JP6908033B2 - 非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用機能層、及び非水系二次電池 - Google Patents

非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用機能層、及び非水系二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、非水系二次電池機能層用組成物、非水系二次電池用機能層、及び非水系二次電池に関するものである。
リチウムイオン二次電池などの非水系二次電池(以下、単に「二次電池」と略記する場合がある。)は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、更に繰り返し充放電が可能という特性があり、幅広い用途に使用されている。そして、非水系二次電池は、一般に、正極、負極、及び、正極と負極とを隔離して正極と負極との間の短絡を防ぐセパレータなどの電池部材を備えている。
ここで、二次電池においては、電池部材に所望の性能(例えば、耐熱性や強度など)を付与する機能層を備えた電池部材が使用されている。具体的には、例えば、セパレータ基材上に機能層を形成してなるセパレータや、集電体上に電極合材層を設けてなる電極基材の上に機能層を形成してなる電極が、電池部材として使用されている。また、電池部材の耐熱性や強度などを向上させ得る機能層としては、非導電性粒子をバインダー(結着材)で結着して形成した多孔膜層よりなる機能層が用いられている。そして、この機能層は、例えば、非導電性粒子と、結着剤として機能しうる各種重合体と、分散媒とを含む機能層用組成物を基材(セパレータ基材や電極基材など)の表面に塗布し、塗布した機能層用組成物を乾燥させることにより形成される。
そこで、近年では、二次電池の更なる高性能化を目的として、機能層の形成に用いられる非水系二次電池機能層用組成物の改良が盛んに行われている(例えば、特許文献1参照)。
具体的には、特許文献1では、非水系機能層用組成物である多孔膜用組成物に、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体単位を35質量%以上含み、かつ芳香族モノビニル単量体単位を30質量%以上65質量%以下含むランダム共重合体であり、非水系電解液に対する膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である、粒子状重合体を含有させる技術が提案されている。かかる組成及び性状の粒子状重合体を機能層用組成物に含有させることで、機能層を構成する多孔膜の耐久性を向上させると共に、機能層用組成物の高せん断下での安定性を高めることができる。
国際公開第2015/145967号
ここで、非水系二次電池を高性能化するという観点から、機能層用組成物を用いて形成した機能層には、それ自体の抵抗が低く、かかる機能層を備える二次電池の出力特性を向上させることができることが求められている。そして、近年、非水系二次電池の応用範囲は拡大しており、非水系二次電池に大きな振動が印加されうる過酷な使用条件下においても、良好な電気的特性を発揮することが求められている。さらに、非水系二次電池は充放電に伴って発熱し、内部に備えられる機能層も加熱により収縮しうるが、二次電池の高温サイクル特性を向上させる観点から、機能層が加熱されても収縮し難い、即ち、機能層が十分な耐熱収縮性を有することが必要とされている。
しかし、特許文献1に記載の、所定の組成及び性状を満たす粒子状重合体を含有する非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成した機能層は、電解液に浸漬された状態で振動が加えられた場合には機能層から非導電性粒子が比較的容易に脱落する虞があり、また、耐熱収縮性が不十分であった。そして、かかる機能層を備える二次電池は、電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)に改善の余地があった。
そこで、本発明は、電解液に浸漬された状態にて振動が加えられた場合であっても機能層から非導電性粒子等が脱落し難く(すなわち、電解液中における耐振動脱落性に優れ)、さらに、耐熱収縮性に優れる、非水系二次電池用機能層を形成することができる非水系二次電池機能層用組成物を提供することを目的とする。また、本発明は、当該非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成した非水系二次電池用機能層、及び、当該非水系二次電池用機能層を備える、電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)に優れる非水系二次電池を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決することを目的として鋭意検討を行った。そして、本発明者は、所定の性状を有する水溶性重合体と、所定範囲の粒子径を有する非水溶性重合体との双方を併用することにより、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層を形成することができる非水系二次電池機能層用組成物が得られ、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を備える二次電池の電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)を向上させうることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、非導電性粒子と、電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である水溶性重合体と、体積平均粒子径が0.01μm以上0.3μm以下である非水溶性重合体とを含むことを特徴とする。このように、機能層用組成物に、非導電性粒子と、電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である水溶性重合体と、体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である非水溶性重合体とを含有させれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層を形成することができる非水系二次電池機能層用組成物が得られる。さらに、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を備える非水系二次電池の電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)を向上させることができる。
なお、本発明において、水溶性重合体の「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。また、本発明において、非水溶性重合体の「体積平均粒子径」は、JIS Z 8825に従うレーザー回折法にて測定した粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径(D50)を指す。そして、本発明において、「水溶性重合体」とは、温度25℃において重合体0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が1.0質量%未満となる重合体を指す。さらに、本発明において「非水溶性重合体」とは、25℃において、重合体0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が90質量%以上となることをいう。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記水溶性重合体が、(メタ)アクリルアミド単量体単位を70質量%以上99質量%以下の割合で含有することが好ましい。水溶性重合体が(メタ)アクリルアミド単量体単位を上記比率で含有すれば、機能層の耐熱収縮性、及びかかる機能層を備える非水系二次電池の電気的特性を一層向上させることができるからである。
なお、本発明において、重合体が「単量体単位を含有する」とは、「その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の構造単位が含まれている」ことを意味する。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記水溶性重合体が、架橋性単量体単位を0.01質量%以上2.0質量%以下の割合で含有することが好ましい。水溶性重合体が架橋性単量体単位を上記比率で含有すれば、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を備える非水系二次電池の出力特性を一層向上させることができるからである。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、前記非水溶性重合体の電解液膨潤度が、1.0倍超3.0倍以下であることが好ましい。非水溶性重合体の電解液膨潤度が上記範囲内であれば、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を備える非水系二次電池の出力特性を一層向上させることができるからである。
なお、本発明において、非水溶性重合体の「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の測定方法を用いて測定することができる。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、質量基準で、前記非水溶性重合体を、前記水溶性重合体の0.1倍以上2.5倍以下含有する、ことが好ましい。機能層用組成物に含有される非水溶性重合体と水溶性重合体の比率が、上記範囲内であれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に一層優れる非水系二次電池用機能層を形成することができる非水系二次電池機能層用組成物が得られる。
そして、本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物の何れかを用いて形成されたことを特徴とする。
また、本発明の非水系二次電池は、上述した非水系二次電池用機能層を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層を形成することができる非水系二次電池機能層用組成物を提供することができる。そして、当該非水系二次電池機能層用組成物を使用すれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層、及び当該非水系二次電池用機能層を備える電気的特性(特に、出力特性と高温サイクル特性)に優れる非水系二次電池を良好に形成することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
ここで、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、非水系二次電池用機能層を調製する際の材料として用いられる。そして、本発明の非水系二次電池用機能層は、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される。また、本発明の非水系二次電池は、少なくとも本発明の非水系二次電池用機能層を備えるものである。
(非水系二次電池機能層用組成物)
本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、非導電性粒子と、水溶性重合体と、非水溶性重合体とを含有し、任意に、添加剤などを更に含有する、水などを分散媒としたスラリー組成物である。そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、水溶性重合体としての、電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である重合体と、非水溶性重合体としての、体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である重合体とを含有することを特徴とする。
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、所定の性状を有する水溶性重合体と、所定の粒子径を有する非水溶性重合体とを併用しているので、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層を形成することができる。
<非導電性粒子>
ここで、非導電性粒子は、非水系二次電池機能層用組成物の分散媒及び二次電池の非水系電解液に溶解せず、それらの中においても、その形状が維持される粒子である。そして、非導電性粒子は、電気化学的にも安定であるため、二次電池の使用環境下で機能層中に安定に存在する。
[非導電性粒子の種類]
そして、非導電性粒子としては、例えば各種の無機粒子や有機粒子を使用することができる。
