JP6079238B2 - 非水二次電池電極用バインダ樹脂、非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物、非水二次電池電極用スラリー組成物、非水二次電池用電極、非水二次電池 - Google Patents
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Description
本願は、2011年12月2日に、日本に出願された特願2011−265040号、2012年2月27日に、日本に出願された特願2012−39952号、および2012年4月13日に、日本に出願された特願2012−92117号、に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
一般に、非水二次電池の電極としては、金属箔等の集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備えるものが用いられており、合剤層には活物質および導電助剤がバインダ樹脂によって保持されている。かかる電極は、通常、活物質、導電助剤、バインダ樹脂、および液体媒体(溶媒)を混練してスラリー組成物を調製し、これを転写ロール等で集電体の片面又は両面に塗工し、液体媒体を乾燥除去して合剤層を形成し、その後、必要に応じてロールプレス機等で圧縮成形することによって製造される。液体媒体としては、活物質および導電助を分散し、バインダ樹脂を溶解するものが用いられる。
しかし、電極を製造するに際しては、PVDF等のバインダ樹脂をN―メチル−2−ピロリドン(NMP)等の有機溶媒に溶解して用いるため、乾燥持の溶媒回収コスト、環境に対して負荷が高いなどの問題が顕在化している。
このような問題に対し、集電体に対する密着性(結着性)等のために、種々のパラメータを規定する方法が提案されている。例えば特許文献1では、THFゲル含有量が5%以下のポリマーと、NMPを主成分とする有機溶媒とを含有したバインダ組成物の、静的光散乱法により測定される第二ビリアル係数を特定値以下とし、前記ポリマーの回転半径を特定範囲内に規定する方法が提案されている。また、特許文献2では、一次粒子の最頻粒径がそれぞれ特定範囲内である重合体の液状媒体分散液2種を特定の配合量で混合する方法が提案されている。
そこで、水分散系バインダ樹脂の粉末状での提供が望まれているが、ラテックス系の樹脂は低ガラス転移温度の組成であることが多く、一旦粉末化すると高分子鎖が絡み、再度水に分散しにくくなるという問題があり、粉末状での供給は困難であった。
そのため、NMPにPVDF粉を溶解して使用するように、電極製造時に水に溶解または分散して使用することができる粉末状のバインダ樹脂が求められている。
そのため、安定品質で供給可能な非天然物で水溶性のバインダ樹脂が望まれる。
加えて、バインダ樹脂には、高い電池性能も併せ持つことも要求される。
例えば特許文献3には、バインダ樹脂として、ポリN−ビニルアセトアミドと、エチレンオキサイド(EO)およびプロピレンオキサイド(PO)の共重合体とを含む樹脂成分が開示されている。このバインダ樹脂によれば、結着性、低温から室温環境下での電池特性、リチウムイオンの伝導性に優れるとしている。
しかし、EO鎖あるいはPO鎖が電解液組成に類似した分子構造のため、EOおよびPOの共重合体が電解液へ溶出する場合があり、電池性能へ悪影響を及ぼすことが懸念される。
スラリー組成物のチキソ性は、スラリー組成物の貯蔵安定性や電池性能に影響を及ぼす。たとえばスラリー組成物のチキソ性が悪いと、塗工時(せん断応力を受けた時)に低粘度に変化せず、塗工を良好に行うことができなかったり、その後、高粘度へ回復せず、乾燥時に合剤層の内部構造が変化(活物質の沈降による偏在化等)したりしてしまう。結果、集電体と合剤層との密着性(結着性)、合剤層の平滑性(均一性)等が不良となり、電池性能が低下する。
また本発明は、柔軟性に優れた電極を形成できる水溶性の非水二次電池電極用バインダ樹脂、非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物、非水二次電池電極用スラリー組成物、非水二次電池用電極、非水二次電池を提供することを目的とする。
バインダ樹脂を、スラリー調製工程で液体媒体として用いる水に、スラリー組成物中の濃度と同程度である5質量%の濃度で溶解して樹脂溶液とした際に、動的光散乱法(DLS)による測定を行うと、一見完全に溶解しているにもかかわらず粒度分布が測定できる場合がある。このDLSによる測定にて1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和(ナノゲル強度)が、スラリー組成物のチキソ性と正の相関を示す。
<1> バインダ樹脂と、活物質と、水とを含有する非水二次電池電極用スラリー組成物に前記バインダ樹脂として用いられる非水二次電池電極用バインダ樹脂であって、
当該バインダ樹脂を前記水に溶解して濃度5質量%の溶液とし、25℃にて動的光散乱法による粒度分布測定を行ったときに、下記式(i)を満足する、非水二次電池電極用バインダ樹脂。
IS≧30 ・・・(i)
(式(i)中、ISは、1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和を示す。)
<2> 導電助剤をさらに含有する前記非水二次電池電極用スラリー組成物に前記バインダ樹脂として用いられ、
活物質100質量部、導電助剤5質量部、および当該バインダ樹脂2質量部と、水40質量部とを混合してスラリー組成物とし、せん断速度を0.03sec−1から100sec−1まで変化させながら粘弾性を測定した後、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定するせん断速度プログラムにより、25℃にて粘弾性測定を行ったときに、下記式(ii)を満足する、<1>に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
η0.1/η80≧20 ・・・(ii)
(式(ii)中、η0.1は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度0.1sec−1での粘度を示し、η80は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度80sec−1での粘度を示す。)
<3> ハロゲン元素を含まない、<1>または<2>に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
<4> 下記一般式(11)で表される構造単位と、
下記一般式(12)で表される構造単位、下記一般式(13)で表される構造単位、および下記一般式(31)で表される化合物由来の構造単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有する重合体(B)を含有する、非水二次電池電極用バインダ樹脂。
(式(31)中、R31およびR32はそれぞれ独立して、二価の置換基であり、R33は一価の置換基であり、R31〜R33のいずれかがビニル基構造を有する。sおよびtはそれぞれ独立して、0または1である。)
(式(14)中、R16は水素原子またはメチル基であり、R17は水素原子または一価の置換基であり、X11は上記一般式(13)で表される構造単位を有する二価の置換基であって、ポリアルキレングリコールの繰り返し単位、ポリエステルジオールの繰り返し単位、およびポリカーボネートジオールの繰り返し単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む二価の置換基である。)
(式(15)中、R18およびR19はそれぞれ独立して水素原子またはメチル基であり、X12は上記一般式(13)で表される構造単位を有する二価の置換基であって、ポリアルキレングリコールの繰り返し単位、ポリエステルジオールの繰り返し単位、およびポリカーボネートジオールの繰り返し単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む二価の置換基である。)
単量体(b)の単独重合体のガラス転移温度≦上記一般式(11)を構造単位とする単独重合体のガラス転移温度
<7> 上記一般式(12)および/または上記一般式(13)で表される構造単位が、酸性基またはその塩を有する、<4>〜<6>のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
<8> 前記重合体(B)は、上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位と、上記一般式(13)で表される構造単位とを有する重合体、または上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位の異なる2種以上とを有する重合体である、<4>〜<7>のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
<9> 下記(α)成分および/または(β)成分を含有する、非水二次電池電極用バインダ樹脂。
(α)成分:下記一般式(21)で表される構造単位と、下記一般式(22)で表される構造単位とを有する重合体(α)。
(β)成分:下記一般式(21)で表される構造単位を有する重合体(β1)と、下記一般式(22)で表される構造単位を有する重合体(β2)との混合物。
(柔軟性試験)
当該非水二次電池電極用バインダ樹脂と水とを混練する。これに活物質を加えて混練し、さらに電極が正極の場合には導電助剤を加えて混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整してスラリー組成物を得る。配合量は、活物質100質量部に対して、非水二次電池電極用バインダ樹脂を2質量部とし、導電助剤を5質量部とする。
得られたスラリー組成物を集電体に塗工し、乾燥して、膜厚20〜200μmの合剤層が集電体上に形成された電極を得る。
得られた電極を横3cm、縦5cmに切り出し、試験片とする。
得られた試験片の集電体面に直径8mmのマンドレルをあて、試験片の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片を折り曲げたときの合剤層の状態を観察し、電極の柔軟性を評価する。
<14> <1>〜<12>のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂、または<13>に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質と、水とを含有する、非水二次電池電極用スラリー組成物。
<15> 集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、
前記合剤層が、<1>〜<12>のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂、または<13>に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質とを含有する、非水二次電池用電極。
<16> 集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、
前記合剤層が、<14>に記載の非水二次電池電極用スラリー組成物を集電体に塗工し、乾燥させて得られるものである、非水二次電池用電極。
<17> <15>または<16>に記載の非水二次電池用電極を備える、非水二次電池。
また、本発明によれば、柔軟性に優れた電極を形成できる水溶性の非水二次電池電極用バインダ樹脂、非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物、非水二次電池電極用スラリー組成物、非水二次電池用電極、非水二次電池を提供できる。
なお、本発明において「水溶性」とは、バインダ樹脂が水に溶解することを意味し、具体的には、25℃の水100gに対する溶解度(すなわち、25℃において水100gに対して溶解する限度)が0.1g以上のことをいう。溶解度は1g以上が好ましい。
また、本明細書において「(メタ)アクリル」とは、アクリルとメタクリルの総称であり、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートとメタクリレートの総称であり、「(メタ)アリル」は、アリルとメタリルの総称である。
≪非水二次電池電極用バインダ樹脂≫
本発明の第一の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂(以下、単にバインダ樹脂という。)は、バインダ樹脂と、活物質と、水とを含有する非水二次電池電極用スラリー組成物に、前記バインダ樹脂として用いられる非水二次電池電極用バインダ樹脂である。
本発明の第一の態様のバインダ樹脂は、当該バインダ樹脂を前記水に溶解して濃度5質量%の溶液とし、25℃にて動的光散乱法による粒度分布測定を行ったときに、下記式(i)を満足するものである。
IS≧30 ・・・(i)
(式(i)中、ISは、1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和を示す。)
バインダ樹脂として水に対する溶解性が極めて高いものを用いた場合、ISが強度不足で測定できないが、溶解性が低くなると、一見溶解しているにもかかわらず、ISが測定可能となる。これは重合体分子が折りたたまれて塊状になっているためで、この塊の大きさが粒子径としてDLSにより検出されていると考えられる。
そして、上記式(i)におけるISの値は、当該バインダ樹脂を活物質、水と混合して得られるスラリー組成物のチキソ性と相関しており、バインダ樹脂のISの値が高いほど、得られるスラリー組成物のチキソ性が高まる。
ISの値が30以上、つまり粒子径1〜100nmの粒子の散乱強度の絶対値が30以上であれば、スラリー組成物を用いて非水二次電池用電極を形成する際に、形成される合剤層が充分に均一なものとなり、該電極を用いた非水二次電池が充分に優れた電池特性を有するものとなる。
一方、ISの値が30未満の場合、例えばバインダ樹脂が完全に溶解してISが測定できない場合や、100nm超の粒子の散乱強度が大きい場合、得られるスラリー組成物の均一性が不充分となる。
ISは、40以上が好ましく、50以上がより好ましい。
「ラテックス」と「溶液」とは、レーザー回折式の粒径分布測定で粒子径が観測されるか否かにより区別できる。「溶液」の場合、レーザー回折式の粒径分布測定では粒子径が観測されない。
たとえば、ある重合体を用いた場合に、100nm超の粒子の散乱強度が大きく、ISが30未満であるときは、その重合体よりも前記水に対する溶解度が高い重合体を配合すると、ISが大きくなる。
また、バインダ樹脂が完全に溶解してISが測定できない場合は、質量平均分子量が大きいほど、前記水に対する溶解度が低下し、ISが大きくなる傾向がある。
η0.1/η80≧20 ・・・(ii)
(式(ii)中、η0.1は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度0.1sec−1での粘度を示し、η80は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度80sec−1での粘度を示す。)
前記スラリー組成物の粘弾性測定は、応力制御方式と歪み制御方式の、どちらのレオメーターを用いて測定してもよいが、スラリー組成物の粘度(スラリー粘度)を考慮すると、応力制御方式のレオメーターが好ましい。測定に使用するプレートなどの条件は特に限定されないが、広いスラリー粘度範囲に対応できる点で、φ40mm、角度2°のコーンプレートを用い、ギャップを69mmに設定するのが好ましい。測定温度は25℃とする。
せん断速度プログラムは、まず、せん断速度を0.03sec−1から100sec−1まで変化させながらスラリー組成物の粘弾性を測定する。その後、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら再度スラリー組成物の粘弾性を測定する。
η0.1/η80の値が20未満の場合は、活物質や導電助剤が経時的に沈降し、合剤層が不均一になる。
