JP5863204B2 - Binder for positive electrode of lithium ion secondary battery and positive electrode material - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池正極用結着剤及び正極材料に関する。 The present invention relates to a binder for a positive electrode of a lithium ion secondary battery and a positive electrode material.
近年、電気自動車のニーズに応えるため、リチウムイオン二次電池の高出力化が急務となっている。一般に、電池の高出力化には2つの重要な要素が考えられる。ひとつは電極材料において電子伝導性が高いこと、もうひとつはリチウムイオンの伝導性が高いことである。いずれか一方が劣る場合は、電池の内部抵抗が高くなり十分な出力特性は得られない。内部抵抗の主な原因となる箇所は、イオン伝導と電子伝導の反応界面が集中する電極材料である。 In recent years, in order to meet the needs of electric vehicles, there is an urgent need to increase the output of lithium ion secondary batteries. In general, there are two important factors for increasing the output of a battery. One is that the electrode material has high electron conductivity, and the other is that lithium ion has high conductivity. When either one is inferior, the internal resistance of the battery becomes high and sufficient output characteristics cannot be obtained. The main cause of the internal resistance is the electrode material where the reaction interface between ion conduction and electron conduction is concentrated.
一般に、リチウムイオン二次電池の正極材料は、集電体と活物質を結着剤によって結着することで構成されている。結着剤としては結着力の強いポリフッ化ビニリデンが使用されている。しかし、ポリフッ化ビニリデンには電子伝導性がなく、その対策として導電助剤を混合しているが、それでも尚導電性は十分ではない。またリチウムイオンの伝導性もないため高出力化の妨げとなっている。 In general, a positive electrode material of a lithium ion secondary battery is configured by binding a current collector and an active material with a binder. As the binder, polyvinylidene fluoride having a strong binding force is used. However, polyvinylidene fluoride does not have electronic conductivity, and a conductive additive is mixed as a countermeasure. However, the conductivity is still insufficient. Moreover, since there is no conductivity of lithium ions, it is an obstacle to high output.
結着剤の導電性を改善するための導電助剤として、ポリアニリン等の導電性高分子化合物を用いることが提案されている(例えば特許文献1)。しかしながら、ポリアニリンを結着剤として使用した電極材料は電気化学的安定性に乏しく、保存安定性及びサイクル特性が充分でないという問題点を有する。サイクル特性とは、充電した後に放電することを1サイクルとし、そのサイクルを繰り返した場合の電池容量の劣化の程度をいう。 It has been proposed to use a conductive polymer compound such as polyaniline as a conductive aid for improving the conductivity of the binder (for example, Patent Document 1). However, an electrode material using polyaniline as a binder has a problem of poor electrochemical stability and insufficient storage stability and cycle characteristics. Cycle characteristics refer to the degree of deterioration of battery capacity when one cycle is discharged after charging and the cycle is repeated.
また、リチウムイオン二次電池の正極材料は現在LiCoO2が汎用されているが、160℃付近から発熱しながら分解することから、安全性の観点から問題となっている。そこで、高温下でも発熱分解することがなく、より安全性の高いLiFePO4への置き換えが検討されている。
しかし、LiFePO4は電子伝導性に乏しく、特に高速充放電したときのサイクル特性の低下が激しいという課題を有する。導電性を補うためにカーボンで活物質をコーティングする等の対策が取られている(例えば特許文献2)が、高コストであると共に生産性に劣るため実用化の妨げとなっている。
Further, LiCoO 2 is currently widely used as a positive electrode material for lithium ion secondary batteries, but it is problematic from the viewpoint of safety because it decomposes while generating heat from around 160 ° C. Therefore, replacement with LiFePO 4 having higher safety without causing exothermic decomposition even at high temperatures is being studied.
However, LiFePO 4 is poor in electron conductivity, and has a problem that the cycle characteristics are severely deteriorated particularly when charging and discharging at high speed. Measures such as coating an active material with carbon in order to supplement conductivity are taken (for example, Patent Document 2), but the cost is high and productivity is inferior, which hinders practical use.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、リチウムイオン二次電池の高出力化が可能で、高速充放電を繰り返した場合でも電池容量の劣化が少ない電極用結着剤及び電極材料を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is for an electrode that can increase the output of a lithium ion secondary battery and has little battery capacity deterioration even when high-speed charge / discharge is repeated. It is to provide a binder and an electrode material.
本発明者らは、上記の目的を達成すべく検討を行った結果、本発明に到達した。即ち、本発明は、
チオフェン繰り返し単位のうちの少なくとも一部が、
(a)炭素数2〜4のオキシアルキレン基からなる繰り返し単位を1〜9個有し、片末端が炭素数1〜15のアルコキシ基であるポリエーテル基、
(b)アルコキシ基、
(c)アルコキシアルキル基又は
(d)前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基によって、チオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)である置換ポリチオフェン(P)を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池正極用結着剤(A);並びに該結着剤によって、活物質(B)を集電体(C)に結着してなるリチウムイオン二次電池用正極材料である。
以下に、本発明の基本的な諸特徴および種々の態様を列挙する。
[1]
チオフェン繰り返し単位のうちの少なくとも一部が、
(a)炭素数2〜4のオキシアルキレン基からなる繰り返し単位を1〜9個有し、片末端が炭素数1〜15のアルコキシ基であるポリエーテル基、
(b)アルコキシ基、
(c)アルコキシアルキル基又は
(d)前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基によって、チオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)である置換ポリチオフェン(P)を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池正極用結着剤(A)。
[2]
前記チオフェン繰り返し単位(α)が、一般式(1)で表されるチオフェン繰り返し単位(α1)及び/又は一般式(2)で表されるチオフェン繰り返し単位(α2)である[1]記載の結着剤。
[3]
前記チオフェン繰り返し単位(α1)が、一般式(1)におけるOR 1 がオキシエチレン基であり、nが0の場合にはR 2 が炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基であり、nが1以上の場合にはR 2 が炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基であるものであり、前記チオフェン繰り返し単位(α2)が、一般式(2)におけるR 3 が炭素数1〜3のアルキレン基であって、OR 4 がオキシエチレン基であり、mが0の場合にはR 5 が炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基であり、mが1以上の場合にはR 5 が炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基であるものである[2]記載の結着剤。
[4]
前記置換ポリチオフェン(P)における前記チオフェン繰り返し単位(α)の含有量が、置換ポリチオフェン(P)中、50〜100モル%である[1]〜[3]のいずれか記載の結着剤。
[5]
前記置換ポリチオフェン(P)中のヘッドtoテール−ヘッドtoテール結合の百分率で定義される立体規則性が、90%以上である[1]〜[4]のいずれか記載の結着剤。
[6]
前記置換ポリチオフェン(P)が、前記チオフェン繰り返し単位(α1)と一般式(3)で表されるチオフェン繰り返し単位(β1)とを有する置換ポリチオフェン(P21)、又は前記チオフェン繰り返し単位(α2)と一般式(4)で表されるチオフェン繰り返し単位(β2)とを有する置換ポリチオフェン(P22)である[1]〜[4]のいずれか記載の結着剤。
[7]
[1]〜[6]のいずれか記載の結着剤によって、活物質(B)を集電体(C)に結着してなるリチウムイオン二次電池用正極材料。
[8]
前記活物質(B)が、リチウム遷移金属複合酸化物である[7]記載の正極材料。
The inventors of the present invention have reached the present invention as a result of studies to achieve the above object. That is, the present invention
At least some of the thiophene repeat units are
(A) a polyether group having 1 to 9 repeating units composed of an oxyalkylene group having 2 to 4 carbon atoms, one end of which is an alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms,
(B) an alkoxy group,
(C) an alkoxyalkyl group or (d) a substituted polythiophene (α) that is a thiophene repeating unit (α) substituted at the 3-position and / or 4-position of the thiophene ring by an alkyl group substituted with the polyether group (a) Lithium ion secondary battery positive electrode binder (A) characterized by containing P); and lithium formed by binding the active material (B) to the current collector (C) by the binder It is a positive electrode material for an ion secondary battery.
The basic features and various aspects of the present invention are listed below.
[1]
At least some of the thiophene repeat units are
(A) a polyether group having 1 to 9 repeating units composed of an oxyalkylene group having 2 to 4 carbon atoms, one end of which is an alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms,
(B) an alkoxy group,
(C) an alkoxyalkyl group or
(D) containing a substituted polythiophene (P) which is a thiophene repeating unit (α) substituted at the 3-position and / or 4-position of the thiophene ring by an alkyl group substituted with the polyether group (a). A binder for a positive electrode of a lithium ion secondary battery (A).
[2]
The thiophene repeating unit (α) is the thiophene repeating unit (α1) represented by the general formula (1) and / or the thiophene repeating unit (α2) represented by the general formula (2). Dressing.
[3]
In the thiophene repeating unit (α1), OR 1 in the general formula (1) is an oxyethylene group, and when n is 0, R 2 is a linear or branched alkyl group having 3 to 12 carbon atoms, when n is 1 or more are those wherein R 2 is a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, wherein the thiophene repeating unit ([alpha] 2) is, R 3 carbon atoms in the general formula (2) 1 to 3 alkylene groups, OR 4 is an oxyethylene group, and when m is 0, R 5 is a linear or branched alkyl group having 3 to 12 carbon atoms, and m is 1 or more. In some cases, the binder according to [2], wherein R 5 is a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
[4]
The binder according to any one of [1] to [3], wherein a content of the thiophene repeating unit (α) in the substituted polythiophene (P) is 50 to 100 mol% in the substituted polythiophene (P).
[5]
The binder according to any one of [1] to [4], wherein the stereoregularity defined by the percentage of head-to-tail-head-to-tail bonds in the substituted polythiophene (P) is 90% or more.
[6]
The substituted polythiophene (P) is a substituted polythiophene (P21) having the thiophene repeating unit (α1) and the thiophene repeating unit (β1) represented by the general formula (3), or the thiophene repeating unit (α2) and the general The binder according to any one of [1] to [4], which is a substituted polythiophene (P22) having a thiophene repeating unit (β2) represented by the formula (4).
[7]
A positive electrode material for a lithium ion secondary battery obtained by binding the active material (B) to the current collector (C) with the binder according to any one of [1] to [6].
[8]
The positive electrode material according to [7], wherein the active material (B) is a lithium transition metal composite oxide.
本発明のリチウムイオン二次電池正極用結着剤は、電池の出力特性を大幅に向上させ、更に高速充電時のサイクル特性を大幅に改善するという効果を奏する。 The binder for the positive electrode of the lithium ion secondary battery of the present invention has the effects of greatly improving the output characteristics of the battery and further greatly improving the cycle characteristics during high-speed charging.