具体的には、非導電性粒子としては、無機粒子と、非水溶性重合体以外の有機微粒子との双方を用いることができる。なかでも、非導電性粒子の材料としては、非水系二次電池の使用環境下で安定に存在し、電気化学的に安定である材料が好ましい。具体的には、非導電性粒子として使用しうる無機粒子としては、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化アルミニウムの水和物(ベーマイト(AlOOH)、ギブサイト(Al(OH)3)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ZrO、アルミナ−シリカ複合酸化物等の酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。また、これらの粒子は、必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。これらの中でも、非導電性粒子として配合する無機粒子としては、硫酸バリウム粒子、アルミナ粒子が好ましい。
また、非導電性粒子として使用しうる有機粒子としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリジビニルベンゼン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体架橋物、そして、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド縮合物などの各種架橋高分子粒子や、ポリスルフォン、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミドなどの耐熱性高分子粒子などの一般的な有機粒子を挙げることができる。
さらには、有機粒子として、組成及び又は性状が相互に異なる重合体によりそれぞれ形成されたコア部及びシェル部を有するコアシェル構造の有機粒子を用いることもできる。かかるコアシェル構造を有する有機粒子としては、特に限定されることなく、例えば、以下のような有機粒子が挙げられる。そのような有機粒子は、例えば、コア部を形成する重合体が、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸エステル単量体と、(メタ)アクリル酸等の酸基含有単量体と、エチレンジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、1,3−ブチレングリコールジアクリレート等のジ(メタ)アクリル酸エステル化合物などの架橋性単量体とを重合することで形成された重合体であり、シェル部を形成する重合体が、スチレン及びスチレンスルホン酸等のスチレン誘導体などの芳香族モノビニル単量体を重合して形成された重合体でありうる。なお、有機粒子を構成する各種単量体単位の比率は、コア部については、有機粒子を構成する全単量体単位を100質量%として、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位が50質量%以上100質量%以下、酸基含有単量体単位0.1質量%以上20質量%以下、架橋性単量体単位が0.1質量%以上5質量%以下であることが好ましい。また、シェル部については、有機粒子を構成する全単量体単位を100質量%として、芳香族モノビニル単量体単位の比率が20質量%以上100質量%以下であることが好ましい。
そして、有機粒子としては、コアシェル構造を有する有機粒子が好ましく、中でも、メタクリル酸メチル単量体単位、メタクリル酸単量体単位、及びエチレングリコールジメタクリレート単量体単位を含むコア部と、スチレン単量体単位を含むシェル部よりなるコアシェル構造を有する有機粒子がより好ましい。
なお、本明細書において、メタ(アクリル)とは、アクリル又はメタクリルを意味する。
そして、非導電性粒子として使用しうる有機粒子は、ガラス転移温度が30℃超200℃以下であることが好ましい。特に、非導電性粒子がコアシェル構造を有する有機粒子である場合には、少なくとも、シェル部の重合体のガラス転移温度が30℃超200℃以下であることが好ましい。
そして、これらの有機粒子と、後述する非水溶性重合体とは、非水溶性重合体が結着能を有することに対して、これらの有機粒子が結着能を有さないという点で異なり、これらの有機粒子には後述する非水溶性重合体は含まれない。なお、有機粒子は非水溶性であり、温度25℃において有機粒子0.5gを100gの水に溶解した際に、不溶分が90質量%以上となる有機粒子である。
なお、上述した非導電性粒子は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、非導電性粒子として、一種又は複数種の無機粒子を組み合わせて使用しても良いし、一種又は複数種の有機粒子を組み合わせて使用しても良いし、更には、一種又は複数種の無機粒子と、一種又は複数種の有機粒子とを組み合わせて使用しても良い。
[非導電性粒子の性状]
また、非導電性粒子の体積平均粒子径は、0.1μm以上であることが好ましく、0.2μm以上であることがより好ましく、0.3μm以上であることがさらに好ましく、2.0μm以下であることが好ましく、1.5μm以下であることがより好ましく、1.2μm以下であることがより好ましい。非導電性粒子の体積平均粒子径が上記下限値以上であれば、機能層のガーレー値が過度に高くなって機能層のイオン伝導性が低下することを抑制し、機能層を備える二次電池に優れた出力特性を発揮させることができる。また、非導電性粒子の体積平均粒子径が上記上限値以下であれば、機能層の充填密度を高め、電解液中における機能層の強度及び耐熱収縮性を高めることができる。
なお、本発明において、非導電性粒子の「体積平均粒子径」は、レーザー回折法で測定された粒度分布(体積基準)において小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を表す。
非導電性粒子の比表面積は、無機粒子の場合、3.0m2/g以上が好ましく、3.5m2/g以上がより好ましく、4.0m2/g以上が更に好ましく、8.0m2/g以下が好ましく、7.5m2/g以下がより好ましく、7.0m2/g以下が更に好ましい。また、有機粒子の場合、比表面積は、0.01m2/g以上が好ましく、0.02m2/g以上がより好ましく、0.05m2/g以上が更に好ましく、5.0m2/g以下が好ましく、4.0m2/g以下がより好ましく、2.0m2/g以下が更に好ましい。非導電性粒子の比表面積が上記下限値以上であれば、機能層の充填密度を高め、電解液中における機能層の強度及び耐熱収縮性を高めることができる。また、非導電性粒子の比表面積が上記上限値以下であれば、機能層のガーレー値が過度に高まり電池反応に寄与するイオンの伝導性(即ち、イオン伝導性)が低下することを抑制し、機能層を備える二次電池に優れた出力特性を発揮させることができる。
<水溶性重合体>
本発明の非水系二次電池機能層用組成物に含まれる水溶性重合体は、架橋性単量体単位を0.01質量%以上2.0質量%以下の割合で含有することが好ましい。さらに、水溶性重合体は、(メタ)アクリルアミド単量体単位を70質量%以上99質量%以下の割合で含有することが好ましく、任意に、酸基含有単量体単位、及びその他の単量体単位を更に含有する。さらに、水溶性重合体として、複数種の水溶性重合体の混合物を用いても良い。
[水溶性重合体の組成]
−架橋性単量体単位−
ここで、架橋性単量体単位を形成しうる架橋性単量体としては、重合した際に架橋構造を形成しうる単量体を用いることができる。具体的には、熱架橋性の架橋性基及び1分子あたり1つのエチレン性不飽和結合を有する単官能性単量体、並びに、1分子あたり2つ以上のエチレン性不飽和結合を有する多官能性単量体が挙げられる。単官能性単量体に含まれる熱架橋性の架橋性基の例としては、エポキシ基、N‐メチロールアミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基及びこれらの組み合わせが挙げられる。架橋性単量体単位を含有させることで、機能層の耐粉落ち性を高めつつ、非水溶性重合体の電解液膨潤度の大きさを適度な大きさとすることができる。
そして、架橋性単量体は、疎水性であっても親水性であってもよい。
なお、本発明において、架橋性単量体が「疎水性」であるとは、当該架橋性単量体が親水性基を含まないことをいい、架橋性単量体が「親水性」であるとは、当該架橋性単量体が親水性基を含むことをいう。ここで架橋性単量体における「親水性基」とは、カルボン酸基、水酸基、スルホン酸基、リン酸基、エポキシ基、チオール基、アルデヒド基、アミド基、オキセタニル基、オキサゾリン基を指す。
疎水性の架橋性単量体としては、アリル(メタ)アクリレート、エチレンジ(メタ)アクリレート、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、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン−トリ(メタ)アクリレートなどの多官能(メタ)アクリレート類;ジプロピレングリコールジアリルエーテル、ポリグリコールジアリルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ヒドロキノンジアリルエーテル、テトラアリルオキシエタンなどの多官能アリル/ビニルエーテル類;そしてジビニルベンゼンなどが挙げられる。
親水性の架橋性単量体としては、ビニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、N‐メチロールアクリルアミド、アクリルアミド、アリルメタクリルアミドなどが挙げられる。
なお、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。中でも、架橋性単量体としては、エチレングリコールジメタクリレートを用いることが好ましい。
そして、水溶性重合体に含有される全単量体単位の量を100質量%とした場合の水溶性重合体における架橋性単量体単位の含有割合は、0.01質量%以上が好ましく、0.02質量%以上がより好ましく、0.03質量%以上が更に好ましく、2.0質量%以下が好ましく、1.8質量%以下がより好ましく、1.5質量%以下が更に好ましい。水溶性重合体における架橋性単量体単位の含有割合が上記下限値以上であれば、水溶性重合体の電解液膨潤度が過剰に大きくなり、機能層のイオン伝導性が低下することを抑制して、二次電池の出力特性を向上させることができる。また、水溶性重合体における架橋性単量体単位の含有割合が上記上限値以下であれば、水溶性重合体を調製する際における重合安定性が向上し、水溶性重合体を効率的に調製することができ、ひいては二次電池の製造効率を向上させることができる。
−(メタ)アクリルアミド単量体単位−
(メタ)アクリルアミド単量体単位を形成し得る(メタ)アクリルアミド単量体としては、アクリルアミド及びメタクリルアミドが挙げられる。特に、アクリルアミドが好ましい。これらは、何れか一方を単独で用いてもよく、両方を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
そして、水溶性重合体に含有される全単量体単位の量を100質量%とした場合の水溶性重合体における(メタ)アクリルアミド単量体単位の含有割合は、70質量%以上が好ましく、72質量%以上がより好ましく、75質量%以上がより好ましく、99質量%以下が好ましく、95質量%以下がより好ましく、93質量%以下が更に好ましい。水溶性重合体における(メタ)アクリルアミド単量体単位の含有割合が上記下限値以上であれば、機能層の耐熱収縮性を向上させることができる。また、水溶性重合体における(メタ)アクリルアミド単量体単位の含有割合が上記上限値以下であれば、機能層用組成物中における固形成分の分散安定性が向上し、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を均質化することが可能となり、結果的にかかる機能層を備える二次電池の電気的特性を向上させることができる。
−酸基含有単量体単位−
酸基含有単量体単位を形成し得る酸基含有単量体としては、酸基を有する単量体、例えば、カルボン酸基を有する単量体、スルホン酸基を有する単量体、及び、リン酸基を有する単量体を有する単量体が挙げられる。
そして、カルボン酸基を有する単量体としては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
また、スルホン酸基を有する単量体としては、例えば、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アクリル酸‐2‐スルホン酸エチル、2‐アクリルアミド‐2‐メチルプロパンスルホン酸、3‐アリロキシ‐2‐ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
更に、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸‐2‐(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル‐2‐(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル‐(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
