JP6607871B2 - 全固体二次電池、それに用いる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シート、ならびに電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法 - Google Patents

全固体二次電池、それに用いる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シート、ならびに電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、全固体二次電池、それに用いる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シート、ならびに電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法に関する。
リチウムイオン電池には、電解液が用いられている。その電解液を固体電解質に置き換え、構成材料を全て固体にした全固体二次電池とする試みが進められている。無機の固体電解質を利用する技術の利点として挙げられるのが、信頼性である。リチウムイオン二次電池に用いられる電解液には、その媒体として、カーボネート系溶媒など、可燃性の材料が適用されている。様々な安全対策が採られているものの、過充電時などに不具合を来たすおそれがないとは言えず、さらなる対応が望まれる。その抜本的な解決手段として、電解質を不燃性のものとしうる全固体二次電池が位置づけられる。
全固体二次電池のさらなる利点としては、電極のスタックによる高エネルギー密度化に適していることが挙げられる。具体的には、電極と電解質を直接並べて直列化した構造を持つ電池にすることができる。このとき、電池セルを封止する金属パッケージ、電池セルをつなぐ銅線やバスバーを省略することができるので、電池のエネルギー密度が大幅に高められる。また、高電位化が可能な正極材料との相性の良さなども利点として挙げられる。
上記のような各利点から、次世代のリチウムイオン二次電池として、その開発は精力的に進められている(非特許文献1)。その試みの1つとして固体電解質層や電極層の材料、あるいはその構造に工夫を凝らしたものがある。特許文献1では、アクリル系の樹脂に、乳化剤としてポリオキシエチレンラウリルエーテルを適用する例が開示されている。特許文献2では、水素化ブタジエンゴムやフッ素系樹脂を用いる例が開示されている。特許文献3では、固体電解質材料と電極活物質の体積の比や、その空隙率を調節した例が開示されている。
特開2013−008611号公報 特開2012−178256号公報 特開2012−104270号公報
NEDO技術開発機構,燃料電池・水素技術開発部,蓄電技術開発室「NEDO次世代自動車用蓄電池技術開発 ロードマップ2013」(平成25年8月)
上記特許文献1〜3に開示された技術では、更に高まる高性能化のニーズに応えるにはいまだ十分ではなく、さらなる改良が望まれた。
そこで本発明は、良好な結着性とイオン電導性を実現できる全固体二次電池、それに用いる固体電解質組成物、これを用いた電池用電極シート、ならびに電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法の提供を目的とする。
上記の課題は、以下の手段により解決された。
〔1〕電極層が集電体と無機固体電解質層との間に位置する構造を有する全固体二次電池であって、上記電極層は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含有し、上記電極層において、上記活物質の総体積Vと上記無機固体電解質の総体積VSEの体積比V/VSEが、上記無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにされた、全固体二次電池。
粒子状樹脂:アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
〔2〕上記酸性官能基がカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、またはホスホン酸基である、〔1〕に記載の全固体二次電池。
〔3〕上記繰り返し単位が有する酸性官能基の数が1つである、〔1〕または〔2〕に記載の全固体二次電池。
〔4〕上記電極層の厚みが5μm以上1000μm以下である、〔1〕〜〔3〕のいずれか1つに記載の全固体二次電池。
〔5〕上記ポリマーが側鎖成分として重量平均分子量1,000以上のマクロモノマーに由来する繰り返し単位を組み込んでいる、〔1〕〜〔4〕のいずれか1つに記載の全固体二次電池。
〔6〕上記ポリマーが、(メタ)アクリル酸モノマー、(メタ)アクリル酸エステルモノマー、(メタ)アクリル酸アミドモノマー、および(メタ)アクリロニトリルから選ばれるモノマーに由来する繰り返し単位を含む、〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載の全固体二次電池。
〔7〕上記粒子状樹脂が電極層中に0.1〜20質量%で含有される、〔1〕〜〔6〕のいずれか1つに記載の全固体二次電池。
〔8〕全固体二次電池の電極層の形成に適用される固体電解質組成物であって、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含み、固体電解質組成物の総量に対する固形成分の濃度が1質量%以上70質量%以下である、固体電解質組成物。
粒子状樹脂アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
〔9〕上記酸性官能基がカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、またはホスホン酸基である、〔8〕に記載の固体電解質組成物。
〔10〕上記繰り返し単位が有する酸性官能基の数が1つである、〔8〕または〔9〕に記載の固体電解質組成物。
11〕〔8〕〜〔10〕のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を集電体上に付与して製膜する、電池用電極シートの製造方法。
12〕上記固体電解質組成物の付与により下方の上記集電体側に活物質を偏在させ、上記電極層の上側に無機固体電解質層を形成することで、上記電極層において活物質の総体積Vと無機固体電解質の総体積VSEの体積比V/VSEを無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにする電極層の構造を得る、〔11〕に記載の電池用電極シートの製造方法。
13〕〔11〕または〔12〕に記載の電池用電極シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
14電極層が集電体と無機固体電解質層との間に位置する構造を有する電池用電極シートであって、上記電極層は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含有し、上記電極層において、上記活物質の総体積V と上記無機固体電解質の総体積V SE の体積比V /V SE が、上記無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにされた、電池用電極シート。
粒子状樹脂:アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
15〕〔14〕に記載の電池用電極シートを具備する、全固体二次電池。
本明細書において、特定の符号で表示された置換基や連結基が複数あるとき、あるいは複数の置換基等(置換基数の規定も同様)を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよい。また、複数の置換基等が近接するときにはそれらが互いに結合したり縮合したりして環を形成していてもよい。
本発明の全固体二次電池によれば、良好な結着性とイオン電導性を実現することができる。さらに、本発明の固体電解質組成物および電池用電極シートによれば、上記の優れた性能を有する全固体二次電池を製造することができる。さらに本発明の製造方法によれば、本発明の電池用電極シートおよび全固体二次電池を好適に製造することができる。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
本発明の好ましい実施形態に係る全固体リチウムイオン二次電池を模式化して示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係る正極用電極シートを模式的に示す断面図である。 実施例で利用した試験装置を模式的に示す側断面図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、まずその好ましい応用形態である全固体二次電池の例について説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2(電極層)、固体電解質層3、正極活物質層4(電極層)、正極集電体5を、その順で有する。各層はそれぞれ接触しており、積層した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e)が供給され、そこにリチウムイオン(Li)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。固体電解質組成物は、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層の構成材料として用いることが好ましく、中でも、固体電解質層および正極活物質層、負極活物質層の全ての構成材料として用いることが好ましい。なお、負極活物質層と正極活物質層とを総称して「電極活物質層」または「電極層」と称することがある。また、本明細書において、「固体電解質層」とは特に断らない限り、「無機固体電解質層」と同義である。
正極活物質層4、固体電解質層3、負極活物質層2の厚さは特に限定されないが、目的とする電池用途に応じて、任意に定めることができる。本発明の効果をより顕著に奏させるため、電極層(正極活物質層、負極活物質層)を1μm以上とすることが好ましく、3μm以上とすることがより好ましく、5μm以上とすることがさらに好ましく、10μm以上とすることが特に好ましい。上限としては、2000μm以下が好ましく、1000μm以下がより好ましく、500μm以下が特に好ましい。一方、固体電解質層は正負極の短絡を防止しつつ、薄いことが望ましい。具体的には1μm以上とすることが好ましく、3μm以上とすることがより好ましく、5μm以上とすることがさらに好ましく、10μm以上とすることが特に好ましい。上限としては、500μm以下が好ましく、300μm以下がより好ましく、100μm以下が特に好ましい。
なお、上記負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5の各層の間あるいはその外側には、機能性の層や部材等を適宜介在ないし配設してもよい。また、各層は単層で構成されていても、複層で構成されていてもよい。
<グラジエント構造>
本発明の全固体二次電池は、その電極層が、無機固体電解質と、活物質と、特定官能基をもつポリマー(以下、特定ポリマーと呼ぶことがある)とを含む。本発明においては、その電極層(正極活物質層、負極活物質層)が、その活物質の総体積Vと無機固体電解質の総体積VSEの体積比V/VSE(V)において、変化するようにされたことが好ましく、無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにされていることがより好ましい。すなわち、本実施形態においては、電極層内で無機固体電解質と活物質の傾斜的な構造(グラジエント構造)を有する。これにより、グラジエント構造を有さないものに比べイオン伝導を阻害せず、電池抵抗を低く抑えることが可能となり好ましい。このとき、特定ポリマー(バインダー)を用いることで、活物質や固体電解質に対する結着性を高めると考えられる。また、特定ポリマーは傾斜構造(グラジエント構造)を好適に形成することができる沈降法に適しており、その製造適性にも優れている。
この実施形態を図示すると図2のように示すことができる(ただし、本発明がこの図およびそれに基づく説明により限定して解釈されるものではない)。図は正極用電極シート40を示している。図の黒丸が活物質粒子23、白丸が無機固体電解質粒子24である。集電体5から無機固体電解質層3にかけて、上層D1、中層D2、下層D3に分けると、そこに存在する黒丸と白丸の比率が各層で異なることが分かる。つまり、各層で、無機固体電解質粒子と活物質粒子の比率が異なっている。具体的には、集電体側の下層D3では、活物質粒子が多く配置されている。上層D1では無機固体電解質粒子が多く配置されている。その中間の中層D2ではその間の比率で両者が配置されている。
このような傾斜構造を、活物質の総体積Vと無機固体電解質の総体積VSEとで表示することができる。具体的には、活物質粒子1つの体積をVE1とすると、活物質の総体積はΣVE1となり、これがVで表される。無機固体電解質粒子1つの体積をVSE1とすると、無機固体電解質の総体積はΣVSE1となり、これがVSEで表される。本発明においては、上述したように、V/VSEが集電体側で大きくなる、つまり活物質の比率が大きくなるように設定されている。ここで、Vr=V/VSEとおく。このVrをグラジエント率と称する。そして、電極層を3等分し、それぞれ無機固体電解質層側からD1層、D2層、D3層とする。D1層のVrをVrD1と定義し、D2層のVrをVrD2と定義し、D3層のVrをVrD3と定義する。本発明のグラジエント構造を、VrD3/VrD1で規定すると、本発明においては、これが1.2以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましく、1.7以上であることがさらに好ましく、2以上であることが特に好ましい。上限は特にないが20以下であることが実際的である。無機固体電解質層と電極層との境界は任意に設定されれば良いが、基本的には、無機固体電解質が95%を超える部分、換言すればVr(V/VSE)が0.05を下回る部分から先を無機固体電解質層と定義する。
本発明の電極層においては活物質と無機固体電解質の比率の変化が連続的であることが好ましい。換言すると、その比率が一定の箇所で相応に大きく変わる界面がないことが好ましい。このような両者の比率の変化の連続性を単位厚さ(t)当たりのグラジエント率の変化量dVr(dVr/dt)で評価することができる。dVrは厚さ0.1μmあたりのVrの変化量である。本発明においては、集電体表面S1から固体電解質層表面S2に至るまで、厚み方向のdVrがいずれの箇所でも0.5以下であることが好ましく、0.3以下であることがより好ましく、0.1以下であることが特に好ましい。下限は特にないが、0.00001以上であることが実際的である。なお、後述する貼合法では、通常、上記のdVrは0.6以上となる。
このような無機固体電解質粒子と活物質粒子とが傾斜的に配置された構造(グラジエント構造)を形成する方法は特に限定されないが、例えば次の2つの方法が考慮される。
(1)沈降法
活物質粒子と無機固体電解質粒子とを分散媒に含有させた分散体を形成し、重力の作用を介して無機固体電解質粒子と活物質粒子を鉛直方向に偏在させる。すなわち、活物質粒子の沈降速度Rと、無機固体電解質粒子の沈降速度Rseとの差を利用する方法である。この方法においては活物質、無機固体電解質、分散媒、その他の添加剤(例えばバインダー)等を適切に選定し、R>Rseとなる分散体を構成することが好ましい。これを、集電体に塗布することで、静置した後に上述したグラジエント構造を効果的に形成することができる。
(2)貼合法
無機固体電解質粒子と活物質粒子との分散体中で、活物質粒子の比率を高めた分散体を準備する。これを集電体に塗布する。その乾燥後にさらに無機固体電解質粒子の比率をより高めた分散体を塗布乾燥する。一方で、無機固体電解質層に無機固体電解質粒子の比率を比較的高めにした分散体を塗布し、その乾燥膜を形成する。集電体側の積層複合体と無機固体電解質層側の積層複合体を、これらの操作を必要なだけ繰り返す。こうしてできた集電体と無機固体電解質層とが両側外方になるように貼り合わせ、所望のグラジエント構造を得ることができる。
本発明においてはなかでも、方法(1)が好ましい。このように沈降速度の差を利用する方法を適用することで、無機固体電解質と活物質との濃度の勾配(dVr)が連続的に変化する構造をより好適に実現することができ好ましい。逆に、方法(2)のような手法では、貼り合わせた界面が多くなり抵抗の増大が懸念される。また界面における濃度勾配の差(dVr)が大きくなり、その界面によるイオン伝導性に対する影響がありえる。方法(1)ではそのような界面を生じさせにくく、図2に示したように連続的な濃度勾配をもつ良好な傾斜構造(グラジエント構造)を実現することができ好ましい。
、Rseの制御方法の具体例としては、(1)活物質粒子間を添加物によりつなぎ活物質粒子の凝集体を形成させ、活物質の沈降速度を大きくする方法、(2)無機固体電解質と活物質の分散物の固形分濃度を低くすることで粒子間の反発力を小さくし、密度の高い活物質の沈降速度を大きくする方法が挙げられる。中でも方法(1)が好ましい。(1)の方法で行うことで固形分濃度を低くせず、沈降速度の制御ができるため、電極の厚膜化、高密度化に優位である。
