グリセリン、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルオリゴマー、フタル酸エステル、ダイマー酸変性物、ポリブタジエン系化合物等の各種添加剤を単独で又は二種以上組み合わせて配合することができる。
これらの添加剤の使用量は、バインダ樹脂組成物の固形分の総量に対して0.01〜15質量%程度である。
【0023】
上記カルボキシル基含有樹脂を溶解及び/又は分散させて合剤スラリーを調製するための溶剤としては、特に制限はなく、バインダ樹脂を均一に溶解または分散できる溶剤であればよく、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
バインダ樹脂の合成に用いることのできる前述の溶剤がそのまま使用できるが、N−メチル−2−ピロリドン及びN−メチル−2−ピロリドンとエステル系溶剤(酢酸エチル、酢酸n−ブチル、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート等)あるいはグライム系溶剤(ジグライム、トリグライム、テトラグライム等)の混合溶剤が特に好ましい。
【0024】
正極活物質としては、充放電により可逆的にリチウムイオンを挿入、放出できる遷移金属酸化物であればよく、リチウムコバルト複合酸化物やリチウム、ニッケル複合酸化物やこれらの混合物で良い。またリチウムニッケル複合酸化物においても、Al,V,Cr,Fe,Co,Sr,Mo,W,Mn,B,Mgから選ばれる少なくとも1種以上の金属でニッケルサイトまたはリチウムサイトを置換したリチウムニッケル複合酸化物でも良い。また、リチウムマンガン複合酸化物においてもAl,V,Cr,Fe,Co,Sr,Mo,W,Mn,B,Mgから選ばれる少なくとも1種以上の金属でマンガンサイトまたはリチウムサイトを置換したリチウムマンガン複合酸化物でもよい。
特に好ましい正極活物質は、一般式LixMnyO2(xは0.2≦x≦2.5の範囲であり、yは0.8≦x≦1.25の範囲である。)で示されるリチウムマンガン複合酸化物である。
【0025】
一方、負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、黒鉛、炭素繊維、コークス、活性炭等の炭素材料が好ましいものとして挙げられ、炭素材料以外では、シリコン、すず、銀等の金属又はこれらの酸化物などが使用できる。これらの活物質は単独で又は二種以上組み合わせて用いられる。
なお、正極の合剤スラリーにはバインダ樹脂と活物質の他に、カーボンブラックや黒鉛等の導電助剤を単独で又は二種以上組み合わせて添加してもよい。
上記電池用スラリーを用いた電極の作製方法及びその電極を正極及び/又は負極に用いた本発明の電池の製造方法については特に制約はなく、いずれも公知の方法を利用できる。本発明の電池としてはリチウム電池が特に好ましい。
【0026】
本発明に使用される電解液としては、電池の機能を発揮させるものであれば特に制限はないが、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチロラクトン等のラクトン類、トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等のオキソラン類、アセトニトリル、ニトロメタン、N−メチル−2−ピロリドン等の含窒素類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル等のエステル類、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、スルホラン等のスルホン類、3−メチル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類、1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類などの有機溶剤に、LiCl、LiBF4、LiI、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiBr、LiB(C2H5)4、LiCH3SO3、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)2Nなどの電解質を溶解した溶液が挙げられる。これらのうちでは、カーボネート類にLiPF6を溶解した電解液が好ましい。電解液の有機溶剤及び電解質はそれぞれ、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。
【0027】
以上のとおり、本発明のカルボキシル基含有樹脂は、アクリル酸及び又はメタクリル酸に、一般式(I)で表される単量体、又は一般式(I)で表される単量体と共重合可能な他の単量体を共重合させることにより得られる共重合体であり、カルボキシル基の剛直な水素結合が緩和され、優れた可塑性を示す。またこれをバインダとして用いた電極は、耐電解液性、可とう性が共に優れており、高温下で使用されても長期間電極基体と合剤及び合剤層相互間の密着強度を維持でき、充放電のサイクルを繰り返しても容量劣化が少ない。
【0028】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
【0029】
合成例1
カルボキシル基含有樹脂組成物(1〜7)の製造
カルボキシル基含有樹脂組成物1の製造
攪拌機、温度計、冷却管、留出管及び窒素ガス導入管を装着した0.5リットルのセパラブルフラスコ中で、窒素雰囲気下、アクリル酸30.7g、アクリル酸ラウリル7.7g、t−ブチルパ−オキシベンゾエート0.05gを、N−メチル−2−ピロリドン38.4gに溶解して混合溶液とし、85℃で8時間攪拌した。反応終了後、N−メチル−2−ピロリドンを403g加えてカルボキシル基含有樹脂組成物1を合成した。
