JP5943602B2 - 電気化学セル用アクリル系水分散体および水性ペースト、それからなる電極・電池の製造方法 - Google Patents

電気化学セル用アクリル系水分散体および水性ペースト、それからなる電極・電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気化学セルに用いる特定のアクリル系水分散体に関する。
また、本発明は、二次電池、例えば、水素吸蔵合金を用いて得られるアルカリ二次電池(Ni−MH電池)、リチウム化合物を用いて得られる非水電解液二次電池(リチウムイオン電池)や電気二重層キャパシタ等の蓄電デバイスを構成する電気化学セル用水性ペーストに関する。
Ni−MH電池やリチウムイオン電池、キャパシタは、正極、負極用の各活物質及び導電助剤をバインダーによって、各集電体に結着させ各電極を作成している。正極用バインダーでは、耐酸化性が求められており、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解させた溶液、あるいはポリテトラフロロエチレン(PTFE)の含フッ素系水分散液が用いられている。また、負極用のバインダーとしては、PVDFの他に、スチレン-ブタジエンラバー(SBR)水分散液が用いられている。
しかしながら、正極用バインダーでは、耐酸化性はあるが活物質や集電体との密着性に劣るため多量の添加が必要である。そのため活物質を被覆し、電池特性を低下させるといった問題がある。また、負極用バインダーとして用いられることのあるSBRは密着性が比較的高く、配合部数は少なくてすむが、PDVF同様、SBRは電解液との親和性が高いため、電池を高温で放置することや、充放電を繰り返すと樹脂が膨潤してしまうため電池が膨れやすくなるといった問題があった。
そこで、これらの問題を解決するために電気化学的に安定で、電解液に対して膨潤が小さいオレフィン系共重合体の水分散体をバインダーとして用いる検討が行われていた(特許文献1、2及び3など)。これらのバインダーは、耐酸化還元性に優れ、電解液に対する膨潤が小さく活物質を被覆しにくい。
しかしながら、密着性がSBRに比べ比較的弱いため、電池の重要特性の1つであるサイクル特性が十分でないという問題があった。
また、電気化学セル用水性ペーストに含まれる各配合組成物は、様々な使用状況・用途に対応するために配合組成比の微調整や類似物質群から選択される別物質へ代替される場合がある。そのような配合組成の変更に伴い、バインダーの配合安定性や性能発現に悪影響を及ぼすため、バインダーを構成する組成を最適化する必要があった。しかしながら、オレフィン系共重合体の場合、その組成の自由度が低いという問題があった。
また、特許文献4および5には、ラテックスを含む電池用バインダー組成物が開示されている。そして、該ラテックス中には、ポリマー粒子として、オレフィン系共重合体が用いられている。
しかしながら、該ラテックスでは、電池の正極または負極に対する塗工性および密着性に問題があり、塗膜の膜厚を厚くすることができない。それゆえ、電気化学セルの静電容量を大きくすることができないとの問題があった。
特開平9−251856号公報 特開2009−110883号公報 特開2010−189632号公報 特開平11−149929号公報 国際公開公報1998/39808号
本発明は、上記のような従来技術に伴う問題を解決しようとするものであって、金属集電体に対して十分な密着性を有し、かつ電気化学的に安定で電気化学セルが膨れにくく、従来の静電気容量・内部抵抗を維持しながら、特に二次電池のサイクル特性を向上させることができる電気化学セル用水性ペーストに用いるバインダーを提供することである。
また、特定のアクリル系水分散体を含む電気化学セル用水性ペーストを用いて得られる電気化学セル用極板、該極板を含む、充放電によるサイクル寿命の高い電池を提供することである。
本発明者らは、上記問題点を解決すべく鋭意検討の結果、特定のアクリル系水分散体を使用することにより、上記課題を解決し得ることを見出した。すなわち、
本発明の電気化学セル用アクリル系水分散体は、少なくとも、不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(メタ)アクリルアミドとを含む単量体群を重合して得られる水溶性樹脂(a)と、有機粒子(b)(ただし、水溶性樹脂(a)を除く)を含むことを特徴とする。
また、前記不飽和カルボン酸類の重合性単量体には、実質的にジカルボン酸類を含まず、モノカルボン酸類を含むことが好ましい。
前記不飽和カルボン酸類の重合性単量体には、実質的に共役ジエン系モノマーを含まないことが好ましい。
前記有機粒子(b)は、水溶性樹脂(a)の存在下で1種以上のビニル単量体を重合して得られる粒子であることが好ましい。
前記水溶性樹脂(a)が、1種以上のビニル単量体を重合して得られる有機粒子(b)の存在下で重合して得られる樹脂であることが好ましい。
前記水溶性樹脂(a)と前記有機粒子(b)を混合してなることが好ましい。
前記水溶性樹脂(a)と前記有機粒子(b)の重量比率が、(a)10〜90重量%および(b)90〜10重量%(ただし、(a)と(b)の合計を100重量%とする)であることが好ましい。
前記水分散体のpHが7から11の範囲であることが好ましい。
前記水分散体には、さらに、界面活性剤(x)及び粘度調整剤(y)から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。
本発明の電気化学セル用水性ペーストは、電気化学セル用アクリル系水分散体と、活物質(B)及び導電助剤(C)から選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする。
前記電気化学セル用水性ペーストは、電気化学セル用アクリル系水分散体に含まれる水100重量部に対して、0〜40重量部の有機溶剤を含むことが好ましい。
本発明の電気化学セル用極板は、電気化学セル用水性ペーストを用いて得られる。
本発明の二次電池は、電気化学セル用電極を用いて得られる。
本発明の特定のアクリル系水分散体は、金属集電体、導電助剤、正極活物質、および負極活物質に対して十分な密着性を有し、かつ電池に適用した場合、電気化学的に安定で電気化学セルが膨れにくく、特に二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
本発明の電気化学セル用水性ペーストを用いることで、電極を効率よく生産することが可能である。
また、該電気化学セル用水性ペーストを用いて得られる極板を含む電池は、充放電によるサイクル寿命が高い。
従って、小型化、軽量化し、さらに高容量化である高効率の電池を得ることができる。
〔電気化学セル用アクリル系水分散体〕
本発明にかかる電気化学セル用アクリル系水分散体は、水にアクリル系共重合体が分散したエマルションである。このエマルションは、少なくとも、不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(メタ)アクリルアミドとを含む単量体群を重合して得られる水溶性樹脂(a)と、1種以上のビニル単量体を乳化重合して得られる有機粒子(b)を含む。ここで、(メタ)アクリルアミドとは、メタアクリルアミド及びアクリルアミドの意味である。また、有機粒子(b)は、水溶性樹脂(a)と異なる。
なお、本発明における水溶性樹脂とは水を主とする媒体中で10重量%の濃度に於いて、波長400nmの光の透過率が85%以上となる樹脂と定義し、有機粒子とは水を主とする媒体中で粒子状の形態を形成し、かつ10重量%の濃度に於いて、波長400nmの光の透過率が85%以下となる樹脂を意味する。
アクリル系水分散体のpHは、金属極板腐食防止の観点から、7〜11の範囲であることが好ましい。
アクリル系水分散体は、水溶性樹脂(a)と有機粒子(b)がどのような形態で存在していてもよく、(a)と(b)を別々に合成し混合した樹脂組成物の形態、(a)が(b)の存在下で重合して得られる樹脂組成物の形態、(b)が(a)の存在下で重合して得られる樹脂組成物の形態のいずれも本願発明の範囲内である。
水分散体の保存安定性の観点から、(a)または(b)のいずれかの樹脂の存在下で一方の樹脂を合成して得られた樹脂組成物の形態が好ましい。更に、(b)が(a)の存在下で重合して得られる樹脂組成物の形態あることがより好ましい。
水溶性樹脂(a)と有機粒子(b)の重量比率は、特に限定されないが、好ましくは(a)が10〜90重量%および(b)が90〜10重量%、より好ましくは(a)が30〜70重量%および(b)が70〜30重量%である(ただし、(a)と(b)の合計を100重量%とする)。(a)が10重量%以下では分散安定性不足や密着性不足を起こす場合があり、90重量%以上では著しいチクソトロピー特性を生じるおそれがある。
本発明に係るアクリル系水分散体には、体積平均粒子径が、特に限定されないが、通常、10〜1,000nm、好ましくは10〜800nm(粒径アナライザーFPAR−1000(大塚電子株式会社))であれば、水分散安定性に優れるため好ましい。また、10nm未満であれば、分散安定性が低下するおそれがあり、1,000nmを超えると経時保存安定性を損なうおそれがある。粒子径のコントロール方法は特に制限されないが、例えば、界面活性剤量などによって適宜調整することができる。
