JP6917125B2 - 非水電解質二次電池用電極活物質層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池用電極活物質層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、非水電解質二次電池用電極活物質層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池に関する。
近年、携帯電話、ノートパソコン(note PC)等の情報処理装置の小型化に伴い、これらの情報処理装置の電源として用いられる非水電解質二次電池のさらなる高エネルギー(energy)密度化が求められている。
非水電解質二次電池を高エネルギー密度化するための方法の1つとして、非水電解質二次電池の充電電圧を高めることが提案されている。例えば、近年では、コバルト酸リチウム(LCO)を正極活物質とした非水電解質二次電池の充電電圧をグラファイト(graphite)基準で4.45V以上に高めることも検討されている。
特開2014−235996号公報 特開2014−130775号公報 特許5821346号 国際公開第2012/165422号公報
しかし、非水電解質二次電池の充電電圧を高めた場合、正極表面で電解液が酸化分解して非水電解質二次電池の性能(例えばサイクル寿命)が劣化するという問題があった。このような問題を解決するために、特許文献1〜4には、正極活物質粒子を高分子材料で覆う技術が開示されている。
特許文献1には、所定の構造を有するペンダント基を有する高分子材料で正極活物質粒子を覆う技術が開示されている。ここで、ペンダント基は、カルボキシル基、スルホン酸基またはそれらの塩より選択される官能基と、当該官能基に隣接するα位およびβ位の少なくとも一方に、フッ素が結合した炭素とを有する。
特許文献2には、ポリビニルアセタール、ポリオキシアルキレン、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、アルキルベンゼンスルホン酸、およびそれらの誘導体から選択される1種または2種以上を含む高分子材料で正極活物質粒子を覆う技術が開示されている。
特許文献3には、シアン化ビニル単位80〜99.99モル%及びリン酸基含有単位0.01〜20モル%を有し、N−メチルピロリドンに対する不溶分が50質量%以下の重合体を非水電解質二次電池用結着剤として使用する技術が開示されている。
特許文献4には、正極活物質粒子の表面を覆うポリマーのSP値を8(cal/cm1/2〜13(cal/cm1/2とする技術が開示されている。
ところで、非水電解質二次電池を高エネルギー密度化する他の方法として、電極活物質層を厚膜化、高密度化することが提案されている。この技術も高エネルギー密度化に有効であるため、上記の方法とともに精力的に検討が行われている。しかし、電極活物質層を単に厚膜化、高密度化した場合、電極活物質層の柔軟性が低下するという問題があった。特に、正極においてこの問題が顕著であった。このため、電極活物質層を巻回あるいは巻回後に平坦化しようとした場合に、電極活物質層や集電体が破損する可能性があった。
しかし、特許文献1〜4に開示された技術では、電極活物質層の厚膜化、高密度化に伴う問題を十分に解決することができなかった。このように、充電電圧を高めることに伴う問題と、電極活物質層の厚膜化、高密度化に伴う問題とを両方解決する技術は何ら提案されていなかった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることが可能な、新規かつ改良された非水電解質二次電池用電極活物質層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、活物質粒子と、(メタ)アクリロニトリル(Acrylonitrile)及びフッ化ビニリデン(Vinylidene fluoride)のうち少なくとも1種をモノマー(monomer)単位として有する第1の骨格と、(メタ)アクリレート(Acrylate)をモノマー単位として有する第2の骨格とが、グラフト共重合及びブロック共重合のうち、少なくとも1種以上の態様で共重合した構造を有する高分子材料と、を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用電極活物質層が提供される。
本観点によれば、第1の骨格は、ポリ(メタ)アクリロニトリル及びポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種を基本骨格として有する。このため、高分子材料は、高い耐酸化性を有する。また、第2の骨格は、いわゆるポリ(メタ)アクリレートである。第2の骨格は、高分子材料に可撓性及び成膜性を付与する。成膜性が高いほど、高分子材料が正極活物質粒子を被覆しやすくなる。
そして、高分子材料は、第1の骨格と、第2の骨格とがグラフト(graft)共重合及びブロック(block)共重合のうち、少なくとも1種以上の態様で共重合した構造を有する。これにより、第1の骨格が有する特性及び第2の骨格が有する特性を高分子材料に付与することができる。すなわち、高分子材料は、高い耐酸化性、可撓性、及び成膜性を有する。
したがって、高分子材料は、電極活物質層内で正極活物質粒子の表面の多くの部分を覆うことができる。そして、高分子材料は、上述したように、高い耐酸化性を有する。このため、本観点に係る電極活物質層を使用した二次電池を高い充電電圧で充電した場合であっても、正極活物質粒子の表面で電解液が酸化分解しにくくなる。また、高分子材料は、正極活物質層内で結着剤としても機能しうる。そして、上述したように、高分子材料は高い可撓性を有する。このため、電極活物質層を厚膜化、高密度化しても、電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。このように、本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