上記のような製法上の利点に鑑み、本発明に固体電解質組成物の固形成分の濃度(固形分濃度)は調節されていることが好ましい。固形成分は、典型的には固体電解質と電極活物質とで構成される。固体電解質組成物の総量に対する固形成分の濃度は1質量%以上が好ましく、3質量%以上がより好ましく、5質量%以上がさらに好ましく、10質量%以上が特に好ましい。上限としては、90質量%以下が好ましく、80質量%以下がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下が特に好ましい。固体電解質と活物質の比率は適宜調節することが好ましく、固体電解質組成物中で、固体電解質100質量部に対して、活物質を50質量部以上とすることが好ましく、100質量部以上とすることがより好ましく、200質量部以上とすることが特に好ましい。上限としては、2000質量部以下とすることが好ましく、1000質量部以下とすることがより好ましく、500質量部以下とすることが特に好ましい。
固体電解質と活物質の比重の差は、沈降法においては大きいことが好ましい。活物質の比重Dと固体電解質の比重Dseの比率(D/Dse)は1.1以上が好ましく、1.3以上がより好ましく、1.5以上がさらに好ましく、1.7以上が特に好ましい。上限としては、5以下が好ましく、4以下がより好ましく、3以下がさらに好ましく、2.5以下が特に好ましい。
<固体電解質組成物>
(無機固体電解質)
無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。この観点から、後記電解質塩(支持電解質)との区別を考慮し、イオン伝導性の無機固体電解質と呼ぶことがある。
主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(PEOなどに代表される高分子電解質、LiTFSIなどに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオンおよびアニオンに解離または遊離していない。この点で、電解液やポリマー中でカチオンおよびアニオンが解離または遊離している無機電解質塩(LiPF、LiBF,LiFSI,LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば特に限定されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
本発明において、無機固体電解質は、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有する。上記無機固体電解質は、この種の製品に適用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。無機固体電解質は(i)硫化物系無機固体電解質と(ii)酸化物系無機固体電解質が代表例として挙げられる。
(i)硫化物系無機固体電解質
硫化物固体電解質は、硫黄(S)を含有し、かつ、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。例えば下記一般式(1)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が挙げられる。

a1b1c1d1e1 一般式(1)

(式中、LはLi、NaおよびKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。なかでも、B、Sn、Si、Al、Geが好ましく、Sn、Al、Geがより好ましい。Aは、I、Br、Cl、Fを示し、I、Brが好ましく、Iが特に好ましい。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜1:1:2〜12:0〜5を満たす。a1はさらに、1〜9が好ましく、1.5〜4がより好ましい。b1は0〜0.5が好ましい。d1はさらに、3〜7が好ましく、3.25〜4.5がより好ましい。e1はさらに、0〜3が好ましく、0〜1がより好ましい。)
一般式(1)において、L、M、P、S及びAの組成比は、好ましくはb1、e1が0であり、より好ましくはb1=0、e1=0で且つa1、c1及びd1の比(a1:c1:d1)がa1:c1:d1=1〜9:1:3〜7であり、さらに好ましくはb1=0、e1=0で且つa1:c1:d1=1.5〜4:1:3.25〜4.5である。各元素の組成比は、下記するように、硫化物系固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系固体電解質は、非結晶(ガラス)であっても結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよく、一部のみが結晶化していてもよい。
Li−P−S系ガラスおよびLi−P−S系ガラスセラミックスにおける、LiSとPとの比率は、LiS:Pのモル比で、好ましくは65:35〜85:15、より好ましくは68:32〜75:25である。LiSとPとの比率をこの範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度を高いものとすることができる。具体的には、リチウムイオン伝導度を好ましくは1×10−4S/cm以上、より好ましくは1×10−3S/cm以上とすることができる。上限は特にないが、1×10−1S/cm以下であることが実際的である。
具体的な化合物例としては、例えばLiSと、第13族〜第15族の元素の硫化物とを含有する原料組成物を用いてなるものを挙げることができる。具体的には、LiS−P、LiS−LiI−P、LiS−LiI−LiO−P、LiS−LiBr−P、LiS−LiO−P、LiS−LiPO−P、LiS−P−P、LiS−P−SiS、LiS−P−SnS、LiS−P−Al、LiS−GeS、LiS−GeS−ZnS、LiS−Ga、LiS−GeS−Ga、LiS−GeS−P、LiS−GeS−Sb、LiS−GeS−Al、LiS−SiS、LiS−Al、LiS−SiS−Al、LiS−SiS−P、LiS−SiS−P−LiI、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、Li10GeP12などが挙げられる。その中でも、LiS−P、LiS−GeS−Ga、LiS−LiI−P、LiS−LiI−LiO−P、LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO4、LiS−LiPO−P、LiS−GeS−P、Li10GeP12からなる結晶質およびまたは非晶質の原料組成物が高いリチウムイオン伝導性を有するので好ましい。このような原料組成物を用いて硫化物固体電解質材料を合成する方法としては、例えば非晶質化法を挙げることができる。非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法および溶融急冷法を挙げることができ、中でもメカニカルミリング法が好ましい。常温での処理が可能になり、製造工程の簡略化を図ることができるからである。
硫化物固体電解質は、下記一般式(2)で表されるものがより好ましい。
Lilamana 一般式(2)
式中、la〜naは各元素の組成比を示し、la:ma:naは2〜4:1:3〜10を満たす。
(ii)酸化物系無機固体電解質
酸化物系固体電解質は、酸素(O)を含有し、かつ、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
具体的な化合物例としては、例えばLixaLayaTiO〔xa=0.3〜0.7、ya=0.3〜0.7〕(以下単に「LLT」ともいう)、LixbLaybZrzbbb mbnb(MbbはAl,Mg,Ca,Sr,V,Nb,Ta,Ti,Ge,In,Snの少なくとも1種以上の元素でありxbは5≦xb≦10を満たし、ybは1≦yb≦4を満たし、zbは1≦zb≦4を満たし、mbは0≦mb≦2を満たし、nbは5≦nb≦20を満たす。)Lixcyccc zcnc(MccはC,S,Al,Si,Ga,Ge,In,Snの少なくとも1種以上の元素でありxcは0≦xc≦5を満たし、ycは0≦yc≦1を満たし、zcは0≦zc≦1を満たし、ncは0≦nc≦6を満たす。)、Lixd(Al,Ga)yd(Ti,Ge)zdSiadmdnd(ただし、1≦xd≦3、0≦yd≦1、0≦zd≦2、0≦ad≦1、1≦md≦7、3≦nd≦13)、Li(3−2xe)ee xeeeO(xeは0以上0.1以下の数を表し、Meeは2価の金属原子を表す。Deeはハロゲン原子または2種以上のハロゲン原子の組み合わせを表す。)、LixfSiyfzf(1≦xf≦5、0<yf≦3、1≦zf≦10)、Lixgygzg(1≦xg≦3、0<yg≦2、1≦zg≦10)、LiBO−LiSO、LiO−B−P、LiO−SiO、LiBaLaTa12、LiPO(4−3/2w)(wはw<1)、LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO、ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO、NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi12、Li1+xh+yh(Al,Ga)xh(Ti,Ge)2−xhSiyh3−yh12(ただし、0≦xh≦1、0≦yh≦1)、ガーネット型結晶構造を有するLiLaZr12等が挙げられる。またLi、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えばリン酸リチウム(LiPO)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、LiPOD(Dは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Au等から選ばれた少なくとも1種)等が挙げられる。また、LiAON(Aは、Si、B、Ge、Al、C、Ga等から選ばれた少なくとも1種)等も好ましく用いることができる。
その中でも、LixaLayaTiO〔xa=0.3〜0.7、ya=0.3〜0.7〕(LLT)、LixbLaybZrzbbb mbnb(MbbはAl,Mg,Ca,Sr,V,Nb,Ta,Ti,Ge,In,Snの少なくとも1種以上の元素でありxbは5≦xb≦10を満たし、ybは1≦yb≦4を満たし、zbは1≦zb≦4を満たし、mbは0≦mb≦2を満たし、nbは5≦nb≦20を満たす。)、LiLaZr12(以下単に「LLZ」ともいう)、LiBO、LiBO−LiSO、Lixd(Al,Ga)yd(Ti,Ge)zdSiadmdnd(ただし、1≦xd≦3、0≦yd≦1、0≦zd≦2、0≦ad≦1、1≦md≦7、3≦nd≦13)が好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
リチウムイオン伝導性の酸化物系無機固体電解質としてのイオン伝導度は、1×10−6S/cm以上であることが好ましく、5×10−6S/cm以上であることがより好ましく、1×10−5S/cm以上であることが特に好ましい。
本発明においては、なかでも硫化物系の無機固体電解質を用いることが好ましい。硫化物系の無機固体電解質は総じてより活物質に対して比重が軽い。そのため、上述した沈降法におけるグラジエント構造の形成効果がより顕著になり好ましい。
無機固体電解質の平均粒子径は特に限定されないが、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。上限としては、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。なお、無機固体電解質粒子の平均粒子径の測定は、以下の手順で行う。
無機粒子を水(水に不安定な物質の場合はヘプタン)を用いて20mlサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調整する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。
無機固体電解質の固体電解質組成物中の固形成分における濃度は、電池性能と界面抵抗の低減・維持効果の両立を考慮したとき、固形成分100質量%において、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、同様の観点から、99.9質量%以下であることが好ましく、99.5質量%以下であることがより好ましく、99質量%以下であることが特に好ましい。
なお、本明細書において固形成分とは、170℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分を言う。典型的には、後記分散媒体以外の成分を指す。
上記無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(特定ポリマー)
本発明の好ましい実施形態に用いられるバインダーを構成する特定ポリマーは、特定官能基を有する。このポリマーは側鎖成分として重量平均分子量1,000以上のマクロモノマー(X)に由来する繰り返し単位が組み込まれていることが好ましい。また、アクリル樹脂もしくはウレタン樹脂であることが好ましい。
・主鎖成分
本実施形態のポリマーの主鎖は特に限定されず、通常のポリマー成分で構成することができる。主鎖成分を構成するモノマーとしては、重合性不飽和結合を有するモノマーであることが好ましく、例えばビニル系モノマーやアクリル系モノマーを適用することができる。本発明においては、中でも、主鎖成分として、アクリル系モノマーを用いることが好ましい。さらに好ましくは、主鎖成分として、(メタ)アクリル酸モノマー、(メタ)アクリル酸エステルモノマー、(メタ)アクリル酸アミドモノマー、および(メタ)アクリロニトリルから選ばれるモノマーを用いることが好ましい。重合性基の数は特に限定されないが、1〜4個であることが好ましい。
本実施形態のポリマーは、酸性官能基(例えば下記官能基群(a))、アミド基(CONR)、およびヒドロキシル基から選ばれる少なくとも1つを特定官能基として有しており酸性官能基を有していることが好ましい。特定官能基は、主鎖に含まれていても、後述する側鎖に含まれていてもよい。特定官能基が含まれることで、とくに沈降法において良好な特性を示し所望のグラジエント構造が形成されると考えられる。なお、酸性官能基は塩を形成していてもよい。また、2価の酸(リン酸基やコハク酸基など)の場合は、モノエステルになっていてもよい。
官能基群(a)
カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基
上記のポリマーをなすビニル系モノマーとしては、下記一般式(a−1)または(a−2)で表されるものが好ましい。なかでも、上述したとおり、本発明に係るポリマーには、特定官能基(酸性官能基等)含有モノマーを少なくとも一部に用いることが好ましい。
Figure 0006607871
式中、Rは水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、ハロゲン原子、カルボキシル基、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6が特に好ましい)、アルキニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6が特に好ましい)、またはアリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましい)を表す。中でも水素原子またはアルキル基が好ましく、水素原子またはメチル基がより好ましい。
は、水素原子または置換基Tが挙げられる。なかでも、水素原子、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜23が好ましく、7〜15がより好ましい)、アルコキシ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい)、アリールオキシ基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、アラルキルオキシ基(炭素数7〜23が好ましく、7〜15がより好ましく、7〜11が特に好ましい)、シアノ基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、チオール基(スルファニル基)、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基、酸素原子を含有する脂肪族複素環基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、(メタ)アクリロイル基、またはアミノ基(NR :Rは後記の定義に従い、好ましくは水素原子または炭素数1〜3のアルキル基)が好ましい。なかでも、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、シアノ基、エテニル基、フェニル基、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、チオール基、スルホン酸基等が好ましい。
