JP7092232B1 - 導電材分散液、およびそれを用いた二次電池電極用組成物、電極膜、二次電池。 - Google Patents
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Abstract
Description
前記導電材がカーボンナノチューブおよび/またはアセチレンブラックを含み、
前記重合体のムーニー粘度(ML1+4,100℃)が20以上80以下であり、
前記脂肪族炭化水素構造単位が、アルキレン構造単位を含み、前記脂肪族炭化水素構造単位の含有量が、前記重合体の質量を基準として40質量%以上85質量%未満であり、前記ニトリル基含有構造単位の含有量が、前記重合体の質量を基準として15質量%以上50質量%以下であり、
前記導電材分散液の動的粘弾性測定による複素弾性率X(Pa)と位相角Y(°)の積(X×Y)が30以上1,700以下である、
導電材分散液。
本発明の導電材は、少なくともカーボンナノチューブ(CNT)および/またはアセチレンブラック(AB)を含む。また、さらにアセチレンブラック以外のカーボンブラック、グラフェン、多層グラフェン、グラファイト等の炭素材料、その他の導電材を1種または2種以上併用して用いてもよい。CNTおよび/またはAB以外の導電材を用いる場合、これらの中でも、分散剤の吸着性能の観点から、ファーネスブラック、中空カーボンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックが好ましい。また、ファーネスブラック、中空カーボンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックは、中性、酸性、塩基性のいずれでもよく、酸化処理されたカーボンブラックや、黒鉛化処理されたカーボンブラックを使用してもよい。
本発明の重合体は、少なくとも脂肪族炭化水素構造単位、およびニトリル基含有構造単位を含む重合体である。重合体の脂肪族炭化水素構造単位は、アルキレン構造単位を含む。
本明細書において「*」は、他の構造との結合部を表す。
(2a)の方法では、重合体の調製に用いる分子量調整剤の使用量を増やすことでムーニー粘度を低下させる。
(2b)の方法では、塩基を添加して重合体のニトリル基含有構造単位に含まれるニトリル基を加水分解する等により変性させることで重合体のムーニー粘度を低下させる。
(2c)の方法では、重合体に、機械的なせん断力を負荷することでムーニー粘度を低下させる。
分散媒は本発明の重合体と混和するものであれば特に限定されないが、重合体を溶解できることが好ましく、高誘電率溶媒であることがさらに好ましく、高誘電率溶媒のいずれか1種からなる溶媒、または2種以上からなる混合溶媒を含むことが好ましい。また、高誘電率溶媒に、その他の溶媒を1種または2種以上混合して用いてもよい。
本発明の導電材分散液は、少なくともCNTおよび/またはABである導電材、前記重合体、および分散媒とを含有する。本発明の導電材分散液は、必要に応じて、本発明の重合体以外の分散剤、湿潤剤、界面活性剤、pH調整剤、濡れ浸透剤、レベリング剤等、その他の添加剤、その他の導電材、前記重合体以外の高分子成分を、本発明の目的を阻害しない範囲で適宜配合することができ、分散液作製前、分散時、分散後、電極形成用組成物の作製時等、任意のタイミングで添加することが出来る。
本発明の導電材分散液の動的粘弾性測定による複素弾性率は、0.1Pa以上であることが好ましく、0.3Pa以上であることがより好ましく、0.5Pa以上であることがさらに好ましい。また、200Pa以下であることが好ましく、100Pa以下であることがより好ましく、50Pa以下であることがより好ましく、30Pa以下であることがさらに好ましい。
本発明の導電材分散液の動的粘弾性測定による位相角は、1°以上であることが好ましく、5°以上であることがより好ましく、10°以上であることがさらに好ましく、30°以上であることが特に好ましい。また、80°以下であることが好ましく、70°以下であることがより好ましく、60°以下であることがさらに好ましい。
複素弾性率X(Pa)および位相角Y(°)の積(X×Y)は、40以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましい。また、1,500以下であることが好ましく、1,300以下であることがより好ましく、1,000以下であることがさらに好ましい。
本発明の導電材分散液は、例えば、CNTおよび/またはAB、重合体、および分散媒を、分散装置を使用して、分散処理を行い微細に分散して製造することが好ましい。なお、分散処理は、使用する材料の添加タイミングを任意に調整し、2回以上の多段階処理ができる。
本発明の二次電池電極用組成物は、少なくとも上記導電材分散液を含み、バインダー樹脂を含んでもよく、任意の成分をさらに混合してもよい。
