JP6505936B1 - 高分子組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の水溶液、又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液について、水溶液の状態で保存したとしても、著しい増粘を起こさず、二次電池用バインダーとして利用可能とする手法を見出すこと。【解決手段】ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液組成物であって、室温(25℃)下、粘度が200±100mPa・sとなるよう水(25℃以下)で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa1(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置した際の当該組成物粘度をXb1(Pa・s)としたとき、下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物。変化率(%)=(Xa1−Xb1)/Xb1×100【選択図】なし

Description

本発明は、特定の高分子化合物を含有する組成物等に関する。
近年、ノートパソコン、スマートフォン、携帯ゲーム機器、PDA等の携帯電子機器の普及に伴い、これらの機器をより軽量化し、且つ、長時間の使用を可能とするため、電源として使用される二次電池の小型化及び高エネルギー密度化が求められている。
特に、二次電池の電気自動車及び電動二輪車等の車両用電源としての利用も拡大している。このような車両用電源にも使用される二次電池には、高エネルギー密度化のみならず、幅広い温度域でも動作することができる電池が求められており、種々の二次電池(特に非水電解質二次電池)が提案されている。
非水電解質二次電池としては、従来、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等が主流であったが、上記した小型化及び高エネルギー密度化の要求から、近年リチウムイオン二次電池の使用が増大する傾向にある。
リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池の電極は、通常、電極用バインダーを溶媒に溶解させたバインダー溶液、またはバインダーを分散媒に分散させ、活物質(電極活物質)、及び導電助剤等を混合した電池電極合剤スラリーを集電体に塗布し、溶媒や分散媒を乾燥などの方法で除去して製造される(特許文献1参照)。
また非水電解質二次電池のセパレータも同様に、通常、セパレータ用バインダーを溶媒に溶解させたバインダー溶液、またはバインダーを分散媒に分散させ、フィラー粒子等を混合したスラリーを支持体に塗布し、溶媒や分散媒を乾燥などの方法で除去して製造される(特許文献2参照)。
先行技術では、例えばバインダー用樹脂を溶媒に溶解させてバインダー組成物とし、これを非水電解質二次電池の電極やセパレータの製造に用いている。ただ、通常このようなバインダー組成物は通常用時調製されており、溶液の状態で長期保管するようなことは行われていない。
特開平10−284082号公報 国際公開2013/154196号
二次電池(特に非水電解質二次電池)のためのバインダー(特に電極用又はセパレータ用バインダー)として、種々の水溶性若しくは油溶性高分子が利用されている。水溶性高分子としては、例えばアクリル酸アルカリ金属中和物、カルボキシメチルセルロース若しくはその塩、ポリアクリル酸等が挙げられる。
本発明者らは、これら種々の二次電池用バインダーとして用いられる水溶性高分子のうち、特にビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体、及びカルボキシメチルセルロース若しくはその塩(以下これらをまとめて「本発明の
特定の高分子」ということがある)については、当該高分子を水に溶解させて水溶液(すなわちバインダー水溶液)として室温保管すると、保管中に著しく増粘してしまうことを見出した。さらに、増粘した場合、塗工が困難になったり、塗工できたとしても接着強度にむらが生じるなど、様々な支障が生じるおそれが考えられるために、バインダーとしての使用が困難になることも見出した。なお、ポリアクリル酸は、水溶液として室温保管しても、このような著しい増粘は見られないことも見出した。
上述のように、従来はバインダー組成物は通常用時調製されており、溶液の状態で長期保管するようなことは行われておらず、上記先行技術文献(特許文献1及び特許文献2)においても、バインダー組成物の状態で長期保管されてはいない。そのため、本発明の特定の高分子に限っては、水に溶解させてバインダー水溶液として保管すると著しく増粘してしまうという課題はこれまで見出されていなかったといえ、従って、従来技術においては当該課題の解決手段も存在していなかった。
そこで、本発明者らは、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の水溶液及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液について、水溶液の状態(あるいは当該水溶液に活物質及び/又はフィラー等を加えてスラリーとした状態)で保存したとしても、著しい増粘を起こさず、二次電池用バインダーとして利用可能とする手法を見出すことを目的に、検討を重ねた。
本発明者らは、本発明の特定の高分子の水溶液を調製するにあたり、特定の条件下で当該高分子を溶解させることによって、室温保管しても著しい増粘は起こらない可能性を見出した。
また、本発明者らは、本発明の特定の高分子の水溶液の室温保管時の著しい増粘の程度が、特定条件により求められる当該高分子水溶液の粘度変化率と相関しており、実際に当該高分子水溶液を保管しなくとも、室温保管時に著しい増粘が起こるか否かを当該粘度変化率を求めることにより確認できる可能性を見出した。
本発明は、以上の知見に基づき、さらに本発明者らが検討を重ねて完成に至ったものである。
本発明は例えば以下の項に記載の主題を包含する。なお、上記の通り、本発明の課題は従来認識されていなかったものであることから、従来技術(例えば特許文献1及び特許文献2)において、以下の項に記載の主題の構成要件を充足するものは見出されなかった。
項1.