は置換基を取りうる基であるとき(例えば、アルキル基、アルケニル基、アリール基等)、さらに後記置換基Tを有していてもよい。なかでも、カルボキシル基、ハロゲン原子(フッ素原子等)、ヒドロキシル基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基、アルキル基、アルケニル基(ビニル基、アリル基)などが置換していてもよい。アルキル基が置換基を有する基であるとき、例えば、ハロゲン(フッ素)化アルキル基や、(メタ)アクリロイルオキシアルキル基が挙げられる。アリール基であるときには、安息香酸基等のカルボキシアリール基や、フェノール基等のヒドロキシアリール基、ハロゲン(臭素)化アリール基が挙げられる。
は、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン酸基等の酸性基であるときは、その塩であったり、エステルであったりしてもよい。エステル化する部分としては、例えば炭素数1〜6のアルキル基や、炭素数1〜6のアルキル基に(メタ)アクリロイルオキシ基が置換した基が挙げられる。
酸素原子を含有する脂肪族複素環基は、エポキシ基含有基、オキセタン基含有基、テトラヒドロフリル基含有基などが好ましい。
は、任意の連結基であり、後記連結基Lの例が挙げられる。具体的には、なかでも、アルキレン基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)、アルケニレン基(炭素数2〜22が好ましく、2〜14がより好ましく、2〜10が特に好ましい)、アリーレン基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)、カルボニル基、リン酸連結基(−O−P(OH)(O)−O−)、ホスホン酸連結基(−P(OH)(O)−O−)、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、(ポリ)アミド基、またはそれらの組合せに係る基等が挙げられる。上記連結基は任意の置換基を有していてもよい。連結原子数、連結基を構成する原子の数の好ましい範囲も後記と同様である。任意の置換基としては、置換基Tが挙げられ、例えば、アルキル基またはハロゲン原子などが挙げられる。連結基の組合せ数(COとOが組み合わされれば、組合せ数は2となる)は、1〜16が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい。
は、式中の二重結合に−CO−O−で連結するとき、その先の残部は、単結合になること、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキレン基、酸素原子、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、またはそれらの組合せに係る基であることが好ましい。連結基の組合せ数の好ましい範囲は上記と同義である。
は、式中の二重結合に−O−で連結するとき、あるいは、COもOもとらないとき、その先の残部は、単結合になることが好ましい。
はなかでも−CO−O−連結を含む、つまりバインダーがアクリル系の高分子化合物で構成されることが好ましい。高分子化合物中のアクリルモノマーの共重合比は、モル分率で0.1〜1が好ましく、0.3〜1がより好ましく、0.5〜1がさらに好ましく、0.8〜1が特に好ましい。
nは0または1である。
αは非芳香族性の環状構造部を表し、4員〜7員環であることが好ましく、5員または6員環であることがより好ましい。αは非芳香族炭化水素環であっても、非芳香族複素環であってもよい。αが非芳香族複素環であるとき、複素原子またはその基としては、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、イミノ基(NR)、窒素原子(=N−)が挙げられる。
としては、後記置換基Tの例が挙げられる。このRは環構造αと二重結合で結合してもよい。たとえば、環内の炭素原子をともなったカルボニル構造(>C=O)、イミノ構造(>C=NR)として置換する例が挙げられる。Rが複数あるときには、互いに連結して環構造を形成していてもよい。
環構造αとしては、シクロヘキセン環、ノルボルネン環、マレイミド環が挙げられる。
pは0以上置換可能な数以下の整数である。
上記のポリマーをなすモノマーとしては、下記一般式(b−1)〜(b−10)のいずれかで表されるものが好ましい。なかでも、上述したとおり、本発明に係るポリマーには、特定官能基(例えば酸性官能基)含有モノマーを少なくとも一部に用いることが好ましい。
Figure 0006607871
、nは、上記一般式(a−1)と同義である。
は、Rと同義である。ただし、その好ましいものとしては、水素原子、ハロゲン原子(フッ素原子)を有することがあるアルキル基、カルボキシル基またはハロゲン原子を有することがあるアリール基、カルボキシル基、チオール基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、酸素原子を含有する脂肪族複素環基、アミノ基(NR )などが挙げられる。
は、任意の連結基であり、Lの例が好ましく、酸素原子、アルキレン基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)、アルケニレン基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましい)、カルボニル基、イミノ基(NR)、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、またはそれらの組合せに係る基等がより好ましい。連結基の組合せ数は、1〜16が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい。
は連結基であり、Lの例が好ましく、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキレン基がより好ましい。
は、Lと同義であり、なかでも、アルキレン基、リン酸連結基、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、またはこれらの組合せが好ましい。連結基の組合せ数は、1〜16が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい。
は、水素原子、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキル基、炭素数0〜6(好ましくは0〜3)のヒドロキシル基含有基、炭素数0〜6(好ましくは0〜3)のカルボキシル基含有基、または(メタ)アクリロイルオキシ基含有基である。なお、Rは上記Lの連結基(たとえば酸素原子)になって、この部分で二量体を構成していてもよい。
qは0または1である。
mは1〜200の整数を表し、1〜100の整数であることが好ましく、1〜50の整数であることがより好ましい。
は、スルホン酸基、ヒドロキシル基またはアルケニル基を有することがあるアリール基、アルケニル基、シアノ基、アルキル基、カルボキシル基、カルボキシルアルキル基(炭素数2〜13が好ましく、2〜7がより好ましく、2〜4が特に好ましい)のいずれかである。特定ポリマーがヒドロキシル基を有するポリマーであるとき、
rは0または1である。rが1であるときは、なかでも、Rがアルキル基またはアリール基であることが好ましい。
はRと同義である。なかでも、水素原子、アルキル基、アリール基が好ましい。
sは0〜8の整数である。Rは2つ以上あるとき互いに連結して環構造を形成してもよい。
は、水素原子または置換基Tが挙げられる。なかでも、水素原子、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜23が好ましく、7〜15がより好ましい)が好ましい。なかでも、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基が特に好ましい。
は、Rと同義である。RおよびRはさらに置換基を有してもよく、例えば、特定官能基を有していてもよい。
上記一般式(b−1)〜(b−10)において、アルキル基やアリール基、アルキレン基やアリーレン基など置換基を取ることがある基については、本発明の効果を維持する限りにおいて任意の置換基を有していてもよい。任意の置換基としては、例えば、置換基Tが挙げられ、具体的には、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、カルボキシル基、チオール基、アシル基、アシルオキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アリーロイル基、アリーロイルオキシ基、アミノ基等の任意の置換基を有していてもよい。
特定ポリマーは、特定官能基(酸性官能基、ヒドロキシル基、アミド基)を有するものであるが、これは、下記(i)〜(iii)のいずれかのモノマー条件を満たすものであることが好ましい。
(i)酸性官能基含有モノマー
一般式(b−1)でnが0であり、Rが水素原子である。
一般式(b−1)でRがカルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、またはスルホン酸基を有する基である。
一般式(b−2)でqが1であり、nが0であり、Rが水素原子である。
一般式(b−2)でRがカルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、またはスルホン酸基を有する基である。
一般式(b−8)でRがカルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、またはスルホン酸基を有する基である。
具体的には下記a101〜108で表されるモノマーなどが挙げられる。
(ii)ヒドロキシル基含有モノマー
一般式(b−1),(b−2),(b−8)で、RまたはRがヒドロキシル基を有するアルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6が特に好ましい)である。
具体的には下記に記載のA−10、A−13などが挙げられる。
(iii)アミド基含有モノマー
一般式(b−7)、一般式(b−10)で表される。具体的には下記に記載のA−22、A−23、A−24、A−25、A−57、A−58などが挙げられる
以下に特定ポリマーの主鎖をなすモノマーの例を挙げるが、本発明がこれにより限定して解釈されるものではない。Aで始まる化合物は酸性官能基を有さない例であり、aで始まる化合物は酸性官能基を有する例である。下記式中でのnは上記とは異なり1〜1,000,000を表し、1〜10,000が好ましく、1〜500がより好ましい。
Figure 0006607871
Figure 0006607871
Figure 0006607871
酸性官能基の導入方法として、例えばAのモノマーに由来する繰り返し構造をもつポリマーを重合する際に、aで例示のような酸性官能基を含有するモノマーと共重合する方法が挙げられる。あるいは酸性官能基含有の開始剤や連鎖移動剤と重合することでポリマー末端に官能基を導入しても良いし、高分子反応で側鎖や末端に酸性基を導入しても良い。また市販の酸性官能基含有ポリマーを使用してもよい。例えば旭化成株式会社製のタフテックM1911、タフテックM1913、住化ケムテックス株式会社製SUMIFITTシリーズ、JSR社製DYNARON4630P、DYNARON8630P、日本ゼオン社製Nipol LXシリーズの変性タイプ、アルケマ株式会社製のKYNAR ADXシリーズなどが挙げられる)。酸性官能基以外のアミド基やヒドロキシル基についても同様にして特定ポリマー中に組み込むことができる。
上記ポリマーの酸性官能基を有する繰り返し単位(単量体)のポリマー中の含有量(共重合比)は、酸当量基準で、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることが特に好ましい。上限は50質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることが特に好ましい。上記ポリマーの酸性官能基を有する繰り返し単位を上記の範囲に調節することにより固体電解質(SE)層の自発形成性と結着性を両立することができ好ましい。ここで、酸当量基準とは、酸性官能基の価数(遊離プロトンの数)を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。たとえば、繰り返し単位中にカルボキシル基が1つある場合は、上記の上下限値がそのままその繰り返し単位の好ましい範囲となる。カルボキシル基が2つの場合(例えばコハク酸基)や、リン酸基の場合は遊離プロトンが2つとなり、2当量となる。したがって、上記の上下限値を2で割った値がその繰り返し単位の好ましい範囲となる。リン酸基(2当量)ではその繰り返し単位が同様に上記の半分の比率であることが好ましい共重合比率となる。
・側鎖成分(マクロモノマー(X))
マクロモノマーは、重量平均分子量が1,000以上であることが好ましく、2,000以上であることがより好ましく、3,000以上であることが特に好ましい。上限としては、500,000以下であることが好ましく、100,000以下であることがより好ましく、30,000以下であることが特に好ましい。
特定ポリマーにおける上記の側鎖成分は溶媒への分散性を良化する働きを有するものと解される。これにより、ポリマーが溶媒中で粒子状に好適に分散されるので、固体電解質を局部的あるいは全面的に被覆することなく固着させることができる。その結果、ポリマー粒子間に均等な間隔が保持され、粒子間の電気的なつながりが遮断されない。そのため、固体粒子間、集電体間等の界面抵抗の上昇が抑えられると考えられる。さらに、そのポリマーが側鎖を有することでポリマー粒子が固体電解質粒子に付着するだけでなく、その側鎖が絡みつく効果も期待できる。これにより固体電解質に係る界面抵抗の抑制と固着性の良化との両立が図られるものと考えられる。さらに、その分散性の良さから、水中乳化重合などと比較して有機溶媒中に転層させる工程を省略でき、また、沸点が低い溶媒を分散媒として用いることができるようにもなる。なお、側鎖成分(X)の分子量は、ポリマーを合成するときに組み込む重合性化合物(マクロモノマー)の分子量を測定することで同定することができる。
−分子量の測定−
本発明においてポリマーの分子量については、特に断らない限り、重量平均分子量をいい、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算の重量平均分子量を計測する。測定法としては、基本として下記条件1または条件2(優先)の方法により測定した値とする。ただし、ポリマー種によっては適宜適切な溶離液を選定して用いればよい。
(条件1)
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM−Hを2本つなげる
キャリア:10mMLiBr/N−メチルピロリドン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
(条件2)優先
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM−H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000をつないだカラムを用いる
キャリア:テトラヒドロフラン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
マクロモノマー(X)のSP値は10以下であることが好ましく、9.5以下であることがより好ましい。下限値は特にないが、5以上であることが実際的である。
−SP値の定義−
本明細書においてSP値は、特に断らない限り、Hoy法によって求める(H.L.Hoy Journal of Painting,1970,Vol.42,76−118)。また、SP値については単位を省略して示しているが、その単位はcal1/2cm−3/2である。なお、側鎖成分(X)のSP値は、上記側鎖をなす原料モノマーのSP値とほぼ変わらず、それにより評価してもよい。
上記のマクロモノマー(X)の側鎖成分の主鎖は特に限定されず、通常のポリマー成分を適用することができる。マクロモノマー(X)は、好ましくはその末端に重合性基を有し、より好ましくはその片末端もしくは両末端に重合性基を有する。重合性基は、重合性不飽和結合を有する基であることが好ましく、例えば各種のビニル基や(メタ)アクリロイル基を挙げることができる。本発明においては、中でも、マクロモノマー(X)が(メタ)アクリロイル基を有することが好ましい。
なお、本明細書において、「アクリル」ないし「アクリロイル」と称するときには、アクリロイル基のみならずその誘導構造を含むものを広く指し、アクリロイル基のα位に特定の置換基を有する構造を含むものとする。ただし、狭義には、α位が水素原子の場合をアクリルないしアクリロイルと称することがある。α位にメチル基を有するものをメタクリルと呼び、アクリル(α位が水素原子)とメタクリル(α位がメチル基)のいずれかのものを意味して(メタ)アクリルなどと称することがある。
