JP6802062B2 - リチウム二次電池電極用組成物 - Google Patents
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Description
このように、繰り返し充放電が可能な二次電池としては、従来、鉛電池、ニッケル−カドミウム電池等の水溶系電池が主流であるが、これらの水溶系電池は、充放電特性は優れているが、電池重量やエネルギー密度の点では、携帯型電子機器の移動用電源として充分満足できる特性を有しているとはいえない。
リチウム二次電池の電極は、通常、活物質とバインダーを溶媒と共に混練し、活物質を分散させてスラリーとした後、このスラリーをドクターブレード法等によって集電体上に塗布し乾燥して薄膜化することにより形成されている。
しかしながら、フッ素系樹脂をバインダーとして用いた場合、可撓性を有する薄膜を作製可能な一方で、集電体と活物質の結着性が劣るため、電池製造工程時に活物質の一部又は全部が集電体から剥離、脱落する恐れがあった。また、電池の充放電が行われる際、活物質内ではリチウムイオンの挿入、放出が繰り返され、それに伴い、集電体から活物質の剥離、脱落の問題が起こり得るという問題もあった。
しかしながら、このような樹脂を用いた場合、電極の柔軟性が低いものとなり、ひび割れや、集電体からの剥がれが発生するため、電池耐久性の低下を招くという問題があった。
以下に本発明を詳述する。
一方で、ポリビニルアセタール樹脂を使用した場合、リチウム二次電池の電池容量が低下するという問題が新たに生じていた。
本発明者らは、このような問題がアセタール化反応の中和剤に含まれるNaイオンに起因するものであることを見出し、バインダーのNaイオンの含有量を所定量以下とすることで、活物質の分散性、集電体への密着性に優れるとともに、高容量のリチウム二次電池を作製できることを見出した。更に、ポリビニルアセタール樹脂をリチウム二次電池電極形成用のバインダーとして使用した場合、経時粘度安定性に非常に優れていることから、長期保管することが可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明のリチウム二次電池電極用組成物は、正極、負極のいずれの電極に使用してもよく、また、正極および負極の両方に使用してもよい。従って、活物質としては、正極活物質、負極活物質がある。
なお、これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記導電付与剤としては、例えば、黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。特に、正極用の導電付与剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラックが好ましく、負極用の導電付与剤としては、アセチレンブラック、鱗片状黒鉛が好ましい。
バインダーがNaイオンを含有する場合、リチウム二次電池の電極に使用すると、電解液中のLiイオンの移動が阻害され、電池容量が低下するという問題が生じるが、本発明では、上記バインダーに含まれるNaイオンを規定することで、Liイオンの移動が促進され、高容量のリチウム二次電池とすることが可能となる。
上記バインダーに含まれるNaイオン含有量の好ましい下限は0.0001ppm、好ましい上限は80ppmである。
なお、上記Naイオン含有量は、例えば、原子吸光測定法により測定することができる。
また、上記バインダーにNaイオンが−ONaの状態で存在する場合、ポリビニルアセタール樹脂の水酸基に対する基の−ONaの比率(−ONa存在比率)は、0.01〜35%であることが好ましい。上記−ONa存在比率を上述の範囲内とすることで、Liイオンの移動が促進され、高容量のリチウム二次電池とすることが可能となる。より好ましい範囲は0.01〜10%である。
なお、上記−ONa存在比率は、ポリビニルアセタール樹脂をFT−IRにて測定し、3400〜3500cm−1付近に検出される−OH基のピークにおける透過率(−OH基透過率)と、1600〜1700cm−1付近に検出される−ONa基のピークの透過率(−ONa基透過率)を使用して、下記式により算出することができる。
−ONa存在比率=(100−[−ONa基透過率])/(100−[−OH基透過率])×100
上記水酸基量のより好ましい下限は35モル%であり、より好ましい上限は53モル%である。
