JP2015167126A - 固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シートおよび全固体二次電池、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】全固体二次電池において、加圧によらずに、イオン伝導度の低下を抑えることができ、かつ良好な結着性を実現できる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シートおよび全固体二次電池、ならびにそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】非球状ポリマー粒子と分散媒体と無機固体電解質とを含有する固体電解質組成物であって、上記の非球状ポリマー粒子が、特定の官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成されている固体電解質組成物。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シートおよび全固体二次電池、ならびにそれらの製造方法に関する。
現在、汎用されているリチウムイオン電池には、電解液が用いられているものが多い。この電解液を固体電解質に置き換え、構成材料を全て固体にする試みが進められている。なかでも、無機の固体電解質を利用する技術の利点として信頼性が挙げられる。リチウムイオン二次電池に用いられる電解液には、その媒体として、カーボネート系溶媒など、可燃性の材料が適用されている。様々な対策が採られているものの、過充電時などに備えたさらなる対応が望まれる。その解決手段として、電解質を不燃性のものとしうる無機化合物からなる全固体二次電池が位置づけられる。
全固体二次電池のさらなる利点としては、電極のスタックによる高エネルギー密度化に適していることが挙げられる。具体的には、電極と電解質を直接並べて直列化した構造を持つ電池にすることができる。このとき、電池セルを封止する金属パッケージ、電池セルをつなぐ銅線やバスバーを省略することができるので、電池のエネルギー密度が大幅に高められる。また、高電位化が可能な正極材料との相性の良さなども利点として挙げられる。
上記のような各利点から、次世代のリチウムイオン二次電池として、その開発は精力的に進められている(非特許文献1)。一方で、無機系の全固体二次電池においては、その電解質が硬質の固体であるために不利な点もある。例えば、固体粒子(固体電解質)間の界面抵抗が大きくなることが挙げられる。これを改善するために、種々の高分子化合物をバインダーとして用いた例がある。具体的に特許文献1および2は、スチレン−アクリル系の共重合体を利用する。特許文献3は水素化ブタジエン共重合体、特許文献4はポリオレフィン系のポリマーの利用を開示する。
特開2013−008611号公報 国際公開第2011/105574号パンフレット 特開平11−086899号公報 特開2012−99315号公報
NEDO技術開発機構,燃料電池・水素技術開発部,蓄電技術開発室「NEDO次世代自動車用蓄電池技術開発 ロードマップ2008」(平成21年6月)
上記特許文献1〜4により、全固体二次電池における界面抵抗の増大はそれなりに改善され得ると考えられる。しかしながら、上記特許文献1〜3に開示された高分子化合物からなるバインダーでは昨今の高い要求レベルを満足することができず、さらなる改善が求められる。
そこで本発明は、全固体二次電池において、加圧によらずに、イオン伝導度の低下を抑えることができ、かつ良好な結着性を実現できる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シートおよび全固体二次電池、ならびにそれらの製造方法の提供を目的とする。
上記の課題は、以下の手段により解決された。
〔1〕非球状ポリマー粒子と分散媒体と無機固体電解質とを含有する固体電解質組成物であって、
上記の非球状ポリマー粒子が、下記の官能基群aから選ばれる官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成されている固体電解質組成物。
官能基群aは下記置換基または連結基を示す。
置換基:カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、
CONR 、シアノ基、NR 、またはチオール基。
連結基:カルボニルオキシ基、カルボニル基、NR、S、O、CONR
OCOO、NRCOO,またはウレア基。
は水素原子、アルキル基、またはアリール基。
〔2〕上記非球状ポリマー粒子のガラス転移温度が−50℃以上50℃以下である〔1〕に記載の固体電解質組成物。
〔3〕上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが重量平均分子量200以上のポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、またはポリシロキサン鎖を有する〔1〕または〔2〕に記載の固体電解質組成物。
〔4〕上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが架橋性基を有する〔1〕〜〔3〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔5〕上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが下記式(1)または式(2)の繰り返し単位を含む〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
Figure 2015167126
は炭素数1以上20以下のアルキレン基または炭素数6以上22以下のアリーレン基を示す。Lはへテロ原子を有する連結基を介在することがあるアルキレン基またはへテロ原子を有する連結基を介在することがあるアリーレン基を示す。XはO、CO、S、NR、およびこれらの組合せのいずれかを示す。Rは水素原子、アルキル基、またはアリール基を表す。
〔6〕分散媒体の常圧での沸点が80℃以上220℃以下である〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔7〕分散媒体の水への溶解性が20℃において5質量%以下である〔1〕〜〔6〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔8〕上記非球状ポリマー粒子の扁平率が1.1以上である〔1〕〜〔7〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔9〕上記非球状ポリマー粒子の粒子ばらつきDが2以上である〔1〕〜〔8〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔10〕上記非球状ポリマー粒子の含有量が、無機固体電解質100質量部に対して0.1〜10質量部である〔1〕〜〔9〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔11〕さらに周期律表第一族または第二族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含む〔1〕〜〔10〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔12〕無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である〔1〕〜〔11〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
〔13〕下記非球状のポリマー粒子と分散媒体とを混合して機械分散して非球状ポリマー粒子のスラリー液を形成する第一の工程と、上記によって得られたポリマー粒子のスラリー液を、無機固体電解質の存在下で再度機械分散する第二の工程とを経て行う固体電解質組成物の製造方法。
非球状ポリマー粒子:下記の官能基群aから選ばれる官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成される。
官能基群aは下記置換基または連結基を示す。
置換基:カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、
CONR 、シアノ基、NR 、またはチオール基。
連結基:カルボニルオキシ基、カルボニル基、NR、S、O、CONR
OCOO、NRCOO,またはウレア基。
は水素原子、アルキル基、またはアリール基。
〔14〕上記第一の工程および/または第二の工程における機械分散がボールミル分散法による〔13〕に記載の固体電解質組成物の製造方法。
〔15〕 〔1〕〜〔12〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を含んでなる電池用電極シート。
〔16〕 〔1〕〜〔12〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を集電体上に塗布し、非球状ポリマー粒子のガラス転移温度以上の温度で加熱する第三の工程を含む電池用電極シートの製造方法。
〔17〕 〔15〕に記載の電池用電極シートを具備してなる全固体二次電池。
本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、特定の符号で表示された置換基や連結基が複数あるとき、あるいは複数の置換基等(置換基数の規定も同様)を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよい。また、複数の置換基等が近接するときにはそれらが互いに結合したり縮合したりして環を形成していてもよい。
本発明の固体電解質組成物は、全固体二次電池の無機固体電解質層や活物質層の材料として用いたときに、加圧によらずにイオン伝導度の低下を抑えることができ、さらに良好な結着性とを実現できるという優れた効果を奏する。
本発明の電池用電極シートおよび全固体二次電池は上記の固体電解質組成物を具備し、上記の良好な性能を発揮する。また、本発明の製造方法によれば、上記の固体電解質組成物を好適に製造することができる。
本発明の好ましい実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池を模式化して示す断面図である。 扁平率を説明するために非球状粒子の断面を模式化して示す断面図である。 実施例で利用した試験装置を模式的に示す断面図である。 実施例で調製したポリマー粒子のDSC測定の結果を示すグラフである。
本発明の固体電解質組成物は、無機固体電解質と、非球状ポリマー粒子とを含む。以下、その好ましい実施形態について説明するが、まずその好ましい応用形態である全固体二次電池の例について説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、無機固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、その順で有する。各層はそれぞれ接触しており、積層した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e)が供給され、そこにリチウムイオン(Li)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。本発明の固体電解質組成物は、上記負極活物質層、正極活物質層、無機固体電解質層の構成材料として用いることが好ましく、中でも、無機固体電解質層および正極活物質層、負極活物質層のすべての構成材料として、用いることが好ましい。
正極活物質層4、無機固体電解質層3、負極活物質層2の厚さは特に限定されないが、正極活物質層および負極活物質層は目的とする電池容量に応じて、任意に定めることができる。一方、無機固体電解質層は正負極の短絡を防止しつつ、できる限り薄いことが望ましい。具体的には、1〜1000μmであることが好ましく、3〜400μmであることがより好ましい。
<固体電解質組成物>
本発明の固体電解質組成物とは、無機固体電解質を含む組成物のことを言い、全固体二次電池の無機固体電解質層、正極活物質層、負極活物質層を形成する材料として用いられる。固体電解質組成物は固体に限らず、液状やペースト状であってもよい。
(無機固体電解質)
本発明における無機固体電解質とは、無機化合物からなる固体電解質を言う。本明細書において、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質を意味する。この観点から、後述する電解質塩(支持電解質)と区別するため、無機固体電解質をイオン伝導性無機固体電解質と呼ぶことがある。
無機固体電解質のイオン伝導度は特に限定されない。なお、リチウムイオンにおいて、1×10−6S/cm以上が好ましく、1×10−5S/cm以上がより好ましく、1×10−4S/cm以上がさらに好ましく、1×10−3S/cm以上が特に好ましい。上限は特に制限されるものではない。なお、1S/cm以下が現実的である。
イオン伝導度の測定方法は、特に断らない限り、後述する実施例で測定した非加圧条件によるものとする。
無機固体電解質は、高分子化合物や錯塩などの有機化合物は含まないことから、有機固体電解質、PEO(ポリエチレンオキサイド)などに代表される高分子電解質、LiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド)などに代表される有機電解質塩とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態で非解離性の固体であるため、液中でも、カチオンおよびアニオンに解離または遊離しない。この点で、電解液や、ポリマー中でカチオンおよびアニオンが解離または遊離する無機電解質塩〔LiPF、LiBF、LiFSI〔リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド〕、LiClなど〕とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族もしくは第2族に属する金属を含み、この金属イオン(好ましくはリチウムイオン)の伝導性を有する一方で、電子伝導性を有さないものが一般的である。
