JP2017149901A - カルボキシメチルセルロースまたはその塩の製造方法、および電極用結着剤 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)1質量%水溶液粘度(25℃)が5000mPa・s以上20000mPa・s以下であること、および、
(2)0.05質量%水溶液を−13.3kPaの減圧条件にて200メッシュのポリエステルスクリーンでろ過した後の残渣の乾燥質量が、使用したカルボキシメチルセルロースまたはその塩の乾燥質量の0.100質量%以下であること、
を満たすカルボキシメチルセルロースまたはその塩を含有する電極用結着剤である。
・工程1:セルロースとアルカリとを、水および有機溶媒を含む混合溶媒の存在下で、反応させるアルカリセルロース化工程
・工程2:工程1で得られたアルカリセルロースとエーテル化剤とを反応させるエーテル化工程
・工程3:工程2で得られた反応混合物を洗浄および乾燥する精製工程
・工程4:工程3で得られた精製物を粉砕する粉砕工程
以下、各工程について詳細に説明する。
・セルロース:
セルロースとしては、特に限定されず、例えば、粉砕パルプ、木材パルプ、コットンリンターパルプ、古紙パルプなどが挙げられる。これらの原料セルロースは、いずれか1種または2種以上を組み合わせて用いてもよい。
アルカリとしては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物が挙げられ、いずれか1種または2種以上組み合わせて用いることができる。アルカリの使用量は、一実施形態において、セルロース100gに対して0.5モル以上2.5モル以下であることが好ましく、0.8モル以上1.8モル以下であることがより好ましい。
アルカリセルロース化反応を行う際の溶媒として、水と有機溶媒を含む混合溶媒を用いる。有機溶媒100質量部に対する水の含有量は、特に限定されないが、20質量部以上60質量部以下であることが好ましい。上記範囲とすることにより、水に溶解したアルカリによるアルカリセルロース化反応の均一性を高めることができ、ピンホールなどの電極表面の欠陥をより抑制できるとともに、これを用いた電池の容量保持率や高出力時の容量がより優れたものとなる。上記水の含有量は、下限が25質量部以上であることがより好ましく、30質量部以上であることがさらに好ましい。また、上限が50質量部以下であることがより好ましい。
有機溶媒としては、例えば、エチルアルコール、メチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコールおよびイソブチルアルコールなどのアルコール溶媒、アセトン、ジエチルケトンおよびメチルエチルケトンなどのケトン溶媒、ジオキサン、ジエチルエーテルなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上の混合物として用いてもよい。これらのうち、水との相溶性が優れることから、炭素数1〜4の一価アルコールが好ましく、炭素数1〜3の一価アルコールがさらに好ましい。
水100gに対してアルカリ0.8モル以上1.5モル以下であることが好ましい。上記範囲とすることにより、アルカリセルロース化反応の均一性を高めて、ピンホールなどの電極表面の欠陥をより抑制できるとともに、これを用いた電池の容量保持率や高出力時の容量がより優れたものとなる。水100gに対するアルカリの含有量の下限は、より好ましくは0.9モル以上、さらに好ましくは1.0モル以上である。また、水100gに対するアルカリの含有量の上限は、より好ましくは1.4モル以下、さらに好ましくは1.3モル以下である。
セルロース100質量部に対して、有機溶媒を250質量部以上1000質量部以下用いることが好ましい。上記範囲とすることにより、ピンホールなどの電極表面の欠陥をより抑制できる。有機溶媒の含有量は、下限がより好ましくは350質量部以上であり、上限がより好ましくは700質量部以下である。