η0.1/η80の上限値は特に限定されないが、スラリー組成物を塗工した後の急激なスラリー組成物の固化を防止する点で、500以下が好ましい。
たとえば、ある重合体を用いたスラリー組成物の場合に、η0.1/η80の値が20未満であるときは、その重合体よりも前記水に対する溶解度が低い重合体を配合すると、η0.1/η80が大きくなる。
また、ある重合体を用いたスラリー組成物の場合に、η0.1/η80の値が500より大きいときは、質量平均分子量や粘度平均分子量の小さい重合体を配合すると、前記水に対する溶解度が増し、η0.1/η80が小さくなる傾向がある。
重合体(A)は、本発明の第一の態様のバインダ樹脂に含まれる重合体であり、スラリー組成物に適度な粘度を付与し、スラリー組成物の安定性や電池特性を付与する。
本発明の第一の態様においては、バインダ樹脂を濃度5質量%溶液としてDLSによる粒度分布測定を行うことから、バインダ樹脂が、非水二次電池電極用スラリー組成物の調製に用いられる水に溶解して濃度5質量%以上の溶液となし得る水溶性を有する必要がある。したがって、バインダ樹脂を構成する重合体(A)自体も、非水二次電池電極用スラリー組成物の調製に用いられる水に溶解して濃度5質量%以上の溶液となし得る水溶性を有するものである。
アルカリ金属としては、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムなどが挙げられる。
アルカリ土類金属としては、例えばマグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。
置換アンモニウムとしては、例えば脂式アンモニウム類、環式飽和アンモニウム類、環式不飽和アンモニウム類などが挙げられる。
単量体(a2)としては、例えば、(メタ)アクリル酸−2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸−3−ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸−2−ヒドロキシ−n−プロピル、(メタ)アクリル酸−4−ヒドロキシ−n−ブチル等のヒドロキシ基含有モノビニル単量体;(メタ)アクリル酸−2−エトキシエチル、(メタ)アクリル酸−1−エトキシエチル、(メタ)アクリル酸ブトキシエチレングリコール、(メタ)アクリル酸メトキシポリエチレングリコール、(メタ)アクリル酸テトラヒドロフルフリル等のエーテル結合含有モノビニル単量体;(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸2−ジメチルアミノエチル、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、N−ビニルピロリドン、N−ビニル−ε−カプロラクタム、N−ビニルカルバゾール等のアミノ基含有モノビニル単量体などが挙げられる。
これら単量体(a1)、単量体(a2)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
単量体(a1)単位と単量体(a2)単位の合計含有率の上限は特に限定されず、100モル%であってもよい。
単量体(a1)単位と単量体(a2)単位のそれぞれの含有率は特に限定されず、0〜100モル%の範囲で適宜設定できる。また、単量体(a1)単位および単量体(a2)単位以外の単位(任意単位)を重合体(A)に含有させる場合は、任意単位とのバランスを考慮して適宜設定できる。
これら単量体(a3)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
重合体(A)中の単量体(a3)単位の含有率は、重合体(A)を構成する全ての構成単位の合計(100モル%)中、0〜10モル%が好ましく、0.01〜5モル%がより好ましい。
これら単量体(a4)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
重合体(A)中の単量体(a4)単位の含有率は、重合体(A)を構成する全ての構成単位の合計(100モル%)中、0〜10モル%が好ましく、0.01〜5モル%がより好ましい。
例えば、各単量体が水に可溶であり、かつ生成する重合体の水への親和性が高い場合には、水溶液重合を選択できる。水溶液重合は、単量体及び水溶性重合開始剤を水に溶解し、外部からの加熱や重合熱により重合体を得るものである。
また、各単量体の水への溶解度が小さい場合は、懸濁重合、乳化重合等を選択できる。乳化重合は、水中に単量体、乳化剤、水溶性の重合開始剤等を加え、撹拌下で加熱して重合体を得るものである。
また、重合系内には連鎖移動剤が存在していてもよい。
重合温度および時間は特に限定されないが、重合反応の進行、化合物の安定性、操作性の観点から、0〜200℃、0.1〜100時間が好ましい。
さらに、ろ過、遠心分離、加熱乾燥、減圧乾燥及びこれらを組み合わせて水を除去することで、粉末状の重合体(A)が得られる。
粘度平均分子量(Mv)は、重合体(A)の水溶液の粘度から、ポリN−ビニルホルムアミド(以下、PNVFという。)を標準物質とした粘度換算分子量として算出される。粘度平均分子量の算出方法の例を以下に示す。
重合体(A)の水溶液の還元粘度(ηsp/C)と、Hugginsの式(ηsp/C=[η]+K’[η]2C)とから、固有粘度[η]を算出する。なお、上記式中の「C」は、重合体(A)の水溶液における重合体(A)の濃度(g/dL)である。重合体(A)の水溶液の還元粘度の測定方法は、後述のものである。
得られた固有粘度[η]、およびMark−Houwinkの式([η]=KMa)から、粘度平均分子量(式中の「M」)を算出する。
なお、1N食塩水において、PNVFのパラメータは、K=8.31×10−5、a=0.76、K’=0.31である。
まず、重合体(A)の濃度が0.1質量%となるように、1N食塩水に重合体(A)を溶解して、重合体(A)の水溶液を得る。得られた重合体(A)の水溶液について、オスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t1)を測定する。
別途、ブランクとして、1N食塩水について、オスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t0)を測定する。
得られた流下時間から、下記式(iii)により還元粘度を算出する。
ηsp/C={(t1/t0)−1}/C ・・・(iii)
(式(iii)中、Cは、重合体(A)の水溶液における重合体(A)の濃度(g/dL)である。)
また、本発明の第一の態様のバインダ樹脂は、ハロゲン元素を含まないことが好ましい。バインダ樹脂がハロゲン元素を含む場合、このバインダ樹脂を用いて製造した電極を備えた非水二次電池は、充放電時の電解質とバインダ樹脂との間の電気化学反応によりフッ素化水素などのハロゲン化水素が発生し、活物質などの腐食が懸念される。
バインダ樹脂がハロゲン元素を含まなければ、充放電時のハロゲン化水素の発生を抑制されるので、活物質の腐食がしにくい。
ここで、「ハロゲン元素を含まない」とは、ハロゲン元素を含む重合体(例えば、PVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリペンタフルオロプロピレン等の含フッ素重合体など)が、バインダ樹脂100質量%中、50質量ppm未満であることを意味する。
本発明の第一の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物(以下、単にバインダ樹脂組成物という。)は、上述した本発明の第一の態様のバインダ樹脂を含有する。
バインダ樹脂組成物の形態としては、粉末状、水等の溶媒に溶解または分散したドープ状などが挙げられる。保管や流通時の安定性、経済性、取り扱い性の容易さの観点から、保管や流通時は粉末状が好ましい。
バインダ樹脂組成物が粘度調整剤等の添加剤を含有する場合、その含有量は、バインダ樹脂組成物を100質量%とした場合、50質量%以下が好ましい。ただし、電池性能をより高める観点から、添加剤の含有量は少ないほど好ましい。
IS≧30 ・・・(i)
(式(i)中、ISは、1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和を示す。)
η0.1/η80≧20 ・・・(ii)
(式(ii)中、η0.1は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度0.1sec−1での粘度を示し、η80は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度80sec−1での粘度を示す。)
本発明の第一の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物(以下、単にスラリー組成物という。)は、上述した本発明の第一の態様のバインダ樹脂、または本発明の第一のバインダ樹脂組成物と、活物質と、水とを含有するものである。すなわち、本発明の第一の態様のスラリー組成物は、バインダ樹脂と、活物質と、水とを含有するスラリー組成物であって、前記バインダ樹脂を前記水に溶解して濃度5質量%の溶液とし、25℃にて動的光散乱法による粒度分布測定を行ったときに、下記式(i)を満足する非水二次電池電極用スラリー組成物である。
IS≧30 ・・・(i)
(式(i)中、ISは、1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和を示す。)
η0.1/η80≧20 ・・・(ii)
(式(ii)中、η0.1は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度0.1sec−1での粘度を示し、η80は、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度80sec−1での粘度を示す。)
本発明の第一の態様のスラリー組成物中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、当該スラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や後述の任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
例えばリチウムイオン二次電池の場合、正極の活物質(正極活物質)としては、負極の活物質(負極活物質)より高電位(金属リチウムに対し)であり、充放電時にリチウムイオンを吸脱できる物質が用いられる。
正極活物質の具体例としては、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン及びバナジウムから選ばれる少なくとも1種類以上の金属と、リチウムとを含有するリチウム含有金属複合酸化物、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリピロール及びその誘導体、ポリチエニレン及びその誘導体、ポリピリジンジイル及びその誘導体、ポリイソチアナフテニレン及びその誘導体等のポリアリーレンビニレン及びそれらの誘導体等の導電性高分子が挙げられる。導電性高分子としては、有機溶媒に可溶なアニリン誘導体の重合体が好ましい。これら正極活物質は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
負極活物質としては、例えば、黒鉛、非晶質炭素、炭素繊維、コークス、活性炭等の炭素材料;前記炭素材料とシリコン、錫、銀等の金属又はこれらの酸化物との複合物等が挙げられる。これら負極活物質は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池においては、正極活物質としてリチウム含有金属複合酸化物を用い、負極活物質として黒鉛を用いることが好ましい。このような組み合わせとすることで、リチウムイオン二次電池の電圧を例えば4V以上に高められる。
ただし、有機溶媒は環境への負荷が高いことから、溶媒としては水を単独で用いることが好ましい。
任意成分としては、例えば導電助剤、酸化防止剤、増粘剤等が挙げられる。
特に、本発明の第一の態様のスラリー組成物が正極の合剤層を形成するものである場合や、シリコンなどの金属微粒子を含んだ負極の合剤層を形成するものである場合、導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤を含有することで、活物質同士や活物質と金属微粒子との電気的接触を向上させることができ、非水二次電池の放電レート特性等の電池性能をより高めることができる。
本発明の第一の態様のスラリー組成物中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性が良好である。
スラリー調製時、本発明の第一の態様のバインダ樹脂は、粉末状のものをそのまま使用してもよく、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)と混合する前に予め、溶媒に溶解して樹脂溶液として用いてもよいであってもよい。
本発明の第一の態様の非水二次電池用電極(以下、単に電極という。)は、集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、前記合剤層が、上述した本発明の第一の態様のバインダ樹脂と、活物質とを含有するものである。
集電体の形状は、目的とする電池の形態に応じて決定でき、例えば、薄膜状、網状、繊維状が挙げられ、中でも、薄膜状が好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、5〜30μmが好ましく、8〜25μmがより好ましい。
合剤層中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、上述した本発明の第一の態様のスラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
合剤層中の活物質の含有量は、特に限定されないが、80〜99.9質量%が好ましく、85〜99質量%がより好ましい。80質量%以上であれば、合剤層としての機能が充分に発揮される。99.9質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
導電助剤としては、上述した本発明の第一の態様のスラリー組成物の説明において、先に例示した導電助剤と同様のものが挙げられる。これら導電助剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
合剤層中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
集電体が薄膜状または網状である場合、合剤層は、集電体の片面に設けられても両面に設けられてもよい。
スラリー組成物の塗工方法は、集電体にスラリー組成物を任意の厚みで塗布できるものであればよく、特に限定されないが、例えば、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、刷毛塗り法等の方法が挙げられる。
塗工量は、形成しようとする合剤層の厚みに応じて適宜設定できる。
乾燥方法は、溶媒を除去できればよく、特に制限されない。例えば、スラリー組成物が溶媒として水を含む場合は水の沸点以上に加熱する方法;スラリー組成物が溶媒として水と有機溶媒の混合溶媒を含む場合は水および有機溶媒の沸点以上に加熱する方法;温風、熱風、または低湿風を吹き付ける方法;減圧条件下で溶媒を蒸発させる方法;(遠)赤外線や電子線等を照射する方法などが挙げられる。
圧延方法としては、例えば金型プレスやロールプレス等の方法が挙げられる。
なお、得られた電極を任意の寸法に切断してもよい。
本発明の第一の態様の非水二次電池(以下、単に電池という。)は、上述した本発明の第一の態様の非水二次電池用電極を備えるものである。