本発明のリチウムイオン二次電池正極用結着剤(A)は、チオフェン繰り返し単位のうちの少なくとも一部が、(a)炭素数2〜4のオキシアルキレン基からなる繰り返し単位を1〜9個有し、片末端が炭素数1〜15のアルコキシ基であるポリエーテル基、(b)アルコキシ基、(c)アルコキシアルキル基又は(d)前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基によって、チオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)(本明細書中、「チオフェン繰り返し単位(α)」ともいう。)である置換ポリチオフェン(P)を含有する。
尚、上記(a)、(b)、(c)及び(d)の記号を付けて列挙される各要素を、本明細書中、それぞれ、ポリエーテル基(a)、アルコキシ基(b)、アルコキシアルキル基(c)及び前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)ともいう。
The binder (A) for a lithium ion secondary battery positive electrode of the present invention comprises 1 to 9 repeating units in which at least a part of the thiophene repeating units is (a) an oxyalkylene group having 2 to 4 carbon atoms. A polyether group whose one end is an alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms, (b) an alkoxy group, (c) an alkoxyalkyl group, or (d) an alkyl group substituted with the polyether group (a). And substituted polythiophene (P) which is a thiophene repeating unit (α) substituted at the 3-position and / or 4-position of the thiophene ring (also referred to as “thiophene repeating unit (α)” in the present specification).
In addition, each element enumerated with the symbols (a), (b), (c) and (d) is referred to as a polyether group (a), an alkoxy group (b), Also referred to as an alkoxyalkyl group (c) and an alkyl group (d) substituted with the polyether group (a).
本発明のリチウムイオン二次電池正極用結着剤(A)は、電子伝導性とリチウムイオン伝導性を兼ね備えた置換ポリチオフェン(P)を必須成分とすることにより、従来、導電助剤と活物質の接触点を介して行われていた電子伝導が、結着剤全体を通して行うことができるようになる。
また、本発明の正極用結着剤(A)は、ポリエーテル基(a)、アルコキシ基(b)、アルコキシアルキル基(c)及び前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)で置換されたチオフェン繰り返し単位(α)を有するため、従来の結着剤に比べてリチウムイオン伝導性が改善され、その結果として、内部抵抗と電気抵抗が大幅に改善されることにより、出力特性の向上と高速充放電時のサイクル特性が向上できる。
The binder (A) for a lithium ion secondary battery positive electrode according to the present invention has conventionally been obtained by using a substituted polythiophene (P) having both electron conductivity and lithium ion conductivity as an essential component. Electron conduction that has been performed through the contact point can be performed throughout the binder.
Further, the positive electrode binder (A) of the present invention comprises a polyether group (a), an alkoxy group (b), an alkoxyalkyl group (c) and an alkyl group (d) substituted with the polyether group (a). ) Substituted thiophene repeating unit (α), the lithium ion conductivity is improved compared to conventional binders, and as a result, the internal resistance and electrical resistance are greatly improved, resulting in output Improved characteristics and cycle characteristics during high speed charge / discharge.
上記ポリエーテル基(a)としては、炭素数2〜4のオキシアルキレン基からなる繰り返し単位を有し、その繰り返し単位数が1〜9であり、片末端が炭素数1〜15のアルコキシ基であるポリエーテル基が挙げられる。
炭素数2〜4のオキシアルキレン基としては、オキシエチレン基、オキシプロピレン基及びオキシブチレン等が挙げられる。
As said polyether group (a), it has a repeating unit consisting of a C2-C4 oxyalkylene group, the repeating unit number is 1-9, and one terminal is a C1-C15 alkoxy group. Some polyether groups are mentioned.
Examples of the oxyalkylene group having 2 to 4 carbon atoms include an oxyethylene group, an oxypropylene group, and oxybutylene.
末端の炭素数1〜15のアルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−、iso−、sec−又はtert−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基、2−エチルヘキシルオキシ基、ノニルオキシ基、デシルオキシ基、ウンデシルオキシ基、ドデシルオキシ基、トリデシルオキシ基、テトラデシルオキシ基及びペンタデシルオキシ基等が挙げられる。 Examples of the terminal alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms include methoxy group, ethoxy group, propoxy group, isopropoxy group, n-, iso-, sec- or tert-butoxy group, pentyloxy group, hexyloxy group, heptyloxy Group, octyloxy group, 2-ethylhexyloxy group, nonyloxy group, decyloxy group, undecyloxy group, dodecyloxy group, tridecyloxy group, tetradecyloxy group and pentadecyloxy group.
上記アルコキシ基(b)としては、前記ポリエーテル基(a)で例示したものと同様の炭素数1〜15のアルコキシ基が挙げれる。 As said alkoxy group (b), the C1-C15 alkoxy group similar to what was illustrated by the said polyether group (a) is mentioned.
上記アルコキシアルキル基(c)としては、炭素数1〜15のアルコキシ基で置換された炭素数1〜4のアルキル基が挙げられる。
炭素数1〜15のアルコキシ基としては、前記ポリエーテル基(a)において例示したものと同様のものが挙げられ、炭素数1〜4のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−又はiso−プロピル基及びn−、sec−、iso−又はtert−ブチル基等が挙げられる。
As said alkoxyalkyl group (c), the C1-C4 alkyl group substituted by the C1-C15 alkoxy group is mentioned.
Examples of the alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms include those exemplified in the polyether group (a). Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, n- or Examples thereof include an iso-propyl group and an n-, sec-, iso- or tert-butyl group.
チオフェン繰り返し単位(α)が有する前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)におけるアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−又はiso−プロピル基及びn−、sec−、iso−又はtert−ブチル基等が挙げられる。 Examples of the alkyl group in the alkyl group (d) substituted with the polyether group (a) of the thiophene repeating unit (α) include a methyl group, an ethyl group, an n- or iso-propyl group, and n-, sec-, Examples include iso- or tert-butyl group.
本発明における置換ポリチオフェン(P)として、導電性及び溶剤溶解性の観点から好ましいのは、下記一般式(1)で表されるチオフェン繰り返し単位(α1)及び/又は一般式(2)で表されるチオフェン繰り返し単位(α2)を有する置換ポリチオフェン(P1)である。置換ポリチオフェン(P1)は、チオフェン繰り返し単位(α1)又は(α2)を有することにより、溶剤可溶となる。 The substituted polythiophene (P) in the present invention is preferably represented by the thiophene repeating unit (α1) and / or the general formula (2) represented by the following general formula (1) from the viewpoint of conductivity and solvent solubility. The substituted polythiophene (P1) having a thiophene repeating unit (α2). The substituted polythiophene (P1) becomes soluble in a solvent by having the thiophene repeating unit (α1) or (α2).
上記一般式(1)又は(2)におけるOR1及びOR4は、それぞれ独立にオキシエチレン基、オキシプロピレン基又はオキシブチレン基を表し、導電性の観点から好ましいのはオキシエチレン基である。 OR 1 and OR 4 in the general formula (1) or (2) each independently represent an oxyethylene group, an oxypropylene group or an oxybutylene group, and an oxyethylene group is preferred from the viewpoint of conductivity.
上記一般式(1)又は(2)におけるR2及びR5は、それぞれ独立に炭素数1〜12の直鎖又は分岐のアルキル基(例えば、メチル基、n−又はiso−プロピル基、n−、iso−、sec−又はtert−ブチル基、n−又はiso−ペンチル基、シクロペンチル基、n−又はiso−ヘキシル基、シクロヘキシル基、n−又はiso−ヘプチル基、n−又はiso−オクチル基、2−エチルヘキシル基、n−又はiso−ノニル基、n−又はiso−デシル基、n−又はiso−ウンデシル基及びn−又はiso−ドデシル基)を表す。 R 2 and R 5 in the general formula (1) or (2) are each independently a linear or branched alkyl group having 1 to 12 carbon atoms (for example, methyl group, n- or iso-propyl group, n- , Iso-, sec- or tert-butyl group, n- or iso-pentyl group, cyclopentyl group, n- or iso-hexyl group, cyclohexyl group, n- or iso-heptyl group, n- or iso-octyl group, 2-ethylhexyl group, n- or iso-nonyl group, n- or iso-decyl group, n- or iso-undecyl group and n- or iso-dodecyl group).
後述のnが1以上の場合、R2として導電性の観点から好ましいのは、炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数1〜4の直鎖又は分岐のアルキル基である。
nが0の場合、R2として導電性の観点から好ましいのは、炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数6〜12の直鎖又は分岐のアルキル基である。
When n described later is 1 or more, R 2 is preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, more preferably a linear or branched chain having 1 to 4 carbon atoms, from the viewpoint of conductivity. It is an alkyl group.
When n is 0, R 2 is preferably a linear or branched alkyl group having 3 to 12 carbon atoms, more preferably a linear or branched alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, from the viewpoint of conductivity. It is.
後述のmが1以上の場合、R5として導電性の観点から好ましいのは、炭素数1〜6の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数1〜4の直鎖又は分岐のアルキル基である。
mが0の場合、R5として導電性の観点から好ましいのは、炭素数3〜12の直鎖又は分岐のアルキル基、更に好ましいのは、炭素数6〜12の直鎖又は分岐のアルキル基である。
When m described later is 1 or more, R 5 is preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, more preferably a linear or branched group having 1 to 4 carbon atoms, from the viewpoint of conductivity. It is an alkyl group.
When m is 0, R 5 is preferably a linear or branched alkyl group having 3 to 12 carbon atoms, more preferably a linear or branched alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, from the viewpoint of conductivity. It is.
上記一般式(2)におけるR3は炭素数1〜4の直鎖又は分岐のアルキレン基(例えば、メチレン基、1,2−又は1,3−プロピレン基及び1,2−、1,3−、2,3−又は1,4−ブチレン基)を表し、溶剤溶解性及び導電性の観点から好ましいのは、炭素数1〜3の直鎖又は分岐のアルキレン基、更に好ましいのは、炭素数1又は2のアルキレン基である。 R 3 in the general formula (2) is a linear or branched alkylene group having 1 to 4 carbon atoms (for example, a methylene group, 1,2- or 1,3-propylene group, and 1,2-, 1,3- , 2,3- or 1,4-butylene group), preferably from the viewpoint of solvent solubility and conductivity, a linear or branched alkylene group having 1 to 3 carbon atoms, more preferably a carbon number. 1 or 2 alkylene group.
