JP6972318B2 - 固体電解質組成物、全固体二次電池用シート、全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池、並びに、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
ところが、近年、電気自動車の高性能化、実用化等の研究開発が急速に進行し、全固体二次電池に求められる電池性能も高くなっている。そのため、固体粒子同士の結着性、集電体と固体粒子の結着性(併せて、固体粒子の結着性ということがある。)を高めて、全固体二次電池に高い電池性能を発揮させることが求められている。
<1>周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、下記(式1)で表される樹脂を含むバインダー粒子とを含有する固体電解質組成物。
A1は、水素原子、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、ウレア基、ウレタン基、アルコキシシリル基、エポキシ基、イソシアネート基又は水酸基を示す。pは1〜10の整数である。
R2、R3及びR4は各々独立に単結合又は連結基を示す。
P1はSP値が19.5以上である構成成分を50質量%以上含むポリマー鎖を示す。
P2は数平均分子量500以上のマクロモノマーに由来する構成成分を含む高分子鎖を示す。
lは0〜5の整数であり、mは1〜8の整数であり、nは1〜9の整数である。ただし、l+m+nは3〜10の整数である。
<2>マクロモノマーが、末端又は側鎖にエチレン性不飽和結合を有する、<1>に記載の固体電解質組成物。
式中、R11は水素原子又は炭素数1〜8のアルキル基を示す。Wは単結合又は連結基を示す。P3は高分子鎖を示す。
<5>ポリマー鎖P1が、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含む、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<10>バインダー粒子のガラス転移温度が30℃以下である、<1>〜<9>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<11>バインダー粒子の平均粒径が300nm以下である、<1>〜<10>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物
<12>無機固体電解質が下記式(S1)で表される、<1>〜<11>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (S1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示す。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。
<13>分散媒を含有する、<1>〜<12>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<14>分散媒が、ケトン化合物、脂肪族化合物及びエステル化合物から選ばれる、<13>に記載の固体電解質組成物。
<15>活物質を含有する、<1>〜<14>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<16>上記<1>〜<15>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物で構成した層を有する全固体二次電池用シート。
<17>上記<15>に記載の固体電解質組成物で構成した活物質層を有する全固体二次電池用電極シート。
<18>正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層が、<1>〜<15>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物で構成した層である全固体二次電池。
<19>上記<1>〜<15>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
<20>上記<19>に記載の製造方法を介して全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
本明細書において、単に「アクリル」又は「(メタ)アクリル」と記載するときは、アクリル及び/又はメタクリルを意味する。
本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、本発明の効果を損なわない範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本明細書において置換又は無置換を明記していない置換基、連結基等(以下、置換基等という。)については、その基に適宜の置換基を有していてもよい意味である。よって、本明細書において、単に、YYY基と記載されている場合であっても、このYYY基は、置換基を有しない態様に加えて、更に置換基を有する態様も包含する。これは置換又は無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、後述するRfとして採りうる後述の各置換基が挙げられる。
本明細書において、特定の符号で示された置換基等が複数あるとき、又は複数の置換基等を同時若しくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が隣接するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい意味である。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、後述する(式1)で表される樹脂を含むバインダー粒子とを含有する。このバインダー粒子を形成する樹脂は、分岐構造を有し、この分岐構造に結合した、互いに異なるポリマー鎖P1及び高分子鎖P2を有している。
すなわち、本発明で規定するバインダー粒子は後述する(式1)で表される樹脂を高い含有量で含有し、この樹脂の合成原料、特にマクロモノマーに由来する構成成分を導く重合性化合物若しくはマクロモノマーの含有量(残存量)が少ない。しかも、この樹脂は、分岐構造に導入された互いに異なる両鎖P1及びP2が機能分化して自身の作用機能を発揮できる。そのため、固体粒子同士及び固体粒子と集電体とを強固に結着させることができ、全固体二次電池の電池性能の向上に寄与することができると考えられる。
分散媒を含有する固体電解質組成物は、スラリーとしたときにも、無機固体電解質、所望により併用される活物質及び導電助剤等の固体粒子を分散媒中によく分散させることができ、シート又は構成層としたときの固体粒子の結着性を更に高めることができる。
本発明の固体電解質組成物は、無機固体電解質を含有する。
本発明において、無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、又は、ポリマー中でカチオン及びアニオンに解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば、特に限定されず、電子伝導性を有さないものが一般的である。
本発明の全固体二次電池がリチウムイオン電池の場合、無機固体電解質は、リチウムイオンのイオン伝導性を有することが好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (S1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。a1は1〜9が好ましく、1.5〜7.5がより好ましい。b1は0〜3が好ましく、0〜1がより好ましい。d1は2.5〜10が好ましく、3.0〜8.5がより好ましい。e1は0〜5が好ましく、0〜3がより好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mで表される元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10−6S/cm以上であることが好ましく、5×10−6S/cm以上であることがより好ましく、1×10−5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に制限されないが、1×10−1S/cm以下であることが実際的である。
ハロゲン化物系無機固体電解質は、ハロゲン原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
ハロゲン化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiCl、LiBr、LiI、ADVANCED MATERIALS,2018,30,1803075に記載のLi3YBr6、Li3YCl6等の化合物が挙げられる。中でも、Li3YBr6、Li3YCl6を好ましい。
水素化物系無機固体電解質は、水素原子を含有し、かつ、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
水素化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiBH4、Li4(BH4)3I、3LiBH4−LiCl等が挙げられる。
固体電解質層を形成する場合、固体電解質層の単位面積(cm2)当たりの無機固体電解質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1〜100mg/cm2とすることができる。
ただし、固体電解質組成物が後述する活物質を含有する場合、無機固体電解質の目付量は、活物質と無機固体電解質との合計量が上記範囲であることが好ましい。
ただし、固体電解質組成物が後述する活物質を含有する場合、固体電解質組成物中の無機固体電解質の含有量は、活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
本明細書において、固形分(固形成分)とは、固体電解質組成物を、1mmHgの気圧下、窒素雰囲気下170℃で6時間乾燥処理したときに、揮発又は蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
本発明の固体電解質組成物は、1種又は2種以上のバインダー粒子を含有し、そのうちの少なくとも1種、好ましくは全種が下記(式1)で表される樹脂を含むバインダー粒子(本発明に用いるバインダー粒子ということがある。)である。
