JP6010788B2 - リチウムイオン二次電池用電極およびそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
[1]ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ビニルアルコール系重合体ブロックが、ビニルエステル系重合体をけん化して得られる重合体であって、けん化度が75〜99.95モル%である重合体に相当する重合体ブロックである、リチウムイオン二次電池用電極、
[2]ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ビニルアルコール系重合体ブロックが、ビニルエステル系重合体をけん化して得られる重合体であって、重合度が200〜3000である重合体に相当する重合体ブロックである、リチウムイオン二次電池用電極、
[3]ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ブロック共重合体が、アクリル酸単位、アクリル酸塩単位、アクリル酸エステル単位、メタクリル酸単位、メタクリル酸塩単位およびメタクリル酸エステル単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の構成単位を含む重合体ブロックをさらに有する、リチウムイオン二次電池用電極、
[4]ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と、黒鉛を含む活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなる、リチウムイオン二次電池用電極、
[5]前記活物質層における前記ブロック共重合体の含有率が1〜10質量%である、上記[1]〜[4]のいずれか1つのリチウムイオン二次電池用電極、
[6]活物質層を有する一対の電極がセパレータを介して当該活物質層同士が対向するように配置されるとともに、リチウム原子を含む電解質塩を含む電解質組成物が当該一対の電極およびセパレータの各間を満たす積層構造を有するリチウムイオン二次電池であって、前記一対の電極のうちの少なくとも一方は、上記[1]〜[5]のいずれか1つの電極である、リチウムイオン二次電池、
[7]前記電解質組成物が炭酸プロピレンを含む、上記[6]のリチウムイオン二次電池、
に関する。
本発明の電池用電極は活物質層が集電体表面に形成されてなる。そして当該活物質層はビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む。
アセタール化度(モル%)=100×[nIII×2]/[nI+nII+nIII×2]
・・・(1)
また、上記の電解質組成物は、リチウム原子を含む電解質塩と高分子とを含むポリマー電解質であってもよい。ポリマー電解質は、一般に、非水系溶媒をさらに含むゲル電解質と、非水系溶媒を含まない真性ポリマー電解質とに分類されるが、本発明においてはどちらのポリマー電解質であってもよい。
ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体A)の製造
還流冷却管、撹拌翼を備え付けた3L四つ口セパラブルフラスコに、イオン交換水737g、および、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度98.5モル%)100gを仕込み、撹拌下90℃まで加熱して該ポリビニルアルコールを溶解した後、室温まで冷却した。該水溶液にアクリル酸19.8gを撹拌下添加した後、70℃まで加温し、また、水溶液中に窒素をバブリングしながら30分間系内を窒素置換した。窒素置換後、上記水溶液に過硫酸カリウムの2.5質量%水溶液37.6mLを90分かけて逐次的に添加してブロック共重合反応を開始、進行させた後、系内温度を75℃に60分維持して重合をさらに進行させ、ついで冷却して、固形分13質量%のポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体A)の水溶液を得た。得られた水溶液の一部を乾燥した後、重水に溶解し、270MHzでの1H−NMR測定を行った結果、[ビニルアルコール系重合体ブロックの質量]/[(メタ)アクリル系重合体ブロックの質量]で示される質量割合は100/18であった。上記の重合体Aの水溶液にさらにイオン交換水を添加し、固形分が8質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸塩共重合体(重合体B)の製造
水酸化リチウム(LiOH)を1モル/Lとなるようにイオン交換水に添加して水酸化リチウム水溶液を調製した。次いで、製造例1と同様にして製造した固形分13質量%の重合体Aの水溶液を攪拌下、これに、重合体A中のアクリル酸単位のカルボキシル基が全て中和される量に対して0.4倍量の上記水酸化リチウム水溶液を添加して、ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸塩共重合体(重合体B)の水溶液を得た。pH試験紙で水溶液の酸性度を測定すると、pH6であった。これにさらにイオン交換水を添加し、固形分が8質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体C)の製造
製造例1において、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度98.5モル%)の代わりに、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度500、けん化度98.5モル%)を用いたこと以外は、製造例1と同様の方法により、ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体C)の水溶液を得た。これにさらにイオン交換水を添加し、固形分が8質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体D)の製造
製造例1において、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度98.5モル%)の代わりに、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度99.9モル%)を用いたこと以外は、製造例1と同様の方法により、ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体D)の水溶液を得た。これにさらにイオン交換水を添加し、固形分が8質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体E)の製造