【0030】
カルボキシル基含有樹脂組成物2の製造
アクリル酸を26.9g、アクリル酸ラウリルを11.5gとした他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物2を得た。
【0031】
カルボキシル基含有樹脂組成物3の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸2−エチルヘキシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物3を得た。
【0032】
カルボキシル基含有樹脂組成物4の製造
アクリル酸ラウリル7.7gの代わりにメタクリル酸2−エチルヘキシル6.7g、アクリル酸2−ヒドロキシプロピル1gを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物4を得た。
【0033】
カルボキシル基含有樹脂組成物5の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸イソデシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物5を得た。
【0034】
カルボキシル基含有樹脂組成物6の製造
アクリル酸ラウリルの代わりにメタクリル酸トリデシルを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物6を得た。
【0035】
カルボキシル基含有樹脂組成物7の製造
アクリル酸ラウリル7.7gの代わりにメタクリル酸トリデシル6.7g、アクリル酸2−ヒドロキシブチル1gを用いた他はカルボキシル基含有樹脂組成物1と同様な方法でカルボキシル基含有樹脂組成物7を得た。
表1に合成したカルボキシル基含有樹脂1〜7の重量平均分子量及び酸価を示す。
【0036】
【表1】
【0037】
得られたカルボキシル基含有樹脂1〜7と比較樹脂1としてポリフッ化ビニリデンのN−メチル−2−ピロリドン溶液(呉羽化学製KF−1100)、比較樹脂2としてポリアクリル酸(和光純薬工業(株)製、重量平均分子量590,000、以下同様)のN−メチル−2−ピロリドン溶液を乾燥後、膜厚約30μmとなるように、圧延銅箔またはアルミ箔上に、アプリケータ法で流延した後、90℃で10分間予備乾燥し、次いで150℃で1時間乾燥させて、塗膜を作製した。次いで、あらかじめ両面テープを貼り付けたガラス板に塗膜を貼り付け、ガラス板に貼り付けた圧延銅箔またはアルミ箔接着塗膜を得た。この塗膜の接着性(圧延銅箔又はアルミ箔に対するピール強度)を測定した。その結果を表2に示した。
【0038】
【表2】
表2 ピール強度(kN/m)
【0039】
表2からカルボキシル基含有樹脂1〜7は比較樹脂1〜2と比較して接着性に優れることが分かった。
【0040】
正極電極の作製
実施例1
平均粒径10μmのマンガン酸リチウムと平均粒径3μmの炭素粉末とバインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1を80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。本実験では可逆的にリチウムイオンを挿入、放出できる遷移金属酸化物としてLi1.12 Mn1.88O4という組成のリチウムマンガン複合酸化物を用いた。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0041】
実施例2〜7
バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂2〜7を用いた他は実施例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0042】
実施例8
平均粒径10μmのコバルト酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0043】
実施例9
平均粒径10μmのニッケル酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面220g/m2であった。その後合剤かさ密度が3.5g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0044】
比較例1
平均粒径10μmのマンガン酸リチウムと、平均粒径3μmの炭素粉末と、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデンとを80:10:10の体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み20μmのアルミニウム箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面290g/m2であった。その後合剤かさ密度が2.6g/cm3になるようにロールプレス機で圧延し、54mm幅に切断して短冊状の正極合剤電極シートを作製した。正極合剤電極シートの端部にアルミニウム製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0045】
比較例2
正極活物質として平均粒径10μmのコバルト酸リチウムを用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0046】
比較例3
正極活物質として平均粒径10μmのニッケル酸リチウムを用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0047】
比較例4