本発明では、正極活物質層、無機固体電解質層および負極活物質層の少なくとも1層に、無機固体電解質を含有する。含有させる無機固体電解質は、全固体二次電池に適用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質は、(i)硫化物系無機固体電解質および(ii)酸化物系無機固体電解質を代表例として挙げられる。
(i)硫化物系無機固体電解質
硫化物系無機固体電解質(以下、単に硫化物系固体電解質とも称す)は、硫黄原子(S)を含有し、かつ、周期律表第1族もしくは第2族に属する金属を含み、イオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。例えば、下記式(A)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が挙げられる。
Li 式(A)
式(A)中、Mは、B、Zn、Si、Cu、GaおよびGeから選択される元素を表す。a〜dは各元素の組成比を表し、a:b:c:dは、それぞれ1〜12:0〜1:1:2〜9を満たす。
式(A)中、Li、M、PおよびSの組成比は、好ましくはbが0である。より好ましくはbが0で、かつa、cおよびdの組成比が、a:c:d=1〜9:1:3〜7である。さらに好ましくはbが0で、かつa:c:d=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。各元素の組成比は、後述するように、硫化物系固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみが結晶化していてもよい。
Li−P−S系ガラスおよびLi−P−S系ガラスセラミックスにおける、LiSとPとの比率は、LiS:Pのモル比で、好ましくは65:35〜85:15、より好ましくは68:32〜75:25である。LiSとPとの比率をこの範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度を高くすることができる。リチウムイオン伝導度は、1×10−4S/cm以上が好ましく、1×10−3S/cm以上がより好ましい。
このような化合物としては、例えばLiSと、第13族〜第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなるものを挙げることができる。
具体的には、例えば、LiS−P、LiS−GeS、LiS−GeS−ZnS、LiS−Ga、LiS−GeS−Ga、LiS−GeS−P、LiS−GeS−Sb、LiS−GeS−Al、LiS−SiS、LiS−Al、LiS−SiS−Al、LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、Li10GeP12などが挙げられる。なかでも、LiS−P、LiS−GeS−Ga、LiS−GeS−P、LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPOからなる結晶質および/または非晶質の原料組成物が、高いリチウムイオン伝導性を有するため好ましい。
このような原料組成物を用いて硫化物系固体電解質材料を合成する方法としては、例えば非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法は、例えば、メカニカルミリング法および溶融急冷法を挙げることができる。なかでも、常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化できるため、メカニカルミリング法が好ましい。
硫化物固体電解質は、例えば、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231−235およびA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872−873の非特許文献等を参考にして合成することができる。
(ii)酸化物系無機固体電解質
酸化物系無機固体電解質(以下、単に酸化物系固体電解質とも称す)は、酸素原子(O)を含有し、かつ、周期律表第1族もしくは第2族に属する金属を含み、イオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
具体的には、例えば、LixaLayaTiO〔xa=0.3〜0.7、ya=0.3〜0.7〕(LLT)、LiLaZr12(LLZ)、LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO、NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi12、Li1+xb+yb(Al,Ga)xb(Ti,Ge)2−xbSiyb3−yb12(ただし、0≦xb≦1、0≦yb≦1)、ガーネット型結晶構造を有するLiLaZr12が挙げられる。
またLi、PおよびOを含むリン化合物も好ましい。例えば、リン酸リチウム(LiPO)、リン酸リチウムの酸原子素の一部を窒素原子で置換したLiPON、LiPOD(Dは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Au等から選ばれる少なくとも1種を示す)が挙げられる。また、LiAON(Aは、Si、B、Ge、Al、C、Ga等から選ばれる少なくとも1種を示す)等も好ましく用いることができる。
その中でも、Li1+xb+yb(Al,Ga)xb(Ti,Ge)2−xbSiyb3−yb12(ただし、0≦xb≦1、0≦yb≦1である)は、高いリチウムイオン伝導性を有し、化学的に安定で取り扱いが容易なため、好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
酸化物系固体電解質のリチウムイオン伝導度は、1×10−6S/cm以上が好ましく、1×10−5S/cm以上がより好ましく、5×10−5S/cm以上がさらに好ましい。
酸化物系の無機固体電解質はその構造中に酸素原子を有するため、これと結合性の高いポリマーを用いることが好ましい。この観点から、非球状粒子をなすポリマーにおいては、下記官能基群(a)の基、酸性基または塩基性基を含むことが好ましい。これにより、より強固にポリマーが無機固体電解質粒子に固着し、界面抵抗の低下等において一層良好な性能が得られる。
上記無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
無機固体電解質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。上限としては、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。
無機固体電解質の固体電解質組成物中での濃度は、電池性能と界面抵抗の低減・維持効果の両立を考慮したとき、固形成分100質量%において、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、同様の観点から、99.9質量%以下であることが好ましく、99.5質量%以下であることがより好ましく、99.0質量%以下であることが特に好ましい。ただし、後記正極活物質または負極活物質とともに用いるときには、その総和が上記の濃度範囲であることが好ましい。
(非球状ポリマー粒子)
本発明の非球状ポリマー粒子の形態は特に限定されないが、非球状粒子の一例を模式化して図示するとその断面ないし投影図は図2(左)のようになる。非球状粒子は球状でなければ特にその形状が限定されるものではないが、典型的には、投影図において図示したように長尺扁平形状の粒子が挙げられる。
ここで、粒子の寸法は、日本ゴム協会誌 第56巻第8号(1983)p525「分散度測定の技術と測定器」を参照して、下記の(a)〜(d)で定義することができる(図2参照)。
(a)フェレ径F:一定方向の平行線で挟んだ長さFH
フェレ径Fの最大となる長さがMaxL
最小となる長さをMinL
(b)マーチン径M:面積を二等分する境界線の長さMH
(c)ヘイウッド径HD:
粒子の面積と等しい面積をもつ円を考えたとき、その円の直径HD
(d)最大長MaxL:方向に関係なく、周辺の2点間を結んだときの最大のもの
真球粒子ではFH(最も長いものMaxL)=MH=HDを満たす。非球状粒子はそれ以外の構造と定義できる。
本発明においては、この長軸をMaxL、短軸をMinLを定義したときにその扁平率(MaxL/MinL)[f1]が1超であることが好ましい。非球状のポリマー粒子の扁平率[f1]は、1.1以上であることが好ましく、1.2以上であることがより好ましく、1.3以上であることがさらに好ましく、1.5以上がさらに好ましく、1.7以上が特に好ましい。上限は100以下であることが実際的であり、50以下がより実際的である(図2参照)。
本発明においては、さらに、非球状ポリマー粒子のフェレ径とヘイウッド径に基づく扁平率(MaxL/HD)[f2]が1超であることが好ましく、1.1以上であることがより好ましく、1.2以上であることがより好ましく、1.3以上であることが特に好ましい。上限は、100以下であることが実際的であり、50以下であることがより実際的である。
本発明においてポリマー粒子の扁平率あるいは上記フェレ径とヘイウッド径との比率は、特に断らない限り、後記実施例の項の測定で測定した条件によるものとする。
・特定ポリマー
非球状ポリマー粒子をなすポリマー(以下、特定ポリマーという)は下記官能基群(a)の官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つ有する。これらは極性基として機能するため、活物質や無機固体電解質の表面と水素結合、イオン結合、共有結合を形成し、相互作用を高め、結果として結着性を高めるものと解される。
<官能基群(a)>
置換基:カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、
CONR 、シアノ基、NR チオール基
連結基:カルボニルオキシ基、カルボニル基、NR、S、O、OCOO、ウレタン基(NRCOO)、CONR、ウレア基(NR−CO−NR
は水素原子、アルキル基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、炭素数1〜3が特に好ましい)、またはアリール基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)である。
これらの官能基は、ポリマーの主鎖に有していてもよく、ポリマー側鎖に有していてもよい。
本発明においては、特定ポリマー中に酸性基および/または塩基性基を含むことが結着性向上のうえで好ましい。酸性基、塩基性基は、上記のとおり、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基であることが結着性向上の観点からさらに好ましい。上記のpKaは12以下であることがより好ましく、10以下であることがさらに好ましく、8以下であることが特に好ましい。pKaがこの領域となることで無機固体電解質や活物質、集電体とのイオン相互作用が高まり結着性が向上する。
pKaとは、酸強度を定量的に表すための指標のひとつであり、酸性度定数と同義である。酸から水素イオンが放出される解離反応を考え、その平衡定数Kaをその負の常用対数pKaによって表したものである。pKaが小さいほど強い酸であることを示す。例えば、ACD/Labs(Advanced Chemistry Development社製)等を用いて算出した値を用いることができる。下記に、代表的な置換基の計算例を示しておく。
置換基 pKa
―COOH 4.14
―SOH −2.80
―PO 2.12 (2段 7.06)
−NH (NHの共役酸のpKa) 10.66
このような官能基としてたとえば酸性基としてはカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アセチルアセトナート基などが挙げられる。塩基性基としてはたとえば、ニトリル基、アミノ基(NR )、アミド基(CONR )、ウレタン基(NRCOO)、ウレア基(NR−CO−NR)などが挙げられる。
また官能基群(a)のなかでは、イオン伝導度を向上させるうえでリチウムイオンの溶解に寄与しうるエーテル基、カルボニル基、カルボニルアミノ基(CONR)、カルボニルオキシ基(COO)、カーボネート基(OCOO)が好ましい。
官能基群(a)のなかで特に好ましいのはカルボニルアミノ基(CONR)である。特に、カルボニルアミノ基をポリマー主鎖に有するポリマーが好ましい。なお、ウレア基やウレタン基を有するポリマーは、カルボニル基またはカルボニルアミノ基を有するポリマーに含まれる。
上記特定ポリマーはラジカル重合、カチオン重合、重縮合反応によって得られる。ラジカル重合によって得られるポリマーとしては、各種置換基を有していても良い(メタ)アクリルモノマーに由来する基を部分構造として有するポリマー、アクリロニトリルに由来する基を部分構造として有するポリマー、マレイミドに由来する基を部分構造として有するポリマーなどが挙げられる。カチオン重合によって得られるポリマーとしてはエポキシモノマーやオキセタンモノマーに由来する基を部分構造として有するポリマーが挙げられる。重縮合反応によって得られるポリマーとしては、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタンなどが挙げられる。本発明においては、これらのなかでも特にアクリル系ポリマーまたはポリウレタンが最も好ましい。
