JP2022036069A - 電池用結着剤、電極合剤、電極および二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができる結着剤を提供すること。【解決手段】含フッ素共重合体を含有する電池用結着剤であって、前記含フッ素共重合体が、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、特定の構造式で表される繰り返し単位(b1)および特定の構造式で表される繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有し、前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、95/5~5/95である電池用結着剤を提供する。【選択図】 なし

Description

本開示は、電池用結着剤、電極合剤、電極および二次電池に関する。
特許文献1には、電極活物質(A)と結着剤(B)とフッ素ゴム粒子(C)を含み、フッ素ゴム粒子(C)が架橋されたフッ素ゴム粒子であるリチウム二次電池の電極合剤用スラリーが開示されている。
また、特許文献2には、ビニリデンフルオライド、下記一般式(1):
CH=CFRf (1)
(式中、Rfは炭素数1~12の直鎖又は分岐したフルオロアルキル基である。)で表される含フッ素単量体、並びに、ビニリデンフルオライド及び前記含フッ素単量体と共重合可能な他の単量体からなる共重合体であり、ビニリデンフルオライド単位/含フッ素単量体単位のモル比が85/15~20/80であり、他の単量体単位が全単量体単位の0~50モル%であり、ガラス転移温度が25℃以下であり、ヨウ素原子及び臭素原子の少なくとも一方を有し、その含有量の合計が0.001~10重量%である、非晶質の含フッ素エラストマーと、架橋剤とを含むことを特徴とする架橋性組成物などが記載されている。
国際公開第2011/002097号 特開2013-216915号公報
本開示では、耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができる結着剤を提供することを目的とする。
本開示によれば、含フッ素共重合体を含有する電池用結着剤であって、前記含フッ素共重合体が、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、一般式(b1)で表される繰り返し単位(b1)および一般式(b2)で表される繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有し、前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、95/5~5/95である電池用結着剤が提供される。
一般式(b1):
Figure 2022036069000001
式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖状または分岐鎖状のフッ素化アルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、炭素数が2以上である場合は、炭素-炭素原子間に酸素原子を含むものであってもよい。
一般式(b2):
Figure 2022036069000002
式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖状または分岐鎖状のフッ素化アルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、炭素数が2以上である場合は、炭素-炭素原子間に酸素原子を含むものであってもよい。
本開示の電池用結着剤において、前記含フッ素共重合体における繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、87/13~20/80であることが好ましい。
本開示の電池用結着剤において、前記含フッ素共重合体のガラス転移温度が、25℃以下であることが好ましい。
本開示の電池用結着剤は、ポリビニリデンフルオライドをさらに含有することが好ましい。
本開示の電池用結着剤において、前記含フッ素共重合体と前記ポリビニリデンフルオライドとの質量比(含フッ素共重合体/ポリビニリデンフルオライド)が、99/1~1/99であることが好ましい。
また、本開示によれば、上記の電池用結着剤、粉末電極材料、および、水または非水溶剤を含有する電極合剤が提供される。
本開示の電極合剤において、前記粉末電極材料が、リチウム遷移金属複合酸化物を含有することが好ましい。
本開示の電極合剤は、前記非水溶剤を含有し、前記非水溶剤がN-メチル-2-ピロリドンを含有することが好ましい。
また、本開示によれば、上記の電池用結着剤を含有する電極材料層を備える電極が提供される。
また、本開示によれば、上記の電極合剤により形成される電極材料層を備える電極が提供される。
また、本開示によれば、上記の電極を備える二次電池が提供される。
本開示によれば、耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができる結着剤を提供することができる。
以下、本開示の具体的な実施形態について詳細に説明するが、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。
本開示の電池用結着剤は、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、繰り返し単位(b1)および繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有する含フッ素共重合体であって、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、95/5~5/95である含フッ素共重合体を含有する。
本開示の電池用結着剤は、このように、特定の構造を有する繰り返し単位(a)および特定の構造を有する繰り返し単位(b)を、極めて限定されたモル比で含有するものである。
粉末電極材料を結着させるとともに、粉末電極材料と集電体とを密着させることにより、二次電池、キャパシタなどの電池の電極を作製するために、結着剤が用いられている。結着剤は、通常、粉末電極材料および水または非水溶媒を含有する電極合剤の成分として用いられる。電極合剤を集電体に塗布することにより、電極材料層と集電体とを備える電極を作製することができる。得られる電極材料層の柔軟性が乏しいと、電極を折り曲げたり、電極を捲回したりした場合に、粉末電極材料が集電体から剥離したり、電極材料層が割れたりする問題が生じる。
そこで、特許文献1では、結着剤に加えて、架橋されたフッ素ゴム粒子を用いることが提案されている。しかしながら、たとえば、架橋VdF/HFP共重合体ゴム粒子、架橋TFE/VdF/HFP共重合体ゴムなどの架橋フッ素ゴム粒子、および、ニッケル含有率が高い正極活物質などの粉末電極材料を含有する正極合剤を調製すると、正極合剤中の成分が沈降し、正極合剤の均一な塗布が困難になる上、得られる正極材料層と集電体との密着性が劣る問題がある。
本開示の電池用結着剤は、特定の構造を有する繰り返し単位(a)および特定の構造を有する繰り返し単位(b)を、極めて限定されたモル比で含有するものであることから、耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができる。
耐ゲル化性とは、電池用結着剤を含有する電極合剤の粘度が上昇しにくい性質を意味する。たとえば、本開示の電池用結着剤を、ニッケル含有率が高い正極活物質と混合することにより正極合剤を調製した場合でも、得られる正極合剤は、粘度が上昇しにくく、従来の正極合剤と比較し優れた耐ゲル化性を有している。本開示の電池用結着剤を用いることにより、均質で平滑な電極材料層を容易に形成することができる。
電池用結着剤の密着性とは、電池用結着剤を用いて電極合剤を調製し、電極合剤を用いて集電体(金属箔)上に電極材料層を形成した場合の集電体(金属箔)と電極材料層との密着性である。たとえば、本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層は、従来の電極材料層と比べても十分な密着性を有している。
電池用結着剤の柔軟性とは、電池用結着剤を用いて電極合剤を調製し、電極合剤を用いて電極材料層を形成した場合の電極材料層の柔軟性である。たとえば、本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層は、従来の電極材料層と比べても十分な柔軟性を有している。
電極材料層の柔軟性は、電極の曲げ試験および丸棒への巻き付け試験により評価することができる。本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層を備える電極は、曲げ試験により測定する最大試験力が小さい。すなわち、電極を曲げるのに大きな力が不要であり、また、電極を折り曲げたり捲回したりする際に、曲げ応力による破断が生じにくいので、電極を所望の形状に容易に変更できる。さらに、本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層を備える電極は、径の小さい丸棒に巻き付けても電極材料層にピンホールが生じにくい。すなわち、電極を、電極の曲げ半径が小さい捲回型電池に用いた場合でも、電極材料層にピンホールが生じにくい。このように、本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層は、柔軟性に優れており、容易に折り曲げたり、捲回したりすることができ、破断またはピンホールも生じにくい。
さらに、本開示の電池用結着剤を用いることによって、スプリングバックが生じにくい電極材料層を形成することができる。電極材料層を形成する際には、電極を薄く平たんにしたり、電極密度を向上させたりするために、プレス加工が行われ、プレス加工後には熱処理が行われることがある。スプリングバックとは、プレス加工によるプレス荷重を解放し、熱処理をした後に、電極の厚みが大きくなったり、電極密度が小さくなったりする現象である。本開示の電池用結着剤を用いて得られる塗布膜を、高圧でプレスし、熱処理をすることにより電極材料層を形成した場合、熱処理後の膜厚の増加が小さく、密度が減少しにくい。したがって、本開示の電池用結着剤を用いることにより、高密度の電極材料層を容易に形成することができる。
さらに、本開示の電池用結着剤を用いて得られる電極材料層は、電解液に浸漬させた場合でも膨潤しにくく、従来の電極材料層と比べても十分な耐電解液性を有している。
以上のとおり、本開示の電池用結着剤は、耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができる。したがって、本開示の電池用結着剤を用いることにより、従来の電池と比べても、初期抵抗および抵抗増加率が十分に小さく、初期放電容量およびサイクル容量保持率が十分に大きい電池を作製することができる。
繰り返し単位(b1)は、一般式(b1)で表される繰り返し単位である。
一般式(b1):
Figure 2022036069000003
一般式(b1)において、Rfは、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルキル基、または、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルコキシ基である。フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfのフッ素化アルキル基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfのフッ素化アルコキシ基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルコキシ基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルコキシ基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfの炭素数としては、好ましくは1~10であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~4であり、特に好ましくは1である。
Rfとしては、一般式:
-(Rf11-(O)-(Rf12-O)-Rf13
(式中、Rf11およびRf12は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf13は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0または1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である)で表される基が好ましい。
Rf11およびRf12のフッ素化アルキレン基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキレン基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキレン基であってもよい。また、Rf11およびRf12のフッ素化アルキレン基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。Rf11およびRf12は、各出現において、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Rf11のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1または2の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-がより好ましい。
Rf12のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1~3の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-、-CFCF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-または-CF-CF(CF)-がより好ましい。
Rf13のフッ素化アルキル基としては、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rf13のフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基(たとえば、-CN、-I、-Brなどの反応性官能基)を含まないことが好ましい。
Rf13のフッ素化アルキル基としては、-CHF、-CHF、-CF、-CH-CHF、-CH-CHF、-CH-CF、-CHF-CHF、-CHF-CHF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CHF、-CF-CF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CF、-CHF-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CH-CF-CF-CF、-CHF-CF-CF-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF、-CF(CF)-CF-CF、-C(CF-CFなどが挙げられ、なかでも、-CF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CFまたは-CF(CF)-CF-CFが好ましい。
pとしては、0が好ましい。
mとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0または1であり、さらに好ましくは0である。また、pが0であるときはmも0であることが好ましい。
nとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0または1であり、さらに好ましくは0である。
繰り返し単位(b1)としては、
-CH-CF[-CF]-、
-CH-CF[-CFCF]-、
-CH-CF[-CFCFCF]-、