ポリマー粒子の粒子径は、電子顕微鏡による観察、コールターカウンターあるいは光散乱法により測定することができる。例えばコールターカウンターでは、コールターカウンターN4(コールター社製)、光散乱法では、粒径アナライザーFPAR−1000(大塚電子株式会社)、レーザー粒子径解析システムLPA−3000/3100(大塚電子株式会社)、レーザー回折式粒度分布測定装置SALD−2000A(島津製作所)等で測定することができる。
本発明に係るアクリル系水分散体の樹脂固形分濃度は5〜80重量%、好ましくは10〜70重量%である。この範囲であれば、良好な極板密着性が得られる。
水溶性樹脂(a)
本発明の水溶性樹脂(a)は、少なくとも、不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(メタ)アクリルアミドとを含む単量体群を重合して得られる樹脂である。
本発明では、メタアクリルアミドとアクリルアミドを両方用いてもよく、水分散体及びこれを用いた水性ペーストの粘度調整の観点からメタアクリルアミドを用いることが好ましい。
不飽和カルボン酸類の重合性単量体としては、アクリル酸およびメタクリル酸などのモノカルボン酸類、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸および無水フマル酸などのジカルボン酸類が挙げられる。また、たとえば、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩などこれらの塩であってもよく、これらの酸の誘導体も適宜用いることができる。塩としては、リチウム塩が好ましい。不飽和カルボン酸類の重合性単量体は、1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、幅広いビニル単量体と良好な相溶性を示すため、アクリル酸、メタクリル酸等のモノカルボン酸類が、重合過程においての制約が少なく水溶性樹脂(a)への導入が容易であるため好適である。ジカルボン酸類であるマレイン酸やフマル酸などは、後述するアクリル酸エステル類やメタクリル酸エステル類などとの共重合性が、アクリル酸やメタクリル酸などのモノカルボン酸に比べ劣る傾向にある。そのため、電気化学セル用水性ペーストに未反応の単量体が残存するおそれがあり、容量低下等の電池特性に悪影響を及ぼす懸念がある。そのため、本発明において、不飽和カルボン酸類の重合性単量体としては、実質的にジカルボン酸類を含まず、モノカルボン酸類を含むことが好ましい。なお、ここで、「実質的に含まない」とは、水溶性樹脂(a)を構成する全単量体100重量%に対して、ジカルボン酸類が、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは0重量%である。なお、ジカルボン酸類は、たとえば、赤外吸収分析、(熱分解)ガスクロマトグラフ質量分析、核磁気共鳴分析により測定できる。また、上記0重量%とは、たとえば、これらの分析方法により測定した際に、検出限界以下であることを意味する。
また、不飽和カルボン酸類の重合性単量体としては、メタクリル酸が好ましい。
本発明の水溶性樹脂(a)は、不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(メタ)アクリルアミドと共に、その他の1種以上のビニル単量体を重合しても良い。ここで、1種以上のビニル単量体とは、官能基を有するビニル単量体が好ましく、例えば、アクリルアミド以外のアミド基含有ビニル単量体、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等の水酸基含有ビニル単量体、グリシジル(メタ)アクリレート等のグリシジル基含有ビニル単量体、(メタ)アクリロニトリル等のシアノ基含有ビニル単量体、N、N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート等のアミノ基含有ビニル単量体、アセトアセトキシエチル(メタ)アクリレート等のアセトアセトキシ基含有ビニル単量体等、スチレンスルホン酸ナトリウム、メタリルスルホン酸ナトリウム等のスルホン酸含有単量体が挙げられる。また、スチレンやメチルアクリレートなどの(メタ)アクリル酸エステル等の疎水性ビニル単量体を使用しても良い。また、水溶性樹脂(a)には架橋性ビニル単量体を使用しても良く、該単量体としては、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ジビニルベンゼン、ポリエチレングリコール鎖含有ジ(メタ)アクリレートなどが例示できる。また、架橋性ビニル単量体として2つ以上のビニル基を含有するものであっても構わない。
本発明では、その他の1種以上のビニル単量体として、共役ジエン系モノマー、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、ピペリレン等を実質的に含まないことが好ましい。ここで、「実質的に含まない」とは、水溶性樹脂(a)を構成する全単量体100重量%に対して、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは0重量%である。水溶性樹脂(a)中に、共役ジエン系モノマーを実質的に含まないことで、特に正極側で使用する際に耐酸化性を得られる傾向にある。なお、水溶性樹脂中の共役ジエン系モノマーは、たとえば、赤外吸収分析、(熱分解)ガスクロマトグラフ質量分析、核磁気共鳴分析により測定できる。また、上記0重量%とは、たとえば、これらの分析方法により測定した際に、検出限界以下であることを意味する。
また、水溶性樹脂(a)の分子量を調整する目的でn-ドデシルメルカプタンや1-チオグリセロールなどの分子量調整剤を使用しても良い。
水溶性樹脂(a)は、特に限定されないが、全単量体群100重量%中に、カルボン酸類の重合性単量体と(メタ)アクリルアミドの合計が、通常100〜10重量%、好ましくは100〜50重量%、より好ましくは100〜60重量%含まれ、その他のビニル系単量体を含む場合、単量体群100重量%中に、通常0〜90重量%、好ましくは0〜50重量%、より好ましくは0〜40重量%である。
また、水溶性樹脂(a)中、(メタ)アクリルアミドと不飽和カルボン酸類の重合性単量体との重量比率は、極板への密着性の観点から、(メタ)アクリルアミドが50〜99重量%、好ましくは60〜95重量%、不飽和カルボン酸類の重合性単量体が1〜50重量%で、好ましくは5〜40重量%ある(ただし、(メタ)アクリルアミドと不飽和カルボン酸類の重合性単量体の合計を100重量%とする)。
水溶性樹脂(a)の製造方法
水溶性樹脂(a)の合成方法には特に制約はないが、水を主成分とした溶媒中で行う重合が好ましい。特に好ましい重合形態は水溶液重合である。水溶性樹脂(a)の合成時の重合開始剤には制約はないが、水溶性ラジカル開始剤が好ましく、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩や4,4'-アゾビス(4-シアノ吉草酸)等の水溶性アゾ系開始剤が特に好ましい。重合開始剤の使用量は、特に限定されないが、(共)重合させるモノマーの全重量を基準として、通常0.1〜5重量%である。
樹脂(a)合成時の重合温度には制約はないが、製造時間や単量体の共重合体への転化率(反応率)などを考慮に入れると30〜95℃の範囲で合成することが好ましく、50〜85℃が特に好ましい。また、重合時には製造安定性を向上する目的でPH調製剤や金属イオン封止剤であるEDTAもしくはその塩などを使用することも可能である。
また、たとえば、水溶性樹脂(a)または有機粒子(b)の重合前、水溶性樹脂(A)を水溶化する際、有機樹脂(b)の形成後、または共重合エマルション(アクリル系水分散体)形成後に、アンモニアや有機アミン、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等の一般的な中和剤でpH調整を行ってもよい。中和剤としては、基材腐食の点から、アンモニア(水)で、pHが7から11の範囲に調整することが好ましい。なお、中和は、アクリル系水分散体の調整過程において、適宜、行うことができる。
有機粒子(b)
有機粒子(b)(ただし、水溶性樹脂(a)を除く)は、1種以上のビニル単量体を乳化重合して得られる(共)重合エマルションが好ましい態様である。ビニル単量体としては芳香族ビニルモノマー類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類、不飽和カルボン酸類、不飽和スルホン酸類、水酸基含有ビニル化合物類、芳香族ビニル化合物類、不飽和アミド類、アミノアルキルアクリレート若しくはアミノアルキルメタクリレート類、又はこれらのハロゲン化メチル、ハロゲン化エチル、ハロゲン化ベンジル等による4級塩化物、N一アミノアルキルアクリルアミド若しくはN一アミノアルキルメタクリルアミド類、又はこれらのハロゲン化メチル、ハロゲン化エチル、ハロゲン化ベンジル等による4級塩化物、ビニルエステル類、ハロゲン化ビニリデン類、ジアクリレート類、ジメタクリレート類などが挙げられる。