ここで、第1の骨格は、下記の化学式(1)で示される構造、及び下記の化学式(2)で示される構造のうち、少なくとも1種以上の構造を有し、第2の骨格は、下記の化学式(3)で示される構造を有し、高分子材料は、第1の骨格が主鎖となり、第2の骨格が側鎖となるグラフト共重合体であってもよい。
Figure 0006917125
化学式(1)〜(3)において、l、m、qはl>mの1以上の整数であり、
、R、Rは水素又はメチル基であり、Rは、置換又は無置換の炭化水素基である。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
また、第1の骨格は、化学式(1)で示される構造を有していてもよい。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
また、第2の骨格を構成する(メタ)アクリレートモノマー単位は、第1の骨格を構成する(メタ)アクリロニトリルモノマー単位及びフッ化ビニリデンモノマー単位と、第2の骨格を構成する(メタ)アクリレートモノマー単位との総質量に対して70質量%未満の質量比で高分子材料に含まれてもよい。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
また、高分子材料は、活物質粒子の表面の少なくとも一部を覆っていてもよい。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
また、活物質粒子が正極活物質粒子であってもよい。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に正極中における電解液の分解を抑制することができ、かつ、正極活物質層を厚膜化、高密度化した際に正極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
本発明の他の観点によれば、上記の非水電解質二次電池用電極活物質層を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用電極が提供される。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
本発明の他の観点によれば、上記の非水電解質二次電池用電極を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池が提供される。
本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
以上説明したように本観点によれば、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、電極活物質層を厚膜化、高密度化した際に電極活物質層の柔軟性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す平断面図である。 実施例及び比較例の折り曲げ試験結果を示すグラフである。 実施例に係る正極活物質粒子の表面状態を示すSEM像である。 比較例に係る正極活物質粒子の表面状態を示すSEM像である。
<1.非水電解質二次電池の構成>
まず、図1を参照して、本発明の実施形態に係る二次電池1(以下、単に「二次電池1」とも称する)の構成について説明する。図1は、巻回素子1aの平断面図と、巻回素子1aの領域Aを拡大した拡大図とを示す。非水電解質二次電池は、巻回素子1aと、非水電解質溶液と、外装材40とを備える。巻回素子1aは、帯状正極10、セパレータ(separator)20、帯状負極30、及びセパレータ20がこの順で積層された電極積層体を長手方向に巻回し、矢印B方向に圧縮したものである。もちろん、各構成要素の積層順序はこの限りではない。本実施形態では、電極、特に正極10の柔軟性が向上しているので、巻回時、圧縮時における正極10の破損、集電体の破断が抑制される。
(1−1.正極の構成)
帯状正極10(以下、「正極10」とも称する)は、正極集電体11と、正極活物質層12とを備える。正極集電体11は、特に限定されないが、例えばアルミニウム(Al)、ステンレス(stainless)鋼、及びニッケルメッキ(nickel plated)鋼等で構成される。正極集電体11には、正極端子が接続される。
正極活物質層12は、少なくとも正極活物質及び高分子材料を含み、導電助剤及び結着剤をさらに含んでいてもよい。正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出することが可能な物質であれば特に限定されず、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物、硫化ニッケル、硫化銅、硫黄、酸化鉄、酸化バナジウム等が挙げられる。リチウム含有遷移金属酸化物の例としては、コバルト酸リチウム(LCO)、ニッケル酸リチウム、ニッケルコバルト酸リチウム、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(以下、「NCA」と称する場合もある。)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(以下、「NCM」と称する場合もある。)、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム等が挙げられる。これらの正極活物質は、単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