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液組成物であって、
室温(25℃)下、粘度が200±100mPa・sとなるよう水(25℃以下)で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa1(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置した際の当該組成物粘度をXb1(Pa・s)としたとき、
下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物。
変化率(%)=(Xa1−Xb1)/Xb1×100
項2.
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、
水、並びに
活物質及び/又はフィラー
を含有するスラリー組成物であって、
室温(25℃)下、粘度が1000±900mPa・sとなるよう水(25℃以下)で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa2(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置した際の当該組成物粘度をXb2(Pa・s)としたとき、
下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物。
変化率(%)=(Xa2−Xb2)/Xb2×100
項3.
(I)
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、並びに水を含有する組成物であって、組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をX(Pa・s)とし、25℃調整後当該組成物を密閉容器内に入れ25℃で3日間静置した際の当該組成物粘度をX(Pa・s)としたとき、
下記式で求められる増粘度が0〜10%である、組成物、
増粘度(%)=(X−X)/X×100
あるいは
(II)
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、並びに水を含有する組成物であって、組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をX(Pa・s)とし、25℃調整後当該組成物を密閉容器内に入れ25℃で3日間静置した際の当該組成物粘度をX(Pa・s)としたとき、
下記式で求められる増粘度が0〜10%である、項1又は2に記載の組成物。
増粘度(%)=(X−X)/X×100
項4.
前記組成物が、
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液組成物である、
項3に記載の組成物。
項5.
前記組成物が、
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、
水、並びに
活物質及び/又はフィラー
を含有するスラリー組成物である、
項3に記載の組成物。
項6.
前記活物質及び/又はフィラーが、電極活物質並びに無機物微粒子及び有機物微粒子からなる群より選択される少なくとも1種である、項2又は5に記載の組成物。
項7.
二次電池用バインダー組成物である、項1〜6のいずれかに記載の組成物。
項8.
二次電池用電極合剤組成物又は二次電池用セパレータ用組成物である、項2、5、又は6に記載の組成物。
項9.
前記ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体が、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体組成モル比が95/5〜5/95の共重合体である、項1〜8のいずれかに記載の組成物。
項10.
前記エチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物が、アクリル酸アルカリ金属中和物及び/又はメタクリル酸アルカリ金属中和物である、項1〜9のいずれかに記載の組成物。
項11.
前記カルボキシメチルセルロースが、エーテル化度0.8〜1.2のカルボキシメチルセルロースである、項1〜10のいずれかに記載の組成物。
本発明により、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の水溶液、及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液について、水溶液の状態(あるいは当該水溶液に活物質及び/又はフィラー等を加えてスラリーとした状態)で保存したとしても、著しい増粘を起こさず、二次電池用バインダーとして利用可能とすることができる。
以下、本発明に包含される各実施形態について、さらに詳細に説明する。本発明は、
特定の高分子を含有する水溶液組成物若しくはスラリー組成物、並びに当該組成物の用途や製造方法等を好ましく包含するが、これらに限定されるわけではなく、本発明は本明細書に開示され当業者が認識できる全てを包含する。
本発明に包含される組成物は、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩を含有する。以下、本発明に包含される当該組成物を「本発明の組成物」ということがある。
なお、本明細書において、「A及び/又はB」とは、「A単独、B単独、あるいはA及びBの組み合わせ」を意味する。
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体は、例えば、ビニルエステルとエチレン性不飽和カルボン酸エステルとを共重合させて得られた共重合体(例えばブロック共重合体及び/又はランダム共重合体)を、アルカリ金属を含むアルカリの存在下、水性有機溶媒と水の混合溶媒中でケン化することによって得ることができる。すなわち、ビニルアルコール自体は不安定であるため直接モノマーとして使用することはできないが、ビニルエステルをモノマーとして使用して得られた重合体をケン化することにより、生成された重合体は結果としてビニルアルコールをモノマーとして重合させた態様となる。
前記ビニルエステルとしては、例えば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ピバリン酸ビニルなどが挙げられるが、ケン化反応が進行しやすいため酢酸ビニルが好ましい。これら
