JP2022099288A - カーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ分散組成物、電極膜用スラリー、電極膜、及び、二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】導電性の高い電極膜を得るために、高濃度かつ高い分散性を有するカーボンナノチューブ分散液、及びカーボンナノチューブ分散組成物を提供すること。更には、優れたレート特性及びサイクル特性を有する非水電解質二次電池を提供すること。【解決手段】カーボンナノチューブと、ヒドロキシル基含有構造単位及び複素環含有構造単位からなる群から選択される少なくとも1種以上を含み、かつ、ニトリル基含有構造単位を含まない第一の重合体と、ニトリル基含有構造単位を含む第二の重合体と、溶媒と、を含むカーボンナノチューブ分散液であって、前記カーボンナノチューブが、走査型電子顕微鏡で測定した繊維径分布において100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる少なくとも二種類のカーボンナノチューブを含み、前記二種類のカーボンナノチューブは、第一の繊維径分布を示す成分と第二の繊維径分布を示す成分と、を含む、カーボンナノチューブ分散液。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、カーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ分散組成物、電極膜用スラリー、電極膜、及び、二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、電気自動車及び携帯機器等のバッテリーとして広く用いられている。電気自動車及び携帯機器等の高性能化に伴い、リチウムイオン二次電池には、高容量、高出力、及び小型軽量化といった要求が年々高まっている。
リチウムイオン二次電池の容量は、主材料である正極活物質及び負極活物質に大きく依存することから、これらの電極活物質に用いるための各種材料が盛んに研究されている。しかし、実用化されている電極活物質を使用した場合の充電容量は、いずれも理論値に近いところまで到達しており、改良は限界に近い。そこで、電極膜内の電極活物質の充填量が増加すれば、単純に充電容量を増加させることができるため、充電容量には直接寄与しない導電材及びバインダー樹脂の添加量を削減することが試みられている。
導電材は、電極膜内部で導電パスを形成したり、電極活物質の粒子間を繋いだりする役割を担っており、導電パス及び粒子間の繋がりは、電極膜の膨張収縮によって切断が生じにくいことが求められる。少ない添加量で導電パス及び粒子間の繋がりを維持するためには、導電材として比表面積が大きいナノカーボン、特にカーボンナノチューブ(CNT)を使用することで、効率的な導電ネットワークを形成することが有効である。しかし、比表面積が大きいナノカーボンは凝集力が強いため、ナノカーボンを電極膜用スラリー中及び/又は電極膜中に良好に分散させることが難しいという問題があった。
こうした背景から、各種分散剤を用いて導電材分散体を作製し、導電材分散体を経由して電極膜用スラリーを製造する方法、或いは、カーボンナノチューブそのものの物性を工夫する方法が提案されている(特許文献1~5参照)。
特許文献1では、ポリビニルピロリドン及びポリビニルアルコール等の非イオン性分散剤を分散剤として用いることで、導電材を溶媒に良好に分散させ、電池出力を向上させることが提案されている。しかし、ポリビニルピロリドン及びポリビニルアルコールは、導電材分散体を製造することができるものの、電極膜形成の過程において分散状態が不良となり、導電性が悪化することが課題であった。
特許文献2では、水素化ニトリルゴムを分散剤として用いた導電材分散体が提案されている。しかし、これらの水素化ニトリルゴムは分散性に乏しいため、良好な導電ネットワークを形成するには不十分であった。また、得られる導電材分散体は高粘度、且つ、固体様特性が強く、導電材分散体の製造に長時間を要する、又は、流動性が乏しく塗工性が低下したり、ゲル化を生じやすくなるといった問題もあった。
特許文献3では、水素化ニトリルゴムとポリビニルピロリドンを併用することで導電材の分散性を向上させ、得られる電極合材層中での導電材の偏在を抑制することが提案されている。しかし、外径が小さく比表面積が高いカーボンナノチューブはアセチレンブラックのように高濃度で分散することができず、得られる分散液は良好な導電ネットワークを形成することができなかった。更に、高濃度のカーボンナノチューブ分散液は、保管中に凝集物及び沈殿物を生じやすいため、貯蔵安定性も課題であった。
一方で、特許文献4では、外径100nm未満のカーボンナノチューブと、外径100nm以上のカーボンナノチューブを併用することで、分散時及び乾燥時の導電材の凝集を抑制することが提案されている。しかし、少ない導電材の添加量で良好な導電ネットワークを形成するにはまだ不十分であった。さらに、特許文献5でも、外径の異なるカーボンナノチューブを併用することで、導電材及びバインダー樹脂の添加量を少なくした、リチウムイオン電池用電極の調製が提案されている。一般に、カーボンナノチューブの外径が小さくなるほど比表面積が大きくなることから、溶媒への濡れ性が悪くなり、高濃度かつ良好な分散液を得るのが難しくなる。しかしながら、外径が小さく、比表面積が高いカーボンナノチューブほど理想的には効率的な導電ネットワークを形成させることができることから、外径が小さく、比表面積が高いカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブ特有の導電性を担持しつつ、より具体的にはその繊維長を折ることなく活かして、良好に分散した分散液を得ることは急務であった。特許文献5で得られる分散液中のカーボンナノチューブは繊維長が短く、導電性を維持しつつ高濃度且つ安定にカーボンナノチューブを分散させることができなかった。更に、カーボンナノチューブの濃度が低い分散液では、活物質及びバインダー等の材料を配合した際の設計自由度が低くなるといった問題、及びカーボンナノチューブ固形分あたりの輸送コストが高くなるといった問題が生じる。したがって、外径が小さく、比表面積が高いカーボンナノチューブを高濃度に分散させることも求められた。
本発明が解決しようとする課題は、導電性の高い電極膜を得るために、高濃度かつ高い分散性を有するカーボンナノチューブ分散液、及びカーボンナノチューブ分散組成物を提供することである。更に詳しくは、優れたレート特性及びサイクル特性を有する非水電解質二次電池を提供することである。
そこで、本発明の実施形態は、高濃度かつ高い分散性を有するカーボンナノチューブ分散液を提供することを課題とする。また、本発明の実施形態は、カーボンナノチューブ分散組成物を提供することを課題とする。更に、本発明の実施形態は、電極膜用スラリーを提供することを課題とする。更に、本発明の実施形態は、二次電池の出力及びサイクル寿命を向上できる電極膜、及び高い出力かつ良好なサイクル寿命を有する二次電池を提供することを課題とする。
本発明者らが鋭意検討したところによると、カーボンナノチューブ分散液が、特定の構造単位を含有する重合体と、ニトリル基含有単量体単位を含有する重合体と、を含有し、更にカーボンナノチューブ分散液中に異なる繊維径のカーボンナノチューブを存在させることで、高濃度のカーボンナノチューブを溶媒中に良好に分散させることができ、かつ、電極膜用スラリーを調製する際及び電極膜を製造する際にもその良好な分散状態を維持して、電極中で良好な導電ネットワークを形成することが可能となった。
すなわち、本発明は、以下の実施形態を含む。
〔1〕カーボンナノチューブと、ヒドロキシル基含有構造単位及び複素環含有構造単位からなる群から選択される少なくとも1種以上を含み、かつ、ニトリル基含有構造単位を含まない重合体(A)と、ニトリル基含有構造単位を含む重合体(B)と、溶媒と、を含むカーボンナノチューブ分散液であって、カーボンナノチューブが、走査型電子顕微鏡で測定した繊維径分布において100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる少なくとも二種類のカーボンナノチューブを含み、二種類のカーボンナノチューブは、第一の繊維径分布を示す成分(I)と、第二の繊維径分布を示す成分(II)と、を含む、カーボンナノチューブ分散液。
〔2〕第一の繊維径分布の範囲が、2nm以上30nm未満であり、第二の繊維径分布の範囲が、30nm以上100nm以下である、〔1〕に記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔3〕第一の繊維径分布を有する成分(I)の含有量が、カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で40%以上99%以下である、〔1〕又〔2〕に記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔4〕繊維長0.3μm以下のカーボンナノチューブの含有量が、カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で75%以下であり、前記カーボンナノチューブ分散液中の前記カーボンナノチューブの平均繊維長が0.1μm以上1.0μm以下である、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔5〕重合体(A)の含有量が、重合体(A)及び重合体(B)の合計質量に対して30質量%以上70質量%以下である、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔6〕レーザー回折/散乱式粒度分布測定法においてレーザー光の透過率が50%の条件で測定した粒度分布が、少なくとも2つ以上のピークを有し、2つ以上のピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μm以下である、〔1〕~〔5〕いずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔7〕溶媒が実質的に水を含まず、かつ、pHが9.0以上12.0以下である、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔8〕重合体(B)は、脂肪族炭化水素構造単位をさらに含む、〔1〕~〔7〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液。
〔9〕〔1〕~〔8〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液と、フッ素系樹脂と、を含むカーボンナノチューブ分散組成物。
〔10〕〔1〕~〔8〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液、または〔9〕記載のカーボンナノチューブ分散組成物と、電極活物質と、を含む電極膜用スラリー。
〔11〕〔1〕~〔8〕のいずれかに記載のカーボンナノチューブ分散液、または〔9〕記載のカーボンナノチューブ分散組成物、または〔10〕記載の電極膜用スラリーの塗工膜を含む電極膜。
〔12〕正極と、負極と、電解質と、を具備してなる二次電池であって、〔11〕記載の電極膜を正極または負極の少なくとも一方に用いた二次電池。
本発明の実施形態によれば、高濃度かつ高い分散性を有するカーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ分散組成物、及び電極膜用スラリーを提供することが可能である。また、本発明の実施形態によれば、二次電池の出力及びサイクル寿命を向上できる電極膜、及び高い出力かつ良好なサイクル寿命を有する二次電池を提供することができる。
以下、本発明の実施形態であるカーボンナノチューブ、重合体、カーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ分散組成物、電極膜用スラリー、電極膜、及び二次電池等について詳しく説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明には要旨を変更しない範囲において実施される実施形態も含まれる。
本明細書において、カーボンナノチューブ、及びカーボンブラック等の導電材を包含して「導電材」と表記することがある。カーボンナノチューブの繊維径を「外径」と表記することがある。なお、本明細書では、カーボンナノチューブ分散液を「カーボンナノチューブ分散体」、単に「分散体」または、「分散液」という場合がある。また、重合体(A)、重合体(B)、「重合体(A)及び重合体(B)」を「分散剤」と称することがある。
本明細書において、「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値と任意に組み合わせることができる。
本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液は、少なくとも、カーボンナノチューブと、分散剤(重合体(A)及び重合体(B))と、溶媒と、を含む。以下、カーボンナノチューブ、分散剤、及び溶媒について詳しく説明する。
<カーボンナノチューブ>
カーボンナノチューブは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状であり、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含み、これらが混在してもよい。単層カーボンナノチューブは一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。多層カーボンナノチューブは、二又は三以上の層のグラファイトが巻かれた構造を有する。また、カーボンナノチューブの側壁はグラファイト構造でなくともよい。また、例えば、アモルファス構造を有する側壁を備えるカーボンナノチューブも本明細書ではカーボンナノチューブとする。
カーボンナノチューブは、平面的なグラファイトを円筒状に巻いた形状であり、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含み、これらが混在してもよい。単層カーボンナノチューブは一層のグラファイトが巻かれた構造を有する。多層カーボンナノチューブは、二又は三以上の層のグラファイトが巻かれた構造を有する。また、カーボンナノチューブの側壁はグラファイト構造でなくともよい。また、例えば、アモルファス構造を有する側壁を備えるカーボンナノチューブも本明細書ではカーボンナノチューブとする。
カーボンナノチューブの形状は限定されない。かかる形状としては、針状、円筒チューブ状、魚骨状(フィッシュボーン又はカップ積層型)、トランプ状(プレートレット)及びコイル状等を含む様々な形状が挙げられる。本実施形態においてカーボンナノチューブの形状は、中でも、針状、又は、円筒チューブ状であることが好ましい。カーボンナノチューブは、単独の形状、または2種以上の形状の組合せであってもよい。
カーボンナノチューブの形態は、例えば、グラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ及びカーボンナノファイバー等が挙げられる。カーボンナノチューブは、これらの単独の形態又は二種以上を組み合わせられた形態を有していてもよい。
カーボンナノチューブの平均繊維径は100nm以下であり、80nm以下がより好ましく、60nm以下が更に好ましい。また、2nm以上が好ましく、5nm以上がより好ましい。平均繊維径は、実施例に記載の方法で、走査型電子顕微鏡によって確認することができる。なお、平均繊維径は、次のようにして確認することができる。まず、走査型電子顕微鏡によって、カーボンナノチューブを観測するとともに撮像する。次に観測写真において、無作為に300本のカーボンナノチューブを選び、それぞれの外径を計測し、その平均値を平均繊維径とする。
カーボンナノチューブは、走査型電子顕微鏡で測定した繊維径分布において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブを含む。二種類のカーボンナノチューブは、第一の繊維径分布を示す成分(I)と第二の繊維径分布を示す成分(II)とを含む。ここで、繊維径は成分(I)が成分(II)より小さいことが好ましい。本明細書において、繊維径分布が異なるとは、繊維径分布において少なくとも2つのピークがあることを意味する。2つのピークは重ならないことが好ましい。2つのピークの一部が重なる場合は、ピークの重なり部分の頻度(%)曲線の変曲点が極小となる繊維径を境に、前記繊維径未満の領域を成分(I)の繊維径分布とし、前記繊維径以上の領域を成分(II)の繊維径分布とする。
成分(I)の第一の繊維径分布の範囲は、2nm以上が好ましく、5nm以上がより好ましい。また、30nm未満が好ましく、20nm以下がより好ましい。成分(II)の第二の繊維径分布の範囲は、30nm以上が好ましく、40nm以上がより好ましい。また、100nm以下であり、80nm以下が好ましく、60nm以下がより好ましい。上記範囲に繊維径分布を有する成分(I)、及び、成分(II)を含むことで、カーボンナノチューブが絡み合った凝集体を形成することなく、均一に分散した分散液が得られる。また、塗膜作成等の乾燥によっても凝集することなく、乾燥後の電極中でも均一に分散した状態を保持することができ、二次電池の出力及びサイクル寿命が向上する。
第一の繊維径分布を有する成分(I)の含有量は、カーボンナノチューブの全量を基準として、個数基準で40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上が更に好ましい。また、99%以下が好ましく、98.5%以下がより好ましい。また、第二の繊維径分布を有する成分(II)の含有量は、カーボンナノチューブの全量を基準として、個数基準で1%以上が好ましく、1.5%以上がより好ましい。また、60%以下が好ましく、50%以下がより好ましく、40%以下が更に好ましい。成分(I)及び成分(II)を上記下限以上含むことで、良好な分散性と、導電パス形成とを両立し得るカーボンナノチューブ分散液を調整することができる。
カーボンナノチューブの比表面積は100m2/g以上が好ましく、150m2/g以上がより好ましく、200m2/g以上が更に好ましい。また、1200m2/g以下が好ましく、1000m2/g以下がより好ましく、800m2/g以下が特に好ましい。カーボンナノチューブの比表面積は窒素吸着測定によるBET法で算出する。
カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブの平均繊維長は0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上がより好ましく、0.2μm以上が更に好ましい。また、1.0μm以下が好ましく、0.8μm以下がより好ましく、0.5μm以下が更に好ましい。カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブの繊維長が大きいほど、少量で効率的に導電ネットワークを形成することができ、電池電極中に必要な導電材量を低減することができる。しかしながら、繊維長の大きいカーボンナノチューブは凝集力が強く分散が困難であり、更に、分散工程でカーボンナノチューブが折れやすく、カーボンナノチューブの繊維長制御もまた困難である。本発明の実施形態では、カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブの平均繊維長を上記範囲内にすることで、繊維径分布の異なるカーボンナノチューブを凝集させることなく高濃度で分散できる。これにより、少量で効率的に導電ネットワークを形成することができ、電池電極中に必要な導電材量を低減することができる。また、分散性と安定性を両立でき、また、電極膜用スラリー中及び/又は電極膜中においても良好な分散を保持することができる。
