JP2014001368A - Polymer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer which is used for adhesive, paint and binder for accumulation of electricity devices, is superior in adhesiveness and binding property and is soluble to organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).SOLUTION: In a star polymer consisting of a core unit having a four- or more-membered ring structure and arm units extending from three or more carbon atoms constituting the ring structure of the core unit, the arm units are composed of polymers of acid monomers having carboxyl group and polymers of styrene and the polymers of styrene are included in at least one part of the one arm unit.

Description

本発明は、接着剤、塗料、蓄電池用バインダなどに用いられるポリマーに関するものである。   The present invention relates to a polymer used for an adhesive, a paint, a storage battery binder, and the like.

リチウムイオン二次電池は、充放電容量が高く、高出力化が可能な二次電池である。現在、主として携帯電子機器用の電源として用いられており、更に、今後普及が予想される電気自動車用の電源として期待されている。リチウムイオン二次電池は、リチウム(Li)を挿入および脱離することができる活物質を正極及び負極にそれぞれ有する。そして、両極間に設けられた電解液内をリチウムイオンが移動することによって動作する。   A lithium ion secondary battery is a secondary battery having a high charge / discharge capacity and capable of high output. Currently, it is mainly used as a power source for portable electronic devices, and further expected as a power source for electric vehicles that are expected to be widely used in the future. A lithium ion secondary battery has an active material capable of inserting and removing lithium (Li) in a positive electrode and a negative electrode, respectively. And it operates by moving lithium ions in the electrolyte provided between the two electrodes.

リチウムイオン二次電池には、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多層構造を有する炭素材料が主に用いられている。   In lithium ion secondary batteries, lithium-containing metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide are mainly used as the active material for the positive electrode, and carbon materials having a multilayer structure are mainly used as the active material for the negative electrode. Yes.

リチウムイオン二次電池の性能は、二次電池を構成する正極、負極および電解質の材料に左右される。なかでも活物質を形成する活物質材料の研究開発が活発に行われている。例えば負極活物質材料として炭素よりも高容量なケイ素またはケイ素酸化物が検討されている。   The performance of the lithium ion secondary battery depends on the materials of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte constituting the secondary battery. In particular, research and development of active material that forms an active material is being actively conducted. For example, silicon or silicon oxide having a higher capacity than carbon has been studied as a negative electrode active material.

ケイ素を負極活物質として用いることにより、炭素材料を用いるよりも高容量の電池とすることができる。しかしながらケイ素は、充放電時のリチウムの吸蔵・放出に伴う体積変化が大きい。そのためケイ素が微粉化して集電体から脱落または剥離し、電池の充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。そこでケイ素酸化物を負極活物質として用いることにより、ケイ素よりも充放電時のリチウムの吸蔵・放出に伴う体積変化を抑制することができる。   By using silicon as the negative electrode active material, a battery having a higher capacity than that using a carbon material can be obtained. However, silicon has a large volume change due to insertion and extraction of lithium during charging and discharging. Therefore, there is a problem that silicon is pulverized and falls off or peels from the current collector, and the charge / discharge cycle life of the battery is short. Therefore, by using silicon oxide as the negative electrode active material, volume change associated with insertion and extraction of lithium during charge and discharge can be suppressed more than silicon.

例えば、負極活物質として、酸化ケイ素(SiOx:xは0.5≦x≦1.5程度)の使用が検討されている。SiOxは熱処理されると、SiとSiO2とに分解することが知られている。これは不均化反応といい、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。また、Si相を覆うSiO2相が電解液の分解を抑制する働きをもつ。したがって、SiとSiO2とに分解したSiOxからなる負極活物質を用いた二次電池は、サイクル特性に優れる。 For example, the use of silicon oxide (SiO x : x is about 0.5 ≦ x ≦ 1.5) as a negative electrode active material has been studied. It is known that SiO x decomposes into Si and SiO 2 when heat-treated. This is called disproportionation reaction, and it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. The Si phase obtained by separation is very fine. Further, the SiO 2 phase covering the Si phase has a function of suppressing the decomposition of the electrolytic solution. Therefore, the secondary battery using the negative electrode active material composed of SiO x decomposed into Si and SiO 2 has excellent cycle characteristics.

上記した負極活物質を含む負極は、例えば、負極活物質とバインダとを含むスラリーを集電体に塗布し、乾燥することにより作製される。このため活物質粒子どうしの結着と、活物質と集電体との結着とを担うバインダの性能が、負極の性能に大きく影響する。バインダの結着力が低い場合には、活物質粒子どうしの密着性及び活物質と集電体との密着性が低下し、集電性が低下する。   The negative electrode containing the negative electrode active material described above is produced, for example, by applying a slurry containing a negative electrode active material and a binder to a current collector and drying it. For this reason, the performance of the binder responsible for the binding between the active material particles and the binding between the active material and the current collector greatly affects the performance of the negative electrode. When the binding force of the binder is low, the adhesiveness between the active material particles and the adhesiveness between the active material and the current collector are lowered, and the current collecting property is lowered.

また上述の酸化ケイ素からなる負極活物質を用いた負極であっても、充放電反応時のリチウムの吸蔵及び放出に伴う体積変化が避けられない。このため、負極の活物質層に含まれるバインダには大きな応力が作用するので、バインダには強い結着力が求められている。   Even in the case of a negative electrode using the above-described negative electrode active material made of silicon oxide, a change in volume associated with insertion and extraction of lithium during charge / discharge reaction is inevitable. For this reason, since a big stress acts on the binder contained in the active material layer of a negative electrode, strong binding force is calculated | required by the binder.

例えば下記の特許文献1には、ポリアクリル酸及びポリメタクリル酸よりなる群から選ばれるポリマーを含有し、そのポリマーは酸無水物基を含むリチウムイオン二次電池用負極が記載されている。   For example, Patent Document 1 below describes a negative electrode for a lithium ion secondary battery that contains a polymer selected from the group consisting of polyacrylic acid and polymethacrylic acid, and the polymer contains an acid anhydride group.

また下記の特許文献2には、アクリル酸とメタクリル酸とを共重合させて得られるポリマーを負極用バインダ又は正極用バインダとして用いることが記載されている。   Patent Document 2 below describes that a polymer obtained by copolymerizing acrylic acid and methacrylic acid is used as a negative electrode binder or a positive electrode binder.

さらに下記の特許文献3には、アクリルアミドとアクリル酸とイタコン酸とを共重合させて得られるポリマーを負極用バインダ又は正極用バインダとして用いることが記載されている。   Further, Patent Document 3 below describes that a polymer obtained by copolymerizing acrylamide, acrylic acid and itaconic acid is used as a negative electrode binder or a positive electrode binder.

特開2007−115671号公報JP 2007-115671 特開2003−268053号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-268053 特開2006−513554号公報JP 2006-513554 A

従来使用されている負極用バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などの含フッ素系ポリマー、カルボキシメチルセルロース(CMC)などの水溶性セルロース誘導体、ポリアクリル酸などの水溶性ポリマーなどが挙げられる。しかしこれらのポリマーを負極用バインダとして用いると、集電体への活物質の結着力がまだ不十分であるために、充放電サイクルの進行に伴う電極の膨潤、収縮などによって、活物質が電極から徐々に脱落し、十分なサイクル特性が得られないという問題があった。   Examples of conventionally used negative electrode binders include fluorine-containing polymers such as polyvinylidene fluoride (PVdF), water-soluble cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose (CMC), and water-soluble polymers such as polyacrylic acid. However, when these polymers are used as the binder for the negative electrode, the binding force of the active material to the current collector is still insufficient. There was a problem that it was gradually dropped from the stage and sufficient cycle characteristics could not be obtained.