本実施形態では、アルカリセルロース化反応を、pH9以上および反応温度5℃以上25℃以下の条件下、反応時間60分以上120分以下で行うことを特徴とする。このように、低温条件下で比較的長時間にわたってアルカリセルロース化反応を行うことにより、セルロースの分子量の低下を抑えつつ、反応の均一性を高めて水不溶解ミクロゲルの生成を抑えることができる。そのため、最終的に得られたカルボキシメチルセルロースまたはその塩において、水溶液粘度を高く維持しつつ、ミクロゲルの生成を抑えて電極表面の欠陥を抑制することができ、よって、電池の容量保持率や高出力時の容量などの電池性能を高めながら、電極表面の欠陥抑制効果を発揮することができる。
・エーテル化剤:
上記アルカリセルロース化反応後、エーテル化剤を加えてエーテル化反応を行い、カルボキシメチル化反応を完成させる。エーテル化剤としては、モノクロロ酢酸、モノクロロ酢酸ナトリウム、モノクロロ酢酸メチル、モノクロロ酢酸エチル、モノクロロ酢酸イソプロピルなどが挙げられる。
セルロースのグルコースユニット(無水グルコース単位)1モルに対して、エーテル化剤を0.5モル以上1.5モル以下用いることが好ましい。上記範囲とすることにより、ピンホールなどの電極表面の欠陥をより抑制することができる。セルロースのグルコースユニット1モルに対するエーテル化剤の割合は、下限がより好ましくは0.6モル以上、さらに好ましくは0.7モル以上であり、上限がより好ましくは1.3モル以下、さらに好ましくは1.1モル以下である。
アルカリセルロースを含む液とエーテル化剤との混合は、反応混合物が高温になることを防止するために、複数回に分けて、または、滴下により行うことが好ましい。混合中の反応混合物の温度は、30℃以上80℃以下であることが好ましい。
精製工程は、上記工程2で得られた反応混合物を洗浄および乾燥する工程であり、一実施形態として、溶媒除去工程と、洗浄工程と、乾燥工程を含んでもよく、また、溶媒除去工程に先立って、更にpH調整工程を含んでもよい。
pH調整工程は、上記エーテル化反応終了後に酸を添加して反応混合物のpHを9以上11以下に調整する工程であり、過剰に残るアルカリの一部を酸で中和する。pH調整工程は、基本的には、エーテル化反応終了後の反応混合物のpHが上記範囲内よりも大きい場合に実施するが、上記範囲内にある場合に実施してもよい(例えば、pHが11弱の場合に9.5程度にする場合など)。なお、エーテル化反応終了後に、反応混合物を、例えば60℃以下の温度に冷却してもよい。
溶媒除去工程は、例えば、ろ過、減圧留去またはこれらの組合せなどにより、水および有機溶媒を含む混合溶媒を除去する工程である。溶媒除去後の反応混合物中における混合溶媒の含有量は、特に限定されず、例えば70質量%以下でもよく、60質量%以下でもよい。また、混練機などを用いて、混合溶媒の含有量が5質量%以下となるまで除去してもよい。
洗浄工程では、水と有機溶媒の混合溶媒を用いることができ、上記粗カルボキシメチルセルロース塩を、該混合溶媒を用いて洗浄する。混合溶媒としては、工程1と同じものを用いることができ、有機溶媒としては炭素数1〜4の一価アルコールがより好ましい。
乾燥工程は、洗浄した上記粗カルボキシメチルセルロース塩を乾燥する工程であり、乾燥方法としては、例えば、風乾、加熱乾燥、減圧乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。
粉砕工程は、上記工程3で得られた精製物を粉砕する工程である。粉砕には、乾式粉砕機を用いてもよく、湿式粉砕機を用いてもよい。なお、粉砕工程では、以下に述べる種々の粉砕機をいずれか単独で用いてもよく、あるいはまた2種以上組み合わせて2段階以上の粉砕処理を実施してもよく、更には同一機種で2段階以上の粉砕処理を実施してもよい。
本実施形態に係る電極用結着剤は、下記(1)および(2)を満たすカルボキシメチルセルロースまたはその塩を含有するものである。
(1)1質量%水溶液粘度(25℃)が5000mPa・s以上20000mPa・s以下である。
(2)0.05質量%水溶液を−13.3kPaの減圧条件にて200メッシュのポリエステルスクリーンでろ過した後の残渣の乾燥質量が、使用したカルボキシメチルセルロースまたはその塩の乾燥質量の0.100質量%以下である。