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は比較例1と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0048】
比較例5
正極活物質として平均粒径10μmのコバルト酸リチウムを用いた他は比較例4と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0049】
比較例6
正極活物質として平均粒径10μmのニッケル酸リチウムを用いた他は比較例4と同様にして正極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0050】
負極電極の作製
実施例10
平均粒径20μmの非晶質炭素と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを90:10体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの銅箔の両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は片面65g/m2であった。合剤かさ密度が1.0g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤電極シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0051】
実施例11〜16
バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂2〜7を用いた他は実施例10と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0052】
実施例17
平均粒径20μmの人造黒鉛と、バインダ樹脂としてカルボキシル基含有樹脂1とを90:10質量%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの銅箔にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は、単位面積あたりの負極容量/単位面積あたりの正極容量が1から1.2の範囲になるように塗布した。実施例1〜5など正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を用いた場合、片面130g/m2とし、実施例6の正極活物質にリチウムニッケル複合酸化物を用いた場合、片面150g/m2とした。合剤かさ密度はいずれの場合も1.5g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、150℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0053】
比較例7
平均粒径20μmの非晶質炭素と、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデンとを90:10体積%の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドンに投入混合して、合剤スラリーを作製した。厚み10μmの両面にこの合剤スラリーを塗布、乾燥した。合剤塗布量は、単位面積あたりの負極容量/単位面積あたりの正極容量が1から1.2の範囲になるように塗布した。実施例1〜7など正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を用いた場合、片面65g/m2とし、実施例6の正極活物質にリチウムコバルト複合酸化物を用いた場合、片面100g/m2とした。合剤かさ密度はいずれの場合も1.0g/cm3になるように、ロールプレス機で圧延し、56mm幅に切断して短冊状の負極合剤電極シートを作製した。負極合剤電極シートの端部にニッケル製の集電体タブを超音波溶着し、その後、電極内の残留溶剤、吸着水の除去のため、120℃で16時間真空乾燥して負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0054】
比較例8
カルボキシル基含有樹脂1の代わりにポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた他は実施例17と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0055】
比較例9
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は比較例7と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0056】
比較例10
バインダ樹脂としてポリアクリル酸を用いた他は実施例17と同様にして負極合剤電極を得た。おのおのの剥離およびクラックを目視で調べた。
【0057】
得られた電極について、合剤の剥離の有無、および耐電解液性を評価した。耐電解液性は、電極を、電解液A又はBに50℃で24時間浸漬した後、電子顕微鏡(倍率1000倍)により、外観異常の有無を観察することにより評価した。これらの結果をまとめて表3に示す。
【0058】
【表3】
【0059】
電解液A:濃度が1MとなるようにLiPF6を溶解させたエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/2(体積比)の混合液
電解液B:濃度が1MとなるようにLiPF6を溶解させたエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/ジエチルカーボネート=1/1/1(体積比)の混合液
【0060】
