JP6287097B2 - 正極用複合粒子用のスラリー組成物および正極用複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
なお、本発明において、「スラリー組成物の水分率」は、乾燥減量法を用いて求めることができる。具体的には、「スラリー組成物の水分率」とは、スラリー組成物2gを温度105℃の乾燥機中で1時間乾燥させた際の、乾燥前のスラリー組成物(2g)の質量に対する蒸発した水分量(乾燥前後の質量差)の割合を指す。また、本発明において、「せん断速度が10s−1の時のスラリー組成物の粘度」は、二重円筒型回転粘度計を用いて測定した温度25℃での粘度を指す。
また、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物は、前記酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂が、スルホン酸基含有単量体単位、カルボキシル基含有単量体単位およびリン酸基含有単量体単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単量体単位を含むことが好ましい。このように、スルホン酸基含有単量体単位、カルボキシル基含有単量体単位およびリン酸基含有単量体単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単量体単位を含む水溶性樹脂を使用すれば、該スラリー組成物を用いて調製した正極用複合粒子を正極に使用した場合の集電体の腐食を抑制することができる。
更に、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物は、前記粒子状結着樹脂が、炭素数6〜15の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、α,β−不飽和ニトリル単量体単位およびカルボキシル基含有単量体単位を含むことが好ましい。このように、粒子状結着樹脂が炭素数6〜15の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、α,β−不飽和ニトリル単量体単位およびカルボキシル基含有単量体単位を含めば、該スラリー組成物を用いて調製した正極用複合粒子を正極に使用した場合に、良好なイオン伝導性が得られ、また電池寿命を長くできる。加えて、該粒子状結着樹脂は、保存安定性、機械的強度および結着性に優れる。
また、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物は、前記粒子状結着樹脂が、二塩基酸単量体単位を含むことが好ましい。このように、粒子状結着樹脂が二塩基酸単量体単位を含めば、該スラリー組成物を用いて調製した正極用複合粒子を正極に使用した場合に、良好なイオン伝導性が得られ、また電池寿命を長くできる。加えて、該粒子状結着樹脂は、保存安定性、機械的強度および結着性に優れる。
また、本発明の正極用複合粒子の製造方法によれば、正極用複合粒子の生産性を高めることができる。
ここで、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物は、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学素子の正極を形成する際に用いられる正極用複合粒子の製造に用いられる。そして、本発明の正極用複合粒子の製造方法は、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物を調製し、当該スラリー組成物から正極用複合粒子を製造する際に用いることができる。
なお、本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物を使用し、本発明の正極用複合粒子の製造方法に従って製造された正極用複合粒子は、正極の集電体上に位置する正極活物質層を形成する際に使用される。そして正極用複合粒子を用いた正極活物質層の成形は、特に限定されることなく加圧成形などの既知の成形手法を用いて行うことができる。
本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物は、水系のスラリー組成物であり、正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂と、粒子状結着樹脂とを含有し、水分率が25質量%以下であり、且つ、せん断速度が10s−1の時の粘度が2000mPa・s以下であることを特徴とする。
スラリー組成物に配合する正極活物質としては、特に限定されることなく、既知の正極活物質を用いることができる。具体的には、正極活物質としては、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co−Ni−Mnのリチウム複合酸化物、Ni−Mn−Alのリチウム複合酸化物、Ni−Co−Alのリチウム複合酸化物およびLi2MnO3−LiNiO2系固溶体などの遷移金属としてNiを含有する化合物;LiCoO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4およびこれらの元素を一部置換したリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS3などの遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O・P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物;を用いることができる。これらの中でも、スラリー組成物を用いて得た正極用複合粒子を使用して正極を形成した電気化学素子の容量を十分に高くする観点からは、正極活物質としてLi2MnO3−LiNiO2系固溶体を用いることが好ましい。
