JP6219981B2 - Carbon black having excellent slurry viscosity characteristics, slurry composition for lithium ion secondary battery electrode, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Carbon black having excellent slurry viscosity characteristics, slurry composition for lithium ion secondary battery electrode, and lithium ion secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、スラリー粘度特性に優れたカーボンブラック及びリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a carbon black having excellent slurry viscosity characteristics, a slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode, and a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池はスマートフォンやタブレット型パソコンなど小型電子機器の電源として幅広く用いられている。リチウムイオン二次電池は一般に、電極、セパレータ、電解質を含む電解液を備えて構成される。電極は、活物質、導電剤、バインダーなどを溶媒に分散させた合材スラリーを集電体用金属板上に塗工・乾燥させ、合材層とすることで製造される。 Lithium ion secondary batteries are widely used as power sources for small electronic devices such as smartphones and tablet computers. Generally, a lithium ion secondary battery includes an electrolyte solution including an electrode, a separator, and an electrolyte. The electrode is manufactured by coating and drying a mixture slurry in which an active material, a conductive agent, a binder, and the like are dispersed in a solvent, on a metal plate for a current collector to form a mixture layer.

導電剤の役割は、導電性の低い活物質に導電性を付与すること、充放電時に活物質が繰り返し膨張収縮して導電性が損なわれるのを防止することである。そのため、電極内で活物質と導電剤の分散状態が悪いと、局所的に導電性の劣る部分が現れ、活物質が有効に利用されずに放電容量が低下し、電池特性が低下する原因となる。すなわち、電池特性は活物質の化学組成や導電剤の導電性といった材料特性だけでなく、合材層中の材料の配合比率及び混合・分散状態、合材層の密度、空隙率といった構造的特性にも影響を受けるため、それらの最適化が必要となる。また、合材層の構造を最適な状態に維持しながら、安定的に電極を生産し続けるためには、合材スラリーの塗工むらや乾燥後の合材層厚みのばらつきを極限まで減少させる必要がある。 The role of the conductive agent is to impart conductivity to an active material having low conductivity, and to prevent the conductivity from being impaired due to repeated expansion and contraction of the active material during charging and discharging. Therefore, if the dispersion state of the active material and the conductive agent is poor in the electrode, a portion with poor conductivity appears locally, the active material is not effectively used, the discharge capacity is reduced, and the battery characteristics are reduced. Become. That is, the battery characteristics are not only the material characteristics such as the chemical composition of the active material and the conductivity of the conductive agent, but also the structural characteristics such as the compounding ratio and mixing / dispersing state of the material in the composite material layer, the density of the composite material layer, and the porosity. It is necessary to optimize them. In addition, in order to continue producing electrodes stably while maintaining the structure of the composite material layer in an optimum state, the unevenness of coating slurry application and the thickness of the composite material layer after drying are reduced to the utmost limit. There is a need.

従来から導電剤に使用されているカーボンブラックの比表面積は40〜70m/g程度であり、正極活物質の比表面積(0.2〜1.0m/g)と比べて非常に高い。例えば比表面積0.7m/gの正極活物質92質量部と、比表面積65m/gの導電剤8質量部を混合した場合、導電剤が占める表面積の比率は89%にも及ぶことになり、合材スラリーの粘度特性には導電剤の特性が支配的であることがわかる。 The specific surface area of carbon black conventionally used for the conductive agent is about 40 to 70 m 2 / g, which is very high compared to the specific surface area of the positive electrode active material (0.2 to 1.0 m 2 / g). For example, when 92 parts by mass of the positive electrode active material having a specific surface area of 0.7 m 2 / g and 8 parts by mass of the conductive agent having a specific surface area of 65 m 2 / g are mixed, the ratio of the surface area occupied by the conductive agent reaches 89%. Thus, it can be seen that the characteristics of the conductive agent are dominant in the viscosity characteristics of the composite slurry.

近年、リチウムイオン二次電池のさらなる高容量化が求められており、合材層中の活物質の配合比率は増加し、逆に導電剤やバインダーの配合比率は減少する傾向にある。導電剤の配合比率が減少すると電極内での導電パスの形成が困難となり、電池特性が低下してしまう。そこで小粒径の導電剤を用いることで導電パスを維持する検討が行われている。しかしながら、小粒径化に伴い比表面積が高くなり、合材スラリーの粘度が著しく上昇してしまうため、均一分散が困難となる。また、吸液性も高くなってしまうため、合材層中のバインダーをトラップしてしまい、合材層と集電体の密着性(電極密着性)が低下してしまうという問題があった。 In recent years, further increase in capacity of lithium ion secondary batteries has been demanded, and the blending ratio of the active material in the composite layer is increasing, and conversely, the blending ratio of the conductive agent and the binder tends to decrease. When the blending ratio of the conductive agent decreases, it becomes difficult to form a conductive path in the electrode, and the battery characteristics deteriorate. Thus, studies have been made to maintain the conductive path by using a conductive agent having a small particle diameter. However, the specific surface area increases as the particle size is reduced, and the viscosity of the mixture slurry increases remarkably, making uniform dispersion difficult. Moreover, since the liquid absorbency also becomes high, there is a problem that the binder in the composite layer is trapped and the adhesiveness (electrode adhesiveness) between the composite layer and the current collector is lowered.