本実施形態に係る電極は、上記電極用結着剤を用いて得られたものである。一実施形態に係る非水電解質二次電池用電極は、上記結着剤と活物質を乾式混合した後、水及びバインダーを加えて混合することにより、または上記結着剤を水に溶解させた後、活物質およびバインダーを加えて混合することにより、スラリー状またはペースト状の電極用組成物を調製し、該電極用組成物を集電体に塗工することにより形成されるものである。
本実施形態に係る電池は、上記電極を有するものである。電池としては、非水電解質二次電池が挙げられる。一実施形態に係る非水電解質二次電池の構造は、特に限定されず、例えば、正極、負極、セパレータ、および非水電解質で構成することができ、正極と負極のいずれか一方または双方に上記本実施形態に係る電極が用いられる。一実施形態として、電池は、セパレータを介して正極と負極を交互に積層した積層体と、該積層体を収容する容器と、容器内に注入された電解液などの非水電解質とを備えてなるものでもよい。
各物性の測定方法は以下の方法による。
カルボキシメチルセルロースまたはその塩を精秤した。これを、105℃で4時間乾燥し、さらにデシケーター内で25℃まで冷却し、質量を測定した。乾燥前後の質量より減少率を算出し、水分量(質量%)とした。
カルボキシメチルセルロースまたはその塩0.6gを105℃で4時間乾燥した。乾燥物の質量を精秤した後、ろ紙に包んで磁製ルツボ中で灰化した。灰化物を500mlビーカーに移し、水250mlおよび0.05mol/lの硫酸水溶液35mlを加えて30分間煮沸した。冷却後、過剰の酸を0.1mol/lの水酸化カリウム水溶液で逆滴定した。なお、指示薬としてフェノールフタレインを用いた。測定結果を用いて、下記式よりエーテル化度を算出した。
式: (エーテル化度)=162×A/(10000−80A)
A=(af−bf1)/乾燥物の重量(g)
A:試料1g中の結合アルカリに消費された0.05mol/lの硫酸水溶液の量(ml)
a:0.05mol/lの硫酸水溶液の使用量(ml)
f:0.05mol/lの硫酸水溶液の力価
b:0.1mol/lの水酸化カリウム水溶液の滴定量(ml)
f1:0.1mol/lの水酸化カリウム水溶液の力価
カルボキシメチルセルロースまたはその塩(約2.2g)を共栓付き300ml三角フラスコに入れて精秤した。ここに、計算式「試料(g)×(99−水分量(質量%))」により算出される量の水を加えて12時間静置し、さらに5分間混合した。得られた溶液を用いて、JIS Z8803に準じてBM型粘度計(単一円筒型回転粘度計)を用いて25℃における粘度を測定した。その際、(a)ロータ回転数を60rpmとして測定し、(b)上記(a)での測定値が8000mPa・s以上の場合にはロータ回転数を30rpmに変更して測定し、(c)上記(b)での測定値が16000mPa・s以上の場合にはロータ回転数を12rpmに変更して測定した。
分散媒としてイソプロピルアルコールを用い、レーザー回折式粒度分布測定装置(Malvern社Mastersizer 2000)を用いて測定し、体積累計50%粒子径の値を平均粒子径(μm)とした。
カルボキシメチルセルロースまたはその塩の0.05質量%(カルボキシメチルセルロースまたはその塩の乾燥質量を基準とした質量%)水溶液1リットルを調製した。この水溶液1リットルを、200メッシュポリエステルスクリーン(目開き75μm)で、−13.3kPaの減圧条件にて濾過した。続いて、残渣を含む上記スクリーンを105℃で2時間乾燥して精秤し、予め精秤した使用前のスクリーン質量を用いて、残渣の乾燥質量を算出した。得られた残渣の乾燥質量から、使用したカルボキシメチルセルロースまたはその塩の乾燥質量に対する残渣の乾燥質量の割合(ミクロゲル量)(質量%)を算出した。
(実施例1)
溶媒(イソプロピルアルコール/水=80/20(質量比))2318g、53質量%水酸化ナトリウム水溶液589gおよびチップ状のセルロース(リンターパルプ:中国Gaomi山東シルバーホーク社製PCS2500)450gを、2軸ニーダー型反応機に投入し、20℃で90分間、アルカリセルロース化反応を行った。反応時のpHは14.47であった(ガラス電極を備えたpHメータで測定。以下同じ)。
アルカリセルロース化反応を10℃で120分間行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