なお、正極活物質としてLi2MnO3−LiNiO2系固溶体などのNi含有正極活物質を使用する場合、正極活物質は、水系媒体には溶解しないが電気化学素子に通常用いられる電解液(有機電解液)と接触した際には溶解せずに膨潤する被覆樹脂と、導電材とを含む被覆材料により被覆されていてもよい。Ni含有正極活物質中には、活物質の製造時に使用される炭酸リチウムなどの水溶性の腐食物質(アルカリ分)が残存しているが、Ni含有正極活物質を上記被覆材料で被覆して用いれば、導電材により導電性を確保しつつ、被覆樹脂により腐食物質が溶出するのを抑制して、正極を形成した際に集電体が腐食するのを抑制することができる。ここで、上記特性を有する被覆樹脂としては、SP値(溶解度パラーメーター)が、好ましくは9.5(cal/cm3)1/2以上、より好ましくは10(cal/cm3)1/2以上であり、好ましくは13(cal/cm3)1/2以下、より好ましくは12(cal/cm3)1/2以下である樹脂を用いることができる。また、被覆材料による正極活物質の被覆は、流動造粒法、噴霧造粒法、凝固剤析出法、pH析出法などを用いて行うことができる。
ここで、上記SP値(溶解度パラーメーター)は、E.H.Immergut編“Polymer Handbook”VII Solubility Parament Values,pp519−559(John Wiley&Sons社、第3版、1989年発行)に記載された方法によって求めることができる。但し、この刊行物に記載のないものについてはSmallが提案した「分子引力定数法」に従って求めることができる。この方法は、化合物分子を構成する官能基(原子団)の特性値、すなわち、分子引力定数(G)の統計、分子量(M)、比重(d)とから次式に従ってSP値(δ)を求める方法である。
δ=ΣG/V=dΣG/M(V;比容、M;分子量、d;比重)
導電材としては、特に限定されることなく、既知の導電材を用いることができる。具体的には、導電材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンブラック、グラファイト等の導電性炭素材料;各種金属のファイバー、箔などを用いることができる。これらの中でも、正極活物質同士の電気的接触を向上させ、スラリー組成物を用いて得た正極用複合粒子を使用して正極を形成した電気化学素子の電気的特性を向上させる観点からは、導電材として、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンブラック、グラファイトを用いることが好ましく、アセチレンブラックを用いることが特に好ましい。
なお、被覆材料で被覆した正極活物質を用いる場合、スラリー組成物中に配合される導電材は、通常は一部のみを被覆材料中に配合するが、全量を被覆材料中に配合してもよい。
酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂(以下、「酸性官能基含有水溶性樹脂」と表記する場合がある。)は、例えばpH9の水系媒体中に10質量%以上の濃度で溶解する樹脂であり、好ましくは、pHが5〜9の範囲の水系媒体中に10質量%以上の濃度で溶解する樹脂である。
なお、正極活物質としてNi含有正極活物質を使用した場合には、酸性官能基含有水溶性樹脂は、Ni含有正極活物質から溶出したアルカリ性の腐食物質を中和し、正極を形成した際に集電体が腐食することも抑制する。
なお、本明細書において「単量体単位を含む」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
上記酸性官能基含有水溶性樹脂の製造に使用可能なリン酸基含有単量体としては、例えば、リン酸基およびアリロキシ基を含む化合物、並びにリン酸基含有(メタ)アクリル酸エステルを挙げることができる。リン酸基およびアリロキシ基を含む化合物としては、3−アリロキシ−2−ヒドロキシプロパンリン酸を挙げることができる。リン酸基含有(メタ)アクリル酸エステルとしては、ジオクチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジフェニル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノメチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジメチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノエチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジエチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノイソプロピル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジイソプロピル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノn−ブチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジn−ブチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノブトキシエチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジブトキシエチル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、モノ(2−エチルヘキシル)−2−メタクリロイロキシエチルホスフェート、ジ(2−エチルヘキシル)−2−メタクリロイロキシエチルホスフェートなどが挙げられる。