上記マクロモノマー(X)は、(メタ)アクリル酸モノマー、(メタ)アクリル酸エステルモノマー、および(メタ)アクリロニトリルから選ばれるモノマーに由来する繰り返し単位を含むことが好ましい。また、上記マクロモノマー(X)は、重合性二重結合と炭素数6以上の炭化水素構造単位S(好ましくは炭素数6以上30以下のアルキレン基、より好ましくは炭素数8以上24以下のアルキレン基)を含むことが好ましい。このように、マクロモノマーが炭化水素構造単位Sを有することで、溶媒との親和性が高くなり分散安定性が向上するという作用が期待できる。ここで、後記マクロモノマー M−1を例にすると、炭化水素構造単位Sは、メタクリル酸ドデシルに由来する構造におけるドデシルである。
上記のマクロモノマー(X)は、下記一般式(P)で表される部位を重合性基ないしその一部として有することが好ましい。
Figure 0006607871
11はRと同義である。*は結合部である。
上記のマクロモノマー(X)の重合性基としては、下記一般式(P−1)〜(P−3)のいずれかで表される部位であることが好ましい。以下これらの部位を「特定重合性部位」と呼ぶことがある。
Figure 0006607871
12はRと同義である。*は結合部である。Rは後記置換基Tで示す定義と同義である。一般式(P−3)のベンゼン環には任意の置換基Tが置換していてもよい。
上記のマクロモノマー(X)は、下記一般式(N−1)〜(N−3)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 0006607871
Pは重合性基である。L11〜L17はそれぞれ独立に連結基である。k1、k2、k3、k12、k13はモル分率である。mは1〜200の整数である。nは0または1である。R13〜R15、R21、R23はそれぞれ独立に、重合性基またはR(水素原子、ヒドロキシル基、シアノ基、ハロゲン原子、カルボキシル基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、またはアリール基)である。R16は水素原子または置換基である。qは0または1である。R22はR21より高分子量の鎖状構造部位である。R24は水素原子または置換基である。
Pは重合性基であり、好ましくは、上記の一般式(P)ないし(P−1)〜(P−3)である。L11〜L17はそれぞれ独立に連結基Lであり、上記のLと同義であることが好ましい。
本明細書において、一般式(N−3)に記載するように波線を用いて表した左端の構造は、主鎖の少なくとも一方の末端構造を表す。
11は、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキレン基、炭素数6〜24(好ましくは6〜10)のアリーレン基、酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)、カルボニル基、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、(ポリ)アミド基またはそれらの組合せに係る基が好ましい。L11は置換基Tを有していてもよく、例えば、ヒドロキシル基を有していてもよい。
12およびL13は、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキレン基、炭素数6〜24(好ましくは6〜10)のアリーレン基、酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)、カルボニル基、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、(ポリ)アミド基、またはそれらの組合せに係る基が好ましい。
14は、炭素数1〜24(好ましくは1〜18)のアルキレン基、炭素数6〜24(好ましくは6〜10)のアリーレン基、酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)、カルボニル基、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、(ポリ)アミド基、またはそれらの組合せに係る基が好ましく、(ポリ)アルキレンオキシ基(xが1〜4)が特に好ましい。そのときのアルキレン基の炭素数は1〜12が好ましく、1〜8がより好ましく、1〜6が特に好ましい。このアルキレン基は置換基Tを有していてもよく、例えば、ヒドロキシル基を有していてもよい。
15は、なかでも、アルキレン基が好ましい。比較的長鎖であることが好ましく、炭素数4〜30が好ましく、炭素数6〜20がより好ましく、炭素数6〜16が特に好ましい。L15は任意の置換基を有していてもよい。任意の置換基としては、例えば、置換基Tが挙げられ、具体的には、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、カルボキシル基、チオール基、アシル基、アシルオキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アリーロイル基、アリーロイルオキシ基、アミノ基等の任意の置換基を有していてもよい。
16は、単結合(n=0)になることが好ましい。
17は、炭素数1〜6(好ましくは1〜3)のアルキレン基、炭素数6〜24(好ましくは6〜10)のアリーレン基、酸素原子、硫黄原子、イミノ基(NR)、カルボニル基、(ポリ)アルキレンオキシ基、(ポリ)エステル基、(ポリ)アミド基またはそれらの組合せに係る基が好ましい。L17は置換基Tを有していてもよく、例えば、ヒドロキシル基を有していてもよい。
nは0または1である。
11〜L16はなかでも、酸素原子、炭素原子、水素原子、硫黄原子、窒素原子で構成された原子数1〜60(好ましくは1〜30)の連結基であることが好ましい。連結基の構成原子数としては4〜40が好ましく、6〜24がより好ましい。
k1、k2、k3はポリマー中の各繰り返し単位のモル分率で、k1+k2+k3=1である。k1は0.001〜0.3が好ましく、0.01〜0.1がより好ましい。k2は0〜0.7が好ましく、0〜0.5がより好ましい。k3は0.3〜0.99が好ましく、0.4〜0.9がより好ましい。
mは1〜200の整数を表し、1〜100の整数であることが好ましく、1〜50の整数であることがより好ましい。
k12、k13はポリマー中の各繰り返し単位のモル分率で、k12+k13=1である。k12は0〜0.7が好ましく、0〜0.6がより好ましい。k13は0.3〜1が好ましく、0.4〜1がより好ましい。
13、R14、R15はRと同義の基またはPの重合性基である。なかでも、Rの基が好ましく、水素原子またはアルキル基(炭素数1〜3が好ましい)、シアノ基が好ましい。
16は上記Rと同義である。なかでも、好ましくは、水素原子、炭素数1〜6のアルキレン基、炭素数6〜24(好ましくは6〜10)のアリーレン基、ヒドロキシル基、カルボキシル基である。
qは0または1である。
21、R23は上記のRと同義であることが好ましい。
22はR21より高分子量の鎖状構造部位であり、アルキル基(炭素原子数4〜60が好ましく、6〜36がより好ましい)、アルケニル基(炭素原子数4〜60が好ましく、6〜36がより好ましい)、アリーレン基(炭素原子数4〜60が好ましく、6〜36がより好ましい)、ハロゲン化アルキル基(炭素原子数4〜60が好ましく、6〜36がより好ましい。ハロゲン原子はフッ素原子が好ましい)、(ポリ)オキシアルキレン基含有基、(ポリ)エステル基含有基、(ポリ)アミド基含有基、(ポリ)シロキサン基含有基であることが好ましい。このような部位としては、ヒドロキシル基含有脂肪酸の自己縮合物やアミノ基含有脂肪酸の自己縮合物などが挙げられる。このとき、R22は置換基Tを有してもよく、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アシル基等を適宜有していてもよい。上記連結基含有基は後記連結基Lの定義に従う。その末端基は後記Rであることが好ましい。
24は水素原子または置換基であり、好ましくはRと同義の基である。なかでも、水素原子、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜18がより好ましく、1〜12が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜23が好ましく、7〜15がより好ましい)が好ましい。このとき、R24は置換基Tを有してもよく、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アシル基等を適宜有していてもよい。上記連結基含有基は後記連結基Lの定義に従う。その末端基は後記Rであることが好ましい。
本発明で用いる特定ポリマーとしては、ポリウレタンも好ましい。ポリウレタンは、ジイソシアネート化合物とジオール化合物をチタン、スズ、ビスマス触媒存在下で縮重合することで得られる。
ジイソシアネート化合物
ジイソシアネート化合物としては、特に制限はなく、適宜選択することができ、例えば、下記一般式(M1)で表される化合物などが挙げられる。
Figure 0006607871
ただし、一般式(M1)中、RM1は、置換基(例えば、アルキル基、アラルキル基、アリール基、アルコキシ基またはハロゲン原子が好ましい)を有していてもよい2価の脂肪族もしくは芳香族炭化水素を表す。必要に応じ、RM1は、イソシアネート基と反応しない他の官能基、例えば、エステル基(エステル結合を有する基で、アシルオキシ基、アルコキシカルボニル基またはアリールオキシカルボニル基など)、ウレタン基、アミド基およびウレイド基のいずれかを有していてもよい。
一般式(M1)で表されるジイソシアネート化合物としては、特に制限はなく、例えば、ジイソシアネートと、トリイソシアネート化合物(特開2005−250438号公報の段落番号0034〜0035等に記載の化合物)と、エチレン性不飽和基を有する単官能のアルコール又は単官能のアミン化合物(特開2005−250438号公報の段落番号0037〜0040等に記載の化合物)1当量とを付加反応させて得られる生成物などが挙げられる。
一般式(M1)で表されるジイソシアネート化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、下記一般式(M2)で表される基を含むことが好ましい。
Figure 0006607871
一般式(M2)中、Xは、単結合、−CH−、−C(CH−、−SO−、−S−、−CO−または−O−を表す。結着性の観点で、−CH−または−O−が好ましく、−CH−がより好ましい。ここで例示した上記アルキレン基はハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)で置換されていてもよい。
M2〜RM5はそれぞれ独立に、水素原子、1価の有機基、ハロゲン原子、−ORM6、―N(RM6または−SRM6を表す。RM6は、水素原子または1価の有機基を表す。
1価の有機基としては、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のアルケニル基、−ORM7〔ただし、RM7は1価の有機基(好ましくは炭素数1〜20のアルキル基、炭素数6〜10のアリール基等)を表す〕、アルキルアミノ基(炭素数は、1〜20が好ましく、1〜6がより好ましい)、アリールアミノ基(炭素数は、6〜40が好ましく、6〜20がより好ましい)などが挙げられる。
M2〜RM5は、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基または−ORM7が好ましく、水素原子または炭素数1〜20のアルキル基がより好ましく、水素原子がさらに好ましい。ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子が挙げられる。
一般式(M1)で表されるジイソシアネート化合物としては、下記一般式(M3)で表される基を含むことがより好ましい。
Figure 0006607871
一般式(M3)中、Xは、一般式(M2)のXと同義であり、好ましい範囲も同じである。
一般式(M1)〜(M3)で表される芳香族基の組成比率としては、ポリマー中、10mol%以上が好ましく、10mol%〜50mol%がより好ましく、30mol%〜50mol%が更に好ましい。
一般式(M1)で表されるジイソシアネート化合物の具体例としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、2,4−トリレンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネートの二量体、2,6−トリレンジレンジイソシアネート、p−キシリレンジイソシアネート、m−キシリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、1,5−ナフチレンジイソシアネート、3,3’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート化合物;ヘキサメチレンジイソシアネート、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、ダイマー酸ジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート化合物;イソホロンジイソシアネート、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルイソシアネート)、メチルシクロヘキサン−2,4(又は2,6)ジイソシアネート、1,3−(イソシアネートメチル)シクロヘキサン等の脂環族ジイソシアネート化合物;1,3−ブチレングリコール1モルとトリレンジイソシアネート2モルとの付加体等のジオールとジイソシアネートとの反応物であるジイソシアネート化合物;などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)が好ましい。
ジオール化合物の具体例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3−ブチレングリコール、1,6−ヘキサンジオール、2−ブテン−1,4−ジオール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、1,4−ビス−β−ヒドロキシエトキシシクロヘキサン、シクロヘキサンジメタノール、トリシクロデカンジメタノール、水添ビスフェノールA、水添ビスフェノールF、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加体、ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加体、ビスフェノールFのエチレンオキサイド付加体、ビスフェノールFのプロピレンオキサイド付加体、水添ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加体、水添ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加体、ヒドロキノンジヒドロキシエチルエーテル、p−キシリレングリコール、ジヒドロキシエチルスルホン、ビス(2−ヒドロキシエチル)−2,4−トリレンジカルバメート、2,4−トリレン−ビス(2−ヒドロキシエチルカルバミド)、ビス(2−ヒドロキシエチル)−m−キシリレンジカルバメート、ビス(2−ヒドロキシエチル)イソフタレート、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,10−デカンジオール、2−ブテン−1,4−ジオール、cis−2−ブテン−1,4−ジオール、trans−2−ブテン−1,4−ジオール、
カテコール、レゾルシン、ハイドロキノン、4−メチルカテコール、4−t−ブチルカテコール、4−アセチルカテコール、3−メトキシカテコール、4−フェニルカテコール、4−メチルレゾルシン、4−エチルレゾルシン、4−t−ブチルレゾルシン、4−ヘキシルレゾルシン、4−クロロレゾルシン、4−ベンジルレゾルシン、4−アセチルレゾルシン、4−カルボメトキシレゾルシン、2−メチルレゾルシン、5−メチルレゾルシン、t−ブチルハイドロキノン、2,5−ジ−t−ブチルハイドロキノン、2,5−ジ−t−アミルハイドロキノン、テトラメチルハイドロキノン、テトラクロロハイドロキノン、メチルカルボアミノハイドロキノン、メチルウレイドハイドロキノン、メチルチオハイドロキノン、ベンゾノルボルネン−3,6−ジオール、ビスフェノールA、ビスフェノールS、3,3’−ジクロロビスフェノールS、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−チオジフェノール、2,2’−ジヒドロキシジフェニルメタン、3,4−ビス(p−ヒドロキシフェニル)ヘキサン、1,4−ビス(2−(p−ヒドロキシフェニル)プロピル)ベンゼン、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メチルアミン、1,3−ジヒドロキシナフタレン、1,4−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、1,5−ジヒドロキシアントラキノン、2−ヒドロキシベンジルアルコール、4−ヒドロキシベンジルアルコール、2−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルベンジルアルコール、4−ヒドロキシ−3,5−ジ−t−ブチルベンジルアルコール、4−ヒドロキシフェネチルアルコール、2−ヒドロキシエチル−4−ヒドロキシベンゾエート、2−ヒドロキシエチル−4−ヒドロキシフェニルアセテート、レゾルシンモノ−2−ヒドロキシエチルエーテル、
ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ペンタエチレングリコール、ヘキサエチレングリコール、ヘプタエチレングリコール、オクタエチレングリコール、ジ−1,2−プロピレングリコール、トリ−1,2−プロピレングリコール、テトラ−1,2−プロピレングリコール、ヘキサ−1,2−プロピレングリコール、ジ−1,3−プロピレングリコール、トリ−1,3−プロピレングリコール、テトラ−1,3−プロピレングリコール、ジ−1,3−ブチレングリコール、トリ−1,3−ブチレングリコール、ヘキサ−1,3−ブチレングリコール、平均分子量200のポリエチレングリコール、平均分子量400のポリエチレングリコール、平均分子量600のポリエチレングリコール、平均分子量1,000のポリエチレングリコール、平均分子量1,500のポリエチレングリコール、平均分子量2,000のポリエチレングリコール、平均分子量3,000のポリエチレングリコール、平均分子量7,500のポリエチレングリコール、平均分子量400のポリプロピレングリコール、平均分子量700のポリプロピレングリコール、平均分子量1,000のポリプロピレングリコール、平均分子量2,000のポリプロピレングリコール、平均分子量3,000のポリプロピレングリコール、平均分子量4,000のポリプロピレングリコールなどが挙げられる。
ジオール化合物は市販品としても入手可能であり、例えば、三洋化成工業(株)社製PTMG650、PTMG1000、PTMG20000、PTMG3000、ニューポールPE−61、ニューポールPE−62、ニューポールPE−64、ニューポールPE−68、ニューポールPE−71、ニューポールPE−74、ニューポールPE−75、ニューポールPE−78、ニューポールPE−108、ニューポールPE−128、ニューポールBPE−20、ニューポールBPE−20F、ニューポールBPE−20NK、ニューポールBPE−20T、ニューポールBPE−20G、ニューポールBPE−40、ニューポールBPE−60、ニューポールBPE−100、ニューポールBPE−180、ニューポールBP−2P、ニューポールBPE−23P、ニューポールBPE−3P、ニューポールBPE−5P、ニューポール50HB−100、ニューポール50HB−260、ニューポール50HB−400、ニューポール50HB−660、ニューポール50HB−2000、ニューポール50HB−5100等のポリエーテルジオール化合物、さらにポリエステルジオール化合物、ポリカーボネートジオール化合物およびシリコーンジオール化合物が挙げられる。
ポリエステルジオール化合物としてはポリライトシリーズ(DIC社製)やクラレポリオールPシリーズ、クラレポリオールFシリーズ、クラレポリオールNシリーズ、クラレポリオールPMNAシリーズ((株)クラレ社製)、プラクセルシリーズ((株)ダイセル化学社製)を好適に用いることができる。
ポリカーボネートジオール化合物としてはデュラノールシリーズ(旭化成ケミカルズ(株)社製)、エタナコールシリーズ(宇部興産(株)社製)、プラクセルCDシリーズ((株)ダイセル化学社製)、クラレポリオールCシリーズ((株)クラレ社製)を好適に用いることができる。
シリコーンジオール化合物としては、信越化学工業(株)社製のカルビノール変性シリコーンオイルを用いることができる。具体的にはKF−6000、KF−6001、KF−6002、KF−6003などを好適に用いることができる。
また、3,5−ジヒドロキシ安息香酸、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸、2,2−ビス(2−ヒドロキシエチル)プロピオン酸、2,2−ビス(3−ヒドロキシプロピル)プロピオン酸、ビス(ヒドロキシメチル)酢酸、ビス(4−ヒドロキシフェニル)酢酸、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)酪酸、4,4−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン酸、酒石酸、N,N−ジヒドロキシエチルグリシン、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)−3−カルボキシ−プロピオンアミド等のカルボキシ基を含有するジオール化合物と組み合わせて用いることもできる。
また、特開2003−177533号公報、特開平11−352691号公報、特開平10−260530号公報、特開2005−250158号公報、特開2009−86321号公報に記載されているジオール化合物も好ましく用いることができる。
ジオールとしては、ポリエチレンオキシド鎖、ポリプロピレンオキシド鎖、ポリカーボネート鎖、ポリエステル鎖、シリコーン鎖を有していることが好ましい。またジオールは炭素−炭素不飽和基や極性基(アルコール性水酸基、フェノール性水酸基、メルカプト基、カルボキシ基、スルホ基、スルホンアミド基、リン酸基、シアノ基、アミノ基、双性イオン含有基、金属ヒドロキシド基、金属アルコキシド基)を有していることが好ましい。炭素−炭素不飽和基や極性基を有するジオールとしては、例えば、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸を用いることができる。
炭素−炭素不飽和基を含有するジオール化合物は、市販品としてブレンマーGLM(日油(株)社製)の他、特開2007−187836号公報に記載の化合物を好適に用いることができる。
ポリウレタンの場合、重合停止剤としてモノアルコールやモノアミンを用いることができる。重合停止剤はポリウレタン主鎖の末端部位に導入される。ソフトセグメントをポリウレタン末端に導入する方法として、ポリアルキレングリコールモノアルキルエーテル(ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレンモノアルキルエーテルが好ましい)や、ポリカーボネートジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルジオールモノアルキルエーテル、ポリエステルモノアルコールなどを用いることができる。
また、極性基や炭素−炭素不飽和基を有するモノアルコールやモノアミンを用いることで、ポリウレタン主鎖の末端に極性基や炭素−炭素不飽和基の導入が可能である。例えば、ヒドロキシ酢酸、ヒドロキシプロピオン酸、4−ヒドロキシベンジルアルコール、3−メルカプト−1プロパノール、2,3−ジメルカプト−1−プロパノール、3−メルカプト−1−ヘキサノール、3−ヒドロキシプロパンスルホン酸、2−シアノエタノール、3−ヒドロキシグルタロニトリル、2−アミノエタノール、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−アミノエチルメタクリレート、2−アミノエチルアクリレートなどが挙げられる。
ポリウレタンの場合、イソシアネート化合物部分がハードセグメントとして、ジオール化合物部分がソフトセグメントとして機能することが好ましい。
なお、本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、所望の効果を奏する範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本明細書において置換・無置換を明記していない置換基(連結基についても同様)については、その基に任意の置換基を有していてもよい意味である。これは置換・無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、下記置換基Tが挙げられる。
置換基Tとしては、下記のものが挙げられる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等、ただし本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味である。)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、テトラヒドロピラン、テトラヒドロフラン、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等、ただし本明細書においてアルコキシ基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1−ナフチルオキシカルボニル、3−メチルフェノキシカルボニル、4−メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル等)、アリーロイル基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイル基、例えば、ベンゾイル等、ただし本明細書においてアシル基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等、ただし本明細書においてアシルオキシ基というときには通常アリーロイルオキシ基を含む意味である。)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1−ナフチルチオ、3−メチルフェニルチオ、4−メトキシフェニルチオ等)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数6〜22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、アルキルシリル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルシリル基、例えば、モノメチルシリル、ジメチルシリル、トリメチルシリル、トリエチルシリル等)、アリールシリル基(好ましくは炭素原子数6〜42のアリールシリル基、例えば、トリフェニルシリル等)、アルコキシシリル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等)、アリールオキシシリル基(好ましくは炭素原子数6〜42のアリールオキシシリル基、例えば、トリフェニルオキシシリル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホリル基、例えば、−OP(=O)(R)、ホスホニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホニル基、例えば、−P(=O)(R)、ホスフィニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスフィニル基、例えば、−P(R)、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルイミノ基((メタ)アクリルアミド基)、ヒドロキシル基、チオール基、カルボキシル基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。
また、これらの置換基Tで挙げた各基は、上記の置換基Tがさらに置換していてもよい。
また、上記置換基が酸性基または塩基性基のときはその塩を形成していてもよい。
化合物ないし置換基・連結基等がアルキル基・アルキレン基、アルケニル基・アルケニレン基、アルキニル基・アルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
本明細書で規定される各置換基は、本発明の効果を奏する範囲で下記の連結基Lを介在して置換されていても、その構造中に連結基Lが介在していてもよい。たとえば、アルキル基・アルキレン基、アルケニル基・アルケニレン基等はさらに構造中に下記のヘテロ連結基を介在していてもよい。
連結基Lとしては、炭化水素連結基〔炭素数1〜10のアルキレン基(より好ましくは炭素数1〜6、さらに好ましくは1〜3)、炭素数2〜10のアルケニレン基(より好ましくは炭素数2〜6、さらに好ましくは2〜4)、炭素数2〜10のアルキニレン基(より好ましくは炭素数2〜6、さらに好ましくは2〜4)、炭素数6〜22のアリーレン基(より好ましくは炭素数6〜10)、またはこれらの組合せ〕、ヘテロ連結基〔カルボニル基(−CO−)、チオカルボニル基(−CS−)、エーテル基(−O−)、チオエーテル基(−S−)、イミノ基(−NR−)、アンモニウム連結基(−NR −)、ポリスルフィド基(Sの数が1〜8個)、イミン連結基(R−N=C<,−N=C(R)−)、スルホニル基(−SO−)、スルフィニル基(−SO−)、リン酸連結基(−O−P(OH)(O)−O−)、ホスホン酸連結基(−P(OH)(O)−O−)、またはこれらの組合せ〕、またはこれらを組み合せた連結基が好ましい。なお、置換基や連結基が縮合して環を形成する場合には、上記炭化水素連結基が、二重結合や三重結合を適宜形成して連結していてもよい。形成される環として好ましくは、5員環または6員環が好ましい。5員環としては含窒素の5員環が好ましく、その環をなす化合物として例示すれば、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、インダゾール、インドール、ベンゾイミダゾール、ピロリジン、イミダゾリジン、ピラゾリジン、インドリン、カルバゾール、またはこれらの誘導体などが挙げられる。6員環としては、ピペリジン、モルホリン、ピペラジン、またはこれらの誘導体などが挙げられる。またアリール基、ヘテロ環基等を含むとき、それらは単環でも縮環でもよく、同様に置換されていても無置換でもよい。
は水素原子または置換基である。置換基としては、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アルキニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜22が好ましく、7〜14がより好ましく、7〜10が特に好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)が好ましい。
は水素原子、ヒドロキシル基、または置換基である。置換基としては、アルキル基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルケニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アルキニル基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アラルキル基(炭素数7〜22が好ましく、7〜14がより好ましく、7〜10が特に好ましい)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、アルコキシ基(炭素数1〜24が好ましく、1〜12がより好ましく、1〜6がさらに好ましく、1〜3が特に好ましい)、アルケニルオキシ基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アルキニルオキシ基(炭素数2〜24が好ましく、2〜12がより好ましく、2〜6がさらに好ましく、2〜3が特に好ましい)、アラルキルオキシ基(炭素数7〜22が好ましく、7〜14がより好ましく、7〜10が特に好ましい)、アリールオキシ基(炭素数6〜22が好ましく、6〜14がより好ましく、6〜10が特に好ましい)、が好ましい。
連結基Lを構成する原子の数は、1〜36であることが好ましく、1〜24であることがより好ましく、1〜12であることがさらに好ましく、1〜6であることが特に好ましい。連結基の連結原子数は10以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましい。下限としては、1以上である。上記連結原子数とは所定の構造部間を結ぶ経路に位置し連結に関与する最少の原子数を言う。たとえば、−CH−C(=O)−O−の場合、連結基を構成する原子の数は6となるが、連結原子数は3となる。
具体的に連結基の組合せとしては、以下のものが挙げられる。オキシカルボニル基(−OCO−)、カーボネート基(−OCOO−)、アミド基(−CONR−)、ウレタン基(−NRCOO−)、ウレア基(−NRCONR−)、(ポリ)アルキレンオキシ基(−(Lr−O)x−)、カルボニル(ポリ)オキシアルキレン基(−CO−(O−Lr)x−)、カルボニル(ポリ)アルキレンオキシ基(−CO−(Lr−O)x−)、カルボニルオキシ(ポリ)アルキレンオキシ基(−COO−(Lr−O)x−)、(ポリ)アルキレンイミノ基(−(Lr−NR)x)、アルキレン(ポリ)イミノアルキレン基(−Lr−(NR−Lr)x−)、カルボニル(ポリ)イミノアルキレン基(−CO−(NR−Lr)x−)、カルボニル(ポリ)アルキレンイミノ基(−CO−(Lr−NR)x−)、(ポリ)エステル基(−(CO−O−Lr)x−、−(O−CO−Lr)x−、−(O−Lr−CO)x−、−(Lr−CO−O)x−、−(Lr−O−CO)x−)、(ポリ)アミド基(−(CO−NR−Lr)x−、−(NR−CO−Lr)x−、−(NR−Lr−CO)x−、−(Lr−CO−NR)x−、−(Lr−NR−CO)x−)、(ポリ)シロキサン基(−SiR −)xなどである。xは1以上の整数であり、1〜500が好ましく、1〜100がより好ましい。
Lrはアルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基が好ましい。Lrの炭素数は、1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい(アルケニレン基、アルキニレン基は2以上)。複数のLrやR、R、x等は同じである必要はない。連結基の向きは上記の記載の順序により限定されず、適宜所定の化学式に合わせた向きで理解すればよい。
上記マクロモノマー(X)に、上記の特定官能基(酸性官能基等)を導入してもよい。導入の方法は定法によればよく、主鎖におけることと同じである。
マクロモノマー(X)に由来する繰り返し単位の共重合比は特に限定されないが、バインダー粒子を構成するポリマー中、1質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることが特に好ましい。上限としては、50質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、20質量%以下であることが特に好ましい。
・特定ポリマーの重量平均分子量
特定ポリマーの重量平均分子量は5,000以上であることが好ましく、10,000以上であることがより好ましく、30,000以上であることが特に好ましい。上限としては、1,000,000以下であることが好ましく、200,000以下であることがより好ましい。なお特定ポリマーが架橋されて分子量が測定できない場合はこの限りではない。
特定ポリマーは一種を単独で用いても、複数の種類のものを組み合わせて用いてもよい。また、他の粒子と組み合わせて用いてもよい。
本発明において特定ポリマーは粒子であることが好ましい。特定ポリマーが粒子である場合、特定ポリマーの体積平均粒子径は30μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることがより好ましく、700nm以下であることがさらに好ましく、500nm以下であることがさらに好ましく、300nm以下であることが特に好ましい。下限値は10nm以上に設定されることが好ましく、30nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることがさらに好ましく、100nm以上であることが特に好ましい。本発明において特定ポリマーの平均粒子径は、特に断らない限り、後記実施例の項のバインダーの平均粒子径の測定で測定した条件および定義によるものとする。特定ポリマー粒子の大きさを上記の範囲とすることにより、良好な密着性と界面抵抗の抑制、さらにはグラジエント構造の形成を効果的に実現することができる。
なお、作成された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について後述のポリマーの粒子径測定の方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー以外の粒子の粒子径の測定値を排除することにより行うことができる。
特定ポリマーの配合量は、上記固体電解質(活物質を用いる場合はこれを含む)100質量部に対して、0.1質量部以上であることが好ましく、1質量部以上であることがより好ましく、3質量部以上であることが特に好ましい。上限としては、30質量部以下であることが好ましく、20質量部以下であることがより好ましく、15質量部以下であることが特に好ましい。上記ポリマーを上記の範囲で用いることにより、固体電解質(SE)層の自発形成性と界面抵抗の抑制性とを両立して実現することができるため好ましい。
固体電解質組成物において、固形成分中の特定ポリマーの量は、0.1質量%以上が好ましく、1質量%以上がより好ましく、3質量%以上がさらに好ましく、2質量%以上が特に好ましい。上限としては、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、15質量%以下がさらに好ましく、5質量%以下が特に好ましい。この固形分中の配合は製品(電極層)中の量と実質的に同義である。
(分散媒)
本発明の固体電解質組成物においては、上記の各成分を分散させる分散媒体を用いてもよい。分散媒体としては、例えば、水溶性有機溶媒が挙げられる。分散媒体の具体例としては下記のものが挙げられる。
アルコール化合物溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、2−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオールが挙げられる。
エーテル化合物溶媒としては、アルキレングリコールアルキルエーテル(エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル等)、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンが挙げられる。
アミド化合物溶媒としては、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、2−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、ホルムアミド、N−メチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロパンアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミドなどが挙げられる。
アミノ化合物溶媒としては、例えば、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリブチルアミンなどが挙げられる。
ケトン化合物溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンが挙げられる。
芳香族化合物溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
脂肪族化合物溶媒としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどが挙げられる。
ニトリル化合物溶媒としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル、ブチロニトリルなどが挙げられる。
本発明においては、なかでも、エーテル化合物溶媒、アミノ化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、脂肪族化合物溶媒を用いることが好ましく、中でもCLogP値が−1以上であることが好ましい。CLogP値を上記の範囲に設定することで活物質と溶媒との親和性が低くなり、活物質の沈降を促進すること出来る。分散媒体は常圧(1気圧)での沸点が50℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましい。上限は250℃以下であることが好ましく、220℃以下であることがさらに好ましい。上記分散媒体は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<CLogP値の算定方法>
ClogP値とは、1−オクタノールと水への分配係数Pの常用対数logPを計算によって求めた値である。ClogP値の計算に用いる方法やソフトウェアについては公知の物を用いることができるが、特に断らない限り、本発明ではPerkinElmer社のChemDrawを用いて構造を描画し算出することとする。
(支持電解質[リチウム塩等])
本発明はさらに支持電解質を含んでいてもよい。本発明に用いることができる支持電解質(リチウム塩等)としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はないが、例えば、以下に述べるものが好ましい。
(L−1)無機リチウム塩:LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF等の無機フッ化物塩;LiClO、LiBrO、LiIO等の過ハロゲン酸塩;LiAlCl等の無機塩化物塩等。
(L−2)含フッ素有機リチウム塩:LiCFSO等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(FSO、LiN(CFSO)(CSO)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CFSO等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF(CFCFCF)]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF)]、Li[PF(CFCFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等。
(L−3)オキサラトボレート塩:リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等。
これらのなかで、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiClO、Li(RfSO)、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSO)が好ましく、LiPF、LiBF、LiN(RfSO、LiN(FSO、及びLiN(RfSO)(RfSO)などのリチウムイミド塩がさらに好ましい。ここで、Rf、Rfはそれぞれパーフルオロアルキル基を示す。
なお、電解液に用いる電解質は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
リチウム塩の含有量は、固体電解質100質量部に対して0.1質量部以上であることが好ましく、0.5質量部以上であることがより好ましい。上限としては、10質量部以下であることが好ましく、5質量部以下であることがより好ましい。
(正極活物質)
本発明の固体電解質組成物には、活物質(電極活物質)を含有させるが、正極活物質を含有させることが好ましい。それにより、特に、正極材料用の組成物とすることが好ましい。正極活物質には遷移金属酸化物を用いることが好ましく、中でも、遷移元素M(Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Vから選択される1種以上の元素)を有することが好ましい。また、混合元素M(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P、Bなど)を混合してもよい。遷移金属酸化物をもちいると分散媒との親和性が低くなるため、活物質の沈降を促進すること出来るため好ましい。この、遷移金属酸化物として例えば、下記一般式(MA)〜(MC)のいずれかで表されるものを含む特定遷移金属酸化物、あるいはその他の遷移金属酸化物としてV、MnO等が挙げられる。正極活物質には、粒子状の正極活物質を用いてもよい。具体的に、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できる遷移金属酸化物を用いることができるが、上記特定遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。
遷移金属酸化物としては、上記遷移元素Mを含む酸化物等が好適に挙げられる。このとき混合元素M(好ましくはAl)などを混合してもよい。混合量としては、遷移金属の量に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Mのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
〔一般式(MA)で表される遷移金属酸化物(層状岩塩型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記一般式(MA)で表されるものが好ましい。
Li ・・・ (MA)
式中、Mは上記Maと同義である。aは0〜1.2(0.2〜1.2が好ましい)を表し、0.6〜1.1であることが好ましい。bは1〜3を表し、2であることが好ましい。Mの一部は上記混合元素Mで置換されていてもよい。上記一般式(MA)で表される遷移金属酸化物は典型的には層状岩塩型構造を有する。
本遷移金属酸化物は下記の各一般式で表されるものであることがより好ましい。
(MA−1) LiCoO
(MA−2) LiNiO
(MA−3) LiMnO
(MA−4) LiCoNi1−j
(MA−5) LiNiMn1−j
(MA−6) LiCoNiAl1−j−i
(MA−7) LiCoNiMn1−j−i
ここでgは上記aと同義である。jは0.1〜0.9を表す。iは0〜1を表す。ただし、1−j−iは0以上になる。kは上記bと同義である。上記遷移金属化合物の具体例を示すと、LiCoO(コバルト酸リチウム、以下単に「LCO」ともいう)、LiNiO(ニッケル酸リチウム)、LiNi0.85Co0.1Al0.05(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム、以下単に「NCA」ともいう)、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、以下単に「NMC」ともいう)、LiNi0.5Mn0.5(マンガンニッケル酸リチウム)である。
一般式(MA)で表される遷移金属酸化物は、一部重複するが、表記を変えて示すと、下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(i)LiNiMnCo(x>0.2,y>0.2,z≧0,x+y+z=1)
代表的なもの:
LiNi1/3Mn1/3Co1/3
LiNi1/2Mn1/2
(ii)LiNiCoAl(x>0.7,y>0.1,0.1>z≧0.05,x+y+z=1)
代表的なもの:
LiNi0.8Co0.15Al0.05
〔一般式(MB)で表される遷移金属酸化物(スピネル型構造)〕
リチウム含有遷移金属酸化物としては中でも下記一般式(MB)で表されるものも好ましい。
Li ・・・ (MB)
式中、Mは上記Maと同義である。cは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.6〜1.5であることが好ましい。dは3〜5を表し、4であることが好ましい。
一般式(MB)で表される遷移金属酸化物は下記の各式で表されるものであることがより好ましい。
(MB−1) LiMn
(MB−2) LiMnAl2−p
(MB−3) LiMnNi2−p
mはcと同義である。nはdと同義である。pは0〜2を表す。上記遷移金属化合物の具体例を示すと、LiMn、LiMn1.5Ni0.5である。
一般式(MB)で表される遷移金属酸化物はさらに下記で表されるものも好ましい例として挙げられる。
(a) LiCoMnO
(b) LiFeMn
(c) LiCuMn
(d) LiCrMn
(e) LiNiMn
高容量、高出力の観点で上記のうちNiを含む電極が更に好ましい。
〔一般式(MC)で表される遷移金属酸化物〕
リチウム含有遷移金属酸化物としてはリチウム含有遷移金属リン酸化物を用いることも好ましく、中でも下記一般式(MC)で表されるものも好ましい。
Li(PO ・・・ (MC)
式中、eは0〜2(0.2〜2が好ましい)を表し、0.5〜1.5であることが好ましい。fは1〜5を表し、0.5〜2であることが好ましい。
上記MはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuから選択される一種以上の元素を表す。上記Mは、上記の混合元素Mのほか、Ti、Cr、Zn、Zr、Nb等の他の金属で置換していてもよい。具体例としては、例えば、LiFePO、LiFe(PO等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP等のピロリン酸鉄類、LiCoPO等のリン酸コバルト類、Li(PO(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
なお、Liの組成を表す上記a,c,g,m,e値は、充放電により変化する値であり、典型的には、Liを含有したときの安定な状態の値で評価される。上記一般式(a)〜(e)では特定値としてLiの組成を示しているが、これも同様に電池の動作により変化するものである。
本発明において、用いられる正極活物質の平均粒子径は特に限定されないが、0.1μm〜50μmが好ましい。正極活物質を所定の粒子径にするには、通常の粉砕機や分級機を用いればよい。焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶媒にて洗浄した後使用してもよい。正極活物質粒子の平均粒子径の測定方法は、後記実施例の項で示した無機粒子の平均粒子径の測定方法に準ずる。
正極活物質の濃度は特に限定されないが、固体電解質組成物中、固形成分100質量%において、20〜90質量%であることが好ましく、40〜80質量%であることがより好ましい。