バインダー粒子、特に下記(式1)で表される樹脂を含むバインダー粒子は、本発明の全固体二次電池用電極シート及び全固体二次電池(構成層)においては、固体粒子同士(例えば、無機固体電解質同士、無機固体電解質と活物物質、活物質同士)を強固に結着させ、更には固体粒子と集電体とも強固に結着させるバインダーとして、機能する。更には、固体電解質組成物中においては、分散媒に固体粒子を高度に分散させることもできる。
バインダー粒子の平均粒径は、特に制限されないが、1000nm以下であることが好ましく、500nm以下であることがより好ましく、300nm以下であることが更に好ましい。下限値は1nm以上であり、5nm以上であることが好ましく、10nm以上であることがより好ましく、50nm以上であることが更に好ましい。バインダー粒子の大きさを上記の範囲とすることにより、固体粒子の強固な結着性が損なわれない範囲で、バインダー粒子と固体粒子等との接触面積を小さくすることができ、シート及び全固体二次電池を低抵抗化することができる。すなわち、固体粒子の結着性強化と固体粒子の界面抵抗の上昇抑制とを実現することができる。
バインダー粒子を適宜の溶媒(例えばジイソブチルケトン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製して測定し、その平均値を採用する。
なお、全固体二次電池を用いる場合は、例えば、全固体二次電池を分解して活物質層又は固体電解質層を剥がした後、その材料について上記バインダー粒子の平均粒径の測定方法に準じてその測定を行い、予め測定していたバインダー粒子以外の粒子の平均粒径の測定値を排除することにより行うことができる。
測定室内の雰囲気:窒素ガス(50mL/min)
昇温速度:5℃/min
測定開始温度:−100℃
測定終了温度:200℃
試料パン:アルミニウム製パン
測定試料の質量:5mg
Tgの算定:DSCチャートの下降開始点と下降終了点の中間温度の小数点以下を四捨五入することでTgを算定する。
なお、全固体二次電池を用いる場合は、例えば、全固体二次電池を分解して活物質層又は固体電解質層を水に入れてその材料を分散させた後、ろ過を行い、残った固体を収集し、上記の測定法でガラス転移温度を測定することにより行うことができる。
(式1)で表される樹脂の質量平均分子量は、後述する、マクロモノマーの数平均分子量と同様にして、標準ポリスチレン換算の質量平均分子量として測定できる。
この樹脂において、各符号で表される連結基、ポリマー鎖(高分子鎖)及び吸着基A1は、それぞれ、同一であっても異なっていてもよい。また、R1に連結する各鎖(−S−R2−P1、−S−R3−P2及び−S−R4−(A1)p)が複数存在する場合、これらの鎖は、互いに同一であっても異なっていてもよい。
この連結基の価数は、3〜10価であり、後述する(l+m+n)と同義であり、好ましい範囲も同じである。
−(CRf 2)n−O(C=O)−(CRf 2)n− ・・・ 式1a
式1a中、nは0〜10の整数であり、1〜6の整数が好ましく、1又は2がより好ましい。
Rfは水素原子又は置換基を示し、水素原子が好ましい。Rfとして採りうる置換基としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、ヨウ素原子、臭素原子)、アルキル基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい。)、アルコキシ基(炭素数1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい。)、アシル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜6がより好ましく、2〜3が特に好ましい。)、アリール基(炭素数6〜22が好ましく、6〜10がより好ましい。)、アルケニル基(炭素数2〜12が好ましく、2〜5がより好ましい。)、ヒドロキシ基、ニトロ基、シアノ基、メルカプト基、アミノ基、アミド基、酸性基(カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基等)などが挙げられる。酸性基はそれぞれその塩であってもよい。対イオンとしては、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、アンモニウムイオン、アルキルアンモニウムイオン等が挙げられる。
式1Aにおいて、R1Aは水素原子又は置換基を示す。R1Aとして採りうる置換基としては、特に制限されず、例えば、Rfとして採りうる上記の各置換基、更には、上記式1aで表される基が挙げられる。中でも、アルキル基又は上記式1aで表される基が好ましい。アルキル基の炭素数は1〜12が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜3が特に好ましい。R1Aとして採りうる置換基は更に1つ又は2つ以上の置換基を有していてもよく、更に有していてもよい置換基としては、特に制限されず、例えば、Rfとして採りうる上記の各置換基が挙げられる。中でも、ヒドロキシ基が好ましい。更に1つ又は2つ以上の置換基を有していてもよい置換基としては、ヒドロキシアルキル基(炭素数は上記の通りである。)が挙げられ、具体的には、ヒドロキシメチルが好ましい。
式1Bにおいて、R1Cは連結基を示す。R1Cとして採りうる連結基としては、特に制限されず、例えば、炭素数1〜30のアルキレン基、炭素数3〜12のシクロアルキレン基、炭素数6〜24のアリーレン基、炭素数3〜12のヘテロアリーレン基、エーテル基(−O−)、スルフィド基(−S−)、ホスフィニデン基(−PR−:Rは水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、シリレン基(−SiRS1RS2−:RS1、RS2は水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、カルボニル基、イミノ基(−NRN−:RNは結合部位、水素原子、炭素数1〜6のアルキル基若しくは炭素数6〜10のアリール基)、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜10個)組み合わせた連結基であることが好ましい。中でも、アルキレン基、エーテル基、スルフィド基若しくはカルボニル基、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜5個)組み合わせた連結基が好ましく、エーテル基がより好ましい。R1Bは水素原子又は置換基を示し、水素原子が好ましい。R1Bとして採りうる置換基としては、特に制限されず、例えばRfとして採りうる上記の各置換基が挙げられる。
式1A及び式1B中において、同一の符号で表される基は互いに同一でも異なっていてもよい。
上記各式中に複数存在するTは同一であっても異なっていてもよい。
Zは連結基であり、下記式(Z1)又は式(Z2)で表される基であることが好ましい。
式(T1)及び式(Z1)において、mはそれぞれ1〜8の整数であり、1〜5の整数であることがより好ましく、1〜3の整数であることが特に好ましい。
Z3は連結基であり、炭素数1〜12のアルキレン基であることが好ましく、炭素数1〜6のアルキレン基であることがより好ましい。中でも、2,2−プロパンジイル基であることが特に好ましい。
R2、R3及びR4それぞれが採りうる連結基としては、特に限定されないが、繰り返し単位を2以上有するオリゴマー若しくはポリマーからなる連結基ではないものが好ましく、例えば、上記式1BにおけるR1Cとして採りうる連結基で挙げたものを挙げることができる。
ただし、式中の−R4−(A1)pとしては、ポリマー鎖を採ることもでき、例えば、後述するポリマー鎖P1を形成する重合性化合物からなる少なくとも1つの構成成分、好ましくは各構成成分に、後述するA1をp個有するポリマー鎖を採ることもできる。より具体的には、実施例で合成したバインダー粒子D−23〜D−27が有するポリ(メタ)アクリル鎖が挙げられる。
ポリマー鎖P1は、(式1)中の硫黄原子又は連結基R2と反応して上記(式1)で表される樹脂中に導入可能な重合鎖(高分子鎖)であれば特に制限されず、通常の重合体からなる鎖を適用することができる。このようなポリマー鎖として、例えば、分子構造の末端又は側鎖にエチレン性不飽和結合(付加重合性不飽和結合)を1個若しくは2個以上(好ましくは1〜4個)有する重合性化合物の重合体からなる鎖が挙げられる。エチレン性不飽和結合としては、ビニル基、(メタ)アクリロイル基等が挙げられる。ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物としては、好ましくは、スチレン化合物、ビニルナフタレン化合物、ビニルカルバゾール化合物、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物(好ましくはアルキルエステル化合物若しくはアリールエステル化合物)、(メタ)アクリルアミド化合物、(メタ)アクリルニトリル化合物、アリル化合物、ビニルエーテル化合物、ビニルエステル化合物、イタコン酸ジアルキル化合物等が挙げられる。
ポリマー鎖P1は、上記重合性化合物に由来する構成成分の中でも、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物、(メタ)アクリルアミド化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含むことが好ましく(ポリマー鎖P1が(メタ)アクリル重合体からなるポリマー鎖)、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含むことがより好ましい。
構成成分のSP値を19.5以上に設定するためには、例えば、水酸基等の置換基を導入するなど、極性の高い官能基を導入する方法等が挙げられる。
本発明において、構成成分のSP値は沖津法により算出された値を採用する。沖津法は、例えば、日本接着学会誌、1993年、Vol.29、No.6、p249〜259に詳述されている。本願における構成成分のSP値は、構成成分がポリマー中に組み込まれた構造を元に計算した値を採用する。
また、構成成分が酸性基を有し、この酸性基を中和して、バインダー粒子を固体電解質組成物中に分散させている場合には、中和前の構成成分のSP値を用いる。
なお、SP値については単位を省略して示しているが、その単位はMPa1/2である。
SP値が19.5未満である構成成分のSP値は、19.5未満であればよく、下限は特に制限されず、適宜に設定される。例えば、15.0以上が好ましく、17.0以上がより好ましい。
