JP5390131B2 - 非水電解液二次電池電極用バインダー、並びに該バインダーを用いた非水電解液二次電池用電極及び非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
上記中和塩を構成する金属イオンにおいて、リチウムイオンの含有量が50モル%以上であり、且つナトリウムイオンの含有量が3モル%以上である非水電解液二次電池電極用バインダーを提供するものである。
また、本発明は、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩をバインダーとして含有する非水電解液二次電池用電極であって、
上記中和塩を構成する金属イオンにおいて、リチウムイオンの含有量が50モル%以上であり、且つナトリウムイオンの含有量が3モル%以上である非水電解液二次電池用電極を提供するものである。
また、本発明は、上記電極を用いた非水電解液二次電池を提供するものである。
本発明で提案するメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩を用いることによって、このような優れた効果が得られる理由について、本発明者らは以下のように考えている。
メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩は、水との親和性が高く、高濃度の水溶液として安定に存在し得る。また、電極活物質及び金属集電体との親和性が高い。そのために、水溶液系で、該水溶性重合体中和塩及び電極活物質を含有する電極材のスラリーを作成し、該スラリーを金属集電体上に塗布して乾燥することによって、厚みのある電極層を形成しても、該電極層に、ひび割れ及び剥れが発生することがない。一方、上記メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩は、金属イオンとしてリチウムイオンを多く含み、そのために、該水溶性重合体中和塩を用いた非水電解液二次電池において、電極層と電解液との親和性を向上させることができる。また、該水溶性重合体中和塩中のエーテル基の存在によりリチウムイオン等のアルカリ金属イオンの特に低温での伝導性を向上させる役割を担うことができることから、非水電解液二次電池の低温特性を向上させることができる。
先ず、本発明の非水電解液二次電池電極用バインダー(以下、二次電池電極用バインダーともいう)について説明する。
次に、本発明の非水電解液二次電池用電極(以下、二次電池用電極ともいう)について説明する。
LixMIO2…(1)
[式(1)中のMIは1種類以上の遷移金属元素を示し、xの値は電池の充放電状態によって異なるが、通常0.05≦x≦1.10である。]で表され、(1)式の化合物は一般に層状構造を有する。
5〜60質量%程度、好ましくは10〜50質量%である。
次に、本発明の非水電解液二次電池について説明する。
これらのフィルムには、電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、微多孔化がなされている。この微多孔化の方法としては、高分子化合物と溶剤の溶液をミクロ相分離させながら製膜し、溶剤を抽出除去して多孔化する「相分離法」と、溶融した高分子化合物を高ドラフトで押し出し製膜した後に熱処理し、結晶を一方向に配列させ、さらに延伸によって結晶間に間隙を形成して多孔化をはかる「延伸法」等が挙げられ、用いられるフィルムによって適宜選択される。
)−4,4’−n−ブチリデンビス(2−第三ブチル−5−メチルフェノール)ジホスファイト、ヘキサ(トリデシル)−1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−第三ブチルフェニル)ブタントリホスファイト、テトラキス(2,4−ジ第三ブチルフェニル)ビフェニレンジホスホナイト、9,10−ジハイドロ−9−オキサ−10−ホスファフェナンスレン−10−オキサイド、2,2’−メチレンビス(4,6−第三ブチルフェニル)−2−エチルヘキシルホスファイト、2,2’−メチレンビス(4,6−第三ブチルフェニル)−オクタデシルホスファイト、2,2’−エチリデンビス(4,6−ジ第三ブチルフェニル)フルオロホスファイト、トリス(2−〔(2,4,8,10−テトラキス第三ブチルジベンゾ〔d,f〕〔1,3,2〕ジオキサホスフェピン−6−イル)オキシ〕エチル)アミン、2−エチル−2−ブチルプロピレングリコールと2,4,6−トリ第三ブチルフェノールのホスファイト等が挙げられる。
<作製手順>
1.メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の水溶液の作製)
重量平均分子量108万のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体(VEMA)80.0g、水酸化リチウムの1水和物38.7g、及びイオン交換水562gをビーカー中でマグネチックスターラーを用いて攪拌する。均一の水溶液になった時点で、グラスフィルターでろ過を行い、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の水溶液を得た。得られた水溶性重合体中和塩(VEMALi)のカルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合(モル比)は、H/Li/Na=1/9/0であった。また、得られた水溶液は、固形分濃度が15質量%であり、pHは8.1、粘度は466mPa・sであった。