なお、本明細書において、(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸および/またはメタクリル酸を意味し、(メタ)アクリル酸エステルとは、アクリル酸エステルおよび/またはメタクリル酸エステルを意味する。
前記の式(I)において、R4は、フッ素原子を含有する炭化水素基を表す。炭化水素基の炭素数は、通常、1以上18以下である。また、R4が含有するフッ素原子の数は、1個でもよく、2個以上でもよい。
単官能性単量体に含まれる熱架橋性の架橋性基の例としては、エポキシ基、N−メチロールアミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基およびこれらの組み合わせが挙げられる。これらの中でも、エポキシ基が、架橋および架橋密度の調節が容易な点でより好ましい。
酸性官能基含有水溶性樹脂の数平均分子量は、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)を使用し、ジメチルホルムアミドの10体積%水溶液に0.85g/mlの硝酸ナトリウムを溶解させた溶液を展開溶媒としたポリスチレン換算の値として求めればよい。
粒子状結着樹脂は、本発明のスラリー組成物を用いて得た複合粒子を用いて集電体上に形成される正極活物質層において、当該正極活物質層に含まれる成分が正極活物質層から脱離しないように保持しうる成分である。一般的に、正極活物質層における粒子状結着樹脂は、電解液に浸漬された際に、電解液を吸収して膨潤しながらも粒状の形状を維持し、正極活物質同士を結着させ、正極活物質が集電体から脱落するのを防ぐ。複合粒子中に粒子状結着樹脂を含むことにより、該複合粒子を用いて形成した正極は、電解液内において、空孔を有しながら正極活物質が均一に粒子状結着樹脂で結着された構造を得ることができる。従って、該正極を用いた電気化学素子は、諸性能を良好に保つことができる。
本発明では、粒子状結着樹脂として、水系媒体に分散しうる粒子状結着樹脂を用いることが好ましい。なお、粒子状結着樹脂は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
また、アクリル重合体の製造に用いる酸性官能基含有単量体としては、二塩基酸単量体を使用することが好ましい。すなわち、アクリル重合体は、二塩基酸単量体単位を含むことが好ましい。アクリル重合体が二塩基酸単量体単位を含むことで重合体の保存安定性が更に高まり、また、イオン伝導性が向上すると共に電池寿命が長くなる。二塩基酸単量体としては、イタコン酸、メサコン酸、シトラコン酸、マレイン酸、フマル酸が挙げられ、中でもイタコン酸が好ましい。
なお、二塩基酸単量体単位は、アクリル重合体以外の重合体よりなる粒子状結着樹脂においても、上述した良好なイオン伝導性を与え、また電池寿命を長くできる。加えて、該粒子状結着樹脂は、保存安定性、機械的強度および結着性に優れるという効果を発揮する。すなわち、粒子状結着樹脂は、二塩基酸単量体単位を含むことが好ましい。
ここで、これら酸性官能基含有単量体は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明のスラリー組成物は、上記成分の他に、例えば、補強材、分散剤、酸化防止剤、増粘剤、電解液の分解を抑制する機能を有する電解液添加剤などの成分を含有していてもよい。これらの他の成分は、公知のものを使用することができ、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを使用することができる。
なお、カルボキシメチルセルロースは、水溶性の樹脂ではあるが、β−グルコースが縮合重合してなるセルロースの誘導体であるので、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂には該当しない。
本発明のスラリー組成物は、水分率が25質量%以下である必要がある。なお、本発明のスラリー組成物の水分率は、20質量%以上であることが好ましく、23質量%以上であることがさらに好ましい。水分率を25質量%以下とすれば、スラリー組成物を噴霧乾燥して複合粒子を製造する際に要する時間を短縮し、複合粒子の生産性を高めることができる。また、水分率を20質量%以上とすれば、スラリー組成物の粘度が増加し過ぎて複合粒子の製造時に噴霧乾燥を用いた乾燥造粒が困難になるのを抑制することができる。
本発明のスラリー組成物は、せん断速度が10s−1の時の粘度が2000mPa・s以下である必要がある。なお、本発明のスラリー組成物の粘度は、せん断速度が10s−1の時に、1500mPa・s以下であることが好ましく、1000mPa・s以下であることが更に好ましい。せん断速度が10s−1の時の粘度を2000mPa・s以下とすれば、噴霧乾燥を用いた乾燥造粒により電気的特性の良好な複合粒子を効率的に製造することができる。
本発明の正極用複合粒子の製造方法では、上述した本発明の正極用複合粒子用のスラリー組成物を以下のようにして調製し、得られたスラリー組成物を噴霧乾燥して正極用複合粒子を製造する。
本発明の正極用複合粒子の製造方法では、まず、正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂とを含む混合物を混練して混練物を得た後(混練工程)、混練物に粒子状結着樹脂と水とを添加して上記スラリー組成物を調製する(スラリー調製工程)。
