JP2018172595A - コアシェル型粒子ならびにその用途および製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係るコアシェル型粒子は、コア部と、当該コア部の周囲を取り囲んでいるシェル部と、を含み、当該コア部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を98モル%以上含む第1の重合体を含み、当該シェル部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とし、当該第1の重合体とは異なる第2の重合体を含み、当該第2の重合体は、当該第1の重合体よりも融点が低い。
【選択図】なし
Description
本実施形態において「コアシェル型粒子」とは、コア部と、コア部の周囲を取り囲んでいるシェル部とを含んでいる粒子を指す。
コア部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とする第1の重合体を含んでおり、コア部は、第1の重合体を含むフッ化ビニリデン粒子である。本明細書において「主構成単位」とは、重合体を構成する構成単位のうち、最も多くの割合(モル%)を占める構成単位を指す。また、本明細書において「フッ化ビニリデン粒子」とは、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とする重合体の粒子を指し、当該重合体には、フッ化ビニリデンの単独重合体、およびフッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体が包含される。
シェル部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とする第2の重合体を含んでいる。第2の重合体としては、第1の重合体とは異なる重合体が用いられる。また、第2の重合体の融点は、第1の重合体の融点よりも低い。そのため、コアシェル型粒子は、第1の重合体よりも融点が低い。コアシェル型粒子の融点は145℃以上であることが好ましい。また、コアシェル型粒子の融点は164℃未満であることが好ましい。本実施形態に係るコアシェル型粒子の融点の測定方法は、後述する実施例において説明する。
本実施形態に係るコアシェル型粒子の平均粒子径は、特に限定されないが、例えば、10nm以上1μm以下である。本実施形態に係るコアシェル型粒子の平均粒子径の測定方法は、後述する実施例において説明する。
本実施形態に係るコアシェル型粒子は、二次電池(特には、非水電解質二次電池)におけるセパレータ基材または電極に塗布されるコーティング組成物の構成材料として好適に用いられる。
本実施形態に係るコアシェル型粒子の製造方法は、第1の重合体を含むコア部を形成するコア部形成工程と、第2の重合体を含むシェル部を形成するシェル部形成工程とを含んでいる。
用いることができる分散媒としては特に限定はなく、従来公知のものを用いることができるが、分散媒として水を用いることが好ましい。
用いる界面活性剤は、非イオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤および両性界面活性剤の何れであってもよく、複数種類を組み合わせて使用してもよい。界面活性剤としては、ポリフッ化ビニリデンの重合に従来から使用されている過フッ素化界面活性剤、部分フッ素化界面活性剤および非フッ素化界面活性剤等が好適である。それらのうち、パーフルオロアルキルスルホン酸およびその塩、パーフルオロアルキルカルボン酸およびその塩、フルオロカーボン鎖またはフルオロポリエーテル鎖を有するフッ素系界面活性剤を使用することが好ましく、パーフルオロアルキルカルボン酸およびその塩を用いることがより好ましい。本実施形態では、乳化剤として、上記のうちから選択される1種単独または2種以上を使用することができる。
用いることができる重合開始剤としては、特に限定はなく、従来公知のものを用いることができる。重合開始剤としては、水溶性過酸化物、水溶性アゾ系化合物またはレドックス開始剤系が用いられる。水溶性過酸化物としては、例えば、過硫酸アンモニウムおよび過硫酸カリウム等が挙げられる。水溶性アゾ系化合物としては、例えば、AIBNおよびAMBN等が挙げられる。レドックス開始剤系としては、例えば、アスコルビン酸−過酸化水素が挙げられる。重合開始剤は好ましくは水溶性過酸化物である。これらの重合開始剤は、1種単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
乳化重合において、得られるコアシェル型粒子の重合度を調節するために、連鎖移動剤を用いてもよい。連鎖移動剤としては、例えば、酢酸エチル、酢酸メチル、炭酸ジエチル、アセトン、エタノール、n−プロパノール、アセトアルデヒド、プロピルアルデヒド、プロピオン酸エチル、および四塩化炭素等を挙げることができる。
