JP2016105398A - 二次電池用セパレータ(separator)及び二次電池 - Google Patents

二次電池用セパレータ(separator)及び二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】高い耐熱性及び強い接着力し、かつ、サイクル特性を向上するバインダを用いた、新規かつ改良された二次電池用セパレータ及びこれを用いた二次電池を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、基材と、少なくとも前記基材の表面に形成されたコーティング層と、を備える二次電池用セパレータにおいて、前記コーティング層が、カルボキシル基含有アクリルモノマーと、アクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとするアクリル樹脂を含む二次電池用バインダを含み、前記カルボキシル基含有アクリルモノマーと前記アクリル酸誘導体モノマーとの配合比が、モル比で20/80〜80/20であることを特徴とする、二次電池用セパレータが提供される。この観点による二次電池用バインダは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上することができる。【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池用セパレータ及び二次電池に関する。
最近、各種電子機器の小型化と軽量化が進むにつれ、これらの電子機器の電源用として使用する二次電池は高容量化、小型化、軽量化などが要求されている。その中でもリチウムイオン(lithium ion)二次電池は、高い電圧、長い寿命、高いエネルギー(energy)密度などの長所がある。このため、リチウムイオン二次電池に関する活発な研究が行われると共に生産・販売されている。
これらのリチウム二次電池の特性は、使用されている電極、電解液、他の電池材料等の特性によって大きく左右される。特に、リチウムイオン二次電池のセパレータは、リチウムイオン二次電池のサイクル特性に影響を与える。具体的には、無機粒子及びバインダ(binder)を含むスラリー(slurry)を多孔質基材に塗工することでセパレータが作製される場合がある。このようなセパレータは、多孔質基材上に無機粒子及びバインダからなるコーティング(coating)層が形成されるので、コーティングセパレータ(coating separator)とも称される。バインダは、無機粒子を多孔質ポリエチレン(polyethylene)膜に結着させるものである。そして、このようなセパレータを用いてリチウムイオン二次電池を作製した場合、リチウムイオン二次電池のサイクル(cycle)特性は、多孔質ポリエチレン(PE)とセラミック(ceramic)粒子(無機粒子の一種)との間、更にセラミック粒子とセラミック粒子との間に結着力を有するバインダの特性に左右される。
特に、高耐熱性のセラミック粒子をコーティング膜に用いると、高電圧且つ高容量の電池を作成できる。ただし、高耐熱性セラミック粒子がその特性を十分に発揮するためには、リチウムイオン二次電池の充放電の際に、バインダがセラミックコーティング層の構造を安定的に維持する必要がある。すなわち、高耐熱性セラミック粒子をセパレータ内に安定して保持する必要がある。さらに、バインダは、セパレータと各電極とを強固に結着する必要がある。したがって、優れた耐熱性及び接着力を有するバインダが求められている状況である。
現在、コーティングセパレータ用のバインダに関する研究例は多くなく、現状では、電極用のバインダをコーティングセパレータ用のバインダに流用することが多い。具体的には、代表的な電極用バインダであるポリビニリデンフルオライド(PVDF)系高分子を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の有機溶媒に混合したバインダ組成物(以下、「PVDF系バインダ」と記載する。)をコーティングセパレータ用のバインダに流用することが多い。
特表2010−520095号公報
ただし、PVDF系バインダは、十分な接着力を維持するためにセパレータへの導入量が多いという問題や、リチウムイオン二次電池の充放電の際における電解液の含浸及びリチウムイオンの物質移動によるコーティング層の安定した構造の持続が困難であるという問題があった。これらの解決手法として、例えば、多孔質PEと接着力が強い化学構造を含む異なる2相構造のバインダとシランカップリング(silane coupling)剤とを利用して無機酸化物(無機粒子の一種)との接着力を向上させたリチウムイオン二次電池や、PVDF系高分子と親水性ポリマー(polymer)(不飽和カルボン(carboxylic)酸)とを重合させたIPN(interpenetrating polymer network)型樹脂を含むバインダ等が知られている。
また、これら以外にも、多孔性基材の表面に無機粒子、及び、バインダ高分子の混合物で形成された多孔性コーティング層を有するセパレータ、及び、前記セパレータを用いたリチウム二次電池が知られている(例えば、特許文献1を参照)。この特許文献1には、バインダ高分子としてブチルアクリレート(butyl acrylate)やアクリロニトリル(acrylonitrile)とアクリル(acrylic)酸の共重合体を用い、無機粒子としてBaTiOやAlを用いることが記載されている。
しかし、これらのバインダは、多孔質PEまたは無機粒子のいずれか一方のみに対する接着力は満足するが、多孔質PEと無機粒子の両方に対して十分な接着力を有するものではない。従って、このようなバインダを用いたコーティングセパレータを用いたリチウムイオン二次電池の充放電を繰り返すと、コーティング層の構造に変化が起き、セルの容量低下が余儀なくされる、という問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上するバインダを用いた、新規かつ改良された二次電池用セパレータ及びこれを用いた二次電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、基材と、少なくとも前記基材の表面に形成されたコーティング層と、を備える二次電池用セパレータにおいて、前記コーティング層が、カルボキシル(carboxyl)基含有アクリルモノマー(acryl monomer)と、アクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとするアクリル樹脂を含む二次電池用バインダを含み、前記カルボキシル基含有アクリルモノマーと前記アクリル酸誘導体モノマーとの配合比が、モル比で20/80〜80/20であることを特徴とする、二次電池用セパレータが提供される。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル寿命を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
ここで、前記カルボキシル基含有アクリルモノマーが、アクリル酸、メタクリル(methacrylic)酸、マレイン(maleic)酸、モノメチルマレイン(monomethyl maleic)酸、2−カルボキシエチルアクリレート(2−carboxyethyl acrylate)、及び2−カルボキシエチルメタクリレート(2−carboxyethyl methacrylate)からなる群のうち、いずれか1種以上であってもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記アクリル酸誘導体モノマーが、ニトリル(nitrile)基含有アクリルモノマー、アクリル酸エステル(ester)およびアクリルアミド(acrylamide)からなる群より選ばれる少なくともいずれか一種であってもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記ニトリル基含有アクリルモノマーが、アクリロニトリル(acrylonitrile)、メタクリロニトリル(methacrylonitrile)、2−シアノエチルアクリレート(2−cyanoethyl acrylate)、及び2−シアノエチルメタアクリレート(2−cyanoethyl methacrylate)からなる群のうち、いずれか1種以上であってもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記カルボキシル基含有アクリルモノマーの少なくとも一部が、アルカリ(alkali)金属塩またはアンモニウム(ammonium)塩であることが好ましい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記コーティング層が、前記二次電池用バインダとして、非水溶性の樹脂をさらに含んでいてもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記非水溶性の樹脂が、ポリフッ化ビニリデンと非水溶性のアクリル樹脂のいずれか一方または両方を含んでいてもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記コーティング層が、前記二次電池用バインダとして、ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol)をさらに含んでいてもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、高い耐熱性及び強い接着力を有し、かつ、サイクル特性を向上する二次電池用バインダを用いて作製されている。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
