JP6676225B2 - 二次電池スラリー用分散剤組成物及びその利用 - Google Patents

二次電池スラリー用分散剤組成物及びその利用 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池スラリー用分散剤組成物及びその利用に関する。さらに詳細には、スラリーの分散安定性が良好な二次電池スラリー用分散剤組成物、塗布性、被膜の乾燥性が良好な二次電池スラリー組成物、耐熱性および保液性に優れた二次電池用被膜、およびその製造方法に関する。
近年、電子機器において、充電により繰り返し使用が可能である、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の二次電池や電気二重層キャパシタ等のキャパシタが用いられている。二次電池は、携帯用電子機器やハイブリッド自動車などに用いるための電池として、急速に開発が進められている。たとえば、リチウムイオン二次電池は、主に正極、負極、セパレータ、非水電解質溶液から構成されており、電池特性の向上の為に様々な検討がなされている。
たとえば、正極は、正極活物質、溶媒を含有する正極用二次電池スラリーを集電体に塗布、乾燥して製造される。負極は、負極活物質、溶媒を含有する負極用二次電池スラリーを集電体に塗布、乾燥して製造される。セパレータは、正極と負極を隔絶し電池の安全性を向上させることができる材料であり、たとえば、ポリオレフィンの多孔質膜が優れた特性を有する。また、ポリオレフィンの多孔質膜などのセパレータ基材表面にさらに有機粒子や無機粒子を含有するセパレータ用二次電池スラリーを塗布、乾燥して表面コートされたセパレータも開発されている。しかしながら、さらに大容量の二次電池が求められている状況では、さらに安全性を高めることができる二次電池用材料が要望されていた。
安全性の確保手段としては、たとえば、異常発熱の際に、上述したセパレータにより正−負極間のイオンの通過を遮断して、さらなる発熱を防止するシャットダウン機能を付与する方法がある。シャットダウン機能とは、異常発熱時にセパレータが溶融・無孔化し、イオンの通過を遮断し、さらなる発熱を抑制することができる。たとえば、ポリオレフィン製の多孔質フィルムからなるセパレータは、電池の異常発熱時には、約80〜180℃で溶融・無孔化することでイオンの通過を遮断(シャットダウン)することにより、さらなる発熱を抑制する。しかしながら、発熱が激しい場合などには、前記多孔質フィルムからなるセパレータは、収縮や破膜等により、正極と負極が直接接触して、短絡を起こすおそれがある。このように、ポリオレフィン製の多孔質フィルムからなるセパレータは、形状安定性が不十分であり、短絡による異常発熱を抑制できない場合があった。
たとえば、特許文献1には微粒子のフィラーを含む耐熱層と、基材としてのポリオレフィンを主体とする多孔質フィルム(以下、「基材多孔質フィルム」と称する場合がある)とが積層されてなる積層多孔質フィルムからなる非水電解液二次電池用セパレータ;特許文献2にはセパレータの耐熱層として表面を修飾した微粒子フィラーを使用する方法;特許文献3にはバインダー樹脂の化学構造に特徴を持たせフィラーを結着させる方法等が開示されている。
しかしながら、これらの方法は、二次電池スラリーにおける無機粉末の分散性、二次電池スラリーの保存安定性、二次電池スラリーの被膜形成性、塗布膜の乾燥性、均一性および耐熱性を解決するものではなく、さらなる性能の向上が求められている。
日本国特開2004−227972号公報 日本国特開2007−311151号公報 日本国特開2006−331760号公報
本発明の目的は、分散安定性が良好な二次電池スラリー用分散剤組成物と、塗布性及び被膜の乾燥性が良好な二次電池スラリー組成物と、塗布性及び被膜の乾燥性が良好な二次電池スラリー組成物の製造方法と、該二次電池スラリー組成物を用いた電池とを提供することである。
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、特定の成分(B)〜(D)を特定の比率で含む分散剤組成物であれば、本願課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物は、下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)を含有する分散剤組成物であって、
前記成分(B)に対する前記成分(C)の重量割合が0.5〜3.5であり、
前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)の含有量が0.1〜500重量部であり、前記成分(B)のガラス転移点をTg(B)(℃)、前記成分(C)のガラス転移点をTg(C)(℃)とし、下記数式(I)を満足する。
170<(Tg(B)+Tg(C))<270 (I)
成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
成分(D):界面活性剤成分D
下記成分(A)をさらに含有する二次電池スラリー用分散剤組成物であって、
前記成分(A)、前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)が0.1〜500重量部であり、前記成分(A)のガラス転移点をTg(A)(℃)、前記成分(B)のガラス転移点をTg(B)(℃)、前記成分(C)のガラス転移点をTg(C)(℃)とし、下記数式(II)を満足すると好ましい。
30<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<200 (II)
成分(A):アルキルエステル基含有単量体単位(II)を必須に含み、カルボキシル基含有単量体単位(I)を0重量%以上31重量%未満含む非水溶性高分子粒子成分A
前記成分(A)が、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、前記単量体単位(I)が0〜100重量部であり、前記成分(A)のガラス転移点Tg(A)が−100〜50(℃)であると好ましい。
前記成分(A)がさらに窒素含有単量体単位(III)を含み、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、前記単量体単位(III)が0.1〜200重量部である、と好ましい。
前記成分(C)の20℃における4重量%水溶液粘度が、1〜500mPa・sである、と好ましい。
少なくとも2つの剤の組合せから構成される二次電池スラリー用分散剤組成物であって、前記組合せが、前記成分(A)を必須に含有する第1剤と、前記成分(B)及び前記成分(C)を必須に含有する第2剤とを含むと好ましい。
エーテル化度が0.55〜1.1であるカルボキシメチルセルロースをさらに含有し、
前記カルボキシメチルセルロースの1重量%濃度水溶液の粘度が20℃において1〜100mPa・sであると好ましい。
本発明の二次電池スラリー組成物は、下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)と無機粒子とを含有する二次電池スラリー組成物であって、
前記無機粒子の含有量を100重量部としたときに、それぞれの含有量が、前記成分(B)が0.1〜50重量部、前記成分(C)が0.1〜50重量部、前記成分(D)が0.001〜20重量部である。
成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
成分(D):界面活性剤成分D
エーテル化度が0.55〜1.1であるカルボキシメチルセルロースをさらに含有し、
前記カルボキシメチルセルロースの1重量%濃度水溶液の粘度が20℃において1〜100mPa・sであると好ましい。
本発明の二次電池用材料の製造方法は、下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)を混合して得た分散剤組成物と溶媒とを混合して分散剤混合液を得る工程(a)と、前記分散剤混合液と無機粒子とを混合してスラリー組成物を得る工程(b)と、正極の集電体、負極の集電体、正極、負極及びセパレータから選ばれる少なくとも1種に前記スラリー組成物を塗布し乾燥して被膜を形成させる工程(c)を含む。
成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
成分(D):界面活性剤成分D
本発明の二次電池用正極は、集電体上に正極用被膜を有する二次電池用正極であって、前記被膜が、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。
本発明の二次電池用負極は、集電体上に負極用被膜を有する二次電池用負極であって、前記被膜が、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。
本発明の二次電池用セパレータは、セパレータ用被膜を有するセパレータであって、前記被膜が、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。
本発明の二次電池は、負極、正極、セパレータ及び電解液を含む二次電池であって、前記負極、前記正極及び前記セパレータのうちの少なくとも1つが、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる被膜を有する。
本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物を含むスラリーは、分散安定性が良好である。本発明の二次電池スラリー組成物は塗布性及び被膜の乾燥性に優れる。本発明の二次電池スラリー組成物を用いて製造した二次電池用被膜は耐熱性及び保液性に優れる。
本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物は、成分(B)〜(D)を必須に含む。さらに成分(A)を含むと分散安定性が向上するので好ましい。まず、二次電池スラリー用分散剤組成物を構成する各成分を詳しく説明する。
〔成分(A)〕
本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物は、成分(A)を含むと、分散性の観点から好ましい。
成分(A)は、アルキルエステル基含有単量体単位(II)を必須に含み、カルボキシル基含有単量体単位(I)を0以上31重量%未満含む非水溶性高分子粒子成分Aである。
成分(A)は、カルボキシル基含有単量体単位(I)を0以上31重量%未満含むが、分散安定性の観点から、0.1〜30重量%がより好ましく、0.5〜20重量%がさらに好ましく、1〜10重量%が特に好ましく、2〜5重量%が最も好ましい。31重量%以上では分散安定性が悪化する可能性がある。
カルボキシル基含有単量体単位(I)としては、α,β−エチレン性不飽和ニトリル単量体と共重合可能であり、かつ、エステル化されていない無置換の(フリーの)カルボキシル基を1個以上有する単量体であれば特に限定されない。このようなカルボキシル基含有単量体(I)としては、たとえば、α,β−エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体、α,β−エチレン性不飽和多価カルボン酸単量体、およびα,β−エチレン性不飽和ジカルボン酸モノエステル単量体などが挙げられる。また、カルボキシル基含有単量体には、これらの単量体のカルボキシル基がカルボン酸塩を形成している単量体も含まれる。さらに、α,β−エチレン性不飽和多価カルボン酸の無水物も、共重合後に酸無水物基を開裂させてカルボキシル基を形成するので、カルボキシル基含有単量体として用いることができる。
α,β−エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸、エチルアクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸などが挙げられる。
α,β−不飽和多価カルボン酸単量体としては、フマル酸やマレイン酸などのブテンジオン酸、イタコン酸、シトラコン酸などが挙げられる。また、α,β−不飽和多価カルボン酸の無水物としては、無水マレイン酸、無水イタコン酸などが挙げられる。
アルキルエステル基含有単量体単位(II)としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレー卜、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート、セチルアクリレート等のアクリル酸アルキルエステル;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート等のメタクリル酸アルキルエステルなどが挙げられる。これらは、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。これらの中でも、本願効果を発揮する観点から、アクリル酸アルキルエステルが好ましく、エチルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレー卜、及び2−エチルヘキシルアクリレートがより好ましく、エチルアクリレートが特に好ましい。