正極活物質は、上記で列挙した例のうち、リチウム含有遷移金属酸化物が好ましく、例えば、正極活物質は、LCOであることが好ましい。本実施形態では、正極活物質としてLCOを使用し、かつ、充電電圧を4.5Vまで高めても、電解液の酸化分解を抑制することができる。具体的には、サイクル寿命が向上する。
なお、正極活物質の正極活物質層12における含有量(例えば体積密度)は、特に制限されず、従来の非水電解質二次電池の正極活物質層に適用される含有量であればいずれであってもよい。
高分子材料は、本実施形態に特有の構成である。高分子材料は、第1の骨格と、第2の骨格とがグラフト共重合及びブロック共重合のうち、少なくとも1種以上の態様で共重合した構造を有する。
ここで、第1の骨格は、(メタ)アクリロニトリル及びフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種をモノマー単位として有する。また、第2の骨格は、(メタ)アクリレートをモノマー単位として有する。
したがって、第1の骨格は、ポリ(メタ)アクリロニトリル及びポリフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種を基本骨格として有する。このため、高分子材料のスラリー溶媒に対する溶解性(すなわち、スラリー溶解性)、耐電解液性、及び耐酸化性を高めることができる。ここで、スラリー溶媒は、正極合剤スラリーの溶媒である。この溶媒としては、例えばN−メチルピロリドン(NMP)等が挙げられる。スラリー溶解性が低いと、高分子材料がスラリー溶媒に溶解しにくくなるので、正極合剤スラリーを作製することができない。耐電解液性は、電解液への溶けにくさ、膨潤しにくさを示す。耐電解液性が高いほど、高分子材料が電解液内で安定して存在することができる。耐酸化性は、電解液の酸化分解に影響するパラメータである。耐酸化性が大きいほど、電解液が酸化分解しにくくなる。しかし、第1の骨格は、第1の骨格を構成するモノマーによっては、高分子材料に十分な可撓性及び成膜性を付与することができない場合がある。ここで、成膜性が高いほど、高分子材料が正極活物質粒子を被覆しやすくなる。
第2の骨格は、いわゆるポリ(メタ)アクリレートである。(メタ)アクリレートモノマーの選択により、第2の骨格は、高分子材料に可撓性及び成膜性を付与する。成膜性が高いほど、高分子材料が正極活物質粒子を被覆しやすくなる。
そして、高分子材料は、第1の骨格と、第2の骨格とがグラフト共重合及びブロック共重合のうち、少なくとも1種以上の態様で共重合した構造を有する。これにより、第1の骨格が有する特性及び第2の骨格が有する特性を高分子材料に付与することができる。すなわち、高分子材料は、高いスラリー溶解性、耐電解液性、耐酸化性、可撓性、及び成膜性を有する。なお、第1の骨格に第2の骨格をランダム共重合させた場合、このような特性は得られない。具体的には、第1の骨格に第2の骨格をランダム共重合させた場合、高分子材料の可撓性及び成膜性は向上するが、耐電解液性、耐酸化性がかえって低下する。したがって、第1の骨格及び第2の骨格は、グラフト共重合及びブロック共重合のうち、少なくとも1種以上の態様で共重合していることが非常に重要である。
高分子材料は、正極活物質層12内で正極活物質粒子の表面の少なくとも一部を覆っている。ここで、高分子材料は、上述したように、高い成膜性を有するので、正極活物質粒子の表面の多くの部分を覆っている。そして、高分子材料は、上述したように、高い耐酸化性を有する。このため、二次電池1を高い充電電圧で充電した場合であっても、正極活物質粒子の表面で電解液が酸化分解しにくくなる。このため、例えばサイクル寿命が向上する。また、高分子材料は、正極活物質層12内で結着剤としても機能する。上述したように、高分子材料は高い可撓性を有する。このため、正極活物質層12を厚膜化、高密度化しても、正極活物質層12の柔軟性を向上させることができる。したがって、巻回素子1aの作製時に正極10が破損しにくくなる。したがって、本実施形態では、充電電圧を高めた際に電解液の分解を抑制することができ、かつ、正極活物質層12を厚膜化、高密度化した際に正極活物質層12の柔軟性を向上させることができる。なお、柔軟性に関しては、少なくとも巻回時あるいは圧縮時に集電体等が破損しない程度の柔軟性があれば良い一方で、サイクル寿命は長いほど好ましい。
ここで、好ましくは、第1の骨格は、下記の化学式(1)で示される構造、及び下記の化学式(2)で示される構造のうち、少なくとも1種以上の構造を有し、第2の骨格は、下記の化学式(3)で示される構造を有する。そして、好ましくは、高分子材料は、第1の骨格が主鎖となり、第2の骨格が側鎖となるグラフト共重合体である。第2の骨格は、例えば、第1の骨格中のカルボキシル基に結合しうる。
Figure 0006917125
化学式(1)〜(3)において、l、m、qはl>mの1以上の整数であり、例えば、(メタ)アクリル酸単位は1〜10mol%未満で含まれてもよい。R、R、Rは水素又はメチル基であり、Rは、置換又は無置換の炭化水素基である。Rは、例えば、置換又は無置換のアルキル(Alkyl)基、アルケニル(alkenyl)基、アルキニル(alkynyl)基、アリール(aryl)基、またはヘテロアリール(heteroaryl)基である。Rはポリアクリレートの可撓性に影響を与える。可撓性の観点から、非環式の置換又は無置換炭化水素基であることが好ましい。また、Rはスラリー溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドン)に対する溶解性に影響を与える。溶解性の観点から、炭素数が2以上18以下であることが好ましい。化学式(1)、(2)において、アクリル酸モノマー単位は、アクリロニトリルモノマー単位及びフッ化ビニリデンモノマー単位に対してランダム共重合していることが好ましい。