製造例1において、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度98.5モル%)の代わりに、分子末端にメルカプト基を有するポリビニルアルコール(重合度300、けん化度88モル%)を用いたこと以外は、製造例1と同様の方法により、ポリビニルアルコール−(b)−ポリアクリル酸共重合体(重合体E)の水溶液を得た。これにさらにイオン交換水を添加し、固形分が8質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体K)の製造
還流冷却管、撹拌翼を備え付けた3L四つ口セパラブルフラスコに、イオン交換水737g、60%アクリル酸水溶液12g、ギ酸ナトリウム1.0gを加えて、均一な混合溶液とした。該混合溶液を攪拌しながら、これにポリビニルアルコール(重合度1700、けん化度98.5モル%)100gを加え、窒素置換しながら70℃に内部温度を上昇させた。窒素置換を30分間行った後、上記混合溶液に10%2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)二塩化水素化物5.0g添加し重合を開始させた。別途、60%アクリル酸水溶液48gにギ酸ナトリウム1.0gを加えた溶液を反応開始後から5時間かけて上記混合溶液に滴下しながら重合を行った。反応開始から5時間後、再度10%2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオンアミジン)二塩化水素化物5.0gを上記混合溶液に添加し、更に17時間重合を進行させ、ついで冷却して、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体K)の水溶液を得た。得られた水溶液の一部を乾燥した後、重水に溶解し、270MHzでの1H−NMR測定を行った結果、[ビニルアルコール単位の質量]/[(メタ)アクリル酸単位の質量]で示される質量割合は100/20であった。上記の重合体Kの水溶液にさらにイオン交換水を添加し、固形分が10質量%となるように調整した。
ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体L)の製造
製造例6において、けん化度の異なるポリビニルアルコール(重合度1700、けん化度88モル%)を用いたこと以外は、製造例6と同様の方法により、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体L)の水溶液を得た。1H−NMR測定を行った結果、[ビニルアルコール系単位の質量]/[(メタ)アクリル酸単位の質量]で示される質量割合は100/20であった。これにさらにイオン交換水を添加し、固形分が10質量%となるように調整した。
電池用電極の作製
活物質として天然黒鉛(平均粒子経3μm)と、結着剤を含む水溶液として製造例1で調製した重合体Aの水溶液(固形分8質量%)とを、天然黒鉛95質量部に対し重合体Aが5質量部となるように混合し、さらにイオン交換水を適量添加して、活物質スラリーを調製した。次に、集電体としてニッケルメッシュ(線径0.1mm、目開き0.154mm)の一方の表面に、上記の活物質スラリーをドクターブレード法で塗布して乾燥し、集電体表面に活物質層を形成した電池用電極を作製した。活物質層の厚さは60μmであった。
非水系溶媒としての炭酸プロピレン(PC)に、リチウム原子を含む電解質塩として過塩素酸リチウム(LiClO4)を0.79ミリモル/gの濃度になるように添加して、電解質組成物を調製した。
上記で作製した電池用電極の対極としてリチウム金属箔(厚さ200μmのリチウム金属箔を5枚重ねたもの)を帯状に切り抜いた。リード線5が接続された電池用電極2、対極3を、電池用電極の活物質層と対極が対向するように配置して、電解質組成物4に活物質層が完全に浸漬するようにし、図1にその概略図を示すような評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池1を作製した。
上記で作製した評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池の充放電評価を行った。すなわち、黒鉛活物質に対して100mA/gの電流になるように設定し、0Vまで定電流充電を行った。充電後、黒鉛活物質に対して100mA/gの電流になるように設定し、2Vまで定電流放電を行った。以上の操作から、初回充放電分極、初回充電容量、初回放電容量および初回充放電効率の各値を求めた。また、上記の操作を1サイクルとして、30サイクル繰り返したときの30サイクル目の放電容量の値を求め、30サイクル目までの放電容量のうちの最大値で除して30サイクル目放電容量保持率を算出した。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに重合体Bの水溶液(固形分8質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Bの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Bが5質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、天然黒鉛と重合体Aの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Aが8質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、天然黒鉛と重合体Aの水溶液とを天然黒鉛97質量部に対し重合体Aが3質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに重合体Cの水溶液(固形分8質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Cの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Cが8質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに重合体Dの水溶液(固形分8質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Dの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Dが5質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに重合体Eの水溶液(固形分8質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Eの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Eが8質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、非水系溶媒として炭酸プロピレン(PC)を単独で用いたことに代えて、炭酸プロピレン(PC)60質量部、炭酸エチレン(EC)20質量部および炭酸ジメチル(DMC)20質量部の混合物を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりにポリビニルアルコール(重合度2400、けん化度98.5モル%)(重合体F)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Fの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Fが5質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