これらのビニル単量体は、1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
芳香族ビニルモノマーとしては、スチレン、p−メチルスチレン、α−メチルスチレン、2−メチルスチレン、t−ブチルスチレン、クロルスチレン、ビニルキシレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、ビニルアニソール等が挙げられる。
アクリル酸エステル類としては、アクリル酸の炭素原子数1〜12のアルキルエステル、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、t-ブチルアクリレート、n−アミルアクリレート、イソアミルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、オクチルアクリレート、デシルアクリレート、ドデシルアクリレート、オクタデシルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、フェニルアクリレート、ベンジルアクリレートなどが挙げられる。
メタクリル酸エステル類としては、メタクリル酸の炭素原子数1〜12のアルキルエステル、エチルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、t-ブチルメタクリレート、n一アミルメタクリレート、イソアミルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2一エチルヘキシルメタクリレート、オクチルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、オクタデシルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、フェニルメタクリレート、ベンジルメタクリレートなどが挙げられる。
不飽和カルボン酸類としては、アクリル酸およびメタクリル酸などのモノカルボン酸類、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸および無水フマル酸などのジカルボン酸類が挙げられる。また、たとえば、リチウム塩、カリウム塩、ナトリウム塩、アンモニウム塩などこれらの塩であってもよく、これらの酸の誘導体も適宜用いることができる。塩としては、リチウム塩が好ましい。
これらの中でも、幅広いビニル単量体と良好な相溶性を示すため、アクリル酸、メタクリル酸等のモノカルボン酸類が、重合過程においての制約が少なく有機粒子(b)への導入が容易であるため好適である。また、ビニル単量体として、アクリル酸エステル類やメタクリル酸エステル類などを用いた場合、水溶性樹脂(a)と同様に、ジカルボン酸類であるマレイン酸やフマル酸などでは、アクリル酸やメタクリル酸などのモノカルボン酸に比べ、共重合性が劣る傾向にある。そのため、電気化学セル用水性ペーストに未反応の単量体が残存するおそれがあり、容量低下等の電池特性に悪影響を及ぼす懸念がある。そのため、本発明において、不飽和カルボン酸類の重合性単量体としては、実質的にジカルボン酸類を含まず、モノカルボン酸類を含むことが好ましい。なお、「実質的に含まない」とは、有機粒子(b)を構成する全単量体100重量%に対して、ジカルボン酸類が、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは0重量%である。また、有機粒子中のジカルボン酸類は、水溶性樹脂(a)に記載と同様の方法で測定できる。また、上記0重量%も同様である。
不飽和スルホン酸類としては、2−スルホエチルメタクリレート、t-ブチルアクリルアミドスルホン酸やスチレンスルホン酸等およびそれらの塩などが挙げられる。
水酸基含有ビニル化合物類としては、2−ヒドロキシエチルアクリレート、3−ヒドロキシプロピルアクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルメタクリレート、ポリエチレングリコールモノメタクリレート、ポリプロピレングリコールモノメタクリレート、ポリエチレングリコールモノアクリレート、ポリプロピレングリコールモノアクリレート、グリセロールモノメタクリレートなどが挙げられる。
不飽和アミド類としては、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルメタクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N,N−ジエチルメタクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、マレイン酸アミドなどが挙げられる。
アミノアルキルアクリレート若しくはアミノアルキルメタクリレート類としては、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピルメタクリレート、N,N−t−ブチルアミノエチルアクリレート、N,N−t−ブチルアミノエチルメタクリレート、N,N−モノメチルアミノエチルアクリレート、N,N−モノメチルアミノエチルメタクリレートなどが挙げられる。
また、N−アミノアルキルアクリルアミド又はN一アミノアルキルメタクリルアミド類としては、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルメタクリルアミド、N,N−ジメチルアミノエチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノエチルメタクリルアミドなどが挙げられる。
ビニルエステル類としては、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニルなどが挙げられる。
ハロゲン化ビニリデン類としては、塩化ビニリデン、フッ化ビニリデンなどが挙げられる。
ジアクリレート類としては、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレートなどが挙げられる。
ジメタクリレート類としては、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、1,3一ブチレングリコールジメタクリレート、1,6−ヘキサンジオールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレートなどが挙げられる。
その他のモノマーとしては、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラメチロールメタントリアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、アリルメダアクリレート、ジシクロペンテニルアクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチルアクリレート等、塩化ビニル、ビニルエーテル、ビニルケトン、ビニルアミド、クロロプレン、エチレン、プロピレン、イソプレン、ブタジエン、ビニルピロリドン、2−メトキシエチルアクリレート、2−エトキシエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、グリシジルメタアクリレート、アリルグリシジルエーテル、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、イソプロペニル−α,α−ジメチルベンジルイソシアネート、アリルメルカプタンなどが挙げられる。
本発明では、その他のモノマーとして、共役ジエン系モノマー、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、ピペリレン等を実質的に含まないことが好ましい。ここで、「実質的に含まない」とは、有機粒子(b)を構成する全ビニル単量体100重量%に対して、好ましくは10重量%以下、より好ましくは5重量%以下、更に好ましくは0重量%である。有機粒子(b)中に、共役ジエン系モノマーを実質的に含まないことで、特に正極側で使用する際に耐酸化性を得られる傾向にある。なお、有機粒子中の共役ジエン系モノマーは、水溶性樹脂(a)に記載と同様の方法で測定できる。また、上記0重量%も同様である。
前記1種以上のビニル単量体として特に好適なものは、アクリル酸、メタクリル酸等のモノカルボン酸類、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、エチルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、アクリロニトリルなどである。なお、モノカルボン酸類としては、特に、アクリル酸、メタクリル酸が好ましい。
更に好ましくは、有機粒子(b)中にアクリロニトリルを耐水性・耐溶剤性の観点から、有機粒子(b)を構成する全ビニル単量体100重量%に対して、10〜70重量%含んだ方が良い。