上記一般式(1)又は(2)におけるn及びmはそれぞれ独立に0〜5の整数である。nは、溶剤溶解性及び導電性の観点から、1〜5であることが好ましく、更に好ましくは、2〜5である。mは、溶剤溶解性及び導電性の観点から、0〜4であることが好ましく、更に好ましくは、0〜3である。 N and m in the general formula (1) or (2) are each independently an integer of 0 to 5. n is preferably 1 to 5 and more preferably 2 to 5 from the viewpoints of solvent solubility and conductivity. m is preferably 0 to 4 and more preferably 0 to 3 from the viewpoints of solvent solubility and conductivity.
本発明における置換ポリチオフェン(P)は、チオフェン繰り返し単位(α)のみからなっていてもよいし、置換されていないチオフェン繰り返し単位を含んでいてもよい。 The substituted polythiophene (P) in the present invention may consist of only the thiophene repeating unit (α) or may contain an unsubstituted thiophene repeating unit.
置換ポリチオフェン(P)中の上記チオフェン繰り返し単位(α)の含有量は、溶剤溶解性の観点から、好ましくは50〜100モル%、更に好ましくは60〜100モル%、特に好ましくは70〜100モル%である。 The content of the thiophene repeating unit (α) in the substituted polythiophene (P) is preferably 50 to 100 mol%, more preferably 60 to 100 mol%, particularly preferably 70 to 100 mol, from the viewpoint of solvent solubility. %.
本発明における置換ポリチオフェン(P)は、それぞれのチオフェン繰り返し単位に相当するモノマーのアニオン重合や酸化重合等、公知の方法で合成することができる。 The substituted polythiophene (P) in the present invention can be synthesized by a known method such as anionic polymerization or oxidation polymerization of a monomer corresponding to each thiophene repeating unit.
置換されたチオフェン繰り返し単位(α)に相当するモノマーとしては、チオフェン環の3位及び/又は4位がポリエーテル基(a)、アルコキシ基(b)、アルコキシアルキル基(c)又は前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)で置換され、2位と5位がハロゲン原子で置換されたチオフェン等が挙げられる。 As the monomer corresponding to the substituted thiophene repeating unit (α), the 3-position and / or 4-position of the thiophene ring is a polyether group (a), an alkoxy group (b), an alkoxyalkyl group (c) or the polyether. Examples include thiophene substituted with an alkyl group (d) substituted with the group (a) and substituted with a halogen atom at the 2nd and 5th positions.
チオフェン環の3位がポリエーテル基(a)で置換されたモノマーの具体例としては、3−(1,3−ジオキソペンチル)チオフェン、3−(1,4,7−トリオキサオクチル)チオフェン、3−(1,4,7,10−テトラオキサウンデシル)チオフェン、3−(1,4,7,10,13−ペンタオキサヘキサデシル)チオフェン、3−(1,4,7,10,13,16−ヘキサオキシペンタデシル)チオフェン、3−(1,5−ジオキサヘキシル)チオフェン、3−(1,5,9−トリオキサデシル)チオフェン、3−(1,5,9,13−テトラオキサテトラデシル)チオフェン、3−(1,4−ジオキサヘキシル)チオフェン、3−(1,4,7−トリオキサノニル)チオフェン又は3−(1,4,7,10−テトラオキサドデシル)チオフェンの2位と5位がハロゲン原子で置換されたチオフェン等が挙げられる。 Specific examples of the monomer in which the 3-position of the thiophene ring is substituted with a polyether group (a) include 3- (1,3-dioxopentyl) thiophene and 3- (1,4,7-trioxaoctyl) thiophene. 3- (1,4,7,10-tetraoxaundecyl) thiophene, 3- (1,4,7,10,13-pentaoxahexadecyl) thiophene, 3- (1,4,7,10, 13,16-hexaoxypentadecyl) thiophene, 3- (1,5-dioxahexyl) thiophene, 3- (1,5,9-trioxadecyl) thiophene, 3- (1,5,9,13- Tetraoxatetradecyl) thiophene, 3- (1,4-dioxahexyl) thiophene, 3- (1,4,7-trioxanonyl) thiophene or 3- (1,4,7,10-tetraoxadodecyl) 2-position and 5-position of the thiophene and the like thiophene substituted with a halogen atom.
チオフェン環の3位がアルコキシ基(b)で置換されたモノマーの具体例としては、3−メトキシチオフェン、3−エトキシチオフェン、3−ブトキシチオフェン、3−ペンチルオキシチオフェン、3−ヘキシルオキシチオフェン、3−ヘプチルオキシチオフェン、3−オクチルオシキチオフェン、3−ノニルオキシチオフェン、3−デシルオキシチオフェン、3−ウンデシルオキシチオフェン又は3−ドデシルオキシチオフェンの2位と5位がハロゲン原子で置換されたチオフェン等が挙げられる。 Specific examples of the monomer in which the 3-position of the thiophene ring is substituted with an alkoxy group (b) include 3-methoxythiophene, 3-ethoxythiophene, 3-butoxythiophene, 3-pentyloxythiophene, 3-hexyloxythiophene, 3 -Heptyloxythiophene, 3-octyloxythiophene, 3-nonyloxythiophene, 3-decyloxythiophene, 3-undecyloxythiophene, thiophene in which 2- and 5-positions of 3-dodecyloxythiophene are substituted with halogen atoms, etc. Is mentioned.
アルコキシアルキル基(c)で置換されたモノマーの具体例としては、3−(2−オキサプロピル)チオフェン、3−(2−オキサブチル)チオフェン、3−(2−オキサペンチル)チオフェン、3−(2−オキサヘキシル)チオフェン、3−(2−オキサヘプチル)チオフェン、3−(2−オキサオクチル)チオフェン、3−(2−オキサノニル)チオフェン、3−(2−オキサデシル)チオフェン、3−(2−オキサウンデシル)チオフェン、3−(2−オキサドデシル)チオフェン、3−(2−オキサトリデシル)チオフェン、3−(2−オキサテトラデシル)チオフェン、3−(2−オキサペンタデシル)チオフェン、3−(2−オキサヘキサデシル)チオフェン、3−(2−オキサヘプタデシル)チオフェン、3−(3−オキソノニル)チオフェン、3−(4−オキソデシル)チオフェン又は3−(5−ヘキサドデシル)チオフェン等が挙げられる。 Specific examples of the monomer substituted with the alkoxyalkyl group (c) include 3- (2-oxapropyl) thiophene, 3- (2-oxabutyl) thiophene, 3- (2-oxapentyl) thiophene, 3- (2 -Oxahexyl) thiophene, 3- (2-oxaheptyl) thiophene, 3- (2-oxaoctyl) thiophene, 3- (2-oxanonyl) thiophene, 3- (2-oxadecyl) thiophene, 3- (2-oxaundecyl) ) Thiophene, 3- (2-oxadodecyl) thiophene, 3- (2-oxatridecyl) thiophene, 3- (2-oxatetradecyl) thiophene, 3- (2-oxapentadecyl) thiophene, 3- (2 -Oxahexadecyl) thiophene, 3- (2-oxaheptadecyl) thiophene, 3- (3-oxono Le) thiophene, 3- (4-oxodecyl) thiophene or 3- (5-hexadodecyl) thiophene and the like.
前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)で置換されたモノマーの具体例としては、3−(2,5−ジオキサヘキシル)チオフェン、3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン、3−(2,5,8−トリオキサノニル)チオフェン又は3−(2,5,8−トリオキサデシル)チオフェンの2位と5位がハロゲン原子で置換されたチオフェン等が挙げられる。 Specific examples of the monomer substituted with the alkyl group (d) substituted with the polyether group (a) include 3- (2,5-dioxahexyl) thiophene and 3- (2,5-dioxaheptyl). ) Thiophene, 3- (2,5,8-trioxanonyl) thiophene or thiophene in which 2- and 5-positions of 3- (2,5,8-trioxadecyl) thiophene are substituted with halogen atoms. .
置換されていないチオフェン繰り返し単位に相当するモノマーとしては、チオフェンが挙げられる。 Examples of the monomer corresponding to the unsubstituted thiophene repeating unit include thiophene.
本発明における置換ポリチオフェン(P)の立体規則性(RR)は、通常50%以上、導電性の観点から好ましくは80%以上、更に好ましくは90%以上である。 The stereoregularity (RR) of the substituted polythiophene (P) in the present invention is usually 50% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more from the viewpoint of conductivity.
本発明における立体規則性(Regioregularity:RR)の定義を以下に説明する。
置換ポリチオフェン(P)の結合の種類は下記の一般式B1〜B4に示すように、HT−HT結合(B1)、TT−HT結合(B2)、HT−HH結合(B3)、TT−HH結合(B4)の4種類ある。尚ここで、HTはヘッドtoテール、TTはテールtoテール、HHはヘッドtoヘッドの略称である。
The definition of stereoregularity (RR) in the present invention will be described below.
As shown in the following general formulas B1 to B4, the substituted polythiophene (P) has HT-HT bond (B1), TT-HT bond (B2), HT-HH bond (B3), and TT-HH bond. There are four types (B4). Here, HT is an abbreviation for head to tail, TT is an abbreviation for tail to tail, and HH is an abbreviation for head to head.
上記4つの結合形式の化学式中のRは、ポリエーテル基(a)、アルコキシ基(b)、アルコキシアルキル基(c)又は前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基(d)を表す。 R in the chemical formulas of the four bond types represents a polyether group (a), an alkoxy group (b), an alkoxyalkyl group (c), or an alkyl group (d) substituted with the polyether group (a). .
本発明における立体規則性(RR)は、置換ポリチオフェン(P)中のHT−HT結合(ヘッドtoテール−ヘッドtoテール結合)の割合(%)で定義され、下記数式(1)により算出される。
立体規則性(RR)=B1×100/(B1+B2+B3+B4) (1)
ただし、B1:HT−HT結合の個数、B2:TT−HT結合の個数、B3:HT−HH結合の個数、B4:TT−HH結合の個数を表す。
The stereoregularity (RR) in the present invention is defined by the ratio (%) of HT-HT bonds (head-to-tail-head-to-tail bonds) in the substituted polythiophene (P), and is calculated by the following formula (1). .
Stereoregularity (RR) = B1 × 100 / (B1 + B2 + B3 + B4) (1)
Where B1: HT-HT bond number, B2: TT-HT bond number, B3: HT-HH bond number, B4: TT-HH bond number.