特定ポリマーは、柔軟かつゴム弾性を有することが好ましく、3次元架橋構造を有していることがさらに好ましい。3次元架橋は合成されたポリマーの段階で備えていてもよいし、熱または光によって架橋可能な潜在的な架橋性基を持っていてもよい。架橋性基はラジカル重合性基、カチオン重合性基などがあげられる。ラジカル重合性基としては炭素−炭素不飽和基があげられ、具体的にはアクリル基、メタクリル基、ビニル基、アリル基、マレイミド基、末端エチニル基、内部エチニル基、プロパルギル基等があげられる。カチオン重合性基としてはヘテロ環があげられ具体的にはエポキシ基、オキセタニル基、アジリジン基などが挙げられる。合成されたポリマーの段階で3次元架橋を備えているものとしてはたとえば、アクリルゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。
なお、本明細書において、「アクリル」というときにはアクリロイル基を有する構造群を広く指し、例えば、α位に置換基を有する構造を含むものとする。ただし、α位にメチル基を有するものをメタクリルと呼び、これを含む意味で(メタ)クリルなどと称することもある。
上記ポリマー粒子をなす特定ポリマーは、イオン伝導性向上の観点から下記のポリマー鎖のいずれかまたはその組合せを有することが好ましい。
・ポリアルキレンオキシド鎖:−(L−O)n− 式(C1)
・ポリカーボネート鎖: −(L−OCOO)n− 式(C2)
・ポリエステル鎖: −(L−COO)n− 式(C3)
−(OOC−LC1−COO−Lc2)n− 式(C4)
・ポリシロキサン鎖:−(SiL −O)n− 式(C5)
はアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数2〜6がより好ましく、炭素数2〜4が特に好ましい)を表す。
はアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数2〜10がより好ましく、炭素数3〜6が特に好ましい)、アリーレン基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)、またはそれらの組合せを表す。
、LC1、LC2はアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数2〜10がより好ましく、炭素数2〜8が特に好ましい)、アリーレン基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)、またはそれらの組合せを表す。なお、LC1とLC2とが同じであることはない。
は水素原子、ヒドロキシル基、アルキル基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、炭素数1〜3が特に好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)を表す。
nは3以上の整数を表し、6以上が好ましく、10以上がより好ましい。上限は、2500以下であり、200以下が好ましく、50以下がより好ましい。nで規定される連結基において、複数のL、L、LC1C2、Lは、互いに同じであっても異なっていてもよい。
アルキル基、アリール基、アルキレン基、アリーレン基はさらに任意の置換基(例えば置換基T)を有していてもよい。このことは、逐一断ることはしないが、いずれの化合物ないし置換基においても本明細書を通じて同様である。
上記のポリマー鎖は、重量平均分子量200以上であることが好ましく、600以上であることがより好ましく、800以上であることが特に好ましい。上限としては、重量平均分子量200,000以下であることが好ましく、10,000以下であることがより好ましく、5,000以下であることが特に好ましい。
なお、ポリマー鎖の分子量は、ポリマーに組み込む前のモノマーについてGPCにおけるポリスチレン換算重量平均分子量として求めることができる。
特定ポリマーは、下記式(1)または式(2)の繰り返し単位を含むことが好ましく、その両者を含むことがより好ましい。
Figure 2015167126
は炭素数1以上20以下のアルキレン基(好ましくは炭素数1〜12、より好ましくは炭素数1〜6)、炭素数6以上22以下のアリーレン基(好ましくは炭素数6〜14、より好ましくは炭素数6〜10)、またはその組合せを示す。
はへテロ原子を有する連結基を介在することがあるアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、炭素数1〜4が特に好ましい)、へテロ原子を有する連結基を介在することがあるアリーレン基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)、またはそれらの組合せを示す。へテロ原子を有する連結基の例としては、下記の連結基Xまたはカルボニル基が挙げられる。Rは水素原子、アルキル基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、炭素数1〜3が特に好ましい)、またはアリール基(炭素数6〜22が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、炭素数6〜10が特に好ましい)である。
XはO、S、NR、およびこれらの組合せのいずれかを示す。
上記特定ポリマーは、ハードセグメントおよびソフトセグメントを所定の割合で含有することが好ましい。ハードセグメントとは、主骨格に芳香族基や複素芳香族基、脂肪族脂環式基といった剛直基を有し、あるいは分子間水素結合やπ−π相互作用による分子間パッキングを可能にする結合部を有する、一般的に剛直性を備え凝集力が強くかつ繊維形態を有するセグメントと説明することができる。その部位からなる化合物のガラス転移温度は高く、典型的には100℃以上を示すものをいう。ソフトセグメントとは、主鎖に長鎖直線状基や長鎖分岐基を有し、柔らかく、伸縮性を有するセグメントと説明することができる。そのガラス転移温度が低く、50℃以下を示すものをいう。
・ハードセグメント
ハードセグメントは、水素結合を介在して分子間擬似架橋を形成する骨格を有するものであることが好ましい。また、ハードセグメントは、アミド結合、ウレア結合、ウレタン結合、およびイミド結合の少なくともいずれかの結合を含有することが好ましい。ハードセグメントは下記I群から選ばれることがより好ましい。
Figure 2015167126
*は結合部位を表す。
11およびR12はそれぞれ独立にアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アリーレン基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、またはその組合せである。R11およびR12の好ましい連結基として、下記式(M2)で表される基が挙げられる。なお、式(I−1)および式(I−2)が、結合部位*で、酸素原子やイミノ基(NR)に連結していくことで、ウレタン基やウレア基になる。さらに、各式のNH基の水素原子は任意の置換基Tで置換されていてもよい。Nに置換する置換基としては、上記Rの例が挙げられる。このことは本明細書を通じて同様である。
13はアルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜3が特に好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜23が好ましく、7〜15がより好ましく、7〜11が特に好ましい)である。なお、式(I−3)において主鎖のエチレン基には任意の置換基(メチル基、エチル基、プロピル基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基等)が置換していてもよい。
ここで、R13は環を形成していてもよく、例えば、式(I−4)において、Nと結合して、N位で置換したピロリドン環を形成していてもよい。
なお、式(I−3),(I−4)において、主鎖のエチレン基は置換基Tを有していてもよい。この置換基としては、例えば、メチル基、エチル基、ハロゲン原子、シアノ基等が挙げられる。また、主鎖のエチレン基と置換基のCO基またはNH基の間には任意の連結基が介在していてもよい。
14は芳香族または脂肪族の4価の連結基を表す。R14は下記の式(i)〜(iix)のいずれかで表される連結基であることが好ましい。
Figure 2015167126
式中、Xは単結合又は2価の連結基を表す。2価の連結基としては、炭素数1〜6のアルキレン基(メチレン基、エチレン基、プロピレン基)、−SO−、−S−、−CO−、又は−O−が好ましい。中でも、上記のアルキレン基がより好ましい。Lはアルケニレン基(例えば−CH=CH−)又はアルキレン基(例えば−CH−、−CHCH−)を表す。R及びRは水素原子又は置換基(例えば置換基T)を示す。*はカルボニル基との結合部位を示す。
・ソフトセグメント
一方、ソフトセグメントは、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖の少なくともいずれかを含有することが好ましい。ソフトセグメントは下記II群から選ばれることがより好ましい。
Figure 2015167126
*は結合部位を表す。
21は水素原子またはアルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)を表す。
22はポリアルキレンオキシド鎖(ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、またはポリシロキサン(シリコーン)鎖を含有する重量平均分子量200以上200,000以下の置換基を表す。R22は、末端にアルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましい)を有することが好ましい。このアルキル基は、その中に、エーテル基(O)、チオエーテル基(S)、カルボニル基(CO)、イミノ基(NR)を有していてもよい。また、R22は、後記第三成分で定義されるヘテロ原子含有基または炭素−炭素不飽和基を有していてもよい。上記分子量はさらに500以上であることが好ましく、700以上であることがより好ましく、1,000以上であることが特に好ましい。上限としては、100,000以下であることが好ましく、10,000以下であることがより好ましい。
23は、上記式(C1)〜(C4)のいずれかまたはその組み合わせに係る連結基であることが好ましい。なかでも、ポリアルキレンオキシド鎖(ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖が好ましい)、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、またはポリシロキサン(シリコーン)鎖を含有する重量平均分子量200以上200,000以下の連結基であることが好ましい。上記分子量はさらに500以上であることが好ましく、700以上であることがより好ましく、1,000以上であることが特に好ましい。上限としては、100,000以下であることが好ましく、10,000以下であることがより好ましい。
なお、R22およびR23の分子量は、ポリマーに組み込む前のモノマーについてGPCにおけるポリスチレン換算重量平均分子量として求めることができる。
上記特定ポリマーのハードセグメント成分とソフトセグメント成分との比率は、ハードセグメント成分が、全ポリマー中、50mol%以上であることが好ましく、60mol%以上であることがより好ましく、70mol%以上であることが特に好ましい。上限としては、99mol%以下であることが好ましく、90mol%以下であることがより好ましく、80mol%以下であることが特に好ましい。
ソフトセグメント成分は、全ポリマー中、1mol%以上であることが好ましく、2mol%以上であることがより好ましく、5mol%以上であることが特に好ましい。上限としては、50mol%以下であることが好ましく、30mol%以下であることがより好ましく、20mol%以下であることが特に好ましい。
ハードセグメント成分100質量部に対しては、モル比で、ソフトセグメント成分が、1部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましく、100質量部以上であることが特に好ましい。上限としては、10,000質量部以下であることが好ましく、5,000質量部以下であることがより好ましく、1,000質量部以下であることが特に好ましい。
各セグメントを上記の範囲で調整することにより、全固体二次電池における界面抵抗の低減性およびその維持性において一層優れた効果が得られ好ましい。
・第三成分
上記特定ポリマーは、さらに、ヘテロ原子含有基をもつ繰り返し単位を有することが好ましい。へテロ原子含有基としては、アルコール性水酸基含有基(例えばヒドロキシアルキル基:炭素数1〜6が好ましく、炭素数1〜3がより好ましい。)、フェノール性水酸基含有基(例えばヒドロキシフェニル基)、チオール基、カルボキシル基、スルホン酸基、スルホンアミド基、リン酸基、ニトリル基、アミノ基、双性イオン含有基、金属ヒドロキシド基、および金属アルコキシド基の少なくともいずれかを有することが好ましい。ここで、アミノ基はNR で表されるものが好ましい。双性イオン含有基は、具体的には、ベタイン構造(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましい)であり、カチオン部分は4級アンモニウム、スルホニウム、ホスホニウムが挙げられ、アニオン部はカルボキシレート、スルホネートが挙げられる。金属ヒドロキシドは、具体的には、ヒドロキシルシリル基、ヒドロキシルチタニル基である。金属アルコキシドは、具体的には、アルコキシシリル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましい)、アルコキシチタニル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましい)が好ましく、より具体的には、トリメトキシシリル基、メチルジメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、メチルジエトキシシリル基、トリメトキシチタニル基である。
上記特定ポリマーにおいて、ヘテロ原子含有基をもつ繰り返し単位は、全ポリマー中で0mol%〜30mol%であることが好ましい。このヘテロ原子含有基をもつ繰り返し単位を特定ポリマーに組み込むことで、リチウムイオンの伝導性が向上、あるいは無機固体電解質との相互作用が生じ密着性が向上するという作用が期待でき好ましい。
