JP6229290B2 - 二次電池用電極積層体及び二次電池 - Google Patents
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Description
質量変化率={(水浸漬前の電極合材層重量−水浸漬後の電極合材層重量)/水浸漬前の電極合材層重量}×100%
で表される質量変化率が20質量%未満であることを特徴とする。水溶性増粘剤を含む電極合材層は、通常、水系スラリー組成物を用いて調製されるが、このように、電極合材層を水に浸漬した場合の質量変化率を20質量%未満とすることで、電極合材層と電極保護層との密着性に優れると共に、二次電池の形成に用いた際に二次電池の電気的特性を向上させることが可能な二次電池用電極積層体が得られる。
なお、本発明において、「質量変化率」は、本願の実施例に記載の方法を用いて求めることができる。
ここで、本発明の二次電池用電極積層体は、二次電池の正極及び負極に用いることができる。また、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用電極積層体を用いたことを特徴とする。
本発明の二次電池用電極積層体は、電極活物質、粒子状結着剤、及び水溶性増粘剤を含む電極合材層(A)と、電極合材層(A)上に形成された電極保護層(B)とを有する。そして、電極合材層(A)は、本願の実施例に記載の条件下で水に浸漬した際に、下記式(1)で表される質量変化率が、0質量%以上20質量%未満である。
質量変化率={(水浸漬前の電極合材層重量−水浸漬後の電極合材層重量)/水浸漬前の電極合材層重量}×100% ・・・(1)
なお、「電極合材層(A)の質量変化率」は、電極保護層(B)を形成しない状態で測定されるものである。
本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極合材層(A)は、電極活物質と、粒子状結着剤と、水溶性増粘剤と、水とを含む二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成され、電極活物質、粒子状結着剤、及び水溶性増粘剤を含んでいる。そして、電極合材層(A)は、質量変化率が20質量%未満である。
上記の通り、電極合材層(A)は、質量変化率が20質量%未満であることが必要である。なお、電極合材層(A)の耐水性を高め、電極合材層と電極保護層との密着性を十分に向上させると共に、二次電池の電気的特性を更に良好なものとする観点からは、電極合材層(A)の質量変化率は、15質量%未満であることが好ましく、10質量%未満であることが更に好ましい。
具体的には、電極合材層(A)の質量変化率を20質量%未満とする方法としては、特に限定されることなく、以下の方法を挙げることができる。
(1)所定の官能基を有する粒子状結着材及び水溶性増粘剤と、架橋剤とを使用し、粒子状結着材、水溶性増粘剤及び架橋剤が架橋構造を形成する電極合材層(A)を形成する。
(2)電極活物質、粒子状結着剤、水溶性増粘剤、及び水を含む電極用スラリー組成物を所定以上の温度で乾燥して電極合材層(A)を形成する。
上記(1)の方法により質量変化率が20質量%未満の電極合材層(A)を作製する場合には、電極活物質と、水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤と、水酸基又はカルボキシル基と反応する官能基を有する架橋剤と、架橋剤と反応する官能基を有する粒子状結着剤とを用いて電極合材層(A)を形成する。具体的には、電極活物質と、水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤と、水酸基又はカルボキシル基と反応する官能基を有する架橋剤と、架橋剤と反応する官能基を有する粒子状結着剤と、水とを含む電極用スラリー組成物を用いて電極合材層(A)を形成する。そして、架橋剤及び粒子状結着材の水溶性増粘剤に対する配合比率を特定の範囲とすると共に、そのようにして調製した電極用スラリー組成物を基材上に塗布して、100℃以上で乾燥する製造工程を経て、水溶性増粘剤、架橋剤及び粒子状結着剤に架橋構造を形成させる。
電極活物質は、二次電池の電極(正極、負極)において電子の受け渡しをする物質である。ここで、本発明の二次電池用電極積層体を正極に用いる場合、正極用の電極活物質(正極活物質)としては、例えば、特開2013-020818号公報に記載の、リチウム含有複合金属酸化物のような無機化合物、導電性高分子のような有機化合物、又はこれらの混合物を使用することができる。また、本発明の二次電池用電極積層体を負極に用いる場合、負極用の電極活物質(負極活物質)としては、例えば、特開2013-020818号公報に記載の、炭素質材料、導電性高分子化合物、ケイ素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の金属やこれらの合金、これらの金属又は合金の酸化物や硫酸塩、金属リチウム、リチウム合金、リチウム遷移金属窒化物、シリコーン等を使用できる。
そして、炭素質材料としては、例えば、熱処理温度によって炭素の構造を容易に変える易黒鉛性炭素や、ガラス状炭素に代表される非晶質構造に近い構造を持つ難黒鉛性炭素などが挙げられる。
ここで、易黒鉛性炭素としては、例えば、石油または石炭から得られるタールピッチを原料とした炭素材料が挙げられる。具体例を挙げると、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維などが挙げられる。
また、難黒鉛性炭素としては、例えば、フェノール樹脂焼成体、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、擬等方性炭素、フルフリルアルコール樹脂焼成体(PFA)、ハードカーボンなどが挙げられる。
そして、黒鉛質材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。
ここで、人造黒鉛としては、例えば、易黒鉛性炭素を含んだ炭素を主に2800℃以上で熱処理した人造黒鉛、MCMBを2000℃以上で熱処理した黒鉛化MCMB、メソフェーズピッチ系炭素繊維を2000℃以上で熱処理した黒鉛化メソフェーズピッチ系炭素繊維などが挙げられる。
水溶性増粘剤100質量部当たり、負極活物質を好ましくは500質量部以上含有することにより、二次電池の負極における電子の受け渡しが十分となり、二次電池として良好に機能する。また、水溶性増粘剤100質量部当たり、負極活物質を1500質量部以下含有することで、負極の膨れが抑制され、また、スラリー組成物を用いて電極合材層(A)を形成する際の作業性を確保することができる。
水溶性増粘剤は、本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極合材層(A)を製造するための電極用スラリー組成物の粘度調整剤としての機能を有するものである。水溶性増粘剤は、水溶性の増粘剤として使用されうる化合物である。そして、上記(1)の方法により電極合材層(A)を形成する際に用いられる水溶性増粘剤は、その分子構造中に水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤を含む(以下、かかる水溶性増粘剤を、「水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤」と称することもある)。そして、本発明の水溶性増粘剤としては、少なくとも水酸基を有する水溶性増粘剤が好ましい。
ここで本明細書において、増粘剤が「水溶性」であるとは、イオン交換水100質量部当たり増粘剤1質量部(固形分相当)を添加し攪拌して得られる混合物を、温度20〜70℃の範囲内で、かつ、pH3〜12(pH調整にはNaOH水溶液及び/又はHCl水溶液を使用)の範囲内である条件のうち少なくとも一条件に調整し、250メッシュのスクリーンを通過させた際に、スクリーンを通過せずにスクリーン上に残る残渣の固形分の質量が、添加した増粘剤の固形分に対して50質量%を超えないことをいう。なお、上記増粘剤と水との混合物が、静置した場合に二相に分離するエマルジョン状態であっても、上記定義を満たせば、その増粘剤は水溶性であるとする。
