JP2014107191A - Dispersion slurry using carbon nanotube and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素材料分散スラリーに関するものであり、さらに詳しくは、リチウムイオン二次電池正極板用電極スラリー用の非水系炭素材料スラリー及びそれを使ったリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a carbon material-dispersed slurry, and more particularly to a non-aqueous carbon material slurry for an electrode slurry for a lithium ion secondary battery positive electrode plate and a lithium ion secondary battery using the same.
携帯電話やノート型パソコン等の普及に伴って、リチウムイオン二次電池が注目されており、需要が高まっている。現在のリチウムイオン二次電池では、電極面積を大きくすることにより電池反応の効率を上げる目的から、電極活物質とバインダー、導電材等を混合した塗料を帯状の金属箔上に塗布した正負両極が用いられ、これらがセパレータと共に巻き回された後、電池缶に収納されている(特許文献1等)。
With the popularization of mobile phones, notebook computers, etc., lithium ion secondary batteries are attracting attention and demand is increasing. In the present lithium ion secondary battery, positive and negative electrodes are formed by applying a paint mixed with an electrode active material, a binder, and a conductive material on a strip-shaped metal foil in order to increase the efficiency of the battery reaction by increasing the electrode area. After being used and wound together with the separator, they are housed in a battery can (
このうち、正極は、電極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物等を用いる。このような電極活物質単独では電子伝導性、即ち導電性に乏しいため、導電性を付与するために高度にストラクチャーが発達した導電性カーボンブラックや、結晶が著しい異方性を示すグラファイト等の炭素材料を導電材として添加し、バインダー(結着材)と共にN−メチル−2−ピロリドン等の非水系溶媒に分散させて、スラリーを作製し(特許文献2)、このスラリーを金属箔上に塗布・乾燥して正極を形成する。 Among these, the positive electrode uses a lithium transition metal composite oxide or the like as an electrode active material. Since such an electrode active material alone has poor electronic conductivity, that is, conductivity, conductive carbon black having a highly developed structure for imparting conductivity, or carbon such as graphite in which crystals have significant anisotropy. The material is added as a conductive material and dispersed in a non-aqueous solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone together with a binder (binder) to prepare a slurry (Patent Document 2), and this slurry is applied onto a metal foil. Dry to form a positive electrode.
しかしながら、現状のリチウムイオン二次電池は放電容量等の電極性能において更なる向上が求められている。
特に近年では、車載用のバッテリーなど電池容量の大きいリチウムイオン電池への要求が増えてきており、電極内の導電助剤の配合量を増大させて導電ネットワーク抵抗を低減することが行われている。しかしながら、導電助剤の配合量を増大させると電極内の活物質量が減少し、電池容量が減少してしまうという問題が指摘されている(特許文献4)。
そのため、電極活物質量を増加させるために導電助剤が低添加量で導電性能を発揮させる必要がある。
However, current lithium ion secondary batteries are required to further improve electrode performance such as discharge capacity.
Particularly in recent years, there has been an increasing demand for lithium-ion batteries having a large battery capacity, such as in-vehicle batteries, and reducing the conductive network resistance by increasing the amount of conductive aid in the electrode. . However, it has been pointed out that when the blending amount of the conductive additive is increased, the amount of the active material in the electrode is decreased and the battery capacity is decreased (Patent Document 4).
Therefore, in order to increase the amount of the electrode active material, it is necessary to exhibit the conductive performance with a low addition amount of the conductive auxiliary agent.
導電助剤として繊維状炭素もしくはカーボンナノチューブを選択することにより導電性を改良する方法が提案されている。例えば、カーボンブラック、非繊維状黒鉛粒子、繊維状炭素といった複数の炭素粒子種を組み合わせる方法(特許文献14)、鱗片状の黒鉛を用いる方法(特許文献15)、複数の異なる特定の直径の繊維状炭素又は特定の直径の繊維状炭素と非繊維状炭素とを組み合わせることにより、電池の導電性、サイクル特性、レート特性および電池容量が改善する方法(特許文献5)がある。 There has been proposed a method for improving conductivity by selecting fibrous carbon or carbon nanotubes as a conductive aid. For example, a method of combining a plurality of carbon particle types such as carbon black, non-fibrous graphite particles, and fibrous carbon (Patent Document 14), a method using scaly graphite (Patent Document 15), a plurality of fibers having different specific diameters There is a method (Patent Document 5) in which the conductivity, cycle characteristics, rate characteristics and battery capacity of a battery are improved by combining fibrous carbon or fibrous carbon having a specific diameter and non-fibrous carbon.
しかしこれら従来の方法では、求められている高い電気特性が必ずしも得られない。導電材として用いられる炭素材料であるカーボンブラックや、繊維状のグラファイトやカーボンナノチューブなどは一次粒子径が小さい微粉体であり、凝集が強く均一な分散が非常に難しい材料である。また電極活物質も粉体であり、これらを混合した際に炭素材料の凝集をほぐさないと、正極板内において局所的に導電性に劣る部分が存在し、電子の移動が十分に行われないことから、電極活物質が有効に利用されず、結果的に放電容量が低い原因となっていることが指摘されている(特許文献1等)。
However, these conventional methods do not always provide the required high electrical characteristics. Carbon black, which is a carbon material used as a conductive material, fibrous graphite, carbon nanotubes, and the like are fine powders having a small primary particle size, and are strongly agglomerated and very difficult to uniformly disperse. In addition, the electrode active material is also a powder, and if the carbon materials are not agglomerated when they are mixed, there is a part in the positive electrode plate that is locally inferior in conductivity, and electrons are not sufficiently transferred. For this reason, it has been pointed out that the electrode active material is not effectively used, resulting in a low discharge capacity (
そこで、電極活物質の表面を炭素材料で被覆する方法や(特許文献1)、炭素材料としてカーボンブラックを、分散剤と共に予め有機溶剤等の分散媒に分散してスラリー化しておき、これを活物質、バインダーと共に混練して電極を形成することで均一な電極スラリーを作製する方法(特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献9、特許文献10、
特許文献11、特許文献12、特許文献13)が提案されている。また、乾燥時に微細な繊維状炭素が凝集するのを防ぐため、予め溶媒に分散してから活物質と混合することも提案されている(特許文献5)。
Therefore, a method of coating the surface of the electrode active material with a carbon material (Patent Document 1), or carbon black as a carbon material is previously dispersed in a dispersion medium such as an organic solvent together with a dispersant to form a slurry. A method of preparing a uniform electrode slurry by kneading together with a substance and a binder to form an electrode (
Patent Document 11, Patent Document 12, and Patent Document 13) have been proposed. In addition, in order to prevent fine fibrous carbon from aggregating during drying, it has also been proposed to disperse in a solvent in advance and then mix with the active material (Patent Document 5).