さらに好ましくは、第1の骨格は、化学式(1)で示される構造を有する。さらに好ましくは、第2の骨格を構成するアクリレートモノマー単位は、第1の骨格を構成するアクリロニトリルモノマー単位及びフッ化ビニリデンモノマー単位と、第2の骨格を構成するアクリレートモノマー単位との総質量に対して10質量%以上、70質量%未満の質量比で高分子材料に含まれる。これらの条件が満たされる場合、高分子材料の特性がより向上する。なお、第1の骨格が化学式(1)で示される構造を有する場合、第2の骨格を構成するアクリレートモノマー単位の質量比は、25〜60質量%であることがさらに好ましい。
なお、高分子材料は、第2の骨格が主鎖となり、第1の骨格が側鎖となるグラフト共重合体であってもよい。この場合、第2の骨格は、アクリレートモノマー単位の他、アクリル酸モノマー単位を有する。アクリレートモノマー単位とアクリル酸モノマー単位とはランダム共重合していることが好ましい。第1の骨格は、第2の骨格中のカルボキシル基に結合する。
また、第1の骨格には、化学式(1)、(2)で示されるモノマー単位以外の他のモノマー単位が少量(例えば、化学式(1)、(2)を構成するモノマーの総モル数に対して10モル%以下)含まれていてもよい。また、第2の骨格には、化学式(3)で示されるモノマー単位以外の他のモノマー単位が少量(例えば、化学式(3)を構成するモノマーの総モル数に対して10モル%以下)が含まれていてもよい。
ここで、化学式(1)にさらに含まれていてもよい他のモノマー単位としては、スチレン、(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、などがあげられ、化学式(2)にさらに含まれていてよい他のモノマー単位としては、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン、などがあげられる。化学式(3)に含まれていてよい他のモノマー単位としては、スチレン、(メタ)アクリロニトリル、などがあげられる。
本実施形態における高分子材料(すなわち、グラフト共重合体またはブロック共重合体)の質量平均分子量は、特に限定されないが、好ましくは、300,000〜2,000,000である。本実施形態において、質量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(gel permeation chromatography、GPC)により測定して算出された値である。グラフト共重合体の質量平均分子量は、概ね、主鎖単独の質量平均分子量と、グラフト鎖単独の質量平均分子量にグラフト率を乗じた値と、を合計した値である。
導電剤は、例えばケッチェンブラック(Ketjenblack)、アセチレンブラック(acetylene black)等のカーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ等の繊維状カーボン、天然黒鉛、人造黒鉛等であるが、正極の導電性を高めるためのものであれば特に制限されない。
結着剤は、正極活物質粒子同士を結合すると共に、正極活物質粒子と正極集電体11とを結合する。結着剤の種類は特に限定されず、従来の非水電解質二次電池の正極活物質層に使用される結着剤であればどのようなものであっても使用できる。例えばポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、フッ化ビニリデン(VDF)−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(par fluorovinyl ether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(trifluoroethylene)共重合体、エチレンプロピレンジエン(ethylene−propylene−diene)三元共重合体、スチレンブタジエンゴム(Styrene−butadiene rubber)、アクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile−butadiene rubber)、フッ素ゴム(fluororubber)、ポリ酢酸ビニル(polyvinyl acetate)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリエチレン(polyethylene)、ニトロセルロース(cellulose nitrate)等であるが、正極活物質及び導電剤を正極集電体11上に結着させることができるものであれば、特に制限されない。また、正極活物質層12には、公知の添加剤等をさらに添加してもよい。
正極活物質層12の厚さは特に制限されず、少なくとも従来の非水電解質二次電池と同程度の厚さとすることが可能である。さらに、本実施形態では、正極活物質層12が優れた柔軟性を有しているので、従来よりも正極活物質層12の厚膜化、高密度化が可能である。
セパレータ20、帯状負極30(以下、「負極30」とも称する)、電解液、及び外装材については、一般的な非水電解質二次電池で使用可能なものを任意に使用することができる。これらについて、概略的に説明すると以下の通りである。