本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液において、繊維長0.3μm以下のカーボンナノチューブの含有量が、カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で75%以下であることが好ましく、70%以下であることがより好ましい。また、本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液は、繊維長0.3μmより大きいカーボンナノチューブの含有量が、カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で10%以上であることが好ましく、25%以上であることがより好ましい。繊維長が上記条件を満たすとき、繊維径分布の異なるカーボンナノチューブを凝集させることなく高濃度で分散させることができ、電極膜用スラリー中及び/又は電極膜中においても良好な分散を保持することができる。カーボンナノチューブ分散液におけるカーボンナノチューブの繊維長、及び平均繊維長は実施例記載の方法で測定することができる。なお、繊維長は、次のようにして確認することができる。まず、走査型電子顕微鏡によって、カーボンナノチューブを観測するとともに撮像する。次に観測写真において、カーボンナノチューブの繊維長を計測することで確認できる。また、平均繊維長は、上記観測写真において、無作為に300本のカーボンナノチューブを選び、それぞれの繊維長を計測し、その平均値を平均繊維長とする。尚、本発明の実施形態におけるカーボンナノチューブの繊維長は、カーボンナノチューブ分散液中の繊維長、すなわちカーボンナノチューブ分散液を調製した後の繊維長である。
カーボンナノチューブの炭素純度はカーボンナノチューブ中の炭素原子の含有率(質量%)で表される。炭素純度はカーボンナノチューブ100質量%に対して、80質量%が好ましく、90質量%以上がより好ましく、95質量%以上が更に好ましく、98質量%以上が特に好ましい。炭素純度を上記範囲にすることにより、不純物によってデンドライトが形成されショートが起こる等の不具合を防ぐことができる。
カーボンナノチューブの炭素純度は純化処理によって調整することができる。カーボンナノチューブの純化処理方法としては、従来公知の様々な方法を用いることができる。例えば、酸処理、黒鉛化処理、及び塩素化処理が挙げられる。
カーボンナノチューブを酸処理する際に使用する酸としては、カーボンナノチューブに含まれる金属及び金属酸化物を溶解できるものであればよく、例えば、無機酸及びカルボン酸が好ましく、無機酸の中でも、塩酸、硫酸、及び硝酸が特に好ましい。カーボンナノチューブの酸処理は液相中で行われることが好ましく、液相中でカーボンナノチューブを分散及び/または混合することが更に好ましい。酸処理後のカーボンナノチューブは水洗し、乾燥することが好ましい。
カーボンナノチューブの黒鉛化処理は、特に限定されないが、酸素濃度0.1%以下の不活性雰囲気下、カーボンナノチューブを1500℃~3500℃で加熱することにより行うことができる。
カーボンナノチューブの塩素化処理は、特に限定されないが、例えば、酸素濃度0.1%以下の不活性雰囲気下において、塩素ガスを導入し、カーボンナノチューブを800℃~2000℃で加熱することにより行うことができる。
カーボンナノチューブは表面又は末端が官能基又はアルキル基で修飾されていてもよく、またアルカリ金属又はハロゲンでドーピングされていてもよい。例えば、酸中で加熱することにより、カルボキシル基、スルホ基、水酸基で官能基化させてもよい。重合体(A)及び重合体(B)によって、得られるカーボンナノチューブ分散液の良好な安定性と流動性を両立できることから、カルボキシル基及びスルホ基等の酸性官能基を有さないカーボンナノチューブを使用することが好ましい。
導電材として、更にカーボンブラック、グラファイト等の炭素材料を1種または2種以上併用して用いてもよい。これらの導電材の中でも、分散剤の吸着性能の観点からカーボンブラックが好ましい。カーボンブラックは、例えば、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等が挙げられる。また、カーボンブラックは、中性、酸性、塩基性のいずれでもよく、酸化処理されたカーボンブラック、及び黒鉛化処理されたカーボンブラックを使用してもよい。
導電材中に含まれる金属量は、導電材100質量%に対して、10質量%未満が好ましく、5質量%未満がより好ましく、2質量%未満が更に好ましい。特に、カーボンナノチューブに含まれる金属としては、カーボンナノチューブを合成する際に触媒として使用される金属、金属酸化物、及び金属水酸化物等が挙げられる。具体的には、銅、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、シリカ、マンガンやモリブデン等の金属、金属酸化物、金属水酸化物、及びこれらの複合酸化物が挙げられる。特に、カーボンナノチューブに含まれる金属水酸化物が上記範囲より多く含まれると、カーボンナノチューブの濡れ性が低下する恐れがあり、また、カーボンナノチューブ分散液のpHが高くなり、重合体(A)及び重合体(B)の分散性を損なう恐れがある。
また、導電材は、製造過程で使用される触媒のうち鉄金属元素を導電材100質量%に対して50ppm以下、より具体的には、20ppm以下の含有量で含んでもよい。このように、導電材内に残留する不純物としての鉄含有量を著しく減少させることで、電極内の副反応の恐れなしに、より優れた伝導性を示すことができる。導電材内に残留する金属不純物の含有量は、高周波誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma、ICP)を用いて分析することができる。また、導電材は、鉄金属元素を含まなくてもよい。
カーボンナノチューブの含有量は、カーボンナノチューブ分散液の不揮発分中、0.2質量%以上が好ましく、0.4質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましい。また、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、10質量%以下が更に好ましい。上記範囲にすることで、沈降及びゲル化を起こすことなく、カーボンナノチューブを良好に、かつ安定に存在させることができる。また、カーボンナノチューブの含有量は、カーボンナノチューブの比表面積、分散媒への親和性、分散剤の分散能等によって、適当な流動性または粘度のカーボンナノチューブ分散液が得られるように、適宜調整することが好ましい。例えば、良好な安定性と流動性の両立の観点から、導電材の含有量は、カーボンナノチューブ分散液100質量%に対して、10質量%以下であってもよく、好ましくは8質量%以下である。本発明の実施形態では、導電材として高比表面積であるカーボンナノチューブを使用するため、前記範囲であることが好ましい。又は、例えば、導電材の濃度が高い場合であっても重合体(A)及び重合体(B)によって良好な分散性と安定性とを両立できることから、導電材の含有量は、カーボンナノチューブ分散液100質量%に対して、5質量%以上であってもよく、10質量%超であってもよい。
<重合体(A)>
重合体(A)は、ヒドロキシル基含有構造単位及び複素環含有構造単位の少なくとも1種以上を含む。重合体(A)を後述する重合体(B)とともに用いることで、カーボンナノチューブの分散性を向上させ、得られる電極合材層中でのカーボンナノチューブ含む導電材の偏在を抑制することができる。また、理由は定かではないが、重合体(A)が存在することで、後述する重合体(B)の、被分散物への吸着性及び分散媒への親和性をコントロールし、被分散物を分散媒中に安定に存在させることができる。
重合体(A)は、ヒドロキシル基含有構造単位及び複素環含有構造単位の少なくとも1種以上を含む。重合体(A)を後述する重合体(B)とともに用いることで、カーボンナノチューブの分散性を向上させ、得られる電極合材層中でのカーボンナノチューブ含む導電材の偏在を抑制することができる。また、理由は定かではないが、重合体(A)が存在することで、後述する重合体(B)の、被分散物への吸着性及び分散媒への親和性をコントロールし、被分散物を分散媒中に安定に存在させることができる。
(ヒドロキシル基含有構造単位)
重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、任意に、ヒドロキシル基含有構造単位以外の構造単位(その他の構造単位)を含む。ヒドロキシル基含有構造単位は、ヒドロキシル基を含む構造単位であり、好ましくは、ヒドロキシル基を含む置換基により置換させたアルキレン構造を含有する構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。ヒドロキシル基含有構造単位に含まれるヒドロキシル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。
重合体(A)へのヒドロキシル基含有構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば、ヒドロキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法、または、ヒドロキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、ヒドロキシル基に変性させる方法等が挙げられる。反応性、原料価格の観点から合理的な方法を選択することができる。
重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、任意に、ヒドロキシル基含有構造単位以外の構造単位(その他の構造単位)を含む。ヒドロキシル基含有構造単位は、ヒドロキシル基を含む構造単位であり、好ましくは、ヒドロキシル基を含む置換基により置換させたアルキレン構造を含有する構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。ヒドロキシル基含有構造単位に含まれるヒドロキシル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。
重合体(A)へのヒドロキシル基含有構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば、ヒドロキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法、または、ヒドロキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、ヒドロキシル基に変性させる方法等が挙げられる。反応性、原料価格の観点から合理的な方法を選択することができる。
ヒドロキシル基を含むモノマーとしては、例えば、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、3-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、グリセロールモノ(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシビニルベンゼン、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピルアクリレートまたはこれらモノマーのカプロラクトン付加物(付加モル数は1~5)等が挙げられる。ヒドロキシル基を含むモノマーは、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートがより好ましく、2-ヒドロキシエチルアクリレートが更に好ましい。
ヒドロキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、ヒドロキシル基に変性させる方法としては、例えば、酢酸ビニルを重合して得られたポリ酢酸ビニルのアセチル基を、水酸化ナトリウム等のアルカリによりけん化し、ヒドロキシル基とする方法が挙げられる(けん化反応)。水酸化ナトリウムの濃度と処理時間を変えることで、けん化の反応率(けん化度)を任意にコントロールすることができる。
また、炭素系導電材と媒体との親和性を高める目的で、重合体中のヒドロキシル基をアルデヒド化合物と反応させ、アセタール基に変性させて用いてもよい(アセタール化)。アセタール化反応に用いるアルデヒド化合物は、例えば、炭素数1~15の直鎖状、分枝状、環状飽和、不飽和、又は芳香族のアルデヒド等化合物等を用いることができるが、これらに限定されない。具体的には、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオニルアルデヒド、n-ブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、tert-ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シクロヘキシルアルデヒド等が挙げられる。これらのアルデヒド化合物は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、これらのアルデヒド化合物はホルムアルデヒドを除き、1以上の水素原子がハロゲン原子等により置換されたものであってもよい。汎用性の観点で、炭素数1~10の直鎖状、分枝状、環状飽和、不飽和、又は芳香族のアルデヒド等化合物が好ましく、炭素数1~4の直鎖状のアルデヒド化合物がより好ましい。アルデヒド化合物と処理時間を変えることで、アセタール化の反応率(アセタール化度)を任意にコントロールすることができる。
ヒドロキシル基含有構造単位の含有量は、重合体の質量を基準として(すなわち、重合体の質量を100質量%とした場合に)、80質量%以上であることが好ましく、85質量%以上であることがより好ましく、また、99.8質量%以下であることが好ましい。上記範囲とすることで、分極を強め、炭素系導電材および媒体への親和性を高めることができる。また、電解液耐性の観点からも好ましい。アセタール基の含有量は、ヒドロキシル基含有構造単位の含有量と同様の理由から、ヒドロキシル基含有構造単位の含有量の好ましい範囲内とするのが好ましい。
例えば、ポリビニルアルコール樹脂及びポリビニルアセタール樹脂は、その分子中にビニルアルコール等に基づくヒドロキシル基含有構造単位を含むため、これらを重合体(A)として用いることができる。重合体(A)の一態様としては、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルブチラールやポリビニルホルマール等を含むポリビニルアセタール樹脂、からなる群より選ばれる1種以上のポリマーが用いられる。
(複素環含有構造単位)
重合体(A)が複素環含有構造単位を含む場合、任意に、複素環含有構造単位以外の構造単位(その他の構造単位)を含む。複素環含有構造単位の複素環は、例えば、単環構造であっても縮合環構造であってもよいが、単環構造であることが好ましい。複素環は環を構成する原子に炭素以外の原子を含んでおり、そのほとんどは、一つまたはそれ以上の窒素、酸素、硫黄原子を含む。重合体(A)として複素環含有構造単位を含むことで、複素環内部で分極が生じ、被分散物に強く作用して吸着性と分散媒への親和性を更に高めることができると思われる。
重合体(A)が複素環含有構造単位を含む場合、任意に、複素環含有構造単位以外の構造単位(その他の構造単位)を含む。複素環含有構造単位の複素環は、例えば、単環構造であっても縮合環構造であってもよいが、単環構造であることが好ましい。複素環は環を構成する原子に炭素以外の原子を含んでおり、そのほとんどは、一つまたはそれ以上の窒素、酸素、硫黄原子を含む。重合体(A)として複素環含有構造単位を含むことで、複素環内部で分極が生じ、被分散物に強く作用して吸着性と分散媒への親和性を更に高めることができると思われる。
複素環含有構造単位としては特に限定されないが、例えば、ピロール、ピロリジン、ピペリジン、イミダゾール、α-ピロン、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、2-ピロリドン、5-メチル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、N-ビニル-ε-カプロラクタム、N-ビニル-2-ピペリドン、N-ビニル-3-モルホリノン、N-ビニル-1,3-オキサジン-2-オン、N-ビニル-3,5-モルホリンジオン、フラン、テトラヒドロフラン、ピラン等の複素環含有単量体に基づく構造が挙げられる。中でも、N-ビニル-2-ピロリドン、N-ビニル-ε-カプロラクタム、N-ビニル-2-ピペリドン、N-ビニル-3-モルホリノン、N-ビニル-1,3-オキサジン-2-オン、N-ビニル-3,5-モルホリンジオン等のN-ビニル環状アミド構造に基づく構造単位が好ましく、電池特性向上の観点から、N-ビニル-2-ピロリドンが特に好ましい。なお、これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
そして、重合体(A)が含有する複素環含有構造単位の含有量は、重合体(A)の全質量を100質量%とした場合、70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましく、95質量%以上であることが特に好ましい。重合体(A)中の複素環含有構造単位が70質量%以上であれば、電池性能、特に低温特性を更に向上させることができる。なお、重合体(A)中の複素環含有構造単位の含有量は特に限定されず、100質量%以下とすることができる。
また、重合体(A)の含有量が、重合体(A)及び後述する重合体(B)の合計質量に対して30質量%以上70質量%以下であると好ましい。重合体(A)の重量平均分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量で、5,000以上が好ましく、6,000以上がより好ましく、8,000以上が更に好ましい。また、450,000以下が好ましく、300,000以下がより好ましく、150,000以下が更に好ましい。適度な重量平均分子量に調整することで被分散物への吸着性を向上させ、分散液の安定性をより向上させることができる。
<重合体(B)>
重合体(B)は、ニトリル基含有構造単位を含む。重合体(B)は、ニトリル基含有構造単位を含有しているため、優れた柔軟性及び結着力による安定性を発揮することができる。この効果により、カーボンナノチューブ分散液を電極活物質と混合して電極膜用スラリーを膜状に形成する電極膜中でも良好な導電ネットワークを維持させることができるものと思われる。重合体(B)を前述の重合体(A)とともに用いることで、カーボンナノチューブ同士、カーボンナノチューブと活物質及び集電体との密着性(剥離強度)を飛躍的に高めることが出来る。重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、重合体(A)と重合体(B)の間に水素結合などの強い分子間力が作用することで、重合体(A)と重合体(B)との間に架橋構造が形成され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができるものと思われる。重合体(A)が複素環含有構造単位を含む場合、重合体(A)の複素環内部での分極に加え、重合体(B)のニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基でも分極が生じ、これらが相乗効果を発揮することで被分散物に強く作用することにより、良好な分散状態を維持したまま高い結着力を発揮することができるものと思われる。
重合体(B)は、ニトリル基含有構造単位を含む。重合体(B)は、ニトリル基含有構造単位を含有しているため、優れた柔軟性及び結着力による安定性を発揮することができる。この効果により、カーボンナノチューブ分散液を電極活物質と混合して電極膜用スラリーを膜状に形成する電極膜中でも良好な導電ネットワークを維持させることができるものと思われる。重合体(B)を前述の重合体(A)とともに用いることで、カーボンナノチューブ同士、カーボンナノチューブと活物質及び集電体との密着性(剥離強度)を飛躍的に高めることが出来る。重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、重合体(A)と重合体(B)の間に水素結合などの強い分子間力が作用することで、重合体(A)と重合体(B)との間に架橋構造が形成され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができるものと思われる。重合体(A)が複素環含有構造単位を含む場合、重合体(A)の複素環内部での分極に加え、重合体(B)のニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基でも分極が生じ、これらが相乗効果を発揮することで被分散物に強く作用することにより、良好な分散状態を維持したまま高い結着力を発揮することができるものと思われる。
ニトリル基含有構造単位は、ニトリル基を含む構造単位であり、好ましくはニトリル基により置換されたアルキレン構造を含む構造単位を含み、より好ましくはニトリル基により置換されたアルキレン構造のみからなる構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。ニトリル基含有構造単位は、ニトリル基により置換されたアルキル構造を含む(又はのみからなる)構造単位を更に含んでもよい。ニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基の数は、1つであることが好ましい。
