JP6863278B2 - 二次電池電極用バインダー組成物、二次電池電極用導電材ペースト組成物、二次電池電極用スラリー組成物、二次電池用電極および二次電池 - Google Patents
二次電池電極用バインダー組成物、二次電池電極用導電材ペースト組成物、二次電池電極用スラリー組成物、二次電池用電極および二次電池 Download PDFInfo
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- C08J2327/12—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
- C08J2327/16—Homopolymers or copolymers of vinylidene fluoride
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- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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Description
具体的には、例えば特許文献1では、アクリレート系ゴム等の、ポリメチレンタイプの飽和主鎖を持ち且つフッ素原子を含有しないゴム系高分子と、炭素数が2〜20で、沸点が85〜350℃である非芳香族系有機化合物溶媒とを含むバインダー組成物を用いることにより、電極活物質と集電体とを強固に密着させて二次電池のサイクル特性を向上させている。
また、例えば特許文献2では、フッ素ゴムと水素化ニトリルゴムとの混合物を結着材として含むバインダー組成物を用いることにより、二次電池のサイクル特性を向上させている。
また、本発明は、導電材を良好に分散させた二次電池電極用スラリー組成物を提供することを目的とする。
更に、本発明は、二次電池の電池特性を十分に向上させ得る二次電池用電極および出力特性等の電池特性に優れる二次電池を提供することを目的とする。
ここで、本発明において、「ムーニー粘度(ML1+4、100℃)」は、JIS K6300−1に準拠して温度100℃で測定することができる。
なお、本発明において、「共重合体中の各繰り返し単位(構造単位および単量体単位)の割合」は、1H−NMRなどの核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
なお、本発明において、「親水性基含有単量体単位を実質的に含有しない」とは、共重合体を構成する全繰り返し単位中の親水性基含有単量体単位の割合が0質量%以上0.05質量%未満であることを指す。
なお、本発明において、「BET比表面積」とは、BET法を用いて測定した窒素吸着比表面積を指し、ASTM D3037−81に準拠して測定することができる。
また、本発明によれば、導電材を良好に分散させた二次電池電極用スラリー組成物を提供することができる。
更に、本発明によれば、二次電池の電池特性を十分に向上させ得る二次電池用電極および出力特性等の電池特性に優れる二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の二次電池電極用バインダー組成物は、二次電池電極用スラリー組成物を調製する際に用いることができる。また、本発明の二次電池電極用バインダー組成物は、導電材と混合し、二次電池電極用バインダー組成物と導電材とを含有する二次電池電極用導電材ペースト組成物にしてから二次電池電極用スラリー組成物の調製に用いることが好ましい。そして、本発明の二次電池電極用バインダー組成物を用いて調製した二次電池電極用スラリー組成物は、リチウムイオン二次電池等の二次電池の電極を形成する際に用いることができる。更に、本発明の二次電池は、本発明の二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した二次電池用電極を用いたことを特徴とする。
なお、本発明の二次電池電極用バインダー組成物、二次電池電極用導電材ペースト組成物および二次電池電極用スラリー組成物は、二次電池の正極を形成する際に特に好適に用いることができる。
本発明の二次電池電極用バインダー組成物は、アルキレン構造単位およびニトリル基含有単量体単位を含有する共重合体(A)と、溶媒とを含み、任意に、二次電池の電極に配合され得るその他の成分を更に含有する。また、本発明の二次電池電極用バインダー組成物は、共重合体(A)のムーニー粘度(ML1+4、100℃)が40以下であることを特徴とする。
共重合体(A)は、バインダー組成物を用いて調製した二次電池電極用スラリー組成物において、導電材を良好に分散させる。また、共重合体(A)は、バインダー組成物を用いて調製した二次電池電極用スラリー組成物を使用して集電体上に電極合材層を形成することにより製造した電極において、電極合材層に含まれる成分が電極合材層から脱離しないように保持する(即ち、結着材として機能する)。
アルキレン構造単位は、一般式:−CnH2n−[但し、nは2以上の整数]で表わされるアルキレン構造のみで構成される繰り返し単位である。そして、共重合体(A)は、アルキレン構造単位を有しているので、導電材を含む二次電池電極用スラリー組成物の調製に使用された際に、導電材の分散性を向上させることができると共に、導電材がスラリー組成物中で凝集するのを抑制して、スラリー組成物の分散安定性を高めることができる。
そして、共重合体(A)へのアルキレン構造単位の導入方法は、特に限定はされないが、例えば以下の(1)または(2)の方法:
(1)共役ジエン単量体を含む単量体組成物から共重合体を調製し、当該共重合体に水素添加することで、共役ジエン単量体単位をアルキレン構造単位に変換する方法
(2)1−オレフィン単量体を含む単量体組成物から共重合体を調製する方法
が挙げられる。これらの中でも、(1)の方法が共重合体(A)の製造が容易であり好ましい。
また、1−オレフィン単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセンなどが挙げられる。
これらの共役ジエン単量体や1−オレフィン単量体は、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
ニトリル基含有単量体単位は、ニトリル基含有単量体由来の繰り返し単位である。そして、共重合体(A)は、ニトリル基含有単量体単位を含有しているので、優れた柔軟性および結着力を発揮することができる。従って、本発明の二次電池電極用バインダー組成物を含む二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した電極合材層は、優れたピール強度および柔軟性を発揮することができる。
これらは、単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
上述したアルキレン構造単位およびニトリル基含有単量体単位以外のその他の繰り返し単位としては、特に限定されることなく、上述した単量体と共重合可能な既知の単量体に由来する繰り返し単位、例えば、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位や親水性基含有単量体単位などが挙げられる。また、その他の繰り返し単位としては、スチレン、α−メチルスチレン、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等の芳香族ビニル単量体に由来する芳香族ビニル単量体単位なども挙げられる。
なお、これらの単量体は一種単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。また、本発明において「(メタ)アクリル」とは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。
モノカルボン酸誘導体としては、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α−アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
ジカルボン酸誘導体としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸や、マレイン酸メチルアリル、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸エステルが挙げられる。
ジカルボン酸の酸無水物としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。
また、カルボン酸基を有する単量体としては、加水分解によりカルボキシル基を生成する酸無水物も使用できる。
その他、マレイン酸モノエチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸モノブチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸モノエチル、フマル酸ジエチル、フマル酸モノブチル、フマル酸ジブチル、フマル酸モノシクロヘキシル、フマル酸ジシクロヘキシル、イタコン酸モノエチル、イタコン酸ジエチル、イタコン酸モノブチル、イタコン酸ジブチルなどのα,β−エチレン性不飽和多価カルボン酸のモノエステルおよびジエステルも挙げられる。
なお、本発明において「(メタ)アリル」とは、アリルおよび/またはメタリルを意味する。
なお、本発明において「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
また、共重合体(A)は、ムーニー粘度(ML1+4、100℃)が40以下であることを必要とし、共重合体(A)のムーニー粘度(ML1+4、100℃)は、35未満であることが好ましく、30以下であることがより好ましく、25以下であることが更に好ましい。また、共重合体(A)のムーニー粘度(ML1+4、100℃)は、5以上であることが好ましく、10以上であることがより好ましく、15以上であることが更に好ましい。共重合体(A)のムーニー粘度が上記上限値超の場合、共重合体(A)が導電材の表面に吸着し難くなり、導電材の凝集を十分に抑制することができなくなるため、導電材を良好に分散させたスラリー組成物を調製することが困難になる。一方、共重合体(A)のムーニー粘度が上記下限値未満の場合、導電材に対する共重合体(A)の吸着安定性が低下し、導電材の分散安定性が低下する虞がある。
なお、共重合体(A)のムーニー粘度は、例えば、共重合体(A)の組成、構造(例えば、直鎖率)、分子量、ゲル含有率、共重合体(A)の調製条件(例えば、連鎖移動剤の使用量、重合温度、重合終了時の転化率)などを変更することにより調整することができる。具体的には、共重合体(A)のムーニー粘度は、例えば、共重合体(A)の調製に用いる連鎖移動剤の使用量を増加させれば、低下させることができる。また、共重合体(A)のムーニー粘度は、例えば、アルキレン構造単位およびニトリル基含有単量体単位を含有する共重合体に対し、ロールやニーダーなどを用いて機械的なせん断力を負荷することによっても、低下させることができる。