なお、本明細書において、アセタール化度とは、ポリビニルアルコールの水酸基数のうち、ブチルアルデヒドでアセタール化された水酸基数の割合のことであり、アセタール化度の計算方法としては、ポリビニルアセタール樹脂のアセタール基が2個の水酸基からアセタール化されて形成されていることから、アセタール化された2個の水酸基を数える方法を採用してアセタール化度のモル%を算出する。
上記R1が、炭素数1のアルキル基、炭素数3のアルキル基であるポリビニルアセタール樹脂は、アセトアルデヒド及びブチルアルデヒドでアセタール化することで得られる。
上記ポリビニルアセタール樹脂は、アセトアルデヒドでアセタール化された部分とブチルアルデヒドでアセタール化された部分との割合が0/100〜50/50であることが好ましい。これにより、ポリビニルアセタール樹脂が柔軟になり、集電体への接着力が良好になる。より好ましくは、アセトアルデヒドでアセタール化された部分とブチルアルデヒドでアセタール化された部分の割合が0/100〜20/80である。
上記アルデヒドの炭素数の好ましい下限は1、好ましい上限は11である。炭素数を上記範囲内とすることで、樹脂の疎水性が低くなるため、精製効率が向上しNaイオンの含有量を減らすことができる。
上記アルデヒドとしては、具体的には例えば、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、プロピオンアルデヒド、アクロレイン等のビニル基を有するアルデヒド(ビニルアルデヒド)等が挙げられる。
また、上記式(2)で表されるアセタール基は、ブチラール基、ベンズアセタール基、アセトアセタール基、プロピオンアセタール基及びビニルアセタール基からなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。
上記ポリビニルアセタール樹脂における下記式(3)で表されるアセチル基を有する構成単位の含有量(アセチル基量)の好ましい下限は1モル%、好ましい上限は20モル%である。上記アセチル基量を1モル%以上とすることで、樹脂の柔軟性が向上して、集電体への接着力が充分なものとなり、上記アセチル基量を20モル%以下とすることで、電解液への耐性が著しく向上し、電解液へ溶出することによる短絡を防止することができる。上記アセチル基量のより好ましい下限は3モル%、より好ましい上限は10モル%である。
上記アニオン性基を有することで、ポリビニルアセタール樹脂が活物質の表面に付着しやすくなり、活物質の分散性を高めることができる。
上記アニオン性基としては、例えば、スルホニル基、カルボキシ基、硫酸基、ホスホン酸基、ニトリル基、リン酸エステル基等が挙げられる。なかでも、スルホニル基が好ましい。
なお、上記スルホニル基には、スルホニル基の塩も含む。
上記アルキレン基としては、直鎖状アルキレン基が好ましく、炭素数が1〜6のアルキレン基が好ましい。なかでも、メチレン基、エチレン基、プロピレン基等が好ましい。
また、上記Xとしては、水素又はナトリウムが好ましい。
なお、上記平均分子量は数平均分子量を意味し、粘度法によって測定することができる。
特に、上記アニオン性基を有するポリビニルアセタール樹脂を製造する方法としては、上記アニオン性基を有する構成単位を予め有するポリビニルアルコールを用意し、その後アセタール化する方法、上記アニオン性基を有する構成単位を有しないポリビニルアルコールをアセタール化した後、上記アニオン性基を有する構成単位となる部分を付加する方法等が挙げられる。
特に、アセタール反応後に中和剤を添加した中和反応を行わない方法が好ましい。
なお、通常のアセタール化反応において、中和工程を行わない場合、触媒として用いた酸が最終的に樹脂中に残留してしまい、このような酸により電解液中でポリビニルアセタール樹脂が分解しやすくなってしまう。これに対して、アセタール化反応後に得られるポリビニルアセタール樹脂を含有するバインダーの平均粒子径を200μm以下の小粒径とする方法を併用した場合は、触媒として用いた酸を洗浄のみで洗い流すことが可能となり、中和工程を行わなくても得られる樹脂のpHを中性にすることができる。
上記ポリビニルアセタール樹脂を含有するバインダーが粒子状である場合、ポリビニルアセタール樹脂を含有するバインダーの平均粒子径の好ましい下限は10μm、好ましい上限は200μmであり、より好ましい下限は25μm、より好ましい上限は160μmである。上述の範囲内とすることで、触媒として用いた酸を洗浄のみで洗い流すことが可能となり、中和工程を行わなくても得られる樹脂のpHを中性にすることができる。その結果、バインダーに含まれるNaイオンの含有量を低減させることが可能となる。