-CH-CF[-CFCFCFCF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CHF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF(CF)-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CH(CF)-CF-CF]-、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CF(CF)-CF-CF]-、
-CH-CF[-OCFOCF]-、
-CH-CF[-OCFCFCFOCF]-、
-CH-CF[-CFOCFOCF]-、
-CH-CF[-CFOCFCFCFOCF]-、または、
-CH-CF[-O-CF-CF]-
が好ましく、
-CH-CF[-CF]-、または、
-CH-CF[-CF-O-CF(CF)-CF-O-CHF-CF]-、
がより好ましい。
繰り返し単位(b2)は、一般式(b2)で表される繰り返し単位である。
一般式(b2):
Figure 2022036069000004
一般式(b2)において、Rfは、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルキル基、または、炭素数1~12の直鎖状もしくは分岐鎖状のフッ素化アルコキシ基である。フッ素化アルキル基およびフッ素化アルコキシ基は、いずれも、炭素数が2以上ある場合には、炭素-炭素原子間に酸素原子(-O-)を含むことができる。
Rfのフッ素化アルキル基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfのフッ素化アルコキシ基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルコキシ基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルコキシ基であってもよい。また、Rfのフッ素化アルコキシ基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。
Rfの炭素数としては、好ましくは1~10であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~4であり、特に好ましくは1である。
Rfとしては、一般式:
-(Rf21-(O)-(Rf22-O)-Rf23
(式中、Rf21およびRf22は、独立に、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキレン基、Rf23は、直鎖状もしくは分岐鎖状の、炭素数1~4のフッ素化アルキル基、pは0または1、mは0~4の整数、nは0~4の整数である。)で表される基が好ましい。
Rf21およびRf22のフッ素化アルキレン基は、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキレン基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキレン基であってもよい。また、Rf21およびRf22のフッ素化アルキレン基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基を含まないことが好ましい。Rf21およびRf22は、各出現において、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
Rf21のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1または2の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-がより好ましい。
Rf22のフッ素化アルキレン基としては、-CHF-、-CF-、-CH-CF-、-CHF-CF-、-CF-CF-、-CF(CF)-、-CH-CF-CF-、-CHF-CF-CF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-、-CF-CF(CF)-、-C(CF-、-CH-CF-CF-CF-、-CHF-CF-CF-CF-、-CF-CF-CF-CF-、-CH(CF)-CF-CF-、-CF(CF)-CF-CF-、-C(CF-CF-などが挙げられ、なかでも、炭素数1~3の過フッ素化アルキレン基が好ましく、-CF-、-CFCF-、-CF-CF-CF-、-CF(CF)-CF-または-CF-CF(CF)-がより好ましい。
Rf23のフッ素化アルキル基としては、炭素原子に結合した水素原子の一部がフッ素原子により置換された部分フッ素化アルキル基であってもよいし、炭素原子に結合した水素原子の全部がフッ素原子により置換された過フッ素化アルキル基であってもよい。また、Rf23のフッ素化アルキル基は、水素原子がフッ素原子以外の置換基により置換されていてもよいが、フッ素原子以外の置換基(たとえば、-CN、-I、-Brなどの反応性官能基)を含まないことが好ましい。
Rf23のフッ素化アルキル基としては、-CHF、-CHF、-CF、-CH-CHF、-CH-CHF、-CH-CF、-CHF-CHF、-CHF-CHF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CHF、-CF-CF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CHF、-CHF-CF-CHF、-CF-CF-CHF、-CF(CF)-CHF、-CH-CF-CF、-CHF-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CH-CF-CF-CF、-CHF-CF-CF-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CF、-CF(CF)-CF-CF、-C(CF-CFなどが挙げられ、なかでも、-CF、-CHF-CF、-CF-CHF、-CF-CF、-CF-CF-CF、-CF(CF)-CF、-CF-CF-CF-CF、-CH(CF)-CF-CFまたは-CF(CF)-CF-CFが好ましい。
pとしては、0が好ましい。
mとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0または1であり、さらに好ましくは0である。また、pが0であるときはmも0であることが好ましい。
nとしては、好ましくは0~2の整数であり、より好ましくは0または1であり、さらに好ましくは0である。
繰り返し単位(b2)としては、
-CHF-CH[-CF]-、
-CHF-CH[-CFCF]-、
-CHF-CH[-CFCFCF]-、または、
-CHF-CH[-CFCFCFCF]-、
が好ましく、
-CHF-CH[-CF]-
がより好ましい。
含フッ素共重合体は、さらに、繰り返し単位(a)および(b)以外の他の単量体に基づく繰り返し単位を含有してもよい。他の単量体としては、繰り返し単位(a)および(b)を形成する単量体と共重合可能な単量体であれば特に限定されず、1種または2種以上の単量体を使用してよい。
上記他の単量体としては、テトラフルオロエチレン〔TFE〕、ヘキサフルオロプロピレン〔HFP〕、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、ヘキサフルオロイソブテン、フッ化ビニル、エチレン、プロピレン、アルキルビニルエーテル、および、反応性官能基を有する単量体からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、TFE、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、クロロトリフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、ヘキサフルオロイソブテン、フッ化ビニル、エチレン、アルキルビニルエーテル、および、反応性官能基を有する単量体からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、TFEがさらに好ましい。また、上記他の単量体として、TFEのみを用いることも好ましい形態の一つである。
反応性官能基としては、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、I、Br、-CHOH、炭素間二重結合などが挙げられる。
反応性官能基を有する単量体としては、たとえば、
一般式(2):CX =CX-RfCHR
(式中、Xは、同一または異なって、H、Fまたは-CH、Rfは、フルオロアルキレン基、パーフルオロアルキレン基、フルオロ(ポリ)オキシアルキレン基またはパーフルオロ(ポリ)オキシアルキレン基、Rは、Hまたは-CH、Xは、IまたはBrである。)で表されるヨウ素または臭素含有単量体、
一般式(3):CX =CX-Rf
(式中、Xは、同一または異なって、H、Fまたは-CH、Rfは、フルオロアルキレン基、パーフルオロアルキレン基、フルオロ(ポリ)オキシアルキレン基またはパーフルオロ(ポリ)オキシアルキレン基、Xは、IまたはBrである。)で表されるヨウ素または臭素含有単量体(好ましくは、一般式:CH=CH(CFI(nは2~8の整数である。)で表されるヨウ素含有単量体)、
一般式(4):CF=CFO(CFCF(CF)O)(CF-X
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、Xは、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、IまたはBrである。)で表される単量体、
一般式(5):CH=CFCFO(CF(CF)CFO)(CF(CF))-X
(式中、mは0~5の整数、nは1~3の整数、Xは、シアノ基、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基、I、Brまたは-CHOHである。)で表される単量体、
一般式(6):CR=CR-Z-CR=CR
(式中、R~Rは、同一または異なって、Hまたは炭素数1~5のアルキル基である。Zは、直鎖または分岐状で酸素原子を有していてもよい、炭素数1~18のアルキレン基、炭素数3~18のシクロアルキレン基、少なくとも部分的にフッ素化している炭素数1~10のアルキレン若しくはオキシアルキレン基、または、
-(Q)-CFO-(CFCFO)(CFO)-CF-(Q)
(式中、Qはアルキレンまたはオキシアルキレン基である。pは0または1である。m/nが0.2~5である。)で表され、分子量が500~10000である(パー)フルオロポリオキシアルキレン基である。)で表される単量体等が挙げられる。
一般式(6)で表される単量体としては、たとえば、CH=CH-(CF-CH=CH、CH=CH-(CF-CH=CH、CH=CH-(CF-CH=CH、一般式:CH=CH-Z-CH=CH(式中、Zは、-CHOCH-CFO-(CFCFO)m1(CFO)n1-CF-CHOCH-で表されるフルオロポリオキシアルキレン基であり、m1/n1は0.5であり、分子量は2000である。)で表される単量体等が挙げられる。
反応性官能基を有する単量体としては、なかでも、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCN、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCOOH、CF=CFOCFCFCHI、CF=CFOCFCF(CF)OCFCFCHI、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)CN、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COOH、および、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)CHOHからなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
含フッ素共重合体は、反応性官能基を有する単量体に基づく繰り返し単位を含有してもよい。この場合、反応性官能基同士が反応することにより、あるいは、反応性官能基と架橋剤とが反応することにより、架橋構造を形成することができる。しかしながら、本開示の電池用結着剤の一実施形態においては、含フッ素共重合体が、反応性官能基を有する単量体に基づく繰り返し単位を含有しない。本開示の電池用結着剤の一実施形態においては、架橋剤を含有しない。
他の単量体に基づく繰り返し単位の含有量は、含フッ素共重合体を構成する全繰り返し単位に対して、好ましくは0~50モル%であり、より好ましくは0~40モル%である。他の単量体に基づく繰り返し単位の含有量は0モル%であってもよい。
含フッ素共重合体における繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))は、95/5~5/95であり、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、好ましくは87/13以下であり、より好ましくは78/22以下であり、好ましくは20/80以上であり、より好ましくは22/78以上であり、さらに好ましくは50/50以上であり、特に好ましくは60/40以上である。
本開示において、各繰り返し単位の含有量は、NMR法により測定する値である。
含フッ素共重合体としては、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、繰り返し単位(a)および(b)のみからなる共重合体であることが好ましい。
また、含フッ素共重合体としては、電池特性がより一層優れることから、ヨウ素原子および臭素原子の両方を有しない共重合体であることが好ましい。
含フッ素共重合体のガラス転移温度は、好ましくは25℃以下であり、より好ましくは0℃以下であり、さらに好ましくは-5℃以下であり、特に好ましくは-10℃以下である。さらには-20℃以下とすることもできる。含フッ素共重合体のガラス転移温度が上記範囲内にあると、柔軟性により一層優れた電極材料層を形成することができる。含フッ素共重合体は、柔軟性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、含フッ素エラストマーであることが好ましく、また、非晶質のポリマーであることが好ましい。
本開示において、「非晶質」とは、DSC測定(昇温速度20℃/分)において現れた融解ピーク(ΔH)の大きさが2.0J/g以下であることをいう。
上記ガラス転移温度は、示差走査熱量計(メトラー・トレド社製、DSC822e、もしくは、日立ハイテクサイエンス社製、X-DSC7000)を用い、試料10mgを-75℃まで冷却した後、20℃/分で昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度とすることにより求める。
含フッ素共重合体の数平均分子量(Mn)は、7000~500000であることが好ましく、含フッ素共重合体の重量平均分子量(Mw)は10000~3000000であることが好ましく、含フッ素共重合体のMw/Mnは1.3~4.0であることが好ましい。上記数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、および、Mw/Mnは、GPC法により測定する値である。
含フッ素共重合体の121℃のムーニー粘度(ML1+10(121℃))は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましく、30以上であることが特に好ましく、200以下であってもよい。
含フッ素共重合体の140℃のムーニー粘度(ML1+10(121℃))は、2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましく、10以上であることがさらに好ましく、30以上であることが特に好ましく、200以下であってもよい。
ムーニー粘度は、ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定する値である。