SP値が19.5未満である構成成分としては、上記SP値が19.5以上である構成成分となる重合性化合物と共重合可能な重合性化合物に由来する構成成分であれば特に限定されないが、例えば、エチレン性不飽和結合を有する低分子の重合性化合物に由来する構成成分が挙げられ、より具体的には、アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物、環状オレフィン化合物、ジエン化合物、スチレン化合物、ビニルエーテル化合物、カルボン酸ビニルエステル化合物、不飽和カルボン酸無水物等に由来する構成成分が挙げられる。このような共重合性化合物としては、後述する他のマクロモノマー構成成分、更には特許文献2の段落[0031]〜[0035]に記載の「ビニル系モノマー」及び同段落[0036]〜[0042]に記載の「アクリル系モノマー」に由来する構成成分のうちSP値が19.5未満のものが挙げられる。
本発明において、マクロモノマーに由来する構成成分を含む高分子鎖は、マクロモノマーに由来する構成成分が複数結合した重合体からなる鎖に加えて、マクロモノマーに由来する構成成分1つからなる鎖をも包含する。この高分子鎖P2は、バインダー粒子に含まれる樹脂に導入されることにより、この樹脂の合成過程において所定の平均粒径を有する高純度のバインダー粒子を合成することができ、固体粒子の結着性、更には固体粒子の分散性を高める作用機能を奏する。P2は、(式1)中の硫黄原子又は連結基R3と反応して上記(式1)で表される樹脂中に導入可能な高分子鎖であれば特に制限されず、通常の重合体からなる鎖若しくは通常のマクロモノマーを適用することができる。このような高分子鎖として、例えば、分子構造の末端又は側鎖にエチレン性不飽和結合を有する重合性化合物(少なくともマクロモノマーを含む。)及びこの重合性化合物の重合体からなる鎖が挙げられる。高分子鎖P2を形成する重合性化合物としては、ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物で説明した化合物が好ましく、より好ましくは、メタクリル酸化合物又は(メタ)アクリル酸エステル化合物(高分子鎖P2が(メタ)アクリル酸エステル化合物又は(メタ)アクリル重合体からなるポリマー鎖)である。
本発明において、マクロモノマーの数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算の数平均分子量を計測する。測定法としては、基本として下記条件1又は条件2(優先)の方法により測定した値とする。ただし、マクロモノマー種によっては適宜適切な溶離液を選定して用いればよい。
(条件1)
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM−Hを2本つなげる
キャリア:10mMLiBr/N−メチルピロリドン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
(条件2)
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM−H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000をつないだカラムを用いる
キャリア:テトラヒドロフラン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
Wとして採りうる連結基としては、特に限定されないが、炭素数1〜30のアルキレン基、炭素数3〜12のシクロアルキレン基、炭素数6〜24のアリーレン基、炭素数3〜12のヘテロアリーレン基、エーテル基(−O−)、スルフィド基(−S−)、ホスフィニデン基(−PR−:Rは水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、シリレン基(−SiRS1RS2−:RS1、RS2は水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、カルボニル基、イミノ基(−NRN−:RNは水素原子、炭素数1〜6のアルキル基若しくは炭素数6〜10のアリール基)、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜10個)組み合わせた連結基であることが好ましい。中でも、炭素数1〜30のアルキレン基、炭素数6〜24のアリーレン基、エーテル基、カルボニル基、スルフィド基、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜10個)組み合わせた連結基であることがより好ましい。
例えば、(メタ)アクリル重合体としては、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物((メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物を含む)、(メタ)アクリルアミド化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含む重合体が好ましく、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含む重合体がより好ましい。特に、(メタ)アクリル酸エステル化合物の中でも(メタ)アクリル酸の長鎖アルキルエステル化合物に由来する構成成分を含む重合体が好ましい。この長鎖アルキル基の炭素数としては、例えば、4以上であることが好ましく、4〜24であることがより好ましく、8〜20であることが更に好ましい。(メタ)アクリル重合体は、スチレン化合物、環状オレフィン化合物等の、上述したエチレン性不飽和結合を有する重合性化合物に由来する構成成分を含んでもよい。
SP値が20.0以上の重合性化合物に由来する構成成分としては、上記ポリマー鎖P1で説明した構成成分、更には、下記(式4)で表される構成成分、下記(式5)で表される構成成分、(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物に由来する構成成分等が挙げられる。中でも、下記(式4)で表される構成成分、下記(式5)で表される構成成分及び(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物に由来する構成成分を含むことが好ましい。(メタ)アクリル重合体からなる鎖は、SP値が20.0以上の重合性化合物に由来する構成成分を少なくとも1種含むことが好ましく、1〜3種含むことがより好ましく、1種含むことが更に好ましい。(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物のヒドロキシアルキル基の炭素数は1〜10が好ましく、1〜5がより好ましく、1〜3が更に好ましい。
A2は−O−又は−NRA−を示し、RAは水素原子又はアルキル基(好ましくは炭素数1〜6)を示す。
R12は単結合又は連結基を示し、連結基が好ましい。R12として採りうる連結基としては、特に限定されないが、炭素数1〜30のアルキレン基(好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜5、更に好ましくは炭素数1〜3)、炭素数3〜12のシクロアルキレン基、炭素数6〜24のアリーレン基(好ましくはフェニレン基)、炭素数3〜12のヘテロアリーレン基、エーテル基(−O−)、スルフィド基(−S−)、ホスフィニデン基(−PR−:Rは水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、シリレン基(−SiRS1RS2−:RS1、RS2は水素原子若しくは炭素数1〜6のアルキル基)、カルボニル基、イミノ基(−NRN−:RNは水素原子、炭素数1〜10のアルキル基若しくは炭素数6〜10のアリール基)、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜10個)組み合わせた連結基であることが好ましい。中でも、アルキレン基、アリーレン基、エーテル基、カルボニル基、スルフィド基、又は、これらを2個以上(好ましくは2〜10個)組み合わせた連結基であることがより好ましく、アルキレン基又はアリーレン基が更に好ましい。
R12として採りうる、エーテル基、スルフィド基、イミノ基(−NRN−)又はカルボニル基が、下記B1にも相当しうる場合、本発明においては、B1として解釈する。
上記の−CONRC−、−SO2NRC−、−SO2NRCCO−及び−OCONRC−がB1中に組み込まれる向きに特に制限はない。例えば、B1中の−CONRC−は、その炭素原子がR12側に位置していてもよいし、窒素原子がR12側に位置していてもよい。また、−SO2NRC−は、その硫黄原子がR12側に位置していてもよいし、窒素原子がR12側に位置していてもよい。更に、−SO2NRCCO−は、その硫黄原子がR12側に位置していてもよいし、炭素原子がR12側に位置していてもよい。−OCONRC−は、その酸素原子がR12側に位置していてもよい(−OCONRC−基)し、窒素原子がR12側に位置していてもよい(−NRCCOO−基)。
本発明においては、R12及びB1がともに単結合ではないことが好ましい。
R15及びR16は水素原子又はアルキル基を示す。このアルキル基は直鎖でも分岐を有してもよい。また、このアルキル基の炭素数は1〜10が好ましく、1〜6がより好ましく、1〜4が更に好ましく、イソプロピル、エチル又はメチルが特に好ましい。R15及びR16として採りうるアルキル基は、置換基を有していてもよい。置換基としては、Rfとして採りうる上記の各置換基が挙げられ、中でも、SP値の点で、ヒドロキシ基、カルボキシ基が好ましい。ただし、R15及びR16として採りうるアルキル基は、置換基として、上記(式4)の「−B1−R13」に相当する基を有さない。
P3で表される(メタ)アクリル重合体からなる鎖中、SP値が20.0以上の重合性化合物に由来する構成成分のうち、上記式(4)で表わされる構成成分、上記式(5)で表わされる構成成分及び(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物に由来する構成成分の含有率は、それぞれ、特に制限されず、例えば、1〜40質量%が好ましく、2〜30質量%がより好ましく、4〜25質量%が更に好ましい。
高分子鎖P2中の、マクロモノマーに由来の構成成分の含有量は、0質量%を超える限り特に制限されない。高分子鎖P2がマクロモノマーに由来の構成成分を含有していると、バインダー粒子が(式1)で表される樹脂を高い含有量で含有し、固体粒子の結着性を高めことができる。固体粒子の結着性の点で、この構成成分の含有量は、50質量%以上であることが好ましく、75質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることが更に好ましい。上記含有量の上限値は、特に制限されず、100質量%とすることもでき、100質量%未満にすることもできる。100質量%未満に設定する場合、例えば、50質量%以下に設定することができる。