「非水二次電池」は、電解質として、水を含まない非水電解質を用いたものであり、例えばリチウムイオン二次電池等が挙げられる。非水二次電池は、通常、電極(正極および負極)と、非水電解質と、セパレータとを備える。例えば、正極と負極とを透過性のセパレータ(例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレン製の多孔性フィルム)を間に介して配置し、これに非水電解質を含浸させた非水二次電池;集電体の両面に合剤層が形成された負極/セパレータ/集電体の両面に合剤層が形成された正極/セパレータからなる積層体をロール状(渦巻状)に捲回した捲回体が、非水電解質と共に電池缶(有底の金属ケーシング)に収容された筒状の非水二次電池などが挙げられる。
電解液の有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等のカーボネート類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;トリメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、2−エトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテル類;ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類;1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン等のオキソラン類;アセトニトリル、ニトロメタン、NMP等の含窒素類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル等のエステル類;ジグライム、トリグライム、テトラグライム等のグライム類;アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;スルホラン等のスルホン類;3−メチル−2−オキサゾリジノン等のオキサゾリジノン類;1,3−プロパンスルトン、4−ブタンスルトン、ナフタスルトン等のスルトン類等が挙げられる。これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池の電解液としては、カーボネート類にLiPF6を溶解したものが好ましい。
正極および負極のいずれか一方が本発明の第一の態様の電極である場合、他方の電極としては、公知のものが利用できる。
まず、正極と負極とをセパレータを介して対向させ、電池形状に応じて、渦巻き状に捲回する、または折るなどして電池容器に挿入し、予め負極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池容器の底部に溶接する。
次いで、電池容器に非水電解質を注入し、さらに予め正極の集電体に溶接しておいたタブ端子を電池の蓋に溶接し、蓋を絶縁性のガスケットを介して電池容器の上部に配置し、蓋と電池缶とが接した部分をかしめて密閉して、リチウムイオン二次電池とする。
電池の形状は、コイン型、円筒型、角形、扁平型など何れであってもよい。
≪非水二次電池電極用バインダ樹脂≫
本発明の第二の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂(以下、単にバインダ樹脂という。)は、下記一般式(11)で表される構造単位と、下記一般式(12)で表される構造単位、下記一般式(13)で表される構造単位、および下記一般式(31)で表される化合物由来の構造単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有する重合体(B)を含有する。
炭化水素基としては、具体的メチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基 、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等のアルキル基などが挙げられる。炭化水素基は直鎖であっても分岐であってもよい。
得られる重合体(B)の水溶性を高める観点から、R11およびR12が炭化水素基である場合は炭素数が少ない方が好ましく、R11およびR12としてはそれぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、水素原子またはメチル基がより好ましい。特に、水溶性が向上する点で、R11が水素原子であり、R12が水素原子またはメチル基であるものが好ましく、その中でも特に、R12が水素原子であるものが好ましい。
一価の置換基としては、炭化水素基、および酸素、硫黄、窒素原子などのヘテロ原子を含む各種置換基が挙げられる。
R13としては、具体的には水素原子、ヒドロキシ基、チオール基、アミノ基等の塩基性基およびその塩、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルキル基を有するアルコキシ基などが挙げられるがこれに限られるものではない。また、構造単位である上記一般式(12)に記載のカルボニル基と結合して、酸を形成する場合にはそれらの塩を形成していてもよい。さらに、R13の構造中に、ヒドロキシ基、チオール基、リン酸基、スルホン酸基、カルボキシ基等の酸性基およびその塩、アミノ基等の塩基性基およびその塩を有していてもよい。
これら単量体(b2)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
二価の置換基としては、直鎖状あるいは分岐状の二価の炭化水素基や、芳香環、脂環の任意の炭素原子から水素を2つ除いた二価の置換基などが挙げられ、それらは単一でも他の置換基と結合していてもよく、その骨格あるいは置換基にヘテロ原子を含んでもよい。
具体的にはエチレン基、プロピレン基、ブチレン基等の直鎖状あるいは分岐状の二価の炭化水素基や、ベンゼン環、ナフタレン環、チオフェン環等の芳香環、シクロヘキサン等の脂環の任意の炭素原子から水素を2つ除いた二価の置換基が挙げられる。
上記一般式(13)で表される構造単位としては、ポリアルキレングリコールの繰り返し単位、ポリエステルジオールの繰り返し単位、およびポリカーボネートジオールの繰り返し単位が好ましく、さらに炭素数2〜4のアルキレンオキサイド単位が好ましく、具体的にはエチレンオキサイド単位、プロピレンオキサイド単位が好ましいが、任意の炭化水素基を有するポリアルキレングリコールの繰り返し単位、ポリエステルジオールの繰り返し単位、およびポリカーボネートジオールの繰り返し単位であれば特に限定されない。
また、上記一般式(13)で表される構造単位において、リン酸基、スルホン酸基、カルボキシ基等の酸性基またはその塩を構造内に有していてもよい。
R17は水素原子または一価の置換基である。一価の置換基としては、直鎖状あるいは分岐状の一価の炭化水素基;芳香環、脂環の任意の炭素原子から水素を1つ除いた一価の置換基;酸性基およびその塩などが挙げられ、それらは単一でも他の置換基と結合していてもよく、その骨格あるいは置換基にヘテロ原子を含んでもよい。具体的には炭素数1〜20のアルキル基等の直鎖状あるいは分岐状の一価の炭化水素基;ベンゼン環、ナフタレン環、チオフェン環等の芳香環、シクロヘキサン等の脂環の任意の炭素原子から水素を1つ除いた一価の置換基;リン酸基、カルボキシ基、スルホン酸基等の酸性基およびその塩が挙げられる。
X11の形態としては、単独構造単位の繰返しでもよいし、2つ以上の構造単位の繰返しでもよい。また、X11の形態が2つ以上の構造単位の繰返しの場合、構造単位の並び方は特に限定されず、各構造単位がランダムに存在していてもよいし、各構造単位がブロックで存在していてもよいし、各構造単位が交互に存在していてもよい。
R16がメチル基、R17が水素原子、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーE(エチレングリコールの繰り返し単位が1)、ブレンマーPEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約2〜8)。
R16がメチル基、R17が水素原子、X11がプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーP(繰り返し単位が1)、ブレンマーPPシリーズ(例えば、繰り返し単位が約4〜13)。
R16がメチル基、R17が水素原子、X11がエチレングリコールおよびプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマー50PEP−300(エチレングリコールの繰り返し単位が約3.5、プロピレングリコールの繰り返し単位が約2.5)、ブレンマー70PEP−350B(エチレングリコールの繰り返し単位が約5、プロピレングリコールの繰り返し単位が約2)。
R16がメチル基、R17が水素原子、X11がエチレングリコールおよびブチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマー55PET−800(エチレングリコールの繰り返し単位が約10、ブチレングリコールの繰り返し単位が約5)。
R16が水素原子、R17が水素原子、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーAEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約2〜10)。
R16が水素原子、R17が水素原子、X11がプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーAPシリーズ(例えば、プロピレングリコールの繰り返し単位が約3〜9)。
R16がメチル基、R17がメチル基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーPMEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約2〜90)。
R16がメチル基、R17がメチル基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、AM−130G(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約13)。
R16がメチル基、R17がCH2CH(C2H5)C4H9、X11がエチレングリコールおよびプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマー50POEP−800B(エチレングリコールの繰り返し単位が約8、プロピレングリコールの繰り返し単位が約6)。
R16がメチル基、R17がオクタデシル基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーPSE−1300(エチレングリコールの繰り返し単位が約30)。
R16がメチル基、R17がフェニル基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーPAEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が1あるいは2)。
R16が水素原子、R17がフェニル基の水素原子の1つをノニル基で置換したもの、X11がプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーANP−300(プロピレングリコールの繰り返し単位が約5)。
R16が水素原子、R17がフェニル基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーAAEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約1〜5.5)。
R16が水素原子、R17がリン酸基、X11がエチレングリコールの繰り返し単位である、メタクリロイルオキシエチルフォスフェート(エチレングリコールの繰り返し単位が1)。
これら単量体(b4)は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上述した単量体(b4)の構造式の一例を以下に示す。
X12の形態としては、単独構造単位の繰返しでもよいし、2つ以上の構造単位の繰返しでもよい。また、X12の形態が2つ以上の構造単位の繰返しの場合、構造単位の並び方は特に限定されず、各構造単位がランダムに存在していてもよいし、各構造単位がブロックで存在していてもよいし、各構造単位が交互に存在していてもよい。
R18がメチル基、R19がメチル基、X12がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーPDEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約2〜14)。
R18が水素原子、R19が水素原子、X12がエチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーADEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約4〜14)。
R18がメチル基、R19がメチル基、X12がプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーPDPシリーズ(例えば、プロピレングリコールの繰り返し単位が約7〜12)。
R18が水素原子、R19が水素原子、X12がプロピレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーADPシリーズ(例えば、プロピレングリコールの繰り返し単位が約6)。
R18が水素原子、R19が水素原子、X12がブチレングリコールの繰り返し単位である、ブレンマーADTシリーズ(例えば、ブチレングリコールの繰り返し単位が約3)。
R18がメチル基、R19がメチル基、X12がエチレングリコールの繰り返し単位と−C6H4−C(CH3)2−C6H4−を含む、ブレンマーPDBEシリーズ(例えば、エチレングリコールの繰り返し単位が約4〜30)。
R18がメチル基、R19がメチル基、X12がプロピレングリコールの繰り返し単位と−C6H4−C(CH3)2−C6H4−を含む、ブレンマーPDBPシリーズ(例えば、プロピレングリコールの繰り返し単位が約10)。
上述した単量体(b5)の構造式の一例を以下に示す。
これら単量体(b5)は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
これら重合開始剤は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記一般式(16)で表される重合開始剤の例として、構造式を以下に示す。
一価および二価の置換基としては、炭素数1〜20の直鎖状、分岐状、または環状の炭化水素基、該炭化水素基を構成する炭素原子の1または2以上が酸素、硫黄、窒素原子などのヘテロ原子で置き換わった基等が挙げられる。この炭化水素基は、ヒドロキシ基、エーテル基、エステル基、カルボニル基、アルデヒド基、一級〜三級のアミノ基、ニトロ基、シアノ基、アセタール基、チオール基、チオエーテル基、チオエステル基などを含んでいてもよい。また、R31〜R33の構造中に、リン酸基、スルホン酸基、カルボキシ基等の酸性基およびその塩、アミノ基等の塩基性基およびその塩を有していてもよい。
上記一般式(33)中、R35は水素原子またはメチル基である。
任意単位の由来源となる単量体(以下、「単量体(b8)」という。)としては、単量体(b1)、(b2)、(b4)、(b5)、(b7)と共重合可能であれば特に限定されないが、例えばアクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン、フマロニトリルエチル等のシアン化ビニル単量体;塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル単量体;イタコン酸、クロトン酸等のカルボキシ基含有単量体およびその塩;スチレン、α−メチルスチレン等の芳香族ビニル単量体;マレイミド、フェニルマレイミド等のマレイミド類;(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸、スチレンスルホン酸等のスルホン酸基含有ビニル単量体およびその塩;リン酸基を含有ビニル単量体およびその塩;酢酸ビニルが挙げられる。