含フッ素共重合体は、末端構造が以下の不等式:
0.01≦([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)R]+[-COOH])≦0.25
(式中、Rは、炭素数1~20のアルキル基である)を満たすことが好ましい。末端官能基が上記式を満たすものとすることで、密着性・柔軟性が良好なものとなり、結着剤として優れた機能を有するものとなる。
なお、上記一般式を満たすということは、含フッ素共重合体が、[-CH]、[-CFH]、[-CHOH]、[-CHI]、[-OC(O)R]、[-COOH]のすべての官能基を有することを意味するものではなく、これらのうち、含フッ素共重合体に存在する末端基について、その個数比を上述した範囲内とすることを意味するものである。
含フッ素共重合体の各末端基の存在量の測定は、NMRによる分析によって行うことができる。
たとえば、NMRの末端基分析は、プロトンの溶液NMR法により行う。分析サンプルはAcetone-d6を溶媒として、20質量%溶液となるように調整し、測定を行う。
基準ピークはアセトンのピークトップを2.05ppmとする。
測定装置:バリアン社製VNMRS400
共鳴周波数:399.74(Sfrq)
パルス幅:45°
各末端は、以下のピーク位置のものに対応させる。
[-CH]:1.72~1.86ppm
[-CFH]:6.1~6.8ppm
[-CHOH]:3.74~3.80ppm
[-CHI]:3.87~3.92ppm
[-OC(O)R]:1.09~1.16ppm
[-COOH]:10~15ppm
上述した測定によって特定された各ピークの積分値に基づいて、各ピーク強度から官能基量を算出し、その結果に基づいて下記式にて計算する。
([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)R]+[-COOH])
[-CHOH]や[-COOH]を上述した所定の範囲内のものとする方法は、特に限定されず、公知の方法(例えば、重合に使用する開始剤の選択・使用量等)によって制御することができる。
上述した含フッ素共重合体は、繰り返し単位(a)および(b)を形成する単量体などを、公知の方法により重合することにより、製造することができる。
本開示の電池用結着剤は、上述した含フッ素共重合体以外の他の重合体を含有してもよい。他の重合体としては、フルオロポリマー(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸などが挙げられる。
他の重合体としては、なかでも、フルオロポリマー(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)が好ましく、ポリビニリデンフルオライド(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)およびビニリデンフルオライド重合体(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、ポリビニリデンフルオライド(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)がさらに好ましい。
本開示の電池用結着剤は、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、ポリビニリデンフルオライド(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)をさらに含有することも好ましい。含フッ素共重合体とともにポリビニリデンフルオライドを含有する電池用結着剤は、特に電池用結着剤を正極に用いる場合に好適な形態である。
ポリビニリデンフルオライド(PVdF)は、ビニリデンフルオライド(VdF)に基づく繰り返し単位(以下、VdF単位という)を含有する重合体であり、上述した含フッ素共重合体とは異なる重合体である。PVdFは、VdF単位のみからなるVdFホモポリマーであってよいし、VdF単位およびVdFと共重合可能な単量体に基づく繰り返し単位(以下、VdFと共重合可能な単量体単位という)を含有する重合体であってもよい。
上記PVdFにおいて、VdFと共重合可能な単量体としては、フッ素化単量体、非フッ素化単量体等が挙げられ、フッ素化単量体が好ましい。上記フッ素化単量体としては、繰り返し単位(b)を形成する単量体以外の単量体であることが好ましく、たとえば、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、(パーフルオロアルキル)エチレン等が挙げられる。上記非フッ素化単量体としては、エチレン、プロピレン等が挙げられる。
上記PVdFにおいて、VdFと共重合可能な単量体としては、CTFE、フルオロアルキルビニルエーテルおよびHFPからなる群より選択される少なくとも1種のフッ素化単量体が好ましく、CTFE、HFPおよびフルオロアルキルビニルエーテルからなる群より選択される少なくとも1種のフッ素化単量体がより好ましい。
上記PVdFにおいて、VdFと共重合可能な単量体単位の含有量は、全繰り返し単位(全単量体単位)に対して、好ましくは0~5.0モル%であり、より好ましくは0~3.0モル%である。上記PVdFにおいて、フッ素化単量体に基づく繰り返し単位(ただし、VdF単位を除く。以下、フッ素化単量体単位という)の含有量は、全単量体単位に対して、好ましくは5.0モル%未満であり、より好ましくは3.0モル%未満であり、さらに好ましくは1.0モル%未満である。
本開示において、PVdFの組成は、たとえば、19F-NMR測定により測定できる。
上記PVdFは、極性基を有していてもよい。結着剤として、含フッ素共重合体および極性基を有するPVdFを用いることにより、金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができる。
上記極性基としては、極性を有する官能基であれば特に限定されないが、カルボニル基含有基、エポキシ基、ヒドロキシ基、スルホン酸基、硫酸基、リン酸基、アミノ基、アミド基およびアルコキシ基からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、カルボニル基含有基、エポキシ基およびヒドロキシ基からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、カルボニル基含有基がさらに好ましい。上記ヒドロキシ基には、上記カルボニル基含有基の一部を構成するヒドロキシ基は含まれない。また、上記アミノ基とは、アンモニア、第一級または第二級アミンから水素を除去した1価の官能基である。
上記カルボニル基含有基とは、カルボニル基(-C(=O)-)を有する官能基である。上記カルボニル基含有基としては、一般式:-COOR(Rは、水素原子、アルキル基またはヒドロキシアルキル基を表す)で表される基またはカルボン酸無水物基が好ましく、一般式:-COORで表される基がより好ましい。アルキル基およびヒドロキシアルキル基の炭素数としては、好ましくは1~16であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~3である。一般式:-COORで表される基として、具体的には、-COOCHCHOH、-COOCHCH(CH)OH、-COOCH(CH)CHOH、-COOH、-COOCH、-COOC等が挙げられる。一般式:-COORで表される基が、-COOHであるか、-COOHを含む場合、-COOHは、カルボン酸金属塩、カルボン酸アンモニウム塩等のカルボン酸塩であってもよい。
また、上記カルボニル基含有基としては、一般式:-X-COOR(Xは、主鎖が原子数2~15で構成される原子団であり、原子団の分子量は350以下であることが好ましい。Rは、水素原子、アルキル基またはヒドロキシアルキル基を表す)で表される基であってもよい。アルキル基およびヒドロキシアルキル基の炭素数としては、好ましくは1~16であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~3である。
上記アミド基としては、一般式:-CO-NRR’(RおよびR’は、独立に、水素原子または置換もしくは非置換のアルキル基を表す。)で表される基、または、一般式:-CO-NR”-(R”は、水素原子、置換もしくは非置換のアルキル基または置換もしくは非置換のフェニル基を表す。)で表される結合が好ましい。
上記極性基は、VdFと上記極性基を有する単量体(以下、極性基含有単量体という)とを重合させることにより、PVdFに導入することもできるし、PVdFと上記極性基を有する化合物とを反応させることにより、PVdFに導入することもできるが、生産性の観点からは、VdFと上記極性基含有単量体とを重合させることが好ましい。
VdFと上記極性基含有単量体とを重合させると、VdF単位および極性基含有単量体に基づく繰り返し単位(以下、極性基含有単量体単位という)を含有するPVdFが得られる。すなわち、PVdFは、上記極性基含有単量体単位を含有することが好ましい。上記極性基含有単量体単位の含有量は、全単量体単位に対して、好ましくは0.001~5.0モル%であり、より好ましくは0.01~3.0モル%であり、さらに好ましくは0.10~1.5モル%である。
本開示において、PVdFにおける極性基含有単量体単位の含有量は、たとえば、極性基がカルボン酸等の酸基である場合、酸基の酸-塩基滴定によって測定できる。
上記極性基含有単量体としては、ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、ビニル酢酸(3-ブテン酸)、3-ペンテン酸、4-ペンテン酸、3-ヘキセン酸、4-ヘプテン酸等の不飽和一塩基酸;マレイン酸、無水マレイン酸、シトラコン酸、無水シトラコン酸等の不飽和二塩基酸;メチリデンマロン酸ジメチル等のアルキリデンマロン酸エステル;ビニルカルボキシメチルエーテル、ビニルカルボキシエチルエーテル等のビニルカルボキシアルキルエーテル;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のカルボキシアルキル(メタ)アクリレート;アクリロイルオキシエチルコハク酸、メタクリロイルオキシエチルコハク酸、アクリロイルオキシエチルフタル酸、アクリロイルオキシプロピルコハク酸、メタクリロイルオキシエチルフタル酸等の(メタ)アクリロイルオキシアルキルジカルボン酸エステル;マレイン酸モノメチルエステル、マレイン酸モノエチルエステル、シトラコン酸モノメチルエステル、シトラコン酸モノエチルエステル等の不飽和二塩基酸のモノエステル;等が挙げられる。
PVdFと上記極性基を有する化合物とを反応させて、上記極性基をPVdFに導入する場合には、上記極性基を有する化合物として、上記極性基含有単量体、または、PVdFと反応性の基と加水分解性基とを有するシラン系カップリング剤もしくはチタネート系カップリング剤を用いることができる。上記加水分解性基としては、好ましくはアルコキシ基である。カップリング剤を用いる場合には、溶媒に溶解または膨潤させたPVdFと反応させることによって、PVdFに付加させることができる。
PVdFとしては、また、PVdFを塩基で部分的に脱フッ化水素処理した後、部分的に脱フッ化水素処理されたPVdFを酸化剤とさらに反応させて得られたものを用いることもできる。上記酸化剤としては、過酸化水素、次亜塩素酸塩、ハロゲン化パラジウム、ハロゲン化クロム、過マンガン酸アルカリ金属、過酸化合物、過酸化アルキル、過硫酸アルキル等が挙げられる。
PVdFのVdF単位の含有量は、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、全単量体単位に対して、好ましくは95.0モル%超であり、より好ましくは97.0モル%超であり、さらに好ましくは99.0モル%超である。
また、PVdFのVdF単位の含有量は、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、全単量体単位に対して、好ましくは95.0~99.999モル%であり、より好ましくは95.0モル%超であり、さらに好ましくは97.0モル%以上であり、特に好ましくは98.5モル%以上であり、より好ましくは99.99モル%以下であり、さらに好ましくは99.90モル%以下である。
PVdFの重量平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは50000~3000000であり、より好ましくは80000以上であり、さらに好ましくは100000以上であり、特に好ましくは200000以上であり、より好ましくは2400000以下であり、さらに好ましくは2200000以下であり、特に好ましくは2000000以下である。重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用いて測定することができる。また、柔軟性および金属箔への密着性に非常に優れた電極材料層を形成することができることから、PVdFの重量平均分子量は、1000000以上であってもよく、1500000以上であってもよい。
PVdFの数平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは20000~1500000であり、より好ましくは40000以上であり、さらに好ましくは70000以上であり、特に好ましくは140000以上であり、より好ましくは1400000以下であり、さらに好ましくは1200000以下であり、特に好ましくは1100000以下である。数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用いて測定することができる。
PVdFの融点は、好ましくは100~240℃である。上記融点は、示差走査熱量測定(DSC)装置を用い、10℃/分の速度で昇温したときの融解熱曲線における極大値に対する温度として求めることができる。
PVdFは、例えば、VdFおよび上記極性基含有単量体や、重合開始剤等の添加剤を適宜混合して、溶液重合や懸濁重合を行う等の従来公知の方法により製造することができる。
PVdFの30℃における貯蔵弾性率は、好ましくは2000MPa以下であり、より好ましくは1800MPa以下である。
PVdFの60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは1500MPa以下であり、より好ましくは1300MPa以下である。
PVdFの30℃における貯蔵弾性率は、好ましくは1000MPa以上であり、より好ましくは1100MPa以上である。
PVdFの60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは600MPa以上であり、より好ましくは700MPa以上である。
PVdFの貯蔵弾性率は、後述する含フッ素共重合体の貯蔵弾性率と同じ方法により測定できる。
本開示の電池用結着剤において、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、含フッ素共重合体とポリビニリデンフルオライドとの質量比(含フッ素共重合体/ポリビニリデンフルオライド)としては、好ましくは99/1~1/99であり、より好ましくは97/3以下であり、さらに好ましくは95/5以下であり、より好ましくは3/97以上であり、さらに好ましくは5/90以上である。
本開示の電池用結着剤は、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、ビニリデンフルオライド重合体(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)を含有してもよい。ビニリデンフルオライド(VdF)重合体(ただし、上述した含フッ素共重合体を除く)としては、VdF単位およびフッ素化単量体に基づく繰り返し単位(ただし、VdF単位を除く。以下、フッ素化単量体単位という)を含有する重合体が挙げられる。含フッ素共重合体とともにビニリデンフルオライド重合体を含有する電池用結着剤は、特に電池用結着剤を正極に用いる場合に好適な形態である。