そこで合材スラリーの均一分散を目的として、特許文献1では高圧ジェットミルにより導電剤を分散させる試みが検討されている。しかしこの方法によると特殊な装置による処理が必要であり、また、サブミクロンオーダーにまで微細化されるため、導電剤の微細構造が変化し、導電性が低下するといった問題があった。特許文献2では活物質とバインダーからなる固形分材料の凝集状態を制御する検討がなされているが、導電剤の凝集状態は制御しておらず、小粒径の導電剤を用いる場合には目標とする合材スラリー特性を達成することが困難であった。また、特許文献3ではあらかじめ幅広い粒径分布を有する導電剤スラリーを調整することが検討されているが、導電剤の微細構造が解砕されない条件で処理しているため、凝集力が強い小粒径の導電剤の粒径分布を制御することはできなかった。 Therefore, for the purpose of uniform dispersion of the mixture slurry, Patent Document 1 discusses an attempt to disperse the conductive agent using a high-pressure jet mill. However, according to this method, processing by a special apparatus is necessary, and since the structure is miniaturized to submicron order, there is a problem that the fine structure of the conductive agent is changed and the conductivity is lowered. In Patent Document 2, studies have been made to control the aggregation state of a solid material composed of an active material and a binder. However, the aggregation state of the conductive agent is not controlled, and the target is used when a conductive agent having a small particle size is used. It was difficult to achieve the composite material slurry characteristics. Further, in Patent Document 3, it is considered to prepare a conductive agent slurry having a wide particle size distribution in advance, but since the fine structure of the conductive agent is processed under the condition that the fine structure is not crushed, The particle size distribution of the conductive agent having a diameter could not be controlled.

特開2004−281096号公報JP 2004-289696 A 特許第5500395号公報Japanese Patent No. 5500395 特許第5561559号公報Japanese Patent No. 5561559

本発明の目的は、スラリー粘度特性に優れたカーボンブラック及びリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a carbon black, a slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode, and a lithium ion secondary battery excellent in slurry viscosity characteristics.

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用する。
(1)比表面積が100m/g以上、DBP吸収量が150ml/100g以上250ml/100g未満、一次平均粒径が30nm未満であり、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%以上であるカーボンブラック。
)活物質、導電剤、バインダー及び溶剤を含み、導電剤が前記(1)に記載のカーボンブラックであるリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物。
)固形分の配合比率が活物質80〜99.8質量%、導電剤0.1〜10質量%、バインダー0.1〜10質量%、固形分濃度が50〜85質量%であり、せん断速度1s−1における粘度が10Pa・s以下である前記()に記載のスラリー組成物。
)前記()または()に記載のスラリー組成物を用いるリチウムイオン二次電池。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
(1) Presence of a structure having a specific surface area of 100 m 2 / g or more , a DBP absorption amount of 150 ml / 100 g or more and less than 250 ml / 100 g, a primary average particle size of less than 30 nm , and an aspect ratio of a circumscribed rectangle of less than 1.50 Carbon black whose number ratio is 70% or more.
( 2 ) A slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode, comprising an active material, a conductive agent, a binder, and a solvent, wherein the conductive agent is carbon black according to (1).
( 3 ) The solid content is 80 to 99.8 mass% active material, 0.1 to 10 mass% conductive agent, 0.1 to 10 mass% binder, and the solid content concentration is 50 to 85 mass%, The slurry composition as described in said ( 2 ) whose viscosity in shear rate 1s- 1 is 10 Pa.s or less.
( 4 ) A lithium ion secondary battery using the slurry composition according to ( 2 ) or ( 3 ).

本発明のカーボンブラックは導電性、スラリー粘度特性及び電極密着性に優れているため、高性能なリチウムイオン二次電池を生産性良く提供することができる。 Since the carbon black of the present invention is excellent in conductivity, slurry viscosity characteristics, and electrode adhesion, a high-performance lithium ion secondary battery can be provided with high productivity.

外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの一例An example of a structure whose aspect ratio of circumscribed rectangle is less than 1.50 外接長方形の縦横比が1.50以上であるストラクチャーの一例An example of a structure in which the aspect ratio of the circumscribed rectangle is 1.50 or more

1 カーボンブラック
2 外接長方形
3 外接長方形の長辺長さ
4 外接長方形の短辺長さ
1 Carbon black 2 circumscribed rectangle 3 circumscribed rectangle long side length 4 circumscribed rectangular short side length

本発明のカーボンブラックの比表面積は100m/g以上であり、リチウムイオン二次電池の導電剤として従来から使用されているカーボンブラックの比表面積と比べて高いことが特徴である。比表面積はJIS K6217−2:2001に従って測定することができ、粒子の小粒径化や中空化、粒子表面の多孔質化などにより高めることができる。このように高比表面積を有するカーボンブラックはマトリックス中でのパーコレーション効果により導電性付与能力が高くなるため、導電剤として有効である。比表面積が100m/g未満であると合材層中で活物質との接触点が少なくなり、十分な導電性を発揮できなくなる。一方で比表面積は250m/g以下であることが好ましい。比表面積が250m/gを超えると合材スラリー中での分散性が低下するため、電極内において局所的に導電性の劣る部分が生じ、電池特性が低下してしまう。 The specific surface area of the carbon black of the present invention is 100 m 2 / g or more, which is characterized by being higher than the specific surface area of carbon black conventionally used as a conductive agent for lithium ion secondary batteries. The specific surface area can be measured according to JIS K6217-2: 2001, and can be increased by reducing the particle size of the particles, making them hollow, making the particle surface porous, or the like. As described above, carbon black having a high specific surface area is effective as a conductive agent because the conductivity imparting ability is enhanced by the percolation effect in the matrix. When the specific surface area is less than 100 m 2 / g, the number of contact points with the active material is reduced in the composite layer, and sufficient conductivity cannot be exhibited. On the other hand, the specific surface area is preferably 250 m 2 / g or less. When the specific surface area exceeds 250 m 2 / g, the dispersibility in the mixture slurry is lowered, so that a portion having poor conductivity is locally generated in the electrode, and the battery characteristics are lowered.