これら単量体(b8)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
単量体(b)の単独重合体のガラス転移温度≦上記一般式(11)を構造単位とする単独重合体のガラス転移温度
なお、ガラス転移温度はPolymer Handbook Fourth Edition(A WiLEY−INTERSCIENCE PUBLICATION)に記載されている、各単量体の単独重合体のガラス転移温度である。Polymer Handbookに記載のない単量体については、単量体(b)の単独重合体と上記一般式(11)を構造単位とする単独重合体とで同一の測定条件で求められる数値、などを用いることができる。また、分析方法としては、例えば示差走査熱量分析などの公知の測定法で得られる値を用いてもよい。さらに、上記条件を満たす単量体(b)が、酸性および塩基性の塩を形成してもよい。
本発明に使用する単量体(b)の単独重合体のガラス転移温度は、より柔軟性に優れた電極が得られる点で、110℃以下が好ましく、50℃以下が更に好ましい。
なお、示差走査熱量分析による、ポリN−ビニルホルムアミドのガラス転移点は126℃である。このときの条件は下記である。
・装置:DSC7(パーキンエルマー社製)
・窒素フロー下、昇温速度10℃/minにて測定
単量体(b)としては、メチルアクリレート(10℃)、ブチルメタクリレート(20℃)、2−エチルブチルアクリレート(−50℃)、3−メトキシプロピルアクリレート(−75℃)、2−エチルヘキシルアクリレート(−50℃)、ブチルアクリレート(−54℃)、ヘキシルアクリレート(−57℃)、2−メトキシエチルアクリレート(−50℃)、アクリル酸(108℃)等が挙げられる。
また、単量体(b)として、新中村化学工業株式会社製のNKエステルAM−90G(メトキシポリエチレングリコール#400アクリレート)、NKエステルAMP−20GY(フェノキシポリエチレングリコールアクリレート)、NKエステルA−SA(2−アクリロイルオキシサクシネート)、NKエステルA−200(ポリエチレングリコール#200ジアクリレート)、NKエステルS(ステアリルアクリレート)、NKエステルSA(2−メタクロイルオキシエチルサクシネート)などを用いてもよい。
例えば、使用する単量体が水に可溶であり、かつ生成する重合体(B)も水に対して充分な親和性を有する場合には、水溶液重合を用いることができる。水溶液重合は、原料となる単量体および水溶性重合開始剤を水に溶解し、加熱することにより重合体(B)を得る方法である。
また、使用する単量体の水への溶解度が小さいときは、懸濁重合、乳化重合などを用いることができる。乳化重合は、水中に原料となる単量体、乳化剤、水溶性重合開始剤などを加え、撹拌下に加熱することにより重合体(B)を得る方法である。
重合後は、ろ過、遠心分離、加熱乾燥、減圧乾燥及びこれらを組み合わせて水を除去することで、粉末状の重合体(B)が得られる。
粘度平均分子量(Mv)は、重合体(B)の水溶液の粘度から、ポリN−ビニルホルムアミド(以下、PNVFという。)を標準物質とした粘度換算分子量として算出される。粘度平均分子量の算出方法としては、第一の態様において説明した算出方法と同様のものが挙げられる。
他の重合体としては、例えばポリアクリル酸およびその塩、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミドなどが挙げられ、これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
バインダ樹脂100質量%中の他の重合体の含有量は0〜50質量%が好ましい。
ここで、「合剤層に変化がない」とは、合剤層に横筋が入ったり、クラックや剥がれが生じたりしていない状態を意味する。
当該非水二次電池電極用バインダ樹脂と水とを混練する。これに活物質を加えて混練し、さらに電極が正極の場合には導電助剤を加えて混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整してスラリー組成物を得る。配合量は、活物質100質量部に対して、非水二次電池電極用バインダ樹脂を2質量部とし、導電助剤を5質量部とする。
得られたスラリー組成物を集電体に塗工し、乾燥して、膜厚20〜200μmの合剤層が集電体上に形成された電極を得る。
得られた電極を横3cm、縦5cmに切り出し、試験片とする。
得られた試験片の集電体面に直径8mmのマンドレルをあて、試験片の片側をテープで固定し、湿度10%以下の環境にて、集電体面が内側になるよう試験片を折り曲げたときの合剤層の状態を観察し、電極の柔軟性を評価する。
本発明の第二の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物(以下、単にバインダ樹脂組成物という。)は、上述した本発明の第二の態様のバインダ樹脂を含有する。
バインダ樹脂組成物の形態としては、粉末状、水等の溶媒に溶解または分散したドープ状などが挙げられる。保管や流通時の安定性、経済性、取り扱い性の容易さの観点から、保管や流通時は粉末状が好ましい。
他のバインダ樹脂としては、第一の態様のバインダ樹脂組成物の説明において、先に例示した他のバインダ樹脂や、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)、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含体(PFA)、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)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂が挙げられる。
粘度調整剤としては、第一の態様のバインダ樹脂組成物の説明において、先に例示した粘度調整剤と同様のものが挙げられる。
バインダ樹脂組成物が粘度調整剤等の添加剤を含有する場合、その含有量は、バインダ樹脂組成物を100質量%とした場合、50質量%以下が好ましい。ただし、電池性能をより高める観点から、添加剤の含有量は少ないほど好ましい。
特に、バインダ樹脂に含まれる重合体(B)が、少なくとも上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)で表される構造単位とを有する重合体、または上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位の異なる2種以上とを有する重合体であれば、バインダ樹脂組成物の結着性も向上する。
本発明の第二の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物(以下、単にスラリー組成物という。)は、上述した本発明の第二の態様のバインダ樹脂、または本発明の第二の態様のバインダ樹脂組成物と、活物質と、水とを含有するものである。
本発明の第二の態様のスラリー組成物中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、当該スラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や後述の任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
例えばリチウムイオン二次電池の場合、正極の活物質(正極活物質)としては、負極の活物質(負極活物質)より高電位(金属リチウムに対し)であり、充放電時にリチウムイオンを吸脱できる物質が用いられる。
正極活物質および負極活物質の具体例としては、第一の態様のスラリー組成物の説明において、先に例示した正極活物質および負極活物質と同様のものが挙げられる。これら正極活物質および負極活物質は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池においては、正極活物質としてリチウム含有金属複合酸化物を用い、負極活物質として黒鉛を用いることが好ましい。このような組み合わせとすることで、リチウムイオン二次電池の電圧を例えば4V以上に高められる。
ただし、有機溶媒は環境への負荷が高いことから、溶媒としては水を単独で用いることが好ましい。
任意成分としては、例えば導電助剤、酸化防止剤、増粘剤等が挙げられる。
特に、本発明の第二の態様のスラリー組成物が正極の合剤層を形成するものである場合や、シリコンなどの金属微粒子を含んだ負極の合剤層を形成するものである場合、導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤を含有することで、活物質同士や活物質と金属微粒子との電気的接触を向上させることができ、非水二次電池の放電レート特性等の電池性能をより高めることができる。
本発明の第二の態様のスラリー組成物中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
スラリー調製時、本発明の第二の態様のバインダ樹脂または本発明の第二の態様のバインダ樹脂組成物は、粉末状のものをそのまま使用してもよく、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)と混合する前に予め、溶媒に溶解して樹脂溶液として用いてもよいであってもよい。
特に、バインダ樹脂に含まれる重合体(B)が、少なくとも上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)で表される構造単位を有する重合体、または上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位の異なる2種以上とを有する重合体であれば、集電体に対して結着性に優れた合剤層を形成できる。
本発明の第二の態様の非水二次電池用電極(以下、単に電極という。)は、集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、前記合剤層が、上述した本発明の第二の態様のバインダ樹脂または本発明の第二の態様のバインダ樹脂組成物と、活物質とを含有するものである。
集電体の形状は、目的とする電池の形態に応じて決定でき、例えば、薄膜状、網状、繊維状が挙げられ、中でも、薄膜状が好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、5〜30μmが好ましく、8〜25μmがより好ましい。
合剤層中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、上述した本発明の第二の態様のスラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
合剤層中の活物質の含有量は、特に限定されないが、80〜99.9質量%が好ましく、85〜99質量%がより好ましい。80質量%以上であれば、合剤層としての機能が充分に発揮される。99.9質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
導電助剤としては、第一の態様のスラリー組成物の説明において先に例示した導電助剤と同様のものが挙げられる。これら導電助剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
合剤層中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
集電体が薄膜状または網状である場合、合剤層は、集電体の片面に設けられても両面に設けられてもよい。
塗工量は、形成しようとする合剤層の厚みに応じて適宜設定できる。
乾燥方法は、溶媒を除去できればよく、特に制限されないが、例えば第一の態様の電極の説明において、先に例示した乾燥方法と同様の方法が挙げられる。
圧延方法としては、例えば金型プレスやロールプレス等の方法が挙げられる。
なお、得られた電極を任意の寸法に切断してもよい。
特に、バインダ樹脂に含まれる重合体(B)が、少なくとも上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)で表される構造単位を有する重合体、または上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位の異なる2種以上とを有する重合体であれば、合剤層の集電体に対する結着性にも優れる。
本発明の第二の態様の非水二次電池(以下、単に電池という。)は、上述した本発明の第二の態様の非水二次電池用電極を備えるものである。
「非水二次電池」は、電解質として、水を含まない非水電解質を用いたものであり、例えばリチウムイオン二次電池等が挙げられる。非水二次電池は、通常、電極(正極および負極)と、非水電解質と、セパレータとを備え、例えば、第一の態様の電池の説明において、先に例示した非水二次電池と同様のものが挙げられる。
電解液の有機溶媒としては、第一の態様の非水二次電池の説明において先に例示した電解液の有機溶媒と同様のものが挙げられる。これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池の電解液としては、カーボネート類にLiPF6を溶解したものが好ましい。
正極および負極のいずれか一方が本発明の第二の態様の電極である場合、他方の電極としては、公知のものが利用できる。
なお、本発明の第二の態様の電極は柔軟性に優れるので、捲回したり、折ったりしやすい。
電池の形状は、コイン型、円筒型、角形、扁平型など何れであってもよい。
≪非水二次電池電極用バインダ樹脂≫
本発明の第三の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂(以下、単にバインダ樹脂という。)は、下記(α)成分および/または(β)成分を含有する。
(α)成分:下記一般式(21)で表される構造単位と、下記一般式(22)で表される構造単位とを有する重合体(α)。
(β)成分:下記一般式(21)で表される構造単位を有する重合体(β1)と、下記一般式(22)で表される構造単位を有する重合体(β2)との混合物。
重合体(β2)は下記一般式(22)で表される構造単位を10モル%以上有することが好ましく、30モル%以上有することがより好ましく、50モル%以上有することがさらに好ましく、80モル%以上有することが特に好ましい。
(β)成分は、下記一般式(21)で表される構造単位を80モル%以上有する重合体(β1)と、下記一般式(22)で表される構造単位を80モル%以上有する重合体(β2)との混合物であることがより好ましい。
重合体(β1)は下記一般式(22)で表される構造単位を有さず、重合体(β2)は下記一般式(21)で表される構造単位を有さないものとする。
炭化水素基としては、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基 、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等のアルキル基などが挙げられる。炭化水素基は直鎖であっても分岐であってもよい。
バインダ樹脂の水溶性を高める観点から、R21が炭化水素基である場合は炭素数が少ない方が好ましく、R21としては、水素原子または炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、水素原子またはメチル基がより好ましく、水素原子が特に好ましい。
バインダ樹脂の水溶液を精秤し、メスフラスコに採取し、これに脱塩水を加える。このメスフラスコからバインダ樹脂の水溶液をホールピペットで採取したものに脱塩水を加えた後、pH計で確認しながら1N−塩酸溶液によりpHが2.5になるように調整し、これを試験液とする。
得られた試験液にトルイジンブルーを加え、N/400−ポリビニル硫酸カリウム溶液で滴定する。試験液が青色から紫色に変色した点を終点とする。滴定結果から、上記一般式(21)で表される構造単位の含有率を求める。
炭化水素基としては、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基 、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等のアルキル基などが挙げられる。炭化水素基は直鎖であっても分岐であってもよい。