フッ素化単量体(ただし、VdFを除く)としては、繰り返し単位(b)を形成する単量体以外の単量体であることが好ましく、たとえば、テトラフルオロエチレン(TFE)、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フルオロアルキルビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、(パーフルオロアルキル)エチレン等が挙げられる。なかでも、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、TFE、CTFEおよびHFPからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、TFEおよびHFPからなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、TFEが特に好ましい。
フッ素化単量体単位は、極性基を有していても有していなくてもよい。
VdF重合体のVdF単位の含有量は、全単量体単位に対して、50モル%超99モル%以下である。VdF単位の含有量が上記範囲にあることにより、柔軟性および金属箔への密着性に一層優れた電極材料層を形成することができる。
VdF重合体のVdF単位の含有量としては、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、全単量体単位に対して、好ましくは57.0モル%以上であり、より好ましくは60.0モル%以上であり、さらに好ましくは63.0モル%以上であり、好ましくは99.0モル%以下であり、より好ましくは97.0モル%以下であり、さらに好ましくは95.0モル%以下であり、特に好ましくは90.0モル%以下であり、最も好ましくは85.0モル%以下である。
VdF重合体のフッ素化単量体単位(ただし、VdF単位を除く)の含有量は、50モル%未満であればよく、特に限定されないが、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、全単量体単位に対して、好ましくは1.0モル%以上であり、より好ましくは3.0モル%以上であり、さらに好ましくは5.0モル%以上であり、特に好ましくは10.0モル%以上であり、最も好ましくは15.0モル%以上であり、好ましくは43.0モル%以下であり、より好ましく40.0モル%以下であり、さらに好ましくは37.0モル%以下である。
本開示において、VdF重合体の組成は、たとえば、19F-NMR測定により測定できる。
VdF重合体は、非フッ素化単量体に基づく繰り返し単位(以下、非フッ素化単量体単位という)をさらに含有してもよい。上記非フッ素化単量体としては、エチレン、プロピレン等の極性基を有しない非フッ素化単量体、極性基を有する非フッ素化単量体(以下、極性基含有単量体ということがある)等が挙げられる。
非フッ素化単量体として、極性基を有するものを用いると、VdF重合体に極性基が導入され、これによって、正極材料層と集電体とのより一層優れた密着性が得られる。VdF重合体が有し得る極性基としては、カルボニル基含有基、エポキシ基、ヒドロキシ基、スルホン酸基、硫酸基、リン酸基、アミノ基、アミド基およびアルコキシ基からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、カルボニル基含有基、エポキシ基およびヒドロキシ基からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、カルボニル基含有基がさらに好ましい。上記ヒドロキシ基には、上記カルボニル基含有基の一部を構成するヒドロキシ基は含まれない。また、上記アミノ基とは、アンモニア、第一級または第二級アミンから水素を除去した1価の官能基である。
上記カルボニル基含有基とは、カルボニル基(-C(=O)-)を有する官能基である。上記カルボニル基含有基としては、一般式:-COOR(Rは、水素原子、アルキル基またはヒドロキシアルキル基を表す)で表される基またはカルボン酸無水物基が好ましい。アルキル基およびヒドロキシアルキル基の炭素数としては、好ましくは1~16であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~3である。一般式:-COORで表される基として、具体的には、-COOCHCHOH、-COOCHCH(CH)OH、-COOCH(CH)CHOH、-COOH、-COOCH、-COOC等が挙げられる。一般式:-COORで表される基が、-COOHであるか、-COOHを含む場合、-COOHは、カルボン酸金属塩、カルボン酸アンモニウム塩等のカルボン酸塩であってもよい。
また、上記カルボニル基含有基としては、一般式:-X-COOR(Xは、主鎖が原子数2~15で構成される原子団であり、原子団の分子量は350以下であることが好ましい。Rは、水素原子、アルキル基またはヒドロキシアルキル基を表す)で表される基であってもよい。アルキル基およびヒドロキシアルキル基の炭素数としては、好ましくは1~16であり、より好ましくは1~6であり、さらに好ましくは1~3である。
上記アミド基としては、一般式:-CO-NRR’(RおよびR’は、独立に、水素原子または置換もしくは非置換のアルキル基を表す。)で表される基、または、一般式:-CO-NR”-(R”は、水素原子、置換もしくは非置換のアルキル基または置換もしくは非置換のフェニル基を表す。)で表される結合が好ましい。
上記極性基含有単量体としては、ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート;メチリデンマロン酸ジメチル等のアルキリデンマロン酸エステル;ビニルカルボキシメチルエーテル、ビニルカルボキシエチルエーテル等のビニルカルボキシアルキルエーテル;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のカルボキシアルキル(メタ)アクリレート;アクリロイルオキシエチルコハク酸、アクリロイルオキシプロピルコハク酸、メタクリロイルオキシエチルコハク酸、アクリロイルオキシエチルフタル酸、メタクリロイルオキシエチルフタル酸等の(メタ)アクリロイルオキシアルキルジカルボン酸エステル;マレイン酸モノメチルエステル、マレイン酸モノエチルエステル、シトラコン酸モノメチルエステル、シトラコン酸モノエチルエステル等の不飽和二塩基酸のモノエステル;一般式(1):
Figure 2022036069000005
(式中、R~Rは、独立に、水素原子または炭素数1~8の炭化水素基を表す。Rは、単結合または炭素数1~8の炭化水素基を表す。Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。)で表される単量体(1);等が挙げられる。
VdF重合体が含有し得る上記極性基含有単量体単位としては、一般式(1)で表される単量体(1)に基づく繰り返し単位が好ましい。
一般式(1)において、Yは、無機カチオンおよび/または有機カチオンを表す。無機カチオンとしては、H、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、Fe等のカチオンが挙げられる。有機カチオンとしては、NH、NH、NH 、NHR 、NR (Rは、独立に、炭素数1~4のアルキル基を表す。)等のカチオンが挙げられる。Yとしては、H、Li、Na、K、Mg、Ca、Al、NHが好ましく、H、Li、Na、K、Mg、Al、NHがより好ましく、H、Li、Al、NHがさらに好ましく、Hが特に好ましい。なお、無機カチオンおよび有機カチオンの具体例は、便宜上、符号および価数を省略して記載している。
一般式(1)において、R~Rは、独立に、水素原子または炭素数1~8の炭化水素基を表す。上記炭化水素基は、1価の炭化水素基である。上記炭化水素基の炭素数は4以下が好ましい。上記炭化水素基としては、上記炭素数のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基等が挙げられ、メチル基またはエチル基が好ましい。RおよびRは、独立に、水素原子、メチル基またはエチル基であることが好ましく、Rは、水素原子またはメチル基であることが好ましい。
一般式(1)において、Rは、単結合または炭素数1~8の炭化水素基を表す。上記炭化水素基は、2価の炭化水素基である。上記炭化水素基の炭素数は4以下が好ましい。上記炭化水素基としては、上記炭素数のアルキレン基、アルケニレン基等が挙げられ、なかでも、メチレン基、エチレン基、エチリデン基、プロピリデン基およびイソプロピリデン基からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、メチレン基がより好ましい。
単量体(1)としては、(メタ)アクリル酸およびその塩、ビニル酢酸(3-ブテン酸)およびその塩、3-ペンテン酸およびその塩、4-ペンテン酸およびその塩、3-ヘキセン酸およびその塩、4-ヘプテン酸およびその塩、ならびに、5-ヘキセン酸およびその塩からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、3-ブテン酸およびその塩、ならびに、4-ペンテン酸およびその塩からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましい。
VdF重合体の上記極性基含有単量体単位の含有量は、全単量体単位に対して、好ましくは0.05~2.0モル%であり、より好ましくは0.10モル%以上であり、さらに好ましくは0.25モル%以上であり、特に好ましくは0.40モル%以上であり、より好ましくは1.5モル%以下である。
本開示において、VdF重合体における極性基含有単量体単位の含有量は、たとえば、極性基がカルボン酸等の酸基である場合、酸基の酸-塩基滴定によって測定できる。
VdF重合体としては、たとえば、VdF/TFE共重合体、VdF/HFP共重合体、VdF/TFE/HFP共重合体、VdF/TFE/(メタ)アクリル酸共重合体、VdF/HFP/(メタ)アクリル酸共重合体、VdF/CTFE共重合体、VdF/TFE/4-ペンテン酸共重合体、VdF/TFE/3-ブテン酸共重合体、VdF/TFE/HFP/(メタ)アクリル酸共重合体、VdF/TFE/HFP/4-ペンテン酸共重合体、VdF/TFE/HFP/3-ブテン酸共重合体、VdF/TFE/2-カルボキシエチルアクリレート共重合体、VdF/TFE/HFP/2-カルボキシエチルアクリレート共重合体、VdF/TFE/アクリロイルオキシエチルコハク酸共重合体、VdF/TFE/HFP/アクリロイルオキシエチルコハク酸共重合体等が挙げられる。
VdF重合体としては、なかでも、柔軟性および金属箔への密着性により一層優れた電極材料層を形成することができることから、VdF単位、TFE単位、および、任意の非フッ素化単量体単位のみからなるVdF重合体が好ましい。
VdF重合体がVdF単位およびTFE単位を含有する場合の、VdF単位とTFE単位とのモル比(VdF単位/TFE単位)は、好ましくは50/50超99/1以下であり、より好ましくは57/43~97/3であり、さらに好ましくは60/40~95/5であり、特に好ましくは63/37~90/10であり、最も好ましくは63/37~85/15である。
VdF重合体の重量平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは50000~3000000であり、より好ましくは80000以上であり、さらに好ましくは100000以上であり、特に好ましくは200000以上であり、より好ましくは2400000以下であり、さらに好ましくは2200000以下であり、特に好ましくは2000000以下である。上記重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用いて測定することができる。
VdF重合体の数平均分子量(ポリスチレン換算)は、好ましくは20000~1500000であり、より好ましくは40000以上であり、さらに好ましくは70000以上であり、特に好ましくは140000以上であり、より好ましくは1400000以下であり、さらに好ましくは1200000以下であり、特に好ましくは1100000以下である。上記数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により溶媒としてジメチルホルムアミドを用いて測定することができる。
VdF重合体の融点は、好ましくは100~170℃であり、より好ましくは110~165℃であり、さらに好ましくは120~163℃である。上記融点は、示差走査熱量測定(DSC)装置を用い、30℃から220℃まで10℃/分の速度で昇温し、その後10℃/分で30℃まで降下させ、再度10℃/分の速度で 220℃まで昇温したときの融解熱曲線における極大値に対する温度として求める。
VdF重合体は、破断点伸度が100%以上であることが好ましい。上記破断点伸度は、200%以上がより好ましく、300%以上が更に好ましい。
上記破断点伸度は、以下の方法により測定できる。すなわち、VdF重合体を濃度が10~20質量%になるようにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解させて得たVdF重合体溶液を、ガラス板上にキャストし100℃で12時間乾燥し、更に真空下で100℃で12時間乾燥し、厚さ50~100μmのフィルムを得る。当該フィルムを、ダンベル型に打ち抜きオートグラフにて25℃における破断点伸度を測定する。
VdF重合体は、30℃における貯蔵弾性率が1100MPa以下であり、かつ、60℃における貯蔵弾性率が500MPa以下であることが好ましい。
VdF重合体の30℃における貯蔵弾性率は、より好ましくは800MPa以下であり、さらに好ましくは600MPa以下である。
VdF重合体の60℃における貯蔵弾性率は、より好ましくは350MPa以下である。
VdF重合体の30℃における貯蔵弾性率は、好ましくは100MPa以上であり、より好ましくは150MPa以上であり、さらに好ましくは200MPa以上である。
VdF重合体の60℃における貯蔵弾性率は、好ましくは50MPa以上であり、より好ましくは80MPa以上であり、さらに好ましくは130MPa以上である。
貯蔵弾性率は、長さ30mm、巾5mm、厚み50~100μmのサンプルについて、アイティー計測制御社製動的粘弾性装置DVA220で動的粘弾性測定により引張モード、つかみ巾20mm、測定温度-30℃から160℃、昇温速度2℃/min、周波数1Hzの条件で測定した際の30℃および60℃での測定値である。
測定サンプルは、たとえば、VdF重合体を濃度が10~20質量%になるようにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解させて得たVdF重合体溶液を、ガラス板上にキャストし100℃で12時間乾燥し、更に真空下で100℃で12時間乾燥し、得られた厚さ50~100μmのフィルムを、長さ30mm、巾5mmにカットすることで作製することができる。
本開示の電池用結着剤において、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、含フッ素共重合体と含フッ素共重合体以外の他の重合体との質量比(含フッ素共重合体/他の重合体)としては、好ましくは99/1~1/99であり、より好ましくは97/3以下であり、さらに好ましくは95/5以下であり、より好ましくは3/97以上であり、さらに好ましくは5/95以上である。
本開示の電池用結着剤において、耐ゲル化性に一層優れた結着剤が得られ、密着性、柔軟性および耐電解液性に一層優れた電極材料層を形成でき、一層高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、含フッ素共重合体とVdF重合体との質量比(含フッ素共重合体/VdF重合体)としては、好ましくは99/1~1/99であり、より好ましくは97/3以下であり、さらに好ましくは95/5以下であり、より好ましくは3/97以上であり、さらに好ましくは5/95以上である。
本開示の電池用結着剤は、二次電池、キャパシタなどの電池を形成する材料として好適に用いることができる。電池は、一次電池であってもよく、蓄電池(二次電池)または蓄電素子であってもよい。電池は非水電解液電池であってもよい。非水電解液電池には、電解液および発電素子を備える電池が全て含まれる。非水電解液電池としては、たとえば、リチウムイオン一次電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタなどが挙げられる。