重合温度は、重合開始剤の種類等によって、適宜選択すればよいが、例えば、0〜120℃の範囲とすればよく、20〜110℃の範囲であることが好ましく、40〜100℃の範囲であることがより好ましい。
本実施形態に係る分散液は、本実施形態に係るコアシェル型粒子および分散媒を含んでいる。
本実施形態に係るコーティング組成物は、負極層および正極層(電極)とその間に設けられるセパレータとを備える二次電池において、電極とセパレータとの接着性を向上させる多孔質のフッ素樹脂層を形成するために用いられる組成物である。
本実施形態におけるフッ素樹脂層は、本実施形態に係るコーティング組成物を、セパレータまたは電極に塗布し、乾燥させることによって形成される。具体的には、まずセパレータまたは電極のいずれかの少なくとも一方の面にコーティング組成物を塗布し、塗布したコーティング組成物を乾燥させる。乾燥させたセパレータと電極とを重ね合わせ、電解液やその他必要な部材とを外装材に入れ、外装材ごと熱プレスしてセパレータと電極とを接着させる。この段階で、コアシェル粒子のシェル部が熱によって溶融してフッ素樹脂層が形成される。
本実施形態に係るセパレータは、電気的に安定であり、電気伝導性を有していない。また本実施形態に係るセパレータは、内部に空孔または空隙を有する多孔質基材が用いられイオン透過性に優れている。多孔質基材としては、例えば、ポリオレフィン系高分子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリエステル系高分子(例えば、ポリエチレンテレフタレート等)、ポリイミド系高分子(例えば、芳香族ポリアミド系高分子、ポリエーテルイミド等)、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、セラミックス等、およびこれらの少なくとも2種の混合物からなる単層または多層の多孔膜;不織布;ガラス;並びに紙等を挙げることができる。なお、前述のポリマーとしては、変性されたものが挙げられる。
本実施形態における負極層および正極層は、特に限定されず、例えば、二次電池における公知の負極層および正極層を用いることができる。
本実施形態における二次電池に用いられる電解質は、特に限定されず、例えば、二次電池における公知の電解質を用いることができる。電解質としては、例えば、LiPF4、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)3C、およびLiBPh4等が挙げられる。本実施形態における二次電池では、電解質を非水系溶媒に溶解させた電解液を用いることもできる。非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、フロロエチレンカーボネート、ジフロロエチレンカーボネート等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびそのフッ素置換体等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステルあるいはこれらの混合溶媒等が挙げられる。
本実施形態に係る二次電池は、本実施形態に係るコーティング組成物から形成されたフッ素樹脂層が設けられている。一例において、セパレータは上記で説明したセパレータである。また、一例において、電極は上記で説明した電極である。
重合により調製したフッ素ポリマー粒子を含む分散液(以下、ラテックスとも記す)約5gをアルミ製のカップに入れ、80℃で3時間乾燥し、乾燥前後の重量を測定することによって濃度を算出した。
フッ素ポリマー粒子の粒子径は、動的光散乱法の正則化解析によって算出した。具体的には、BECKMAN COULTER社製「DelsaMaxCORE」を使用し、JIS Z 8828に準拠して測定し、正則化解析によって得られる大小2つのピークのうち、大きいピークを粒子径とした。
コア部の重合:オートクレーブにイオン交換水280質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、リン酸水素二ナトリウム0.2質量部、パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)1.0質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)35質量部を上記オートクレーブ中に一括添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%過硫酸アンモニウム(APS)水溶液をAPS換算で0.06質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力は4.3MPaであった。反応開始後、2.5MPaまで圧力が降下したところで、VDF65質量部を缶内圧力が2.5MPaで維持するように連続添加した。添加終了後、1.5MPaまで圧力が降下したところで重合を完了とし、コア部の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は24.0wt%であり、粒子径は140nmであった。