成分(A)は、塗布性の観点から、窒素含有単量体単位(III)をさらに含むと好ましい。
窒素含有単量体単位(III)としては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−クロルアクリロニトリル、α−エトキシアクリロニトリル、フマロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、ジエチルアクリルアミドなどが挙げられる。
前記成分(A)が、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、分散安定性の観点から、前記単量体単位(I)が0〜100重量部であると好ましく、0.1〜30重量部がより好ましく、0.5〜20重量部がさらに好ましく、1〜10重量部が特に好ましく、2〜5重量部が最も好ましい。100重量部超では分散安定性が悪化する可能性がある。
前記成分(A)が、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、分散安定性の観点から、前記単量体単位(III)が0.1〜200重量部であると好ましく、0.1〜100重量部がより好ましく、0.5〜50重量部がさらに好ましく、1〜10重量部が特に好ましく、2〜5重量部が最も好ましい。0.1重量部未満では塗布性が悪化する可能性がある。200重量部超では分散安定性が悪化する可能性がある。
前記成分(A)の水への溶解性に関しては、塗布性に優れるため非水溶性である。
前記成分(A)の25℃における水への溶解度に関しては、特に限定はないが、たとえば、好ましくは10g/1000ml以下、より好ましくは5g/1000ml以下、さらに好ましくは1g/1000ml以下、特に好ましくは0.5g/1000ml以下、最も好ましくは0.1g/1000ml以下である。前記成分(A)の水への溶解度が10g/1000ml超であると、二次電池用スラリーの結着性が十分ではないことがある。前記成分(A)の水への溶解度の好ましい下限値は0g/1000mlである。
前記成分(A)の25℃における20%水分散物粘度は、分散安定性および塗布性の観点から、0.1〜1000mPa・sであると好ましく、1〜500mPa・sであるとより好ましく、2〜1400mPa・sであるとさらに好ましく、3〜300mPa・sが特に好ましく、4〜200mPa・sが最も好ましい。0.1mPa・s未満では分散安定性が悪化する可能性がある。1000mPa・s超では塗布性が悪化する可能性がある。
前記成分(A)の熱重量測定(TGA、パージガスとして乾燥空気を導入、および40℃から昇温10℃/minで加熱)による300℃の重量減少としては、特に限定はないが、好ましくは20重量%以下、より好ましくは15重量%以下、さらに好ましくは10重量%以下、特に好ましくは5重量%以下、最も好ましくは3重量%以下である。高分子粒子の熱重量測定による300℃の重量減少が20重量%超であると、結着性が十分でないことがある。
前記成分(A)のゼータ電位が特定の範囲にあると分散性に優れるので好ましい。
測定温度25℃における5重量%濃度水分散液のゼータ電位が、好ましくは0〜−100mV、より好ましくは−10〜−90mV、さらに好ましくは−20〜−80mV、特に好ましくは−30〜−70mV、最も好ましくは−35〜−65mVである。前記成分(A)の5重量%濃度水分散液のゼータ電位が−100mV未満であると、ハンドリング性に優れないことがある。一方、前記成分(A)の5重量%濃度水分散液のゼータ電位が0mV超であると、二次電池用スラリーの分散性が十分ではないことがある。
前記成分(A)は、高分子粒子が水に分散した高分子粒子エマルションの状態であってもよい。高分子粒子エマルションの場合の高分子粒子の濃度としては、特に限定はないが、たとえば、好ましくは1〜80重量%、より好ましくは10〜70重量%、さらに好ましくは15〜60重量%、特に好ましくは20〜50重量%、最も好ましくは30〜50重量%である。高分子粒子エマルションの場合の高分子粒子の濃度が1重量%未満であると分散性に優れないことがある。一方、高分子粒子の濃度が80重量%超であるとハンドリング性に優れないことがある。
前記成分(A)の平均粒子径については、特に限定されないが、好ましくは0.001〜100μm、さらに好ましくは0.01〜10μm、特に好ましくは0.05〜1μm、最も好ましくは0.1〜0.8μmである。前記成分(A)の平均粒子径が0.001μm未満の場合、製造が困難となり好ましくない場合がある。一方、前記成分(A)の平均粒子径が100μm超の場合、分散安定性が悪くなり好ましくない場合がある。
前記成分(A)の重量平均分子量としては、特に限定はないが、たとえば、通常10万以上300万未満、好ましくは25万以上200万未満、より好ましくは50万以上180万未満、さらに好ましくは75万以上160万未満、特に好ましくは35万以上150万未満である。前記成分(A)の重量平均分子量が10万未満では結着性に優れない可能性がある。一方、前記成分(A)の重量平均分子量が300万以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
〔成分(B)〕
成分(B)は、窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分Bである。
窒素含有単量体単位(III)としては、上記成分(A)で既述したものと同じものが挙げられる。これらの中でも、本願効果を発揮する観点から、アクリルアミド、メタクリルアミド、メチレンビスアクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、ジエチルアクリルアミドが特に好ましい。
成分(B)は、窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含有し、80重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましく、95重量%以上がさらに好ましく、100重量%が特に好ましい。70重量%未満では、分散性が不足する。
前記成分(B)の水への溶解性に関しては、分散性に優れるため水溶性である。
前記成分(B)の25℃における20%水溶液の粘度は、分散安定性および塗布性の観点から、2000〜20000mPa・sであると好ましく、5000〜19000mPa・sであるとより好ましく、10000〜18000mPa・sであるとさらに好ましく、11000〜17000mPa・sが特に好ましく、12000〜16000mPa・sが最も好ましい。2000mPa・s未満では分散安定性が悪化する可能性がある。20000mPa・s超では塗布性が悪化する可能性がある。
前記成分(B)の重量平均分子量としては、特に限定はないが、たとえば、通常10万以上300万未満、好ましくは25万以上200万未満、より好ましくは50万以上180万未満、さらに好ましくは75万以上160万未満、特に好ましくは35万以上150万未満である。前記成分(B)の重量平均分子量が10万未満では結着性に優れない可能性がある。一方、前記成分(B)の重量平均分子量が300万以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
前記成分(B)の熱重量測定(TGA、パージガスとして乾燥空気を導入、および40℃から昇温10℃/minで加熱)による300℃の重量減少としては、特に限定はないが、好ましくは0〜50重量%、より好ましくは1〜40重量%、さらに好ましくは2〜30重量%、特に好ましくは3〜20重量%、最も好ましくは5〜15重量%である。前記成分(B)の熱重量測定による300℃の重量減少が50重量%超であると、耐熱性が十分でないことがある。
〔成分(C)〕
成分(C)は、カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99重量%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分Cである。
カルボキシル基含有単量体(I)としては、上記成分(A)で既述したものと同じものが挙げられる。
ヒドロキシ基含有単量体単位(IV)としては、例えば、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ビニルアルコール等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。これらの中でも、本願効果を発揮する観点から、ビニルアルコールが特に好ましい。
前記ビニルアルコールの単量体単位は、酢酸ビニルを重合して得たポリ酢酸ビニルを加水分解して得られたものであってもよい。
成分(C)は、カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99重量%含有し、70〜99重量%が好ましく、80〜95重量%がより好ましく、83〜93が特に好ましく、85〜90重量%が特に好ましく、87〜89重量%が最も好ましい。60重量%未満では、分散性が不足する。99重量%超では、塗工性が不足する。
本発明の成分(C)としては、たとえば、アクアリックシリーズ(ポリアクリル酸、株式会社日本触媒)、クラレポバールシリーズ(ポリビニールアルコール、株式会社クラレ)、デンカポバールシリーズ(ポリビニールアルコール、デンカ株式会社)、J−POVALシリーズ(ポリビニールアルコール、日本酢ビ・ポバール株式会社)、セルボールシリーズ(ポリビニールアルコール、積水化学工業株式会社)など市販されている水溶性高分子を使用しても構わない。
前記成分(C)の水への溶解性に関しては、分散性に優れるため水溶性である。
前記成分(C)の25℃における4%水溶液粘度は、分散安定性および塗布性の観点から、1〜500mPa・sであると好ましく、5〜300mPa・sであるとより好ましく、10〜200mPa・sであるとさらに好ましく、20〜150mPa・sが特に好ましく、30〜100mPa・sが最も好ましい。1mPa・s未満では分散安定性が悪化する可能性がある。500mPa・s超では塗布性が悪化する可能性がある。
前記成分(C)の重量平均分子量としては、特に限定はないが、たとえば、通常0.1万以上500万未満、好ましくは1万以上150万未満、より好ましくは1.5万以上100万未満、さらに好ましくは2万以上50万未満、特に好ましくは5万以上25万未満、最も好ましくは6万以上15万未満である。前記成分(C)の重量平均分子量が0.1万未満では結着性に優れない可能性がある。一方、前記成分(B)の重量平均分子量が500以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
前記成分(C)の重合度としては、特に限定はないが、たとえば、通常100以上10000未満、好ましくは300以上5000未満、より好ましくは500以上3000未満、さらに好ましくは1000以上2500未満、特に好ましくは1500以上2000未満である。前記成分(C)の重合度が100未満では結着性に優れない可能性がある。一方、前記成分(B)の重合度が10000以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
前記成分(C)の熱重量測定(TGA、パージガスとして乾燥空気を導入、および40℃から昇温10℃/minで加熱)による300℃の重量減少としては、特に限定はないが、好ましくは0〜50重量%、より好ましくは1〜40重量%、さらに好ましくは2〜30重量%、特に好ましくは3〜20重量%、最も好ましくは5〜15重量%である。前記成分(C)の熱重量測定による300℃の重量減少が50重量%超であると、耐熱性が十分でないことがある。
成分(A)、成分(B)及び成分(C)はその他の単量体単位を含んでいてもよい。その他の単量体単位としては、特に限定はないが、たとえば、スチレン、α−メチルスチレン、クロロスチレン等のスチレン系単量体;グリシジル(メタ)アクリレート、ヒドロキシメチルアクリレートグリシジルエーテル、2−ヒドロキシエチルアクリレートグリシジルエーテル、3−ヒドロキシプロピルアクリレートグリシジルエーテル、4−ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル、グリシジルビニルエーテル、グリシジルアリルエーテル、ジグリシジルエーテル、エピクロロヒドリン、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド等のグリシジル基含有単量体単位;N−フェニルマレイミド、N−(2−クロロフェニル)マレイミド、N−シクロヘキシルマレイミド、N−ラウリルマレイミド等のマレイミド系単量体;アクロレイン;ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン等の不飽和有機シラン;塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル等のハロゲン化ビニル系単量体およびハロゲン化ビニリデン系単量体;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ネオデカン酸ビニルエステル等のビニルエステル系単量体等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