高分子鎖P2中の、マクロモノマーに由来の構成成分以外の他のP2鎖構成成分の含有量は、0質量%以上であり、マクロモノマーに由来の構成成分の含有量との合計が100質量%となるように設定されることが好ましい。
A1として採りうる、塩基性窒素原子を有する基としては、アミノ基、ピリジル基、イミノ基及びアミジンが挙げられる。
A1として採りうる基が相互作用する場合、A1として採りうる基の化学構造は変化しても変化しなくてもよい。例えば、上記π−π相互作用等においては、通常、A1として採りうる基は変化せず、そのままの構造を維持する。一方、共有結合等による相互作用においては、通常、カルボン酸基等の活性水素が離脱したアニオンとなって(A1として採りうる基が変化して)固体粒子と結合する。
正極活物質及び無機固体電解質に対しては、酸性基、水酸基、アルコキシシリル基が好適に吸着する。中でもカルボン酸基が特に好ましい。
導電助剤に対しては、塩基性窒素原子を有する基が好適に吸着する。
mは1〜8の整数であり、好ましくは1〜4の整数であり、より好ましくは1〜3の整数であり、更に好ましくは1又は2である。
nは1〜9の整数であり、好ましくは2〜5の整数であり、より好ましくは3〜5の整数である。
ただし、l+m+nは3〜10の整数となり、好ましくは3〜8の整数であり、より好ましくは3〜6の整数であり、更に好ましくは4〜6の整数である。
バインダー粒子を調製するに際して、チオール化合物にA1とR4とを有する重合性化合物を反応させる工程と、チオール化合物にポリマー鎖P1を導入する工程と、チオール化合物に高分子鎖P2を導入する工程とは同時に行うこともでき、別々に行うこともできる。チオール化合物にポリマー鎖P1を導入する工程と、チオール化合物に高分子鎖P2を導入する工程とは別々に行うことが好ましく、いずれの工程を先に実施してもよいが、チオール化合物に高分子鎖P2を導入する工程を先に実施することが好ましい。このときの、(式2)で表されるチオール化合物中の全メルカプト基に対する各重合性化合物の反応率は、A1とR4とを有する重合性化合物を反応させる工程、ポリマー鎖P1及び高分子鎖P2を導入する工程においては、(式1)中のl、m及びnを満たすように、設定される。(式1)で表される樹脂は、通常、球状若しくは粒状の樹脂粒子(バインダー粒子)として形成される。得られるバインダー粒子の平均粒径は、用いる化合物等の種類、重合温度、滴下時間、滴下方法、重合開始剤量等によって、所定の範囲に適宜に設定できる。
樹脂の重合(バインダー粒子の調製)に用いる溶媒は特に制限されない。なお、無機固体電解質又は活物質と反応しないこと、更にそれらを分解しない溶媒を用いることが好ましい。例えば、炭化水素溶媒(トルエン、ヘプタン、キシレン)、エステル溶媒(酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、酪酸ブチル)、エーテル溶媒(テトラヒドロフラン、ジオキサン、1,2−ジエトキシエタン)、ケトン溶媒(アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ジイソブチルケトン)、ニトリル溶媒(アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル)、ハロゲン溶媒(ジクロロメタン、クロロホルム)を用いることができる。
反応条件(重合条件)としては、下記(式2)で表されるチオール化合物と、ポリマー鎖P2を形成する重合性化合物(マクロモノマー含む)とが、付加反応(チオール−エン反応)又は重合反応する条件、ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物が重合反応する条件に設定される。このような条件は、チオール化合物若しくは各重合性化合物の種類、用いる触媒の種類若しくは使用量等に応じて適宜に設定され、その一例として、例えば、上記溶媒を用いて、50〜150℃の反応温度で1〜15時間反応させる条件が挙げられる。この反応において、アゾ化合物、有機過酸化物等の通常用いられる重合触媒を特に限定されることなく用いることができる。
下記(式2)で表されるチオール化合物と、ポリマー鎖P2を形成する重合性化合物(マクロモノマー含む)と、ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物とは同時に反応させることも、逐次で反応させることもでき、逐次で反応させることが好ましい。逐次で反応させる場合は、下記(式2)で表されるチオール化合物と、ポリマー鎖P2を形成する重合性化合物(マクロモノマー含む)とを第一に反応させ、次にポリマー鎖P1を形成する重合性化合物と反応させる順序が好ましい。
上述の重合法においては、重合反応に用いる重合性化合物、特に高分子鎖P2を形成する重合性化合物を高効率(転化率)で反応させることができ、未反応物の残存量を低減して、高純度の樹脂(バインダー粒子)を合成できる。
(式2)において、lは0〜5の整数であり、上記(式1)におけるlと同義であり、好ましい範囲も同じである。m+nは2〜10の整数であり、好ましくは、好ましくは3〜8の整数であり、より好ましくは3〜6の整数であり、更に好ましくは4〜6の整数である。ただし、l+m+nは3〜10の整数となり、上記(式1)における、l+m+nと同義であり、好ましい範囲も同じである。
上記(式2)で表される化合物は、特に限定されないが、例えば、(l+m+n)価のチオール化合物に、A2及びR6を含む重合性化合物を付加反応(エンチオール反応)させて、合成することができる。このエンチオール反応は、例えば後述するバインダー粒子D−22等の調製法のように、高分子鎖P2を導入する工程と同時に行うこともできる。A2及びR6を含む重合性化合物としては、上述のポリマー鎖P1又は高分子鎖P2を形成する重合性化合物のうち上述の吸着基A1を有する重合性化合物が挙げられる。
バインダー粒子を上記の範囲で用いることにより、より一層効果的に固体粒子の結着性を高めることができ、更には固体粒子の界面抵抗上昇を抑制できる。
本発明の固体電解質組成物は、分散媒(分散媒体)を含有することが好ましい。
分散媒は、上記の各成分を分散させるものであればよく、例えば、各種の有機溶媒が挙げられる。有機溶媒としては、アルコール化合物、エーテル化合物、アミド化合物、アミン化合物、ケトン化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、ニトリル化合物、エステル化合物等の各溶媒が挙げられ、その分散媒の具体例としては下記のものが挙げられる。
ケトン化合物としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジイソブチルケトンなどが挙げられる。
芳香族化合物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素化合物が挙げられる。
脂肪族化合物としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカンなどの脂肪族炭化水素化合物が挙げられる。
ニトリル化合物としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル、イソブチロニトリルなどが挙げられる。
エステル化合物としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酪酸ブチル、ペンタン酸ブチルなどが挙げられる。
非水系分散媒としては、上記芳香族化合物、脂肪族化合物等が挙げられる。
上記分散媒は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の固体電解質組成物には、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含有してもよい。活物質としては、以下に説明するが、正極活物質及び負極活物質が挙げられる。
本発明において、活物質(正極活物質又は負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極層用組成物(正極層用組成物又は負極層用組成物)ということがある。
正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び/又は放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物、又は、硫黄などのLiと複合化できる元素などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P及びBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO、NCA又はNMCがより好ましい。
焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1〜100mg/cm2とすることができる。
負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び/又は放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、金属若しくは半金属元素の酸化物(複合酸化物を含む。)、リチウム単体、リチウム合金、又は、リチウムと合金化(リチウムとの合金を形成)可能な活物質等が挙げられる。中でも、信頼性の点では、炭素質材料、半金属元素の酸化物、金属複合酸化物又はリチウム単体が好ましい。全固体二次電池の大容量化が可能となる点では、リチウムと合金化可能な活物質が好ましい。本発明の固体電解質組成物で形成した固体電解質層は固体粒子同士が強固に結着しているため、負極活物質として上記リチウムと合金化可能な活物質を用いることができる。
炭素質材料としては、ハードカーボン又は黒鉛が好ましく用いられ、黒鉛がより好ましく用いられる。
負極活物質、例えば金属酸化物は、チタン原子を含有すること(チタン酸化物)も好ましく挙げられる。具体的には、Li4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。
リチウムと合金化可能な活物質を用いて形成した負極活物質層は、充放電による膨張収縮が大きくなる。その一方で、一般的に、黒鉛及びアセチレンブラック等の炭素系材料を用いて形成した負極活物質層(炭素負極)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量を大きくすることができ、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1〜100mg/cm2とすることができる。