(負極活物質)
本発明の固体電解質組成物には、活物質(電極活物質)を含むが、負極活物質を含有させてもよい。それにより、負極材料用の組成物とすることができる。負極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入・放出できるものが好ましい。その材料は、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、及び、SnやSi、In等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。なかでも炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
負極活物質として用いられる炭素質材料とは、実質的に炭素からなる材料である。例えば、石油ピッチ、天然黒鉛、気相成長黒鉛等の人造黒鉛、及びPAN系の樹脂やフルフリルアルコール樹脂等の各種の合成樹脂を焼成した炭素質材料を挙げることができる。さらに、PAN系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、活性炭素繊維等の各種炭素繊維類、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、平板状の黒鉛等を挙げることもできる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62−22066号公報、特開平2−6856号公報、特開平3−45473号公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5−90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6−4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
負極活物質として適用される金属酸化物及び金属複合酸化物としては、特に非晶質酸化物が好ましく、さらに金属元素と周期律表第16族の元素との反応生成物であるカルコゲナイトも好ましく用いられる。ここでいう非晶質とは、CuKα線を用いたX線回折法で、2θ値で20°〜40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有するものを意味し、結晶性の回折線を有してもよい。2θ値で40°以上70°以下に見られる結晶性の回折線の内最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であるのが好ましく、5倍以下であるのがより好ましく、結晶性の回折線を有さないことが特に好ましい。
上記非晶質酸化物及びカルコゲナイドからなる化合物群のなかでも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドがより好ましく、周期律表第13(IIIB)族〜15(VB)族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、Biの一種単独あるいはそれらの2種以上の組み合わせからなる酸化物、及びカルコゲナイドが特に好ましい。好ましい非晶質酸化物及びカルコゲナイドの具体例としては、例えば、Ga、SiO、GeO、SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Pb、Sb、Sb、Sb、Bi、Bi、SnSiO、GeS、SnS、SnS、PbS、PbS、Sb、Sb、SnSiSなどが好ましく挙げられる。また、これらは、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、LiSnOであってもよい。
負極活物質の平均粒子径は、0.1μm〜60μmが好ましい。所定の粒子径にするには、よく知られた粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミルや篩などが好適に用いられる。粉砕時には水、あるいはメタノール等の有機溶媒を共存させた湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒子径とするためには分級を行うことが好ましい。分級方法としては特に限定はなく、篩、風力分級機などを必要に応じて用いることができる。分級は乾式、湿式ともに用いることができる。負極活物質粒子の平均粒子径の測定方法は、後記実施例の項で示した無機粒子の平均粒子径の測定方法に準ずる。
上記焼成法により得られた化合物の化学式は、測定方法として誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法、簡便法として、焼成前後の粉体の質量差から算出できる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物負極活物質に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素材料や、リチウム、リチウム合金、リチウムと合金可能な金属が好適に挙げられる。
負極活物質はチタン原子を含有することが好ましい。より具体的にはLiTi12がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。特定の負極と更に特定の電解液を組合せることにより、様々な使用条件においても二次電池の安定性が向上する。
本発明においては、Si系の負極を適用することが好ましい。一般的にSi負極は、現行の炭素負極(黒鉛、アセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、重量あたりのLiイオン吸蔵量が増加するため、電池容量を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
負極活物質の濃度は特に限定されないが、固体電解質組成物中、固形成分100質量%において、10〜90質量%であることが好ましく、20〜80質量%であることがより好ましい。
なお、上記の実施形態では、本発明に係る固体電解質組成物に正極活物質ないし負極活物質を含有させる例を示したが、本発明はこれにより限定して解釈されるものではない。例えば、一般のバインダーを用いて固体電解質を含むペーストを調製してもよい。ただし、本発明においては、上述したとおり、上記固体電解質組成物と正極の活物質とを組み合わせて用いることが好ましい。また、正極および負極の活物質層には、適宜必要に応じて導電助剤を含有させてもよい。一般的な導電助剤としては、電子伝導性材料として、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属粉、金属繊維、ポリフェニレン誘導体などを含ませることができる。
<集電体(金属箔)>
正・負極の集電体としては、化学変化を起こさない電子伝導体が用いられることが好ましい。正極の集電体としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。負極の集電体としては、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。
上記集電体の形状としては、通常フィルムシート状のものが使用されるが、ネット、パンチされたもの、ポーラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体なども用いることができる。上記集電体の厚みとしては、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
<全固体二次電池の作製>
全固体二次電池の作製は常法によればよい。具体的には、上記固体電解質組成物を集電体となる金属箔上に塗布し、塗膜を形成した電池用電極シートとする方法が挙げられる。例えば、正極集電体である金属箔上に正極材料となる組成物を塗布後、乾燥し、正極層を形成する。このとき本発明の好ましい実施形態である沈降法によれば、その表層として固体電解質層を形成することができる。あるいは、次いでその電池用正極シート上に、固体電解質組成物を塗布後、乾燥し、固体電解質層を形成してもよい。さらに、その上に、負極材料となる組成物を塗布後、乾燥し、負極層を形成する。その上に、負極側の集電体(金属箔)を重ねることで、正極層と負極層の間に、固体電解質層が挟まれた全固体二次電池の構造を得ることができる。なお、上記の各組成物の塗布方法は常法によればよい。このとき、正極活物質層をなす組成物、無機固体電解質層をなす組成物(固体電解質組成物)、及び負極活物質層をなす組成物のそれぞれの塗布の後に、加熱処理を施しても良いし、重層塗布した後に加熱処理をしても良い。加熱温度は特に限定されないが、30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましく、100℃以上が特に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下がさらに好ましく、150℃以下が特に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、分散媒体を除去し固体状態とすることができる。また、温度を高くしすぎず、電離の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性およびイオン伝導性を得ることができる。
<全固体二次電池の用途>
本発明に係る全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
なかでも、高容量且つ高レート放電特性が要求されるアプリケーションに適用されることが好ましい。例えば、今後大容量化が予想される蓄電設備等においては高い信頼性が必須となりさらに電池性能の両立が要求される。また、電気自動車などは高容量の二次電池を搭載し、家庭で日々充電が行われる用途が想定され、過充電時に対して一層の信頼性が求められる。本発明によれば、このような使用形態に好適に対応してその優れた効果を発揮することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、以下のような各応用形態が導かれる。
(1)周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含んでいる固体電解質組成物(正極または負極の電極用組成物)。
(2)上記固体電解質組成物を金属箔上に製膜した電池用電極シート。
(3)正極活物質層と負極活物質層と固体電解質層とを具備する全固体二次電池であって、上記正極活物質層、負極活物質層、および固体電解質層の少なくともいずれかを上記固体電解質組成物で構成した層とした全固体二次電池。
(4)上記固体電解質組成物を集電体に付与し、下方の上記集電体側に活物質を偏在させてグラジエント構造を形成し、これを製膜する電池用電極シートの製造方法。
(5)上記電池用電極シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
全固体二次電池とは、正極、負極、電解質がともに固体で構成された二次電池を言う。換言すれば、電解質としてカーボネート系の溶媒を用いるような電解液型の二次電池とは区別される。このなかで、本発明は無機全固体二次電池を前提とする。全固体二次電池には、電解質としてポリエチレンオキサイド等の高分子化合物を用いる有機(高分子)全固体二次電池と、上記のLi−P−SやLLT、LLZ等を用いる無機全固体二次電池とに区分される。なお、無機全固体二次電池に高分子化合物を適用することは妨げられず、正極活物質、負極活物質、無機固体電解質粒子のバインダーとして高分子化合物を適用することができる。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi−P−SやLLT、LLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがあるが、上記のイオン輸送材料としての電解質と区別するときにはこれを「電解質塩」または「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては例えばLiTFSI(リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド)が挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集や偏在が生じていてもよい。
固体電解質組成物とはこれに電極活物質を含む組成物を含む意味であり、つまり電極材料組成物(正極材料組成物、負極材料組成物)を包含するものである。
以下に実施例に基づき本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明がこれに限定して解釈されるものではない。なお、特に断らない限り、本実施例で示す配合は質量基準である。
(実施例1・比較例1)
(高分子化合物の合成例)
(1)ポリマーB−1の合成
還流冷却管、ガス導入コックを付した1L三口フラスコに、マクロモノマーM−1の43質量%ヘプタン溶液を47質量部、ヘプタンを60質量部加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。別容器にて調製した液(マクロモノマーM−1の43質量%ヘプタン溶液を93質量部、アクリル酸メチル〔A−1〕(和光純薬工業株式会社製)を100質量部、メタクリル酸メチル〔A−2〕(和光純薬工業株式会社製)を20質量部、アクリル酸〔a−101〕(和光純薬工業株式会社製)を20質量部、重合開始剤(商品名:V−601、和光純薬工業株式会社製)を1.1質量部混合した液)を2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。その後V−601を0.2g添加し、さらに95℃で2時間攪拌した。室温まで冷却したのちヘプタン300mL加えてろ過することでポリマーB−1の分散液を得た。ポリマーB−1の固形分濃度は30.2%、体積平均粒子径は220nm、重量平均分子量は93,000であった。
下記表1に記載の組成とした以外は、上記バインダー粒子B−1分散液の調製と同様にして、バインダー粒子B−2〜BP−11の分散液をそれぞれ調製した。
Figure 0006607871
表中の%は質量%を意味し、共重合比に相当する。
化合物の番号は上記例示化合物を参照する。
M1:繰り返し単位(1)を構成するモノマー
M2:繰り返し単位(2)を構成するモノマー
MM:マクロモノマー
a:酸性官能基含有モノマー
<マクロモノマー M−1の合成例>
還流冷却管、ガス導入コックを付した1L三口フラスコにトルエンを190質量部加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。別容器にて調製した液(処方α)を2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。その後V−601を0.2g添加し、さらに95℃で2時間攪拌した。攪拌後95℃に保った溶液に2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(東京化成工業株式会社製)を0.025質量部、メタクリル酸グリシジル(和光純薬工業株式会社製)を13質量部、テトラブチルアンモニウムブロミド(東京化成工業株式会社製)を2.5質量部加えて大気下で120℃3時間攪拌した。室温まで冷却したのちメタノールに加えて沈殿させメタノールで2回洗浄後、50℃で送風乾燥した。得られた固体を300質量部のヘプタンに溶解させることでマクロモノマーM−1の溶液を得た。固形分濃度は43.4%、SP値は9.1、重量平均分子量は16,000であった。
(処方α)
メタクリル酸ドデシル MM−2(和光純薬工業株式会社製)
150部
メタクリル酸メチル A−2(和光純薬工業株式会社製)
59部
3−メルカプトイソ酪酸 (東京化成工業株式会社製)
2部
V−601 (商品名、和光純薬工業株式会社製)
1.9部
Figure 0006607871
<マクロモノマー M−2の合成例>
12−ヒドロキシステアリン酸(和光純薬工業株式会社製)の自己縮合体(GPCポリスチレンスタンダード重量平均分子量:9,000)にグリシジルメタクリレート(東京化成工業株式会社製)を反応させることでマクロモノマーM−2を得た。12−ヒドロキシステアリン酸とグリシジルメタクリレートの比率は、99:1とした(モル比)。このマクロモノマーM−2のSP値は9.2、重量平均分子量は9,000であった。
Figure 0006607871
<マクロモノマー M−3の合成例>
12−ヒドロキシステアリン酸(和光純薬工業株式会社製)の自己縮合体(GPCポリスチレンスタンダード重量平均分子量:2,000)に4−ヒドロキシスチレン(和光純薬工業株式会社)を反応させることでマクロモノマーM−3を得た。12−ヒドロキシステアリン酸と4−ヒドロキシスチレンの比率は、99:1とした(モル比)。このマクロモノマーM−3のSP値は9.2、重量平均分子量2,100であった。
Figure 0006607871
<マクロモノマー M−4>