必要に応じて、架橋性ビニル単量体を使用しても良く、該単量体としては、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ジビニルベンゼン、ポリエチレングリコール鎖含有ジ(メタ)アクリレートなどが例示できる。また、架橋性ビニル単量体として2つ以上のビニル基を含有するものであっても構わない。
また、分子量を調製する目的で、n-ドデシルメルカプタンや1-チオグリセロールなどの分子量調整剤を使用することもできる。
有機粒子(b)のガラス転移温度Tgは特に限定しないが、電極板の柔軟性の観点から、好ましくは−30〜80℃(計算ソフトCHEOPS(ver.4.0)による)である。−30℃未満でれば、電極板にタックが残り好ましくない。
有機粒子(b)の製造
有機粒子(b)の合成方法には特に制約はないが、水を主成分とした溶媒中で行う乳化重合が好ましい。有機粒子(b)の重合安定性、保存安定性を向上するなどの目的で適宜界面活性剤(x)や水溶性高分子を用いることができる。該界面活性剤(x)としては、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤などが挙げられる。
アニオン系界面活性剤としては、例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、ラウリル硫酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、ステアリン酸塩、オレイン酸塩、ジオクチルスルホサクシネート、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、tert-オクチルフェノキシエトキシポリエトキシエチル硫酸塩等が挙げられる。塩としては、アンモニウム塩、リチウム塩、ナトリウム塩およびカリウム塩などが挙げられる。
ノニオン系界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類やポリオキシアルキレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、オキシエチレン・オキシプロピレンブロックコポリマー、t−オクチルフェノキシエチルポリエトキシエタノール、ノニルフェノキシエチルポリエトキシエタノール等が挙げられる。
これらの分散剤(界面活性剤)は1種又は2種以上を選択することができる。
重合安定性、保存安定性を向上するなどの目的で使用する水溶性高分子を添加してもよく、これら水溶性高分子としては、例えば、ポリビニルアルコール、変成ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、(メタ)アクリル酸(共)重合体、ポリ(メタ)アクリルアミド(共)重合体、エチレングリコール等の水溶性ポリマーが挙げられる。
これらの水溶性高分子は、1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
重合開始剤としては、例えば、過酸化水素、過硫酸アンモニウムなどの過硫酸塩、アゾビスシアノ吉草酸、2,2'-アゾビス(2-アミジノプロパン)二塩酸塩、2,2'-アゾビス〔2-(N-フェニルアミジノ)プロパン〕二塩酸塩、2,2'-アゾビス{2-〔N-(4-クロロフェニル)アミジノ〕プロパン}二塩酸塩、2,2'-アゾビス{2-〔N-(4-ヒドロキシフェニル)アミジノ〕プロパン}二塩酸塩、2,2'-アゾビス〔2-(N-ベンジルアミジノ)プロパン〕二塩酸塩、2,2'-アゾビス〔2-(N-アリルアミジノ)プロパン〕二塩酸塩、2,2'-アゾビス{2-〔N-(2-ヒドロキシエチル)アミジノ〕プロパン}二塩酸塩、アゾビスイソブチロニトリル、2,2'-アゾビス{2-メチル-N-〔1,1-ビス(ヒドロキシメチル)-2-ヒドロキシエチル〕プロピオンアミド}、2,2'-アゾビス{2-メチル-N-〔1,1-ビス(ヒドロキシメチル)エチル〕プロピオンアミド}、2,2'-アゾビス[2-メチル-N-〔2-ヒドロキシエチル〕プロピオンアミド]、2,2'-アゾビス(イソブチルアミド)二水和物等のアゾ化合物;クメンハイドロパーオキサイド、t-ブチルハイドロパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、t-ブチルパーオキシベンゾエート、ラウロイルパーオキサイド等の有機過酸化物が挙げられ、これらの1種、又は2種以上を選択することができる。
開始剤としては水溶性であることが好ましく、一般的な開始剤の使用量は、(共)重合させるモノマーの全重量を基準として0.1〜5重量%である。
有機粒子(b)の合成時の重合温度には制約はないが、製造時間や単量体の共重合体への転化率(反応率)などを考慮に入れると30〜95℃の範囲で合成することが好ましく、50〜85℃が特に好ましい。
また、重合時には製造安定性を向上する目的でPH調製剤や金属イオン封止剤であるEDTAもしくはその塩などを使用することも可能である。
また、中和剤を用いて、pH調整を行ってもよい。中和については、前述を参照できる。
本発明のアクリル系水分散体には各種添加剤を添加しても良い。該添加剤としては、重合前、重合中、重合後に使用することができる。添加剤としては、例えば、pH調整剤、キレート剤、顔料、濡れ剤、帯電防止剤、酸化防止剤、防腐剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、蛍光増白剤、着色剤、浸透剤、発泡剤、離型剤、消泡剤、制泡剤、流動性改良剤、増粘剤等が挙げられるが、これらに制約されるものでもない。本発明のアクリル系共重合体バインダーには各種化合物も添加することができる。該化合物としては、各種酸化剤、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、グルコース等の水溶性高分子、界面活性剤等の物質を、単独、又は、2種類以上組み合わせて添加してもよい。
その添加量、種類については、本発明の目的を達成することができる限り、特に限定されない。
本発明のアクリル系水分散体には、界面活性剤(x)及び粘度調整剤(y)から選ばれる少なくとも1種を含むことができる。
界面活性剤(x)
本発明では、必要に応じて、乳化剤として界面活性剤(x)を添加してもよい。界面活性剤は、あらかじめアクリル系水分散体に含ませても良い。
界面活性剤とは、物質表面あるいは界面の親水、疎水状態を改質させるものである。本発明において、界面活性剤は、分散剤、濡れ剤、消泡剤的役割を果たす。これが含まれると、活物質、導電助剤の水分散体化の点で好ましい。
界面活性剤は、前記に例示したアニオン系界面活性剤およびノニオン系界面活性剤や、あるいは、シリコン系界面活性剤であることが望ましいが、特に制限はない。
シリコン系界面活性剤としては、ポリジメチルシロキサン、ポリエーテル変性ポリジメチルシロキサン、ポリメチルアルキルシロキサン、シリコン変性ポリオキシエチレンエーテル等が挙げられる。
界面活性剤は、1種のみを使用しても良いし、これらの複数の種類を組み合わせて使用しても良い。
これら界面活性剤の中でも、活物質や導電助剤を水に分散させる点で、オレイン酸カリウム、ステアリン酸カリウムが好ましい。また、水の表面張力を低下させる点で、アセチレニックグリコール誘導体のポリオキシエチレンエーテル、シリコン変性ポリオキシエチレンエーテルが好ましい。界面活性剤としては、オレイン酸カリウム、アセチレニックグリコール誘導体のポリオキシエチレンエーテルおよびシリコン変性ポリオキシエチレンエーテルから選ばれる少なくとも1種以上を用いると、得られる水分散体は良好な活物質、導電助剤の分散状態を得ることができるためより好ましい。
界面活性剤の添加量は、アクリル系水分散体中の固形分100重量部に対して、固形分換算で、0〜100重量部、好ましくは3〜80重量部である。この範囲を越えると、樹脂粒子の電解液相溶性が高くなり、強度が著しく低下したり、樹脂が膨潤しやすくなる。
粘度調整剤(y)
本発明では、必要に応じて、粘度調整剤(y)を添加してもよい。粘度調整剤は、あらかじめアクリル系水分散体に含ませても良い。
本発明の電気化学セル用水性ペースト(正極、負極活材、導電助剤を集電体に塗布するためのインキ)は、粘度調整剤を含むことが好ましい。本発明によるアクリル系水分散体は水分散型であるため、粘度調整剤を用いると、最適な粘度を電極ペーストに与えることができ、電極ペーストを電極に容易に塗布できる。
粘度調整剤を配合すると、ペーストを静置した時に、活物質や導電助剤などが経時で沈み分離することを防ぐ事が出来る。さらに、本発明にかかるアクリル系共重合体の体積平均粒子径が200nmより大きいときに、経時で分離して沈降する事も改善することが出来るため好ましい。
粘度調整剤の添加量は、特に限定されないが、塗工性・作業性の観点から、アクリル系共重合体の固形分100重量部に対して、固形分換算で、10〜100重量部が好ましく、より好ましくは10〜95重量部である。
粘度調整剤は、特に限定されないが、GPCにより求められる重量平均分子量は、好ましくは50,000〜4,000,000(ポリスチレン換算)、より好ましくは60,000〜3、500,000、さらに好ましくは65,000〜3,000,000である。重量平均分子量が、50,000未満であると、活物質の沈降を生じるおそれがあり、4,000,000を超えると、ペーストに著しいチクソトロピー特性を生じるおそれがある。また、上記範囲内であると、良好な極板塗工性を得られるため、好ましい。