のビニルエステルは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
前記エチレン性不飽和カルボン酸エステルとしては、例えばアクリル酸、メタクリル酸のメチルエステル、エチルエステル、n−プロピルエステル、iso−プロピルエステル、n−ブチルエステル、t−ブチルエステルなどが挙げられるが、ケン化反応が進行しやすいためアクリル酸メチル、メタクリル酸メチルが好ましい。これらのエチレン性不飽和カルボン酸エステルは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
また、必要に応じてビニルエステル及びエチレン性不飽和カルボン酸エステルと共重合可能な他のエチレン性不飽和単量体を、ビニルエステル及びエチレン性不飽和カルボン酸エステルに加えて使用し、これらを共重合させてもよい。このようにして得られる共重合体をケン化して得られる、ビニルアルコールをモノマーとして重合させた態様の共重合体も、本発明において、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体として用いることができる。
ケン化反応の一例として、酢酸ビニル/アクリル酸メチル共重合体が水酸化カリウム(KOH)により100%ケン化されたときのケン化反応を以下に示す。
Figure 0006505936
なお、上に示すように、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体は、ビニルエステルとエチレン性不飽和カルボン酸エステルを共重合させて、モノマー由来のエステル部分をケン化させた物質であり、モノマー同士の結合はC−C共有結合である。
当該共重合体においては、ビニルエステルとエチレン性不飽和カルボン酸エステルのモル比(ビニルアルコール/エチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物)は、95/5〜5/95が好ましく、95/5〜50/50がより好ましく、90/10〜60/40が更に好ましい。95/5〜5/95の範囲内であれば、ケン化後得られる重合体が、バインダーとしての保持力が特に好ましく向上する。
したがって、得られるビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との前記共重合体において、共重合組成比はモル比で95/5〜5/95が好ましく、95/5〜50/50がより好ましく、90/10〜60/40が更に好ましい。
エチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物としては、アクリル酸アルカリ金属中和物及びメタクリル酸アルカリ金属中和物からなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。また、エチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物のアルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム等が例示でき、好ましくはカリウム及びナトリウムである。特に好ましいエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物は、アクリル酸ナトリウム中和物、アクリル酸カリウム中和物、メタクリル酸ナトリ
ウム中和物、及びメタクリル酸カリウム中和物からなる群より選択される少なくとも1種である。
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の前駆体であるビニルエステル/エチレン性不飽和カルボン酸エステル共重合体は、粉末状で共重合体が得られる観点から、重合触媒を含む分散剤水溶液中にビニルエステルおよびエチレン性不飽和カルボン酸エステルを主体とする単量体を懸濁させた状態で重合させて重合体粒子とする懸濁重合法により得られたものが好ましい。
前記重合触媒としては、例えばベンゾイルパーオキシド、ラウリルパーオキシドなどの有機過酸化物、アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスジメチルバレロニトリルなどのアゾ化合物が挙げられるが、とりわけラウリルパーオキシドが好ましい。
重合触媒の添加量は、単量体の総質量に対して、0.01〜5質量%が好ましく、0.05〜3質量%がより好ましく、0.1〜3質量%がさらに好ましい。
重合を行わせる際の前記分散剤は、使用する単量体の種類、量などにより適当な物質を選択すればよいが、具体的にはポリビニルアルコール(部分ケン化ポリビニルアルコール、完全ケン化ポリビニルアルコール)、ポリ(メタ)アクリル酸およびその塩、ポリビニルピロリドンなどの水溶性高分子;リン酸カルシウム、珪酸マグネシウムなどの水不溶性無機化合物などが挙げられる。これらの分散剤は、単独で使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。
分散剤の使用量は、使用する単量体の種類などにもよるが、単量体の総質量に対して、0.01〜10質量%が好ましく、0.05〜5質量%がより好ましい。
さらに、前記分散剤の界面活性効果などを調整するため、アルカリ金属、アルカリ土類金属などの水溶性塩を添加することもできる。例えば塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化リチウム、無水硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸三ナトリウム及びリン酸三カリウムなどが挙げられ、これらの水溶性塩は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
水溶性塩の使用量は、使用する分散剤の種類、量などにもよるが、分散剤水溶液の質量に対して通常0.01〜10質量%である。
単量体を重合させる温度は、重合触媒の10時間半減期温度に対して−20〜20℃が好ましく、−10〜10℃がより好ましい。例えば、ラウリルパーオキシドの10時間半減期温度は約62℃である。
単量体を重合させる時間は、使用する重合触媒の種類、量、重合温度などにもよるが、通常数時間〜数十時間である。