重合体(B)へのニトリル基含有構造単位の導入方法は、特に限定されないが、例えば、ニトリル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法を好ましく用いることができる。
重合体(B)へのニトリル基含有構造単位の導入方法は、特に限定されないが、例えば、ニトリル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法を好ましく用いることができる。
ニトリル基を含むモノマーとしては、例えば、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、フマロニトリル等が挙げられ、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。ニトリル基を含むモノマーがアクリロニトリルであると、重合体の屈曲が少なくなり、隣接するシアノ基が配向して分極の強い部分構造を形成することから、重合体同士、重合体と炭素系導電材との分子間力が高くなると思われる。分子間力を高める観点、原料の入手しやすさの観点、及び反応性の観点から、ニトリル基を含むモノマーはアクリロニトリルであることが好ましい。
ニトリル基含有構造単位の含有量は、分子間力を高める観点から、重合体(B)の質量を基準として(すなわち、重合体(B)の質量を100質量%とした場合に)、15質量%以上であることが好ましく、20質量%以上であることがより好ましく、30質量%以上であることが更に好ましい。また、ニトリル基含有構造単位の含有量は、重合体(B)の質量を基準として、90質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることがより好ましく、50質量%以下であることが更に好ましく、40質量%以下であることが特に好ましい。ニトリル基含有構造単位の含有量を上記範囲にすることで、被分散物への吸着性及び分散媒への親和性をコントロールすることができ、被分散物を分散媒中に安定に存在させることができる。また、重合体(B)の電解液への親和性もコントロールでき、電池内で重合体(B)が電解液に溶解して電解液の抵抗を増大させるなどの不具合を防ぐことができる。また、分極の大きなニトリル基が配列することで、誘電率が高くなり、電解液抵抗を低減することができるため、レート特性及びサイクル特性も向上させることができる。
また、重合体(B)は脂肪族炭化水素構造単位を含むことが好ましい。脂肪族炭化水素構造単位は、脂肪族炭化水素構造を含む構造単位であり、好ましくは脂肪族炭化水素構造のみからなる構造単位である。脂肪族炭化水素構造は、飽和脂肪族炭化水素構造を少なくとも含み、不飽和脂肪族炭化水素構造を更に含んでもよい。脂肪族炭化水素構造は、直鎖状脂肪族炭化水素構造を少なくとも含むことが好ましく、分岐状脂肪族炭化水素構造を更に含んでもよい。
脂肪族炭化水素構造単位の例として、アルキレン構造単位、アルケニレン構造単位、アルキル構造単位、アルカントリイル構造単位、アルカンテトライル構造単位等が挙げられる。脂肪族炭化水素構造単位は、少なくともアルキレン構造単位を含むことが好ましい。アルキレン構造単位は、アルキレン構造を含む構造単位であり、好ましくはアルキレン構造のみからなる構造単位である。アルキレン構造は、直鎖状アルキレン構造又は分岐状アルキレン構造であることが好ましい。
脂肪族炭化水素構造単位において、アルキレン構造単位の含有量は、脂肪族炭化水素構造単位の合計の質量を基準として(すなわち、脂肪族炭化水素構造単位の質量を100質量%とした場合に)、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、80質量%以上であることが更に好ましく、90質量%以上であることが特に好ましい。アルキレン構造単位の含有量は、脂肪族炭化水素構造単位の合計の質量を基準として、例えば、100質量%未満であり、99.5質量%以下、99質量%以下、又は98質量%以下であってもよい。アルキレン構造単位の含有量は、100質量%であってもよい。
重合体(B)への脂肪族炭化水素構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば、共役ジエン単量体を含有する単量体組成物を用いて重合反応により重合体を調製し共役ジエン単量体に由来する単量体単位を含有させ、次いで、共役ジエン単量体単位に水素添加(水素化)することで、共役ジエン単量体単位の少なくとも一部をアルキレン構造単位に変換する方法、または、α-オレフィン単量体を含む単量体組成物を用いて重合反応により重合体を調製する方法が挙げられる。特に、共役ジエン単量体を含有する単量体組成物を用いて重合反応により重合体を調製した後、水素化する方法を好ましく用いることができる。
共役ジエン単量体の炭素数は、4以上であり、好ましくは4以上6以下である。共役ジエン単量体としては、例えば、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、1,3-ペンタジエンなどの共役ジエン化合物が挙げられる。中でも、1,3-ブタジエンが好ましい。アルキレン構造単位は、共役ジエン単量体単位を水素化して得られる構造単位(水素化共役ジエン単量体単位)を含むことが好ましく、1,3-ブタジエン単量体単位を水素化して得られる構造単位(水素化1,3-ブタジエン単量体単位)を含むことがより好ましい。共役ジエン単量体は、1種を単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
水素化は、共役ジエン単量体単位を選択的に水素化できる方法であることが好ましい。水素化の方法として、例えば、油層水素添加法又は水層水素添加法などの公知の方法が挙げられる。水素化は、通常の方法により行うことができる。水素化は、例えば、共役ジエン単量体単位を有する共重合体を、適切な溶媒に溶解させた状態において、水素化触媒の存在下で水素ガス処理することにより行うことができる。水素化触媒としては、鉄、ニッケル、パラジウム、白金、銅等が挙げられる。
α-オレフィン単量体の炭素数は、2以上であり、好ましくは3以上であり、より好ましくは4以上である。α-オレフィン単量体の炭素数は、6以下であることが好ましく、5以下であることがより好ましい。α-オレフィン単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセンなどのα-オレフィン化合物が挙げられる。α-オレフィン単量体は、1種を単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
脂肪族炭化水素構造単位の含有量は、重合体(B)の質量を基準として(すなわち、重合体(B)の質量を100質量%とした場合に)、40質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが更に好ましい。脂肪族炭化水素構造単位の含有量は、重合体(B)の質量を基準として、85質量%未満であることが好ましく、75質量%以下であることがより好ましく、70質量%以下であることが更に好ましい。
更に、重合体(B)は、任意の構造単位を含んでもよい。任意の構造単位として、例えば、アミド基含有構造単位;カルボキシル基含有構造単位;アルケニレン構造単位;アルキル構造単位;アルカントリイル構造単位;アルカンテトライル構造単位等の分岐点を含む構造単位などが挙げられる。分岐点を含む構造単位は、分岐状アルキレン構造を含む構造単位及び分岐状アルキル構造を含む構造単位とは異なる構造単位である。
アミド基含有構造単位は、アミド基を含む構造単位であり、好ましくはアミド基により置換されたアルキレン構造を含む構造単位を含み、より好ましくはアミド基により置換されたアルキレン構造のみからなる構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。アミド基含有構造単位は、アミド基により置換されたアルキル構造を含む(又は、のみからなる)構造単位を更に含んでもよい。アミド基含有構造単位に含まれるアミド基の数は、1つであることが好ましい。
重合体(B)へのアミド基含有構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば、アミド基含有単量体を含有する単量体組成物を用いて重合反応により重合体を調製することができる。調製した共重合体は、アミド基含有単量体単位を含む。最終的に得られる重合体(B)は、アミド基含有単量体単位をアミド基含有構造単位として含む。
アミド基含有単量体としては、例えば、(メタ)アクリルアミド、N-メチル(メタ)アクリルアミド、N-エチル(メタ)アクリルアミド、N-プロピル(メタ)アクリルアミド、N-イソプロピル(メタ)アクリルアミドなどのモノアルキル(メタ)アクリルアミド類;N,N-ジメチル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジエチル(メタ)アクリルアミド等などのジアルキル(メタ)アクリルアミド類;N-(2-ヒドロキシエチル)(メタ)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシプロピル)(メタ)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシブチル)(メタ)アクリルアミドなどのN-(ヒドロキシアルキル)(メタ)アクリルアミド;ダイアセトン(メタ)アクリルアミド;アクリロイルモルホリン等が挙げられる。本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル又はメタクリルを表す。特に、アミド基含有単量体は、アクリルアミド、メタクリルアミド、及びN,N-ジメチルアクリルアミドからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。アミド基含有単量体は、1種を単独で、又は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
アミド基含有構造単位の含有量は、重合体(B)の質量を基準として(すなわち、共重合体(B)の質量を100質量%とした場合に)、5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましく、1質量%以下が更に好ましく、0.5質量%以下が特に好ましい。アミド基含有構造単位の含有量が上記範囲以下であると、重合体(B)同士の水素結合が強くなりすぎることによって起こり得る、カーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化するという問題を防ぐことができる。
カルボキシル基含有構造単位は、カルボキシル基を含む構造単位であり、好ましくはカルボキシル基を含む置換基により置換されたアルキレン構造を含有する構造単位を含み、より好ましくはカルボキシル基により置換されたアルキレン構造のみからなる構造単位を含む。アルキレン構造は、直鎖状又は分岐状のアルキレン構造であることが好ましい。カルボキシル基含有構造単位は、カルボキシル基により置換されたアルキル構造を含む(又は、のみからなる)構造単位を更に含んでもよい。カルボキシル基含有構造単位に含まれるカルボキシル基の数は、1つ又は2つであることが好ましい。重合体(B)にカルボキシル基含有構造単位を含ませることで、被分散物への吸着力を向上させるとともに、カーボンナノチューブ分散液の粘性を低下させ、分散効率を向上させることができる。
カルボキシル基含有構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば、カルボキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法、または、カルボキシル基以外の官能基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製し、カルボキシル基に変性させる方法が挙げられる。特に、カルボキシル基を含むモノマーの重合反応により重合体を調製する方法を好ましく用いることができる。
カルボキシル基を含むモノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸等の不飽和脂肪酸;2-(メタ)アクリロイルオキシエチルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタレート、2-(メタ)アクリロイルオキシプロピルヘキサヒドロフタレート、エチレンオキサイド変性コハク酸(メタ)アクリレート、β-カルボキシエチル(メタ)アクリレート等のカルボキシル基含有(メタ)アクリレート等が挙げられる。また、上記カルボキシル基含有モノマーの多量体である無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸等の酸無水物基含有モノマーおよびその単官能アルコール付加体等が挙げられる。カルボキシル基二つが脱水縮合した構造を有する酸無水物基も、加水分解によりカルボキシル基を形成するため、本明細書では、カルボキシル基に含める。また、(メタ)アクリルアミド等のカルバモイル基を含有するモノマーの重合反応により得られた重合体の、カルバモイル基を加水分解することで、カルボキシル基含有モノマーを得てもよい。カルボキシル基含有モノマーは、不飽和脂肪酸が好ましく、(メタ)アクリル酸がより好ましく、アクリル酸が更に好ましい。
カルボキシル基含有構造単位の含有量は、重合体(B)の質量を基準として(すなわち、重合体(B)の質量を100質量%とした場合に)、1質量%未満が好ましく、0.5質量%以下がより好ましく、0.3質量%以下が更に好ましい。カルボキシル基含有構造単位の含有量が上記範囲未満(又は以下)であると、重合体(B)同士の水素結合が強くなりすぎることによって起こり得る、後述するカーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化するという問題を防ぐことができる。
アルケニレン構造単位は、アルケニレン構造を含む構造単位であり、好ましくはアルケニレン構造のみからなる構造単位である。アルケニレン構造は、直鎖状アルケニレン構造又は分岐状アルケニレン構造であることが好ましく、直鎖状アルケニレン構造を含む構造単位、及び、分岐状アルケニレン構造を含む構造単位からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、直鎖状アルケニレン構造のみからなる構造単位、及び、分岐状アルケニレン構造のみからなる構造単位からなる群から選択される少なくとも1種を含むことがより好ましい。
アルキル構造単位は、アルキル構造を含む構造単位(但し、分岐状アルキレン構造単位等の他の脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、アミド基含有構造単位、及びカルボキシル基含有構造単位には該当しない構造単位である。)であり、好ましくはアルキル構造のみからなる構造単位である。アルキル構造は、直鎖状アルキル構造又は分岐状アルキル構造であることが好ましい。アルキル構造単位は、直鎖状アルキル構造を含む構造単位、及び、分岐状アルキル構造を含む構造単位からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
アルカントリイル構造単位は、アルカントリイル構造を含む構造単位であり、好ましくはアルカントリイル構造のみからなる構造単位である。アルカンテトライル構造単位は、アルカンテトライル構造を含む構造単位であり、好ましくはアルカンテトライル構造のみからなる構造単位である。
重合体(B)の好ましい態様として、以下が挙げられる。
・脂肪族炭化水素構造単位及びニトリル基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、及びアミド基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、アミド基含有構造単位、及びカルボキシル基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・脂肪族炭化水素構造単位及びニトリル基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、及びアミド基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
・脂肪族炭化水素構造単位、ニトリル基含有構造単位、アミド基含有構造単位、及びカルボキシル基含有構造単位の合計の含有量が、重合体(B)の質量を基準として80質量%以上100質量%以下である重合体(B)。合計の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。
本明細書において、構造単位の含有量は、単量体の使用量、NMR(核磁気共鳴)及び/又はIR(赤外分光法)測定を利用して求めることができる。
重合体(B)の調製に用いられる重合反応は、特に限定されず、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等、いずれの方法を用いることもできる。中でも、乳化重合法であることが好ましく、通常の乳化重合の方法を用いることができる。乳化重合に使用する乳化剤(界面活性剤)、重合開始剤、キレート剤、酸素捕捉剤、分子量調整剤等の重合薬剤は、従来公知のそれぞれの薬剤が使用でき、特に限定されない。例えば、乳化剤としては、通常、アニオン系又はアニオン系とノニオン(非イオン)系の乳化剤が使用される。
アニオン系乳化剤としては、例えば、牛脂脂肪酸カリウム、部分水添牛脂脂肪酸カリウム、オレイン酸カリウム、オレイン酸ナトリウム等の脂肪酸塩;ロジン酸カリウム、ロジン酸ナトリウム、水添ロジン酸カリウム、水添ロジン酸ナトリウム等の樹脂酸塩;ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩等が挙げられる。ノニオン系乳化剤としては、例えば、ポリエチレングリコールエステル型、ポリプロピレングリコールエステル型、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドのブロック共重合体等のプルロニック(登録商標)型等の乳化剤が挙げられる。
重合開始剤としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩等の熱分解型開始剤;t-ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、オクタノイルパーオキサイド、3,5,5-トリメチルヘキサノイルパーオキサイド等の有機過酸化物;アゾビスイソブチロニトリル等のアゾ化合物;これらと二価の鉄イオン等の還元剤とからなるレドックス系開始剤等が挙げられる。これらの中でもレドックス系開始剤が好ましい。開始剤の使用量は、例えば、単量体の全量に対して0.01~10質量%の範囲である。
乳化重合反応は、連続式又は回分式のいずれでもよい。重合温度は、低温~高温重合のいずれでもよいが、好ましくは0~50℃、更に好ましくは0~35℃である。また、単量体の添加方法(一括添加、分割添加等)、重合時間、重合転化率等も特に限定されない。転化率は85質量%以上が好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。
重合体(B)の重量平均分子量は、5,000以上が好ましく、10,000以上がより好ましく、50,000以上が更に好ましい。重合体(B)の重量平均分子量は、400,000以下が好ましく、350,000以下がより好ましく、300,000以下が更に好ましい。重合体(B)の重量平均分子量が、5,000以上、かつ、400,000以下である場合、被分散物への吸着性及び分散媒への親和性が良好となり、分散液の安定性が向上する傾向がある。重量平均分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量であり、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定できる。
カーボンナノチューブ分散液に含まれる分散溶媒は、実質的にアミド系有機溶媒からなることが好ましい。溶媒はアミド系有機溶媒であれば特に限定されないが、重合体(B)を溶解できる溶媒であることが好ましく、アミド系有機溶媒のいずれか1種からなる溶媒、又は、アミド系有機溶媒のいずれか2種以上からなる混合溶媒であることが好ましい。