シェル部の重合:オートクレーブにイオン交換水700質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、水分散したコア部の粒子100質量部、PFOA0.5質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、フッ化ビニリデン(VDF)90質量部、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)10質量部を上記オートクレーブ中に添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%APS水溶液をAPS換算で0.1質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力は3.7MPaであった。反応開始後、1.5MPaまで圧力が降下したところでシェル部の重合を完了とし、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.4wt%であり、粒子径は180nmであった。
コア部の重合:実施例1と同様にコア部のフッ化ビニリデン粒子を得た。
シェル部の重合:VDFを90質量部から88質量部、HFPを10質量部から12質量部に変更した以外は実施例1と同様に重合して、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.8wt%であり、粒子径は170nmであった。
コア部の重合:実施例1と同様にコア部のフッ化ビニリデン粒子を得た。
シェル部の重合:VDFを90質量部から78質量部、HFPを10質量部から22質量部に変更した以外は実施例1と同様に重合して、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.4wt%であり、粒子径は170nmであった。
コア部の重合:実施例1と同様にコア部のフッ化ビニリデン粒子を得た。
シェル部の重合:VDFを90質量部から70質量部、HFPを10質量部から30質量部に変更した以外は実施例1と同様に重合して、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.5wt%であり、粒子径は170nmであった。
コア部の重合:オートクレーブに一括添加するVDFを35質量部から30質量部に変更し、さらにHFP5.0質量部を添加した以外は実施例1と同様に重合してコア部の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は21.3wt%であり、粒子径は130nmであった。
シェル部の重合:実施例3と同様に重合して、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.5wt%であり、粒子径は160nmであった。
コア部の重合:実施例1と同様にコア部のフッ化ビニリデン粒子を得た。
シェル部の重合:オートクレーブにイオン交換水700質量部を入れ、30分間の窒素バブリングによって脱気を行った。次に、水分散したコア部の粒子100質量部、PFOA0.5質量部を仕込み、4.5MPaまで加圧して窒素置換を3回行った。酢酸エチル0.05質量部、VDF78質量部、HFP22質量部、マレイン酸モノメチル(MMM)0.1質量部を上記オートクレーブ中に添加した。撹拌下で80℃に昇温後、5wt%APS水溶液をAPS換算で0.1質量部に相当する量を入れて重合を開始した。この時の缶内圧力が3.4MPaであった。反応開始後、1.5MPaまで圧力が降下したところでシェル部の重合を完了とし、コアシェル型の粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.3wt%であり、粒子径は170nmであった。
パーフルオロオクタン酸アンモニウム塩(PFOA)を1.0質量部から0.6質量部に変更した以外は実施例1のコア部と同様に重合して、フッ化ビニリデン粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は21.4wt%であり、粒子径は180nmであった。
オートクレーブに一括添加するフッ化ビニリデン(VDF)を35質量部から27質量部に変更し、さらにヘキサフルオロプロピレン(HFP)8.0質量部を添加した以外は比較例1と同様に重合して、フッ化ビニリデン粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は21.4wt%であり、粒子径は190nmであった。