二次電池電極用組成物がバインダー樹脂をさらに含む場合、通常、塗料のバインダー樹脂として用いられるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。また、二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂は、活物質、導電材等の物質間を結合することができる樹脂である。二次電池電極用組成物に用いるバインダー樹脂は、例えば、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、酢酸ビニル、ビニルアルコール、マレイン酸、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸エステル、アクリロニトリル、スチレン、ビニルブチラール、ビニルアセタール、ビニルピロリドン等を構成単位として含む重合体または共重合体;ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、アクリル樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂;セルロース樹脂;スチレン-ブタジエンゴム、フッ素ゴムのようなエラストマー;ポリアニリン、ポリアセチレンのような導電性樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂の変性体や混合物、および共重合体でも良い。これらの中でも、正極のバインダー樹脂として使用する場合は、体制面から分子内にフッ素原子を有する重合体または共重合体、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン等が好ましい。また、負極のバインダー樹脂として使用する場合は、密着性が良好なCMC、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸等が好ましい。
正極活物質は、特に限定されないが、例えば、二次電池用途は、リチウムイオンを可逆的にドーピングまたはインターカレーション可能な金属酸化物および金属硫化物等の金属化合物を使用することができる。例えば、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLixNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2)、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixNiyCozMn1-y-zO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLixMn2-yNiyO4)等のリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物粉末(例えばLixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4など)、酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、バナジウム酸化物(例えばV2O5、V6O13)、酸化チタン等の遷移金属酸化物粉末、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、TiS2、およびFeS等の遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。ただし、x、y、zは、数であり、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0<y+z<1である。これら正極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。これらの活物質の中でも、特に、Niおよび/またはMnを含有する活物質は(遷移金属中のNiおよび/またはMnの合計量が50mol%以上の場合は殊更)、原料由来成分または金属イオンの溶出によって、塩基性が高くなる傾向があり、その影響によってバインダーのゲル化や分散状態の悪化が起こりやすいことから、本発明の課題が顕著に出ることがある。したがって、Niおよび/またはMnを含有する活物質を含有する電池の場合、本発明が特に有効である。
負極活物質は、特に限定されないが、例えば、リチウムイオンを可逆的にドーピングまたはインターカレーション可能な金属Li、またはその合金、スズ合金、シリコン合金負極、LiXTiO2、LiXFe2O3、LiXFe3O4、LiXWO2等の金属酸化物系、ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン等の導電性高分子、高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末、樹脂焼成炭素材料を用いることができる。ただし、xは数であり、0<x<1である。これら負極活物質は、1種または複数を組み合わせて使用することもできる。特にシリコン合金負極を用いる場合、理論容量が大きい反面、体積膨張が極めて大きいため、高黒鉛化炭素材料等の人造黒鉛、あるいは天然黒鉛等の炭素質粉末、樹脂焼成炭素材料等と組み合わせて用いるのが好ましい。