上述した、水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤の水酸基又はカルボキシル基と反応する官能基を有する架橋剤(以下「水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤」と称することがある)は、上述の水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤、そして後述する粒子状重合体と、加熱などにより架橋構造を形成する。即ち、架橋剤は、電極合材層(A)を形成した際に、水溶性増粘剤同士、水溶性増粘剤と粒子状重合体、そして、粒子状重合体同士、を繋ぐ好適な架橋構造を形成すると推察される。
即ち、本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)を形成するための二次電池電極用スラリー組成物は、加熱などの処理を施すことにより、組成物中に含まれている水溶性増粘剤および粒子状重合体が架橋剤を介して架橋構造を形成する。その結果、水溶性増粘剤同士、水溶性増粘剤と粒子状重合体、および、粒子状重合体同士の架橋により、弾性率、引っ張り強度、耐疲労性などの機械的特性や、接着性に優れ、且つ、水への溶解度が小さい(即ち、耐水性に優れる)架橋構造が得られる。そのため、本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)では、電極合材層(A)中の成分(例えば、電極活物質など)を良好に結着させつつ、該二次電池用電極積層体を用いた二次電池の電気的特性を向上させることができる。具体的には、上述した電極合材層(A)を備える本発明の二次電池用電極積層体を二次電池の負極に用いた場合には、架橋構造の形成により、充放電の繰り返しに伴う負極の膨れを抑制することができると共に、電極合材層(A)と集電体との高い密着性を確保することができる。更には、本発明の二次電池用電極積層体では、電極合材層(A)が架橋構造の形成により高い耐水性を有する(水への溶解度が低い)ことを利用して、水系のスラリー組成物を用いて電極合材層(A)上に電極保護層(多孔膜)を形成することができる。また、本発明の二次電池用電極積層体を電極に用いた二次電池では、架橋剤および架橋剤に由来する架橋構造に起因して、電解液の注液性を高めることができる。そして、その結果、初期クーロン効率、サイクル特性、レート特性などの電気的特性を向上することができる。
二次電池を充放電させた場合に電気化学的に応答し、二次電池のクーロン効率を悪化させる虞を低減することもできる。
また、本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)及び電極合材層(A)を形成するための二次電池電極用スラリー組成物は、水酸基又はカルボキシル基と反応しない架橋剤を更に含有していても良い。
なお、本明細書において、電極合材層(A)に含まれる水溶性増粘剤、架橋剤及び粒子状結着剤の量とは、それぞれ、架橋構造を形成する前の各成分の量とする。
具体的には、架橋剤としては、本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)を形成するための二次電池電極用スラリー組成物の安定性を確保して、該二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した二次電池用電極積層体を使用した二次電池のサイクル特性を確保するため、多官能エポキシ化合物が好ましく、多官能グリシジルエーテル化合物がより好ましい。なお、多官能グリシジルエーテル化合物は、電解液との親和性が特に優れているため、架橋剤として例えば脂肪族ポリグリシジルエーテル、芳香族ポリグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテルなどの多官能グリシジルエーテル化合物を用いた場合には、二次電池を製造する際の電解液の注液性が特に向上する。ここで、「多官能エポキシ化合物」、「多官能グリシジルエーテル化合物」とは、それぞれ、1分子中に2以上のエポキシ基を有する化合物、1分子中に2以上のグリシジルエーテル基を有する化合物をいう。
これら架橋剤は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
ここで、本明細書において、架橋剤が「水溶性」であるとは、イオン交換水100質量部当たり架橋剤1質量部(固形分相当)を添加し、攪拌して得られる混合物を、温度20〜70℃範囲内であり、かつ、pH3〜12(pH調整にはNaOH水溶液及び/又はHCl水溶液を使用)の範囲内である条件のうち少なくとも一条件に調整し、250メッシュのスクリーンを通過させた際に、スクリーンを通過せずにスクリーン上に残る残渣の固形分の質量が、添加した架橋剤の固形分に対して50質量%を超えないことをいう。なお、上記架橋剤と水との混合物が、静置した場合に二相に分離するエマルジョン状態であっても、上記定義を満たせば、その架橋剤は水溶性であるとする。
水溶率=(100−X)質量%
粒子状結着剤は、本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)を形成した際に、電極合材層(A)に含まれる成分(例えば、電極活物質)が集電体などの基材から脱離しないように保持しうる成分である。さらに、粒子状結着剤は、電極合材層(A)に含まれる電極活物質以外の成分も結着し、電極合材層(A)の強度を維持する役割も果たしている。
なお、本発明において、粒子状重合体の「ゲル含有量」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、粒子状重合体の「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
ここで、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、通常、所望の粒子状重合体における繰り返し単位の含有割合と同様にする。
具体的には、水系溶媒としては、例えば、水;ダイアセトンアルコール、γ−ブチロラクトンなどのケトン類;エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ノルマルプロピルアルコールなどのアルコール類;プロピレングリコールモノメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールターシャリーブチルエーテル、ブチルセロソルブ、3−メトキシー3メチル−1−ブタノール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルピルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルなどのグリコールエーテル類;1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソラン、テトラヒドロフランなどのエーテル類;などが挙げられる。中でも水は可燃性がなく、粒子状重合体の粒子の分散体が容易に得られやすいという観点から特に好ましい。なお、主溶媒として水を使用して、粒子状重合体の粒子の分散状態が確保可能な範囲において上記の水以外の水系溶媒を混合して用いてもよい。
ガラス転移温度は、使用する単量体の種類および量を変更することにより調整することができ、例えば、スチレン、アクリロニトリルなどの単量体を使用するとガラス転移温度を高めることができ、ブチルアクリレート、ブタジエンなどの単量体を使用するとガラス転移温度を低下させることができる。
また、ゲル含有量は、重合温度、重合開始剤の種類、分子量調整剤の種類、量反応停止時の転化率などを変更することにより調整することができ、例えば、連鎖移動剤を少なくするとゲル含有量を高めることができ、連鎖移動剤を多くするとゲル含有量を低下させることができる。
本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極合材層(A)及び電極合材層(A)を形成するための二次電池電極用スラリー組成物は、上記成分の他に、導電剤、補強材、レベリング剤、電解液添加剤などの成分を含有していてもよい。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明の二次電池用電極積層体の電極合材層(A)を形成するための二次電池電極用スラリー組成物は、上記各成分を分散媒としての水系媒体中に分散させることにより調製してもよいし、水溶性増粘剤と、架橋剤と、粒子状重合体とを含むバインダー組成物を調製した後、該バインダー組成物と電極活物質とを分散媒としての水系媒体中に分散させることにより調製してもよい。なお、スラリー組成物中の各成分の分散性の観点からは、上記各成分を分散媒としての水系媒体中に分散させることにより、電極活物質と、水溶性増粘剤と、架橋剤と、粒子状重合体とを含有するスラリー組成物を調製することが好ましい。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と水系媒体とを混合することにより、スラリー組成物を調製することが好ましい。
