JP7005811B1 - 蓄電デバイス電極用分散剤組成物 - Google Patents

蓄電デバイス電極用分散剤組成物 Download PDF

Info

Publication number
JP7005811B1
JP7005811B1 JP2021163677A JP2021163677A JP7005811B1 JP 7005811 B1 JP7005811 B1 JP 7005811B1 JP 2021163677 A JP2021163677 A JP 2021163677A JP 2021163677 A JP2021163677 A JP 2021163677A JP 7005811 B1 JP7005811 B1 JP 7005811B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
conductive material
mass
positive electrode
present disclosure
carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021163677A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2022063854A (ja
Inventor
昭人 井樋
一雄 隠岐
協一 代田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kao Corp
Original Assignee
Kao Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kao Corp filed Critical Kao Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP7005811B1 publication Critical patent/JP7005811B1/ja
Publication of JP2022063854A publication Critical patent/JP2022063854A/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D133/00Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D133/04Homopolymers or copolymers of esters
    • C09D133/06Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, the oxygen atom being present only as part of the carboxyl radical
    • C09D133/062Copolymers with monomers not covered by C09D133/06
    • C09D133/066Copolymers with monomers not covered by C09D133/06 containing -OH groups
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F20/00Homopolymers and copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride, ester, amide, imide or nitrile thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1818C13or longer chain (meth)acrylate, e.g. stearyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/52Amides or imides
    • C08F220/54Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F226/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen
    • C08F226/06Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a single or double bond to nitrogen or by a heterocyclic ring containing nitrogen by a heterocyclic ring containing nitrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/041Carbon nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00Use of organic ingredients
    • C08K5/16Nitrogen-containing compounds
    • C08K5/17Amines; Quaternary ammonium compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/06Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, which oxygen atoms are present only as part of the carboxyl radical
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/04Homopolymers or copolymers of esters
    • C08L33/14Homopolymers or copolymers of esters of esters containing halogen, nitrogen, sulfur, or oxygen atoms in addition to the carboxy oxygen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L33/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L33/24Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/26Thermosensitive paints
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/20Diluents or solvents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/45Anti-settling agents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/60Additives non-macromolecular
    • C09D7/61Additives non-macromolecular inorganic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/60Additives non-macromolecular
    • C09D7/63Additives non-macromolecular organic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1391Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2800/00Copolymer characterised by the proportions of the comonomers expressed
    • C08F2800/20Copolymer characterised by the proportions of the comonomers expressed as weight or mass percentages
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00Specific properties of additives
    • C08K2201/001Conductive additives
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00Specific properties of additives
    • C08K2201/011Nanostructured additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Emulsifying, Dispersing, Foam-Producing Or Wetting Agents (AREA)

Abstract

【課題】低粘度でハンドリング性が良好な炭素材料系導電材スラリーおよび正極ペーストの調製が可能な分散剤組成物を提供する。【解決手段】アクリル系ポリマー(A)と、下記式(1)で表される化合物(B)と、有機溶媒(C)とを含有し、(A)が下記式(3)で表される構成単位aを含む、組成物。TIFF0007005811000022.tif67159【選択図】なし