粘度調整剤としては、特に限定されないが、カルボキシメチルセルロース(CMC)、カルボキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体、ポリオキシエチレンまたはその変性体、ポリビニルアルコールまたはその変性体、多糖類などが挙げられる。
これら粘度調整剤の中でも沈降安定性の点から、CMC、ポリオキシエチレンまたはその変性体、ポリビニルアルコールまたはその変性体がより好ましい。
粘度調整剤は、1種のみを使用しても良いし、これらの複数の種類を組み合わせて使用しても良い。
有機溶剤
本発明では、必要に応じて、有機溶剤を添加してもよい。有機溶剤は、あらかじめアクリル系水分散体に含ませても良い。
本発明による電気化学セル用水性ペーストは、表面張力が高い水が主となる溶媒であるため、活剤や導電助剤の表面の濡れ性が不足し配合時に分散不良を起こす場合がある。水よりも表面張力の低い有機溶剤を添加することにより、物質表面あるいは界面の濡れ性を良くし、溶媒と溶質との親和性を改質でき、活物質、導電助剤の水分散体化の点で好ましい。本発明において、有機溶剤は、濡れ剤としての役割のほかに、消泡剤的役割も果たす。
有機溶剤としては、特に限定されないが、n−ブタノール、イソブタノール、2‐ブタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの炭素数1〜4のアルキルアルコール類、N−メチル−2−ピロリドンなどが挙げられ、複数の有機溶剤を組み合わせて使用しても良く、配合物に合わせてSP値を調整することが好ましい。
有機溶剤を添加する場合、その添加量は、安全性の観点から、本発明に係るアクリル系水分散体に含まれる水100重量部に対して、通常0〜40重量部、好ましくは0〜30重量部である。
<電気化学セル用水性ペースト>
本発明の電気化学セル用水性ペーストは、少なくとも、本発明のアクリル系水分散体、活物質(B)及び導電助剤(C)から選ばれる少なくとも1種を含む。
〔活物質(B)〕
活物質(B)としては、特に限定されないが、負極用としては天然黒鉛、人造黒鉛、正極用としてはLiCoO2、LiMn24、LiFePO4などが挙げられる。また、導電助剤の炭素材料を適宜用いてもよい。
例えば、リチウムイオン二次電池用負極活物質としては、リチウムイオンをドープ・脱ドープできるものであれば特に制限はなく、金属リチウム、リチウム合金、酸化スズ、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化チタン、シリコン、遷移金属窒素化物、天然黒鉛等の炭素材料とこれらの複合物のいずれを用いることができる。
リチウムイオン二次電池用正極活物質としては、Li2S、Sなどの硫黄系化合物、LiCoO2、LiMnO2、LiMn24、LiNiO2、LiNiXCo(1-X)2、LiNixMnyCo(1-x-y)、LiNixCoyAl(1-x-y)、Li2MnO3、などのリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物、LiFePO4、LiMnPO4等の燐酸化合物、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリアセン、ジメルカプトチアジアゾール/ポリアニリン複合体などの導電性高分子材料等が挙げられる。これらの中でも、特にリチウムと遷移金属とからなる複合酸化物とLiFePO4、LiMnPO4等の燐酸化合物が好ましい。負極がリチウム金属またはリチウム合金である場合は、正極として炭素材料を用いることもできる。また、正極として、リチウムと遷移金属の複合酸化物と炭素材料との混合物を用いることもできる。
アルカリ二次電池としてニッケル水素二次電池を例にとると、正極用活物質としては水酸化ニッケルや、水酸化ニッケルとコバルトや亜鉛との複合体などを用いることができる。
また、負極用活物質としては、マンガン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ミッシュメタル等からなる水素吸蔵合金などが挙げられる。
電気二重層キャパシタ用の正、負極活物質としては、種々の活性炭が用いられる。
(B)の100重量部に対して、本発明のアクリル系水分散体の固形分は、通常0.5〜200重量部、好ましくは0.5〜120重量部である。
〔導電助剤(C)〕
導電助剤(C)としては、特に限定されないが、カーボンブラック、アモルファスウィスカーカーボン、グラファイト、アセチレンブラック、人造黒鉛などの炭素材料、ポリチオフェン、ポリピロールなどの導電性ポリマーとその誘導体、コバルト等の金属微粒子などが挙げられる。これらは、1種単独でも、2種以上組み合わせて用いても良い。活物質の炭素材料を適宜用いてもよい。
導電助剤は、活物質100重量部に対して、通常0.1〜200重量部、好ましくは0.1〜120重量部である。この範囲であれば、充電容量を損なわずに良好なリチウムイオン輸送性と電気伝導性が得られる。また、0.1重量部未満であると、合材層の電気抵抗を増加させるおそれがある。
本発明の水性ペーストを集電体として使用する場合は、活物質(B)は不要で、導電助剤(C)単独使用の場合がある。この場合の(C)の使用量は前記水分散体の固形分100重量部に対して、50〜200重量部である。
〔電気化学セルの作製について〕
本発明の一つの態様において、本発明にかかる電気化学セル用電極は、本発明の電気化学セル用アクリル系水分散体と導電助剤、好ましくはカーボンブラック、アモルファスウィスカーカーボン、グラファイトなどの炭素材料、および/または、正極では正極活物質、負極では負極活物質とを用いて得られる。
また、本発明の一つの態様において、本発明の電気化学セルのうち、二次電池は前述の正極及び負極を、セパレータを中心として重ねたものを、円筒型、コイン型、角型、フィルム型その他任意の形状に形成し非水電解液を封入することにより作製されるものである。
また、電気二重層キャパシタでは前述の電極をセパレータ中心に重ねたものを、円筒型、コイン型等任意の形状に形成し電解液を封入することにより作成されるものである。
セパレータとして、二次電池においては、多孔性膜や高分子電解質が用いられる。多孔性膜としては、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリエステル等が例示される。特に、多孔性ポリオレフィンフィルムが好ましく、具体的には多孔性ポリエチレンフィルム、多孔性ポリプロピレンフィルム、または多孔性のポリエチレンフィルムとポリプロピレンとの多層フィルムを例示することができる。多孔性ポリオレフィンフィルム上には、熱安定性に優れる他の樹脂がコーティングされていても良い。
また、電気二重層キャパシタにおいては、二次電池同様のセパレータに加えて、電解コンデンサー紙や、無機セラミック粉末を含む多孔質膜等を用いることができる。
二次電池において、リチウムイオンなどの非水系電解液としては、例えばLiPF6,LiBF4,LiClO4,LiAsF6,CF3SO3Li,(CF3SO2)N/Li等の電解質を、単独でまたは2種以上組み合わせて有機溶媒に溶解したものを使用することができる。
ニッケル水素などのアルカリ電解液としては、例えば水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の電解質を単独または組み合わせて水溶液としたものを使用することができる。
電気二重層キャパシタにおいて電解液としては、任意のものが使用できるが、非水系電解液が、電解質の例としてテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、トリエチルモノメチルアンモニウムテトラフルオロボレート等を単独または2種以上組み合わせて有機溶媒に溶解したものを使用することができる。
非水系二次電池および電気二重層キャパシタにおいて、非水系電解液における有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン,テトラヒドロフラン等が挙げられ、いずれかが単独でまたは2種以上を混合して使用できる。
〔電気化学セル用極板のプレコート剤〕
本発明の電気化学セル用アクリル系水分散体は、電気化学セル用極板のプレコート剤として用いることもできる。該プレコート剤は、本発明の電気化学セル用アクリル系水分散体単独、又は、本発明の電気化学セル用アクリル系水分散体と、活物質(B)および導電助剤(C)から選ばれる少なくとも1種を含み、電気化学セルに於いて極板(例えば、負極:銅、正極:アルミニュウム)上に該プレコート剤を予め塗布すること(プレコート)により基材腐食を防ぐなどの効果が得られる。なお、プレコート剤としては、本発明のアクリル系水分散体と導電助剤(C)を含む、または、本発明のアクリル系水分散体、活物質(B)と導電助剤(C)を含むものが好ましい。
以下に実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<水分散体の調製>