重合反応終了後、共重合体は遠心分離、濾過などの方法により分離され、含水ケーキ状で得られる。得られた含水ケーキ状の共重合体はそのまま、もしくは必要に応じて乾燥し、ケン化反応に使用することができる。
本明細書における重合体の数平均分子量は、溶媒としてDMFを用いGFCカラム(例えばShodex社製OHpak)を備えた分子量測定装置にて求めた値である。このような分子量測定装置としては、例えばウォーターズ社製2695、RI検出器2414が
挙げられる。
ケン化前の共重合体の数平均分子量は、10,000〜1,000,000が好ましく、50,000〜800,000がより好ましい。
ケン化反応は、例えば、アルカリ金属を含むアルカリの存在下、水性有機溶媒のみ、又は水性有機溶媒と水との混合溶媒中で実施することができる。前記ケン化反応に使用するアルカリ金属を含むアルカリとしては、従来公知のものを使用することができ、アルカリ金属水酸化物が好ましく、反応性が高いという観点より、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムが特に好ましい。
前記アルカリの量は、単量体のモル数に対して60〜140モル%が好ましく、80〜120モル%がより好ましい。
前記ケン化反応には、水性有機溶媒のみ、又は水性有機溶媒と水との混合溶媒を用いることが好ましい。当該水性有機溶媒としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、t−ブタノールなどの低級アルコール類;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類;およびこれらの混合物などが挙げられるが、なかでも低級アルコール類が好ましく、優れた結着効果と機械的せん断に対して優れた耐性を有するビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体が得られることから、特にメタノールおよびエタノールが好ましい。
前記水性有機溶媒と水の混合溶媒における水性有機溶媒/水の質量比は、30/70〜85/15が好ましく、40/60〜85/15がより好ましく、40/60〜80/20がさらに好ましい。なお、含水ケーキ状の共重合体をそのままケン化反応に使用する場合、前記水性有機溶媒/水の質量比は、含水ケーキ状の共重合体中の水を含むものとする。
ビニルエステル/エチレン性不飽和カルボン酸エステル共重合体をケン化させる温度は、単量体のモル比にもよるが、例えば20〜60℃が好ましく、20〜50℃がより好ましい。
ケン化反応の時間は、使用するアルカリの種類、量などにより異なるが、通常数時間程度で反応は終了する。
なお、ケン化度は90〜100%であることが好ましく、95〜100%であることがより好ましい。当該ケン化度の範囲の下限は、91、92、93、94、又は95%であってもよい。ケン化度を90%以上にすることで、水への溶解性を向上させることができる。
ケン化反応が終了した時点で通常、ペーストないしスラリー状の共重合体ケン化物の分散体となる。遠心分離、濾過など従来公知の方法により固液分離し、メタノールなどの低級アルコールなどでよく洗浄して得られた含液共重合体ケン化物を乾燥することにより、球状単一粒子または球状粒子が凝集した凝集粒子として共重合体ケン化物、すなわちビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体を得ることができる。
前記ケン化反応以降において、塩酸、硫酸、燐酸、硝酸などの無機酸;ギ酸、酢酸、シュウ酸、クエン酸などの有機酸等の酸を用いて共重合体ケン化物を酸処理した後に、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、
水酸化フランシウムなど任意のアルカリ金属を用いて、異種の(つまり、アルカリ金属が異なる)、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物の共重合体を得ることもできる。
含液共重合体ケン化物を乾燥する条件は、特に限定されないが通常、常圧もしくは減圧下、30〜120℃の温度で乾燥することが好ましい。
乾燥時間は、乾燥時の圧力、温度にもよるが通常数時間〜数十時間である。
カルボキシメチルセルロース(CMC)は、セルロース誘導体の1種であり、例えば、木材パルプ、リンターパルプなどを原料とし、モノクロロ酢酸などを反応させて合成される。当該合成方法においては、極性のカルボキシル基がセルロースを可溶化し、化学的に反応しやすくする。このとき、セルロースに対するモノクロロ酢酸等の導入率は、「エーテル化度」で表される。カルボキシメチルセルロースにおけるエーテル化度は比較的高い方が好ましく、具体的には0.5以上のものが好ましく、0.6又は0.7以上のものがより好ましく、0.8以上のものがさらに好ましい。
カルボキシメチルセルロースの塩としては、例えば、ナトリウム塩及びカリウム塩(すなわち、カルボキシメチルセルロースナトリウム及びカルボキシメチルセルロースカリウム)が好ましく例示される。特にカルボキシメチルセルロースナトリウムが好ましい。
なお、「ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩」とは、「ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及びカルボキシメチルセルロース若しくはその塩からなる群より選択される1種又は2種以上」と同義である。すなわち、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体は1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができ、カルボキシメチルセルロース若しくはその塩も1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。そして、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体と、カルボキシメチルセルロース若しくはその塩とは、どちらか一方だけ用いてもよいし両方を組み合わせて用いてもよい。
また、本発明の組成物には、本発明の特定の高分子に加え、活物質及び/又はフィラーが含まれていてもよい。活物質及び/又はフィラーが含まれる場合は、スラリー組成物であることが好ましい。