具体的には、これらの結合が有するプロトンは、核磁気共鳴法(1H−NMR)でそれぞれ特有のケミカルシフト(δ)を示すので、4種類の結合に該当するケミカルシフトの積分値から算出することができる。
一般式(1)で表されるチオフェン繰り返し単位(α1)を有する置換ポリチオフェンの場合、具体的には、B1:δ=6.98、B2:δ=7.00、B3:δ=7.02、B4:δ=7.05を示す。よってB1、B2、B3、B4特有のケミカルシフトにおける積分値S1、S2、S3、S4を計算し、その積分値の和に対するB1特有のケミカルシフトにおける積分値S1の割合(%)から立体規規則性(RR)を下記数式(2)を用いて算出する。
立体規則性(RR)=S1×100/(S1+S2+S3+S4) (2)
Specifically, the protons that these bonds have have specific chemical shifts (δ) by nuclear magnetic resonance ( 1 H-NMR), so they are calculated from the integrated values of chemical shifts corresponding to the four types of bonds. can do.
In the case of the substituted polythiophene having the thiophene repeating unit (α1) represented by the general formula (1), specifically, B1: δ = 6.98, B2: δ = 7.00, B3: δ = 7.02 , B4: δ = 7.05. Therefore, the integral values S1, S2, S3, S4 in the chemical shifts unique to B1, B2, B3, B4 are calculated, and the stereoregulation rule is calculated from the ratio (%) of the integral value S1 in the chemical shift unique to B1 to the sum of the integral values. The property (RR) is calculated using the following mathematical formula (2).
Stereoregularity (RR) = S1 × 100 / (S1 + S2 + S3 + S4) (2)
上述の通り、置換ポリチオフェン(P)は、チオフェン繰り返し単位(α1)又は(α2)有することにより、溶剤可溶となるが、更にイオン性親水性基を有する構造単位を導入することにより、水分散性の置換ポリチオフェン(P2)とすることができる。このような置換ポリチオフェンとして好ましいのは、チオフェン繰り返し単位(α1)と一般式(3)で表されるチオフェン繰り返し単位(β1)とを有する置換ポリチオフェン(P21)、及びチオフェン繰り返し単位(α2)と一般式(4)で表されるチオフェン繰り返し単位(β2)とを有する置換ポリチオフェン(P22)が挙げられる。 As described above, the substituted polythiophene (P) becomes soluble in the solvent when it has the thiophene repeating unit (α1) or (α2), but is further dispersed in water by introducing a structural unit having an ionic hydrophilic group. Sex substituted polythiophene (P2). Preferred as such a substituted polythiophene is a substituted polythiophene (P21) having a thiophene repeating unit (α1) and a thiophene repeating unit (β1) represented by the general formula (3), and a thiophene repeating unit (α2) And substituted polythiophene (P22) having a thiophene repeating unit (β2) represented by the formula (4).
一般式(3)におけるOR1、R2及びnはそれぞれ前記一般式(1)におけるOR1、R2及びnと同様である。また、一般式(4)におけるR3、OR4、R5は及びmは、それぞれ前記一般式(2)におけるR3、OR4、R5は及びmと同様である。
一般式(3)及び(4)におけるM+は、アルカリ金属カチオン(リチウムイオン、ナトリウムイオン及びカリウムイオン等)又はプロトンを表す。
M+は水への分散性の観点からアルカリ金属カチオンであることが好ましく、電解質に対する安定性の観点から更に好ましいのはリチウムイオンである。
OR 1, R 2 and n in the general formula (3) is the same as OR 1, R 2 and n in formula respectively (1). Further, R 3 in the general formula (4), OR 4, R 5 is and m, R 3, OR 4, R 5 are the same as and m in each of the general formula (2).
M + in the general formulas (3) and (4) represents an alkali metal cation (such as a lithium ion, a sodium ion, or a potassium ion) or a proton.
M + is preferably an alkali metal cation from the viewpoint of dispersibility in water, and more preferably lithium ion from the viewpoint of stability to the electrolyte.
チオフェン繰り返し単位(α1)とチオフェン繰り返し単位(β1)とを有する置換ポリチオフェン(P21)は、置換されたチオフェン繰り返し単位としてチオフェン繰り返し単位(α1)のみを有する置換ポリチオフェン(P11)をスルホン化することにより製造することができる。
また、チオフェン繰り返し単位(α2)とチオフェン繰り返し単位(β2)とを有する置換ポリチオフェン(P22)は、置換されたチオフェン繰り返し単位としてチオフェン繰り返し単位(α2)のみを有する置換ポリチオフェン(P12)をスルホン化試薬によりスルホン化することにより製造することができる。
スルホン化試薬としては、モノクロロ硫酸、発煙硫酸及び濃硫酸等を挙げることができるがこれらに限定されない。
The substituted polythiophene (P21) having the thiophene repeating unit (α1) and the thiophene repeating unit (β1) is obtained by sulfonating the substituted polythiophene (P11) having only the thiophene repeating unit (α1) as the substituted thiophene repeating unit. Can be manufactured.
The substituted polythiophene (P22) having a thiophene repeating unit (α2) and a thiophene repeating unit (β2) is a sulfonation reagent obtained by replacing the substituted polythiophene (P12) having only the thiophene repeating unit (α2) as a substituted thiophene repeating unit. Can be produced by sulfonation.
Examples of the sulfonation reagent include, but are not limited to, monochlorosulfuric acid, fuming sulfuric acid, and concentrated sulfuric acid.
置換ポリチオフェン(P21)中のチオフェン繰り返し単位(β1)の含有量は、水分散性、導電性及び合成の容易性の観点から、通常5〜70モル%であり、好ましくは30〜60モル%、更に好ましくは50〜60モル%である。
置換ポリチオフェン(P21)中のチオフェン繰り返し単位(α1)の含有量は、水分散性、導電性及び合成の容易性の観点から、通常30〜95モル%、好ましくは40〜70モル%、更に好ましくは40〜50モル%である。
置換ポリチオフェン(P22)中のチオフェン繰り返し単位(β2)及び(α2)の含有量は、それぞれ、上記(P21)におけるチオフェン繰り返し単位(β1)及び(α1)の含有量と同様であり、好ましい範囲も同様である。
The content of the thiophene repeating unit (β1) in the substituted polythiophene (P21) is usually 5 to 70 mol%, preferably 30 to 60 mol%, from the viewpoints of water dispersibility, conductivity, and ease of synthesis. More preferably, it is 50-60 mol%.
The content of the thiophene repeating unit (α1) in the substituted polythiophene (P21) is usually 30 to 95 mol%, preferably 40 to 70 mol%, more preferably from the viewpoints of water dispersibility, conductivity, and ease of synthesis. Is 40 to 50 mol%.
The contents of the thiophene repeating units (β2) and (α2) in the substituted polythiophene (P22) are the same as the contents of the thiophene repeating units (β1) and (α1) in (P21), respectively. It is the same.
本発明における置換ポリチオフェン(P)として、導電性の観点から好ましいのは、置換ポリチオフェン(P11)又は(P12)であり、有機溶剤を使用しないという環境負荷の観点から好ましいのは、置換ポリチオフェン(P21)又は(P22)である。 As the substituted polythiophene (P) in the present invention, the substituted polythiophene (P11) or (P12) is preferable from the viewpoint of conductivity, and the substituted polythiophene (P21) is preferable from the viewpoint of environmental load that does not use an organic solvent. ) Or (P22).
本発明における結着剤(A)には、必要に応じて結着力を補助する高分子化合物や導電助剤を混合してもよい。
結着力を補助する高分子化合物を使用する際、置換ポリチオフェン(P)を後述の有機溶剤に溶解して使用する場合は、有機溶剤に可溶性の高分子化合物を混合することができ、また、置換ポリチオフェン(P)を水に分散させて使用する場合は、水溶性高分子化合物を混合することができる。
The binder (A) in the present invention may be mixed with a polymer compound or a conductive aid that assists the binding force as necessary.
When using a polymer compound that assists the binding force when the substituted polythiophene (P) is dissolved in an organic solvent to be described later, a polymer compound that is soluble in the organic solvent can be mixed. When polythiophene (P) is used by dispersing in water, a water-soluble polymer compound can be mixed.
有機溶剤に可溶性の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げる事ができる。
これらの中で特に好ましいのはポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。
Examples of the polymer compound soluble in the organic solvent include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene. Copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene Copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene - chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride - hexafluoropropylene - tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride - can be exemplified tetrafluoroethylene copolymer - perfluoromethyl vinyl ether.
Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are particularly preferable.
水溶性高分子化合物としては、例えば、カルボキシメチルセルロース類、ポリ(メタ)アクリル酸類、ポリビニルアルコール、ポリビニルスルホン酸、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリルアミド、ポリ−N−イソプロピルアクリルアミド、ポリ−N,N−ジメチルアクリルアミド、ポリオキシエチレン及びポリエリレンイミン等が挙げられる。 Examples of the water-soluble polymer compound include carboxymethyl celluloses, poly (meth) acrylic acids, polyvinyl alcohol, polyvinyl sulfonic acid, polyvinylidene fluoride, polyvinyl pyrrolidone, polyethylene oxide, polyacrylamide, poly-N-isopropylacrylamide, poly -N, N-dimethylacrylamide, polyoxyethylene, polyerylenimine and the like.
特にカルボキシメチルセルロース類としては、カルボキシメチルセルロース(Li塩、Na塩、K塩又はNH4塩を含む)、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、セルロースアセテートプチレート、酸化スターチ及びりん酸化スターチが挙げられる。
また、ポリ(メタ)アクリル酸類としては、(メタ)アクリル酸の単独重合体、(メタ)アクリル酸とイタコン酸及び/又はマレイン酸等の共重合体、並びにこれらのLi塩、Na塩、K塩又はNH4塩等が挙げられる。
これらの中で好ましいのはセルロース類、更に好ましいのはカルボキシメチルセルロース類、特に好ましいのはカルボキシメチルセルロースである。
In particular, carboxymethyl celluloses include carboxymethyl cellulose (including Li salt, Na salt, K salt or NH 4 salt), methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, cellulose acetate petrate, oxidized starch, and phosphorylated starch. .
Poly (meth) acrylic acids include (meth) acrylic acid homopolymers, copolymers of (meth) acrylic acid and itaconic acid and / or maleic acid, and their Li salts, Na salts, K Salt or NH 4 salt.
Among these, preferred are celluloses, more preferred are carboxymethylcelluloses, and particularly preferred is carboxymethylcellulose.