また、上記特定ポリマーは、熱または光によって架橋可能な潜在的な架橋性基を持っていてもよい。架橋性基はラジカル重合性基、カチオン重合性基などがあげられる。ラジカル重合性基としては炭素−炭素不飽和基があげられ、具体的にはアクリル基、メタクリル基、ビニル基、アリル基、マレイミド基、末端エチニル基、内部エチニル基、プロパルギル基等があげられる。カチオン重合性基としてはヘテロ環があげられ具体的にはエポキシ基、オキセタニル基、アジリジン基などが挙げられる。
上記架橋性基は、下記式(11)、(12)、または(13)で示されることがより好ましい。
Figure 2015167126
*は結合部位を表す。
およびRはそれぞれ独立に酸素原子またはイミノ基(NR)を示す。Rは上記と同義である。R〜R、R〜R10はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)を表す。R11〜R13はそれぞれ独立に水素原子またはアルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)を表す。X13は酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)を示す。Rは上記と同義である。上記架橋性基をもつ繰り返し単位は、全ポリマー中で0mol%〜30mol%であることが好ましい。この上記架橋性基をもつ繰り返し単位を特定ポリマーに組み込むことで、無機固体電解質との化学結合が生じ密着性の向上が期待でき好ましい。
第三成分は特定ポリマーの鎖中で、ハードセグメント部、ソフトセグメント部のいずれに存在していてもよい。またポリマー側鎖に存在してもよいし、ポリマー主鎖の末端に存在していてもよい。
以下に、特定ポリマーの具体例について説明する。とくにポリマーはハードセグメントとソフトセグメントとを有するものを中心に説明しているが、本発明はこれに限定して解釈されるものではない。
・アミド結合を有するポリマー
アミド結合を有するポリマーとしてポリアミド、ポリアクリルアミドなどが挙げられる。ポリアミドはジアミンとジカルボン酸を縮合重合するか、ラクタムの開環重合によって得ることができる。一方、ポリアクリルアミドはアクリルアミドモノマーをラジカル重合することによって得られる。ポリアクリルアミドはアクリルアミドモノマーと共重合するものであれば任意のラジカル性モノマーと共重合することができる。共重合方法としてはランダム重合、グラフト重合、ブロック重合などが挙げられるが、ハードセグメントとしてポリアクリルアミドを構築するためにはブロック重合であることがより好ましい。アミドポリマーのソフトセグメントの導入は、例えば、ヘテロ原子で分断されてもよい長鎖アルキル基、たとえばエチレンオキシド鎖、プロピレンオキシド鎖を有する末端ジアミンとジカルボン酸を縮合重合させることで行うことができる。上記ソフトセグメント含有ジアミンは、たとえば市販品として「ジェファーミン」シリーズ(ハンツマン(株)社製、三井化学ファイン(株)社製)を用いることができる。
・ウレア結合を有するポリマー
ウレア結合を有するポリマーとしてはポリウレアが挙げられる。ジイソシアネート化合物とジアミン化合物をアミン触媒存在下で縮合重合によってポリウレアを合成することができる。ジイソシアネートの例としては、特に制限はなく、適宜選択することができ、例えば、下記式(M1)で表される化合物などが挙げられる。
Figure 2015167126
M1は、置換基(例えば、アルキル基、アラルキル基、アリール基、アルコキシ基、及びハロゲノ基のいずれかが好ましい)を有していてもよい二価の脂肪族又は芳香族炭化水素を表す。必要に応じ、上記RM1は、イソシアネート基と反応しない他の官能基、例えば、エステル基、ウレタン基、アミド基、及びウレイド基のいずれかを有していてもよい。
上記式(M1)で表されるジイソシアネート化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、下記式(M2)で表される基を含むことが好ましい。
Figure 2015167126
式中、Xは、単結合、−CH−、−C(CH−、−SO−、−S−、−CO−、又は−O−を表す。結着性の観点で、−CH−、−O−が好ましく、−CH−がより好ましい。ここで例示した上記アルキレン基はハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)で置換されていてもよい。
M2〜RM5は、互いに同一であってもよいし、異なっていてもよく、それぞれ、水素原子、一価の有機基、ハロゲン原子、−ORM6、―N(RM6、又は−SRM6を表す。RM6は、それぞれ独立に、水素原子、又は一価の有機基を表す。一価の有機基としては、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルケニル基、−ORM7(ただし、RM7は一価の有機基(好ましくは炭素数1〜20のアルキル基等、炭素数6〜10のアリール基)を表す)、アルキルアミノ基(炭素数1〜20が好ましく、1〜6がより好ましい)、アリールアミノ基(炭素数6〜40が好ましく、6〜20がより好ましい)などが挙げられる。上記RM2〜RM5としては、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、−ORM7が好ましく、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基がより好ましく、水素原子が特に好ましい。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素、塩素、臭素などが挙げられる。なかでも、RM2〜RM5が水素原子であることが好ましい。
上記式(M1)および(M2)で表される芳香族基の組成比率としては、ポリマー中、10mol%以上が好ましく、10mol%〜50mol%がより好ましく、30mol%〜50mol%が更に好ましい。
ウレア結合を有するポリマーのソフトセグメントの導入は、ヘテロ原子で分断されても良い長鎖アルキル基、たとえばエチレンオキシド鎖、プロピレンオキシド鎖を有する末端ジアミンとイソシアネートを縮合重合させることで行うことができる。上記ソフトセグメント含有ジアミンは、たとえば市販品として「ジェファーミン」シリーズ(ハンツマン(株)社製、三井化学ファイン(株)社製)を用いることができる。具体的にはジェファーミンD−230、ジェファーミンD−400、ジェファーミンD−2000、ジェファーミンXTJ−510、ジェファーミンXTJ−500、ジェファーミンXTJ−501、ジェファーミンXTJ−502、ジェファーミンHK−511、ジェファーミンEDR−148、ジェファーミンXTJ−512、ジェファーミンXTJ−542、ジェファーミンXTJ−533,ジェファーミンXTJ−536が挙げられる。
・イミド結合を有するポリマー
イミド結合を有するポリマーとしてポリイミドが挙げられる。ポリイミドはテトラカルボン酸二無水物とジアミンを付加させポリアミック酸を形成したのち、閉環することで得られる。ジアミンはソフトセグメントとして用いることが好ましいため、ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖の両末端にアミノ基を有する構造が好ましい。上記ソフトセグメント含有ジアミンは、たとえば市販品として「ジェファーミン」シリーズ(ハンツマン(株)社製、三井化学ファイン(株)社製)を用いることができる。具体的にはジェファーミンD−230、ジェファーミンD−400、ジェファーミンD−2000、ジェファーミンXTJ−510、ジェファーミンXTJ−500、ジェファーミンXTJ−501、ジェファーミンXTJ−502、ジェファーミンHK−511、ジェファーミンEDR−148、ジェファーミンXTJ−512、ジェファーミンXTJ−542、ジェファーミンXTJ−533、ジェファーミンXTJ−536が挙げられる。
・ウレタン結合を有するポリマー
ウレタン結合を有するポリマーとしてポリウレタンが挙げられる。イソシアネート化合物とジオール化合物をチタン、スズ、ビスマス触媒存在下で縮合重合することで得られる。イソシアネート化合物は上記に挙げた化合物を用いることができる。ジオールとしては、ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖を有していることが好ましい。またジオールは炭素−炭素不飽和基や極性基(アルコール性水酸基、フェノール性水酸基、チオール基、カルボキシル基、スルホン酸基、スルホンアミド基、リン酸基、ニトリル基、アミノ基、双性イオン含有基,金属ヒドロキシド、金属アルコキシド)を有していることが好ましい。たとえば2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸を用いることができる。炭素−炭素不飽和基を含有するジオール化合物は市販品としてブレンマーGLM(日油株式会社製)のほか、特開2007−187836記載の化合物を好適に用いることができる。
ポリウレタンの場合、重合停止剤としてモノアルコールやモノアミンを用いることができる。重合停止剤はポリウレタン主鎖の末端部位に導入される。ソフトセグメントをポリウレタン末端に導入する手法として、ポリアルキレングリコールモノアルキルエーテル(ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレンモノアルキルエーテルが好ましい)や、ポリカーボネートジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルモノアルコールなどを用いることができる。
また、極性基や炭素―炭素不飽和基を有するモノアルコールやモノアミンを用いることで、ポリウレタン主鎖の末端に極性基や炭素−炭素不飽和基の導入が可能である。たとえば、ヒドロキシ酢酸、ヒドロキシプロピオン酸、4−ヒドロキシベンジルアルコール、3−メルカプト―1プロパノール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、3−メルカプト―1―ヘキサノール、3−ヒドロキシプロパンスルホン酸、2−シアノエタノール、3−ヒドロキシグルタロニトリル、2−アミノエタノール、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、N−メタクリレンジアミンなどが挙げられる。
ポリウレタンの場合、イソシアネート化合物部分がハードセグメントとして、ジオール化合物部分がソフトセグメントとして機能することが好ましい。
以下に、非球状のポリマー粒子をなす特定ポリマーの具体的化合物例を示す。ただし、本発明はこの化合物例に限られない。
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
Figure 2015167126
上記の例示化合物には、適宜置換基を有していてもよい。その任意の置換基としては、下記置換基Tが挙げられる。
置換基Tとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜30のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘキシル、2−エチルヘキシル、ヘプチル、1−エチルペンチル、デシル、ドデシル、ヘキサデカン、オクタデカン、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環の炭素原子数2〜20のヘテロ環基が好ましく、例えば、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルホンアミド基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、スルホンアミド基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファもイル基、例えば、メタンスルホンアミド、ベンゼンスルホンアミド、N−メチルメタンスルホンアミド、N−エチルベンゼンスルホンアミド等)、ヒドロキシ基、カルボキシル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基、シアノ基又はハロゲン原子であり、特に好ましくはアルキル基、アルケニル基、ヘテロ環基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アミノ基、アシルアミノ基又はシアノ基が挙げられる。
化合物ないし置換基等がアルキル基、アルケニル基等を含むとき、これらは直鎖状でも分岐状でもよく、置換されていても無置換でもよい。またアリール基、ヘテロ環基等を含むとき、それらは単環でも縮環でもよく、置換されていても無置換でもよい。
本明細書において、化合物の置換基や連結基の選択肢を始め、温度、厚さといった各技術事項は、そのリストがそれぞれ独立に記載されていても、相互に組み合わせることができる。
非球状ポリマー粒子をなす特定ポリマーの重量平均分子量は5,000以上であることが好ましく、10,000以上であることがより好ましく、30,000以上であることが特に好ましい。上限としては、1,000,000以下であることが好ましく、200,000以下であることがより好ましい。
−分子量の測定−
本発明においてポリマーの分子量については、特に断らない限り、重量平均分子量をいい、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算の重量平均分子量を計測する。測定方法としては、基本として下記条件1または条件2(優先)の方法により測定した値とする。ただし、ポリマー種によっては適宜適切な溶離液を選定して用いればよい。
(条件1)
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM−Hをつなげる
キャリア:10mMLiBr/N−メチルピロリドン
(条件2)