なお、本発明において、「(メタ)アリル」とは、アリル及び/またはメタリルを意味し、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイル及び/またはメタクリロイルを意味する。
これらの中でも、酸基含有単量体としては、カルボン酸基を有する単量体が好ましく、モノカルボン酸がより好ましく、アクリル酸が更に好ましい。
また、酸基含有単量体は、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。
そして、水溶性重合体が含有する酸基含有単量体単位の割合は、2.0質量%以上であることが好ましく、40.0質量%以下であることが好ましく、35.0質量%以下であることがより好ましく、30.0質量%以下であることが更に好ましい。酸基含有単量体単位の含有割合を上記下限値以上とすれば、機能層用組成物中における固形成分の凝集を抑制するとともに、水溶性重合体の電解液膨潤度を適度に高めることができる。また、酸基含有単量体単位の含有割合を上記上限値以下とすれば、機能層用組成物を用いて形成した機能層中における水溶性重合体の電解液膨潤度が過度に大きくなることを抑制して、かかる機能層を備える二次電池の出力特性を向上させることができる。さらに、酸基含有単量体単位の含有割合を上記上限値以下とすれば、機能層用組成物を用いて形成した機能層中に含有されうる水溶性重合体由来の水分量を低減して、かかる機能層を備える二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
−(メタ)アクリルアミド単量体単位の酸基含有単量体単位に対する含有比率−
さらに、水溶性重合体は、(メタ)アクリルアミド単量体単位を、酸基含有単量体単位の2.0倍以上含有することが好ましく、3.0倍以上含有することがより好ましく、5.0倍以上含有することが更に好ましく、40倍以下含有することが好ましく、35倍以下含有することがより好ましく、30倍以下含有することが更に好ましい。(メタ)アクリルアミド単量体単位の酸基含有単量体単位に対する含有比率が上記下限値以上であれば、機能層用組成物を用いて形成した機能層中における水溶性重合体の電解液膨潤度が過度に大きくなることを抑制して、かかる機能層を備える二次電池の出力特性を向上させることができる。(メタ)アクリルアミド単量体単位の酸基含有単量体単位に対する含有比率が上記上限値以下であれば、機能層用組成物中における固形成分の分散安定性が向上し、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層を均質化することが可能となり、結果的にかかる機能層を備える二次電池の電気的特性を向上させることができる。
−その他の単量体単位−
水溶性重合体は、上述した単量体単位以外に、その他の単量体単位を含有していてもよい。そして、その他の単量体単位を形成しうるその他の単量体としては、特に限定されることなく、シアン化ビニル系単量体が挙げられる。
なお、任意で、上記電解液膨潤度が特定範囲である水溶性重合体と、アミン化合物とを混合して用いることができる。水溶性重合体に対してアミン化合物を配合することで、機能層用組成物を保存する際に生じうる粘度変化を抑制して、機能層用組成物の保存安定性を向上させることができるからである。かかるアミン化合物としては、特に限定されることなく、例えば、硫酸ヒドロキシルアミン、ジエチルヒドロキシルアミン、ジメチルヒドロキシルアミン、ジプロピルヒドロキシルアミン、イソプロピルヒドロキシアミン、イソチアゾリン系化合物等が挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。なお、アミン化合物の配合比率は、例えば、水溶性重合体の固形分100質量部あたり0.01質量部以上0.5質量部以下でありうる。さらに、機能層用組成物の中における水溶性重合体とアミン化合物との配合比率に従って、これらを混合して得た混合物について測定した電解液膨潤度が、上記特定範囲内となることが好ましい。
さらに、任意で、上記電解液膨潤度が特定範囲である水溶性重合体と、合成高分子とを混合して用いることもできる。かかる合成高分子としては、特に限定されることなく、例えば、ポリアクリル酸ナトリウムなどのポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、アクリル酸またはアクリル酸塩とビニルアルコールとの共重合体、無水マレイン酸またはマレイン酸もしくはフマル酸と酢酸ビニルとの共重合体の完全または部分ケン化物、変性ポリビニルアルコール、変性ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリカルボン酸、エチレン‐ビニルアルコール共重合体、酢酸ビニル重合体、カルボン酸基が導入されたアクリルアミド重合体などが挙げられる。その場合、合成高分子の混合比率は、本発明に従う機能層用組成物の奏しうる効果を阻害しない限りにおいて特に制限されることなく、例えば、水溶性重合体の固形分100質量部に対して、100質量部以下でありうる。さらに、機能層用組成物の中における水溶性重合体と合成高分子との配合比率に従って、これらを混合して得た混合物について測定した電解液膨潤度が、上記特定範囲内となることが好ましい。
[水溶性重合体の電解液膨潤度]
水溶性重合体は、電解液に対する膨潤度が、1.0倍超であることが好ましく、1.15倍超であることがより好ましく、1.2倍超であることがさらに好ましく、2.0倍以下であることが好ましく、1.8倍以下であることがより好ましく、1.5倍以下であることが更に好ましい。水溶性重合体の電解液膨潤度が上記下限値超であれば、電解液中にて、機能層が電池反応に寄与するイオンを透過させやすくなり、二次電池の出力特性が向上する。水溶性重合体の電解液膨潤度が上記上限値以下であれば、機能層中で水溶性重合体が電解液に対して過度に膨潤して機能層中に形成された空隙を閉塞することを抑制して、機能層のイオン伝導性が低下しないようにして、二次電池の出力特性を向上することができる。さらに、水溶性重合体の電解液膨潤度が上記上限値以下であれば、電解液中において非水溶性粒子が非導電性粒子を機能層内に強固に保持することができ、耐振動脱落性を高めることができる。
[水溶性重合体の重量平均分子量]
また、本発明の非水系二次電池機能層用組成物に含まれる水溶性重合体は、重量平均分子量(Mw)が200,000以上10,000,000以下であることが好ましく、1,000,000以下であることがより好ましい。水溶性重合体の重量平均分子量が上記下限値以上であれば、非水系二次電池中において水溶性重合体が電解液に溶出することを抑制し、非水系二次電池の高温サイクル特性が低下することを防止することができると共に、非水系二次電池機能層用組成物の塗工性を向上させて機能層の耐熱収縮性を高めることができる。また、水溶性重合体の重量平均分子量が上記上限値以下であれば、非水系二次電池機能層用組成物の塗工性及び非水系二次電池用機能層の柔軟性を向上させることもできる。
なお、本発明において「水溶性重合体の重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
[水溶性重合体の配合量]
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物に含まれる水溶性重合体の量は、非導電性粒子が無機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.1質量部以上であることが好ましく、0.3質量部以上であることがより好ましく、0.5質量部以上であることが更に好ましく、5.0質量部以下であることが好ましく、4.0質量部以下であることがより好ましく、3.0質量部以下であることが更に好ましい。非導電性粒子が有機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.4質量部以上であることが好ましく、1.2質量部以上であることがより好ましく、2質量部以上であることが更に好ましく、20質量部以下であることが好ましく、16質量部以下であることがより好ましく、12質量部以下であることが更に好ましい。水溶性重合体の含有量を上記下限値以上とすることにより、機能層用組成物に適度な粘性を与え、機能層の形成時に基材に対して塗布する際に、機能層用組成物がはじかれて不均一な機能層が形成されることを回避することができる。また、水溶性重合体の含有量を上記下限値以上とすることで、機能層用組成物中にて固形成分が沈降し、或いは、機能層の形成時に基材に対して塗布する際に固形成分が偏ることを抑制して、均一な機能層を形成することができる。そして、水溶性重合体の含有量を上記上限値以下とすることで、機能層の形成時に基材に対して塗布する際に、スジやムラが生じることを抑制して、均一な機能層を形成することができる。さらに、水溶性重合体の含有量を上記上限値以下とすることで、得られる機能層にて非導電性粒子間の間隙が過度に大きくなることを回避して、機能層における非導電性粒子の充填密度を高めて、機能層の耐熱収縮性を向上させることができる。
[水溶性重合体の調製方法]
水溶性重合体は、上述した単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより、製造し得る。この際、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、水溶性重合体中の各繰り返し単位(単量体単位)の含有割合に準じて定めることができる。
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。
また、重合に使用される乳化剤、分散剤、重合開始剤、重合助剤などの添加剤は、一般に用いられるものを使用しうる。これらの添加剤の使用量も、一般に使用される量としうる。重合条件は、重合方法及び重合開始剤の種類などに応じて適宜調整しうる。
<非水溶性重合体>
本発明の非水系二次電池機能層用組成物に含まれる非水溶性重合体は、非水系二次電池機能層用組成物中において粒子形状を維持した状態で分散しており、上述した水溶性重合体と共に、結着材として機能する。そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、電解液膨潤度の比較的低い水溶性重合体と、後述するように体積平均粒子径の比較的小さい非水溶性重合体とを結着成分として併用しているので、機能層用組成物に含まれる非導電性粒子などの固形成分を機能層内に強固に保持するだけではなく、機能層自体の強度を向上させることができる。これにより、二次電池の充放電に伴う加熱による機能層の収縮を抑制することを可能である。従って、本発明の非水系二次電池機能層用組成物によれば、機能層の耐振動脱落性を向上させるのみならず、機能層の耐熱収縮性を高めることができる。
[非水溶性重合体の組成]
ここで、通常、非水溶性重合体は、非水溶性の重合体である。そして、非水溶性重合体としては、特に限定されることなく、熱可塑性エラストマーなどの、機能層を形成する際に結着材として使用し得る既知の非水溶性重合体を用いることができる。具体的には、非水溶性重合体としては、特に限定されることなく、共役ジエン系重合体及びアクリル系重合体が好ましく、アクリル系重合体がより好ましい。そして、これらの非水溶性重合体は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
ここで、非水溶性重合体として使用し得る共役ジエン系重合体は、共役ジエン単量体単位を含む重合体である。そして、共役ジエン系重合体の具体例としては、特に限定されることなく、スチレン‐ブタジエン共重合体(SBR)などの芳香族ビニル単量体単位及び脂肪族共役ジエン単量体単位を含む共重合体、ブタジエンゴム(BR)、アクリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位及びブタジエン単位を含む共重合体)、並びに、それらの水素化物及びフッ素化物などが挙げられる。
また、非水溶性重合体として好ましく使用し得るアクリル系重合体は、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体である。ここで、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、2−エチルヘキシルアクリレート等の(メタ)アクリル酸アルキルエステルを用いることができる。
そして、アクリル系重合体は、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位以外に、(メタ)アクリロニトリル単量体単位、酸基含有単量体単位、架橋性単量体単位、芳香族モノビニル単量体単位、及びフッ素含有単量体単位からなる群より選択される少なくとも一種の単量体単位を含有することが好ましく、酸基含有単量体単位、架橋性単量体単位、及び芳香族モノビニル単量体単位を含有することがより好ましい。なお、酸基含有単量体単位を形成し得る酸基含有単量体及び架橋性単量体単位を形成し得る架橋性単量体としては、上述した水溶性重合体と同様の単量体を用いることができる。中でも、非水溶性重合体の調製に用いる架橋性単量体として、親水性の架橋性単量体と疎水性の架橋性単量体とを併用することが好ましく、アリルグリシジルエーテルとアリルメタクリレートとを併用することが特に好ましい。そして、芳香族モノビニル単量体単位を形成しうる単量体としては、例えば、スチレン、スチレンスルホン酸、α−メチルスチレン、及びビニルトルエン等の芳香族モノビニル単量体を用いることができる。