活物質としては、電極(正極又は負極)活物質が好ましい。活物質を含有する本発明の組成物は、例えば二次電池(特に非水電解質二次電池)用電極合剤組成物として好ましく用いることができる。
正極活物質としては、本技術分野で使用される正極活物質が使用できる。例えば、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)、リン
酸コバルトリチウム(LiCoPO4)、ピロリン酸鉄(Li2FeP2O7)、コバルト酸リチウム複合酸化物(LiCoO2)、スピネル型マンガン酸リチウム複合酸化物(LiMn2O4)、マンガン酸リチウム複合酸化物(LiMnO2)、ニッケル酸リチウム複合酸化物(LiNiO2)、ニオブ酸リチウム複合酸化物(LiNbO2)、鉄酸リチウム複合酸化物(LiFeO2)、マグネシウム酸リチウム複合酸化物(LiMgO2)、カルシウム酸リチウム複合酸化物(LiCaO2)、銅酸リチウム複合酸化物(LiCuO2)、亜鉛酸リチウム複合酸化物(LiZnO2)、モリブデン酸リチウム複合酸化物(LiMoO2)、タンタル酸リチウム複合酸化物(LiTaO2)、タングステン
酸リチウム複合酸化物(LiWO2)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2)、Li過剰系ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物(LixNiAConMncO2固溶体)、酸化マンガンニッケル(LiNi0.5Mn1.5O4)、酸化マンガン(MnO2)、バナジウム系酸化物、硫黄系酸化物、シリケート系酸化物、等が好適に使用される。これら正極活物質は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、 負極活物質としては、例えばリチウムイオン二次電池で通常用いられる材料を
用いることができる。具体的には例えば、Li、Na、C(例えば黒鉛、グラファイト等)、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb、Bi、これらの元素を用いた合金、酸化物、カルコゲン化物、ハロゲン化物等を挙げることができる。これら負極活物質は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
フィラーとしては、無機物の微粒子又は有機物の微粒子(フィラー粒子)が好ましく挙げられる。フィラーを含有する本発明の組成物は、例えば二次電池(特に非水電解質二次電池)用セパレータ用組成物として好ましく用いることができる。すなわち、当該組成物にはバインダー(本発明の特定の高分子)及びフィラーが含まれていることから、前記セパレータにフィラーを備えさせるために有用である。
無機物の微粒子としては、例えば、炭酸カルシウム、タルク、クレー、カオリン、シリカ、ハイドロタルサイト、珪藻土、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、マイカ、ゼオライト、ガラス等の微粒子が挙げられる。有機物の微粒子としては、例えば、スチレン、ビニルケトン、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、グリシジルメタクリレート、グリシジルアクリレート、アクリル酸メチル等の単独あるいは2 種類以上の共重合体; ポリテトラフルオロエチレン、4 フッ化エチレン− 6 フッ化プロピレン共重合体、4 フッ化エチレン− エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素系樹脂; メラミン樹脂; 尿素樹脂; ポリエチレン; ポリプロピレン; ポリメタクリレート等の微粒子が挙げられる。2 種類以上の微粒子や異なる粒度分布を持つ同種の微粒子を混合し
て、フィラー粒子として用いてもよい。フィラー粒子としては、これらの中でも特にアルミナが好ましい。
本発明の組成物は、好ましくは、(0)ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及びカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液組成物、(i)ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の水溶液組成物、(ii)カルボキシメチルセルロース若しくはその塩水溶液組成物、あるいは、(iii)本発明の特定の高分子及び水に加え、活物質及び/又はフィラーをも含有するスラリー組成物である。以下、これらの組成物を(0)組成物、(i)組成物、(ii)組成物、(iii)組成物ということがある。
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体、又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩を、水に溶解させて水溶液組成物として(あるいはさらに活物質及び/又はフィラー等を加えてスラリー組成物として)室温保管すると、保管中に著しく増粘してしまうところ、本発明に包含される組成物は、このような著しい増粘が抑制されている。例えば、(0)組成物、(i)組成物及び(ii)組成物を水溶液組成物のまま保管しても、また(iii)組成物をスラリー組成物のまま保管し
ても、保管中の著しい増粘は抑制される。
より具体的には、本発明の組成物は、組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をX(Pa・s)とし、25℃調整後当該組成物を密閉容器内に入れ25℃(例えば25℃恒温槽)で3日間静置した際の当該組成物粘度をX(Pa・s)としたとき、下記式で求められる増粘度が0〜10%であることが好ましい。
増粘度(%)=(X−X)/X×100
当該増粘度範囲の上限は、好ましくは、9.5、9、8.5、8、7.5、又は7%であり、より好ましくは、6.5、6、5.5、5、4.5、4、3.5、又は3%である。