なお、上記平均粒子径は、例えば、レーザ回折式粒子径分布測定装置(島津製作所社製、SALD−3100)等により測定することができる。
上記ポリフッ化ビニリデン樹脂を併用することで、電解液への耐性が更に向上し、放電容量を向上させることが出来る。
このような範囲内とすることで、ポリフッ化ビニリデンに著しく不足している集電体への接着力を有しながら、電解液への耐性を付与することが出来る。
より好ましい上記ポリビニルアセタール樹脂とポリフッ化ビニリデン樹脂との重量比は1:9〜4:6である。
また、本発明のリチウム二次電池電極用組成物中のバインダー全体の含有量は特に限定されないが、好ましい下限は1重量%、好ましい上限は30重量%である。上記バインダーの含有量を1重量%以上とすることで、集電体への接着力を充分なものとすることができ、30重量%以下とすることで、リチウム二次電池の放電容量が低下することを防止できる。
上記有機溶媒としては、上記ポリビニルアセタール樹脂を溶解させることができるものであれば特に限定されず、例えば、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、トルエン、イソプロピルアルコール、N−メチルピロリドン、エタノール、蒸留水等が挙げられる。なかでも、N−メチルピロリドンが好ましい。
上記有機溶媒は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
本発明のリチウム二次電池電極用組成物を用いてなるリチウム二次電池もまた本発明の一つである。
本発明のリチウム二次電池電極用組成物を導電性基体に塗布する際の塗布方法としては、例えば、押出しコーター、リバースローラー、ドクターブレード、アプリケーターなどをはじめ、各種の塗布方法を採用することができる。
ポリビニルアルコール(数平均分子量1.5×104、ケン化度99モル%)350重量部を純水3000重量部に加え、90℃の温度で約2時間攪拌し溶解させた。この溶液を40℃に冷却し、これに濃度35重量%の塩酸230重量部を添加した後、液温を5℃に下げてn−ブチルアルデヒド155重量部を添加しこの温度を保持してアセタール化反応を行い、反応生成物を析出させた。その後、液温を30℃、3時間保持して反応を完了させ、中和剤を投入せずに水洗による中和、乾燥工程を経て、ポリビニルアセタール樹脂の白色粉末(平均粒子径168μm)を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂をDMSO−d6(ジメチルスルホキサシド)に溶解し、13C−NMR(核磁気共鳴スペクトル)を用いて上記式(1)で表される構成単位の含有量[水酸基量]、上記式(2)で表される構成単位の含有量[アセタール化度]、上記式(3)で表される構成単位の含有量[アセチル基量]、を測定したところ、水酸基量は37モル%、アセタール化度(ブチラール化度)は62モル%、アセチル基量は1モル%であった。
また、得られたポリビニルアセタール樹脂中に残存しているNaイオン含有量を原子吸光測定法により測定したところNaイオン含有量は5ppmであった。
更に、得られたポリビニルアセタール樹脂をFT−IR(島津製作所社製、IRAffinity−1S)にて測定し、3400〜3500cm−1付近に検出される−OH基のピークにおける透過率(−OH基透過率)と、1600〜1700cm−1付近に検出される−ONa基のピークの透過率(−ONa基透過率)を用いて、−ONa存在比率を測定したところ、0.04%であった。
表1に示す数平均分子量、ケン化度を有するポリビニルアルコールを使用し、表1に示す量のn−ブチルアルデヒドを添加した以外は、ポリビニルアセタール樹脂Aと同様にしてポリビニルアセタール樹脂B〜Fを作製した。
また、得られたポリビニルアセタール樹脂B〜Fの水酸基量、アセタール化度(ブチラール化度)、アセチル基量、Naイオン含有量、−ONa存在比率、平均粒子径を表1に示した。
ポリビニルアルコール(数平均分子量7.0×104、ケン化度99モル%)を用い、n−ブチルアルデヒドを146重量部添加し、中和剤として水酸化ナトリウムを3重量部添加し中和、水洗した以外は、(ポリビニルアセタール樹脂Aの合成)と同様にしてポリビニルアセタール樹脂Gを作製した。