本発明のカーボンブラックは、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%以上であることを特徴とする。ここでカーボンブラックのストラクチャーとは一次粒子が連結した構造のことであり、従来のカーボンブラックは小粒径化に伴い、複雑に絡み合った形状で発達することが知られている。また、ここで外接長方形とは、カーボンブラックのストラクチャーを完全に取り囲み、面積が最小となる長方形で定義される。ストラクチャーの外接長方形の縦横比は、クロロホルムで分散し、コロジオン膜メッシュで掬い取ったカーボンブラックを透過型電子顕微鏡(観察倍率2000倍)で撮影し、その画像から画像解析ソフト(例えば、Media Cybernetic
s社製「Image−Pro Plus 6.2J」)を用いて測定した外接長方形の長辺長さを短辺長さで除することで求められる。ストラクチャーは立体的な構造を持つが、上述のように観察することにより、ストラクチャーの特徴である長手方向の長さを捉えることができる。また、無作為に選択した100個以上のカーボンブラックのストラクチャーについて外接長方形の縦横比を測定することで、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチーの存在個数割合を算出することができる。
本発明者はカーボンブラックのスラリー粘度特性を改善するために鋭意検討を行った結果、カーボンブラックのストラクチャー形状がこの特性に大きく影響することを見出した。すなわち、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーはアスペクト比が小さく、球状に近い形状となる。このような形状を有するストラクチャーの存在個数割合が70%以上であるカーボンブラックは、合材スラリー混練時に近接するカーボンブラックや他の材料との流動抵抗を低減することができる。また、一次粒子同士が密な状態で合着し、粒子間の空隙が少ないため、空隙にある気泡と溶剤との置換が容易になり、濡れ性が向上する。以上の効果により、小粒径で高比表面積のカーボンブラックであっても、合材スラリーの粘度上昇による塗工むらや乾燥後の合材層厚みのばらつきを極限まで減少させることができる。さらに電極内での活物質と導電剤の分散状態、接触状態が良くなることで、局所的な導電性の低下や電池の放電容量の低下を抑制することができる。外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%未満であると、合材スラリーの粘度上昇抑制の効果は小さくなる。外接長方形の縦横比が1.50以上であると、分枝が多方向に伸長したストラクチャー形状となるため、合材スラリー混練時に互いに絡まり、急激な粘度上昇が生じてしまう。
The carbon black of the present invention is characterized in that the ratio of the number of structures having an aspect ratio of a circumscribed rectangle of less than 1.50 is 70% or more. Here, the structure of carbon black is a structure in which primary particles are connected, and it is known that conventional carbon black develops in a complicatedly entangled shape as the particle size is reduced. The circumscribed rectangle is defined as a rectangle that completely surrounds the carbon black structure and has the smallest area. The aspect ratio of the circumscribed rectangle of the structure was obtained by photographing carbon black dispersed with chloroform and scooped with a collodion membrane mesh with a transmission electron microscope (observation magnification 2000 times), and using the image analysis software (for example, Media Cybernetic)
It is calculated | required by remove | dividing the long side length of the circumscribed rectangle measured using "Image-Pro Plus 6.2J" by s company by the short side length. Although the structure has a three-dimensional structure, the length in the longitudinal direction, which is a feature of the structure, can be grasped by observing as described above. In addition, by measuring the aspect ratio of the circumscribed rectangle for 100 or more randomly selected carbon black structures, it is possible to calculate the ratio of the number of structuring in which the aspect ratio of the circumscribed rectangle is less than 1.50. .
As a result of intensive studies to improve the slurry viscosity characteristics of carbon black, the present inventor has found that the structure shape of carbon black greatly affects this characteristic. That is, a structure having an aspect ratio of a circumscribed rectangle of less than 1.50 has a small aspect ratio and a nearly spherical shape. Carbon black in which the number of structures having such a shape is 70% or more can reduce the flow resistance between adjacent carbon black and other materials during kneading of the composite slurry. Further, since the primary particles are coalesced in a dense state and there are few voids between the particles, the bubbles in the voids can be easily replaced with the solvent, and the wettability is improved. Due to the above effects, even in the case of carbon black having a small particle size and a high specific surface area, uneven coating due to an increase in viscosity of the mixture slurry and variations in the thickness of the mixture layer after drying can be reduced to the utmost. Furthermore, since the dispersed state and the contact state of the active material and the conductive agent in the electrode are improved, a local decrease in conductivity and a decrease in the discharge capacity of the battery can be suppressed. When the proportion of the number of structures having an aspect ratio of the circumscribed rectangle of less than 1.50 is less than 70%, the effect of suppressing the increase in the viscosity of the composite slurry is reduced. When the aspect ratio of the circumscribed rectangle is 1.50 or more, the branches have a structure shape extending in multiple directions, so that they are entangled with each other at the time of kneading the mixture slurry, and a sudden increase in viscosity occurs.