正極活物質としてLiNi0.8Co0.17Al0.03O2 85質量部と、導電材としてアセチレンブラック12質量部と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)1質量部とを、水70質量部に分散させ、さらにバインダーとして上記メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の15質量%水溶液14質量部を追加し分散させ、スラリーとした。このスラリーをアルミニウム製の正極集電体両面に塗布し、乾燥後、プレス成型して、正極板とした。その後、この正極板を所定の大きさにカットし、電流取り出し用のリードタブ溶接部となる部分の電極合材を掻き取ることでシート状正極を作製した。
負極活物質として黒鉛炭素粉末98質量部と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)1質量部とを、水94質量部に分散させ、さらにバインダーとして上記メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の15質量%水溶液7質量部を追加し分散させ、スラリーとした。このスラリーを銅製の負極集電体両面に塗布し、乾燥後、プレス成型して、負極板とした。その後、この負極板を所定の大きさにカットし、電流取り出し用のリードタブ溶接部となる部分の電極合材を掻き取ることでシート状負極を作製した。
エチレンカーボネート25体積%、ジエチルカーボネート5体積%、エチルメチルカーボネート40体積%、及びジメチルカーボネート30体積%からなる混合溶媒に、LiPF6を1.0モル/リットルの濃度で溶解し、添加剤として、1,2−ビス(フルオロジメチルシリル)エタン0.40重量部、ビニレンカーボネート0.40重量部及びジメチルジビニルシラン0.05重量部を添加して非水電解液とした。
得られたシート状正極及びシート状負極を、厚さ25μmのポリエチレン製の微多孔フィルムを介した状態で巻回させて、巻回型電極体を形成した。得られた巻回型電極体をケースの内部に挿入し、ケース内に保持した。このとき、シート状正極或いはシート状負極のリードタブ溶接部に一端が溶接された集電リードを、ケースの正極端子或いは負極端子にそれぞれ接合した。その後、非水電解液を巻回型電極体が保持されたケース内に注入し、ケースを密閉、封止して、φ18mm、軸方向の長さ65mmの円筒型リチウムイオン電池を作製した。
メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=2/8/0となるように調製した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=4/6/0となるように調製した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=1/8/1となるように調製した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにテフロン(登録商標)(PTFE)の水性分散液を使用した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸(PAA)の水溶液を使用した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸リチウム(PAALi)の水溶液を使用した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)の水溶液を使用した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにイソブチレンと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(ISOBAMLi)の水溶液を使用した以外はすべて参考例1と同様にして、円筒型リチウムイオン電池を作製した。
1.放電容量率の測定方法
先ず、充電電流0.25mA/cm2(1/4C相当の電流値)で4.1Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電を行った。次に、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で4.1Vまで定電流定電圧充電し、放電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電する操作を4回行った。その後、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で4.1Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電し、この時の放電容量を初期放電容量とした。この初期放電容量から、下記式に従い、放電容量率(%)を求めた。尚、測定は20℃の雰囲気で行った。
放電容量率(%)=[(初期放電容量)/(参考例1における初期放電容量)]×100
測定温度を−30℃とした以外は、上記放電容量率の測定方法と同様にして、−30℃での放電容量を測定した。この−30℃での放電容量から、下記式に従い、低温放電容量率(%)を求めた。
低温放電容量率(%)=[(−30℃での放電容量)/(参考例1における−30℃での放電容量)]×100
1.放電容量維持率の測定方法