そこで本願発明者らは、コア部と、コア部から伸びるポリマー鎖からなるアーム部とを有するポリマーであって、コア部は四員環以上の環構造を有し、アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体からなり、アーム部はコア部の環構造を構成する3個以上の炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれのアーム部の一端はコア部の環構造を構成する炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合しているポリマーを開発した。このポリマーによれば、環構造を有するコア部によって剛性が発現され、カルボキシル基を多数有するアーム部によって接着性と柔軟性が発現される。そのため各種物質との密着性に優れ、接着剤、塗料、蓄電池用バインダとしてきわめて有用である。   Therefore, the inventors of the present application are polymers having a core part and an arm part made of a polymer chain extending from the core part, the core part has a ring structure of four or more members, and the arm part has a carboxyl group. It consists of a polymer of an acid monomer, and the arm part extends from three or more carbon atoms constituting the ring structure of the core part, and one end of each arm part is a single bond or a carbon atom constituting the ring structure of the core part. We have developed polymers linked via ether groups, ester groups, carbonyl groups, alkylene groups, or divalent groups that combine these. According to this polymer, rigidity is expressed by the core part having a ring structure, and adhesiveness and flexibility are expressed by the arm part having many carboxyl groups. Therefore, it has excellent adhesion to various substances, and is extremely useful as an adhesive, paint, and storage battery binder.

しかしながら上記ポリマーは、水には溶解するものの、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などには溶解しない。非水系二次電池の負極を形成する際には、負極活物質と、導電助剤と、バインダと、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などの有機溶媒とからなるスラリーが用いられるが、上記ポリマーをバインダとすると水を溶媒とせざるを得ず、導電助剤や負極活物質の種類が限定されるという問題がある。   However, the polymer is soluble in water but not in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the like. When forming a negative electrode of a non-aqueous secondary battery, a slurry composed of a negative electrode active material, a conductive additive, a binder, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used. If the polymer is used as a binder, water must be used as a solvent, and there is a problem that the types of conductive assistants and negative electrode active materials are limited.

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、接着性、結着性に優れるとともに、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などの有機溶媒に可溶なポリマーを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a polymer that is excellent in adhesiveness and binding properties and is soluble in an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Objective.

上記課題を解決する本発明のポリマーの特徴は、コア部と、コア部から伸びるポリマー鎖からなるアーム部とを有するポリマーであって、コア部は四員環以上の環構造を有し、アーム部は3本以上でありコア部の環構造を構成する3個以上の炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれのアーム部の一端はコア部の環構造を構成する炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合し、
アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体とスチレンの重合体とからなり、スチレンの重合体が少なくとも1本のアーム部の少なくとも一部に含まれていることにある。
A feature of the polymer of the present invention that solves the above problems is a polymer having a core part and an arm part composed of a polymer chain extending from the core part, the core part having a ring structure of four or more members, The number of the parts is 3 or more and extends from 3 or more carbon atoms constituting the ring structure of the core part, and one end of each arm part is a single bond or an ether group or an ester to the carbon atom constituting the ring structure of the core part. Bonded through a group, a carbonyl group, an alkylene group or a divalent group obtained by combining these,
The arm portion consists of a polymer of an acid monomer having a carboxyl group and a styrene polymer, and the styrene polymer is contained in at least a part of at least one arm portion.

本発明のポリマーによれば、環構造を有するコア部によって剛性が発現され、カルボキシル基を多数有するアーム部によって接着性と柔軟性が発現される。そのため各種物質との密着性に優れ、接着剤、塗料、蓄電池用バインダとしてきわめて有用である。そしてアーム部に含まれるスチレンの重合体によって有機溶媒との相溶性が向上するため、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などに可溶となる。   According to the polymer of the present invention, rigidity is expressed by the core portion having a ring structure, and adhesiveness and flexibility are expressed by the arm portion having many carboxyl groups. Therefore, it has excellent adhesion to various substances, and is extremely useful as an adhesive, paint, and storage battery binder. The compatibility with the organic solvent is improved by the styrene polymer contained in the arm portion, so that it becomes soluble in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the like.

さらに本発明のポリマーをリチウムイオン二次電池などの電極に用いれば、導電助剤として用いられているアセチレンブラックやケッチェンブラックなどの分散性が大幅に向上する。したがって、導電助剤に一般に用いられている分散剤を不要とすることができ、分散剤による抵抗上昇や容量低下の不具合を回避できるので、蓄電装置の性能が向上する。   Furthermore, if the polymer of this invention is used for electrodes, such as a lithium ion secondary battery, dispersibility, such as acetylene black used as a conductive support agent, and ketjen black, will improve significantly. Therefore, the dispersing agent generally used for the conductive auxiliary agent can be made unnecessary, and the problem of resistance increase and capacity reduction due to the dispersing agent can be avoided, so that the performance of the power storage device is improved.

実施例に係るポリマーの構造式を示す。The structural formula of the polymer which concerns on an Example is shown. 実施例に係るポリマー溶液中におけるアセチレンブラックの粒度分布図である。It is a particle size distribution map of acetylene black in the polymer solution concerning an example. 比較例に係るポリマー溶液中におけるアセチレンブラックの粒度分布図である。It is a particle size distribution map of acetylene black in a polymer solution concerning a comparative example. 実施例に係るポリマー溶液中におけるケッチェンブラックの粒度分布図である。It is a particle size distribution map of the ketjen black in the polymer solution which concerns on an Example. 比較例に係るポリマー溶液中におけるケッチェンブラックの粒度分布図である。It is a particle size distribution figure of ketjen black in a polymer solution concerning a comparative example. 実施例に係るポリマー溶液中におけるアセチレンブラックの分散性を示すTEM写真である。It is a TEM photograph which shows the dispersibility of acetylene black in the polymer solution which concerns on an Example. 実施例に係るポリマー溶液中におけるケッチェンブラックの分散性を示すTEM写真である。It is a TEM photograph which shows the dispersibility of ketjen black in the polymer solution which concerns on an Example. ポリアクリル酸溶液中におけるアセチレンブラックの分散性を示すTEM写真である。It is a TEM photograph which shows the dispersibility of acetylene black in a polyacrylic acid solution. ポリアクリル酸溶液中におけるケッチェンブラックの分散性を示すTEM写真である。It is a TEM photograph which shows the dispersibility of ketjen black in a polyacrylic acid solution. 実施例に係るポリマーをバインダとして含む負極をもつリチウムイオン二次電池の放電容量を示すグラフである。It is a graph which shows the discharge capacity of the lithium ion secondary battery which has a negative electrode which contains the polymer which concerns on an Example as a binder.

本発明のポリマーは、コア部と、アーム部とからなる。コア部は四員環以上の環構造を有するものであり、炭素のみからなる単素環式化合物から派生したものであってもよいし、炭素以外の元素を含む複素環式化合物から派生したものであってもよい。四員環の単素環式化合物としては、シクロブタン、シクロブテン、シクロブタジエンが例示され、四員環の複素環式化合物としては、アゼチジン、オセキタン、アゼト、トリメチレンスルフィドなどが例示される。四員環の環構造は、炭素原子が少なくとも3個存在することが必要である。   The polymer of the present invention comprises a core part and an arm part. The core part has a ring structure of four or more members, and may be derived from a monocyclic compound composed only of carbon or derived from a heterocyclic compound containing an element other than carbon. It may be. Examples of the four-membered monocyclic compound include cyclobutane, cyclobutene, and cyclobutadiene, and examples of the four-membered heterocyclic compound include azetidine, oxetane, azeto, and trimethylene sulfide. A four-membered ring structure must have at least three carbon atoms.

五員環の単素環式化合物としてはシクロペンタンが代表的なものであり、五員環の複素環式化合物としては、ヘテロ原子として窒素を含むアゾリジン、アゾール、イミダゾール、ピラゾール、イミダゾリン、ピロール、ヘテロ原子として酸素を含むオキソラン、オキソール、ヘテロ原子として窒素を含むチオール、ヘテロ原子として窒素と酸素を含むオキサゾール、ヘテロ原子として窒素と硫黄を含むチアゾールなどが例示される。五員環の環構造は、炭素原子が少なくとも3個存在することが必要である。   Cyclopentane is a typical example of a five-membered monocyclic compound, and examples of a five-membered heterocyclic compound include azolidine, azole, imidazole, pyrazole, imidazoline, pyrrole, which contain nitrogen as a hetero atom. Examples include oxolane and oxygen containing oxygen as a hetero atom, thiol containing nitrogen as a hetero atom, oxazole containing nitrogen and oxygen as a hetero atom, and thiazole containing nitrogen and sulfur as a hetero atom. A five-membered ring structure requires at least three carbon atoms.