本発明のカーボンブラックのDBP吸収量は250ml/100g未満である。ここでDBP吸収量とは、カーボンブラックの粒子表面及びストラクチャーや凝集粒子が作る空隙にジブチルフタレートを吸収する能力を評価する指標であり、JIS K6217−4:2008に従って測定することができる。ストラクチャーの発達したカーボンブラックでは、一次粒子が融着してできるネック部や粒子同士が凝集して形成される空隙が多くなるためDBP吸収量が多くなる。DBP吸収量が250ml/100g以上であるとカーボンブラックのストラクチャーに合材層中のバインダーがトラップされてしまい、活物質や集電体などの他材料との密着性が低下してしまう。一方で、DBP吸収量は150ml/100g以上であることが好ましい。DBP吸収量が150ml/100g未満であるとストラクチャーが十分に発達していないために導電パスが形成されず、導電性付与能力が低下してしまう。また、二次電池に用いた場合には、充放電に伴う活物質の体積変化を緩衝することができず、サイクル特性などの電池特性が低下してしまう。 The DBP absorption of the carbon black of the present invention is less than 250 ml / 100 g. Here, the DBP absorption amount is an index for evaluating the ability to absorb dibutyl phthalate in the voids formed by the carbon black particle surface and structure or aggregated particles, and can be measured according to JIS K6217-4: 2008. In carbon black having a developed structure, the neck portion formed by fusing primary particles and the voids formed by agglomeration of particles increase, so the DBP absorption amount increases. When the DBP absorption amount is 250 ml / 100 g or more, the binder in the composite layer is trapped in the carbon black structure, and the adhesion to other materials such as an active material and a current collector is lowered. On the other hand, the DBP absorption is preferably 150 ml / 100 g or more. When the DBP absorption is less than 150 ml / 100 g, the structure is not sufficiently developed, so that a conductive path is not formed, and the conductivity imparting ability is lowered. Moreover, when used for a secondary battery, the volume change of the active material accompanying charge / discharge cannot be buffered, and battery characteristics such as cycle characteristics are deteriorated.

本発明のカーボンブラックの平均一次粒子径は50nm未満であることが好ましく、30nm未満であることがさらに好ましい。従来からリチウムイオン二次電池の導電剤に用いられるカーボンブラックは、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%未満であるため、平均一次粒子径が30nm未満になるとスラリー化が困難であった。一方、本発明のカーボンブラックは、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%以上であり分散性に優れているため、平均一次粒子径が30nm未満であってもスラリー化することができる。このように小粒径のカーボンブラックの使用が可能となることにより、合材層における配合比率が低くても高い導電性を発揮することができる。カーボンブラックの平均一次粒子径は、透過型電子顕微鏡の5万倍画像から無作為に選択した100個以上のカーボンブラックの一次粒子径を測り、平均値を算出して求めることができる。カーボンブラックの一次粒子はアスペクト比が小さく真球に近い形状をしているが、完全な真球ではない。そこで、TEM画像における一次粒子の外周2点を結ぶ線分のうちで最大のものをカーボンブラックの一次粒子径とした。 The average primary particle size of the carbon black of the present invention is preferably less than 50 nm, and more preferably less than 30 nm. Conventionally, carbon black used as a conductive agent for lithium ion secondary batteries has a ratio of the number of structures having an aspect ratio of a circumscribed rectangle of less than 1.50 to less than 70%, so the average primary particle diameter is less than 30 nm. Then, slurrying was difficult. On the other hand, in the carbon black of the present invention, the ratio of the number of structures having an aspect ratio of the circumscribed rectangle of less than 1.50 is 70% or more, and the dispersibility is excellent, so the average primary particle diameter is less than 30 nm. Can also be slurried. Thus, by using carbon black having a small particle diameter, high conductivity can be exhibited even if the compounding ratio in the composite layer is low. The average primary particle diameter of carbon black can be determined by measuring the primary particle diameter of 100 or more carbon blacks randomly selected from 50,000 times images of a transmission electron microscope and calculating the average value. The primary particles of carbon black have a small aspect ratio and a shape close to a true sphere, but are not perfect spheres. Therefore, the largest of the line segments connecting the two outer peripheral points of the primary particles in the TEM image is the primary particle diameter of carbon black.

本発明に係るカーボンブラックの製造方法は特に限定されるものではなく、例えば、炭化水素などの原料ガスを反応炉の炉頂に設置されたノズルから供給し、熱分解反応及び又は部分燃焼反応によりカーボンブラックを製造し、反応炉下部に直結されたバグフィルターから捕集することができる。使用する原料ガスは特に限定されるものではなく、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、エチレン、プロピレン、ブタジエンなどのガス状炭化水素や、トルエン、ベンゼン、キシレン、ガソリン、灯油、軽油、重油などのオイル状炭化水素を使用することができる。これらの複数を混合して使用することもできる。中でも不純物が少ないアセチレンガスを使用することが好ましい。アセチレンガスの分解熱により反応炉内の温度が高くなるため、カーボンブラックの均一な核生成が起こり、一次粒子径が30nm未満のカーボンブラックを得ることができる。 The method for producing carbon black according to the present invention is not particularly limited. For example, a raw material gas such as a hydrocarbon is supplied from a nozzle installed at the top of the reactor and is subjected to a pyrolysis reaction and / or a partial combustion reaction. Carbon black can be produced and collected from a bag filter directly connected to the bottom of the reactor. The raw material gas to be used is not particularly limited, and gaseous hydrocarbons such as acetylene, methane, ethane, propane, ethylene, propylene, and butadiene, and oils such as toluene, benzene, xylene, gasoline, kerosene, light oil, and heavy oil A hydrocarbon can be used. A plurality of these can be mixed and used. Among them, it is preferable to use acetylene gas with few impurities. Since the temperature in the reactor is increased by the heat of decomposition of the acetylene gas, uniform nucleation of carbon black occurs, and carbon black having a primary particle size of less than 30 nm can be obtained.

原料ガスとは別に、酸素ガス、水素ガス、窒素ガスなどを使用することができる。中でも、酸素ガスを使用することが好ましい。酸素ガスを使用すると賦活作用によりカーボンブラックが多孔質化され、比表面積を高めることができる。 Apart from the source gas, oxygen gas, hydrogen gas, nitrogen gas and the like can be used. Among these, it is preferable to use oxygen gas. When oxygen gas is used, carbon black is made porous by the activation action, and the specific surface area can be increased.