本開示の電池用結着剤は、耐ゲル化性に優れており、さらには、十分な密着性、十分な柔軟性および十分な耐電解液性を示す電極材料層を形成でき、高密度の電極材料層を容易に形成することができることから、二次電池、キャパシタなどの電池の電極に用いる結着剤として好適である。本開示の電池用結着剤は、また、二次電池のセパレータコーティングの結着剤として用いることもできる。
本開示の電池用結着剤は、非水電解液電池用結着剤であることが好ましい。また、本開示の電池用結着剤は、二次電池用結着剤であってよい。本開示において、二次電池用結着剤には、二次電池の正極、負極、セパレータに用いる結着剤が含まれる。二次電池はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
本開示の電池用結着剤は、粉末電極材料、水または非水溶剤とともに電極合剤を構成することもできる。本開示の電池用結着剤を適用する対象となる二次電池は、正極合剤が正極集電体に保持されてなる正極、負極合剤が負極集電体に保持されてなる負極および電解液を備えている。
本開示の電極合剤は、上述した電池用結着剤、粉末電極材料、および、水または非水溶剤を含有する。本開示の電極合剤は、非水電解液電池用電極合剤であることが好ましい。本開示の電極合剤は、二次電池用電極合剤であってよく、リチウムイオン二次電池用電極合剤であってよい。本開示の電極合剤は、上述した電池用結着剤を含有することから、電池用結着剤を高濃度で含有させた場合であっても、集電体への塗工に適した粘度に容易に調整することができるとともに、長期間保管した場合であっても粘度が上昇しにくく、耐電解液性および金属箔への密着性に優れており、柔軟性に優れる電極材料層を形成することができる。また、本開示の電極合剤は、上述した電池用結着剤を含有することから、適度な粘度に調整し、塗工性を向上させることが容易であることに加えて、適度な粘度を長期間維持することができ、しかも、十分な金属箔(集電体)への密着性および十分な粉末電極材料の保持力を確保することができる。
電極合剤は、正極の作製に用いる正極合剤であってもよく、負極の作製に用いる負極合剤であってもよい。本開示の電極合剤から形成される電極材料層は、上述した電池用結着剤および粉末電極材料を含有するものであれば、正極材料層であってもよいし、負極材料層であってもよい。
粉末電極材料は、電池に用いられる粉末電極材料であり、電極活物質を含むことが好ましい。電極活物質は、正極活物質および負極活物質に分けられる。リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に制限はないが、リチウム複合酸化物が好ましく、リチウム遷移金属複合酸化物がより好ましい。上記正極活物質としては、リチウム含有遷移金属リン酸化合物も好ましい。上記正極活物質が、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物等の、リチウムと少なくとも1種の遷移金属を含有する物質であることも好ましい。
リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属としてはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、リチウム遷移金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO等のリチウム・コバルト複合酸化物、LiNiO等のリチウム・ニッケル複合酸化物、LiMnO、LiMn、LiMnO等のリチウム・マンガン複合酸化物、これらのリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。上記置換したものとしては、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物、リチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物、リチウム・マンガン・アルミニウム複合酸化物、リチウム・チタン複合酸化物等が挙げられ、より具体的には、LiNi0.5Mn0.5、LiNi0.85Co0.10Al0.05、LiNi0.33Co0.33Mn0.33、LiNi0.5Mn0.3Co0.2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1、LiMn1.8Al0.2、LiMn1.5Ni0.5、LiTi12、LiNi0.82Co0.15Al0.03等が挙げられる。
リチウム含有遷移金属リン酸化合物の遷移金属としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、リチウム含有遷移金属リン酸化合物の具体例としては、たとえば、LiFePO、LiFe(PO、LiFeP等のリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、これらのリチウム遷移金属リン酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。
特に、高電圧、高エネルギー密度、あるいは、充放電サイクル特性等の観点から、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiNi0.82Co0.15Al0.03、LiNi0.33Mn0.33Co0.33、LiNi0.5Mn0.3Co0.2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1、LiFePOが好ましい。
また、リチウム遷移金属複合酸化物としては、リチウム・ニッケル系複合酸化物が好ましく、一般式(7):
一般式(7):LiNi1-x
(式中、xは、0.01≦x≦0.5、yは、0.9≦y≦1.2であり、Mは金属原子(但しLiおよびNiを除く)を表す。)
で表されるリチウム・ニッケル系複合酸化物がより好ましい。このようにニッケル含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、二次電池の高容量化に有益である。
一般式(7)において、xは、0.01≦x≦0.5を充足する係数であり、さらに高容量の二次電池を得ることができることから、好ましくは0.05≦x≦0.4であり、さらに好ましくは0.10≦x≦0.3である。
一般式(7)において、Mの金属原子としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Al、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等が挙げられる。Mの金属原子としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Cu等の遷移金属、または、上記遷移金属と、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等の他の金属との組み合わせが好ましい。
ニッケル含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物としては、LiNi0.80Co0.15Al0.05、LiNi0.82Co0.15Al0.03、LiNi0.33Mn0.33Co0.33、LiNi0.5Mn0.3Co0.2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1、および、LiNi0.90Mn0.05Co0.05からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、LiNi0.82Co0.15Al0.03、LiNi0.6Mn0.2Co0.2、および、LiNi0.8Mn0.1Co0.1からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましい。
また、これら正極活物質の表面に、主体となる正極活物質を構成する物質とは異なる組成の物質が付着したものを用いることもできる。表面付着物質としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩等が挙げられる。
これら表面付着物質は、たとえば、溶媒に溶解または懸濁させて正極活物質に含浸添加、乾燥する方法、表面付着物質前駆体を溶媒に溶解または懸濁させて正極活物質に含浸添加後、加熱等により反応させる方法、正極活物質前駆体に添加して同時に焼成する方法等により正極活物質表面に付着させることができる。
表面付着物質の量としては、正極活物質に対して質量で、下限として好ましくは0.1ppm以上、より好ましくは1ppm以上、さらに好ましくは10ppm以上、上限として好ましくは20%以下、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下で用いられる。表面付着物質により、正極活物質表面での非水電解液の酸化反応を抑制することができ、電池寿命を向上させることができるが、その付着量が少なすぎる場合その効果は十分に発現せず、多すぎる場合には、リチウムイオンの出入りを阻害するため抵抗が増加する場合がある。
正極活物質の粒子の形状は、従来用いられるような、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等が用いられるが、中でも一次粒子が凝集して、二次粒子を形成して成り、その二次粒子の形状が球状ないし楕円球状であるものが好ましい。通常、電気化学素子はその充放電に伴い、電極中の活物質が膨張収縮をするため、そのストレスによる活物質の破壊や導電パス切れ等の劣化がおきやすい。そのため一次粒子のみの単一粒子活物質であるよりも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成したものである方が膨張収縮のストレスを緩和して、劣化を防ぐため好ましい。また、板状等軸配向性の粒子であるよりも球状ないし楕円球状の粒子の方が、電極の成形時の配向が少ないため、充放電時の電極の膨張収縮も少なく、また電極を作製する際の導電剤との混合においても、均一に混合されやすいため好ましい。
正極活物質のタップ密度は、通常1.3g/cm以上、好ましくは1.5g/cm以上、さらに好ましくは1.6g/cm以上、最も好ましくは1.7g/cm以上である。正極活物質のタップ密度が上記下限を下回ると正極材料層形成時に、必要な分散媒量が増加すると共に、導電剤や結着剤の必要量が増加し、正極材料層への正極活物質の充填率が制約され、電池容量が制約される場合がある。タップ密度の高い金属複合酸化物粉体を用いることにより、高密度の正極材料層を形成することができる。タップ密度は一般に大きいほど好ましく特に上限はないが、大きすぎると、正極材料層内における非水電解液を媒体としたリチウムイオンの拡散が律速となり、負荷特性が低下しやすくなる場合があるため、通常2.5g/cm以下、好ましくは2.4g/cm以下である。
正極活物質のタップ密度は、目開き300μmの篩を通過させて、20cmのタッピングセルに試料を落下させてセル容積を満たした後、粉体密度測定器(たとえば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いて、ストローク長10mmのタッピングを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から求めた密度をタップ密度として定義する。
正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子径)は通常0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは1μm以上、最も好ましくは3μm以上で、通常20μm以下、好ましくは18μm以下、より好ましくは16μm以下、最も好ましくは15μm以下である。上記下限を下回ると、高嵩密度品が得られなくなる場合があり、上限を超えると粒子内のリチウムの拡散に時間がかかるため、電池性能の低下をきたしたり、電池の正極作製すなわち活物質と導電剤や結着剤等を溶媒でスラリー化し、薄膜状に塗布する際に、スジを引いたりする等の問題を生ずる場合がある。ここで、異なるメジアン径d50をもつ正極活物質を2種類以上混合することで、正極作製時の充填性をさらに向上させることもできる。
なお、本開示におけるメジアン径d50は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定される。粒度分布計としてHORIBA社製LA-920を用いる場合、測定の際に用いる分散媒として、0.1質量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散後に測定屈折率1.24を設定して測定される。
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には、正極活物質の平均一次粒子径としては、通常0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、さらに好ましくは0.08μm以上、最も好ましくは0.1μm以上で、通常3μm以下、好ましくは2μm以下、さらに好ましくは1μm以下、最も好ましくは0.6μm以下である。上記上限を超えると球状の二次粒子を形成し難く、粉体充填性に悪影響を及ぼしたり、比表面積が大きく低下するために、出力特性等の電池性能が低下する可能性が高くなる場合がある。逆に、上記下限を下回ると、通常、結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる場合がある。なお、一次粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定される。具体的には、10000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する一次粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。
正極活物質のBET比表面積は、0.2m/g以上、好ましくは0.3m/g以上、さらに好ましくは0.4m/g以上で、4.0m/g以下、好ましくは2.5m/g以下、さらに好ましくは1.5m/g以下である。BET比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいとタップ密度が上がりにくくなり、正極材料層形成時の塗布性に問題が発生しやすい場合がある。
BET比表面積は、表面積計(たとえば、大倉理研製全自動表面積測定装置)を用い、試料に対して窒素流通下150℃で30分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用い、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定した値で定義される。
正極活物質の製造法としては、無機化合物の製造法として一般的な方法が用いられる。特に球状ないし楕円球状の活物質を作製するには種々の方法が考えられるが、たとえば、遷移金属硝酸塩、硫酸塩等の遷移金属原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、攪拌をしながらpHを調節して球状の前駆体を作製回収し、これを必要に応じて乾燥した後、LiOH、LiCO、LiNO等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法、遷移金属硝酸塩、硫酸塩、水酸化物、酸化物等の遷移金属原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これにLiOH、LiCO、LiNO等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法、また、遷移金属硝酸塩、硫酸塩、水酸化物、酸化物等の遷移金属原料物質と、LiOH、LiCO、LiNO等のLi源と、必要に応じ他の元素の原料物質とを水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これを高温で焼成して活物質を得る方法等が挙げられる。