混練工程では、正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂とを含む混合物を、混練装置を用いて混練し、混練物を得る。混練時に使用する混練装置としては、ホモジナイザー、ボールミル、ビーズミル、プラネタリーミキサー、サンドミル、ロールミル、2軸ロール、バンバリーミキサー、異方性2軸混練機および遊星式混練機などの分散混練装置が挙げられる。これらの中でも、せん断と練りとを効率的におこなうことができ、処理物のロス分が少なく、製造後の洗浄作業を容易におこなえることから、プラネタリーミキサーを使用することが好ましい。なお、上述したその他の成分をスラリー組成物中に配合する場合には、当該その他の成分も、混練工程において正極活物質、導電材および酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂と共に混練する。
なお、混練は、通常、室温〜80℃の範囲で、通常、20〜120分間、好ましくは30〜60分間行う。
なお、酸性官能基と結合したこれらの低分子化合物Xは、スラリー組成物を噴霧乾燥して複合粒子を形成する際に脱離するため、得られる複合粒子中においては、酸性官能基は、アンモニウム塩形成前の状態に戻る。
ここで、混合物にかけるエネルギーは、混合物の水分率や混練装置の攪拌翼の周速度によって制御されうる。混練装置の攪拌翼の周速度は、攪拌翼の形状や大きさなどによって異なるため一概にいえないが、例えばプラネタリーミキサーを用いた場合、攪拌翼の周速度は好ましくは0.1〜2m/s、より好ましくは0.7〜1m/sである。
次に、スラリー調製工程では、混練工程で得た混練物に対して粒子状結着樹脂と水とを添加し、混合することにより、水分率が25質量%以下であり、且つ、せん断速度が10s−1の時の粘度が2000mPa・s以下であるスラリー組成物を得る。ここで、粒子状結着樹脂を分散液の状態で配合する場合には、スラリー調製工程で添加する水には、分散液中の水も含まれる。
なお、混練物と、粒子状結着樹脂と、水との混合は、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などの混合機を用いて行うことができる。これらの中でも、スラリー調整と混練とを1台で効率的におこなうことができ、処理物のロス分が少なく、製造後の洗浄作業を容易におこなえることから、プラネタリーミキサーを用いることが好ましい。そして、混合は、通常、室温〜50℃の範囲で、10分〜数時間行う。
そして、本発明の正極用複合粒子の製造方法では、スラリー調製工程で得られたスラリー組成物を噴霧乾燥して複合粒子を製造する(造粒工程)。なお、スラリー組成物の水分率は25質量%以下なので、造粒工程ではスラリー組成物を噴霧乾燥して複合粒子を製造する際に要する時間を短縮することができる。また、正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂との混練物に対して粒子状結着樹脂と水とを添加し、スラリー組成物の、せん断速度が10s−1の時の粘度を2000mPa・s以下としているので、電気的特性の良好な複合粒子を効率的に製造することができる。
そして、本発明の正極用複合粒子は、一つの粒子内に、正極活物質および導電材が粒子状結着樹脂を介して結合され、且つ、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂が、正極活物質、導電材および粒子状結着樹脂の間または周囲に存在する構造を有する。また、正極活物質が被覆材料で被覆されている場合には、被覆された正極活物質同士、或いは、被覆された正極活物質と被覆された正極活物質の被覆材料層に含まれない導電材とが粒子状結着樹脂を介して結合され、且つ、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂が、被覆された正極活物質、導電材および粒子状結着樹脂の間または周囲に存在する構造を有する。
そのため、正極用複合粒子では、導電材が連続構造を形成し、それに伴う導電パスを形成することにより抵抗を引き下げることができる。また、正極活物質としてNi含有正極活物質を使用した場合であっても、正極活物質から溶出したアルカリ性の腐食物質を、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂の酸性官能基由来のプロトン(H+)により中和することができる。更に、被覆した正極活物質を用いている場合には、被覆材料層によりNi含有正極活物質からの腐食物質の溶出自体を抑制することもできる。
[スラリー組成物の粘度]
製造したスラリーの粘度を、温度25℃、せん断速度10s−1の条件下、二重円筒型回転粘度計で測定した。
[正極用複合粒子の生産性]
正極用複合粒子を製造した際の生産性を下記の基準で評価した。具体的には、正極用複合粒子の製造に要した時間と、得られた正極用複合粒子を用いて製造したラミネート型セルの電気的特性(下記の[レート特性])との双方を用いて、生産性を下記の基準で評価した。
A:製造に要する時間が短く、且つ、レート特性の評価結果がA
B:製造に要する時間が短く、且つ、レート特性の評価結果がB
C:製造に要する時間が中程度であり、且つ、レート特性の評価結果がAまたはB
D:製造に要する時間が長い、および/または、レート特性の評価結果がC若しくはD
[レート特性]