また、前記コーティング層が、無機粒子をさらに含んでいてもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、無機粒子を含む。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性をさらに向上させることができる。
また、前記無機粒子が、アルミナ(alumina)とベーマイト(boehmite)のいずれか一方または両方であってもよい。
この観点による二次電池用セパレータは、無機粒子を含む。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性をさらに向上させることができる。
本発明の他の観点によれば、上記のセパレータを備えることを特徴とする、二次電池が提供される。
この観点による二次電池は、サイクル特性が向上する。
以上説明したように本発明による二次電池用セパレータは、コーティング層のバインダとして、特定配合比のカルボキシル基含有アクリルモノマーとアクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとするアクリル樹脂を含んでいるので、バインダが高い耐熱性及び強い接着力を有する。さらに、このバインダは、上記の組成を有するので、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。したがって、このセパレータを用いて二次電池を作製することで、二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を示す側断面図である。 本発明の実施例の熱収縮評価で用いたサンプルを示す模式図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本発明では、基材の表面にコーティング層を有する二次電池用セパレータにおいて、コーティング層形成のためのバインダとして、特定配合比のカルボキシル基含有アクリルモノマーとアクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとするアクリル系樹脂を含むバインダ組成物を用いることによって、セパレータの耐熱性及び基材とコーティング層との間の密着性が向上する。また、本発明では、上記アクリル樹脂をバインダとして用いコーティング層を形成することによって、セパレータと電極層との間の密着強度が向上する。これにより二次電池の安全性とサイクル寿命が向上する。以下、本発明の好適な実施の形態に係るリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
(リチウムイオン二次電池の構成)
まず、図1に基づいて、第1の実施形態に係るリチウムイオン二次電池10の構成について説明する。
リチウムイオン二次電池10は、正極20と、負極30と、セパレータ40と、非水電解液とを備える。リチウムイオン二次電池10の充電到達電圧(酸化還元電位)は、例えば4.3V(vs.Li/Li)以上5.0V以下、特に4.5V以上5.0V以下となる。リチウムイオン二次電池10の形態は、特に限定されない。即ち、リチウムイオン二次電池10は、円筒形、角形、ラミネート(laminate)形、ボタン(button)形等のいずれであってもよい。
(正極20)
正極20は、集電体21と、正極活物質層22とを備える。集電体21は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム(aluminium)、ステンレス(stainless)鋼、及びニッケルメッキ(nickel coated)鋼等で構成される。
正極活物質層22は、少なくとも正極活物質を含み、導電剤と、バインダとをさらに含んでいてもよい。正極活物質は、例えばリチウムを含む固溶体酸化物であるが、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出することができる物質であれば特に制限されない。固溶体酸化物は、例えば、LiMnCoNi(1.150≦a≦1.430、0.45≦x≦0.6、0.10≦y≦0.15、0.20≦z≦0.28)、LiMnCoNi(0.3≦x≦0.85、0.10≦y≦0.3、0.10≦z≦0.3)、LiMn1.5Ni0.5となる。
導電剤は、例えばケッチェンブラック(Ketjenblack)、アセチレンブラック(acetylene black)等のカーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等であるが、正極の導電性を高めるためのものであれば特に制限されない。
バインダは、例えばポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、エチレンプロピレンジエン(ethylene−propylene−diene)三元共重合体、スチレンブタジエンゴム(Styrene−butadiene rubber)、アクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile−butadiene rubber)、フッ素ゴム(fluororubber)、ポリ酢酸ビニル(polyvinyl acetate)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリエチレン(polyethylene)、ニトロセルロース(cellulose nitrate)等であるが、正極活物質及び導電剤を集電体21上に結着させることができるものであれば、特に制限されない。
正極活物質層22は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、正極活物質、導電剤、及びバインダを乾式混合することで正極合剤を作製する。ついで、正極合剤を適当な有機溶媒に分散させることで正極合剤スラリー(slurry)を作製し、この正極合剤スラリーを集電体21上に塗工し、乾燥、圧延することで正極活物質層が作製される。
(負極30)
負極30は、集電体31と、負極活物質層32とを含む。集電体31は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、及びニッケルメッキ鋼等で構成される。負極活物質層32は、リチウムイオン二次電池の負極活物質層として使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、負極活物質層32は、負極活物質を含み、バインダをさらに含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛活物質(人造黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛と天然黒鉛との混合物、人造黒鉛を被覆した天然黒鉛等)、ケイ素もしくはスズもしくはそれらの酸化物の微粒子と黒鉛活物質との混合物、ケイ素もしくはスズの微粒子、ケイ素もしくはスズを基本材料とした合金、及びLiTi12等の酸化チタン系化合物等が考えられる。ケイ素の酸化物は、SiO(0≦x≦2)で表される。負極活物質としては、これらの他に、例えば金属リチウム等が挙げられる。バインダは、正極活物質層22を構成するバインダと同様のものでもある。正極活物質とバインダとの質量比は特に制限されず、従来のリチウムイオン二次電池で採用される質量比が本実施形態でも適用可能である。
負極活物質層32は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、負極活物質、及びバインダを乾式混合することで負極合剤を作製する。ついで、負極合剤を適当な溶媒に分散させることで負極合剤スラリー(slurry)を作製し、この負極合剤スラリーを集電体31上に塗工し、乾燥、圧延することで負極活物質層32が作製される。
(セパレータ40)
セパレータ(separator)40は、基材40aと、コーティング層(フィラー層)40bとを含む。基材40aは、特に制限されず、リチウムイオン二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。基材40aとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜(多孔性フィルム)や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。基材40aを構成する樹脂としては、例えばポリエチレン(polyethylene),ポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate),ポリブチレンテレフタレート(polybutylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(Polyester)系樹脂、PVDF、フッ化ビニリデン(VDF)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(par fluorovinyl ether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(trifluoro propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)−ヘキサフルオロプロピレン(hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体等を挙げることができる。