ここで、水系媒体としては、通常は水を用いるが、任意の化合物の水溶液や、少量の有機媒体と水との混合溶液などを用いてもよい。また、スラリー組成物の固形分濃度は、各成分を均一に分散させることができる濃度、例えば、30質量%以上90質量%以下であり、より好ましくは40質量%以上80質量%以下とすることができる。更に、上記各成分と水系媒体との混合は、通常、室温〜80℃の範囲で、10分〜数時間行うことができる。
上記(2)の方法により質量変化率が20質量%未満の電極合材層(A)を作製する場合には、電極活物質、粒子状結着剤、水溶性増粘剤、及び水を含む電極用スラリー組成物を所定以上の温度で乾燥して電極合材層(A)を形成する。具体的には、集電体などの基材上に塗布した上記電極用スラリー組成物を乾燥して電極合材層(A)を形成する際に、乾燥時の温度(乾燥温度)を、120℃以上とする。なお、乾燥温度は、125℃〜200℃であることが好ましく、130℃〜180℃であることがより好ましい。さらに、乾燥時間は、1分〜60分であることが好ましく、3分〜30分であることがより好ましい。
さらに、電極合材層(A)に対して、熱プレスを施しても良い。熱プレスとは、加熱しながら電極合材層(A)に圧力をかける工程である。熱プレスの際の温度は、例えば、60℃以上200℃以下であり、好ましくは、80℃以上180℃以下であり、特に好ましくは、100℃以上150℃以下である。熱プレスの温度が60℃未満であれば、電極合材層(A)の耐水性が悪化する虞がある。また、熱プレスの温度が、200℃を超えると、集電体の酸化が生じて抵抗があがってサイクル特性などが悪化する虞がある。さらに、熱プレス時のプレス圧は特に限定されることなく、電極合材層(A)を所望の密度とするように選択することができる。
上記(2)の方法により電極合材層(A)を作製する場合には、上記(1)の方法と同様の電極活物質を用いることができる。
上記(2)の方法により電極合材層(A)を作製する場合の水溶性増粘剤としては、上記(1)の方法で電極合材層(A)を作製する場合に用い得る「水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤」と、水酸基及びカルボキシル基を含有しない水溶性増粘剤とが挙げられる。
水酸基及びカルボキシル基を含有しない水溶性増粘剤としては、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、オキサゾリン基含有重合体、及びカルボジイミド基含有重合体などが挙げられる。
ここで上記(2)の方法において耐水性が得られる理由は明らかではないが、電極合材層(A)を乾燥させる際の乾燥温度を125℃以上と高温とし、さらに、乾燥した電極合材層(A)に60℃以上で熱プレスすることにより、水溶性増粘剤において自己架橋等の反応が進むことに起因すると推察される。
上記(2)の方法で電極合材層(A)を形成する場合の粒子状結着剤としては、上記(1)の方法で電極合材層(A)を作製する場合に用い得る「架橋剤と反応する官能基を有する粒子状結着剤」と、架橋剤と反応する官能基を有さない粒子状結着剤とが挙げられる。
また、上記(2)の方法により電極合材層(A)を作製する場合には、上記(1)の方法と同様のその他の成分を用いることができる。
なお、上記(2)の方法で用いる電極用スラリー組成物の調製は、架橋剤を添加しない以外は上記(1)の方法と同様にして実施することができる。
本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極保護層(B)は、電極合材層(A)を保護し、電極合材層(A)を構成する材料の脱落を防止したり、二次電池用電極積層体を用いた電極及び二次電池の耐熱性や安全性を向上させたりする。そして、電極保護層(B)は、例えば、有機微粒子又は無機微粒子と、結着剤と、水とを含む電極保護層用スラリー組成物を用いて形成され、有機微粒子又は無機微粒子、及び結着剤を含んでいる。以下、電極保護層(B)及び電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリーに含有される各成分について詳述する。
有機微粒子又は無機微粒子としては、二次電池の使用環境下で安定に存在し、電気化学的にも安定である、各種の非導電性の有機微粒子及び無機微粒子を使用することができる。本発明において使用可能な無機微粒子は、例えば、国際公開第2012/115252号に記載された、酸化鉄、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン等の酸化物粒子、窒化アルミニウム、窒化硼素等の窒化物粒子、シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子、硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子等である。これらの粒子は必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化されていても良く、さらに、単独又は組み合わせて使用することも可能である。同様に、有機微粒子としては、例えば、国際公開第2012/115252号に記載された、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリイミド、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂など各種高分子からなる粒子を使用することが可能である。粒子を形成する樹脂は、上記高分子の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体、架橋体等であってもよい。粒子が2種以上の高分子からなっても問題は無い。またカーボンブラック、グラファイト、SnO2、ITO、金属粉末などの導電性金属及び導電性を有する化合物や酸化物の微粉末の表面を、非導電性の物質で表面処理することによって、電気絶縁性を持たせて使用することも可能である。これらの非電導電性粒子は、2種以上併用して用いてもよい。電極における保護層密着性の観点からは、有機微粒子が好ましい。これは、非導電性微粒子として有機微粒子を用いた場合の方が、アルミナ粒子などの無機微粒子を用いた場合と比較して、電極保護層(B)の残留水分量が少なくなるからである。
ここで、体積平均粒子径は、レーザー回折法で測定された粒度分布において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を表す。
本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極保護層(B)に含まれる結着剤としては、既知の結着剤を用いることができるが、好ましくは、(メタ)アクリロニトリル単量体単位及び(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む共重合体を用い得る。結着剤が、前記共重合体であることにより、電解液への溶出を示さずに電極保護層(B)の変形を生じにくくすることができる。さらに、高温においても電解液に対する膨潤性を保ちながら溶出しにくく、優れた高温特性を示す。これと前記の非導電性微粒子(有機微粒子又は無機微粒子)とを組み合わせることで電極保護層(B)の安全性をさらに向上することができる。この共重合体は、少なくとも、(メタ)アクリロニトリル単量体単位を与える単量体と、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を与える単量体とを共重合して得られる。
なお、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