カーボンブラックのストラクチャー形状は、反応炉の形状や原料ガスの供給量などによって調整できる。例えば、原料ガスの供給量が多くなると、生成されるカーボンブラックの一次粒子同士が反応炉内で衝突する頻度が高くなるため、ストラクチャーが発達し、DBP吸収量が高くなる。本発明のストラクチャー形状を有するカーボンブラックを得るためには、反応炉内への原料ガスの噴出速度を6m/s以上とすることが好ましい。ここでカーボンブラックのストラクチャー形成は、反応炉内に供給された原料ガスが瞬時に熱分解及び又は部分燃焼することでカーボンブラックの核生成及び粒成長が起こり、捕集設備に移動する間の反応炉内低温領域でカーボンブラック粒子が互いに融着して鎖状につながることで説明される。反応炉内への原料ガスの噴出速度が6m/s以上であると、反応炉内のガス撹拌が促進され、ストラクチャー形成領域におけるカーボンブラック粒子の衝突が短時間で多量に起こるため、分枝状の複雑な構造のストラクチャーが形成され難くなると推察される。また、反応炉内での滞留時間が短縮されるため、過度なストラクチャーの成長によるDBP吸収量の増加を防ぐことができる。 The structure shape of carbon black can be adjusted by the shape of the reaction furnace, the supply amount of raw material gas, and the like. For example, when the supply amount of the source gas is increased, the frequency of primary particles of generated carbon black colliding with each other in the reaction furnace increases, so that the structure develops and the DBP absorption amount increases. In order to obtain carbon black having the structure shape of the present invention, it is preferable that the jetting speed of the raw material gas into the reaction furnace is 6 m / s or more. Here, carbon black structure formation is a reaction during which the raw material gas supplied into the reactor is instantly pyrolyzed and / or partially burned to cause nucleation and grain growth of the carbon black and move to a collection facility. This is explained by the fact that the carbon black particles are fused together in a low temperature region in the furnace and connected in a chain form. When the injection speed of the raw material gas into the reaction furnace is 6 m / s or more, the gas stirring in the reaction furnace is promoted, and a large amount of carbon black particles collide in the structure formation region in a short time. It is inferred that it is difficult to form a complex structure. Moreover, since the residence time in the reactor is shortened, an increase in the amount of DBP absorption due to excessive structure growth can be prevented.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物は、活物質、導電剤、バインダー、溶剤を含む。なお、目的に応じて分散剤や難燃剤などの添加剤を含有させることもできる。スラリー組成物の固形分配合比率は活物質80〜99.8質量%、導電剤0.1〜10質量%、バインダー0.1〜10質量%であることが好ましい。本発明のカーボンブラックを導電剤に用い、上記固形分配合とすることにより、合材スラリーの粘度特性や導電性を損なうことなく合材層中の活物質の配合比率を高めることができ、リチウムイオン二次電池の高容量化が達成できる。また、本発明のカーボンブラックを用いることにより、同一の固形分配合であっても導電性を向上させることができ、リチウムイオン二次電池の高出力化が達成できる。なお導電剤には、本発明のカーボンブラックの導電性付与能力、分散性を阻害しない範囲でその他のカーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等を添加することができる。本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物の固形分濃度は50〜85質量%であることが好ましい。固形分濃度が85質量%を超えると合材スラリー混練時に強いせん断が加わるため、導電剤の一次凝集が破壊され、導電性が低下してしまう。また、乾燥工程においてひび割れが生じやすくなる。一方、固形分濃度が50質量%未満であると塗工後の乾燥工程で時間を要するため、生産性が低下してしまう。 The slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode of the present invention includes an active material, a conductive agent, a binder, and a solvent. Depending on the purpose, additives such as a dispersant and a flame retardant can also be contained. The solid content of the slurry composition is preferably 80 to 99.8% by mass of the active material, 0.1 to 10% by mass of the conductive agent, and 0.1 to 10% by mass of the binder. By using the carbon black of the present invention as a conductive agent and blending the above solid content, the mixing ratio of the active material in the composite layer can be increased without impairing the viscosity characteristics and conductivity of the composite slurry, and lithium The capacity of the ion secondary battery can be increased. Further, by using the carbon black of the present invention, the conductivity can be improved even with the same solid content blending, and high output of the lithium ion secondary battery can be achieved. In addition, other carbon black, graphite, a carbon nanotube, carbon nanofiber, etc. can be added to a electrically conductive agent in the range which does not inhibit the electroconductivity provision ability and dispersibility of the carbon black of this invention. The solid content concentration of the slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode of the present invention is preferably 50 to 85% by mass. When solid content concentration exceeds 85 mass%, since strong shearing will be added at the time of kneading | mixing of mixture slurry, the primary aggregation of a electrically conductive agent will be destroyed and electroconductivity will fall. In addition, cracks are likely to occur in the drying process. On the other hand, if the solid content concentration is less than 50% by mass, the drying process after coating takes time, and the productivity is lowered.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物は、せん断速度1s−1における粘度が10Pa・s以下であることが好ましい。集電体への合材スラリー塗工方法にはドクターブレード法、ロールコーター法、ダイコーター法などがあるが、塗工速度は10〜50m/min程度が一般的である。この領域に相当するせん断速度1s−1における粘度が10Pa・s以下であると均一な塗工が可能となる。せん断速度1s−1における粘度は1Pa・s以上であることが好ましい。1Pa・s未満であると塗工後に活物質の沈降が起こりやすくなり、合材層の構造に偏りが生じてしまうおそれがある。合材スラリーの粘度はレオメーターによって測定することができる。なお本発明における粘度とは測定温度25℃における粘度とする。合材スラリーの粘度は活物質、導電剤、バインダーといった固形分の配合比率や、固形分濃度、分散条件、分散剤の添加、導電剤であるカーボンブラックのストラクチャー形状などを変更することによって調整できる。 The slurry composition for lithium ion secondary battery electrodes of the present invention preferably has a viscosity at a shear rate of 1 s −1 of 10 Pa · s or less. There are a doctor blade method, a roll coater method, a die coater method and the like as a method for applying a mixture slurry to a current collector, but the coating speed is generally about 10 to 50 m / min. If the viscosity at a shear rate of 1 s −1 corresponding to this region is 10 Pa · s or less, uniform coating is possible. The viscosity at a shear rate of 1 s −1 is preferably 1 Pa · s or higher. If it is less than 1 Pa · s, the active material tends to settle after coating, and the structure of the composite layer may be biased. The viscosity of the composite slurry can be measured by a rheometer. The viscosity in the present invention is the viscosity at a measurement temperature of 25 ° C. The viscosity of the composite slurry can be adjusted by changing the blending ratio of solids such as active material, conductive agent, binder, solid content concentration, dispersion conditions, addition of dispersant, and structure of carbon black, which is a conductive agent. .