リチウムイオン電池を、雰囲気温度60℃の恒温槽内に入れ、充電電流2.2mA/cm2(2C相当の電流値、1Cは電池容量を1時間で放電する電流値)で4.1Vまで定電流充電し、放電電流2.2mA/cm2(2C相当の電流値)で3Vまで定電流放電を行うサイクルを500回繰り返して行った。その後、雰囲気温度を20℃に戻して、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で4.1Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で3.0Vまで定電流放電し、このときの放電容量をサイクル後の放電容量とした。このサイクル後の放電容量と初期放電容量とから、下記式に従い、放電容量維持率(%)を求めた。
放電容量維持率(%)=[(サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)]×100
上記放電容量維持率の測定方法において、サイクルを500回繰り返し行った後のリチウムイオン電池を、上記低温放電容量率の測定方法と同様にして、サイクル後の−30℃における放電容量を測定した。このサイクル後の−30℃における放電容量から、下記式に従い、サイクル後の低温放電容量率(%)を求めた。
低温放電容量率(%)=[(サイクル後の−30℃での放電容量)/(参考例1における−30℃での初期放電容量)]×100
<作製手順>
1.正極の作製
正極活物質として、ニトロキシラジカル基含有高分子量重合体である4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TMA)とドデシルジメタクリレートの97:3の質量比の共重合体(PTMA)にケッチェンブラックを2:1の質量比で複合化した組成物(PTMA/C)を使用した。このニトロキシラジカル基含有高分子量重合体炭素複合化組成物(PTMA/C)25質量部と、バインダーとして参考例1のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の15質量%水溶液8.3質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)2質量%水溶液63質量部、及び水3.7質量部をミキサーにて混合して、スラリーとした。このスラリーをアルミニウム製の正極集電体片面に乾燥後の電極材の厚みが100ミクロンになるように塗布し、乾燥後、円盤状に成型して、正極板とした。
負極活物質として、Li4Ti5O12 85質量部と、導電材としてアセチレンブラック12質量部と、カルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMC)1質量部とを、水70質量部に分散させ、さらにバインダーとして参考例1のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩の15質量%水溶液14質量部を追加し分散させ、スラリーとした。このスラリーを銅製の負極集電体両面に塗布し、乾燥後、円盤状に成型して、負極板とした。
エチレンカーボネート25体積%、ジエチルカーボネート5体積%、エチルメチルカーボネート40体積%、及びジメチルカーボネート30体積%からなる混合溶媒に、LiPF6を1.2モル/リットルの濃度で溶解して非水電解液とした。
上記の正極板及び負極板を、その間に厚さ25μmのポリエチレン製の微多孔フィルムを挟んだ状態で重ね合わせて、コインセルにセットして、所定量の非水電解液を滴下した後にカシメ機で密閉することによってコイン型ラジカル電池を作製した。
参考例1のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=2/8/0となるように調製して得られる水溶性重合体中和塩(VEMALi)を、バインダーとして用いた以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
参考例1のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=4/6/0となるように調製して得られる水溶性重合体中和塩(VEMALi)を、バインダーとして用いた以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
実施例1のメチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の合成において、カルボン酸基及びカルボン酸塩基における水素と金属イオンの割合をH/Li/Na=1/8/1となるように調製して得られる水溶性重合体中和塩(VEMALi)を、バインダーとして用いた以外はすべて実施例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
参考例5の正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにテフロン(登録商標)(PTFE)の水性分散液を使用したところ、乾燥時に電極層のひび割れが発生したため、電池を作製できなかった。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸(PAA)の水溶液を使用した以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸リチウム(PAALi)の水溶液を使用した以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにポリアクリル酸ナトリウム(PAANa)の水溶液を使用した以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