成分(A)、成分(B)及び成分(C)は、重合性単量体とともに、重合性二重結合を2個以上有する重合性単量体(架橋剤)を含み構成された重合体であってもよい。架橋剤としては、特に限定はないが、たとえば、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン等の芳香族ジビニル化合物;エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1、9−ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリレート系化合物;1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩、ジシクロヘキシルカルボジイミド、ポリカルボジイミド等のカルボジイミド系化合物;多官能エポキシ化合物;オキサゾリン化合物;多官能ヒドラジド化合物;イソシアネート化合物;メラニン化合物;尿素化合物等が挙げられ、1種または2種以上を併用してもよい。
成分(A)のガラス転移点Tg(A)(℃)としては、−100〜50(℃)が好ましく、−80〜25℃がより好ましく、−60〜10℃がさらに好ましく、−40〜0℃が特に好ましい。−100℃未満では、分散性が不足する可能性があり、50℃超では被膜形成性が不足する可能性がある。
成分(B)のガラス転移点Tg(B)(℃)としては、特に限定はないが、50〜250(℃)が好ましく、80〜200℃がより好ましく、100〜180℃がさらに好ましく、110〜160℃が特に好ましい。50℃未満では、分散性が不足する可能性があり、250℃超では被膜形成性が不足する可能性がある。
成分(C)のガラス転移点Tg(C)(℃)としては、特に限定はないが、0〜250(℃)が好ましく、10〜200℃がより好ましく、25〜150℃がさらに好ましく、50〜100℃が特に好ましい。0℃未満では、分散性が不足する可能性があり、250℃超では被膜形成性が不足する可能性がある。
前記成分(B)のガラス転移点をTg(B)(℃)、成分(C)のガラス転移点Tg(C)(℃)としたとき、下記数式(I)を満足する。
170<(Tg(B)+Tg(C))<270 (I)
数式(I)は、190<(Tg(B)+Tg(C))<260が好ましく、200<(Tg(B)+Tg(C))<250がより好ましく、210<(Tg(B)+Tg(C))<240がさらに好ましい。
Tg(B)(℃)、Tg(C)(℃)が前記数式(I)を満足しない場合、被膜形成性が不足する。
前記成分(A)のガラス転移点をTg(A)(℃)としたとき、下記式(II)を満足すると好ましい。
30<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<200 (II)
数式(II)は、50<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<180がより好ましく、60<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<160がさらに好ましく、80<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<150が特に好ましい。
Tg(A)(℃)、Tg(B)(℃)、Tg(C)(℃)が前記数式(II)を満足しない場合、被膜形成性が不足することがある。
成分(A)の溶解度パラメーターSP(A)(cal/cm1/2としては、通常8〜13(cal/cm1/2、8.5〜12.5(cal/cm1/2が好ましく、9〜12(cal/cm1/2がより好ましく、9.5〜11.5(cal/cm1/2がさらに好ましく、10〜11(cal/cm1/2が特に好ましい。SP(A)が、8未満では分散性が不足する可能性があり、13超では被膜形成性が不足する可能性がある。
成分(B)の溶解度パラメーターSP(B)(cal/cm1/2としては、通常10〜18(cal/cm1/2、11〜17.5(cal/cm1/2が好ましく、12〜17(cal/cm1/2がより好ましく、13〜16.5(cal/cm1/2がさらに好ましく、14〜16(cal/cm1/2が特に好ましい。SP(B)が、10未満では分散性が不足する可能性があり、18超では被膜形成性が不足する可能性がある。
成分(C)の溶解度パラメーターSP(C)(cal/cm1/2としては、通常10〜18(cal/cm1/2、11〜17.5(cal/cm1/2が好ましく、12〜17(cal/cm1/2がより好ましく、13〜16.5(cal/cm1/2がさらに好ましく、14〜16(cal/cm1/2が特に好ましい。SP(C)が、10未満では分散性が不足する可能性があり、18超では被膜形成性が不足する可能性がある。
前記成分(A)の溶解度パラメーターをSP(A)(cal/cm1/2、前記成分(B)の溶解度パラメーターをSP(B)(cal/cm1/2、前記成分(C)の溶解度パラメーターをSP(C)(cal/cm1/2としたとき、下記数式(III)を満足するとよい。
0.5<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<8 (III)
数式(III)は、通常2<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<10、2.5<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<9が好ましく、3<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<8がより好ましく、3.5<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<7がさらに好ましく、4<(SP(B)+SP(C))/2−SP(A)<6が特に好ましい。
数式(III)が2以下の場合、分散性が不足し、10以上の場合、被膜形成性が不足する。
本発明における溶解度パラメーターは分子引力定数法により求められる。
前記成分(A)の電解液に対する膨潤度SW(A)(倍)としては、特に限定はないが、たとえば、2倍以上10倍未満、好ましくは2.5倍以上9倍未満、より好ましくは3倍以上8倍未満、さらに好ましくは3.5倍以上7倍未満、特に好ましくは4倍以上6倍未満である。前記成分(A)の電解液に対する膨潤度SW(A)が2未満では柔軟性に優れない場合がある。一方、前記成分(A)の電解液に対する膨潤度SW(A)が10倍以上では結着性に優れない場合がある。
前記成分(B)の電解液に対する膨潤度SW(B)(倍)としては、特に限定はないが、たとえば、1倍以上5倍未満、好ましくは1.1倍以上4倍未満、より好ましくは1.2倍以上3.5倍未満、さらに好ましくは1.3倍以上3倍未満、特に好ましくは1.4倍以上2.5倍未満である。前記成分(B)の電解液に対する膨潤度SW(B)が1未満では分散性に優れない。一方、前記成分(B)の電解液に対する膨潤度SW(B)が5倍以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
前記成分(C)の電解液に対する膨潤度SW(C)(倍)としては、特に限定はないが、たとえば、1倍以上5倍未満、好ましくは1.1倍以上4倍未満、より好ましくは1.2倍以上3.5倍未満、さらに好ましくは1.3倍以上3倍未満、特に好ましくは1.4倍以上2.5倍未満である。前記成分(C)の電解液に対する膨潤度SW(C)が1未満では分散性に優れない。一方、前記成分(C)の電解液に対する膨潤度SW(C)が5倍以上ではハンドリング性に優れない場合がある。
前記成分(A)の膨潤度をSW(A)(倍)、前記成分(B)の膨潤度をSW(B)(倍)、前記成分(C)の膨潤度をSW(C)(倍)としたとき、下記数式(IV)を満足するとよい。
0.01<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.99 (IV)
数式(IV)は、通常0.01<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.99、0.05<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.8が好ましく、0.1<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.7がより好ましく、0.2<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.6がさらに好ましく、0.3<(SW(B)+SW(C))/(SW(A)×2)<0.5が特に好ましい。
数式(IV)が0.01以下の場合、分散性が不足し、0.99以上の場合、被膜形成性が不足する。
膨潤度測定に使用する電解液としては、特に限定はないが、たとえば、ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、メチルエチルカーボネート等のアルキルカーボネート化合物等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
前記成分(B)に対する前記成分(C)の重量割合が、分散安定性および塗布性の観点から、0.5〜3.5であり、0.6〜2であると好ましく、0.7〜1.5であるとより好ましく、0.8〜1.2がさらに好ましく、0.9〜1.1が特に好ましい。0.5未満では分散安定性が悪化する。3.5超では分散安定性が悪化する。
前記成分(A)を100重量部としたときに、分散安定性および塗布性の観点から、前記成分(B)が通常1〜3000重量部、10〜2000重量部であると好ましく、25〜1500重量部であるとより好ましく、50〜1000重量部であるとさらに好ましく、75〜500重量部が特に好ましく、100〜300重量部が最も好ましい。1重量部未満では分散安定性が悪化する可能性がある。2000重量部超では塗布性が悪化する可能性がある。
前記成分(A)を100重量部としたときに、分散安定性および塗布性の観点から、前記成分(C)が通常1〜3000重量部、10〜2000重量部であると好ましく、25〜1500重量部であるとより好ましく、50〜1000重量部であるとさらに好ましく、75〜500重量部が特に好ましく、100〜300重量部が最も好ましい。1重量部未満では分散安定性が悪化する可能性がある。2000重量部超では塗布性が悪化する可能性がある。
〔成分(D)〕
本願発明の分散剤組成物は、成分(D)である界面活性剤成分Dを必須に含む。界面活性剤成分Dは、スラリーの分散安定性および塗布性を向上させる役割を果たしている。
界面活性剤成分Dとしては、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤が挙げられる。
前記陰イオン性界面活性剤としては、たとえば、オレイン酸ナトリウム等の脂肪酸塩;ラウリル硫酸ナトリウム等のアルキル硫酸エステル塩;ポリオキシエチレントリデシルエーテル酢酸ナトリウム等のポリオキシアルキレンアルキルエーテル酢酸塩;ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩;アルカンスルホン酸塩;ポリオキシアルキレンアルキルエーテル硫酸塩;ステアロイルメチルタウリンNa等の高級脂肪酸アミドスルホン酸塩;ラウロイルサルコシンナトリウム等のN−アシルサルコシン塩;モノステアリルリン酸ナトリウム等のアルキルリン酸塩;ポリオキシエチレンオレイルエーテルリン酸ナトリウム等のポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸エステル塩;ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム等の長鎖スルホコハク酸塩、N−ラウロイルグルタミン酸ナトリウムモノナトリウム等の長鎖N−アシルグルタミン酸塩;ナフタレンスルホン酸塩;リグニンスルホン酸塩等が挙げられ、1種または2種以上を併用してもよい。
前記陽イオン性界面活性剤としては、たとえば、アルキルトリメチルアンモニウム塩;ジアルキルジメチルアンモニウム塩;アルキルアミン塩等が挙げられ、1種または2種以上を併用してもよい。
