JP2020533757A - リチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー及びこれを使用した正極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクリル系高分子を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダーであって、前記アクリル系高分子はヒドロキシフェニル系単量体重合単位またはジスルフィド系単量体重合単位を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダーを提供する。
本発明は、上述したバインダー、正極活物質、及び導電材を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用組成物を提供する。
本発明は集電体、及び前記集電体上に上述の組成物を塗布して形成された正極活物質層を含む正極を提供する。
本発明は、上述した正極を含むリチウム−硫黄二次電池を提供する。
本発明は、ヒドロキシフェニル系単量体重合単位またはジスルフィド系単量体重合単位を含むアクリル系高分子を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダーを提供する。ここで、「単量体重合単位」は高分子を構成する一部分であって、高分子内で特定単量体から由来した一部分を意味する。例えば、前記ヒドロキシフェニル系単量体重合単位は、前記高分子内でヒドロキシフェニル系単量体から由来した部分を意味し、前記ジスルフィド系単量体重合単位は前記高分子内でジスルフィド系単量体から由来した部分を意味する。
本発明は、上述したバインダー、正極活物質及び導電材を含む組成物から形成された正極活性層を提供する。
本発明は、上述した活性層を集電体上に形成して正極を製造した後、負極、分離膜、電解液の構成を追加し、サイクル性能が改善されたリチウム−硫黄二次電池を提供する。
1.バインダーの製造
製造例1:ヒドロキシフェニル系単量体重合単位を含む高分子のバインダー(A1)
250mLの丸底フラスコに9.375gのポリエチレンオキシドメチルエーテルメタクリレート(PEOMA)、6.875gのN−ビニル−2−ピロリドン(VP)、5.000gのアクリロニトリル(AN)、2.500gのN−(3,4−ジヒドロキシフェニルエチル)メタクリルアミド(DMMA)、1.250gのN−(3,4−ジヒドロキシフェニルエチル)メタクリレート(DMA)、86gの水を投入して入口をシーリング(sealing)した。30分間窒素バブリング(bubbling)を通じて酸素を取り除き、反応フラスコを60℃に加熱されたオイルバス(oil bath)に浸した後、0.03gのVA−057(Wako Chemical製)を投与して反応を開始した。24時間以後反応を終了し、アクリル系共重合体を収得した(転換率:99%、重量平均分子量:248,000)。
重合時に使用された単量体及びその重量の割合を下記表1のように調節したことを除いて、製造例1と同様の方法で重合体を製造した。
250mLの丸底フラスコに9.375gのポリエチレンオキシドメチルエーテルメタクリレート(PEOMA)、6.875gのN−ビニル−2−ピロリドン(VP)、5.000gのアクリロニトリル(AN)、2.500gのN−(3,4−ジヒドロキシフェニルエチル)メタクリルアミド(DMMA)、1.250gの2−(ピリジルジスルフィド)−メチルメタクリレート(SSMA)、86gの水を投入して入口をシーリング(sealing)した。30分間窒素バブリング(bubbling)を通じて酸素を取り除き、反応フラスコを60℃に加熱されたオイルバス(oil bath)に浸した後、0.03gのVA−057(Wako Chemical製)を投与して反応を開始した。24時間以後反応を終了し、アクリル系共重合体を収得した(転換率:99%、重量平均分子量:129,000)。
重合時に使用された単量体及びその重量の割合を下記表1のように調節したことを除いて、製造例3と同様の方法で重合体を製造した。
VP:N−ビニル−2−ピロリドン(N−vinyl−2−pyrrolidone)
AN:アクリロニトリル(Acrylonitrile)
DMAA:N,N−ジメチルアクリルアミド(N、N−dimethylacrylamide)
DMA:N−(3,4−ジヒドロキシフェニルエチル)メタクリレート(N−(3,4−dihydroxyphenylethyl)methacrylate)
SSMA:2−(ピリジルジスルフィド)−メチルメタクリレート(2−(pyridyl disulfide)−methyl methacrylate)
250mLの丸底フラスコに6.0gのアクリロニトリル、8.0gのブチルアクリレート、60gのN−メチルピロリドン(NMP)を投入して入口をシーリングした。30分間窒素バブリングを通じて酸素を取り除き、反応フラスコを60℃に加熱されたオイルバスに浸した後、0.015gのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を投与して反応を開始した。48時間以後反応を終了し、アクリル系共重合体を収得した(転換率:93%、重量平均分子量:220,000)。
スチレン−ブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)それぞれは、Sigma−aldrich社、Daicel社の試薬を使用し、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)を7:3の重量比で混合してバインダーを製造した。
(1)実験方法
高分子の転換率測定方法
反応物を20mg/mLの濃度で溶媒に希釈して5mg/mLのトルエンを標準物質(Standard material)として添加した後、ガスクロマトグラフィ(Gas chromatography、PerkinElmer)で測定する。トルエンピークの面積対比モノマーピークの大きさの割合の変化で転換率を計算する。
−溶媒:テトラヒドロフラン
−初期温度:50℃で3分、温度傾斜(Ramp):200℃まで30℃/分
−注入体積(Injection volume):0.5μL
転換率(%)=(Aini−Afin)/Aini×100
Aini:反応開始時のモノマーピークのトルエンピーク対比面積相対比
Afin:反応終了時のモノマーピークのトルエンピーク対比面積相対比
重量平均分子量(Mw)及び分子量分布(PDI)は、GPCを使用して以下の条件で測定し、検量線の製作にはAgilent systemの標準ポリスチレンを使用して測定結果を換算した。
測定機:Agilent GPC(Agilent1200series、U.S.)