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM−H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000をつないだカラムを用いる
キャリア:テトラヒドロフラン
特定ポリマーのガラス転移温度(Tg)は100℃以下であることが結着性向上のうえで好ましく、50℃以下がより好ましく、30℃以下が特に好ましい。下限は、製造適正や性能の安定性の点から−70℃以上が好ましく、−50℃以上がより好ましい。Tgが低すぎるとボールミル分散中に粒子が凝集して固着する可能性がある。逆に、Tgが高すぎると、無機固体電解質粒子の良好な固着効果が得がたくなる。
特定ポリマーは結晶性でも非晶性であってもよい。結晶性の場合、融点は250℃以下であることが好ましく、200℃以下がより好ましく、180℃以下が特に好ましい。下限は特にないが、100℃以上が好ましく、120℃以上がより好ましい。
本発明において特定ポリマーのTgや融点は特に断らない限り後記実施例で採用した測定方法(DSC測定)によるものとする。なお、作成された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を水に入れてその材料を分散させた後、ろ過を行い、残った固体を収集し後述するTgの測定方法でガラス転移温度を測定することにより行うことができる。
非球状のポリマー粒子はポリマー固体を分散媒体(貧溶媒)中で機械分散または粉砕処理することによって得ることができる。すなわち、固体を粉砕するブレイクダウン法を適用することが好ましく、溶液から粒子を形成するビルドアップ法で良好な非球状粒子を得ることが難しい。ブレイクダウン法としては機械分散法が挙げられ、たとえばビーズミル、プラネタリミキサ―、ブレードミキサ―、ロールミル、ニーダーなどが好適に用いられる。なかでもボールミルにより機械分散することが好ましい。
ボールミルは、粉砕機の1種で、セラミックなどの硬質のボールと、材料の粉を円筒形の容器にいれて回転させることによって、材料をすりつぶして微細な粉末を作る装置を指す。粉砕方法としては、ドイツ・フリッチュ社製遊星型ボールミルを用いることが好ましい。遊星式粉砕方法は、自転・公転運動にさらに強い遠心力を加えて、ボールと容器の壁とを使って粉砕する方法である。容器、ボールの材質は、メノー、シンタードアルミナ、タングステンカーバイト、クローム鋼、ステンレンススチール、ジルコニア、プラスチックポリアミド、窒化珪素があげられる。容器の大きさはドイツ・フリッチェ社製のものより12mLから500mLのものが入手できる。またボールは2mm〜40mmまでのものを入手することができる。
容器の大きさとボールの大きさ、それぞれの場合の好適な挿入量について述べる。
・12mL容器の場合:ボール直径<2mm(14g),5mm(50個)、10mm(6個)
・45mL容器の場合:ボール直径<2mm(50g),5mm(180個)、10mm(18個),15mm(7個)
・80mL容器の場合:ボール直径<2mm(85g),5mm(250個)、10mm(30個),15mm(10個)、20mm(5個)、30mm、40mm
・250mL容器の場合:ボール直径<2mm(280g),5mm(1200個)、10mm(50個),15mm(45)、20mm(15個)、30mm(6個)、40mm
・500mL容器の場合:ボール直径<2mm(560g),5mm(2000個)、10mm(100個),15mm(70個)、20mm(25個)、30mm(10個)、40mm(4個)
分散時間は特に限定されないが、10分〜10時間、好ましくは30分〜8時間、より好ましくは1時間〜4時間である。分散温度は特に限定されないが、粉砕するポリマーのTg以下で分散することが微細粒子を得るうえで好ましい。好ましくは50℃以下、より好ましくは20℃以下、さらに好ましくは0℃以下である。ボールと粉砕するポリマーの重量比は、ボール1gに対しポリマー0.05g以下、好ましくは0.02g以下、より好ましくは0.01g以下である。材質、使用する容器、ボール直径、分散時間によって粉砕されるポリマーの平均粒径が変化する。一例としては、25℃でジルコニア製45mL容器、ボール直径5mm 180個を使用し4時間380rpmで粉砕することで約1μmの非球状ポリマー粒子を得ることができる。
非球状のポリマー粒子は平均粒子径が0.01μm以上であることが好ましく、0.05μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることが特に好ましい。上限としては、500μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
粒子のばらつきを細かいほうから数え、全個数の10%に値する粒子径をd10,全個数の50%に値する粒子径(メジアン径)をd50,全個数の90%に値する粒子径をd90と定義する。このとき分散の大きさ指標として D=(d90−d10)/d50とする。Dが大きいほど粒子のバラつきが大きいことになるDは1.5以上が好ましく、2以上が好ましく、さらに好ましくは3以上である。上限は特に設けないが10000以下が一般的であり、10以下が実際的である。
本発明においてポリマー粒子の粒径あるいはばらつき(D)は、特に断らない限り、後記実施例で測定した条件によるものとする。
無機固体電解質が粒子状であるときには、無機固体電解質の平均粒径より、上記ポリマー粒子の粒径が小さいことが好ましい。ポリマー粒子の大きさを上記の範囲とすることにより、良好な密着性と界面抵抗の抑制とを実現することができる。
なお、作成された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について後述のポリマーの粒径測定の方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー以外の粒子の粒径の測定値を排除することにより行うことができる。
特定ポリマーの配合量は、上記無機固体電解質(活物質を用いる場合はこれを含む)100質量部に対して、0.1質量部以上であることが好ましく、0.3質量部以上であることがより好ましく、1質量部以上であることが特に好ましい。上限としては、50質量部以下であることが好ましく、20質量部以下であることがより好ましく、10質量部以下であることが特に好ましい。
固体電解質組成物に対しては、その固形分中、ポリマー粒子が0.1質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、1質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、50質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることが特に好ましい。
ポリマー粒子を上記の範囲で用いることにより、一層効果的に無機固体電解質の固着性と界面抵抗の抑制性とを両立して実現することができる。
特定ポリマーは一種を単独で用いても、複数の種類のものを組み合わせて用いてもよい。また、他の粒子と組み合わせて用いてもよい。
非球状ポリマー粒子はこれを構成する特定ポリマーのみからなっていてもよく、あるいは、別種の材料(ポリマーや低分子化合物、無機化合物など)を含む形で構成されていてもよい。好ましくは、構成する特定ポリマーのみからなる粒子である。
(リチウム塩)
本発明の全固体二次電池には、その固体電解質組成物にリチウム塩を含有させてもよい。リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はないが、例えば、以下に述べるものが好ましい。
(L−1)無機リチウム塩:LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF等の無機フッ化物塩;LiClO、LiBrO、LiIO等の過ハロゲン酸塩;LiAlCl等の無機塩化物塩等。
(L−2)含フッ素有機リチウム塩:LiCFSO等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO)(CSO)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CFSO等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF(CFCFCF)]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF)]、Li[PF(CFCFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等。
(L−3)オキサラトボレート塩:リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等。
これらのなかで、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiClO、Li(RfSO)、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSO)が好ましく、LiPF、LiBF、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSO)などのリチウムイミド塩がさらに好ましい。ここで、Rf、Rfはそれぞれパーフルオロアルキル基を示す。
リチウム塩の含有量は、無機固体電解質100質量部に対して0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましい。上限としては、10質量部以下であることが好ましく、5質量部以下であることがより好ましい。
なお、電解液に用いる電解質は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
(分散媒体)
本発明の固体電解質組成物においては、上記の各成分を分散させる分散媒体を用いてもよい。分散媒体としては、例えば、水溶性有機溶媒が挙げられる。具体例としては、下記のものが挙げられる。
・脂肪族化合物
ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、オクタン、ペンタン、シクロペンタンなど
・ハロゲン化炭化水素化合物
塩化メチレン、クロロホルム、ジクロルメタン、二塩化エタン、四塩化炭素、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、エピクロロヒドリン、モノクロロベンゼン、オルソジクロロベンゼン、アリルクロライド、HCFC、モノクロロ酢酸メチル、モノクロロ酢酸エチル、モノクロロ酢酸トリクロル酢酸、臭化メチル、ウ化メチル、トリ(テトラ)クロロエチレなど
・アルコール化合物
メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、2−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオールなど
・エーテル化合物(水酸基含有エーテル化合物を含む)
ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、t−ブチルメチルエーテル、シクロヘキシルメチルエーテル、アニソール、テトラヒドロフラン、アルキレングリコールアルキルエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等)など
・エステル化合物
酢酸エチル、乳酸エチル、2−(1−メトキシ)プロピルアセテート、プロピレングリコール1−モノメチルエーテル2−アセタートなど
・ケトン化合物
アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、2−ヘプタノンなど
・ニトリル化合物
アセトニトリルなど
・アミド化合物
N,N−ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロパンアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドなど
・スルホキシド化合物
ジメチルスルホキシドなど
・芳香族化合物
ベンゼン、トルエン、キシレンなど
本発明においては、なかでも、エーテル化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、脂肪族化合物溶媒を用いることが好ましい。分散媒体は常圧(1気圧)での沸点が80℃以上であることが好ましく、100℃以上であることがさらに好ましい。上限は220℃以下であることが好ましく、160℃以下であることがさらに好ましい。
分散媒体に対する特定ポリマーの溶解度は20℃において20質量%未満であることが好ましく、10質量%未満であることがより好ましく、3質量%未満であることが特に好ましい。下限は0.01質量%以上であることが実際的である。
分散媒体の水への溶解性は、20℃において5質量%以下であることが好ましく、3質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが特に好ましい。下限は0.001質量%以上が実際的である。
上記分散媒体は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(正極活物質)
本発明の固体電解質組成物には、正極活物質を含有させてもよい。それにより、正極材料用の組成物とすることができる。正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素M(Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Vから選択される1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素M(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなど)を混合してもよい。この、遷移金属酸化物として例えば、下記式(MA)〜(MC)のいずれかで表されるものを含む特定遷移金属酸化物、あるいはその他の遷移金属酸化物としてV、MnO等が挙げられる。正極活物質には、粒子状の正極活性物質を用いてもよい。具体的に、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できる遷移金属酸化物を用いることができるが、上記特定遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。