片末端メタクリロイル化ポリ−n−ブチルアクリレートオリゴマー(Mw=13,000、商品名:AB−6、東亜合成化学工業(株)製)をマクロモノマーM−4として用いた。このマクロモノマーM−4のSP値は、9.1であった。
<マクロモノマー M−5の合成例>
還流冷却管、ガス導入コックを付した1L三口フラスコにトルエンを190質量部加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。別容器にて調製した液(処方β)を2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。その後V−601を0.2g添加し、さらに95℃で2時間攪拌した。攪拌後95℃に保った溶液に2,2,6,6−テトラメチルピペリジン1−オキシル フリーラジカル(東京化成工業株式会社製)を0.025質量部、メタクリル酸グリシジル(和光純薬工業株式会社製)を13質量部、テトラブチルアンモニウムブロミド(東京化成工業株式会社製)を2.5質量部加えて大気下で120℃3時間攪拌した。室温まで冷却したのちメタノールに加えて沈殿させメタノールで2回洗浄後、50℃で送風乾燥した。得られた固体を300質量部のヘプタンに溶解させることでマクロモノマーM−5の溶液を得た。固形分濃度は38.1%、重量平均分子量は3,500であった。
(処方β)
メタクリル酸ドデシル MM−2(和光純薬工業株式会社製)
150部
メタクリル酸メチル A−2(和光純薬工業株式会社製)
59部
アクリル酸 a−101(和光純薬工業株式会社製)
2部
V−601 (商品名、和光純薬工業株式会社製)
5部
Figure 0006607871
二次電池正極用組成物の調製
正極用組成物(U−1)の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、Li/P/Sを2.7g、ポリマー(B−1)を固形分として0.3g、分散媒として、ヘプタン22gを投入した。その後に、フリッチュ社製遊星ボールミルP−7(商品名)に容器をセットし、25℃で、回転数300rpmで2時間攪拌した。その後、活物質としてNMC(日本化学工業)7.0gを投入し、同様に、遊星ボールミルP−7に容器をセットし、25℃、回転数100rpmで15分間混合を続け、正極用組成物(U−1)を得た。
正極用組成物(U−2)〜(U−18)及び(V−1)〜(V−3)の調製
正極用組成物(U−2)〜(U−18)、(V−1)〜(V−3)についても、表2に記載の材料に変更した以外は、上記と同様の方法で調整した。
Figure 0006607871
<表の注釈>
表中数字は質量比(%)
M1913:旭化成株式会社製タフテックM1913(カルボン酸変性水素添加スチレンブタジエンゴム)
HSBR:水素添加スチレン-ブタジエンゴム
B−12:下記の方法で得たウレタンポリマー
200mLの3つ口フラスコに1,4−ブタンジオール(和光純薬(株)製)3.2g、2,2−ビス(ヒドロキシメチル)プロピオン酸(東京化成(株)製)0.5g、ジメチルホルムアミド45gを加えて50℃で加熱し、溶解させた。50℃で加熱撹拌しながら、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(東京化成(株)製)10.0gを加えた後、80℃で加熱撹拌した。80℃に加熱してから、10分後にビスマス重合触媒ネオスタンU−600(商品名、日東化成(株)製)0.2gを加えて8時間加熱撹拌を続けた。その後メタノール2mLを加えて重合を停止させた。その後、反応液をメタノールに加え、ポリマーの再沈を行った。得られた粉末をろ取し、80℃で真空乾燥し、ポリマーB−12の粉末11.8gを得た。
得られたポリマーのGPCによる重量平均分子量は58,500であった。
BC−1:下記の方法で得たポリマー
オートクレーブに、アクリル酸n−ブチル700部、スチレン200部、メタクリル酸メチル5部、ジビニルベンゼン10部、乳化剤としてのポリオキシエチレンラウリルエーテル(花王社製、エマルゲン108、非イオン性界面活性剤、アルキル基の炭素数12、HLB値12.1)25部、イオン交換水1500部、重合開始剤としての2,2’−アゾビスイソブチロニトリル15部を仕込み、十分攪拌した。その後、80℃に加温して重合を行なった。そして、重合開始後、冷却して重合反応を停止することで、ポリマー粒子のラテックスを得た。
Li/P/S:下記で合成した硫化物固体電解質
アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(LiS、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g、五硫化二リン(P、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、乳鉢に投入した。LiS及びPはモル比でLiS:P=75:25とした。メノウ製乳鉢上において、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP−7に容器をセットし、25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで黄色粉体の硫化物固体電解質材料(Li/P/Sガラス)6.20gを得た。
二次電池用正極シートの作製
上記で得られた各二次電池正極用組成物(U−1等)を厚み20μmのアルミ箔上に、任意のクリアランスを有するアプリケーターにより塗布し、15分間静置した。これを80℃1時間とさらに120℃1時間加熱し、塗布溶媒を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱および加圧し、各二次電池用正極シートを得た(厚さ:80μm)。
全固体二次電池の作製
上記で得られた二次電池電極シートを直径14.5mmの円板状に切り出し、スペーサーとワッシャーを組み込んだステンレス製の2032型コインケースに入れ、固体電解質(SE)層上に15mmφに切り出したインジウム箔を重ねた。その上にさらにステンレス箔を重ねた後、コインケースをかしめることで全固体二次電池を作製した(試験体は図3を参照:11がコインケース、12が固体電解質電極シート、13がコイン電池である。)。
Figure 0006607871
<表の注釈>
SE−SF:固体電解質(SE)層の自発形成性
IC:イオン伝導度
<グラジエント率算出方法>
上記で得られた二次電池用電極シートをArイオンミリング加工法で切断した。断面をSEM−EDXで観察し、電極シートの断面を3等分(固体電解質層側からD1、D2、D3層とする)した(図2参照)。これを、画像処理をすることで各層の固体電解質と活物質の体積比Vr(V/VSE)を求め、以下の計算式によってグラジエント率を求めた。その結果を表3に示す。

A:VrD3/VrD1≧2
B:2>VrD3/VrD1≧1.5
C:1.5>VrD3/VrD1≧1.2
D:1.2>VrD3/VrD1

VrD1とはD1層における固体電解質と活物質の体積比Vr(VSE/V)を指す。
VrD3とはD3層における固体電解質と活物質の体積比Vr(VSE/V)を指す。
<固体電解質(SE)層自発形成性(SE−SF)の評価>
二次電池用電極シートの断面をSEM観察して固体電解質(SE)層の厚みを測定し、下記評価基準に基づいてSE層自発形成性を評価した。その結果を表3に示す。
(評価基準)
5: 10μm以上
4: 5μm以上10μm未満
3: 2μm以上5μm未満
2: 0μm以上2μm未満
1: SE層形成されず
<結着性の評価>
上記で作製した二次電池用電極シートに幅12mm、長さ60mmのセロテープ(登録商標)(ニチバン社製)を貼り、10mm/minの速度で50mm引き剥がした。その際の、引き剥がしたセロテープ(登録商標)の面積に対する剥離したシート部分の面積比率で評価した。測定は10回行い、最大値および最小値を除いた、8回の測定値の平均を採用した。試験用のサンプルは各水準について5つのものを用いてその平均値を採用し、下記評価基準に基づいて結着性を評価した。その結果を表3に示す。
(評価基準)
5: 0以上5%未満
4: 5%以上15%未満
3: 15%以上30%未満
2: 30%以上60%未満
1: 60%以上
<イオン伝導度(IC)の測定>
上記で得られた全固体二次電池を用いて試験を行った。30℃の恒温槽中、SOLARTRON社製 1255B FREQUENCY RESPONSE ANALYZER[商品名]を用いた。条件は、電圧振幅5mV、周波数1MHz〜1Hzまでとして、その交流インピーダンスを測定した。この測定で、試料の膜厚方向の抵抗を求め、下記式(1)によりイオン伝導度を計算して求めた。
イオン伝導度(mS/cm)=
1000×試料膜厚(cm)/(抵抗(Ω)×試料面積(cm2))・・・式(1)
A:0.15mS/cm以上
B:0.12mS/cm以上0.15mS/cm未満
C:0.09mS/cm以上0.12mS/cm未満
D:0.05mS/cm以上0.09mS/cm未満
E:0.05mS/cm未満
試験101の二次電池について、その電極層のdVrを上記SE−SFの測定方法に準じて測定した。その結果、dVrの値は最大で0.5となった。
(実施例2)
上記マクロモノマーM−1に導入したA−2(処方α)の比率を変えたり、除いたり、A−2の一部または全てをA−1、A−30に置き換えたりして各マクロモノマーを合成した。樹脂B−1のマクロモノマーM−1に代えて、これらのマクロモノマーを用いて二次電池を作製し、試験101と同様に実験を行った。その結果、いずれにおいても、上記の各項目で、良好な性能を示すことを確認した。
(実施例3)
上記マクロモノマーM−1に導入したMM−2(処方α)の変わりに、下記の各モノマーを用いてマクロモノマーを合成した。これらのマクロモノマー、あるいは上記のM−2,M−3を用いて二次電池を作製し、試験101と同様に実験を行った。その結果、いずれにおいても、上記の各項目で良好な性能を示すことを確認した。
なお、下記マクロモノマーMM−10におけるn2は、10≦n2≦200を表す。
Figure 0006607871
(実施例4)
上記ポリマーB−1の合成において、主鎖をなすモノマーとして用いたM2(A−2)の一部または全てを、A−27、29、37、52、60、62に置き換えて各ポリマーを合成した。これらの樹脂を用いて二次電池を作製し、試験101と同様に実験を行った。その結果、上記の各項目で良好な性能を示すことを確認した。
(実施例5)
試験101の条件において、ポリマーB−1のa−101を、a−104、112、115、116にそれぞれ代えた以外同様にして各ポリマーを合成した。これらの樹脂を用いて二次電池を作製し、試験101と同様に実験を行った。その結果、上記の各項目で良好な性能を示すことを確認した。
<粒子径の測定>
(特定ポリマーの平均粒子径の測定)
本発明のポリマーの平均粒子径の測定は、以下の手順で行った。
上記にて調製した樹脂を任意の溶媒(固体電解質組成物の調製に用いる分散媒体。例えば樹脂B−1の場合はヘプタンを用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調整した。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用した。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とした。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照した。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用した。
本発明をその実施態様とともに説明したが、我々は特に指定しない限り我々の発明を説明のどの細部においても限定しようとするものではなく、添付の請求の範囲に示した発明の精神と範囲に反することなく幅広く解釈されるべきであると考える。
本願は、2015年2月12日に日本国で特許出願された特願2015−025078に基づく優先権を主張するものであり、これらはいずれもここに参照してその内容を本明細書の記載の一部として取り込む。
1 負極集電体
2 負極活物質層(電極層)
3 固体電解質層
4 正極活物質層(電極層)
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 コインケース
12 シート(固体電解質シートまたは二次電池用電極シート)
13 コイン電池
40 正極用電極シート
D1 上層
D2 中層
D3 下層
23 活物質粒子
24 無機固体電解質粒子
S1 集電体表面
S2 固体電解質層表面

Claims (15)

  1. 電極層が集電体と無機固体電解質層との間に位置する構造を有する全固体二次電池であって、上記電極層は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含有し、上記電極層において、上記活物質の総体積Vと上記無機固体電解質の総体積VSEの体積比V/VSEが、上記無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにされた、全固体二次電池。
    粒子状樹脂:アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
  2. 上記酸性官能基がカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、またはホスホン酸基である、請求項1に記載の全固体二次電池。
  3. 上記繰り返し単位が有する酸性官能基の数が1つである、請求項1または2に記載の全固体二次電池。
  4. 上記電極層の厚みが5μm以上1000μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体二次電池。
  5. 上記ポリマーが側鎖成分として重量平均分子量1,000以上のマクロモノマーに由来する繰り返し単位を組み込んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の全固体二次電池。
  6. 上記ポリマーが、(メタ)アクリル酸モノマー、(メタ)アクリル酸エステルモノマー、(メタ)アクリル酸アミドモノマー、および(メタ)アクリロニトリルから選ばれるモノマーに由来する繰り返し単位を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の全固体二次電池。
  7. 上記粒子状樹脂が電極層中に0.1〜20質量%で含有される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の全固体二次電池。
  8. 全固体二次電池の電極層の形成に適用される固体電解質組成物であって、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含み、固体電解質組成物の総量に対する固形成分の濃度が1質量%以上70質量%以下である、固体電解質組成物。
    粒子状樹脂アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
  9. 上記酸性官能基がカルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、またはホスホン酸基である、請求項8に記載の固体電解質組成物。
  10. 上記繰り返し単位が有する酸性官能基の数が1つである、請求項8または9に記載の固体電解質組成物。
  11. 請求項8〜10のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を集電体上に付与して製膜する、電池用電極シートの製造方法。
  12. 上記固体電解質組成物の付与により下方の上記集電体側に活物質を偏在させ、上記電極層の上側に無機固体電解質層を形成することで、上記電極層において活物質の総体積Vと無機固体電解質の総体積VSEの体積比V/VSEを無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにする電極層の構造を得る、請求項11に記載の電池用電極シートの製造方法。
  13. 請求項11または12に記載の電池用電極シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
  14. 電極層が集電体と無機固体電解質層との間に位置する構造を有する電池用電極シートであって、上記電極層は周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、活物質と、下記の粒子状樹脂とを含有し、上記電極層において、上記活物質の総体積V と上記無機固体電解質の総体積V SE の体積比V /V SE が、上記無機固体電解質層側から集電体側に向けて大きくなるようにされた、電池用電極シート。
    粒子状樹脂:アクリル樹脂およびウレタン樹脂から選ばれ、体積平均粒子径が0.01〜20μmであり、該樹脂のポリマーが酸性官能基を有する繰り返し単位を酸当量基準で3質量%を越え50質量%以下含有する。酸当量基準の比率とは酸性官能基の価数を該当する繰り返し単位の比率に乗じた値である。
  15. 請求項14に記載の電池用電極シートを具備する、全固体二次電池。
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