JP2021072240A - 分散剤の製造方法、該分散剤を用いた導電材分散体、合材スラリーおよび非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)共重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する構成単位(A1)と、不飽和結合の一部もしくは全部が水素添加されていてもよい、共役ジエンに由来する構成単位(A2)とを含む共重合体であって、かつ、前記構成単位(A1)を15〜50質量%含み、前記構成単位(A1)および構成単位(A2)を合計で70質量%以上含み、重量平均分子量が5000〜400000である。
(2)無機塩基(B)は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。
(3)共重合体(A)のゲル浸透クロマトグラフィーにおける重量平均分子量を1としたときの、分散剤(D)の重量平均分子量が0.05〜0.6である。
(4)共重合体(A)の溶媒(C)溶液の粘度をηA(Pa・s)、分散剤(D)の溶媒(C)溶液の粘度をηD(Pa・s)としたときの、せん断速度100/sおよび1,000/sにおけるηD/ηAが0.05〜0.6である。(ただし、各溶液の濃度は8質量%である。)
共重合体(A)は、分散剤(D)を得るための前駆体であり、(メタ)アクリロニトリルに由来する構成単位(A1)と、不飽和結合の一部もしくは全部が水素添加されていてもよい、共役ジエンに由来する構成単位(A2)とを含む共重合体であって、かつ、前記構成単位(A1)を15〜50質量%含み、前記構成単位(A1)および構成単位(A2)を合計で70質量%以上含み、重量平均分子量が5000〜400000である。
(メタ)アクリロニトリルとしては、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが挙げられる。
共役ジエンとしては、例えば、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン(イソプレン)、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン等が挙げられる。これらの共役ジエンは1種または2種以上組み合わせて用いても良い。
無機塩基としては、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の少なくとも一方を有する化合物であることが好ましく、詳しくは、アルカリ金属、およびアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、モリブデン酸塩、ニオブ酸塩、ならびにホウ酸塩等が挙げられる。また、これらの中でも容易にカチオンを供給できる面でアルカリ金属、アルカリ土類金属の塩化物、水酸化物、炭酸塩が好ましく、特に水酸化物が好ましい。アルカリ金属の水酸化物は、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物は、例えば、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。アルカリ金属の炭酸塩は、例えば、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の炭酸塩は、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムが挙げられる。これらの中でも水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウムがより好ましい。なお、本発明の無機塩基が有する金属は、遷移金属であってもよい。
本実施形態の溶媒(C)は、共重合体(A)が可溶であれば特に限定されないが、水溶性有機溶媒のいずれか一種、若しくは二種以上からなる混合溶媒であることが好ましい。
分散剤(D)は、共重合体(A)、無機塩基(B)、および溶媒(C)の混合物を作製し、共重合体(A)を変性することで得られる。変性による化学的変化は定かではないが、下記(I)および(II)の変化を生じたことをもって変性とする。
(I)共重合体(A)のゲル浸透クロマトグラフィーによる重量平均分子量を1としたときの、分散剤(D)の重量平均分子量が0.05〜0.6
(II)共重合体(A)の溶媒(C)溶液の粘度をηA(Pa・s)、8質量%の分散剤(D)の溶媒(C)溶液の粘度をηD(Pa・s)としたときの、せん断速度100/sおよび1,000/sにおけるηD/ηAが0.05〜0.6
共重合体および分散剤の重量平均分子量(Mw)は、RI検出器を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で求められる。また、共重合体および分散剤の粘度は、溶媒(C)を溶媒とした8.0質量%溶液となるように調製し、25℃にてレオメーターを用いて求められる。