アミド系有機溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジエチルアセトアミド、N-メチルカプロラクタムなどが挙げられる。特に、N-メチル-2-ピロリドン及びN-エチル-2-ピロリドンからなる群から選択される少なくとも1種を含むことがより好ましい。
カーボンナノチューブ分散液は、実質的に水を含まないことが好ましい。本発明の実施形態において、実質的に水を含まない、とは意図して水を添加しないことを意味する。重合体(B)の質量を基準として、水の含有量が5質量%未満であることが好ましく、1質量%未満がより好ましく、0.5質量%未満が更に好ましい。水が大量に含まれると重合体(B)の被分散物への吸着性が低下し、被分散物を分散溶媒中に安定に存在させることができない恐れがある。水の含有量を上記範囲とすることで、カーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化するという問題を減少させることができる。
本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液は前述のとおり、実質的に水を含んでいない。本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液の「pH」とは、カーボンナノチューブ分散液に水を添加することで、水を添加する前の固形分濃度を100%としたとき、水を添加した後の固形分濃度が50%となるように調製し、一般的なpHメーターを用いて測定した値を指し、例えば、以下の方法で測定することができる。
固形分濃度5%のカーボンナノチューブ分散液を、ディスパーなどで撹拌しながら、カーボンナノチューブ分散液の固形分濃度が2.5%になるように水を添加する。均一に撹拌した後、25℃にて、卓上型pHメーター(セブンコンパクトS220Expert Pro、メトラー・トレド製)を用いることで、カーボンナノチューブ分散液のpHを測定することができる。
本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液のpHは、9.0以上が好ましい。また、12.0以下が好ましく、11.0以下がより好ましい。pHを上記範囲内に調整することで、カーボンナノチューブの濡れ性を向上させ、更に、重合体(A)及び重合体(B)の分散剤としての作用を高めることができる。pHが上記範囲を上回ると、電池内での各種原料及び外装材等の腐食、またはバインダーのゲル化といった問題が生じやすくなる。
固形分濃度5%のカーボンナノチューブ分散液を、ディスパーなどで撹拌しながら、カーボンナノチューブ分散液の固形分濃度が2.5%になるように水を添加する。均一に撹拌した後、25℃にて、卓上型pHメーター(セブンコンパクトS220Expert Pro、メトラー・トレド製)を用いることで、カーボンナノチューブ分散液のpHを測定することができる。
本発明の実施形態のカーボンナノチューブ分散液のpHは、9.0以上が好ましい。また、12.0以下が好ましく、11.0以下がより好ましい。pHを上記範囲内に調整することで、カーボンナノチューブの濡れ性を向上させ、更に、重合体(A)及び重合体(B)の分散剤としての作用を高めることができる。pHが上記範囲を上回ると、電池内での各種原料及び外装材等の腐食、またはバインダーのゲル化といった問題が生じやすくなる。
カーボンナノチューブ分散液のpHは、(1)カーボンナノチューブ中に含まれる金属水酸化物量、(2)カーボンナノチューブ表面の官能基種及び量、(3)添加する塩基種及び量、によって調整することができる。上記(1)~(3)の全ての因子を総合してpHを調整することで、カーボンナノチューブの濡れ性を向上するだけでなく、重合体(A)及び重合体(B)の併用効果を高めることができ、分散性だけでなく安定性にも優れるカーボンナノチューブ分散液を得ることができる。
上述の通り、カーボンナノチューブには、その製造工程において、触媒として使用される金属、金属酸化物、及び金属水酸化物が系中に残存している。カーボンナノチューブ中に残存する金属量のうち、特に上記(1)の、金属水酸化物の含有量を調整することでpHを調整することができる。また、カーボンナノチューブは従来公知の純化処理方法により、残存金属、炭素純度、およびカーボンナノチューブ分散液のpHを調整することができる。
上記(2)の、カーボンナノチューブ表面の官能基は特に限定されないが、カルボキシル基スルホ基、及び水酸基等が挙げられる。カーボンナノチューブへの官能基の導入方法については特に限定されない。例えば、カーボンナノチューブにカルボキシル基を導入するには、酸化作用を有する酸とともに加熱すればよい。この操作は比較的容易であり、しかも反応性に富むカルボキシル基を付加することができるため、好ましい。酸化作用を有する酸としては、濃硝酸、過酸化水素水、硫酸と硝酸の混合液、王水等が挙げられる。特に濃硝酸を用いる場合には、その濃度としては、5質量%以上が好ましく、60質量%以上がより好ましい。加熱は、常法にて行えばよいが、その温度としては、使用する酸の沸点以下が好ましい。例えば、濃硝酸では50~130℃の範囲が好ましい。また、加熱の時間としては、30分~20時間の範囲が好ましく、1時間~8時間の範囲がより好ましい。本発明の実施形態では、重合体(A)及び重合体(B)によって良好な分散性と安定性とを両立することができることから、カーボンナノチューブはカルボキシル基及びスルホ基等の酸性官能基を有さないことが好ましい。酸性官能基を多く含むと、カーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化する恐れがある。
上記(3)の、pH調整のために添加する塩基としては、特に限定されず、具体的には、例えば、無機塩基、無機金属塩、有機水酸化物、その他有機塩基、からなる群から選ばれる少なくとも一種の塩基を用いることができる。
無機塩基及び無機金属塩としては、例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の、塩化物、水酸化物、炭酸塩、アルコキシド、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、又はホウ酸塩;及び水酸化アンモニウム等が挙げられる。これらの中でも容易にカチオンを供給できる観点から、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の塩化物、水酸化物、炭酸塩、アルコキシドが好ましい。アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物としては、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。アルカリ金属のアルコキシドは、例えば、リチウムメトキシド、リチウムエトキシド、リチウム-n-ブトキシド、リチウム-t-ブトキシド、カリウムメトキシド、カリウムエトキシド、カリウム-n-ブトキシド、カリウム-t-ブトキシド、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、ナトリウム-n-ブトキシド、ナトリウム-t-ブトキシド等が挙げられる。アルコキシドの炭素数は5以上であってもよい。アルカリ土類金属のアルコキシドは、例えば、マグネシウムメトキシド、マグネシウムエトキシド、マグネシウム-n-ブトキシド、マグネシウム-t-ブトキシド等が挙げられる。アルコキシドの炭素数は5以上であってもよい。
これらの中でも、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、リチウム-t-ブトキシド、カリウム-t-ブトキシド、及びナトリウム-t-ブトキシドがより好ましい。なお、本発明の実施形態の無機塩基が有する金属は、遷移金属であってもよい。
これらの中でも、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、リチウム-t-ブトキシド、カリウム-t-ブトキシド、及びナトリウム-t-ブトキシドがより好ましい。なお、本発明の実施形態の無機塩基が有する金属は、遷移金属であってもよい。
有機水酸化物は、有機カチオンと水酸化物イオンとを含む塩である。有機水酸化物としては、例えば、トリメチル-2-ヒドロキシエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、セチルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルフェニルアンモニウムヒドロキシド、3-トリフルオロメチル-フェニルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド等が挙げられる。これらの中でも、トリメチル-2-ヒドロキシエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドが特に好ましい。
その他有機塩基としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、ジオクチルアミン、トリオクチルアミン、アミノエタノール、アミノプロパノール、アミノブタノール、2-メトキシエチルアミン等が挙げられる。これら有機機塩基は電解液への溶解度が高いため、使用量が多すぎると電池性能を低下させる恐れがある。また、これらの化合物は分解しやすいことから、分解物が塗膜中に残留する可能性があり、電池中に存在すると初期容量が低下する恐れがある。
塩基の使用量は、重合体(A)及び重合体(B)の合計質量を基準として1質量%以上であることが好ましく、2質量%以上であることがより好ましく、3質量%以上であることが更に好ましい。塩基の使用量は、重合体(A)及び重合体(B)の合計質量を基準として20質量%以下であることが好ましく、15質量%以下であることがより好ましく、10質量%以下であることが更に好ましい。使用量が多すぎると、得られるカーボンナノチューブ分散液の安定性が不良となるおそれがある。更に、分散装置及び/又は電池内部の腐食の原因となり得る。
pHを所定の値に調整することで分散性が向上する理由としては、以下の要因が考えられる。尚、分散性が向上する理由は、下記(1)~(4)に挙げた要因に限定されない。
(1)重合体(B)の分散性を高める
pHを所定の値に調整することで、重合体(B)のニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基を加水分解しアミド基が形成される。重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることで、被分散物への吸着力を高めることができる。更に、アミド基は強い水素結合を形成し得ることから、重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることで、重合体(B)の分子内に水素結合による架橋構造が導入され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができると思われる。
(2)重合体(A)と重合体(B)の併用効果を高める
pHを所定の値に調整することで、上述のように重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることができ、このとき重合体(A)と併用することで、カーボンナノチューブ同士、カーボンナノチューブと活物質及び集電体との密着性(剥離強度)を特異的に高めることが出来る。特に、重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、重合体(A)と重合体(B)の間に水素結合などの強い分子間力が作用することで、重合体(A)と重合体(B)との間に架橋構造が形成され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができると思われる。
(3)重合体(B)の溶液粘度を低下させる
重合体(B)を溶媒に溶解させて使用する際に、重合体(B)溶液の粘度が低いと、凝集力の強いカーボンナノチューブの内部に分散剤が入り込みやすくなり、均一な分散液を得ることができると思われる。
(4)カーボンナノチューブの濡れ性を向上させる
カーボンナノチューブを分散する場合、カーボンナノチューブを溶媒で濡らすことでカーボンナノチューブ同士の凝集力を低下させ、その後解砕し、それを安定化させることで分散液として存在することができる。カーボンナノチューブは、カーボンブラック等の他の導電材と比して濡れ性が顕著に低いため、カーボンナノチューブを化学処理、あるいは機械的に破砕する等の前処理による濡れ性改善の所作が必要となるが、これら処理によって導電性が低下する恐れがある。pHを所定の値に調整することでカーボンナノチューブの有する導電性を損なうことなく、濡れ性を飛躍的に向上させることができると思われる。
(1)重合体(B)の分散性を高める
pHを所定の値に調整することで、重合体(B)のニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基を加水分解しアミド基が形成される。重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることで、被分散物への吸着力を高めることができる。更に、アミド基は強い水素結合を形成し得ることから、重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることで、重合体(B)の分子内に水素結合による架橋構造が導入され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができると思われる。
(2)重合体(A)と重合体(B)の併用効果を高める
pHを所定の値に調整することで、上述のように重合体(B)にアミド基含有構造単位を含ませることができ、このとき重合体(A)と併用することで、カーボンナノチューブ同士、カーボンナノチューブと活物質及び集電体との密着性(剥離強度)を特異的に高めることが出来る。特に、重合体(A)がヒドロキシル基含有構造単位を含む場合、重合体(A)と重合体(B)の間に水素結合などの強い分子間力が作用することで、重合体(A)と重合体(B)との間に架橋構造が形成され、被分散物に三次元的に吸着することができ、分散性だけでなく安定性にも優れる分散液を得ることができると思われる。
(3)重合体(B)の溶液粘度を低下させる
重合体(B)を溶媒に溶解させて使用する際に、重合体(B)溶液の粘度が低いと、凝集力の強いカーボンナノチューブの内部に分散剤が入り込みやすくなり、均一な分散液を得ることができると思われる。
(4)カーボンナノチューブの濡れ性を向上させる
カーボンナノチューブを分散する場合、カーボンナノチューブを溶媒で濡らすことでカーボンナノチューブ同士の凝集力を低下させ、その後解砕し、それを安定化させることで分散液として存在することができる。カーボンナノチューブは、カーボンブラック等の他の導電材と比して濡れ性が顕著に低いため、カーボンナノチューブを化学処理、あるいは機械的に破砕する等の前処理による濡れ性改善の所作が必要となるが、これら処理によって導電性が低下する恐れがある。pHを所定の値に調整することでカーボンナノチューブの有する導電性を損なうことなく、濡れ性を飛躍的に向上させることができると思われる。
カーボンナノチューブ分散液の流度は、30cm/min以下であることが好ましく、20cm/min以下がより好ましい。また、1cm/min以上が好ましく、5cm/min以上が好ましい。カーボンナノチューブ分散液の流度を上記範囲内に調整することで、カーボンナノチューブ分散液の分散性を良好にし、電極膜用スラリーの調製を容易にすることができる。また、電極膜用スラリーを調製する際、及び電極膜を製造する際にもその良好な分散状態を維持して、活物質及び導電材を偏りなく均一な状態に保持することができ、電極中で良好な導電ネットワークを形成することができる。
本明細書における「流度」とは、カーボンナノチューブ分散液の流動性を示す指標の一つであり、カーボンナノチューブ分散液はせん断応力によって分散系における微細構造が崩れレオロジーが変化する場合があるため、後述の方法により分散液にせん断応力をかけることなく測定した流動性を本明細書における「流度」とした。
本明細書における「流度」とは、カーボンナノチューブ分散液の流動性を示す指標の一つであり、カーボンナノチューブ分散液はせん断応力によって分散系における微細構造が崩れレオロジーが変化する場合があるため、後述の方法により分散液にせん断応力をかけることなく測定した流動性を本明細書における「流度」とした。
カーボンナノチューブ分散液は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定法において、レーザー光の透過率が50%の条件で測定した粒度分布が、図2で示すように、少なくとも2つ以上のピークを有し、これらのピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μm以下であることが好ましい。
レーザー回折/散乱式粒度分布測定法は、分散粒子径及び分散状態を示す一つの指標として用いることができ、粒子(本明細書においては、カーボンナノチューブ)にレーザー光を照射した際の粒子からの散乱(回折)光の情報から粒子径分布を算出する測定方法である。一般的に、粒子の散乱光強度は、粒子の直径(周長)に比例し、入射レーザー光の波長に反比例する。また、粒子固有の屈折率に依存して変化する。粒子径が大きい場合は、散乱光は前方に集中し、粒子径がレーザー光の入射波長より小さくなると、散乱光は側方、後方を含めた全方向に散乱するようになる。なお、これらの散乱光をディテクターで検出し、フーリエ変換により、横軸を粒子径、縦軸を体積基準の頻度とする連続した粒度分布曲線が測定できる。
本明細書におけるレーザーの光透過率は、測定時の試料濃度に相関し、試料が希薄なほど透過率は増加する。
本明細書において、モード径とは、体積基準にて得られた粒度分布において、ピーク内の最も高い頻度の粒子径を指す。
レーザー回折/散乱式粒度分布測定法は、分散粒子径及び分散状態を示す一つの指標として用いることができ、粒子(本明細書においては、カーボンナノチューブ)にレーザー光を照射した際の粒子からの散乱(回折)光の情報から粒子径分布を算出する測定方法である。一般的に、粒子の散乱光強度は、粒子の直径(周長)に比例し、入射レーザー光の波長に反比例する。また、粒子固有の屈折率に依存して変化する。粒子径が大きい場合は、散乱光は前方に集中し、粒子径がレーザー光の入射波長より小さくなると、散乱光は側方、後方を含めた全方向に散乱するようになる。なお、これらの散乱光をディテクターで検出し、フーリエ変換により、横軸を粒子径、縦軸を体積基準の頻度とする連続した粒度分布曲線が測定できる。
本明細書におけるレーザーの光透過率は、測定時の試料濃度に相関し、試料が希薄なほど透過率は増加する。
本明細書において、モード径とは、体積基準にて得られた粒度分布において、ピーク内の最も高い頻度の粒子径を指す。
通常、レーザー回折/散乱式粒度分布計にて、粒度分布を測定する際には、レーザー光透過率が80%以上となるように測定試料の濃度を調整することで、粒子からの散乱光が多重散乱しない条件を設定し、測定する必要がある。ここで、多重散乱とは、試料中の粒子からの散乱光がディテクターでの検知の前に、別の粒子により更に散乱される現象であり、レーザー光透過率の低下(測定時の試料濃度の高濃度化)と共に顕著に表れる。多重散乱が起きるとより側方や後方への散乱光強度が増すため、粒子本来の粒度分布よりも小さな粒度分布領域にピークが検出される。
しかしながら、本発明の実施形態では、あえてレーザー光の透過率が50%の条件における多重散乱に由来するピーク(すなわち、粒子径が小さい第一のピーク)のモード径を測定し、繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブを含む分散液の分散状態の指標とするものである。分散液中にカーボンナノチューブが二種以上含まれている場合は、それぞれのカーボンナノチューブの分散粒子径分布の違いによって多重散乱によるピークの出方に違いが生じるものと思われる。2種類のカーボンナノチューブの粒子径分布の違いが大きく、且つ、それぞれのカーボンナノチューブの分散状態が良好であるほど、多重散乱に由来するピークが検出されやすく、また粒子径がより小さい領域に検出される傾向にあり、本発明の実施形態においては、モード径は0.2μm以下であることが好ましい。また、分散液中のカーボンナノチューブが1種のみの場合は、多重散乱に由来するピークが観測されない、あるいは、多重散乱に由来するピークが検出されても、上述のモード径が0.2μmより大きくなる傾向にある。これは、粒子径分布が比較的に揃っていることに加えて、分散液中のカーボンナノチューブの屈折率が同程度(1種類のため)であり、多重散乱による干渉が小さいためであると推測される。