セパレータ20は、特に制限されず、一般的な非水電解質二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。セパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。また、セパレータは、Al、Mg(OH)、SiO等の無機物によってコーティングされていてもよい。セパレータを構成する材料としては、例えば、ポリエチレン(polyethylene),ポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate),ポリブチレンテレフタレート(polybuthylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(polyester)系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(perfluorovinylether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(trifluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を使用することができる。セパレータの気孔率も特に制限されず、非水電解質二次電池のセパレータが有する気孔率が任意に適用可能である。
負極30は、負極集電体31と、負極活物質層32とを含む。負極集電体31は、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等で構成される。ここで、負極活物質層32は、非水電解質二次電池の負極活物質層として使用されるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、負極活物質層32は、負極活物質を含み、負極用結着剤をさらに含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛活物質(人造黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛と天然黒鉛との混合物、人造黒鉛を被覆した天然黒鉛等)、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)もしくはそれらの酸化物の微粒子と黒鉛活物質との混合物、ケイ素もしくはスズの微粒子、ケイ素もしくはスズを基本材料とした合金、およびLiTi12等の酸化チタン(TiO)系化合物等を使用することができる。なお、ケイ素の酸化物は、SiO(0≦x≦2)で表される。また、負極活物質としては、これらの他に、例えば金属リチウム等を使用することができる。
負極用結着剤は、例えば、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、エチレンプロピレンジエン三元共重合体(ethylene−propylene−diene terpolymer)、スチレンブタジエンゴム(styrene−butadiene rubber、SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile−butadiene rubber)、フッ素ゴム(fluoroelastomer)、ポリ酢酸ビニル(polyvinyl acetate)、ポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate)、ポリエチレン(polyethylene)、ニトロセルロース(nitrocellulose)等である。なお、負極用結着剤は、負極活物質および導電助剤を負極集電体31上に結着させることができるものであれば、特に制限されない。また、負極用結着剤の含有量は、特に制限されず、非水電解質二次電池の負極活物質層に適用される含有量であればいずれであってもよい。
電解液は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定されることなく使用することができる。ここで、電解液は、非水溶媒に電解質塩を含有させた組成を有する。非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ブチレンカーボネート(buthylene carbonate)、クロロエチレンカーボネート(chloroethylene carbonate)、ビニレンカーボネート(vinylene carbonate)等の環状炭酸エステル(ester)類;γ−ブチロラクトン(butyrolactone)、γ−バレロラクトン(valerolactone)等の環状エステル類;ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate)、エチルメチルカーボネート(ethylmethyl carbonate)等の鎖状カーボネート(carbonate)類;ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)、酪酸メチル(methyl butyrate)等の鎖状エステル類;テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)またはその誘導体;1,3−ジオキサン(1,3−dioxane)、1,4−ジオキサン(1,4−dioxane)、1,2−ジメトキシエタン(1,2−dimethoxyethane)、1,4−ジブトキシエタン(1,4−dibutoxyethane)、メチルジグライム(methyldiglyme)等のエーテル(ether)類;アセトニトリル(acetonitrile)、ベンゾニトリル(benzonitrile)等のニトリル(nitrile)類;ジオキソラン(dioxolane)またはその誘導体;エチレンスルフィド(ethylene sulfide)、スルホラン(sulfolane)、スルトン(sultone)またはその誘導体等を単独で、またはそれら2種以上を混合して使用することができるが、これらに限定されるものではない。