本実施形態の化合物(E)は、アルコール(メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、ターシャリーブタノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、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、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサンジオール、ペンタンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、チオジグリコールなど)、および水の中から、1種類を単独で、もしくは2種類以上を併用して用いることができる。この中でもメタノール、エタノール、または水が好ましく、特に水が好ましい。
本実施形態の導電材(F)は、例えば金、銀、銅、銀メッキ銅粉、銀−銅複合粉、銀−銅合金、アモルファス銅、ニッケル、クロム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、インジウム、ケイ素、アルミニウム、タングステン、モリブデン、白金等の金属粉、これらの金属で被覆した無機物粉体、酸化銀、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化ルテニウム等の金属酸化物の粉末、これらの金属酸化物で被覆した無機物粉末、および炭素系導電材を用いることができる。炭素系導電材としては、市販のアセチレンブラック、ファーネスブラック、中空カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなど各種のものを用いることができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、黒鉛化処理されたカーボンブラック、繊維状炭素であるカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなども使用できる。これらの導電材は、1種または2種以上組み合わせて用いても良い。これらの導電材の中でも、炭素系導電材が好ましく、特にアセチレンブラックおよびカーボンナノチューブが好ましい。
導電材分散体は、分散剤(D)と、導電材(F)とを混合し、導電材(F)を分散することにより得ることができる。導電材(F)を混合および分散するタイミングは、分散過程のいずれかのタイミングで分散剤(D)が存在していれば特に限定されない。分散剤(D)が生成した後に混合し、分散してもよいし、分散剤(D)の変性前に混合し、変性後に分散してもよい。また、分散剤(D)の変性前に混合し、変性と同時に分散してもよい。また、先に導電材(F)を湿式または乾式で分散してから、分散剤(D)を変性前または変性後に混合し、さらに分散してもよい。
分散方法としては、ディスパー、ホモジナイザー、シルバーソンミキサー、ニーダー、2本ロールミル、3本ロールミル、ボールミル、横型サンドミル、縦型サンドミル、アニュラー型ビーズミル、アトライター、プラネタリーミキサー、または高圧ホモジナイザー等の各種分散手段を用いることができる。
本実施形態のバインダー含有導電材分散体とは、上記導電材分散体にさらに、少なくともバインダーを含むものであり、導電材分散体と、バインダー樹脂とを混合することにより得ることができる。
本実施形態のバインダー樹脂は物質間を結合するための樹脂である。
本実施形態のバインダー樹脂としては、例えば、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、酢酸ビニル、ビニルアルコール、マレイン酸、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、アクリロニトリル、スチレン、ビニルブチラール、ビニルアセタール、ビニルピロリドン等を構成単位として含む重合体または共重合体;ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂;カルボキシメチルセルロースのようなセルロース樹脂;スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴムのようなゴム類;ポリアニリン、ポリアセチレンのような導電性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂の変性体や混合物、および共重合体でも良い。中でも、正極のバインダー樹脂として使用する場合は耐性面から分子内にフッ素原子を有する高分子化合物、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン等の使用が好ましい。また、負極のバインダー樹脂として使用する場合は密着性の良好なカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸が好ましい。
本実施形態の合材スラリーとは、上記導電材分散体またはバインダー含有導電材分散体にさらに、少なくとも活物質を含むものである。
本実施形態の活物質とは、電池反応の基となる材料のことである。活物質は起電力から正極活物質と負極活物質に分けられる。
本実施形態の電極膜とは、導電材分散体、バインダー含有導電材分散体、または合材スラリーを膜状に形成してなるものである。例えば、集電体上に合材スラリーを塗工乾燥することで、電極合材層を形成した塗膜である。