正極活物質及び負極活物質の表面は別の金属酸化物で表面被覆されていてもよい。表面被覆剤としてはTi、Nb、Ta、W、Zr、Al、Si又はLiを含有する金属酸化物等が挙げられる。具体的には、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、ニオブ酸リチウム系化合物等が挙げられ、具体的には、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、LiTaO3、LiNbO3、LiAlO2、Li2ZrO3、Li2WO4、Li2TiO3、Li2B4O7、Li3PO4、Li2MoO4、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、Li2SiO3、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、B2O3等が挙げられる。
また、正極活物質又は負極活物質を含む電極表面は硫黄又はリンで表面処理されていてもよい。
更に、正極活物質又は負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線又は活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていてもよい。
本発明の固体電解質組成物は、活物質の電子導電性を向上させる等のために用いられる導電助剤を適宜含有してもよい。導電助剤としては、一般的な導電助剤を用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維若しくはカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン若しくはフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でもよく、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体などの導電性高分子を用いてもよい。またこれらの内1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
本発明において、負極活物質と導電助剤とを併用する場合、上記の導電助剤のうち、電池を充放電した際にLiの挿入と放出が起きず、負極活物質として機能しないものを導電助剤とする。したがって、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に活物質層中において活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく活物質に分類する。電池を充放電した際に負極活物質として機能するか否かは、一義的ではなく、負極活物質との組み合わせにより決定される。
本発明の固体電解質組成物が導電助剤を含む場合、固体電解質組成物中の導電助剤の含有量は、0〜10質量%が好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩(支持電解質)を含有することも好ましい。
リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はなく、例えば、特開2015−088486の段落0082〜0085記載のリチウム塩が好ましい。
本発明の固体電解質組成物がリチウム塩を含む場合、リチウム塩の含有量は、固体電解質100質量部に対して、0.1質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、固体粒子の分散剤(乳化剤)としても機能するバインダー粒子を含有しているため、バインダー粒子以外の分散剤を含有していなくてもよいが、適宜に分散剤を含有してもよい。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発及び/又は静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の固体電解質組成物は、上記各成分以外の他の成分として、適宜に、イオン液体、増粘剤、架橋剤(ラジカル重合、縮合重合又は開環重合により架橋反応するもの等)、重合開始剤(酸又はラジカルを熱又は光によって発生させるものなど)、消泡剤、レベリング剤、脱水剤、酸化防止剤等を含有することができる。
イオン液体は、イオン伝導度をより向上させるため含有されるものであり、公知のものを特に制限されることなく用いることができる。
本発明の固体電解質組成物は、無機固体電解質、バインダー粒子、好ましくは分散媒、更に適宜に他の成分を、例えば通常用いる各種の混合機で混合することにより、好ましくはスラリーとして、調製することができる。
混合方法は特に制限されず、一括して混合してもよく、順次混合してもよい。バインダー粒子は、通常、上述の(式1)で表される樹脂の合成により得られるバインダー粒子の分散液として用いるが、これに限定されない。混合する環境は特に制限されないが、乾燥空気下又は不活性ガス下等が挙げられる。
本発明の活物質層形成用組成物は、分散剤を含有する場合、固体粒子の再凝集が抑えられ、高度に分散した固体粒子を含有した分散液とすることができる。
本発明の全固体二次電池用シートは、全固体二次電池の構成層を形成しうるシート状成形体であって、その用途に応じて種々の態様を含む。例えば、固体電解質層に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用固体電解質シートともいう。)、電極、又は電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用電極シート)等が挙げられる。本発明において、これら各種のシートをまとめて全固体二次電池用シートということがある。
本発明の全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、基材上に、本発明の固体電解質組成物で構成した層、通常固体電解質層と、保護層とをこの順で有するシートが挙げられる。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、後述する集電体で説明する材料、有機材料、無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、セルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラス、セラミック等が挙げられる。
例えば、全固体二次電池用シートを長尺状でライン製造する場合(搬送中に巻き取っても)、また、捲回型電池として用いる場合において、固体電解質層及び活物質層における固体粒子の強固な結着性を維持できる。このような全固体二次電池用シートを用いて全固体二次電池を製造すると、優れた電池性能を示し、更には高い生産性及び歩留まり(再現性)を実現できる。
本発明の全固体二次電池用シートの製造方法は、特に制限されず、本発明の固体電解質組成物を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。例えば、好ましくは基材若しくは集電体上(他の層を介していてもよい。)に、製膜(塗布乾燥)して固体電解質組成物からなる層(塗布乾燥層)を形成する方法が挙げられる。これにより、基材若しくは集電体と、塗布乾燥層とを有する全固体二次電池用シートを作製することができる。ここで、塗布乾燥層とは、本発明の固体電解質組成物を塗布し、分散媒を乾燥させることにより形成される層(すなわち、本発明の固体電解質組成物を用いてなり、本発明の固体電解質組成物から分散媒を除去した組成からなる層)をいう。活物質層及び塗布乾燥層は、本発明の効果を損なわない範囲であれば分散媒が残存していてもよく、残存量としては、例えば、各層中、3質量%以下とすることができる。
本発明の全固体二次電池用シートの製造方法において、塗布、乾燥等の各工程については、下記全固体二次電池の製造方法において説明する。
また、本発明の全固体二次電池用シートの製造方法においては、基材、保護層(特に剥離シート)等を剥離することもできる。
本発明の全固体二次電池は、正極活物質層と、この正極活物質層に対向する負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された固体電解質層とを有する。正極活物質層は、好ましくは正極集電体上に形成され、正極を構成する。負極活物質層は、好ましくは負極集電体上に形成され、負極を構成する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明の固体電解質組成物で形成されることが好ましく、中でも、全ての層が本発明の固体電解質組成物で形成されることがより好ましい。本発明の固体電解質組成物で形成された活物質層又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、本発明の固体電解質組成物の固形分におけるものと同じである。なお、活物質層又は固体電解質層が本発明の固体電解質組成物で形成されない場合、公知の材料を用いることができる。
負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層の厚さは、それぞれ、特に制限されない。各層の厚さは、一般的な全固体二次電池の寸法を考慮すると、それぞれ、10〜1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。本発明の全固体二次電池においては、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることが更に好ましい。
正極活物質層及び負極活物質層は、それぞれ、固体電解質層とは反対側に集電体を備えていてもよい。
本発明の全固体二次電池は、用途によっては、上記構造のまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いることが好ましい。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金又は、ステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層のいずれも本発明の固体電解質組成物で形成されている。この全固体二次電池10は優れた電池性能を示す。正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する無機固体電解質及びバインダー粒子は、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明において、正極活物質層及び負極活物質層のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、活物質層又は電極活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚みは、特に制限されないが、1〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