六員環の単素環式化合物としてはベンゼン、シクロヘキサンが挙げられ、六員環の複素環式化合物としては、ヘテロ原子として窒素を含むピペリジン、ピリジン、ピラジン、ヘテロ原子として酸素を含むテトラヒドロピラン、ヘテロ原子として硫黄を含むチアン、チアピラン、ヘテロ原子として窒素と酸素を含むモルホリン、ヘテロ原子として窒素と硫黄を含むチアジンなどが例示される。六員環の環構造は、炭素原子が少なくとも3個存在することが必要である。   Examples of the six-membered monocyclic compound include benzene and cyclohexane, and the six-membered heterocyclic compound includes piperidine containing nitrogen as a hetero atom, pyridine, pyrazine, tetrahydropyran containing oxygen as a hetero atom, Examples include thiane and thiapyran containing sulfur as a hetero atom, morpholine containing nitrogen and oxygen as a hetero atom, and thiazine containing nitrogen and sulfur as a hetero atom. A six-membered ring structure requires at least three carbon atoms.

七員環の単素環式化合物としては、シクロヘプタン、シクロヘプテンが挙げられ、七員環の複素環式化合物としては、ヘテロ原子として窒素を含むヘキサメチレンイミン(アゼバン)、アザトロピリデン(アゼピン)、ヘテロ原子として酸素を含むヘキサメチレンオキシド(オキセバン)、オキシシクロヘプタトリエン(オキセピン)、ヘテロ原子として硫黄を含むチオトロピリデン(チエピン)などが例示される。七員環の環構造は、炭素原子が少なくとも3個存在することが必要である。   Examples of the seven-membered monocyclic compounds include cycloheptane and cycloheptene. Examples of the seven-membered heterocyclic compounds include hexamethyleneimine (azeban), azatropylidene (azepine), heterozygote containing nitrogen as a hetero atom. Examples include hexamethylene oxide (oxeban) containing oxygen as an atom, oxycycloheptatriene (oxepin), and tiotropylidene (thiepin) containing sulfur as a heteroatom. A seven-membered ring structure must have at least three carbon atoms.

八員環の単素環式化合物としては、シクロオクタン、シクロオクテンが挙げられる。八員環以上の単素環式化合物あるいは複素環式化合物から派生したコア部であってもよい。八員環の環構造は、炭素原子が少なくとも3個存在することが必要である。   Examples of the eight-membered monocyclic compound include cyclooctane and cyclooctene. It may be a core portion derived from a monocyclic compound having at least eight members or a heterocyclic compound. The ring structure of an eight-membered ring needs to have at least 3 carbon atoms.

コア部は、一つの環のみであってもよいし、複数の環からなる多環構造をなしていてもよい。例えば六員環の単素環式化合物が複数結合したものとしては、アントラセン、ナフタセン、ペンタセン、ベンゾピレン、クリセン、ピレン、トリフェニレン、コランヌレン、コロネン、オバレンなどがある。   The core part may be only one ring or may have a polycyclic structure composed of a plurality of rings. For example, as a combination of a plurality of six-membered monocyclic compounds, there are anthracene, naphthacene, pentacene, benzopyrene, chrysene, pyrene, triphenylene, corannulene, coronene, obalene, and the like.

アーム部はコア部から伸びるポリマー鎖であり、カルボキシル基を有する酸モノマーの重合体とスチレンの重合体とからなる。酸モノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸、(無水)マレイン酸、酢酸ビニルなどが例示される。アーム部は、これらの酸モノマーから選ばれる一種のモノマーのホモポリマーであってもよいし、複数のモノマーの共重合体であってもよい。例えばポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸、ポリ酢酸ビニル、アクリル酸−メタクリル酸共重合体、アクリル酸−マレイン酸共重合体、メタクリル酸−マレイン酸共重合体、アクリル酸−フマル酸共重合体、メタクリル酸−フマル酸共重合体、アクリル酸−イタコン酸共重合体、メタクリル酸−イタコン酸共重合体、アクリル酸−酢酸ビニル共重合体、メタクリル酸−酢酸ビニル共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−マレイン酸共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−フマル酸共重合体、アクリル酸−メタクリル酸−イタコン酸共重合体などが例示される。   The arm part is a polymer chain extending from the core part, and consists of a polymer of an acid monomer having a carboxyl group and a polymer of styrene. Examples of the acid monomer include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, fumaric acid, (anhydrous) maleic acid, and vinyl acetate. The arm part may be a homopolymer of one kind of monomer selected from these acid monomers, or may be a copolymer of a plurality of monomers. For example, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polymaleic acid, polyvinyl acetate, acrylic acid-methacrylic acid copolymer, acrylic acid-maleic acid copolymer, methacrylic acid-maleic acid copolymer, acrylic acid-fumaric acid copolymer Polymer, methacrylic acid-fumaric acid copolymer, acrylic acid-itaconic acid copolymer, methacrylic acid-itaconic acid copolymer, acrylic acid-vinyl acetate copolymer, methacrylic acid-vinyl acetate copolymer, acrylic acid- Examples thereof include a methacrylic acid-maleic acid copolymer, an acrylic acid-methacrylic acid-fumaric acid copolymer, and an acrylic acid-methacrylic acid-itaconic acid copolymer.

酸モノマーの一部を、スチレン、スチレン誘導体、ブチレン、イソブチレン、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリロニトリルなど他のモノマーに代えて共重合した共重合体でもよい。   A copolymer obtained by copolymerizing a part of the acid monomer in place of another monomer such as styrene, a styrene derivative, butylene, isobutylene, an acrylic ester, a methacrylic ester, or acrylonitrile may be used.

アーム部は、コア部の環構造を構成する3個以上の炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれのアーム部の一端はコア部の環構造を構成する炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合している。それぞれのアーム部を構成するポリマーは、同一種でもよいし異種であってもよい。   The arm part extends from three or more carbon atoms constituting the ring structure of the core part, and one end of each arm part is bonded to the carbon atom constituting the ring structure of the core part with a single bond or an ether group, an ester group, and a carbonyl group. They are bonded via a group, an alkylene group or a divalent group obtained by combining these groups. The polymers constituting each arm part may be the same or different.

アーム部は、カルボキシル基を有する酸モノマーの重合体とスチレンの重合体とからなる。例えばアーム部の数が6本である場合、そのうちの何本かをカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体から形成し、残りのアーム部をスチレンの重合体から形成することができる。あるいは1本のアーム部の中に、カルボキシル基を有する酸モノマーの重合体ブロックとスチレンの重合体ブロックとを含むこともできる。有機溶媒との相溶性の観点からは、スチレンの重合体ブロックがアーム部の末端側に存在するのが好ましい。   The arm portion is composed of a polymer of an acid monomer having a carboxyl group and a polymer of styrene. For example, when the number of arm portions is 6, some of them can be formed from a polymer of acid monomers having a carboxyl group, and the remaining arm portions can be formed from a styrene polymer. Alternatively, one arm portion may include a polymer block of an acid monomer having a carboxyl group and a polymer block of styrene. From the viewpoint of compatibility with an organic solvent, it is preferable that a polymer block of styrene exists on the terminal side of the arm portion.

カルボキシル基を有する酸モノマーの重合体と、スチレンの重合体との組成比(スチレンの重合体/酸モノマーの重合体)は、質量比で3〜30の範囲とすることが望ましい。スチレンの重合体がこの範囲より少ないと有機溶媒との相溶性が低下し、スチレンの重合体がこの範囲より多くなるとバインダとしての結着性が低下するほか、リチウムの輸送能も低下するようになる。   The composition ratio (polymer of styrene / polymer of acid monomer) of the polymer of the acid monomer having a carboxyl group and the polymer of styrene is desirably in the range of 3 to 30 in terms of mass ratio. If the styrene polymer is less than this range, the compatibility with the organic solvent is reduced. If the styrene polymer is more than this range, the binding property as a binder is lowered, and the lithium transport ability is also lowered. Become.