Description

本発明は、蓄電デバイス電極用分散剤組成物に関する。
近年、地球温暖化抑制の観点から二酸化炭素を排出しない電気自動車の開発が盛んに行われている。電気自動車には、ガソリン車に比べて、走行距離が短く、バッテリーの充電に時間がかかるという課題がある。充電時間を短くするためには、正極中での電子の移動速度を速める必要がある。現在、非水電解質電池用の正極には、導電助剤(導電材)として、炭素材料が使用されているが、導電材スラリーや正極ペーストの粘度が高くなり、ハンドリング性に問題があり、スラリーやペーストの粘度低下化が望まれている。
特許文献1には、微細炭素繊維と、アミド系有機溶媒である分散媒と、ポリマー系分散剤と、水中でのpKaが7.5以上である有機塩基性化合物からなる微細炭素繊維分散液が開示されている。pKaが7.5以上である有機塩基性化合物としては1~3級アミノ基を有する含窒素有機化合物が使用されており、ポリマー系分散剤としてはメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどが使用されている。
特許文献2には、カーボンナノチューブと、ポリビニルピロリドンと、N-メチル-2-ピロリドンと、アミン系化合物を含有する電極用カーボンナノチューブ分散液について開示されている。
特許文献3では、電池用正極ペーストに含まれる共重合体として、炭素数8~30の炭化水素基を有するモノマーを含むアクリル系ポリマーが開示されている。
特開2014-181140号公報 特許6531926号公報 WO2013/151062号
しかし、特許文献1や特許文献2の技術では、正極塗膜の抵抗値が高く、より良質な導電パス、低抵抗の正極塗膜形成のために、正極ペーストや炭素材料分散液に含まれるカーボンナノチューブ等の炭素材料系導電材料を含むスラリーやペーストを低粘度化できる分散剤や添加剤の提供が望まれている。
そこで、本開示は、一態様において、低粘度でハンドリング性が良好な炭素材料系導電材スラリーおよび正極ペーストの調製を可能とする蓄電デバイス電極用分散剤組成物を提供する。
本開示は、一態様において、アクリル系ポリマー(A)と、下記式(1)で表される化合物(B)と、有機溶媒(C)とを含有し、アクリル系ポリマー(A)が、下記式(3)で表される構成単位aを含む、蓄電デバイス電極用分散剤組成物に関する。
Figure 0007005811000001
上記式(1)中、R1は下記式(2)で表される基を示し、R2は水素原子、炭素数1~4のアルキル基又は-CH2CH2-OHを示す。
Figure 0007005811000002
上記式(2)中、R3、R4、R5及びR6は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又は-CH2OHを示す。
Figure 0007005811000003
上記式(3)中、R7、R8及びR9は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、R10は炭素数1~30の炭化水素基を示し、X1は酸素原子又は-NH-を示す。
本開示は、一態様において、炭素材料系導電材(D)と、本開示の分散剤組成物とを含有する、炭素材料系導電材スラリーに関する。
本開示は、一態様において、本開示の分散剤組成物を含有する、蓄電デバイス用正極ペーストに関する。
本開示は、一態様において、本開示の正極ペーストを用いた正極塗膜の製造方法に関する。
本開示によれば、一態様において、低粘度でハンドリング性が良好な炭素材料系導電材スラリーおよび正極ペーストの調製を可能とする蓄電デバイス電極用分散剤組成物を提供できる。
[蓄電デバイス電極用分散剤組成物]
本開示は、特定のアクリル系ポリマー(A)と特定の化合物(B)とを併用することにより、低粘度でハンドリング性が良好な炭素材料系導電材スラリー及び正極ペーストの調製を可能とする分散剤組成物を提供できる、という知見に基づく。
本開示は、一態様において、アクリル系ポリマー(A)と、上記式(1)で表される化合物(B)と、有機溶媒(C)とを含有し、アクリル系ポリマー(A)が、上記式(3)で表される構成単位aを含む、蓄電デバイス電極用分散剤組成物(以下、「本開示の分散剤組成物」ともいう)に関する。
本開示によれば、一態様において、低粘度でハンドリング性が良好な炭素材料系導電材スラリーおよび正極ペーストの調製を可能とする蓄電デバイス電極用分散剤組成物を提供できる。また、本開示の蓄電デバイス電極分散剤組成物を用いることで、低粘度でハンドリング性が良好な正極ペーストおよび炭素材料系導電材スラリーを提供できる。本開示の炭素材料系導電材用分散剤組成物を用いて調製された蓄電デバイス用正極ペーストを用いることで、低抵抗の正極塗膜を製造できる。
本開示の効果発現のメカニズムの詳細については明らかではないが、以下のように推察される。
アクリル系ポリマー(A)は、炭素数1~30の炭化水素基により炭素材料系導電材に吸着し分散性を発現すると考えられる。しかしながら、アクリル系ポリマー(A)は炭素材料系導電材の表面全体を覆うことなく、炭素材料系導電材の表面には露出した部位が存在する。隣接する炭素材料系導電材は、π-π相互作用および炭素材料系導電材表面に一部存在する極性基同士の水素結合により、有機溶媒中において凝集する。しかし、本開示では、水酸基を有するアミン化合物(B)が前記極性基と相互作用(中和反応や双極子相互作用)することによって炭素材料系導電材間の水素結合を抑制する。さらに、アミン(カチオン)が炭素材料系導電材上のπ電子とカチオン-π相互作用することにより炭素材料系導電材間のπ-π相互作用を抑制する。前記水素結合の抑制と前記π-π相互作用の抑制によって、炭素材料系導電材の分散性が向上し、結果、化合物(B)を添加しない場合と比較して、粘度が低下しているものと推察される。
また、正極塗膜の抵抗値が低くなるメカニズムとしては次のように推察される。アクリル系ポリマー(A)と化合物(B)がそれぞれ炭素材料系導電材と相互作用し、つまりは、これら両方が炭素材料系導電材の表面に吸着している。アクリル系ポリマー(A)は、炭素材料系導電材表面でまだら状に吸着していると推定されるが、アクリル系ポリマー(A)と化合物(B)とが併存すると、両者の炭素材料系導電材の表面に対する競争吸着が生じ、炭素材料系導電材の表面において、吸着したアクリル系ポリマー(A)と化合物(B)は、各々、局在する。化合物(B)が併存しない場合に比べ、アクリル系ポリマー(A)の吸着部面積は減少する。正極ペーストが塗布され乾燥される過程で、化合物(B)は低分子化合物であるため導電材表面から溶媒と一緒に揮発、或いは移動することで、化合物(B)が吸着していた炭素材料系導電材の表面部分が露出し、この露出部分が炭素材料系導電材同士の導電性接点となる。本開示では、化合物(B)が併存しない場合よりも当該露出部分が多く、そのため、導電パスの形成が容易化しており、その結果、正極塗膜の抵抗値を低化可能としているものと推察される。
ただし、本開示はこれらのメカニズムに限定して解釈されない。
<アクリル系ポリマー(A)>
本開示の分散剤組成物に含まれるアクリル系ポリマー(A)(以下、「本開示のアクリル系ポリマー」ともいう)は、後述する構成単位aを含む。本開示のアクリル系ポリマーは、一又は複数の実施形態において、炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、後述する構成単位bをさらに含有することが好ましい。本開示のアクリル系ポリマー(A)としては、一又は複数の実施形態において、後述する構成単位aを含む重合体、後述する構成単位aと後述する構成単位bとを含む共重合体等が挙げられる。本開示のアクリル系ポリマー(A)は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
(構成単位a)
構成単位aは、下記式(3)で表される構成単位である。構成単位aは、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。本開示において、構成単位aは、本開示のアクリル系ポリマー(A)のうちの、炭素材料系導電材表面に吸着する成分である。
Figure 0007005811000004
式(3)中、R7、R8及びR9は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、R10は炭素数1~30の炭化水素基を示し、X1は酸素原子(-O-)又は-NH-を示す。
式(3)において、炭素材料系導電材表面に対する吸着性向上の観点から、R7及びR8は、水素原子が好ましく、R9は水素原子又はメチル基が好ましい。同様の観点から、X1は酸素原子が好ましい。
10の炭化水素基は、炭素材料系導電材表面に対する吸着性向上の観点から、アルキル基又はアルケニル基が好ましい。同様の観点から、R10の炭素数は、1以上であり、6以上が好ましく、8以上がより好ましく、12以上が更に好ましく、14以上が更に好ましく、そして、同様の観点から、30以下が好ましく、24以下がより好ましく、22以下が更に好ましい。R10の炭素数は、同様の観点から、6~30が好ましく、8~30がより好ましく、12~24が更に好ましく、14~22が更に好ましい。R10としては、同様の観点から、オクチル基、2-エチルヘキシル基、デシル基、ラウリル基、ミリスチル基、セチル基、ステアリル基、オレイル基、ベヘニル基等が挙げられる。
構成単位aを与えるモノマー(以下、「モノマーa」ともいう)としては、一又は複数の実施形態において、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート、ベヘニル(メタ)アクリレート等のエステル化合物;2-エチルヘキシル(メタ)アクリルアミド、オクチル(メタ)アクリルアミド、ラウリル(メタ)アクリルアミド、ステアリル(メタ)アクリルアミド、ベヘニル(メタ)アクリルアミド等のアミド化合物が挙げられる。なかでも、炭素材料系導電材の分散性向上の観点及びアクリル系ポリマーへの構成単位aの導入の容易性の観点から、モノマーaは、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート及びベヘニル(メタ)アクリレートから選ばれる少なくとも1種が好ましく、ステアリル(メタ)アクリレート及びベヘニル(メタ)アクリレートから選ばれる少なくとも1種がより好ましく、ステアリルメタクリレート(SMA)及びベヘニルアクリレート(BeA)から選ばれる少なくとも1種が更に好ましく、ステアリルメタクリレートが更に好ましい。
本開示のアクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位aの含有量は、炭素材料系導電材表面に対する吸着性及び炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、好ましくは10質量%以上、より好ましくは15質量%以上、更に好ましくは20質量%以上であり、そして、同様の観点から、好ましくは80質量%以下、より好ましくは75質量%以下、更に好ましくは70質量%以下である。アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位aの含有量は、同様の観点から、好ましくは10~80質量%、より好ましくは15~75質量%、更に好ましくは20~70質量%である。構成単位aが2種以上の組合せである場合、構成単位aの含有量はそれらの合計含有量である。
本開示において、アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位aの含有量は、重合に用いるモノマー全量に対するモノマーaの使用量の割合とみなすことができる。
(構成単位b)
構成単位bは、下記式(4)で表される構成単位b1及び下記式(5)で表される構成単位b2から選ばれる少なくとも1種の構成単位である。構成単位bは、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。本開示において、構成単位bは、本開示のアクリル系ポリマー(A)のうちの炭素材料系導電材表面に吸着せず、立体反発を担う成分である。
Figure 0007005811000005
式(4)中、R11、R12及びR13は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、X2は酸素原子を示し、R14は炭素数2~4の直鎖又は分岐のアルキレン基を示し、pは1~8を示し、R15は水素原子又はメチル基を示す。式(4)において、炭素材料系導電材表面被覆率の観点から、pは8以下が好ましく、6以下がより好ましく、4以下が更に好ましい。
式(5)中、R16、R17及びR18は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、X3は、アミド基、又は炭素数1~4の炭化水素基を有していてもよいピリジニル基を示す。
(構成単位b1)
前記式(4)で表される構成単位b1は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
構成単位b1としては、非イオン性モノマー由来の構造、又は重合後に非イオン性基を導入した構造等が挙げられる。