製造したラミネート型セルを用いて、25℃で0.1Cの定電流で4.2Vまで充電し、0.1Cの定電流で3.0Vまで放電する充放電サイクルと、25℃で0.1Cの定電流で4.2Vまで充電し、2.0Cの定電流で3.0Vまで放電する充放電サイクルとを、それぞれ行った。0.1Cにおける電池容量に対する2.0Cにおける放電容量の割合を百分率で算出して充放電レート特性とした。
なお、0.1Cにおける電池容量は、0.1Cの定電流で3.0Vまで放電したときの放電容量のことをいい、2.0Cにおける放電容量は、2.0Cの定電流で3.0Vまで放電したときの放電容量のことをいう。
充放電レート特性を、下記の基準で評価した。充放電レート特性の値が大きいほど、内部抵抗が小さく、高速充放電が可能であることを示す。
A:充放電レート特性が75%以上
B:充放電レート特性が70%以上75%未満
C:充放電レート特性が65%以上70%未満
D:充放電レート特性が65%未満
[低温出力特性]
作製したラミネート型セルを用い、25℃で0.1Cの定電流で充電深度(SOC)50%まで充電し、電圧V0を測定した。その後、−10℃で1.0Cの定電流で10秒間放電し、電圧V1を測定した。これらの測定結果から、電圧降下ΔV=V0−V1を算出した。
算出された電圧降下ΔVを、下記の基準で評価した。電圧降下ΔVの値が小さいほど、低温出力特性に優れることを示す。
A:電圧降下ΔVが120mV以上140mV未満
B:電圧降下ΔVが140mV以上160mV未満
C:電圧降下ΔVが160mV以上180mV未満
D:電圧降下ΔVが180mV以上
攪拌機、還流冷却管および温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、酸性官能基含有単量体としてメタクリル酸を32.5部、架橋性単量体としてエチレンジメタクリレートを0.8部、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレートを7.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてブチルアクリレートを58.0部、反応性界面活性剤単量体としてポリオキシアルキレンアルケニルエーテル硫酸アンモニウム(花王社製「ラテムルPD−104」)を固形分相当で1.2部、t−ドデシルメルカプタンを0.6部、イオン交換水を150部、および重合開始剤として過硫酸カリウムを0.5部加え、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止し、酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む混合物を得た。
上記酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む混合物に、10%アンモニア水を添加(アンモニアの量が、酸性官能基含有水溶性樹脂1の100部当たり1.5部)して、pH8に調整し、酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を得た。
攪拌機、還流冷却管および温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、酸性官能基含有単量体としてジフェニル−2−メタクリロイロキシエチルホスフェートを20部、フッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として2,2,2−トリフルオロメチルメタクリレートを2.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてブチルアクリレートを77.5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を1.0部、イオン交換水を150部、および重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を加え、十分に攪拌した後、60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止し、酸性官能基含有水溶性樹脂2を含む混合物を得た
上記酸性官能基含有水溶性樹脂2を含む混合物に、10%アンモニア水を添加(アンモニアの量が、酸性官能基含有水溶性樹脂2の100部当たり1.5部)してpH8に調整し、酸性官能基含有水溶性樹脂2を含む水溶液を得た。
攪拌機、還流冷却管および温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、脱塩水を予め仕込み十分攪拌した後、70℃とし、過硫酸カリウム水溶液0.2部を添加した。
また別の攪拌機付き5MPa耐圧容器に、酸性官能基含有単量体としてメタクリル酸を30部および2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)を2.5部と、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてエチルアクリレート35部およびブチルアクリレート32.5部と、乳化剤として濃度30%のドデシルジフェニルエーテルスルホン酸ナトリウムを固形分相当0.115部と、イオン交換水50部と、炭酸水素ナトリウム0.4部とからなる混合物とを仕込み、十分攪拌してエマルジョン水溶液を調製した。
得られたエマルジョン水溶液を、前記のセパラブルフラスコに4時間に亘って連続的に滴下した。重合転化率が90%に達したところで反応温度を80℃とし、更に2時間反応を実施した後、重合転化率が99%になった時点で冷却して反応を停止し、酸性官能基含有水溶性樹脂3を含む混合物を得た。
上記酸性官能基含有水溶性樹脂3を含む混合物に、10%アンモニア水を添加(アンモニアの量が、酸性官能基含有水溶性樹脂3の100部当たり1.5部)してpH8に調整し、酸性官能基含有水溶性樹脂3を含む水溶液を得た。