さらに、フッ素含有単量体単位を形成しうるフッ素含有単量体としては、フッ化ビニリデン、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン、三フッ化塩化エチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル等のフッ素含有オレフィン;及び下記一般式(1)で表されるフッ素含有(メタ)アクリレートが挙げられる。
Figure 0006908033
(一般式(1)中、R1は水素原子またはメチル基であり、R2はフッ素原子を含有する炭素数1〜18の炭化水素基である。)
上記一般式(1)中のR2としては、例えば、炭素数1〜12のフッ化アルキル基、炭素数6〜16のフッ化アリール基、炭素数7〜18のフッ化アラルキル基等が挙げられるが、これらの中でも炭素数1〜12のフッ化アルキル基であることが好ましい。上記一般式(1)中のR2の好ましい具体例としては、例えば2,2,2‐トリフルオロエチル基、2,2,3,3,3‐ペンタフルオロプロピル基、1,1,1,3,3,3‐ヘキサフルオロプロパン‐2‐イル基、β‐(パーフルオロオクチル)エチル基、2,2,3,3‐テトラフルオロプロピル基、2,2,3,4,4,4‐ヘキサフルオロブチル基、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル基、1H,1H,9H‐パーフルオロ‐1‐ノニル基、1H,1H,11H‐パーフルオロウンデシル基、パーフルオロオクチル基等が挙げられる。
そして、フッ素含有オレフィンの中でも、フッ化ビニリデン、六フッ化ビニリデンが好ましく、上記一般式(1)で表わされるフッ素含有(メタ)アクリレートの中でも、メタクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチル、アクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチル、及び、アクリル酸1,1,1,3,3,3‐ヘキサフルオロイソプロピルが好ましい。
[非水溶性重合体の性状]
ここで、非水溶性重合体は、体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である必要があり、0.05μm以上であることがより好ましく、0.10μm以上であることが更に好ましく、0.28μm以下であることがより好ましく、0.25μm以下であることが更に好ましい。非水溶性重合体の体積平均粒子径を上記下限値以上とすれば、機能層が過度に目詰めされて、機能層のイオン伝導性が過剰に低下して、かかる機能層を備える二次電池の内部抵抗が上昇することを抑制し、機能層を備える二次電池のレート特性を向上させることができる。また、非水溶性重合体の体積平均粒子径を上記下限値以上とすれば、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。非水溶性重合体の体積平均粒子径を上記上限値以下とすれば、機能層中において非水溶性重合体が良好に分散し、非導電性粒子の間の間隙に位置する非水溶性重合体が非導電性粒子を機能層中にて強固に保持することに寄与して機能層の電解液中における耐振動脱落性を向上させると共に、電解液に浸漬しない状態において機能層から非導電性粒子が脱落する(粉落ちする)ことを抑制することができる。さらに、非水溶性重合体の体積平均粒子径を上記上限値以下とすれば、機能層の表層付近に位置する非水溶性重合体により、機能層の接着性が向上して、機能層のピール強度が向上し、更には、耐熱収縮性が向上する。
なお、本発明において、「非水溶性重合体の体積平均粒子径」とは、レーザー回折法にて測定した粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径(D50)を指す。また、複数種類の非水溶性重合体を併用する場合には、かかる複数種類の非水溶性重合体を機能層用組成物に含有される比率と同様の比率で含有する分散液について上記測定方法に従って測定した体積平均粒子径(D50)が、上記範囲内である必要がある。
更に、非水溶性重合体の体積平均粒子径は、非導電性粒子の体積平均粒子径の0.15倍以上であることが好ましく、0.60倍以下であることが好ましく、0.48倍以下であることがより好ましい。非水溶性重合体の体積平均粒子径と、非導電性粒子の体積平均粒子径との間の比率が上記範囲内であれば、非導電性粒子の間の間隙に位置する非水溶性重合体が非導電性粒子を機能層中にて強固に保持することに寄与して機能層の電解液中における耐振動脱落性を向上させることができる。また、上記比率が上記範囲内であれば、機能層の耐熱収縮性も向上させることができる。
更に、非水溶性重合体は、ガラス転移温度が30℃以下であることが好ましく、20℃以下であることがより好ましく、15℃以下であることが更に好ましく、−50℃以上であることが好ましく、−40℃以上であることがより好ましく、−20℃以上であることが更に好ましい。非水溶性重合体は、ガラス転移温度が上記上限値以下であれば機能層用組成物のハンドリングが容易となる。また、非水溶性重合体は、ガラス転移温度が上記下限値以上であれば、機能層の結着能を高めて、ピール強度を向上させることができる。
なお、本発明において、「非水溶性重合体のガラス転移温度」は、JIS K7121に準拠し、示差走査熱量分析により測定することができる。
更に、非水溶性重合体は、電解液膨潤度が1.0倍超であることが好ましく、1.1倍超であることがより好ましく、1.2倍超であることが更に好ましく、3.0倍以下であることが好ましく、2.5倍以下であることがより好ましく、2.3倍以下であることが更に好ましく、2.2倍以下であることが特に好ましい。非水溶性重合体の電解液膨潤度が上記下限値超であれば、電解液中にて、機能層が電池反応に寄与するイオンを透過させやすくなり、二次電池の出力特性が向上する。また、非水溶性重合体の電解液膨潤度が上記上限値以下であれば、機能層内において非水溶性重合体が過度に膨潤して電池反応に寄与するイオンの流路を遮蔽することを回避し、二次電池の出力特性を向上させることができる。さらに、非水溶性重合体の電解液膨潤度が上記上限値以下であれば、非水溶性重合体が過度に膨潤することにより非水溶性重合体による非導電性粒子の保持能が過度に低下することを抑制して、電解液中における耐振動脱落性を向上させ、これにより、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
なお、非水溶性重合体の電解液膨潤度は、特に限定されることなく、例えば、非水溶性重合体の組成を調節することで、制御することができる。具体的には、非水溶性重合体の電解液膨潤度を制御するための一つの方途としては、上記一般式(1)で表されるフッ素原子を含有する(メタ)アクリレートを用いることが挙げられる。これにより、非水溶性重合体の電解液膨潤度が過度に大きくなることを抑制することができる。そして、上記一般式(1)で表されるフッ素原子を含有する(メタ)アクリレートを用いる場合には、得られる機能層を備える二次電池の高温サイクル特性を向上させる観点から、上記一般式(1)で表されるフッ素原子を含有する(メタ)アクリレート由来の単量体単位の、非水溶性重合体中における含有割合は、非水溶性重合体に含有される全単量体単位を100質量%として、5.0質量%以下であることが好ましく、4.0質量%以下であることがより好ましく、3.0質量%以下であることが更に好ましい。また、非水溶性重合体の電解液膨潤度を制御するための他の一つの方途としては、上述した架橋性単量体を用いることが挙げられる。これにより、非水溶性重合体の電解液膨潤度が過度に大きくなることを抑制することができる。そして、上述した架橋性単量体を用いる場合には、得られる機能層を備える二次電池の高温サイクル特性を向上させる観点から、非水溶性重合体中における架橋性単量体の含有割合は、3.0質量%以下であることが好ましく、2.5質量%以下であることがより好ましく、2.3質量%以下であることが更に好ましい。また、電解液膨潤度の抑制性能を確実とする観点から、架橋性単量体を配合して非水溶性重合体の電解液膨潤度を制御する場合には、非水溶性重合体中における架橋性単量体の含有割合は、0.1質量%以上であることが好ましい。
なお、非水溶性重合体は、相互に性状の異なる重合体からなるコア部及びシェル部を有するコアシェル構造をとっていても良い。この場合、少なくともシェル部が、上述したようなガラス転移温度や電解液膨潤度の要件を満たしうる。
[非水溶性重合体の配合量]
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物に含まれる非水溶性重合体の量は、非導電性粒子が無機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.2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く、1.0質量部以上であることが更に好ましく、10質量部以下であることが好ましく、7質量部以下であることがより好ましく、5質量部以下であることが更に好ましい。また、非導電性粒子が有機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.8質量部以上であることが好ましく、2.0質量部以上であることがより好ましく、4.0質量部以上であることが更に好ましく、40質量部以下であることが好ましく、28質量部以下であることがより好ましく、20質量部以下であることが更に好ましい。非水溶性重合体の含有量を上記下限値以上とすることにより、非導電性粒子が電解液に浸漬しない状態の機能層から脱落することを抑制して、機能層のピール強度を向上させることができる。また、非水溶性重合体の含有量を上記下限値以上とすることで、機能層の耐振動脱落性を向上させることができる。さらに、非水溶性重合体の含有量を上記上限値以下とすることにより、機能層のガーレー値が過度に高まり、二次電池の内部抵抗が上昇して、二次電池の出力特性が低下することを抑制することができる。
また、機能層組成物中における非水溶性重合体の含有量は、前述した水溶性重合体の含有量の0.1倍以上であることが好ましく、0.3倍以上であることがより好ましく、0.7倍以上であることが更に好ましく、2.5倍以下であることが好ましく、2.2倍以下であることがより好ましく、2.0倍以下であることが更に好ましい。水溶性重合体の含有量に対する非水溶性重合体の含有量の比(非水溶性重合体/水溶性重合体)が上記下限値以上であれば、非導電性粒子が電解液に浸漬しない状態の機能層から脱落することを抑制して、機能層のピール強度を向上させることができる。また、(非水溶性重合体/水溶性重合体)の値が上記下限値以上であれば、機能層の耐振動脱落性を向上させることができる。また、この場合、機能層の耐熱収縮性を向上させることができる。そして、(非水溶性重合体/水溶性重合体)の値が上記上限値以下であれば、機能層のガーレー値が過度に上昇して、かかる機能層を備える二次電池の内部抵抗が過度に高くなることを抑制して、二次電池の出力特性を向上させることができる。
なお、機能層用組成物中における非水溶性重合体及び水溶性重合体の含有量は、例えば、以下のようにして測定することができる。まず、水溶性重合体の含有量は、機能層用組成物をろ過して固形成分を除去し、得られたろ液について、液体クロマトグラフィーを用いて、水溶性重合体、分散剤、濡れ剤の含有比率を定量する。また、ろ液の一部を乾燥させて、乾燥物の重量を測定することにより、単位量当たりのろ液に含有される水溶性重合体の含有量を算出することができる。そして、非水溶性重合体の含有量は、ろ過により得られた固形成分を水等の溶媒に再分散させて遠心分離することにより、固形成分中に含まれる非導電性粒子及び非水溶性重合体を分離して、非水溶性重合体を含む画分を採取して乾燥させ、乾燥物の重量を測定して得ることができる。
[非水溶性重合体の調製方法]
非水溶性重合体は、非水溶性重合体の重合に用いる単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより、製造し得る。この際、単量体組成物中の各単量体の含有割合は、非水溶性重合体中の各繰り返し単位(単量体単位)の含有割合に準じて定めることができる。
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。
また、重合に使用される乳化剤、分散剤、重合開始剤、重合助剤などの添加剤は、一般に用いられるものを使用しうる。これらの添加剤の使用量も、一般に使用される量としうる。重合条件は、重合方法及び重合開始剤の種類などに応じて適宜調整しうる。
<添加剤>
非水系二次電池機能層用組成物は、上述した成分以外にも、任意のその他の成分を含んでいてもよい。前記その他の成分は、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、公知のものを使用することができる。また、これらのその他の成分は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