構成単位b1を与えるモノマー(以下、「モノマーb1」ともいう)としては、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、メトキシエチルメタクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリ(エチレングリコール/プロピレングリコール)モノ(メタ)アクリレート、エトキシポリ(エチレングリコール/プロピレングリコール)モノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらの中でも、立体反発と有機溶媒に対するアクリル系ポリマーの溶解性の観点から、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート(PEGMA)、及びメトキシエチルメタクリレートから選ばれる少なくとも1種が好ましい。モノマーb1は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
(構成単位b2)
前記式(5)で表される構成単位b2は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
アクリル系ポリマー(A)を合成するにあたり、構成単位b2を与えるモノマー(以下、「モノマーb2」ともいう)としては、立体反発と有機溶媒に対するアクリル系ポリマーの溶解性の観点から、4-ビニルピリジン(4-Vpy)、2-ビニルピリジン(2-Vpy)、アクリルアミド、及びメタクリルアミド(MAAm)から選ばれる少なくとも1種が好ましく、4-ビニルピリジン(4-Vpy)、及びメタクリルアミド(MAAm)から選ばれる少なくとも1種がより好ましい。モノマーb2は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
本開示のアクリル系ポリマー(A)が構成単位bを含む場合、本開示のアクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位bの含有量は、立体反発による分散性向上の観点から、20質量%以上が好ましく、25質量%以上がより好ましく、30質量%以上が更に好ましく、そして、同様の観点から、90質量%以下が好ましく、85質量%以下がより好ましく、80質量%以下がさらに好ましい。本開示のアクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位bの含有量は、同様の観点から、20~90質量%が好ましく、25~85質量%がより好ましく、30~80質量%が更に好ましい。構成単位bが2種以上の組合せである場合、構成単位bの含有量は、それらの合計含有量である。 本開示において、アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位bの含有量は、重合に用いるモノマー全量に対するモノマーbの使用量の割合とみなすことができる。
本開示のアクリル系ポリマー(A)は、本開示の効果が奏される限り、構成単位a及び構成単位b以外の構成単位を更に含んでいてもよい。本開示のアクリル系ポリマー(A)の全構成単位中における構成単位aと構成単位bとの合計含有量は、炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、30質量%以上が好ましく、50質量%以上がより好ましく、実質的に100質量%が更に好ましく、100質量%が更により好ましい。
アクリル系ポリマー(A)が構成単位a及び構成単位bを含む共重合体である場合、構成単位aと構成単位bの好ましい組み合わせは、炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、下記が挙げられる。
・SMA/HEMA
・SMA/HEMA/PEGMA(EO2)
・SMA/PEGMA(EO1)/MAAm
・SMA/PEGMA(EO2)/MAAm
・SMA/2-Vpy
・SMA/4-Vpy
・SMA/4-Vpy/MAAm
・SMA/HEMA/MAAm
・BeA/HEMA/MAAm
アクリル系ポリマー(A)が構成単位a及び構成単位bを含む共重合体である場合、構成単位a1及び構成単位bの配列は、ランダム、ブロック、又はグラフトのいずれでも良い。
<アクリル系ポリマーの製造方法>
本開示のアクリル系ポリマー(A)の合成方法は特に限定されず、通常の(メタ)アクリル酸エステル類、及びビニルモノマーの重合に使用される方法が用いられる。アクリル系ポリマー(A)の合成方法としては、例えば、フリーラジカル重合法、リビングラジカル重合法、アニオン重合法、リビングアニオン重合法等が挙げられる。例えば、フリーラジカル重合法を用いる場合は、モノマーa及び必要に応じてモノマーbを含むモノマー成分を溶液重合法で重合させる等の公知の方法で得ることができる。
前記重合に用いられる溶媒としては、例えば炭化水素(ヘキサン、ヘプタン)、芳香族系炭化水素(トルエン、キシレン等)、低級アルコール(エタノール、イソプロパノール等)、ケトン(アセトン、メチルエチルケトン)、エーテル(テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル)、N-メチルピロリドン等の有機溶媒を使用することができる。溶媒量は、モノマー全量に対する質量比で、0.5~10倍量が好ましい。 前記重合に用いられる重合開始剤としては、公知のラジカル重合開始剤を用いることができ、例えばアゾ系重合開始剤、ヒドロ過酸化物類、過酸化ジアルキル類、過酸化ジアシル類、ケトンぺルオキシド類等が挙げられる。重合開始剤量は、モノマー成分全量に対し、0.01~5モル%が好ましく、0.05~4モル%がより好ましく、0.1~3モル%が更に好ましい。重合反応は、窒素気流下、40~180℃の温度範囲で行うのが好ましく、反応時間は0.5~20時間が好ましい。
また、前記重合の際、公知の連鎖移動剤を用いることができる。連鎖移動剤としては、例えば、イソプロピルアルコールや、メルカプトエタノール等のメルカプト化合物が挙げられる。
本開示において、アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中の構成単位aの含有量は、重合に用いるモノマー全量に対する、モノマーaの使用量の比と見なすことができる。アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中の構成単位bの含有量は、重合に用いるモノマー全量に対する、モノマーbの使用量の比と見なすことができる。アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中の構成単位a及び構成単位bの合計含有量は、重合に用いるモノマー全量に対する、モノマーa及びモノマーbの合計使用量の比と見なすことができる。
本開示のアクリル系ポリマー(A)の重量平均分子量は、炭素材料系導電材の分散性向上と有機溶媒に対するアクリル系ポリマーの溶解性の観点から、5000以上が好ましく、7000以上がより好ましく、1万以上が更に好ましく、そして、同様の観点から、100万以下が好ましく、50万以下がより好ましく、30万以下が更に好ましく、10万以下が更により好ましく、6万以下が更により好ましい。同様の観点から、本開示のアクリル系ポリマー(A)の重量平均分子量は、5000~100万が好ましく、7000~50万がより好ましく、1万~30万が更に好ましく、1万~10万が更により好ましく、1万~6万が更により好ましい。本開示において、重量平均分子量はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)により測定した値であり、測定条件の詳細は実施例に示す通りである。
本開示の分散剤組成物中の本開示のアクリル系ポリマー(A)の含有量は、炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは15質量%以上であり、そして、有機溶媒に対するアクリル系ポリマーの溶解性の観点から、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、更に好ましくは30質量%以下である。アクリル系ポリマー(A)が2種以上の組合せである場合、アクリル系ポリマー(A)の含有量はそれらの合計含有量である。
<化合物(B)>
本開示の分散剤組成物に含まれる化合物(B)は、下記式(1)で表される化合物(以下、「本開示の化合物(B)」ともいう)である。
Figure 0007005811000006
上記式(1)中、R1は下記式(2)で表される基を示し、R2は水素原子、炭素数1~4のアルキル基又は-CH2CH2-OHを示す。
Figure 0007005811000007
上記式(2)中、R3、R4、R5及びR6は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又は-CH2OHを示す。
本開示の式(1)で表される化合物(1級又は2級アミン)が、式(1)中のHが炭素原子に置換された3級アミンに比べ優れるのは、立体障害が小さく、炭素材料系導電材のπ電子との相互作用、つまり化合物(B)に由来するカチオンと-炭素材料系導電材由来のπ電子間の相互作用がしやすくなるという理由によると考えられる。1級又は2級アミンを示す式(1)において、R2は、粘度低下の観点から、水素原子(1級アミン)、炭素数1~4のアルキル基(2級アミン)又は-CH2CH2-OH(2級アミン)が好ましく、水素原子、炭素数1のアルキル基又は炭素数2のアルキル基がより好ましい。これは水素原子、メチル基又はエチル基の立体障害は小さく、炭素材料系導電材のπ電子との相互作用、つまり化合物(B)に由来するカチオンと-炭素材料系導電材由来のπ電子間の相互作用がしやすくなるという理由によると考えられる。
式(2)において、R3、R4、R5及びR6は、同一又は異なって、粘度低下の点から、水素原子又はメチル基が好ましい。水素原子又はメチル基は立体障害が小さく、炭素材料系導電材のπ電子との相互作用、つまり化合物(B)に由来するカチオンと炭素材料系導電材由来のπ電子間の相互作用(カチオン-π相互作用)がしやすくなると考えられる。
本開示の化合物(B)としては、一又は複数の実施形態において、エタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-エチルエタノールアミン、2-アミノ-1-プロパノール、2-アミノ-2-メチル-1-プロパノール、1-アミノ-2ープロパノール、2-アミノ1,3、プロパンジオール、及びジエタノールアミンから選ばれる1種以上の化合物が挙げられ、これらのなかでも、導電材の分散性向上と正極ペーストの低粘度を両立する観点から、エタノールアミン、N-メチルエタノールアミン、N-エチルエタノールアミン、2-アミノ-2-メチル-1-プロパノール、1-アミノ-2ープロパノール、及びジエタノールアミンから選ばれる少なくとも1種が好ましく、N-メチルエタノールアミン、N-エチルエタノールアミン、及び2-アミノ-2-メチル-1-プロパノールから選ばれる少なくとも1種がより好ましい。
本開示の分散剤組成物中の本開示の化合物(B)の含有量は、一又は複数の実施形態において、導電材スラリー、正極ペーストの粘度低下の効果の観点から、好ましくは2.3質量%以上、より好ましくは4質量%、更に好ましくは5質量%以上であり、そして、アクリル系ポリマーの均一溶解性の観点から、好ましくは43質量%以下、より好ましくは30質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。化合物(B)が2種以上の組合せである場合、化合物(B)の含有量はそれらの合計含有量である。
本開示の分散剤組成物中の本開示の化合物(B)の含有量は、一又は複数の実施形態において、導電材スラリー及び正極ペーストの粘度低下の効果の観点から、アクリル系ポリマー(A)100質量部に対して、好ましくは10質量部以上、より好ましくは20質量部以上、更に好ましくは30質量部以上であり、そして、アクリル系ポリマーの溶解性の観点から、アクリル系ポリマー(A)100質量部に対して、好ましくは210質量部以下、より好ましくは150質量部以下、更に好ましくは110質量部以下である。
本開示の分散剤組成物中における本開示のアクリル系ポリマー(A)と本開示の化合物(B)との質量比A/Bは、導電材の分散性向上の観点から、0.1以上が好ましく、0.3以上がより好ましく、0.5以上が更に好ましく、0.8以上が更に好ましく、そして、高導電性の観点から、10以下が好ましく、5以下がより好ましく、3以下が更に好ましい。
<有機溶媒(C)>
本開示の分散剤組成物は、一又は複数の実施形態において、有機溶媒(C)を更に含有することができる。有機溶媒(C)としては、正極ペーストに含まれる結着剤(バインダー樹脂)を溶解できるものが好ましい。有機溶媒(C)としては、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチルピロリドン(NMP)などのアミド系極性有機溶媒;メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール(イソプロピルアルコール)、1-ブタノール(n-ブタノール)、2-メチル-1-プロパノール(イソブタノール)、2-ブタノール(sec-ブタノール)、1-メチル-2-プロパノール(tert-ブタノール)、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、またはオクタノールなどのアルコール類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3-プロパンジオール、1,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、またはヘキシレングリコールなどのグリコール類;グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、またはソルビトールなどの多価アルコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、またはテトラエチレングリコールモノブチルエーテルなどのグリコールエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルプロピルケトン、またはシクロペンタノンなどのケトン類;酢酸エチル、γ-ブチルラクトン、およびε-プロピオラクトンなどのエステル類等が挙げられる。有機溶媒(C)は1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