エーテル化反応終了後に50質量%酢酸水溶液を用いて反応溶液のpHを11に調整した以外は実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
アルカリセルロース化反応の反応時間を70分間に変更した以外は実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
アルカリセルロース化反応を23℃で80分間行った以外は実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
アルカリセルロース化反応の条件を、反応温度40℃、反応時間30分とし、エーテル反応終了後の50質量%酢酸水溶液を用いた中和時のpHを8とした以外は、実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
市販のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(25℃における1質量%水溶液粘度:3500mPa・s、エーテル化度0.76)を、気流式ミルを用いて乾式粉砕処理を行った。得られた粉砕物を80メッシュの標準篩にて分級処理を行うことにより、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
アルカリセルロース化反応の反応時間を50分間に変更した以外は、実施例1と同様の操作を行い、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
市販のカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(25℃における1質量%水溶液粘度:8000mPa・s、エーテル化度0.69)を、気流式ミルを用いて乾式粉砕処理を行った。得られた粉砕物を80メッシュの標準篩にて分級処理を行うことにより、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩を得た。
(負極1〜9)
球状天然黒鉛100g、カーボンブラック0.5g(Timcal社製、Super−P)および表2に記載のカルボキシメチルセルロースまたはその塩1gを遊星型ミキサーで混合した。ここに、水101.5gおよびスチレン・ブタジエンゴム(SBR)の50重量%水分散体1gを加えて混合することにより、固形分50質量%のスラリーを得た。このスラリーを、球状天然黒鉛が8mg/cm2となるように塗工機を用いて電解銅箔上に塗布し、120℃で乾燥後、ロールプレス処理を行うことにより負極1〜9を得た。
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(LNMCO)100g、カーボンブラック(Timcal社製、Super−P)7.8g、ポリフッ化ビニリデン6g、N−メチル−2−ピロリドン61.3gを遊星型ミキサーで混合することにより、固形分65質量%のスラリーを得た。このスラリーを、LNMCOが13.8mg/cm2となるように塗工機を用いてアルミニウム箔上に塗布し、130℃で乾燥後、ロールプレス処理を行うことにより正極1を得た。
LiMn2O4200g、カーボンブラック(Timcal社製、Super−P)12g、実施例1のカルボキシメチルセルロース塩2gを遊星型ミキサーで混合した。ここに、水113gおよびスチレン・ブタジエンゴム(SBR)の50重量%水分散体8gを加えて混合することにより、固形分65質量%のスラリーを得た。このスラリーを、LiMn2O4が22mg/cm2となるように塗工機を用いてアルミニウム箔上に塗布し、130℃で乾燥後、ロールプレス処理を行うことにより正極2を得た。
(1)結着性
上記の通り得られた電極について、結着性評価を実施した。結着性評価は、上記の通り得られた電極の塗工面を外側にして180℃折り曲げて戻した後に、塗工面の活物質の脱落程度(脱落部分の面積が全体に占める割合)を目視で判断し、次の基準で評価した。評価結果を表2に示す。
5点:脱落なし
4点:25%以下脱落
3点:25%を超えて50%以下脱落
2点:50%を超えて75%以下脱落
1点:75%を超えて脱落(100%迄)
上記の通り得られた電極について、電極表面の状態を評価した。評価は、スポット、突起および筋の有無を目視で判断し、次の基準で評価した。評価結果を表2に示す。
○:スポット、突起および筋が見られない
×:スポット、突起および筋の少なくとも1つが見られる。
上記で得られた負極及び正極を下記表3のように組み合わせて、電極間にセパレータとしてポリオレフィン系(PE/PP)セパレータを挟んで積層し、各正負極に正極端子と負極端子を超音波溶接した。この積層体をアルミラミネート包材に入れ、注液用の開口部を残しヒートシールして、正極面積18cm2、負極面積19.8cm2とした注液前電池を作製した。次にエチレンカーボネートとジエチルカーボネート(30/70vol比)とを混合した溶媒にLiPF6(1.0mol/L)を溶解させた電解液を注液し、開口部をヒートシールして、実施例12〜17及び比較例9〜12の評価用電池1〜10を得た。
上記の通り作製したリチウム二次電池について、20℃における性能試験を行った。試験方法は下記の通りである。試験結果を表3に示す。
インピーダンスアナライザー(ZAHNER社製)を用いて、周波数1kHzでの抵抗値を測定した。
20℃環境下において、作製した電池に1C相当の電流密度で4.2VまでCC(定電流)充電し、さらに4.2VでCV(定電圧)充電に切り替えて1.5時間充電した後、1C相当の電流密度で2.7VまでCC放電する操作を300サイクル繰り返した。1サイクル目の1C放電容量を100%とした場合における300サイクル目の1C放電容量を算出し、1C放電容量保持率とした。
20℃環境下において、作製した電池に1C相当の電流密度で4.2VまでCC(定電流)充電し、さらに4.2VでCV(定電圧)充電に切り替えて1.5時間充電した後、0.2C相当の電流密度で2.7VまでCC放電し、放電容量を測定した。また、CC放電時の電流密度を5C相当に変更し、同様の操作を行った。0.2C放電容量を100%とした場合における5C放電容量を高出力容量保持率(%)とした。
Claims (8)
- セルロースとアルカリとを、水および有機溶媒を含む混合溶媒の存在下で、反応させるアルカリセルロース化工程(工程1)、
前記工程1で得られたアルカリセルロースとエーテル化剤とを反応させるエーテル化工程(工程2)、
前記工程2で得られた反応混合物を洗浄および乾燥する精製工程(工程3)、および、
前記工程3で得られた精製物を粉砕する粉砕工程(工程4)、を含み、
前記工程1は、pH9以上および反応温度5℃以上25℃以下の条件下、反応時間60分以上120分以下で行われる、
カルボキシメチルセルロースまたはその塩の製造方法。 - 前記工程3は、前記工程2のエーテル化反応終了後、pHが9以上11以下の反応混合物を用いて当該反応混合物から混合溶媒を除去し、次いで洗浄および乾燥を行う工程である、請求項1に記載のカルボキシメチルセルロースまたはその塩の製造方法。
- 前記工程1において、水100gに対してアルカリ0.8モル以上1.5モル以下を使用する、請求項1または2に記載のカルボキシメチルセルロースまたはその塩の製造方法。
- カルボキシメチルセルロースまたはその塩が非水電解質二次電池の電極用結着剤である請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 下記(1)および(2)を満たすカルボキシメチルセルロースまたはその塩を含有する電極用結着剤。
(1)1質量%水溶液粘度(25℃)が5000mPa・s以上20000mPa・s以下である。
(2)0.05質量%水溶液を−13.3kPaの減圧条件にて200メッシュのポリエステルスクリーンでろ過した後の残渣の乾燥質量が、使用したカルボキシメチルセルロースまたはその塩の乾燥質量の0.100質量%以下である。 - 前記カルボキシメチルセルロースまたはその塩のエーテル化度が0.5以上0.9以下である、請求項5に記載の電極用結着剤。
- 請求項5または6に記載の電極用結着剤を含む電極。
- 請求項7に記載の電極を有する電池。
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