前記その他の成分としては、例えば、分散剤や濡れ剤などの既知の添加剤が挙げられる。
[分散剤]
なお、分散剤としては、特に限定されることなく、ポリカルボン酸、ポリカルボン酸ナトリウムやポリカルボン酸アンモニウム、ポリカルボン酸スルホン酸共重合体、ポリカルボン酸スルホン酸共重合体ナトリウムやポリカルボン酸スルホン酸共重合体アンモニウムなどを用いることができる。
そして、分散剤の使用量は、非導電性粒子が無機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.1質量部以上とすることが好ましく、0.5質量部以上とすることがより好ましく、1.0質量部以上とすることが更に好ましく、5質量部以下とすることが好ましく、4質量部以下とすることがより好ましく、3.5質量部以下とすることが更に好ましい。非導電性粒子が有機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.4質量部以上とすることが好ましく、2.0質量部以上とすることがより好ましく、4.0質量部以上とすることが更に好ましく、20質量部以下とすることが好ましく、16質量部以下とすることがより好ましく、14質量部以下とすることが更に好ましい。分散剤の使用量を上記下限値以上とすれば、機能層用組成物の分散安定性を十分に向上させて、かかる機能層用組成物を用いて形成した機能層中おける非導電性粒子の充填密度を適度に向上させることができ、機能層の柔軟性を保ちつつ強度を高めて耐熱収縮性を高めることができる。また、分散剤の使用量を上記上限値以下とすれば、非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成した機能層中に残留する水分の量を低減して、二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
さらに、分散剤の重量平均分子量は、100,000以下であることが好ましい。分散剤の重量平均分子量が100,000以下であれば、機能層用組成物の粘度が過度に高くなることを抑制し、機能層用組成物のハンドリング性及び塗工性を向上させることができる。なお、本発明において、「分散剤の重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
さらにまた、分散剤の電解液膨潤度は、通常、1.1倍以上3.0倍以下である。
[濡れ剤]
また、濡れ剤としては、特に限定されることなく、ノニオン性界面活性剤やアニオン性界面活性剤を用いることができる。中でも、ノニオン性界面活性剤を用いることが好ましい。また、濡れ剤の重量平均分子量は、100,000以下であることが好ましい。なお、本発明において、「濡れ剤の重量平均分子量」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。さらにまた、濡れ剤の電解液膨潤度は、通常、2倍超である。
そして、濡れ剤の使用量は、非導電性粒子が無機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.05質量部以上とすることが好ましく、0.1質量部以上とすることがより好ましく、0.15質量部以上とすることが更に好ましく、2質量部以下とすることが好ましく、1.5質量部以下とすることがより好ましく、1質量部以下とすることが更に好ましい。非導電性粒子が有機粒子である場合には、非導電性粒子100質量部当たり、0.2質量部以上とすることが好ましく、0.4質量部以上とすることがより好ましく、0.6質量部以上とすることが更に好ましく、8質量部以下とすることが好ましく、6質量部以下とすることがより好ましく、4質量部以下とすることが更に好ましい。濡れ剤の使用量を上記下限値以上とすれば、基材に対する濡れ性が向上して、機能層用組成物を基材に対して塗工する際に、ハジキが発生することを抑制することができ、機能層を良好に形成することができる。また、濡れ剤の使用量を上記上限値以下とすれば、機能層のガーレー値が過度に上昇して、かかる機能層を備える二次電池の内部抵抗が上昇することを抑制し、二次電池の出力特性を向上させることができる。
<分散媒>
本発明の非水系二次電池機能層用組成物の分散媒としては、通常、水が用いられる。なお、分散媒としては、上述した水溶性重合体を溶解可能で、且つ、上述した非水溶性重合体が粒子状態を維持可能であれば、水と他の溶媒との混合物も用いることができる。ここで、他の溶媒としては、特に限定されることなく、例えば、シクロペンタン、シクロヘキサン等の環状脂肪族炭化水素化合物;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素化合物;エチルメチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン化合物;酢酸エチル、酢酸ブチル、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクトン等のエステル化合物;アセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル化合物;テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル化合物;メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル等のアルコール化合物;N−メチルピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド等のアミド化合物;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種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
<非水系二次電池機能層用組成物の製造方法>
本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、特に限定されることなく、上述した非導電性粒子と、水溶性重合体と、非水溶性重合体と、必要に応じて用いられる任意の添加剤とを、水などの分散媒の存在下で混合して得ることができる。
ここで、上述した成分の混合方法及び混合順序は特に制限されないが、各成分を効率よく分散させるべく、混合装置として分散機を用いて混合を行うことが好ましい。そして、分散機は、上記成分を均一に分散及び混合できる装置であることが好ましい。分散機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどが挙げられる。
<非水系二次電池機能層用組成物の性状>
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物は、固形分濃度が35質量%以上であることが好ましく、40質量%以上がより好ましく、65質量%以下であることが好ましく、60質量%以下であることがより好ましく、55質量%以下であることが更に好ましい。固形分濃度がかかる範囲内であれば、塗工性が良好となるととともに、機能層用組成物に適度な沈降性を付与して、塗工時にハジキが発生することを抑制することができる。固形分濃度を上記上限値以下とすれば、機能層用組成物に適度な粘性を付与することで、機能層用組成物のレベリング性を高めて均一塗布可能としうる。
さらに、機能層用組成物は、粘度が10mPa・s以上100mPa・s以下であることが好ましい。機能層用組成物の粘度が上記範囲内であれば、機能層用組成物の塗工性を十分に向上させることができる。なお、本発明において、「非水系二次電池機能層用組成物の粘度」とは、温度25℃においてB型粘度計により測定した、回転数60rpmでの粘度を指す。そして、非水系二次電池機能層用組成物の粘度は、水溶性重合体の分子量、並びに、非水系二次電池機能層用組成物中の各成分の含有量を調節することにより調整しうる。
(非水系二次電池用機能層)
本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物から形成されたものであり、例えば、上述した機能層用組成物を適切な基材の表面に塗布して塗膜を形成した後、形成した塗膜を乾燥することにより、形成することができる。即ち、本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物の乾燥物よりなり、通常、非導電性粒子と、電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である水溶性重合体と、体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である非水溶性重合体と、任意の添加剤とを含有する。なお、上述した非導電性粒子、水溶性重合体、及び/または非水溶性重合体が架橋性単量体単位を含有する場合には、当該架橋性単量体単位を含有する重合体は、非水系二次電池機能層用組成物の乾燥時、或いは、乾燥後に任意に実施される熱処理時などに架橋されていてもよい(即ち、非水系二次電池用機能層は、上述した非導電性粒子、水溶性重合体、及び/又は非水溶性重合体の架橋物を含んでいてもよい)。
そして、本発明の非水系二次電池用機能層は、上述した非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成しているので、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れ、さらに、かかる機能層を備える二次電池の電気的特性を向上させることができる。
<基材>
ここで、機能層用組成物を塗布する基材に制限は無く、例えば離型基材の表面に機能層用組成物の塗膜を形成し、その塗膜を乾燥して機能層を形成し、機能層から離型基材を剥がすようにしてもよい。このように、離型基材から剥がされた機能層を自立膜として二次電池の電池部材の形成に用いることもできる。具体的には、離型基材から剥がした機能層をセパレータ基材の上に積層して機能層を備えるセパレータを形成してもよいし、離型基材から剥がした機能層を電極基材の上に積層して機能層を備える電極を形成してもよい。
しかし、機能層を剥がす工程を省略して電池部材の製造効率を高める観点からは、基材としてセパレータ基材または電極基材を用いることが好ましい。セパレータ基材及び電極基材上に設けられた機能層は、セパレータ及び電極の耐熱性や強度などを向上させる保護層として好適に使用することができる。
[セパレータ基材]
セパレータ基材としては、特に限定されないが、有機セパレータ基材などの既知のセパレータ基材が挙げられる。有機セパレータ基材は、有機材料からなる多孔性部材であり、有機セパレータ基材の例を挙げると、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂などを含む微多孔膜または不織布などが挙げられ、強度に優れることからポリエチレン製の微多孔膜や不織布が好ましい。なお、セパレータ基材の厚さは、任意の厚さとすることができ、好ましくは5μm以上30μm以下であり、より好ましくは5μm以上20μm以下であり、更に好ましくは5μm以上18μm以下である。セパレータ基材の厚さが5μm以上であれば、十分な安全性が得られる。また、セパレータ基材の厚さが30μm以下であれば、イオン伝導性が低下するのを抑制し、二次電池の出力特性が低下するのを抑制することができると共に、セパレータ基材の熱収縮力が大きくなるのを抑制して耐熱性を高めることができる。
[電極基材]
電極基材(正極基材及び負極基材)としては、特に限定されないが、集電体上に電極合材層が形成された電極基材が挙げられる。
ここで、集電体、電極合材層中の電極活物質(正極活物質、負極活物質)及び電極合材層用結着材(正極合材層用結着材、負極合材層用結着材)、並びに、集電体上への電極合材層の形成方法には、既知のものを用いることができ、例えば特開2013−145763号公報に記載のものを用いることができる。
<非水系二次電池用機能層の形成方法>
上述したセパレータ基材、電極基材などの基材上に機能層を形成する方法としては、以下の方法が挙げられる。
1)本発明の非水系二次電池機能層用組成物をセパレータ基材または電極基材の表面(電極基材の場合は電極合材層側の表面、以下同じ)に塗布し、次いで乾燥する方法;
2)本発明の非水系二次電池機能層用組成物にセパレータ基材または電極基材を浸漬後、これを乾燥する方法;及び
3)本発明の非水系二次電池機能層用組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して機能層を製造し、得られた機能層をセパレータ基材または電極基材の表面に転写する方法。
これらの中でも、前記1)の方法が、機能層の層厚制御をしやすいことから特に好ましい。前記1)の方法は、詳細には、機能層用組成物を基材上に塗布する工程(塗布工程)と、基材上に塗布された機能層用組成物を乾燥させて機能層を形成する工程(機能層形成工程)を含む。
[塗布工程]
そして、塗布工程において、機能層用組成物を基材上に塗布する方法としては、特に制限は無く、例えば、ドクターブレード法、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、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