電極膜は、前記導電材分散液を用いて形成した膜、前記二次電池電極用組成物を用いて形成した膜からなる群から選択される少なくとも1種を含む。電極膜は、さらに集電体を含んでもよい。電極膜は、例えば、集電体上に二次電池電極用組成物を塗工し、乾燥させることで得ることができ、集電体と膜とを含む。正極合材組成物を用いて形成した電極膜を、正極として使用することができる。負極合材組成物を用いて形成した電極膜を、負極として使用することができる。本明細書において、活物質を含む二次電池電極用組成物を用いて形成した膜を「電極合材層」という場合がある。
二次電池は、正極と、負極と、電解質とを含み、正極及び負極からなる群から選択される少なくとも1つが、前記電極膜を含む。
(重合体のムーニー粘度(ML1+4,100℃)の測定方法)
重合体をNMPに溶解した後、重合体/NMP溶液に精製水を滴下して、重合体を凝固させた。凝固物を回収してメタノールで洗浄し、シャーレに移して60℃、12時間真空乾燥させ、40gの測定用平板状試料を得た。日本工業規格JIS K6300-1に準拠して温度100℃でL形ローターを使用してムーニー粘度(ML1+4、100℃)を測定した。
水素添加率は、前述の全反射測定法による赤外分光分析と同様の方法でIR測定を行い求めた。共役ジエン単量体単位に由来する二重結合は970cm-1にピークが表れ、水素添加された単結合は723cm-1にピークが表れることから、この二つのピークの高さの比率から水素添加率を計算した。
重合体の構造単位の含有量は、核磁気共鳴装置(ADVANCE400Nanobay:Bruker Japan社製)を用い、測定溶媒(D3C)2S=O、1mmNMRチューブ使用)による1H-NMR定量スペクトル、および、測定溶媒(D3C)2S=O、10mmNMRチューブ使用による13C-NMR定量スペクトルから求めた。ただし、重合開始剤や連鎖移動剤が重合体に結合した構造に由来するピークが検出された場合、重合体中の各構造単位含有量からは除いて算出した。
(製造例1 重合体1溶液の作製)
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル30部、1,3-ブタジエン70部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t-ドデシルメルカプタン0.48部、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマーを減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル-共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて重合体生成物を回収した。得られた重合体生成物をNMPに溶解して7%溶液とし、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で1時間せん断力を負荷して、濃度7%の重合体1溶液を得た。
使用する分子量調整剤であるt-ドデシルメルカプタンの含有量を0.6部に変更した以外は、製造例1と同様にして、濃度7%の重合体2溶液を得た。
使用する分子量調整剤であるt-ドデシルメルカプタンの含有量を0.65部に変更し、ハイシアミキサーの処理を、高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製、)に変更した以外は、製造例1と同様にして、濃度7%の重合体3溶液を得た。高圧ホモジナイザーによる処理は、シングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。
水素化ニトリルゴム(ARLANXEO製水素化アクリロニトリル-ブタジエンゴム、Therban(R)3406)をNMPに溶解し、7%容器を作製し、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で1時間せん断力を負荷して、濃度7%の重合体4溶液を得た。
水素化ニトリルゴム(ARLANXEO製水素化アクリロニトリル-ブタジエンゴム、Therban(R)AT 3404)を用いた以外は、製造例4と同様にして、濃度7%の重合体5溶液を得た。
水素化ニトリルゴム(日本ゼオン製水素化アクリロニトリル-ブタジエンゴム、Zetpol(R)2000L)を用いた以外は、製造例4と同様にして、濃度7%の重合体6溶液を得た。