しかしながら、本発明の実施形態では、あえてレーザー光の透過率が50%の条件における多重散乱に由来するピーク(すなわち、粒子径が小さい第一のピーク)のモード径を測定し、繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブを含む分散液の分散状態の指標とするものである。分散液中にカーボンナノチューブが二種以上含まれている場合は、それぞれのカーボンナノチューブの分散粒子径分布の違いによって多重散乱によるピークの出方に違いが生じるものと思われる。2種類のカーボンナノチューブの粒子径分布の違いが大きく、且つ、それぞれのカーボンナノチューブの分散状態が良好であるほど、多重散乱に由来するピークが検出されやすく、また粒子径がより小さい領域に検出される傾向にあり、本発明の実施形態においては、モード径は0.2μm以下であることが好ましい。また、分散液中のカーボンナノチューブが1種のみの場合は、多重散乱に由来するピークが観測されない、あるいは、多重散乱に由来するピークが検出されても、上述のモード径が0.2μmより大きくなる傾向にある。これは、粒子径分布が比較的に揃っていることに加えて、分散液中のカーボンナノチューブの屈折率が同程度(1種類のため)であり、多重散乱による干渉が小さいためであると推測される。
本発明の実施形態において、導電材としてカーボンナノチューブを含むが、それを構成する単位層の構造、結晶性、形態、前記単位層からなるカーボンナノチューブの構造及び形状、含まれる金属元素の含有量などに応じて物性が異なり得る。しかし、走査型電子顕微鏡で観察したカーボンナノチューブの繊維径において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブを含み、更に重合体(A)及び重合体(B)を用いることで求められる物性を有することができる。
カーボンナノチューブ分散液の製造方法は特に限定されない。カーボンナノチューブ分散液は、例えば、重合体(A)と重合体(B)と、溶媒と、カーボンナノチューブと、を混合し、カーボンナノチューブを溶媒中に分散させることにより得ることができる。重合体(A)、重合体(B)、溶媒、及びカーボンナノチューブに加え、任意の成分を混合してもよい。又は、カーボンナノチューブ分散液は、例えば、重合体(A)及び重合体(B)を溶媒に溶解させた後、カーボンナノチューブを混合し、カーボンナノチューブを溶媒中に分散させることにより得ることができる。重合体(A)、重合体(B)、溶媒、及びカーボンナノチューブに加え、追加溶媒等の任意の成分を混合してもよい。溶媒を混合する場合は、重合体(A)と重合体(B)を溶解させる溶媒と同じ溶媒であることが好ましい。容器に重合体(A)、重合体(B)、カーボンナノチューブと、を加える順序は、特に限定されない。カーボンナノチューブを分散する過程のいずれかの時点で、カーボンナノチューブと共に重合体(A)及び重合体(B)が存在していることが好ましい。なお、分散処理は、使用する材料の添加タイミングを任意に調整し、2回以上の多段階処理をしてもよい。
また、カーボンナノチューブ分散液は、繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブ、すなわち、第一の繊維径分布を有する成分(I)と第二の繊維径分布を有する成分(II)とを含むが、製造方法は特に限定されない。成分(I)の繊維径が成分(II)の繊維径より小さい場合、カーボンナノチューブ分散液は、例えば、重合体(A)及び重合体(B)を溶媒に溶解させた後、第一の繊維径分布を有する成分(I)を混合し、その後、第二の繊維径分布を有する成分(II)を溶媒中に混合し、分散させることにより得ることができる。また、重合体(A)及び重合体(B)を溶媒に溶解させた後、第一の繊維径分布を有する成分(I)を混合し分散させた後、第二の繊維径分布を有する成分(II)を添加し、更に分散させることによっても得ることができる。第一の繊維径分布を有する成分(I)と第二の繊維径分布を有する成分(II)の添加する順序は特に限定されない。カーボンナノチューブを分散する過程のいずれかの時点で、繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブと共に重合体(A)及び重合体(B)が存在していることが好ましい。
分散方法としては、例えば、ディスパー(分散機)、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、又は高圧ホモジナイザー等の各種の分散手段を用いる方法が挙げられる。分散手段は特に制限はないが、カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブの繊維長が好ましい範囲になるように調整する観点で、高圧ホモジナイザーを使用することが好ましい。また、上記分散手段を複数選択し組み合わせて分散することがより好ましい。例えば、カーボンナノチューブの濡れを促進し、粗い粒子及び凝集を解す観点から、分散の初期工程ではハイシアミキサーを用い、続いて、カーボンナノチューブの繊維長を保ったまま分散させる観点から、高圧ホモジナイザーを用いるのが最も好ましい。また、高圧ホモジナイザーで分散させたあと、更にビーズミルにて分散させることで、繊維長を保ちつつ、分散状態を均一化させることができる。高圧ホモジナイザーを使用する際の圧力は特に限定されず、例えば、60~150MPaが好ましく、60~120MPaであることがより好ましい。
カーボンナノチューブ分散液の製造時に金属異物等のコンタミを除く工程を入れることが好ましい。カーボンナノチューブを含む導電材、重合体(A)及び重合体(B)には、それらの製造工程由来(ラインコンタミ又は触媒として)の金属異物が含まれている場合が多く、これら金属異物を除去することは、電池の短絡を防ぐために非常に重要となる。金属異物とは、カーボンナノチューブ分散液中に粒子状で存在している鉄及びクロム等であり、溶解し金属イオン状態で存在しているものは含まない。本発明の実施形態では、重合体(A)及び重合体(B)の併用効果により、カーボンナノチューブの凝集が解されるため、重合体(A)及び重合体(B)を併用しない場合に比して、カーボンナノチューブ分散液中のカーボンナノチューブ含有濃度が高い場合でも、効率良く金属異物を取り除くことができる。金属異物除去工程における、カーボンナノチューブ分散液から粒子状の金属異物を除去する方法は特に限定されず、例えば、フィルターを用いた濾過により除去する方法、振動ふるいにより除去する方法、遠心分離により除去する方法、磁力により除去する方法等が挙げられる。中でも、鉄及びクロム等の金属異物は磁性を有するため、磁力により除去する方法が好ましく、磁力により除去する工程とフィルターを用いた濾過により除去する工程を組み合わせる方法がより好ましい。
カーボンナノチューブ分散液に含まれる金属異物の種類は特に限定されないが、具体的には、銅、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、マグネシウム、シリカ、マンガン、及びモリブデン等の金属、金属酸化物、並びにこれらの複合酸化物等が挙げられる。
磁力により除去する方法としては、金属異物が除去できる方法であれば特に限定はされないが、生産性及び除去効率を考慮すると、カーボンナノチューブ分散液の製造ライン中に、磁気フィルターを配置して、カーボンナノチューブ分散液を通過させることにより除去する方法が好ましい。
磁気フィルターによってカーボンナノチューブ分散液中から金属異物を除去する工程は、1,000ガウス以上の磁束密度以上の磁場を形成する磁気フィルターを通過させることにより行われることが好ましい。磁束密度が低いと金属成分の除去効率が低下するため、好ましくは5,000ガウス以上、磁性の弱いステンレスを除去することを考慮すると更に好ましくは10,000ガウス以上、最も好ましくは12,000ガウス以上である。
製造ライン中に磁気フィルターを配置する際には、磁気フィルターの上流側に、カートリッジフィルターなどのフィルターにより粗大な異物、あるいは金属粒子を除く工程を含ませることが好ましい。粗大な金属粒子は、濾過する流速によっては、磁気フィルターを通過してしまう恐れがあるためである。また、磁気フィルターは、一回ろ過するのみでも効果はあるが、循環式であることがより好ましい。循環式とすることで、金属粒子の除去効率が向上するためである。
カーボンナノチューブ分散液の製造ライン中に、磁気フィルターを配置する場合は、磁気フィルターの配置場所は特に制限されないが、好ましくはカーボンナノチューブ分散液を容器に充填する直前、容器への充填前に濾過フィルターによる濾過工程が存在する場合には、濾過フィルターの前に配置することが好ましい。これは、磁気フィルターから金属成分が脱離した場合に、製品への混入を防止するためである。
磁気フィルターによってカーボンナノチューブ分散液中から金属異物を除去する工程は、1,000ガウス以上の磁束密度以上の磁場を形成する磁気フィルターを通過させることにより行われることが好ましい。磁束密度が低いと金属成分の除去効率が低下するため、好ましくは5,000ガウス以上、磁性の弱いステンレスを除去することを考慮すると更に好ましくは10,000ガウス以上、最も好ましくは12,000ガウス以上である。
製造ライン中に磁気フィルターを配置する際には、磁気フィルターの上流側に、カートリッジフィルターなどのフィルターにより粗大な異物、あるいは金属粒子を除く工程を含ませることが好ましい。粗大な金属粒子は、濾過する流速によっては、磁気フィルターを通過してしまう恐れがあるためである。また、磁気フィルターは、一回ろ過するのみでも効果はあるが、循環式であることがより好ましい。循環式とすることで、金属粒子の除去効率が向上するためである。
カーボンナノチューブ分散液の製造ライン中に、磁気フィルターを配置する場合は、磁気フィルターの配置場所は特に制限されないが、好ましくはカーボンナノチューブ分散液を容器に充填する直前、容器への充填前に濾過フィルターによる濾過工程が存在する場合には、濾過フィルターの前に配置することが好ましい。これは、磁気フィルターから金属成分が脱離した場合に、製品への混入を防止するためである。
金属含有量は、カーボンナノチューブ分散液中の金属異物量はカーボンナノチューブ分散液を乾燥した後、高周波誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma、ICP)を用いて分析することができる。ICP分析によって検出される銅、鉄、クロム等の金属含有量は、粒子状で存在している金属異物、及び、溶解し金属イオン状態で存在しているものを含む。すなわち、金属異物の除去工程を経たカーボンナノチューブ分散液の金属異物量は、除去しきれなかった金属異物、及び、溶解し金属イオン状態で存在しているものを含む。
カーボンナノチューブ分散液に含まれる鉄及びクロムの金属含有量は、カーボンナノチューブ分散液100質量%に対して、50ppm以下であることが好ましく、20ppm以下であることが更に好ましい。金属含有量を上記範囲にすることで、電極内の副反応の恐れなしに、より優れた伝導性を示すことができる。金属量は、例えば、ICP発光分光分析法で測定することができる。
[カーボンナノチューブ分散組成物]
カーボンナノチューブ分散組成物は、カーボンナノチューブ分散液と、フッ素系樹脂と、を含有する。すなわち、カーボンナノチューブ分散液にはフッ素系樹脂は含有されず、カーボンナノチューブ分散組成物は、重合体(A)と、重合体(B)と、溶媒と、カーボンナノチューブと、フッ素系樹脂と、を少なくとも含む。更に換言すると、カーボンナノチューブ分散組成物は、重合体(A)と、重合体(B)と、溶媒と、走査型電子顕微鏡で観察したカーボンナノチューブの繊維径において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブと、フッ素系樹脂と、を少なくとも含有し、塩基、酸等の任意の成分を更に含有してもよい。カーボンナノチューブ分散組成物は、フッ素系樹脂とカーボンナノチューブ分散液とを混合することにより製造することができる。フッ素系樹脂とカーボンナノチューブ分散液と共に、任意の成分を更に混合してもよい。カーボンナノチューブ分散組成物の製造時に、前述のカーボンナノチューブ分散液で説明した金属異物等のコンタミを除く工程を入れてもよい。
本明細書において、前記の「カーボンナノチューブ分散液」と「カーボンナノチューブ分散組成物」とを総称して「カーボンナノチューブ分散組成物」という場合がある。
カーボンナノチューブ分散組成物は、カーボンナノチューブ分散液と、フッ素系樹脂と、を含有する。すなわち、カーボンナノチューブ分散液にはフッ素系樹脂は含有されず、カーボンナノチューブ分散組成物は、重合体(A)と、重合体(B)と、溶媒と、カーボンナノチューブと、フッ素系樹脂と、を少なくとも含む。更に換言すると、カーボンナノチューブ分散組成物は、重合体(A)と、重合体(B)と、溶媒と、走査型電子顕微鏡で観察したカーボンナノチューブの繊維径において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブと、フッ素系樹脂と、を少なくとも含有し、塩基、酸等の任意の成分を更に含有してもよい。カーボンナノチューブ分散組成物は、フッ素系樹脂とカーボンナノチューブ分散液とを混合することにより製造することができる。フッ素系樹脂とカーボンナノチューブ分散液と共に、任意の成分を更に混合してもよい。カーボンナノチューブ分散組成物の製造時に、前述のカーボンナノチューブ分散液で説明した金属異物等のコンタミを除く工程を入れてもよい。
本明細書において、前記の「カーボンナノチューブ分散液」と「カーボンナノチューブ分散組成物」とを総称して「カーボンナノチューブ分散組成物」という場合がある。
フッ素系樹脂は、電極活物質、導電材等の物質間を結合することができるバインダー樹脂である。フッ素系樹脂は分子内にフッ素原子を有する重合体又は共重合体であり、耐性面で特に正極で用いるバインダー樹脂として好ましい。フッ素系樹脂としては、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が挙げられる。
フッ素系樹脂の重量平均分子量は、ポリスチレン換算の重量平均分子量で10,000以上が好ましく、100,000以上がより好ましく、200,000以上が更に好ましい。また、2,000,000以下が好ましく、1,000,000以下がより好ましい。
カーボンナノチューブ分散組成物に含まれる重合体(A)と重合体(B)の合計含有量は、カーボンナノチューブ分散液の質量を基準として(カーボンナノチューブ分散液を100質量%として)、0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましい。また、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましく、25質量%以下が更に好ましい。
カーボンナノチューブ分散組成物に含まれるカーボンナノチューブの含有量は、カーボンナノチューブ分散液の質量を基準として(カーボンナノチューブ分散液の質量を100質量%として)、0.05質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましい。また、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましい。
カーボンナノチューブ分散組成物に含まれるフッ素系樹脂の含有量は、カーボンナノチューブ分散液の質量を基準として(カーボンナノチューブ分散液の質量を100質量%として)、0.05質量%以上が好ましく、0.1質量%以上がより好ましい。また、25質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましい。
カーボンナノチューブ分散組成物は、溶媒を含む。溶媒は特に限定されないが、例えば、カーボンナノチューブ分散液の説明において例示した溶媒を用いることができる。また、カーボンナノチューブ分散組成物は、実質的に水を含まないことが好ましい。水を含む場合、カーボンナノチューブ分散液が貯蔵中にゲル化する恐れがある。
[電極膜用スラリー]
電極膜用スラリーは、カーボンナノチューブ分散液又はフッ素系樹脂を含むカーボンナノチューブ分散組成物と、電極活物質とを含有する。すなわち、電極膜用スラリーは、カーボンナノチューブ分散液と電極活物質とを少なくとも含有するか、又は、カーボンナノチューブ分散組成物と電極活物質とを少なくとも含有する。更に換言すると、電極膜用スラリーは、重合体(A)と、重合体(B)と、走査型電子顕微鏡で観察したカーボンナノチューブの繊維径において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブと、溶媒と、電極活物質と、を少なくとも含有し、フッ素系樹脂、その他バインダー樹脂、塩基、酸等の任意の成分を更に含有してもよい。本明細書において、「スラリー」を「合材スラリー」という場合がある。
電極膜用スラリーは、カーボンナノチューブ分散液又はフッ素系樹脂を含むカーボンナノチューブ分散組成物と、電極活物質とを含有する。すなわち、電極膜用スラリーは、カーボンナノチューブ分散液と電極活物質とを少なくとも含有するか、又は、カーボンナノチューブ分散組成物と電極活物質とを少なくとも含有する。更に換言すると、電極膜用スラリーは、重合体(A)と、重合体(B)と、走査型電子顕微鏡で観察したカーボンナノチューブの繊維径において、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブと、溶媒と、電極活物質と、を少なくとも含有し、フッ素系樹脂、その他バインダー樹脂、塩基、酸等の任意の成分を更に含有してもよい。本明細書において、「スラリー」を「合材スラリー」という場合がある。
電極活物質とは、電池反応の基となる材料のことである。電極活物質は、起電力から正極活物質と負極活物質に分けられる。
正極活物質としては、特に限定はされないが、リチウムイオンを可逆的にドーピング又はインターカレーション可能な材料を用いることができる。例えば、金属酸化物、金属硫化物等の金属化合物等が挙げられる。具体的には、Fe、Co、Ni、Mn等の遷移金属の酸化物;リチウムとの複合酸化物;遷移金属硫化物等の無機化合物等が挙げられる。具体的には、MnO、V2O5、V6O13、TiO2等の遷移金属酸化物粉末;層状構造のニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、スピネル構造のマンガン酸リチウムなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末;オリビン構造のリン酸化合物であるリン酸鉄リチウム系材料;TiS2、FeSなどの遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。本発明の実施形態で用いる正極活物質は、Al、Fe、Co、Ni、Mn等の遷移金属を含むリチウムとの複合酸化物であることが好ましく、Al、Co、Ni、Mnのうちいずれかを含むリチウムとの複合酸化物であることがより好ましく、Ni、及び/または、Mnを含むリチウムとの複合酸化物であることが特に好ましい。これらの正極活物質を用いたとき、特に良好な効果を得ることができる。正極活物質は、1種又は複数を組み合わせて使用することもできる。
負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的にドーピング又はインターカレーション可能な材料を用いることができる。例えば、金属Li、その合金であるスズ合金、シリコン合金、鉛合金等の合金系;LiXFe2O3、LiXFe3O4、LiXWO2(xは0<x<1の数である。)、チタン酸リチウム、バナジウム酸リチウム、ケイ素酸リチウム等の金属酸化物系;ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン等の導電性高分子系;高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、天然黒鉛等の炭素質粉末;樹脂焼成炭素材料などの炭素系材料が挙げられる。負極活物質は、1種又は複数を組み合わせて使用することもできる。
電極膜用スラリー中の重合体(A)と重合体(B)の合計含有量は、電極活物質の質量を基準として(電極活物質の質量を100質量%として)、0.01~10質量%であることが好ましく、0.05~5質量%であることがより好ましい。