前記非イオン性界面活性剤としては、たとえば、POE(30)ラウリルエーテル等のポリオキシアルキレンオキサイド付加アルキルエーテル;ポリオキシエチレン(24)スチレン化フェニルエーテル等のポリオキシアルキレンスチレン化フェニルエーテル;ソルビタンモノパルミテート等の多価アルコールと1価脂肪酸とのエステル化合物;ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル等のポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル;ポリオキシエチレンモノラウレート等のポリオキシアルキレン脂肪酸エステル;ポリオキシアルキレンソルビタン脂肪酸エステル;グリセリン脂肪酸エステル;ポリオキシアルキレンひまし油;ポリオキシアルキレン硬化ひまし油;ポリオキシアルキレンソルビトール脂肪酸エステル;ポリグリセリン脂肪酸エステル;アルキルグリセリンエーテル;ポリオキシアルキレンコレステリルエーテル;アルキルポリグルコシド;ショ糖脂肪酸エステル;ポリオキシアルキレンアルキルアミン;ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレンブロックポリマーが挙げられる。
なお、上記POEはポリオキシエチレンを示し、上記POPはポリオキシプロピレンを示し、POE(12)は、ポリオキシエチレンの12モル付加を示す。
前記両性界面活性剤としては、たとえば、イミダゾリン系両性界面活性剤;ベタイン系両性界面活性剤;アミノ酸型両性界面活性剤等が挙げられ、1種または2種以上を併用してもよい。
前記成分(D)の含有量としては、特に限定はないが、成分(B)及び成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、通常0.01〜500重量部、好ましくは0.1〜50重量部、さらに好ましくは0.5〜25重量部、特に好ましくは1〜10重量部、最も好ましくは2〜5重量部である。成分(D)の含有量が0.01重量部未満であると、分散性及び塗布性が十分ではない。一方、成分(D)の含有量が500重量部超であると、ハンドリング性に優れない。
前記成分(D)の含有量としては、特に限定はないが、成分(A)、成分(B)及び成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、通常0.01〜500重量部、好ましくは0.1〜50重量部、さらに好ましくは0.5〜25重量部、特に好ましくは1〜10重量部、最も好ましくは2〜5重量部である。成分(D)の含有量が0.01重量部未満であると、分散性及び塗布性が十分ではない。一方、成分(D)の含有量が500重量部超であると、ハンドリング性に優れない。
〔消泡剤成分(E)〕
本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物は、消泡剤成分(E)を含有すると、二次電池スラリーのハンドリング性向上および塗布性向上の観点から、好ましい。
前記成分(E)としては特に限定はないが、ポリシロキサン系消泡剤、シリカ微粉末から選ばれる少なくとも1種以上であると、消泡性に優れるので好ましい。
前記成分(E)の含有量としては、特に限定はないが、成分(A)、成分(B)及び成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、通常0.0001〜10重量部、好ましくは0.0005〜1重量部、さらに好ましくは0.001〜0.5重量部、特に好ましくは0.005〜0.1重量部、最も好ましくは0.01〜0.05重量部である。消泡剤の含有量が0.0001重量部未満であると、消泡性が十分ではないことがある。一方、消泡剤の含有量が10重量部超であると、塗布性に優れないことがある。
〔その他の成分〕
本発明の二次電池スラリー用分散剤組成物は、上記で説明した成分以外のその他の成分を含んでいても構わない。その他の成分としては、特に限定はないが、たとえば、分散助剤、pH調整剤成分、レオロジー調整剤等が挙げられる。
本発明で用いられるpH調整剤は、分散安定性を高める目的で含んでもよい。pH調整剤としては、特に限定はないが、たとえば、アルカリ(土類)金属の水酸化物、アンモニウム、無機酸から選ばれる少なくとも1種以上であると、汎用性に優れるので好ましい。ここで、アルカリ(土類)金属とは、アルカリ金属又はアルカリ土類金属を示す。
pH調整剤の含有量としては、特に限定はないが、成分(A)、成分(B)及び成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、通常0.01〜10重量部、好ましくは0.05〜5重量部、さらに好ましくは0.1〜4重量部、特に好ましくは0.5〜3重量部、最も好ましくは1〜2重量部である。pH調整剤の含有量が0.01重量部未満であると、分散安定性が十分ではないことがある。一方、pH調整剤の含有量が10重量部超であると、塗布性に優れないことがある。
本発明で用いられるレオロジー調整剤は、分散安定性や塗布性を高める目的で含んでもよい。レオロジー調整剤としては適宜選択され、特に限定はないが、たとえば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリオキシエチレン・ポリプロピレンブロックポリマー、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、アラビアガム、グアーガム、キサンタンガム、ゼラチン、コーンスターチ、ポリアクリルアミド等の水溶性高分子;セルロースナノファイバー、キチンナノファイバー、ポリオレフィン綿状ファイバー等のファイバー系高分子;珪酸アルミニウムマグネシウム、塩基性硫酸マグネシウム無機繊維等の無機系増粘剤が挙げられる。
なかでもレオロジー調整剤が、カルボキシメチルセルロースであると、分散性に優れるので好ましい。カルボキシメチルセルロースのエーテル化度としては、分散性に優れる観点から、特に限定はないが、通常0.55〜1.1、好ましくは0.6〜1、さらに好ましくは0.65〜0.9、特に好ましくは0.65〜0.8、最も好ましくは0.7〜0.75である。
前記カルボキシメチルセルロースの1重量%濃度水溶液の20℃における粘度としては、特に限定はないが、通常1〜100mPa・s、好ましくは3〜50、さらに好ましくは5〜20、特に好ましくは6〜15、最も好ましくは7〜13である。
前記カルボキシメチルセルロースの含有量としては、特に限定はないが、成分(B)及び成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、通常1〜500重量部、好ましくは10〜200重量部、さらに好ましくは25〜150重量部、特に好ましくは40〜100重量部、最も好ましくは50〜70重量部である。前記カルボキシメチルセルロースの含有量が1重量部未満であると、分散性及び塗布性が十分ではない場合がある。一方、前記カルボキシメチルセルロースの含有量が500重量部超であると、ハンドリング性に優れない。
〔二次電池スラリー用分散剤組成物、その製造方法と形態〕
二次電池スラリー用分散剤組成物の製造方法は、特に限定はなく、成分(A):非水溶性高分子粒子成分A、成分(B):水溶性高分子成分B、成分(C):水溶性高分子成分C、成分(D):界面活性剤成分D等を混合する方法等を挙げることができる。
混合については、特に限定はなく、容器と攪拌翼といった極めて簡単な機構を備えた装置を用いて行うことができる。
二次電池スラリー用分散剤組成物の有効濃度が0.1重量%水溶液の25℃における表面張力としては、特に限定はないが、好ましくは20〜50mN/m、さらに好ましくは25〜45mN/m、特に好ましくは25〜40mN/m、最も好ましくは25〜35mN/mである。20mN/m未満では、乾燥性に優れないことがある。50mN/m超では、塗布性が悪いことがある。
二次電池スラリー用分散剤組成物は、以下の実施例で詳しく説明する濃度0.1重量%、温度25℃の測定条件下でロスマイルス試験法により起泡力を測定するが、二次電池スラリー用分散剤組成物の流下直後の起泡力は、50mm以下、好ましくは40mm以下、より好ましくは30mm以下、さらに好ましくは20mm以下、特に好ましくは10mm以下である。流下直後から5分後の起泡力は、25mm以下、好ましくは20mm以下、より好ましくは15mm以下、さらに好ましくは10mm以下、特に好ましくは5mm以下である。ロスマイルス試験法により流下直後の起泡力が50mm超であると、二次電池用スラリーの塗布性が十分ではない。また、流下直後から5分後の起泡力が25mm超であると、二次電池用スラリーの塗布性が十分ではない。
二次電池スラリー用分散剤組成物の測定温度25℃におけるゼータ電位としては、特に限定はないが、好ましくは−20〜−100mV、さらに好ましくは−25〜−80mV、特に好ましくは−30〜−70mV、最も好ましくは−35〜−60mVである。−100mV未満では、ハンドリング性が悪いことがある。−20mV超では、分散性に優れないことがある。
二次電池スラリー用分散剤組成物のpHとしては、特に限定はないが、好ましくは4.0〜12.0、さらに好ましくは5.0〜11.0、特に好ましくは6.0〜10.0、最も好ましくは7.0〜9.0である。pHが4.0未満では、塗布性が悪いことがある。12.0超では、ハンドリング性が悪いことがある。
二次電池スラリー用分散剤組成物の、ポリオレフィン樹脂表面に対して当該分散剤組成物の液滴を落としてから1600msec後の接触角としては、特に限定はないが、好ましくは10〜60°、さらに好ましくは15〜60°、特に好ましくは20〜50°、最も好ましくは30〜40°である。10°未満では、分散性に優れないことがある。60°超では、塗布性が悪いことがある。
二次電池スラリー用分散剤組成物の無機酸化物板表面に対して二次電池スラリー用分散剤組成物の液滴を落としてから1600msec後の接触角としては、特に限定はないが、好ましくは10〜60°、さらに好ましくは15〜60°、特に好ましくは20〜50°、最も好ましくは30〜40°である。10°未満では、分散性に優れないことがある。60°超では、塗布性が悪いことがある。
接触角測定に使用する無機酸化物板の原料としては、特に限定はないが、シリカ(酸化ケイ素)、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナ、θ−アルミナ等のアルミナ(酸化アルミニウム)等が挙げられる。
二次電池スラリー用分散剤組成物の不揮発分濃度としては、特に限定はないが、たとえば、通常1〜90%、好ましくは10〜80%、さらに好ましくは20〜70%、特に好ましくは30〜60%、最も好ましくは35〜55%である。1%未満では、分散性に優れないことがある。90%超では、安定性が悪いことがある。
二次電池スラリー用分散剤組成物は、少なくとも2つの剤の組合せから構成される組成物であってもよい。特に限定はないが、たとえば、前記組合せが、前記成分(A)を必須に含有する第1剤と、前記成分(B)及び成分(C)を必須に含有する第2剤であると、ハンドリング性に優れるために好ましい。
第1剤としては、たとえば、前記成分(A)を必須に含有し、前記成分(B)及び成分(C)以外の、成分(D)、成分(E)、その他の成分および水を含有するとさらに好ましい。
第2剤としては、たとえば、前記成分(B)及び成分(C)を必須に含有し、前記成分(A)以外の、成分(D)、成分(E)、その他の成分および水を含有するとさらに好ましい。
〔二次電池スラリー組成物、その製造方法および用途〕
本発明の二次電池スラリー組成物は、上記で説明した二次電池スラリー用分散剤組成物の存在下、無機粒子を溶媒に分散させる製造方法によって得られる。
本発明の二次電池スラリー組成物の製造方法としては、特に限定はないが、たとえば、前記二次電池スラリー用分散剤組成物と溶媒とを混合する分散剤調整工程と、前記分散剤調整工程により得られた混合液に無機粒子を分散させる無機粒子分散工程を含む製造方法等が挙げられる。具体的には、たとえば、前記成分(A)〜(D)を混合して得た分散剤組成物と溶媒とを混合して分散剤混合液を得る工程(a)と、前記分散剤混合液と無機粒子とを混合してスラリー組成物を得る工程(b)を含む製造方法が挙げられる。
無機粒子は、二次電池スラリー組成物の用途によって異なるので後で説明する。
二次電池スラリー組成物における成分(A)の含有量としては、特に限定はないが、無機粒子100重量部に対して、0.1〜50重量部、好ましくは0.5〜10重量部、より好ましくは1〜5重量部、さらに好ましくは2〜10重量部、特に好ましくは3〜5重量部である。50重量部超であると、電池性能が優れない。一方、0.1重量部未満であると、塗布性が十分でないことがある。
二次電池スラリー組成物における成分(B)の含有量としては、特に限定はないが、無機粒子100重量部に対して、0.1〜50重量部、好ましくは0.3〜10重量部、より好ましくは0.5〜5重量部、さらに好ましくは0.7〜3重量部、特に好ましくは1〜2重量部である。50重量部超であると、電池性能が優れない。一方、0.1重量部未満であると、塗布性が十分でない。
二次電池スラリー組成物における成分(C)の含有量としては、特に限定はないが、無機粒子100重量部に対して、0.1〜50重量部、好ましくは0.3〜10重量部、より好ましくは0.5〜5重量部、さらに好ましくは0.7〜3重量部、特に好ましくは1〜2重量部である。50重量部超であると、電池性能が優れない。一方、0.1重量部未満であると、塗布性が十分でない。