また、電極活物質の粉体と炭素材料の粉体の凝集塊がほぐしきれず、正極板表面上に凝集塊起因の筋や突起などの表面欠陥が生じる問題もあり、ろ過による除去を試みても短い期間で目詰まりが起こったり、凝集塊をなくすためには非常に長時間の混練が必要となったりしてコストアップの要因となることも指摘されている(特許文献3)。そこで、あらかじめ溶媒と結着材を混合溶解又は分散した後に、電極活物質と導電材を追加混練する方法が提案されている(特許文献3)。 In addition, the agglomerates of the electrode active material powder and the carbon material powder cannot be loosened, and surface defects such as streaks and protrusions due to the agglomerates occur on the positive electrode plate surface. However, it has also been pointed out that clogging occurs in a short period of time, and that kneading for a very long time is necessary to eliminate agglomerates, resulting in a cost increase (Patent Document 3). Therefore, a method has been proposed in which a solvent and a binder are mixed and dissolved or dispersed in advance, and then an electrode active material and a conductive material are additionally kneaded (Patent Document 3).
しかしながら、これらの方法をもってしても電池性能のレベルや均一性は十分ではなかった。炭素材料と電極活物質をあらかじめ分散処理する前述の方法を採用してもなお、電池材料としてはミクロレベルでの分散状態の均一性が十分でないことが推測される。
その理由として、スラリー物性と得られる電池性能の因果関係が十分には解明されていないため、電極化した際の性能の指標となるスラリーの物性が判明していない。このため、スラリーの一般的な評価手段である粒子状態の観察やレオロジー的物性の測定では、電池性能をコントロールできない。
However, even with these methods, the level and uniformity of battery performance are not sufficient. Even if the above-described method of dispersing the carbon material and the electrode active material in advance is adopted, it is presumed that the uniformity of the dispersed state at the micro level is not sufficient as the battery material.
The reason for this is that the causal relationship between the physical properties of the slurry and the obtained battery performance has not been fully elucidated, and the physical properties of the slurry, which is an index of performance when formed into an electrode, are not known. For this reason, battery performance cannot be controlled by observation of particle state and measurement of rheological properties, which are general means for evaluating a slurry.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた電池性能を発揮しうる炭素材料分散スラリー、炭素材料の分散工程の好適条件を数値で判断でき、得られる電池の性能を向上させ得るリチウムイオン二次電池用の炭素材料分散スラリーの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to provide a carbon material-dispersed slurry that can exhibit excellent battery performance, and suitable conditions for the carbon material-dispersing step. An object of the present invention is to provide a method for producing a carbon material-dispersed slurry for a lithium ion secondary battery that can be judged numerically and can improve the performance of the obtained battery.
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、炭素材料スラリーにカーボンナノチューブを使用し、また、交流インピーダンス法に着目し、炭素材料スラリーの交流インピーダンス測定を行なったところ、アドミッタンス値を所定範囲内に設定すると、得られるリチウムイオン二次電池の性能が向上することなどを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor used carbon nanotubes for the carbon material slurry, and paid attention to the AC impedance method and measured the AC impedance of the carbon material slurry. The inventors have found that when the value is set within a predetermined range, the performance of the obtained lithium ion secondary battery is improved, and the present invention has been completed.
即ち、本発明は、
(1)少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有するスラリーであって、スラリー中のカーボンナノチューブ含有量が1質量%以上20質量%以下、B形粘度計で測定する粘度が100 mPa・s以上5000mPa・s以下、グラインドゲージで測定する最大粒子径が20μm以下、かつ交流インピーダンス測定により得られる印加周波数2000Hzにおけるアドミッタンスの濃度依存性が30.0 μS/質量%以下であることを特徴とするカーボンナノチューブ分散スラリー、
(2)200nm以下の直径を有するカーボンナノチューブを含有する上記(1)請求項記載のカーボンナノチューブ材料スラリー、
(3)200nm以下の直径を有するカーボンナノチューブが、多層カーボンナノチューブである上記(2)に記載のカーボンナノチューブ材料スラリー、
(4)分散媒としてN−メチル−2−ピロリドンを含有する、上記(1)〜(3)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
(5)分散性付与剤を含有する、上記(1)〜(4)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
(6)分散性付与剤がノニオン系高分子樹脂である、上記(5)に記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
(7)ノニオン系高分子樹脂がセルロース系ポリマーまたはブチラール系ポリマーである上記(6)に記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
(8)ノニオン系高分子樹脂の重量平均分子量が1,000〜1,000,000である、上記(6)又は(7)に記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
That is, the present invention
(1) A slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium, wherein the content of carbon nanotubes in the slurry is 1% by mass or more and 20% by mass or less, and the viscosity measured with a B-type viscometer is 100 mPa · s or more and 5000 mPa · s. s or less, a carbon nanotube-dispersed slurry characterized in that the maximum particle size measured with a grind gauge is 20 μm or less, and the concentration dependency of admittance at an applied frequency of 2000 Hz obtained by AC impedance measurement is 30.0 μS / mass% or less,
(2) The carbon nanotube material slurry according to (1) above, which contains carbon nanotubes having a diameter of 200 nm or less,
(3) The carbon nanotube material slurry according to (2), wherein the carbon nanotubes having a diameter of 200 nm or less are multi-walled carbon nanotubes,
(4) The carbon nanotube-containing slurry according to any one of (1) to (3) above, which contains N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion medium,
(5) The carbon nanotube-containing slurry according to any one of (1) to (4), which contains a dispersibility-imparting agent,
(6) The carbon nanotube-containing slurry according to (5), wherein the dispersibility-imparting agent is a nonionic polymer resin,
(7) The carbon nanotube-containing slurry according to (6), wherein the nonionic polymer resin is a cellulose polymer or a butyral polymer,
(8) The carbon nanotube-containing slurry according to (6) or (7), wherein the nonionic polymer resin has a weight average molecular weight of 1,000 to 1,000,000.