電極膜用スラリー中のカーボンナノチューブの含有量は、電極活物質の質量を基準として(電極活物質の質量を100質量%として)、0.01~10質量%であることが好ましく、0.02~5質量%であることがより好ましく0.03~3質量%であることが更に好ましい。
電極膜用スラリーがバインダー樹脂としてフッ素系樹脂を更に含有する場合、電極膜用スラリー中のフッ素系樹脂の含有量は、電極活物質の質量を基準として(電極活物質の質量を100質量%として)、0.1~30質量%であることが好ましく、0.5~20質量%であることがより好ましく、1~10質量%であることが更に好ましい。
電極膜用スラリー中の固形分量は、電極膜用スラリーの質量を基準として(電極膜用スラリーの質量を100質量%として)、30~90質量%であることが好ましく、30~80質量%であることがより好ましく、40~75質量%であることが更に好ましい。
電極膜用スラリーは、従来公知の様々な方法で作製することができる。例えば、カーボンナノチューブ分散液に電極活物質を添加して作製する方法;カーボンナノチューブ分散液にバインダー樹脂を添加した後、電極活物質を添加して作製する方法;カーボンナノチューブ分散液に電極活物質を添加した後、バインダー樹脂を添加して作製する方法;カーボンナノチューブ分散組成物に電極活物質を添加して作製する方法などが挙げられる。
電極膜用スラリーを作製する方法としては、カーボンナノチューブ分散液にバインダー樹脂としてフッ素系樹脂を添加した後、電極活物質を更に加えて分散させる処理を行う方法が好ましい。分散に使用される分散装置は特に限定されない。カーボンナノチューブ分散液の説明において挙げた分散手段を用いて、電極膜用スラリーを得ることができる。重合体(B)はバインダーとしての機能も有するため、他のバインダー樹脂を加えなくとも電極膜用スラリーを得ることができる。したがって、電極膜用スラリーを作製する方法としては、カーボンナノチューブ分散液にバインダー樹脂としてフッ素系樹脂を添加することなく、電極活物質を加えて分散させる処理を行う方法も好ましい。
[電極膜]
電極膜は、カーボンナノチューブ分散液を用いて形成した膜、カーボンナノチューブ分散組成物を用いて形成した膜、及び、電極膜用スラリーを用いて形成した膜からなる群から選択される少なくとも1種を含む。電極膜は、更に、集電体を含んでもよい。例えば、電極膜は、集電体上に電極膜用スラリーを塗工し、乾燥させることで得ることができ、集電体と膜とを含む。本明細書において、「電極膜用スラリーを用いて形成した膜」を「電極合材層」という場合がある。
電極膜は、カーボンナノチューブ分散液を用いて形成した膜、カーボンナノチューブ分散組成物を用いて形成した膜、及び、電極膜用スラリーを用いて形成した膜からなる群から選択される少なくとも1種を含む。電極膜は、更に、集電体を含んでもよい。例えば、電極膜は、集電体上に電極膜用スラリーを塗工し、乾燥させることで得ることができ、集電体と膜とを含む。本明細書において、「電極膜用スラリーを用いて形成した膜」を「電極合材層」という場合がある。
電極膜の形成に用いられる集電体の材質及び形状は特に限定されず、各種二次電池にあったものを適宜選択することができる。例えば、集電体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、又はステンレス等の金属又は合金が挙げられる。また、形状としては、一般的には平板上の箔が用いられるが、表面を粗面化した集電体、穴あき箔状の集電体、又はメッシュ状の集電体も使用できる。
集電体上にカーボンナノチューブ分散液、カーボンナノチューブ分散組成物、又はスラリーを塗工する方法としては、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。具体的には、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スプレーコティング法、グラビアコーティング法、スクリーン印刷法又は静電塗装法等を挙げることができる。乾燥方法としては、放置乾燥、又は、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、若しくは遠赤外線加熱機等を用いる乾燥を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
塗工後に、平版プレス、カレンダーロール等による圧延処理を行ってもよい。形成された膜の厚みは、例えば、1μm以上500μm以下であり、好ましくは10μm以上300μm以下である。
カーボンナノチューブ分散液又はカーボンナノチューブ分散組成物を用いて形成された膜は、電極合材層と集電体との密着性向上、又は、電極膜の導電性を向上させるために、電極合材層の下地層として用いることも可能である。
〔二次電池〕
二次電池は、正極と、負極と、電解質とを含み、正極及び負極からなる群から選択される少なくとも1つが、電極膜を含む。
二次電池は、正極と、負極と、電解質とを含み、正極及び負極からなる群から選択される少なくとも1つが、電極膜を含む。
正極としては、例えば、集電体上に正極活物質を含む電極膜用スラリーを塗工し、乾燥させて膜を作製した電極膜を使用することができる。
負極としては、例えば、集電体上に負極活物質を含む電極膜用スラリーを塗工し、乾燥させて膜を作製した電極膜を使用することができる。
電解質としては、イオンが移動可能な従来公知の様々なものを使用することができる。例えば、LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)3C、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN、又はLiBPh4(Phはフェニル基である)等リチウム塩を含むものが挙げられるが、これらに限定されない。電解質は非水系の溶媒に溶解して、非水電解液として使用することが好ましい。また、非水電解液を用いる二次電池を非水電解質二次電池ともいう。
非水系の溶媒としては、特に限定はされないが、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、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジエチルカーボネート等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、及びγ-オクタノイックラクトン等のラクトン類;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、1,2-メトキシエタン、1,2-エトキシエタン、及び1,2-ジブトキシエタン等のグライム類;メチルフォルメート、メチルアセテート、及びメチルプロピオネート等のエステル類;ジメチルスルホキシド、及びスルホラン等のスルホキシド類;並びに、アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。これらの溶媒は、それぞれ単独で使用してもよいが、2種以上を混合して使用してもよい。
二次電池は、セパレーターを含むことが好ましい。セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリアミド不織布及びこれらに親水性処理を施した不織布が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
本実施形態の二次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極及び負極と、必要に応じて設けられるセパレーターと、を備え、ペーパー型、円筒型、ボタン型、積層型等、使用する目的に応じた種々の形状とすることができる。
以下に実施例を挙げて、本発明を更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。また、実施例中、「重合体(A)」、「重合体(B)」、「重合体(A)及び重合体(B)」を、「重合体」または「分散剤」と称する場合がある。また、カーボンナノチューブを「CNT」と称する場合がある。
<カーボンナノチューブの繊維径分布、繊維長>
マイカ基板上にカーボンナノチューブ分散液を数μL滴下した後、120℃の電気オーブン中で乾燥して、カーボンナノチューブ観察用基板を作製した。その後、作製した基板表面を白金でスパッタリングした。更にその後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、観察した。観察はカーボンナノチューブに合わせて5000倍または2万倍の倍率で、視野内に10本以上のカーボンナノチューブが含まれる写真を複数撮り、無作為に抽出した300本のカーボンナノチューブの繊維径、繊維長を測定した。
無作為に抽出した300本のカーボンナノチューブの繊維径を、縦軸に個数基準の頻度(%)、横軸に繊維径(nm)をとってプロットし、繊維径分布を確認した。図1は、分散液1の繊維径の分布図を表すグラフであり、縦軸の頻度(%)が「カーボンナノチューブの全量に対して個数基準での含有率」に相当する。また、計測した300個のカーボンナノチューブの繊維長の平均値をカーボンナノチューブの平均繊維長(μm)とし、また、繊維長0.3μm未満のカーボンナノチューブと繊維長0.3μm以上のカーボンナノチューブの個数の比率を算出した。
マイカ基板上にカーボンナノチューブ分散液を数μL滴下した後、120℃の電気オーブン中で乾燥して、カーボンナノチューブ観察用基板を作製した。その後、作製した基板表面を白金でスパッタリングした。更にその後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、観察した。観察はカーボンナノチューブに合わせて5000倍または2万倍の倍率で、視野内に10本以上のカーボンナノチューブが含まれる写真を複数撮り、無作為に抽出した300本のカーボンナノチューブの繊維径、繊維長を測定した。
無作為に抽出した300本のカーボンナノチューブの繊維径を、縦軸に個数基準の頻度(%)、横軸に繊維径(nm)をとってプロットし、繊維径分布を確認した。図1は、分散液1の繊維径の分布図を表すグラフであり、縦軸の頻度(%)が「カーボンナノチューブの全量に対して個数基準での含有率」に相当する。また、計測した300個のカーボンナノチューブの繊維長の平均値をカーボンナノチューブの平均繊維長(μm)とし、また、繊維長0.3μm未満のカーボンナノチューブと繊維長0.3μm以上のカーボンナノチューブの個数の比率を算出した。
<共重合体の水素添加率の測定>
水素添加率は、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、水素添加された単結合は723cm-1にピークが表れることから、この二つのピークの高さの比率から水素添加率を計算した。
水素添加率は、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、水素添加された単結合は723cm-1にピークが表れることから、この二つのピークの高さの比率から水素添加率を計算した。
<カーボンナノチューブ分散液のpH>
カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌し、カーボンナノチューブ分散液の固形分濃度を100%とし、その固形分濃度が50%となるように、ディスパーで撹拌しながらカーボンナノチューブ分散液に水を添加した。均一に撹拌した後、25℃にて、卓上型pHメーター(セブンコンパクトS220Expert Pro、メトラー・トレド製)を用いて測定した。
カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌し、カーボンナノチューブ分散液の固形分濃度を100%とし、その固形分濃度が50%となるように、ディスパーで撹拌しながらカーボンナノチューブ分散液に水を添加した。均一に撹拌した後、25℃にて、卓上型pHメーター(セブンコンパクトS220Expert Pro、メトラー・トレド製)を用いて測定した。
<カーボンナノチューブ分散液のレーザー回折/散乱式粒度分布測定>
粒度分布の測定は、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(堀場製作所社製;Partical LA-960V2)を用いた。本測定装置のレーザー光波長は650nmであり、検出器として、リング状64分割シリコンフォトダイオードを1点、4chアレイディテクタを5点、シリコンフォトディテクタを3点備えている。また、測定部は合成石英によるフロー式セル(試料セル)を使用している。
まず、試料セルを含む試料バス中に分散液と同溶媒であるNMPを投入し、循環/超音波洗浄を実施した。動作モードとして、循環速度:3、超音波強度:7、超音波時間1分、撹拌速度:7、撹拌モード:連続とした。続いて、空気抜きのため、超音波強度:7、超音波時間5秒にて超音波作動を行った後、ブランク(バックグラウンド)測定を実施した。粒子径基準は体積とし、粒子屈折率は1.920-0.522i(カーボン材料)、溶媒屈折率は1.468(NMP)を設定した。測定時のレーザー光透過率が50%±1%となるように分散液を滴下し、試料調整を実施した。測定中の動作モードは、循環速度:3、撹拌速度:7、撹拌モード:連続として測定を実施した。
判定基準
A:少なくとも2つ以上の粒度分布ピークが検出され、粒度分布ピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μm以下
C:2つ以上の粒度分布ピークが検出されない、もしくは、2つ以上の粒度分布ピークが検出されるが、粒度分布ピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μmより大きい
粒度分布の測定は、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置(堀場製作所社製;Partical LA-960V2)を用いた。本測定装置のレーザー光波長は650nmであり、検出器として、リング状64分割シリコンフォトダイオードを1点、4chアレイディテクタを5点、シリコンフォトディテクタを3点備えている。また、測定部は合成石英によるフロー式セル(試料セル)を使用している。
まず、試料セルを含む試料バス中に分散液と同溶媒であるNMPを投入し、循環/超音波洗浄を実施した。動作モードとして、循環速度:3、超音波強度:7、超音波時間1分、撹拌速度:7、撹拌モード:連続とした。続いて、空気抜きのため、超音波強度:7、超音波時間5秒にて超音波作動を行った後、ブランク(バックグラウンド)測定を実施した。粒子径基準は体積とし、粒子屈折率は1.920-0.522i(カーボン材料)、溶媒屈折率は1.468(NMP)を設定した。測定時のレーザー光透過率が50%±1%となるように分散液を滴下し、試料調整を実施した。測定中の動作モードは、循環速度:3、撹拌速度:7、撹拌モード:連続として測定を実施した。
判定基準
A:少なくとも2つ以上の粒度分布ピークが検出され、粒度分布ピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μm以下
C:2つ以上の粒度分布ピークが検出されない、もしくは、2つ以上の粒度分布ピークが検出されるが、粒度分布ピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μmより大きい
<カーボンナノチューブ分散液の初期粘度の測定>
粘度値の測定は、B型粘度計(東機産業株式会社製「BL」)を用いて、カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌した後、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の種類は、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2,000mPa・s未満の場合はNo.3を、2,000以上10,000mPa・s未満の場合はNo.4のローターをそれぞれ用いた。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。得られたカーボンナノチューブ分散液が明らかに分離又は沈降しているものは分散性不良とした。
判定基準
AA:2,000mPa・s未満(優良)
A:2,000mPa・s以上6,000mPa・s未満(良)
B:6,000mPa・s以上10,000mPa・s未満(可)
C:10,000mPa・s以上、沈降又は分離(不良)
粘度値の測定は、B型粘度計(東機産業株式会社製「BL」)を用いて、カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌した後、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の種類は、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2,000mPa・s未満の場合はNo.3を、2,000以上10,000mPa・s未満の場合はNo.4のローターをそれぞれ用いた。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。得られたカーボンナノチューブ分散液が明らかに分離又は沈降しているものは分散性不良とした。
判定基準
AA:2,000mPa・s未満(優良)
A:2,000mPa・s以上6,000mPa・s未満(良)
B:6,000mPa・s以上10,000mPa・s未満(可)
C:10,000mPa・s以上、沈降又は分離(不良)
<カーボンナノチューブ分散液の安定性評価>
貯蔵安定性の評価は、カーボンナノチューブ分散液を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
A:問題なし(良好)
B:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(可)
C:ゲル化している(攪拌跡が消失しない)(極めて不良)
貯蔵安定性の評価は、カーボンナノチューブ分散液を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
A:問題なし(良好)
B:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(可)
C:ゲル化している(攪拌跡が消失しない)(極めて不良)
<カーボンナノチューブ分散液の流度>
カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌してから、水平な金属板(黄銅製)の半球状の指定位置に10mL入れ、その直後にその金属板を垂直に立て、その時点から分散液が1分間で流下した垂直距離を測定した。
判定基準
A:5cm/min以上20cm/min未満(良好)
B:20cm/min以上30cm/min未満(可)
C:5cm/min未満、30cm/min以上(不良)
カーボンナノチューブ分散液を25℃の恒温槽に1時間以上静置した後、カーボンナノチューブ分散液を十分に撹拌してから、水平な金属板(黄銅製)の半球状の指定位置に10mL入れ、その直後にその金属板を垂直に立て、その時点から分散液が1分間で流下した垂直距離を測定した。
判定基準
A:5cm/min以上20cm/min未満(良好)
B:20cm/min以上30cm/min未満(可)
C:5cm/min未満、30cm/min以上(不良)
<正極合材層の導電性評価>
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、導電性評価用の正極膜を得た。正極合材層の表面抵抗率(Ω/□)は、株式会社三菱化学アナリテック製: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乗じて、体積抵抗率(Ω・cm)とした。正極合材層の厚みは、膜厚計(株式会社NIKON製、DIGIMICRO MH-15M)を用いて、正極膜中の3点を測定して正極膜の平均値を求め、正極膜の平均値とPETフィルムの膜厚との差として求めた。
判定基準
AA:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が10未満(優良)
A:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が10以上20未満(良)
C:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が20以上(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、導電性評価用の正極膜を得た。正極合材層の表面抵抗率(Ω/□)は、株式会社三菱化学アナリテック製: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乗じて、体積抵抗率(Ω・cm)とした。正極合材層の厚みは、膜厚計(株式会社NIKON製、DIGIMICRO MH-15M)を用いて、正極膜中の3点を測定して正極膜の平均値を求め、正極膜の平均値とPETフィルムの膜厚との差として求めた。