比較例1において、天然黒鉛と重合体Fの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Fが8質量部となるように混合したこと以外は、比較例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
比較例1において、天然黒鉛と重合体Fの水溶液とを天然黒鉛97質量部に対し重合体Fが3質量部となるように混合したこと以外は、比較例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりにポリビニルアルコール(重合度500、けん化度98.5モル%)(重合体G)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Gの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Gが8質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりにポリビニルアルコール(重合度1500、けん化度99.9モル%)(重合体H)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Hの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Hが5質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりにポリビニルアルコール(重合度300、けん化度88モル%)(重合体I)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Iの水溶液とを天然黒鉛92質量部に対し重合体Iが8質量部となるように混合したこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸ランダム共重合体(バウダル化学製 TSP515:重合度1500、けん化度98.5モル%、[ビニルアルコール単位の質量]/[(メタ)アクリル酸単位の質量]で示される質量割合は100/20、これを「重合体J」とする)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Jの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Jが5質量部となるように混合し、非水系溶媒として炭酸エチレン(EC)および炭酸ジメチル(DMC)の混合物(体積比1:1)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体K)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Kの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Kが5質量部となるように混合し、非水系溶媒として炭酸エチレン(EC)および炭酸ジメチル(DMC)の混合物(体積比1:1)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
実施例1において、重合体Aの水溶液(固形分8質量%)の代わりに、ポリビニルアルコール−ポリアクリル酸グラフト共重合体(重合体L)の水溶液(固形分10質量%)を用いて、天然黒鉛と重合体Lの水溶液とを天然黒鉛95質量部に対し重合体Lが5質量部となるように混合し、非水系溶媒として炭酸エチレン(EC)および炭酸ジメチル(DMC)の混合物(体積比1:1)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により電池用電極および評価用二極式ビーカー型リチウムイオン二次電池を作製し、充放電評価を行った。
2 電池用電極
3 対極
4 電解質組成物
5 リード線
Claims (7)
- ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ビニルアルコール系重合体ブロックが、ビニルエステル系重合体をけん化して得られる重合体であって、けん化度が75〜99.95モル%である重合体に相当する重合体ブロックである、リチウムイオン二次電池用電極。
- ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ビニルアルコール系重合体ブロックが、ビニルエステル系重合体をけん化して得られる重合体であって、重合度が200〜3000である重合体に相当する重合体ブロックである、リチウムイオン二次電池用電極。
- ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなるリチウムイオン二次電池用電極であって、前記ブロック共重合体が、アクリル酸単位、アクリル酸塩単位、アクリル酸エステル単位、メタクリル酸単位、メタクリル酸塩単位およびメタクリル酸エステル単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の構成単位を含む重合体ブロックをさらに有する、リチウムイオン二次電池用電極。
- ビニルアルコール系重合体ブロックを有するブロック共重合体と、黒鉛を含む活物質とを含む活物質層が集電体表面に形成されてなる、リチウムイオン二次電池用電極。
- 前記活物質層における前記ブロック共重合体の含有率が1〜10質量%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 活物質層を有する一対の電極がセパレータを介して当該活物質層同士が対向するように配置されるとともに、リチウム原子を含む電解質塩を含む電解質組成物が当該一対の電極およびセパレータの各間を満たす積層構造を有するリチウムイオン二次電池であって、前記一対の電極のうちの少なくとも一方は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極である、リチウムイオン二次電池。
- 前記電解質組成物が炭酸プロピレンを含む、請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。
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