(9)ノニオン系高分子樹脂の重量平均分子量が5,000〜300,000である、上記(8)に記載のカーボンナノチューブ含有スラリー、
(10)上記(1)〜(9)のいずれかに記載のカーボンナノチューブ含有スラリーを、少なくとも電極活物質及びバインダーと混合し、電極基板に塗布、乾燥することを特徴とするリチウムイオン二次電池の正極の製造方法、
(11)上記(10)記載の製造方法により得られたリチウムイオン二次電池の正極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池、
(12)少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有し、かつカーボンナノチューブ含有量が10質量%以上30質量%以下であるスラリーの製造方法であって、以下の(i)〜(iii)のいずれかを管理することを特徴するカーボンナノチューブ分散スラリーの製造方法、
(i)B形粘度計で測定する粘度
(ii)スラリー中のカーボンナノチューブ材料の最大粒子径
(iii)アドミッタンスの濃度依存性及び交流インピーダンス測定により得られた位相差
(13)上記(12)に記載された少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有するスラリーの製造方法であって、B形粘度計で測定する粘度が100 mPa・s以上5000mPa・s以下かつ、グラインドゲージにて測定する最大粒子径が20μm以下となるまで分散工程を行うことを特徴とする、少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有するスラリーの製造方法、
(14)上記(12)に記載された少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有するスラリーの製造方法であって、交流インピーダンス測定により得られた印加周波数2000Hzにおけるアドミッタンスの濃度依存性が30.0 μS/質量%以下となるまで分散工程を行うことを特徴とする、少なくともカーボンナノチューブ及び分散媒を含有するスラリーの製造方法、
(15)上記(12)〜(14)のいずれかに記載のスラリーの製造方法により得られたスラリーを、少なくとも電極活物質及びバインダーと混合し、電極基板に塗布、乾燥することを特徴とするリチウムイオン二次電池の正極の製造方法、
(16)上記(15)記載の製造方法により得られたリチウムイオン二次電池の正極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池、
にある。
(9) The carbon nanotube-containing slurry according to (8), wherein the nonionic polymer resin has a weight average molecular weight of 5,000 to 300,000,
(10) A lithium ion secondary battery, wherein the carbon nanotube-containing slurry according to any one of (1) to (9) is mixed with at least an electrode active material and a binder, applied to an electrode substrate, and dried. A method for producing a positive electrode,
(11) A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode of a lithium ion secondary battery obtained by the production method according to (10) above,
(12) A method for producing a slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium and having a carbon nanotube content of 10% by mass to 30% by mass, wherein any of the following (i) to (iii): A method for producing a carbon nanotube-dispersed slurry, characterized by
(i) Viscosity measured with B-type viscometer
(ii) Maximum particle diameter of carbon nanotube material in slurry
(iii) Concentration dependence of admittance and retardation obtained by AC impedance measurement (13) A method for producing a slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium as described in (12) above, comprising a B-type viscometer At least carbon nanotubes and a dispersion medium, characterized in that the dispersion step is performed until the viscosity measured at 100 mPa · s to 5000 mPa · s and the maximum particle size measured with a grind gauge is 20 μm or less Slurry production method,
(14) The method for producing a slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium described in (12) above, wherein the concentration dependency of admittance at an applied frequency of 2000 Hz obtained by alternating current impedance measurement is 30.0 μS / mass% A method for producing a slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium, wherein the dispersion step is performed until:
(15) The slurry obtained by the method for producing a slurry according to any one of (12) to (14) above is mixed with at least an electrode active material and a binder, applied to an electrode substrate, and dried. Manufacturing method of positive electrode of lithium ion secondary battery,
(16) A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode of a lithium ion secondary battery obtained by the production method according to (15) above,
It is in.
本発明によれば、導電材である炭素材料にカーボンナノチューブを用い。それら炭素材料を予め分散媒中に分散し、その際、アドミッタンス値を所定範囲内に設定することなどすることができ、それにより炭素材料の分散工程の好適条件を数値で判断でき、製造工程の管理が大幅に向上する上、得られる電池の性能も向上させ得ることができる。 According to the present invention, carbon nanotubes are used as a carbon material that is a conductive material. These carbon materials can be dispersed in a dispersion medium in advance, and at that time, the admittance value can be set within a predetermined range. In addition to greatly improved management, the performance of the resulting battery can also be improved.
以下、本発明を具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described.
〔導電材〕
本発明では、導電材として、カーボンナノチューブを用いる。カーボンナノチューブは結晶子やストラクチャーが高度に発達しており導電性に優れているため、リチウムイオン電池の導電材として適しており、さらに、以下説明する本発明の所定の物性を有するスラリーとすることにより、低添加量で導電性能を発揮させることができ、電極スラリー中の活物質量を多く出来ることから性能向上が期待でき好適である。カーボンナノチューブのうち、特に直径が200nm以下、さらに多層カーボンナノチューブであるものが、上記の導電性能が特に優れたものを得るのに好適である。
[Conductive material]
In the present invention, carbon nanotubes are used as the conductive material. Carbon nanotubes are highly suitable for use as a conductive material for lithium ion batteries because of their highly developed crystallites and structures and excellent conductivity. Furthermore, the carbon nanotubes should have a predetermined physical property according to the present invention described below. Thus, the conductive performance can be exhibited with a low addition amount, and the amount of active material in the electrode slurry can be increased. Among the carbon nanotubes, those having a diameter of 200 nm or less and further multi-walled carbon nanotubes are suitable for obtaining the above-described particularly excellent conductive performance.