前記共重合体における。(メタ)アクリロニトリル単量体単位の割合は、好ましくは1.0質量%以上、より好ましくは2質量%以上であり、好ましくは50質量%以下、より好ましくは35質量%以下である。
他の単量体単位を構成する単量体としては、酸性基を有するビニル単量体、架橋性単量体などがあげられる。
前記共重合体は、上述した構造単位以外に任意の構造単位を有していてもよい。
なお、本明細書における、用語「粒子状結着剤」及び「非導電性有機微粒子」共に、微粒子として存在するが、これらは、粒子状結着剤は結着性を有することに対して、非導電性有機微粒子が結着性を有さないという点で異なる。
電極保護層(B)に含まれる結着剤が、粒子状重合体である場合の体積平均粒子径は、好ましくは0.01μm以上、より好ましくは0.05μm以上であり、好ましくは0.9μm以下、より好ましくは0.8μm以下である。
さらに、本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極保護層(B)及び電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリー組成物は、水溶性重合体を含むことが好ましい。水溶性重合体としては、本発明の効果を著しく損なわない限り、任意の水溶性重合体を使用することができる。本発明において、電極保護層(B)に使用する水溶性重合体が「水溶性」であるとは、電極合材層Aに使用される水溶性増粘剤と同様の方法により判断することができる。例えば、電極保護層(B)に含まれる水溶性重合体として、電極合材層(A)に使用し得る「水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤」として挙げた物質と同様の物質を使用することができる。このような物質は、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、これらの塩、が挙げられ、これらの中でもカルボキシメチルセルロースが好ましい。これらの物質の粘度については、特に制限無く、電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリー組成物の粘度を高くする増粘剤として作用するものであっても、増粘剤として作用しないものであっても良い。
さらに、本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極保護層(B)及び電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリー組成物は、電極保護層(B)の強度を向上させる目的で、架橋剤を含んでいてもよい。ここで、電極保護層(B)に含有させる架橋剤としては、電極合材層(A)に含まれる水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤と同様に、多官能エポキシ化合物であることが好ましく、中でも、多官能グリシジルエーテルが特に好ましい。
なお、電極合材層(A)を上記(1)の方法で調製した場合には、電極保護層(B)に架橋剤を配合すると、電極合材層(A)の表面に存在する水酸基又はカルボキシル基などの反応性の基と電極保護層(B)中の架橋剤とが反応することで、電極合材層(A)に対する電極保護層(B)の密着性を顕著に向上させることが可能である。
電極保護層(B)及び電極保護層用スラリー組成物における架橋剤の量は、水溶性重合体100質量部あたり、好ましくは0.001質量部以上、より好ましくは0.5質量部以上であり、最も好ましくは1質量部以上であり、好ましくは100質量部以下、より好ましくは60質量部以下、最も好ましくは40質量部以下である。
本発明の二次電池用電極積層体を構成する電極保護層(B)及び電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリー組成物は、上記成分の他に、キレート剤、消泡剤、イソチアゾリン系化合物、補強材、レベリング剤、電解液添加剤などの成分を含有していてもよい。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明の二次電池用電極積層体の電極保護層(B)を形成するための電極保護層用スラリー組成物は、上記各成分を分散媒としての水系媒体中に分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と水系媒体とを混合することにより、スラリー組成物を調製することが好ましい。
ここで、水系媒体としては、通常は水を用いるが、任意の化合物の水溶液や、少量の有機媒体と水との混合溶液などを用いてもよい。また、スラリー組成物の固形分濃度は、各成分を均一に分散させることができる濃度、例えば、10質量%以上90質量%以下であり、より好ましくは15質量%以上80質量%以下とすることができる。更に、上記各成分と水系媒体との混合は、通常、室温〜80℃の範囲で、10分〜数時間行うことができる。
本発明の二次電池用電極積層体は、上述した電極合材層(A)と、電極合材層(A)の上に積層された電極保護層(B)とを有している。そして、二次電池用電極積層体を電極に用いる場合には、二次電池用電極積層体は、通常、更に集電体を含む。具体的には、二次電池用電極積層体は、例えば、集電体の上に、電極合材層(A)及び電極保護層(B)を順次積層してなる。
そして、本発明の二次電池用電極積層体は、例えば、上述した二次電池電極用スラリー組成物を集電体上に塗布する工程(電極合材層塗布工程)と、集電体上に塗布された二次電池電極用スラリー組成物を乾燥して集電体上に電極合材層(A)を形成する工程(電極合材層乾燥工程)と、任意に、電極合材層(A)を更に加熱する工程(電極合材層加熱工程)と、形成された電極合材層(A)の上に上述した電極保護層用スラリー組成物を塗布する工程(保護層塗布工程)と、電極合材層(A)上に塗布された電極保護層用スラリー組成物を乾燥して電極合材層(A)上に電極保護層(B)を形成する工程(保護層乾燥工程)と、任意に、電極保護層(B)を更に加熱する工程(保護層加熱工程)とを経て製造される。
上記二次電池電極用スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、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、ハケ塗り法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる電極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、集電体上に電極合材層(A)を形成することができる。なお、スラリー組成物が架橋剤を含む場合、スラリー組成物を乾燥する際には、加えられた熱により、架橋剤を介した架橋反応が進行する。
該乾燥工程は、50〜150℃で、1分〜60分程度行うことが好ましい。
また、上述した(2)の方法で電極合材層(A)を形成する場合には、乾燥工程においてスラリー組成物を乾燥する際の温度を120℃以上とする。」
また、スラリー組成物が架橋剤を含む場合、電極合材層(A)の形成後に、加熱工程を実施して架橋反応を進行させ、架橋構造をさらに十分なものとすることが好ましい。該加熱工程は、80℃〜200℃で、1時間〜20時間程度行うことが好ましい。
保護層用スラリー組成物は、上述の二次電池電極用スラリー組成物と同様の公知の方法により、電極合材層(A)上に塗布することができる。
電極合材層(A)上に塗布された保護層用スラリー組成物は、上述の二次電池電極用スラリー組成物と同様の公知の方法により、乾燥することができる。このようにして、電極合材層(A)上に電極保護層(B)を形成して、電極合材層(A)及び電極保護層(B)を備える二次電池用電極積層体を形成することができる。なお、保護層用スラリー組成物が架橋剤を含有する場合には、乾燥工程において加熱されることにより、架橋反応が進行する。
該乾燥工程は、50〜150℃、1分〜60分程度行うことが好ましい。
また、保護層用スラリー組成物が架橋剤を含む場合、電極保護層(B)の形成後に、加熱工程を実施して架橋反応を進行させ、架橋構造をさらに十分なものとすることが好ましい。該加熱工程は、80℃〜200℃で、1時間〜20時間程度行うことが好ましい。