バインダ樹脂の水溶性を高める観点から、R22およびR23が炭化水素基である場合は炭素数が少ない方が好ましく、R22およびR23としてはそれぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、水素原子またはメチル基がより好ましい。特に、水溶性が向上する点で、R22が水素原子であり、R23が水素原子またはメチル基であるものが好ましく、その中でも特に、R23が水素原子であるものが好ましい。
13C−NMR測定は、バインダ樹脂の水溶液を凍結乾燥して得られたバインダ樹脂の粉末15mgを、基準物質として3−(トリメチルシリル)−1−プロパンスルホン酸ナトリウムを0.5質量%添加した重水900mgに溶解し、この溶液を直径5mmφの試験管に、液高5cm程度になるように入れ、核磁気共鳴装置を用いて、例えば以下の条件にて測定する。
測定条件:
・観測周波数:500MHz(1Hデカップリングパルスモード)
・測定温度:30℃
・積算回数:10000回
得られた13C−NMRスペクトルのうち、160〜165ppmの信号強度を上記一般式(22)で表される構造単位のものとして、信号強度の積分値の比率から、上記一般式(22)で表される構造単位の含有率を求める。
炭化水素基としては、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、iso−プロピル基、n−ブチル基 、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基等のアルキル基などが挙げられる。炭化水素基は直鎖であっても分岐であってもよい。
バインダ樹脂の水溶性を高める観点から、R24およびR25が炭化水素基である場合は炭素数が少ない方が好ましく、R24およびR25としてはそれぞれ独立して、水素原子または炭素数1〜3のアルキル基が好ましく、水素原子またはメチル基がより好ましい。特に、水溶性が向上する点で、R24が水素原子であり、R25が水素原子またはメチル基であるものが好ましく、その中でも特に、R25が水素原子であるものが好ましい。
得られた13C−NMRスペクトルのうち、150〜155ppmの信号強度を上記一般式(23)で表される構造単位のものとして、信号強度の積分値の比率から、上記一般式(23)で表される構造単位の含有率を求める。
任意単位の由来となる単量体(以下、「単量体(c3)」という。)としては、単量体(c1)および単量体(c2)と共重合可能であれば特に限定されないが、例えばアクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン、フマロニトリルエチル等のシアン化ビニル単量体;(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリレート;(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸等のカルボキシ基含有単量体及びその塩;スチレン、α−メチルスチレン等の芳香族ビニル単量体;マレイミド、フェニルマレイミド等のマレイミド類;(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸、スチレンスルホン酸等のスルホン酸基含有ビニル単量体及びその塩;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート・モノエタノールアミン塩、ジフェニル((メタ)アクリロイルオキシエチル)ホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシプロピルアシッドホスフェート、3−クロロ−2−アシッド・ホスホオキシプロピル(メタ)アクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコール(メタ)アクリレート等のリン酸基を含有ビニル単量体及びその塩;ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート;酢酸ビニル、N−ビニルピロリドンが挙げられる。
これら単量体(c3)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
重合体(β1)の質量平均分子量は、5000〜1000万であることが好ましく、10000〜750万であることがより好ましい。重合体(β1)の質量平均分子量が上記下限値以上であると結着性がより高まり、上記上限値以下であると水溶性がより良好となる。
重合体(β2)の質量平均分子量は、5000〜1000万であることが好ましく、10000〜750万であることがより好ましい。重合体(β2)の質量平均分子量が上記下限値以上であると結着性がより高まり、上記上限値以下であると水溶性がより良好となる。
また、重合体(α)、重合体(β1)、重合体(β2)をそれぞれ水に溶解して得られる各水溶液の粘度から、粘度換算分子量を測定することができる。
また、本発明の効果を損なわない範囲内であれば、(α)成分および(β)成分以外の他の重合体を含んでいてもよい。
他の重合体としては、例えばポリアクリル酸およびその塩、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンなどが挙げられ、これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
他の重合体は、(α)成分および(β)成分の合計を100質量部とした場合に、0〜20質量部程度用いることができる。
重合体(β2)は、単量体(c2)を含む単量体原料を重合することで得られる。
重合体(β1)、および重合体(β2)の単量体原料には、必要に応じて単量体(c3)が含まれていてもよい。
重合体(α)は、単量体(c1)と、単量体(c2)と、および必要に応じて単量体(c3)とを共重合することで得られる。
重合の方法は特に限定されず、使用する単量体の種類や生成する重合体の溶解性などに応じて、溶液重合、懸濁重合、乳化重合などを選ぶことができる。
また、使用する単量体の水への溶解度が小さいときは、懸濁重合、乳化重合などを用いることができる。乳化重合は、水中に原料となる単量体、乳化剤、水溶性重合開始剤などを加え、撹拌下に加熱することにより重合体を得る方法である。
重合後は、ろ過、遠心分離、加熱乾燥、減圧乾燥及びこれらを組み合わせて水を除去することで、粉末状の重合体が得られる。
バインダ樹脂が(α)成分を含む場合、上述した方法で重合体(α)を得た後、他の重合体を加えてもよい。
一方、バインダ樹脂が(β)成分を含む場合、上述した方法で重合体(β1)および重合体(β2)を得た後、これらを混合して混合物(β)とし、さらに他の重合体を加えてもよい。
アルカリによる加水分解に用いるアルカリ(塩基)としては、周期律表の第1及び第2族の金属の金属水酸化物が挙げられる。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム等が挙げられる。
また、アルカリとしては、アンモニア及びアンモニアのアルキル誘導体、例えばアルキルアミン、アリルアミン等のアミン類も好適である。斯かるアミン類としては、例えばトリエチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モルホリン、アニリンなどが挙げられる。
これらの中でもアルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウムが好ましい。
なお、加水分解がほぼ100%進行した場合は、上記一般式(21)で表される構造単位を90モル%以上有する重合体(β1)が得られるので、これに重合体(β2)を混合したものを、バインダ樹脂として用いる。
本発明の第三の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物(以下、単にバインダ樹脂組成物という。)は、上述した本発明の第三の態様のバインダ樹脂を含有する。
バインダ樹脂組成物の形態としては、粉末状、水等の溶媒に溶解または分散したドープ状などが挙げられる。
他のバインダ樹脂としては、第一の態様および第二の態様のバインダ樹脂組成物の説明において、先に例示した他のバインダ樹脂と同様のものが挙げられる。
粘度調整剤としては、第一の態様のバインダ樹脂組成物の説明において、先に例示した粘度調整剤と同様のものが挙げられる。
バインダ樹脂組成物が粘度調整剤等の添加剤を含有する場合、その含有量は、バインダ樹脂組成物を100質量%とした場合、50質量%以下が好ましい。ただし、電池性能をより高める観点から、添加剤の含有量は少ないほど好ましい。
本発明の第三の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物(以下、単にスラリー組成物という。)は、上述した本発明の第三の態様のバインダ樹脂、または本発明の第三の態様のバインダ樹脂組成物と、活物質と、水とを含有するものである。
本発明の第三の態様のスラリー組成物中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、当該スラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や後述の任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
例えばリチウムイオン二次電池の場合、正極の活物質(正極活物質)としては、負極の活物質(負極活物質)より高電位(金属リチウムに対し)であり、充放電時にリチウムイオンを吸脱できる物質が用いられる。
正極活物質および負極活物質の具体例としては、第一の態様のスラリー組成物の説明において、先に例示した正極活物質および負極活物質と同様のものが挙げられる。これら正極活物質および負極活物質は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池においては、正極活物質としてリチウム含有金属複合酸化物を用い、負極活物質として黒鉛を用いることが好ましい。このような組み合わせとすることで、リチウムイオン二次電池の電圧を例えば4V以上に高められる。
ただし、有機溶媒は環境への負荷が高いことから、溶媒としては水を単独で用いることが好ましい。
任意成分としては、例えば導電助剤、酸化防止剤、増粘剤等が挙げられる。
特に、本発明の第三の態様のスラリー組成物が正極の合剤層を形成するものである場合や、シリコンなどの金属微粒子を含んだ負極の合剤層を形成するものである場合、導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤を含有することで、活物質同士や活物質と金属微粒子との電気的接触を向上させることができ、非水二次電池の放電レート特性等の電池性能をより高めることができる。
本発明の第三の態様のスラリー組成物中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、スラリー組成物の総固形分(溶媒を除く全成分)中、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
スラリー調製時、本発明の第三の態様のバインダ樹脂または本発明の第三の態様のバインダ樹脂組成物は、そのまま使用してもよく、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)と混合する前に予め、溶媒に溶解して樹脂溶液として用いてもよいであってもよい。
本発明の第三の態様の非水二次電池用電極(以下、単に電極という。)は、集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、前記合剤層が、上述した本発明の第三の態様のバインダ樹脂または本発明の第三の態様のバインダ樹脂組成物と、活物質とを含有するものである。
集電体の形状は、目的とする電池の形態に応じて決定でき、例えば、薄膜状、網状、繊維状が挙げられ、中でも、薄膜状が好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、5〜30μmが好ましく、8〜25μmがより好ましい。
合剤層中のバインダ樹脂の含有量は、特に限定されないが、0.01〜15質量%が好ましく、0.1〜10質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、上述した本発明の第三の態様のスラリー組成物を用いて形成される合剤層と集電体との密着性(結着性)がより高まる。15質量%以下であれば、活物質や任意成分(例えば導電助剤等)を充分に含有できるため、電池特性が向上する。
合剤層中の活物質の含有量は、特に限定されないが、80〜99.9質量%が好ましく、85〜99質量%がより好ましい。80質量%以上であれば、合剤層としての機能が充分に発揮される。99.9質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
導電助剤としては、第一の態様のスラリー組成物の説明において先に例示した導電助剤と同様のものが挙げられる。これら導電助剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
合剤層中の導電助剤の含有量は、特に限定されないが、0.01〜10質量%が好ましく、0.1〜7質量%がより好ましい。0.01質量%以上であれば、電池性能がより高められる。10質量%以下であれば、合剤層と集電体との密着性(結着性)が良好である。
集電体が薄膜状または網状である場合、合剤層は、集電体の片面に設けられても両面に設けられてもよい。
塗工量は、形成しようとする合剤層の厚みに応じて適宜設定できる。
乾燥方法は、溶媒を除去できればよく、特に制限されないが、例えば第一の態様の電極の説明において、先に例示した乾燥方法と同様の方法が挙げられる。
圧延方法としては、例えば金型プレスやロールプレス等の方法が挙げられる。
なお、得られた電極を任意の寸法に切断してもよい。
本発明の第三の態様の非水二次電池(以下、単に電池という。)は、上述した本発明の第三の態様の非水二次電池用電極を備えるものである。
「非水二次電池」は、電解質として、水を含まない非水電解質を用いたものであり、例えばリチウムイオン二次電池等が挙げられる。非水二次電池は、通常、電極(正極および負極)と、非水電解質と、セパレータとを備え、例えば、第一の態様の電池の説明において、先に例示した非水二次電池と同様のものが挙げられる。
電解液の有機溶媒としては、第一の態様の非水二次電池の説明において先に例示した電解液の有機溶媒と同様のものが挙げられる。これらの有機溶媒は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
リチウムイオン二次電池の電解液としては、カーボネート類にLiPF6を溶解したものが好ましい。
正極および負極のいずれか一方が本発明の第三の態様の電極である場合、他方の電極としては、公知のものが利用できる。
なお、本発明の第三の態様の電極は柔軟性に優れるので、捲回したり、折ったりしやすい。
電池の形状は、コイン型、円筒型、角形、扁平型など何れであってもよい。
<製造例1−1:重合体(A−1)の製造>
脱イオン水70質量部に対し、N−ビニルホルムアミド29.1質量部、pH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸0.9質量部、酢酸ナトリウム0.8質量部を混合した単量体水溶液を、リン酸によりpH=6.3となるよう調節し、単量体調節液を得た。
この単量体調節液を5℃まで冷却した後、温度計を取り付けた断熱反応容器に入れ、15分間窒素曝気を行った。その後、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン](和光純薬工業株式会社製、「VA−057」)1500ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加し、次いで、t−ブチルハイドロパーオキサイド200ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加し、更に、亜硫酸水素ナトリウム200ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加することにより重合を行った。