攪拌機、還流冷却管および温度計を備えた容量1LのSUS製セパラブルフラスコに、イオン交換水を130部加え、更に重合開始剤として過硫酸アンモニウムを0.8部、イオン交換水を10部加え、80℃に加温した。
また別の攪拌機付き容器に、(メタ)アクリル酸エステル単量体として2−エチルヘキシルアクリレートを76部、α,β−不飽和ニトリル単量体としてアクリロニトリルを20部、酸性官能基含有単量体としてイタコン酸を4.0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を2.0部、イオン交換水を377部加え、十分に攪拌してエマルションを調製した。
上記で得られたエマルションを、前記セパラブルフラスコに3時間かけて連続的に添加した。更に2時間反応した後、冷却して反応を停止した。ここに10%アンモニア水を添加してpH7.5に調整し、粒子状結着樹脂1の水分散液を得た。重合転化率は98%であった。なお、得られた粒子状結着樹脂1のガラス転移温度は−30℃、体積平均粒径は150nmであった。
2−エチルヘキシルアクリレートを78部とし、イタコン酸4.0部をメタクリル酸2.0部に代えた以外は、粒子状結着樹脂1と同様に粒子状結着樹脂2の水分散液を得た。重合転化率は98%であった。なお、得られた粒子状結着樹脂2のガラス転移温度は−40℃、体積平均粒径は200nmであった。
以下の手順で、実施例1のスラリー組成物、複合粒子および二次電池を製造した。
上記で得られた粒子状結着樹脂1の水分散液の濃度を調整し、40%水分散液とした。
ディスパー付プラネタリーミキサーに、Li2MnO3−LiNiO2系固溶体正極活物質を100部、アセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)を4.0部、前記酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を固形分相当で2.0部、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液(第一工業製薬社製「BSH−6」)を固形分相当で2.0部加え、イオン交換水で全固形分濃度が85%(水分率15%)となるように調製して混合物を得た。得られた混合物を、プラネタリーミキサーを用いて、周速0.8m/sの攪拌速度、温度25℃で60分間混練した。このとき、混合物にかけたエネルギーは120MJ/m3であった。そこに、前記粒子状結着樹脂1の40%水分散液を固形分相当で2.0部加え、イオン交換水で全固形分濃度が75%(水分率25%)となるように調製して混合し、スラリー組成物を得た。得られたスラリー組成物の粘度を上記の方法で測定したところ、880mPa・sであった(表1中、このスラリー組成物の製法をαと表記する)。
上記で得たスラリー組成物を、スプレー乾燥機(大川原化工機社製「OC−16」)に供給し、回転円盤方式のアトマイザー(直径65mm)を用いて回転数25000rpm、熱風温度150℃、粒子回収出口温度90℃の条件で噴霧乾燥し、正極用複合粒子1を得た。体積平均粒径は67μmであった。
上記で得られた正極用複合粒子1を、定量フィーダ(ニッカ社製「ニッカスプレーK−V」)を用いてロールプレス機(ヒラノ技研工業社製「押し切り粗面熱ロール」)のプレス用ロール(ロール温度100℃、プレス線圧500kN/m)に供給した。プレス用ロール間に、厚さ20μmのアルミニウム箔を挿入し、定量フィーダから供給された上記正極用複合粒子1をアルミニウム箔(集電体)上に付着させ、成形速度1.5m/分で加圧成形し、正極活物質層を有する正極を得た。
ディスパー付きプラネタリーミキサーに、負極活物質として比表面積4m2/gの人造黒鉛(平均粒子径:24.5μm)を100部、分散剤としてカルボキシメチルセルロースの1%水溶液(第一工業製薬社製「BSH−12」)を固形分相当で1部加え、イオン交換水で全固形分濃度が52%になるよう調整して攪拌混合し、混合液を得た。
上記混合液に、スチレン−ブタジエン共重合体(ガラス転移点温度が−15℃)を含む40%水分散液を固形分相当量で1.0部加え、イオン交換水で全固形分濃度が50%となるように調整して混合した。これを減圧下で脱泡処理し、負極用のスラリー組成物を得た。
上記で得られた負極用のスラリー組成物を、コンマコーターを用いて厚さ20μmの銅箔の上に乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し乾燥させた。この乾燥は、銅箔を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行った。その後、120℃にて2分間加熱処理し、負極原反を得た。この負極原反をロールプレスで圧延し、負極活物質層を有する負極を得た。
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、5cm×5cmの正方形に切り抜いた。
電池の外装として、アルミニウム包材外装を用意した。上記で得られた正極を、4cm×4cmの正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミニウム包材外装に接するように配置した。正極活物質層の面上に、上記で得られた正方形のセパレーターを配置した。さらに、上記で得られた負極を、4.2cm×4.2cmの正方形に切り出し、これをセパレーター上に、負極活物質層側の表面がセパレーターに向かい合うよう配置した。更に、ビニレンカーボネートを2.0%含有する、濃度1.0MのLiPF6溶液を充填した。このLiPF6溶液の溶媒はエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(EC/EMC=3/7(体積比))である。さらに、アルミニウム包材の開口を密封するために、150℃でヒートシールをしてアルミニウム外装を閉口し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池(ラミネート型セル)を製造した。
