JP7053255B2 - 二次電池用バインダ(binder)、二次電池用バインダ樹脂組成物、二次電池用電極、および二次電池 - Google Patents
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Description
まず、図1に基づいて、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池10の構成について説明する。
正極20は、集電体21と、正極活物質層22とを備える。集電体21は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム(aluminium)、ステンレス(stainless)鋼、及びニッケルメッキ(nickel coated)鋼等で構成される。
負極30は、集電体31と、負極活物質層32とを含む。集電体31は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、及びニッケルメッキ鋼等で構成される。負極活物質層32は、少なくとも負極活物質および負極用バインダを含む。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)、ケイ素もしくはスズ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、及びLi4Ti5O12等の酸化チタン系化合物、リチウム窒化物等が考えられる。ケイ素の酸化物は、SiOx(0≦x≦2)で表される。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が挙げられる。なお、本実施形態では、負極用バインダが以下の構成を有するので、充放電の際に大きく膨張収縮する負極活物質、例えばケイ素系活物質を使用した場合であっても、電極の膨れを抑制することができる。
セパレータ40は、特に制限されず、リチウムイオン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。セパレータを構成する樹脂としては、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(polybutylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(Polyester)系樹脂、PVDF、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、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(trifluoro propylene)共重合体、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)-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-エチレン(ethylene)-テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体等を挙げることができる。
非水電解液は、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なく使用することができる。非水電解液は、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(ethylene 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(ethyl methyl carbonate)等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)、酪酸メチル(butyric acid methyl)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(dioxane)、1,4-ジオキサン(dioxane)、1,2-ジメトキシエタン(dimethoxyethane)、1,4-ジブトキシエタン(dibutoxyethane)、メチルジグライム(methyl diglyme)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の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
次に、リチウムイオン二次電池10の製造方法について説明する。正極20は、以下のように作製される。まず、正極活物質、導電剤、及び正極用バインダを上記の割合で混合したものを、溶媒(例えばN-メチル-2-ピロリドン)に分散させることでスラリーを形成する。次いで、スラリーを集電体21上に塗布し、乾燥させることで、正極活物質層22を形成する。なお、塗布の方法は、特に限定されない。塗布の方法としては、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等が考えられる。以下の各塗布工程も同様の方法により行われる。次いで、プレス(press)機により正極活物質層22を上記の範囲内の密度となるようにプレスする。これにより、正極20が作製される。
次に、本実施形態の実施例について説明する。まず、バインダ樹脂組成物の合成例について説明する。なお、以下で記載するモノマーの配合比は、特に断らない限り質量比(質量%)を表すものとする。
メカニカルスターラー、撹拌棒、温度計、冷却管を装着した2000mlの5つ口セパラブルフラスコ内に、蒸留水1000g、アクリル酸(80g,1.110mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(20g,0.106mol)、水酸化リチウム1水和物(18.63g,アクリル酸に対して0.4当量)を加え、300rpmで撹拌を開始したのち、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。加熱を開始し、反応液の温度が65℃になった時点で、開始剤の過硫酸アンモニウム(0.278g,0.00122mol)を蒸留水0.3mlに溶解し加えた。加熱温度を80℃に設定し2時間、更に温度を90℃に昇温し、2時間反応させたところ、粘調な溶液として重合体組成物が得られた。
メカニカルスターラー、撹拌棒、温度計、冷却管を装着した2000mlの5つ口セパラブルフラスコ内に、蒸留水1000g、アクリル酸(90g,1.249mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(10g,0.053mol)を加え、300rpmで撹拌を開始したのち、ダイヤフラムポンプで内圧を10mmHgに減圧し、窒素で内圧を常圧に戻す操作を3回繰り返した。加熱を開始し、反応液の温度が65℃になった時点で、開始剤の過硫酸アンモニウム(0.297g,0.00130mol)を蒸留水0.3mlに溶解し加えた。加熱温度を80℃に設定し2時間、更に温度を90℃に昇温し、2時間反応させたところ、白色スラリー状の固形物として重合体組成物が得られた。
アクリル酸(80g,1.110mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(20g,0.106mol)、過硫酸アンモニウム(0.278g,0.00122mol)、水酸化リチウム1水和物(41.93g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において7.4(Pa・s)であった。