ポリビニルアルコール(数平均分子量9.0×104、ケン化度99モル%)を用い、n−ブチルアルデヒドを168重量部添加し、水酸化ナトリウムを3重量部添加し中和、水洗した以外は、(ポリビニルアセタール樹脂Aの合成)と同様にしてポリビニルアセタール樹脂Hを合成した。
表1に示す数平均分子量、ケン化度を有するポリビニルアルコールを使用し、表1に示す量のn−ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ビニルアルデヒドを添加した以外は、ポリビニルアセタール樹脂Aと同様にしてポリビニルアセタール樹脂I〜Oを作製した。
また、得られたポリビニルアセタール樹脂I〜Oの水酸基量、アセタール化度(ブチラール化度)、アセチル基量、Naイオン含有量、−ONa存在比率、平均粒子径を表1に示した。
(リチウム二次電池電極用組成物の調製)
得られたポリビニルアセタール樹脂Aを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:2.5重量部、NMP:17.5重量部)に、活物質としてコバルト酸リチウム(日本化学工業社製、セルシードC−5H)50重量部、導電付与剤としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、デンカブラック)を5重量部、N−メチルピロリドン25重量部を加えてシンキー社製泡取練太郎にて混合し、リチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂Aを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:0.005重量部、NMP:20重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂Aを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:10重量部、NMP:10重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂B〜Fを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:2.5重量部、NMP:17.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂I〜Oを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:2.5重量部、NMP:17.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
PVDF(アルケマ社製:カイナーK720)を含有する樹脂溶液20重量部(PVDF:2.5重量部、NMP:17.5重量部)を用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂Gを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:2.5重量部、NMP:17.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
得られたポリビニルアセタール樹脂Hを含有する樹脂溶液20重量部(ポリビニルアセタール樹脂:2.5重量部、NMP:17.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池電極用組成物を得た。
実施例、参考例及び比較例で得られたリチウム二次電池電極用組成物について以下の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例、参考例、比較例で得られたリチウム二次電池電極用組成物については、アルミ箔に対する接着性を評価した。
アルミ箔(厚み20μm)の上に、乾燥後の膜厚が20μmとなるように電極用組成物を塗工、乾燥し、アルミ箔上に電極がシート状に形成された試験片を得た。
このサンプルを縦1cm、横2cmに切り出し、AUTOGRAPH(島津製作所社製、「AGS−J」)を用い、試験片を固定しながら電極シートを引き上げ、アルミ箔から完全に電極シートが剥離するまでに要する剥離力(N)を計測した後、以下の基準で判定した。
○:剥離力が8.0Nを超える
△:剥離力が5.0〜8.0N
×:剥離力が5.0N未満