製造例1
<水溶性樹脂(a)の合成>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水200重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体と水の混合物を攪拌しながら2時間かけて連続的に添加した後、同温度で2時間熟成し、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である樹脂(a)の水性液を得た。
(ビニル単量体と水の混合物)
メタクリルアミド 65.0部
メタクリル酸 10.0部
2−ヒドロキシエチルメタクリレート 20.0部
メチルアクリレート 5.0部
蒸留水 210.0部
製造例2
<水溶性樹脂(a)の合成>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水200重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体と水の混合物を攪拌しながら2時間かけて連続的に添加した後、同温度で2時間熟成し、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である樹脂(a)の水性液を得た。
(ビニル単量体と水の混合物)
アクリルアミド 30.0部
メタクリルアミド 35.0部
メタクリル酸 10.0部
2−ヒドロキシエチルメタクリレート 20.0部
メチルアクリレート 5.0部
蒸留水 210.0部
実施例1
<水溶性樹脂(a)と有機粒子(b)とを含有する水分散体の製造>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水360重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体乳化物を3時間かけて連続的に添加し、更に3時間保持して、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である有機粒子(b)からなる分散液を得た。これに製造例1で得た水溶性樹脂(a)を(a):(b)=1:9の割合で混合した水分散体を製造した。
(ビニル単量体乳化物)
n−ブチルアクリレート 95.0部
メタクリル酸 5.0部
ラウリル硫酸アンモニウム 0.1部
蒸留水 40.0部
実施例2
<水溶性樹脂(a)の存在下で乳化重合して得られる樹脂を含有する水分散体>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水200重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体と水の混合物を攪拌しながら2時間かけて連続的に添加した後、同温度で2時間熟成し、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である樹脂(a)の水性液を得た。
(ビニル単量体と水の混合物)
メタクリルアミド 65.0部
メタクリル酸 10.0部
2−ヒドロキシエチルメタクリレート 20.0部
メチルアクリレート 5.0部
蒸留水 210.0部
得られた樹脂(a)の水性液1172部に固形分調整用蒸留水360.4部を加え、再び窒素置換しながら、75℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウムを1.0部添加してから下記組成のビニル単量体乳化物を3時間かけて連続的に添加し、更に3時間保持して、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0である水分散体を得た。
(ビニル単量体乳化物)
2−エチルヘキシルアクリレート 40.0部
アクリル酸 5.0部
ラウリル硫酸アンモニウム 0.1部
蒸留水 40.0部
実施例3
<水溶性樹脂(a)が1種以上のビニル単量体を重合して得られる有機粒子(b)の存在下で重合して得られる水分散体>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水370.4重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体乳化物を3時間かけて連続的に添加し、更に3時間保持して、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である有機粒子(b)からなる分散液を得た。
n−ブチルアクリレート 45.0部
アクリロニトリル 35.0部
メチルメタクリレート 8.0部
アクリル酸 5.0部
N−メチロールアクリルアミド 2.0部
ラウリル硫酸アンモニウム 0.1部
蒸留水 40.0部
得られた樹脂(b)の水性液510部に蒸留水200重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体と水の混合物を攪拌しながら2時間かけて連続的に添加した後、同温度で2時間熟成し、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である樹脂(a)の水性液を得た。
(ビニル単量体と水の混合物)
メタクリルアミド 65.0部
メタクリル酸 10.0部
2−ヒドロキシエチルメタクリレート 20.0部
メチルアクリレート 5.0部
蒸留水 210.0部
実施例4
<水溶性樹脂(a)と有機粒子(b)とを含有する水分散体の製造>
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水360重量部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いで過硫酸アンモニウム2.0部を添加してから下記組成のビニル単量体乳化物を3時間かけて連続的に添加し、更に3時間保持して、アンモニア水にてpH9.0に調整して、重合を完結させた。固形分が20.0%である有機粒子(b)からなる分散液を得た。これに製造例2で得た水溶性樹脂(a)を(a):(b)=1:9の割合で混合した水分散体を製造した。
(ビニル単量体乳化物)
n−ブチルアクリレート 95.0部
メタクリル酸 5.0部
ラウリル硫酸アンモニウム 0.1部
蒸留水 40.0部
比較例1
アクリル系水分散体の代わりに、スチレンブタジエン系ラテックス(体積平均粒子径:160nm、固形分濃度:48重量%)をそのまま用いた。
<樹脂の電解液に対する膨潤性>
実施例1〜4または比較例1のエマルションをガラス板に塗布し、120℃で3時間乾燥後フィルムを得た。エチレンカーボネート(EC)/メチルエチルカーボネート(MEC)=1/1(vol/vol)溶液にフィルムを80℃で3日間浸漬し、膨潤したフィルムの重量を測定した。膨潤フィルムの重量/膨潤前の重量比を算出した。同様にして、浸漬溶液を水酸化カリウム(KOH)水溶液(20℃)とした場合の重量比を算出した。結果を表1に示す。
Figure 0005943602
<活物質Bあるいは導電助剤Cを含む電気化学セル用ペースト塗工箔の作成>
活物質Bあるいは導電助剤C50重量部に実施例1〜4または比較例1のエマルションを49重量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース1重量部と蒸留水ならびに必要に応じて有機溶剤を添加し固形分濃度50重量%の電気化学セル用ペースト(水性ペースト)を調製した。次にこの電気化学セル用ペーストを厚さ20μmのアルミ箔あるいは厚さ18μmの帯状銅箔に乾燥後の膜厚が20μmとなるように塗工、乾燥、圧縮プレスした。
<活物質Bあるいは導電助剤Cを含む電気化学セル用ペーストの密着性評価と外観評価>
前記で作製した塗工箔を切り、瞬間接着剤にてガラスプレパラートに貼り付け塗工箔を固定し評価用サンプルとした。評価用サンプルを塗膜剥離強度測定装置サイカスDN20型(ダイプラウインテス(株)製)で合材層と集電体との界面を水平速度2μm/秒の速度で切削し、切削に必要な水平方向の力から合材層と集電体との界面の剥離強度を測定した。剥離強度の3回の平均値をとり密着性を評価した。なお、合材層とは、水性ペーストをアルミ箔あるいは銅箔(集電体)に塗工してプレスした塗工部分を指す。
箔外観評価
○:均一な塗膜表面
△:濃淡のある塗膜表面
×:ヒビのある塗膜表面
結果を表2に示す。
Figure 0005943602
<リチウム二次電池負極板の作製>
実施例1〜4または比較例1のエマルション3重量部に、天然黒鉛(活物質B)((株)中越黒鉛工業所製LF18A)90重量部、アセチレンブラック(導電助剤C)(デンカブラック:電気化学工業株式会社製)7重量部を加えた。次に、得られた実施例または比較例のエマルション2重量部に、増粘剤1重量部と蒸留水ならびに必要に応じて界面活性剤、有機溶剤を添加し、固形分濃度50重量%の負極合材スラリー(水性ペースト)を調製した。次に、この負極合材スラリーを厚さ18μmの帯状銅箔製の負極集電体に塗布し、乾燥し、圧縮成型して、厚さ70μmの負極を作製した。それぞれ、表3に示す。
Figure 0005943602
<リチウム二次電池正極板の作製>