本開示の分散剤組成物中の有機溶媒(C)の含有量は、一又は複数の実施形態において、アクリル系ポリマー(A)の溶解性の観点から、好ましくは30質量%以上、より好ましくは50質量%以上、更に好ましくは65質量%以上であり、そして、アクリル系ポリマー(A)と化合物(B)の均一溶解性の観点から、好ましくは80質量%以下、より好ましくは78質量%以下、更に好ましくは75質量%以下である。
本開示の分散剤組成物は、本開示の効果が妨げられない範囲で、その他の成分を更に含んでもよい。その他の成分としては、例えば、酸化防止剤、中和剤、消泡剤、防腐剤、脱水剤、防錆剤、可塑剤、結着剤(アクリル系ポリマー(A)とは異なる構造のバインダー)等が挙げられる。
[導電材スラリー]
本開示は、一態様において、炭素材料系導電材(D)と、本開示の分散剤組成物とを含有する、導電材スラリー(以下、「本開示の導電材スラリー」ともいう)に関する。本態様における本開示の分散剤組成物の好ましい形態は上述のとおりである。本開示の導電材スラリーは、一又は複数の実施形態において、本開示のアクリル系ポリマー(A)、本開示の化合物(B)、有機溶媒(C)、及び後述する炭素材料系導電材(D)を含む。
<炭素材料系導電材(D)>
炭素材料系導電材(D)としては、一又は複数の実施形態において、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と表記することもある)、カーボンブラック、グラファイト、グラフェン等が挙げられ、これらの中でも、高い導電性を実現する観点から、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、及びグラフェンから選ばれる少なくとも1種が好ましく、同様の観点から、カーボンナノチューブ又はグラフェンがより好ましい。炭素材料系導電材(D)は、1種でもよいし、2種以上の組合せでもよい。
(カーボンナノチューブ)
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンナノチューブ(CNT)の平均直径は、特に限定されないが、CNTの分散性向上の観点から、好ましくは2nm以上、より好ましくは3nm以上、更に好ましくは5nm以上であり、そして、導電性向上の観点から、好ましくは100nm以下が好ましく、より好ましくは70nm以下、更に好ましくは50nm以下である。同様の観点から、CNTの平均直径は、好ましくは2~100nm、より好ましくは3~70nmがより好ましく、更に好ましくは5~50nmである。本開示において、CNTの平均直径は、走査型電子顕微鏡(SEM)や原子間力顕微鏡(AFM)により測定できる。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンナノチューブ(CNT)は、導電性と分散性を両立するために2種以上の直径の異なるものを使用してもよい。2種以上の直径の異なるCNTを使用する場合、相対的に細いCNTの平均直径は、分散性の観点から、好ましくは2nm以上、より好ましくは3nm以上、更に好ましくは5nm以上であり、そして、導電性の観点から、好ましくは29nm以下、より好ましくは25nm、更に好ましくは20nm以下である。相対的に太いCNTの平均直径は、分散性の観点から、好まししくは30nm以上、より好ましくは35nm以上、更に好ましくは40nm以上であり、そして、導電性向上の観点から、好ましくは100nm以下、より好ましくは70nm以下、更に好ましくは50nm以下である。
本開示において、カーボンナノチューブ(CNT)とは、複数のカーボンナノチューブを含む総体を意味する。導電材スラリーの調製に用いられるカーボンナノチューブの形態は、特に限定されないが、例えば、複数のカーボンナノチューブがそれぞれ独立していてもよいし、複数のカーボンナノチューブが束状あるいは絡まり合うなどの形態でもよいし、これらの形態が混合した形態でもよい。カーボンナノチューブは、種々の層数または直径のカーボンナノチューブであってもよい。カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの製造におけるプロセス由来の不純物(例えば、触媒やアモルファスカーボン)を含み得る。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンナノチューブ(CNT)は、一又は複数の実施形態において、グラファイトの1枚面を巻いて筒状にした形状を有するものであり、1層に巻いたものを単層カーボンナノチューブ(SWカーボンナノチューブ)、2層に巻いたものを2層カーボンナノチューブ(DWカーボンナノチューブ)、3層以上に巻いたものを多層カーボンナノチューブ(MWカーボンナノチューブ)ともいう。カーボンナノチューブ分散液を含む電池用正極ペーストを用いて形成される正極塗膜に求められる特性に応じて、単層、2層、多層のいずれのカーボンナノチューブ及びそれらの混合物を用いることができ、正極塗膜は、電極基板(集電体)に塗工して得られた膜状の層である。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるCNTとしては、例えば、Nanocyl社のNC-7000(以下数値は平均直径、9.5nm)NX7100(10nm)、Cnano社のFT6100(9nm)、FT-6110(9nm)、FT-6120(9nm)、FT-7000(9nm)、FT-7010(9nm)、FT-7320(9nm)、FT-9000(12.5nm)、FT-9100(12.5nm)、FT-9110(12.5nm)、FT-9200(19nm)、FT-9220(19nm)、Cabot Performance material(Shenzhen)社のHCNTs4(4.5nm)、CNTs5(7.5nm)、HCNTs5(7.5nm)、GCNTs5(7.5nm)、HCNTs10(15nm)、CNTs20(25nm)、CNTs40(40nm)、韓国CNT社のCTUBE170(13.5nm)、CTUBE199(8nm)、CTUBE298(10nm)、Kumho社のK-Nanos100P(11.5nm)、LG Chem社のCP-1001M(12.5nm)、BT-1003M(12.5nm)、Nano Tech Port社の3003(10nm)、3021(20nm)等が挙げられる。
カーボンナノチューブを2種類組み合わせて使用する場合のCNTとしては、例えば、Cabot Performance material(Shenzhen)社のCNTs40(40nm)とHCNTs4(4.5nm)又はHCNTs5(7.5nm)との組合せ、CNTs40(40nm)とGCNTs5(7.5nm)との組合せ、CNTs40(40nm)とCnano社のFT-7010(9nm)との組合せ、CNTs40(40nm)とFT-9100(12.5nm)との組合せ、CNTs40(40nm)とLG Chem社BT-1003M(12.5nm)との組合せ等が挙げられる。
(カーボンブラック)
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなど各種のものを用いることができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、中空カーボン等も使用できる。カーボンの酸化処理は、カーボンを空気中で高温処理したり、硝酸や二酸化窒素、オゾン等で二次的に処理したりすることより、例えばフェノール基、キノン基、カルボキシル基、カルボニル基の様な酸素含有極性官能基をカーボン表面に直接導入(共有結合)する処理であり、カーボンの分散性を向上させるために一般的に行われている。しかしながら、官能基の導入量が多くなる程カーボンの導電性が低下することが一般的であるため、酸化処理をしていないカーボンの使用が好ましい。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンブラックの比表面積は、値が大きいほど、カーボンブラック粒子どうしの接触点が増えるため、電極の内部抵抗を下げるのに有利となる。具体的には、窒素の吸着量から求められる比表面積(BET)で、好ましくは20m2/g以上1500m2/g以下、より好ましくは50m2/g以上1000m2/g以下、更に好ましくは100m2/g以上800m2/g以下のものを使用することが望ましい。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンブラックの一次粒子径(直径)は、導電性の観点から、5~1000nmが好ましく、10~200nmがより好ましい。本開示において、カーボンブラックの一次粒子径とは、電子顕微鏡などで測定された粒子径を平均したものである。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975 ULTRA等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、BlackPearls2000等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP-Li(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC-300J、EC-600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35、Li-100、Li-250、Li-400、Li-435(デンカ株式会社製、アセチレンブラック)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
(グラフェン)
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるグラフェンとは、一般には1原子の厚さのsp2結合炭素原子のシート(単層グラフェン)を指すが、本開示においては、単層グラフェンが積層した薄片状の形態を持つ物質も含めてグラフェンと呼ぶことにする。
本開示の炭素材料系導電材(D)として使用できるグラフェンの厚みには特に制限は無いが、好ましくは100nm以下、より好ましくは50nm以下、更に好ましくは20nm以下である。グラフェン層に平行な方向の大きさには特に制限は無いが、小さすぎるとグラフェン一個あたりの導電パスが短くなるため、グラフェン間の接触抵抗の影響で導電性が悪くなる。そのため、本開示におけるグラフェンはある程度以上大きいことが好ましい。グラフェン層に平行な方向の大きさは、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは0.7μm以上、更に好ましくは1μm以上である。ここで、グラフェン層に平行な方向の大きさとは、グラフェンの面方向に垂直な方向から観察したときの最大径と最小径の平均を言う。
本開示の導電材スラリー中の炭素材料系導電材(D)の含有量は、正極ペーストの濃度調整の利便性向上の観点から、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましく、3質量%以上が更に好ましく、そして、導電材スラリーを取り扱いやすい粘度とする観点から、10質量%以下が好ましく、8質量%以下がより好ましく、7質量%以下が更に好ましい。本開示の導電材スラリー中の炭素材料系導電材(D)の含有量は、同様の観点から、1~10質量%が好ましく、2~8質量%がより好ましく、3~7質量%が更に好ましい。
<導電材スラリー中のアクリル系ポリマー(A)>
本開示の導電材スラリー中のアクリル系ポリマー(A)の含有量は、炭素材料系導電材(D)の分散性向上の観点から、炭素材料系導電材(D)を100質量部に対し、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは1質量部以上、更に好ましくは5質量部以上であり、そして、高導電性の観点から、好ましくは200質量部以下、より好ましくは100質量部、更に好ましくは50質量部以下である。本開示の導電材スラリー中のアクリル系ポリマー(A)の含有量は、同様の観点から、導電材100質量部に対し、0.1~200質量部が好ましく、1~100質量部がより好ましく、5~50質量部が更に好ましい。
<導電材スラリー中の化合物(B)>
本開示の導電材スラリー中の化合物(B)の含有量は、炭素材料系導電材の分散性向上の観点から、炭素材料系導電材(D)100質量部に対して、0.5質量部以上が好ましく、1.0質量部以上がより好ましく、5質量部以上が更に好ましく、10質量部以上が更により好ましく、20質量部以上が更により好ましく、30質量部以上が更により好ましい。そして、高導電性の観点から、2000質量部以下が好ましく、1000質量部以下がより好ましく、500質量部以下が更に好ましく、100質量部以下が更により好ましく、70質量部以下が更により好ましく、60質量部以下が更により好ましく、50質量部以下が更により好ましい。同様の観点から、化合物(B)の含有量は、炭素材料系導電材(D)100質量部に対して、0.5~2000質量部が好ましく、1.0~1000質量部がより好ましく、5~500質量部が更に好ましく、5~100質量部が更により好ましく、10~70質量部が更により好ましく、20~60質量部が更により好ましく、30~50質量部が更により好ましい。