カラム:PLGel−M、PLGel−L 直列連結
カラム温度:40℃
溶離液:N,N−ジメチルホルムアルデヒド
流量:1.0mL/min
濃度:〜1mg/mL(100μL注入)
硫黄(Sigma−Aldrich)をCNT(Carbon Nanotube)と一緒にボールミルを使用して複合した後、155℃で熱処理して硫黄−炭素複合体を先に製造した。製造された硫黄−炭素複合体、導電材及びバインダーを溶媒の水に添加し、ミキサーで混合して正極活物質層形成用スラリーを製造した。この時、導電材にはVGCF(気相成長炭素繊維:Vapor−grown Carbon Fiber)を、バインダーには前記製造例で製造した重合体をそれぞれ使用し、混合の割合は重量比で硫黄−炭素複合体:導電材:バインダーが90:5:5になるようにした。製造した正極活物質層形成用組成物をアルミニウムホイル集電体に塗布した後、50度で2時間乾燥して正極を製造した(正極のエネルギー密度:5.5mAh/cm2)。溶媒にN−メチルピロリドンを使用した場合、80℃で24時間乾燥して正極を製造した。
前記用意された正極と負極を対面するように位置させた後、ポリエチレンの分離膜を前記正極と負極の間に介在した。
機器:100mA級充放電機
充電:0.3C、定電流/定電圧モード
放電:0.5C、定電流/定電圧モード、1.5V
サイクル温度:25℃
実施例1:製造例1によるバインダー(A1)の性能評価
前記製造例1によって製造されたバインダー(A1)を使用して正極を製造し、上述した内容によって正極、負極、分離膜及び電解液を含む電池を製造した。充電/放電0.3C/0.5Cで1.5Vと2.6Vの間で100サイクル評価した後、初期容量対比2回目サイクルでの残存容量と50回目サイクルでの残存容量を計算して容量維持率を測定した。その結果を下記の表2に示す。
前記製造例2ないし4によって製造されたバインダー(A2ないしA4)を使用して正極を製造したことを除いて、実施例1と同様に容量維持率を測定してその結果を下記表2に示す。
前記比較製造例1及び2によって製造されたバインダー(B1及びB2)を使用して正極を製造したことを除いて、実施例1と同様に容量維持率を測定してその結果を下記表2に示す。
Claims (13)
- アクリル系高分子を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダーであって、
前記アクリル系高分子は、ヒドロキシフェニル系単量体重合単位またはジスルフィド系単量体重合単位を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。 - 前記アクリル系高分子は、1ないし20重量%のヒドロキシフェニル系単量体重合単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 前記アクリル系高分子は、1ないし20重量%のジスルフィド系単量体重合単位を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 前記ヒドロキシフェニル系単量体は、カテコール作用基を含む単量体であることを特徴とする請求項2に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 前記ヒドロキシフェニル系単量体は、1,2−ジヒドロキシフェニルエチルメタクリレート、1,2−ジヒドロキシフェニルブチルメタクリレート、1,2−ジヒドロキシフェニルドデシルメタクリレート、N−(3,4−ジヒドロキシフェニルエチル)メタクリレート及びこれらの組み合わせからなる群から選択された一つの化合物であることを特徴とする請求項4に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 前記ジスルフィド系単量体は、アルリルジスルフィド、ジスルフィドジメタクリレート、ヒドロキシエチルピリジルジスルフィド、2−(ピリジルジスルフィド)−メチルメタクリレート及びこの組み合わせからなる群から選択された一つの化合物であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 前記アクリル系高分子は、25ないし50℃のガラス転移温度を有することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用バインダー。
- 請求項1によるバインダー、正極活物質、及び導電材を含むリチウム−硫黄二次電池の正極製造用組成物。
- 前記組成物は、組成物内の固形分100重量部に対して0.01ないし10重量部のバインダーを含むことを特徴とする請求項8に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用組成物。
- 前記組成物は、組成物内の固形分100重量部に対して30ないし95重量部の正極活物質を含むことを特徴とする請求項8または9に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用組成物。
- 前記組成物は、組成物内の固形分100重量部に対して2ないし60重量部の導電材を含むことを特徴とする請求項8から10のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄二次電池の正極製造用組成物。
- 集電体、及び前記集電体上に請求項8による組成物を塗布して形成された正極活物質階を含む正極。
- 請求項12による正極を含むリチウム−硫黄二次電池。
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