本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレーターとを備え、正極及び負極の少なくとも一方に、上述した本発明の二次電池用電極積層体を用いることができる。そして、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用電極積層体を用いているので、二次電池の電気的特性を向上させることができる
正極および負極としては、上述した二次電池用電極積層体を用いた正極及び負極を使用することができる。なお、一方の電極が二次電池用電極積層体を用いた電極である場合には、他方の電極には既知の正極又は負極を用いることができる。
電解液としては、溶媒に電解質を溶解した電解液を用いることができる。
ここで、溶媒としては、電解質を溶解可能な有機溶媒を用いることができる。具体的には、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、γ−ブチロラクトンなどのアルキルカーボネート系溶媒に、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、酢酸メチル、ジメトキシエタン、ジオキソラン、プロピオン酸メチル、ギ酸メチルなどの粘度調整溶媒を添加したものを用いることができる。
電解質としては、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらのリチウム塩の中でも、有機溶媒に溶解しやすく、高い解離度を示すという点より、電解質としてはLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。
また、電解液としては、ポリマーおよび上記電解液を含有するゲル電解質であってもよく、さらには真性ポリマー電解質であってもよい。
セパレーターとしては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレーター全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系の樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)からなる微多孔膜が好ましい。
本発明の二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレーターを介して重ね合わせ、これを必要に応じて電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することにより製造することができる。リチウムイオン二次電池の内部の圧力上昇、過充放電などの発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
実施例および比較例において、電極合材層(A)の耐水性、及び電極保護層(B)の密着性、並びに、二次電池の耐短絡性、サイクル特性、及び出力特性は、それぞれ以下の方法を使用して評価した。さらに、粒子状重合体のガラス転移温度及びゲル含有量についても、測定/評価方法を以下に示す。
集電体上に電極合材層(A)を形成してなる積層体(電極保護層(B)の形成前)を直径16mmの円形に切り出し、質量を測定して、該質量から、集電体の質量を差し引き、水浸漬前の電極合材層(A)の重量(W1)を算出した。該円形の試験片を、サンプル瓶に入れ、イオン交換水50mLを注ぎ、60℃で72時間、熱処理を行った。その後、該円形の試験片を取り出し、50mLのイオン交換水で洗浄した後に、120℃で1時間乾燥させ、質量を測定し、該質量から、集電体の質量を差し引き、水浸漬後の電極合材層(A)の質量(W2)を算出した。上記イオン交換水への浸漬および加熱処理による質量変化率を{(W1−W2)/W1}×100%で定義し、以下の基準により評価した。この質量変化率が小さいほど、電極合材層(A)が耐水性に優れることを示す。
A:質量変化率が5%未満
B:質量変化率が5%以上10%未満
C:質量変化率が10%以上20%未満
D:質量変化率が20%以上
作製した保護層付きの二次電池用電極(二次電池用電極積層体)に対して、温度90℃、時間10秒、圧力1MPaの条件でヒートプレスを施した。その後、保護層付きの二次電池用電極を、長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とし、保護層面を下にして保護層の表面にセロハンテープ(JIS Z1522に規定されるもの)を貼り付け、集電体の一端を垂直方向に引張り速度50mm/分で引張って剥がしたときの応力を測定した(なお、セロハンテープは試験台に固定されている。)。測定を3回行い、その平均値を求めてこれを剥離ピール強度とし、以下の基準により保護層密着性を評価した。剥離ピール強度の値が高いほど、保護層密着性に優れることを示す。
A:剥離ピール強度が3N/m以上
B:剥離ピール強度が2N/m以上3N/m未満
C:剥離ピール強度が1N/m以上2N/m未満
D:剥離ピール強度が1N/m未満
ラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を作製し、電解液注液後、25℃にて、5時間静置し、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によって、セル電圧3.65Vまで充電し、その後60℃に昇温して、12時間エージング処理を行い、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によってセル電圧3.00Vまで放電を行った。この電池10個を恒温槽内に入れ、5℃/分で150℃まで昇温し、更に150℃で1時間放置した。その後、各電池の短絡の有無を調べ、短絡が発生した電池の個数(短絡発生数)を得て、以下の基準により判定した。短絡発生数が小さいほど、耐短絡性に優れていることを示す。
A:短絡発生数が0個
B:短絡発生数が1個
C:短絡発生数が2〜3個
D:短絡発生数が4個以上
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、25℃にて、5時間静置させ、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によって、セル電圧3.65Vまで充電し、その後60℃に昇温して、12時間エージング処理を行い、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によってセル電圧3.00Vまで放電を行った。
さらに、60℃環境下で4.2V、1.0Cの充放電レートにて100サイクル充放電の操作を行った。そのとき1サイクル目の容量、すなわち初期放電容量X1、および100サイクル目の放電容量X2を測定し、ΔC´=(X2/X1)×100(%)で示す容量変化率を求め、以下の基準により評価した。この容量変化率ΔC´の値が高いほど、サイクル特性に優れることを示す。
A:ΔC´が85%以上
B:ΔC´が83%以上85%未満
C:ΔC´が80%以上83%未満
D:ΔC´が80%未満
作製したラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、25℃にて、5時間静置させ、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によって、セル電圧3.65Vまで充電し、その後60℃に昇温して、12時間エージング処理を行い、25℃の雰囲気下、0.2Cの定電流法によってセル電圧3.00Vまで放電を行った。その後、25℃の雰囲気下、4.2V、0.2Cレートで充電を行い、0.2Cおよび2.0Cレートで放電を行った。そのとき、各放電レート時の放電容量を、それぞれ、C0.2、C2.0と定義し、容量変化率=C2.0時の放電容量/C0.2時の放電容量×100(%)を算出し、以下の基準により充放電レート特性を判定した。容量変化率の値が大きいほど、充放電レート特性が良好であり、二次電池の出力特性が良好であることを示す。
A:容量変化率が83%以上
B:容量変化率が82%以上83%未満
C:容量変化率が80%以上82%未満
D:容量変化率が80%未満
粒子状重合体を含む水分散液を50%湿度、23〜25℃の環境下で3日間乾燥させて、厚み1±0.3mmのフィルムを得た。このフィルムを、120℃の熱風オーブンで1時間乾燥させた。その後、乾燥させたフィルムをサンプルとして、JIS K 7121に準じて、測定温度−100℃〜180℃、昇温速度5℃/分、DSC6220SII(示差走査熱量分析計、ナノテクノロジー社製)を用いてガラス転移温度(℃)を測定した。