上記「(1)接着性」で得られた試験片について、JIS B 0601(1994)に基づいて表面粗さRaを測定し、電極の表面粗さを以下の基準で評価した。なお、一般的には、活物質の分散性が高いほど、表面粗さは小さくなるとされている。
◎:Raが2μm未満
○:Raが2μm以上、5μm未満
△:Raが5μm以上、8μm未満
×:Raが8μm以上
(電極シートの作製)
離型処理されたポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に、乾燥後の膜厚が20μmとなるように実施例、参考例及び比較例で得られたリチウム二次電池電極用組成物を塗工、乾燥して電極シートを作製した。
その電極シートを2cm角に切り出し、電極シート試験片を作製した。
得られた試験片の重量を正確に計量し、シートに含まれる成分重量比から試験片に含まれる樹脂の重量を算出した。その後、試験片を袋状のメッシュに入れ、メッシュ袋と試験片の合計重量を正確に計測した。
次いで、試験片の入っているメッシュ袋を電解液であるジエチルカーボネートに浸し、室温にて1晩放置した。放置後メッシュ袋を取り出し、150℃、8時間の条件で乾燥させ、完全に溶剤を乾燥させた。
乾燥機から取り出した後、室温にて1時間放置し、重量を計測した。試験前後の重量変化から樹脂の溶出量を算出し、その溶出量とあらかじめ算出しておいた樹脂の重量の比から樹脂の溶出率を算出した。なお、溶出率の値が高いほど、電解液中へ樹脂が溶出しやすいことを意味する。
実施例、参考例及び比較例で得られたリチウム二次電池電極用組成物のペースト粘度をB型粘度計にて測定した。粘度測定はペースト作製当日と一週間後に行い、経時粘度変化率([一週間後の粘度−作製当日の粘度]×100/作製当日の粘度)を以下の基準により評価した。なお、一般的には、粘度安定性が高いほど、経時粘度変化率は小さくなるとされている。
◎:経時粘度変化率が30%以下
〇:経時粘度変化率が30%を超えて〜50%以下
△:経時粘度変化率が50%を超えて100%未満
×:経時粘度変化率が100%以上
(a)コイン電池の作製
実施例、参考例及び比較例で得られたリチウム二次電池正極用組成物をアルミ箔に塗布、乾燥し、厚さ0.2mmとし、これをφ12mmに打ち抜いて正極層を得た。
また、リチウム二次電池負極用組成物として宝泉株式会社製負極シート(片面A100)をφ12mmに打ち抜いて負極層を得た。
電解液としてLiPF6(1M)を含有するエチレンカーボネートとの混合溶媒を用い、該電解液を正極層に含浸させた後、この正極層を正極集電体上に置き、さらにその上に電解液を含浸させた厚さ25mmの多孔質PP膜(セパレータ)を置いた。
更に、この上に参照極となるリチウム金属板を置き、この上に絶縁パッキンで被覆された負極集電体を重ね合わせた。この積層体を、かしめ機により圧力を加え、密閉型のコイン電池を得た。
得られたコイン電池について、(宝泉社製、充放電試験装置)を用いて放電容量評価、及び、充放電サイクル評価を行った。
この放電容量評価、充放電サイクル評価は電圧範囲3.0〜4.5V、評価温度は20℃で行った。
Claims (6)
- 活物質、バインダー及び有機溶媒を含有するリチウム二次電池電極用組成物であって、
前記バインダーは、ポリビニルアセタール樹脂を含有し、
前記バインダーに含まれるNaイオンが100ppm以下であり、
前記バインダーは粒子状であり、平均粒子径が101〜200μmである
ことを特徴とするリチウム二次電池電極用組成物。 - ポリビニルアセタール樹脂は、アセタール化度が20〜70モル%であることを特徴とする請求項1記載のリチウム二次電池電極用組成物。
- ポリビニルアセタール樹脂は、平均分子量が1.5×104〜28.0×104であることを特徴する請求項1又は2記載のリチウム二次電池電極用組成物。
- ポリビニルアセタール樹脂を活物質100重量部に対して、0.01〜20重量部含有することを特徴とする請求項1、2又は3記載のリチウム二次電池電極用組成物。
- ポリビニルアセタール樹脂は、ブチラール基、ベンズアセタール基、アセトアセタール基、プロピオンアセタール基及びビニルアセタール基からなる群より選択される少なくとも1種を有することを特徴とする請求項1、2、3又は4記載のリチウム二次電池電極用組成物。
- 請求項1、2、3又は4記載のリチウム二次電池電極用組成物を用いてなることを特徴とするリチウム二次電池。
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