また少なくとも1本のアーム部は、化1式に示すポリアクリル酸骨格を含むことが望ましい。ポリアクリル酸骨格を含むことで結着力がさらに高まり、リチウムイオン二次電池など蓄電装置の電極用バインダとして有用である。   Further, it is desirable that at least one arm part includes a polyacrylic acid skeleton represented by Formula 1. By including a polyacrylic acid skeleton, the binding force is further increased, and it is useful as a binder for electrodes of power storage devices such as lithium ion secondary batteries.

少なくとも1本のアーム部を構成するポリマーの分子量は、それぞれ数平均分子量(Mn)で1,000〜100,000、さらには1,000〜50,000、1,000〜10,000の範囲が好ましい。アーム部の分子量が1,000より小さいと柔軟性と付着性が不足し、アーム部の分子量が100,000より大きくなると溶媒に溶解しにくくなる。アーム部の分子量が50,000〜100,000の場合にはゲル化する可能性があり、バインダとして用いた場合ネットワーク的な密着性がある。また、アーム部の分子量が1,000〜50,000の場合には、鎖の分布が安定するため、分散性が高い。なお各アーム部の分子量は、それぞれ同等であってもよいし異なっていてもよい。   The molecular weight of the polymer constituting at least one arm part is preferably in the range of 1,000 to 100,000, more preferably 1,000 to 50,000, and 1,000 to 10,000 in terms of number average molecular weight (Mn). When the molecular weight of the arm part is less than 1,000, flexibility and adhesion are insufficient, and when the molecular weight of the arm part exceeds 100,000, it becomes difficult to dissolve in the solvent. When the molecular weight of the arm part is 50,000 to 100,000, there is a possibility of gelation, and when used as a binder, there is network-like adhesion. In addition, when the molecular weight of the arm part is 1,000 to 50,000, the distribution of the chain is stable, so that the dispersibility is high. The molecular weight of each arm part may be the same or different.

コア部の環構造を構成する炭素原子のうち、アーム部が結合していない炭素原子には、水素ばかりでなく、メチル基、エチル基などのアルキル基、カルボキシル基、水酸基など各種置換基が結合していてもよい。   Of the carbon atoms that make up the ring structure of the core, not only hydrogen but also various substituents such as alkyl groups such as methyl and ethyl groups, carboxyl groups, and hydroxyl groups are bonded to carbon atoms that are not bonded to the arm. You may do it.

本発明のポリマーを合成するには、多官能性開始剤を用いてモノマーを重合させる方法、リビングポリマーと多官能性試薬とのカップリング法、リビングポリマーに重合可能なジビニル化合物を適当量加える方法、マクロモノマーの単独重合法などを採用することができる。中でも、多官能性開始剤を用いてモノマーを重合させる方法又はリビングポリマーと多官能性試薬とのカップリング法を用いれば、アーム部の本数を制御し易い。また多官能性開始剤を用いてモノマーを重合させる方法は、長鎖のアーム部をもつスターポリマーの合成に適している。   In order to synthesize the polymer of the present invention, a method of polymerizing a monomer using a polyfunctional initiator, a coupling method of a living polymer and a polyfunctional reagent, and a method of adding an appropriate amount of a polymerizable divinyl compound to the living polymer A homomonomer homopolymerization method or the like can be employed. Among them, the number of arm portions can be easily controlled by using a method of polymerizing a monomer using a polyfunctional initiator or a coupling method of a living polymer and a polyfunctional reagent. A method of polymerizing a monomer using a polyfunctional initiator is suitable for the synthesis of a star polymer having a long-chain arm portion.

また酸モノマーのエステルをアーム部用モノマーとして用いてスターポリマーを合成し、その後にエステル基を加水分解してカルボキシル基を生成させてもよい。   Alternatively, a star polymer may be synthesized using an ester of an acid monomer as an arm portion monomer, and then the ester group may be hydrolyzed to generate a carboxyl group.

以下、実施例及び比較例によって本発明の実施形態を具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples.

図1に本実施例に係るポリマーの代表的な構造式を示す。このスターポリマーは、ベンゼン環からなるコア部1と、コア部1の環構造を構成する6個の炭素原子の全てと結合した6本のアーム部2とからなる。このスターポリマーのアーム部2はポリアクリル酸ブロック20とポリスチレンブロック21とを有し、ポリアクリル酸ブロック20の一端がメチレン基を介してコア部1を構成する炭素原子と結合している。またポリアクリル酸ブロック20の他端にはポリスチレンブロック21の一端が結合し、ポリスチレンブロック21の他端には水酸基3が結合している。   FIG. 1 shows a typical structural formula of a polymer according to this example. This star polymer is composed of a core part 1 composed of a benzene ring and six arm parts 2 bonded to all six carbon atoms constituting the ring structure of the core part 1. The arm portion 2 of the star polymer has a polyacrylic acid block 20 and a polystyrene block 21, and one end of the polyacrylic acid block 20 is bonded to a carbon atom constituting the core portion 1 through a methylene group. One end of a polystyrene block 21 is bonded to the other end of the polyacrylic acid block 20, and a hydroxyl group 3 is bonded to the other end of the polystyrene block 21.

なおコア部1にアーム部2が結合していない炭素原子をもつものもあり、その炭素原子には、メチレン基を介して水酸基が結合している。   Some cores 1 have a carbon atom to which the arm part 2 is not bonded, and a hydroxyl group is bonded to the carbon atom via a methylene group.

以下、このスターポリマーの合成方法を説明する。   Hereinafter, a method for synthesizing this star polymer will be described.

先ず、メチルアクリレートを室温にて真空蒸留し、含まれている重合禁止剤を除去した。このメチルアクリレートを160mlと、化2式に示す母体骨格化合物としてのヘキサキス(ブロモメチル)ベンゼン0.5gと、2-プロパノール20mlと、アミン系配位子(リガンド)としてのトリス2-ジメチルアミノエチルアミン2gをナス型フラスコに入れ、よく撹拌した後、静置した。   First, methyl acrylate was vacuum distilled at room temperature to remove the contained polymerization inhibitor. 160 ml of this methyl acrylate, 0.5 g of hexakis (bromomethyl) benzene as a base skeleton compound shown in the chemical formula 2, 20 ml of 2-propanol, and 2 g of tris 2-dimethylaminoethylamine as an amine-based ligand (ligand) The mixture was placed in an eggplant-shaped flask, stirred well, and allowed to stand.

さらに金属ハロゲン化物(活性化剤)として臭化銅(I)0.74gを加えた後、窒素ガス雰囲気下においてフラスコ内の溶液を撹拌しながら50℃〜52℃に加熱し、溶液が緑色に変色したことを確認後、さらに6時間加熱撹拌した。なお反応雰囲気は、窒素ガス雰囲気のみならずアルゴンガス雰囲気、減圧雰囲気など非酸化性雰囲気であればよい。このとき臭化銅(I)は母体骨格化合物から臭素を預かって、母体骨格化合物には炭素ラジカルが生成し、系内に存在するメチルアクリレートの重合が始まる。生長ラジカルは再び臭素と結合して、末端にC-Br結合を有する高分子となる。このC-Br結合の臭素原子は、再び臭化銅(I)へ移り、生長反応が継続するため分子量が時間とともに増大する。溶液は、初期は紫がかった灰色に変色し、微量の沈殿が生成した。   Furthermore, after adding 0.74 g of copper (I) bromide as a metal halide (activator), the solution in the flask was heated to 50 ° C. to 52 ° C. with stirring in a nitrogen gas atmosphere, and the solution turned green. After confirming this, the mixture was further heated and stirred for 6 hours. The reaction atmosphere may be a non-oxidizing atmosphere such as an argon gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere as well as a nitrogen gas atmosphere. At this time, copper bromide (I) deposits bromine from the base skeleton compound, and a carbon radical is generated in the base skeleton compound, and polymerization of methyl acrylate existing in the system starts. The growing radical is again bonded to bromine and becomes a polymer having a C-Br bond at the terminal. The bromine atom of this C—Br bond moves again to copper (I) bromide, and the growth reaction continues, so the molecular weight increases with time. The solution turned initially purplish gray and a trace amount of precipitate formed.