二次電池スラリー組成物におけるその他の成分の含有量としては、特に限定はなく、使用できる。その他の成分として、たとえば、カルボキシメチルセルロース等のレオロジー調整剤の含有量としては、無機粒子100重量部に対して、0.01〜20重量部、好ましくは0.1〜10重量部、より好ましくは0.3〜5重量部、さらに好ましくは0.5〜3重量部、特に好ましくは0.7〜2重量部である。50重量部超であると、電池性能が優れない。一方、0.1重量部未満であると、塗布性が十分でない。
二次電池スラリー組成物は、以下の実施例で詳しく説明する濃度0.1重量%、温度25℃の測定条件下でロスマイルス試験法により起泡力を測定するが、二次電池スラリー組成物の流下直後の起泡力は、50mm以下、好ましくは40mm以下、より好ましくは30mm以下、さらに好ましくは20mm以下、特に好ましくは10mm以下である。流下直後から5分後の起泡力は、25mm以下、好ましくは20mm以下、より好ましくは15mm以下、さらに好ましくは10mm以下、特に好ましくは5mm以下である。ロスマイルス試験法により流下直後の起泡力が50mm超であると、塗布性が十分ではない。また、流下直後から5分後の起泡力が25mm超であると、塗布性が十分ではない。
二次電池スラリー組成物のpHとしては、特に限定はないが、好ましくは4.0〜12.0、さらに好ましくは5.0〜11.0、特に好ましくは6.0〜10.0、最も好ましくは7.0〜9.0である。pHが4.0未満では、塗布性が悪いことがある。12.0超では、ハンドリング性が悪いことがある。
無機粒子を分散させる溶媒としては、特に限定はなく、有機溶剤でも水でも構わないが、コストが小さく有害性リスクの少ないことから水が好ましい。
本発明の二次電池スラリー組成物が含有する水は、水道水、イオン交換水、蒸留水等のいずれでもよい。
二次電池スラリー組成物における溶媒の含有量としては、特に限定はないが、たとえば、無機粒子100重量部に対して、1〜10000重量部、好ましくは10〜1000重量部、より好ましくは50〜500重量部、さらに好ましくは60〜300重量部、特に好ましくは80〜200重量部、最も好ましくは100〜150重量部である。二次電池スラリー組成物における溶媒の含有量が無機粒子100重量部に対して10000重量部超であると、電池性能が優れない場合がある。一方、二次電池スラリー組成物における溶媒の含有量が無機粒子100重量部に対して溶媒の含有量が1重量部未満であると、塗布性が十分でない場合がある。
本発明の二次電池スラリー組成物は、上記で説明した各成分以外に、ハイドロトロープ剤、保護コロイド剤、抗菌剤、防黴剤、着色剤、酸化防止剤、消臭剤、架橋剤、触媒、乳化安定剤、キレート剤等をさらに含有していてもよい。
本発明の二次電池スラリー組成物を得るために、二次電池スラリー用分散剤組成物、無機粒子、水等の各成分を混合する方法については、特に限定はなく、たとえば、ハイスピードミキサー(株式会社深江製)、ニューグラムマシン(株式会社セイシン企業製)、SVミキサー(株式会社神鋼環境ソリューション社製)、フィルミクス(プライミクス株式会社)、ジェットペースタ(日本スピンドル製造株式会社)、KRCニーダ(株式会社栗本鐵工所製)等を用いてもよい。
本発明の二次電池スラリー組成物の用途としては、特に限定はないが、正極用途、負極用途、正極、負極、セパレータ等の表面コート用途等が挙げられる。
以下、各種用途について、詳しく説明する。
(二次電池正極用途)
本発明の二次電池スラリー組成物は、二次電池正極用途として利用することができる。二次電池スラリー組成物が二次電池正極用途として用いられる場合の二次電池正極用スラリー組成物の無機粒子としては、正極活物質、導電助剤等が挙げられる。二次電池正極用途の二次電池スラリー組成物は、通常集電体シートに塗布、乾燥して薄膜化して二次電池用正極として使用できる。
正極活物質としては、特に限定はないが、たとえば、リン酸鉄リチウム(LiFePO)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO)、ピロリン酸鉄(LiFeP)、コバルト酸リチウム複合酸化物(LiCoO)、スピネル型マンガン酸リチウムコバルト酸リチウム複合酸化物(LiMn)、マンガン酸リチウム複合酸化物(LiMnO)、ニッケル酸リチウム複合酸化物(LiNiO)、ニオブ酸リチウム複合酸化物(LiNbO)、鉄酸リチウム複合酸化物(LiFeO)、マグネシウム酸リチウム複合酸化物(LiMgO)、カルシウム酸リチウム複合酸化物(LiCaO)、銅酸リチウム複合酸化物(LiCuO)、亜鉛酸リチウム複合酸化物(LiZnO)、モリブテン酸リチウム複合酸化物(LiMoO)、タンタル酸リチウム複合酸化物(LiTaO)、タングステン酸リチウム複合酸化物(LiWO)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05)、リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.33、LiNi0.8Co0.1Mn0.1)、酸化マンガンニッケル(LiNi0.5Mn1.5)、酸化マンガン(MnO)、リチウム過剰系ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物、水酸化ニッケル(Ni(OH))、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挙げられ、1種または2種以上でもよい。
導電助剤としては、特に限定はないが、たとえば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック;グラフェン;カーボンナノ繊維、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ;金属微粒子;複合金属微粒子等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
正極の集電体としては、電子伝導性を有し正極材料に通電し得る材料であればよく、特に限定はない。
(二次電池負極用途)
本発明の二次電池スラリー組成物は、二次電池負極用途として利用することができる。二次電池スラリー組成物が二次電池負極用途として用いられる場合の二次電池負極用スラリー組成物の無機粒子としては、負極活物質、導電助剤等が挙げられる。二次電池負極用途の二次電池スラリー組成物は、通常集電体シートに塗布、乾燥して薄膜化して二次電池用負極として使用できる。
負極活物質としては、特に限定はないが、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料;Si等のシリコン系;SiO、SnO、SnO、CuO、LiTi12等の金属酸化物系;Si−Al、Al−Zn、Si−Mg、Al−Ge、Si−Ge、Si−Ag、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Sn、Ag−Ge、Sn−Sb等の合金;リン酸スズガラス系等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
導電助剤としては、特に限定はないが、たとえば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック;グラフェン;カーボンナノ繊維、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ;金属微粒子;複合金属微粒子等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
負極の集電体としては、電子伝導性を有し負極材料に通電し得る材料であればよく、特に限定はない。
(表面コート用途)
本発明の二次電池スラリー組成物は、セパレータの表面コート用途、また上述した正極あるいは負極の表面コート用途として利用することができる。二次電池スラリー組成物が表面コート用途として用いられる場合の二次電池スラリー組成物の無機粒子としては、非導電性粒子等が挙げられる。非導電性粒子としては、特に限定はないが、たとえば、シリカ(酸化ケイ素)、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナ、θアルミナ等のアルミナ(酸化アルミニウム)、チタニア(酸化チタン)、マグネシア(酸化マグネシウム)、ジルコニア(酸化ジルコニウム)、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化スズ、酸化ストロンチウム、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化タングステン、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化アンチモン、ホワイトカーボン等の無機酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの無機窒化物微粒子;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫化バリウム、硫化カルシウム等のイオン結晶微粒子;シリコン、ダイヤモンドなどの共有結合性結晶微粒子;マイカ、タルク、ベントナイト、カオリン、ケイ酸アルミニウム、セリサイト等のケイ酸塩;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等の炭酸塩等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。なかでもα−アルミナが熱的および化学的安定性が特に高いため、好ましい。
非導電性粒子の平均粒子径については、特に限定されないが、通常0.001〜100μm、好ましくは0.01〜10μm、さらに好ましくは0.1〜1μm、特に好ましくは0.1〜0.8μm、最も好ましくは0.2〜0.7μmである。非導電性粒子の平均粒子径が0.001μm未満の場合、製造が困難となり好ましくない場合がある。一方、非導電性粒子の平均粒子径が100μm超の場合、分散性が悪くなり好ましくない場合がある。
非導電性粒子のBET比表面積としては、特に限定はないが、たとえば、通常0.1〜30m/g、好ましくは1〜18m/g、さらに好ましくは4〜14m/g、特に好ましくは5〜10m/g、最も好ましくは8〜10m/gである。非導電性粒子のBET比表面積が0.1m/g未満の場合被膜形成性が悪くなり好ましくない場合がある。一方、非導電性粒子のBET比表面積が30m/g超の場合、ハンドリング性が悪くなり好ましくない場合がある。
非導電性粒子の電気伝導度としては、特に限定はないが、たとえば、好ましくは100μS/cm以下、さらに好ましくは80μS/cm以下、特に好ましくは40μS/cm以下、最も好ましくは20μS/cm以下である。非導電性粒子の電気伝導度が100μS/cm超の場合、電池性能が悪くなり好ましくない場合がある。
表面コート用途の二次電池スラリー組成物のゼータ電位としては、特に限定はないが、測定温度25℃における5重量%濃度水分散液のゼータ電位が、好ましくは−10〜−100mV、より好ましくは−10〜−90mV、さらに好ましくは−20〜−80mV、特に好ましくは−30〜−70mV、最も好ましくは−35〜−65mVである。5重量%濃度の表面コート用途の二次電池スラリー組成物のゼータ電位が−100mV未満であると、ハンドリング性に優れないことがある。一方、5重量%濃度の表面コート用途の二次電池スラリー組成物のゼータ電位が−10mV超であると、分散性が十分ではないことがある。
ここで、本発明の二次電池スラリー組成物が二次電池セパレータの表面コート用途として用いられる場合について詳しく述べる。
二次電池では、通常、正極と負極の間の短絡を防ぐ為に、セパレータが用いられている。たとえば、リチウムイオン電池の場合、セパレータは、電池内部で短絡が発生した場合、セパレータの有するシャットダウン機能によって、セパレータの孔が塞がって、短絡した部分のリチウムイオンの移動ができなくなり、短絡部位の電池機能を失わせることにより、リチウムイオン二次電池の安全性を保持する役割を担っている。しかしながら、瞬間的に発生する発熱によって電池温度が例えば150℃を超えると、セパレータは急激に収縮して、正極と負極の短絡部位が拡大することがある。この場合、電池温度は数百℃以上にまで異常過熱された状態に至ることがあり、安全性の面で問題となっている。そこで、上記問題点を解決する手段として、リチウムイオン二次電池を構成する正極または負極ないしはセパレータの表面に、絶縁性を有する無機酸化物フィラーを含む無機酸化物多孔膜を形成させる。
二次電池セパレータコート用スラリー組成物をセパレータに塗工する方法としては、均一にウェットコーティングできる方法であればよく、特に限定はないが、たとえば、キャピラリーコート法、スピンコート法、スリットダイコート法、スプレーコート法、ディップコート法、ロールコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、バーコーター法、グラビアコーター法、ダイコーター法などを採用することができる。