<ゲル含有量>
粒子状重合体を含む水分散液を用意し、この水分散体を50%湿度、23〜25℃の環境下で乾燥させて、厚み3±0.3mmに成膜した。成膜したフィルムを1mm角に裁断し、約1gを精秤した。
裁断により得られたフィルム片の質量をw0とする。このフィルム片を、100gのテトラヒドロフラン(THF)に25℃±1℃の環境の下、24時間浸漬した。その後、THFから引き揚げたフィルム片を105℃で3時間真空乾燥して、不溶分の質量w1を計測した。
そして、下記式にしたがってゲル含有量(質量%)を算出した。
ゲル含有量(質量%)=(w1/w0)×100
[製造例1]粒子状重合体P1〜カルボキシル基+水酸基を有する重合体〜
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、芳香族ビニル単量体としてスチレン65部、脂肪族共役ジエン単量体として1,3−ブタジエン35部、エチレン性不飽和カルボン酸単量体としてイタコン酸4部、水酸基含有単量体として2−ヒドロキシエチルアクリレート1部、分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.3部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム5部、溶媒としてイオン交換水150部、及び重合開始剤として過硫酸カリウム1部を入れ、十分に攪拌した後、55℃に加温して重合を開始した。
モノマー消費量が95.0%になった時点で冷却し、反応を停止した。こうして得られた重合体を含んだ水分散体に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。さらにその後、30℃以下まで冷却し、粒子状重合体P1の水分散液を得た。得られた粒子状重合体P1の水分散液を用いて、上述した方法により、ゲル含有量、及び、ガラス転移温度を測定した。測定の結果、ゲル含有量は90%、ガラス転移温度(Tg)は10℃であった。
上記製造例1において、水酸基含有単量体として2−ヒドロキシエチルアクリレートを添加しないで重合を行う以外は、製造例1と同様にして、粒子状重合体P2の水分散液を得た。結果、得られた粒子状重合体P2のゲル含有量は90%、ガラス転移温度(Tg)は10℃であった。
上記製造例1において、水酸基含有単量体としての2−ヒドロキシエチルアクリレートに代えて、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトブチレート)0.15部を用い、かつ、分子量調整剤としてのt−ドデシルメルカプタンを添加しない以外は、製造例1と同様にして、粒子状重合体P3の水分散液を得た。結果、得られた粒子状重合体P3のゲル含有量は90%、ガラス転移温度(Tg)は10℃であった。
[製造例a−1]
プラネタリーミキサーに、炭素系活物質である天然黒鉛1000部、水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤として「MAC350HC」(カルボキシメチルセルロース1(CMC1)、日本製紙(株)製、エーテル化度0.8 1%水溶液の粘度3500mPa・s)の1%水溶液を固形分相当で100部、水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤として「EX−313」(架橋剤1、ナガセケムテック(株)製、1分子当りエポキシ基2個と水酸基1個の化合物とエポキシ基3個の化合物との混合物であって、エポキシ基と水酸基との合計平均官能基数3/分子、水溶率90%以上、1%水溶液の粘度140mPa・s)を固形分相当で0.1部、粒子状結着剤として粒子状重合体P1の水分散液を固形分相当で100部投入し、さらに固形分濃度が52%となるようにイオン交換水を加えて混合し、カルボキシメチルセルロースCMC1、架橋剤1、粒子状重合体P1を含んでなる二次電池電極用スラリー組成物を調製した。
製造例a−1において使用した水酸基又はカルボキシル基を含有する水溶性増粘剤、水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤、及び粒子状重合体に代えて、それぞれ、表1に示す種類の水溶性増粘剤、架橋剤、及び、粒子状結着剤を、表1に示す配合量で使用し、製造例a−1と同様にして、二次電池電極用スラリー組成物を調製した。ただし、[製造例a−28]については、粒子状結着剤を配合せずに、[製造例a−31]〜[製造例a−32]に関しては、架橋剤を配合することなく、二次電池電極用スラリー組成物を調製した。なお、表1において、各水溶性増粘剤の略記は以下の通りである。
CMC1:カルボキシメチルセルロース(日本製紙(株)製、製品名:MAC350HC、エーテル化度0.8 1%水溶液の粘度3500mPa・s)
CMC2:カルボキシメチルセルロース(日本製紙(株)製、製品名:MAC500LC、エーテル化度0.65 1%水溶液の粘度4200mPa・s)
CMC3:カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケミカル(株)製、品番:1380、エーテル化度1.2 1%水溶液の粘度1100mPa・s)
CMC4:カルボキシメチルセルロース4(日本製紙(株)製、製品名:MAC200HC、エーテル化度0.9 1%水溶液の粘度1100mPa・s)
CMC5:カルボキシメチルセルロース5(日本製紙(株)製、製品名:MAC1400LC、エーテル化度0.65 1%水溶液の粘度8500mPa・s)
CMC6:カルボキシメチルセルロース6(日本製紙(株)製、製品名:MAC1400LC、エーテル化度0.65 1%水溶液の粘度9100mPa・s)
PAA:ポリアクリル酸(アルドリッチ社製、1%水溶液の粘度750mPa・s)
PVA:ポリビニルアルコール(東京化成工業(株)製、1%水溶液の粘度700mPa・s)
架橋剤1:多官能水溶性エポキシ化合物(ナガセケムテック株式会社製、商品名:EX−313、1分子当りエポキシ基2個の化合物と3個の化合物との混合物、水溶率90%以上、1%水溶液の粘度140mPa・s)
架橋剤2:多官能水溶性エポキシ化合物(ナガセケムテック株式会社製、商品名:EX−521、エポキシ基数3個/1分子、1%水溶液の粘度4600mPa・s)
架橋剤3:エチレングリコールジグリシジルエーテル(東京化成工業(株)製、エポキシ基数2個/1分子、水溶率90%以上(但し、エマルジョン状態)、1%水溶液の粘度100mPa・s未満)
架橋剤4:多官能水溶性エポキシ化合物(ナガセケムテック(株)製、商品名:EX−421、エポキシ基数3個/1分子、水溶率80%以上90%未満、1%水溶液の粘度640mPa・s)
表2に電極保護層用スラリー組成物の[製造例b−1]〜[製造例b−6]について一覧で示す。以下、各製造例について詳述する。
−保護層用結着剤(バインダー)の作製−
攪拌機を備えた反応器に、ドデシル硫酸ナトリウムを0.06部、過硫酸アンモニウムを0.23部、及びイオン交換水を100部入れて混合し混合物を得て、80℃に昇温した。
一方、別の容器中でアクリル酸ブチル83.8部、メタクリル酸2.0部、アクリロニトリル12.0部、アリルグリシジルエーテル1.0部、N−メチロールアクリルアミド1.2部、ドデシル硫酸ナトリウム0.1部、及びイオン交換水100部を混合して、単量体混合物の分散体を調整した。
この単量体混合物の分散体を、4時間かけて、上で得た混合物中に連続的に添加して重合させた。単量体混合物の分散体の連続的な添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、更に90℃で3時間反応を継続させた。これにより、結着剤(バインダー)の水分散体を得た。
得られたバインダー水分散体を25℃に冷却後、これにアンモニア水を添加してpHを7に調整し、その後スチームを導入して未反応の単量体を除去した。その後、直ちに、バインダーの固形分100部に対してEDTA(エチレンジアミン四酢酸)0.25部を添加し、これらを混合し、イオン交換水で固形分濃度調整を更に行いながら、200メッシュ(目開は約77μm)のステンレス製金網でろ過を行い、体積平均粒子径370nm、固形分濃度40%の多孔膜用バインダーの水分散液を得た。