本実施形態の非水電解質二次電池とは正極と、負極と、電解質とを含むものである。
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断らない限り、「部」は「質量部」、「%」は「質量%」を表す。
無機塩基および溶媒を含む分散剤溶液から下記の方法で分散剤を単離して測定サンプルを調整した。分散剤溶液を精製水に滴下して分散剤を沈殿させ、ブフナー漏斗でろ過して回収した。そのままブフナー漏斗上で精製水をふりかけてすすいだ後、テトラヒドロフラン(THF)に溶解させた。これを精製水に再び滴下して前記ろ過、洗浄工程を行い、THFに再溶解させ、測定サンプルとした。また、導電材をさらに含む分散剤溶液の場合は、遠心分離により導電材を分離し、分取した上澄みについて同様の工程を行い、測定サンプルとした。
共重合体および分散剤の重量平均分子量(Mw)は、RI検出器を装備したゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した。装置としてHLC−8320GPC(東ソー株式会社製)を用い、分離カラムを3本直列に繋ぎ、充填剤には順に東ソー株式会社製「TSK−GEL SUPER AW−4000」、「AW−3000」、及び「AW−2500」を用い、オーブン温度40℃、溶離液として30mMトリエチルアミン及び10mM LiBrのN,N−ジメチルホルムアミド溶液を用い、流速0.6ml/minで測定した。サンプルは上記溶離液からなる溶剤に1質量%の濃度で調製し、20マイクロリットル注入した。分子量はポリスチレン換算値である。
共重合体および、溶媒を除去した分散剤は、NMPを溶媒とした8質量%溶液となるように調製し粘度測定用サンプルとした。分散剤溶液は、そのまま8質量%溶液となるようにNMPで希釈して粘度測定用サンプルとした。粘度測定用サンプルを試料台にセットし、25℃、直径60mm、2°のコーンにてレオメーター(Thermo Fisher製RheoStress1回転式レオメーター)を用いて、せん断応力1/sから1,000/sまで連続的に測定した。
溶媒を含む分散剤は、100℃の熱風により乾固させ、測定サンプルとした。固体状の共重合体はそのまま測定に用いた。共重合体および分散剤は、赤外分光光度計(Thermo Fisher Scientific社製Nicolet iS5 FT−IR分光装置)を用いてIR測定した。
水素添加率は、前述の全反射測定法による赤外分光分析と同様の方法でIR測定を行い求めた。共役ジエン単量体単位に由来する二重結合は970cm−1にピークが表れ、水素添加した単結合は723cm−1にピークが表れることから、この二つのピークの比率を比較することで水素添加率が計算した。
分散剤溶液の水分は、カールフィッシャー水分計(卓上型電量法水分計CA−200型:三菱ケミカルアナリテック社製)を用いて、窒素ガス250ml/分流通下、230℃で試料を処理し、カールフィッシャー法により測定した値を、共重合体、無機塩基、および溶媒の合計質量の対する含有量として算出した。
粘度値の測定は、B型粘度計(東機産業社製「BL」)を用いて、分散液温度25℃にて、分散液をヘラで充分に撹拌した後、B型粘度計ローター回転速度60rpmにて直ちに行った。測定に使用したローターは、粘度値が100mPa・s未満の場合はNo.1を、100以上500mPa・s未満の場合はNo.2を、500以上2000mPa・s未満の場合はNo.3を、2000以上10000mPa・s未満の場合はNo.4のものをそれぞれ用いた。低粘度であるほど分散性が良好であり、高粘度であるほど分散性が不良である。得られた分散体が明らかに分離や沈降しているものは分散性不良とした。
判定基準
◎:500mPa・s未満(優良)
○:500mPa・s以上2000mPa・s未満(良)
△:2000mPa・s以上10000mPa・s未満(可)
×:10000mPa・s以上、沈降または分離(不良)
導電材分散体の複素弾性率及び位相角は、直径60mm、2°のコーンにてレオメーター(Thermo Fisher製RheoStress1回転式レオメーター)を用い、25℃、周波数1Hzにて、ひずみ率0.01%から5%の範囲で動的粘弾性測定を実施することで評価した。得られた複素弾性率が小さいほど分散性が良好であり、大きいほど分散性が不良である。また、得られた位相角が大きいほど分散性が良好であり、小さいほど分散性が不良である。
複素弾性率 判定基準
◎:5Pa未満(優良)
○:5Pa以上20Pa未満(可)
×:20Pa以上(不良)
××:100Pa以上(極めて不良)
位相角 判定基準
◎:45°以上(優良)
○:30°以上45°未満(良)
△:19°以上30°未満(可)
×:19°未満(不良)
貯蔵安定性の評価は、分散体を50℃にて7日間静置して保存した後の、液性状の変化から評価した。液性状の変化は、ヘラで撹拌した際の撹拌しやすさから判断した。
判定基準
○:問題なし(良好)
△:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(可)
×:ゲル化している(極めて不良)