このラミネート型セルを用いてレート特性、低温出力特性を評価した。
Li2MnO3−LiNiO2系固溶体正極活物質に代えてLiCoO2を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度940mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径65μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液に代えて、酸性官能基含有水溶性樹脂2を含む水溶液を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1050mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径72μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液に代えて、酸性官能基含有水溶性樹脂3を含む水溶液を使用した以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1200mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径63μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を固形分相当で5.0部とし、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液を添加しない以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度650mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径65μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を固形分相当で3.0部とし、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液を固形分相当で1.0部とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度720mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径68μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を固形分相当で1.0部とし、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液を固形分相当で3.0部とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1150mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径71μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
粒子状結着樹脂1の40%水分散液を粒子状結着樹脂2の40%水分散液とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度930mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径63μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
スラリー組成物を調製する際にイオン交換水で全固形分濃度が77%(水分率23%)となるようにした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1500mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径65μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
スラリー組成物を調製する際にイオン交換水で全固形分濃度が79%(水分率21%)となるようにした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1900mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径63μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
混合物を混練する際の攪拌速度を周速0.6m/sとし、混合物にかけたエネルギーを90MJ/m3とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度1200mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径65μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を使用せず、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液を固形分相当で3.0部とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度2400mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径78μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