〔分散性付与剤〕
本発明のスラリーは、分散性付与剤を含有させることができる。ここで分散性付与剤とは、カーボンナノチューブが分散媒中に分散しやすくなる機能を有する物質であり、いわゆる分散剤として従来知られている物質を使用することができる。例えば、特許文献8に記載されているように、増粘作用および/または界面活性作用等を有する樹脂系やカチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤が挙げられる。
これら分散性付与剤のうち、本発明では、好ましくは、リチウムイオン二次電池内でのリチウムイオンの移動を阻害しないようにノニオン系高分子樹脂が適している。ノニオン系高分子樹脂とは、親水部がイオン化しない親水性部分を持つもので、セルロース系ポリマーやブチラール系ポリマーが代表的である。また、ノニオン系高分子樹脂は重量平均分子量が1,000,000を超えると炭素材料分散スラリーの粘度が高くなりすぎ、ハンドリング性が悪くなる。一方、重量平均分子量が1,000を下回ると分散性が乏しく、炭素材料分散スラリーの製造が困難となる。さらに好ましいのは重量平均分子量が5,000〜300,000である。
(Dispersibility imparting agent)
The slurry of the present invention can contain a dispersibility-imparting agent. Here, the dispersibility-imparting agent is a substance having a function of easily dispersing the carbon nanotubes in the dispersion medium, and a conventionally known substance can be used as a so-called dispersant. For example, as described in Patent Document 8, a resin system, a cationic surfactant, and a nonionic surfactant having a thickening action and / or a surface active action may be mentioned.
Among these dispersibility-imparting agents, in the present invention, preferably, a nonionic polymer resin is suitable so as not to inhibit the movement of lithium ions in the lithium ion secondary battery. The nonionic polymer resin has a hydrophilic portion where the hydrophilic portion is not ionized, and a cellulose polymer or a butyral polymer is representative. On the other hand, when the weight average molecular weight of the nonionic polymer resin exceeds 1,000,000, the viscosity of the carbon material-dispersed slurry becomes too high and the handling property is deteriorated. On the other hand, when the weight average molecular weight is less than 1,000, the dispersibility is poor, and it becomes difficult to produce a carbon material-dispersed slurry. More preferred is a weight average molecular weight of 5,000 to 300,000.
〔カーボンナノチューブ分散スラリー〕
カーボンナノチューブを用いて本発明のスラリーを得る。なおここでスラリーとはカーボンナノチューブが液状の分散媒中に分散された状態のものをいう。分散媒としてはN−メチル−2−ピロリドンが好適である。
分散媒の含有量は、スラリーの70質量%未満では流動性に乏しく、ハンドリング性が低下する。少なくとも70質量%以上、好ましくは、80質量%以上がよい。
[Carbon nanotube dispersion slurry]
The slurry of the present invention is obtained using carbon nanotubes. Here, the slurry means a state in which carbon nanotubes are dispersed in a liquid dispersion medium. N-methyl-2-pyrrolidone is preferred as the dispersion medium.
When the content of the dispersion medium is less than 70% by mass of the slurry, the fluidity is poor and the handling property is lowered. At least 70% by mass or more, preferably 80% by mass or more is preferable.
〔濃度〕
スラリー中のカーボンナノチューブ含有量が1質量%以上20質量%以下、好ましくは3質量%以上15質量%以下とする。カーボンナノチューブ含有量が1質量%未満だとスラリー中の溶媒量が多くなるため塗布工程における乾燥工程に時間を要してしまう。またカーボンナノチューブ含有量が20質量%を超えるとカーボンナノチューブの分散が困難になる傾向があるということが挙げられる。
〔concentration〕
The carbon nanotube content in the slurry is 1% by mass to 20% by mass, preferably 3% by mass to 15% by mass. If the carbon nanotube content is less than 1% by mass, the amount of solvent in the slurry increases, and thus the drying process in the coating process takes time. In addition, when the carbon nanotube content exceeds 20% by mass, it is difficult to disperse the carbon nanotubes.
〔スラリーの各物性間の関係〕
本発明のカーボンナノチューブ分散スラリーは、上述のように、特定の濃度範囲のカーボンナノチューブを含有する。さらに、粘度、アドミッタンスの濃度依存性という各物性を特定の範囲内とするが、これらは、スラリー中のカーボンナノチューブの分散状態を反映しており、互いに相関関係にあることが、本発明者らにより見出された。そして以下の物性の組み合わせを有するカーボンナノチューブ分散スラリーが、電池化した際に優れた性能を発揮することがわかった。
まず、第一の形態として、濃度及び粘度を特定の範囲内としたカーボンナノチューブ分散スラリーである。濃度及び炭素材料の最大粒子径を特定の範囲内としたカーボンナノチューブ分散スラリーである。さらに第三の形態として、濃度、アドミッタンスの濃度依存性を特定の範囲内としたカーボンナノチューブ分散スラリーである。以下、各物性について説明する。
[Relationship between physical properties of slurry]
As described above, the carbon nanotube dispersed slurry of the present invention contains carbon nanotubes in a specific concentration range. Furthermore, although the physical properties of viscosity and admittance concentration dependency are within a specific range, these reflect the dispersion state of the carbon nanotubes in the slurry, and the present inventors have a correlation with each other. It was found by. And it turned out that the carbon nanotube dispersion | distribution slurry which has the combination of the following physical properties exhibits the outstanding performance, when battery-ized.
First, the first form is a carbon nanotube-dispersed slurry having a concentration and a viscosity within a specific range. This is a carbon nanotube-dispersed slurry in which the concentration and the maximum particle size of the carbon material are within a specific range. A third form is a carbon nanotube-dispersed slurry in which the concentration dependency of concentration and admittance is within a specific range. Hereinafter, each physical property will be described.