コーティング層40bは、無機粒子と、バインダとを含む。本実施形態に係る無機粒子としては、例えば高い耐熱性を有する無機粒子が挙げられる。このような無機粒子の具体例としては、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、チタンの酸化物及びこれらの水酸化物が挙げられる。これらのうち、本実施形態の無機粒子としては、特に高い耐熱性を有し、かつ、水分量(含水量)が少ないアルミナとベーマイトのいずれか一方または両方が特に好ましい。このような特性を有する無機粒子をセパレータ40に含めることで、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性が改善される。無機粒子の粒径は特に制限されず、リチウムイオン二次電池10に使用される無機粒子の粒径であれば特に制限されない。
バインダは、無機粒子をコーティング層40b内、すなわちセパレータ40内に保持するものである。本実施形態のバインダは、カルボキシル基含有アクリルモノマーとアクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとし、且つ、これらの必須モノマーを20/80〜80/20のモル比で重合させたアクリル樹脂(以下、「共重合アクリル樹脂」と記載する。)を含む。このような本実施形態の共重合アクリル樹脂をコーティング層40b用のバインダとして用いることで、セパレータ40の耐熱性及び基材40aとコーティング層40bとの間の密着性が向上する。また、本実施形態では、上記共重合アクリル樹脂をバインダとして用いコーティング層40bを形成することによって、セパレータ40と電極(正極20および負極30)との間の密着強度が向上する。これによりリチウムイオン二次電池10の安全性とサイクル寿命が向上する。
セパレータ40の耐熱性及び基材40aとコーティング層40bとの間の密着性や、セパレータ40と電極(正極20および負極30)との間の密着強度をさらに大きく向上させるという観点からは、カルボキシル基含有モノマーとアクリル酸誘導体モノマーとの配合比は、モル比で、30/70〜70/30であることが好ましく、40/60〜60/40であることがさらに好ましく、40/60〜50/50であることが最も好ましい。
また、本実施形態のコーティング層40bのバインダの主成分となる上記共重合アクリル樹脂は、ブロック共重合体、ランダム共重合体、グラフト共重合体のいずれでもよい。ただし、セパレータ40の耐熱性及び基材40aとコーティング層40bとの間の密着性や、セパレータ40と電極(正極20および負極30)との間の密着強度を更に大きく向上させるためには、カルボキシル基含有アクリルモノマーが重合したポリマー主鎖に、ニトリル基含有アクリルモノマーが重合したポリマー側鎖がグラフトしたグラフト共重合体であることが好ましい。この場合、セパレータ40に含まれる水分量をさらに低減することができる。
本実施形態のカルボキシル基含有アクリルモノマーとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、モノメチルマレイン酸、2−カルボキシエチルアクリレート、2−カルボキシエチルメタクリレート等が挙げられる。これらのモノマーは、単独で、または複数種を組み合わせて用いることができる。
また、本実施形態のアクリル酸誘導体モノマーとしては、ニトリル基含有アクリルモノマー、アクリル酸エステル、アクリルアミド等が挙げられる。これらのモノマーは、単独で、または複数種を組み合わせて用いることができる。
上記ニトリル基含有アクリルモノマーとしては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、2−シアノエチルアクリレート、2−シアノエチルメタアクリレート等が挙げられる。これらのモノマーは、単独で、または複数種を組み合わせて用いることができる。
上記アクリル酸エステルとしては、例えば、イソボルニルアクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸エチル、2−エチルヘキシル(メタ)アクリル酸、ヒドロキシエチルアクリレート、1H、1H−ペンタフルオロプロピルアクリレート、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルアクリレート、アダマンチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、アクリロイソブチルPOSS、ブチルアクリレート、グリシジルメタクリレート等が挙げられる。アクリルアミドのアミノ基は、各種置換基で置換されていても良い。置換基で置換されたアクリルアミドの例としては、例えば、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等が挙げられる。これらのモノマーは、単独で、または複数種を組み合わせて用いることができる。
また、本実施形態の共重合アクリル樹脂のガラス転移温度Tgが高いほど、バインダの耐熱性が高くなるため好ましい。そのため、本実施形態では、上記カルボキシル基含有アクリルモノマー及び上記ニトリル基含有アクリルモノマーのうち、少なくとも一方のTgが0℃以上であることが好ましく、室温(25℃)以上であることがより好ましい。すなわち、共重合体全体としてのガラス転移点が高ければよい。
さらに、本実施形態の共重合アクリル樹脂が塩の状態になるとTgが高くなり、バインダの耐熱性が高まる。そのため、上記共重合アクリル樹脂の構成モノマーのTgを高くする方法に代えて、あるいは、当該方法と組み合わせて、カルボキシル基含有アクリルモノマーの少なくとも一部として、カルボン酸のアルカリ金属塩またはアンモニウム塩を用いることが好ましい。アルカリ金属としては、例えばナトリウム等が挙げられる。また、セパレータ40に含まれる水分量をより多く低減させるためには、特に、カルボキシル基含有アクリルモノマーの少なくとも一部として、カルボン酸のアンモニウム塩を使用することが好ましい。
ここで、本実施形態のセパレータ40では、バインダとして、主成分として用いる上記共重合アクリル樹脂の他に、非水溶性の樹脂をさらに含んでいてもよい。このような非水溶性の樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、非水溶性のアクリル樹脂等が挙げられる。これらの非水溶性の樹脂は、単独で、または複数種を組み合わせて用いることができる。非水溶性のアクリル樹脂としては、分子量が50000以上のものが好ましく、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリ(メタ)アクリル酸ブチル、ポリ(メタ)アクリル酸エチル、ポリ2−エチルヘキシル(メタ)アクリル酸等のポリアルキル(メタ)アクリレート化合物が挙げられる。
また、本実施形態では、バインダとして、主成分として用いる上記共重合アクリル樹脂の他に、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルアクリルアミド(PNVA)をさらに含んでいてもよい。PVA及びPNVAは、上記非水溶性の樹脂の代わりに用いてもよく、上記非水溶性の樹脂と組み合わせて用いてもよい。
以上のような非水溶性樹脂やPVAをバインダとして含むことにより、バインダの耐熱性、密着性、透気性がさらに向上する。したがって、このようなバインダを用いて作製したセパレータ40をリチウムイオン二次電池10に用いることで、リチウムイオン二次電池10の安全性やサイクル特性をさらに向上させることができる。
セパレータ40は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、無機粒子分散液及びバインダ溶液を用意する。無機粒子分散液の溶媒は、無機粒子を分散させることができるものであれば特に制限されない。無機粒子分散液の溶媒は、バインダ溶液の溶媒と同じであることが好ましい。バインダ溶液の溶媒は、バインダを溶解することができれば特に制限されない。このような溶媒としては、例えばN−メチルピロリドン(NMP)等が挙げられる。そして、無機粒子分散液及びバインダ溶液を混合することでスラリーを作製する。スラリーは、バインダ溶液の溶媒と同じものを任意に添加することで、無機粒子及びバインダの濃度を調整してもよい。また、スラリーには、他の種類のバインダ、例えばPVDF系のバインダ(PVDFを主鎖として含むバインダ)をさらに添加してもよい。そして、スラリーを基材40a上に展開(例えば塗工)し、乾燥することでコーティング層40bを作製する。基材40aはスラリーに浸漬されてもよい。これらの工程により、セパレータ40を作製する。なお、図1では、コーティング層40bは基材40aの表面にのみ形成されているが、コーティング層40bは、基材40aの細孔内にも形成されていてもよい。
非水電解液は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を含有させた組成を有する。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ブチレンカーボネート(ethylene carbonate)、クロロエチレンカーボネート(chloroethylene carbonate)、ビニレンカーボネート(vinylene carbonate)等の環状炭酸エステル(ester)類;γ−ブチロラクトン(butyrolactone)、γ−バレロラクトン(valerolactone)等の環状エステル類;ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate)、エチルメチルカーボネート(ethyl methyl carbonate)等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)、酪酸メチル(butyric acid methyl)等の鎖状エステル類;テトラヒドロフラン(Tetrahydrofuran)またはその誘導体;1,3−ジオキサン(dioxane)、1,4−ジオキサン(dioxane)、1,2−ジメトキシエタン(dimethoxyethane)、1,4−ジブトキシエタン(dibutoxyethane)、メチルジグライム(methyl diglyme)等のエーテル(ether)類;アセトニトリル(acetonitrile)、ベンゾニトリル(benzonitrile)等のニトリル(nitrile)類;ジオキソラン(Dioxolane)またはその誘導体;エチレンスルフィド(ethylene sulfide)、スルホラン(sulfolane)、スルトン(sultone)またはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