全固体二次電池は、常法によって、製造できる。具体的には、全固体二次電池は、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。これにより、優れた電池性能を示し、更に好ましい態様では小さな電気抵抗を示す全固体二次電池を製造できる。以下、詳述する。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極層用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、負極用材料(負極層用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。これを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることもできる。各組成物の塗布は、別々に行ってもよく(逐次重層法)、同時に行ってもよい(同時重層塗布法)。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。更に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
固体電解質組成物の塗布方法は特に制限されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布、バーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に制限されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上が更に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下が更に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、分散媒を除去し、固体状態(塗布乾燥層)にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性と、非加圧でも良好なイオン伝導度を得ることができる。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては特に制限されず、一般的には30〜300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。一方、無機固体電解質とバインダー粒子が共存する場合、バインダー粒子を形成する上記樹脂のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。ただし、一般的には上述の(式1)で表される樹脂の融点を越えない温度である。
加圧は塗布溶媒又は分散媒を予め乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
なお、各組成物は同時に塗布してもよいし、塗布乾燥プレスを同時及び/又は逐次行ってもよい。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積又は膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は特に制限されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に制限はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源などが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
まず、マクロモノマー溶液を調製した。すなわち、撹拌機、温度計、還流冷却管及び窒素ガス導入管を備えた1リットル三口フラスコに、トルエン(269.0g)を仕込んで、窒素気流下で80℃まで昇温した。次いで、上記三口フラスコに、メチルメタクリレート(150.2g)とラウリルメタクリレート(381.6g)とV−601(5.3g、アゾ系重合開始剤、和光純薬社製)と3−メルカプトプロピオン酸(4.7g)とからなるモノマー溶液を2時間で滴下が完了するように等速で滴下した。上記モノマー溶液の滴下完了後、2時間攪拌し、続いて95℃へ昇温し、更に2時間攪拌した。続いて、得られた反応混合物へ、p−メトキシフェノール(0.3g)、グリシジルメタクリレート(31.8g)及びテトラブチルアンモニウムブロミド(6.4g)を加え、120℃へ昇温して3時間撹拌した。その後、反応液を室温まで冷却し、撹拌しているメタノール(2L)へ注ぎ、しばらく静置した。上澄み液をデカンテーションして得られた固体をヘプタン(1200g)に溶解し、固形分40%まで溶媒を減圧留去して、マクロモノマー溶液を得た。
マクロモノマーの、上記測定方法による数平均分子量は10000であった。
得られたマクロモノマー付加体は、マクロモノマーがジペンタエリスリトールヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)中の平均2つのメルカプト基と反応した付加体(m=2)であった。
調製例1において、ヒドロキシエチルアクリレート及び/又はマクロモノマー付加体溶液を、上記化学式に示した各樹脂D−02〜D−21及びD−38に対応する、ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物、チオール化合物(上記(式2)で表される化合物)及び/又はマクロモノマー、更には必要に応じてそれらの使用量に、変更したこと以外は調製例1と同様にして、バインダー粒子D−02〜D−21及びD−38の分散液をそれぞれ調製した。
なお、各バインダー粒子の分散液の調製に用いるマクロモノマー溶液及びマクロモノマー付加体溶液は、バインダー粒子D−01の分散液の調製に用いた上記マクロモノマー溶液及びマクロモノマー付加体溶液と同様にして調製した。
ただし、バインダー粒子D−17の分散液の調製においては、マクロモノマーとしてマクロモノマーAB−6(商品名、東亞合成社製)を用いた。バインダー粒子D−18の分散液の調製においては、マクロモノマーとしてブレンマー50POEP−800B(商品名、日油社製)を用いた。バインダー粒子D−19の分散液の調製においては、マクロモノマーとしてブレンマーPP−800(商品名、日油社製)を用いた。バインダー粒子D−20の分散液の調製においては、マクロモノマーとしてメタクリル変性シリコーンオイル:KF−2012(商品名、信越化学工業社製)を用いた。更に、バインダー粒子D−21の分散液の調製においては、マクロモノマーとして特開2015−88486号公報に記載の方法に従い12−ヒドロキシステアリン酸の縮合体とグリシジルメタクリレートを反応させて合成したマクロモノマーを用いた。
各分散液に含まれるマクロモノマーの数平均分子量を表2に示す。
マクロモノマー溶液を次のようにして調製した。すなわち、撹拌機、温度計、還流冷却管及び窒素ガス導入管を備えた1リットル三口フラスコに、トルエン(269.0g)を仕込んで、窒素気流下で80℃まで昇温した。次いで、上記三口フラスコに、メチルメタクリレート(135.0g)とラウリルメタクリレート(297.0g)とヒドロキシエチルメタクリレート(103.1g)とV−601(5.3g)とメルカプトプロピオン酸(4.7g)とからなるモノマー溶液を2時間で滴下が完了するように等速で滴下した。上記モノマー溶液の滴下完了後、2時間攪拌し、続いて95℃へ昇温し、更に2時間攪拌した。続いて、得られた反応混合物へ、p−メトキシフェノール(0.3g)、グリシジルメタクリレート(31.8g)及びテトラブチルアンモニウムブロミド(6.4g)を加え、120℃へ昇温して3時間撹拌した。その後、反応液を室温まで冷却し、撹拌しているメタノール(2L)へ注ぎ、しばらく静置した。上澄み液をデカンテーションして得られた固体を酪酸ブチル(540g)へ溶解し、溶媒を減圧留去して、マクロモノマー溶液を得た。得られたマクロモノマー溶液の固形分は42%であった。
マクロモノマーの数平均分子量を表2に示す。
調製例22において、イタコン酸を、上記化学式に示した各樹脂D−23〜D−27に対応する、A2及びR6を含む重合性化合物に変更し、更に使用量を調製例22におけるイタコン酸と同じモル比に調整したこと以外は、調製例22と同様にして、バインダー粒子D−23〜D−27の分散液をそれぞれ調製した。
各分散液に含まれるマクロモノマーの数平均分子量を表2に示す。
調製例1において、ヒドロキシエチルアクリレート及び/又はマクロモノマーを、上記化学式に示した各樹脂D−28〜D−37に対応する、ポリマー鎖P1を形成する重合性化合物及びマクロモノマー、更には必要に応じてそれらの使用量に、変更したこと以外は調製例1と同様にして、バインダー粒子D−28〜D−37の分散液をそれぞれ調製した。
なお、各バインダー粒子の分散液の調製に用いるマクロモノマー溶液及びマクロモノマー付加体溶液は、バインダー粒子D−01の分散液の調製に用いた上記マクロモノマー溶液及びマクロモノマー付加体溶液と同様にして調製した。
撹拌機、温度計、還流冷却管及び窒素ガス導入管を備えた1リットル三口フラスコに、ジイソブチルケトン(138.5g)を仕込んで、窒素気流下で80℃まで昇温した。次いで、上記三口フラスコに、ヒドロキシエチルアクリレート(100.0g)とジイソブチルケトン(95.5g)とV−601(1.0g)とからなるモノマー溶液を2時間で滴下が完了するように等速で滴下した。上記モノマー溶液の滴下完了後、2時間攪拌し、続いて90℃へ昇温し、更に2時間攪拌した。
しかし、合成した樹脂(バインダー粒子)が凝集して分散液を調製できなかった。
撹拌機、温度計、還流冷却管及び窒素ガス導入管を備えた1リットル三口フラスコに、トルエン(269.0g)を仕込んで、窒素気流下で80℃まで昇温した。次いで、上記三口フラスコに、メチルメタクリレート(150.2g)とラウリルメタクリレート(381.6g)とV−601(5.3g)とメルカプトプロピオン酸(4.7g)とからなるモノマー溶液を2時間で滴下が完了するように等速で滴下した。上記モノマー溶液の滴下完了後、2時間攪拌し、続いて95℃へ昇温し、更に2時間攪拌した。続いて、得られた反応混合物へ、p−メトキシフェノール(0.3g)、グリシジルメタクリレート(31.8g)、テトラブチルアンモニウムブロミド(6.4g)を加え、120℃へ昇温して3時間撹拌した。その後、反応液を室温まで冷却し、撹拌しているメタノール(2L)へ反応液を注ぎ、しばらく静置した。上澄み液をデカンテーションして得られた固体をヘプタン(1200g)へ溶解し、固形分40%まで溶媒を減圧留去して、マクロモノマー溶液を得た。このマクロモノマーの数平均分子量を表2に示す。