〔粘度〕
本発明のスラリーは、B形粘度計で測定する粘度が100 mPa・s以上5000mPa・s以下、好ましくは100mPa・s以上3000mPa・s以下であることを特徴とする。上記の濃度範囲において、且つこの範囲の粘度となるように分散状態を調整することにより、電池化した際の性能が優れていることが見出された。また、この範囲より粘度が低い場合においては、電極板に塗布する電極ペーストの粘度が低くなりすぎるため塗布作業が困難となるという問題もある。
〔viscosity〕
The slurry of the present invention is characterized in that the viscosity measured with a B-type viscometer is from 100 mPa · s to 5000 mPa · s, preferably from 100 mPa · s to 3000 mPa · s. It was found that the battery performance is excellent by adjusting the dispersion state so that the viscosity is in this concentration range and in this range. In addition, when the viscosity is lower than this range, there is a problem that the application work becomes difficult because the viscosity of the electrode paste applied to the electrode plate becomes too low.
〔分散粒子径〕
スラリー中のカーボンナノチューブの分散粒子径は、好ましくは最大粒子径が20μm以下とする。一般的に炭素材料等の分散体の粒子状態の管理には平均粒子径が良く用いられる。しかしながら、平均粒子径を用いた際には粗大粒子の状態を示しておらず、平均粒子径が小さい場合でも20μm以上の粗大粒子が存在しているときはリチウムイオン電池のセパレータ間厚さの20μmを超えるため、セパレータを突き抜けリチウムイオン二次電池の内部でショートする可能性が出てくる。よって、最大粒子径20μm以下の炭素材料スラリーが好ましい。なお、最大粒子径の特定は、グラインドゲージにより測定する。最大粒子径を20 μm以下の粒子径に保持するには、前述したノニオン系高分子樹脂を分散性付与剤として用いるのが極めて好適である。
[Dispersed particle size]
The dispersed particle diameter of the carbon nanotubes in the slurry is preferably a maximum particle diameter of 20 μm or less. In general, the average particle diameter is often used for the management of the particle state of a dispersion such as a carbon material. However, when the average particle size is used, the state of coarse particles is not shown, and even when the average particle size is small, if there are coarse particles of 20 μm or more, the thickness between the separators of the lithium ion battery is 20 μm. Therefore, there is a possibility of short-circuiting inside the lithium ion secondary battery through the separator. Therefore, a carbon material slurry having a maximum particle size of 20 μm or less is preferable. The maximum particle size is specified with a grind gauge. In order to maintain the maximum particle size at a particle size of 20 μm or less, it is extremely preferable to use the nonionic polymer resin described above as a dispersibility-imparting agent.
〔アドミッタンスの濃度依存性〕
本発明のカーボンナノチューブ分散スラリーは、アドミッタンスの濃度依存性が30.0 μS/質量%以下、好ましくは5.0μS/質量%以下とする。炭素材料分散スラリーの性能は、炭素材料分散スラリーはリチウムイオン二次電池正極板内で均一な導電性を発揮するためには、炭素材料濃度の変化に対するアドミッタンス変化が小さいことが適していると考えられる。本発明者らの検討により、濃度依存性が30.0 μS/質量%以下、特に好ましくは5.0 μS/質量%以下で均一な導電性が発揮できることが判明した。
アドミッタンスの濃度依存性と炭素材料の分散状態との間に相関があり、上記のような好適な範囲のアドミッタンスの濃度依存性を得るには、分散状態を制御しなければならないことが判明した。すなわち、分散が十分でないと、電池性能が十分でない。これは、粗大粒子が存在するためと推測される。他方、意外にも過度に分散することによっても電池性能を阻害することが判明したのである。その理由は完全には明らかでないが、導電材であるカーボンナノチューブ同士のつながりが低下することによるものと本発明者らは推測している。
[Admittance concentration dependence]
The carbon nanotube-dispersed slurry of the present invention has an admittance concentration dependency of 30.0 μS / mass% or less, preferably 5.0 μS / mass% or less. Regarding the performance of the carbon material dispersed slurry, it is considered that the carbon material dispersed slurry should have a small admittance change with respect to the change in the carbon material concentration in order to exhibit uniform conductivity in the positive electrode plate of the lithium ion secondary battery. It is done. According to the study by the present inventors, it has been found that uniform conductivity can be exhibited when the concentration dependency is 30.0 μS / mass% or less, particularly preferably 5.0 μS / mass% or less.
There is a correlation between the concentration dependency of admittance and the dispersion state of the carbon material, and it has been found that the dispersion state must be controlled in order to obtain the concentration dependency of the admittance in a preferable range as described above. That is, if the dispersion is not sufficient, the battery performance is not sufficient. This is presumed to be due to the presence of coarse particles. On the other hand, it was surprisingly found that the battery performance is inhibited by excessive dispersion. The reason for this is not completely clear, but the present inventors speculate that this is due to a decrease in the connection between carbon nanotubes, which are conductive materials.
本発明と同様に、カーボンナノチューブ等の炭素材料、ノニオン系高分子樹脂及び分散媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いたスラリーについて記載されている特許文献5、特許文献7では、配合処方及び分散方法について記述されているが、ここに記載されている条件に従うだけでは物性のコントロールが十分でなく、電池性能については予測できず、リチウムイオン電池にまで組み立てないと電池性能については分からない。これに対し、本発明で規定する分散体の状態での諸物性を測定すれば、電池性能を予測して分散状態を制御することができる。
すなわち、上記の濃度範囲で、粘度を上記の範囲としてかつ、アドミッタンスの濃度依存性を上記の範囲とすることで、電池化した際の電気特性が優れているのだと考えられる。
Similarly to the present invention,
That is, it is considered that the electric characteristics when the battery is formed are excellent by setting the viscosity within the above-mentioned concentration range and the above-described range and the admittance concentration dependency within the above-mentioned range.
〔スラリー作製方法〕
本発明のカーボンナノチューブ分散スラリーは、カーボンナノチューブ含有量、B形粘度計で測定する粘度、炭素材料の最大粒子径、アドミッタンスの濃度依存性が上述した範囲にあれば、その製造方法は限定されないが、以下の方法が好ましい。
まず、カーボンナノチューブを分散媒中に分散させる。この際、前述の分散性付与剤を添加する。機能を阻害しない他の成分を添加することはさしつかえないが、少なくとも電極活物質及びバインダーを添加するより前に、以下の方法で、本発明で規定する所定の物性を有する状態に分散しておく。
[Slurry preparation method]
The carbon nanotube-dispersed slurry of the present invention is not limited in its production method as long as the carbon nanotube content, the viscosity measured with a B-type viscometer, the maximum particle diameter of the carbon material, and the concentration dependency of admittance are within the above-mentioned ranges. The following method is preferred.