表3に示した通り、ポリアクリル酸をバインダ樹脂として用いた比較例4〜6、9及び10では、可とう性不足によりプレス時に剥離してしまい、耐電解液性評価およびその後の電池作製は困難であった。またポリフッ化ビニリデンをバインダ樹脂として用いた比較例1〜3、7及び8では、電極合剤を50℃で電解液に浸漬すると表面のバインダ樹脂が膨潤し、電極合剤基剤からの剥離やバインダ樹脂が活物質を被覆する状況が観察された。これらに対して実施例1〜17ではバインダ樹脂組成物の電解液に対する耐性が向上し、これらの現象は全く観察されなかった。
【0061】
電池の作製
上記実施例1〜9および比較例1〜3で作製した正極合剤と実施例10〜17および比較例7、8で作製した負極合剤を表4に示すように組み合わせ厚さ25μm幅58mmのポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを介して捲回し、スパイラル状の捲回群を作製した。
【0062】
【表4】
【0063】
この捲回群を電池缶に挿入し、予め負極集電体の銅箔に溶接しておいたニッケルタブ端子を電池缶底に溶接した。次にエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/2(体積比)に混合した溶液にLiPF6を1mol/lの濃度で溶解した電解液を電池容器に5mlに注入した。次に、予め正極集電体のアルミニウム箔に溶接しておいたアルミニウムタブ端子を蓋に溶接して、蓋を絶縁性のガスケットを介して電池缶の上部に配置させ、この部分をかしめて密閉し、直径18mm、高さ65mmの円筒形電池を作製した。
【0064】
本発明品1〜15及び比較品1の電池は、充電電流400mA、制限電圧4.2Vで定電圧充電した後、放電電流800mAで放電終止電圧2.7Vにいたるまで放電して初回容量を測定した。
本発明品16,18および比較品2の電池は、充電電流750mA,制限電圧4.2Vで定電圧充電した後、充電電流1500mAで放電終止電圧2.5Vに至るまで放電して初回容量を測定した。
本発明品17,19および比較品3の電池は、充電電流900mA,制限電圧4.15Vで定電圧充電した後、充電電流1800mAで放電終止電圧3.0Vに至るまで放電して初回容量を測定した。
これらの条件での充電・放電を1サイクルとして、周囲温度50℃で充放電容量の70%以下に至るまで充電・放電サイクルを繰り返した。サイクル寿命の結果を表5に示す。
【0065】
【表5】
【0066】
表5に示すように、活物質としてマンガン酸リチウム、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた正極と、活物質として非晶質炭素、バインダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン樹脂を用いた負極とを組み合わせた比較品1の電池は50サイクルで寿命に至っているのにもかかわらず、正極、負極少なくとも一方の電極のバインダ樹脂を本発明によるカルボキシル基含有樹脂を用いた非水電解液二次電池(本発明品1〜19)は、240サイクル以上と寿命が延びていることがわかる。
【0067】
特に、正極、負極バインダ両方に本発明によるカルボキシル基含有樹脂を用いた非水電解液二次電池(本発明品1、4、6、8、10、12、14、16および17)は総じてサイクル寿命が向上していることが分かる。寿命後の電池を解体すると、比較品1は負極合剤が電極基体である銅箔から剥離し、この部分に金属リチウムの析出が確認されたが、本発明のバインダ樹脂を用いた電極には全く見られなかった。このことから、本発明のバインダ樹脂組成物を用いた電池は、電極基体と合剤層界面及び合剤層相互間の優れた密着性を維持しているため、容量低下が小さいものと考えられる。
【0068】
【発明の効果】
本発明のカルボキシル基含有樹脂は、耐電解液性並びに可とう性に優れている。従って、これを用いた電池用バインダ樹脂組成物は、耐電解液性並びに可とう性に優れており、このバインダ樹脂組成物を用いて作製した電極および電池も、耐電解液性並びに可とう性に優れている。
Claims (15)
- カルボキシル基含有樹脂が、酸価70〜750KOHmg/gのカルボキシル基含有樹脂である請求項1又は2記載の電池用バインダ樹脂組成物。
- R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である請求項1〜3のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物。
- 請求項1〜4のいずれか1項記載の電池用バインダ樹脂組成物と、正極活物質又は負極活物質を溶剤に分散または溶解させてなる合剤スラリー。
- 正極活物質又は負極活物質が充放電により可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものである請求項5記載の合剤スラリー。
- 負極活物質が、炭素材料である請求項5又は6記載の合剤スラリー。
- 正極活物質が一般式LixMnyO2(xは0.2≦x≦2.5の範囲であり、yは0.8≦x≦1.25の範囲である。)で示されるリチウムマンガン複合酸化物である請求項5又は6記載の合剤スラリー。
- 請求項5〜8のいずれか1項記載の合剤スラリーを集電体表面に塗布後、溶剤を除去して製造された電極。
- 請求項9記載の電極を用いて製造された電池。
- リチウムイオン二次電池である請求項10記載の電池。
- 酸価が70〜750KOHmg/gである請求項12又は13記載の使用。
- R2が、炭素原子数5〜20のアルキル基である請求項12〜14のいずれか1項記載の使用。
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