非導電性無機微粒子としてのアルミナ粒子(住友化学社製アルミナ、品番:AKP−3000、平均粒子径:0.5μm)と、上記保護層用バインダーの水分散液、水溶性重合体としてのカルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製、品番:1220)、架橋剤1(ナガセケムテック株式会社製、商品名:EX−313)および湿潤剤(サンノプコ株式会社製非イオン系界面活性剤、製品名:SNウエット980)を固形分質量比で82:12:4.5:0.5:1となるように混合して、さらに固形分濃度が20%となるようにイオン交換水を添加し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b-1]を調整した。
非導電性無機微粒子としてのアルミナ粒子(住友化学社製アルミナ、品番:AKP−3000、平均粒子径:0.5μm)と、上記保護層用バインダーの水分散液、水溶性重合体としてのカルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製、品番:1220)および湿潤剤(サンノプコ株式会社製非イオン系界面活性剤、製品名:SNウエット980)を固形分重量比で82:12:5:1となるように混合して、さらに固形分濃度が20%となるようにイオン交換水を添加し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b-2]を調整した。
非導電性無機微粒子としてのアルミナ粒子(住友化学社製アルミナ、品番:AKP−3000、平均粒子径:0.5μm)と、保護層用バインダーの分散液としてのPVDF(アルケマ株式会社製、製品名:Kynar741)の固形分8%のNMP(N−メチル−2−ピロリドン)溶液とを、固形分相当の重量比で、100:2.5となるように混合し、さらに固形分濃度が40%となるようにNMP溶剤を混合し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b−3]を調製した。
−有機粒子の作製−
攪拌機を備えた反応器に、ドデシル硫酸ナトリウムを0.06部、過硫酸アンモニウムを0.23部、及びイオン交換水を100部入れて混合し混合物を得て、80℃に昇温した。
一方、別の容器中でアクリル酸ブチル93.8部、メタクリル酸2.0部、アクリロニトリル2.0部、アリルグリシジルエーテル1.0部、N−メチロールアクリルアミド1.2部、ドデシル硫酸ナトリウム0.1部、及びイオン交換水100部を混合して、単量体混合物の分散体を調整した。
この単量体混合物の分散体を、4時間かけて、上で得た混合物中に連続的に添加して重合させた。単量体混合物の分散体の連続的な添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、更に90℃で3時間反応を継続させた。これにより、体積平均粒子径370nmのシードポリマー粒子の水分散体を得た。
次に、攪拌機を備えた反応器に、上記で得たシードポリマー粒子の水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子の重量基準)で20部、単量体としてエチレングリコールジメタクリレート(共栄社化学株式会社製、製品名:ライトエステルEG)を100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを1.0部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を4.0部、及びイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間攪拌することで、シードポリマー粒子に単量体及び重合開始剤を完全に吸収させた。その後、これを90℃で5時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体及び開始剤分解生成物を除去した。
これにより体積平均粒子径670nmの非導電性有機微粒子の水分散体を得た。
上で得られた有機粒子を含む非導電性有機微粒子と、上記保護層用バインダーの水分散液、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製、品番:1220)、架橋剤1(ナガセケムテック株式会社製、商品名:EX−313)および湿潤剤(サンノプコ株式会社製非イオン系界面活性剤、製品名:SNウエット980)を固形分重量比で82:12:4.5:0.5:1となるように混合して、さらに固形分濃度が20%となるようにイオン交換水を添加し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b-4]を調整した。
非導電性微粒子としての上記の有機粒子を含む非導電性有機微粒子と、上記保護層用バインダーの水分散液、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製、品番:1220)、および湿潤剤(サンノプコ株式会社製非イオン系界面活性剤、製品名:SNウエット980)を固形分重量比で82:12:5:1となるように混合して、さらに固形分濃度が20%となるようにイオン交換水を添加し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b−5]を調製した。
非導電性微粒子としての上記の有機粒子を含む非導電性有機微粒子と、保護層用バインダーの分散液としてのPVDF(アルケマ株式会社製、製品名:Kynar741)の固形分8%のNMP溶液とを、固形分相当の質量比で、100:2.5となるように混合し、さらに固形分濃度が40%となるようにNMPを混合し、ビーズミルを用いて分散させて電極保護層用スラリー[製造例b−6]を調製した。
CMC:カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム株式会社製、品番:1220)
また、結着剤の略記は以下の通りである。
PVDF:PVDF(アルケマ株式会社製、製品名:Kynar741)の固形分8%のNMP(N−メチル−2−ピロリドン)溶液
<積層体の作製>
上述の製造例a−1に従う二次電池電極用スラリー組成物を、コンマコーターで、厚さ20μmの銅箔(集電体)の上に塗付量が11.8〜12.2mg/cm2となるように塗布した。この二次電池電極用スラリー組成物が塗布された銅箔を、0.3m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間、さらに120℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより、銅箔上のスラリー組成物を乾燥させて電極合材層(A)を有する負極原反を得た。そして、得られた負極原反をロールプレス機にて密度が1.55〜1.65g/cm3となるようプレスし、さらに、水分の除去および架橋のさらなる促進を目的として、真空条件下80℃の環境に10時間置き、積層体を得た。
作製した積層体について、上述の条件で水(イオン交換水)に浸漬前後の質量変化率を算出して、電極合材層(A)の耐水性を評価した。結果を表3−1及び表3−2に示す。
製造例a−1に従う二次電池電極用スラリー組成物を用いて上述のようにして得られた積層体の電極合材層(負極合材層)側の面に、上述の製造例b−1で得られた電極保護層用スラリーを、負極合材層が完全に覆われ、乾燥後の電極保護層(B)厚みが5μmとなるように塗布した。その後、50℃で20分間、110℃で20分間熱風オーブンで乾燥し、さらに真空条件下、80℃の環境に10時間置き、保護層付き負極を得た。
作製した保護層付き負極について、保護層密着性を評価した。結果を表3−1及び表3−2に示す。
プラネタリーミキサーに、正極活物質としてLiCoO2100質量部、導電助剤であるアセチレンブラック2部(電気化学工業(株)製、製品名:HS−100)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン、(株)クレハ化学製、製品名:KF−1100)2部、さらに全固形分濃度が67%となるように2−メチルピリロドンを加えて混合し、正極スラリー組成物を調製した。正極スラリー組成物をコンマコーターで、厚さ20μmのアルミ箔(集電体)の上に塗布し、乾燥した。なお、この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより実施した。その後、120℃にて2分間加熱処理して正極原反を得た。そして、得られた正極原反を、ロールプレス機にてプレス後の密度が3.40〜3.50g/cm3になるようにプレスを行った。該正極は、水分の除去を目的として真空条件下、120℃の環境に3時間置き、正極とした。