ステンレス製重合反応器に、アクリロニトリル30部、1,3-ブタジエン70部、オレイン酸カリ石ケン3部、アゾビスイソブチロニトリル0.3部、t-ドデシルメルカプタン0.6部、及びイオン交換水200部を加えた。窒素雰囲気下において、撹拌しながら、45℃で20時間の重合を行い、転化率90%で重合を終了した。未反応のモノマーを減圧ストリッピングにより除き、固形分濃度約30%のアクリロニトリル-共役ジエン系ゴムラテックスを得た。続いて、ラテックスにイオン交換水を追加して全固形分濃度を12%に調整し、容積1Lの撹拌機付きオートクレーブに投入して、窒素ガスを10分間にわたり流して内容物中の溶存酸素を除去した。水素化触媒としての酢酸パラジウム75mgを、パラジウムに対して4倍モルの硝酸を添加したイオン交換水180mLに溶解して調製した触媒液を、オートクレーブに添加した。オートクレーブ内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間の水素化反応を行った。その後、内容物を常温に戻し、オートクレーブ内を窒素雰囲気とした後、固形分を乾燥させて重合体生成物を回収した。得られた重合体生成物をNMPに溶解して、濃度7%の重合体7溶液を得た。
水素化ニトリルゴム(ARLANXEO製水素化アクリロニトリル-ブタジエンゴム、Therban(R)3407)をNMPに溶解し、濃度7%の重合体8溶液を得た。
水素化ニトリルゴム(ARLANXEO製水素化アクリロニトリル-ブタジエンゴム、Therban(R)3629)をNMPに溶解し、濃度7%の重合体7溶液を得た。
(導電材の酸性基量の測定方法)
導電材の酸性基量は、ヘキシルアミンの吸着量を逆滴定によって以下のように求め、算出した。導電材0.2gをガラス瓶(M-70、柏洋硝子製)に採取し、ヘキシルアミン/NMP溶液(0.02mol/l)を30ml加えた。ガラス瓶に超音波(周波数28Hz)を1時間照射し、目開き25μmのナイロンメッシュにて粗粒を除去した。さらに遠心分離機(ミニ遠心機MCF-1350(LMS製))にて10,000rpmで10分間遠心分離を行い、上澄みを採取し、メンブレンフィルター(フィルター孔径0.22μm)にてろ過を行い、ろ液を回収した。得られたろ液を10ml採取し、イオン交換水40mlで希釈して被滴定液とした。また、導電材とともに超音波処理を行っていないヘキシルアミン/NMP溶液(0.02mol/l)10mlをイオン交換水40mlで希釈し、標準被滴定液とした。被滴定液および標準被滴定液を、それぞれ、別途電位差自動滴定装置(AT-710S、京都電子工業製)を用いて0.1mol/lのHCl/エタノール溶液にて滴定し、等電点における滴定量の差異から導電材に吸着したヘキシルアミンの量([ヘキシルアミン吸着量](μmol))を算出した。
被滴定液は、ヘキシルアミン/NMP溶液30mlの内、10mlを採取しており、CNT質量は0.2gなので、[へキシルアミン吸着量]に3を乗じて0.2で除した値が導電材単位重量あたりの[ヘキシルアミン吸着量](μmol/g)であり、さらに導電材の比表面積で除した値がCNT表面積あたりの[ヘキシルアミン吸着量](μmol/m2)である。
導電材を電子天秤(sartorius社製、MSA225S100DI)を用いて、0.03g計量した後、110℃で15分間、脱気しながら乾燥させた。その後、全自動比表面積測定装置(MOUNTECH社製、HM-model1208)を用いて、導電材の比表面積(m2/g)を測定した。
・10B:JENOTUBE10B(JEIO製、多層CNT、平均外径10nm、比表面積230m2/g、酸性基量0.67μmol/m2、154μmol/g)
・BT1003M:LUCAN BT1003M(LG chem Ltd製、多層CNT、平均外径13nm、比表面積201m2/g、酸性基量0.25μmol/m2、50μmol/g)
・6A:JENOTUBE6A(JEIO製、多層CNT、平均外径6nm、比表面積700m2/g、酸性基量0.27μmol/m2、190μmol/g)
・TUBALL:シングルウォールカーボンナノチューブ(OCSiAl製、平均外径1.6nm、純度93%、比表面積975m2/g、酸性基量0.21μmol/m2、205μmol/g)
・Li-400:デンカブラックLi-400(デンカ製、アセチレンブラック、平均一次粒子径48nm、比表面積39m2/g比表面積975m2/g、酸性基量0.21μmol/m2、205μmol/g)
(分散粒度の測定方法)
導電材分散液の分散粒度は、溝の最大深さ300μmのグラインドゲージを用い、JIS K5600-2-5に準ずる判定方法により求めた。
導電材分散液の粘度は、B型粘度計(東機産業製「BL」)を用いて、分散液温度25℃にて、分散液をヘラで充分に撹拌した後、直ちにB型粘度計ローター回転速度6rpmにて測定し、引き続き60rpmにて測定した。低粘度であるほど分散性が良好であり、高粘度であるほど分散性が不良である。得られた分散液が明らかに分離や沈降しているものは分散性不良とした。また、60rpmにおける粘度(mPa・s)を、6rpmにおける粘度(mPa・s)で除した値からTI値を求めた。
初期粘度 判定基準
◎:500mPa・s未満(優良)
○:500mPa・s以上2,000mPa・s未満(良)