上述した共重合体(A)の調製方法は特に限定されないが、共重合体(A)は、例えば、上述した単量体を含む単量体組成物を、任意に連鎖移動剤の存在下において重合して共重合体を得た後、得られた共重合体を水素化(水素添加)することで調製することができる。なお、水素化された共重合体は、任意に、せん断力を負荷してムーニー粘度を調整してもよい。
そして、重合様式は、特に制限なく、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法、乳化重合法などのいずれの方法も用いることができる。また、重合反応としては、イオン重合、ラジカル重合、リビングラジカル重合などいずれの反応も用いることができる。
更に、共重合体の水素化方法は、特に制限なく、触媒を用いる一般的な方法(例えば、国際公開第2012/165120号、国際公開第2013/080989号および特開2013−8485号公報参照)を使用することができる。
また、二次電池電極用バインダー組成物の溶媒としては、特に限定されることなく、有機溶媒を用いることができる。そして、有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、アミルアルコールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン(NMP)などのアミド系極性有機溶媒、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オルトジクロロベンゼン、パラジクロロベンゼンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
中でも、溶媒としては、NMPが好ましい。
本発明の二次電池電極用バインダー組成物は、上記成分の他に、補強材、レベリング剤、粘度調整剤、電解液添加剤等の成分を含有していてもよい。これらは、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号に記載のものを使用することができる。また、これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
本発明の二次電池電極用スラリー組成物は、電極活物質と、導電材と、上述したバインダー組成物と、その他の重合体とを含み、任意にその他の成分を更に含有する。即ち、本発明の二次電池電極用スラリー組成物は、電極活物質と、導電材と、上述した共重合体(A)と、共重合体(A)以外の重合体と、溶媒とを含有し、任意に、その他の成分を更に含有する。そして、本発明の二次電池電極用スラリー組成物は、上述したバインダー組成物を含んでいるので、導電材を良好に分散させることができる。従って、本発明の二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した電極合材層を備える電極は、電極合材層の均一性が高く、二次電池に優れた電池特性を発揮させることができる。また、本発明の二次電池電極用スラリー組成物は、上述したバインダー組成物と、その他の重合体とを含んでいるので、スラリー組成物中の成分が沈降するのを抑制し、容易に調製することができる。
なお、以下では、一例として二次電池電極用スラリー組成物がリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
電極活物質は、二次電池の電極において電子の受け渡しをする物質である。そして、リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵および放出し得る物質を用いる。
なお、正極活物質の配合量や粒子径は、特に限定されることなく、従来使用されている正極活物質と同様とすることができる。
導電材は、電極活物質同士の電気的接触を確保するためのものである。そして、導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラックなど)、単層または多層のカーボンナノチューブ(多層カーボンナノチューブにはカップスタック型が含まれる)、カーボンナノホーン、気相成長炭素繊維、ポリマー繊維を焼成後に破砕して得られるミルドカーボン繊維、単層または多層グラフェン、ポリマー繊維からなる不織布を焼成して得られるカーボン不織布シートなどの導電性炭素材料;各種金属のファイバーまたは箔などを用いることができる。
これらは一種単独で、または、2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、「カーボンブラックの平均粒子径」は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて無作為に選択されたカーボンブラック粒子100個の粒子径(最大径)を測定して求めることができる。
更に、カーボンナノチューブの平均長さは、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上、更に好ましくは10μm以上であり、好ましくは40μm以下、より好ましくは30μm以下、更に好ましくは20μm以下である。
平均直径および平均長さが上記下限値以上であれば、カーボンナノチューブの凝集を抑制して、導電材としてのカーボンナノチューブの分散性を確保することができる。また、カーボンナノチューブの平均直径および平均長さが上記上限値以下であれば、電極合材層中において良好な導電パスを形成し、二次電池の出力特性を更に向上させることができる。