<導電材スラリーの製造方法>
本開示の導電材スラリーは、一又は複数の実施形態において、本開示の分散剤組成物と炭素材料系導電材(D)、及び必要に応じて溶媒の混合物を混合分散機で調製することができる。前記溶媒としては、上述した本開示の分散剤組成物の調製に用いることができる有機溶媒(C)と同様のものが挙げられる。前記混合分散機としては、例えば、超音波ホモジナイザー、振動ミル、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル、サンドミル、ロールミル、ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、超音波装置、アトライター、デゾルバー、及びペイントシェーカー等から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。導電材スラリーの構成成分のうちの一部成分を混合してから、それを残余と混合することもできるし、各成分は、全量を一度に投入せずに、複数回に分けて投入してもよい。炭素材料系導電材(D)の状態は、乾燥状態でもよいし、溶媒を含んだ状態であってもよい。当該溶媒は、上述した有機溶媒(C)と同じものが挙げられる。
本開示の導電材スラリーの25℃における粘度は、低い方が好ましい。沈降性などの観点から、炭素材料系導電材(D)の含有量が5質量%の場合、例えば、0.02Pa・s以上が好ましく、0.05Pa・s以上がより好ましく、0.2Pa・s以上が更に好ましい。また、導電材スラリーの25℃における粘度は、正極ペースト調製時のハンドリング性向上の観点から、炭素材料系導電材(D)の含有量が5質量%の場合、50Pa・s以下が好ましく、20Pa・s以下より好ましく、10Pa・s以下が更に好ましい。
[正極ペースト]
本開示は、一態様において、本開示の分散剤組成物を含有する、蓄電デバイス用正極ペースト(以下、「本開示の正極ペースト」ともいう)に関する。本態様における本開示の分散剤組成物の好ましい形態は上述のとおりである。すなわち、本開示の正極ペーストは、一又は複数の実施形態において、本開示のアクリル系ポリマー(A)、本開示の化合物(B)、有機溶媒(C)、及び炭素材料系導電材(D)を含む。
本開示の正極ペーストは、一又は複数の実施形態において、正極活物質及び結着剤をさらに含むことができる。
本開示の正極ペーストは、一又は複数の実施形態において、炭素材料系導電材(D)以外の導電材が更に含まれていてもよい。炭素材料系導電材(D)以外の導電材としては、ポリアニリン等の導電性ポリマー等が挙げられる。
<正極活物質>
正極活物質としては、無機化合物であれば特に制限はなく、例えば、オリビン構造を有する化合物やリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。オリビン構造を有する化合物としては、一般式LixM1sPO4(但し、M1は3d遷移金属、0≦x≦2、0.8≦s≦1.2)で表される化合物を例示できる。オリビン構造を有する化合物には、非晶質炭素等を被覆して用いてもよい。リチウム遷移金属複合酸化物としては、スピネル構造を有するリチウムマンガン酸化物、層状構造を有し一般式LixMO2-δ(但し、Mは遷移金属、0.4≦x≦1.2、0≦δ≦0.5)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物等が挙げられる。前記遷移金属Mとしては、Co、Ni又はMnを含むものとすることができる。前記リチウム遷移金属複合酸化物は、さらに、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Zn、P、Bから選ばれる一種又は二種以上の元素を含有していてもよい。
本開示の正極ペースト中の正極活物質の含有量は、正極ペーストが集電体に塗布するのに適した粘度に応じて調整することができる限り、特に制限はないが、エネルギー密度の観点と正極ペーストの安定性の観点から、好ましくは40~90質量%、より好ましくは50~85質量%、さらに好ましくは70~80質量%である。
本開示の正極ペーストの全固形分における正極活物質の含有量について、特に制限はない。本開示の正極ペーストの全固形分における正極活物質の含有量は、従来公知の正極ペーストの全固形分におけるそれと同じであってもよく、電池のエネルギー密度を高度に保つためには、90.0質量%以上が好ましく、合材層の導電性や塗膜性を担保するためには、99.9質量%以下が好ましい。同様の観点から、90.0~99.9質量%が好ましい。
<結着剤(バインダー樹脂)>
結着剤(バインダー樹脂)としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレン-ブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル等単独で、あるいは混合して用いることができる。
本開示の正極ペースト中の結着剤の含有量は、合材層の塗膜性や集電体との結着性の観点から、0.05質量%以上が好ましく、電池のエネルギー密度を高度に保つ観点からは9.95質量%以下が好ましい。
<正極ペースト中のアクリル系ポリマー(A)>
本開示の正極ペースト中の本開示のアクリル系ポリマー(A)の含有量は、塗膜抵抗の観点から、0.01~2.0質量%が好ましく、0.05~1.0質量%がより好ましく、0.07~0.5質量%がさらに好ましい。
<正極ペースト中の化合物(B)>
本開示の正極ペースト中の本開示の化合物(B)の含有量は、正極ペーストの固形分濃度を高くする観点、及び、粘度低下の観点から、好ましくは0.012質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上であり、そして、溶媒への溶解性と正極ペーストの安定性の観点から、好ましくは0.191質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下である。
<正極ペースト中の炭素材料系導電材(D)>
本開示の正極ペーストの導電材(D)の含有量は、合材層の導電性の観点から、好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.05質量%、更に好ましくは0.1質量%であり、そして、電池のエネルギー密度を高度に保つ観点から、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%、更に好ましくは2質量%である。
本開示の正極ペーストは、一又は複数の実施形態において、正極活物質、本開示の導電材スラリー、結着剤(バインダー樹脂)、及び固形分調整等のための溶媒(追加溶媒)等を、混合及び攪拌して、作製することができる。このほか本開示のアクリル系ポリマー(A)以外の分散剤や機能性材料等を添加しても良い。上記溶媒(追加溶媒)としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の非水系溶媒あるいは水等が使用できる。また、本開示の正極ペーストの調製においては、上記溶媒(追加溶媒)としては非水系溶媒を使用することが好ましく、なかでも、NMPを使用することがより好ましい。混合や攪拌にはプラネタリミキサー、ビーズミル、ジェットミル等を用いることができ、また、これらを併用することもできる。
本開示の正極ペーストは、正極ペーストの調製に用いる全成分のうちの一部成分をプレミックスしてから、それを残余と混合することもできる。また、各成分は、全量を一度に投入せずに、複数回に分けて投入しても良い。これにより、攪拌装置の機械的な負荷を抑えることができる。
本開示の正極ペーストの固形分濃度や、正極活物質の量、結着剤の量、導電材スラリーの量、添加剤成分の添加量、溶媒の量は、正極ペーストが集電体に塗布するのに適した粘度に応じて調整することができる。乾燥性の観点からは溶媒の量が小さいほうが好ましいが、正極合材層の均一性や表面の平滑性の観点から、正極ペーストの粘度が高すぎないことが好ましい。一方で、乾燥抑制の観点、及び合材層(正極塗膜)の充分な膜厚を得る観点から、正極ペーストの粘度が低すぎないことが好ましい。
本開示の正極ペーストは、製造効率の観点からは高濃度に調整できることが好ましいが、著しい粘度の増加は作業性の観点から好ましくない。添加剤により、高濃度を保ちつつ、好ましい粘度範囲を保つことができる。
<正極ペーストの製造方法>
本開示の正極ペーストの製造方法は、一又は複数の実施形態において、本開示の炭素材料系導電材スラリーと結着剤と溶媒と正極活物質とを混合する工程を含むことができる。各成分は任意の順に混合してもよい。また、一又は複数の実施形態において、本開示の導電材スラリーと溶媒と結着剤とを混合し、これらが均質になるまで分散したのち、正極活物質を混合し、これらが均質になるまで攪拌することにより正極ペーストを得る方法が挙げられるが、これら成分の添加順序はこの限りではなく、本開示の化合物(B)を本開示のアクリル系ポリマー(A)とは別に正極ペースト調製の段階で添加してもよい。
尚、本開示の導電材スラリー及び正極ペーストは、各々、本開示の効果が妨げられない範囲で、その他の成分を更に含んでもよい。その他の成分としては、例えば、酸化防止剤、中和剤、消泡剤、防腐剤、脱水剤、防錆剤、可塑剤、結着剤等が挙げられる。
[正極塗膜又は電池用正極の製造方法]
本開示は、一態様において、本開示の正極ペーストを用いた正極塗膜又は電池用正極の製造方法に関する。本態様は、本開示の正極ペーストを、集電体に塗工した後、乾燥することを含む。本態様において、本開示の正極ペーストの好ましい形態は上述のとおりである。本開示の正極塗膜の製造方法において、本開示の正極ペーストを用いること以外は、従来から公知の方法により正極塗膜又は電池用正極を製造できる。
正極塗膜又は電池用正極は、例えば、上記の正極ペーストをアルミニウム箔等の集電体に塗工し、これを乾燥して作製する。正極塗膜の密度を上げるために、プレス機により圧密化を行うこともできる。正極ペーストの塗工には、ダイヘッド、コンマリバース ロール、ダイレクトロール、グラビアロール等を用いることができる。塗工後の乾燥は、加温、エアフロー、赤外線照射等を単独あるいは組み合わせて行うことができる。塗工後の乾燥は、乾燥時間を経ることにより、正極ペースト中の化合物(B)および有機溶媒(C)が正極ペースト中に存在できなくなる温度で行う。乾燥温度は、乾燥が行われる環境下(気圧下)において、バインダー樹脂の熱分解温度以下であれば特に制限はないが、好ましくは化合物(B)の沸点以上の温度、より好ましくは有機溶媒(C)の沸点以上の温度である。具体的には、常圧下で、好ましくは60~220℃、より好ましくは80~200℃であり、乾燥時間は、好ましくは10~90分、より好ましくは20~60分である。正極のプレスは、ロールプレス機等により、行うことができる。
以下、本開示の実施例及び比較例を示すが、本開示はこれに限定されるものではない。
1.各パラメータの測定方法
[ポリマーの重量平均分子量の測定]
ポリマーの重量平均分子量は、GPC法により測定した。詳細な条件は以下の通りである。
測定装置:HLC-8320GPC(東ソー社製)
カラム :α-M + α-M(東ソー社製)
カラム温度 :40℃
検出器 :示差屈折率
溶離液 :60mmol/LのH3PO4及び50mmol/LのLiBrのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)溶液
流速 :1mL/min
検量線に用いる標準試料 :ポリスチレン
試料溶液:共重合体の固形分を0.5wt%含有するDMF溶液
試料溶液の注入量 :100μL
[導電材スラリーの粘度測定]
導電材スラリーの粘度(25℃)はそれぞれ、Anton Paar社のMCR302レオメーターに、パラレルプレートPP50を装着し、せん断速度0.1~1000 s-1まで測定し、せん断速度1s-1における粘度を記録し、表5、7、9に示した。
[正極ペーストの粘度測定]
正極ペースト(25℃)の粘度は、Anton Paar社のMCR302レオメーターに、パラレルプレート(直径50mm)を装着し、せん断速度0.1~1000 s-1まで測定し、せん断速度1s-1における粘度を記録し、表6、8、10に示した。
[正極塗膜抵抗値の測定]
正極ペーストを、ポリエステルフィルムに垂らし、100μmのアプリケータで均一に塗工した。この塗工したポリエステルフィルムを100℃で1時間乾燥し厚み40μmの正極塗膜を得た。
PSPプローブを装着したLoresta-GP(三菱ケミカルアナリテック製)にて限界電圧10vにて体積抵抗値を測定した。その結果は表6、8、10に示した。
2.分散剤組成物の調製
[使用原料]
表3に示す分散剤組成物1~23の調製に用いたアクリル系ポリマー(A)及びその原料、化合物(B)等の詳細は、表1、表2及び下記の通りである。
(モノマーa)
SMA:ステアリルメタクリレート(新中村化学工業社製、品番:NK-エステルS)
BeA:ベヘニルアクリレート(新中村化学工業社製、品番:NK-エステルA-BH)
(モノマーb)
HEMA:2-ヒドロキシエチルメタクリレート(富士フイルム和光純薬株式会社製)
PEGMA(EO2):メトキシポリエチレングリコールメタクリレート(新中村化学工業社製、品番:NK-エステルM-20G、エチレンオキサイドの平均付加モル数=2)4-VPy:4-ビニルピリジン(東京化成工業製)