なお、本開示において、正極活物質粉体は1種を単独で用いても良く、異なる組成または異なる粉体物性の2種以上を任意の組み合わせおよび比率で併用しても良い。
負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせおよび比率で併用しても良い。なかでも炭素質材料またはリチウム複合酸化物が安全性の点から好ましく用いられる。
金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であれば特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
炭素質材料としては、
(1)天然黒鉛、
(2)人造炭素質物質並びに人造黒鉛質物質;炭素質物質{たとえば天然黒鉛、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、或いはこれらピッチを酸化処理したもの、ニードルコークス、ピッチコークスおよびこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等の有機物の熱分解物、炭化可能な有機物(たとえば、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、或いは乾留液化油等の石炭系重質油、常圧残油、減圧残油の直留系重質油、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等分解系石油重質油、さらにアセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等の芳香族炭化水素、フェナジンやアクリジン等のN環化合物、チオフェン、ビチオフェン等のS環化合物、ビフェニル、テルフェニル等のポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらのものの不溶化処理品、含窒素性のポリアクリロニトリル、ポリピロール等の有機高分子、含硫黄性のポリチオフェン、ポリスチレン等の有機高分子、セルロース、リグニン、マンナン、ポリガラクトウロン酸、キトサン、サッカロースに代表される多糖類等の天然高分子、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等の熱可塑性樹脂、フルフリルアルコール樹脂、フェノール-ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂)およびこれらの炭化物、または炭化可能な有機物をベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n-ヘキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液およびこれらの炭化物}を400から3200℃の範囲で一回以上熱処理された炭素質材料、
(3)負極材料層が少なくとも2種類以上の異なる結晶性を有する炭素質から成り立ちかつ/又はその異なる結晶性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
(4)負極材料層が少なくとも2種類以上の異なる配向性を有する炭素質から成り立ちかつ/又はその異なる配向性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
から選ばれるものが初期不可逆容量、高電流密度充放電特性のバランスが良く好ましい。
電極活物質(正極活物質または負極活物質)の含有量は、得られる電極の容量を増やすために、電極合剤中40質量%以上が好ましい。
上記粉末電極材料は、さらに導電剤を含んでもよい。導電剤としては、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック類やグラファイト等の炭素材料、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン等が挙げられる。
電極合剤中の粉末電極材料(活物質および導電剤)と上述した電池用結着剤との割合は、通常、質量比で80:20~99.5:0.5程度であり、粉体成分の保持、集電体への密着性、電極の導電性を考慮して決められる。
上述のような配合割合では、集電体上に形成される電極材料層では、上述した電池用結着剤は、粉体成分間の空隙を完全に充填することはできないが、溶媒として電池用結着剤を良く溶解または分散する水または非水溶剤を用いると、乾燥後の電極材料層において、電池用結着剤が均一に分散、編み目状になり、粉体成分をよく保持するので好ましい。
本開示の電極合剤は、水または非水溶剤を含有する。非水溶剤としては、たとえば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド等の含窒素系有機溶剤;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶剤;酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶剤;テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶剤;さらに、それらの混合溶剤等の低沸点の汎用有機溶剤を挙げることができる。
本開示の電極合剤は、なかでも、電極合剤の安定性、塗工性に優れている点から、非水溶剤を含有することが好ましく、N-メチル-2-ピロリドンおよびN,N-ジメチルアセトアミドからなる群より選択される少なくとも1種を含有することが好ましく、N-メチル-2-ピロリドンを含有することがより好ましい。
上記電極合剤中の水または非水溶剤の量は、集電体への塗布性、乾燥後の薄膜形成性等を考慮して決定される。通常、電池用結着剤と水または非水溶剤との割合は、質量比で0.5:99.5~20:80が好ましい。
上記電極合剤は、集電体との密着性をさらに向上させるため、たとえば、ポリアクリル酸、ポリメタクリレート、ポリメチルメタアクリレート等のアクリル系樹脂、ポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミド系樹脂、スチレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム等をさらに含んでいてもよい。
上記電極合剤は、電極スラリーの分散安定性を向上させるために、界面活性作用等を有する樹脂系やカチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤等の分散剤を添加してもよい。
電極合剤における電池用結着剤の含有量としては、電極合剤の質量に対して、好ましくは0.1~20質量%であり、より好ましくは0.2~10質量%であり、さらに好ましくは0.5~3質量%である。
電極合剤を調製する方法としては、電池用結着剤を水または非水溶剤に溶解または分散させた溶液または分散液に上記粉末電極材料を分散、混合させるといった方法が挙げられる。そして、得られた電極合剤を、金属箔、金属網等の集電体に均一に塗布、乾燥、必要に応じてプレスして集電体上へ薄い電極材料層を形成し薄膜状電極とする。
そのほか、電池用結着剤と電極材料の粉末とを先に混合した後、水または非水溶剤を添加し電極合剤を作製してもよい。また、電池用結着剤と電極材料の粉末とを加熱溶融し、押出機で押し出して薄膜の電極合剤を作製しておき、導電性接着剤や汎用有機溶剤を塗布した集電体上に貼り合わせて電極シートを作製することもできる。さらに、予め予備成形した電極材料に電池用結着剤と電極材料の粉末との溶液または分散液を塗布してもよい。このように、電池用結着剤としての適用方法は特に限定されない。
本開示の電極は、上述した電池用結着剤を含有する。本開示の電極は、非水電解液電池用電極であることが好ましい。本開示の電極は、上述した電池用結着剤を含有することから、高密度化のため粉末電極材料を厚塗りし捲回、プレスしても電極が割れることがなく、粉末電極材料の脱落や集電体からの剥離もない。さらに、本開示の電極は、耐電解液性にも優れている。
上記電極は、集電体と、当該集電体上に形成された、上記粉末電極材料および上述した電池用結着剤を含有する電極材料層とを備えることが好ましい。上記電極は、正極であっても負極であってもよいが、正極であることが好ましい。
集電体(正極集電体および負極集電体)としては、たとえば、鉄、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン等の金属箔あるいは金属網等が挙げられる。中でも、正極集電体としては、アルミ箔等が好ましく、負極集電体としては銅箔等が好ましい。
本開示の電極は、たとえば上述した方法によって製造することができる。上記の電極合剤は塗工性に優れるものであるため、本開示の電極が備える電極材料層を上記の電極合剤を用いて作製することにより、平滑で均一な厚い電極材料層を備える電極を容易に作製することができる。
本開示の二次電池は、上述した電極を備える。本開示の二次電池は、非水電解液二次電池であることが好ましい。本開示の二次電池においては、正極および負極の少なくとも一方が、上述した電極であればよく、正極が上述した電極であることが好ましい。二次電池はリチウムイオン二次電池であることが好ましい。
本開示の二次電池は、さらに非水電解液を備えることが好ましい。上記非水電解液は特に限定されるものではないが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ-ブチルラクトン、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、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等の公知の炭化水素系溶媒;フルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテル、フッ素化カーボネート等のフッ素系溶媒の1種または2種以上が使用できる。電解質も従来公知のものがいずれも使用でき、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiCl、LiBr、CHSOLi、CFSOLi、炭酸セシウム等を用いることができる。
また、正極と負極との間にセパレータを介在させてもよい。セパレータとしては、従来公知のものを使用してもよいし、上述した電池用結着剤をコーティングに使用したセパレータを使用してもよい。
二次電池(好ましくはリチウムイオン二次電池)の正極、負極およびセパレータの少なくとも1つに上述した電池用結着剤を用いることも好ましい。
上述した電池用結着剤からなる二次電池用フィルムも、本開示の好適な形態の1つである。
基材と、当該基材上に形成された、上述した電池用結着剤からなる層とを有する二次電池用積層体も、本開示の好適な形態の1つである。上記基材としては、上記集電体として例示したものや、二次電池のセパレータに用いられる公知の基材(多孔質膜等)等が挙げられる。
本開示の電極は、柔軟性に優れ、集電体と電極材料層とが十分に密着しているものであり、かつ、電池特性に優れた二次電池を形成することができるものであることから、捲回型二次電池用電極として、好適に利用できる。また、本開示の二次電池は、捲回型二次電池であってよい。
本開示の電極は、非水電解液二次電池用として、以上に説明した液状電解質を用いたリチウムイオン二次電池だけでなく、ポリマー電解質リチウム二次電池にも有用である。また、電気二重層キャパシタ用としても有用である。
以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
つぎに本開示の実施形態について実施例をあげて説明するが、本開示はかかる実施例のみに限定されるものではない。
実施例の各数値は以下の方法により測定した。
<ポリマー組成>
含フッ素共重合体およびPVdFの組成は、溶液NMR法により測定した。
測定装置:バリアン社製 VNMRS400
共鳴周波数:376.04(Sfrq)
パルス幅:30°(pw=6.8)
(PVdF中の極性基含有単量体単位の含有量)
PVdFにおける極性基含有単量体単位(アクリル酸単位、3-ブテン酸単位、マレイン酸など)の含有量は、カルボキシル基の酸-塩基滴定によって測定した。具体的には、約0.5gのPVdFを、70~80℃の温度でアセトンに溶解させた。5mlの水を、PVdFの凝固を回避するように激しい撹拌下に滴々加えた。約-270mVでの中性転移で、酸性度の完全な中和まで0.1Nの濃度を有するNaOH水溶液での滴定を実施した。測定結果から、PVdF1g中に含まれる極性基含有単量体単位の含有物質量を求め、極性基含有単量体単位の含有量を算出した。
<ムーニー粘度(ML1+10(121℃、140℃))>
ASTM-D1646-15およびJIS K6300-1:2013に準拠して測定した。
測定機器:ALPHA TECHNOLOGIES社製のMV2000E型
ローター回転数:2rpm
測定温度:121℃、140℃
<ガラス転移温度(Tg)>
示差走査熱量計(メトラー・トレド社製、DSC822e、もしくは、日立ハイテクサイエンス社製、X-DSC7000)を用い、試料10mgを20℃/minで昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線の二次転移前後のベースラインの延長線と、DSC曲線の変曲点における接線との交点を示す温度をガラス転移温度とした。
<融解熱>
示差走査熱量計(メトラー・トレド社製、DSC822e、もしくは、日立ハイテクサイエンス社製、X-DSC7000)を用い、試料10mgを20℃/minで昇温することによりDSC曲線を得て、DSC曲線において現われた融解ピーク(ΔH)の大きさから融解熱を算出した。
<含有極性基の割合>
上述した方法によるNMRによる末端基分析を行い、([-CHOH]+[-COOH])/([-CH]+[-CFH]+[-CHOH]+[-CHI]+[-OC(O)R]+[-COOH])の割合を算出した。
<重量平均分子量>
ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定した。東ソー社製のAS-8010、CO-8020、カラム(GMHHR-Hを3本直列に接続)および島津製作所社製RID-10Aを用い、溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)を流速1.0ml/分で流して測定したデータ(リファレンス:ポリスチレン)より算出した。
<貯蔵弾性率(E’)>
貯蔵弾性率は、動的粘弾性測定により30℃または60℃で測定する値であり、アイティー計測制御社製動的粘弾性装置DVA220で長さ30mm、巾5mm、厚み50~100μmの試験片を引張モード、つかみ幅20mm、測定温度-30℃から160℃、昇温速度2℃/min、周波数1Hzの条件で測定した。
測定に用いる試験片は、PVdFを濃度が10~20質量%になるように、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解させて得た溶液を、ガラス板上にキャストし100℃で12時間乾燥し、更に真空下で100℃で12時間乾燥し、得られた厚さ50~100μmのフィルムを、長さ30mm、巾5mmにカットすることで作製した。
<融点>
示差走査熱量測定(DSC)装置を用い、30℃から220℃まで10℃/分の速度で昇温し、その後10℃/分で30℃まで降下させ、再度10℃/分の速度で220℃まで昇温したときの融解熱曲線における極大値に対する温度を、融点として求めた。
<正極合剤の粘度変化率>
B型粘度計(ブルックフィールド社製、DV2T)を用いて、25℃、スピンドル LV-04(64)、回転速度6rpmの条件にて、測定開始から10分経過後の正極合剤の粘度を測定した。正極合剤を調製した後、速やかに測定した正極合剤の粘度(η0)と、合剤調製から72時間が経過した後の粘度(ηn)とから、粘度変化率(Xn)を下記の式により求めた。
Xn=ηn/η0×100[%]
<正極の正極材料層と正極集電体との剥離強度>