なお、「カーボンナノチューブの平均直径」および「カーボンナノチューブの平均長さ」は、それぞれ、TEMを用いて無作為に選択されたカーボンナノチューブ100本の直径(外径)および長さを測定して求めることができる。
バインダー組成物としては、上述した共重合体(A)を含む二次電池電極用バインダー組成物を用いる。
その他の重合体は、通常、共重合体(A)と共に結着材として機能する。そして、上述した共重合体(A)と共に結着材として機能し得るその他の重合体としては、特に限定されることなく、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素含有重合体、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。
スラリー組成物に配合し得るその他の成分としては、特に限定することなく、本発明のバインダー組成物に配合し得るその他の成分と同様のものが挙げられる。また、その他の成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
上述したスラリー組成物は、上記各成分を有機溶媒などの溶媒中に溶解または分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と溶媒とを混合することにより、スラリー組成物を調製することができる。なお、スラリー組成物の調製に使用し得る溶媒としては、本発明のバインダー組成物に配合し得る溶媒と同様のものが挙げられる。また、スラリー組成物の調製に用いる溶媒としては、バインダー組成物に含まれている溶媒を使用してもよい。
(1)上記各成分を一括混合する。
(2)共重合体(A)を含む二次電池電極用バインダー組成物と、その他の重合体とを混合して結着材組成物を得た後、得られた結着材組成物に対して電極活物質および導電材を同時に或いは別々に添加して混合する。
(3)共重合体(A)を含む二次電池電極用バインダー組成物と、導電材とを混合して二次電池電極用導電材ペースト組成物を得た後、二次電池電極用導電材ペースト組成物に対してその他の重合体および電極活物質を同時に或いは別々に添加して混合する。
(4)導電材と電極活物質とを混合した後、得られた混合物に対して共重合体(A)を含む二次電池電極用バインダー組成物およびその他の重合体を同時に或いは別々に添加して混合する。
(5)導電材と、電極活物質と、その他の重合体とを混合した後、得られた混合物に対して共重合体(A)を含む二次電池電極用バインダー組成物を添加して混合する。
本発明の二次電池用電極は、集電体と、集電体上に形成された電極合材層とを備え、電極合材層は上記二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成されている。即ち、電極合材層には、少なくとも、電極活物質と、導電材と、共重合体(A)およびその他の重合体を含む結着材とが含有されている。なお、電極合材層中に含まれている各成分は、上記二次電池電極用スラリー組成物中に含まれていたものであり、それら各成分の好適な存在比は、スラリー組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
そして、本発明の二次電池用電極では、本発明の二次電池電極用バインダー組成物を含むスラリー組成物を使用しているので、導電材が良好に分散されたスラリー組成物を用いて均一性の高い電極合材層を集電体上に良好に形成することができる。従って、当該電極を使用すれば、導電材の凝集に起因した電荷の集中および副反応の発生を抑制して、出力特性等の電池特性に優れる二次電池が得られる。
なお、本発明の二次電池用電極は、例えば、上述したスラリー組成物を集電体上に塗布する工程(塗布工程)と、集電体上に塗布されたスラリー組成物を乾燥して集電体上に電極合材層を形成する工程(乾燥工程)とを経て製造される。
上記スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる電極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥法、真空乾燥法、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、集電体上に電極合材層を形成し、集電体と電極合材層とを備える二次電池用電極を得ることができる。
因みに、本発明の二次電池電極用スラリー組成物では、導電材などが良好に分散されているので、当該スラリー組成物を使用して形成した電極合材層は、密度が十分に高くなり、加圧処理を行っても内部構造の破壊が起こり難い。従って、本発明の二次電池電極用スラリー組成物を使用すれば、電極の製造時に加圧処理等を行った場合でも、二次電池の電池特性を十分に向上させることができる。
本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、正極および負極の少なくとも一方として本発明の二次電池用電極を用いたものである。そして、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用電極を備えているので、出力特性等の電池特性に優れている。
なお、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用電極を正極として用いたものであることが好ましい。また、以下では、一例として二次電池がリチウムイオン二次電池である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
