JP5811195B2 - 蓄電装置及び非水系二次電池とポリマーの製造方法 - Google Patents
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Description
上記で得られたスターポリマー粉末を蒸留水に濃度15質量%となるように溶解し、バインダ溶液を調製した。
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、本実施例のスターポリマーは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
正極活物質としてのLi[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=88:6:6(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはEC(エチレンカーボネート)、MEMC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=3:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/Lとなる濃度で溶解したものを用いた。正極および負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。
負極用バインダとしてポリアクリル酸(「H-AS」日本触媒社製)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてポリマー溶液を調製した。ポリマー溶液中のポリマーは、アクリル酸が100モル%の単独重合体であり、GPCによって測定されたその質量平均分子量は700,000であった。
実施例1と比較例1のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、0.2CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vまで充電し、1サイクルから順に0.2C、1C、2C、3C、4C、5CのCC放電(定電流放電)で2.5Vまで放電し、各レートにおける放電容量を測定した。0.2Cレートの放電容量を図2に、0.2C放電における初回放電IRドロップを図3に示す。初回放電IRドロップは、放電開始から10秒後における負極の抵抗値をそれぞれ測定した。
先ず、メチルアクリレートを室温にて真空蒸留し、含まれている重合禁止剤を除去した。このメチルアクリレートを20.0mlと、化5式に示す母体骨格化合物としての1,3,5-トリス(ブロモメチル)-2,4,6-トリメチルベンゼン0.1412gと、2-プロパノール7mlと、アミン系配位子(リガンド)としてのトリス2-ジエチルアミノエチルアミン0.57mlをナス型フラスコに入れ、よく撹拌した後、静置した。さらに金属ハロゲン化物(活性化剤)として純度99.9%の臭化銅(I)を母体骨格化合物に対して質量比で3.5倍量を加え、真空ポンプで脱気した後に密封した。
上記で得られたスターポリマー粉末をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に濃度15質量%となるように溶解し、バインダ溶液を調製した。
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、本実施例のスターポリマーは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
正極活物質としての
Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2 と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=88:6:6(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはEC(エチレンカーボネート)、MEMC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=3:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/Lとなる濃度で溶解したものを用いた。正極および負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。
負極用バインダとしてポリアクリル酸(「H-AS」日本触媒社製)を用いたこと以外は実施例2と同様にしてポリマー溶液を調製した。ポリマー溶液中のポリマーは、アクリル酸が100モル%の単独重合体であり、GPCによって測定されたその質量平均分子量は700,000であった。
実施例2と比較例2のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、0.2CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vまで充電し、1サイクルから順に0.2C、1C、2C、3C、4C、5CのCC放電(定電流放電)で2.5Vまで放電し、各レートにおける放電容量を測定した。0.2Cレートの放電容量を図6に示す。
上記で得られたスターポリマー粉末を蒸留水に濃度15質量%となるように溶解し、バインダ溶液を調製した。
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、本実施例のスターポリマーは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
正極活物質としてのLi[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=93:4:3(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはFEC(フルオロエチレンカーボネート)、EC(エチレンカーボネート)、MEMC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=0.4:2.6:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/dm3となる濃度で溶解したものを用いた。正極および負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。