△:2,000mPa・s以上10,000mPa・s未満(可)
×:10,000mPa・s以上、沈降または分離(不良)
TI値 判定基準
◎:3.0未満(優良)
○:3.0以上5.0未満(良)
△:5.0以上7.0未満(不良)
×:7.0以上、沈降または分離(不可)
光沢測定用の試料は、導電材分散液を平滑なガラス基板上に1mL滴下し、No.7のバーコーターにて2cm/秒で塗工した後、140℃の熱風オーブンで10分間焼き付け、放冷して得た。塗工面積は約10cm×10cmとした。光沢計(BYK Gardner製光沢計 micro gross60°)を用い、端部を除く塗膜面内の3か所を無作為に選び、1回ずつ測定して平均値を60°における光沢とした。
光沢 判定基準
◎:50以上(優良)
○:30以上50未満(良)
△:10以上30未満(不良)
×:10未満(不可)
メジアン径は粒度分布測定装置(Partical LA-960V2、HORIBA製)を用いて測定した。循環/超音波の動作条件は、循環速度:3、超音波強度:7、超音波時間:1分、撹拌速度:1、撹拌モード:連続とした。また、空気抜き中は超音波強度7、超音波時間5秒で超音波作動を行った。水の屈折率は1.333、カーボン材料の屈折率は1.92とした。測定は、測定試料を赤色レーザーダイオードの透過率が60~80%となるように希釈した後行い、粒子径基準は体積とした。
メジアン径 判定基準
○:0.4μm以上2.0μm未満(優良)
△:2.0μm以上5.0μm未満(良)
×:0.4μm未満、または5.0μm以上(不可)
導電材分散液の複素弾性率X及び位相角Yは、直径60mm、2°のコーンにてレオメーター(Thermo Fisher Scientific株式会社製RheoStress1回転式レオメーター)を用い、25℃、周波数1Hzにて、ひずみ率0.01%から5%の範囲で動的粘弾性測定を実施することで評価した。得られた複素弾性率が小さいほど分散性が良好であり、大きいほど分散性が不良である。また、得られた位相角が大きいほど分散性が良好であり、小さいほど分散性が不良である。さらに、得られた複素弾性率X(Pa)と位相角Y(°)の積(X×Y)を算出した。
貯蔵安定性の評価は、分散液を50℃にて7日間静置して保存した後の粘度を測定した。測定方法は初期粘度と同様の方法で測定した。
貯蔵安定性 判定基準
◎:初期同等(優良)
○:粘度がやや変化した(良)
△:粘度は上昇しているがゲル化はしていない(不良)
×:ゲル化している(極めて不良)
ディスパーにて撹拌しながら導電材分散液にNMPを少しずつ滴下し、50倍に希釈したものを、表面が平滑な基材に少量滴下し、乾燥させて観察用試料とした。得られた観察用試料を走査型電子顕微鏡にて観測するとともに撮像した。導電材がCNTの場合は、観測写真において、任意の300個のCNTを選び、それぞれの繊維長を計測して、平均値を算出し、平均繊維長とした。導電材がABの場合は、観測写真において、任意の100個のABを選び、それぞれのストラクチャー長を計測して、平均値を算出し、平均ストラクチャー長とした。
(実施例1-1)
ステンレス容器に濃度7%の重合体1溶液およびNMPを、重合体が0.6質量部、NMP合計量が91.1質量部となるように加えて、10B(CNT)を3.0質量部とり、ディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は180μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。被分散液のB型粘度計(TOKI SANGYO製、VISCOMETER、MODEL:BL)で測定した60rpmにおける粘度が3,000mPa・s以下となるまで分散した後、ディスパーで撹拌しながら、ステンレス容器に1.0質量部の10B、重合体1が0.2質量部となるように重合体1溶液をさらに添加し、再び高圧ホモジナイザーにより循環式分散処理を行った。高圧ホモジナイザーにより粘度が3,000mPa・s以下となるまで循環式分散した後に、ディスパーで撹拌しながらステンレス容器に10Bおよび重合体1溶液を追加する作業を、再び繰り返した(10Bの合計添加量は5.0質量部である)。引き続き、高圧ホモジナイザーにて25回パス式分散処理を行い、5.0質量部のCNTを含む導電材分散液(分散液1)を得た。
重合体1溶液を、表2に示した重合体溶液に変更した以外は、実施例1-1と同様にして導電材分散液(分散液2~7)を得た。
導電材の種類および重合体溶液を、表2に示すように変更した以外は、実施例1-1と同様にして導電材分散液(分散液8)を得た。