First, carbon nanotubes are dispersed in a dispersion medium. At this time, the aforementioned dispersibility-imparting agent is added. Although other components that do not inhibit the function may be added, at least before adding the electrode active material and the binder, it is dispersed in a state having the predetermined physical properties defined in the present invention by the following method. .
すなわち、カーボンナノチューブを分散媒中に分散するに際し、粘度値を管理しつつ行う。より好ましくは、まず、分散媒であるN−メチル−2−ピロリドンに、分散性付与剤であるノニオン系高分子樹脂を溶解させる。その溶液に、カーボンナノチューブを混合し、その後ビーズミル等の分散装置により凝集しているカーボンナノチューブを解砕しながら分散し、最大粒子径が所定の範囲になるまで分散を継続する。こうして所定の濃度において、所定の分散粒子径、粘度、交流インピーダンス測定により得られた印加周波数2000Hzにおけるアドミッタンスの濃度依存性を有するカーボンナノチューブ含有スラリーを得ることができる。これらの物性への到達時間は仕込み量や装置によっても左右されるので、これらの物性を管理するには、上記の装置に材料を混合、分散し、一定量を取り出して上記の各物性を測定し、所定の範囲に入るまでの時間を確定して次回以降はその時間まで分散を継続すればよいが、各物性間に前述のような相関があるので、全ての物性値を測定しなくてもよいのである。
分散装置は、特にビーズミルに限るものではなく、ボールミル、サンドミル、ロールミル、ホモジナイザー、アトライター、ペイントシェーカー、ジェットミル等が挙げられる。
なお、分散工程中、B形粘度計で測定する粘度や、最大粒子径、交流インピーダンス測定により得られたアドミッタンスの濃度依存性を測定し、直接これらの物性を望ましい分散状態を得るための指標としても良い。
That is, when the carbon nanotube is dispersed in the dispersion medium, the viscosity value is controlled. More preferably, first, a nonionic polymer resin as a dispersibility-imparting agent is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion medium. Carbon nanotubes are mixed into the solution, and then the aggregated carbon nanotubes are dispersed while being crushed by a dispersing device such as a bead mill, and the dispersion is continued until the maximum particle diameter reaches a predetermined range. Thus, a carbon nanotube-containing slurry having an admittance concentration dependency at an applied frequency of 2000 Hz obtained by measuring a predetermined dispersed particle size, viscosity, and AC impedance at a predetermined concentration can be obtained. The time to reach these physical properties depends on the amount charged and the equipment, so to manage these physical properties, mix and disperse the materials in the above equipment, take out a certain amount and measure each of the above physical properties. However, it is sufficient to determine the time to enter the predetermined range and continue dispersion until the next time, but there is a correlation as described above between each physical property, so it is not necessary to measure all physical property values It is good.
The dispersing device is not particularly limited to a bead mill, and examples include a ball mill, a sand mill, a roll mill, a homogenizer, an attritor, a paint shaker, and a jet mill.
During the dispersion process, the viscosity measured by the B-type viscometer, the maximum particle size, and the concentration dependence of the admittance obtained by AC impedance measurement are measured, and these physical properties are directly used as an index for obtaining a desired dispersion state. Also good.
〔リチウムイオン二次電池〕
以上説明した本発明のカーボンナノチューブ分散スラリーを用い、電極活物質、バインダー等と混合して、電極基板に塗布するための電極スラリーとし、リチウムイオン二次電池を得ることができる。その際の方法としては、従来知られている各種の方法が採用できる。代表的には、本発明のカーボンナノチューブ分散スラリーを、電極活物質、バインダーと混合してスラリー化し、これを電極基板に塗布し、乾燥し、電極を形成する。これをリチウムイオン二次電池の正極とし、グラファイト等の炭素材から成る負極との間に多孔質の絶縁材料(セパレータ)を挟み、容器の形状に応じて円筒状や扁平状に巻かれて収納され、電解液が注入される。
こうして得られる本発明のリチウムイオン二次電池は、繰り返し充放電時の放電容量維持率を向上させることができる。
[Lithium ion secondary battery]
A lithium ion secondary battery can be obtained by using the carbon nanotube-dispersed slurry of the present invention described above and mixing with an electrode active material, a binder and the like to form an electrode slurry for application to an electrode substrate. As the method at that time, various conventionally known methods can be adopted. Typically, the carbon nanotube dispersion slurry of the present invention is mixed with an electrode active material and a binder to form a slurry, which is applied to an electrode substrate and dried to form an electrode. This is used as the positive electrode of a lithium ion secondary battery, and a porous insulating material (separator) is sandwiched between the negative electrode made of a carbon material such as graphite and stored in a cylindrical or flat shape depending on the shape of the container. And an electrolyte is injected.
The lithium ion secondary battery of the present invention thus obtained can improve the discharge capacity maintenance rate during repeated charging and discharging.