加熱終了後、溶液を室温まで冷却し、系を開いて酢酸10mlを加えてアミン系配位子を中和し、よく撹拌した。フラスコ内の溶液を6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマーを沈殿させた。このとき、銅イオンによって溶液は青色に着色する。   After completion of heating, the solution was cooled to room temperature, the system was opened, 10 ml of acetic acid was added to neutralize the amine ligand, and the mixture was stirred well. The solution in the flask was poured into a 6 to 8-fold volume of methanol / acetic acid solution (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer. At this time, the solution is colored blue by copper ions.

得られた沈殿を濾過により回収し、沈殿の約5倍の容積のアセトンに溶解した。この溶液をその6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマーを沈殿させた。この操作を3〜5回繰り返して沈殿を洗浄し、メタノール・酢酸溶液の着色が消色したら、ポリマーの沈殿を濾過して回収し、室温にて真空乾燥した。   The resulting precipitate was collected by filtration and dissolved in approximately 5 times the volume of acetone as the precipitate. This solution was poured into a 6-8 volume methanol / acetic acid solution (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer. This operation was repeated 3 to 5 times to wash the precipitate. When the color of the methanol / acetic acid solution disappeared, the polymer precipitate was collected by filtration and dried in vacuum at room temperature.

理論上、このポリマーは、化3式に示す構造のスターポリマーであり、アーム部はポリアクリル酸メチルであり、アーム部の末端は−C−Br基となっている。このスターポリマーは、ポリスチレン換算で数平均分子量(Mn)=71,300、PDI=1.60であった。   Theoretically, this polymer is a star polymer having the structure shown in Chemical Formula 3, the arm portion is polymethyl acrylate, and the end of the arm portion is a -C-Br group. This star polymer had a number average molecular weight (Mn) = 71,300 and PDI = 1.60 in terms of polystyrene.

このポリマーを1H-NMR(JOEL GSX、400MHz、重水素化クロロホルム、19.7℃)にて解析した。コア部に−C−Br基が結合している場合、そのピークは4.56ppm(文献値)近傍に現れる。一方、アーム部の末端に結合している−C−Br基のピークは、4.56ppmより僅かに低い位置に現れる。したがってこの二つのピークの面積比から、アーム部の数を算出することができる。   This polymer was analyzed by 1H-NMR (JOEL GSX, 400 MHz, deuterated chloroform, 19.7 ° C.). When the -C-Br group is bonded to the core, the peak appears in the vicinity of 4.56 ppm (document value). On the other hand, the peak of the -C-Br group bonded to the end of the arm part appears at a position slightly lower than 4.56 ppm. Therefore, the number of arm portions can be calculated from the area ratio of these two peaks.

コア部に結合している−C−Br基のピーク面積は1.00であり、アーム部の末端に結合している−C−Br基のピーク面積は9.56であったので、アーム部の本数は[9.56/(9.56+1.00)]×6=5.43と算出された。つまり一つのコア部から延びるアーム部の本数は平均5.43本であり、一つのコア部から延びるアーム部の本数が6本の、化3式に示した構造のスターポリマーが必ず含まれていることがわかった。アーム部は、それぞれ数平均分子量(Mn)が79,900であった。   Since the peak area of -C-Br group bonded to the core part was 1.00 and the peak area of -C-Br group bonded to the end of the arm part was 9.56, the number of arm parts was [ 9.56 / (9.56 + 1.00)] × 6 = 5.43. In other words, the average number of arm parts extending from one core part is 5.43, and the number of arm parts extending from one core part is 6, and the star polymer with the structure shown in Formula 3 must be included. I understood. Each arm part had a number average molecular weight (Mn) of 79,900.

しかし化4式に示すように、コア部にアーム部が結合していない炭素原子をもつものもあり、その炭素原子にはメチレン基を介して臭素基が結合している。   However, as shown in the chemical formula 4, there are those having a carbon atom to which the arm portion is not bonded to the core portion, and a bromine group is bonded to the carbon atom via a methylene group.

次に、キシレン37gと2-プロパノール3.6gと、上記のスターポリマー20gと、スチレンモノマー30gと、アミン系配位子としてのトリス2-ジメチルアミノエチルアミン0.25gと、をナス型フラスコに入れ、よく撹拌した後、静置した。さらに臭化銅(I)0.14gを加えた後、減圧雰囲気下においてフラスコ内の溶液を撹拌しながら110℃に加熱し、溶液が緑色に変色したことを確認後、さらに2時間加熱撹拌した。なお反応雰囲気は、減圧雰囲気のみならず、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気など非酸化性雰囲気であればよい。   Next, 37 g of xylene, 3.6 g of 2-propanol, 20 g of the above star polymer, 30 g of styrene monomer, and 0.25 g of tris 2-dimethylaminoethylamine as an amine-based ligand are placed in an eggplant type flask. After stirring, it was allowed to stand. Further, 0.14 g of copper (I) bromide was added, and the solution in the flask was heated to 110 ° C. with stirring in a reduced-pressure atmosphere. After confirming that the solution had turned green, the mixture was further heated and stirred for 2 hours. Note that the reaction atmosphere is not limited to a reduced pressure atmosphere, but may be a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere.

このとき臭化銅(I)はアーム部の末端から臭素を預かって、アーム部には炭素ラジカルが生成し、系内に存在するスチレンモノマーの重合が始まる。生長ラジカルは再び臭素と結合して、末端にC-Br結合を有する高分子となる。このC-Br結合の臭素原子は、再び臭化銅(I)へ移り、生長反応が継続するため分子量が時間とともに増大する。   At this time, copper (I) bromide deposits bromine from the end of the arm part, carbon radicals are generated in the arm part, and polymerization of the styrene monomer present in the system begins. The growing radical is again bonded to bromine and becomes a polymer having a C-Br bond at the terminal. The bromine atom of this C—Br bond moves again to copper (I) bromide, and the growth reaction continues, so the molecular weight increases with time.

加熱終了後、溶液を室温まで冷却し、系を開いて酢酸10mlを加えてアミン系配位子を中和し、よく撹拌した。フラスコ内の溶液を6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマーを沈殿させた。このとき、銅イオンによって溶液は青色に着色する。   After completion of heating, the solution was cooled to room temperature, the system was opened, 10 ml of acetic acid was added to neutralize the amine ligand, and the mixture was stirred well. The solution in the flask was poured into a 6 to 8-fold volume of methanol / acetic acid solution (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer. At this time, the solution is colored blue by copper ions.

得られた沈殿を濾過により回収し、沈殿の約5倍の容積のアセトンに溶解した。この溶液をその6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマーを沈殿させた。この操作を3〜5回繰り返して沈殿を洗浄し、メタノール・酢酸溶液の着色が消色したら、ポリマーの沈殿を濾過して回収し、室温にて真空乾燥した。   The resulting precipitate was collected by filtration and dissolved in approximately 5 times the volume of acetone as the precipitate. This solution was poured into a 6-8 volume methanol / acetic acid solution (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer. This operation was repeated 3 to 5 times to wash the precipitate. When the color of the methanol / acetic acid solution disappeared, the polymer precipitate was collected by filtration and dried in vacuum at room temperature.

このポリマーを1H-NMR(JOEL GSX、400MHz、重水素化クロロホルム、19.7℃)にて解析したところ、カルボキシメチル基に同定されるピークと、ポリスチレンに同定されるピークとが観察された。したがって理論上、このポリマーは化5式に示す構造を主とするスターポリマーであり、アーム部はポリアクリル酸メチルブロックとポリスチレンブロックとからなり、アーム部の末端は−C−Br基となっている。   When this polymer was analyzed by 1H-NMR (JOEL GSX, 400 MHz, deuterated chloroform, 19.7 ° C.), a peak identified as a carboxymethyl group and a peak identified as polystyrene were observed. Therefore, theoretically, this polymer is a star polymer mainly having the structure shown in Formula 5, the arm part is composed of a polymethyl acrylate block and a polystyrene block, and the end of the arm part is a -C-Br group. Yes.