結着剤(A)中の結着力を補助する高分子化合物の含有量は、通常0〜80重量%であり、好ましくは1〜50重量%である。高分子化合物の含有量が多すぎると出力の低下等が起こるため好ましくない。 Content of the high molecular compound which assists the binding force in a binder (A) is 0 to 80 weight% normally, Preferably it is 1 to 50 weight%. If the content of the polymer compound is too large, the output is reduced, which is not preferable.
本発明の結着剤(A)に混合することができる導電助剤は、用いる正極材料の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば特に限定されない。
導電助剤としては、例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック及びサーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維及び金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、銅、ニッケル、アルミニウム及び銀等の金属粉末類、酸化亜鉛及びチタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料等並びにこれらの混合物が挙げられる。これらの導電剤の内、人造黒鉛、アセチレンブラック及びニッケル粉末が特に好ましい。
The conductive auxiliary agent that can be mixed with the binder (A) of the present invention is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode material used.
Examples of the conductive assistant include graphites such as natural graphite (flaky graphite etc.) and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black, carbon fiber And conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as carbon fluoride, copper, nickel, aluminum and silver, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, Examples thereof include organic conductive materials such as polyphenylene derivatives, and mixtures thereof. Of these conductive agents, artificial graphite, acetylene black and nickel powder are particularly preferred.
結着剤(A)中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ましく、更に好ましくは1〜30重量%である。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が特に好ましい。 Although content of the conductive support agent in a binder (A) is not specifically limited, 1 to 50 weight% is preferable, More preferably, it is 1 to 30 weight%. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
本発明の正極材料は、結着剤(A)と活物質(B)と溶媒とを混練した後、この混練物を乾燥させることにより得ることができる。 The positive electrode material of the present invention can be obtained by kneading the binder (A), active material (B), and solvent, and then drying the kneaded product.
具体的には、結着剤(A)と活物質(B)とを所望の比率で混合し、これに溶媒を加えてスラリー状の混練物を得る。得られた混練物を、アルミ箔等の集電体に塗工して乾燥させ、更に必要に応じて所定の圧力でプレスして、電極材料とする。
尚、混練物を乾燥する際の乾燥温度は、100〜150℃とすることが好ましく、120〜140℃とすることが更に好ましい。乾燥温度が100℃未満の場合は、電極材料中に残存する溶媒の分量が多くなる場合があり、電池の特性に悪影響を及ぼすことがある。また、150℃を超えると、結着剤の分解(炭化)が生じ易く、やはり電池の特性に悪影響を及ぼすことがある。
Specifically, the binder (A) and the active material (B) are mixed at a desired ratio, and a solvent is added thereto to obtain a slurry-like kneaded product. The obtained kneaded material is applied to a current collector such as an aluminum foil and dried, and further pressed at a predetermined pressure as necessary to obtain an electrode material.
In addition, it is preferable that the drying temperature at the time of drying a kneaded material shall be 100-150 degreeC, and it is still more preferable to set it as 120-140 degreeC. When the drying temperature is less than 100 ° C., the amount of the solvent remaining in the electrode material may increase, which may adversely affect the characteristics of the battery. On the other hand, when the temperature exceeds 150 ° C., the binder is likely to be decomposed (carbonized), which may adversely affect the characteristics of the battery.
活物質(B)としては、リチウム遷移金属複合酸化物を用いることができ、例えば、LixFePO4、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn2O4、LixMn2-yMyO4(但し、Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb及びBから選ばれる少なくとも1種の原子、xは0〜1.2の数、yは0〜0.9の数、zは2.0〜2.3の数である。)等が挙げられる。
ここで、上記のxの値は、充放電開始前の値であり、充放電により増減する。この中でも、コストの観点からLixFePO4又はLixCoO2が好ましく、更に160度以上の高温であっても発熱分解しないという安全性の観点からLixFePO4が好ましい。
The active material (B), can be used lithium-transition metal composite oxide, for example, Li x FePO 4, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co y Ni 1-y O 2 , Li x Co y M 1-y O z , Li x Ni 1- y My O z , Li x Mn 2 O 4 , Li x Mn 2- y My O 4 (where M is Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb and B. At least one atom selected from x, x is a number from 0 to 1.2, y is 0 to 0 0.9, and z is a number from 2.0 to 2.3).
Here, the value of x described above is a value before the start of charge / discharge, and increases or decreases due to charge / discharge. Among these, preferably Li x FePO 4, or Li x CoO 2 in terms of cost, further Li x FePO 4 are preferable in view of safety of not exothermic decomposition even at a high temperature of over 160 degrees.
本発明における活物質(B)に対する結着剤(A)の量は、通常1〜20重量%であり、好ましくは3〜10重量%、更に好ましくは3〜5重量%である。結着剤が少なすぎると活物質を十分に接着することができず、多すぎると電池のエネルギー密度が低下するため好ましくない。 The amount of the binder (A) relative to the active material (B) in the present invention is usually 1 to 20% by weight, preferably 3 to 10% by weight, and more preferably 3 to 5% by weight. If the amount of the binder is too small, the active material cannot be sufficiently bonded, and if the amount is too large, the energy density of the battery is lowered, which is not preferable.
本発明の結着剤(A)と活物質(B)を混錬するときの溶媒は、結着剤(A)に含まれる置換ポリチオフェン(P)が置換ポリチオフェン(P11)又は(P12)であるときは、沸点が150℃未満の有機溶剤が好ましく、置換ポリチオフェン(P21)又は(P22)であるときは水であることが好ましい。 In the solvent for kneading the binder (A) and active material (B) of the present invention, the substituted polythiophene (P) contained in the binder (A) is substituted polythiophene (P11) or (P12). In some cases, an organic solvent having a boiling point of less than 150 ° C. is preferred, and in the case of substituted polythiophene (P21) or (P22), water is preferred.
有機溶媒としては、沸点が150℃未満のものが好ましい。沸点が150℃以上であると乾燥工程で電極材料中に残存する溶媒の分量が多くなる場合があり、電池の特性に悪影響を及ぼすことがある。このような有機溶剤としては、1−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、クロロホルム、テトラヒドロフラン(以下、THFと略記)、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン及びトルエン等が上げられる。この中でも置換ポリチオフェン(P)の溶解性の観点から1−メチル−2−ピロリドン及び1,3−ジオキソランが好ましい。 The organic solvent preferably has a boiling point of less than 150 ° C. If the boiling point is 150 ° C. or higher, the amount of the solvent remaining in the electrode material in the drying process may increase, which may adversely affect the battery characteristics. Examples of such an organic solvent include 1-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, chloroform, tetrahydrofuran (hereinafter abbreviated as THF), 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane, toluene and the like. Among these, 1-methyl-2-pyrrolidone and 1,3-dioxolane are preferable from the viewpoint of solubility of the substituted polythiophene (P).
本発明の正極材料を作製するときの溶媒の量としては活物質(B)に対して50〜300重量%であり、好ましくは50〜100重量%である。溶媒が少なすぎると活物質(B)と結着剤(A)を十分混錬することができず、多すぎると電極材料中に残存する溶媒の分量が多くなる場合があり、電池の特性に悪影響を及ぼすことがあるため好ましくない。 The amount of the solvent when producing the positive electrode material of the present invention is 50 to 300% by weight, preferably 50 to 100% by weight, based on the active material (B). If the amount of the solvent is too small, the active material (B) and the binder (A) cannot be sufficiently kneaded, and if the amount is too large, the amount of the solvent remaining in the electrode material may increase, which may contribute to battery characteristics. Since it may have an adverse effect, it is not preferable.
本発明で使用される集電体としては、用いる正極材料の充放電電位において化学変化を起こさない電子伝導体であれば特に限定されず、例えば、材料としてステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素及び導電性樹脂等の他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、あるいはチタンを処理したものが用いられる。これらの内、特に好ましいのは、アルミニウム及びアルミニウム合金である。これらの材料は、その表面を酸化して用いることもできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付けることが望ましい。
集電体の形状としては、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス(lath)体、多孔質体、発泡体、繊維群、不織布体の成形体等が挙げられる。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1〜500μmであることが好ましい。
The current collector used in the present invention is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the charge / discharge potential of the positive electrode material to be used. For example, the material is stainless steel, aluminum, titanium, carbon, and conductive. In addition to the functional resin, the surface of aluminum or stainless steel treated with carbon or titanium is used. Of these, aluminum and aluminum alloys are particularly preferable. These materials can be used by oxidizing the surface thereof. Further, it is desirable to make the current collector surface uneven by surface treatment.
Examples of the shape of the current collector include films, sheets, nets, punched materials, lath bodies, porous bodies, foams, fiber groups, nonwoven fabric molded bodies, and the like.
The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm.
以下、実施例及び比較例により本発明を更に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下、部は重量部を示す。 Hereinafter, although an example and a comparative example explain the present invention further, the present invention is not limited to these. Hereinafter, a part shows a weight part.
<製造例1>
ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)(P−1)の合成:
(1)3−オクチルオキシチオフェンの合成;
N,N−ジメチルホルムアミド25部に水素化ナトリウム1.11部を分散させ、そこにオクタノール17.65部を滴下した。反応溶液は発泡し、白濁した。発泡が収まったところで、反応溶液に3−ブロモチオフェン(アルドリッチ社製)5部と臭化銅(I)0.445部を順に加えた。
反応溶液を110℃まで加熱し、1時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、1Mの塩化アンモニウム水溶液30部を加え、酢酸エチル30部を使って分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、酢酸エチルを留去し、3−オクチルオキシチオフェン6部(収率97%)を得た。
<Production Example 1>
Synthesis of poly (3-octyloxythiophene) (P-1):
(1) Synthesis of 3-octyloxythiophene;
1.25 parts of sodium hydride was dispersed in 25 parts of N, N-dimethylformamide, and 17.65 parts of octanol was added dropwise thereto. The reaction solution foamed and became cloudy. When the foaming stopped, 5 parts of 3-bromothiophene (manufactured by Aldrich) and 0.445 parts of copper (I) bromide were sequentially added to the reaction solution.
The reaction solution was heated to 110 ° C. and reacted for 1 hour. After completion of the reaction, the mixture was allowed to cool to room temperature, 30 parts of 1M aqueous ammonium chloride solution was added, and the mixture was transferred to a separatory funnel using 30 parts of ethyl acetate, and then the aqueous layer was separated. Further, the organic layer was washed twice with 30 parts of distilled water, and then ethyl acetate was distilled off to obtain 6 parts of 3-octyloxythiophene (yield 97%).