塗膜から溶媒を除去する方法は、乾燥による方法が一般的である。溶媒の乾燥温度は、セパレータの軟化点以下の温度が好ましく、通常、10〜200℃、好ましくは30〜150℃、さらに好ましくは40〜120℃、特に好ましくは50〜100℃、最も好ましくは60〜90℃である。溶媒の乾燥温度が200℃超の場合、セパレータの機能が低下し好ましくない場合がある。
セパレータの組成を構成する樹脂としては、特に限定はないが、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル系樹脂;ナイロン等のポリアミド系樹脂;ポリアミドイミド系樹脂;ポリアセタール系樹脂;ポリスチレン系樹脂;メタクリル系樹脂;ポリ塩化ビニル系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;ポリフェニレンサルファイド系樹脂、セルロース系樹脂等が挙げられる。
セパレータの形状としては、特に限定はなく、たとえば微多孔膜フィルム、不織布等が挙げられる。
セパレータは、二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗工する前に、表面をポリフッ化ビニリデン樹脂やポリアラミド樹脂などで表面コートされていてもよい。
セパレータは、二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗工する前に親水化処理を行ってもよい。親水化処理としては、酸やアルカリ等による薬剤処理、コロナ処理、プラズマ処理が挙げられる。
セパレータ表面に本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して形成する表面コート被膜は、セパレータのどちらか片面に形成させてよく、両面に形成させてもよい。
セパレータ表面に本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して形成された片面分の表面コート被膜の膜厚としては、特に限定はないが、たとえば、通常0.1〜30μm、好ましくは0.3〜10μm、さらに好ましくは0.5〜5μm、特に好ましくは1〜4μm、最も好ましくは1〜3μmである。片面分の表面コート被膜の膜厚が0.1μm未満の場合耐熱性が悪くなり好ましくない場合がある。片面分の表面コート被膜の膜厚が30μm超の場合、セパレータの機能が低下し好ましくない場合がある。
本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して表面コートされたセパレータの膜厚としては、特に限定はないが、たとえば、通常1〜100μm、好ましくは5〜50μm、さらに好ましくは10〜30μm、特に好ましくは15〜25μm、最も好ましくは20〜25μmである。表面コートされたセパレータの膜厚が1μm未満の場合耐熱性が悪くなり好ましくない場合がある。片面分の表面コート被膜の膜厚が100μm超の場合、セパレータの機能が低下し好ましくない場合がある。
本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して表面コートされたセパレータに対する溶媒の接触角が特定の範囲にあると電池性能に優れるので好ましい。
本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して表面コートされたセパレータに対する水の接触角としては、特に限定はないが、たとえば、水を滴下してから1600msec経過時で通常60°以下、好ましくは50°以下、より好ましくは40°以下、さらに好ましくは30°以下、特に好ましくは20°以下である。表面コートされたセパレータに対する水の接触角が60°超であると、電池性能に優れない場合がある。
本発明の二次電池セパレータコート用スラリー組成物を塗布、乾燥して表面コートされたセパレータに対する電解液の接触角としては、特に限定はないが、たとえば、電解液を滴下してから1600msec経過時で通常80°以下、好ましくは70°以下、より好ましくは60°以下、さらに好ましくは55°以下、特に好ましくは50°以下である。表面コートされたセパレータに対する電解液の接触角が80°超であると、電池性能に優れない場合がある。
接触角の測定に用いられる電解液としては、たとえば、ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、メチルエチルカーボネート等のアルキルカーボネート化合物等が挙げられ、1種または2種以上でもよい。
〔二次電池用材料及びその製造方法〕
本発明の二次電池用材料としては、上記二次電池スラリー組成物の各用途で既述した正極、負極、セパレータが挙げられる。すなわち、本発明の正極は、集電体上に正極用被膜を有する二次電池用正極であって、前記被膜が、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。本発明の負極は、集電体上に負極用被膜を有する二次電池用負極であって、前記被膜が、上記二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。本発明のセパレータは、セパレータ用被膜を有するセパレータであって、前記被膜が、請求項7に記載の二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる。
本発明の二次電池用材料の製造方法は、特に限定されないが、例えば、前記成分(A)〜(D)を混合して得た分散剤組成物と溶媒とを混合して分散剤混合液を得る工程(a)と、前記分散剤混合液と無機粒子とを混合してスラリー組成物を得る工程(b)と、正極の集電体、負極の集電体、正極、負極及びセパレータから選ばれる少なくとも1種に前記スラリー組成物を塗布し乾燥して被膜を形成させる工程(c)を含む製造方法が挙げられる。前記成分(E)、前記その他の成分から選ばれる少なくとも1種を混合する工程は、工程(a)、工程(b)のいずれでも構わないが、工程(a)で混合すると、分散剤組成物が均一となることにより本願効果が得られやすいため、好ましい。
なお、塗布方法及び乾燥方法については、上記二次電池スラリー組成物の各用途で既述した方法を採用できる。
〔二次電池〕
本発明の二次電池スラリー用組成物を用いて作製された正極、負極、セパレータを用いて、本発明の二次電池を作製することができ、その製造方法は特に限定されない。たとえば、上述した負極と正極とをセパレータを介して重ね合わせ電池形状に応じて巻いたり折ったり積層したりして電極体を作製し電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口してもよい。
電池形状は、特に限定はないが、たとえば、コイン型、円筒型、角型、シート型等が挙げられる。
電池の外装方法は、特に限定はないが、たとえば、金属ケース、モールド樹脂、アルミラミネートフィルム等が挙げられる。
二次電池の種類としては、特に限定はなく、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、全固体リチウムイオン電池等のリチウムイオン二次電池;ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のアルカリ二次電池;ナトリウム硫黄電池;レドックスフロー電池;空気電池等が挙げられる。
電解液としては、特に限定はないが、リチウムイオン電池の場合は、たとえば、非水系の溶媒に支持電解質としてリチウム塩を溶解したものを使用できる。
二次電池がニッケル水素電池の場合の電解液としては、特に限定はなくアルカリ性の水溶液であればよく、たとえば、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムを含む水溶液等が挙げられる。
本発明の二次電池は、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
電気機器としては、例えば、エアコン、洗濯機、テレビ、冷蔵庫、冷凍庫、冷房機器、ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、パソコンキーボード、パソコン用ディスプレイ、デスクトップ型パソコン、CRTモニター、パソコンラック、プリンター、一体型パソコン、マウス、ハードディスク、パソコン周辺機器、アイロン、衣類乾燥機、ウインドウファン、トランシーバー、送風機、換気扇、音楽レコーダー、音楽プレーヤー、オーブン、レンジ、洗浄機能付便座、温風ヒーター、カーコンポ、カーナビ、懐中電灯、加湿器、携帯カラオケ機、換気扇、乾燥機、乾電池、空気清浄器、携帯電話、非常用電灯、ゲーム機、血圧計、コーヒーミル、コーヒーメーカー、こたつ、コピー機、ディスクチェンジャー、ラジオ、シェーバー、ジューサー、シュレッダー、浄水器、照明器具、除湿器、食器乾燥機、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、掃除機、体脂肪計、体重計、ヘルスメーター、ムービープレーヤー、電気カーペット、電気釜、炊飯器、電気かみそり、電気スタンド、電気ポット、電子ゲーム機、携帯ゲーム機、電子辞書、電子手帳、電子レンジ、電磁調理器、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電動歯ブラシ、あんか、散髪器具、電話機、時計、インターホン、エアサーキュレーター、電撃殺虫器、複写機、ホットプレート、トースター、ドライヤー、電動ドリル、給湯器、パネルヒーター、粉砕機、はんだごて、ビデオカメラ、ビデオデッキ、ファクシミリ、ファンヒーター、フードプロセッサー、布団乾燥機、ヘッドホン、電気ポット、ホットカーペット、マイク、マッサージ機、豆電球、ミキサー、ミシン、もちつき機、床暖房パネル、ランタン、リモコン、冷温庫、冷水器、冷凍ストッカー、冷風器、ワープロ、泡だて器、電子楽器、オートバイ、おもちゃ類、芝刈り機、うき、自転車、自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道、船、飛行機、非常用蓄電池などが挙げられる。
以下に、本発明の実施例を、その比較例とともに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[粘度の測定]
成分(A)及び成分(B)の20%濃度水分散液、及び成分(C)の4%濃度水分散液を調整し、25℃雰囲気下でB型粘度計((株)東京計器製:BL型)を用いて測定した。
〔起泡力〕
JIS K3362の方法に準拠したロスマイルス試験法により温度25℃の測定条件下で測定した。組成物の有効濃度が0.1重量%水溶液を試験液とし、試験液の50mlをロスマイルス測定装置の管壁に沿って流し込み、上部の流下ピペットにも試験液の200mlを入れて準備した。ロスマイルス測定装置の円筒中央に試験液の液滴が落ちるようにピペットをセットし、90cmの高さから試験液を流下させ、流下が終わった直後(流下直後)の泡沫の高さと、流下直後から5分後の泡沫の高さを測定した。なお、ここでいう有効濃度とは、組成物の重量に対して、組成物を105℃で熱処理して溶媒等を除去し、恒量に達した時の絶乾成分の重量割合をいう。
〔表面張力〕
有効濃度の0.1重量%水溶液を試験液とし、自動表面張力計(KRUSS社製、品番TensiometerK100)を用いて、ウィルヘルミー法により温度25℃の測定条件下で測定した。
〔接触角〕
接触角計(協和界面科学株式会社製、品番DM−901)を用いて測定した。
〔ガラス転移点の測定〕
動的粘弾性測定装置(ティ−・エイ・インスツルメント社製、品番Q800)を用いて測定した。
〔熱重量測定(TGA)の測定〕
示差熱天秤(リガク社製、品番Thermo plus EVO)を用いて、設定開始温度20℃、設定最終温度300℃、昇温速度毎分10℃の測定条件で測定した。
〔平均粒子径、ゼータ電位の測定〕
粒径・ゼータ電位測定システム(大塚電子製、ELSZ−1000)を用いて測定した。
〔電解液に対する膨潤度の測定〕
乾燥した成分(A)、成分(B)及び成分(C)の各固形物0.2gを、60℃条件下で電解液(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの1:1混合液)に6時間浸漬した。その後、試験体を電解液から取り出し、試験体の表面の電解液を拭き取り、浸漬後の試験体の重量W2を測定した。電解液に浸漬前の試験体の重量をW1とし、電解液に対する膨潤度SW(倍)を、SW=W2/W1にて計算し求めた。
〔非水溶性高分子粒子成分(A)〕
実施例および比較例で用いた非水溶性高分子粒子成分(A)について、それらの具体的な製造方法および物性を以下の表1の製造例A−1〜A−9に示す。
Figure 0006676225
〔水溶性高分子成分(B)〕
実施例および比較例で用いた水溶性高分子成分(B)について、それらの具体的な製造方法および物性を以下の表2の製造例B−1〜B−5に示す。
Figure 0006676225
〔水溶性高分子成分(C)〕