遷移金属酸化物としては、上記遷移元素Mを含む酸化物等が好適に挙げられる。このとき混合元素M(好ましくはAl)などを混合してもよい。混合量としては、遷移金属の量に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Mのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
〔式(MA)で表される遷移金属酸化物(層状岩塩型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下式で表されるものが好ましい。
Li ・・・ (MA)
式中、Mは上記Maと同義である。aは0〜1.2(0.2〜1.2が好ましい)を表し、0.6〜1.1であることが好ましい。bは1〜3を表し、2であることが好ましい。Mの一部は上記混合元素Mで置換されていてもよい。上記式(MA)で表される遷移金属酸化物は典型的には層状岩塩型構造を有する。
本遷移金属酸化物は下記の各式で表されるものであることがより好ましい。
(MA−1) LiCoO
(MA−2) LiNiO
(MA−3) LiMnO
(MA−4) LiCoNi1−j
(MA−5) LiNiMn1−j
(MA−6) LiCoNiAl1−j−i
(MA−7) LiCoNiMn1−j−i
ここでgは上記aと同義である。jは0.1〜0.9を表す。iは0〜1を表す。ただし、1−j−iは0以上になる。kは上記bと同義である。上記遷移金属化合物の具体例を示すと、LiCoO(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi(ニッケル酸リチウム)LiNi0.85Co0.01Al0.05(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi0.33Co0.33Mn0.33(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])、LiNi0.5Mn0.5(マンガンニッケル酸リチウム)である。
式(MA)で表される遷移金属酸化物は、一部重複するが、表記を変えて示すと、下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(i)LiNiMnCo(x>0.2,y>0.2,z≧0,x+y+z=1)
代表的なもの:
LiNi1/3Mn1/3Co1/3
LiNi1/2Mn1/2
(ii)LiNiCoAl(x>0.7,y>0.1,0.1>z≧0.05,x+y+z=1)
代表的なもの:
LiNi0.8Co0.15Al0.05
〔式(MB)で表される遷移金属酸化物(スピネル型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記式(MB)で表されるものも好ましい。
Li ・・・ (MB)
式中、Mは上記Maと同義である。cは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.6〜1.5であることが好ましい。dは3〜5を表し、4であることが好ましい。
式(MB)で表される遷移金属酸化物は下記の各式で表されるものであることがより好ましい。
(MB−1) LiMn
(MB−2) LiMnAl2−p
(MB−3) LiMnNi2−p
mはcと同義である。nはdと同義である。pは0〜2を表す。上記遷移金属化合物の具体例を示すと、LiMn、LiMn1.5Ni0.5である。
式(MB)で表される遷移金属酸化物はさらに下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(a) LiCoMnO
(b) LiFeMn
(c) LiCuMn
(d) LiCrMn
(e) LiNiMn
高容量、高出力の観点で上記のうちNiを含む電極が更に好ましい。
〔式(MC)で表される遷移金属酸化物〕
リチウム含有遷移金属酸化物としてはリチウム含有遷移金属リン酸化物を用いることも好ましく、中でも下記式(MC)で表されるものも好ましい。
Li(PO ・・・ (MC)
式中、eは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.5〜1.5であることが好ましい。fは1〜5を表し、0.5〜2であることが好ましい。
上記MはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選択される一種以上の元素を表す。上記Mは、上記の混合元素Mのほか、Ti、Cr、Zn、Zr、Nb等の他の金属で置換していてもよい。具体例としては、例えば、LiFePO、LiFe(PO等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP等のピロリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、Li(PO(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
なお、Liの組成を表す上記a,c,g,m,e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。上記式(a)〜(e)では特定値としてLiの組成を示しているが、これも同様に電池の動作により変化するものである。
正極活物質の平均粒子サイズは特に限定されないが、0.1μm〜50μmが好ましい。正極活性物質を所定の粒子サイズにするには、通常の粉砕機や分級機を用いればよい。焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
正極活物質の濃度は特に限定されないが、固体電解質組成物中、固形成分100質量%において、20〜90質量%であることが好ましく、40〜80質量%であることがより好ましい。
上記正極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(負極活物質)
本発明の固体電解質組成物には、負極活物質を含有させてもよい。それにより、負極材料用の組成物とすることができる。負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものが好ましい。その材料は、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、及び、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。なかでも炭素質材料又はリチウム酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛、及びPAN系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報、同3−45473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
負極活物質として適用される金属酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、さらに金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイトも好ましく用いられる。ここでいう非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20°〜40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40°以上70°以下に見られる結晶性の回折線の内最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であるのが好ましく、5倍以下であるのがより好ましく、結晶性の回折線を有さないことが特に好ましい。
上記非晶質酸化物及びカルコゲナイドからなる化合物群のなかでも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族〜15(VB)族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、Biの一種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、及びカルコゲナイドが特に好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、例えば、Ga、SiO、GeO、SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、Bi、Bi、SnSiO、GeS、SnS、SnS、PbS、PbS、Sb、Sb、SnSiSなどが好ましく挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの酸化物、例えば、LiSnOであってもよい。
負極活物質の平均粒子サイズは、0.1μm〜60μmが好ましい。所定の粒子サイズにするには、よく知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、湿式ともに用いることができる。
上記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素材料や、リチウム、リチウム合金、リチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。
負極活物質はチタン原子を含有することが好ましい。より具体的にはLiTi12がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。特定の負極と更に特定の電解液を組合せることにより、様々な使用条件においても二次電池の安定性が向上する。
本発明の全固体二次電池においては、Si元素を含有する負極活物質を適用することも好ましい。一般的にSi負極は、現行の炭素負極(黒鉛、アセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、重量あたりのLiイオン吸蔵量が増加するため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点があり、車用のバッテリー等への使用が今後期待されている。一方で、Liイオンの吸蔵、放出に伴う体積変化が大きいことが知られており、一例では、炭素負極で体積膨張が1.2〜1.5倍程度のところ、Si負極では約3倍になる例もある。この膨張収縮を繰り返すこと(充放電を繰り返すこと)によって、電極層の耐久性が不足し、例えば接触不足を起こしやすくなったり、サイクル寿命(電池寿命)が短くなったりすることも挙げられる。
本発明に係る固体電解質組成物によれば、このような膨張・収縮が大きくなる電極層においてもその高い耐久性(強度)を発揮し、より効果的にその優れた利点を発揮しうるものである。
負極活物質の濃度は特に限定されないが、固体電解質組成物中、固形成分100質量%において、10〜80質量%であることが好ましく、20〜70質量%であることがより好ましい。
なお、上記の実施形態では、本発明に係る固体電解質組成物に正極活物質ないし負極活物質を含有させる例を示したが、本発明はこれにより限定して解釈されるものではない。例えば、上記特定ポリマーを含まないポリマー組成物として正極活物質ないし負極活物質を含むペーストを調製してもよい。このとき、上記の無機固体電解質を含有させることが好ましい。このような、常用される正極材料ないし負極材料と組み合わせて、上記本発明の好ましい実施形態に係る固体電解質組成物を用い無機固体電解質層を形成してもよい。また、正極および負極の活物質層には、適宜必要に応じて導電助剤を含有させてもよい。一般的な電子伝導性材料として、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどの炭素繊維や金属粉、金属繊維、ポリフェニレン誘導体などを含ませることができる。
上記負極活物質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<集電体(金属箔)>
正・負極の集電体としては、化学変化を起こさない電子伝導体が用いられることが好ましい。正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。
上記集電体の形状としては、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。上記集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
<全固体二次電池の作製>
全固体二次電池を作製するに当たり、先に述べた固体電解質組成物を調製することが好ましい。固体電解質組成物の製造方法は常法によればよく、例えば、非球状のポリマー粒子と分散媒体とを混合して機械分散して非球状ポリマー粒子のスラリー液を形成する第一の工程と、上記によって得られたポリマー粒子のスラリー液を、少なくとも無機固体電解質の存在下で再度機械分散する第二の工程とを経て調製することが好ましい。上記の第一の工程および/または第二の工程における機械分散は、どのような分散方法によってもよいが、ボールミル分散法であることが中でも好ましい。