内温がピークを超えた後さらに1時間熟成し、ゲルを取り出しミートチョッパーで粉砕した後、60℃で10時間乾燥し、得られた固体を粉砕して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−1)とする。
なお、以下の方法により算出した重合体(A−1)の粘度平均分子量(Mv)は、PNVF換算で175万であった。
重合体(A−1)の水溶液の還元粘度(ηsp/C)と、Hugginsの式(ηsp/C=[η]+K’[η]2C)とから、固有粘度[η]を算出した。なお、上記式中の「C」は、重合体(A−1)の水溶液における重合体の濃度(g/dL)である。重合体(A−1)の水溶液の還元粘度の測定方法は、後述のものである。
得られた固有粘度[η]、およびMark−Houwinkの式([η]=KMa)から、粘度平均分子量(式中の「M」)を算出した。
なお、1N食塩水において、PNVFのパラメータは、K=8.31×10−5、a=0.76、K’=0.31である。
まず、重合体(A−1)の濃度が0.1質量%となるように、1N食塩水に重合体を溶解して、重合体(A−1)の水溶液を得た。得られた重合体(A−1)の水溶液について、オスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t1)を測定した。
別途、ブランクとして、1N食塩水について、オスワルド粘度計を用いて、25℃での流下時間(t0)を測定した。
得られた流下時間から、下記式(iii)により還元粘度を算出した。
ηsp/C={(t1/t0)−1}/C ・・・(iii)
(式(iii)中、Cは、重合体(A−1)の水溶液における重合体(A)の濃度(g/dL)である。)
pH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸0.9質量部に代えて、メチルアクリレート0.9質量部を使用すること以外は、製造例1−1と同様にして、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−2)とする。
なお、重合体(A−1)と同様の方法により算出した、重合体(A−2)の粘度平均分子量(Mv)は、PNVF換算で237万であった。
pH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸0.9質量部に代えて、メトキシポリエチレングリコールモノメタクリレート(日油株式会社製、「ブレンマーPME−200」)0.9質量部を使用すること以外は、製造例1−1と同様にして、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−3)とする。
なお、重合体(A−1)と同様の方法により算出した、重合体(A−3)の粘度平均分子量(Mv)は、PNVF換算で290万であった。
和光純薬工業株式会社製のポリアクリル酸(質量平均分子量(Mw)が約100万)をそのまま重合体(A−5)とした。
製造例1−1〜1−3で得た重合体(A−1)〜(A−3)、および重合体(A−5)として用いた市販のポリアクリル酸を、それぞれバインダ樹脂として用いた。
得られたバインダ樹脂のISを下記の手順で測定した。
また、各バインダ樹脂を用いた正極用スラリー組成物、該正極用スラリー組成物を用いて製造した電極(正極)、該電極(正極)を用いて製造した二次電池の各種特性を下記の手順で評価した。結果を表1に示した。
実施例1−1〜1−3、比較例1−1のバインダ樹脂0.5質量部に、蒸留水9.5質量部を添加し、撹拌子にて24時間に撹拌することで、試料溶液を調製した。
試料溶液中のバインダ樹脂の粒径分布を、大塚電子株式会社製の濃厚系粒径アナライザーFPAR−1000(高感度仕様、希薄用プローブ)を用いて、下記の測定条件で測定した。
測定条件:温度25℃、積算時間180秒間の測定を3回繰り返した後、マルカッド法により解析し、3回の測定で得られた粒径分布データを平均し、バインダ樹脂の粒径分布とした。なお、粒子径範囲は、0.1nm〜1000000nmと設定した。
測定結果から、1〜100nmの粒子径範囲で観測される散乱強度の総和ISを求めた。
活物質としてコバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)100質量部と、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、「デンカブラック」)5質量部と、実施例1−1〜1−3、比較例1−1のバインダ樹脂2質量部とを、自公転式攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて蒸留水40質量部と混合し、正極用スラリー組成物を調製した。
前記(2)で調製した正極用スラリー組成物のせん断速度−粘度曲線を、TA Instruments Waters LC社製の応力制御レオメーターAR550を用いて測定した。測定には、φ40mm、角度2°のコーンプレートを用い、ギャップを69mm、温度を25℃とした。せん断速度プログラムは、せん断速度を0.03sec−1から100sec−1まで変化させながら粘弾性を測定した後、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定するせん断速度プログラムを用いた。
上記せん断速度プログラムにより、25℃にて粘弾性測定を行い、せん断速度が100sec−1に到達した後、せん断速度を100sec−1から0.03sec−1まで変化させながら粘弾性を測定したときの、せん断速度80sec−1における粘度(η80)およびせん断速度0.1sec−1における粘度(η0.1)を求め、η0.1をη80で除することにより、バインダ樹脂のη0.1/η80を求めた。
このη0.1/η80の値が大きいほど、スラリー組成物のチキソ性が高いことを示している。η0.1/η80の値が20以上であれば、チキソ性が良好といえる。
前記(2)で調製した正極用スラリー組成物を、アルミニウム箔(19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗工し、循環式熱風乾燥機中80℃で1時間乾燥させた後、さらに、真空乾燥機にて100℃で12時間減圧乾燥することにより、膜厚80μmの合剤層がアルミニウム箔に塗工されてなる電極(正極)を得た。
断面試料作成装置(日本電子株式会社製、「SM−09010」)を用いて、前記(4)で製造した電極(正極)の垂直断面を切り出した後、その断面を、走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、「SU1510」)を用いて、合剤層の表面と、アルミニウム箔および合剤層の密着界面とが同時に観察できるような部分を、1000倍の視野で3箇所観察した。得られた画像のうち、合剤層表面から合剤層中央部へ向かって10μm×幅50μmの画像における活物質(コバルト酸リチウム)部分が占める面積の割合(SU)と、アルミニウム箔および合剤層の密着界面から合剤層中央部へ向かって10μm×幅50μmの画像における、活物質(コバルト酸リチウム)部分が占める面積の割合(SB)とを、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製、「Image−Pro PLUS ver4.5.0」)により求め、以下のように評価した。
○:(SU/SB)−1の絶対値が0.1以下である。
△:(SU/SB)−1の絶対値が0.1より大きく0.2以下である。
×:(SU/SB)−1の絶対値が0.2より大きい。
「○」であることは、合剤層全体に均質に活物質が存在していることになり、塗料特性が良好であることを示す。
前記(4)で製造した電極(正極)と、市販の金属リチウム電極(負極)とを、セパレータ(商品名:セルガード♯2400)を介して対向させた。非水電解質として、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(体積比)の混合物を溶媒とした1Mの六フッ化リン酸リチウム溶液を用いて、2016型コイン電池を製造した。
前記(6)で製造した2016型コイン電池の製造直後に、60℃で充放電レートを0.5Cとし、定電流法(電流密度:0.6mA/g−活物質)で4.2Vに充電したときの電池容量を測定し、その測定値を初期電池容量とした。
一方、比較例1−1のバインダ樹脂は、ISの値が30未満であったため、チキソ性が不良であった。
脱イオン水70質量部に対し、N−ビニルホルムアミド(分子量71.08)30質量部を混合した単量体水溶液を、リン酸によりpH=6.3となるよう調節し、単量体調節液を得た。
この単量体調節液を5℃まで冷却した後、温度計を取り付けた断熱反応容器に入れ、15分間窒素曝気を行った。その後、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン](和光純薬工業株式会社製、「VA−057」)10質量%水溶液を0.4質量部添加し、次いで、t−ブチルハイドロパーオキサイド10質量%水溶液および亜硫酸水素ナトリウム10質量%水溶液をそれぞれ0.1質量部添加して重合を行った。
内温がピークを超えた後さらに1時間熟成し、ゲルを取り出しミートチョッパーで粉砕した後、60℃で10時間乾燥し、得られた固体を粉砕して、粉末状のN−ビニルホルムアミド重合体を得た。
なお、重合体(A−1)と同様の方法により算出した、N−ビニルホルムアミド重合体の粘度平均分子量(Mv)は、PNVF換算で263万であった。
製造例1−5で得られたN−ビニルホルムアミド重合体4質量部を脱イオン水90質量部に溶解させて重合体水溶液を調製した。
別途、N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が1%となる量の水酸化リチウム一水和物(分子量42)0.24質量部を6質量部の脱イオン水に溶解させて水酸化リチウム一水和物水溶液を調製した。
重合体水溶液に水酸化リチウム一水和物水溶液を加え、均一に攪拌した後、75℃で5時間加熱し、加水分解反応を行った。加水分解反応後の反応液を冷却し、重合体(A−6)の水溶液を得た。
得られた重合体(A−6)の水溶液のうち、10質量部を50mLナスフラスコに移し入れ、東京理化器械株式会社製のFT−1000型凍結乾燥機を用いて、真空度15〜25Pa、トラップ温度−35〜−50℃にて、48時間凍結乾燥を行い、重合体(A−6)を得た。
添加する水酸化リチウム一水和物の量を4.7質量部(製造例1−5のN−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が20%となる量)に変更した以外は、製造例1−6と同様にして、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−7)とする。
添加する水酸化リチウム一水和物の量を11.8質量部(製造例1−5のN−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が50%となる量)に変更した以外は、製造例1−6と同様にして、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−8)とする。
水酸化リチウム一水和物に代えて、水酸化ナトリウム(分子量40)11.2質量部(製造例1−5のN−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が50%となる量)に変更した以外は、製造例1−6と同様にして、粉末状の重合体を得た。これを重合体(A−9)とする。
製造例1−6〜1−9で得た重合体(A−6)〜(A−9)を、それぞれバインダ樹脂として用いた。
得られたバインダ樹脂のISを、前記(1)と同様の手順で測定した。
また、各バインダ樹脂を用いた負極用スラリー組成物、該負極用スラリー組成物を用いて製造した電極(負極)、該電極(負極)を用いて製造した二次電池の各種特性を下記の手順で評価した。結果を表2に示した。
活物質として天然黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社社製、「MPGC16」)100質量部と、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、「デンカブラック」)5質量部と、実施例1−4〜1−7のバインダ樹脂2質量部とを、自公転式攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて蒸留水40質量部と混合し、負極用スラリー組成物を調製した。
前記(8)で調製した負極用スラリーを用いた以外は、前記(3)と同様にして、バインダ樹脂のη0.1/η80を求めた。
前記(8)で調製した負極用スラリー組成物を、銅箔(19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗工し、循環式熱風乾燥機中80℃で1時間乾燥させた後、さらに、真空乾燥機にて100℃で12時間減圧乾燥することにより、膜厚80μmの合剤層が銅箔に塗工されてなる電極(負極)を得た。
前記(10)で製造した電極(負極)を用いた以外は、前記(5)と同様にして、合剤層の均一性を評価した。
市販の金属リチウム電極(正極)と、(10)で製造した電極(負極)とを、セパレータ(商品名:セルガード♯2400)を介して対向させた。非水電解質として、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(体積比)の混合物を溶媒とした1Mの六フッ化リン酸リチウム溶液を用いて、2016型コイン電池を製造した。
(12)で製造した2016型コイン電池の製造直後に、60℃で充放電レートを0.5Cとし、定電流法(電流密度:0.6mA/g−活物質)で3.0Vに充電したときの電池容量を測定し、その測定値を初期電池容量とした。
脱イオン水70質量部に対し、N−ビニルホルムアミド29.1質量部、メチルアクリレート0.9質量部、酢酸ナトリウム1.5質量部を混合した単量体水溶液を、リン酸によりpH=6.3となるよう調節し、単量体調節液を得た。
この単量体調節液を5℃まで冷却した後、温度計を取り付けた断熱反応容器に入れ、15分間窒素曝気を行った。その後、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン](和光純薬工業株式会社製、「VA−057」)1500ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加し、次いで、t−ブチルハイドロパーオキサイド200ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加し、更に、亜硫酸水素ナトリウム200ppm(対単量体)を10質量%水溶液として添加することにより重合を行った。