なおベンゼン環にメチレン基を介して結合していた臭素基も反応に寄与し、ベンゼン環にメチレン基を介してポリスチレンブロックが形成されている可能性もある。   A bromine group bonded to the benzene ring via a methylene group also contributes to the reaction, and a polystyrene block may be formed on the benzene ring via the methylene group.

このスターポリマーは、ポリスチレン換算で数平均分子量(Mn)=1,240,000、PDI=1.95であり、アーム部は、それぞれ数平均分子量(Mn)が526,000であった。また各アーム部におけるポリアクリル酸メチルブロックの数平均分子量(Mn)は79,900であり、ポリスチレンブロックの数平均分子量(Mn)は22,500であった。NMRから求めたこのスターポリマー中のポリスチレンは18.6mol%であった。   This star polymer had a number average molecular weight (Mn) of 1,240,000 and PDI = 1.95 in terms of polystyrene, and the arm portions each had a number average molecular weight (Mn) of 526,000. The number average molecular weight (Mn) of the polymethyl acrylate block in each arm part was 79,900, and the number average molecular weight (Mn) of the polystyrene block was 22,500. The polystyrene in this star polymer determined by NMR was 18.6 mol%.

次に、得られたポリマー25.0gを100mlのベンゼンに溶解し、水酸化カリウム水溶液(KOH:78.2g、水150ml)を徐々に加え、その溶液を撹拌しながら室温で3日間放置した。静置したときにベンゼン相と水相とが共に透明になれば反応終了と判断した。反応終了後、水相を分離回収し、硝酸水溶液を添加してpHを3以下とした。セルロースチューブを用い、得られた酸性水溶液を蒸留水によって3日から1週間透析した。透析後の水溶液をフリーズドライ法で乾燥し、ポリマー粉末を得た。   Next, 25.0 g of the obtained polymer was dissolved in 100 ml of benzene, an aqueous potassium hydroxide solution (KOH: 78.2 g, water 150 ml) was gradually added, and the solution was allowed to stand at room temperature for 3 days with stirring. The reaction was judged to be complete when both the benzene phase and the aqueous phase became transparent when allowed to stand. After completion of the reaction, the aqueous phase was separated and recovered, and an aqueous nitric acid solution was added to adjust the pH to 3 or less. The obtained acidic aqueous solution was dialyzed with distilled water for 3 days to 1 week using a cellulose tube. The aqueous solution after dialysis was dried by freeze drying to obtain a polymer powder.

得られたポリマーは、ポリアクリル酸メチルブロックのエステル基が加水分解されてカルボキシル基となっている。したがってアーム部はポリアクリル酸ブロックとポリスチレンブロックとからなり、アーム部の末端には水酸基が結合した図1に示す構造のスターポリマーを多く含むと考えられる。   In the obtained polymer, ester groups of polymethyl acrylate blocks are hydrolyzed to become carboxyl groups. Therefore, the arm part is composed of a polyacrylic acid block and a polystyrene block, and it is considered that the end of the arm part contains many star polymers having a structure shown in FIG.

[比較例]
先ず、メチルアクリレートを室温にて真空蒸留し、含まれている重合禁止剤を除去した。このメチルアクリレートを20.0mlと、化2式に示した母体骨格化合物としてのヘキサキス(ブロモメチル)ベンゼン0.225gと、2-プロパノール5.00mlと、アミン系配位子としてのトリス2-ジメチルアミノエチルアミン0.57gをナス型フラスコに入れ、よく撹拌した後、静置した。さらに金属ハロゲン化物として純度99.9%の臭化銅(I)0.182gを加え、真空ポンプで脱気した後に密封した。
[Comparative example]
First, methyl acrylate was vacuum distilled at room temperature to remove the contained polymerization inhibitor. 20.0 ml of this methyl acrylate, 0.225 g of hexakis (bromomethyl) benzene as a base skeleton compound shown in Chemical Formula 2, 5.00 ml of 2-propanol, and 0.57 g of tris 2-dimethylaminoethylamine as an amine-based ligand Was placed in an eggplant-shaped flask, stirred well, and allowed to stand. Further, 0.182 g of 99.9% pure copper (I) bromide was added as a metal halide, degassed with a vacuum pump, and sealed.

フラスコ内の溶液を撹拌しながら50℃〜52℃に加熱し、溶液が緑色に変色したことを確認後、さらに8時間加熱撹拌した。このとき臭化銅(I)は母体骨格化合物から臭素を預かって、開始剤には炭素ラジカルが生成し、系内に存在するメチルアクリレートの重合が始まる。生長ラジカルは再び臭素と結合して、末端にC-Br結合を有する高分子となる。このC-Br結合の臭素原子は、再び臭化銅(I)へ移り、生長反応が継続するため分子量が時間とともに増大する。溶液は、初期は紫がかった灰色に変色し、微量の沈殿が生成した。   The solution in the flask was heated to 50 ° C. to 52 ° C. while stirring, and after confirming that the solution had turned green, the mixture was further heated and stirred for 8 hours. At this time, copper (I) bromide deposits bromine from the base skeleton compound, carbon radicals are generated in the initiator, and polymerization of methyl acrylate present in the system begins. The growing radical is again bonded to bromine and becomes a polymer having a C-Br bond at the terminal. The bromine atom of this C—Br bond moves again to copper (I) bromide, and the growth reaction continues, so the molecular weight increases with time. The solution turned initially purplish gray and a trace amount of precipitate formed.

加熱終了後、溶液を室温まで冷却し、系を開いて酢酸1.0mlを加えてアミン系配位子を中和し、よく撹拌した。フラスコ内の溶液を6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマー前駆体を沈殿させた。このとき、銅イオンによって溶液は青色に着色する。   After completion of heating, the solution was cooled to room temperature, the system was opened, 1.0 ml of acetic acid was added to neutralize the amine-based ligand, and the mixture was stirred well. The solution in the flask was poured into a 6 to 8-fold volume of methanol / acetic acid solution (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer precursor. At this time, the solution is colored blue by copper ions.

得られた沈殿を濾過により回収し、沈殿の約5倍の容積のアセトンに溶解した。この溶液をその6〜8倍容のメタノール・酢酸溶液(酢酸濃度約1重量%)に注ぎ、よく撹拌してポリマー前駆体を沈殿させた。この操作を3〜5回繰り返して沈殿を洗浄し、メタノール・酢酸溶液の着色が消色したら、ポリマー前駆体の沈殿を濾過して回収し、室温にて真空乾燥した。   The resulting precipitate was collected by filtration and dissolved in approximately 5 times the volume of acetone as the precipitate. This solution was poured into a methanol / acetic acid solution of 6 to 8 times its volume (acetic acid concentration: about 1% by weight) and stirred well to precipitate the polymer precursor. This operation was repeated 3 to 5 times to wash the precipitate, and when the coloring of the methanol / acetic acid solution disappeared, the precipitate of the polymer precursor was collected by filtration and vacuum dried at room temperature.

理論上このポリマー前駆体は、化3式に示した構造のスターポリマーと考えられ、アーム部はポリアクリル酸メチルであり、アーム部の末端は−C−Br基となっている。このスターポリマーは、ポリスチレン換算で、数平均分子量(Mn)=35,500、PDI=1.60であり、アーム部は、それぞれ数平均分子量(Mn)が8,200であった。   Theoretically, this polymer precursor is considered to be a star polymer having the structure shown in Formula 3, wherein the arm portion is polymethyl acrylate, and the end of the arm portion is a -C-Br group. This star polymer had a number average molecular weight (Mn) = 35,500 and PDI = 1.60 in terms of polystyrene, and the arm portions each had a number average molecular weight (Mn) of 8,200.

このポリマー前駆体を1H-NMR(JOEL GSX、400MHz、重水素化クロロホルム、19.7℃)にて解析した。コア部に−C−Br基が結合している場合、そのピークは4.56ppm(文献値)近傍に現れる。一方、アーム部の末端に結合している−C−Br基のピークは、4.56ppmより僅かに低い位置に現れる。したがってこの二つのピークの面積比から、アーム部の数を算出することができる。   This polymer precursor was analyzed by 1H-NMR (JOEL GSX, 400 MHz, deuterated chloroform, 19.7 ° C.). When the -C-Br group is bonded to the core, the peak appears in the vicinity of 4.56 ppm (document value). On the other hand, the peak of the -C-Br group bonded to the end of the arm part appears at a position slightly lower than 4.56 ppm. Therefore, the number of arm portions can be calculated from the area ratio of these two peaks.