ステンレス容器に濃度7%の重合体2溶液およびNMPを、重合体が0.5質量部、NMP合計量が94.5質量部となるように加えて、6A(CNT)を2質量部とり、ディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は180μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。被分散液のB型粘度計(TOKI SANGYO製、VISCOMETER、MODEL:BL)で測定した60rpmにおける粘度が3,000mPa・s以下となるまで分散した後、ディスパーで撹拌しながら、ステンレス容器に0.5質量部の6A、重合体2が0.13質量部となるように重合体2溶液をさらに添加し、再び高圧ホモジナイザーにより循環式分散処理を行った。高圧ホモジナイザーにより粘度が3,000mPa・s以下となるまで循環式分散した後に、ディスパーで撹拌しながらステンレス容器に6Aおよび重合体2溶液を追加する作業を、再び繰り返した(6Aの合計添加量は3.0質量部である)。引き続き、高圧ホモジナイザーにて25回パス式分散処理を行い、3.0質量部のCNTを含む導電材分散液(分散液9)を得た。
ステンレス容器に濃度7%の重合体2溶液およびNMPを、重合体が0.3質量部、NMP合計量が97.1質量部となるように加えて、TUBALL(CNT)を0.5質量部とり、ディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は180μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。被分散液のB型粘度計(TOKI SANGYO製、VISCOMETER、MODEL:BL)で測定した60rpmにおける粘度が3,000mPa・s以下となるまで分散した後、ディスパーで撹拌しながら、ステンレス容器に0.2質量部のTUBALL、重合体2が0.1質量部となるように重合体2溶液をさらに添加し、再び高圧ホモジナイザーにより循環式分散処理を行った。高圧ホモジナイザーにより粘度が3,000mPa・s以下となるまで循環式分散した後に、ディスパーで撹拌しながらステンレス容器にTUBALLおよび重合体2溶液を追加する作業を、再び繰り返した(TUBALLの合計添加量は1.0質量部である)。引き続き、高圧ホモジナイザーにて25回パス式分散処理を行い、1.0質量部のCNTを含む導電材分散液(分散液10)を得た。
ステンレス容器に濃度7%の重合体2溶液およびNMPを、重合体が0.6質量部、NMP合計量が79.4質量部となるように加えて、ディスパーで撹拌しながらLi-400(AB)を20.0質量部とり、ディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は180μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介して高圧ホモジナイザー(スターバーストラボHJP-17007、スギノマシン製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。分散処理はシングルノズルチャンバーを使用し、ノズル径0.25mm、圧力100MPaにて行った。被分散液のB型粘度計(TOKI SANGYO製、VISCOMETER、MODEL:BL)で測定した60rpmにおける粘度が3,000mPa・s以下となるまで分散した。引き続き、高圧ホモジナイザーにて7回パス式分散処理を行い、20.0質量部のABを含む導電材分散液(分散液11)を得た。
実施例1-2で、ステンレス容器に初めに加えたNMPの一部を、表2に記載の添加剤にそれぞれ置き換えた以外は、実施例1-2と同様にして、導電材分散液(分散液12~14)を得た。
7%のPVP/NMP溶液を調製し、実施例1-2で用いた重合体2溶液の4割を7%PVP/NMP溶液と置き換えた以外は、実施例1-2と同様にして、導電材分散液(分散液15)を得た。
ステンレス容器に濃度7%の重合体2溶液およびNMPを、重合体が0.6質量部、NMP合計量が91.1質量部となるように加えて、10B(CNT)を3.0質量部とり、ディスパーで撹拌しながら添加して、ハイシアミキサー(L5M-A、SILVERSON製)に角穴ハイシアスクリーンを装着し、8,600rpmの速度で全体が均一になり、グラインドゲージにて分散粒度が250μm以下になるまでバッチ式分散を行った。このとき、グラインドゲージにて確認した分散粒度は180μmであった。続いて、ステンレス容器から、配管を介してビーズミル(ピコミル、淺田鉄工製)に被分散液を供給し、循環式分散処理を行った。直径0.5mmのジルコニアビーズを、充填率80%で用いた。被分散液の粘度が3,000mPa・s以下となるまで循環式分散した後、ディスパーで撹拌しながら、ステンレス容器に1.0質量部の10B、重合体1が0.2質量部となるように重合体2溶液をさらに添加し、再びビーズミルにより循環式分散処理を行った。ビーズミルにより粘度が3,000mPa・s以下となるまで循環式分散した後に、ディスパーで撹拌しながらステンレス容器に10Bおよび重合体2溶液を追加する作業を、再び繰り返した(10Bの合計添加量は5.0質量部である)。引き続き、ビーズミルにて25回パス式分散処理を行い、5.0質量部のCNTを含む導電材分散液(比較分散液1)を得た。