MAAm:メタクリルアミド(東京化成工業社製)
(ホモポリマー)
PVP:ポリビニルピロリドン(富士フイルム和光純薬株式会社製、K-30)
(溶媒)
NMP:N-メチル-2-ピロリドン(富士フイルム和光純薬株式会社製)
(重合開始剤)
V-65B:2,2'-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(富士フイルム和光純薬株式会社製)
Figure 0007005811000008
Figure 0007005811000009
[分散剤組成物1のアクリル系ポリマー(A)の合成例]
滴下用モノマー溶液1として、33.9gのSMA(モノマーa1)、及び27.7gのHEMA(モノマーb11)、25.2gのNMP(溶媒)からなる混合溶液、滴下用モノマー溶液2として、15.4gのMAAm(モノマーb23)、及び34.3gのNMPからなる混合溶液、滴下用開始剤溶液として1.28gのV-65B(重合開始剤)及び12.8gのNMP(溶媒)からなる混合溶液を作製した。
還流管、攪拌機、温度計、窒素導入管、及び滴下漏斗を取り付けたセパラブルフラスコ内を1時間以上窒素置換した。滴下用モノマー溶液1、滴下用モノマー溶液2、及び滴下用開始剤溶液を、各々、65℃の槽内に160分かけて槽内に滴下した。滴下終了後、更に槽内を65℃に維持しながら1時間撹拌した。その後、槽内を80℃まで昇温し、更に2時間撹拌した。次いで、42.6gのNMP(溶媒)を追加し、希釈を行うことで、分散剤組成物1のアクリル系ポリマー(A)溶液を得た。その不揮発分は40質量%で、重量平均分子量は3.4万であった。
[分散剤組成物2~22のアクリル系ポリマー(A)の合成例]
滴下用モノマー溶液の調製において、分散剤組成物2~22のアクリル系ポリマー(A)の合成に使用される各モノマーの質量比を、各々、表3に記載の値としたこと以外は、[分散剤組成物1のアクリル系ポリマー(A)の合成例]と同様にして、分散剤組成物2~22のアクリル系ポリマー(A)溶液を得た。
尚、モノマーが2成分の場合は、滴下用モノマー溶液2の作製は省略した。分散剤組成物10、15のアクリル系ポリマー(A)の合成では、SMA(モノマーa1)とPEGMA(EO2)(モノマーb13)を含む滴下用モノマー溶液1とHEMA(モノマーb11)を含む滴下用モノマー溶液2を調製し、分散剤組成物11のアクリル系ポリマー(A)の合成では、SMA(モノマーa1)と4-Vpy(モノマーb21)を含む滴下用モノマー溶液1と、MAAm(モノマーb23)を含む滴下用モノマー溶液2を調製した。分散剤組成物12、14のアクリル系ポリマー(A)の合成では、SMA(モノマーa1)とPEGMA(EO2)(モノマーb13)を含む滴下用モノマー溶液1と、MAAm(モノマーb23)を含む滴下用モノマー溶液2を調製した。
[分散剤組成物1~23の調製例]
表3に示すアクリル系ポリマー(A)又はPVPと、表2及び3に示す化合物(B)と、表3に示す有機溶媒(C)(NMP)とを均一に混合し、分散剤組成物1~23を得た。各分散剤組成物中の各成分の含有量(有効分、質量%)は、表3に示すとおりである。
Figure 0007005811000010
3.導電材スラリー1~29の調製に用いた導電材
表5、7及び9に示す導電材スラリー1~29の調製に用いた導電材の詳細は、表4に示す通りである。
Figure 0007005811000011
4.導電材スラリー1~25の調製(実施例1~19、比較例1~6)
(実施例1)
導電材P:繊維状炭素ナノ構造体としてのMWカーボンナノチューブ(Cabot社製多層カーボンナノチューブHCNTs10、平均長さ5~12μm(カタログ値)) 5gと分散剤組成物1を5gと、NMP(追加溶媒) 90gを混合し、粗分散液を得た。得られた粗分散液を、分散時に背圧を負荷する多段圧力制御装置(多段降圧器)を有する高圧ホモジナイザー(株式会社美粒製、製品名「BERYU MINI」)に充填し、100MPaの圧力で分散処理を行った。具体的には、背圧を負荷しつつ、粗分散液にせん断力を与えてMWカーボンナノチューブを分散させ、繊維状炭素ナノ構造体分散液として、実施例1の導電材スラリー1(カーボンナノチューブ分散液)を得た。なお、分散処理は、分散液を高圧ホモジナイザーから排出させて再び高圧ホモジナイザーに注入するという循環をさせながら行い、当該循環は20回行った。分散液の排出及び注入速度は30g/分とした。
得られた導電材スラリー1の温度25℃における粘度を測定したところ、粘度は840mPa・sであった。
(実施例2~19、比較例1~6)
分散剤組成物、導電材、追加溶媒の種類及び含有量を表3~表5に示すとおり変更したこと以外は、上記実施例1と同様にして、実施例2~19及び比較例1~6の導電材スラリー2~25(カーボンナノチューブ分散液)を調製した。
調製した各導電材スラリー中の各成分の配合量(有効分、質量%)は、表5に示すとおりである。
Figure 0007005811000012
5.正極ペースト(実施例20~38、比較例7~12)の調製
(実施例20)
上記導電材スラリー1(実施例1) 2.04gと、NMP(追加溶媒) 0.50gと、PVDFのNMP溶液(固形分8% KFポリマーL#7208、株式会社クレハ製、バインダー溶液) 3.8gとを50mlのサンプルビンに秤取り、スパーテルで均一にかき混ぜた。その後、正極活物質としてNMC532(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、日本化学製) 15gを添加し、再度スパーテルで均一になるまでかき混ぜた。さらに自転公転ミキサー(AR-100 株式会社 シンキー製)にて10分間撹拌し、正極ペースト(実施例20)を得た。なお、正極活物質、結着剤(PVDF)、導電材(カーボンナノチューブ)及び分散剤の質量比率は97.24:1.97:0.66:0.13(固形分換算)とし、正極ペーストの固形分量(質量%)は、72.3質量%とした。ここで、正極ペーストの固形分量とは、正極ペーストが含有する、共重合体(分散剤)、正極活物質、導電材及び結着剤からなる材料の固形分の質量%である。得られた正極ペーストの温度25℃における粘度を測定したところ、粘度は5.4Pa・sであった。
(実施例21~38、比較例7~12)
導電材スラリーの種類を表6に示す導電材スラリーに変更したこと以外は、上記実施例20と同様にして、正極ペースト(実施例21~38、比較例7~12)を調製した。調製した各正極ペースト中の各成分の配合量(有効分、質量%)は、表6に示すとおりである。
Figure 0007005811000013
表5に示されるように、実施例1~19の導電材スラリー1~19(カーボンナノチューブ分散液)の粘度は、比較例1~4の導電材スラリー20~23(カーボンナノチューブ分散液)よりも低いことから、実施例1~19では、化合物(B)を含むことで、カーボンナノチューブの分散性が向上していることがわかる。
表6に示されるように、導電材スラリー1~19(カーボンナノチューブ分散液)を含む実施例20~38の正極ペーストの粘度は、導電材スラリー20~25(カーボンナノチューブ分散液)を含む比較例7~12の正極ペーストの粘度よりも低かった。実施例20~38の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜の抵抗値は、比較例7~12の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜のそれよりも低かった。
6.導電材スラリー26~27(実施例39、比較例13)の調製
(実施例39)
容器に分散剤組成物3を1.5gと、NMP(追加溶媒) 25.5gとを測りとり、均一に混合した後、導電材S 3gをかき混ぜながら徐々に添加した。更に自転公転ミキサーで5分混合した後、スパーテルで混合物をかき混ぜた。この操作を3回繰り返し均一なアセチレンブラックスラリー(導電材スラリー26、実施例39)を調製した。
(比較例13)
分散剤組成物として分散剤組成物19を用いたこと以外は、実施例39と同様にして、アセチレンブラックスラリー(導電材スラリー27、比較例13)を調製した。
調製した導電材スラリー中の各成分(分散剤組成物、導電材及び溶媒)の含有量(有効分、質量%)は表7に示すとおりである。
Figure 0007005811000014
7.正極ペースト(実施例40、比較例14)の調製
(実施例40)
上記導電材スラリー26(実施例39) 2.06gとPVDFのNMP溶液(固形分8%、KFポリマーL#7208、株式会社クレハ製、バインダー溶液) 5.15gとを容器に測りとり、自転公転ミキサーで5分混合した後、正極活物質としてNMC532(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、日本化学製) 20gを配合した。スパーテルでかき混ぜた後、自転公転ミキサーで5分混合し、固形分75.8%の正極ペースト(実施例40)を得た。
(比較例14)
導電材スラリーの種類を表8に示す導電材スラリーに変更したこと以外は、上記実施例40と同様にして、正極ペースト(比較例14)を得た。
調製した各正極ペースト中の各成分の配合量(有効分、質量%)は、表8に示すとおりである。
Figure 0007005811000015
表7に示されるように、実施例39の導電材スラリー26(アセチレンブラックスラリー)の粘度は、比較例13の導電材スラリー27(アセチレンブラックスラリー)よりも低いことから、実施例39の導電材スラリー26は、化合物(B)を含むことで、アセチレンブラックの分散性が向上していることがわかる。
表8に示されるように、導電材スラリー26(アセチレンブラックスラリー)を含む実施例40の正極ペーストの粘度は、導電材スラリー27(アセチレンブラックスラリー)を含む比較例14の正極ペーストの粘度よりも低かった。実施例40の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜の抵抗値は、比較例14の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜のそれよりも低かった。
8.導電材スラリー28~29の調製(実施例41、比較例15)
(実施例41)
60mLスクリュー管にグラフェン(Cabot performance material(Shenzhen) Co.Ltd製のグラフェンナノシート(GNS))4.50g、分散剤組成物3を2.25g測り取った。全量30.0gとなるように、更にNMPを追加し、長さ2cmスターラーチップを入れ、300rpm、15分間撹拌した。その後、氷浴中で、スターラー撹拌しながら超音波ホモジナイザー(日本精機製作所社製US-300AT)で、Amplitude30μmで20分間分散し、グラフェンスラリー(導電材スラリー28、実施例41)を得た。
(比較例15)
分散剤組成物として分散剤組成物19を用いたこと以外は、実施例41と同様にして、グラフェンスラリー(導電材スラリー29、比較例15)を得た。
調製した導電材スラリー中の各成分(分散剤組成物、導電材及び溶媒)の含有量(有効分、質量%)は表9に示すとおりである。
[グラフェンスラリーの粘度測定]
グラフェンスラリーの見掛け粘度は、レオメーター(アントン・パール社MCR302)を用いて測定した。剪断速度0.1~100s-1で測定後、更に剪断速度100~0.1s-1で測定を行った。測定温度は25℃で、ローターはパラレルプレート(直径50mm)を用いた。剪断速度100~0.1s-1での測定時の剪断速度10s-1における見掛け粘度をグラフェンスラリーの粘度とした。
Figure 0007005811000016
9.正極ペースト(実施例42、比較例16)の調製
(実施例42)
上記導電材スラリー28(実施例41) 2.06gとPVDFのNMP溶液(固形分8%、KFポリマーL#7208、株式会社クレハ製、バインダー溶液) 5.15gとを容器に測りとり、自転公転ミキサーで5分混合した後、正極活物質としてNMC532(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、日本化学製) 20gを配合した。スパーテルでかき混ぜた後、自転公転ミキサーで5分混合し、固形分75.8%の正極ペースト(実施例42)を得た。
(比較例16)
導電材スラリーの種類を表10に示す導電材スラリー29(比較例15)に変更したこと以外は、上記実施例42と同様にして、正極ペースト(比較例16)を得た。
調製した各正極ペースト中の各成分の配合量(有効分、質量%)は、表10に示すとおりである。
Figure 0007005811000017
表9に示されるように、実施例41の導電材スラリー28(グラフェンスラリー)の粘度は、比較例15の導電材スラリー29(グラフェンスラリー)よりも低いことから、実施例41の導電材スラリー28は、化合物(B)を含むことで、グラフェンの分散性が向上していることがわかる。
表10に示されるように、導電材スラリー28(グラフェンスラリー)を含む実施例42の正極ペーストの粘度は、導電材スラリー29(グラフェンスラリー)を含む比較例16の正極ペーストの粘度よりも低かった。実施例42の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜の抵抗値は、比較例16の正極ペーストを用いて作製された正極塗膜の抵抗値よりも低かった。
本開示の分散剤組成物は、炭素材料系導電材の分散性が良好であり、結果、炭素材料系導電材スラリーの低粘度化が可能である。そして、本開示の分散剤組成物を正極ペーストの調製に用いれば、正極ペーストの粘度も低く、正極塗膜の低抵抗化に寄与しうる。