正極用合材スラリーを、ギャップ175μmのアプリケーターを用いてPETフィルム(厚さ100μm)に塗工し、70℃の熱風オーブンで10分、120℃の熱風オーブンで15分乾燥させて、導電性評価用正極膜を得た。正極膜の表面抵抗率(Ω/□)は、(株)三菱化学アナリテック社製:ロレスターGP、MCP−T610を用いて測定した。測定後、PETフィルム上に形成した正極合材層の厚みを掛けて、体積抵抗率(Ω・cm)とした。正極合材層の厚みは、膜厚計(NIKON社製、DIGIMICRO MH−15M)を用いて、正極膜中の3点を測定した平均値から、PETフィルムの膜厚を引き算した。正極膜の導電性評価は、正極膜の体積抵抗率(Ω・cm)が10未満を◎(優良)、10以上20未満を〇(良)、20以上を×(不良)とした。
走査型電子顕微鏡(SEM):日本電子(株)製、JSM−6700Fを用いて正極膜表面の観察を行った。正極膜を剃刀で5mm角に切り出し、試料台にカーボンテープを用いて貼り付け、観察試料とした。ナノマテリアルである導電材は、活物質粒子と比較して極めて小さいため、大きさで材料の分布状態が判定できる。正極膜の材料分布状態は、全体に均一で凝集物や偏りがない状態を◎(優良)、逆に凝集物や偏りがある状態を×(不良)とした。
非水電解質二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工社製、SM−8)を用いて充放電測定を行った。充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流1mA(0.02C))を行った後、放電電流10mA(0.2C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を3回繰り返した後、充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流(1mA(0.02C))を行い、放電電流0.2Cおよび3Cで放電終止電圧3.0Vに達するまで定電流放電を行って、それぞれ放電容量を求めた。レート特性は0.2C放電容量と3C放電容量の比、以下の式1で表すことができる。
(式1) レート特性 = 3C放電容量/3回目の0.2C放電容量 ×100 (%)
レート特性は、レート特性が80%以上のものを◎(優良)、60%以上80%未満のものを〇(良)、30%以上60%未満のものを×(不良)、30%未満のものを××(極めて不良)とした。
非水電解質二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工社製、SM−8)を用いて充放電測定を行った。充電電流25mA(0.5C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流2.5mA(0.05C))を行った後、放電電流25mA(0.5C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を200回繰り返した。サイクル特性は25℃における3回目の0.5C放電容量と200回目の0.5C放電容量の比、以下の式2で表すことができる。
(式2)サイクル特性 = 3回目の0.5C放電容量/200回目の0.5C放電容量×100(%)
サイクル特性は、サイクル特性が85%以上を◎(優良)、80%以上85%未満を〇(良)、60%以上80%未満を×(不良)、60%未満のものを××(極めて不良)とした。
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル30部、1,3−ブタジエン70部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t−ドデシルメルカプタン0.6部、イオン交換水200部を装入して、窒素雰囲気下において、撹拌下、45℃で20時間重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応の単量体を減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル−共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスより固形分を回収し、共重合体(A−1)を得た。乾燥後、元素分析により共重合体(A−1)の1,3−ブタジエン及びアクリロニトリル単位の含有量を求めたところ、1,3−ブタジエン単位が69%、アクリロニトリル単位が31%であった。共重合体(A−1)の重量平均分子量(Mw)は20,000であった。
使用するモノマーを表1に従って変更した以外は、製造例1−1と同様にして、それぞれ共重合体(A−2)〜(A−8)を作製した。各共重合体の重量平均分子量(Mw)は表1に示す通りであった。
共重合体(A−1)の二重結合をTi系水素添加触媒で水素化して、共重合体(A−9)を得た。共重合体(A−9)の水素添加率は99.5%であり、重量平均分子量(Mw)は共重合体(A−1)と変わらなかった。
ステンレス製容器1に、NaOH16部およびNMP84部を入れ、ホモジナイザーにより1時間撹拌し、NaOH/NMP懸濁液を調製した。ステンレス製容器2に共重合体(A−1)9部およびNMP91部を入れ、ホモジナイザーにより1時間撹拌し、共重合体(A―1)/NMP溶液を調製した。続いて、NaOH、共重合体(A−1)が表2に示す組成となるように、NaOH/NMP懸濁液および共重合体(A―1)/NMP溶液を、ステンレス製容器3に入れ、さらにNMPを加えて濃度を調整した。これをホモジナイザーで2時間撹拌して変性し、分散剤(D−1)と、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