また、電解質塩としては、例えば、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF,LiPF6−x(C2n+1[但し、1<x<6,n=1or2],LiSCN,LiBr,LiI,LiSO,Li10Cl10,NaClO,NaI,NaSCN,NaBr,KClO,KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩、LiCFSO,LiN(CFSO,LiN(CSO,LiN(CFSO)(CSO),LiC(CFSO,LiC(CSO,(CHNBF,(CHNBr,(CNClO,(CNI,(CNBr,(n−CNClO,(n−CNI,(CN−maleate,(CN−benzoate,(CN−phtalate、ステアリルスルホン酸リチウム(stearyl sulfonic acid lithium)、オクチルスルホン酸リチウム(octyl sulfonic acid)、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム(dodecyl benzene sulphonic acid)等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。なお、電解質塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。本実施形態では、適当なリチウム化合物(電解質塩)を0.8〜1.5mol/L程度の濃度で含有させた非水電解液を使用することができる。
なお、非水電解液には、各種の添加剤を添加してもよい。このような添加剤としては、負極作用添加剤、正極作用添加剤、エステル系の添加剤、炭酸エステル系の添加剤、硫酸エステル系の添加剤、リン酸エステル系の添加剤、ホウ酸エステル系の添加剤、酸無水物系の添加剤、及び電解質系の添加剤等が挙げられる。これらのうちいずれか1種を非水電解液に添加しても良いし、複数種類の添加剤を非水電解液に添加してもよい。
(リチウムイオン二次電池の製造方法)
次に、リチウムイオン二次電池10の製造方法について説明する。正極20は、以下のように作製される。まず、正極活物質、導電剤、及びバインダを混合したものを、溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に分散させることでスラリーを作製する。次いで、スラリーを集電体21上に展開(例えば塗工)し、乾燥させることで、正極活物質層22を作製する。なお、塗工の方法は、特に限定されない。塗工の方法としては、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等が考えられる。以下の各塗工工程も同様の方法により行われる。次いで、プレス(press)機により正極活物質層22をプレスする。これにより、正極20が作製される。
負極30も、正極20と同様に作製される。まず、負極活物質、及びバインダを混合したものを、溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン、水)に分散させることでスラリーを作製する。次いで、スラリーを集電体31上に展開(例えば塗工)し、乾燥させることで、負極活物質層32を作製する。次いで、プレス機により負極活物質層32をプレスする。これにより、負極30が作製される。
セパレータ40は、例えば、以下の製法により作製される。すなわち、まず、無機粒子分散液及びバインダ溶液を用意する。そして、無機粒子分散液及びバインダ溶液を混合することでスラリーを作製する。スラリーは、バインダ溶液の溶媒と同じものを任意に添加することで、無機粒子及びバインダの濃度を調整してもよい。そして、スラリーを基材40a上に展開(例えば塗工)し、乾燥することでコーティング層40bを作製する。基材40aはスラリーに浸漬されてもよい。これらの工程により、セパレータ40を作製する。
次いで、セパレータ40を正極20及び負極30で挟むことで、電極構造体を作製する。次いで、電極構造体を所望の形態(例えば、円筒形、角形、ラミネート形、ボタン形等)に加工し、当該形態の容器に挿入する。次いで、当該容器内に上記組成の電解液を注入することで、セパレータ内の各気孔に電解液を含浸させる。これにより、リチウムイオン二次電池が作製される。
<1.バインダ合成>
次に、本実施形態の実施例について説明する。まず、バインダの合成例について説明する。なお、以下で記載するポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)等と他のモノマーの配合比は、特に断らない限りモル比を表すものとする。
(合成例1:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)=50/50の合成例)
撹拌子、温度計、冷却管を装着した500mlの4つ口セパラブルフラスコ内に、蒸留水363g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(62.4g,アクリル酸に対して0.9当量)を加えた後、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。ついで、4つ口セパラブルフラスコ内に、アクリル酸(25g,0.347mol)、アクリロニトリル(25g,0.471mol)、過硫酸アンモニウム(0.29g,0.00126mol,0.0015当量)を加え600rpmで撹拌した。反応液の温度が65℃〜70℃の間で安定するように加熱を制御しつつ、4時間、更に温度を80℃に昇温し、4時間反応させた。
室温に冷却後、20質量%水酸化ナトリウム水溶液を用いて反応液のpHを7〜8に調整した。反応液を2ml程度取り、不揮発分(NV)を測定したところ11.4質量%(理論値12質量%)であった。
(合成例2:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)=40/60の合成例)
蒸留水456g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(52.7g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(20g,0.278mol)、アクリロニトリル(30g,0.565mol)、過硫酸アンモニウム(0.29g,0.00126mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.3質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例3:ポリメタクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)=50/50の合成例)
蒸留水362g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(55.2g,メタクリル酸に対して0.95当量)メタクリル酸(25g,0.290mol)、アクリロニトリル(25g,0.471mol)、過硫酸アンモニウム(0.348g,0.00168mol,0.002当量)を用いた以外は、全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ12.0質量%(理論値12質量%)であった。
(合成例4:ポリメタクリル酸ナトリウム(PMAANa)/ポリメタクリロニトリル(PMAN)=50/50の合成例)
蒸留水362g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(55.2g,メタクリル酸に対して0.95当量)メタクリル酸(25g,0.290mol)、メタクリロニトリル(25g,0.373mol)、過硫酸アンモニウム(0.30g,0.00133mol,0.002当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ12.0質量%(理論値12質量%)であった。
(合成例5:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリイソボルニルアクリレート(PIsobor)=50/50の合成例)
蒸留水205g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(39.5g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(15g,0.208mol)、イソボルニルアクリレート(15g,0.072mol)、過硫酸アンモニウム(0.096g,0.00042mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ12.4質量%(理論値12.5質量%)であった。
(合成例6:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリ2,2,2−トリフルオロエチル(Trifluoroethyl)アクリレート=50/50の合成例)