Claims (9)

  1. アクリル系ポリマー(A)と、下記式(1)で表される化合物(B)と、有機溶媒(C)とを含有し、
    アクリル系ポリマー(A)が、下記式(3)で表される構成単位aを含む、蓄電デバイス電極用分散剤組成物。
    Figure 0007005811000018
    上記式(1)中、R1は下記式(2)で表される基を示し、R2は水素原子、炭素数1~4のアルキル基又は-CH2CH2-OHを示す。
    Figure 0007005811000019
    上記式(2)中、R3、R4、R5及びR6は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又は-CH2OHを示す。
    Figure 0007005811000020
    上記式(3)中、R7、R8及びR9は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、R10は炭素数1~30の炭化水素基を示し、X1は酸素原子又は-NH-を示す。
  2. アクリル系ポリマー(A)の全構成単位中の式(3)で表される構成単位aの含有量が、10質量%以上80質量%以下である、請求項1に記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物。
  3. アクリル系ポリマー(A)は、下記式(4)で表される構成単位b1及び下記式(5)で表される構成単位b2から選ばれる少なくとも1種の構成単位bをさらに含む、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物。
    Figure 0007005811000021
    上記式(4)中、R11、R12及びR13は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、X2は酸素原子を示し、R14は炭素数2~4の直鎖又は分岐のアルキレン基を示し、pは1~8を示し、R15は水素原子又はメチル基を示す。
    上記式(5)中、R16、R17及びR18は、同一又は異なって、水素原子、メチル基又はエチル基を示し、X3は、アミド基、又は炭素数1~4の炭化水素基を有していてもよいピリジニル基を示す。
  4. アクリル系ポリマー(A)の重量平均分子量が10000以上300000以下である、請求項1から3のいずれかに記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物。
  5. 化合物(B)の含有量が、アクリル系ポリマー(A)100質量部に対して10質量部以上210質量部以下である、請求項1から4のいずれかに記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物。
  6. 炭素材料系導電材(D)と、請求項1から5のいずれかに記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物とを含有する、炭素材料系導電材スラリー。
  7. 炭素材料系導電材(D)が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ及びグラフェンから選ばれる少なくとも1種である、請求項6に記載の炭素材料系導電材スラリー。
  8. 請求項1から5のいずれかに記載の蓄電デバイス電極用分散剤組成物を含有する、蓄電デバイス用正極ペースト。
  9. 請求項8に記載の蓄電デバイス用正極ペーストを用いた正極塗膜の製造方法。
JP2021163677A 2020-10-12 2021-10-04 蓄電デバイス電極用分散剤組成物 Active JP7005811B1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020172197 2020-10-12
JP2020172197 2020-10-12