実施例1〜4または比較例1のエマルション3重量部に、LiCoO2(B)(本荘FMCエナジーシステムズ(株)製HLC−22)85.5重量部、人造黒鉛(導電助剤C)8重量部、アセチレンブラック(導電助剤C)(デンカブラック)3重量部を加えた。次に、得られた実施例または配合比較例の水分散体と必要に応じて界面活性剤、有機溶剤と蒸留水を加え、固形分濃度50重量%のLiCoO2合材スラリー(水性ペースト)を調製した。なお、得られた合材スラリーを、それぞれスラリー1A〜3A、スラリー1aとした。このLiCoO2合材スラリーを厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、乾燥し、圧縮成型して、厚さ70μmの正極を作製した。それぞれ、表4に示す。
Figure 0005943602
<リチウム二次電池の密着性評価>
前記で作製した電極を切り、瞬間接着剤にてガラスプレパラートに貼り付け電極を固定し評価用サンプルとした。評価用サンプルを塗膜剥離強度測定装置サイカスDN20型(ダイプラウインテス(株)製)で合材層と集電体との界面を水平速度2μm/秒の速度で切削し、切削に必要な水平方向の力から合材層と集電体との界面の剥離強度を測定した。
剥離強度の3回の平均値をとり密着性を評価した。なお、合材層とは、水性ペーストをアルミ箔あるいは銅箔(集電体)に塗工して乾燥プレスした塗工部分を指す。結果を表5に示す。
Figure 0005943602
<リチウムイオン二次電池の非水電解液の調製>
非水溶媒として、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)を、EC:MEC=4:6(重量比)の割合で混合したものを用い、次に電解質であるLiPF6を溶解し、電解質濃度が1.0モル/リットルとなるように非水電解液を調製した。
<コイン型リチウムイオン二次電池の作製>
コイン型電池用負極として前記の負極を直径14mmの円盤状に打ち抜いて、重量20mg/14mmφのコイン状の負極を得た。コイン型電池用正極として前記の正極を直径13.5mmの円盤状に打ち抜いて、重量42mg/13.5mmφのコイン状の正極を得た。
前記のコイン状の負極、正極、および厚さ25μm、直径16mmの微多孔性ポリプロピレンフィルムからできたセパレータを用いて、ステンレス製の2032サイズ電池缶の負極缶内に、負極、セパレータ、正極の順序で積層した。その後、セパレータに前記非水電解液0.04mlを注入した後、その積層体の上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)、およびバネを重ねた。
最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して電池の正極缶をかぶせて、缶蓋をかしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型電池を作製した。
<電極膨潤性の評価>
前記コイン型電池を用いて、この電池を株式会社ナガノの装置を用い0.5mA定電流、4.2V定電圧の条件で、4.2V定電圧の時の電流値が0.05mAになるまで充電し、その後、1mA定電流、3.0V定電圧の条件で、3.0V定電圧の時の電流値が0.05mAになるまで放電した。このサイクルを100回繰り返し、100サイクル後の電極の合材層の厚み(L1)と、電解液注入前の電極の合材層の厚み(L2)を比較した。
その結果を表6に示す。なお、結果は、(L1/L2)で示した。
Figure 0005943602
<電池サイクル特性の評価>
前記電極膨潤性と同様の評価法にて、サイクルを500回繰り返し、初期の電池容量に対する500サイクル後の容量(%)を評価した。
評価結果を表7に示す。
Figure 0005943602
<電気二重層キャパシタ電極の作製>
活性炭(B)(クラレ株式会社RP−20)100重量部、アセチレンブラック(C)(デンカブラック)3重量部、ケッチェンブラック(C)(ケッチェンブラックインターナショナル株式会社EC600JD)2重量部に、実施例1〜4および比較例1で調製したエマルションを固形分換算で5重量部混合し、さらに必要に応じて界面活性剤、有機溶剤と蒸留水を添加して固形分濃度50重量%の合材スラリー(水性ペースト)を調製した。
次に、これらの合材スラリーを厚さ20μmの帯状アルミ箔製の集電体に塗布し、乾燥し、圧縮成型して、厚さ70μmの電極を作製した(配合実施例1C〜3Cおよび配合比較例1c)。
<電気二重層キャパシタの密着性評価>
前記で作製した電極を用いて、電極の剥離強度をリチウム二次電池で行った評価と同様の方法で測定し、密着性を評価した。
結果を表8に示す。
Figure 0005943602
<電気二重層キャパシタの電解液の調製>
テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートをプロピレンカーボネートに溶解し、電解質濃度が1.5モル/リットルとなるように電解液を調製した。
<コイン型電気二重層キャパシタの作製>
前記の電極を、直径14mmの円盤状に打ち抜いて、重量20mg/14mmφのコイン状の電極を得た。前記のコイン状の電極および厚さ25μm、直径16mmの微多孔性ポリプロピレンフィルムからできたセパレータを用いて、ステンレス製の2032サイズ電池缶の負極缶内に、電極、セパレータ、電極の順序で積層した。その後、セパレータに前記電解液0.04mlを注入した後、その積層体の上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)、およびバネを重ねた。
最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して電池の缶をかぶせて、缶蓋をかしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型電気二重層キャパシタを作製した。
<電気二重層キャパシタの特性評価>
作製したコイン型電気二重層キャパシタを用いて、10mAの定電流で2.7Vまで10分間充電を行った後、1mAの定電流で放電をおこなった。得られた充放電特性より静電容量を求めた。
また、内部抵抗は、充放電特性より、社団法人電子情報技術産業協会が定める規格RC−2377の計算方法に従って算出した。各電極を使用したキャパシタの評価結果を表9に示す。
Figure 0005943602
<ニッケル水素電池正極の作製>
また、水酸化ニッケル粉末(B)95重量部にアセチレンブラック(C)(デンカブラック)5重量部、1.2重量%に調製したカルボキシメチルセルロース(CMC1160)を固形分換算で1.0重量部と、実施例1〜4または比較例1で調製したエマルジョンを固形分換算で2.0重量部と、蒸留水を混合し、固形分濃度55重量%の合材ペースト(水性ペースト)を調製した。
この合材ペーストを厚さ30μmのニッケルメッキ鋼板に塗布し、乾燥後、加圧成型してシート状の正極板を作製した(配合実施例1D〜3D、および配合比較例1d)。
<ニッケル水素電池負極の作製>
ミッシュメタルを含むNi、Co、Mn、Alからなる平均粒子径30μmの水素吸蔵合金(B)95重量部に、アセチレンブラック(C)(デンカブラック)5重量部、実施例1〜4または比較例1のエマルションを固形分換算で2.5重量部と蒸留水を混合し、固形分濃度50重量%の合材ペーストを得た。
この合材ペーストを厚さ30μmのパンチングメタルに塗布し、乾燥後、加圧成型してシート状の負極板を作製した(配合実施例1E〜3E、および配合比較例1e)。
<ニッケル水素電池の密着性評価>
前記で作製した電極板の剥離強度をリチウム二次電池で行った評価と同様の方法で測定し、密着性を評価した。
結果を表10に示す。
Figure 0005943602
<ニッケル水素電池の作製>
前記の負極板または正極板を直径14mmの円盤状に打ち抜いて、重量20mg/14mmφのコイン状の電極を得た。
コイン状の電極および厚さ25μm、直径16mmの微多孔性ポリプロピレンフィルムからできたセパレータを用いて、ステンレス製の2032サイズ電池缶の負極缶内に、負極、セパレータ、正極の順序で積層し、水酸化カリウム水溶液(20℃における比重が1.3)を注入後、その積層体の上にアルミニウム製の板(厚さ1.2mm、直径16mm)、およびバネを重ねた。
最後に、ポリプロピレン製のガスケットを介して電池の正極缶をかぶせて、缶蓋をかしめることにより、電池内の気密性を保持し、直径20mm、高さ3.2mmのコイン型電池を作製した。
<電池サイクル特性の評価>
前記で作製したコイン電池を使用し、この電池を0.2ItAで、−Δ10mVとなるまで充電し、その後、0.2ItAで、電圧が1Vになるまで放電した。このサイクルを500回繰り返し、初期の電池容量に対する500サイクル後の容量(%)を評価した。
評価結果を表11に示す。
Figure 0005943602
以上のように、本発明の電気化学セル用ペーストを用いて得られた電池は、電気化学的に安定で、密着力がありかつ電池の膨れが少なく、特に充放電によるサイクル寿命の高い電池を得ることができる。
比較例2