正極の作製において、メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(VEMALi)の代わりにイソブチレンと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩(ISOBAMLi)の水溶液を使用した以外はすべて参考例5と同様にして、コイン型ラジカル電池を作製した。
1.放電容量発現率の測定方法
先ず、充電電流0.25mA/cm2(1/4C相当の電流値)で2.5Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電を行った。次に、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で2.5Vまで定電流定電圧充電し、放電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電する操作を4回行った。その後、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で2.5Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電し、この時の放電容量を初期放電容量とした。尚、測定は20℃の雰囲気で行った。使用している正極活物質(ニトロキシラジカル基含有高分子量重合体)当たりの理論容量を計算して、その数値と測定した初期放電容量から、下記式に従い、放電容量発現率(%)を算出した。
放電容量発現率(%)=[(初期放電容量)/(理論容量)]×100
充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で2.5Vまで定電流定電圧充電し、放電電流22mA/cm2(20C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電し、この時の放電容量を出力値とした。この出力値と上記放電容量発現率の測定方法で計算した理論容量から、下記式に従い、出力(%)を算出した。尚、測定は20℃の雰囲気で行った。
出力(%)=[(出力値)/(理論容量)]×100
1.放電容量維持率の測定方法
ラジカル電池を、雰囲気温度35℃の恒温槽内に入れ、充電電流2.2mA/cm2(2C相当の電流値、1Cは電池容量を1時間で放電する電流値)で2.5Vまで定電流充電し、放電電流2.2mA/cm2(2C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電を行うサイクルを500回繰り返して行った。その後、雰囲気温度を20℃に戻して、充電電流1.1mA/cm2(1C相当の電流値)で2.5Vまで定電流定電圧充電し、放電電流0.33mA/cm2(1/3C相当の電流値)で1.0Vまで定電流放電し、このときの放電容量をサイクル後の放電容量とした。このサイクル後の放電容量と初期放電容量とから、下記式に従い、放電容量維持率(%)を求めた。
放電容量維持率(%)=[(サイクル後の放電容量)/(初期放電容量)]×100
上記放電容量維持率の測定方法において、サイクルを500回繰り返し行った後のコイン型ラジカル電池を、上記出力の測定方法と同様にして、サイクル後の出力値を測定した。このサイクル後の出力値と上記放電容量発現率の測定方法で算出した理論容量とから、下記式に従い、サイクル後の出力(%)を求めた。
出力(%)=[(出力値)/(理論容量)]×100
1a 正極集電体
2 負極
2a 負極集電体
3 電解液
4 正極ケース
5 負極ケース
6 ガスケット
7 セパレータ
10 コイン型の非水電解液二次電池
10’ 円筒型の非水電解液二次電池
11 負極
12 負極集合体
13 正極
14 正極集合体
15 電解液
16 セパレータ
17 正極端子
18 負極端子
19 負極板
20 負極リード
21 正極
22 正極リード
23 ケース
24 絶縁板
25 ガスケット
26 安全弁
27 PTC素子
Claims (6)
- メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩を主成分とする非水電解液二次電池電極用バインダーであって、
上記中和塩を構成する金属イオンにおいて、リチウムイオンの含有量が50モル%以上であり、且つナトリウムイオンの含有量が3モル%以上である非水電解液二次電池電極用バインダー。 - メチルビニルエーテルと無水マレイン酸の共重合体の水溶性重合体中和塩をバインダーとして含有する非水電解液二次電池用電極であって、
上記中和塩を構成する金属イオンにおいて、リチウムイオンの含有量が50モル%以上であり、且つナトリウムイオンの含有量が3モル%以上である非水電解液二次電池用電極。 - ニトロキシラジカル基含有高分子量重合体を電極活物質として含有する請求項2記載の非水電解液二次電池用電極。
- Ni、Co、Mn、Ti及びFeの少なくとも一つを含有する金属酸化物を電極活物質として含有する請求項2記載の非水電解液二次電池用電極。
- 結晶性炭素を電極活物質として含有する請求項2記載の非水電解液二次電池用電極。
- 請求項2〜5の何れか1項に記載の電極を用いた非水電解液二次電池。
解液二次電池。
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