蒸留水205g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(39.5g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(15g,0.208mol)、2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート(15g,0.089mol)、過硫酸アンモニウム(0.102g,0.00045mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ12.4質量%(理論値12.5質量%)であった。
(合成例7:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリルアミド(PAAm)=30/70の合成例)
蒸留水235g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(11.9g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(4.5g,0.062mol)、アクリルアミド(10.5g,0.148mol)、過硫酸アンモニウム(0.048g,0.00021mol,0.001当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ6.0質量%(理論値6.0質量%)であった。
(合成例8:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリルアミド(PAAm)=50/50の合成例)
蒸留水235g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(19.8g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(7.5g,0.104mol)、アクリルアミド(7.5g,0.106mol)、過硫酸アンモニウム(0.048g,0.00021mol,0.001当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ6.0質量%(理論値6.0質量%)であった。
(合成例9:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリルアミド(PAAm)=70/30の合成例)
蒸留水235g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(27.7g,アクリル酸に対して0.95当量)アクリル酸(10.5g,0.146mol)、アクリルアミド(4.5g,0.063mol)、過硫酸アンモニウム(0.048g,0.00021mol,0.001当量)を用いた以外は全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ6.0質量%(理論値6.0質量%)であった。
(合成例10:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアダマンチルアクリレート(PADМ)=62.5/37.5の合成例)
撹拌子、温度計、冷却管を装着した300mlの4つ口セパラブルフラスコ内に、蒸留水89g、分散剤としてポリビニルアルコール(0.92g,クラレ社製RS2217)、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(8.0g,アクリル酸に対して0.9当量)を加え、全てが溶解するまで撹拌した後、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。ついで、4つ口セパラブルフラスコ内に、アクリル酸(3.2g,0.044mol)、アダマンチルアクリレート(4.8g,0.027mol)、過硫酸アンモニウム(0.023g,0.00011mol,0.0015当量)を加え600rpmで撹拌した。反応液の温度が65℃〜70℃の間で安定するように加熱を制御しつつ、4時間、更に温度を80℃に昇温し、4時間反応させた。
室温に冷却後、25質量%アンモニア水溶液を用いて反応液のpHを7〜8に調整した。反応液を2ml程度取り、不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例11:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアダマンチルアクリレート(PADМ)=70/30の合成例)
蒸留水93g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(9.7g,アクリル酸に対して0.9当量)アクリル酸(3.89g,0.054mol)、アダマンチルアクリレート(4.34g,0.024mol)、過硫酸アンモニウム(0.027g,0.00012mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例10と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.9質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例12:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアダマンチルアクリレート(PADМ)=80/20の合成例)
蒸留水86g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(11.2g,アクリル酸に対して0.9当量)アクリル酸(4.48g,0.062mol)、アダマンチルアクリレート(2.80g,0.016mol)、過硫酸アンモニウム(0.027g,0.00012mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例10と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.9質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例13:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリt−ブチルアクリレート(P−t−BuA)=70/30の合成例)
撹拌子、温度計、冷却管を装備した300mlの4つ口セパラブルフラスコ内に、蒸留水81g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(9.7g、アクリル酸に対して0.9当量)、アクリル酸(3.8g,0.054mol)を加え、全てが均一に溶解するまで撹拌した後、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。ついで、4つ口セパラブルフラスコ内にt−ブチルアクリレート(3.08g,0.024mol)、過硫酸アンモニウム(0.027g,0.00012mol,0.0015当量)を加え600rpmで撹拌した。反応液の温度を65℃〜70℃の間で安定するように加熱を制御しつつ、4時間、更に温度を80℃に昇温し、4時間反応させた。室温に冷却後、25質量%アンモニア水溶液を用いて反応液のpHを7〜8反応液調整した。反応液を2ml程度取り、不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例14:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリt−ブチルアクリレート(P−t−BuA)=80/20の合成例)
蒸留水79g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(11.2g、アクリル酸に対して0.9当量)、アクリル酸(4.48g,0.062mol)、t−ブチルアクリレート(2.05g,0.016mol)、過硫酸アンモニウム(0.027g,0.00012mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例13と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例15:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=20/60/20の合成例)
蒸留水145g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(9.0g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(3.0g,0.042mol)、過硫酸アンモニウム(0.077g,0.00034mol,0.0015当量)、t−ブチルアクリレートの代わりにアクリロニトリル(9.0g,0.170mol)、及び2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(3.0g,0.014mol)を用いた以外は全て合成例13と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例16:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=30/60/10の合成例)