〔カーボンナノチューブ分散スラリーの製造1〕
N−メチル−2−ピロリドン95質量%に、分散性付与剤としてメチルセルロースポリマー1質量%を溶解させた。得られた溶液に、カーボンナノチューブとして「Baytubes C150P」(Bayer社製)5質量%を混合し、ビーズミルを用いて、凝集しているカーボンナノチューブを解砕しながら分散した。サンプルを取り出し、粘度測定、最大粒子径測定を行った結果、得られた粘度は280mPa・sであり、100mPa・sを超えていることを確認し、また最大粒子径は12.5μmであったため分散工程を終了した。得られたカーボンナノチューブ分散スラリーを「スラリー1」とする。
スラリー1は、最大粒子径は12.5 μm、粘度が280 mPa・sであり、最大粒子径が20μm以下、および粘度が100mPa・s以上、印加周波数2000Hzにおけるアドミッタンスの濃度依存性が30.0 μS/質量%以下の範囲に入っている。
[Production of carbon nanotube dispersion slurry 1]
In 95% by mass of N-methyl-2-pyrrolidone, 1% by mass of a methylcellulose polymer as a dispersibility imparting agent was dissolved. In the obtained solution, 5% by mass of “Baytubes C150P” (manufactured by Bayer) was mixed as carbon nanotubes, and the aggregated carbon nanotubes were dispersed while being crushed using a bead mill. As a result of taking out a sample, measuring the viscosity, and measuring the maximum particle size, it was confirmed that the obtained viscosity was 280 mPa · s and exceeded 100 mPa · s, and the maximum particle size was 12.5 μm. The process was finished. The obtained carbon nanotube dispersion slurry is referred to as “
〔カーボンナノチューブ分散スラリーの製造2〕
粘度が470mPa・sとなるまで分散を継続した以外は、実施例1と同様の操作を行い、得られたカーボンナノチューブ分散スラリーを「スラリー2」とする。スラリー2の最大粒子径は12.5 μm、粘度が470 mPa・sであった。
[Production of carbon nanotube dispersion slurry 2]
Except that the dispersion was continued until the viscosity reached 470 mPa · s, the same operation as in Example 1 was performed, and the resulting carbon nanotube dispersion slurry was designated as “
〔カーボンナノチューブ分散スラリーの製造3〕
粘度が520mPa・sとなるまで分散を継続した以外は、実施例1と同様の操作を行い、得られたカーボンナノチューブ分散スラリーを「スラリー3」とする。スラリー3の最大粒子径は12.5 μm、粘度が520 mPa・sであった。
[Production of carbon nanotube dispersion slurry 3]
Except that the dispersion was continued until the viscosity reached 520 mPa · s, the same operation as in Example 1 was performed, and the resulting carbon nanotube dispersion slurry was designated “
〔カーボンナノチューブ分散スラリーの製造4〕
N−メチル−2−ピロリドン95質量%に、分散性付与剤としてメチルセルロースポリマー1質量%を溶解させた。得られた溶液に、カーボンナノチューブとして「Baytubes C150P」(Bayer社製)5質量%を混合し、ビーズミルを用いて、凝集しているカーボンナノチューブを解砕しながら分散した。サンプルを取り出し、粘度測定、最大粒子径測定を行った結果、得られた粘度は1000mPa・sであり、100mPa・sを超えていることを確認し、また最大粒子径は17.5μmであったため分散工程を終了した。得られたカーボンナノチューブ分散スラリーを「スラリー4」とする。
スラリー4の最大粒子径は17.5 μm、粘度が1000 mPa・sであった。
[Production of carbon nanotube dispersion slurry 4]
In 95% by mass of N-methyl-2-pyrrolidone, 1% by mass of a methylcellulose polymer as a dispersibility imparting agent was dissolved. In the obtained solution, 5% by mass of “Baytubes C150P” (manufactured by Bayer) was mixed as carbon nanotubes, and the aggregated carbon nanotubes were dispersed while being crushed using a bead mill. As a result of taking out a sample, measuring the viscosity, and measuring the maximum particle size, it was confirmed that the obtained viscosity was 1000 mPa · s and exceeded 100 mPa · s, and the maximum particle size was 17.5 μm. The process was finished. The obtained carbon nanotube dispersion slurry is referred to as “
The maximum particle size of the
スラリー1〜4の諸物性を表1に示す。これらの物性の評価方法は以下の通りである。
〔粘度の測定〕
粘度はJIS K7117-1に則して、B形粘度計を使用して測定した。
〔最大粒子径の測定〕
最大粒子径の測定はJIS K5600-2-5:1999に則して、グラインドゲージを使用して測定した。
Various physical properties of the
(Measurement of viscosity)
The viscosity was measured using a B-type viscometer according to JIS K7117-1.
[Measurement of maximum particle size]
The maximum particle size was measured using a grind gauge according to JIS K5600-2-5: 1999.
スラリーの性能の評価方法について説明する。 A method for evaluating the performance of the slurry will be described.
〔アドミッタンスの測定〕
スラリー1〜4を、N−メチル−2−ピロリドンで2倍希釈した炭素材料分散スラリー、4倍希釈した炭素材料分散スラリーを作製した。
これら2倍希釈スラリー、4倍希釈スラリーを用いて、これらの希釈スラリーを交流インピーダンス法により、印加周波数2000Hzにおける位相差及び、アドミッタンスを測定した。
[Measurement of admittance]
Using these 2-fold diluted slurry and 4-fold diluted slurry, the phase difference and admittance at an applied frequency of 2000 Hz were measured for these diluted slurries by the AC impedance method.
〔位相差及び、アドミッタンス測定用セルの説明〕
純度99.99%、厚み0.1mmのアルミニウム箔を電極部分が7×7mmになるように切り出しアルミニウム箔旗型電極を2本作製した(図2)。ステンレスリード線1(SUS304、φ1.5mm、(株)ニラコ製)100mmの先端に、圧着端子3(丸型端子(R型)、1.25-3.7、JST(株)製)を取り付けたものを2本作製し、圧着端子部分に上記アルミニウム箔をネジ(鉄ナベビスM3×5mm)とナット4(鉄ナットM3用)により固定し、測定用電極5とした。さらに、テフロン(登録商標)製キャップ2(#10、上部直径32mm、下部直径28mm、高さ41mm、(株)エスケー製)に穴を開け、測定用電極5を通し、固定した。
トールビーカー6(IWAKI GLASS CODE 7740(株)三商製)にスラリーを量り取りAl|スラリー|Alの2極式セルを組み立てた(図3)。
[Description of phase difference and admittance measurement cell]
Two aluminum foil flag-type electrodes were produced by cutting out an aluminum foil having a purity of 99.99% and a thickness of 0.1 mm so that the electrode portion was 7 × 7 mm (FIG. 2). Stainless steel lead wire 1 (SUS304, φ1.5mm, manufactured by Nilaco Co., Ltd.) 100mm tip with crimp terminal 3 (round terminal (R type), 1.25-3.7, manufactured by JST Co., Ltd.) 2 The aluminum foil was fixed to the crimp terminal portion with a screw (iron nabebis M3 × 5 mm) and a nut 4 (for iron nut M3) to form a
The slurry was weighed in a tall beaker 6 (manufactured by Sansho, IWAKI GLASS CODE 7740), and an Al | slurry | Al bipolar cell was assembled (FIG. 3).