実施例1-2で、高圧ホモジナイザーのパス式分散処理を25回とした代りに、10回とした以外は、実施例1-2と同様にして、5.0質量部のCNTを含む導電材分散液(比較分散液2)を得た。
実施例1-1で、重合体1溶液を、表2に示した重合体溶液に変更した以外は、実施例1-1と同様にして導電材分散液(比較分散液3、4)を得た。
・アミノエタノール:2-アミノエタノール(東京化成工業製、純度>99.0%)
・NaOH:水酸化ナトリウム(東京化成工業製、純度>98.0%、顆粒状)
・BuONa:ナトリウム-t-ブトキシド(東京化成工業製、純度>98.0%)
・PVP:ポリビニルピロリドン K-30(日本触媒製、不揮発分100%、酸価0mgKOH/g)
(実施例2-1a)
容量150cm3のプラスチック容器に導電材分散液(分散液1)と、予めNMPに8%となるように溶解しておいたPVdF(solef5130、solvay製、不揮発分100%)とを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、その後、正極活物質としてNMC1(NCM523、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、日本化学工業製、不揮発分100%)を添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで150秒間撹拌し、正極用合材組成物を得た。正極用合材組成物の不揮発分は77質量%とした。正極用合材組成物の不揮発分の内、NMC1:10B:PVdFの不揮発分比率は98:0.5:1.5とした。
導電材分散液を、表4に示す各導電材分散液(分散液2~15、比較分散液1~4)と固形分組成比に変更した以外は、実施例2-1と同様の方法により、それぞれ正極2a~15a、比較正極1a~4aを得た。
(正極の導電性評価方法)
得られた正極を、三菱化学アナリテック製:ロレスターGP、MCP-T610を用いて合材層の表面抵抗率(Ω/□)を測定した。測定後、合材層の厚みを乗算し、正極の体積抵抗率(Ω・cm)とした。合材層の厚みは、膜厚計(NIKON製、DIGIMICROMH-15M)を用いて、電極中の3点を測定した平均値から、アルミ箔の膜厚を減算し、正極の体積抵抗率(Ω・cm)とした。
導電性 判定基準
◎:10Ω・cm未満(優良)
〇:10Ω・cm以上20Ω・cm未満(良)
△:20Ω・cm以上30Ω・cm未満(不良)
×:30Ω・cm以上(不可)
得られた正極を、塗工方向を長軸として90mm×20mmの長方形に2本カットした。剥離強度の測定には卓上型引張試験機(東洋精機製作所製、ストログラフE3)を用い、180度剥離試験法により評価した。具体的には、100mm×30mmサイズの両面テープ(No.5000NS、ニトムズ製)をステンレス板上に貼り付け、作製した正極の合材層側を両面テープのもう一方の面に密着させ試験用試料とした。次いで、試験用試料を長方形の短辺が上下にくるように垂直に固定し、一定速度(50mm/分)でアルミ箔の末端を下方から上方に引っ張りながら剥離し、このときの応力の平均値を剥離強度とした。
密着性 判定基準
◎:1N/cm以上(優良)
○:0.5N/cm以上1N/cm未満(良)
△:0.3N/cm以上0.5N/cm未満(不良)
×:0.3N/cm未満(極めて不良)
正極活物質を、NMC1からNMC2(S800、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、金和製、不揮発分100%)に変更した以外は、実施例2-1aと同様にして、それぞれ正極1b~15b、比較正極1b~4bを得た。得られた正極の導電性、および密着性は、同じ導電材分散液を用いた正極1a~15a、比較正極1a~4aと、それぞれ同様の傾向であった。
(標準負極の作製)
容量150mlのプラスチック容器にアセチレンブラック(デンカブラック(登録商標)HS‐100、デンカ製)0.5質量部と、MAC500LC(カルボキシメチルセルロースナトリウム塩 サンローズ特殊タイプ MAC500L、日本製紙製、不揮発分100%)1質量部と、水98.4質量部とを加えた後、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌した。さらに活物質として人造黒鉛(CGB-20、日本黒鉛工業製)を97質量部添加し、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで150秒間撹拌した。続いてSBR(スチレンブタジエンゴム、TRD2001、不揮発分48%、JSR製)を3.1質量部加えて、自転・公転ミキサー(シンキー製 あわとり練太郎、ARE-310)を用いて、2,000rpmで30秒間撹拌し、標準負極用合材組成物を得た。標準負極用合材組成物の不揮発分は50質量%とした。
(二次電池の作製)