アクリル酸(70g,0.971mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(30g,0.159mol)、過硫酸アンモニウム(0.258g,0.00113mol)、水酸化リチウム1水和物(36.68g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において7.1(Pa・s)であった。
アクリル酸(60g,0.833mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(40g,0.213mol)、過硫酸アンモニウム(0.238g,0.00105mol)、水酸化リチウム1水和物(31.44g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.0%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において6.8(Pa・s)であった。
蒸留水1200g、アクリル酸(80g,1.110mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(20g,0.106mol)、過硫酸アンモニウム(0.416g,0.00182mol)、水酸化リチウム1水和物(41.93g,アクリル酸に対して0.9当量)、希釈用蒸留水3800mlを用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において2.0(Pa・s)であった。
蒸留水1200g、アクリル酸(80g,1.110mol)、アクリル酸2-(2-エトキシエトキシ)エチル(20g,0.106mol)、過硫酸アンモニウム(0.555g,0.00243mol)、水酸化リチウム1水和物(41.93g,アクリル酸に対して0.9当量)、希釈用蒸留水3800mlを用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において1.3(Pa・s)であった。
アクリル酸(90g,1.249mol)、アクリル酸4-ヒドロキシブチル(10g,0.069mol)、過硫酸アンモニウム(0.285g,0.00125mol)、水酸化リチウム1水和物(47.17g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において8.1(Pa・s)であった。
蒸留水920g、アクリル酸(80g,1.110mol)、アクリル酸4-ヒドロキシブチル(20g,0.139mol)、過硫酸アンモニウム(0.253g,0.00111mol)、水酸化リチウム1水和物(41.39g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において7.9(Pa・s)であった。
蒸留水917g、アクリル酸(70g,0.971mol)、アクリル酸4-ヒドロキシブチル(30g,0.208mol)、過硫酸アンモニウム(0.222g,0.00097mol)、水酸化リチウム1水和物(36.68g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において7.6(Pa・s)であった。
蒸留水915g、アクリル酸(60g,0.833mol)、アクリル酸4-ヒドロキシブチル(40g,0.277mol)、過硫酸アンモニウム(0.190g,0.00083mol)、水酸化リチウム1水和物(31.44g,アクリル酸に対して0.9当量)を用いた以外は、全て実施例1と同様にして合成した。反応液の不揮発分(NV)を測定したところ2.0%(理論値2.1%)であった。また、不揮発分(NV)1%とした溶液の25℃におけるせん断粘度は、せん断速度1.0(1/s)において7.2(Pa・s)であった。
(比較例1)
黒鉛シリコン複合負極(シリコン含有量60%)5.5%、人造黒鉛91.5質量%、カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%、スチレンブタジエン共重合体(SBR)2.0質量%の混合比で水系負極合剤スラリーを作製した。なお、負極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して50質量%であった。
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が11.5mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより負極合剤スラリーを銅箔(集電体、厚さ10μm)へ均一に塗工した。次いで、負極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の負極合剤をロールプレス機により合剤密度が1.6g/cm3となるようにプレスした。ついで、負極合剤を150℃で6時間真空乾燥することで、負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに合成例1で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例1で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例2で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例3で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例4で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例5で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例6で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例7で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例8で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例9で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例10で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例2で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用い、スチレンブタジエン共重合体(SBR)1.7質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
カルボキシメチルセルロース(CMC)1.0質量%の代わりに実施例2で合成したバインダ樹脂組成成物1.0質量%を用い、スチレンブタジエン共重合体(SBR)1.5質量%を用いた以外は、全て比較例1と同様にして負極を作製した。
(正極合剤スラリーの作製)
固溶体酸化物Li1.20Mn0.55Co0.10Ni0.15O2 97.4質量%、ケッチェンブラック1.3質量%、ポリフッ化ビニリデン1.3質量%をN-メチル-2-ピロリドンに分散させることで、正極合剤スラリーを形成した。なお、正極合剤スラリー中の不揮発分はスラリー総質量に対して50質量%であった。
次いで、乾燥後の合剤塗工量(面密度)が21.6mg/cm2になるようにバーコータのギャップを調整し、このバーコータにより正極合剤スラリーを集電体であるアルミニウム集電箔上に塗工した。ついで、正極合剤スラリーを80℃に設定した送風型乾燥機で15分乾燥した。ついで、乾燥後の正極合剤をロールプレス機により合剤密度が3.7g/cm3となるようにプレスした。ついで、正極合剤を80℃で6時間真空乾燥することで、正極集電体と正極活物質層とからなるシート状の正極を作製した。