判定基準
AA:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が10未満(優良)
A:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が10以上20未満(良)
C:正極合材層の体積抵抗率(Ω・cm)が20以上(不良)
<非水電解質二次電池のレート特性評価>
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(北斗電工株式会社製、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及び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 (%)
判定基準
AA:レート特性が80%以上(優良)
A:レート特性が60%以上80%未満(良)
C:レート特性が60%未満(不良)
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(北斗電工株式会社製、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及び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 (%)
判定基準
AA:レート特性が80%以上(優良)
A:レート特性が60%以上80%未満(良)
C:レート特性が60%未満(不良)
<非水電解質二次電池のサイクル特性評価方法>
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(北斗電工株式会社製、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(%)
判定基準
AA:サイクル特性が85%以上(優良)
A:サイクル特性が80%以上85%未満(良)
C:サイクル特性が80%未満(不良)
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(北斗電工株式会社製、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(%)
判定基準
AA:サイクル特性が85%以上(優良)
A:サイクル特性が80%以上85%未満(良)
C:サイクル特性が80%未満(不良)
本実施例において使用した材料の詳細は、以下のとおりである。
<重合体(A)>
・PVA-1:クラレポバール PVA-403(クラレ社製):ポリビニルアルコール(平均重合度300、ケン化度87.0~89.0モル%)
・PVA-2:業界公知の方法により、ポリ酢酸ビニルを水酸化ナトリウムでケン化することで得た、ポリビニルアルコール(平均重合度500、ケン化度90mol%)
・PVB-1:ポリビニルアセタール(アセタール化度15mol%)
ポリビニルアルコール(重合度300、ケン化度98~99mol%)の10%水溶液を調製し、水溶液100質量部に対し、塩酸0.2質量部、ブチルアルデヒド2質量部を撹拌しながら滴下した。続いて80℃に昇温して1時間保持した後放冷した。これを乾燥、粉砕して得たポリビニルアセタール。
・PVP-1:ポリビニルピロリドンK-30(日本触媒社製)
<重合体(A)>
・PVA-1:クラレポバール PVA-403(クラレ社製):ポリビニルアルコール(平均重合度300、ケン化度87.0~89.0モル%)
・PVA-2:業界公知の方法により、ポリ酢酸ビニルを水酸化ナトリウムでケン化することで得た、ポリビニルアルコール(平均重合度500、ケン化度90mol%)
・PVB-1:ポリビニルアセタール(アセタール化度15mol%)
ポリビニルアルコール(重合度300、ケン化度98~99mol%)の10%水溶液を調製し、水溶液100質量部に対し、塩酸0.2質量部、ブチルアルデヒド2質量部を撹拌しながら滴下した。続いて80℃に昇温して1時間保持した後放冷した。これを乾燥、粉砕して得たポリビニルアセタール。
・PVP-1:ポリビニルピロリドンK-30(日本触媒社製)
<重合体(B)>
<合成例1 重合体(B-1)の作製>
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル40部、1,3-ブタジエン60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、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマー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、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて重合体(B-1)を回収した。重合体(B-1)の水素添加率は99.5%であり、重量平均分子量(Mw)は190,000であった。アクリロニトリル-共役ジエン系ゴムにおいて、アクリロニトリル-共役ジエン系ゴムの質量を基準として、共役ジエン単量体単位の含有量は60%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は40%であった。また、重合体(B-1)において、重合体(B-1)の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は60%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は40%であった。これらの単量体単位の含有量及び構造単位の含有量は、単量体の使用量から求めた(以下、同様である。)。
<合成例1 重合体(B-1)の作製>
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル40部、1,3-ブタジエン60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、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマー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、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて重合体(B-1)を回収した。重合体(B-1)の水素添加率は99.5%であり、重量平均分子量(Mw)は190,000であった。アクリロニトリル-共役ジエン系ゴムにおいて、アクリロニトリル-共役ジエン系ゴムの質量を基準として、共役ジエン単量体単位の含有量は60%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は40%であった。また、重合体(B-1)において、重合体(B-1)の質量を基準として、アルキレン構造単位を含む脂肪族炭化水素構造単位の含有量は60%であり、ニトリル基含有単量体単位の含有量は40%であった。これらの単量体単位の含有量及び構造単位の含有量は、単量体の使用量から求めた(以下、同様である。)。
<合成例2~4 重合体(B-2)~重合体(B-4)の作製>
使用するモノマー組成を、表1に従って変更し、重合体(B-2)~重合体(B-4)を作製した。
使用するモノマー組成を、表1に従って変更し、重合体(B-2)~重合体(B-4)を作製した。
なお、表1のモノマーの欄に記した略号は、以下を意味する。
BD:1,3-ブタジエン
AN:アクリロニトリル
MAN:メタクリロニトリル
AAm:アクリルアミド
BA:ブチルアクリレート
BD:1,3-ブタジエン
AN:アクリロニトリル
MAN:メタクリロニトリル
AAm:アクリルアミド
BA:ブチルアクリレート
上記以外に重合体(B)として以下の製品を使用した。
・H-NBR1: Therban(R)4307(ARLANXEO株式会社製、アクリロニトリル含有量43.0%)
・H-NBR2:Zetpole(R)3300(日本ゼオン株式会社製、アクリロニトリル含有量23.6%)
・H-NBR1: Therban(R)4307(ARLANXEO株式会社製、アクリロニトリル含有量43.0%)
・H-NBR2:Zetpole(R)3300(日本ゼオン株式会社製、アクリロニトリル含有量23.6%)
<製造例1 CNT合成用触媒の製造>
各実施例及び比較例において使用するカーボンナノチューブの製造に用いる、CNT合成用触媒は以下の方法により作製した。
各実施例及び比較例において使用するカーボンナノチューブの製造に用いる、CNT合成用触媒は以下の方法により作製した。
(製造例1-1)
[CNT合成用触媒(A)]
水酸化コバルト60部、酢酸マグネシウム・四水和物138部、酢酸マンガン16.2部をそれぞれ耐熱性容器に秤取り、電気オーブンを用いて、170±5℃の温度で1時間乾燥させて水分を蒸発させた後、粉砕機(ワンダークラッシャーWC-3、大阪ケミカル株式会社製)を用いて粉砕した。その後、粉砕したそれぞれの粉末を粉砕機で混合してCNT合成用触媒前駆体(A)を作製した。そして、CNT合成用触媒前駆体(A)を耐熱性容器に移し替え、マッフル炉(FO510、ヤマト科学株式会社製)を使用し、空気雰囲気、空気雰囲気、450±5℃の条件で30分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(A)を得た。
[CNT合成用触媒(A)]
水酸化コバルト60部、酢酸マグネシウム・四水和物138部、酢酸マンガン16.2部をそれぞれ耐熱性容器に秤取り、電気オーブンを用いて、170±5℃の温度で1時間乾燥させて水分を蒸発させた後、粉砕機(ワンダークラッシャーWC-3、大阪ケミカル株式会社製)を用いて粉砕した。その後、粉砕したそれぞれの粉末を粉砕機で混合してCNT合成用触媒前駆体(A)を作製した。そして、CNT合成用触媒前駆体(A)を耐熱性容器に移し替え、マッフル炉(FO510、ヤマト科学株式会社製)を使用し、空気雰囲気、空気雰囲気、450±5℃の条件で30分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(A)を得た。
(製造例1-2)
[CNT合成用触媒(B)]
水酸化コバルト60部、酢酸マグネシウム・四水和物138部、炭酸マンガン16.2部、ゼオライト(HSZ-940HOA、東ソー株式会社製)4.0部をそれぞれ耐熱性容器に秤取り、電気オーブンを用いて、170±5℃の温度で1時間乾燥させて水分を蒸発させた後、粉砕機を用いて粉砕した。その後、粉砕したそれぞれの粉末を粉砕機で混合してCNT合成用触媒前駆体(B)を作製した。そして、CNT合成用触媒前駆体(B)を耐熱性容器に移し替え、マッフル炉にて、空気雰囲気、450±5℃の条件で30分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(B)を得た。
[CNT合成用触媒(B)]
水酸化コバルト60部、酢酸マグネシウム・四水和物138部、炭酸マンガン16.2部、ゼオライト(HSZ-940HOA、東ソー株式会社製)4.0部をそれぞれ耐熱性容器に秤取り、電気オーブンを用いて、170±5℃の温度で1時間乾燥させて水分を蒸発させた後、粉砕機を用いて粉砕した。その後、粉砕したそれぞれの粉末を粉砕機で混合してCNT合成用触媒前駆体(B)を作製した。そして、CNT合成用触媒前駆体(B)を耐熱性容器に移し替え、マッフル炉にて、空気雰囲気、450±5℃の条件で30分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(B)を得た。
(製造例1-3)
[CNT合成用触媒(C)]
酢酸コバルト・四水和物200部、酢酸水酸化アルミニウム水和物(アルミナ含量13質量%)78部をビーカーに量り取り、乳鉢を使って均一になるように混合し、CNT合成用触媒前駆体(C)を得た。得られたCNT合成用触媒前駆体(C)300部を耐熱容器に量り取り、マッフル炉にて、空気雰囲気、470℃±5℃の条件で60分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(C)を得た。
[CNT合成用触媒(C)]
酢酸コバルト・四水和物200部、酢酸水酸化アルミニウム水和物(アルミナ含量13質量%)78部をビーカーに量り取り、乳鉢を使って均一になるように混合し、CNT合成用触媒前駆体(C)を得た。得られたCNT合成用触媒前駆体(C)300部を耐熱容器に量り取り、マッフル炉にて、空気雰囲気、470℃±5℃の条件で60分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(C)を得た。
(製造例1-4)
[CNT合成用触媒(D)]
酢酸鉄(II)200部、酢酸水酸化アルミニウム水和物(アルミナ含量13質量%)107部をビーカーに量り取り、乳鉢を使って均一になるように混合し、CNT合成用触媒前駆体(D)を得た。得られたCNT合成用触媒前駆体(D)300部を耐熱容器に量り取り、マッフル炉にて、空気雰囲気、470℃±5℃の条件で60分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(D)を得た。
[CNT合成用触媒(D)]
酢酸鉄(II)200部、酢酸水酸化アルミニウム水和物(アルミナ含量13質量%)107部をビーカーに量り取り、乳鉢を使って均一になるように混合し、CNT合成用触媒前駆体(D)を得た。得られたCNT合成用触媒前駆体(D)300部を耐熱容器に量り取り、マッフル炉にて、空気雰囲気、470℃±5℃の条件で60分間焼成した後、乳鉢で粉砕してCNT合成用触媒(D)を得た。
<製造例2 カーボンナノチューブの製造>
各実施例及び比較例において使用するカーボンナノチューブは、以下の方法により作製した。
各実施例及び比較例において使用するカーボンナノチューブは、以下の方法により作製した。
(製造例2-1)
[CNT(A)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比9.5:0.5になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AC)を得た。加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、CNT合成用触媒(AC)1.0gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気温度が600℃になるまで加熱した。600℃に到達した後、炭化水素としてプロパンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、60分間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことでCNT(A)を得た。
[CNT(A)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比9.5:0.5になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AC)を得た。加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、CNT合成用触媒(AC)1.0gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気温度が600℃になるまで加熱した。600℃に到達した後、炭化水素としてプロパンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、60分間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことでCNT(A)を得た。
(製造例2-2)
[CNT(B)]
製造例1-2で作製したCNT合成用触媒(B)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比9.2:0.8になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(BC)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(BC)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(B)を作製した。
[CNT(B)]
製造例1-2で作製したCNT合成用触媒(B)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比9.2:0.8になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(BC)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(BC)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(B)を作製した。
(製造例2-3)
[CNT(C)]
加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)1.0gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気温度が750℃になるまで加熱した。750℃に到達した後、炭化水素としてメタンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、60分間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことでCNT(C)を得た。
[CNT(C)]
加圧可能で、外部ヒーターで加熱可能な、内容積が10Lの横型反応管の中央部に、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)1.0gを散布した石英ガラス製耐熱皿を設置した。窒素ガスを注入しながら排気を行い、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、横型反応管中の雰囲気温度が750℃になるまで加熱した。750℃に到達した後、炭化水素としてメタンガスを毎分2Lの流速で反応管内に導入し、60分間接触反応させた。反応終了後、反応管内のガスを窒素ガスで置換し、反応管の温度を100℃以下になるまで冷却し取り出すことでCNT(C)を得た。
(製造例2-4)
[CNT(D)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-4で作製したCNT合成用触媒(D)を重量比8.7:1.3になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AD)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(AD)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(D)を作製した。
[CNT(D)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-4で作製したCNT合成用触媒(D)を重量比8.7:1.3になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AD)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(AD)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(D)を作製した。
(製造例2-5)
[CNT(E)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比5.5:4.5になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AC2)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(AC2)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(E)を作製した。
[CNT(E)]