片面に正極材料層を備える正極を切り取ることにより、1.2cm×7.0cmの試験片を作製した。試験片の正極材料層側を両面テープで可動式治具に固定した後、正極集電体の表面にテープを張り、100mm/分の速度でテープを90度に引っ張った時の応力(N/cm)をオートグラフにて測定した。オートグラフのロードセルには1Nを用いた。
<最大試験力>
ASTM D790に準ずる方法で、曲げ強度(bending strength、3-point bending test)を測定した。両面に正極材料層を備える正極または両面に負極材料層を備える負極を、15mm×20mmサイズに切断して試片を準備した。3地点曲げ方式で、10mm間隔である、第1地点と第2地点との間に試片を配置し、試片の真ん中(第3地点)を、プローブ(probe)で、試片厚方向に一定速度で押し、曲げテスト(bending property test)を実施した。第3地点の厚み方向移動速度5mm/minで移動しながらかかる力を測定した。最大曲げ強度(maximum bending forceまたはmaximum bending strength)は、プローブの移動距離によって試片にかかる力の最大値である。
<曲げ最大径>
両面に正極材料層を備える正極を切り取ることにより、2cm×10cmの試験片を作製し、直径1.0mmの丸棒、直径2.0mmの丸棒、直径3.0mmの丸棒に巻き付けて、正極を目視で観察し、正極材料層のひび割れの有無を確認し、以下の基準で評価した。
1mm:直径1.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかった。
2mm:直径2.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかったが、直径1.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察された。
3mm:直径3.0mmの丸棒に巻き付けても、正極材料層にピンホールが確認されなかったが、直径2.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察された。
4mm:直径3.0mmの丸棒に巻き付けると、正極材料層にピンホールが観察されるか、または、試験片が破断した。
<スプリングバック>
両面に正極材料層を備える正極を13mmΦの大きさに切り取ることにより、試験片を作製し、試験片の質量および面積を測定した。そして、試験片および正極集電体の質量、試験片の面積ならびにマイクロメーターにより測定した正極材料層の厚みから、正極材料層の密度を算出しこれを密度(D)とした。同試験片を120℃の真空乾燥機で96時間乾燥した後に同様に正極材料層の密度を算出した密度(D)とした。求めた値からスプリングバック率(Y)を下記の式により求めた。スプリングバック率が小さい方が、熱処理による正極材料層の密度の減少が小さいことから好ましい。
=D0/Dn×100(%)
<電極電解液膨潤試験>
両面に正極材料層を備える正極を13mmΦの大きさに切り取ることにより、試験片を作製し、試験片の質量(G)を測定した。高誘電率溶媒であるエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるエチルメチルカーボネートを、体積比30対70になるように混合し、これにLiPFを1.0モル/リットルの濃度となるように添加することで非水電解液を得た。得られた非水電解液に用意した試験片を60℃30日浸漬させた後の試験片の質量(G)を測定した。求めた値から電極電解液膨潤率(X)を下記の式により求めた。膨潤率が小さい方が電池試験時の正極材料層の抵抗値増加が抑制できることから好ましい。
=G/G×100(%)
<正極評価>
(電解液の調製)
高誘電率溶媒であるエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるエチルメチルカーボネートを、体積比30対70になるように混合し、これにLiPFを1.0モル/リットルの濃度となるように添加し、これにビニレンカーボネートを2質量%添加することで非水電解液を得た。
(リチウムイオン二次電池の作製)
実施例および比較例で作製した片面に正極材料層を備える正極を、幅50mm、長さ30mmの塗工部(正極材料層)、および、幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出した。
人造黒鉛98質量部に、増粘剤および結着剤として、カルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)1質量部およびスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレンブタジエンゴムの濃度50質量%)1質量部を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。得られたスラリーを厚さ20μmの銅箔に塗布して乾燥し、プレス機で圧延したものを、幅52mm、長さ32mmの塗工部(負極材料層)、および、幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出して負極とした。
(アルミラミネートセルの作製)
上記の正極と負極を厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ)を介して正極と負極を対向させ、上記で得られた非水電解液を注入し、上記非水電解液がセパレータ等に充分に浸透した後、封止し予備充電、エージングを行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
(電池特性の測定)
得られたアルミラミネートセルについて、下記のように60℃でのサイクル容量保持率および抵抗増加率を調べた。
(サイクル容量保持率)
25℃において、0.2Cに相当する定電流で4.2Vまで充電した後、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電した。これを2サイクル行って電池を安定させた。その後、60℃において、上記で製造した二次電池を、1Cの定電流で4.2Vまで充電後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電を実施し、1Cの定電流で3.0Vまで放電し、初期放電容量を求めた。同様の方法で充放電を行い、300サイクル後の放電容量を測定した。下記式に基づき、300サイクル後の放電容量の初期放電容量に対する割合を求め、これをサイクル容量保持率(%)とした。結果を表2に示す。
(300サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100=サイクル容量保持率(%)
(抵抗増加率の測定)
上記のように安定化させた初期放電容量算出時の満充電状態の電池の抵抗(初期抵抗)と300サイクル試験時の満充電状態の抵抗を測定した。測定温度は25℃とした。下記式に基づき、サイクル試験後抵抗増加率を求めた。結果を表2に示す。
抵抗増加率(%)=300サイクル試験時の抵抗(Ω)/初期放電容量算出時の抵抗(Ω)×100
<負極評価>
(電解液の調製)
高誘電率溶媒であるエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるエチルメチルカーボネートを、体積比30対70になるように混合し、これにLiPFを1.0モル/リットルの濃度となるように添加し、これにビニレンカーボネートを2質量%添加することで非水電解液を得た。
(リチウムイオン二次電池の作製)
実施例および比較例で作製した片面に負極材料層を備える負極を、負極材料層のサイズとしてφ13mmに切り出した。
(Li金属―負極ハーフセルの作製)
上記の負極とφ15mmに打ち抜いたLi金属を厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ)を介して負極とLi金属を対向させ、上記で得られた非水電解液を注入し、上記非水電解液をセパレータ等に充分に浸透させ、Li金属―負極ハーフセルを作製した。
(電池特性の測定)
得られたLi金属―負極ハーフセルについて、下記のように25℃でのサイクル容量保持率および抵抗増加率を調べた。
(サイクル容量保持率)
25℃において、0.1Cに相当する定電流で0.01Vまで充電後、0.01Vの定電圧で電流値が0.02Cになるまで充電を実施し、0.1Cの定電流で1.5Vまで放電した。これを2サイクル行って電池を安定させた。上記で製造したハーフセルをその後、0.5Cの定電流で0.01Vまで充電後、0.01Vの定電圧で電流値が0.02Cになるまで充電を実施し、0.5Cの定電流で1.5Vまで放電し、初期放電容量を求めた。同様の方法で充放電を行い、100サイクル後の放電容量を測定した。下記式に基づき、100サイクル後の放電容量の初期放電容量に対する割合を求め、これをサイクル容量保持率(%)とした。サイクル試験の測定温度は、25℃とした。結果を表3および表4に示す。
(100サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)×100=サイクル容量保持率(%)
(抵抗増加率の測定)
上記のように安定化させた初期放電容量算出時の満充電状態の電池の抵抗(初期抵抗)と100サイクル試験時の満充電状態の抵抗を測定した。測定温度は25℃とした。下記式に基づき、サイクル試験後抵抗増加率を求めた。結果を表3および表4に示す。
抵抗増加率(%)=100サイクル試験時の抵抗(Ω)/初期放電容量算出時の抵抗(Ω)×100
実施例および比較例では、次のポリマーを用いた。
含フッ素共重合体
a:2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):23.1/76.9
ムーニー粘度(ML1+10(121℃)):25
ガラス転移温度(Tg):-13℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:検出限界以下
b:2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):21.4/78.6
ムーニー粘度(ML1+10(140℃)):65
ガラス転移温度(Tg):-13℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:0.07
c:2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):22.1/77.9
ムーニー粘度(ML1+10(140℃)):37
ガラス転移温度(Tg):-13℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:0.09
d:2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):15.9/84.1
ムーニー粘度(ML1+10(140℃)):104
ガラス転移温度(Tg):-20℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:0.03
e:2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFとのモル比(2,3,3,3-テトラフルオロプロペン/VdF):35.9/64.1
ムーニー粘度(ML1+10(140℃)):52
ガラス転移温度(Tg):0℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:0.06
f:パーフルオロ-(2,9,9-トリハロイド-5-トリフルオロメチル-3,6-ジオキサ-8-ヘプテン)(AEHF-1)とVdFとのモル比(AEHF-1/VdF):18.6/81.4
ムーニー粘度(ML1+10(121℃)):15
ガラス転移温度(Tg):-27℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:検出限界以下
g:VdFとHFPのモル比:77.9/22.1
ムーニー粘度(ML1+10(140℃)):77
ガラス転移温度(Tg):-18℃
融解熱:セカンドランでは認めず
含有極性基の割合:0.05
含フッ素共重合体は以下の方法により製造した。
製造例1(含フッ素共重合体a)
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1500ml、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH 50%水溶液を0.3001g、C11COONH 50%水溶液を6.001g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.22MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が77.2/22.8の混合液モノマーを1.501MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム0.1gを純水4mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。連続モノマー11gに到達したときに1,1,1,2,3,3,3-ヘプタフルオロ-2-ヨード-プロパン1.6738g添加した。圧力が1.44MPaまで降下したところで連続モノマーにて1.50MPaまで昇圧した。これを繰り返し約6.2時間の後連続モノマーを521g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2087gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.08wt%であった。この分散液に塩化カルシウムを加えて凝析し、乾燥することで524.3gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で23.1/76.9の割合で含んでいた。得られたポリマーの121℃におけるムーニー粘度は25、TgはDSCにより-13℃と決定された。
製造例2(含フッ素共重合体b)
6Lのステンレス製オートクレーブに純水3500ml、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH 50%水溶液を0.7004g、C11COONH 50%水溶液を14.002g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.22MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が78.4/21.6の混合液モノマーを1.501MPaまで圧入した。2-メチルブタン0.24ml、過硫酸アンモニウム0.776gを純水10mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、4.8時間の後連続モノマーを400g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して3937gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は10.79wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで423gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で21.4/78.6の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は65、TgはDSCにより-13℃と決定された。
製造例3(含フッ素共重合体c)