また、本発明の組成物は、以下に詳述する「変化率」が0〜10%であれば、上述した増粘度範囲を達成する蓋然性が極めて高い。従って、増粘度ではなく、当該「変化率」により本発明の組成物を特定することもできる。さらには、増粘度を指標として用いる場合には著しい増粘が抑制された組成物であるかを判定することができるのはもちろんのこと、「変化率」を指標として用いることにより、実際に組成物を保管しなくとも、著しい増粘が抑制された組成物であるかを判定することができる。なお、このような判定方法についても、本発明は好ましく包含する。
(0)組成物、(i)組成物、及び(ii)組成物は、室温下、粘度が200±100mPa・sとなるよう水で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa1(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置した際の当該組成物粘度をXb1(Pa・s)としたとき、下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物であることが好ましい。
変化率(%)=(Xa1−Xb1)/Xb1×100
なお、当該変化率範囲の上限は、好ましくは、9.5、9、8.5、8、7.5、7、6.5、6、5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、又は1%であってもよい。また、室温は25℃を指し、希釈に用いた水の温度は25℃以下である。水の温度は、特に限定はされないが、例えば15〜25℃程度が好ましい。また、粘度が200±100mPa・sとなるよう水で希釈するとは、前記組成物を水で均一に希釈して当該粘度に調整することをいい、均一に希釈するにあたっては混合及び/又は撹拌等の操作を行ってもよい。
また、(iii)組成物は、室温下、粘度が1000±900mPa・sとなるよう水で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa2(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置した際の当該組成物粘度をXb2(Pa・s)としたとき、下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物であることが好ましい。
変化率(%)=(Xa2−Xb2)/Xb2×100
なお、当該変化率範囲の上限は、好ましくは、9.5、9、8.5、8、7.5、7、6.5、6、5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、又は1%であってもよい。また、室温は25℃を指し、希釈に用いた水の温度は25℃以下である。水の温度は、特に限定はされないが、例えば15〜25℃程度が好ましい。また、粘度が1000±900mPa・sとなるよう水で希釈するとは、前記組成物を水で均一に希釈して当該粘度に調整することをいい、均一に希釈するにあたっては混合及び/又は撹拌等の操作を行ってもよい。
なお、上記増粘度及び変化率を算出するための粘度は、いずれも、B型粘度計(BROOKFIELD社製 LV型)、スピンドルNo.Lv−4、30rpm(液温25℃)にて測定した値である。
本発明の効果を損なわない限り、本発明の組成物に含有される成分量は、(i)組成物においては、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体、及び水の含有量は、例えば質量比で当該共重合体:水=1:5〜15程度が好ましく、1:6〜14、1:6〜13、又は1:6〜12程度がより好ましく、1:7〜11程度がさらに好ましく、1:8〜10程度がよりさらに好ましい。また、(ii)組成物においては、カルボキシメチルセルロース若しくはその塩、及び水の含有量は、例えば質量比でカルボキシメチルセルロース若しくはその塩:水=1:5〜15程度が好ましく、1:6〜14、1:6〜13、又は1:6〜12程度がより好ましく、1:7〜11程度がさらに好ましく、1:8〜10程度がよりさらに好ましい。また、(0)組成物及び(iii)組成物は、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体、及び水の含有量、並びに、カルボキシメチルセルロース若しくはその塩、及び水の含有量は、上記(i)組成物及び(ii)組成物と同様であってもよく、あるいは、質量比で本発明の特定の高分子:水=1:10〜30程度であってもよく、1:15〜25、又は1:17〜23程度であってもよい。また、(iii)組成物における活物質及び/又はフィラーの含有量は、活物質及び/又はフィラーの種類にもよるが、活物質及び/又はフィラー:水=1:0.5〜1.5程度が好ましく、1:0.7〜1.3程度がより好ましい(特に活物質としてグラファイトが含まれる場合)。
このような増粘度、ひいては変化率を達成する組成物を調製するためには、本発明の特定の高分子を水に溶解させて水溶液組成物とする際、組成物の温度を85℃以上とする。また、当該温度下で、1時間以上撹拌して溶解させることが好ましい。撹拌時間及び条件は適宜設定してもよいが時間は1時間以上とすることが好ましい。組成物温度は、上記の通り85℃以上であり、好ましくは86、87、88、又は89℃以上であり、より好ましくは90、91、92、93、94、又は95℃以上である。また時間は2時間以上とすることがより好ましく、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、又は8時間以上とすることがさらにより好ましい。また、撹拌は、例えば公知の攪拌機を用いて行うことができ、撹拌速度等は適宜設定することができる。
なお、当該溶解時(好ましくは撹拌時)に、上述した各成分含有量となるように各成分を混合することにで、容易に上記の組成の本発明の組成物を得ることができる。また、本発明の組成物が活物質及び/又はフィラーを含む場合には、当該溶解時(好ましくは撹拌時)に、活物質及び/又はフィラーもあわせて混合することもできる。一旦本発明の特定の高分子を、上記の通り、組成物の85℃以上として(好ましくは1時間以上撹拌して)水に溶解させた後、活物質及び/又はフィラーをさらに加えて混合することで調製することもでき、好ましい。
本発明の組成物の好ましい製造方法として、例えば次の方法を挙げることができる。(0)組成物、(i)組成物、又は(ii)組成物の製造方法として:
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液組成物の製造方法であって、