製造例1-1で作製したCNT合成用触媒(A)と、製造例1-3で作製したCNT合成用触媒(C)を重量比5.5:4.5になるように粉砕機で混合しCNT合成用触媒(AC2)を得た。CNT合成用触媒としてCNT合成用触媒(AC2)1.0gを使用した以外は製造例2-1と同様の方法にて、CNT(E)を作製した。
上記以外にカーボンナノチューブとして以下の製品を使用した。
・100T:K-Nanos 100T(Kumho Petrochemical株式会社製、多層CNT、繊維径10~15nm)
・BT1003M:LUCAN BT1003M(LG Chem Ltd.製、多層CNT、繊維径10~15nm)
・8S:JENOTUBE8S(株式会社JEIO製、多層CNT、繊維径6~9nm)
・VGCF:VGCF(昭和電工株式会社製、カーボンナノファイバー、繊維径150nm、繊維長8μm)
・TUBALL(80%):OCSiAl製、単層カーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分80%、比表面積490m2/g
・100T:K-Nanos 100T(Kumho Petrochemical株式会社製、多層CNT、繊維径10~15nm)
・BT1003M:LUCAN BT1003M(LG Chem Ltd.製、多層CNT、繊維径10~15nm)
・8S:JENOTUBE8S(株式会社JEIO製、多層CNT、繊維径6~9nm)
・VGCF:VGCF(昭和電工株式会社製、カーボンナノファイバー、繊維径150nm、繊維長8μm)
・TUBALL(80%):OCSiAl製、単層カーボンナノチューブ、平均外径:1.5nm、炭素成分80%、比表面積490m2/g
<カーボンナノチューブ分散液の作製>
(実施例1-1)
表2-1に示す組成に従い、ステンレス容器にPVA-1、重合体(B-1)、NMPを加え、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、CNT(A)をディスパーで撹拌しながら添加し、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,500rpmの速度で全体が均一になるまでバッチ式分散を行った。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、5回パス式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。更に、目開き48μmのナイロンメッシュに3度通過させた後、磁気フィルター(トックエンジニアリング製)を介し、室温、磁束密度12,000ガウスの条件で濾過し、カーボンナノチューブ分散液(分散液1)を得た。濾過後の磁気フィルターには磁性を有する粒状の金属片の付着が見られた。また、表3に示す通り、分散液1は安定性が良好であった。また、分散液1のpHを前述の方法により測定した結果、8.9であった。
(実施例1-1)
表2-1に示す組成に従い、ステンレス容器にPVA-1、重合体(B-1)、NMPを加え、ディスパーで均一になるまで撹拌した。その後、CNT(A)をディスパーで撹拌しながら添加し、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,500rpmの速度で全体が均一になるまでバッチ式分散を行った。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、5回パス式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。更に、目開き48μmのナイロンメッシュに3度通過させた後、磁気フィルター(トックエンジニアリング製)を介し、室温、磁束密度12,000ガウスの条件で濾過し、カーボンナノチューブ分散液(分散液1)を得た。濾過後の磁気フィルターには磁性を有する粒状の金属片の付着が見られた。また、表3に示す通り、分散液1は安定性が良好であった。また、分散液1のpHを前述の方法により測定した結果、8.9であった。
(実施例1-2~1-26、比較例1-1~1-7)
表2-1に示す組成に従い、実施例1-1と同様にして、各分散液(分散液2~26、比較分散液1~7)を得た。尚、実施例1-11~1~26では、添加剤として表2-1に示す塩基を重合体(B)と同時に加えてpHを表2-2に示す値になるよう調整し、それ以外は実施例1-1と同様にして、分散液を作製した。
表2-1に示す組成に従い、実施例1-1と同様にして、各分散液(分散液2~26、比較分散液1~7)を得た。尚、実施例1-11~1~26では、添加剤として表2-1に示す塩基を重合体(B)と同時に加えてpHを表2-2に示す値になるよう調整し、それ以外は実施例1-1と同様にして、分散液を作製した。
表3に示す通り、実施例のカーボンナノチューブ分散液(分散液1~26)はいずれも貯蔵安定性が良好であった。また、流動性が非常に優れることが確認できた。一方、比較分散液1~6は高粘度、もしくは貯蔵安定性が不良であり、特に比較分散液4~6は初期粘度、貯蔵安定性ともに極めて不良であった。また、どの比較分散液も実施例のカーボンナノチューブ分散液に比して、流動性が劣る結果となった。
比較例1-4のように重合体(B)のみで分散液を調製した場合、重合体(B)溶液の粘度が高く、そして得られるカーボンナノチューブ分散液粘度もまた非常に高い結果となった。また、100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる二種類のカーボンナノチューブを含まない比較例1-1~1-2では、重合体(A)と重合体(B)を併用して分散液を調製することはできたものの、得られる分散液の流動性が低い結果となった。
実施例1-7と実施例1-11~13とを比較すると、pHを9.0以上に調整した分散液はより低粘度で得られた。カーボンナノチューブ分散液のpHが9.0以上に調整することで、重合体(B)の溶液粘度が低下するだけでなく、重合体(A)及び重合体(B)のカーボンナノチューブへの吸着力が向上し、分散性が良好な分散液が容易に得られるようになったと思われる。実施例1-19~21でも同様に低粘度の分散液が得られたことから、塩基の添加だけでなく、分散液のpHを調整することで効果が得られることが確認された。
<正極用合材スラリー及び正極膜の作製>
<実施例2-1>
表4に示す組成に従い、容量150mLのプラスチック容器にカーボンナノチューブ分散液(分散液1)と、8質量%PVDFを溶解したNMPとを加えた後、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、カーボンナノチューブ分散組成物を得た。その後、電極活物質としてNMCを添加し、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpmで20分間にわたり撹拌した。更にその後、NMPを添加し、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpm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70質量%とした。
<実施例2-1>
表4に示す組成に従い、容量150mLのプラスチック容器にカーボンナノチューブ分散液(分散液1)と、8質量%PVDFを溶解したNMPとを加えた後、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、カーボンナノチューブ分散組成物を得た。その後、電極活物質としてNMCを添加し、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpmで20分間にわたり撹拌した。更にその後、NMPを添加し、自転及び公転ミキサーを用いて、2,000rpm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70質量%とした。
正極用合材スラリーを集電体となる厚さ20μmのアルミ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120℃±5℃で25分間にわたり乾燥させて電極の単位面積当たりの目付量が20mg/cm2となるように調整した。更にロールプレス(株式会社サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、正極合材層の密度が3.0g/cm3となる正極膜1aを作製した。
<実施例2-2~2-26、比較例2-1~2-7>
表4に示す通り、カーボンナノチューブ分散液の種類を変更した以外は実施例2-1と同様の方法により、正極膜2a~26a、比較正極膜1a~7aを作製した。
表4に示す通り、カーボンナノチューブ分散液の種類を変更した以外は実施例2-1と同様の方法により、正極膜2a~26a、比較正極膜1a~7aを作製した。
<実施例3-1~3-3、比較例3-1~3-3>
表4に示す通り、電極活物質をNCAに変更した以外は実施例2-1と同様の方法により、正極膜1b~3b、及び比較正極膜1b~3bを作製した。
表4に示す通り、電極活物質をNCAに変更した以外は実施例2-1と同様の方法により、正極膜1b~3b、及び比較正極膜1b~3bを作製した。
なお、表4に記した略号は、以下を意味する。
・NMC:NCM523(日本化学工業株式会社製、組成:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、固形分100%)
・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:ポリフッ化ビニリデン(Solef#5130(Solvey株式会社製)、固形分100%)
・NMC:NCM523(日本化学工業株式会社製、組成:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、固形分100%)
・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:ポリフッ化ビニリデン(Solef#5130(Solvey株式会社製)、固形分100%)
表5に、電極の評価結果を示す。安定性良好であるカーボンナノチューブ分散液を用いて作成した電極膜は、どれも抵抗が良い値を示した。比較例と比較して、カーボンナノチューブが効率的に導電ネットワークを形成することができていると考えられる。
<非水電解質二次電池の作製>
<実施例4-1~4-26、比較例4-1~4-7>
<実施例5-1~5-3、比較例5-1~5-3>
下記の標準負極と表5に示す正極膜とを各々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時間乾燥させた。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、電解液を2mL注入し、アルミ製ラミネート袋を封口して電池1a~26a、電池1b~3b、比較電池1a~7a、及び比較電池1b~3bを作製した。電解液は、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、更に添加剤として、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である。
<実施例4-1~4-26、比較例4-1~4-7>
<実施例5-1~5-3、比較例5-1~5-3>
下記の標準負極と表5に示す正極膜とを各々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時間乾燥させた。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、電解液を2mL注入し、アルミ製ラミネート袋を封口して電池1a~26a、電池1b~3b、比較電池1a~7a、及び比較電池1b~3bを作製した。電解液は、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、更に添加剤として、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である。
<製造例1 標準負極用合材スラリーの作製>
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)HS-100)と、CMCと、水と、を加えた後、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌した。更に負極活物質として人造黒鉛を添加し、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBRを加えて、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpm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負極活物質:導電材:CMC:SBRの固形分比率は97:0.5:1:1.5とした。
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)HS-100)と、CMCと、水と、を加えた後、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌した。更に負極活物質として人造黒鉛を添加し、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBRを加えて、自転及び公転ミキサー(株式会社シンキー製あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpm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負極活物質:導電材:CMC:SBRの固形分比率は97:0.5:1:1.5とした。
なお、上記に記した略号は、以下を意味する。
・HS-100:デンカブラックHS-100(デンカ株式会社製、アセチレンブラック、平均一次粒子径48nm、比表面積39m2/g)
・人造黒鉛:CGB-20(日本黒鉛工業株式会社製)、固形分100%
・CMC:#1190(ダイセルファインケム株式会社製)、固形分100%
・SBR:TRD2001(JSR株式会社製)、固形分48%
・HS-100:デンカブラックHS-100(デンカ株式会社製、アセチレンブラック、平均一次粒子径48nm、比表面積39m2/g)
・人造黒鉛:CGB-20(日本黒鉛工業株式会社製)、固形分100%
・CMC:#1190(ダイセルファインケム株式会社製)、固形分100%
・SBR:TRD2001(JSR株式会社製)、固形分48%
<製造例2 標準負極の作製>
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分間にわたり乾燥させ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。更にロールプレス(株式会社サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、負極合材層の密度が1.6g/cm3となる負極を作製した。
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分間にわたり乾燥させ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。更にロールプレス(株式会社サンクメタル製、3t油圧式ロールプレス)による圧延処理を行い、負極合材層の密度が1.6g/cm3となる負極を作製した。
<レート試験及びサイクル試験の結果>
表5に示す通り、安定性、流動性が良好なカーボンナノチューブ分散液を正極膜に備えた電池はレート特性及びサイクル特性が良好であり、流動性不良であるカーボンナノチューブ分散液を正極膜に備えた電池はいずれの特性も悪かった。低抵抗な正極膜は、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、比較的に低抵抗である電極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と思われる。
表5に示す通り、安定性、流動性が良好なカーボンナノチューブ分散液を正極膜に備えた電池はレート特性及びサイクル特性が良好であり、流動性不良であるカーボンナノチューブ分散液を正極膜に備えた電池はいずれの特性も悪かった。低抵抗な正極膜は、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、比較的に低抵抗である電極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と思われる。
以上のように、分散性と安定性、更に流動性とを共立することで、電極膜中で良好な分散状態を維持して効率的な導電ネットワークを形成することができ、レート特性及びサイクル特性が良好な電池を製造することができた。
上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記によって限定されるものではない。本発明の構成及び詳細は、本発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
1:第一のピーク
2:第一のピークのモード径
2:第一のピークのモード径
Claims (12)
- カーボンナノチューブと、ヒドロキシル基含有構造単位及び複素環含有構造単位からなる群から選択される少なくとも1種以上を含み、かつ、ニトリル基含有構造単位を含まない第一の重合体と、ニトリル基含有構造単位を含む第二の重合体と、溶媒と、を含むカーボンナノチューブ分散液であって、
前記カーボンナノチューブが、走査型電子顕微鏡で測定した繊維径分布において100nm以下の範囲に繊維径分布の異なる少なくとも二種類のカーボンナノチューブを含み、
前記二種類のカーボンナノチューブは、第一の繊維径分布を示す成分と、第二の繊維径分布を示す成分と、を含む、カーボンナノチューブ分散液。 - 前記第一の繊維径分布の範囲が、2nm以上30nm未満であり、前記第二の繊維径分布の範囲が、30nm以上100nm以下である、請求項1に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 前記第一の繊維径分布を有する成分の含有量が、前記カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で40%以上99%以下である、請求項1又は2に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 繊維長0.3μm以下のカーボンナノチューブの含有量が、前記カーボンナノチューブの全量に対して個数基準で75%以下であり、前記カーボンナノチューブ分散液中の前記カーボンナノチューブの平均繊維長が0.1μm以上1.0μm以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 前記第一の重合体の含有量が、前記第一の重合体及び前記第二の重合体の合計質量に対して30質量%以上70質量%以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- レーザー回折/散乱式粒度分布測定法においてレーザー光の透過率が50%の条件で測定した粒度分布が、少なくとも2つ以上のピークを有し、
前記2つ以上のピークのうち粒子径が最も小さい第一のピークのモード径が0.2μm以下である、請求項1~5いずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液。 - 前記溶媒が実質的に水を含まず、かつ、pHが9.0以上12.0以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 前記第二の重合体は、脂肪族炭化水素構造単位をさらに含む、請求項1~7のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液と、フッ素系樹脂と、を含むカーボンナノチューブ分散組成物。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液、または請求項9記載のカーボンナノチューブ分散組成物と、電極活物質と、を含む電極膜用スラリー。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブ分散液、または請求項9記載のカーボンナノチューブ分散組成物、または請求項10記載の電極膜用スラリーの塗工膜を含む電極膜。
- 正極と、負極と、電解質と、を具備してなる二次電池であって、請求項11記載の電極膜を正極または負極の少なくとも一方に用いた二次電池。
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