(2)2,5−ジブロモ−3−オクチルオキシチオフェンの合成;
上記の3−オクチルオキシチオフェン6部とN−ブロモスクシンイミド13.96部をTHFに溶解させ、室温で2時間反応させた。
酢酸エチル50部を使ってグラスフィルターで沈殿物を除去し、THFと酢酸エチルを留去した。得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、2,5−ジブロモ−3−オクチルオキシチオフェン8.41部(収率78.7%)を得た。
(2) Synthesis of 2,5-dibromo-3-octyloxythiophene;
6 parts of the above 3-octyloxythiophene and 13.96 parts of N-bromosuccinimide were dissolved in THF and reacted at room temperature for 2 hours.
The precipitate was removed with a glass filter using 50 parts of ethyl acetate, and THF and ethyl acetate were distilled off. The obtained mixture was purified by a silica gel column to obtain 8.41 parts (yield 78.7%) of 2,5-dibromo-3-octyloxythiophene.
(3)ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)(P−1)の合成;
上記の2,5−ジブロモ−3−オクチルオキシチオフェン8.41部をTHF30部に溶かした後、メチルマグネシウムブロマイドTHF溶液25部を加え、75℃で30分反応させた。その反応溶液に[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]−ジクロロニッケル(II)0.127部を加え、75℃のまま更に2時間反応させた。
反応溶液を室温まで放冷した後、メタノール5部を加えた。反応混合物をソックスレー抽出器に移し、メタノール150部とヘキサン150部で順に洗浄した。最後に残留物をクロロホルム150部で抽出し、溶剤を留去してポリ(3−オクチルオキシチオフェン)(P−1)2.95部(収率63%、全収率48%)を得た。前述の1H−NMRを用いた方法で算出した立体規則性は96.3%であった。
(3) Synthesis of poly (3-octyloxythiophene) (P-1);
After dissolving 8.41 parts of the above 2,5-dibromo-3-octyloxythiophene in 30 parts of THF, 25 parts of methylmagnesium bromide THF solution was added and reacted at 75 ° C. for 30 minutes. To the reaction solution, 0.127 part of [1,3-bis (diphenylphosphino) propane] -dichloronickel (II) was added, and the reaction was further continued for 2 hours at 75 ° C.
The reaction solution was allowed to cool to room temperature, and 5 parts of methanol was added. The reaction mixture was transferred to a Soxhlet extractor and washed sequentially with 150 parts of methanol and 150 parts of hexane. Finally, the residue was extracted with 150 parts of chloroform, and the solvent was distilled off to obtain 2.95 parts of poly (3-octyloxythiophene) (P-1) (63% yield, 48% overall yield). . The stereoregularity calculated by the above-mentioned method using 1 H-NMR was 96.3%.
<製造例2>
ポリ(3−デシルオキシチオフェン)(P−2)の合成:
オクタノール17.65部の代わりにデカノール[東京化成工業(株)製]21.45部を使用したこと以外は製造例1と同様にして立体規則性が95.6%であるポリ(3−デカノキシチオフェン)(P−2)3.05部を得た(全収率41.7%)。
尚、オクタノールをデカノールに変更するに際して、反応成分のモル比及び非反応成分(溶剤等)の重量比が、製造例1における場合と同等となるように、各原料の量を調整して操作を行った。以下の製造例3、4、6〜9及び11についても同様に行った。
<Production Example 2>
Synthesis of poly (3-decyloxythiophene) (P-2):
Poly (3-deca) having a stereoregularity of 95.6% as in Production Example 1 except that 21.45 parts of decanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 17.65 parts of octanol. Noxythiophene) (P-2) (3.05 parts) was obtained (total yield: 41.7%).
When changing octanol to decanol, the operation was carried out by adjusting the amount of each raw material so that the molar ratio of the reaction components and the weight ratio of the non-reaction components (solvent, etc.) were the same as in Production Example 1. went. It carried out similarly about the following manufacture examples 3, 4, 6-9, and 11.
<製造例3>
ポリ(3−ドデシルオキシチオフェン)(P−3)の合成:
オクタノール17.65部の代わりにドデカノール[東京化成工業(株)製]25.26部を使用したこと以外は製造例1と同様にして立体規則性が96.6%であるポリ(3−ドデシルオキシチオフェン)(P−3)3.51部を得た(全収率42.9%)。
<Production Example 3>
Synthesis of poly (3-dodecyloxythiophene) (P-3):
Poly (3-dodecyl) having a stereoregularity of 96.6% as in Production Example 1 except that 25.26 parts of dodecanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 17.65 parts of octanol. Oxythiophene) (P-3) 3.51 parts were obtained (42.9% overall yield).
<製造例4>
ポリ{3−(1,4−ジオキサヘキサデシル)チオフェン}(P−4)の合成:
オクタノール17.65部の代わりにエチレングリコールモノドデシルエーテル[東京化成工業(株)製]31.23部を使用したこと以外は製造例1と同様にして立体規則性が96.4%である(P−4)4.27部を得た(全収率44.8%)。
<Production Example 4>
Synthesis of poly {3- (1,4-dioxahexadecyl) thiophene} (P-4):
The stereoregularity is 96.4% in the same manner as in Production Example 1 except that 31.23 parts of ethylene glycol monododecyl ether (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) is used instead of 17.65 parts of octanol. P-4) 4.27 parts were obtained (44.8% overall yield).
<製造例5>
ポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}(P−5)の合成:
(1)3−ブロモメチルチオフェンの合成;
3−メチルチオフェン[東京化成工業(株)製]5部(50.9mmol)、N−ブロモスクシンイミド9.97部(56.0mmol)、ジベンゾイルパーオキサイド[東京化成工業(株)製]0.12部(0.50mmol)をベンゼン30部に溶解させた後、100℃まで昇温し、4時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、1Mのチオ硫酸ナトリウム水溶液30部を加え、分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、ベンゼンを留去し、3−ブロモメチルチオフェン6.32部(35.7mmol)(収率70.1%)を得た。
<Production Example 5>
Synthesis of poly {3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene} (P-5):
(1) Synthesis of 3-bromomethylthiophene;
3-methylthiophene [Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] 5 parts (50.9 mmol), N-bromosuccinimide 9.97 parts (56.0 mmol), dibenzoyl peroxide [Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] 0. After 12 parts (0.50 mmol) was dissolved in 30 parts of benzene, the temperature was raised to 100 ° C. and reacted for 4 hours. After completion of the reaction, the mixture was allowed to cool to room temperature, 30 parts of 1M aqueous sodium thiosulfate solution was added, and the mixture was transferred to a separatory funnel, and then the aqueous layer was separated. Further, the organic layer was washed twice with 30 parts of distilled water, and then benzene was distilled off to obtain 6.32 parts (35.7 mmol) of 3-bromomethylthiophene (yield 70.1%).
(2)3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェンの合成;
2−エトキシエタノール3.54部(39.3mmol)をTHF15部に溶解させ、そこに水素化ナトリウム(60%パラフィン分散)を加えた。上記の3−ブロモメチルチオフェン6.32部(35.7mmol)をTHF15部に溶かし、2時間かけて滴下した後、100℃まで昇温し、4時間反応させた。反応終了後、室温まで放冷し、蒸留水30部を加え、分液ロートに移した後、水層を分離した。更に有機層を蒸留水30部で2回洗浄した後、THFを留去し、得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン5.68部(30.5mmol)(収率85.4%)を得た。
(2) Synthesis of 3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene;
3.54 parts (39.3 mmol) of 2-ethoxyethanol was dissolved in 15 parts of THF, and sodium hydride (60% paraffin dispersion) was added thereto. 6.32 parts (35.7 mmol) of the above 3-bromomethylthiophene was dissolved in 15 parts of THF, added dropwise over 2 hours, then heated to 100 ° C. and reacted for 4 hours. After completion of the reaction, the mixture was allowed to cool to room temperature, 30 parts of distilled water was added, and the mixture was transferred to a separatory funnel, and the aqueous layer was separated. Further, the organic layer was washed twice with 30 parts of distilled water, THF was distilled off, and the resulting mixture was purified with a silica gel column to obtain 5.68 parts of 3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene. (30.5 mmol) (yield 85.4%) was obtained.
(3)2,5−ジブロモ−3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェンの合成;
上記の3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン5.68部(30.5mmol)とN−ブロモスクシンイミド11.9部(67.1mmol)をTHFに溶解させ、室温で2時間反応させた。
酢酸エチル50部を使ってグラスフィルターで沈殿物を除去し、THFと酢酸エチルを留去した。得られた混合物をシリカゲルカラムで精製することにより、2,5−ジブロモ−3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン8.11部(23.6mmol)(収率77.3%)を得た。
(3) Synthesis of 2,5-dibromo-3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene;
5.68 parts (30.5 mmol) of 3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene and 11.9 parts (67.1 mmol) of N-bromosuccinimide were dissolved in THF and reacted at room temperature for 2 hours. .
The precipitate was removed with a glass filter using 50 parts of ethyl acetate, and THF and ethyl acetate were distilled off. The obtained mixture was purified with a silica gel column to obtain 8.11 parts (23.6 mmol) of 2,5-dibromo-3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene (yield 77.3%). It was.
(4)ポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}(P−5)の合成;
上記の2,5−ジブロモ−3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン8.11部(23.6mmol)をTHF30部に溶かした後、メチルマグネシウムブロマイドTHF溶液25部を加え、75℃で30分反応させた。その反応溶液に[1,3−ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン]−ジクロロニッケル(II)0.127部を加え、75℃のまま更に2時間反応させた。反応溶液を室温まで放冷した後、メタノール5部を加えた。反応混合物をソックスレー抽出器に移し、メタノール150部とヘキサン150部で順に洗浄した。最後に残留物をクロロホルム150部で抽出し、溶剤を留去して、立体規則性が96.7%であるポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}(P−5)2.85部(収率65.5%、全収率30.4%)を得た。
(4) Synthesis of poly {3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene} (P-5);
After dissolving 8.11 parts (23.6 mmol) of the above 2,5-dibromo-3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene in 30 parts of THF, 25 parts of methylmagnesium bromide THF solution was added, and the mixture was heated at 75 ° C. The reaction was performed for 30 minutes. To the reaction solution, 0.127 part of [1,3-bis (diphenylphosphino) propane] -dichloronickel (II) was added, and the reaction was further continued for 2 hours at 75 ° C. The reaction solution was allowed to cool to room temperature, and 5 parts of methanol was added. The reaction mixture was transferred to a Soxhlet extractor and washed sequentially with 150 parts of methanol and 150 parts of hexane. Finally, the residue was extracted with 150 parts of chloroform, the solvent was distilled off, and poly {3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene} (P-5) 2 having a stereoregularity of 96.7%. 0.85 part (yield 65.5%, total yield 30.4%) was obtained.