使用する共重合体を表2に従って変更した以外は、実施例1−1と同様にして、それぞれ分散剤(D−2)〜(D−9)と、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)に、H−NBR1(市販のLANXESS社製H−NBR Therban(R)3406、アクリロニトリル含有量34%)、NaOH、NMPを表2に従って仕込み、ジルコニアビーズ(ビーズ径0.5mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで混合して変性し、分散剤(D−10)、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)に、H−NBR2(市販の日本ゼオン社製H−NBR Zetpole(R)3300、アクリロニトリル含有量23.6%)、LiOH、NMPを表2に従って仕込み、ジルコニアビーズ(ビーズ径0.5mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで混合して変性し、分散剤(D―11)、NMPと、LiOHを含む溶液を得た。
NaOH量を表2に従って変更した以外は、実施例2−1と同様にして、それぞれ分散剤(D−12)〜(D−14)と、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
使用する無機塩基を表2に従って変更した以外は、実施例1−1と同様にして、それぞれ分散剤(D−15)〜(D−17)と、NMPと、無機塩基を含む溶液を得た。
実施例1−1と同様に、NaOH/NMP懸濁液、および共重合体(A―1)/NMP溶液を調製した。続いて、NaOH、共重合体(A−1)、NMPが表2に示す組成となるように、NaOH/NMP懸濁液、共重合体(A―1)/NMP溶液およびNMPをステンレス容器3に入れ、さらに導電材として8S(JENOTUBE8S、JEIO社製、多層CNT、外径6〜9nm)を38.75部加えた。これをホモジナイザーで2時間撹拌して共重合体(A−1)を変性し、分散剤(D−18)、導電材、NMPおよびNaOHを含有する混合液を得た。
実施例1−9で作製した、NMPとNaOHを含む分散剤(D−9)を、精製水に滴下して沈殿させブフナー漏斗でろ過して沈殿物を回収した。引き続き、ブフナー漏斗上で精製水をふりかけてすすいだ後、テトラヒドロフラン(THF)に溶解させた。これを精製水に再び滴下して前記ろ過、洗浄工程を行い、NaOHを抽出除去した。これを60℃で熱風乾燥させてNaOHを除去した分散剤(D−19)を得た。
ステンレス製容器1に、NaOH16部およびNMP84部を入れ、ホモジナイザーにより1時間撹拌し、NaOH/NMP懸濁液を調製した。ステンレス製容器2に共重合体(A−9)9部およびNMP91部を入れ、ホモジナイザーにより1時間撹拌し、共重合体(A―9)/NMP溶液を調製した。続いて、NaOH、共重合体(A−9)が表2に示す組成となるように、NaOH/NMP懸濁液および共重合体(A―9)/NMP溶液を、ステンレス製容器3に入れ、さらにNMPを加えて濃度を調整し、水を共重合体(A−9)と、NaOHと、NMPの合計質量に対して0.2質量%となるように加えた。これをホモジナイザーで2時間撹拌して変性し、分散剤(D−20)、NMPと、NaOHと、水を含む溶液を得た。
実施例1−20において、水を用いた代わりに、メタノールを共重合体(A−9)と、NaOHと、NMPの合計質量に対して2質量%となるように加えて濃度を調整した。これをホモジナイザーで2時間撹拌して変性し、分散剤(D−20)、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
実施例1−20において、水を用いた代わりに、メタノールを共重合体(A−9)と、NaOHと、NMPの合計質量に対して20質量%となるように加えて濃度を調整した。これをホモジナイザーで2時間撹拌して変性し、分散剤(D−20)、NMPと、NaOHを含む溶液を得た。
<実施例2−1〜2−17、2−20〜2−22>
表4に示す組成と分散時間に従い、ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)にNMPおよび無機塩基を含む分散剤溶液を仕込み、NMPを追加して濃度を調製した後、導電材8Sを加え、ジルコニアビーズ(ビーズ径1.25mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで分散し、各導電材分散体(分散体1〜17、20〜22)を得た。
表4に示す組成と分散時間に従い、ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)にNMP、NaOH、および導電材8Sを含む分散剤溶液を仕込み、NMPを追加して濃度を調製した後、ジルコニアビーズ(ビーズ径1.25mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで分散し、導電材分散体(分散体18)を得た。