実施例3と実施例1のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、1CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vまで充電し、1/3CのCC放電の条件下において3.0Vまで放電させるサイクル試験を行った。そのときの放電容量維持率を測定し、結果を図9に示す。放電容量維持率は、Nサイクル目の放電容量を初回の放電容量で除した値の百分率((Nサイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)×100)で求められる値である。
実施例1と実施例6で調製されたスターポリマーをそれぞれFT-IR分析し、それらのFT-IRスペクトルを図11に示す。図11から、実施例6のスターポリマーは1540cm−1のピークが特異的であり、このピークはCOO−イオンとCu2+イオンで形成された錯体に同定される。したがって実施例6のスターポリマーには、アーム部のカルボキシル基と共に高分子錯体を形成する銅イオンが含まれている。
実施例6で調製されたスターポリマーをICP-MS分析したところ、3.3ppmのCuが検出された。
実施例1と実施例6で調製されたスターポリマー粉末を蒸留水に濃度10質量%となるようにそれぞれ溶解し、バインダ溶液をそれぞれ調製した。
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、実施例1及び実施例6のスターポリマーは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
正極活物質としてのLi[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=93:3:4(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはEC(エチレンカーボネート)、MEC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=3:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/Lとなる濃度で溶解したものを用いた。正極及び負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。
実施例1と実施例6のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、0.2CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vで充電し、3CのCC放電(定電流放電)開始して10秒後の抵抗値(SOC20%放電)をそれぞれ測定した。結果を図12に示す。図12から実施例6のリチウムイオン二次電池は実施例1のリチウムイオン二次電池に比べて抵抗値が低いことがわかり、これは銅イオンを含んだことによる効果であることが明らかである。
実施例1及び実施例7のスターポリマーを、濃度50質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)又は蒸留水と混合し、溶解性を目視で判定した。結果を表1に示す。なお完全に溶解して透明な溶液であったものを○とし、白濁又は沈殿が生じたものを×と評価した。
実施例7のスターポリマー粉末を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)又は蒸留水に濃度10質量%となるように溶解し、バインダ溶液を調製した。
カッターナイフを用いて負極活物質層に1mm間隔で100個の碁盤目を刻み、セロハンテープを貼り付けて引き剥がす碁盤目付着性試験(JIS K5400-8.5)を行った。その結果、100マス全てで負極活物質層の剥離は全く認められず、実施例7のスターポリマーからなるバインダは銅箔への付着性に優れ、且つSiOx粉末、天然黒鉛粉末、ケッチェンブラックの結着性に優れている。
正極活物質としてのLi[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダ樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを混合し、スラリー状の正極合材を調製した。スラリー中の各成分(固形分)の組成比は、Li[Mn1/3Ni1/3Co1/3]O2:AB:PVdF=93:3:4(質量比)であった。このスラリーを集電体に塗布し、集電体上に正極合材層を積層形成した。具体的には、ドクターブレードを用いてこのスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)の表面に塗布した。
正極を30mm×25mm、負極を31mm×26mmに裁断し、ラミネートフィルムで収容した。この正極および負極の間に、セパレータとしてポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート(40mm×40mm角、厚さ30μm)を挟装して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに下記の電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネートセルを得た。電解液にはEC(エチレンカーボネート)、MEC(メチルエチルカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)=3:3:4(体積比)の混合溶液にLiPF6を1モル/Lとなる濃度で溶解したものを用いた。正極及び負極は外部と電気的に接続可能なタブを備え、このタブの一部はラミネートセルの外側に延出した。以上の工程で、単層ラミネートセルのリチウムイオン二次電池を得た。リチウムイオン二次電池は、同じ物を3個作製した。