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、及び水を混合する工程を含み、
混合が1時間以上撹拌することにより行われ、当該撹拌中、混合物が85℃以上の温度で維持される、方法。
また、(iii)組成物の製造方法として:
ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、水、並びに活物質及び/又はフィラーを含有するスラリー組成物の製造方法であって、
(α)ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、及び水を混合する工程、並びに(β)活物質及び/又はフィラーを他の組成物原料と混合する工程
を含み、
工程(α)の混合が1時間以上撹拌することにより行われ、当該撹拌中、混合物が85℃以上の温度で維持される、方法。
なお、当該方法の工程(α)と工程(β)の順序は特に制限されず、例えば、工程(α)を行い、得られた混合物を用いてさらに工程(β)を行ってもよいし、工程(α)及び(β)を同時に行ってもよい。
本発明の組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、さらに他の高分子を含んでいてもよい。当該高分子としては、二次電池用バインダーとして公知のものが好ましい。具体的には、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸塩などのアクリル樹脂、アルギン酸ナトリウム、ポリイミド(PI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド、ポリアミドイミド、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン酢酸共重合体(EVA)等が挙げられる。また、ビニルエステル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、又はこれらのいずれか若しくは2つ以上をその構造中に含む樹脂等も挙げられる。これらは、1種単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これら他の高分子の組成物における含有量としては、本発明の効果を損なわない範囲において適宜設定することができる。例えば、組成物に対して0%(すなわち含まない)、若しくは1、2、3、4、5、6、7、8、9、又は10質量%以下を挙げることができる。
なお、本明細書において「含む」とは、「本質的にからなる」と、「からなる」をも包含する(The term "comprising" includes "consisting essentially of” and "consisting of.")。また、本発明は、本明細書に説明した構成要件を任意の組み合わせを全て包含する。
また、上述した本発明の各実施形態について説明した各種特性(性質、構造、機能等)は、本発明に包含される主題を特定するにあたり、どのように組み合わせられてもよい。すなわち、本発明には、本明細書に記載される組み合わせ可能な各特性のあらゆる組み合わせからなる主題が全て包含される。
以下、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の例に限定されるものではない。
<ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体の作製>
(製造例1)ビニルエステル/エチレン性不飽和カルボン酸エステル共重合体の合成
撹拌機、温度計、Nガス導入管、還流冷却機および滴下ロートを備えた容量2Lの反応槽に、水768g、無水硫酸ナトリウム12gを仕込み、Nガスを吹き込んで系内を脱酸素した。続いて部分ケン化ポリビニルアルコール(ケン化度88%)1g、ラウリルパーオキシド1gを仕込み内温60℃まで昇温した後、アクリル酸メチル51g(0.6mol)および酢酸ビニル206.4g(2.4mol)の単量体を滴下ロートにより4時間かけて適下した後、内温65℃で2時間保持し反応を完結させた(用いたアクリル酸
メチルと酢酸ビニルのモル比は約20:80)。その後、固形分を濾別することにより酢酸ビニル/アクリル酸メチル共重合体287g(10.0質量%含水)を得た。
(製造例2)ビニルエステル/エチレン性不飽和カルボン酸エステル共重合体ケン化物の合成
上記同様の反応槽に、メタノール450g、水420g、水酸化ナトリウム132g(3.3mol)および製造例1で得られた含水共重合体287g(10.0質量%含水)を仕込み、撹拌下で30℃、3時間ケン化反応を行った。ケン化反応終了後、得られた共重合体ケン化物をメタノールで洗浄、濾過し、70℃で6時間乾燥させ、酢酸ビニル/アクリル酸メチル共重合体ケン化物(ビニルアルコールとアクリル酸ナトリウム中和物との共重合体ということもできる。以下「共重合体」とも表記する)170gを得た。
<実施例1>
撹拌機、温度計及び還流冷却機を備えた容量2Lの反応槽に、水890g、及び製造例2で得た共重合体110g(含水9質量%)を仕込み、内温90℃にて、3時間撹拌した。その後、室温まで冷却し水溶液Aを得た。
なお、内温は反応槽内の温度という意味であり、より具体的には、ここでは反応槽に入っている組成物の温度のことをいう。
<実施例2>
撹拌時間を8時間にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Bを得た。
<実施例3>
撹拌温度(内温)を85℃にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Cを得た。
<実施例4>
撹拌温度(内温)を85℃にした以外は、実施例2と同様にし、水溶液Dを得た。
<実施例5>
撹拌温度(内温)を95℃にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Eを得た。
<実施例6>
水945g、共重合体55g(含水9質量%)にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Fを得た。
<実施例7>
共重合体の代わりにカルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム社製:1220)にした以外は実施例5と同様にし、水溶液Gを得た。