<実施例2−19>
表4に示す組成と分散時間に従い、ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)に分散剤およびNMPを仕込み、分散剤を溶解させた後、導電材8Sを加え、ジルコニアビーズ(ビーズ径1.25mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで分散し、導電材分散体(分散体19)を得た。
表4に示す組成と分散時間に従い、ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)にNMPおよび無機塩基を含む分散剤溶液を仕込み、NMPを追加して濃度を調製した後、表4に示す導電材を加え、ジルコニアビーズ(ビーズ径1.25mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで分散し、各導電材分散体(分散体23〜24)を得た。
表4に示す組成と分散時間に従い、ガラス瓶(M−225、柏洋硝子株式会社製)に分散剤、および記載のある場合は添加剤(アミノエタノールまたはNaOH)を仕込み、NMPを追加して溶解混合させた後、導電材8Sを加え、ジルコニアビーズ(ビーズ径1.25mmφ)をメディアとして、ペイントコンディショナーで分散し、導電材分散体(比較分散体1〜5)を得た。
・100T:K−Nanos 100T(Kumho Petrochemical社製、多層CNT、外径10〜15nm)
・HS−100:デンカブラックHS−100(デンカ社製、アセチレンブラック、平均一次粒子径48nm、比表面積39m2/g)
・PVP:ポリビニルピロリドンK−30(日本触媒社製、固形分100%)
・PVA:Kuraray POVAL PVA403(クラレ社製、固形分100%)
<実施例3−1>
表6に示す組成に従い、容量150mlのプラスチック容器に導電材分散体(分散体1)と、8質量%PVDFを溶解したNMPとを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー社製あわとり練太郎、ARE−310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、バインダー含有導電材分散体を得た。その後、活物質としてNMCを添加し、自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30分間間撹拌した。さらにその後、NMPを添加し、自転・公転ミキサーを用いて、2000rpmで30秒間撹拌して、正極用合材スラリーを得た。正極用合材スラリーの固形分は75質量%とした。
導電材分散体の種類を変更した以外は実施例3−1と同様の方法により、正極2a〜24a、比較正極1a〜5aを作製した。
表6に示す通り、活物質をNCAに変更した以外は実施例3−1、3−10、および比較例3−1〜3−3と同様の方法により、正極1b、2b、比較正極1b〜3bを作製した。
・NCA:HED(登録商標)NAT−7050(BASF戸田バッテリーマテリアルズ合同会社製、組成:LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)、固形分100%
・PVDF:Solef#5130(Solvey社製)、固形分100%
<実施例5−1〜5−24、比較例5−1〜5−5>
<実施例6−1〜6−2、比較例6−1〜6−3>
下記の標準負極と表7に掲載した正極膜とを各々50mm×45mm、45mm×40mmに打ち抜き、その間に挿入されるセパレーター(多孔質ポリプロプレンフィルム)とをアルミ製ラミネート袋に挿入し、電気オーブン中、70℃で1時間乾燥した。続いて、アルゴンガスで満たされたグローブボックス内で、電解液(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートを1:1:1(体積比)の割合で混合した混合溶媒を作製し、さらに添加剤として、VC(ビニレンカーボネート)を電解液100部に対して1部加えた後、LiPF6を1Mの濃度で溶解させた非水電解液)を2mL注入し、アルミ製ラミネートを封口して電池1a〜21a、電池1b〜21b、比較電池1a〜5a、比較電池1b〜5b、電池1c、比較電池1c〜3c、電池1d、比較電池1d〜3dを作製した。
容量150mlのプラスチック容器にアセチレンブラック(デンカ株式会社製、デンカブラック(登録商標)HS100)と、CMCと、水とを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー社製あわとり練太郎、ARE−310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌した。さらに活物質として人造黒鉛を添加し、自転・公転ミキサー(シンキー社製あわとり練太郎、ARE−310)を用いて、2000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBRを加えて、自転・公転ミキサー(シンキー社製あわとり練太郎、ARE−310)を用いて、2000rpmで30秒間撹拌し、標準負極用合材スラリーを得た。標準負極用合材スラリーの固形分は48質量%とした。標準負極用合材スラリー中の活物質:導電材:CMC:SBRの固形分比率は97:0.5:1:1.5とした。