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物に用いられる活物質は特に限定されるものではないが、正極活物質であれば、起電力を高めることができるコバルト酸リチウム、ニッケル・マンガン・コバルト酸リチウムなどのコバルトやマンガンを含むリチウム含有遷移金属酸化物であることが好ましい。また、活物質の平均粒子径は1〜20μmであることが好ましい。1μm未満であると合材スラリーが増粘してしまい、20μmを超えると平滑な電極を作製することが困難となる。負極活物質には天然黒鉛、人造黒鉛、グラファイト、活性炭、コークス、ニードルコークス、フリュードコークス、メソフェーズマイクロビーズ、炭素繊維、熱分解炭素など、各種の炭素質材料を使用することができる。 The active material used in the slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode of the present invention is not particularly limited, but if it is a positive electrode active material, lithium cobaltate, nickel / manganese / A lithium-containing transition metal oxide containing cobalt or manganese such as lithium cobaltate is preferable. Moreover, it is preferable that the average particle diameter of an active material is 1-20 micrometers. If it is less than 1 μm, the mixture slurry will thicken, and if it exceeds 20 μm, it will be difficult to produce a smooth electrode. As the negative electrode active material, various carbonaceous materials such as natural graphite, artificial graphite, graphite, activated carbon, coke, needle coke, fluid coke, mesophase microbead, carbon fiber, pyrolytic carbon, and the like can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物に用いられるバインダーは特に限定されるものではなく、例えばポリエチレン、ニトリルゴム、ポリブタジエン、ブチルゴム、ポリスチレン、スチレン・ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、四フッ化エチレン樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化クロロプレンなどを使用することができる。また、これらをあらかじめ溶剤に溶解させたものを使用することもできる。 The binder used in the lithium ion secondary battery electrode slurry composition of the present invention is not particularly limited, for example, polyethylene, nitrile rubber, polybutadiene, butyl rubber, polystyrene, styrene-butadiene rubber, polysulfide rubber, nitrocellulose, Carboxymethylcellulose, polyvinyl alcohol, tetrafluoroethylene resin, polyvinylidene fluoride, polychlorochloroprene, and the like can be used. Moreover, what melt | dissolved these in the solvent previously can also be used.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物に使用する溶剤は特に限定されるものではなく、例えばN−メチルピロリドンやエタノール、酢酸エチルなどを使用することができる。 The solvent used for the slurry composition for lithium ion secondary battery electrodes of the present invention is not particularly limited, and for example, N-methylpyrrolidone, ethanol, ethyl acetate, or the like can be used.

本発明のリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物作製時の混練方法は特に限定されるものではなく、例えばミキサー、ニーダー、分散機、ミル、自転公転式回転装置などの一般的な装置を使用することができる。 The kneading method at the time of preparing the slurry composition for the lithium ion secondary battery electrode of the present invention is not particularly limited, and for example, a general apparatus such as a mixer, a kneader, a disperser, a mill, a rotation and revolution type rotating apparatus is used. can do.

本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、本発明の合材スラリーを金属箔からなる集電体に塗工、その後乾燥して被着させることによって製造することができる。正極と負極とをセパレータを介して積層あるいは捲回して形成される電極群に電解液を浸漬することで二次電池を製造することができる。本発明の合材スラリーは小粒径、高比表面積の導電剤を含有しながらも優れた塗工性を有するため、高容量リチウムイオン二次電池を生産性良く提供することができる。 The lithium ion secondary battery of the present invention can be produced, for example, by applying the mixture slurry of the present invention to a current collector made of a metal foil, and then drying and depositing the mixture slurry. A secondary battery can be manufactured by immersing the electrolytic solution in an electrode group formed by laminating or winding a positive electrode and a negative electrode through a separator. Since the composite slurry of the present invention has excellent coating properties while containing a conductive agent having a small particle size and a high specific surface area, a high-capacity lithium ion secondary battery can be provided with high productivity.

集電体は特に限定されるものではなく、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、鉛、タングステン、チタン等、乃至これらを主成分とする合金の金属箔が使用される。正極にはアルミニウムを、負極には銅を用いることが好ましい。 The current collector is not particularly limited, and a metal foil of gold, silver, copper, platinum, aluminum, iron, nickel, chromium, manganese, lead, tungsten, titanium, or an alloy containing these as a main component is used. Is done. It is preferable to use aluminum for the positive electrode and copper for the negative electrode.