[機能層形成工程]
また、機能層形成工程において、基材上の機能層用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る。乾燥法としては、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥が挙げられる。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは50〜150℃で、乾燥時間は好ましくは5〜30分である。
<機能層の厚み>
そして、本発明の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成される機能層の厚みは、0.5μm以上5μm以下であることが好ましい。機能層の厚みが0.5μm以上であれば、保護機能を更に高めることができるので、機能層を設けた電池部材の耐熱性や強度を更に向上させることができる。また、機能層の厚みが5μm以下であれば、二次電池に優れた出力特性を発揮させることができる。
(機能層を備える電池部材)
本発明の機能層を備える電池部材(セパレータ及び電極)は、本発明の効果を著しく損なわない限り、セパレータ基材または電極基材と、本発明の機能層との他に、上述した本発明の機能層以外の構成要素を備えていてもよい。
ここで、本発明の機能層以外の構成要素としては、本発明の機能層に該当しないものであれば特に限定されることなく、本発明の機能層上に設けられて電池部材同士の接着に用いられる接着層などが挙げられる。
(非水系二次電池)
本発明の非水系二次電池は、上述した本発明の非水系二次電池用機能層を備えるものである。より具体的には、本発明の非水系二次電池は、正極、負極、セパレータ、及び電解液を備え、上述した非水系二次電池用機能層が、電池部材である正極、負極及びセパレータの少なくとも一つに含まれる。そして、本発明の非水系二次電池は、優れた電池特性(例えば、高温サイクル特性及び出力特性)を発揮し得る。
<正極、負極及びセパレータ>
本発明の二次電池に用いる正極、負極及びセパレータは、少なくとも一つが本発明の機能層を含む。具体的には、機能層を有する正極及び負極としては、集電体上に電極合材層を形成してなる電極基材の上に本発明の機能層を設けてなる電極を用いることができる。また、機能層を有するセパレータとしては、セパレータ基材の上に本発明の機能層を設けてなるセパレータを用いることができる。なお、電極基材及びセパレータ基材としては、「非水系二次電池用機能層」の項で挙げたものと同様のものを用いることができる。
また、機能層を有さない正極、負極及びセパレータとしては、特に限定されることなく、上述した電極基材よりなる電極及び上述したセパレータ基材よりなるセパレータを用いることができる。
<電解液>
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。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においては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、C49SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO22NLi、(C25SO2)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。
電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、例えばリチウムイオン二次電池においては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ビニレンカーボネート(VC)等のカーボネート類;γ−ブチロラクトン、ギ酸メチル等のエステル類;1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシド等の含硫黄化合物類;などが好適に用いられる。また、これらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いので、カーボネート類が好ましい。通常、用いる溶媒の粘度が低いほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、溶媒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る。また、電解液には、既知の添加剤を添加してもよい。
(非水系二次電池の製造方法)
上述した本発明の非水系二次電池は、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、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で製造することができる。なお、正極、負極、セパレータのうち、少なくとも一つの部材を機能層付きの部材とする。また、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。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。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」、「ppm」及び「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される単量体単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
実施例及び比較例において、各体積平均粒子径(非導電性粒子及び非水溶性重合体)、各重量平均分子量(水溶性重合体、分散剤、及び濡れ剤)、水溶性重合体及び非水溶性重合体の電解液膨潤度、並びに非水溶性重合体のガラス転移温度は、下記の方法で測定した。また、機能層用組成物の分散安定性、機能層の耐熱収縮性、耐振動脱落性、及びピール強度、並びに、二次電池の出力特性及び高温サイクル特性は、下記の方法で評価した。
<非導電性粒子の体積平均粒子径>
実施例、比較例にて準備又は調製した非導電性粒子について、固形分濃度0.1質量%の水分散溶液を調製し、レーザー回折式粒子径分布測定装置(島津製作所社製「SALD−7100」)により粒度分布(体積基準)を取得した。そして、得られた粒度分布について、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を体積平均粒子径として求めた。
<重量平均分子量>
水溶性重合体、分散剤、及び濡れ剤の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を用いて測定した。具体的には、実施例、比較例で調製又は用意した水溶性重合体、分散剤、及び濡れ剤について、それぞれ、固形分濃度0.05質量%の水溶液を調製して測定サンプルとした。そして、標準物質で検量線を作成することにより、標準物質換算値としての重量平均分子量を算出した。なお、測定条件は以下の通りであった。結果を表1に示す。
装置 :ゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー社製、ポンプ:製品名「DP−8020」、オートサンプラー:製品名「AS−8020」、検出器:製品名「RI−8020」)
カラム :昭和電工社製、製品名「Shodex OHpak(SB−G,SB−807HQ,SB−806MHQ)」
移動相 :0.1M トリス緩衝液(pH9.0)+0.1M 塩化カリウム
流速 :0.5mL/分
注入量 :0.2mL
温度 :40℃
検出器 :示差屈折率検出器(RI)
標準物質 :単分散プルラン
<電解液膨潤度>
電解液膨潤度を測定するために用いる電解液としては、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(体積混合比:エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7;SP値18.9(cal/cm31/2)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かした溶液を用いた。
実施例、比較例で調製又は用意した水溶性重合体、非水溶性重合体、分散剤、及び濡れ剤について、その溶液または水分散液を、ポリテトラフルオロエチレン製のシャーレに入れ、温度25℃、48時間の条件で乾燥して、厚み0.5mmのフィルムを作製した。
次に、上記のようにして作製したフィルムを1cm角に裁断して、試験片を得た。この試験片の重量を測定し、W0とした。また、この試験片を上記電解液に温度60℃で72時間浸漬し、その後、試験片を電解液から取り出した。取り出した試験片の表面の電解液を拭き取り、浸漬後の試験片の重量W1を測定した。
そして、これらの重量W0及びW1を用いて、膨潤度S(倍)を、S=W1/W0に従って算出した。結果を表1に示す。
<非水溶性重合体のガラス転移温度>
実施例、比較例で調製した非水溶性重合体について、示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、EXSTAR DSC6220)を用い、JIS K7121に従ってDSC(Differential scanning calorimeter)曲線を測定した。具体的には、乾燥させた測定試料10mgをアルミパンに計量し、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲−100℃〜100℃の間で、昇温速度10℃/分、常温常湿下で、DSC曲線を測定した。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点から、非水溶性重合体のガラス転移温度を求めた。
<機能層用組成物の分散安定性>
実施例、比較例で調製した機能層用組成物を200g秤とり、目開き10μmのメッシュでろ過し、メッシュ上に残留した残渣物の量を秤量した(重量a)。得られたろ過物を直径130mm高さ100mmのカップに入れ、ディスパー(羽径:60mm)を用いて3000rpmで20分間撹拌した。撹拌後、目開き10μmのメッシュでろ過し、メッシュ上に残留した残渣物の量を秤量した(重量b)。重量bから重量aを引いた値を残渣物量として、機能層用組成物全体(200g)に対する残渣物の比率を算出し、以下の基準に従って機能層用組成物の分散安定性を評価した。なお、残渣物が少ないほど、機能層用組成物は分散安定性に優れており、一旦分散された成分が再凝集する蓋然性が低いことを意味する。
A:残渣物量が50ppm以下
B:残渣物量が50ppm以上100ppm以下
C:残渣物量が100ppm以上
<機能層の耐熱収縮性>
実施例、比較例で作製した機能層付きセパレータを、幅12cm×長さ12cmの正方形に切り出し、かかる正方形の内部に1辺が10cmの正方形を黒マジックペンで描いて試験片とした。そして、試験片を150℃の恒温槽に入れて1時間放置した後、内部に描いた正方形の面積変化(={(放置前の正方形の面積−放置後の正方形の面積)/放置前の正方形の面積}×100%)を熱収縮率として求め、以下の基準で評価した。この熱収縮率が小さいほど、機能層付きセパレータの耐熱収縮性が優れていることを示す。
A:熱収縮率が5%未満
B:熱収縮率が5%以上10%未満
C:熱収縮率が10%以上
<耐振動脱落性>
実施例、比較例で作製した機能層付きセパレータを、5×5cm2に切り出し、その重量M0を測定した。続いて電解液溶媒(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7体積比)に浸漬し、60℃、10分間、30kHzの超音波振動を与え、機能層付きセパレータを取出し、60℃、10時間の乾燥後、重量M1を測定した。振動脱落率ΔMは、ΔM(%)=(M0−M1)/M0×100から求め、下記の基準に従って評価した。ΔMが小さいほど、機能層が耐久性に優れることを示す。
A:振動脱落率ΔMが0%以上20%未満
B:振動脱落率ΔMが20%以上40%未満
C:振動脱落率ΔMが40%以上60%未満
D:振動脱落率ΔMが60%以上
<ピール強度>
実施例、比較例で作製した機能層付きセパレータを、長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とした。また、予め試験台にセロハンテープを固定した。このセロハンテープとしては、「JIS Z1522」に規定されるものを用いた。前記の試験片を、機能層側の面を下にしてセロハンテープに貼り付けた。これにより、試験片は機能層側の表面でセロハンテープに貼り付いた。その後、セパレータの一端を垂直方向に引張り速度10mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。測定を3回行い、その平均値を求めて、これをピール強度とした。ピール強度の値が大きいほど、機能層とセパレータとの密着性が高いことを意味する。
A:ピール強度が130N/m以上
B:ピール強度が120N/m以上130N/m未満
C:ピール強度が100N/m以上120N/m未満
D:ピール強度が100N/m未満
<二次電池の出力特性>