蒸留水147g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(11.1g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(4.5g,0.062mol)、アクリロニトリル(9.0g,0.170mol)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(1.5g,0.007mol)、過硫酸アンモニウム(0.082g,0.00036mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.9質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例17:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=35/60/5の合成例)
蒸留水148g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(12.2g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(5.25g,0.073mol)、アクリロニトリル(9.0g,0.170mol)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(0.75g,0.004mol)、過硫酸アンモニウム(0.084g,0.00037mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例18:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=25/55/20の合成例)
蒸留水147g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(10.6g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(3.75g,0.052mol)、アクリロニトリル(8.25g,0.155mol)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(3.0g,0.014mol)、過硫酸アンモニウム(0.076g,0.00033mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.8質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例19:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=35/55/10の合成例)
蒸留水149g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(12.8g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(5.25g,0.073mol)、アクリロニトリル(8.25g,0.155mol)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(1.5g,0.007mol)、過硫酸アンモニウム(0.081g,0.00035mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例20:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリ−2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(PAMPS)=40/55/5の合成例)
蒸留水150g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(13.9g、アクリル酸と2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸の総量に対して0.8当量)、アクリル酸(6.0g,0.083mol)、アクリロニトリル(8.25g,0.155mol)、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(0.75g,0.004mol)、過硫酸アンモニウム(0.083g,0.00036mol,0.0015当量)を用いた以外は全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例21:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリマレイン酸2ナトリウム(PMalNa)=38/57/5の合成例)
蒸留水143g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(14.2g,アクリル酸とマレイン酸の2倍の合計mol量に対して0.8当量)アクリル酸(5.40g,0.075mol)、アクリロニトリル(8.10g,0.153mol)、マレイン酸(0.69g,0.007mol)、過硫酸アンモニウム(0.08g,0.00035mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例13と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.8質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例22:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリアクリロイソブチルPOSS(P−i‐BuPOSS)=40/45/15の合成例)
蒸留水149g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(13.3g,アクリル酸に対して0.8当量)アクリル酸(6.00g,0.083mol)、アクリロニトリル(6.75g,0.127mol)、アクリロイソブチルPOSS(2.25g,0.0024mol)、過硫酸アンモニウム(0.073g,0.00032mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例23:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリアクリロイソブチルPOSS(P−i‐BuPOSS)=40/50/10の合成例)
蒸留水149g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(13.3g,アクリル酸に対して0.8当量)アクリル酸(6.00g,0.083mol)、アクリロニトリル(7.50g,0.141mol)、アクリロイソブチルPOSS(1.50g,0.0016mol)、過硫酸アンモニウム(0.077g,0.00034mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例24:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)/ポリアクリロイソブチルPOSS(P−i‐BuPOSS)=40/55/5の合成例)
蒸留水150g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(13.3g,アクリル酸に対して0.8当量)アクリル酸(6.00g,0.083mol)、アクリロニトリル(8.25g,0.155mol)、アクリロイソブチルPOSS(0.75g,0.0008mol)、過硫酸アンモニウム(0.082g,0.00036mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.9質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例25:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリアクリロニトリル(PAN)=80/20の合成例)
蒸留水167g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(30.0g,アクリル酸に対して0.9当量)アクリル酸(12.0g,0.167mol)、アクリロニトリル(3.0g,0.057mol)、過硫酸アンモニウム(0.076g,0.00033mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ9.0質量%(理論値10質量%)であった。
(合成例26:ポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)/ポリブチルアクリレート(P−n−Bu)/ポリグリシジルメタクリレート(PGryci)=11/86/3の合成例)
蒸留水181g、20質量%水酸化ナトリウム水溶液(5.2g,アクリル酸に対して0.9当量)アクリル酸(2.10g,0.029mol)、ブチルアクリレート(16.8g,0.131mol)、グリシジルメタクリレート(0.6g,0.004mol)、過硫酸アンモニウム(0.056g,0.00036mol,0.0015当量)を用いた以外は、全て合成例15と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ8.9質量%(理論値10質量%)であった。
<2.コーティングセパレータ作製>
(比較例1)
ベーマイトC20(大明化学工業社製)61.4g、ベーマイトACTILOX−200SM(ナバルテック社製)6.8gに蒸留水164g、バインダとして10質量%ポリアクリル酸ナトリウム水溶液(アルドリッチ社製,68.3g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を加え、スラリー状になるまで撹拌し、その後ビーズミル(社製、ジルコニアビーズ,0.5φ,充填率60体積%,2000rpm,4回パス)にて分散させ、ベーマイト/バインダ混合溶液を作製した。