全固体二次電池の作製は常法によればよい。具体的には、上記固体電解質組成物を集電体となる金属箔上に塗布し膜を形成した電池用電極シートとする方法が挙げられる。例えば、金属箔上に正極材料となる組成物を塗布し、膜形成する。次いでその電池用電極シートの正極活物質層の上面に無機固体電解質の組成物を塗布し、膜形成する。さらに、同様にして負極の活物質の膜を形成して負極側の集電体(金属箔)を付与することで、所望の全固体二次電池の構造を得ることができる。なお、上記の各組成物の塗布方法は常法によればよい。このとき、正極活物質層をなす組成物、無機固体電解質層をなす組成物、及び負極活物質層をなす組成物のそれぞれの塗布の後に、加熱処理を施すことが好ましい。加熱温度は非球状ポリマー粒子のガラス転移温度以上であることが好ましい。具体的には30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、100℃以上であることが最も好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましい。このような温度範囲で加熱することで、ポリマー粒子を好適に軟化させ、一方でその形状を好適に維持することができる。これにより、全固体二次電池において、良好な結着性と非加圧でのイオン伝導性を得ることができる。
また加熱しながら加圧することも好ましい。加圧圧力としては5kN/cm以上が好ましく、10kN/cm以上であることがさらに好ましく、20kN/cm以上であることが最も好ましい。
<全固体二次電池の用途>
本発明に係る全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様は特に限定されないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
なかでも、高容量且つ高レート放電特性が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。例えば、今後大容量化が予想される蓄電設備等においては高い信頼性が必須となりさらに電池性能の両立が要求される。また、電気自動車などは高容量の二次電池を搭載し、家庭で日々充電が行われる用途が想定され、過充電時に対して一層の信頼性が求められる。本発明によれば、このような使用形態に好適に対応してその優れた効果を発揮することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、以下のような各応用形態が導かれる。
・周期律表第一族または第二族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含んでいる固体電解質組成物(正極または負極の電極用組成物)。
・上記固体電解質組成物を金属箔上に製膜した電池用電極シート。
・正極活物質層と負極活物質層と無機固体電解質層とを具備する全固体二次電池であって、上記正極活物質層、負極活物質層、および無機固体電解質層の少なくともいずれかを上記固体電解質組成物で構成した層とした全固体二次電池。
・上記固体電解質組成物を集電体上に配置し、所定の温度で加熱する電池用電極シートの製造方法。
・上記電池用電極シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
全固体二次電池とは、正極、負極、電解質がともに固体で構成された二次電池を言う。換言すれば、電解質としてカーボネート系の溶媒を用いるような電解液型の二次電池とは区別される。このなかで、本発明は無機全固体二次電池を前提とする。全固体二次電池には、電解質としてポリエチレンオキサイド等の高分子化合物を用いる有機(高分子)全固体二次電池と、上記のLi−P−S、LLTやLLZ等を用いる無機全固体二次電池とに区分される。なお、無機全固体二次電池に高分子化合物を適用することは妨げられず、正極活物質、負極活物質、無機固体電解質粒子のバインダーとして高分子化合物を適用することができる。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi−P−S、LLT、LLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがあるが、上記のイオン輸送材料としての電解質と区別するときにはこれを「電解質塩」または「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては例えばLiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド)が挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集や偏在が生じていてもよい。
以下に、実施例に基づき本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。以下の実施例において「部」および「%」というときには、特に断らない限り質量基準である。
ポリマーの合成
(A−5)の合成
200mLの3口フラスコに、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)5gを加えて窒素気流下で80℃に加熱した。これにメタクリル酸ベンジル15.5g、メタクリル酸1.0g、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル3.2gとV−601 0.23g(和光純薬(株)製)のPGMEA 45g溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後80℃でさらに2時間加熱攪拌した。得られたポリマー溶液をヘキサン/酢酸エチル(80/20)1Lで晶析させ、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は52300、ガラス転移温度は23℃であった。
参考までに、図4にポリマーA−5のDSC測定結果を示した。
(A−7)の合成
200mLの3口フラスコに、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)5gを加えて窒素気流下で80℃に加熱した。これにメタクリル酸イソブチル10.3g、メタクリル酸1.0g、メタクリル酸ジメチルアミノエチル3.7g、M−90G(新中村化学(株)製)4.0gとV−601 0.23g(和光純薬(株)製)のPGMEA 45g溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後80℃でさらに2時間加熱攪拌した。得られたポリマー溶液をヘキサン/酢酸エチル(90/10)1Lで晶析させ、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は67400、ガラス転移温度は−12℃であった。
(A−14)の合成
200mLの3口フラスコに、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)5gを加えて窒素気流下で80℃に加熱した。これに、メタクリル酸2−エチルヘキシル13.7g、メタクリル酸グリシジル3.4g、メタクリル酸1.0g、メタクリル酸ジメチルアミノエチル1.8gとV−601 0.23g(和光純薬(株)製)のPGMEA 45g溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後80℃でさらに2時間加熱攪拌した。得られたポリマー溶液をヘキサン1Lで晶析させ、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は64300、ガラス転移温度は−5℃であった。
(A−24)の合成
200mLの3口フラスコに、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)3gを加えて窒素気流下で80℃に加熱した。これに、アクリロニトリル3.4g、メタクリル酸0.5g、メタクリル酸グリシジル3.4g、M−90G(新中村化学(株)製)2.0g、メタクリル酸ジメチルアミノエチル0.9gとV−601 0.23g(和光純薬(株)製)のPGMEA 40g溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後80℃でさらに2時間加熱攪拌した。得られたポリマー溶液をヘキサン1Lで晶析させ、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は49800、ガラス転移温度は7℃であった。
(A−29)の合成
200mLの3口フラスコに、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)3gを加えて窒素気流下で80℃に加熱した。これにN−ビニルピロリドン8.5g、メタクリル酸2.0g、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル3.2gとV−601 0.23g(和光純薬(株)製)のPGMEA 40g溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後80℃でさらに2時間加熱攪拌した。得られたポリマー溶液をヘキサン1Lで晶析させ、ポリマーを80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は76200、ガラス転移温度は15℃であった。
(A−56)の合成
200mLの3口フラスコに、ジシクロヘキシルメタン−4,4‘−ジイソシアネート13.2g、1,4−ブタンジオール2.6g、ポリテトラメチレングリコール(重量平均分子量650)6.5g、ブレンマーGLM(日油(株)製)0.8g、2,2−(ビスヒドロキシメチル)プロピオン酸0.7gを加え、さらにテトラヒドロフラン56gを加えて60℃で加熱溶解した。これにネオスタンU−600(日東化成製)50mgを10分間かけて加え、5時間60℃で加熱攪拌した。得られたポリマー溶液にメタノール10mLを加えて1時間60℃で攪拌し重合を停止させた。このポリマー溶液をメタノール1Lに晶析させ、ポリマー固体を80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は126900、ガラス転移温度は−15℃であった。
(A−57)の合成
200mLの3口フラスコに、4,4‘ジイソシアン酸メチレンジフェニル12.8g、1,4−ブタンジオール2.6g、ポリテトラメチレングリコール(重量平均分子量650)6.5g、2,2−(ビスヒドロキシメチル)プロピオン酸0.7g、N−ブチルジエタノールアミン0.8gを加え、さらにテトラヒドロフラン60gを加えて60℃で加熱溶解した。これにネオスタンU−600(日東化成製)50mgを10分間かけて加え、5時間60℃で加熱攪拌した。得られたポリマー溶液にエタノール10mLを加えて1時間60℃で攪拌し重合を停止させた。このポリマー溶液をメタノール1Lに晶析させ、ポリマー固体を80℃で6時間真空乾燥した。得られたポリマーの重量平均分子量は104200、ガラス転移温度は−28℃であった。
<実施例>
硫化物系無機固体電解質(Li−P−S系ガラス)の合成
アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(LiS、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g、五硫化二リン(P、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて5分間混合した。なお、LiSおよびPはモル比でLiS:P=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、上記硫化リチウムと五硫化二リンの全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP−7に容器をセットし、温度25℃℃、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで黄色粉体の硫化物固体電解質材料(Li−P−S系ガラス)6.20gを得た。
固体電解質組成物(スラリー)の調製
(1)ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、例示化合物(A−5)1.0g、分散媒体として、トルエン15.0gを投入した後に、フリッチュ社製遊星ボールミルP−7に容器をセットし、25℃で、回転数300rpmで2時間機械分散を続け、例示化合物(A−5)が粉砕された非球状ポリマー粒子の分散液を得た。このポリマー粒子の球換算平均粒子径は0.85μm、分散度はD=3.6であった。扁平率は表中に示した。
(2)上記非球状ポリマー分散液に、無機固体電解質LLT(豊島製作所製)9.0g、LiTFSI(Aldrich社製)0.2gを投入した。その後に、フリッチュ社製遊星ボールミルP−7に容器をセットし、25℃で、回転数300rpmで2時間混合を続け、固体電解質組成物S−1を得た。他の例示固体電解質組成物も同様の方法で調製した(下表1参照)。なお、S−2、S−3など、粒径の異なる粒子は上記のボールミルによる処理条件を変更して調製した。
なお、(1)の処理で形成された非球状ポリマーは十分微細化されている。また、(2)であらたに投入されたLLTの方が粒径が大きく、さらに量も多いことから、(2)の処理ではLLTの粉砕が優先的に起こるものと解される。したがって(2)のミリングではほとんど非球状ポリマーの粒子形状は変化しておらず、製品中のポリマー粒子径は(1)のポリマー単体での粒子径をほぼそのまま反映する。
Figure 2015167126
<表1の注>
(1)SBR:スチレンブタジエンゴム
日本ゼオン社製 Nipol NS116R(商品名)
(2)PTFE:ポリテトラフルオロエチレン
常法により合成したPTFE樹脂を上記実施例と同様の条件でボールミルにより機械分散した。
(3)AB−St:アクリル酸ブチル−スチレン共重合体
WO2011/105574号公報の段落[0090]の記載に準じて合成した。乳化重合法による。
(4)AB−MA−St:アクリル酸ブチル−メタクリル酸−スチレン共重合体
特開2013−008611号公報の段落[0087]の記載に準じて合成した。乳化重合法による。
(5)LLT:LiLaTiO〔x=0.3〜0.7、y=0.3〜0.7〕
(6)LLZ:LiLaZr12
(7)LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