・人造黒鉛:CGB−20(日本黒鉛工業社製)、固形分100%
・CMC:#1190(ダイセルファインケム社製)、固形分100%
・SBR:TRD2001(JSR社製)、固形分48%
負極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmの銅箔上にアプリケーターを用いて塗工した後、電気オーブン中で80℃±5℃で25分間乾燥して電極の単位面積当たりの目付量が10mg/cm2となるように調整した。さらにロールプレス(株式会社サンクメタル社製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、合材層の密度が1.6g/cm3となる正極を作製した。
表7に示す通り、ロバスト性が良好な電池はレート特性およびサイクル特性が良好であり、ロバスト性が悪い電池はいずれの特性も悪かった。導電ネットワークが良好に形成され低抵抗な正極は、電池としても抵抗が低く、レート特性が良化するものと思われる。また、導電ネットワークが不良な場合、比較的低抵抗な活物質粒子にサイクルの負荷が集中するため、劣化が促進されてしまうのに対し、全体に良好な導電ネットワークが形成されている場合、負荷が分散されるため劣化しにくくなる。
Claims (14)
- 共重合体(A)と、共重合体(A)に対して1〜20質量%の無機塩基(B)と、溶媒(C)との混合物を作製し、共重合体(A)を変性する、分散剤(D)の製造方法であって、下記(1)〜(4)を満たす分散剤(D)の製造方法。
(1)共重合体(A)は、(メタ)アクリロニトリルに由来する構成単位(A1)と、不飽和結合の一部もしくは全部が水素添加されていてもよい、共役ジエンに由来する構成単位(A2)とを含む共重合体であって、かつ、前記構成単位(A1)を15〜50質量%含み、前記構成単位(A1)および構成単位(A2)を合計で70質量%以上含み、重量平均分子量が5000〜400000である。
(2)無機塩基(B)は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。
(3)共重合体(A)のゲル浸透クロマトグラフィーにおける重量平均分子量を1としたときの、分散剤(D)の重量平均分子量が0.05〜0.6である。
(4)共重合体(A)の溶媒(C)溶液の粘度をηA(Pa・s)、分散剤(D)の溶媒(C)溶液の粘度をηD(Pa・s)としたときの、せん断速度100/sおよび1,000/sにおけるηD/ηAが0.05〜0.6である。(ただし、各溶液の濃度は8質量%である。) - 前記混合物は、更に、アルコールおよび水からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物(E)を、共重合体(A)と、無機塩基(B)と、溶媒(C)の合計質量に対して0.05〜20質量%含む請求項1記載の分散剤(D)の製造方法。
- 化合物(E)の含有量が0.05〜5質量%である請求項2記載の分散剤(D)の製造方法。
- 無機塩基(B)の含有量は、共重合体(A)に対して2〜15質量%である請求項1〜3いずれか記載の分散剤(D)の製造方法。
- 無機塩基(B)は、アルカリ金属水酸化物およびアルカリ土類金属水酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む請求項1〜4いずれか記載の分散剤(D)の製造方法。
- 共重合体(A)は、更に他のエチレン性不飽和単量体に由来する構成単位(A3)を含む請求項1〜5いずれか記載の分散剤(D)の製造方法。
- 共重合体(A)の変性後に無機塩基(B)を抽出除去する、請求項1〜6いずれか記載の分散剤(D)の製造方法。
- 請求項1〜7いずれか記載の製造方法で得られた分散剤(D)と、導電材(F)とを混合し、導電材(F)を分散する導電材分散体の製造方法。
- 導電材(F)が繊維状炭素である請求項8記載の導電材分散体の製造方法。
- 複素弾性率が20Pa未満であり、かつ位相角が19°以上である請求項8または9記載の導電材分散体の製造方法。
- 請求項8〜10いずれか記載の製造方法で得られた導電材分散体と、バインダー樹脂とを混合するバインダー含有導電材分散体の製造方法。
- 請求項8〜10いずれか記載の製造方法で得られた導電材分散体、または請求項11記載の製造方法で得られたバインダー含有導電材分散体と、活物質とを混合する合材スラリーの製造方法。
- 請求項8〜10いずれか記載の製造方法で得られた導電材分散体、請求項11記載の製造方法で得られたバインダー含有導電材分散体、または請求項12記載の製造方法で得られた合材スラリーを膜状に形成する電極膜の製造方法。
- 正極と、負極と、電解質とを具備してなる非水電解質二次電池の製造方法であって、請求項13記載の製造方法で得られた電極膜を正極または負極の少なくとも一方に用いる、非水電解質二次電池の製造方法。
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