実施例および比較例で用いた水溶性高分子成分(C)について、それらの具体的な物性を以下の表3の製造例C−1〜C−8に示す。
Figure 0006676225
〔消泡剤〕
実施例および比較例で用いた消泡剤を以下に示す。
ポリシロキサン系消泡剤1:ジメチルポリシロキサン、粘度100mPa・s
ポリシロキサン系消泡剤2:ジメチルポリシロキサン、粘度1000mPa・s
シリカ微粉末系消泡剤:トリメチルエトキシシランにより疎水化処理されたシリカ微粉末
鉱物油系消泡剤:パラフィン系鉱物油
〔レオロジー調整剤〕
カルボキシメチルセルロース:エーテル化度0.7、20℃における1重量%濃度の粘度10mPa・s
〔無機粒子〕
実施例および比較例で用いた無機粒子を以下に示す。
αアルミナ1:一次粒子径0.3μm、BET比表面積8.4m/g
αアルミナ2:一次粒子径0.8μm、BET比表面積4.9m/g
γアルミナ:一次粒子径0.3μm、BET比表面積4.7m/g
θアルミナ:一次粒子径0.3μm、BET比表面積5.3m/g
シリカ:一次粒子径0.3μm、BET比表面積5.4m/g
コバルト酸リチウム;一次粒子径7.3μm、BET比表面積0.4m/g
リチウム−ニッケル−コバルト−マンガン複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.33;一次粒子径11.5μm、BET比表面積0.3m/g
マンガン酸リチウム複合酸化物(LiMnO);一次粒子径10.1μm、BET比表面積0.3m/g
リン酸鉄リチウム(LiFeO);一次粒子径12.1μm、BET比表面積0.3m/g
グラファイト;一次粒子径11.1μm、BET比表面積0.4m/g
ハードカーボン;一次粒子径13.3μm、BET比表面積0.2m/g
アセチレンブラック;平均粒子径70.1nm、BET比表面積68m/g
カーボンナノ繊維:繊維径150.0nm、BET比表面積13m/g
〔製造例A−1〕
まず、重合性単量体として、20gのアクリル酸および80gのアクリル酸ブチルを準備し、乳化剤として、2.0gのアルキルベンゼンスルホン酸ソーダ塩を準備した。
上記で準備した重合性単量体および乳化剤と、150gのイオン交換水とをホモジナイザーで混合攪拌し、500mlのセパラブルフラスコ中で窒素気流下、80℃で3時間反応してアクリル系高分子粒子A−1のエマルションを得た。このアクリル系高分子粒子A−1は、非水溶性であって、不揮発分濃度40.3重量%、粘度30mPa・s、平均粒子径166nm、ゼータ電位−45mV、熱重量測定0.3%、ガラス転移点−22℃であった。
〔製造例A−2〜A−9〕
製造例A−2〜A−9では、製造例A−1において、上記表1に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、製造例A−1と同様に高分子粒子成分をそれぞれ得て、物性等も製造例A−1と同様に評価した。
〔製造例B−1〕
まず、重合性単量体として、15gのアクリル酸、5gのアクリロニトリルおよび80gのアクリルアミドを準備し、乳化剤として、2.0gのアルキルベンゼンスルホン酸ソーダ塩を準備した。
上記で準備した重合性単量体および乳化剤と、400gのイオン交換水とをホモジナイザーで混合攪拌し、500mlのセパラブルフラスコ中で窒素気流下、80℃で3時間反応して水溶性高分子成分B−1を得た。この水溶性高分子成分B−1は、水溶性であって、不揮発分濃度20.3重量%、粘度18000mPa・s、熱重量測定5.4%、ガラス転移点157℃であった。
〔製造例B−2〜B−5〕
製造例B−2〜B−5では、製造例B−1において、上記表2に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、製造例B−1と同様に水溶性高分子をそれぞれ得て、物性等も製造例B−1と同様に評価した。
〔製造例1〕
成分(A)である非水溶性高分子粒子成分A−1を15g含む高分子粒子エマルションの38gと、成分(B)である水溶性高分子成分B−1を5g含む高分子水溶液の25gと、成分(C)である水溶性高分子成分C−1の5gと、POE(12)ラウリルエーテルの15gと、イオン交換水307gを均一に混合して、二次電池スラリー用分散剤組成物を得た。イオン交換水の量は高分子成分に含まれるイオン交換水と合わせて350gであった。二次電池スラリー用分散剤組成物は、不揮発分濃度10.3%、粘度5500mPa・s、pH6.7、表面張力33.6mN/m、ゼータ電位−42mV、起泡力は直後の値が80mm、5分後の値が20mm、無機酸化物板としてアルミナ板への接触角が1600msec経過時で48°、ポリオレフィン樹脂への接触角が1600msec経過時で21°であった。
〔製造例2〜10、製造比較例11〜14〕
製造例2〜10、製造比較例11〜14では、表4、5に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、製造例1と同様に二次電池スラリー用分散剤組成物をそれぞれ得て、物性等も製造例1と同様に評価した。その結果を表4、5に示す。
Figure 0006676225
Figure 0006676225
〔実施例1〕
無機粉末であるαアルミナ1の100gと分散剤である二次電池スラリー用分散剤組成物1の30gとイオン交換水100gを均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。
得られた二次電池スラリー組成物は、不揮発分濃度46.6重量%、粘度100mPa・s、平均粒子径380nm、ゼータ電位−48mV、起泡力は直後の値が15mm、5分後の値が5mmであった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が5重量%未満であり分散安定性に優れていた。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚20μmのポリオレフィン樹脂系セパレータに塗布し、80℃のオーブン中で乾燥させた。乾燥後セパレータ表面を表面コートした被覆面積は95%以上であり塗布性に優れていた。表面コート膜厚は4μmであった。セパレータ表面を表面コートした表面コートセパレータは収縮率が95%以上であり、耐熱性に優れる。
〔実施例2〜10〕
実施例2〜10では、実施例1において、表6に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、実施例1と同様に二次電池スラリー組成物をそれぞれ得て、物性等も実施例1と同様に評価した。その結果を表6に示す。
Figure 0006676225
〔実施例11〕
無機粉末であるコバルト酸リチウムの95g、アセチレンブラック5gと分散剤である二次電池スラリー用分散剤組成物1の30gとイオン交換水50gを均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。得られた二次電池スラリー組成物は、不揮発分濃度68.4重量%、粘度6500mPa・s、平均粒子径15.4μm、pH8.3、ゼータ電位−32mV、起泡力は直後の値が15mm、5分後の値が5mmであった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が5重量%未満であり分散安定性に優れていた。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚20μmのアルミ箔に塗布し、150℃のオーブン中で乾燥させて二次電池用正極被膜を得た。乾燥後集電体の被覆面積は95%以上であり表面にひび割れなく塗布性に優れていた。乾燥性も300秒以内であり乾燥性に優れていた。二次電池用正極被膜の膜厚は55μmであった。二次電池用正極被膜の表面にエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの当量混合液を滴下して1600msec経過時の接触角を測定したところ、接触角が20°未満であり、電解液の保液性に優れた。
〔実施例12〜19〕
実施例12〜19では、実施例11において、表7に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、実施例11と同様に二次電池スラリー組成物をそれぞれ得て、物性等も実施例11と同様に評価した。その結果を表7に示す。
Figure 0006676225
〔実施例20〕
無機粉末であるグラファイトの95g、アセチレンブラック5gと分散剤である二次電池スラリー用分散剤組成物1の30gとイオン交換水50gを均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。得られた二次電池スラリー組成物は、不揮発分濃度68.2重量%、粘度5500mPa・s、平均粒子径15.2μm、pH7.3、ゼータ電位−40mV、起泡力は直後の値が15mm、5分後の値が5mmであった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が5重量%未満であり分散安定性に優れていた。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚18μmの銅箔に塗布し、150℃のオーブン中で乾燥させて二次電池用負極被膜を得た。乾燥後集電体の被覆面積は95%以上であり表面にひび割れなく塗布性に優れていた。乾燥性も300秒以内であり乾燥性に優れていた。二次電池用負極被膜の膜厚は65μmであった。二次電池用負極被膜の表面にエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの当量混合液を滴下して1600msec経過時の接触角を測定したところ、接触角が20°未満であり、電解液の保液性に優れた。
〔実施例20〜28〕
実施例20〜28では、実施例20において、表8に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、実施例20と同様に二次電池スラリー組成物をそれぞれ得て、物性等も実施例20と同様に評価した。その結果を表8に示す。
Figure 0006676225
〔実施例29〕
成分(B)である水溶性高分子成分B−1を0.4g含む高分子水溶液の2gと、成分(C)である水溶性高分子成分C−1の0.4gと、POE(12)ラウリルエーテルの15gと、イオン交換水97gを混合し、成分(A)である非水溶性高分子粒子成分A−1を1.2g含む高分子粒子エマルションの3gをさらに加え均一に混合した。次に無機粉末であるαアルミナ1の100gをさらに加えて均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。
得られた二次電池スラリー用分散剤組成物は、不揮発分濃度10.3%、粘度5500mPa・s、pH6.7、表面張力33.6mN/m、ゼータ電位−42mV、起泡力は直後の値が80mm、5分後の値が20mm、無機酸化物板としてアルミナ板への接触角が1600msec経過時で48°、ポリオレフィン樹脂への接触角が1600msec経過時で21°であった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が5重量%未満であり分散安定性に優れていた。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚20μmのポリオレフィン樹脂系セパレータに塗布し、80℃のオーブン中で乾燥させた。乾燥後セパレータ表面を表面コートした被覆面積は95%以上であり塗布性に優れていた。表面コート膜厚は5μmであった。セパレータ表面を表面コートした表面コートセパレータは収縮率が95%以上であり、耐熱性に優れる。
〔実施例30〕
成分(B)である水溶性高分子成分B−1を0.4g含む高分子水溶液の2gと、成分(C)である水溶性高分子成分C−1の0.4gと、POE(12)ラウリルエーテルの15gと、イオン交換水97gを混合し、成分(A)である非水溶性高分子粒子成分A−1を1.2g含む高分子粒子エマルションの3gをさらに加え均一に混合した。次に無機粉末であるグラファイトの95g、アセチレンブラック5gをさらに加えて均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。
得られた二次電池スラリー組成物は、不揮発分濃度68.4重量%、粘度6500mPa・s、平均粒子径15.4μm、pH8.4、ゼータ電位−45mV、起泡力は直後の値が15mm、5分後の値が5mmであった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が5重量%未満であり分散安定性に優れていた。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚18μmの銅箔に塗布し、150℃のオーブン中で乾燥させて二次電池用負極被膜を得た。乾燥後集電体の被覆面積は95%以上であり表面にひび割れなく塗布性に優れていた。乾燥性も300秒以内であり乾燥性に優れていた。二次電池用負極被膜の膜厚は70μmであった。二次電池用負極被膜の表面にエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの当量混合液を滴下して1600msec経過時の接触角を測定したところ、接触角が20°未満であり、電解液の保液性に優れた。