ついで、乾燥後の塗工量(ローディング量)が3.0g/mになるように調製したグラビアコータを用いて、市販の厚さ12μmのポリエチレン微多孔膜(T12−507<SKイノベーション社製>)に、上記のベーマイト/バインダ混合溶液を塗布乾燥することで、比較例1のコーティングセパレータを得た。更に60℃で12時間、真空乾燥(133Pa)を行い、水分除去したものを電池作製に用いた。
(比較例2)
蒸留水175g、バインダとして、25質量%のPVDF水分散液(Solvay社製 Solef90000)27.2g(NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、比較例2のコーティングセパレータを得た。
(実施例1)
蒸留水171g、合成例1で作製したバインダ(59.9g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例1のコーティングセパレータを得た。
(実施例2)
蒸留水158g、合成例2で作製したバインダ(73.4g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例2のコーティングセパレータを得た。
(実施例3)
蒸留水175g、合成例3で作製したバインダ(73.4g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例3のコーティングセパレータを得た。
(実施例4)
蒸留水175g、合成例4で作製したバインダ(56.9g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例4のコーティングセパレータを得た。
(実施例5)
蒸留水177g、合成例5で作製したバインダ(55.0g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例5のコーティングセパレータを得た。
(実施例6)
蒸留水177g、合成例6で作製したバインダ(55.0g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例6のコーティングセパレータを得た。
(実施例7)
蒸留水118g、合成例7で作製したバインダ(113.8g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例7のコーティングセパレータを得た。
(実施例8)
蒸留水118g、合成例8で作製したバインダ(113.8g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例8のコーティングセパレータを得た。
(実施例9)
蒸留水118g、合成例9で作製したバインダ(113.8g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例9のコーティングセパレータを得た。
(実施例10)
蒸留水188g、合成例1で作製したバインダ(29.9g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)と、25質量%のPVDF水分散液(Solvay社製 Solef90000,13.7g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例10のコーティングセパレータを得た。
(実施例11)
蒸留水188g、合成例2で作製したバインダ(36.7g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)と、25質量%のPVDF水分散液(Solvay社製 Solef90000,13.7g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例11のコーティングセパレータを得た。
(実施例12)
蒸留水182g、合成例1で作製したバインダ(29.9g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)と、16.9質量%の非水溶性アクリル水分散液(日立化成社製 SSE2G,20.2g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例12のコーティングセパレータを得た。
(実施例13)
蒸留水174g、合成例2で作製したバインダ(36.7g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)と、16.9質量%の非水溶性アクリル水分散液(日立化成社製 SSE2G,20.2g,NV換算3.4g,ベーマイト全重量に対して5質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例13のコーティングセパレータを得た。
(実施例14)
蒸留水157g、合成例10で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例14のコーティングセパレータを得た。
(実施例15)
蒸留水156g、合成例11で作製したバインダ(76.4g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例15のコーティングセパレータを得た。
(実施例16)
蒸留水156g、合成例12で作製したバインダ(76.4g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例16のコーティングセパレータを得た。
(実施例17)
蒸留水157g、合成例13で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例17のコーティングセパレータを得た。
(実施例18)
蒸留水157g、合成例14で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例18のコーティングセパレータを得た。
(実施例19)
蒸留水157g、合成例15で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例19のコーティングセパレータを得た。
(実施例20)
蒸留水156g、合成例16で作製したバインダ(76.4g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例20のコーティングセパレータを得た。
(実施例21)
蒸留水157g、合成例17で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例21のコーティングセパレータを得た。
(実施例22)
蒸留水155g、合成例18で作製したバインダ(77.3g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例22のコーティングセパレータを得た。
(実施例23)
蒸留水157g、合成例19で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例23のコーティングセパレータを得た。
(実施例24)
蒸留水157g、合成例20で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例24のコーティングセパレータを得た。
(実施例25)
蒸留水155g、合成例21で作製したバインダ(77.3g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例25のコーティングセパレータを得た。
(実施例26)
蒸留水157g、合成例22で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例26のコーティングセパレータを得た。
(実施例27)
蒸留水157g、合成例23で作製したバインダ(75.6,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例27のコーティングセパレータを得た。
(実施例28)
蒸留水156g、合成例24で作製したバインダ(76.4,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例28のコーティングセパレータを得た。
(実施例29)
蒸留水157g、合成例25で作製したバインダ(75.6g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、実施例29のコーティングセパレータを得た。
(比較例3)
蒸留水159g、合成例26で作製したバインダ(73.1g,NV換算6.8g,ベーマイト全重量に対して10質量%)を用いた以外は全て比較例1と同様に行い、比較例3のコーティングセパレータを得た。
<3.コーティング層の密着性評価>
ステンレス板上に固定したコーティングセパレータに、幅1.5cmの粘着テープ(ニチバン社製セロテープ(登録商標) No.405)を張り付けた。そして、剥離試験機(島津製作所社製SHIMAZU EZ−S)を用いて、180°引き剥がしにおけるピール強度を測定した。密着性評価結果を表1にまとめて示す。
<4.熱収縮評価>
図2に示すように、コーティングセパレータをTD*MD=60mm*80mmとなるように切り出し、TD/MD方向にノギスを用いて50mmの間隔で印を入れた。セパレータを二つ折りにしたアルミ箔の間にはさみ、130℃の恒温槽中に60分静置した。セパレータを取り出した後、TD/MDそれぞれの印の間隔をノギスで読み取り、次式にしたがって熱収縮率を算出した。熱収縮評価結果をまとめて表1に示す。なお、次式において、加熱後の間隔はTD方向の間隔を使用した。
収縮率(%)=((50−加熱後の間隔)/50)*100)
<4−1.透気度の評価>
東洋精機社製ガーレー式デンソメーター(内筒重量(圧力)567g、透過面穴径28.6mm(6.45平方センチメートル)にて空気100ccの透過する時間を測定することで、透気度を評価した。透過時間が短いほど透気度が高い。