実施例、比較例で製造した800mAh積層型のリチウムイオン二次電池を25℃の環境下で24時間静置させた後に、25℃の環境下で、4.35V、0.1Cの充電、3.0V、0.1Cの放電にて充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。その後、25℃の環境下で、4.35V、0.1C充電、3.0V、2Cの放電にて充放電の操作を行い、容量C1を測定した。レート特性は、ΔC=(C0−C1)/C0×100(%)にて評価し、この値が大きいほどレート特性に優れることを示す。
A:ΔCが90%以上
B:ΔCが85%以上90%未満
C:ΔCが80%以上85%未満
D:ΔCが80%未満
<二次電池の高温サイクル特性>
実施例、比較例で製造した800mAh積層型のリチウムイオン二次電池を、45℃雰囲気下、0.5Cの定電流法によって4.35Vに充電し、3Vまで放電する充放電を200サイクル繰り返し、放電容量を測定した。5つのリチウムイオン二次電池についての平均値を測定値とし、3サイクル終了時の放電容量に対する200サイクル終了時の電気容量の割合を百分率で算出して充放電容量保持率を求めた。得られた値が高いほど、リチウムイオン二次電池が高温サイクル特性に優れることを示す。
A:充放電容量保持率が80%以上
B:充放電容量保持率が70%以上80%未満
C:充放電容量保持率が60%以上70%未満
D:充放電容量保持率が60%未満
(実施例1)
<水溶性重合体の調製>
ガラス製1Lフラスコに、イオン交換水710gを投入して、温度40℃に加熱し、流量100mL/分の窒素ガスでフラスコ内を置換した。次に、架橋性単量体であるエチレングリコールジメタクリレート0.1(固形分)と、(メタ)アクリルアミド単量体であるアクリルアミド89.9g(固形分)と、酸基含有単量体であるアクリル酸10.0g(固形分)とを混合して、シリンジでフラスコ内に注入した。その後、反応開始時の重合開始剤として、過硫酸カリウムの2.5%水溶液8.0gをシリンジでフラスコ内に追加した。更に、その15分後に、重合助剤としてテトラメチルエチレンジアミンの2.0%水溶液20gをシリンジで追加し、反応を開始させた。開始剤添加の4時間後、重合開始剤としての過硫酸カリウムの2.5%水溶液4.0gをフラスコ内に追加し、更に重合助剤としてのテトラメチルエチレンジアミンの2.0%水溶液10gを追加して、温度を60℃に昇温し、重合反応を進めた。3時間後、フラスコを空気中に開放して重合反応を停止させ、生成物を温度80℃で脱臭し、残留モノマーを除去した。
その後、水酸化ナトリウムの5%水溶液を用いて生成物のpHを8に調整して、水溶性重合体を得た。なお、得られた水溶性重合体について、上記方法に従って電解液膨潤度及び重量平均分子量を測定した。結果を表1に示す。
<非水溶性重合体の調製>
以下の手順に従って、非水溶性重合体として、アクリル系重合体(ACL1)を調製した。
撹拌機を備えた反応器に対して、イオン交換水70部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、製品名「エマール2F」)0.15部、及び重合開始剤として過流酸アンモニウム0.5部を、それぞれ供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器でイオン交換水50部、分散剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、並びに、重合性単量体としてアクリル酸エステル単量体である2−エチルヘキシルアクリレート64部、芳香族モノビニル単量体であるスチレン30部、酸基含有単量体であるアクリル酸4部、親水性架橋性単量体であるアリルグリシジルエーテル1.8部、疎水性架橋性単量体であるアリルメタクリレート0.2部を混合して単量体混合物を得た。この単量体混合物を4時間かけて前記反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、70℃で反応を行った。添加終了後、さらに80℃で3時間撹拌して反応を終了し、非水溶性重合体としてアクリル系重合体(ACL1)を含む水分散液を製造した。
得られた非水溶性重合体について、上記方法に従って体積平均粒子径、電解液膨潤度、及びガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。
<分散剤の調製>
水50部、アクリル酸80部、アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸19.92部及び2−(N−アクリロイル)アミノ−2−メチル−1,3−プロパン−ジスルホン酸0.08部を混合して、単量体組成物を得た。温度計、攪拌機及び還流冷却器を備えた四つ口フラスコに水150部を仕込み、80℃まで昇温した。次いで、攪拌下に、前記の単量体組成物と、30%過硫酸ナトリウム水溶液10部とを、それぞれ3時間にわたって定量ポンプでフラスコに連続的に滴下供給し、80℃で重合反応を行った。滴下終了後、更に系を80℃に保ったまま1時間熟成し、重合反応を完了した。その後、32%水酸化ナトリウム水溶液120部をフラスコ中に加えて反応液を完全に中和させて、ポリカルボン酸スルホン酸共重合体の水溶液を得た。この重合体の重量平均分子量は、11000であり、電解液膨潤度は1.5倍であった。このポリカルボン酸スルホン酸共重合体を分散剤として使用した。
<機能層用組成物の調製>
非導電性粒子としての硫酸バリウム粒子(比重:4.4g/cm3、比表面積:5.5m2/g、体積平均粒子径:0.50μm)を100部、及び分散剤として上述したポリカルボン酸スルホン酸共重合体1.0部に対し、固形分濃度が55質量%となるようにイオン交換水を添加し、メディアレス分散装置(製品名:LMZ−015、メーカー名:アシザワファインテック)を用いて、直径0.4mmビーズを用いて、周速6m/秒、流量0.3L/分にて硫酸バリウム粒子を分散させた。このとき、分散液中における硫酸バリウム粒子の体積平均粒子径D50を、レーザー回折式粒子径分布測定装置(島津製作所社製「SALD−7100」)にて測定したところ、0.65μmであった。その後、ここに、前述の水溶性重合体を、非導電性粒子100質量部に対して、固形分相当で2質量部となるように添加して混合した。次いで、前述の非水溶性重合体を、非導電性粒子100質量部に対して、固形分相当で3.5部、及び、濡れ剤として、ノニオン性界面活性剤であるエチレンオキサイド−プロピレンオキサイドの重合比50:50(モル比)の重合体(重量平均分子量:8000、電解液膨潤度:2.2倍)を0.3質量部それぞれ添加し、固形分濃度が50質量%となるようにイオン交換水を混合し、スラリー状の機能層用組成物を調製した。得られた機能層用組成物について上記方法に従って分散安定性を評価した。結果を表1に示す。
<機能層付きセパレータの作製>
湿式法により製造された、幅250mm、長さ1000m、厚さ12μmの単層のポリエチレン製のセパレータ基材上(ガーレー値:155sec/100cc)に、前述の機能層用組成物を、乾燥後の厚さが2.0μmになるようにグラビアコーターを用いて20m/分の速度で塗布し、次いで50℃の乾燥炉で乾燥して機能層付きセパレータを作製し、これを巻き取った。
そして、得られた機能層付きセパレータについて、上記方法に従って、耐熱収縮性、耐振動脱落性、及びピール強度を評価した。結果を表1に示す。
<負極用の粒子状バインダーの調製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3−ブタジエン33.5部、イタコン酸3.5部、スチレン62部、2−ヒドロキシエチルアクリレート1部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部及び重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、粒子状バインダー(SBR)を含む混合物を得た。上記粒子状バインダーを含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって前記の混合物から未反応単量体の除去を行い、30℃以下まで冷却して、所望の負極用粒子状バインダーを含む水分散液を得た。
<負極用スラリー組成物の調製>
人造黒鉛(体積平均粒子径:15.6μm)100部、及び、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製「MAC350HC」)の2%水溶液を固形分相当で1部混合し、さらにイオン交換水を加えて固形分濃度を68%に調製し、25℃で60分間混合した。こうして得られた混合液に、イオン交換水を加えて固形分濃度を62%に調製した後、さらに25℃15分間混合した。この混合液に、上記の粒子状バインダーを含む水分散液を固形分相当で1.5部入れ、さらにイオン交換水を加えて最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに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スラリーを得た。
<負極の製造>
前記負極用スラリーを、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔上に、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、プレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極活物質層の厚みが80μmのプレス後の負極を得た。
<正極用スラリーの調製>
正極活物質として体積平均粒子径12μmのLiCoO2を100部、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、製品名「HS−100」)を2部、及び、正極用バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、製品名「#7208」)を固形分相当で2部混合し、これにN−メチルピロリドンを加えて全固形分濃度を70%にした。これらをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリーを得た。
<正極の製造>
前記正極用スラリーを、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔上に、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、アルミニウム箔を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、プレス前の正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極を得た。
<リチウムイオン二次電池の製造>
プレス後の正極を49cm×5cmに切り出した。切り出された正極の正極活物質層上に、55cm×5.5cmに切り出した機能層付きセパレータを配置した。さらに、プレス後の負極を50cm×5.2cmに切り出し、この切り出された負極を前記セパレータの正極とは反対側に、負極活物質層側の表面が機能層付きセパレータに向かい合うよう配置した。これを捲回機によって捲回し、捲回体を得た。この捲回体を60℃0.5MPaでプレスし、扁平体とした。この扁平体を、電池の外装としてのアルミニウム包材外装で包み、電解液(溶媒:エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)/ビニレンカーボネート(VC)=68.5/30/1.5体積比、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。その後、温度80℃、圧力0.5MPaで10秒間、加熱プレス処理を施して、正極及び負極をセパレータに圧着して、正極及び機能層付きセパレータを備える積層体、並びに、負極及び機能層付きセパレータを備える積層体を得た。さらに、アルミニウム包材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外装を閉口した。これにより、800mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を製造した。
こうして得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、出力特性及び高温サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(実施例2〜5)
水溶性重合体の組成比を、表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例6〜7)
非水溶性重合体の組成比を、表2に示すように変更し、実施例6でアクリル系重合体(ACL2)を、実施例7でアクリル系重合体(ACL3)をそれぞれ調製したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例8〜9)
非水溶性重合体の調製時に、分散剤ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの量を、それぞれ、実施例8にて1.0質量部に、実施例9にて0.2質量部に変更した。これにより、実施例8にて比較的小径のアクリル系重合体(ACL1s)を、実施例9にて比較的大径のアクリル系重合体(ACL1L1)をそれぞれ調製したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ、及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例10〜11)