攪拌機、還流冷却付きのセパラブルフラスコに蒸留水295重量部とドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム4.0部を仕込み、窒素ガスで置換した後、80℃に昇温した。次いでアゾビスイソブチロニトリル3.0部を添加してから下記組成のビニル単量体乳化物Aを3時間かけて連続的に添加し、更に3時間保持して、重合を完結させた。さらに下記組成のビニル単量体乳化物Bを2時間かけて連続的に滴下し、更に2時間保持して、重合を完結させた。次いで40℃以下に冷却後、アンモニア水にてpH9.0に調製し、固形分が32.5%である有機粒子からなる分散液を得た。
(ビニル単量体乳化物A)
n−ブチルアクリレート 68.0部
スチレン 20.0部
アクリロニトリル 4.0部
メチルメタクリレート 4.0部
イタコン酸 4.0部
ジビニルベンゼン 1.0部
ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム 1.0部
蒸留水 40.0部
(ビニル単量体乳化物B)
メチルメタクリレート 40.0部
スチレン 30.0部
ジビニルベンゼン 1.0部
ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム 0.7部
蒸留水 40.0部
<リチウム二次電池正極板の作製>
実施例3または比較例2で得られたエマルション(水分散体)2重量部に、活物質BとしてLiFePO4(Formosa Energy&Material Technology Co.,Ltd製STCM30050)94重量部、導電助剤Cとしてアセチレンブラック(デンカブラック)3重量部と増粘剤カルボキシメチルセルロース1重量部と蒸留水を加え、固形分濃度63重量%のLiFePO4合材スラリー(水性ペースト)を調製した。なお、得られた合材スラリーを、それぞれスラリーF、スラリーGとした。
このLiFePO4合材スラリーを、厚さ20μmのアルミ箔に塗布、乾燥し、圧縮成型して、合材スラリーの厚さが110μmと70μmの正極を作製した。
このときのアルミ箔の外観を下記に従って、評価した。結果を表12に示す。
<箔外観評価>
○:均一な塗膜表面
△:濃淡のある塗膜表面
×:ヒビのある塗膜表面
<導電助剤を含む電気化学セル用ペースト塗工箔の作成>
導電助剤としてアセチレンブラック50重量部に実施例3または比較例2のエマルションを50重量部と蒸留水を添加し固形分濃度25重量%の電気化学セル用ペースト(水性ペーストFおよびG)を調製した。次にこの電気化学セル用ペーストを厚さ30μmのアルミ箔に乾燥後の膜厚が30μmと10μmとなるように塗工、乾燥、圧縮プレスした。
<活物質および導電助剤、あるいは導電助剤のみを含む電気化学セル用ペーストの密着性評価と外観評価>
前記で各々作製した塗工箔を切り、瞬間接着剤にてガラスプレパラートに貼り付け塗工箔を固定し評価用サンプルとした。評価用サンプルを塗膜剥離強度測定装置サイカスDN20型(ダイプラウインテス(株)製)で合材層と集電体との界面を水平速度2μm/秒の速度で切削し、切削に必要な水平方向の力から合材層と集電体との界面の剥離強度を測定した。剥離強度の3回の平均値をとり密着性を評価した。なお、合材層とは、水性ペーストをアルミ箔(集電体)に塗工してプレスした塗工部分を指す。また、上記と同様の方法にてアルミ箔の外観を評価した。
結果を表12に示す。
Figure 0005943602
この結果より、本発明は基板に対して塗膜を厚くすることが可能である。これにより電気化学セルの静電容量を大きくすることができる。

Claims (13)

  1. 少なくとも、
    (i)不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(ii)(メタ)アクリルアミドと、(iii)水酸基含有ビニル単量体、スチレンおよび(メタ)アクリル酸エステルから選ばれる1種以上のビニル単量体とを含む単量体群を重合してる水溶性樹脂(a)と、
    アクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも1種と、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリロニトリルおよびメタアクリロニトリルから選ばれる少なくとも1種とを含むビニル単量体を乳化重合してる有機粒子(b)(ただし、水溶性樹脂(a)を除く)
    を含むことを特徴とする電気化学セル用アクリル系水分散体。
    (ただし、含フッ素系水分散体を除く)。
  2. 前記不飽和カルボン酸類の重合性単量体(i)には、モノカルボン酸類を含む重合性単量体を含み、
    前記水溶性樹脂(a)を構成する全単量体100重量%に対して、ジカルボン酸類を含む重合性単量体が10重量%以下であり、
    前記有機粒子(b)を構成する全単量体100重量%に対して、ジカルボン酸類を含む重合性単量体が10重量%以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  3. 前記水溶性樹脂(a)を構成する全単量体100重量%に対して、共役ジエン系モノマーが10重量%以下であり、
    前記有機粒子(b)を構成する全単量体100重量%に対して、共役ジエン系モノマーが10重量%以下である、
    ことを特徴とする請求項2に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  4. 前記水溶性樹脂(a)が、水を主とする媒体中で10重量%の濃度に於いて、波長400nmの光の透過率が85%以上となる樹脂であり、
    前記有機粒子(b)が、水を主とする媒体中で粒子状の形態を形成し、かつ10重量%の濃度に於いて、波長400nmの光の透過率が85%以下となる樹脂である、
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  5. pHが7から11の範囲であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  6. 前記水溶性樹脂(a)と前記有機粒子(b)の重量比率が、(a)10〜90重量%および(b)90〜10重量%(ただし、(a)と(b)の合計を100重量%とする)であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  7. さらに、界面活性剤(x)及び粘度調整剤(y)から選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体。
  8. (i)不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(ii)(メタ)アクリルアミドと、(iii)水酸基含有ビニル単量体、スチレンおよび(メタ)アクリル酸エステルから選ばれる1種以上のビニル単量体とを含む単量体群を重合して水溶性樹脂(a)を得る工程と、
    水溶性樹脂(a)の存在下で、アクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも1種と、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリロニトリルおよびメタアクリロニトリルから選ばれる少なくとも1種とを含むビニル単量体を乳化重合して有機粒子(b)(ただし、有機粒子(b)は、水溶性樹脂(a)と異なる)を得る工程
    を含むことを特徴とする電気化学セル用アクリル系水分散体の製造方法
    (ただし、含フッ素系水分散体の製造方法を除く)。
  9. アクリル酸およびメタクリル酸から選ばれる少なくとも1種と、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリロニトリルおよびメタアクリロニトリルから選ばれる少なくとも1種とを含むビニル単量体を乳化重合して有機粒子(b)を得る工程と、
    有機粒子(b)の存在下で、(i)不飽和カルボン酸類の重合性単量体と、(ii)(メタ)アクリルアミドと、(iii)水酸基含有ビニル単量体、スチレンおよび(メタ)アクリル酸エステルから選ばれる1種以上のビニル単量体とを含む単量体群を重合して、水溶性樹脂(a)(ただし、水溶性樹脂(a)は、有機粒子(b)と異なる)を得る工程
    を含むことを特徴とする電気化学セル用アクリル系水分散体の製造方法
    (ただし、含フッ素系水分散体の製造方法を除く)。
  10. 請求項1〜のいずれか一項に記載の電気化学セル用アクリル系水分散体と、活物質(B)及び導電助剤(C)から選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする電気化学セル用水性ペースト。
  11. 前記電気化学セル用アクリル系水分散体に含まれる水100重量部に対して、0〜40重量部の有機溶剤を含むことを特徴とする請求項10に記載の電気化学セル用水性ペースト。
  12. 請求項10または11に記載の電気化学セル用水性ペーストを用いてなる電気化学セル用極板。
  13. 請求項12に記載の電気化学セル用極板を用いてる二次電池。
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