オートクレーブに一括添加するフッ化ビニリデン(VDF)を35質量部から5質量部に変更し、さらにヘキサフルオロプロピレン(HFP)30質量部を添加し、重合終了時の圧力を2.0MPaとした以外は比較例1と同様に重合して、フッ化ビニリデン粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は20.7wt%であり、粒子径は180nmであった。
コア部の重合:オートクレーブに一括添加するフッ化ビニリデン(VDF)を30質量部から25質量部、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)を5.0質量部から10.0質量部に変更した以外は実施例1と同様に重合して、コア部のフッ化ビニリデン粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は21.3wt%であり、粒子径は140nmであった。
シェル部の重合:実施例3と同様に重合して、コアシェル型粒子を含むラテックスを得た。得られたラテックスの固形分濃度は13.4wt%であり、粒子径は170nmであった。
重合により調製した分散液中のフッ素ポリマー粒子に含まれるHFP導入量は、19F−NMR(BURUKAR社製)で測定した。塩析によって粉体化したフッ素ポリマー粒子40mgをアセトン−d6 960mgに溶解させ測定用サンプルとした。HFP単位に由来するCF3部分のピークは−70−〜80ppm付近の2本のピークに相当し、VDFおよびHFP単位(全単量体)に由来するCF2部分のピークは−90ppm以下のピークに相当する。これらのピーク面積からHFP導入量を下記式によって求めた。
HFP導入量[wt%]=HFPピーク面積/全単量体ピーク面積×100
重合により調製した分散液中のフッ素ポリマー粒子の融点は、フィルムの形態で測定した。フィルムは以下の操作によって作製した。剥離剤を噴霧した2枚のアルミ箔の間に、縦5cm×横5cm×厚み150μmの鋳型と塩析によって粉体化したフッ素ポリマー粒子約1gを挟み、200℃でプレスした。融点は、DSC(METTLER社製「DSC−1」)を用いてASTM d 3418に準拠して測定した。
各実施例および各比較例において得られたフッ素ポリマー粒子を含む分散液を0.5質量%の塩化カルシウムで塩析し、80℃のオーブンで乾燥させることによって粉体化した。粉体化したフッ素ポリマー粒子を200℃で熱プレスし、厚さ約0.01μmのプレスシートを作製した。作製したプレスシートのIRスペクトルを、赤外分光光度計FT−730(株式会社堀場製作所製)を用いて、1500cm−1〜4000cm−1の範囲で測定した。IR比ARは、下記式によって求めた。
AR=A1760/A3020
各実施例および各比較例において得られたフッ素ポリマー粒子を用いてフッ素ポリマー粒子コーティングセパレータを作製し、電極(正極)との剥離強度試験を行った。フッ素ポリマー粒子コーティングセパレータおよび電極の製造方法について、以下に詳細に記載する。
フッ素ポリマー粒子100重量部、CMC(カルボキシメチルセルロース)(セロゲン4H 第一工業製薬製)2重量部に水を加えて固形分濃度10質量%の組成物を調製し、これをコーティング組成物とした。
上記で得られたコーティング組成物をコロナ処理装置(春日電気社製)にてコロナ処理を施したセパレータ(ハイポアND420 旭化成製)の片面に、ウェット塗布量24μm(番手12)でワイヤーバーを用いて逐次コートし、70℃で30分間乾燥した。さらに70℃で2時間の熱処理を実施した。
LiNiCoMnO2(MX6 ユミコア製)94重量部、導電助剤(SuperP TIMCAL製)3重量部、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)(KF#7200 クレハ製)3重量部にN−メチル−2−ピロリドンを加えてスラリーを作製し、Al箔(厚さ15μm)に塗布した。乾燥した後、プレスし、120℃で3時間熱処理を実施し、電極嵩密度が3.0[g/cm3]、目付け量が103[g/m2]である正極を得た。
上記により得られた正極を2.5×5.0cmに切り出し、フッ素ポリマー粒子コーティングセパレータを3.0×6.0cmに切ってそれぞれ接合させ、電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7、LiPF6 1.2M、VC1wt%)を120μL浸み込ませた後、Alラミネートセル中に真空脱気封入し、一晩静置した。
各実施例および各比較例において得られたフッ素ポリマー粒子を用いてフッ素ポリマー粒子コーティングセパレータを作製した。電極(負極)と熱プレスした後の透気度測定用フッ素樹脂層コーティングセパレータを作製し、透気度を測定した。フッ素ポリマー粒子コーティングセパレータおよび電極の製造方法について、以下に詳細に記載する。