〔交流インピーダンス法〕
位相差及び、アドミッタンスの測定については、ポテンショスタット(2020、東方技研社製)、ファンクションジェネレータ(WF1945B、(株)
NF回路ブロック製)、ロックインアンプ(LI575、(株)NF回路ブロック製)、レコーダ(GL900、グラフテック社製)、オシロスコープ(2247A、テクトロニクス社製)を用いて測定した。
[AC impedance method]
For phase difference and admittance measurement, potentiostat (2020, manufactured by Toho Giken Co., Ltd.), function generator (WF1945B, Inc.)
NF circuit block), lock-in amplifier (LI575, manufactured by NF circuit block), recorder (GL900, manufactured by Graphtec), oscilloscope (2247A, manufactured by Tektronix).
〔アドミッタンスの計算方法〕
上記の交流インピーダンス法により、各測定機器から位相差、電圧振幅、電流レンジ、周波数、実行値、ロックインアンプの最大感度、感度を読みとり、下記の表2に示す計算式によりセル定数、アドミッタンスを計算する。
[Calculation method of admittance]
Using the above AC impedance method, the phase difference, voltage amplitude, current range, frequency, effective value, maximum sensitivity of the lock-in amplifier, and sensitivity are read from each measuring instrument, and the cell constant and admittance are calculated according to the calculation formula shown in Table 2 below. calculate.
〔セル定数の測定〕
N−メチル−2−ピロリドンをインピーダンス法により測定し、前記計算方法によりセル定数を計算し、セル定数とする。
[Measurement of cell constant]
N-methyl-2-pyrrolidone is measured by the impedance method, and the cell constant is calculated by the above calculation method to obtain the cell constant.
〔アドミッタンスの測定〕
セル定数を測定したセルを使い、スラリーをインピーダンス法により測定し、前記計算方法によりアドミッタンスを計算し、スラリーのアドミッタンスとする。
[Measurement of admittance]
Using the cell whose cell constant has been measured, the slurry is measured by the impedance method, and the admittance is calculated by the above calculation method to obtain the admittance of the slurry.
交流インピーダンス法の条件として、周波数2000 Hz、振幅0.1 VP-Pの電圧を印加した。
表3は交流インピーダンス測定により得られたアドミッタンス[μS]の結果である。それらをグラフにしたものを図1に示す。
横軸がスラリー全体のカーボンナノチューブの固形分[%]、縦軸がアドミッタンス[μS]である。例えば、実施例1の場合においてカーボンナノチューブ分5.0%のときのアドミッタンスが22.90 μSであったのに対し、2.50%のとき12.30 μS、1.25%のとき6.27 μSと、濃度が小さくなるに従い、アドミッタンスが徐々に減少する傾向が見られた。
As a condition for the AC impedance method, a voltage of 2000 Hz and an amplitude of 0.1 V PP was applied.
Table 3 shows the results of admittance [μS] obtained by AC impedance measurement. A graph of these is shown in FIG.
The horizontal axis represents the solid content [%] of the carbon nanotubes in the entire slurry, and the vertical axis represents the admittance [μS]. For example, in the case of Example 1, the admittance at the carbon nanotube content of 5.0% was 22.90 μS, whereas the admittance decreased as the concentration decreased to 12.30 μS at 2.50% and 6.27 μS at 1.25%. There was a tendency to gradually decrease.
表3から、実施例1、2、3のカーボンナノチューブ分散スラリーはアドミッタンスの炭素材料濃度依存性が小さいことが分かった。
以上から、リチウムイオン二次電池に使用し得る炭素材料スラリーの製造方法において、得られる炭素材料スラリーにおける、印加周波数が2000Hzにおけるアドミッタンスの炭素材料濃度依存性が30.0μS/質量%以下であり、かつ最大粒子径が20μm以下にするなどして、分散工程を規定することにより、得られる電池の性能を向上させ得る。また、例えばリチウムイオン二次電池に適用した場合に、繰り返し放充電時の放電容量維持率を向上させることができる。
From Table 3, it was found that the carbon nanotube-dispersed slurries of Examples 1, 2, and 3 have small admittance dependency on the carbon material concentration.
From the above, in the method for producing a carbon material slurry that can be used in a lithium ion secondary battery, the carbon material concentration dependency of admittance at an applied frequency of 2000 Hz in the obtained carbon material slurry is 30.0 μS / mass% or less, and By defining the dispersion step such that the maximum particle size is 20 μm or less, the performance of the obtained battery can be improved. For example, when applied to a lithium ion secondary battery, it is possible to improve the discharge capacity maintenance rate during repeated discharge.
電池性能の向上したリチウムイオン二次電池、その製造に好適な炭素材料分散スラリー及びこれらの製造方法並びに品質管理方法が提供される。 Provided are a lithium ion secondary battery with improved battery performance, a carbon material-dispersed slurry suitable for the production thereof, a production method thereof, and a quality control method.
1 ステンレスリード線
2 テフロン(登録商標)製キャップ
3 圧着端子
4 ネジとナット
5 測定用電極
6 トールビーカー
1 Stainless
Claims (16)
(i)B形粘度計で測定する粘度
(ii)スラリー中のカーボンナノチューブ材料の最大粒子径
(iii)アドミッタンスの濃度依存性及び交流インピーダンス測定により得られた位相差 A method for producing a slurry containing at least carbon nanotubes and a dispersion medium and having a carbon nanotube content of 10% by mass or more and 30% by mass or less, and managing any of the following (i) to (iii) A process for producing a carbon nanotube-dispersed slurry characterized by
(i) Viscosity measured with B-type viscometer
(ii) Maximum particle diameter of carbon nanotube material in slurry
(iii) Concentration dependence of admittance and phase difference obtained by AC impedance measurement
A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode of a lithium ion secondary battery obtained by the production method according to claim 15.
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