ここで、本発明の二次電池に使用し得る、上述した二次電池用電極以外の電極としては、特に限定されることなく、二次電池の製造に用いられている既知の電極を用いることができる。具体的には、上述した二次電池用電極以外の電極としては、既知の製造方法を用いて集電体上に電極合材層を形成してなる電極を用いることができる。
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。リチウムイオン二次電池の支持電解質としては、例えば、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すので、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましく、LiPF6が特に好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができ、例えば0.5〜15質量%することが好ましく、2〜13質量%とすることがより好ましく、5〜10質量%とすることが更に好ましい。また、電解液には、既知の添加剤、例えばフルオロエチレンカーボネートやエチルメチルスルホンなどを添加することができる。
セパレータとしては、特に限定されることなく、例えば特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
本発明の二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することにより製造することができる。二次電池の内部の圧力上昇、過充放電等の発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
そして、実施例および比較例において、共重合体の組成およびムーニー粘度、導電材のBET比表面積および分散安定性、並びに、二次電池の出力特性は、下記の方法で測定および評価した。
共重合体が水中に分散している場合(即ち、共重合体に機械的なせん断力を負荷しない場合)には、共重合体の水分散液をメタノールで凝固させた後、温度60℃で12時間真空乾燥し、測定試料とした。また、共重合体に機械的なせん断力を負荷した場合には、せん断力を負荷した後の共重合体をそのまま測定試料とした。
そして、測定試料が含有する繰り返し単位の割合を1H−NMR法で測定した。
<共重合体のムーニー粘度>
共重合体が水中に分散している場合(即ち、共重合体に機械的なせん断力を負荷しない場合)には、共重合体の水分散液をメタノールで凝固させた後、温度60℃で12時間真空乾燥し、測定試料とした。また、共重合体に機械的なせん断力を負荷した場合には、せん断力を負荷した後の共重合体をそのまま測定試料とした。
そして、測定試料40gを使用し、JIS K6300−1に準拠して温度100℃でムーニー粘度(ML1+4、100℃)を測定した。
<導電材のBET比表面積>
比表面積計を使用し、ASTM D3037−81に準拠して導電材のBET比表面積計を測定した。
<導電材の分散安定性>
得られた導電材分散液について、B型粘度計(東機産業社製、RB80L)を使用し、温度25℃において、回転速度60rpmで初期粘度(η0)を測定した。
また、得られた導電材分散液を撹拌することなく静置し、25℃で5日間経過後に、導電材の沈降の有無、並びに、撹拌時の再分散性および粘度の回復度合いを確認した。なお、粘度の回復度合いは、静置後の導電材分散液を回転速度1500rpmで1分間撹拌した後、回転速度60rpmで静置後粘度(η1)を測定して、式:(η1/η0)×100%により算出した。そして、導電材の分散安定性を以下の基準で評価した。導電材の沈降が無いほど、また、粘度の回復度合いが大きいほど、導電材が良好かつ安定的に分散し得ることを示す。
A:沈降なし
B:沈降はあるが、撹拌により再分散する(粘度の回復度合い:80%以上)
C:沈降はあるが、撹拌により再分散する(粘度の回復度合い:50%以上80%未満)
D:沈降はあるが、撹拌により再分散する(粘度の回復度合い:50%未満)
E:沈降があり、撹拌しても再分散しない
<二次電池の出力特性>
作製した二次電池を、25℃環境下で、0.2CmAで電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、4.2Vで充電電流が0.02CmAになるまで定電圧充電を行った。続いて、25℃環境下で、0.2CmAで電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電を行い二次電池の初期容量を測定した。その後、初期容量を測定した二次電池を、25℃環境下で、0.2CmAで電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、4.2Vで充電電流が0.02CmAになるまで定電圧充電を行った。続いて、25℃環境下で、2CmAで電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電を行い、2C容量を測定した。そして、出力特性(={(2C容量)/(初期容量)}×100%)を算出し、以下の基準で評価した。
A:出力特性が90%以上
B:出力特性が87%以上90%未満
C:出力特性が84%以上87%未満
D:出力特性が80%以上84%未満
E:出力特性が75%以上80%未満
F:出力特性が70%以上75%未満
G:出力特性が70%未満
<共重合体の調製>