剥離強度試験で作製したコーティング組成物の作製方法と同様の方法で調製したものをコーティング組成物とした。
ワイヤーバーをウェット塗布量で24μm(番手12)から12μm(番手6)に変更した以外は、剥離強度試験で作製したコーティングセパレータと同様の方法で作製した。
剥離強度測定用正極と同様の方法で作製し、透気度測定用負極とした。
上記により得られた負極を4.0×4.0cmに切り出し、フッ素ポリマー粒子コーティングセパレータを4.0×4.0cmに切ってそれぞれ接合させ、電解液(エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7、LiPF6 1.2M、VC1wt%)を150μL浸み込ませた後、Alラミネートセル中に真空脱気封入し、一晩静置した。
各実施例および各比較例における粒子径、IR比、融点、剥離強度、および透気度の結果を、各実施例および各比較例におけるフッ素ポリマー粒子の仕込み組成比と併せて表1〜3に示す。
Claims (14)
- コア部と、当該コア部の周囲を取り囲んでいるシェル部と、を含むコアシェル型粒子であって、
当該コア部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を98モル%以上含む第1の重合体を含み、
当該シェル部は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とし、当該第1の重合体とは異なる第2の重合体を含み、
当該第2の重合体は、当該第1の重合体よりも融点が低い、コアシェル型粒子。 - 上記コアシェル型粒子の融点が145℃以上である、請求項1に記載のコアシェル型粒子。
- 上記コア部に含まれる上記第1の重合体および/または上記シェル部に含まれる上記第2の重合体には、ハロゲン化アルキルビニル化合物に由来する構成単位が含まれており、ハロゲン化アルキルビニル化合物は当該コアシェル型粒子中に0.2モル%以上5モル%以下含まれている、請求項1または2に記載のコアシェル型粒子。
- 上記ハロゲン化アルキルビニル化合物に由来する構成単位は、フッ化アルキルビニル化合物に由来する構成単位であり、当該フッ化アルキルビニル化合物に由来する構成単位は上記第2の重合体に含まれている、請求項3に記載のコアシェル型粒子。
- 上記第2の重合体は、不飽和二塩基酸に由来する構成単位および不飽和二塩基酸モノエステルに由来する構成単位の少なくとも何れかをさらに含む、請求項1から4の何れか1項に記載のコアシェル型粒子。
- 上記第1の重合体の構成単位は、フッ化ビニリデンに由来する構成単位のみである、請求項1から5の何れか1項に記載のコアシェル型粒子。
- 請求項1から6の何れか1項に記載のコアシェル型粒子および分散媒を含む、分散液。
- 二次電池における負極層と正極層との間に設けられるセパレータの少なくとも一方の面に設けられる多孔質のフッ素樹脂層の形成のためのコーティング組成物であって、
請求項1から6の何れか1項に記載のコアシェル型粒子を含む、コーティング組成物。 - 増粘剤をさらに含む、請求項8に記載のコーティング組成物。
- フィラーをさらに含む、請求項8または9に記載のコーティング組成物。
- 請求項8から10の何れか1項に記載のコーティング組成物が少なくとも一方の面に塗布されている、セパレータ。
- 請求項8から10の何れか1項に記載のコーティング組成物から形成されたフッ素樹脂層が設けられている二次電池であって、
上記フッ素樹脂層は、上記負極層と上記正極層と上記セパレータとを熱プレスすることによって形成されてなる上記第2の重合体を含む層を有しており、
上記第2の重合体を含む層には、上記第1の重合体を含む粒子が含まれている、二次電池。 - 二次電池における負極層と正極層との間に設けられるセパレータに接するように、当該負極層および当該正極層の少なくとも何れかの少なくとも一方の面に設けられるフッ素樹脂層の形成のためのコーティング組成物であって、
請求項1から6の何れか1項に記載のコアシェル型粒子を含む、コーティング組成物。 - コア部と、当該コア部の周囲を取り囲んでいるシェル部と、を含むコアシェル型粒子の製造方法であって、
フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とする第1の重合体を含むコア部を形成するコア部形成工程と、
フッ化ビニリデンに由来する構成単位を主構成単位とする第2の重合体を含むシェル部を形成するシェル部形成工程と、を含み、
当該シェル部形成工程では、当該コア部形成工程により形成されたコア部を含む分散液において、当該第2の重合体を構成するための単量体を重合反応させることにより当該コア部の周囲に当該シェル部を形成する、コアシェル型粒子の製造方法。
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