Figure 2016105398
表1によれば、合成例1〜25のバインダ、並びに、合成例1及び2に非水溶性の樹脂を加えたバインダは、耐熱性及び接着力に優れていることがわかる。さらに、これらのバインダは、透気度も低いことがわかる。
<5.二次電池作製>
(実施例30)
(負極合剤スラリーの作製)
人造黒鉛96質量%、アセチレンブラック2質量%、スチレンブタジエン共重合体(SBR)バインダ1質量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%を混合し、混合物に粘度調整のために水を加えることで、負極合剤スラリーを作製した。なお、負極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して48質量%であった。
(負極の作製)
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が9.55mg/cmになるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより負極合剤スラリーを銅箔(集電体、厚さ10μm)へ均一に塗工した。次いで、負極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の負極合剤をロールプレス機により合剤密度が1.65g/cm3となるようにプレスした。ついで、負極合剤を150℃で6時間真空乾燥することで、負極集電体と負極活物質層とからなるシート状の負極を作製した。
(正極合剤スラリーの作製)
固溶体酸化物Li1.20Mn0.55Co0.10Ni0.15 96質量%、ケッチェンブラック2質量%、ポリフッ化ビニリデン2質量%をN−メチル−2−ピロリドンに分散させることで、正極合剤スラリーを形成した。なお、正極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して50質量%であった。
(正極の作製)
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が22.7mg/cmになるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより正極合剤スラリーを集電体であるアルミニウム集電箔上に塗工した。ついで、正極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の正極合剤をロールプレス機により合剤密度が3.9g/cm3となるようにプレスした。ついで、正極合剤を80℃で6時間真空乾燥することで、正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を作製した。
(リチウムイオン二次電池の作製)
負極作製例で示した負極を直径1.55cmの円形に、正極作製例で示した正極を直径1.3cmの円形に各々切断した。ついで、実施例1で作製したコーティングセパレータを直径1.8cmの円形に切断した。直径2.0cmのステンレス製コイン外装容器内で、直径1.3cmの円形に切断した正極、直径1.8cmの円形に切断した実施例1のコーティングセパレータ、直径1.55cmの円形に切断した負極、さらにスペーサーとして直径1.5cmの円形に切断した厚さ200μmの銅箔をこの順番に重ね合わせた。ついで、容器に電解液(1.4MのLiPF エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/フルオロエチレンカーボネート=10/70/20混合溶液(体積比))を150μL加えた。ついで、ポリプロピレン製のパッキンを介して、ステンレス製のキャップを容器に被せ、コイン電池作製用のかしめ器で容器を密封した。これにより、実施例30に係るリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。
(実施例31〜58、比較例4〜6)
表2に示したセパレータを使用した以外は全て実施例30と同様の処理を行うことで、実施例31〜58、及び比較例4〜6に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
<6.サイクル寿命の評価>
各実施例及び比較例に係るリチウムイオン二次電池を25℃で0.2Cで1回充放電した。その後、1.0Cでリチウムイオン二次電池を充放電する充放電サイクルを100回繰り返した。100サイクル時(1.0C充放電サイクルの100回目)の放電容量を1サイクル時(1.0C充放電サイクルの1回目)の放電容量で除することで、放電容量維持率(百分率)を算出した。容量維持率が大きいほどサイクル寿命が良いことを示す。評価結果をまとめて表2に示す。
Figure 2016105398
表2によれば、本実施例に係るリチウムイオン二次電池のサイクル特性が向上していることがわかる。また、バインダとして非水溶性の樹脂を加えた場合に、サイクル特性が特に向上することがわかる。なお、比較例1のセパレータは、ピール強度及び収縮率が良好であったが、比較例1のセパレータを使用した二次電池は、サイクル特性が低くなった。この理由として、比較例1の透気度が高いこと、及びセパレータに水分が残っていたことが考えられる。したがって、カルボキシル基含有アクリルモノマーのみを重合させることで得られるアクリル樹脂(例えば比較例1のポリアクリル酸ナトリウム)をバインダとして使用しても、サイクル特性を向上することができないことがわかる。すなわち、サイクル特性を向上できるバインダを合成するためには、カルボキシル基含有アクリルモノマーだけでなく、アクリル酸誘導体モノマーも必須モノマーとする必要があることがわかる。
以上により、本実施形態に係るバインダは、高い耐熱性及び強い接着力し、かつ、サイクル特性を向上することができる。したがって、本実施形態に係るバインダを用いてセパレータ40を作製し、このセパレータ40を用いてリチウムイオン二次電池10を作製することで、リチウムイオン二次電池10のサイクル特性を向上させることができる。さらに、セパレータ10の熱収縮も抑制されるので、リチウムイオン二次電池10の熱暴走を抑制することができ、ひいては、リチウムイオン二次電池10の安全性が向上する。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、リチウムイオン二次電池に本実施形態に係るバインダを使用したが、他の種類の二次電池に本実施形態に係るバインダを使用してもよい。
10 リチウムイオン二次電池
20 正極
30 負極
40 セパレータ
40a 基材
40b コーティング層

Claims (11)

  1. 基材と、少なくとも前記基材の表面に形成されたコーティング層と、を備える二次電池用セパレータにおいて、
    前記コーティング層が、カルボキシル基含有アクリルモノマーと、アクリル酸誘導体モノマーとを必須モノマーとするアクリル樹脂を含む二次電池用バインダを含み、
    前記カルボキシル基含有アクリルモノマーと前記アクリル酸誘導体モノマーとの配合比が、モル比で20/80〜80/20であることを特徴とする、二次電池用セパレータ。
  2. 前記カルボキシル基含有アクリルモノマーが、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、モノメチルマレイン酸、2−カルボキシエチルアクリレート、及び2−カルボキシエチルメタクリレートからなる群のうち、いずれか1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用セパレータ。
  3. 前記アクリル酸誘導体モノマーが、ニトリル基含有アクリルモノマー、アクリル酸エステルおよびアクリルアミドからなる群より選ばれる少なくともいずれか一種であることを特徴とする、請求項1または2に記載の二次電池用セパレータ。
  4. 前記ニトリル基含有アクリルモノマーが、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、2−シアノエチルアクリレート、及び2−シアノエチルメタアクリレートからなる群のうち、いずれか1種以上であることを特徴とする、請求項3に記載の二次電池用セパレータ。
  5. 前記カルボキシル基含有アクリルモノマーの少なくとも一部が、アルカリ金属塩またはアンモニウム塩であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の二次電池用セパレータ。
  6. 前記コーティング層が、前記二次電池用バインダとして、非水溶性の樹脂をさらに含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の二次電池用セパレータ。
  7. 前記非水溶性の樹脂が、ポリフッ化ビニリデンと非水溶性のアクリル樹脂のいずれか一方または両方を含むことを特徴とする、請求項6に記載の二次電池用セパレータ。
  8. 前記コーティング層が、前記二次電池用バインダとして、ポリビニルアルコールをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の二次電池用セパレータ。
  9. 前記コーティング層が、無機粒子をさらに含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の二次電池用セパレータ。
  10. 前記無機粒子が、アルミナとベーマイトのいずれか一方または両方であることを特徴とする、請求項9に記載の二次電池用セパレータ。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載のセパレータを備えることを特徴とする、二次電池。
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