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水240部、乳化剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム2.5部、ニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル35部、連鎖移動剤としてのt−ドデシルメルカプタン0.65部をこの順で入れ、内部を窒素置換した後、共役ジエン単量体としての1,3−ブタジエン65部を圧入し、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム0.25部を添加して、反応温度40℃で重合反応させた。そして、アクリロニトリルと1,3−ブタジエンとの共重合体を得た。なお、重合転化率は85%であった。
得られた共重合体に対してイオン交換水を添加し、全固形分濃度を12質量%に調整した溶液を得た。得られた溶液400mL(全固形分48g)を、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入し、窒素ガスを10分間流して溶液中の溶存酸素を除去した後、水素化反応用触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウム(Pd)に対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して、添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間水素化反応(第一段階の水素化反応)を行った。
次いで、オートクレーブを大気圧にまで戻し、更に、水素化反応用触媒としての酢酸パラジウム25mgを、Pdに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水60mLに溶解して、添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間水素化反応(第二段階の水素化反応)を行った。
その後、内容物を常温に戻し、系内を窒素雰囲気とした後、エバポレータを用いて固形分濃度が40%となるまで濃縮して、共重合体の水分散液を得た。
また、共重合体の水分散液をメタノール中に滴下して共重合体を凝固させた後、共重合体の凝固物を温度60℃で12時間真空乾燥した。そして、得られた凝固物をロール(ロール間隙:1mm)に5回通し、機械的にせん断力を負荷した共重合体を得た。そして、得られた共重合体のムーニー粘度および組成を測定した。結果を表1に示す。
<バインダー組成物の調製>
得られた共重合体を溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合し、アルキレン構造単位(1,3−ブタジエン水素化物単位)およびニトリル基含有単量体単位(アクリロニトリル単位)を含有する共重合体を含むバインダー組成物を得た。
<導電材分散液の調製>
導電材としてのアセチレンブラック(BET比表面積:133m2/g、平均粒子径:23nm)100部と、バインダー組成物を固形分換算で20部と、適量のNMPとをディスパーにて撹拌(2000rpm、60分)し、導電材ペースト組成物を得た。更に、導電材ペースト組成物にその他の重合体としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)80部を添加して、ディスパーで撹拌(2000rpm、60分)した。その後、直径3mmのジルコニアビーズを用いたビーズミルを使用し、回転速度350rpmにて30分間混合することにより、固形分濃度が12%の導電材分散液を製造した。なお、導電材分散液は、B型粘度計(東機産業社製、RB80L)を使用して温度25℃、回転速度60rpmで測定した粘度が4000mPa・sであった。
そして、得られた導電材分散液を用いて導電材の分散安定性の評価を行った。結果を表1に示す。
<二次電池正極用スラリー組成物の調製>
正極活物質としてのLiCoO2を100部と、導電材分散液を固形分換算で4部とをディスパーを用いて回転速度2500rpmで30分間撹拌し、正極用スラリー組成物を得た。この正極用スラリー組成物は、B型粘度計(東機産業社製、RB80L)を使用して温度25℃、回転速度60rpmで測定した粘度が2000mPa・sであった。
<二次電池用正極の作製>
集電体として、厚さ18μmのアルミニウム箔を準備した。そして、得られたスラリー組成物を、コンマコーターで、アルミニウム箔の片面に乾燥後の塗布量が20mg/cm2になるように塗布し、120℃で30分間乾燥して正極原反を得た。この正極原反をロールプレスで圧延し、正極合材層の密度が3.8g/cm3の正極(正極合材層の厚み:53μm)と、正極合材層の密度が4.2g/cm3の正極(正極合材層の厚み:48μm)とをそれぞれ作製した。
<二次電池用負極の作製>
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに、負極活物質としての人造黒鉛(体積平均粒子径:24.5μm、比表面積:4m2/g)を100部と、分散剤としてのカルボキシメチルセルロースの1%水溶液(第一工業製薬株式会社製、BSH−12)を固形分換算で1部とを加え、イオン交換水で固形分濃度55%に調整した後、25℃で60分混合した。次に、イオン交換水で固形分濃度52%に調整した。その後、25℃で15分間混合して混合液を得た。