<製造例6>
ポリ{3−(2,5−ジオキサヘキシル)チオフェン}(P−6)の合成:
2−エトキシエタノール3.54部の代わりに2−メトキシエタノール2.99部[東京化成工業(株)製]を使用したこと以外は製造例5と同様にして立体規則性が97.4%である(P−6)2.40部を得た(全収率27.7%)。
<Production Example 6>
Synthesis of poly {3- (2,5-dioxahexyl) thiophene} (P-6):
The stereoregularity was 97.4% in the same manner as in Production Example 5 except that 2.99 parts of 2-methoxyethanol [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] was used instead of 3.54 parts of 2-ethoxyethanol. There was obtained 2.40 parts of (P-6) (total yield 27.7%).
<製造例7>
ポリ{3−(2,5−ジオキサオクチル)チオフェン}(P−7)の合成:
2−エトキシエタノール3.54部の代わりに2−プロポキシエタノール4.09部[東京化成工業(株)製]を使用したこと以外は製造例5と同様にして立体規則性が95.9%である(P−7)2.72部を得た(全収率27.0%)。
<Production Example 7>
Synthesis of poly {3- (2,5-dioxaoctyl) thiophene} (P-7):
The stereoregularity was 95.9% in the same manner as in Production Example 5 except that 4.09 parts of 2-propoxyethanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 3.54 parts of 2-ethoxyethanol. There was obtained 2.72 parts of (P-7) (total yield: 27.0%).
<製造例8>
ポリ{3−(2,5,8−トリオキサデシル)チオフェン}(P−8)の合成:
2−エトキシエタノール3.54部の代わりにジエチレングリコールモノエチルエーテル5.27部[東京化成工業(株)製]を使用したこと以外は製造例5と同様にして立体規則性が95.8%である(P−8)3.13部を得た(全収率26.9%)。
<Production Example 8>
Synthesis of poly {3- (2,5,8-trioxadecyl) thiophene} (P-8):
The stereoregularity was 95.8% in the same manner as in Production Example 5 except that 5.27 parts of diethylene glycol monoethyl ether (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 3.54 parts of 2-ethoxyethanol. There was obtained 3.13 parts of (P-8) (total yield 26.9%).
<製造例9>
ポリ{3−(2−オキサペンチル)チオフェン}(P−9)の合成:
2−エトキシエタノール3.54部の代わりにn−プロパノール2.36部[東京化成工業(株)製]を使用したこと以外は製造例5と同様にして立体規則性が96.0%である(P−9)2.14部を得た(全収率27.2%)。
<Production Example 9>
Synthesis of poly {3- (2-oxapentyl) thiophene} (P-9):
The stereoregularity is 96.0% in the same manner as in Production Example 5 except that 2.36 parts of n-propanol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) are used instead of 3.54 parts of 2-ethoxyethanol. 2.14 parts of (P-9) were obtained (total yield 27.2%).
<製造例10>
スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)リチウム塩(P−10)の合成:
(1)スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)の合成;
製造例1で得られた(P−1)6.02部に発煙硫酸180部を混合し、85℃で24時間反応させた。反応混合物を蒸留水6000部で希釈した後、室温で1時間攪拌し、分散させた。遠心分離機を使って分散体を沈降させ、上澄みを除いた後、遠心分離機で蒸留水800部を使って2回洗浄した。得られた沈殿物を蒸留水6000部に入れ、超音波を30分照射して分散させた。
得られた分散液を、イオン交換樹脂(Anberjet 4400、アルドリッチ社製)30部を充填したカラムに通して、残留するスルホン酸を取り除いたのち、水を減圧留去し、スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)7.12g(収率96%)を得た。
<Production Example 10>
Synthesis of sulfonated poly (3-octyloxythiophene) lithium salt (P-10):
(1) Synthesis of sulfonated poly (3-octyloxythiophene);
180 parts of fuming sulfuric acid were mixed with 6.02 parts of (P-1) obtained in Production Example 1 and reacted at 85 ° C. for 24 hours. The reaction mixture was diluted with 6000 parts of distilled water and then stirred at room temperature for 1 hour to be dispersed. The dispersion was settled using a centrifuge, the supernatant was removed, and then washed twice with 800 parts of distilled water using a centrifuge. The obtained precipitate was put into 6000 parts of distilled water and dispersed by irradiating with ultrasonic waves for 30 minutes.
The obtained dispersion was passed through a column packed with 30 parts of an ion exchange resin (Anverjet 4400, manufactured by Aldrich). After removing residual sulfonic acid, water was distilled off under reduced pressure to obtain sulfonated poly (3- 7.12 g (96% yield) of octyloxythiophene was obtained.
(2)スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)リチウム塩(P−10)の合成;
上記スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)7.12部を蒸留水50部に分散させた後、炭酸リチウム0.55部を加えて室温で1時間反応させた。反応混合物を減圧して水を留去し、スルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)リチウム塩(P−10)7.21部(収率99%、全収率95%)を得た。
得られたスルホン化ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)リチウム塩をNMRにより分析した結果、チオフェン繰り返し単位(α1)の含有量は49モル%、チオフェン繰り返し単位(β1)の含有量は51モル%であった。
(2) Synthesis of sulfonated poly (3-octyloxythiophene) lithium salt (P-10);
After 7.12 parts of the sulfonated poly (3-octyloxythiophene) was dispersed in 50 parts of distilled water, 0.55 part of lithium carbonate was added and reacted at room temperature for 1 hour. The reaction mixture was depressurized and water was distilled off to obtain 7.21 parts (99% yield, 95% overall yield) of sulfonated poly (3-octyloxythiophene) lithium salt (P-10).
As a result of analyzing the obtained sulfonated poly (3-octyloxythiophene) lithium salt by NMR, the content of the thiophene repeating unit (α1) was 49 mol%, and the content of the thiophene repeating unit (β1) was 51 mol%. there were.
<製造例11>
スルホン化ポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}リチウム塩(P−11)の合成:
(P−1)6.02部の代わりに製造例5で得られた(P−5)5.27部を使用したこと以外は製造例10と同様にしてスルホン化ポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}リチウム塩(P−11)5.87部を得た(全収率91%)。得られたスルホン化ポリ{3−(2,5−ジオキサヘプチル)チオフェン}リチウム塩をNMRにより分析した結果、チオフェン繰り返し単位(α2)の含有量は52モル%、チオフェン繰り返し単位(β2)の含有量は48モル%であった。
<Production Example 11>
Synthesis of sulfonated poly {3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene} lithium salt (P-11):
(P-1) A sulfonated poly {3- (2,2) in the same manner as in Production Example 10 except that 5.27 parts of (P-5) obtained in Production Example 5 were used instead of 6.02 parts. 5-87 parts of 5-dioxaheptyl) thiophene} lithium salt (P-11) was obtained (91% overall yield). The obtained sulfonated poly {3- (2,5-dioxaheptyl) thiophene} lithium salt was analyzed by NMR. As a result, the content of the thiophene repeating unit (α2) was 52 mol%, and the thiophene repeating unit (β2) The content was 48 mol%.
<製造例12>
負極の作製;
平均粒径約8〜12μmの黒鉛粉末92.5部、ポリフッ化ビニリデン7.5部及び1−メチル−2−ピロリドン[東京化成工業(株)製]200部を乳鉢で十分に混合し、スラリーを得た。得られたスラリーを、厚さ20μmの銅箔の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、12mmφに打ち抜き、プレス機で厚さ30μmにして負極を作製した。
<Production Example 12>
Production of negative electrode;
92.5 parts of graphite powder having an average particle size of about 8 to 12 μm, 7.5 parts of polyvinylidene fluoride and 200 parts of 1-methyl-2-pyrrolidone [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] are thoroughly mixed in a mortar, and slurry Got. The obtained slurry was applied to one side of a 20 μm thick copper foil, dried at 100 ° C. for 15 minutes to evaporate the solvent, punched out to 12 mmφ, and made a negative electrode with a thickness of 30 μm using a press.
<製造例13>
リチウムイオン二次電池電解質の調製;
エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート:ビニレンカーボネート=48.5:48.5:3(重量比)混合溶媒に、電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度になるように溶解し、電解質溶液を調製した。
<Production Example 13>
Preparation of lithium ion secondary battery electrolyte;
LiPF6 was dissolved as an electrolyte in a mixed solvent of ethylene carbonate: diethyl carbonate: vinylene carbonate = 48.5: 48.5: 3 (weight ratio) to prepare an electrolyte solution.
実施例1〜15及び比較例1〜2
<正極の作製>
上記の製造例1〜11で得られた置換ポリチオフェン、結着力補助高分子化合物としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)及びポリアニリンスルホン酸(PAS)並びに導電助剤としてのアセチレンブラック(日本電化社製、平均粒径:1.0μm)(AB)を表1に示した重量比率で混合して作製した結着剤1.0部と、LiFePO4粉末9.0部と、1−メチル−2−ピロリドン[東京化成工業(株)製]7.0部を乳鉢で十分に混練して、それぞれ実施例1〜15及び比較例1〜2用のスラリーを得た。
得られたスラリーを、大気中でワイヤーコーティングバーを用いて厚さ20μmのアルミニウム電解箔上の片面に塗布し、100℃で15分間乾燥させた後、更に減圧下(10mmHg)、80℃で5分間乾燥して、アルミニウム電解箔上に厚さ10μmの、活物質と結着剤からなる層を形成させ、全体膜厚30μmの正極を作製した。
Examples 1-15 and Comparative Examples 1-2
<Preparation of positive electrode>
Substituted polythiophenes obtained in the above Production Examples 1 to 11, polyvinylidene fluoride (PVDF), carboxymethyl cellulose (CMC) and polyaniline sulfonic acid (PAS) as a binding force-assisting polymer compound, and acetylene black as a conductive assistant ( Nippon Denka Co., Ltd., average particle size: 1.0 μm) (AB) prepared by mixing at a weight ratio shown in Table 1, 1.0 part of a binder, LiFePO 4 powder 9.0 parts, 7.0 parts of methyl-2-pyrrolidone [manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.] was sufficiently kneaded in a mortar to obtain slurries for Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 and 2, respectively.