単層のポリプロピレン製セパレーター(幅65mm、長さ500mm、厚さ25μm;乾式法により製造;気孔率55%)を用意した。このセパレーターを、5×5cm2の正方形に切り抜いた。また、電池の外装として、アルミ包材外装を用意した。
そして、作製した正極を、4×4cm2の正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミ包材外装に接するように配置した。正極の正極合材層の面上に、上記で作製した正方形のセパレーターを配置した。さらに、作製した保護層付き負極を、4.2×4.2cm2の正方形に切り出し、これをセパレーター上に、保護層側の表面がセパレーターに向かい合うよう配置した。その後、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒はエチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=1/2(体積比)の混合溶媒、添加剤としてビニレンカーボネート2体積%(溶媒比)含有)を充填した。さらに、アルミ包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミ外装を閉口し、リチウムイオン二次電池を製造した。
得られたリチウムイオン二次電池について、耐短絡性、サイクル特性、及び出力特性を評価した。結果を表3−1及び表3−2に示す。
電極合材層(A)である負極合材層の作製に使用する二次電池電極用スラリー組成物と、電極保護層(B)である保護層の作製に使用する電極保護層用スラリーとの組み合わせを表3−1及び表3−2に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして、積層体、保護層付き負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表3−1及び表3−2に示す。
電極合材層(A)である負極合材層の作製に使用する二次電池電極用スラリー組成物を表3−2に示すように変更し、電極合材層(A)の乾燥時の乾燥温度を180℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、積層体、保護層付き負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表3−2に示す。
電極合材層(A)である負極合材層の作製に使用する二次電池電極用スラリー組成物として製造例[a−30]を選択し、電極保護層(B)である保護層の作製に使用する電極保護層用スラリーを表3−2に示す製造例[b−1]〜[b−6]の何れかとした以外は、実施例1と同様にして、負極、保護層付き負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表3−2に示す。
電極保護層(B)である保護層の作製に使用する電極保護層用スラリーとして製造例[b−1]を選択し、電極合材層(A)である負極合材層の作製に使用する二次電池電極用スラリー組成物を、それぞれ[製造例a−31]又は[製造例a−32]とした以外は、実施例1と同様にして、積層体、保護層付き負極、正極、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表3−2に示す。
一方、比較例1〜6では、電極合材層(A)内において、架橋構造体が全体にわたり均質的に形成されていないため、耐水性に劣る。これは、架橋構造を形成していない未反応の水溶性増粘剤、架橋剤、粒子状結着剤が残留することに起因すると考えられる。
また、二次電池電極用スラリー組成物が架橋剤を含有せず、乾燥温度も高温ではない比較例7及び8は、実施例36〜37に比較して耐水性に劣る。これにより、二次電池電極用スラリー組成物が架橋剤含有するか、或いは高温で乾燥されることにより、電極合材層(A)の耐水性が向上することが分かる。
実施例1〜4、及び実施例10〜14より、架橋剤の配合比率を調整することで、電極における保護層密着性、及びリチウムイオン二次電池の電池特性(耐短絡性、サイクル特性、及び出力特性)を高い次元で並立し得ることが分かる。
また、実施例11,17,19〜22より、水溶性増粘剤であるカルボキシメチルセルロースのエーテル化度、1質量%水溶液の粘度を変更することで、電極における保護層密着性、及びリチウムイオン二次電池の耐短絡性、電池特性(サイクル特性、及び出力特性)を高い次元で並立し得ることが分かる。
そして、実施例11,26,27より、粒子状結着剤の官能基の種類を選択することで、電極における保護層密着性、及び耐短絡性、リチウムイオン二次電池の電池特性(サイクル特性、及び出力特性)を高い次元で並立し得ることが分かる。
更に、実施例11,28〜30より、架橋剤の1質量%水溶液の粘度、水溶率、官能基数を変更することで、電極における保護層密着性、及び耐短絡性、リチウムイオン二次電池の電池特性(サイクル特性、及び出力特性)を高い次元で並立し得ることが分かる。
Claims (9)
- 電極活物質、粒子状結着剤及び水溶性増粘剤を含む電極合材層(A)、並びに、当該電極合材層(A)上に形成された電極保護層(B)を有し、
前記電極合材層(A)は、下記式:
質量変化率={(水浸漬前の電極合材層重量−水浸漬後の電極合材層重量)/水浸漬前の電極合材層重量}×100%
で表される質量変化率が20質量%未満であり、
前記水溶性増粘剤は、水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤を含み、
前記電極合材層(A)は、前記水酸基又はカルボキル基と反応する架橋剤を更に含み、
前記粒子状結着剤は、前記架橋剤と反応する官能基を有し、
前記水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤100質量部当たり、前記架橋剤を0.001質量部以上100質量部未満含有し、前記粒子状結着剤を10質量部以上500質量部未満含有し、
前記水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤、前記架橋剤及び前記粒子状結着剤が架橋構造を形成する、二次電池用電極積層体。 - 前記水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤は、水溶率が80質量%以上である、請求項1に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記水酸基又はカルボキシル基と反応する架橋剤は、多官能エポキシ化合物である、請求項1又は2に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記水酸基又はカルボキシル基を有する水溶性増粘剤が、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、及びこれらの塩、からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記粒子状結着剤の前記架橋剤と反応する官能基は、カルボキシル基、水酸基、グリシジルエーテル基、及びチオール基からなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記電極保護層(B)は、無機微粒子又は有機微粒子、及び結着剤を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記電極保護層(B)の前記結着剤は、粒子状重合体よりなる、請求項6に記載の二次電池用電極積層体。
- 前記電極保護層(B)は、水溶性重合体を更に含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の二次電池用電極積層体。
- 正極、負極、電解液、及びセパレーターを備え、
前記正極及び負極の少なくとも一方が、請求項1〜8のいずれか1項に記載の二次電池用電極積層体を備える、
二次電池。
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