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1750ml入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.22MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が78.0/22.0の混合液モノマーを1.502MPaまで圧入した。過硫酸アンモニウム5.25gを純水30mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、1.2時間の後連続モノマーを400g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2176gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は20.29wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで440gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で22.1/77.9の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は37、TgはDSCにより-13℃と決定された。
製造例4(含フッ素共重合体d)
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1750ml、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH 50%水溶液を0.3503g、C11COONH 50%水溶液を7.003g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.37MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が84.5/15.5の混合液モノマーを1.499MPaまで圧入した。2-メチルブタン0.12ml、過硫酸アンモニウム0.4165gを純水10mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、5.6時間の後連続モノマーを600g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2336gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.62wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで630gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で15.9/84.1の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度104、TgはDSCにより-20℃と決定された。
製造例5(含フッ素共重合体e)
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1750ml、CH=CFCFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH 50%水溶液を0.3501g、C11COONH 50%水溶液を7.000g入れ窒素置換し、ビニリデンフルオライド(VdF)で微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、VdFを1.09MPaまで圧入し、さらにVdFと2,3,3,3-テトラフルオロプロペンのモル比が64.5/35.5の混合液モノマーを1.503MPaまで圧入した。2-メチルブタン0.12ml、過硫酸アンモニウム0.4165gを純水10mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.5MPaを維持するよう連続モノマーを供給し、7.7時間の後連続モノマーを600g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2378gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.77wt%であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで630gのポリマーを得た。得られたポリマーは2,3,3,3-テトラフルオロプロペンとVdFをモル比で35.9/64.1の割合で含んでいた。得られたポリマーの140℃におけるムーニー粘度は52、TgはDSCにより0℃と決定された。
製造例6(含フッ素共重合体f)
6Lのステンレス製オートクレーブに純水2400ml、C11COONH 50質量%水溶液を600gいれ、窒素置換し、VdFで微加圧とし、600rpmで攪拌しながら80℃に温調して、パーフルオロ-(2,9,9-トリハロイド-5-トリフルオロメチル-3,6-ジオキサ-8-ヘプテン)(AEHF-1)を25g圧入し、VdFを2.01MPaまで圧入した。これに過硫酸アンモニウム0.09gを純水5mlに溶解したものを窒素で圧入した。圧力が1.98MPaまで降下したところでVdF 5g、AEHF-1 6.363g仕込んだ。これを繰り返し、約20分後、VdFを5g仕込んだところで、1,4-ジヨードパーフルオロブタン0.609gと押し込み用の水2gを窒素で圧入した。さらに、130分後、VdFを135g、AEHF-1を165.438g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して3317gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は10.77質量%(ポリマー量357g)であった。この分散液に硫酸アルミニウムを加えて凝析し、乾燥することで350.2gのエラストマーを得た。得られたエラストマーはVdFとAEHF-1をモル比で81.4/18.6の割合で含んでいた。得られたポリマーの121℃におけるムーニー粘度は15、TgはDSCにより-27℃と決定された。
製造例7(含フッ素共重合体g)
3Lのステンレス製オートクレーブに純水1650ml入れ窒素置換し、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)で微加圧とし、380rpmで攪拌しながら80℃に温調して、HFPを0.23MPaまで圧入し、さらにビニリデンフルオライド(VdF)とHFPのモル比が78.2/21.8の混合液モノマーを1.472MPaまで圧入した。2-メチルブタンを0.097cc窒素で圧入し、過硫酸アンモニウム36.4gを純水80mlに溶解したものを窒素で圧入して重合スタートした。圧力が1.44MPaまで降下したところで連続モノマーにて1.50MPaまで昇圧した。これを繰り返し約9.3時間の後連続モノマーを607g仕込んだところでオートクレーブ内のガスを放出し、冷却して2299gの分散液を回収した。分散液の固形分含有量は26.9wt%であった。この分散液に塩化マグネシウムを加えて凝析し、乾燥することで610gのポリマーを得た。得られたポリマーはHFPとVdFをモル比で22.1/77.9の割合で含んでいた。得られたポリマーのムーニー粘度(ML1+10(140℃))は77、TgはDSCにより-18℃と決定された。また、融解熱は、セカンドランでは認められなかった。
PVdF
A:VdFホモポリマー
重量平均分子量900000
30℃での貯蔵弾性率1740MPa
60℃での貯蔵弾性率1140MPa
融点171℃
B:VdFホモポリマー
重量平均分子量1800000
30℃での貯蔵弾性率1820MPa
60℃での貯蔵弾性率1180MPa
融点171℃
C:アクリル酸単位を含有するPVdF
アクリル酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1100000
30℃での貯蔵弾性率1280MPa
60℃での貯蔵弾性率720MPa
融点161℃
D:マレイン酸単位を含有するPVdF
マレイン酸単位の含有量0.5モル%
重量平均分子量900000
30℃での貯蔵弾性率1260MPa
60℃での貯蔵弾性率760MPa
融点167℃
E:CTFE単位を含有するPVdF
CTFE単位の含有量2.4モル%
重量平均分子量800000
30℃での貯蔵弾性率1250MPa
60℃での貯蔵弾性率880MPa
融点168℃
F:HFP単位およびアクリル酸単位を含有するPVdF
VdF/HFP=97.5/2.5(モル%)
アクリル酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1110000
30℃での貯蔵弾性率1080MPa
60℃での貯蔵弾性率750MPa
融点150℃
G:3-ブテン酸単位を含有するPVdF
3-ブテン酸単位の含有量1.0モル%
重量平均分子量1000000
30℃での貯蔵弾性率1230MPa
60℃での貯蔵弾性率730MPa
融点163℃
実施例1~21、比較例1~5
(結着剤溶液の調製)
NMP溶液中の結着剤(含フッ素共重合体およびPVdF)の濃度が15質量%になるように、表1の組成(質量比)にて含フッ素共重合体、PVdFを、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解させて、含フッ素共重合体を含有する組成物(結着剤溶液)を調製した。
(正極合剤の調製)
上記で得られた組成物に、正極活物質(NMC622(LiNi0.6Mn0.2Co0.2)またはNMC811(LiNi0.8Mn0.1Co0.1))および導電剤(ケッチェンブラック(SuperP Li、TIMCAL社製))を加え、撹拌機で十分に混合して、正極合剤を調製した。正極合剤における、正極活物質、導電剤および結着剤の質量比は、97/1.5/1.5であった。また、正極合剤中の固形分濃度は、75質量%であった。耐ゲル化性の評価(粘度変化率の測定)には、正極活物質としてNMC811を含有する正極合剤を用いた。その他の評価には、正極活物質としてNMC622を含有する正極合剤を用いた。
(片面に正極材料層を備える正極の作製)
得られた正極合剤を、正極集電体(厚さ20μmのアルミ箔)の片面に、塗布量が22.5mg/cmとなるように均一に塗布し、NMPを完全に揮発させた後、ロールプレス機を用いて、10tの圧力を印加してプレスすることにより、正極材料層および正極集電体を備える正極を作製した。
(両面に正極材料層を備える正極の作製)
得られた正極合剤を、正極集電体(厚さ20μmのアルミ箔)の両面に、塗布量が片面当たり30.0mg/cmとなるように均一に塗布し、NMPを完全に揮発させた後、ロールプレス機を用いて、6tの圧力を印加してプレスすることにより、正極材料層および正極集電体を備える正極を作製した。
正極合剤および電極評価結果を表1に示す。
実施例22~26、比較例6~8
実施例5、11、13、14、16、比較例1、2、4で作製した片面に正極材料層を備える電極を用いて上記載の方法によって、リチウムイオン二次電池を作製した。
電池評価結果を表2に示す。
実施例27
負極活物質として黒鉛被覆膜酸化ケイ素の粉末(酸化ケイ素の表面が黒鉛で被覆された粉末)9.5質量%、黒鉛粉末85.5質量%、結着剤として含フッ素共重合体c5質量%(15%NMP溶液)を混合し、さらにNMPを適量加えて、負極合剤スラリーを調製した。次に、この負極合剤スラリーを銅箔からなる負極集電体の片面または両面に塗布し、これを乾燥した。これを所定の電極サイズに切り取り、ロールプレスを用いて圧延することにより、負極集電体の片面または両面に負極材料層が形成された負極を作製した。評価結果を表3に示す。
実施例28
負極活物質として、黒鉛被覆膜酸化ケイ素の粉末47.5質量%、黒鉛粉末47.5質量%を用いたこと以外は実施例27と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表3に示す。
比較例9、11
結着剤として、ポリアクリル酸(アルドリッチ社製、重量平均分子量45万)またはスチレンブタジエンゴム(JSR社製、TRD2001)を用いたこと以外は実施例27と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表3に示す。
比較例10、12
結着剤として、ポリアクリル酸(アルドリッチ社製、重量平均分子量45万)またはスチレンブタジエンゴム(JSR社製、TRD2001)を用いたこと以外は実施例28と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表3に示す。
実施例29
黒鉛被覆膜酸化ケイ素の粉末に代えて、ケイ素粉末を用いたこと以外は実施例27と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表4に示す。
実施例30
負極活物質として、ケイ素粉末47.5質量%、黒鉛粉末47.5質量%を用いたこと以外は実施例29と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表4に示す。
比較例13、15
結着剤として、ポリアクリル酸(アルドリッチ社製、重量平均分子量45万)またはスチレンブタジエンゴム(JSR社製、TRD2001)を用いたこと以外は実施例29と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表4に示す。
比較例14、16
結着剤として、ポリアクリル酸(アルドリッチ社製、重量平均分子量45万)またはスチレンブタジエンゴム(JSR社製、TRD2001)を用いたこと以外は実施例30と同じ操作で負極を作製した。評価結果を表4に示す。
Figure 2022036069000006
Figure 2022036069000007
Figure 2022036069000008
Figure 2022036069000009
Figure 2022036069000010

Claims (11)

  1. 含フッ素共重合体を含有する電池用結着剤であって、
    前記含フッ素共重合体が、ビニリデンフルオライドに基づく繰り返し単位(a)、並びに、一般式(b1)で表される繰り返し単位(b1)および一般式(b2)で表される繰り返し単位(b2)からなる群より選択される少なくとも1種の繰り返し単位(b)を含有し、前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、95/5~5/95である
    電池用結着剤。
    一般式(b1):
    Figure 2022036069000011
    式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖状または分岐鎖状のフッ素化アルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、炭素数が2以上である場合は、炭素-炭素原子間に酸素原子を含むものであってもよい。
    一般式(b2):
    Figure 2022036069000012
    式中、Rfは、炭素数1~12の直鎖状または分岐鎖状のフッ素化アルキル基またはフッ素化アルコキシ基であり、炭素数が2以上である場合は、炭素-炭素原子間に酸素原子を含むものであってもよい。
  2. 前記含フッ素共重合体において、繰り返し単位(a)と繰り返し単位(b)とのモル比((a)/(b))が、87/13~20/80である請求項1に記載の電池用結着剤。
  3. 前記含フッ素共重合体のガラス転移温度が、25℃以下である請求項1または2に記載の電池用結着剤。
  4. ポリビニリデンフルオライドをさらに含有する請求項1~3のいずれかに記載の電池用結着剤。
  5. 前記含フッ素共重合体と前記ポリビニリデンフルオライドとの質量比(含フッ素共重合体/ポリビニリデンフルオライド)が、99/1~1/99である請求項4に記載の電池用結着剤。
  6. 請求項1~5のいずれかに記載の電池用結着剤、粉末電極材料、および、水または非水溶剤を含有する電極合剤。
  7. 前記粉末電極材料が、リチウム遷移金属複合酸化物を含有する請求項6に記載の電極合剤。
  8. 前記非水溶剤を含有し、前記非水溶剤がN-メチル-2-ピロリドンを含有する請求項6または7に記載の電極合剤。
  9. 請求項1~5のいずれかに記載の電池用結着剤を含有する電極材料層を備える電極。
  10. 請求項6~8のいずれかに記載の電極合剤により形成される電極材料層を備える電極。
  11. 請求項9または10に記載の電極を備える二次電池。
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