上述のようにして得た混合液に、結着材としてのスチレン−ブタジエン共重合体(ガラス転移温度が−15℃)の40%水分散液を固形分換算で1.0部と、イオン交換水とを入れ、最終固形分濃度が50%となるように調整し、10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して、流動性の良い負極用のスラリー組成物を得た。
得られた負極用のスラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して負極原反を得た。この負極原反をロールプレスで圧延して、厚み80μmの負極合材層を有する負極を得た。
<二次電池用セパレータの準備>
単層のポリプロピレン製セパレータ(幅65mm、長さ500mm、厚さ25μm、乾式法により製造、気孔率55%)を、5cm×5cmの正方形に切り抜いた。
<二次電池の製造>
正極合材層の密度が異なる正極をそれぞれ使用して、二次電池を製造した。
具体的には、電池の外装として、アルミニウム包材外装を用意した。そして、上記で得られた正極を、4cm×4cmの正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミニウム包材外装に接するように配置した。正極の正極合材層の上に、上記で得られた正方形のセパレータを配置した。さらに、上記で得られた負極を、4.2cm×4.2cmの正方形に切り出し、これをセパレータ上に、負極合材層側の表面がセパレータに向かい合うように配置した。更に、ビニレンカーボネート(VC)を1.5%含有する、濃度1.0MのLiPF6溶液よりなる電解液を充填した。このLiPF6溶液の溶媒は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(EC/EMC=3/7(体積比))である。その後、アルミニウム包材外装の開口を密封するために、150℃のヒートシールをしてアルミニウム包材外装を閉口し、リチウムイオン二次電池を得た。
そして、正極合材層の密度が3.8g/cm3の正極を用いた場合と、正極合材層の密度が4.2g/cm3の正極を用いた場合とのそれぞれについて、得られたリチウムイオン二次電池を用いて出力特性の評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、t−ドデシルメルカプタンの量を0.85部に変更し、メタノールを用いた共重合体の凝固およびロールを用いたせん断力の負荷を行うことなく共重合体の水分散液を用いて共重合体のムーニー粘度および組成を測定し、更に、バインダー組成物の調製時に、共重合体の水分散液100部に溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)320部を加え、減圧下で水を蒸発させることによりアルキレン構造単位(1,3−ブタジエン水素化物単位)およびニトリル基含有単量体単位(アクリロニトリル単位)を含有する共重合体を含むバインダー組成物を得た以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、凝固物をロールに通す回数を2回に変更した以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、t−ドデシルメルカプタンの量を0.70部に変更した以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、アクリロニトリル35部と共に(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn−ブチルアクリレート20部をオートクレーブに投入し、t−ドデシルメルカプタンの量を0.75部に変更し、1,3−ブタジエンの量を45部に変更した以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
導電材分散液の調製時に、アセチレンブラック(BET比表面積:133m2/g、平均粒子径:23nm)に替えて多層カーボンナノチューブであるFloTube9110(BET比表面積:200m2/g、平均直径:10nm、平均長さ:10μm)100部を使用し、バインダー組成物の配合量を固形分換算で2部に変更し、ポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)の配合量を8部に変更し、導電材分散液の固形分濃度を2%に変更し、更に、スラリー組成物の調製時に、導電材分散液の配合量を固形分換算で0.55部に変更した以外は、それぞれ実施例1および5と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
導電材分散液の調製時に、アセチレンブラック(BET比表面積:133m2/g、平均粒子径:23nm)に替えてアセチレンブラック(BET比表面積:39m2/g、平均粒子径:48nm)を用いた以外は、それぞれ実施例1および5と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、t−ドデシルメルカプタンの量を0.45部に変更し、メタノールを用いた共重合体の凝固およびロールを用いたせん断力の負荷を行うことなく共重合体の水分散液を用いて共重合体のムーニー粘度および組成を測定し、更に、バインダー組成物の調製時に、共重合体の水分散液100部に溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)320部を加え、減圧下で水を蒸発させることによりアルキレン構造単位(1,3−ブタジエン水素化物単位)およびニトリル基含有単量体単位(アクリロニトリル単位)を含有する共重合体を含むバインダー組成物を得た以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体の調製時に、t−ドデシルメルカプタンの量を0.05部に変更し、メタノールを用いた共重合体の凝固およびロールを用いたせん断力の負荷を行うことなく共重合体の水分散液を用いて共重合体のムーニー粘度および組成を測定し、更に、バインダー組成物の調製時に、共重合体の水分散液100部に溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)320部を加え、減圧下で水を蒸発させることによりアルキレン構造単位(1,3−ブタジエン水素化物単位)およびニトリル基含有単量体単位(アクリロニトリル単位)を含有する共重合体を含むバインダー組成物を得た以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物、導電材分散液、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表1に示す。
共重合体、バインダー組成物および導電材分散液を調製することなく、二次電池正極用スラリー組成物の調製時に、正極活物質としてのLiCoO2を100部と、導電材としてのアセチレンブラック(BET比表面積:133m2/g、平均粒子径:23nm)を2部と、その他の重合体としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)を2部と、適量のNMPとをディスパーを用いて回転速度2500rpmで30分間撹拌し、正極用スラリー組成物を得た以外は実施例1と同様にして、スラリー組成物、正極、負極および二次電池を作製し、実施例1と同様にして評価を行った。また、導電材としてのアセチレンブラック(BET比表面積:133m2/g、平均粒子径:23nm)100部と、適量のNMPと、その他の重合体としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、#7208)100部とをディスパーで撹拌(2000rpm、60分)した後、直径3mmのジルコニアビーズを用いたビーズミルを使用し、回転速度350rpmにて30分間混合することにより、バインダー組成物を使用せずに固形分濃度が12%の導電材分散液を製造した。そして、実施例1と同様にして導電材の分散安定性を評価した。結果を表1に示す。
「AB」は、アセチレンブラックを示し、
「CNT」は、カーボンナノチューブを示し、
「H−BD」は、1,3−ブタジエン水素化物単位を示し、
「AN」は、アクリロニトリル単位を示し、
「BA」は、n−ブチルアクリレート単位を示し、
「TDM」は、t−ドデシルメルカプタンを示し、
「PVDF」は、ポリフッ化ビニリデンを示す。
また、表1より、所定のムーニー粘度を有さない共重合体を含むバインダー組成物や、アルキレン構造単位およびニトリル基含有単量体単位を含まない重合体のみを使用した比較例1〜3では、導電材を良好に分散させることができず、得られる二次電池の出力特性が低下してしまうことが分かる。
導電材分散液の調製時に、バインダー組成物およびその他の重合体としてのポリフッ化ビニリデンの配合量を変更し、ポリフッ化ビニリデンの含有割合を表2に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、共重合体、バインダー組成物および導電材分散液を調製した。そして、得られた導電材分散液を用いて導電材の分散安定性を実施例1と同様にして評価し、ポリフッ化ビニリデンの含有割合が導電材の分散安定性に与える影響を確認した。結果を表2に示す。
また、本発明によれば、導電材を良好に分散させた二次電池電極用スラリー組成物を提供することができる。
更に、本発明によれば、二次電池の電池特性を十分に向上させ得る二次電池用電極および出力特性等の電池特性に優れる二次電池を提供することができる。
Claims (8)
- アルキレン構造単位およびニトリル基含有単量体単位を含有する共重合体と、溶媒とを含み、
前記共重合体のムーニー粘度(ML1+4、100℃)が40以下であり、
前記共重合体が、前記アルキレン構造単位を40質量%以上80質量%以下の割合で含有し、前記ニトリル基含有単量体単位を10質量%以上55質量%以下の割合で含有する、二次電池電極用バインダー組成物。 - 前記共重合体が親水性基含有単量体単位を実質的に含有しない、請求項1に記載の二次電池電極用バインダー組成物。
- 請求項1または2に記載の二次電池電極用バインダー組成物と、導電材とを含む、二次電池電極用導電材ペースト組成物。
- 前記導電材のBET比表面積が100m2/g以上2500m2/g以下である、請求項3に記載の二次電池電極用導電材ペースト組成物。
- 電極活物質と、導電材と、請求項1または2に記載の二次電池電極用バインダー組成物と、前記共重合体以外の重合体とを含む、二次電池電極用スラリー組成物。
- 前記導電材のBET比表面積が100m2/g以上2500m2/g以下である、請求項5に記載の二次電池電極用スラリー組成物。
- 請求項5または6に記載の二次電池電極用スラリー組成物を用いて形成した電極合材層を備える、二次電池用電極。
- 請求項7に記載の二次電池用電極を備える、二次電池。
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