(比較例3)
比較例1で示した負極と正極作成例で示した正極をTabの付いた3cm×5cmの長方形にトムソン刃を用いて各々カットした。カットした電極のTab部に負極はニッケル、正極はアルミのタブリードを各々溶接した。次いで、セパレータ(厚み25ミクロンのポリエチレン製微多孔膜)を3.5cm×5.5cmの長方形にムソン刃を用いてカットした。セパレータを介して正極と負極を対向させ、ラミネートフィルムで包装し、Tab部を熱圧着により固定した。次いで、電解液(1.4MのLiPF6 エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/フルオロエチレンカーボネート=10/70/20混合溶液(体積比))を160μL加え、真空ラミネートすることで完全に封じ、ラミネート型二次電池を作製した。同じ二次電池を合計2つ作製した。
比較例2で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例11で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例12で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例13で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例14で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例15で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例16で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例17で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例18で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例19で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例20で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例21で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
実施例22で作製した負極を用いた以外は全て比較例3と同様にして係る二次電池および対称セルを作製した。
各実施例及び比較例に係る対称セルを25℃で、ソーラトロン社の電気化学測定システムを用いて交流インピーダンス測定を行い、負極抵抗を求めた。評価結果をまとめて表1に示す。
実施例11~22及び比較例1~2で作製した負極を幅25mm、長さ100mmの短冊状に切り出した。ついで、両面テープを用いてステンレス板に活物質面を被着面として張り合わせ、ピール強度試験用サンプルとした。剥離試験機((株)島津製作所社製SHIMAZU EZ-S)にピール強度試験用サンプルを装着し、180度ピール強度を測定した。
実施例11~22及び比較例1~2で作製した負極合剤スラリー5.0gを10mlのスクリュー管瓶に秤量し、12時間室温で放置したのち、目視で活物質の沈降を目視にて確認した。活物質の沈降が見られない場合をOK,見られる場合をNGとして評価した。
20 正極
30 負極
40 セパレータ
Claims (10)
- カルボキシル基含有アクリルモノマーと、水溶性アクリル酸誘導体モノマーとの共重合体と、
スチレンブタジエン共重合体(SBR)と
を含み、
前記水溶性アクリル酸誘導体モノマーの前記共重合体の総質量に対する質量%が10~40質量%であり、且つ
前記共重合体1.0質量%水溶液の25℃におけるせん断粘度が、せん断速度1.0(1/s)において1.0(Pa・s)以上25(Pa・s)以下であることを特徴とするとする、二次電池用バインダ。 - 前記カルボキシル基含有アクリルモノマーが、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、モノメチルマレイン酸、2-カルボキシエチルアクリレート、及び2-カルボキシエチルメタクリレートからなる群のうち、いずれか1種以上であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用バインダ。
- 前記水溶性アクリル酸誘導体モノマーが、エチレングリコール鎖含有アクリルモノマー、及び水酸基含有アクリルモノマーからなる群より選ばれる少なくともいずれか一種であることを特徴とする、請求項1または2に記載の二次電池用バインダ。
- 前記エチレングリコール鎖含有アクリルモノマーが、2-メトキシエチルアクリレート、2-エトキシエチルアクリレート、2-(2-メトキシエトキシ)エチルアクリレート、2-(2-エトキシエトキシ)エチルアクリレート、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチルアクリレート、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチルアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、2-メトキシエチルメタクリレート、2-エトキシエチルメタクリレート、2-(2-メトキシエトキシ)エチルメタクリレート、2-(2-エトキシエトキシ)エチルメタクリレート、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチルメタクリレート、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチルメタクリレート、及びメトキシポリエチレングリコールメタクリレートからなる群のうち、いずれか1種以上であることを特徴とする、請求項3に記載の二次電池用バインダ。
- 前記水酸基含有アクリルモノマーが、2-ヒドロキシエチルアクリレート、2-ヒドロキシプロピルアクリレート、3-ヒドロキシプロピルアクリレート、2-ヒドロキシブチルアクリレート、4-ヒドロキシブチルアクリレート、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、2-ヒドロキシプロピルメタクリレート、3-ヒドロキシプロピルメタクリレート、2-ヒドロキシブチルメタクリレート、4-ヒドロキシブチルメタクリレートからなる群のうち、いずれか1種以上であることを特徴とする、請求項3または4に記載の二次電池用バインダ。
- 前記カルボキシル基含有アクリルモノマーの少なくとも一部が、アルカリ金属塩またはアンモニウム塩であることを特徴とする、請求項1~5のいずれか一項に記載の二次電池用バインダ。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載の二次電池用バインダを含むことを特徴とする、二次電池用バインダ樹脂組成物。
- 請求項1~6のいずれか1項に記載の二次電池用バインダを含むことを特徴とする、二次電池用電極。
- 請求項8に記載の二次電池用電極を備えることを特徴とする、二次電池。
- 前記二次電池用電極は負極であることを特徴とする、請求項9に記載の二次電池。
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