スラリー組成物を調整する際にイオン交換水で全固形分濃度が60%(水分率40%)となるようにした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度520mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径61μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
混合物を調整する際にイオン交換水で全固形分濃度が75%(水分率25%)となるようにし、スラリー組成物を調整する際にイオン交換水で全固形分濃度が73%(水分率27%)となるようにし、更に、混合物を混練する際のエネルギーを15MJ/m3とした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度3550mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径75μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
ディスパー付プラネタリーミキサーに、Li2MnO3−LiNiO2系固溶体正極活物質を100部、アセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)を4.0部、前記酸性官能基含有水溶性樹脂1を含む水溶液を固形分相当で2.0部、カルボキシメチルセルロースの1%水溶液(第一工業製薬社製「BSH−6」)を固形分相当で2.0部、粒子状結着樹脂1の40%水分散液を固形分相当で2.0部を加え、イオン交換水で全固形分濃度が75%(水分率25%)となるように調製し、混合してスラリー組成物を得た以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度3700mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径69μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した(表1中、このスラリー組成物の製法をβと表記する)。
スラリー組成物を調製する際にイオン交換水で全固形分濃度が82%(水分率18%)となるようにした以外は、実施例1と同様にスラリー組成物(粘度6100mPa・s)および正極用複合粒子(体積平均粒径61μm)を製造し、ラミネート型のリチウムイオン二次電池を製造した。
特に、実施例1、3、6、7の複合粒子を用いて正極を形成したリチウムイオン二次電池は、レート特性および低温出力特性にも優れていた。
Claims (6)
- 正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂と、粒子状結着樹脂とを含有し、
水分率が25質量%以下であり、
せん断速度が10s−1の時の粘度が2000mPa・s以下である、
水系のスラリー組成物であって、
前記酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂が、スルホン酸基含有単量体単位、カルボキシル基含有単量体単位およびリン酸基含有単量体単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単量体単位を含み、
前記粒子状結着樹脂が、水系媒体に分散しうる粒子状結着樹脂である、
正極用複合粒子用のスラリー組成物。 - 前記正極活物質が、Li2MnO3−LiNiO2系固溶体正極活物質である、請求項1に記載の正極用複合粒子用のスラリー組成物。
- 前記粒子状結着樹脂が、炭素数6〜15の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、α,β−不飽和ニトリル単量体単位およびカルボキシル基含有単量体単位を含む、請求項1または2に記載の正極用複合粒子用のスラリー組成物。
- 前記粒子状結着樹脂が、二塩基酸単量体単位を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の正極用複合粒子用のスラリー組成物。
- 正極活物質と、導電材と、酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂とを含む混合物を混練して混練物を得る混練工程と、
前記混練物に粒子状結着樹脂と水とを添加して、水分率が25質量%以下であり、且つ、せん断速度が10s−1の時の粘度が2000mPa・s以下であるスラリー組成物を得るスラリー調製工程と、
前記スラリー組成物を噴霧乾燥して複合粒子を得る造粒工程と、
を含み、
前記酸性官能基含有単量体単位を含む水溶性樹脂が、スルホン酸基含有単量体単位、カルボキシル基含有単量体単位およびリン酸基含有単量体単位からなる群より選ばれる少なくとも1種の単量体単位を含み、
前記粒子状結着樹脂が、水系媒体に分散しうる粒子状結着樹脂である、
正極用複合粒子の製造方法。 - 前記混練工程において、50〜200MJ/m3のエネルギーをかけて前記混合物を混練することを特徴とする、請求項5に記載の正極用複合粒子の製造方法。
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