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP7005811B1 true JP7005811B1 (ja) 2022-01-24
JP2022063854A JP2022063854A (ja) 2022-04-22

Family

ID=80624121

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021163677A Active JP7005811B1 (ja) 2020-10-12 2021-10-04 蓄電デバイス電極用分散剤組成物

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230383135A1 (ja)
EP (1) EP4228035A1 (ja)
JP (1) JP7005811B1 (ja)
KR (1) KR20230087513A (ja)
CN (1) CN116390976A (ja)
WO (1) WO2022080206A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7265581B2 (ja) * 2021-05-06 2023-04-26 花王株式会社 蓄電デバイス電極用分散剤
JP7339311B2 (ja) * 2021-11-08 2023-09-05 花王株式会社 蓄電デバイス電極用分散剤組成物
CN115975104A (zh) * 2022-11-16 2023-04-18 瑞固新能(上海)材料科技有限公司 一种丙烯酸酯梳状物分散剂及制备方法
WO2024181461A1 (ja) * 2023-02-28 2024-09-06 パナソニックエナジー株式会社 非水電解質二次電池用の正極スラリー、非水電解質二次電池用の正極の製造方法、および、非水電解質二次電池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001213671A (ja) 2000-01-31 2001-08-07 Taiheiyo Cement Corp 不定形耐火物用粉末分散剤及びこれを用いた不定形耐火物
WO2013151062A1 (ja) 2012-04-03 2013-10-10 株式会社Gsユアサ 電池用正極ペースト
JP2015128006A (ja) 2013-12-27 2015-07-09 花王株式会社 水性導電性ペースト

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5988022A (ja) 1982-11-15 1984-05-21 三菱農機株式会社 コンバインにおける扱深さ自動制御装置
JP2002282773A (ja) * 2001-03-28 2002-10-02 Nippon Paint Co Ltd 積層塗膜形成方法及び積層塗膜
JP6135218B2 (ja) 2013-03-18 2017-05-31 宇部興産株式会社 微細炭素繊維分散液およびその製造方法
JP6415594B2 (ja) * 2013-12-20 2018-10-31 ビーエイエスエフ・コーティングス・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツングBASF Coatings GmbH 顔料およびフィラー含有製剤の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001213671A (ja) 2000-01-31 2001-08-07 Taiheiyo Cement Corp 不定形耐火物用粉末分散剤及びこれを用いた不定形耐火物
WO2013151062A1 (ja) 2012-04-03 2013-10-10 株式会社Gsユアサ 電池用正極ペースト
JP2015128006A (ja) 2013-12-27 2015-07-09 花王株式会社 水性導電性ペースト

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022080206A1 (ja) 2022-04-21
CN116390976A (zh) 2023-07-04
JP2022063854A (ja) 2022-04-22
KR20230087513A (ko) 2023-06-16
EP4228035A1 (en) 2023-08-16
US20230383135A1 (en) 2023-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7005811B1 (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤組成物
KR102022399B1 (ko) 탄소 나노튜브 분산액 및 이의 제조방법
JP2018535284A (ja) カーボンナノチューブ分散液およびその製造方法
JP7516412B2 (ja) 電池用途向けのカソード電極組成物
JP2020194625A (ja) 電池用カーボンナノチューブ分散組成物の製造方法
JP7431218B2 (ja) カーボンナノチューブ用分散剤組成物
EP3955341A1 (en) Dispersant for power storage device positive electrode
WO2021201003A1 (ja) 正極組成物
JP7339311B2 (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤組成物
JP2022181696A (ja) 導電材スラリー
JP2024067508A (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤組成物
JP7265581B2 (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤
JP7339422B2 (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤
KR102590699B1 (ko) 기계적 함침을 이용한 비산화 탄소나노튜브 분산용액의 제조방법, 이로부터 제조되는 비산화 탄소나노튜브 분산용액
US20230352660A1 (en) Electrodes for energy storage devices
WO2023127917A1 (ja) 蓄電デバイス電極用分散剤組成物
US20230197937A1 (en) Electrodes for energy storage devices
WO2023167889A1 (en) Energy storage device
JP2023093009A (ja) 蓄電デバイス用導電材スラリー
CN118476057A (zh) 蓄电设备电极用分散剂组合物
WO2023107459A1 (en) Electrodes for energy storage devices

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211129

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20211129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220104

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220105

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7005811

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151