〔比較例1〕
無機粉末であるαアルミナ1の100gと分散剤である二次電池スラリー用分散剤組成物9の30gとイオン交換水100gを均一に混合して、二次電池スラリー組成物を得た。
得られた二次電池スラリー組成物は、不揮発分濃度46.4重量%、粘度60mPa・s、平均粒子径660nm、ゼータ電位−10mV、起泡力は直後の値が10mm、5分後の値が5mmであった。
この二次電池スラリー組成物を用いて、二次電池スラリー用分散剤組成物の分散安定性を評価したところ、沈降物の重量が10重量%以上30重量%未満であり、分散安定性に劣る。
上記で得られた二次電池スラリー組成物を膜厚20μmのポリオレフィン樹脂系セパレータに塗布し、80℃のオーブン中で乾燥させた。乾燥後セパレータ表面を表面コートした被覆面積は80%未満であり、塗布性に劣る。表面コート膜厚は2μmであった。セパレータ表面を表面コートした二次電池用被膜は収縮率が80%未満であり、耐熱性に劣る。
〔比較例2〜8〕
比較例2〜8では、比較例1において、表9及び表10に示すように原料をそれぞれ変更する以外は、比較例1と同様に二次電池スラリー組成物をそれぞれ得て、物性等も比較例1と同様に評価した。その結果を表9及び表10に示す。
Figure 0006676225
Figure 0006676225
表6〜8から分かる通り、実施例1〜27の二次電池用スラリー組成物は、上記成分(B)、上記成分(C)及び上記成分(D)を含有する分散剤組成物であって、前記成分(B)に対する前記成分(C)の重量割合が0.5〜3.5であり、前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)の含有量が0.1〜500重量部であり、前記成分(B)のガラス転移点をTg(B)(℃)、前記成分(C)のガラス転移点をTg(C)(℃)とし、下記数式(I)を満足する二次電池スラリー用分散剤組成物ため、塗布性及び被膜の乾燥性に優れる。
一方、表9及び10から分かる通り、成分(B)がない場合(比較例1及び5、製造比較例11)、成分(C)がない場合(比較例2及び6、製造比較例12)、前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)の含有量が0.1〜500重量部にない場合(比較例3及び7、製造比較例13)、Tg(B)(℃)及びTg(C)(℃)が前記数式(I)を満たさない場合(比較例4、8、製造比較例14)には、本願課題のいずれかが解決できていない。
〔分散安定性の評価〕
作製した二次電池スラリー組成物を100mlの遠沈管にとって室温で24時間保管した後の沈降物の重量を測定した。分散安定性の評価基準は以下のとおり。
◎:沈降物の重量が5重量%未満であり、分散安定性に優れる。
〇:沈降物の重量が5重量%以上10重量%未満であり、分散安定性に優れる。
△:沈降物の重量が10重量%以上30重量%未満であり、分散安定性に劣る。
×:沈降物の重量が30重量%以上であり、分散安定性に劣る。
〔塗布性の評価〕
(セパレータの場合)
二次電池スラリー組成物をポリオレフィン系セパレータ表面に15g/m塗布して、80℃の温度に加熱して乾燥した。セパレータ表面を表面コートした被覆面積を測定した。塗布性の評価基準は以下のとおり。
◎:被覆面積が95%以上であり、塗布性に優れる。
〇:被覆面積が90%以上95%未満であり、塗布性に優れる。
△:被覆面積が80%以上90%未満であり、塗布性に劣る。
×:被覆面積が80%未満であり、塗布性に劣る。
(正極および負極の場合)
二次電池スラリー組成物を集電体表面に10mg/cm塗布して、150℃の温度に加熱して乾燥した。集電体表面を表面コートした被覆面積を測定した。塗布性の評価基準は以下のとおり。
○:被覆面積が95%以上であり乾燥時に塗布表面のひび割れなく、塗布性に優れる。
×:乾燥時に塗布表面のひび割れ発生し被覆面積が95%未満であり、塗布性に劣る。
〔乾燥性の評価〕
(セパレータの場合)
二次電池スラリー組成物をポリオレフィン系セパレータ表面に15g/m塗布して、80℃の温度で塗布表面が乾くまでの時間を目視にて測定する。乾燥性の評価基準は以下のとおり。
○:乾燥時間が30秒以下であれば、待ち時間が少なく乾燥性が良い。
×:乾燥時間が30秒超であれば、待ち時間が長く作業性に支障をきたすため乾燥性が良くない。
(正極および負極の場合)
二次電池スラリー組成物を集電体表面に10mg/cm塗布して、150℃の温度で塗布表面が乾くまでの時間を目視にて測定する。乾燥性の評価基準は以下のとおり。
○:乾燥時間が300秒以下であれば、待ち時間が少なく乾燥性が良い。
×:乾燥時間が300秒超であれば、待ち時間が長く作業性に支障をきたすため乾燥性が良くない。
〔耐熱性の評価〕
作製した表面コートセパレータの試料縦10cm×横10cmを120℃の恒温槽中に8時間保管して加温した後、試料の縦横それぞれの長さを測定して収縮率を算出した。耐熱性の評価基準は以下のとおり。表面コートセパレータの耐熱性は縦あるいは横のいずれか小さい方の収縮率で評価した。
収縮率(%)=(8時間加温後の表面コートセパレータの縦あるいは横の長さ/10)×100
◎:収縮率が95%以上であり、耐熱性に優れる。
〇:収縮率が90%以上95%未満であり、耐熱性に優れる。
△:収縮率が80%以上90%未満であり、耐熱性に劣る。
×:収縮率が80%未満であり、耐熱性に劣る。
〔水の保液性の評価〕
接触角計(協和界面科学株式会社製、品番DM−901)を用いて、表面コートセパレータに水を滴下後1600msec経過時の接触角を測定して評価した。
◎:接触角が20°未満であり、水の保液性に優れる。
〇:接触角が20°以上30°未満であり、水の保液性に優れる。
△:接触角が30°以上40°未満であり、水の保液性に劣る。
×:接触角が40°以上であり、水の保液性に劣る。
〔電解液の保液性の評価〕
接触角計(協和界面科学株式会社製、品番DM−901)を用いて、表面コートセパレータ、正極、負極のいずれかににエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの当量混合液を滴下して1600msec経過時の接触角を測定して評価した。
◎:接触角が20°未満であり、電解液の保液性に優れる。
〇:接触角が20°以上30°未満であり、電解液の保液性に優れる。
△:接触角が30°以上40°未満であり、電解液の保液性に劣る。
×:接触角が40°以上であり、電解液の保液性に劣る。

Claims (14)

  1. 下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)を含有する分散剤組成物であって、
    前記成分(B)に対する前記成分(C)の重量割合が0.5〜3.5であり、
    前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)の含有量が0.1〜500重量部であり、前記成分(B)のガラス転移点をTg(B)(℃)、前記成分(C)のガラス転移点をTg(C)(℃)とし、下記数式(I)を満足する、二次電池スラリー用分散剤組成物。
    170<(Tg(B)+Tg(C))<270 (I)
    成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
    成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
    成分(D):界面活性剤成分D
  2. 下記成分(A)をさらに含有する二次電池スラリー用分散剤組成物であって、
    前記成分(A)、前記成分(B)及び前記成分(C)の合計含有量を100重量部としたときに、前記成分(D)が0.1〜500重量部であり、前記成分(A)のガラス転移点をTg(A)(℃)とし、下記数式(II)を満足する、請求項1に記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
    30<(Tg(B)+Tg(C))/2−Tg(A)<200 (II)
    成分(A):アルキルエステル基含有単量体単位(II)を必須に含み、カルボキシル基含有単量体単位(I)を0重量%以上31重量%未満含む非水溶性高分子粒子成分A
  3. 前記成分(A)が、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、前記単量体単位(I)が0〜100重量部であり、前記成分(A)のガラス転移点Tg(A)が−100〜50(℃)である、請求項2に記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
  4. 前記成分(A)がさらに窒素含有単量体単位(III)を含み、前記単量体単位(II)を100重量部としたときに、前記単量体単位(III)が0.1〜200重量部である、請求項2又は3に記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
  5. 前記成分(C)の20℃における4重量%水溶液粘度が、1〜500mPa・sである、請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
  6. 少なくとも2つの剤の組合せから構成される二次電池スラリー用分散剤組成物であって、前記組合せが、前記成分(A)を必須に含有する第1剤と、前記成分(B)及び前記成分(C)を必須に含有する第2剤とを含む、請求項2〜5のいずれかに記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
  7. エーテル化度が0.55〜1.1であるカルボキシメチルセルロースをさらに含有し、
    前記カルボキシメチルセルロースの1重量%濃度水溶液の粘度が20℃において1〜100mPa・sである、請求項1〜6のいずれかに記載の二次電池スラリー用分散剤組成物。
  8. 下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)と無機粒子とを含有する二次電池スラリー組成物であって、
    前記無機粒子の含有量を100重量部としたときに、それぞれの含有量が、前記成分(B)が0.1〜50重量部、前記成分(C)が0.1〜50重量部、前記成分(D)が0.001〜20重量部である、二次電池スラリー組成物。
    成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
    成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
    成分(D):界面活性剤成分D
  9. エーテル化度が0.55〜1.1であるカルボキシメチルセルロースをさらに含有し、
    前記カルボキシメチルセルロースの1重量%濃度水溶液の粘度が20℃において1〜100mPa・sである、請求項8に記載の二次電池スラリー組成物。
  10. 下記成分(B)、下記成分(C)及び下記成分(D)を混合して得た分散剤組成物と溶媒とを混合して分散剤混合液を得る工程(a)と、前記分散剤混合液と無機粒子とを混合してスラリー組成物を得る工程(b)と、正極の集電体、負極の集電体、正極、負極及びセパレータから選ばれる少なくとも1種に前記スラリー組成物を塗布し乾燥して被膜を形成させる工程(c)を含む、二次電池用材料の製造方法。
    成分(B):窒素含有単量体単位(III)を70重量%以上含む水溶性高分子成分B
    成分(C):カルボキシル基含有単量体(I)及びヒドロキシ基含有単量体単位(IV)から選ばれる少なくとも1種を60〜99%含み、重合度が100〜10000である、水溶性高分子成分C
    成分(D):界面活性剤成分D
  11. 集電体上に正極用被膜を有する二次電池用正極であって、前記被膜が、請求項8又は9に記載の二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる、二次電池用正極。
  12. 集電体上に負極用被膜を有する二次電池用負極であって、前記被膜が、請求項8又は9に記載の二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる、二次電池用負極。
  13. セパレータ用被膜を有するセパレータであって、前記被膜が、請求項8又は9に記載の二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる、二次電池用セパレータ。
  14. 負極、正極、セパレータ及び電解液を含む二次電池であって、前記負極、前記正極及び前記セパレータのうちの少なくとも1つが、請求項8又は9に記載の二次電池スラリー組成物の不揮発分により形成されてなる被膜を有する、二次電池。
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