また、電解質塩としては、例えば、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiSCN、LiBr、LiI、LiSO、Li10Cl10、NaClO、NaI、NaSCN、NaBr、KClO、KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO、LiC(CSO、(CHNBF、(CHNBr、(CNClO、(CNI、(CNBr、(n−CNClO、(n−CNI、(CN−maleate、(CN−benzoate、(CN−phtalate、ステアリルスルホン酸リチウム(lithium stearyl sulfate)、オクチルスルホン酸リチウム(lithium octyl sulfate)、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム(lithium dodecylbenzene sulphonate)等の有機イオン塩等を使用することができる。なお、これらのイオン性化合物は、単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。また、電解質塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。本発明では、適当なリチウム化合物(電解質塩)を0.5〜2.0mol/L程度の濃度で含有させた電解液を使用することができる。外装材40は、例えばアルミラミネートであるが、金属製の外装材であってもよい。
なお、二次電池1の駆動電圧は特に制限されないが、本実施形態に係る二次電池1は、4.45V以上の高い駆動電圧で駆動されても良い。このような高い駆動電圧で二次電池1が駆動された場合であっても、電解液の酸化分解が抑制される。
<2.非水電解質非水電解質二次電池の製造方法>
次に、非水電解質非水電解質二次電池の製造方法について説明する。
(帯状正極の製造方法)
正極10は、例えば、以下の方法により作製される。まず、正極集電体11上に正極活物質層12を形成する。すなわち、正極活物質層12の材料を有機溶媒(例えば、N−メチルピロリドン)や水に分散させることで正極合剤スラリーを形成し、この正極合剤スラリーを正極集電体11上に塗工する。これにより、塗工層が形成される。ついで、塗工層を乾燥する。これにより、正極活物質層12が正極集電体11上に形成される。
なお、塗工の方法は、特に限定されないが、例えば、ドクターブレード(doctor blade)法、スロットダイ(slot die)法、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等を用いてもよい。
(帯状負極の製造方法)
負極30は、例えば、以下の方法により作製される。すなわち、負極活物質層の材料を溶剤(例えば水)に分散させることで負極合剤スラリーを形成し、この負極合剤スラリーを集電体上に塗工する。これにより、塗工層を形成する。ついで、塗工層を乾燥する。ついで、乾燥した塗工層を負極集電体31とともに圧延する。これにより、負極30が作製される。
(巻回素子及び電池の製造方法)
ついで、正極10、セパレータ20、負極30、及びセパレータ20をこの順で積層することで電極積層体を作製する。ついで、電極積層体を巻回する。これにより、巻回素子1aを作製する。ついで、巻回素子1aを例えば矢印B方向に押しつぶすことで扁平状の巻回素子1aを作製する。ついで、扁平状の巻回素子1aを非水電解液とともに外装体(例えばラミネートフィルム)40に挿入し、外装体を封止することで、二次電池1を作製する。なお、外装体を封止する際には、各集電体に導通する端子を外装体の外部に突出させる。
つぎに、本発明の実施例について説明する。実施例1では、以下の処理を行った。
<1.実施例1>
(1−1.高分子材料の合成)
アクリロニトリル28g、及びアクリル酸2g、(アクリロニトリル:アクリル酸のモル比=95:5)をイオン交換水270gへ投入し、窒素雰囲気下で60℃に昇温後、過硫酸アンモニウム3.17gを加えて沈殿重合させることで、化学式(1)で示されるランダム共重合体(A)を合成した。GPCによる質量平均分子量は45万(ポリエチレンオキシド換算)であった。
また、アクリル酸n−ブチル150gをテトラブチルアンモニウムヨージド5.4gおよび2−ヨード−2−メチルプロパンニトリル2.8g存在下で窒素雰囲気中で24時間110℃を維持しバルク重合させることで、化学式(3)で示され、かつヨウ素末端をもつ重合体(B)を合成した。GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)による質量平均分子量は1万であった。
ついで、重合体(A)89gと重合体(B)11gをN−メチル−2−ピロリドン1400g中に溶解させ、窒素雰囲気下で60℃に昇温後1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン3.3gを添加して12時間保持することで、重合体(A)のカルボン酸と、重合体(B)の末端ヨウ素を反応させてグラフト重合体を得た。