コア部に結合している−C−Br基のピーク面積は0.05であり、アーム部の末端に結合している−C−Br基のピーク面積は0.21であったので、アーム部の本数は[0.21/(0.21+0.05)]×6=4.85と算出された。つまりアーム部の本数は5本であり、化4式に示した構造を主とすることがわかった。   Since the peak area of -C-Br group bonded to the core part was 0.05 and the peak area of -C-Br group bonded to the end of the arm part was 0.21, the number of arm parts was [ 0.21 / (0.21 + 0.05)] × 6 = 4.85. In other words, it was found that the number of arm parts is five, and the structure shown in the chemical formula 4 is mainly used.

このスターポリマー6.0gを12.0mlのトルエンに溶解し、水酸化カリウム水溶液(KOH:9.5g、水20ml)を徐々に加え、その溶液を撹拌しながら室温で3日間放置した。静置したときにトルエン相と水相とが共に透明になれば反応終了と判断した。反応終了後、水相を分離回収し、硝酸水溶液を添加してpHを3以下とした。セルロースチューブを用い、得られた酸性水溶液を蒸留水によって3日から1週間透析した。透析後の水溶液をフリーズドライ法で乾燥し、ポリマー粉末を得た。   6.0 g of this star polymer was dissolved in 12.0 ml of toluene, an aqueous potassium hydroxide solution (KOH: 9.5 g, 20 ml of water) was gradually added, and the solution was allowed to stand at room temperature for 3 days with stirring. When both the toluene phase and the aqueous phase became transparent when allowed to stand, the reaction was judged to be complete. After completion of the reaction, the aqueous phase was separated and recovered, and an aqueous nitric acid solution was added to adjust the pH to 3 or less. The obtained acidic aqueous solution was dialyzed with distilled water for 3 days to 1 week using a cellulose tube. The aqueous solution after dialysis was dried by freeze drying to obtain a polymer powder.

得られたポリマーは、アーム部のエステル基が加水分解されてカルボキシル基となっているのでアーム部はポリアクリル酸骨格となり、アーム部の末端には水酸基が結合している化6式に示すスターポリマーを多く含む。   In the obtained polymer, the ester group of the arm part is hydrolyzed to form a carboxyl group, so that the arm part becomes a polyacrylic acid skeleton, and the end of the arm part has a hydroxyl group bonded thereto. Contains a lot of polymer.

<試験例1>
実施例及び比較例のスターポリマーを、濃度50質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)又は蒸留水と混合し、溶解性を目視で判定した。結果を表1に示す。なお完全に溶解して透明な溶液であったものを○とし、白濁又は沈殿が生じたものを×と評価した。
<Test Example 1>
The star polymers of Examples and Comparative Examples were mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or distilled water so as to have a concentration of 50% by mass, and the solubility was visually determined. The results are shown in Table 1. In addition, what was completely melt | dissolved and was a transparent solution was set as (circle), and the thing in which white turbidity or precipitation produced was evaluated as x.

表より実施例のスターポリマーはN-メチル-2-ピロリドン(NMP)への溶解性に優れ、これはアーム部にポリスチレンブロックを含むことに起因することが明らかである。   From the table, it is clear that the star polymers of the examples are excellent in solubility in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is caused by including a polystyrene block in the arm portion.

<試験例2>
実施例と比較例のスターポリマーと数平均分子量39,800のポリアクリル酸を試料とし、それぞれ1.00質量部を50.0質量部のN-メチル-2-ピロリドンへ溶解させ、それを撹拌しながら、分散剤を含まないアセチレンブラックの粉末1.00質量部を徐々に添加した。
<Test Example 2>
The star polymers of Examples and Comparative Examples and polyacrylic acid having a number average molecular weight of 39,800 were used as samples, and 1.00 parts by mass was dissolved in 50.0 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone. 1.00 parts by mass of acetylene black powder not contained was gradually added.

また、実施例と比較例のスターポリマーと数平均分子量39,800のポリアクリル酸を試料とし、それぞれ1.00質量部を50.0質量部のN-メチル-2-ピロリドンへ溶解させ、それを撹拌しながら、分散剤を含まないケッチェンブラックの粉末1.00質量部を徐々に添加した。   In addition, the star polymers of Examples and Comparative Examples and polyacrylic acid having a number average molecular weight of 39,800 were used as samples, and 1.00 parts by mass was dissolved in 50.0 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone, and dispersed while stirring. 1.00 parts by mass of ketjen black powder containing no agent was gradually added.

得られた各懸濁液中のアセチレンブラックとケッチェンブラックの粒度分布をレーザーゼータ電位計(大塚電子社製「ELS-8000」)を用いて測定するとともに、TEM観察を行った。粒度分布を図2〜図5に、TEM像を図6〜図9に示す。   The particle size distribution of acetylene black and ketjen black in each suspension obtained was measured using a laser zeta electrometer (“ELS-8000” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.), and TEM observation was performed. The particle size distribution is shown in FIGS. 2 to 5, and the TEM images are shown in FIGS.

図6〜9に示されるように、ポリアクリル酸溶液中ではアセチレンブラック及びケッチェンブラック共に凝集しているが、実施例のポリマー溶液中では凝集度合いがきわめて小さいことがわかる。そして図4と図5との比較から、実施例では小粒径側にピークが現れ、最大ピーク位置も比較例より小粒径側へずれている。したがって実施例のスターポリマーを用いることで、ケッチェンブラックの分散性が向上している。   As shown in FIGS. 6 to 9, both acetylene black and ketjen black are aggregated in the polyacrylic acid solution, but the degree of aggregation is extremely small in the polymer solutions of the examples. From the comparison between FIG. 4 and FIG. 5, in the example, a peak appears on the small particle size side, and the maximum peak position is also shifted to the small particle size side from the comparative example. Therefore, the dispersibility of ketjen black is improved by using the star polymer of the example.

一方、図2,3に示すアセチレンブラックの場合には、実施例では図2に示されるように小粒径側に大きなピークが出現していることから、実施例のスターポリマーを用いることでアセチレンブラックの分散性が特に向上していることが明らかであり、これはポリスチレンブロックを導入したことによる効果である。   On the other hand, in the case of acetylene black shown in FIGS. 2 and 3, since a large peak appears on the small particle size side as shown in FIG. 2 in the example, acetylene is obtained by using the star polymer of the example. It is clear that the dispersibility of black is particularly improved, which is the effect of introducing polystyrene blocks.

したがって実施例のスターポリマーを蓄電装置のバインダとして用いれば、分散剤を含まない導電助剤を用いることができるので、分散剤による抵抗上昇や容量低下の不具合を回避することができる。   Therefore, if the star polymer of the embodiment is used as a binder of the power storage device, a conductive additive that does not contain a dispersant can be used, so that problems such as an increase in resistance and a decrease in capacity due to the dispersant can be avoided.

<リチウムイオン二次電池用負極の作製>
実施例のスターポリマー粉末を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)又は蒸留水に濃度10質量%となるように溶解し、バインダ溶液を調製した。
<Preparation of negative electrode for lithium ion secondary battery>
The star polymer powder of the example was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or distilled water to a concentration of 10% by mass to prepare a binder solution.

SiO粉末(シグマ・アルドリッチ・ジャパン社製、平均粒径5μm)を900℃で2時間熱処理し、平均粒径5μmのSiOx粉末を調製した。この熱処理によって、SiとOとの比が概ね1:1の均質な固体の一酸化ケイ素SiOであれば、固体の内部反応によりSi相とSiO2相の二相に分離する。分離して得られるSi相は非常に微細である。 SiO powder (manufactured by Sigma-Aldrich Japan, average particle size 5 μm) was heat-treated at 900 ° C. for 2 hours to prepare SiO x powder having an average particle size of 5 μm. With this heat treatment, if silicon monoxide SiO is a homogeneous solid having a ratio of Si to O of approximately 1: 1, it is separated into two phases of Si phase and SiO 2 phase by solid internal reaction. The Si phase obtained by separation is very fine.