電解液は特に限定されるものではなく、リチウム塩を含む非水電解液またはイオン伝導ポリマーなどを使用することができる。リチウム塩を含む非水電解液における非水電解質の非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどが挙げられる。また、非水溶媒に溶解できるリチウム塩としては、六フッ化リン酸リチウム、ホウ四フッ化リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムなどが挙げられる。 The electrolytic solution is not particularly limited, and a nonaqueous electrolytic solution containing lithium salt or an ion conductive polymer can be used. Examples of the nonaqueous solvent for the nonaqueous electrolyte in the nonaqueous electrolytic solution containing a lithium salt include ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of the lithium salt that can be dissolved in the non-aqueous solvent include lithium hexafluorophosphate, lithium borotetrafluoride, and lithium trifluoromethanesulfonate.

セパレータは特に限定されるものではなく、ポリエチレンやポリプロピレンなどの合成樹脂を使用することができる。電解液の保持性が良いことから多孔性フィルムを用いることが好ましい。 The separator is not particularly limited, and synthetic resins such as polyethylene and polypropylene can be used. It is preferable to use a porous film because the electrolyte retainability is good.

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
カーボンブラック反応炉(炉長5m、炉直径0.5m)の炉頂に設置されたノズルから原料ガスであるアセチレンガスを15m/h、酸素ガスを9m/h噴出し、アセチレンガスの熱分解及び燃焼反応を利用してカーボンブラックを製造した。なお、ノズル径の調整により原料ガスの噴出速度を6.5m/sとした。得られたカーボンブラックについて、以下の物性を測定した。評価結果を表1に示す。
(1)比表面積:JIS K6217−2:2001に従い測定した。
(2)外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合:透過型電子顕微鏡の2000倍画像から、画像解析ソフト(Media Cybernetics社製「Image−Pro Plus 6.2J」)により無作為に選択した100個以上のカーボンブラックのストラクチャーについて外接長方形の縦横比を測定し、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合を算出した。
(3)DBP吸収量:JIS K6217−4:2008に従い測定した。
(4)平均一次粒子径:透過型電子顕微鏡の5万倍画像より、無作為に選択した100個以上のカーボンブラック一次粒子径を測り、平均値を算出した。
Example 1
From the nozzle installed at the top of the carbon black reactor (furnace length 5m, furnace diameter 0.5m), 15m 3 / h of acetylene gas as raw material gas and 9m 3 / h of oxygen gas were jetted, and heat of acetylene gas Carbon black was produced using decomposition and combustion reactions. In addition, the jet speed of the raw material gas was set to 6.5 m / s by adjusting the nozzle diameter. The obtained carbon black was measured for the following physical properties. The evaluation results are shown in Table 1.
(1) Specific surface area: Measured according to JIS K6217-2: 2001.
(2) The ratio of the number of structures in which the aspect ratio of the circumscribed rectangle is less than 1.50: From a 2000 times magnification image of a transmission electron microscope, image analysis software (“Image-Pro Plus 6.2J” manufactured by Media Cybernetics) The aspect ratio of the circumscribed rectangle was measured for 100 or more randomly selected carbon black structures, and the ratio of the number of structures having an aspect ratio of the circumscribed rectangle of less than 1.50 was calculated.
(3) DBP absorption: Measured according to JIS K6217-4: 2008.
(4) Average primary particle size: 100 or more randomly selected primary particle sizes of carbon black were measured from a 50,000-magnification image of a transmission electron microscope, and an average value was calculated.

得られたカーボンブラック3質量部と、活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3(日本化学工業社製「CELLSEED NMC Ni:Mn:Co=1:1:1」)94質量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(クレハ社製「クレハKFポリマーW#1100」)3質量部、溶剤としてN−メチルピロリドン(Aldrich社製)60質量部を脱泡混練機(日本精機製作所社製「NBK−1」)回転数1000rpmの条件で15分間混練し、固形分濃度62.5質量%の合材スラリーを作製した。この合材スラリーの25℃における粘度を粘弾性測定機(AntonPaar社製「MCR102」、φ30mm、角度3°のコーンプレート使用、ギャップ1mm)で評価した。せん断速度は0.01から100s−1へ変化させて測定し、せん断速度1s−1における粘度を求めた。測定結果を表1に示す。 3 parts by mass of the obtained carbon black and LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (“CELLSEED NMC Ni: Mn: Co = 1: 1: 1” manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) 94 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride (“Kureha KF Polymer W # 1100” manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a binder and 60 parts by mass of N-methylpyrrolidone (manufactured by Aldrich) as a solvent “NBK-1”) Kneaded for 15 minutes under the condition of a rotational speed of 1000 rpm to produce a mixture slurry having a solid content concentration of 62.5 mass%. The viscosity of this mixture slurry at 25 ° C. was evaluated with a viscoelasticity measuring device (“MCR102” manufactured by Anton Paar, φ30 mm, using a cone plate with an angle of 3 °, a gap of 1 mm). The shear rate was measured while changing from 0.01 to 100 s −1, and the viscosity at the shear rate of 1 s −1 was determined. The measurement results are shown in Table 1.