得られた反応液をGPC測定して、重合体(A)、重合体(B)に帰属されるピークが観測されなかったことにより、未反応重合体が存在しないことを確認した。また、合成物のアセトン−d6溶液の1H NMR測定にて、重合体(A)のカルボキシ基プロトンに由来するピークが減少していること、ならびに重合体(A)のアクリル酸とポリブチルアクリレートのヨウ素末端(C−I結合)とのカップリング反応によって生じるエステル基隣接プロトンに由来するピークが観測されたことから、グラフト共重合体の合成を確認した。プロトン強度から、得られた高分子材料はアクリロニトリルモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比が89:11(質量%)であった。
(1−2.正極の作製)
コバルト酸リチウム、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、上述の高分子材料を固形分の質量比97.6:1.2:0.9:0.3でN−メチルピロリドン中に溶解分散させることで正極合剤スラリーを作製した。ついで、正極合剤スラリーを厚さ12μmのアルミ箔集電体の両面、および片面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで両面正極電極(電極層密度4.1g/cm、厚み107μm)および片面正極電極(厚み47μm)を作製した。この電極の表面をFE−SEMを用いて0.3kVの低加速電圧条件で観察すると、活物質粒子表面に高分子材料が皮膜状に存在することが暗いコントラストとして確認された(図3参照)。
(1−3.負極の作製)
黒鉛、変性SBR微粒子の水分散体、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩を固形分の質量比97.5:1.5:1で水溶媒中に溶解分散させることで、負極合剤スラリーを作製した。ついで、この負極合剤スラリーを厚さ10μmの銅箔集電体の片面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで片面負極電極を作製した。
(1−4.非水電解質二次電池の作製)
上述の片面正極電極、片面負極電極にそれぞれアルミおよびニッケルリード線を溶接した後、ポリエチレン製多孔質セパレータを介して対向させ、アルミラミネートフィルム内にリード線を外部に引き出した状態で収納し、電解液を注液して減圧封止することで初期充電前二次電池を作製した。電解液には、エチレンカーボネート/プロピオン酸エチルを3対7(体積比)で混合した溶媒に1MのLiPFを溶解させたものを使用した。
(1−5.高温寿命試験)
初期充電前二次電池を45℃の恒温槽内で設計容量の1/5CA(1CAは1時間放電率)で4.5Vまで定電流充電を行い、引き続き4.5Vで1/20CAになるまで定電圧充電を行った。その後1/5CAで3.0Vまで定電流放電を行った。この工程により、二次電池を作製した。また、このときの放電容量を初期放電容量とした。この二次電池を45℃の温度下で1CAで定電流充電、1/20CAで定電圧充電、1CAで定電流放電する寿命試験を50サイクル実施した。そして、50サイクル後、定電流充電1/5CA、定電圧充電1/20CA、放電1/5CAでの放電容量を計測し、初期放電容量で除算することで、容量維持率を測定した。容量維持率は79%であった。
(1−6.電極柔軟性試験)
上述の両面正極電極について3点折り曲げ試験(試験片幅15mm、長さ20mm、支点間距離10mm、折り曲げ速度5mm/min)を行い、最大応力(すなわち、最大抗張力)を計測後(図2参照)、試験片の最大抗張力を試験片断面積(107μm×15mm)で規格化して最大抗張力(mN/mm)とした。なお、図2の横軸は圧子の変位量(mm)、縦軸は応力(mN)である。この数値が小さいほど電極が柔軟であることを示す。このような電極は折り曲がるような力がかかったときに集電体へのストレスが小さくなり、集電体が破断する不具合が発生しないため好ましい。
<2.実施例2>
実施例1と同様の合成方法により、アクリロニトリルモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比が49:51の高分子材料を得た。この高分子材料を実施例1の高分子材料に代えて使用したほかは実施例1と同様の処理を行った。
<3.実施例3>
実施例1と同様の合成方法により、アクリロニトリルモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比が34:66の高分子材料を得た。この高分子材料を実施例1の高分子材料に代えて使用したほかは実施例1と同様の処理を行った。
<4.実施例4>
(4−1.高分子材料の合成)
2Lの反応容器に純水1kgおよびカルボキシメチルセルロース(carboxymethylcellulose)0.35gを入れ、窒素置換を行った。次に、0.5gのアクリル酸と500gのフッ化ビニリデン(VDF)単量体を当該反応容器に加えた後、過ピバリン酸t−アミルの75質量%イソドデカン溶液1.7gを当該反応容器に導入して、系内を50℃に昇温した。ついで、アクリル酸の2質量%水溶液を連続して反応容器内に供給しながら、系内圧力を一定に保った状態で、12時間撹拌を継続した。加熱を止めて、反応容器内の圧力が大気圧に達するまで放圧した後、反応生成物を水洗、乾燥した。以上の工程により、アクリル酸変性PVDF重合体(C)を得た。このアクリル酸変性PVDF重合体(C)は、以下の組成、質量平均分子量ならびに融点を有していた。したがって、重合体(C)は、化学式(2)の構造を有する。