得られたSiOx粉末50質量部と、天然黒鉛粉末37質量部と、ケッチェンブラック3質量部と、バインダ溶液100質量部(スターポリマーとして10質量部)とを混合してスラリーをそれぞれ調製した。 Slurries were prepared by mixing 50 parts by mass of the obtained SiO x powder, 37 parts by mass of natural graphite powder, 3 parts by mass of ketjen black, and 100 parts by mass of a binder solution (10 parts by mass as a star polymer). .

このスラリーを、厚さ20μmの電解銅箔(集電体)の表面にドクターブレードを用いて塗布し、銅箔上に負極活物質層を形成した。その後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを100℃で3時間真空乾燥し、負極活物質層の厚さが16μmの負極を形成した。   This slurry was applied to the surface of an electrolytic copper foil (current collector) having a thickness of 20 μm using a doctor blade to form a negative electrode active material layer on the copper foil. Thereafter, the current collector and the negative electrode active material layer were firmly and closely joined by a roll press. This was vacuum-dried at 100 ° C. for 3 hours to form a negative electrode having a negative electrode active material layer thickness of 16 μm.

<付着性試験>
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、実施例及のスターポリマーは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
<Adhesion test>
A grid adhesion test (JIS K5400-8.5) was performed in which 100 grids were cut into the negative electrode active material layer at intervals of 1 mm using a cutter knife, and cellophane tape was applied and peeled off. As a result, no delamination of the negative electrode active material layer was observed at all 100 masses, and the star polymers of Examples and Examples were excellent in adhesion to copper foil, and binding of SiO x powder, natural graphite powder, and ketjen black Excellent in properties.

<正極の作製>
正極活物質としてのLi[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=93:3:4(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
<Preparation of positive electrode>
Li [Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 ] O 2 as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder resin are mixed. A slurry-like positive electrode mixture was prepared. The composition ratio of each component (solid content) in the slurry was Li [Mn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 ] O 2 : AB: PVdF = 93: 3: 4 (mass ratio). This slurry was applied to a current collector, and a positive electrode mixture layer was laminated on the current collector. Specifically, this slurry was applied to the surface of an aluminum foil (current collector) having a thickness of 20 μm using a doctor blade.

その後、80℃で20分間乾燥し、正極合材中から有機溶媒を揮発させて除去した。乾燥後、ロールプレス機により、電極密度を調整した。これを真空乾燥炉にて120℃で6時間加熱硬化させて、集電体の上層に厚さ50μm程度の正極合材層が積層されてなる正極を得た。   Thereafter, drying was performed at 80 ° C. for 20 minutes, and the organic solvent was volatilized and removed from the positive electrode mixture. After drying, the electrode density was adjusted with a roll press. This was heat-cured at 120 ° C. for 6 hours in a vacuum drying furnace to obtain a positive electrode in which a positive electrode mixture layer having a thickness of about 50 μm was laminated on the upper layer of the current collector.

<リチウムイオン二次電池の作製>
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはEC(エチレンカーボネート)、MEC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=3:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/Lとなる濃度で溶解したものを用いた。正極及び負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。リチウムイオン二次電池は、同じ物を3個作製した。
<Production of lithium ion secondary battery>
The positive electrode was cut into 30 mm × 25 mm and the negative electrode was cut into 31 mm × 26 mm, and accommodated with a laminate film. A rectangular sheet (40 mm × 40 mm square, thickness 30 μm) made of polypropylene resin as a separator was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode plate group. The electrode plate group was covered with a set of two laminated films, and the three sides were sealed. Then, the following electrolytic solution was injected into the bag-like laminated film. Thereafter, the remaining one side was sealed to obtain a laminate cell in which the four sides were hermetically sealed and the electrode plate group and the electrolyte were sealed. The electrolyte solution is a solution of EC (ethylene carbonate), MEC (methyl ethyl carbonate), DMC (dimethyl carbonate) = 3: 3: 4 (volume ratio) dissolved in LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L. Was used. The positive electrode and the negative electrode were provided with a tab that could be electrically connected to the outside, and a part of this tab extended to the outside of the laminate cell. Through the above steps, a lithium ion secondary battery of a single-layer laminate cell was obtained. Three lithium ion secondary batteries were made of the same.

<評価試験>
実施例のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、0.2CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vで充電し、1/3CのCC放電容量を測定した。結果を図10に示す。図10から実施例のスターポリマーを負極用バインダとして用いたリチウムイオン電池は、電池として機能することがわかる。
<Evaluation test>
Using the lithium ion secondary battery of the example, the battery was charged at 4.2 V under the conditions of CCCV charging (constant current constant voltage charging) at a measurement temperature of 25 ° C. and 0.2 C, and the CC discharge capacity of 1/3 C was measured. The results are shown in FIG. It can be seen from FIG. 10 that the lithium ion battery using the star polymer of the example as the negative electrode binder functions as a battery.

なお以下の技術的思想(発明)は、前記実施形態から把握できる。
(1) 導電助剤を含む蓄電装置用である請求項6に記載のバインダである。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) The binder according to claim 6, which is used for a power storage device including a conductive additive.

本発明のポリマーは、非水系二次電池の負極用バインダばかりでなく、非水系二次電池の正極用バインダ、塗料、接着剤、蓄電装置の電極用バインダなどにも用いることができる。   The polymer of the present invention can be used not only for a binder for a negative electrode of a non-aqueous secondary battery but also for a binder for a positive electrode of a non-aqueous secondary battery, a coating material, an adhesive, and a binder for an electrode of a power storage device.

1:コア部 2:アーム部 3:水酸基
20:ポリアクリル酸ブロック 21:ポリスチレンブロック
1: Core part 2: Arm part 3: Hydroxyl group
20: Polyacrylic acid block 21: Polystyrene block

Claims (6)

コア部と、該コア部から伸びるポリマー鎖からなるアーム部とを有するポリマーであって、
該コア部は四員環以上の環構造を有し、該アーム部は3本以上であり該コア部の前記環構造を構成する3個以上の炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれの該アーム部の一端は該コア部の前記環構造を構成する該炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合し、
該アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体とスチレンの重合体とからなり、スチレンの重合体が少なくとも1本の該アーム部の少なくとも一部に含まれていることを特徴とするポリマー。
A polymer having a core part and an arm part made of a polymer chain extending from the core part,
The core portion has a ring structure of four or more members, the arm portions are three or more, and extend from three or more carbon atoms constituting the ring structure of the core portion. One end is bonded to the carbon atom constituting the ring structure of the core part through a single bond or an ether group, an ester group, a carbonyl group, an alkylene group, or a divalent group combining these,
The arm part is composed of a polymer of an acid monomer having a carboxyl group and a polymer of styrene, and the polymer is characterized in that a polymer of styrene is contained in at least a part of at least one of the arm parts.
前記環構造はベンゼン環を含む請求項1に記載のポリマー。   2. The polymer according to claim 1, wherein the ring structure includes a benzene ring. 少なくとも1本の前記アーム部はポリアクリル酸骨格を含む請求項1又は請求項2に記載のポリマー。   3. The polymer according to claim 1, wherein at least one of the arm portions includes a polyacrylic acid skeleton. 少なくとも1本の前記アーム部の数平均分子量(Mn)は1,000〜100,000の範囲にある請求項3に記載のポリマー。   4. The polymer according to claim 3, wherein the number average molecular weight (Mn) of at least one arm part is in the range of 1,000 to 100,000. 前記スチレンの重合体は前記アーム部のそれぞれの末端側に形成されている請求項1〜4のいずれかに記載のポリマー。   5. The polymer according to claim 1, wherein the styrene polymer is formed on each terminal side of the arm portion. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリマーを含むことを特徴とする蓄電装置用のバインダ。   A binder for a power storage device, comprising the polymer according to any one of claims 1 to 5.
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