(8)扁平率f1:MaxL/MinL 図2参照
(9)扁平率f2:フェレ系/ヘイウッド径 図2参照
(10)ばらつきD:(d90−d10)/d50
(11)Li−P−S: 上記で合成したLi−P−S系ガラス
(固体電解質シートの作製例)
上記で調製した固体電解質組成物を厚み20μmのアルミ箔上に、クリアランスが調節可能なアプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、さらに110℃で1時間加熱し、塗布溶媒を乾燥させた。その後、厚み20μmの銅箔を合わせ、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱および加圧し、固体電解質シートを得た。電解質層の膜厚は30μmであった。他の固体電解質シートも同様の方法で調製した。
二次電池正極用組成物の調製
プラネタリーミキサー(TKハイビスミックス、PRIMIX社製)に、コバルト酸リチウム100質量部、アセチレンブラック5質量部、上記で得られた固体電解質組成物S−1 75質量部、N−メチルピロリドン270質量部を加え、40rpmで一時間撹拌をおこなった。
二次電池負極用組成物の調製
プラネタリーミキサー(TKハイビスミックス、PRIMIX社製)に、チタン酸リチウム(商品名「エナマイトLT−106」、石原産業株式会社製)100質量部、アセチレンブラック5質量部、上記で得られた固体電解質組成物S−1 75質量部、N−メチルピロリドン270質量部を加え、40rpmで一時間撹拌をおこなった。
二次電池用正極シートの作製
上記で得られた二次電池正極用組成物を厚み20μmのアルミ箔上に、任意のクリアランスを有するアプリケーターにより塗布し、80℃1時間とさらに110℃1時間加熱し、塗布溶媒を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱および加圧し、二次電池用正極シートを得た。
二次電池用電極シートの作製
上記で得られた二次電池用正極シート上に、上記で得られた固体電解質組成物を、任意のクリアランスを有するアプリケーターにより塗布し、80℃1時間とさらに110℃1時間加熱し、乾燥させた。その後、上記で得られた二次電池負極用組成物をさらに塗布し、80℃1時間とさらに110℃1時間加熱し、乾燥させた。負極層上に厚み20μmの銅箔を合わせ、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱および加圧し、二次電池用電極シートを得た。このとき、各組成物は同時に塗布しても良いし、塗布乾燥プレスを同時に行っても良く、逐次に行っても良い。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
<結着性の評価>
電極シートに粘着テープを貼り、一定速度で引き剥がした際に、剥離しなかった部分の面積の比率で表した。
A:100%
B:95%以上100%未満
C:80%以上95%未満
D:50%以上80%未満
E:50%未満
<イオン伝導度の測定>
上記で得られた固体電解質シートまたは二次電池電極シートを直径14.5mmの円板状に切り出し、スペーサーとワッシャーを組み込んだステンレス製の2032型コインケースに入れてコイン電池を作製した。コイン電池の外部より、電極間に圧力をかけることができるジグに挟み、各種電気化学的測定に用いた。電極間の圧力は500kgf/cmとした。
上記で得られたコイン電池を用いて、30℃の恒温槽中、交流インピーダンス法によりイオン伝導度を求めた。このとき、コイン電池の加圧には図2に示す試験体を用いた。11が上部支持板、12が下部支持板、13がコイン電池、14がコインケース、15が電極シート(固体電解質シートまたは二次電池電極シート)、Sがネジである。表3において、加圧状態とは、コイン電池を上記ジグで挟んだ状態で測定した場合であり、非加圧状態は、コイン電池を加圧せずに測定したことを表す。
Figure 2015167126
<表2の注>
LMO:LiMn マンガン酸リチウム
LTO:LiTi12 チタン酸リチウム
LCO:LiCoO コバルト酸リチウム
NMC:Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O ニッケル、マンガン、コバルト酸リチウム
表2に示す結果から明らかなように、本発明の固体電解質組成物を用いた二次電池用電極シートおよび積層した電池は結着性に優れ、かつ非加圧状態でのイオン伝導性に優れる。このことから、その好ましい実施形態においては、製造上電極シートの取扱い時に、固体電解質および電極活物質の剥離が生じず、固体界面の電気化学的接触を維持できるため、電極間を加圧する機構が不要にもなり、サイクル性が改善されうることが分かる。
特に、極性官能基を有するポリマーは無機固体電解質の表面親水基とイオン相互作用しやすく、極性官能基を持たないポリマーと比較して結着性が優れることが分かる。
一方、比較例T−1、T−2に用いたポリマーは極性官能基を有していないため結着性に劣る。比較例T−3、T−4に用いたポリマー粒子は非球状でないため、同様に結着性に劣る結果となった。また、T−1〜T−4のいずれも、非加圧下でのイオン伝導度の低下が著しいことが分かる。
非球状ポリマーが球状ポリマーと比較して結着性に優れる理由としては、球状では無機固体電解質との接着面積が小さいのに対して、非球状では表面の扁平構造、凹凸構造などにより無機固体電解質との接着面積が大きいこと、さらにアンカリング効果などにより結着性が向上していると考えられる。
<ポリマーの平均粒径の測定>
ポリマー粒子の平均粒径の測定は、以下の手順で行った。上記にて調製したポリマー粒子を任意の溶媒(基本的には固体電解質組成物の調製に用いる分散媒体)を用いて1質量%の分散液を調製した。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(HORIBA社製)を用いて、樹脂粒子の体積平均粒径を測定した。粒子の累積分布曲線も同様にして測定し、d10、d50、d90の粒子径を読み取り、ばらつきを算出した。
<粒子の扁平率>
ポリマー粒子の扁平率は、電子顕微鏡像より画像処理により、算定した。50個の平均値を採用した。
走査型電子顕微鏡(SEM)(PHILIPS社製 XL30)を用いて1000〜3000倍にて撮影した任意の3視野の走査型電子顕微鏡(SEM)像を、BMPファイルに変換し、旭エンジニアリング株式会社製のIP−1000PCの統合アプリケーションである「A像くん」で取り込み、標本数50で粒子解析を行い、長さの最大値と最小値を読み取ることで算出した。
具体的には下記の手順とした。
まず「A像くん」でSEM画像から50個の粒子を取り込む。
50個の粒子の最大長のうち、上下5点を除く40点の平均値を、フェレ径の最大長MaxLと定義する。
50個の粒子の最小長のうち、上下5点を除く40点の平均値を、フェレ径の最小長MinLと定義する。
50個の粒子の面積のうち、上下5点を除く40点の平均値を、粒子面積Sとし、これを真円の面積の式S=π(HD/2)に従い、ヘイウッド径HDを算出する。
「最大長、最小長を用いた扁平率f1」の計算は、f1=MaxL/MinL で計算した。
「フェレ径とヘイウッド径を用いた扁平率f2」の計算は、f2=MaxL/HD で計算した。
<Tgの測定方法>
ガラス転移点は、上記の乾燥試料を用いて、示差走査熱量計(SIIテクノロジー社製、DSC7000)を用いて下記の条件で測定した。測定は同一の試料で二回実施し、二回目の測定結果を採用した。
・測定室内の雰囲気:窒素(50mL/min)
・昇温速度:5℃/min
・測定開始温度:−100℃
・測定終了温度:200℃
・試料パン:アルミニウム製パン
・測定試料の質量:5mg
・Tgの算定:DSCチャートの下降開始点と下降終了点の中間温度をTgとした
上記の試験No.1で用いたポリマーA−1に替え、A−11、A−19、A−23、A−26、A−34、A−36、A−37、A−39、A−43、A−44、A−49、A−54について上記と同様の試験を行った。その結果、いずれも加圧後で良好なイオン伝導度を維持していた。結着性については、アミド基を有するA−26〜A−54が「A」の結果であり、それ以外は「B」の結果となった。
1 負極集電体
2 負極活物質層
3 無機固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 上部支持板
12 下部支持板
13 コイン電池
14 コインケース
15 電極シート
S ネジ

Claims (17)

  1. 非球状ポリマー粒子と分散媒体と無機固体電解質とを含有する固体電解質組成物であって、
    上記の非球状ポリマー粒子が、下記の官能基群aから選ばれる官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成されている固体電解質組成物。
    官能基群aは下記置換基または連結基を示す。
    置換基:カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、
    CONR 、シアノ基、NR 、またはチオール基。
    連結基:カルボニルオキシ基、カルボニル基、NR、S、O、CONR
    OCOO、NRCOO,またはウレア基。
    は水素原子、アルキル基、またはアリール基。
  2. 上記非球状ポリマー粒子のガラス転移温度が−50℃以上50℃以下である請求項1に記載の固体電解質組成物。
  3. 上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが重量平均分子量200以上のポリアルキレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、またはポリシロキサン鎖を有する請求項1または2に記載の固体電解質組成物。
  4. 上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが架橋性基を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  5. 上記非球状ポリマー粒子をなすポリマーが下記式(1)または式(2)の繰り返し単位を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
    Figure 2015167126
    は炭素数1以上20以下のアルキレン基または炭素数6以上22以下のアリーレン基を示す。Lはへテロ原子を有する連結基を介在することがあるアルキレン基またはへテロ原子を有する連結基を介在することがあるアリーレン基を示す。XはO、CO、S、NR、およびこれらの組合せのいずれかを示す。Rは水素原子、アルキル基、またはアリール基を表す。
  6. 分散媒体の常圧での沸点が80℃以上220℃以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  7. 分散媒体の水への溶解性が20℃において5質量%以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  8. 上記非球状ポリマー粒子の扁平率が1.1以上である請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  9. 上記非球状ポリマー粒子の粒子ばらつきDが2以上である請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  10. 上記非球状ポリマー粒子の含有量が、無機固体電解質100質量部に対して0.1〜10質量部である請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  11. さらに周期律表第一族または第二族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含む請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  12. 前記無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である請求項1〜11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
  13. 下記非球状のポリマー粒子と分散媒体とを混合して機械分散して非球状ポリマー粒子のスラリー液を形成する第一の工程と、上記によって得られたポリマー粒子のスラリー液を、無機固体電解質の存在下で再度機械分散する第二の工程とを経て行う固体電解質組成物の製造方法。
    非球状ポリマー粒子:下記の官能基群aから選ばれる官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成される。
    官能基群aは下記置換基または連結基を示す。
    置換基:カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシ基、
    CONR 、シアノ基、NR 、またはチオール基。
    連結基:カルボニルオキシ基、カルボニル基、NR、S、O、CONR
    OCOO、NRCOO,またはウレア基。
    は水素原子、アルキル基、またはアリール基。
  14. 上記第一の工程および/または第二の工程における機械分散がボールミル分散法による請求項13に記載の固体電解質組成物の製造方法。
  15. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を含んでなる電池用電極シート。
  16. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を集電体上に塗布し、非球状ポリマー粒子のガラス転移温度以上の温度で加熱する第三の工程を含む電池用電極シートの製造方法。
  17. 請求項15に記載の電池用電極シートを具備してなる全固体二次電池。
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