得られた合材スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔(集電体)上に塗工機(宝泉株式会社製「MINI−COATER MODEL:MC10」)を用いて塗工し、乾燥したものをプレス、裁断して、正極を作製した。この正極を幅25mm、長さ100mmに切り、合材層表面に粘着テープを貼り付けた後、アルミニウム箔の一端を引張り試験機(エー・アンド・デイ社製「テンシロン万能試験機」)を用いて剥離方向180°、剥離速度100mm/minで引き剥がしたときのピール強度を測定した。
また、正極の極板抵抗を交流インピーダンス法により評価した。具体的には、正極をSUS製三極式セルにセットして、インピーダンスアナライザー(東陽テクニカ社製「電気化学測定システム12608W型」、電極面積1.54cm、掃引周波数1MHz→1Hz、印加電圧10mV、測定温度20度)で交流抵抗を測定した。評価結果を表1に示す。
The obtained mixture slurry was coated on a 20 μm-thick aluminum foil (current collector) using a coating machine (“MINI-CATOR MODEL: MC10” manufactured by Hosen Co., Ltd.), and the dried one was pressed. The positive electrode was produced by cutting. This positive electrode was cut to a width of 25 mm and a length of 100 mm, and an adhesive tape was attached to the surface of the composite material layer, and then one end of the aluminum foil was pulled using a tensile tester (“Tensilon Universal Tester” manufactured by A & D). The peel strength when peeled at a peeling direction of 180 ° and a peeling speed of 100 mm / min was measured.
Moreover, the electrode plate resistance of the positive electrode was evaluated by an AC impedance method. Specifically, the positive electrode is set in a SUS tripolar cell, and an impedance analyzer (“electrochemical measurement system 12608W type” manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., electrode area 1.54 cm 2 , sweep frequency 1 MHz → 1 Hz, applied voltage 10 mV) AC resistance was measured at a measurement temperature of 20 degrees). The evaluation results are shown in Table 1.

正極に対する対極に金属リチウム(本城金属社製)を用い、これらを電気的に隔離するセパレータとしてポリオレフィン繊維製不織布を用いてコインセル(CR−2032型)を作製した。電解液にはエチレンカーボネート(Aldrich製)/ジメチルカーボネート(Aldrich製)を1/1の容積比で混合した溶液中に六フッ化リン酸リチウム(ステラケミファ社製)を1mol/L溶解させたものを用いた。電池の放電試験として、電池を初充電後、充放電効率が100%近傍になるのを確認後、0.7mA/cmの電流密度にて定電流放電を3.0Vまで行った際の放電容量を測定した。測定結果を表1に示す。 Metallic lithium (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.) was used as the counter electrode with respect to the positive electrode, and a polyolefin cell non-woven fabric was used as a separator to electrically isolate them to produce a coin cell (CR-2032 type). In the electrolyte solution, 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate (manufactured by Stella Chemifa) is dissolved in a solution in which ethylene carbonate (manufactured by Aldrich) / dimethyl carbonate (manufactured by Aldrich) is mixed at a volume ratio of 1/1. Was used. As a discharge test of the battery, after confirming that the charge / discharge efficiency is close to 100% after the initial charge of the battery, discharge when performing constant current discharge to 3.0 V at a current density of 0.7 mA / cm 2 The capacity was measured. The measurement results are shown in Table 1.

実施例2〜7、参考例8、比較例1〜2
原料ガスの供給量、酸素ガスの供給量、原料ガスの噴出速度を表1に示すように変えたこと以外は実施例1と同様にしてカーボンブラックを得た。測定結果を表1に示す。
Examples 2-7 , Reference Example 8, Comparative Examples 1-2
Carbon black was obtained in the same manner as in Example 1 except that the supply amount of the raw material gas, the supply amount of the oxygen gas, and the injection speed of the raw material gas were changed as shown in Table 1. The measurement results are shown in Table 1.

実施例9
合材層中の配合比率を活物質96質量部、カーボンブラック2質量部、バインダー2質量部に変えたこと以外は実施例1と同様にして合材スラリーを得た。測定結果を表1に示す。
Example 9
A mixture slurry was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio in the mixture layer was changed to 96 parts by mass of the active material, 2 parts by mass of carbon black, and 2 parts by mass of the binder. The measurement results are shown in Table 1.

表1の測定結果より、本発明のカーボンブラックは導電性、スラリー粘度特性及び電極密着性に優れており、高性能なリチウムイオン二次電池を生産性良く提供することができる。 From the measurement results shown in Table 1, the carbon black of the present invention is excellent in conductivity, slurry viscosity characteristics, and electrode adhesion, and can provide a high-performance lithium ion secondary battery with high productivity.

本発明のカーボンブラックはリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物及びリチウムイオン二次電池に好適に利用することができる。




The carbon black of the present invention can be suitably used for a slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode and a lithium ion secondary battery.




Claims (4)

比表面積が100m/g以上、DBP吸収量が150ml/100g以上250ml/100g未満、平均一次粒子径が30nm未満であり、外接長方形の縦横比が1.50未満であるストラクチャーの存在個数割合が70%以上であるカーボンブラック。 The ratio of the number of existing structures having a specific surface area of 100 m 2 / g or more , a DBP absorption of 150 ml / 100 g or more and less than 250 ml / 100 g, an average primary particle diameter of less than 30 nm , and a circumscribed rectangle having an aspect ratio of less than 1.50. Carbon black that is 70% or more. 活物質、導電剤、バインダー及び溶剤を含み、導電剤が請求項1に記載のカーボンブラックであるリチウムイオン二次電池電極用スラリー組成物。 A slurry composition for a lithium ion secondary battery electrode, comprising an active material, a conductive agent, a binder, and a solvent, wherein the conductive agent is carbon black according to claim 1. 固形分の配合比率が活物質80〜99.8質量%、導電剤0.1〜10質量%、バインダー0.1〜10質量%、固形分濃度が50〜85質量%であり、25℃でせん断速度1s−1における粘度が10Pa・s以下である請求項に記載のスラリー組成物。 The solid content is 80 to 99.8% by mass of the active material, the conductive agent is 0.1 to 10% by mass, the binder is 0.1 to 10% by mass, the solid content is 50 to 85% by mass, and at 25 ° C. The slurry composition according to claim 2 , wherein the viscosity at a shear rate of 1 s −1 is 10 Pa · s or less. 請求項または請求項に記載のスラリー組成物を用いるリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery using the slurry composition of Claim 2 or Claim 3 .
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