The obtained slurry was applied on one surface of an aluminum electrolytic foil having a thickness of 20 μm using a wire coating bar in the atmosphere, dried at 100 ° C. for 15 minutes, and further reduced in pressure (10 mmHg) at 80 ° C. for 5 minutes. It was dried for a minute to form a layer made of an active material and a binder having a thickness of 10 μm on the aluminum electrolytic foil, and a positive electrode having a total film thickness of 30 μm was produced.
<二次電池評価用セルの作製>
2032型コインセル内の両端に、実施例1〜15及び比較例1〜2用の正極と、製造例12で得られた負極を、それぞれの塗布面が向き合うように配置して二次電池用セルを作製した。製造例13で作製した電解質溶液をセル内に注入し評価用セルとした。
<Preparation of secondary battery evaluation cell>
A secondary battery cell in which the positive electrode for Examples 1 to 15 and Comparative Examples 1 and 2 and the negative electrode obtained in Production Example 12 are arranged at both ends in a 2032 type coin cell so that the respective coated surfaces face each other. Was made. The electrolyte solution prepared in Production Example 13 was injected into the cell to obtain an evaluation cell.
[評価例]
得られた正極及び評価用セルを用いて、以下の評価方法により、結着力、電池出力、容量保持率、高速充放電時の容量保持率及び高速充放電時のサイクル特性劣化率を評価した。結果を表1に示す。
[Evaluation example]
Using the obtained positive electrode and evaluation cell, the following evaluation methods were used to evaluate the binding force, battery output, capacity retention rate, capacity retention rate during high-speed charge / discharge, and cycle characteristic deterioration rate during high-speed charge / discharge. The results are shown in Table 1.
<結着力の評価>
碁盤目試験法JIS K5400に準じて正極膜表面に10×10マスの碁盤目状の傷をつけて、その上にセロハン粘着テープ(ニチバン製)を貼り付け、剥がした後に、活物質と結着剤からなる層が残ったマス目の数を目視により計数し、下記式から結着力を算出し、下記評価基準に基づいて判定した。
結着力(%)=(残ったマス目の数/100)×100
◎;結着力(%)が95%以上
○;結着力(%)が90〜95%未満
△;結着力(%)が50〜90%未満
×;結着力(%)が50%未満
<Evaluation of binding power>
In accordance with the cross cut test method JIS K5400, a 10 × 10 square cross cut is made on the surface of the positive electrode film, and a cellophane adhesive tape (manufactured by Nichiban Co., Ltd.) is pasted and peeled off, and then bonded to the active material. The number of squares in which the layer made of the agent remained was counted visually, the binding force was calculated from the following formula, and the determination was made based on the following evaluation criteria.
Binding power (%) = (Number of remaining squares / 100) × 100
◎: Binding force (%) is 95% or more ○: Binding force (%) is 90 to less than 95% Δ; Binding force (%) is less than 50 to 90% ×: Binding force (%) is less than 50%
<電池出力の評価>
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]を用いて、SOC(State of charge:満充電状態における容量と所定時点における容量との比)が60%になるように充電を行った後、一定電流で放電し、10秒後の電圧を読み取る。この操作をいくつかの電流値で行い、横軸に電流値、縦軸に10秒後の電圧値をプロットして近似直線を作成し、近似直線が3Vと交差する際の電流値(I3.0Vと表記する)を読み取り、下記式から電池出力を算出した。
電池出力(W)=I3.0V×3.0
<Evaluation of battery output>
Using a charge / discharge measuring device “Battery Analyzer 1470” [manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.], charge so that SOC (State of charge: ratio of capacity in fully charged state to capacity at a predetermined time) is 60%. Then, discharge at a constant current and read the voltage after 10 seconds. This operation is performed with several current values, and the current value is plotted on the horizontal axis and the voltage value after 10 seconds is plotted on the vertical axis to create an approximate line, and the current value (I3. The battery output was calculated from the following formula.
Battery output (W) = I3.0V × 3.0
<容量保持率の評価>
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」を用いて、0.2mA/cm2の電流で電圧0Vから2Vまで充電し、10分間の休止後、0.2mA/cm2の電流で電池電圧を0Vまで放電し、この充放電を50サイクル繰り返した。
この時の初回充電時の電池容量と、50サイクル目の充電時の電池容量を測定し、下記式から容量保持率を算出する。数値が大きい程、充放電サイクル特性が良好であることを示す。
容量保持率(%)=(50サイクル目充電時の電池容量/初回充電時の電池容量)×100
<Evaluation of capacity retention>
And a charge-discharge measuring instrument was used "Battery Analyzer 1470 model", was charged from the voltage 0V by the current 0.2 mA / cm 2 until 2V, after 10 minutes of resting, the battery voltage of the current 0.2 mA / cm 2 0V This charge / discharge was repeated 50 cycles.
At this time, the battery capacity at the first charge and the battery capacity at the 50th cycle charge are measured, and the capacity retention rate is calculated from the following equation. It shows that charging / discharging cycling characteristics are so favorable that a numerical value is large.
Capacity retention rate (%) = (battery capacity at the 50th cycle charge / battery capacity at the first charge) × 100
<高速充放電時の容量保持率の評価>
充放電測定装置「バッテリーアナライザー1470型」を用いて、0.5mA/cm2の電流で電圧0Vから2Vまで充電し、10分間の休止後、0.5mA/cm2の電流で電池電圧を0Vまで放電し、この充放電を繰り返した。
この時の初回充電時の電池容量と50サイクル目の充電時の電池容量を測定し、下記式から高速充放電時の容量保持率を算出する。数値が大きい程、高速充放電サイクル特性が良好であることを示す。
高速充放電容量保持率(%)=(50サイクル目充電時の電池容量/初回充電時の電池容量)×100
<Evaluation of capacity retention during high-speed charge / discharge>
And a charge-discharge measuring instrument was used "Battery Analyzer 1470 model", was charged from the voltage 0V by the current 0.5 mA / cm 2 until 2V, after 10 minutes of resting, the battery voltage of the current 0.5 mA / cm 2 0V This charge and discharge was repeated.
At this time, the battery capacity at the time of initial charge and the battery capacity at the time of charge in the 50th cycle are measured, and the capacity retention rate at high speed charge / discharge is calculated from the following formula. It shows that a high-speed charge / discharge cycle characteristic is so favorable that a numerical value is large.
Fast charge / discharge capacity retention ratio (%) = (battery capacity at the 50th cycle charge / battery capacity at the first charge) × 100
<高速充放電時のサイクル特性劣化率の評価>
高速充放電時のサイクル特性劣化率を下記式に基づいて算出した。数値が大きいほど通常充放電時に比べて高速充放電時のサイクル特性が劣化せず、良好であることを示す。
高速充放電時のサイクル特性劣化率(%)=(高速充放電容量保持率/容量保持率)×100
容量保持率は上述の<容量保持率の評価>で測定し、算出した容積保持率である。
<Evaluation of cycle characteristics deterioration rate during high-speed charge / discharge>
The cycle characteristic deterioration rate during high-speed charge / discharge was calculated based on the following formula. The larger the value, the better the cycle characteristics at the time of high speed charge / discharge compared with the normal charge / discharge.
Cycle characteristic deterioration rate during high-speed charge / discharge (%) = (high-speed charge / discharge capacity retention ratio / capacity retention ratio) × 100
The capacity retention rate is a volume retention rate measured and calculated in the above <Evaluation of capacity retention rate>.
表1より、本発明の正極用結着剤は、アルミニウム電解箔面に塗布した塗膜の結着力が使用に十分耐えうるものであり、これらの正極用結着剤を用いて作製した正極は、出力特性に優れ、しかも高速充放電時にもサイクル特性が良好であることが分かる。 From Table 1, the binder for positive electrodes of the present invention has a coating force applied to the aluminum electrolytic foil surface that can sufficiently withstand the use, and the positive electrodes produced using these positive electrode binders are It can be seen that the output characteristics are excellent and the cycle characteristics are good even during high-speed charge / discharge.
本発明のリチウムイオン二次電池正極用結着剤は、電子伝導性及びイオン伝導性が優れているため、リチウムイオン二次電池以外の電池用結着剤としても有用である。また、本発明の結着剤用いたリチウムイオン二次電池は、出力及び安全性に優れるため、電気自動車用として有用である。 Since the binder for a lithium ion secondary battery positive electrode of the present invention is excellent in electron conductivity and ion conductivity, it is also useful as a binder for batteries other than lithium ion secondary batteries. Moreover, since the lithium ion secondary battery using the binder of the present invention is excellent in output and safety, it is useful for electric vehicles.
Claims (6)
前記置換ポリチオフェン(P)が、
チオフェン繰り返し単位のうちの少なくとも一部が、
(a)炭素数2〜4のオキシアルキレン基からなる繰り返し単位を1〜9個有し、片末端が炭素数1〜15のアルコキシ基であるポリエーテル基、
(b)アルコキシ基、
(c)アルコキシアルキル基又は
(d)前記ポリエーテル基(a)で置換されたアルキル基
によって、チオフェン環の3位及び/又は4位が置換されたチオフェン繰り返し単位(α)であって;かつ下記一般式(1)で表されるチオフェン繰り返し単位(α1)と下記一般式(3)で表されるチオフェン繰り返し単位(β1)とを有する置換ポリチオフェン(P21);または下記一般式(2)で表されるチオフェン繰り返し単位(α2)と下記一般式(4)で表されるチオフェン繰り返し単位(β2)とを有する置換ポリチオフェン(P22)であり;ならびに
前記結着力を補助する高分子化合物が、ポリフッ化ビニリデン、またはカルボキシメチルセルロースである、
前記結着剤(A):
The substituted polythiophene (P) is
At least some of the thiophene repeat units are
(A) a polyether group having 1 to 9 repeating units composed of an oxyalkylene group having 2 to 4 carbon atoms, one end of which is an alkoxy group having 1 to 15 carbon atoms,
(B) an alkoxy group,
(C) an alkoxyalkyl group or (d) a thiophene repeating unit (α) substituted at the 3-position and / or 4-position of the thiophene ring by an alkyl group substituted with the polyether group (a) ; A substituted polythiophene (P21) having a thiophene repeating unit (α1) represented by the following general formula (1) and a thiophene repeating unit (β1) represented by the following general formula (3); A substituted polythiophene (P22) having a thiophene repeating unit (α2) represented by formula (4) and a thiophene repeating unit (β2) represented by the following general formula (4);
The polymer compound that assists the binding force is polyvinylidene fluoride or carboxymethyl cellulose,
The binder (A):
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