実施例7のリチウムイオン二次電池を用い、測定温度25℃、0.2CのCCCV充電(定電流定電圧充電)の条件下において4.2Vで充電し、1/3CのCC放電容量を測定した。結果を図14に示す。図14から実施例7のスターポリマーを負極用バインダとして用いたリチウムイオン電池は、電池として機能することがわかる。
また本発明の製造方法によって製造されるポリマーは、蓄電装置の電極用バインダ、塗料、接着剤、などに用いることができる。
20:ポリアクリル酸ブロック 21:ポリスチレンブロック
Claims (21)
- バインダを含む電極をもつ蓄電装置であって、
該バインダは、
コア部と、該コア部から伸びるポリマー鎖からなるアーム部とを有し、該コア部は四員環以上の環構造を有し、該アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体からなり、該アーム部は該コア部の前記環構造を構成する3個以上の炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれの該アーム部の一端は該コア部の前記環構造を構成する該炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合しているポリマーを含み、
前記ポリマーの前記環構造はベンゼン環を含むことを特徴とする蓄電装置。 - 前記ポリマーの前記アーム部は前記コア部の前記環構造を構成する3個の炭素原子からそれぞれ伸びている請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記ポリマーの前記アーム部は前記コア部の前記環構造を構成する全ての炭素原子からそれぞれ伸びている請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記ポリマーの少なくとも1本の前記アーム部はポリアクリル酸骨格を含む請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電装置。
- 少なくとも1本の前記アーム部の数平均分子量(Mn)は1,000〜100,000の範囲にある請求項4に記載の蓄電装置。
- 前記アーム部のカルボキシル基と共に高分子錯体を形成する遷移金属イオンを含むポリマーを含む請求項1〜5のいずれかに記載の蓄電装置。
- 前記遷移金属イオンは銅イオンである請求項6に記載の蓄電装置。
- 前記ポリマーはFT-IRスペクトルにおいて1540cm−1付近にピークをもつ請求項6に記載の蓄電装置。
- 前記アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体とスチレンの重合体とからなり、該スチレンの重合体が少なくとも1本の前記アーム部の少なくとも一部に含まれている請求項1〜5のいずれかに記載の蓄電装置。
- 前記スチレンの重合体は前記アーム部のそれぞれの末端側に形成されている請求項9に記載の蓄電装置。
- 前記蓄電装置は活物質層をもつ電極を有する非水系二次電池であって、該活物質層には請求項1〜10のいずれかに記載の前記バインダが含まれていることを特徴とする非水系二次電池。
- 前記活物質層は負極活物質層であり、前記電極は負極である請求項11に記載の非水系二次電池。
- 前記活物質層には、SiOx(0.3≦x≦1.6)で表されるケイ素酸化物を含む請求項12に記載の非水系二次電池。
- 前記負極にはリチウムがプリドーピングされている請求項12又は請求項13に記載の非水系二次電池。
- コア部と、該コア部から伸びるポリマー鎖からなるアーム部とを有し、該コア部は四員環以上の環構造を有し、該アーム部はカルボキシル基を有する酸モノマーの重合体からなり、該アーム部は該コア部の該環構造を構成する全ての炭素原子からそれぞれ伸び、それぞれの該アーム部の一端は該コア部の該環構造を構成する該炭素原子に単結合あるいはエーテル基、エステル基、カルボニル基、アルキレン基又はこれらを組み合わせた二価の基を介して結合しているポリマーの製造方法であって、
t-ブチル基をもたずラジカル発生可能な共役モノマーと、四環以上の環構造と該環構造を構成する炭素原子の全てにアルキル基を介して結合したハロゲン基とからなる母体骨格化合物と、アミン系配位子と、加熱によって活性ハロゲンを生成する金属ハロゲン化物と、を溶媒に溶解させ加熱することでリビングラジカル重合する重合工程と、
該重合工程で得られた反応液に酸とアルコールを加えて該アミン系配位子を中和するとともに沈殿物を析出させる沈殿工程と、
該沈殿物を洗浄及び濾過し乾燥してポリマー前駆体を得る濾過工程と、
該ポリマー前駆体を有機溶媒に溶解しアルカリ金属水酸化物を加えて加水分解する反応停止工程と、
該反応停止工程で得られた混合物の水相を中和し洗浄した後に乾燥する精製工程と、からなり、
前記重合工程では、前記母体骨格化合物の総反応点のモル数を1としたとき0.8以下のモル比となる量で前記金属ハロゲン化物が添加され、
前記母体骨格化合物はヘキサキス(ブロモメチル)ベンゼンであることを特徴とするポリマーの製造方法。 - 前記重合工程における加熱中に反応系に水を添加する水添加工程を行う請求項15に記載のポリマーの製造方法。
- 前記共役モノマーはメチルアクリレートである請求項15又は請求項16に記載のポリマーの製造方法。
- 前記アミン系配位子はトリス2-ジメチルアミノエチルアミンである請求項15〜17のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記金属ハロゲン化物は臭化銅(I)である請求項15〜18のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記金属ハロゲン化物の添加量は、前記アミン系配位子のモル数を1としたときモル比で1以上である請求項15〜19のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
- 前記金属ハロゲン化物の添加量は、前記母体骨格化合物の総反応点のモル数を1としたときモル比で0.3以上0.6以下である請求項15〜20のいずれかに記載のポリマーの製造方法。
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