<実施例8>
グラファイト粒子(日立化成社製:MAG−D)1567.5mg、水907.5mg、水溶液A825.0mgを自転公転ミキサー(シンキー社製:泡とり練太郎)にて、室温で30分混合してスラリーAを得た。
<比較例1>
撹拌温度(内温)を80℃にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Hを得た。
<比較例2>
撹拌温度(内温)を80℃にし、撹拌時間を8時間にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Iを得た。
<比較例3>
撹拌温度(内温)を80℃にした以外は、実施例5と同様にし、水溶液Jを得た。
<比較例4>
撹拌温度(内温)を70℃にし、撹拌時間を8時間にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Kを得た。
<比較例5>
撹拌温度(内温)を60℃にし、撹拌時間を8時間にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Lを得た。
<比較例6>
撹拌温度(内温)を25℃にした以外は、実施例6と同様にし、水溶液Mを得た。
<参考例1>
共重合体の代わりにポリアクリル酸(和光純薬社製)を用い、撹拌温度(内温)を25℃にした以外は、実施例1と同様にし、水溶液Nを得た。
<参考例2>
共重合体の代わりにポリアクリル酸(和光純薬社製)を用いた以外は、実施例1と同様にし、水溶液Oを得た。
<比較例7>
グラファイト粒子(日立化成社製:MAG−D)1567.5mg、水1640.8mg、共重合体92mgを自転公転ミキサー(シンキー社製:泡とり練太郎)にて室温で30分混合してスラリーBを得た。
<評価>
各例で得られた水溶液及びスラリー組成物について、以下の方法により粘度変化率及び増粘度を測定した。結果を表1に示した。
1.粘度変化率の測定
高分子及び水のみを含む組成物については、粘度が200±100mPa・sになるよう水(25℃以下)を加え、均一に希釈し、25℃に調整したときの粘度aと、同様に調整した水溶液を揮発しないように密閉した容器にて95℃のオイルバスに8時間浸した後、25℃に冷却した際の粘度bとを測定した。そして、下記式より「変化率」を算出した。
高分子及び水に加え、活物質及び/又はフィラーをも含む組成物については、粘度が1000±900mPa・sになるよう水(25℃以下)を加え、均一に希釈し、25℃に調整したときの粘度aと、揮発しないように密閉した容器にて95℃のオイルバスに8時間浸した後、25℃に冷却した際の粘度bとを測定した。そして、下記式より「変化率」を算出した。
変化率(%)=(a−b)/b×100
2.増粘度の測定
水溶液もしくはスラリー組成物作成後、25℃に調整した際の粘度cと、25℃調整後に25℃の恒温槽にて3日間保管(静置)したあとの粘度dとを測定した。そして、下記式により「増粘度」を算出した。
増粘度(%)=(d−c)/c×100
なお、上記の変化率及び増粘度を算出するために用いた粘度は、いずれも、B型粘度計
(BROOKFIELD社製 LV型)、スピンドルNo.Lv−4、30rpm(液温25℃)にて測定した値である。
結果を表1に示す。共重合体又はカルボキシメチルセルロースを用いた場合には、増粘度と変化率がよく相関していた。つまり、保管により著しく増粘したものは、変化率も著しく増加していたが、増粘が抑制されたものは、変化率も小さかった。増粘度10%以下のものをO、10%より大きいものを×とした評価結果は、変化率10%以下のものを○、10%より大きいものを×とした評価結果と一致した(表1)。
よって、増粘度の代わりに変化率を用いた場合にも、保管により著しく増粘するかを判断可能であることも分かった。
Figure 0006505936

Claims (6)

  1. ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩の水溶液バインダー組成物であって、
    室温(25℃)下、粘度が200±100mPa・sとなるよう水(25℃以下)で希釈し組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をXa1(Pa・s)とし、当該組成物を密閉容器内に入れ95℃で8時間静置し25℃に冷却した際の当該組成物粘度をXb1(Pa・s)としたとき、
    下記式で求められる変化率が0〜10%である、組成物。
    変化率(%)=(Xa1−Xb1)/Xb1×100
  2. ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体及び/又はカルボキシメチルセルロース若しくはその塩、並びに水を含有する水溶液バインダー組成物であって、
    組成物温度を25℃に調整して、当該組成物粘度をX(Pa・s)とし、25℃調整後当該組成物を密閉容器内に入れ25℃で3日間静置した際の当該組成物粘度をX(Pa・s)としたとき、
    下記式で求められる増粘度が0〜10%である、組成物。
    増粘度(%)=(X−X)/X×100
  3. 二次電池用バインダー組成物である、請求項1又は2に記載の組成物。
  4. 前記ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体が、ビニルアルコールとエチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物との共重合体組成モル比が95/5〜5/95の共重合体である、請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。
  5. 前記エチレン性不飽和カルボン酸アルカリ金属中和物が、アクリル酸アルカリ金属中和物及び/又はメタクリル酸アルカリ金属中和物である、請求項1〜4のいずれかに記載の組成物。
  6. 前記カルボキシメチルセルロースが、エーテル化度0.8〜1.2のカルボキシメチルセルロースである、請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。

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