内温がピークを超えた後さらに1時間熟成し、ゲルを取り出しミートチョッパーで粉砕した後、60℃で10時間乾燥し、得られた固体を粉砕して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−1)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド27.0質量部およびメチルアクリレート3.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−2)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド25.5質量部およびメチルアクリレート4.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−3)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド24質量部およびメチルアクリレート6.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−4)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド28.5質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸1.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−5)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド27.0質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸3.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−6)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド21.0質量部および2−メトキシエチルアクリレート9.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−7)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド18.0質量部および2−メトキシエチルアクリレート12.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−8)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド29.1質量部およびメトキシポリエチレングリコールモノメタクリレート(日油株式会社製、「ブレンマーPME−200」)0.9質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−9)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド28.5質量部およびメトキシポリエチレングリコールモノメタクリレート(日油株式会社製、「ブレンマーPME−200」)1.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−10)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド30.0質量部を使用し、かつ、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン]の代わりに、ポリエチレングリコール単位を含むアゾ系重合開始剤(和光純薬工業株式会社製、「VPE−0201」)0.88質量%(対単量体)を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−11)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド28.5質量部およびメトキシポリエチレングリコールモノメタクリレート(日油株式会社製、「ブレンマーPME−200」)1.5質量部を使用し、かつ、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン]の代わりに、ポリエチレングリコール単位を含むアゾ系重合開始剤(和光純薬工業株式会社製、「VPE−0201」)0.88質量%(対単量体)を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−12)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド27.0質量部およびメトキシポリエチレングリコール#550アクリレート(新中村化学工業会社製、「AM−130G」)3.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−13)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド27.0質量部、メチルアクリレート2.1質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸0.9質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−14)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド18.0質量部、メチルアクリレート10.5質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸1.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−15)とする。
単量体として、N−ビニルホルムアミド18.0質量部、メチルアクリレート8.4質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸3.6質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−16)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド9.0質量部、2−メトキシエチルアクリレート16.5質量部およびpH=9となるまで水酸化リチウム水溶液を加えたアクリル酸4.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−17)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド28.5質量部およびN−ビニル−2−ピロリドン1.5質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−18)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド27.0質量部およびN−ビニル−2−ピロリドン3.0質量部を使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−19)とする。
単量体として、メチルアクリレートを使用せず、N−ビニルホルムアミド30.0質量部のみを使用すること以外は、製造例2−1と同様に実施して、粉末状の重合体を得た。これを重合体(B−20)とする。
製造例2−1〜2−20で得た重合体(B−1)〜(B−20)を、それぞれバインダ樹脂として用いた。
各バインダ樹脂を用いた正極用スラリー組成物、該正極用スラリー組成物を用いて製造した電極(正極)、該電極(正極)を用いて製造した二次電池の各種特性を下記の手順で評価した。結果を表3に示した。
実施例2−1〜2−19、比較例2−1のバインダ樹脂0.06gと、水2.0gとを自公転式攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。これに、コバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)3.0gを加え、自公転式攪拌機でさらに混練した。これに、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)0.15gをさらに加え混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整することにより、正極用スラリー組成物を調製した。
前記(14)で調製した正極用スラリー組成物の状態を目視にて確認し、以下の評価基準にて分散性を評価した。なお、分散性の評価は、実施例2−18、2−19、および比較例2−1のみ行った。
○:正極用スラリー組成物の内容物の凝集が認められない。
×:正極用スラリー組成物の内容物の凝集が認められる。
前記(14)で調製した正極用スラリー組成物を、アルミニウム箔(19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗工し、ホットプレート上にて100℃で10分間乾燥した。さらに真空乾燥機にて0.6kPa、100℃で12時間減圧乾燥して、表3に示す膜厚の合剤層が集電体(アルミニウム箔)上に形成された電極(正極)を得た。さらにニップロールプレス(線圧:約150kgF/cm)にて100℃でプレスすることにより、電極密度3g/cm3の電極(正極)を得た。
前記(16)で製造した、プレス後の電極(正極)を横3cm、縦5cmになるように切り出し、試験片2−1とした。続いて、試験片2−1のアルミニウム箔面にマンドレル(直径はそれぞれ10mm、8mm、6mm、5mm)をあて、試験片2−1の片側をテープで固定した。湿度10%以下の環境にて、アルミニウム箔面が内側になるよう試験片2−1を折り曲げたときの合剤層の状態を顕微鏡で60倍に拡大して観察し、以下の評価基準にて電極の柔軟性を評価した。
○:変化なし。
△:横筋が入った。
×:クラックや剥がれが生じた。
前記(16)で製造した、プレス後の電極(正極)を幅30mm角になるように切り出し、試験片2−2とした。試験片2−2について、幅1mmのボラゾン切刃(すくい角20°、にげ角10°、刃角60°)を用い、初期押圧荷重0.5N、バランス荷重0.3→0.2N、水平速度1μm/sec、垂直速度0.2μm/sec、初期接触荷重0.08〜1Nの条件で測定した。ボラゾン切刃が合剤層とアルミニウム箔との界面を移動する際の最大応力値を3点記録した。この最大応力値の平均値を合剤層と集電体の剥離強度とした。この値が大きいほど、合剤層が集電体に強固に結着していることを示す。
なお、剥離強度の測定は、実施例2−1〜2−8、2−14〜2−19、および比較例2−1のみ行った。
特に、N−ビニルホルムアミドと水酸化リチウムで中和したアクリル酸を共重合させて得られた重合体(B−5)、(B−6)、および3種類の単量体を共重合させて得られた重合体(B−14)〜(B−17)のいずれかよりなる、実施例2−5、2−6、2−14〜2−17のバインダ樹脂は、結着性に優れていた。
また、上記一般式(31)で表される化合物由来の構造単位を有する重合体(B―18)、(B−19)のいずれかよりなる、実施例2−18、2−19のバインダ樹脂からは、分散性に優れたスラリー組成物が得られた。
脱イオン水70質量部に対し、N−ビニルホルムアミド(分子量71.08)30質量部を混合した単量体水溶液を、リン酸によりpH=6.3となるよう調節し、単量体調節液を得た。
この単量体調節液を5℃まで冷却した後、温度計を取り付けた断熱反応容器に入れ、15分間窒素曝気を行った。その後、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン](和光純薬工業株式会社製、「VA−057」)10質量%水溶液を0.4質量部添加し、次いで、t−ブチルハイドロパーオキサイド10質量%水溶液および亜硫酸水素ナトリウム10質量%水溶液をそれぞれ0.1質量部添加して重合を行った。
内温がピークを超えた後さらに1時間熟成し、ゲルを取り出しミートチョッパーで粉砕した後、60℃で10時間乾燥し、得られた固体を粉砕して、粉末状のN−ビニルホルムアミド重合体(重合体(β2)に相当)を得た。
別途、N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が50%となる量の水酸化リチウム一水和物(分子量42)11.8質量部を6質量部の脱イオン水に溶解させて水酸化リチウム一水和物水溶液を調製した。
重合体水溶液に水酸化リチウム一水和物水溶液を加え、均一に攪拌した後、75℃で5時間加熱し、加水分解反応を行った。加水分解反応後の反応液を冷却し、バインダ樹脂α−1の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−1)を得た。
バインダ樹脂中の上記一般式(21)で表される構造単位の含有率は、以下に示すコロイド滴定法により測定した。
バインダ樹脂水溶液を精秤し、メスフラスコに採取し、これに脱塩水を加えた。このメスフラスコから水溶液をホールピペットで採取したものに脱塩水を加えた後、pH計で確認しながら1N−塩酸溶液によりpHが2.5になるように調整し、これを試験液とした。
得られた試験液にトルイジンブルーを加え、N/400−ポリビニル硫酸カリウム溶液(和光純薬工業株式会社製、「PVSK」)で滴定した。試験液が青色から紫色に変色した点を終点とした。滴定結果から、上記一般式(21)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
表4中、「単位(21)」とは、上記一般式(21)で表される構造単位のことである。
バインダ樹脂の水溶液を凍結乾燥して得られたバインダ樹脂の粉末15mgを、基準物質として3−(トリメチルシリル)−1−プロパンスルホン酸ナトリウムを0.5質量%添加した重水900mgに溶解した。この溶液を直径5mmφの試験管に、液高5cm程度になるように入れ、核磁気共鳴装置(アジレントテクノロジーズ社製、「VarianInova500型FT−NMR」)を用いて、以下の条件にて測定した。
・観測周波数:500MHz(1Hデカップリングパルスモード)
・測定温度:30℃
・積算回数:10000回
得られた13C−NMRスペクトルのうち、160〜165ppmの信号強度を上記一般式(22)で表される構造単位のものとし、150〜155ppmの信号強度を上記一般式(23)で表される構造単位のものとして、信号強度の積分値の比率から、上記一般式(21)で表される構造単位を除いた構造単位における上記一般式(22)、(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
表4中、「単位(22)」とは、上記一般式(22)で表される構造単位のことであり、「単位(23)」とは、上記一般式(23)で表される構造単位のことである。
添加する水酸化リチウム一水和物の量を4.7質量部(N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が20%となる量)に変更した以外は、製造例3−1と同様にしてバインダ樹脂α−2の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−2)を得た。
得られたバインダ樹脂α−2について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
水酸化リチウム一水和物に代えて、水酸化ナトリウム(分子量40)11.2質量部(N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が50%となる量)を用いた以外は、製造例3−1と同様にしてバインダ樹脂α−3の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−3)を得た。
得られたバインダ樹脂α−3について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
水酸化リチウム一水和物に代えて、水酸化ナトリウム(分子量40)を用い、かつ添加する水酸化ナトリウムの量を33.7質量部(N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が150%となる量)に変更した以外は、製造例3−1と同様にしてバインダ樹脂β1−4の水溶液(バインダ樹脂水溶液β1−4)を得た。
得られたバインダ樹脂β1−4について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
バインダ樹脂水溶液β1−4とバインダ樹脂水溶液β2−4とを、バインダ樹脂β1−4とバインダ樹脂β2−4のモル比が50:50となる割合で混合し、これをバインダ樹脂β−4の水溶液(バインダ樹脂水溶液β−4)とした。
添加する水酸化リチウム一水和物の量を1.2質量部(N−ビニルホルムアミド重合体に対するモル比が5%となる量)に変更した以外は、製造例3−1と同様にしてバインダ樹脂α−5の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−5)を得た。
得られたバインダ樹脂α−5について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