調製例1において、2−ヒドロキシエチルアクリレートを使用せず、マクロモノマー付加体の使用量を調整し、固形分濃度が30%になるよう調整したこと以外は調製例1と同様にして、バインダー粒子cD−03の溶液を調製した。比較調製例3では、合成した樹脂が分散媒に溶解しており、分散液として調製できなった。
撹拌機、温度計、還流冷却管及び窒素ガス導入管を備えた500ミリリットル三口フラスコに、ジイソブチルケトン(55.0g)とジペンタエリスリトールヘキサキス(3−メルカプトプロピオネート)(0.2g)を仕込んで、窒素気流下で80℃まで昇温した。次いで、上記三口フラスコに、こはく酸モノ(2−アクリロイルオキシエチル)(40.0g)とジイソブチルケトン(38.0g)とV−601(0.4g)とからなるモノマー溶液を2時間で滴下が完了するように等速で滴下した。上記モノマー溶液の滴下完了後、2時間攪拌し、続いて90℃へ昇温し、更に2時間攪拌した。しかし、合成した樹脂(バインダー粒子)が凝集して分散液を調製できなかった。
調製例2において、2−ヒドロキシエチルアクリレートとブチルアクリレートとの使用量(重合比率)を質量比で25:75に変更したこと以外は調製例2と同様にして、バインダー粒子cD−05の溶液を調製した。比較調製例5では、合成した樹脂が分散媒に溶解しており、分散液として調製できなった。
各バインダー粒子のポリマー鎖又は高分子鎖を形成する構成成分のSP値を、上記方法に基づいて、算出した。その結果を表1に示す。
<溶解成分量の測定>
調製した各バインダー粒子における溶解成分量(未反応の重合性化合物等の含有量)を次のようにして評価した。すなわち、バインダー粒子の分散液をジイソブチルケトンで1%に希釈し、超遠心機(himacCS−150FNX(商品名)、日立工機製)にて、回転数100,000rpm、温度20℃、1時間の条件で遠心分離を行い、得られた上澄みを採取した。この上澄み液について、GPC(ゲル浸透クロマトグラフ)及びHPLC(高速液体クロマトグラフィー)により、残存モノマー量(溶解成分量)を定量し、以下の評価基準で判定した。
本試験において、評価基準「D」以上が合格レベルである。なお、質量%はバインダー固形分全量における相対質量比を表す。
−評価基準−
A:溶解成分量が5質量%以下である場合
B:溶解成分量が5質量%を超え、10質量%以下である場合
C:溶解成分量が10質量%を超え、15質量%以下である場合
D:溶解成分量が15質量%を超え、25質量%以下である場合
E:溶解成分量が25質量%を超え、30質量%以下である場合
F:溶解成分量が30質量%を超える場合
バインダー粒子の平均粒径の測定は、以下の手順で行った。上記にて調製したバインダー粒子の分散液をジイソブチルケトンを用いて0.1質量%の分散液を調製した。この分散液試料に1kHzの超音波を10分間照射した後に、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて、バインダー粒子の体積平均粒径を測定した。
バインダー粒子を形成する樹脂の質量平均分子量は、上記方法(条件1)により、測定した。
<ガラス転移温度(Tg)の測定方法>
バインダー粒子を形成する樹脂のガラス転移温度(Tg)を、上記方法により、測定した。
<マクロモノマーのSP値の計算方法>
マクロモノマーのSP値は、ポリマー鎖中のモノマー構成成分の質量比率(質量%)に基づいて算出した。
硫化物系無機固体電解質は、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231−235、及び、A.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872−873の非特許文献を参考にして合成した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g及び五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。Li2S及びP2S5の混合比は、モル比でLi2S:P2S5=75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP−7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li/P/Sガラス、以下、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。
実施例1では、バインダー粒子の分散液D−01を用いて調製した固体電解質組成物を用いて、全固体二次電池用シート、及び図1に示す層構成を有する全固体二次電池を作製して、その性能を評価した。その結果を表2に示す。
<固体電解質組成物D−01の調製>
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で合成したLPS9.5g、分散媒として酪酸ブチル12.3gを投入した。その後、バインダー粒子D−01の分散液を固形分相当で0.5g投入し、遊星ボールミルP−7(商品名、フリッチュ社製)にセットした。温度25℃、回転数300rpmで3時間混合を続け、固体電解質組成物D−01を調製した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で調製した固体電解質組成物D−01を固形分相当で1.9g、分散媒総量として酪酸ブチル12.3gを投入した。更に、そこへ、正極活物質としてNCA(LiNi0.85Co0.10Al0.05O2)8.0g、アセチレンブラック0.1gを投入し、遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数200rpmで20分間混合を続けた。こうして、正極用組成物(スラリー)D−01を調製した。
上記で調製した正極用組成物D−01を、集電体として厚み20μmのアルミニウム箔に、ベーカー式アプリケーター(商品名:SA−201、テスター産業社製)により塗布し、80℃で1時間加熱後、更に110℃で1時間加熱して、正極用組成物D−01を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた正極層用組成物D−01を加熱(120℃)しながら加圧し(20MPa、1分間)、層厚60μmの正極活物質層/アルミニウム箔の積層構造を有する全固体二次電池用正極シートD−01を作製した。
次いで、ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で調製した固体電解質組成物D−01を固形分相当で5.0g、分散媒として酪酸ブチル12.3gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(商品名、フリッチュ社製)にセットし、温度25℃で、回転数300rpmで3時間攪拌した。その後、負極活物質として黒鉛5.0gを投入し、再びこの容器を遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数100rpmで15分間混合を続けた。このようにして、負極層用組成物(スラリー)D−01得た。
上記で得られた負極層用組成物D−01を、厚み10μmのステンレス箔上に、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃2時間加熱して、負極層用組成物D−01を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた負極層用組成物D−01を加熱(120℃)しながら加圧(600MPa、1分間)し、層厚120μmの負極活物質層/ステンレス箔の積層構造を有する全固体二次電池用負極シートD−01を作製した。
作製した全固体二次電池用負極シートD−01の負極活物質層の上に、調製した固体電解質組成物D−01を、上記ベーカー式アプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱後、更に110℃で6時間加熱し、固体電解質組成物D−01を乾燥させた。負極活物質層上に固体電解質層(塗布乾燥層)を形成した負極シートD−01を、ヒートプレス機を用いて、加熱(120℃)しながら加圧(30MPa、1分間)し、層厚60μmの固体電解質層/負極活物質層/ステンレス箔の積層構造を有する負極シートD−01を作製した。
この負極シートを直径15mmの円板状に切り出した。他方、上記で作製した全固体二次電池用正極シートD−01を、直径13mmの円板状に切り出した。全固体二次電池用正極シートD−01の正極活物質層と、負極シートD−01に形成した固体電解質層とが向かい合うように配置(積層)した後に、ヒートプレス機を用いて、加熱(120℃)しながら加圧(40MPa、1分間)し、アルミニウム箔/正極活物質層/固体電解質層/負極活物質層/ステンレス箔の積層構造を有する電池積層体を作製した。
次いで、このようにして作製した電池積層体12をスペーサーとワッシャー(図2において図示せず)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース11に入れ、2032型コインケース11をかしめることで、図2に符号13で示す全固体二次電池101を製造した。
固体電解質組成物D−01の調製、全固体二次電池用正極シートD−01の作製、全固体二次電池用負極シートD−01の作製及び全固体二次電池D−01の製造それぞれにおいて、表2に示す樹脂を含有するバインダー粒子の分散液、これを用いて調製した各組成物を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜28、比較例2、3及び5の全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートをそれぞれ作製して、実施例2〜28、比較例2、3及び5の全固体二次電池をそれぞれ製造した。
上述のようにして調製した各固体電解質組成物を、遊星ボールミルP−7から分けとり、直径10mmの透明なガラス管に、高さ3cmまで充填した。これを25℃の環境下で6時間静置した。その後、組成物の相分離状態及び相分離の程度を、以下の評価基準で判定した。本試験において、評価基準「D」以上が合格レベルである。
−評価基準−
A:組成物(スラリー)が層分離しない
B:分層発生した箇所(上澄層)が液面より2mm未満である場合
C:分層発生した箇所が液面より2mm以上、5mm未満である場合
D:分層発生した箇所が液面より5mm以上、10mm未満である場合
E:分層発生した箇所が液面より10mm以上、20mm未満である場合
F:分層発生した箇所が液面より20mm以上である場合