表5に記載した正極および標準負極を使用して、各々50mm×45mm、45mm×40mmに打ち抜き、打ち抜いた正極および標準負極と、その間に挿入されるセパレーター(多孔質ポリプロプレンフィルム)とをアルミ製ラミネート袋に挿入し、電気オーブン中、70℃で1時間乾燥した。その後、アルゴンガスで満たされたグローブボックス内で、電解液(エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1:1:1の割合で混合した混合溶媒を作製し、さらに添加剤として、ビニレンカーボネートを100質量部に対して1質量部加えた後、LiPF6を1Mの濃度で溶解させた非水電解液)を2mL注入した後、アルミ製ラミネートを封口して二次電池をそれぞれ作製した。
得られた二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流1mA(0.02C))を行った後、放電電流10mA(0.2C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を3回繰り返した後、充電電流10mA(0.2C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流(1mA0.02C))を行い、放電電流0.2Cおよび3Cで放電終止電圧3.0Vに達するまで定電流放電を行って、それぞれ放電容量を求めた。レート特性は0.2C放電容量と3C放電容量の比、以下の数式1で表すことができる。
(数式1) レート特性 = 3C放電容量/3回目の0.2C放電容量 ×100 (%)
レート特性 判定基準
◎:80%以上(優良)
○:60%以上80%未満(良)
△:40%以上60%未満(不良)
×:40%未満(極めて不良)
得られた二次電池を25℃の恒温室内に設置し、充放電装置(北斗電工製、SM-8)を用いて充放電測定を行った。充電電流25mA(0.5C)にて充電終止電圧4.3Vで定電流定電圧充電(カットオフ電流2.5mA(0.05C))を行った後、放電電流25mA(0.5C)にて、放電終止電圧3Vで定電流放電を行った。この操作を200回繰り返した。サイクル特性は25℃における3回目の0.5C放電容量と200回目の0.5C放電容量の比、以下の数式2で表すことができる。
(数式2)サイクル特性 = 3回目の0.5C放電容量/200回目の0.5C放電容量×100(%)
サイクル特性 判定基準
◎:85%以上(優良)
○:80%以上85%未満(良)
△:50%以上80%未満(不良)
×:50%未満(極めて不良)
正極1aの代わりに、それぞれ正極1b~15b、比較正極1b~4bに変えた以外は、実施例3-1aと同様にして、それぞれ電池1b~15b、比較電池1b~4bを作製した。得られた電池のレート特性、サイクル特性は、同じ導電材分散液を用いた電池1a~15a、比較電池1a~4aと、それぞれ同様の傾向であった。
Claims (9)
- 導電材と、脂肪族炭化水素構造単位、およびニトリル基含有構造単位を含む重合体と、分散媒とを含有する導電材分散液であって、
前記導電材がカーボンナノチューブおよび/またはアセチレンブラックを含み、
前記重合体のムーニー粘度(ML1+4,100℃)が20以上80以下であり、
前記脂肪族炭化水素構造単位が、アルキレン構造単位を含み、前記脂肪族炭化水素構造単位の含有量が、前記重合体の質量を基準として40質量%以上85質量%未満であり、前記ニトリル基含有構造単位の含有量が、前記重合体の質量を基準として15質量%以上50質量%以下であり、
前記分散媒が20℃において比誘電率が2.5以上の高誘電率溶媒を含み、前記高誘電率溶媒が、アミド系溶媒、複素環系溶媒、スルホキシド系溶媒、スルホン系溶媒、低級ケトン系溶媒、カーボネート系溶媒、テトラヒドロフラン、尿素、およびアセトニトリルからなる群から選択される少なくとも1種を含み、
前記導電材分散液の動的粘弾性測定による複素弾性率X(Pa)と位相角Y(°)の積(X×Y)が30以上1,700以下であり、
前記導電材分散液の動的粘弾性測定による位相角Y(°)が5°以上80°以下である、導電材分散液。 - 動的粘弾性測定による複素弾性率が0.1Pa以上200Pa以下である、請求項1記載の導電材分散液。
- 前記高誘電率溶媒が、アミド系溶媒を含む、請求項1または2記載の導電材分散液。
- B型粘度計により測定したTI値が1.5~5.0である、請求項1~3いずれか記載の導電材分散液。
- メジアン径が0.4μm以上5.0μm未満である、請求項1~4いずれか記載の導電材分散液。
- 導電材分散液を、基材に塗工乾燥して得られた膜の、60°で測定した光沢が5~120である、請求項1~5いずれか記載の導電材分散液。
- 請求項1~6いずれか記載の導電材分散液を含んでなる、二次電池電極用組成物。
- 請求項7記載の二次電池電極用組成物を塗工してなる電極膜。
- 請求項8記載の電極膜を含む、二次電池。
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