機能層用組成物の調製時に、非水溶性重合体の添加割合を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例12)
表2に示すように、非水溶性重合体の調製時に、重合性単量体として、アクリル酸エステル単量体であるブチルアクリレート93部、アクリロニトリル単量体であるアクリロニトリル2部、酸基含有単量体であるメタクリル酸2部、並びに親水性架橋性単量体であるアリルグリシジルエーテル1.5部及びN−メチロールアクリルアミド1.5部を混合して、アクリル系重合体(ACL4)を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例13)
機能層用組成物の調製時に、非導電性粒子として、アルミナ粒子(日本軽金属社製、「LS256」、比重:3.94g/cm3、比表面積:6.0m2/g、体積平均粒子径:0.60μm)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例14)
機能層用組成物の調製にあたり、配合する非導電性粒子として、以下のようにして調製したコアシェル構造を有する有機粒子を25部使用した以外は実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
<非導電性粒子の調製>
非導電性粒子として、コアシェル構造を有する有機粒子を以下の手順に従って調製した。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、コア部の製造に用いる単量体組成物として、アクリル酸エステル単量体であるメタクリル酸メチル75部、酸基含有単量体であるメタクリル酸4部、及び架橋性単量体であるエチレンジメタクリレート1部、さらに、乳化剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1部、イオン交換水150部、及び、重合開始剤である過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した。その後、単量体組成物を60℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になるまで重合を継続させることにより、コアシェル構造を有する有機粒子の、コア部を形成する重合体を含む水分散液を得た。
この水分散液に、シェル部の製造に用いる単量体組成物として、芳香族モノビニル単量体であるスチレン20部を連続添加し、70℃に加温して重合を継続した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止することにより、コアシェル構造を有する有機粒子を含む水分散液を製造した。得られた有機粒子の体積平均粒子径は、0.50μm、比重は1.1g/cm3、比表面積は0.06m2/gであった。また、シェル部のガラス転移温度を、上述した非水溶性重合体のガラス転移温度の測定方法に従って測定した。このときの測定試料としては、シェル部の調製に用いた単量体組成物をシェル部の調製時の重合条件と同様の重合条件で重合して測定試料となる重合体を含む水分散液を作製し、当該水分散液を乾固させて得られた測定試料を使用した。シェル部のガラス転移温度は105℃であった。
(実施例15)
水溶性重合体の組成比を、表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例16)
非水溶性重合体の調製にあたり、重合性単量体として、フッ素含有単量体であるフッ素含有オレフィンとしてフッ化ビニリデン13部及び六フッ化プロピレン5部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.35部の混合物を入れた容器Aから、これらの混合物の耐圧容器Bへの添加を開始し、これと同時に、重合開始剤として過硫酸カリウム1部の耐圧容器Bへの添加を開始することで重合を開始した。反応温度は75℃を維持した。
また、重合開始から4時間後(単量体組成物全体のうち70%添加後)、耐圧容器Bに芳香族モノビニル単量体であるスチレン32部、並びに、アクリル酸エステル単量体である2−エチルヘキシルアクリレート50部を、1時間半に亘って加えた。
重合開始から5時間半後、これら単量体組成物の全量添加を完了し、その後、さらに85℃に加温して6時間反応させた。
重合転化率が97%になった時点で冷却し反応を停止して、非水溶性重合体を得た。この非水溶性重合体に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。さらにその後冷却し、所望の非水溶性重合体を含む水分散液(固形分濃度:40%)を得た。この非水溶性重合体を含む水分散液を用いて、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(実施例17〜20)
非水溶性重合体の調製にあたり、重合開始から4時間後、耐熱容器Bに加えるフッ素含有単量体であるフッ素含有(メタ)アクリレートとして、さらにメタクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチル(実施例17及び20)、アクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチル(実施例18)、又は、アクリル酸1,1,1,3,3,3‐ヘキサフルオロイソプロピル(実施例19)を、それぞれ表2示す割合で配合し、さらに、他の重合性単量体の配合量を表2に示す通りに変更した以外は実施例16と同様にして、非水溶性重合体を調製した。各実施例にて調製したフッ素含有アクリル系重合体は、それぞれ、F‐ACL2(実施例17)、F‐ACL3(実施例18)、F‐ACL4(実施例19)、及びF‐ACL5(実施例20)と称する。このようにして得られた非水溶性重合体を使用した以外は実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例1)
水溶性重合体として、以下のようにして調製したマレイミド−無水マレイン酸共重合体を用いた以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
<水溶性重合体の調製>
撹拌機を備えた反応器に、イソブチレン−無水マレイン酸共重合体(株式会社クラレ、製品名:イソバン−04)100部を入れ、アンモニア/窒素の混合ガス(混合容量比15/85)を吹き込み水浴で冷却しながら発熱が止まるまで(約1時間)反応させた。続いてオイルバスで加熱しながらアンモニア/窒素混合ガスを圧入し、生成する水を系外に留去しつつ、200℃まで昇温し、イミド化反応を行なった。反応終了後、反応生成物を取出し、加熱乾燥した。得られたマレイミド−無水マレイン酸共重合体の組成はイソブチレン50モル%、無水マレイン酸30モル%及びマレイミド20モル%であった。
撹拌機を備えた反応器に、上述で得たマレイミド−無水マレイン酸共重合体を100部、水酸化ナトリウム21.9部及びイオン交換水487.7部を入れ、90℃で5時間攪拌することで、固形分濃度が20%のマレイミド−無水マレイン酸共重合体水溶液を得た。
(比較例2)
水溶性重合体の組成比を、表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例3)
非水溶性重合体の調製時に、分散剤ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの量を、0.3質量部に変更し、実施例9よりもさらに大径のアクリル系重合体(ACL1L2)を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
(比較例4)
表2に示すように、非水溶性重合体の調製時に、重合性単量体として、アクリル酸エステル単量体であるブチルアクリレート94部、アクリロニトリル単量体であるアクリロニトリル2部、酸基含有単量体であるメタクリル酸2部、並びに親水性架橋性単量体であるアリルグリシジルエーテル1部及びN−メチロールアクリルアミド1部を混合し、分散剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの量を0.1質量部に変更して、アクリル系重合体(ACL5)を調製したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層用組成物、機能層、機能層付きセパレータ及びリチウムイオン二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
表中、
「(M)AAm」は、(メタ)アクリルアミド共重合体を、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレートを、
「AAm」は、アクリルアミドを、
「AA」は、アクリル酸を、
「MI‐MAH」は、マレイミド‐無水マレイン酸共重合体を、
「2EHA」は、2−エチルヘキシルアクリレートを、
「ST」は、スチレンを、
「AGE」は、アリルグリシジルエーテルを、
「AMA」は、アリルメタクリレートを、
「BA」は、ブチルアクリレートを、
「NMA」は、N‐メチロールアクリルアミドを、
「MAA」は、メタクリル酸を、
「AN」は、アクリロニトリルを、
「VDF」は、フッ化ビニリデンを、
「HFP」は、六フッ化プロピレンを、
「TFEMA」は、メタクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチルを、
「TFEA」は、アクリル酸2,2,2‐トリフルオロエチルを、
「HFIPA」は、アクリル酸1,1,1,3,3,3‐ヘキサフルオロイソプロピルを、
それぞれ示す。
Figure 0006908033
Figure 0006908033
表1より、非導電性粒子と、電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である水溶性重合体と、体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である非水溶性重合体と、を併用した実施例1〜20では、機能層が耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れ、二次電池の電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)を向上させうることが分かる。また、表1より、水溶性重合体の電解液膨潤度が2倍超である比較例1及び2では、機能層の耐振動脱落性及び耐熱収縮性が低く、二次電池の電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)を向上させることができないことが分かる。さらに、表1より、非水溶性重合体の体積平均粒子径が0.30μm超である比較例3及び4では、機能層の耐振動脱落性及び耐熱収縮性が低く、二次電池の電気的特性(特に、高温サイクル特性及び出力特性)を向上させることができないことが分かる。
本発明によれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層を形成し得る非水系二次電池機能層用組成物を提供することができる。そして、当該非水系二次電池機能層用組成物を使用すれば、電解液中における耐振動脱落性及び耐熱収縮性に優れる非水系二次電池用機能層及び当該非水系二次電池用機能層を備える非水系二次電池を良好に形成することができる。

Claims (7)

  1. 非導電性粒子と、
    電解液膨潤度が1.0倍超2.0倍以下である水溶性重合体と、
    体積平均粒子径が0.01μm以上0.30μm以下である非水溶性重合体と、
    を含む、非水系二次電池機能層用組成物。
  2. 前記水溶性重合体が、(メタ)アクリルアミド単量体単位を70質量%以上99質量%以下の割合で含有する、請求項1に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
  3. 前記水溶性重合体が、架橋性単量体単位を0.01質量%以上2.0質量%以下の割合で含有する、請求項1又は2に記載の非水系二次電池機能層用組成物。
  4. 前記非水溶性重合体の電解液膨潤度が、1.0倍超3.0倍以下である、請求項1〜3の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
  5. 質量基準で、前記非水溶性重合体を、前記水溶性重合体の0.1倍以上2.5倍以下含有する、請求項1〜4の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物。
  6. 請求項1〜5の何れかに記載の非水系二次電池機能層用組成物を用いて形成した非水系二次電池用機能層。
  7. 請求項6に記載の非水系二次電池用機能層を備える、非水系二次電池。
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