なお、重合体(C)の組成は、1H 核磁気共鳴法(1H NMR)、質量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(gel permeation chromatography、GPC)により、また、融点は、示差走査熱量測定(DSC)により測定した。
組成:VDF:アクリル酸=98.8:1.2(モル比)
質量平均分子量:1000,000
融点:165℃
上述の重合体(C)72gと重合体(B)28gを混合した以外は実施例1とどうようにして重合体(C)のカルボキシル基に重合体(B)がグラフト重合した高分子材料を合成した。
得られた高分子材料のフッ化ビニリデンモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比は72:28であった(NMRによる同定)。この高分子材料を実施例1の高分子材料に代えて使用したほかは実施例1と同様の処理を行った。
<5.比較例1>
コバルト酸リチウム、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を固形分の質量比97.2:1.2:1.6でN−メチルピロリドン中に溶解分散させることで正極合剤スラリーを作製したほかは実施例1と同様の処理を行った。比較例1で作製した正極を実施例1と同条件でSEM観察すると、実施例1とは異なり、コバルト酸リチウムのような無機化合物を示す明るいコントラストとして観察された(図4参照)。この結果、比較例1では、高分子材料(ここではPVDF)による表面被覆が十分になされていないことが確認された。
<6.比較例2>
実施例1で作製した共重合体(A)を実施例1の高分子材料に代えて使用した他は実施例1と同様の処理を行った。実施例1〜4、比較例1、2の結果を表1にまとめて示す。
Figure 0006917125
本実施形態に係る高分子材料を使用した実施例1〜4では、容量維持率及び最大抗張力のいずれも良好な結果が得られた。これに対し、比較例1は、本実施形態に係る高分子材料を含んでいないため、高温寿命試験の容量維持率が劣っていた。比較例2は本実施形態に係る高分子材料を含んでいないため、電極の柔軟性に劣り、実用電池の巻回工程に問題がある。また、実施例1、2と実施例3とを比較すると、実施例1、2の結果がより良好であった。つまり、実施例1〜3では、いずれも柔軟性に問題がない一方で、実施例1、2のサイクル寿命は実施例3よりも良好であった。また、実施例4と実施例1、2とを比較すると、実施例1、2の結果がより良好であった。この結果、主鎖を構成するモノマー単位としてアクリロニトリルがより好ましいことがわかった。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、本発明を巻回型の二次電池1に適用したが、本発明はかかる例に限定されない。すなわち、本発明は他の種類の二次電池に適用されてもよい。また、本実施形態に係る高分子材料は、負極用の結着剤として使用してもよい。
1 非水電解質二次電池
1a 巻回素子
10 正極
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 セパレータ
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層

Claims (6)

  1. 活物質粒子と、
    (メタ)アクリロニトリル及びフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種をモノマー単位として有する第1の骨格と、(メタ)アクリレートをモノマー単位として有する第2の骨格とが、グラフト共重合した構造を有する高分子材料と、を含み、
    前記第1の骨格は、下記の化学式(1)で示される構造、及び下記の化学式(2)で示される構造のうち、少なくとも1種以上の構造のみからなり
    前記第2の骨格は、下記の化学式(3)で示される構造のみからなり
    前記高分子材料は、前記第1の骨格が主鎖となり、前記第2の骨格が側鎖となるグラフト共重合体であり、
    Figure 0006917125
    前記化学式(1)〜(3)において、l、m、qはl>mの1以上の整数であり、
    、R、Rは水素又はメチル基であり、Rは、置換又は無置換の炭素数が2以上18以下である炭化水素基であり、
    前記第2の骨格を構成する(メタ)アクリレートモノマー単位は、前記第1の骨格を構成する(メタ)アクリロニトリルモノマー単位及びフッ化ビニリデンモノマー単位と、前記第2の骨格を構成するアクリレートモノマー単位との総質量に対して70質量%未満で前記高分子材料に含まれることを特徴とする、
    非水電解質二次電池用電極活物質層。
  2. 前記第1の骨格は、前記化学式(1)で示される構造を有することを特徴とする、請求項1に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
  3. 前記高分子材料は、前記活物質粒子の表面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
  4. 前記活物質粒子が正極活物質粒子であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用電極。
  6. 請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池。
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