全固体二次電池用正極シートの結着性試験として、マンドレル試験機を用いた耐屈曲性試験(JIS K 5600−5−1に準拠)により、評価した。具体的には、各シートから、幅50mm、長さ100mmの短冊状の試験片を切り出した。この試験片の活物質層面をマンドレルとは逆側(集電体をマンドレル側)に、かつ試験片の幅方向がマンドレルの軸に平行となるようにセットし、マンドレルの外周面に沿って180°屈曲(1回)させた後、活物質層にヒビ及び割れが生じているか否かを観察した。この屈曲試験は、まず、直径32mmのマンドレルを用いて行い、ヒビ及び割れのいずれも発生していない場合、マンドレルの直径(単位mm)を、25、20、16、12、10、8、6、5、3、2と徐々に小さくしていき、最初にヒビ及び/又は割れが発生したマンドレルの直径を記録した。このヒビ及び割れが最初に発生直径(欠陥発生径)が下記評価基準のいずれに含まれるかにより、結着性を評価した。本発明において、欠陥発生径が小さいほど固体粒子の結着性が強固であることを示し、評価基準「C」以上が合格レベルである。
A:3mm以下
B:5mm又は6mm
C:8mm
D:10mm
E:12mm以上
以下のように作成した正極シートを用いた以外は、上述の<全固体二次電池D−01の製造>と同様にして作製した全固体二次電池を用いて電池性能として放電容量を測定した。
すなわち、ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記で調製した固体電解質組成物D−01を固形分相当で1.9g、分散媒総量として酪酸ブチル12.3gを投入した。更に、そこへ、正極活物質としてNCA(LiNi0.85Co0.10Al0.05O2)8.0g、アセチレンブラック0.1gを投入し、遊星ボールミルP−7にセットし、温度25℃、回転数200rpmで20分間混合を続けた。こうして、容量測定用の正極用組成物(スラリー)D−01Aを調製した。
次いで、上記で調製した正極用組成物D−01Aを25℃で2時間静置した後、集電体として厚み20μmのアルミニウム箔に、ベーカー式アプリケーター(商品名:SA−201、テスター産業社製)により塗布し、80℃で1時間加熱後、更に110℃で1時間加熱して、正極用組成物D−01Aを乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、乾燥させた正極層用組成物D−01Aを加熱(120℃)しながら加圧し(20MPa、1分間)、層厚60μmの正極活物質層/アルミニウム箔の積層構造を有する、容量測定用の全固体二次電池用正極シートD−01Aを作製した。
この全固体二次電池用正極シートD−01Aを用いて製造した各全固体二次電池の放電容量を、充放電評価装置「TOSCAT−3000」(商品名、東洋システム社製)により、測定した。全固体二次電池を電池電圧が4.2Vになるまで電流値0.2mAで充電した後、電池電圧が3.0Vになるまで電流値0.2mAで放電した。この充放電を1サイクルとして充放電を繰り返し行った。この充放電サイクルにおいて、3サイクル目の放電容量を求めた。この放電容量を、正極活物質層の表面積が100cm2当たりに換算し、全固体二次電池の放電容量として、以下の評価基準で判定した。本試験において、評価基準「C」以上が合格レベルである。
−評価基準−
A:放電容量が200mAh以上
B:放電容量が180mAh以上、200mAh未満
C:放電容量が160mAh以上、180mAh未満
D:放電容量が110mAh以上、160mAh未満
E:放電容量が 70mAh以上、110mAh未満
F:放電容量が 70mAh未満
これに対して、実施例で調製した各バインダー粒子は、分岐構造であるにもかかわらず溶解成分量が少なく高純度で、(式1)で表される樹脂を含有している。その結果、このバインダー粒子を含有する固体電解質組成物は、固体粒子の分散性が優れ、高い結着性を示す。そのため、この固体電解質組成物を用いて製造した全固体二次電池は高い放電容量を示す。
本実施例は、バインダー粒子の含有量を低減した固体電解質組成物を用いて、固体電解質組成物の分散性及び全固体二次電池用正極シートの結着性を評価した。結果を表3に示す。
すなわち、実施例1における固体電解質組成物D−01の調製において、LPSの量を9.9gに、バインダー粒子の分散液D−16を固形分相当で0.1gにそれぞれ変更したこと以外は、固体電解質組成物D−01の調製と同様にして、実施例29の固体電解質組成物を調製した。この固体電解質組成物を用いて、実施例1と同様にして、実施例29の全固体二次電池用正極シートを作製した。
実施例29の固体電解質組成物の調製において、表3に示す樹脂を含有するバインダー粒子の分散液を用いたこと以外は、実施例29の固体電解質組成物の調製と同様にして、実施例30〜39の固体電解質組成物をそれぞれ調製した。得られた固体電解質組成物を用いて、実施例1と同様にして、実施例30〜39の全固体二次電池用正極シートをそれぞれ作製した。
実施例1の<固体電解質組成物の分散性試験>において、上述のようにして調製した実施例29〜39の各固体電解質組成物を用いたこと以外は、実施例1の<固体電解質組成物の分散性試験>と同様にして、実施例29〜39の各固体電解質組成物の分散性を評価した。
実施例1の<全固体二次電池用電極シートの結着性試験>において、実施例29〜39で作製した各全固体二次電池用正極シートから切り出した試験片を用いたこと以外は、実施例1の<全固体二次電池用電極シートの結着性試験>と同様にして、実施例29〜39の各全固体二次電池用電極シートの結着性を評価した。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 コインケース
12 電池積層体
13 イオン伝導度測定用セル(コイン電池)
Claims (20)
- 周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、下記(式1)で表される樹脂を含むバインダー粒子とを含有する固体電解質組成物。
A1は、水素原子、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、ウレア基、ウレタン基、アルコキシシリル基、エポキシ基、イソシアネート基又は水酸基を示す。pは1〜10の整数である。
R2、R3及びR4は各々独立に単結合又は連結基を示す。
P1はSP値が19.5以上である構成成分を50質量%以上含むポリマー鎖を示す。
P2は数平均分子量500以上のマクロモノマーに由来する構成成分を含む高分子鎖を示す。
lは0〜5の整数であり、mは1〜8の整数であり、nは1〜9の整数である。ただし、l+m+nは3〜10の整数である。 - 前記マクロモノマーが、末端又は側鎖にエチレン性不飽和結合を有する、請求項1に記載の固体電解質組成物。
- 前記マクロモノマーが、(メタ)アクリル重合体、ポリエーテル、ポリシロキサン、ポリエステル及びこれらの組み合わせからなる群より選択される高分子鎖と、該高分子鎖に結合するエチレン性不飽和結合とを有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記ポリマー鎖P1が、(メタ)アクリル酸化合物、(メタ)アクリル酸エステル化合物及び(メタ)アクリロニトリル化合物から選ばれる重合性化合物に由来する構成成分を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記マクロモノマーが有する高分子鎖が、炭素数4以上のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル化合物に由来する構成成分と、SP値が20.0以上の重合性化合物に由来する構成成分とを含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記マクロモノマーが有する高分子鎖が、炭素数4以上のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル化合物に由来する構成成分と、下記(式4)で表される構成成分、下記(式5)で表される構成成分及び(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル化合物に由来する構成成分の少なくとも1種の構成成分とを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記マクロモノマーが有する高分子鎖が、脂環構造を有する(メタ)アクリル酸エステル化合物に由来する構成成分を含む、請求項7又は8に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー粒子のガラス転移温度が30℃以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダー粒子の平均粒径が300nm以下である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記無機固体電解質が下記式(S1)で表される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (S1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示す。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。 - 分散媒を含有する、請求項1〜12のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記分散媒が、ケトン化合物、脂肪族化合物及びエステル化合物から選ばれる、請求項13に記載の固体電解質組成物。
- 活物質を含有する、請求項1〜14のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の固体電解質組成物で構成した層を有する全固体二次電池用シート。
- 請求項15に記載の固体電解質組成物で構成した活物質層を有する全固体二次電池用電極シート。
- 正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
前記正極活物質層、前記固体電解質層及び前記負極活物質層の少なくとも1つの層が、請求項1〜15のいずれか1項に記載の固体電解質組成物で構成した層である全固体二次電池。 - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
- 請求項19に記載の製造方法を介して全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
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