製造例3−2で得られたバインダ樹脂水溶液α−2のpHが6.5となるよう1Nの硝酸水溶液を用いて中和処理を実施した。中和処理によって得られた水溶液をバインダ樹脂α−6の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−6)とした。
得られたバインダ樹脂α−6について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
N−ビニルアセトアミド重合体(分子量85.10)3質量部を脱イオン水90質量部に溶解させて重合体水溶液を調製した。
別途、N−ビニルアセトアミド重合体に対するモル比が150%となる量の水酸化リチウム一水和物(分子量42)7.0質量部を7質量部の脱イオン水に溶解させて水酸化リチウム一水和物水溶液を調製した。
重合体水溶液に水酸化リチウム一水和物水溶液を加え、均一に攪拌した後、90℃で15時間加熱し、加水分解反応を行った。加水分解反応後の反応液を冷却し、バインダ樹脂α−7の水溶液(バインダ樹脂水溶液α−7)を得た。
得られたバインダ樹脂α−7について、上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を求めた。結果を表4に示す。
N−ビニルホルムアミド重合体4質量部を脱イオン水96質量部に溶解させて重合体水溶液を得、バインダ樹脂β2−8の水溶液(バインダ樹脂水溶液β2−8)とした。
得られたバインダ樹脂β2−8中の上記一般式(21)〜(23)で表される構造単位の含有率を表4に示す。
製造例3−2で得られたバインダ樹脂α−2は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を19モル%、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を78モル%、上記一般式(23)で表される構造単位(ただし、式(23)中のR24およびR25が水素原子である。)を3モル%有する重合体(重合体(α)に相当)であった。
製造例3−3で得られたバインダ樹脂α−3は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を42モル%、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を46モル%、上記一般式(23)で表される構造単位(ただし、式(23)中のR24およびR25が水素原子である。)を12モル%有する重合体(重合体(α)に相当)であった。
製造例3−4で得られたバインダ樹脂β1−4は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を95モル%有する重合体(重合体(β1)に相当)であった。また、バインダ樹脂β−4は、バインダ樹脂β1−4(重合体(β1)に相当)と、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を100モル%有する重合体(重合体(β2)に相当)との混合物である。
製造例3−5で得られたバインダ樹脂α−5は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を5モル%、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を94モル%、上記一般式(23)で表される構造単位(ただし、式(23)中のR24およびR25が水素原子である。)を1モル%有する重合体(重合体(α)に相当)であった。
製造例3−6で得られたバインダ樹脂α−6は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を19モル%、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を64モル%、上記一般式(23)で表される構造単位(ただし、式(23)中のR24およびR25が水素原子である。)を17モル%有する重合体(重合体(α)に相当)であった。
製造例3−7で得られたバインダ樹脂α−7は、上記一般式(21)で表される構造単位(ただし、式(21)中のR21が水素原子である。)を11モル%、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を89モル%有する重合体(重合体(α)に相当)であった。
製造例3−8で得られたバインダ樹脂β2−8は、上記一般式(22)で表される構造単位(ただし、式(22)中のR22およびR23が水素原子である。)を100モル%有する重合体(重合体(β2)に相当)である。
なお、製造例3−1〜3−5、3−8で得られた各バインダ樹脂水溶液中のバインダ樹脂の濃度は4質量%であり、製造例3−6、3−7で得られたバインダ樹脂水溶液中のバインダ樹脂の濃度は3質量%である。
<負極用スラリー組成物の調製>
バインダ樹脂水溶液α−1を2.5gと、天然黒鉛系負極活物質(三菱化学株式会社社製、「MPGC16」)を5gとを自公転式攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。その後、塗工可能な粘度まで水で調整することにより、負極用スラリー組成物を得た。
得られた負極用スラリー組成物を、銅箔(19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗工し、室温にて1時間乾燥した。さらに真空乾燥機にて0.6kPa、60℃で12時間減圧乾燥し、膜厚が80μmの合剤層が集電体(銅箔)上に形成された電極(負極)を得た。さらにニップロールプレス(線圧:約150kgF/cm)にて100℃でプレスすることにより、電極密度1.5g/cm3の電極(負極)を得た。
別途、膜厚が50μmの合剤層が集電体(銅箔)上に形成された電極(負極)を同様にして製造した。
以下に示す柔軟性および結着性の評価では、合剤層の膜厚が80μmの電極(負極)を用い、電池特性の評価では、合剤層の膜厚が50μmの電極(負極)を用いた。
(19)柔軟性の評価
先に製造した、プレス後の電極(負極)を横3cm、縦5cmになるように切り出し、試験片3−1とした。続いて、試験片3−1の銅箔面にマンドレル(直径はそれぞれ16mm、10mm、8mm、5mm、3mm、2mm)をあて、試験片3−1の片側をテープで固定した。湿度10%以下の環境にて、銅箔面が内側になるよう試験片3−1を折り曲げたときの合剤層の状態を顕微鏡で60倍に拡大して観察し、以下の評価基準にて電極の柔軟性を評価した。結果を表5に示す。
○:変化なし。
△:横筋が入った。
×:クラックや剥がれが生じた。
先に製造した、プレス後の電極(負極)を横20mm、縦80mmになるように切り出し、切り出し片の合剤層面を両面テープ(積水化学工業株式会社製、「#570」)でポリカーボネートシート(横25mm、縦100mm、厚さ1mm)に固定し、試験片3−2とした。
試験片3−2を引張り強度試験テンシロン試験機(株式会社オリエンテック製、「RTC−1210A」)にセットし、10mm/minで銅箔を180°剥離し、剥離強度を測定した。結果を表5に示す。
先に製造した、プレス後の電極(負極)と、市販の金属リチウム電極(正極)とを、セパレータ(セルガード♯2400)を介して対向させた。非水電解質として、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(体積比)の混合物を溶媒とした1Mの六フッ化リン酸リチウム溶液を用いて、2032型コイン電池を製造した。
得られた2032型コイン電池について、60℃で充放電レートを0.5Cとし、定電流法(電流密度:0.6mA/g−活物質)で3.0Vに充電し、0Vまで放電する充放電を50回繰り返し、1サイクル目の電池容量、及び30サイクル目の電池容量を測定した。1サイクル目の電池容量に対する30サイクル目の電池容量の割合を百分率で表し、これを電池容量維持率として、以下の評価基準にて電池特性を評価した。結果を表5に示す。
○:電池容量維持率が80%以上。
×:電池容量維持率が80%未満。
バインダ樹脂水溶液の種類を表5に示すように変更して、バインダ樹脂水溶液の使用量については、α−2、α−3、β−4、α−5はそれぞれ2.5g、α−6、α−7はそれぞれ3.33gとした以外は、実施例3−1と同様にして電極(負極)および2032型コイン電池を製造し、評価した。結果を表5に示す。
<正極用スラリー組成物の調製>
バインダ樹脂水溶液α−5を1.5gと、水を2.0gとを自公転式攪拌機(Thinky社製、「泡とり練太郎」)を用い、自転1000rpm、公転2000rpmの条件にて混練した。これにコバルト酸リチウム(日本化学工業株式会社製、「セルシードC−5H」)3.0gを加え、自公転式攪拌機でさらに混練した。これに、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)0.12gをさらに加え混練した後、塗工可能な粘度まで水で調整することにより、正極用スラリー組成物を調製した。
得られた正極用スラリー組成物を、アルミニウム箔(19cm×25cm、厚み20μm)上にドクターブレードを用いて塗工し、室温にて1時間乾燥した。さらに真空乾燥機にて0.6kPa、60℃で12時間減圧乾燥し、膜厚が80μmの合剤層が集電体(アルミニウム箔)上に形成された電極(正極)を得た。さらにニップロールプレス(線圧:約150kgF/cm)にて100℃でプレスすることにより、電極密度3g/cm3の電極(正極)を得た。
別途、膜厚が50μmの合剤層が集電体(アルミニウム箔)上に形成された電極(正極)を同様にして製造した。
以下に示す柔軟性および結着性の評価では、合剤層の膜厚が80μmの電極(正極)を用い、電池特性の評価では、合剤層の膜厚が50μmの電極(正極)を用いた。
(22)柔軟性の評価
先に製造した、プレス後の電極(正極)を横3cm、縦5cmになるように切り出し、試験片3−3とした。該試験片3−3を用いた以外は、前記(19)と同様にして、電極の柔軟性を評価した。結果を表5に示す。
先に製造した、プレス後の電極(正極)を横20mm、縦80mmになるように切り出し、切り出し片の合剤層面を両面テープ(積水化学工業株式会社製、「#570」)でポリカーボネートシート(横25mm、縦100mm、厚さ1mm)に固定し、試験片3−4とした。
該試験片3−4を用いた以外は、前記(20)と同様にして、剥離強度を測定した。結果を表5に示す。
市販の金属リチウム電極(負極)と、先に製造した、プレス後の電極(正極)とを、セパレータ(セルガード♯2400)を介して対向させた。非水電解質として、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/2(体積比)の混合物を溶媒とした1Mの六フッ化リン酸リチウム溶液を用いて、2032型コイン電池を製造した。
得られた2032型コイン電池を用いた以外は、前記(21)と同様にして、電池特性を評価した。結果を表5に示す。
また、バインダ樹脂α−1〜α−3、α−5〜α−7、およびバインダ樹脂β−4は結着性に優れるとともに、電池容量維持率の高い電池を得ることができた。
また、バインダ樹脂β2−8は、集電箔に対する結着性が充分ではなく、剥離強度がバインダ樹脂α−1〜α−3、α−5〜α−7、およびバインダ樹脂β−4に比べて低かった。
これらの結果より、バインダ樹脂β2−8を用いて電極を製造しようとすると、製造ラインにおいてもクラックや剥がれ等の問題が発生することが想定される。
本発明の第一の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物は、第一の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂を用いて得られるものであり、良好なチキソ性を有する。そのため本発明の第一の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物は貯蔵安定性が良好である。また本発明の第一の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物を用いることで、集電体上に、均一性、集電体との密着性(結着性)等の良好な合剤層が形成された非水二次電池用電極が得られる。
本発明の第一の態様の非水二次電池用電極は、合剤層の均一性、集電体との密着性(結着性)等が良好である。そのため該電極を備えた非水二次電池によれば、良好な電池特性が得られる。
本発明の第二の態様および第三の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物によれば、柔軟性に優れた非水二次電池用電極を形成できる。
本発明の第二の態様および第三の態様の非水二次電池電極用スラリー組成物は、第二の態様および第三の態様の非水二次電池電極用バインダ樹脂または非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物を用いて得られるものであり、柔軟性に優れた非水二次電池用電極が得られる。
本発明の第二の態様および第三の態様の非水二次電池用電極は、柔軟性に優れる。そのため該電極を備えた非水二次電池によれば、良好な電池特性が得られる。
Claims (13)
- 下記一般式(11)で表される構造単位と、
下記一般式(12)で表される構造単位、下記一般式(13)で表される構造単位、および下記一般式(31)で表される化合物由来の構造単位よりなる群から選ばれる少なくとも1種の構造単位とを有する重合体(B)を含有する、非水二次電池電極用バインダ樹脂。
- 上記一般式(13)で表される構造単位が、下記一般式(14)〜(16)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物に由来する、請求項1に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
- 上記一般式(12)および/または上記一般式(13)で表される構造単位が、下記条件を満たす単量体(b)に由来する、請求項1または2に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
単量体(b)の単独重合体のガラス転移温度≦上記一般式(11)を構造単位とする単独重合体のガラス転移温度 - 上記一般式(12)および/または上記一般式(13)で表される構造単位が、酸性基またはその塩を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
- 前記重合体(B)は、上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位と、上記一般式(13)で表される構造単位とを有する重合体、または上記一般式(11)で表される構造単位と、上記一般式(12)表される構造単位の異なる2種以上とを有する重合体である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
- 前記重合体(β2)を加水分解して得られる、請求項6または7に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂を含む、非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂、または請求項9に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質と、水とを含有する、非水二次電池電極用スラリー組成物。
- 集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、
前記合剤層が、請求項1〜8のいずれか一項に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂、または請求項9に記載の非水二次電池電極用バインダ樹脂組成物と、活物質とを含有する、非水二次電池用電極。 - 集電体と、該集電体上に設けられた合剤層とを備え、
前記合剤層が、請求項10に記載の非水二次電池電極用スラリー組成物を集電体に塗工し、乾燥させて得られるものである、非水二次電池用電極。 - 請求項11または12に記載の非水二次電池用電極を備える、非水二次電池。
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